(57)【要約】【課題】システムの大型化やコスト高を招くことなく希釈性能を確保することが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。【解決手段】水素パージが必要と判断された場合には、パージ弁２４から排出されるアノードオフガス中の水素を希釈するのに必要な必要希釈空気流量を算出するとともに、燃料電池１０のカソード側から排出されるオフガス空気流量を取得する。オフガス空気流量では水素希釈が不足する場合、冷却ファン５２からのアシスト空気流量を算出する。アシスト空気流量が、バッテリ５１を冷却するのに必要なバッテリ冷却必要空気流量を超えている場合には、冷却ファン５２の出力をアップする。また、排ガス配管４４が凍結していると推定される場合には、さらにアシスト空気流量を増加させる。そして、流量調整弁５４の開度を調整した状態において、パージ弁２４を開弁して水素パージを行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードガスとアノードガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスと混合して希釈する希釈装置と、
前記希釈装置で希釈された排ガスを大気へ放出する排ガス配管と、
前記燃料電池の補機を冷却する冷却ファンと、を有する燃料電池システムにおいて、
前記冷却ファンからの空気を前記排ガス配管内へと導く希釈アシストガス導入配管をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量を算出する必要アシスト流量算出手段と、
前記補機の冷却に必要な前記冷却ファンによる冷却空気流量を算出する補機必要冷却空気流量算出手段と、
前記必要アシスト流量算出手段によるアシスト空気流量と、前記補機必要冷却空気流量算出手段による冷却空気流量とを比較し、いずれか大きい値となるように前記冷却ファンの出力を決定する冷却ファン出力決定手段と、を有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】
前記冷却ファンの下流側に設けられ、前記希釈アシストガス導入配管と、この希釈アシストガス導入配管よりも圧力損失の少ない大気開放配管とを分岐する分岐部と、
前記分岐部に設けられ、前記希釈アシストガス導入配管側と前記大気開放配管側とに供給される空気の流量の調整を行う流量調整手段と、
前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量を算出する必要アシスト流量算出手段と、を有し、
前記必要アシスト流量算出手段によるアシスト空気流量に基づいて前記流量調整手段による流量の調整を行う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４】
前記排ガス配管内で水分が凍結しているか否かを推定する排ガス配管水分凍結推定手段を有し、
前記排ガス配管水分凍結推定手段により前記排ガス配管内部で水分が凍結していると推定される場合には、前記アシスト空気流量を増加させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の冷却を行う冷媒が流れる冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられ、前記冷媒と大気とで熱交換を行う熱交換器と、を有し、
前記冷却ファンは、前記熱交換器に設けられた熱交換器用ファンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池と電気的に接続された蓄電装置を有し、
前記冷却ファンは、前記蓄電装置の冷却を行う蓄電装置用のファンであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
カソードガスとアノードガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスと混合して希釈する希釈装置と、前記希釈装置で希釈された排ガスを大気へ放出する排ガス配管と、前記燃料電池の補機を冷却する冷却ファンと、前記冷却ファンからの空気を前記排ガス配管内へと導く希釈アシストガス導入配管と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量と、前記補機の冷却に必要な前記冷却ファンによる冷却空気流量をそれぞれ算出し、算出された前記アシスト空気流量と前記冷却空気流量とを比較して、いずれか大きい値となるように前記冷却ファンの出力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８】
前記冷却ファンの下流側において、前記希釈アシストガス導入配管と、この希釈アシストガス導入配管よりも圧力損失の少ない大気開放配管とに分岐する分岐部に、前記希釈アシストガス導入配管側と前記大気開放配管側とに供給される空気の流量の調整を行う流量調整手段が設けられ、
前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量を算出し、このアシスト空気流量に基づいて前記流量調整手段による流量の調整を行うことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記排ガス配管内で水分が凍結しているか否かを推定し、前記排ガス配管内部で水分が凍結していると推定される場合には、前記アシスト空気流量を増加させることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の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、燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスを希釈する希釈装置を備えた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】
