JP2007273227A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の要求出力が増加した場合に、燃料電池での燃料濃度を適切に確保することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出するための排出路２５と、排出路に設けられたパージ弁３３と、パージ弁の開閉を制御する制御装置７と、を備えた燃料電池システム１において、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したとき、所定の周期とは別にパージ弁を制御するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、パージ弁の開弁により燃料オフガスを外部に排出可能な燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池から排出された水素オフガスを再び燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料電池システムでは、排出路に設けられたパージ弁を開弁することで、水素オフガスを外部に排出している。特に、この特許文献１では、燃料電池の要求出力が低いと燃料電池での水素オフガス消費量が少なくなることに着目し、この低要求出力の場合にパージ弁を開弁することで、燃料電池内で水素ガス圧力が上昇するのを抑制している。
特開２００３−１０９６２７号公報

ところで、水素オフガスは、クロスリークした窒素ガス等を含む分、供給水素ガスに比べて水素濃度が低い。一方で、燃料電池の出力が大きい場合には、その出力が小さい場合に比べて、燃料電池では高い水素濃度を要求される。
しかし、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の要求出力が増加した場合や、燃料電池での水素濃度については、何ら考慮されていない。このため、燃料電池の要求出力が増加した場合に、この要求出力に対して燃料電池での要求水素濃度が不足し、それによりセル電圧が低下し、トラクションモータなどの負荷に要求駆動力を発生させることができないおそれがあった。

本発明は、燃料電池の要求出力が増加した場合に、燃料電池での燃料濃度を適切に確保することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出するための排出路と、排出路に設けられたパージ弁と、パージ弁の開閉を所定の周期で制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したとき、所定の周期とは別にパージ弁を制御するものである。

この構成によれば、燃料電池の要求出力が増加したときにパージ弁を制御するため、例えばパージ弁を開くことで、燃料オフガスをこれに含まれ得る不純物と共に外部に排出できる。これにより、燃料電池での燃料濃度を上昇させることができ、燃料電池の要求出力に対して燃料電池での燃料濃度を適切に確保できる。また、パージ弁の開弁による排出量を一律に多く設定する構成に比べて、燃料電池の要求出力が大きいときに所定の周期とは別にパージ弁を制御する構成であるため、全体として排出量を抑制でき、システム効率を向上し得る。

ここで、燃料電池の要求出力が増加するとは、燃料オフガスの燃料ガス以外の不純物が短時間で規定以上を超えたときと同等である。

好ましくは、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したとき、パージ弁の下流へと燃料オフガスが排出されるように当該パージ弁を制御する。

こうすることで、燃料オフガス中の不純物を燃料オフガスと共に排出でき、燃料電池での燃料濃度を適切に確保することができる。

好ましくは、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したとき、前記所定の周期における開弁タイミングとは異なるタイミングでパージ弁を開弁するとよい。

こうすることで、例えばパージ弁が閉弁中に燃料電池の要求出力が増加した場合に、パージ弁を開弁できるので、燃料電池での燃料濃度を適切に確保できようになる。

別のより好ましい態様では、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したとき、前記所定の周期で開弁するパージ弁の開弁時間が当該所定の周期における開弁時間よりも長くなるように、当該パージ弁を制御してもよい。

こうすることで、例えばパージ弁が開弁中に燃料電池の要求出力が増加した場合には、その開弁時間が所定の周期における開弁時間よりも長くなる。これにより、パージ弁を所定の周期とは別に開弁でき、燃料電池での燃料濃度を適切に確保できようになる。

好ましくは、制御装置は、燃料電池の出力が増加後、再びパージ弁を前記所定の周期で制御する。

これにより、パージ弁を元の所定の周期での制御に適切に戻すことができ、燃料電池の出力が増加後の燃料電池システムの運転を良好に行えるようになる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の要求出力の変化を検出するセンサをさらに備え、制御装置は、センサの検出結果に基づいて、前記所定の周期とは別にパージ弁を制御する。

この構成によれば、燃料電池の要求出力が増加したことをセンサで検出し、その検出結果に基づいてパージ弁を制御するため、燃料電池の要求出力に対して燃料電池での燃料濃度を適切に確保できる。

