JP4731804B2

JP4731804B2 - 燃料電池システムの排出方法

Info

Publication number: JP4731804B2
Application number: JP2003375661A
Authority: JP
Inventors: 健一郎上田; 慎司吉川; 義一村上; 順司上原; 邦明尾島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: JP2005141977A

Description

この発明は、燃料電池システムの排出方法に関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、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。
この種の燃料電池では、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。

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）。従来、不純物を含む水素ガスの排出は、燃料電池の発電状態にかかわらず排出弁の開弁保持時間を一定時間に制御することで行っている。
特開２０００−２４３４１７号公報

しかしながら、このように燃料電池の発電状態にかかわらず排出弁の開弁保持時間を一定時間に制御すると、燃料電池の温度や圧力などの発電状態の変化により、排出される水素ガス量がばらつき、種々の不具合が生じる。
例えば、不純物を含む水素ガスの排出が不十分だと、燃料電池の発電の安定性を十分に回復することができない。一方、不純物を含む水素ガスの排出が過剰だと、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。

そこで、この発明は、発電状態が変化しても、不純物を含むアノードオフガスを過不足なく排出することができる燃料電池システムの排出方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガス（例えば、後述する実施例における水素ガス）が供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガス（例えば、後述する実施例における空気）が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記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再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環流路（例えば、後述する実施例における燃料ガス循環流路２０）と、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出可能にする排出弁（例えば、後述する実施例における排出弁２１）とを備えた燃料電池システムの排出方法であって、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記燃料ガス循環流路から排出すべきアノードオフガスの要求排出量（例えば、後述する実施例における要求排出量ＶＲＥＱ）を算出し、前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて単位時間当たりのアノードオフガス放出量（例えば、後述する実施例における排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳ）を算出し、このアノードオフガス放出量の積算値が前記要求排出量と同じになるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法である。
このように構成することにより、燃料電池の発電状態の変化により燃料ガス循環流路内の圧力が変化しても、単位時間当たりのアノードオフガス放出量を正確に算出することができ、正確にアノードオフガス放出量を積算することができる。その結果、前記排出弁から実際に排出されるアノードオフガスの量を、発電状態に応じて算出された要求排出量と同じにすることができるので、不純物の排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、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。

請求項２に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガス（例えば、後述する実施例における水素ガス）が供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガス（例えば、後述する実施例における空気）が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記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再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環流路（例えば、後述する実施例における燃料ガス循環流路２０）と、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出可能にする排出弁（例えば、後述する実施例における排出弁２１）とを備えた燃料電池システムの排出方法であって、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記排出弁を開いておくべき排出時間（例えば、後述する実施例における基本排出時間ＴＭＯＮＢＳ）を算出し、さらに、前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて該圧力差が大きいほど前記排出時間が短くなるように補正し、補正した排出時間（例えば、後述する実施例における要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱ）の間だけ開かれるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法である。
このように構成することにより、燃料電池の運転状態に応じて排出時間を適正に設定することができる。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池の発電状態の変化により燃料ガス循環流路内の圧力が変化しても、単位時間当たりのアノードオフガス放出量を正確に算出することができ、正確にアノードオフガス放出量を積算することができ、その結果、排出弁から実際に排出されるアノードオフガスの量を、発電状態に応じて算出された要求排出量と同じにすることができるので、不純物の排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、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、その結果、燃料電池の良好な発電状態を維持することができ、発電効率の向上を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて排出時間を適正に設定することができるので、不純物の排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、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、その結果、発電効率の向上を図ることができる。

以下、この発明に係る燃料電池システムの排出方法の実施例を図１から図９の図面を参照して説明する。

初めに、この発明に係る燃料電池システムの排出方法の実施例１を図１から図４の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、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たものであり（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。

