(57)【要約】    【課題】  パージ量を正確に制御可能な燃料電池システムを提供する。    【解決手段】  燃料電池（１０）のアノードオフガス供給路（１５）に配置されたパージ弁（１８）を開閉してアノードオフガスを排出する燃料電池システムにおいて、パージ弁（１８）の開弁時のアノードオフガス圧力（Ｐ１）と一定時間経過時のアノードオフガス圧力（Ｐ２）との圧力差（ΔＰ（ｔ））に基づいてパージ量を計算し、計算されたパージ量に基づいてパージ弁の開閉時間が補正される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードオフガス通路に配置されたパージ弁を開閉させてアノードオフガスを排出する燃料電池システムにおいて、
該パージ弁の開弁時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差に基づいてパージ量が計算され、
計算されたパージ量に基づいて該パージ弁の開閉時間が補正されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを排出するアノードオフガス供給路と、
該アノードオフガス通路に排出されたアノードオフガスに含まれる不純物を排出するパージ弁と、
該アノードオフガス供給路中のアノードオフガス圧力を検出する圧力センサと、
該圧力センサで検出される該パージ弁の開弁時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差に基づいてパージ量を計算し、計算されたパージ量に基づいて該パージ弁の開閉時間を補正する制御装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
パージ弁を開閉してアノードオフガスを排出する燃料電池システムにおいて、
該アノードオフガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段により検出された、該パージ弁の開弁時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差を計算する圧力差計算手段と、
該圧力差計算手段により計算された該圧力差に基づいて該パージ弁の開閉時間を補正する開閉時間補正手段と、
補正された該開閉時間に応じて該パージ弁を開閉するパージ弁制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧力差が所定の基準範囲以内である場合に、前記パージ弁の開閉時間の補正を禁止する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記パージ弁の開閉時間の補正は、前記パージ弁の開弁時間から閉弁時間までの開弁時間長を変更するものである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧力差が所定の基準値以上である場合に、前記パージ弁の開弁時間長を減少させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記圧力差が所定の基準値以下である場合に、前記パージ弁の開弁時間長を増加させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記一定時間経過時は、前記パージ弁の開弁後であって閉弁前の所定時である、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記一定時間経過後の前記パージ弁の開弁中に前記パージ弁の開閉時間が補正され、補正された前記開弁時間長経過後に前記パージ弁が閉弁される、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記一定時間経過時は、前記パージ弁の閉弁時であって、補正された前記開弁時間長で次の前記パージ弁の開閉が実施される、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
さらに前記パージ弁の上流側に流量制限部を備える、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記パージ弁の開閉時間は、前記開閉時間が補正される度に、補正された前記開閉時間によって更新される、請求項１乃至１１のいずいれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記パージ弁の開閉時間の補正は、前記パージ弁の閉弁から次の開弁までのインターバル時間長を変更するものである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記圧力差が所定の基準値以上である場合に、前記インターバル時間長を増加させる、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記圧力差が所定の基準値以下である場合に、前記インターバル開弁時間長を減少させる、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料電池のアノードオフガス通路に配置されたパージ手段からアノードオフガスを排出するパージ制御方法において、
該アノードオフガスの圧力を検出するステップと、
検出された該パージ手段によるパージ開始時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差を計算するステップと、
