(57)【要約】【課題】  簡易な構成で燃料電池の水素極出口側の水素濃度あるいは水素濃度に関連する物理量を検出し、燃料電池の水素排出量を抑制する。【解決手段】  オフガスを燃料電池１０から排出させるオフガス排出経路３１、４８と、オフガス排出経路３１、４８からオフガスを外部に放出させるオフガス放出手段３６、４２と、オフガスの圧力を検出するオフガス圧力検出手段３７と、オフガス放出を行う前後のオフガス圧力変化量を求めるオフガス圧力変化量演算手段４０と、オフガス圧力変化量とオフガス放出前のオフガス圧力とに基づいてオフガス密度を演算するオフガス密度演算手段４０とを設ける。さらに、オフガス密度に基づいてオフガス中の水素濃度を演算する水素濃度演算手段４０を設ける。オフガス密度あるいは水素濃度に基づいてパージ処理を行う。【選択図】        図１
2006164562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を有する燃料電池システムであって、
水素供給装置（３２）から水素供給経路（３０）を介して前記燃料電池（１０）に供給された水素のうち、前記化学反応に用いられなかった未反応水素と水素以外の不純物とを含んだオフガスを前記燃料電池（１０）から排出させるオフガス排出経路（３１、４８）と、
前記オフガス排出経路（３１、４８）と外部とを連通あるいは遮断させることができ、前記オフガス排出経路（３１、４８）と外部とを所定時間連通させてオフガスを前記オフガス排出経路（３１、４８）から外部に放出させるオフガス放出手段（３６、４２）と、
前記オフガス排出経路（３１、４８）におけるオフガスの圧力を検出するオフガス圧力検出手段（３７）と、
前記オフガス放出手段（３６、４２）でオフガスの放出を行う前後におけるオフガスの圧力変化量を求めるオフガス圧力変化量演算手段（４０）と、
オフガスの圧力変化量と前記オフガス放出手段（３６、４２）によりオフガスの放出を行う前のオフガス圧力とに基づいてオフガス密度を演算するオフガス密度演算手段（４０）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
オフガス密度演算手段（４０）にて演算したオフガス密度に基づいてオフガス中の水素濃度を演算する水素濃度演算手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記オフガス排出経路（３１、４８）におけるオフガスの温度を検出するオフガス温度検出手段（４２）を備え、
前記水素濃度演算手段（４０）は、前記オフガス温度検出手段（４２）にて検出したオフガスの温度と、前記オフガス密度演算手段（４０）にて演算したオフガス密度とに基づいて、オフガス中の水素濃度を演算することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記オフガス排出経路（３１、４８）におけるオフガスの湿度を検出するオフガス湿度検出手段（４７）を備え、
前記水素濃度演算手段（４０）は、前記オフガス湿度検出手段（４７）にて検出したオフガスの湿度と、前記オフガス密度演算手段（４０）にて演算したオフガス密度とに基づいて、オフガス中の水素濃度を演算することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記オフガス排出経路（３１、４８）から外部にオフガスを所定時間放出させてオフガスから不純物を除去するパージ処理を行うためのパージバルブ（３６）を備え、
前記オフガス放出手段はパージバルブ（３６）であり、前記所定時間は前記パージ処理を行うために必要な時間であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記オフガス排出経路（３１、４８）から外部にオフガスを所定時間放出させてオフガスから不純物を除去するパージ処理を行うためのパージバルブ（３６）を備え、
前記オフガス放出手段はパージバルブ（３６）であり、前記所定時間は前記パージ処理を行うために必要な時間より短い時間であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記オフガス排出経路（３１、４８）から外部にオフガスを所定時間放出させてオフガスから不純物を除去するパージ処理を行うためのパージバルブ（３６）と、前記パージバルブ（３６）より流路断面積が小さい小径バルブ（４２）とを備え、
前記オフガス放出手段は、前記小径バルブ（４２）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記オフガス圧力変化量演算手段（４０）は、オフガス圧力検出手段（３７）で検出した前記オフガス放出手段（３６、４２）でオフガスの放出を行う前後のオフガスの圧力からオフガスの圧力変化量を求めることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記オフガス放出手段（３６、４２）のオフガス流れの下流側に配置され、前記オフガス排出経路（３１、４８）より容積が小さい圧力検出用容器（４３）と、前記圧力検出用容器（４３）内の圧力を検出する容器圧力検出手段（４５）とを備え、
前記オフガス圧力変化量演算手段（４０）は、前記オフガス放出手段（３６、４２）でオフガスの放出を行う前後における前記圧力検出用容器（４３）内の圧力からオフガスの圧力変化量を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記圧力検出用容器（４３）は、オフガス流れの下流側に、前記オフガス放出手段（３６、４２）より流路断面積が小さいオリフィス部（４４）を備えていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記圧力検出用容器（４３）は、オフガス流れの下流側に、出口開閉弁（４６）を備えていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記パージバルブ（３６）の開閉制御を行うパージ制御手段（３９）を備え、前記パージ制御手段（３９）は、前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度に基づいて前記パージ処理を行うタイミングを決定することを特徴とする請求項５ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記パージバルブ（３６）の開閉制御を行うパージ制御手段（３９）を備え、前記パージ制御手段（３９）は、前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度が所定オフガス密度を上回っている場合に前記パージ処理を行うことを特徴とする請求項５ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記パージバルブ（３６）の開閉制御を行うパージ制御手段（３９）を備え、前記パージ制御手段（３９）は、前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度に基づいて、前記パージ処理を行う際の前記パージバルブ（３６）の開放時間を決定することを特徴とする請求項５ないし１３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記パージバルブ（３６）の開閉制御を行うパージ制御手段（３９）を備え、前記パージ制御手段（３９）は、前記水素濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の水素濃度に基づいて前記パージ処理を行うタイミングを決定することを特徴とする請求項５ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記パージバルブ（３６）の開閉制御を行うパージ制御手段（３９）を備え、前記パージ制御手段（３９）は、前記水素濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の水素濃度が所定水素濃度を下回っている場合に前記パージ処理を行うことを特徴とする請求項５ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記パージバルブ（３６）の開閉制御を行うパージ制御手段（３９）を備え、前記パージ制御手段（３９）は、前記水素濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の水素濃度に基づいて、前記パージ処理を行う際の前記パージバルブ（３６）の開放時間を決定することを特徴とする請求項５ないし１１、１５、１６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記水素供給装置（３２）から前記燃料電池（１０）への水素供給圧を制御する水素供給圧制御手段（３４、３９）を備え、
