(57)【要約】【課題】排出時の燃料ガス濃度を所定の燃料ガス濃度以下に抑えることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、スタックケース７０内のガスを単に排出するだけでなく、スタックケース７０内の燃料ガス濃度を求めたうえで、燃料電池スタック１０に流入させる酸化剤ガス流量とスタックケース７０に流入させる酸化剤ガス流量とを制御することとしている。このため、算出したスタックケース７０内の燃料ガス濃度から、燃料電池スタック１０に流入させる酸化剤ガス流量とスタックケース７０に流入させる酸化剤ガス流量とを調整して、外部へ排出するガスの燃料ガス濃度を確実に所定の燃料ガス濃度以下とすることができる。【選択図】図１
2007179832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給ラインと、
前記燃料電池スタックの酸化剤極側からのオフガスを外部に導く酸化剤ガス排出ラインと、
前記燃料電池スタックの全周囲を覆うスタックケースと、
前記スタックケース内に酸化剤ガスを導くケース供給ラインと、
前記スタックケース内から排出されるガスを前記酸化剤ガス排出ラインに導くケース排出ラインと、
前記燃料電池スタックの燃料極側の圧力を検出する燃料極側圧力検出手段と、
前記燃料電池スタックの燃料極側の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と、
前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスの供給を開始してからの経過時間を検出する経過時間検出手段と、
前記酸化剤ガス供給ラインを通じて前記燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量と、前記ケース供給ラインを通じて前記スタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記検出手段のそれぞれの検出値からスタックケース内の燃料ガス濃度を予測し、予測した燃料ガス濃度に基づいて、スタックケース内のガスが前記ケース排出ラインを通じて前記酸化剤ガス排出ラインに至り、前記酸化剤ガス排出ラインにて酸化剤ガスと混合されて所定の燃料ガス濃度以下となって外部に排出されるように、前記燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量と前記スタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの酸化剤極側の圧力を検出する酸化剤極側圧力検出手段と、
前記酸化剤ガス排出ラインのうち前記燃料電池スタックから前記酸化剤ガス排出ラインと前記ケース排出ラインとの接続部に至るまでの部分に設けられ、開度を調節可能な第１制御弁と、
前記酸化剤ガス供給ラインに設けられ、酸化剤ガスを取り込んで圧送するコンプレッサと、
前記コンプレッサにより圧送される酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記ケース供給ラインに設けられ、開度を調節可能な第２制御弁と、をさらに備え、
前記ケース供給ラインは、一端が前記酸化剤ガス供給ラインのうち前記コンプレッサから前記燃料電池スタックに至るまでの部分に接続され、
前記制御手段は、前記酸化剤極側圧力検出手段により検出された前記酸化剤極側の圧力、前記第１制御弁の開度、前記流量検出手段により検出されたコンプレッサの流量、および前記第２制御弁の開度から、前記第１制御弁の下流の流量を求め、この下流の流量のガスとスタックケースから排出されるガスとを混合して所定の燃料ガス濃度以下となるように、前記燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量と前記スタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、単位時間あたりに燃料極側からスタックケースに漏れ出す燃料ガス量を求め、前記スタックケースの内容積から前記燃料電池スタックの体積分を除いた容量に所定量を加えた規定容量以上の酸化剤ガスを前記スタックケース内に流入させた後、求めた量の燃料ガスを含むスタックケース内のガスを所定の燃料ガス濃度以下に混合して単位時間で排出できるように、前記燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量と前記スタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御する
ことを特徴とする請求項１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池スタックの全周囲を覆うようにスタックケースを設け、このスタックケース内に酸化剤ガスを送り込み、スタックケース内のガスを燃料電池スタックの酸化剤極側から排出されるガスと混合して外部に排出する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムによれば、燃料電池スタックから燃料ガスが漏洩していたとしても、燃料ガスがスタックケースに溜まり酸化剤極側から排出されるガスと混合されて外部に排出されるため、燃料ガス濃度を低下させたうえで排出することができる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−５５２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックから多量の燃料ガスが漏洩してしまった場合などには、スタックケース内の燃料ガス濃度が高くなり、たとえ酸化剤極側から排出されるガスと混合したとしても、燃料ガスの濃度が高い状態でガスを排出してしまう可能性がある。