(57)【要約】【課題】簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理を効率的に遂行することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２、制御装置２０、空気供給流路４８、空気排出流路５６、水素供給流路６６及びオフガス流路７６を備える。オフガス流路７６には、循環流路８０よりも上流に位置して燃料排ガスに含まれる水分を分離する気液分離器７８が配置される。気液分離器７８と空気排出流路５６とは、排水流路８６により接続されるとともに、ドレイン弁８８を介して前記気液分離器７８から前記空気排出流路５６に水を含む流体が導出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記カソード側で少なくとも一部が使用された前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、前記燃料電池から排出する酸化剤排ガス排出流路と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記アノード側で少なくとも一部が使用された前記燃料ガスである燃料排ガスを、前記燃料電池から導出するとともに、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に接続される一方、パージ弁を介して前記酸化剤排ガス排出流路に合流する燃料排ガス排出流路と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料排ガス排出流路に、前記循環流路よりも上流に位置して配置され、前記燃料排ガスに含まれる水分を分離する気液分離部と、
前記気液分離部と前記酸化剤排ガス排出流路とを接続し、ドレイン弁を介して該気液分離部から該酸化剤排ガス排出流路に水を含む流体を導出する排水流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の発電電流を検出する電流検出部と、
前記燃料電池のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する窒素濃度推定部と、
検出された電流値に基づいて、供給される酸化剤ガス流量を把握する酸化剤ガス流量把握部と、
推定された前記窒素濃度と把握された前記酸化剤ガス流量とに基づいて、前記ドレイン弁の開弁時における前記酸化剤排ガス排出流路の燃料ガス濃度上昇の有無を判定する燃料ガス濃度上昇判定部と、
を有し、
前記制御装置は、前記燃料ガス濃度上昇が無いと判定された際、前記ドレイン弁を開弁させて前記酸化剤排ガス排出流路に前記流体を排出可能にさせることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する起動パージ判定部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する停止時間検出部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料ガス供給流路の流体圧力を検出する燃料ガス圧力検出部と、
前記酸化剤ガス供給流路の流体圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
電解質膜を挟んで、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記カソード側で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、前記燃料電池から排出する酸化剤排ガス排出流路と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記アノード側で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、前記燃料電池から導出するとともに、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に接続される一方、パージ弁を介して前記酸化剤排ガス排出流路に合流する燃料排ガス排出流路と、
前記燃料排ガス排出流路に、前記循環流路よりも上流に位置して配置され、前記燃料排ガスに含まれる水分を分離する気液分離部と、
前記気液分離部と前記酸化剤排ガス排出流路とを接続し、ドレイン弁を介して該気液分離部から該酸化剤排ガス排出流路に水を含む流体を導出する排水流路と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の発電電流を検出する工程と、
前記燃料電池のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する工程と、
検出された電流値に基づいて、供給される酸化剤ガス流量を把握する工程と、
推定された前記窒素濃度と把握された前記酸化剤ガス流量とに基づいて、前記ドレイン弁の開弁時における前記酸化剤排ガス排出流路の燃料ガス濃度上昇の有無を判定する工程と、
前記燃料ガス濃度上昇が無いと判定された際、前記ドレイン弁を開弁させて前記酸化剤排ガス排出流路に前記流体を排出可能にさせる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
請求項６記載の運転方法において、前記燃料電池の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する工程を有し、
