JP7261828B2 - 燃料電池システム及び該システムの制御方法 - Google Patents

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Description

この発明は、カソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード電極に供給される燃料ガスとにより発電する燃料電池を備える燃料電池システム及び該システムの制御方法に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成される。通常、所定数の発電セルが積層されることにより、燃料電池スタックとして、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車）等に組み込まれる。
この種の燃料電池車両では、燃料排ガスを大気中に排出する際に、水素濃度を所定濃度以下にして排出するため、エアポンプから希釈用の酸化剤ガスを取り込み、前記燃料排ガスを前記希釈用の酸化剤ガスで希釈して水素濃度を低下させている。
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックのアノード流路の出口側に設けられた気液分離器の排水弁を介して排出される未消費分の燃料排ガス及び液水を含む排出流体を、接続管路を介してカソード流路の入口からカソード電極に導入することで、前記排出流体に含まれる燃料排ガス中の燃料ガスをカソード電極で触媒反応させる燃料電池システムが開示されている（特許文献１の［００４９］）。
特開２０１９－１１４３５１号公報
特許文献１に開示された燃料電池システムでは、カソード流路の出口から触媒反応により燃料ガスが低減した後の燃料排ガスが排出されることとなり、希釈が必要な燃料ガスを減らすことができる。
ところで、希釈が必要な前記燃料ガスを希釈する際に、エアポンプから希釈用の酸化剤ガス分増量して取り込んでいる。
しかしながら、希釈用の酸化剤ガスを必要以上に取り込んでしまうと、エアポンプの消費電力が過大になり、燃料電池システムの電力効率が悪化する。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、カソード流路の出口から排出される燃料排ガスの希釈に必要な酸化剤ガス量を適量とすることを可能とする燃料電池システム及び該システムの制御方法を提供することを目的とする。
この発明の一態様に係る燃料電池システムは、エアポンプから吐出されカソード流路の入口を通じてカソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード流路の入口を通じてアノード電極に供給される燃料ガスと、により発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の前記アノード流路の出口から排出される燃料排ガスを前記カソード流路の入口に導入する連絡流路と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記連絡流路から前記カソード流路の入口に導入され前記カソード電極に流通された前記燃料排ガスのうち、前記カソード流路の出口から排出される燃料ガス量を推定し、推定した前記燃料ガス量から、大気への排出時に希釈に必要な酸化剤ガス量を求め、求めた酸化剤ガス量に基づき前記エアポンプの吐出量を設定する。
この発明の他の態様に係る燃料電池システムの制御方法は、エアポンプから吐出されカソード流路の入口を通じてカソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード流路の入口を通じてアノード電極に供給される燃料ガスと、により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の前記アノード流路の出口から排出される燃料排ガスを、連絡流路を介して前記カソード流路の入口に導入し、前記連絡流路から前記カソード流路の入口に導入され前記カソード電極に流通された前記燃料排ガスのうち、前記カソード流路の出口から排出される燃料ガス量を推定し、推定した前記燃料ガス量から、大気への排出時に希釈に必要な酸化剤ガス量を求め、求めた酸化剤ガス量に基づき前記エアポンプの吐出量を設定する。
この発明によれば、カソード流路の入口からカソード電極に流通された燃料排ガスのうち、前記カソード流路の出口から排出される燃料ガス量を推定し、推定した前記燃料ガス量から、希釈に必要な酸化剤ガス量を求め、求めた酸化剤ガス量に基づきエアポンプの吐出量を設定している。このため、希釈に必要な酸化剤ガス量を的確に把握でき、適量化（必要最小限化）できる。これにより、エアポンプの電力の増加を必要最小限として、燃料電池システムの電力効率の低下を抑制することができる。
