(57)【要約】【課題】燃料電池と燃焼器とを同時に運転しても、所定量の水素を過不足なく排出できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池、触媒ヒータ、第１のエア排出路、第１の合流地点で第１のエア排出路に合流する第２のエア排出路、第２の合流地点で第１のエア排出路に合流する水素排出路、水素排出バルブ４４１、を備える。さらに、第１の合流地点から大気放出点までの圧力損失を求める第１の圧力損失算出部５１と、第２の合流地点から第１の合流地点までの圧力損失を求める第２の圧力損失算出部５２と、これらの圧力損失に基づいて水素排出バルブの下流側の圧力を求める第１の圧力算出部５３と、水素排出バルブの上流側の圧力を求める第２の圧力算出部５４と、これらの圧力に基づいて圧力差を求める圧力差算出部５５と、この圧力差に基づいて水素排出バルブ４４１による排出量を決定する排出水素量決定部５６と、を備える。【選択図】図２
2008257990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、
前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも上流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、
前記第１の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求める第１の圧力損失算出手段と、
前記第２の合流地点から前記第１の合流地点までの圧力損失を第２の圧力損失として求める第２の圧力損失算出手段と、
前記第１の圧力損失および前記第２の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求める第１の圧力算出手段と、
前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求める第２の圧力算出手段と、
前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求める圧力差算出手段と、
前記圧力差算出手段で算出した圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する排出水素量決定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、
前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも下流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路上に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、
前記第２の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求める圧力損失算出手段と、
前記第１の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求める第１の圧力算出手段と、
前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求める第２の圧力算出手段と、
前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求める圧力差算出手段と、
前記圧力差算出手段で算出した圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する排出水素量決定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記バルブ下流側圧力が前記バルブ上流側圧力よりも高いか否かを判定し、前記バルブ下流側圧力の方が前記バルブ上流側圧力よりも高い場合には、前記排出バルブを閉じて、燃料ガスの排出を禁止する禁止手段を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも上流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、を備える燃料電池の制御方法であって、
前記第１の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求めて、
前記第２の合流地点から前記第１の合流地点までの圧力損失を第２の圧力損失として求めて、
前記第１の圧力損失および前記第２の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求めて、
前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求めて、
前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求めて、
当該圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも下流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路上に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、を備える燃料電池の制御方法であって、