前記パージ処理の完了判定が行われるまでは、前記ドレイン弁を開弁させて前記流体の排出を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
請求項７記載の運転方法において、前記燃料電池の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する工程を有し、
検出された前記停止時間が、前記燃料電池のカソード側の燃料ガス濃度がパージ可能な規定濃度以下となる時間内であると判断された際、前記パージ処理の完了判定が行われるまで、前記ドレイン弁を開弁させて前記流体の排出を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の運転方法において、前記燃料ガス供給流路の流体圧力を検出する工程と、
前記酸化剤ガス供給流路の流体圧力を検出する工程と、
を有し、
前記燃料ガス供給流路の流体圧力と前記酸化剤ガス供給流路の流体圧力との差圧が、前記電解質膜に損傷が惹起すると想定される差圧閾値よりも高いと判断された際、前記ドレイン弁を開弁させて前記流体の排出を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を挟んで、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）とを有するアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、特に燃料ガスを効率的且つ経済的に利用することが求められている。このため、燃料電池に供給されてアノード電極から排出された少なくとも一部が使用された燃料ガス（以下、燃料排ガスともいう）を、該燃料電池の外部で循環させる燃料ガス循環流路が採用されている。燃料排ガス中には、未使用の燃料ガスが含まれており、この未使用の燃料ガスを燃料電池に供給することにより、効率的に使用することができる。
【０００４】
ところで、燃料ガス循環流路では、燃料電池内を循環する燃料ガス中に不純物（窒素や二酸化炭素等）が混在し易く、前記不純物が電極反応面に付着して発電性能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置では、燃料電池に水素を供給する水素供給管と、前記燃料電池から使用済みの水素を排出する水素排出管とが、循環ラインによって互いに接続されている。循環ラインには、パージバルブが配置されている。パージバルブは、通常、閉弁状態にされており、開弁時には、水素循環系内と大気とを連通し、前記水素循環系内のガスを放出するように構成されている。
【０００６】
そして、水素循環系内の水素濃度を検出し、前記水素濃度が所定状態から低下した際に、水素以外の不純物が蓄積されているとして、パージバルブを所定時間だけ開弁させてパージを行っている。しかしながら、水素循環系のパージ処理として、排出水素濃度を低く保持しつつ、パージバルブのみにより大気放出を行うと、パージ処理に相当の時間がかかるという問題がある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタックの水素循環系に気液分離器を配置するとともに、前記気液分離器から希釈器が燃料ガス排出配管を介して接続されている。この希釈器には、燃料電池に供給された酸化剤ガスが酸化剤ガス排出配管を介して供給されている。このため、希釈器には、排出酸化剤ガスと排出燃料ガスとが混合した混合排ガスが導入されており、混合ガス中の水素が希釈されて水素濃度の低減が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２４３４１７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／０４２９３２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献２では、排出される水素と酸化剤ガスとを一旦貯留させて希釈するために、希釈器が必要になっている。このため、燃料電池システム全体が相当に大型化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理を効率的に遂行することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池及び制御装置を備えている。
【００１２】
燃料電池システムは、さらに酸化剤ガス供給流路、酸化剤排ガス排出流路、燃料ガス供給流路及び燃料排ガス排出流路を備えている。酸化剤ガス供給流路は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する一方、酸化剤排ガス排出流路は、カソード側で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、前記燃料電池から排出する。燃料ガス供給流路は、燃料電池に燃料ガスを供給する。一方、燃料排ガス排出流路は、アノード側で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、前記燃料電池から導出するとともに、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に接続される一方、パージ弁を介して前記酸化剤排ガス排出流路に合流する。
【００１３】
この燃料電池システムは、燃料排ガス排出流路に、循環流路よりも上流に位置して配置され、燃料排ガスに含まれる水分を分離する気液分離部を備えている。燃料電池システムは、気液分離部と酸化剤排ガス排出流路とを接続し、ドレイン弁を介して前記気液分離部から前記酸化剤排ガス排出流路に水を含む流体を導出する排水流路を備えている。
