JP2008300261A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要以上にパージするのを防止することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】アノード循環流路内に水分が発生しているかどうか推定し（Ｓ４００）、アノード循環流路内に水分が発生している場合には（Ｓ５００、Ｙｅｓ）、常温用定期パージを実行し（Ｓ６００）、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していない場合には（Ｓ５００、Ｎｏ）、低温用定期パージを実行する。常温用定期パージでは、パージの間隔を所定時間１とし、パージ弁の開弁時間を所定時間２とする。低温用定期パージでは、パージの間隔を、所定時間１より長い所定時間３とし、開弁時間を、所定時間２より短い所定時間４に変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アノード循環流路を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池システムでは、例えば水素（燃料ガス）を有効利用するために、燃料電池から排出された未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させるように構成した水素循環系を備えている。また、燃料電池は水素と酸素との電気化学反応により発電し、同時にカソード側では水が生成される。このため、発電中においては、燃料電池の電解質膜を通してカソード側からアノード側に、生成水や空気（酸化ガス）に含まれる窒素などの不純物が透過して発電性能を低下させる問題があった。そこで、水素循環系内の生成水や不純物を排出するために定期的にパージ弁を開弁して発電性能を確保することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２４３４１７号公報（段落００２８、図１および図４）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の技術では、一定のインターバルや排出量で定期的なパージを行っていたため、無駄にパージを行う場合があるという問題があった。つまり、通常のパージでは、水素循環系内に発生した生成水を飛ばす役割（必要頻度高い）と、水素循環系内に発生した窒素を排出して水素濃度を高める役割（必要頻度低い）とがある。ところが、燃料電池システムを低温の状態から起動した場合には、水素循環系内に生成水が発生しない場合があり、その場合に生成水の排出も含めたパージを実行すると、無駄なパージが行われることになる。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、必要以上にパージが行われるのを防止することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、カソードガス供給手段によりカソード流路にカソードガスが、アノードガス供給手段によりアノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードガスと前記アノードガス供給手段により供給されたアノードガスとを混合して再び前記燃料電池に供給するアノード循環流路と、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を外部に放出するパージ弁と、を備え、前記燃料電池の発電開始後、定期的に前記パージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁することにより、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を排出する定期パージ制御を行う燃料電池システムにおいて、前記アノード循環流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、前記アノード側水分発生有無判定手段により得られる判定値に基づいて前記第１所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、アノード側水分発生有無判定手段によってアノード循環流路内に水分が発生しているかどうかを把握できるので、第１所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。これにより、必要以上にパージが行われるのを防止できるので、燃料（アノードガス）の無駄使いが防止されて燃料効率の向上が図れる。

請求項２に係る発明は、前記アノード側水分発生有無判定手段により得られる判定値に基づいて前記第２所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、アノード循環流路内に水分が発生していないときは、窒素のみを排出すればよいため、第２所定時間を短くしてもアノード流路内の水素濃度を高めることが可能になる。これにより、必要以上のパージによる燃料の無駄使いを防止して燃料効率の向上が図れる。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記制御を行わないことを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、常温で起動したときには、アノード循環流路内にも水分が発生しているので、パージ間隔（第１所定時間）およびパージ時間（第２所定時間）を変更しないため、確実にアノード循環流路内の不純物を排出することができ、発電性能が安定する。

請求項４に係る発明は、希釈ガスが供給され、前記パージ弁から排出されたアノードガスおよび不純物を希釈して排出する希釈装置と、前記希釈装置に供給される希釈ガスの積算量を検出する希釈ガス積算量検出手段と、前記希釈ガス積算量検出手段により検出された希釈ガスの積算量に基づいて、前記定期パージ制御の実行可否判断を行うパージ許可判断手段と、を備え、前記希釈ガスの積算量が所定量未満の場合には、前記希釈ガスの積算量が前記所定量以上になるまで前記パージ弁の開弁を禁止することを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、希釈ガスの積算量が所定量未満の場合にはパージ弁を開弁することを禁止するため、燃料電池システムから外部（大気）に排出されるアノードガスの濃度を確実に低下させて排出することが可能になる。

