JP2006024470A - 燃料電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の増大を防止しつつ、効率よく適正に弁の固着状態を解除する。
【解決手段】燃料電池の制御装置は、燃料電池の反応ガス通路と、反応ガス通路上に設けられ、反応ガスの流れに対する下流側の圧力が上昇することで開弁方向に力が付勢される第１制御弁と、反応ガス通路の、第１制御弁の反応ガスの流れに対する下流側に設けられ、反応ガスの流れに対する上流側の圧力が上昇することで開弁方向に付勢される第２制御弁と、第１制御弁と第２制御弁との間の反応ガス通路に流体を注入する流体注入手段と、燃料電池の始動時に流体注入手段により流体を注入する流体注入制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガス通路上に設けられた弁の動作を制御する燃料電池の制御装置に関する。

燃料電池の分野においては、例えば、燃料電池から排出される水素オフガスの流路に電磁弁で構成される排出弁を設け、必要に応じて排出弁を開弁して水素オフガスとともにこれに含まれる不純物を排出するようにしたものがある。

水素オフガスは、燃料電池内部で生成された水や水蒸気を含むため、排出弁が閉弁状態で氷点下に放置されると、弁の周囲が凍結することがある。この場合、燃料電池の始動時において、排出弁に対して通電を行っても排出弁が適正に開弁しない場合があった。

このような問題に関し、従来、燃料電池の発電で利用される電磁弁の閉固着を抑制するために、電磁弁のコイルに駆動電圧を印加した後、保持電圧以下に下げる動作を繰り返すものがある(例えば、特許文献１参照)。

また、本発明に関連する先行技術として、燃料電池の低温始動時に、逆止弁及び排出弁が収納された暖機ボックス内に、空気供給部にて断熱圧縮された高温の空気を分流して、暖機用分流弁を介して供給することにより、逆止弁及び排出弁を解凍するようにしたものがある(例えば、特許文献２参照)。また、燃料噴射弁の極低温始動時の固着防止のために、始動時に燃料噴射弁に係る燃圧を減圧して、燃料噴射弁を開くための力が小さくて済むようにしたものがある(例えば、特許文献３参照)。また、燃料噴射装置の燃料遮断弁を大電流駆動することにより、遮断弁固着剥がしを効率よく適正に行うようにしたものがある(例えば、特許文献４参照)。また、デリバリパイプ内の燃圧がリリーフ弁の設定開弁圧を越えるまで昇圧して、リリーフ弁を強制開弁させるようにしたものがある(例えば、特許
文献５参照)。さらに、空気圧ばねとの協働により弁体を開閉駆動する電磁駆動弁がある(例えば、特許文献６参照)。
特開平８−７５０３２号公報 特開２００２−３１３３８９号公報 特開２０００−２７４３１２号公報 特開２０００−２８２９２８号公報 特開２００２−２５６９４３号公報 特開２００３−２１４１２６号公報

特許文献１記載の技術では、一回の開弁のために駆動電圧を複数回印加しなければならないので、消費電力が大きくなると問題があった。また、特許文献４に示すような、電磁弁を大電流駆動することにより固着剥がしを行う技術では、やはり消費電力が大きくなる問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、消費電力の増大を防止しつつ、効率よく適正に弁の固着状態を解除することができる燃料電池の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために以下の構成を採用する。

すなわち、本発明は、燃料電池の制御装置であり、
燃料電池の反応ガス通路と、
前記反応ガス通路上に設けられ、反応ガスの流れに対する下流側の圧力が上昇することで開弁方向に力が付勢される第１制御弁と、
前記反応ガス通路の、前記第１制御弁の反応ガスの流れに対する下流側に設けられ、反応ガスの流れに対する上流側の圧力が上昇することで開弁方向に付勢される第２制御弁と、
前記第１制御弁と前記第２制御弁との間の反応ガス通路に流体を注入する流体注入手段と、
前記燃料電池の始動時に前記流体注入手段により流体を注入する流体注入制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、流体注入による圧力上昇により第１及び第２制御弁に対する開弁力が得られるので、消費電力の増大を抑えつつ、弁の固着を抑制又は解除することができる。