【００１４】
この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の発電電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する窒素濃度推定部とを有することが好ましい。制御装置は、検出された電流値に基づいて、供給される酸化剤ガス流量を把握する酸化剤ガス流量把握部を有することが好ましい。制御装置は、推定された窒素濃度と把握された酸化剤ガス流量とに基づいて、ドレイン弁の開弁時における酸化剤排ガス排出流路の燃料ガス濃度上昇の有無を判定する燃料ガス濃度上昇判定部を有することが好ましい。
【００１５】
そして、制御装置は、燃料ガス濃度上昇が無いと判定された際、ドレイン弁を開弁させて酸化剤排ガス排出流路に流体を排出可能にさせることが好ましい。
【００１６】
さらに、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する起動パージ判定部を有することが好ましい。
【００１７】
さらにまた、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する停止時間検出部を有することが好ましい。
【００１８】
また、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料ガス供給流路の流体圧力を検出する燃料ガス圧力検出部と、酸化剤ガス供給流路の流体圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出部とを有することが好ましい。
【００１９】
さらに、本発明に係る運転方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス供給流路、酸化剤排ガス排出流路、燃料ガス供給流路、燃料排ガス排出流路、気液分離部、排水流路及び制御装置を備えている。
【００２０】
この運転方法は、燃料電池の発電電流を検出する工程と、前記燃料電池のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する工程と、検出された電流値に基づいて、供給される酸化剤ガス流量を把握する工程とを有している。この運転方法は、さらに推定された窒素濃度と把握された酸化剤ガス流量とに基づいて、ドレイン弁の開弁時における酸化剤排ガス排出流路の燃料ガス濃度上昇の有無を判定する工程を有している。この運転方法は、燃料ガス濃度上昇が無いと判定された際、ドレイン弁を開弁させて酸化剤排ガス排出流路に流体を排出可能にさせる工程を有している。
【００２１】
さらにまた、この運転方法では、燃料電池の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する工程を有し、前記パージ処理の完了判定が行われるまでは、ドレイン弁を開弁させて流体の排出を行うことが好ましい。
【００２２】
また、この運転方法では、燃料電池の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する工程を有することが好ましい。検出された停止時間が、燃料電池のカソード側の燃料ガス濃度がパージ可能な規定濃度以下となる時間内であると判断された際、パージ処理の完了判定が行われるまで、ドレイン弁を開弁させて流体の排出を行うことが好ましい。
【００２３】
さらに、この運転方法では、燃料ガス供給流路の流体圧力を検出する工程と、酸化剤ガス供給流路の流体圧力を検出する工程とを有することが好ましい。燃料ガス供給流路の流体圧力と酸化剤ガス供給流路の流体圧力との差圧が、電解質膜に損傷が惹起すると想定される差圧閾値よりも高いと判断された際、ドレイン弁を開弁させて流体排出を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料排ガス排出流路は、パージ弁を介して酸化剤排ガス排出流路に接続されるとともに、気液分離部と前記酸化剤排ガス排出流路とは、ドレイン弁を介装した排水流路により接続されている。このため、燃料排ガスを一旦貯留させて酸化剤排ガスにより希釈するための希釈器が不要になり、燃料電池システム全体の小型化及び簡素化が容易に図られる。
【００２５】
しかも、例えば、酸化剤ガス流量が比較的多い場合には、パージ弁に代えて、又は、前記パージ弁と同時にドレイン弁を開弁させることができる。従って、パージ処理が迅速且つ確実に行われ、効率的なパージ処理が遂行可能になる。
【００２６】
また、本発明の運転方法によれば、アノード側循環系内の窒素濃度を推定し、前記窒素濃度が高いと判断された際、すなわち、排出される燃料ガス量が少量であると判断された際、ドレイン弁が開弁されて酸化剤排ガス排出流路に流体が排出されている。これにより、カソード側への酸化剤ガスの供給量を増量させる必要がなく、排出される燃料ガス濃度を低く維持することができる。このため、簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理を効率的に遂行することが可能になるとともに、システム効率の向上と排出される燃料ガス濃度の抑制とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する制御装置の説明図である。
【図３】膜透過係数の湿度による発電電流の説明図である。
【図４】前記膜透過係数の温度による説明図である。
【図５】窒素透過量、空気流量及び排水量の変化によるパージ弁とドレイン弁との使用説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するタイミングチャートである。