前記水素供給圧制御手段（３４、３９）は、前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度に基づいて前記燃料電池（１０）への水素供給圧を制御することを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記水素供給圧制御手段（３４、３９）は、オフガス密度が一定になるように前記水素供給圧を制御することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記水素供給装置（３２）から前記燃料電池（１０）への水素供給圧を制御する水素供給圧制御手段（３４、３９）を備え、
前記水素供給圧制御手段（３４、３９）は、前記水素濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の水素濃度に基づいて前記燃料電池（１０）への水素供給圧を制御することを特徴とする請求項２ないし１７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記水素供給圧制御手段（３４、３９）は、オフガス中の水素濃度が一定になるように前記水素供給圧を制御することを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度に基づいて前記燃料電池（１０）の発電許可を行う発電許可手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１ないし２１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記水素濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の水素濃度に基づいて前記燃料電池（１０）の発電許可を行う発電許可手段（４０）を備えることを特徴とする請求項２ないし２１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度の単位時間当たりの変化率を検出し、前記オフガス密度の変化率に基づいて前記燃料電池（１０）の異常発生を診断する燃料電池異常診断手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記水素濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の水素濃度の単位時間当たりの変化率を検出し、前記水素濃度の変化率に基づいて前記燃料電池（１０）の異常発生を診断する燃料電池異常診断手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１ないし２３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記オフガス密度演算手段（４０）で演算したオフガス密度に基づいてオフガス中の水素以外の不純物濃度を演算する不純物濃度演算手段（４０）と、
不純物濃度演算手段（４０）で演算したオフガス中の不純物濃度の単位時間当たりの変化率を検出し、前記オフガス中の不純物濃度の変化率に基づいて前記燃料電池（１０）の異常発生を診断する燃料電池異常診断手段（４０）を備えることを特徴とする請求項１ないし２５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項１ないし２６のいずれか１つに記載の燃料電池システムを備える移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電力を発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体発電機、あるいは家庭用小型発電機に好適である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の燃料利用率と発電効率の低下防止のため、燃料電池の水素極から排出されるオフガスをポンプ装置により吸引し、そのオフガスを供給燃料に混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムが知られている。オフガスを再循環させるためのポンプ装置には、供給燃料の流体エネルギを利用して省動力化を図ることができるため、エジェクタポンプが主に用いられている。
【０００３】
ところで、燃料電池の電解質膜などを介した空気の透過等が原因で窒素等の不純物がオフガスの循環経路内に蓄積され、それにより循環オフガスの水素濃度が低下して、燃料電池の出力が低下することが知られている。また、燃料電池に供給される水素の量が不足する場合、燃料電池の水素出口側で燃料不足となり、これにより、燃料電池の出力が不安定になるだけでなく、出力密度が不均一になって電解質膜が劣化してしまう。
【０００４】
このような問題に対し、燃料ガスの消費量に比例して循環ガスの一部を放出することで微量のガスとともに不純物を放出する装置が提案されている（特許文献１参照）。また、燃料電池の発電電圧の低下が検出された場合に、水素循環系に設けられたパージバルブを開弁するパージ処理を行って不純物を大気に放出する装置も提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５４−１４４９３７号公報
【特許文献２】特開２０００−２４３４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の微量ガスを定常的に放出する構成では、オフガスの水素濃度が高く、パージ処理により不純物を放出する必要のない場合においても、高濃度の水素を含むオフガスを排出することになり、効率の低下につながる。
【０００６】
また、上記特許文献２の燃料電池の発電電圧低下に基づいてパージバルブを開放する構成では、排出水素量を抑制することは可能となるが、水素不足によるセル電圧の低下が短時間とはいえ発生することになり、燃料電池の劣化を促進することになり、耐久上好ましくない。
【０００７】
本発明は上記点に鑑み、簡易な構成で燃料電池の水素極出口側の水素濃度あるいは水素濃度に関連する物理量を検出することを目的とする。また、燃料電池の水素排出量を抑制することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、オフガスを燃料電池（１０）から排出させるオフガス排出経路（３１、４８）と、オフガス排出経路（３１、４８）と外部とを連通あるいは遮断させることができ、オフガス排出経路（３１、４８）と外部とを所定時間連通させてオフガスをオフガス排出経路（３１、４８）から外部に放出させるオフガス放出手段（３６、４２）と、オフガス排出経路（３１、４８）におけるオフガスの圧力を検出するオフガス圧力検出手段（３７）と、オフガスの放出を行う前後におけるオフガスの圧力変化量を求めるオフガス圧力変化量演算手段（４０）と、オフガスの圧力変化量とオフガスの放出を行う前のオフガス圧力とに基づいてオフガス密度を演算するオフガス密度演算手段（４０）とを備えることを特徴としている。
【０００９】
