JP6160703B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の電流電圧特性を推定する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムとして、燃料電池の出力電流を変えながら出力電圧を検出して燃料電池の電流電圧（ＩＶ）特性を推定するものがある（ＪＰ２０００−３５７５２６Ａ参照）。

現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池のアノードガス流路に滞留する窒素ガスや水などの不純物が、アノードガス排出通路に設けられたバッファタンクに排出される。これにより、燃料電池の発電領域に存在する不純物が減少するため、燃料電池の発電効率の低下が抑制される。

このような燃料電池システムは零下の温度環境で起動されることもある。この場合には、燃料電池のＩＶ特性が通常運転時よりも悪くなるため、燃料電池のＩＶ特性が、駆動モータに電力を供給できるＩＶ特性まで回復したかどうかが定期的に確認される。

ＩＶ特性の推定に関しては、燃料電池から取り出される出力電流を一定の範囲で振幅させる電流制御が実施され、出力電流を振幅させている間に、燃料電池の電流及び電圧が各センサから順次取得される。そして取得した電流値及び電圧値に基づいて燃料電池のＩＶ特性が推定される。

一方、アノードガスの圧力制御に関しては、燃料電池の出力電流が大きくなるほど、アノードガスの圧力が高くなるように制御される。これにより、出力電流が低いときには、カソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧によって燃料電池の膜に生じる応力が抑えられる。

しかしながら、バッファタンクに不純物を排出させる燃料電池システムでは、ＩＶ推定による電流制御に伴いアノードガス圧力を低下させると、バッファタンクから燃料電池へ不純物が逆流して発電領域内の不純物濃度が上昇してしまう。その結果、燃料電池の発電効率が低下し、センサで検出される燃料電池の電圧が、本来の電圧値よりも低くなるため、ＩＶ特性を推定する推定精度が悪くなってしまう。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池に滞留する不純物を容積部に排出しつつ、不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下を抑制する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、燃料電池を負荷に応じて発電させる燃料電池システムは、燃料電池からアノードガスが排出される通路に形成され、燃料電池から排出される不純物を溜める容積部を含む。そして燃料電池システムは、燃料電池の電流が低いときに比して、燃料電池の電流が高いときにアノードガスの圧力を高くする圧力制御部と、燃料電池の電流を振幅させると共に、そのときに取得する電流値及び電圧値に基づいて燃料電池の電流電圧特性を推定する推定部と、推定部による電流電圧特性の推定が行われているときに、圧力制御部によるアノードガスの圧力低下を制限する制限部と、を含む。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。 図２は、燃料電池のＩＶ特性を推定する推定手法を示す説明図である。 図３は、コントローラを構成する制御部を示すブロック図である。 図４は、ＩＶ推定時におけるアノードガスの圧力低下に伴う出力電圧の低下を示す説明図である。 図５は、ＩＶ推定時にアノードガスの圧力低下を制限する制限方法を示すフローチャートである。 図６は、第２実施形態におけるアノードガス制御部を示すブロック図である。 図７は、ＩＶ推定時にアノードガスの圧力低下を制限する制限手法を示す説明図である。 図８は、燃料電池のＩＶ特性の推定精度を示す説明図である。 図９は、第３実施形態におけるアノードガス制御部を示すブロック図である。 図１０は、ＩＶ推定時にアノードガスの圧力低下を制限する制限手法を示す説明図である。

以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部からカソードガス及びアノードガスを供給すると共に負荷に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムである。本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１で発電した発電電力を、駆動モータ５３などの負荷に供給する。

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、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池（いわゆる電池セル）を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１には、電力を取り出すための端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２とが設けられている。

燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電力で挟まれる電解質膜と、により構成される。燃料電池では、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、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）とが電解質膜で電気化学反応を起こす。アノード電極及びカソード電極の両電極では、以下の電気化学反応が進行する。

アノード電極 ： ２Ｈ² → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋ Ｏ² → ２Ｈ²Ｏ ・・・（２）

燃料電池では、上記（１）及び（２）の電気化学反応によって、起電力が生じるとともに水が生成される。燃料電池スタック１に積層された燃料電池のそれぞれは互いに直列に接続されているため、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が燃料電池スタック１の出力電圧（例えば数百ボルト）となる。

燃料電池スタック１には、カソードガス給排装置２によってカソードガスが供給され、アノードガス給排装置３によってアノードガスが供給される。

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気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソード圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給され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の一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２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。

カソードコンプレッサ２３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２３は、フィルタ２２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、その空気を燃料電池スタック１に供給する。

カソード圧力センサ２４は、カソードコンプレッサ２３よりも下流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２４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を検出する。カソード圧力センサ２４で検出された検出圧力は、コントローラ６に出力される。

カソードガス排出通路２５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２５の一端が、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。

カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ６によって開閉制御されて、カソードコンプレッサ２３から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

なお、図１では図示しないが、燃料電池スタック１の加湿のためにカソードガス供給通路２１に加湿装置を設けてもよい。

アノードガス給排装置３は、デッドエンド型のシステムであり、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２５に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁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、バッファタンク３６と、パージ弁３７と、を備える。

高圧タンク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、高圧タンク３１から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の一端が、高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁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、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検出する。アノード圧力センサ３４で検出された検出圧力は、コントローラ６に出力される。

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。アノードガス排出通路３５の一端が、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２５に接続される。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。バッファタンク３６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を溜める容積部である。バッファタンク３６によって、燃料電池スタック１の発電領域よりも下流に不純物ガスを排出することができる。そのため、燃料電池スタック１の発電領域における不純物ガスの濃度上昇を抑制することができる。

なお、燃料電池スタック１の発電領域とは、電池セルの電解質膜がアノードガス流路とカソードガス流路とで挟まれた領域のことである。なお、バッファタンク３６の代わりに、燃料電池スタック１内の各電池セルのアノードガス流路が合流する部分に容積部を設けてアノードオフガスを蓄積するようにしてもよい。

パージ弁３７は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３７は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２５に排出させるアノードオフガスの流量を制御する。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、第１水温センサ４７と、第２水温センサ４８とを備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる。バイパス通路４３の一端は、冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

第１水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下、「スタック出口水温」という。）を検出する。

第２水温センサ４８は、循環ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４８は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を検出する。

電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７とを備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。電流センサ５１で検出された出力電流は、コントローラ６に供給される。

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１の電位とカソード電極側出力端子１２の電位との電位差（以下、「出力電圧」という。）を検出する。電圧センサ５２で検出された出力電圧は、コントローラ６に出力される。

駆動モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、車両の減速時にロータが外力によって回転させられることでステータコイルの両端に起電力を発生させる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチにより構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、または、交流電力が直流電力に変換される。

