JPWO2016067788A1 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、アノード系内へのアノードガスの供給を制御する水素供給弁と、アノード系内からオフガスを排出するパージ弁と、アノード系内の圧力を計測するアノード圧力センサと、水素供給弁の閉弁中であってパージ弁を開弁している期間の圧力低下に基づいて、アノード系内の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、を備える。

Description

本発明は燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムとして、水素供給弁を閉弁して燃料電池に水素供給を停止している間の水素供給弁下流のアノード系内の圧力変化に基づいて、アノード系内から排出されたガス量を算出するものがある。（ＵＳ２０１２／０１５６５７５Ａ）。
燃料電池システムの運転中において、パージ弁が閉弁している間は、燃料電池のカソード電極から電解質膜を介してアノード電極に透過してきた窒素等がアノード系内に蓄積され、アノード系内の水素濃度が徐々に低下する。アノード系内の水素濃度が低下すると、燃料電池システムの運転中に電圧降下が生じるおそれがある。
このような電圧降下を防止するために、必要に応じてパージ弁を開弁し、パージ弁を介して窒素や水素が含まれたオフガスをアノード系内から排出することで、アノード系内の水素濃度を電圧降下が生じない水素濃度以上に管理している。しかしながら、アノード系内の水素濃度を精度良く推定する方法がなかったため、パージ弁を介してアノード系内から排出されるオフガスの量（パージ量）を適切に制御することができず、パージ量が必要以上に過大となって燃費が悪化したり、逆にパージ量が不足して電圧降下が生じたりするおそれがあった。
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、アノード系内の水素濃度を精度良く推定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、負荷に応じて燃料電池を発電させる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、燃料電池システムのアノード系内へアノードガスの供給するための供給弁と、アノード系内からオフガスを排出するためのパージ弁と、アノード系内の圧力を推定又は計測する圧力検出部と、供給弁の閉弁中であってパージ弁を開弁している期間の圧力低下に基づいて、アノード系内の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、を備える。
図１は、本発明の第１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、本発明の第１実施形態によるアノード系内の水素濃度を推定する方法について説明する図である。 図３は、本発明の第１実施形態によるパージ制御について説明するフローチャートである。 図４は、基準デューティ比算出処理の詳細を説明するフローチャートである。 図５は、パージ弁開弁要求信号生成処理の詳細を説明するフローチャートである。 図６は、パージ弁開閉処理の詳細を説明するフローチャートである。 図７は、本発明の第１実施形態による水素濃度推定処理の詳細を説明するフローチャートである。 図８は、圧力低下速度に基づいて水素濃度を推定するマップである。 図９は、本発明の第１実施形態による水素供給弁の制御について説明するフローチャートである。 図１０は、目標出力電流に基づいて、脈動上下限圧力を算出するテーブルである。 図１１は、本発明の第１実施形態によるパージ制御について説明するタイムチャートである。 図１２は、本発明の第２実施形態による水素濃度の推定方法について説明する図である。 図１３は、水素供給弁の閉弁中におけるアノード系内のガス流入出について説明する図である。 図１４は、本発明の第２実施形態による水素濃度推定処理の詳細を説明するフローチャートである。 図１５は、発電消費水素量に基づいて圧力低下量を算出するテーブルである。 図１６は、出力電流に基づいて消費水素量を算出するテーブルである。 図１７は、本発明の第２実施形態による水素濃度の推定方法について説明するブロック図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
燃料電池においては、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が行われる。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、本発明の第１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は、複数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、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、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。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。
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、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、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。
エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
カソードコンプレッサ２５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２５は、フィルタ２３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、燃料電池スタック１に供給する。
カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間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２６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。
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８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調節する。なお、本実施形態では、基本的にカソードコンプレッサ２５の回転速度及びカソード調圧弁２８の開度を調整することで、カソード圧力を所望の圧力（目標カソード圧力）に制御している。
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、高圧水素タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、水素供給弁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、パージ弁３６と、を備える。
高圧水素タンク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、高圧水素タンク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、一端が高圧水素タンク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。
水素供給弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。水素供給弁３３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。また、水素供給弁３３が開閉制御されることによって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量も制御されることになる。
アノード圧力センサ３４は、水素供給弁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、水素供給弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２の圧力を検出する。本実施形態では、このアノード圧力センサ３４で検出した圧力を、水素供給弁３３からパージ弁３６までのアノード系内の圧力（以下「アノード圧力」という。）として代用する。
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。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰の水素（アノードガス）と、カソード電極側から電解質膜を介してアノード電極側へと透過してきた窒素や水蒸気と、の混合ガスである。アノードガス排出通路３５は、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２２に接続される。
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、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、コントローラ４によって開閉制御され、アノード系内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（以下「パージ流量」という。）を制御する。
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、前述したエアフローセンサ２４等の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（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４１や、燃料電池スタックを冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する温度センサ４２、燃料電池スタックの出力電流を検出する電流センサ４３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。
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、車両を駆動するための走行モータ（図示せず）の要求電力や、カソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ（図示せず）の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。
また、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、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力及び脈動下限圧力の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧力を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時にアノード系内の液水をアノード系外へ排出して排水性を確保している。
ここで、燃料電池スタック１の発電中は、カソード電極側から電解質膜を介してアノード電極側へ、窒素や水蒸気などが透過してくる。そのため、パージ弁３６を閉じたままにしていると、水素は燃料電池スタック１で消費されていく一方で、透過してきた窒素等はアノード系内に蓄積されていくことになる。その結果、アノード系内の圧力（アノード圧力）を同じ圧力に制御した場合であっても、窒素等が透過してきた分、アノード系内の水素濃度は徐々に低下することになる。このように、アノード系内の水素濃度が低下した状態で発電が行われると、アノード圧力を目標値に制御したとしても燃料電池スタック１内で発電に必要な水素が不足してしまい、電圧降下が生じるおそれがある。
