JP2009129764A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードオフガスを希釈する希釈装置を大型化することなく、氷点下起動を行うことが可能な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、燃料電池１０の起動時に、供給装置２０により燃料電池１０に新たにアノードガスを供給することで、燃料電池１０内部に残留するガスを置換するＯＣＶパージ実行部４２を備える。また、この燃料電池システム１は、燃料電池温度センサ１１により検出された燃料電池温度Ｔに基づいて、燃料電池１０を低温起動するか、または、通常起動するかを判断する低温起動判断部４１を備え、燃料電池１０を低温起動する場合には、ＯＣＶパージ実行部４２は、燃料電池１０を通常起動する場合と比較して、供給装置２０により新たに供給されるアノードガスの圧力を低減しつつ、燃料電池１０の内部に残留するガスの総置換量を増大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、低温起動時には、ＯＣＶパージにおけるガスの総置換量を、通常起動時よりも増大する燃料電池システムに関する。

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。

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）及びカソード電極（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。

この燃料電池のアノード電極にアノードガスを供給し、カソード電極にカソードガスを供給すると、電気化学反応により発電する。これらアノードガスおよびカソードガスには、例えば、それぞれ水素ガスおよび酸素を含むエアが用いられ、この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

このような燃料電池システムにおいて、アノードガス及びカソードガスの供給を止めて発電を停止させた状態では、両電極間で差圧が生じ、カソード電極側に供給されたカソードガスに含まれる不純物がアノード電極側へ流入し、アノード流路内のアノードガス濃度が低下する。このため、燃料電池システムを起動させる際には、燃料電池の発電性能を確保するため、アノードガスを新たに供給し、燃料電池内のアノード電極側に滞留したガスを置換する所謂ＯＣＶパージ処理が行われる。

しかしながら、低温起動時においては、燃料電池内の残留水が膜電極で凍結し有効発電面積が低下してしまい、燃料電池システムが起動しにくくなる場合がある。そこで、このような低温起動時には、ＯＣＶパージ処理におけるアノードガスの供給圧力および流量を、常温起動時と比較して増加させる燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。このようにして、アノードガスの供給圧力および流量を増加することにより、常温起動時と比較して小さな反応面積を有効に利用して、燃料電池の発電性能を迅速に確保することができる。
特開２００５−４４７９５号公報

ところで、燃料電池から排出されたアノードオフガスは、カソードガスやカソードオフガスなどにより希釈した後に、燃料電池システムの外に排出される。このため、燃料電池システムには、アノードオフガスを一時的に滞留させるための滞留室を有する希釈装置が設けられる。

しかしながら、上述の特許文献１に示された燃料電池システムでは、低温起動時において、アノードガスの供給圧力および流量を増加することで、特に多くのアノードオフガスが短時間で排出される。このため希釈装置は、このような低温起動時におけるアノードオフガスの排出量に合わせて大型化する必要がある。

本発明は、アノードオフガスを希釈する希釈装置を大型化することなく、低温起動を行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

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、カソードガス（例えば、後述の空気）およびアノードガス（例えば、後述の水素ガス）を化学反応させることにより発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、後述のエアコンプレッサ２１、およびエア供給路２３など）と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段（例えば、後述の水素タンク２２、水素供給路２５、水素レギュレータ２５１など）と、前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス供給手段により前記燃料電池に新たにアノードガスを供給することで、前記燃料電池内部に残留するガスを置換するアノードガス置換手段（例えば、後述の制御装置４０のＯＣＶパージ実行部４２など）と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度に関する情報（例えば、後述の燃料電池温度センサ１１により検出された燃料電池温度Ｔ、燃料電池システム１のシステム温度、燃料電池システム１が設けられた外気の温度）に基づいて、当該燃料電池を低温起動するか、または、通常起動するかを判断する低温起動判断手段（例えば、後述の低温起動判断部４１）を備え、前記燃料電池を低温起動する場合には、前記アノードガス置換手段は、前記燃料電池を通常起動する場合と比較して、前記アノードガス供給手段により新たに供給されるアノードガスの圧力を低減しつつ、前記燃料電池の内部に残留するガスの総置換量を増大することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池を低温起動する場合には、通常起動する場合と比較して、アノードガス供給手段により燃料電池に新たに供給されるアノードガスの圧力は低減され、燃料電池の内部に残留するガスの総置換量は増大される。このように、低温起動時において、ガスの総置換量を通常起動時よりも増大することにより、例えば、燃料電池内において残留水が凍結し、有効発電面積が低下した場合であっても、反応面積を有効に利用して、燃料電池の発電性能を確保することができる。