前記第２の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求めて、
前記第１の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求めて、
前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求めて、
前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求めて、
当該圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定することを特徴とす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】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
以上の燃料電池ステムでは、燃料電池のアノード系から排出される水素を、安全性を確保するため、燃料電池のカソード系から排出されるエアで希釈して排出する。燃料電池のアノード系には、パージ弁が設けられており、このパージ弁を調整することで、水素の排出量を調整する。
【０００６】
ところで、燃料電池を暖機するため、燃焼器を有する燃料電池システムがある（特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、供給装置から燃料電池にエアおよび水素ガスが供給され、この燃料電池からのオフガスが燃焼器に供給される。
この燃料電池システムによれば、燃料電池のオフガスを利用して燃焼器を運転するため、エネルギ効率を向上できる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１で示された構成では、燃焼器に供給されるオフガスは、供給装置から供給されるエアや水素ガスに比べて、水素や酸素の濃度が低下している。そのため、燃焼器で十分に発熱できず、燃料電池を確実に暖機できない場合がある。
そこで、燃料電池と燃焼器とを並列に配置して、それぞれに、直接、供給装置からエアや水素ガスを供給し、燃焼器から排出されるオフガスを燃料電池から排出されるオフガスに合流させて排出する燃料電池システムが提案されている。
この提案によれば、燃焼器に新鮮なエアや水素ガスを供給できるため、燃焼器の発熱量を増大させて、燃料電池を確実に暖機できる。
【特許文献１】特開２００４−９５２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような燃料電池と燃焼器とを並列に配置する提案では、燃焼器からエアが排出され、燃料電池のアノード系から排出される水素を、燃料電池のカソード系から排出されるエアと燃焼器から排出されるエアとで希釈して排出することになる。
したがって、燃料電池と燃焼器とを並行運転した場合、燃料電池の排気系に燃焼器のオフガスが合流するため、燃料電池を単独で運転した場合に比べて、燃料電池システムから排出されるオフガスの量が多くなり、燃料電池システムの排気側の圧力損失も増大する。
また、燃焼器から排出されるオフガスは、温度が高いため、体積流量が大きく、圧力損失も大きい。
そのため、燃料電池を単独で運転した場合に比べ、燃料電池のアノード系と排気系との圧力差が小さくなり、水素の排出量が減少して、燃料電池の発電安定性が悪化するおそれがあった。
【０００９】
本発明は、燃料電池と燃焼器とを同時に運転しても、所定量の水素を過不足なく排出できる燃料電池システムおよびその制御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】
【００１０】
本発明の燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）は、燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器（例えば、実施の形態における触媒ヒータ２０）と、前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路（例えば、実施の形態における第１のエア排出路４３１）と、前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路（例えば、実施の形態における第２のエア排出路４３２）と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも上流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路（例えば、実施の形態における水素排出路４４）と、前記燃料ガス排出流路に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブ（例えば、実施の形態における水素排出バルブ４４１）と、前記第１の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求める第１の圧力損失算出手段（例えば、実施の形態における第１の圧力損失算出部５１）と、前記第２の合流地点から前記第１の合流地点までの圧力損失を第２の圧力損失