(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時に、燃料濃度の高いガスが系外へ放出されることを防止する。【解決手段】燃料電池システムの起動時に、カソード２またはスタックケース内の水素濃度が基準濃度以上と推定される場合、空気圧力調整弁１５、スタックケース換気供給弁２５，スタックケース換気排気弁２３を閉止し、カソードオフガス導入弁２１を開く。次いで空気供給装置５から空気供給開始し、カソードオフガスをスタックケース２０へ一時貯留する。カソードが空気で置換された後に、カソードオフガス導入弁２１を閉じ、空気圧力調整弁１５の開度調整を開始する。次いでスタックケース換気排気弁２３の開度を調節して、カソード２から排出される空気に、スタックケース２０内のガスを混合して排出する。【選択図】図１
2009021076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのカソードからカソードオフガスを排出する排気配管と、
前記カソードオフガスを導入可能な収納容器と、
前記排気配管から前記収納容器内にカソードオフガスを導入して貯留させるカソードオフガス導入手段と、
前記収納容器からカソードオフガスを排出する収納容器排気手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記収納容器は、前記燃料電池スタックを収納するスタックケースであ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】
前記カソードオフガス導入手段は、排気配管に設置されてカソード圧力を調整する空気圧力調整弁の上流の排気配管から収納容器に接続される導入配管と、導入配管を開閉可能な開閉弁とから構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記収納容器排気手段は、前記収納容器に外気を導入可能な空気供給装置、前記収納容器内のガスを前記空気調圧弁下流の前記排気配管へ排出する収納容器排気通路、該収納容器排気通路の開閉を調整可能な弁手段にて構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記収納容器は、外気導入部に設置されて外気との気密性を保持可能な外気導入弁を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
カソード内の燃料濃度を推定するカソード内燃料濃度推定手段と、
システム起動時において、前記カソード内燃料濃度推定手段により推定されたカソード内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを前記収納容器へ導入するか否かを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記収納容器内の燃料濃度を推定する収納容器燃料濃度推定手段と、
推定された収納容器内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを収納容器へ導入するか否かを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記カソード内燃料濃度推定手段および前記収納容器内燃料濃度推定手段は、
システム停止からの経過時間を測定する経過時間測定手段、あるいは直接的ないし間接的に燃料濃度を測定する燃料濃度測定手段、あるいは直接的ないしは間接的に燃料以外のガス濃度を測定するガス濃度測定手段であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池スタックへのカソードガス供給配管、あるいは空気圧力調整弁の上流側の排気配管に設置されるカソード圧力推定手段により推定されるカソード圧力に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止し、カソードオフガスを排気配管よりシステム外に排気するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記収納容器の圧力を推定する収納容器圧力推定手段により推定される収納容器内の圧力に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止し、カソードオフガスを排気配管よりシステム外に排気するよう制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池スタックへのカソードガス供給配管、あるいは空気圧力調整弁の上流側の排気配管に設置されるカソード流量推定手段により推定されるカソード積算流量に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止し、カソードオフガスを排気配管よりシステム外に排気するよう制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