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、排出時の燃料ガス濃度を所定の燃料ガス濃度以下に抑えることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、酸化剤ガス供給ラインと、酸化剤ガス排出ラインと、スタックケースと、ケース供給ラインと、ケース排出ラインと、燃料極側圧力検出手段と、濃度検出手段と、経過時間検出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。酸化剤ガス供給ラインは、燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを導くものである。酸化剤ガス排出ラインは、燃料電池スタックの酸化剤極側からのオフガスを外部に導くものである。スタックケースは、燃料電池スタックの全周囲を覆うものである。ケース供給ラインは、スタックケース内に酸化剤ガスを導くものである。ケース排出ラインは、スタックケース内から排出されるガスを酸化剤ガス排出ラインに導くものである。燃料極側圧力検出手段は、燃料電池スタックの燃料極側の圧力を検出するものである。濃度検出手段は、燃料電池スタックの燃料極側の燃料ガス濃度を検出するものである。経過時間検出手段は、燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスの供給を開始してからの経過時間を検出するものである。制御手段は、酸化剤ガス供給ラインを通じて燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量と、ケース供給ラインを通じてスタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御するものである。さらに、制御手段は、検出手段のそれぞれの検出値からスタックケース内の燃料ガス濃度を予測し、予測した燃料ガス濃度に基づいて、スタックケース内のガスがケース排出ラインを通じて酸化剤ガス排出ラインに至り、酸化剤ガス排出ラインにて酸化剤ガスと混合されて所定の燃料ガス濃度以下となって外部に排出されるように、燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量とスタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池スタックの燃料極側の圧力と、燃料電池スタックの燃料極側の燃料ガス濃度と、燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスの供給を開始してからの経過時間とから、スタックケース内の燃料ガス濃度を予測する。ここで、燃料電池スタックの燃料極側の圧力と、燃料電池スタックの燃料極側の燃料ガス濃度とから単位時間あたりに燃料電池スタックの燃料極側からスタックケース内に漏れ出す燃料ガス量を予測できる。このため、この燃料ガス量と経過時間とから、全体的な燃料ガスの漏れ量を予測でき、既知であるスタックケース内の内容量からスタックケース内のガスの燃料ガス濃度を予測することができる。そして、本発明によれば、予測した燃料ガス濃度に基づいて、スタックケース内のガスを、燃料電池スタックの酸化剤極側から排出されるガスと混合して所定の燃料ガス濃度以下となって外部に排出されるように、燃料電池スタックに流入する酸化剤ガス流量とスタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御するため、外部へ排出するガスの燃料ガス濃度を確実に所定の燃料ガス濃度以下とすることができる。従って、排出時の燃料ガス濃度を所定濃度以下に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料極側排出系３０と、循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤極側排出系６０とを備えている。
【０００９】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものであり、燃料極と酸化剤極とを有している。燃料極には燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極には酸化剤ガスである酸素（空気）が供給され、電気化学反応により発電が行われる。また、燃料極と酸化剤極とは電解質を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、複数の発電セルが多段積層された構造となっている。
【００１０】
燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、高圧水素タンク２１と、水素ガス供給配管２２と、制御弁２３とからなっている。高圧水素タンク２１は、燃料ガスを或る一定の圧力で貯蔵するものである。水素ガス供給配管２２は、一端が高圧水素タンク２１に接続され他端が燃料電池スタック１０の燃料極側入口に接続され、高圧水素タンク２１の水素ガスを燃料電池スタック１０に導くものである。制御弁２３は、水素ガス供給配管２２上に設けられ、開度調節することにより、燃料極側に供給する水素ガス量を制御するものである。また、制御弁２３は、燃料極側に供給する水素ガス量を制御することで、燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。
