JPWO2015170413A1 - 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は、アノードガスを燃料電池に供給する供給通路と、供給通路に設けられ、アノードガスの圧力を調整する調圧弁とを含む。そして燃料電池システムは、燃料電池からアノードガスを排出する排出通路と、調圧弁から供給されるアノードガスによって、排出通路に排出されるアノードガスを吸引してそのアノードガスを燃料電池に循環させるエゼクタとを含む。さらに燃料電池システムは、エゼクタに供給されるアノードガスの圧力を脈動させる制御部を含む燃料電池システム。

Description

この発明は、燃料電池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。

燃料電池システムのひとつとして、アノードガスを燃料電池に供給する供給通路にエゼクタが設けられ、燃料電池で消費されなかった余剰のアノードガスを、エゼクタによって吸引して燃料電池に供給する循環系の燃料電池システムがある。

ＪＰ２００８−１９０３３６Ａには、エゼクタの上流側にインジェクタが設けられ、インジェクタから噴射した噴射流量とエゼクタで吸引した吸引流量とを加算した供給流量が負荷からの要求電力を満たす流量となるように、インジェクタの噴射タイミングを制御する技術が開示されている。

しかしながら、上述の技術では、インジェクタを用いてエゼクタから吐出される流量を制御していることから、発電に必要な流量は確保されるものの、エゼクタによって燃料電池へ循環される余剰のアノードガスが不足する可能性がある。

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、エゼクタによって燃料電池へ循環させるアノードガスの循環流量を確保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、燃料電池システムは、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。燃料電池システムは、アノードガスを前記燃料電池に供給する供給通路と、前記供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池からアノードガスを排出する排出通路とを含む。燃料電池システムは、前記供給通路に設けられ、前記調圧弁から供給されるアノードガスによって、前記排出通路に排出されるアノードガスを吸引して当該アノードガスを前記燃料電池に循環させるエゼクタを含む。そして燃料電池システムは、前記エゼクタに供給されるアノードガスの圧力を脈動させる制御部を含む燃料電池システム。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池スタックを示す斜視図である。 図２は、燃料電池スタックに積層された燃料電池を示す断面図である。 図３Ａは、燃料電池を構成するアノードセパレータを示す平面図である。 図３Ｂは、燃料電池を構成するカソードセパレータを示す平面図である。 図４は、燃料電池システムの主要構成を示す図である。 図５Ａは、燃料電池システムに設けられるエゼクタの構成を示す断面図である。 図５Ｂは、アノード調圧弁から供給されるアノードガスの圧力に応じてエゼクタに供給されるアノードガスの供給流量の特性を示す図である。 図６は、アノードガス圧力を脈動させるために定められた脈動制御マップを示す図である。 図７は、脈動制御マップの切替点を決定する手法を説明する図である。 図８は、要求負荷に基づいて、アノード調圧弁からエゼクタに供給されるアノードガスの供給流量を示す図である。 図９は、低負荷領域及び高負荷領域でのアノードガス圧力の波形を例示する図である。 図１０は、アノードガス圧力の脈動幅と燃料電池の耐久性との関係を示す図である。 図１１は、コントローラによる燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、アノードガス圧力の脈動制御についての処理手順例を示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第２実施形態における脈動制御マップの一例を示す図である。 図１４は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図１５は、コントローラに記録される脈動幅抑制マップの一例を示す図である。 図１６は、本発明の第４実施形態における脈動幅マップの一例を示す図である。

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）
まず、本発明の第１実施形態における燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックについて説明する。

燃料電池スタックは、複数枚の燃料電池を積層したものであり、本実施形態では、車両を駆動する電動モータに電力を供給する電源として用いられる。

燃料電池は、アノード電極（いわゆる燃料極）と、カソード電極（いわゆる酸化剤極）と、これらの電極に挟まれた電解質膜と、を備える。

燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（いわゆる燃料ガス）と、カソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（いわゆる酸化剤ガス）とが電気化学反応を起こして発電する。燃料電池の電気化学反応（発電反応）は、アノード電極及びカソード電極において、以下のとおり進行する。

アノード電極： ２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

図１は、本実施形態における燃料電池スタック１１０の一例を示す斜視図である。

燃料電池スタック１１０は、複数の単セル１と、一対の集電板２ａ及び２ｂと、一対の絶縁板３ａ及び３ｂと、一対のエンドプレート４ａ及び４ｂと、不図示の４本のテンションロッドに螺合するナット５と、を有する。

単セル１は、固体高分子型の燃料電池である。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構造については図２を参照して後述する。

一対の集電板２ａ及び２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ及び２ｂは、ガス不透過性の導電性部材によって形成される。ガス不透過性の導電部材は、例えば緻密質カーボンである。集電板２ａ及び２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１１０では、単セル１ごとに生じた電子ｅ−が出力端子６から取り出される。

一対の絶縁板３ａ及び３ｂは、集電板２ａ及び２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ及び３ｂは、絶縁性の部材、例えばゴムによって形成される。

一対のエンドプレート４ａ及び４ｂは、絶縁板３ａ及び３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ及び４ｂは、剛性を備える金属性の材料、例えば鋼によって形成される。

一対のエンドプレート４ａ及び４ｂのうち一方のエンドプレート４ａには、冷却水入口孔４１ａ及び冷却水出口孔４１ｂと、アノードガス入口孔４２ａ及びアノードガス出口孔４２ｂと、カソードガス入口孔４３ａ及びカソードガス出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。

ここで、アノードガス入口孔４２ａに水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンクや、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また酸化剤ガスとしては、一般的に空気が使用される。

ナット５は、燃料電池スタック１１０の内部を貫通する４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１１０が積層方向に締め付けられる。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料、例えば鋼によって形成される。テンションロッドの表面には、単セル１同士が電気的に短絡することを防止するために、絶縁処理が施される。

図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面を示す図である。

単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」という。）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａとアノード電極１１ｂとカソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。

電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、水を含んだ湿った状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスによって形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材とを含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子によって形成される。

アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのアノードガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述する流路リブ２５の頂面）２５ａの反対面に、燃料電池スタック１１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。

カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面（後述する流路リブ３５の頂面）３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンである。

なお、アノードセパレータ２０の冷却水流路２６とカソードセパレータ３０の冷却水流路３６とは互いに向き合うように形成されて、１つの冷却水流路５１が形成される。

また、アノードガス流路２４を流れるアノードガスと、カソードガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れる。本実施形態では、アノードガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れ、カソードガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れる。

図３Ａは、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。

アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。

また、アノードセパレータ２０の表面には、アノードガス拡散部２１と、複数の溝状のアノードガス流路２４と、アノードガス合流部２７とが形成される。

アノードガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ２５の間に形成される流路である。なお、流路リブ２５の背面が、前述した冷却水流路２６となっている。流路リブ２５の側面２５ｂはテーパ状となっており、流路リブ頂面２５ａからガス流路底面２４ａへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、アノードガス流路２４を流れるガスの余分な乱流が抑制されるので、圧力損失が低減される。

アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとアノードガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１には、アノードガスを各アノードガス流路２４へ均等に分配するために、アノードガス拡散部底面２１ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の突起状の拡散リブ２２２が格子状に形成される。

アノードガス合流部２７は、アノードガス流路２４とアノードガス出口孔４２ｂとの間に形成される。アノードガス合流部２７は、アノードガス流路２４からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。

アノードガス合流部２７には、アノードガス合流部底面２７ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ２８が形成される。アノードガス合流部２７は、この合流リブ２８によって複数の領域（ガス合流流路）２９に区分けされる。

合流リブ２８は、ガス流路終端２４ｃからアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される。合流リブ２８は、アノードガス出口孔４２ｂへ行くほどガス合流流路２９の幅が狭くなるように形成される。合流リブ２８は、アノードガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ２８の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路２９の流路幅がアノードガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長されている。

図３Ｂは、カソードセパレータ３０をカソード電極１１ｃ側から見た平面図である。

カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様の構成である。カソードセパレータ３０は、カソードガス拡散部３１と、カソードガス流路３４と、流路リブ３５と、カソードガス合流部３７とを有する。

カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２２が設けられる。カソードガス合流部３７には、合流リブ３８が設けられ、ガス合流流路３９が形成される。

カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ１１を介してアノードセパレータ２０と対向しているため、カソードセパレータ３０の一端側（図３Ｂの左側）は、アノードセパレータ２０の他端側（図３Ａの右側）となる。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図３Ｂの右側）が、アノードセパレータ２０の一端側（図３Ａの左側）となる。

したがって、カソードセパレータ３０の一端側（図３Ｂの左側）には、アノードセパレータ２０の他端側に形成される３つの孔と同じアノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図３Ｂの右側）にも、アノードセパレータ２０の一端側に形成される３つの孔と同じカソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。

図４は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０にアノードガス及びカソ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１１０を発電させる。

燃料電池システム１００は、アノードガス循環系の燃料電池システムである。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、アノードガス給排装置２００と、コントローラ４００と、を備える。なお、図１に示した燃料電池スタック１１０のカソードガス入口孔４３ａにカソードガスを供給するカソードガス供給装置、及び燃料電池スタック１１０の入口孔４１ａに冷却水を供給する冷却装置については、本実施形態の主要部分ではないので、便宜上、図示を省略している。

燃料電池スタック１１０は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けると共に、燃料電池スタック１１０に接続された負荷に応じて発電する。負荷は、例えば車両に搭載された電動モータや、燃料電池スタック１１０の発電を補助する補機等である。補機としては、例えば燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するコンプレッサなどが挙げられる。

燃料電池スタック１１０では、積層された複数枚の単セル１が互いに直列に接続されていることから、単セル１ごとに生じるセル電圧の総和が、負荷に対する出力電圧となる。

アノードガス給排装置２００は、高圧タンク２１０と、アノードガス供給通路２２０と、アノード調圧弁２３０と、エゼクタ２４０と、アノードガス排出通路２５０と、バッファタンク２６０と、循環通路２７０と、パージ通路２８０と、パージ弁２９０とを備える。さらにアノードガス給排装置２００は、第１圧力センサ４１０と第２圧力センサ４２０とを備える。

高圧タンク２１０は、燃料電池スタック１１０に供給され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２２０は、高圧タンク２１０から流れ出るアノードガスを燃料電池スタック１１０に供給するために用いられる通路である。アノードガス供給通路２２０の一端部は高圧タンク２１０に接続され、他端部が、図１に示した燃料電池スタック１１０のアノードガス入口孔４２ａに接続される。

アノード調圧弁２３０は、アノードガス供給通路２２０に設けられる。アノード調圧弁２３０は、高圧タンク２１０から押し出されるアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１１０に供給する。

アノード調圧弁２３０は、連続的又は段階的に弁の開度を調節可能な電磁弁である。アノード調圧弁２３０の開度は、コントローラ４００によって制御される。アノード調圧弁２３０の開度が大きくなるほど、アノード調圧弁２３０が開いて燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。

第１圧力センサ４１０は、アノード調圧弁２３０とエゼクタ２４０との間のアノードガス供給通路２２０に設けられる。第１圧力センサ４１０は、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給圧力Ｐ１を検出する。供給圧力Ｐ１を示す検出信号は、第１圧力センサ４１０からコントローラ４００に出力される。

エゼクタ２４０は、アノード調圧弁２３０よりも下流のアノードガス供給通路２２０に対して循環通路２７０が合流する部分に設けられる。エゼクタ２４０は、アノード調圧弁２３０から供給されるアノードガスの供給流量を燃料電池スタック１１０に供給しつつ、循環通路２７０からアノードガスを吸引してアノードガスを燃料電池スタック１１０に循環させる機械式のポンプである。エゼクタ２４０の詳細については、図５Ａ及び図５Ｂを参照して後述する。

第２圧力センサ４２０は、エゼクタ２４０よりも下流であって燃料電池スタック１１０の近傍にあるアノードガス供給通路２２０に設けられる。第２圧力センサ４２０は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２を検出する。圧力Ｐ２を示す検出信号は、第２圧力センサ４２０からコントローラ４００に出力される。圧力Ｐ２は、図３Ａに示したアノードガス流路２４の圧力として用いられる。

アノードガス排出通路２５０は、図１に示した燃料電池スタック１１０のアノードガス出口孔４２ｂからアノードガスを排出する通路である。アノードガス排出通路２５０には、燃料電池スタック１１０からアノードオフガスが排出される。

アノードオフガスとは、燃料電池スタック１１０の発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスと不純物ガスとの混合ガスのことである。また不純物ガスとは、カソードガス流路３４からＭＥＡ１１を介してアノードガス流路２４にクロスリーク（透過）してきた水蒸気や窒素ガスなどの不活性ガスのことである。

バッファタンク２６０は、燃料電池スタック１１０からアノードガス排出通路２５０を通って流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部はバッファタンク２６０内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。

パージ通路２８０は、バッファタンク２６０に蓄積された窒素ガスを含むアノードオフガスと液水を排出する通路である。パージ通路２８０の一端部はバッファタンク２６０の下流側に接続され、他端部は開口している。

パージ弁２９０は、パージ通路２８０に設けられる。パージ弁２９０は、バッファタンク２６０に溜められたアノードオフガスと液水とを、パージ通路２８０を介して外部へ排出する。パージ弁２９０は、連続的又は段階的に弁の開度を調節可能な電磁弁である。パージ弁２９０の開度は、コントローラ４００によって制御される。パージ弁２９０の開度は、アノードオフガス中の水素濃度が規定値以下となるように調節される。

