JP6973216B2 - 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

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Description

本開示は、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。
特許文献１には、燃料電池と、高圧タンクから供給されるアノードガスの供給流路と、供給流路に設けられたインジェクタと、燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出流路と、排出流路に設けられた排気排水弁と、を備える燃料電池システムが記載されている。排気排水弁は、制御部の指令によって作動し、水分と、不純物を含むアノードオフガスと、を外部に排出する。
特開２００８−１６３４９号公報
燃料電池システムにおいて、排気排水弁から排出されるアノードガスの量をより低減する技術が求められてきた。
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、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、燃料電池システムであって；燃料電池と；前記燃料電池に対してアノードガスを供給する供給流路に設けられたアノードガス供給装置と；前記アノードガス供給装置の下流の前記供給流路の圧力値を測定する圧力センサと；前記燃料電池からアノードオフガスを排出する排出流路に設けられた排出弁と；前記アノードガス供給装置の下流の前記供給流路のアノードガスの濃度を、前記アノードガス供給装置によるアノードガス供給量と前記排出弁の開弁時間を用いて求められるアノードオフガスの排出量と、を用いて推定する推定部と；前記排出弁を開閉することと、前記圧力センサにより測定された値が目標圧力値になるように前記アノードガス供給装置を制御することと、を実行する制御部と、を備え；前記制御部は；前記推定部により推定されたアノードガス濃度が、第１濃度以下となる第１開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開き、前記推定されたアノードガス濃度が、前記第１濃度より高い第２濃度以上となる第１閉弁条件が成立した場合に前記排出弁を閉じる、第１制御を行い；前記目標圧力値と前記圧力センサの値との偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合に前記排出弁を閉じ、前記推定されたアノードガス濃度が、前記第１濃度よりも低い第３濃度以下となること、又は、前記推定されたアノードガス濃度に予め定められた係数を乗じて前記アノードガス濃度を高く推定した値が、前記第１濃度以下となることの第２開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開く、第２制御を行う。
偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合には、燃料電池は、供給されるアノードガスの量が発電に必要な量に対して不足した、アノードガス欠乏状態であると考えられる。この形態によれば、アノードガス欠乏状態となった場合に排出弁が閉じられるので、アノードガス欠乏状態を解消することができる。また、アノードガス欠乏状態は、アノードガスの供給量に対して、排出弁からのガスの排出が多い状態で生じ得る。排出弁からのガスの排出は、推定されたアノードガス濃度が第１濃度より高い第２濃度以上となる条件が成立し難い場合、例えば、燃料電池が高負荷発電を行っている場合に多くなり、高負荷発電が行われている場合には、排出弁から燃料電池の発電を阻害する不純物ガスが推定以上に排出されていると考えられる。そのため、アノードオフガスを燃料電池内に溜める余力が大きいので、推定されたアノードガス濃度が、第１濃度よりも低い第３濃度以下となった場合、又は、推定されたアノードガス濃度に、予め定められた係数を乗じてアノードガス濃度を高く推定した値が第１濃度以下となった場合に排出弁を開くことで、排出弁を閉じてから排出弁を開けるまでの期間を、第１制御時よりも長くすることができる。その結果、排出弁から排出されるアノードガスの量を少なくすることができる。
（２）上記形態において、さらに、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガス中の水を貯水する気液分離装置を備え；前記推定部は、さらに、前記気液分離装置内の水分量を、前記燃料電池スタックの発電量を用いて推定し；前記制御部は、前記第１制御において；前記推定部により推定された水分量が、第１水分量以上となる第３開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開き、前記第１閉弁条件、及び、前記推定された水分量が、前記第１水分量よりも少ない第２水分量以下となる第３閉弁条件が成立した場合に、前記排出弁を閉じ；前記制御部は、前記第２制御において；前記推定された水分量が、前記第１水分量よりも多い第３水分量以上となること、又は、前記推定された水分量に、予め定められた係数を乗じて水分量を少なく推定した値が、前記第１水分量以上となることの第４開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開いてもよい。