以上の構成により、オフガスの圧力降下量に基づいてオフガス中の水素濃度に関連する物理量であるオフガス密度を得ることができる。これにより、簡易な構成で燃料電池の水素極側のオフガス密度を検出することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明のように、オフガス密度に基づいてオフガス中の水素濃度を演算する水素濃度演算手段（４０）を設けることで、簡易な構成で燃料電池の水素極側のオフガス中の水素密度を検出することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明のように、オフガスの温度とオフガス密度とに基づいて、オフガス中の水素濃度を演算することで、オフガス密度から水蒸気の影響を除去して正確にオフガス中の水素濃度を算出することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明のように、オフガスの湿度とオフガス密度とに基づいて、オフガス中の水素濃度を演算するで、オフガス密度から水蒸気の影響を除去して正確にオフガス中の水素濃度を算出することができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明のように、オフガス放出手段はパージ処理を行うためのパージバルブ（３６）であり、所定時間はパージ処理を行うために必要な時間とすることで、パージ処理を行う際にオフガス中の水素濃度あるいは水素濃度に関連する物理量であるオフガス密度を求めることができる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明のように、オフガス放出手段はパージ処理を行うためのパージバルブ（３６）であり、所定時間はパージ処理を行うために必要な時間より短い時間とすることで、水素濃度（オフガス密度）の検出のために放出されるオフガス量を少なくすることができ、水素濃度（オフガス密度）を頻繁にモニタリングすることが可能となる。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、オフガス放出手段は、パージバルブ（３６）より流路断面積が小さい小径バルブ（４２）であることを特徴としている。このように、流路断面積が小さい小径バルブ（４２）を用いることで、水素濃度（オフガス密度）の検出のために放出されるオフガス量を少なくすることができ、水素濃度（オフガス密度）を頻繁にモニタリングすることが可能となる。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明のように、オフガス放出手段（３６、４２）でオフガスの放出を行う前後のオフガスの圧力からオフガスの圧力変化量を求めることができる。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、オフガス放出手段（３６、４２）のオフガス流れの下流側に配置され、オフガス排出経路（３１、４８）より容積が小さい圧力検出用容器（４３）と、圧力検出用容器（４３）内の圧力を検出する容器圧力検出手段（４５）とを備え、オフガス圧力変化量演算手段（４０）は、オフガスの放出を行う前後における圧力検出用容器（４３）内の圧力からオフガスの圧力変化量を求めるように構成されていることを特徴としている。
【００１８】
このように、オフガス排出経路（３１、４８）より容積が小さい圧力検出用容器（４３）を用いることで、パージ処理の前後における圧力変化量を大きくすることができ、水素濃度（オフガス密度）をより正確に求めることができる。
【００１９】
また、請求項１０に記載の発明のように、圧力検出用容器（４３）におけるオフガス流れの下流側に、オフガス放出手段（３６、４２）より流路断面積が小さいオリフィス部（４４）を設けることで、オフガス放出手段（３６、４２）によりオフガスを放出した際に、圧力検出用容器（４３）内の圧力を効率よく上昇させることができる。
【００２０】
また、請求項１１に記載の発明のように、圧力検出用容器（４３）におけるオフガス流れの下流側に出口開閉弁（４６）を設けることで、圧力検出用容器（４３）内の圧力をより効率よく上昇させることができる。
【００２１】
また、請求項１２または１５に記載の発明のように、オフガス密度あるいはオフガス中の水素濃度に基づいてパージ処理を行うタイミングを決定することで、パージ処理を適切な時期に行うことができる。これにより、パージ処理に伴って排出される水素量を抑制でき、さらに燃料電池（１０）のセル電圧が低下する前にパージ処理を行うことができる。
【００２２】
また、請求項１３または１６に記載の発明のように、オフガス密度が所定オフガス密度を上回っている場合あるいはオフガス中の水素濃度が所定水素濃度を下回っている場合にパージ処理を行うことで、パージ処理を適切な時期に行うことができる。これにより、パージ処理に伴って排出される水素量を抑制でき、さらに燃料電池（１０）のセル電圧が低下する前にパージ処理を行うことができる。
【００２３】
また、請求項１４または１７に記載の発明のように、オフガス密度またはオフガス中の水素濃度に基づいて、パージ処理を行う際のパージバルブ（３６）の開放時間を決定することで、適切にパージ処理を行う時間を決定することができる。これにより、パージ処理に伴って排出される水素量を抑制でき、さらに燃料電池（１０）のセル電圧が低下する前にパージ処理を行うことができる。
【００２４】
また、請求項１８または２０に記載の発明は、燃料電池（１０）への水素供給圧を制御する水素供給圧制御手段（３４、３９）を備え、水素供給圧制御手段（３４、３９）はオフガス密度あるいはオフガス中の水素濃度に基づいて燃料電池（１０）への水素供給圧を制御することを特徴としている。これにより、オフガス密度あるいはオフガス中の水素濃度から燃料電池（１０）への実際の水素供給圧を算出でき、燃料電池（１０）への水素供給圧を適切に制御することができる。
【００２５】
また、請求項１９または２１に記載の発明のように、水素供給圧制御手段（３４、３９）は、オフガス密度またはオフガス中の水素密度が一定になるように水素供給圧を制御するに構成することができる。
【００２６】
また、請求項２２または２３に記載の発明のように、オフガス密度あるいはオフガス中の水素濃度に基づいて燃料電池（１０）の発電許可を行う発電許可手段（４０）を設けることで、燃料電池（１０）の発電開始時期を適切に設定することができる。
【００２７】
また、請求項２４ないし２６に記載の発明は、オフガス密度、水素濃度あるいは窒素濃度の単位時間当たりの変化率に基づいて燃料電池（１０）の異常発生を診断する燃料電池異常診断手段（４０）を備えることを特徴としている。これにより、燃料電池（１０）の電解質膜の破損等の異常を検出することができる。
【００２８】
また、請求項２７に記載の発明のように、請求項１ないし２６のいずれか１つに記載の燃料電池システムを移動体に適用することができる。
【００２９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００３１】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータ、二次電池、補機等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００３２】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層され直列接続されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０の各セルでは、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
（水素極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０と、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２１が設けられている。
【００３３】
空気供給経路２０には、空気を圧送して燃料電池１０に空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２２としてコンプレッサを用いている。空気排出経路２１には、空気排出経路２１の流路断面積を調整することで燃料電池１０内の空気圧を調整する背圧調整弁２３が設けられている。
【００３４】
また、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０と、燃料電池１０の水素極側から排出される未反応水素を含んだオフガスを燃料電池１０の再供給するためのオフガス循環流路３１とが設けられている。オフガス循環経路３１は、燃料電池１０の水素極出口側と水素供給経路３０とを接続している。なお、本実施形態のオフガス循環経路３１は本発明のオフガス排出経路の一具体例を示している。
【００３５】
水素供給経路３０には、水素供給装置３２、水素供給経路３１を開閉する水素供給経路開閉弁３３、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する調圧弁３４が設けられている。本実施形態では、水素供給装置３２として水素ガスが充填された高圧水素タンクを用いている。水素供給経路３０におけるオフガス循環経路３１の合流点には、オフガスを循環させるためのエジェクタポンプ３５が設けられている。エジェクタポンプ３５は、水素供給装置３２から供給される水素の流体エネルギを利用してオフガスを吸引して循環させるものである。
