(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構を含む酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池から排出された水分含有燃料排ガスを燃料排ガスと水分に分離する気液分離器が設けられた排出流路と、
パージ弁が設けられて前記燃料排ガスを排出するためのパージ流路と、
ドレイン弁が設けられて前記水分又は前記燃料排ガスを排出するための排出流路と、
前記パージ流路及び前記排出流路と合流し、前記酸化剤ガス供給機構からの前記酸化剤ガスと前記燃料排ガスとを混合するための混合流路と、
を備えるとともに、前記パージ弁と前記ドレイン弁の前記燃料排ガスのオリフィス径が互いに相違する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の運転状態に応じて前記パージ弁及び前記ドレイン弁の開閉を制御することにより、前記混合流路に排出される燃料排ガスの流量を調整する燃料排ガス流量調整手段と、
前記混合流路に至る燃料排ガスの流量を取得する燃料排ガス流量取得手段と、
をさらに備え、
前記酸化剤ガス供給機構からの前記酸化剤ガスの供給流量を、前記燃料排ガス流量取得手段により取得された前記燃料排ガスの流量に応じて変化させることにより、前記酸化剤ガスが前記混合流路に向かって排出された前記燃料排ガスと混合されたときに前記燃料排ガスの可燃範囲外となるように制御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２】
請求項１記載の制御方法において、前記燃料電池が低負荷であるときには、前記パージ弁及び前記ドレイン弁の中の前記オリフィス径が小さい弁のみで前記燃料排ガスを排出し、中負荷であるときには前記パージ弁及び前記ドレイン弁の中の前記オリフィス径が大きい弁のみで前記燃料排ガスを排出し、高負荷であるときには前記パージ弁及び前記ドレイン弁の双方から前記燃料排ガスを排出する制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の制御方法において、前記燃料電池の起動パージ中は前記パージ弁及び前記ドレイン弁の双方から前記燃料排ガスを排出する制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記パージ弁又は前記ドレイン弁のいずれか一方が故障していると認識されたとき、前記混合流路への前記酸化剤ガスの供給流量を、前記オリフィス径が大きい弁からの前記燃料排ガスの排出流量に対応させて変化させ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】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法において、前記ドレイン弁が凍結していると予測されたとき、前記混合流路への前記酸化剤ガスの供給流量の下限値を、前記パージ弁又は前記ドレイン弁の双方が開弁状態であると仮定して設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６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御方法において、要求出力電流が上昇するときに前記パージ弁又は前記ドレイン弁の一方のみが開となっている状態から前記パージ弁及び前記ドレイン弁の双方を開状態とする閾値と、要求出力電流が下降して前記パージ弁及び前記ドレイン弁の双方が開となっている状態から前記パージ弁又は前記ドレイン弁の一方のみを開状態とする閾値とが相違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、燃料電池システムの制御方法に関し、一層詳細には、燃料電池のアノード電極から排出された燃料排ガスをパージする際の燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体がセパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成される。発電セルは、通常、所定の数で積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。
【０００３】
燃料電池は、アノード電極に供給された燃料ガス（例えば、水素ガス）と、カソード電極に供給された酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）とが電気化学反応を起こすことによって発電する。この際、アノード電極ではプロトンが生成し、該プロトンが電解質膜内を伝導してカソード電極に移動する。一方、カソード電極では、プロトン、電子、酸化剤ガス中の酸素によって水が生成する。
【０００４】
生成水の一部や、酸化剤ガスに付与された湿分は、電解質膜を浸透してアノード電極に到達する。従って、アノード電極から排出される燃料排ガスは水分を含んでいる。特許文献１に記載されるように、この水分は、燃料ガス排出流路に設けられた気液分離器によって燃料排ガスから分離され、ドレイン弁が開いたときに該気液分離器から排出される。
【０００５】