この形態によれば、偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合には、高負荷発電が行われており、燃料電池が高温であるため、気液分離装置内の水分量は推定よりも少ないと考えられる。そのため、推定された水分量が、第１水分量よりも多い第３水分量以上となった場合に排出弁を開くこと、又は、推定された水分量に、予め定められた係数を乗じて水分量を少なく推定した値が、第１水分量以上となった場合に、排出弁を開くことで、排出弁を閉じてから排出弁を開けるまでの期間を、第１制御時よりも長くすることができる。その結果、排出弁から排出されるアノードガスの量を少なくすることができる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法や、燃料電池車両の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を示す図。 排出弁の開閉処理を示す工程図。 排出弁の開閉タイミングを表す図。 第２実施形態における排出弁の開閉処理を示す工程図。
・第１実施形態
図１は、燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、車両１１０に搭載され、運転者からの要求に応じて車両１１０の動力源となる電力を出力する。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御装置２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、を備える。制御装置２０は、ＣＰＵと、メモリと、インターフェースと、を備えるＥＣＵであり、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することにより、制御部２１及び推定部２３として機能する。
燃料電池スタック１０は、燃料電池セル１１が積層されて構成されている。各燃料電池セル１１は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に配置されたアノード側電極及びカソード側電極と、を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有し、反応ガスとして、アノードガス（例えば、水素）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する。
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、大気圧センサ３７と、エアフローメータ３２と、カソードガスコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、カソード圧力センサ３５と、分流弁３６と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。
大気圧センサ３７は、カソードガス配管３１に設けられており、カソードガス配管３１の入口圧力を測定することで、大気圧を測定する。エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。カソードガスコンプレッサ３３は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。カソードガスコンプレッサ３３は、制御部２１の制御により、外部から取り入れたカソードガスを圧縮し、燃料電池スタック１０に供給する。
第１開閉弁３４は、カソードガスコンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられ、制御部２１の制御により開閉する。カソード圧力センサ３５は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口の圧力を測定する。分流弁３６は、カソードガスコンプレッサ３３とカソードオフガス配管４１との間に設けられており、制御部２１の制御により、燃料電池スタック１０とカソードオフガス配管４１への空気の流量を調節する。
カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２１の制御により、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノード圧力センサ５６と、アノードオフガス配管６１と、気液分離装置６２と、排出弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。