計算された該圧力差に基づいて、前回までの該パージ手段の開閉時間を変更するステップと、を備えたことを特徴とするパージ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パージ弁を備える燃料電池システムに係り、特にパージの制御方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いたシステムでは、アノード極に燃料ガスを供給する系統において、電気化学反応で生じた水や空気に含まれる窒素がアノードオフガス中に不純物として蓄積される。この不純物を含む水素ガスを排出するため、アノードオフガスのパージを実施することがある。例えば、特開２００４―２７３４２７号公報には、水素極での不純物量を積分した積分値を算出し、積分値がしきい値以上となった場合に、パージ弁を開状態に制御する技術が記載されている（特許文献１）。特開２００４−１７９０００号公報には、パージ弁の開放時にパージ弁の通過流量が所定値を超えた場合にパージ弁を閉じるように構成した燃料電池システムが開示されている（特許文献２）。その他、パージ流量を制御するものとして、特開２００４−２５３２５９号公報（特許文献３）や特開２００４−３９５２２号公報（特許文献４）等が知られていた。
【特許文献１】特開２００４―２７３４２７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９０００号公報
【特許文献３】特開２００４−２５３２５９号公報
【特許文献４】特開２００４−３９５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、予め、しきい値や所定値を定めてパージを実施する技術では、長期的に見ると不都合を生じることがあった。燃料電池システムでは、経年変化等により弁や配管の流量が変動したり、システム要因によりアノードオフガス流量が変化したりする。このように流量特性が変化すると、初期の条件で設定したパージ弁開閉のタイミングを決定するしきい値や所定値により排出されるパージ弁の通過流量と実際に排出されるパージ弁の通過流量にズレが生じる。このため、パージされるアノードオフガスの量に誤差を生じ、適正に不純物の除去が行えなくなる可能性があった。
【０００４】
そこで、本発明は、パージ量を正確に制御可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池のアノードオフガス通路に配置されたパージ弁を開閉させてアノードオフガスを排出する燃料電池システムにおいて、パージ弁の開弁時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差に基づいてパージ量が計算され、計算されたパージ量に基づいてパージ弁の開閉時間が補正されることを特徴とする。
【０００６】
また本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを排出するアノードオフガス通路と、アノードオフガス通路に排出されたアノードオフガスに含まれる不純物を排出するパージ弁と、アノードオフガス通路中のアノードオフガス圧力を検出する圧力センサと、圧力センサで検出されるパージ弁の開弁時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差に基づいてパージ量を計算し、計算されたパージ量に基づいてパージ弁の開閉時間を補正する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、パージ弁を開閉してアノードオフガスを排出する燃料電池システムにおいて、アノードオフガスの圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段により検出された、パージ弁の開弁時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差を計算する圧力差計算手段と、圧力差計算手段により計算された圧力差に基づいてパージ弁の開閉時間を補正する開閉時間補正手段と、補正された開閉時間に応じてパージ弁を開閉するパージ弁制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、燃料電池のアノードオフガス通路に配置されたパージ手段からアノードオフガスを排出するパージ制御方法において、アノードオフガスの圧力を検出するステップと、検出されたパージ手段によるパージ開始時のアノードオフガス圧力と一定時間経過時のアノードオフガス圧力との圧力差を計算するステップと、計算された圧力差に基づいて、前回までのパージ手段の開閉時間を変更するステップと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、パージ弁の開弁時の圧力とそれから一定時間経過時の圧力とに基づいてパージ量が求められる。このパージ量は、その時の実際のパージ量となるため、そのパージ量に基づいてパージ弁の開閉時間が補正される。この処理により、予め設定していた開閉時間を、適正なパージ量を確保可能な時間となるよう修正することができる。
【００１０】
ここで、上記圧力差が所定の基準範囲以内である場合に、パージ弁の開閉時間の補正を禁止することは好ましい。圧力差が予め設定している開閉時間と大差無い場合には、経時変化やシステム要因の変動が少ない場合と想定される。そこで本発明では、圧力差が基準範囲以内、すなわち予定された圧力差との差が少ない場合には補正不要と判断し、補正を禁止するのである。
【００１１】
