特許 7382427 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-08

(45)【発行日】2023-11-16

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231109BHJP

   H01M 8/043 20160101ALI20231109BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231109BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20231109BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20231109BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20231109BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231109BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 H

H01M8/043

H01M8/04746

H01M8/04 J

H01M8/04302

H01M8/04225

H01M8/04664

H01M8/10 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022007081

(22)【出願日】2022-01-20

(65)【公開番号】P2023105998

(43)【公開日】2023-08-01

【審査請求日】2022-09-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】竹越 聖也

(72)【発明者】

【氏名】井上 一秀

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 直裕

(72)【発明者】

【氏名】西尾 仁

(72)【発明者】

【氏名】中居 翔平

(72)【発明者】

【氏名】奥村 洋平

(72)【発明者】

【氏名】川▲崎▼ 大

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１３－５０１３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１８５７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１４２１３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１４３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０６４７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２８８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３１９３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１４６９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０７６８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０４６５４５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

Ｂ６０Ｌ ５８／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池スタックから排出された酸化剤オフガスを流通させる酸化剤オフガス流路と、
前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを流通させる燃料オフガス流路と、
前記酸化剤ガス供給流路と前記燃料オフガス流路とを連通する接続流路と、
前記接続流路を開閉する第１開閉弁と、
該第１開閉弁の開閉状態を制御する制御装置と、を備え、
該制御装置は、
前記燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、前記第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御処理を実施する
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置が、前記燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、前記第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す前記弁連続開閉制御処理を実施するのは、前記燃料電池スタックの低温環境下での起動時、あるいは前記燃料電池スタックの暖気制御時である
燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記燃料オフガス流路を分岐させ、一方の分岐流路は前記接続流路に連通させ、他方の分岐流路には、前記燃料電池スタックから排出される液水及び前記燃料オフガスを外部に排出可能な第２開閉弁を設け、
前記制御装置は、
前記第２開閉弁を閉方向に駆動しても、前記第２開閉弁が開状態で固着されていることを検出したとき、前記第１開閉弁の前記弁連続開閉制御処理を実施する
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガス供給流路を通じて前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するコンプレッサを備え、
前記制御装置は、
前記第１開閉弁の前記弁連続開閉制御処理の実施中は、非実施中に比較してコンプレッサの回転数を上昇させ、前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスの流量を増加させる
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記コンプレッサの回転数が目標回転数まで上昇しない場合であっても、前記第１開閉弁の弁連続開閉制御処理を継続する
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、移動体等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、ガソリン車に代わる環境負荷の小さい自動車として、水素を燃料とする燃料電池自動車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）が注目されている。燃料電池自動車は、空気（酸素を含む）と燃料ガスである水素ガスとを燃料電池に供給する。燃料電池自動車は、燃料電池における電気化学反応によって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。このため、ガソリン車のようにＣＯ_２、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出がなく水を排出するだけであり、環境にやさしい自動車とされている。

【0003】

例えば、特許文献１に記載されているように、このような燃料電池自動車においては、燃料電池のカソード流路からアノード流路に透過してきた窒素（Ｎ_２）がアノード流路に蓄積されてくると、前記電気化学反応が阻害されて、燃料電池セルの出力電力を低下させることが知られている。

【0004】

そこで、特許文献１では、燃料電池の燃料オフガスの排気通路に開閉弁を設け、該開閉弁を間欠的に開くことで、前記窒素が含まれる燃料オフガスを間欠的に外部に放出する燃料電池の制御装置に係る技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００５－１０８８０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では、前記排気通路に設けた前記開閉弁の下流にチャンバ、流量制御弁及びコンバスタを配置して、外部に放出される燃料オフガスの流量が一定になるようにしている。このため、構成並びに制御が複雑になっている。

【0007】

一般に、燃料電池システム中の燃料電池スタックの運転状態が発電電力の小さいアイドル状態であるとき、コンプレッサから燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの流量も少ないことから、この酸化剤ガスの一部を燃料オフガスに混合した排ガス中の燃料ガス濃度が上昇する。

