(57)【要約】【課題】燃料ガスの状態に応じて、パージ回数を調整することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、水素吸蔵合金１１、水素流路部材１０又はスタック１００の少なくとも１つに関連する物理量を検出する検出部４１、４２、４３、４４を備える。制御部４０は、所定のパージタイミングに、水素パージ弁１４の開閉を制御して第１パージを行い、いずれかの検出部４１、４２、４３又は４４が、第１パージ時に検出した第１検出結果に基づいて、第１パージの後に第２パージを行うか否かを決定する。【選択図】図１
2015153560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体のアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池システムであって、
前記膜／電極接合体を含む複数の単位電池セルが積層されたスタックと、
途中に前記スタックが接続され、水素吸蔵合金を含む燃料ガス供給源が一端に接続される燃料ガス流路部材と、
前記スタックに対して前記燃料ガス供給源と反対側において、前記燃料ガス流路部材に配置されたアノード側パージ弁と、
前記燃料ガス流路部材及び前記スタックの少なくとも一方に設けられ、前記燃料ガス供給源、前記燃料ガス流路部材又は前記スタックの少なくとも１つに関連する物理量を検出する検出部と、
所定のパージタイミングに、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して第１パージを行う第１パージ手段と、
前記第１パージ時に前記検出部によって検出された第１検出結果に基づいて、前記第１パージの後に第２パージを行うか否かを決定する第１決定手段と、
前記第１決定手段によって前記第２パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第２パージを行う第２パージ手段と、
を含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１検出結果と第１閾値とを比較する第１比較手段をさらに備え、
前記第１決定手段は、
前記第１比較手段の比較結果が、前記第１検出結果が前記第１閾値よりも大きいことを示す場合に、前記第２パージを行わないと決定し、
前記第１比較手段の比較結果が、前記第１検出結果が前記第１閾値よりも小さいことを示す場合に、前記第２パージを行うと決定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２パージ手段は、前記第１比較手段の比較結果が、前記第１検出結果が前記第１閾値よりも小さいことを示す場合には、前記第１検出結果よりも後に検出された第２検出結果が第２閾値に達した後で、前記第２パージを行う制御をする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検出部が前記第２パージ時に検出した第２検出結果に基づいて、前記第２パージの後に第３パージを行うか否かを決定する第２決定手段と、
前記第２決定手段によって前記第３パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第３パージを行う第３パージ手段と、
を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２検出結果と前記第２閾値とを比較する第２比較手段をさらに備え、
前記第２決定手段は、
前記第２比較手段の比較結果が、前記第２検出結果が前記第２閾値よりも大きいことを示す場合に、前記第３パージを行わないと決定し、
前記第２比較手段の比較結果が、前記第２検出結果が前記第２閾値よりも小さいことを示す場合に、前記第３パージを行うと決定する、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第３パージ手段は、前記第２比較手段の検出結果が、前記第２検出結果が前記第２閾値よりも小さいことを示す場合には、前記第２検出結果よりも後に検出された前記第３検出結果が前記第２閾値に達した後で、前記第３パージを行う制御をする、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２閾値が、前記第１閾値よりも小さい、請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記検出部が、前記燃料ガスの供給源の温度、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの圧力、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量、又は前記スタックの電圧の少なくとも１つを前記物理量として検出する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス流路から水や不純物を排出するためのアノード側パージ弁を開閉動作させて、複数回のパージを行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を２つのセパレータで挟み込んだ単位電池セルを積層したスタックを備える。ＭＥＡは、例えば、固体高分子電解質膜の両面にカソード電極及びアノード電極を有する。燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜を備えた固体高分子型燃料電池である。固体高分子型燃料電池は、スタックの個々の単位電池セルにおけるアノード電極に供給された燃料ガス（例えば水素）と、カソード電極に供給された酸化ガス（例えば空気）との反応により電力と水とを生成する。
【０００３】
水素イオンが固体高分子電解質膜を通してアノード電極からカソード電極に移動するため、水は、個々の単位電池セルのカソード電極で生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜を通してカソード電極からアノード電極に逆拡散する。水が燃料ガス流路に溜まると、スタックへの燃料ガスの供給が妨げられる。この結果、固体高分子型燃料電池の発電効率が低下してしまう。また、燃料ガスには、燃料ガス以外にも、一酸化炭素などの不純物が含まれている。燃料ガスの消費に伴い、スタック内のアノード電極周囲における不純物の濃度が上昇すると、相対的に燃料ガスの分圧が下がることにより、発電量が低下してしまう。
【０００４】
従来の燃料電池システムは、燃料ガス流路にアノード側パージ弁を備える。例えば、デッドエンド式の燃料電池の場合、アノード側パージ弁は、スタックよりも下流に備えられる。燃料ガス流路に溜まった水や不純物は、アノード側パージ弁を開くことで外部に排出される。
【０００５】
例えば、特開２００８−５２９４８号公報（特許文献１）には、水素循環用配管から水や不純物を排出する際に、水素循環用配管の圧力が大気圧よりもやや大きな値に保持される構成の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、水素循環用配管の圧力を大気圧と同程度にすることで、外部に排出される水素の量を減少させる。また、この燃料電池システムは、パージバルブの切り換えを所定の周期で２〜３回繰り返すことにより、排出されるパージガスの勢いを増す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−５２９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の燃料電池システムは、水素の供給源として、水素を高圧に圧縮して貯蔵した水素タンクを用いる。水素タンクは、水素循環用配管に供給される水素に十分な圧力を与えることができる。このため、従来の燃料電池システムは、複数回のパージを一律に繰り返しても、水素循環用配管内の圧力の低下が問題になることはない。
【０００８】
一方、燃料電池システムには、水素の供給源として、水素吸蔵合金を用いたものがある。水素吸蔵合金は、水素タンクほどの高圧で水素を供給することができない。このため、水素吸蔵合金を用いた燃料電池システムでは、複数回のパージを一律に繰り返すと、水素流路部材内の圧力が過度に低下してしまう。これにより、スタックへの水素の供給が途絶えてしまい、燃料電池システムの発電効率が低下する問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの状態に応じて、パージ回数を調整することができる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、膜／電極接合体のアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池システムであって、前記膜／電極接合体を含む複数の単位電池セルが積層されたスタックと、途中に前記スタックが接続され、水素吸蔵合金を含む燃料ガス供給源が一端に接続される燃料ガス流路部材と、前記スタックに対して前記燃料ガス供給源と反対側において、前記燃料ガス流路部材に配置されたアノード側パージ弁と、前記燃料ガス流路部材及び前記スタックの少なくとも一方に設けられ、前記燃料ガス供給源、前記燃料ガス流路部材又は前記スタックの少なくとも１つに関連する物理量を検出する検出部と、所定のパージタイミングに、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して第１パージを行う第１パージ手段と、前記第１パージ時に前記検出部によって検出された第１検出結果に基づいて、前記第１パージの後に第２パージを行うか否かを決定する第１決定手段と、前記第１決定手段によって前記第２パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第２パージを行う第２パージ手段と、を含む構成となっている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガスの状態に応じて、パージ回数を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図２は、上記燃料電池システムに含まれるスタックを示す斜視図である。