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。空気供給流路８においてコンプレッサ７よりも下流には、カソード４の反応ガス流路６に流入する直前の供給空気の圧力（以下、カソード入口圧と称す）ＰＡを検出するカソード入口圧センサ１３が設けられている。空気排出流路９において圧力制御弁１０よりも上流には、カソード４の反応ガス流路６から排出された直後の排出空気の温度（以下、カソード出口温度と称す）ＴＡＯを検出する空気温センサ１４が設けられている。

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。

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圧力（以下、アノード入口圧と称す）ＰＨを検出するアノード入口圧センサ２３と、該水素ガスの温度（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。つまり、この実施例１では、アノード入口圧センサ２３によって燃料ガス循環流路２０内の圧力を検出する。
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。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。

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、カソード入口圧センサ１３、空気温センサ１４、アノード入口圧センサ２３、アノード入口温センサ２４、電流計２５、大気圧センサ２６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。

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。

そして、この実施例における燃料電池システムでは、前記不純物排出処理を実行する際に、燃料電池１の発電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、実際に排出弁２１から排出されるアノードオフガスの量が前記要求排出量と同じになるように排出弁２１の開閉を制御することにより、燃料電池１の発電状態が変化したときにも不純物排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じないようにして排出量の最適化を図り、これにより、燃料電池１の良好な発電状態の維持と、発電効率の向上と、希釈装置１１による希釈処理の安定化を図っている。

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。

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、現在の発電状態に応じた要求排出量ＶＲＥＱを算出する。ここで、要求排出量ＶＲＥＱ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。

ステップＳ１０２で要求排出量ＶＲＥＱを算出した後、ステップＳ１０３に進み、排出弁２１を開く。
次に、ステップＳ１０４に進み、排出弁２１の下流のアノードオフガス排出流路２２内のガス圧力（以下、排出弁出口圧と称す）ＰＯＵＴとして、大気圧センサ２６により検出された大気圧ＰＯを設定する。これは、排出弁出口圧ＰＯＵＴが大気圧ＰＯとほぼ同一とみなせる場合であり、同一と見なせない場合には、例えば排出弁２１の下流のアノードオフガス排出流路２２に圧力センサを設けて直接に排出弁出口圧ＰＯＵＴを検出したり、後述する実施例２で説明するように（ステップＳ２０３〜Ｓ２０５）圧力制御弁１０の下流の排出空気圧力を推定し、この排出空気圧力を排出弁出口圧ＰＯＵＴとみなすなどの方法で、排出弁出口圧ＰＯＵＴを求めるのが好ましい。

次に、ステップＳ１０５に進み、図３に示す排出量ベース値マップを参照して、アノード入口圧センサ２３により検出されたアノード入口圧ＰＨと、排出弁出口圧ＰＯＵＴに基づいて、排出量ベース値（単位時間当たりのアノードオフガス放出量）ＤＶＰＧＢＳを算出する。ここで、排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳとは、この不純物排出処理ルーチンにおけるステップＳ１０４〜Ｓ１０９の一連の処理を実行する制御周期を単位時間とした単位時間当たりに排出される排出量のベース値である。
排出量ベース値マップは、排出弁２１の上流と下流の差圧が大きいほど排出弁２１を流通するガス流量が大きくなることから、アノード入口圧ＰＨが大きいほど排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳが増大し、排出弁出口圧ＰＯＵＴが小さいほど排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳが増大するように設定する。

次に、ステップＳ１０６に進み、図４に示す温度補正係数テーブルを参照して、アノード入口温センサ２４により検出されたアノード入口温度ＴＨに基づいて、温度補正係数ＫＴＨを算出する。温度補正係数テーブルは、アノード入口温度ＴＨが高いほど温度補正係数ＫＴＨが小さくなるように設定されている。