循環通路２７０は、バッファタンク２６０から流れ出るアノードオフガスをアノードガス供給通路２２０に合流させる通路である。循環通路２７０の一端部はバッファタンク２６０に接続され、他端部はエゼクタ２４０の吸引口に接続される。

コントローラ４００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４００には、前述した第１圧力センサ４１０及び第２圧力センサ４２０の他にも、燃料電池システム１００の運転状態や、燃料電池スタック１１０に接続される負荷の作動状態などを検出する各種センサの信号等が入力される。

各種センサとしては、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５１０や、燃料電池の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１１０の内部抵抗を測定する内部抵抗測定装置５２０がある。その他に、燃料電池スタック１１０を冷却する冷却水の温度を検出する温度センサなどがある。

コントローラ４００は、上述の各種センサ等から入力される信号や、燃料電池システム１００の部品への指令信号などに基づいて、燃料電池スタック１１０の運転状態を制御する。

例えば、コントローラ４００は、アクセルストロークセンサ５１０から出力される踏み込み量に基づいて、電動モータから燃料電池スタック１１０に要求される要求電力、すなわち要求負荷を算出する。

そしてコントローラ４００は、その要求負荷が大きくなるほど、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの流量を大きくする。これと共にコントローラ４００は、要求負荷が大きくなるほど、アノード調圧弁２３０の開度を大きくして燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を高くする。

また、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の温度状態や、湿潤状態、内部の圧力状態、水蒸気の分圧状態、排出水素の希釈状態などに応じて、カソードガス圧力及び流量の制御や、アノードガス圧力の制御を制限する。

図５Ａは、本実施形態におけるエゼクタ２４０の詳細構成を示す断面図である。

エゼクタ２４０は、ノズル２４１及びディフューザ２４２により構成される。

ノズル２４１は、アノード調圧弁２３０から供給口２４０Ａに供給されたアノードガスの流速を加速してディフューザ２４２に噴射する。ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量は、要求負荷に基づいて算出され、燃料電池スタック１１０によって発電に伴い消費されるアノードガス量に相当する。

ノズル２４１は円筒状に形成される。ノズル２４１の先端部には、供給口２４０Ａよりも狭い開口が形成される。これにより、供給口２４０Ａに供給されたアノードガスの流速が先端部で速くなるので、先端部でアノードガスがディフューザ２４２へ噴射される。

ディフューザ２４２は、アノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環させるために、ノズル２４１から噴射されたアノードガスの流速によって、循環通路２７０からアノードオフガスを吸引する。そしてディフューザ２４２は、吸引したアノードオフガスの循環流量と、ノズル２４１から噴射されたアノードガスの供給流量とを合わせたアノードガス総流量を、吐出口２４０Ｃから燃料電池スタック１１０へ吐出する。

ディフューザ２４２は、ノズル２４１と同軸上に合流通路が形成される。合流通路の開口は、吐出口２４０Ｃに近づくにつれて広く形成される。ディフューザ２４２には、吸引口２４０Ｂからノズル２４１の先端部分まで延びる円筒状の吸引室が形成され、吸引室と合流通路とが連通している。

図５Ｂは、アノード調圧弁２３０によって調整されるアノードガス圧力に応じて、エゼクタ２４０に供給されるアノードガス供給流量の特性２４８を示す図である。

ここでは、横軸が、アノード調圧弁２３０からノズル２４１に供給されるアノードガスの供給圧力を示し、縦軸が、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量を標準状態でのアノードガス流量（ＮＬ／ｍｉｎ）に換算した値を示す。

図５Ｂに示すように、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量は、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給圧力に比例する。

このため、負荷から要求される要求電力が増加するほど、アノード調圧弁２３０から供給されるアノードガスの供給圧力が大きくなるので、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量は増加する。これにより、ディフューザ２４２によって吸引されるアノードオフガスの循環流量が増加する。

このように、エゼクタ２４０を用いて、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードオフガスを吸引して燃料電池スタック１１０に循環させることにより、余剰のアノードガスを再利用することが可能になる。

一方、負荷からの要求電力が小さくなると、ノズル２４１へのアノードガスの供給流量が少なくなるため、ディフューザ２４２で吸引されるアノードオフガスの吸引量が減少し、燃料電池スタック１１０にアノードオフガスが循環されなくなる。

この対策として本実施形態では、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードオフガスがエゼクタ２４０によって十分に循環されるように、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの圧力を脈動させる。

これに加え、本実施形態ではアノードオフガスに含まれている水蒸気を利用して燃料電池スタック１１０を加湿する。

具体的には、エゼクタ２４０によって、図３Ａに示したアノードガス流路２４にアノードオフガスが十分に循環させることで、アノードガス流路２４の湿度が全体的に上昇すると共に、乾燥したカソードガスが流れる上流側のカソードガス流路３４の湿度との差が大きくなる。この相対的な湿度の差がドライビングフォースとなり、アノードガス流路２４内の水蒸気が、ＭＥＡ１１を介してカソードガス流路３４内へ拡散し、ＭＥＡ１１の電解質膜１１ａが加湿される。これにより、電解質膜１１ａにおいて効率よく発電が行われることになる。

図６は、アノードガス圧力を脈動させるために定められた脈動制御マップの一例を示す観念図である。脈動制御マップは、コントローラ４００に予め記録される。

図６には、エゼクタ２４０から燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガス圧力Ｐ２の目標値が実線により示されている。また参考として、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガス供給圧力Ｐ１の最大値が破線により示されている。

ここでは、横軸が燃料電池スタック１１０に対する要求負荷Ｌｒｅｑを示し、縦軸がアノードガスの目標圧力Ｐｔを示す。要求負荷Ｌｒｅｑは、電動モータから燃料電池スタック１１０に要求される要求電力に基づいて算出される。

切替点Ｌｓｗは、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる脈動圧供給と、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２を一定にする定圧供給と、を切り替える閾値である。

要求負荷Ｌｒｅｑが切替点Ｌｓｗよりも高い高負荷領域では、目標圧力Ｐｔとして、要求負荷ごとにひとつのアノードガスの目標圧力Ｐｔが設定されている。これにより、アノードガスの圧力が一定となるようにアノード調圧弁２３０を制御する定圧制御が実行される。

高負荷領域では、アノードガス圧力Ｐ２は要求負荷Ｌｒｅｑに比例して大きくなる。このため、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、アノードガス圧力Ｐ２は高くなる。

この理由は、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガス圧力が高くなるため、燃料電池スタック内のカソードガス圧力とアノードガス圧力との極間差圧が大きくなり過ぎＭＥＡ１１が損傷するのを防止するためである。したがって、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、カソードガス圧力が上昇することに伴いアノードガス圧力Ｐ２が大きくなるように定められている。

要求負荷Ｌｒｅｑが切替点Ｌｓｗよりも低い低負荷領域では、目標圧力Ｐｔとして、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎの２つの目標圧力Ｐｔが定められている。これにより、アノードガスの圧力が脈動するようにアノード調圧弁２３０を制御する脈動圧制御が実行される。

脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、アノードガスの圧力を脈動させるために定められる上限圧力の目標値である。

脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、ほぼ一定の値であり、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、燃料電池スタック１１０でのアノードガスの消費量が大きくなるので、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐが徐々に大きくなる。脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、エゼクタ２４０によって循環されるアノードオフガスの循環流量を十分に確保できるアノードガス圧力に定められる。本実施形態では、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、アノードオフガスの循環流量が燃料電池の加湿に必要な流量となるように設定される。

脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、例えば、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量に対するアノードオフガスの循環流量の流量比が３０％（パーセント）となるように設定される。すなわち、燃料電池スタック１１０で消費されるアノードガスの流量に対してアノードオフガスの循環流量が３０％となるように脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐが設定される。なお、流量比は、アノードオフガスの循環流量をアノードガスの供給流量で除算して求められる。

脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎは、アノードガスの圧力を脈動させるために定められた下限圧力の目標値である。

要求負荷Ｌｒｅｑがゼロ（０）から負荷Ｌｈまでの水生成範囲においては、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎがほぼ一定の値であり、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎが僅かに大きくなる。

脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎは、燃料電池スタック１１０の加湿に必要な水蒸気量をアノードオフガスに含有させるのに最低限必要となるアノードガス圧力に定められる。

なお、燃料電池スタック１１０の温度が高くなるほど、飽和水蒸気量が高くなり、アノードオフガスに含まれる水蒸気量が増加する。このため、コントローラ４００は、水生成範囲において、燃料電池スタック１１０の温度や、燃料電池スタック１１０の冷却水温度が高くなるほど、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを高くしてもよい。

要求負荷Ｌｒｅｑが負荷Ｌｈから切替点Ｌｓｗまでの脈動幅抑制範囲においては、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎが大きくなるように定められている。この理由は、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの流量を増やす必要があるためである。

図６では、アノードガスの目標圧力Ｐｔが要求負荷Ｌｒｅｑに応じて設定される脈動制御マップについて説明したが、要求負荷Ｌｒｅｑの代わりに要求負荷Ｌｒｅｑと相関のあるパラメータを用いてもよい。要求負荷Ｌｒｅｑと相関のあるパラメータとしては、例えば、要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて算出されるアノードガスの供給流量（要求流量）が挙げられる。

図７は、脈動制御マップの切替点Ｌｓｗを決定する手法を説明する図である。

図７には、エゼクタ２４０に対するアノードガスの供給流量に応じてエゼクタ２４０から燃料電池スタック１１０に循環されるアノードオフガスの循環流量の特性２４９が示されている。ここでは、横軸が、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量を示し、縦軸が、エゼクタ２４０から吐出されるアノードオフガスの循環流量を示す。

エゼクタ２４０の特性２４９では、アノードガスの供給流量が少なくなるほどアノードオフガスの循環流量が少なくなる。そしてアノードガスの供給流量が循環限界流量Ｑｌｉｍまで低下すると、アノードオフガスの循環流量がゼロになり、エゼクタ２４０からアノードオフガスが燃料電池スタック１１０に循環されなくなる。

加湿流量Ｑｈは、アノードオフガスを循環させたときに燃料電池の加湿に最低限必要な水蒸気量が燃料電池スタック１１０に供給されるように定められた循環流量である。加湿流量Ｑｈは、例えば、アノードオフガスの循環流量がアノードガスの供給流量に対して３０％となる値に設定される。

そして、脈動切替流量Ｑｓｗは、アノードオフガスの循環流量が加湿流量Ｑｈとなるように設定される。アノードガスの供給流量が脈動切替流量Ｑｓｗになるときの要求負荷Ｌｒｅｑを求めることにより、図６に示した切替点Ｌｓｗが決定される。

次に、アノードガスの圧力を脈動させる脈動制御について図８及び図９を参照して説明する。

図８は、要求負荷に基づいて、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量を示す図である。

図８（Ａ）は、高負荷時において、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量を示す図である。ここでは、アノードガスの要求流量が循環限界流量Ｑｌｉｍよりも大きいので、アノード調圧弁２３０によってアノードガス供給流量が一定となるようにアノードガスを供給する定圧供給が行われる。なお、アノードガスの要求流量は、要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて算出される。

図８（Ｂ）は、中負荷時において、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量を示す図である。ここでは、アノードガスの要求流量が脈動切替流量Ｑｓｗと一致しているので、図８（Ａ）と同じようにアノード調圧弁２３０によって定圧供給が行われる。

図８（Ｃ）は、低負荷時において、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量を示す図である。ここでは、アノードガスの要求流量が循環限界流量Ｑｌｉｍよりも小さいので、アノード調圧弁２３０によってアノードガスの圧力を脈動させながら燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給する脈動圧供給が行われる。なお、脈動圧供給は、アノード調圧弁２３０の開閉制御によってパルス的にアノードガスを燃料電池スタック１１０に供給することから、パルス供給と呼ぶこともできる。

図８（Ｃ）に示すように、脈動圧供給では、アノードガス供給流量の平均流量が、燃料電池スタック１１０の発電に必要な要求流量となるように、アノード調圧弁２３０を一定の期間だけ開いて燃料電池スタック１１０にアノードガスをパルス的に供給する。またアノード調圧弁２３０の開度は、アノードガス供給流量が循環限界流量Ｑｌｉｍよりも大きな流量となる値に設定される。

これにより、燃料電池スタック１１０に対して発電に必要なアノードガスの流量を供給しつつ、エゼクタ２４０によってアノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環させて燃料電池スタック１１０を加湿することができる。

図９は、切替点Ｌｓｗよりも要求負荷が低い低負荷領域、及び、切替点Ｌｓｗよりも要求負荷が高い高負荷領域でのアノードガス圧力の波形を例示する図である。

図９（Ａ）は、低負荷領域において要求負荷が小さいときのアノードガス圧力の脈動波形を示す図である。図９（Ａ）には、アノードガス圧力Ｐ２の波形とアノード調圧弁２３０の開閉状態とが時間軸を共通にして示されている。

時刻ｔ１では、アノード調圧弁２３０が全開（ＯＮ）に設定される。これにより、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０を介して燃料電池スタック１１０へアノードガスが供給されるので、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。

このとき、エゼクタ２４０によってアノードオフガスを吸引させるために、燃料電池スタック１１０には発電に必要な流量に比べて余剰にアノードガスが供給される。また、図９（Ｂ）に比べて、要求負荷Ｌｒｅｑは小さく、燃料電池スタック１１０で消費されるアノードガスの消費量は少ないので、アノードガスの圧力Ｐ２が上昇する速度は速い。

時刻ｔ２では、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐまで上昇するので、アノード調圧弁２３０が全閉（ＯＦＦ）に設定される。これにより、燃料電池スタック１１０へのアノードガスの供給が停止される。この状態では、燃料電池スタック１１０に供給されたアノードガスが発電反応によって消費されるため、燃料電池スタック１１０内に存在するアノードガスが減少してアノードガス圧力Ｐ２が低下する。

