(57)【要約】【課題】本発明によれば、燃料電池に要求される運転圧力が変化する運転条件においてパージ弁の開閉回数を少なくする燃料電池システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料極１ｂ及び酸化剤極１ａにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池１と、目標運転圧力になるように、燃料極１ｂに供給する燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段７と、燃料極１ｂから排出されるガスが流れる排出流路８と、排出流路８に並列に接続された、排出流路８を開閉する２以上の流路遮断手段９、１０と、目標運転圧力に応じて、流路遮断手段９、１０の開閉動作を制御する開閉制御手段２と、開閉動作を実施する流路遮断手段９、１０の数が少なくなるような第１の目標燃料ガス圧力を、目標運転圧力として算出する第１の目標圧力算出手段２とを備える。【選択図】図１
2006309970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
目標運転圧力になるように、前記燃料極に供給する燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
前記燃料極から排出されるガスが流れる排出流路と、
前記排出流路に並列に接続された、前記排出流路を開閉する２以上の流路遮断手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて、前記流路遮断手段の開閉動作を制御する開閉制御手段と、
開閉動作を実施する前記流路遮断手段の数が少なくなるような第１の目標燃料ガス圧力を、前記目標運転圧力として算出する第１の目標圧力算出手段
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】
前記燃料電池に要求される負荷に応じて前記燃料電池システムの発電効率が最も高くなるような第２の目標燃料ガス圧力を算出する第２の目標圧力算出手段と、
前記燃料電池システムの運転環境及び前記負荷に応じて、前記第１の目標燃料ガス圧力及び前記第２の目標燃料ガス圧力を前記目標運転圧力として切り替える圧力切替手段
とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力切替手段は、前記第２の目標燃料ガス圧力を選択することで開閉動作を実施する前記流路遮断手段の数が増加する場合に、前記第１の目標燃料ガス圧力を選択することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の目標燃料ガス圧力は前記負荷の増加にしたがって増加する関係にあり、
前記負荷の増加に対して、開閉動作を実施する前記流路遮断手段の数が減少する場合に限り、前記圧力切替手段は、切り替え動作を実施することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力切替手段は、前記目標運転圧力を切り替える時の前記負荷に対して、前記目標運転圧力を切り替える時の前記目標運転圧力を固定することを特徴とする請求項２乃至４何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧力切替手段は、前記負荷が所定値以下となった際に前記第１の目標燃料ガス圧力から前記第２の目標燃料ガス圧力へと切り替えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記排出流路から排出されたガスに前記燃料ガスとは異なる希釈ガスを混合して、前記排出流路から排出されたガス内の燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させる排出燃料ガス濃度調整手段と、
前記希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段と、
前記圧力切替手段が前記第１の目標燃料ガス圧力を選択している状態で、前記希釈ガスの流量を算出する第１の希釈ガス流量算出手段と、
前記圧力切替手段が前記第２の目標燃料ガス圧力を選択している状態で、前記希釈ガスの流量を算出する第２の希釈ガス流量算出手段とを更に備え、
前記圧力切替手段は、前記第１の希釈ガス流量算出手段により算出された流量が前記第２の希釈ガス流量算出手段により算出された流量よりも大きくなった際に、前記目標運転圧力を、前記第１の目標燃料ガス圧力から前記第２の目標燃料ガス圧力へ切り替える請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記圧力切替手段は、前記目標運転圧力の切り替え時において、前記第１の目標燃料ガス圧力と前記第２の目標燃料ガス圧力間の変化率に制限を加えることを特徴とする請求項２乃至７何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記圧力切替手段は、前記目標運転圧力の切り替え時において、前記第１の目標燃料ガス圧力と前記第２の目標燃料ガス圧力間で、所定時間内で序々に値を切り替えることを特徴とする請求項２乃至７何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料極から排出されるガスが流れる排出流路と、
前記排出流路に並列に接続された、前記排出流路を開閉する２以上の流路遮断手段と、
前記燃料極に供給する燃料ガスの圧力に応じて、前記流路遮断手段の開閉動作を切り替える開閉制御手段とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
開閉動作を実施する前記流路遮断手段の数が少なくなるような第１の目標燃料ガス圧力を、前記目標運転圧力として算出し、
前記燃料電池に要求される負荷に応じて前記燃料電池システムの発電効率が最も高くなるような第２の目標燃料ガス圧力を算出し、
前記燃料電池システムの運転環境及び前記負荷に応じて、前記第１の目標燃料ガス圧力及び前記第２の目標燃料ガス圧力を前記目標運転圧力として切り替える
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記第１の目標燃料ガス圧力及び前記第２の目標燃料ガス圧力を前記目標運転圧力として切り替えることには、前記第２の目標燃料ガス圧力を維持することで開閉動作を実施する前記流路遮断手段の数が増加する場合に、前記第２の目標燃料ガス圧力を維持せずに前記第１の目標燃料ガス圧力へ切り替えることが含まれることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関し、特に、並列に接続された複数のパージ弁を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に、自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源、あるいは動力源として、燃料電池技術が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうち燃料極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の酸化剤極（カソード）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質側の表面で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。    
しかし、燃料極内部では、水素中に酸化剤極から電解質をクロスオーバしてくる窒素などの濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。そのため、燃料電池システムの多くが、燃料極内の窒素などの混入した水素や水を所定量パージし、アノード内系の水素濃度を所定以上に保つといった動作を行っている。
【０００４】
クロスオーバしてくる窒素の流量は、燃料電池の運転圧が高圧であればあるほど、つまり燃料電池システムへの要求電力の大きいほど、増加する。一方、パージ動作によって系外にパージされる窒素流量は、パージ弁の開口面積によって決定される。
【０００５】
パージ弁に必要とされる開口面積は、燃料電池システムへの要求電力によって変化するため、従来から例えば特許文献１に示すようにアノード排出口に２つのパージ弁を設置し、燃料電池システムへの要求電力に合わせて開閉する弁の数を切り替えることで対応されている。