インバータ５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５へ供給する。

バッテリ５５は、駆動モータ５３の回生電力又は燃料電池スタック１の発電電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び駆動モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の一方の電圧端子が、燃料電池スタック１に接続され、他方の電圧端子がバッテリ５５に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリ５５の電力によって燃料電池スタック１側の電圧端子に生じる電圧を昇圧又は降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧が調整され、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力（出力電流×出力電圧）が制御される。

補機類５７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６とバッテリ５５との間に並列に接続される。補機類５７は、カソードコンプレッサ２３、循環ポンプ４５、ＰＴＣヒータ４６などによって構成され、バッテリ５５又は燃料電池スタック１から電力が供給されて駆動する。

コントローラ６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６には、前述した第１水温センサ４７、第２水温センサ４８、電流センサ５１及び電圧センサ５２からの信号が入力される。その他にも、燃料電池システム１００を制御するために必要となる各種センサからの信号がコントローラ６には入力される。

他のセンサとしては、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システム１００の始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ６１、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６２がある。

コントローラ６は、キーセンサ６１から始動要求を受けると、燃料電池システム１００が起動されたと判断し、燃料電池スタック１を発電に適した発電温度まで暖機する暖機制御（以下、「暖機促進運転」という）を実行する。

暖機促進運転では、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して燃料電池スタック１から補機類５７へ電力を供給させることで、補機類５７の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１で発電させる。燃料電池スタック１の発電に伴う自己発熱によって、燃料電池スタック１自体が暖機される。

さらに暖機促進運転中は、コントローラ６は、循環ポンプ４５の回転速度を可変範囲の上限値に設定すると共に、ＰＴＣヒータ４６の出力、すなわち発熱量を可変範囲の上限値に設定する。

これにより、ＰＴＣヒータ４６で暖められた冷却水によっても燃料電池スタック１が暖機される。これに加えて循環ポンプ４５及びＰＴＣヒータ４６で消費される電力が増加するため、燃料電池スタック１の発電電力が増加すると共に燃料電池スタック１の自己発熱量も増加するので、燃料電池スタック１の暖機がより促進される。

このように暖機促進運転が実施されることによって、燃料電池システム１００を起動してから燃料電池スタック１の暖機が完了するまでの暖機時間を短縮することができる。

また、コントローラ６は、燃料電池スタック１が起動されると、燃料電池スタック１の電流電圧（ＩＶ）特性を推定する演算処理（以下「ＩＶ推定」という。）を実行する。ここで、ＩＶ推定について図２を参照して簡単に説明する。

図２は、燃料電池スタック１のＩＶ特性と、燃料電池スタック１の温度との関係を示す図である。

図２に示すように、燃料電池スタック１の温度が低くなると、燃料電池スタック１のＩＶ特性は基準ＩＶ特性よりも低下し、燃料電池スタック１の発電電力（電圧×電流）も低下する。基準ＩＶ特性は、例えば、通常運転時のＩＶ特性に基づいて規定される。

図２の破線で示したＩＶ特性では、燃料電池スタック１の発電電力が最小駆動電力となるときの出力電流が電流Ａであり、出力電流Ａを取り出すときの出力電圧が電圧Ｖ１である。最小駆動電力とは、駆動モータ５３によって車両を駆動させることが可能な電力の下限値である。

この場合には、燃料電池スタック１から最小駆動電力を駆動モータ５３に供給することができるので、コントローラ６は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を可能にするため、車両の走行を許可する。

一方、図２の一点鎖線で示したＩＶ特性では、燃料電池スタック１から出力電流Ａを取り出すときの出力電圧は電圧Ｖ２となる。このＩＶ特性では、駆動モータ５３及びインバータ５４が共に動作できる範囲内の電圧値に燃料電池スタック１の出力電圧が設定されると、燃料電池スタック１から取り出される出力電流が小さくなるため、燃料電池スタック１の発電電力は最小駆動電力よりも小さくなる。

このような場合には、燃料電池スタック１から最小駆動電力を駆動モータ５３に供給することができないため、コントローラ６は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を禁止する。

車両の走行を素早く許可するには、燃料電池スタック１の出力電圧を駆動モータ５３及びインバータ５４が動作できる電圧値に設定したときに燃料電池スタック１の発電電力が、最小駆動電力以上となることを正確に判定する必要がある。

次に燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する手法について簡単に説明する。

出力電流Ｉと、基準ＩＶ特性によって特定される基準電圧から実際の出力電圧（検出値）を減算した差分ΔＶと、の関係は、濃度過電圧の影響が小さい条件において、式（１）に示すように一次関数で近似することができることが知られている。

ΔＶ＝ａＩ＋ｂ・・・（１）

コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流を所定の振幅で変化させる電流制御を実行し、出力電流を変化させている間に電流センサ５１及び電圧センサ５２を用いて出力電流、及び出力電圧（発電電圧）を複数回計測する。コントローラ６は、これらの出力電流、及び出力電圧から、式（１）のａ及びｂを算出する。

式（１）のａ及びｂが算出されると、燃料電池スタック１から駆動モータ５３に最小駆動電力を供給するときの出力電流Ａに対する出力電圧がわかり、その出力電圧が電圧Ｖ１以上であれば、燃料電池スタック１が最小駆動電力を駆動モータ５３に供給可能であることがわかる。

コントローラ６は、ＩＶ推定を開始してから、燃料電池スタック１が最小駆動電力を駆動モータ５３に供給可能になるまで、所定の周期（例えば５秒間隔）でＩＶ推定を繰り返し実施する。

次にコントローラ６の機能構成について説明する。

図３は、コントローラ６を構成する制御部２００の一例を示す機能ブロック図である。

制御部２００は、燃料電池システム１００に設けられた各種センサからの入力信号と、各制御部品等に対する指令値とに基づいて、燃料電池スタック１を発電させる。

制御部２００は、カソードコンプレッサ２３、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３、及びパージ弁３７を制御して、発電に適したアノードガス及びカソードガスの流量を燃料電池スタック１に供給する。制御部２００は、走行許可後は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して、燃料電池スタック１で発電した電力をインバータ５４及び補機類５７に供給する。

また、制御部２００は暖機促進運転を実施する。具体的には、燃料電池システム１００が起動されると、制御部２００は、燃料電池スタック１の温度が、所定の暖機閾値（例えば５０℃）よりも低いか否かを判断する。なお、燃料電池スタック１の温度としては、例えば、スタック入口水温、又は、スタック入口水温及びスタック出口水温を平均した値が用いられる。

燃料電池スタック１の温度が暖機閾値よりも低いと判断された場合には、制御部２００は、暖機促進運転を開始し、補機類５７で消費される電力を増やして、燃料電池スタック１から暖機に必要な所定の電流（以下「暖機要求電流」という。）を取り出す。例えば、制御部２００は、補機類５７のうちカソードコンプレッサ２３、循環ポンプ４５及びＰＴＣヒータ４６の各消費電力を可変範囲の上限値に設定する。

暖機促進運転によって燃料電池スタック１の温度が暖機閾値まで上昇した場合には、制御部２００は、燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断し、暖機促進運転を終了する。

