JP2009206003A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から排出される液滴としての生成水を低減することができ、しかもユーザなどが水垂れによって受ける違和感を少なくすることができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて大気へと排出させる触媒燃焼器を有し、オフガスとともに燃料電池から排出される水分量を推定し（Ｓ１２０）、推定された水分量のうち水蒸気として気化した水分量を算出し（Ｓ１３０）、排出される水分量と気化した水分量とを比較して、排出される水分を十分に気化可能ではない場合には（Ｓ１４０、Ｎｏ）、触媒燃焼器に必要な発熱量を算出し（Ｓ１５０）、触媒燃焼器に供給する水素量および空気量を増加させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに水素（アノードガス）が供給され、カソードに空気（カソードガス）が供給されることで、水素と空気中の酸素との反応により発電が行われる。このとき燃料電池から水素を含むオフガス（アノードオフガス）が排出されるため、アノードオフガスの経路の下流側に燃焼器を設けて、燃料電池内部で反応に寄与しなかった水素を燃焼させてから大気へと開放させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３９５２２号公報（図１）

しかしながら、燃料電池から排出されるオフガス（カソードオフガス、アノードオフガス）には、燃料電池内部において生成された水が多量に含まれているため、燃料電池システムが氷点下環境下などで使用されると、オフガスに含まれる水分（液滴）が車外（路面）に排出される。特許文献１のような燃焼器を備えた燃料電池システムでは、燃焼器によってオフガスの水分をある程度気化させることは可能であるが、液滴のまま排出しないようにする技術はこれまで検討されてこなかった。また、車両のエグゾーストパイプから水が多量に垂れるのは、ユーザなどが違和感を受けるという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池から排出される液滴としての生成水を低減することができ、しかもユーザなどが水垂れによる違和感を少なくすることができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて大気へと排出させる燃焼器と、を有する燃料電池システムであって、前記オフガスとともに前記燃料電池から排出される水分量を推定する水分量推定手段と、前記推定された水分量のうち水蒸気として気化した水分量を算出する気化水分量算出手段と、前記排出される水分量と前記気化した水分量とに基づいて前記燃焼器の運転状態を変更する燃焼器制御手段と、をさらに有することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、排出される水分量と、気化した水分量とに基づいて燃焼器の運転状態を変更するため、燃料電池から液滴として排出される生成水の量を低減でき、しかもユーザなどが水垂れによる受ける違和感を少なくできる。

請求項２に係る発明は、前記燃焼器制御手段は、前記排出される水分量と前記気化した水分量とを比較し、その結果に基づいて前記燃焼器での必要発熱量を算出する必要発熱量算出手段と、前記必要発熱量に基づいて前記燃焼器に供給されるガスの流量を変更する流量変更手段と、を含むことを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、生成水を気化させるために必要な分だけ発電量を上昇させるようにガス（アノードガス、カソードガス）の流量制御を行うため、必要以上に燃焼器にガスを供給させずに済み、発熱量を上昇させながらも必要以上に燃料を消費する必要がない。

請求項３に係る発明は、低温環境下であるか否かを判断する低温環境判断手段を有し、前記低温環境判断手段により低温環境下ではないと判断された場合には、前記燃焼器制御手段による制御を行わないことを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池から液滴として排出される生成水が凍結しない環境下では、燃焼器の運転状態を変更する制御を行わないため、燃焼用の燃料消費が抑えられ、燃料消費効率を向上できる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池の発電出力を検出する発電出力検出手段を有し、前記水分量推定手段は、前記発電出力検出手段により検出された発電出力に基づいて水分量を推定することを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、燃料電池の発電出力の増加に伴い、排出される水分量も増加するため、燃料電池の発電出力に基づいて水分量を推定することにより、より精度よく燃料電池から排出される水分量を推定することが可能になる。

請求項５に係る発明は、アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行う燃料電池から排出されたオフガスを燃焼器で燃焼させて大気へと排出させる燃料電池システムの制御方法であって、前記オフガスとともに前記燃料電池から排出される水分量を推定するステップと、前記推定された水分量のうち水蒸気として気化した水分量を算出するステップと、前記排出される水分量と前記気化した水分量とに基づいて前記燃焼器の運転状態を変更するステップと、を含むことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、排出される水分量と、気化した水分量とに基づいて燃焼器の運転状態を変更するため、燃料電池から液滴として排出される生成水の量を低減でき、しかも運転者などが水垂れによる受ける違和感を少なくすることができる。