【0008】

しかしながら、特許文献１には、燃料電池システム中の燃料電池スタックの運転状態が前記アイドル状態であるときの外部への排気制御についての記載はない。

【0009】

この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記の目的を達成するために、この発明の燃料電池システムの態様は、酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池スタックから排出された酸化剤オフガスを流通させる酸化剤オフガス流路と、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを流通させる燃料オフガス流路と、前記酸化剤ガス供給流路と前記燃料オフガス流路とを連通する接続流路と、前記接続流路を開閉する第１開閉弁と、該第１開閉弁の開閉状態を制御する制御装置と、を備え、該制御装置は、前記燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、前記第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御処理を実施する。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御処理を実施することで、燃料オフガスに含まれる燃料ガスの濃度を低下させることができる。これにより、アイドル状態のときに燃料オフガスを外部に排気する際の燃料ガスの濃度を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池自動車の概略構成図である。

【図2】図２は、実施形態に係る燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。

【図3】図３Ａは、ブリード弁の弁連続開閉制御処理を示す波形図、図３Ｂは、ブリード弁の弁連続開閉制御処理を行っているときの排気水素濃度の波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［構成］
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システム１０が組み込まれた燃料電池自動車１２の概略構成図である。

【0014】

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車１２以外の船舶、航空機、ロボット等の他の移動体にも組み込み可能である。

【0015】

燃料電池自動車１２は、該燃料電池自動車１２全体を制御する制御装置１５と、燃料電池システム１０と、該燃料電池システム１０に電気的に接続される出力部１６とから構成される。

【0016】

制御装置１５は、一つではなく、例えば、燃料電池システム１０用と出力部１６用等、二以上の制御装置に分けてもよい。

【0017】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう）１８と、水素タンク２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、冷媒供給装置２６とから構成される。

【0018】

酸化剤ガス供給装置２２には、コンプレッサ（ＣＰ）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。

【0019】

燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。

【0020】

冷媒供給装置２６には、冷媒ポンプ（ＷＰ）３８及びラジエータ４０が含まれる。

【0021】

出力部１６には、駆動部４２、高電圧の蓄電装置（バッテリ）４４、及びモータ（電動機）４６が含まれる。駆動部４２の負荷には、主機である前記モータ４６の他に補機である前記コンプレッサ２８、その他エアコンプレッサ等の車両補機が含まれる。燃料電池自動車１２は、モータ４６が発生する駆動力により走行する。

【0022】

燃料電池スタック１８は、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、該電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。

【0023】

電解質膜・電極構造体５２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５５と、前記固体高分子電解質膜５５を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５７とを備える。

【0024】

カソード電極５６及びアノード電極５７は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。ガス拡散層の表面に、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５５の両面に形成される。

【0025】

一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）５８が形成される。

【0026】

他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）５９が形成される。

【0027】

アノード電極５７では、燃料ガス（水素）が供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜５５を透過してカソード電極５６に移動する一方、水素分子から電子が解放される。

【0028】

水素分子から解放された電子は、負極端子１０６から駆動部４２及びモータ４６等の負荷を通じ、正極端子１０８を介してカソード電極５６に移動する。

【0029】

カソード電極５６では、触媒の作用によって前記水素イオン及び前記電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。

【0030】

正極端子１０８及び負極端子１０６と駆動部４２を接続する配線の間には、発電電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ１１０が設けられる。さらに、正極端子１０８と駆動部４２を接続する配線には、発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサ１１２が設けられる。

【0031】

コンプレッサ２８は、蓄電装置４４の電力が駆動部４２を通じて供給されるモータ（不図示）により駆動される機械式の過給器等で構成され、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に供給する等の機能を有する。

【0032】

加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、コンプレッサ２８により圧縮され高温化されて乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から排出される排出ガスが流通する。

【0033】

ここで、前記排出ガスは、後述する第１開閉弁としてのブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガス（湿潤なカソードオフガス、湿潤な酸化剤排ガス）とされ、ブリード弁７０の開弁時には、前記湿潤な酸化剤オフガスと燃料オフガス（アノードオフガス、燃料排ガス）が混合された湿潤な排出ガス（オフガス）が流通する。

【0034】

加湿器３０は、コンプレッサ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、前記排出ガス（オフガス）中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。

【0035】

外気取入口１１３から酸化剤ガス入口連通口１０１までの酸化剤ガス供給流路６０（酸化剤ガス供給流路６０Ａ、６０Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順に遮断弁１１４、エアフローセンサ（ＡＦＳ：流量センサ）１１６、コンプレッサ２８、供給側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられている。なお、二重線で描いている酸化剤ガス供給流路６０等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。