車両などに搭載される燃料電池システムは、燃料ガス（水素）を有効に利用するために燃料電池から排出された燃料ガスを再び燃料電池に戻して循環させる燃料循環系を備えている。このため、カソード側で生成された水や、カソードに供給される酸化剤ガス（空気）に含まれる窒素などの不純物がアノード側に電解質膜を介して透過してアノード側に蓄積するので、水や不純物を適宜排出する必要がある。しかし、不純物などを排出すると、不純物などと一緒に水素も排出されるため、排出される水素を可燃濃度以下にして車外に捨てる必要がある。このため、排出水素を、燃料電池から排出されるカソードオフガスで希釈する希釈装置を備えた燃料電池システムが種々提案されている。
【０００３】
また、この種の燃料電池システムでは、排出水素の希釈を確実に行うために、カソードオフガスとアノードオフガスとを混合して排出する方法と、空気供給源から希釈用の空気を直接に供給する方法とを組み合わせて、カソードオフガスだけでは希釈しきれない状態のときに空気供給源から空気を供給する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１４０００６号公報（段落００２６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、希釈を確実に行うために専用の空気供給源を設置しなければならないため、システムの大型化やコスト高を招くという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、システムの大型化やコスト高を招くことなく希釈性能を確保することが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】
【０００６】
請求項１に係る発明は、カソードガスとアノードガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスと混合して希釈する希釈装置と、前記希釈装置で希釈された排ガスを大気へ放出する排ガス配管と、前記燃料電池の補機を冷却する冷却ファンと、を有する燃料電池システムにおいて、前記冷却ファンからの空気を前記排ガス配管内へと導く希釈アシストガス導入配管をさらに有することを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明によれば、アノードオフガスの希釈をアシストするための追加装置を新たに設ける必要がないため、システムの大型化およびコストアップを招くことなく希釈性能を確保することが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量を算出する必要アシスト流量算出手段と、前記補機の冷却に必要な前記冷却ファンによる冷却空気流量を算出する補機必要冷却空気流量算出手段と、前記必要アシスト流量算出手段によるアシスト空気流量と、前記補機必要冷却空気流量算出手段による冷却空気流量とを比較し、いずれか大きい値となるように前記冷却ファンの出力を決定する冷却ファン出力決定手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明によれば、アシスト空気流量と冷却空気流量とを比較し、いずれか大きい値となるように冷却ファンの出力を決定するため、希釈不足および冷却不足を引き起こすことがない。よって、希釈性能を確保しつつ冷却性能も確保することが可能になる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記冷却ファンの下流側に設けられ、前記希釈アシストガス導入配管と、この希釈アシストガス導入配管よりも圧力損失の少ない大気開放配管とを分岐する分岐部と、前記分岐部に設けられ、前記希釈アシストガス導入配管側と前記大気開放配管側とに供給される空気の流量の調整を行う流量調整手段と、前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量を算出する必要アシスト流量算出手段と、を有し、前記必要アシスト流量算出手段によるアシスト空気流量に基づいて前記流量調整手段による流量の調整を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、補機の冷却に必要な流量を流しつつ、冷却用に流した流体を希釈側に分流する制御が可能となるので、冷却性能と希釈性能の両立が最低限の消費電力で可能となる。ちなみに、もし全量を流す形式であれば、冷却ファンが冷却性能か希釈性能のいずれか大きいほうに依存した出力となってしまい、圧力損失も消費電力もいたずらに大きくなり、騒音や振動が悪化するおそれがある。
【００１２】
また、通常の希釈要求では、カソードオフガスが少なくなる停止時が厳しく、冷却性能は熱負荷が高くなる高負荷運転時が厳しくなるが、本発明によれば、停止時は希釈側に用いて、熱的に楽なバッテリ側の流量を落とすことができ、高負荷運転時は十分なカソードオフガス流量があるためバッテリなどの冷却性能に重点的に冷却ファンの流れを用いることができる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、前記排ガス配管内で水分が凍結しているか否かを推定する排ガス配管水分凍結推定手段を有し、前記排ガス配管水分凍結推定手段により前記排ガス配管内部で水分が凍結していると推定される場合には、前記アシスト空気流量を増加させることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、氷点下環境や暖機完了前などにおいて、排ガス配管の内部で生成水や結露した水分が凍結した場合には、アシスト空気流量を増加させるため、水分を持ち去るガス流量が多くなり凍結を防止できる。また、冷却ファンからのアシスト空気は上流側の補機で熱交換されて温度が上昇しているため、排ガス配管の暖機を促進することも可能となる。
