(57)【要約】【課題】運転圧力に応じたパージが可能で、無駄に排出する水素の量を最小限に低減することができ、また運転効率の悪化を引き起こすこともない燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１の水素極からの水素を系外に排出するための水素排気流路８に、当該水素排気流路８の開閉及び流路断面積の変更を行う水素排気調整手段を設ける。水素排気調整手段としては、例えば、開口面積が可変とされたパージ弁９を用いる。そして、パージ弁９近傍における水素循環流路７内の圧力を圧力センサ３３によって検出し、コントロールユニット３３が圧力センサ３３からの検出値から運転圧力を判断して、この水素循環流路７内の圧力（運転圧力）に応じてパージ弁９の開口面積を設定する。具体的には、運転圧力の低い低負荷領域においてパージ弁９の開口面積が大となるように設定する。【選択図】      図１
2004362806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給流路と、
前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給流路と、
前記燃料電池スタックから排出された未使用水素を循環させて前記水素供給流路を通る水素に混合させる水素循環流路と、
前記水素循環流路から分岐される水素排気流路と、
前記水素排気流路に設けられて前記水素排気流路の開閉及び流路断面積の変更を行う水素排気調整手段とを備え、
前記水素循環流路内の圧力が高いほど、前記水素排気調整手段により前記水素排気流路の流路断面積を小さく設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素排気調整手段は、開口面積が可変とされたパージ弁により構成され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】
前記水素循環流路内の圧力が所定値以下である場合には、前記水素循環流路内の圧力が低いほど、前記水素排気排気流路の流路断面積を大きく設定し、前記水素循環流路内の圧力が所定値を越えた場合には、前記水素排気流路の流路断面積を一定に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】
前記水素排気調整手段は、開口面積が異なる複数のパージ弁を並列に接続することにより構成され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５】
前記水素排気調整手段は、開口面積が略等しい複数のパージ弁を並列に接続することにより構成され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６】
前記水素循環流路内の圧力に応じて、前記水素排気流路の流路断面積が段階的に小さくなるように設定することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素循環流路内の圧力は、実測により検出することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素循環流路内の圧力は、前記燃料電池スタックの運転パラメータに基づいて推定することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水素循環流路内の温度に応じて、前記水素排気調整手段により設定される前記水素排気流路の流路断面積を補正することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水素循環流路内の温度は、実測により検出す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】
前記水素循環流路内の温度は、燃料電池スタックの運転パラメータに基づいて推定す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、水素循環流路におけるパージ方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車等の排出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等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料となる水素及び空気を燃料電池スタックの水素極及び空気極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギー変換システムである。燃料電池システムでは、前記電気化学反応によって生成するのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、供給された水素が全て燃料電池スタックで使用されるわけではなく、水素の利用効率を上げるための工夫として、燃料電池スタックで使用されなかった未使用の水素を、再度燃料電池スタックへと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００４】
この特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの燃料極から排出された余剰の水素を再循環ガス回路を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水素循環形式の燃料電池システムでは、水素を循環させることによって水素循環経路内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、水素分圧が降下していくため燃料電池スタックの効率が低下することから、不純物濃度が高くなった場合や燃料電池システム起動時等に、パージ弁を開放して水素循環経路内のガスをパージし、水素循環経路内から不純物を除去することが行われている。例えば、上述した特許文献１記載の燃料電池システムにおいても、燃料極である水素極に異物が付着した場合に、パージ弁を開いて水素供給量を増加させ、これら異物を除去するようにしている。