カソードオフガス導入手段に燃料濃度推定手段を備え、カソードオフガス導入手段により収納容器に導入されるカソードオフガス中の燃料濃度に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止し、カソードオフガスを排気配管よりシステム外に排気するよう制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記収納容器内燃料濃度推定手段により推定される収納容器内の燃料濃度、および収納容器内圧力推定手段により推定される収納容器内圧力に応じて、収納容器排気手段により排出する排気流量を調整する制御手段を備えたことを特徴とする請求項９乃至請求項１２の何れか１項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係り、特に燃料電池起動時に燃料ガスのシステム外への排出を抑制することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より燃料電池本体を収容するケースを設け、運転停止時にケースの開口部を閉止して燃料電池本体を密閉するシール構造が知られている。例えば、リン酸電解質と空気極と燃料極とを備えたリン酸型燃料電池のシール構造において、空気極に空気を供給するための送風機と、燃料電池本体を覆うケースと、このケースと燃料電池本体との間に形成された送風通路の入口部と出口部とを開閉するための電磁弁を備えた燃料電池のシール構造が周知である（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−１６２８４８号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術に於いては、送風機から空気極およびケースに空気を供給、排出する構成となっているため、燃料電池の運転停止時に燃料極に残存する燃料が燃料極から空気極に透過、および燃料電池のシール部を介して燃料が燃料電池内部からケースに透過して、空気極およびケース内が共に高濃度の燃料雰囲気となる可能性があり、次回起動時に空気極およびケース内の高濃度燃料ガスがそのままシステム外に排出される虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのカソードからカソードオフガスを排出する排気配管と、前記カソードオフガスを導入可能な収納容器と、前記排気配管から前記収納容器内にカソードオフガスを導入して貯留させるカソードオフガス導入手段と、前記収納容器からカソードオフガスを排出する収納容器排気手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、カソードオフガスを収納容器内に導入して貯留可能な構成としてあるため、万一起動時のカソード中の水素濃度が高い場合でも、排出水素濃度を抑制しつつ起動時間を遅延化させることなくシステム起動が行えるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両の好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【０００７】
次に、図１から図７を参照して本発明の実施例１を説明する。図１は、実施例１の燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システム５０は、システムコントローラ７により運転状態が制御されている。システムコントローラ７は、例えば、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成される。
【０００８】
アノード（燃料極）１とカソード（酸化剤極）２とを有する燃料電池スタック３は、例えば固体高分子型の燃料電池である。水素供給装置４から燃料ガスとしての水素を水素供給配管１１を介してアノード１に供給する。
【０００９】
また空気供給装置５から空気を空気供給配管１４を介してカソード２に供給する。空気供給装置５の上流には、その空気量を測定するためのエアフローセンサ２７が設けられ、空気供給装置５の下流には、供給空気の圧力を測定する圧力センサ２９ａが設けられている。燃料電池スタック３は水素と空気中の酸素を反応させて発電する。その際アノード１からは消費されずに残ったアノードオフガスが、またカソード２からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した生成水を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。
【００１０】
アノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６とアノードオフガス循環配管１２により、水素供給配管１１に全量循環されて供給水素と混合されてアノードガスを形成して再度アノード１へと供給される。しかし、カソード２からアノードへ透過してくる窒素や、発電に伴って生成される水分などによりアノードに供給するガス中の水素濃度が所定範囲よりも小さいとシステムコントローラ７が判断する場合は、パージ弁１９を開いてアノードオフガス排出配管１３からアノードオフガスの排出を行い、水素の濃度を高めるよう制御されている。
【００１１】
カソードオフガスは、カソード圧力を調整するカソード圧力調整弁１５を経由してカソードオフガス排気配管１６から外部に排気される。
【００１２】
燃料電池スタック３は、スタックケース２０に収納されており、システム運転中は空気供給装置５から供給される空気によってスタックケース２０の内部が換気されるよう構成されている。このため、空気供給配管１４から分岐してスタックケース２０に至るスタックケース換気供給配管２６が設けられ、スタックケース換気供給配管２６には、開度調整可能なスタックケース換気供給弁２５が設けられている。
【００１３】
また、スタックケース２０には、スタックケース換気排気配管２４が接続され、スタックケース換気排気配管２４には開度調整可能なスタックケース換気排気弁２３が設けられている。また、カソードオフガスをスタックケース２０へ導入するために、カソード圧力調整弁１５の上流とスタックケース換気排気弁２３の上流とを接続するカソードオフガス導入配管２２と、カソードオフガス導入配管２２を開閉する弁であるカソードオフガス導入弁２１が設けられている。カソードオフガス導入配管２２とカソードオフガス導入弁２１とは、収納容器であるスタックケース２０へカソードオフガスを導入するカソードオフガス導入手段である。
