JP5347719B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

燃料電池のアノード側に水素ガスを供給し、燃料電池のカソード側に酸素ガスを供給することで発電する燃料電池装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１には、このような燃料電池装置において、アノード側の上流に水素ガスの供給弁を備え、アノード側の下流に燃料電池のアノード側の生成水を排出する排水弁を備え、燃料電池と排水弁との間に生成水を溜める水溜り部を備え、供給弁と排水弁を閉じた状態にして燃料電池の発電を行った後、供給弁を開放して生成水を排出する技術が開示されている。この技術によれば、供給弁を開放して生成水を排出することで、生成水が蓄積して燃料電池の水素濃度や発電効率が低下するのを防いでいる。

特開２００７−１４９６３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、水溜り部に溜まった生成水の量が多いような場合にはこの溜まった生成水を十分に排出できなかった。これは、水溜り部に溜まった生成水の量の多少に関係なく同じ方法によって生成水を排出させているためである。

すなわち、生成水を排出する機能が不十分であるという問題があった。その結果、生成水が燃料電池のセル内部に残ってしまうと、この残った生成水がセル内部の反応面への水素ガスの供給を妨げ、燃料電池の電解質膜にダメージを与えてしまっていた。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、生成水の排出性能を向上させる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、電解質膜（１ａ）をはさんでアノード（１ｂ）とカソード（１ｃ）が対設された燃料電池（１）と、前記アノード（１ｂ）にアノードガスを供給するアノードガス供給手段（４）と、供給される前記アノードガスの圧力を調整する圧力調整手段（５）と、前記燃料電池（１）に対する要求発電量に応じて、前記アノードガスの目標圧力として第１の上限圧力と第１の下限圧力とを設定する圧力設定手段（１１、Ｓ１）と、前記圧力調整手段（５）を制御して、前記圧力設定手段（１１、Ｓ１）により設定された第１の上限圧力と第１の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御手段（１１、Ｓ２）と、を有する燃料電池装置（１０）であって、前記アノード（１ｂ）に溜まった水溜り量を検出する水溜り量検出手段（Ｓ４１）を備え、前記水溜り量検出手段（Ｓ４１）により所定量以上の水溜り量が検出されると（Ｓ４２ＹＥＳ）、前記圧力設定手段（１１）は前記アノードガスの目標圧力として前記第１の上限圧力と前記第１の下限圧力より低い第２の下限圧力とを設定し、前記制御手段（１１）は前記第１の上限圧力と前記第２の下限圧力との間で圧力を振幅させる（Ｓ４５）ことを特徴とする。

本発明によれば、アノードに溜まった水溜り量が一定量を超えた場合に、供給するアノードガスの目標圧力の下限圧力を下げることで圧力の振幅（すなわち圧力差）を大きくしている。このように圧力差を大きくすることで、圧力差が小さい場合に比べてアノードに溜まった生成水を排出させるとともに生成水の排出性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の装置構成を示す図である。 コントローラの通常の制御ロジックを示すフローチャートである。 図２の制御ロジックを実行したときのタイムチャートである。 本実施形態に係るコントローラの制御ロジックの第１の例を示すフローチャートである。 図４の制御ロジックを実行した具体例に係るタイムチャートである。 図４の制御ロジックを実行した変形例に係るタイムチャートである。 本実施形態に係るコントローラの制御ロジックの第２の例を示すフローチャートである。 図７の制御ロジックを実行した具体例に係るタイムチャートである。 本実施形態に係るコントローラの制御ロジックの第３の例を示すフローチャートである。 図９の制御ロジックを実行した具体例に係るタイムチャートである。 本実施形態に係るコントローラの制御ロジックの第４の例を示すフローチャートである。 本実施形態に係るコントローラの制御ロジックの第５の例を示すフローチャートである。 窒素分圧差とリーク窒素量との関係を示す図である。 湿度及び温度とリーク窒素量との関係を示す図である。 燃料電池の詳細構成の一例を示す図である。 アノードチャンネルにおける流体の流れを説明する図である。 アノードチャンネルにおける水素濃度分布を説明する図である。 電解質膜における水素濃度分布を説明する図である。 燃料電池に８分割電極を設けた図である。 図１９の各電極と発生電流値との関係を示す図である。 昇圧時の燃料電池及びバッファタンクにおける水素ガスの圧力を説明する図である。 不活性ガスの排出に必要な圧力脈動幅と生成水の排出に必要な圧力脈動幅の例を示す図である。 不活性ガスの排出に必要な圧力脈動幅と生成水の排出に必要な圧力脈動幅との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（装置構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置１０の装置構成を示す図である。図１に示す燃料電池装置（燃料電池システム）１０は、燃料電池１、圧縮機２、加湿器３、高圧水素タンク４、圧力調整機構５、圧力検出センサ６、バッファタンク７、パージ弁８、排水機構９、コントローラ１１等を有する構成である。

燃料電池１は、電解質膜（固体高分子電解質膜）１ａをはさんでアノード極（水素極）１ｂとカソード極（酸素極）１ｃが対設された発電体である。アノード極１ｂには、高圧水素タンク４から水素ガスが供給される。カソード極１ｃには、圧縮機２、加湿器３から酸素ガスが供給される。各々の電極１ｂ、１ｃにおいて以下の式（１）、（２）に示す反応が生じることで燃料電池１は発電する。

圧縮機２は、空気を圧送し調圧する圧縮装置である。例えばコンプレッサやブロワ等である。この圧縮機２によって調圧された空気は空気供給流路２１を通って加湿器３に供給される。

加湿器３は、圧縮機２により調圧された空気を調湿、温調する。この加湿器３により調湿、温調された空気は、空気供給流路２１を通ってカソード極１ｃに供給される。このように、圧縮機２及び加湿器３はカソード極１ｃに酸素ガス（カソードガス）を供給する。

高圧水素タンク４は、高圧の水素ガス（アノードガス）を貯留する。この高圧水素タンク４に貯留された水素ガスは、水素供給流路２３を通ってアノード極１ｂに供給される。すなわち、この高圧水素タンク４はアノード極１ｂに水素ガスを供給する。

圧力調整機構５は、水素供給流路２３の途中に設けられ、高圧水素タンク４から供給された水素ガスの圧力を調整する。例えばレギュレータとシャット弁、ソレノイドコイル直動式の調整弁、又はインジェクタ等である。この圧力調整機構５が高圧水素タンク４から供給された水素ガスの圧力を変更することで、アノード極１ｂへの水素ガスの流入量を制御する。この圧力調整機構５の動作はコントローラ１１によって制御される。制御内容については後述する。