一方、気液分離器にて水分が除去された燃料排ガスは、通常はアノード電極に循環供給されるが、必要に応じてパージ流路からパージされる。すなわち、パージ流路にはパージ弁が設けられており、該パージ弁が開いたときにパージ流路からの燃料排ガスのパージがなされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−５６３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記した従来技術に関連してなされたもので、燃料排ガス量を迅速に排出することが可能であり、しかも、可燃範囲外に調整することが容易である燃料電池システム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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構を含む酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池から排出された水分含有燃料排ガスを燃料排ガスと水分に分離する気液分離器が設けられた排出流路と、
パージ弁が設けられて前記燃料排ガスを排出するためのパージ流路と、
ドレイン弁が設けられて前記水分又は前記燃料排ガスを排出するための排出流路と、
前記パージ流路及び前記排出流路と合流し、前記酸化剤ガス供給機構からの前記酸化剤ガスと前記燃料排ガスとを混合するための混合流路と、
を備えるとともに、前記パージ弁と前記ドレイン弁の前記燃料排ガスのオリフィス径が互いに相違する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の運転状態に応じて前記パージ弁及び前記ドレイン弁の開閉を制御することにより、前記混合流路に排出される燃料排ガスの流量を調整する燃料排ガス流量調整手段と、
前記混合流路に至る燃料排ガスの流量を取得する燃料排ガス流量取得手段と、
をさらに備え、
前記酸化剤ガス供給機構からの前記酸化剤ガスの供給流量を、前記燃料排ガス流量取得手段により取得された前記燃料排ガスの流量に応じて変化させることにより、前記酸化剤ガスが前記混合流路に向かって排出された前記燃料排ガスと混合されたときに前記燃料排ガスの可燃範囲外となるように制御することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明においては、状況に応じ、パージ弁とドレイン弁の双方、又はいずれか一方が燃料排ガスを排出するために開閉制御される。そして、如何なる弁が開閉制御されるかによって、混合流路への燃料排ガスの排出流量が変化する。そして、この変化に対応し、混合流路への圧縮空気の供給流量を変化させるようにしている。これにより、混合流路内の燃料排ガスが可燃範囲外に調整される。
【００１０】
このような制御を行うことにより、燃料排ガスを、流量を高精度に調整しながら迅速に排出することが可能となる。しかも、燃料排ガスを可燃範囲外に調整することが容易である。
【００１１】
開閉制御すべき弁は、例えば、燃料電池の負荷に応じて選定すればよい。燃料電池に負荷が高くなるにつれて燃料排ガスの排出流量が大きくなるので、燃料電池が低負荷であるときにはパージ弁及びドレイン弁の中のオリフィス径が小さい弁のみ、中負荷であるときには前記パージ弁及び前記ドレイン弁の中の前記オリフィス径が大きい弁のみ、高負荷であるときには前記パージ弁及び前記ドレイン弁の双方を開閉制御することが好ましい。開閉制御がなされる弁から燃料排ガスが排出されることは勿論である。
【００１２】
又は、温度及び圧力に基づいて算出される燃料ガスの量の大小に応じて開閉制御すべき弁を選定するようにしてもよい。この場合、少量であるときにはパージ弁及びドレイン弁の中のオリフィス径が小さい弁のみ、中量であるときには前記パージ弁及び前記ドレイン弁の中の前記オリフィス径が大きい弁のみ、多量であるときには前記パージ弁及び前記ドレイン弁の双方を開閉制御することが好ましい。
【００１３】
燃料電池の起動時は、起動パージと指称されるガス置換処理を行うことが通例である。この最中には、パージ弁及びドレイン弁の双方に対して開閉制御を行い、双方から燃料排ガスを排出することが好ましい。これにより、起動パージを迅速に進行させることができる。
【００１４】
なお、起動パージ中に混合流路に向かうのは、アノード電極に一旦供給されて排出された未反応の燃料ガスである。アノード電極に供給される前の燃料ガスとの区別を容易にするべく、本明細書においては、アノード電極から排出された後に混合流路に向かう燃料ガスを「燃料排ガス」と指称する。
【００１５】
パージ弁又はドレイン弁のいずれか一方が故障しているときには、故障前と比較して燃料排ガスの排出流量が変化する。パージ弁及びドレイン弁がノーマルクローズ弁であるときには、故障に伴って閉止するので排出流量が低下する。
【００１６】
このことが認識されたときには、混合流路への酸化剤ガスの供給流量を、オリフィス径が大きい弁（例えば、パージ弁）からの燃料排ガスの排出流量に対応させて変化させるとよい。これにより、両方の弁が開弁する場合を想定した流量よりも酸化剤ガスの供給流量が低減するので、酸化剤ガス供給機構の消費電力を小さくすることができる。
【００１７】
また、オリフィス径が小さい弁が故障しているときには過剰の酸化剤ガスが供給され、一方、オリフィス径が大きい弁が故障しているときには適切量の酸化剤ガスが供給される。従って、実際に故障しているのがいずれであっても、燃料排ガスを可燃範囲外とすることができる。結局、フェイルセーフがなされる。
【００１８】
すなわち、パージ弁又はドレイン弁のいずれが故障しているのかを診断することなく、燃料排ガスを可燃範囲外とすることができる。従って、このような状況下であってもなお、燃料電池を継続運転することが可能である。
【００１９】
