(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、希釈器を省略して、燃料電池システムの小型化、簡素化を図りつつ、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈可能とする。【解決手段】燃料電池システム１００において、アノードオフガスを排気するための排気排水配管２８をカソードオフガス排出配管３７に接続する。そして、排気排水配管２８とカソードオフガス排出配管３７との合流部に、ラジエータファン５０ｆによって送風された空気を取り込んで、この空気をカソードオフガス排出配管３７に導入するための空気導入配管６２を接続する。【選択図】図１
2012043679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのカソードオフガス排出配管と、
前記燃料電池のアノードから排出される水素を含むアノードオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出配管であって、前記カソードオフガス排出配管に接続された前記アノードオフガス排出配管と、
ファンを有し、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却する空冷式のラジエータと、
一端が前記カソードオフガス排出配管に接続され、前記ファンによって送風された空気を他端から取り込んで、該空気を前記カソードオフガス排出配管に導入するための空気導入配管と、
を備え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であって、
前記空気導入配管の一端は、前記カソードオフガス排出配管と前記アノードオフガス排出配管との合流部、または、前記カソードオフガス排出配管における前記合流部よりも前記カソードオフガスおよび前記アノードオフガスの流れ方向についての下流側に接続されている、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードオフガス排出配管において、前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素の濃度が所定濃度以上となる場合であって、前記ファンが停止している場合に、前記ファンを起動するファン制御部を備える、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記空気導入配管には、前記空気の導入方向に対して逆向きに前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスが流れるのを防止するための逆流防止弁が配設されている、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記逆流防止弁は、駆動方式が電気駆動式であり、
前記燃料電池システムは、さらに、前記ファンが停止しているときに、前記逆流防止弁を閉弁し、前記ファンが作動しているときに、前記逆流防止弁を開弁する逆流防止弁制御部を備える、
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ものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料ガスは、燃料電池のアノードに供給され、酸化剤ガスは、燃料電池のカソードに供給される。この燃料電池において、アノードから排出されるアノードオフガスには、発電によって未消費の水素が含まれる。このため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、規定濃度を超える高濃度の水素が燃料電池システムの外部に排出されることを防止するために、一般に、アノードオフガスに含まれる水素を空気によって希釈する希釈器（水素希釈装置）が備えられる。
【０００３】
そして、従来、燃料電池システムにおいて、アノードオフガスに含まれる水素を希釈するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、水素希釈装置に送風装置を備えるようにし、この送風装置を用いて希釈ボックス内に導入された空気によって、水素の希釈を行う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５８５７４号公報
【特許文献２】特開２００９−１９３８３８号公報
【特許文献３】特開２００６−１４０００６号公報
【特許文献４】特開２００９−２０６０６７号公報
【特許文献５】特開２００９−１７０２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された水素希釈装置は、送風装置を作動させるためのエネルギが必要となるため、この水素希釈装置を燃料電池システムに適用した場合には、燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招く。また、近年では、燃料電池システムの小型化、簡素化を図るために、希釈器を省略することが求められている。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、希釈器を省略して、燃料電池システムの小型化、簡素化を図りつつ、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのカソードオフガス排出配管と、
前記燃料電池のアノードから排出される水素を含むアノードオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出配管であって、前記カソードオフガス排出配管に接続された前記アノードオフガス排出配管と、
ファンを有し、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却するための空冷式のラジエータと、