【図８】ソーク時間とカソード水素量との関係に応じた前記パージ弁と前記ドレイン弁との使用説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
【００２９】
燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８とを備える。燃料電池システム１０は、さらに燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う制御装置（ＥＣＵ）２０とを備える。
【００３０】
燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２４を第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８で挟持する。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。電解質膜・電極構造体２４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するアノード電極３２及びカソード電極３４とを備える。固体高分子電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００３１】
第１セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２４との間に、アノード電極３２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３６を設ける。第２セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２４との間に、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３８を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２６と第２セパレータ２８との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４０が設けられる。
【００３２】
燃料電池スタック１４には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔４２ａ、燃料ガス出口連通孔４２ｂ、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが形成される。燃料ガス入口連通孔４２ａ及び燃料ガス出口連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を流通させる。酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４４ｂは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を流通させる。
【００３３】
酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（コンプレッサ）４６を備え、前記エアポンプ４６が空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）４８に配設される。空気供給流路４８は、エアポンプ４６の下流側に位置して加湿器５２及び入口封止弁５４ａを配設するとともに、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに連通する。空気供給流路４８は、燃料電池スタック１４に空気を供給する。
【００３４】
燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４４ｂには、空気排出流路（酸化剤排ガス排出流路）５６が連通する。空気排出流路５６には、出口封止弁５４ｂ、加湿器５２及び背圧弁５８が配設される。空気供給流路４８と空気排出流路５６とには、加湿器５２とエアポンプ４６との間に位置してバイパス流路６０が接続される。バイパス流路６０には、バイパス弁６２が配置される。空気排出流路５６は、カソード電極３４で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを、燃料電池スタック１４から排出する。
【００３５】
燃料ガス供給装置１８は、高圧水素を貯留する水素タンク６４を備え、この水素タンク６４は、水素供給流路（燃料ガス供給流路）６６を介して燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通する。水素供給流路６６は、燃料電池スタック１４に水素を供給する。
【００３６】
水素供給流路６６には、遮断弁６８及びエゼクタ７０が設けられるとともに、前記エゼクタ７０をバイパスするバイパス流路７２には、インジェクタ７４が設けられる。インジェクタ７４は、燃料ガスの流量調整、湿度調整及び温度調整に利用される。例えば、インジェクタ７４により未加湿の水素を供給することにより、湿度を下げることができる。
【００３７】
燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４２ｂには、オフガス流路（燃料排ガス排出流路）７６が連通する。オフガス流路７６は、アノード電極３２で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを、燃料電池スタック１４から導出する。このオフガス流路７６には、気液分離器（気液分離部）７８が接続されるとともに、前記気液分離器７８の下流から分岐する循環流路８０を介してエゼクタ７０が接続される。循環流路８０には、水素循環用の水素ポンプ８２が配設される。