【００１５】
請求項５に係る発明は、前記燃料電池の冷却を行う冷媒が流れる冷媒循環路と、前記冷媒循環路に設けられ、前記冷媒と大気とで熱交換を行う熱交換器と、を有し、前記冷却ファンは、前記熱交換器に設けられた熱交換器用ファンであることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、熱交換器（例えば、ラジエータ）の冷却に用いられる空気を希釈用に利用するため、希釈のための冷却ファンの追加を必要としない。
【００１７】
請求項６に係る発明は、前記燃料電池と電気的に接続された蓄電装置を有し、前記冷却ファンは、前記蓄電装置の冷却を行う蓄電装置用のファンであることを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明によれば、蓄電装置の冷却に用いられる空気を希釈用に利用するため、希釈のための冷却ファンの追加を必要としない。
【００１９】
請求項７に係る発明は、カソードガスとアノードガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスと混合して希釈する希釈装置と、前記希釈装置で希釈された排ガスを大気へ放出する排ガス配管と、前記燃料電池の補機を冷却する冷却ファンと、前記冷却ファンからの空気を前記排ガス配管内へと導く希釈アシストガス導入配管と、を有する燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量と、前記補機の冷却に必要な前記冷却ファンによる冷却空気流量をそれぞれ算出し、算出された前記アシスト空気流量と前記冷却空気流量とを比較して、いずれか大きい値となるように前記冷却ファンの出力を決定することを特徴とする。
【００２０】
請求項７に係る発明によれば、アシスト空気流量と冷却空気流量とを比較し、いずれか大きい値となるように冷却ファンの出力を決定するため、希釈不足および冷却不足を引き起こすことがない。よって、希釈性能を確保しつつ冷却性能も確保することが可能になる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、前記冷却ファンの下流側において、前記希釈アシストガス導入配管と、この希釈アシストガス導入配管よりも圧力損失の少ない大気開放配管とに分岐する分岐部に、前記希釈アシストガス導入配管側と前記大気開放配管側とに供給される空気の流量の調整を行う流量調整手段が設けられ、前記アノードオフガスの希釈に必要な前記冷却ファンからのアシスト空気流量を算出し、このアシスト空気流量に基づいて前記流量調整手段による流量の調整を行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項８に係る発明によれば、補機の冷却に必要な流量を流しつつ、冷却に利用した流体を希釈側に分流する制御が可能となるので、冷却性能と希釈性能の両立が最低限の消費電力で可能となる。ちなみに、もし全量を流す形式であれば、冷却ファンが冷却性能か希釈性能のいずれか大きいほうに依存した出力となってしまい、圧力損失も消費電力もいたずらに大きくなり、また騒音や振動が悪化したりする。
【００２３】
請求項９に係る発明は、前記排ガス配管内で水分が凍結しているか否かを推定し、前記排ガス配管内部で水分が凍結していると推定される場合には、前記アシスト空気流量を増加させることを特徴とする。
【００２４】
請求項９に係る発明によれば、氷点下環境や暖機完了前などにおいて、排ガス配管の内部で生成水や結露した水分が凍結した場合には、アシスト空気流量を増加させるため、水分を持ち去るガス流量が多くなり凍結を防止できる。また、アシスト空気は上流側で熱交換されて温度が上昇しているため、排ガス配管の暖機を促進することも可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、システムの大型化やコスト高を招くことなく希釈性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は第１実施形態の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。なお、第１実施形態では、車両（燃料電池自動車）用の燃料電池システムを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶用や航空機用の燃料電池システムなど、家庭用や業務用の燃料電池システムなどあらゆる用途に適用することができる。
【００２７】
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、補機冷却系５０、制御部６０などで構成されている。
【００２８】
前記燃料電池１０は、固体高分子電解質膜を、触媒を含むアノードと触媒を含むカソードとで挟み、さらに一対の導電性のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層した構造を有している。また、アノードに対向するセパレータには水素（アノードガス、燃料ガス）が流通する流路が形成され、カソードに対向するセパレータには空気（カソードガス、酸化剤ガス）が流通する流路が形成されている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに空気が供給されると、アノードでは、触媒の作用によって水素から電子が乖離して水素イオン（プロトン）が固体高分子電解質膜を介してカソードに透過するとともに乖離した電子が外部負荷（走行モータなど）を通ってカソードに移動し、カソードでは、触媒の作用によりアノードからの水素イオンおよび電子と供給された空気中の酸素との反応により水が生成される。
【００３０】
