JP2008103190A - 燃料電池システム及びその排水制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排水弁を備える燃料電池システムにおいて、低温環境下における排水弁の凍結を抑制する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２から排出される水分を流すための排水流路２３と、排水流路２３内の水分を外部に排出するための排水弁３１と、を備える燃料電池システム１であって、外気温が所定の閾値未満の環境下でシステムの始動要求がなされた場合に、この始動要求時からシステムの温度が所定温度に到達するまで排水弁３１からの排水を抑制するように排水弁３１を制御する排水制御手段７を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその排水制御方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って生成された窒素や一酸化炭素等の不純物ガスや水分が経時的に蓄積する。このようなガスや水分を外部に排出するために、循環流路（又はこの循環流路に接続した排出流路）に排気弁や排水弁を設け、これら排気弁や排水弁の開閉制御を行うことにより、蓄積したガスや水分を一定時間毎に排出する技術（パージ技術）が提案されている。

また、現在においては、排気・排水を行うパージ弁を低温環境下において開閉制御することにより、燃料電池システムの低温始動性能を向上させる技術が提案されている。例えば、低温環境下において、イグニションスイッチをＯＮ操作した後、パージ弁を一度開放してパージ処理を行い、その後の昇温過程で燃料電池が暖機されるまでパージ処理を禁止することにより、新たな水素ガスの供給に起因する燃料電池の温度低下を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００４−１７８９０１号公報

しかし、前記特許文献１に記載された技術を採用した場合には、イグニションスイッチをＯＮ操作した後に一度パージを実施するため、低温環境下で温度が低下したパージ弁に水分が流入し、この流入した水分が凍結してしまうおそれがある。このようにパージ弁に流入した水分が凍結すると、パージ弁が閉塞して後のパージ処理が困難となることが考えられる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、排水弁を備える燃料電池システムにおいて、低温環境下における排水弁の凍結を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出される水分を流すための排水流路と、この排水流路内の水分を外部に排出するための排水弁と、を備える燃料電池システムであって、外気温が所定の閾値未満の環境下でシステムの始動要求がなされた場合に、この始動要求時からシステムの温度が所定温度に到達するまで排水弁からの排水を抑制するように排水弁を制御する排水制御手段を備えるものである。

また、本発明に係る排水制御方法は、燃料電池と、この燃料電池から排出される水分を流すための排水流路と、この排水流路内の水分を外部に排出するための排水弁と、を備える燃料電池システムの排水制御方法であって、システムの始動要求がなされたか否かを判定する第１の工程と、外気温が所定の閾値未満であるか否かを判定する第２の工程と、第１の工程でシステムの始動要求がなされたものと判定され、かつ、第２の工程で外気温が所定の閾値未満であると判定された場合に、始動要求時からシステムの温度が所定温度に到達するまで排水弁からの排水を抑制する第３の工程と、を含むものである。

かかる構成及び方法を採用すると、外気温が所定の閾値未満の環境下（例えば氷点下等の低温環境下）でシステムの始動要求がなされた時点からシステムの温度が所定温度に到達するまで排出流路内の水分が排水弁に流入することを抑制することができる。従って、低温環境下においても、排水弁の凍結（及び凍結に伴う排水弁の閉塞）を抑制することが可能となる。ここで、「システムの始動要求」とは、運転停止状態にある燃料電池システムを始動させるための情報（例えばイグニションスイッチのＯＮ信号）を意味する。また、「システムの温度」とは、燃料電池システム全体の平均温度や燃料電池システムの特定の構成の温度（例えば排水流路内の温度）を意味する。

前記燃料電池システムにおいて、排水弁に貯留した水の熱量が所定熱量を超えた場合に、排水弁からの排水を許容するように排水弁を制御する排水制御手段を採用することができる。また、「所定熱量」としては、零度突破熱量（外気温零度以下の環境下において排水弁及び排水流路が零度を超えるのに必要な熱量）を採用することができる。

かかる構成を採用すると、排水弁に水が貯留した場合においても、その貯留した水の熱量が所定熱量を超えた場合に、排水弁からの排水を許容することができる。従って、排水弁や排水流路で水が凍結して排水が滞ることによる問題（例えば、排気と排水とを同時に行う排気排水弁を採用した場合に、窒素等の発電に寄与しない物質が排水流路から排出されないこと等）を解決することが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁を排水弁として採用することができる。かかる場合において、排水制御手段により排気排水弁からの排水が抑制されている間に、燃料電池への燃料ガスの供給量及び／又は循環量を所定量よりも多く設定する燃料供給制御手段を備えることができる。

