JP6458046B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

ＵＳ２０１２／０１５６５７５Ａは、水素供給弁を閉弁して燃料電池に水素供給を停止している間の水素供給弁下流のアノード系内の圧力変化に基づいて、アノード系内から排出されたガス量を算出する燃料電池システムを開示する。

燃料電池システムの運転中において、パージ弁が閉弁している間は、燃料電池のカソード電極から電解質膜を介してアノード電極に透過してきた窒素等がアノード系内に蓄積され、アノード系内の水素濃度が徐々に低下する。アノード系内の水素濃度が低下すると、燃料電池システムの運転中に電圧降下が生じる。

このような電圧降下を防止するため、必要に応じてパージ弁を開弁し、パージ弁を介して窒素や水素が含まれたオフガスをアノード系内から排出することで、アノード系内の水素濃度を電圧降下が生じない水素濃度以上に管理している。このとき、アノード系内の水素濃度が適切に管理されているかは、パージ弁を介してアノード系内から排出されるオフガスの量（パージ量）を推定することで判断される。パージ量が少なければ追加のパージを実施する必要がある。アノード系内の水素濃度は、パージ量に応じて変化し、パージ量が多くなるほど高くなるためである。

しかしながら、前述の燃料電池システムでは、供給弁の開閉状態に関わらず任意にパージ弁を開弁していたので、水素供給弁の閉弁中に必ずしもパージ弁が開弁されていなかった。そのため、パージ流量を推定する頻度が確保できず、パージ流量の推定までに時間を要する場合があった。そのため、その間にアノード系内の水素濃度が低下していっても、追加のパージを実施できず、電圧降下を防ぎきれないおそれがあった。

本発明の目的は、パージ流量の推定頻度を確保することである。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池システムのアノード系内へのアノードガスの供給を制御する供給弁と、アノード系内からオフガスを排出するパージ弁と、アノード系内の圧力を推定又は計測する圧力検出部と、燃料電池の負荷に基づいて供給弁の開閉を制御する供給弁制御部と、供給弁の閉弁中のアノード系内の圧力低下に基づいてパージ弁を通ってアノード系内から排出されるオフガスのパージ量を推定するパージ量推定部と、供給弁の閉弁中に合わせてパージ弁を開弁するパージ弁制御部と、を備える。さらに、パージ流量推定部は、供給弁の閉弁中に、圧力検出部による推定値又は計測値に基づいて前記アノード系内の圧力低下を推定し、該アノード系内の圧力低下に相関するパージ流量を推定するためのデータを取得し、供給弁の開弁中にこのデータに基づいてパージ流量を算出する。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の一実施形態によるパージ量の算出方法について説明する図である。 図３は、水素供給弁の閉弁中におけるアノード系内のガス流入出について説明する図である。 図４は、本発明の一実施形態によるパージ制御について説明するフローチャートである。 図５は、燃料電池スタックの負荷とスタック温度とに基づいて、基準デューティ比を算出するマップである。 図６は、パージ弁開弁要求信号生成処理の詳細を説明するフローチャートである。 図７は、パージ弁開閉処理の詳細を説明するフローチャートである。 図８は、パージ流量推定処理の詳細を説明するフローチャートである。 図９は、アノード圧力の低下量に基づいて、パージ弁開弁時にアノード系内から流出した演算周期当たりのガス量を算出するマップである。 図１０は、出力電流に基づいて、パージ弁開弁時の発電によって燃料電池スタック内で消費される演算周期当たりの水素量を算出するマップである。 図１１は、パージ流量の算出方法について説明する図である。 図１２は、パージ流量の閾値を示した図である。 図１３は、高負荷パージ処理の詳細を説明するフローチャートである。 図１４Ａは、本発明の一実施形態による水素供給弁の制御について説明するフローチャートである。 図１４Ｂは、目標出力電流に基づいて、脈動上下限圧力を算出するマップである。 図１５は、運転領域が通常領域であってパージ流量が閾値以上である場合におけるパージ制御を示すタイムチャートである。 図１６は、運転領域が通常領域であってパージ流量が閾値未満である場合におけるパージ制御を示すタイムチャートである。 図１７は、運転領域が高負荷領域であってパージ流量が閾値以上である場合におけるパージ制御を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

燃料電池は、電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟むことにより構成される。燃料電池は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）の供給を受けて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ ・・・(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外部へ排出する。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端はフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気との混合ガスである。

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調節する。なお、本実施形態では、基本的にカソードコンプレッサ２５の回転速度及びカソード調圧弁２８の開度を調整することで、カソード圧力を所望の圧力（目標カソード圧力）に制御している。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧水素タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、水素供給弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６と、を備える。

高圧水素タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧水素タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧水素タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

水素供給弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。水素供給弁３３は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。また、水素供給弁３３が開閉制御されることによって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量も制御されることになる。

アノード圧力センサ３４は、水素供給弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、水素供給弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２の圧力を検出する圧力検出部である。本実施形態では、このアノード圧力センサ３４で検出した圧力を、水素供給弁３３からパージ弁３６までのアノード系内の圧力（以下「アノード圧力」という。）として代用する。

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰の水素（アノードガス）と、カソード電極側から電解質膜を介してアノード電極側へと透過してきた窒素や水蒸気との混合ガスである。アノードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端はカソードガス排出通路２２に接続される。

カソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、コントローラ４によって開閉制御され、アノード系内からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量（以下「パージ流量」という。）を制御する。

コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４には、前述したエアフローセンサ２４等の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４１や、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する温度センサ４２、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ４３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。

コントローラ４は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、車両を駆動するための走行モータ（図示せず）の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ（図示せず）の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。

また、コントローラ４は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力及び脈動下限圧力の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧力を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時にアノード系内の液水をアノード系外へ排出して排水性を確保している。

ここで、燃料電池スタック１の発電中は、カソード電極側から電解質膜を介してアノード電極側へ窒素や水蒸気などが透過してくる。そのため、パージ弁３６を閉じたままにしていると、水素は燃料電池スタック１で消費されていく一方で、透過してきた窒素等はアノード系内に蓄積されていくことになる。その結果、アノード系内の圧力（アノード圧力）を同じ圧力に制御した場合であっても、窒素等が透過してきた分、アノード系内の水素濃度は徐々に低下することになる。このように、アノード系内の水素濃度が低下した状態で発電が行われると、アノード圧力を目標値に制御したとしても燃料電池スタック１内で発電に必要な水素が不足してしまい、電圧降下が生じるおそれがある。

