JPWO2015022836A1 - 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

Abstract

燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、燃料電池から排出されたアノードオフガスを、カソードガス流路中に排出するアノードガス排出系と、燃料電池の運転状態に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転制御部と、燃料電池のアノードの不純物濃度とアノードの圧力とに基づいて、カソードガス流路中にアノードオフガスをパージするパージ制御部と、パージ制御部によって制御されるパージ流量に基づいてコンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、を備え、パージ制御部は、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値を、アノードの圧力とする。

Description

本発明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。

ＪＰ２０１２−１５６１４４Ａには、従来の燃料電池システムとして、カソードガスによって、燃料電池システム系外に排出する排出ガスの水素濃度を所定濃度以下に希釈するものが開示されている。

現在開発中の燃料電池システムでは、パージ弁を介してアノードオフガスをカソードガス排出通路に合流させている。そして、カソードガス排出通路に排出するアノードオフガスの流量（パージ流量）に基づいて、コンプレッサのカソードガス供給流量を制御することで、最終的にカソードガス排出通路から燃料電池システム系外に排出される排出ガスの水素濃度を所定濃度以下に希釈している。

パージ流量は、パージ弁の開度と、パージ弁の前後差圧（＝アノードガスの圧力と大気圧との差圧）と、に依存する。そのため、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施する場合には、アノードガスの圧力が脈動することに伴ってパージ弁の前後差圧が脈動し、パージ流量が脈動（増減）する。

その結果、パージ流量に基づいて制御されるコンプレッサのカソードガス供給流量が脈動してしまい、コンプレッサからうねり音等の異音が生じるおそれがある。

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、コンプレッサから異音が発生するのを抑制することを目的とする。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、燃料電池から排出されたアノードオフガスを、カソードガス流路中に排出するアノードガス排出系と、燃料電池の運転状態に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転制御部と、燃料電池のアノードの不純物濃度とアノードの圧力に基づいて、カソードガス流路中にアノードオフガスをパージするパージ制御部と、パージ制御部によって制御されるパージ流量に基づいて、コンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、を備える。パージ制御部は、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値を、アノードの圧力とする。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の一実施形態によるアノードガス供給制御について説明するフローチャートである。 図３は、目標出力電流に基づいて、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を算出するテーブルである。 図４は、本発明の一実施形態による第１パージ弁及び第２パージ弁の開閉制御について説明する図である。 図５は、本発明の一実施形態によるカソードガス供給制御について説明する図である。 図６は、希釈要求コンプレッサ供給流量出力部の詳細について説明する図である。 図７は、希釈制御用アノード圧力と大気圧とに基づいて、基本パージ流量を算出するマップである。 図８は、パージ弁温度に基づいて、温度補正係数を算出するテーブルである。 図９は、パージ流量に基づいて、希釈要求コンプレッサ供給流量を算出するテーブルである。 図１０は、本発明の一実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、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）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

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

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

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、コントローラ４と、を備える。燃料電池スタック１を冷却するための冷却系統については、煩雑の防止するために図示を省略している。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。

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（空気）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。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、カソードコンプレッサ２４と、カソード調圧弁２５と、バイパス通路２６と、バイパス弁２７と、第１エアフローセンサ４１と、第２エアフローセンサ４２と、カソード圧力センサ４３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に供給す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は、一端がフィルタ２３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１１に接続される。

カソードガス排出通路２２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２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔１２に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。

フィルタ２３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２４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２４は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソード調圧弁２５は、カソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２５は、コントローラ４によって開閉制御されて、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、カソード調圧弁２５を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。

バイパス通路２６は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２２に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２６は、一端がカソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に接続され、他端がカソード調圧弁２５よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。

バイパス弁２７は、バイパス通路２６に設けられる。バイパス弁２７は、コントローラ４によって開閉制御されて、バイパス通路２６を流れるカソードガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を調節する。

第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４に供給されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ供給流量」という。）を検出する。

第２エアフローセンサ４２は、バイパス通路２６との接続部より下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。第２エアフローセンサ４２は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。スタック供給流量は、コンプレッサ供給流量からバイパス流量を引いた流量である。

カソード圧力センサ４３は、カソードガス入口孔１１の近傍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４３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（以下「カソード圧力」という。）を検出する。