圧力検出センサ６は、圧力調整機構５とアノード極１ｂとの間に設けられ、アノード極１ｂに供給される水素ガスの圧力値を検出する。この圧力検出センサ６により検出された水素ガスの圧力値の情報は、コントローラ１１に送られる。

バッファタンク７は、アノード極１ｂの出口に設けられ、生成水を貯留する貯留部である。ここでいう生成水とは、カソード極１ｃにおいて上記式（２）の反応により生成した水や水蒸気ガスが電解質膜１ａを浸透、逆拡散してアノード極１ｂに流入したものである。この生成水がアノード極１ｂに存在すると、アノード極１ｂにおける水素ガスの移動を阻害して発電効率の低下や発電不能を引き起こすおそれがある。そのため、適切にこの生成水を排出する必要がある。このバッファタンク７の容積はアノード極１ｂの体積と同等又はその８割程度である。

パージ弁８は、バッファタンク７と空気排気流路２２とを連通するガス流路２５に設けられ、このガス流路２５を流れるガスの流量を制御する。ガス流路２５を流れるガスとは、アノード極１ｂから排出される窒素ガス等の不活性ガスを含んだアノードオフガスである。ここでいう不活性ガスとは、カソード極１ｃに供給される空気中に含まれる窒素ガス等のガスであって電解質膜１ａを透過（クロスリーク）してアノード極１ｂに流入したものである。この不活性ガスがアノード極１ｂに存在すると、前述の生成水と同様にアノード極１ｂにおける水素ガスの移動を阻害して発電効率の低下や発電不能を引き起こすおそれがある。そのため、適切にこの不活性ガスを排出する必要がある。このパージ弁８は、連続的又は断続的に開度を調整することでガス流路２５を流れるガスの流量を調整可能である。このパージ弁８の動作はコントローラ１１によって制御される。制御内容については後述する。

排水機構９は、バッファタンク７と外部（不図示）とを連通する排水流路２６に設けられ、バッファタンク７に蓄えられた生成水を排出する機構である。この排水機構９の動作はコントローラ１１によって制御される。制御内容については後述する。

コントローラ１１は、各種制御を実行する、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されたコントロールユニットである。このコントローラ１１は、外部から発電要求を受け取ると、圧力調整機構５、パージ弁８、排水機構９の動作を制御する。制御内容については後述する。

以上、図１を用いて本実施形態に係る燃料電池装置１０について説明してきた。このように本実施形態に係る燃料電池装置１０は、循環系を組み込まずにアノード極１ｂに水素ガスを使用量だけ供給するアノードデッドエンド方式（閉塞系、行き止まり式）の燃料電池システムである。なお、この燃料電池装置１０についての補足説明を図１３から図２０を用いて後述する。

（通常時の制御ロジック）
図２は、コントローラ１１の通常時の制御ロジックを示すフローチャートである。図２に示す制御ロジックを実行する前提として、コントローラ１１は、外部から受け取った発電要求に係る要求発電量に基づいてアノード極１ｂに供給する水素ガスの目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを予め算出しているものとする。

まず、目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定する（Ｓ１）。ここではコントローラ１１は、上記の算出した上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを、アノード極１ｂに供給する水素ガスの目標圧力として設定する。

続いて、ステップＳ２へ進んで上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で脈動制御する（Ｓ２）。ここではコントローラ１１は、ステップＳ１で設定された上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力を振幅（脈動）させるよう圧力調整機構５を制御する。

ステップＳ２の処理を具体的に説明する。図３は、図２の制御ロジックを実行したときのタイムチャートである。図３では、横軸に時間を、縦軸に圧力検出センサ６により検出される圧力値を示している。

図３に示すように、圧力値が上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間を振幅する。特に時刻Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５のように圧力値が上限圧力Ｐ１に達すると、その後下限圧力Ｐ２に達するまで減圧する。具体的には、圧力検出センサ６により検出される圧力値が上限圧力Ｐ１に達すると、コントローラ１１は圧力調整機構５を閉じることで水素ガスの供給を停止する。そうすると、既に供給された水素ガスの消費によって燃料電池１及びバッファタンク７の圧力が減圧する。

一方、時刻Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６のように圧力値が下限圧力Ｐ２に達すると、その後上限圧力Ｐ１に達するまで昇圧する。具体的には、圧力検出センサ６により検出される圧力値が下限圧力Ｐ２に達すると、コントローラ１１は圧力調整機構５を開くことで水素ガスの供給を開始する。そうすると、既にアノード極１ｂに供給されていた低濃度の水素ガスが燃料電池１からバッファタンク７へと押し出され、新たに供給される高濃度の水素ガスがアノード極１ｂに攪拌される。これにより、燃料電池１の圧力は昇圧する。

以上、図２及び図３を用いてコントローラ１１の通常時の制御ロジックについて説明してきた。このようにコントローラ１１は、燃料電池１に対する要求発電量に応じて水素ガスの目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定するとともに、設定された上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力を振幅させるよう圧力調整機構５を制御している。このように圧力を脈動させて水素ガスを供給することで、アノード極１ｂにおける水素分圧を確保しつつ発電を制御している。

なお、上限圧力Ｐ１及び下限圧力Ｐ２について補足する。上限圧力Ｐ１とは、アノード極１ｂに発電に十分な水素濃度が確保されて水素濃度が高い状態を示す圧力値を示す。下限圧力Ｐ２とは、アノード極１ｂに発電に十分な水素濃度が確保されずに水素濃度が低く、水素ガスの供給に際する圧力を高くして圧力上昇速度を極力速めることが望ましい状態を示す圧力値を示す。

また、上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２に達するまでの時間（Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ４、Ｔ５〜Ｔ６）は数秒（１から１０秒）である。また、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１に達するまでの時間（Ｔ２〜Ｔ３、Ｔ４〜Ｔ５）は例えば０．１〜０．５秒程度である。なお、これらの時間は、上限圧力Ｐ１や下限圧力Ｐ２の圧力値やアノード極１ｂにおける水素ガスの消費速度（引き出す負荷電流値）に応じて変化する。

（本実施形態に係る制御ロジックの第１の例について）
図４は、本実施形態に係るコントローラ１１の制御ロジックの第１の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ４８）、アノード極１ｂの水溜り量が所定量よりも大きくなったときに制御態様を切り替える（Ｓ４２からＳ４７）。なお、図４に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実行される。

まず、ステップＳ４１において水溜り量を検出する（Ｓ４１）。ここではコントローラ１１は、生成水量がほぼ電流負荷に比例する特性を用いて、電流負荷の積算で推定することでアノード極１ｂの水溜り量を検出する。