一方で、パージ弁３６を開弁すれば、アノード系内に蓄積された窒素等がアノードオフガスとしてアノード系内から排出されるため、アノード系内の水素濃度は増加（回復）する。つまり、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されたアノードオフガスの量（以下「パージ量」という。）に応じてアノード系内の水素濃度は変化し、具体的にはパージ量が多くなるほどアノード系内の水素濃度は増加する。

そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１の負荷に応じて、アノード系内の水素濃度を電圧降下が生じない水素濃度（目標水素濃度；例えば６０％）に管理できるパージ流量（又はパージ量）の閾値を予め実験等で求めておく。そしてパージ弁３６を開弁したときのパージ流量を推定し、推定したパージ流量と閾値とを比較する。推定したパージ流量が閾値以下であれば、アノード系内の水素濃度を目標水素濃度に管理するために必要なパージ量が不足していると判断し、追加パージを実施するようにしている。

ここで、パージ量を推定する方法としては、例えば水素供給弁の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間のアノード圧力の低下量に基づいて当該期間内にアノード系内から流出したガス量を推定し、そのガス量から当該期間内に発電によって消費された水素量を減算したガス量を、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されたアノードオフガスの量、すなわちパージ量として推定することが考えられる。なお、このパージ量を当該期間で除算すればパージ流量となる。

しかしながら、水素供給弁３３の閉弁中にアノード系内から流出するガスは、パージ弁３６を通って流出したガス（以下「パージガス」という。）や発電によって消費された水素の他にも存在する。例えば、アノード電極側から電解質膜を介してカソード電極側に透過した水素（以下「透過水素」という。）やアノード系内で凝縮して液水になった水蒸気である。この中でも透過水素は、アノード系内の水素濃度を下げる方向に寄与する。そして、水素は分子量も小さいので、電解質膜を介して透過していく量も少なくない。

このように、パージガスはアノード系内の水素濃度を上げる方向に寄与するが、透過水素はアノード系内の水素濃度を下げる方向に寄与する。

したがって、前述した推定方法によって推定したパージ量のうち透過水素量の割合が大きくなると、通常はパージ量が多くなればアノード系内の水素濃度は回復するはずだが、その回復量が減少することになる。したがって、この透過水素量を無視してパージ量に含ませてしまうと、パージ流量が閾値以上になっているにもかかわらず、実際のアノード系内の水素濃度が想定よりも低い状態となってしまい、予期せぬ電圧降下が生じてしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）のみをパージ量として算出することできるようにした。以下、この本実施形態によるパージ量の算出方法について、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、本実施形態によるパージ量の算出方法について説明する図である。図３は、水素供給弁３３の閉弁中におけるアノード系内のガス流入出について説明する図である。

本実施形態では、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下と、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を閉弁している期間の圧力低下と、に基づいて、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）のみをパージ量として算出する。

図２に示すように、燃料電池スタック１の発電中に、時刻ｔ１１のタイミングで水素供給弁３３を閉弁して燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止すると、アノード圧力は徐々に低下していく。このアノード圧力の変化は、以下の要因によって生じる。

図２では、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までパージ弁３６を開弁し、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までパージ弁３６を閉弁しているが、パージ弁３６の開閉状態によらずにアノード圧力を変化させる要因となるものを説明する。

図２及び図３に示すように、１つ目の要因は、水素供給弁３３の閉弁中に発電によって消費されるアノード系内の水素である。この発電消費水素によってアノード圧力は低下する。２つ目の要因は、アノード系内で液水が蒸発して水蒸気になったり、逆に水蒸気が凝縮して液水になったりすることである。この蒸発及び凝縮のバランスによってアノード圧力は変化する。最後３つ目の要因は、アノード電極側から電解質膜を介してカソード電極側に透過していった水素（透過水素）や、逆にカソード電極側から電解質膜を介してアノード電極側に透過してきた窒素及び酸素である。これら透過ガスの収支バランスによってアノード圧力は変化する。

時刻ｔ１３から時刻ｔ１４まではパージ弁３６を閉弁しているので、これら３つの要因によってアノード圧力が低下していく。

一方、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３まではパージ弁３６を開弁しているので、これらの３つの要因に加えて、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）によって、アノード圧力は低下する。なお、パージ弁３６の構造上、パージ弁３６が開弁されるとまず液水が排出され、その後にアノードオフガスがパージガスとして排出されるようになっているので、図２に示すように時刻ｔ１２からアノードオフガスが排出されている。

そこで、本実施形態では、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を閉弁しているパージ弁閉弁期間（時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４）の圧力低下に基づいて、当該期間に上記３つの要因によって失われたアノード系内のガス量を求める。このガス量をパージ弁閉弁期間で除算すれば、上記３つの要因によって失われる単位時間当たりのアノード系内のガス量を算出することができる。

同様にして、パージ弁開弁期間（時刻ｔ１１〜時刻ｔ１３）の圧力低下に基づいて、当該期間に上記３つの要因に加えてパージによって失われたアノード系内のガス量を求める。そして、このガス量をパージ弁開弁期間で除算して、パージ弁開弁期間に上記３つの要因に加えてパージによって失われる単位時間当たりのアノード系内のガス量を算出する。

ここで、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までのパージ弁開弁期間においても、上記３つの要因によって失われる単位時間当たりのアノード系内のガス量は、基本的にパージ弁閉弁期間と変わることはないと考えられる。

したがって、パージ弁開弁期間に上記３つの要因に加えてパージによって失われる単位時間当たりのアノード系内のガス量（パージ弁開弁期間にアノード系内から流出するガスの流量）から、パージ弁閉弁期間に上記３つの要因によって失われる単位時間当たりのアノード系内のガス量（パージ弁閉弁期間にアノード系内から流出するガスの流量）を減算すれば、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）のみの流量を精度良く算出することができる。

このように本実施形態では、パージ量又はパージ流量を推定するにあたって、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６の開弁及び閉弁を行う必要がある。したがって、パージ弁３６の開閉を水素供給弁３３の開閉状態にかかわらず任意に実施していたのでは、パージ量又はパージ流量の推定頻度が確保できないおそれがある。