ところで、寒冷地における冬季等では、ドレイン弁が凍結することが想定される。ドレイン弁には液状水が流通するので、液滴が残留することがあり得るからである。ドレイン弁がノーマルクローズ弁であるときには、燃料電池システムを起動しても開弁状態とすることが困難である。
【００２０】
例えば、燃料電池システムのソーク中に気温が氷点下となり、上記の凍結が予測されるときには、混合流路への酸化剤ガスの供給流量の下限値を、パージ弁又はドレイン弁の双方が開弁状態であると仮定して設定することが好ましい。これにより、ドレイン弁が実際には凍結しておらず制御指令に従って当初から開弁状態となっているときであっても、起動直後には凍結しており、時間の経過とともに凍結が融解して開弁状態となったときであっても、混合流路内の燃料排ガスを可燃範囲外とすることができる。すなわち、この場合にもフェイルセーフがなされる。
【００２１】
そして、この制御を行うことにより、ドレイン弁が如何なるタイミングで開弁状態となるかを予測し得ない場合であっても、燃料排ガスを可燃範囲外として燃料電池システムの起動を続行することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、状況に応じ、パージ弁とドレイン弁の双方、又はいずれか一方を、燃料排ガスを排出するために開閉制御するようにしている。如何なる弁が開閉制御されるかによって、燃料排ガスと酸化剤ガスとが混合される混合流路への燃料排ガスの排出流量が変化するので、開閉制御する弁が変化することに対応し、混合流路への圧縮空気の供給流量を変化させる。このため、混合流路内の燃料排ガスが可燃範囲外に調整される。
【００２３】
要するに、上記の開閉制御を行うことにより、燃料排ガスの排出流量を高精度に調整しながら、該燃料排ガスを迅速に混合流路に排出することができる。このため、排出に要する時間の短縮を図ることができる。しかも、燃料排ガスを可燃範囲外に調整することが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】燃料電池スタックの負荷に応じてパージ弁及びドレイン弁の開閉を如何に制御するかを示した説明図である。
【図３】定常発電時におけるパージ弁及びドレイン弁の開閉制御を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る燃料電池システムの制御方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態では、パージ弁のオリフィス径がドレイン弁に比して大きい場合を例示する。
【００２６】
先ず、燃料電池システムにつき、その概略構成説明図である図１を参照して説明する。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。
【００２７】
燃料電池スタック１２は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とを備える。本実施の形態では、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして圧縮空気を用いる。燃料電池システム１０は、さらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。
【００２８】
本実施の形態では、制御部２２の作用下に、燃料排ガスの濃度が可燃範囲外となるような制御が行われる。この点については後述する。
【００２９】
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が図１中の矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層されて構成される。ここで、発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持したものである。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属又はカーボンからなる。
【００３０】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２としては、上記のようなフッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を採用することもできる。
【００３１】
第１セパレータ２８には、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８が設けられる。一方、第２セパレータ３０には、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０が設けられる。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が形成される。
【００３２】
燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。この中の水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。同様に、水素ガス出口４４ｂも各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。
【００３３】
同様に、空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。
【００３４】
さらに、冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。