【００３８】
オフガス流路７６には、循環流路８０の下流に位置してパージ弁８４が設けられるとともに、前記オフガス流路７６は、空気排出流路５６に、背圧弁５８の下流に位置して合流される。
【００３９】
気液分離器７８の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路８６が設けられる。排水流路８６は、ドレイン弁８８を配設するとともに、オフガス流路７６に、パージ弁８４の下流に位置して接続される。排水流路８６は、空気排出流路５６に接続されていればよく、前記空気排出流路５６に、背圧弁５８の下流に位置して直接合流してもよい。ドレイン弁８８の開弁時の開口径（開口断面積）は、パージ弁８４の開弁時の開口径（開口断面積）よりも大径に（大きく）設定される。なお、上記とは逆に、パージ弁８４の開弁時の開口径（開口断面積）は、ドレイン弁８８の開弁時の開口径（開口断面積）よりも大径に（大きく）設定することも可能である。
【００４０】
空気供給流路４８には、燃料電池スタック１４に供給される空気圧力（流体圧力）を測定するためのカソード側圧力センサ９０ａが配設される。水素供給流路６６には、燃料電池スタック１４に供給される水素圧力（流体圧力）を測定するためのアノード側圧力センサ９０ｂが配設される。燃料電池スタック１４には、発電電流を測定するための電流センサ９２が配設される。なお、燃料電池スタック１４の発電電流は、電流センサ９２に代えて、電圧センサ（図示せず）から得られる電圧に基づいて電流を検出してもよく、又は、他の方式で電流を把握することもできる。
【００４１】
制御装置２０は、図２に示すように、燃料電池スタック１４の発電電流を検出する電流検出部１００と、前記燃料電池スタック１４のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する窒素濃度推定部１０２とを有する。
【００４２】
制御装置２０は、さらに流量センサ（図示せず）を用いて、供給される酸化剤ガス流量を把握する空気流量把握部（酸化剤ガス流量把握部）１０４を有する。制御装置２０は、推定された窒素濃度と把握された酸化剤ガス流量とに基づいて、ドレイン弁８８の開弁時における空気排出流路５６の水素濃度（燃料ガス濃度）上昇（の可能性）の有無を判定する水素濃度上昇判定部（燃料ガス濃度上昇判定部）１０６を有する。
【００４３】
制御装置２０は、さらに燃料電池スタック１４の起動時におけるパージ処理が完了しているか否かを判定する起動パージ判定部１０８を有する。制御装置２０は、燃料電池スタック１４の前回停止時から今回起動時までの停止時間を検出する停止時間検出部１１０を有する。制御装置２０は、水素供給流路６６の水素圧力を検出する水素圧力検出部（燃料ガス圧力検出部）１１２と、空気供給流路４８の空気圧力を検出する空気圧力検出部（酸化剤ガス圧力検出部）１１４とを有する。
【００４４】
電流検出部１００は、燃料電池スタック１４に設けられている電流センサ９２からの検出信号に基づいて電流検出を行う。
【００４５】
窒素濃度推定部１０２は、以下のようにして、アノード側循環系内の窒素濃度を推定する。アノード側窒素（Ｎ2）量＝前回アノード側窒素（Ｎ2）量＋膜透過窒素（Ｎ2）量−パージ排出窒素（Ｎ2）量から求められる。前回アノード側窒素（Ｎ2）量は、前回推定されたアノード側循環系内の窒素量である。
【００４６】
膜透過窒素（Ｎ2）量は、固体高分子電解質膜３０をカソード側からアノード側に透過する窒素量であり、膜透過窒素（Ｎ2）量＝膜透過係数×｛カソード側窒素（Ｎ2）分圧−アノード側窒素（Ｎ2）分圧）｝から算出することができる。膜透過係数は、燃料電池スタック１４の温度と直近のインピーダンス測定値によるマップに基づいて、算出される。又は、膜透過係数は、燃料電池スタック１４の発電電流と直近のインピーダンス測定値によるマップに基づいて、算出してもよい。
【００４７】
さらに、パージ排出窒素（Ｎ2）量は、燃料電池スタック１４をパージする際に排出される窒素量であり、パージ排出窒素（Ｎ2）量＝パージ排出量（１００％水素と仮定）÷√（平均分子量÷２）×Ｎ2濃度から求められる。
【００４８】
また、膜透過係数は、湿度及び温度に依存している。図３に示すように、発電条件が乾燥状態のときには、膜透過係数が低くなり、発電電流に対する窒素の透過量が低下する。また、図４に示すように、膜透過係数は、温度が低い程、低下しており、低温での窒素の透過量が減少する。
【００４９】
図５に示すように、パージ弁８４及びドレイン弁８８の使用状態は、窒素透過量、空気流量及び排水量に基づいて設定される。窒素透過量、空気流量及び排水量が、相当に少量（ほとんど排水量がゼロの場合も含む）の際には、排出される水素濃度が高くなり易いため、ドレイン弁８８の開弁を禁止し、パージ弁８４のみが使用される。
【００５０】
窒素透過量、空気流量及び排水量が、比較的少量の場合には、パージ弁８４又はドレイン弁８８のいずれか一方のみが使用される。パージ弁８４及びドレイン弁８８の同時使用により、排出される水素によって水素濃度が上昇することを阻止するためである。さらに、窒素透過量、空気流量及び排水量が、比較的多量になる場合には、排出される水素の濃度の上昇が懸念されず、パージ弁８４及びドレイン弁８８を同時に使用することが可能な状態となる。
