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(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】2024-09-30
(45)【発行日】2024-10-08
(54)【発明の名称】車載用燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0662 20160101AFI20241001BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/04223 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/04791 20160101ALI20241001BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20241001BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0662
H01M8/00 Z
H01M8/04 H
H01M8/04 N
H01M8/04223
H01M8/0438
H01M8/04791
H01M8/10 101
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020161958
(22)【出願日】2020-09-28
(65)【公開番号】P2022054762
(43)【公開日】2022-04-07
【審査請求日】2023-08-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000005348
【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ
(74)【代理人】
【識別番号】110000419
【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】阿部 智大
【審査官】藤森 一真
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０４６１５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０１６２１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２８０７１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２００００６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３４４３８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２３５２２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１７１１７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３４７００８（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０９８６０６７１（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６０Ｌ ５０／７０ － ５０／７５
Ｂ６０Ｌ ５８／３０ － ５８／４０
Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池に接続された水素排出流路を開閉する水素パージ弁を開弁して水素ガスを排出するとともに、前記燃料電池に接続された空気排出流路から排出される空気を前記水素ガスに混合して前記水素ガスをパージする機能を備えた車載用燃料電池システムにおいて、前記水素パージ弁の下流側、かつ、前記空気排出流路と前記水素排出流路との合流部分の上流側に設けられた水素吸着離脱機能を有する水素吸着部材と、
前記水素吸着部材への水素の吸着及び離脱を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記空気排出流路へ排出される空気量に基づいて前記水素吸着部材への水素の吸着及び離脱を制御する、車載用燃料電池システム。
【請求項2】
前記水素吸着部材の温度を調節する温度調節手段を備え、前記制御部は、前記温度調節手段を制御することにより前記水素吸着部材の水素の吸着及び離脱を制御する、請求項１に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項3】
前記水素吸着部材に流入する前記水素ガスの圧力を調節する圧力調節手段を備え、前記制御部は、前記圧力調節手段を制御することにより前記水素吸着部材の水素の吸着及び離脱を制御する、請求項１に記載の車載用燃料電池システム。
【請求項4】
前記制御部は、前記車載用燃料電池システムの起動時又は停止時、あるいは前記水素ガスを用いて前記燃料電池内から水分を排出させる掃気処理時に、前記水素パージ弁を開弁状態とし、前記水素吸着部材へ水素を吸着させる、請求項１又は２に記載の車載用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車載用燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池は、水素ガスと酸素（空気）との電気化学反応によって発電を行う。燃料電池では、水素極側に空気や水等の不純物がリークすることで水素の濃度が低下するため、定期的に水素極後方にあるパージ弁を開閉させて内部の水素ガスを入れ替えている。その際に、水素ガスが外部に排出されるが、水素は４～７４％の濃度で引火する可能性があるため、外部に排出する水素の濃度を４％未満とすることが推奨されている。このため、燃料電池から排出する水素ガスに空気を混合する希釈器を設け、水素の濃度を低下させて排出する技術が提案されている。
【0003】
例えば、特許文献１には、水素パージ時に高濃度の水素を含む水素オフガスが一気に希釈器内に流入した場合でも、水素オフガスを良好に希釈して、水素濃度を十分に下げて排出可能な車載用燃料電池システムが開示されている。具体的には、発電時に燃料電池から排出された水素オフガスを流入させる水素排出流路と、水素オフガスを希釈する空気オフガスを導入する空気排出流路及びバイパス流路と、燃料電池自動車に設けた外気取り入れ口から外気を導入する外気導入流路とを備え、水素排出流路と空気排出流路とバイパス流路と外気導入流路とを希釈器内で合流させ、水素オフガスを、空気排出流路及びバイパス流路から導入される空気オフガス及び外気導入流路から導入される外気とで希釈して排出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００７－１８９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載の車載用燃料電池システムでは、燃料電池に空気を供給する流路からバイパス流路を介して希釈器へ直接空気を導入するように構成され、燃料電池へ供給する空気流量を所定の量に調節しつつ希釈器へ空気を導入している。このため、発電に用いる空気流量に加えて水素オフガスの希釈に用いる空気流量が必要であり、水素オフガスの排出量が多大になる高出力時においても空気流量を確保するためにはコンプレッサが大型化するおそれがある。あるいは、コンプレッサの出力が制限を受けることにより、希釈用の空気流量が制限され、水素オフガスのパージ時間やパージ量が制限されるおそれがある。さらに、特許文献１に記載の車載用燃料電池システムでは、バイパス流路の開閉に伴って燃料電池に供給される空気流量が不安定になったり、空気流量の制御が複雑になったりするおそれがある。したがって、特許文献１に記載の車載用燃料電池システムでは、燃料電池による発電制御に影響を与えることなく燃料電池からの水素オフガスの排出を任意のタイミングで実行することが困難である。
【0006】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、発電制御に影響を与えずに燃料電池からの水素オフガスの排出を任意のタイミングで実行可能な車載用燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料電池に接続された水素排出流路を開閉する水素パージ弁を開弁して水素ガスを排出するとともに、燃料電池に接続された空気排出流路から排出される空気を水素ガスに混合して水素ガスをパージする機能を備えた車載用燃料電池システムであって、水素パージ弁の下流側、かつ、空気排出流路と水素排出流路との合流部分の上流側に設けられた水素吸着離脱機能を有する水素吸着部材と、水素吸着部材への水素の吸着及び離脱を制御する制御部と、を備える車載用燃料電池システムが提供される。