【特許文献１】特開平１１−１９１４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前述のようにパージ弁を切り替えて使用した場合、燃料電池に要求される運転圧力が大きく上下するような運転条件に対しては、使用するパージ弁の開閉回数が増加する。そのため、使用する弁を選定する上で耐久性の高い物を使用する必要があり、弁ひとつあたりのコストが増大する。
【０００７】
また、排出ガス処理装置に供給すべき空気流量も、パージ弁の開閉にあわせて流量を決定する必要があるため、ファンやブロアなどの回転数が増加、または急変し、その結果システム近傍の騒音レベルの増加量も大きくなり、特に燃料電池自動車に関しては、ガソリン車などに対するメリットである静粛性の効果を少なくしてしまう可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の特徴は、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、目標運転圧力になるように、燃料極に供給する燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、燃料極から排出されるガスが流れる排出流路と、排出流路に並列に接続された、排出流路を開閉する２以上の流路遮断手段と、燃料電池の運転状態に応じて、流路遮断手段の開閉動作を制御する開閉制御手段と、開閉動作を実施する流路遮断手段の数が少なくなるような第１の目標燃料ガス圧力を、目標運転圧力として算出する第１の目標圧力算出手段とを備える燃料電池システムであることである。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料極から排出されるガスが流れる排出流路と、排出流路に並列に接続された、排出流路を開閉する２以上の流路遮断手段と、燃料極に供給する燃料ガスの圧力に応じて、流路遮断手段の開閉動作を切り替える開閉制御手段とを備える燃料電池システムの制御方法であって、開閉動作を実施する流路遮断手段の数が少なくなるような第１の目標燃料ガス圧力を、目標運転圧力として算出し、燃料電池に要求される負荷に応じて燃料電池システムの発電効率が最も高くなるような第２の目標燃料ガス圧力を算出し、燃料電池システムの運転環境及び負荷に応じて、第１の目標燃料ガス圧力及び前記第２の目標燃料ガス圧力を目標運転圧力として切り替えることである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池に要求される運転圧力が変化する運転条件においてパージ弁の開閉回数を少なくする燃料電池システム及びその制御方法を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１２】
（第１の実施の形態）
[構成]
図１を参照して、第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を説明する。燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック１（燃料電池）と、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給する酸化剤ガスとしての空気を供給する空気圧縮機３と、空気圧縮機３によって送り込まれる空気を燃料電池スタック１に導入する酸化剤ガス供給流路４と、燃料電池スタック１の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料貯蔵用タンク６と、燃料貯蔵用タンク６内の燃料ガスを燃料電池スタック１の燃料極まで供給するための燃料ガス供給流路３８と、燃料ガスの供給圧力及び供給流量を制御する燃料ガス調圧弁７（圧力調整手段）と、燃料極内のガスを燃料電池システム外部へ排出するための燃料ガス排出流路８（排出流路）及び燃料極と燃料ガス排出流路８とを接続し、その接続状態を開閉することが可能な第１パージ弁９及び第２パージ弁１０と、燃料ガス排出流路８から燃料電池システム外部にガスが排出される部位に配置された排出ガス処理装置１８と、排出ガス処理装置１８へ希釈用の空気を供給する希釈空気供給用ブロア１６と、燃料電池スタック１の酸化剤極の入口ガス圧力を検出する圧力センサＰ１と、燃料極の入口ガス圧力を検出する圧力センサＰ２と、酸化剤極の入口ガス温度を検出する温度センサＴ１と、燃料極の出口ガス温度を検出する温度センサＴ２と、電磁弁などを使用して燃料ガス調圧弁７の弁開度の調整をする第１アクチュエータ１９と、第１パージ弁９の開閉動作を行う第２アクチュエータ１２と、同様に第２パージ弁１０の開閉動作を行う第３アクチュエータ１３と、電気モータなどで空気圧縮機３の回転数を調整する第５アクチュエータ５と、希釈空気供給用ブロア１６の回転数を調整する第６アクチュエータ１７と、上記各部の動作を制御する制御部２とを備える。
【００１３】
燃料電池システムは、高分子膜（例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜など）に代表されるイオン交換物質の両側に、白金等からなる触媒電極がそれぞれ配置されることで形成される、薄膜状に形成された燃料電池の膜-電極集合体（MEA）を、集電体によって積層することで構成され、水素を含有する燃料ガスを燃料電池の燃料極（アノード極）に供給すると共に、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池の酸化剤極（カソード極）に供給して発電を行う燃料電池を中核とした発電システムである。この燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。
【００１４】
具体的には、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体がセパレータを介して複数積層されてなるスタック構造と備える。また、酸化剤極側には酸化剤ガスとしての空気を通過させる酸化剤ガス流路１ａが設けられ、燃料極側には燃料ガスを通過させる燃料ガス流路１ｂが設けられている。そして、燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として固体高分子電解質膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。
【００１５】
制御部２としては、例えば、各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置を用いることができる。制御部２によって燃料電池システムの各構成要素が制御されることにより、燃料電池システム全体としての動作が制御される。具体的には、制御部２は、燃料電池システムが備える温度或いは圧力のセンサからのセンサ信号が入力され、これらの信号に基づいて各アクチュエータの動作を制御する制御信号を出力する。例えば、制御部２は、燃料電池システムに要求される負荷に応じた目標運転圧力を算出する。また、制御部２は、この目標運転圧力及び該燃料電池の運転温度に応じて、第１パージ弁９及び第２パージ弁１０の開閉動作を制御する開閉制御手段としても機能する。
【００１６】
空気圧縮機３は、燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガスとしての空気を圧縮して送出する。空気圧縮機３によって送り込まれる空気は、酸化剤ガス供給流路４を通じて酸化剤ガス流路１ａに導入される。
【００１７】
燃料貯蔵用タンク６は、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを高圧状態で蓄積する。高圧状態の燃料ガスは、燃料ガス供給流路３８上に配設されている燃料ガス調圧弁７により減圧されて燃料ガス流路１ｂへ供給される。
【００１８】
燃料ガス流路１ｂと通過したガスは、燃料ガス排出流路８を通じて燃料電池システム外部に排出される。つまり、燃料ガス排出流路８には、燃料極から排出されるガスが流れる。燃料ガス排出流路８上には、先ず、並列に接続された第１及び第２パージ弁９、１０が配置され、それぞれ独立に開閉状態を制御することにより、全体のパージ開口面積を調整することができ、これにより排出されるガスの流量を制御することができる。
【００１９】