請求項５に係る発明は、カソードガス供給手段によりカソード流路にカソードガスを、アノードガス供給手段によりアノード流路にアノードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードガスと前記アノードガス供給手段により供給されたアノードガスとを混合して再び燃料電池に供給するアノード循環流路と、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を外部に放出するパージ弁と、を備え、前記燃料電池の発電開始後、定期的に前記パージ弁を第１所定時間の間隔で前記第２所定時間開弁することにより、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を排出する定期パージ制御を行う燃料電池システムにおいて、前記アノード循環流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、前記アノード側水分発生有無判定手段により得られた判定値に基づいて前記第２所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、アノード側水分発生有無判定手段によってアノード循環流路内に液滴が発生しているかどうかを把握できるので、第２所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。これにより、必要以上にパージが行われるのを防止できるので、燃料（アノードガス）の無駄使いが防止されて燃料効率の向上が図れる。

請求項６に係る発明は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記燃料電池の積算発電量を検出する積算発電量検出手段と、を備え、前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の積算発電量とに基づいて、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定することを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、燃料電池が所定温度以上になるとアノード循環流路側に水分（生成水）がリークしてくるが、所定温度未満であっても起動時からの積算発電量が所定量以上になるとアノード循環流路側に水分がリークしてくる場合がある。つまり、この温度と積算発電量に基づいてアノード循環流路の水分発生有無を検出することにより、水分発生有無を高精度で検出できるようになる。このため、水分排出のためのパージ制御の必要性の有無を判断できるようになり、必要以上のパージが行われるのを防止でき、燃料の無駄使いを防止して燃料効率の向上が図れる。

請求項７に係る発明は、燃料電池から排出されたアノードガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池の発電開始後にパージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁して、前記アノード循環流路内の前記アノードガスおよび不純物を定期的に排出する燃料電池システムの運転方法において、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定するステップを備え、前記アノード循環流路内に水分が発生していないと判定された場合には、前記第１所定時間を、水分が発生しているときよりも長く設定することを特徴とする。

請求項７に係る発明によれば、請求項１と同様に、アノード循環流路側に水分が発生しているかどうかを把握できるので、第１所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。

請求項８に係る発明は、燃料電池から排出されたアノードガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池の発電開始後にパージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁して、前記アノード循環流路内の前記アノードガスおよび不純物を定期的に排出する燃料電池システムの運転方法において、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定するステップを備え、前記アノード循環流路内に水分が発生していないと判定された場合には、前記第２所定時間を、水分が発生しているときよりも短く設定することを特徴とする。

請求項８に係る発明によれば、請求項５と同様に、アノード循環流路側に水分が発生しているかどうかを把握できるので、第２所定時間を変更することにより、状況に応じた適切なパージを行うことが可能になる。

本発明によれば、必要以上にパージが行われるのを防止でき、燃料の無駄使いを防止して燃料効率の向上を図ることが可能になる。

図１は本実施形態の燃料電池システムの一例を全体構成図、図２は燃料電池システムの起動制御を示すフローチャート、図３はアノード側の水分発生有無を判定するためのサブフローチャート、図４は図２の常温用定期パージを示すサブフローチャート、図５は図２の低温用定期パージを示すサブフローチャート、図６（ａ）は起動時ＦＣ温度とＦＣ電流積算値との関係を示すマップ、（ｂ）はＦＣ温度に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、（ｃ）はＦＣ温度とＦＣ電流積算値に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、図７（ａ）は常温用定期パージ制御におけるタイムチャート、（ｂ）は低温用定期パージ制御におけるタイムチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車などの車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶、航空機、定置式の家庭用電源などあらゆる用途に適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０と、アノードガス供給手段２０、水素循環配管３０、パージ弁４０、カソードガス供給手段５０、希釈装置６０、制御装置７０などを含んで構成されている。

前記燃料電池１０は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜１１の両面を、触媒（Ｐｔ等）を含むアノード（燃料極）１２および触媒（Ｐｔ等）を含むカソード（空気極）１３で挟んでなる膜電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有し、さらに膜電極接合体を一対のセパレータ１４，１５で挟んで構成したものである。各単セルのセパレータ１４には、膜電極接合体のアノード１２と対向する面に水素が流通するアノード流路１４ａが形成されている。また、各単セルのセパレータ１５には、膜電極接合体のカソード１３に対向する面に空気（酸素）が流通するカソード流路１５ａが形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。