【００１４】
尚、本実施例では、空気供給装置５からスタックケース２０へ換気用の空気を供給しているが、スタックケース換気空気流量を一定流量とする場合や、スタックケース換気空気流量制御を簡素化する場合などは、カソードに空気を供給する空気供給装置とは別に空気ないしは不活性ガスの供給装置、例えばブロアなどを用いる構成も本発明の範疇である。
【００１５】
次に作用を説明する。燃料電池システムの運転停止時には、アノード内には水素、カソード内には空気（発電によりカソード内の空気中の酸素が一部ないしは全量消費された状態も含む）が残存した状態で停止される。そして停止後には時間の経過とともに燃料電池の電解質膜を介して水素がカソードに、空気がアノードにそれぞれ透過する。このため、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、水素と酸素とが反応して消費される。この濃度勾配によるクロスリークと、透過先での反応による消費とが並行して進行する。
【００１６】
また、燃料電池スタック３のアノード１およびカソード内２の水素および空気は、同様にシステム停止後の時間経過とともに燃料電池スタック３のセル間のシール部よりスタックケース２０内に透過し、最終的には燃料電池スタック３内のアノード１およびカソード２とスタックケース２０との間において、水素および空気の分圧がそれぞれ等しくなる状態で平衡する。
【００１７】
その際、アノード１はカソード２およびスタックケース２０に水素が透過することにより、またカソード２はスタックケース２０への透過およびカソード配管およびカソードオフガス配管１６からアノード１より透過した水素が拡散することにより、またスタックケース２０はスタックケース換気供給配管２６およびスタックケース換気排出配管２４からスタック内から透過した水素が拡散することにより、それぞれ水素濃度が低減するため、システム停止時からの経過時間に応じて平衡状態での水素濃度も低下する。
【００１８】
このため、システム停止後の経過時間に伴う濃度変化は、図３に示すような、アノード水素濃度Ｃｈａ（一点鎖線）、カソード水素濃度Ｃｈｃ（実線）、スタックケース水素濃度Ｃｈｓ（破線）となる。
【００１９】
図３において、アノード水素濃度Ｃｈａは、系内で水素濃度が最も高くその時間変化は単調減少である。カソード水素濃度Ｃｈｃは、システム停止から暫くは増加する。これはアノードからカソードへリークする水素量が、カソード内の酸素と水素との反応量と、空気供給配管及びカソードオフガス排気配管からの水素拡散量と、カソードからスタックケースへのリーク水素量との和より多いためである。その後、アノード水素濃度Ｃｈａが減少し、アノードとカソード間の濃度勾配が低下してアノードからカソードへの水素透過量が減少するため、カソード水素濃度Ｃｈｃはピークをつけた後、低下に転じる。スタックケース水素濃度Ｃｈｓは、同様にピークをつけるが、そのピーク値は、燃料電池スタックのセル間シール材の水素透過速度および燃料電池スタックの電解質膜の水素透過速度の違いによって異なるが、アノード水素濃度Ｃｈａ、あるいはカソード水素濃度Ｃｈｃのピーク値より小さい。
【００２０】
ここで、カソード水素濃度Ｃｈｃがシステム運転上定めた水素濃度の基準濃度（例えば、水素燃焼下限濃度４％（以降、ＬＦＬ〔単位：％〕と称する。））を超えている期間をＴａｘからＴａｙまで、スタックケース水素濃度Ｃｈｓが同基準濃度を超えている期間をＴｃｘからＴｃｙまでとする。
【００２１】
次回のシステム起動に際して、カソード２あるいはスタックケース２０の水素濃度が上記基準濃度値を超える可能性がある場合は、カソードオフガスあるいはスタックケース換気がシステム外にそのまま排出されないように制御する必要がある。
【００２２】
特にカソード２の水素濃度が高い場合は、発電を行うに際しては空気を供給することが必須であるので、カソード２から基準濃度値以上の水素濃度のカソードオフガスがシステム外に排出される以前に、基準濃度値以下の水素濃度となるよう処理する必要がある。本実施例では、水素濃度の高いカソードオフガスをスタックケース２０内へ排出することにより、このガスの系外へ排出を防止している。
【００２３】
次に、図２の制御フローチャート、図６のタイムチャートを参照して、本実施例におけるシステムコントローラ７が実行する燃料電池システム起動時の制御を説明する。
【００２４】
最初に、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池システムの運転／停止を制御する運転スイッチを操作者が運転側へ切り替えた（運転ＳＷ−ＯＮ）時点（時刻ｔ０）でシステムコントローラ７がシステム起動を開始する。
【００２５】
次いで、Ｓ１２において、前回のシステム停止時からの経過時間Ｔｒを算出する。前回のシステム停止時に、システムコントローラ７にシステム停止日時を記憶させておき、起動日時との時間差により経過時間Ｔｒを演算する、あるいはシステムコントローラ７にタイマー（図示せず）を内蔵させておくことにより、前回停止時から起動時までの時間を読み出すことにより経過時間Ｔｒを求める。
【００２６】
次いで、Ｓ１４において、経過時間Ｔｒに基づいて、カソード内の水素濃度がＬＦＬを超えている可能性の有無を判断する。その際、経過時間Ｔｒが、システム停止後からカソード水素濃度ＣｈｃがＬＦＬを超えている可能性があると判断できる基準時間Ｔａｘと、その後ＬＦＬまで低下したと判断可能な基準時間Ｔａｙとの間であるか否かを判断する。
【００２７】
基準時間Ｔａｘ≦経過時間Ｔｒ≦基準時間Ｔａｙ  …（１）
Ｓ１４の判定で、式（１）の関係が成り立つ場合は、Ｓ１６へ移行する。式（１）が成り立たない場合はＳ１５へ移行する。