【００５１】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５２】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ４６を介して、空気供給流路４８に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器５２を通って加湿された後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給される。
【００５３】
一方、燃料ガス供給装置１８では、遮断弁６８の開放作用下に、水素タンク６４から水素供給流路６６に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、エゼクタ７０を通った後、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。
【００５４】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａから第２セパレータ２８の酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体２４のカソード電極３４に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４２ａから第１セパレータ２６の燃料ガス流路３６に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極３２に供給される。
【００５５】
従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極３４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。なお、冷却媒体流路４０には、図示しない冷却媒体供給装置から冷却媒体が供給される。
【００５６】
次いで、カソード電極３４に供給されて一部が消費された酸化剤ガスである酸化剤排ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂから空気排出流路５６に排出される。酸化剤排ガスは、加湿器５２を通って新たな酸化剤ガスを加湿した後、背圧弁５８の設定圧力に昇圧された後、外部に排出される。
【００５７】
同様に、アノード電極３２に供給されて一部が消費された燃料ガスである燃料排ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂからオフガス流路７６に排出される。燃料排ガスは、オフガス流路７６から気液分離器７８に導入され、液状水分が除去された後、循環流路８０を介してエゼクタ７０に吸引される。
【００５８】
次いで、本発明の第１の実施形態に係る運転方法について、図６に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００５９】
制御装置２０では、電流センサ９２からの検出信号に基づいて、電流検出部１００により燃料電池スタック１４の発電電流が検出される。一方、窒素濃度推定部１０２は、燃料電池スタック１４のアノード側循環系内の窒素濃度を推定する。そして、空気流量把握部１０４は、流量センサ（図示せず）を用いて、供給される空気流量を把握する。さらに、水素濃度上昇判定部１０６は、推定された窒素濃度と把握された空気流量とに基づいて、ドレイン弁８８の開弁時における空気排出流路５６の水素濃度上昇（の可能性）の有無を判定する。
【００６０】
具体的には、パージ弁８４の開口径よりも大径な開口径を有するドレイン弁８８のみが開弁された際に、空気排出流路５６の水素濃度上昇の可能性が無いと判定される空気流量を下限閾値に設定する。一方、ドレイン弁８８とパージ弁８４とを同時に開弁させた際に、空気排出流路５６の水素濃度上昇の可能性が無いと判定される空気流量を上限閾値に設定する。
【００６１】
そこで、ステップＳ１では、推定された窒素濃度が大きく、排出される水素濃度が上昇し難いと判定されるとともに、空気流量が上限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
【００６２】
ステップＳ２では、パージ弁８４とドレイン弁８８とが、同時に使用可能な状態に操作される。このため、燃料電池スタック１４のパージ処理時に、アノード系から排出される流体は、パージ弁８４を通過するとともに、気液分離器７８からドレイン弁８８を介して空気排出流路５６に排出される。従って、酸化剤ガス供給装置１６による空気増量を行う必要がなく、パージ処理が有効に促進される。
【００６３】
一方、ステップＳ１において、窒素濃度が低く、又は空気流量が上限閾値以下であると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、窒素濃度が大きく、且つ空気流量が下限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。
【００６４】
ステップＳ４では、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用可能となる。これにより、パージ弁８４よりも開口径の大きなドレイン弁８８を用いることができ、パージ効率の向上が図られるとともに、パージを迅速に完了させることが可能になる。
【００６５】
また、ステップＳ３において、窒素濃度が低く、又は空気流量が下限閾値以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。このステップＳ５では、排出される水素濃度が高くなると推定されるため、パージ弁８４のみが使用され、空気排出流路５６に排出される水素量の低減が図られる。