【０００７】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、前記パージはパージ弁を一律に開放することで行われており、必ずしも必要最小限のパージが実施されるとは限らず、不必要な水素放出を行っている可能性がある。逆に、運転圧力が低い低負荷領域では、パージ流量が極端に減少して十分なパージが行われず、運転効率の悪化を招く虞れもある。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、運転圧力に応じたパージが可能で、無駄に排出する水素の量を最小限に低減することができ、また運転効率の悪化を引き起こすこともない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給流路と、燃料電池スタックに水素を供給する水素供給流路と、燃料電池スタックから排出された未使用水素を循環させて水素供給流路を通る水素に混合させる水素循環流路と、水素循環流路から分岐される水素排気流路と、水素排気流路に設けられて水素排気流路の開閉及び流路断面積の変更を行う水素排気調整手段とを備える。そして、この燃料電池システムでは、水素循環流路内の圧力が高いほど、水素排気調整手段により水素排気流路の流路断面積を小さく設定するようにしている。
【００１０】
以上の構成を有する本発明の燃料電池システムによれば、運転圧力に応じて適正なパージが実行されることになり、特に中負荷以上での過大なパージ流量による水素の排出が抑えられると共に、パージ流量の減少が懸念される低負荷領域では最大限のパージを実施することができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの運転圧力に応じたパージが可能であり、例えば中負荷以上での過大なパージ流量による水素の過剰排出を抑えることができ、無駄に排出する水素量を最小限に低減することができる。また、本発明に係る燃料電池システムでは、パージ流量の減少が懸念される低負荷領域では最大限のパージを実施することができるので、不純物の除去を適切に行って水素分圧を適正に保つことができ、運転効率の悪化を引き起こすこともない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要部分の構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される水素極と酸化剤ガスである空気（酸素）が供給される空気極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、水素極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１５】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１６】
燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１の各発電セルの電圧をモニタリングするためのセル電圧モニタ（電圧検出手段）２が接続されている。燃料電池スタック１は、このセル電圧モニタ２により各燃料電池セルの電圧がモニタリングされることによって、その発電状態が監視されるようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの水素極や空気極に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系及び空気供給系が設けられている。
【００１８】
水素供給系は、例えば、水素タンク３、圧力制御弁４、水素供給流路５、エゼクタ６を備える。そして、水素供給源である水素タンク３から供給される水素が、圧力制御弁４で減圧され、水素供給流路５及びエゼクタ６を通って燃料電池スタック１の水素極に送り込まれるようになっている。
【００１９】
燃料電池スタック１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック１の水素極から排出される水素）は、新たに水素タンク３から供給されて水素供給流路５を流れる水素とエゼクタ６にて混合されて、再度燃料電池スタック１の水素極に供給される。このため、燃料電池スタック１には水素循環流路７が接続されており、燃料電池スタック１の水素極から排出される水素が水素循環流路７を通ってエゼクタ６に環流されるようになっている。エゼクタ６は、水素供給流路５を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素循環流路８を流れる水素を循環させる。
【００２０】
また、水素循環流路７の前段側には、この水素循環流路７から分岐するようにして、燃料電池スタック１の燃料極からの水素を系外に排出するための水素排気流路８が接続されており、この水素排気流路８の水素循環流路７からの分岐位置の下流側には、水素排気調整手段としてのパージ弁９が設けられている。このパージ弁９は、燃料電池スタック１の水素極から排出される水素の流路を切り替える機能を有するものであり、このパージ弁９を切り替えることにより水素排気流路７の開閉が行われ、燃料電池スタック１の水素極から排出される水素が、水素排気流路８と水素循環流路７の何れかに導かれるようになっている。また、特に本実施形態の燃料電池システムにおいては、このパージ弁９が、水素排気流路８の流路断面積を変更する機能を有しており、パージ弁９によって水素排気流路８の流路断面積が変更されることで、水素排気流路８から系外に排出される水素量を調整できるようになっている。
