(57)【要約】【課題】水素排ガスをパージする際に、水分を確実に排出しつつ水素排ガスの排出量を低減でき、さらに小型化を実現できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、水素ガスとエアとを反応させて発電する燃料電池１０と、この燃料電池１０のアノード側から排出される水素排ガスを、再び、燃料電池１０のアノード側に供給する水素排出路４４と、燃料電池１０のカソード側から排出されるエア排ガスを外部に排出するエア排出路４２と、を備える。さらに、水素チャンバ２５と、水素排出路４４と水素チャンバ２５とを連通しかつチャンバ制御弁４６１が設けられた第１チャンバ流路４６と、水素チャンバ２５とエア排出路４２とを連通しかつ排出制御弁４７１が設けられた第２チャンバ流路４７と、を備える。【選択図】図５
2009146656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを前記アノード側に供給する水素循環流路と、
前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤排ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムであって、
水素チャンバと、
前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、
前記水素チャンバと前記酸化剤ガス排出流路とを連通しかつ排出制御弁が設けられた第２チャンバ流路と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを前記アノード側に供給する水素循環流路と、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤オフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
水素チャンバと、前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、前記水素チャンバと前記酸化剤ガス排出流路とを連通しかつ排出制御弁が設けられた第２チャンバ流路と、を設け、
前記排出制御弁を閉鎖するとともに前記チャンバ制御弁を開放する第１ステップと、
前記水素チャンバ内の圧力が前記酸化剤排出流路の圧力よりも高い所定圧力に到達すると、前記チャンバ制御弁を閉鎖する第２ステップと、
前記排出制御弁を開放し、前記水素チャンバおよび前記酸化剤ガス排出流路の圧力差を利用して、前記水素チャンバ内に貯留された水素排ガスを前記酸化剤ガス排出流路に排出する第３ステップと、を備え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３】
請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記第３ステップでは、前記排出制御弁を開放する際に、前記酸化剤ガス排出流路のうち前記第２チャンバ流路との合流点よりも下流側の水素濃度に基づいて、前記排出制御弁の開度を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４】
請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記第３ステップでは、前記排出制御弁を開放する際に、前記水素チャンバ内の圧力と前記酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤排ガスの流量とに基づいて、前記排出制御弁の開度を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５】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを前記アノード側に供給する水素循環流路と、
前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤排ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムであって、
水素チャンバと、
前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを前記アノード側に供給する水素循環流路と、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤オフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
水素チャンバと、前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、前記水素チャンバと前記酸化剤ガス排出流路とを連通しかつ排出制御弁が設けられた第２チャンバ流路と、を設け、
前記水素循環経路内の圧力を上昇させる第１ステップと、
前記チャンバ制御弁を開放し、前記水素チャンバ内の圧力が第１圧力に到達すると、前記チャンバ制御弁を閉鎖する第２ステップと、
前記水素循環経路内の圧力を前記第１圧力よりも低い第２圧力まで低下させる第３ステップと、