一方で、パージ弁３６を開弁すれば、アノード系内に蓄積された窒素等がアノードオフガスとしてアノード系内から排出されるため、アノード系内の水素濃度は増加（回復）する。つまり、パージ弁３６を通ってアノード系内から排出されたアノードオフガスの量（以下「パージ量」という。）に応じてアノード系内の水素濃度は変化し、具体的にはパージ量が多くなるほどアノード系内の水素濃度は増加する。
しかしながら、パージ量を多くするほど、その分アノード系内からアノードオフガスとして排出される水素量も多くなるため、燃費が悪化してしまう。したがって、アノード系内の水素濃度に応じてパージ量を制御することができれば、アノード系内の水素濃度を電圧降下が生じない水素濃度（目標水素濃度；例えば６０％）に管理しつつ、必要十分な窒素等の排出を行うことができるので、燃費の悪化を最小減に留めることができる。
ここで、アノード系内の水素濃度に応じてパージ量を制御するには、アノード系内の水素濃度を推定する必要がある。そこで本実施形態では、以下の方法でアノード系内の水素濃度を推定する。
図２は、本実施形態によるアノード系内の水素濃度を推定する方法について説明する図である。
本実施形態では、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下に基づいて、アノード系内の水素濃度を推定する。
図２に示すように、燃料電池スタック１の発電中に、時刻ｔ１１のタイミングで水素供給弁３３を閉弁して燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止すると、アノード圧力は徐々に低下していく。このアノード圧力の変化は、以下の要因によって生ずる。
図２では、時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までパージ弁３６を開弁し、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までパージ弁３６を閉弁している。しかしながら、パージ弁３６の開閉状態によらずにアノード圧力を変化させる要因の１つとして、水素供給弁３３の閉弁中に発電によって消費されるアノード系内の水素が挙げられる。時刻ｔ１３から時刻ｔ１４まではパージ弁３６を閉弁しているので、主にこの発電消費水素によってアノード圧力が低下する。
一方、時刻ｔ１０から時刻ｔ１３まではパージ弁３６を開弁しているので、水素供給弁３３が閉弁された後の時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までは、この発電消費水素に加えて、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）によっても、アノード圧力は低下する。なお、パージ弁３６の構造上、パージ弁３６が開弁されるとまず液水が排出され、その後にアノードオフガスがパージガスとして排出されるようになっているので、時刻ｔ１２からアノードオフガスが排出されて圧力低下速度が速くなっている。
このとき、発明者らの鋭意研究によって、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までの水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間（厳密に言えば液水が排出された後の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３の期間）の圧力低下量が、アノード系内の水素濃度によって変化することが分かった。
これは、水素の分子量（分子量２）は、窒素の分子量（分子量２８）に比べて非常に小さいため、アノード系内の水素濃度が高いときは、アノード系内のアノードオフガスの平均分子量が小さくなる。パージ弁３６を開弁したときに、パージ弁３６を通って排出されるアノードオフガス（パージガス）のモル流量（mol/s）は、その平均分子量が小さい時ほど増加する。そのため、アノード系内の水素濃度が高いときほどパージガスの流量が増加する。
つまり、図２に示すように、アノード系内の水素濃度が高いときほど、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間のアノード圧力の圧力低下量が大きくなる。
そこで本実施形態では、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下に基づいてアノード系内の水素濃度を推定し、推定したアノード系内の水素濃度に基づいてパージ弁を制御することとしたのである。
以下、図３から図９を参照して本実施形態によるパージ制御について説明する。
図３は、本実施形態によるパージ制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。
ステップＳ１００において、コントローラ４は、アノード系内の水素濃度を予め定められた目標水素濃度（例えば６０％）にするための基準となるパージ弁３６のデューティ比（以下「基準デューティ比」という。）を算出する処理を実施する。この基準デューティ比算出処理の詳細については、図４を参照して後述する。
ステップＳ２００において、コントローラ４は、基準デューティ比に基づいてパージ弁３６の開弁要求信号を生成する処理を実施する。このパージ弁開弁要求信号生成処理の詳細については、図５を参照して後述する。
ステップＳ３００において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号などに基づいて、実際にパージ弁３６を開閉させる処理を実施する。このパージ弁開閉処理の詳細については、図６を参照して後述する。
ステップＳ４００において、コントローラ４は、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下に基づいて、アノード系内の水素濃度を推定する水素濃度推定処理を実施する。この水素濃度推定処理の詳細については、図９を参照して説明する。
図４は、基準デューティ比算出処理の詳細を説明するフローチャートである。
ステップＳ１０１において、コントローラ４は、前回の処理でアノード系内の水素濃度が推定されたか否かを判定する。コントローラ４は、前回の処理で水素濃度が推定されていればステップＳ１０２の処理を行い、推定されていなければステップＳ１０４の処理に行う。