【００３６】
オフガス循環流路３１には、オフガスを外部に排出するためのパージバルブ３６、オフガス循環流路３１におけるオフガスの圧力を測定するための圧力センサ３７、オフガス循環流路３１におけるオフガスの圧力を測定するための温度センサ３８が設けられている。燃料電池１０の運転に伴って燃料電池１０の水素極側に窒素等の不純物が蓄積され、燃料電池１０から排出されるオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなる。このため本実施形態では、パージバルブ３６を所定時間だけ開放するパージ処理を所定のタイミングで行い、水素濃度が低くなったオフガスの一部をオフガス循環流路３１から外部に放出している。本実施形態では、オリフィス径が６ｍｍのパージバルブ３６を用い、パージ処理を行う際のパージバルブ３６の開放時間を３００ｍｓｅｃ程度としている。なお、本実施形態のパージバルブ３６は本発明のオフガス放出手段の一具体例を示し、本実施形態の圧力センサ３７は本発明のオフガス圧力検出手段の一具体例を示し、本実施形態の温度センサ３８は本発明のオフガス温度検出手段の一具体例を示している。
【００３７】
さらに燃料電池システムには、パージバルブ３６の開閉制御を行うパージ制御装置３９と、オフガスの密度を演算する演算装置４０とが設けられている。オフガス密度は、パージバルブ３６のオリフィス径、流量係数、オフガスの圧力降下量等から求めることができる値である。流量係数は、パージバルブ３６の種類によって定まる値である。
【００３８】
オフガスの流量Ｇは、以下のモル重量を含む数式１で求めることができる。ただし、Ｃｖは流量係数、Ａはパージバルブ３６のオリフィス径、Ｐｎｉはパージバルブ３６通過前のオフガスの圧力、Ｐｎｏはパージバルブ３６通過後のオフガスの圧力、Ｍはオフガスのモル重量である。なお、本明細書中ではオフガスの密度とモル重量を同義で用いている。
（数式１）
Ｇ＝２２６・Ｃｖ・Ａ・｛Ｐｎｏ・（Ｐｎｉ−Ｐｎｏ）・（２７３／Ｔ）・（２８．８／Ｍ｝1/2
オフガスの流量Ｇはパージバルブ３６を通過する前後のオフガスの圧力差（Ｐｎｉ−Ｐｎｏ）のみから求めることができるので、パージバルブ３６を通過する前後のオフガスの圧力差（Ｐｎｉ−Ｐｎｏ）と、オフガスの温度Ｔとを測定することで、オフガスの密度（モル重量）を求めることができる。
【００３９】
また、オフガス中に水素と不純物としての窒素のみが含まれているとした場合、オフガスのモル濃度からオフガス中に含まれる水素濃度を算出することができる。ここで水素濃度とは、オフガス中に含まれる水素のモル数をオフガス全体のモル数で除した値である。オフガス中に水素と窒素のみが含まれているとした場合のモル重量Ｍは、以下の数式２で求めることができる。ただし、ＸH2は水素濃度であり、ＸN2は窒素濃度である。
（数式２）
Ｍ＝２×ＸH2＋２８×ＸN2
数式２における窒素濃度ＸN2は、ＸN2＝１−ＸH2であるので、数式２から水素濃度を求めることができる。なお、本実施形態のパージ制御装置３９は本発明のパージ制御手段の一具体例を示し、本実施形態の演算装置４０は本発明のオフガス圧力変化量演算手段およびオフガス密度手段の一具体例を示している。
【００４０】
水素濃度が高いほどオフガス密度が小さくなり、水素濃度が低いほどオフガス密度が大きくなる。このように水素濃度とオフガス密度は反比例の関係にあり、オフガス密度はオフガス中の水素濃度に関連する物理量であるので、本実施形態では水素濃度の代わりにオフガス密度を用いてパージ処理の判定等を行っている。
【００４１】
パージ制御装置３９および演算装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。演算装置４０は、圧力センサ３７にて測定されたオフガスの圧力値および温度センサ３８にて測定されたオフガスの温度を入力信号としてオフガスの密度を演算し、この演算結果をパージ制御装置３９に出力する。パージ制御装置３９は、オフガスの密度に基づいてパージバルブ３６の開閉制御を行う。
【００４２】
次に、上記構成の燃料電池システムにおけるパージ処理を図２〜図５に基づいて説明する。図２は、パージ制御装置３９および演算装置４０が行うパージ処理の流れを示すフローチャートである。図３は、パージ処理の前後におけるオフガス循環流路３１内でのオフガスの圧力変化を示している。
【００４３】
まず、パージ処理を行う前のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ１００）。ここでは、パージバルブ３６を開放する直前のタイミングｔ１におけるオフガスの圧力を測定する。次に、パージバルブ３６を所定時間（本例では３００ｍｓｅｃ）開放してパージ処理を行う（Ｓ１０１）。これにより、オフガスの一部がオフガス循環流路３１から外部に放出されるので、オフガスの圧力は低下する。
【００４４】
次に、パージ処理を行った後のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ１０２）。ここでは、パージバルブ３６を閉鎖した直後のタイミングｔ２におけるオフガスの圧力を測定する。パージバルブ３６の閉鎖後は、オフガス循環流路３１に新たなオフガスが流入してくるので、オフガス循環流路３１内のオフガス圧力は再上昇する。不純物濃度が高くなったオフガスがパージ処理により外部に排出された後、新たに水素濃度の高いオフガスがオフガス循環流路３１に流入してくるので、オフガス循環流路３１内の水素濃度が高くなる。
【００４５】
次に、パージ処理前のオフガスの圧力値からパージ処理後のオフガスの圧力値を引いてパージ処理によるオフガスの圧力降下量を算出し（Ｓ１０３）、オフガスの温度を温度センサ３８にて測定し（Ｓ１０４）、オフガスの圧力降下量からオフガスの密度を算出する（Ｓ１０５）。オフガス密度は、パージバルブ３６のオリフィス径、流量係数、オフガスの圧力降下量から求めることができる値である。
【００４６】
ここで、オフガス密度の算出方法について説明する。図４は、オフガスの密度とパージ処理前後でのオフガスの圧力降下量との関係を示す特性図である。図４では、パージ処理前のオフガス圧力が２５０ｋＰａ・ａｂｓの場合と１８０ｋＰａ・ａｂｓの場合における圧力降下量を示している。
【００４７】
図４に示すように、オフガスの密度とパージ処理前後でのオフガスの圧力降下量との間には相関関係がある。パージバルブ３６を流れるオフガスのモル流量はオフガスの組成（密度）に依存している。具体的には、パージバルブ解放前のオフガス圧力が同一の条件下でオリフィス径が同じパージバルブ３６を同一時間だけ開放した場合、オフガスの密度が低いほど、オフガス循環流路３１から流出するオフガスのモル流量が多くなり、オフガスの密度が高いほど、オフガス循環流路３１から流出するオフガスのモル流量が少なくなる。この結果、オフガスの密度が低いほど、オフガスの圧力降下量が大きくなり、オフガスの密度が高いほど、オフガスの圧力降下量が小さくなる。換言すれば、オフガス中の水素濃度が高いほど、オフガスの圧力降下量が大きくなり、オフガス中の水素濃度が低いほど、オフガスの圧力降下量が小さくなる。
【００４８】
また、図４に示すように、オフガス密度とパージ処理前後でのオフガスの圧力降下量との間の相関関係は、パージ処理前のオフガスの圧力によって異なる。具体的には、同じオフガス密度でも、パージ処理前のオフガス圧力が高いほどオフガスの圧力降下量が大きくなり、パージ処理前のオフガス圧力が低いほどオフガスの圧力降下量が小さくなる。
【００４９】
本実施形態では、オフガス密度とパージ処理前後でのオフガスの圧力降下量とパージ処理前のオフガス圧力とが予め関連づけられた第１のマップを作成し。これを演算装置４０のＲＯＭに格納している。演算装置４０は、ステップＳ１０２で算出したオフガスの圧力降下量に基づいて第１のマップを用いてオフガス密度を演算する。これにより、パージ処理を行った際のオフガス密度が得られる。
【００５０】
次に、次回のパージ処理を行うタイミングを決定する（Ｓ１０６）。パージ処理は、オフガス中の水素濃度低下による燃料電池１０の電圧低下が発生する前のタイミングで行う。
【００５１】