好ましくは、本発明は、前記第１及び第２制御弁が、ともに電磁力により駆動される制御弁であり、
前記燃料電池の始動時に前記第１制御弁と前記第２制御弁に対し電磁力により開弁方向に力を付勢する電磁力制御手段をさらに備えるように構成される。

このようにすれば、電磁力と流体注入による圧力上昇とが夫々開弁動作を行わせる力として作用するので、電磁力のみを用いる場合に比べて、電磁力をそれほど利用せずに開弁することができる。

好ましくは、本発明は、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサをさらに備え、
前記流体注入手段は前記エアコンプレッサにより加圧された酸化剤ガスを注入するように構成される。

このようにすれば、エアコンプレッサは弁の固着等の影響を受けることなく加圧空気を供給できるので、第１及び第２制御弁に対し、確実に開弁方向に力を加えることができる。

本発明によれば、消費電力の増大を防止しつつ、効率よく適正に弁の固着状態を解除することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

〈構成〉
図１は、本発明の燃料電池の制御装置が適用された燃料電池システムの構成例を示す図であり、図２は、図１に示した第１及び第２排出弁として適用可能な電磁弁の構成例を示す図であり、図３は、図１に示した制御部による処理(燃料電池の制御装置の動作)を示すフローチャートである。

図１において、燃料電池１は、少なくとも１つのセルからなる。セルは、電解質と、電
解質を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとからなる。

燃料極は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化反応により水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは電解質を通って空気極に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。

一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、電解質を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる還元反応により、水が生成される。

このような燃料極における酸化反応と空気極における還元反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１のセルスタックの両端子間に接続される図示しない負荷に対する電力として使用される。

燃料電池１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。図１において、燃料供給／排出系は、次のように構成されている。

すなわち、燃料電池１に設けられた燃料入口１Ａは、水素源(例えば、高圧水素を貯留
したタンク)２と配管３を介して接続されている。一方、燃料電池１に設けられた燃料出
口１Ｂには、第１排出弁４の入口が配管５を介して接続されている。また、第１排出弁４の出口は、配管６を介して第２排出弁７の入口に接続されている。第２排出弁７の出口は、配管８を介して希釈器９に接続されている。そして、燃料電池１の内部には、燃料入口１Ａと燃料出口１Ｂとを結び、且つセルの燃料極を経由する燃料通路１Ｃが設けられている。

このような構成により、水素源２から送り出される高圧の水素ガスは、配管３を通って燃料入口１Ａから燃料電池１に入り、燃料通路１Ｃを通過する際に燃料極にて電極反応に消費される。その後、水素ガスは、水素オフガスとして燃料出口１Ａから配管５(燃料電
池１の外部)へ排出され、開弁状態の第１排出弁４、配管６、開弁状態の第２排出弁７、
希釈器９を通って外部に排出される。このような水素ガスの流路が、本発明の反応ガス通路に相当する。

一方、図１において、酸化剤供給／排出系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた酸化剤入口１Ｄは、配管１０を介してエアコンプレッサ(酸化剤
供給手段)１１に接続されている。燃料電池１に設けられた酸化剤出口１Ｅは、配管１２
を介して空気調圧弁１３の入口に接続されている。そして、燃料電池１の内部には、酸化剤入口１Ｄと酸化剤出口１Ｅとを結び、且つセルの空気極を経由する酸化剤通路１Ｆが設けられている。

このような構成によれば、エアコンプレッサ１１の駆動により、酸化剤としての空気が配管１０を介して燃料電池１に供給される。空気は酸化剤入口１Ｄから燃料電池１に入り、酸化剤通路１Ｆを通過する際に空気極にて電極反応に消費される。その後、空気は、酸化剤オフガスとして酸化剤出口１Ｅから配管１２(燃料電池１の外部)に排出され、開弁状態の空気調圧弁１３を介して外部に排出されるようになっている。

上記した燃料供給／排出系では、第１及び第２制御弁としての第１排出弁４と第２排出弁７とが、反応ガス(水素ガス)の流路に対して直列に設けられている。第１排出弁４及び第２排出弁７は、それぞれ電磁弁を用いて構成されており、燃料電池１側の圧力を減圧したり、燃料電池１内で生成された不純物を必要に応じて排出したりするために設けられている。