また、このようにしてガスの総置換量を増大するとともに、アノードガスの圧力を低減することにより、単位時間あたりに排出されるアノードオフガスの量を低減することができる。これにより、燃料電池システムに希釈装置を設けた場合、この希釈装置を、低温起動時におけるアノードオフガスの排出量に合わせて大型化する必要もない。

この場合、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスおよび前記カソードガス供給手段から供給されたカソードガスの何れかを少なくとも含むガスを希釈ガスとして用い、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを希釈して排出する希釈手段（例えば、後述の希釈器５０）を備え、前記希釈手段は、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが一時的に滞留する滞留室（例えば、後述の滞留室５３）と、希釈ガスを前記滞留室内に導入する導入配管（例えば、後述の攪拌ガス導入配管５６）と、希釈ガスが流通するとともに、前記滞留室内のガスを吸入する孔部（例えば、後述の孔部５７１）が形成された希釈ガス配管（例えば、後述の希釈ガス配管５７）と、を有し、前記燃料電池を低温起動する場合、前記アノードガス置換手段により前記燃料電池内部に残留するガスを置換する間には、前記導入配管から前記滞留室内に導入される希釈ガスの圧力を、前記燃料電池を通常起動する場合と比較して低減する導入ガス圧力低減手段（例えば、後述の制御装置４０の攪拌ガス圧力調整部４３）をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、アノードオフガスが一時的に滞留する滞留室と、希釈ガスを滞留室内に導入する導入配管と、希釈ガスが流通するとともに、滞留室内のガスを吸入する孔部が形成された希釈ガス配管と、を有する希釈手段を設けた。

この希釈手段は、以下のように動作する。先ず、導入配管を介して希釈ガスを滞留室に導入し続けた状態で、この滞留室内にアノードオフガスを導入し、このアノードオフガスを滞留室内で攪拌、希釈する。このように希釈されたアノードオフガスは、導入配管からさらに導入された希釈ガスにより、滞留室内から押し出され、孔部を介して希釈ガス配管に流入し、この希釈ガス配管を流通する希釈ガスとともに排出される。

以上のように動作する希釈手段を設けた上で、この発明によれば、燃料電池を低温起動する場合には、導入配管から滞留室内に導入される希釈ガスの圧力は、通常起動する場合と比較して低減される。これにより、滞留室内から希釈ガス配管内に押し出すアノードオフガスの単位時間当りの流量、すなわち、希釈手段から排出されるガスのアノードオフガスの濃度を低減することができる。

また、導入配管を介して滞留室内に導入される希釈ガスの圧力を低減することにより、滞留室内の圧力を低減できる。上述のように、低温起動時において新たに供給されるアノードガスの圧力は、通常起動時と比較して低減される。このようにしてアノードガスの圧力を低減すると、燃料電池から排出されるアノードオフガスを、滞留室内に導入させにくくなる場合があるが、この発明では、滞留室内の圧力を低減することで、新たに供給するアノードガスの圧力を低くしても、アノードオフガスを滞留室内に導入することが可能となる。したがって、低温起動時においてアノードガスを供給する圧力を低減することで、希釈器によるアノードオフガスの希釈性能が低下するのを防止できる。

また、希釈ガスの圧力を低減することにより、この希釈ガスを供給する手段、すなわち、カソードガスを供給するカソードガス供給手段において消費される電力をも低減することができる。特に、このようなアノードガスの置換は、燃料電池を起動する際、すなわち、燃料電池による発電を開始する前に行われるので、カソードガス供給手段において消費される電力は、バッテリにより供給される。したがって、この発明によれば、バッテリの消費を抑えることで、その分の電力を、エアコンなどのその他補機を稼動するための電力エネルギとして用いることや、または、より小型で安価なバッテリを用いることが可能となる。