前記チャンバ制御弁を開放し、前記水素チャンバ内の圧力が前記第１圧力よりも低く前記第２圧力より高い第３圧力に到達すると、前記チャンバ制御弁を閉鎖する第４ステップと、を備え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、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に水素ガスを供給し、カソード電極に酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。
【０００５】
以上の燃料電池システムでは、アノード系内の不純物および燃料電池内の水分を排出するために、水素パージが行われる（特許文献１参照）。水素パージとは、希釈装置を用いて、不純物を含む水素排ガスを排ガスに混合して希釈し、水素濃度を安全なレベルまで低下させて、大気に排出する処理である。
【特許文献１】特開２００３−１３２９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水素パージの際、水素循環流路内の水分を排出するため、ある程度の量の水素排ガスを一気に排出する必要がある。
しかしながら、希釈装置の容量が決まっているため、この希釈装置の容量に基づいてパージ量を調節することとなり、水分を確実に排出できない場合があった。
【０００７】
そこで、ある程度の量の水素排ガスを一気に排出できるように、希釈装置の容量を増大させる手法が考えられるが、この手法では、希釈装置が大型化する、という問題がある。
また、一度に多量の水素排ガスをパージすると、循環して再利用可能な水素濃度の高い水素排ガスを大気に排出することになり、エネルギ効率が低下する、という問題がある。
【０００８】
本発明は、水素排ガスをパージする際に、水分を確実に排出しつつ水素排ガスの排出量を低減でき、さらに小型化を実現できる燃料電池システム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】
【０００９】
本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを、再び、前記燃料電池のアノード側に供給する水素循環流路（例えば、後述の水素排出路４４）と、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤排ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路（例えば、後述のエア排出路４２）と、を備える燃料電池システムであって、水素チャンバ（例えば、後述の水素チャンバ２５）と、前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁（例えば、後述のチャンバ制御弁４６１）が設けられた第１チャンバ流路（例えば、後述の第１チャンバ流路４６）と、前記水素チャンバと前記酸化剤ガス排出流路とを連通しかつ排出制御弁（例えば、後述の排出制御弁４７１）が設けられた第２チャンバ流路（例えば、後述の第２チャンバ流路４７）と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、水素チャンバに水素排ガスを貯留し、その後、この貯留した水素排ガスを水素循環流路に戻す処理ができる（以降、第１の水素排ガス処理と呼ぶ）。また、水素チャンバに水素排ガスを貯留し、その後、この貯留した水素排ガスを酸化剤排出流路に排出する処理もできる（以降、第２の水素排ガス処理と呼ぶ）。
【００１１】
以下、第１の水素排ガス処理について説明する。
まず、水素チャンバ内の圧力を水素循環流路内の圧力よりも低くしておき、排出制御弁を閉鎖するとともにチャンバ制御弁を開放する。すると、第１チャンバ流路を介して、水素循環流路内の水素排ガスが水素チャンバに流入し、同時に、水素排ガスの圧力脈動により、水素排ガスに含まれる水分も水素チャンバに流入する。これにより、燃料電池および水素循環流路内の水分を確実に水素チャンバに排出できる。
【００１２】
次に、チャンバ制御弁を閉鎖する。これにより、水素排ガスを水素チャンバ内に貯留する。
【００１３】
その後、水素チャンバ内の圧力を水素循環流路内の圧力よりも高くしておき、チャンバ制御弁を開放する。すると、水素チャンバ内の水素排ガスは、再び水素循環流路に流入する。このとき、水素排ガスに含まれる水分のみが水素チャンバ内に残留する。よって、従来のように水分を排出するために多量の水素排ガスを一気に排出する必要がないので、水素排ガスの排出量を低減できる。
【００１４】
また、水素チャンバ内に水素排ガスを貯留する際に、水素チャンバ内の圧力を水素循環流路の圧力に近い圧力、つまり、ある程度高い圧力にできるから、希釈装置を利用した場合に比べて、容積を効率よく利用して、物理的に多くの水素排ガスを貯留できる。よって、システムの小型化を実現できる。
【００１５】
以下、第２の水素排ガス処理について説明する。
水素チャンバに水素排ガスを貯留するまでの手順は、第１の制御方法と同様である。
水素チャンバに水素排ガスを貯留した後、酸化剤排ガス流路内の圧力を水素チャンバ内の圧力をよりも低くしておき、排出制御弁を開放し、第２チャンバ流路を介して、水素排ガスを徐々に酸化剤排ガス流路に排出する。これにより、従来のように水分を排出するために多量の水素排ガスを一気に排出する必要がないので、水素排ガスの排出量を低減できる。