そこで、本実施形態では、水素供給弁３３の閉弁中に合わせてパージ弁３６が開弁されるように、パージ弁３６の開閉を制御する。

以下、図４から図１３を参照して本実施形態によるパージ制御について説明する。

図４は、本実施形態によるパージ制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１００において、コントローラ４は、図５のマップを参照し、燃料電池スタック１の負荷（出力電流）とスタック温度とに基づいて、基準デューティ比を算出する。基準デューティ比は、パージ周期をある一定値（基準パージ周期；本実施形態では５秒としているが、適宜変更可能である）に固定したときに、負荷毎に安定して発電を行うことができるパージ弁３６のデューティ比であり、予め実験等によって求められたものである。換言すれば、基準デューティ比は、アノード系内の水素濃度を目標水素濃度に管理できるパージ弁３６のデューティ比である。なお、基準デューティ比は、燃料電池スタック１の負荷（出力電流）のみに基づいて算出しても良い。

ステップＳ２００において、コントローラ４は、基準デューティ比に基づいてパージ弁３６の開弁要求信号を生成する処理を実施する。このパージ弁開弁要求信号生成処理の詳細については、図６を参照して後述する。

ステップＳ３００において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号などに基づいて、水素供給弁３３の閉弁時（アノードガス供給停止時）に実際にパージ弁３６を開閉させる処理を実施する。このパージ弁３６開閉処理の詳細については、図７を参照して後述する。

ステップＳ４００において、コントローラ４は、脈動降圧時（アノードガス供給停止時）にパージ弁３６を開弁しているときと閉弁しているときのそれぞれ圧力低下度合いに基づいて、パージ流量を推定する処理を実施する。このパージ流量推定処理の詳細については、図８を参照して後述する。

図６は、パージ弁開弁要求信号生成処理の詳細を説明するフローチャートである。

ステップＳ２０１において、コントローラ４は、後述するパージ弁開弁要求信号がＯＮになっている時間の積算値（以下「パージ弁開弁要求ＯＮ時間」という。）を、予め定められた基準パージ周期で除算した値が、基準デューティ比よりも大きいか否かを判定する。つまりコントローラ４は、基準パージ周期に占めるパージ弁開弁要求ＯＮ時間の割合が基準デューティ比よりも大きくなったか否かを判定している。コントローラ４は、除算値が基準デューティ比以下であればステップＳ２０２の処理を行い、基準デューティ比よりも大きければステップＳ２０３の処理を行う。

ステップＳ２０２において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号をＯＮにする。

ステップＳ２０３において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号をＯＦＦにする。

ステップＳ２０４において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号がＯＮになっている時間を積算し、パージ弁開弁要求ＯＮ時間として算出する。

ステップＳ２０５において、コントローラ４は、基準パージ周期の１周期が経過したか否かを判定する。すなわち、例えば基準パージ周期を５秒に設定していたときは、基準パージ周期のカウントを始めてから５秒が経過したかを判定する。コントローラ４は、基準パージ周期の１周期が経過していなければ今回の処理を終了し、経過していればステップＳ２０６の処理を行う。

ステップＳ２０６において、コントローラ４は、ステップＳ２０４で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間をゼロにリセットするとともに、基準パージ周期のカウントもゼロにリセットする。

図７は、パージ弁開閉処理の詳細を説明するフローチャートである。

ステップＳ３０１において、コントローラ４は、前述のステップＳ２０４とは別にパージ弁開弁要求ＯＮ時間を算出する。

ステップＳ３０２において、コントローラ４は、水素供給弁３３が開弁されているかを判定する。コントローラ４は、水素供給弁３３が開弁されているとき、すなわちアノードガス供給時であればステップＳ３０２の処理を行う。一方でコントローラ４は、水素供給弁３３が閉弁されているとき、すなわちアノードガス供給停止時であればステップＳ３０９の処理を行う。ステップＳ３０２の判定を行うのは、本実施形態では基本的にアノードガス供給停止時に併せてパージ弁３６の開弁を行うようにするためである。

ステップＳ３０３において、コントローラ４は、燃料電池スタック１の運転領域が高負荷領域であるか否かを判定する。コントローラ４は、例えば出力電流が所定電流よりも大きいときに高負荷領域であると判定する。コントローラ４は、燃料電池スタック１の運転領域が高負荷領域であればステップＳ６００の処理を行い、そうでなければステップＳ３０４の処理を行う。

ステップＳ６００において、コントローラ４は、高負荷領域において実施されるパージ弁３６の開閉処理を実施する。この高負荷パージ処理の詳細については、図１３を参照して後述するが、簡単に説明すると、高負荷領域ではアノード系内に蓄積される液水が通常領域よりも増加する。パージ弁３６の構造上、パージ弁３６が開かれるとまず液水がアノード系内から排出され、その後にアノードオフガスが排出されるようになっている。そのため、高負荷領域では、脈動昇圧時にもパージ弁３６を開弁できるようにして、アノード系内の液水を確実にアノード系内から排出し、その後にきちんとアノードオフガスがアノード系内から排出されるようにしている。

ステップＳ３０４において、コントローラ４は、パージ弁３６を閉弁する。

ステップＳ３０５において、コントローラ４は、パージ弁開弁継続フラグがＯＮになっているかを判定する。コントローラ４は、パージ弁開弁継続フラグがＯＮであればステップＳ３０６の処理を行い、ＯＦＦであれば今回の処理を終了する。

パージ弁開弁継続フラグは、アノードガス供給停止時におけるパージ弁開弁時間が、アノードガス供給停止時にパージ弁３６を実際に開く時間として予め設定されている第２所定値を超えるまでＯＮにされるフラグである。このパージ弁開弁継続フラグは、例えばアノードガス供給停止時にパージ弁３６が開かれ、第２所定値が経過する前にアノードガス供給が開始された場合において、そのまま今回のパージ弁開弁時間を引き継ぐために設定されるフラグである。これにより、次回のアノードガス供給停止時に残りの時間だけパージ弁３６を開くこと（分割パージ）ができるようにしている。

ステップＳ３０６において、コントローラ４は、ステップＳ３０１で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間が予め設定されている第１所定値以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上であればステップＳ３０７の処理を行い、第１所定値未満であればステップＳ３０８の処理を行う。

ステップＳ３０７において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令をＯＮにする。パージ弁開弁指令の初期値はＯＦＦに設定される。パージ弁開弁指令がＯＮの状態でアノードガス供給停止時になると、パージ弁３６が実際に開弁されることになる。これにより、水供給弁の閉弁時に連動してパージ弁３６を開弁することができる。

