(57)【要約】【課題】発電が不安定なときに、排出水素濃度が所定値以下の条件下でも、発電安定性を早期に改善する。【解決手段】発電状態に応じて、発電が不安定になる可能性が発生した時点ｔ４において、水素排出弁の最適な開弁時間Ｔ３を求める。そして、時点ｔ４以降、排出水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈ以上となっている期間（時点ｔ５−ｔ７，ｔ８−ｔ９）では排出を一旦中断し、その一方、排出水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈ以下となっている期間（時点ｔ４−ｔ５で時間Ｔ７，時点ｔ７−ｔ８で時間Ｔ５，時点ｔ９−ｔ１０で時間Ｔ６）では、ただちに排出する（Ｔ３＝Ｔ４＋Ｔ４＋Ｔ６）。これにより排出される水素濃度Ｄｈを基準濃度値Ｄｒｅｆ以下に維持しながら発電安定性を早期に改善できる。【選択図】図３
2004179084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に水素が供給されカソード電極に空気が供給されて発電し発電電流を負荷に供給する燃料電池スタックから、発電に使用した水素排ガスを排出弁を介しさらに空気排ガスで希釈して大気へ排出する燃料電池システムにおける排ガスの排出方法において、
前記燃料電池スタックの発電状態に応じて前記排出弁の開弁必要時間を求める過程と、
前記排出弁を閉から開にする排出条件が成立しているかどうかを判定する過程と、
前記排出条件が成立しているときには、前記排出弁を開として排出し開弁時間を積算計時し、前記排出条件が非成立のときには、前記排出弁を閉として排出を中断するとともに、前記開弁時間の積算計時を中断する過程と、
積算計時している開弁時間が前記開弁必要時間に達したときに排出を終了する過程と
を有することを特徴とする燃料電池システムにおける排ガス排出方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおける排ガス排出方法において、
前記排出条件が成立しているかどうかを判定する過程では、前記大気へ排出される排ガス中の水素濃度が所定値以下であるか、前記アノード電極の水素排ガスの圧力が大気圧以上であるか、前記アノード電極と前記カソード電極との間の差圧が所定範囲以内であるか、のうちの少なくとも１つが成立していることにより判定する
ことを特徴とする燃料電池システムにおける排ガス排出方法。
【請求項３】
アノード電極に水素が供給されカソード電極に空気が供給されて発電し発電電流を負荷に供給する燃料電池スタックから、発電に使用した水素排ガスを排出弁を介しさらに空気排ガスで希釈して大気へ排出する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの発電状態に応じて前記排出弁の開弁必要時間を求める算出手段と、
前記排出弁を閉から開にする排出条件が成立しているかどうかを判定する判定手段と、
前記排出条件が成立しているときには、前記排出弁を開として排出し開弁時間を計時手段により積算計時し、前記排出条件が非成立のときには、前記排出弁を閉として排出を中断するとともに前記開弁時間の前記計時手段による積算計時を中断し、前記計時手段により積算計時している開弁時間が前記開弁必要時間に達したときに前記開弁必要時間による排出を終了する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アノード電極に水素が供給されカソード電極に空気が供給されて発電し発電電流を負荷に供給する燃料電池スタックから、発電に使用した水素排ガスを空気排ガスで希釈して大気へ排出する燃料電池システムにおける排ガスの排出方法およびそのシステムにおける発電安定性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなるセルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エアー等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸化剤ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
このように構成される燃料電池において、電気エネルギを効率的に生成するためには、換言すれば、発電安定性を確保するためには、アノード電極に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に混入した窒素ガスを外部に排出する必要がある。
【０００５】
このとき、これらの排出物には、電気エネルギの生成に寄与しなかった未反応の水素ガスが混入している。水素ガスは、可燃性ガスであるため、所定濃度以下に希釈して大気へ排出する必要がある。そのため、排出しようとする水素ガスをカソード電極側からの空気排ガスと混合し、水素濃度を低くしてから大気へ排出することが考えられている。