【００２１】
上述したように水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がるので、このような場合には、パージ弁９を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路８から系外に排出する。また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時においても、このパージ弁９が開放されて、系内の水素を含むガスが水素排気流路８を介して系外に排出されるようになっている。
【００２２】
一方、空気供給系は、外気を吸入して燃料電池スタック１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ１０及び空気供給流路１１を備え、コンプレッサ１０によって空気供給流路１１内に空気が送り込まれて、燃料電池スタック１の空気極へと供給されるようになっている。空気供給流路１１には、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサ１０から排出されるオイル等をトラップするフィルタ１２が設けられており、燃料電池スタック１の空気極には、このフィルタ１２で清浄化された空気が供給されることになる。
【００２３】
また、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１から空気を排出するための空気排気流路１３が接続されており、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気流路１３を通して系外に排出されるようになっている。また、空気排気流路１３には圧力制御弁１４が設けられており、この圧力制御弁１４の動作によって、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力が所望の圧力に制御される。
【００２４】
また、空気供給系には、燃料電池スタック１の空気極に供給する空気を加湿するための加湿手段が設けられている。この加湿手段は、空気供給流路１１の中途部に設けられる加湿器１５と、空気排気流路１３の圧力制御弁１４の上流位置に設けられ燃料電池スタック１で生成した水等を回収する水分凝縮装置１６、回収された回収水を収容する水タンク１７、加湿水を循環供給する水循環流路１８、水循環流路１８に設けられるバルブ１９及びポンプ２０とから構成されている。
【００２５】
加湿器１５内の余分な水は、加湿水回収流路２１を経由して水タンク１７に戻される。このとき、圧力調整弁２２によってポンプ２０から当該圧力調整弁２２までの間の加湿水回収流路２１内の圧力が略一定に保たれる。また、この加湿水回収流路２１内の圧力は、圧力センサ２３によって検出され、この検出値に応じて圧力調整弁２２が制御されるようになっている。さらに、水タンク１７には水位センサ２４が設けられており、この水位センサ２４によって水タンク１７内の水の過不足を検出して、運転者に告知できるようになっている。
【００２６】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液循環流路２５及び冷却液ポンプ２６を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック１を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【００２７】
冷却機構の冷却液循環流路２５内には、ラジエータ２７が設けられており、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却液は、ここで冷却される。また、ラジエータ２７と並列にバイパス流路２８が設けられると共に、分岐部分にサーモスタット三方切り替え弁２９が設けられており、冷却液の温度に応じてこの三方切り替え弁２９が動作することで、冷却液の流路が切り替えられる。なお、三方切り替え弁２９が冷却液の流路を切り替える温度は、例えば４０℃に設定される。
【００２８】
以上のような冷却機構において、燃料電池スタック１で発生した熱は、冷却液循環流路２５を流れる冷却液によって持ち去られ、ラジエータ２７で外部に放出される。ラジエター２７は、図示しないラジエータファンによりラジエータ出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。温度調整された冷却液が通る冷却液循環流路２５には、リザーバタンク３０が設けられており、冷却液の熱膨張、収縮分の吸収及び冷却液の補給等に使用される。リザーバタンク３０の上部は大気開放されており、リザーバ機能を有している。また、バイパス流路２８を流れる冷却液は、図１中Ａ部において上述した加湿手段の水タンク１７に導かれて加湿水の暖機促進に用いられ、その後、再度バイパス流路２８に環流される。
【００２９】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に温度センサ３１が設けられ、燃料電池スタック１の空気極入口に温湿度センサ３２が設けられている。また、パージ弁９近傍の水素循環流路７には、この水素循環流路７内の圧力を検出する圧力センサ３３及び水素循環流路７内の温度を検出する温度センサ３４が設けられている。そして、これら各センサからの情報に基づいて各種制御を行うコントロールユニット３５を備えている。このコントロールユニット３５は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。