【００３５】
燃料ガス供給装置１４は、高圧水素ガスを貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５１（燃料ガス供給流路）を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに接続される。水素ガス供給路５１は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。
【００３６】
水素ガス供給路５１には、インジェクタ５４とエゼクタ５６が直列に設けられる。エゼクタ５６内が負圧になることで、水素循環流路６６から水素ガスが吸引される。
【００３７】
燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２が接続される。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガス（燃料排ガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。
【００３８】
水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が設けられる。前記気液分離器６４の下流からは水素循環流路６６が分岐し、この水素循環流路６６の下流側が前記エゼクタ５６に接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスを、水素循環流路６６及びエゼクタ５６を介して水素ガス供給路５１に循環させる。
【００３９】
水素ガス排出路６２には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。一方、気液分離器６４の底部には、主には液状水を排出し、液状水が排出された後では水素排ガスを排出するための排出流路７４の一端が接続される。すなわち、排出流路７４には、液状水又は水素排ガスのいずれかが流通する。
【００４０】
排出流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。本実施の形態においては、ドレイン弁７６として、そのオリフィス径が前記パージ弁７２に比して小さいものが採用されている。従って、パージ弁７２、ドレイン弁７６の各上流側で水素排ガスの流速が同一である場合には、ドレイン弁７６を通過する水素排ガスの方が、パージ弁７２を通過する水素排ガスよりも流量が小さくなる。
【００４１】
酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給路７８（酸化剤ガス供給流路）に配設された、酸化剤ガス供給機構としてのエアポンプ８０を備える。このエアポンプ８０は、大気（空気）を圧縮して供給するべく、回転駆動手段であるモータを内蔵する圧縮機として構成される。すなわち、エアポンプ８０は、モータが回転することに伴って大気を圧縮し、これにより得た圧縮空気を空気供給路７８から燃料電池スタック１２に供給する。
【００４２】
空気供給路７８は、エアポンプ８０の下流側で燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに接続され、その間に供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４が介装される。空気供給路７８には、加湿器８４を迂回するバイパス供給路８６が接続される。該バイパス供給路８６には、ＢＰ開閉弁８８が設けられる。
【００４３】
燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路９０が接続される。空気排出路９０は、少なくとも一部がカソード電極３６で使用された圧縮空気である排出圧縮空気を、燃料電池スタック１２から排出する。
【００４４】
空気排出路９０の下流には前記加湿器８４が配設されており、このため、加湿器８４は、エアポンプ８０から供給された圧縮空気とカソードオフガスとの間で水分及び熱を交換する。さらに、空気排出路９０において、加湿器８４の下流側には排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排出流路７４の他端が接続されて合流しており、これにより混合流路９３を構成している。
【００４５】
背圧弁９２は、前記カソード流路に供給される圧縮空気の圧力を制御するために設けられる圧力調整弁である。すなわち、カソード電極３６の内圧は、背圧弁９２によって調節される。
【００４６】
空気供給路７８と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。
【００４７】
また、空気供給路７８と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路７８に循環させる。
【００４８】
この構成では、供給側開閉弁８２ａ、ＢＰ開閉弁８８、排出側開閉弁８２ｂ及び背圧弁９２の開度を適宜調節するか、又は、ＢＰ流量調整弁９６の開度を適宜調節することにより、混合流路９３まで流通する圧縮空気の供給流量が変化する。前者の場合は、エアポンプ８０から供給された後にカソード電極３６から排出される排出圧縮空気であり、後者の場合はエアポンプ８０から直接供給される圧縮空気であり、いずれもエアポンプ８０が供給源である。
【００４９】
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の制御方法につき、該燃料電池システム１０の動作との関係で説明する。