例えば、パージ弁の開閉時間の補正は、パージ弁の開弁時間から閉弁時間までの開弁時間長を変更するものである。開弁時間長は、そのままパージ量に対応している。本発明によれば、開弁時間長が変更されることで、パージ量が補正される。
【００１２】
具体的には、圧力差が所定の基準値以上である場合に、パージ弁の開弁時間長を減少させる。圧力差が大きくなっているときは、単位時間当たりのパージ流量が多くなっていることを意味するので、開弁時間長を減少させればパージ量を適正に保てるからである。
【００１３】
逆に、圧力差が所定の基準値以下である場合に、パージ弁の開弁時間長を増加させる。圧力差が小さくなっているときは、単位時間当たりのパージ流量が少なくなっていることを意味するので、開弁時間長を増加させればパージ量を適正に保てるからである。
【００１４】
例えば、一定時間経過時は、パージ弁の開弁後であって閉弁前の所定時である。圧力は圧力変化がある程度落ち着けば測定可能であるため、必ずしも閉弁時まで待たなくても測定可能だからである。
【００１５】
ここで、閉弁時前に圧力差を測定できる場合、一定時間経過後のパージ弁の開弁中にパージ弁の開閉時間が補正され、補正された開弁時間長経過後にパージ弁が閉弁されるように制御することが可能である。閉弁時前に圧力差を測定する場合は、開弁期間中に圧力差を把握できるので、開弁中に補正を終了させて閉弁時間を変更可能だからである。
【００１６】
また、一定時間経過時を、パージ弁の閉弁時とすることも可能である。この場合、補正された開弁時間長で次のパージ弁の開閉が実施される。閉弁後に圧力差が把握できるので、補正結果をパージ弁の開閉時間に反映させるのは次のパージ時となるからである。
【００１７】
本発明において、さらにパージ弁の上流側に流量制限部を備えることは好ましい。流量制限部により、パージ弁開放時には流量が制限されて下流の圧力を十分下げることができる一方、パージ弁閉鎖時にはアノードオフガス通路と同じ下流の圧力となる。パージ弁開閉前後における圧力差を大きくすることができるので、検出精度を上げることが可能である。
【００１８】
本発明において、パージ弁の開閉時間は、開閉時間が補正される度に、補正された開閉時間によって更新されるよう制御してもよい。補正されるたびに基準となる開閉時間が変更され、経時変化やシステム要因の変動に伴って規定となる開閉時間が変更されていく。
【００１９】
本発明において、パージ弁の開閉時間の補正は、パージ弁の閉弁から次の開弁までのインターバル時間長を変更するものとすることも可能である。パージの開弁時間長が一定であったとしてもインターバルの時間長を変えることで、単位時間当たりのパージ量を変更することができるからである。パージの開弁時間長とインターバル時間長とをともに変化させてもよい。
【００２０】
この場合、具体的には、圧力差が所定の基準値以上である場合に、インターバル時間長を増加させる。圧力差が大きくなっているときは、単位時間当たりのパージ流量が多くなっていることを意味するので、インターバル時間長を増加させればパージ量を適正に保てるからである。
【００２１】
逆に、圧力差が所定の基準値以下である場合に、インターバル開弁時間長を減少させる。圧力差が小さくなっているときは、単位時間当たりのパージ流量が少なくなっていることを意味するので、開弁時間長を減少させればパージ量を適正に保てるからである。
【発明の効果】
【００２２】
以上本発明によれば、パージ弁の開弁時の圧力とそれから一定時間経過時の圧力とに基づいてその時の実際のパージ量が把握できるので、そのパージ量に基づいてパージ弁の開閉時間を補正し、適正なパージ量を確保可することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、基準となる圧力差と実測された圧力差とを比較してパージ弁の開弁時間長を補正する例に関する。
図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図１に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池１０に燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスである空気を供給するためのガス供給部１と、燃料電池の制御部２と、を備えて構成されている。
【００２４】
燃料電池１０は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータ一対で挟み込んだ構造をしている。ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。
【００２５】
燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、アノード（陰極）である燃料極側にはアノードガスである水素ガスが供給され、カソード（陽極）である空気極側には酸素を含んだカソードガス（空気）が供給され、燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ^  …（１）
２Ｈ+＋２ｅ^＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  …（２）
本実施形態では、上記電気化学反応を経て燃料電池１０から排出されたアノードガスをアノードオフガスと呼び、排出されたカソードガスをカソードオフガスと呼ぶ。
【００２６】
アノードガスを取り扱う系統としては、水素ガス供給源としての水素タンク１１、アノードガス供給路１２、循環経路１３、循環ポンプ１４、及びアノードオフガス通路１５を備えている。アノードガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等の図示は省略してある。