第１排出弁４及び第２排出弁７は、主従の関係にあり、通常時は、第２排出弁７が開弁状態にされ、第１排出弁４の開閉制御により、上記した減圧や不純物の排出が行われる。第２排出弁７は、第１排出弁４が開弁状態で故障した場合に、第１排出弁４の代替弁として使用される。このように、２つの排出弁が直列に設けられることにより、信頼性の向上が図られている。

ところで、燃料電池１から排出される水素ガス(水素オフガス)は、不純物の一つとして、燃料電池１での電極反応により生成される水や水蒸気(水分)を含んでいる。このため、燃料電池システムが氷点下で放置されるような場合では、水素オフガス中の水分が凍結し、第１排出弁４及び第２排出弁７の弁体が弁座に固着した状態となることがある。このような第１排出弁４及び第２排出弁７の固着状態を効率良く適正に抑制又は解除すべく、燃料電池システムは、次のような構成を備えている。

図１において、エアコンプレッサ１１からの空気を燃料電池１に連絡する配管１０の途中には、配管１４の一端が接続され、配管１４の他端は、空気供給弁１５の入口に接続されている。また、空気供給弁１５の出口は、配管１６の一端に接続されており、配管１６の他端は、第１排出弁４と第２排出弁７との間に設けられた配管６の中間部に接続されている。

このようにして、エアコンプレッサ１１から送出される空気の一部が、配管１４，空気供給弁１５，配管１６を通って配管６に注入され、第１排出弁４の出口と、第２排出弁７の入口とに夫々供給されるようになっている。これらの配管１４，空気供給弁１５及び配管１６は、流体注入手段として機能する。

第１排出弁４及び第２排出弁７は、それぞれ、図２に示すような電磁弁２０を適用することができる。図２において、電磁弁２０は、円筒状のソレノイド２１を収容する第１のハウジング２２と、ソレノイド２１の軸方向で第１のハウジング２２に対して連結される第２のハウジング２３とを有している。

第１のハウジング２２と第２のハウジング２３には、内部空間が設けられており、この内部空間には、ソレノイド２１と同軸で、第１のハウジング２２の内部空間と第２のハウジング２３の内部に亘って延在し、ソレノイド２１の軸方向に移動可能な可動子２４が配置されている。可動子２４の一端側はソレノイド２１の内部に挿入されている。可動子２４の他端には、弁体２５が取り付けられている。

第２のハウジング２３の内部空間は、弁室２６として機能する。第２のハウジング２３には、電磁弁２０の外部と弁室２６とを連通させる流体の出口通路２７がソレノイド２１(可動子２４)と同軸で設けられている。具体的には、第２のハウジング２３の、可動子２４と同軸となる部分の外壁は、流体の出口として開口されている。この開口部には、円筒状部材２８が取り付け又は第２のハウジングとの一体成形により設けられている。この円筒状部材２８の内部空間が出口通路２７として機能する。円筒状部材２８の可動子２４と対向する側の端部は、可動子２４に設けられた弁体２５が着座する弁座２９として機能する。

また、第２のハウジング２３の外壁には、電磁弁２０の外部と弁室２６とを連通させる孔が形成されている。この孔が外部からの流体の入口及び入口通路３０として機能する。このようにして、弁室２６は、流体の入口通路３０及び出口通路２７を介して外部と連絡している。流体の入口通路３０には、図１に示した配管５や配管６のような、その排出弁を基点とした場合における上流側の配管が接続される。また、流体の出口通路２７には、図１に示した配管６や配管８のような、その排出弁を基点とした場合における下流側の配管が接続される。

以上のような構成により、可動子２４に取り付けられた弁体２５が弁座２９に着座することで、弁室２６と出口通路２７とが遮断され、流体の下流側への流れが遮断されるようになっている。可動子２４は、ソレノイド２１の軸方向において、弁座２９に対して進退可能に設けられている。可動子２４は、図示せぬバネの付勢力により、通常時(開弁制御
が行われていない状態)では、弁体２５を弁座２９に押しつける状態(閉弁状態)となるよ
うに構成されている。