【００１１】
燃料極側排出系３０は、燃料電池スタック１０の燃料極側からのガスを外部に排出するものであって、燃料極側排出配管３１と、燃料極側排出弁３２とを備えている。燃料極側排出配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口と後述の酸化剤極側排出配管６１とを接続し、燃料極側のガスを外部に導くための流路となるものである。燃料極側排出弁３２は、燃料極側排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極側のガスの排出を制御するものである。
【００１２】
循環系４０は、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを再度燃料電池スタック１０の燃料極側上流に循環させるものであって、循環配管４１と、循環ポンプ４２とを備えている。循環配管４１は、一端が燃料電池スタック１０の燃料極側出口から燃料極側排出弁３２に至るまでの燃料極側排出配管３１に接続され、他端が制御弁２３から燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの水素ガス供給配管２２に接続されており、燃料電池スタック１０の燃料極側下流のガスを燃料極側上流に戻すための流路となるものである。循環ポンプ４２は、循環配管４１に設けられて燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを燃料極側上流に戻す循環動力源となるものである。
【００１３】
酸化剤ガス供給系５０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスである酸素を含んだ空気を供給するものであって、空気供給配管（酸化剤ガス供給ライン）５１と、コンプレッサ５２とを備えている。空気供給配管５１は、一端がシステム外部まで伸び他端が燃料電池スタック１０の酸化剤極入口に接続され、酸化剤ガスである酸素を燃料電池スタック１０の酸化剤極側に導くものである。コンプレッサ５２は、空気供給配管５１に設けられ、酸素を含む空気を取り込んで圧送し、圧縮した空気を燃料電池スタック１０の酸化剤極側に送り込むものである。
【００１４】
酸化剤極側排出系６０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側からのガスを外部に排出するものであって、酸化剤極側排出配管（酸化剤ガス排出ライン）６１と、酸化剤極側排出弁（第１制御弁）６２とを備えている。酸化剤極側排出配管６１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側出口と外部とを接続し、燃料電池スタック１０の酸化剤極側からのオフガスを外部に導くための流路となるものである。酸化剤極側排出弁６２は、酸化剤極側排出配管６１に設けられ、開度を調節可能な弁である。この酸化剤極側排出弁６２は、開度を調節することにより、酸化剤極側から排出されるガス量を制御すると共に、排出ガス量を制御することにより、酸化剤極側の圧力についても制御する構成となっている。なお、上記した燃料極側排出配管３１は、酸化剤極側排出配管６１のうち酸化剤極側排出弁６２の下流側（図１の接続点Ａ）に接続されている。また、酸化剤極側排出弁６２は、酸化剤極側排出配管６１のうち燃料電池スタック１０から、酸化剤極側排出配管６１と後述のケース排出配管９１との接続部Ｂに至るまでの部分に設けられている。
【００１５】
さらに、上記燃料電池システム１は、スタックケース７０と、ケース供給系８０と、ケース排出系９０と、第１圧力センサ（燃料極側圧力検出手段）１００と、第２圧力センサ（酸化剤極側圧力検出手段）１０１と、流量センサ（流量検出手段）１０２と、制御装置（濃度検出手段、経過時間検出手段、制御手段）１１０とを備えている。
【００１６】
スタックケース７０は、燃料電池スタック１０の全周囲を覆う筐体であり、密閉性に優れており、仮に燃料電池スタック１０からガスが漏れだしたとしても、そのガスがシステム１外に漏洩しないように構成されている。
【００１７】
ケース供給系８０は、スタックケース７０内に空気を導くものであり、ケース供給配管（ケース供給ライン）８１と、換気流量調整弁（第２制御弁）８２とを有している。ケース供給配管８１は、一端が空気供給配管５１のうちコンプレッサ５２から燃料電池スタック１０に至るまでの部分（接続点Ｃ）に接続され、他端がスタックケース７０に接続され、スタックケース７０内に空気を導く流路となるものである。換気流量調整弁８２は、ケース供給配管８１に設けられ、開度を調節可能な弁である。この換気流量調整弁８２は、開度を調節することにより、スタックケース７０内に流入する空気量を制御する構成となっている。
【００１８】
ケース排出系９０は、スタックケース７０内のガスを酸化剤極側排出配管６１に導くものであり、ケース排出配管（ケース排出ライン）９１と、逆流防止弁９２とを備えている。ケース排出配管９１は、スタックケース７０内から排出されるガスを酸化剤極側排出配管６１に導く流路となるものである。逆流防止弁９２は、酸化剤極側排出配管６１からのガスがスタックケース７０に逆流しないように規制するものである。
【００１９】