一端が前記カソードオフガス排出配管に接続され、前記ファンによって送風された空気を他端から取り込んで、該空気を前記カソードオフガス排出配管に導入するための空気導入配管と、
を備える燃料電池システム。
【０００９】
燃料電池システムは、燃料電池を冷却するために、一般に、ファンを有する空冷式のラジエータを備えることが多い。適用例１の燃料電池システムでは、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガスによって希釈するとともに、上記ラジエータが備えるファン（以下、ラジエータファンとも言う）によって送風された空気を、上記空気導入配管を介して、上記カソードオフガス排出配管に導入して、この導入された空気によって、さらに、アノードオフガスに含まれる水素を希釈することができる。したがって、適用例１の燃料電池システムによって、希釈器を省略して、燃料電池システムの小型化、簡素化を図りつつ、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈可能とすることができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記空気導入配管の一端は、前記カソードオフガス排出配管と前記アノードオフガス排出配管との合流部、または、前記カソードオフガス排出配管における前記合流部よりも前記カソードオフガスおよび前記アノードオフガスの流れ方向についての下流側に接続されている、
燃料電池システム。
【００１１】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードオフガス排出配管において、前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素の濃度が規定濃度以上となる場合であって、前記ファンが停止している場合に、前記ファンを起動するファン制御部を備える、
燃料電池システム。
【００１２】
従来の燃料電池システムでは、例えば、燃料電池の起動運転中や、アイドル運転中等、燃料電池の発電量が比較的少ない場合には、発熱量が比較的少ないために、ラジエータファンを停止している場合がある。そして、このような燃料電池の起動運転中や、アイドル運転中にラジエータファンを停止する制御態様を、適用例１の燃料電池システムに採用した場合には、ラジエータファンが停止していると、上記混合ガスに含まれる水素が規定濃度以上のまま燃料電池システムの外部に排出されてしまう場合がある。
【００１３】
適用例３の燃料電池システムでは、上記ファン制御部を備えるので、例えば、上述した燃料電池の起動運転中や、アイドル運転中等であっても、上記混合ガスに含まれる水素が規定濃度以上のまま、燃料電池システムの外部に排出されることを防止することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記空気導入配管には、前空気の導入方向に対して逆向きに前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスが流れるのを防止するための逆流防止弁が配設されている、
燃料電池システム。
【００１５】
適用例４の燃料電池システムでは、上記空気導入配管に上記逆流防止弁が配設されているので、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素が、上記空気導入配管を介して、外部に流出することを防止することができる。
【００１６】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、
前記逆流防止弁は、駆動方式が電気駆動式であり、
前記燃料電池システムは、さらに、前記ファンが停止しているときに、前記逆流防止弁を閉弁し、前記ファンが作動しているときに、前記逆流防止弁を開弁する逆流防止弁制御部を備える、
燃料電池システム。
【００１７】
適用例５の燃料電池システムでは、上記電気駆動式の逆流防止弁、および、上記弁制御部を備えるので、上記ファンが停止しているときに、アノードオフガスに含まれる水素が、上記空気導入配管を介して、外部に流出することを防止することができる。
【００１８】
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００１９】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システム１００における排気制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】ラジエータファン５０ｆが作動しているときの逆流防止弁６４の動作を示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】第２実施例の燃料電池システム１００Ａにおける排気制御処理の流れ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】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、いわゆる電気自動車に、動力源として搭載される。なお、図示した燃料電池システム１００において、水素タンク２０、シャットバルブ２１、レギュレータ２２、マフラ４０以外は、電気自動車のフロント部分のフード下方の比較的狭い空間に収納される。
【００２２】
この燃料電池システム１００において、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１０は、水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、アノードと、カソードとを配置した構成となっている（図示省略）。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプのセルを利用可能である。