【００２７】
水素タンク１１には高圧のアノードガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。アノードガス供給路１２は、高圧のアノードガスを供給する配管であり、途中に図示しない調圧弁（レギュレータ）等を備えていてもよい。循環経路１３は、調圧されたアノードガスを燃料電池１０の燃料極１０Ａに供給する。そして電気化学反応の後、燃料極１０Ａから排出されたアノードオフガスを、図示しない逆止弁やエジェクタを介して、再びアノードガス供給路１２に戻すことによって循環路を形成している。循環ポンプ１４は、制御部２の制御に基づいてアノードオフガスを強制循環させる。途中、図示しない気液分離器によって、アノードオフガス中の水分その他の不純物が除去される。
【００２８】
循環経路１３は循環ポンプ１４の上流において、アノードオフガス通路１５が分岐している。アノードオフガス通路１５には、流量制限部１６、圧力センサ１７、及びパージ弁１８が設けられている。
【００２９】
流量制限部１６は本発明に係り、選択により設けられるものであり、必須の構成ではない。流量制限部は、通過するガス流量を制限可能な構造を有するものであり、例えば径を絞ったオリフィス等により構成されている。流量制限部１６はアノードオフガス通路１５を流れるアノードオフガスの流量を制限するため、パージ弁１８の開放時には流量制限によりパージ弁下流の圧力を十分下げることができる一方、パージ弁１８の閉鎖時には流量制限部１６とパージ弁１８の間における圧力を流量制限部１６の上流側と等しくする。
【００３０】
圧力センサ１７は、パージ弁１８の一次側圧力、すなわちアノードオフガス通路１５の圧力を検出可能に構成されている。流量制限部１６が設けられていない場合には、この圧力センサ１７は循環ポンプ１４下流の圧力を常に検出することになる。一方、流量制限部１６が設けられている場合には、パージ弁１８が開弁している場合には、流量制限された相対的に低い圧力を、パージ弁１８が閉弁している場合には、循環ポンプ１４下流の圧力を検出することとなる。圧力センサ１７は、検出したアノードオフガス通路１５の内圧を検出信号Ｓｄとして制御部２に出力している。
【００３１】
パージ弁１８は本発明に係り、制御部２のパージ弁制御信号Ｓｐｃに応じて開閉するようになっている。このパージ弁１８の開閉制御が本発明の特徴となっている。パージ弁１８の下流側のアノードオフガス通路１５は希釈器２５に接続され、アノードオフガスと混合・希釈されるようになっている。
【００３２】
カソードガスを取り扱う系統として、エアクリーナ２１、カソードガス供給路２２、コンプレッサ２３、カソードオフガス供給路２４、及び希釈器２５を備えている。各種遮断弁、調圧弁、カソードガスの湿度を上げる加湿器等は図示していない。
【００３３】
エアクリーナ２１は、外気を浄化して酸化ガスを含む空気として燃料電システムに取り入れるものである。カソードガス供給路２２はこの空気を流通させ、コンプレッサ２３は、カソードガス供給路２２に取り入れられた空気を制御部２の制御信号に基づいて圧縮し、燃料電池１０の空気極１０Ｃに供給するようになっている。
【００３４】
カソードオフガス供給路２４は、燃料電池１０の空気極１０Ｃから排出されたカソードオフガスを流通させ希釈器２５に供給するようになっている。希釈器２５は、パージ弁１８から排出されたアノードオフガスとカソードオフガス供給路２４から供給されたカソードオフガスとの間に乱流を発生させ、アノードオフガスを希釈するものである。希釈器２５からは排気経路２６を介して異常な酸化現象を生じない程度に希釈されたオフガスが排出される。
【００３５】
なお、図示しないが、燃料電池１０には、セパレータ上に冷却液を流し、燃料電池内部を冷却するための冷却系が設けられている。
【００３６】
制御部２は、ＥＣＵ（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を備えている。制御部２は、ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを、順次実行することにより、この燃料電池システムに本発明のパージ制御方法を実行させる。
【００３７】
図１は、この制御部２によって実現される機能ブロックを示している。制御部２は、圧力検出手段２００、圧力差計算手段２０２、開閉時間補正手段２０４、及びパージ弁制御手段２０６に機能分割される。
【００３８】
圧力検出手段２００は、圧力センサ１７からの検出信号Ｓｄを参照して、アノードオフガス通路１５におけるアノードオフガスの圧力を検出するものである。すなわち、圧力検出手段２００は、測定機器である圧力センサ１７の検出信号Ｓｄを参照して、演算処理に適する圧力の相対値に変換するものである。この圧力検出手段２００と圧力センサ１７とが、本発明に係る圧力検出手段に相当している。
【００３９】
圧力差計算手段２０２は、圧力検出手段２００により検出された、パージ弁１８の開弁時のアノードオフガス圧力Ｐ１と一定時間経過時のアノードオフガス圧力Ｐ２との圧力差を、その時の時刻ｔにおける圧力差ΔＰ（ｔ）として計算するものである。すなわち、パージ弁１８の開弁時のアノードオフガス圧力を一旦Ｐ１として記憶し、一定時間経過したときのアノードオフガス圧力Ｐ２を、開弁時のアノードオフガス圧力Ｐ１から減算するものである。一定時間とは以下のような時間である。
【００４０】