【0008】
また、上記車載用燃料電池システムは、水素吸着部材の温度を調節する温度調節手段を備え、制御部は、温度調節手段を制御することにより水素吸着部材の水素の吸着及び離脱を制御してもよい。
【0009】
また、上記車載用燃料電池システムは、水素吸着部材に流入する水素ガスの圧力を調節する圧力調節手段を備え、制御部は、圧力調節手段を制御することにより水素吸着部材の水素の吸着及び離脱を制御してもよい。
【0010】
また、上記車載用燃料電池システムにおいて、制御部は、空気排出流路へ排出される空気量に基づいて水素吸着部材への水素の吸着及び離脱を制御してもよい。
【0011】
また、上記車載用燃料電池システムにおいて、制御部は、車載用燃料電池システムの起動時又は停止時、あるいは水素ガス又は空気を用いて燃料電池内から水分を排出させる掃気処理時に水素吸着部材へ水素を吸着させてもよい。
【発明の効果】
【0012】
以上説明したように本発明によれば、燃料電池からの水素の排出を任意のタイミングで実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システムの全体構成の一例を示す模式図である。
【図2】同実施形態に係る車載用燃料電池システムの制御部の機能構成を示すブロック図である。
【図3】燃料電池が低出力で発電している状態での水素吸着部材の有無による排出水素濃度の違いを示す説明図である。
【図4】燃料電池が高出力で発電している状態での水素吸着部材の有無による排出水素濃度の違いを示す説明図である。
【図5】同実施形態による車載用燃料電池システムの起動時の水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
【図6】同実施形態による車載用燃料電池システムの起動中の通常水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
【図7】本発明の第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システムの全体構成の一例を示す模式図である。
【図8】同実施形態による車載用燃料電池システムの起動時の水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
【図9】同実施形態による車載用燃料電池システムの起動中の通常水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0015】
＜＜１．第１の実施の形態＞＞
＜１－１．車載用燃料電池システムの全体構成例＞
まず、本発明の第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システムの全体構成例を説明する。本実施形態に係る車載用燃料電池システムは、水素吸着部材への水素の吸着及び離脱を切り替える手段として温度調節手段を備える。
＜１－１．車載用燃料電池システムの全体構成例＞
まず、本発明の第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システムの全体構成例を説明する。本実施形態に係る車載用燃料電池システムは、水素吸着部材への水素の吸着及び離脱を切り替える手段として温度調節手段を備える。
【0016】
図１は、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１の全体構成の一例を示す模式図である。本実施形態において、車載用燃料電池システム１は、燃料電池車両に搭載されるシステムであるが、かかる例に限定されるものではなく、他の用途に用いられるシステムであってもよい。
【0017】
車載用燃料電池システム１は、酸化ガス経路１１と、水素ガス経路２０と、複数の燃料電池セルを有する燃料電池１０と、システム全体を制御する制御部５０とを備える。車載用燃料電池システム１は、燃料電池１０に水素ガス及び酸化ガスを供給し、燃料電池セル内で水素ガスと酸化ガスとを電気化学反応させることによって発電を行う。また、車載用燃料電池システム１は、燃料電池１０に冷媒を供給して燃料電池１０を冷却する冷却水循環回路４０と、システムの電力を充放電する図示しない電力系とを備える。本実施形態においては、酸化ガスとして空気（酸素）を用いる例を説明する。
【0018】
燃料電池１０は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池として構成され、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有する。それぞれの燃料電池セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に酸素極を有し、他方の面に水素極を有する。また、燃料電池セルは、酸素極及び水素極を挟むように配置された一対のセパレータを有する。一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの空気流路に空気が供給され、供給された水素ガス及び空気が反応することにより燃料電池１０は発電する。
【0019】
酸化ガス経路１１は、燃料電池１０に供給される空気が流れる空気供給流路１２と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスが流れる空気排出流路１８とを含む。空気供給流路１２は、エアフィルタ１３を介して空気を取り込むコンプレッサ１５を備える。空気供給流路１２は、図示しない分岐部において分岐して複数の燃料電池セルのそれぞれの空気流路に接続されている。また、複数の燃料電池セルのそれぞれの空気流路は、図示しない合流部において合流して空気排出流路１８に接続されている。空気排出流路１８を流れる酸化オフガスは、空気排出流路１８と水素排出流路３５との合流部分に設けられた希釈器１９を介して大気中に排出される。
【0020】
水素ガス経路２０は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池１０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１０から排出された水素ガス（水素オフガス）を水素供給流路２２へ戻すための循環流路２８と、循環流路２８内の水素オフガスを水素供給流路２２へ圧送する循環ポンプ２５とを含む。また、水素ガス経路２０は、循環流路２８に設けられた気液分離器２７と、気液分離器２７に接続された排水流路３１及び水素排出流路３５とを含む。
【0021】
水素供給源２１は、例えば高圧タンク又は水素吸着合金等により構成され、高圧の水素ガスを貯留する。水素供給流路２２は、燃料電池１０へ供給される水素ガスの圧力を調節する圧力調整弁２３を備える。圧力調整弁２３は、例えば水素ガスの圧力をあらかじめ設定された圧力に減圧する減圧弁であってもよい。圧力調整弁２３の上流側に、燃料電池１０への水素ガスの供給の可否を切り替える遮断弁を備えていてもよい。また、圧力調整弁２３の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２８との合流部の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する上流側圧力センサ２４が設けられている。また、水素供給流路２２には、水素供給流路２２内の水素ガスの温度を検出する温度センサが設けられていてもよい。水素供給流路２２は、図示しない分岐部において分岐して複数の燃料電池セルのそれぞれの水素ガス流路に接続されている。また、複数の燃料電池セルのそれぞれの水素ガス流路は、図示しない合流部において合流して循環流路２８に接続されている。
【0022】
循環ポンプ２５は、制御部５０により駆動されて、循環流路２８内の水素ガスを燃料電池１０へ循環供給する。循環流路２８には、気液分離器２７が設けられている。気液分離器２７は、水素オフガスから水分を分離して回収する。気液分離器２７には排水流路３１及び水素排出流路３５が接続されている。排水流路３１は、水パージ弁３３を介して希釈器１９に接続されている。水パージ弁３３は、制御部５０によって開閉駆動されて、気液分離器２７で回収した水分を希釈器１９へ排出する。
【0023】
水素排出流路３５は、水素パージ弁３７を介して希釈器１９に接続されている。水素パージ弁３７は、制御部５０によって開閉駆動されて、燃料電池１０から排出される水素オフガスを希釈器１９へ導入する。排出される水素オフガスは、希釈器１９において酸化オフガスと混合されて希釈され、大気中に離脱される。水素排出流路３５のうち、水素パージ弁３７の下流側、かつ、希釈器１９の上流側には水素吸着部材３９が設けられる。
【0024】
水素吸着部材３９は、所定条件で水素を吸着し、又、吸着した水素を離脱する水素吸着離脱機能を有する部材である。水素吸着部材３９は、水素排出流路３５の途中に配置又は充填される。これにより、水素パージ弁３７を介して排出される水素オフガスが水素吸着部材３９を通過可能になっている。水素吸着部材３９による水素の吸着又は離脱は、水素吸着部材３９の温度変化又は水素オフガスの排出圧力の変化を利用して制御することができる。