【００２３】
燃料電池スタック１０のアノードには、水素供給配管２３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いるものとしてもよい。
【００２４】
水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２等によって圧力、および、供給流量が調整されて、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。
【００２５】
アノードから排気される排気ガスであるアノードオフガスは、配管２４を介して、気液分離器２５に導入される。気液分離器２５は、アノードオフガスに含まれる水と、燃料電池スタック１０による発電で未消費の水素とを分離する。気液分離器２５によって分離された水素は、循環配管２６を介して、水素供給配管２３に再循環させることができる。また、気液分離器２５には、排気排水配管２８の一端が接続されており、この排気排水配管２８の他端は、カソードオフガス排出配管３７に接続されている。排気排水配管２８には、排気排水弁２９が配設されている。この排気排水弁２９が閉じられている間は、発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環配管２６を介して、再び燃料電池スタック１０に循環される。なお、アノードオフガスの圧力は、燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費された結果、比較的低い状態となっている。このため、循環配管２６には、アノードオフガスの再循環時に、アノードオフガスを加圧するための水素循環ポンプ２７が配設されている。こうすることによって、水素を有効利用することができる。
【００２６】
アノードオフガスの再循環中、水素は発電で消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソード側からアノード側に電解質膜を介して透過した窒素などは、消費されずに残留するため、アノードオフガス中の不純物の濃度は、徐々に増大する。このとき、排気排水弁２９が開弁されると、アノードオフガス、および、気液分離器２５によって分離された水は、排気排水配管２８からカソードオフガス排出配管３７に流れ、マフラ４０を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。こうすることによって、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減することができる。ただし、この際、水素も同時に排出されるため、燃費向上の観点から、排気排水弁２９の開弁頻度は、極力抑えることが好ましい。配管２４、気液分離器２５、排気排水配管２８は、［課題を解決するための手段］におけるアノードオフガス排出配管に相当する。
【００２７】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有した酸化剤ガスとして、圧縮空気が供給される。空気は、エアクリーナ３０から吸入され、エアコンプレッサ３１によって圧縮され、加湿器３２によって加湿された後、空気供給配管３３から燃料電池スタック１０のカソードに供給される。空気供給配管３３には、エアコンプレッサ３１から吐出された圧縮空気の温度を検出するための温度センサ３３Ｔと、空気供給配管３３内の圧力を検出するための圧力センサ３３Ｐと、カソードと外気とを遮断するため遮断弁３４とが配設されている。
【００２８】
カソードから排気される排気ガスであるカソードオフガスは、カソードオフガス排出配管３７に流出する。このカソードオフガス排出配管３７には、カソードオフガスの背圧を検出するための圧力センサ３７Ｐと、カソードオフガスの背圧を調整するための圧力調節弁３８と、カソードと外気とを遮断するための遮断弁３９と、マフラ４０とが配設されている。圧力調節弁３８の開度を制御することによって、カソードオフガスの背圧を制御することができる。
【００２９】
また、本実施例の燃料電池システム１００では、空気供給配管３３、および、カソードオフガス排出配管３７には、燃料電池スタック１０をバイパスして、空気供給配管３３からカソードオフガス排出配管３７に空気を流すためのバイパス配管３５が接続されている。このバイパス配管３５には、バイパス弁３６が配設されている。エアコンプレッサ３１が備えるモータの回転数を制御するとともに、バイパス弁３６の開度を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される空気の供給流量を精度良く制御することができる。
【００３０】
燃料電池スタック１０は、上述した電気化学反応によって発熱する。このため、燃料電池スタック１０の温度を発電に適した温度に維持するために、燃料電池スタック１０には、冷却水も供給される。この冷却水は、図示しないウォータポンプによって、冷却水用の配管を流れ、ラジエータ５０によって冷却されて、燃料電池スタック１０に供給される。なお、ラジエータ５０は、空冷式のラジエータであり、ラジエータファン５０ｆを有している。
【００３１】
そして、本実施例の燃料電池システム１００は、一端がカソードオフガス排出配管３７に接続され、ラジエータファン５０ｆによって送風された空気を他端から取り込んで、この空気をカソードオフガス排出配管３７に導入するための空気導入配管６２を備えている。本実施例では、空気導入配管６２の一端は、カソードオフガス排出配管３７と排気排水配管２８との接続部（合流部）に接続されるものとした。こうすることによって、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素を、空気導入配管６２から導入された空気によって効果的に希釈することができる。なお、空気導入配管６２の他端には、エアクリーナ６０が設けられている。