として求める第２の圧力損失算出手段（例えば、実施の形態における第２の圧力損失算出部５２）と、前記第１の圧力損失および前記第２の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求める第１の圧力算出手段（例えば、実施の形態における第１の圧力算出部５３）と、前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求める第２の圧力算出手段（例えば、実施の形態における第２の圧力算出部５４）と、前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求める圧力差算出手段（例えば、実施の形態における圧力差算出部５５）と、前記圧力差算出手段で算出した圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する排出水素量決定手段（例えば、実施の形態における排出水素量決定部５６）と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、燃料電池から排出される燃料ガスを、燃料電池から排出される酸化ガスに第１の合流地点で合流させた後、この合流したガスに、さらに、燃焼器から排出されるガスを第２の合流地点で合流させて、大気放出点で排出する。
ここで、第１の合流地点から大気放出点までの圧力損失と、第２の合流地点から第１の合流地点までの圧力損失と、を求めて、これらの圧力損失に基づいて、排出バルブの下流側の圧力を求める。そして、この排出バルブの下流側と上流側との圧力差に基づいて、排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する。
よって、燃料電池と燃焼器とを並行運転した場合でも、所定量の水素を過不足なく排出できるから、良好な発電特性を得ることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１Ａ）は、燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路（例えば、実施の形態における第２のエア排出路４３２Ａ）と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも下流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路上に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、前記第２の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求める圧力損失算出手段（例えば、実施の形態における第１の圧力損失算出部５１Ａ）と、前記第１の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求める第１の圧力算出手段（例えば、実施の形態における第１の圧力算出部５３Ａ）と、前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求める第２の圧力算出手段と、前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求める圧力差算出手段と、前記圧力差算出手段で算出した圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する排出水素量決定手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、燃焼器から排出されるガスを、燃料電池から排出される酸化ガスに第１の合流地点で合流させた後、この合流したガスに、さらに、燃料電池から排出される燃料ガスを第２の合流地点で合流させて、大気放出点で排出する。
ここで、第１の合流地点から大気放出点までの圧力損失を求めて、この圧力損失に基づいて、排出バルブの下流側の圧力を求める。そして、この排出バルブの下流側と上流側との圧力差に基づいて、排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する。
よって、燃料電池と燃焼器とを並行運転した場合でも、所定量の水素を過不足なく排出できるから、良好な発電特性を得ることができる。
【００１４】
この場合、前記バルブ下流側圧力が前記バルブ上流側圧力よりも高いか否かを判定し、前記バルブ下流側圧力の方が前記バルブ上流側圧力よりも高い場合には、前記排出バルブを閉じて、燃料ガスの排出を禁止する禁止手段（例えば、実施の形態における排出水素量決定部５６）を備えることが好ましい。
【００１５】
排出バルブ下流側の圧力が排出バルブ上流側の圧力よりも高くなると、燃料ガス排出流路内のガスが逆流し、その結果、燃料電池のアノード系に大気が流入して発電安定性が低下したり、塵埃が外部から流入して排出バルブに噛んでしまい、燃料ガスが漏洩したりするおそれがある。