燃料電池スタック１１０には、時刻ｔ１から時刻ｔ２までのアノードガス供給時間において余剰にアノードガスが供給されていることから、時刻ｔ２からの無供給時間Ｔｎｐでは、燃料電池スタック１１０でアノードガスを消費するのに時間を要する。

時刻ｔ３では、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎまで低下するので、アノード調圧弁２３０が再び全開に設定され、アノード調圧弁２３０から燃料電池スタック１１０にアノードガスが供給され、アノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。

このように、図６に示した脈動制御マップを参照して要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを交互に切り替えることにより、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる。これにより、エゼクタ２４０によって、燃料電池の加湿に必要な流量のアノードオフガスを吸引して燃料電池スタック１１０へ供給することができる。

図９（Ｂ）は、低負荷領域において要求負荷が大きいときのアノードガス圧力の脈動波形を示す図である。図９（Ｂ）には、図９（Ａ）と同様に、アノードガス圧力Ｐ２の波形と、アノード調圧弁２３０の開閉状態とが時間軸を共通にして示されている。

図９（Ｂ）では、要求負荷Ｌｒｅｑが切替点Ｌｓｗよりも小さいため、図９（Ａ）と同様に、要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを交互に切り替えることにより、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる。

要求負荷Ｌｒｅｑは、図９（Ａ）のときの要求負荷に比べて大きいため、図６に示したように脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎは、図９（Ａ）に示した脈動下限圧力よりも高くなり、脈動幅ΔＰは、図９（Ａ）に示した脈動幅ΔＰよりも狭くなる。

ここで、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど脈動幅ΔＰを小さくできる理由について説明する。

まず、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、燃料電池スタック１１０で消費されるアノードガスの消費量が増加するので、アノード調圧弁２３０を一定時間だけ開いたときの燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの余剰量は少なくなる。このため、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、無供給時間Ｔｎｐは短くなる。無供給時間Ｔｎｐが短くなることによって、アノードガス圧力Ｐ２の低下幅が小さくなるので、脈動幅ΔＰは小さくなる。

これと共に、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、燃料電池スタック１１０で消費されるアノードガスの消費量の増加に伴い、無供給期間Ｔｎｐでのアノードガス圧力Ｐ２の低下速度が速くなるので、アノードガス圧力Ｐ２を脈動させる脈動周期が短くなる。

このように、アノードオフガスを循環させるために、アノード調圧弁２３０を一定期間だけ開いてアノードガスをパルス的にエゼクタ２４０に供給する脈動圧制御では、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、脈動幅ΔＰが小さくなる。本実施形態では、図６に示したように、アノード調圧弁２３０の開時間が一定となるように脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎが脈動制限マップに設定されている。

図９（Ｃ）は、高負荷領域におけるアノードガス圧力の波形を示す図である。図９（Ｃ）には、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）と同様に、アノードガス圧力Ｐ２の波形とアノード調圧弁２３０の開閉状態とが時間軸を共通にして示されている。

図９（Ｃ）では、要求負荷Ｌｒｅｑが切替点Ｌｓｗよりも大きい。ここでは、図６に示したように、要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動上限圧力Ｐｕ及び脈動下限圧力Ｐｄが同一の値に設定されているので、アノードガスの圧力Ｐ２が一定の目標圧力となるようにアノード調圧弁２３０が全開に設定される。これにより、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰが無くなる。

また、要求負荷Ｌｒｅｑが切替点Ｌｓｗよりも大きいので、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給される圧力が一定であっても、エゼクタ２４０によって循環されるアノードオフガスの循環流量が、燃料電池の加湿に必要な流量を満足している。

このように、エゼクタ２４０によってアノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環さると共に、燃料電池スタック１１０に対するアノードガス圧力の脈動を抑えることにより、ＭＥＡ１１の湿潤状態を維持しつつ、ＭＥＡ１１の耐久性が低下するのを抑制することができる。

図１０は、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰと燃料電池の耐久性との関係を示す図である。ここでは、縦軸が、脈動幅ΔＰによってＭＥＡ１１に生じる応力の限界値（限界応力）を示し、横軸が、ＭＥＡ１１に生じる応力の繰り返し回数（脈動回数）Ｎを対数で示す。

燃料電池スタック１１０では、ＭＥＡ１１に生じる応力は、アノードガス拡散部２１とアノードガス流路２４との境界部分やアノードガス流路２４の外周部分などに設けられたガスシール部材において、特に大きくなる。仮に、これらの箇所で限界応力を超える応力が生じると、ガスシール部材が破れてアノードガスや生成水などがリークしてしまう。

図１０に示すように、脈動回数Ｎが増えるほど、ＭＥＡ１１の限界応力は低下する。すなわち、脈動回数Ｎが増えるほど、燃料電池スタック１１０の耐久性が低下する。

例えば、脈動幅ΔＰ１でアノードガス圧力を脈動させたときには、ＭＥＡ１１で許容できる脈動回数はＮ１までとなる。一方、脈動幅ΔＰ１よりも狭い脈動幅ΔＰ２でアノードガス圧力を脈動させたときには、ＭＥＡ１１で許容できる脈動回数はＮ２となる。このため、脈動幅をΔＰ１からΔＰ２に抑えることで、脈動回数Ｎを１桁以上に増やすことが可能となる。

したがって、図６に示したように、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほどアノードガス圧力の脈動幅ΔＰを狭くすることで、限界応力の低下が抑制されるので、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。

次に、本実施形態における燃料電池システム１００の動作について図１１及び図１２を参照して説明する。

図１１は、本実施形態の燃料電池システム１００を制御する制御方法の一例を示すフローチャートである。

まず、燃料電池システム１００の起動スイッチがＯＦＦからＯＮに切り替えられると、コントローラ４００は、燃料電池システム１００の起動処理を実行する。

そしてステップＳ９０１においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４２０から出力されるアノードガスの圧力Ｐ２を示す検出信号を取得する。

その後、ステップＳ９０２においてコントローラ４００は、燃料電池スタック１１０に要求される負荷（発電電力）Ｌｒｅｑを取得する。例えば、要求負荷Ｌｒｅｑは、アクセルストロークセンサ５１０で検出された踏み込み量に基づいて算出される。

ステップＳ９１０においてコントローラ４００は、取得された要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させるために定められた脈動制御を実行する。脈動制御の詳細については、図１２を参照して後述する。

その後、ステップＳ９０３においてコントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の運転が停止されたか否かを判断する。例えば、コントローラ４００は、燃料電池システム１００の起動スイッチがＯＦＦに切り替えられたことを検出すると、燃料電池スタック１１０の運転が停止されたと判断する。

そしてコントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の運転が停止されていないと判断した場合には、ステップＳ９１０に戻り、燃料電池スタック１１０の運転が停止されるまで、ステップＳ９１０の処理を繰り返す。一方、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の運転が停止されたと判断した場合には、燃料電池システム１００の制御方法を終了する。

図１２は、コントローラ４００で実行されるアノードガス圧力の脈動制御Ｓ９１０についての処理手順例を示すフローチャートである。

ステップＳ９１１においてコントローラ４００は、ステップＳ９０２で要求負荷Ｌｒｅｑが取得されると、図６に示した脈動制御マップを参照し、要求負荷に対応付けられた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを求める。

ステップＳ９１２においてコントローラ４００は、アノードガス目標圧力Ｐｔを脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに設定する。

そしてステップＳ９１３においてコントローラ４００は、アノード調圧弁２３０を開く。本実施形態ではコントローラ４００はアノード調圧弁２３０の開度を全開に設定する。これにより、第２圧力センサ４２０で検出されるアノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。なお、コントローラ４００は、アノード調圧弁２３０の開度を、全開と全閉との間の所定値に設定するようにしてもよい。

ステップＳ９１４においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４２０から出力される検出値Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐまで上昇したか否かを判断する。そしてコントローラ４００は、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに達していない場合には、ステップＳ９１３に戻り、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに達するまでアノード調圧弁２３０を開いた状態に維持する。

ステップＳ９１５においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４２０の検出値が脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに達すると、アノードガス目標圧力Ｐｔを、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐから脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに切り替える。

そしてステップＳ９１６においてコントローラ４００は、アノード調圧弁２３０を閉じる。本実施形態ではコントローラ４００はアノード調圧弁２３０の開度を全閉に設定する。なお、コントローラ４００は、アノード調圧弁２３０の開度を、全閉ではなく、ステップＳ９１３で設定された開度よりも小さな値に設定するようにしてもよい。

ステップＳ９１６でアノード調圧弁２３０が閉じられると、燃料電池スタック１１０にはアノードガスが供給されなくなる。この状態では、燃料電池スタック１１０内において要求負荷Ｌｒｅｑに相当するアノードガスが発電反応によって消費されるので、アノードガスの圧力Ｐ２が下降する。

ステップＳ９１７においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４２０から出力される検出値Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎまで低下したか否かを判断する。そしてコントローラ４００は、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達していない場合には、ステップＳ９１６に戻り、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達するまでアノード調圧弁２３０を閉じた状態に維持する。

第２圧力センサ４２０の検出値が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達すると、アノードガス圧力の脈動制御が終了して図１１に示した燃料電池システム１００の制御方法に戻り、ステップＳ９０３に進む。

このように、第２圧力センサ４２０を用いてアノードガスの圧力Ｐ２を正確に脈動させることにより、エゼクタ２４０から燃料電池スタック１１０に水蒸気を含むアノードオフガスが確実に供給されることになるので、確実にＭＥＡ１１を加湿することができる。したがって、燃料電池スタック１１０の発電性能の低下をより確実に低減することができる。

なお、本実施形態では、第２圧力センサ４２０を用いてアノードガスの圧力Ｐ２を昇圧する例について説明したが、アノード調圧弁２３０を開いた状態にする時間、すなわちアノードガスの供給時間を、所定の時間に固定して圧力Ｐ２を昇圧してもよい。例えば、所定の時間は、脈動制御が実行される要求負荷の全範囲でアノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎから脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに達するように設定される。

アノードガスの供給時間を固定した燃料電池システムでは、要求負荷Ｌｒｅｑの大きさに関わらず、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの流量は一定となる。このため、要求負荷Ｌｒｅｑが小さいときには、燃料電池スタック１１０にはアノードガスが余剰に供給されることになるので、燃料電池スタック１１０では余剰分のアノードガスを消費するのに時間を要する。

一方、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、燃料電池スタック１１０でのアノードガスの消費量は増加するため、余剰に供給されるアノードガスの流量は減少する。このため、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示したように、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、アノード調圧弁２３０を閉じてからアノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達するまでの無供給時間Ｔｎｓは短くなるため、アノードガス圧力の低下幅が小さくなる。したがって、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、脈動幅ΔＰを小さくすることができる。

このように、アノード調圧弁２３０を開ける時間を一定の時間に固定することにより、簡易な構成で、アノードガスの圧力を脈動させつつ、要求負荷Ｌｒｅｑに応じて脈動幅ΔＰを小さくできる。

なお、本実施形態では、第２圧力センサ４２０を用いて燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２を脈動させることにより、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給圧力Ｐ１を脈動させる例について説明した。しかしながら、第１圧力センサ４１０を用いて供給圧力Ｐ１を脈動させるようにしてもよい。

本発明の第１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１１０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スタック１１０を負荷に応じて発電させる。燃料電池システム１００は、アノードガス供給通路２２０からのアノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁２３０と、発電に伴う水蒸気を含むアノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環させるエゼクタ２４０とを含む。

エゼクタ２４０は、アノード調圧弁２３０から吐出されるアノードガスによって、アノードガス排出通路２５０に排出されるアノードオフガスを吸引し、吸引されたアノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環させる。そしてコントローラ４００は、アノード調圧弁２３０によりエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの圧力を脈動させる。

これにより、エゼクタ２４０によって確実にアノードオフガスが吸引されるので、燃料電池スタック１１０へ十分にアノードオフガスを循環させることができる。すなわち、エゼクタ２４０によって燃料電池スタック１１０へ循環させるアノードオフガスの循環流量を確保することができる。したがって、余剰のアノードガスを効率よく消費することができる。

これに加えて、燃料電池スタック１１０へアノードオフガスを十分に循環させることにより、アノードオフガスに含まれる水蒸気が多量に燃料電池スタック１１０へ供給されることになるので、燃料電池スタック１１０内のＭＥＡ１１の乾燥を抑制することができる。このため、カソードガスを加湿する加湿器を燃料電池システムに設けることなく、燃料電池スタック１１０を発電に適した湿潤状態に維持することが可能となる。したがって、簡素な構成で、燃料電池スタック１１０の発電性能の低下を抑制することができる。

また、要求負荷Ｌｒｅｑが小さくなるほど、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量が減少するため、アノードオフガスの循環流量は低下してゼロになる。

このため、コントローラ４００は、図６に示したように、要求負荷Ｌｒｅｑが、所定の切替点Ｌｓｗよりも小さくなるときにのみ、アノードガスの圧力Ｐ２をアノードオフガスの循環に必要となる脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐまで昇圧する。切替点Ｌｓｗは、図７に示したように、燃料電池の加湿に必要となるアノードオフガスの循環流量Ｑｈに基づいて定められた閾値である。

これにより、定圧制御ではアノードオフガスが十分に循環されない領域に限り、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させることができるので、無用な脈動圧制御を抑制することができる。

一方、要求負荷Ｌｒｅｑが、切替点（閾値）よりも大きくなるときには、コントローラ４００は、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させずに、アノードガスの圧力Ｐ２が一定の圧力となるようにアノード調圧弁２４０を制御する。