第１圧力センサ１００は、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力を検出するものであり、水素ガス供給配管２２のうち、循環配管４１と水素ガス供給配管２２との接続部から燃料電池スタック１０に至るまでの部分に設けられている。第２圧力センサ１０１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側の圧力を検出するものであり、空気供給配管５１のうち、接続点Ｃから燃料電池スタック１０に至るまでの部分に設けられている。流量センサ１０２は、コンプレッサ５２により圧送される空気の流量を検出するものであり、空気供給配管５１のうちコンプレッサ５２の上流側に設けられている。
【００２０】
制御装置１１０は、燃料電池システム１の全体を制御するものである。この制御装置１１０は、濃度検出機能と、経過時間検出機能と、流量制御機能とを有している。濃度検出機能は、燃料電池スタック１０の燃料極側の水素ガス濃度を検出する機能である。制御装置１１０は、濃度検出機能によって、例えば燃料電池スタック１０の燃料極側に流入させた水素ガス量および燃料極側の容積などから演算によって燃料極側の水素ガス濃度を検出する。
【００２１】
また、経過時間検出機能は、燃料電池スタック１０の燃料極側に水素ガスを供給し始めてからの経過時間を検出する機能である。具体的に制御装置１１０は、燃料電池システム１の起動時に高圧水素タンク２１から燃料電池スタック１０に水素ガスが流入し始めた段階を計測開始時点とし、この計測開始時点から経過した時間を検出する。
【００２２】
流量制御機能は、空気供給配管５１を通じて燃料電池スタック１０に流入する空気流量と、ケース供給配管８１を通じてスタックケース７０に流入する空気流量とを制御する機能である。制御装置１１０は、流量制御機能によって、コンプレッサ５２の回転数、換気流量調整弁８２の開度、酸化剤極側排出弁６２の開度などを調節して燃料電池スタック１０とスタックケース７０への空気の流入量を制御する。
【００２３】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を説明する。本実施形態において制御装置１１０は、酸化剤極側排出配管６１から外部に排出されるガスの燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度（例えば４％）以下となるように、燃料電池スタック１０に流入する空気流量とスタックケース７０に流入する空気流量とを制御する。
【００２４】
この際、制御装置１１０は、第１圧力センサ１００により検出された燃料極側の圧力の情報を入力する。また、制御装置１１０は、濃度検出機能によって、燃料電池スタック１０の燃料極側の燃料ガス濃度を検出する。さらに、制御装置１１０は、経過時間検出機能によって、燃料電池スタック１０に水素ガスが流入し始めてからの経過時間を検出する。そして、制御装置１１０は、これらの検出結果から、スタックケース７０内の水素ガス濃度を推定する。
【００２５】
すなわち、制御装置１１０は、検出した燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と、燃料電池スタック１０の燃料極側の水素ガス濃度とから単位時間あたりに燃料電池スタック１０の燃料極側からスタックケース７０内に漏れ出す燃料ガス量を予測する。そして、制御装置１１０は、単位時間あたりに漏れ出す水素ガス量と経過時間とから、全体的な燃料ガスの漏れ量を予測し、既知であるスタックケース７０内の内容量からスタックケース７０内のガスの燃料ガス濃度を予測する。
【００２６】
このように、本実施形態では、スタックケース７０内の水素ガス濃度を予測できる。このため、予測した水素ガス濃度に基づいて、燃料電池スタック１０に流入する空気流量とスタックケース７０に流入する空気流量とを調整すれば、外部に排出されるガスの燃料ガス濃度が所定の燃料ガス濃度（例えば４％）以下となるようにすることができる。すなわち、燃料電池スタック１０の燃料極側から水素ガスが漏れだしたとしても、スタックケース７０内のガスは、ケース排出配管９１を通じて酸化剤極側排出配管６１に至り、酸化剤極側排出配管６１にて酸化剤極側から排出されるガスと混合されて所定の水素ガス濃度以下となり外部に排出されることとなる。
【００２７】
さらに詳しく説明すると、本実施形態に係る燃料電池システム１は、排出ガスの水素ガス濃度を確実に所定の水素ガス濃度以下とするために、酸化剤極側排出弁６２の下流流量（すなわち酸化剤極側排出弁６２から接続点Ｂに至るまでの区間にける流量）を求めることとしている。具体的に制御装置１１０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側の圧力、酸化剤極側排出弁６２の開度、コンプレッサ５２の流量、および換気流量調整弁８２の開度から、酸化剤極側排出弁６２の下流流量を求める。このように、下流流量を求めることにより、スタックケース７０からの排出されるガスをどの程度の量のガスで希釈できるかを正確に求めることができ、排出ガスの水素ガス濃度を確実に所定の水素ガス濃度以下とすることができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時における動作を詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時における動作の概略を示すタイムチャートである。燃料電池システム１を停止してから再度燃料電池システム１を起動する場合、まず制御装置１１０は、時刻ｔ１において制御弁２３を開け、燃料電池スタック１０の燃料極側に水素ガスを供給する。これにより、図２（ａ）に示すように燃料極側の圧力が上昇し始める。また、燃料電池スタック１０は密閉性に優れるものであるが、僅かながら内部のガスが外部に流出することもある。よって、燃料電池スタック１０の燃料極側に水素ガスを供給したことにより、図２（ｂ）に示すように時刻ｔ１からスタックケース７０内の水素ガス量が増加していくこととなる。
