(57)【要約】【課題】燃料ガス流路系と酸化ガス流路系との間に配置されている排出弁に不具合が発生した場合における、燃料電池システムから排出される排気ガス中における燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料ガスリターン管ＡＬ３と酸化ガス排出管ＣＬ２との間に配置され、燃料ガスリターン管ＡＬ３内のガスを酸化ガス排出管ＣＬ２に排出可能な燃料ガス排出弁６０と、燃料ガス排出弁６０に対する閉弁制御が実行された後に、燃料ガス排出弁６０から酸化ガス排出管ＣＬ２へと流れる漏れガスの流量に応じて酸化ガス供給装置３０により供給されるべき希釈ガス流量を決定する制御装置２０を備える。制御装置２０は、漏れガスの流量が多くなるに連れて希釈ガス流量を多く決定する。【選択図】図１
2018097936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
酸化ガス供給部と、酸化ガス排出部と、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部とを有する燃料電池と、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
前記酸化ガス供給装置と前記酸化ガス供給部とを接続する酸化ガス供給管と、
前記酸化ガス排出部に接続されている酸化ガス排出管と、
前記燃料ガス供給部に接続されている燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス排出部と前記燃料ガス供給管とを接続する燃料ガスリターン管と、
前記燃料ガスリターン管と前記酸化ガス排出管との間に配置され、前記燃料ガスリターン管内のガスを前記酸化ガス排出管に排出可能な燃料ガス排出弁と、
前記燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後に、前記燃料ガス排出弁から前記酸化ガス排出管へと流れる漏れガスの流量に応じて前記酸化ガス供給装置により供給されるべき希釈ガス流量を決定する制御装置であって、前記漏れガスの流量が多くなるに連れて前記希釈ガス流量を多く決定する制御装置と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記漏れガスの流量を用いて前記燃料ガス排出弁が開弁状態にあると判定した場合に、前記漏れガスの流量に応じて前記希釈ガス流量を決定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムはさらに、
前記燃料ガス供給管の一部および前記燃料ガスリターン管により形成される燃料ガス循環路における燃料ガスの圧力を検出する圧力計を備え、
前記制御装置は、予め定められた基準燃料ガス圧力値に対する前記圧力計により検出された検出圧力値の比を求め、前記比が小さくなるにつれて前記漏れガスの流量は多くなると推定して、前記希釈ガス流量を多く決定する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後であって、前記燃料電池の暖機処理の実行前に、前記燃料ガス循環路における燃料ガス圧力を上昇させて、前記燃料電池を理論空燃比または理論空燃比よりもリッチな燃料ガス濃度にて稼働させる暖機前処理が実行され、
前記制御装置は、前記暖機前処理の実行中に前記希釈ガス流量を決定する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準燃料ガス圧力値は、前記燃料ガス排出弁が全開の際の前記燃料ガス循環路における前記燃料ガスの圧力値であり、
前記制御装置は、予め定められた期間における前記検出圧力値の変動量と前記基準燃料ガス圧力値の変動量との比である前記燃料ガス排出弁の開口率を算出し、前記開口率が大きくなるにつれて前記漏れガスの流量は多くなると推定して、前記希釈ガス流量を多く決定する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後であって、前記燃料電池の暖機運転の実行前に、前記燃料ガス循環路における燃料ガス圧力を上昇させて、前記燃料電池を理論空燃比または理論空燃比よりもリッチな燃料ガス濃度にて稼働させる暖機前処理が実行され、
前記予め定められた期間は、前記暖機前処理の実行期間であり、
前記制御装置は、前記検出圧力値の変動量が閉弁不能判定閾値以上である場合に前記燃料ガス排出弁に閉弁不能状態が生じていると判定する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置はさらに、前記燃料電池の暖機処理時における目標燃料ガス圧力が低くなるにつれて低減させた前記希釈ガス流量を決定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムはさらに、
前記燃料電池を迂回して、前記酸化ガス供給管と前記酸化ガス排出管とを連通する酸化ガス迂回管と、
前記酸化ガス迂回管に配置され、前記酸化ガスの流れを前記酸化ガス供給部へ向かう第１の流れと、前記酸化ガス排出管へ向かう第２の流れとに、任意の割合で分流可能な分流弁と、を備え、
前記制御装置はさらに、前記酸化ガス供給装置に対して、前記希釈ガス流量による酸化ガスの供給を指示する際に、前記第１の流れに対する前記第２の流れの流量比が減少する弁開度を前記分流弁に対して指示する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムはさらに、
前記燃料電池の外部における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出器を備え、
前記制御装置はさらに、前記希釈ガス流量による酸化ガスの供給を前記酸化ガス供給装置に指示した後に、前記燃料ガス濃度検出器によって検出された燃料ガス濃度が判定閾値よりも高い場合には、前記希釈ガス流量を更に増大させる、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機処理時に、前記決定された希釈ガス流量による酸化ガスの供給を前記酸化ガス供給装置に指示する、燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池の燃料ガス排出部と燃料ガス供給管とを接続する燃料ガスリターン管と酸化ガス排出管との間に配置され、燃料ガスリターン管内のガスを酸化ガス排出管に排出可能な燃料ガス排出弁に対する閉弁制御の実行指示を取得し、
前記燃料ガス排出弁から前記酸化ガス排出管へと流れる漏れガスの流量に応じて酸化ガス供給装置により供給されるべき希釈ガス流量を、前記漏れガスの流量が多くなるに連れてを多くなるよう決定すること、を備える燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のアノードから排出される排出燃料ガスを燃料電池のアノードに再投入する燃料ガス循環路を有する燃料電池システムが知られている。このタイプの燃料電池システムでは、燃料ガス循環路を流れる排出燃料ガス中に含まれる水分、窒素ガスといった不純物を定期的に燃料ガス循環路の外、例えば、酸化ガス排気管に排出するために、燃料ガス循環路と酸化ガス排気管との間に燃料ガス排出弁が備えられている。この燃料ガス排出弁の開閉動作に不具合が生じると、燃料ガス循環路内の燃料ガス濃度の低下による燃料電池の性能低下、酸化ガス排気管から排出される排気ガス中における燃料ガス濃度の上昇という問題が発生する。この問題を解決するために燃料ガス排出弁の故障を判定する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２００５／１１９８２３号
【特許文献２】特開２００４−１７２０２７号公報