次に、ステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０５で算出した排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳに、ステップＳ１０６で算出した温度補正係数ＫＴＨを乗じて温度補正を行い、補正後排出量ベース値ＤＶＰＧを算出する（ＤＶＰＧ＝ＤＶＰＧＢＳ × ＫＴＨ）。
次に、ステップＳ１０８に進み、積算排出量ＶＰＧを算出する。積算排出量ＶＰＧの算出方法は、ステップＳ１０４〜Ｓ１０９の一連の処理を前回実行したときに算出した積算排出量（すなわち、積算排出量の前回値ＶＰＧ_ｎ−１）に、今回ステップＳ１０７の処理を実行して算出した補正後排出量ベース値ＤＶＰＧを加算して得た値を、積算排出量の今回値ＶＰＧ_ｎとする（ＶＰＧ_ｎ＝ＶＰＧ_ｎ−１＋ＤＶＰＧ）。なお、積算排出量ＶＰＧの初期値は０である。

次に、ステップＳ１０９に進み、ステップＳ１０８で算出された積算排出量ＶＰＧがステップＳ１０２で算出した要求排出量ＶＲＥＱよりも小さいか否かを判定する。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＹＥＳ」（ＶＲＥＱ＞ＶＰＧ）である場合は、積算排出量ＶＰＧが未だ要求排出量ＶＲＥＱに達していないので、ステップＳ１０４に戻って、ステップＳ１０４〜Ｓ１０９の一連の処理を再度実行し、排出弁２１からのアノードオフガスの排出を続行する。
一方、ステップＳ１０９における判定結果が「ＮＯ」（ＶＲＥＱ≦ＶＰＧ）である場合は、積算排出量ＶＰＧが要求排出量ＶＲＥＱに達したので、ステップＳ１１０に進み、排出弁２１を閉じて、不純物排出処理を終了する。

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、まず、燃料電池１の発電状態に応じた要求排出量ＶＲＥＱを算出し、実際に排出弁２１から排出されるアノードオフガスの積算量が要求排出量ＶＲＥＱと同じになるように排出弁２１の開閉を制御しているので、不純物排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、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。

特に、この実施例１においては、アノード入口圧センサ２３により検出されたアノード入口圧ＰＨ（すなわち、燃料ガス循環流路２０内の圧力）と排出弁出口圧ＰＯＵＴ（すなわち、排出弁２１の下流の圧力）との差圧に基づいて、制御周期を単位時間とする単位時間当たりの排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳを算出しているので、燃料電池１の発電状態が変化しても正確に積算排出量ＶＰＧを算出することができ、排出量の最適化を実効あるものにすることができる。

その結果、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だけでなく、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、アノード入口温度ＴＨに基づく排出量の温度補正を排出量ベース値ＤＶＰＧＢＳに対して行っているが、これに代えて、要求排出量ＶＲＥＱに対してアノード入口温度ＴＨに基づく温度補正を行ってもよい。

次に、この発明に係る燃料電池システムの排出方法の実施例２を図５から図９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、実際に排出弁２１から排出されるアノードオフガスの積算排出量ＶＰＧを算出し、この積算排出量ＶＰＧが要求排出量ＶＲＥＱと同じになるように排出弁２１の開閉を制御したが、実施例２では、要求排出量ＶＲＥＱに対応する排出時間を算出し、排出弁２１を開弁してからの経過時間が前記排出時間に達した時に排出弁２１を閉弁することにより、不純物を含むアノードオフガスの排出量の最適化を図っている。

次に、実施例２における不純物排出処理制御について、図５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。

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基本排出時間ＴＭＯＮＢＳを算出する。この基本排出時間ＴＭＯＮＢＳは実施例１における要求排出量ＶＲＥＱ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が大きいほど基本排出時間ＴＭＯＮＢＳを長くし、アノード入口温度ＴＨが低いほど基本排出時間ＴＭＯＮＢＳを長くする。