【０００６】
従来、水素ガスの濃度に着目して水素ガスの排出量を制御する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
この技術では、燃料電池の起動および停止が短期間に繰り返し行われる場合、水素処理部での水素ガスの酸化処理が十分に遂行されず、排出される水素ガスの濃度が高まり易いことを考慮し、所定時間内における燃料電池の起動指令の割合、あるいは、所定期間内における燃料電池の起動指令の回数が所定回数以上となったとき、燃料電池の起動を禁止することにより、残留する水素ガスの濃度が所定値以下となるまで待機させるようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７５号公報（段落［００１０］−［００１３］、図１、図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、残留する水素ガスの濃度が高い場合、燃料電池が長期間起動できない状態になってしまうため、その間、電気エネルギを生成できず、発電安定性に欠けるという問題がある。
【００１０】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、発電安定性を向上することを可能とする燃料電池システムにおける排ガス排出方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１１】
また、この発明は、最適な排出条件で確実かつ早期に水素排ガスを排出して、安定した発電を継続することを可能とする燃料電池システムにおける排ガス排出方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
さらに、この発明は、排出水素濃度を所定濃度以下に保持しながら発電安定性を損なわないようにすることを可能とする燃料電池システムにおける排ガス排出方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【００１４】
この発明の燃料電池システムにおける排出ガス排出方法は、アノード電極に水素が供給されカソード電極に空気が供給されて発電し発電電流（Ｉｈ）を負荷に供給する燃料電池スタック（１４）から、発電に使用した水素排ガスを排出弁（５２）を介しさらに空気排ガスで希釈して大気へ排出する燃料電池システム（１０）における排ガスの排出方法において、以下の特徴を有する。
【００１５】
（１）  前記燃料電池スタックの発電状態に応じて前記排出弁の開弁必要時間（Ｔｃｏ）を求める過程（ステップＳ２）と、前記排出弁を閉から開にする排出条件が成立しているかどうかを判定する過程（ステップＳ５）と、前記排出条件が成立しているときには、前記排出弁を開として排出し開弁時間を積算計時し（ステップＳ７）、前記排出条件が非成立のときには、前記排出弁を閉として排出を中断するとともに、前記開弁時間の積算計時を中断する過程（ステップＳ１０）と、積算計時している開弁時間が前記開弁必要時間に達したときに排出を終了する過程（ステップＳ８「肯定」）とを有する。
【００１６】
この発明によれば、発電状態に応じて求めた排出弁の開弁必要時間の間、排出弁を開いて水素排ガスを排出する際に、排出条件が非成立のときには、排出を一旦中断し、排出条件が成立したときに直ちに排出を実行し、排出を実行している時間のみを積算し、この積算時間が前記の開弁必要時間となるまで排出するようにしたので、所定の排出条件の成立下で、開弁必要時間に基づく水素排ガスの排出を確実かつ早期に行うことができるので、可能な限り発電を継続でき、結果として発電安定性を向上させることができる。
【００１７】
（２）  上記特徴（１）において、前記排出条件が成立しているかどうかは、前記排ガス中の水素濃度が所定値以下であるか、前記アノード電極の水素排ガスの圧力が大気圧以上であるか、前記アノード電極とカソード電極との間の差圧（極間圧力）が所定範囲以内であるか、のうちの少なくとも１つが成立していることを判定することにより、最適な排出条件で確実に水素排ガス等を排出することができる。
【００１８】
すなわち、前記排ガス中の水素濃度が所定値以下であることを排出条件とすることで、外気へ排出される排出水素濃度を所定濃度以下に保持しながら発電安定性を損なわないようにすることができる。また、アノード電極の水素排ガスの圧力を大気圧以上とすることで、外気がアノード電極に進入することが阻止され、安定な発電を継続できる。さらに、アノード電極とカソード電極との間の差圧を所定範囲以内に保持することで、安定な発電を継続することができる。
【００１９】