また、水素排ガスと酸化剤排ガスとの圧力差を利用して、水素排ガスを酸化剤排ガスに混合できるので、水素濃度を容易に制御できる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを、再び、前記燃料電池のアノード側に供給する水素循環流路と、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤オフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、水素チャンバと、前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、前記水素チャンバと前記酸化剤ガス排出流路とを連通しかつ排出制御弁が設けられた第２チャンバ流路と、を設け、前記排出制御弁を閉鎖するとともに前記チャンバ制御弁を開放する第１ステップと、前記水素チャンバ内の圧力が前記酸化剤排出流路の圧力よりも高い所定圧力に到達すると、前記チャンバ制御弁を閉鎖する第２ステップと、前記排出制御弁を開放し、前記水素チャンバおよび前記酸化剤ガス排出流路の圧力差を利用して、前記水素チャンバ内に貯留された水素排ガスを前記酸化剤ガス排出流路に排出する第３ステップと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
所定圧力は、水素循環流路の圧力以下であり、かつ、酸化剤ガス排出流路の圧力よりも高ければ適宜設定されてよい。ここで、所定圧力を水素循環流路の圧力に近づけるほど、水素チャンバ内に貯留された水素排ガスを酸化剤ガス排出流路に排出する際に、圧力差を有効に利用できる。
【００１８】
この発明によれば、上述の効果と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
この場合、前記第３ステップでは、前記排出制御弁を開放する際に、前記酸化剤ガス排出流路のうち前記第２チャンバ流路との合流点よりも下流側の水素濃度に基づいて、前記排出制御弁の開度を制御することが好ましい。
【００２０】
この発明によれば、排出制御弁を開放する際に、水素排ガスを酸化剤排ガスに混合した後の水素濃度に基づいて、排出制御弁の開度を制御したので、外部に排出されるガスの水素濃度を精度よく制御できる。
【００２１】
この場合、前記第３ステップでは、前記排出制御弁を開放する際に、前記水素チャンバ内の圧力と前記酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤排ガスの流量とに基づいて、前記排出制御弁の開度を制御することが好ましい。
【００２２】
チャンバ内の水素濃度が判明していれば、水素チャンバ内の圧力と酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤排ガスの流量とに基づいて、水素排ガスを酸化剤排ガスに混合した後の水素濃度を算出できる。
よって、この発明によれば、排出制御弁を開放する際に、水素チャンバ内の圧力と酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤排ガスの流量とに基づいて、排出制御弁の開度を制御したので、外部に排出されるガスの水素濃度を精度よく制御できる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを、再び、前記燃料電池のアノード側に供給する水素循環流路と、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤排ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムであって、水素チャンバと、前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、を備えることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、上述の第１の水素排ガス処理と同様の効果がある。
【００２５】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノード側から排出される水素排ガスを、再び、前記燃料電池のアノード側に供給する水素循環流路と、前記燃料電池のカソード側から排出される酸化剤オフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、水素チャンバと、前記水素循環流路と前記水素チャンバとを連通しかつチャンバ制御弁が設けられた第１チャンバ流路と、前記水素チャンバと前記酸化剤ガス排出流路とを連通しかつ排出制御弁が設けられた第２チャンバ流路と、を設け、前記水素循環経路内の圧力を上昇させる第１ステップと、前記チャンバ制御弁を開放し、前記水素チャンバ内の圧力が第１の圧力値に到達すると、前記チャンバ制御弁を閉鎖する第２ステップと、前記水素循環経路内の圧力を前記第１圧力値よりも低い第２の圧力値まで低下させる第３ステップと、前記チャンバ制御弁を開放し、前記水素チャンバ内の圧力が前記第１の圧力値よりも低く前記第２圧力値以上の第３の圧力値に到達すると、前記チャンバ制御弁を閉鎖する第４ステップと、を備えることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、上述の第１の水素排ガス処理と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、水素チャンバに水素排ガスを貯留し、その後、この貯留した水素排ガスを水素循環流路に戻す処理ができる。