JP4887408B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来から、例えば車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）とするものが知られている。このような燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。

このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば氷点下環境で使用される場合にいくつかの問題を抱えている。例えば、燃料電池システムの停止中に低温環境に曝されると、燃料電池を構成するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の表面や内部において、残留した水分が凍結し、ＭＥＡの有効反応面積が狭くなるというおそれがある。このようにＭＥＡの有効反応面積が狭くなっている状態で、燃料電池のＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：開回路電圧）が所定のＯＣＶ以上となったことにより、燃料電池の発電を許可し、発電を開始させてしまうと、ＭＥＡにおいてガス欠状態となり、燃料電池の発電性能および安定性が低下するという問題がある。

そこで、そのような問題を解消するために、システムが低温起動するか否かを判定するＥＣＵを備え、低温起動すると判定した場合、ＥＣＵはアノードガス流路内を新鮮な水素に置換することを狙って、パージ弁を開いて排出させるガスの総パージ量を増加させ、アノードガス流路における水素濃度を高める技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２７７２０３号公報

ところで、特許文献１の燃料電池システムでは上述した問題は解消されるものの、低温起動時に燃料電池は温まっているがアノードガス流路が暖機しきれていない状況で、発電中もしくはソーク中（無起動放置中）にアノードガス流路で生成水が凍結して、アノードガス流路を閉塞してしまい、生成水が排出できなくなるというおそれがある。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、アノードガス流路の凍結防止を図ることができる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノードガスが供給されるアノードガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス供給配管２３）と、カソードガスが供給されるカソードガス流路（例えば、実施形態におけるカソードガス供給配管２４）と、前記アノードガス流路に前記アノードガスが供給されるとともに、前記カソードガス流路に前記カソードガスが供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給するアノードガス供給部（例えば、実施形態における水素タンク３０）と、前記燃料電池を通過し排出されたアノードオフガスが、再度前記アノードガス流路を介して前記燃料電池に戻されるアノードオフガス循環流路（例えば、実施形態におけるアノードオフガス排出配管３５）と、該アノードオフガス循環流路内の流体を外部に排出する排出弁（例えば、実施形態におけるドレイン弁５１、パージ弁５２）と、を備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）において、前記排出弁は、前記アノードオフガス循環流路から分岐して設けられた第１排出弁（例えば、実施形態におけるドレイン弁５１）と、該第１排出弁が分岐して設けられた前記アノードオフガス循環流路上の位置から下流側に配された第２排出弁（例えば、実施形態におけるパージ弁５２）と、を少なくとも有し、前記アノードガス供給部および前記排出弁を制御し、前記アノードガス供給部から前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給しつつ、前記排出弁を定期的に開弁することで前記アノードオフガス循環流路内の流体を排出する定期循環流体置換を行う制御部（例えば、実施形態における制御装置４５）を備え、該制御部は、前記燃料電池の起動後に、低温状態にあるか否かを判定する低温状態判定部（例えば、実施形態における低温状態判定部４７）を有し、該低温状態判定部により低温状態にあると判定した場合、前記第１排出弁および前記第２排出弁のうちの一方からの定期循環流体置換を制限した後、他方からの流体排出量を増大させて前記アノードオフガス循環流路内の流体置換を行うことを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記制御部は、前記低温状態判定部により低温状態にあると判定した場合、前記排出弁の１回あたりの開弁時間（例えば、実施形態における開弁時間Ｔ１）を前記定期循環流体置換における開弁時間（例えば、実施形態における開弁時間Ｔ２）よりも長くなるように制御することを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記制御部は、前記低温状態判定部により低温状態にあると判定した場合、前記排出弁の開弁間隔（例えば、実施形態における開弁間隔Ｔ３）が前記定期循環流体置換における開弁間隔（例えば、実施形態における開弁間隔Ｔ４）よりも短くなるように制御することを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、前記排出弁から排出される前記アノードオフガスの濃度を希釈する希釈器（例えば、実施形態における希釈ボックス３１）と、該希釈器に前記カソードガスを供給するカソードガス希釈流路（例えば、実施形態における希釈ガス供給配管５６）と、を備え、前記制御部は、前記流体排出量の増加に伴って、前記カソードガス希釈流路に供給する前記カソードガスの流量を増加するように制御することを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、前記制御部は、前記第１排出弁が凍結状態にあるか否かを判定する凍結判定部（例えば、実施形態における凍結判定部４６）を有し、該凍結判定部において凍結状態に無いと判定した場合、前記第１排出弁からの流体排出量を増大させて前記アノードオフガス循環流路内の流体置換を行うことを特徴としている。