この発明の燃料電池システムは、アノード電極に水素が供給されカソード電極に空気が供給されて発電し発電電流（Ｉｈ）を負荷に供給する燃料電池スタック（１４）から、発電に使用した水素排ガスを排出弁（５２）を介しさらに空気排ガスで希釈して大気へ排出する燃料電池システム（１０）において、前記燃料電池スタックの発電状態に応じて前記排出弁の開弁必要時間を求める算出手段（１６）と、前記排出弁を閉から開にする排出条件が成立しているかどうかを判定する判定手段（１６）と、前記排出条件が成立しているときには、前記排出弁を開として排出し開弁時間を計時手段（７４）により積算計時し、前記排出条件が非成立のときには、前記排出弁を閉として排出を中断するとともに前記開弁時間の前記計時手段による積算計時を中断し、前記計時手段により積算計時している開弁時間が前記開弁必要時間に達したときに前記開弁必要時間による排出を終了する制御手段（１６）とを有することを特徴とする。
【００２０】
この場合にも、発電状態に基づき求めた排出弁の開弁必要時間の間、排水弁を開いて水素排ガスを排出する際に、排出条件が非成立のときには、排出を一旦中断し、排出条件が成立したときに直ちに排出を実行し、排出を実行している時間のみを計時手段により積算計時し、この積算時間が前記の開弁必要時間となるまで排出するようにしたので、開弁必要時間に基づく水素排ガスの排出を確実かつ早期に行うことができ、かつ可能な限り発電を継続でき、結果として発電安定性を向上させることができる。この場合にも、上記の排出条件を選択することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の構成を示している。
【００２３】
この燃料電池システム１０は、基本的には、複数のセル１２が電気的に直列に接続された燃料電池スタック１４と、この燃料電池スタック１４を含む燃料電池システム１０の動作を全体的に制御する制御部１６とから構成されている。
【００２４】
燃料電池スタック１４を構成する各セル１２は、アノード電極と電解質膜（この実施形態では固体高分子膜）とカソード電極とからなる燃料電池が、水素と空気の通路が形成されているセパレータにより挟まれて保持された構造とされている。これら各セル１２の発生電圧である全てのセル電圧Ｖｃは、電圧センサとしても機能する制御部１６で検出される。
【００２５】
燃料電池スタック１４は、このように構成される各セル１２が積層され、両端に発電電流Ｉｈが取り出されるターミナルプレート１８が取り付けられ、さらにこのターミナルプレート１８の両側がエンドプレート２２により保持固定された構造とされている。
【００２６】
発電電流Ｉｈは、電流センサ２４を介して、走行用モータ等の高圧負荷に供給される。この発電電流Ｉｈの電流値は、電流センサ２４により検出され、制御部１６に取り込まれる。
【００２７】
この燃料電池スタック１４のアノード電極には、燃料ガスの供給ポート３２と排出ポート３４とが設けられており、カソード電極には、空気の供給ポート３６と排出ポート３８とが設けられている。
【００２８】
燃料ガスの供給ポート３２は、圧力制御弁である燃料供給制御弁４０を介して水素タンク４２に連通するとともに、排出ポート３４から排出された水素を供給ポート３２にもどす循環ポンプ４６の吐出側に連通する。循環ポンプ４６の回転数は制御部１６により制御される。
【００２９】
空気の供給ポート３６には、外気から取り入れられてコンプレッサ４４により圧縮昇温された空気が供給される。コンプレッサ４４の回転数は制御部１６により制御される。
【００３０】
ここで、燃料供給制御弁４０の弁開度制御ポートは、コンプレッサ４４と空気供給ポート３６との間の通路に連通している。したがって、燃料供給制御弁４０は、空気供給ポート３６の供給圧、換言すればコンプレッサ４４の出口側圧力を信号圧として弁開度が制御される。
【００３１】
水素、窒素および水等の排出ポート３４は、水素循環ポンプ４６の流入側に連通するとともに、開閉弁である排出弁（水素パージ弁）５２を介して希釈箱５４の一方の流入ポートに連通する。
【００３２】
その一方、空気および水等の排出ポート３８は、制御部１６により弁開度が調節される背圧制御弁（空気背圧制御弁）５６を介して希釈箱５４の他方の流入ポートに連通する。
【００３３】
すなわち、希釈箱５４の一方の流入ポートには、排出弁５２を介して水素排ガス等が流入され、希釈箱５４の他方の流入ポートには、空気排ガス等が流入される。そして、希釈箱５４内で空気排ガスにより希釈された水素排ガスは、希釈箱５４の排出ポートを通じて水とともに大気（外気）に排出される。
【００３４】
この場合、アノード電極に連通する水素の排出ポート３４と排出弁５２との間には圧力センサ６２が取り付けられ、水素排ガス圧力Ｐｈが検出されて、制御部１６に取り込まれる。
【００３５】
また、カソード電極に連通する空気の排出ポート３８と背圧制御弁５６との間には、圧力センサ６４と流量センサ６６が取り付けられ、それぞれ空気排ガス圧力Ｐｉと空気排ガス流量Ｑｉが検出されて制御部１６に取り込まれる。
【００３６】
さらに、希釈箱５４には、水素濃度センサ６８が取り付けられ、排ガス中の水素濃度Ｄｈが検出されて制御部１６に取り込まれる。
【００３７】