第１及び第２パージ弁９、１０と通過した排出ガスは、排出ガス処理装置１８により、規定濃度以下まで希釈される。排出ガス処理装置１８は、排出ガスを希釈空気供給用ブロア１６が供給する空気と混合することにより、排出ガスを規定濃度以下まで希釈する。つまり、排出ガス処理装置１８は、燃料ガス排出流路８から排出されたガスに燃料ガスとは異なる希釈ガスを混合して、燃料ガス排出流路８から排出されたガス内の燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させる排出燃料ガス濃度調整手段として機能する。希釈空気供給用ブロア１６が供給する気体（希釈ガス）は、燃料ガス以外のガスであれば、空気以外のガスであっても構わない。希釈空気供給用ブロア１６は、希釈ガスを供給する希釈ガス供給手段として機能する。
【００２０】
圧力センサＰ１、Ｐ２及び温度センサＴ１、Ｔ２は、検出した圧力及び温度を、センサ信号として制御部２に出力する。その結果、圧力センサＰ１により検出された酸化剤ガス圧力は、制御部２により酸化剤極１ａに供給される酸化剤ガスの圧力として認識される。圧力センサＰ２により検出された圧力は、燃料極１ｂに供給される燃料ガスの圧力として認識される。また、温度センサＴ１により検出された酸化剤ガス温度は、制御部２により酸化剤極１ａに供給される酸化剤ガスの温度として認識される。温度センサＴ２により検出された温度は、燃料極１ｂから排出される燃料ガスの温度として認識される。
【００２１】
第１乃至第５のアクチュエータ１９、１２、１３、５、１７は、制御部２からの制御信号にしたがって、それぞれ燃料ガス調圧弁７、第１パージ弁９、第２パージ弁１０及び空気圧縮機３、希釈空気供給用ブロア１６を駆動し、弁開度、または圧縮機やブロアの回転数を所定値に調整する。具体的には、燃料ガス調圧弁７は、燃料極１ｂに供給される燃料ガスの圧力が、制御部が算出した目標運転圧力になるように、燃料極に供給する燃料ガスの圧力を調整する。
【００２２】
燃料電池の膜-電極集合体（ＭＥＡ）の破損を防ぐため、ＭＥＡの両側に加わるガス差圧を所定圧力以内に抑える必要がある。そこで、燃料電池システムに供給する燃料ガスは、高圧タンク６から供給される燃料ガス調圧弁７を通して所定圧力に減圧することで、燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給すべき燃料ガスの運転圧力を調整する。燃料電池システムでは燃料ガスの運転圧力を調整することで、酸化剤極１ａ内の酸化剤ガス圧力との差圧を管理し、ＭＥＡの破損を防止している。
【００２３】
また同時に、運転圧力を上げることで燃料電池スタック１の単体としての発電効率を向上させることが可能である。運転圧力の発電電力に対する影響割合は、燃料電池スタック１の発電電力が大きいほど、その影響度が大きくなる。
【００２４】
一方で、差圧管理の観点から、燃料ガスの運転圧力を上げることは同時に酸化剤ガスの運転圧力を上げることとなり、その影響で空気圧縮機３などの補記消費電力が増加するため、システム効率にも影響を及ぼす。
【００２５】
これらの影響を考慮すると、燃料電池システムに要求される負荷が高い場合（高負荷領域）、燃料電池スタック１の発電効率に対する運転圧力感度が高くなるため、運転圧力を上げることが有効である。一方、燃料電池システムに要求される負荷が低い場合（低負荷領域）、燃料電池スタック１の発電効率に対する圧力感度の低くなるため、補記消費電力への影響を考慮し、運転圧力を下げることが有効である。
【００２６】
また、燃料電池スタック１の燃料極１ｂ内部では、水素ガス中に酸化剤極１ａからクロスオーバしてくる窒素などの濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。また、発電によって生成した水（生成水）の一部がアノード配管系内に溜まって、燃料電池スタック１のアノード配管系内の水素の流れを悪くすることがある。そのため、排出ガス流路８及び排出ガス流路開閉手段としての第１及び第２パージ弁９、１０を設置し、燃料極１ｂ内の窒素が混入した水素ガスや水を所定量パージして、水素循環系の水素濃度を所定以上に保つ制御を行う。
【００２７】
パージされた水素ガスは、燃料電池システム外部に排出する前に、排出ガス処理装置１８を用いて一定の前処理を行う必要がある。排出ガス処理装置１８の種類及び処理方法としては、希釈器で一定濃度以下に希釈して排出する方法か、もしくは、触媒による反応を利用した触媒燃焼器を用いて、燃焼水蒸気に変換する方法を採用することができる。
【００２８】
排出ガス処理装置１８に希釈または燃料ガスの酸化剤として供給するガスは、燃料電池スタック１の酸化剤極１ａから排出される未反応酸化剤ガスを用いてもよいし、システムに本装置用として別途ファンやブロアなどの空気供給源１６を設けて、排出ガス処理装置１８に供給しても構わない。
【００２９】
次に、図２を参照して、燃料ガス圧力（＝パージ弁上流圧）と、酸化剤極から透過してくる窒素流量及びパージ弁から排出される窒素流量との関係を説明する。
【００３０】
酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ電解質膜をクロスオーバする窒素の流量は、燃料電池スタック１に使用されている電解質膜のガス透過性及び膜厚、燃料極及び酸化剤極での各ガス成分の分圧差、及びガス温度によって決定される。電解質膜のガス透過性及び膜厚が同種の膜を使用した場合、高温、高圧であればあるほど、図２の点線に示すように、酸化剤極１ａから燃料極１ｂへ透過する窒素流量がほぼ線形に増加する。
【００３１】
一方で、パージ動作によって系外にパージされる窒素流量は、燃料極１ｂ内の窒素濃度、水蒸気濃度、パージ弁の上・下流のガス圧力、パージ弁開口面積によって決定される。これらの要素を考慮すると、窒素濃度が高く、パージ弁開口面積が大きく、パージ弁上流圧が高く、パージ弁下流圧が低く、パージガス温度が低いほど、パージ可能な窒素流量が大きいことがわかる。図２の実線に示すように、運転圧力が比較的低い領域での傾斜に比べて、運転圧力が比較的高い領域での傾斜が低い。
【００３２】
ここで、パージ弁下流圧、燃料ガス温度が一定だった場合を考慮すると、酸化剤極１ａから透過してくる窒素流量（点線）と、パージ弁から排出される窒素流量（実線）との関係は、図２に示すようになる。即ち、窒素透過流量（点線）が窒素パージ流量（実線）よりも多くなる運転圧力の領域が、低圧力と高圧力の部分にそれぞれ存在する。低圧力と高圧力の部分の間に、窒素透過流量（点線）が窒素パージ流量（実線）よりも少なくなる運転圧力の領域が存在する。したがって、水素ガス内の窒素濃度を所定値以下に保つために、開閉動作を行うパージ弁の数を制御してパージ弁の開口面積を運転圧力にしたがって調整する必要がある。
【００３３】
次に、図３を参照して、運転圧力と必要となるパージ弁開口面積との関係を説明する。燃料電池システムへの要求電力が変化しても燃料極１ｂ内の窒素濃度を一定に管理しようとした場合を考える。この場合、図２に示す関係を考慮して、燃料ガス圧力に対して必要とされるパージ弁の開口面積を図３に示すように制御する。本実施形態では、第１及び第２パージ弁９、１０を用いて、パージ弁２つ分の開口面積又はパージ弁１つ分の開口面積のいずれかに制御することができる。したがって、図３の太い実線に示すように、図２の窒素透過流量（点線）が窒素パージ流量（実線）よりも多くなる運転圧力では、第１及び第２パージ弁９、１０の両方を開閉動作させる。そして、図２の窒素透過流量（点線）が窒素パージ流量（実線）よりも少なくなる運転圧力では、第１及び第２パージ弁９、１０の何れか一方のみを開閉動作させる。
【００３４】
以上のように、パージ弁に必要とされる弁の開口面積は、燃料電池システムへの要求電力によって変化するため、２つのパージ弁９、１０を設置し、燃料電池システムへの要求電力に合わせて開閉する弁の数を切り替える。
【００３５】
[制御方法]
次に、図１に示した燃料電池システムの制御方法について説明する。図１の燃料電池システムに対する制御パラメータのうち、＜Ａ＞燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給する燃料ガス圧力の目標値（目標運転圧力）、＜Ｂ＞第２パージ弁の開閉許可判断方法、及び＜Ｃ＞排出ガス処理装置１８へ供給する希釈ガス流量（目標希釈ガス流量）の算出方法について説明する。
【００３６】