また、燃料電池スタック１の温度が暖機閾値よりも高いと判断された場合には、駆動モータ５３から要求される要求電力に応じてアノードガス、及びカソードガスの圧力を制御する通常運転が実施される。

そして制御部２００は、補機類５７及び駆動モータ５３から要求される要求電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標電流」という。）を算出する。なお、アクセルストロークセンサ６２で検出された踏み込み量が大きくなるほど、目標電流は大きくなる。

制御部２００は、目標電流を算出すると、その目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力の目標値（目標圧力）を算出する。具体的には制御部２００は、目標電流が大きくなるほど、アノードガスの目標圧力を高く設定する。これと共に制御部２００は、目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるカソードガス圧力及び流量の目標値を算出する。

また、制御部２００は、目標電流を算出すると、燃料電池スタック１のＩＶ特性を参照し、目標電流に対応する電圧値を目標電圧として算出する。そして制御部２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６における燃料電池スタック１側の電圧端子を目標電圧に調整する。これにより、燃料電池スタック１から、目標電流と同等の電流が出力される。

制御部２００は、圧力制御部２１０と、ＩＶ推定部２２０と、アノードガス制限部２３０と、を備える。

圧力制御部２１０は、燃料電池スタック１の目標電流が低いときに比して、燃料電池スタック１の目標電流が高いときに、カソードコンプレッサ２３及びカソード調圧弁２６を制御してカソードガスの供給圧力を高くする。

同様に圧力制御部２１０は、燃料電池スタック１の目標電流が低いときに比して、燃料電池スタック１の目標電流が高いときに、アノード調圧弁３３のデューティ比を大きくし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高くする。

例えば、圧力制御部２１０には、発電電流とアノードガス圧力とを互いに対応付けた圧力マップが記憶され、圧力制御部２１０は、目標電流を取得すると、その目標電流に対応付けられたアノードガス圧力を目標圧力として算出する。そして燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの供給圧力は、アノード調圧弁３３によって目標圧力に調整される。

このように、燃料電池スタック１の出力電流に応じてアノードガスの供給圧力を高くすることにより、出力電流が低いときにはアノードガスの供給圧力が低下するので、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧を抑制できる。そのため、燃料電池スタック１内の電解質膜に生じる応力を抑制することができる。

ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するために、燃料電池スタック１の出力電流を振幅させる電流制御を実行する。電流制御では、ＩＶ推定部２２０は、目標電流を暖機要求電流からＩＶ推定用の上限値まで上昇させた後に目標電流を暖機要求電流まで低下させる。

また、燃料電池スタック１の出力電流を振幅させているときに、ＩＶ推定部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２から電流値及び電圧値を順次取得する。ＩＶ推定部２２０は、これらの電流値及び電圧値のうち、燃料電池スタック１の出力電流を低下させているときに取得した電流値及び電圧値を用いて、式（１）により燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する近似直線を演算する。

このようにしてＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性を逐次推定し、そのＩＶ特性が、燃料電池スタック１から最小駆動電力を駆動モータ５３に供給できるＩＶ特性に回復するまで、ＩＶ推定を繰り返し実施する。

このような燃料電池システム１００では、ＩＶ推定部２２０が燃料電池スタック１の目標電流を一旦上昇させ、その後に目標電流を低下させるときには、圧力制御部２１０によってアノードガスの目標圧力が下げられる。その結果、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力が低下するため、バッファタンク３６に蓄積された不純物が燃料電池スタック１へ逆流し、燃料電池スタック１の発電領域における不純物濃度が上昇して燃料電池スタック１の発電効率が低下する。

図４は、一般的なＩＶ推定に伴う燃料電池スタック１の出力電圧の低下を示す図である。図４では、コントローラ６は、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス流路の下流側に滞留する生成水及び窒素ガスをバッファタンク３６に押し出すために、アノード調圧弁３３の開度を制御して、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施している。

図４（Ａ）は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力の変動を示す図である。図４（Ａ）には、ＩＶ推定中のアノードガスの脈動圧力が実線により示され、アノードガスの脈動上限圧力及び脈動下限圧力がそれぞれ破線により示されている。

図４（Ｂ）は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を示す図である。図４（Ｃ）は、燃料電池スタック１の出力電圧を示す図である。図４（Ａ）から図４（Ｃ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ４１の直前では、暖機促進運転が実施されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によって燃料電池スタック１から補機類５７のみに電流が供給されている。また、アノードガスの脈動運転によって燃料電池スタック１に滞留する不純物が押し出されてバッファタンク３６へ蓄積される。

時刻ｔ４１から時刻ｔ４３までのＩＶ推定期間では、ＩＶ推定部２２０によって電流制御が実行される。

具体的には、時刻ｔ４１では、図４（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電流が、ＩＶ推定部２２０の電流制御によって暖機要求電流から上昇する。上昇した分の出力電流は、燃料電池スタック１からＤＣ／ＤＣコンバータ５６を介してバッテリ５５へ供給される。なお、暖機要求電流とは、暖機促進運転時に燃料電池スタック１から取り出される電流値のことである。

燃料電池スタック１の出力電流の上昇に伴い、図４（Ａ）に示すように、圧力制御部２１０によって脈動下限圧力から脈動上限圧力までの脈動幅を一定に維持しながら、脈動下限圧力、及び脈動上限圧力は共に上昇する。

燃料電池スタック１の出力電流を上昇させるためには、図４（Ｃ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電圧は、燃料電池スタック１のＩＶ特性に従ってＤＣ／ＤＣコンバータ５６を電圧制御することにより低下させる。

時刻ｔ４２では、燃料電池スタック１の出力電流は、ＩＶ推定部２２０によって設定された上限値に到達する。このため、図４（Ｂ）に示すように出力電流は、ＩＶ推定部２２０の電流制御によって暖機要求電流まで下げられる。なお、出力電流の上限値は、バッテリ５５に供給可能な電流量などによって予め設定されている。

燃料電池スタック１の出力電流を低下させている間は、ＩＶ推定部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２から、所定のサンプリング周期で検出される燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧を順次取得する。

燃料電池スタック１の出力電流の低下に伴い、図４（Ａ）に示すように、脈動下限圧力、及び脈動上限圧力は、圧力制御部２１０によって共に下げられる。

このため、時刻ｔ４２から時刻ｔ４３までの電流低下期間では、アノードガスの脈動圧力を低下させている間に脈動下限圧力が低下する。このとき燃料電池スタック１で消費されるアノードガスの消費量が、アノードガスの供給流量よりも多くなるようにアノード調圧弁３３の開度が制御される。その結果、アノードガスの脈動圧力が所定の脈動幅よりも大きく低下する。

