JP2010080109A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に酸化剤極に存在する燃料ガス濃度を精度よく推定する燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】制御部３０は、システムの停止時に、水素の供給を行い、燃料電池スタック１の燃料極の圧力をシステム外部の圧力よりも昇圧させている。また、制御部３０は、システムの起動時、酸素の供給を停止したまま、水素の供給を行う。そして、制御部３０は、第２の電圧（供給後電圧）Ｖ２と、水素が供給される前の燃料極圧力Ｐｈと、第１の電圧（供給前電圧）Ｖ１とに基づいて、酸化剤極における水素濃度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

従来より、燃料極に供給される燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤極に供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、システムの停止期間中、燃料極に残留する水素が酸化剤極へと透過するといった現象が生じることがある。この場合、酸化剤極、およびこの酸化剤極へ空気を供給するまたは酸化剤極からの空気を排出する酸化剤ガス系に水素が蓄積してしまう。

例えば、特許文献１には、システムの起動時の制御手法が開示されている。具体的には、燃料電池スタックの酸化剤極に対する空気供給が開始されると、所定時間の間は、燃料電池を電力取り出し可能状態（アイドル状態）とするために必要な基準流量よりも多い流量の空気が酸化剤極に供給されるように、空気の供給流量が制御される。かかる手法では、前回のシステム停止時から今回のシステム起動時までの経過時間に基づいて、または、前回のシステム停止時における燃料電池の温度に基づいて、システムの起動時に酸化剤極に存在する水素量が推定される。
特開２００５−２７６７８４号公報

特許文献１に開示された手法によれば、酸化剤ガス系内にある燃料ガスを有効に希釈することができる。もっとも、酸化剤極に残留する燃料ガスを有効に希釈するためには、その前提として、起動時に酸化剤極に存在する燃料ガス濃度をより精度よく推定することが好ましい。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動時に酸化剤極に存在する燃料ガス濃度を精度よく推定することである。

かかる課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、制御手段が、燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給を開始し、推定手段が、燃料ガスが供給された後において電圧検出手段により検出される燃料電池の電圧である供給後電圧に基づいて、酸化剤極における燃料ガス濃度を推定する。

本発明によれば、供給後電圧は、酸化剤極における燃料ガスの濃度と相関を有するので、酸化剤極における水素濃度を精度よく推定することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を介して燃料極と酸化剤極とが対設された燃料電池構造体を、セパレータを介して複数積層することにより構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク（燃料ガス供給手段）１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素供給流路Ｌ１には、燃料タンク１０の下流側にタンク元バルブ（図示せず）が設けられているとともに、このバルブの下流に減圧バルブ（図示せず）が設けられている。タンク元バルブが開状態とされることにより、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、減圧バルブによって所定の圧力まで機械的に減圧される。また、水素供給流路Ｌ１には、減圧バルブの下流側に水素調圧バルブ（燃料ガス調圧手段）１１が設けられている。この水素調圧バルブ１１は、減圧バルブによって減圧された水素を、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力が所望の圧力となるように、水素の圧力を調整する。

燃料電池スタック１における個々の燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、その他方の端部が、水素供給流路Ｌ１における水素調圧バルブ１１よりも下流側に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガスは、水素循環手段により、燃料電池スタック１の燃料極に循環させられる。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、酸化剤極に供給された酸化剤ガスに含まれる不純物（例えば、窒素）が燃料極側に透過することがある。そのため、燃料極および水素循環流路Ｌ２を含む循環系内の不純物濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。不純物濃度が高い場合、燃料電池スタック１の出力が低下する等の不都合が生じるため、循環系内の不純物濃度を管理する必要がある。

そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環系内から不純物をパージするためのパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開閉状態を制御することにより、水素循環流路Ｌ２を流れる循環ガスを外部に排出することができる。これにより、不純物のパージを行うことができる。この不純物のパージにより、循環系内における不純物濃度を調整することができる。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、空気供給流路Ｌ４には、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）２０が設けられている。コンプレッサ２０は、大気（空気）を取り込むとともに、これを加圧して吐出する。加圧された空気は、燃料電池スタック１に供給される。

燃料電池スタック１における個々の酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。空気排出流路Ｌ５には、空気調圧バルブ（酸化剤ガス調圧手段）２１が設けられている。換言すれば、空気調圧バルブ２１は、燃料電池スタック１における空気の出口または空気の流れにおいてこの出口よりも下流側に設けられる。この空気調圧バルブ２１は、開度に応じて燃料電池スタック１の酸化剤極における空気の圧力を調整する。空気排出流路Ｌ５における空気調圧バルブ２１よりも下流側には、水素系のパージ流路Ｌ３の端部が接続されている。これにより、パージ流路Ｌ３を介して排出される循環ガスに含まれる水素は、燃料電池スタック１の酸化剤極からの排出ガスによって希釈される。

燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置２が接続されている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置２を介して、電動モータ、バッテリ、または、燃料電池スタック１による発電を行うための種々の補機（例えば、コンプレッサ２０、水素循環ポンプ１２など）および車両用の種々の補機（空調装置など）に供給される。

制御部（制御手段）３０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部３０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、水素調圧バルブ１１の開度、水素循環ポンプ１２の回転数、パージバルブ１３の開閉状態、コンプレッサ２０の回転数、空気調圧バルブ２１の開度、出力取出装置２による電流の取出量が制御される。

制御部３０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。空気圧力センサ３１は、燃料電池スタック１の酸化剤極における空気の圧力を検出する。水素圧力センサ３２は、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力（以下「燃料極圧力」という）を検出する。空気流量センサ３３は、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気の流量を検出する。電圧センサ３４は、燃料電池スタック１の電圧を検出する。

本実施形態との関係において、制御部３０は、コンプレッサ２０といった酸化剤ガス供給手段による空気の供給を制御するとともに、燃料タンク１０といった燃料ガス供給手段による水素の供給を制御する（制御手段）。また、制御部３０は、システムの起動時、燃料電池スタック１の酸化剤極における水素濃度を推定する（推定手段）。具体的には、制御部３０は、水素が供給された後における燃料電池スタック１の電圧と、水素が供給される前における燃料極圧力と、水素が供給される前における燃料電池スタック１の電圧とに基づいて、水素濃度を推定する。そして、制御部３０は、推定した水素濃度に基づいて、システムの起動時、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する水素を希釈するために必要な空気の流量を決定する。また、制御部３０は、システムの停止時、例えば水素調圧バルブ１１やパージバルブ１３の開閉状態や出力取出し装置からの取り出し電力を制御することにより水素の供給を行い、燃料電池スタック１の燃料極の圧力をシステム外部の圧力よりも昇圧させる昇圧制御を行う。

図２は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す一連の手順は、システムの起動時に実行される起動処理の流れを示しており、例えば、イグニッションスイッチのオン信号をトリガーとして、制御部３０によって実行される。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、水素圧力センサ３２によって検出される燃料極圧力Ｐｈが読み込まれる。

ステップ２（Ｓ２）において、電圧センサ３４によって検出される電圧Ｖa1が読み込まれる。そして、ステップ３（Ｓ３）において、ステップ２において読み込まれた電圧Ｖa1が第１の電圧Ｖ１として設定される。

ステップ４（Ｓ４）において、目標水素圧力Ｐhtが設定される。目標水素圧力Ｐhtは、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力の目標値であり、制御部３０は、目標水素圧力ＶＡｔに基づいて水素調圧バルブ１１の開度を制御する。本実施形態において、目標水素圧力Ｐhtには、起動時水素圧力Ｐhintが設定される。この起動時水素圧力Ｐhintは、酸化剤極における水素濃度の推定を行うことを前提に、燃料極に設定すべき水素圧力に基づいて設定された固定値である。起動時水素圧力Ｐhintは、例えば、水素系部品の耐圧や、燃料電池スタック１における水素と空気との許容差圧などの観点から許容できる範囲においてできるだけ大きくなるように、あらかじめ設定されている。

ステップ５（Ｓ５）において、水素循環ポンプ１２の目標回転数Ｒhtが設定される。目標回転数Ｒhtは、水素循環ポンプ１２の回転数の目標値であり、制御部３０は、目標回転数Ｒhtに基づいて水素循環ポンプ１２の回転数を制御する。目標回転数Ｒhtには、起動時回転数Ｒhintが設定される。起動時回転数Ｒhintは、酸化剤極における水素濃度の推定を行うことを前提に、燃料極に供給すべき水素流量に基づいて設定された固定値である。起動時回転数Ｒhintは、例えば、水素循環ポンプ１２の騒音及び消費電力などの観点から許容できる範囲においてできるだけ大きくなるように、あらかじめ設定される。

ステップ６（Ｓ６）において、目標空気流量Ｑatが設定される。目標空気流量Ｑatは、酸化剤極に供給する空気流量の目標値であり、制御部３０は、目標空気流量Ｑatに基づいてコンプレッサ２０の回転数を制御する。本実施形態では、空気の供給よりも先行して水素の供給を開始するといった観点から、ステップ６では、ゼロが目標空気流量Ｑatとして設定される。換言すれば、起動開始時、燃料電池スタック１には、燃料極に対する水素の供給のみが行われる。

ステップ７（Ｓ７）において、待ち時間が経過したか否かが判断される。ここで、待ち時間は、燃料極へ水素供給を開始したタイミング（以下「開始タイミング」という）から、後述するステップ８の処理を実行するタイミングまでに必要とされる待機時間であり、実験やシミュレーションを通じて最適値が予め設定されている。このステップ７において否定判定された場合、すなわち、開始タイミングからの経過時間が待ち時間を経過していない場合には、再度ステップ７の処理を行う。ステップ７において肯定判定された場合、すなわち、開始タイミングからの経過時間が待ち時間を経過した場合には、ステップ８（Ｓ８）の処理に進む。