請求項６に記載した発明は、前記制御部は、前記燃料電池の起動時温度および前記燃料電池の発電電流積算値を用いて前記アノードオフガス循環流路の昇温状態を判定する昇温状態判定部（例えば、実施形態における昇温状態判定部４９）を有し、前記流体排出量を増大させた後、前記昇温状態判定部において前記アノードオフガス循環流路が所定温度以上に昇温したと判定した場合に前記流体排出量の増大を停止させることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、燃料電池システムが低温状態にあると判定した場合、定期循環流体置換時の流体排出量よりも多く、そして温度が周囲環境よりも高い流体を排出弁から排出するように構成したため、アノードオフガス循環流路の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス循環流路の凍結防止を図ることができる。
また、第１排出弁および前記第２排出弁のうちの一方からの定期循環流体置換を制限した後、他方からの流体排出量を増大させてアノードオフガス循環流路内の流体置換を行うことにより、他方の弁からの流体排出量を確実に増大させることができる。したがって、アノードオフガス循環流路および他方の弁の暖機能力を向上させることができ、凍結防止を図ることができる。

請求項２に記載した発明によれば、燃料電池システムが低温状態にあると判定した場合、流体排出時において排出弁の開弁時間を定期循環流体置換時の排出弁の開弁時間よりも長くなるように構成したため、排出弁が開弁したときの１回あたりの流体排出量を増大させることができる。したがって、アノードオフガス循環流路の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス循環流路の凍結防止を図ることができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池システムが低温状態にあると判定した場合、流体排出時において排出弁の開弁間隔を定期循環流体置換時の排出弁の開弁間隔よりも短くなるように構成したため、単位時間あたりの排出弁の開弁時間を長くすることができ、流体排出量を増大させることができる。したがって、アノードオフガス循環流路の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス循環流路の凍結防止を図ることができる。

請求項４に記載した発明によれば、流体排出量が増大すると、希釈器におけるアノードオフガスの濃度が上昇するおそれがあるため、それに伴ってカソードガスをカソードガス希釈流路から希釈器に供給することにより、アノードオフガス循環流路の凍結防止を図ることに加えて、希釈器内のアノードオフガスの濃度上昇を確実に防止することができる。

請求項５に記載した発明によれば、第１排出弁を用いてアノードオフガス循環流路内の流体置換を行う際に、第１排出弁が凍結しているか否かを判定し、凍結していない場合、つまり第１排出弁が確実に機能する場合のみ流体置換を行うように構成したため、第１排出弁が損傷するのを防止することができるとともに、確実に第１排出弁から流体を排出することができ、凍結防止を図ることができる。

請求項６に記載した発明によれば、昇温状態判定部でアノードオフガス循環流路が所定温度以上に昇温したと判断するまで流体排出量を増大するため、確実にアノードオフガス循環流路を暖機することができ、アノードオフガス循環流路の凍結防止を図ることができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態における制御装置の概略ブロック図である。 本発明の第一実施形態における燃料電池システムのドレインおよびパージ方法を示すフローチャートである。 本発明の第一実施形態におけるドレイン弁の開閉タイミングを説明するタイムチャートである。 本発明の第一実施形態におけるドレイン排出配管の温度変化を説明する図である。 本発明の第一実施形態におけるドレイン排出配管の暖機状態を確認するために用いるグラフである。 本発明の第二実施形態における燃料電池システムのドレインおよびパージ方法を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態におけるパージガス排出配管の暖機状態を確認するために用いるグラフである。

（第一実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管（アノードオフガス循環流路）３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。

また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。

また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。なお、パージガス排出配管３７は、ドレイン排出配管３６よりも配管径の大きいものが取り付けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。

次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。

また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。

さらに、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され希釈ガス供給配管５６の一端が接続されている。希釈ガス供給配管５６は、希釈ボックス３１に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を希釈ボックス３１に直接供給できるようになっている。なお、希釈ガス供給配管５６には電磁駆動式の電磁弁５７が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。