ステップＳ１０２において、コントローラ４は、前回の処理で推定された水素濃度に基づいて、基準デューティ比を算出する。具体的には、目標水素濃度と推定した水素濃度との偏差に基づくフィードバック制御（ＰＩ制御）を実施して基準デューティ比を算出する。そのため、推定した水素濃度が目標水素濃度よりも高くなるほど、基準デューティ比は小さくなり、推定した水素濃度が目標水素濃度よりも低くなるほど、基準デューティ比は大きくなる。
ステップＳ１０３において、コントローラ４は、基準デューティ比を今回算出した基準デューティ比に更新する。
ステップＳ１０４において、コントローラ４は、前回の基準デューティ比をそのまま保持する。
図５は、パージ弁開弁要求信号生成処理の詳細を説明するフローチャートである。
ステップＳ２０１において、コントローラ４は、後述するパージ弁開弁要求信号がＯＮになっている時間の積算値（以下「パージ弁開弁要求ＯＮ時間」という。）を、予め定められた基準パージ周期（例えば５秒）で除算した値が、基準デューティ比よりも大きいか否かを判定する。つまりコントローラ４は、基準パージ周期に占めるパージ弁開弁要求ＯＮ時間の割合が基準デューティ比よりも大きくなったか否かを判定している。コントローラ４は、除算値が基準デューティ比よりも大きければステップＳ２０３の処理を行い、基準デューティ比以下であればステップＳ２０２の処理を行う。
ステップＳ２０２において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号をＯＮにする。
ステップＳ２０３において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号をＯＦＦにする。
ステップＳ２０４において、コントローラ４は、パージ弁開弁要求信号がＯＮになっている時間を積算し、パージ弁開弁要求ＯＮ時間として算出する。
ステップＳ２０５において、コントローラ４は、基準パージ周期の１周期が経過したか否かを判定する。すなわち、例えば基準パージ周期を５秒に設定していたときは、基準パージ周期のカウントを始めてから５秒が経過したかを判定する。コントローラ４は、基準パージ周期の１周期が経過していなければ今回の処理を終了し、経過していればステップＳ２０６の処理を行う。
ステップＳ２０６において、コントローラ４は、ステップＳ２０４で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間をゼロにリセットするとともに、基準パージ周期のカウントもゼロにリセットする。
図６は、パージ弁開閉処理の詳細を説明するフローチャートである。
ステップＳ３０１において、コントローラ４は、前述のステップＳ２０４とは別にパージ弁開弁要求ＯＮ時間を算出する。
ステップＳ３０２において、コントローラ４は、ステップＳ３０１で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間が予め設定されている第１所定値以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上であればステップＳ３０３の処理を行い、第１所定値未満であればステップＳ３０４の処理を行う。
ステップＳ３０３において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令をＯＮにする。パージ弁開弁指令の初期値はＯＦＦに設定される。パージ弁開弁指令がＯＮの状態で水素供給弁３３が開弁されると、パージ弁３６が実際に開弁されることになる。
ステップＳ３０４において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令をＯＦＦにする。
このように本実施形態では、パージ弁開弁要求ＯＮ時間（＝基準デューティ比の積算値）が第１所定値以上になってからパージ弁開弁指令をＯＮにして、パージ弁の開弁を許可するようにしている。これは、本実施形態では水素供給弁３３の閉弁時にある程度パージ弁３６を開弁する時間を確保し、パージ弁開弁中に確実にアノードオフガスがパージ弁３６を通って排出されるようにするためである。このように、パージ弁開弁要求ＯＮ時間（＝基準デューティ比の積算値）が第１所定値以上になってからパージ弁開弁指令をＯＮにすることで、推定された水素濃度が低い時ほど基準デューティ比は大きくなるので、パージ弁開弁指令がＯＮになる間隔は短くなる。
ステップＳ３０５において、コントローラ４は、水素供給弁３３が開弁されているかを判定する。コントローラ４は、水素供給弁３３が開弁されているとき、すなわちアノードガス供給時であればステップＳ３０６の処理を行う。一方でコントローラ４は、水素供給弁３３が閉弁されているとき、すなわちアノードガス供給停止時であればステップＳ３０９の処理を行う。この判定を行うのは、本実施形態では水素供給弁３３の開弁に併せてパージ弁３６の開弁を行うようしているためである。
ステップＳ３０６において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令がＯＮか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁開弁指令がＯＮであればステップＳ３０７の処理を行い、ＯＦＦであればステップＳ３０８の処理を行う。
ステップＳ３０７において、コントローラ４は、パージ弁３６を開弁する。
ステップＳ３０８において、コントローラ４は、パージ弁３６を開弁する。
ステップＳ３０９において、コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されているか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されていればステップＳ３１０の処理を行い、閉弁されていれば今回の処理を終了する。
ステップＳ３１０において、コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されている時間を積算し、パージ弁開弁時間として算出する。