【0036】

遮断弁１１４は、酸化剤ガス供給流路６０への空気の取り入れを解放又は遮断するために開閉される。

【0037】

エアフローセンサ１１６は、コンプレッサ２８を通じて燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガスの流量を計測する。

【0038】

供給側封止弁１１８は、酸化剤ガス供給流路６０Ａを開閉する。

【0039】

外気取入口１１３には、外気温度Ｔａを検出（測定）する温度センサ７３が設けられている。

【0040】

酸化剤ガス出口連通口１０２に連通する酸化剤オフガス流路６２には、酸化剤ガス出口連通口１０２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する排出側封止弁１２０が設けられている。

【0041】

供給側封止弁１１８の吸入口と排出側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤ガス供給流路６０と酸化剤オフガス流路６２を連通するバイパス流路６４が設けられている。バイパス流路６４には、バイパス流路６４を開閉するバイパス弁１２２が設けられている。バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。

【0042】

バイパス流路６４と酸化剤オフガス流路６２との合流路は、排出流路６２Ａに連通している。

【0043】

水素タンク２０は、電磁作動式の遮断弁を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。

【0044】

水素タンク２０から吐出される燃料ガスは、燃料ガス供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１８のアノード流路５９の入口に供給される。

【0045】

アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４及び燃料ガスの燃料オフガス流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通され、該気液分離器３６にアノード流路５９から水素含有ガスである前記燃料オフガスが供給される。

【0046】

気液分離器３６は、前記燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料オフガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される一方、ブリード弁７０が開弁されたとき、燃料オフガスは、接続流路（連絡流路）７８、ブリード弁７０を介し、酸化剤ガス供給流路６０Ｂにも供給される。

【0047】

燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３６の液体排出口１６０から第２開閉弁としてのドレイン弁１６４が設けられたドレイン流路１６２を通じ、排出流路６２Ａから排出される排出ガスと混合され排出流路９９及び排ガス排気口１６８を通じて外気に排出される。

【0048】

実際上、ドレイン流路１６２には、液体成分と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。この燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、コンプレッサ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６４を通じて、排出流路６２Ａに供給されている。

【0049】

燃料オフガスの循環流路７７と酸化剤ガス供給流路６０Ｂを連通する接続流路７８に設けられたブリード弁７０は、次に説明する二つの理由のいずれかにより開閉制御される。

【0050】

第１に、ブリード弁７０は、燃料電池自動車１２の走行中に、カソード流路５８に存在する窒素ガスが電解質膜・電極構造体５２を透過してアノード流路５９内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極５７の劣化を防止するために開弁される（走行中におけるブリード弁７０の第１弁連続開閉制御処理）。

【0051】

第２に、ブリード弁７０は、燃料電池スタック１８の運転状態がアイドル状態のとき、排ガス排気口１６８から外部に排気される排出ガス中の水素濃度を低減するために開弁される（アイドル状態におけるブリード弁７０の第２弁連続開閉制御処理）。

【0052】

ブリード弁７０が開弁されると、燃料電池スタック１８から燃料オフガス流路７４を通じ、気液分離器３６を介して吐出される燃料オフガスを、接続流路７８、酸化剤ガス供給流路６０Ｂ、及び酸化剤ガス入口連通口１０１を介してカソード流路５８に流通させる。

【0053】

カソード流路５８に流通された燃料オフガス中の燃料ガスは、カソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料オフガス（窒素ガスと未反応の僅かな水素ガスとからなる）は燃料電池スタック１８から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤オフガス流路６２に流通する。

【0054】

酸化剤オフガス流路６２に流通する酸化剤オフガス（前記反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）に酸化剤ガスのバイパス流路６４を通じて供給された酸化剤ガスが混合されて、酸化剤オフガス中の燃料オフガス（燃料ガスを含む）の濃度が希釈された酸化剤オフガスが、排出流路６２Ａに流通する。

【0055】

排出流路６２Ａは、ドレイン流路１６２に連通し、合流して排出流路９９に連通する。

【0056】

排出流路９９では、排出流路６２Ａからの酸化剤オフガスにより、ドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスの混合流体中の燃料ガスが希釈され、排ガス排気口１６８を通じて燃料電池自動車１２の外部（大気）に排出される。