【図３】図３は、上記スタックの構成を示す分解斜視図である。
【図４】図４は、単位電池セルを構成するセパレータを示すものである。図４（ａ）はセパレータの表面を示す平面図である。図４（ｂ）はセパレータの裏面を示す平面図である。
【図５】図５は、上記単位電池セルの構成を示す部分断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係るパージの制御処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係るパージの制御処理を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態に係るパージの制御処理を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態に係るパージの制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜システムの全体構成＞
図１において、本実施形態の燃料電池システム１は、スタック１００と、水素流路部材（燃料ガス流路部材）１０と、空気流路部材（酸化ガス流路部材）２０と、置換流路部材３０とを含む。水素流路部材１０は、スタック１００のアノード側の出入口に接続される。空気流路部材２０は、スタック１００のカソード側の出入口に接続される。置換流路部材３０は、スタック１００の上流の位置において、水素流路部材１０と空気流路部材２０とに接続される。なお、燃料電池システム１は、固体高分子型燃料電池システムであってよい。
【００１４】
＜＜スタックに関連する構成＞＞
図２に示されるように、スタック１００は、複数の単位電池セル１０１ａと、２つのエンドプレート１０１Ｂとを備える。複数の単位電池セル１０１ａは、直列に積層された単位電池セル群１０１Ａを構成する。２つのエンドプレート１０１Ｂの一方は、単位電池セル群１０１Ａの一端に配置される。２つのエンドプレート１０１Ｂの他方は、単位電池セル群１０１Ａの他端に配置される。複数本のボルト１０１Ｃは、複数の単位電池セル１０１ａ及び２つのエンドプレート１０１Ｂを貫通し、複数の単位電池セル１０１ａ及び２つのエンドプレート１Ｂを互いに固定する。一方のエンドプレート１０１Ｂには、空気流入孔１０１Ｄと、水素流入孔１０１Ｅとが形成される。空気流入孔１０１Ｄは、後述するセパレータ１１０の第１貫通孔１１２に連通する。空気流入孔１０１Ｄには、スタック１００より上流の空気流路部材２０が接続される。水素流入孔１０１Ｅは、後述するセパレータ１１０の第３貫通孔１１４に連通する。水素流入孔１０１Ｅには、スタック１００より上流の水素流路部材１０が接続される。他方のエンドプレート１０１Ｂには、空気排出孔（非図示）と、水素排出孔（非図示）とが形成される。空気排出孔は、後述するセパレータ１１０の第２貫通孔１１３に連通する。空気排出孔には、スタック１００より下流の空気流路部材２０が接続される。水素排出孔は、後述するセパレータ１１０の第４貫通孔１１５貫通孔に連通する。水素排出孔には、スタック１００より下流の水素流路部材１０が接続される。一方のエンドプレート１０１Ｂと単位電池セル群１０１Ａとの間には、集電板１０１Ｆが設けられる。他方のエンドプレート１０１Ｂと電池セル群１０１Ａとの間には、集電板１０１Ｇが設けられる。集電板１０１Ｆと集電板１０１Ｇとの間に外部負荷を電気的に接続することで、スタック１００で生成された電力を外部負荷に供給することができる。
【００１５】
図３〜図５に示されるように、スタック１００を構成する各単位電池セル１０１ａは、膜／電極接合体１３０と、２つのガスケット１２０ａ、１２０ｂと、２つのセパレータ１１０とを有する。２つのガスケット１２０ａ、１２０ｂは、膜／電極接合体１３０の周縁部にそれぞれ設けられる。２つのセパレータ１１０の一方は、ガスケット１２０ａを介して、膜／電極接合体１３０の一方の面に接触する。２つのセパレータ１１０の他方は、ガスケット１２０ｂを介して、膜／電極接合体１３０の他方の面に接触する
【００１６】
＜＜＜膜／電極接合体＞＞＞
図５に示されるように、膜／電極接合体１３０は、固体高分子電解質膜１３１、カソード電極１３２及びアノード電極１３３を有する。固体高分子電解質膜１３１は、プロトンの導電性を有する。固体高分子電解質膜１３１は、含水状態においてプロトンを選択的に輸送する。固体高分子電解質膜１３１は、例えばナフィオン（登録商標）などの、スルホン酸基を持ったフッ素系ポリマーで構成される。
【００１７】
アノード電極１３３は、膜／電極接合体１３０の一方の面に接触する。アノード電極１３３は、触媒層１３３ａと、ガス拡散層１３３ｂとを有する。ガス拡散層１３３ｂは、導電性と、燃料ガス（例えば、水素）の通気性とを兼ね備える。ガス拡散層１３３ｂは、例えば、カーボンペーパーなどによって構成される。触媒層１３３ａは、膜／電極接合体１３０の一方の面とガス拡散層１３３ｂとの間に設けられる。触媒層１３３ａは、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒を含む。触媒層１３３ａは、例えば、ガス拡散層１３３ｂを構成するカーボンペーパーに対して、触媒を有機溶媒に分散させたペーストを塗布することで形成される。
【００１８】
カソード電極１３２は、膜／電極接合体１３０の他方の面に接触する。カソード電極１３２は、触媒層１３２ａとガス拡散層１３２ｂとを有する。ガス拡散層１３２ｂは、導電性と、酸化ガス（例えば、空気）の通気性とを兼ね備える。ガス拡散層１３２ｂは、例えば、カーボンペーパーなどによって構成される。触媒層１３２ａは、膜／電極接合体１３０の他方の面とガス拡散層１３２ｂとの間に設けられる。触媒層１３２ａは、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒を含む。触媒層１３２ａは、例えば、ガス拡散層１３２ｂを構成するカーボンペーパーに対して、触媒を有機溶媒に分散させたペーストを塗布することで形成される。
【００１９】
＜＜＜セパレータ＞＞＞
セパレータ１１０は、金属製の長方形の平板状の部材である。セパレータ１１０は、例えば、ステンレス、アルミニウム、カーボンなどの導電性材料で構成される。セパレータ１１０には、複数の第１流路壁１１１と、複数の第２流路壁１１７と、２つの第１貫通孔１１２と、２つの第２貫通孔１１３と、２つの第３貫通孔１１４と、２つの第４貫通孔１１５とが形成される。
【００２０】
図３及び図４に示されるように、セパレータ１１０の一方の面（例えば、表面）における中央には、複数の第１流路壁１１１が間隔をあけて平行に形成される。全ての第１流路壁１１１を含む略長方形の領域は、膜／電極接合体１３０のカソード電極１３２の外形に対応する。各第１流路壁１１１と、各第１流路壁１１１の頂点に接触するカソード電極１３２とによって、膜／電極接合体１３０に供給される酸化ガスの複数の第１流路１１１ａが形成される。これら第１流路１１１ａの一端には、セパレータ１１０の短辺に沿って、２つの第１貫通孔１１２が設けられる。また、これら第１流路１１１ａの他端には、セパレータ１１０の短辺に沿って、２つの第２貫通孔１１３が設けられる。第１貫通孔１１２を通過した空気は、第１流路１１１ａを流れることで、カソード電極１３２に供給される。第１流路１１１ａを流れた空気は、カソード電極１３２で発電によって生成された水とともに、第２貫通孔１１３を通過する。セパレータ１１０の表面には、厚み方向に突出するガスケットライン３７Ａが形成される。ガスケットライン３７Ａは、複数の第１流路１１１ａと、２つの第１貫通孔１１２と、２つの第２貫通孔１１３との外周を隙間なく取り囲む。
【００２１】