第１のハウジング２２と第２のハウジング２３との間には、これらの内部空間を仕切るように円環状のダイヤフラム３１が設けられており、ダイヤフラム３１の内縁端は、可動子２４の周面に取り付けられ、可動子２４の一端側と他端側との間がシールされた状態となっている。

ダイヤフラム３１により可動子２４の一端側と他端側との間がシールされることで、入口通路３０から入ってくる流体(例えばガス)が、可動子２４の一端側に回り込んで可動子２４の開弁動作を妨げることが防止されるようになっている。また、流体が可動子２４の一端側に回り込むことが防止されることにより、水分を含むガスが可動子２４の一端側に回り込み、これが凍結してソレノイド２１と可動子２４との間などに氷結部分が発生し、可動子２４の開弁動作を妨げることが防止されるようになっている。

可動子２４の開弁動作は、ソレノイド２１への電力供給(通電)による可動子２４への吸引力、及び弁室２６や出口通路２８へ導入される流体圧により、これらの力が図示せぬバネの付勢力に打ち勝つことで、行われるように構成されている。すなわち、通常時においては、可動子２４は、バネの付勢力により閉弁動作(閉弁方向への移動)を行い、弁体２５を弁座２９に着座させた状態となっている。

この閉弁状態において、ソレノイド２１への電力供給が行われると、可動子２４をソレノイド２１内へさらに挿入させようとする力(吸引力)が、可動子２４を開弁方向へ移動させようとする力として付勢される。また、閉弁状態において、入口通路３０から弁室２６へ流体が導入されると、流体が弁室２６内に滞留することにより弁室２６内の圧力が上昇し、ダイヤフラム３１を弁室２６側から押圧する力(ダイヤフラム３１を外側へ膨らませ
る力)が生じる。ダイヤフラム３１は可動子２４に取り付けられているので、当該力は可
動子２４を開弁方向へ移動させようとする付勢力として作用する。また、閉弁状態において、出口通路２８に流体が導入されると、その流体圧が弁体２５にかかり、弁体２５が取り付けられた可動子２４を開弁方向へ移動させようとする付勢力として作用する。

これらのような可動子２４を開弁方向へ移動させようとする付勢力の少なくとも１つがバネの付勢力より強くなると、可動子２４はバネの付勢力に抗して開弁方向へ移動し、弁体２５が弁座２９から離脱することで、入口通路３０と出口通路２７とを弁室２６を介して連通させる開弁状態となる。

このような電磁弁２０が第１排出弁４及び第２排出弁７として夫々適用されている場合には、空気供給弁１５から配管１６を介して配管６にエアコンプレッサ１１からの空気が
注入されると、その注入による流体圧は、第１排出弁４及び第２排出弁７に開弁動作を行わせようとする力として作用する。これと同時に、第１排出弁４及び第２排出弁７の各ソレノイド２１に対して電力供給が行われれば、ソレノイド２１への電力供給のみで開弁動作を行わせる場合に比べて少ない電力で、第１排出弁４及び第２排出弁７に開弁動作を行わせることができる。

さらに、第１排出弁４については、ソレノイド２１への電力供給及び弁体２５への流体圧の印加が行われている状態において、その上流側から弁室２６内へ水素ガスが導入されれば、ダイヤフラム３１の膨張による力が可動子２４に加わり、可動子２４はさらに少ない電力で開弁動作を行うことになる。

図１における第１排出弁４，第２排出弁７，エアコンプレッサ１１，空気調圧弁１３及び空気供給弁１５の動作は、制御部（ＥＣＵ(Electric Control Unit)）３２によって制
御される。

制御部３２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)，メモリ，入出力インタフェース等
から構成されており、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、上記各部の動作を制御する。制御の一つとして、制御部３２は、燃料電池１の始動時において、第１排出弁４及び第２排出弁７を電磁力及び流体圧により強制的に開弁させる制御を行う。

〈動作例〉
図３は、燃料電池の始動時における制御部３２による処理(燃料電池システムの動作)を説明するフローチャートである。図３に示す処理は、例えば、燃料電池１の始動時に、制御部３２が始動信号を受け取ることによって開始される。

図３において、最初に、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７の凍結が予測されるか否かを判定する(ステップＳ０１)。制御部３２は、図示せぬ温度センサ及び水温センサの夫々から、外気温を示す信号及び燃料電池１の冷却水の温度を示す信号を夫々受け取るように構成されている。