図３に、パージ弁１８開閉に伴うアノードオフガス通路１５の圧力変化の様子を示す。図３に示すように、時刻ｔ１にパージ弁１８が開弁すると、パージ弁１８の一次側と二次側との圧力差に応じアノードオフガスが流れ、アノードオフガス通路１５の圧力が急激に低下する。パージ弁１８の一次側と二次側との圧力差が減っていくと、圧力低下が緩慢になり、徐々に圧力が安定する。例えば時刻ｔ２以降では殆ど圧力の低下が無い。このように、パージ弁の開弁期間中であって圧力変化が緩慢になると期待できる適当な時刻ｔ２を、上記Ｐ２を測定する一定時間経過時と定めるのである。
【００４１】
開閉時間補正手段２０４は、圧力差計算手段２０２により計算された圧力差ΔＰ（ｔ）に基づいてパージ弁１８の開閉時間を補正するものである。具体的には、開閉時間補正手段２０４は、補正係数演算部２１２、乗算部２１６、及び加算部２１９から構成される機能ブロックを備える。また、開閉時間補正手段２０４には、燃料電池システムが設計どおりに動作すると仮定した場合にパージする時間として適当なパージ弁１８の開弁時間長が、規定開弁時間長Ｔ（０）として記憶されている（符号２１８）。また燃料電池システムが設計どおりに動作すると仮定した場合に検出されるべき、パージ弁開弁時ｔ１から一定時間経過時ｔ２までの圧力差が、規定圧力差ΔＰ（０）として記憶されている（符号２１４）。開閉時間補正手段２０４は、補正係数演算部２１２が演算した補正係数と規定開弁時間長Ｔ（０）を乗算部２１６により乗算して補正時間長ΔＴ（ｔ）を求め、これを加算部２１９において規定開弁時間長Ｔ（０）に加算して、補正後の開弁時間長Ｔ（０）＋ΔＴ（ｔ）を出力するものである。パージ弁制御手段２０６は、補正された開弁時間長に従ったスケジュールで、パージ弁１８を開閉させるためのパージ弁制御信号Ｓｐｃを出力するようになっている。
【００４２】
次に本発明におけるパージ弁制御方法の原理を説明する。
一般に弁手段を通過する流体について、弁手段の一次側と二次側との圧力差をΔＰとすると、弁手段を通過する流体の体積流量Ｑは、この圧力差ΔＰの平方根に比例することが知られている。
Ｑ  ∝  √ΔＰ  …（１）
式（１）に従って、パージ弁１８を通過する流量Ｑｐについても、
Ｑｐ  ∝  √ΔＰ（ｔ）＝√（Ｐ１−Ｐ２）  …（２）
となる。ここで、設計どおりにシステムが動作する場合に想定される規定流量Ｑｐ（０）は、この場合の圧力差ΔＰ（０）を用い、比例定数をＡとおいて、
Ｑｐ（０）  ＝  Ａ√ΔＰ（０）  …（３）
となる。同様に、現時刻において測定された圧力差ΔＰ（ｔ）（＝Ｐ１―Ｐ２）を用いて、現時刻ｔにおいてパージ弁を通過する流量Ｑｐ（ｔ）も、
Ｑｐ（ｔ）＝  Ａ√ΔＰ（ｔ）＝  Ａ√（Ｐ１−Ｐ２）  …（４）
となる。ここで、現時刻ｔにおける圧力差ΔＰ（ｔ）と初期における規定圧力差ΔＰ（０）との比をａ（＝ΔＰ（ｔ）／ΔＰ（０））とおくと、
ΔＰ（ｔ）  ＝  ａ・ΔＰ（０）  …（５）
である。また、現時刻ｔにおける、初期状態からの体積流量の変化量ΔＱは、式（５）を用いて、
ΔＱ  ＝  Ｑｐ（０）  ―  Ｑｐ（ｔ）
＝  Ａ（√ΔＰ（０）―√ΔＰ（ｔ））
＝  Ａ√ΔＰ（０）・（１―√ａ）  （ａ＝ΔＰ（ｔ）／ΔＰ（０））…（６）
となる。
【００４３】
ここで、一回のパージによりパージ弁を流れるパージ量は、パージ弁の開弁時間長に比例すると考えられる。初期状態のパージ量は規定流量Ｑｐ（０）であり、これからΔＱだけパージ量が変化するので、パージ弁の補正時間は、規定開弁時間長Ｔ（０）に補正係数（１―√ａ）を乗じたものとなる。つまり、式（５）を用いて、変化量ΔＱを補うために必要な補正時間長ΔＴ（ｔ）は、
【数１】
2006310182.tif 000003
となる。従って、現時刻ｔにおいてパージ弁の開弁時間長Ｔ（ｔ）は、この補正時間長と規定開弁時間長とを加算したもの、すなわち、
Ｔ（ｔ）  ＝  Ｔ（０）＋ΔＴ（ｔ）  …（７）
となる。このようにして補正された開弁時間長Ｔ（ｔ）に対応するように、パージ弁の開閉が制御されればよいことが判る。本実施形態の制御部２では、補正係数演算部２１２において補正係数（１−√ａ）が演算され、乗算部２１６において規定開弁時間長Ｔ（０）と乗算されることによって、数１のように補正時間長ΔＴ（ｔ）が求められ、加算部２２０においてさらに規定開弁時間長Ｔ（０）と加算されることによって、補正された開弁時間長が求められるのである。
【００４４】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、制御部２における一連の動作を説明する。
まず、パージ時刻になったか否かが判定される（Ｓ１）。このパージスケジュールは制御部２が把握している。前回のパージ終了後、循環経路１３内部の不純物濃度がある程度高まるまではパージされず（Ｓ１：ＮＯ）、不純物濃度が高まったと想定されるインターバル経過時に（Ｓ１：ＹＥＳ）、パージ処理に移行する。なお、本実施形態では、このインターバルは一定であると仮定してある。
【００４５】
まず圧力センサ１７の検出信号Ｓｄが参照され、パージ弁１８の開弁時の圧力Ｐ１が把握される（Ｓ２）。その直後にパージ弁制御信号Ｓｐｃが出力され、パージ弁１８が開弁状態となる（Ｓ３）。パージ弁１８が開弁状態となると、循環経路１３中のアノードオフガスがパージ弁１８を介して排出され、希釈器２５においてカソードオフガスと希釈・混合される。圧力センサ１７により検出される圧力は、図３に示すような特性で変化する。
【００４６】
圧力が安定するのに十分と想定される一定時刻経過時ｔ２までは（Ｓ４：ＮＯ）、パージが継続される。そして一定時刻経過時（Ｓ４：ＹＥＳ）になったら、圧力センサ１７により再度アノードオフガス圧力が測定されＰ２とされる（Ｓ５）。そして現時刻ｔでの圧力差ΔＰ（ｔ）（＝Ｐ１―Ｐ２）が演算される（Ｓ６）。