【０００４】
しかしながら、従来の技術においては燃料ガス排出弁の不具合の検出に止まり、燃料ガス排出弁の不具合に伴う酸化ガス排気管から排出される排気ガス中における燃料ガス濃度の上昇の防止や抑制については十分に考慮されていなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、燃料電池システムにおいて、燃料ガス排出弁に不具合が発生した場合における、燃料電池システムから排出される排気ガス中における燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止する技術が望まれている。また、燃料ガス排出弁の不具合に伴う酸化ガス排気管から排出される燃料ガス濃度の上昇の防止や抑制に際して、燃料電池システムの作動音や振動を抑制することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の態様として実現することが可能である。
【０００７】
第１の態様は、燃料電池システムを提供する。第１の態様に係る燃料電池システムは、酸化ガス供給部と、酸化ガス排出部と、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部とを有する燃料電池と、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、前記酸化ガス供給装置と前記酸化ガス供給部とを接続する酸化ガス供給管と、前記酸化ガス排出部に接続されている酸化ガス排出管と、前記燃料ガス供給部に接続されている燃料ガス供給管と、前記燃料ガス排出部と前記燃料ガス供給管とを接続する燃料ガスリターン管と、前記燃料ガスリターン管と前記酸化ガス排出管との間に配置され、前記燃料ガスリターン管内のガスを前記酸化ガス排出管に排出可能な燃料ガス排出弁と、前記燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後に、前記燃料ガス排出弁から前記酸化ガス排出管へと流れる漏れガスの流量に応じて前記酸化ガス供給装置により供給されるべき希釈ガス流量を決定する制御装置であって、前記漏れガスの流量が多くなるに連れて前記希釈ガス流量を多く決定する制御装置と、を備える。
【０００８】
第１の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後に、燃料ガス排出弁から酸化ガス排出管へと流れる漏れガスの流量に応じて酸化ガス供給装置により供給されるべき希釈ガス流量を、漏れガスの流量が多くなるに連れて希釈ガス流量が多くなるよう決定するので、燃料ガス排出弁に不具合が発生した場合における、燃料電池システムから排出される排気ガス中における燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができ、また、燃料ガス排出弁の不具合に伴う酸化ガス排気管から排出される燃料ガス濃度の上昇の防止や抑制に際して、燃料電池システムの作動音や振動を抑制することができる。
【０００９】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記漏れガスの流量を用いて前記燃料ガス排出弁が開弁状態にあると判定した場合に、前記漏れガスの流量に応じて前記希釈ガス流量を決定しても良い。この場合には、燃料ガス排出弁の不具合を確認した上で、希釈ガス流量を決定することができる。
【００１０】
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料ガス供給管の一部および前記燃料ガスリターン管により形成される燃料ガス循環路における燃料ガスの圧力を検出する圧力計を備え、前記制御装置は、予め定められた基準燃料ガス圧力値に対する前記圧力計により検出された検出圧力値の比を求め、前記比が小さくなるにつれて前記漏れガスの流量は多くなると推定して、前記希釈ガス流量を多く決定しても良い。この場合には、燃料ガスの圧力を用いて漏れガスの流量は多少を推定し、希釈ガス流量を決定することが可能ができる。
【００１１】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後であって、前記燃料電池の暖機処理の実行前に、前記燃料ガス循環路における燃料ガス圧力を上昇させて、前記燃料電池を理論空燃比よりもリッチな燃料ガス濃度にて稼働させる暖機前処理が実行され、前記制御装置は、前記暖機前処理の実行中に前記希釈ガス流量を決定しても良い。暖機前処理を実行することにより、燃料電池システムの暖機処理を効率よく実行することができる。
【００１２】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記基準燃料ガス圧力値は、前記燃料ガス排出弁が全開の際の前記燃料ガス循環路における前記燃料ガスの圧力値であり、前記制御装置は、予め定められた期間における前記検出圧力値の変動量と前記基準燃料ガス圧力値の変動量との比である前記燃料ガス排出弁の開口率を算出し、前記開口率が大きくなるにつれて前記漏れガスの流量は多くなると推定して、前記希釈ガス流量を多く決定しても良い。この場合には、圧力値の変動量を用いるので、漏れガス流量の多少の推定精度を向上させることができる。
【００１３】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス排出弁に対する閉弁制御が実行された後であって、前記燃料電池の暖機運転の実行前に、前記燃料ガス循環路における燃料ガス圧力を上昇させて、前記燃料電池を理論空燃比よりもリッチな燃料ガス濃度にて稼働させる暖機前処理が実行され、前記予め定められた期間は、前記暖機前処理の実行期間であり、前記制御装置は、前記検出圧力値の変動量が閉弁不能判定閾値以上である場合に前記燃料ガス排出弁に閉弁不能状態が生じていると判定しても良い。この場合には、圧力値の変動量を用いるので、燃料ガス排出弁に開弁状態での閉弁不能判定の精度を向上させることができる。
【００１４】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置はさらに、前記燃料電池の暖機処理時における目標燃料ガス圧力が低くなるにつれて低減させた前記希釈ガス流量を決定しても良い。暖機処理時における目標燃料ガス圧力が低くなるにつれて、燃料ガス排出弁から漏れ出るガス量は低減する。したがって、酸化ガス排気管から排出される燃料ガス濃度の上昇を防止または抑制しつつ、希釈ガス流量を低減させることにより、燃料電池システムの作動音や振動を低減させることができる。
【００１５】
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池を迂回して、前記酸化ガス供給管と前記酸化ガス排出管とを連通する酸化ガス迂回管と、前記酸化ガス迂回管に配置され、前記酸化ガスの流れを前記酸化ガス供給部へ向かう第１の流れと、前記酸化ガス排出管へ向かう第２の流れとに、任意の割合で分流可能な分流弁と、を備え、前記制御装置はさらに、前記酸化ガス供給装置に対して、前記希釈ガス流量による酸化ガスの供給を指示する際に、前記第１の流れに対する前記第２の流れの流量比が減少する弁開度を前記分流弁に対して指示しても良い。この場合には、酸化ガス供給装置により供給される酸化ガス流量に依存することなく、燃料電池内へ供給されるべき酸化ガス流量を調整することができる。
【００１６】
第１に態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池の外部における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出器を備え、前記制御装置はさらに、前記希釈ガス流量による酸化ガスの供給を前記酸化ガス供給装置に指示した後に、前記燃料ガス濃度検出器によって検出された燃料ガス濃度が判定閾値よりも高い場合には、前記希釈ガス流量を更に増大させても良い。この場合には、燃料電池の外部における燃料ガス濃度に対応して希釈参加ガス流量を決定することができる。