制御部３２は、外気温及び冷却水温度が夫々に対して用意された規定値を越えているか否かを判定する。このとき、外気温及び冷却水温度の双方が規定値を越えている場合には、凍結が予測されると判定し(Ｓ０１；ＹＥＳ)、処理をステップＳ０２に進める。一方、外気温及び冷却水温度の双方が規定値を越えてない場合には、凍結が予測されないものとして(Ｓ０１；ＮＯ)、処理を終了する。凍結が予測されない場合には、第１排出弁４及び第２排出弁７は、固着状態にないと考えられるからである。

ステップＳ０２では、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７の強制的な開弁(
固着剥がし)を開始すべく、第１排出弁４及び第２排出弁７に制御信号を与えてソレノイ
ド２１に対する通電を開始する。これにより、第１排出弁４及び第２排出弁７の各可動子２４に対し、電磁力による開弁方向の付勢力が供給される。

次に、制御部３２は、ソレノイド２１への通電によって第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したか否かを判定する(ステップＳ０３)。ここに、配管５には、配管５内の圧力を検知する圧力センサ３３が設けられており、制御部３２は、圧力センサ３３から配管５内の圧力を示す信号を受け取るように構成されている。第１排出弁４が閉弁状態から開弁状態に移行すると、配管５内の圧力は低下する。制御部３２は、圧力センサ３３からのセンサ出力を監視することにより、ソレノイド２１への通電を開始したことによって圧力が低下したか否かを判定することにより、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したか否かを判定することができる。

ここで、圧力センサ３３からの出力から予定される圧力低下が認められない場合には、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁していないと判定し(Ｓ０３；ＮＯ)、処理をステップＳ０４に進める。これに対し、圧力低下が認められる場合には、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したものとして(Ｓ０５；ＹＥＳ)、処理を終了する。

ステップＳ０４では、制御部３２は、水素供給を開始する。即ち、制御部３２は、例えば、制御信号の供給によって配管３に設けられた図示せぬ水素供給弁(水素調圧弁)を開弁させることにより、水素源から燃料電池１への水素ガスの供給を開始させる。これにより、水素ガスが配管３、燃料通路１Ｃ、配管５を介して第１排出弁４の弁室２６に導入されて弁室内の圧力が上昇し、ダイヤフラム３１を介して可動子２４が開弁方向に付勢される。

次に、制御部３２は、水素供給によって第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したか否かを判定する(ステップＳ０５)。ここでの制御部３２の判定方法は、ステップＳ０３と同様の方法を適用することができる。すなわち、制御部３２は、圧力センサ３３からのセンサ出力を監視することにより、水素供給によって一時的に圧力が上がってその後圧力が低下したか否かを判定することにより、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したか否かを判定することができる。

ここで、圧力センサ３３からの出力から予定される圧力低下が認められない場合には、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁していないと判定し(Ｓ０５；ＮＯ)、処理をステップＳ０６に進める。これに対し、圧力低下が認められる場合には、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したものとして(Ｓ０５；ＹＥＳ)、処理を終了する。

ステップＳ０６では、制御部３２は、エアコンプレッサ１１に駆動信号を与えて燃料電池１への空気供給を開始させるとともに、空気調圧弁１３に制御信号を与えて燃料電池１へ供給される空気の圧力を調整する。このとき、エアコンプレッサ１１から送り出される空気の一部が、配管１４を介して空気供給弁１５まで到達する。この時点では、空気供給弁１５は閉弁状態となっている。

次に、制御部３２は、空気供給によって第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したか否かを判定する(ステップＳ０７)。ここでの制御部３２の判定方法は、ステップＳ０５と同様の方法を適用することができる。ここで、圧力センサ３３からの出力から予定される圧力低下が認められない場合には、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁していないと判定し(Ｓ０７；ＮＯ)、処理をステップＳ０８に進める。これに対し、圧力低下が認められる場合には、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したものとして(Ｓ０７；ＹＥＳ)、処理を終了する。