【００３２】
また、空気導入配管６２には、空気の導入方向に対して逆向きにアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスが流れるのを防止するための逆流防止弁６４が配設されている。こうすることによって、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素が、空気導入配管６２を介して、外部に流出することを防止することができる。なお、本実施例では、後から示すように、逆流防止弁６４として、弁体が揺動するスイング型の弁を用いるものとした。
【００３３】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット７０によって制御される。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム１００の運転を制御する。制御ユニット７０は、具体的には、燃料電池スタック１０に対する出力要求や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブや、水素循環ポンプ２７や、エアコンプレッサ３１や、ラジエータファン５０ｆの駆動等、起動運転制御や、アイドル運転制御や、通常運転制御や、後述する排気制御を含む燃料電池システム１００の運転を制御する。制御ユニット７０は、本発明におけるファン制御部に相当する。
【００３４】
Ａ２．排気制御処理：
図２は、第１実施例の燃料電池システム１００における排気制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の運転中に、制御ユニット７０のＣＰＵが繰り返し実行する処理である。
【００３５】
まず、ＣＰＵは、燃料電池システム１００の運転状態が、起動運転中、または、アイドル運転中であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。そして、燃料電池システム１００の運転状態が、起動運転中でもアイドル運転中でもない場合、すなわち、通常運転中である場合には（ステップＳ１００：ＮＯ）、ＣＰＵは、そのまま排気制御処理を終了する。なお、本実施例では、燃料電池システム１００の運転状態が通常運転中である場合には、ラジエータファン５０ｆは作動している。
【００３６】
一方、燃料電池システム１００の運転状態が、起動運転中、または、アイドル運転中である場合には（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ラジエータファン５０ｆが作動中であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、ラジエータファン５０ｆが停止中である場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ラジエータファン５０ｆを起動する（ステップＳ１２０）。こうすることによって、ラジエータファン５０ｆによって送風された空気を、空気導入配管６２を介して、カソードオフガス排出配管３７に導入し、この空気によって、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素を希釈することができる。なお、本実施例において、上述したステップＳ１００〜Ｓ１２０の処理を行うのは、燃料電池システム１００の運転状態が起動運転中、または、アイドル運転中である場合には、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量が比較的少ないため、燃料電池スタック１０からカソードオフガス排出配管３７に流出するカソードオフガスの流量が少なく、このカソードオフガスのみでは、アノードオフガスに含まれる水素を規定濃度未満に希釈することができない場合があるからである。
【００３７】
ステップＳ１１０において、ラジエータファン５０ｆが作動中である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、上述したように、空気導入配管６２を介して導入された空気によってアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素を希釈することができるので、そのまま排気制御処理を終了する。
【００３８】
図３は、ラジエータファン５０ｆが作動しているときの逆流防止弁６４の動作を示す説明図である。図３（ａ）に、燃料電池システム１００の起動運転時、または、アイドル運転時の逆流防止弁６４の動作を示した。また、図３（ｂ）に、燃料電池システム１００の通常運転時の逆流防止弁６４の動作を示した。また、図３（ｃ）に、通常運転時に、ラジエータファン５０ｆ側からの空気の流量が増加したときの逆流防止弁６４の動作を示した。
【００３９】
図３（ａ）に示したように、燃料電池システム１００の起動運転時、または、アイドル運転時に、ラジエータファン５０ｆを作動させたときには（図２のステップＳ１２０参照）、空気導入配管６２に導入された空気によって、ラジエータファン５０ｆ側の圧力が、空気導入配管６２とカソードオフガス排出配管３７との合流部側（以下、単に合流部側と言う）の圧力よりも高くなる。このため、弁体６４ｄが揺動して弁座６４ｓから離座し、逆流防止弁６４は開弁する。そして、空気導入配管６２に導入された空気は、ラジエータファン５０ｆ側から合流部側に流れ、さらに、カソードオフガス排出配管３７と排気排水配管２８との接続部に流れ込む。
【００４０】
