(57)【要約】【課題】  アノードオフガス排出流路から不純物を含むアノードオフガスを排出する際の排出量を適正化する。【解決手段】  アノード３に燃料ガスが供給されカソード４に酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池１の排出装置であって、燃料電池１のアノード３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排出流路２２と、アノードオフガス排出流路２２からアノードオフガスを排出する排出弁２１と、排出弁２１の要求開放条件である要求排出量を常時検出する開放条件検出手段と、排出弁２１の開放要求があったときに前記開放条件検出手段により検出された要求排出量に応じて排出弁２１の要求排出量指令値を更新する開放条件更新手段と、を備え、前記開放条件更新手段により更新された最新の要求排出量指令値に基づいて排出弁２１の開放を制御する。【選択図】    図１
2005149799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを化学反応させて電力を得る燃料電池に供給された前記反応ガスの反応残ガスを排出する排出流路と、
前記排出流路に設けられ前記反応残ガスを前記排出流路から排出する排出弁と、
前記排出弁の要求開放条件を常時検出する開放条件検出手段と、
前記排出弁の開放要求があったときに、前記開放条件検出手段により検出された前記要求開放条件に応じて前記排出弁の要求開放条件を更新する開放条件更新手段と、
を備え、前記開放条件更新手段により更新された最新の要求開放条件に基づいて前記排出弁の開放を制御することを特徴とする燃料電池の排出装置。
【請求項２】
前記要求開放条件は前記排出弁を開放している要求開放時間であり、
前記開放条件更新手段は、前記開放条件検出手段により検出された前記要求開放時間が短くなったときのみ要求開放時間を更新することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出装置。
【請求項３】
前記要求開放条件は前記排出弁を開放して排出される要求排出量であり、
前記開放条件更新手段は、前記開放条件検出手段により検出された前記要求排出量が少なくなったときのみ要求排出量を更新することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の排出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の排出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、反応ガスを化学反応させて電力を得るものがある。この種の燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、発電に伴ってカソード側で水が生成され、この生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも浸入する。また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入する。アノード側におけるこれら水分や窒素等の不純物は、燃料電池の発電を不安定にする虞がある。
【０００３】
特に、燃料の利用率を上げるために燃料電池から排出される未反応の水素をリサイクルさせて新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する循環型の燃料電池システムでは、アノード側の前記不純物濃度が徐々に高まる傾向にある。
そこで、この種の燃料電池では、定期的にあるいは燃料電池の発電状況に応じて、水素循環流路から前記不純物を含む水素ガスを排出し、水素ガス中の不純物濃度を低減させている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】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】
【０００４】
従来は、例えば燃料電池の運転時間が所定時間経過するなどして不純物排出要求があったときに、その時点での燃料電池の運転状態に基づいて、不純物を含む水素ガスの要求排出量あるいは要求排出時間を決定していた。
そのため、不純物排出中に燃料電池の運転状態が変化し、運転状態に要求される前記要求排出量あるいは要求排出時間が変化してもこれに対応することができず、種々の不具合が生じた。
例えば、不純物排出開始当初に決定した要求排出量（要求排出時間）よりも運転状態変化後の要求排出量（要求排出時間）が少なくなった場合は、運転状態変化後、不純物を含む水素ガスの排出量が過剰になり、見かけ上の水素消費量が多くなって発電効率の悪化を招く。また、水素循環流路から排出された水素ガスをカソードから排出されるカソードオフガスで希釈するシステムを備えている場合には、希釈後の水素濃度を安定させるのが難しくなる。