ステップ８において、電圧センサ３４によって検出される電圧Ｖa2が読み込まれる。そして、ステップ９（Ｓ９）において、ステップ８において読み込まれた電圧Ｖa2が第２の電圧Ｖ２として設定される。

ステップ１０（Ｓ１０）において、ステップ１において読み込まれた燃料供給開始前の燃料極圧力Ｐｈが、後述する圧力判定値Ｐhth以上であるか否かが判断される。このステップ１０において肯定判定された場合、すなわち、燃料極圧力Ｐｈが圧力判定値Ｐhth以上である場合には（Ｐｈ≧Ｐhth）、ステップ１１（Ｓ１１）に進む。一方、ステップ１０において否定判定された場合、すなわち、燃料極圧力Ｐｈが圧力判定値Ｐhthよりも小さい場合には（Ｐｈ＜Ｐhth）、ステップ１２（Ｓ１２）に進む。なお、ステップ１０の処理は、ステップ１の処理とともに、実施することもできる。

ステップ１１において、希釈用空気流量Ｑadが設定される。この希釈用空気流量Ｑadは、燃料電池スタック１の酸化剤極および空気系に存在する水素を希釈するために燃料電池スタック１に対して供給する必要がある空気流量である。ステップ１１では、起動時における燃料電池スタック１の酸化剤極の水素濃度が極低濃度（第４所定濃度）として推定され、その上で、極低流量、具体的には、ゼロ（０）が希釈用空気流量Ｑadとして設定される。ここで、極低濃度は、酸化剤極における水素濃度を四段階で評価したうちの、最も低い濃度の評価であり、具体的には、酸化剤極内の水素濃度が可燃濃度以下とみなせる状態を示している。

ステップ１２において、第２の電圧Ｖ２が、後述する第２の電圧判定値Ｖth2よりも小さいか否かが判断される。このステップ１２において肯定判定された場合、すなわち、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2よりも小さい場合には（Ｖ２＜Ｖth2）、ステップ１３（Ｓ１３）に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合、すなわち、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上の場合（Ｖ２≧Ｖth2）、ステップ１４（Ｓ１４）に進む。

ステップ１３において、希釈用空気流量Ｑadが設定される。ステップ１３では、起動時における燃料電池スタック１の酸化剤極の水素濃度が高濃度（第１所定濃度）として推定され、その上で、高流量Ｑahが希釈用空気流量Ｑadとして設定される。ここで、高濃度は、酸化剤極における水素濃度を四段階で評価したうちの、最も高い濃度の評価、例えば、酸化剤極の水素濃度として想定される最高濃度に対して３０％から１００％までの範囲の濃度を示している。また、高流量Ｑahは、高濃度評価における最高濃度、すなわち、酸化剤極の水素濃度として想定される最高濃度において、この濃度の水素を希釈することができる流量として、実験やシミュレーションを通じて最適値が設定されている。

ステップ１４において、第１の電圧Ｖ１が、後述する第１の電圧判定値Ｖth1以上であるか否かが判断される。このステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、第１の電圧Ｖ１が第１の電圧判定値Ｖth1以上の場合には（Ｖ１≧Ｖth1）、ステップ１５（Ｓ１５）に進む。一方、ステップ１４において否定判定された場合、すなわち、第１の電圧Ｖ１が第１の電圧判定値Ｖth1よりも小さい場合（Ｖ１＜Ｖth1）、ステップ１６（Ｓ１６）に進む。

ステップ１５において、希釈用空気流量Ｑadが設定される。ステップ１５では、起動時における燃料電池スタック１の酸化剤極の水素濃度が中濃度（第２所定濃度）として推定され、その上で、中流量Ｑamが希釈用空気流量Ｑadとして設定される。ここで、中濃度は、酸化剤極における水素濃度を四段階で評価したうちの、２番目に高い濃度の評価、例えば、酸化剤極の水素濃度として想定される最高濃度に対して１５％から３０％までの範囲の濃度を示している。また、中流量Ｑamは、中濃度評価における最高濃度、例えば、酸化剤極の水素濃度として想定される最高濃度に対して３０％程度の濃度において、この濃度の水素を希釈することができる流量として、実験やシミュレーションを通じて最適値が設定されている。

ステップ１６において、希釈用空気流量Ｑadが設定される。ステップ１６では、起動時における燃料電池スタック１の酸化剤極の水素濃度が低濃度（第３所定濃度）として推定され、その上で、低流量Ｑalが希釈用空気流量Ｑadとして設定される。ここで、低濃度は、酸化剤極における水素濃度を四段階で評価したうちの、２番目に低い濃度の評価、例えば、酸化剤極の水素濃度が可燃濃度であり、かつ、放置中の濃度として想定される最高濃度に対して１５％までの範囲の濃度を示している。また、低流量Ｑalは、低濃度評価における最高濃度、例えば、酸化剤極の水素濃度として想定される最高濃度に対して１５％程度の濃度において、この濃度の水素を希釈することができる流量として、実験やシミュレーションを通じて最適値が設定されている。