図１は、実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池車両の構成を示す模式的ブロック図である。 図２は、図１中の燃料電池システム中に、電流の流れ及びガスの流れを矢線で描いたブロック図である。 図３は、図１中の燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。 図４Ａは、冷媒出口温度と触媒反応率との関係を示す特性図、図４Ｂは、スタックへ供給される酸化剤ガス量と触媒反応率との関係を示す特性図、図４Ｃは、スタック供給酸化剤ガス量と冷媒出口温度をパラメータとする触媒反応率の説明図である。 図５は、フローチャートによる処理を実行する制御部の演算手段のブロック図である。
この発明に係る燃料電池システム及び該システムの制御方法について実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
［構成］
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１４が組み込まれた燃料電池車両１０の構成を示す模式的ブロック図である。
燃料電池車両１０は、該燃料電池車両１０全体を制御する制御部１２と、燃料電池システム１４と、燃料電池システム１４に電気的に接続される出力部２０とから構成される。
燃料電池システム１４は、基本的には、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう。）１６と、水素タンク１８と、酸化剤ガス系デバイス２２と、燃料ガス系デバイス２４とから構成される。
酸化剤ガス系デバイス２２には、エアポンプ２６及び加湿器（ＨＵＭ）２８が含まれる。
燃料ガス系デバイス２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３０、エジェクタ（ＥＪＴ）３２、及び気液分離器３４が含まれる。
燃料電池スタック１６は、複数の発電セル４０が積層される。発電セル４０は、電解質膜・電極構造体４４と、該電解質膜・電極構造体４４を挟持するセパレータ４５、４６とを備える。
電解質膜・電極構造体４４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜４１と、前記固体高分子電解質膜４１を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４３とを備える。
カソード電極４２及びアノード電極４３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４１の両面に形成される。
一方のセパレータ４５の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１１６と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）４７が形成される。
他方のセパレータ４６の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には、燃料ガス入口連通口１４６と燃料ガス出口連通口１４８とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）４８が形成される。
アノード電極４３では、燃料ガスが供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜４１を透過してカソード電極４２に移動する一方、水素分子から電子が解放される。
水素分子から解放された電子は、負極端子８６から出力調整器８０及び外部負荷を通じ、正極端子８８を介してカソード電極４２に移動する。
カソード電極４２では、触媒の作用によって水素イオン及び電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
正極端子８８と負極端子８６との間には、発電電圧を検出する電圧センサ９１が設けられる。さらに、正極端子８８から出力調整器８０の間の配線には、発電電流を検出する電流センサ９３が設けられる。
エアポンプ２６は、インバータ及びモータを含むドライバ２５により駆動される機械式の過給器等で構成され、大気（空気）を取り込んで加圧し、加湿器２８に供給する機能を有する。
加湿器２８は、酸化剤ガス（乾燥した空気）が流通する流路５２と、燃料電池スタック１６のカソード流路４７からの排出ガス（湿潤な酸化剤排ガス及び後述する燃料排ガス）が、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス出口連通口１０２及び管路１０４を通じて流通する流路５４を有する。