【0057】

なお、前記ブリード弁７０の開口径は、ドレイン弁１６４の開口径よりも大きい弁を採用している。この開口径の関係により、仮に、凍結等によりドレイン弁１６４が開いたままの開故障状態となっても、接続流路７８に流入する燃料オフガスの量が、ドレイン弁１６４に流入する燃料オフガスの量よりも大きくなり、結果として、排ガス排気口１６８から排出される燃料ガスの濃度を低下させることができる。

【0058】

燃料電池システム１０の冷媒供給装置２６は、冷媒を流通させる冷媒流路１３８を有する。冷媒流路１３８は、冷媒供給流路１４０と冷媒排出流路１４２とを有する。冷媒供給流路１４０は燃料電池スタック１８に冷媒を供給し、冷媒排出流路１４２は燃料電池スタック１８から冷媒を排出する。冷媒供給流路１４０及び冷媒排出流路１４２には、ラジエータ４０が接続される。ラジエータ４０は冷媒を冷却する。冷媒供給流路１４０には、冷媒ポンプ３８が設けられる。冷媒ポンプ３８は、冷媒の循環回路内で冷媒を循環させる。冷媒の循環回路には、冷媒供給流路１４０、燃料電池スタック１８の内部冷媒流路、冷媒排出流路１４２及びラジエータ４０が含まれる。冷媒排出流路１４２に温度センサ７６が設けられる。該温度センサ７６により検出される冷却媒体の温度（冷媒出口温度）Ｔｓは、燃料電池スタック１８の（内部）温度であるものとして検出（測定）される。

【0059】

以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置１５によって統括制御される。

【0060】

なお、開閉が制御装置１５により制御される開閉弁である遮断弁１１４を除く供給側封止弁１１８、排出側封止弁１２０、ブリード弁７０、ドレイン弁１６４は、制御装置１５により開度が制御される流量調整弁であるが、開閉弁を用いデューティ制御してもよい。

【0061】

制御装置１５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。ＥＣＵは、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶された図示しないプログラムを実行する。

【0062】

制御装置１５のプロセッサ（ＣＰＵ）は、前記プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池自動車１２及び燃料電池システム１０の運転制御を行う。

【0063】

制御装置１５には、燃料電池自動車１２の電源スイッチ（電源ＳＷ）７１が接続されている。電源スイッチ７１は、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１８の発電運転を開始乃至継続（ＯＮ）させるか終了（ＯＦＦ）させる。制御装置１５には、また、それぞれ図示しないアクセル開度センサ、車速センサ、蓄電装置４４のＳＯＣセンサが接続される。

【0064】

［動作］
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成される。以下、図２のフローチャートを参照しながら、その動作について説明する。図２のフローチャートによる処理は、制御装置１５により所定の周期で繰り返し実行される。

【0065】

ステップＳ１にて、制御装置１５は、電源スイッチ７１がＯＮ状態であるか否（ＯＦＦ状態である）かを判定する。

【0066】

電源スイッチ７１がＯＦＦ状態にある（ステップＳ１：ＮＯ）場合、制御装置１５は、処理を終了し、燃料電池システム１０及び燃料電池自動車１２は停止状態とされる。

【0067】

電源スイッチ７１がＯＮ状態にある（ステップＳ１：ＹＥＳ）場合、ステップＳ２にて、制御装置１５は、アクセル開度、車速、道路勾配等に基づき燃料電池スタック１８への要求発電電力を算出する。さらに、ステップＳ２にて、制御装置１５は、燃料電池スタック１８の発電電力が、算出した要求発電電力になるように、コンプレッサ２８を含む酸化剤ガス供給装置２２及び水素タンク２０を含む燃料ガス供給装置２４を制御すると共に、冷媒ポンプ３８を含む冷媒供給装置２６を制御する。