なお、本実施形態で用いられる電解質膜１１は、膜温度に応じてカソード１３からアノード１２への水透過性が変化する種類のものであり、例えば、低温（氷点下）では生成水（水分）がカソード１３からアノード１２へは透過せず、常温（例えば、１０℃や２０℃）では生成水がカソード１３からアノード１２へ透過する種類のものである。

そして、燃料電池１０のアノード１２に水素（アノードガス、燃料ガス）が、カソード１３に酸素を含む空気（カソードガス、酸化ガス）が、それぞれ供給されると、アノード１２、カソード１３に含まれる触媒の作用によって電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、外部負荷（自動車であれば、走行モータなど）から発電要求があると、燃料電池１０が前記発電要求に応じて発電するようになっている。

前記アノードガス供給手段２０は、燃料電池１０のアノード１２に水素を供給する機能を有し、高圧の水素が充填された水素タンク２１、真空ポンプの一種であるエゼクタ２２などで構成されている。また、配管２４ａを介して水素タンク２１とエゼクタ２２とが接続され、配管２４ｂを介してエゼクタ２２と燃料電池１０のアノード１２側の入口１０ａとが接続されている。なお、図示省略しているが、アノードガス供給手段２０には、水素タンク２１の近傍に電磁作動式の遮断弁、この遮断弁とエゼクタ２２との間に減圧弁などが設けられている。

前記水素循環配管３０は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０に戻す機能を有し、下流側（排出側）の一端が、燃料電池１０のアノード１２側の出口１０ｂに接続された配管２４ｃと接続され、上流側（供給側）の他端がエゼクタ２２と接続されている。

前記パージ弁４０は、定期的に開弁する機能を有し、前記配管２４ｃの水素循環配管３０との分岐部より下流側に設けられている。また、パージ弁４０は、後記する制御装置７０によって開閉制御される。また、パージ弁４０は、配管２４ｄを介して後記する希釈装置６０と接続されている。

なお、本実施形態では、アノード流路１４ａ、配管２４ｂ，２４ｃおよび水素循環配管３０によってアノード循環流路Ｒが構成されている。

前記カソードガス供給手段５０は、燃料電池１０のカソード１３に空気（酸素）を供給する機能を有し、エアコンプレッサ５１などで構成されている。また、配管２４ｅを介してエアコンプレッサ５１と燃料電池１０のカソード１３側の入口１０ｃとが接続されている。また、エアコンプレッサ５１はスーパーチャージャなどで構成され、後記する制御装置７０によってモータの回転速度が制御される。

なお、燃料電池１０は、そのカソード１３側の出口１０ｄが配管２４ｆを介して、カソード１３側の圧力を調整するための背圧弁５２と接続され、この背圧弁５２が配管２４ｇを介して後記する希釈装置６０と接続されるように構成されている。また、図示省略しているが、カソードガス供給手段５０には、エアコンプレッサ５１から導入された空気を加湿するための加湿器などが設けられている。

前記希釈装置６０は、パージ弁４０を介して、アノード循環流路Ｒ内の不純物を排出する機能を有し、燃料電池１０のカソード１３側の出口１０ｄから排出されたカソードオフガスを滞留させる空間（図示せず）を備えている。なお、希釈装置６０は、カソードオフガスのみを導入するものに限定されず、カソードオフガスとともに燃料電池１０の上流側のカソードガス（空気）を導入するように構成してもよい。

前記制御装置７０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。なお、制御装置７０は、本実施形態のアノード側水分発生有無判定手段、希釈ガス積算量検出手段、パージ許可判断手段、積算発電量検出手段を備えている。

また、制御装置７０は、温度計７１および電流計７２と接続されている。温度計７１は、燃料電池１０の温度を検出する機能を有し、燃料電池１０のアノード１２側の出口１０ｂ近傍の配管２４ｃ、またはカソード１３側の出口１０ｄ近傍の配管２４ｆ、または燃料電池１０を冷却する冷媒が流通する配管などに設けられる。電流計７２は、燃料電池１０から取り出される電流値を検出する機能を有し、燃料電池１０と外部負荷との間に設けられている。