【0025】
水素吸着部材３９には、金属材料又は非金属材料の部材がある。水素吸着離脱機能を有する金属材料としては、例えば、アルカリ土類系のＭｇ2Ｎｉ又はＣａＮｉ5、希土類系のＬａＮｉ5又はＭｍＮｉ4.5Ａｌ0.5、チタン系のＦｅＴｉ1.15Ｏ0.024、Ｔｉ0.72Ｚｒ0.28Ｍｎ0.8ＣｒＣｕ0.2、Ｔｉ0.24Ｚｒ0.76（Ｎｉ0.55Ｍｎ0.3Ｖ0.063Ｆｅ0.085）2.1又はＺｒＭｎ0.6Ｖ0.2Ｃｏ0.1Ｎｉ1.2、及び固溶体のＴｉ25Ｃｒ40Ｖ35又はＶ79Ｔｉ6.5Ｃｒ13Ｍｎ1.5等の水素吸着合金が挙げられる。水素吸着部材３９は、これらの水素吸着合金のうちのいずれか一つを含んでもよく、複数の混合物を含んでいてもよい。
【0026】
車載用燃料電池システム１において水素吸着合金の温度変化を利用して水素の吸着及び離脱を制御するには、例示した水素吸着合金のうち、アルカリ土類系のＣａＮｉ5、希土類系のＬａＮｉ5又はＭｍＮｉ4.5Ａｌ0.5、チタン系のＦｅＴｉ1.15Ｏ0.024、Ｔｉ0.72Ｚｒ0.28Ｍｎ0.8ＣｒＣｕ0.2、Ｔｉ0.24Ｚｒ0.76（Ｎｉ0.55Ｍｎ0.3Ｖ0.063Ｆｅ0.085）2.1又はＺｒＭｎ0.6Ｖ0.2Ｃｏ0.1Ｎｉ1.2、あるいは、固溶体のＴｉ25Ｃｒ40Ｖ35又はＶ79Ｔｉ6.5Ｃｒ13Ｍｎ1.5を用いることが好ましい。これらの水素吸着合金は、およそ３０～６０℃以下の状態で水素を吸着する一方、およそ３０～６０℃を超える状態で吸着していた水素を離脱する。この水素の吸着又は離脱が切り替わる温度を「水素吸着離脱温度」と称する。
【0027】
また、車載用燃料電池システム１において水素オフガスの排気圧力の変化を利用して水素の吸着及び離脱を制御するには、例示した水素吸着合金のうち、アルカリ土類系のＭｇ2Ｎｉ又はＣａＮｉ5、希土類系のＭｍＮｉ4.5Ａｌ0.5、あるいは、チタン系のＴｉ0.72Ｚｒ0.28Ｍｎ0.8ＣｒＣｕ0.2又はＴｉ0.24Ｚｒ0.76（Ｎｉ0.55Ｍｎ0.3Ｖ0.063Ｆｅ0.085）2.1を用いることが好ましい。これらの水素吸着合金は、およそ０．１～０．５ＭＰａの範囲内で水素オフガスの排出圧力を調節することにより、水素の吸着又は排出を制御することができる。具体的に、上記の水素吸着合金は、水素オフガスの排出圧力が所定の吸着圧力を超える状態で水素を吸着する一方、吸着圧力よりも低い所定の離脱圧力を下回る状態で水素を離脱する。
【0028】
水素吸着離脱機能を有する非金属材料としては、カーボンナノチューブ等の炭素系材料が挙げられる。カーボンナノチューブも、所定の温度以下の状態で水素を吸着する一方、当該温度を超える状態で吸着していた水素を離脱する機能を有する。
【0029】
本実施形態に係る車載用燃料電池システム１においては、例示した水素吸着部材３９のうち、少なくとも温度変化を利用して水素の吸着及び離脱を制御可能な水素吸着部材３９が用いられる。また、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１は、水素吸着部材３９の温度を調節する温度調節手段として、冷却水循環回路４０を備える。冷却水循環回路４０は、その一部が水素吸着部材３９に接してあるいは水素吸着部材３９に近接して配置され、冷却水を循環させることにより水素吸着部材３９から放熱させて水素吸着部材３９の温度を低下させる。そして、水素吸着部材３９の温度を水素吸着離脱温度以下にして、水素吸着部材３９が水素を吸着可能な状態とする。
【0030】
図１に示した本実施形態に係る車載用燃料電池システム１では、燃料電池１０を冷却するための冷却水循環回路４０の一部が水素吸着部材３９の配置位置を通過するように配設されて構成されている。具体的に、冷却水循環回路４０は、燃料電池１０を通過するように設けられた冷却水循環流路４１と、冷却水循環流路４１から分岐して水素吸着部材３９の配置位置を通過するように配設されて再び冷却水循環流路４１に合流する分岐流路４３とを備える。
【0031】
燃料電池１０の下流側、かつ、冷却水循環流路４１及び分岐流路４３の分岐部分の上流側には、冷却水循環ポンプ４５が設けられている。冷却水循環ポンプ４５の駆動は、制御部５０により制御される。冷却水循環ポンプ４５の吸入側には、燃料電池１０から流出する冷却水を冷却する冷却器４７が設けられている。冷却器４７は、例えばラジエータ等の適宜の冷却手段であってよい。
【0032】
分岐流路４３には、分岐流路４３への冷却水の流通の可否を切り換える開閉弁４９が設けられている。開閉弁４９の駆動は、制御部５０により制御される。開閉弁４９は、制御部５０により制御可能なものであれば特に限定されるものではなく、開弁状態と閉弁状態とを切り替え可能なオンオフ弁であってもよく、開口面積を調節可能な流量制御弁であってもよい。開閉弁４９の開弁時には、冷却器４７で冷却されて冷却水循環ポンプ４５により吐出される冷却水が分岐流路４３を流れ、水素吸着部材３９が冷却される。図１に示した例では、開閉弁４９が、冷却水循環流路４１と分岐流路４３との分岐部分の近傍に設けられているが、設置位置は特に限定されない。
【0033】
なお、水素吸着部材３９の温度を調節する温度調節手段は、燃料電池１０を冷却するための冷却水循環回路４０を利用したものに限られない。例えば、温度調節手段は、燃料電池車両の駆動用モータの電力制御を行うコンバータあるいはインバータを冷却するための冷却水循環回路の一部が水素吸着部材３９の周囲や内部に配置されて構成されていてもよい。この場合においても、水素吸着部材３９の周囲や内部を通過する分岐流路への冷却水の流通の可否を切り換える開閉弁を設け、水素吸着部材３９の温度を調節可能に構成されることが好ましい。
【0034】
また、ラジエータファンその他のファンあるいは走行風又は酸化オフガス等を利用して、空冷により水素吸着部材３９が冷却されるように構成されてもよい。この場合においても、水素吸着部材３９の配置位置への冷却風の供給又は停止を切り換える手段を設け、水素吸着部材３９の温度を調節可能に構成されることが好ましい。水素吸着部材３９の配置位置への冷却風の供給又は停止を切り換える手段は、弁機構やシャッタ機構等の適宜の手段を採用することができる。
【0035】
制御部５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプロセッサを含んで構成される。制御部５０の一部又は全部は、ファームウェア等の更新可能なもので構成されてもよく、また、ＣＰＵ等からの指令によって実行されるプログラムモジュール等であってもよい。また、制御部５０は、ソフトウェアプログラムや制御パラメータ、取得した情報等を記憶する記憶装置を備える。記憶装置は、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子を含んでいてもよく、ＣＤ－ＲＯＭやストレージ装置等の記憶媒体を含んでいてもよい。
【0036】
制御部５０は、車載用燃料電池システム１における発電を制御する。簡単に説明すると、制御部５０は、車両の駆動用モータに電力を供給する場合、あるいは、駆動用モータに電力を供給する二次電池に充電する場合等において、燃料電池１０に発電させる制御を行う。制御部５０は、要求充電電力あるいは要求供給電力に基づく目標発電電力に応じてコンプレッサ１５及び圧力調整弁２３の駆動を制御し、燃料電池１０に供給する空気流量及び水素ガスの流量を制御する。燃料電池１０が発電を行う間、制御部５０は、循環ポンプ２５を駆動して燃料電池１０から排出される水素ガスを循環流路２８を介して水素供給流路２２へ戻し、燃料電池１０内に水素ガスを循環させる。これにより、燃料電池１０において、空気と水素ガスとの電気化学反応が生じ、発電が行われる。
【0037】
また、制御部５０は、適宜の時期に水素パージ弁３７を開き、水素濃度が低下した水素オフガスを排出する制御を行う。以下、水素オフガスを排出する制御処理（以下、「水素パージ処理」ともいう）について詳しく説明する。
【0038】
＜１－２．制御部の具体的構成例＞
図２は、制御部５０の構成のうち、水素パージ処理に関連する機能構成を示すブロック図である。
制御部５０は、目標発電電力算出部５１、コンプレッサ制御部５３、圧力調整弁制御部５５、循環ポンプ制御部５７及び水素パージ制御部５９を備える。これらの各部は、ＣＰＵ等のプロセッサによるコンピュータプログラムの実行により実現される機能である。
図２は、制御部５０の構成のうち、水素パージ処理に関連する機能構成を示すブロック図である。
制御部５０は、目標発電電力算出部５１、コンプレッサ制御部５３、圧力調整弁制御部５５、循環ポンプ制御部５７及び水素パージ制御部５９を備える。これらの各部は、ＣＰＵ等のプロセッサによるコンピュータプログラムの実行により実現される機能である。
