(57)【要約】【課題】希釈器の大型化を防止して、安定して発電できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システムは、水素ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、この燃料電池から排出される水素ガスを、燃料電池に再度供給する再循環流路と、を備える。また、この燃料電池システムは、再循環流路を流れるガスを排出するパージ弁２６１と、再循環流路内の窒素濃度を算出する窒素濃度算出手段４１と、この窒素濃度に応じて、パージ弁２６１の排出頻度を調整する排出制御手段４２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される水素ガスを、前記燃料電池に再度供給する再循環流路と、を備える燃料電池システムであって、
前記再循環流路を流れるガスを排出する排出装置と、
前記再循環流路内の不純物濃度を算出する不純物濃度算出手段と、
前記不純物濃度に応じて、前記排出装置の排出頻度を調整する排出制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出制御手段は、前記不純物濃度に応じて、前記排出装置の１回当りの排出量を調整す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】
前記排出制御手段は、前記不純物濃度が増加するに従って、前記排出装置の排出頻度を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出制御手段は、前記不純物濃度が増加するに従って、前記排出装置の１回当りの排出量を増加させ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５】
水素ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される水素ガスを、前記燃料電池に再度供給する再循環流路と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記再循環流路内の不純物濃度を算出し、
この算出した不純物濃度に応じて、前記再循環流路を流れるガスを排出する排出頻度を調整することを特徴とする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、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、上述のような燃料電池システムでは、燃料電池から排出された水素ガスを、再び燃料電池に供給させるための再循環流路が設けられている。このような再循環流路を設けることにより、燃料電池で消費されずに排出された水素ガスを再循環させることが可能となり、これにより、発電の安定化および燃料ガスの高効率化が図られている。
【０００６】
しかしながら、このような燃料電池において、特に燃料電池の発電が一時停止したアイドル停止状態では、両電極間で差圧が生じ、カソード電極側に供給された空気に含まれる窒素が、アノード電極側に接続された水素ガスの再循環流路内に流入する場合がある。このようにして窒素が再循環流路に流入し、その濃度が増加すると、水素分圧が低下してしまい、発電が不安定になるおそれがあった。
【０００７】
このため、再循環流路から窒素を含む水素ガスを排出させるパージ弁と、再循環流路における窒素濃度を検出する濃度検出手段と、この濃度検出手段により検出される窒素濃度が略一定に保たれるように、パージ弁の開度を調整する制御手段と、を備える燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
この燃料電池システムによれば、検出された窒素濃度に応じてパージ弁の開度を調整して、再循環流路内の窒素を水素ガスとともに排出させることにより、再循環流路の窒素濃度を略一定にし、発電を安定させている。
【特許文献１】特開２００４−１８５９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、再循環流路から排出される水素ガスは、そのまま外部に排出されず、希釈器により水素ガスを所定濃度以下に希釈した後に外部に排出される。また、このような希釈器において、単位時間当りに希釈できる水素ガスの量は、希釈要件として希釈器の容積などに応じて制限されている。
【０００９】
しかしながら、上述の特許文献１に示された燃料電池システムでは、パージ弁の開度のみを調整することによって水素ガスを排出させるため、パージ弁を１回開閉することで、多量の水素ガスがパージ弁から排出される場合があった。その結果、この水素ガスの量に応じて、希釈器を大型化する必要があった。
【００１０】
本発明は、希釈器の大型化を防止して、安定して発電できる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】
【００１１】