アノードガス配管５１は、燃料電池スタック１０にアノードガスを供給するための供給流路である。アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口マニホールドと接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側、から設けられている。第２開閉弁５３は、制御部２１の制御により開閉する。第２レギュレータ５４は、制御部２１の制御により、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。
アノード圧力センサ５６は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側に設けられている。本実施形態では、アノード圧力センサ５６は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側であって、循環配管６４との接続箇所よりも上流側に設けられている。アノード圧力センサ５６は、インジェクタ５５下流の圧力値を測定する。アノード圧力センサ５６は、アノードガス配管５１における循環配管６４との接続箇所よりも下流に設けられていてもよい。
インジェクタ５５は、制御部２１によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガス供給量を調整する。インジェクタ５５を、「アノードガス供給装置」ともいう。本実施形態では、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に複数設けられている。制御部２１は、アノード圧力センサ５６の測定値が目標圧力値を下回らないように、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御し、燃料電池スタック１０へのアノードガス供給量を制御する。目標圧力値は、燃料電池スタック１０への要求電力に応じて定められる。なお、インジェクタ５５と、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する第２レギュレータと、を合わせて「アノードガス供給装置」と呼ぶこともできる。
アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードオフガス出口マニホールドと気液分離装置６２とを接続する。アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０からアノードオフガスを排出するための排出流路であり、発電反応に用いられることのなかったアノードガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離装置６２へと誘導する。
気液分離装置６２は、アノードオフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離装置６２は、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスから、不純物としての水を分離して貯水する。
排出弁６３は、アノードオフガス配管６１に設けられた開閉弁であり、気液分離装置６２の鉛直下方に設けられている。排出弁６３は、制御部２１の制御により開閉する。排出弁６３が開かれると、排出弁６３からは、気液分離装置６２内の水に続いて、アノードオフガスが排出される。本実施形態では、排出弁６３は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排出された水及びアノードオフガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。排出弁６３が閉弁している場合、アノードガスは発電で消費される一方、アノードガス以外の不純物（例えばカソード側からアノード側に透過した窒素など）は消費されない。このため、アノードオフガス中の不純物濃度は徐々に増大する。このとき、排出弁６３が開弁されると、アノードオフガスは、カソードオフガスと共に、燃料電池システム１００の外部に排出される。排出弁６３の開弁中も、インジェクタ５５によるアノードガスの供給が継続することにより、インジェクタ５５下流のアノードガス濃度が次第に高まる。
循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、アノードガスポンプ６５が設けられている。アノードガスポンプ６５は、制御部２１の制御により駆動され、気液分離装置６２によって水が分離されたアノードオフガスを、アノードガス配管５１へと送り出す。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、を備える。冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０内に冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。
冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、制御部２１の制御信号に応じて、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の流量を調節する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２１の制御信号に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。燃料電池スタック１０及び図示しない２次電池の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、カソードガスコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５、各種弁に供給される。
電流センサ８５は、燃料電池スタック１０の出力電流を測定する。電圧測定部８４は、燃料電池スタック１０の電圧を測定する。本実施形態において電圧測定部８４は、燃料電池スタック１０の電圧から、平均セル電圧を算出する。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック１０の両端電圧を燃料電池セル１１の数で除算した値である。
制御部２１は、要求電力に応じて燃料電池システム１００の各部を制御し、燃料電池スタック１０の出力を制御する。要求電力には、燃料電池システム１００が搭載される車両１１０の運転者などによる外的発電要求と、燃料電池システム１００の補機類に対して電力を供給するための内的発電要求と、が含まれる。外的発電要求は、車両１１０の図示しないアクセルペダルの踏込量の増大につれ、増大する。
また、制御部２１は、推定部２３の推定結果を用いて排出弁６３の開閉を制御する、排出弁開閉処理を実現する。
推定部２３は、各センサの測定結果と、制御部２１による燃料電池システム１００の各部の制御指令値、例えば、排出弁６３の開弁時間や、インジェクタ５５の開弁時間等を取得して、インジェクタ５５下流のアノードガス濃度、気液分離装置６２内の水分量を推定する。
推定部２３は、アノードガス濃度を、インジェクタ５５下流のアノードガス濃度が増大する要素と、アノードガス濃度が減少する要素と、を用いて推定する。アノードガス濃度が増大する要素は、インジェクタ５５によるアノードガスの供給である。アノードガス濃度が減少する要素は、燃料電池スタック１０の発電によるアノードガスの消費、アノードガス、不純物（例えば、窒素ガス、水）のクロスオーバー、排出弁６３からの排出である。「クロスオーバー」とは、例えば、アノードガス、不純物が、アノードからカソードあるいはカソードからアノードへ、電解質膜を透過して移動することである。
インジェクタ５５によるアノードガスの供給量は、インジェクタ５５の時間あたりのアノードガス供給量、インジェクタ５５の開弁時間や駆動本数等から推定することができる。発電反応による消費量は、燃料電池スタック１０の電圧値及び出力電流値から推定することができる。アノードガスのクロスオーバー量は、アノードガスの供給量と、アノード圧力センサ５６とカソード圧力センサ３５の差圧と、から推定することができる。窒素ガスのクロスオーバー量は、カソードガスの供給量と、カソードガス中の不純物量と、前記差圧と、から推定することができる。排出弁６３からの排出量は、排出弁６３の開弁時間あたりのアノードオフガス排出量と、アノード圧力センサ５６と大気圧センサ３７の差圧と、の関係を予め求めておき、気液分離装置６２内の水が排出されてからの開弁時間と上記差圧と、を上記関係に入力することで、推定することができる。
気液分離装置６２内の水が排出されたことは、例えば、排出弁６３の開弁時間あたりの水排出量を予め求めておき、排出弁６３が開かれてから、気液分離装置６２内の推定水分量が排出される時間が経過したこと、から推定することができる。
推定部２３は、気液分離装置６２内の水分量を、気液分離装置６２内の水分量が増大する要素と、水分量が減少する要素と、を用いて推定する。気液分離装置６２内の水分量が増大する要素は、燃料電池反応によって生成した水のクロスオーバーである。水のクロスオーバー量は、燃料電池スタック１０の発電量を用いて推定することができ、例えば、発電電流値から推定される生成水の量と、カソード圧力センサ３５の圧力値から推定される、カソードガスによってアノードへ運搬される水分量と、アノード圧力センサ５６の圧力値から推定される、アノードガスによってカソードへ運搬される水分量と、電解質膜を介した拡散による水分量と、アノードとカソードとの間のプロトン移動に伴う水分量と、から推定することができる。排出弁６３からの排出量は、排出弁６３の開弁時間あたりの水排出量と、排出弁６３の開弁時間と、から推定することができる。
推定部２３は、燃料電池スタック１０が高負荷発電とは異なる非高負荷発電を行っている場合の燃料電池スタック１０の発電状態をもとに、上記種々の推定を行う。ここで、高負荷発電とは、燃料電池スタック１０の出力電流の電流密度が予め定められた値を超える発電であり、燃料電池スタック１０の出力の上限付近、例えば、出力上限を１００％とした場合に、９５〜１００％で行われる発電である。例えば、車両１１０のアクセルペダルの踏込量が最大である場合には、高負荷発電が行われる。
