JP4649308B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）などの燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。燃料電池は、水素がアノードに、酸素がカソードにそれぞれ供給されることで発電する。そして、燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力でモータを回転させて走行する。
このような燃料電池では、その出力を高めるため、一般的に、消費される量以上の水素がアノードに供給される。したがって、燃料電池のアノードからは、使用されず余った水素が排出される。そこで、水素の利用効率を高めるため、この排出された水素を水素供給側に戻し、水素を循環させる水素循環系が採用されている。
一方、このような燃料電池が発電すると、カソードで水が生成する。そして、この生成水の一部が固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）をアノード側に透過する。その他、電解質膜の湿潤状態を確保して、電解質膜のプロトン（水素イオン）の拡散性（導電性）を高めるため、例えば、燃料電池のカソードまたはアノードに供給される反応ガス（水素、酸素を含む空気）を加湿する方法が採用されている。
したがって、水素循環系を採用する燃料電池システムの場合、その発電経過に伴って、循環する水素に同伴する水分量が高くなり、燃料電池の発電効率が低下する場合がある。そこで、循環する水素含有ガスを、定期的に排出することによって（これをパージという）、燃料電池の発電効率の回復が図られている（特許文献１参照）。そして、このように排出されたガスは、水素を含むため、これを希釈するための希釈用ガス（カソードオフガス）と共に、希釈器に導入され、希釈用ガスで希釈された後、外気中に排出される。
特開２０００−２４３４１７号公報（段落番号００２２、図１）
ところが、燃料電池自動車は、大気圧の高い低地や、大気圧の低い高地を走行するため、大気圧が変化する。そして、このような大気圧の変化に連動して、水素循環系からガスを排出するパージ弁の下流側圧力が変化する。
したがって、大気圧の変動に関わらず、パージ弁を一定時間で開いて、水素循環系からガスを排出すると、パージ弁を１回開いた際に排出されるガスの排出量が異なってしまう。すなわち、例えば、低い大気圧下では、パージ弁を１回開いた際に、水素を含むガスの排出量が設定量を超えてしまい、希釈器で十分に希釈されないまま外気中に排出される虞がある。逆に、高い大気圧下では、水素を含むガスの排出量が設定量を下回り、発電効率が早期に回復しない虞がある。
そこで、本発明は、このような問題を解決すべく、大気圧の変化に対応してガスを排出可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の反応ガスを前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、循環するガスを排出する排出手段と、前記排出手段の下流側の下流側圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記下流側圧力に基づいて、前記排出手段により排出するガスの排出量、及び、前記排出手段により排出する排出間隔を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記下流側圧力が低いほど、前記排出手段による１回あたりの排出量が少なく、かつ、前記排出間隔が短くなるように制御することを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、排出手段の下流側圧力（後記する実施形態では圧力センサ２６が検出する圧力）が、大気圧の変化に対応して変化する。そして、制御手段が、この下流側圧力に基づいて、排出手段から排出する排出量を制御する。これにより、例えば、下流側圧力が低い場合、排出量を少なくすることで、排出手段の下流側の希釈器による不十分な希釈を防止しつつ、高濃度の水素が排出されることを防止できる。一方、下流側圧力が高い場合、排出量を多くすることで、希釈器の希釈性能を有効に利用して排出しつつ、燃料電池の発電効率の早期回復を図ることができる。
ここで、１回あたりの排出量とは、排出手段（後記する実施形態ではパージ弁２４）が１回作動すること（後記する実施形態ではパージ弁２４が１回開くこと）によって、排出されるガスの量である。
そして、このような燃料電池システムによれば、例えば、下流側圧力が低い場合、１回あたりの排出量を少なくすることで、前記希釈器による不十分な希釈を防止し、高濃度の水素の排出を防止できる。一方、下流側圧力が高い場合、１回あたりの排出量を多くすることで、希釈器の希釈性能を有効に利用して排出することができる。
そして、このような燃料電池システムによれば、例えば、下流側圧力が低い場合、１回あたりの排出量を少なくすることで、前記希釈器による不十分な希釈を防止し、高濃度の水素の排出を防止できる。一方、下流側圧力が高い場合、１回あたりの排出量を多くすることで、希釈器の希釈性能を有効に利用して排出することができる。
また、このような燃料電池システムによれば、例えば、排出手段の１回の作動によって排出されるガスの量を、予想される範囲内で最も低い下流側圧力において、不十分な希釈が防止され、高濃度の水素が排出されない量に設定する。