（１）  水素ガスおよび酸化ガス（例えば、実施の形態における酸素）の反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、前記燃料電池から排出される水素ガスを、前記燃料電池に再度供給する再循環流路（例えば、実施の形態における再循環流路２７）と、を備える燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）であって、前記再循環流路を流れるガスを排出する排出装置（例えば、実施の形態におけるパージ弁２６１）と、前記再循環流路内の不純物濃度（例えば、実施の形態における窒素濃度）を算出する不純物濃度算出手段（例えば、実施の形態における窒素濃度算出手段４１）と、前記不純物濃度に応じて、前記排出装置の排出頻度を調整する排出制御手段（例えば、実施の形態における排出制御手段４２）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００１２】
（１）の発明によれば、燃料電池システムに、再循環流路内の窒素を含む不純物の濃度を算出する不純物濃度算出手段と、この不純物濃度に応じて、排出装置の排出頻度を調整する排出制御装置と、を設けた。
これにより、再循環流路内に窒素を含む不純物が滞留した場合には、その不純物の濃度は不純物濃度算出手段により算出され、この不純物濃度に応じて、排出装置の排出頻度が調整されて、不純物が水素ガスとともに排出される。これにより、再循環流路内の不純物濃度を低くして、安定して発電できる。
また、以上のように、再循環流路から排出されるガスの量は、排出装置の排出頻度によって調整される。これにより、単位時間当りに排出されるガスの量を調整することが可能となる。したがって、希釈器を大型化することなく、その希釈器に合わせて排出されるガスの量を調整できる。
【００１３】
（２）  前記排出制御手段は、前記不純物濃度に応じて、前記排出装置の１回当りの排出量を調整することを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。
【００１４】
（２）の発明によれば、排出装置は、ガスに含まれる不純物の濃度に応じて、排出頻度および１回当りの排出量を調整する。したがって、例えば、不純物濃度が増加するに従って、１回当りの排出量を増加させることにより、速やかに不純物濃度を低下させることができる。
【００１５】
（３）  前記排出制御手段は、前記不純物濃度が増加するに従って、前記排出装置の排出頻度を増加させることを特徴とする（１）または（２）に記載の燃料電池システム。
【００１６】
（３）の発明によれば、再循環流路内の不純物は、この再循環流路内の不純物濃度が増加するに従って、より頻繁に、排出装置によって排出される。したがって、再循環流路内の不純物を効率的に排出できる。
【００１７】
（４）  前記排出制御手段は、前記不純物濃度が増加するに従って、前記排出装置の１回当りの排出量を増加させることを特徴とする（２）に記載の燃料電池システム。
【００１８】
（４）の発明によれば、再循環流路内の不純物は、この再循環流路内の不純物濃度が増加するに従って、１回当りにより多く、排出装置によって排出される。したがって、再循環流路内の不純物を効率的に排出できる。
【００１９】
（５）  水素ガスおよび酸化ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される水素ガスを、前記燃料電池に再度供給する再循環流路と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記再循環流路内の不純物濃度を算出し、この算出した不純物濃度に応じて、前記再循環流路を流れるガスを排出する排出頻度を調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【００２０】
（５）の発明によれば、（１）と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池システムに、再循環流路内の窒素を含む不純物の濃度を算出する不純物濃度算出手段と、この不純物濃度に応じて、排出装置の排出頻度を調整する排出制御装置と、を設けた。これにより、再循環流路内に窒素を含む不純物が滞留した場合には、その不純物の濃度は不純物濃度算出手段により算出され、この不純物濃度に応じて、排出装置の排出頻度が調整されて、不純物が水素ガスとともに排出される。これにより、再循環流路内の不純物濃度を低くして、安定して発電できる。また、以上のように、再循環流路から排出されるガスの量は、排出装置の排出頻度によって調整される。これにより、単位時間当りに排出されるガスの量を調整することが可能となる。したがって、希釈器を大型化することなく、その希釈器に合わせて排出されるガスの量を調整できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスや酸化ガスとしての空気を供給する供給装置２０と、これら燃料電池および供給装置２０を制御する制御装置３０と、を有する。
【００２３】
燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【００２４】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素および窒素を含む空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。また、この燃料電池１０には、燃料電池１０の電流を計測する燃料電池電流計３１が接続されている。
【００２５】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、排ガス処理装置２９と、を含んで構成される。
【００２６】
コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端は、排ガス処理装置２９に接続されている。エア排出路２４のうち、燃料電池１０のカソード電極と排ガス処理装置２９との間には、背圧弁２４１が設けられている。
【００２７】
水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、エゼクタ２８が設けられている。燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端は、排ガス処理装置２９に接続されている。
【００２８】
この水素排出路２６には、水素排出路２６が分岐した再循環流路２７が設けられており、この再循環流路２７の先端はエゼクタ２８に接続されている。これにより、再循環流路２７は、燃料電池１０から水素排出路２６に排出される水素ガスを、エゼクタ２８を介して燃料電池１０に再度供給する。再循環流路２７には、この再循環流路２７内の水素濃度を計測する水素濃度検出装置３２と、再循環流路２７を流れるガスの温度を計測する再循環流路温度計３３と、再循環流路２７内のガスの圧力を計測する再循環流路圧力計３４と、が設けられている。また、この水素排出路２６のうち、再循環流路２７との分岐点と排ガス処理装置２９との間には、再循環流路２７を流れるガスを排出する排出装置としてのパージ弁２６１が設けられている。
【００２９】
エゼクタ２８は、水素排出路２６に排出された水素ガスを、再循環流路２７を通して回収し、燃料電池１０に再度供給することにより、水素ガスを循環させている。
【００３０】
排ガス処理装置２９は、燃料電池１０から、背圧弁２４１およびパージ弁２６１を介して排出される空気および水素ガスを処理する。具体的には、エア排出路２４を通して排出される空気で、水素排出路２６を通して排出される水素ガスを希釈する希釈器や、この混合ガスの騒音を低減するサイレンサーなどを含んで構成される。
【００３１】
上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、およびパージ弁２６１などは、制御装置３０により制御される。また、この制御装置３０には、上述の燃料電池電流計３１、水素濃度検出装置３２、再循環流路温度計３３、再循環流路圧力計３４が接続されている。
【００３２】
燃料電池１０で発電する手順は、次のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード電極側の生成水などの残留水とともに、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、燃料電池１０から排出される水素ガスは、再循環流路２７に流入し、エゼクタ２８に還流されて、燃料電池１０に再度供給される。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を、適当な頻度および開度で開閉制御することにより、水素ガスおよび空気が、水素排出路２６およびエア排出路２４から、排ガス処理装置２９を介して排出される。
【００３３】
図２は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、不純物濃度算出手段としての窒素濃度算出手段４１、および排出制御手段４２を備える。
【００３４】
水素濃度検出装置３２は、再循環流路２７内の水素濃度を計測し、この計測値を制御装置３０に送信する。
燃料電池電流計３１は、燃料電池１０で発電した発電電流を計測し、この計測値を制御装置３０に送信する。
再循環流路温度計３３は、再循環流路２７を流れるガスの温度を計測し、この計測値を制御装置３０に送信する。
再循環流路圧力計３４は、再循環流路２７内の圧力を計測し、この計測値を制御装置３０に送信する。
【００３５】
また、制御装置３０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置３０に送信する。制御装置３０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。
【００３６】
窒素濃度算出手段４１は、水素濃度検出装置３２によって検出された水素濃度、および、再循環流路圧力計３４によって計測された圧力に基づいて、再循環流路２７内の窒素濃度を算出する。ここで、この窒素濃度算出手段４１は、再循環流路２７を流れるガスは、主に水素および窒素であるということに基づいて、再循環流路２７内の水素濃度および圧力により、間接的に、再循環流路２７内の窒素濃度を算出する。
【００３７】