【００２９】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１は、起動時に水素ガスの供給を開始した後、空気の供給を開始する。すなわち、制御装置１１０は、時刻ｔ２においてコンプレッサ５２を回転させる。これにより、図２（ｃ）に示すように、流量センサ１０２により検出されるコンプレッサ５２の上流の流量が増加していくこととなる。また、コンプレッサ５２により空気が圧送されることにより、図２（ｄ）に示すように、時刻ｔ２から燃料電池スタック１０の酸化剤極側の圧力が上昇し始める。さらに、制御装置１１０は、図２（ｅ）に示すように、時刻ｔ２において酸化剤極側排出弁６２を開け、燃料電池スタック１０の酸化剤極側からのガスを排出し始める。
【００３０】
制御装置１１０は、上記のような条件のもと、酸化剤極側排出弁６２の下流流量を求める。このとき、制御装置１１０は、第２圧力センサ１０１により検出された酸化剤極側の圧力と、酸化剤極側排出弁６２の開度、コンプレッサ５２の流量、および換気流量調整弁８２の開度とから酸化剤極側排出弁６２の下流流量を求める（図２（ｆ））。なお、時刻ｔ２では、換気流量調整弁８２は閉じているため、制御装置１１０は、酸化剤極側の圧力と、酸化剤極側排出弁６２の開度、およびコンプレッサ５２の流量から下流流量を求める。
【００３１】
また、制御装置１１０は、時刻ｔ２において換気流量調整弁８２の開度を所定開度としたと仮定し、この場合の排出ガスの水素ガス濃度を算出する。このとき、制御装置１１０は、上記の下流流量のガスやスタックケース７０内の水素ガス量などから、排出ガスの水素濃度を算出する。ここで、図２（ｇ）に示すように、時刻ｔ２では算出した排水素濃度が所定濃度を上回っている。このため、制御装置１１０は、換気流量調整弁８２の開度を所定開度とし、ガス排出を行ってはならないと判断する。故に、図２（ｈ）に示すように、制御装置１１０は、時刻ｔ２において換気流量調整弁８２を開けないこととしている。
【００３２】
時刻ｔ２以降、制御装置１１０は、時刻ｔ３に至るまで、コンプレッサ５２の回転数（流量）を増加させていき、上記と同様の処理を実行していく。そして、制御装置１１０は、時刻ｔ３において排水素濃度が所定濃度を上回っているかを判断する。ここで、時刻ｔ３の時点では、図２（ｇ）に示すように排水素濃度が所定濃度を上回っているため、制御装置１１０はガス排出を行ってはならないと判断する。そして、図２（ｈ）に示すように、制御装置１１０は、換気流量調整弁８２を開けないようにする。
【００３３】
その後、制御装置１１０は、時刻ｔ３から酸化剤極側排出弁６２の開度を徐々に大きくしていく（図２（ｆ））。これにより、図２（ｇ）に示すように排水素濃度は徐々に低下していくこととなる。そして、制御装置１１０は、時刻ｔ４において排水素濃度が所定濃度以下となると、換気流量調整弁８２の開度を所定開度としてもよいと判断し、換気流量調整弁８２を開ける。これにより、図２（ｂ）に示すように、スタックケース７０内の水素ガスが排出され、スタックケース７０内の水素ガス量は減少していくこととなる。
【００３４】
その後、上記状態を継続することにより、時刻ｔ５において、スタックケース７０内に流入させた空気の総量が規定容量以上となる（図２（ｉ））。規定容量とは、スタックケース７０の内容積から燃料電池スタック１０の体積分を除いた容量に所定量を加えた容量をいう。ここで、規定容量以上のガスをスタックケース内に流入させたということは、最初に（時刻ｔ４の時点で）スタックケース内に入っていたガスについては全て排出したこととなる。このため、今後排出ガスの水素ガス濃度を所定濃度以下とするためには、新たに燃料電池スタック１０から漏れ出す水素ガスを所定濃度以下に希釈して排出すればよく、もはやスタックケース７０に溜まっていた水素ガスを考慮する必要がない。よって、制御装置１１０は、単位時間あたりに燃料極側からスタックケース７０に漏れ出す燃料ガス量を求める。そして、制御装置１１０は、時刻ｔ５以降、単位時間あたりに漏れ出す燃料ガスを所定の水素ガス濃度以下としたうえで単位時間に排出できるように、燃料電池スタック１０に流入させる空気量とスタックケース７０に流入させる空気量とを制御する。故に、図２（ｈ）に示すように、制御装置１１０は、時刻ｔ５に換気流量調整弁８２の開度を小さくしてスタックケース７０内に流入させる空気量を減少させる。
【００３５】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作の一例をフローチャートを参照して説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作の一例を示すフローチャートである。なお、図３に示す処理は、例えば燃料電池システム１の電源がオフされるなどして停止するまで繰り返し実行されるものとする。
【００３６】
図３に示すように、燃料電池システム１の制御装置１１０は、まず電源投入時などのシステム起動時であるか否かを判断する（ＳＴ１）。ここで、起動時であると判断した場合（ＳＴ１：ＹＥＳ）、制御装置１１０は、制御弁２３を開け水素ガスの供給を開始すると共に、コンプレッサ５２の駆動を開始する（ＳＴ２）。さらに、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２を開けると共に、換気流量調整弁８２を閉じる（ＳＴ２）。
【００３７】