また、燃料電池１０のアノードの出口からは、アノードオフガスが排出されるが、このアノードオフガスには未反応の水素が含まれている。また、燃料電池１０において発電が継続されることにより、アノード側には、カソードから固体高分子電解質膜を介して透過した生成水や空気中の窒素などの不純物が蓄積されるようになる。また、燃料電池１０のカソードの出口からは、カソードオフガスが排出されるが、このカソードオフガスには生成水や空気などが含まれている。
【００３１】
前記アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排する系であり、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、配管ａ１〜ａ５などで構成されている。水素タンク２１は配管ａ１を介して遮断弁２２と接続され、遮断弁２２は配管ａ２を介してエゼクタ２３と接続され、エゼクタ２３は配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード側の入口と接続されている。また、燃料電池１０のアノード側の出口は配管ａ４を介してエゼクタ２３と接続され、配管ａ４から分岐した配管ａ５がパージ弁２４と接続されている。
【００３２】
前記水素タンク２１は、高純度の水素が高い圧力で充填された容器により構成されている。前記遮断弁２２は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のものであり、後記する制御部６０によって開閉制御される。エゼクタ２３は、燃料電池１０のアノードの出口から排出された未反応の水素をアノードの入口に戻して再循環させる機能を有する真空ポンプの一種である。パージ弁２４は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、後記する制御部６０によって開閉制御され、例えば所定時間開弁することによりアノード系２０内に蓄積した不純物（生成水、空気中の窒素など）を排出する機能を有する。なお、図示していないが、アノード系２０には、水素タンク２１から放出された高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
【００３３】
前記カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気（酸素）を給排する系であり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３、配管ｃ１〜ｃ３などで構成されている。エアコンプレッサ３１は配管ｃ１を介して加湿器３２と接続され、加湿器３２は配管ｃ２を介して燃料電池１０のカソード側の入口と接続されている。また、燃料電池１０のカソード側の出口は配管ｃ３を介して背圧弁３３と接続されている。
【００３４】
前記エアコンプレッサ３１は、例えばモータにより駆動される機械式の過給器により構成され、大気（空気）を吸引して加圧する機能を有する。加湿器３２は、例えば中空糸膜モジュールを備えて構成され、エアコンプレッサ３１で加圧された空気（圧縮空気）を加湿する機能を有する。背圧弁３３は、バタフライ弁などで構成され、後記する制御部６０によって開度が調節されるようになっている。
【００３５】
前記希釈系４０は、燃料電池１０のアノードから排出されたアノードオフガス（水素）を希釈する系であり、希釈装置４１、アノードオフガス導入配管４２、カソードオフガス導入配管４３、排ガス配管４４、希釈アシストガス導入配管４５などで構成されている。
【００３６】
前記希釈装置４１は、アノードオフガス導入配管４２を介してパージ弁２４と接続され、カソードオフガス導入配管４３を介して背圧弁３３と接続され、アノードオフガス導入配管４２から導入されたアノードオフガスを、カソードオフガス導入配管４３から導入されたカソードオフガスと混合して希釈する機能を有する。
【００３７】
前記排ガス配管４４は、希釈装置４１から排出された排ガスが流れる流路であり、一端が希釈装置４１の排ガスの出口と接続され、他端が大気（車外）に連通するように構成されている。なお、図示していないが、排ガス配管４４の出口近傍には、消音機などが設けられている。
【００３８】
希釈アシストガス導入配管４５は、アノードオフガスに含まれる水素の希釈をアシストする空気を導入する機能を有し、下流側の端部が排ガス配管４４の希釈装置４１の近傍に接続され、上流側の端部が後記する流量調整弁５４に接続されている。
【００３９】
前記補機冷却系５０は、バッテリ５１、冷却ファン５２、冷却配管５３ａ，５３ｂ、流量調整弁５４、大気開放配管５５などで構成されている。
【００４０】
バッテリ５１は、燃料電池１０を補助する高電圧系の蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン、ニッケル水素などの二次電池などで構成され、燃料電池１０と電気的に接続されている。これにより、バッテリ５１によって燃料電池１０の電力供給が補助され、また燃料電池１０の起動時の電力源、燃料電池１０の停止後の掃気用電力源などとして用いられる。また、必要に応じて、燃料電池１０からバッテリ５１に対して充電が行われる。
【００４１】
また、バッテリ５１は、その充電池本体が入口５１ａおよび出口５１ｂを備えたケースに収容されており、入口５１ａが冷却配管５３ａを介して冷却ファン５２と接続され、出口５１ｂが冷却配管５３ｂの一端と接続されている。つまり、冷却ファン５２からの空気の全量が、冷却配管５３ａ、ケース内を通って冷却配管５３ｂに流通するようになっている。
【００４２】
前記冷却ファン５２は、バッテリ５１（補機）を冷却するための電動式のファンであり、制御部６０によって、モータの回転速度（回転数）が制御されるようになっている。
【００４３】
前記流量調整弁５４は、流量を調整可能な三方弁で構成され、冷却配管５３ｂの他端、大気開放配管５５、希釈アシストガス導入配管４５とそれぞれ接続されている。すなわち、流量調整弁５４は、希釈アシストガス導入配管４５への流路と大気開放配管５５への流路を切り替えるだけではなく、希釈アシストガス導入配管４５への空気（アシストガス）の流量と大気開放配管５５への空気の流量との配分を適宜調整できる弁である。なお、この流量調整弁５４が設けられる位置が、分岐部Ｔに相当する。