アノードガスの脈動圧力の低下幅が拡大すると、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力がバッファタンク３６内の圧力よりも一時的に低くなるため、バッファタンク３６に蓄積された不純物が、燃料電池スタック１へ逆流する。その結果、燃料電池スタック１内の不純物濃度が上昇し、燃料電池スタック１の発電効率も一時的に低下する。

そのため、図４（Ｃ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電圧が、破線で示された本来の電圧値よりも低くなる。この状況において、電圧センサ５２で検出される出力電圧と電流センサ５１で検出される出力電流とに基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性が推定されるため、燃料電池スタック１のＩＶ特性の推定精度が悪くなる。

なお、時刻ｔ４５から時刻ｔ４６までの電流低下期間では、図４（Ａ）に示すように、アノードガスの脈動圧力の低下幅が、所定の脈動幅よりも大きくならないので、バッファタンク３６から不純物は逆流しない。このため、図４（Ｃ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電圧は、不純物の逆流に伴う電圧低下を起こすことなく本来の電圧値となる。ただし、時刻ｔ４７では、図４（Ａ）に示すように、脈動圧力の低下幅が、所定の脈動幅よりも大きくなるため、図４（Ｃ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電圧が一時的に低下している。

このように一般的な燃料電池システム１００では、ＩＶ推定期間中に目標電流を低下させる制御に伴いアノードガス圧力を低下させるため、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ不純物が逆流してしまう。その結果、各電池セルの発電領域内の不純物濃度が上昇するため、燃料電池スタック１の発電効率が全体的に下がり、燃料電池スタック１の出力電圧が、本来の電圧値よりも低下する。このため、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する精度が悪くなってしまう。

この対策として本実施形態では、図３に示した制御部２００に、アノードガス制限部２３０が備えられている。

アノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定フラグの設定値に基づいて、アノードガスの目標圧力を、バッファタンク３６から燃料電池スタック１への不純物の逆流防止のための所定の下限値（以下「逆流防止下限値」という。）に設定する制限部である。逆流防止下限値は、例えば、実験データ等によって予め設定される。あるいは、アノードガス圧力の低下速度や低下幅などに基づいて設定してもよい。

ＩＶ推定フラグは、ＩＶ推定を実施している期間を特定するために用いられるフラグであり、ＩＶ推定部２２０によって設定される。ＩＶ推定部２２０は、例えば図４に示したＩＶ推定期間の開始時にＩＶ推定フラグを「１」に設定し、ＩＶ推定期間の終了時にＩＶ推定フラグを「０」に設定する。あるいは、ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１の出力電流を低下させている電流低下期間のみ、ＩＶ推定フラグを「１」に設定するようにしてもよい。

アノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定フラグが「１」を示す場合には、アノードガスの目標圧力を、上述の逆流防止下限値に設定する。アノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定期間中の目標電流の上限値が大きいほど、逆流防止下限値を大きくする。

一方、アノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、圧力制御部２１０からアノードガスの目標圧力を取得し、その目標圧力を、逆流防止下限値で制限することなく、アノード調圧弁指令部２４０に出力する。

アノード調圧弁指令部２４０は、アノード圧力センサ３４で検出されるアノードガスの検出圧力を順次取得し、アノードガスの目標圧力から検出圧力を減算した圧力差分がゼロになるようにアノード調圧弁３３をフィードバック制御する。

具体的には、アノード調圧弁指令部２４０は、圧力差分がゼロよりも大きい場合、アノードガスの供給圧力が上昇するようにアノード調圧弁３３の開度を大きくする。一方、アノード調圧弁指令部２４０は、圧力差分がゼロよりも小さい場合には、アノードガスの供給圧力が低下するようにアノード調圧弁３３の開度を小さくする。

図５は、ＩＶ推定に伴うアノードガス圧力の低下を制限する制限方法を示すフローチャートである。

まず、コントローラ６の制御部２００は、キーセンサ６１から始動要求を受けると、燃料電池システム１００を起動する。

燃料電池システム１００が起動された場合には、ステップＳ９０１において制御部２００は、第２水温センサ４８からスタック入口水温Ｔｓを取得する。

ステップＳ９０２において制御部２００は、スタック入口水温Ｔｓが、暖機閾値（５０℃）よりも低いか否かを判断する。スタック入口水温Ｔｓが５０℃以上であると判断された場合には、ステップＳ９０９に進む。

一方、スタック入口水温Ｔｓが５０℃よりも低いと判断された場合にはステップＳ９０３において制御部２００は暖機促進運転を実施する。暖機促進運転において制御部２００は、例えば、補機類５７のうちカソードコンプレッサ２３及びＰＴＣヒータ４６のそれぞれに供給される電力を可変範囲の上限値まで上昇させる。

また、ステップＳ９０４において制御部２００のＩＶ推定部２２０は、所定周期（例えば５秒間隔）で燃料電池スタック１の出力電流を所定の範囲で振幅される電流制御を実行する。このときにＩＶ推定部２２０は、ＩＶ推定フラグを「０」から「１」に変更する。

そしてステップＳ９０５において制御部２００のアノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定部２２０によって電流制御が実行されているか、すなわちＩＶ推定期間中か否かを判断する。具体的にはアノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定フラグが「１」に設定されているか否かを判断する。

ステップＳ９０６においてアノードガス制限部２３０は、ＩＶ推定期間であると判断した場合には、図３で述べた逆流防止下限圧力を圧力制御部２１０に設定する。圧力制御部２１０は、逆流防止下限圧力をアノードガスの目標圧力に設定し、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの検出圧力が目標圧力となるようにアノード調圧弁３３の開度を調整する。

これにより、ＩＶ推定期間中に燃料電池スタック１の発電に必要なアノードガスの流量を確保しつつ、アノードガスの圧力低下を制限することができる。

ＩＶ推定期間において、燃料電池スタック１の出力電流を上昇させた後、その出力電流を低下させている電流低下期間にＩＶ推定部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２から電流値及び電圧値を順次取得する。ＩＶ推定期間が終了すると、アノードガス制限部２３０は、圧力制御部２１０への逆流防止下限圧力の設定を解除する。

ステップＳ９０７においてＩＶ推定部２２０は、電流低下期間に取得した電流値及び電圧値を用いて式（１）の近似直線を求め、その近似直線を参照し、図２で述べたように、燃料電池スタック１が駆動モータ５３に最小駆動電力を可能であるかを判断する。すなわち、ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定し、その推定されたＩＶ特性を用いて車両が走行可能か否かを判断する。

そして車両が走行可能でないと判断された場合には、ステップＳ９０５に戻り、車両が走行可能であると判断されるまでＩＶ推定が所定周期で実行される。ステップＳ９０５でＩＶ推定期間でないと判断された場合には、ステップＳ９０９に進む。

ステップＳ９０９においてアノードガス制限部２３０は、圧力制御部２１０に対する逆流防止下限圧力の設定を解除する。これにより、圧力制御部２１０は、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて燃料電池スタック１の発電に必要なアノードガスの目標圧力を算出し、アノードガスの検出圧力が目標圧力となるようにアノード調圧弁３３の開度を調整する。