次に、制御装置１１０は、水素ガス供給後の経過時間について計測を開始する（ＳＴ３）。そして、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２の開度を所定開度に設定する（ＳＴ４）。また、制御装置１１０は、換気流量調整弁８２の開度を所定開度に設定する（ＳＴ５）。次いで、制御装置１１０は酸化剤側の圧力を設定し（ＳＴ６）、コンプレッサ５２による圧送流量を設定する（ＳＴ７）。これらのステップＳＴ４〜ＳＴ７では、開度等を設定するのみであり、実際に各弁６２，８２の開度や流量等を変更するわけではない。
【００３８】
その後、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２の下流流量を推定する（ＳＴ８）。このとき、制御装置１１０は、ステップＳＴ６において設定した酸化剤極側の圧力、ステップＳＴ４において設定した酸化剤極側排出弁６２の開度、ステップＳＴ７において設定したコンプレッサ５２の流量、およびステップＳＴ５において設定した換気流量調整弁８２の開度から、酸化剤極側排出弁６２の下流流量を求める。その後、制御装置１１０は、ケース供給配管８１を通じてスタックケース７０に流入させる空気量を推定する（ＳＴ９）。このとき、制御装置１１０は、ステップＳＴ８と同様に、設定した酸化剤極側の圧力等からスタックケース７０に流入させる空気量を推定する。なお、スタックケース７０からは、流入した空気量分だけガスが排出されるため、ステップＳＴ９ではスタックケース７０から排出されて接続点Ｂに至るガス流量を推定しているとも言える。
【００３９】
次いで、制御装置１１０は、スタックケース７０内のガスの水素濃度を推定する（ＳＴ１０）。ここで、図４を参照する。図４は、図３に示したステップＳＴ１０の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、スタックケース７０内の水素ガス濃度を推定するにあたり、制御装置１１０は、まず燃料電池スタック１０の燃料極側の水素ガス濃度を推定する（ＳＴ３１）。この水素ガス濃度は、例えば以下のようにして推定される。例えば燃料電池システム１を停止させて長時間放置すると燃料電池スタック１０の燃料極側に外気等が流入して空気で満たされることとなる。この状態から例えば水素ガスを１０Ｌ供給した場合、燃料電池スタック１０の燃料極側の容積が１００Ｌであるとすると、制御装置１１０は、燃料極側の水素ガス濃度を１０％と推定することとなる。
【００４０】
次に、制御装置１１０は、燃料極側の圧力を検出する（ＳＴ３２）。この圧力は、第１圧力センサ１００の検出値を用いることとする。そして、制御装置１１０は、水素ガス供給開始からの経過時間の情報を取得する（ＳＴ３３）。その後、制御装置１１０は、ステップＳＴ３１〜ＳＴ３３において得られた水素ガス濃度、圧力および経過時間からスタックケース７０内のガスの水素ガス濃度を予測する（ＳＴ３４）。そして、処理は図３に示したステップＳＴ１１に移行する。
【００４１】
再度、図３を参照する。上記の如く水素ガス濃度を推定した後、制御装置１１０は、ステップＳＴ８において得られた下流流量、ステップＳＴ９において得られたスタックケース７０内への空気の流入量、ステップＳＴ１０において得られたスタックケース７０内のガスの水素濃度から、排水素濃度を推定する（ＳＴ１１）。そして、制御装置１１０は、ステップＳＴ１１において推定した排水素濃度が所定濃度以下であるか否かを判断する（ＳＴ１２）。
【００４２】
推定した排水素濃度が所定濃度以下でないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２の開度を大きくし、換気流量調整弁８２の開度を小さくする（ＳＴ１３）。そして、処理はステップＳＴ８に移行する。これにより、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２から接続部Ｂに至るまでのガス流量を大きくすると共に、スタックケース７０から排出されるガスの流量を減少させて、排水素濃度を低下させるようにする。なお、排水素濃度の低下にあたっては、酸化剤極側排出弁６２の開度を大きくするのみであってもよいし、換気流量調整弁８２の開度を小さくするのみであってもよい。また、制御装置１１０は、ステップＳＴ１３において、酸化剤極側の圧力やコンプレッサ５２の流量を変化させるようにしてもよいし、上記のうちいずれかを選択的に変化させるようにしてもよい。
【００４３】
一方、推定した排水素濃度が所定濃度以下であると判断した場合（ＳＴ１２：ＹＥＳ）、制御装置１１０は、ステップＳＴ４〜ＳＴ７やステップＳＴ１３などで設定した条件で燃料電池システム１を駆動させる（ＳＴ１４）。その後、処理は終了する。
【００４４】
ところで、燃料電池システム１が起動時でないと判断した場合（ＳＴ１：ＮＯ）、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２の開度を検出すると共に（ＳＴ１５）、換気流量調整弁８２の開度を検出する（ＳＴ１６）。その後、制御装置１１０は、第２圧力センサ１０１によって酸化剤極側の圧力を検出する（ＳＴ１７）。さらに、制御装置１１０は、流量センサ１０２によってコンプレッサ５２の圧送流量を検出する（ＳＴ１８）。
【００４５】
その後、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２の下流流量を推定する（ＳＴ１９）。このとき、制御装置１１０は、ステップＳＴ１５〜ＳＴ１８において検出した各値から酸化剤極側排出弁６２の下流流量を求める。そして、制御装置１１０は、ケース供給配管８１を通じてスタックケース７０に流入させる空気量を推定する（ＳＴ２０）。このとき、制御装置１１０は、ステップＳＴ１９と同様に、検出した値からスタックケース７０に流入させる空気量を推定する。次いで、制御装置１１０は、スタックケース７０内のガスの水素濃度を推定する（ＳＴ２１）。