【0039】
目標発電電力算出部５１は、駆動用モータへの要求供給電力及び駆動用モータに電力を供給する二次電池への要求充電電力のうちの少なくとも一つに基づいて、燃料電池１０に発電させる目標発電電力を算出する。駆動用モータに電力を供給する二次電池とは異なる蓄電装置を備えている場合、目標発電電力算出部５１は、さらに当該蓄電装置への要求充電電力を加算して目標発電電力を求めてもよい。
【0040】
コンプレッサ制御部５３は、目標発電電力に基づいてコンプレッサ１５の目標駆動量を設定し、コンプレッサ１５の駆動を制御する。具体的には、目標発電電力に応じた流量の空気が燃料電池に供給されるようにコンプレッサ１５の目標駆動量が設定される。コンプレッサ１５の目標駆動量は、燃料電池１０の発電能力に影響を与える燃料電池１０の温度に基づいて補正されてもよい。
【0041】
圧力調整弁制御部５５は、目標発電電力に基づいて、循環流路２８を介して燃料電池１０を循環する水素ガスの目標圧力を設定し、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を調整する。水素ガスの目標圧力も同様に、燃料電池１０の温度に基づいて補正されてもよい。
【0042】
循環ポンプ制御部５７は、目標発電電力に基づいて循環ポンプ２５の目標駆動量を設定し、循環ポンプ２５の駆動を制御する。具体的には、目標発電電力に応じた流量の水素ガスが燃料電池に供給されるように循環ポンプ２５の目標駆動量が設定される。循環ポンプ２５の目標駆動量も同様に、燃料電池１０の温度に基づいて補正されてもよい。なお、コンプレッサ１５の目標駆動量及び循環ポンプ２５の目標駆動量は、いずれか一方で設定される目標駆動量に対応する流量に応じて他方の目標駆動量が設定されてもよい。
【0043】
水素パージ制御部５９は、燃料電池１０からの水素オフガスの排出を制御（水素パージ制御）する。本実施形態に係る車載用燃料電池システム１において、水素パージ制御部５９は、水素パージ弁３７及び開閉弁４９を制御することにより、水素パージ制御を実行する。本実施形態に係る車載用燃料電池システム１では、温度が水素吸着脱離温度以下の状態で水素を吸着する水素吸着部材３９が用いられている。このため、水素パージ制御部５９は、希釈器１９に導入される酸化オフガスの流量が多く、水素濃度を低下させやすい燃料電池１０の出力が大きい状態に限らず、酸化オフガスの流量が少なくなる燃料電池１０の出力が小さい状態においても、水素パージ弁３７を開弁して水素オフガスを排出する処理を実行するように構成されている。
【0044】
なお、燃料電池１０の出力が大きい又は小さい状態は、例えば、燃料電池１０の発電電力が所定の閾値よりも大きい又は小さい状態として判断することができる。また、「燃料電池１０の出力（発電電力）が小さいとき」とは、燃料電池１０の発電が停止した状態も含む。つまり、「燃料電池１０の出力が小さいとき」とは、燃料電池車両の運転中に燃料電池１０の発電が停止している状態だけでなく、車載用燃料電池システムの起動が停止された状態も含む。
【0045】
燃料電池１０の出力が小さい状態では、燃料電池１０において空気と水素ガスとが反応する際に発生する反応熱量が小さくなるため燃料電池１０の温度が低下し水素オフガスの温度も低下する。このため、燃料電池１０の出力が小さい状態では、分岐流路４３を流れる冷却水によって、水素吸着部材３９の温度を比較的容易に水素吸着脱離温度以下にすることができる。
【0046】
また、水素パージ制御部５９は、水素吸着部材３９に水素を吸着させたい場合には、開閉弁４９を開弁状態として冷却水を分岐流路４３へ流通させ、水素吸着部材３９の温度を水素吸着脱離温度以下にする。一方、水素パージ制御部５９は、水素吸着部材３９に吸着された水素を脱離させたい場合には、開閉弁４９を閉弁状態として分岐流路４３への冷却水の流れを停止し、水素吸着部材３９の温度を上昇させる。
【0047】
例えば、燃料電池１０の出力が大きい状態では、酸化オフガスの流量が多くなり、希釈器１９において水素濃度を低下させやすい。このため、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０の出力が大きい状態では、開閉弁４９を閉弁状態とする。この場合、燃料電池１０の温度は上昇し、排出される水素ガスの温度も高くなることから、水素吸着部材３９の温度が速やかに水素吸着脱離温度を超える。一方、燃料電池１０の出力が小さい状態では、酸化オフガスの流量が少なくなり、希釈器１９において水素濃度を低下させにくい。このため、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０の出力が小さい状態では、開閉弁４９を開弁状態とする。この場合、燃料電池１０の温度は低くなり、排出される水素ガスの温度も低くなることから、水素吸着部材３９の温度が速やかに水素吸着脱離温度以下になる。
【0048】
具体的に、水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の起動時において、水素パージ弁３７を開弁状態で保持する。車載用燃料電池システム１の起動時において、燃料電池１０は水素ガス経路２０内の空気や水分等の不純物を水素に置換するため、比較的多くの水素ガスを排出する。ただし、車載用燃料電池システム１の起動時には燃料電池１０の温度が低く、水素ガスが導入される水素吸着部材３９の温度も低く維持されることから、排出される水素は水素吸着部材３９に吸着される。このとき、水素吸着部材３９を水素吸着脱離温度以下に保つために、水素パージ制御部５９は、開閉弁４９を開弁状態として冷却水を分岐流路４３へ流入させてもよい。
【0049】
また、水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の起動中において、燃料電池１０から排出される酸化オフガスの流量（空気量）に基づいて水素パージ弁３７及び開閉弁４９の開閉を制御する。具体的に、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０が低出力で発電しており、酸化オフガスの流量が少ない場合、開閉弁４９を開弁状態として分岐流路４３へ冷却水を流入させるとともに、比較的長時間に設定された第１の時間間隔を空けて水素パージ弁３７を開閉する。例えば、水素パージ制御部５９は、５秒間の開弁状態と６０秒間の閉弁状態とを繰り返す。このとき、燃料電池１０の出力が小さい状態では、燃料電池１０の発熱量が小さく、分岐流路４３を流れる冷却水によって水素吸着部材３９が効率的に冷却されるため、排出される水素の一部は水素吸着部材３９に吸着される。これにより、酸化オフガスの流量が少ないにもかかわらず、高濃度の水素が外部に放出されることを抑制することができる。
【0050】
図３は、燃料電池１０が低出力で発電している状態での、水素吸着部材３９の有無による排出水素濃度の違いを示す説明図である。図３に示した例では、水素パージ制御部５９は、５秒間の開弁状態と６０秒間の閉弁状態とを繰り返すように水素パージ弁３７の駆動を制御する。また、破線は、水素吸着部材が設けられていない場合の排出水素濃度を示し、実線は、水素吸着部材３９が設けられている場合の排出水素濃度を示す。
【0051】
燃料電池１０が低出力で発電している場合、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量は少ないことから、低頻度で水素パージ弁３７が開弁されて水素オフガスが外部に排出される。燃料電池１０が低出力で発電している状態では酸化オフガスの流量も少ないため、水素吸着部材が設けられていない場合、排出される水素オフガスの希釈が不十分となって、排出水素濃度が排出規定濃度（例えば４％）を上回っている。これに対して、水素吸着部材３９が設けられている場合、燃料電池１０が低出力で発電している状態では水素吸着部材３９の温度は水素吸着離脱温度以下に保たれ、排出される水素の少なくとも一部が水素吸着部材３９に吸着される。したがって、酸化オフガスの流量が少ないにもかかわらず排出水素濃度を排出規定濃度（例えば４％）以下に維持することができ、高濃度の水素が外部に放出されることを抑制することができる。
【0052】
一方、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０が高出力で発電しており、酸化オフガスの流量が多い場合、水素の消費量が多いことから、第１の時間間隔よりも短時間に設定された第２の時間間隔を空けて水素パージ弁３７を開弁する。例えば、水素パージ制御部５９は、５秒間の開弁状態と５秒間の閉弁状態とを繰り返す。このとき、燃料電池１０の出力が大きい状態では、燃料電池１０に供給される空気流量が多く、排出される酸化オフガスの流量も多くなることから、水素パージ制御部５９は開閉弁４９を閉弁状態として水素吸着部材３９の温度を水素吸着離脱温度を超える温度にする。これにより、水素は希釈器１９に導入され、酸化オフガスにより希釈されて外部に放出される。燃料電池１０の出力が低出力から高出力に切り替わった場合には、水素吸着部材３９に吸着されていた水素は徐々に離脱するため、短時間の間に高濃度の水素が放出されることを抑制することもできる。