本発明によれば、燃料電池から排出される液滴としての生成水の排出を低減することができ、しかも運転者などが水垂れによる受ける違和感を少なくすることができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池システムにおける燃焼器制御を示すメインフローチャート、図３は排出水分量を推定するサブフローチャート、図４は燃料電池の発電出力と排出水分量との関係を示すマップ、図５は排出水分中の気化量を算出するサブフローチャート、図６は触媒燃焼器における必要発熱量を算出するサブフローチャートである。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム１を車両（自動車）に搭載した場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）１０、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、制御系５０などを含んで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜を、触媒を含むアノードと触媒を含むカソードとで挟み、さらに一対の導電性のセパレータで挟んで構成された単セルが厚み方向に複数積層されるとともに各単セルが電気的に直列に接続されている。また、アノードに対向するセパレータには、水素が流通する流路などが形成され、図示しない拡散層を介してアノードに水素が供給され、カソードに対向するセパレータには、空気が流通する流路など形成され、図示しない拡散層を介してカソードに空気（酸素）が供給される。

このように構成された燃料電池１０では、アノードに水素（アノードガス）が供給され、カソードに空気（酸素、カソードガス）が供給されると、アノードでは、触媒の作用によって水素から電子が乖離して、水素イオン（プロトン）が電解質膜を介してカソードに透過し、乖離した電子が負荷を介してカソードに移動し、カソードでは、触媒の作用によって水素イオンと電子と空気中の酸素との反応により水が生成される。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、気液分離器２４、ドレイン弁２５、パージ弁２６などで構成されている。また、水素タンク２１は、配管ａ１を介して遮断弁２２と接続され、遮断弁２２は、配管ａ２を介してエゼクタ２３と接続され、エゼクタ２３は、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード側の入口と接続されている。また、燃料電池１０のアノード側の出口は、配管ａ４を介して気液分離器２４と接続され、気液分離器２４は、配管ａ５を介してドレイン弁２５と接続され、配管ａ６を介してパージ弁２６と接続されている。また、配管ａ６は、配管（戻り配管）ａ７を介してエゼクタ２３と接続されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記遮断弁２２は、ソレノイドを有する電磁作動式のものであり、後記する制御部５１によって開閉制御される。

前記エゼクタ２３は、燃料電池１０のアノードから排出された未反応の水素を、配管ａ４，ａ６，ａ７を介して燃料電池１０のアノードに戻して再循環させる真空ポンプの一種である。

前記気液分離器２４は、燃料電池１０のアノード側の出口から排出された水分（液滴）を回収する水槽を有して構成されている。なお、アノード側から排出される水とは、カソードから電解質膜を介してアノードに透過したものである。

前記ドレイン弁２５は、気液分離器２４に溜まった水（液体）をアノード系２０外に排出する機能を有し、例えば、図示しない水位センサによって所定水位を超えたときに後記する制御部５１の制御により開弁するようになっている。

前記パージ弁２６は、アノード系２０内に蓄積した不純物を排出する機能を有し、例えば所定時間毎（定期的）、または、セル電圧低下時に開弁するようになっている。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介して透過した生成水や空気中に含まれる窒素などである。また、セル電圧低下時とは、燃料電池１０の各単セルの電圧を監視しておき、いずれかひとつの単セルが所定の閾値（電圧）を下回ったときを意味している。

なお、図示していないが、アノード系２０には、遮断弁２２とエゼクタ２３との間に、高圧の水素タンク２１から放出された水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。

前記カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３などで構成されている。また、エアコンプレッサ３１は、配管ｃ１を介して加湿器３２と接続され、加湿器３２は、配管ｃ２を介して燃料電池１０のカソード側の入口と接続されている。また、燃料電池１０のカソード側の出口は、配管ｃ３を介して背圧弁３３と接続されている。

前記エアコンプレッサ３１は、例えばモータによって駆動される機械式の過給器であり、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有する。

前記加湿器３２は、複数の中空糸膜が束ねられてケースに収容された中空糸膜モジュールを備え、各中空糸膜の一側にエアコンプレッサ３１からの乾燥した空気が流れるようになっている。なお、各中空糸膜の他側には、燃料電池１０のカソード側の出口から排出されたオフガス（湿潤な空気など）が流通するように構成され、オフガスによって乾燥空気が加湿され、加湿空気が燃料電池１０のカソードに供給されるようになっている。