【００２８】
Ｓ１５では、スタックケース内の水素濃度がＬＦＬを超えている可能性の有無を判断する。その際、経過時間Ｔｒが、システム停止後からスタックケース水素濃度ＣｈｓがＬＦＬを超えている可能性があると判断できる基準時間Ｔｃｘと、その後ＬＦＬを下回っていると判断可能なＴｃｙとの間であるか否かを判断する。
【００２９】
基準時間Ｔｃｘ≦経過時間Ｔｒ≦基準時間Ｔｃｙ  …（２）
Ｓ１５の判定で式（２）の関係が成り立つ場合は、Ｓ１６へ移行し、カソード内の水素濃度がＬＦＬを超えていなくても、スタックケースにカソードオフガスを貯留する。これによりスタックケース換気を開始した時点で、カソードオフガスとスタックケース換気の混合気の水素濃度を確実にＬＦＬ以下にして排気できるようにする。
【００３０】
またＳ１４およびＳ１５において、判定値として使用する基準時間Ｔａｘ、Ｔａｙ、Ｔｃｘ、Ｔｃｙは、例えば燃料電池システム停止後のカソード、スタックケース内水素濃度の実験的な計測により求めて、システムコントローラ７に記憶させておくものとする（図３参照）。
【００３１】
Ｓ１６では、空気圧力調整弁１５を閉止、スタックケース換気供給弁２５を閉止、カソードオフガス導入弁２１を開、スタックケース換気排気弁２３を閉止して、カソードオフガスをシステム外に排出せずにスタックケース２０に貯留できるようカソードオフガスのスタックケース２０内への通路を確保する。
【００３２】
次いで、Ｓ１８では、アノード１に水素供給装置４から水素、カソード２に空気供給装置５から空気をそれぞれ供給開始し、発電可能な運転条件に設定する。カソード２へ空気供給を開始すると、カソードオフガスは、カソードオフガス導入弁２１を介してスタックケース２０へ導入される（図４）。
【００３３】
次いで、Ｓ２０では、圧力センサ２９ａが検出したカソード圧力Ｐａがスタックケース基準充填圧力Ｐａｓ〔単位：ｋＰａ＿ｇ〕に達したか否かを判断する。
【００３４】
カソード圧力Ｐａ≧基準充填圧力Ｐａｓ  …（３）
ここで、スタックケース基準充填圧力Ｐａｓは、図７に示すように、カソード容積およびスタックケース容積より演算される、少なくともカソード容積と同等のガスをスタックケースに貯留する際に必要な圧力としてある一方、スタックケースの耐圧値もＰａｓ以上にて設計してある。  
Ｓ２０の判断で式（３）の条件が成立していなければ、Ｓ２０の判断を繰り返して、条件が成立するまで待機する。
【００３５】
次いで、Ｓ２２では、空気圧力調整弁１５の開度調整開始、カソードオフガス導入弁２１の閉止を行い、カソードオフガスをスタックケース２０からカソードオフガス排気配管１６に切り替えて排出する。この時点で停止時にカソード内に滞留していた空気（アノードからカソードに透過した水素も含む）はスタックケース２０に貯留できているので、カソードオフガス排気配管１６から排出するカソードオフガスの水素濃度は十分に低減されているカソードオフガスが排出されている。
【００３６】
次いで、Ｓ２４では、Ｓ２２でカソード２内の空気置換も終了し発電準備が整っているので、燃料電池スタック３の発電（負荷電流の取り出し）を開始する（時刻ｔ１）。また、カソード２およびスタックケース２０内に滞留していた水素の排気処理を行う以前に発電開始が可能であるため、カソード２およびスタックケース２０内の水素濃度がＬＦＬ未満である場合の起動と比較しても起動時間が長引くことを抑制できる。
【００３７】
次いで、Ｓ２６では、スタックケース換気排気弁２３の開度調整して、スタックケース２０内のガスを排出する。この際基準充填圧力Ｐａｓ、およびスタックケース換気排気弁２３から排出されるガス流量Ｑｃｅ〔単位：ＮＬ／ｍｉｎ〕は、スタックケース内圧力Ｐａｓにおいてカソードオフガス流量Ｑｃｏ〔単位：ＮＬ／ｍｉｎ〕に対して次式（４）が成立するよう開度調整を行う。  
Ｑｃｅ／（Ｑｃｅ＋Ｑｃｏ）  ＜  （ＬＦＬ／１００）  …（４）
また、ここではスタックケース換気排気配管２４は、圧力が大気圧におよそ等しい空気圧力調整弁１５の下流に接続されるために、スタックケース換気排気弁２３前後の差圧が大きくとれることにより、速やかにスタックケース換気をスタックケース換気排気配管２４に排出することができる（図５）。
【００３８】
次いで、Ｓ２８では、充填圧力Ｐａｓ、設定するスタックケース換気排気弁２３の開度において、スタックケース２０内の圧力がカソードオフガス排気配管１６の圧力に達するまでの排出時間Ｔｅ１〔単位：ｓｅｃ〕が経過したか否かを判断する。排出時間Ｔｅ１が経過していなければ、経過するまでＳ２８を繰り返して待機する。ここで、排出時間Ｔｅ１は、システム起動実験により予め実験的に求めておいた値とする。
【００３９】
次いでＳ３０において、スタックケース換気排気弁２３を全開、スタックケース換気供給弁２５の開度調整を行い、スタックケース２０に空気供給装置５からの空気を分岐供給して、スタックケース２０内の換気を開始する（時刻ｔ２）。これにより、運転中に燃料電池スタック３からスタックケース２０に水素が漏れる、ないしは透過する場合でも、スタックケース２０に滞留して水素高濃度となることなく速やかに排気することができる。
【００４０】
ただしこの際、スタックケース換気空気の供給開始時点でのスタックケース内水素濃度はＬＦＬよりも高いので、Ｓ２６と同様な流量制御を行うべく、スタックケース換気供給流量Ｑｃｓ〔単位：ＮＬ／ｍｉｎ〕は（４）式が成立するよう、スタックケース換気供給弁２５の開度調整を行う。
【００４１】
次いでＳ３２では、設定するスタックケース換気供給流量Ｑｃｓにおいて、スタックケース２０内のガスを十分空気に置換できる排出時間Ｔｅ２〔単位：ｓｅｃ〕が経過したか否かを判断する。排出時間Ｔｅ２が経過していなければ、経過するまでＳ３２を繰り返して待機する。ここで、排出時間Ｔｅ２は、システム起動実験により予め実験的にに求めておいた値とする。