【0068】

図１中の矢印は、電源スイッチ７１がＯＮ状態にあるときの流体（酸化剤ガス、燃料ガス、酸化剤オフガス、燃料オフガス、液水）の流れの一例を示している。

【0069】

ステップＳ３にて、制御装置１５は、温度センサ７３による外気温度（外部温度）Ｔａ［℃］と、スタック温度を示す冷媒出口温度Ｔｓ［℃］を取得する。

【0070】

ステップＳ３にて、さらに、制御装置１５は、外気温度Ｔａが、予め定めた低温閾値Ｔｌｏｗ（例えば、０［℃］）未満（氷点下）の低温環境下であるか否かを判定すると共に、燃料電池スタック１８の内部温度に対応する冷媒出口温度Ｔｓを設定温度（燃料電池自動車１２の燃料電池スタック１８の目標温度）まで上昇させる暖気制御時であるか否かを判定する。

【0071】

制御装置１５が、外気温度Ｔａが低温閾値Ｔｌｏｗ未満の低温環境下又は前記設定温度まで未達の暖気制御中のいずれかであると判定した場合、ステップＳ４に進む。そうでない場合、外気温度Ｔａが低温閾値Ｔｌｏｗ以上であるか、暖気制御中ではない（冷媒出口温度Ｔｓが目標温度に到達している）場合、ステップＳ１に戻る。

【0072】

ステップＳ４にて、制御装置１５は、燃料電池自動車１２の運転状態がアイドル状態であるか否かを判定する。

【0073】

アイドル状態とは、燃料電池自動車１２が走行停止中又はおおよそ１０［ｋｍ／ｈ］以下等での徐行走行中の状態であって、燃料電池スタック１８の小発電状態をいう。

【0074】

アイドル状態ではない（ステップＳ４：ＮＯ）場合には、ステップＳ１に戻り、アイドル状態である（ステップＳ４：ＹＥＳ）場合には、ステップＳ５に進む。

【0075】

ステップＳ５にて、制御装置１５は、ドレイン弁１６４が開固着状態（弁が開いた状態で固定されている状態）になっているか否かを判定する。なお、ドレイン弁１６４の開固着は、制御装置１５からドレイン弁１６４に弁閉信号を送っているのに、気液分離器３６の内部に配されている図示しない液量計で測定される液水レベルが所定値以下であること等により制御装置１５で判断することができる。

【0076】

制御装置１５は、ドレイン弁１６４が開固着状態になっていないと判定した（ステップＳ５：ＮＯ）場合、ステップＳ６にて、ブリード弁７０の開閉を所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御を行う。

【0077】

図３Ａは、ブリード弁７０の開閉が所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御中の制御装置１５による指令波形を示し、図３Ｂは、排ガス排気口１６８から外部に排出される排気水素濃度が閾値濃度以下に維持されている濃度波形を示している（上記したアイドル状態におけるブリード弁７０の第２弁連続開閉制御処理に該当する）。

【0078】

図３Ａ、図３Ｂからブリード弁７０の開閉動作を素早く繰り返すことで、排気水素濃度の上昇が抑制されていることが理解される。

【0079】

ステップＳ５にて、制御装置１５によりドレイン弁１６４が開固着状態になっていると判定した（ステップＳ５：ＹＥＳ）場合、ステップＳ７に進む。

【0080】

ステップＳ７にて、制御装置１５は、駆動部４２を通じてコンプレッサ２８の回転数を一定回転数増加させた目標回転数まで上昇させる処理を行った後、ステップＳ６に進む。

【0081】

ドレイン弁１６４が開固着状態になっていても（ステップＳ５：ＹＥＳ）、バイパス流路６４から排出流路６２Ａに供給される酸化剤ガスの流量が増加されているので、制御装置１５は、ステップＳ６にてブリード弁７０の第１弁連続開閉制御処理を継続することで、排気水素濃度を閾値濃度以下に維持することができる。

【0082】

この場合、ステップＳ７のコンプレッサ２８の回転数上昇処理を行った際、仮に、コンプレッサ２８が不調で、コンプレッサ２８の回転数が目標回転数に達しなかった場合でも、ステップＳ６のブリード弁７０の第１弁連続開閉制御処理が実施されるので、排気濃度の上昇を抑制することができる。

【0083】

なお、ステップＳ３：ＮＯ、ステップＳ４：ＮＯ、又はステップＳ６処理後のステップＳ２の発電制御中において、制御装置１５が、アノード流路５９内の水素濃度の低下を検出したとき、図３Ａを参照して説明したブリード弁７０の第２弁連続開閉制御処理と同様なブリード弁７０の第１弁連続開閉制御処理が行われる。水素濃度は、例えば、燃料オフガス流路７４に水素濃度センサを設けて計測してもよい。