アノードガス給排装置３は、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２２に排出する。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、第１アノードガス排出通路３４と、第２アノードガス排出通路３５と、第１パージ通路３６と、第２パージ通路３７と、第１パージ弁３８と、第２パージ弁３９と、バッファタンク４０と、アノード圧力センサ４５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（水素）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から排出される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は、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１３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３３３４は、コントローラ４によって開閉制御されて、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所望の圧力に調節する。

アノード圧力センサ４５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、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。

第１アノードガス排出通路３４は、一端部が燃料電池スタック１の第１アノードガス出口孔１４に接続され、他端部がバッファタンク４０に接続される。第１アノードガス排出通路３４には、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード電極側からアノード電極側へと透過してきた窒素や水分（生成水や水蒸気）などを含む不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。

第２アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック１の第２アノードガス出口孔１５に接続され、他端部がバッファタンク４０に接続される。第２アノードガス排出通路３５には、アノードオフガスが排出される。

バッファタンク４０は、第１アノードガス排出通路３４及び第２アノードガス排出通路３５を流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク４０に溜められたアノードオフガスは、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９が開かれているときに、第１パージ通路３６及び第２パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。

第１パージ通路３６は、一端部が第１アノードガス排出通路３４に接続され、他端部がカソードガス排出通路２２に接続される。

第２パージ通路３７は、一端部が第２アノードガス排出通路３５に接続され、他端部がカソードガス排出通路２２に接続される。なお、第１パージ通路３６及び第２パージ通路３７の他端部を、カソードガス供給通路２１に接続するようにしても良い。すなわち、第１パージ通路３６及び第２パージ通路３７の他端部は、カソードガス流路（カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２）上に接続されていればよい。

第１パージ弁３８は、第１パージ通路３６に設けられ、開度を全開又は全閉に調節することが可能な電磁弁であり、コントローラ４によって制御される。第１パージ弁３８は、第１アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を調節する。第１パージ弁３８の内部には、凍結による固着防止のためにウォータジャケット（図示せず）が形成されており、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が循環するようになっている。本実施形態では、この第１パージ弁３８のウォータジャケットに導入される冷却水の温度を検出し、これを第１パージ弁３８の温度（以下「第１パージ弁温度」という。）として代用している。

第２パージ弁３９は、第２パージ通路３７に設けられ、開度を全開又は全閉に調節することが可能な電磁弁であり、コントローラ４によって制御される。第２パージ弁３９は、第２アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を調節する。第２パージ弁３９の内部にもウォータジャケット（図示せず）が形成されており、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が循環するようになっている。本実施形態では、この第２パージ弁３９のウォータジャケットに導入される冷却水の温度を検出し、これを第２パージ弁３９の温度（以下「第２パージ弁温度」という。）として代用している。

コントローラ４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４には、前述した第１エアフローセンサ４１等の他にも、燃料電池スタック１から取り出される電流（出力電流）を検出する電流センサ４６や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ４７、アクセルペダルの踏込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４８、バッテリ充電量を検出するＳＯＣセンサ４９、大気圧を検出する大気圧センサ５０、燃料電池スタックから排出された冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する水温センサ５１などの燃料電池システム１００の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。

コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて、燃料電池スタック１に対するアノードガス及びカソードガスの供給を制御すると共に、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９の開閉を制御する。以下では、まずアノードガス供給制御について説明した後、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９の開閉制御について説明し、最後にカソードガス供給制御について説明する。

図２は、本実施形態によるアノードガス供給制御について説明するフローチャートである。本実施形態では、アノード圧力が脈動するように燃料電池スタック１に対するアノードガスの供給を制御する。

ステップＳ１において、コントローラ４は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、車両の駆動力を発生する駆動モータ（図示せず）及びカソードコンプレッサ２４等の補機の要求電力やバッテリの充放電要求に基づいて燃料電池スタック１の目標出力電力を算出し、目標出力電力に基づいて、燃料電池スタック１のＩＶ特性から目標出力電流を算出する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、図３のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を算出する。図３のテーブルに示すように、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力は、それぞれ目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。また、脈動幅も同様に、目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。

ステップＳ３において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも高いか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ４の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時上限目標圧力未満であれば、ステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ４において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動時下限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時下限目標圧力となるように、アノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁３３の開度は全閉となり、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック１内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。

ステップＳ５において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下か否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ６の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時下限目標圧力よりも高ければ、ステップＳ７の処理を行う。