そこで、この発明によれば、排出バルブ下流側の圧力が排出バルブ上流側の圧力よりも高い場合には、排出バルブを閉じたので、燃料ガス排出流路内のガスが逆流するのを防止して、燃料電池のアノード系に大気が流入したり、塵埃が外部から流入して排出バルブに噛んだりするのを抑制できる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも上流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、を備える燃料電池の制御方法であって、前記第１の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求めて、前記第２の合流地点から前記第１の合流地点までの圧力損失を第２の圧力損失として求めて、前記第１の圧力損失および前記第２の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求めて、前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求めて、前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求めて、当該圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定することを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。
【００１８】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料ガスおよび酸化ガスを反応させて燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池から排出される酸化ガスが流通し、当該酸化ガスを大気放出点で大気に放出する酸化ガス排出流路と、前記燃焼器から排出されるガスが流通し、第１の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する排出ガス流路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通し、前記第１の合流地点よりも下流側の第２の合流地点で前記酸化ガス排出流路に合流する燃料ガス排出流路と、前記燃料ガス排出流路上に設けられ当該燃料ガス排出流路を流通する燃料ガスの流量を調整する排出バルブと、を備える燃料電池の制御方法であって、前記第２の合流地点から前記大気放出点までの圧力損失を第１の圧力損失として求めて、前記第１の圧力損失に基づいて、前記排出バルブの下流側の圧力をバルブ下流側圧力として求めて、
前記排出バルブの上流側の圧力をバルブ上流側圧力として求めて、前記バルブ下流側圧力および前記バルブ上流側圧力に基づいて、前記排出バルブの上流側と下流側との圧力差を求めて、当該圧力差に基づいて、前記排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定することを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池から排出される燃料ガスを、燃料電池から排出される酸化ガスに第１の合流地点で合流させた後、この合流したガスに、さらに、燃焼器から排出されるガスを第２の合流地点で合流させて、大気放出点で排出する。ここで、第１の合流地点から大気放出点までの圧力損失と、第２の合流地点から第１の合流地点までの圧力損失と、を求めて、これらの圧力損失に基づいて、排出バルブの下流側の圧力を求める。そして、この排出バルブの下流側と上流側との圧力差に基づいて、排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する。
【００２１】
また、燃焼器から排出されるガスを、燃料電池から排出される酸化ガスに第１の合流地点で合流させた後、この合流したガスに、さらに、燃料電池から排出される燃料ガスを第２の合流地点で合流させて、大気放出点で排出する。ここで、第１の合流地点から大気放出点までの圧力損失を求めて、この圧力損失に基づいて、排出バルブの下流側の圧力を求める。そして、この排出バルブの下流側と上流側との圧力差に基づいて、排出バルブによる排出燃料ガスの排出量を決定する。
【００２２】
よって、燃料電池と燃焼器とを並行運転した場合でも、所定量の水素を過不足なく排出できるから、良好な発電特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態および変形例の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０を暖機する燃焼器としての触媒ヒータ２０と、燃料電池１０および触媒ヒータ２０を駆動する駆動装置３０と、これらを制御する制御装置５０（図２参照）とを有する。
【００２４】
燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素ガスとしてのエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
【００２５】
なお、図示しないが、燃料電池１０と触媒ヒータ２０との間では、冷媒が循環しており、触媒ヒータ２０は、水素ガスおよびエアの燃焼反応により発熱し、この熱を冷媒に与えることで、燃料電池１０を暖機する。
【００２６】
駆動装置３０は、燃料電池１０および触媒ヒータ２０にエアを供給するエアポンプ３１と、燃料電池１０および触媒ヒータ２０に水素ガスを供給する水素タンク３２と、燃料電池１０および触媒ヒータ２０から排出されたガスを処理する希釈装置３３と、を含んで構成される。