そして、例えば、下流側圧力が低い場合、排出間隔を長くすることで、不十分な希釈を防止し、高濃度の水素の排出を防止できる。一方、下流側圧力が高い場合、排出間隔を短くすることで、希釈器の性能を有効利用しつつ排出することができる。
そして、例えば、下流側圧力が低い場合、排出間隔を長くすることで、不十分な希釈を防止し、高濃度の水素の排出を防止できる。一方、下流側圧力が高い場合、排出間隔を短くすることで、希釈器の性能を有効利用しつつ排出することができる。
また、このように排出間隔を下流側圧力に基づいて制御することで、排出手段の動作回数を適正回数にすることができ、例えば、排出手段を構成する弁の作動回数を減らすことができ、その耐久性を高めることができる。
さらに、下流側圧力が低い場合、排出手段による１回あたりの排出量を少なくしつつ、排出間隔を短く設定し、一方、下流側圧力が高い場合、１回あたりの排出量を多くしつつ、排出間隔を長く設定することにより、単位時間（例えば５分間）あたりにおいて、下流側圧力が低い場合と高い場合との総排出量を一定にすることができる。すなわち、下流側圧力が低い場合と高い場合とのいずれの場合であっても、単位時間あたりに行う一連の排出によって、同量のガスを排出することができる。そして、燃料電池の発電効率を同様に回復させることができる。
ここで、単位時間あたりに行う一連の排出とは、例えば、図５に示すように、（１）下流側圧力が低い場合、パージ弁２４を単位時間Ｔあたり５回開いて排出すること（図５（ｂ）参照）、（２）下流側圧力が高い場合、パージ弁２４を単位時間Ｔあたり４回開いて排出すること（図５（ａ）参照）のように、連続して行われるパージ弁２４の一連の開／閉による排出全体を意味する。
また、このような燃料電池システムによれば、制御手段は、下流側圧力が低いほど、１回あたりの排出量が少なく、かつ、排出間隔が短くなるように制御する。これにより、高濃度の水素の排出を防止しつつ、一連の排出によって、単位時間あたりに同量のガスを排出することができる。
そして、（１）下流側圧力が低い場合、パージ弁２４を開く水素排出時間指令値ｔ２を短くすることで排出量を少なくする共に、パージ弁２４を閉じている水素排出インターバル指令値ｔ１２（排出間隔）を短くし（図５（ｂ）参照）、（２）下流側圧力が高い場合、パージ弁２４の水素排出時間指令値ｔ１を長くすることで排出量を多くすると共に、水素排出インターバル指令値ｔ１１を長くする（図５（ａ）参照）。その結果として、単位時間Ｔあたりおける一連の排出によって、同量のガスを排出することができる。
また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された未反応の反応ガスを前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、循環するガスを排出する排出手段と、前記排出手段の下流側の下流側圧力を検出する第１圧力検出手段と、前記排出手段の上流側の上流側圧力を検出する第２圧力検出手段と、前記下流側圧力と前記上流側圧力との差圧に基づいて、前記排出手段により排出するガスの排出量、及び、前記排出手段により排出する排出間隔を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記差圧が大きいほど、前記排出手段による１回あたりの排出量が少なく、かつ、前記排出間隔が短くなるように制御することを特徴とする燃料電池システムである。
本発明によれば、大気圧の変化に対応してガスを排出可能な燃料電池システムを提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続された走行用のモータ（図示しない）を備えており、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によってモータを駆動し、大気圧の高い低地や大気圧の低い高地を自在に走行するようになっている。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続された走行用のモータ（図示しない）を備えており、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によってモータを駆動し、大気圧の高い低地や大気圧の低い高地を自在に走行するようになっている。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、大気圧センサ４１と、これらを電子制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。
＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜１１（固体高分子膜）の両面をアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に反応ガスを供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード側流路（反応ガス流路）、カソード側流路（反応ガス流路）として機能している。すなわち、アノード側流路には燃料ガスとしての水素が流通し、各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路には、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が流通し、各カソードに供給されるようになっている。