【００４６】
ここで、図５を参照する。図５は、図３に示したステップＳＴ２１の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、スタックケース７０内の水素ガス濃度を推定するにあたり、制御装置１１０は、まず燃料電池スタック１０の燃料極側の水素ガス濃度を推定する（ＳＴ４１）。制御装置１１０は、ステップＳＴ４１において上記したステップＳＴ３１と同様の方法で水素ガス濃度を推定する。
【００４７】
次に、制御装置１１０は、第１圧力センサ１００によって燃料極側の圧力を検出する（ＳＴ４２）。次に、制御装置１１０は、単位時間あたりに燃料電池スタック１０から漏れ出す水素ガス量を算出する（ＳＴ４３）。このとき、制御装置１１０は、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と、燃料極側のガスの水素濃度などから漏れ量を求める。
【００４８】
次いで、制御装置１１０は、スタックケース７０内へ流入させたの空気の総量の情報を取得する（ＳＴ４４）。すなわち、制御装置１１０は、スタックケース７０への空気の流入を開始してからの現在に至るまでにスタックケース７０へ流入させた総空気量を求めることとなる。
【００４９】
次いで、スタックケース７０内へ流入させたの空気の総量が規定容量以上であるか否かを判断する（ＳＴ４５）。ここで、規定容量以上のガスをスタックケース７０内に流入させたということは、最初にスタックケース７０内に入っていたガスについては全て排出したこととなる。このため、制御装置１１０は、スタックケース７０内へ流入させた空気の総量が規定容量以上であると判断した場合（ＳＴ４５：ＹＥＳ）、最初にスタックケース７０内に入っていたガスについては考慮することなく、スタックケース７０内の水素ガス濃度を予測する。
【００５０】
すなわち、制御装置１１０は、スタックケース７０内に規定容量の空気を流入させてからの時間の情報を取得する（ＳＴ４６）。次に、制御装置１１０は、ステップＳＴ４６において求めた時間とステップＳＴ４３において求めた単位時間あたりの水素ガスの漏れ量とから、スタックケース７０内の水素ガス量を求め、水素ガス濃度を予測する（ＳＴ４７）。そして、処理は図３のステップＳＴ２２に移行する。
【００５１】
一方、スタックケース７０内へ流入させたの空気の総量が規定容量以上でないと判断した場合（ＳＴ４５：ＮＯ）、制御装置１１０は、水素ガス供給開始からの経過時間の情報を取得する（ＳＴ４８）。そして、制御装置１１０は、初期の水素ガス濃度の情報を取得する（ＳＴ４９）。すなわち、制御装置１１０は、図３の処理が開始して最初にステップＳＴ１０において予測された水素ガス濃度の情報を取得する。
【００５２】
その後、制御装置１１０は、ステップＳＴ４９において取得した初期の水素ガス濃度の情報と、ステップＳＴ４４において取得したスタックケース７０への空気の総流入量と、ステップＳＴ４３において取得した単位時間あたりの漏れ量と、ステップＳＴ４８において取得した経過時間とから、スタックケース７０内の水素ガス濃度を予測する（ＳＴ５０）。すなわち、制御装置１１０は、初期の水素ガス濃度を基準とし、単位時間あたりの漏れ量と経過時間とから、スタックケース７０内の水素ガス量を求める。さらに、制御装置１１０は、スタックケース７０への空気の総流入量についても計算に加えてスタックケース７０内の水素ガス量を求める。そして、制御装置１１０は、求めた水素ガス量とスタックケース７０の容量とから水素ガス濃度を予測する。その後、処理は図３のステップＳＴ２２に移行する。
【００５３】
再度、図３を参照する。上記の如く水素ガス濃度を推定した後、制御装置１１０は、ステップＳＴ１９において得られた下流流量、ステップＳＴ２０において得られたスタックケース７０内への空気の流入量、ステップＳＴ２１において得られたスタックケース７０内のガスの水素濃度から、排水素濃度を推定する（ＳＴ２２）。そして、制御装置１１０は、ステップＳＴ２３において推定した排水素濃度が所定濃度以下であるか否かを判断する（ＳＴ２３）。
【００５４】
推定した排水素濃度が所定濃度以下でないと判断した場合（ＳＴ２３：ＮＯ）、制御装置１１０は、酸化剤極側排出弁６２の開度を大きくし、換気流量調整弁８２の開度を小さくする（ＳＴ２４）。そして、処理はステップＳＴ１９に移行する。これにより、ステップＳＴ１３と同様に排水素濃度を低下させるようにする。なお、ステップＳＴ２４の処理はステップＳＴ１３と同様であり、酸化剤極側排出弁６２の開度を大きくするのみの処理であってもよいし、換気流量調整弁８２の開度を小さくするのみの処理であってもよい。また、上記のうちいずれかを選択的に変化させる処理であってもよい。一方、推定した排水素濃度が所定濃度以下であると判断した場合（ＳＴ２３：ＹＥＳ）、処理は終了する。