【００２７】
エアポンプ３１は、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側および触媒ヒータ２０に接続されている。すなわち、このエア供給路４１は、エアポンプ３１から供給されたエアを燃料電池１０および触媒ヒータ２０に分配して供給する。エア供給路４１は、エアポンプ３１から燃料電池１０に至る第１のエア供給路４１１と、この第１の供給路４１１から分岐して触媒ヒータ２０に至る第２のエア供給路４１２と、を有する。
【００２８】
第２のエア供給路４１２は、触媒ヒータ２０近傍において、インジェクタから水素ガスが噴射される。第２のエア供給路４１２を流れるエアは、噴射された水素ガスが混合した後、触媒ヒータ２０に供給される。
【００２９】
水素タンク３２は、水素供給路４２を介して、燃料電池１０のアノード電極側および触媒ヒータ２０に接続されている。
この水素供給路４２は、水素タンク３２から燃料電池１０に至る第１の水素供給路４２１と、この第１の水素供給路４２１から分岐して触媒ヒータ２０に至る第２の水素供給路４２２と、を有する。
【００３０】
第１の水素供給路４２１には、圧力センサ４２３が設けられている。
第２の水素供給路４２２の先端は、インジェクタに接続され、このインジェクタにより、上述の第２のエア供給路４１２に水素ガスを噴射することで、触媒ヒータ２０に水素ガスを供給する。
【００３１】
燃料電池１０のカソード電極側および触媒ヒータ２０には、エア排出路４３が接続され、このエア排出路４３は、燃料電池１０および触媒ヒータ２０で利用されたエアをまとめて排出する。
このエア排出路４３は、燃料電池１０から延びる酸化ガス排出流路としての第１のエア排出路４３１と、触媒ヒータ２０から延びてこの第１のエア排出路４３１に合流する排出ガス流路としての第２のエア排出路４３２と、を有する。
【００３２】
第１のエア排出路４３１は、燃料電池１０から排出されるエアが流通し、このエアを大気放出点Ｃで大気に放出する。
第２のエア排出路４３２は、触媒ヒータ２０から排出されるガスが流通し、第１の合流地点Ｂで第１のエア排出路４３１に合流する。
第１のエア排出路４３１の第１の合流地点Ｂよりも上流側には、上述の希釈装置３３が第２の合流地点Ａとして設けられている。第１のエア排出路４３１の希釈装置３３と燃料電池１０との間には、圧力調整バルブ４３３が設けられる。
【００３３】
また、燃料電池１０のアノード電極側には、燃料ガス排出流路としての水素排出路４４が接続される。この水素排出路４４は、希釈装置３３に接続される。これにより、水素排出路４４は、燃料電池１０から排出される水素ガスが流通し、第２の合流地点Ａである希釈装置３３で第１のエア排出路４３１に合流することになる。
【００３４】
水素排出路４４には、この水素排出路４４を流通する水素ガスの流量を調整する排出バルブとしての水素排出バルブ４４１が設けられている。
また、水素排出路４４のうち水素排出バルブ４４１よりもアノード電極側では、水素排出路４４が分岐されて水素還流路４５となり、この水素還流路４５は、上述の第１の水素供給路４２１に接続されている。
【００３５】
上述のエアポンプ３１、インジェクタ、圧力調整バルブ４３３、および水素排出バルブ４４１は、制御装置５０により制御される。また、圧力センサ４２３は、制御装置５０に接続される。
【００３６】
図２は、制御装置５０のブロック図である。
具体的には、制御装置５０は、第１の圧力損失算出手段としての第１の圧力損失算出部５１、第２の圧力損失算出手段としての第２の圧力損失算出部５２、第１の圧力算出手段としての第１の圧力算出部５３、第２の圧力算出手段としての第２の圧力算出部５４、圧力差算出手段としての圧力差算出部５５、および、排出水素量決定手段および禁止手段としての排出水素量決定部５６を備えるほか、駆動装置３０を駆動して燃料電池１０を発電させたり、触媒ヒータ２０を駆動して燃料電池１０を暖機させたりする。
【００３７】
燃料電池１０を発電させる手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク３２から、第１の水素供給路４２１を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、エアポンプ３１を駆動することにより、第１のエア供給路４１１を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路４４および第１のエア排出路４３１に流入する。この排出される水素ガスは、希釈装置３３により、排出されるエアで希釈されて、排出される。
【００３８】
触媒ヒータ２０を駆動する手順は、以下のようになる。
すなわち、エアポンプ３１を駆動することにより、第２のエア供給路４１２を介して、触媒ヒータ２０にエアを供給する。このとき、水素タンク３２から第２の水素供給路４２２を介してインジェクタに水素ガスを供給し、インジェクタにより、第２のエア供給路４１２のエアに水素ガスを混合する。
触媒ヒータに供給された水素ガスおよびエアは、燃焼反応に用いられた後、第２のエア排出路４３２に流入する。この排出されるガスは、第１の合流地点Ｂにおいて、第１のエア排出路４３１に合流し、排出される。
【００３９】