ステップＳ０８では、制御部３２は、空気供給弁１５に制御信号(開信号)を与えて空気供給弁１５を開弁状態にする。これによって、配管１４からの空気が配管１６を介して第１排出弁４と第２排出弁７との間に介在する配管６に注入される。これにより、第１排出弁４の出口通路２７側の圧力が上昇して可動子２４を開弁方向に付勢する力が働くとともに、第２排出弁４の弁室２６の圧力が上昇し、ダイヤフラム３１を介して可動子２４を開弁方向に付勢する力が働く。

次に、制御部３２は、第１排出弁４及び第２排出弁７が開弁したか、又は規定時間が経過したかを判定する(ステップＳ０９)。制御部３２は、ＣＰＵが有するクロック源を利用
した内蔵時計を用いたタイマを有しており、空気の供給開始と同時にそのタイマによる掲示を開始するように構成されている。制御部３２は、このタイマが所定の時間を計時してタイムアウトになるまでの間に、圧力センサ３３から、第１排出弁４及び第２排出弁７の開弁による圧力低下と認められる出力が得られたか否かを判定し続ける。

タイマがタイムアウトになるまでの間、エアコンプレッサ１１からの空気は配管６に注入され続けるので、第１排出弁４及び第２排出弁７に対する流体圧による開弁方向の付勢力は増大し続けることになる。

そして、制御部３２は、タイマがタイムアウトになる前に開弁による圧力低下と認められる出力が得られた場合、又はタイマがタイムアウトになった場合には、処理をステップＳ１０へ進める。ステップＳ１０では、制御部３２は、空気供給弁１５に制御信号(閉信
号)を与えて配管６への空気の注入を停止させ、処理を終了する。

以上のような処理（動作）によれば、燃料電池１の始動時において、(１)ソレノイド２１への通電、(２)燃料電池１への水素供給、(３)燃料電池１への空気供給、(４)空気の配管６への注入の夫々の段階において、電磁力、又は電磁力及び流体圧による付勢力がバネによる付勢力を上回った時点で、第１排出弁４及び第２排出弁７は、夫々開弁する。これによって、低温状況下で第１排出弁４及び／又は第２排出弁７が凍結により弁体２５が弁座２９に固着した状態となっていても、可動子２５が開弁方向に移動することで、固着状態が解除されることになる。

その後、燃料電池１の運転が続いて行われることになる。配管６に注入された空気は、第１排出弁４からの水素ガスと混ざりあって第２排出弁５及び配管８を通って希釈器９に入り、希釈器９から外部に排出される。

ここで、希釈器は、短い時間で高い水素濃度のガスが排出されないように、水素濃度が規定値を越えないガスをできる限り短い時間で排出するように構成される。このため、希釈器は、配管からの高水素濃度のガスが短い時間で排出されないように、ガスを一時的に滞留させる容器を有している。燃料電池１の始動時は、通常運転時に比べて、燃料電池１から排出される水素ガス中の水素濃度が高い傾向にある。このような水素ガスが短い時間で排出されないように、希釈器の容器は、一般に、通常運転時に必要な容積(容量)よりも大きい容積で構成される。

本実施形態では、燃料電池１から排出される水素ガスは、注入された空気と混ざりあうので、その濃度が薄められた状態となる。したがって、希釈器９が有する容器の容積は、空気を注入しない場合に比べて小さくされている。

〈作用及び効果〉
以上説明した実施形態によれば、第１及び第２制御弁としての第１排出弁４及び第２排出弁４が、反応ガス通路としての水素ガスの流路上に直列に配置されている。第１排出弁４及び第２排出弁７は、図２に示したような構成を持つことで、水素ガスの流路の上流側及び下流側の夫々の圧力上昇によって、開弁方向への力が付勢されるように構成されている。

また、配管１４，空気供給弁１５及び配管１６が第１排出弁４と第２排出弁７との間の反応ガス通路としての配管６にエアコンプレッサ１１からの空気(流体)を注入する流体注入手段として機能する。そして、制御部３２が、燃料電池の始動時にエアコンプレッサ１１及び空気供給弁１５の動作を制御して配管６に流体たる空気を注入する流体注入制御手段として機能する。

このような流体注入による圧力上昇によって第１排出弁４及び第２排出弁７に対する開弁力を得ることができる。このため、凍結による弁の固着を剥がすために、複数回電磁弁に対して駆動電圧を印加したり、大電流駆動を行ったりする必要がない。したがって、消費電力の増大を抑えることができる。