【００１７】
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の暖機処理時に、前記決定された希釈ガス流量による酸化ガスの供給を前記酸化ガス供給装置に指示しても良い。この場合には、暖機処理時に燃料ガス排出弁から漏れ出る燃料ガスに起因する、燃料電池システムから排出される排気ガス中における燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができる。
【００１８】
第２の態様は、燃料電池システムの制御方法を提供する。第２の態様に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池の燃料ガス排出部と燃料ガス供給管とを接続する燃料ガスリターン管と酸化ガス排出管との間に配置され、燃料ガスリターン管内のガスを酸化ガス排出管に排出可能な燃料ガス排出弁に対する閉弁制御の実行指示を取得し、前記燃料ガス排出弁から前記酸化ガス排出管へと流れる漏れガスの流量に応じて酸化ガス供給装置により供給されるべき希釈ガス流量を、前記漏れガスの流量が多くなるに連れてを多くなるよう決定すること、を備える。第２の態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、第１の態様に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができる。また、第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、第１の態様に係る燃料電池システムと同様にして種々の態様にて実現可能である。さらに、第２の態様に係る燃料電池システムの制御方法は、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを記録したコンピュータが読み取り可能な記録媒体としても実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】各実施形態に共通して適用可能な燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】各実施形態に共通して適用可能な制御装置を示すブロック図。
【図３】第１の実施形態に係る燃料電池システムにおいて実行される希釈ガス流量決定処理の処理ルーチンを示すフローチャート。
【図４】圧力差／圧力比と漏れガス流量との関係の一例を示す説明図。
【図５】第１の実施形態に係る燃料電池システムにおいて用いられる漏れガス流量から希釈ガス流量を決定するためのマップを概念的に示す説明図。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池システムの始動時に実行される処理ルーチンを示すフローチャート。
【図７】第２の実施形態に係る燃料電池システムにおいて実行される氷点下始動処理の処理ルーチンを示すフローチャート。
【図８】図６に示す各処理が実行される際における各制御パラメータおよび検出値の時間変化を示すタイムチャート。
【図９】第２の実施形態に係る燃料電池システムにおいて用いられる開口率から希釈ガス流量を決定するためのマップを概念的に示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本開示に係る燃料電池システム並びに燃料電池システムの制御方法について以下説明する。
【００２１】
第１の実施形態：
図１は各実施形態に共通して適用可能な燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図２は各実施形態に共通して適用可能な制御装置を示すブロック図である。
【００２２】
第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池ＦＣ、燃料ガス流路系ＡＳおよび酸化ガス流路系ＣＳおよび制御装置２０を備えている。燃料電池ＦＣは、例えば、酸化ガスとしての空気と燃料ガスとしての水素との電気化学反応によって発電可能な固体高分子型の燃料電池である。燃料電池ＦＣは、アノードに燃料ガスを導入するための燃料ガス供給部ＡＴ１、アノードにおいて電気化学反応に用いられた後の燃料ガスである排出燃料ガスを排出するための燃料ガス排出部ＡＴ２、カソードに酸化ガスを導入するための酸化ガス供給部ＣＴ１、カソードにおいて電気化学反応に用いられた後の酸化ガスである排出酸化ガスを排出するための酸化ガス排出部ＣＴ２を備えている。なお、排出燃料ガスは燃料ガスと共に水分、窒素といった不純物を含んでおり、アノードオフガスとも呼ばれ、排出酸化ガスは、カソードオフガスとも呼ばれる。燃料電池ＦＣには、内部温度を検出するための温度センサ５３が配置されている。温度センサ５３は図示しない燃料電池ＦＣの冷却回路に配置される冷却液温度センサであってもよく、燃料電池ＦＣ内部に検出部が配置され、燃料電池ＦＣの内部温度を直接的に検出する温度センサであっても良い。
【００２３】
酸化ガス流路系ＣＳは、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置としてのエアコンプレッサ３０、エアコンプレッサ３０と酸化ガス供給部ＣＴ１とを接続する酸化ガス供給管ＣＬ１、一端が酸化ガス排出部ＣＴ２と接続される酸化ガス排出管ＣＬ２、燃料電池ＦＣの内部流路を迂回して、酸化ガス供給管ＣＬ１と酸化ガス排出管ＣＬ２とを直接接続する酸化ガス迂回管ＣＬ３とを備えている。酸化ガス供給管ＣＬ１には、分流弁６１が配置されており、酸化ガス迂回管ＣＬ３は、一端が分流弁６１に接続され、他端が酸化ガス排出管ＣＬ２に接続されることで、燃料電池ＦＣの内部流路をバイパスする迂回流路を形成する。酸化ガス排出管ＣＬ２における、不純物排出管ＡＬ４との接合部より上流側、すなわち、燃料電池ＦＣの酸化ガス排出部ＣＴ２寄りには調圧弁６２が配置されている。酸化ガス排出管ＣＬ２の他端側には消音装置としてのマフラー３１が配置されている。
【００２４】
酸化ガス供給管ＣＬ１は、一端がエアコンプレッサ３０に接続され、他端が酸化ガス供給部ＣＴ１に接続されている。酸化ガス供給管ＣＬ１には、エアコンプレッサ３０よりも下流側、すなわち、エアコンプレッサ３０よりも上流側、すなわち、酸化ガス供給部ＣＴ１側に、酸化ガス流路系ＣＳの圧力を検出するための酸化ガス圧力センサ５１が配置されている。酸化ガス供給管ＣＬ１には、また、エアコンプレッサ３０よりも上流側、すなわち、酸化ガスとしての空気の吸入側に酸化ガス流量センサ５２が配置されている。
【００２５】
エアコンプレッサ３０は、制御装置２０によって制御され、図示しないエアフィルタを介して吸入した空気を圧縮して酸化ガス供給管ＣＬ１に導入する。エアコンプレッサ３０によって吸入される空気量は、酸化ガス流量センサ５２によって検出され制御装置２０に送信され、エアコンプレッサ３０より下流側、すなわち、酸化ガス供給部ＣＴ１側における酸化ガス供給管ＣＬ１内の圧力、すなわち酸化ガス圧力は、酸化ガス圧力センサ５１によって検出され、酸化ガス圧力値として制御装置２０に送信される。
【００２６】