ここで、アノードオフガス排出配管３５におけるアノードオフガス排出用連通孔１４の直後（下流側）に、温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１により、燃料電池１１の内部の温度と略同一の温度を検知することができるようになっている。温度センサ４１からの検出結果（センサ出力）は、制御装置（ＥＣＵ）４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、各種制御（後に詳述する。）を実行するか否かを決定するように構成されている。

図２は制御装置４５の概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置４５は、ドレイン弁５１が凍結状態になっているか否かを判定する凍結判定部４６と、燃料電池１１で生成された水が流通するアノードオフガス排出配管３５などが低温状態にあるか否かを判定する低温状態判定部４７と、ドレイン弁５１およびパージ弁５２の開閉を制御する排出弁開閉制御部４８と、ドレイン排出配管３６の暖機が完了したか否かを判定する昇温状態判定部４９と、燃料電池システム１０の起動中に定期的にドレイン弁５１およびパージ弁５２を開弁して定期循環流体置換（以下、「定期流体置換」という）を実行する定期流体置換実行部５０と、を有している。

なお、「定期流体置換」とは、上述したように燃料電池システム１０の起動中であって、アノードオフガス排出配管３５、ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７の暖機が完了した状態、つまり、燃料電池システム１０の通常運転時に定期的にドレイン弁５１およびパージ弁５２を開弁してアノードオフガスおよび生成水を排出するとともに、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３へ水素を供給することによりアノード側の水素濃度を高める手段のことである。ドレイン弁５１およびパージ弁５２を開弁するタイミングは、キャッチタンク５３の貯留水量によって設定したり、発電時の電流積算値によって設定したりすることができる。

また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、電磁弁２５を制御して水素タンク３０から所定量の水素ガスを燃料電池１１に供給することができるようになっている。また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ３３を駆動して所定量の空気を燃料電池１１に供給するとともに、背圧弁３４を制御してカソードガス流路２２への空気の供給圧力を調整できるように構成されている。

さらに、アノードガス供給配管２３およびアノードオフガス排出配管３５などを掃気する際に、掃気ガス導入配管５４の電磁弁５５を制御して所定量の空気を供給することができるように構成されている。そして、希釈ボックス３１の水素濃度が上昇するのを抑制するために、希釈ガス供給配管５６の電磁弁５７を制御して所定量の空気を供給することができるように構成されている。

（燃料電池システムのドレインおよびパージ方法）
次に、本実施形態における燃料電池システム１０のドレインおよびパージ方法について説明する。
図３は燃料電池システム１０のドレインおよびパージ方法のフローチャートである。
図３に示すように、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオンにした状態からフローチャートが始まる。

ステップＳ１１では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、オフにされた場合はそのままこの処理は終了し、オフにされていない場合はステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、ドレイン弁５１が凍結しているか否かを制御装置４５の凍結判定部４６において判定し、ドレイン弁５１が凍結していると判定した場合にはステップＳ１１へ戻り、凍結していないと判定した場合にはステップＳ１３へ進む。なお、ドレイン弁５１が凍結しているか否かについては、例えば予め実験によって凍結する温度を確認して凍結判定用の温度を定めておき、温度センサ４１で検出された温度によって判定している。

ステップＳ１３では、燃料電池システム１０が低温状態に曝されているか否かを制御装置４５の低温状態判定部４７において判定し、低温状態にあると判定した場合にはステップＳ１４へ進み、低温状態にないと判定した場合にはステップＳ１８に進む。

ここで、低温状態にあると判定するとは、このまま燃料電池システム１０を通常通り起動すると、アノードオフガス排出配管３５、ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７において燃料電池システム１０の起動直後に燃料電池１１から排出された生成水が凍結するおそれがあると判断することであり、例えば、予め実験のシステムでの実験で確認された温度センサ４１における設定温度値に基づいて判断される。この低温状態にあると判定した場合には、制御装置４５の排出弁開閉制御部４８の指示によりドレイン弁５１およびパージ弁５２の開閉制御を定期流体置換とは異なる制御に設定する。