【００３０】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいては、水素タンク３から水素供給流路５に送り込まれた水素と水素循環流路７を通る水素とがエゼクタ６にて混合され、燃料電池スタック１の水素極に供給される。燃料電池スタック１を通過した水素は、通常、水素循環流路７を通過してエゼクタ６に導かれ、新たに水素タンク３から送り込まれる水素と混合されて再度燃料電池スタック１に供給される。
【００３１】
水素循環流路７内の窒素やＣＯ等の不純物濃度が高くなった場合や、システム起動時には、パージ弁９が開放されることにより水素（水素を含むガス）が水素排気流路８へと導かれ、この水素排気流路８を通って系外（例えば車外）に排出される。
【００３２】
外気を吸入、圧送するコンプレッサ１０により空気供給流路１１内に圧送された空気は、フィルタ１２によって清浄化された後、加湿器１５で加湿されて、燃料電池スタック１の空気極に供給される。燃料電池スタック１で生成された水は、その下流に設けられた水分凝縮装置１６にて凝集されて回収され、バルブ１９を経由して水タンク１７に導かれる。
【００３３】
加湿手段のポンプ２０はコントロールユニット３５からの指令によってオン、オフ及び回転数制御され、加湿器１５に、水タンク１７から流出した水を圧送している。燃料電池スタック１の運転に必要な加湿量は、この加湿器１５によって供給される。また、加湿量をコントロールユニット３５で監視するため、加湿器１５を通過後の湿度を温湿度センサ３２により計測している。
【００３４】
燃料電池スタック１の発熱に対する冷却手段としては、冷却液として水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入したものを使用し、冷却液循環流路２５を通して燃料電池スタック１の内部に流すことで冷却を行う。燃料電池スタック１の熱を奪った冷却液は、三方切り替え弁２９によってその流路が切り替えられ、ラジエータ２７を通過する流路とラジエータ２７を迂回してバイパス流路２８を通る流路の何れかを流れる。
【００３５】
ラジエータ２７は、さらに、コントロールユニット３５の信号に基づいて、図示しないラジエターファンにより出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。また、冷却液循環流路２５には冷却液ポンプ２６が備えられ、燃料電池スタック１に設けられた温度センサ３１の出力に応じてコントロールユニット３５で判断された流量となるように、冷却液ポンプ２６によって冷却液が圧送されて、燃料電池スタック１に送られる。
【００３６】
バイパス流路２８は、加湿手段の水タンク１７に接続され（図１中Ａ部）、水タンク１７内部の熱交換部で熱交換することにより加湿水の暖機を促進する。その後、再度バイパス流路２８から冷却液循環流路２５へと環流され、リザーバタンク３０において熱膨張及び収縮分が吸収される。
【００３７】
コントロールユニット３５は、燃料電池スタック１に接続されたセル電圧モニタ２、温度センサ３１、温湿度センサ３２や、パージ弁９近傍の水素循環流路７に設けられた圧力センサ３３、温度センサ３４等の各種センサからの入力信号が入力され、またその入力値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力する。
【００３８】
次に、本実施形態の燃料電池システムの運転動作について、車両用の燃料電池システムとして用いた場合を例にして簡単に説明する。
【００３９】
燃料電池システムの運転の際には、運転者の操作によるアクセル開度に応じた出力（電力）に相応な水素量及び空気量に応じて、燃料電池スタック１の水素極側には圧力制御弁４により圧力調整された水素の供給が行われると共に、燃料電池スタック１の空気極側にはコンプレッサ１０により空気の供給が行われる。また、加湿器１５により、コンプレッサ１０からの空気が加湿された状態で燃料電池スタック１の空気極へと導かれる。このとき、運転圧力については、図２に示すように運転負荷に応じて設定されるようになっており、低負荷運転では低く、高負荷運転では高く設定されている。また、運転圧力は、水素循環流路７に設けられた圧力センサ３３によって、水素循環流路７内の圧力として実測により検出されるようになっている。
【００４０】
運転に際しては、温湿度センサ３２で燃料電池スタック１の空気極入口の温度及び湿度が監視されており、燃料電池スタック１の空気極に供給される空気の加湿量が万一不足するような場合には、運転圧力を上昇補正することで、加湿器１５の圧力も上昇させて、加湿不足にならないように補正制御する。
【００４１】
また、冷却液ポンプ２６は、燃料電池スタック１の発熱量に応じた流量の冷却液を燃料電池スタック１に流通すべく流量を調整し、燃料電池スタック１の温度センサ３１により検出される燃料電池スタック１温度に応じて流量が補正されている。このとき、燃料電池スタック１の温度が極低温である場合には、冷却液がラジエータ２７を通過させずにバイパス流路２８を通過するように、サーモスタット三方切り替え弁２９が切り替えられる。ラジエータ２７の出口温度は、燃料電池スタック１の温度センサ３１で検出された温度に応じて、図示しないラジエータファンの回転数を制御することにより、略一定温度を保つように制御されている。
【００４２】
運転中には、空気供給系において、水分凝縮装置１６により燃料電池スタック１から排出された空気中の水分が凝縮回収され、水循環流路１８を通して水タンク１７へと導かれて加湿用水として貯蔵される。
【００４３】