このように本実施形態では、パージ弁開弁要求ＯＮ時間（＝基準デューティ比の積算値）が第１所定値以上になってからパージ弁開弁指令をＯＮにして、パージ弁の開弁を許可するようにしている。これは、本実施形態では水素供給弁３３の閉弁時にある程度パージ弁３６を開弁する時間を確保して排水を確実に実施し、パージ弁開弁中に確実にアノードオフガスがパージ弁３６を通って排出されるようにするためである。

また、このようにすることで、基準デューティ比は出力電流が低いほど小さくなるので、出力電流が低いときほどパージ弁開弁指令がＯＮになるまでの時間を長くすることができる。つまり、出力電流に基づいてパージ弁の開弁指令を出す間隔を変更し、出力電流が低いときほどパージ弁が閉じられてから開かれるまでの間隔（パージ間隔）が長くなるようにしている。出力電流が低いときは、カソード圧力も低いためカソード電極側から透過してくる窒素等の量も少ない。そのため、出力電流が低いときほどパージ間隔を長くして、水素供給弁３３の閉弁時にパージ流量の推定に必要なパージ弁３６を開弁する時間を確保している。

ステップＳ３０８において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令をＯＦＦにする。

ステップＳ３０９において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令がＯＮか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁開弁指令がＯＦＦであればステップＳ３１０の処理を行い、ＯＮであればステップＳ３１１の処理を行う。

ステップＳ３１０において、コントローラ４は、パージ弁３６を閉弁する。このように、パージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上となるまでは、アノードガス供給停止時であってもパージ弁３６は開弁されない。

ステップＳ３１１において、コントローラ４は、パージ弁３６を開弁する。

ステップＳ３１２において、コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されている時間を積算し、パージ弁開弁時間として算出する。

ステップＳ３１３において、コントローラ４は、ステップＳ３１２で算出したパージ弁開弁時間がアノードガス供給停止時にパージ弁３６を実際に開く時間として予め設定されている第２所定値以上になったか否かを判定する。このように本実施形態では、パージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上になったら、第２所定値だけパージ弁３６を開くようにしている。本実施形態では第１所定値と第２所定値を同じ値に設定しているが、異なる値に設定しても良い。第１所定値及び第２所定値は、それぞれアノード系内の水素濃度を目標水素濃度に管理でき、かつパージ流量の推定を精度良く実施できる値（例えば０．５秒）として予め実験等によって求めることができる。コントローラ４は、パージ弁開弁時間が第２所定値未満であればステップＳ３１４の処理を行い、パージ弁開弁時間が第２所定値以上であればステップＳ３１６の処理を行う。

ステップＳ３１４において、コントローラ４は、パージ弁開弁継続フラグをＯＮにする。

ステップＳ３１５において、コントローラ４は、昇圧中フラグをＯＦＦにする。この昇圧中フラグは高負荷パージ処理で用いられるフラグである。

ステップＳ３１６において、コントローラ４は、パージ弁開閉処理内で算出したパージ弁開弁時間をゼロにリセットする。

ステップＳ３１７において、コントローラ４は、パージ弁開弁継続フラグをＯＦＦにする。

ステップＳ３１８において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令をＯＦＦにする。

図８は、パージ流量推定処理の詳細を説明するフローチャートである。

ステップＳ４０１において、コントローラ４は、水素供給弁３３が閉弁されているか否かを判定する。コントローラ４は、水素供給弁３３の閉弁時であれば、パージ流量を推定するためのデータを取得するため、ステップＳ４０２以降の処理を行う。一方でコントローラ４は、水素供給弁３３の開弁時であれば、取得したデータに基づいてパージ流量を推定するためにステップＳ４０９以降の処理を行う。

ステップＳ４０２において、コントローラ４は、パージ弁３６が開弁しているか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁３６が開弁していればステップＳ４０３の処理を行い、閉弁していればステップＳ４０６の処理を行う。

ステップＳ４０３において、コントローラ４は、アノード圧力の低下に基づいて、パージ弁開弁時にアノード系内から流出した演算周期当たりのガス量を算出し、このガス量を前回値に加算することでパージ弁開弁時の流出ガス量を算出する。

このパージ弁開弁時にアノード系内から流出した演算周期当たりのガス量は、例えばアノード圧力の低下量（アノード圧力の前回値−アノード圧力の今回値）と、アノード系内から流出したガス量と、を関連付けた図９に示すマップを予め実験等によって作成しておき、このマップを参照することによって、アノード圧力の低下量に基づいて算出することができる。図９では、スタック温度によってアノード系内から流出したガス量を補正しているが、スタック温度による補正は必ずしも必要ではない。また、このガス量は、例えば気体の状態方程式にアノード圧力の前回値等を代入して求めたアノード系内の気体のモル数と、アノード圧力の今回値等を代入して求めたアノード系内の気体のモル数と、の変化を算出することでも求めることができる。

ステップＳ４０４において、コントローラ４は、電流センサ４３の検出値（出力電流）に基づいて、パージ弁開弁時に発電によって燃料電池スタック１内で消費される演算周期当たりの水素量を算出し、この水素量を前回値に加算することでパージ弁開弁時の発電消費水素量を算出する。

このパージ弁開弁時の発電によって燃料電池スタック１内で消費される演算周期当たりの水素量は、例えば出力電流と、消費水素量と、を関連付けた図１０に示すマップを予め実験等によって作成しておき、このマップを参照することによって、出力電流に基づいて算出することができる。また、例えばファラデー定数を用いた演算式に出力電流、演算周期及び燃料電池の枚数を代入して、消費された水素のモル質量を算出することでも求めることができる。

ステップＳ４０５において、コントローラ４は、ステップＳ３１２とは別にパージ弁開弁時間を算出する。

ステップＳ４０６において、コントローラ４は、アノード圧力の低下に基づいて、パージ弁閉弁時にアノード系内から流出した演算周期当たりのガス量を算出し、このガス量を前回値に加算することでパージ弁閉弁時の流出ガス量を算出する。

ステップＳ４０７において、コントローラ４は、電流センサ４３の検出値（出力電流）に基づいて、パージ弁閉弁時に発電によって燃料電池スタック１内で消費される演算周期当たりの水素量を算出し、この水素量を前回値に加算することでパージ弁閉弁時の発電消費水素量を算出する。