具体的には、ステップＳ１４では、定期パージを禁止して、ステップＳ１５へ進む。つまり、パージ弁５２を閉弁状態に保持してパージできない状態にする。

ステップＳ１５では、ドレイン排出配管３６から排出する単位時間あたりのドレイン量を増大させる。具体的には、図４に示すように、１回あたりのドレイン弁５１の開弁時間Ｔ１を定期流体置換時の開弁時間Ｔ２よりも長くなるように設定したり、１回あたりのドレイン弁５１の開弁時間は定期流体置換時と同一の開弁時間Ｔ２にして開弁間隔（インターバル）Ｔ３を定期流体置換時の開弁間隔Ｔ４よりも短くなるように設定したりすればよい。生成水は燃料電池１１から排出される時点において７０℃程度の温水であるため、このようにドレイン量を増大させることによりドレイン排出配管３６の暖機能力が向上する。したがって、ドレイン排出配管３６が凍結するおそれを短時間で解消することができる。

図５にドレイン排出配管３６の温度変化の様子を示す。図５に示すように、定期流体置換のタイミングでドレイン弁５１の開閉制御を行うと、ドレイン排出配管３６の温度が時間の経過とともに徐々に低下して凍結発生温度を下回る（線分１００）ことになるのに対して、１回あたりのドレイン弁５１の開弁時間を長くした場合（線分１１０）およびドレイン弁５１の開弁間隔を短くした場合（線分１２０）はドレイン排出配管３６の温度が所定の範囲内で上下するだけで凍結発生温度を下回ることがない。つまり、ドレイン排出配管３６の昇温性能を向上させることができる。

また、ステップＳ１５において、希釈ボックス３１のアノードガス（水素）濃度が上昇するおそれがある場合には、エアコンプレッサ３３を駆動するとともに電磁弁５７を開弁して、空気を希釈ボックス３１へ供給するようにしてもよい。

ステップＳ１６では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、オフにされた場合はそのままこの処理は終了し、オフにされていない場合はステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１７では、ドレイン排出配管３６の暖機が完了したか否かを制御装置４５の昇温状態判定部４９において判定し、暖機が完了した場合にはステップＳ１８へ進み、まだ暖機が完了していない場合にはステップＳ１４へ戻り、ドレイン量の増大を継続させる。

ここで、ドレイン排出配管３６の暖機が完了したか否かは図６に基づいて判断する。図６に示すように、ドレイン排出配管３６の暖機が完了したか否かは燃料電池システム１０の起動温度と、燃料電池１１から発電された電流積算値と、から判定している。具体的には、領域Ａの範囲内のときはドレイン排出配管３６の暖機は完了していないと判定し、領域Ｂの範囲内のときはドレイン排出配管３６の暖機は完了したと判定する。起動温度がｔ１（例えば、０℃）を超えたときは電流積算値に関係なく暖機は完了したと判定する。起動温度がｔ１以下のときは電流積算値に応じて暖機が完了したか否かを判定する。なお、起動温度がｔ１以下で電流積算値が少ない場合は、生成水がほとんど発生していないため、暖機は完了したと判定している。

ステップＳ１８では、ドレイン排出配管３６の暖機が完了したため、制御装置４５の定期流体置換実行部５０の指示によりドレイン弁５１およびパージ弁５２の開閉制御を定期流体置換の状態に戻して、ステップＳ１９へ進む。

ステップＳ１９では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、オフにされた場合はそのままこの処理は終了し、オフにされていない場合はステップＳ１９をイグニッションスイッチがオフにされるまで繰り返す。

本実施形態によれば、燃料電池システム１０の起動後に、低温状態判定部４７において低温状態にあるか否かを判定し、低温状態にあると判定した場合、定期流体置換におけるドレイン排出量よりも多くのドレインをドレイン弁５１から排出するように構成したため、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の凍結防止を図ることができる。

具体的には、制御装置４５の排出弁開閉制御部４８の指示により、ドレイン弁５１の１回あたりの開弁時間Ｔ１を定期流体置換における開弁時間Ｔ２よりも長くなるように制御するため、ドレイン弁５１が開弁したときの１回あたりのドレイン排出量を増大させることができる。したがって、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の凍結防止を図ることができる。

または、制御装置４５の排出弁開閉制御部４８の指示により、ドレイン弁５１を開弁する間隔Ｔ３が定期流体置換における開弁間隔Ｔ４よりも短くなるように制御するため、単位時間あたりのドレイン弁５１の開弁時間を長くすることができ、ドレイン排出量を増大させることができる。したがって、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の凍結防止を図ることができる。