【0053】
図４は、燃料電池１０が高出力で発電している状態での、水素吸着部材３９の有無による排出水素濃度の違いを示す説明図である。図４に示した例では、水素パージ制御部５９は、５秒間の開弁状態と５秒間の閉弁状態とを繰り返すように水素パージ弁３７の駆動を制御する。また、破線は、水素吸着部材が設けられていない場合の排出水素濃度を示し、実線は、水素吸着部材３９が設けられている場合の排出水素濃度を示す。
【0054】
燃料電池１０が高出力で発電している場合、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量は多くなり、高頻度で水素パージ弁３７が開弁されて水素オフガスが外部に排出される。燃料電池１０が高出力で発電している状態では酸化オフガスの流量も多いため、水素吸着部材が設けられていない場合であっても排出される水素オフガスは十分に希釈されて排出水素濃度を排出規定濃度（例えば４％）以下に維持することができる。また、水素吸着部材３９が設けられている場合、燃料電池１０が高出力で発電している状態で、水素吸着部材３９の温度は水素吸着離脱温度を超える温度にされ、燃料電池１０が低出力で発電している間に水素吸着部材３９に吸着されていた水素が離脱させられる。これにより、水素吸着部材３９を通過した水素オフガスの濃度は上昇するものの、比較的大流量の酸化オフガスにより十分に希釈されるため、排出水素濃度を排出規定濃度（例えば４％）以下に維持することができる。したがって、高濃度の水素が外部に放出されることを抑制することができる。
【0055】
また、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０内に水素ガス及び空気を流すことにより燃料電池１０内の水素ガス流路及び空気流路に生成された水分を排出させる掃気処理時に、所定時間水素パージ弁３７を開弁してもよい。掃気処理は、燃料電池１０の発電が中断している間に、水素ガス及び空気をそれぞれ燃料電池１０内の水素ガス流路及び空気流路に所定時間供給することにより実行される。掃気処理時には、燃料電池１０の発電は停止されることから、燃料電池１０の温度が低下し、水素ガスが導入される水素吸着部材３９の温度も低く維持されやすくなって、排出される水素は水素吸着部材３９に吸着される。このとき、水素吸着部材３９を水素吸着脱離温度以下に保つために、水素パージ制御部５９は、開閉弁４９を開弁状態として冷却水を分岐流路４３へ流入させてもよい。吸着された水素は、その後、燃料電池１０の発電中に水素吸着部材３９から離脱して酸化オフガスにより希釈されて外部に放出される。
【0056】
さらに、水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の停止時において、所定時間水素パージ弁３７を開弁してもよい。システム停止時には燃料電池１０への空気及び水素ガスの供給が停止するが、水素パージ弁３７が開弁されると、水素ガス経路２０の内部圧力によって水素ガスが排出される。このとき、燃料電池１０の温度も低下することから、水素吸着部材３９の温度は水素吸着離脱温度以下となり、排出される水素は水素吸着部材３９に吸着される。吸着された水素は、その後、温度上昇や圧力変化に伴って徐々に放出され、高濃度のままで外部に放出されることを抑制することができる。
【0057】
＜１－３．車載用燃料電池システムの動作＞
次に、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１における水素パージ処理の動作について説明する。以下、主として、車載用燃料電池システム１の起動時及び起動中のそれぞれにおける水素パージ弁３７の開閉動作及び開閉弁４９の開閉動作について説明する。
次に、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１における水素パージ処理の動作について説明する。以下、主として、車載用燃料電池システム１の起動時及び起動中のそれぞれにおける水素パージ弁３７の開閉動作及び開閉弁４９の開閉動作について説明する。
【0058】
図５は、車載用燃料電池システム１の起動時の水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の起動を検知すると（ステップＳ１１）、水素パージ弁３７を開弁状態にする（ステップＳ１３）。システム起動時には、水素ガス経路２０内の空気や水分等の不純物が水素に置換されるため、比較的多くの水素が排出される。ただし、燃料電池１０の起動時には燃料電池１０の温度が低く、排出される水素ガスの温度も低いことから、水素吸着部材３９の温度が水素吸着離脱温度以下に保たれる。このため、排出される水素は、水素吸着部材３９に吸着される。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の起動を検知すると（ステップＳ１１）、水素パージ弁３７を開弁状態にする（ステップＳ１３）。システム起動時には、水素ガス経路２０内の空気や水分等の不純物が水素に置換されるため、比較的多くの水素が排出される。ただし、燃料電池１０の起動時には燃料電池１０の温度が低く、排出される水素ガスの温度も低いことから、水素吸着部材３９の温度が水素吸着離脱温度以下に保たれる。このため、排出される水素は、水素吸着部材３９に吸着される。
【0059】
次いで、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０による発電が開始されたか否かを判別する（ステップＳ１５）。例えば、水素パージ制御部５９は、目標発電電力算出部５１により設定される目標発電電力がゼロを超える値になったときに燃料電池１０による発電が開始されたと判定してもよい。ステップＳ１５が肯定判定の場合（Ｓ１５／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、後述する通常水素パージ処理の実行を開始する（ステップＳ１７）。一方、ステップＳ１５が否定判定の場合（Ｓ１５／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、システム起動時の水素パージ処理を終了させるか否かを判別する（ステップＳ１９）。例えば、水素パージ制御部５９は、システム起動時からあらかじめ設定された所定の時間が経過したときに水素パージ処理を終了させると判定してもよく、燃料電池１０の暖機が完了したときに水素パージ処理を終了させると判定してもよい。
【0060】
ステップＳ１９が肯定判定の場合（Ｓ１９／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、水素パージ弁３７を閉弁状態に切り替えた後（ステップＳ２１）、通常水素パージ処理の実行を開始する（ステップＳ１７）。一方、ステップＳ１９が否定判定の場合（Ｓ１９／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０の温度が、あらかじめ設定された所定の閾値Ｔ０を超えたか否かを判別する（ステップＳ２３）。このステップＳ２３では、水素吸着部材３９に導入される水素ガスによって、水素吸着部材３９の温度が水素吸着脱離温度を超えるおそれがないかが判定される。閾値Ｔ０は、かかる観点からあらかじめ適切な値に設定される。なお、燃料電池１０の温度は、例えば、燃料電池１０に設けられた温度センサを用いて検出することができる。
【0061】
ステップＳ２３が否定判定の場合（Ｓ２３／Ｎｏ）、そのままステップＳ１５へ戻る。一方、ステップＳ２３が肯定判定の場合（Ｓ２３／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、水素吸着部材３９を水素吸着脱離温度以下に冷却するため、開閉弁４９を開弁状態として分岐流路４３に冷却水を流通させた後（ステップＳ２５）、ステップＳ１５へ戻る。
【0062】
このように、車載用燃料電池システム１の起動時において、水素パージ制御部５９は、あらかじめ設定された起動時水素パージ処理を終了させる条件が成立するまでの間、あるいは、発電制御が開始されるまでの間、水素パージ弁３７を介して燃料電池１０から水素ガスを排出し、水素吸着部材３９に吸着させる。車載用燃料電池システム１の起動時には燃料電池１０に供給される空気流量は少ないものの、排出される水素は水素吸着部材３９に吸着されるため、高濃度の水素ガスが外部に放出されることを抑制することができる。
【0063】
なお、本実施形態において、起動時水素パージ処理により水素吸着部材３９に吸着された水素は、その後の通常水素パージ処理中において、燃料電池１０の出力が高い状態で、燃料電池１０から排出される酸化オフガスの流量が多い期間に水素吸着部材３９から脱離し、希釈されつつ放出される。