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜１１（固体高分子膜）の両面をアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に反応ガスを供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード側流路（反応ガス流路）、カソード側流路（反応ガス流路）として機能している。すなわち、アノード側流路には燃料ガスとしての水素が流通し、各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路には、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が流通し、各カソードに供給されるようになっている。
そして、燃料電池１０のアノードに水素が、カソードに酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔなど）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、モータ（図示しない）などの外部負荷から発電要求があると、燃料電池１０が発電するようになっている。
＜アノード系＞
アノード系２０は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４（排出手段）と、圧力センサ２５（第２圧力検出手段）と、圧力センサ２６（第１圧力検出手段）とを主に備えている。
水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続されており、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続されている。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード１２に接続されている。配管２３ａには、減圧弁（図示しない）が設けられている。そして、ＥＣＵ５０の制御部５１によって、遮断弁２２が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード１２に供給されるようになっている。
アノード系２０は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４（排出手段）と、圧力センサ２５（第２圧力検出手段）と、圧力センサ２６（第１圧力検出手段）とを主に備えている。
水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続されており、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続されている。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード１２に接続されている。配管２３ａには、減圧弁（図示しない）が設けられている。そして、ＥＣＵ５０の制御部５１によって、遮断弁２２が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード１２に供給されるようになっている。
一方、アノード１２の下流側には、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂ、希釈器３２が順に接続されている。配管２４ａの途中位置は、配管２４ｃ（循環手段）を介して、エゼクタ２３に接続されている。
パージ弁２４は、ＥＣＵ５０の制御部５１により適宜に開／閉されるようになっており、パージ弁２４が閉じられると、アノード１２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが配管２４ｃを介して、エゼクタ２３に戻され、水素が循環するようになっている。一方、パージ弁２４が開かれると、アノードオフガスが配管２４ｂを介して希釈器３２に供給されるようになっている。
パージ弁２４は、ＥＣＵ５０の制御部５１により適宜に開／閉されるようになっており、パージ弁２４が閉じられると、アノード１２から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが配管２４ｃを介して、エゼクタ２３に戻され、水素が循環するようになっている。一方、パージ弁２４が開かれると、アノードオフガスが配管２４ｂを介して希釈器３２に供給されるようになっている。
圧力センサ２５（第２圧力検出手段）は、配管２４ａに設けられており、パージ弁２４の直上流側の直上流側圧力を検出するようになっている。圧力センサ２６（第１圧力検出手段）は、配管２４ｂに設けられており、パージ弁２４の直下流側の直下流側圧力を検出するようになっている。また、圧力センサ２５および圧力センサ２６は、ＥＣＵ５０の制御部５１と接続しており、制御部５１は上流側圧力および下流側圧力を監視するようになっている。
＜カソード系＞