ステップＳ３１１において、コントローラ４は、ステップＳ３１０で算出したパージ弁開弁時間がパージ弁３６を実際に開く時間として予め設定されている第２所定値以上になったか否かを判定する。このように本実施形態では、パージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上になったら、第２所定値だけパージ弁３６を開くようにしている。本実施形態では第１所定値と第２所定値を同じ値に設定しているが、異なる値に設定しても良い。第１所定値及び第２所定値は、それぞれアノード系内の水素濃度を目標水素濃度に管理でき、かつ水素濃度の推定を精度良く実施できる値（例えば０．５秒）として予め実験等によって求めることができる。コントローラ４は、パージ弁開弁時間が第２所定値以上であればステップＳ３１２の処理を行い、パージ弁開弁時間が第２所定値未満であれば今回の処理を終了する。
ステップＳ３１２において、コントローラ４は、ステップＳ３０１で算出したパージ弁開弁要求ＯＮ時間からパージ弁開弁時間（＝第２所定値）を減算する。
ステップＳ３１３において、コントローラ４は、ステップＳ３１０で算出したパージ弁開弁時間をゼロにリセットする。
ステップＳ３１４において、コントローラ４は、パージ弁開弁指令をＯＦＦにする。
ステップＳ３１５において、コントローラ４は、パージ弁３６を閉弁する。
図７は、水素濃度推定処理の詳細を説明するフローチャートである。
ステップＳ４０１において、コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されているか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁３６が開弁されていればステップＳ４０２の処理を行い、閉弁されていればステップＳ４０７の処理を行う。
ステップＳ４０２において、コントローラ４は、前述のステップＳ３１０とは別にパージ弁３６が開弁されている時間を積算し、パージ弁開弁時間として算出する。
ステップＳ４０３において、コントローラ４は、ステップＳ４０２で算出したパージ弁開弁時間が予め設定された所定時間以上であればステップＳ４０４の処理を行い、所定時間未満であれば今回の処理を終了する。この所定時間は、アノード系内の液水の排水が終わり、アノードオフガスがパージ弁３６を通って排出されていると判定できる時間であり、実験等によって設定されるものである。本実施形態では固定値としているが、例えば燃料電池スタック１の負荷が高くなるほどアノード系内の液水量も増加するので、負荷に応じて変更するようにしてもよい。
ステップＳ４０４において、コントローラ４は、水素供給弁３３が閉弁されているか否かを判定する。コントローラ４は、水素供給弁３３が閉弁されていればステップＳ４０５の処理を行い、開弁されていれば今回の処理を終了する。
ステップＳ４０５において、コントローラ４は、演算周期当たりの圧力低下量を算出し、この圧力低下量を前回値に加算していくことで、パージ弁開弁時間が所定時間を経過した後の水素供給弁３３の閉弁中であってパージ弁３６が開弁されている期間の圧力低下量を算出する。
ステップＳ４０６において、コントローラ４は、ステップＳ４０５で算出された圧力低下量分の圧力低下に要した時間（以下「圧力低下時間」という。）を算出する。
ステップＳ４０７において、コントローラ４は、水素濃度を精度良く推定することができるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ４０５で算出した圧力低下量が所定以上か、又はステップＳ４０６で算出した圧力低下時間が所定以上かを判定する。コントローラ４は、水素濃度を精度良く推定することができると判定したときはステップＳ４０８の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。
ステップＳ４０８において、コントローラ４は、図８のマップを参照し、圧力低下量を圧力低下時間で除算した圧力低下速度に基づいて、水素濃度を推定する。図８のマップでは、水素濃度をパージ弁３６の前後差圧（＝アノード圧力−大気圧）、及び、パージガス（アノードオフガス）の温度で補正している。本実施形態ではスタック温度をパージガスの温度として代用している。
パージ弁３６の前後差圧が大きくなるほど水素濃度を低く推定するのは、パージ弁３６の前後差圧が大きくなるほどパージ流量が多くなって圧力低下速度が速くなっていると推定できるためである。また、パージガスの温度が高くなるほど水素濃度を低く推定するのは、パージガスの温度が高くなるほど飽和水蒸気量が増加してパージガス中の水蒸気濃度が高くなり、その分パージガス中の水素濃度が低くなっていると推定できるためである。
なお、パージ弁３６の前後差圧に替えて、アノード圧力及び大気圧のそれぞれに基づいて水素濃度を補正することもできる。また、パージガスの温度に替えて、水蒸気濃度をセンサ等で直接計測したり、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を例えば交流インピーダンス法によって計測することで推定して、その計測又は推定した水蒸気濃度に基づいて水素濃度を補正することもできる。
ステップＳ４０９において、コントローラ４は、圧力低下量及び圧力低下時間を初期値のゼロにリセットする。
ステップＳ４１０において、コントローラ４は、ステップＳ４０２で算出されたパージ弁開弁時間をゼロにリセットする。
図９は、本実施形態による水素供給弁３３の制御について説明するフローチャートである。
ステップＳ１において、コントローラ４は、図１０のテーブルを参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて、アノード圧力の脈動上限圧力及び脈動下限圧力を設定する。
ステップＳ２において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動上限圧力以上か否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動上限圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ３の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動上限圧力未満であれば、ステップＳ４の処理を行う。