＜Ａ＞燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給する燃料ガス圧力の目標値（目標運転圧力）
図４を参照して、燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給する燃料ガスの目標運転圧力ＴＰＲＨの算出手順を説明する。
【００３７】
（イ）まずステートＳ０１にて第２パージ弁１０への開閉許可判断を入力する。ステートＳ０２にてシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを入力する。システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲの算出は、制御部２内に記憶させておいた関数を使用し、要求電力から算出する。この関数は要求電力に対してシステム効率が最適になるように設定したものである。即ち、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲは、燃料電池に要求される負荷に応じて燃料電池システムの発電効率が最も高くなるような第２の目標燃料ガス圧力に相当する。制御部２は、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを算出する第２の目標圧力算出手段として機能する。なお、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲは、一般に要求電力ＴＰＧが高負荷になるほど高圧になるような関係にある。例えば、ここでは図５に示すような関係を適応する。
【００３８】
（ロ）同様にステートＳ０３にてパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを入力する。ここで本実施形態では、燃料電池スタック１の運転圧力と酸化剤極１ａから透過する窒素流量及び１つのパージ弁９又は１０から排出できる窒素流量の関係は図２に示すとおりである。したがって、図３のａ点での圧力をパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮとし、図６に示すような燃料ガス出口温度ＴＭＰＨＯによって変化する関数として制御部２内に記憶させておく。図３のａ点での圧力は、開閉動作を実施する流路遮断手段（パージ弁）の数が少なくなる圧力のうち、最も低い圧力である。このとき、制御部２は、このような圧力（第１の目標燃料ガス圧力）を算出する第１の目標圧力算出手段として機能する。
【００３９】
（ハ）ステートＳ０４では、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ及びパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮの大小関係を比較する。ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮよりも大きい場合（Ｓ０４にてＹＥＳ）、ステートＳ０５に進み、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを目標運転圧力ＴＰＲＨとして選択する。
【００４０】
（ニ）ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮよりも小さい場合（Ｓ０４にてＮＯ）、ステートＳ０６〜Ｓ０８に進み、第２パージ弁Ｈ７への開閉指令状態から、ＴＰＲＳＲ又はＴＰＲＰＧＭＩＮを目標運転圧力ＴＰＲＨとして選択する。具体的には、ステートＳ０６で、第２パージ弁１０が開閉動作を許可されているか否かを判断する。第２パージ弁１０が開閉動作を許可されているとき（Ｓ０６にてＹＥＳ）、ステートＳ０７に進み、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを目標運転圧力ＴＰＲＨとして選択する。第２パージ弁１０が開閉動作を許可されていないとき（Ｓ０６にてＮＯ）、つまり第２パージ弁１０に常時閉指令が出ているときは、ステートＳ０８に進み、パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを目標運転圧力ＴＰＲＨとして選択する。
【００４１】
以上のステートＳ０１〜０８を通して算出される目標運転圧ＴＰＲＨは、要求電力に対して図７のような関係になる。ここで、要求電力が減少して第１の目標燃料ガス圧力（＝パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ）及び第２の目標燃料ガス圧力（＝システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ）の大小関係が切り替わる場合について考える。制御部２は、燃料電池システムの運転環境及び要求負荷に応じて、パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ及びシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを目標運転圧力として切り替える圧力切替手段として機能する。したがって、制御部２は、目標運転圧力を、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲからパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮへ切り替える。これにより、目標運転圧力はａ点に維持され、図３に示したように開閉動作が必要となるパージ弁の数を１つにすることができる。
【００４２】
このように、制御部２（圧力切替手段）は、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを選択することで開閉動作を実施する流路遮断手段（パージ弁）の数が増加する場合に、パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを選択する。これにより、開閉動作が必要となるパージ弁の数を少なくすることができる。
【００４３】
また、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲは負荷（要求電力）の増加にしたがって増加する関係にあり、要求電力の増加に対して、開閉動作を実施する流路遮断手段（パージ弁）の数が減少する場合に限り、圧力切替手段は、切り替え動作を実施する。
【００４４】
更に、圧力切替手段は、目標運転圧力を切り替える時の要求電力に対して、目標運転圧力を切り替える時の目標運転圧力を固定することを特徴とする。
【００４５】
更に、圧力切替手段は、図７に示すように、要求電力が所定値以下となった際にパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮからシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲへと切り替える。この際、目標運転圧力が急変するので、この点での調圧不良を起こす場合がある。運転圧力の調圧不良を防止するため、目標運転圧力の切り替え時において、パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮとシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ間の変化率に制限を加える。或いは、切り替え時に、切り替え前後のシステム要求希釈ガス流量、及びパージ要求最低希釈ガス流量の値に対し、お互いの値を切り替え前の値から、切り替え後の値へと所定時間をかけて変化させるようにする。つまり、パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮとシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ間で、所定時間内で序々に値を切り替える。これにより、目標運転圧の急変を防ぐことも可能である。
【００４６】
＜Ｂ＞第２パージ弁の開閉判断方法
次に、図８のフローチャートを参照して、パージ弁の開閉判断方法について説明する。図８は、図４で述べた第２パージ弁１０の開閉動作を許可する条件を決定する第２パージ弁１０の開閉演算部の計算フローである。
【００４７】
（１）まず、ステートＳ１１にて、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲを入力する。