制御部１６は、発電電流Ｉｈに基づき排出弁５２の開弁必要時間である開弁指令時間Ｔｃｏを求める算出手段と、排出弁５２を閉から開にする排出条件が成立しているかどうかを判定する判定手段と、排出条件が成立しているときには、排出弁５２を開として排出し開弁時間（開弁積算時間）Ｔｏを積算計時する計時手段と、排出条件が非成立のときには、排出弁５２を閉として排出を中断するとともに開弁時間（開弁積算時間）Ｔｏの計時手段による積算計時を中断し、計時手段により積算計時している開弁時間（開弁積算時間）Ｔｏが開弁指令時間Ｔｃｏとなったときに開弁指令時間Ｔｃｏによる排出を終了する制御手段としてそれぞれ機能する。
【００３８】
この制御部１６は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）７０，ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ７２，計数・計時手段であるカウンタ・タイマ（タイマという。）７４，Ａ／Ｄ変換器・Ｄ／Ａ変換器・ドライバ等のインタフェース（Ｉ／Ｆ）７６が搭載された制御基板で構成されている。
【００３９】
この制御部１６には、さらに、入力装置８０、たとえばこの燃料電池システム１０が車両に搭載されている場合には、アクセル開度を発生するアクセル開度センサ、イグニッションスイッチの位置出力発生器、トランスミッションの位置出力発生器等が接続されている。
【００４０】
そして、制御部１６（のＣＰＵ７０）は、各種入力（入力装置８０からの入力あるいは、セル電圧Ｖｃ，発電電流Ｉｈ，水素排ガス圧力Ｐｈ，空気排ガス圧力Ｐｉ，空気排ガス流量Ｑｉ，水素濃度Ｄｈ等）に対応して、メモリ７２に格納されているプログラムを実行することで、コンプレッサ４４の回転数、背圧制御弁５６の開度、排出弁５２の開閉、循環ポンプ４６の回転数の制御等を行い、所定の発電電流Ｉｈを発生して負荷に供給するとともに、希釈箱５４から排出される排ガスの濃度を管理する等、燃料電池システム１０全体を統括して制御する機能を有する。
【００４１】
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されかつ動作するものであり、次に、燃料電池システム１０の発電中における制御部１６（のＣＰＵ７０）による排ガスの排出制御動作について、Ａ．第１実施例（水素濃度に基づく制御）、Ｂ．第２実施例（水素排ガス圧力に基づく制御）の順に説明する。
【００４２】
Ａ．第１実施例（水素濃度に基づく排ガスの排出制御）の動作について、図２の制御フローチャートおよび図３のタイミングチャートを参照しながら説明する。
【００４３】
まず、ステップＳ１では、水素排ガスを開弁指令時間Ｔｃｏ（後述）の間、排出弁５２を開いて希釈箱５４から外気へ排出する水素排出指令フラグＦｐｇがセットされているかどうかが判定される（Ｆｐｇ＝１？）。
【００４４】
最初は、セットされていないので、次に、ステップＳ２において、開弁指令時間Ｔｃｏが算出される。
【００４５】
開弁指令時間Ｔｃｏを算出するためには、燃料電池スタック１４の発電状態を把握する必要があり、このためこのステップＳ２においては、発電電流Ｉｈおよび全てのセル１２の電圧Ｖｃ等が取り込まれる。そして、たとえば測定したセル電圧Ｖｃ中、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが所定の閾値電圧より大きいときには、発電が安定に継続されていると判断し、開弁指令時間（水素をパージする水素パージ指令時間あるいは水素パージ必要時間ともいう。）Ｔｃｏが、通常時の定期的な開弁指令時間Ｔ１に設定され、かつこの排出弁５２の開時間（開弁指令時間Ｔｃｏ）に続く、排出弁５２の閉時間（水素をパージしない閉弁指令時間あるいは水素パージインターバル時間ともいう。）Ｔｃｓが設定される。
【００４６】
ここで、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが所定の閾値電圧以上である場合には、燃料電池スタック１４全体が正常に動作している（安定な発電が継続されている）とみなすことができる。
【００４７】
その理由を説明すると、燃料電池スタック１４は、セル１２が電気的に直列に接続された構成となっており、各セル１２に流れる電流が、全て発電電流Ｉｈに等しい電流になっている。そのため、セル電圧Ｖｃが下がっている場合には、セル１２の内部抵抗等に基づく逆起電力が大きくなり、いわゆる転極が発生してセル１２が損傷する可能性があるので、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを監視して、セル１２を保護することが必要である。
【００４８】
セル電圧Ｖｃの低くなっているセル１２は、たとえばアノード電極が水や窒素等に覆われている可能性が高いので、排出弁５２を開いて、アノード電極に連通する排出ポート３４から排出弁５２および希釈箱５４を通じて水素を外気へパージする（排出する）。排出するとき、これら水や電解質膜を透過して混入した窒素が水素と一緒に吹き飛ばされてセル１２のアノード電極に燃料ガスである水素が再び行きわたることとなるので発電状態が回復し、セル電圧Ｖｃが上昇する。セル電圧Ｖｃの上昇により安定な発電が継続される。