次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図２ないし図４を参照（適宜図１を参照）して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１の運転停止時には、遮断弁（図示せず）が閉じられ、パージ弁４０が閉じられ、エアコンプレッサ５１が停止している。

そして、図２に示すように、運転者によってイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ、図示せず）がＯＮにされると、ステップＳ１００において、制御装置７０は、燃料電池１０の起動制御（ＦＣ起動制御）を実行する。ＦＣ起動制御とは、遮断弁（不図示）を開いて、水素タンク２１から燃料電池１０のアノード１２に水素を供給し、エアコンプレッサ５１の駆動を開始して、燃料電池１０のカソード１３に空気を供給する。また制御装置７０は、同時にパージ弁４０を開いて、アノード循環流路Ｒ内を水素に置換する制御を行う。また、外気温度などに基づいて燃料電池システム１の暖機を行うか否かを決定する。

そして、ステップＳ２００に進み、制御装置７０は、温度計７１によって燃料電池１０の温度（ＦＣ温度）を検出する。

そして、ステップＳ３００に進み、制御装置７０は、燃料電池１０と外部負荷（図示せず）とを接続して、燃料電池１０の発電（ＦＣ発電）を開始する。なお、ＦＣ発電開始の条件とは、例えば、アノードガス循環流路Ｒ内の水素濃度が高められて、燃料電池１０の開放端電圧（開回路電圧）が所定電圧を超えたときである。

そして、ステップＳ４００に進み、制御装置７０は、アノード側（アノード循環流路Ｒ内）に水分が発生しているか否かを推定する。なお、このステップＳ４００が、本実施形態におけるアノード側水分発生有無推定手段が実施する処理に相当する。このステップＳ４００は、図３に示すサブフローに基づいて制御される。

すなわち、図３に示すように、ステップＳ４１０において、制御装置７０は、燃料電池１０が氷点下起動（低温状態からの起動）であるか否かを判断する。なお、氷点下起動であるか否かは、ステップＳ１００のＦＣ起動制御によって既に決定されているため、ステップＳ１００に基づいて判断できる。ステップＳ４１０において、制御装置７０は、燃料電池１０が氷点下起動でないと判断した場合には（Ｎｏ）、常温起動であると判断して、ステップＳ４６０に進み、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生している判断する。

また、ステップＳ４１０において、制御装置７０は、燃料電池１０が氷点下起動であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４２０に進み、図２のステップＳ２００で検出した起動時のＦＣ温度を用いて、アノード側の水分発生時期を判断する閾値（所定値３）を設定する。なお、この所定値３は、燃料電池１０から取り出される電流の積算値（ＦＣ電流積算値）であり、例えば、図６（ａ）に示すマップに基づいて設定される。図６（ａ）に示すように、起動時（ＩＧＳＷオン時）のＦＣ温度が低い場合には、所定値３が高く設定され、起動時のＦＣ温度が高い場合には、所定値３が低く設定される。なお、所定値３は、マップに限定されるものではなく、テーブルや関数などを用いて算出してもよい。

そして、ステップＳ４３０に進み、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値１以上であるか否かを判断する。なお、所定値１（第１所定温度）は、カソード１３で生成された水が電解質膜１１を透過してアノード１２に透過を始める温度であり、例えば３０℃に設定される。また、所定値１は、３０℃に限定されるものではなく、燃料電池１０に用いられている電解質膜１１の種類や厚みなどに応じて適宜変更できる。

ステップＳ４３０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４６０に進み、アノード流路１４ａを含むアノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると推定する。すなわち、図６（ｂ）を参照して説明すると、ＦＣ温度が所定値１を超えることにより、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると判断される。ちなみに、このような場合にアノード循環流路Ｒ内に水分が発生するのは、ＦＣ温度が所定値１以上になると、電解質膜１１の内部の空隙が拡大して、カソード１３側の生成水が電解質膜１１を透過してアノード１２に移動するからであると推測される。

また、ステップＳ４３０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４４０に進み、ＦＣ温度が所定値２以上、かつ、ＦＣ電流積算値が所定値３以上であるか否かを判断する。なお、所定値２（第２所定温度）は、所定値１よりも低い値に設定され、例えば２０℃に設定される。また、このステップＳ４４０が、本実施形態の積算発電量検出手段が実施する処理を含んでいる。