【００５１】
燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両の運転が開始される際、イグニッションがＯＮとされることに伴って燃料電池スタック１２が起動される。このとき、制御部２２は、燃料ガス供給装置１４からアノード流路に水素ガスを供給するべく、インジェクタ５４を開放する指令信号を発する。これにより、水素タンク５０から水素ガス供給路５１に供給された所定量の水素ガスが、水素ガス供給路５１のインジェクタ５４及びエゼクタ５６を通過して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。
【００５２】
水素ガスは、さらに、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動する。これにより、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に水素ガスが供給される。
【００５３】
その一方で、制御部２２は、酸化剤ガス供給装置１６から圧縮空気を供給するべく、エアポンプ８０を付勢する指令信号を発する。これに伴い、エアポンプ８０の回転作用下に大気が圧縮され、空気供給路７８に圧縮空気として送気する。この圧縮空気は、加湿器８４を通過する際に加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。圧縮空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入された後、前記空気流路４０に沿って移動することによって電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。
【００５４】
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される圧縮空気中の酸素とが、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。同時に、カソード電極３６において水が生成する。この生成水の一部や、加湿器８４にて圧縮空気に付与された湿分の一部は、カソード電極３６から固体高分子電解質膜３２に浸透し、アノード電極３４に到達する。
【００５５】
また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。
【００５６】
アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。この際、水素排ガスは、上記のようにしてアノード電極３４に到達した湿分（水分）を同伴する。すなわち、気液分離器６４に導入されるガスは、水分含有水素排ガス（湿潤ガス）である。
【００５７】
水分含有水素排ガスは、気液分離器６４において、液状水と気体成分に分離される。気体成分は、湿度が低下した水素排ガスである。この水素排ガスは、水素ポンプ６８の作用下に、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入される。水素排ガスは、さらに、水素循環流路６６からエゼクタ５６に吸引され、インジェクタ５４を通過した新たな水素ガスに合流して水素ガス供給路５１からアノード流路に供給される。このように、水素排ガスは燃料電池スタック１２に循環供給される。
【００５８】
同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された圧縮空気は、排出圧縮空気として空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。排出圧縮空気は、加湿器８４を通って空気供給路７８から供給される新たな圧縮空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整されて混合流路９３に排出される。なお、空気排出路９０に排出された排出圧縮空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８から空気供給路７８に供給される。この場合、排出圧縮空気も燃料電池スタック１２に循環供給される。
【００５９】
燃料電池スタック１２の定常運転時は、該燃料電池スタック１２から取り出される出力電流（負荷）は中程度であり、このとき、制御部２２は、図２中の「中負荷」欄に示すように、パージ弁７２を必要に応じて適宜開閉し、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを排出（パージ）する。
【００６０】
水素排ガスは、混合流路９３にて圧縮空気と混合されることで希釈される。この希釈によって可燃範囲外とされた後、系外に排出される。すなわち、混合流路９３には、水素排ガスを可燃範囲外とし得る流量の圧縮空気が、エアポンプ８０からバイパス流路９４を介して直接、又は、カソード電極３６を経由して間接的に供給される。
【００６１】
ここで、例えば、燃料電池システム１０が燃料電池車両に搭載されたものである場合、運転者が加速運転を行うことが想定される。このとき、燃料電池スタック１２への要求出力電流が上昇する。換言すれば、燃料電池スタック１２が高負荷となる。従って、制御部２２は、電極での電気化学反応を促進するべく、アノード電極３４への水素ガスの供給流量と、カソード電極３６への圧縮空気の供給流量を増加する。
【００６２】