図２は、排出弁６３の開閉処理を示す工程図である。制御部２１は、推定部２３の推定結果を用いて開閉処理を実行する。本処理は、燃料電池システム１００の起動時に開始される。開閉処理の開始時には、排出弁６３は閉じられている。
推定部２３は、開閉処理において、予め定められた時間ごとに上記の推定を繰り返す。また、制御部２１は、本処理において、予め定められた時間ごとに、目標圧力値とアノード圧力センサ５６の値の偏差を算出する。
開閉処理が開始されると、まず、制御部２１は、推定部２３により推定されたアノードガス濃度が第１濃度以下となる、第１開弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０）。第１濃度は、燃料電池システム１００が非高負荷発電を行っている場合に必要とされるアノードガス濃度に基づいて定められている。第１濃度は、燃料電池反応を進行させるために、理論上必要とされるアノードガス濃度の１．３倍以上１．５倍以下の濃度である。理論上必要とされるアノードガス濃度に対する、燃料電池システム１００において必要とされるアノードガス濃度の比を、「必要アノードガスストイキ比」ともいう。必要アノードガスストイキ比が１よりも大きいのは、例えば、各燃料電池セル１１は、通常、湿潤しており、その含水量は燃料電池セル１１ごとに異なるので、燃料電池セル１１ごとに圧力損失も異なる。そのため、アノードガスを各燃料電池セル１１に供給するために、理論上必要とされるよりも、高いアノードガス濃度でのアノードガス供給が要求されるからである。
第１開弁条件が成立していない場合には（ステップＳ１０、ＮＯ）、制御部２１は、排出弁６３の閉弁を維持する。
制御部２１は、第１開弁条件が成立した場合には（ステップＳ１０、ＹＥＳ）、排出弁６３を開く（ステップＳ２０）。排出弁６３が開かれると、排出弁６３から気液分離装置６２内の水が排出され、続いて、アノードオフガスが排出される。排出弁６３の開弁中も、インジェクタ５５によるアノードガス供給が行われるため、インジェクタ５５下流のアノードガス濃度は、次第に高まる。
制御部２１は、予め定められた第１閾値以上である偏差が、予め定められた第１期間継続したか否かを判定する（ステップＳ３０）。第１閾値及び第１期間は、燃料電池システム１００において、アノードガス欠乏状態が発生しているか否かを判定するための閾値及び期間である。「アノードガス欠乏状態」は、アノードガス供給装置によるアノードガスの供給量が、発電に必要な供給量に対して不足した状態である。第１閾値及び第１期間は、実験やシミュレーションにより求められ、制御装置２０のメモリに記憶されている。第１閾値は、例えば、５ｋＰａ以上の値である。第１期間は、例えば、インジェクタ５５の開弁時から次回の開弁までを１周期とした場合に、５周期の期間である。アノードガス欠乏状態は、アノードガスの供給量に対して、排出弁６３からのガスの排出が多い状態で生じ得ると考えられる。通常、アノードガス供給装置は、アノードガス供給装置によるアノードガスの最大供給量が、燃料電池スタック１０の出力上限時に必要な供給量となるように構成されている。燃料電池スタック１０の出力上限時に必要な供給量よりも十分に多くなるように構成する場合に比べて、燃料電池システム１００におけるコストを低減することができるためである。そのため、アノードガスの供給量に対して、排出弁６３からのガスの排出が多くなりすぎると、アノードガス欠乏状態が発生する可能性がある。
予め定められた第１閾値以上である偏差が、予め定められた期間継続していない場合には（ステップＳ３０、ＮＯ）、制御部２１は、推定部２３により推定されたアノードガス濃度が第１濃度より高い第２濃度以上となる、第１閉弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ４０）。第２濃度は、実験やシミュレーションにより予め求められ、制御装置２０のメモリに記憶されている。
第１閉弁条件が成立した場合には（ステップＳ４０、ＹＥＳ）、制御部２１は排出弁６３を閉じ（ステップＳ５０）、処理をステップＳ１０に戻す。第１閉弁条件が成立していない場合には（ステップＳ４０、ＮＯ）、制御部２１は、ステップＳ３０及びステップＳ４０の判定を繰り返す。制御部２１による、ステップＳ１０、ステップＳ２０、ステップＳ４０、ステップＳ５０の制御を、「第１制御」ともいう。
制御部２１は、予め定められた第１閾値以上である偏差が第１期間継続した場合には（ステップＳ３０、ＹＥＳ）、排出弁６３を閉じる（ステップＳ６０）。
ステップＳ３０が肯定判定され、排出弁６３が閉じられた後、制御部２１は、第２開弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ７０）。
第２開弁条件は、（ｉ）アノードガス濃度が、第１濃度よりも低い第３濃度以下となること、又は、（ｉｉ）推定されたアノードガス濃度に予め定められた係数を乗じてアノードガス濃度を高く推定した値が、第１濃度以下となること、である。予め定められた係数は、例えば、１．２〜１．８である。