次に、ステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３〜Ｓ２０５の一連の処理は、排出弁２１の下流の排出弁出口圧ＰＯＵＴを算出するための処理である。したがって、実施例１のように排出弁出口圧ＰＯＵＴを大気圧ＰＯで近似できる場合には、ステップＳ２０３〜Ｓ２０５の処理を、実施例１におけるステップＳ１０４に対応するステップに置き換えることができる。また、排出弁２１の下流のアノードオフガス排出流路２２に圧力センサを設けて排出弁出口圧ＰＯＵＴを直接検出するようにした場合には、ステップＳ２０３〜Ｓ２０５の処理を、前記圧力センサで検出された圧力値を排出弁出口圧ＰＯＵＴとするステップに置き換えることができる。

カソードから排出される排気空気と、排気弁２１を通って希釈装置１１に流入するアノードオフガスは、希釈装置１１内において合流して等圧になることから、圧力制御弁１０の下流の空気圧力と排気弁２１の下流のアノードオフガス圧力はほぼ等圧とみなせる。そこで、この実施例２では、圧力制御弁１０の下流の圧力を算出し、その圧力値を排気弁２１の下流のアノードオフガス圧力（排出弁出口圧ＰＯＵＴ）とみなすことにした。

ステップＳ２０３においては、図６に示す排気圧損テーブルを参照して、空気流量検出センサ１２で検出される空気流量ＱＡに基づき、排気圧損ＤＰＯＵＴを算出する。ここで、排気圧損ＤＰＯＵＴは、希釈装置１１における排出空気の圧力損失である。排気圧損テーブルは、空気流量ＱＡが大きいほど排気圧損ＤＰＯＵＴが大きくなるように設定されている。
なお、この実施例２では、排気圧損ＤＰＯＵＴを算出するためのパラメータとして空気流量ＱＡを用いているが、排気圧損ＤＰＯＵＴを算出するためのパラメータとしては、空気流量ＱＡ、発電電流ＩＦＣ、目標発電量ＩＲＥＱのいずれか、あるいはこれらを適宜組み合わせてパラメータとすることができる。さらに、必要に応じて、カソード出口温度ＴＡＯあるいは燃料電池１の冷媒温度ＴＷに基づいて補正してもよい。

次に、ステップＳ２０４に進み、図７に示す圧損補正係数テーブルを参照して、空気温センサ１４で検出したカソード出口温度ＴＡＯに基づき、圧損補正係数ＫＴＡＯを算出する。圧損補正係数テーブルは、カソード出口温度ＴＡＯが高いほど圧損補正係数ＫＴＡＯが大きくなるように設定されている。
次に、ステップＳ２０５に進み、大気圧センサ２６で検出した大気圧ＰＯに、排気圧損ＤＰＯＵＴと圧損補正係数ＫＴＡＯの積を加算することにより、排出弁出口圧ＰＯＵＴを算出する（ＰＯＵＴ＝ＤＰＯＵＴ × ＫＴＡＯ＋ＰＯ）。

次に、ステップＳ２０６に進み、排出弁２１を開くとともに、排出タイマーのカウントを開始する。
次に、ステップＳ２０７に進み、図８に示す排出時間圧力補正係数マップを参照して、アノード入口圧センサ２３により検出されたアノード入口圧ＰＨと、排出弁出口圧ＰＯＵＴに基づいて、排出時間圧力補正係数ＫＰＯＮを算出する。
排出時間圧力補正係数マップは、排出弁２１の上流と下流の差圧が大きいほど排出弁２１を流通するガス流量が大きくなり排出時間が短くて済むことから、アノード入口圧ＰＨが高いほど排出時間圧力補正係数ＫＰＯＮが小さくなり、排出弁出口圧ＰＯＵＴが低いほど排出時間圧力補正係数ＫＰＯＮが小さくなるように設定する。