図５は、次回のパージ処理までの時間とオフガス密度との関係を示す特性図である。図５に示すように、オフガス密度が高いほど、次回のパージ処理までの時間が短くなり、オフガス密度が低いほど、次回のパージ処理までの時間が長くなる
すなわち、オフガス密度が低い場合には、水素濃度が高く不純物濃度が低くなっている状態であり、燃料電池１０の運転に伴ってオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなるまでの時間が長くなるので、次回のパージ処理までの時間を長くすることができる。一方、オフガス密度が高い場合には、水素濃度が低く不純物濃度が高くなっている状態であり、燃料電池１０の運転に伴ってオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなるまでの時間が短くなるので、次回のパージ処理までの時間を短くする。
【００５２】
図５に示すパージ処理を行った際のオフガス密度と次回パージ処理が必要となるまでの時間との関係は予め実験的に求めておくことができる。本実施形態では、オフガス密度と次回パージ処理が必要となるまでの時間とが関係づけられた第２のマップを作成し、これをパージ制御部３９のＲＯＭに格納している。パージ制御部３９は、オフガス密度に基づいて、第２のマップを用いて次回のパージ処理までの時間を決定する。
【００５３】
以上の構成によれば、パージ処理前後におけるオフガスの圧力降下量を測定することで、オフガス中の水素濃度に関連する物理量であるオフガス密度を得ることができる。これにより、簡易な構成で燃料電池の水素極側のオフガス密度（水素濃度）を検出することができる。
【００５４】
また、オフガス密度（水素濃度）に基づいて次回のパージ処理までの時間を決定することで、パージ処理に伴って排出される水素量を抑制できるとともに、燃料電池１０のセル電圧が低下する前にパージ処理を行うことができる。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６、図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、オフガス密度を求めるためにパージバルブ３６による予備開放を行う点が異なっている。本第２実施形態の燃料電池システムの全体的な構成は、上記第１実施形態の構成と同様であるので説明を省略し、上記第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００５６】
本第２実施形態の燃料電池システムにおけるパージ処理を図６、図７に基づいて説明する。図６は、本第２実施形態のパージ制御装置３９および演算装置４０が行うパージ処理の流れを示すフローチャートである。図７は、パージバルブ３６の予備開放の前後におけるオフガス循環流路３１内でのオフガスの圧力変化を示している。以下の処理は、所定時間毎（例えば５分毎）に繰り返して行う。
【００５７】
まず、パージバルブ３６による予備開放を行う前のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ２００）。ここでは、パージバルブ３６を予備開放する直前のタイミングｔ１におけるオフガスの圧力を測定する。次に、パージバルブ３６を所定時間開放する予備開放を行う（Ｓ２０１）。予備開放によるパージバルブの開放時間は、パージ処理におけるパージバルブの開放時間（本例では３００ｍｓｅｃ）より短い時間（本例では５０ｍｓｅｃ）に設定されている。これにより、オフガスの一部がオフガス循環流路３１から外部に放出されるので、オフガスの圧力は若干低下する。
【００５８】
次に、パージバルブ３６の予備開放を行った後のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ２０２）。ここでは、パージバルブ３６を閉鎖した直後のタイミングｔ２におけるオフガスの圧力を測定する。
【００５９】
次に、予備開放前のオフガスの圧力値から予備開放後のオフガスの圧力値を引いてパージの予備開放によるオフガスの圧力降下量を算出し（Ｓ２０３）、オフガスの温度を温度センサ３８にて測定し（Ｓ２０４）、オフガスの圧力降下量からオフガスの密度を算出する（Ｓ２０５）。オフガスの圧力降下量に基づくオフガス密度の算出方法は、上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００６０】
次に、算出したオフガス密度が予め設定した所定オフガス密度を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０６）。ここで所定オフガス密度とは、パージ処理を行う必要があるか否かを判定するための基準となるオフガス密度であり、燃料電池１０の電圧低下が発生しない範囲でのオフガス密度の下限値として設定する。本例では所定値を０．５〔ｋｇ／ｍ3〕としている。
【００６１】
この結果、オフガス密度が予め設定した所定値を上回っていない場合には、上記ステップＳ２００に戻り、オフガス密度が予め設定した所定値を上回っている場合には、パージ処理を行う（Ｓ２０７）。
【００６２】
以上のように、パージバルブ３６を短時間開放する予備開放を行うことで、オフガス密度（水素濃度）の検出のために放出されるオフガスの量を少なくすることができ、オフガス密度（水素濃度）を頻繁にモニタリングすることが可能となる。これにより、例えば所定間隔毎にオフガス密度（水素濃度）の検出を行うことができ、より正確にオフガス密度（水素濃度）を検出することができる。
【００６３】
また、オフガス密度が所定オフガス密度を上回っている場合にパージ処理を行うことで、適切な時期にパージ処理を行うことができる。これにより、水素の排出量を抑制することができるとともに、燃料電池１０のセル電圧が低下する前にパージ処理を行うことができる。なお、水素濃度が所定水素濃度を下回っている場合にパージ処理を行うように構成してもよい。所定水素濃度は、パージ処理を行う必要があるか否かを判定するための基準となる水素濃度であり、燃料電池１０の電圧低下が発生しない範囲での水素濃度の上限値として設定すればよい。
【００６４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、水素濃度を求めるための小径バルブが設けられている点が主に異なる。以下、上記第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００６５】
図８は、本第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図８に示すように、本第３実施形態では、オフガス循環経路３１にオフガス循環ポンプ４１、小径バルブ４２が設けられている。オフガス循環ポンプ４１は、オフガスをオフガス循環経路３１内を循環させ、水素供給通路３０に合流させるためのものである。
【００６６】
小径バルブ４２は、オフガス密度を求めるためにオフガスを外部に排出させるものである。小径バルブ４２は、パージバルブ３６のオリフィス径（本例では６ｍｍ）より小さいオリフィス径（本例では２ｍｍ）を有しており、小径バルブ４２の流路断面積はパージバルブ３６より小さくなっている。小径バルブ４２の開閉制御は演算装置４０にて行われる。なお、本実施形態の演算装置４０は本発明の水素濃度演算手段の一具体例を示し、本実施形態の小径バルブ４２は本発明のオフガス放出手段の一具体例を示している。
【００６７】
図９は、本第３実施形態のパージ制御装置３９および演算装置４０が行うパージ処理の流れを示すフローチャートである。図１０は、小径バルブ４２の開放前後におけるオフガス循環流路３１内でのオフガスの圧力変化を示している。以下の処理は、所定時間毎（例えば５分毎）に繰り返して行う。
【００６８】
まず、小径バルブ４２の開放を行う前のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ３００）。ここでは、小径バルブ４２を予備開放する直前のタイミングｔ１におけるオフガスの圧力を測定する。次に、小径バルブ４２を所定時間（本例では１００ｍｓｅｃ）開放する（Ｓ３０１）。これにより、オフガスの一部がオフガス循環流路３１から外部に放出されるので、オフガスの圧力は若干低下する。
【００６９】