ステップＳ３において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動下限圧力に設定する。
ステップＳ４において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動下限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下限圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ５の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動下限圧力よりも高ければ、ステップＳ６の処理を行う。
ステップＳ５において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定する。
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前回と同じ目標アノード圧力に設定する。
ステップＳ７において、コントローラ４は、脈動下限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動下限圧力となるように、水素供給弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、通常は水素供給弁３３の開度は全閉となり、高圧水素タンク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等によって、アノード圧力が低下していく。
一方、コントローラ４は、脈動上限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動上限圧力まで昇圧するように、水素供給弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、水素供給弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧水素タンク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。
図１１は、本実施形態によるパージ制御について説明するタイムチャートである。
図１１（Ｄ）に示すように、パージ弁開弁要求信号生成処理によって、基準パージ周期中に基準デューティ比だけパージ弁開弁要求信号がＯＮとなるようなパージ弁開弁要求信号が生成される。そして、図１１（Ｅ）に示すように、パージ弁開弁要求信号がＯＮになっている時間が積算され、パージ弁開弁要求ＯＮ時間として算出される。
時刻ｔ１でパージ弁開弁要求ＯＮ時間が第１所定値以上になると、パージ弁開弁指令がＯＮとなり（図１１（Ｆ））、その後の時刻ｔ２で水素供給弁３が開弁されたときにパージ弁３６も開弁される（図１１（Ｃ））。パージ弁３６が開弁されると、図１１（Ｇ）に示すように、パージ弁３６が開弁されている時間が積算され、パージ弁開弁時間として算出される。
時刻ｔ３で、パージ弁開弁時間が所定時間以上になると、水素供給弁３３が閉弁されていればその時点からのアノード圧力の圧力低下量及び圧力低下時間が算出される。
時刻ｔ４で、パージ弁開弁時間が第２所定値以上になると、パージ弁開弁指令がＯＦＦとなり（図１１（Ｆ））、パージ弁３６が閉弁される（図１１（Ｃ））。そして、この時点で圧力低下量（又は圧力低下時間）が水素濃度を推定するのに十分な低下量であれば、水素濃度が推定される（図１１（Ｈ））。
そして、水素濃度が新たに推定されると、その水素濃度に基づいて新たな基準デューティ比が設定される（図１１（Ｄ））。このタイムチャートでは、推定された水素濃度が目標水素濃度より高くなっているので（図１１（Ｈ））、新たに設定された基準デューティ比は、これまでの基準デューティ比よりも小さい値となっている。このように、水素濃度に応じてパージ弁３６の開弁時間（基準デューティ比）が変更され、具体的には、水素濃度が高くなるほど開弁時間が短くなり、低くなるほど長くなる。すなわち、水素濃度に応じてパージ間隔（パージ弁開弁時間が第１所定値に達するまでの間隔）が変化し、具体的には水素濃度が高くなるほどパージ間隔が長くなってパージの頻度が減少するので、パージ量は少なくなる。一方、水素濃度が低くなるほどパージ間隔が短くなってパージの頻度が増加するので、パージ量は多くなる。
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００のアノード系内へアノードガスの供給するための水素供給弁（供給弁）３３と、アノード系内からアノードオフガス（オフガス）を排出するためのパージ弁３６と、アノード系内の圧力を計測するアノード圧力センサ（圧力検出部）３４と、水素供給弁３３の閉弁中であってパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下に基づいてアノード系内の水素濃度を推定する水素濃度推定部を含むように構成されたコントローラ４と、を備える。
水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下は、主にパージ弁３６を通ってアノードオフガスが排出されることによって生じる。このとき、アノード系内の水素濃度が高くなるほど、アノードオフガスの平均分子量が小さくなってパージ流量が増加し、アノード圧力の圧力低下量が大きくなる。したがって、水素供給弁３３の閉弁中であってパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下を計測することで、アノード系内の水素濃度を精度良く推定することができる。