【００４２】
次いでＳ３４では、スタックケース内が空気で置換できたと判断できた時点（Ｓ３２の判断がＹｅｓ、時刻ｔ３）で、停止時にカソード２およびスタックケース２０に滞留していた水素の処理が終了するため、以降は通常運転に移行するため、メインルーチンへ復帰する。
【００４３】
一方、Ｓ１５において、（２）式が成立しない場合は、カソード内及びスタックケース内の水素濃度が共にＬＦＬより低いので、通常の運転開始を行うためにＳ３８へ移る。Ｓ３８では、空気圧力調整弁１５の開度調整開始、スタックケース換気供給弁２５の開度調整開始、カソードオフガス導入弁２１閉止、スタックケース換気排気弁２３全開を行い、通常運転時の運転条件設定を行う。
【００４４】
次いで、Ｓ４０では、アノード１、カソード２にそれぞれ水素供給装置４、空気供給装置５によりそれぞれ水素、空気を供給開始し、発電可能な運転条件に設定する。次いでＳ４２では、Ｓ４０で発電準備が整っているので、燃料電池スタック３の発電（負荷電流の取り出し）を開始し、Ｓ３４へ移る。
【００４５】
以上説明した本実施例によれば、カソードオフガスを収納容器内に導入して貯留可能な構成としてあるため、万一起動時のカソード中の水素濃度が高い場合でも、排出水素濃度を抑制しつつ起動時間を遅延化させることなくシステム起動が行えるという効果がある。
【００４６】
また本実施例によれば、収納容器を燃料電池スタックを収納するスタックケースで代用するため、カソードオフガス収納容器を別途設ける必要が無く、システムの大型化を回避することができるという効果がある。
【００４７】
また本実施例によれば、カソードオフガス導入手段は、空気圧力調整弁の上流の排気配管から収納容器に接続される導入配管と、導入配管を開閉可能な開閉弁とから構成されることにより、他の動力源を用いなくともカソードの圧力でカソードオフガスを収納容器内に導入することができる一方、必要な量のカソードオフガスを収納容器に導入した後に開閉弁を閉止することによって水素高濃度なガスを収納容器に貯留することができるという効果がある。
【００４８】
また本実施例によれば、収納容器排気手段は、収納容器に外気（空気）を導入可能な空気供給装置、収納容器内のガスを排気配管の空気調圧弁下流に排出する収納容器排気通路、収納容器排気通路の開閉を調整可能な弁手段にて構成されることにより、外気を導入して収納容器内の水素濃度を低減できると同時に、空気供給装置の吐出圧力が高くできない場合でも比較的圧力が低い空気圧力調整弁下流にガスを排出できるため安価な装置とすることができる。また、排気通路上に流路の開閉を調整可能な弁手段を設けるため、一時的に収納容器内に貯留したガスを流量を調整しながら排出できるという効果がある。
【００４９】
また本実施例によれば、収納容器は、外気導入部に設置されて外気との気密性を保持可能な外気導入弁を備えたことにより、収納容器内にカソードオフガスを充填する際にも、水素を含んだカソードオフガスの収納容器外への流出を抑制することができるという効果がある。
【００５０】
また本実施例によれば、カソード内燃料濃度推定手段を備え、システム起動時において、カソード内燃料濃度推定手段により推定されるカソード内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを収納容器へ導入するか否かを判断するよう制御することにより、起動時にカソードオフガスを収納容器に導入する必要性を適切に判断することができ、不要な操作を低減できる。
【００５１】
また本実施例によれば、収納容器内燃料濃度推定手段を備え、推定されるカソード内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを収納容器へ導入するか否かを判断するよう制御することにより、カソードの水素濃度が高くても、収納容器排気手段により排出するガスにより処理可能な場合には、カソードオフガスを収納容器に導入せずにカソードの水素を処理することができ、不要な操作を低減できるという効果がある。
【００５２】
また本実施例によれば、カソード内燃料濃度推定手段および収納容器内燃料推定手段は、システム停止からの経過時間および経過時間を推定可能な手段、あるいは直接ないし間接的に燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置、あるいは直接ないしは間接的に燃料以外のガス濃度を測定するガス濃度測定装置であることにより、適切にカソードオフガス導入の必要性を、経過時間の場合は簡素な構成で、濃度測定装置の場合は正確に判断できるという効果がある。
【００５３】
さらに本実施例によれば、カソード圧力推定手段により推定されるカソード圧力に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止することにより、簡素な構成でスタック収納容器耐圧以下の範囲で安全に制御することができるという効果がある。
【実施例２】
【００５４】
次に、図８のシステム構成図、図９の制御フローチャートを参照して本発明の実施例２を説明する。本実施例の構成は、図１に示した実施例１の構成に対して、カソード２の水素濃度を検出するカソード水素濃度センサ２８ａ、及びスタックケース２０の水素濃度を検出するスタックケース水素濃度センサ２８ｂを追加した構成である。その他の構成は実施例１と同様である。
【００５５】
本実施例は、直接的または間接的な水素濃度推定手段として、水素濃度センサを、カソード内の水素濃度を測定可能な位置（例えばカソードマニホールド）およびスタックケース内の水素濃度を測定可能な位置（例えばスタックケース上面）に設置して、カソードおよびスタックケース内の水素濃度を推定するよう構成した実施例である。