【００４４】
前記大気開放配管５５は、バッテリ５１から排出された空気を大気中（車外）へ直接に排出するように構成された流路であり、希釈アシストガス導入配管４５よりも圧力損失が少なくなるように形成されている。圧力損失を少なくする手段としては、例えば、大気開放配管５５の配管径を希釈アシストガス導入配管４５の配管径よりも太くすることにより行われる。
【００４５】
前記制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ、プログラムが記録されたＲＯＭ、各種回路などで構成され、遮断弁２２、パージ弁２４が開閉され、エアコンプレッサ３１および冷却ファン５２の各モータの回転速度が制御され、背圧弁３３の開度が調整され、流量調整弁５４の流路が切り替えられるようになっている。また、制御部６０は、必要アシスト流量算出手段、排ガス配管水分凍結推定手段を含んでいる。
【００４６】
前記必要アシスト流量算出手段は、カソードオフガスとして供給される冷却空気による希釈だけではアノードオフガスに含まれる水素の希釈が十分でない場合、その不足分であるアシスト空気流量を算出する機能を有する。
【００４７】
前記排ガス配管水分凍結推定手段は、氷点下となるような低温環境下での運転において、排ガス配管４４内で水分が凍結しているか否かを推定する機能を有する。ちなみに、排ガス配管水分凍結推定手段を設けるのは、通常運転時であっても環境によって排ガス配管４４において急激な温度低下が生じて排ガス配管４４内が凍結し、凍結により発電性能の低下、排ガス配管４４などに不具合を引き起こすおそれがあるからである。
【００４８】
次に、本実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について図２を参照（適宜、図１を参照）して説明する。まず、燃料電池システム１Ａの運転中（例えば、走行中）においては、制御部６０によって、遮断弁２２が開かれて水素タンク２１内の水素が燃料電池１０のアノードに供給され、エアコンプレッサ３１が駆動されて加湿器３２で加湿された空気が燃料電池１０のカソードに供給されることで発電が行われ、その発電電力が走行モータ（図示せず）などに供給されて駆動輪が駆動される。このようにして発電が継続されると、アノード系２０内に前記したように生成水や窒素などの不純物が蓄積するので、パージ弁２４を適宜開弁して、不純物をアノード系２０外に排出するとともに、新鮮な水素を水素タンク２１から供給するようになっている。以下、水素の希釈制御について説明する。
【００４９】
図２に示すように、ステップＳ１００において、制御部６０は、水素パージが必要であるかどうかを判断する。水素パージが必要な場合は、（１）定期的、（２）非定期の場合がある。定期的なパージとは、アノード系２０内に蓄積される水や不純物（窒素、酸素など）の蓄積を予め実験で予想しておいてパージ（例えば、開弁時間５分ごと）を行う場合である。非定期のパージとは、定期的以外にセル電圧が低下した場合（水分が単セル内に溜まったとき、水素に不純物が多く含まれるときにセル電圧が低下したとき）に行うパージである。なお、セル電圧については、各単セルの電圧を監視しておき、ひとつの単セルのセル電圧が所定の閾値（例えば、０．５Ｖ）を下回った場合に水素パージが必要であると判断できる。また、複数の単セルからなる平均セル電圧が所定の閾値を下回った場合などにより判断してもよい。ステップＳ１００において、制御部６０は、水素パージが必要でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１００の処理を繰り返し、水素パージが必要と判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０に進む。
【００５０】
ステップＳ１１０において、制御部６０は、パージ弁２４を開弁したときのパージ弁２４を介して排出（パージ）される水素パージ量（Ｑp）と、排出された水素を希釈するのに必要な希釈必要空気流量（Ｑreq）とをそれぞれ算出するとともに、水素パージ時に燃料電池１０のカソード側から排出されるオフガス空気流量（Ｑoff）を取得する。
【００５１】
なお、水素パージ量（Ｑp）は、例えば、燃料電池１０に供給された水素量と発電により消費された水素量とから推定された燃料電池１０内部の水素量（ＦＣ内部水素量、供給水素量−消費水素量）と、パージ弁２４の開弁時間とから推定することができる。なお、水素パージ量（Ｑp）は、ワーストケースを想定して推定される。また、水素パージ量（Ｑp）は、アノード側の圧力と開弁時間に基づいて推定してもよい。
【００５２】
また、希釈必要空気流量（Ｑreq）は、推定された水素パージ量（Ｑp）に基づいて推定される。なお、この場合もワーストケースを想定して推定される。すなわち、推定された水素パージ量（Ｑp）が多量の場合には希釈必要空気流量（Ｑreq）が多くなり、少量の場合には希釈必要空気流量（Ｑreq）が少なくなる。
【００５３】
また、オフガス空気流量（Ｑoff）は、例えば、エアコンプレッサ３１の回転速度（回転数）に基づいて求めることができる。なお、流量センサをカソードオフガス導入配管４３などに設けて希釈装置４１に導入されるオフガス空気流量（Ｑoff）を検出するようにしてもよい。
【００５４】
そして、ステップＳ１２０において、制御部６０は、希釈必要空気流量（Ｑreq）がオフガス空気流量（Ｑoff）より多いかどうかを判断し、ＱreqがＱoffを超えていると判断した場合には（ｙｅｓ）、ステップＳ１３０に進み、ＱoffがＱreq以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０に進む。つまり、ＱreqがＱoffを超えているということは（Ｓ１２０、Ｙｅｓ）、オフガス空気流量（Ｑoff）のみでは希釈のための空気流量が不足しているということであり、逆にＱoffがＱreq以上ということは（Ｓ１２０、Ｎｏ）、オフガス空気流量（Ｑoff）のみで希釈できることを意味している。