【００４８】
ここで「システム要求希釈ガスガス流量ＴＱＤＧＳＲ」とは、目標運転圧力として図５に示すシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを選択し、目標運転圧力が図３のａ点になった際に第２パージ弁１０の開閉動作を許可するような制御を行った場合に、燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を表す。即ち、制御部２（圧力切替手段）がシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを選択している状態での希釈ガスの流量を示す。システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲは、制御部２の第２の希釈ガス流量算出手段により、図９に示すフローにしたがって算出される。
【００４９】
（２）ステートＳ１２にてパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧを入力する。ここで「パージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２」とは、第２パージ弁１０の開閉動作を許可した状態で目標運転圧力がパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮであるときに、燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を示す。パージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧの算出方法は図１２のフローにて説明する。
【００５０】
（３）ステートＳ１３〜Ｓ１５では、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲ及び２つのパージ弁９、１０の開閉動作を行っているパージ弁２段時におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２との大小関係からパージ弁の開閉状態を決定する。即ち、ＴＱＤＧＳＲがＴＱＤＧＰＧよりも小さい場合（Ｓ１３にてＹＥＳ）第２パージ弁１０の開閉動作を許可し、ＴＱＤＧＳＲがＴＱＤＧＰＧ以上である場合（Ｓ１３にてＮＯ）第２パージ弁１０の開閉動作を禁止し、常時閉状態とする。
【００５１】
図９を参照して、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲ演算部の算出手順を説明する。
【００５２】
（Ｉ）まず、ステートＳ２１、Ｓ２２にて、図５に示すシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ及び図６に示すパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮをそれぞれ入力する。
【００５３】
（II）ステートＳ２３、Ｓ２４にて、パージ弁１段時における所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ１及びパージ弁２段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２を入力する。
【００５４】
ここで「パージ弁１段時におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ１」とは、燃料ガスの供給圧力つまり運転圧力として図５に示すシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを選択した場合に、パージ弁９のみが開状態で燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を表す。図１０（ａ）のように、要求電力及び温度センサＴ４によって測定されるパージガス温度ＴＭＰＨＯに対する関数として与えられる。
【００５５】
また「パージ弁２段時におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２」とは、燃料ガスの供給圧力つまり運転圧力として図５に示すシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲを選択した場合に、パージ弁９及び１０の両方の開閉動作が許可された状態で燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を表す。図１０（ｂ）のように、要求電力及び温度センサＴ４によって測定されるパージガス温度ＴＭＰＨＯに対する関数として与えられる。
【００５６】
（III）図１０のステートＳ２５〜２７では、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ及びパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮとの大小関係から、システム要求希釈ガス流量ＴＱＲＳＲとしてパージ弁１段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ１またはパージ弁２段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２を選択する。ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮよりも大きい時（Ｓ２５にてＹＥＳ）ＴＱＤＧＰＧ１を選択する（Ｓ２６）。ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮ以下である時（Ｓ２５にてＮＯ）ＴＱＤＧＰＧ２を選択する（Ｓ２７）。以上のステートＳ２１〜Ｓ２７を通して算出されるシステム要求希釈ガス流量ＴＱＲＳＲは、要求電力ＴＰＧに対し図１１のような関係になる。
【００５７】
＜Ｃ＞排出ガス処理装置へ供給する希釈ガス流量（目標希釈ガス流量）の算出方法
図１２のフローチャートを参照して、希釈空気供給用ブロア１６が排出ガス処理装置１８へ供給すべきガス流量である目標希釈ガス流量について説明する。
【００５８】
（１）まずステートＳ３１にて図９に示す計算フローによって算出されたシステム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲを入力し、ステートＳ３２にてパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧを入力する。
【００５９】
ここで「パージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ」とは、第２パージ弁１０を閉じた状態で目標運転圧力がパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮであるときに、燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を示す。即ち、制御部２（圧力切替手段）がパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを選択した場合に必要な希釈ガスの流量を示す。パージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧは、制御部２の第１の希釈ガス流量算出手段により、図１３に示すように燃料ガスの目標圧力及びパージガス温度に対する希釈ガス流量の関係を用いて算出される。
【００６０】
（２）図１２のステートＳ３３〜Ｓ３５では、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲ及びパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧのうち小さいものを目標希釈ガス流量ＴＱＤＧとして選択する。
【００６１】
以上図１２に示すステートＳ３１〜Ｓ３５によって算出された目標希釈ガス流量ＴＱＤＧは要求電力ＴＰＧに対して図１４に示すような関係になる。
【００６２】
[効果]