ステップ１７において、目標空気流量Ｑatが設定される。この目標空気流量Ｑatは、希釈用空気流量Ｑadと、発電用空気流量Ｑrqとのうち、値が大きい方が設定される。ここで、希釈用空気流量Ｑadは、ステップ１１，１３，１５，１６において設定される流量である。また、発電量空気流量Ｑrpは、燃料電池スタック１がシステムの要求電力を発電するために必要な空気流量であり、制御部３０において演算されるシステムの要求電力に基づいて算出することができる。

以下、圧力判定値Ｐhth、第２の電圧判定値Ｖth2および第１の電圧判定値Ｖth1について説明する。

図３は、第２の電圧Ｖ２と、起動時の燃料電池スタック１の酸化剤極における水素濃度Ｃhoとの関係を示す説明図である。同図に示すように、起動時の水素濃度Ｃhoは、第２の電圧Ｖ２が大きい程、低くなるという傾向を有している。また、図４は、燃料極圧力Ｐｈと、起動時の燃料電池スタック１の酸化剤極における水素濃度Ｃhoとの関係を示す説明図である。同図に示すように、起動時の水素濃度Ｃhoは、燃料極圧力Ｐｈが大きい程、低くなるという傾向を有している。

図５は、燃料電池システムのシステム停止後の経過時間（放置時間）に対応する状態量を示す説明図である。同図において、（ａ）は放置時間に対応する燃料極の水素濃度を示し、（ｂ）は放置時間に対応する酸化剤極の水素濃度を示す。また、（ｃ）は放置時間に対応する水素供給前の電圧、すなわち、第１の電圧Ｖ１を示し、（ｄ）は放置時間に対応する水素供給後の電圧、すなわち、第２の電圧Ｖ２を示し、（ｅ）は放置時間に対応する水素供給前の燃料極圧力Ｐｈを示す。（ｆ）は放置時間時に対応する希釈に必要な空気流量（破線）と、放置時間時に対応する希釈用空気流量Ｑad（実線）とを示す。

同図（ａ）に示すように、停止時に、燃料極に水素を供給し、燃料極を昇圧しているため、放置直後の燃料極における水素濃度は最も高くなる。燃料極に存在する水素が酸化剤極に透過したりするため、燃料極における水素濃度は、放置時間が長い程、低下する傾向を有している。

同図（ｂ）に示すように、停止時から暫くの間は、酸化剤極における水素濃度は、可燃濃度以下とみなせる状態を推移し、その後に、上昇を開始する傾向を有している。つぎに、酸化剤極における水素濃度は、放置時間の経過とともに上昇し、その後、ピークを迎える。そして、酸化剤極における水素濃度は、放置時間の経過とともに減少し、その後、ゼロに収束する傾向を有している。

このような傾向に鑑みるに、放置時間が短期間である場合、酸化剤極における水素濃度は、極低濃度であると推定することができる。また、停止期間が短期間よりも長く長期間よりも短い中期間である場合、酸化剤極における水素濃度は、高濃度であると推定することができる。また、停止期間が長期間のなかでも比較的短い場合、酸化剤極における水素濃度は、中濃度であると推定することができる。さらに、停止期間が長期間のなかでも比較的長い場合、酸化剤極における水素濃度は、低濃度であると推定することができる。

酸化剤極における水素濃度は、同図（ｂ）に示すように、停止期間と相関を有する。しかしながら、同じ停止期間であっても、停止時の燃料電池スタック１の温度や、停止時の外気温に応じて、酸化剤極の水素濃度にばらつきが生じる。そこで、本実施形態では、酸化剤極の水素濃度と相関を有するパラメータ、具体的には、水素供給前の燃料極圧力Ｐｈ、第２の電圧Ｖ２および第１の電圧Ｖ１に基づいて、水素濃度を推定する。

ところで、停止時に、燃料極の昇圧制御が行われる。放置中は燃料電池スタック１の燃料極から酸化剤極に水素が透過していく一方で、酸化剤極から燃料極へ酸素及び窒素が透過していく。ここで、一般的に、燃料電池スタックに用いられる高分子電解質膜は、窒素に対して水素を透過させやすい傾向にあるため、ガス透過の結果、放置時間が短く、燃料極内の水素濃度が高い場合は、燃料極圧力は低下する。一方で、放置時間が長くなると、燃料極内の水素分圧が低下するため、酸化剤極に透過する水素流量に対して酸化剤極に透過する窒素流量が大きくなり、圧力が大気圧付近に収束する。