【００４７】
次に圧力差に応じた判断がされる。
まず、圧力差ΔＰ（ｔ）が所定の基準範囲以内である場合、すなわち初期状態である規定圧力差ΔＰ（０）と殆ど変わらない場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、補正時間長ΔＴ（ｔ）はゼロであると設定される（Ｓ９）。測定された圧力差ΔＰ（ｔ）が規定圧力差ΔＰ（０）にほぼ等しい場合とは、システムに経年変化やシステム要因の変化が生じておらず、当初の想定どおりに動作している場合と考えられる。このような場合にはパージ弁の開弁時間長を補正する必要が無いから、補正時間長をゼロとするのである。この処理により、誤差が少ないのに余計な補正演算をすることが回避される。
【００４８】
次に、圧力差ΔＰ（ｔ）が、規定圧力差ΔＰ（０）から基準範囲よりもずれていた場合（Ｓ８：ＮＯ）、そのずれに応じて補正時間長ΔＴ（ｔ）が演算される。例えば、圧力差ΔＰ（ｔ）が規定圧力差ΔＰ（０）より大きい場合（Ｓ１０：ＮＯ）、規定よりもカソードオフガスの圧力が高く、単位時間当たりのパージ量が多くなっていることを意味する。数１に従えば、補正時間長ΔＴ（ｔ）は、負の値を示すことになり、結果として、パージ弁の開弁時間長を減らす方向に働く（Ｓ１１）。一方、圧力差ΔＰ（ｔ）が規定圧力差ΔＰ（０）以下である場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、規定よりもカソードオフガスの圧力が低く、単位時間当たりのパージ量が少なくなっていることを意味する。数１により、補正時間長ΔＴ（ｔ）は、正の値を示すことになり、パージ弁の開弁時間長を増やす方向に働く（Ｓ１２）。
【００４９】
これら一連の手順で、検出された圧力差ΔＰ（ｔ）に応じて設定された補正時間長ΔＴ（ｔ）が規定の開弁時間長Ｔ（０）と合算される（Ｓ１３）。そして、補正された開弁時間長Ｔ（ｔ）が経過したら（Ｓ１４：ＹＥＳ）、パージ弁を閉弁するためのパージ弁制御信号Ｓｐｃが出力され、パージ弁が閉鎖される（Ｓ１５）。
【００５０】
以上のように、本実施形態１によれば、パージ弁１８の開弁時ｔ１の圧力Ｐ１とそれから一定時間経過時ｔ２の圧力Ｐ２とに基づいてパージ量Ｑが求められる。このパージ量は、その時の実際のパージ量であり、そのパージ量に基づいて、予め設定していた規定開閉時間Ｔ（０）を適正なパージ量を確保可能な時間（Ｔ（０）＋ΔＴ（ｔ））に補正することができる。従って、経年変化やシステム要因の変化により圧力状態が変化したとしても、それに追従した適正なパージ量でパージ制御が行える。
【００５１】
本実施形態１によれば、圧力差ΔＰ（ｔ）が所定の基準範囲以内である場合に、パージ弁の開閉時間の補正が行われないので、システム状態に変更が無いことを確認した場合に補正演算を省略可能となる。
【００５２】
本実施形態１によれば、パージ弁１８の閉弁前の一定時間経過時ｔ２において圧力差を検出するので、一定時間経過後に即時に補正演算を実施し、その補正結果を今回開弁状態となっているパージ弁１８の閉弁タイミング調整に反映させることが可能である。つまり、迅速にシステム状態の変化に対応させることが可能である。
【００５３】
本実施形態１によれば、パージ弁１８の上流側に流量制限部１６を備えており、パージ弁開閉前後における圧力差を大きくすることができるので、検出精度を上げることが可能である。
【００５４】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、実施形態１と同様に、基準となる圧力差と実測された圧力差とを比較してパージ弁の開弁時間長を補正するが、パージ弁閉鎖時の圧力を用いる例に関する。
本実施形態における本燃料電池システムは、上記実施形態１と同様のものとする（図１参照）。但し、制御部２のうち、圧力検出手段２００は、パージ弁１８の開弁時ｔ１の圧力Ｐ１と閉弁時ｔ２の圧力Ｐ２とを検出し、圧力差計算手段２０２は、次回（ｎ回目）のパージのための圧力差ΔＰ（ｎ）を演算する点で異なる。その他の構成については実施形態１と同様である。
【００５５】
次に、図４のフローチャートを参照しながら、制御部２における一連の動作を説明する。
本実施形態２では、圧力差としてパージ弁１８の開弁時の圧力Ｐ１と閉弁時の圧力Ｐ２とを用いて補正時間長を求めることとする点で、開弁時ｔ１から一定時間経過時ｔ２の圧力をＰ２としていた実施形態１と異なる。補正された補正時間長のパージ制御は次回のパージに反映されることとなる。実施形態２では、ｎ−１回目のパージにおける演算によって、次回（ｎ回目）のパージで反映される開弁時間長Ｔ（ｎ）を求めるものとする。求める対象は、ｎ回目のパージで加減算される補正時間長ΔＴ（ｎ）である。
まず、パージ時刻になったか否かが判定される（Ｓ２１）。所定のインターバル経過時に（Ｓ２１：ＹＥＳ）、パージ処理に移行する。
【００５６】
実施形態１と同様、圧力センサ１７の検出信号Ｓｄが参照され、パージ弁１８の開弁時の圧力Ｐ１が把握される（Ｓ２２）。その直後にパージ弁制御信号Ｓｐｃが出力され、パージ弁１８が開弁状態とされる（Ｓ２３）。そして、本実施形態では、今回（ｎ−１回目）のために前回までに設定された開弁時間長Ｔ（ｎ−１）が経過するまで待ち状態となる（Ｓ２４：ＮＯ）。開弁時間長Ｔ（ｎ−１）が経過すると（Ｓ２４：ＹＥＳ）、まず閉弁時のアノードオフガス圧力がＰ２として検出され（Ｓ２５）、次いでパージ弁１８を閉鎖させるためのパージ弁制御信号Ｓｐｃが出力され、パージ弁が閉鎖される（Ｓ２６）。
【００５７】