一方、不純物排出開始当初に決定した要求排出量（要求排出時間）よりも運転状態変化後の要求排出量（要求排出時間）が増えた場合は、運転状態変化後、不純物を含む水素ガスの排出が不十分となる場合があり、燃料電池の発電の安定性を十分に回復できなくなる虞がある。
【０００５】
そこで、この発明は、反応残ガスの排出処理中に燃料電池の運転状態が変化した場合にも、反応残ガスの排出を最適に行うことができる燃料電池の排出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応ガス（例えば、後述する実施例における水素ガスと空気）を化学反応させて電力を得る燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）に供給された前記反応ガスの反応残ガス（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス）を排出する排出流路（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス排出流路２２）と、前記排出流路に設けられ前記反応残ガスを前記排出流路から排出する排出弁（例えば、後述する実施例における排出弁２１）と、前記排出弁の要求開放条件（例えば、後述する実施例における要求排出量ＶＭＡＰ、要求排出時間ＴＭＭＡＰ）を常時検出する開放条件検出手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３，Ｓ２０２）と、前記排出弁の開放要求があったときに、前記開放条件検出手段により検出された前記要求開放条件に応じて前記排出弁の要求開放条件を更新する開放条件更新手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１１１，Ｓ２１１）と、を備え、前記開放条件更新手段により更新された最新の要求開放条件に基づいて前記排出弁の開放を制御することを特徴とする燃料電池の排出装置である。
このように構成することにより、排出弁の開放要求があった後、燃料電池の運転状態の変化により要求開放条件が変化したときに要求開放条件を更新し、更新後の最新の要求開放条件に基づいて前記排出弁の開放を制御することができるので、反応残ガスの排出を常に燃料電池の運転状態に応じて最適に行うことが可能となる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記要求開放条件は前記排出弁を開放している要求開放時間（例えば、後述する実施例における要求排出時間ＴＭＭＡＰ）であり、前記開放条件更新手段は、前記開放条件検出手段により検出された前記要求開放時間が短くなったときのみ要求開放時間を更新することを特徴とする。
このように構成することにより、排出弁の開放要求があった後、燃料電池の運転状態の変化により要求開放時間が変化したときに、要求排出時間が短くなったときのみ要求排出時間を更新し、更新後の最新の要求排出時間に基づいて前記排出弁の開放を制御することができるので、反応残ガスの排出量を必要最小限に抑えることが可能になる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記要求開放条件は前記排出弁を開放して排出される要求排出量（例えば、後述する実施例における要求排出量ＶＭＡＰ）であり、前記開放条件更新手段は、前記開放条件検出手段により検出された前記要求排出量が少なくなったときのみ要求排出量を更新することを特徴とする。
このように構成することにより、排出弁の開放要求があった後、燃料電池の運転状態の変化により要求排出量が変化したときに、要求排出量が少なくなったときのみ要求排出量を更新し、更新後の最新の要求排出量に基づいて前記排出弁の開放を制御することができるので、反応残ガスの排出量を必要最小限に抑えることが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、反応残ガスの排出を常に燃料電池の運転状態に応じて最適に行うことが可能となるので、不純物を含む反応残ガスの排出量を最適化することができ、発電効率が向上する。
【００１０】
請求項２あるいは請求項３に係る発明によれば、不純物を含む反応残ガスの排出量を必要最小限に抑えることができるので、反応残ガスの排出管理を最適に行うことができるとともに、発電効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明に係る燃料電池の排出装置の実施例を図１から図５の図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