また、セパレータ１１０の他方の面（例えば、裏面）における中央には、表面と同様に、複数の第２流路壁１１７が間隔をあけて平行に設けられる。複数の第２流路壁１１７は、表面のストレート型の流路壁１１１と異なり、その両端が第３貫通孔１１４及び第４貫通孔１１５に向かってそれぞれ直角に曲折したサーペンタイン型となっている。複数の第２流路壁１１７を含む略長方形の領域は、膜／電極接合体１３０のアノード電極１３３の外形に対応する。各第２流路壁１１７と、各第２流路壁１１７の頂点に接触するアノード電極１３３とによって、膜／電極接合体１３０に供給される水素が流れる複数の第２流路１１７ａが形成される。第３貫通孔１１４を通過した水素は、第２流路１１７ａを流れることで、アノード電極１３３に供給される。第２流路１１７ａを流れた水素は、第４貫通孔１１５を通過する。セパレータ１１０の裏面には、表面と同様に、厚み方向に突出するガスケットライン３７Ｂが形成される。ガスケットライン３７Ｂは、複数の複数の第２流路１１７ａと、２つの第３貫通孔１１４と、２つの第４貫通孔１１５との外周を隙間なく取り囲む。
【００２２】
セパレータ１１０の互いに対向する長辺の近傍には、それぞれ複数の貫通孔１１６が等間隔で設けられる。本実施形態では、セパレータ１１０の強度を向上させるため、第３貫通孔１１４及び第４貫通孔１１５が、隣接する２つの貫通孔１１６の間の領域に設けられる。
【００２３】
＜＜＜ガスケット＞＞＞
ガスケット１２０ａ、１２０ｂは、セパレータ１１０とほぼ同一寸法の長方形のシート材からなる。ガスケット１２０ａ、１２０ｂは、貫通孔１２１〜１２６を有する。ガスケット１２０ａ、１２０ｂを形成するシート材としては、例えば、極めて薄く加工したシリコンゴム又はエラストマーなどの弾性体を用いることができる。ガスケット１２０ａ、１２０ｂの中央には、最も大きな長方形の貫通孔１２１が設けられる。この貫通孔１２１の外形及び位置は、セパレータ１１０の表面に形成された複数の第１流路壁１１１と、セパレータ１１０の裏面に形成された複数の第２流路壁１１７とを含む、略長方形の領域に対応する。また、貫通孔１２１の外形は、膜／電極接合体１３０の両面に設けたカソード電極１３２及びアノード電極１３３にも対応する。
【００２４】
ガスケット１２０ａ、１２０ｂの互いに対向する短辺の近傍で、かつ長方形の貫通孔１２１の両端には、それぞれ２つの貫通孔１２２と、２つの貫通孔１２３とが設けられる。２つの貫通孔１２２の外形及び位置は、セパレータ１１０の２つの第１貫通孔１１２にそれぞれ対応する。また、２つの貫通孔１２３の外形及び位置は、セパレータ１１０の２つの第２貫通孔１１３にそれぞれ対応する。
【００２５】
ガスケット１２０ａ、１２０ｂの一の長辺の近傍には、２つの貫通孔１２４と、２つの貫通孔１２５とが間隔をあけて設けられる。２つの貫通孔１２４の外形及び位置は、セパレータ１１０の２つの第３貫通孔１１４にそれぞれ対応する。また、２つの貫通孔１２５の外形及び位置は、セパレータ１１０の２つの第４貫通孔１１５にそれぞれ対応する。
【００２６】
ガスケット１２０ａ、１２０ｂの互いに対向する長辺の近傍には、それぞれ複数の貫通孔１２６が等間隔で設けてある。これら貫通孔１２６の外形及び位置は、セパレータ１１０の各貫通孔１１６にそれぞれ対応する。
【００２７】
図３及び図５に示されるように、ガスケット１２０ａは、アノード電極１３３の外周に隣接し、固体高分子電解質膜１３１の一方の面に接触する。ガスケット１２０ａは、セパレータ１１０の裏面に形成されたガスケットライン３７Ｂによって押さえられる。ガスケット１２０ａは、第２流路１１７ａを流れる水素が、単位電池セル１０１ａから外部に漏れることを防止する。ガスケット１２０ｂは、カソード電極１３２の外周に隣接し、固体高分子電解質膜１３１の他方の面に接触する。ガスケット１２０ｂは、セパレータ１１０の表面に形成されたガスケットライン３７Ａによって押さえられる。ガスケット１２０ｂは、第１流路１１１ａを流れる空気が、単位電池セル１０１ａから外部に漏れることを防止する。
【００２８】
図２及び図３において、複数の単位電池セル１０１ａが直接に積層されるので、第１貫通孔１１２及び貫通孔１２２が一直線に整列する。第３貫通孔１１４及び貫通孔１２４と、第２貫通孔１１３及び貫通孔１２３と、第４貫通孔１１５及び貫通孔１２５も、同様に、それぞれ一直線に整列する。一方のエンドプレート１０１Ｂの水素流入孔１０１Ｅは、一直線に整列した第３貫通孔１１４及び貫通孔１２４に連通する。一方のエンドプレート１０１Ｂの空気流入孔１０１Ｄは、一直線に整列した第１貫通孔１１２及び貫通孔１２２に連通する。他方のエンドプレート１０１Ｂの水素排出孔（非図示）は、一直線に整列した第４貫通孔１１５及び貫通孔１２５に連通する。他方のエンドプレート１０１Ｂの空気排出孔（非図示）は、一直線に整列した第２貫通孔１１３及び貫通孔１２３に連通する。
【００２９】
＜＜燃料電池の動作＞＞
水素流入孔１０１Ｅからスタック１００の内部に供給された水素は、積層方向に一直線に整列した第３貫通孔１１４に流入する。水素は、第３貫通孔１１４から第２流路１１７ａに流入する。第２流路１１７ａに流入した水素は、アノード電極１３３の拡散層１３３ｂによって膜／電極接合体１３０の面方向に拡散され、アノード電極１３３の触媒層１３３ａに接触する。触媒層１３３ａに接触した水素は、触媒層１３３ａに含まれる触媒によって、水素イオンと電子とに乖離する。水素イオンは、固体高分子膜１３１を伝導し、カソード電極１３２の触媒層１３２ａに到達する。一方、電子は、集電板１０１Ｆから、外部に取り出される。アノード電極１３３に接触した水素ガスは、第２流路１１７ａに沿って第４貫通孔１１５に到達し、水素排出孔（非図示）を介してスタック１の外部に排出される。
【００３０】
空気導入口１０１Ｄからスタック１００の内部に供給された空気は、積層方向に一直線に整列した第１貫通孔１１２に流入する。空気は、第１貫通孔１１２から第１流路１１１ａに流入する。第１流路１１１ａに流入した空気は、カソード電極１３２の拡散層１３２ｂによって膜／電極接合体１３０の面方向に拡散され、カソード電極１３２の触媒層１３２ａに接触する。空気に含まれる酸素は、触媒層１３２ａに含まれる触媒によって、固体高分子膜１３１を伝導してきた水素イオンと、集電板１０１Ｆから取り出され、外部負荷を介して集電板１０１Ｇから伝導される電子と反応することで、水を生成する。この電子の移動によって、電力が発生する。カソード電極１３２に接触した空気は、生成された水とともに、第１流路１１１ａに沿って第２貫通孔１１３に到達し、空気排出孔（非図示）を介してスタック１の外部に排出される。
【００３１】
＜＜水素流路部材に関連する構成＞＞
図１において、水素流路部材１０は、燃料ガスである水素の流路を規定する。水素流路部材１０の構成は、水素の流路を規定することができるものであれば、特に限定されるものではない。水素流路部材１０として、例えば、硬質又は軟質のパイプ、チューブを用いることができる。硬質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ステンレスなどの金属であってよい。軟質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂であってよい。
【００３２】
図１に示されるように、水素流路部材１０には、その上流側から順に、水素吸蔵合金１１と、レギュレータ１５と、圧力センサ４２と、第１水素遮断弁１２と、流量計４３と、第２水素遮断弁１３と、水素パージ弁１４とが配置される。水素吸蔵合金１１は、燃料ガスの供給源の一例である。圧力センサ４２および流量計４３は、検出部の一例である。水素パージ弁は、アノード側パージ弁の一例である。第１水素遮断弁１２、第２水素遮断弁１３、及び水素パージ弁１４は、例えば、制御部４０からの指令（例えば、信号）に基づいて開状態と閉状態とを切替可能なソレノイド弁によって構成される。但し、本発明の実施に用いられる弁は、ソレノイド弁に限定されるものではない。本発明の実施には、ソレノイド弁の代わりに、例えば、モータによって開放状態を調整可能な電動弁が用いられても差し支えない。
【００３３】
水素吸蔵合金１１は、水素流路部材１０の最も上流の位置に配置される。水素吸蔵合金１１は、水素流路部材１０に燃料ガスである水素を供給する。水素吸蔵合金１１の構成は、特に限定されるものではなく、例えば、ＡＢ２型、ＡＢ５型、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｖ系、Ｍｇ合金、Ｐｂ系、Ｃａ系合金などの種々の構成のものを適用することができる。一般に、水素吸蔵合金１１は、吸熱反応によって水素を放出する。水素吸蔵合金１１の温度が高いほど、単位体積、単位時間当たりの水素の放出量は多い。一方、水素吸蔵合金１１の温度が低いほど、水素の放出量は少ない。
【００３４】
レギュレータ１５は、水素流路部材１０内の圧力を、スタック１００の発電に十分な値に調整する。レギュレータ１５は、水素吸蔵合金１１から水素流路部材１０へ供給される水素の流量を制御する。例えば、本実施形態におけるレギュレータ１５は、水素流路部材１０内の圧力を５０ｋＰａ超に調整する。水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａを超えれば、発電に十分な流量の水素がスタック１００に供給される。
【００３５】