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など）は、カソードガス（例えば、後述の空気など）およびアノードガス（例えば、後述の水素ガスなど）を化学反応させることにより発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、後述のエアコンプレッサ２１、およびエア供給路２３など）と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段（例えば、後述の水素タンク２２、水素供給路２５、水素レギュレータ２５１など）と、前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス供給手段により前記燃料電池に新たにアノードガスを供給することで、前記燃料電池内部に残留するガスを置換するアノードガス置換手段（例えば、後述の制御装置４０のＯＣＶパージ実行部４２など）と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度に関する情報（例えば、後述の燃料電池温度センサ１１により検出された燃料電池温度Ｔ、燃料電池システム１のシステム温度、燃料電池システム１が設けられた外気の温度）に基づいて、当該燃料電池を低温起動するか、または、通常起動するかを判断する低温起動判断手段（例えば、後述の低温起動判断部４１）と、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスおよび前記カソードガス供給手段から供給されたカソードガスの何れかを少なくとも含むガスを希釈ガスとして用い、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを希釈して排出する希釈手段（例えば、後述の希釈器５０）と、を備え、前記希釈手段は、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが一時的に滞留する滞留室（例えば、後述の滞留室５３）と、希釈ガスを前記滞留室内に導入する導入配管（例えば、後述の攪拌ガス導入配管５６）と、希釈ガスが流通するとともに、前記滞留室内のガスを吸入する孔部（例えば、後述の孔部５７１）が形成された希釈ガス配管（例えば、後述の希釈ガス配管５７）と、を有し、前記燃料電池を低温起動する場合、前記アノードガス置換手段により前記燃料電池内部に残留するガスを置換する間には、前記導入配管から前記滞留室内に導入される希釈ガスの圧力を、前記燃料電池を通常起動する場合と比較して低減する導入ガス圧力低減手段（例えば、後述の制御装置４０の攪拌ガス圧力調整部４３）をさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、アノードオフガスが一時的に滞留する滞留室と、希釈ガスを滞留室内に導入する導入配管と、希釈ガスが流通するとともに、滞留室内のガスを吸入する孔部が形成された希釈ガス配管と、を有する希釈手段を設けた。

この希釈手段は、以下のように動作する。先ず、導入配管を介して希釈ガスを滞留室に導入し続けた状態で、この滞留室内にアノードオフガスを導入し、このアノードオフガスを滞留室内で攪拌、希釈する。このように希釈されたアノードオフガスは、導入配管からさらに導入された希釈ガスにより、滞留室内から押し出され、孔部を介して希釈ガス配管に流入し、この希釈ガス配管を流通する希釈ガスとともに排出される。

以上のように動作する希釈手段を設けた上で、この発明によれば、燃料電池を低温起動する場合には、導入配管から滞留室内に導入される希釈ガスの圧力は、通常起動する場合と比較して低減される。これにより、滞留室内から希釈ガス配管内に押し出すアノードオフガスの単位時間当りの流量、すなわち、希釈手段から排出されるガスのアノードオフガスの濃度を低減することができる。
したがって、通常起動する場合と比較してより長い時間に亘って、燃料電池内に滞留するガスの置換を行うことによって、希釈器を大型化することなく、ガスの総置換量を多くすることができる。これにより、例えば、燃料電池内において残留水が凍結し、有効発電面積が低下した場合であっても、反応面積を有効に利用して、燃料電池の発電性能を確保することができる。

また、希釈ガスの圧力を低減することにより、この希釈ガスを供給する手段、すなわち、カソードガスを供給するカソードガス供給手段において消費される電力をも低減することができる。特に、このようなアノードガスの置換は、燃料電池を起動する際、すなわち、燃料電池による発電を開始する前に行われるので、カソードガス供給手段において消費される電力は、バッテリにより供給される。したがって、この発明によれば、バッテリの消費を抑えることで、その分の電力を、エアコンなどのその他補機を稼動するための電力エネルギとして用いることや、または、より小型で安価なバッテリを用いることが可能となる。