排出制御手段４２は、パージインターバル算出手段４２１、パージインターバル補正手段４２２、パージ量算出手段４２３、パージ量補正手段４２４、パージ弁制御手段４２５、および水素置換判断手段４２６を含んで構成される。
【００３８】
パージインターバル算出手段４２１は、パージ弁２６１が閉じた状態から開いた状態になるまでの時間をパージインターバルとして、このパージインターバルを、再循環流路温度計３３で計測された再循環流路２７内のガス温度、および燃料電池電流計３１で計測された発電電流に基づいて算出する。
【００３９】
図３は、再循環流路２７内のガス温度とパージインターバルとの関係を示す図であり、図４は、燃料電池１０の発電電流とパージインターバルとの関係を示す図である。パージインターバルは、計測されたガス温度および発電電流のそれぞれの値に対応して決定される。
図３に示すように、パージインターバルは、ガスの温度が上昇するに従って長くなる。また、低温および高温の領域では、ガス温度の上昇に対して、パージインターバルの上昇は小さいが、中温の領域である図３中の帯域Ａでは、ガス温度の上昇に略比例して、パージインターバルは急激に長くなる。
図４に示すように、パージインターバルは、発電電流が上昇するに従って短くなる。また、低電流および高電流の領域では、発電電流の上昇に対して、パージインターバルの字減少は小さいが、中間の電流の領域である図４中の帯域Ｂでは、発電電流の上昇に略比例して、パージインターバルは急激に短くなる。
【００４０】
パージインターバル算出手段４２１は、まず、これら図３および図４に基づいて、計測されたガス温度および発電電流のそれぞれの値に対応するパージインターバルを決定する。次に、パージインターバル算出手段４２１は、これら計測されたガス温度および発電電流に対応するパージインターバルを、予め定められた重みを付けて平均することにより、パージインターバルを算出する。
【００４１】
パージインターバル補正手段４２２は、窒素濃度算出手段４１で算出された窒素濃度に応じて、パージインターバル算出手段４２１で算出されたパージインターバルを補正することにより、パージ弁２６１の排出頻度を調整する。
【００４２】
図５は、窒素濃度とパージインターバル補正係数との関係を示す図である。パージインターバル補正係数は、算出された窒素濃度の値に対応して決定される。
図５に示すように、パージインターバル補正係数は、０％の窒素濃度に対する値を１として、窒素濃度が増加するに従って減少する。
パージインターバル補正手段４２２は、まず、この図５に基づいて、算出された窒素濃度に対応するパージインターバル補正係数を算出する。次に、パージインターバル算出手段４２１で算出されたパージインターバルに、このパージインターバル補正係数を乗ずることにより、パージインターバルを補正する。
ここで、図５に示すように、パージインターバル補正係数は、窒素濃度が増加するに従って減少するように決定される。これにより、パージインターバル補正手段４２２は、窒素濃度が増加するに従って、パージインターバルを短く補正する。すなわち、パージインターバル補正手段４２２は、窒素濃度が増加するに従って、パージ弁２６１の排出頻度を増加させる。
【００４３】
パージ量算出手段４２３は、パージ弁２６１を所定の開度で開いた状態にする時間をパージ量として、このパージ量を、燃料電池電流計３１で計測された発電電流および再循環流路温度計３３で計測されたガスの温度に基づいて算出する。
【００４４】
図６は、再循環流路２７のガス温度とパージ量との関係を示す図であり、図７は、燃料電池１０の発電電流とパージ量との関係を示す図である。パージ量は、計測されたガス温度および発電電流のそれぞれの値に対応して決定される。
図６に示すように、ガス温度の増加に略比例して、パージ量は長くなる。
図７に示すように、発電電流の増加に略比例して、パージ量は長くなる。
【００４５】
パージ量算出手段４２３は、まず、これら図６および図７に基づいて、計測されたガス温度および発電電流のそれぞれの値に対応するパージ量を決定する。次に、パージ量算出手段４２３は、これら計測されたガス温度および発電電流に対応するパージ量を、予め定められた重みを付けて平均することにより、パージ量を算出する。
【００４６】
パージ量補正手段４２４は、窒素濃度算出手段４１で算出された窒素濃度に応じて、パージ量算出手段４２３で算出されたパージ量を補正することにより、パージ弁２６１の１回当りの排出量を調整する。
【００４７】
図８は、窒素濃度とパージ量補正係数との関係を示す図である。パージ量補正係数は、算出された窒素濃度の値に対応して決定される。
図８に示すように、パージ量補正係数は、０％の窒素濃度に対する値を１として、窒素濃度が増加するに従って増加する。
パージ量補正手段４２４は、まず、この図８に基づいて、算出された窒素濃度に対応するパージ量補正係数を算出する。次に、パージ量算出手段４２３で算出されたパージ量に、このパージ量補正係数を乗ずることにより、パージ量を補正する。
ここで、図８に示すように、パージ量補正係数は、窒素濃度が増加するに従って、増加するように決定される。これにより、パージ量補正手段４２４は、窒素濃度が増加するに従って、パージ量を長く補正する。すなわち、パージ量補正手段４２４は、窒素濃度が増加するに従って、パージ弁２６１の１回当りの排出量を増加させる。