カソード系３０は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、反応ガス供給手段）と、希釈器３２とを主に備えている。コンプレッサ３１は、酸素（反応ガス）を含む外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介してカソード１３に接続されている。配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード１３に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
カソード系３０は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、反応ガス供給手段）と、希釈器３２とを主に備えている。コンプレッサ３１は、酸素（反応ガス）を含む外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介してカソード１３に接続されている。配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード１３に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
一方、カソード１３の下流側には、配管３２ａを介して、希釈器３２が接続されている。希釈器３２は、アノード系２０からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、カソード１３から排出されたカソードオフガス（希釈用ガス）と、アノード系２０からの水素を含むアノードオフガスとが導入され、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスによって希釈され、水素濃度が所定濃度以下に低下した希釈ガスとなった後、排気されるになっている。
＜大気圧センサ＞
大気圧センサ４１は、大気圧を検出するセンサであり、燃料電池自動車の適所に設けられている。大気圧センサ４１は、ＥＣＵ５０の制御部５１と接続しており、制御部５１は大気圧を監視するようになっている。
大気圧センサ４１は、大気圧を検出するセンサであり、燃料電池自動車の適所に設けられている。大気圧センサ４１は、ＥＣＵ５０の制御部５１と接続しており、制御部５１は大気圧を監視するようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成され、制御部５１（制御手段）と、制御データ記憶部５２とを備えている。
ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成され、制御部５１（制御手段）と、制御データ記憶部５２とを備えている。
［制御部］
制御部５１は、遮断弁２２、パージ弁２４およびコンプレッサ３１と接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。また、制御部５１は、圧力センサ２５、２６および大気圧センサ４１と接続しており、各圧力を監視するようになっている。さらに、制御部５１は、各圧力に基づいて、パージ弁２４の作動条件を決定するようになっている。
制御部５１は、遮断弁２２、パージ弁２４およびコンプレッサ３１と接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。また、制御部５１は、圧力センサ２５、２６および大気圧センサ４１と接続しており、各圧力を監視するようになっている。さらに、制御部５１は、各圧力に基づいて、パージ弁２４の作動条件を決定するようになっている。
［制御データ記憶部］
制御データ記憶部５２には、予備実験やシミュレーションによって求めされた、基準水素排出時間（秒／回）と、基準水素排出インターバル（秒）と、所定最低圧力とが記憶されている。基準水素排出時間（秒／回）は、基準圧下において、１回あたりのアノードオフガス（水素）の排出に際して、パージ弁２４が継続して開かれる時間である。基準圧は、基準となる大気（外気）圧力であり、例えば、標高１００ｍにおける大気圧力である。基準水素排出インターバルは、基準圧下において、パージ弁２４を開く間隔である。所定最低圧力は、例えば、燃料電池自動車の走行が保障される範囲における最低大気圧力（例えば、標高２０００ｍにおける大気圧力）である。
制御データ記憶部５２には、予備実験やシミュレーションによって求めされた、基準水素排出時間（秒／回）と、基準水素排出インターバル（秒）と、所定最低圧力とが記憶されている。基準水素排出時間（秒／回）は、基準圧下において、１回あたりのアノードオフガス（水素）の排出に際して、パージ弁２４が継続して開かれる時間である。基準圧は、基準となる大気（外気）圧力であり、例えば、標高１００ｍにおける大気圧力である。基準水素排出インターバルは、基準圧下において、パージ弁２４を開く間隔である。所定最低圧力は、例えば、燃料電池自動車の走行が保障される範囲における最低大気圧力（例えば、標高２０００ｍにおける大気圧力）である。