また、水素供給系において、燃料電池スタック１の水素極から排出された水素は水素循環流路７及びエゼクタ６により循環されているが、運転に伴って燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の透過等により窒素等の不純物の濃度が次第に増加したり、水が詰まったりしてセル電圧低下を引き起こすため、セル電圧モニタ３２によってセル電圧を監視し、セル電圧が低下した場合にパージ弁９を開弁することで、水素循環流路７内及び燃料電池スタック１内の水素をパージして、不純物を水素と共に系外に排出するようにしている。
【００４４】
以上のような通常時動作により、運転者のアクセル操作に応じた出力が燃料電池システムから取り出され、図示しないモータにより車両が駆動されることになる。
【００４５】
ところで、以上のような燃料電池システムの運転において、パージ弁９の開口面積、すなわちパージ弁９が開弁されたときの水素排気流路８の流路断面積を一定として一律にパージを行った場合、パージにより排出される水素流量（パージ流量）は、図３に示すように、運転圧力に応じて変化するものとなり、運転圧力が低い低負荷領域でのパージ流量が極端に減少する傾向にある。低負荷領域でのパージ流量が減少すると、水素循環流路７内及び燃料電池スタック１内に蓄積された不純物を十分に排出することができず、適正な運転に支障をきたす虞がある。
【００４６】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁９の開口面積を可変として、パージ弁９に水素排気流路８の流路断面積を変更する機能を持たせ、パージ時に運転圧力（圧力センサ３３により検出される水素循環流路７内の圧力）に応じて水素排気流路８の流路断面積を変更することで、パージ流量を調整するようにしている。具体的には、例えば図４に示すように、運転圧力が所定値Ｐ１に満たない低負荷領域では、運転圧力が低いほど、パージ弁９の開口面積（水素排気流路８の流路断面積）を大きく設定することでパージ流量を増やし、不純物の排出を十分に行えるようにしている。
【００４７】
また、低負荷領域でのパージ流量確保のためにパージ弁９の開口面積を大きく設定したままであると、運転圧力が上昇した中負荷領域以上でのパージ流量が過大となって水素が無駄に排出されることになるが、図４に示したように、運転圧力が所定値Ｐ１を越える中負荷領域以上では、パージ弁９の開口面積を小さい値で一定に保持することによって、無駄な水素の排出を抑制することができる。図４に示すようにパージ弁９の開口面積を設定した場合、パージ流量は図５に示すようなものとなる。
【００４８】
以下、本実施形態の燃料電池システムにおけるパージ動作の一例について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４９】
先ず、ステップＳ１では、セル電圧モニタ２によって検出される燃料電池スタック１の各セルの電圧がコントロールユニット３５に読み込まれ、全セルの平均電圧が計算される。次に、ステップＳ２では、ステップＳ１で計算された全セルの平均電圧から、０．１Ｖ以上低い電圧値を示すセルがあるか否かが判断される。そして、セル平均電圧よりも０．１Ｖ以上低い電圧値を示すセルがある場合にパージが必要であると判断されて、次のステップＳ３へ進む。一方、セル平均電圧よりも０．１Ｖ以上低い電圧値を示すセルがない場合には、パージは不要であると判断されてリターンする。
【００５０】
ステップＳ３では、運転者によるアクセル開度等に応じた運転負荷がコントロールユニット３５に読み込まれると共に、運転圧力（水素循環流路７内の圧力）、パージ弁９付近の温度（水素循環流路７内の温度）が、圧力センサ３３や温度センサ３４によって検出され、コントロールユニット３５に読み込まれる。そして、ステップＳ４において、運転圧力が図４に破線で示した所定値Ｐ１を越えているかによって、パージ弁９の開口面積の変更を行うか否かが判断され、開口面積の変更を行う場合には、図４に示したグラフより必要な開口面積が求められる。その後、再度運転負荷が読み込まれるが、これは前述のように加湿度の補正のために運転圧力を変更している場合があるからである。さらに、図７に示すグラフに基づいて、水素循環流路７内の温度に応じてパージ弁９の開口面積が補正される。ここで、水素循環流路７内の温度に応じてパージ弁９の開口面積を補正するのは、水素循環流路７内の水分濃度をも考慮してより正確なパージを実行するためである。
【００５１】
ステップＳ５では、ステップＳ４で求めた開口面積でパージ弁９が開弁される。これにより、パージ弁９の開口面積に応じた流路断面積で水素排気流路８が開放され、所定のパージ流量で水素循環流路７内及び燃料電池スタック１内部の水素が不純物と共に水素排気流路８から系外へと排出される。そして、ステップＳ６において、ステップＳ５でパージ弁９を開いてからの時間と、所定時間（例えば５秒）とが比較され、所定時間経過した段階でステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、パージ弁９が閉弁されて水素排気流路８が遮断される。これにより、一連のパージ動作が終了してリターンする。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁９の開口面積を可変として、パージ弁９に水素排気流路８の流路断面積を変更する機能を持たせ、パージ時に運転圧力（圧力センサ３３により検出される水素循環流路７内の圧力）に応じて水素排気流路８の流路断面積を変更することで、パージ流量を調整するようにしているので、運転圧力の低い低負荷領域においても十分なパージ流量を確保することができ、水素循環流路８内や燃料電池スタック１内部に蓄積された不純物を適切に排出して運転効率の悪化を防止することができると共に、運転圧力が上昇した中負荷領域以上では、パージ流量が過大となることを有効に抑制して無駄に排出される水素量を低減することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁９近傍の水素循環流路８内の温度が高いほど、パージ弁９の開口面積が大きくなるように開口面積の補正を行うようにしているので、水素循環流路８内に含まれる水分濃度をも考慮した正確なパージが実行可能であり、無駄に排出される水素量をより一層低減することができ、また運転効率の悪化もより確実に防止することができる。