初めに、この発明に係る燃料電池の排出装置の実施例１を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る燃料電池の排出装置を備えた燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図１では単セルのみを示す）、アノード３の反応ガス流路５に燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）を供給し、カソード４の反応ガス流路６に酸化剤ガスとして酸素（反応ガス）を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１３】
空気はスーパーチャージャー（Ｓ／Ｃ）などのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１のカソード４の反応ガス流路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈装置１１に導入される。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気として区別する。空気供給流路８においてコンプレッサ７よりも上流には、燃料電池１に供給される空気の重量流量（以下、空気流量と略す）ＱＡを検出する空気流量検出センサ１２が設けられている。
【００１４】
一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１７を流通し、その途中でレギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、流量制御弁２７により所定流量に制御され、エゼクタ１９を通って燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガス（反応残ガス）として排出され、アノードオフガス流路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１のアノード３に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。なお、この実施例において、エゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７とアノードオフガス流路１８は燃料ガス循環流路２０を構成する。
【００１５】
エゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７には、アノード３の反応ガス流路５に流入する直前の水素ガスの温度（以下、アノード入口温度と称す）ＴＨを検出するアノード入口温センサ２４が設けられている。
アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路（排出流路）２２が分岐しており、アノードオフガス排出流路２２は希釈装置１１に接続されている。排出弁２１よりも下流のアノードオフガス排出流路２２には、排出弁２１から排出されるアノードオフガスの重量流量（以下、アノードオフガス流量と略す）ＱＨを検出するアノードオフガス流量検出センサ２８が設けられている。この希釈装置１１において、アノードオフガス排出流路２２から排出されたアノードオフガスが、空気排出流路９から排出された排出空気によって希釈処理されて排出される。
【００１６】
燃料電池１の発電で得られた電力は車両駆動用モータなどの負荷に供給されるが、そのときの発電電流ＩＦＣが電流計２５によって検出される。
燃料電池１は電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）３０により制御され、そのため、ＥＣＵ３０には、空気流量検出センサ１２、アノード入口温センサ２４、電流計２５、アノードオフガス流量検出センサ２８などからの信号が入力され、コンプレッサ７の回転数、流量制御弁２７および圧力制御弁１０の開度、排出弁２１の開閉などの制御が行われる。
【００１７】
このように構成された燃料電池システムにおいては、連続運転をしていると、前述したように燃料ガス循環流路２０を流通する水素ガス中の不純物（水分や窒素など）の濃度が高まってきて燃料電池１の発電が不安定になる場合がある。
そこで、この燃料電池システムでは、一定時間連続運転する毎に、および、燃料電池１の発電状況に応じて、排出弁２１を開き、不純物を含むアノードオフガスを燃料ガス循環流路２０からアノードオフガス排出流路２２を介して希釈装置１１に排出することにより（以下、この処理を不純物排出処理と称す）、燃料電池１のアノード３を流通する水素ガス中の不純物濃度を所定値以下となるように管理し、燃料電池１の発電を安定した状態に保持している。
【００１８】