以上説明したように、制御部２（第１の目標圧力算出手段）は、燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給する燃料ガスの運転圧力を、たとえば、図３におけるａ〜ｂの領域を使用するといった、パージ弁の切り替え動作が少なくすることを重視したパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ（第１の目標燃料ガス圧力）を使用する。これにより、使用するパージ弁９、１０の開閉回数が増加することを抑制できる。そのため、使用するパージ弁を選定する上で従来のように耐久性が要求されることが無くなり、パージ弁ひとつあたりのコストの増大を抑えることができる。また、排出ガス処理装置１８に供給すべき空気流量が増加又は急変することが無くなり、ファンやブロアなどの回転数が増加または急変することを抑制できる。その結果、システム近傍の騒音レベルを低く抑えて、静粛性を高めることができる。
【００６３】
パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ以外に、システム効率を向上させるように別途計算されたシステム要求目標運転圧ＴＰＲＳＲ（第２の目標燃料ガス圧力）を算出し、これら２つの目標運転圧を燃料電池システムへの要求電力や環境条件に合わせて使い分ける。これにより、システム効率をできるだけ向上させながら、パージ弁の切り替え回数をできるだけ少なくすることが可能となる。
【００６４】
制御部２は、システム要求目標運転圧ＴＰＲＳＲを選択した場合にパージ弁段数が多くなってしまう場合にのみ、パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを選択する。これにより、不必要にシステム効率を下げることなく、またできるだけ使用するパージ弁の切り替え回数をできるだけ少ない状態で燃料電池システムを運転することが可能となる。
【００６５】
一般に、システム要求目標運転圧ＴＰＲＳＲは要求電力に対して増加する関係となる場合が多い。この場合、要求電力を増加させた場合に動作させるパージ弁の数が減少する場合にのみ、システム要求目標運転圧ＴＰＲＳＲを使用する。これにより、さらにシステム効率の低下を抑えながら燃料電池システムを運転することが可能となる。
【００６６】
制御部２は、目標運転圧力を切り替える時の要求電力に対して、目標運転圧力を切り替える時の目標運転圧力を固定する。これにより、パージ弁の切り替えを必要最小限に抑えることが可能な目標運転圧を容易に算出することができる。
【００６７】
目標運転圧力を固定した状態を、燃料電池システムへの要求電力が所定電力以下になるまでパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを維持する。これにより、排水素処理装置に供給するガス流量を不必要に増加させない範囲で、パージ弁の切り替えをできるだけ少なくすることが可能となる。
【００６８】
目標圧力してパージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮを選択している際に排水素処理装置に供給するガス流量を決定するパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧと、システム要求目標運転圧ＴＰＲＳＲを選択している際に排水素処理装置に供給するガス流量を決定するシステム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲとを演算し、目標圧を固定した状態を終了すべき所定電力を、２つの大小関係によって決定する。これにより、正確に切り替えを行うことが可能となる。
【００６９】
目標運転圧力の切り替えに対して、切り替え時の圧力変化率に制限を加えることで、切り替え時の圧力変動を緩やかにすることが可能である。
【００７０】
目標運転圧の切り替えに対して、切り替え前の運転圧力と、切り替え後の運転圧力とを、所定時間内で序々に値を切り替えた運転圧力を目標運転圧力とすることで、切り替え時の圧力変動を緩やかにすることが可能となる。
【００７１】
その他、第１の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。
【００７２】
第１の実施形態では、複数のシャットオフバルブ（パージ弁）を開閉してパージ流量制御を行う燃料電池システムについて説明した。開閉動作しているパージ弁の数を切り替わる際に、パージされる排出ガスの流量も切り替わる。よって、この排出ガスを希釈するためにシステムに供給する空気流量も切り替える必要がある。この切替ポイントは、パージガス温度、燃料ガス圧力（＝空気圧力）、に対して図３のような関係にあり、低圧及び高圧付近に切替ポイントが存在する。一般に燃料電池の運転圧力は、システム効率などを考慮して目標電力に対して図５のように変化させるため、低負荷＝低運転圧付近でパージ弁の切替ポイントが発生し、空気流量の変動が発生する。
【００７３】
高負荷から負荷を下げていく場合のように、低負荷でパージ弁の切替が必要な場合、目標電流がパージ弁を切り替えるべき運転圧力に相当する電流以下に下がってもパージ弁を切り替えず、運転圧力を固定し、パージ弁を切り替えた場合における運転圧力を下回る点でパージ弁を切り替える。これにより、パージされる排出ガスを希釈するためにシステムに供給する空気流量の切替時の流量変動を小さくすることができる。
【００７４】
燃料電池システムは、複数のシャットオフバルブ（パージ弁）を使用し、システムの運転状態によって開閉すべきシャットオフバルブ（パージ弁）の数を切り替えてパージ流量制御を行い、燃料電池スタック１の運転圧力、運転温度および該切替動作にあわせてパージ排出ガスを希釈すべき空気流量を制御する。切替動作を行うべく運転圧力に達した場合、その運転圧力を保持することで、パージ弁の切替による空気流量の変動を抑制することができる。
【００７５】
この運転圧力の保持は、その運転圧力にて必要なパージ水素希釈空気流量がパージ弁を切り替えた際に必要な空気流量を上回るまで続け、該ポイントにてパージ弁を切り替えることが望ましい。低負荷におけるパージ弁の切替動作に基づく空気流量の変動を小さくすることができる。
【００７６】
（第２の実施の形態）
[構成]
図１５を参照して、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を説明する。
【００７７】
図１５に示す燃料電池システムでは、図１の燃料電池システムに比べて、更に、燃料ガス排出流路８を開閉する流路遮断手段としてさらに第３パージ弁１１と、その開閉状態を動作させるアクチュエータ１４と、燃料電池スタック１から排出される酸化剤ガスを排出ガス処理装置１８に供給する酸化剤ガス排出流路２３と、排出流路２３の開閉割合を決定する調圧弁２４及びその開閉状態を動作させるアクチュエータ２５と、酸化剤ガスの一部をバイパスする酸化剤極バイパス流路２０と、酸化剤極バイパス流路２０を開閉する酸化剤ガスバイパス弁２１及びその開閉状態を制御するアクチュエータ２２とを備える。
【００７８】
燃料電池スタック１の酸化剤極１ａから排出される未反応ガス、及び酸化剤極１ａをバイパスして通過してくる酸化剤ガスを排出ガス処理装置１８に供給する。これにより、燃料極１ｂからパージされたパージガスの燃料ガス濃度を所定値以下に低下させることができる。そのため、図１に記載した、排出ガス処理装置１８に希釈ガスを供給するために備えられた希釈空気供給用ブロア１６は不要となる。
【００７９】
その他の構成は、図１の燃料電池システムと同じであるため、同一分に同一符号を付して、その説明を省略する。
【００８０】
次に、図１６を参照して、第２の実施の形態での、運転圧力と必要となるパージ弁開口面積との関係を説明する。図１６は、パージ弁が２つの場合を示す図３に対応している。本実施形態では、第１乃至第３パージ弁９〜１１を用いて、パージ弁３つ分の開口面積、パージ弁２つ分の開口面積又はパージ弁１つ分の開口面積のいずれかに制御することができる。したがって、図１６の太い実線に示すように、パージ弁を３つとすることで、パージ弁が２つの場合に比べて、必要とされるパージ弁開口面積に対する実開度面積との差を小さくすることが可能である。
【００８１】
[制御方法]
次に、図１５に示した燃料電池システムの制御方法について説明する。第１の実施の形態と同様に、図１５の燃料電池システムに対する制御パラメータのうち、＜Ａ＞燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給する燃料ガス圧力の目標値（目標運転圧力）、＜Ｂ＞第２パージ弁及び第３パージ弁の開閉許可判断方法、及び＜Ｃ＞排出ガス処理装置１８へ供給する希釈ガス流量（目標希釈ガス流量）の算出方法について説明する。