第１水素遮断弁１２は、水素吸蔵合金１１と置換流路部材３０との間の位置で、水素流路部材１０に配置される。第１水素遮断弁１２は、燃料電池システム１の起動時に開いた状態となり、水素吸蔵合金１１からスタック１００に対して供給される水素を水素流路部材１０へ流通させる。また、第１水素遮断弁１２は、燃料電池システム１の終了時に閉じた状態となり、水素吸蔵合金１１からスタック１００に対して供給される水素を遮断する。第１水素遮断弁１２は、水素パージ弁１４の閉動作の異常が生じた場合に閉じた状態となり、スタック１００への水素の供給を遮断する。
【００３６】
第２水素遮断弁１３は、置換流路部材３０とスタック１００との間の位置で、水素流路部材１０に配置される。第２水素遮断弁１３は、燃料電池システム１の起動時に開いた状態となり、水素吸蔵合金１１からスタック１００に対して供給される水素を水素流路部材１０へ流通させる。また、第２水素遮断弁１３は、燃料電池システム１の終了時に閉じた状態となり、水素供給原１１から供給される水素を遮断する。第２水素遮断弁１３は、水素パージ弁１４の閉動作に異常が生じた場合に、閉じた状態となり、スタック１００への水素の供給を遮断する。すなわち、第１水素遮断弁１２及び第２水素遮断弁１３は、水素パージ弁１４の閉動作の異常による水素の漏れを二重に防止する。
【００３７】
水素パージ弁１４は、スタック１００より下流に接続された水素流路部材１０に配置される。スタック１００より下流に接続された水素流路部材１０の内部には、スタック１００で生成された水や、発電に伴って濃度が高くなった不純物が滞留する。水素パージ弁１４は、開いた状態となったときに、水素流路部材１０に溜まった水や不純物を外部に排出する。第１水素遮断弁１２及び第２水素遮断弁１３が開いており、水素パージ弁１４が閉じている場合、水素流路部材１０において、レギュレータ１５によって調整された圧力で水素が閉塞された状態になる。即ち、燃料電池システム１はデッドエンド式である。
＜＜複数の検出部＞＞
【００３８】
本実施形態の燃料電池システム１は、水素の状態に応じて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御する構成となっている。燃料電池システム１には、水素の状態に関連する物理量を検出するために、温度センサ４１、圧力センサ４２、流量計４３、電圧検出部４４といった、複数の検出部が設けられている。制御部４０は、複数の検出部のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御することができる。
【００３９】
図１に示されるように、水素吸蔵合金１１には、温度センサ４１が備えられている。水素流路部材１０におけるレギュレータ１５の下流の位置には、圧力センサ４２が配置されている。水素流路部材１０における置換流路部材３０の下流の位置には、流量計４３が配置されている。スタック１００には、燃料電池電圧を検出する電圧検出部４４が備えられている。
【００４０】
温度センサ４１は、水素吸蔵合金１１の温度を検出し、検出結果を制御部４０に送信する。水素吸蔵合金１１の温度は、水素吸蔵合金１１から放出される水素の量に影響する。水素吸蔵合金１１の温度が高いほど、水素吸蔵合金１１から放出される水素の量が多い。一方、水素吸蔵合金１１の温度が低いほど、水素吸蔵合金１１から放出される水素の量が少ない。制御部４０は、温度センサ４１の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御することができる。
【００４１】
圧力センサ４２は、水素流路部材１０内の圧力を検出し、検出結果を制御部４０に送信する。水素流路部材１０内の圧力は、水素吸蔵合金１１から水素流路部材１０へ供給される水素の流量に影響する。水素流路部材１０内の圧力が高いほど、スタック１１へ供給される水素の流量が多い。一方、水素流路部材１０内の圧力が低いほど、スタック１１へ供給される水素の量が少ない。制御部４０は、圧力センサ４２の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御することができる。
【００４２】
流量計４３は、水素流路部材１０へ供給される空気又は水素の流量を検出し、検出結果を制御部４０に送信する。流量計４３の構成は、特に限定されるものではなく、例えば、熱式、差圧式、面積式、超音波式などの流量計を用いることができる。本実施形態の流量計２２は、サーミスタを用いた熱式の流量計である。
【００４３】
流量計４３は、燃料電池システム１の通常運転時において、水素流路部材１０へ供給される水素の流量を検出する。流量計４３は、検出した水素の流量を制御部４０に送信する。制御部４０は、流量計４３の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御することができる。
【００４４】
電圧検出部４４は、燃料電池システム１の起動時に、スタック１００の燃料電池電圧を検出し、検出結果を制御部４０に送信する。ここでいう燃料電池電圧は、スタック１００から他の機器（非図示）へ電力が供給されていない状態の開放電圧である。燃料電池電圧が規定値に達している場合は、十分な流量の水素がスタック１００に供給されていることになる。一方、燃料電池電圧が規定値に達していない場合は、十分な流量の水素がスタック１００に供給されていないことになる。制御部４０は、電圧検出部４４の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御することができる。
【００４５】
＜＜空気流路部材に関連する構成＞＞
空気流路部材２０は、酸化ガスである空気の流路を規定する。空気流路部材２０の構成は、空気の流路を規定することができるものであれば、特に限定されるものではない。空気流路部材２０として、例えば、硬質又は軟質のパイプ、チューブなどを用いることができる。硬質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ステンレスなどの金属であってよい。軟質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂であってよい。
【００４６】
図１に示されるように、空気流路部材２０には、その上流側から順に、エアーポンプ２１と、逆止弁２３と、空気遮断弁２４とが配置される。エアーポンプ２１は、酸化ガス供給源の一例である。逆止弁２３は、遮断弁としての一例である。空気遮断弁２４は、酸化ガス遮断弁としての一例である。
【００４７】
エアーポンプ２１は、空気流路部材２０の最も上流の位置に配置される。エアーポンプ２１は、空気流路部材２０に酸化ガスである空気を供給する。
【００４８】
逆止弁２３は、空気流路部材２０の一方から他方への流れを許容し、他方から一方への流れを制限する。本実施形態において、逆止弁２３は、空気流路部材２０の上流から下流、すなわち、エアーポンプ２１側からスタック１００側への空気の流れを許容する。逆止弁２３は、空気流路部材２０の下流から上流、すなわち、スタック１００側からエアーポンプ２１側への水の流れを遮断する。逆止弁２３としては、例えば、ポペット式、スイング式、ウエハー式、リフト式、ボール式、フート式など、任意の形式の逆止弁が用いられてよい。なお、逆止弁２３の代わりに、電磁弁が用いられてもよい。
【００４９】
空気遮断弁２４は、スタック１００より下流に接続された空気流路部材２０に配置される。空気遮断弁２４は、開いた状態となったときに、スタック１００のカソード側で生成された水を外部へ排出する。空気遮断弁２４は、スタック１００の発電停止時に閉じた状態となる。空気遮断弁２４が閉じた状態となることで、スタック１００から外部への空気の排出が遮断され、空気が流れるセパレータ１１０の第１流路１１１ａの湿度が保たれる。これにより、固体高分子電解質膜１３１のカソード電極１３２の乾燥が防止される。
空気遮断弁２４は、例えば、制御部４０からの指令（例えば、信号）に基づいて開状態と閉状態を切替可能なソレノイド弁によって構成される。但し、本発明の実施に用いられる弁は、ソレノイド弁に限定されるものではない。本発明の実施には、ソレノイド弁の代わりに、例えば、モータによって開放状態を調整可能な電動弁が用いられても差し支えない。
【００５０】
＜＜置換流路部材に関連する構成＞＞
置換流路部材３０は、空気流路部材２０から水素流路部材１０へ空気を流通させるためのものである。置換流路部材３０の構成は、空気が流れる置換流路を規定することができるものであれば、特に限定されるものではない。置換流路部材３０として、例えば、硬質又は軟質のパイプ、チューブなどを用いることができる。硬質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ステンレスなどの金属であってよい。軟質のパイプ、チューブの材質は、例えば、ポリプロピレンなど、各種エンジニアリングプラスチックや合成樹脂であってよい。
【００５１】
図１に示されるように、置換流路部材３０は、第１水素遮断弁１２と第２水素遮断弁１３との間の水素流路部材１０と、流量計２２と逆止弁２３との間の空気流路部材２０とに接続される。置換流路部材３０の空気流路部材２０側には、置換弁３１が配置される。置換流路部材３０の水素流路部材１０側には、遮断弁の一例である逆止弁３２が配置される。
【００５２】