ステップＳ４０８において、コントローラ４は、パージ弁３６が閉弁されている時間を積算し、パージ弁閉弁時間として算出する。

ステップＳ４０９において、コントローラ４は、パージ流量を算出するためのデータ量が十分か否かを判定する。具体的には、ステップＳ４０５及びステップＳ４０８で算出したパージ弁開弁時間及びパージ弁閉弁時間が、それぞれ予め設定された所定時間（例えば０．５秒）よりも大きくなったか否かを判定する。コントローラ４は、データ量が十分であればステップＳ４１０の処理を行い、十分でなければ今回の処理を終了する。したがって、データ量が不十分であれば、脈動１周期分のデータだけでなく、脈動複周期分の圧力変化のデータに基づいてパージ流量が推定される。

ステップＳ４１０において、コントローラ４は、ステップＳ４０３からステップＳ４０８で取得したデータに基づいて、パージ流量を算出する。具体的には、図１１に示す計算を実施してパージ流量を算出する。パージ流量の算出方法としては、図２を参照して前述したように、パージ弁開弁時の流出ガス量をパージ弁開弁時間で除算した値（＝パージ弁開弁時の流出ガス流量）から、パージ弁閉弁時の流出ガス量をパージ弁閉弁時間で除算した値（＝パージ弁閉弁時の流出ガス流量）を減算した値をパージ流量としても良いが、図１１に示すように、予めパージ弁開弁時の流出ガス量からパージ弁開弁時の発電消費水素量を減算すると共に、同様にパージ弁閉弁時の流出ガス量からパージ弁閉弁時の発電消費水素量を減算しておくことで、パージ流量の推定精度をより向上させることができる。これは、発電消費水素量は負荷変動によって変化するため、パージ弁３６の開閉中に必ずしも一定になるとは限らないからである。

ステップＳ４１１において、コントローラ４は、図１２のマップを参照し、算出したパージ流量が予め設定された閾値以上か否かを判定する。換言すれば、パージ量が十分か否かを判定する。コントローラ４は、パージ流量が閾値以上であればステップＳ４１２の処理を行い、閾値未満であればステップＳ４１３の処理を行う。

図１２に示すように、閾値は、パージ弁開弁指令を出す間隔（パージ弁開弁指令が出てから次のパージ弁開弁指令がでるまでの間隔。以下「パージ間隔」という。）が長くなるほど小さくなるように補正される。

これは、パージ間隔が長くなるほど、パージ弁３６を開弁してから次に開弁するまでの期間が長くなるので、アノード系内に蓄積される液水量が多くなる。そのため、パージ間隔が長くなるほど、パージ弁３６を開弁したときに排出されるパージ量が相対的に少なくなる。本実施形態では、水素供給弁３３の開閉状態に合わせてパージ弁３６を開弁するようにしているので、パージ弁３６を開弁するまでの間隔が変化する。この場合、パージ間隔が短い場合に比べて長いときにパージ量が少なくなるのは、パージ間隔が長くなったことによりアノード系内の液水量が多くなることが原因である。したがって、パージ弁開弁指令を出す間隔が長いときほど閾値を小さくすることで、パージ不足と判断される頻度を少なくしている。

なお、アノード系内の水素濃度を発電が安定する水素濃度に管理するには、基本的に燃料電池スタック１の負荷が高くなるほど、パージ量を多くする必要がある。図１２では、燃料電池スタック１の負荷が高くなるほど閾値は減少していて傾向が逆になっているように思えるが、これはパージ流量を横軸にとっているからであり、パージ流量に負荷毎の基準デューティ比に対応したパージ弁３６の開弁時間を乗算したパージ量自体は、燃料電池スタック１の負荷が高くなるほど多くなっている。

ステップＳ４１２において、コントローラ４は、ステップＳ３０１で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間からパージ弁開弁時間を減算する。

ステップＳ４１３において、コントローラ４は、ステップＳ３０１で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間をそのまま保持する。これは、パージ流量が閾値未満と判断されたときは、安定した発電を行うにはさらにパージを実行する必要があるため、次回の処理で追加パージを実行できるようにするためである。

このように、パージ流量が閾値未満のとき（パージ量が不足しているとき）は、パージ弁開弁要求ＯＮ時間からパージ弁開弁時間を減算しないことでパージ間隔を通常よりも短くし、パージ流量が閾値以上のとき（パージ量が十分なとき）よりもパージ弁開弁要求ＯＮ時間を増加させる。これにより、増加させた分、すなわち減算しなかった分だけパージ弁３６を開弁する時間が増加することになる。

ステップＳ４１４において、コントローラ４は、ステップＳ４０３からステップＳ４０８のデータをゼロにリセットする。

図１３は、高負荷パージ処理の詳細を説明するフローチャートである。

ステップＳ６０１において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令がＯＮか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁開弁指令がＯＮであればステップＳ６０２の処理を行い、ＯＦＦであればステップＳ６０５の処理を行う。

ステップＳ６０２において、コントローラ４は、ステップＳ３１２で算出されているパージ弁開弁時間がゼロであるか、又は、昇圧中開弁フラグがＯＮであるか否かを判定する。コントローラ４は、いずれか一方が成立していればステップＳ６０３の処理を行う、いずれも不成立であればステップＳ６０５の処理を行う。

ステップＳ６０３において、コントローラ４は、昇圧中開弁フラグをＯＮにする。

ステップＳ６０４において、コントローラ４は、パージ弁３６を開弁する。

ステップＳ６０５において、コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されている時間を積算し、パージ弁開弁時間として算出する。

ステップＳ６０６において、コントローラ４は、昇圧中開弁フラグをＯＦＦにする。

ステップＳ６０７において、コントローラ４は、パージ弁３６を閉弁する。

このように、高負荷時には、水素供給弁３３の開弁中であっても、パージ弁３６を開弁するようにしている。これは、高負荷時には燃料電池スタック１内の液水が増加するため、水素供給弁３３の開弁時からパージ弁３６を開弁することで、液水の排出を確実なものにするためである。また、高負荷時には、発電により消費される水素量が多くなるため、水素供給弁３３閉弁後のアノード圧力の低下速度も速くなって降圧時間も短くなる。したがって、昇圧中にパージ弁３６を開弁して液水の排出効率をあげておくことで、降圧時間が短くなっても水素供給弁閉弁後にパージ弁３６を介してパージガスを確実に排出させることができる。そのため、パージ流量の推定精度を向上させることができる。

図１４Ａは、本実施形態による水素供給弁３３の制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ４は、図１４Ｂのマップを参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて、アノード圧力の脈動上限圧力及び脈動下限圧力を設定する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動上限圧力以上か否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動上限圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ３の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動上限圧力未満であれば、ステップＳ４の処理を行う。