次に、小径バルブ４２の開放を行った後のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ３０２）。ここでは、小径バルブ４２を閉鎖した直後のタイミングｔ２におけるオフガスの圧力を測定する。そして、小径バルブ４２の開放前後のオフガスの圧力差からオフガスの圧力降下量を算出し（Ｓ３０３）、オフガス温度を温度センサ３８にて測定し（Ｓ３０４）、オフガスの圧力降下量からオフガスの密度を算出する（Ｓ３０５）。オフガスの圧力降下量に基づくオフガス密度の算出方法は、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７０】
次に、オフガス密度からオフガス中の水素濃度を算出する。上記数式１でオフガス圧力およびオフガス温度からオフガスのモル重量（オフガス密度）を算出し、上記数式２でオフガスのモル重量からオフガス中の水素濃度を算出することができる。ただし、オフガスは燃料電池１０内の生成水を含んだ状態で排出されるので、オフガスには水蒸気が飽和状態で含まれていると考えられる。このため、水素濃度を正確に算出するためには、オフガスに含まれる水蒸気の影響を取り除く必要がある。
【００７１】
オフガス中に水素と窒素と水蒸気のみが含まれているとした場合のオフガスのモル重量Ｍは、以下の数式３で求めることができる。ただし、ＸH2は水素濃度であり、ＸN2は窒素濃度であり、ＸH2Oは水蒸気濃度である。
（数式３）
Ｍ＝２×ＸH2＋２８×ＸN2＋１８×ＸH2O
ここで、ＸH2＋ＸN2＋ＸH2O＝１であるので、水蒸気の影響を取り除いた水素濃度と窒素濃度の合計はＸH2＋ＸN2＝１−ＸH2Oとなる。オフガス中の水蒸気濃度ＸH2Oは、例えばオフガス圧力が２００ｋＰａ・ａｂｓで飽和蒸気圧が２７ｋＰａの場合、オフガス中の水蒸気濃度ＸH2O＝２７／２００で求めることができる。
【００７２】
そこで、上記Ｓ３０４にて測定したオフガス温度からオフガスの飽和蒸気圧を算出し（Ｓ３０６）、飽和蒸気圧からオフガス中の水蒸気濃度を求める。そして、上記Ｓ３０４で求めたオフガス密度（モル重量）から水蒸気濃度を除いた値を用いて、オフガス中の水素濃度を算出する（Ｓ３０７）。
【００７３】
次に、水素濃度に基づいてパージ処理を行う時間、すなわちパージバルブ３６の開放時間を決定する（Ｓ３０８）。図１１は、オフガス中の水素濃度とパージ処理時間との関係を示している。図１１に示すように、水素濃度が低いほど、パージ処理に要する時間を長くする必要があり、水素濃度が高いほど、パージ処理に要する時間を短くすることができる。
【００７４】
図１１に示す水素濃度とパージ処理時間との関係は予め実験的に求めておくことができる。本実施形態では、水素濃度とパージ処理時間とが予め関係づけられた第３のマップを作成し、これをパージ制御部３９のＲＯＭに格納している。本実施形態では、パージバルブ３６の開放時間は１００〜５００ｍｓｅｃの範囲内で設定されている。パージ制御部３９は、水素濃度に基づいて、第３のマップを用いてパージ処理を行う時間を決定し、パージ処理を行う（Ｓ３０９）。
【００７５】
以上のように、パージバルブ３６よりオリフィス径の小さい小径バルブ４２を用いることで、パージバルブ３６に比べて放出オフガス量を少なくすることができる。これにより、頻繁にオフガス密度（水素濃度）をモニタすることができ、より正確にオフガス密度（水素濃度）を測定することができる。
【００７６】
さらに、オフガス密度から水素濃度を算出する際に、オフガス温度から得た飽和蒸気圧を考慮することで、オフガス密度から正確に水素濃度を算出することができる。このように算出した水素濃度を用いることで、パージ処理を行う時間を適切に決定することができる。これにより、パージ処理に伴って排出される水素量を抑制でき、さらに燃料電池１０のセル電圧が低下する前にパージ処理を行うことができる。なお、パージ処理を行う時間は、水素濃度に関連する物理量であるオフガス密度に基づいて設定することもできる。
【００７７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１２〜図１５に基づいて説明する。本第４実施形態は、オフガス密度を求めるための圧力検出用容器が設けられている点が主に異なる。以下、上記実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００７８】
図１２は、本第４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１２に示すように、本第４実施形態では、パージバルブ３６の下流側に圧力検出用容器４３が設けられている。圧力検出用容器４３は、オフガス循環流路３１の容積（例えば５リットル）より小さい容積（例えば０．５リットル）を有している。圧力検出用容器４３の出口側は、流路断面積が小さくなったオリフィス部４４が設けられている。オリフィス部４４は、パージバルブ３６のオリフィス径（本例では６ｍｍ）より小さいオリフィス径（本例では１ｍｍ）を有している。オリフィス部４４の流路断面積はパージバルブ３６より小さくなっている。圧力検出用容器４３内は、通常時は大気圧となっており、パージバルブ３６の開放によってオフガスが流入した場合に圧力が上昇する。
【００７９】
また、圧力検出用容器４３には、圧力検出用容器４３内の圧力を測定する圧力センサ４５が設けられている。圧力センサ４５にて測定された圧力検出用容器４３内の圧力は、センサ信号として演算装置４０に入力する。なお、本実施形態の演算装置４０は本発明の窒素濃度検出手段の一具体例を示している、
図１３は、本第４実施形態のパージ制御装置３９および演算装置４０が行う燃料電池の異常判定処理の流れを示すフローチャートである。図１４は、パージ処理の前後におけるオフガスの圧力変化を示している。以下の処理は、所定時間毎（例えば５分毎）に繰り返して行う。
【００８０】
まず、パージ処理を行う前の圧力検出用容器４３内の圧力を圧力センサ４５にて測定する（Ｓ４００）。ここでは、パージバルブ３６を開放する直前のタイミングｔ１における圧力検出用容器４３内の圧力を測定する。次に、パージバルブ３６を所定時間（本例では３００ｍｓｅｃ）開放する（Ｓ４０１）。これにより、オフガスの一部がオフガス循環流路３１から外部に放出され、圧力検出用容器４３内に流入するので、圧力検出用容器４３内の圧力は上昇する。
【００８１】
次に、パージ処理を行った後の圧力検出用容器４３内の圧力を圧力センサ４５にて測定する（Ｓ４０２）。ここでは、パージバルブ３６を閉鎖した直後のタイミングｔ２における圧力検出用容器４３内の圧力を測定する。そして、パージ処理の前後の圧力検出用容器４３内の圧力差から圧力検出用容器４３内における圧力上昇量を算出し（Ｓ４０３）、オフガスの温度を温度センサ３８にて測定し（Ｓ４０４）、圧力検出用容器４３内の圧力上昇量からオフガスの密度を算出する（Ｓ４０５）。
【００８２】
図１５は、オフガス密度と圧力検出用容器４３内の圧力上昇量との関係を示している。上述のように、パージバルブ３６を流れるオフガスのモル流量はオフガスの組成（密度）に依存しており、パージバルブ解放前のオフガス圧力が同一の条件下でオリフィス径が同じパージバルブ３６を同一時間だけ開放した場合、オフガスの密度が低いほど、オフガス循環流路３１から流出するオフガスのモル流量が多くなり、オフガスの密度が高いほど、オフガス循環流路３１から流出するオフガスのモル流量が少なくなる。
【００８３】
このため図１５に示すように、オフガスの密度が低いほど、圧力検出用容器４３内に流入するオフガスのモル流量が多くなって圧力上昇量が大きくなり、オフガスの密度が高いほど、圧力検出用容器４３内に流入するオフガスのモル流量が少なくなって圧力上昇量が小さくなる。換言すれば、オフガス中の水素濃度が高いほど、圧力検出用容器４３内の圧力上昇量が小さくなり、オフガス中の水素濃度が低いほど、圧力検出用容器４３内の圧力上昇量が大きくなる。
【００８４】
本実施形態では、オフガス密度とパージ処理前後での圧力検出用容器４３内の圧力上昇量とパージ処理前のオフガス圧力とが予め関連づけられた第４のマップを作成し。これを演算装置４０のＲＯＭに格納している。演算装置４０は、ステップＳ４０３で算出した圧力検出用容器４３内の圧力上昇量に基づいて第４のマップを用いてオフガス密度を演算する。これにより、パージ処理を行った際のオフガス密度が得られる。
【００８５】
次に、上記Ｓ４０４で測定したオフガス温度からオフガスの飽和蒸気圧を算出し（Ｓ４０６）、飽和蒸気圧からオフガス中の水蒸気濃度を求める。そして、上記Ｓ４０４で求めたオフガス密度から水蒸気濃度を除いた値を用いて、オフガス中の窒素濃度を算出する（Ｓ４０７）。窒素濃度の算出は、上記第３実施形態における水素濃度の算出と同様の手順で行うことができる。