管路１０４には、該管路１０４に流通する酸化剤ガスの圧力をカソード出口圧力Ｐｃｏ［ｋＰａ］として検出するカソード出口圧力センサ６９が設けられる。
加湿器２８は、エアポンプ２６から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有している。すなわち、加湿器２８は、前記排出ガス中に含まれる水分を、多孔質膜を介して供給ガス（酸化剤ガス）に移動させる。
エアポンプ２６の吸入口側は、管路１０６、エアフローセンサ（ＡＦＳ）（流量センサ）５６及び管路１０８を通じて大気に連通する。
エアフローセンサ５６は、エアポンプ２６から燃料電池スタック１６のカソード流路４７に供給される酸化剤ガスの質量流量Ｍ［ｇ／ｍｉｎ］を計測して制御部１２へ出力する。
エアポンプ２６の吐出口側は、管路１１０、１１２を通じて加湿器２８の流路５２の一端側に連通する。加湿器２８の流路５２の他端側は、管路である管路１１４の一端側に連通し、管路１１４の他端側は、酸化剤ガス入口連通口１１６を通じて燃料電池スタック１６内のカソード流路４７に連通する。
管路１１０には、エアポンプ２６から吐出される酸化剤ガスの圧力を酸化剤吐出圧力Ｐｏ［ｋＰａ］として検出する吐出圧圧力センサ６４が設けられる。
管路１１４には、該管路１１４に流通する酸化剤ガスの圧力をカソード入口圧力Ｐｃｉ［ｋＰａ］として検出するカソード入口圧力センサ６７が設けられる。
加湿器２８の流路５４の吐出側には、管路１１７、１１８を通じて希釈器６６の一方の入口側に連通する。
エアポンプ２６の吐出口側の管路１１０は、分岐し、一方は、管路１１２に連通すると共に、他方は、バイパス管路１２０、バイパス弁１２２を介して管路１１８に連通する。
管路１１８には、該管路１１８に流通するガスの圧力を希釈入口圧力Ｐｄ［ｋＰａ］として検出する希釈器入口圧力センサ６２が設けられる。
水素タンク１８は、電磁作動式の遮断弁を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。
水素タンク１８から吐出される燃料ガスは、管路１４０、インジェクタ３０、管路１４２、エジェクタ３２、管路１４４を通じ、燃料ガス入口連通口１４６を介して燃料電池スタック１６のアノード流路４８の入口に供給される。
管路１４４には、該管路１４４に流通する燃料ガスの圧力をアノード入口圧力Ｐａｉ［ｋＰａ］として検出するアノード入口圧力センサ６８が設けられる。
アノード流路４８の出口は、燃料ガス出口連通口１４８、管路１５０を通じて気液分離器３４の入口１５１に連通され、該気液分離器３４にアノード流路４８から水素含有ガスである燃料排ガス（アノードオフガス）が供給される。
管路１５０には、該管路１５０に流通する燃料排ガスの圧力をアノード出口圧力Ｐｏａ［ｋＰａ］として検出するアノード出口圧力センサ７０及び該管路１５０に流通する燃料排ガスの温度をアノード出口温度Ｔｏ［℃］として検出するアノード出口温度センサ７２が設けられる。
気液分離器３４は、前記燃料排ガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料排ガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３４の気体排出口１５２から排出され、管路１５４を通じてエジェクタ３２に供給される一方、必要時に、ブリード弁１５８が開弁されると、燃料排ガスは、連絡管路１５６（連絡流路）、ブリード弁１５８を介し、酸化剤ガスの管路１１４にも供給される。
なお、ブリード弁１５８は、カソード流路４７に存在する窒素ガスが電解質膜・電極構造体４４を透過してアノード流路４８内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極４３の劣化を防止するために開弁される。すなわち、ブリード弁１５８は、走行時等の通常発電時に、アノード流路４８内の水素濃度が低下したと判断したときに開弁される。
酸化剤ガスの管路１１４に供給された燃料排ガスは、管路１１４内でエアポンプ２６から供給される酸化剤ガスと混合されて酸化剤ガス入口連通口１１６を通じて燃料電池スタック１６のカソード流路４７に供給される。
カソード流路４７に供給された燃料排ガスの一部は、カソード電極４２の触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料排ガスは酸化剤ガス出口連通口１０２から排出され、管路１０４、流路５４、管路１１８を通じて希釈器６６から排出される際に、バイパス管路１２０から供給される酸化剤ガスにより希釈され、管路１１８、希釈器６６及び管路１２４を介して燃料電池車両１０の外部（大気）に排出される。