ステップＳ４２へ進んで、水溜り量が所定量よりも大きいか否かを判定する（Ｓ４２）。ここではコントローラ１１は、生成水量の積算値等から予め求められる、生成水を排出することが望ましい程度の所定の閾量よりも大きいか否かを判定する。水溜り量が所定量よりも大きいときには（Ｓ４２ＹＥＳ）、ステップＳ４３へ進む。水溜り量が所定量よりも小さいときには（Ｓ４２ＮＯ）、ステップＳ４８へ進む。

ステップＳ４３へ進むと、水排出に必要な圧力差ＰΔを演算する（Ｓ４３）。ここではコントローラ１１は、生成水の排出に必要な圧力差ＰΔを演算する。この圧力差ＰΔは、生成水量の積算値又は負荷による水溜り量より予め実験的に求められる。

続いてステップＳ４４へ進んで、上限圧力Ｐ１から圧力差ＰΔを除算することで水排出下限圧力Ｐ３を算出する（Ｓ４４）。ここではコントローラ１１は、水排出下限圧力Ｐ３（生成水の排出に必要な下限圧力）を算出する。

続いてステップＳ４５へ進んで、図２のステップＳ１及びＳ２に係る制御を、目標圧力として上限圧力Ｐ１とステップＳ４４で算出された水排出下限圧力Ｐ３とを設定して実行する（Ｓ４５）。ここではコントローラ１１は、水素ガスの目標圧力として上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３とを設定するとともに、設定された上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３との間で圧力を振幅させるよう圧力調整機構５を制御する。これにより、圧力を脈動させつつ下限圧力Ｐ２よりも低い水排出下限圧力Ｐ３まで減圧する。

続いてステップＳ４６へ進んで、現在の圧力が水排出下限圧力Ｐ３よりも小さいか否かを判定する（Ｓ４６）。ここではコントローラ１１は、圧力検出センサ６により検出される現在の圧力とステップＳ４４で算出した水排出下限圧力Ｐ３とを比較する。現在の圧力が水排出下限圧力Ｐ３よりも小さいときには（Ｓ４６ＹＥＳ）、ステップＳ４７へ進んで上限圧力Ｐ１まで昇圧する。現在の圧力が水排出下限圧力Ｐ３よりも大きいときには（Ｓ４６ＮＯ）、ステップＳ４１へ戻って処理を繰り返す。

ステップＳ４８へ進んだときには、図２のステップＳ１及びＳ２に係る制御を、目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定して実行する（Ｓ４８）。

以上で示される処理により第１の例に係るコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ４８）、アノード極１ｂの水溜り量が所定量よりも大きくなったときには、水素ガスの目標圧力として上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３とを設定して、設定された上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３との間で圧力を振幅させる制御態様に切り替えている（Ｓ４２からＳ４７）。

図４の処理の具体例を説明する。図５は、図４の制御ロジックを実行した具体例に係るタイムチャートである。図５（ａ）では、横軸に時間を、縦軸に圧力検出センサ６により検出される圧力値を示している。図５（ｂ）では、横軸に時間を、縦軸に水溜り量を示している。

なお、以下ではフローチャートとの対応が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号にＳを付して記載する（以降、タイムチャートの説明では同様）。

時刻Ｔ０からＴ１及びＴ３以降では、図５（ｂ）に示すように水溜り量が所定量より小さい（Ｓ４２ＮＯ）。そのため、図５（ａ）に示すように上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間を振幅Ｘで脈動する（Ｓ４８）。この振幅Ｘは、通常時に不活性ガスを排出するのに必要な圧力脈動幅を示す。一方、時刻Ｔ１では、水溜り量が所定量より大きい（Ｓ４２ＹＥＳ）。そのため、図５（ａ）の時刻Ｔ１からＴ３では、上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３との間を振幅Ｙで脈動する（Ｓ４５）。この振幅Ｙは、生成水を排出するのに必要な圧力脈動幅（上記のＰΔに相当）を示す。なお、時刻Ｔ２において圧力値が水排出下限圧力Ｐ３に達すると（Ｓ４６ＹＥＳ）、その後時刻Ｔ２からＴ３では圧力値を上限圧力Ｐ１まで昇圧させている（Ｓ４７）。

続いて、図４の処理の変形例を説明する。図６は、図４の制御ロジックを実行した変形例に係るタイムチャートである。図６（ａ）では、横軸に時間を、縦軸に圧力検出センサ６により検出される圧力値を示している。図６（ｂ）では、横軸に時間を、縦軸に水溜り量を示している。

時刻Ｔ０からＴ１及びＴ３以降では、図６（ｂ）に示すように水溜り量が所定量より小さい（Ｓ４２ＮＯ）。そのため、図６（ａ）に示すように上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間を振幅Ｘで脈動する（Ｓ４８）。この振幅Ｘは、通常時に不活性ガスを排出するのに必要な圧力脈動幅を示す。一方、時刻Ｔ１では、水溜り量が所定量より大きい（Ｓ４２ＹＥＳ）。そのため、図６（ａ）の時刻Ｔ１からＴ３に示すように上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３との間を脈動する（Ｓ４５）。ただし前述の具体例（図５参照）と異なり、時刻Ｔ１からＴ２の区間における脈動の振幅は振幅Ｘである（前述の具体例では振幅Ｙ）。すなわち、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力を振幅させる制御態様から上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３との間で圧力を振幅させる制御態様へ移行する際に、振幅Ｘを保った状態で、圧力の振幅に係る下限圧力を下限圧力Ｐ２から徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る上限圧力を上限圧力Ｐ１から徐々に下げている。なお、時刻Ｔ２において圧力値が水排出下限圧力Ｐ３に達すると（Ｓ４６ＹＥＳ）、その後時刻Ｔ２からＴ３では圧力値を上限圧力Ｐ１まで昇圧させている（Ｓ４７）。

（第１の例に係る燃料電池装置１０による作用効果）
以上、第１の例に係るコントローラ１１の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ１１を備えた燃料電池装置１０によれば、以下のような作用効果がある。

第１の作用効果は、水溜り量が一定量を超えた場合に、供給する水素ガスの目標圧力の下限圧力Ｐ２を水排出下限圧力Ｐ３に切り替えて上限圧力Ｐ１との圧力差（又は圧力比率）を大きくすることで、圧力差が小さい場合に比べて燃料電池１における水素ガスの入れ替え量を多くすることができることである。また、アノード極１ｂやバッファタンク７に溜まった生成水をアノード極１ｂから排出させるとともに生成水の排出性能を向上させることができる。