電気化学反応が促進された結果、カソード電極３６での生成水の量、ひいては気液分離器６４に貯留される液状水の量が増加する。この場合には、制御部２２は、パージ弁７２の開閉制御に加えてドレイン弁７６に対しても開閉制御を行う（図２中の「高負荷」参照）。すなわち、ドレイン弁７６が適宜開放され、これに伴って排出流路７４に液状水が排出される。
【００６３】
気液分離器６４から液状水が排出されると、ドレイン弁７６が開放されたときには、水素排ガスが排出流路７４に排出されるようになる。このため、水素ガスの供給流量の増加に対応して増加した水素排ガスを適切に排出することができるようになる。
【００６４】
すなわち、この場合、ドレイン弁７６及びパージ弁７２の双方が開閉制御され、水素排ガスの排出に用いられる。従って、混合流路９３には、排出流路７４を経由した水素排ガスと、パージ流路７０を経由した水素排ガスとが到達する。換言すれば、混合流路９３に到達する水素排ガスの流量が、定常運転時に比して増加する。
【００６５】
制御部２２は、この状況に対応するべく、混合流路９３に供給される圧縮空気の量を増加する。この場合の増加量は、圧縮空気が混合流路９３において水素排ガスと混合されたとき、水素排ガスが可燃範囲外となる量である。
【００６６】
その一方で、燃料電池車両がアイドル状態となり、燃料電池スタック１２がアイドル発電となる場合も想定される。このとき、燃料電池スタック１２への要求出力電流が低下するので、該燃料電池スタック１２が低負荷となる。従って、アノード電極３４への水素ガスの供給流量と、カソード電極３６への圧縮空気の供給流量とが低減される。その結果、電極での電気化学反応が緩慢となり、カソード電極３６で生成して気液分離器６４に貯留される液状水の量が低減する。
【００６７】
この場合、アノード電極３４から排出される水素排ガスの流量が小さい。そこで、制御部２２は、パージ弁７２を閉止してドレイン弁７６のみを開閉制御する（図２中の「低負荷」参照）。パージ弁７２に比してドレイン弁７６の方がオリフィス径が小さいので、水素排ガスの流量が小さいときであっても高精度な流量調整を行うことができる。
【００６８】
すなわち、この場合、ドレイン弁７６のみが開閉制御されるので、混合流路９３には、排出流路７４を経由した水素排ガスのみが到達する。従って、混合流路９３に到達する水素排ガスの流量が、定常運転時に比して低減する。
【００６９】
制御部２２は、この状況に対応するべく、混合流路９３に供給される圧縮空気の量を低減する。勿論、この場合においても、圧縮空気は、混合流路９３において水素排ガスと混合されたとき、水素排ガスが可燃範囲外となる流量で供給される。
【００７０】
要するに、圧縮空気の混合流路９３への供給流量は、混合流路９３にて圧縮空気と水素排ガスが混合されたとき、水素排ガスが可燃範囲外の濃度となるように変化する。従って、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方、又はいずれか一方を用いて水素排ガスを適切な量で排出することでアノード流路内の圧力を適切に保ちながら、該水素排ガスを可燃範囲外として燃料電池システム１０の系外に排出することが可能となる。
【００７１】
しかも、パージ弁７２とドレイン弁７６とはオリフィス径が互いに相違する。このため、燃料電池スタック１２の負荷に応じて排出に用いる弁を選択することで、混合流路９３に向かう水素排ガスの流量を高精度に調整することができる。
【００７２】
パージ弁７２とドレイン弁７６の開閉制御のタイムチャートを、図３に示す。なお、「両方開」はパージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が開閉制御されていることを表し、「両方閉」はパージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が閉止されていることを表す。
【００７３】
図３から諒解されるように、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方に対して同時に開閉制御を行うタイミング、パージ弁７２のみに開閉制御を行うタイミング、ドレイン弁７６のみに開閉制御を行うタイミングは、いわゆるヒステリシスを含むようにして設定される。具体的には、下限値と上限値が設けられる。
【００７４】
すなわち、例えば、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方に対する開閉制御は、負荷が低下して図３中の「両方開許可判断閾値下限」に到達したときに解除され、パージ弁７２のみの開閉制御に移行する。その後、負荷が上昇して「両方開許可判断閾値下限」に到達しても直ちにパージ弁７２及びドレイン弁７６の双方に対する開閉制御に戻るのではなく、パージ弁７２のみの開閉制御が継続される。
【００７５】
負荷がさらに上昇して「両方開許可判断閾値上限」に到達したときには、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方に対する開閉制御に戻る。ただし、図３では、「両方開許可判断閾値下限」と「両方開許可判断閾値上限」との間まで上昇した後、「パージ弁開許可判断閾値下限」まで低下する場合を例示している。この場合、上記したように、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方に対する開閉制御には戻らずにパージ弁７２のみの開閉制御が継続された後、「パージ弁開許可判断閾値下限」に到達した時点でドレイン弁７６のみの開閉制御に移行する。
【００７６】