また、ステップＳ９０７で車両が走行可能であると判断された場合には、ステップＳ９０８において制御部２００は、スタック入口水温Ｔｓが５０℃に到達したか否かを判断する。そしてスタック入口水温Ｔｓが５０℃になるまでは、ステップＳ９０５からＳ９０９までの一連の処理が繰り返される。そしてスタック入口水温Ｔｓが５０℃に到達すると暖機促進運転が終了し、アノードガスの圧力低下を制限する制限方法が終了する。

本発明の第１実施形態によれば、バッファタンク３６によって燃料電池スタック１に滞留する不純物が排出されるので、燃料電池スタック１の発電領域内の不純物濃度が下がり、燃料電池スタック１での発電効率の低下を抑制することができる。

また、燃料電池スタック１の出力電流を振幅させるＩＶ推定期間中に、アノードガス制限部２３０によってアノードガスの圧力低下が制限されるので、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ不純物が逆流する量を抑制できる。このため、不純物の逆流に伴う燃料電池スタック１の発電効率の低下を回避でき、ＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。

したがって、バッファタンク３６によって燃料電池スタック１の発電領域に滞留する不純物濃度の上昇を抑制しつつ、ＩＶ推定時にバッファタンク３６から不純物が逆流してＩＶ特性の推定精度が低下することを抑制することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態におけるアノードガス制御部２０１の構成を示す図である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、基本的に、図１及び図３に示した燃料電池システム１００の構成と同じである。以下、燃料電池システム１００と同じ構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

アノードガス制御部２０１は、図３に示した制御部２００のうち、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの供給圧力を制御する機能を有する。

アノードガス制御部２０１は、脈動運転部２１０Ａと逆流防止制限部２３０Ａとを備える。

脈動運転部２１０Ａは、脈動幅演算部２１１と、脈動上限圧力算出部２１２と、脈動波形演算部２１３とを備える。逆流防止制限部２３０Ａは、脈動制限幅保持部２３１と、脈動幅切替部２３２と、逆流防止下限圧力保持部２３３と、脈動下限圧力切替部２３４とを備える。

脈動運転部２１０Ａは、発電に伴う生成水や窒素ガスなどの不純物を排出するのに必要となる脈動幅に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施する。脈動運転部２１０Ａは、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて脈動幅を調整する。

燃料電池スタック１の湿潤状態は、燃料電池スタック１の内部抵抗（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）を測定することにより推定でき、燃料電池スタック１の内部抵抗は、不図示の内部抵抗測定装置によって測定される。例えば、燃料電池スタック１の内部抵抗が大きいほど、燃料電池スタック１の電解質膜が乾燥した状態であると推定され、燃料電池スタック１の内部抵抗が小さいほど、電解質膜が湿った状態であると推定される。

内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子１１及びカソード電極側出力端子１２の他に、燃料電池スタック１に設けられた中途端子にも接続される。中途端子からは、アノード電極側出力端子１１の電位と、カソード電極側出力端子１２の電位との中間の電位が出力される。

内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子１１及びカソード電極側出力端子１２のそれぞれに高周波（例えば１ｋＨｚ）の交流電流を供給する。そして内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子１１と中途端子との端子間に生じるアノード側の交流電圧を検出すると共に、カソード電極側出力端子１２と中途端子との端子間に生じるカソード側の交流電圧を検出する。

内部抵抗測定装置は、アノード側の交流電圧とカソード側の交流電圧とが互いに等しくなるようにアノード電極側出力端子１１及びカソード電極側出力端子１２の交流電流の振幅を調整しつつ、交流電圧及び交流電流に基づいて内部抵抗値を算出する。

逆流防止制限部２３０Ａは、ＩＶ推定期間に燃料電池スタック１の出力電流を振幅させることに起因するアノードガス脈動圧力の低下幅の拡大を制限する。

逆流防止下限圧力保持部２３３は、アノードガスの脈動圧力の低下幅を制限するために定められた逆流防止下限圧力を保持する。逆流防止下限圧力は、逆流防止下限圧力保持部２３３から脈動下限圧力切替部２３４へ出力される。

脈動下限圧力切替部２３４は、ＩＶ推定フラグの設定値に基づいて、アノードガスの脈動下限圧力を、カソード圧力センサ２４で検出されるカソードガスの検出電圧から、逆流防止下限圧力に切り替える。なお、ＩＶ推定フラグは、図３で述べた通り、ＩＶ推定部２２０によって設定される。

脈動下限圧力切替部２３４は、ＩＶ推定フラグが「１」を示す場合には、燃料電池システム１００がＩＶ推定期間中であると判断し、逆流防止下限圧力保持部２３３から逆流防止下限圧力を取得して脈動下限圧力として脈動波形演算部２１３に出力する。

一方、脈動下限圧力切替部２３４は、ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、燃料電池システム１００がＩＶ推定期間中でないと判断し、カソード圧力センサ２４から出力された検出圧力を、脈動下限圧力として脈動波形演算部２１３に出力する。

脈動幅演算部２１１は、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて、発電に伴う生成水の排出に必要な脈動幅Ｗ１を演算する。脈動幅演算部２１１は、燃料電池スタック１の内部抵抗に応じて脈動幅Ｗ１を補正する。

脈動幅演算部２１１には、内部抵抗値ごとに、燃料電池スタック１の電流とアノードガスの脈動幅とが互いに対応付けられた脈動幅演算マップが予め記憶されている。脈動幅演算部２１１は、目標電流及び内部抵抗値を取得すると、その内部抵抗値によって特定された脈動幅演算マップを参照し、その目標電流に対応付けられた脈動幅をアノードガス圧力の目標脈動幅として脈動幅切替部２３２に出力する。

脈動幅演算部２１１は、目標電流が大きくなるほど、発電に伴う生成水の量が多くなるため、脈動幅Ｗ１を大きくする。また、電解質膜の湿潤度が低下するほど、燃料電池スタック１の内部抵抗は大きくなる。そのため、脈動幅演算部２１１は、燃料電池スタック１の内部抵抗が大きくなるほど、脈動幅Ｗ１を小さくする。

脈動制限幅保持部２３１は、脈動幅Ｗ１を制限するための制限値（以下、「脈動制限幅Ｗ２」という。）を保持する。脈動制限幅Ｗ２は、脈動幅Ｗ１よりも小さな値であり、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ不純物が逆流することを防止しつつ、燃料電池スタック１に滞留する不純物のうち窒素ガスを排出できる値に設定される。脈動制限幅Ｗ２は、脈動制限幅保持部２３１から脈動幅切替部２３２へ出力される。

脈動幅切替部２３２は、ＩＶ推定フラグの設定値に基づいて、アノードガス圧力の目標脈動幅を、脈動幅演算部２１１で演算された脈動幅Ｗ１から、脈動制限幅保持部２３１に保持された脈動制限幅Ｗ２に切り替える。