第２の作用効果は、図６の変形例のように圧力の振幅に係る上限圧力を上限圧力Ｐ１から下げることで、脈動に係る昇圧量や減圧量を小さくして減圧に要する時間や下限圧力が排水下限圧力Ｐ３に達するまでの時間を短縮できることである。これにより、図５の具体例に比べて生成水の排出性能を向上させることができる。

（本実施形態に係る制御ロジックの第２の例について）
図７は、本実施形態に係るコントローラ１１の制御ロジックの第２の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ７７）、フラッディングを検出したときに制御態様を切り替える（Ｓ７２からＳ７６）。なお、図７に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実行される。

まず、ステップＳ７１においてフラッディングが生じたか否かを検出する（Ｓ７１）。ここではコントローラ１１は、セル電圧（アノード極１ｂとカソード極１ｃとの電位差）を計測してセル電圧が所定の閾圧よりも低いときにフラッディングが生じたと推定する等によりフラッディングが生じたか否かを判断する。フラッディングが生じたときには（Ｓ７１ＹＥＳ）、ステップＳ７２へ進む。フラッディングが生じていないときには（Ｓ７１ＮＯ）、ステップＳ７７へ進む。

ステップＳ７２へ進むと、現在の圧力が許容上限圧力Ｐmaxよりも小さいか否かを判定する（Ｓ７２）。ここではコントローラ１１は、圧力検出センサ６により検出される現在の圧力と許容上限圧力Ｐmaxとを比較する。許容上限圧力Ｐmaxとは、燃料電池１の電解質膜１ａの耐久圧又はカソード極１ｃの側の圧力との差圧を考慮して決定される値である。現在の圧力が許容上限圧力Ｐmaxよりも小さいときには（Ｓ７２ＹＥＳ）、ステップＳ７４へ進む。現在の圧力が許容上限圧力Ｐmaxよりも大きいときには（Ｓ７２ＮＯ）、ステップＳ７３へ進んで、許容上限圧力Ｐmaxまで昇圧する（Ｓ７３）。その後ステップＳ７４へ進む。

ステップＳ７４へ進むと、脈動制御を実行するとともに許容下限圧力Ｐminに達するまで減圧する（Ｓ７４）。ここではコントローラ１１は、図６の時刻Ｔ１からＴ２のような脈動制御を実行するとともに許容下限圧力Ｐminに達するまで減圧する。許容下限圧力Ｐminとは、燃料電池１の電解質膜１ａの耐久圧又はカソード極１ｃの側の圧力との差圧を考慮して決定される値である。

続いてステップＳ７５へ進んで、許容下限圧力Ｐminに達したか否かを判定する（Ｓ７５）。ここではコントローラ１１は、圧力検出センサ６により検出される現在の圧力と許容下限圧力Ｐminとを比較する。許容下限圧力Ｐminに達したときには（Ｓ７５ＹＥＳ）、ステップＳ７６へ進んで上限圧力Ｐ１まで昇圧する（Ｓ７６）。許容下限圧力Ｐminに達していないときには（Ｓ７５ＮＯ）、ステップＳ７４へ戻って処理を繰り返す。

ステップＳ７７へ進んだときには、図２のステップＳ１及びＳ２に係る制御を、目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定して実行する（Ｓ７７）。

以上で示される動作により第２の例に係るコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ７７）、フラッディングを検出したときには、許容上限圧力Ｐmaxまで昇圧させて、その後許容上限圧力Ｐmaxと許容下限圧力Ｐminとの間で圧力を振幅させる制御態様に切り替えている（Ｓ７２からＳ７６）。

図７の処理の具体例を説明する。図８は、図７の制御ロジックを実行した具体例に係るタイムチャートである。図８（ａ）では、横軸に時間を、縦軸に圧力検出センサ６により検出される圧力値を示している。図８（ｂ）では、横軸に時間を、縦軸に水溜り量を示している。図８（ｃ）では、横軸に時間を、縦軸にセル電圧を示している。

時刻Ｔ０からＴ１では、図８（ｃ）に示すようにセル電圧が所定圧よりも大きいすなわちフラッディングは検出されない（Ｓ７１ＮＯ）。そのため、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２（又は水排出下限圧力Ｐ３）との間を脈動する。一方、時刻Ｔ１では、図８（ｃ）に示すようにセル電圧が所定圧よりも小さいすなわちフラッディングが検出されている（Ｓ７１ＹＥＳ）。そのため、時刻Ｔ１までは図８（ａ）に示すように圧力が減圧中であるが、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２において圧力を許容上限圧力Ｐmaxまで昇圧させている（Ｓ７３）。その後時刻Ｔ２から時刻Ｔ３では、図８（ａ）に示すように許容上限圧力Ｐmaxと許容下限圧力Ｐminとの間を振幅Ｘで脈動する（Ｓ７４）。すなわち、上限圧力Ｐ１と水排出下限圧力Ｐ３との間で圧力を振幅させる制御態様から許容上限圧力Ｐmaxと許容下限圧力Ｐminとの間で圧力を振幅させる制御態様へ移行する際に、振幅Ｘを保った状態で、圧力の振幅に係る上限圧力を許容下限圧力Ｐmaxから徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る下限圧力を徐々に下げている。なお、時刻Ｔ３において圧力値が許容下限圧力Ｐminに達すると（Ｓ７５ＹＥＳ）、その後時刻Ｔ３以降では上限圧力Ｐ１まで振幅Ｚで昇圧させている（Ｓ７６）。

（第２の例に係る燃料電池装置１０による作用効果）
以上、第２の例に係るコントローラ１１の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ１１を備えた燃料電池装置１０によれば、以下のような作用効果がある。

第１の作用効果は、フラッディングを検出したときに許容上限圧力Ｐmaxまで短時間で即座に昇圧させているが、かかる昇圧は減圧に比べて短時間で実行可能であるため、一時的に生成水を排出できることである。

第２の作用効果は、脈動に係る圧力差が大きくなるので、一時的に生成水を排出できることである。通常時の圧力差は上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２の差で示される一方、この第２の例に係る圧力差は許容上限圧力Ｐmaxと許容下限圧力Ｐminの差で示されるため、脈動に係る圧力差が大きくなっている。

第３の作用効果は、上限圧力Ｐ１が許容上限圧力Ｐmaxと等しいときには、脈動制御の中で下限圧力を許容下限圧力Ｐminまで減圧することで圧力差を大きくすることが可能となるので、燃料電池１における水素ガスの入れ替え量を多くすることができるとともに十分な圧力差を確保することができることである。

第４の作用効果は、図８の時刻Ｔ３以降においてフラッディングを検出しなくなったすなわちフラッディングが解消したと判定したときには、水素ガスの目標圧力の下限圧力を下限圧力Ｐ２に設定することで、過度のガスの排出を防止できることである。