ステップＳ４４０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値２以上、かつ、ＦＣ電流積算値が所定値３以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４６０に進み、アノード流路１４ａを含むアノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると推定する。この場合、例えばフラグ（判定値）を立てる。すなわち、図６（ｃ）を参照して説明すると、時刻ｔ３において、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると判断される。ちなみに、このような場合、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生するのは、電解質膜１１を介してカソード１３からアノード１２に透過した水分ではなく、発電による発熱によってもともとアノード１２内部（電極内部）に存在していた水分がアノード１２の表面に溶け出すからであると推測される。

また、ステップＳ４４０において、制御装置７０は、ＦＣ温度が所定値２未満且つＦＣ電流積算値が所定値３以上の場合（Ｎｏ）、またはＦＣ温度が所定値２以上且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合（Ｎｏ）、またはＦＣ温度が所定値２未満且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合（Ｎｏ）、ステップＳ４５０に進み、アノード流路１４ａを含むアノード循環流路Ｒ内には水分が発生していないと推定する。この場合、例えばステップＳ４６０において水分発生有りと推定したときのフラグとは異なるフラグ（判定値）を立てる。なお、図６（ｃ）では、時刻ｔ２が、ＦＣ温度が所定値２以上且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合であり、時刻ｔ１が、ＦＣ温度が所定値２未満且つＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合である。

そして、図２のフローに戻って、ステップＳ５００に進み、制御装置７０は、ステップＳ４００によって推定された水分発生有無の判定値に基づいてアノード循環流路Ｒ内に水分が発生しているか否かを判断する。ステップＳ５００において、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６００に進み、常温用定期パージを実行する。常温用定期パージは、図４のサブフローに基づいて実行される。

図４に示すように、ステップＳ６１０において、制御装置７０は、まず前回の定期パージ制御からの時間を検出する。なお、この時間は、例えば、制御装置７０に内蔵されたタイマ（不図示）を用いて検出される。また、初回の定期パージの場合には、発電開始からの時間を検出する。

そして、ステップＳ６２０に進み、制御装置７０は、ステップＳ６１０で検出した時間が所定時間１以上であるか否かを判断する。なお、所定時間１は、予め実験等によって設定され、アノード循環流路Ｒ内に発生する主に空気中に含まれる窒素とカソード１３からリークしてくる生成水とからなる不純物が所定量溜まる時間に設定される。ステップＳ６２０において、制御装置７０は、所定時間１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６１０に戻り、所定時間１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６３０に進む。

ステップＳ６３０において、制御装置７０は、定期パージ要求を出力する。なお、ここでは、定期パージ要求のフラグをたてておくだけで、パージ弁４０を開弁して定期パージを実行することはしない。

そして、ステップＳ６４０に進み、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量１以上であるか否かを判断する。なお、本実施形態における希釈ガスは、燃料電池１０のカソード１３から排出されたカソードオフガス（主に空気と生成水）である。また、希釈ガス量とは、希釈装置６０内に蓄積されるカソードオフガスの積算量である。また、所定量１は、パージを行っても、規定量を超える水素が車外（外部）に排出されることがない程度まで希釈できる量に設定される。また、このステップＳ６４０が、本実施形態の希釈ガス積算量検出手段およびパージ許可判断手段が実行する処理に相当する。

ステップＳ６４０において、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６４０に戻り、希釈ガス量が所定量１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６５０に進み、パージ弁４０を開いて定期パージを実行する。これにより、アノード循環流路Ｒ内に蓄積された不純物（窒素および生成水）が、水素（アノードガス）とともにパージ弁４０を通って希釈装置６０に向けて排出される。

そして、ステップＳ６６０に進み、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間２以上経過したか否かを判断する。なお、所定時間２は、予め実験等によって設定され、アノード循環流路Ｒ内に蓄積した不純物（窒素、生成水）を排出するために必要な時間に設定される。

ステップＳ６６０において、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間２以上経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６６０に戻り、開弁時間が所定時間２以上経過していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６７０に進み、パージ弁４０を閉じて、定期パージを終了する。