分流弁６１は、３方弁であり、分流弁６１より上流側における酸化ガス供給管ＣＬ１を流れる酸化ガスを分流可能な弁であり、分流弁６１より下流側における酸化ガス供給管ＣＬ１に流れる第１の流の酸化ガス流量と、酸化ガス迂回管ＣＬ３に流れる第２の流れの酸化ガス流量の割合を任意に調整する。分流弁６１は、制御装置２０によって各流路に対する開度、すなわち、流量比が制御される。調圧弁６２は、燃料電池ＦＣの酸化ガス排出部ＣＴ２から排出される排出酸化ガス流量を調整するための弁であり、制御装置２０によってその開度、すなわち、開弁率が制御される。燃料電池ＦＣ内に供給される酸化ガス流量は、制御装置２０が、分流弁６１と調圧弁６２の開弁割合をそれぞれ調整することによって、エアコンプレッサ３０による酸化ガスの供給流量とは独立して所望の流量に調整され得る。分流弁６１および調圧弁６２は、例えば、ステッピングモータをアクチュエータとして任意の開度にて弁体が駆動される弁である。
【００２７】
燃料ガス流路系ＡＳは、燃料ガスを供給する燃料源、燃料源と燃料ガス供給部ＡＴ１とを接続する燃料ガス供給管ＡＬ１、燃料ガス排出部ＡＴ２と気液分離器４２とを接続する燃料ガス排出管ＡＬ２、気液分離器４２を介して燃料ガス排出管ＡＬ２と燃料ガス供給管ＡＬ１とを接続する燃料ガスリターン管ＡＬ３とを備えている。なお、図１においてはより詳細に燃料ガス流路系ＡＳを記載しているが、燃料ガス排出管ＡＬ２を別途備えることなく、燃料ガス排出部ＡＴ２と燃料ガス供給管ＡＬ１とが燃料ガスリターン管ＡＬ３によって接続されていても良い。燃料ガス供給管ＡＬ１の一部、燃料ガス排出管ＡＬ２および燃料ガスリターン管ＡＬ３によって燃料ガス循環路ＧＣＰが形成される。なお、燃料ガス供給管ＡＬ１の一部とは、燃料ガス供給管ＡＬ１と燃料ガスリターン管ＡＬ３との連結箇所から下流側の燃料ガス供給管ＡＬ１の部位を意味する。燃料源としては、例えば、高圧水素を格納する高圧水素タンクが用いられ得る。燃料源の近傍には燃料ガス濃度センサ５４が配置されており、燃料源まわりにおける燃料ガス濃度、すなわち、水素濃度が検出され、制御装置２０に送信される。
【００２８】
燃料ガス供給管ＡＬ１は、一端が燃料源に接続され、他端が燃料ガス供給部ＡＴ１に接続されている。燃料ガス供給管ＡＬ１には、燃料源から順に、インジェクタ４１、燃料ガス圧力センサ５０が備えられている。インジェクタ４１は、図示しない調圧弁によって規定圧力に調圧され、供給された燃料ガスを、燃料電池システム１０の運転状態に応じた圧力に昇圧して燃料電池ＦＣに供給する。インジェクタ４１は、制御装置２０から送信されるパルス波形の駆動信号に応じて駆動するピエゾ素子をアクチュエータとして有し、デューティー比を変更することによって燃料ガスの供給圧力が変更される。燃料ガス圧力計としての燃料ガス圧力センサ５０は、燃料ガス圧力センサ５０の下流側における管内の圧力、すなわち、燃料ガス循環路ＧＣＰにおける燃料ガス圧力を検出し、燃料ガス圧力値として制御装置２０に送信する。
【００２９】
燃料ガス排出管ＡＬ２は、一端が燃料ガス排出部ＡＴ２に接続され、他端が気液分離器４２に接続されている。燃料ガスリターン管ＡＬ３は、一端が気液分離器４２に接続され、他端が燃料ガス供給管ＡＬ１に接続されている。すなわち、燃料ガス排出管ＡＬ２は、気液分離器４２を介して燃料ガスリターン管ＡＬ３と接続されている。気液分離器４２は、燃料電池ＦＣの燃料ガス排出部ＡＴ２から燃料ガス排出管ＡＬ２に排出された排出燃料ガスに含まれる水分と気体成分とを分離する。気液分離器４２は、気液分離器４２の排出口に接続されている不純物排出管ＡＬ４を介して酸化ガス排出管ＣＬ２と接続されている。不純物排出管ＡＬ４には、燃料ガスリターン管ＡＬ３内のガスを酸化ガス排出管ＣＬ２に排出可能な燃料ガス排出弁６０が配置されている。気液分離器４２内において分離された水分および排出燃料ガス中に含まれる窒素等の不純物は、制御装置２０からの開指示信号に応じて燃料ガス排出弁６０が開弁されると、酸化ガス排出管ＣＬ２を介して燃料電池システム１０の外部に排出される。なお、燃料ガス排出弁６０は、排水排気弁とも呼ばれる。燃料ガス排出弁６０は、例えば、ステッピングモータをアクチュエータとして任意の開度にて弁体が駆動される弁、あるいは、電磁石をアクチュエータとして開弁位置または閉弁位置に弁体が駆動される弁である。
【００３０】
燃料ガスリターン管ＡＬ３には、燃料ガス循環ポンプ４０が配置されている。燃料ガス循環ポンプ４０は制御装置２０によって制御され、燃料ガス循環ポンプ４０が作動することによって、燃料ガス排出部ＡＴ２から排出された排出燃料ガスは、燃料ガス排出管ＡＬ２、気液分離器４２、燃料ガスリターン管ＡＬ３を介して燃料ガス供給管ＡＬ１に再度、供給される。この結果、燃料ガス循環路ＧＣＰを燃料ガスが循環可能となる。
【００３１】
制御装置２０について説明する。制御装置２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）２００、メモリ２０１、入出力インタフェース２０２および内部バス２０３を備えている。ＣＰＵ２００、メモリ２０１および入出力インタフェース２０２はバスを介して双方向通信可能に接続されている。メモリ２０１は、燃料電池ＦＣの内部温度が０度未満の氷点下である場合に燃料電池ＦＣの始動を開始するための氷点下始動プログラムＰ１、排出弁の動作状態に応じて酸化ガス排出管ＣＬ２内の燃料ガスの濃度を低減するための酸化ガスの増分量、すなわち、希釈ガスの流量を決定するための希釈ガス流量決定プログラムＰ２、および燃料電池ＦＣの暖機運転を実行するための暖機運転プログラムＰ３を不揮発的且つ読み出し専用に格納するメモリ、例えばＲＯＭと、ＣＰＵ２００による読み書きが可能なメモリ、例えばＲＡＭとを含んでいる。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０においては、少なくとも、希釈ガス流量決定プログラムＰ２がメモリ２０１に格納されていれば良い。
【００３２】
ＣＰＵ２００はメモリ２０１に格納されている氷点下始動プログラムＰ１を読み書き可能なメモリに展開して実行することによって氷点下始動実行部として機能し、希釈ガス流量決定プログラムＰ２を実行することによって希釈ガス流量決定部として機能し、暖機運転プログラムＰ３を実行することによって暖機運転実行部として機能する。なお、第１の実施形態においては、メモリ２０１には少なくとも希釈ガス流量決定プログラムＰ２が格納されていれば良く、他のプログラムの格納は任意である。また、ＣＰＵ２００は、単一で複数の実行命令を処理可能なマルチスレッドタイプのＣＰＵであってもよく、あるいは、各プログラムＰ１〜Ｐ３を実行するために専用に用意されている複数のＣＰＵであっても良い。複数のＣＰＵによって実現される場合には、各ＣＰＵと各プログラムを格納するメモリとによって個別の制御装置が構成され、各制御装置間においては相互通信によって協調処理が実行される。
【００３３】
入出力インタフェース２０２には、検出信号線を介して、燃料ガス圧力センサ５０、酸化ガス圧力センサ５１、酸化ガス流量センサ５２、温度センサ５３および燃料ガス濃度センサ５４が接続されている。入出力インタフェース２０２には、制御号線を介して、燃料ガス循環ポンプ４０、インジェクタ４１、燃料ガス排出弁６０、分流弁６１および調圧弁６２が接続されている。
【００３４】
第１の実施形態に係る燃料電池システム１０において実行される排気ガス中の燃料ガス濃度の増加を低減または防止するための希釈ガス流量決定処理について図３〜図５を参照して説明する。図３は第１の実施形態に係る燃料電池システムにおいて実行される希釈ガス流量決定処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図４は圧力差／圧力比と漏れガス流量との関係の一例を示す説明図である。図５は第１の実施形態に係る燃料電池システムにおいて用いられる漏れガス流量から希釈ガス流量を決定するためのマップを概念的に示す説明図である。第１の実施形態に係る燃料電池システム１０において、希釈ガス流量決定処理は、燃料ガス排出弁６０に対して閉弁指示がなされる燃料電池ＦＣの運転状態、例えば、燃料電池システム１０の起動時、気液分離器４２内の水分を放出する際、燃料ガス循環路ＧＣＰ内のガスをパージする際、に繰り返し実行され、燃料ガス排出弁６０が閉弁不可能な場合に酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度を希釈するために用いられる希釈ガス流量を決定する処理である。ここで、希釈ガスは、燃料ガス濃度を希釈するための酸化ガスであり、希釈ガス流量とは、要求出力を実現するための電気化学反応に要する酸化ガス流量とは別に、漏れ流量に応じた増分量で燃料電池ＦＣに供給される酸化ガス流量を意味する。