【0064】
図６は、車載用燃料電池システム１の起動中の通常水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、燃料電池１０が発電中であるか否かを判別する（ステップＳ３１）。例えば、水素パージ制御部５９は、目標発電電力算出部５１により算出される目標発電電力が正の値になっている場合に燃料電池１０が発電中であると判定する等、適宜の方法により燃料電池１０が発電中であると判定してもよい。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、燃料電池１０が発電中であるか否かを判別する（ステップＳ３１）。例えば、水素パージ制御部５９は、目標発電電力算出部５１により算出される目標発電電力が正の値になっている場合に燃料電池１０が発電中であると判定する等、適宜の方法により燃料電池１０が発電中であると判定してもよい。
【0065】
ステップＳ３１が否定判定の場合（Ｓ３１／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、今回の発電停止中にすでに燃料電池１０内の掃気処理を完了したか否かを判別する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３が肯定判定の場合（Ｓ３３／Ｙｅｓ）、そのままステップＳ４９へ進む。一方、ステップＳ３３が否定判定の場合（Ｓ３３／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、開閉弁４９を開弁状態として分岐流路４３に冷却水を流入させて水素吸着部材３９を冷却させる（ステップＳ３５）。また、水素パージ制御部５９は、水素パージ弁３７を所定時間開弁状態とする（ステップＳ３７）。これにより、水素ガス流路内に生成されていた水分が水素オフガスとともに燃料電池１０から排出され気液分離器２７に回収されるとともに、水素オフガスは水素パージ弁３７を介して水素吸着部材３９に導入される。
【0066】
燃料電池１０の発電が停止した状態では、燃料電池１０の温度が低く、水素オフガスの温度が低いことも相俟って、水素吸着部材３９の温度を水素吸着脱離温度以下に保持することができ、排出される水素の少なくとも一部を水素吸着部材３９へ吸着させることができる。また、水素吸着部材３９に吸着されない水素は、同じく空気流路の掃気処理に用いられた空気により希釈されて外部に放出される。
【0067】
また、ステップＳ３１が肯定判定の場合（Ｓ３１／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０の出力が低い状態であるか否かを判別する（ステップＳ３９）。例えば、水素パージ制御部５９は、目標発電電力があらかじめ設定された所定の閾値よりも低い場合に燃料電池１０の出力が低い状態であると判定してもよい。
【0068】
ステップＳ３９が肯定判定の場合（Ｓ３９／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、開閉弁４９を開弁状態として分岐流路４３に冷却水を流入させて水素吸着部材３９を冷却させる（ステップＳ４１）。また、水素パージ制御部５９は、第１の時間間隔で水素パージ弁３７の開弁を繰り返す（ステップＳ４３）。例えば、水素パージ制御部５９は、５秒間の水素パージ弁３７の開弁と、６０秒間の水素パージ弁３７の開弁とを繰り返す。これにより、燃料電池１０の温度が低く、水素オフガスの温度が低いことも相俟って、水素吸着部材３９の温度を水素吸着脱離温度以下に保持することができ、排出される水素を水素吸着部材３９へ吸着させることができる。
【0069】
一方、ステップＳ３９が否定判定の場合（Ｓ３９／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、開閉弁４９を閉弁状態として分岐流路４３への冷却水の流入を停止させる（ステップＳ４５）。また、水素パージ制御部５９は、第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔で水素パージ弁３７の開弁を繰り返す（ステップＳ４７）。例えば、水素パージ制御部５９は、５秒間の水素パージ弁３７の開弁と５秒間の水素パージ弁３７の閉弁とを繰り返す。これにより、燃料電池１０の温度が高く、水素オフガスの温度が高いことから、水素吸着部材３９の温度が水素吸着脱離温度を超え、吸着していた水素が脱離する。ただし、燃料電池１０の出力が高い状態では、燃料電池１０から排出される酸化オフガスの流量も多いため、希釈器１９において水素は希釈されて外部に放出される。
【0070】
次いで、水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１がオフにされたか否かを判別する（ステップＳ４９）。ステップＳ４９が否定判定の場合（Ｓ４９／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９はステップＳ３１に戻り、上述した各ステップの処理を繰り返す。一方、ステップＳ４９が肯定判定の場合（Ｓ４９／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、水素パージ弁３７を所定時間開弁し（ステップＳ５１）、通常水素パージ処理を終了させる。これにより、水素ガス経路２０内の内部圧力によって水素オフガスが排出される。システムがオフの状態では、水素オフガスの温度が低いことから、排出される水素は、水素吸着部材３９に吸着される。吸着された水素は、その後、水素吸着部材３９の温度の上昇や圧力の低下に伴って徐々に脱離し、低濃度の状態で外部に放出される。
【0071】
＜１－４．第１の実施の形態による効果＞
以上説明したように、第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システム１によれば、水素オフガスを排出する水素排出流路３５に、温度によって水素を吸着又は脱離する機能を有する水素吸着部材３９を備えるとともに、水素吸着部材３９の温度を調節する温度調節手段を備える。このため、任意のタイミングで水素を希釈器１９に流入させるように制御することができる。したがって、酸化オフガスの流量が少ない状態で高濃度の水素ガスが希釈器１９へ流入することが抑制され、外部に放出される水素ガスの濃度のピーク値を低減して、高濃度の水素ガスが放出されることを抑制することができる。
以上説明したように、第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システム１によれば、水素オフガスを排出する水素排出流路３５に、温度によって水素を吸着又は脱離する機能を有する水素吸着部材３９を備えるとともに、水素吸着部材３９の温度を調節する温度調節手段を備える。このため、任意のタイミングで水素を希釈器１９に流入させるように制御することができる。したがって、酸化オフガスの流量が少ない状態で高濃度の水素ガスが希釈器１９へ流入することが抑制され、外部に放出される水素ガスの濃度のピーク値を低減して、高濃度の水素ガスが放出されることを抑制することができる。
【0072】
また、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１では、燃料電池１０から排出される酸化オフガスの流量に基づいて水素吸着部材３９の温度が調節され、水素吸着部材３９への水素の吸着及び脱離が制御される。具体的に、酸化オフガスの流量が少ない間に水素吸着部材３９に水素を吸着させ、酸化オフガスの流量が多い間に水素吸着部材３９から水素を脱離させて、水素濃度を低下させたうえで外部に水素を放出させる。したがって、燃料電池１０からの水素オフガスの排出を任意のタイミングで行うことができるようになる。
【0073】
＜＜２．第２の実施の形態＞＞
次に、本発明の第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システムの全体構成例を説明する。本実施形態に係る車載用燃料電池システムは、水素吸着部材への水素の吸着及び脱離を切り替える手段として圧力調節手段を備える。以下、第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システムについて、主として第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システムと異なる点を説明する。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システムの全体構成例を説明する。本実施形態に係る車載用燃料電池システムは、水素吸着部材への水素の吸着及び脱離を切り替える手段として圧力調節手段を備える。以下、第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システムについて、主として第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システムと異なる点を説明する。