本発明の燃料電池システムによれば、低温起動時において、ガスの総置換量を通常起動時よりも増大することにより、例えば、燃料電池内において残留水が凍結し、有効発電面積が低下した場合であっても、反応面積を有効に利用して、燃料電池の発電性能を確保することができる。また、このようにしてガスの総置換量を増大するとともに、アノードガスの圧力を低減することにより、単位時間あたりに排出されるアノードオフガスの量を低減することができる。これにより、燃料電池システムに希釈装置を設けた場合、この希釈装置を、低温起動時におけるアノードオフガスの排出量に合わせて大型化する必要もない。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本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、燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガス（以下、「アノードガス」という）や空気（以下、「カソードガス」という）を供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０及び供給装置２０を制御する制御装置４０とを有する。

燃料電池１０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。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る。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。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路１３にアノードガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路１４に酸素を含むカソードガスが供給されると、これらの電気化学反応により発電する。また、この燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を検出する燃料電池温度センサ１１が設けられている。この燃料電池温度センサ１１は、燃料電池１０の温度を検出し、検出した燃料電池温度Ｔに略比例した検出信号を制御装置４０に出力する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード流路１４にカソードガスを供給するエアコンプレッサ２１と、燃料電池１０のアノード流路１３にアノードガスを供給する水素タンク２２と、を含んで構成される。

エアコンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード流路１４の一端側に接続されている。燃料電池１０のカソード流路１４の他端側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、後述の希釈手段としての希釈器５０が接続されている。また、エア排出路２４には、背圧弁２４１が設けられている。この背圧弁２４１を開くことにより、燃料電池１０のカソード流路１４からエア排出路２４に排出されたカソードオフガスを、希釈ガスとして希釈器５０に流入させることができる。なお、希釈器５０の詳細な構成については、後に図２を参照して詳述する。

また、エア供給路２３には、信号圧配管３１と、バイパス管３２とが分岐して設けられている。
信号圧配管３１は、後述の水素レギュレータ２５１に接続されるとともに、その先端部には、信号圧配管３１内のカソードガスを放出するエアインジェクタ３１１が設けられている。このエアインジェクタ３１１を開閉することにより、信号圧配管３１内のカソードガスの圧力を調整できる。

バイパス管３２の先端側は、希釈器５０に接続されている。また、このバイパス管３２には、バイパス管３２内を流通し、希釈器５０に流入するカソードガスの流量を規制するオリフィス３２１が設けられている。なお、本発明では、このオリフィス３２１の代わりに、カソードガスの流量を調整可能な流量制御弁を設けてもよい。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード流路１３の一端側に接続されている。この水素供給路２５には、水素タンク２２から供給されるアノードガスの圧力を減圧する水素レギュレータ２５１が設けられている。

水素レギュレータ２５１は、所謂比例圧力制御弁であり、信号圧配管３１内のカソードガスの圧力を信号圧として、その開度が制御される。水素レギュレータ２５１は、信号圧配管３１内のカソードガスの圧力が大きくなるに従い、その開度が大きくなるようになっている。この水素レギュレータ２５１の開度を調整することにより、燃料電池１０に供給されるアノードガスの圧力を調整できる。

燃料電池１０のアノード流路１３の他端側には、水素排出路２６が接続されている。この水素排出路２６の先端側には、燃料電池１０のアノード流路１３から水素排出路２６に排出されたアノードオフガスを、希釈ガスで希釈した後に大気へ放出する希釈器５０が接続されている。また、水素排出路２６には、パージ弁２６１が設けられている。このパージ弁２６１を開くことにより、水素排出路２６内のアノードオフガスを希釈器５０に流入させることができる。

図２は、希釈器５０の構成を示す断面図である。
希釈器５０は、略箱状の筐体５１と、仕切り板５２と、を備える。
仕切り板５２は筐体５１内部に設けられ、これにより、筐体５１の内部は、滞留室５３と混合室５４とに分割される。また、仕切り板５２には、滞留室５３と混合室５４とを連通する略矩形状の連通孔５２１が形成されている。