その後、負荷が上昇して「パージ弁開許可判断閾値下限」に到達しても直ちにパージ弁７２の開閉制御に戻るのではなく、ドレイン弁７６のみの開閉制御が継続される。負荷がさらに上昇して「パージ弁開許可判断閾値上限」に到達したときには、パージ弁７２のみの開閉制御に戻る。
【００７７】
ただし、図３では、「パージ弁開許可判断閾値下限」と「パージ弁開許可判断閾値上限」との間まで上昇した後、「ドレイン弁開許可判断閾値下限」まで低下する場合を例示している。この場合、上記したように、パージ弁７２のみに対する開閉制御には戻らず、ドレイン弁７６のみの開閉制御が継続される。負荷が「パージ弁開許可判断閾値下限」に到達した時点でドレイン弁７６が閉止され、結局、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が閉止状態となる。
【００７８】
このように、本実施の形態では、所定の開閉制御から別の開閉制御への移行を開始する閾値と、該別の開閉制御から元の開閉制御に戻る閾値とを別個に設定している。このため、所定の開閉制御から別の開閉制御への移行、又はその逆への移行が頻繁となることが回避される。すなわち、パージ弁７２及びドレイン弁７６の開閉頻度が低減するので、これらパージ弁７２及びドレイン弁７６の耐久性の向上を図ることができる。また、水素排ガスの排出量にいわゆるハンチングが起こることが防止される。
【００７９】
図３においては、混合流路９３に到達する圧縮空気の実流量を併せて示している。上記した開閉制御に伴って実流量が変化し、これにより、混合流路９３内での水素排ガスの濃度が可燃範囲外に調整される。なお、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が閉止されているときは、実流量は流量下限値近傍で略一定となる。このように、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が閉止されているときの圧縮空気の流量を最低とすることにより、エアポンプ８０の消費電力を小さくすることができる。
【００８０】
ここで、パージ弁７２及びドレイン弁７６は、通電停止時には閉止状態を保ついわゆるノーマルクローズ弁である。従って、パージ弁７２又はドレイン弁７６のいずれかが故障したときには、故障した弁が閉止する。このため、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方を開閉制御している段階でいずれかの弁が故障すると、混合流路９３に至る水素排ガスの流量が低減する。
【００８１】
図示しない流量計等を介して制御部２２がこのことを認識すると、制御部２２は、混合流路９３に向かう圧縮空気の流量を低減する制御を行う。
【００８２】
なお、パージ弁７２及びドレイン弁７６は、上記したようにオリフィス径が互いに相違する。従って、パージ弁７２が故障したときとドレイン弁７６が故障したときでは、水素排ガスの流量の低減度合いが相違する。しかしながら、パージ弁７２又はドレイン弁７６のいずれが故障しているのかを判別することは容易ではない。
【００８３】
そこで、本実施の形態では、オリフィス径が小さなドレイン弁７６が故障したと仮定し、ドレイン弁７６が全閉となったとき、換言すれば、パージ弁７２のみに開閉制御を行う場合と同様の圧縮空気流量に調整する。これにより、実際にドレイン弁７６が故障しているときには混合流路９３内の水素排ガスが可燃範囲外となる。一方、実際にはパージ弁７２が故障しているときであっても、ドレイン弁７６が故障しているときに比して過剰の圧縮空気が混合流路９３に供給されるので、この場合においても混合流路９３内の水素排ガスが可燃範囲外となる。
【００８４】
このように、本実施の形態によれば、パージ弁７２及びドレイン弁７６のいずれかが故障しているのかを判別しないにも関わらず、混合流路９３に向かう水素排ガスの流量を調整することや、混合流路９３内の水素排ガスを可燃範囲外に調整することができる。すなわち、フェイルセーフがなされる。従って、この状況下においても、燃料電池システム１０、ひいては燃料電池車両を継続して運転することが可能である。
【００８５】
次に、燃料電池スタック１２に対して起動パージを行うときの開閉制御につき説明する。
【００８６】
この場合、出力電流は定常運転時に比して小さいものの、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方に対して開閉制御を実施する。これにより、燃料電池システム１０の系内を迅速に水素ガスに置換することができる。
【００８７】
この場合には、パージ流路７０及び排出流路７４の双方を水素排ガスが流通するため、混合流路９３に至る圧縮空気の流量もこれに対応して大きくする。すなわち、制御部２２は、混合流路９３において圧縮空気と燃料排ガスが混合されたときに、水素排ガスの可燃範囲外となるように、圧縮空気の混合流路９３への流量を調整する。
【００８８】
ところで、ドレイン弁７６に液状水が液滴として残留することが想定される。寒冷地の冬季には、この残留した液滴が凍結することがある。このようなときには、燃料電池システム１０を起動した直後はドレイン弁７６を開閉動作させることが困難である。
【００８９】
本実施の形態では、燃料電池スタック１２のソーク中、温度が例えば−２０℃以下となったとき、ドレイン弁７６が凍結して開閉動作が困難な状態であるとの前提で制御を行う。具体的には、燃料電池システム１０を起動する際、制御部２２は、パージ弁７２及びドレイン弁７６に通電を行う。これにより、少なくともパージ弁７２が開弁状態となる。この状態で、燃料電池スタック１２内に水素ガスが供給されて燃料電池システム１０内のパージが行われる。