また本実施形態による燃料電池システム１００の水素濃度推定部は、より詳細には水素供給弁３３の閉弁中であって、パージ弁３６の開弁後所定時間が経過してからのパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下に基づいて、アノード系内の水素濃度を推定する。パージ弁３６の開弁後所定時間が経過するまでは、パージ弁３６からアノードオフガスではなく液水が排出されている可能性がある。したがって、パージ弁３６の開弁後所定時間が経過するまでの圧力低下は、主に発電消費水素によるものとなり、この期間の圧力低下を計測して水素濃度を推定するとその推定精度が悪化してしまう。そこで、パージ弁３６の開弁後所定時間が経過してからのパージ弁３６を開弁している期間の圧力低下に基づいてアノード系内の水素濃度を推定することで、このような推定精度の悪化を抑制することができる。
また本実施形態による燃料電池システム１００は、水素供給弁３３を閉弁する前にパージ弁３６を開弁するようにしている。すなわち、水素供給弁３３の開弁中にパージ弁３６を開弁するようにしているので、アノード系内に供給されたアノードガスによってアノード系内の液水を効率的にアノード系内から押し出して排出することができる。したがって、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６から排出される液水量を無くすか、又は少なくすることができるので、水素濃度の推定精度の悪化を抑制することができる。
また本実施形態による燃料電池システム１００は、水素供給弁３３の開閉状態と、水素濃度と、に基づいて、パージ弁３６を制御するパージ弁制御部をさらに含むように構成されたコントローラ４を備える。
パージ弁制御部は、水素濃度に基づいてパージ弁３６の開弁指令を出す間隔を変更し、開弁指令が出ているときの水素供給弁３３の開弁中にパージ弁３６を開弁するので、アノード系内に供給されたアノードガスによってアノード系内の液水を効率的にアノード系内から押し出して排出することができる。したがって、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６から排出される液水量を無くすか、又は少なくすることができるので、水素濃度の推定精度の悪化を抑制することができる。
またパージ弁制御部は、水素濃度が低いときほどパージ弁３６の開弁指令を出す間隔を短くするので、水素濃度が低いときにはパージの頻度を上げて水素濃度の低下を抑制することができる。
またパージ弁制御部は、水素濃度に基づいてパージ弁３６を通ってアノード系内から排出されるアノードオフガスのパージ量を変化させ、水素濃度が低いときほどパージ量を多くするので、水素濃度の低下を抑制することができる。
またパージ弁制御部は、水素濃度に基づいてパージ弁３６の開弁時間を変化させ、水素濃度が低いときほどパージ弁３６の開弁時間を長くするので、水素濃度の低下を抑制することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、水素濃度の推定方法が第１実施形態と相違する。以下のその相違点を中心に説明する。なお、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
図１２は、本実施形態による水素濃度の推定方法について説明する図である。図１３は、水素供給弁３３の閉弁中におけるアノード系内のガス流入出について説明する図である。
第１実施形態では、パージ弁３６の開閉状態によらずにアノード圧力を変化させる要因を、水素供給弁３３の閉弁中に発電によって消費されるアノード系内の水素のみとしていた。しかしながら、パージ弁３６の開閉状態によらずにアノード圧力を変化させる要因となるものは、この発電消費水素以外にも存在する。
すなわち、発電消費水素以外の２つ目の要因として、アノード系内で液水が蒸発して水蒸気になったり、逆に水蒸気が凝縮して液水になったりすることが挙げられる。この蒸発及び凝縮のバランスによってアノード圧力は変化する。３つ目の要因として、アノード電極側から電解質膜を介してカソード電極側に透過していった水素（透過水素）や、逆にカソード電極側から電解質膜を介してアノード電極側に透過してきた窒素及び酸素が挙げられる。これら透過ガスの収支バランスによってアノード圧力は変化する。
したがって、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までのパージ弁閉弁期間では、これら３つの要因によってアノード圧力が低下していく。
一方、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３まではパージ弁３６を開弁しているので、これらの３つの要因に加えて、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）によっても、アノード圧力は低下する。前述したように、パージ弁３６の構造上、パージ弁３６が開弁されるとまず液水が排出され、その後にアノードオフガスがパージガスとして排出されるようになっているので、図１２に示すように時刻ｔ１２からアノードオフガスが排出されている。
そこで本実施形態では、液水の排出が終わった後の水素供給弁閉弁中におけるパージ弁開弁期間（時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３）の圧力低下速度と、水素供給弁閉弁中のパージ弁閉弁期間（時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４）圧力低下速度と、を求める。
ここで、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までのパージ弁開弁期間においても、上記３つの要因によって生じる圧力低下速度は変わらないと考えられる。
したがって、液水の排出が終わった後の水素供給弁閉弁中におけるパージ弁開弁期間（時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３）の圧力低下速度（平均圧力低下）から、水素供給弁閉弁中のパージ弁閉弁期間（時刻ｔ１３〜時刻ｔ１４）圧力低下速度を減算すれば、パージ弁３６を通って流出したガス（パージガス）のみによって生じる圧力低下速度を精度良く算出することができる。したがって、本実施形態では、パージ弁３６を通って流出したパージガスのみによって生じる圧力低下速度に基づいて水素濃度を推定することができるので、水素濃度の推定精度を向上させることができる。
図１４は、本実施形態による水素濃度推定処理の詳細を説明するフローチャートである。