筐体５１には、水素排出路２６（図１参照）を介して燃料電池から排出されたアノードオフガスを滞留室５３内に導入されるアノードオフガス導入配管５５と、バイパス管３２（図１参照）を介してコンプレッサから供給されたカソードガスを滞留室５３内に導入する導入配管としての攪拌ガス導入配管５６とが設けられている。

また、筐体５１には、混合室５４内を貫通する希釈ガス配管５７が設けられている。この希釈ガス配管５７の基端側は、エア排出路２４（図１参照）に接続され、先端側は大気に開放されている。すなわち、燃料電池から排出されたカソードオフガスは、希釈ガス配管５７を流通し、大気に排出される。また、この希釈ガス配管５７のうち混合室５４内部には、滞留室５３のガスを、混合室５４を介して希釈ガス配管５７内に吸入する孔部５７１が形成されている。

以上のように構成された希釈器５０は、以下のように動作し、アノードオフガスを希釈して大気に排出する。

先ず、攪拌ガス導入配管５６を介してカソードガスを滞留室５３内に導入し続けた状態で、この滞留室５３内に燃料電池から排出されたアノードオフガスを導入し、このアノードオフガスを滞留室５３内で攪拌、希釈する。滞留室５３内で希釈されたアノードオフガスは、連通孔５２１を通って混合室５４に押し出される。

混合室５４に押し出されたアノードオフガスは、孔部５７１から希釈ガス配管５７内に流入し、この希釈ガス配管５７内を流通するカソードオフガスとともに大気に排出される。

図１に戻って、制御装置４０には、上述のエアコンプレッサ２１、背圧弁２４１、パージ弁２６１、及びエアインジェクタ３１１、並びに、燃料電池温度センサ１１が接続されている。

また、制御装置４０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池システム１が搭載された車両の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置４０に送信する。制御装置４０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の起動処理を開始する。
この燃料電池１０の起動処理では、後に詳述するＯＣＶパージ処理が実行され、このＯＣＶパージが完了した後に、燃料電池１０による発電を開始する。

ここで、燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側にアノードガスを供給する。また、エアコンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側にカソードガスを供給する。
燃料電池１０に供給されたアノードガスおよびカソードガスは、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ともに、水素排出路２６およびエア排出路２４を介して希釈器５０に流入し、この希釈器５０で希釈された後、大気へ排出される。

制御装置４０は、低温起動判断手段としての低温起動判断部４１と、アノードガス置換手段としてのＯＣＶパージ実行部４２とを備え、燃料電池１０の起動時にＯＣＶパージ処理を行った後、上述のようにして発電を行う。図１においては、燃料電池１０のＯＣＶパージ処理に係る制御ブロックのみを示す。

低温起動判断部４１は、燃料電池１０を起動する際、燃料電池温度センサ１１により検出された燃料電池温度Ｔに基づいて、燃料電池１０を低温起動するか、または、通常起動するかを判断する。より具体的には、低温起動判断部４１は、燃料電池温度Ｔが予め設定された判定温度（例えば、０℃）より小さい場合には燃料電池１０を低温起動すると判断し、燃料電池温度Ｔが判定温度以上である場合には燃料電池１０を通常起動すると判断する。なお、この低温起動判断部４１は、燃料電池温度Ｔの他、外気温度や天気予報の情報に基づいて、低温起動するか、または、通常起動するかを判断してもよい。

ＯＣＶパージ実行部４２は、燃料電池１０の起動時に、供給装置２０を制御して、ＯＣＶパージ処理を実行する。より具体的には、ＯＣＶパージ実行部４２は、燃料電池１０の起動時に、供給装置２０のエアコンプレッサ２１、背圧弁２４１、エアインジェクタ３１１、及びパージ弁２６１を制御して、燃料電池１０に新たにアノードガスを所定の時間に亘って供給することで、燃料電池１０内部に残留するガスを置換する。

また、このＯＣＶパージ実行部４２は、燃料電池１０を低温起動するか、または、通常起動するかに応じて、燃料電池１０に新たに供給するアノードガスの圧力と、燃料電池１０内部に残留するガスの総置換量とを変化させる。
より具体的には、ＯＣＶパージ実行部４２は、燃料電池１０を低温起動する場合には、燃料電池１０を通常起動する場合と比較して、新たに供給するアノードガスの圧力を低減しつつ、また、ガスの総置換量を増大する。