【００６６】
この場合、燃料電池システム１０では、オフガス流路７６は、パージ弁８４を介して空気排出流路５６に接続されるとともに、気液分離器７８と前記空気排出流路５６とは、ドレイン弁８８を介装した排水流路８６により接続されている。このため、燃料排ガスを一旦貯留させて酸化剤排ガスにより希釈するための希釈器が不要になり、燃料電池システム１０全体の小型化及び簡素化が容易に図られる。
【００６７】
しかも、例えば、空気流量が比較的多い場合には、パージ弁８４に代えて又は前記パージ弁８４と同時に、ドレイン弁８８を開弁させることができる。従って、パージ処理が迅速且つ確実に行われ、効率的なパージ処理が遂行可能になる。
【００６８】
さらに、第１の実施形態に係る運転方法では、アノード側循環系内の窒素濃度が推定され、前記窒素濃度が高いと判断された際、すなわち、空気排出流路５６に排出される水素量が少量であって、水素濃度上昇が無いと判断された際、ドレイン弁８８が開弁されている。これにより、カソード側への空気の供給量を上昇させる必要がなく、排出される水素濃度を低く維持することができる。このため、簡単な構成及び工程で、迅速なパージ処理が効率的に遂行されるとともに、システム効率の向上と、排出される水素濃度の抑制とを、両立させることが可能になるという効果が得られる。
【００６９】
次いで、図７には、燃料電池システム１０の起動時における運転制御方法（本発明の第２の実施形態）が示されている。図７中、ソークとは、燃料電池スタック１４の前回停止時から今回起動時までの停止時間をいう。第２の実施形態では、ソーク時間によってパージ弁８４とドレイン弁８８とをそれぞれ開閉制御する。
【００７０】
具体的には、図８に示すように、ソーク時間が短く、第１所定時間ｔ１以下である場合には、パージ弁８４及びドレイン弁８８が同時に使用可能となる。第１所定時間ｔ１以下では、カソード側に透過している水素量が相当に少なく、カソード側から排出される水素を考慮する必要がないからである。ソーク時間が第１所定時間ｔ１よりも長い第２所定時間ｔ２以下である場合には、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用される。なお、パージ弁８４が優先的に使用されることが好ましい。
【００７１】
さらに、ソーク時間が第２所定時間ｔ２を超えると、カソード側に透過している水素量が多量となり、パージ処理が不可となる。このため、パージ弁８４及びドレイン弁８８の両方ともが閉弁制御される。
【００７２】
制御装置２０では、停止時間検出部１１０がソーク時間を検出し、このソーク時間が第１所定時間ｔ１以下であるか、前記第１所定時間ｔ１を超える時間から第２所定時間ｔ２の間であるか、又は前記第２所定時間ｔ２を超える時間であるか否かを判定する。
【００７３】
そこで、図７に示すように、燃料電池システム１０が起動され、エアポンプ４６がオンされて、バイパス流路６０を通って空気排出流路５６に空気が排出される（図１参照）。一方、水素タンク６４から燃料電池スタック１４に水素が供給される。その際、ソーク時間によってパージ弁８４及びドレイン弁８８がそれぞれ開閉制御され、アノードパージが行われる。
【００７４】
そして、発電許可がなされると、バイパス弁６２が閉弁される一方、入口封止弁５４ａ及び出口封止弁５４ｂが開弁されて、燃料電池スタック１４に空気が酸化剤ガスとして供給される。従って、燃料電池スタック１４では、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが供給されて、発電が開始される。
【００７５】
このように、第２の実施形態では、ソーク時間に基づいて、パージ弁８４及びドレイン弁８８の開閉制御が行われるため、パージ処理が簡便な制御で効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００７６】
図９には、燃料電池システム１０の加速時（急速高負荷時）における制御方法（第３の実施形態に係る運転方法）を説明するフローチャートが示されている。
【００７７】
燃料電池システム１０の加速時には、ストイキ保護のため、系内水素濃度を上げる必要がある。このため、空気流量が上限閾値を超えると判断されると（ステップＳ１０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０２に進んで、パージ弁８４及びドレイン弁８８の両方が同時に使用される。従って、燃料電池スタック１４には、水素タンク６４から新たな水素が迅速に供給され、所望の水素ストイキを確保することが可能になる。なお、水素ストイキとは、必要な電流を得るために理論的に必要な水素の供給量に対し、実際に何倍の水素を供給しているかを表した比である。
【００７８】
また、加速時に空気流量が下限閾値を超えると判断されると（ステップＳ１０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に進んで、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用される。従って、燃料電池スタック１４には、水素タンク６４から新たな水素が供給可能となり、ストイキ保護が容易に行われる。なお、空気排出流路５６に排出される水素濃度が高くなる場合には、ステップＳ１０５に進んで、パージ弁８４のみが使用される。
【００７９】
図１０には、滞留水が多い運転条件における燃料電池システム１０の運転方法（第４の実施形態に係る運転方法）を説明するフローチャートが示されている。
【００８０】