かかる構成を採用すると、排気排水弁からの排気・排水が抑制されている間に、燃料電池への燃料ガスの供給量及び／又は循環量を所定量（例えば排気・排水が抑制されない通常起動時における供給量及び／又は循環量）よりも多く設定することができる。従って、排水と同時に排気が抑制されることに起因して、燃料電池に供給される燃料の濃度が低下することを抑制することが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、を備えることができる。かかる場合において、排水制御手段により排水弁からの排水が抑制されている間に、燃料電池への燃料ガスの供給量を所定供給量よりも多く設定するように可変ガス供給装置を制御する燃料供給制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、排気排水弁からの排気・排水が抑制されている間に、可変ガス供給装置を制御して、燃料電池への燃料ガスの供給量を所定供給量（例えば排気・排水が抑制されない通常起動時における供給量）よりも多く設定することができる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。可変ガス供給装置としては、例えばインジェクタを採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、排水流路に相当しかつ燃料電池から排出される燃料オフガスを供給流路に流すための循環流路と、循環流路内のガスを供給流路に強制的に循環させる循環ポンプと、を備えることができる。かかる場合において、排水制御手段により排気排水弁からの排水が抑制されている間に、燃料電池への燃料ガスの循環量を所定循環量よりも多く設定するように循環ポンプを制御する燃料供給制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、排気排水弁からの排気・排水が抑制されている間に、循環ポンプを制御して、燃料電池への燃料ガスの循環量を所定循環量（例えば排気・排水が抑制されない通常起動時における循環量）よりも多く設定することができる。

本発明によれば、排水弁を備える燃料電池システムにおいて、氷点下等の低温環境下における排水弁や排水流路の凍結を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

水素供給源２１は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。

水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。

レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ２８の上流側にレギュレータ２７を２個配置することにより、インジェクタ２８の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ２８の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ２８の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ２８の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ２８の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ２８の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ２８の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ２７は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。

インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部７から出力される制御信号によってインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ２８は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

インジェクタ２８は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ２８のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。インジェクタ２８は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。気液分離器３０には、その内部に貯留された水分の温度を検出する図示されていない水温センサが設けられており、排気排水流路２５には、その内部の温度を検出する温度センサ３２が設けられている。これら水温センサ及び温度センサ３２で検出された温度情報は、後述する起動時パージ制御に用いられる。循環流路２３及び排気排水流路２５は、本発明における排水流路の一実施形態に相当するものである。

排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給するものであり、本発明における循環ポンプの一実施形態として機能する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。

具体的には、制御部７は、図２に示すように、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部７の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。

また、制御部７は、燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）とともに、目標パージ量（排気排水弁３１からの水素オフガスの目標排出量）を算出する（目標パージ量算出機能：Ｂ３）。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。

また、制御部７は、算出した目標圧力値と、圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８の下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能：Ｂ４）。そして、制御部７は、算出した偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。また、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ６）。そして、制御部７は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出し、この噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

また、制御部７は、前記したインジェクタ２８のフィードバック制御（インジェクタ２８の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御）を行うと同時に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、循環流路２３内の水分及び水素オフガスを排気排水弁３１から外部に排出する。

この際、制御部７は、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量）を算出し（パージ量算出機能：Ｂ７）、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能：Ｂ８）。そして、制御部７は、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀以上である場合には排気排水弁３１を閉鎖する（パージ制御機能：Ｂ９）。

ここで、制御部７のパージ量算出機能Ｂ７の詳細について説明する。インジェクタ２８のフィードバック制御により、インジェクタ２８の下流位置における圧力センサ２９の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁３１の開放により循環流路２３から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部７は、このような水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量（圧力変化対応流量）を算出する（圧力変化対応流量算出機能：Ｂ７ａ）。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する水素ガスの排出量と、の関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量Ｑ₁を算出している。また、制御部７は、水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量（ガス補正供給流量）を算出し（補正流量算出機能：Ｂ５）、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ₂を算出する（補正流量積算機能：Ｂ７ｂ）。そして、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ₁と、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ₂と、を加算することにより、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出機能：Ｂ７）。

また、制御部７のパージ制御機能Ｂ９の詳細について説明する。制御部７は、燃料電池車両のイグニションスイッチのＯＮ信号（システムの始動要求）を検出するとともに、図示されていない外気温センサを用いて外気温を検出する。そして、制御部７は、外気温が所定の閾値（例えば零度）未満の環境下でイグニションスイッチのＯＮ信号を検出した場合に、このＯＮ信号の検出時からシステムの温度が所定温度に到達するまで、排気排水弁３１からの排水を抑制するように排気排水弁３１を制御する。すなわち、制御部７は、本発明における排水制御手段として機能する。ここで、「システムの温度」とは、システム全体の平均温度やシステムの特定の構成の温度を意味する。本実施形態においては、温度センサ３２を介して検出される温度（排気排水流路２５内の温度）が所定温度に到達するまで、排気排水弁３１からの排水を抑制するようにしている。排水許容の際の基準となる「所定温度」は、システム全体の規模・仕様や外気温等に応じて適宜設定することができる。