置換弁３１は、水素流路部材１０と空気流路部材２０とを連通又は遮断させるためのものである。置換弁３１は、例えば、制御部４０からの指令（例えば、信号）に基づいて開状態と閉状態を切替可能なソレノイド弁によって構成される。但し、本発明の実施に用いられる弁は、ソレノイド弁に限定されるものではない。本発明の実施には、ソレノイド弁の代わりに、例えば、モータによって開放状態を調整可能な電動弁が用いられても差し支えない。
【００５３】
燃料電池システム１の通常運転時において、置換弁３１は、制御部４０からの指令に従って閉じた状態となり、水素流路部材１０と空気流路部材２０とを遮断させる。これにより、エアーポンプ２１から供給される空気は、空気流路部材２０を通ってスタック１００のカソード側に流れる。一方、燃料電池システム１の運転終了時において、置換弁３１は、制御部４０からの指令に従って開いた状態となり、水素流路部材１０と空気流路部材２０とを連通させる。これにより、空気流路部材２０、置換流路部材３０及び燃料ガス流路部材１０を通るルートが形成される。このとき、エアーポンプ２１から供給される空気は、置換流路部材３０を介して、空気流路部材２０から水素流路部材１０へ流れる。その後、空気は、水素流路部材１０からスタック１００のアノード側に流れ、セパレータ１１０の第２流路１１７ａに残留した水素ガスを外部へ排出する。
【００５４】
逆止弁３２は、置換流路部材３０の一方から他方への流れを許容し、他方から一方への流れを制限する。すなわち、逆止弁３２は、空気流路部材２０側から水素流路部材１０側への空気の流れを許容する。逆止弁３２は、水素流路部材１０側から空気流路部材２０側への水素の流れを遮断する。逆止弁３２としては、例えば、ポペット式、スイング式、ウエハー式、リフト式、ボール式、フート式など、任意の形式の逆止弁が用いられてよい。なお、逆止弁３２の代わりに、電磁弁が用いられてもよい。
【００５５】
＜＜制御部＞＞
図１に示す制御部４０は、温度センサ４１、圧力センサ４２、第１水素遮断弁１２、流量計４３、第２水素遮断弁１３、電圧検出部４４、水素パージ弁１４、エアーポンプ２１、空気遮断弁２４及び置換弁３１に電気的に接続される。制御部４０は、指令を送信することにより、第１水素遮断弁１２、第２水素遮断弁１３、水素パージ弁１４、空気遮断弁２４及び置換弁３１の開閉動作を制御する。制御部４０は、指令を送信することによりエアーポンプ２１の動作を制御する。制御部４０は、温度センサ４１、圧力センサ４２、流量計４３及び電圧検出部４４のうちの、少なくとも１つの検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御することができる。制御部４０は、例えば、ＣＰＵと、記憶部とを含むマイコンと、各種電気回路とを含む回路基板である。各種電気回路は、例えば、第１水素遮断弁１２、第２水素遮断弁１３、水素パージ弁１４、エアーポンプ２１、空気遮断弁２４及び置換弁３１を駆動するドライバ回路や、温度センサ４１、圧力センサ４２、流量計４３及び電圧検出部４４からのアナログ信号を変換してマイコンに入力する変換回路などを含む。記憶部には、後述する図６〜図９の制御処理を実行するための専用のプログラムが記憶されている。記憶部としては、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭなどである。なお、制御部４０には、マイコンの代わりに、又は加えて、図６〜図９の制御処理を実行するための専用の電子回路（例えば、ＡＳＩＣ）が含まれても良い。
【００５６】
ここで、本実施形態では、１つの制御部４０が、水素パージ弁１４を含む複数の弁の開閉動作を制御する。また、本実施形態では、１つの制御部４０が、複数の検出部のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御する。しかし、本発明の燃料電池システムは、１つの制御部４０を備えた構成に限定されるものではない。本発明の燃料電池システムは、弁の開閉制御と、パージ回数の制御とを、複数の制御部が行う構成とすることができる。
【００５７】
＜第１実施形態に係るパージ回数の制御処理＞
次に、本発明の第１実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図６を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、上述した複数の検出部のうち、圧力センサ４２の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御する。
【００５８】
図６に示すステップＳ１〜Ｓ１７は、図１に示す制御部４０により実行される。なお、図６に示すステップＳ１〜Ｓ１７が、複数の制御部により実行される構成としてもよいことは、上述のとおりである。
【００５９】
＜＜パージ回数の制御処理の概要＞＞
本実施形態に係るパージ回数の制御処理の流れについて簡単に説明する。図６に示すステップＳ１〜Ｓ１７は、最大３回のパージを行う場合の制御処理を示す。なお、パージとは、水素パージ弁１４が開状態にされることで、水素流路部材１０からガスが排出されることをいう。ステップＳ１〜Ｓ６は、第１パージの制御処理である。本実施形態の燃料電池システム１では、ステップＳ１〜Ｓ６に従って、必ず１回のパージ（第１パージ）が行われる。パージによって排出されるガスの量は、水素流路部材１０内の圧力に依存する。例えば、第１パージを行った後、水素流路部材１０内の圧力が、第１閾値である５０ｋＰａ以下である場合（ステップＳ５のＹＥＳ）は、水素流路部材１０から水や不純物が十分に排出されていない可能性がある。このような場合は、ステップＳ７〜Ｓ１３に従って、第２パージが行われる。さらに、第２パージを行った後、水素流路部材１０内の圧力が、第２閾値である３０ｋＰａ以下である場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）は、ステップＳ１４〜Ｓ１７に従って、第３パージが行われる。ステップＳ１〜Ｓ１７の制御処理により、水素流路部材１０内の圧力を過度に低下させることなく、水素流路部材１０から水や不純物を十分に排出することが可能となる。つまり、本実施形態の燃料電池システム１は、スタック１００への水素の供給を途絶えさせることなく、複数回のパージを行うことができる。この結果、燃料電池システム１の発電効率が、複数回のパージによって低下することがない。なお、第１閾値、第２閾値の値は一例であり、燃料電池システム１の仕様によって適宜設定されてよい。
【００６０】
本実施形態に係るパージ回数の制御処理は、燃料電池システム１の起動時及び通常運転時に行われる。燃料電池システム１の起動時に、本実施形態に係るパージ回数の制御処理が行われることで、燃料電池システム１の運転終了時に水素流路部材１０内に供給された空気が、水素に置換される。また、燃料電池システム１の通常運転時に、本実施形態に係るパージ回数の制御処理が行われることで、水素流路部材１０から水や不純物が排出される。以下、図６に示すステップＳ１〜Ｓ１７について詳述する。
【００６１】
＜＜第１パージ＞＞
ステップＳ１において、制御部４０は、第１パージを開始させる。この第１パージを開始させるために、制御部４０は、第１水素遮断弁１２、第２水素遮断弁１３及び水素パージ弁１４を開動作させる指令を送信する。また、制御部４０は、置換弁３１を閉動作させる指令を送信する。次いで、制御部４０は、制御処理をステップＳ２に移行させる。ステップＳ２において、制御部４０は、圧力センサ４２によって検出された水素流路部材１０内の圧力が、第１閾値である５０ｋＰａを超えるか否かを判断する。
【００６２】
ステップＳ２において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であると判別した場合（ＮＯ）は、制御処理をステップＳ３に移行させる。ステップＳ３において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であることを表すフラグを「１」に設定する。ステップＳ３で設定されたフラグの値は、制御部４０内のＲＡＭに一時的に記憶される。図６に示される本実施形態の制御処理の開始時において、ステップＳ３におけるフラグは、初期値として「０」が記憶される。
【００６３】
一方、ステップＳ２において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａを超えると判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ４に移行させる。ステップＳ４において、制御部４０は、第１パージを開始してから１秒を経過したか否かを判断する。
【００６４】
ステップＳ４において、制御部４０は、第１パージを開始してから１秒を経過していないと判別した場合（ＮＯ）は、ステップＳ２、Ｓ３を繰り返す。このとき制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であると判別した場合（ステップＳ２のＮＯ）は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であることを表すフラグを「１」に設定する（ステップＳ３）。
【００６５】