次いで、実施形態１と同様の補正演算が実施される。
まず、次回（ｎ回目）のための圧力差ΔＰ（ｎ）（＝Ｐ１―Ｐ２）が演算される（Ｓ２６）。そして、圧力差ΔＰ（ｔ）が所定の基準範囲以内である場合、すなわち初期状態である規定圧力差ΔＰ（０）と殆ど変わらない場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、補正時間長ΔＴ（ｎ）はゼロであると設定される（Ｓ２９）。
【００５８】
圧力差ΔＰ（ｎ）が、規定圧力差ΔＰ（０）から基準範囲よりもずれていた場合（Ｓ２８：ＮＯ）、そのずれに応じて補正時間長ΔＴ（ｎ）が演算される。例えば、圧力差ΔＰ（ｎ）が規定圧力差ΔＰ（０）より大きい場合（Ｓ３０：ＮＯ）、規定よりもカソードオフガスの圧力が高く、単位時間当たりのパージ量が多くなっていることを意味するので、負の値を示す補正時間長ΔＴ（ｎ）が得られる（Ｓ３１）。一方、圧力差ΔＰ（ｎ）が規定圧力差ΔＰ（０）以下である場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、規定よりもカソードオフガスの圧力が低く、単位時間当たりのパージ量が少なくなっていることを意味するので、正の値を示す補正時間長ΔＴ（ｎ）が得られる（Ｓ３２）。そして、この補正時間長ΔＴ（ｎ）が規定の開弁時間長Ｔ（０）と合算され、次回のパージ弁制御のために記憶される（Ｓ３３）。この補正された開弁時間長Ｔ（ｎ）は、次回のパージ弁の開閉制御時の開閉時間長として用いられることになる。
【００５９】
図５に本実施形態２におけるパージ弁開閉制御のタイミングチャートを示す。
図５に示すように、ｎ−１回目のパージではパージ弁開弁時間長Ｔ（ｎ−１）で開閉制御がされ、パージ弁が閉弁された時刻ｔ２の後に補正演算され、ｎ回目のパージにおいての補正時間長ΔＴ（ｎ）が求められ、規定の開弁時間長Ｔ（０）と合算された開弁時間長Ｔ（ｎ）が設定される。このように、本実施形態２では、パージ弁閉鎖後の比較的長いインターバルの間に次回の補正時間長の演算を完了すればよい。
【００６０】
以上のように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の効果を奏する他、パージ弁の圧力差測定のタイミングをパージ弁の開弁時及び閉弁時というように弁の開閉時に併せて単純化できる。このため、パージ弁開弁後の出力安定という要素を考慮する必要がない。
【００６１】
また本実施形態２によれば、パージ弁の閉弁から次の開弁まではある程度の期間が想定されるため、演算時間を長く取ることができる。これにより、制御部２の演算速度が遅い場合やパージ期間がそもそも短く設定されているような場合に、演算時間に余裕を持たせることができる。
【００６２】
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、実施形態１と同様に、基準となる圧力差と実測された圧力差とを比較してパージ弁の開弁時間長を補正するが、毎回の補正演算の結果で規定値を更新していくものである。
図６に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。本実施形態３における本燃料電池システムは、ほぼ上記実施形態１と同様であるが、制御部２ｂの構成において異なる。
【００６３】
すなわち、本実施形態３において、制御部２ｂにおける圧力検出手段２００及び圧力差計算手段２０２で得られる圧力差ΔＰ（ｎ）は、ｎ回目のパージの開弁時間長を定めるための圧力差である。このその圧力差検出は、実施形態１のように、パージ弁の開弁時ｔ１の圧力Ｐ１と一定時間経過時ｔ２における圧力Ｐ２との差圧としても、実施形態２のように、パージ弁開弁時ｔ１の圧力Ｐ１と閉弁時ｔ２における圧力Ｐ２としてもよい。
【００６４】
本実施形態３における開閉時間補正手段２２０は、規定圧力差ΔＰがパージ毎に更新されてき、開弁時間長Ｔもパージ毎に更新されていく点が特徴的である。補正係数演算部２２２は、実施形態１の規定圧力差ΔＰ（０）に代えて、前回（ｎ−１回目）に更新された圧力差ΔＰ（ｎ−１）が用いられ、この更新された圧力差ΔＰ（ｎ−１）が数１に代入され補正演算される。また、規定開弁時間長もパージ毎に更新されていき、実施形態１の規定開弁時間長Ｔ（０）に代えて、前回に更新された開弁時間長Ｔ（ｎ−１）が用いられる。そして、補正係数演算部２１２が演算した補正係数と前回に更新された開弁時間長Ｔ（ｎ−１）が乗算部２２６により乗算され、今回（ｎ回目）の補正時間長ΔＴ（ｎ）が求められ、これが加算部２３０において更新された開弁時間長Ｔ（ｎ−１）に加算され、補正後の開弁時間長Ｔ（ｎ）（＝Ｔ（ｎ−１）＋ΔＴ（ｎ））が出力される。補正後の開弁時間長Ｔ（ｎ）は、次回の開閉時間長（符号２２８）として記憶される。
【００６５】
次に、図７のフローチャートを参照しながら、制御部２における一連の動作を説明する。
まず、パージ時刻になったか否かが判定される（Ｓ４１）。所定のインターバル経過時に（Ｓ４１：ＹＥＳ）、パージ処理に移行する。
【００６６】
実施形態１と同様、圧力センサ１７の検出信号Ｓｄが参照され、パージ弁１８の開弁時の圧力Ｐ１が把握される（Ｓ４２）。その直後にパージ弁制御信号Ｓｐｃが出力され、パージ弁１８が開弁状態とされる（Ｓ４３）。次いで、実施形態１と同様に圧力が安定する一定時間ｔ２が経過するまで待ち状態とされ（Ｓ４４：ＮＯ）、一定時間ｔ２が経過すると（Ｓ４４：ＹＥＳ）、アノードオフガス圧力がＰ２として検出される（Ｓ４５）。なお、実施形態２のように、閉弁時の圧力をＰ２として検出してもよい。
【００６７】