【００９０】
その一方で、制御部２２は、混合流路９３に対し、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が開放状態にあるときと同様の流量に調整された圧縮空気を供給する。すなわち、実際にドレイン弁７６が凍結しているときには、混合流路９３に対して過剰の圧縮空気が供給される。これに対し、ドレイン弁７６が実際には凍結していなかったときには、混合流路９３内の水素排ガスが適量の圧縮空気に混合される。いずれにしても、混合流路９３内の水素排ガスが可燃範囲外に調整される。
【００９１】
ドレイン弁７６が凍結している場合、通電時間の経過に伴って凍結が融解する。これに追従し、ドレイン弁７６が開弁状態となる。上記したように混合流路９３内に予め過剰の圧縮空気が供給されているため、ドレイン弁７６が開放されて水素排ガスが排出流路７４を経由するようになった後も、混合流路９３内の水素排ガスが適量の圧縮空気に混合されて可燃範囲外となる。
【００９２】
このように、燃料電池システム１０が起動してからドレイン弁７６が開弁状態となるまで如何なる程度の時間が必要となるかを予測し得ない状況であっても、混合流路９３に向かう圧縮空気を、パージ弁７２及びドレイン弁７６の双方が起動時から開弁状態にあると仮定した流量に調整することで対応することができる。すなわち、フェイルセーフがなされる。
【００９３】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００９４】
例えば、この実施の形態では、開閉制御する弁を、燃料電池スタック１２の負荷の変化に応じて選定するようにしているが、温度及び圧力に応じて算出される水素ガスの量の変化に応じて選定するようにしてもよい。なお、この場合における「水素ガスの量」とは、インジェクタ５４の下流からパージ弁７２の上流までの量のことである。
【００９５】
この場合、多量側の第１閾値と、該第１閾値を下回る少量側の第２閾値を設定する。そして、水素ガスの量が第１閾値以上であるときにはパージ弁７２及びドレイン弁７６の双方を開閉制御する。これに対し、第１閾値未満第２閾値以上であるときにはオリフィス径が大きなパージ弁７２のみを開閉制御し、第２閾値未満であるときにはオリフィス径が小さなドレイン弁７６のみを開閉制御する。
【００９６】
なお、この制御を行う場合にも、図３に示したようにヒステリシスを設定することが好ましい。すなわち、例えば、水素ガスの量が第１閾値を上回る値から第１閾値未満〜第２閾値以上の間に低減し、その後、第１閾値に再到達したとしても直ちにパージ弁７２及びドレイン弁７６の双方を開閉制御するのではなく、第１閾値を若干上回る値となったときにパージ弁７２及びドレイン弁７６の開閉制御を開始するとよい。これにより、上記と同様にハンチングが起こることを防止することができる。
【００９７】
この制御を行うときには、圧縮空気の最低流量を、水素ガスの量に応じた流量に設定することが好ましい。
【００９８】
また、パージ弁７２の方がドレイン弁７６よりもオリフィス径が小さい場合、上記した制御を、「パージ弁７２」を「ドレイン弁７６」、「ドレイン弁７６」を「パージ弁７２」に置き換えて行うようにすればよい。
【００９９】
さらに、燃料電池システム１０は、車載用に特に限定されるものではなく、定置用であってもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１０…燃料電池システム                  １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置                  １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置                  ２２…制御部
２４…発電セル                          ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…セパレータ                  ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード電極                      ３６…カソード電極
３８…水素ガス流路                      ４０…空気流路
５０…水素タンク                        ５１…水素ガス供給路
６２…水素ガス排出路                    ６６…水素循環流路
６８…水素ポンプ                        ７０…パージ流路
７２…パージ弁                          ７４…排出流路
７６…ドレイン弁                        ７８…空気供給路
８０…エアポンプ                        ８４…加湿器
９０…空気排出路                        ９２…背圧弁
９３…混合流路                          ９４…バイパス流路
９６…ＢＰ流量調整弁                    ９８…空気循環流路
１００…循環ポンプ
【図１】
0006348135.tif 000002
【図２】
0006348135.tif 000003
【図３】
0006348135.tif 000004