一方、ステップＳ４において、制御部４０は、第１パージを開始してから１秒を経過したと判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ５に移行させる。ステップＳ５において、制御部４０は、水素パージ弁１４を閉動作させる指令を送信し、第１パージを終了させる。
【００６６】
次いで、制御部４０は、制御処理をステップＳ６に移行させる。ステップＳ６において、制御部４０は、制御部４０内のＲＡＭに記憶された、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であることを表すフラグが「１」であるか否かを判断する。
【００６７】
ステップＳ６において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であることを表すフラグが「１」でないと判別した場合（ＮＯ）は、本実施形態の制御処理を終了させる。水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａを超える場合は、第１パージによって、燃料電池システム１の運転終了時に水素流路部材１０内に供給された空気が水素に置換され、又は燃料電池システム１の通常運転時に発生した水や不純物が十分に排出されるからである。
【００６８】
一方、ステップＳ６において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下であることを表すフラグが「１」であると判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ７に移行させる。水素流路部材１０内の圧力が５０ｋＰａ以下の場合は、第１パージが不十分である可能性があるからである。このような場合は、ステップＳ７〜Ｓ１３の第２パージの制御処理が行われる。
【００６９】
＜＜第２パージ＞＞
ステップＳ７において、制御部４０は、圧力センサ４２によって検出された水素流路部材１０内の圧力が、第２閾値である３０ｋＰａを超えるか否かを判断する。
【００７０】
ステップＳ７において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であると判別した場合（ＮＯ）は、このステップＳ７の判断を繰り返す。水素吸蔵合金１１は、時間経過に伴って水素を放出する。このため、水素流路部材１０内の圧力は、ステップＳ５で水素パージ弁１４が閉動作されてからの時間経過に伴い増加する。制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超える（ＹＥＳ）まで、第２パージを開始させない。水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下の場合に、第２パージが開始されれば、水素流路部材１０内の圧力が過度に低下してしまう。これにより、スタック１００への水素の供給が途絶えてしまい、燃料電池システム１の発電効率が低下する。このような発電効率の低下の問題は、ステップＳ７の制御処理によって解消される。
【００７１】
一方、ステップＳ７において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超えると判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ８に移行させる。ステップＳ８において、制御部４０は、水素パージ弁１４を開動作させる指令を送信し、第２パージを開始させる。次いで、制御部４０は、制御処理をステップＳ９に移行させる。ステップＳ９において、制御部４０は、圧力センサ４２によって検出された水素流路部材１０内の圧力が、第２閾値である３０ｋＰａを超えるか否かを判断する。ステップＳ８において水素パージ弁１４が開動作されたことにより、水素の排出に伴って水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下に低下する場合がある。このため、ステップＳ９の制御は、第２パージの開始後に、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超えるか否かを確認する意義がある。
【００７２】
ステップＳ９において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であると判別した場合（ＮＯ）は、制御処理をステップＳ１０に移行させる。ステップＳ１０において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であることを表すフラグを「１」に設定する。ステップＳ１０で設定されたフラグの値は、制御部４０内のＲＡＭに一時的に記憶される。図６に示される本実施形態の制御処理の開始時において、ステップＳ３におけるフラグは、初期値として「０」が記憶される。
【００７３】
一方、ステップＳ９において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超えると判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ１１に移行させる。ステップＳ１１において、制御部４０は、第２パージを開始してから１秒を経過したか否かを判断する。
【００７４】
ステップＳ１１において、制御部４０は、第２パージを開始してから１秒を経過していないと判別した場合（ＮＯ）は、ステップＳ９、Ｓ１１を繰り返す。このとき制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であると判別した場合（ステップＳ９のＮＯ）は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であることを表すフラグを「１」に設定する（ステップＳ１０）。
【００７５】
一方、ステップＳ１１において、制御部４０は、第２パージを開始してから１秒を経過したと判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ１２に移行させる。ステップＳ１２において、制御部４０は、水素パージ弁１４を閉動作させる指令を送信し、第２パージを終了させる。
【００７６】
次いで、制御部４０は、制御処理をステップＳ１３に移行させる。ステップＳ１３において、制御部４０は、制御部４０内のＲＡＭに記憶された、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であることを表すフラグが「１」であるか否かを判断する。
【００７７】
ステップＳ１３において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であることを表すフラグが「１」でないと判別した場合（ＮＯ）は、本実施形態の制御処理を終了させる。水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超える場合は、第２パージによって、燃料電池システム１の運転終了時に水素流路部材１０内に供給された空気が水素に置換され、又は燃料電池システム１の通常運転時に発生した水や不純物が十分に排出されるからである。
【００７８】
一方、ステップＳ１３において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であることを表すフラグが「１」であると判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ１４に移行させる。水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下の場合は、第２パージが不十分である可能性があるからである。このような場合は、ステップＳ１４〜Ｓ１７の第３パージの制御処理が行われる。
【００７９】
＜＜第３パージ＞＞
ステップＳ１４において、制御部４０は、圧力センサ４２によって検出された水素流路部材１０内の圧力が、第２閾値である３０ｋＰａを超えるか否かを判断する。
【００８０】
ステップＳ１４において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下であると判別した場合（ＮＯ）は、このステップＳ１４の判断を繰り返す。上述のとおり、水素吸蔵合金１１は、時間経過に伴って水素を放出する。このため、水素流路部材１０内の圧力は、ステップＳ１２で水素パージ弁１４が閉動作されてからの時間経過に伴い増加する。制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超える（ＹＥＳ）まで、第３パージを開始させない。水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａ以下の場合に、第３パージが開始されれば、水素流路部材１０内の圧力が過度に低下してしまう。これにより、スタック１００への水素の供給が途絶えてしまい、燃料電池システム１の発電効率が低下する。このような発電効率の低下の問題は、ステップＳ１４の制御処理によって解消される。
【００８１】