そして、図２のフローに戻って、ステップＳ７００に進み、制御装置７０は、発電中であるか否かを判断する。発電中であるかどうかの判断は、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）がオフにされたかどうかで判断でき、ステップＳ７００において、制御装置７０は、イグニッションスイッチがオフではなく、発電中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６００に戻り、常温用定期パージを継続する。また、ステップＳ７００において、制御装置７０は、イグニッションスイッチがオフにされ、発電中ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。

一方、ステップＳ５００において、制御装置７０は、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８００に進み、低温用定期パージを実行する。低温用定期パージは、図５のサブフローに基づいて実行される。

図５に示すように、ステップＳ８１０において、制御装置７０は、図４のステップＳ６１０と同様に、前回の定期パージ制御からの時間を検出する。なお、この時間は、例えば制御装置７０に内蔵されたタイマ（不図示）を用いて検出される。また、初回の定期パージの場合には、発電開始からの時間を検出する。

そして、ステップＳ８２０に進み、制御装置７０は、ステップＳ８１０で検出した時間が所定時間３以上であるか否かを判断する。なお、所定時間３は、予め実験等により設定され、図４の常温用定期パージでの所定時間１より長く設定される。つまり、この所定時間３は、アノード循環流路Ｒ内には水分（生成水）がリークしてこない、またはリークしたとしても極少量であるため、アノード循環流路Ｒ内で窒素が溜まる時間に設定される（生成水については考慮しない）。

ステップＳ８２０において、制御装置７０は、検出した時間が所定時間３以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８１０に戻り、所定時間３以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８３０に進む。

ステップＳ８３０において、制御装置７０は、定期パージ要求を出力する。なお、ここでは、例えば定期パージ要求のフラグをたてておくだけで、パージ弁４０を開弁して定期パージを実行することはしない。

そして、ステップＳ８４０に進み、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量２以上であるか否かを判断する。なお、所定量２は、パージを行っても、規定量を超える水素が車外に排出されることがない程度まで希釈できる量に設定され、例えば、図４の常温用定期パージでの所定量１よりも少ない量に設定される。これは、後記するように、パージ弁４０の開弁時間が常温用定期パージよりも短く設定されるからである。また、このステップＳ８４０が、本実施形態の希釈ガス積算量検出手段およびパージ許可判断手段が実行する処理に相当する。

ステップＳ８４０において、制御装置７０は、希釈ガス量が所定量２以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８４０に戻り、希釈ガス量が所定量２以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８５０に進み、パージ弁４０を開いて定期パージを実行する。これにより、アノード循環流路Ｒ内に蓄積された不純物（窒素）が、水素（アノードガス）とともにパージ弁４０を通って希釈装置６０に向けて排出される。

そして、ステップＳ８６０に進み、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間４以上経過したか否かを判断する。なお、所定時間４は、アノード循環流路Ｒ内に蓄積した不純物（窒素）を排出するために必要な時間に設定される。また、所定時間４は、予め実験等によって設定され、図４の常温用定期パージにおける所定時間２よりも短い時間に設定される。

ステップＳ８６０において、制御装置７０は、パージ弁４０の開弁時間が所定時間４以上経過していないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８６０に戻り、開弁時間が所定時間４以上経過していると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８７０に進み、パージ弁４０を閉じて、定期パージを終了する。

そして、図２のフローに戻って、ステップＳ９００に進み、制御装置７０は、発電中であるか否かを判断する。発電中であるかどうかの判断は、前記と同様に、イグニッションがオフにされたかどうかで判断でき、ステップＳ９００において、制御装置７０は、イグニッションがオフではなく、発電中であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４００に戻る。ステップＳ４００において、再度アノード循環流路Ｒ内に水分発生の有無を推定し、まだ水分が発生していないと推定される場合には（Ｓ５００、Ｎｏ）、低温用定期パージ（Ｓ８００）を継続し、水分が発生していると推定された場合には（Ｓ５００、Ｙｅｓ）、常温用定期パージ（Ｓ６００）に移行する。また、ステップＳ９００において、制御装置７０は、イグニッションがオフにされ、発電中ではないと判断された場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。