【００８２】
ただし、目標希釈ガス流量の演算結果は燃料電池スタック１の酸化剤極１ａに供給すべき発電用酸化剤ガス流量ＴＱＡＳ及びバイパス流路２０を通過する酸化剤ガス流量ＴＱＡＢを足し合わせたガス流量ＴＱＡＧと比較して大きい方を目標ガス流量ＴＱＡとして最終的に空気圧縮機３が供給すべきガス流量として計算される。
【００８３】
＜Ａ＞目標運転圧力の演算方法
図１７を参照して、目標運転圧力ＴＰＲＨの算出手順を説明する。
【００８４】
（イ）まずステートＳ５１〜Ｓ５５にて、第２パージ弁開閉許可判断、第３パージ弁開閉許可判断、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ、パージ１段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ１、パージ２段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ２を入力する。ただし、システム要求運転圧力ＴＰＲＳＲは第１の実施形態と同様な方法で算出し、パージ１段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ１は図１６のａ点での圧力とし、パージ２段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ２は図１６のｃ点での圧力である。
【００８５】
（ロ）ステートＳ５６〜Ｓ６４にて、ＴＰＲＳＲ、ＴＰＲＰＧＭＩＮ１、及びＴＰＲＰＧＭＩＮ２の圧力の大小関係、及び各パージ弁９〜１１の開閉許可状態から、目標運転圧力ＴＰＲＨを決定する。
【００８６】
具体的には、ステートＳ５６にて、ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮ１よりも大きいか否かを判断する。Ｓ５６にてＹＥＳの場合、ステートＳ５７に進み、目標運転圧力ＴＰＲＨをシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲとする。Ｓ５６にてＮＯの場合、ステートＳ５８に進み、第２パージ弁１０が開閉動作を禁止されているか否かを判断する。Ｓ５８にてＹＥＳの場合、ステートＳ５９に進み、目標運転圧力ＴＰＲＨをパージ１段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ１とする。
【００８７】
Ｓ５８にてＮＯの場合、ステートＳ６０に進み、ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮ２よりも大きいか否かを判断する。Ｓ６０にてＹＥＳの場合、ステートＳ６１に進み、目標運転圧力ＴＰＲＨをシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲとする。Ｓ６０にてＮＯの場合、ステートＳ６２に進み、第３パージ弁１１が開閉動作を禁止されているか否かを判断する。Ｓ６２にてＹＥＳの場合、ステートＳ６３に進み、目標運転圧力ＴＰＲＨをパージ２段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ２とする。Ｓ６２にてＮＯの場合、ステートＳ６４に進み、目標運転圧力ＴＰＲＨをシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲとする。
【００８８】
以上のステートＳ５１〜６４を経て、算出された目標運転圧力ＴＰＲＨをまとめると、図１８のようになる。
【００８９】
＜Ｂ＞第２及び第３パージ弁の開閉判断方法
次に、図１９のフローチャートを参照して、パージ弁の開閉判断方法について説明する。図１９は、図１７のステートＳ５１及びＳ５２で述べた第２及び第３パージ弁１０、１１を開く条件を決定する第２、第３のパージ弁の開閉演算部の計算フローである。
【００９０】
（１）まずステートＳ７１〜Ｓ７３にて、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲ、パージ１段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ１、及びパージ２段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ２を入力する。ＴＱＰＧＭＩＮ１及びＴＱＰＧＭＩＮ２は、パージ１段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ１又はパージ２段時パージ要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ２及びパージガス温度ＴＭＰＨＯにより算出される。システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲは、図２５を参照して後述する。
【００９１】
「パージ１段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ１」とは、第１パージ弁９及び第２パージ弁１０を閉じた状態（パージ弁１段）において圧力がＴＰＲＰＧＭＩＮ１であるとき、燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を示す。
【００９２】
「パージ２段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ２」とは、第１パージ弁９のみを閉じた状態（パージ弁２段）において圧力がＴＰＲＰＧＭＩＮ２であるとき、燃料極１ｂから排出されるパージガスの燃料ガス濃度を所定濃度以下に低下させるのに十分なガス流量を示す。
【００９３】
（２）図２４のステートＳ７４〜Ｓ７９にて、ＴＱＤＧＳＲ、ＴＱＰＧＭＩＮ１、ＴＱＰＧＭＩＮ２の大小関係から第２パージ弁１０、第３パージ弁１１の開閉許可状態を決定する。具体的には、ステートＳ７４にて、ＴＱＤＧＳＲがＴＱＰＧＭＩＮ１よりも大きいか否かを判断する。Ｓ７４にてＹＥＳの場合、ステートＳ７５に進み、第２パージ弁１０の開閉動作を禁止する。Ｓ７４にてＮＯの場合、ステートＳ７６に進み、第２パージ弁１０の開閉動作を許可する。そして、ステートＳ７７にて、ＴＱＤＧＳＲがＴＱＰＧＭＩＮ２よりも大きいか否かを判断する。Ｓ７７にてＹＥＳの場合、ステートＳ７８に進み、第３パージ弁１１の開閉動作を禁止する。Ｓ７７にてＮＯの場合、ステートＳ７９に進み、第２パージ弁１０の開閉動作を許可する。
【００９４】
図２０を参照して、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲを算出する方法を説明する。
【００９５】
（Ｉ）まずステートＳ８１〜Ｓ８５にて、図１７で述べたシステム要求運転圧力ＴＰＲＳＲ、パージ弁１段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ１、パージ弁２段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２、パージ１段要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ１、パージ２段要求最低運転圧力ＴＰＲＰＧＭＩＮ２をそれぞれ入力する。
【００９６】
ここで、パージ弁２段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２は、図１０（ｂ）に示したように、要求電力ＴＰＧとパージガス温度ＴＭＰＨＯとから算出したものと同値である。また、パージ弁３段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ３も同様にして、パージ弁を３段としたときの要求電力ＴＰＧとパージガス温度ＴＭＰＨＯと所要ガス流量との関係から算出される。
【００９７】