また、水素チャンバに水素排ガスを貯留し、その後、この貯留した水素排ガスを酸化剤排出流路に排出する処理もできる。これにより、燃料電池および水素循環流路内の水分を確実に水素チャンバに排出できる。また、従来のように水分を排出するために多量の水素排ガスを一気に排出する必要がないので、水素排ガスの排出量を低減できる。また、水素排ガスと酸化剤排ガスとの圧力差を利用して、水素排ガスを酸化剤排ガスに混合できるので、水素濃度を容易に制御できる。また、希釈装置を利用した場合に比べて、容積を効率よく利用して、物理的に多くの水素排ガスを貯留できる。よって、システムの小型化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、車両に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２０と、これらを制御する制御装置３０と、を有する。
【００２９】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸化剤ガスとしての酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
【００３０】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するエアポンプ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２４と、燃料電池１０から排出されるガスを処理する希釈器２３と、水素チャンバ２５と、を含んで構成される。
【００３１】
エアポンプ２１は、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
【００３２】
燃料電池１０のカソード電極側には、外部に連通する酸化剤ガス排出流路としてのエア排出路４２が接続され、このエア排出路４２の途中には、上述の希釈器２３が設けられる。
【００３３】
水素タンク２２は、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。
水素供給路４３には、上流側から順に、１次レギュレータ４３１、遮断弁４３２、２次レギュレータ４３３、熱交換器４３４、およびエゼクタ２４が設けられる。
【００３４】
燃料電池１０のアノード電極側には、水素循環流路としての水素排出路４４が接続され、この水素排出路４４は、希釈器２３に接続される。この水素排出路４４には、パージ弁４４１が設けられている。また、水素排出路４４のうちパージ弁４４１よりも燃料電池１０側では、水素排出路４４が分岐されて水素還流路４５となり、この水素還流路４５は、上述のエゼクタ２４に接続されている。また、水素還流路４５には、水素ガスの逆流を防止する逆止弁４５１が設けられている。
【００３５】
水素排出路４４には、第１チャンバ流路４６が接続され、この第１チャンバ流路４６は、水素排出路４４と水素チャンバ２５とを連通する。また、この第１チャンバ流路４６には、チャンバ制御弁４６１が設けられる。このチャンバ制御弁４６１の構造としては、ソレノイドなどの電動アクチュエータで作動するバルブ、圧力差により動作するレギュレータ、および、逆止弁などが挙げられる。
【００３６】
エゼクタ２４は、燃料電池１０から水素排出路４４に排出された水素オフガスを、水素還流路４５を通して回収し、水素供給路４３に還流する。
【００３７】
制御装置３０は、第１の水素排ガス処理部３１を備え、供給装置２０を制御して燃料電池１０を発電させるほか、この第１の水素排ガス処理部３１により、燃料電池１０から排出される水素排ガスを処理する。
【００３８】
具体的には、制御装置３０は、以下の手順で燃料電池１０を発電させる。
すなわち、パージ弁４４１を閉じるとともに、遮断弁４３２を開く。そして、エアポンプ２１を駆動することにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。同時に、水素タンク２２から、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。
【００３９】
燃料電池１０に供給された水素排ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路４４およびエア排出路４２に流入する。パージ弁４４１は閉じているので、水素排出路４４に流れた水素排ガスは、水素還流路４５を通って水素供給路４３に還流されて、再び、燃料電池に供給される。
【００４０】
その後、パージ弁４４１を適当な開度で開くことにより、水素排出路４４に排出された水素排ガスは、希釈器２３に流入する。この希釈器２３に流入した水素排ガスは、希釈器２３において、エア排出路４２を流れるエア排ガスで希釈されて、外部に排出される。