次に、ステップＳ２０８に進み、図９に示す排出時間温度補正係数テーブルを参照して、アノード入口温センサ２４により検出されたアノード入口温度ＴＨに基づいて、排出時間温度補正係数ＫＴＯＮを算出する。排出時間温度補正係数テーブルは、アノード入口温度ＴＨが低いほど温度補正係数ＫＴＯＮが大きくなるように設定されている。
次に、ステップＳ２０９に進み、ステップＳ２０２で算出した基本排出時間ＴＭＯＮＢＳに、ステップＳ２０７で算出した排出時間圧力補正係数ＫＰＯＮとステップＳ２０８で算出した排出時間温度補正係数ＫＴＯＮを乗じて圧力補正および温度補正を行い、要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱを算出する（ＴＭＯＮＲＥＱ＝ＴＭＯＮＢＳ × ＫＰＯＮ × ＫＴＯＮ）。

次に、ステップＳ２１０に進み、排出弁２１を開弁してから要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱが経過したか否かを判定する。すなわち、排出タイマーのカウント値が要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱに達したか否かを判定する。
ステップＳ２１０における判定結果が「ＮＯ」（時間経過していない）である場合は、ステップＳ２１０に戻り、排出弁２１の開弁状態を保持して、排出弁２１からのアノードオフガスの排出を続行する。
一方、ステップＳ２１０における判定結果が判定結果が「ＹＥＳ」（時間経過した）である場合は、ステップＳ２１１に進み、排出弁２１を閉じ、排出タイマーをリセットして、不純物排出処理を終了する。

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、まず、燃料電池１の発電状態に応じて要求排出量ＶＲＥＱに対応する基本排出時間ＴＭＯＮＢＳを算出し、これに圧力補正および温度補正を行って要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱを算出し、この要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱの間だけ排出弁２１が開いているように排出弁２１の開閉を制御しているので、不純物排出に必要なアノードオフガスの排出量に過不足が生じなくなり、換言すれば、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。

特に、この実施例２においては、アノード入口圧センサ２３により検出されたアノード入口圧ＰＨ（すなわち、燃料ガス循環流路２０内の圧力）と排出弁出口圧ＰＯＵＴ（すなわち、排出弁２１の下流の圧力）との差圧に基づいて、基本排出時間ＴＭＯＮＢＳを補正し要求排出時間ＴＭＯＮＲＥＱを算出しているので、燃料電池１の運転状態に応じて排出時間を適正に補正することができ、アノードオフガス排出量の最適化を実効あるものにすることができる。

なお、この実施例２においては、アノード入口温度ＴＨに基づいて基本排出時間ＴＭＯＮＢＳの温度補正を行っているが、これを行わなくてもこの発明は成立する。
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。

この発明の実施に好適な燃料電池システムの構成図の一例である。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。前記実施例１において用いられる排出量ベース値マップの一例を示す図である。前記実施例１において用いられる温度補正係数テーブルの一例を示す図である。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。前記実施例２において用いられる排気圧損テーブルの一例を示す図である。前記実施例２において用いられる圧損補正係数テーブルの一例を示す図である。前記実施例２において用いられる排出時間圧力補正係数マップの一例を示す図である。前記実施例２において用いられる排出時間温度補正係数テーブルの一例を示す図である。

符号の説明

１燃料電池
３アノード
４カソード
２０燃料ガス循環流路
２１排出弁

Claims

アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、前記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再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出可能にする排出弁とを備えた燃料電池システムの排出方法であって、
前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記燃料ガス循環流路から排出すべきアノードオフガスの要求排出量を算出し、
前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて単位時間当たりのアノードオフガス放出量を算出し、
このアノードオフガス放出量の積算値が前記要求排出量と同じになるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法。
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、前記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再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出可能にする排出弁とを備えた燃料電池システムの排出方法であって、
前記燃料ガス循環流路からアノードオフガスを排出すべき要求があったときに前記燃料電池の発電状態に応じて前記排出弁を開いておくべき排出時間を算出し、さらに、前記燃料ガス循環流路内の圧力と前記排出弁の下流の圧力との圧力差に基づいて該圧力差が大きいほど前記排出時間が短くなるように補正し、補正した排出時間の間だけ開かれるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの排出方法。