前記エジェクタ３２には、その上流側に設けられたインジェクタ３０から管路１４２を介して燃料ガスが供給される。このため、気液分離器３４を介して供給されている燃料排ガス（前記気体成分）は、エジェクタ３２で吸引され燃料ガスと混合された状態で、燃料電池スタック１６の管路１４４を通じ燃料ガス入口連通口１４６を介して燃料電池スタック１６のアノード流路４８に供給される。
燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３４の液体排出口１６０から管路１６２、ドレン弁１６４、及び管路１６６を通じ、希釈器６６を経て、管路１２４から燃料電池車両１０の外部に排出される。
実際上、ドレン弁１６４から管路１６６には、液体成分と共に、一部の燃料排ガスが排出される。この燃料排ガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、エアポンプ２６から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス管路１２０、管路１１８を通じて希釈器６６に供給されている。
よって、希釈器６６の中で燃料排ガス中の水素ガスが希釈されて外部に排出される。
燃料電池スタック１６は、該燃料電池スタック１６に設けられた冷却媒体流路（不図示）に、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体供給流路７４ａ及び冷却媒体排出流路７４ｂがさらに付設されている。冷却媒体排出流路７４ｂに温度センサ７６が設けられ、該温度センサ７６は、燃料電池スタック１６の温度として冷却媒体排出流路７４ｂに流れる冷却媒体の温度Ｔｓ［℃］を測定する。
制御部１２は、ＣＰＵ（不図示）、記憶部（ＲＯＭとＲＡＭ）７８等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成される。
記憶部７８には、当該燃料電池車両１０及び燃料電池システム１４の制御プログラムの他、後述する特性２０１、２０２（図４Ａ、図４Ｂ）等が記憶される。
制御部１２のＣＰＵは、前記制御プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池車両１０及び燃料電池システム１４の運転制御を行う。また、制御部１２は、例えば、吐出圧圧力センサ６４や温度センサ７６、アクセル開度センサ（不図示）等の各種センサから受けた検出信号に基づき、バイパス弁１２２等の各構成要素に、開弁指示や閉弁指示等の制御信号を出力する。
[動作]
次に、基本的には以上のように構成される燃料電池システム１４の動作について、［１］燃料電池車両１０の走行時等における通常発電中の動作、［２］アノード流路４８での水素濃度低下時における希釈酸化剤ガス量の算出動作の順で説明する。
［１］燃料電池車両１０の走行時等における通常発電中の動作の説明
通常発電中（アノード電極４３側での水素濃度がブリード弁１５８を開弁させる必要のない閾値以上である場合の走行中等）の動作について、燃料ガス、酸化剤ガス、電力の流れに実線の矢線を付けた図２を参照して、以下に説明する。なお、図２中、破線の矢線は、後述する希釈酸化剤ガス量の算出動作の説明に供される。
通常発電中、ブリード弁１５８は閉弁され、バイパス弁１２２は、主にドレン弁１６４を開弁したときに希釈のために開弁される。
酸化剤ガス系デバイス２２側では、制御部１２の制御下に蓄電器８２の高電圧の電力を動力源として動作するドライバ２５を通じて駆動されるエアポンプ２６から管路１１０、１１２、加湿器２８を通って加湿された後、管路１１４を通じて燃料電池スタック１６の酸化剤ガス入口連通口１１６に供給される。
なお、加湿器２８は、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス出口連通口１０２から管路１０４に排出される湿潤な排出ガスが流通する流路５４から多孔質膜を介して前記排出ガス中の水分を、流路５２を流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させる。
一方、燃料ガス系デバイス２４側では、インジェクタ３０の開弁作用下に、高圧の水素タンク１８から管路１４２に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、管路（循環路）１５４を通じてエジェクタ３２に吸引された燃料排ガスと混合されてエジェクタ３２を通った後、燃料電池スタック１６の燃料ガス入口連通口１４６に供給される。