また、ドレイン排出量が増大すると、希釈ボックス３１におけるアノードガスの濃度が上昇するおそれがあるため、それに伴ってカソードガスを希釈ガス供給配管５６から希釈ボックス３１に供給できるように構成したため、希釈ボックス３１内のアノードガスの濃度上昇を確実に防止することができる。

また、制御装置４５は、ドレイン弁５１が凍結状態にあるか否かを判定する凍結判定部４６を有し、凍結状態に無いと判定した場合、つまりドレイン弁５１が確実に機能する場合のみ、ドレイン弁５１からのドレイン排出量を増大させるように構成したため、ドレイン弁５１が損傷するのを防止することができるとともに、確実にドレイン弁５１からドレインを排出することができ、凍結防止を図ることができる。

さらに、ドレイン弁５１からのドレイン排出量を増大させてアノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の流体置換を行う際に、パージ弁５２からの定期流体置換を禁止してから流体置換を行うことにより、ドレイン弁５１からのドレイン排出量を確実に増大させることができる。したがって、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の凍結防止を図ることができる。

そして、制御装置４５の昇温状態判定部４９の指示により、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６が所定温度以上に昇温したと判定した場合にドレイン排出量の増大を停止させるように構成したため、確実にアノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６を暖機することができ、アノードオフガス排出配管３５およびドレイン排出配管３６の凍結防止を図ることができる。

なお、本実施形態ではステップＳ１４において、定期パージを禁止してパージできない状態に保持したが、完全に禁止するのではなく、定期パージよりもパージ量を少なくする、つまり定期パージを制限する構成にしてもよい。この場合、希釈ボックス３１内のアノードガス濃度の調整が必要である。

（第二実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を図７〜図８に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態と燃料電池システムのドレインおよびパージ方法が異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（燃料電池システムのドレインおよびパージ方法）
本実施形態における燃料電池システム１０のドレインおよびパージ方法について説明する。
図７は燃料電池システム１０のドレインおよびパージ方法のフローチャートである。
図７に示すように、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオンにした状態からフローチャートが始まる。

ステップＳ２１では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、オフにされた場合はそのままこの処理は終了し、オフにされていない場合はステップＳ２２へ進む。

ステップＳ２２では、燃料電池システム１０が低温状態に曝されているか否かを制御装置４５の低温状態判定部４７において判定し、低温状態にあると判定した場合にはステップＳ２３へ進み、低温状態にないと判定した場合にはステップＳ２７に進む。

ここで、低温状態にあると判定した場合は、このまま燃料電池システム１０を通常通り起動すると、アノードオフガス排出配管３５、ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７において燃料電池システム１０の起動直後に燃料電池１１から排出された生成水が凍結するおそれがあると判断し、制御装置４５の排出弁開閉制御部４８の指示によりドレイン弁５１およびパージ弁５２の開閉制御を定期流体置換とは異なる制御に設定する。

具体的には、ステップＳ２３では、定期ドレインを禁止して、ステップＳ２４へ進む。つまり、ドレイン弁５１を閉弁状態に保持してドレイン排出配管３６からドレインを排出できない状態にする。

ステップＳ２４では、パージガス排出配管３７から排出する単位時間あたりのパージ量を増大させる。具体的には、図４に示す動作をパージ弁５２に当てはめ、１回あたりのパージ弁５２の開弁時間Ｔ１を定期流体置換時の開弁時間Ｔ２よりも長くなるように設定したり、１回あたりのパージ弁５２の開弁時間は定期流体置換時と同一の開弁時間Ｔ２にして開弁間隔Ｔ３を定期流体置換時の開弁間隔Ｔ４よりも短くなるように設定したりすればよい。このように構成することにより、パージガスだけでなくキャッチタンク５３から溢れた生成水がパージガス排出配管３７から希釈ボックス３１へと排出される。生成水は燃料電池１１から排出される時点において７０℃程度の温水であるため、このようにパージ量を増大させることによりパージガス排出配管３７の暖機能力が向上する。したがって、パージガス排出配管３７が凍結するおそれを短時間で解消することができる。

また、パージガス排出配管３７の温度変化の様子は図５と略同一の温度変化になる。つまり、定期流体置換のタイミングでパージ弁５２の開閉制御を行うと、パージガス排出配管３７の温度が時間の経過とともに徐々に低下して凍結発生温度を下回る（線分１００）ことになるのに対して、１回あたりのパージ弁５２の開弁時間を長くした場合（線分１１０）およびパージ弁５２の開弁間隔を短くした場合（線分１２０）はパージガス排出配管３７の温度が所定の範囲内で上下するだけで凍結発生温度を下回ることがない。つまり、パージガス排出配管３７の昇温性能を向上させることができる。