次いで、実施形態１と同様の補正演算が実施される。
まず、次回（ｎ回目）のための圧力差ΔＰ（ｎ）（＝Ｐ１―Ｐ２）が演算される（Ｓ４６）。そして、圧力差ΔＰ（ｔ）が所定の基準範囲以内である場合、すなわち前回更新された圧力差ΔＰ（ｎ−１）と殆ど変わらない場合（Ｓ４８：ＹＥＳ）、補正時間長ΔＴ（ｎ）はゼロであると設定される（Ｓ４９）。
【００６８】
圧力差ΔＰ（ｎ）が、圧力差ΔＰ（ｎ−１）から基準範囲よりもずれていた場合（Ｓ４８：ＮＯ）、そのずれに応じて補正時間長ΔＴ（ｎ）が演算される。例えば、圧力差ΔＰ（ｎ）が前回の圧力差ΔＰ（ｎ−１）より大きい場合（Ｓ５０：ＮＯ）、規定よりもカソードオフガスの圧力が高く、単位時間当たりのパージ量が多くなっていることを意味するので、負の値を示す補正時間長ΔＴ（ｎ）が得られる（Ｓ５１）。一方、圧力差ΔＰ（ｎ）が前回の圧力差ΔＰ（ｎ−１）以下である場合（Ｓ５０：ＹＥＳ）、規定よりもカソードオフガスの圧力が低く、単位時間当たりのパージ量が少なくなっていることを意味するので、正の値を示す補正時間長ΔＴ（ｎ）が得られる（Ｓ５２）。そして、この補正時間長ΔＴ（ｎ）が前回更新の開弁時間長Ｔ（ｎ−１）と合算される。そして、新たに計算された開弁時間長Ｔ（ｎ）が次回のパージ弁補正演算のために記憶される（Ｓ５３）。そして、この補正された開弁時間長Ｔ（ｎ）となるまで（Ｓ５４：ＮＯ）待って、当該時間長が経過したら（ＹＥＳ）、パージ弁１８が閉鎖させられる（Ｓ５５）。
【００６９】
以上のように、本実施形態３の構成によれば、実施形態１や２と同様の作用効果を奏する他、パージ弁の開弁時間長が、開閉時間が補正される度に更新される。このため、径変変化やシステム要因の変動に対し、補正演算により適切な開弁時間長が常時追従していくことになるので、長期間に亘って正確なパージ制御が可能となる。
【００７０】
（変形例）
本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々に変更して利用することができる。
例えば、上記実施形態では、パージ弁の開弁時間長を補正していたが、パージ弁の閉弁から次の開弁までのインターバル時間長を変更するものとしてもよい。パージの開弁時間長が一定であったとしてもインターバルの時間長を変えることで、単位時間当たりのパージ量を変更することができるからである。パージの開弁時間長とインターバル時間長の双方を変化させてもよい。
【００７１】
インターバル期間を補正する場合、圧力差ΔＰが所定の基準値以上である場合に、インターバル時間長を増加させる。圧力差が大きくなっているときは、単位時間当たりのパージ流量が多くなっていることを意味するので、インターバル時間長を増加させればパージ量を適正に保てるからである。
【００７２】
逆に、圧力差が所定の基準値以下である場合に、インターバル開弁時間長を減少させる。圧力差が小さくなっているときは、単位時間当たりのパージ流量が少なくなっていることを意味するので、開弁時間長を減少させればパージ量を適正に保てるからである。
【００７３】
また、パージ弁が開度調整可能な構造を備える場合、開弁時間長やインターバル時間長を制御する代わりに、弁開度を制御して流量を調整するようにしてもよい。圧力差が所定の基準値以下である場合には開度を大きくし、圧力差が基準値より大きい場合には開度を小さくすればよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、圧力差ΔＰに応じた補正演算をしていたが、補正時間長として、適当な定数を加算または減算するように構成してもよい。例えば、圧力差が基準値以下である場合には、一定の時間長Ｔｃを加算し、圧力差が基準値よりも大きい場合には、時間長Ｔｃを減算するようにする。上記実施形態のように原理から求められた補正時間長ΔＴではないため、一回の演算で最適値に収束させることはできない。しかし、パージは繰り返されるものであるため、パージ毎に最適なパージ時間に収斂していくことが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態１に係る燃料電池システムのブロック図
【図２】本実施形態１に係る燃料電池システムのパージ制御方法を説明するフローチャート
【図３】本実施形態１のパージ弁開閉状態とアノードオフガス圧力との関係図
【図４】本実施形態２に係る燃料電池システムのパージ制御方法を説明するフローチャート
【図５】実施形態２のパージ弁開閉状態とアノードオフガス圧力との関係図
【図６】本実施形態３に係る燃料電池システムのブロック図
【図７】本実施形態３に係る燃料電池システムのパージ制御方法を説明するフローチャート
【符号の説明】
【００７６】
１…ガス供給部、２、２ｂ…制御部、１０Ｃ…空気極、１０Ａ…燃料極、１０…燃料電池、１１…水素タンク、１２…アノードガス供給路、１３…循環経路、１４…循環ポンプ、１５…アノードオフガス供給路、１６…流量制限部、１７…圧力センサ、１８…パージ弁、２１…エアクリーナ、２２…カソードガス供給路、２３…コンプレッサ、２４…カソードオフガス供給路、２５…希釈器、２６…排気経路、２００…圧力検出手段、２０２…圧力差計算手段、２０４、２２０…開閉時間補正手段、２０６…パージ弁制御手段、２１２、２２２…補正係数演算部、２１６、２２６…乗算部、２１９、２３０…加算部、Ｓｄ…検出信号、Ｓｐｃ…パージ弁制御信号、ΔＰ…圧力差、ΔＴ…補正時間長
【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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