ステップＳ６において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動時上限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時上限目標圧力となるように、アノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力が上昇する。

ステップＳ７において、コントローラ４は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。

図４は、本実施形態による第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９の開閉制御について説明する図である。

第１アノードガス排出通路３４及び第２アノードガス排出通路３５に排出されたアノードオフガスには、カソード電極側からアノード電極側へと透過してきた窒素や水分などの不純物が含まれている。そのため、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９を閉じたままにしていると、バッファタンク４０に窒素や水分が蓄積されてアノード系全体の水素濃度が低下し、発電に必要な水素濃度を確保できなくなるおそれがある。

そこで本実施形態では、アノード電極側へと透過してきた窒素や水分などの不純物がアノード系内から排出されるように第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９を開閉制御し、カソードガス排出通路２２に排出されるアノードオフガスの総流量（以下「パージ流量」という。）を調節している。

具体的には、図４に示すように、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９は、それぞれに対して設定されたデューティ比に応じて所定周期ごとに開閉が行われる。

このとき、第１パージ弁３８は、第１パージ弁３８に対して設定されたデューティ比（０〜１の範囲で設定）に応じて、所定周期の始めから開き始めるように制御される。例えば設定されたデューティ比が０．５であれば、第１パージ弁３８は所定周期の初めから所定周期の半分まで開かれ、設定されたデューティ比が１であれば所定周期の最初から最後まで開かれる。

一方で、第２パージ弁３９は、第２パージ弁３９に対して設定されたデューティ比（０〜１の範囲で設定）に応じて、所定周期の終わりに閉じられるように制御される。例えば設定されたデューティ比が０．５であれば、第２パージ弁３９は所定周期が半分経過したときに開かれて所定周期の終わりに閉じられ、設定されたデューティ比が１であれば所定周期の最初から最後まで開かれる。

第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９のそれぞれに対して設定されたデューティ比によっては、双方が同時に開弁した状態となる。

本実施形態では、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９のそれぞれに対するデューティ比の設定は以下のようにして行う。

まず、カソード圧力及びスタック温度に基づいて、アノード電極側へと透過してきた透過窒素量を算出し、この透過窒素量に基づいて窒素排出要求デューティ比を算出する。透過窒素量は、カソード圧力が高くなるほど、またスタック温度が高くなるほど多くなる。窒素排出要求デューティ比は、透過窒素量が多くなるほど大きくなる。

また、目標出力電流に応じてアノード電極側の水分量（以下「アノード水分量」という。）を算出し、このアノード水分量に基づいて水分排出要求デューティ比を算出する。アノード水分量は、目標出力電流が高くなるほど多くなる。水分排出デューティ比は、アノード水分量が多くほど大きくなる。

そして、窒素排出要求デューティ比及び水分排出要求デューティ比の大きい方を第１パージ弁３８のデューティ比（第１パージ弁デューティ比）とし、水分排出要求デューティ比を第２パージ弁３９のデューティ比（第２パージ弁デューティ比）とする。これにより、カソード電極側からアノード電極側に透過してくる窒素や水分などの不純物が確実にカソードガス排出通路２２に排出されるようにしている。

ここで、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードオフガスと混合されてカソードガス排出通路２２の開口端から外気へ排出されることになる。

アノードオフガスには、アノード電極側へと透過してきた窒素や水分の他にも、電極反応で使用されなかった水素が含まれている。したがって、外気へ排出するアノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガス（以下「排出ガス」という。）中の水素濃度を可燃濃度未満に希釈する必要がある。

そこで本実施形態では、排出ガス中の水素濃度が可燃濃度未満となるように、パージ流量に応じてコンプレッサ供給流量の下限値（＝後述する希釈要求コンプレッサ供給流量）を設定することにしている。

ここでパージ流量は、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９の開度（以下、まとめて「パージ弁開度」という。）と、第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９の前後差圧（＝アノード圧力と大気圧との差圧）（以下、まとめて「パージ弁前後差圧」という。）と、に依存する。そのため、アノード圧力を脈動させる脈動運転を実施する場合には、アノード圧力が脈動することに伴ってパージ弁前後差圧が脈動し、パージ流量が脈動（増減）する。そうすると、パージ流量に応じて設定されるコンプレッサ供給流量の下限値が脈動してしまい、この下限値がコンプレッサ供給流量の目標値として設定されたときにカソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が生じるおそれがある。