一方で、停止期間が開始して暫くの期間は、酸化剤極に透過した水素が酸化剤極の残留酸素で消費される。そのため、短期間の停止期間を経てシステムを起動した場合、その起動時、酸化剤極における水素濃度は可燃濃度以下の状態となる。そのため（ｅ）に示すように、水素供給前の燃料極圧力Ｐｈは停止後にしばらくの間低下し、大気圧以下に下がった場合は序々上昇し、大気圧付近に収束する。

これらの傾向を鑑みるに、起動前の燃料極圧力が所定値Ｐhth以上の場合、酸化剤極内の水素濃度が可燃濃度以下であると判断することができ、この閾値Phthは実験またはシミュレーションを通じて決定される。ただし、所定値Phthを大気圧以下に設定する場合、長期放置後に圧力が回復した際に、図２におけるステップＳ１０の判定にて肯定判定をしてしまうため、大気圧以上に設定する必要がある。

つぎに、（ｄ）に示すように、第２の電圧Ｖ２は、水素濃度が高濃度な状態において、極めて低い電圧を推移し、水素濃度が高濃度よりも低く状態において、電圧が増加するという傾向を有する。

酸化剤極における残留酸素が消費されると、燃料極からの水素透過に応じて、酸化剤極における水素濃度が上昇する。酸化剤極における水素濃度が高濃度の場合には、酸化剤極に進入した酸素は水素によって触媒表面で消費されてしまう。そのため、酸化剤極内における酸素濃度は低い状態となる。したがって、燃料極に水素が供給されたとしても、燃料電池スタック１の電圧（第２の電圧Ｖ２）は低くなる。そのため、第２の電圧Ｖ２に基づいて、酸化剤極における水素濃度が高い濃度であるか、それよりも低い濃度であるかを判定するために第２の電圧判定値Ｖth2が設定されている。

また、（ｃ）に示すように、第１の電圧Ｖ１が低いケースでは、酸化剤極における酸素濃度が低く水素濃度が高いシーンと、燃料極および酸化剤極における水素濃度が低いシーンとが考えられる。ここで、第２の電圧Ｖ２の値を参照することにより、前者のシーンと後者のシーンとを切り分けることができる。そのため、第１の電圧Ｖ１に基づいて、酸化剤極における水素濃度が低い濃度であるか、それよりも高い濃度であるかを判定するために第１の電圧判定値Ｖth1が設定されている。

また、第１の電圧Ｖ１が高いケースでは、停止直後のような燃料極内の水素濃度及び酸化剤極内の酸素濃度が極めて高い場合と、しばらく放置した後の燃料極内に水素が残留し酸化剤極内の酸素濃度が上昇し始めたシーンとが考えられる。ここで、起動前の燃料極圧力Ｐｈを参照することにより、前者のシーンと後者のシーンとを切り分けることができる。そのため、起動前の燃料極圧力Ｐｈが低く、起動前の燃料電池電圧Ｖ１が高い場合、酸化剤極内の水素濃度が中濃度であると判断することが出来る。

さらに、（ｆ）に示すように、水素濃度が極低濃度、すなわち可燃濃度以下の状態では、希釈用空気流量Ｑadとして極低流量、すなわち、ゼロ（０）が設定される。また、水素濃度が高濃度な状態では、希釈用空気流量Ｑadとして高流量Ｑahが設定される。また、水素濃度が中濃度な状態では、希釈用空気流量Ｑadとして中流量Ｑamが設定される。水素濃度が低濃度な状態では、希釈用空気流量Ｑadとして低流量Ｑalが設定される。

このように本実施形態において、制御部３０は、システムの停止時、水素の供給を行い、燃料電池スタック１の燃料極の圧力をシステム外部の圧力よりも昇圧させている。また、制御部３０は、システムの起動時、酸素の供給を停止したまま、水素の供給を行う。そして、制御部３０は、第２の電圧（供給後電圧）Ｖ２と、水素が供給される前の燃料極圧力Ｐｈと、第１の電圧（供給前電圧）Ｖ１とに基づいて、酸化剤極における水素濃度を推定する。

第２の電圧（供給後電圧）Ｖ２、水素が供給される前の燃料極圧力Ｐｈ、および、第１の電圧（供給前電圧）Ｖ１は、酸化剤極における水素濃度と相関を有する。停止期間から水素濃度を推定した場合には、他の環境要素に影響されて、その推定値にばらつきが生じる虞がある。しかしながら、これらのパラメータＶ２，Ｖ１，Ｐｈに基づいて酸化剤極における水素濃度を推定することにより、精度よく濃度を推定することができる。