脈動幅切替部２３２は、ＩＶ推定フラグが「１」を示す場合には、燃料電池システム１００がＩＶ推定期間中であると判断し、脈動制限幅保持部２３１から脈動制限幅Ｗ２を取得して目標脈動幅として脈動上限圧力算出部２１２に出力する。

一方、脈動幅切替部２３２は、ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、燃料電池システム１００がＩＶ推定期間中ではないと判断し、脈動幅演算部２１１から出力された脈動幅Ｗ１を脈動上限圧力算出部２１２に出力する。

脈動上限圧力算出部２１２は、カソード圧力センサ２４から出力される検出圧力に目標脈動幅を加算し、その加算した値をアノードガスの脈動上限圧力として脈動波形演算部２１３に出力する。

このように逆流防止制限部２３０Ａによって、ＩＶ推定部２２０が電流制御を実行しているＩＶ推定期間は、アノードガス圧力の脈動幅Ｗ１が脈動制限幅Ｗ２に制限される。

脈動波形演算部２１３は、アノードガスの脈動上限圧力と脈動下限圧力とを交互に選択して、アノードガス圧力が脈動する波形となるようにアノードガスの脈動圧力を演算する。

例えば、脈動波形演算部２１３は、脈動上限圧力を選択しているときは、脈動下限圧力から脈動上限圧力までアノードガス圧力が一定の上昇率で昇圧されるように脈動圧力を算出する。

一方、脈動波形演算部２１３は、脈動下限圧力を選択しているときは、脈動上限圧力から脈動下限圧力までアノードガス圧力が一定の低下率で降圧されるように脈動圧力を算出する。脈動波形演算部２１３は、算出されたアノードガスの脈動圧力を目標圧力として図３で示したアノード調圧弁指令部２４０に出力する。

図７は、アノードガス制御部２０１によるアノードガス圧力の制限手法を示す図である。

図７（Ａ）は、脈動運転中のアノードガス脈動圧力の変動を示す図である。図７（Ａ）には、アノードガスの脈動圧力が実線により示され、脈動上限圧力及び脈動下限圧力がそれぞれ破線により示されている。

図７（Ｂ）は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を示す図である。図７（Ｃ）は、燃料電池スタック１の出力電圧を示す図である。図７（Ａ）から図７（Ｃ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ６１の直前までは、図４と同様に暖機促進運転が実施されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によって燃料電池スタック１から補機類５７のみに電流が供給されている。また、脈動運転によって燃料電池スタック１に滞留する窒素ガスや生成水が押し出されてバッファタンク３６へ蓄積される。

また、時刻ｔ６１から時刻６３までのＩＶ推定期間、及び、時刻ｔ６４から時刻ｔ６６までのＩＶ推定期間は、ＩＶ推定部２２０によって図４と同様に電流制御が実行される。ＩＶ推定期間中は、ＩＶ推定部２２０によってＩＶ推定フラグが「１」に設定され、ＩＶ推定期間外は、ＩＶ推定フラグは「０」に設定される。

なお、ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、カソードガスの検出圧力が脈動下限圧力として設定され、その脈動下限圧力に脈動幅Ｗ１を加算した値が脈動上限圧力として設定される。

時刻ｔ６１では、図７（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電流を上昇させる電流制御が、ＩＶ推定部２２０によって開始されると共に、ＩＶ推定フラグが「０」から「１」に切り替えられる。

ＩＶ推定フラグが「１」に切り替えられると、脈動下限圧力切替部２３４によって、アノードガスの脈動下限圧力が、カソードガスの検出圧力から、アノードガス圧力の低下幅を制限するために定められた所定の逆流防止下限圧力に切り替えられる。

これと共に脈動幅切替部２３２によって、アノードガス圧力の目標脈動幅が、脈動幅演算部２１１で算出された脈動幅Ｗ１から、不純物の逆流を防止するために定められた所定の脈動制限幅Ｗ２に切り替えられる。そして逆流防止下限圧力に脈動制限幅Ｗ２を加算した値が、脈動上限圧力として設定される。

ＩＶ推定期間に設定される脈動上限圧力は、燃料電池スタック１の出力電流を上限値まで上昇させるのに最低限必要なアノードガス流量を供給可能なアノードガス圧力値に設定される。したがって、ＩＶ推定期間中の出力電流の上限値を大きくするほど、脈動上限圧力は大きな値に設定される。

また、脈動制限幅Ｗ２は、燃料電池スタック１内に形成されるアノードガス流路に滞留する窒素ガスを排出できる所定の脈動幅に設定される。

このため、逆流防止下限圧力は、脈動制限幅Ｗ２を確保しつつ、バッファタンク３６から不純物が逆流しない圧力値に固定される。

なお、燃料電池スタック１の出力電流の上昇に伴い、図３に示した圧力制御部２１０によってカソードガスの目標圧力を上昇させるので、カソード圧力センサ２４から出力されるカソードガスの検出圧力は上昇する。このため、図４（Ａ）では、アノードガスの脈動下限圧力が上昇することになる。

時刻ｔ６２から時刻ｔ６３までの電流低下期間中は、ＩＶ推定部２２０による電流制御にかかわらず、アノードガスの脈動下限圧力、及び脈動上限圧力が固定された状態で、アノードガス圧力が、脈動制限幅Ｗ２で脈動する。

これにより、図４（Ａ）に示したように出力電流を低下させる電流制御によってカソードガスの検出圧力が低下してアノードガスの脈動下限圧力が低下することを防止できる。このため、図７（Ａ）に示すようにＩＶ推定期間にアノードガスの脈動圧力の低下幅が小さくなるので、バッファタンク３６の内圧が燃料電池スタック１の内圧よりも高くなることを抑制できる。したがって、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ窒素ガスが逆流することを防止できる。

バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ窒素ガスが逆流しないので、図７（Ｃ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電圧は、図４（Ｃ）の実線に示したように低下することはなくなる。したがって、燃料電池スタック１の本来の出力電圧が電圧センサ５２で検出されるので、燃料電池スタック１のＩＶ特性を正確に推定することができる。

そして所定周期経過後の時刻ｔ６４から時刻ｔ６６までのＩＶ推定期間においても、時刻ｔ６１から時刻ｔ６３までのＩＶ推定期間と同様に、脈動下限圧力、及び脈動上限圧力を固定した状態で、アノードガス圧力が脈動制限幅Ｗ２で脈動する。そのため、燃料電池スタック１に不純物を逆流させることなく、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定することができる。なお、時刻ｔ６３から時刻ｔ６４までの期間、及び時刻ｔ６６以降において、出力電圧は、図４に示した時刻ｔ４７と同様に一時的に低下する。