燃料電池スタック１６内で、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通口１１６から各発電セル４０のカソード流路４７を介してカソード電極４２に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通口１４６から各発電セル４０のアノード流路４８を介してアノード電極４３に供給される。従って、各発電セル４０では、カソード電極４２に供給される空気中に含まれる酸素ガスと、アノード電極４３に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応（燃料電池反応）により消費されて発電が行われる。
次いで、カソード電極４２に供給されて消費された空気からなるカソード排ガス及び反応生成水は、酸化剤ガス出口連通口１０２に排出され、管路１０４、流路５４及び管路１１７を介して、バイパス管路１２０から供給される酸化剤ガスに合流され、管路１１８を介して希釈器６６に供給され、管路１２４を介して燃料電池車両１０の外部に排出される。
アノード電極４３に供給されて消費された水素ガスは、燃料排ガス（一部が消費された燃料ガス）として燃料ガス出口連通口１４８に排出される。
燃料排ガスは、管路１５０から気液分離器３４に導入されて液体成分（液水）が除去された後、管路１５４を介してエジェクタ３２により吸引され燃料電池スタック１６内での発電反応に供される。
複数の発電セル４０が電気的に直列に接続された燃料電池スタック１６により発電された高電圧の発電電圧の電力は、出力調整器８０を介して蓄電器８２に蓄電される。
燃料電池車両１０は、アクセル開度や空調装置（不図示）の設定温度等の負荷状態に応じて出力調整器８０の制御下に蓄電器８２及び／又は燃料電池スタック１６の電力によりモータ８４が駆動されることで走行する。
［２］希釈酸化剤ガス量の算出動作の説明
次に、図３に示すフローチャートを参照してアノード電極４３（アノード流路４８）側での水素濃度低下時にバイパス弁１２２から希釈器６６側に供給が必要な希釈酸化剤ガス量Ｑｂの算出処理について説明する。
図３のフローチャートによる処理（制御プログラム）を実行するのは制御部１２（のＣＰＵ）であるが、これをその都度参照するのは繁雑になるので、必要に応じて参照する。
まず、図３のフローチャートによる詳細な処理を説明する前に、希釈酸化剤ガス量Ｑｂの算出処理を行う背景及び処理の概要を説明する。
＜希釈酸化剤ガス量の算出処理を行う背景及び処理の概要＞
上記した通常発電中、カソード流路４７に存在する窒素が電解質膜・電極構造体４４を透過してアノード流路４８内に入ってくると、アノード流路４８内の水素濃度が低下し、水素濃度が低下することを原因としてアノード電極４３が劣化する虞がある。
この劣化を防止乃至抑制するために、制御部１２は、水素濃度が予め定めた閾値以下に低下する兆候を検出したとき、ブリード弁１５８を開弁する。これにより、燃料電池スタック１６内でカソード流路４７側からアノード流路４８に透過した窒素ガスを含む燃料排ガスが、燃料ガス出口連通口１４８から、気液分離器３４、連絡管路１５６、管路１１４及び酸化剤ガス入口連通口１１６を通じてカソード流路４７のカソード電極４２に流通する。
この場合、カソード電極４２に流通している燃料排ガス中の水素ガスが、カソード電極触媒層内で水素イオン化され、該水素イオンが酸素ガスと反応して水が生成される触媒反応（カソード触媒加湿反応）により消費される。
つまり、カソード電極４２に流通している水素ガスは、カソード電極４２の触媒反応率Ｒｃに応じてカソード電極４２で消費される。
そして、燃料排ガス中の水素ガスが所定量消費され、消費後に残った水素ガスと窒素からなる燃料排ガスは、カソード流路４７から酸化剤ガス出口連通口１０２を通じて管路１０４、流路５４及び管路１１７を介して管路１１８に導入される。
この管路１１８には、バイパス管路１２０を通じて酸化剤ガスを合流させることが可能である。
管路１１８に管路１１７から導入される燃料排ガス中の水素ガスを規定濃度以下に希釈して外部に排出するためには、エアポンプ２６から吐出される吐出酸化剤ガス量Ｑｏを増量する必要がある。
吐出酸化剤ガス量Ｑｏを増量するためには、ドライバ２５及びエアポンプ２６の消費電力を大きくする必要がある。このドライバ２５及びエアポンプ２６の消費電力の増加を必要最小限とするために、吐出酸化剤ガス量Ｑｏの増量分を必要最小限とする必要がある。
そのため、必要最小限の希釈酸化剤ガス量（バイパス酸化剤ガス量）Ｑｂを正確に算出する必要がある。以上の説明が背景及び処理の概要の説明である。
＜希釈酸化剤ガス量の算出処理＞
燃料電池スタック１６の発電中、ブリード弁１５８とバイパス弁１２２の閉弁状態で、図３のフローチャートによる処理が開始される。
ステップＳ１にて、アノード流路４８内の水素濃度の低下があるか否かを判定する。