また、このＯＣＶパージ実行部４２は、導入ガス圧力低減手段としての攪拌ガス圧力調整部４３を備えており、ＯＣＶパージ処理において、希釈器５０の攪拌ガス導入配管５６（図２参照）に導入するカソードガスの圧力を調整することが可能となっている。

攪拌ガス圧力調整部４３は、ＯＣＶパージ処理において、燃料電池１０を低温起動する場合には、燃料電池１０を通常起動する場合と比較して、希釈器５０の攪拌ガス導入配管５６（図２参照）に導入するカソードガスの圧力を低減する。

図３は、以上のような制御装置４０によるＯＣＶパージ処理の手順を示すフローチャートである。このＯＣＶパージ処理は、イグニッションがオンにされたことに基づいて開始する。

先ず、燃料電池温度Ｔが、所定の判定温度以下であるか判定し（ステップＳ１）、この判定がＹＥＳである場合には、燃料電池を低温起動すると判断して、ステップＳ３に移り、この判定がＮＯである場合には、燃料電池を通常起動するとして、ステップＳ２に移る。

ステップＳ２では、通常起動時のＯＣＶパージ処理用の設定を行い、ステップＳ４に移る。より具体的には、例えば、図示しないテーブルを参照して、通常起動時のＯＣＶパージ処理におけるアノードガスの圧力、カソードガスの圧力、及び総置換量を設定する。

ステップＳ３では、低温起動時のＯＣＶパージ処理用の設定を行い、ステップＳ４に移る。より具体的には、例えば、図示しないテーブルを参照して、低温起動時のＯＣＶパージ処理におけるアノードガスの圧力、カソードガスの圧力、及び総置換量を設定する。低温起動時におけるＯＣＶパージ処理では、上述のように、アノードガスの圧力及びカソードガスの圧力を、通常起動時と比較して低減しつつ、総置換量を、通常起動時と比較して増大する。

図４は、低温起動時におけるＯＣＶパージ処理のタイムチャートである。
より具体的には、図４の（ａ）は、比較例の燃料電池システムの低温起動時におけるＯＣＶパージ処理のタイムチャートであり、図４の（ｂ）は、本実施形態の燃料電池システム１の低温起動時におけるＯＣＶパージ処理のタイムチャートである。

ここで、比較例の燃料電池システムの低温起動時におけるアノードガスの圧力及びカソードガスの圧力は、それぞれ、通常起動時における圧力と同じ値に設定されている。すなわち、比較例の燃料電池システムの、低温起動時におけるアノードガスの圧力及びカソードガスの圧力は、それぞれ、本実施形態の燃料電池システム１の圧力よりも高く設定されている。また、比較例の燃料電池システムの低温起動時における総置換量は、本実施形態の燃料電池システム１と同じ値に設定されている。

図４の（ａ）に示すように、比較例では、時刻ｔ０においてＯＣＶパージ処理を開始する。すなわち、時刻ｔ０からアノードガスおよびカソードガスを、それぞれ、所定の圧力ＰＡ１，ＰＣ１で、所定のカソードガスの流量ＦＣ１のもとで供給開始する。このＯＣＶパージ処理は、総置換量が所定の設定値に至る時刻ｔ１まで行われる。
この比較例では、ＯＣＶパージ処理を開始した直後、希釈器から排出されたガスのアノードオフガスの濃度は、所定の排出濃度上限を上回る。