また、ステップＳ２４において、希釈ボックス３１のアノードガス（水素）濃度が上昇するおそれがある場合には、エアコンプレッサ３３を駆動するとともに電磁弁５７を開弁して、空気を希釈ボックス３１へ供給するようにしてもよい。

ステップＳ２５では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、オフにされた場合はそのままこの処理は終了し、オフにされていない場合はステップＳ２６へ進む。

ステップＳ２６では、パージガス排出配管３７の暖機が完了したか否かを制御装置４５の昇温状態判定部４９において判定し、暖機が完了した場合にはステップＳ２７へ進み、まだ暖機が完了していない場合にはステップＳ２３へ戻り、ドレイン量の増大を継続させる。

ここで、パージガス排出配管３７の暖機が完了したか否かは図８に基づいて判断する。図８に示すように、パージガス排出配管３７の暖機が完了したか否かは燃料電池システム１０の起動温度と、燃料電池１１から発電された電流積算値と、から判定している。具体的には、領域Ｃの範囲内のときはパージガス排出配管３７の暖機は完了していないと判定し、領域Ｄの範囲内のときはパージガス排出配管３７の暖機は完了したと判定する。起動温度がｔ１（例えば、０℃）を超えたときは電流積算値に関係なく暖機は完了したと判定する。起動温度がｔ１以下のときは電流積算値に応じて暖機が完了したか否かを判定する。なお、起動温度がｔ１以下で電流積算値が少ない場合は生成水がほとんど発生していないため、暖機は完了したと判定している。

ステップＳ２７では、パージガス排出配管３７の暖機が完了したため、制御装置４５の定期流体置換実行部５０の指示によりドレイン弁５１およびパージ弁５２の開閉制御を定期流体置換の状態に戻して、ステップＳ２８へ進む。

ステップＳ２８では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、オフにされた場合はそのままこの処理は終了し、オフにされていない場合はステップＳ２８をイグニッションスイッチがオフにされるまで繰り返す。

本実施形態によれば、燃料電池システム１０の起動後に、低温状態判定部４７において低温状態にあるか否かを判定し、低温状態にあると判定した場合、定期流体置換におけるパージ量よりも多くのパージガスをパージ弁５２から排出するように構成したため、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の凍結防止を図ることができる。

具体的には、制御装置４５の排出弁開閉制御部４８の指示により、パージ弁５２の１回あたりの開弁時間Ｔ１を定期流体置換における開弁時間Ｔ２よりも長くなるように制御するため、パージ弁５２が開弁したときの１回あたりのパージ量を増大させることができる。また、ドレイン弁５１を閉弁しているため、キャッチタンク５３から溢れたドレインがパージガス排出配管３７へと導かれる。したがって、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の凍結防止を図ることができる。

または、制御装置４５の排出弁開閉制御部４８の指示により、パージ弁５２を開弁する間隔Ｔ３が定期流体置換における開弁間隔Ｔ４よりも短くなるように制御するため、単位時間あたりのパージ弁５２の開弁時間を長くすることができ、パージ量を増大させることができる。また、ドレイン弁５１を閉弁しているため、キャッチタンク５３から溢れたドレインがパージガス排出配管３７へと導かれる。したがって、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の凍結防止を図ることができる。

さらに、パージ弁５２からのパージ量を増大させてアノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の流体置換を行う際に、ドレイン弁５１からの定期流体置換を禁止してから流体置換を行うことにより、パージ弁５２からのパージ量を確実に増大させることができる。また、ドレイン弁５１を閉弁しているため、キャッチタンク５３から溢れたドレインがパージガス排出配管３７へと導かれる。したがって、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の暖機能力を向上させることができ、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の凍結防止を図ることができる。

そして、制御装置４５の昇温状態判定部４９の指示により、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７が所定温度以上に昇温したと判定した場合にパージ量の増大を停止させるように構成したため、確実にアノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７を暖機することができ、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７の凍結防止を図ることができる。