アノード流路４８内の水素濃度は、アノード電極４３の温度（冷却媒体の温度Ｔｓで代替される。）、アノード入口圧力Ｐａｉ及びカソード入口圧力Ｐｃｉに基づき電解質膜・電極構造体４４をカソード電極４２側からアノード電極４３側に透過する窒素量が推定されることで推定可能である。
水素濃度の予め定めた閾値以下の低下が判定される（ステップＳ１：ＹＥＳ）と、ステップＳ２にて、スタック供給酸化剤ガス量Ｑｓと冷媒温度Ｔｓにより図４Ａに示す特性２０１及び／又は図４Ｂに示す特性２０２を参照して触媒反応率Ｒｃを算出する。
図４Ａの特性２０１に示すように、触媒反応率Ｒｃは、冷媒温度Ｔｓの増加に応じて大きくなる。また、図４Ｂの特性２０２に示すように、触媒反応率Ｒｃは、スタック供給酸化剤ガス量Ｑｓの増加に応じて小さくなる。
図４Ａの特性２０１と図４Ｂの特性２０２を合成して考えると、図４Ｃに示す関係が得られる。つまり、冷媒出口温度Ｔｓが高い程、且つスタック供給酸化剤ガス量Ｑｓが少量である程（値が小さい程）触媒反応率Ｒｃが高い。
なお、特性２０１、２０２は、燃料電池スタック１６の機種に対応して予め測定され、記憶部７８に記憶される。
ここで、バイパス弁１２２及びブリード弁１５８が閉弁されているとき、スタック供給酸化剤ガス量Ｑｓは、エアフローセンサ５６の測定値として取得される、エアポンプ２６の吐出酸化剤ガス量Ｑｏに等しい。
なお、ドレン弁１６４が開弁していて液水中の燃料排ガスに含まれる水素の希釈のためにバイパス弁１２２が開かれている場合には、次の（１）式に示すように、スタック供給酸化剤ガス量Ｑｓを推定する（図２参照）。
Ｑｓ＝Ｑｏ－Ｑｂ …（１）
ここで、Ｑｏはエアポンプ２６の吐出酸化剤ガス量であり、Ｑｂは、バイパス管路１２０に流通している酸化剤ガス量である。
なお、バイパス管路１２０に流通している酸化剤ガス量Ｑｂは、バイパス管路１２０にガスフローセンサを挿入して検出してもよいが、吐出圧圧力センサ６４及び希釈器入口圧力センサ６２で計測される圧力値の差圧から推定してもよい。
次いで、ステップＳ３にて、燃料電池スタック１６のカソード流路４７から排出される、触媒反応が未反応であった排出燃料ガス量Ｑｈが、ブリード弁１５８が開弁されてカソード流路４７に導入される燃料排ガス導入量Ｑｅに未反応割合を乗算した、次の（２）式で算出される。なお、（２）式中の触媒反応率Ｒｃの単位は、[％]の率換算値である。
Ｑｈ＝Ｑｅ×（１―Ｒｃ） …（２）
（２）式中、ブリード弁１５８を流通する燃料排ガス導入量Ｑｅは、連絡管路１５６にガスフローセンサを挿入して検出してもよいが、アノード出口圧力センサ７０及びカソード入口圧力センサ６７で計測される圧力値の差圧から推定してもよい。
次いで、ステップＳ４にて、排出燃料ガス量Ｑｈに応じて、目標排気濃度Ｄｔａｒ以下の値を維持するのに必要な希釈酸化剤ガス量Ｑｂ（増量分）を次の（３）式により算出する。
Ｑｂ＝｛（１００［％］－Ｄｔａｒ［％］）×Ｑｈ｝／Ｄｔａｒ［％］
…（３）
次に、ステップＳ５にて、（３）式で算出した必要な希釈酸化剤ガス量Ｑｂがバイパス管路１２０に流れるようにドライバ２５を通じてエアポンプ２６を駆動することでバイパス管路１２０に希釈酸化剤ガス量Ｑｂ（増量分）が供給される。なお、バイパス弁１２２が開弁されている場合には、希釈酸化剤ガス量Ｑｂ分増量されてバイパス管路１２０に供給される。
次いで、ステップＳ６にてブリード弁１５８を開弁して、燃料電池スタック１６のカソード電極４２側にアノード電極４３側から窒素を含む燃料排ガスを導入する。
この場合、カソード電極４２の触媒反応により燃料電池スタック１６内で燃料ガスの一部が消費され酸化剤ガス出口連通口１０２から吐出される排出燃料ガス量Ｑｈに、希釈酸化剤ガス量Ｑｂ（増量分）が混合され、排出燃料ガスが目標排気濃度Ｄｔａｒ以下を維持しながら希釈器６６を介して希釈されて大気に排出される。
図５は、フローチャートによる処理を実行する制御部１２の演算手段によるブロック図を示している。
冷媒温度（冷媒出口温度）Ｔｓ又はスタック供給酸化剤ガス量Ｑｓが触媒反応率変換マップ２２０（図４Ａの特性２０１、図４Ｂの特性２０２を備える）を通じて触媒反応率Ｒｃに変換される（ステップＳ２相当）。
次に、減算器２２２により値１から触媒反応率Ｒｃが減算されて、未反応割合（１－Ｒｃ）が算出される。さらに乗算器２２４により（２）式に示したように、排出燃料ガス量Ｑｈが算出される（ステップＳ３相当）。
次いで、希釈酸化剤ガス量算出部２２６により（３）式を利用して説明した希釈酸化剤ガス量Ｑｂ（増量分）を算出し（ステップＳ４相当）、算出した希釈酸化剤ガス量Ｑｂを、別途計算されるスタック供給酸化剤ガス量Ｑｓに加算して、吐出酸化剤ガス量Ｑｏを調整する（Ｑｏ＝Ｑｂ＋Ｑｓ）ことで、エアポンプ２６を駆動する（ステップＳ５相当）。