そして、この実施例における燃料電池システムでは、不純物排出要求があったときには、不純物排出処理を実行している間、常に、燃料電池１の発電状態（運転状態）に応じて燃料ガス循環流路２０から排出すべきアノードオフガスの排出量（以下、要求排出量という）を算出し、不純物排出処理を実行している間に要求排出量が少なくなったときには該要求排出量に更新し、更新後の要求排出量に基づいて排出弁２１の開放を制御する。これにより、不純物排出処理を実行している間に燃料電池１の運転状態の変化により要求排出量が少なくなったときにも、発電に供されず不純物と共に排出される水素ガスの量を必要最小限に抑えることができるようにしている
なお、この実施例においては、要求排出量が要求開放条件となる。
【００１９】
次に、実施例１における不純物排出処理制御について、図２のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ１０１において、不純物排出要求があるか否かを判定する。この実施例１では、燃料電池１の発電運転を一定時間連続した時、および、燃料電池１のセル電圧のうち一番低いセル電圧が予め設定された下限電圧を下回った時に、不純物排出要求ありと判定される。
【００２０】
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（不純物排出要求なし）である場合は、ステップＳ１０１に戻る。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（不純物排出要求あり）である場合は、ステップＳ１０２に進み、アノードオフガス流量検出センサ２８によってアノードオフガスの実排出流量ＱＨを検出するとともに、実排出流量ＱＨを積算して実排出量積算値ＳＱＨを算出する。なお、ステップＳ１０１からステップＳ１０２に進んだ直後はまだ排出指令がＯＮになっておらず、排出弁２１が開いていないので、アノードオフガス実排出流量ＱＨおよび実排出量積算値ＳＱＨはゼロとなる。
【００２１】
次に、ステップＳ１０２からステップＳ１０３に進み、現在の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出量ＶＭＡＰを例えばマップ（図示せず）を参照して算出する。ここで、要求排出量ＶＭＡＰは、例えば、燃料電池１の発電電流ＩＦＣやアノード入口温度ＴＨに基づいて算出することができる。この実施例では、発電電流ＩＦＣが大きいほど要求排出量ＶＲＥＱを大きくし、アノード入口温度ＴＨが低いほど要求排出量ＶＲＥＱを大きくする。
【００２２】
次に、ステップＳ１０３からステップＳ１０４に進み、要求排出量指令値ＶＲＥＱをセット済みか否かを判定する。
Ｓ１０１で「不純物排出要求あり」と判定された後、初めてステップＳ１０４の処理を実行したときは、要求排出量指令値ＶＲＥＱが未セット状態であるので、ステップＳ１０４における判定結果は「ＮＯ」となり、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５では、要求排出量指令値ＶＲＥＱとして、ステップＳ１０３で算出した要求排出量ＶＭＡＰを設定する。
【００２３】
次に、ステップＳ１０５からステップＳ１０６に進み、Ｓ１０２で算出したアノードオフガスの実排出量積算値ＳＱＨが要求排出量指令値ＶＲＥＱ以上か否かを判定する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（ＳＱＨ＜ＶＲＥＱ）である場合は、ステップＳ１０７に進み、アノードオフガス排出禁止中か否かを判定する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（禁止中である）の場合は、ステップＳ１０８に進んで、排出指令を「ＯＦＦ」とする。この場合、排出弁２１の開弁が禁止され、したがって、アノードオフガス流路１８からアノードオフガスは排出されない。
一方、ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（禁止中でない）の場合は、ステップＳ１０９に進んで、排出指令を「ＯＮ」とする。この場合、排出弁２１の開弁が許可され、したがって、アノードオフガス流路１８から希釈装置１１にアノードオフガスが排出される。
【００２４】
ステップＳ１０８あるいはステップＳ１０９の処理を実行した後、ステップＳ１０２に戻り、再びステップＳ１０２以降の処理を繰り返す。
すなわち、ステップＳ１０２において再びアノードオフガスの実排出流量ＱＨを検出して実排出量積算値ＳＱＨを算出し、ステップＳ１０３において再び現在の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出量ＶＭＡＰを算出し、ステップＳ１０４において要求排出量指令値ＶＲＥＱをセット済みか否かを判定する。ステップＳ１０８あるいはステップＳ１０９の処理を実行した後にステップＳ１０２に戻った場合には、ステップＳ１０４における判定結果は「ＹＥＳ」（セット済み）となるので、このときにはステップＳ１１０に進む。
【００２５】
ステップＳ１１０においては、直前のステップＳ１０３で算出した要求排出量ＶＭＡＰが既に設定されていた要求排出量指令値ＶＲＥＱ以上か否かを判定する。