このように、燃料電池の加湿に必要となる循環流量を十分に確保できるときには、アノードガスの脈動制御を制限又は禁止することにより、図１０に示したように、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、コントローラ４００は、図６に示したように、負荷Ｌｈから切替点Ｌｓｗまでの範囲において、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、アノードガスの脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを高くして脈動幅ΔＰを小さくする。すなわち、要求負荷Ｌｒｅｑが大きいときには、要求負荷Ｌｒｅｑが小さいときに比べて脈動幅ΔＰを小さくする。

これにより、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほどアノードガスの脈動幅ΔＰが小さくなるので、図１０に示したように脈動回数Ｎを１桁程度増やすことができ、燃料電池スタック１１０の耐久性が低下するのを抑制することができる。

なお、要求負荷Ｌｒｅｑの代わりに、要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて算出されるアノードガスの要求流量や、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給流量の検出値などが用いられてもよい。

また、本実施形態では、エゼクタ２４０よりも下流にあるアノードガス供給通路２２０には、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２を検出する第２圧力センサ４２０が設けられる。そしてコントローラ４００は、要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて定められる脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎにアノードガスの圧力Ｐ２を制御し、燃料電池スタック１１０を加湿するために定められた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐまでアノードガスの圧力Ｐ２を昇圧する。

このように、第２圧力センサ４２０を用いてアノードガスの圧力を脈動させることにより、エゼクタ２４０によって燃料電池スタック１１０に循環されるアノードオフガスの循環流量の低下を、より確実に回避することができる。

（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態における脈動制御マップの一例を示す図である。図１３には、図６で示した脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐが点線で示されている。

本実施形態の脈動制御マップでは、負荷Ｌ１から切替点Ｌｓｗまでの循環可能範囲において、図７に示したように、アノードオフガスの循環流量がゼロになるまでは、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを、点線で示した脈動上限圧力よりも低くする。なお、負荷Ｌ１は、図７に示したエゼクタ２４０の循環限界点Ｑｌｉｍに基づいて定められる。

このように、定圧制御でアノードオフガスを循環できる要求負荷の下限値Ｌ１から切替点Ｌｓｗまでの循環可能範囲内において、アノードオフガスの循環流量に応じて脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを小さくする。

これにより、循環可能範囲において、第１実施形態のときに比べて脈動幅ΔＰが小さくなるので、ＭＥＡ１１を加湿しつつ燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態における燃料電池システムについて説明する。本実施形態における燃料電池システムの基本構成は、図４に示した燃料電池システム１００の構成と同じであるため、燃料電池システム１００の構成と同一符号を付して説明する。

燃料電池スタック１１０のＭＥＡ１１が湿った状態であるときには、エゼクタ２４０から燃料電池スタック１１０に供給されるアノードオフガスの循環流量を減らすことが可能である。

そこで本実施形態では、燃料電池スタック１１０の湿潤状態ごとに定められた複数の脈動制御マップが、コントローラ４００に予め記録される。

図１４は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法を示すフローチャートである。

ここでは、図６で示した脈動制御マップに加え、ＭＥＡ１１が湿った状態であるときの脈動制御マップとして脈動幅抑制マップがコントローラ４００に記録されている。脈動幅抑制マップは、例えば、脈動制御マップの切替点Ｌｓｗを低負荷側に所定幅だけシフトさせたものである。

図１４では、図１１で示した処理の他にステップＳ９２１からステップＳ９２４までの処理が追加されているので、これらの処理についてのみ説明する。

ステップＳ９２１においてコントローラ４００は、ステップＳ９０２で要求負荷Ｌｒｅｑを取得した後、内部抵抗測定装置５２０により測定された燃料電池スタック１１０の内部抵抗を取得する。

なお、内部抵抗測定装置５２０は、例えば、燃料電池スタック１１０の正極端子及び負極端子の双方に同一周波数の交流電流を供給し、燃料電池スタック１１０の正極端子と中点端子との間の交流電位差と、負極端子と中点端子との間の交流電位差とが一致するように交流電流の振幅を調整する。両者の交流電位差が一致した状態で内部抵抗測定装置５２０は、交流電流の振幅を交流電位差の振幅により除算して内部抵抗を算出する。

ステップＳ９２２においてコントローラ４００は、ステップＳ９２１で取得した内部抵抗に基づいて、燃料電池スタック１１０が湿った状態であるか否かを判定する。なお、燃料電池スタック１１０の内部抵抗が小さいほど、燃料電池スタック１１０は湿った状態であると推定できる。

本実施形態では、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の内部抵抗が所定の湿潤閾値よりも大きい場合には、燃料電池スタック１１０の内部が湿った状態ではないと判定する。一方、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の内部抵抗が湿潤閾値以下である場合には、燃料電池スタック１１０の内部が湿った状態であると判定する。なお、湿潤閾値は、実験データ等によって、燃料電池スタック１１０が十分に湿った状態であるときの内部抵抗値に基づいて定められる。

ステップＳ９２３において、燃料電池スタック１１０が十分に湿った状態であると判定された場合には、コントローラ４００は、２つの脈動制御マップの中から、切替点Ｌｓｗを低負荷側に所定幅だけ移動させた脈動幅抑制マップを選択する。所定幅は、湿潤閾値を定めたときの条件においてＭＥＡ１１を加湿するのに必要とされるアノードオフガスの循環流量に基づいて定められる。

一方、ステップＳ９２４において燃料電池スタック１１０が湿った状態ではないと判定された場合には、コントローラ４００は、２つの脈動制御マップの中から、図６で示した脈動制御マップを選択する。

そしてステップＳ９１０においてコントローラ４００は、選択された脈動制御マップを参照して、要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる。そしてステップＳ９０３で燃料電池スタック１１０の運転が停止されると、本実施形態における燃料電池システムの制御方法が終了する。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１１０の内部抵抗に基づいて燃料電池スタック１１０の湿潤状態を判定する例について説明したが、燃料電池スタック１１０の温度や冷却水の温度に基づいて燃料電池スタック１１０の湿潤状態を判定してもよい。例えば、燃料電池スタック１１０の発電量が多くなるほど、水の生成量が多くなると共に、燃料電池スタック１１０の温度が上昇することから、この関係を利用して燃料電池スタック１１０の湿潤状態を判定する。

また、燃料電池スタック１１０内のアノードガス流路２４に水が溢れる状態、いわゆるフラッディングが起こりうるときには、アノードガスの圧力Ｐ１を定圧制御するための定圧制御マップを用いるようにしてもよい。

例えば、ステップＳ９２２でコントロータ４００は、燃料電池スタック１１０の内部抵抗が、湿潤閾値よりも小さな所定のフラッディング閾値よりも小さい場合には、定圧制御マップを選択する。これにより、アノードオフガスの循環によってフラッディングを引き起こすことを抑制できる。