［実施形態から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素には実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。
この発明に係る燃料電池システムは、エアポンプ２６から吐出されカソード流路４７の入口を通じてカソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード流路４８の入口を通じてアノード電極４３に供給される燃料ガスと、により発電する燃料電池を備える燃料電池システム１４であって、前記燃料電池の前記アノード流路４８の出口から排出される燃料排ガスを前記カソード流路４７の入口に導入する連絡管路１５６と、前記燃料電池システム１４を制御する制御部１２と、を備え、前記制御部１２は、前記連絡管路１５６から前記カソード流路４７の入口に導入され前記カソード電極４２に流通された前記燃料排ガスのうち、前記カソード流路４７の出口から排出される燃料ガス量（排出燃料ガス量）Ｑｈを推定し、推定した前記排出燃料ガス量Ｑｈから、大気への排出時に希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを求め、求めた酸化剤ガス量Ｑｂに基づき前記エアポンプ２６の吐出量を設定している。
この発明では、カソード流路４７の入口からカソード電極４２に流通された燃料排ガスのうち、前記カソード流路４７の出口から排出される排出燃料ガス量Ｑｈを推定することで、推定した前記排出燃料ガス量Ｑｈから、希釈に必要な酸化剤ガス量（希釈酸化剤ガス量）Ｑｂを求め、求めた希釈酸化剤ガス量Ｑｂに基づき前記エアポンプ２６の吐出量を設定する。このため、希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを的確に把握することができ、エアポンプ２６の吐出増量を希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂが増量されるように設定する。結果として、希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを適量化して、エアポンプ２６の電力の増加を必要最小限として、燃料電池システム１４の電力効率の低下を抑制することができる。
また、燃料電池システムにおいては、前記制御部１２は、前記カソード流路４７の出口から排出される排出燃料ガス量Ｑｈの推定を、前記アノード流路４８の出口から前記連絡管路１５６を介して前記カソード電極４２に導入される燃料排ガス量と、前記カソード電極で生じる触媒反応による触媒反応率と、に基づき推定する。
この構成により、カソード流路４７の出口から排出される排出燃料ガス量Ｑｈを、アノード流路４８の出口から連絡管路１５６を介して前記カソード電極４２に導入される燃料排ガス導入量Ｑｅと、前記カソード電極４２で生じる触媒反応による触媒反応率Ｒｃと、から推定するようにしている。
この構成により、カソード流路４７の出口から排出される排出燃料ガス量Ｑｈを、「カソード流路４７の出口から排出される排出燃料ガス量Ｑｈ＝カソード電極に導入される燃料排ガス導入量Ｑｅ×（１－触媒反応率Ｒｃ）」として容易に求めることができる。
さらに、燃料電池システムにおいては、前記制御部１２は、前記触媒反応率Ｒｃを、前記燃料電池の温度又は前記エアポンプ２６から前記カソード電極４２に供給される酸化剤ガス量Ｑｓに基づき推定する。
このように、触媒反応率Ｒｃを、燃料電池の温度又はエアポンプ２６からカソード電極４２に供給されるスタック供給酸化剤ガス量Ｑｓに基づき推定するので、触媒反応率Ｒｃをリアルタイムに且つ容易に推定可能で、希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂが過多となることなく、適量を正確に設定することができる。
この発明に係る燃料電池システムの制御方法においては、エアポンプ２６から吐出されカソード流路４７の入口を通じてカソード電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード流路４８の入口を通じてアノード電極４３に供給される燃料ガスと、により発電する燃料電池を備える燃料電池システム１４の制御方法であって、前記燃料電池の前記アノード流路４８の出口から排出される燃料排ガスを、連絡管路１５６を介して前記カソード流路４７の入口に導入し、前記連絡管路１５６から前記カソード流路４７の入口に導入され前記カソード電極４２に流通された前記燃料排ガスのうち、前記カソード流路４７の出口から排出される燃料ガス量（排出燃料ガス量）Ｑｈを推定し、推定した前記排出燃料ガス量Ｑｈから、大気への排出時に希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを求め、求めた酸化剤ガス量Ｑｂに基づき前記エアポンプ２６の吐出量を設定する。