また、図７のタイムチャートを参照して説明すると、ＦＣ温度が所定値１以上の場合（Ｓ４３０、Ｙｅｓ）、またはＦＣ温度が所定値１未満であってもＦＣ温度が所定値２以上かつＦＣ電流積算値が所定値３以上の場合（Ｓ４４０、Ｙｅｓ）、図７（ａ）に示す常温用定期パージが実行される。この場合には、発電が開始されるとアノード循環流路Ｒ内の窒素量および水分量が徐々に増加する。そして、発電開始（２回目からは前回のパージ）から所定時間１が経過するとパージ弁４０が所定時間２開かれて、アノード循環流路Ｒ内の不純物（窒素および水分）が希釈装置６０に向けて排出される。ただし、本実施形態では、前記したように、希釈装置６０に所定量１の希釈ガスが溜まるまでパージ弁４０を開弁せず、所定量１の希釈ガスが溜まったらパージ弁４０を開弁して定期パージを実行する。

また、ＦＣ温度が所定値２以上であってもＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合、またはＦＣ電流積算値が所定値３以上であってもＦＣ温度が所定値２未満の場合、またはＦＣ温度が所定値２未満でＦＣ電流積算値が所定値３未満の場合（Ｓ４４０、Ｎｏ）、図７（ｂ）に示す低温用定期パージが実行される。この場合には、発電が開始されるとアノード循環流路Ｒ内の窒素量が徐々に増加するが、水分については、ＦＣ温度が低温なのでアノード循環流路Ｒ内に発生しない。なお、所定時間３は、窒素のみが所定量溜まる時間を設定すればよいので、所定時間１よりも長く設定できる。そして、発電開始から所定時間３が経過するとパージ弁４０が所定時間４開かれて、アノード循環流路Ｒ内の不純物（窒素）が希釈装置６０に向けて排出される。なお、所定時間４は、窒素のみを排出すればよいので、所定時間２よりも短く設定できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低温時には水分排出に対応したパージ（頻度の高いパージ）を行わないので、必要以上のパージによる燃料（水素）の無駄使いを防止して燃料効率を向上させることが可能になる。さらに、低温時には燃料電池１０内の温かくなったアノードガスを頻繁にパージしなくなるので、つまり定期パージの間隔を長く設定し（所定時間１から所定時間３に変更）、またパージ弁４０の開弁時間を短く設定する（所定時間２から所定時間４に変更）ので、燃料電池１０の暖機性能の向上にも効果を発揮できる。

また、本実施形態によれば、常温で起動した場合には、アノード循環流路Ｒ内に水分が発生するが、この場合にはパージ間隔およびパージ弁４０の開弁時間を変更しないため、アノード循環流路Ｒ内の窒素や水分などの不純物を確実に排出することが可能になり、発電性能が安定する。

また、本実施形態によれば、希釈装置６０内の積算希釈ガス量が所定量未満の場合にはパージ弁４０を開弁することを禁止するため、燃料電池システム１から大気に排出される排ガスの水素濃度を確実に希釈することが可能になる。

また、本実施形態によれば、ＦＣ温度とＦＣ電流積算量とからアノード側の水分発生有無を推定することにより、水分発生有無の精度を高めることができ、水分排出のためのパージの必要・不必要判断を確実に行うことができる。よって、必要以上のパージによる燃料（水素）の無駄使いを防止して燃料効率の向上が図れる。

なお、前記実施形態では、図７（ｂ）に示すように、定期パージの間隔を所定時間３として、パージ弁４０の開弁時間を所定時間４としたが、これに限定されるものではなく、定期パージを禁止するように制御してもよい。その場合には、図中破線Ｓで示すように、アノード循環流露Ｒ内の窒素量が増加する。

なお、前記した実施形態では、パージとパージとの間隔、およびパージ弁４０の開弁時間を変更したが、パージとパージとの間隔のみを変更するようにしてもよく、あるいはパージ弁４０の開弁時間のみを変更するようにしてもよい。

また、前記した実施形態では、燃料電池１０の積算発電量として、ＦＣ電流積算値を用いているが、これに替えて電力（ＦＣ積算電力値）に基づいて算出してもよい。

また、前記した実施形態では、氷点下起動と通常起動の処理を共通化して、図３のステップＳ４１０で氷点下起動か否かを判断して処理を分岐しているが、例えば、ステップＳ１００において、氷点下起動と通常起動の処理を分岐し、途中でＳ４１０の判断を行うことなく、アノード循環流路Ｒ内の水分の有無を判定してもよい。