前記背圧弁３３は、例えばバタフライ弁などの開度調節が可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気圧を適宜調節するようになっている。

なお、図示していないが、カソード系３０には、エアコンプレッサ３１から導入された高温の空気を冷却するための熱交換器（インタークーラ）などが設けられている。

前記希釈系４０は、アノードから排出された水素を触媒燃焼させて水素を希釈して排出する機能を有し、触媒燃焼器４１、アノードオフガス導入配管ａ８、ドレイン導入配管ａ９、カソードオフガス導入配管ｃ４、排出配管４２などで構成されている。

前記触媒燃焼器４１は、例えば、金属製のケース（不図示）を有し、ケース内に触媒燃焼部（不図示）や整流板（不図示）などが収容されて構成されている。触媒燃焼部は、セラミックなどで形成された微細な気体流通路を多数有したベースに、白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて構成されている。整流板は、例えば、発泡金属によって円盤状に形成され、触媒燃焼部の上流側に配置されるように構成されている。

また、触媒燃焼器４１は、カソードオフガス導入配管ｃ４を介して背圧弁３３と接続されている。カソードオフガス導入配管ｃ４は、アノードオフガス導入配管ａ８を介してパージ弁２６と接続され、アノードオフガス導入配管ａ８は、ドレイン導入配管ａ９を介してドレイン弁２５と接続されている。これにより、触媒燃焼器４１の上流側において、カソードオフガス中の空気（酸素）とアノードオフガス中の水素とが混合されて、混合ガスが触媒燃焼器４１に導入されるようになっている。また、触媒燃焼器４１の下流には、排出配管４２が接続され、この排出配管４２を介して燃焼オフガスが大気（車外）に排出されるようになっている。

前記制御系５０は、制御部５１、電流センサ５２、温度センサ５３，５４、圧力センサ５５などで構成されている。

前記制御部５１は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記録したＲＯＭ（Read Only Memory）、各種回路などで構成され、遮断弁２２、ドレイン弁２５およびパージ弁２６の開閉、背圧弁３３の開度調節が行われ、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度の調節が行われる。また、制御部５１は、水分量推定手段、気化水分量算出手段、必要発熱量算出手段、流量変更手段、低温環境判断手段などを含んで構成されている。また、制御部５１は、電流センサ５２によって電流値、温度センサ５３，５４によって温度、圧力センサ５５によって圧力をそれぞれ取得する。

前記電流センサ５２は、燃料電池１０から取り出される出力（ＦＣ出力）を検出する機能を有する。ただし、ＦＣ出力は、電流値に基づいて判断するものに限定されず、例えば、電流センサ５２によって得られる電流値と電圧センサ（図示せず）によって得られる電圧値との積算値（電力）に基づいて判断するものであってもよい。

前記温度センサ５３は、燃料電池システム１の外部（車外）の温度（外気温度）を検出する機能を有する。

前記温度センサ５４は、燃料電池１０から排出される排出温度（オフガス温度）を検出する機能を有し、背圧弁３３の下流のカソードオフガス導入配管ｃ４に設けられている。

前記圧力センサ５５は、燃料電池１０から排出される排出圧力を検出する機能を有し、背圧弁３３の下流のカソードオフガス導入配管ｃ４に設けられている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１における燃焼器制御について図２ないし図６を参照（適宜、図１を参照）して説明する。まず、運転者によってイグニッションスイッチがオンにされると、図示しないバッテリを電力源として、遮断弁２２が開弁されて、水素タンク２１から燃料電池１０のアノードに水素が供給され、エアコンプレッサ３１が駆動されて、加湿器３２で加湿された空気が燃料電池１０のカソードに供給される。そして、図示しないコンタクタが接続されて、燃料電池１０と負荷（走行モータなど）とが接続されることにより、発電が開始される。