上記（ｉ）のように、アノードガス濃度が、第１濃度よりも低い第３濃度以下となるまで、排出弁６３の閉弁を維持できるのは、高負荷時には、燃料電池スタック１０の温度が比較的高く、各燃料電池セル１１の含水量が減少したり、燃料電池スタック１０内のガスの流通を阻害する水が少なくなったりするため、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の圧損ばらつきが少なくなるからである。その結果、必要アノードガスストイキ比を、非高負荷発電時よりも小さくすることができる。
上記（ｉｉ）のように、アノードガス濃度を高く推定した値が、第１濃度以下となるまで、排出弁６３の開弁を維持できるのは、高負荷時には、燃料電池スタック１０の温度が比較的高く、排出弁６３から排出される水分量が非高負荷時よりも少なく、排出弁６３からはアノードオフガスが推定よりも多く排出されて、アノードオフガス中の不純物も多く排出されるためである。その結果、アノードガス濃度を、非高負荷発電時よりも高く推定することができる。
制御部２１は、第２開弁条件が成立した場合には（ステップＳ７０、ＹＥＳ）、排出弁６３を開弁する（ステップＳ８０）。制御部２１による、ステップＳ６０、ステップＳ７０、ステップＳ８０の制御を、「第２制御」ともいう。第２開弁条件が成立し、排出弁６３を開弁した後、制御部２１は、処理を第１制御（ステップＳ１０）に戻す。以上のようにして、制御部２１による排出弁６３の開閉処理が実行される。
図３は、排出弁６３の開閉処理における、排出弁６３の開閉タイミングを表す図である。時刻ｔ１１までの期間は、第１制御により排出弁６３が開閉している期間である。時刻ｔ１、時刻ｔ３、時刻ｔ５、時刻ｔ７は第１開弁条件が成立した時刻であり、時刻ｔ２、時刻ｔ４、時刻ｔ６は第１閉弁条件が成立した時刻である。時刻ｔ７までは、燃料電池スタック１０が非高負荷発電を行っており、排出弁６３は間欠的に開閉されている。時刻ｔ７を経過すると、排出弁６３の開状態が継続する。これは、高負荷発電により、アノードガス供給量が不足し、推定アノードガス濃度が第２濃度以上となる第１閉弁条件成立し難く、アノードオフガスの排出要求が継続するためである。
時刻ｔ１１は、ステップＳ３０が肯定判定された時刻ｔ１１であり、時刻ｔ１１から第２制御に以降して排出弁６３が閉じられる。時刻ｔ１２は、第２開弁条件が成立した時刻であり、時刻ｔ１２を経過すると再び第１制御により排出弁６３が開閉する。第２制御では、上述したように、（ｉ）アノードガス濃度が、第１制御における第１濃度よりも低い第３濃度以下となること、又は、（ｉｉ）推定されたアノードガス濃度に予め定められた係数を乗じてアノードガス濃度を高く推定した値が、第１制御における第１濃度以下となること、が満たされるまで、閉弁が許容される。その結果、第２制御における閉弁時間（時刻ｔ１１〜ｔ１２）は、第１制御における閉弁時間（時刻ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５、ｔ６〜ｔ７）よりも長くなる。
偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合には、燃料電池は、供給されるアノードガスの量が発電に必要な量に対して不足した、アノードガス欠乏状態であると考えられる。この形態によれば、アノードガス欠乏状態となった場合に、排出弁６３が閉じられるので、アノードガス欠乏状態を解消することができる。また、アノードガス欠乏状態は、アノードガスの供給量に対して、排出弁６３からのガスの排出が多い状態で生じ得る。排出弁６３からのガスの排出は、推定されたアノードガス濃度が第１濃度より高い第２濃度以上となる条件が成立し難い場合、例えば、燃料電池が高負荷発電を行っている場合に多くなり、高負荷発電が行われている場合には、排出弁６３から燃料電池スタック１０の発電を阻害する不純物ガスが、推定以上に排出されていると考えられる。そのため、アノードオフガスを燃料電池内に溜める余力が大きいので、推定されたアノードガス濃度が、第１濃度よりも低い第３濃度以下となった場合に排出弁６３を開くこと、又は、推定されたアノードガス濃度に、予め定められた係数を乗じてアノードガス濃度を高く推定した値が、第１濃度以下となった場合に、排出弁６３を開くことで、排出弁６３を閉じてから排出弁６３を開けるまでの期間を、第１制御時よりも長くすることができる。その結果、排出弁６３から排出されるアノードガスの量を少なくすることができる。
・第２実施形態
図４は、第２実施形態における排出弁６３の開閉処理を示す工程図である。図４において、第１実施形態の開閉処理（図２）と同一の処理については、同じ符号を示している。制御部２１は、アノードガス濃度に関わる第１開弁条件が成立した場合、又は、推定部２３により推定された水分量が、第１水分量以上となる第３開弁条件が成立した場合に、排出弁６３を開く（ステップＳ１０ａ）。
また、制御部２１は、アノードガス濃度に関わる第１閉弁条件と、推定された水分量が第１水分量よりも少ない第２水分量以下となる第３閉弁条件と、が成立した場合に、排出弁６３を閉じる（ステップＳ４０ａ）。第２水分量は、気液分離装置６２内の水の排出が完了した場合の量であってもよい。