【００４９】
図３のタイムチャートにおいて、時点ｔ０−ｔ３の間および時点ｔ１０−ｔ１２間は、定期開弁指令時間Ｔ１および定期閉弁指令時間Ｔ２による通常時制御が行われている期間である。
【００５０】
なお、定期開弁指令時間Ｔ１および定期閉弁指令時間Ｔ２は、時計機能を有するタイマ７４の計時を制御部１６で監視することにより制御される。
【００５１】
また、ステップＳ２において、たとえば最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧以下であると判定されたときに、そのステップＳ２において、発電電流Ｉｈも参照されて、定期開弁指令時間Ｔ１より長い時間の開弁指令時間Ｔｃｏが算出される（通常時ではなく、必要時の開弁指令時間Ｔｃｏという。）。なお、必要時の開弁指令時間（開弁必要時間）Ｔｃｏが経過したときには、通常時の定期閉弁指令時間Ｔ２が経過するように設定される。
【００５２】
ここで、このステップＳ２では、たとえば、時点ｔ４で、必要時の開弁指令時間ＴｃｏがＴｃｏ＝Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ１）として算出され設定されたものとする。
【００５３】
このとき、ステップＳ３において、水素排ガスの排出処理を行うためのフラグである水素排出指令フラグＦｐｇがセットされる（Ｆｐｇ←１）。
【００５４】
次に、ステップＳ４において、希釈箱５４内の水素濃度Ｄｈを濃度センサ６８から取り込む。なお、濃度センサ６８が取り付けられていない場合には、水素濃度Ｄｈは、流量センサ６６によって取り込まれた空気排ガス流量Ｑｉ（図３参照）から、メモリ７２に格納している空気排ガス流量Ｑｉ・水素濃度Ｄｈのマップ（テーブル）等を参照して推定される。このマップは、基本的には、空気排ガス流量Ｑｉが大きい場合には、水素排ガスの希釈程度が大きくなり、水素濃度Ｄｈが比較的に小さくなる特性を有するマップになっている。このマップは、予め個々の燃料電池スタック１４に応じて実験的に確認されて作成され、メモリ７２に格納される。
【００５５】
次に、ステップＳ５において、測定したあるいは算出した水素濃度Ｄｈが、図３に示す排出基準値（排出基準濃度）Ｄｒｅｆに対して余裕をみた閾値濃度Ｄｔｈで以下であるかどうかが判定される（Ｄｈ＜Ｄｔｈ？）。
【００５６】
たとえば、時点ｔ４においては、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈよりも低いＤｈ＜Ｄｔｈとなっているので、ステップＳ５の判定は肯定となり、ステップＳ６において排出弁５２が開かれる。これによって、時点４以降、水素排ガスが排出弁５２および希釈箱５４を通じて空気排ガスにより希釈されて外気へ排出される。なお、排出弁５２が開いた後、希釈箱５４の容積と排ガスが流体であることを原因とするいわゆるむだ時間を経過した後、水素濃度Ｄｈが上昇を開始する。このため、排出弁５２を閉じても水素濃度が所定時間は上昇する場合があるので、閾値濃度Ｄｔｈを排出基準値Ｄｒｅｆに対して余裕をみた値にしている。
【００５７】
排出弁５２を開いて排出しているとき、ステップＳ７では、その排出弁５２が開いている時間、すなわち開弁積算時間Ｔｏがタイマ７４により積算計時され、開弁が必要な時間の残時間Ｔｒが開弁指令時間Ｔｃｏと開弁積算時間Ｔｏとの差（Ｔｒ←Ｔｃｏ−Ｔｏ）として算出される。
【００５８】
ステップＳ８では、この残時間Ｔｒがゼロ時間になったかどうかが判定され、最初は、この判定は成立しないので、ステップＳ１にもどる。
【００５９】
次のステップＳ１では、水素排出指令フラグＦｐｇがセットされているかどうかが判定される。水素排出指令フラグＦｐｇは、残時間Ｔｒがゼロ時間にならないとクリアされないので、今回は、ステップＳ４に進む。
【００６０】
そして、ステップＳ４では、再び、水素濃度Ｄｈが求められ、ステップＳ５では水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈ以下である限り、ステップＳ６での排出弁５２の開弁動作が継続される。
【００６１】
以降、ステップＳ５の判定が否定とならない限り、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを超えるまで、ステップＳ７，Ｓ８「否定」，Ｓ１「肯定」，Ｓ４，Ｓ５「肯定」，Ｓ６，Ｓ７の処理が繰り返される。この処理の繰り返し中、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを超えなかった場合には、ステップＳ７で積算計時している開弁積算時間Ｔｏが、開弁指令時間Ｔｃｏと等しくなって残時間Ｔｒがゼロ時間となる。
【００６２】