ステップＳ１１０における判定結果が「ＹＥＳ」（ＶＲＥＱ≦ＶＭＡＰ）である場合は、そのままステップＳ１０６に進む。すなわち、この場合には、要求排出量指令値ＶＲＥＱを更新せず、既にセットされていた要求排出量指令値ＶＲＥＱをそのまま生かして、ステップＳ１０６の処理を実行する。
一方、ステップＳ１１０における判定結果が「ＮＯ」（ＶＲＥＱ＞ＶＭＡＰ）である場合は、ステップＳ１１１に進み、直前のステップＳ１０３で算出した要求排出量ＶＭＡＰを新たに要求排出量指令値ＶＲＥＱとして設定する。すなわち、この場合には、要求排出量指令値ＶＲＥＱを最新に算出した要求排出量ＶＭＡＰに更新し、更新された最新の要求排出量指令値ＶＲＥＱに基ついてステップＳ１０６の処理を実行する。
【００２６】
そして、実排出量積算値ＳＱＨが要求排出量指令値ＶＲＥＱ以上になると、ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（ＳＱＨ≧ＶＲＥＱ）となるので、ステップＳ１１２に進み、排出指令を「ＯＦＦ」として、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、排出指令「ＯＦＦ」により排出弁２１を閉じる。
【００２７】
この実施例１の不純物排出処理制御によれば、不純物排出要求があったときには、常時、現在の燃料電池１の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出量ＶＭＡＰを算出し（ステップＳ１０３）、算出された最新の要求排出量ＶＭＡＰが既に設定されていた要求排出量指令値ＶＲＥＱよりも少なくなったときのみ、要求排出量指令値ＶＲＥＱを最新の要求排出量ＶＭＡＰに更新している（ステップＳ１１１）ので、燃料電池１の運転状態の変化により要求排出量ＶＭＡＰが減少したときには、排出処理の途中であっても要求排出量ＶＭＡＰの変化に応じて要求排出量指令値ＶＲＥＱを減少させることができ、その結果、アノードオフガスの実排出量積算値ＳＱＨを必要最小限に抑えて、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。
【００２８】
したがって、発電に供されず不純物と共に排出される水素ガスの量を必要最小限に抑えることができるので、発電効率が向上する。さらに、希釈装置１１への水素ガスの流入量が最適化されるので、希釈後の水素濃度を安定させることができる。
なお、この実施例１においては、ＥＣＵ３０がステップＳ１０３の処理を実行することにより、排出弁２１の要求開放条件（要求排出量ＶＭＡＰ）を常時検出する開放条件検出手段が実現され、ＥＣＵ３０がステップＳ１１１の処理を実行することにより、常時検出された前記要求開放条件（要求排出量ＶＭＡＰ）に応じて排出弁２１の要求開放条件を更新する開放条件更新手段が実現される。
【００２９】
図３は、実施例１における要求排出量（要求排出量指令値）および排出指令のタイムチャートである。この例は、排出処理開始時に算出した要求排出量ＶＭＡＰが「Ｖ０」であり、排出処理を実行している間に燃料電池１の運転状態の変化に伴って要求排出量ＶＭＡＰが図中二点鎖線で示すように増減し、排出処理の途中で要求排出量ＶＭＡＰが「Ｖ０」よりも少ない「Ｖ１」となった場合を示している。図中、要求排出量のグラフにおける実線は要求排出量指令値ＶＲＥＱを示しており、要求排出量ＶＭＡＰが「Ｖ０」から「Ｖ１」に減少したときのみ、要求排出量指令値ＶＲＥＱが「Ｖ０」から「Ｖ１」に更新される。
これに対して、従来は、排出処理開始時に算出した要求排出量ＶＭＡＰを要求排出量指令値ＶＲＥＱに設定した後は、燃料電池１の運転状態が変化しても要求排出量指令値ＶＲＥＱを変えることはなかった。そのため、アノードオフガスの排出量が過剰になって発電効率が悪化したり、希釈装置１１に流入するアノードオフガスが増大して希釈後の水素濃度を安定させ難かった。実施例１の排出装置によれば、これらの問題が解決される。
【００３０】
なお、この実施例１においては、常時、現在の燃料電池１の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出量ＶＭＡＰを算出し、算出された最新の要求排出量ＶＭＡＰが既に設定されていた要求排出量指令値ＶＲＥＱよりも少なくなったときのみ、要求排出量指令値ＶＲＥＱを最新の要求排出量ＶＭＡＰに更新しているが、算出された最新の要求排出量ＶＭＡＰが既に設定されていた要求排出量指令値ＶＲＥＱ以上のときにも、要求排出量指令値ＶＲＥＱを最新の要求排出量ＶＭＡＰに更新するようにしてもよい。このようにすると、燃料電池１の運転状態の変化により要求排出量ＶＭＡＰが増大したときにも、要求排出量ＶＭＡＰの変化に応じて要求排出量指令値ＶＲＥＱを増大させることができ、その結果、アノードオフガスの実排出量積算値ＳＱＨを過不足なく最適化することができ、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。したがって、前述した実施例１の作用・効果に加えて、燃料電池１の運転状態の変化により排出処理の途中で要求排出量ＶＭＡＰが増大した場合にも、燃料電池１の発電の安定性を十分に回復させることができる。