一方、図４の（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、時刻ｔ０においてＯＣＶパージ処理を開始する。すなわち、時刻ｔ０からアノードガス及びカソードガスを、それぞれ、上述のＰＡ１，ＰＣ１よりも低い圧力ＰＡ２，ＰＣ２で、所定のカソードガスの流量ＦＣ２のもとで供給開始する。このＯＣＶパージ処理は、総置換量が所定の設定値に至る時刻ｔ２まで行われる。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１のＯＣＶパージ処理と、比較例のＯＣＶパージ処理とを比較する。
上述のように、本実施形態では、アノードガス及びカソードガスの圧力ＰＡ２，ＰＣ２は、それぞれ、比較例の圧力ＰＡ１，ＰＣ１よりも低い。これにより、希釈器から排出されるガスのアノードオフガスの濃度は、所定の排出濃度上限を上回ることはない。また、このように、アノードガス及びカソードガスの圧力を下げることにより、ＯＣＶパージ処理に係る時間ｔ２−ｔ０は、比較例によるＯＣＶパージ処理に係る時間ｔ１−ｔ０よりも長くなる。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１では、排出濃度上限を上回ることなく、ＯＣＶパージ処理を行うことができる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０を低温起動する場合には、通常起動する場合と比較して、供給装置２０により燃料電池１０に新たに供給されるアノードガスの圧力は低減され、燃料電池１０の内部に残留するガスの総置換量は増大される。このように、低温起動時において、ガスの総置換量を通常起動時よりも増大することにより、例えば、燃料電池１０内において残留水が凍結し、有効発電面積が低下した場合であっても、反応面積を有効に利用して、燃料電池１０の発電性能を確保することができる。

図５は、ＯＣＶパージ処理時におけるアノードガス及びカソードガスの圧力と、実行可能なガスの総置換量との関係を示す図である。ここで、実行可能なガスの総置換量とは、ＯＣＶパージ処理時において、アノードオフガスの排出濃度を上述の排出濃度上限以下に保ちながら実行可能なガスの総置換量を示す。

図５に示すように、アノードガス及びカソードガスの圧力を低くなるに従い、実行可能なガスの総置換量は高くなる。これは、希釈器から排出されるガスのアノードオフガスの濃度を低減できるからである。
したがって、この図に示すように、アノードガス及びカソードガスの圧力を低くすることで、ＯＣＶパージ処理時におけるガスの総置換量をより多くすることができる。

また、このようにしてガスの総置換量を増大するとともに、アノードガスの圧力を低減することにより、単位時間あたりに排出されるアノードオフガスの量を低減することができる。これにより、希釈器５０を、低温起動時におけるアノードオフガスの排出量に合わせて大型化する必要もない。

（２）本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０を低温起動する場合には、攪拌ガス導入配管５６から滞留室５３内に導入される希釈ガスの圧力は、通常起動する場合と比較して低減される。これにより、滞留室５３内から希釈ガス配管５７内に押し出すアノードオフガスの単位時間当りの流量、すなわち、希釈器５０から排出されるガスのアノードオフガスの濃度を低減することができる。

また、攪拌ガス導入配管５６を介して滞留室５３内に導入される希釈ガスの圧力を低減することにより、滞留室５３内の圧力を低減できる。上述のように、低温起動時において新たに供給されるアノードガスの圧力は、通常起動時と比較して低減される。このようにしてアノードガスの圧力を低減すると、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを、滞留室５３内に導入させにくくなる場合があるが、燃料電池システム１では、滞留室５３内の圧力を低減することで、新たに供給するアノードガスの圧力を低くしても、アノードオフガスを滞留室５３内に導入することが可能となる。したがって、低温起動時においてアノードガスを供給する圧力を低減することで、希釈器５０によるアノードオフガスの希釈性能が低下するのを防止できる。

また、希釈ガスの圧力を低減することにより、この希釈ガスを供給する手段、すなわち、カソードガスを供給するエアコンプレッサ２１において消費される電力をも低減することができる。特に、このようなアノードガスの置換は、燃料電池１０を起動する際、すなわち、燃料電池１０による発電を開始する前に行われるので、エアコンプレッサ２１において消費される電力は、バッテリにより供給される。したがって、本実施形態の燃料電池システム１によれば、バッテリの消費を抑えることで、その分の電力を、エアコンなどのその他補機を稼動するための電力エネルギとして用いることや、または、より小型で安価なバッテリを用いることが可能となる。

なお、本発明は上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、改良などは本発明に含まれるものである。