図８は、不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下に関する図である。

図８（Ａ）は、ＩＶ推定部２２０で推定された燃料電池スタック１のＩＶ特性を示す図である。図８（Ａ）には、本実施形態における燃料電池スタック１のＩＶ特性が実線で示され、バッファタンク３６から不純物が逆流したときのＩＶ特性が破線で示され、通常運転時の基準ＩＶ特性が点線で示されている。また縦軸が、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖを示し、横軸が、燃料電池スタック１の出力電流Ｉを示す。

図８（Ｂ）は、図８（Ａ）で示したＩＶ特性を、図２で述べた式（１）を用いて近似したときの燃料電池スタック１の特性を示す図である。

図８（Ｂ）には、本実施形態における燃料電池スタック１の特性が実線で示され、バッファタンク３６から不純物が逆流したときの燃料電池スタック１の特性が破線で示されている。また縦軸が、基準ＩＶ特性の電圧値から出力電圧の検出値を減算した電圧差ΔＶを示し、横軸が、燃料電池スタック１の出力電流Ｉを示す。

なお、上限電流Ｉｃは、ＩＶ推定期間中に出力電流を上昇させたときの最大値であり、出力電流の検出可能範囲の上限値である。上限電流Ｉｃよりも上の電流範囲が、式（１）によって推定されるＩＶ推定範囲である。

図８（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１に不純物が逆流したときの近似直線の傾きは、本実施形態の近似直線の傾きよりも大きくなる。すなわち、不純物が逆流したときに求められた式（１）の係数ａは、本実施形態で求められた係数ａよりも小さくなる。

この理由は、図４（Ｃ）で示したようにＩＶ推定期間が終わるころに不純物の逆流によって燃料電池スタック１の発電効率が低下して出力電圧が低下するため、出力電流が小さくなるにつれて、電圧差ΔＶが大きくなってしまうからである。ここでは、左から１番目及び２番目の丸印で示された測定点の電圧差ΔＶが大きくなっている。

したがって、図８（Ａ）に示すように、不純物が逆流したときのＩＶ特性は、ＩＶ推定範囲において実際の燃料電池スタック１のＩＶ特性よりも良好な特性として推定されてしまう。そのため、このような事情を考慮して走行を許可する閾値を高くしなければならず、走行を正確に許可することが困難になる。これに対して本実施形態のＩＶ推定部２２０では、燃料電池スタック１のＩＶ特性を、不純物が逆流した場合に比べて正確に推定することができる。

本発明の第２実施形態によれば、逆流防止制限部２３０Ａは、ＩＶ推定部２２０によって燃料電池スタック１の出力電流を変化させている間、すなわちＩＶ推定期間は、アノードガスの脈動下限圧力を所定圧力（逆流防止下限圧力）に固定する。

これにより、ＩＶ推定期間中に逆流防止制限部２３０Ａによってアノードガス圧力の低下幅の拡大が防げるので、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ窒素ガスが逆流するのを抑制できる。したがって、バッファタンク３６によって燃料電池スタック１の発電領域に滞留する不純物濃度の上昇を抑制しつつ、不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。

また本実施形態では、脈動運転部２１０Ａは、燃料電池スタック１の発電に伴う生成水の排出に必要な脈動幅Ｗ１に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる。そして逆流防止制限部２３０Ａは、ＩＶ推定期間中は、脈動運転部２１０Ａによる脈動幅Ｗ１を、生成水の排出に必要な脈動幅よりも小さな脈動制限幅Ｗ２に制限する。なお、脈動制限幅Ｗ２は、窒素ガスの排出に最低限必要な脈動幅に設定される。

これにより、ＩＶ推定期間中は、バッファタンク３６に蓄積された不純物の逆流を抑制しつつ、燃料電池スタック１から生成水以外の窒素ガスを排出することができる。

また本実施形態では、ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１の出力電流を低下させる電流低下期間に電流センサ５１及び電圧センサ５２から燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧を取得する。

仮に燃料電池スタック１の出力電流を上昇させる期間に出力電流及び出力電圧を取得する場合は、暖機によってＩＶ特性が回復してくるので、出力電流が大きくなるほど、基準ＩＶ特性の基準電圧と出力電圧との電圧差ΔＶが小さくなりやすい。このため、図２で述べた式（１）の傾きａが小さくなり、推定されるＩＶ特性が、実際のＩＶ特性よりも良好であると判断されてしまう。この対策として燃料電池スタック１の出力電流を上昇させる速度を速くするために燃料電池スタック１から急激に電流を取り出すと、燃料電池スタック１の出力電圧が異常に低下してしまう。

したがって、電流低下期間に燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧を取得することにより、燃料電池スタック１の異常の発生を防止しつつ、ＩＶ特性の推定精度を高めることができる。

また、本実施形態では図７に示したように燃料電池スタック１の出力電流を上昇させてから低下させるまでの間、逆流防止下限圧力を設定する例について説明したが、電流低下期間のみ逆流防止下限圧力を設定するようにしてもよい。この場合であっても、バッファタンク３６に蓄積された不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。さらに脈動幅Ｗ１を制限する時間を短くして脈動幅Ｗ１で脈動させる時間を長くすることにより、燃料電池スタック１の排水性を向上させることができる。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態におけるアノードガス制御部２０２の構成を示す図である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、基本的に、図１及び図３に示した燃料電池システム１００の構成と同じである。以下、燃料電池システム１００と同じ構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

アノードガス制御部２０２は、図３に示した制御部２００のうち、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの供給圧力を制御する機能を有する。

アノードガス制御部２０２は、脈動運転部２１０Ｂと逆流防止制限部２３０Ｂとを備える。

脈動運転部２１０Ｂは、基本的に、図６に示した脈動運転部２１０Ａと同じ構成であり、脈動運転部２１０Ａと同じ構成については同一符号を付してここでの説明を省略する。

逆流防止制限部２３０Ｂは、逆流防止固定圧力保持部２３５と目標圧力切替部２３６とを備える。

逆流防止固定圧力保持部２３５は、ＩＶ推定期間中にアノードガス脈動圧力を固定するために定められた固定値（以下「逆流防止固定圧力」という。）を保持する。

逆流防止固定圧力は、ＩＶ推定部２２０の電流制御に伴うアノードガス圧力低下を制限するために設定された圧力値である。逆流防止固定圧力は、逆流防止固定圧力保持部２３５から目標圧力切替部２３６へ出力される。

目標圧力切替部２３６は、図３で示したＩＶ推定部２２０によって設定されるＩＶ推定フラグの設定値に基づいて、アノードガスの目標圧力を、脈動波形演算部２１３で演算された脈動圧力から、逆流防止固定圧力保持部２３５に保持された固定値に切り替える。

目標圧力切替部２３６は、ＩＶ推定フラグが「１」を示す場合には、ＩＶ推定期間中であると判定し、逆流防止固定圧力保持部２３５から逆流防止固定圧力を取得して目標圧力として、図３に示したアノード調圧弁指令部２４０に出力する。