また、制御データ記憶部５２には、図２に示すように、大気圧補正係数を算出するためのマップが記憶されている。大気圧補正係数は、パージ弁２４の作動条件（パージ弁２４の開時間である水素排出時間指令値（秒／回）、パージ弁２４を開く間隔である水素排出インターバル指令値（秒））を決定するための係数である。この大気圧補正係数は、燃料電池自動車が高地を走行し外気圧力が低くなるほど、小さくなる傾向を有している。また、大気圧補正係数は、パージ弁２４の前後差圧が大きくなるほど、小さくなる傾向を有している。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図３および図４を主に参照して説明する。
次に、燃料電池システム１の動作について、図３および図４を主に参照して説明する。
＜基本動作＞
まず、図３を参照して、燃料電池システム１の基本動作を説明する。なお、燃料電池自動車（燃料電池システム１）は、起動中、各ステップの処理を繰り返している。
ステップＳ１０において、制御部５１は、内蔵するクロックを利用して、タイマを始動させる。そして、ステップＳ２０において、制御部５１は、タイマ始動後、所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ２０・Ｙｅｓ）、ステップＳ３０に進む。所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ２０・Ｎｏ）、ステップＳ２０の判定を繰り返す。
まず、図３を参照して、燃料電池システム１の基本動作を説明する。なお、燃料電池自動車（燃料電池システム１）は、起動中、各ステップの処理を繰り返している。
ステップＳ１０において、制御部５１は、内蔵するクロックを利用して、タイマを始動させる。そして、ステップＳ２０において、制御部５１は、タイマ始動後、所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過したと判定した場合（Ｓ２０・Ｙｅｓ）、ステップＳ３０に進む。所定時間が経過していないと判定した場合（Ｓ２０・Ｎｏ）、ステップＳ２０の判定を繰り返す。
ステップＳ３０において、制御部５１は、パージ弁２４の作動条件を決定する。具体的には、後で説明する。ステップＳ４０において、制御部５１は、ステップＳ３０で決定した作動条件に従って、所定時間の間、パージ弁２４を制御する。その後、タイマをリセットし（Ｓ５０）、リターンに進んだ後、スタートに戻る。
＜パージ弁の作動条件決定＞
次に、図４を参照して、パージ弁２４の作動条件決定処理Ｓ３０について説明する。
ステップＳ３１において、制御部５１は、制御データ記憶部５２から、基準水素排出時間（秒／回）と、水素排出インターバル（秒）とを読み出す。
次に、図４を参照して、パージ弁２４の作動条件決定処理Ｓ３０について説明する。
ステップＳ３１において、制御部５１は、制御データ記憶部５２から、基準水素排出時間（秒／回）と、水素排出インターバル（秒）とを読み出す。
ステップＳ３２において、制御部５１は、大気圧センサ４１が故障しているか否かを判定する。大気圧センサ４１は故障していると判定した場合（Ｓ３２・Ｙｅｓ）、ステップＳ３４に進む。なお、大気圧センサ４１が故障していると判定される場合は、例えば、大気圧センサ４１から検出信号が送られてこない場合である。一方、大気圧センサ４１は故障していない、つまり、正常であると判定した場合（Ｓ３２・Ｎｏ）、ステップＳ３３に進む。
ステップＳ３３において、制御部５１は、大気圧補正係数の算出に使用する外気圧力に、大気圧センサ４１が検出した大気圧力を代入する。
ステップＳ３４において、制御部５１は、前記外気圧力に、制御データ記憶部５２に記憶された所定最低圧力を代入する。
ステップＳ３４において、制御部５１は、前記外気圧力に、制御データ記憶部５２に記憶された所定最低圧力を代入する。
ステップＳ３５において、制御部５１は、図２に示すマップを参照して、外気圧力と、パージ弁２４の前後差圧とから、大気圧補正係数を算出する。このように、外気圧力と、パージ弁２４の前後差圧とから補正することにより、より好適に大気圧補正係数を算出することができる。
ステップＳ３６において、制御部５１は、パージ弁２４の作動条件である水素排出時間指令値（秒／回）と水素排出インターバル指令値（秒）とを、次の式（１）、式（２）に従って、算出する。
水素排出時間指令値（秒／回）＝基準水素排出時間（秒／回）×大気圧補正係数 …（１）
水素排出インターバル指令値（秒）＝基準水素排出インターバル（秒）×大気圧補正係数 …（２）
水素排出インターバル指令値（秒）＝基準水素排出インターバル（秒）×大気圧補正係数 …（２）
その後、リターンに進んだ後、図３のステップＳ４０に移行する。
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の一動作例について、図５を主に参照して、燃料電池自動車が低地走行する場合、高地走行する場合の順で説明する。なお、参照する図５は、大気圧以外の条件、つまり、パージ弁２４の前後差圧、アノードオフガスの温度、水素の湿度を同一とした場合を記載している。
次に、燃料電池システム１の一動作例について、図５を主に参照して、燃料電池自動車が低地走行する場合、高地走行する場合の順で説明する。なお、参照する図５は、大気圧以外の条件、つまり、パージ弁２４の前後差圧、アノードオフガスの温度、水素の湿度を同一とした場合を記載している。
＜低地走行＞
燃料電池自動車が低地を走行する場合、外気圧力（大気圧）は基準圧より高くなり、大気圧補正係数は大きくなる（図２参照）。そうすると、図５（ａ）に示すように、水素排出時間指令値ｔ１（秒／回）は、基準水素排出時間ｔ０（秒／回）より長くなる。また、水素排出インターバル指令値ｔ１１（秒）は、基準水素排出インターバルｔ１０（秒）よりも長くなる。