本実施形態の燃料電池システムの一例を全体構成図である。 燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。 図２の常温用定期パージを示すサブフローチャートである。 図２の低温用定期パージを示すサブフローチャートである。 アノード側の水分発生有無を判定するためのサブフローチャートである。 （ａ）は起動時ＦＣ温度とＦＣ電流積算値との関係を示すマップ、（ｂ）はＦＣ温度に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフ、（ｃ）はＦＣ温度とＦＣ電流積算値に基づくアノード水分発生有無を説明するためのグラフである。 （ａ）は常温用定期パージ制御におけるタイムチャート、（ｂ）は低温用定期パージ制御におけるタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１４ａ アノード流路
１５ａ カソード流路
２０ アノードガス供給手段
３０ 水素循環配管
４０ パージ弁
５０ カソードガス供給手段
６０ 希釈装置
７０ 制御装置
７１ 温度計（燃料電池温度検出手段）
７２ 電流計
Ｒ アノード循環流路

Claims (8)

1. カソードガス供給手段によりカソード流路にカソードガスが、アノードガス供給手段によりアノード流路にアノードガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたアノードガスと前記アノードガス供給手段により供給されたアノードガスとを混合して再び前記燃料電池に供給するアノード循環流路と、
   前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を外部に放出するパージ弁と、を備え、
   前記燃料電池の発電開始後、定期的に前記パージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁することにより、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を排出する定期パージ制御を行う燃料電池システムにおいて、
   前記アノード循環流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、
   前記アノード側水分発生有無判定手段により得られる判定値に基づいて前記第１所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アノード側水分発生有無判定手段により得られる判定値に基づいて前記第２所定時間を変更する制御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。
3. 前記燃料電池が低温状態からの起動でない場合には、前記制御を行わない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。
4. 希釈ガスが供給され、前記パージ弁から排出されたアノードガスおよび不純物を希釈して排出する希釈装置と、
   前記希釈装置に供給される希釈ガスの積算量を検出する希釈ガス積算量検出手段と、
   前記希釈ガス積算量検出手段により検出された希釈ガスの積算量に基づいて、前記定期パージ制御の実行可否判断を行うパージ許可判断手段と、を備え、
   前記希釈ガスの積算量が所定量未満の場合には、前記希釈ガスの積算量が前記所定量以上になるまで前記パージ弁の開弁を禁止す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。
5. カソードガス供給手段によりカソード流路にカソードガスを、アノードガス供給手段によりアノード流路にアノードガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたアノードガスと前記アノードガス供給手段により供給されたアノードガスとを混合して再び燃料電池に供給するアノード循環流路と、
   前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を外部に放出するパージ弁と、を備え、
   前記燃料電池の発電開始後、定期的に前記パージ弁を第１所定時間の間隔で前記第２所定時間開弁することにより、前記アノード循環流路内のアノードガスおよび不純物を排出する定期パージ制御を行う燃料電池システムにおいて、
   前記アノード循環流路に水分が発生しているか否かを判定するアノード側水分発生有無判定手段をさらに備え、
   前記アノード側水分発生有無判定手段により得られた判定値に基づいて前記第２所定時間を変更する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
   前記燃料電池の積算発電量を検出する積算発電量検出手段と、を備え、
   前記アノード側水分発生有無判定手段は、前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の積算発電量とに基づいて、前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池から排出されたアノードガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池の発電開始後にパージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁して、前記アノード循環流路内の前記アノードガスおよび不純物を定期的に排出する燃料電池システムの運転方法において、
   前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定するステップを備え、
   前記アノード循環流路内に水分が発生していないと判定された場合には、前記第１所定時間を、水分が発生しているときよりも長く設定することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. 燃料電池から排出されたアノードガスを再び前記燃料電池に戻して循環させるアノード循環流路を備え、前記燃料電池の発電開始後にパージ弁を第１所定時間の間隔で第２所定時間開弁して、前記アノード循環流路内の前記アノードガスおよび不純物を定期的に排出する燃料電池システムの運転方法において、
   前記アノード循環流路内の水分の発生有無を判定するステップを備え、
   前記アノード循環流路内に水分が発生していないと判定された場合には、前記第２所定時間を、水分が発生しているときよりも短く設定することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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