【実施例２】
【００３１】
次に、この発明に係る燃料電池の排出装置の実施例２を図４および図５の図面を参照して説明する。なお、燃料電池システムの構成は実施例１と同じであるので説明は省略する。
実施例１では要求開放条件として要求排出量を採用したが、実施例２では要求開放条件として、排出弁２１を開放している要求排出時間（要求開放時間）を採用している。
すなわち、実施例２における燃料電池システムでは、不純物排出要求があったときには、不純物排出処理を実行している間、常に、燃料電池１の発電状態（運転状態）に応じて実施例１の要求排出量に対応する要求排出時間を算出し、不純物排出処理を実行している間に要求排出時間が短くなったときには該要求排出時間に更新し、更新後の要求排出時間に基づいて排出弁２１の開放を制御する。これにより、実施例１と同様に、不純物排出処理を実行している間に燃料電池１の運転状態の変化により要求排出時間が短くなったときにも、発電に供されず不純物と共に排出される水素ガスの量を必要最小限に抑えることができるようにしている。
【００３２】
次に、実施例２における不純物排出処理制御について、図４のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ２０１において、不純物排出要求があるか否かを判定する。不純物排出要求があるか否かの判定は実施例１の場合と同じである。すなわち、燃料電池１の発電運転を一定時間連続した時、および、燃料電池１のセル電圧のうち一番低いセル電圧が予め設定された下限電圧を下回った時に、不純物排出要求ありと判定される。
【００３３】
ステップＳ２０１における判定結果が「ＮＯ」（不純物排出要求なし）である場合は、ステップＳ２０１に戻る。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＹＥＳ」（不純物排出要求あり）である場合は、ステップＳ２０２に進み、現在の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出時間ＴＭＭＡＰを例えばマップ（図示せず）を参照して算出する。この要求排出時間ＴＭＭＡＰは実施例１における要求排出量ＶＭＡＰに対応するものであり、燃料電池１の発電電流ＩＦＣやアノード入口温度ＴＨに基づいて算出することができる。この実施例では、発電電流ＩＦＣが大きいほど要求排出時間ＴＭＭＡＰを長くし、アノード入口温度ＴＨが低いほど要求排出時間ＴＭＭＡＰを長くする。
【００３４】
次に、ステップＳ２０２からステップＳ２０３に進み、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱをセット済みか否かを判定する。
Ｓ２０１で「不純物排出要求あり」と判定された後、初めてステップＳ２０３の処理を実行したときは、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱが未セット状態であるので、ステップＳ２０３における判定結果は「ＮＯ」となり、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱとして、ステップＳ２０２で算出した要求排出時間ＴＭＭＡＰを設定する。
【００３５】
次に、ステップＳ２０４からステップＳ２０５に進み、排出弁２１を開いてからの経過時間（すなわち排出時間）Ｔが要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱ以上か否かを判定する。なお、ステップＳ２０１からステップＳ２０２に進んだ直後は排出時間Ｔがリセットされている状態であり、排出時間Ｔはゼロである。
ステップＳ２０５における判定結果が「ＮＯ」（Ｔ＜ＴＭＲＥＱ）である場合は、ステップＳ２０６に進み、アノードオフガス排出禁止中か否かを判定する。
ステップＳ２０６における判定結果が「ＹＥＳ」（禁止中である）の場合は、ステップＳ２０７に進んで、排出指令を「ＯＦＦ」とする。この場合、排出弁２１の開弁が禁止され、したがって、アノードオフガス流路１８からアノードオフガスは排出されない。
一方、ステップＳ２０６における判定結果が「ＮＯ」（禁止中でない）の場合は、ステップＳ２０８に進んで排出指令を「ＯＮ」とし、さらに、ステップＳ２０９に進んで排出時間Ｔを測定する。排出指令「ＯＮ」により、排出弁２１の開弁が許可され、したがって、アノードオフガス流路１８から希釈装置１１にアノードオフガスが排出される。
【００３６】
ステップＳ２０７あるいはステップＳ２０９の処理を実行した後、ステップＳ２０２に戻り、再びステップＳ２０２以降の処理を繰り返す。