【００８６】
次に、Ｓ４０７で算出した窒素濃度と前回パージ処理を行った際の窒素濃度から窒素濃度の変化率、すなわちパージ処理間隔（本例では５分間）における窒素濃度の変化率を求め、この変化率が所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ４０８）。本実施形態では、窒素濃度の増加率３０％を所定値としている。この結果、窒素濃度の変化率が所定値を下回っている場合には、そのままＳ４００に移行する。一方、窒素濃度の変化率が所定値を下回っていない場合には、燃料電池１０に異常が発生したと判定する（Ｓ４０９）。
【００８７】
すなわち、燃料電池１０の運転に伴ってオフガス中の窒素濃度が徐々に高くなるが、オフガス中の窒素濃度の増加率が所定値（本例では３０％）を超えている場合には、燃料電池１０のクロースリーク量が過多になっていると推定できる。この場合、燃料電池１０の電解質膜が破損していること等が考えられるので、異常判定を行う。
【００８８】
以上のように、オフガス循環経路３１より容積が小さい圧力検出用容器４３を用いることで、パージ処理の前後における圧力変化量を大きくすることができる。これにより、オフガス密度（水素濃度）をより正確に求めることができる。
【００８９】
また、オフガス密度からオフガス中の不純物である窒素濃度を求めることができるので、この窒素濃度の変化率に基づいて燃料電池１０の異常判定を適切に行うことができる。なお、窒素濃度に関連する物理量であるオフガス密度あるいは水素濃度を用い、オフガス密度あるいは水素濃度のいずれかの単位時間当たりの変化率に基づいて燃料電池１０の異常判定を行ってもよい。
【００９０】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１６〜図１８に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第４実施形態に比較して、圧力検出用容器４３が小径バルブの下流側に設けられている点が主に異なっている。以下、上記実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００９１】
図１６は、本第５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１６に示すように、本第５実施形態では、小径バルブ４２の下流側に圧力検出用容器４３が設けられている。小径バルブ４２は上記第３実施形態と同様の構成であり、圧力検出用容器４３は上記第４実施形態と同様の構成である。ただし本実施形態では、圧力検出用容器４３をオリフィス径の小さい小径バルブ４２の下流側に配置しているので、圧力検出用容器４３の容積を上記第４実施形態より小さい０．１リットルとしている。
【００９２】
圧力検出用容器４３の下流側には、圧力検出用容器４３内部と外部とを連通あるいは閉塞する出口開閉弁としての出口バルブ４６が設けられている。出口バルブ４６は、演算装置４０にて開閉制御される。出口バルブ４６は、圧力センサ４５による圧力検出用容器４３内の圧力測定時には閉じており、圧力検出用容器４３内の圧力測定終了後に開閉して圧力検出用容器４３内を大気圧にする。
【００９３】
また、オフガス循環経路３１には、オフガスの湿度を測定するための湿度センサ４７が設けられている。湿度センサ４７にて測定されたオフガス湿度は、センサ信号として演算装置４０に入力する。なお、本実施形態の演算装置４０は本発明の発電許可手段の一具体例を示し、本実施形態の湿度センサ４７は本発明のオフガス湿度検出手段の一具体例を示している。
【００９４】
図１７は、本第５実施形態のパージ制御装置３９および演算装置４０が行う燃料電池１０の発電許可処理の流れを示すフローチャートである。図１８は、小径バルブ４２の開放前後における圧力検出用容器４３内の圧力変化を示している。燃料電池１０の発電許可処理は、燃料電池１０の起動時に行われるものである。起動前における燃料電池１０内部は、水素以外の不純物で満たされた状態となっている。
【００９５】
まず、水素供給装置３２による燃料電池１０への水素供給を開始し（Ｓ５００）、オフガス循環ポンプ４１の作動を開始する（Ｓ５０１）。これにより、燃料電池１０内部およびオフガス循環経路３１内部に水素が供給される。
【００９６】
次に、小径バルブ４２の開放を行う前の圧力検出用容器４３内の圧力を圧力センサ４５にて測定する（Ｓ５０２）。ここでは、小径バルブ４２を予備開放する直前のタイミングｔ１における圧力検出用容器４３内の圧力を測定する。次に、小径バルブ４２を所定時間（本例では１００ｍｓｅｃ）開放する（Ｓ５０３）。これにより、オフガスの一部がオフガス循環流路３１から外部に放出され圧力検出用容器４３内に流入するので、圧力検出用容器４３内の圧力は上昇する。
【００９７】
次に、小径バルブ４２の開放を行った後の圧力検出用容器４３内の圧力を圧力センサ４５にて測定する（Ｓ５０４）。ここでは、小径バルブ４２を閉鎖した直後のタイミングｔ２における圧力検出用容器４３内の圧力を測定する。そして、小径バルブ４２の開放前後の圧力検出用容器４３内の圧力差から圧力検出用容器４３内の圧力降下量を算出し（Ｓ５０５）、オフガス温度を温度センサ３８にて測定し（Ｓ５０６）、圧力検出用容器４３内の圧力降下量からオフガスの密度を算出する（Ｓ５０７）。圧力検出用容器４３内の圧力降下量に基づくオフガス密度の算出方法は、上記第４実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００９８】
次に、オフガス循環経路３１内のオフガスの湿度を湿度センサ４７にて測定し（Ｓ５０８）、オフガス湿度からオフガス中の水蒸気濃度を求める。そして、上記Ｓ５０７で求めたオフガス密度から水蒸気濃度を除いた値を用いて、オフガス中の水素濃度を算出する（Ｓ５０９）。
【００９９】
次に、オフガス中の水素密度が所定値を超えているか否かを判定する（Ｓ５１０）。この所定値は、燃料電池１０の起動許可判定を行う基準値となるもので、本実施形態では５０％としている。この結果、オフガス中の水素密度が所定値を超えていない場合には、出口バルブ４６を開閉して圧力検出用容器４３内の圧力を大気圧にし（Ｓ５１１）、上記Ｓ５０２に戻る。一方、オフガス中の水素密度が所定値を超えている場合には、出口バルブ４６を開閉して圧力検出用容器４３内の圧力を大気圧にし（Ｓ５１２）、その後燃料電池１０の発電許可を行う（Ｓ５１３）。
【０１００】
以上の構成によれば、小径バルブ４２の開放時に圧力検出用容器４３内の出口バルブ４６が閉じているので、圧力検出用容器４３内の圧力が上昇しやすくなる。これにより、小径バルブ４２の開放前後における圧力検出用容器４３内の圧力上昇量をより適切に測定することができる。
【０１０１】
また、湿度センサ４７でオフガスの湿度を測定することで、直接的にオフガス中の水蒸気濃度を求めることができる。
【０１０２】
また、水素濃度に基づいて燃料電池１０の発電許可判定を行うことで、燃料電池１０の発電開始時期を適切に決定することができる。なお、水素濃度に関連する値であるオフガス密度に基づいて燃料電池１０の発電許可判定を行ってもよい。
【０１０３】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１９〜図２１に基づいて説明する。本第６実施形態の燃料電池システムは、オフガスを循環させない閉塞式として構成されている。以下、上記実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【０１０４】
図１９は、本第６実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１９に示すように、本第６実施形態の燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極側から排出されるオフガスを外部に排出するためのオフガス排出経路４８が設けられている。
【０１０５】
オフガス排出経路４８にはパージバルブ３６が設けられている。また、オフガス排出経路４８は、燃料電池１０とパージバルブ３６との間に小径バルブ４２が設けられている。さらにオフガス排出経路４８は、オフガス排出経路４８内のオフガスの圧力を測定するための圧力センサ３７が設けられている。これらのパージバルブ３６、小径バルブ４２、圧力センサ３７の構成は、上記実施形態と同様である。本実施形態のパージ制御装置３９は、調圧弁３４の出口圧力制御を行うように構成されている。なお、本実施形態の調圧弁３４とパージ制御装置３９とが本発明の水素供給圧制御手段の一具体例を示している。