（II）ステートＳ８６〜Ｓ９０にて、これらの入力された値を用いて、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲを算出する。具体的には、ステートＳ８６にてＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮ１よりも大きいか否かを判断する。Ｓ８６にてＹＥＳの場合、ステートＳ８７へ進み、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲをパージ弁１段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ１とする。Ｓ８６にてＮＯの場合、ステートＳ８８へ進み、ＴＰＲＳＲがＴＰＲＰＧＭＩＮ２よりも大きいか否かを判断する。Ｓ８８にてＹＥＳの場合、ステートＳ８９へ進み、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲをパージ弁２段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２とする。Ｓ８８にてＮＯの場合、ステートＳ９０へ進み、システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲをパージ弁３段時所要ガス流量ＴＱＤＧＰＧ３とする。
【００９８】
以上のステートＳ８１〜Ｓ９０を経て、算出されたシステム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲは要求電力に対して図２１に示す通りとなる。
【００９９】
＜Ｃ＞排出ガス処理装置へ供給する希釈ガス流量（目標希釈ガス流量）の算出方法
第２の実施形態に対する目標希釈ガス流量の演算方法について説明する。図１２に示した演算フローを用いて、第１の実施の形態と同様に目標希釈ガス流量ＴＱＤＧの算出を行う。
【０１００】
ただし、第２の実施の形態におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧの算出は、図２２に示すパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧの算出フローから算出する。
【０１０１】
（イ）まずステートＳ９１及びＳ９２にて、図１９で述べたパージ１段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ１及びパージ２段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ２をそれぞれ入力する。
【０１０２】
（ロ）ステートＳ９３にて、第２のパージ弁１０の開閉状態を入力する。
【０１０３】
（ハ）ステートＳ９４〜Ｓ９６にて、第２パージ弁１０の開閉状態からパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧとして選択すべきガス流量を選択する。具体的には、ステートＳ９４にて、第２のパージ弁１０が閉状態であるか否かを判断する。Ｓ９４にてＹＥＳの場合、ステートＳ９５に進み、パージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧとしてパージ１段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ１を選択する。一方、Ｓ９４にてＮＯの場合、ステートＳ９６に進み、パージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧとしてパージ２段時要求最低希釈ガス流量ＴＱＰＧＭＩＮ２を選択する。
【０１０４】
最終的に、図２０におけるシステム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲ及び図２２におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧから、図１２に示す演算フローを用いて算出された目標希釈ガス流量ＴＱＤＧは要求電力に対し、図２３のグラフのようになる。
【０１０５】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１０６】
第１及び第２の実施の形態で、並列に接続されたパージ弁が２つの場合及び３つの場合をそれぞれ説明した。しかし、本発明はこれに限定されること無く、並列に接続されたパージ弁を３つ以上にしても構わないことは言うまでもない
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料ガス圧力（＝パージ弁上流圧）と、酸化剤極から透過してくる窒素流量及びパージ弁から排出される窒素流量との関係を示すグラフである。
【図３】運転圧力と必要となるパージ弁開口面積との関係を示すグラフである。
【図４】燃料電池スタック１の燃料極１ｂに供給する燃料ガスの目標運転圧力ＴＰＲＨの算出手順を示すフローチャートである。
【図５】システム効率を重視した要求電圧と目標運転圧力との関係を示すグラフである。
【図６】燃料ガスの燃料極出口温度とパージ要求最低運転圧力との関係を示すグラフである。
【図７】要求電力ＴＰＧに対する目標運転圧ＴＰＲＨの算出結果を示すグラフである。
【図８】図４のＳ０１における第２パージ弁を開く条件を決定する第２パージ弁の開閉演算部の計算手順を示すフローチャートである。
【図９】図８のＳ１１にて入力されるシステム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲを算出する方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、要求電力及び温度センサＴ４によって測定されるパージガス温度ＴＭＰＨＯに対するパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧの関数を示し、（ａ）はパージ弁１段時におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ１を示し、（ｂ）はパージ弁２段時におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧ２を示す。
【図１１】要求電力に対するシステム要求希釈ガス流量ＴＱＲＳＲの関係を示すグラフである。
【図１２】希釈空気供給用ブロアが供給すべき目標希釈ガス流量ＴＱＤＧの算出方法を示すフローチャートである。
【図１３】、燃料ガスの目標圧力及びパージガス温度に対する希釈ガス流量の関係示すグラフである。
【図１４】要求電力ＴＰＧに対する目標希釈ガス流量ＴＱＤＧの関係を示すグラフである。
【図１５】第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１６】第２の実施の形態における、運転圧力と必要となるパージ弁開口面積との関係を示すグラフである。
【図１７】目標運転圧力ＴＰＲＨの算出手順を示すフローチャートである。
【図１８】図１７のフローチャーによって算出された要求電力ＴＰＧに対する目標運転圧力ＴＰＲＨを示すグラフである。
【図１９】図１７のステートＳ５１及びＳ５２における第２及び第３パージ弁を開く条件を決定する計算手順を示すフローチャートである。
【図２０】システム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲを算出する方法を示すフローチャートである。
【図２１】図２０のフローチャートにより算出されたシステム要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＳＲと要求電力との関係を示すグラフである。
【図２２】第２の実施の形態におけるパージ要求希釈ガス流量ＴＱＤＧＰＧの算出方法を示すフローチャートである。
【図２３】第２の実施の形態における要求電力に対する目標希釈ガス流量ＴＱＤＧの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０８】
１…燃料電池スタック（燃料電池）
１ａ…酸化剤極（酸化剤ガス流路）
１ｂ…燃料極（燃料ガス流路）
２…制御部（開閉制御手段、目標圧力算出手段、圧力切替手段、希釈ガス流量算出手段）
３…空気圧縮機
４…酸化剤ガス供給流路
６…燃料貯蔵用タンク
７…燃料ガス調圧弁（圧力調整手段）
８…燃料ガス排出流路
９…第１パージ弁（流路遮断手段）
１０…第２のパージ弁（流路遮断手段）
１１…第３パージ弁（流路遮断手段）
１６…希釈空気供給用ブロア（希釈ガス供給手段）
１８…排出ガス処理装置
２０…酸化剤極バイパス流路（バイパス流路）
２１…酸化剤ガスバイパス弁
２３…酸化剤ガス排出流路（排出流路）
２４…調圧弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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