すなわち、ステップＳ２０２において再び現在の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出時間ＴＭＭＡＰを算出し、ステップＳ２０３において要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱをセット済みか否かを判定する。ステップＳ２０７あるいはステップＳ２０９の処理を実行した後にステップＳ２０２に戻った場合には、ステップＳ２０３における判定結果は「ＹＥＳ」（セット済み）となるので、このときにはステップＳ２１０に進む。
【００３７】
ステップＳ２１０においては、直前のステップＳ２０２で算出した要求排出時間ＴＭＭＡＰが既に設定されていた要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱ以上か否かを判定する。
ステップＳ２１０における判定結果が「ＹＥＳ」（ＴＭＲＥＱ≦ＴＭＭＡＰ）である場合は、そのままステップＳ２０５に進む。すなわち、この場合には、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを更新せず、既にセットされていた要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱをそのまま生かして、ステップＳ２０５の処理を実行する。
一方、ステップＳ２１０における判定結果が「ＮＯ」（ＴＭＲＥＱ＞ＴＭＭＡＰ）である場合は、ステップＳ２１１に進み、直前のステップＳ２０３で算出した要求排出時間ＴＭＭＡＰを新たに要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱとして設定する。すなわち、この場合には、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを最新に算出した要求排出時間ＴＭＭＡＰに更新し、更新された最新の要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱに基ついてステップＳ２０５の処理を実行する。
【００３８】
そして、排出時間Ｔが要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱ以上になると、ステップＳ２０５における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔ≧ＴＭＲＥＱ）となるので、ステップＳ２１２に進んで排出指令を「ＯＦＦ」とし、さらに、ステップＳ２１３に進んで排出時間Ｔをリセットして、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、排出指令「ＯＦＦ」により排出弁２１を閉じる。
【００３９】
この実施例２の不純物排出処理制御によれば、不純物排出要求があったときには、常時、現在の燃料電池１の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出時間ＴＭＭＡＰを算出し（ステップＳ２０２）、算出された最新の要求排出時間ＴＭＭＡＰが既に設定されていた要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱよりも短くなったときのみ、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを最新の要求排出時間ＴＭＭＡＰに更新している（ステップＳ２１１）ので、燃料電池１の運転状態の変化により要求排出時間ＴＭＭＡＰが短くなったときには、排出処理の途中であっても要求排出時間ＴＭＭＡＰの変化に応じて要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを短く設定し直すことができ、その結果、アノードオフガスの実排出量を必要最小限に抑えて、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。
【００４０】
したがって、発電に供されず不純物と共に排出される水素ガスの量を必要最小限に抑えることができるので、発電効率が向上する。さらに、希釈装置１１への水素ガスの流入量が最適化されるので、希釈後の水素濃度を安定させることができる。
なお、この実施例２においては、ＥＣＵ３０がステップＳ２０２の処理を実行することにより、排出弁２１の要求開放条件（要求排出時間ＴＭＭＡＰ）を常時検出する開放条件検出手段が実現され、ＥＣＵ３０がステップＳ２１１の処理を実行することにより、常時検出された前記要求開放条件（要求排出時間ＴＭＭＡＰ）に応じて排出弁２１の要求開放条件を更新する開放条件更新手段が実現される。
【００４１】