制御部２１は、第２制御において、アノードガス濃度に関わる第２開弁条件が成立したか否か、又は、以下の第４開弁条件が成立したか否かを判定し（ステップＳ７０ａ）、第２開弁条件又は第４開弁条件が成立した場合に、排出弁６３を開く（ステップＳ８０）。
第４開弁条件は、（ｉｉｉ）気液分離装置６２内の推定水分量が、第１水分量よりも多い第３水分量以上となること、又は、（ｉｖ）気液分離装置６２内の推定水分量に、予め定められた係数を乗じて水分量を少なく推定した値が、第１水分量以上となること、である。予め定められた係数は、例えば、０．０５〜０．７０である。
上記（ｉｉｉ）のように、推定水分量が、第１水分量よりも多い第３水分量以上となるまで、排出弁６３の閉弁を維持できるのは、高負荷時には、燃料電池スタック１０の温度が比較的高くクロスオーバーする水が減少し、アノードオフガスに含まれる水蒸気量も減少するので、気液分離装置６２内の水分量が少なくなると考えられるためである。また、上記（ｉｖ）のように、水分量を少なく推定した値が、第１水分量以上となるまで、排出弁の閉弁を維持できるのは、上記（ｉｉｉ）と同様の理由による。
この形態によれば、偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合には、高負荷発電が行われており、燃料電池が高温であるため、気液分離装置６２内の水分量は推定よりも少ないと考えられる。そのため、推定された水分量が、第１水分量よりも多い第３水分量以上となった場合に排出弁６３を開くこと、又は、推定された水分量に、予め定められた係数を乗じて水分量を少なく推定した値が、第１水分量以上となった場合に、排出弁６３を開くことで、排出弁６３を閉じてから排出弁６３を開けるまでの期間を、第１制御時よりも長くすることができる。その結果、排出弁６３から排出されるアノードガスの量を少なくすることができる。
・他の実施形態１
制御部２１は、開閉処理におけるステップＳ６０において排出弁６３を閉弁した後、ステップＳ７０、ステップＳ７０ａの判定の前に、圧力偏差が予め定められた第２閾値以内であることが、第２期間以上継続した場合に、排出弁６３を開弁し（ステップＳ８０）、処理を第１制御に戻してもよい。第２閾値及び第２期間は、アノードガス欠乏状態が解消したと判定可能な閾値及び期間であり、実験やシミュレーションにより予め求めることができる。第２閾値は、例えば、１ｋＰａ以下の値である。第２期間は、例えば、インジェクタ５５の５周期分の期間である。この形態によれば、アノードガス欠乏状態が十分に解消した場合に、第２制御から第１制御に戻して、排出弁６３の開閉処理を実行することができる。
・他の実施形態２
上記形態において、アノードガスポンプ６５の回転数と、アノードガス濃度、気液分離装置６２内の水分量との関係を予め制御装置２０のメモリに記憶しておき、推定部２３は、アノードガスポンプ６５の回転数を加味して、アノードガス濃度、気液分離装置６２内の水分量を推定してもよい。
・他の実施形態３
燃料電池システム１００は、車両１１０に搭載されていなくともよく、定置型であってもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池スタック
１１…燃料電池セル
２０…制御装置
２１…制御部
２３…推定部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアフローメータ
３３…カソードガスコンプレッサ
３４…第１開閉弁
３５…カソード圧力センサ
３６…分流弁
３７…大気圧センサ
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…アノードガスタンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
５６…アノード圧力センサ
６１…アノードオフガス配管
６２…気液分離装置
６３…排出弁
６４…循環配管
６５…アノードガスポンプ
７０…冷却媒体循環部
７１…冷媒供給管
７２…冷媒排出管
７３…ラジエータ
７４…冷媒ポンプ
７５…三方弁
７６…バイパス管
８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８１…ＰＣＵ
８２…負荷
８４…電圧測定部
８５…電流センサ
１００…燃料電池システム
１１０…車両

Claims (4)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池に対してアノードガスを供給する供給流路に設けられたアノードガス供給装置と、
    前記アノードガス供給装置の下流の前記供給流路の圧力値を測定する圧力センサと、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出する排出流路に設けられた排出弁と、
    前記アノードガス供給装置の下流の前記供給流路のアノードガスの濃度を、前記アノードガス供給装置によるアノードガス供給量と前記排出弁の開弁時間を用いて求められるアノードオフガスの排出量と、を用いて推定する推定部と、