ステップＳ３において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動下限圧力に設定する。

ステップＳ４において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動下限圧力以下か否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動下限圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ５の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動下限圧力よりも高ければ、ステップＳ６の処理を行う。

ステップＳ５において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定する。

ステップＳ６において、コントローラ４は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。

ステップＳ７において、コントローラ４は、脈動下限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動下限圧力となるように、水素供給弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、通常は水素供給弁３３の開度は全閉となり、高圧水素タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック１内でのアノードガスの消費等によって、アノード圧力が低下していく。

一方、コントローラ４は、脈動上限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動上限圧力まで昇圧するように、水素供給弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、水素供給弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧水素タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力が上昇する。

図１５及び図１６は、本実施形態によるパージ制御について説明するタイムチャートである。図１５のタイムチャートは、運転領域が通常領域であってパージ流量が閾値以上だったときのタイムチャートである。一方、図１６のタイムチャートは、運転領域が通常領域で、パージ流量が閾値未満だったときのタイムチャートである。

図１５（Ｄ）に示すように、パージ弁開弁要求信号生成処理によって、基準パージ周期中に基準デューティ比だけパージ弁開弁要求信号がＯＮとなるようなパージ弁開弁要求信号が生成される。そして、図１５（Ｅ）に示すように、パージ弁開弁要求信号がＯＮになっている時間が積算され、パージ弁開弁要求ＯＮ時間として算出される。

時刻ｔ１でパージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上になると、その後の時刻ｔ２で水素供給弁３３が開弁されたときに（図１５（Ｂ））、パージ弁開弁指令がＯＮとなる（図１５（Ｆ））。

そして、時刻ｔ３において、パージ弁開弁指令がＯＮの状態で水素供給弁３３が閉弁されると、パージ弁３６が開弁される（図１５（Ｃ））。パージ弁３６が開弁されると、図１５（Ｇ）に示すように、パージ弁３６が開弁されている時間が積算され、パージ弁開弁時間として算出される。時刻ｔ４で、パージ弁開弁時間が第２所定値以上になると、パージ弁開弁指令がＯＦＦとなり（図１５（Ｆ））、パージ弁３６が閉弁される（図１５（Ｃ））。

時刻ｔ３から時刻ｔ４までのパージ弁開弁期間において、パージ流量を推定するためのデータ、すなわちパージ弁開弁時の流出ガス量や発電消費水素量が算出される。

そして、時刻ｔ４から時刻ｔ５までのパージ弁閉弁期間において、パージ流量を推定するためのデータ、すなわちパージ弁閉弁時の流出ガス量と発電消費水素量が算出される。

時刻ｔ５で水素供給弁３３が開弁されたときに、データ量が十分であれば、取得したデータに基づきパージ流量が算出される（図１５（Ｉ））。

この算出したパージ流量が閾値以上であれば、時刻ｔ６でパージ弁開弁要求ＯＮ時間がパージ弁開弁時間（＝第２所定値）だけ小さくされる（図１５（Ｅ））。これにより、パージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値を下回り、時刻ｔ７で水素供給弁３３が閉弁されてもパージ弁３６は開弁されない。

一方で、図１６に示すように、パージ流量が閾値未満であれば、時刻ｔ６においてパージ弁開弁要求ＯＮ時間がそのまま保持される。そのため、時刻ｔ６でパージ弁開弁指令がＯＮとなり、時刻ｔ７でパージ弁３６を開弁することができる。このように、パージ流量が閾値未満であれば、パージ間隔を通常のパージ間隔よりも狭くして、パージ流量推定後の水素供給弁３３の閉弁時に再度パージ弁３６を開いて追加パージを実施する。よって、アノード系内の水素濃度を発電が安定する水素濃度に管理することができる。

図１７も、本実施形態によるパージ制御について説明するタイムチャートである。図１７のタイムチャートは、運転領域が高負荷領域で、パージ流量が閾値以上だったときのタイムチャートである。

図１７に示すように、時刻ｔ２１でパージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上になると（図１７（Ｄ））、パージ弁開弁指令がＯＮにされる（図１７（Ｅ））。このとき、運転領域が高負荷領域であれば、高負荷パージ処理によって、パージ弁開弁時間がゼロであるか、又は昇圧中開弁フラグがＯＮであるかが判定される。時刻ｔ２１では、パージ弁開弁時間がゼロなので、昇圧中フラグがＯＮにされ（図１７（Ｈ））、水素供給弁３３の開弁中にパージ弁３６が開弁される（図１７（Ｂ））。

このように、高負荷時には、水素供給弁３３の開弁中にパージ弁３６を開弁させることで、液水を確実に排出し、水素供給弁閉弁後にパージ弁３６を介してパージガスを確実に排出させることができるようにしている。これにより、パージ流量の推定精度を向上させることができる。

時刻ｔ２２で、水素供給弁３３が閉弁されると、昇圧中フラグがＯＦＦとなる（図１７（Ｈ））。そして、時刻ｔ２３で水素供給弁３３が開弁されるが、このときのパージ弁開弁時間はまだ第２所定値に達していない（図１７（Ｆ））。そのため、パージ弁３６は水素供給弁３３の閉弁中はずっと開かれたままとなる（図１７（Ｂ））。また、パージ弁開弁時間もリセットされず（図１７（Ｆ））、パージ弁開弁指令もＯＮのままとなる（図１７（Ｅ））。

その結果、時刻ｔ２３で再びパージ弁開弁時間がゼロであるか、又は昇圧中開弁フラグがＯＮであるかが判定される。時刻ｔ２３では、いずれの条件も満たしていいないので、今度は高負荷領域であっても、水素供給弁３３の開弁中はパージ弁３６が閉弁されることになる（図１７（Ｂ））。

そして、時刻ｔ２４で水素供給弁３３が閉弁されると、パージ弁３６が開弁されて（図１７（Ｂ））、パージ弁開弁時間が再び増加する（図１７（Ｆ））。

時刻ｔ２５で水素供給弁３３が開弁されるが、いまだにパージ弁開弁時間は第２所定値に達していいないので（図１７（Ｆ））、パージ弁３６は時刻ｔ２４からずっと開かれたままとなる（図１７（Ｂ））。また、パージ弁開弁時間もリセットされず（図１７（Ｆ））、パージ弁開弁指令もＯＮのままとなる（図１７（Ｅ））。