また、図３（ｂ）に示したように、通常運転時（特に、高負荷運転時）であって、ラジエータファン５０ｆが動作しているときには、空気導入配管６２に空気が導入されても、燃料電池スタック１０からカソードオフガス排出配管３７に流出するカソードオフガスの流量が比較的多いため、合流部側の圧力が、ラジエータファン５０ｆ側の圧力よりも高くなる。このため、弁体６４ｄは弁座６４ｓに着座し、逆流防止弁６４は閉弁する。そして、合流部側からラジエータファン５０ｆ側へのガスの逆流を防止することができる。なお、この場合には、燃料電池スタック１０からカソードオフガス排出配管３７に流出するカソードオフガスの流量が十分に多いため、このカソードオフガスによって、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈することができる。
【００４１】
また、図３（ｃ）に示したように、通常運転時（特に、低負荷運転時）に、ラジエータファン５０ｆ側からの空気の流量が増加して（合流部側からのガスの流量が減少して）、ラジエータファン５０ｆ側の圧力が、合流部側の圧力よりも高くなった場合には、弁体６４ｄが揺動して弁座６４ｓから離座し、逆流防止弁６４は開弁する。しかし、ラジエータファン５０ｆ側から流入する空気によって、合流部側からラジエータファン５０ｆ側へのガスの逆流は阻止される。
【００４２】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガスによって希釈するとともに、既存のラジエータ５０が備えるラジエータファン５０ｆによって送風された空気を、空気導入配管６２を介して、カソードオフガス排出配管３７に導入して、この空気によって、さらに、アノードオフガスに含まれる水素を希釈することができる。したがって、アノードオフガスに含まれる水素を希釈するための希釈器を省略して、燃料電池システム１００の小型化、簡素化を図りつつ、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈可能とすることができる。
【００４３】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。図４と図１との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００におけるスイング型の逆流防止弁６４の代わりに、電気駆動式の電磁弁６６を備えている。なお、この電磁弁６６は、ノーマリ・クローズである。電磁弁６６は、［課題を解決するための手段］における逆流防止弁に相当する。また、第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット７０の代わりに、制御ユニット７０Ａを備えている。第２実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて、これら以外の構成は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１００の構成と同じである。
【００４４】
第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、制御ユニット７０Ａが実行する排気制御処理の内容が第１実施例と異なっている。具体的には、制御ユニット７０Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット７０の機能に加えて、電磁弁６６を制御する機能も有している。制御ユニット７０Ａは、［課題を解決するための手段］における逆流防止弁制御部に相当する。以下、第２実施例の燃料電池システムにおける排気制御処理について説明する。
【００４５】
Ｂ２．排気制御処理：
図５は、第２実施例の燃料電池システム１００Ａにおける排気制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ａの運転中に、制御ユニット７０ＡのＣＰＵが繰り返し実行する処理である。
【００４６】
まず、ＣＰＵは、燃料電池システム１００Ａの運転状態が、起動運転中、または、アイドル運転中であるか否かを判断する（ステップＳ２００）。燃料電池システム１００Ａの運転状態が、起動運転中でもアイドル運転中でもない場合、すなわち、通常運転中である場合には（ステップＳ２００：ＮＯ）、ＣＰＵは、電磁弁６６を閉弁し、あるいは、閉弁状態のままとし、排気制御処理を終了する。なお、本実施例では、燃料電池システム１００Ａの運転状態が通常運転中である場合には、ラジエータファン５０ｆは作動している。
【００４７】
一方、燃料電池システム１００Ａの運転状態が、起動運転中、または、アイドル運転中である場合には（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ラジエータファン５０ｆが作動中であるか否かを判断する（ステップＳ２２０）。そして、ラジエータファン５０ｆが停止中である場合には（ステップＳ２２０：ＮＯ）、ラジエータファン５０ｆを起動し（ステップＳ２３０）、電磁弁６６を開弁し、あるいは、開弁状態のままとし、排気制御処理を終了する。こうすることによって、ラジエータファン５０ｆによって送風された空気を、空気導入配管６２を介して、カソードオフガス排出配管３７に導入し、この空気によって、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素を希釈することができる。なお、本実施例において、上述したステップＳ２００，Ｓ２２０〜Ｓ２４０の処理を行うのは、燃料電池システム１００の運転状態が起動運転中、または、アイドル運転中である場合には、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量が比較的少ないため、燃料電池スタック１０からカソードオフガス排出配管３７に流出するカソードオフガスの流量が少なく、このカソードオフガスのみでは、アノードオフガスに含まれる水素を規定濃度未満に希釈することができない場合があるからである。
【００４８】