一方、目標圧力切替部２３６は、ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、ＩＶ推定期間中ではないと判定し、脈動波形演算部２１３から出力された脈動圧力をアノード調圧弁指令部２４０に出力する。

このようにＩＶ推定部２２０が電流制御を実行しているＩＶ推定期間は、逆流防止制限部２３０Ｂによってアノードガスの脈動圧力が逆流防止固定圧力に制限される。

図１０は、アノードガス制御部２０２によるアノードガス圧力の制限手法を示す図である。なお、図１０（Ａ）から図１０（Ｃ）までの各図面の縦軸は、それぞれ、図７（Ａ）から図７（Ｃ）までの各図面の縦軸と同じであり、図１０（Ａ）から図１０（Ｃ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。

なお、ＩＶ推定期間中は、ＩＶ推定部２２０によってＩＶ推定フラグが「１」に設定され、ＩＶ推定期間外は、ＩＶ推定フラグは「０」に設定される。ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、カソードガス圧力の検出値が脈動下限圧力として設定され、その脈動下限圧力に脈動幅演算部２１１で算出される脈動幅Ｗ１を加算し、その加算した値が脈動上限圧力として設定される。

時刻ｔ０１では、図１０（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電流を上昇させる電流制御がＩＶ推定部２２０によって開始されると共に、ＩＶ推定フラグが「０」から「１」に切り替えられる。

ＩＶ推定フラグが「１」に切り替えられると、目標圧力切替部２３６によって、アノードガスの目標圧力が、カソードガスの脈動圧力から、アノードガスの圧力低下を制限するために定められた所定の逆流防止固定圧力に切り替えられる。

なお、逆流防止固定圧力は、ＩＶ推定期間に出力電流を上限値まで上昇させた時に最低限必要なアノードガス流量を供給できるアノードガス圧力値に設定される。したがって、ＩＶ推定期間中に出力電流の上限値を大きくするほど、逆流防止固定圧力は、大きな値に設定される。

このようにＩＶ推定期間中は、アノードガス圧力を逆流防止固定圧力に設定されるので、燃料電池スタック１に発電に必要な流量でアノードガスを供給しつつ、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ窒素ガスが逆流することを防止できる。

そのため、燃料電池スタック１の本来の出力電圧が電圧センサ５２で検出できるようになるので、燃料電池スタック１のＩＶ特性を正確に推定することができる。また、時刻ｔ０４から時刻ｔ０６までのＩＶ推定期間においても、時刻ｔ０１から時刻ｔ０３までのＩＶ推定期間と同様に、燃料電池スタック１に不純物を逆流させることなく、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定することができる。

本発明の第３実施形態では、逆流防止制限部２３０Ｂは、ＩＶ推定期間にアノードガス圧力を、脈動運転部２１０Ｂによる脈動圧力から所定圧力（逆流防止固定圧力）に切り替える。

これにより、第２実施形態と同様、ＩＶ推定期間中にアノードガスの圧力低下を制限できるので、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ不純物が逆流するのを防止できる。したがってＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。

また、ＩＶ推定期間外は、第２実施形態と同様、アノードガス圧力の脈動運転を実施することにより、ＩＶ特性の推定精度の確保と、燃料電池スタック１の排水性の確保とを両立できる。また、第２実施形態に比べて簡易な構成で実現することができる。

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。

第２及び第３実施形態では脈動下限圧力を基準に脈動上限圧力を算出する例について説明したが、本発明は、脈動上限圧力を基準に脈動下限圧力を算出する構成にも適用することが可能である。

また、アノードガス圧力の脈動運転を実施する例について説明したが、脈動運転を実施しない場合であっても、ＩＶ推定部２２０による電流制御に伴いアノードガス圧力を低下させるので、本発明を適用することが可能である。この場合にも本実施形態と同様の効果が得られる。

また本発明は、カソードガス供給通路２１に加湿器、例えば水分回収装置（Water Recovery Device；ＷＲＤ」）を設けた燃料電池システムにも適用することができる。この場合には、加湿器よりも上流のカソードガス供給通路２１にカソード圧力センサ２４を設け、カソード圧力センサ２４で検出された検出圧力が、アノードガスの脈動下限圧力として設定される。

また本発明は、暖機促進運転中にＩＶ推定を実施する例について説明したが、通常運転中にＩＶ推定を実施してもよく、この場合にも本実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

本願は、２０１３年１０月８日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−２１１３３５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 (8)

1. 燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、前記燃料電池を負荷に応じて発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池からアノードガスが排出される通路に形成され、前記燃料電池から排出される不純物を溜める容積部と、
   前記燃料電池の電流が低いときに比して、前記燃料電池の電流が高いときにアノードガスの圧力を高くする圧力制御部と、
   前記燃料電池の電流を振幅させると共に、そのときに取得する電流値及び電圧値に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する推定部と、
   前記推定部による電流電圧特性の推定が行われているときに、前記圧力制御部による前記アノードガスの圧力低下を制限する制限部と、
   を含む燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制限部は、前記推定部が前記燃料電池の電流を変化させている間、アノードガスの圧力を所定圧力に設定する、
   燃料電池システム
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定圧力は、前記推定部によって前記燃料電池の電流を上昇させるときの上限値に基づいて設定される、
   燃料電池システム。
4. 請求項２から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制限部は、前記所定圧力に基づいて、前記不純物のうち生成水の排出に必要な脈動幅よりも小さい所定の脈動制限幅でアノードガスの圧力を脈動させる、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記脈動制限幅は、前記生成水の排出に必要な脈動幅よりも小さく、かつ、窒素ガスの排出に必要な脈動幅である、
   燃料電池システム。
6. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記発電に伴う生成水の排出に必要な脈動幅に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部をさらに含み、
   前記制限部は、前記推定部が前記燃料電池の電流を変化させている間は、アノードガスの圧力を前記脈動運転部による脈動圧力から前記所定圧力に切り替える、
   燃料電池システム。
7. 請求項２から請求項６までのいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記推定部は、前記燃料電池の電流を低下させるときに前記燃料電池の前記電流値及び電圧値を取得し、
   前記制限部は、前記推定部によって前記燃料電池の電流を低下させている間、アノードガスの圧力を前記所定圧力に設定する、
   燃料電池システム。
8. 燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に前記燃料電池を負荷に応じて発電させ、前記燃料電池からアノードガスが排出される通路に形成されて前記燃料電池から排出される不純物を溜める容積部を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の電流が低いときに比して、前記燃料電池の電流が高いときにアノードガスの圧力を高くする圧力制御ステップと、
   前記燃料電池の電流を振幅させると共に、そのときに取得する電流値及び電圧値に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する推定ステップと、
   前記推定ステップでの電流電圧特性の推定が行われているときに、前記圧力制御ステップでの前記アノードガスの圧力低下を制限する制限ステップと、
   を含む燃料電池システムの制御方法。
   

Images