また、本実施形態によれば、制御部３０は、高濃度、中濃度、低濃度および極低濃度を含む四段階評価により水素濃度を推定している。ここで、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2よりも小さい場合には、水素濃度を高濃度と推定する。また、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上であり、かつ第１の電圧Ｖ１が第１の電圧判定値Ｖth1以上であり、かつ燃料極圧力Ｐｈが圧力判定値Ｐhthよりも小さい場合には、水素濃度を中濃度と推定する。制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上であり、かつ第１の電圧Ｖ１が第１の電圧判定値Ｖth1よりも小さい場合には、水素濃度を低濃度と推定する。制御部３０は、燃料極圧力Ｐｈが圧力判定値Ｐhth以上である場合には、水素濃度を極低濃度と推定する。

かかる構成によれば、酸化剤極における水素濃度を、四段階評価により評価することができる。これにより、水素濃度を容易に推定することができる。

また、本実施形態によれば、制御部３０は、推定された水素濃度に基づいて、システムの起動時、燃料電池スタック１の酸化剤極に存在する水素を希釈するために必要な空気流量（希釈用空気流量）Ｑadを決定する。これにより、起動時、酸化剤極に残留する水素を有効に希釈することができる。また、推定した水素濃度に応じて、希釈用空気流量Ｑadが決定されるため、空気流量の供給過多や供給不足を抑制することができる。そのため、コンプレッサ２０の動作音や振動が過剰になり、ユーザに違和感を与えたり、起動時間の長期化といった事態を抑制することができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素供給後の燃料電池スタック１の電圧（第２の電圧）Ｖ２に基づいて、酸化剤極における水素濃度を推定することである。なお、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、以下、相違点を中心に説明を行う。ここで、図６において、（ａ）は放置時間に対応する燃料極の水素濃度を示し、（ｂ）は放置時間に対応する酸化剤極の水素濃度を示す。また、（ｃ）は放置時間に対応する水素供給後の電圧、すなわち、第２の電圧Ｖ２を示す。（ｄ）は放置時間時に対応する希釈に必要な空気流量（破線）を示す。

同図に示すように、第２の電圧Ｖ２は、水素濃度が高濃度な状態において、極めて低い電圧を推移し、水素濃度が高濃度よりも低く状態において、電圧が増加するという傾向を有する。すなわち、酸化剤極における水素濃度は、第２の電圧Ｖ２と概ね一対一となる傾向を有する。そこで、本実施形態では、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２に基づいて、酸化剤極における水素濃度を推定する。具体的には、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が低い程、水素濃度が高いと推定する。

また、本実施形態において、制御部３０は、推定される水素濃度、具体的には、第２の電圧Ｖ２に基づいて、希釈用空気流量Ｑadを決定する。具体的には、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が低い程、希釈用空気流量Ｑadを大きく設定する。

このように本実施形態によれば、酸化剤極における水素濃度を精度よく推定することができる。また、推定した水素濃度に応じて、希釈用空気流量Ｑadが決定されるため、空気流量の供給過多や供給不足を抑制することができる。そのため、コンプレッサ２０の動作音や振動が過剰になり、ユーザに違和感を与えたり、起動時間の長期化といった事態を抑制することができる。

なお、図７に示すように、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２を第２の電圧判定値Ｖth2と比較することにより、高濃度および中濃度を含む二段階評価により水素濃度を推定してもよい。具体的には、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上である場合には、水素濃度を中濃度と推定する。一方、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2よりも小さい場合には、水素濃度を高濃度と推定する。

また、制御部３０は、水素濃度が高濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを高流量Ｑahに設定し、水素濃度が中濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを中流量Ｑamに設定することができる。

なお、第２の実施形態では、酸化剤極における水素濃度の推定といった観点からは、システムの停止時に昇圧制御を行う必要は必ずしもない。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素供給後の燃料電池スタック１の電圧（第２の電圧）Ｖ２と、水素供給前の燃料電池スタック１の電圧（第１の電圧）Ｖ１とに基づいて、酸化剤極における水素濃度を推定することである。なお、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、以下、相違点を中心に説明を行う。ここで、図８において、（ａ）は放置時間に対応する燃料極の水素濃度を示し、（ｂ）は放置時間に対応する酸化剤極の水素濃度を示す。また、（ｃ）は放置時間に対応する水素供給前の電圧、すなわち、第１の電圧Ｖ１を示し、（ｄ）は放置時間に対応する水素供給後の電圧、すなわち、第２の電圧Ｖ２を示す。（ｅ）は放置時間時に対応する希釈に必要な空気流量（破線）と、放置時間時に対応する希釈用空気流量Ｑad（実線）とを示す。