（本実施形態に係る制御ロジックの第３の例について）
図９は、本実施形態に係るコントローラ１１の制御ロジックの第３の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ９５）、アノード極１ｂの水溜り量が所定量よりも大きくなったとき又はフラッディングを検出したときに制御態様を切り替える（Ｓ９４）。なお、図９に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実行される。

まず、ステップＳ９１において水溜り量を検出する（Ｓ９１）。ここではコントローラ１１は、水の生成量がほぼ電流負荷に比例する特性を用いて、電流負荷の積算で推定することでアノード極１ｂの水溜り量を検出する。

ステップＳ９２へ進んで、水溜り量が所定量よりも大きいか否かを判定する（Ｓ９２）。ここではコントローラ１１は、生成水量の積算値等から予め求められる、生成水を排出することが望ましい程度の所定の閾量よりも大きいか否かを判定する。水溜り量が所定量よりも大きいときには（Ｓ９２ＹＥＳ）、ステップＳ９４へ進む。水溜り量が所定量よりも小さいときには（Ｓ９２ＮＯ）、ステップＳ９３へ進む。

ステップＳ９３に進むと、フラッディングが生じたか否かを検出する（Ｓ９３）。ここではコントローラ１１は、セル電圧を計測してセル電圧が所定の閾圧よりも低いときにフラッディングが生じたと推定する等によりフラッディングが生じたか否かを判断する。フラッディングが生じたときには（Ｓ９３ＹＥＳ）、ステップＳ９４へ進む。フラッディングが生じていないときには（Ｓ９３ＮＯ）、ステップＳ９５へ進む。

ステップＳ９４に進むと、昇圧時間を速める（Ｓ９４）。ここではコントローラ１１は、ステップＳ９５と同様の制御において下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１まで昇圧させる際の昇圧時間を速める。

ステップＳ９５へ進んだときには、図２のステップＳ１及びＳ２に係る制御を、目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定して実行する（Ｓ９５）。

以上で示される動作により第３の例に係るコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ９５）、水溜り量が所定量よりも大きくなったとき又はフラッディングを検出したときに圧力を昇圧させる際の昇圧時間を短くする制御態様に切り替える（Ｓ９４）。

図９の処理の具体例を説明する。図１０は、図９の制御ロジックを実行した具体例に係るタイムチャートである。図１０（ａ）では、横軸に時間を、縦軸に圧力検出センサ６により検出される圧力値を示している。図１０（ｂ）では、横軸に時間を、縦軸に圧力調整機構５の一例である調整弁の開度を示している。

時刻Ｔ０からＴ２及びＴ４以降では、水溜り量が所定量より小さい且つフラッディングが発生していないものとする（Ｓ９２ＮＯ且つＳ９３ＮＯ）。そのため、図１０（ａ）に示すように上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間を脈動する（Ｓ９５）。一方、時刻Ｔ２からＴ４では、水溜り量が所定量より大きい又はフラッディングが発生しているものとする（Ｓ９２ＹＥＳ又はＳ９３ＹＥＳ）。そのため、図１０（ａ）の時刻Ｔ２からＴ３に示すように昇圧時間を短縮する（Ｓ９４）。また、図１０（ｂ）に示すように圧力調整機構５の開度を一時的に上昇させている。

（第３の例に係る燃料電池装置１０による作用効果）
以上、第３の例に係るコントローラ１１の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ１１を備えた燃料電池装置１０によれば、以下のような作用効果がある。

その作用効果は、ステップＳ９４の処理により通常時よりも圧力調整機構５の開度を大きくすることで昇圧時間を短縮しているので、生成水を排出しやすくできることである。また、原則的にはステップＳ９５の処理により安全な速度で昇圧させることで目標圧力に対してオーバーシュートしてしまうのを防いでいるが、一時的に昇圧時間を短縮させることで生成水の排出を優先して実施することができる。

（本実施形態に係る制御ロジックの第４の例について）
図１１は、本実施形態に係るコントローラ１１の制御ロジックの第４の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ９５）、水溜り量が所定量よりも大きくなったとき又はフラッディングを検出したときに制御態様を切り替える（Ｓ１１４）。なお、図１１に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実行される。また、以下では前述の第３の例（図９）と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

ステップＳ１１４へ進むと、減圧時に、パージ弁８を開く又は排水機構９により排水する（Ｓ１１４）。ここではコントローラ１１は、ステップＳ９５と同様の制御において上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２まで減圧させる際のパージ弁８を開くことで排出されるガスの流量を増やしたり、又は、排水機構９を機能させる（排水機構９が弁機構であれば弁を開く）ことでバッファタンク７に溜まった生成水を排出したりする。

以上で示される動作により第４の例に係るコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ９５）、水溜り量が所定量よりも大きくなったとき又はフラッディングを検出したときには、減圧時にパージ弁８を開く又は排水機構９により排水する制御態様に切り替える（Ｓ１１４）。

（第４の例に係る燃料電池装置１０による作用効果）
以上、第４の例に係るコントローラ１１の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ１１を備えた燃料電池装置１０によれば、以下のような作用効果がある。

その作用効果は、減圧時に、パージ弁８を開くことでアノードガスを排出するか、又は、排水機構９を機能させることでバッファタンク７に溜まった生成水を排出することで、アノード極１ｂの容積を大きくすることや圧力降下速度を速めるつまり減圧に要する時間を短縮できることである。脈動制御時にアノード極１ｂにおける水素ガスの消費速度が遅い且つ圧力の下がり方が小さい場合には、一回圧力を昇圧させたあとに脈動制御がしばらくできなくなるおそれがある。そこで、この第４の例に係る制御ロジックのように圧力を上げた後はアノード極１ｂにおける圧力を積極的にさげているので、不活性ガスを排出するための脈動制御や、次回に液水を排出する際の脈動制御への干渉を防止できる。

なお、アイドルストップからの復帰時などに生成水を排出するために脈動制御を実行する場合には、パージ弁８を閉じることで、アノード極１ｂに透過してくる窒素ガスを利用してガス密度を大きくして運動エネルギーを増加して水排出をしやすくすることもできる。

（本実施形態に係る制御ロジックの第５の例について）
図１２は、本実施形態に係るコントローラ１１の制御ロジックの第５の例を示すフローチャートである。ここではコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ１２３）、フラッディングを検出したときに制御態様を切り替える（Ｓ１２２）。なお、図１２に示す制御ロジックは、通常運転中に定期的（例えば１０ｍｓ毎）に実行される。また、図１には図示していないが、この第５の例に係る燃料電池装置１０は、燃料電池１を冷却する冷却装置としての冷却水ポンプを備えている。