図５は、実施例２における要求排出時間（要求排出時間指令値）および排出指令のタイムチャートである。この例は、排出処理開始時に算出した要求排出時間ＴＭＭＡＰが「Ｔ０」であり、排出処理を実行している間に燃料電池１の運転状態の変化に伴って要求排出時間ＴＭＭＡＰが図中二点鎖線で示すように増減し、排出処理の途中で要求排出時間ＴＭＭＡＰが「Ｔ０」よりも短い「Ｔ１」となった場合を示している。図中、要求排出時間のグラフにおける実線は要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを示しており、要求排出時間ＴＭＭＡＰが「Ｔ０」から「Ｔ１」に減少したときのみ、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱが「Ｔ０」から「Ｔ１」に更新される。
これに対して、従来は、排出処理開始時に算出した要求排出時時間ＴＭＭＡＰを要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱに設定した後は、燃料電池１の運転状態が変化しても要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを変えることはなかった。そのため、アノードオフガスの排出量が過剰になって発電効率が悪化したり、希釈装置１１に流入するアノードオフガスが増大して希釈後の水素濃度を安定させ難かった。実施例２の排出装置によれば、これらの問題が解決される。
【００４２】
なお、この実施例２においては、常時、現在の燃料電池１の発電状態に応じたアノードオフガスの要求排出時間ＴＭＭＡＰを算出し、算出された最新の要求排出時間ＴＭＭＡＰが既に設定されていた要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱよりも少なくなったときのみ、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを最新の要求排出時間ＴＭＭＡＰに更新しているが、算出された最新の要求排出時間ＴＭＭＡＰが既に設定されていた要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱ以上のときにも、要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを最新の要求排出時間ＴＭＭＡＰに更新するようにしてもよい。このようにすると、燃料電池１の運転状態の変化により要求排出時間ＴＭＭＡＰが長くなったときにも、要求排出時間ＴＭＭＡＰの変化に応じて要求排出時間指令値ＴＭＲＥＱを増大させることができ、その結果、アノードオフガスの実排出量を過不足なく最適化することができ、不純物を含むアノードオフガスの排出量を最適化することができる。したがって、前述した実施例２の作用・効果に加えて、燃料電池１の運転状態の変化により排出処理の途中で要求排出時間ＴＭＭＡＰが増大した場合にも、燃料電池１の発電の安定性を十分に回復させることができる。
【００４３】
前述した各実施例では、開放を制御される排出弁から排出される反応残ガスをアノードオフガスとしているが、燃料電池のカソードから排出される反応残ガスであるカソードオフガスを再びカソードに循環する燃料電池システムの場合には、開放を制御される排出弁から排出される反応残ガスをカソードオフガスとしても、本発明は成立する。
また、この発明において、燃料電池の燃料ガスは、純粋な水素ガスに限るものではなく、炭化水素を含む燃料を改質して生成される水素リッチなガスであってもよい。
この発明における燃料電池システムは、前述した各実施例のように燃料電池車両に搭載されるものに限られず、定置式の燃料電池システムであってもよい。
さらに、前述した各実施例における排出弁はオン−オフバルブであるが、例えば、流量を調整可能なバルブであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明に係る燃料電池の排出装置を備えた燃料電池システムの構成図の一例である。
【図２】この発明の実施例１における不純物排出処理制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】前記実施例１におけるタイムチャートである。
【図４】この発明の実施例２における不純物排出処理制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】前記実施例２におけるタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池
２２  アノードオフガス排出流路（排出流路）
２１  排出弁
Ｓ１０３，Ｓ２０２  開放条件検出手段
Ｓ１１１，Ｓ２１１  開放条件更新手段
【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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