残時間Ｔｒがゼロ時間となったときには、ステップＳ２で算出された開弁必要時間である開弁指令時間Ｔｃｏが経過したので、ステップＳ８が肯定となり、ステップＳ９に進み、今回の開弁指令時間Ｔｃｏに基づく開弁処理が終了し、今回の水素排ガスの排出処理の終了を意味する水素排出指令フラグＦｐｇがクリアされる。そして、ステップＳ１１において、排出弁５２が閉じられ、水素排ガスの排出処理が終了する。
【００６３】
ところで、この第１実施例では、時点ｔ５での水素濃度Ｄｈの取り込みにより、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを超える値となったので、ステップＳ５の判定が否定となり、ステップＳ１０において、排出弁５２を一旦閉じ、排出を中断する。この時点ｔ５においては、時点ｔ４からの排出時間の開弁積算時間ＴｏがＴｏ＝Ｔ４であり、残時間ＴｒがＴｒ＝Ｔｃｏ−Ｔｏ＝Ｔ３−Ｔ４＝Ｔ７となっており、まだ、開弁指令時間Ｔｃｏ＝Ｔ３に基づく水素排ガスの排出処理が完了していない。
【００６４】
ステップＳ１０の閉弁処理が行われた場合には、水素排出指令フラグＦｐｇはクリアされていないので、次のステップＳ１の判定は肯定となったままであり、ステップＳ４に進む。
【００６５】
そして、次に、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを下回った時点ｔ７において、再度、ステップＳ５の判定が肯定となり、中断していたステップＳ６開弁処理以降の処理を再び行う。
【００６６】
このようにして、時点ｔ５において、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈ以上であって排出できなかった残時間Ｔ７については、時点ｔ７−ｔ８での開弁時間Ｔ５と、その次の時点ｔ９−ｔ１０の開弁時間Ｔ６の合算で排出され（Ｔ７＝Ｔ５＋Ｔ６）、その時点ｔ１０において、ステップＳ８の判定が肯定となり｛残時間Ｔｒがゼロ時間となり、Ｔｒ＝Ｔｃｏ−（Ｔ４＋Ｔ５＋Ｔ６）＝Ｔｃｏ−Ｔ３｝、ステップＳ９において、水素排出指令フラグＦｐｇがクリアされることで、ステップＳ２で算出した今回の開弁指令時間Ｔｃｏでの水素排ガス排出処理が終了し、ステップＳ１１で排出弁５２が閉じられる。
【００６７】
このように上述した「Ａ．水素濃度に基づく排ガスの排出制御動作」の第１実施例では、発電電流Ｉｈを負荷に供給する燃料電池スタック１４から、発電に使用した水素排ガスを排出弁５２を介しさらに希釈箱５４において空気排ガスで希釈して大気へ排出する燃料電池システム１０において、まず、ステップＳ２において、発電電流Ｉｈおよび最低セル電圧Ｖｃｍｉｎ等、燃料電池スタック１４の発電状態に応じて水素排ガスの排出弁５２の開弁指令時間Ｔｃｏを求める。
【００６８】
次に、ステップＳ５において、排出弁５２を閉から開にする排出条件の一つである水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈ以下であるかどうかを判定する。
【００６９】
次いで、排出条件が成立しているときには、ステップＳ６において、排出弁５２を開として排出し、水素排ガスを希釈して外気へ排出する開弁時間を積算計時して開弁積算時間Ｔｏを求める。
【００７０】
その一方、水素排ガスの排出中に、排出条件が非成立（排出禁止）となったときには（ステップＳ５「否定」）、ステップＳ１０において排出弁５２を閉として排出を中断し前記開弁積算時間Ｔｏの計時を一旦停止する。
【００７１】
そして、再び、排出条件が成立したときには（ステップＳ５「肯定」）、排出弁５２を開き、開弁時間を再び積算し開弁積算時間Ｔｏが開弁指令時間Ｔｃｏとなったときに、ステップＳ９において、開弁指令時間Ｔｃｏによる排出を終了する。
【００７２】
このように「Ａ．水素濃度に基づく排ガスの排出制御動作」の第１実施例によれば、発電状態に応じて求めた水素排ガスの排出弁５２の開弁指令時間Ｔｃｏの間、水素排ガスを排出する際に、排出条件が非成立のときには、排出を一旦中断し、排出条件が成立したときに直ちに排出を実行し、排出を実行している時間のみを積算し、この開弁積算時間Ｔｏが開弁指令時間Ｔｃｏとなるまで排出するようにしたので、排出濃度を排出基準値Ｄｒｅｆ以下に制限した状態で、開弁指令時間Ｔｃｏに基づく水素排ガスの排出を確実かつ早期に行うことができて発電が継続され、結果として発電安定性を向上させることができる。
【００７３】
なお、図３において、点線で示す水素濃度Ｄｈの特性は、この実施形態の制御を行わずに、時点ｔ４からｔ６までの間、一気に開弁指令時間Ｔ３に等しい時間の間、排出弁５２を開いた場合の特性を示しており、水素濃度Ｄｈが排出基準値Ｄｒｅｆを超えてしまう場合があることが理解される。
【００７４】
これに対し、この第１実施例では、開弁指令時間Ｔｃｏ（＝Ｔ３）を３度に分けＴ３＝Ｔ４＋Ｔ７＝Ｔ４＋（Ｔ５＋Ｔ６）、排出水素濃度Ｄｈが所定値である閾値濃度Ｄｔｈ以下になったら（時点ｔ７，ｔ９）、直ちにアノード電極側からの水素排ガスの排出処理を実行するようにしているので、排出水素濃度Ｄｈを排出基準値Ｄｒｅｆ以下に抑えながらすばやく発電安定性を改善することができる。