まず、ステップＳ１２１においてフラッディングが生じたか否かを検出する（Ｓ１２１）。ここではコントローラ１１は、セル電圧を計測してセル電圧が所定の閾圧よりも低いときにフラッディングが生じたと推定する等によりフラッディングが生じたか否かを判断する。フラッディングが生じたときには（Ｓ１２１ＹＥＳ）、ステップＳ１２２へ進む。フラッディングが生じていないときには（Ｓ１２１ＮＯ）、ステップＳ１２３へ進む。

ステップＳ１２２へ進むと、冷却水ポンプを停止又は冷却水ポンプの作動に係る回転速度を低減する（Ｓ１２２）。ここではコントローラ１１は、冷却水ポンプを停止又は冷却水ポンプの運転を低減させる。

ステップＳ１２３へ進んだときには、図２のステップＳ１及びＳ２に係る制御を、目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定して実行する（Ｓ１２３）。

以上で示される動作により第５の例に係るコントローラ１１は、原則的に図２の通常時の制御ロジックを実行するとともに（Ｓ１２２）、フラッディングを検出したときに冷却水ポンプを停止又は冷却水ポンプの運転を低減させる制御態様に切り替える（Ｓ１２３）。

（第５の例に係る燃料電池装置１０による作用効果）
以上、第５の例に係るコントローラ１１の制御ロジックについて説明してきた。このようなコントローラ１１を備えた燃料電池装置１０によれば、以下のような作用効果がある。

その作用効果とは、フラッディングを検出したときに、燃料電池１を冷却する冷却装置を停止又は作動に係る回転速度を低減することで、燃料電池１の温度を高くして飽和水蒸気量を増加させて水を排出することができることである。これに伴い、フラッディングを緩和させることもできる。

以上、第１の例から第５の例を用いて本発明の一実施形態について説明してきた。以下、本発明の解決しようとする課題の補足と本実施形態に係る燃料電池装置１０の補足について順に説明する。

（本発明の解決しようとする課題の補足）
図１を用いて本実施形態に係るアノードデッドエンド方式の燃料電池装置１０について前述した。このアノードデッドエンド方式の燃料電池装置１０は、アノード極１ｂに水素ガスを使用量だけ供給すればよい点で理想的である。しかしながら、実際にはカソード極１ｃから電解質膜１ａを介してアノード極１ｂに流入してきた水、窒素ガス等によってアノード極１ｂにおける水素ガスの上記式（１）の反応が阻害される。

この反応阻害要因の一つである水は、カソード極１ｃにおいて上記式（２）の反応により生成したのちに電解質膜１ａを浸透、逆拡散してアノード極１ｂに流入するものである。一方、窒素ガスは、カソード極１ｃに供給される空気中に含まれており、電解質膜１ａを透過（クロスリーク）してアノード極１ｂに流入してくるものである（図１３、図１４参照）。

図１３は、窒素分圧差と流入窒素量との関係を示す図である。図１４は、湿度及び温度と流入窒素量との関係を示す図である。図１３及び図１４に示すように、窒素分圧差、湿度、温度が高いほどアノード極１ｂへの流入窒素量（リーク窒素量）は多くなる関係にある。この窒素ガスがアノード極１ｂに多く存在する程、アノード極１ｂにおける水素ガスの移動を阻害して発電効率の低下や発電不能を引き起こすおそれがある。

図１５は、燃料電池１の詳細構成の一例を示す図である。図１５（ａ）に示す燃料電池１は、電解質膜１ａ（固体高分子膜触媒拡散層接合体（ＭＥＡ））をはさんでアノード極（複数のアノードチャンネル）１ｂとカソード極（複数のカソードチャンネル）１ｃが対設されている。図１５（ｂ）では、１本のアノードチャンネル１ｂの断面を示している。

図１５（ｂ）に示すアノードチャンネル１ｂでは、図中左側のアノード入口から水素が供給される。また、図中右側の出口は閉塞している。図中下側の面は電気化学反応が生じる触媒層としての電解質膜１ａである。

電解質膜１ａにおいて均一に水素ガスが消費されるとともに窒素ガスが発生すると仮定する。このとき、アノードチャンネル１ｂに初期設定として水素ガスの窒素ガスとを所定の割合で混合させた上で、ある過度変化における状態の流体計算を実行する。そうすると、アノードチャンネル１ｂにおける流体の流れ、水素濃度分布及び電解質膜１ａにおける水素濃度分布は図１６から図１８のようになる。

図１６は、アノードチャンネル１ｂにおける流体の流れを説明する図である。図１７は、アノードチャンネル１ｂにおける水素濃度分布を説明する図である。図１８は、電解質膜１ａにおける水素濃度分布を説明する図である。

図１６に示すように、アノードチャンネル１ｂの出口側に向かうほどチャンネル高さの低いほうに向かって水素ガスや窒素ガス等の流体が流れる。また、図１７及び図１８に示すように、アノードチャンネル１ｂの出口側に向かうほど、アノードチャンネル１ｂ及び電解質膜１ａにおける水素濃度が低くなる。すなわち、アノードチャンネル１ｂの出口側であるほど水素濃度の低下によって発電能力が低下する。なお、燃料電池１に８分割電極を設けた装置（図１９参照）で検証した場合にも同様に、アノードチャンネル１ｂの出口側であるほど発電能力が低下する（図２０参照）。図１９は、燃料電池１に８分割電極を設けた図である。図２０は、図１９の各電極と発生電流値との関係を示す図である。

そこで、カソード極１ｃに空気ではなく純酸素を導入することで、アノード極１ｂへの窒素ガスの流入を防ぐことも考えられる。しかしながら、この場合にはカソード極１ｃにおいて生成した水や水蒸気ガスがアノード極１ｂに流入することで、アノード極１ｂから電解質膜１ａへの水素ガスの供給が妨げられる。以上のことからも、これら水、窒素ガス等を適切に排出する必要がある。

（本実施形態に係る燃料電池装置１０の補足）
図２及び図３を用いてコントローラ１１の通常時の制御ロジックについて前述した。かかるコントローラ１１は、燃料電池１に対する要求発電量に応じて水素ガスの目標圧力として上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とを設定するとともに、設定された上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力を振幅させるよう圧力調整機構５を制御している。

特に下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１に昇圧させることで、既にアノード極１ｂに供給されていた低濃度の水素ガスを燃料電池１からバッファタンク７へと押し出し、新たに供給される高濃度の水素ガスをアノード極１ｂに攪拌している。