別の好ましい態様では、本発明の燃料電池システムは、当該燃料電池システムが搭載される移動体のアクセル開度を検出するアクセル開度センサを備え、制御装置は、アクセル開度センサの検出結果に基づいて、前記所定の周期とは別にパージ弁を制御してもよい。

この構成によれば、移動体の例えば運転者の要求に応じてパージ弁を制御でき、燃料電池の要求出力に対して燃料電池での燃料濃度を適切に確保できる。

上記目的を達成するための本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出するための排出路と、排出路に設けられたパージ弁と、パージ弁の開閉を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したときに割込み処理を実行し、パージ弁の下流への燃料オフガスの排出量が増加するように当該パージ弁を制御するものである。

この構成によれば、燃料電池の要求出力が増加したときに、パージ弁の下流への燃料オフガスの排出量が増加することで、燃料オフガスに含まれ得る不純物の外部への排出量を増加できる。これにより、燃料電池での燃料濃度を上昇することができ、燃料電池の要求出力に対して燃料電池での燃料濃度を適切に確保できる。また、パージ弁の開弁による排出量を一律に多く設定する構成に比べて、燃料電池の要求出力が大きいときに割込み処理としてパージ弁を制御する構成であるため、全体として排出量を抑制でき、システム効率を向上し得る。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、燃料オフガスを当該燃料電池に戻すための循環系を備え、排出路は、循環系に分岐するように接続されている。

この構成によれば、燃料オフガスを燃料電池に循環供給することができ、燃料オフガスを有効利用できる。また、上記したパージ弁の制御を行うことでき、循環供給される燃料オフガスを排出路から外部に適宜排出することができ、燃料電池での燃料濃度を適切に確保できる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給する供給路と、供給路に設けられ、燃料電池への燃料ガスの供給流量を調整するインジェクタと、をさらに備えている。

この構成によれば、燃料電池の要求出力に応じて、燃料電池に適量の燃料ガスを供給することができる。

より好ましくは、制御装置は、燃料電池の要求出力が増加したとき、パージ弁とともにインジェクタを制御する。

例えば、燃料電池の要求出力が増加したときにおける上記したパージ弁の開弁制御によって、燃料電池への燃料オフガスの量が減少し得る。しかし、本発明の好ましい態様によれば、燃料電池の要求出力が増加したときにインジェクタを制御するため、燃料電池への燃料ガス及び燃料オフガスの合計ガス量を適量にすることができる。これにより、燃料電池の要求出力に対して、適量の合計ガス量を燃料電池に応答性良く供給でき、燃料電池の発電を良好に行い得る。

上記した本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の要求出力が増加したときにパージ弁を制御するため、燃料電池での燃料濃度を適切に確保できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

図１は、燃料電池システムの構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム１全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらのガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐するように接続された排出路２５と、を有している。水素オフガスを燃料電池２に戻すための循環系２９は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７及びインジェクタ２８により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。調圧弁２７は、機械式のレギュレータで構成されている。

インジェクタ２８は、電磁駆動力で所定の駆動周期で直接的に弁体を駆動して弁座から離隔させることにより、燃料電池２への水素ガスの供給流量や圧力を調整可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、制御部７から出力される制御信号によって弁体の駆動周期を高応答の領域まで制御できるため、機械式の調圧弁２７に比べて高い応答性を有している。

インジェクタ２８は、パルス状励磁電流のオン・オフにより、弁体と弁座との間の開口時間（開弁時間）又は開口面積を２段階、多段階、連続的（無段階）、又はリニアに切り替え可能に構成されている。この場合のインジェクタ２８の制御方法としては、パルス状励磁電流のデューティ比を変化させるデューティ制御を用いることが好ましい。ここで、デューティ比とは、パルス状励磁電流のＯＮ時間を、パルス状励磁電流のＯＮ時間とＯＦＦ時間とを加算したスイッチング周期で除したものである。なお、インジェクタ２８を遮断弁として機能させることもできる。