そして、ステップＳ１００において、制御部５１は、温度センサ５３によって検出された外気温度を取得して、ステップＳ１１０に進み、取得した外気温度に基づいて、現在の外気温度が低温状態であるか否かを判断する。つまり、低温状態であるとは、燃料電池１０によって発電時に生成された水が排出配管４２から排出された後に凍結すると判断される状態であり、例えば０℃以下の温度に設定される。このステップＳ１１０が、本実施形態における低温環境判断手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ１１０において、制御部５１は、取得した外気温度が、排出水分が凍結しない温度と判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７０に進み、燃料電池１０の発電を継続するか否かを判断する。燃料電池１０の発電が継続されているか否かの判断は、例えば車両に設けられたイグニッションスイッチがオンのときに発電継続と判断され（Ｓ１７０、Ｙｅｓ）、イグニッションスイッチがオフに切替えられたときに発電が終了したと判断される（Ｓ１７０、Ｎｏ）。

すなわち、排出水分が車外に排出されたときに排出水分が凍結する温度でない場合には（Ｓ１１０、Ｎｏ）、パージ制御時（またはドレイン制御時）にパージ弁２６（またはドレイン弁２５）が開弁したときに、触媒燃焼器４１に向けて水素が排出されるので、車外に排出される水素が所定濃度を超えないように、エアコンプレッサ３１から空気が供給され、触媒燃焼器４１において触媒燃焼が行われる。

ステップＳ１１０において、制御部５１は、取得した外気温度が、排出水分が凍結する温度と判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０に進み、燃料電池１０から排出される水分量を推定する。なお、このときの水分量とは、燃料電池１０のアノード側から排出されるアノードオフガスに含まれる水分と、カソード側から排出されるカソードオフガスに含まれる水分とを合わせた水分を意味している（図１の噴出し図参照）。また、このステップＳ１２０が、本実施形態における水分量推定手段が実施する処理に相当する。

そして、図３に示すように、ステップＳ１２１において、制御部５１は、燃料電池１０の出力（ＦＣ出力）を検出する。燃料電池１０の出力は、電流センサ５２によって電流値を検出することにより行われる。

そして、ステップＳ１２２において、制御部５１は、ＦＣ出力に基づいて燃料電池１０から排出される水分量を推定する。なお、水分量は、例えば図４に示すマップに基づいて判断され、ＦＣ出力（電流値）が高くなるに比例して燃料電池１０から排出される水分量が増加する。すなわち、図４に示すように、ＦＣ出力がＡの場合には、排出水分量はＢとなる。

そして、ステップＳ１２３において、制御部５１は、パージ制御やドレイン制御が実行された場合には、燃料電池１０のアノード側からの排出水分量が一時的に高くなるため補正を行う。すなわち、図４のマップ（実線）がパージ制御やドレイン制御が実行されない場合のマップであるとした場合、パージ制御やドレイン制御が実行されたときには、マップを矢印の方向に移動させたマップ（図示せず）に基づいて補正が行われる。

さらに詳述すると、パージ制御では、制御部５１によってパージ弁２６が開弁されることにより、アノード系２０に循環していた水素、カソードから電解質膜を介してアノードに透過した水分がアノードオフガス導入配管ａ８を通ってカソードオフガス導入配管ｃ４に流れ込む。また、ドレイン制御では、制御部５１によってドレイン弁２５が開弁されることにより、気液分離器２４に蓄積された水分（主に液体）がドレイン導入配管ａ９、アノードオフガス導入配管ａ８を通ってカソードオフガス導入配管ｃ４に流れ込む。すなわち、パージ時やドレイン時には、燃料電池１０のアノード側からは、水素とともに水分が排出される（図１参照）。また、燃料電池１０のカソード側からは、燃料電池１０内で反応に寄与しなかったエア（空気）とともに、カソードで生成された水分が排出される（図１参照）。

そして、図２のフローに戻り、ステップＳ１３０に進み、制御部５１は、ステップＳ１２０において推定された排出水分量のうちの気化可能水分量を算出する。なお、気化可能水分量とは、排出水分のうち気体（水蒸気）となって燃料電池１０から排出される量を意味している。このステップＳ１３０が、本実施形態における気化水分量算出手段が実施する処理に相当する。

この排出水分の気化量は、図５のサブフローに基づいて算出され、ステップＳ１３１において、制御部５１は、燃料電池１０から排出される排出温度（オフガス温度）を温度センサ５４によって検出し、ステップＳ１３２において、燃料電池１０から排出される排出圧力（オフガス圧力）を圧力センサ５５によって検出する。そして、ステップＳ１３３において、燃料電池１０から排出される排出流量（オフガス流量）を検出する。なお、排出流量は、例えば、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を代用して検出することにより取得することができる。ちなみに、排出温度や排出圧力が高くなるにつれて、気化可能水分量が多くなる。