ステップＳ２２０において、ラジエータファン５０ｆが作動中である場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、上述したように、空気導入配管６２を介して導入された空気によってアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素を希釈することができるので、電磁弁６６を開弁状態のまま、排気制御処理を終了する。
【００４９】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガスによって希釈するとともに、既存のラジエータ５０が備えるラジエータファン５０ｆによって送風された空気を、空気導入配管６２を介して、カソードオフガス排出配管３７に導入して、この空気によって、さらに、アノードオフガスに含まれる水素を希釈することができる。したがって、アノードオフガスに含まれる水素を希釈するための希釈器を省略して、燃料電池システム１００Ａの小型化、簡素化を図りつつ、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈可能とすることができる。
【００５０】
また、第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、空気導入配管６２に配設される逆流防止弁として、ノーマリ・クローズの電磁弁６６を用いているので、ラジエータファン５０ｆが停止しているときに、アノードオフガスに含まれる水素が、空気導入配管６２を介して、外部に流出することを防止することができる。
【００５１】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００５２】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、逆流防止弁６４は、スイング型であるものとしたが、他のタイプの機械式の逆流防止弁を用いるようにしてもよい。
【００５３】
Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例では、図２に示した排気制御処理におけるステップＳ１００において、ＣＰＵは、燃料電池システム１００の運転状態が、起動運転中、または、アイドル運転中であるか否かを判断するものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池システム１００の運転状態が、ラジエータファン５０ｆが停止したままであると、カソードオフガス排出配管３７において、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスに含まれる水素の濃度が規定濃度以上となる運転状態であるか否かを判断するものとしてもよい。具体的に、このような判断としては、たとえば、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの流出流量、換言すれば、燃料電池スタック１０への空気の供給流量が、アノードオフガスに含まれる水素を規定濃度未満に希釈するために十分な所定値以上であるか否かの判断や、燃料電池スタック１０の出力が所定値以上であるか否かの判断等が挙げられる。これは、第２実施例の排気制御処理についても同様である。
【００５４】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、空気導入配管６２の一端は、カソードオフガス排出配管３７と排気排水配管２８との合流部に接続されるものとしたが、本発明は、これに限られない。たとえば、空気導入配管６２の一端が、カソードオフガス排出配管３７と排気排水配管２８との合流部よりもカソードオフガスおよびアノードオフガスの流れ方向についての下流側に接続されるものとしてもよい。
【００５５】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガス、および、空気導入配管６２を介してカソードオフガス排出配管３７に導入された空気によって希釈するものとしたが、本発明はこれに限られない。燃料電池システム１００，１００Ａの排気制御処理において、カソードオフガス排出配管３７に、さらに、バイパス配管３５を介して空気を導入し、この空気を用いて、アノードオフガスに含まれる水素をさらに希釈するようにしてもよい。
【００５６】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、気液分離器２５に排気排水配管２８が接続されており、この排気排水配管２８を介して、水とアノードオフガスとの双方がカソードオフガス排出配管３７に排出されるものとしたが、本発明は、これに限られない。気液分離器２５に排水用の配管を接続し、気液分離器２５と水素循環ポンプ２７との間の循環配管２６からカソードオフガス排出配管３７に、アノードオフガスの排気用の配管を接続するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１００，１００Ａ…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…水素供給配管
２４…配管
２５…気液分離器
２６…循環配管
２７…水素循環ポンプ
２８…排気排水配管
２９…排気排水弁
３０…エアクリーナ
３１…エアコンプレッサ
３２…加湿器
３３…空気供給配管
３３Ｐ…圧力センサ
３３Ｔ…温度センサ
３４…遮断弁
３５…バイパス配管
３６…バイパス弁
３７…カソードオフガス排出配管
３７Ｐ…圧力センサ
３８…圧力調節弁
３９…遮断弁
４０…マフラ
５０…ラジエータ
５０ｆ…ラジエータファン
６０…エアクリーナ
６２…空気導入配管
６４…逆流防止弁
６４ｄ…弁体
６４ｓ…弁座
６６…電磁弁
７０，７０Ａ…制御ユニット
【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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