同図に示すように、第２の電圧Ｖ２は、酸化剤極内の水素濃度が高濃度な状態において、極めて低い電圧を推移し、水素濃度が高濃度よりも低く状態において、電圧が増加するという傾向を有する。一方、第１の電圧Ｖ１は、酸化剤極内の水素濃度が高濃度であるシーンと、起動前の燃料極内の水素濃度が低濃度であるシーンにて、極めて低い電圧を推移し、酸化剤極内の水素濃度は、前者の場合は高濃度であり、後者の場合は低濃度となる。一方で第１の電圧Ｖ１は停止直後のような燃料極内の水素濃度及び酸化剤極内の酸素濃度が極めて高いシーンと、燃料極内に水素が残留している状態で酸化剤極内の酸素濃度が上昇し始めたシーンとにおいて大きな値となる。酸化剤極内の水素濃度は、前者のシーンの場合極低濃度となり、後者のシーンの場合は中濃度となる。

そこで、これらの関係を鑑み、本実施形態では、制御部３０は、第１および第２の電圧Ｖ１，Ｖ２に基づいて、酸化剤極における水素濃度を、高濃度、中濃度および低濃度を含む三段階評価により水素濃度を推定する。具体的には、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2よりも小さい場合には、水素濃度を高濃度と推定する。また、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上であり、かつ第１の電圧Ｖ１が第１の電圧判定値Ｖth1以上の場合には、水素濃度を中濃度と推定する。さらに、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上であり、かつ第１の電圧Ｖ１が第１の電圧判定値Ｖth1よりも小さい場合には、水素濃度を低濃度と推定する。

さらに、制御部３０は、水素濃度が高濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを高流量Ｑahに設定し、水素濃度が中濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを中流量Ｑamに設定することができる。また、制御部３０は、水素濃度が低濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを低流量Ｑalに設定する。

このように本実施形態によれば、酸化剤極における水素濃度を精度よく推定することができる。また、推定した水素濃度に応じて、希釈用空気流量Ｑadが決定されるため、空気流量の供給過多や供給不足を抑制することができる。そのため、コンプレッサ２０の動作音や振動が過剰になり、ユーザに違和感を与えたり、起動時間の長期化といった事態を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図である。本実施形態の燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素供給後の燃料電池スタック１の電圧（第２の電圧）Ｖ２と、水素供給前の燃料電池スタック１の燃料極における圧力（燃料極圧力）Ｐｈとに基づいて、酸化剤極における水素濃度を推定することである。なお、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、以下、相違点を中心に説明を行う。ここで、図９において、（ａ）は放置時間に対応する燃料極の水素濃度を示し、（ｂ）は放置時間に対応する酸化剤極の水素濃度を示す。また、（ｃ）は放置時間に対応する水素供給後の電圧、すなわち、第２の電圧Ｖ２を示し、（ｄ）は放置時間に対応する水素供給後の燃料極圧力Ｐｈを示す。（ｅ）は放置時間時に対応する希釈に必要な空気流量（破線）と、放置時間時に対応する希釈用空気流量Ｑad（実線）とを示す。

同図に示すように、水素供給前の燃料極圧力Ｐｈは、酸化剤極内の水素濃度が濃度上昇していない場合において、昇圧状態から減少する傾向を示し、可燃濃度以下になると、一定の圧力Phthよりも小さな圧力まで低下し、その後大気圧付近に収束する。一方、第２の電圧Ｖ２は、水素濃度が高濃度な状態において、極めて低い電圧を推移し、水素濃度が高濃度よりも低く状態において、電圧が増加するという傾向を有する。

そこで、本実施形態では、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２と、燃料極圧力Ｐｈとに基づいて、酸化剤極における水素濃度を、高濃度、中濃度およびゼロ濃度を含む三段階評価で推定する。具体的には、制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2よりも小さい場合には、水素濃度を高濃度と推定する。制御部３０は、第２の電圧Ｖ２が第２の電圧判定値Ｖth2以上であり、かつ燃料極圧力Ｐｈが圧力判定値hthよりも小さい場合には、水素濃度を中濃度と推定する。制御部３０は、燃料極圧力Ｐｈが圧力判定値hth以上の場合には、水素濃度を極低濃度と推定する。

さらに、制御部３０は、水素濃度が高濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを高流量Ｑahに設定し、水素濃度が中濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを中流量Ｑamに設定することができる。また、制御部３０は、水素濃度が極低濃度と推定された場合には、希釈用空気流量Ｑadを極低流量に設定する。

このように本実施形態によれば、酸化剤極における水素濃度を精度よく推定することができる。また、推定した水素濃度に応じて、希釈用空気流量Ｑadが決定されるため、空気流量の供給過多や供給不足を抑制することができる。そのため、コンプレッサ２０の動作音や振動が過剰になり、ユーザに違和感を与えたり、起動時間の長期化といった事態を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。

燃料電池システムを概略的に示す構成図 燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート 第２の電圧Ｖ２と起動時の燃料電池スタック１の酸化剤極における水素濃度Ｃhoとの関係を示す説明図 水素供給前の燃料極圧力Ｐｈと起動時の燃料電池スタック１の酸化剤極における水素濃度Ｃhoとの関係を示す説明図 燃料電池システムのシステム停止後の経過時間（放置時間）に対応する状態量を示す説明図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図 第４の実施形態にかかる燃料電池システムの制御概念を示す説明図