そして、ステップＳ１３４において、制御部５１は、ステップＳ１３１〜Ｓ１３３において検出した検出値（温度、圧力、流量）に基づいて排出水分中の気化可能水分量（気体となって排出できる水分量）を算出する。なお、気化可能水分量の算出方法は、温度、圧力および流量に基づいて算出するものに限定されず、露点や相対湿度などに基づいて算出してもよい。

そして、図２のフローに戻り、ステップＳ１４０に進み、制御部５１は、排出された水分が、十分に気化可能であるかどうかを判断する。すなわち、ステップＳ１２０で推定された排出水分量と、ステップＳ１３０で算出された気化可能水分量とを比較して、気化可能水分量が排出水分量以上であるかどうかを判断する。ステップＳ１４０において、制御部５１は、気化可能水分量が排出水分量以上である、すなわち排出水分を十分に気化できると判断した場合には（Ｓ１４０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１７０に進む。この場合、排出配管４２からは、例えば水素（所定濃度以下）とともに気体（水蒸気）のみが排出されるので、路面には液体状の水が排出されることがない。

ステップＳ１４０において、制御部５１は、排出水分量が気化可能水分量よりも多い、すなわち排出水分量を十分に気化できないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１５０に進み、気化できなかった残りの排出水分量を触媒燃焼器４１で十分に気化させるために必要な発熱量を算出する。なお、ステップＳ１５０のサブフローは、排出水分を触媒燃焼器４１で十分に気化するには、通常運転（排出水分が凍結しない場合）と較べて発熱量をどれだけ上げる必要があるかを算出する処理である。このステップＳ１５０が、本実施形態における必要発熱量算出手段が実施する処理に相当する。

図６に示すように、ステップＳ１５１において、制御部５１は、ステップＳ１２０で推定した排出水分量（Ｂ）から、ステップＳ１３０で算出した気化可能水分量（Ｃ）を減算することにより、気化が必要となる水分量（Ｂ’）を算出する。

そして、ステップＳ１５２において、制御部５１は、ステップＳ１５１で算出した水分量を気化させるのに必要な発熱量を算出する。なお、このときの必要な発熱量は、例えば、発熱量と気化に必要な水分量との関係を予め実験等でマップ化しておき、制御部５１が必要に応じてマップを参照することにより算出することができる。すなわち、水分量が多くなるに比例して発熱量が高くなるようなマップに基づいて発熱量が算出される。

そして、図２のフローに戻り、ステップＳ１６０において、制御部５１は、触媒燃焼器４１に供給するガス量（水素量および空気量）を変更する。このステップＳ１６０が、本実施形態における流量変更手段が実施する処理に相当する。

なお、触媒燃焼器４１に供給するガス量を増加させる方法としては、燃料電池１０に供給されて排出されるパージ量を増やすことにより行うことができる。さらに詳述すると、パージ制御を所定時間毎（定期的）に行う場合には、パージ制御の時間間隔を短くしてパージ制御の頻度を増やすことにより行われる。あるいは、燃料電池１０のセル電圧を監視して、セル電圧が所定の閾値を下回った場合にパージ制御を行う場合には、所定の閾値をより高めに設定してパージ制御の頻度を増やすことにより行うことができる。

また、触媒燃焼器４１に供給するガス量を増加させる他の方法としては、水素タンク２１から燃料電池１０をバイパスして触媒燃焼器４１に水素を直接に供給するライン（配管）を増設して、水素量を増加させるようにしてもよい。なお、前記した各方法において水素量を増加させた場合には、必要に応じてエアコンプレッサ３１の回転速度も増加させて、空気供給量を増加させる。