【００５６】
実施例１では、前回運転停止後の経過時間Ｔｒに基づいて、カソード２及びスタックケース２０の水素濃度がＬＦＬを超えているか否かを判断したが、本実施例では、水素濃度センサ２８ａ、２８ｂにより、起動時にカソードおよびスタックケースの水素濃度を測定することができ、電解質膜およびスタックのセル間シール材の劣化により水素透過特性が想定外に変化した場合でも、確実にカソードオフガス導入手段によりカソードオフガスをスタックケースに導入するか否かを判断可能として、システム外に排出する水素濃度をＬＦＬ未満とすることができる。
【００５７】
ここで水素濃度センサ２８ａ、２８ｂは、熱伝導式水素センサ、接触燃焼式水素センサ、その他類似方式の水素濃度センサとする。
【００５８】
次に図９の制御フローチャートを説明する。図９において、Ｓ５０、Ｓ５２、Ｓ５４が実施例１と異なるので、異なるステップのみを説明する。
【００５９】
Ｓ１０の次に、Ｓ５０を実行する。Ｓ５０では、カソード水素濃度Ｄａｒを、カソードマニホールドに設置したカソード水素濃度センサ２８ａにより、またスタックケース水素濃度Ｄｃｒをスタックケース上面に設置したスタックケース水素濃度センサ２８ｂにより測定する。
【００６０】
次いで、Ｓ５２では、カソード水素濃度ＤａｒがＬＦＬを超えているか否かを式（５）で判断する。  
水素濃度Ｄａｒ＞基準濃度ＬＦＬ  …（５）
式（５）の関係が成り立つ場合は、Ｓ１６へ移行する。一方、式（５）が成り立たない場合はＳ５４へ移行する。
【００６１】
Ｓ５４では、スタックケース内の水素濃度ＤｃｒがＬＦＬを超えているかを式（６）で判断する。  
水素濃度Ｄｃｒ＞基準濃度ＬＦＬ  …（６）
式（６）の関係が成り立たない場合は、Ｓ３８へ移行する。一方、式（６）の関係が成り立つ場合はＳ１６へ移行し、カソード内の水素濃度がＬＦＬを超えていなくても、スタックケースにカソードオフガスを貯留する。これによりスタックケース換気を開始した時点で、煩雑な制御なしにカソードオフガスとスタックケース換気の混合気の水素濃度を確実にＬＦＬ以下にして排気できるようにする。
【００６２】
以上説明した本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、以下に示すような効果がある。
【００６３】
カソード内燃料濃度推定手段として水素センサを備え、システム起動時において、カソード内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを収納容器へ導入するか否かを判断するよう制御することにより、起動時にカソードオフガスを収納容器に導入する必要性を経年変化が生じても正確に判断することができ、不要な操作を低減できるという効果がある。
【００６４】
収納容器内燃料濃度推定手段として水素センサを備え、カソード内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを収納容器へ導入するか否かを判断するよう制御することにより、カソードの水素濃度が高くても、収納容器排気手段により排出するガスにより処理可能な場合には、カソードオフガスを収納容器に導入せずにカソードの水素を処理することができ、不要な操作を低減できるという効果がある。
【００６５】
カソード内燃料濃度推定手段および収納容器内燃料推定手段は、直接的ないし間接的に燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置、あるいは直接的ないしは間接的に燃料以外のガス濃度を測定するガス濃度測定装置であることにより、適切にカソードオフガス導入の必要性を、経過時間の場合は簡素な構成で、正確に判断できるという効果がある。
【００６６】
カソード圧力推定手段により推定されるカソード圧力に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止することにより、簡素な構成でスタック収納容器耐圧以下の範囲で安全に制御することができるという効果がある。
【実施例３】
【００６７】
次に、図１０のシステム構成図、図１１の制御フローチャートを参照して本発明の実施例３を説明する。本実施例の構成は、図１に示した実施例１の構成に対して、スタックケース２０に、スタックケース内圧力を推定するスタックケース圧力推定手段として、スタックケース圧力センサ２９ｂを追加した構成である。その他の構成は実施例１と同様である。
【００６８】
本実施例は、スタックケース圧力センサにより推定したスタックケース圧力に応じて、カソードオフガス導入を停止するよう構成した実施例であり、これによりカソードとスタックケースとの間で圧力応答遅れがある場合でも、確実にカソードオフガスをスタックケースに導入することができる。
【００６９】
次に図１１の制御フローチャートを説明する。図１１において、Ｓ６０以外は、実施例１と同じであり、Ｓ６０が実施例１のＳ２０と異なるので、異なるステップのみを説明する。
【００７０】
Ｓ６０では、スタックケース圧力センサ２９ｂが検出したスタックケース圧力Ｐｃがスタックケース基準充填圧力Ｐａｓ〔単位：ｋＰａ＿ｇ〕に達したか否かを式（７）で判断する。  
カソード圧力Ｐｃ≧基準充填圧力Ｐａｓ  …（７）
ここで、スタックケース基準充填圧力Ｐａｓは、実施例１と同じである。
【００７１】
スタックケース圧力Ｐｃがスタックケース基準充填圧力Ｐａｓに達していなければ、Ｓ６０を繰り返して待機する。その他は、実施例１と同様である。
【００７２】
本実施例によれば、実施例１，２の効果に加えて、収納容器に設置される収納容器圧力推定手段により推定される収納容器内の圧力に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止することにより、確実にスタック収納容器耐圧以下の範囲で安全に制御することができるという効果がある。