図２１は、昇圧時の燃料電池１及びバッファタンク７における水素ガスの圧力を説明する図である。バッファタンク７の容積を燃料電池１のアノード系体積と同じにするとともに上限圧力Ｐ１を200kPa(abs)、下限圧力Ｐ２を150kPa(abs)としたとき、圧力比Ｐ１／Ｐ２は1.33である。この場合には図２１の下図のようにアノード系（燃料電池１とバッファタンク７）のうち１／４程度新しい水素ガスが流入することができる。

燃料電池１における水素ガスの消費速度が速いような場合には、極力水素濃度を低く抑えたい。一方で、燃料電池１における発電を安定に行うためにはある一定以上の濃度、例えば75％以上が必要である。そのため、水素分圧を確保するためにも、圧力は上限圧力P1で運転する時間が長い方が効率的である。

パージ弁８が、このような水素濃度の調整を実現する。パージ弁８は、圧力脈動による燃料ガス供給を妨げない程度の微小流量を連続的、あるいは間欠的に排出させる。ここで排出されるガス流量は微小流量である。そのため、空気排気流路２２を流れる排気により希釈され安全に系外へ排出される。

パージ弁８は、アノード系から反応阻害要因である窒素ガスや水蒸気ガスを排出したい。しかしながら、燃料ガスも混在しているため、極力この燃料ガスは排出せずに他の不活性ガスを排出したい。

これを実現するために、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へ昇圧する過程で、低濃度の水素ガスをバッファタンク７へ押し込むときのみにパージ弁８を開く。すなわち、圧力調整機構５が開くと同時にパージ弁８を開き、圧力が上限圧力Ｐ１に達したところでパージ弁８を閉じる。これにより、高濃度の水素ガスがパージ弁８に到達する前に、低濃度の水素ガスのみを排出できる。したがって、効率よく不活性ガスを多く排出することができる。

なお、パージ弁８を閉じるタイミングは以下の方法で最適化することが好ましい。すなわち、高濃度の水素ガスと低濃度の水素ガスの境目が燃料電池１とバッファタンク７との間に位置したときにパージ弁８を閉じるよう制御する方法である。そのためには、水素ガスの拡散速度等に基づいて上記の境目が燃料電池１とバッファタンク７との間の位置に達するまでの時間を予め計算などで予測する方法が考えられる。なお、脈動して水素ガスを供給する毎ではなく水素ガスの濃度が所定値より小さくなったときにのみパージ弁８を閉じるよう制御する方法を用いてもよい。

ところで、アノード極１ｂに溜まった生成水も排出する必要がある。この場合、生成水は窒素ガス等の不活性ガスに比べて上記式（１）の反応を阻害するまでの時間が長い。そのため、脈動して水素ガスを供給する毎ではなく数回の供給のうちの１回又は一定時間毎に排出することが好ましい。また、生成水は燃料電池１から排出されればよい。そのため、生成水の流速を上昇させるべく脈動制御に係る圧力の振幅を100kPa程度にすることで生成水を燃料電池１からバッファタンク７に排出することが好ましい。

また、上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２については電流負荷により可変とするのに加えて、以下のように設定してもよい。

第１には、アノード極１ｂとカソード極１ｃとの間の差圧の許容圧力に応じて上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２を設定（制限）することである。第２には、アノード極１ｂに蓄積された窒素ガスを排出するためにパージ弁８を開閉する燃料電池装置１０においては、パージ弁８の開閉による不活性ガスの排出を確実に行うための最低圧力を確保しながら設定（制限）することである。第３には、アノード極１ｂにおける窒素濃度が高いときには上限圧力Ｐ１の圧力値を積極的に上昇させ、アノード極１ｂの水溜り量が多い（又は多いと推定される）ときには下限圧力Ｐ２の圧力値を積極的に下降させることである。アノード極１ｂに供給される水素ガスの圧力を下げることで、実際に生成水が溜まったと判定したときに生成水を確実に排出できる。第４には、上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２の圧力比Ｐ１／Ｐ２を一時的に大きくする手段を設け、燃料電池１の水溜り量が多い（又は多いと推定される）ときにはこの手段によって圧力比Ｐ１／Ｐ２を一時的に大きくすることである（図２２参照）。図２２は、不活性ガスの排出に必要な圧力脈動幅と生成水の排出に必要な圧力脈動幅の例を示す図である。振幅Ｘは、通常時に不活性ガスを排出するのに必要な圧力脈動幅を示す。振幅Ｙは、生成水が一定量以上であると推定したときに生成水を排出するのに必要な圧力脈動幅を示す。これは、不活性ガスを排出するのに必要な圧力脈動幅と生成水を排出するのに必要な圧力脈動幅とが、図２３に示すような関係になることに注目したものである。図２３は、不活性ガスの排出に必要な圧力脈動幅と生成水の排出に必要な圧力脈動幅との関係を示す図である。

（まとめ）
以上のように、本実施形態によれば、アノード極１ｂに溜まった水溜り量が一定量を超えたときに、供給するアノードガスの目標圧力の下限圧力を下げることで圧力の振幅（すなわち圧力差）を大きくしている。このように圧力差を大きくすることで、圧力差が小さい場合に比べてアノードに溜まった生成水を排出させるとともに生成水の排出性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、フラッディングを検出したときに、供給するアノードガスの目標圧力の下限圧力を下げることで圧力の振幅（すなわち圧力差）を大きくしている。このように圧力差を大きくすることで、圧力差が小さい場合に比べてアノードに溜まった生成水を排出させるとともに生成水の排出性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、脈動制御において圧力の振幅に係る上限圧力を上限圧力Ｐ１から下げることで、脈動に係る昇圧量や減圧量を小さくして減圧に要する時間や下限圧力が排水下限圧力Ｐ３に達するまでの時間を短縮できることである。これにより、生成水の排出性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、フラッディングを検出したときに、圧力を減圧中であっても昇圧させている。かかる昇圧は減圧に比べて短時間で実行可能であるため、一時的に生成水を排出することで生成水の排出性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、フラッディングを検出したときに、脈動に係る圧力差を大きくしているので、一時的に生成水を排出することで生成水の排出性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、脈動制御において圧力の振幅に係る上限圧力を許容上限圧力Ｐmaxまで一旦上げた後に徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る下限圧力を許容下限圧力Ｐminに達するまで徐々に下げることで、脈動に係る昇圧量や減圧量を小さくして減圧に要する時間や下限圧力が許容下限圧力Ｐminに達するまでの時間を短縮できることである。これにより、生成水の排出性能を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、アノード極１ｂに溜まった水溜り量が一定量を超えたとき又はフラッディングを検出したときに、通常時よりも圧力調整機構５の開度を大きくすることで昇圧時間を短縮しているので、生成水を排出しやすくできる。