【００５５】
そして、ステップＳ１３０において、制御部６０は、希釈必要空気流量（Ｑreq）からオフガス空気流量（Ｑoff）を減算して、アシスト空気流量（Ｑfan）を算出する。算出したアシスト空気流量（Ｑfan）が、水素希釈に不足している空気流量であり、冷却ファン５２から供給される空気によって補われる。なお、ステップＳ１３０が、本実施形態における必要アシスト流量算出手段が実施する処理に相当する。
【００５６】
そして、ステップＳ１４０において、制御部６０は、ステップＳ１３０で算出したアシスト空気流量（Ｑfan）が、現在作動中のバッテリ５１の冷却に必要なバッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）を超えているかどうかを判断する。ステップＳ１４０において、制御部６０は、ＱcoolがＱfan以上であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０に進み、ＱfanがＱcoolを超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に進む。つまり、ＱfanがＱcoolを超えているということは、現在作動中の冷却ファン５２の冷却空気だけでは水素希釈の流量には不足していることを意味し、ＱcoolがＱfan以上であるということは、現在作動中の冷却ファン５２の冷却空気だけで水素希釈の流量を満たしていることを意味している。
【００５７】
そして、ＱfanがＱcoolを超えている場合には（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０において、制御部６０は、冷却ファン５２の出力（回転速度、回転数）をアップさせる制御を行う。これにより、後記するステップＳ１９０において、パージ弁２４が開弁したときに、冷却ファン５２からの冷却空気（アシスト空気）が排ガス配管４４に供給され、希釈装置４１から排出される排ガス中の水素の希釈が補助されて、所定水素濃度以下の水素を含む排ガスとなって外部（車外）に排出される。
【００５８】
そして、ステップＳ１６０において、制御部６０は、排ガス配管４４の凍結が推定されるか否かを判断する。なお、排ガス配管４４の凍結が推定されるかどうかの判断は、例えば、制御部６０において、背圧弁３３の開度指令値に対するフィードバック値（本実施形態では開き方向へ向かう開度）が所定以上になった場合、排ガス配管４４内が凍結していると判断できる。つまり、排ガス配管４４が凍結して閉塞してくると、燃料電池１０内の圧力が所定値よりも上昇するため、フィードバック制御にて背圧弁３３の開度をさらに開いて圧力を下げる必要があるが、このときフィードバック値が初期の開度指令値に対して所定以上の開度指令値で制御された場合に排ガス配管４４が凍結していると判断できる。なお、ステップＳ１６０が、本実施形態における排ガス配管水分凍結推定手段が実施する処理に相当する。
【００５９】
なお、排ガス配管４４の凍結推定は、背圧弁３３のフィードバックによって判断する手法に限定されず、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度指令値（回転数指令値）に対するフィードバック値に基づいて判断してもよい。あるいは、燃料電池１０のカソード側の出口に圧力センサ（流量センサ）を設けて、制御部６０によって設定された燃料電池１０内の目標とする圧力指令値（流量指令値）と、圧力センサ（流量センサ）によって検出された圧力検出値（流量検出値）との差に基づいて判断してもよい。
【００６０】
そして、ステップＳ１７０において、制御部６０は、冷却ファン５２からのアシスト空気流量を増加する補正制御を行う。このように、排ガス配管４４が凍結していると推定される場合にアシスト空気流量を増加することにより、排ガス配管４４内を流れる生成水やオフガスに含まれる水分を持ち去る空気量が多くなって、凍結の進行を防止できる。また、冷却ファン５２からのアシスト空気は、バッテリ５１を通ることにより熱交換されて温度が上昇するため、排ガス配管４４内の凍結を解消することや、起動時の暖機を促進することも可能になる。
【００６１】
そして、ステップＳ１８０において、制御部６０は、流量調整弁５４の開度を調整する。すなわち、オフガス空気流量（Ｑoff）が希釈必要空気流量（Ｑreq）以上である場合（Ｓ１２０、Ｎｏ）、かつ、排ガス配管４４の凍結が推定されない場合（Ｓ１６０、Ｎｏ）、冷却ファン５２からの空気の全量が大気開放配管５５へ流れるように流量調整弁５４を調整する。
【００６２】
また、ステップＳ１８０では、オフガス空気流量（Ｑoff）が希釈必要空気流量（Ｑreq）以上である場合（Ｓ１２０、Ｎｏ）、かつ、排ガス配管４４の凍結が推定される場合（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、冷却ファン５２からのバッテリ冷却空気の一部または全部を希釈アシストガス導入配管４５に流れるように流量調整弁５４を調整する。
【００６３】
また、ステップＳ１８０では、バッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）がアシスト空気流量（Ｑfan）以上である場合（Ｓ１４０、Ｎｏ）、かつ、排ガス配管４４の凍結が推定されない場合には（Ｓ１６０、Ｎｏ）、冷却ファン５２からのバッテリ冷却空気のうちの水素希釈に必要な流量が希釈アシストガス導入配管４５に流れるように流量調整弁５４を調整する。
【００６４】