【００４８】
なお、パージ量算出手段４２３およびパージ量補正手段４２４で算出されるパージ量は、このパージ量でパージ弁２６１を制御した場合に、パージ弁２６１から排出された水素ガスの量が、希釈器で希釈可能な量を超えないものとする。
【００４９】
パージ弁制御手段４２５は、上述のパージインターバル算出手段４２１と、パージインターバル補正手段４２２と、パージ量算出手段４２３と、パージ量補正手段４２４と、によって算出または補正されたパージインターバルおよびパージ量で、パージ弁２６１を開閉制御する。
【００５０】
水素置換判断手段４２６は、燃料電池１０および再循環流路２７内の状態に応じて、水素置換完了フラグを“０”または“１”にセットする。
具体的には、水素置換判断手段４２６は、燃料電池１０がアイドル停止または停止の状態である場合、および窒素濃度が予め設定された所定濃度（例えば、５％）よりも高い場合には、水素置換完了フラグを“０”にセットする。
また、水素置換判断手段４２６は、窒素濃度が上記所定濃度以下である場合には、水素置換完了フラグを“１”にセットする。
【００５１】
以上の燃料電池システム１の動作について、図９のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、燃料電池１０がアイドル停止または停止の状態であるか否かを、水素置換判断手段４２６によって判別し（ＳＴ１）、この判別が“ＹＥＳ”のときは、水素置換完了フラグを“０”とし（ＳＴ２）、この判別が“ＮＯ”のときは、ＳＴ３に移る。
【００５２】
ＳＴ３では、水素置換判断手段４２６により、水素置換完了フラグが“１”であるか否かを判別する。この判別が“ＹＥＳ”のときは、後述のＳＴ６に移り、この判別が“ＮＯ”のときは、水素置換判断手段４２６により、窒素濃度算出手段４１で算出された窒素濃度が、予め設定された所定濃度（例えば、５％）よりも大きいか否かを判別する（ＳＴ４）。この判別が“ＹＥＳ”のときは、後述のＳＴ１０に移り、この判別が“ＮＯ”のときは、水素置換判断手段４２６により、水素置換完了フラグを“１”とし（ＳＴ５）、ＳＴ６に移る。
【００５３】
ＳＴ６では、パージインターバル算出手段４２１により、パージインターバル１を算出し、さらに、パージ量算出手段４２３により、パージ量１を算出し（ＳＴ７）、ＳＴ８に移る。ＳＴ８では、パージインターバル算出手段４２１により、ＳＴ６で算出されたパージインターバル１をパージインターバル２とし、さらに、パージ量算出手段４２３により、ＳＴ７で算出されたパージ量１をパージ量２とし（ＳＴ９）、ＳＴ１７に移る。
【００５４】
ＳＴ１０では、水素置換判断手段４２６により、水素置換完了フラグを“０”とし、ＳＴ１１に移る。ＳＴ１１では、パージインターバル算出手段４２１によりパージインターバル１を算出し、さらに、パージインターバル補正手段４２２によりパージインターバル補正係数を算出し（ＳＴ１２）、ＳＴ１３に移る。ＳＴ１３では、パージインターバル補正手段４２２により、ＳＴ１１および１２で算出されたパージインターバル１にパージインターバル補正係数を乗じてパージインターバル２を算出し、ＳＴ１４に移る。
【００５５】
ＳＴ１４では、パージ量算出手段４２３によりパージ量１を算出し、さらに、パージ量補正手段４２４によりパージ量補正係数を算出し（ＳＴ１５）、ＳＴ１６に移る。ＳＴ１６では、パージ量補正手段４２４により、ＳＴ１４および１５で算出されたパージ量１にパージ量補正係数を乗じてパージ量２を算出し、ＳＴ１７に移る。
【００５６】
ＳＴ１７では、パージ弁制御手段４２５により、パージインターバル２およびパージ量２でパージ弁２６１を開閉制御し、ＳＴ３に移る。
【００５７】
さらに、以上の燃料電池システム１の動作を図１０のタイミングチャートを用いて説明する。
図１０は、パージ弁制御手段４２５によるパージ弁２６１の制御例を示すタイミングチャートであり、時刻ｔ１を、燃料電池１０が始動された時刻として、この時刻ｔ１以降のパージ弁２６１の開度、パージ弁２６１から排出される水素濃度、および再循環流路２７内の窒素濃度の変化を示している。
【００５８】
まず、時刻ｔ１では、燃料電池１０の始動直後であり、停止している間にカソード電極側からアノード電極側に侵入した窒素が再循環流路２７内に滞留しているため、再循環流路２７内の窒素濃度は所定濃度よりも高い。このため、水素置換完了フラグは“０”となる。
【００５９】
時刻ｔ１〜ｔ２では、再循環流路内の窒素濃度に応じて、パージインターバルおよびパージ量が調整されながら、パージ弁２６１の開閉制御が行われる。上述のように、窒素濃度が増加するに従って、パージインターバルは短く補正され、パージ量は長く補正される。
以上のようにパージ弁２６１を開閉制御することにより、再循環流路内の窒素濃度は、次第に減少する。また、パージインターバルおよびパージ量を補正することにより、パージ弁２６１から排出されるガスの水素濃度の最大値は、図１０に示すように、大きく変化することがない。
【００６０】
時刻ｔ２において、再循環流路２７内の窒素濃度が所定濃度以下になると、水素置換完了フラグは“１”となる。