そこで本実施形態では、パージ流量に応じてコンプレッサ供給流量の下限値を設定した場合であっても、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生しないようにカソードコンプレッサ２４を制御する。

以下、図５から図９を参照して、この本実施形態によるカソードガス供給制御について説明する。

図５は、本実施形態によるカソードガス供給制御について説明する図である。

スタック要求コンプレッサ供給流量算出部２００には、目標出力電流が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部２００は、目標出力電流に基づいて、スタック要求コンプレッサ供給流量（第２目標供給流量）を算出する。スタック要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量の目標値である。スタック要求コンプレッサ供給流量は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが多くなる。

希釈要求コンプレッサ供給流量出力部３００には、脈動時上限目標圧力、アノード圧力、大気圧、第１パージ弁温度、第２パージ弁温度、スタック温度、第１パージ弁デューティ比及び第２パージ弁デューティ比が入力される。希釈要求コンプレッサ供給流量出力部３００は、これらの入力値に基づいて、希釈要求コンプレッサ供給流量を出力する。希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、可燃濃度未満にするために必要なコンプレッサ供給流量の目標値である。

希釈要求コンプレッサ供給流量出力部３００の詳細については、図６を参照して説明する。

図６に示すように、希釈要求コンプレッサ供給流量出力部３００は、基本パージ流量算出部３０１と、温度補正係数算出部３０２と、パージ弁デューティ比算出部３０３と、希釈要求コンプレッサ供給流量算出部３０４と、を備える。

基本パージ流量算出部３０１には、脈動時上限目標圧力及びアノード圧力の大きい方（以下「希釈制御用アノード圧力」という。）と、大気圧と、が入力される。基本パージ流量は、図７のマップを参照し、基本パージ流量を算出する。図７のマップに示すように、基本パージ流量は、希釈制御用アノード圧力が高くて大気圧が低いとき、すなわちパージ弁前後差圧が大きいときほど多くなる。

なお、図７のマップは、パージ弁温度が所定の基準温度（例えば６０℃）で、かつ、第１パージ弁デューティ比と第２パージ弁デューティ比との合計値（パージ弁デューティ比）が１のときのパージ流量を示したマップである。

温度補正係数算出部３０２には、第１パージ弁温度、第２パージ弁温度及びスタック温度のうち、最も低い温度（以下「パージ弁温度」という。）が入力される。温度補正係数算出部３０２は、図８のテーブルを参照し、パージ弁温度に基づいて、基本パージ流量に掛け合わせる温度補正係数を算出する。図８のテーブルに示すように、パージ弁温度が基準温度のときに温度補正係数は１となる。そして、パージ弁温度が基準温度より低いときは、温度補正係数は１より大きい値に設定され、パージ弁温度が基準温度より高いときは、温度補正係数は１より小さい値に設定される。

パージ弁デューティ比算出部３０３には、第１パージ弁デューティ比及び第２パージ弁デューティ比が入力される。パージ弁デューティ比算出部３０３は、第１パージ弁デューティ比と第２パージ弁デューティ比との合計値（０〜２の範囲）をパージ弁デューティ比として算出する。前述したように、第１パージ弁デューティ比は、窒素排出要求デューティ比及び水分排出要求デューティ比の大きい方であり、第２パージ弁デューティ比は、水分排出要求デューティ比である。つまり、このパージ弁開度に相当するパージ弁デューティ比は、燃料電池スタック１のアノードの不純物濃度に応じて変化するものであり、燃料電池スタック１のアノードの不純物濃度に基づいて算出される。

希釈要求コンプレッサ供給流量算出部３０４には、基本パージ流量に温度補正係数及びパージ弁デューティ比を掛け合わせたパージ流量が入力される。希釈要求コンプレッサ供給流量算出部３０４は、図９のテーブルを参照し、パージ流量に基づいて希釈要求コンプレッサ供給流量（第１目標供給流量）を算出する。図９のテーブルに示すように、パージ流量が多くなるほど希釈要求コンプレッサ供給流量は多くなる。これは、パージ流量が多くなるほど、カソードガス排出通路２２に排出される水素量が増加するためのである。

再び図５に戻って本実施形態によるカソードガス供給制御について説明する。

目標コンプレッサ供給流量算出部４００には、スタック要求コンプレッサ供給流量と、希釈要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量算出部４００は、これら２つの入力値のうち、大きい方を目標コンプレッサ供給流量として算出する。