一方、ステップＳ１４において、制御部４０は、水素流路部材１０内の圧力が３０ｋＰａを超えると判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ１５に移行させる。ステップＳ１５において、制御部４０は、水素パージ弁１４を開動作させる指令を送信し、第３パージを開始させる。
【００８２】
次いで、制御部４０は、制御処理をステップＳ１６に移行させる。ステップＳ１６において、制御部４０は、第３パージを開始してから１秒を経過したか否かを判断する。
【００８３】
ステップＳ１６において、制御部４０は、第３パージを開始してから１秒を経過していないと判別した場合（ＮＯ）は、このステップＳ１６の判断を繰り返す。すなわち、１秒が経過するまでの間、３０ｋＰａを超える圧力で第３パージが行われる。これにより、燃料電池システム１の運転終了時に水素流路部材１０内に供給された空気が水素に置換され、又は燃料電池システム１の通常運転時に発生した水や不純物が十分に排出されるからである。
【００８４】
一方、ステップＳ１６において、制御部４０は、第３パージを開始してから１秒を経過したと判別した場合（ＹＥＳ）は、制御処理をステップＳ１７に移行させる。ステップＳ１７において、制御部４０は、水素パージ弁１４を閉動作させる指令を送信し、第３パージを終了させる。その後、制御部４０は、本実施形態の制御処理を終了させる。
【００８５】
＜第２実施形態に係るパージ回数の制御処理＞
次に、本発明の第２実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図７を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、上述した複数の検出部のうち、水素吸蔵合金１１に備えられた温度センサ４１の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御する。以下の第２実施形態では、第１実施形態と異なるこれらの制御処理について説明し、第１実施形態と同様の制御処理については詳細な説明を省略する。
【００８６】
図７に示すステップＳ２１〜Ｓ３７は、図６に示す第１実施形態のステップＳ１〜Ｓ１７にそれぞれ対応している。本実施形態は、ステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２９、Ｓ３０、Ｓ３３、Ｓ３４における第１閾値、第２閾値が、水素吸蔵合金１１の温度（ＭＨ温度）である点で第１実施形態と異なる。水素吸蔵合金１１から単位時間あたりに放出される水素の量は、水素吸蔵合金１１の温度に比例する。そのため、水素吸蔵合金１１が発生する水素の圧力は、水素吸蔵合金１１の温度に対応する。そこで、本実施形態では、制御部４０が、温度センサ４１の検出したＭＨ温度に基づいて、第２パージを行うか否か（ステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２６、Ｓ２７）、及び第３パージを行うか否か（ステップＳ２９、Ｓ３０、Ｓ３３、Ｓ３４）を決定する。
【００８７】
第１閾値及び第２閾値としてのＭＨ温度は、いずれもスタック１００内のアノード側を十分な量の水素で満たすために必要な値に設定される。本実施形態では、具体例として、第１閾値を２０℃、第２閾値を１０℃に設定する。但し、これら第１閾値及び第２閾値は、一例にすぎない。第１閾値及び第２閾値として最適なＭＨ温度は、水素吸蔵合金１１の容量と、水素吸蔵合金１１から発生したガスが一時的に滞留されるバッファ部分の体積とに応じて決定される。
【００８８】
図７に示すステップＳ２１〜Ｓ３７の制御処理によれば、第１実施形態と同様に、スタック１００への水素の供給を途絶えさせることなく、複数回のパージを行うことができる。この結果、燃料電池システム１が、複数回のパージによって低下することがない。
【００８９】
＜第３実施形態に係るパージ回数の制御処理＞
次に、本発明の第３実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図８を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、上述した複数の検出部のうち、水素流路部材１０の途中に配置された流量計４３の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御する。以下の第３実施形態では、第１実施形態と異なるこれらの制御処理について説明し、第１実施形態と同様の制御処理については詳細な説明を省略する。
【００９０】
図８に示すステップＳ４１〜Ｓ４６は、図６に示す第１実施形態のステップＳ１〜Ｓ６の第１パージの制御にそれぞれ対応している。図８に示すＳ４７〜Ｓ５２は、図６に示す第１実施形態のステップＳ８〜Ｓ１３の第２パージの制御にそれぞれ対応している。図８に示すＳ５３〜Ｓ５５は、図６に示す第１実施形態のステップＳ１５〜Ｓ１７の第３パージの制御にそれぞれ対応している。
【００９１】
本実施形態は、ステップＳ４２、Ｓ４３、Ｓ４６、Ｓ４８、Ｓ４９、Ｓ５２、Ｓ５４における第１閾値、第２閾値が、水素流路部材１０の水素流量である点で第１実施形態と異なる。パージによって排出されるガスの量は水素流量に対応するため、本実施形態では、制御部４０が、流量計４３の検出した水素流量に基づいて、第２パージを行うか否か（ステップＳ４２、Ｓ４３、Ｓ４６）、及び第３パージを行うか否か（ステップＳ４８、Ｓ４９、Ｓ５２）を決定する。
【００９２】
第１閾値及び第２閾値としての水素流量は、いずれもスタック１００内のアノード側を十分な量の水素で満たすために必要な値に設定される。本実施形態では、具体例として、第１閾値を４０ｎＬ／ｍｉｎ、第２閾値を３０ｎＬ／ｍｉｎに設定する。但し、これら第１閾値及び第２閾値は、一例にすぎない。第１閾値及び第２閾値として最適な水素流量は、スタック１００内の容積に応じて決定される。
【００９３】
また、本実施形態の第２パージの制御（Ｓ４７〜Ｓ５２）には、第１実施形態のステップＳ７に相当する制御がない。これ同様に、本実施形態の第３パージの制御（Ｓ５３〜Ｓ５５）には、第１実施形態のステップＳ１４に相当する制御がない。上述のとおり、第１実施形態は、水素流路部材１０内の水素圧力が第２閾値を超えた場合に、第２パージ、第３パージが開始される（ステップＳ７、Ｓ８、Ｓ１４、Ｓ１５）。つまり、第１実施形態では、前回のパージによって低下した水素流路部材１０内の水素圧力が、第２閾値まで増加するのを待って、第２パージ、第３パージが開始される。これに対し、本実施形態では、水素流路部材１０を流れる水素流量に基づいて、第２パージを行うか否か、第３パージを行うか否かを決定する。本実施形態における燃料電池システム１はデッドエンド式であるため、水素流路部材１０を流れる水素流量は、ステップＳ４５、Ｓ５１において水素パージ弁１４が閉動作されると、ほぼ０になって、その後に増加しない。このため、本実施形態では、ステップＳ４１〜Ｓ４５の第１パージが終了した後、ステップＳ４６において、水素流路部材１０内の水素流量が第１閾値以下であることを表すフラグが「１」であると判別された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ４７において、第２パージが開始される。これと同様に、本実施形態では、ステップＳ４７〜Ｓ５１の第２パージが終了した後、ステップＳ５２において、水素流路部材１０内の水素流量が第２閾値以下であることを表すフラグが「１」であると判別された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ５３において、第３パージが開始される。
【００９４】
図８に示すステップＳ４１〜Ｓ５５の制御処理によれば、第１実施形態と同様に、スタック１００への水素の供給を途絶えさせることなく、複数回のパージを行うことができる。この結果、燃料電池システム１が、複数回のパージによって低下することがない。
【００９５】
＜第４実施形態に係るパージ回数の制御処理＞
次に、本発明の第４実施形態に係るパージ回数の制御処理について、図９を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、上述した複数の検出部のうち、スタック１００に備えられた電圧検出部４４の検出結果に基づいて、水素パージ弁１４によるパージ回数を制御する。
【００９６】
図９に示すステップＳ６１〜Ｓ６６は、図６に示す第１実施形態のステップＳ１〜Ｓ６の第１パージの制御にそれぞれ対応している。図９に示すＳ６７〜Ｓ７２は、図６に示す第１実施形態のステップＳ８〜Ｓ１３の第２パージの制御にそれぞれ対応している。図８に示すＳ７３〜Ｓ７５は、図６に示す第１実施形態のステップＳ１５〜Ｓ１７の第３パージの制御にそれぞれ対応している。
【００９７】
本実施形態は、ステップＳ６２、Ｓ６３、Ｓ６６、Ｓ６８、Ｓ６９、Ｓ７２における第１閾値、第２閾値が、燃料電池電圧（ＦＣ電圧）である点で第１実施形態と異なる。燃料電池システム１の起動時に、水素流路部材１０内の空気が十分水素に置換されない場合、スタック１００が発生する電圧は、水素流路部材１０内が十分に水素に置換された場合と比較して低くなる。そこで、本実施形態では、制御部４０が、電圧検出部４４の検出したＦＣ電圧に基づいて、第２パージを行うか否か（ステップＳ６２、Ｓ６３、Ｓ６６）、及び第３パージを行うか否か（ステップＳ６８、Ｓ６９、Ｓ７２）を決定する。