【００７５】
換言すれば、排出弁５２を開くと、排出水素濃度Ｄｈが排出基準値Ｄｒｅｆ以下に抑えることができないと判断したとき（Ｄｈ＞Ｄｔｈとなったとき、時点ｔ５，ｔ８）には、一旦水素排ガスの排出を中断し、排出弁５２を開いても、排出水素濃度Ｄｈが排出基準値Ｄｒｅｆ以下に抑えられる状態であると判断したとき（Ｄｈ＜Ｄｔｈとなったとき、時点ｔ７，ｔ９）には、直ちにアノード電極側から水素排ガスの排出を実行するようにしているので、排出水素濃度Ｄｈを、排出基準値Ｄｒｅｆ等の所定濃度下に抑えながらすばやく発電安定性を改善することができる。
【００７６】
Ｂ．第２実施例（水素排ガス圧力に基づく排ガスの排出制御）の動作について、図４のタイミングチャートを参照しながら説明する。
【００７７】
なお、この制御動作は、基本的には、上記第１実施例の動作と同様であるので動作が同様な部分は省略し、あるいは簡単に説明する。
【００７８】
この第２実施例では、発電安定性を保持するための排出条件を変えており、排出弁５２を開いたとき、アノード電極排出ポート３４側の水素排ガス圧力Ｐｈが大気圧Ｐａ以下に下がらないようにして、希釈箱５４側から空気がカソード電極側に逆流しないことを条件としている。
【００７９】
この第２実施例では、排出弁５２が開かれる時点は、時点ｔ２０，ｔ２２，ｔ２４，ｔ２７，ｔ２９，ｔ３１であり、排出弁５２が閉じられる時点は、時点ｔ２１，ｔ２３，ｔ２５，ｔ２８，ｔ３０，ｔ３２である。
【００８０】
水素排ガス圧力Ｐｈの基本的な傾向としては、排出弁５２が開かれた時点、たとえば時点ｔ２０で、アノード電極の排出ポート３４側が圧力の低い希釈箱５４側に連通するので、圧力センサ６２で検出される水素排ガス圧力Ｐｈが低下傾向となり、次に閉じられる時点、この場合、時点ｔ２１で低下傾向がとまる。
【００８１】
また、この第２実施例では、開弁指令時間Ｔｃｏに基づく排出を早期に完了させるために、開弁指令時間Ｔｃｏが設定された時点（図４では、時点ｔ２０，ｔ２２，ｔ２４、ｔ３１の４時点）以降、排出再開条件および排出禁止条件にヒステリシス、すなわち、排出再開条件に対応するヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈ、排出禁止条件に対応するヒステリシス下側値Ｐｌｏｗを設けている。
【００８２】
水素排ガス圧力Ｐｈがヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈ以上の値であれば、開弁指令時間Ｔｃｏで指令されている時間中、排出が継続され、排出弁５２が閉じられることはない。
【００８３】
ここで、ヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈとヒステリシス下側値Ｐｌｏｗとの間の圧力値は、所定値（ΔＰ１とする。）に固定され、ヒステリシス下側値Ｐｌｏｗと気圧センサ６９で測定される大気圧Ｐａとの間の圧力値も、所定値（ΔＰ２とする。）に固定される。大気圧Ｐａが変動（上下）すれば、この大気圧Ｐａの変動（上下）に応じてヒステリシス下側値Ｐｌｏｗとヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈが変動（上下）する。
【００８４】
そこで、図４において、時点ｔ２０−ｔ２３の間、時点ｔ３０−ｔ３２の間では、燃料電池スタック１４の発電状態が良好であって、通常時の定期開弁指令時間Ｔ１と定期閉弁指令時間Ｔ２に基づく排ガス排出制御が行われる。
【００８５】
その一方、時点ｔ２４において、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが所定値よりも低下した場合には、上述したように、より長い時間、排出弁５２を開いて、セル電圧Ｖｃを回復させるために、開弁指令時間Ｔｃｏとして、Ｔｃｏ＝Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ１）が設定されたものとする。
【００８６】
その時点ｔ２４では、水素排ガス圧力Ｐｈがヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈに対して高く（Ｐｈ＞Ｐｈｉｇｈ）なっているので、排出弁５２が開かれ、排出が開始される。しかし、時点ｔ２５で、水素排ガス圧力Ｐｈがヒステリシス下側値Ｐｌｏｗより低く（Ｐｈ＜Ｐｌｏｗ）なるので、排出弁５２が閉じられ、開弁指令時間Ｔｃｏ＝Ｔ３に基づく排出が一旦中断される。残時間ＴｒがＴｒ＝Ｔ７となっている。大気圧Ｐａに対してヒステリシス下側値Ｐｌｏｗで排出弁５２を閉じることで、いわゆるプラスアルファである余裕分の所定値ΔＰ２を設定しているので、アノード電極側の圧力が大気圧Ｐａ以下に下がることがなく安定な発電の継続条件が満足される。
【００８７】