また、第１排出弁４及び第２排出弁７は、電磁力と流体圧との双方により開弁されるようになっているので、開弁のためにソレノイド２１に与える電力を、ソレノイド２１への通電のみで開弁を行う場合よりも少なくすることができる。これにより、ソレノイドの大型化を抑制することもできる。

また、配管６には燃料電池１に酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサ１１からの空気の一部が注入されるように構成されている。エアコンプレッサ１１は弁の固着等の影響を受けることなく加圧空気を供給できるので、第１排出弁４及び第２排出弁７に確実に開弁方向の力を与えることができる。

また、第１排出弁４及び第２排出弁７の凍結による固着状態は、加熱ではなく電磁力及び流体圧による開弁方向への付勢力により解除されるようにしている。このため、固着解除に要する時間が加熱による場合よりも短くて済む。

このようにして、実施形態による燃料電池システム（燃料電池の制御装置）は、消費電力の増大を抑えつつ、効率良く適正に制御弁を開弁させることができる。また、上述したように、希釈器９が有するガス滞留用の容器の容積を小さくすることができるので、燃料電池システムが車載される場合には、その車載スペースの縮小化が図られることになる。

〈変形例〉
上述した実施形態は、次のような変形が可能である。図１に示す構成例では、配管１０から配管１４へ注入用の空気が導入されるように構成されている。これに代えて、配管１４が配管１２に接続され、燃料電池１から配管１２へ排出される空気の一部が配管１４に導入されるようにしても良い。但し、配管２の空気(燃料電池１へ供給される空気)は、配管１２の空気(燃料電池１から排出される空気)に比べて圧力が高く、且つ燃料電池１で生成される水分を含まないので、配管２の空気を適用するのが望ましい。

また、図１に示す構成例では、配管１４と配管１６との間に空気供給弁１５が設けられているが、空気供給弁１５は無くても良い。空気供給弁１５が省略される場合、図３に示すステップＳ０８及びＳ１０の処理も省略される。

また、図１に示す構成例では、燃料電池１への酸化剤供給用のエアコンプレッサ１１の空気の一部が配管６に注入されるようになっている。これに代えて、エアコンプレッサ１１と異なるエアコンプレッサ又はエアポンプが、配管６への流体注入用として用意されるようにしても良い。この場合、配管１４及び空気供給弁１５は省略され、当該エアコンプレッサ又はエアポンプに配管１６が接続されることとなる。

また、図２に示す電磁弁の構成例では、ダイヤフラム３１により可動子２４の一端側と他端側との間がシールされるように構成されている。但し、入口通路３０からのガスが可動子２４の一端側にまわり込まないようにされていれば、Ｏリングなどの様々なシール材を適用することができる。

また、第１排出弁４に適用される電磁弁は、出口通路２７からの流体圧によって十分な開弁力が得られる場合には、ダイヤフラム３１が無くても良い。また、第１及び第２排出
弁４,７としての電磁弁２０を、図２に示したガスの流れと逆方向にガスが流れるように
各配管５,６,８に取り付けることも可能である。

また、図３に示すフローチャートでは、ステップＳ０２，Ｓ０４，及びＳ０６の処理が終了する毎に開弁したか否かの判断が行われ(Ｓ０３，Ｓ０５，Ｓ０７)、開弁と判断される場合には、その後の処理が省略されるように構成されている。これらの開弁の判断ステップは省略して、ステップＳ０９の判断のみとすることができる。

また、ステップＳ０２，Ｓ０４，Ｓ０６の処理の順番は任意で良く、また、これらの処理が並列に行われるようにすることもできる。また、ステップＳ０４(水素供給)は、必須のステップではない。

さらに、本発明の実施形態は、図４に示すように変形することもできる。図４において、図１と同様の構成については同じ符号を付してある。図４に示す変形例は、図１に示す構成例と次のように異なっている。