【００５５】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と、燃料電池スタック１０の燃料極側の燃料ガス濃度と、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスの供給を開始してからの経過時間とから、スタックケース７０内の燃料ガス濃度を予測する。ここで、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と、燃料電池スタック１０の燃料極側の燃料ガス濃度とから単位時間あたりに燃料電池スタック１０の燃料極側からスタックケース７０内に漏れ出す燃料ガス量を予測できる。このため、この燃料ガス量と経過時間とから、全体的な燃料ガスの漏れ量を予測でき、既知であるスタックケース７０内の内容量からスタックケース７０内のガスの燃料ガス濃度を予測することができる。そして、本実施形態によれば、予測した燃料ガス濃度に基づいて、スタックケース７０内のガスを、燃料電池スタック１０の酸化剤極側から排出されるガスと混合して所定の燃料ガス濃度以下となって外部に排出されるように、燃料電池スタック１０に流入する酸化剤ガス流量とスタックケースに流入する酸化剤ガス流量とを制御するため、外部へ排出するガスの燃料ガス濃度を確実に所定の燃料ガス濃度以下とすることができる。従って、排出時の燃料ガス濃度を所定濃度以下に抑えることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、酸化剤極側の圧力、酸化剤極側排出弁６２の開度、コンプレッサ５２の流量、および換気流量調整弁８２の開度から、酸化剤極側排出弁６２の下流の流量を求める。ここで、酸化剤極側排出弁６２の下流の流量は、酸化剤極側の圧力、酸化剤極側排出弁６２の開度、コンプレッサ５２の流量、および換気流量調整弁８２の開度の影響を受けるため、これらに基づいて酸化剤極側排出弁６２の下流流量を求めることができる。そして、この下流の流量のガスによりスタックケース７０から排出された燃料ガスが混合されて所定濃度以下となるように、燃料電池スタック１０に流入する酸化剤ガス流量とスタックケース７０に流入する酸化剤ガス流量とを制御する。すなわち、スタックケース７０から排出されたガスは、酸化剤極側排出弁６２の下流において酸化剤極側から排出されたガスと混合させられることから、酸化剤極側排出弁６２の下流流量の流量を求めることにより、より正確に外部へ排出するガスの燃料ガス濃度を所定の燃料ガス濃度以下とすることができる。以上、排出ガスの燃料ガス濃度を所定の燃料ガス濃度以下とすることについて正確性を向上させることができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、単位時間あたりに燃料極側からスタックケース７０に漏れ出す燃料ガス量を求める。そして、スタックケース７０の内容積から燃料電池スタック１０の体積分を除いた容量に所定量を加えた規定容量以上の酸化剤ガスをスタックケース７０内に流入させた後、求めた量の燃料ガスを含むスタックケース７０内のガスを所定の燃料ガス濃度以下に混合して単位時間で排出できるように、燃料電池スタック１０に流入する酸化剤ガス流量とスタックケース７０に流入する酸化剤ガス流量とを制御する。ここで、規定容量以上のガスをスタックケース７０内に流入させたということは、最初にスタックケース７０内に入っていたガスについては全て排出させたこととなる。よって、単位時間あたりに燃料極側からスタックケース７０に漏れ出す燃料ガス量を求めることで、規定容量以上のガスをスタックケース７０内に流入させた後に、新たにスタックケース７０内に流入してくる燃料ガス量を求めることとなる。そして、燃料電池システム１では、この量の燃料ガスについて所定の燃料ガス濃度以下に混合して排出すればよいため、求めた量の燃料ガスを対象として制御することにより、新たにスタックケース７０内に流入してくる燃料ガスを所定の燃料ガス濃度以下としたうえで排出することができる。このように、初期のガス排出とその後のガス排出の制御を変更し、一層適切に燃料ガス濃度を所定の燃料ガス濃度以下に抑えることができる。
【００５８】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態では、燃料ガスを水素ガスとし、酸化剤ガスを酸素（空気）としているが、これに限るものではない。また、本実施形態では、燃料電池スタック１０の燃料極側の水素ガス濃度を制御装置１１０の演算により求めることとしているが、これに限らず、水素ガス濃度を検出する水素濃度センサを備えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作の概略を示すタイムチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図３に示したステップＳＴ１０の詳細を示すフローチャートである。
【図５】図３に示したステップＳＴ２１の詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系
２１…高圧水素タンク
２２…水素ガス供給配管
２３…制御弁
３０…燃料極側排出系
３１…燃料極側排出配管
３２…燃料極側排出弁
４０…循環系
４１…循環配管
４２…循環ポンプ
５０…酸化剤ガス供給系
５１…空気供給配管（酸化剤ガス供給ライン）
５２…コンプレッサ
６０…酸化剤極側排出系
６１…酸化剤極側排出配管（酸化剤ガス排出ライン）
６２…酸化剤極側排出弁（第１制御弁）
７０…スタックケース
８０…ケース供給系
８１…ケース供給配管（ケース供給ライン）
８２…換気流量調整弁（第２制御弁）
９０…ケース排出系
９１…ケース排出配管（ケース排出ライン）
９２…逆流防止弁
１００…第１圧力センサ（燃料極側圧力検出手段）
１０１…第２圧力センサ（酸化剤極側圧力検出手段）
１０２…流量センサ（流量検出手段）
１１０…制御装置（濃度検出手段、経過時間検出手段、制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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