排出路２５は、外部に水素オフガスを排出、すなわち燃料電池２に供給される流路以外に水素オフガスを排出するものである。排出路２５の一端は、ポンプ２４の上流側において循環路２３に接続されており、排出路２５の他端は、燃料電池２への水素供給系統から外れた例えば水素希釈器に接続されている。水素オフガスは、水素供給源２１からの水素ガスに比べて、不純物が含まれ得る。水素オフガス中の不純物は、水素オフガスに含有した生成水などの水分のほか、燃料電池２の空気極からイオン交換膜を介して燃料極に透過した窒素ガス、すなわちクロスリークした窒素ガスなどである。

パージ弁３３は、電磁式の遮断弁であり、排出路２５に設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、燃料電池２に循環供給される水素オフガス中の水素濃度（燃料濃度）が上がる。後述するとおり、パージ弁３３は、燃料電池システム１の稼動時に、一定の間隔又は所定の演算周期で開弁するように、制御部７によって所定の周期で開閉制御される。また、パージ弁３３は、燃料電池２の要求出力が急増したときに、所定の周期とは別に制御部７によって開閉制御されるようになっている。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されている。補機インバータ６５及び６６は、それぞれ、コンプレッサ１４及びポンプ２４のモータ１４ａ及び２４ａの駆動を制御する。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成された制御装置である。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するパージ処理の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）に用いられる圧力センサ及び温度センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１０２、車両１００の加速度を検出する加速度センサ、車両１００の車速を検出する車速センサ、トラクションモータ６４の回転数を検出するセンサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

具体的には、制御部７は、検出されたアクセル開度や車速等に基づいて、燃料電池２の要求出力（例えば、トラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）を算出する。そして、制御部７は、算出された要求出力を得るために、コンプレッサ１４、インジェクタ２８及びポンプ２４を制御し、燃料電池２に供給される酸化ガスや水素ガスの流量や圧力を調整する。また、制御部７は、燃料電池２での水素濃度が要求値を満たすように、パージ弁３３によるパージ処理を実行する。

図２は、燃料電池２での電流値（以下、「ＦＣ電流」という。）と、燃料電池２で要求される水素濃度（以下、「要求水素濃度」という。）との関係を示すグラフである。図２に示すように、ＦＣ電流が小さいときの要求水素濃度は、ＦＣ電流が大きいときの要求水素濃度よりも低くて足りる。つまり、燃料電池２は、その出力が小さいときには水素濃度が低くてもセル電圧が低下することなく運転（発電）できるが、出力が大きくなるにつれて高い水素濃度が要求される。

ここで仮に、燃料電池２が電流値Ａ₁及び水素濃度Ｂ₁の運転領域で運転しているときに、要求出力が急変し、その要求出力のためのＦＣ電流として電流値Ａ₂を要求された場合を想定する。この場合、燃料電池２は、電流値Ａ₂のための水素濃度Ｂ₂をすぐに満たすことができず、水素濃度不足のためにセル電圧落ちが発生してしまう。そこで、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２の要求出力が急増したときにも、水素濃度を適切に確保した状態で運転できるようにパージ弁３３等を制御している。

図３は、本実施形態の燃料電池システム１の運転方法を示すフローチャートである。
燃料電池システム１の通常運転時においては、上記のごとく、制御部７は、燃料電池２の要求出力を満たすように水素ガス及び酸化ガスの供給制御を行うと共に、要求水素濃度を満たすように水素オフガスのパージ処理を行う。

このような通常運転時おいて、制御部７は、車両１００のアクセル開度が急開したか否か（車両１００の走行状態が急加速域に入るか否か）を判定している（ステップＳ１）。アクセル開度の急開の有無は、アクセル開度センサ１０２が検出したアクセル開度が所定の閾値を超えるか否かで判定することができる。なお、トラクションモータ６４のモータ回転数や、燃料電池２の消費電力等に基づいて、燃料電池２の要求出力の急変を検出するようにしてもよい。あるいは、燃料電池２の要求出力の増加率（所定時間内における増加量）が所定の閾値を越えるか否かで、燃料電池２の要求出力の急増を判定するようにしてもよい。

アクセル開度が急開していない場合には（ステップＳ１：ＮＯ）、燃料電池２の要求出力が急増していないと判断し、パージ弁３３による通常のパージ処理を続行する（ステップＳ５）。通常のパージ処理は、燃料電池２の要求出力に関わらず、パージ弁３３を所定の周期で、例えば３０秒ごとに所定の時間だけ開弁することで行われる。この所定の周期では、パージ弁３３の１回当たりの開弁時間は、燃料電池２の要求出力が高いほど長く設定されることが好ましい。