燃料電池自動車が低地を走行する場合、外気圧力（大気圧）は基準圧より高くなり、大気圧補正係数は大きくなる（図２参照）。そうすると、図５（ａ）に示すように、水素排出時間指令値ｔ１（秒／回）は、基準水素排出時間ｔ０（秒／回）より長くなる。また、水素排出インターバル指令値ｔ１１（秒）は、基準水素排出インターバルｔ１０（秒）よりも長くなる。
このように、外気圧力が高く、パージ弁２４からアノードオフガス（水素）が排出されにくい場合、パージ弁２４を開く時間である水素排出時間指令値ｔ１（秒／回）を長く設定することにより、外気圧力に対応したアノードオフガスが希釈器３２に送り込まれ、希釈器３２の希釈能力を有効利用しつつ、アノードオフガスを希釈した後に排気することができる。すなわち、外気圧力に対応した量のアノードオフガスが希釈器３２に送り込まれることにより、希釈器３２の下流側における希釈ガス中の水素濃度を、その排出が許容される許容水素濃度に近づけつつ、アノードオフガス（水素）を効率的に排出し（図５（ｃ）参照）、燃料電池１０の発電効率の回復を図ることができる。また、許容水素濃度に近づけることにより、パージ弁２４の開閉回数を必要最小限にすることができ、パージ弁２４の耐久性を高めることができる。
＜高地走行＞
燃料電池自動車が高地を走行する場合、外気圧力（大気圧）は基準圧より低くなり、大気圧補正係数は小さくなる（図２参照）。そうすると、図５（ｂ）に示すように、水素排出時間指令値ｔ２（秒／回）は、基準水素排出時間ｔ０（秒／回）より短くなる。また、水素排出インターバル指令値ｔ１２（秒）は、基準水素排出インターバルｔ１０（秒）よりも短くなる。
燃料電池自動車が高地を走行する場合、外気圧力（大気圧）は基準圧より低くなり、大気圧補正係数は小さくなる（図２参照）。そうすると、図５（ｂ）に示すように、水素排出時間指令値ｔ２（秒／回）は、基準水素排出時間ｔ０（秒／回）より短くなる。また、水素排出インターバル指令値ｔ１２（秒）は、基準水素排出インターバルｔ１０（秒）よりも短くなる。
このように、外気圧力が低く、パージ弁２４からアノードオフガス（水素）が排出されやすい場合、パージ弁２４を開く時間である水素排出時間指令値ｔ２（秒／回）を短く設定することにより、外気圧力に対応したアノードオフガスが希釈器３２に送り込まれる。すなわち、外気圧力に対応した量のアノードオフガスが希釈器３２に送り込まれることにより、希釈器３２の下流側における希釈ガスの水素濃度を、許容水素濃度に近づけつつ、アノードオフガス（水素）を効率的に排出し（図５（ｃ）参照）、燃料電池１０の発電効率の回復を図ることができる。また、許容水素濃度に近づけることにより、パージ弁２４の開閉回数を必要最小限にすることができ、耐久性が高まる。
また、標高が低く、外気圧力が高い場合、水素排出インターバル指令値ｔ１１（秒）が長くなる。一方、標高が高く、外気圧力が低い場合、水素排出インターバル指令値ｔ１２（秒）が短くなる。これにより、大気圧力に依存することなく、図４のステップＳ４０においてパージ弁２４の制御を実施する所定時間（単位時間Ｔ、例えば５分間）あたりのアノードオフガス（水素）の排出量を、つまり、パージ弁２４の一連の開／閉動作によって排出されるアノードオフガスの総排出量を一定にすることができる。
以上をまとめると、次の表１のようになる。
以上をまとめると、次の表１のようになる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することもできる。
前記した実施形態では、（１）標高が低く外気圧力が高い場合、パージ弁２４の開時間である水素排出時間指令値（秒／回）を長くすることで、パージ弁２４の１回の開によるアノードオフガスの排出量（Ｌ／回）を多くしつつ、水素排出インターバル指令値（秒）を長くし、一方、（２）標高が高く外気圧力が低い場合、水素排出時間指令値（秒／回）を短くすることで、パージ弁２４の１回の開によるアノードオフガスの排出量（Ｌ／回）を少なくしつつ、水素排出インターバル指令値（秒）を短くすることにより、外気圧力（大気圧）の高低に関わらず、単位時間Ｔあたりのアノードオフガスの総排出量を一定にする構成を採用したが、単位時間Ｔあたりのアノードオフガスの総排出量が一定でなくてもよければ、他の構成を採用することができる。
例えば、水素排出インターバル指令値（秒）を固定値として、外気圧力に対応して、水素排出時間指令値（秒／回）を制御することで、パージ弁２４から排出されるアノードオフガスの排出量を制御する構成としてもよい。
その他、外気圧力の高低に関わらず、予想される最低大気圧力において、高濃度の水素が排出されない水素排出時間指令値（秒／回）、つまり、アノードオフガスの排出量（Ｌ／回）を固定値とし、外気圧力に対応して、水素排出インターバル指令値（秒）を制御することで、アノードオフガスの排出量を制御する構成を採用してもよい。
その他、外気圧力の高低に関わらず、予想される最低大気圧力において、高濃度の水素が排出されない水素排出時間指令値（秒／回）、つまり、アノードオフガスの排出量（Ｌ／回）を固定値とし、外気圧力に対応して、水素排出インターバル指令値（秒）を制御することで、アノードオフガスの排出量を制御する構成を採用してもよい。