【００６１】
時刻ｔ２以降においては、窒素濃度に応じてパージインターバルおよびパージ量は補正されない。これにより、パージインターバルおよびパージ量は、窒素濃度とは無関係に、発電電流とガス温度とに基づいて決定される。
【００６２】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）  燃料電池システム１に、再循環流路２７内の窒素の濃度を算出する窒素濃度算出手段４１と、この窒素濃度に応じて、パージ弁２６１のパージインターバルを調整する排出制御手段４２と、を設けた。
これにより、再循環流路２７内に窒素が滞留した場合には、その窒素濃度は窒素濃度算出手段４１により算出され、この窒素濃度に応じて、パージ弁２６１のパージインターバルが調整されて、窒素が水素ガスとともに排出される。これにより、再循環流路２７内の窒素濃度を低くして、安定して発電できる。
また、以上のように、再循環流路２７から排出されるガスの量は、パージ弁２６１のパージインターバルによって調整される。これにより、単位時間当りに排出されるガスの量を調整することが可能となる。したがって、希釈器を大型化することなく、その希釈器に合わせて排出されるガスの量を調整できる。
【００６３】
（２）  パージ弁２６１は、ガスに含まれる窒素の濃度に応じて、パージインターバルおよびパージ量を調整する。したがって、例えば、窒素濃度が増加するに従って、パージ量を増加させることにより、速やかに窒素濃度を低下させることができる。
【００６４】
（３）  再循環流路２７内の窒素は、この再循環流路２７内の窒素濃度が増加するに従って、より頻繁に、パージ弁２６１によって排出される。したがって、再循環流路２７内の窒素を効率的に排出できる。
【００６５】
（４）  再循環流路２７内の不純物は、この再循環流路２７内の窒素濃度が増加するに従って、１回当りにより多く、パージ弁２６１によって排出される。したがって、再循環流路２７内の窒素を効率的に排出できる。
【００６６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００６７】
例えば、本実施形態では、水素濃度検出装置３２によって検出された水素濃度、および、再循環流路圧力計３４によって計測された圧力に基づいて、窒素濃度算出手段４１で窒素濃度を算出したが、これに限らない。
例えば、燃料電池のアノード電極とカソード電極との差圧を計測し、この差圧に基づいて単位時間当りにカソード電極側からアノード電極側に透過する窒素の透過率を算出し、これにより、再循環流路内の窒素濃度を算出してもよい。また、このように電極間の差圧に基づいて窒素濃度を算出する場合には、電極間の膜の水分量および温度などをさらに計測し、これらの計測値に基づいて、窒素の透過率を補正してもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、パージ弁２６１を所定の開度で開いた状態にする時間をパージ量としたが、これに限らない。例えば、所定の時間、パージ弁を開く開度をパージ量としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。
【図３】前記実施形態に係る再循環流路のガス温度とパージインターバルとの関係を示す図である。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池の発電電流とパージインターバルとの関係を示す図である。
【図５】前記実施形態に係る窒素濃度とパージインターバル補正係数との関係を示す図である。
【図６】前記実施形態に係る再循環流路のガス温度とパージ量との関係を示す図である。
【図７】前記実施形態に係る燃料電池の発電電流とパージ量との関係を示す図である。
【図８】前記実施形態に係る窒素濃度とパージ量補正係数との関係を示す図である。
【図９】前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【図１０】前記実施形態に係るパージ弁の制御例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池
２０    供給装置
２７    再循環流路
２６１    パージ弁（排出装置）
３０    制御装置
４１    窒素濃度算出手段（不純物濃度算出手段）
４２    排出制御手段
４２１    パージインターバル算出手段
４２２    パージインターバル補正手段
４２３    パージ量算出手段
４２４    パージ量補正手段
４２５    パージ弁制御手段
４２６    水素置換判断手段
【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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【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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