第１の圧力損失算出部５１は、第１の合流地点Ｂから大気放出点Ｃまでの圧力損失を第１の圧力損失ΔＰＢＣとして求める。
この第１の圧力損失算出部５１は、システム排気エア温度算出部５１１、システム排気エア体積流量算出部５１２、および、システム排気圧損算出部５１３を備える。
【００４０】
システム排気エア温度算出部５１１は、第１の合流地点Ｂの温度ＴＳｙｓ−ＯＵＴを算出する。
すなわち、まず、燃料電池１０および触媒ヒータ２０から排出されるエア量としてＧＦＣ−ＯＵＴおよびＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを、以下の手順で算出する。
まず、エアポンプ３１の回転数から、燃料電池システム１に供給する全体のエア量としてＧＴｏｔａｌを算出する。
ＧＴｏｔａｌおよび圧力調整バルブ４３３の開度から、燃料電池１０に供給されるエア量としてＧＦＣを算出するとともに、ヒータに供給されるエア量としてＧＨｅａｔｅｒを算出する。なお、これに限らず、ＧＦＣ、ＧＨｅａｔｅｒを、ＧＴｏｔａｌから他経路への供給を減算することで算出してもよい。
【００４１】
次に、ＧＦＣから燃料電池で消費されるエア量を減算して、ＧＦＣ−ＯＵＴを算出する。燃料電池で消費されるエア量は、例えば、燃料電池１０の電流値に基づいて算出される。なお、ＧＦＣ−ＯＵＴには、第２の合流地点Ａで排出された水素ガスが合流するが、この排出される水素ガス量はエア量に比べて十分に小さいものとして、無視する。
【００４２】
また、ＧＨｅａｔｅｒに触媒ヒータ２０で増加するエア量を加算して、ＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを算出する。触媒ヒータ２０で増加するエア量は、例えば、インジェクタの水素噴射量に所定値を乗算することで、触媒ヒータ２０で生成される水蒸気量として算出される。
【００４３】
また、触媒ヒータ２０の排気口のエア温度としてＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを算出する。具体的には、触媒ヒータ２０に供給される水素量から発熱量を推定し、この発熱量に基づいて算出する。
また、燃料電池１０の排気口のエア温度としてＴＦＣ−ＯＵＴを算出する。具体的には、燃料電池１０の発電量に基づいて発熱量を推定し、この発熱量に基づいて算出する。
【００４４】
以上のＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴ、ＴＦＣ−ＯＵＴ、ＧＦＣ−ＯＵＴ、およびＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを用いて、以下の式（１）に従って、第１の合流地点Ｂの温度ＴＳｙｓ−ＯＵＴを算出する。
【００４５】
ＴＳｙｓ−ＯＵＴ
＝（ＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴ×ＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴ
＋ＴＦＣ−ＯＵＴ×ＧＦＣ−ＯＵＴ）／（ＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴ＋ＧＦＣ−ＯＵＴ）
・・・・（１）
【００４６】
システム排気エア体積流量算出部５１２は、システム排気エア温度算出部５１１で算出したＧＳｙｓ−ＯＵＴおよびＴＳｙｓ−ＯＵＴを用いて、システムから排出されるエアの体積流量ＶＧＡＳｙｓ−ＯＵＴを、以下の式（２）に従って算出する。
【００４７】
ＶＧＡＳｙｓ−ＯＵＴ＝ＧＳｙｓ−ＯＵＴ×（２７３＋ＴＳｙｓ−ＯＵＴ）／２７３
・・・・（２）
【００４８】
システム排気圧損算出部５１３は、システム排気エア体積流量算出部５１２で算出したＶＧＡＳｙｓ−ＯＵＴに基づいて、図３に従い、第１の圧力損失ΔＰＢＣを算出する。
図３は、排出されるエアの体積流量と、この排出されるエアによる第１のエア排出路４３１の圧力損失との関係を示す図である。
なお、燃料電池１０から排出されるエアの体積流量と、第１のエア排出路４３１の圧力損失との関係は、第１のエア排出路４３１を構成する配管の内径などの特性で変化するが、燃料電池１０から排出されるエアの体積流量の増加に比例して、第１のエア排出路４３１の圧力損失も増加する。
【００４９】
第２の圧力損失算出部５２は、第２の合流地点Ａから第１の合流地点Ｂまでの圧力損失を第２圧力損失ΔＰＡＢとして求める。
この第２の圧力損失算出部５２は、燃料電池排気エア体積流量算出部５２１、および、燃料電池排気圧損算出部５２２を備える。
【００５０】
燃料電池排気エア体積流量算出部５２１は、燃料電池から排出されるエアの体積流量ＶＧＡＦＣ−ＯＵＴを、システム排気エア温度算出部５１１で算出したＧＦＣ−ＯＵＴおよびＴＦＣ−ＯＵＴを用いて、以下の式（３）に従って算出する。
【００５１】
ＶＧＡＦＣ−ＯＵＴ＝ＧＦＣ−ＯＵＴ×（２７３＋ＴＦＣ−ＯＵＴ）／２７３
・・・・（３）
【００５２】
燃料電池排気圧損算出部５２２は、燃料電池排気エア体積流量算出部５２１で算出したＶＧＡＦＣ−ＯＵＴに基づいて、図３に従い、第２の圧力損失ΔＰＡＢを算出する。図３に示すように、燃料電池１０から排出されるエアの体積流量の増加に比例して、第１のエア排出路４３１の圧力損失も増加する。
【００５３】