    前記排出弁を開閉することと、前記圧力センサにより測定された値が目標圧力値になるように前記アノードガス供給装置を制御することと、を実行する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記推定部により推定されたアノードガス濃度が、第１濃度以下となる第１開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開き、前記推定されたアノードガス濃度が、前記第１濃度より高い第２濃度以上となる第１閉弁条件が成立した場合に前記排出弁を閉じる、第１制御を行い、
    前記目標圧力値と前記圧力センサの値との偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合に前記排出弁を閉じ、前記推定されたアノードガス濃度が、前記第１濃度よりも低い第３濃度以下となること、又は、前記推定されたアノードガス濃度に予め定められた係数を乗じて前記アノードガス濃度を高く推定した値が、前記第１濃度以下となることの第２開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開く、第２制御を行う、
    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、
    さらに、前記燃料電池から排出されるアノードオフガス中の水を貯水する気液分離装置を備え、
    前記推定部は、さらに、前記気液分離装置内の水分量を、前記燃料電池の発電量を用いて推定し、
    前記制御部は、前記第１制御において、
    前記推定部により推定された水分量が、第１水分量以上となる第３開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開き、前記第１閉弁条件、及び、前記推定された水分量が、前記第１水分量よりも少ない第２水分量以下となる第３閉弁条件が成立した場合に、前記排出弁を閉じ、
    前記制御部は、前記第２制御において、
    前記推定された水分量が、前記第１水分量よりも多い第３水分量以上となること、又は、前記推定された水分量に、予め定められた係数を乗じて水分量を少なく推定した値が、前記第１水分量以上となることの第４開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開く、燃料電池システム。
  3. 燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池に対してアノードガスを供給する供給流路に設けられたアノードガス供給装置の下流の前記供給流路のアノードガスの濃度を、前記アノードガス供給装置によるアノードガス供給量と前記燃料電池からアノードオフガスを排出する排出流路に設けられた排出弁の開弁時間を用いて求められるアノードオフガスの排出量と、を用いて推定し、
    前記アノードガス供給装置下流の前記供給流路の圧力値が目標圧力値になるように前記アノードガス供給装置を制御し、
    前記推定されたアノードガス濃度が、第１濃度以下となる第１開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開き、前記推定されたアノードガス濃度が、前記第１濃度より高い第２濃度以上となる第１閉弁条件が成立した場合に前記排出弁を閉じる、第１制御を行い、
    前記目標圧力値と、前記アノードガス供給装置下流の前記供給流路の圧力値との偏差が予め定められた閾値以上であることが、予め定められた期間継続した場合に前記排出弁を閉じ、前記推定されたアノードガス濃度が、前記第１濃度よりも低い第３濃度以下となること、又は、前記推定されたアノードガス濃度に予め定められた係数を乗じて前記アノードガス濃度を高く推定した値が、前記第１濃度以下となることの第２開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開く、第２制御を行う、
    燃料電池システムの制御方法。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    さらに、前記燃料電池から排出されるアノードオフガス中の水を貯水する気液分離装置内の水分量を、前記燃料電池の発電量を用いて推定し、
    前記第１制御において、
    前記推定された水分量が、第１水分量以上となる第３開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開き、前記第１閉弁条件、及び、前記推定された水分量が、前記第１水分量よりも少ない第２水分量以下となる第３閉弁条件が成立した場合に、前記排出弁を閉じ、
    前記第２制御において、
    前記推定された水分量が、前記第１水分量よりも多い第３水分量以上となること、又は、前記推定された水分量に、予め定められた係数を乗じて水分量を少なく推定した値が、前記第１水分量以上となることの第４開弁条件が成立した場合に前記排出弁を開く、燃料電池システムの制御方法。
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