また、制御部７は、気液分離器３０内の貯流水（排気排水弁３１に貯留した水）の熱量が所定熱量を超えた場合に、（排気排水流路２５内の温度が所定温度未満であっても）排気排水弁３１からの排水を許容するように排気排水弁３１を制御する。本実施形態においては、水温センサを介して検出される貯留水の温度と、燃料電池２の発電電流値から推定される貯流水の量と、に基づいて貯流水の熱量を算出している。排水許容の際の基準となる「所定熱量」は、システム全体の規模・仕様や排気排水流路２５の断面積・流路長等に応じて適宜設定することができる。本実施形態においては、温度センサ３２を介して検出される排気排水流路２５内の温度と、排気排水流路２５の熱容量と、に基づいて算出した零度突破熱量（外気温零度の環境下において排気排水弁３１及び排気排水流路２５が零度を超えるのに必要な熱量）を「所定熱量」として採用している。

また、制御部７は、排気排水弁３１からの排水を抑制している間、燃料電池２への水素ガスの供給量を所定供給量よりも多く設定するようにインジェクタ２８を制御するとともに、燃料電池２への水素ガスの循環量を所定循環量よりも多く設定するように水素ポンプ２４を制御する。すなわち、制御部７は、本発明における燃料供給制御手段としても機能するものである。本実施形態においては、「所定供給（循環）量」として、排気・排水が抑制されない通常起動時における供給（循環）量を採用している。

続いて、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時パージ制御方法（排水制御方法）について説明する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転に至る前のシステム起動時におけるパージ制御を行う。なお、燃料電池システム１の起動前においては、排気排水弁３１は閉鎖状態にあるものとする。

まず、燃料電池システム１の制御部７は、運転停止状態において、イグニションスイッチのＯＮ信号（システムの始動要求）の有無を判定する（始動要求判定工程：Ｓ１）。次いで、制御部７は、イグニションスイッチのＯＮ信号を検出した場合に、外気温センサを用いて外気温を検出し、外気温が所定の閾値（例えば零度）未満であるか否かを判定する（外気温判定工程：Ｓ２）。

次いで、制御部７は、外気温判定工程Ｓ２において外気温が所定の閾値以上であると判定した場合に、排気排水弁３１を開放する工程（後述するパージ弁開放工程Ｓ６）に移行する。一方、制御部７は、外気温判定工程Ｓ２において外気温が所定の閾値未満であると判定した場合に、排気排水弁３１の閉鎖状態を維持するとともに、燃料電池２への水素ガスの供給量及び循環量を所定量よりも多く設定するようにインジェクタ２８及び水素ポンプ２４を制御する（パージ弁閉鎖維持工程：Ｓ３）。

パージ弁閉鎖維持工程Ｓ３に次いで、制御部７は、温度センサ３２を介して検出される排気排水流路２５内の温度が所定温度に到達したか否かを判定し（システム温度判定工程：Ｓ４）、肯定的な判定が得られた場合に、排気排水弁３１を開放する工程（後述するパージ弁開放工程Ｓ６）に移行する。一方、制御部７は、システム温度判定工程Ｓ４において否定的な判定が得られた場合に、排気排水弁３１に貯留した水（気液分離器３０内の貯流水）の熱量が所定熱量を超えたか否かを判定する（貯流水熱量判定工程：Ｓ５）。

続いて、制御部７は、貯流水熱量判定工程Ｓ５において否定的な判定が得られた場合に、パージ弁閉鎖維持工程Ｓ３移行の工程を繰り返し実施する一方、肯定的な判定が得られた場合に、排気排水弁３１を開放する（パージ弁開放工程：Ｓ６）。以上の工程群を経ることにより、燃料電池システム１の起動時におけるパージが実現されることとなる。 なお、本実施形態における始動要求判定工程Ｓ１及び外気温判定工程Ｓ２は、各々、本発明における第１の工程及び第２の工程に相当し、本実施形態におけるパージ弁閉鎖維持工程Ｓ３及びシステム温度判定工程Ｓ４は、本発明における第３の工程に相当する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、外気温が所定の閾値未満の低温環境下でイグニションスイッチのＯＮ操作（システムの始動要求）があった時点からシステムの温度が所定温度に到達するまで、循環流路２３内の水分が排気排水弁３１に流入することを抑制することができる。従って、低温環境下においても、排気排水弁３１の凍結（及び凍結に伴う排気排水弁３１の閉塞）を抑制することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、気液分離器３０内の貯流水の熱量が所定熱量を超えた場合に、排気排水弁３１からの排水を許容することができる。従って、排気排水弁３１で水が凍結して排水が滞ることにより、窒素等の発電に寄与しない物質が同様に排出されずに滞るというような問題を解決することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排気排水弁３１からの排気・排水を抑制している間に、燃料電池２への水素ガスの供給量及び循環量を所定量（排気・排水が抑制されない通常起動時における供給量及び循環量）よりも多く設定することができる。従って、排水と同時に排気が抑制されることに起因して、燃料電池２に供給される水素の濃度が低下することを抑制することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系４に循環流路２３を設けた例を示したが、例えば、図４に示すように、燃料電池２に排出流路３３を接続して循環流路２３を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御部７が、低温環境下でイグニションスイッチのＯＮ操作がなされた場合に排気排水弁３１の閉鎖状態を維持することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。かかる構成における排出流路３３は、本発明における排水流路の一実施形態に相当するものである。