【００４１】
第１の水素排ガス処理部３１の動作を、図２のフローチャートを用いて説明する。
ＳＴ１では、水素排出路４４内の圧力を第１の圧力値まで上昇させる。この第１の圧力値は、水素チャンバ内の圧力値よりも高い値である。
ＳＴ２では、チャンバ制御弁４６１を開放する。すると、水素排出路４４内の水素排ガスが水素チャンバ２５に流入するので、水素チャンバ２５内の圧力が上昇する。
【００４２】
ＳＴ３では、水素チャンバ２５内の圧力が水素排出路４４内の圧力つまり第１の圧力値に到達したか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ＳＴ２に戻り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ４に移る。
ＳＴ４では、チャンバ制御弁４６１を閉鎖し、水素排出路４４内の圧力が第１の圧力値よりも低い第２の圧力値まで低下させる。これにより、水素チャンバ内の圧力を水素循環流路内の圧力よりも高くする。
【００４３】
ＳＴ５では、チャンバ制御弁４６１を開放する。すると、水素チャンバ２５内の水素ガスが水素排出路４４内に流入するので、水素排出路４４内の圧力が上昇する。
ＳＴ６では、水素チャンバ２５内の圧力が第１の圧力値よりも低く第２の圧力値以上の第３の圧力値、ここでは第２の圧力値に到達したか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ＳＴ５に戻り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ７に移る。
ＳＴ７では、チャンバ制御弁４６１を閉鎖する。
【００４４】
図３は、第１の水素排ガス処理部３１の動作のタイミングチャートである。
時刻ｔ１からｔ２の期間、水素排出路４４内の圧力が第２の圧力値から第１の圧力値まで上昇する。
時刻ｔ３では、チャンバ制御弁４６１を開放する。すると、水素排出路４４内の水素排ガスが水素チャンバ２５に流入するので、水素チャンバ２５内の圧力が上昇する。
時刻ｔ４では、水素チャンバ２５内の圧力が水素排出路４４内の圧力つまり第１の圧力値に到達したので、チャンバ制御弁４６１を閉鎖する。
時刻ｔ５からｔ６の期間、水素排出路４４内の圧力を第２の圧力値まで低下させる。
【００４５】
時刻ｔ７では、チャンバ制御弁４６１を開放する。すると、水素チャンバ２５内の水素ガスが水素排出路４４内に流入するので、水素排出路４４内の圧力が上昇する。ここで、水素チャンバ２５内の水素ガスを水素排出路４４内に徐々に流入させるため、チャンバ制御弁４６１の開放および閉鎖を繰り返す。
時刻ｔ８では、水素チャンバ２５内の圧力が第２の圧力値に到達したので、チャンバ制御弁４６１を完全に閉鎖する。
【００４６】
図４は、水素排出路内の圧力と水素チャンバに貯留可能な水素ガス量との関係を示す図である。
図４に示すように、水素排出路内の圧力が上昇するに従って、水素チャンバに貯留可能な水素ガス量も増加する。よって、水素排出路内の圧力を高めることで、水素チャンバの容積を効率よく利用して、物理的に多くの水素排ガスを貯留でき、システムの小型化を実現できることが判る。
【００４７】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）まず、水素チャンバ２５内の圧力を水素排出路４４内の圧力よりも低くしておき、チャンバ制御弁２５を開放する。すると、第１チャンバ流路４６を介して、水素排出路４４内の水素排ガスが水素チャンバ２５に流入し、同時に、水素排ガスの圧力脈動により、水素排ガスに含まれる水分も水素チャンバ２５に流入する。これにより、燃料電池１０および水素排出路４４内の水分を確実に水素チャンバ２５に排出できる。
【００４８】
次に、チャンバ制御弁４６１を閉鎖する。これにより、水素排ガスを水素チャンバ２５内に貯留する。
【００４９】
その後、水素チャンバ２５内の圧力を水素排出路４４内の圧力よりも高くしておき、チャンバ制御弁４６１を開放する。すると、水素チャンバ２５内の水素排ガスは、再び水素排出路４４に流入する。このとき、水素排ガスに含まれる水分のみが水素チャンバ２５内に残留する。よって、従来のように水分を排出するために多量の水素排ガスを一気に排出する必要がないので、水素排ガスの排出量を低減できる。
【００５０】
また、水素チャンバ２５内に水素排ガスを貯留する際に、水素チャンバ２５内の圧力を水素排出路４４の圧力に近い圧力、つまり、ある程度高い圧力にできるから、希釈装置を利用した場合に比べて、容積を効率よく利用して、物理的に多くの水素排ガスを貯留できる。よって、システムの小型化を実現できる。
【００５１】
〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａのブロック図である。
本実施形態では、希釈器２３が設けられておらず、第２チャンバ流路４７が設けられている点、および制御装置３０Ａの構成が、第１実施形態と異なる。
【００５２】
具体的には、水素チャンバ２５は、第２チャンバ流路４７を介して、エア排出路４２に接続されている。すなわち、この第２チャンバ流路４７は、水素チャンバ２５とエア排出路４２とを連通する。この第２チャンバ流路４７には、排出制御弁４７１が設けられる。この排出制御弁４７１の構造は、チャンバ制御弁４６１と同様である。