【0074】
図７は、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１Ａの全体構成の一例を示す模式図である。本実施形態に係る車載用燃料電池システム１においては、第１の実施の形態において例示した水素吸着部材３９のうち、少なくとも圧力変化を利用して水素の吸着及び脱離を制御可能な水素吸着部材３９が用いられる。
【0075】
また、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１Ａは、水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの圧力を調節する圧力調節手段として、流路絞り弁３８を備える。流路絞り弁３８は、水素吸着部材３９よりも下流側、かつ、希釈器１９よりも上流側に設けられ、制御部５０により駆動が制御されて流路面積を調節する。流路絞り弁３８により流路面積が絞られた（小さくされた）場合、流路絞り弁３８よりも上流側の水素排出流路３５内の圧力が上昇する。これにより、水素吸着部材３９に流入する水素ガスの圧力を吸着圧力を超える状態として、水素吸着部材３９が水素を吸着可能な状態とする。
【0076】
なお、圧力調節手段は、流路絞り弁３８に限られるものではなく、水素パージ弁３７を介して排出される水素オフガスの排出圧力、あるいは、水素吸着部材３９が配置された領域の圧力を調節可能な機構であればよい。例えば、水素パージ弁３７よりも下流側の、水素吸着部材３９が配置された領域を含む空間の容積を調節可能な機構であってもよい。
【0077】
本実施形態において、制御部５０の水素パージ制御部５９は、水素パージ弁３７及び流路絞り弁３８を制御することにより、水素パージ制御を実行する。水素パージ制御部５９は、水素吸着部材３９に水素を吸着させたい場合には、流路絞り弁３８を駆動して水素排出流路３５の流路面積を絞り、水素吸着部材３９に流入する水素ガスの排出圧力が吸着圧力を超えるようにする。一方、水素パージ制御部５９は、水素吸着部材３９に吸着された水素を脱離させたい場合には、流路絞り弁３８を駆動して水素排出流路３５の流路面積を拡大し、水素吸着部材３９に流入する水素ガスの排出圧力が脱離圧力以下となるようにする。
【0078】
なお、水素パージ弁３７を開いた場合、水素ガス経路２０の内部圧力によって水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの排出圧力が上昇するため、流路絞り弁３８によって流路面積を絞ることによって、速やかに水素オフガスの排出圧力を吸着圧力を超える状態にすることができる。また、水素パージ弁３７を閉じた場合、水素パージ弁３７の下流側への水素オフガスの流入は停止するため、流路絞り弁３８によって流路面積を拡大することによって、速やかに水素オフガスの排出圧力を脱離圧力以下の状態にすることができる。
【0079】
以下、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１Ａの起動時及び起動中のそれぞれにおける水素パージ弁３７の開閉動作及び開閉弁４９の開閉動作について説明する。なお、第１の実施の形態に係る車載用燃料電池システム１による処理と同じ処理を行うステップには同一のステップ番号を付し、その説明を一部省略する場合がある。
【0080】
図８は、車載用燃料電池システム１Ａの起動時の水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の起動を検知すると（ステップＳ１１）、水素パージ弁３７を開弁状態にするとともに、流路絞り弁３８を駆動して流路面積を絞る（縮小する）（ステップＳ１４）。システム起動時には燃料電池１０の出力は小さく水素ガスの排出圧力が低いものの、流路絞り弁３８により水素排出流路３５の流路面積を絞ることによって水素吸着部材３９に流入する水素ガスの排出圧力が吸着圧力を超える状態に保たれる。このため、排出される水素は、水素吸着部材３９に吸着される。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１の起動を検知すると（ステップＳ１１）、水素パージ弁３７を開弁状態にするとともに、流路絞り弁３８を駆動して流路面積を絞る（縮小する）（ステップＳ１４）。システム起動時には燃料電池１０の出力は小さく水素ガスの排出圧力が低いものの、流路絞り弁３８により水素排出流路３５の流路面積を絞ることによって水素吸着部材３９に流入する水素ガスの排出圧力が吸着圧力を超える状態に保たれる。このため、排出される水素は、水素吸着部材３９に吸着される。
【0081】
次いで、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０による発電が開始されたか否かを判別する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５が肯定判定の場合（Ｓ１５／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、後述する通常水素パージ処理の実行を開始する（ステップＳ１７）。一方、ステップＳ１５が否定判定の場合（Ｓ１５／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、システム起動時の水素パージ処理を終了させるか否かを判別する（ステップＳ１９）。
【0082】
ステップＳ１９が否定判定の場合（Ｓ１９／Ｎｏ）、そのままステップＳ１５へ戻る。一方、ステップＳ１９が肯定判定の場合（Ｓ１９／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、水素パージ弁３７を閉弁状態に切り替えるとともに、流路絞り弁３８を駆動して水素排出流路３５の流路面積を拡大させた後（ステップＳ２１）、通常水素パージ処理の実行を開始する（ステップＳ１７）。ステップＳ２１の処理により、水素吸着部材３９が配置された領域の圧力が徐々に低下し、脱離圧力を下回った後には、水素吸着部材３９に吸着されていた水素が徐々に脱離し、低濃度の状態で放出される。
【0083】
このように、車載用燃料電池システム１の起動時において、水素パージ制御部５９は、あらかじめ設定された起動時水素パージ処理を終了させる条件が成立するまでの間、あるいは、発電制御が開始されるまでの間、水素パージ弁３７を介して燃料電池１０から水素ガスを排出し、水素吸着部材３９に吸着させる。車載用燃料電池システム１の起動時には燃料電池１０に供給される空気流量は少ないものの、排出される水素は水素吸着部材３９に吸着される。起動時水素パージ処理により水素吸着部材３９に吸着された水素は、その後の水素吸着部材３９の圧力低下に伴って水素吸着部材３９から徐々に脱離する。これにより、高濃度の水素が外部に放出されることを抑制することができる。
【0084】
図９は、車載用燃料電池システム１の起動中の通常水素パージ処理の動作を示すフローチャートである。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、燃料電池１０が発電中であるか否かを判別する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１が否定判定の場合（Ｓ３１／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、今回の発電停止中にすでに燃料電池１０内の掃気処理を完了したか否かを判別する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３が肯定判定の場合（Ｓ３３／Ｙｅｓ）、そのままステップＳ４９へ進む。一方、ステップＳ３３が否定判定の場合（Ｓ３３／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、所定時間、水素パージ弁３７を開弁状態とするとともに流路絞り弁３８により水素排出流路３５の面積を絞る（ステップＳ３４）。これにより、水素ガス流路内に生成されていた水分が水素オフガスとともに燃料電池１０から排出され気液分離器２７に回収されるとともに、水素オフガスは水素パージ弁３７を介して水素吸着部材３９に導入される。