【００３５】
ＣＰＵ２００は、燃料電池システム１０の起動と共に、希釈ガス流量決定プログラムＰ２を起動して、図３に示す処理ルーチンを実行する。ＣＰＵ２００は、燃料ガス排出弁６０に対して閉弁指示を送信する（ステップＳ１００）。閉弁指示を受信した燃料ガス排出弁６０は、弁体を閉弁位置に移動させる。この際、燃料ガス排出弁６０のアクチュエータ、あるいは、弁体に動作不良が生じて、弁体が開弁位置に移動できないことがある。加えて、燃料電池システム１０の稼働環境によっては、燃料ガス排出弁６０のアクチュエータ自体に動作不良がない場合であっても、異物を噛み込むことによって弁体が完全に閉じないことがある。例えば、氷点下での稼働時には、燃料ガス排出弁６０から排出される水分が氷結した氷粒や、水分排出時（開弁時）における弁体自体の氷結や氷着によって、弁体が閉弁位置に移動できないことがある。なお、本明細書において、燃料ガス排出弁６０に対する閉弁制御は、希釈ガス流量決定プログラムＰ２を実行中のＣＰＵ２００ではなく、他のＣＰＵによって実行されても良い。この場合、ＣＰＵ２００は、閉弁制御が実行されたか否かの信号を受信すればよい。
【００３６】
ＣＰＵ２００は、燃料ガス排出弁６０における漏れガス流量（ＮＬ／ｍｉｎ）の多少を判定する（ステップＳ１０２）。例えば、予め用意されている、燃料ガス排出弁６０が閉弁状態にある場合に燃料ガス循環路ＧＣＰを既知の圧力に設定した際の燃料ガス圧力センサ５０によって検出される基準燃料ガス圧力値ＳＰと、燃料電池ＦＣの稼働時に燃料ガス圧力センサ５０によって検出される燃料ガス圧力値ＤＰとの差分である圧力差（Ｌ１）、または基準燃料ガス圧力値ＳＰに対する燃料ガス圧力値ＤＰの圧力比（Ｌ２）と漏れガス流量との間には、図４に示す関係がある。ＣＰＵ２００は、図４に示す関係に従い、圧力差が大きくなるにつれてまたは圧力比が小さくなるにつれて漏れガス流量が多くなると判定する。なお、漏れガス流量の多少には、漏れガスがない、すなわち、漏れガス流量＝０が含まれ、基準燃料ガス圧力値ＳＰと燃料ガス圧力値ＤＰとの差分が０または漏れなし基準判断値以下の場合に、漏れガス流量＝０と判定する。漏れなし基準判断値以下の差分に相当する漏れガス流量は、例えば、０．３（ＮＬ／ｍｉｎ）であり、漏れなし基準判断値は燃料ガス排出弁６０の閉弁不能判定閾値ということもできる。あるいは、予め定められた期間における基準燃料ガス圧力値ＳＰの時間変動値と、燃料ガス圧力値ＤＰの時間変動値との差分または比が用いられても良い。時間変動値を用いることによって判定精度を向上させることができる。さらには、燃料ガス排出弁６０の上流側、すなわち、気液分離器４２側に流量計が配置される場合には、ＣＰＵ２００は、流量計によって検出される流量を用いて漏れガス流量の多少が判定されても良い。また、第２の実施形態において説明する開口率を用いて判定されても良い。
【００３７】
ＣＰＵ２００は、判定した漏れ流量の多少を用いて燃料ガス排出弁６０が閉弁不能であるか否か、すなわち、燃料ガス排出弁６０に不具合が発生し開弁状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ＣＰＵ２００は、ステップＳ１０２において漏れガス流量＝０と判定した場合には燃料ガス排出弁６０は閉弁していると判定し（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１０６に移行する。ＣＰＵ２００は、希釈ガス流量を０に設定し（ステップＳ１０６）、本処理ルーチンを終了する。
【００３８】
ＣＰＵ２００は、ステップＳ１０２において漏れガス流量＝０でないと判定した場合には（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、燃料ガス排出弁６０は閉弁不能であると判定し、ステップＳ１０８に移行する。ＣＰＵ２００は、例えば、図５に示す予め用意されたマップを用いて、判定された漏れガス流量の多少に応じて、漏れガス流量が多くなるに連れて増分量が多くなるように希釈ガス流量を決定して（ステップＳ１０８）、本処理ルーチンを終了する。なお、図５に示すマップは一例であり、特性線は漏れガス流量に対して希釈ガス流量が比例して増大する特性を有していれば良く、あるいは、ステップ状に増大する特性を有していても良い。なお、希釈ガス流量を決定するためのマップは、複数の代表点を離散値として有するマップであっても良く、離散値間の希釈ガス流量については、補完演算により決定されれば良い。
【００３９】
ステップＳ１０８にて決定された希釈ガス流量は、希釈ガス流量決定処理に続いて実行される燃料電池システム１０の運転制御処理において設定される、運転状態に応じた酸化ガス流量に加えられ、その合計酸化ガス流量が、エアコンプレッサ３０に対する酸化ガス流量の指示流量として用いられる。燃料電池システム１０の運転制御処理としては、例えば、燃料電池ＦＣの暖機処理、気液分離器４２からの不純物排出処理後に実行される、出力要求値に基づく燃料電池ＦＣの発電制御、いわゆる、通常制御が含まれる。燃料ガス排出弁６０の不具合の中には、氷粒の噛み込みによる閉弁不能状態や弁体の固着といった不具合も含まれ、このような不具合は燃料電池の温度上昇に伴い解消され得る一時的な不具合である。したがって、一時的な不具合が解消した場合には、決定された希釈ガス流量を含む酸化ガス流量の供給は停止される。なお、酸化ガス中における燃料ガス濃度は、燃料電池システム１０から排出される際に予め定められた濃度よりも低ければ良い。分流弁６１および酸化ガス迂回管ＣＬ３が備えられる場合であっても、マフラー３１の手前において酸化ガス迂回管ＣＬ３は酸化ガス排出管ＣＬ２と合流するので、希釈ガス流量は、分流弁６１および酸化ガス迂回管ＣＬ３の有無とは関係なく決定されれば良い。
【００４０】
以上説明した第１の実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料ガス排出弁６０に閉弁不能の不具合が生じた場合に、希釈ガス流量分を加えた酸化ガス流量で酸化ガスが供給されるので、燃料電池システム１０の外部に排出される燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができる。
【００４１】
第１の実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料ガス排出弁６０からの漏れガス流量の多少に応じて希釈ガス流量の多少が決定される。より具体的には、燃料ガス排出弁６０からの漏れガス流量が多くなるに連れて希釈ガス流量が増大される。したがって、漏れガス流量が少ない場合には希釈ガス流量は少なくなり、エアコンプレッサ３０の作動音、振動も抑制され燃料電池システム１０から漏れ出る音量、振動を抑制することができるとともに、燃料ガス排出弁６０の不良により燃料電池システム１０の外に排出される燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができる。
【００４２】