アクセル開度が急開し（ステップＳ１：ＹＥＳ）、燃料電池２の要求出力が急増した場合、制御部７は、割込み処理が発生したと判断し、パージ弁３３の割込み処理を実行する（ステップＳ２）。パージ弁３３の割込み処理は、パージ弁３３の下流への水素オフガスの排出量（以下、「パージ量」という。）が増加するように、パージ弁３３を制御することで行われる。これにより、水素オフガス中の不純物濃度を低減して、水素オフガス及び水素ガスが供給される燃料電池２での水素濃度を上昇できる。このように、燃料電池２の要求出力が急増したときに所定の周期とは別にパージ弁３３を制御することで、燃料電池２では、高いＦＣ電流のための水素濃度を適切に確保される。なお、パージ弁３３の割込み処理における具体的な制御例については後述する。

制御部７は、パージ弁３３の割込み処理の実行後、燃料電池２の要求出力を満たす水素ガス供給となるようにインジェクタ２８を制御し、水素ガスの供給流量及び供給圧力を調整する（ステップＳ３）。具体的には、パージ弁３３の割込み処理の実行によって、燃料電池２への合計ガス量（水素供給源２１からの水素ガスの量と、ポンプ２４により循環される水素オフガスの量とを加算した量）が減少するが、インジェクタ２８の流量制御によって、燃料電池２の要求出力に対して応答性良く適量の合計ガス量を燃料電池２に供給することができる。また、このインジェクタ２８の流量制御によって、燃料電池２への水素ガスの圧力を積極的に補正することができる。

これらステップＳ２及びＳ３の処理を行った後、制御部７は、燃料電池２の出力が要求出力に到達したか否かを判断する（ステップＳ４）。燃料電池２の出力が要求出力に到達していない場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ２及びＳ３の処理が繰り返し実行される。一方、燃料電池２の出力が増加して要求出力に到達している場合には（ステップＳ４：ＹＥＳ）、制御部７は、割り込みから元の通常の制御に戻り、通常のパージ処理を行うようにパージ弁３３を所定の周期で制御する（ステップＳ５）。

このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、通常の燃料電池運転状態の範囲（不純物の増加が所定値以内）では、所定の周期に同期してパージ弁３３を開弁する。一方で、燃料電池システム１によれば、燃料電池２の要求出力が通常の範囲を急に超える場合には、非同期的にパージ弁３３を開弁する。これにより、燃料電池２の要求出力に対して、燃料電池２での水素濃度を適切に且つ速やかに確保できる。したがって、燃料電池２を安定して運転することができ、トラクションモータ６４に所望の電力を適切に供給できる。

＜パージ弁３３の割込み処理における具体的制御例＞
ここで、パージ弁３３の割込処理（図３のステップＳ２）の具体的制御例について説明する。先ず、図４を参照して、比較例に係るパージ弁３３の制御について説明する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、アクセル開度の時間履歴、及びそのアクセル開度に対する燃料電池２での要求水素濃度の時間履歴を示している。また、図４（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、比較例におけるパージ弁３３の動作状態の時間履歴、及びそのパージ弁３３の動作を反映した燃料電池２での水素濃度の時間履歴を示している。

図４（ａ）及び（ｃ）に示すように、比較例に係るパージ弁３３は、アクセル開度に関わらず、所定の周期で開閉する。つまり、パージ弁３３は、ｔ１〜ｔ４の各タイミングで開弁するものであり、これらのｔ１とｔ２の間隔、ｔ２とｔ３との間隔、及びｔ３とｔ４との間隔は等間隔に設定されている。

図４（ｄ）に示すように、パージ弁３３がｔ１〜ｔ４の各タイミングで開弁すると、燃料電池２での水素濃度が上昇する。しかし、ｔ２のタイミングでアクセル開度が急開したとき、燃料電池２は、図４（ｄ）の斜線部に示すように、一時的に（燃料電池２の出力が増加するまでの過渡期に）要求水素濃度に対し水素濃度が不足する。