【００９８】
第１閾値及び第２閾値としてのＦＣ電圧は、いずれもスタック１００内のアノード側が十分な量の水素で満たされたことを確認するために必要な値に設定される。本実施形態では、具体例として、第１閾値を４５Ｖ、第２閾値を４３Ｖに設定する。但し、これら第１閾値及び第２閾値は、一例にすぎない。第１閾値及び第２閾値として最適な水素流量は、スタック１００を構成する単位電池セル１０１ａの積層数に応じて決定される。
【００９９】
また、本実施形態の第２パージの制御（Ｓ６７〜Ｓ７２）には、第１実施形態のステップＳ７に相当する制御がない。これ同様に、本実施形態の第３パージの制御（Ｓ７３〜Ｓ７５）には、第１実施形態のステップＳ１４に相当する制御がない。上述のとおり、第１実施形態は、水素流路部材１０内の水素圧力が第２閾値を超えた場合に、第２パージ、第３パージが開始される（ステップＳ７、Ｓ８、Ｓ１４、Ｓ１５）。つまり、第１実施形態では、前回のパージによって低下した水素流路部材１０内の水素圧力が、第２閾値まで増加するのを待って、第２パージ、第３パージが開始される。これに対し、本実施形態では、スタック１００のＦＣ電圧に基づいて、第２パージを行うか否か、第３パージを行うか否かを決定する。例えば、燃料電池システム１の起動時において、ＦＣ電圧が第１閾値よりも大きくないと判別された場合（ステップＳ６２のＹＥＳ）は、水素流路部材１０内の空気が十分な量の水素に置換されていない可能性が高い。このような場合は、第２パージ、第３パージによって水素流路部材１０内の空気が十分な量の水素に置換されない限り、ＦＣ電圧は増加しない。このため、本実施形態では、ステップＳ６１〜Ｓ６５の第１パージが終了した後、ステップＳ６６において、水素流路部材１０内の水素流量が第１閾値以下であることを表すフラグが「１」であると判別された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ６７において、第２パージが開始される。これと同様に、本実施形態では、ステップＳ６７〜Ｓ７１の第２パージが終了した後、ステップＳ７２において、水素流路部材１０内の水素流量が第２閾値以下であることを表すフラグが「１」であると判別された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ７３において、第３パージが開始される。
【０１００】
図９に示すステップＳ６１〜Ｓ７５の制御処理によれば、第１実施形態と同様に、スタック１００への水素の供給を途絶えさせることなく、複数回のパージを行うことができる。この結果、燃料電池システム１が、複数回のパージによって低下することがない。
【０１０１】
＜その他の変更＞
本発明の燃料電池システムは、上述した第１〜第４実施形態に限定されるものではない。例えば、第１〜第４実施形態では、水素パージの実行中に、各種検出部が、水素圧力、ＨＭ温度、水素流量又はＦＣ電圧を検出する制御とした（ステップＳ２、Ｓ９、Ｓ２２、Ｓ２９、Ｓ４２、Ｓ４８、Ｓ６２、Ｓ６８）。しかし、検出部の検出タイミングは、水素パージの実行中に限定されるものではない。検出部の検出タイミングは、水素パージの開始直前、実行中、終了直後を含む「パージ時」であれば、どのタイミングであってもよい。また、検出部の検出結果は、水素圧力、ＨＭ温度、水素流量又はＦＣ電圧に限定されるものではない。例えば、燃料ガスの供給源、燃料ガス流路部材又はスタックの少なくとも１つに関連する物理量に基づいて、第２パージ、第３パージを行うか否かが決定されてもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１  燃料電池システム
１００  スタック
１０  水素流路部材（燃料ガス流路部材）
２０  空気流路部材（酸化ガス流路部材）
３０  置換流路部材（置換流路部材）
１１  水素吸蔵合金（燃料ガス供給源）
１２  第１水素遮断弁（燃料ガス遮断弁）
１３  第２水素遮断弁（燃料ガス遮断弁）
１４  水素パージ弁（アノード側パージ弁）
１５  レギュレータ
２１  エアーポンプ（酸化ガス供給源）
２３  逆止弁
２４  空気遮断弁（酸化ガス遮断弁）
３１  置換弁（遮断弁）
３２  逆止弁（遮断弁）
４０  制御部
４１  温度センサ（検出部）
４２  圧力センサ（検出部）
４３  流量計（検出部）
４４  電圧検出部（検出部）
【図１】
2015153560.tif 000003
【図２】
2015153560.tif 000004
【図３】
2015153560.tif 000005
【図４】
2015153560.tif 000006
【図５】
2015153560.tif 000007
【図６】
2015153560.tif 000008
【図７】
2015153560.tif 000009
【図８】
2015153560.tif 000010
【図９】
2015153560.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月19日(2015.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体のアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池システムであって、
前記膜／電極接合体を含む複数の単位電池セルが積層されたスタックと、
途中に前記スタックが接続され、水素吸蔵合金を含む燃料ガス供給源が一端に接続される燃料ガス流路部材と、
前記スタックに対して前記燃料ガス供給源と反対側において、前記燃料ガス流路部材に配置されたアノード側パージ弁と、
前記燃料ガス流路部材及び前記スタックの少なくとも一方に設けられ、前記燃料ガス供給源、前記燃料ガス流路部材又は前記スタックの少なくとも１つに関連する物理量を検出する検出部と、
所定のパージタイミングに、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して第１パージを行う第１パージ手段と、
前記第１パージ時に前記検出部によって検出された第１検出結果に基づいて、前記第１パージの後に第２パージを行うか否かを決定する第１決定手段と、
前記第１決定手段によって前記第２パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第２パージを行う第２パージ手段と、
前記第１検出結果と第１閾値とを比較する第１比較手段と、
を含み、
前記第１決定手段は、
前記第１比較手段の比較結果が、前記第１検出結果が前記第１閾値よりも大きいことを示す場合に、前記第２パージを行わないと決定し、
前記第１比較手段の比較結果が、前記第１検出結果が前記第１閾値よりも小さいことを示す場合に、前記第２パージを行うと決定し、
前記第２パージ手段は、
前記第１比較手段の比較結果が、前記第１検出結果が前記第１閾値よりも小さいことを示す場合には、前記第１検出結果よりも後に検出された第２検出結果が第２閾値に達した後で、前記第２パージを行う制御をする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出部が前記第２パージ時に検出した第２検出結果に基づいて、前記第２パージの後に第３パージを行うか否かを決定する第２決定手段と、
前記第２決定手段によって前記第３パージを行うと決定されたことに応じて、前記アノード側パージ弁の開閉を制御して前記第３パージを行う第３パージ手段と、
を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２検出結果と前記第２閾値とを比較する第２比較手段をさらに備え、
前記第２決定手段は、
前記第２比較手段の比較結果が、前記第２検出結果が前記第２閾値よりも大きいことを示す場合に、前記第３パージを行わないと決定し、
前記第２比較手段の比較結果が、前記第２検出結果が前記第２閾値よりも小さいことを示す場合に、前記第３パージを行うと決定する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第３パージ手段は、前記第２比較手段の検出結果が、前記第２検出結果が前記第２閾値よりも小さいことを示す場合には、前記第２検出結果よりも後に検出された前記第３検出結果が前記第２閾値に達した後で、前記第３パージを行う制御をする、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２閾値が、前記第１閾値よりも小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記検出部が、前記燃料ガスの供給源の温度、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの圧力、前記燃料ガス流路を流れる前記燃料ガスの流量、又は前記スタックの電圧の少なくとも１つを前記物理量として検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。