先ず、滞留水が非常に多い、例えば、暖機完了直前や高負荷からの減速後、と判断されると（ステップＳ２０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、供給される空気流量が増量されるとともに、パージ弁８４及びドレイン弁８８が同時使用可能となる。このため、カソード側とアノード側との間に大きな差圧が発生し、燃料電池スタック１４内の滞留水を確実に排水することができる。
【００８１】
滞留水が非常に多いとはいえない場合には（ステップＳ２０１中、ＮＯ）、ステップＳ２０３に進む。そして、滞留水が多い、例えば、暖機初期や中負荷からの減速後、と判断されると（ステップＳ２０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、供給される空気流量が増量されるとともに、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみの使用が可能となる。従って、燃料電池スタック１４内に差圧が発生し、滞留水の排水が円滑に遂行される。また、滞留水が多くない場合には（ステップＳ２０３中、ＮＯ）、ステップＳ２０５に進み、パージ弁８４のみの使用が許可される。
【００８２】
図１１には、燃料電池システム１０の減速時等にアノード側とカソード側との間の極間差圧が過大となる際の運転方法（第５の実施形態に係る運転方法）を説明するフローチャートが示されている。
【００８３】
燃料電池システム１０では、空気供給流路４８に配設されるカソード側圧力センサ９０ａにより、燃料電池スタック１４のカソード側の空気圧力が測定されている。一方、水素供給流路６６に配設されているアノード側圧力センサ９０ｂにより、燃料電池スタック１４のアノード側の水素圧力が測定されている。
【００８４】
水素圧力検出部１１２では、アノード側の水素圧力を検出する一方、空気圧力検出部１１４では、カソード側の空気圧力を検出し、極間差圧が演算される。そして、極間差圧が過大であると判断され、且つ空気流量が上限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３０１中、ＹＥＳ）、ステップＳ３０２に進む。ステップＳ３０２では、パージ弁８４とドレイン弁８８とが同時使用可能となり、アノード側の水素圧力が迅速に低下される。
【００８５】
また、極間差圧が過大であり、且つ、空気流量が下限閾値を超えていると判断されると（ステップＳ３０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、パージ弁８４又はドレイン弁８８の一方のみが使用可能となり、例えば、前記ドレイン弁８８の開弁作用下に、燃料電池スタック１４のアノード圧力を低下させることができる。
【００８６】
なお、極間差圧が過大ではなく、又は、空気流量が下限閾値以下であると判断されると（ステップＳ３０３中、ＮＯ）、ステップＳ３０５に進み、パージ弁８４のみが使用可能となる。これにより、燃料電池スタック１４では、アノード圧力を迅速に低下させることができ、反応応答性を向上させることが可能になる。
【符号の説明】
【００８７】
１０…燃料電池システム                  １２…燃料電池
１４…燃料電池スタック                  １６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置                  ２０…制御装置
２４…電解質膜・電極構造体              ２６、２８…セパレータ
３０…固体高分子電解質膜                ３２…アノード電極
３４…カソード電極                      ３６…燃料ガス流路
３８…酸化剤ガス流路                    ４２ａ…燃料ガス入口連通孔
４２ｂ…燃料ガス出口連通孔              ４４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔            ４６…エアポンプ
４８…空気供給流路                      ５２…加湿器
５６…空気排出流路                      ５８…背圧弁
６０…バイパス流路                      ６４…水素タンク
６６…水素供給流路                      ７６…オフガス流路
７８…気液分離器                        ８０…循環流路
８４…パージ弁                          ８６…排水流路
８８…ドレイン弁                        １００…電流検出部
１０２…窒素濃度推定部                  １０４…空気流量把握部
１０６…水素濃度上昇判定部              １０８…起動パージ判定部
１１０…停止時間検出部                  １１２…水素圧力検出部
１１４…空気圧力検出部
【図１】
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【図２】
2015056387.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015056387.tif 000009
【図８】
2015056387.tif 000010
【図９】
2015056387.tif 000011
【図１０】
2015056387.tif 000012
【図１１】
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