上記実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０の温度に関する情報として、燃料電池１０に設けた燃料電池温度センサ１１により検出された燃料電池温度Ｔを用いたがこれに限らない。燃料電池の温度に関する情報としては、この他、燃料電池システムのシステム温度や、燃料電池システムが設けられた場所の外気温度や、燃料電池システムが設けられた地域の天気予報の情報を用いてもよい。

また、上記実施形態の燃料電池システム１では、低温起動時のＯＣＶパージ処理におけるアノードガスの圧力及びカソードガスの圧力を低減したが、カソードガスの圧力のみを低減してもよい。これにより、上記実施形態の燃料電池システム１と同様の効果を奏することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 上記実施形態に係る希釈器の構成を示す断面図である。 上記実施形態に係る制御装置によるＯＣＶパージ処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る低温起動時におけるＯＣＶパージ処理のタイムチャートである。 ＯＣＶパージ処理時におけるアノードガス及びカソードガスの圧力と、実行可能なガスの総置換量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ 燃料電池温度センサ
２０ 供給装置
２１ エアコンプレッサ（カソードガス供給手段）
２３ エア供給路（カソードガス供給手段）
２２ 水素タンク（アノードガス供給手段）
２５ 水素供給路（アノードガス供給手段）
２５１ 水素レギュレータ（アノードガス供給手段）
５０ 希釈器（希釈手段）
５３ 滞留室（滞留室）
５６ 攪拌ガス導入配管（導入配管）
５７ 希釈ガス配管（希釈ガス配管）
５７１ 孔部（孔部）
４０ 制御装置
４１ 低温起動判断部（低温起動判断手段）
４２ ＯＣＶパージ実行部（アノードガス置換手段）
４３ 攪拌ガス圧力調整部（導入ガス圧力低減手段）

Claims (3)

1. カソードガスおよびアノードガスを化学反応させることにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス供給手段により前記燃料電池に新たにアノードガスを供給することで、前記燃料電池内部に残留するガスを置換するアノードガス置換手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の温度に関する情報に基づいて、当該燃料電池を低温起動するか、または、通常起動するかを判断する低温起動判断手段を備え、
   前記燃料電池を低温起動する場合には、前記アノードガス置換手段は、前記燃料電池を通常起動する場合と比較して、前記アノードガス供給手段により新たに供給されるアノードガスの圧力を低減しつつ、前記燃料電池の内部に残留するガスの総置換量を増大することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から排出されたカソードオフガスおよび前記カソードガス供給手段から供給されたカソードガスの何れかを少なくとも含むガスを希釈ガスとして用い、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを希釈して排出する希釈手段を備え、
   前記希釈手段は、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが一時的に滞留する滞留室と、希釈ガスを前記滞留室内に導入する導入配管と、希釈ガスが流通するとともに、前記滞留室内のガスを吸入する孔部が形成された希釈ガス配管と、を有し、
   前記燃料電池を低温起動する場合、前記アノードガス置換手段により前記燃料電池内部に残留するガスを置換する間には、前記導入配管から前記滞留室内に導入される希釈ガスの圧力を、前記燃料電池を通常起動する場合と比較して低減する導入ガス圧力低減手段をさらに備え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。
3. カソードガスおよびアノードガスを化学反応させることにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス供給手段により前記燃料電池に新たにアノードガスを供給することで、前記燃料電池内部に残留するガスを置換するアノードガス置換手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の温度に関する情報に基づいて、当該燃料電池を低温起動するか、または、通常起動するかを判断する低温起動判断手段と、
   前記燃料電池から排出されたカソードオフガスおよび前記カソードガス供給手段から供給されたカソードガスの何れかを少なくとも含むガスを希釈ガスとして用い、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを希釈して排出する希釈手段と、を備え、
   前記希釈手段は、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが一時的に滞留する滞留室と、希釈ガスを前記滞留室内に導入する導入配管と、希釈ガスが流通するとともに、前記滞留室内のガスを吸入する孔部が形成された希釈ガス配管と、を有し、
   前記燃料電池を低温起動する場合、前記アノードガス置換手段により前記燃料電池内部に残留するガスを置換する間には、前記導入配管から前記滞留室内に導入される希釈ガスの圧力を、前記燃料電池を通常起動する場合と比較して低減する導入ガス圧力低減手段をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。

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