また、本実施形態によれば、アノード極１ｂに溜まった水溜り量が一定量を超えたとき又はフラッディングを検出したときに、減圧時に、パージ弁８を開くことでアノードガスを排出するか、又は、排水機構９を機能させることでバッファタンク７に溜まった生成水を排出することで、アノード極１ｂの容積を大きくすることや圧力降下速度を速めるつまり減圧に要する時間を短縮できる。

また、本実施形態によれば、フラッディングを検出したときに、燃料電池１を冷却する冷却装置を停止又は作動に係る回転速度を低減することで、燃料電池１の温度を高くして飽和水蒸気量を増加させて水を排出することができる。

以上、本発明の一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つを示したものであり、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、上記説明においては、図４のステップＳ４１（図９のステップＳ９１）の説明で例示した方法で水溜り量を検出したが、水溜り量の検出方法はこの場合には限らない。前回生成水を排出した後の運転時間に基づき水溜り量を推定してもよい。また、セル電圧を計測してセル電圧が異常に低下したことをもって水溜り量が多いことを推定してもよい。また、水溜まり量を検出する際には、燃料電池１の冷却水温度で補正してもよい。これは、冷却水温度が低いほど同じ負荷電流でも水溜り量が多くなるからである。同様に、圧力脈動回数やカソード極１ｃの空気量で補正してもよい。

また例えば、上記説明においては、図４のステップＳ４３において水排出に必要な圧力差ＰΔを演算したが、この演算に際しては、上記の水溜り量の検出と同様に冷却水温度やカソード極１ｃの空気量で補正してもよい。

また例えば、上記説明においては、第１の例（図４参照）において水溜り量が所定量よりも大きくなったときに制御態様を切り替えたが、この場合には限らない。フラッディングを検出したときに制御態様を切り替えてもよい。

また例えば、上記説明においては、図７のステップＳ７１（図９のステップＳ９３、図１２のステップＳ１２１）の説明で例示した方法でフラッディングを検出したが、この場合には限らない。燃料電池１のスタックの状態を推定することで検出してもよい。

また例えば、上記説明において用いられる上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２、水排出下限圧力Ｐ３、許容上限圧力Ｐmax、許容下限圧力Ｐminの圧力値は、大気圧や温度等を考慮してその値が補正されてもよい。

１ 燃料電池
１ａ 電解質膜
１ｂ アノード極（アノードチャンネル）
１ｃ カソード極（カソードチャンネル）
２ 圧縮機
３ 加湿器
４ 高圧水素タンク（アノードガス供給手段）
５ 圧力調整機構（圧力調整手段）
６ 圧力検出センサ
７ バッファタンク
８ パージ弁
９ 排水機構
１０ 燃料電池装置（燃料電池システム）
１１ コントローラ（圧力設定手段、制御手段）
Ｐ１ 上限圧力（第１の上限圧力）
Ｐ２ 下限圧力（第１の下限圧力）
Ｐ３ 水排出下限圧力（第２の下限圧力）
Ｐmax 許容上限圧力（第２の上限圧力）
Ｐmin 許容下限圧力
ステップＳ１ 圧力設定手段
ステップＳ２ 制御手段
ステップＳ４１（Ｓ９１） 水溜り量検出手段
ステップＳ７１（Ｓ９３、Ｓ１２１） フラッディング検出手段
ステップＳ４５ 圧力設定手段、制御手段

Claims (9)

1. 電解質膜をはさんでアノードとカソードが対設された燃料電池と、
   前記アノードにアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   供給される前記アノードガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
   前記燃料電池に対する要求発電量に応じて、前記アノードガスの目標圧力として第１の上限圧力と第１の下限圧力とを設定する圧力設定手段と、
   前記圧力調整手段を制御して、前記圧力設定手段により設定された第１の上限圧力と第１の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御手段と、
   を有する燃料電池装置であって、
   前記アノードに溜まった水溜り量を検出する水溜り量検出手段を備え、
   前記水溜り量検出手段により所定量以上の水溜り量が検出されると、前記圧力設定手段は前記アノードガスの目標圧力として前記第１の上限圧力と前記第１の下限圧力より低い第２の下限圧力とを設定し、前記制御手段は前記第１の上限圧力と前記第２の下限圧力との間で圧力を振幅させることを特徴とする燃料電池装置。
2. 当該燃料電池装置におけるフラッディングを検出するフラッディング検出手段を備え、
   前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記圧力設定手段は前記アノードガスの目標圧力として前記第１の上限圧力と前記第２の下限圧力とを設定し、前記制御手段は前記第１の上限圧力と前記第２の下限圧力との間で圧力を振幅させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御手段は、前記第１の上限圧力と前記第１の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様から前記第１の上限圧力と前記第２の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様へ移行する際には、圧力の振幅に係る下限圧力を前記第１の下限圧力から前記第２の下限圧力に達するまで徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る上限圧力を前記第１の上限圧力から徐々に下げることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御手段は、前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、圧力を減圧中であっても昇圧させるよう切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
5. 前記圧力設定手段は、前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記圧力設定手段は前記アノードガスの目標圧力として前記第１の上限圧力よりも高い第２の上限圧力と前記第２の下限圧力とを設定し、前記圧力制御手段は前記第２の上限圧力と前記第２の下限圧力との間で圧力を振幅させることを特徴とする請求項２又は４に記載の燃料電池装置。
6. 前記制御手段は、前記第１の上限圧力と前記第１の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様から前記第２の上限圧力と前記第２の下限圧力との間で圧力を振幅させる制御態様へ移行する際には、圧力の振幅に係る上限圧力を前記第２の上限圧力まで一旦上げた後に徐々に下げるとともに、圧力の振幅に係る下限圧力を前記第２の下限圧力に達するまで徐々に下げることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記水溜り量検出手段により所定量以上の水溜り量が検出されると又は前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記制御手段は圧力を昇圧させる際の昇圧時間を短くすることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
8. 前記アノードに溜まったアノードガスを排出するパージ弁及び／又は前記アノードに溜まった生成水を貯留するバッファタンクを備え、
   前記水溜り量検出手段により所定量以上の水溜り量が検出されると又は前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記制御手段は圧力を減圧させる際に前記パージ弁を開いてアノードガスを排出する又は前記バッファタンクに貯留された生成水を排出することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
9. 燃料電池を冷却する冷却装置を備え、
   前記フラッディング検出手段によりフラッディングが検出されると、前記制御手段は前記冷却装置を停止又は前記冷却装置の作動に係る回転速度を低減することを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。