時刻ｔ２６で水素供給弁３３が閉弁されると、時刻ｔ２７でパージ弁開弁時間に第２所定値に達すると（図１７（Ｆ））、パージ弁開弁指令がＯＦＦにされ（図１７（Ｅ））、パージ弁３６が閉弁される（図１７（Ｂ））。

このように、高負荷領域など、水素供給弁３３を閉弁してから開弁するまでの間隔が短くなるときは、１度の脈動降圧中にパージ弁開弁時間が第２所定値に達しないときがある。このようなときは、パージ弁３６の開弁を分割して行うとともに、最初のパージだけ水素供給弁３３の開弁中に行うようにしている。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、アノード系内へのアノードガスの供給を制御する水素供給弁３３（供給弁）と、アノード系内からオフガスを排出するパージ弁３６と、アノード系内の圧力を計測するアノード圧力センサ３４（圧力検出部）と、燃料電池スタック１の負荷（出力電流）に基づいて、水素供給弁３３の開閉を制御する供給弁制御部（コントローラ４）と、水素供給弁３３の閉弁中のアノード系内の圧力低下に基づいて、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されるオフガスのパージ流量を推定するパージ流量推定部（コントローラ４）と、水素供給弁３３の閉弁中に合わせてパージ弁３６を開弁するパージ弁制御部（コントローラ４）と、を備える。

このように、水素供給弁３３の閉弁中に合わせてパージ弁３６を開弁することで、パージ弁３６を水素供給弁３３の開閉状態に関わらず任意に開弁する場合に比べて、水素供給弁３３の閉弁中のアノード系内の圧力低下時にパージ弁３６が開弁される頻度を増加させることができる。そのため、水素供給弁３３の閉弁中のアノード系内の圧力低下に基づいて、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されるオフガスのパージ流量を推定する頻度を確保することができる。

また、パージ弁制御部は、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を所定の開弁時間（第２所定値）だけ開弁したらパージ弁３６を閉弁する（水素供給弁３３の開弁前にパージ弁３６を閉弁する）ので、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁した状態と閉弁した状態とを作ることができる。そのため、水素供給弁３３の閉弁中のパージ弁開弁時の圧力低下とパージ弁閉弁時の圧力低下とに基づいてパージ流量を推定する場合でも、その推定頻度を確保することができる。

また、パージ弁制御部は、パージ弁開弁時間（第２所定値）が経過する前に水素供給弁３３が開弁されたときは、水素供給弁３３の開弁タイミングに合わせてパージ弁３６を閉弁し、次の水素供給弁３３の閉弁中に再度パージ弁３６を開弁する。そのため、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁してパージ流量の推定頻度を確保しつつ、アノード系内の水素濃度を発電が安定する水素濃度に保つために必要なパージ量を確実に確保することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、パージ流量推定部によって推定されたパージ流量に基づいて、パージ量が不足しているか否かを判定する判定部（コントローラ４）を備え、パージ弁制御部は、燃料電池スタック１の負荷に基づいてパージ弁３６を開弁するまでの間隔（パージ間隔）を変更し、パージ量が不足していると判定されたときはパージ弁３６を開弁するまでの間隔を、燃料電池スタック１の負荷に基づいて設定される間隔よりも短くする。

具体的には、パージ弁制御部は、燃料電池スタック１の負荷に基づいてパージ弁３６の開弁要求時間（基準デューティ比）を算出し、開弁要求時間の積算値（パージ弁開弁要求ＯＮ時間）が第１所定値以上になったときにパージ弁３６の開弁指令を出し、パージ量が不足していないと判定されたときは開弁要求時間の積算値をパージ弁３６の開弁時間だけ減算し、パージ量が不足していると判定されたときは開弁要求時間の積算値をそのまま保持する。

これによりパージ量が不足しているときは、負荷に基づくパージとは別途に追加のパージを実施することができるので、アノード系内の水素濃度の低下を抑制することができ、安定した発電を継続して実施することができる。

また、判定部は、パージ流量推定部によって推定されたパージ流量と、燃料電池スタック１の負荷に応じた閾値と、に基づいてパージ量が不足しているか否かを判定し、閾値はパージ弁３６を開弁するまでの間隔が長くなるほど小さくなるように補正される。

これは、パージ間隔が長くなるほど、パージ弁３６を開弁してから次に開弁するまでの期間が長くなるので、アノード系内に蓄積される液水量が多くなる。そのため、パージ間隔が長くなるほど、パージ弁３６を開弁したときに排出されるパージ量が相対的に少なくなる。本実施形態では、水素供給弁３３の開閉状態に合わせてパージ弁３６を開弁するようにしているので、パージ弁３６を開弁するまでの間隔が変化する。この場合、パージ間隔が短い場合に比べて長いときにパージ量が少なくなるのは、パージ間隔が長くなったことによりアノード系内の液水量が多くなることが原因である。したがって、パージ間隔が長いときほど閾値を小さくすることで、不用意にパージ不足と判断される頻度を少なくすることができる。これにより、不用意に追加パージが実施されることがなくなるので、燃費の悪化を抑制することができる。

また、パージ弁制御部は、燃料電池スタック１の負荷が所定負荷よりも高いときは、水素供給弁３３の開弁中からパージ弁３６を開弁するので、アノード系内に蓄積された液水を確実に排出し、パージ弁３６を開弁したときに排出されるアノードオフガスの量を確保することができる。そのため、パージ流量の推定精度を向上させることができる。

また、パージ弁制御部は、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁した場合において、一旦閉弁された水素供給弁３３がパージ弁開弁時間（第２所定値）が経過する前に再度開弁されたときは、水素供給弁３３の再開弁タイミングに合わせてパージ弁３６を閉弁し、その後の水素供給弁３３の閉弁中に再度パージ弁３６を開弁する。このように、分割してパージが実施されるときは、最初のパージのときだけ水素供給弁３３の開弁中にパージ弁３６を開弁する。これにより、最初のパージで液水の排出を確実に行いつつ、次回のパージからは水素供給弁３３の閉弁中に合わせてパージ弁３６を開弁することで、パージ流量の推定頻度を確保することができる。