カソードコンプレッサ制御部５００には、コンプレッサ供給流量と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部５００は、コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量との偏差に基づいてカソードコンプレッサ２４に対するトルク指令値を算出し、このトルク指令値に応じてカソードコンプレッサ２４を制御する。これにより、コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量に制御される。

目標バイパス弁開度算出部６００には、スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、が入力される。目標バイパス弁開度算出部６００は、スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのバイパス弁２７の開度を、目標バイパス弁開度として算出する。

スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されたときは、コンプレッサ供給流量がスタック要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４が制御される。そのため、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスをバイパスする必要はないので、目標バイパス弁開度は全閉に設定される。

一方で、カソードガス排出通路２２に排出された水素を希釈するために、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されたときは、コンプレッサ供給流量がスタック要求コンプレッサ供給流量よりも多くなる。そのため、その余剰分（希釈要求コンプレッサ供給流量−スタック要求コンプレッサ供給流量）がバイパス通路２６に流れるように、目標バイパス弁開度が設定される。

バイパス弁制御部７００には、目標バイパス開度が入力される。バイパス弁制御部７００は、バイパス弁２７の開度を目標バイパス弁開度に制御する。

図１０は、本実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。

まず、アノードガス供給制御の動作について説明する。

このタイムチャートでは、時刻ｔ１の時点で、目標出力電流に基づいて算出された脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間でアノード圧力を脈動させる脈動運転がすでに実施されている（図１０（Ａ））。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの区間は、目標出力電流が一定なので（図１０（Ｂ））、時刻ｔ１の時点における脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間でアノード圧を脈動させる脈動運転が継続して実施される（図１０（Ａ））。

時刻ｔ２で、例えばアクセル操作量が減少したことによって目標出力電流が低下すると（図１０（Ｂ））、目標出力電流の低下に応じて脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力もそれぞれ低下する（図１０（Ａ））。

これにより、低下した脈動時下限目標圧力となるようにアノード圧力を制御すべく、アノード調圧弁３３の開度が全閉にされ、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電によって燃料電池スタック１内のアノードガスが徐々に消費されていき、アノード圧力が低下していく（図１０（Ａ））。このように、目標出力電流が低下する下げ過渡時のアノード圧力の低下速度は、発電によるアノードガスの消費速度に依存するため、下げ過渡時は一時的に脈動時上限目標圧力よりもアノード圧力のほうが高くなる場合がある（図１０（Ａ））。

次に、カソードガス供給制御の動作について説明する。

時刻ｔ１から目標出力電流が低下する時刻ｔ２までは、アノード圧力よりも脈動時上限目標圧力の方が高いので、脈動時上限目標圧力が希釈制御用アノード圧力として設定される。

脈動時上限目標圧力は、目標出力電流の変動がなければ目標出力電流に応じた所定値に固定されるので、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの区間は、希釈制御用アノード圧力も所定値に固定される。

そして本実施形態では、この所定値に固定された希釈制御用アノード圧力に応じて基本パージ流量が算出され、基本パージ流量に温度補正係数及びパージ弁デューティ比（パージ弁開度）を掛け合わしたものがパージ流量として算出される。そのため、アノード圧力を脈動させる脈動運転を実施する場合であっても、この脈動するアノード圧力に応じてパージ流量が算出されるわけではないので、パージ流量が脈動することはない。よって、パージ流量に基づいて算出される希釈要求コンプレッサ供給流量も脈動することはなく、ある所定値に固定される（図１０（Ｄ））。

これにより、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定され、コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４が制御された場合であっても、カソードコンプレッサ２４の回転速度を一定に維持することができる（図１０（Ｅ））。

したがって、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が生じるのを抑制でき、燃料電池システム１００の音振性能の悪化を抑制することができる。

また本実施形態では、時刻ｔ２で目標出力電流が低下し、一時的に脈動時上限目標圧力よりもアノード圧力の方が高くなった場合は（図１０（Ａ））、アノード圧力を希釈制御用アノード圧力として設定する。

このように、低下した目標出力電流に基づいて設定された脈動時下限目標圧力に向けてアノード圧力を減圧している最中は、アノード圧力を希釈制御用アノード圧力として設定してパージ流量を算出しても、アノード圧力が脈動しているわけではないので、パージ流量が脈動することはない。よって、アノード圧力を希釈制御用アノード圧力として設定しても、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が生じることはない。