制御部５０の水素パージ制御部５９は、燃料電池１０が発電中であるか否かを判別する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１が否定判定の場合（Ｓ３１／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、今回の発電停止中にすでに燃料電池１０内の掃気処理を完了したか否かを判別する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３が肯定判定の場合（Ｓ３３／Ｙｅｓ）、そのままステップＳ４９へ進む。一方、ステップＳ３３が否定判定の場合（Ｓ３３／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、所定時間、水素パージ弁３７を開弁状態とするとともに流路絞り弁３８により水素排出流路３５の面積を絞る（ステップＳ３４）。これにより、水素ガス流路内に生成されていた水分が水素オフガスとともに燃料電池１０から排出され気液分離器２７に回収されるとともに、水素オフガスは水素パージ弁３７を介して水素吸着部材３９に導入される。
【0085】
このとき、流路絞り弁３８により水素排出流路３５の流路面積が絞られていることから、水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの圧力を吸着圧力を超える圧力に保持することができ、排出される水素の少なくとも一部を水素吸着部材３９へ吸着させることができる。また、水素吸着部材３９に吸着されない水素は、同じく空気流路の掃気処理に用いられた空気により希釈されて外部に放出される。
【0086】
また、ステップＳ３１が肯定判定の場合（Ｓ３１／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、燃料電池１０の出力が低い状態であるか否かを判別する（ステップＳ３９）。ステップＳ３９が肯定判定の場合（Ｓ３９／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、第１の時間間隔で水素パージ弁３７の開弁及び流路絞り弁３８による水素排出流路３５の流路面積の絞り動作を繰り返す（ステップＳ４２）。例えば、水素パージ制御部５９は、５秒間の水素パージ弁３７の開弁及び流路面積の絞り動作と、６０秒間の水素パージ弁３７の開弁及び流路面積の拡大動作とを繰り返す。これにより、水素吸着部材３９への水素の吸着と、水素吸着部材３９に吸着した水素の脱離とが繰り返される。
【0087】
一方、ステップＳ３９が否定判定の場合（Ｓ３９／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９は、第１の時間間隔よりも短い第２の時間間隔で水素パージ弁３７の開弁及び流路絞り弁３８による水素排出流路３５の流路面積の絞り動作を繰り返す（ステップＳ４４）。例えば、水素パージ制御部５９は、５秒間の水素パージ弁３７の開弁及び流路面積の絞り動作と、５秒間の水素パージ弁３７の閉弁及び流路面積の拡大動作とを繰り返す。これにより、水素吸着部材３９への水素の吸着と、水素吸着部材３９に吸着した水素の脱離とが繰り返される。ただし、燃料電池１０の出力が高い状態では、燃料電池１０の出力が低い状態に比べて水素の排出量が多くなるものの、燃料電池１０から排出される酸化オフガスの流量も多いために希釈器１９において水素は適切に希釈されて外部に放出される。
【0088】
次いで、水素パージ制御部５９は、車載用燃料電池システム１がオフにされたか否かを判別する（ステップＳ４９）。ステップＳ４９が否定判定の場合（Ｓ４９／Ｎｏ）、水素パージ制御部５９はステップＳ３１に戻り、上述した各ステップの処理を繰り返す。一方、ステップＳ４９が肯定判定の場合（Ｓ４９／Ｙｅｓ）、水素パージ制御部５９は、所定時間、水素パージ弁３７を開弁するとともに流路絞り弁３８を駆動して水素排出流路３５の流路面積を絞り（ステップＳ５２）、通常水素パージ処理を終了させる。これにより、水素ガス経路２０内の内部圧力によって水素オフガスが排出され、排出される水素が水素吸着部材３９に吸着される。吸着された水素は、その後、水素吸着部材３９の温度の上昇や圧力の低下に伴って徐々に脱離し、低濃度の状態で外部に放出される。
【0089】
＜２－３．第２の実施の形態による効果＞
以上説明したように、第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システム１Ａによれば、水素オフガスを排出する水素排出流路３５に、温度によって水素を吸着又は脱離する機能を有する水素吸着部材３９を備えるとともに、水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの排出圧力を調節する圧力調節手段を備える。このため、任意のタイミングで水素を希釈器１９に流入させるように制御することができる。したがって、酸化オフガスの流量が少ない状態で高濃度の水素ガスが希釈器１９へ流入することが抑制され、外部に放出される水素ガスの濃度のピーク値を低減して、高濃度の水素ガスが放出されることを抑制することができる。
以上説明したように、第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システム１Ａによれば、水素オフガスを排出する水素排出流路３５に、温度によって水素を吸着又は脱離する機能を有する水素吸着部材３９を備えるとともに、水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの排出圧力を調節する圧力調節手段を備える。このため、任意のタイミングで水素を希釈器１９に流入させるように制御することができる。したがって、酸化オフガスの流量が少ない状態で高濃度の水素ガスが希釈器１９へ流入することが抑制され、外部に放出される水素ガスの濃度のピーク値を低減して、高濃度の水素ガスが放出されることを抑制することができる。
【0090】
また、本実施形態に係る車載用燃料電池システム１では、燃料電池１０から排出される酸化オフガスの流量に基づいて水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの圧力が調節され、水素吸着部材３９への水素の吸着及び脱離が制御される。具体的に、酸化オフガスの流量が少ない間に水素吸着部材３９に水素を吸着させ、酸化オフガスの流量が多い間に水素吸着部材３９から水素を脱離させて、水素濃度を低下させたうえで外部に水素を放出させる。したがって、燃料電池１０からの水素オフガスの排出を任意のタイミングで行うことができるようになる。
【0091】
なお、第２の実施の形態に係る車載用燃料電池システム１Ａが、併せて第１の実施の形態で説明した温度調節手段を備えていてもよい。かかる車載用燃料電池システムによれば、燃料電池１０の出力あるいは動作温度に応じて、温度調節手段又は圧力調節手段を選択的に使い分け、水素吸着部材３９への水素の吸着及び脱離を効率的に制御することができる。例えば、燃料電池１０の動作温度が低いシステム起動時には、温度調節手段を用いて水素吸着部材３９の温度を水素吸着脱離温度以下に保持して、排出される水素を水素吸着部材３９に吸着させ、燃料電池１０の暖機完了後、排出される水素量が少ない間に吸着した水素を徐々に脱離させる。また、燃料電池１０の起動後においては、圧力調節手段を用いて水素吸着部材３９に流入する水素オフガスの圧力を吸着圧力を超える状態に保持して排出される水素を水素吸着部材３９に吸着させ、酸化オフガスの流量が多い期間に吸着した水素を徐々に脱離させる。
【0092】
これにより、燃料電池１０から排出される水素オフガス自体の温度あるいは圧力をできる限り利用して、水素吸着部材３９への水素の吸着及び脱離を制御することができる。したがって、水素吸着部材３９への水素の吸着及び脱離を効率的に行うことができるとともに、温度調節手段あるいは圧力調節手段の制御に消費されるエネルギを低減することができる。
【0093】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0094】
例えば、上記第１の実施の形態及び第２の実施の形態において、希釈器１９の上流に水素排出流路３５を遮断する遮断弁あるいはシャッタ機構等の流路遮断手段を備えていてもよい。これにより、燃料電池１０から排出される水素オフガス中の水素が水素吸着部材３９に吸着される前に水素吸着部材３９を透過する場合には流路遮断手段により流路を遮断して、水素吸着部材３９への水素の吸着を促進させることができる。また、かかる流路遮断手段と併せて、あるいは、流路遮断手段に代えて、水素吸着部材３９を透過した水素オフガスを水素吸着部材３９の上流側へ戻すリターン配管を備えていてもよい。これにより、水素吸着部材３９を透過した水素オフガスを再び水素吸着部材３９へ戻すことができ、水素吸着部材３９への水素の吸着を促進させることができる。
【符号の説明】
【0095】
１・１Ａ…車載用燃料電池システム、１１…酸化ガス経路、２０…水素ガス経路、３５…水素排出流路、３７…水素パージ弁、３８…流路絞り弁（圧力調節手段）、３９…水素吸着部材、４０…冷却水循環回路（温度調節手段）、４１…冷却水循環流路、４３…分岐流路、４９…開閉弁、５０…制御部、５９…水素パージ制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】