また、パージ流量推定部は、アノード系内へのアノードガス供給停止時におけるパージ弁開弁時の圧力低下とパージ弁閉弁時の圧力低下とに基づいて、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されるオフガスのパージ流量を推定する。パージ流量推定部は、具体的には、パージ弁開弁時の圧力低下に基づいてパージ弁開弁期間にアノード系内から流出するガス流量を推定する第１推定部と、パージ弁閉弁時の圧力低下に基づいてパージ弁３６の開閉状態によらずにアノード系内から流出するガス流量を推定する第２推定部と、を備え、第１推定部で推定したガス流量と第２推定部で推定したガス流量とに基づいてパージ流量を推定する。

これにより、パージ弁３６の開閉状態によらずにアノード系内から流出するガス流量をパージ弁閉弁時の圧力低下から推定することができるので、この推定結果とパージ弁開弁期間にアノード系内から流出するガス流量とから、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されるオフガスのみの流量を精度良く推定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記の実施形態では、水素供給弁３３の閉弁と同時にパージ弁３６を開弁していたが水素供給弁３３の閉弁後、所定時間（例えば８０ミリ秒）経過してからパージ弁３６を開弁するようにしても良い。これにより、水素供給弁３３の応答遅れや、アノード圧力センサ３４の検出値のオーバーシュート等がパージ流量の推定に与える影響を小さくすることができ、パージ流量の推定精度をさらに向上させることができる。

また、上記の実施形態では、アノード圧力センサ３４の検出値をアノード系内の圧力として利用したが、アノード系内の圧力を例えば水素供給弁３３の開度等から推定しても良い。

また、上記の実施形態では、アノード圧力を脈動させる脈動運転を実施していたが、燃料電池スタックの負荷に応じてアノード圧力を一定する燃料電池システムであっても良い。この場合、負荷が低下したときの下げ過渡時（アノード圧低下時）にパージ弁３６の開閉を行えばよい。また、一次的にアノード圧力を脈動させてもよい。

また、上記の実施形態では、パージ弁開弁時間が第２所定値になるまでは、水素供給弁３３の閉弁中にずっとパージ弁３６を開弁するようにして、高負荷のときなどは分割してパージを実施していた。これに対して、水素供給弁３３の開弁前にはパージ弁３６を閉弁するようにしつつ、パージ弁開弁時間が第２所定値になるまで分割してパージを行うようにしても良い。

また、上記の実施形態において、パージ弁３６よりも上流のアノードガス排出通路３５とアノードガス供給通路３２とを接続し、アノードオフガスを循環させる構成としてもよい。

本願は２０１４年１０月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１４−２１９７１２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (12)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて前記燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムのアノード系内へアノードガスの供給するための供給弁と、
   前記アノード系内からオフガスを排出するためのパージ弁と、
   前記アノード系内の圧力を推定又は計測する圧力検出部と、
   前記燃料電池の負荷に基づいて、前記供給弁の開閉を制御する供給弁制御部と、
   前記パージ弁を通って前記アノード系内から排出されるオフガスのパージ流量を推定するパージ流量推定部と、
   前記供給弁の閉弁中に合わせて前記パージ弁を開弁するパージ弁制御部と、
   を備え、
   前記パージ流量推定部は、
   前記供給弁の閉弁中に、前記圧力検出部による推定値又は計測値に基づいて前記アノード系内の圧力低下を推定し、該アノード系内の圧力低下に相関するパージ流量を推定するためのデータを取得し、
   前記供給弁の開弁中に前記データに基づいてパージ流量を算出する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ弁制御部は、前記供給弁の閉弁後、所定時間が経過してから前記パージ弁を開弁する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ弁制御部は、前記供給弁の閉弁中に前記パージ弁を所定の開弁時間だけ開弁したら、前記パージ弁を閉弁する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ弁制御部は、前記開弁時間が経過する前に前記供給弁が開弁されたときは、前記供給弁の開弁タイミングに合わせて前記パージ弁を閉弁し、次の前記供給弁の閉弁中に再度前記パージ弁を開弁する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ弁制御部は、前記供給弁の開弁前に前記パージ弁を閉弁する、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ流量推定部によって推定されたパージ流量に基づいて、パージ量が不足しているか否かを判定する判定部を備え、
   前記パージ弁制御部は、
   前記燃料電池の負荷に基づいて前記パージ弁を開弁するまでの間隔を変更し、
   パージ量が不足していると判定されたときは、前記パージ弁を開弁するまでの間隔を、前記燃料電池の負荷に基づいて設定される間隔よりも短くする、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ弁制御部は、
   前記燃料電池の負荷に基づいて前記パージ弁の開弁要求時間を算出し、前記開弁要求時間の積算値が第１所定値以上になったときに前記パージ弁の開弁指令を出し、
   パージ量が不足していないと判定されたときは前記開弁要求時間の積算値を前記パージ弁の開弁時間だけ減算し、パージ量が不足していると判定されたときは前記開弁要求時間の積算値をそのまま保持する、
   燃料電池システム。
8. 請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記判定部は、前記パージ流量推定部によって推定されたパージ流量と、前記燃料電池の負荷に応じた閾値と、に基づいてパージ量が不足しているか否かを判定し、
   前記閾値は、前記パージ弁を開弁するまでの間隔が長くなるほど小さくなるように補正される、
   燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
   前記パージ弁制御部は、前記燃料電池の負荷が所定負荷よりも高いときは、前記供給弁の開弁中から前記パージ弁を開弁する、
   燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁制御部は、
    前記供給弁の開弁中に前記パージ弁を開弁した場合において、前記供給弁がその後閉弁されてから再度開弁されるまでに前記パージ弁の開弁時間が所定の開弁時間を経過していない場合、前記供給弁の再開弁タイミングに合わせて前記パージ弁を閉弁し、その後の前記供給弁の閉弁中に前記パージ弁を再度開弁する、
    燃料電池システム。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ流量推定部は、
    前記供給弁の閉弁中におけるパージ弁開弁時の圧力低下とパージ弁閉弁時の圧力低下とに基づいて、前記パージ流量を推定する、
    燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ流量推定部は、
    前記供給弁の閉弁中におけるパージ弁開弁時の圧力低下に基づいて、パージ弁開弁期間に前記アノード系内から流出するガス流量を推定する第１推定部と、
    前記供給弁の閉弁中におけるパージ弁閉弁時の圧力低下に基づいて、パージ弁の開閉状態によらずにアノード系内から流出するガス流量を推定する第２推定部と、
    を備え、
    前記第１推定部で推定したガス流量と、前記第２推定部で推定したガス流量と、に基づいて前記パージ流量を推定する、
    燃料電池システム。

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