また、エア排出路４２のうち第２チャンバ流路４７との合流点よりも下流側には、水素濃度を検出する濃度センサ４２１が設けられる。
【００５３】
制御装置３０Ａは、第１の水素排ガス処理部３１に加えて、第２の水素排ガス処理部３２を備えており、第１の水素排ガス処理部３１または第２の水素排ガス処理部３２を選択的に動作させる。
なお、第１の水素排ガス処理部３１を動作させる場合には、排出制御弁４７１を閉じた状態で動作させる。
【００５４】
第２の水素排ガス処理部３２の動作を、図６のフローチャートを用いて説明する。
ＳＴ１では、水素チャンバ２５内の圧力を水素排出路４４内の圧力よりも低くしておき、排出制御弁４７１を閉鎖して、チャンバ制御弁４６１を開放する。すると、水素排出路４４内の水素排ガスが水素チャンバ２５に流入するので、水素チャンバ２５内の圧力が上昇する。
ＳＴ２では、水素チャンバ２５内の圧力が水素排出路４４内の圧力に到達したか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ＳＴ１に戻り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ３に移る。
【００５５】
ＳＴ３では、チャンバ制御弁４６１を閉鎖する。
ＳＴ４では、エア排出路４２内の圧力を水素チャンバ２５内の圧力をよりも低くしておき、排出制御弁４７１を開放する。すると、水素チャンバ２５内の水素ガスがエア排出路４２内に流入するので、水素チャンバ２５内の圧力が低下する。ここで、濃度センサ４２１で検出した水素濃度に基づいて、排出制御弁４７１の開度を制御する。
ＳＴ５では、水素チャンバ２５内の圧力がエア排出路４２内の圧力値に到達したか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、ＳＴ４に戻り、ＹＥＳの場合には、ＳＴ６に移る。
ＳＴ６では、排出制御弁４７１を閉鎖する。
【００５６】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（２）水素チャンバ２５に水素排ガスを貯留した後、水素チャンバ２５内の圧力をエア排出路４２内の圧力よりも高くしておき、排出制御弁４７１を開放し、第２チャンバ流路４７を介して、水素排ガスを徐々にエア排出路４２に排出する。これにより、従来のように水分を排出するために多量の水素排ガスを一気に排出する必要がないので、水素排ガスの排出量を低減できる。
また、水素排ガスと酸化剤排ガスとの圧力差を利用して、水素排ガスを酸化剤排ガスに混合できるので、水素濃度を容易に制御できる。
【００５７】
（３）排出制御弁４７１を開放する際に、水素排ガスをエア排ガスに混合した後の水素濃度に基づいて、排出制御弁４７１の開度を制御することになるので、外部に排出されるガスの水素濃度を精度よく制御できる。
【００５８】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本発明の第２実施形態では、排出制御弁４７１を開放する際に、濃度センサ４２１を設けて、この濃度センサ４２１で検出した水素濃度に基づいて、排出制御弁４７１の開度を制御したが、これに限らない。
【００５９】
すなわち、濃度センサ４２１の代わりに、水素チャンバ内の圧力を検出する圧力センサと、エア排出路４２を流れるエア排ガスの流量を検出する流量センサと、を設けて、この圧力センサで検出した水素チャンバ内の圧力と、流量センサで検出したエア排出路４２を流れるエア排ガスの流量と、に基づいて、排出制御弁の開度を制御してもよい。
このようにしても、外部に排出されるガスの水素濃度を精度よく制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池システムの第１の水素排ガス処理のフローチャートである。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムの第１の水素排ガス処理のタイミングチャートである。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池システムの水素循環流路内の圧力と水素チャンバに貯留可能な水素ガス量との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図６】前記実施形態に係る燃料電池システムの第２の水素排ガス処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１、１Ａ  燃料電池システム
１０    燃料電池
２５    水素チャンバ
４２    エア排出路（酸化剤ガス排出流路）
４４    水素排出路（水素循環流路）
４６    第１チャンバ流路
４７    第２チャンバ流路
４６１  チャンバ制御弁
４７１  排出制御弁
【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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【図６】
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