第１の圧力算出部５３は、第１の圧力損失ΔＰＢＣおよび第２の圧力損失ΔＰＡＢを用いて、以下の式（４）に従って、水素排出バルブ４４１の下流側の圧力をバルブ下流側圧力ＰＶＬＶ−Ｒとして求める。
【００５４】
ＰＶＬＶ−Ｒ＝ＰＣ＋ΔＰＢＣ＋ΔＰＡＢ・・・・（４）
【００５５】
ここで、大気放出点Ｃにおける圧力ＰＣは、大気圧に等しいものとする。
【００５６】
第２の圧力算出部５４は、水素排出バルブ４４１の上流側の圧力を、圧力センサ４２３の測定値から燃料電池１０の圧力損失を減算することで、バルブ上流側圧力として求める。
【００５７】
圧力差算出部５５は、バルブ下流側圧力ＰＶＬＶ−Ｒおよびバルブ上流側圧力に基づいて、水素排出バルブ４４１の上流側と下流側との圧力差を求める。
【００５８】
排出水素量決定部５６は、圧力差算出部５５で算出した圧力差に基づいて、水素排出バルブ４４１の開弁時間を決定することで、水素ガスの排出量を決定する。
すなわち、まず、燃料電池１０の発電電流およびアノード電極側の温度に基づいて、基本排出時間を決定する。具体的には、基本排出時間は、発電電流が大きくなるに従って長くなり、また、アノード電極側の温度が低くなるに従って長くなる。
【００５９】
次に、図４に従い、排出時間の補正係数を求める。
図４は、水素排出バルブ４４１の上流側と下流側との差圧と、排出時間の補正係数との関係を示す図である。
図４中の破線は、基本排出時間であり、１とする。
上流側と下流側との差圧が所定値Ａ未満である場合には、安全性を確保するため、開弁を禁止する。上流側と下流側との差圧が所定値Ａになると、補正係数は１に近い値となり、その後、上流と下流との差圧が大きくなるに従って、補正係数は小さくなる。
【００６０】
基本排出時間に補正係数を乗算することで、水素排出バルブ４４１の開弁時間を決定する。
【００６１】
燃料電池１０および触媒ヒータ２０が共に運転されている場合における、燃料電池システム１の水素ガスの排出動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、水素ガスの排出要求があるか否かを判別する（ＳＴ１）。この判別がＮＯの場合には、ＳＴ１に戻り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ２に移り、排出水素量決定部５６により基本排出時間を決定する。
【００６２】
次に、システム排気エア温度算出部５１１により、燃料電池１０および触媒ヒータ２０から排出されるエア量としてＧＦＣ−ＯＵＴおよびＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを算出し（ＳＴ３）、燃料電池１０および触媒ヒータ２０の排気口のエア温度としてＴＦＣ−ＯＵＴおよびＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを算出して（ＳＴ４）、第１の合流地点Ｂの温度ＴＳｙｓ−ＯＵＴを算出する（ＳＴ５）。
【００６３】
続いて、システム排気エア体積流量算出部５１２およびシステム排気圧損算出部５１３により、第１の合流地点Ｂから大気放出点Ｃまでの第１の圧力損失ΔＰＢＣを算出し、第２の圧力損失算出部５２により、第２の合流地点Ａから第１の合流地点Ｂまでの第２の圧力損失ΔＰＡＢを算出する（ＳＴ６）。
【００６４】
次に、第１の圧力算出部５３により、水素排出バルブ４４１の下流側の圧力ＰＶＬＶ−Ｒを算出し、第２の圧力算出部５４により、水素排出バルブ４４１の上流側の圧力を算出して、圧力差算出部５５により、水素排出バルブ４４１の上流側と下流側との圧力差を求める（ＳＴ７）。
【００６５】
次に、排出水素量決定部５６により、開弁時間を算出し（ＳＴ８）、この決定した開弁時間だけ、水素排出バルブ４４１を開弁する（ＳＴ９）。具体的には、タイマを駆動して、このタイマの経過時間を監視することで、水素排出バルブ４４１を排出時間だけ開弁する。
【００６６】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池１０から排出される水素ガスを、燃料電池１０から排出されるエアに第１の合流地点Ｂで合流させた後、この合流したガスに、さらに、触媒ヒータ２０から排出されるガスを第２の合流地点Ａで合流させて、大気放出点Ｃで排出する。
【００６７】
ここで、第１の合流地点Ｂから大気放出点Ｃまでの圧力損失と、第２の合流地点Ａから第１の合流地点Ｂまでの圧力損失と、を求めて、これらの圧力損失に基づいて、水素排出バルブ４４１の下流側の圧力を求める。そして、この水素排出バルブ４４１の下流側と上流側との圧力差に基づいて、水素排出バルブ４４１による排出水素ガスの排出量を決定する。
よって、燃料電池１０と触媒ヒータ２０とを並行運転した場合でも、所定量の水素を過不足なく排出できるから、良好な発電特性を得ることができる。
【００６８】
（２）水素排出バルブ４４１の下流側の圧力が水素排出バルブ４４１の上流側の圧力よりも高い場合には、水素排出バルブ４４１を閉じたので、水素排出路４４内のガスが逆流するのを防止して、燃料電池１０のアノード系に大気が流入したり、塵埃が外部から流入して水素排出バルブ４４１に噛んだりするのを抑制できる。
【００６９】
［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの排気系のブロック図である。図７は、燃料電池システム１Ａを構成する制御装置５０Ａのブロック図である。