また、ステップＳ１８０では、バッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）がアシスト空気流量（Ｑfan）以上である場合（Ｓ１４０、Ｎｏ）、かつ、排ガス配管４４の凍結が推定される場合には（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、冷却ファン５２からのバッテリ冷却空気のうちの水素希釈に必要な流量と、凍結防止に必要な流量とを合計した流量が希釈アシストガス導入配管４５に流れるように流量調整弁５４を調整する。なお、この場合、バッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）が凍結防止の流量として不足する場合には、不足分について冷却ファン５２の出力をアップして、冷却ファン５２からの空気の全量が希釈アシストガス導入配管４５に流れるように流量調整弁５４を調整する。
【００６５】
また、ステップＳ１８０では、アシスト空気流量（Ｑfan）がバッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）を超えている場合（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、かつ、排ガス配管４４の凍結が推定されない場合には（Ｓ１６０、Ｎｏ）、出力アップ（Ｓ１５０）した冷却ファン５２からの空気の全量が希釈アシストガス導入配管４５に流れるように流量調整弁５４を調整する。
【００６６】
また、ステップＳ１８０では、アシスト空気流量（Ｑfan）がバッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）を超えている場合（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、かつ、排ガス配管４４の凍結が推定される場合には（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０によるアシスト空気の増量分と、ステップＳ１７０によるアシスト空気の増量分とがすべて希釈アシストガス導入配管４５に流れるように流量調整弁５４を調整する。
【００６７】
そして、ステップＳ１９０において、制御部６０は、パージ弁２４を開弁する制御を行う。これにより、パージ弁２４を介してアノードオフガス（水素、不純物）がアノードオフガス導入配管４２から希釈装置４１に導入されるが、このとき希釈装置４１には燃料電池１０のカソード側からカソードオフガス（空気など）が導入されることで、希釈装置４１内において、アノードオフガス中の水素がカソードオフガスで希釈されて、排ガス配管４４へ排出される。
【００６８】
また、カソードオフガスだけでは水素の希釈が十分に行われないと判断された場合には、流量調整弁５４を切り替えて、冷却ファン５２からの空気を希釈アシストガス導入配管４５に導入して、希釈装置４１から排出される水素の希釈をアシストする。これにより、排ガス配管４４からは、所定濃度以下に希釈された水素が車外に排出されるようになる。
【００６９】
そして、ステップＳ２００において、制御部６０は、水素パージが完了したか否かを判断する。水素パージ完了の条件としては、例えば、パージ弁２４の開弁時間が所定時間経過したか否かによって判断できる。ステップＳ２００において、制御部６０は、水素パージが完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２００の処理を繰り返し、水素パージが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、リターンする。
【００７０】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、希釈アシスト用の追加装置（専用の冷却ファン）を必要とせず、すでに備わっているバッテリ５１の冷却ファン（空気供給源）５２を利用できるため、システムの大型化およびコストアップを招くことなく、希釈性能を確保することが可能になる。
【００７１】
また、第１実施形態によれば、バッテリ５１に対してその冷却に必要な流量を流しつつ、バッテリ５１の冷却用に供給した冷却空気を水素希釈側に配分することができるので、バッテリ５１の冷却要求と水素の希釈要求とを最低限の消費電力で両立することが可能になる。つまり、冷却要求が希釈要求よりも高い場合には、バッテリ５１の冷却に必要な空気を供給することで希釈要求を満たすことができ、また、希釈要求が冷却要求よりも高い場合には、不足する希釈要求分に相当する空気を冷却ファン５２の出力アップによって供給することで希釈要求を満たすことができる。また、このようにして消費電力を抑えることができるので、冷却ファン５２を駆動する際に発生する騒音や振動を抑えることが可能になる。また、車両において、オフガス空気流量が少なくなる停止時は、冷却ファン５２からの空気を水素希釈側に用いて熱的に余裕のあるバッテリ５１側の空気流量を落とすことができ、一方、熱負荷が上がる高負荷運転時は、十分なオフガス流量が得られるため、冷却ファン５２からの空気流量をバッテリ５１の冷却に目一杯用いることができる。
【００７２】
（第２実施形態）
図３は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、バッテリ５１用の冷却ファン５２に替えて、燃料電池１０を冷却する冷却系７０に設けられたラジエータ７１用の冷却ファン７２からの空気を希釈アシスト空気として利用するように構成したものである。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同様な構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、第２実施形態における補機冷却系５０は、ラジエータ７１、冷却ファン７２、冷却配管７３ａ，７３ｂ、流量調整弁５４、大気開放配管５５により構成されている。
【００７３】