そして、次に、水素排ガス圧力Ｐｈがヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈに対して高く（Ｐｈ＞Ｐｈｉｇｈ）なる時点ｔ２７で、再び、排出弁５２が開かれ、排出が再開される。しかし、時点ｔ２８で、水素排ガス圧力Ｐｈがヒステリシス下側値Ｐｌｏｗより再び低くなるので、排出弁５２が再度閉じられ、開弁指令時間Ｔｃｏ＝Ｔ３に基づく排出が再度一旦中断される。この時点ｔ２８までの開弁積算時間ＴｃｏはＴ４＋Ｔ５となるので、時点ｔ２８での排出残時間ＴｒがＴｒ＝Ｔ７−Ｔ５＝Ｔ６となっている。
【００８８】
そして、次に、水素排ガス圧力Ｐｈがヒステリシス上側値Ｐｈｉｇｈに対して高く（Ｐｈ＞Ｐｈｉｇｈ）なる時点ｔ２９で排出が再開され、時間Ｔ６経過後の時点ｔ３０で排出残時間Ｔｒがゼロ時間となるので、時点ｔ２４で算出された開弁指令時間Ｔｃｏ＝Ｔ３による排出が完了する。
【００８９】
このように「Ｂ．大気圧に基づく排ガスの排出制御動作」の第２実施例によっても、発電状態に応じて求めた水素排ガスの排出弁５２の開弁指令時間Ｔｃｏの間、水素排ガスを排出する際に、排出条件が非成立のときには、排出を一旦中断し、排出条件が成立したときに直ちに排出を実行し、排出を実行している時間のみを積算し、この開弁積算時間Ｔｏが開弁指令時間Ｔｃｏとなるまで排出するようにしたので、開弁指令時間Ｔｃｏに基づく水素排ガスの排出を確実かつ早期に行うことができて発電が継続され、結果として発電安定性を向上させることができる。
【００９０】
なお、図４において、点線で示す水素排ガス圧力Ｐｈの特性は、この実施形態の制御を行わずに、時点ｔ２４からｔ２６までの間、一気に開弁指令時間Ｔｃｏ＝Ｔ３に等しい時間の間、排出弁５２を開いた場合の特性を示しており、アノード電極の排出ポート３４側の水素排ガス圧力Ｐｈが大気圧Ｐａ以下になって発電が不安定になってしまうことが理解される。
【００９１】
なお、排出条件が成立しているかどうかは、第１実施例のように排ガス中の水素濃度Ｄｈが所定値以下であるか、第２実施例のようにアノード電極の水素排ガス圧力Ｐｈが大気圧以上であるか以外に、発電安定性の確保のための他の条件、たとえばアノード電極とカソード電極との間の差圧（極間圧力）が所定範囲以内であるかということを条件とすることができる。
【００９２】
この実施形態では、上述の排出条件のうち、少なくとも１つが成立していることを判定することにより、最適な排出条件で確実に水素排ガス等を排出することができ、かつ早期にすばやく発電安定性を改善することができる。
【００９３】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採りうることはもちろんである。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、水素排ガスを効果的に排出することにより燃料電池システムの発電安定性を向上することができる。
【００９５】
また、この発明は、最適な排出条件で確実かつ早期に水素排ガスを排出して、安定した発電を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係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】図１例の燃料電池システムの水素排ガス排出制御のフローチャートである。
【図３】排出水素濃度に着目した排出制御のタイミングチャートである。
【図４】アノード電極側の排ガス圧力に着目した排出制御のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム                １２…セル
１４…燃料電池スタック                １６…制御部
１８…ターミナルプレート              ２２…エンドプレート
２４…電流センサ                      ３２…燃料ガスの供給ポート
３４…燃料ガスの排出ポート            ３６…空気の供給ポート
３８…空気の排出ポート                ４０…燃料供給制御弁
４４…コンプレッサ                    ４６…循環ポンプ
５２…排出弁（水素パージ弁）          ５４…希釈箱
５６…背圧制御弁（空気背圧制御弁）    ６２，６４…圧力センサ
６６…流量センサ                      ６８…水素濃度センサ
６９…気圧センサ                      ７０…ＣＰＵ
７２…メモリ                          ７４…タイマ（カウンタ・タイマ）
７６…インタフェース                  ８０…入力装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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