次に、図５を参照して、本実施形態のパージ弁３３の割込み処理における具体的制御例について説明する。
図５（ａ）は、アクセル開度の時間履歴を示している。図５（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、そのアクセル開度に対するパージ弁３３の動作状態の時間履歴であって、本実施形態の第１制御例及び第２制御例に係るパージ弁３３の動作状態の時間履歴を示している。また、図５（ｄ）は、第１制御例及び第２制御例に係るパージ弁３３の動作を反映した燃料電池２での水素濃度の時間履歴を示している。

図５（ｂ）に示すように、本実施形態に係るパージ弁３３は、図４と同様に所定の周期で、つまりｔ１〜ｔ４の各タイミングで開弁する。加えて、図５（ｂ）に示す第１制御例では、アクセル開度が急開したｔ２のタイミングでパージ弁３３が開弁する際、その開弁時間Ｔ₂が、図４（ｃ）に示す所定の周期での開弁時間Ｔ₁よりも長くなるように設定される。開弁時間Ｔ₂は、アクセル開度の増加率を考慮して設定してもよいし、あるいは、所定の一定値としてもよく、例えば開弁時間Ｔ₁の倍の時間に設定してもよい。

このように、開弁時間Ｔ₂を開弁時間Ｔ₁よりも長く設定することで、パージ量を増加することができる。したがって、図５（ｄ）に示すように、ｔ２のタイミングでアクセル開度が急開したときも、燃料電池２はｔ２〜ｔ４の間も要求水素濃度を満たすことができ、燃料電池２での水素濃度を適切に確保できる。

なお、図５（ｂ）に示す第１制御例は、アクセル開度が急開したときにパージ弁３３が既に開放している場合に有効であるが、もちろんパージ弁３３が閉塞している場合にも適用することができる。また、図５（ｂ）に示すタイミングチャートに限らず、ｔ３のタイミングのときのパージ弁３３の開弁時間を長くするなど、パージ弁３３の複数の開弁時間を長くしてもよい。

一方、図５（ｃ）に示す第２制御例のようにパージ弁３３を制御してもよい。この場合、パージ弁３３は、図４と同様に所定の周期で、つまりｔ１〜ｔ４の各タイミングで開弁するが、さらにｔ２とｔ３との間にあるｔ５のタイミングでも開弁する。このように、所定の周期とは異なるｔ５のタイミングにパージ弁３３を非同期的に開弁するので、パージ量を増加することができる。したがって、図５（ｄ）に示すように、ｔ２のタイミングでアクセル開度が急開したときも、燃料電池２はｔ２〜ｔ４の間も要求水素濃度を満たすことができ、燃料電池２での水素濃度を適切に確保できる。

なお、図５（ｃ）に示す第２制御例は、アクセル開度が急開したときにパージ弁３３が閉塞している場合に有効であるが、もちろんパージ弁３３が開放している場合にも適用することができる。また、ｔ５のタイミングの際のパージ弁３３の開弁時間は、適宜設計変更可能であり、例えばＴ₁に設定することができる。さらに、図５（ｃ）示すタイミングチャートに限らず、ｔ２からｔ３の間に、またはｔ２からｔ４の間に、パージ弁３３を所定の周期とは異なるタイミングで複数回開弁するようにしてもよい。

なお、上記したパージ弁３３の割込み処理での制御例は、開弁時間及び開弁タイミングを通常の処理のものと変更したものであるが、これらに限定されるものではない。例えば、パージ弁３３を流量可変式のバルブで構成した場合には、その開度を変更することでパージ弁３３の割込み処理を実行するようにしてもよい。

次に、図６を参照して、本実施形態の燃料電池システム１の運転方法を行った場合のパージ量について説明する。

図６（ａ）は、ＦＣ電流とパージ量との関係を示すグラフである。図６（ａ）に実線で示す曲線Ｌ１は、ＦＣ電流に対するパージ量の要求値を示している。パージ量の要求値を満たさないと（曲線Ｌ１を下回る条件では）、燃料電池２は発電できなくなる。二点鎖線で示す曲線Ｌ２は、比較例に係るものであり、この比較例は、大きいＦＣ電流を基準にパージ量を一定に設定したものである。曲線Ｌ３は、本実施形態の燃料電池システム１に係るものである。