すなわち、配管３上には、燃料電池１から水素源２へ向かって水素ガスが逆流することを防止する遮断弁３４が設けられている。遮断弁３４には、図２に示した電磁弁２０が適用される。また、遮断弁３４を基点とした場合における水素ガスの上流側の配管３(配管
３Ａ)は、第１排出弁４と第２排出弁７との間の配管６と、配管３５を介して接続されて
いる。さらに、空気供給弁１５の出口は、配管１６Ａを介して、第１排出弁４の上流側の配管５に接続されている。なお、１６は、図１では図示しなかった水素供給弁(水素調圧
弁)である。

図４に示した構成においても、図３に示した処理を適用することができる。但し、作用が次のように異なる。図３のステップＳ０２では、遮断弁３４のソレノイド２１に対しても、通電が行われる。ステップＳ０４により、水素供給弁１６が開弁して水素源２からの水素ガスの供給が開始されると、水素ガスは、配管３Ａに導入され、さらに、配管３５を介して配管６に注入され、これらの内部の圧力を上昇させる。即ち、遮断弁３４及び第２排出弁７に対してその上流側から開弁方向の付勢力を与え、第１排出弁２に対してその下流側から開弁方向の付勢力を与えることになる。

その後、ステップＳ０６及びＳ０８によって、配管５への空気の注入が開始されると、配管１６Ａから配管５へ注入される空気は、配管５、燃料電池１の燃料通路１Ｃを通って遮断弁３４の下流側の配管３(配管３Ｂ)へ導入され、配管５，燃料通路１Ｃ，配管３Ｂの圧力を上昇させる。これによって、遮断弁３４に対してその下流側から開弁方向の付勢力が与えられ、第１排出弁４に対してその上流側から開弁方向の付勢力が与えられることになる。

このようにして、遮断弁３４、第１排出弁４及び第２排出弁７がそれぞれ開弁動作を行い、固着状態が解除されることになる。この場合、少なくとも、遮断弁３４は第１制御弁に相当し、第１排出弁４が第２制御弁に相当することになる。また、第１排出弁４及び第２排出弁７も、それぞれ第１制御弁及び第２制御弁に相当することになる。

なお、図１において、第２排出弁７の代わりにオリフィスを用いても、第１排出弁４の弁の固着を解除することができる。例えば、図１に示す第２排出弁７の代わりにオリフィスを設け、第１排出弁４とオリフィスとが配管６を介して直列に接続され、配管６に配管１６からの空気が注入されるように構成する。このとき、配管１６の径は、オリフィスの径よりも十分に大きくなるように構成される。

このように構成すれば、配管１６から配管６へ空気が注入されることにより、配管６の圧力が上昇し、第１排出弁４に対し、開弁方向の付勢力がその下流側から与えられることになる。これによって、第１排出弁４は、電磁力及び流体圧で効率良く適正に開弁することができる。

以上の実施形態において説明した構成は、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜組み合わせることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。 図２は、図１に示した第１排出弁及び第２排出弁として適用可能な電磁弁の構成例を示す図である。 図３は、図１に示した制御部による処理(燃料電池の制御装置の動作)を示すフローチャートである。 図４は、実施形態の変形例の説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池
４ 第１排出弁
６，１４，１６，１６Ａ 配管
７ 第２排出弁
１１ エアコンプレッサ
１５ 空気供給弁
２０ 電磁弁
３２ 制御部
３４ 遮断弁

Claims (3)

1. 燃料電池の反応ガス通路と、
   前記反応ガス通路上に設けられ、反応ガスの流れに対する下流側の圧力が上昇することで開弁方向に力が付勢される第１制御弁と、
   前記反応ガス通路の、前記第１制御弁の反応ガスの流れに対する下流側に設けられ、反応ガスの流れに対する上流側の圧力が上昇することで開弁方向に付勢される第２制御弁と、
   前記第１制御弁と前記第２制御弁との間の反応ガス通路に流体を注入する流体注入手段と、
   前記燃料電池の始動時に前記流体注入手段により流体を注入する流体注入制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の制御装置。
2. 前記第１及び第２制御弁は、ともに電磁力により駆動される制御弁であり、
   前記燃料電池の始動時に前記第１制御弁と前記第２制御弁に対し電磁力により開弁方向に力を付勢する電磁力制御手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
3. 前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサをさらに備え、
   前記流体注入手段は前記エアコンプレッサにより加圧された酸化剤ガスを注入する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の制御装置。

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