【実施例４】
【００７３】
次に、図１２のシステム構成図、図１３の制御フローチャートを参照して本発明の実施例４を説明する。本実施例の構成は、図１に示した実施例１の構成に対して、燃料電池スタック３の温度を測定する温度センサ３０を追加した構成である。その他の構成は実施例１と同様である。
【００７４】
本実施例は、実施例１に対して、空気供給配管１４に設置した、空気流量制御用のエアフローセンサ２７の検出値に基づいて推定されるカソード積算流量に応じて、カソードオフガス導入を停止するよう構成した実施例であり、これにより簡素な構成でカソード容積分の空気を供給したことが正確に把握できるため、確実に必要量のカソードオフガスをスタックケースに導入することができる。
【００７５】
次に図１３の制御フローチャートを説明する。図１３において、Ｓ７０以外は、実施例１と同じであり、異なるステップのみを説明する。
【００７６】
Ｓ７０において、起動時に空気供給装置から供給する空気流量の積算値△Ｑａｆ〔単位：ＮＬ〕が、スタックケース基準充填圧力Ｐａｓの時点でカソード容積Ｖａｓ〔単位：Ｌ〕に達したか否かを式（８）で判断する。
【００７７】
△Ｑａｆ×（（２７３．１５＋Ｔｐｓ）／２７３．１５）
×（Ｐａｓ／（Ｐａｓ＋１０１．３））≧  Ｖａｓ  …（８）
ここで、圧力Ｐａｓ時点でカソード容積Ｖａｓは、カソード圧力に応じて圧縮されることによる温度上昇も想定されるが、供給空気の熱容量に対して燃料電池スタック３の熱容量が十分大きいため、カソード内の空気は燃料電池スタック３の温度と等しいとしてＶａｓを求めてある。この燃料電池スタック３の温度Ｔｐｓ〔単位：℃〕は、燃料電池スタック３に設置される温度センサ３０により、運転ＳＷ−ＯＮ時（Ｓ１０）に測定しておく。
【００７８】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池スタックへのカソードガス供給配管、あるいは空気圧力調整弁の上流側の排気配管に設置されるカソード流量推定手段により推定されるカソード流量に応じて、カソードオフガス導入手段による収納容器へのカソードオフガス導入を停止することにより、外気導入弁を開けた状態で収納容器内圧力を低圧力で導入する場合でも、必要なカソードオフガス導入量を確保できるという効果がある。
【実施例５】
【００７９】
次に、図１４のシステム構成図、図１５の制御フローチャートを参照して本発明の実施例５を説明する。本実施例の構成は、図１に示した実施例１の構成に対して、燃料電池スタック３の温度を測定する温度センサ３０と、カソードオフガス導入配管２２の水素濃度を推定する水素濃度推定手段として、例えば水素センサ２８ｃとを追加した構成である。その他の構成は実施例１と同様である。水素センサは、熱伝導式水素センサ、接触燃焼式水素センサ、その他類似方式の水素濃度センサとする。
【００８０】
本実施例は、水素センサを設置し、カソードオフガス中の水素濃度に応じて、カソードオフガス導入を停止するよう構成した実施例であり、これにより、カソードオフガスの水素濃度がＬＦＬ未満となった時点でスタックケースへのカソードオフガス導入を停止できるので、カソードオフガス導入時間の短縮およびカソードオフガス導入制御を簡素化できると同時に、スタックケースへの圧力負荷頻度を減らせるために、スタックケースの耐久性を向上させることができる。
【００８１】
次に図１５の制御フローチャートを説明する。図１５において、Ｓ８０と、Ｓ２６以外は、実施例１と同じであり、異なるステップのみを説明する。
【００８２】
Ｓ８０では、水素センサ２８ｃが検出したカソードオフガス水素濃度Ｄｃｏ〔単位：％〕が基準濃度ＬＦＬを下回ったか否かを判断するため、式（９）が成立するか否かを判断する。式（９）が成立しなければ、Ｓ８０を繰り返して待機する。式（９）が成立すれば、Ｓ２２へ進む。  
カソードオフガス水素濃度Ｄｃｏ＜基準濃度ＬＦＬ  …（９）
Ｓ２６では、スタックケース換気排気弁２３の開度を調整することは実施例１と同様であるが、図示しないスタックケース内の圧力を推定するスタックケース圧力推定手段（例えば圧力センサ）を設置して、推定したスタックケース圧力Ｐｃ〔単位：ｋＰａ＿ｇ〕に応じてスタックケース換気排気弁２３の開度を調整する。その際スタックケース換気排気弁から排出されるガス流量Ｑｃｅ〔単位：ＮＬ／ｍｉｎ〕は、スタックケース内圧力Ｐｃにおいて、カソードオフガス導入停止後のカソードオフガス流量Ｑｃｏ‘〔単位：ＮＬ／ｍｉｎ〕に対して次式（１０）が成立するよう開度調整を行う。  
Ｑｃｅ／（Ｑｃｅ＋Ｑｃｏ‘）  ＜  （ＬＦＬ／１００）  …（１０）
以上説明した本実施例によれば、実施例１，２の効果に加えて、燃料濃度推定手段により収納容器に導入されるカソードオフガス中の燃料濃度に応じて、収納容器へのカソードオフガス導入を停止することにより、必要以上のカソードオフガス導入を行わないよう制御できるという効果がある。
【実施例６】
【００８３】
次に、図１６のシステム構成図、図１７の制御フローチャート、図１８のタイムチャート、図１９のグラフを参照して、本発明の実施例６を説明する。
【００８４】
本実施例の構成は、図１の実施例１の構成に対して、スタックケース内水素濃度推定手段２８ｂ（例えば水素センサ）により推定されるスタックケース内の水素濃度に応じて、スタックケース換気排気弁２３の開度を調整するよう構成された実施例であり、スタックケース内の水素濃度に応じて、予め実験的に求められるスタックケース換気排気弁の開速度に応じて調整する（図１９参照）。これにより、必要に応じて短時間でスタックケース換気を排気して通常運転に早期に移行可能となる。