図１５は、コントローラ４００に記録される脈動幅抑制マップの一例を示す図である。図１５には、図６で示した脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐが点線で示されている。

ＭＥＡ１１が十分に湿っているときは、エゼクタ２４０から吐出されるアノードオフガスの循環流量を減らすことができるので、切替点Ｌｓｗ２を切替点Ｌｓｗよりも低負荷側に設定することが可能となる。

脈動幅抑制マップでは、ＭＥＡ１１が湿った状態であることから、図６に示した切替点Ｌｓｗよりも低負荷側に切替点Ｌｓｗ２が設定される。

このため、要求負荷Ｌｒｅｑの変動範囲における脈動圧供給の割合が小さくなる一方で、定圧供給の割合が大きくなので、図６に示した脈動制御マップのときに比べて脈動制御が行われる機会を減らすことができる。したがって、燃料電池スタック１１０の耐久性を向上させることができる。

さらに、脈動幅制御マップでは、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐが、図６に示した脈動上限圧力よりも低く設定されている。これにより、図６に示した脈動制御マップのときに比べて脈動幅ΔＰが小さくなるので、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下をさらに抑制できる。

本発明の第３実施形態によれば、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の湿潤状態に応じて、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を脈動させる切替点Ｌｓｗを変更する。

すなわち、コントローラ４００は、ＭＥＡ１１が湿った状態のときには、ＭＥＡ１１が乾いた状態のときに比べて切替点Ｌｓｗを小さくする。具体的には、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の内部抵抗が小さくなるほど、複数の脈動制御マップの中から切替点が小さな脈動幅抑制マップを選択する。

これにより、第２実施形態に比べて、脈動制御による燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。

（第４実施形態）
図１６は、本発明の第４実施形態における脈動幅マップの一例を示す図である。ここでは、横軸が要求負荷Ｌｒｅｑを示し、縦軸がアノードガス圧力の脈動幅ΔＰを示す。脈動幅マップは、コントローラ４００に記録される。

本実施形態では、コントローラ４００は、脈動幅マップを参照して、要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動幅ΔＰを算出する。これと共にコントローラ４００は、図６に示した脈動制御マップを参照し、要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを算出し、その脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに対して脈動幅ΔＰを加算することにより、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを算出する。

このようにして、コントローラ４００は、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ、及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを求め、これらを交互にアノードガスの目標圧力Ｐｔに設定することにより、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる。

図１６に示すように、燃料電池スタック１１０の内部抵抗が小さくなるほど、ＭＥＡ１１が湿った状態になるため、脈動幅ΔＰが小さな値に設定される。このため、脈動幅ΔＰがゼロとなる点、すなわち脈動制御マップの切替点Ｌｓｗを低負荷側に小さくすることができる。

本発明の第４実施形態によれば、コントローラ４００は、ＭＥＡ１１の湿潤状態に応じてアノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくするので、燃料電池スタック１１０の耐久性が低下するのを抑制することができる。

なお、本実施形態では、脈動幅マップから求めた脈動幅ΔＰを脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに加算して脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを算出する例について説明したが、これに限られない。

例えば、コントローラ４００は、図６に示した脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐから、脈動幅マップから求めた脈動幅ΔＰを減算して、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを算出するようにしてもよい。この場合には、第４実施形態に比べて、エゼクタ２４０から供給されるアノードオフガスの循環流量を多めに確保できるので、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制しつつ、ＭＥＡ１１の湿潤状態を維持しやすくなる。

第１実施形態から第４実施形態で述べたように、図７で示した燃料電池の加湿に必要なアノードオフガスの循環流量Ｑｈが燃料電池スタック１１０に供給されるように、コントローラ４００は、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの圧力を脈動させる。さらにコントローラ４００は、燃料電池スタック１１０が十分に湿った状態では循環流量Ｑｈを小さくし、また、燃料電池スタック１１０の温度上昇に伴うアノードオフガス中の水蒸気の増加に応じて循環流量Ｑｈを小さくする。

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、本実施形態では、第２圧力センサ４２０の検出信号を用いてアノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる例について説明したが、コントローラ４００に計測カウンタを備えて経過時間に応じて脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐと脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとを互いに切り替えるようにしてもよい。例えば、コントローラ４００は、実験等によって定められた切替時間が経過するたびに、アノードガス目標圧力Ｐｔを脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎから脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに切り替え、予め定められた昇圧時間が経過した後に脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに戻して計測カウンタをリセットする。

また、本実施形態ではエゼクタ２４０をひとつのみ設ける例について説明したが、エゼクタ２４０を複数設けてもよい。これにより、脈動制御マップの切替点Ｌｓｗを低負荷側にシフトさせることができる。

また、アノード調圧弁２３０は、ＯＮ／ＯＦＦバルブでもよく、ソレノイドバルブであってもよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

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、
   前記燃料電池にアノードガスを供給する供給通路と、
   前記供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
   前記燃料電池からアノードガスを排出する排出通路と、
   前記供給通路に設けられ、前記調圧弁から供給されるアノードガスによって、前記排出通路に排出されるアノードガスを吸引して当該アノードガスを前記燃料電池に循環させるエゼクタと、
   前記エゼクタに供給されるアノードガスの圧力を脈動させる制御部と、
   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であって、
   前記制御部は、前記負荷、又は前記エゼクタに供給されるアノードガスの供給流量を示すパラメータが、前記エゼクタの循環流量に基づいて定められた閾値よりも小さい場合に、前記アノードガスの圧力を脈動させる、
   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であって、
   前記制御部は、前記パラメータが前記閾値よりも大きい場合には、前記アノードガスの圧力を脈動させない、
   燃料電池システム。
4. 請求項１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であって、
   前記制御部は、前記パラメータが大きいときには前記パラメータが小さいときに比べて、前記アノードガスの圧力を脈動させるときの脈動幅を小さくする、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記アノードガスの圧力を脈動させるときには、所定時間だけ前記調圧弁を開いて前記アノードガスの圧力を昇圧する、
   燃料電池システム。
6. 請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池が湿った状態のときには、前記燃料電池が乾いた状態のときに比べて前記閾値を小さくする、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記エゼクタでアノードガスを循環可能な前記供給流量の限界値から前記閾値までの範囲内において、前記循環流量に応じてアノードガスの脈動上限圧力を低くして脈動幅を小さくする、
   燃料電池システム。
8. 燃料電池にアノードガスを供給する供給通路と、前記供給通路に設けられた調圧弁と、前記燃料電池からアノードガスを排出する排出通路と、前記調圧弁から供給されるアノードガスによって、前記排出通路に排出されるアノードガスを吸引して当該アノードガスを前記燃料電池に循環させるエゼクタとを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記負荷に基づいて、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を制御する制御ステップと、
   前記制御ステップにより制御されるアノードガスの圧力を脈動させる脈動制御ステップと、
   を含む燃料電池システムの制御方法。

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