【００５４】
なお、以上説明した本実施形態の燃料電池システムでは、圧力センサ３３で実測される水素循環流路８内の圧力を運転圧力として求め、これに応じてパージ弁９の開口面積を変更するようにしているが、燃料電池スタック１の他の運転パラメータを用いて運転圧力を推定し、その推定値を用いてパージ弁９の開口面積を変更するようにしてもよい。同様に、本実施形態の燃料電池システムでは、水素循環流路７内の温度を温度センサ３４で直接検出し、それに応じてパージ弁９の開口面積を補正するようにしているが、他の運転パラメータを用いて水素循環流路７内の温度を推定し、その推定値を用いてパージ弁９の開口面積を補正するようにしてもよい。また、パージ弁９近傍の水素循環流路７内の不純物濃度、若しくはその推定値を求め、これらの値が高い程、パージ弁９の開口面積が大きくなるように補正すれば、水素循環流路７内の水分濃度をより正確に考慮したパージを実行することが可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムは、図８に示すように、基本的な構成を上述した第１の実施形態と同様とし、水素排気流路８の流路断面積を変更するための水素排気流量調整手段が、開口面積の異なる複数のパージ弁９Ａ，９Ｂを並列接続することにより構成されている点を特徴としたものである。以下、本実施形態に特徴的な部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分については、図中同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
上述した第１の実施形態では、パージ弁９の開口面積が可変とされており、図６に示したフローチャートのステップＳ４においてパージ弁９の開口面積を計算し、ステップＳ５において計算された開口面積でパージ弁９を開弁することで、水素排気流路８の流路断面積を運転圧力に応じて変更できるようにしているが、本実施形態では、開口面積が一定のパージ弁９Ａ，９Ｂを組み合わせて、これらパージ弁９Ａ，９Ｂの開閉を選択的に行うことによって、水素排気流路８の流路断面積を運転圧力に応じて変更できるようにしている。この場合、パージ弁９Ａ，９Ｂの開閉は、これらを組み合わせた開口面積が図６に示したフローチャートのステップＳ４で計算された開口面積以上となるように設定される。
【００５７】
パージ弁９Ａ，９Ｂの組み合わせによる開口面積設定の様子を図９に示す。この図９に示すように、運転圧力が高い高負荷領域では、開口面積の小さいパージ弁９Ａを開弁し、それよりも運転圧力が低い中負荷領域では、開口面積がパージ弁９Ａより大きいパージ弁９Ｂを開弁させる。また、さらに運転圧力が低い低負荷領域では、パージ弁９Ａ及び９Ｂを双方とも開弁させる。これにより、図１０に示すような運転負荷に応じたパージ流量を得ることができる。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システムによれば、第１の実施形態に比べて簡素な構成のパージ弁９Ａ，９Ｂを用いて、第１の実施形態と同様に運転圧力に応じたパージ流量の調整を行うことが可能であり、運転圧力の低い低負荷領域においても十分なパージ流量を確保して適切なパージを行うことができると共に、運転圧力が上昇した中負荷領域以上では、パージ流量が過大となることを有効に抑制して無駄に排出される水素量を低減することができる。
【００５９】
なお、以上の例では、パージ弁９Ａ，９Ｂとして開口面積の異なるものを用いているが、これらパージ弁９Ａ，９Ｂとしては、同等の開口面積を有するものを用いることもでき、その場合には、部品共用化によるコストダウンを実現することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】運転負荷と運転圧力との関係を示す図である。
【図３】パージを一律に行った場合の運転圧力とパージ流量との関係を示す図である。
【図４】第１の実施形態における運転圧力とパージ弁開口面積との関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における運転圧力とパージ流量との関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態におけるパージ動作を示すフローチャートである。
【図７】パージ弁付近の温度とパージ弁の開口面積補正係数との関係を示す図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態における運転圧力とパージ弁開口面積との関係を示す図である。
【図１０】第２の実施形態における運転圧力とパージ流量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  セル電圧モニタ
５  水素供給流路
６  エゼクタ
７  水素循環流路
８  水素排気流路
９，９Ａ，９Ｂ  パージ弁（水素排気調整手段）
１１  空気供給流路
１３  空気排気流路
３３  圧力センサ
３４  温度センサ
３５  コントロールユニット
【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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