前記した実施形態では、特許請求の範囲における下流側圧力が、圧力センサ２６が検出するパージ弁２４の直下流側の圧力である場合について説明したが、これに限定されず、特許請求の範囲における下流側圧力は、大気圧センサ４１が検出する大気圧であってもよい。
前記した実施形態では、本発明を、水素循環方式を採用する燃料電池システム１のアノード１２側に適用したが、その他に例えば、酸素（反応ガス）を含む空気が供給されるカソード１３側に適用してもよいし、アノード１２側およびカソード１３側の両方に適用してもよい。
ここで、カソード１３側に適用する場合について説明すると、燃料電池１０から排出されたカソードオフガス中の酸素（未反応の反応ガス）の利用効率を高めるべく、カソードオフガスが循環し、循環するカソード１３側のガスが排出弁（排出手段）の開／閉により希釈器３２に供給される燃料電池システムにおいて、前記排出弁の制御に本発明を適用してもよい。
ここで、カソード１３側に適用する場合について説明すると、燃料電池１０から排出されたカソードオフガス中の酸素（未反応の反応ガス）の利用効率を高めるべく、カソードオフガスが循環し、循環するカソード１３側のガスが排出弁（排出手段）の開／閉により希釈器３２に供給される燃料電池システムにおいて、前記排出弁の制御に本発明を適用してもよい。
前記した実施形態では、パージ弁２４を開く時間によって、アノードオフガスの排出量を制御するとしたが、その他に例えば、パージ弁２４の開度を調整することで排出量を制御してもよい。
前記した実施形態では、図３のステップＳ１０、Ｓ２０に示すように、パージ弁２４の作動条件を決定するタイミングをタイマで管理したが、この他に例えば、燃料電池１０（スタック）の単セルの出力電圧を検出するセル電圧モニタを設け、単セルの出力電圧が所定電圧未満となった場合に、パージ弁２４の作動条件を決定する構成としてもよい。
その他、燃料電池１０の上流側に水素センサを設け、燃料電池１０に供給される水素の水素濃度が所定水素濃度未満となった場合に、パージ弁２４の作動条件を決定する構成としてもよい。
その他、燃料電池１０の上流側に水素センサを設け、燃料電池１０に供給される水素の水素濃度が所定水素濃度未満となった場合に、パージ弁２４の作動条件を決定する構成としてもよい。
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他の移動体（例えば自動二輪車）に搭載された場合であってもよい。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２４ パージ弁（排出手段）
２４ｃ 配管（循環手段）
２５ 圧力センサ（第２圧力検出手段）
２６ 圧力センサ（第１圧力検出手段）
３２ 希釈器
４１ 大気圧センサ
５０ ＥＣＵ
５１ 制御部（制御手段）
５２ 制御データ記憶部
ｔ０ 基準水素排出時間
ｔ１、ｔ２ 水素排出時間指令値
ｔ１０ 基準水素排出インターバル
ｔ１１、ｔ１１ 水素排出インターバル指令値
Ｔ 単位時間
１０ 燃料電池
２４ パージ弁（排出手段）
２４ｃ 配管（循環手段）
２５ 圧力センサ（第２圧力検出手段）
２６ 圧力センサ（第１圧力検出手段）
３２ 希釈器
４１ 大気圧センサ
５０ ＥＣＵ
５１ 制御部（制御手段）
５２ 制御データ記憶部
ｔ０ 基準水素排出時間
ｔ１、ｔ２ 水素排出時間指令値
ｔ１０ 基準水素排出インターバル
ｔ１１、ｔ１１ 水素排出インターバル指令値
Ｔ 単位時間
Claims (2)
- 反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の反応ガスを前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、
循環するガスを排出する排出手段と、
前記排出手段の下流側の下流側圧力を検出する第１圧力検出手段と、
前記下流側圧力に基づいて、前記排出手段により排出するガスの排出量、及び、前記排出手段により排出する排出間隔を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記下流側圧力が低いほど、前記排出手段による１回あたりの排出量が少なく、かつ、前記排出間隔が短くなるように制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された未反応の反応ガスを前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、
循環するガスを排出する排出手段と、
前記排出手段の下流側の下流側圧力を検出する第１圧力検出手段と、
前記排出手段の上流側の上流側圧力を検出する第２圧力検出手段と、
前記下流側圧力と前記上流側圧力との差圧に基づいて、前記排出手段により排出するガスの排出量、及び、前記排出手段により排出する排出間隔を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記差圧が大きいほど、前記排出手段による１回あたりの排出量が少なく、かつ、前記排出間隔が短くなるように制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
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