これにより、触媒燃焼器４１では、増量された水素および空気（酸素）による触媒反応による発熱量の増加によって気化できなかった残りの水分が気化される。よって、排出配管４２から車外には、例えば水素濃度が４％以下の水素（未反応ガス）とともに、気化した水分（水蒸気）が排出される。水蒸気（気体）となって車外に排出されることにより、路面上には液滴としての水が排出されることがない。ちなみに、触媒燃焼器４１には、例えば、水素＋空気中の水素濃度が４〜７５％となるようにガス供給量が制御される。水素濃度が低過ぎると触媒燃焼できず、高過ぎると触媒燃焼器４１が熱害を受けるからである。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、排出水分量と気化可能水分量とを比較して触媒燃焼器４１の運転状態（ガス供給状態）を変更するので、燃料電池システム１から液滴として排出される生成水の量を低減できる。しかも液滴として排出される生成水の量を低減できるので、ユーザなどがエグゾーストパイプ（排出配管４２）からの水垂れによって受ける違和感を少なくできる。

また、本実施形態では、液滴として排出される生成水を気化させるために必要な分だけ、触媒燃焼器４１における発熱量を上昇させるようにガス量の制御を行うので、必要以上に触媒燃焼器４１にガス（水素、空気）を供給させずに済み、触媒燃焼器４１の発熱量を上昇させつつ必要以上に燃料（水素）を消費することがなくなる。

また、本実施形態では、燃料電池１０から液滴として排出される生成水が凍結することがない環境下では、触媒燃焼器４１の制御（ガス供給量増加制御）を行わないので、触媒燃焼用の燃料消費を抑えることができ、燃料消費性能が向上する。

また、燃料電池１０の発電出力の増加に伴い、燃料電池１０から排出される水分量も増加するので、本実施形態によれば、燃料電池１０の発電出力に基づいて燃料電池１０から排出される水分量を推定するので、排出される水分量をより精度よく推定することが可能となる。

なお、本実施形態では、燃焼器として触媒燃焼器４１を例に挙げて説明したが、火炎を用いて水素を燃焼させるタイプの燃焼器であってもよい。また、本実施形態では、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０に戻す水素循環系を備えたシステムを例に挙げて説明したが、水素循環系を有しないシステムに適用することもできる。

また、本実施形態では、氷点下における環境下での制御を例に挙げて説明したが、氷点下ではない環境下に適用してもよい。つまり、可燃性ガスを排出する際の窒息効果を考慮すると、水蒸気（気体）は他のガス（窒素など）よりも窒息効果が高く、燃焼範囲を狭めるのに効果的なので、常温環境下（液滴の生成水が車外に排出されたとしても凍結しない環境下）においても適用することにより、水素に対する窒息効果を高めることができる。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける燃焼器制御を示すメインフローチャートである。 排出水分量を推定するサブフローチャートである。 燃料電池の発電出力と排出水分量との関係を示すマップである。 排出水分中の気化可能水分量を算出するサブフローチャートである。 触媒燃焼器における必要発熱量を算出するサブフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
４１ 触媒燃焼器（燃焼器）
５１ 制御部（水分量推定手段、気化水分量算出手段、必要発熱量算出手段、流量変更手段、低温環境判断手段）
５２ 電流センサ（発電出力検出手段）
５３ 温度センサ（低温環境判断手段）

Claims (5)

1. アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼させて大気へと排出させる燃焼器と、を有する燃料電池システムであって、
   前記オフガスとともに前記燃料電池から排出される水分量を推定する水分量推定手段と、
   前記推定された水分量のうち水蒸気として気化した水分量を算出する気化水分量算出手段と、
   前記排出される水分量と前記気化した水分量とに基づいて前記燃焼器の運転状態を変更する燃焼器制御手段と、をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃焼器制御手段は、前記排出される水分量と前記気化した水分量とを比較し、その結果に基づいて前記燃焼器での必要発熱量を算出する必要発熱量算出手段と、
   前記必要発熱量に基づいて前記燃焼器に供給されるガスの流量を変更する流量変更手段と、を含む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. 低温環境下であるか否かを判断する低温環境判断手段を有し、
   前記低温環境判断手段により低温環境下ではないと判断された場合には、前記燃焼器制御手段による制御を行わないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の発電出力を検出する発電出力検出手段を有し、
   前記水分量推定手段は、前記発電出力検出手段により検出された発電出力に基づいて水分量を推定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行う燃料電池から排出されたオフガスを燃焼器で燃焼させて大気へと排出させる燃料電池システムの制御方法であって、
   前記オフガスとともに前記燃料電池から排出される水分量を推定するステップと、
   前記推定された水分量のうち水蒸気として気化した水分量を算出するステップと、
   前記排出される水分量と前記気化した水分量とに基づいて前記燃焼器の運転状態を変更するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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