また、脈動時上限目標圧力よりもアノード圧力の方が高くなった場合には、アノード圧力を希釈制御用アノード圧力として設定してパージ流量を算出することで、排出ガス中の水素濃度を十分に下げることができる。

時刻ｔ３で、脈動時上限目標圧力がアノード圧力よりも高くなると、再び脈動時上限目標圧力が希釈制御用アノード圧力として設定され、時刻ｔ１以降と同様に制御される。

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するためのカソードコンプレッサ２４と、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２で構成されるカソードガス流路中に排出するアノードガス排出系（第１及び第２パージ通路３６，３７、第１及び第２パージ弁３８，３９）と、コントローラ１４０と、を備える。

コントローラ１４０は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転制御部と、燃料電池スタック１のアノードの窒素や水分などの不純物濃度とアノードの圧力に基づいてカソードガス流路中にアノードオフガスをパージするパージ制御部と、パージ制御部によって制御されるパージ流量に基づいてカソードコンプレッサ２４を制御するコンプレッサ制御部と、を備える。そしてコントローラ１４０のパージ制御部は、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値をアノードの圧力とする。

燃料電池システム１００はこのように構成されているため、本実施形態ではカソードガス中に排出するアノードオフガスのパージ流量に基づいてカソードコンプレッサ２４を制御するための制御目標値（希釈要求コンプレッサ供給流量）を算出しているが、排出ガスの水素濃度を所定濃度以下に希釈するためにパージ流量に基づいてコンプレッサを制御する場合であっても、脈動するアノードガスの実圧力に基づいてパージ流量を算出するのではなく、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値に基づいてパージ流量が算出される。このため、パージ流量に基づいて制御されるカソードコンプレッサ２４のカソードガス供給流量が脈動することもないので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値として、脈動時上限目標圧力（アノードガスの圧力を脈動させるときの上限目標圧力）を用いることにした。これにより、算出したパージ流量が実際のパージ流量よりも少なくなるのを抑制できるので、パージ流量に基づいて算出した希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４を制御することで、排出ガス中の水素濃度を十分に下げることができる。

また本実施形態によれば、下げ過渡時に一時的にアノード圧力が脈動時目標上限圧力よりも高くなるのを考慮して、アノードガスの実圧力が脈動時目標上限圧力よりも高くなると、脈動時目標上限圧力に替えてアノードガスの実圧力をアノードの圧力として、パージ制御部がパージ流量を制御するように構成している。具体的には、パージ流量を、パージ弁開度と、アノード圧力と、に応じて算出している。

これにより、算出したパージ流量が実際のパージ流量よりも少なくなってしまうのを抑制できるので、下げ過渡時のようにアノード圧力が脈動時目標上限圧力よりも高くなる運転状態のときであっても、排出ガス中の水素濃度を十分に下げることができる。

また、本実施形態によれば、パージ弁開度が変化するので、パージ流量を、パージ弁開度に相当する所定周期ごとのパージ弁デューティ比と、アノードガスの脈動状態に応じて定められる脈動時上限目標圧力と、に応じて算出することとした。

前述したように、パージ流量は、パージ弁開度と、パージ弁前後差圧と、に依存する。パージ弁前後差圧は、アノード圧力と大気圧との差圧であり、大気圧が短時間のうちに変動することはないので、基本的にアノード圧力に応じて変動する。

そのため、本実施形態のように、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値と、大気圧と、の差圧をパージ弁前後差圧としてパージ流量を算出することで、アノード圧力を脈動させる脈動運転を実施していたとしても、パージ弁前後差圧にその影響が及ぶことがなく、パージ弁前後差圧が脈動することがない。

よって、パージ流量も脈動しないので、パージ流量に基づいて算出される希釈要求コンプレッサ供給流量も脈動しない。

したがって、アノード圧力を脈動させる脈動運転を実施すると共に、排出ガス中の水素濃度を可燃濃度未満にするためにパージ流量に基づいてカソードコンプレッサ２４を制御する場合であっても、パージ流量に基づいて算出される希釈要求コンプレッサ供給流量が脈動することはないので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる。

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。

例えば、上記実施形態では、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値として、脈動時上限目標圧力を用いていたが、脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力の平均値（平均圧力）を用いても良い。このようにすることで、算出したパージ流量と実際のパージ流量との誤差を小さくすることができるので、希釈要求コンプレッサ供給流量が無駄に多くなってしまうのを抑制できる。結果として、カソードコンプレッサ２４の消費電力を抑制できるので、燃費を向上させることができる。