【００８５】
次に図１７の制御フローチャートを説明する。図１７において、実施例１のフローチャートに対して、Ｓ９０と、Ｓ９２が追加されている。その他のステップは、実施例１と同じであり、異なるステップのみを説明する。
【００８６】
Ｓ９０では、スタックケース２０内の水素濃度を水素センサ２８ｂにより計測する。次いで、Ｓ９２では、スタックケース水素濃度に応じてスタックケース換気排気弁２３の要求開速度を図１９のような制御マップに基づいて選定する。
【００８７】
図１９の制御マップは、スタックケース内の水素濃度が４％（ＬＦＬ）以下である場合には、開速度を最大速度とし、スタックケース内の水素濃度が４％を超える場合には、４％を超える幅に比例する低下幅で、開速度を最大速度から低下させる制御マップである。この水素濃度が４％を超える幅に比例する開速度の低下幅は、スタックケース２０の内容量、スタックケース換気排気配管２４の断面積及び長さ、空気供給装置５の供給能力、カソード２の空気抵抗、空気圧力調整弁１５の開度等により変化する。このため、スタックケース２０から排出される種々の水素濃度のガスが、空気圧力調整弁１５を介したカソードオフガスにより水素濃度が４％未満に希釈される開速度を実験的に求めて、制御マップとして予めシステムコントローラ７に記憶させておくものとする。
【００８８】
以上説明した本実施例によれば、実施例１，２の効果に加えて、収納容器内燃料濃度推定手段により推定される収納容器内の燃料濃度、および収納容器内圧力推定手段により推定される収納容器内圧力に応じて、収納容器排気手段により排出する排気流量を調整することにより、収納容器内に貯留するガスの水素濃度が高い場合でも、適切に処理しつつ排出することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】実施例１のシステム構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１の動作を説明する制御フローチャートである。
【図３】運転停止後の経過時間と水素濃度との関係例を示す図である。
【図４】実施例１におけるカソードオフガス導入時のガスの流を説明する図である。
【図５】実施例１におけるスタックケース排出時のガスの流を説明する図である。
【図６】実施例１の動作を説明するタイムチャートである。
【図７】カソード／スタックケース容積とスタックケース耐圧の関係を示す図である。
【図８】実施例２のシステム構成を説明するシステム構成図である。
【図９】実施例２の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１０】実施例３のシステム構成を説明するシステム構成図である。
【図１１】実施例３の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１２】実施例４のシステム構成を説明するシステム構成図である。
【図１３】実施例４の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１４】実施例５のシステム構成を説明するシステム構成図である。
【図１５】実施例５の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１６】実施例６のシステム構成を説明するシステム構成図である。
【図１７】実施例６の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１８】実施例６の動作を説明するタイムチャートである。
【図１９】実施例６のスタックケース換気排気弁の開速度を制御する制御マップの例である。
【符号の説明】
【００９０】
１  アノード
２  カソード
３  燃料電池スタック
４  水素供給装置
５  空気供給装置
６  アノードオフガス循環装置
７  システムコントローラ
９  カソードマニホールド
１０  アノードマニホールド
１１  水素供給配管
１２  アノードオフガス循環配管
１３  アノードオフガス排出配管
１４  空気供給配管
１５  空気圧力調整弁
１６  カソードオフガス排気配管
１９  パージ弁
２０  スタックケース
２１  カソードオフガス導入弁
２２  カソードオフガス導入配管
２３  スタックケース換気排気弁
２４  スタックケース換気排気配管
２５  スタックケース換気供給弁
２６  スタックケース換気供給配管
２７  エアフローセンサ
２８  水素センサ
２９  圧力センサ
３０  温度センサ
５０  燃料電池システム
【図１】
2009021076.tif 000003
【図２】
2009021076.tif 000004
【図３】
2009021076.tif 000005
【図４】
2009021076.tif 000006
【図５】
2009021076.tif 000007
【図６】
2009021076.tif 000008
【図７】
2009021076.tif 000009
【図８】
2009021076.tif 000010
【図９】
2009021076.tif 000011
【図１０】
2009021076.tif 000012
【図１１】
2009021076.tif 000013
【図１２】
2009021076.tif 000014
【図１３】
2009021076.tif 000015
【図１４】
2009021076.tif 000016
【図１５】
2009021076.tif 000017
【図１６】
2009021076.tif 000018
【図１７】
2009021076.tif 000019
【図１８】
2009021076.tif 000020
【図１９】
2009021076.tif 000021