なお、ステップＳ１０６およびＳ１０８において、ＣＰＵ２００は、それぞれ、希釈ガス流量＝０、および、漏れガス流量が多くなるに連れて増大するように希釈ガス流量を決定するに止まっているが、燃料電池ＦＣの運転状態に応じた酸化ガス流量についても決定し、エアコンプレッサ３０に対して指示すべき総酸化ガス流量が設定されても良い。例えば、希釈ガス流量決定処理の後に実行される運転制御が暖機処理の場合には、要求される酸化ガス流量を予め定めておくことができる。
【００４３】
第１の実施形態において、燃料ガス排出弁６０の閉弁不良が判定されているが、閉弁不良を判定することなく、漏れガス流量が多くなるにつれて希釈ガス流量を増大させても良い。すなわち、燃料ガス排出弁６０からの漏れガスが判定されない場合の希釈ガス流量＝０から、漏れガス流量に応じて希釈ガス流量が決定され、酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度が低減されても良い。この場合であっても、漏れガス流量が極小である場合には漏れガスはないと判定することによって、エアコンプレッサ３０の作動を抑止することができる。
【００４４】
第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、車両、列車といった移動体に搭載されてもよく、あるいは、家庭用または産業用の電源等として固定設置されて用いられても良い。また、希釈ガス流量を決定する処理は、燃料電池ＦＣの内部温度が低温、例えば、０度未満、４度未満の際に実行される低温始動処理の一部として実行されても良い。さらに、希釈ガス流量を決定する処理の後に、燃料電池ＦＣの暖機処理が実行され、その際に、運転状態に応じて設定される酸化ガス流量に決定された希釈ガス流量を加えた酸化ガス流量を実現するようエアコンプレッサ３０が制御されても良い。
【００４５】
第１の実施形態において、希釈ガス流量を決定する際に、希釈ガス流量決定処理の後に実行される燃料電池ＦＣの運転制御時における目標燃料ガス圧力が考慮されても良い。すなわち、目標燃料ガス圧力が低くなるに連れて、燃料ガス循環路ＧＣＰ内の圧力は低くなり大気圧との圧力差は小さくなる。この結果、燃料ガス排出弁６０から排出される漏れガス流量も低下する。したがって、目標燃料ガス圧力が低くなるに連れて、漏れガス流量に応じて決定された希釈ガス流量が低減されても良い。具体的な低減の手法として、例えば、酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度と目標燃料ガス圧力との関係を予め実験的に求めておき。目標燃料ガス圧力が低くなるにつれて小さくなる係数を予め決定し、当該係数を決定された希釈ガス流量に乗じれば良い。
【００４６】
第１の実施形態においては、酸化ガス迂回管ＣＬ３は備えられていなくても良い。
【００４７】
第２の実施形態：
図６〜図９を参照して第２の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図６は第２の実施形態に係る燃料電池システムの始動時に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図７は第２の実施形態に係る燃料電池システムにおいて実行される氷点下始動処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図８は図６に示す各処理が実行される際における各制御パラメータおよび検出値の時間変化を示すタイムチャートである。第２の実施形態に係る燃料電池システム１０は、４輪車両に搭載されて用いられる。第２の実施形態においては、氷点下始動処理と、氷点下始動処理に続く暖機処理が実行され、希釈ガス流量の決定処理は、氷点下始動処理の一部として実行される。
【００４８】
ＣＰＵ２００は、図６に示すように、燃料電池システム１０の始動要求を検知すると、温度センサ５３によって検出された燃料電池ＦＣ内部の温度が氷点下、すなわち、０度未満であるか否かを判定し、０度未満である場合に、氷点下始動処理を実行する。なお、燃料電池システム１０の始動要求は、例えば、システム起動・終了スイッチ、あるいは、イグニッションスイッチを介して入力される。また、第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様であり、各構成については第１の実施形態において用いた符号と同一の符号を付すことで詳細な説明は省略する。
【００４９】
ＣＰＵ２００は、氷点下始動プログラムＰ１を起動して、氷点下始動処理を実行する（ステップＳ２００）。ＣＰＵ２００は、氷点下始動処理を完了すると暖機運転プログラムＰ３を起動して、暖機処理を実行し（ステップＳ３００）、暖機処理完了後に始動時に実行される本処理ルーチンを終了する。暖機処理終了後は、暖機を目的としない、運転者の出力要求に応じた燃料電池システム１０の制御が実行される。以下、図７を参照して氷点下始動処理の詳細について説明する。ＣＰＵ２００は、アノード置換処理を実行する（ステップＳ２０２）。アノード置換処理は、燃料電池ＦＣの始動に際して、アノード内、より具体的には、燃料ガス循環路ＧＣＰ内のガスを純度の高い燃料ガスによって掃気する処理である。ＣＰＵ２００は、図８に示すように、燃料ガス排出弁６０に対して開弁指示を送り、インジェクタ４１に対してアノード置換処理に要する燃料ガス流量を実現するための駆動信号を送る。ＣＰＵ２００は、エアコンプレッサ３０に対して燃料ガス排出弁６０から排出される燃料ガス濃度を低減するために要する酸化ガス流量を実現するための駆動信号を送り、燃料電池ＦＣのカソードにおける酸化ガス流量がアノード置換処理に要する流量となるよう分流弁６１および調圧弁６２に対して制御信号を送る。
【００５０】
燃料ガス排出弁６０が開弁されているので、燃料ガス圧力センサ５０によって検出される燃料ガス圧力は、インジェクタ４１からの燃料ガスの吐出に応じて図８に示すように増減変動を繰り返す。ＣＰＵ２００は、予め定められたアノード置換処理の期間が終了すると、燃料ガス排出弁６０に対して閉弁信号を送り、燃料ガス流量を増大させる暖機前処理を実行する（ステップＳ２０４）。暖機前処理は、燃料電池ＦＣ内部における燃料ガス濃度を上昇させ、空燃比を理論空燃比または理論空燃比よりもリッチとし、暖機運転時における電気化学反応に伴う発熱量を増大させて燃料電池ＦＣの温度上昇を促進させるための処理である。暖機運転前処理は、図８に示す、予め定められた期間Ａにわたって実行される。ＣＰＵ２００は、インジェクタ４１に対して暖機前処理に要する燃料ガス流量を実現するための駆動信号を送信する。ＣＰＵ２００は、燃料電池ＦＣ内部への酸化ガス流量を増大させるために調圧弁６２に対して開弁割合を増大させる制御信号を送信する。
【００５１】
第２の実施形態においては、暖機前処理を実行中の期間Ａの間に希釈ガス流量決定処理が実行される。ＣＰＵ２００は、暖機前処理が開始されると、すなわち、アノード置換処理が終了すると、希釈ガス流量決定プログラムＰ２を実行する。なお、暖機前処理はＣＰＵ２００とは異なるＣＰＵによって実行されても良い。希釈ガス流量決定処理は、以下の条件が満たされている場合に開始されると言うこともできる。
・氷点下始動処理が終了していない、
・アノード置換処理が完了している、
・暖機処理が開始されていない（実行前）、
・燃料ガス排出弁６０に対して閉弁指示が送られている。
【００５２】