この構成により、カソード流路４７の入口からカソード電極４２に流通された燃料排ガスのうち、カソード流路４７の出口から排出される排出燃料ガス量Ｑｈを推定することで、推定した前記排出燃料ガス量Ｑｈから、希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを求め、求めた酸化剤ガス量Ｑｂに基づきエアポンプ２６の吐出量を設定する。このため、希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを的確に把握することができ、エアポンプ２６の吐出増量を希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂが増量されるように設定する。結果として、希釈に必要な酸化剤ガス量Ｑｂを適量化して、エアポンプ２６の電力の増加を必要最小限として、燃料電池システム１４の電力効率の低下を抑制することができる。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０…燃料電池車両 １２…制御部
１４…燃料電池システム １６…燃料電池スタック
２５…ドライバ ２６…エアポンプ
４２…カソード電極 ４３…アノード電極
４７…カソード流路 ４８…アノード流路
５６…エアフローセンサ ６２…希釈器入口圧力センサ
６４…吐出圧圧力センサ ６７…カソード入口圧力センサ
７０…アノード出口圧力センサ ７６…温度センサ
７８…記憶部 １２０…バイパス管路
１２２…バイパス弁 １５６…連絡管路
１５８…ブリード弁 ２０１、２０２…特性
２２０…触媒反応率変換マップ

Claims (4)

  1. エアポンプから吐出されカソード流路の入口を通じてカソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード流路の入口を通じてアノード電極に供給される燃料ガスと、により発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の前記アノード流路の出口から排出される燃料排ガスを前記カソード流路の入口に導入する連絡流路と、
    前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記連絡流路から前記カソード流路の入口に導入され前記カソード電極に流通された前記燃料排ガスのうち、前記カソード流路の出口から排出される燃料ガス量を推定し、
    推定した前記燃料ガス量から、大気への排出時に希釈に必要な酸化剤ガス量を求め、
    求めた酸化剤ガス量に基づき前記エアポンプの吐出量を設定する
    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において、
    前記制御部は、
    前記カソード流路の出口から排出される燃料ガス量の推定を、
    前記アノード流路の出口から前記連絡流路を介して前記カソード電極に導入される燃料排ガス量と、前記カソード電極で生じる触媒反応による触媒反応率と、に基づき推定する
    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、
    前記制御部は、
    前記触媒反応率を、前記燃料電池の温度又は前記エアポンプから前記カソード電極に供給される酸化剤ガス量に基づき推定する
    燃料電池システム。
  4. エアポンプから吐出されカソード流路の入口を通じてカソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード流路の入口を通じてアノード電極に供給される燃料ガスと、により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池の前記アノード流路の出口から排出される燃料排ガスを、連絡流路を介して前記カソード流路の入口に導入し、
    前記連絡流路から前記カソード流路の入口に導入され前記カソード電極に流通された前記燃料排ガスのうち、前記カソード流路の出口から排出される燃料ガス量を推定し、
    推定した前記燃料ガス量から、大気への排出時に希釈に必要な酸化剤ガス量を求め、
    求めた酸化剤ガス量に基づき前記エアポンプの吐出量を設定する
    燃料電池システムの制御方法。
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