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 出力取出装置
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ パージバルブ
２０ コンプレッサ
２１ 空気調圧バルブ
３０ 制御部
３１ 空気圧力センサ
３２ 水素圧力センサ
３３ 空気流量センサ
３４ 燃料電池電圧センサ

Claims (11)

1. 燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の酸化剤極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記酸化剤ガス供給手段による前記酸化剤ガスの供給を制御するとともに、前記燃料ガス供給手段による前記燃料ガスの供給を制御する制御手段と、前記燃料電池の酸化剤極における燃料ガス濃度を推定する推定手段とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段による前記燃料ガスの供給を開始し、
   前記推定手段は、前記燃料ガスが供給された後において前記電圧検出手段により検出される前記燃料電池の電圧である供給後電圧に基づいて、前記燃料ガス濃度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記推定手段は、前記供給後電圧が低い程、前記燃料ガス濃度が高いと推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記推定手段は、第１所定濃度および前記第1所定濃度より低い第２所定濃度を含む二段階評価により前記燃料ガス濃度を推定しており、
   前記供給後電圧が予め設定された供給後電圧判定値以上である場合には、前記燃料ガス濃度を前記第２所定濃度と推定し、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第１所定濃度と推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
4. 前記推定手段は、前記供給後電圧と、前記燃料ガスが供給される前において前記電圧検出手段により検出される前記燃料電池の電圧である供給前電圧とに基づいて、前記燃料ガス濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
5. 前記推定手段は、第１所定濃度、前記第１所定濃度より低い第２所定濃度および前記第２所定濃度より低い第３所定濃度を含む三段階評価により前記燃料ガス濃度を推定しており、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第１所定濃度と推定し、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値以上であり、かつ前記供給前電圧が予め設定された供給前電圧判定値以上の場合には、前記燃料ガス濃度を前記第２所定濃度と推定し、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値以上であり、かつ前記供給前電圧が前記供給前電圧判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第３所定濃度と推定することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の燃料極における圧力を検出する圧力検出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、システムの停止時、前記燃料ガス供給手段により前記燃料ガスの供給を行い、前記燃料電池の燃料極の圧力をシステム外部の圧力よりも昇圧させており、
   前記推定手段は、前記供給後電圧と、前記燃料ガスが供給される前において前記圧力検出手段により検出される圧力である燃料極圧力とに基づいて、前記燃料ガス濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
7. 前記推定手段は、第１所定濃度、前記第１所定濃度より低い第２所定濃度および前記第２所定濃度より低い第３所定濃度よりもさらに低い第４所定濃度を含む三段階評価により前記燃料ガス濃度を推定しており、
   前記供給後電圧が予め設定された供給後電圧判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第１所定濃度と推定し、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値以上であり、かつ前記燃料極圧力が予め設定された圧力判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第２所定濃度と推定し、
   前記燃料極圧力が前記圧力判定値以上の場合には、前記燃料ガス濃度を前記第４所定濃度と推定することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の燃料極における圧力を検出する圧力検出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、システムの停止時、前記燃料ガス供給手段により前記燃料ガスの供給を行い、前記燃料電池の燃料極の圧力をシステム外部の圧力よりも昇圧させており、
   前記推定手段は、前記供給後電圧と、前記燃料ガスが供給される前において前記圧力検出手段により検出される圧力である燃料極圧力と、前記燃料ガスが供給される前において前記電圧検出手段により検出される前記燃料電池の電圧である供給前電圧とに基づいて、前記燃料ガス濃度を推定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
9. 前記推定手段は、第１所定濃度、前記第１所定濃度より低い第２所定濃度、前記第２所定濃度より低い第３所定濃度および前記第３所定濃度より低い第４所定濃度を含む四段階評価により前記燃料ガス濃度を推定しており、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第１所定濃度と推定し、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値以上であり、かつ前記供給前電圧が予め設定された供給前電圧判定値以上であり、かつ前記燃料極圧力が予め設定された圧力判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第２所定濃度と推定し、
   前記供給後電圧が前記供給後電圧判定値以上であり、かつ前記供給前電圧が前記供給前電圧判定値よりも小さい場合には、前記燃料ガス濃度を前記第３所定濃度と推定し、
   前記燃料極圧力が前記圧力判定値以上である場合には、前記燃料ガス濃度を前記第４所定濃度と推定することを特徴とする請求項８に記載された燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記推定手段により推定された前記燃料ガス濃度に基づいて、システムの起動時、前記燃料電池の酸化剤極に存在する前記燃料ガスを希釈するために必要な前記酸化剤ガスの流量を決定することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
11. 燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池の燃料極に前記燃料ガスの供給を開始後、前記燃料電池の電圧を検出し、当該検出電圧に基づいて、前記燃料電池の酸化剤極における前記燃料ガス濃度を推定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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