ＣＰＵ２００は、燃料ガス排出弁６０の開口率を取得する（ステップＳ２０６）。開口率ｘは、例えば、期間Ａの間に燃料ガス圧力センサ５０によって検出された燃料ガス圧力の変動量（ｄＰ／ｄｔ）と、基準圧力変動量（ｄＰｓ／ｄｔ）との比として定義され、以下の式により定義される。ｘ＝（ｄＰ／ｄｔ）／基準圧力変動量（ｄＰｓ／ｄｔ）。基準圧力変動量は、燃料ガス排出弁６０を全開状態として、暖機前処理用の圧力に設定された燃料ガス循環路ＧＣＰの燃料ガス圧力を期間Ａと同一の期間にわたって燃料ガス圧力センサ５０によって検出することによって設定される。あるいは、開口率に代えて期間Ａの間に燃料ガス圧力センサ５０によって検出された燃料ガス圧力値と、基準圧力値との比が用いられても良い。基準燃料ガス圧力値は、燃料ガス排出弁６０を閉弁状態として、燃料ガス循環路ＧＣＰを暖機前処理用の圧力に設定した際に燃料ガス圧力センサ５０によって検出された、予め用意されている値である。なお、開口率は、弁開度を検出する開度センサを燃料ガス排出弁６０に装着し、開度センサによって検出される開度を用いて取得されても良い。
【００５３】
燃料ガス排出弁６０に不良が発生しておらず、閉弁状態にある場合には、燃料ガス圧力センサ５０によって検出される燃料ガス圧力は、図８に正常値として示される値を取り続け、圧力変動量は０または極小である。一方、燃料ガス排出弁６０に不良が発生しており、閉弁状態にない場合、すなわち、氷粒の噛み込みや弁体の氷結によっていくらか開弁している場合には、燃料ガス圧力センサ５０によって検出される燃料ガス圧力は、図８に示すように増減を繰り返し、結果として、圧力変動量は大きくなる。したがって、基準圧力変動量に対する検出された圧力値の圧力変動量の比は大きくなり、開口率は大きくなる。なお、圧力は図８に示すように連続的に変動しなくても良く、離散的、例えば、矩形状に変動しても良い。
【００５４】
ＣＰＵ２００は、検出された圧力変動量を用いて、燃料ガス排出弁６０が閉弁不能状態にあるか否かを判定する（ステップＳ２０８）。この判定によって、燃料ガス排出弁６０が開弁状態で保持され、あるいは固着され、希釈ガスによる燃料ガス濃度の希釈が求められる条件下で希釈ガス流量の決定処理を実行することができる。ＣＰＵ２００は、検出された圧力変動量が予め定められた閉弁不能判定閾値未満の場合には、閉弁可能である、すなわち、燃料ガス排出弁６０は正常に作動していると判定する。一方、検出された圧力変動量が閉弁不能判定閾値以上の場合には、燃料ガス排出弁６０に不具合が発生して開弁状態にあり、開弁不能であると判定する。閉弁不能判定閾値に対応する漏れガス流量は、例えば、０．３（ＮＬ／ｍｉｎ）である。なお、圧力変動量に代えて、開口率が０または０に近い所定の判定値未満である場合には、閉弁可能であると判定し、開口率が所定の判定値以上の場合に、燃料ガス排出弁６０は開弁したまま不動状態にあると判定しても良い。
【００５５】
ＣＰＵ２００は、燃料ガス排出弁６０が閉弁不能状態にない、すなわち、正常状態にあると判定した場合には（ステップＳ２０８：Ｎｏ）、ステップＳ２１０に移行する。ＣＰＵ２００は、希釈ガス流量を０に設定して（ステップＳ２１０）、本処理ルーチンを終了する。
【００５６】
ＣＰＵ２００は、燃料ガス排出弁６０が閉弁不能状態にあると判定した場合には（ステップＳ２０８：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１２に移行する。燃料ガス排出弁６０の開口率（％）と希釈ガス流量（ＮＬ／ｍｉｎ）との間には、例えば、図９に示す対応関係が定められている。図９は第２の実施形態に係る燃料電池システムにおいて用いられる開口率から希釈ガス流量を決定するためのマップを概念的に示す説明図である。ＣＰＵ２００は、図９に示す予め用意されたマップを用いて、取得された開口率（％）の多少に応じて、漏れガス流量が多くなるに連れて増分量が多くなるように希釈ガス流量を決定して（ステップＳ２１２）、本処理ルーチンを終了する。なお、図９に示すマップは一例であり、特性線は開口率に対して希釈ガス流量が比例して増大する特性を有していれば良く、あるいは、ステップ状に増大する特性を有していても良い。また、一点鎖線で示すように開口率＝０（％）から対応する希釈ガス流量を決定しても良く、実線で示すように０（％）近傍の開口率に対しては希釈ガス流量＝０としても良い。なお、希釈ガス流量を決定するためのマップは、複数の代表点を離散値として有するマップであっても良く、離散値間の希釈ガス流量については、補完演算により決定されれば良い。
【００５７】
ＣＰＵ２００は、氷点下始動処理が完了すると、暖機運転プログラムＰ３を起動して発電を伴う暖機処理を実行する（ステップＳ３００）。ＣＰＵ２００は、暖機処理時における目標燃料ガス圧力を実現するようにインジェクタ４１に対して制御信号を送信し、目標燃料ガス圧力に対応する酸化ガス流量を決定する。ＣＰＵ２００は、図８に示すように、決定した酸化ガス流量に対して希釈ガス流量決定処理において決定された希釈ガス流量を増分量として加えた酸化ガス流量を実現するようにエアコンプレッサ３０に対して制御信号を送信する。この結果、酸化ガス排出管ＣＬ２を流れる酸化ガス流量は、燃料電池システム１０に対する要求出力に応じた酸化ガス流量よりも増大される。なお、希釈ガス流量が０の場合、すなわち、燃料ガス排出弁６０が正常である場合には、燃料電池ＦＣにおける空燃比をリーン側に設定するために、酸化ガス流量は低減される。
【００５８】
決定された希釈ガス流量分を増大させた酸化ガス流量の供給は、例えば、漏れガス流量が判定値以下となるまで継続される。判定値としては、例えば、０．１（ＮＬ／ｍｉｎ）が用いられる。漏れガス流量の推定は、例えば、暖機処理時に燃料ガス圧力センサ５０により検出される燃料ガス圧力変動が判定値の流量に対応する所定の変動値以下となっているか否かによって推定することが可能である。あるいは、決定された希釈ガス流量分を増大させた酸化ガス流量の供給は、暖機処理中に予め定められた時間が経過するまで継続されても良く、または、温度センサ５３によって検出される燃料電池ＦＣの内部温度が予め定められた温度を超えるまで継続されても良い。第２の実施形態において想定される燃料ガス排出弁６０の不具合の一つは、氷粒の噛み込みや弁体の氷結による閉弁不能あるいは固着であり、これらの不具合は時間の経過と共に解消し得る不具合である。したがって、燃料ガス排出弁６０の不具合が解消されることが予想されるタイミングにて、決定された希釈ガス流量分を増大させた酸化ガス流量の供給を停止することが可能となり、この結果、酸化ガス流量の増大に伴うエアコンプレッサ３０の動作に起因する燃料電池システム１０の作動音や振動の解消と燃料電池システム１０外への燃料ガス濃度が高い酸化ガスの排出の抑制とを両立することができ、また、酸化ガス流量増大分の負荷下で作動するエアコンプレッサ３０による消費電力の低減を図ることができる。
【００５９】
ＣＰＵ２００は、分流弁６１を制御して、酸化ガス供給管ＣＬ１に対する酸化ガス迂回管ＣＬ３を流れる酸化ガス流量の割合、すなわち、流量比を減少させ、調圧弁６２を制御して、増大させた燃料電池ＦＣに対する酸化ガス流量を低減させる。ＣＰＵ２００は、燃料電池システム１０の運転状態が予め定められた条件に合致すると暖機処理を完了して、燃料電池システム１０の始動処理を終了する。なお、酸化ガス中における燃料ガス濃度は、燃料電池システム１０から排出される際に予め定められた濃度よりも低ければ良い。分流弁６１および酸化ガス迂回管ＣＬ３が備えられる場合であっても、マフラー３１の手前において酸化ガス迂回管ＣＬ３は酸化ガス排出管ＣＬ２と合流するので、希釈ガス流量は、分流弁６１および酸化ガス迂回管ＣＬ３の有無とは関係なく決定されれば良い。
【００６０】
以上説明した第２の実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料ガス排出弁６０に閉弁不能の不具合が生じた場合に、希釈ガス流量分を加えた酸化ガス流量で酸化ガスが供給されるので、燃料電池システム１０の外部に排出される燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができる。
【００６１】