なお、冷却系７０は、ラジエータ７１、冷却ファン７２、冷媒循環配管７１ａ，７１ｂなどで構成され、ラジエータ７１が燃料電池１０と冷媒循環配管７１ａ，７１ｂを介して接続されて構成されている。また、燃料電池１０の単セルを構成する各セパレータには、冷媒が流通する冷媒流路が形成されている。また、図示しないウォータポンプによって、冷媒が燃料電池１０の冷媒流路内および冷媒循環配管７１ａ，７１ｂ内を循環するようになっている。
【００７４】
すなわち、ラジエータ７１の前面側には冷却ファン７２が配置され、冷却ファン７２からの冷却空気が冷却配管７３ａを介してラジエータ７１に送られる。また、ラジエータ７１の背面側には、冷却配管７３ｂが設けられ、冷却ファン７２から送られた冷却空気のほぼ全量がラジエータ７１のフィン間を通過して冷却配管７３ｂ内を流通するようになっている。例えば、ラジエータ７１の背面の全体を覆うような凹形状の樹脂カバーを取り付けて、冷却ファン７２の冷却空気を取り込むようになっている。なお、冷却配管７３ｂの下流側の端部は、第１実施形態と同様にして、流量調整弁５４を介して大気開放配管５５と希釈アシストガス導入配管４５とにそれぞれ接続されるようになっている。
【００７５】
第２実施形態の動作については、図２のフローで説明した実施形態と同様にして、水素パージが必要と判断された場合に（Ｓ１００、Ｙｅｓ）、推定した水素パージ量（Ｑp）に基づいて希釈必要空気流量（Ｑreq）を推定するとともに、オフガス空気流量（Ｑoff）を取得する（Ｓ１１０）。そして、希釈必要空気流量（Ｑreq）がオフガス空気流量（Ｑoff）を超えている場合には（Ｓ１２０、Ｙｅｓ）、アシスト空気流量（Ｑfan）を算出し（Ｓ１３０）、算出したアシスト空気流量（Ｑfan）が現在作動中の冷却ファン７２からのバッテリ冷却必要空気流量（Ｑcool）よりも多い場合には（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、冷却ファン７２の出力（モータの回転速度）をアップして、水素希釈に不足している空気流量を補う（Ｓ１５０）。また、排ガス配管４４の凍結が推定される場合には（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、冷却ファン７２の出力をアップして、冷却ファン７２からの空気流量を増加させる（Ｓ１７０）。そして、流量調整弁５４を希釈アシストの有無などに応じて適宜調整した後に（Ｓ１８０）、パージ弁２４を開弁して水素パージを行う。
【００７６】
このように、第２実施形態によれば、前記と同様にして、希釈アシスト用の追加装置を必要とせず、すでに備わっているラジエータ７１の冷却ファン（空気供給源）７２を利用できるため、システムの大型化およびコストアップを招くことなく、希釈性能を確保することが可能になる。
【００７７】
また、第２実施形態によれば、ラジエータ７１に対してその冷却に必要な流量を流しつつ、ラジエータ７１の冷却に利用した冷却空気を水素希釈側にも流用することができるので、ラジエータ７１の冷却性能と水素の希釈要求とを最低限の消費電力で両立することが可能になる。また、消費電力を抑えることができるので、冷却ファン７２を駆動する際の騒音や振動を抑えることができる。また、車両において、オフガス空気流量が少なくなる停止時は、冷却ファン７２からの空気を水素希釈側に用いて熱的に余裕のあるラジエータ７１側の空気流量を落とすことができ、一方、熱負荷が上がる高負荷運転時は、十分なオフガス空気流量が得られるため、冷却ファン７２からの空気流量をラジエータ７１の冷却に目一杯用いることができる。
【００７８】
なお、本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、冷却ファン５２をバッテリ５１と流量調整弁５４との間に設けるようにしてもよい。ただし、この場合には、第１実施形態とは逆にモータを回転させて冷却ファンからの空気を引き込むようにする構成にすることが好ましい。
【００７９】
また、バッテリ５１用の冷却ファン５２やラジエータ７１用の冷却ファン７２に限定されるものではなく、エアコンディショナ用の冷却系に使用されるラジエータファン（冷却ファン）であってもよく、あるいは車両動力用（走行用）のモータの冷却系に使用されるラジエータファン（冷却ファン）であってもよい。
【００８０】
また、制御部が、水素希釈に必要な冷却ファンからのアシスト空気流量を算出する必要アシスト空気流量算出手段と、バッテリ５１やラジエータ７１（補機）の冷却に必要な冷却ファンによる冷却空気流量を算出する補機必要冷却空気流量算出手段と、算出したアシスト空気流量と冷却空気流量とを比較して、いずれか大きい値となるように冷却ファンの出力（モータの回転速度）を決定する冷却ファン出力決定手段とを備える構成であってもよい。これによれば、希釈アシスト用の追加装置を必要しないため、システムの大型化やコストアップを招くことなく、希釈性能を確保できる。また、いずれか大きい値となるようにして冷却ファンの出力を決定するため、希釈不足になることも、冷却不足になることもない。よって、希釈性能を確保しつつ、冷却性能も確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【符号の説明】
【００８２】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１０    燃料電池
４１    希釈装置
４４    排ガス配管
４５    希釈アシストガス導入配管
５１    バッテリ（補機、蓄電装置）
５２    冷却ファン
５４    流量調整弁（流量調整手段）
５５    大気開放配管
６０    制御部（必要アシスト流量算出手段、排ガス配管水分凍結推定手段）
７１    ラジエータ（補機、熱交換器）
７１ａ，７１ｂ  冷媒循環配管（冷媒循環路）
７２    冷却ファン
Ｔ      分岐部
【図１】
2009193838.tif 000003
【図２】
2009193838.tif 000004
【図３】
2009193838.tif 000005