上記したように、パージ弁３３の割込み処理及び通常処理におけるパージ処理を実行することで、曲線Ｌ３は曲線Ｌ１にほぼ同じとなり、本実施形態の燃料電池システム１はパージ量の要求値を満たすことができる。このように、本実施形態によれば、曲線Ｌ２に示すようにパージ量を一律に多く設定する場合に比べて、全体としてパージ量を抑制できるため、システム効率を向上することができる。

図６（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、パージ量の時間履歴、及びアクセル開度の時間履歴を示している。図６（ｂ）に示す曲線Ｍ１は、図６（ａ）に示す曲線Ｌ１のマップから読み出したパージ量を示している。また、曲線Ｍ２は、本実施形態に係るものであり、図６（ｃ）に示すｔ２のタイミングでアクセル開度が急開した場合のパージ量を示している。曲線Ｍ２に示すように、アクセル開度が急開したときに、割込み処理によってパージ量を一時的に増加させているので、燃料電池２での水素濃度を適切に且つ速やかに確保できる。

本発明の燃料電池システム１は、上記した車両１００以外の二輪等の車両、電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

本発明の燃料電池システムの構成図である。 ＦＣ電流と燃料電池での要求水素濃度との関係を示すグラフである。 本発明の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 比較例に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートであり、（ａ）はアクセル開度の時間履歴を示し、（ｂ）はアクセル開度に対する燃料電池での要求水素濃度の時間履歴を示し、（ｃ）はパージ弁の動作状態の時間履歴を示し、（ｄ）はパージ弁の動作を反映した燃料電池での水素濃度の時間履歴を示す。 本発明に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートであり、（ａ）はアクセル開度の時間履歴を示し、（ｂ）第１制御例に係るパージ弁の動作状態の時間履歴を示し、（ｃ）は第２制御例に係るパージ弁の動作状態の時間履歴を示し、（ｄ）は、第１制御例及び第２制御例に係るパージ弁の動作を反映した燃料電池での水素濃度の時間履歴を示す。 本発明の燃料電池システムの運転方法を行った場合のパージ量を示す図であり、（ａ）はＦＣ電流とパージ量との関係を示すグラフであり、（ｂ）はパージ量の時間履歴を示し、（ｃ）アクセル開度の時間履歴を示す。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、７：制御部（制御装置）、２２：供給路、２５：排出路、２８：インジェクタ、２９：循環系、３３：パージ弁、１００：車両、１０２：アクセル開度センサ

Claims (11)

1. 燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出するための排出路と、
   前記排出路に設けられたパージ弁と、
   前記パージ弁の開閉を所定の周期で制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力が増加したとき、前記所定の周期とは別に前記パージ弁を制御する、燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力が増加したとき、前記パージ弁の下流へと前記燃料オフガスが排出されるように当該パージ弁を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力が増加したとき、前記所定の周期における開弁タイミングとは異なるタイミングで前記パージ弁を開弁する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力が増加したとき、前記所定の周期で開弁する前記パージ弁の開弁時間が当該所定の周期における開弁時間よりも長くなるように、当該パージ弁を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記燃料電池の出力が増加後、再び前記パージ弁を前記所定の周期で制御する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の要求出力の変化を検出するセンサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記センサの検出結果に基づいて、前記所定の周期とは別に前記パージ弁を制御する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 当該燃料電池システムが搭載される移動体のアクセル開度を検出するアクセル開度センサを備え、
   前記制御装置は、前記アクセル開度センサの検出結果に基づいて、前記所定の周期とは別に前記パージ弁を制御する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出するための排出路と、
   前記排出路に設けられたパージ弁と、
   前記パージ弁の開閉を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力が増加したときに割込み処理を実行し、前記パージ弁の下流への前記燃料オフガスの排出量が増加するように当該パージ弁を制御する、燃料電池システム。
9. 前記燃料オフガスを当該燃料電池に戻すための循環系をさらに備え、
   前記排出路は、前記循環系に分岐するように接続されている、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池に燃料ガスを供給する供給路と、
    前記供給路に設けられ、前記燃料電池への燃料ガスの供給流量を調整するインジェクタと、をさらに備えた、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力が増加したとき、前記パージ弁とともに前記インジェクタを制御する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
    
    

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