本実施形態では、第２のエア排出路４３２Ａおよび制御装置５０Ａの構成が、第１実施形態と異なる。
すなわち、第２の合流地点Ａである希釈装置３３は、第１の合流地点Ｂよりも下流側に設けられる。
【００７０】
また、制御装置５０Ａは、第２の圧力損失算出部５２を備えておらず、さらに、第１の圧力損失算出部５１Ａおよび第１の圧力算出部５３Ａの構成は、以下のようになっている。
第１の圧力損失算出部５１Ａは、第１の圧力損失算出部５１と同様の構成であるが、第２の合流地点Ａから大気放出点Ｃまでの圧力損失を第１の圧力損失ΔＰＡＣとして求める。
【００７１】
第１の圧力算出部５３Ａは、第１の圧力損失ΔＰＡＣを用いて、以下の式（５）に従って、水素排出バルブ４４１の下流側の圧力をバルブ下流側圧力ＰＶＬＶ−Ｒとして求める。
【００７２】
ＰＶＬＶ−Ｒ＝ＰＣ＋ΔＰＡＣ・・・・（５）
【００７３】
ここで、大気放出点Ｃにおける圧力ＰＣは、大気圧に等しいものとする。
【００７４】
本実施形態によれば、上述の（１）、（２）と同様の効果がある。
【００７５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００７６】
例えば、上述の各実施形態では、燃料電池１０から排出されるエア量ＧＦＣを算出する際や、第１の合流地点Ｂの温度ＴＳｙｓ−ＯＵＴを算出する際に、第２の合流地点Ａで合流する水素ガスの流量や温度を無視したが、これに限らない。すなわち、排出された水素ガスの合流による流量の増加を考慮してＧＦＣを算出してもよいし、また、排出された水素ガスの合流による温度変化を考慮してＴＳｙｓ−ＯＵＴを算出してもよい。
【００７７】
また、上述の各実施形態では、ＧＦＣ−ＯＵＴを、ＧＦＣから燃料電池で消費されるエア量を減算して算出し、ＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを、ＧＨｅａｔｅｒに触媒ヒータ２０で増加するエア量を加算して算出したが、これに限らず、ＧＦＣ−ＯＵＴおよびＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを、流量計を用いて直接測定してもよい。
【００７８】
また、上述の各実施形態では、ＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを、触媒ヒータ２０に供給される水素量から発熱量を推定し、この発熱量に基づいて算出し、ＴＦＣ−ＯＵＴを、燃料電池１０の発電量に基づいて発熱量を推定し、この発熱量に基づいて算出したが、これに限らない。すなわち、ＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴおよびＴＦＣ−ＯＵＴを、温度計を用いて直接測定してもよい。
【００７９】
また、上述の各実施形態では、第１の合流地点Ｂの温度ＴＳｙｓ−ＯＵＴを、ＴＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴ、ＴＦＣ−ＯＵＴ、ＧＦＣ−ＯＵＴ、およびＧＨｅａｔｅｒ−ＯＵＴを用いて算出したが、これに限らず、ＴＳｙｓ−ＯＵＴを、温度計を用いて直接測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御手段のブロック図である。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムについて、排出されるエアの体積流量と酸化ガス排出流路の圧力損失との関係を示す図である。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池システムについて、排出バルブの上流側と下流側との差圧と排出時間の補正係数との関係を示す図である。
【図５】前記実施形態に係る燃料電池システムの水素ガスの排出動作のフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの排気系のブロック図である。
【図７】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御手段のブロック図である。
【符号の説明】
【００８１】
１、１Ａ  燃料電池システム
１０      燃料電池
２０      触媒ヒータ（燃焼器）
４４      水素排出路（燃料ガス排出流路）
５１、５１Ａ      第１の圧力損失算出部（第１の圧力損失算出手段）
５２      第２の圧力損失算出部（第２の圧力損失算出手段）
５３、５３Ａ      第１の圧力算出部（第１の圧力算出手段）
５４      第２の圧力算出部（第２の圧力算出手段）
５５      圧力差算出部（圧力差算出手段）
５６      排出水素量決定部（排出水素量決定手段）
４３１      第１のエア排出路（酸化ガス排出流路）
４３２、４３２Ａ      第２のエア排出路（排出ガス流路）
４４１      水素排出バルブ（排出バルブ）
【図１】
2008257990.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008257990.tif 000008
【図７】
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