また、以上の実施形態においては、循環流路２３に水素ポンプ２４を設けた例を示したが、水素ポンプ２４に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３１を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器３０で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部７で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。かかる構成を採用した場合においても、制御部７が、低温環境下でイグニションスイッチのＯＮ操作がなされた場合に排水弁の閉鎖状態を維持することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、以上の実施形態においては、排気排水弁３１からの排水を抑制している間に、インジェクタ２８を制御することにより燃料電池２への水素ガスの供給量を増大させた例を示したが、インジェクタ２８に代えて（又はインジェクタ２８と同時に）レギュレータ２７を制御することにより燃料電池２への水素ガスの供給量を増大させることもできる。

また、以上の実施形態においては、排気排水弁３１からの排水を抑制している間に、インジェクタ２８及び水素ポンプ２４の双方を制御することにより、燃料電池２への水素ガスの供給量及び循環量の双方を増大させた例を示したが、これらインジェクタ２８及び水素ポンプ２４の何れか一方のみを制御することにより、燃料電池２への水素ガスの供給量及び循環量の何れか一方を増大させてもよい。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムの制御部の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの起動時パージ制御方法（本発明の実施形態に係る排水制御方法）を説明するためのフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの変形例を示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（排水制御手段、燃料供給制御手段）、２１…水素供給源（燃料供給源）、２２…水素供給流路（供給流路）、２３…循環流路（排水流路）、２４…水素ポンプ（循環ポンプ）、２５…排気排水流路（排水流路）、２７…レギュレータ（可変ガス供給装置）、２８…インジェクタ（可変ガス供給装置）、３１…排気排水弁（排水弁）、３３…排出流路（排水流路）。

Claims (7)

1. 燃料電池と、この燃料電池から排出される水分を流すための排水流路と、この排水流路内の水分を外部に排出するための排水弁と、を備える燃料電池システムであって、
   外気温が所定の閾値未満の環境下でシステムの始動要求がなされた場合に、この始動要求時からシステムの温度が所定温度に到達するまで前記排水弁からの排水を抑制するように前記排水弁を制御する排水制御手段を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記排水制御手段は、前記排水弁に貯留した水の熱量が所定熱量を超えた場合に、前記排水弁からの排水を許容するように前記排水弁を制御するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定熱量は、外気温零度以下の環境下において前記排水弁及び前記排水流路が零度を超えるのに必要な熱量である、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記排水弁は、排水と排気との双方を兼ねる排気排水弁であり、
   前記排水制御手段により前記排気排水弁からの排水が抑制されている間に、前記燃料電池への燃料ガスの供給量及び／又は循環量を所定量よりも多く設定する燃料供給制御手段を備える、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、
   前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、
   を備え、
   前記燃料供給制御手段は、前記排水制御手段により前記排水弁からの排水が抑制されている間に、前記燃料電池への燃料ガスの供給量を所定供給量よりも多く設定するように前記可変ガス供給装置を制御するものである、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、
   前記排水流路に相当しかつ前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記供給流路に流すための循環流路と、
   前記循環流路内のガスを前記供給流路に強制的に循環させる循環ポンプと、
   を備え、
   前記燃料供給制御手段は、前記排水制御手段により前記排気排水弁からの排水が抑制されている間に、前記燃料電池への燃料ガスの循環量を所定循環量よりも多く設定するように前記循環ポンプを制御するものである、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池と、この燃料電池から排出される水分を流すための排水流路と、この排水流路内の水分を外部に排出するための排水弁と、を備える燃料電池システムの排水制御方法であって、
   システムの始動要求がなされたか否かを判定する第１の工程と、
   外気温が所定の閾値未満であるか否かを判定する第２の工程と、
   前記第１の工程でシステムの始動要求がなされたものと判定され、かつ、前記第２の工程で外気温が所定の閾値未満であると判定された場合に、前記始動要求時からシステムの温度が所定温度に到達するまで前記排水弁からの排水を抑制する第３の工程と、
   を含む燃料電池システムの排水制御方法。

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