【０１０６】
本実施形態の燃料電池システムでは、通常運転時はパージバルブ３６が閉じた状態となっており、燃料電池１０の運転に伴いオフガス中の不純物濃度が高くなった場合にパージ処理を行うように構成されている。
【０１０７】
図２０は、本第６実施形態のパージ制御装置３９および演算装置４０が行うパージ処理の流れを示すフローチャートである。
【０１０８】
まず、小径バルブ４２の開放を行う前のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定し（Ｓ６００）、小径バルブ４２を所定時間（本例では１００ｍｓｅｃ）開放する（Ｓ６０１）。これにより、オフガスの一部がオフガス排出流路４８から外部に放出されるので、オフガスの圧力は若干低下する。
【０１０９】
次に、小径バルブ４２の開放を行った後のオフガスの圧力を圧力センサ３７にて測定する（Ｓ６０２）。そして、小径バルブ４２の開放前後のオフガスの圧力差からオフガスの圧力降下量を算出し（Ｓ６０３）、オフガス温度を温度センサ３８にて測定し（Ｓ６０４）、オフガスの圧力降下量からオフガスの密度を算出する（Ｓ６０５）。オフガスの圧力降下量に基づくオフガス密度の算出方法は、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１０】
次に、オフガス密度から燃料電池１０への安定発電に必要な水素供給圧を算出する（Ｓ６０６）。図２１は、オフガス密度と燃料電池１０への必要水素供給圧との関係を示している。図２１に示すように、オフガス密度と必要水素供給圧とは相関関係がある。具体的には、水素濃度が高くなりオフガス密度が低い状態では必要水素供給圧が低く、水素濃度が低くなりオフガス密度が高くなると、燃料電池１０の出力を維持するために水素供給圧を上昇させる必要がある。
【０１１１】
本実施形態では、オフガス密度と燃料電池１０への水素供給圧とが予め関連づけられた第５のマップを作成し。これを演算装置４０のＲＯＭに格納している。演算装置４０は、ステップＳ６０４で算出したオフガス密度に基づいて第５のマップを用いて燃料電池１０への水素供給圧を演算する。
【０１１２】
次に、燃料電池１０への水素供給圧が所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ６０７）。この所定値は、燃料電池１０の電解質膜の使用可能上限圧力であり、本実施形態では３００ｋＰａとしている。この結果、燃料電池１０への水素供給圧が所定値を下回っている場合には、調圧弁３４の設定圧力を高くし、燃料電池１０への水素供給圧を上昇させる（Ｓ６０８）。
【０１１３】
一方、燃料電池１０への水素供給圧が所定値を下回っていない場合には、パージバルブ３６を所定時間開放するパージ処理を行う（Ｓ６０９）。これにより、オフガス排出経路４８からオフガスの一部が外部に排出され、水素供給装置３２から燃料電池１０に新たな水素が供給される。そして、調圧弁３４の設定値を初期値に戻すことによって、燃料電池１０への水素供給圧を下降させる（Ｓ６１０）。
【０１１４】
以上のように、オフガスを循環させない閉塞方式においても、小径バルブ４２の開閉によるオフガスの圧力変化量に基づいてオフガス密度（水素濃度）を得ることができる。そして、オフガス密度（水素濃度）から求めた燃料電池１０への水素供給圧に基づいて、燃料電池１０への水素供給圧を制御することにより、オフガス密度（水素濃度）が一定になるように、燃料電池１０への水素供給圧を一定に制御することができる。
【０１１５】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせて実施することができる。
【０１１６】
また、オフガス密度はオフガス中の水素濃度に関連した物理量であるので、上記実施形態中のオフガス密度と水素濃度とを互いに置き換えて実施することができる。同様に、オフガス中の窒素濃度（不純物濃度）はオフガス中の水素濃度に関連した物理量であるので、上記実施形態中の水素濃度と窒素濃度とを互いに置き換えて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】第１実施形態のパージ処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】パージ処理の前後におけるオフガスの圧力変化を示す図である。
【図４】オフガスの密度とパージ処理前後でのオフガスの圧力降下量との関係を示す図である。
【図５】次回のパージ処理までの時間とオフガス密度との関係を示す図である。
【図６】第２実施形態のパージ制御装置および演算装置が行うパージ処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】パージバルブの予備開放の前後におけるオフガスの圧力変化を示す図である。
【図８】本第３実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図９】第３実施形態のパージ処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】小径バルブの開放前後におけるオフガスの圧力変化を示す図である。
【図１１】オフガス中の水素濃度とパージ処理時間との関係を示す図である。
【図１２】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図１３】第４実施形態の燃料電池の異常判定処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】パージ処理の前後におけるオフガスの圧力変化を示す図である。
【図１５】オフガス密度と圧力検出用容器内の圧力上昇量との関係を示す図である。
【図１６】第５実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図１７】第５実施形態の燃料電池の発電許可処理の流れを示すフローチャートである。
【図１８】小径バルブの開放前後における圧力検出用容器内の圧力変化を示す図である。
【図１９】第６実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２０】第６実施形態のパージ処理の流れを示すフローチャートである。
【図２１】オフガス密度と燃料電池１０への水素供給圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１０…燃料電池、３０…水素供給経路、３１…オフガス循環経路、３２…水素供給装置、３３…水素供給経路開閉弁、３４…調圧弁、３６…パージバルブ、３７…圧力センサ、３８…温度センサ（オフガス温度検出手段）、３９…パージ制御装置、４０…演算装置（オフガス密度演算手段、水素濃度演算出、窒素濃度演算手段）、４２…小径バルブ、４３…圧力検出用容器、４４…オリフィス部、４５…圧力センサ（容器圧力検出手段）、４６…出口バルブ（出口開閉弁）、４７…湿度センサ（オフガス湿度検出手段）、４８…オフガス排出経路。
【図１】
2006164562.tif 000003
【図２】
2006164562.tif 000004
【図３】
2006164562.tif 000005
【図４】
2006164562.tif 000006
【図５】
2006164562.tif 000007
【図６】
2006164562.tif 000008
【図７】
2006164562.tif 000009
【図８】
2006164562.tif 000010
【図９】
2006164562.tif 000011
【図１０】
2006164562.tif 000012
【図１１】
2006164562.tif 000013
【図１２】
2006164562.tif 000014
【図１３】
2006164562.tif 000015
【図１４】
2006164562.tif 000016
【図１５】
2006164562.tif 000017
【図１６】
2006164562.tif 000018
【図１７】
2006164562.tif 000019
【図１８】
2006164562.tif 000020
【図１９】
2006164562.tif 000021
【図２０】
2006164562.tif 000022
【図２１】
2006164562.tif 000023