第２の実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料ガス排出弁６０の開口率に応じて希釈ガス流量の多少が決定される。より具体的には、燃料ガス排出弁６０の開口率が大きくなるに連れて希釈ガス流量が増大される。したがって、開口率が小さく漏れガス流量が少ない場合には希釈ガス流量は少なくなり、車室内に伝わるエアコンプレッサ３０の作動音、振動も抑制され、車両の静粛性が向上されると共に、燃料ガス排出弁６０の不良により燃料電池システム１０の外に排出される燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができる。
【００６２】
燃料ガス排出弁６０の不具合が一時的な要因による場合における第２の実施形態に係る燃料電池システム１０の技術的利点については既述の通りであるが、燃料ガス排出弁６０の不具合が燃料ガス排出弁６０の弁体またはアクチュエータの不具合に起因する場合であっても、少なくとも、燃料電池システム１０の外部に排出される燃料ガス濃度の上昇を抑制または防止することができる。なお、この場合には、燃料ガス排出弁６０の不具合が計器盤上に報知される。
【００６３】
第２の実施形態において、ステップＳ２１０およびＳ２１２において、ＣＰＵ２００は、それぞれ、希釈ガス流量＝０、および、開口率が大きくなるに連れて増大するように希釈ガス流量を決定するに止まっているが、燃料電池ＦＣの運転状態に応じた酸化ガス流量についても決定し、エアコンプレッサ３０に対して指示すべき総酸化ガス流量が設定されても良い。例えば、暖機処理に要する酸化ガス流量が定められている場合には、希釈ガス流量の決定と共に、暖機処理の際にエアコンプレッサ３０が供給すべき総酸化ガス流量を決定することができる。
【００６４】
第２の実施形態において、燃料ガス排出弁６０の閉弁不良が判定されているが、閉弁不良を判定することなく、開口率が大きくなるにつれて希釈ガス流量を増大させても良い。すなわち、燃料ガス排出弁６０からの漏れガスが判定されない場合の開口率＝０から、開口率に応じて希釈ガス流量が決定され、酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度が低減されても良い。この場合であっても、開口率が極小である場合には漏れガスはないと判定することによって、エアコンプレッサ３０の作動を抑止することができる。
【００６５】
第２の実施形態に係る燃料電池システム１０における希釈ガス流量決定処理は、氷点下始動処理の実行時のみならず、燃料ガス排出弁６０の開弁を伴う燃料電池ＦＣの運転中に実行される気液分離器４２内の貯水の排出処理、または、燃料電池ＦＣの燃料ガス循環路ＧＣＰ内の不純物の排出処理の際に実行されても良い。これら排出処理の実行時に、燃料電池システム１０の外部環境温度が、例えば、０度未満の低温環境にある場合、燃料ガス排出弁６０において弁体の氷結や、氷粒の噛み込みが発生し得る。したがって、希釈ガス流量決定処理を実行することによって、酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度の上昇の防止、抑制、あるいは、酸化ガス排出管ＣＬ２から排出される排出酸化ガス中における燃料ガス濃度の低減を図ることができる。
【００６６】
第２の実施形態においては、酸化ガス迂回管ＣＬ３は備えられていなくても良い。酸化ガス迂回管ＣＬ３が備えられていない場合であっても、酸化ガス排出管ＣＬ２において、決定された希釈ガス流量を実現させることができる。
【００６７】
第２の実施形態において、希釈ガス流量を決定する際に、暖機処理における目標燃料ガス圧力が考慮されても良い。すなわち、目標燃料ガス圧力が低くなるに連れて、燃料ガス循環路ＧＣＰ内の圧力は低くなり大気圧との圧力差は小さくなる。この結果、燃料ガス排出弁６０から排出される漏れガス流量も低下する。したがって、目標燃料ガス圧力が低くなるに連れて、開口率に応じて決定された希釈ガス流量が低減されても良い。具体的な低減の手法として、例えば、酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度と目標燃料ガス圧力との関係を予め実験的に求めておき。目標燃料ガス圧力が低くなるにつれて小さくなる係数を予め決定し、当該係数を決定された希釈ガス流量に乗じれば良い。
【００６８】
変形例：
（１）第１の変形例：第１および第２の実施形態において、決定された希釈ガス流量を加えた総酸化ガス流量にて酸化ガスが供給されても、燃料ガス濃度センサ５４によって検出される燃料ガス濃度が予め定められた基準濃度を超えた場合には、希釈ガス流量を増大させても良い。燃料電池システム１０の使用環境がより厳密な排気酸化ガス中の燃料ガス濃度を求める場合や、燃料ガス排出弁６０からの漏れガス流量が多く、あるいは、燃料ガス排出弁６０の開口率が大きく、燃料電池システム１０の外部における燃料ガス濃度が予め定められた基準濃度を超える場合には、更に希釈ガス流量を増大させることにより、酸化ガス排出管ＣＬ２における燃料ガス濃度の増大の抑制または防止を図ることができる。なお、燃料ガス濃度に基づく希釈ガス流量の増大処理は、希釈ガス流量決定処理中に、漏れガス流量または開口率に基づいて決定された希釈ガス流量を修正する態様にて実行されてもよい。燃料ガス排出弁６０からの漏れガス流量が多い場合には、希釈ガス流量決定処理中であっても燃料ガス濃度センサ５４によって検出される燃料ガス濃度が予め定められた基準濃度を超えることがあるからである。
【００６９】
（２）第２の変形例：第２の実施形態においては、暖機前処理の実行期間中（Ａ）の間に希釈ガス流量決定処理が実行されているが、氷点下始動処理において暖機前処理は実行されなくても良い。この場合、アノード置換処理が終了したタイミングにて希釈ガス流量決定処理が開始されれば良い。
【００７０】
以上、実施例、変形例に基づき本開示について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本開示の理解を容易にするためのものであり、本開示を限定するものではない。本開示は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本開示にはその等価物が含まれる。たとえば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…燃料電池システム、２０…制御装置、３０…エアコンプレッサ、３１…マフラー、４０…燃料ガス循環ポンプ、４１…インジェクタ、４２…気液分離器、５０…燃料ガス圧力センサ、５１…酸化ガス圧力センサ、５２…酸化ガス流量センサ、５３…温度センサ、５４…燃料ガス濃度センサ、６０…燃料ガス排出弁、６１…分流弁、６２…調圧弁、２００…ＣＰＵ、２０１…メモリ、２０２…入出力インタフェース、２０３…内部バス、ＧＣＰ…燃料ガス循環路、ＡＬ１…燃料ガス供給管、ＡＬ２…燃料ガス排出管、ＡＬ３…燃料ガスリターン管、ＡＬ４…不純物排出管、ＡＳ…燃料ガス流路系、ＡＴ１…燃料ガス供給部、ＡＴ２…燃料ガス排出部、ＣＬ１…酸化ガス供給管、ＣＬ２…酸化ガス排出管、ＣＬ３…酸化ガス迂回管、ＣＳ…酸化ガス流路系、ＣＴ１…酸化ガス供給部、ＣＴ２…酸化ガス排出部、ＦＣ…燃料電池、Ｐ１…氷点下始動プログラム、Ｐ２…希釈ガス流量決定プログラム、Ｐ３…暖機運転プログラム
【図１】
2018097936.tif 000003
【図２】
2018097936.tif 000004
【図３】
2018097936.tif 000005
【図４】
2018097936.tif 000006
【図５】
2018097936.tif 000007
【図６】
2018097936.tif 000008
【図７】
2018097936.tif 000009
【図８】
2018097936.tif 000010
【図９】
2018097936.tif 000011