なお、本実施形態ではステップＳ２３において、定期ドレインを禁止してドレイン排出配管３６からドレインを排出できない状態に保持したが、完全に禁止するのではなく、定期ドレインよりもドレイン排出量を少なくする、つまり定期ドレインを制限する構成にしてもよい。この場合、希釈ボックス３１内のアノードガス濃度の調整が必要である。

尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、燃料電池の温度を検出する温度センサをアノードオフガス排出配管に取り付けた構成にしたが、燃料電池の温度を直接検出してもよい。また、温度センサは１箇所だけでなく、複数箇所に取り付けてもよく、その場合には、いずれかの温度を検出するようにしたり、各温度センサの平均値を求めるようにしたりしてもよい。
また、本実施形態において、暖機が未完了でイグニッションスイッチがオフされた場合は処理を終了するように構成したが、暖気が完了するまで強制的に発電を継続するように構成してもよい。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池 ２３…アノードガス供給配管（アノードガス流路） ２４…カソードガス供給配管（カソードガス流路） ３０…水素タンク（アノードガス供給部） ３１…希釈ボックス（希釈器） ３５…アノードオフガス排出配管（アノードオフガス循環流路） ４５…制御装置（制御部） ４６…凍結判定部 ４７…低温状態判定部 ４９…昇温状態判定部 ５１…ドレイン弁（排出弁、第１排出弁） ５２…パージ弁（排出弁、第２排出弁） ５６…希釈ガス供給配管（カソードガス希釈流路） Ｔ１…開弁時間 Ｔ２…定期流体置換時の開弁時間 Ｔ３…開弁間隔 Ｔ４…定期流体置換時の開弁間隔

Claims (6)

1. アノードガスが供給されるアノードガス流路と、
   カソードガスが供給されるカソードガス流路と、
   前記アノードガス流路に前記アノードガスが供給されるとともに、前記カソードガス流路に前記カソードガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
   前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給するアノードガス供給部と、
   前記燃料電池を通過し排出されたアノードオフガスが、再度前記アノードガス流路を介して前記燃料電池に戻されるアノードオフガス循環流路と、
   該アノードオフガス循環流路内の流体を外部に排出する排出弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記排出弁は、前記アノードオフガス循環流路から分岐して設けられた第１排出弁と、該第１排出弁が分岐して設けられた前記アノードオフガス循環流路上の位置から下流側に配された第２排出弁と、を少なくとも有し、
   前記アノードガス供給部および前記排出弁を制御し、前記アノードガス供給部から前記アノードガス流路に前記アノードガスを供給しつつ、前記排出弁を定期的に開弁することで前記アノードオフガス循環流路内の流体を排出する定期循環流体置換を行う制御部を備え、
   該制御部は、
   前記燃料電池の起動後に、低温状態にあるか否かを判定する低温状態判定部を有し、
   該低温状態判定部により低温状態にあると判定した場合、前記第１排出弁および前記第２排出弁のうちの一方からの定期循環流体置換を制限した後、他方からの流体排出量を増大させて前記アノードオフガス循環流路内の流体置換を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、
   前記低温状態判定部により低温状態にあると判定した場合、前記排出弁の１回あたりの開弁時間を前記定期循環流体置換における開弁時間よりも長くなるように制御す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. 前記制御部は、
   前記低温状態判定部により低温状態にあると判定した場合、前記排出弁の開弁間隔が前記定期循環流体置換における開弁間隔よりも短くなるように制御す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。
4. 前記排出弁から排出される前記アノードオフガスの濃度を希釈する希釈器と、
   該希釈器に前記カソードガスを供給するカソードガス希釈流路と、を備え、
   前記制御部は、
   前記流体排出量の増加に伴って、前記カソードガス希釈流路に供給する前記カソードガスの流量を増加するように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、
   前記第１排出弁が凍結状態にあるか否かを判定する凍結判定部を有し、
   該凍結判定部において凍結状態に無いと判定した場合、前記第１排出弁からの流体排出量を増大させて前記アノードオフガス循環流路内の流体置換を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、
   前記燃料電池の起動時温度および前記燃料電池の発電電流積算値を用いて前記アノードオフガス循環流路の昇温状態を判定する昇温状態判定部を有し、
   前記流体排出量を増大させた後、前記昇温状態判定部において前記アノードオフガス循環流路が所定温度以上に昇温したと判定した場合に前記流体排出量の増大を停止させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。

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