【0084】

上記実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には上記実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素はその符号を付けたものに限定されない。

【0085】

この発明に係る燃料電池システム１０は、酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する燃料電池スタック１８と、該燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路６０（６０Ａ、６０Ｂ）と、前記燃料電池スタックから排出された酸化剤オフガスを流通させる酸化剤オフガス流路６２と、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路７２と、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを流通させる燃料オフガス流路７４と、前記酸化剤ガス供給流路と前記燃料オフガス流路を連通する接続流路７８と、前記接続流路を開閉する第１開閉弁（７０）と、該第１開閉弁の開閉状態を制御する制御装置１５と、を備え、該制御装置は、前記燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、前記第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御処理を実施する。

【0086】

この構成によれば、燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す弁連続開閉制御処理を実施することで、燃料オフガスに含まれる燃料ガスがカソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンが酸化剤ガスと反応して水が生成され、燃料オフガスに含まれる燃料ガスの濃度を低下させることができる。これにより、アイドル状態のときに、酸化剤オフガス流路６２及びドレイン流路１６２を通じて外部に排気される燃料ガスの濃度を抑制することができる。

【0087】

また、燃料電池システムにおいては、前記制御装置が、前記燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態のとき、前記第１開閉弁の開閉を所定間隔で連続して繰り返す前記弁連続開閉制御処理を実施するのは、前記燃料電池スタックの低温環境下での起動時、あるいは前記燃料電池スタックの暖気制御時であるとする。

【0088】

これにより、前記燃料電池スタックの低温環境下での起動時、あるいは前記燃料電池スタックの暖気制御時に、燃料電池スタックの運転状態がアイドル状態で発電している場合に、外部に排気される燃料オフガスの燃料ガス濃度を抑制することができる。

【0089】

さらに、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの前記燃料オフガス流路を分岐させ、一方の分岐流路は前記接続流路に連通させ、他方の分岐流路（１６２）には、前記燃料電池スタックから排出される液水及び前記燃料オフガスを外部に排出可能な第２開閉弁（１６４）を設け、前記制御装置は、前記第２開閉弁を閉方向に駆動しても、前記第２開閉弁が開状態で固着されていることを検出したとき、前記第１開閉弁の前記弁連続開閉制御処理を実施するようにしてもよい。

【0090】

この発明によれば、燃料電池スタックから排出される液水及び燃料オフガスを外部に排出可能な第２開閉弁が開状態で固着されていても、前記第１開閉弁の弁連続開閉制御処理を実施することで、排気水素濃度の上昇を抑制することができる。

【0091】

さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記酸化剤ガス供給流路を通じて前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するコンプレッサ２８を備え、前記制御装置は、前記第１開閉弁の前記弁連続開閉制御処理の実施中は、非実施中に比較してコンプレッサの回転数を上昇させ、前記燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスの流量を増加させてもよい。

【0092】

酸化剤ガス流量を増加させることでバイパス流路６４に流通する酸化剤ガス流量が増加し、燃料ガスの排気濃度を容易に低下させることができる。

【0093】

さらにまた、前記制御装置は、前記コンプレッサの回転数が目標回転数まで上昇しない不調な場合であっても、前記第１開閉弁の弁連続開閉制御処理を継続してもよい。

【0094】

この構成により燃料ガスの排気濃度の上昇を抑制することができる。

【符号の説明】

【0095】

１０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１５…制御装置 １８…燃料電池スタック
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…燃料ガス供給装置
２８…コンプレッサ ５０…発電セル
５８…カソード流路 ５９…アノード流路
６０、６０Ａ、６０Ｂ…酸化剤ガス供給流路 ６２…酸化剤オフガス流路
６４…バイパス流路 ７０…ブリード弁
７１…電源スイッチ ７２…燃料ガス供給流路
７３、７６…温度センサ ７４…燃料オフガス流路
７７…循環流路 ７８…接続流路
９９…排気流路 １０１…酸化剤ガス入口連通口
１０２…酸化剤ガス出口連通口 １０３…燃料ガス入口連通口
１０４…燃料ガス出口連通口 １２２…バイパス弁
１６２…ドレイン流路 １６４…ドレイン弁
１６８…排ガス排気口

【図1】

【図2】

【図3】