また、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値として、脈動時下限目標圧力を用いても良い。このようにしても、パージ流量の脈動を抑制できるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる。なお、この場合は、図７のマップ値を適切な値に設定することで、算出したパージ流量が実際のパージ流量よりも少なくなるのを防止すれば良い。

また、上記実施形態では、２つのパージ弁（第１パージ弁３８及び第２パージ弁３９）を備える燃料電池システム１００を例に説明したが、パージ弁は１つでも良いし、３つ以上あっても良い。

また、上記実施形態では、パージ弁開度として、パージ弁デューティ比を用いたが、これに限られるものではなく、実際のパージ弁開度や開弁時間などから規定しても良い。

また、上記実施形態では、パージ流量を、パージ弁開度と、アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値と、に応じて算出していたが、パージ弁開度が一定の燃料電池システムであれば、パージ流量をアノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値に基づいて算出しても良い。

また、上記実施形態では、第１パージ通路３６及び第２パージ通路３７を、カソードガス排出通路２２に接続していたが、前述したようにカソードガス供給通路２１に接続しても良いし、バイパス通路２６に接続しても良い。

さらに、上記各実施形態では、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンク４０を設けていた。しかしながら、このようなバッファタンク４０を設けずに、例えば、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンク４０の代わりの空間としても良い。なお、ここでいう内部マニホールドとは、各セパレータのアノードガス流路を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介して第１及び第２アノードガス排出通路３４，３５へと排出される。なお、２本ではなく１本のアノードガス排出通路としても良い。

本願は、２０１３年８月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−１６７２６４号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 (9)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを、カソードガス流路中に排出するアノードガス排出系と、
   前記燃料電池の運転状態に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転制御部と、
   前記燃料電池のアノードの不純物濃度とアノードの圧力とに基づいて、前記カソードガス流路中にアノードオフガスをパージするパージ制御部と、
   前記パージ制御部によって制御されるパージ流量に基づいて、前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、
   を備え、
   前記パージ制御部は、
   前記アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値を、前記アノードの圧力とする、
   燃料電池システム。
2. 前記所定値は、アノードガスの圧力を脈動させるときの上限目標圧力である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定値は、アノードガスの圧力を脈動させるときの下限目標圧力である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定値は、アノードガスの圧力を脈動させるときの上限目標圧力と下限目標圧力の平均圧力である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記パージ制御部は、
   アノードガスの実圧力が前記所定値よりも高くなると、前記所定値に替えてアノードガスの実圧力を前記アノードの圧力とする、
   請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記脈動運転制御部は、
   前記燃料電池の負荷に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させるときの上限目標圧力及び下限目標圧力を算出し、前記燃料電池の負荷が低いときに比して、高いときほど当該上限目標圧力及び当該下限目標圧力を高くする、
   請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記パージ流量に基づいて、前記コンプレッサの第１目標供給流量を算出する第１目標供給流量算出部と、
   前記燃料電池の負荷に基づいて、前記コンプレッサの第２目標供給流量を算出する第２目標供給流量算出部と、
   を備え、
   前記コンプレッサ制御部は、
   前記第１目標供給流量及び前記第２目標供給流量の大きい方に基づいて、前記コンプレッサを制御する、
   請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記アノードガス排出系は、
   前記カソードガス流路中に排出するアノードオフガスの流量を調節するパージ弁を備え、
   前記パージ制御部は、
   前記燃料電池スタックのアノードの不純物濃度に基づいて前記パージ弁の開度を算出し、
   前記パージ弁の開度と前記アノードの圧力とに基づいて、前記カソードガス流路中にアノードオフガスをパージする、
   請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池と、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを、カソードガス流路中に排出するアノードガス排出系と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の運転状態に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転制御工程と、
   前記燃料電池のアノードの不純物濃度とアノードの圧力とに基づいて、前記カソードガス流路中にアノードオフガスをパージするパージ制御工程と、
   前記パージ制御工程によって制御されるパージ流量に基づいて、前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御工程と、
   を備え、
   前記パージ制御工程は、
   前記アノードガスの脈動状態に応じて定めた所定値を、前記アノードの圧力とする、
   燃料電池システムの制御方法。

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