ステップＳ４１０までの処理は第１実施形態と同様の処理なので、ここではステップＳ４１１以降の処理について説明する。
ステップＳ４１１において、コントローラ４は、電流センサ４３の検出値（出力電流）に基づいて、パージ弁開弁時に発電によって燃料電池スタック１内で消費される演算周期当たりの水素量を算出し、この水素量を前回値に加算することで水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６が開弁されている期間の発電消費水素量を算出する。そして、発電消費水素量と圧力低下量とを関連付けた図１５のテーブルを予め実験等によって作成しておき、このテーブルを参照することで発電消費水量による圧力低下量を算出する。
なお、パージ弁開弁時に発電によって燃料電池スタック１内で消費される演算周期当たりの水素量は、例えば出力電流と消費水素量とを関連付けた図１６に示すテーブルを予め実験等によって作成しておき、このテーブルを参照することによって、出力電流に基づいて算出することができる。また、例えばファラデー定数Ｆを用いた演算式（ｎ＝Ｎ・ｉ・Δｔ／２Ｆ）に出力電流ｉ、演算周期Δｔ及び燃料電池の枚数Ｎを代入して、演算周期当たりに消費された水素のモル質量ｎを算出することでも求めることができる。
ステップＳ４１２において、コントローラ４は、水素供給弁が閉弁されているか否かを判定する。コントローラ４は、水素供給弁が閉弁されていればステップＳ４１３の処理を行い、開弁されていれば今回の処理を終了する。
ステップＳ４１３において、コントローラ４は、演算周期当たりの圧力低下量を算出し、この圧力低下量を前回値に加算していくことで、水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６が閉弁されている期間の圧力低下量を算出する。
ステップＳ４１４において、コントローラ４は、電流センサ４３の検出値（出力電流）に基づいて、パージ弁閉弁時に発電によって燃料電池スタック１内で消費される演算周期当たりの水素量を算出し、この水素量を前回値に加算することで水素供給弁３３の閉弁中にパージ弁３６が閉弁されている期間の発電消費水素量を算出する。そして、図１５のテーブルを参照することで発電消費水量による圧力低下量を算出する。
ステップＳ４１５において、コントローラ４は、ステップＳ４１３で算出された圧力低下量分の圧力低下に要した時間（パージ弁閉弁時の圧力低下時間）を算出する。
ステップＳ４１６において、コントローラ４は、水素濃度を精度良く推定することができるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ４０５及びステップＳ４１２で算出した圧力低下量がそれぞれ所定以上か、又はステップＳ４０６及びステップＳ４１３で算出した圧力低下時間がそれぞれ所定以上かを判定する。コントローラ４は、水素濃度を精度良く推定することができると判定したときはステップＳ４１７の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。
ステップＳ４１７において、コントローラ４は、図１７に示す計算を実施して水素濃度を推定する。水素濃度の推定方法としては、図１２を参照して前述したように、パージ弁開弁期間の圧力低下速度から、パージ弁閉弁期間の圧力低下速度を減算したものをパージガスによる圧力低下速度としても良いが、図１７に示すように、パージ弁開弁期間の圧力低下速度及びパージ弁閉弁期間の圧力低下速度から、発電消費水素による圧力低下速度をそれぞれ予め減算しておくことで、水素濃度の推定精度をより向上させることができる。これは、発電消費水素量は負荷変動によって変化するため、パージ弁３６の開閉中に必ずしも一定になるとは限らないからである。
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００の水素濃度推定部は、水素供給弁３３の閉弁中であってパージ弁３６を開弁している期間とパージ弁３６を閉弁している期間のそれぞれの圧力低下に基づいて、アノード系内の水素濃度を推定する。そのため、パージ弁３６を通って排出されたアノードオフガスによって生じた圧力低下のみを精度良く計測することができるので、水素濃度を精度良く推定することができる。
上記の実施形態では、アノード圧力センサ３４の検出値のアノード系内の圧力として利用したが、アノード系内の圧力を例えば水素供給弁３３の開度等から推定しても良い。
また、上記の実施形態では、アノード圧力を脈動させる脈動運転を実施していたが、燃料電池スタックの負荷に応じてアノード圧力を一定する燃料電池システムであっても良い。この場合、負荷が低下したときの下げ過渡時（アノード低下時）にパージ弁３６の開閉を行って水素濃度の推定を行えばよい。また、水素濃度を推定する際には一次的にアノード圧力を脈動させてもよい。
また、上記の実施形態では、水素供給弁３３の開弁時に同期させてパージ弁３６を開弁するようにしていたが、必ずしも同期させる必要はない。
また、上記の実施形態において、パージ弁３６よりも上流のアノードガス排出通路３５とアノードガス供給通路３２とを接続し、アノードオフガスを循環させる構成としてもよい。
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。
本願は２０１４年１０月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１４−２１９７１０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 (12)

  1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて前記燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムのアノード系内へアノードガスの供給するための供給弁と、
    前記アノード系内からオフガスを排出するためのパージ弁と、
    前記アノード系内の圧力を推定又は計測する圧力検出部と、
    前記供給弁の閉弁中であって前記パージ弁を開弁している期間の圧力低下に基づいて、前記アノード系内の水素濃度を推定する水素濃度推定部と、
    を備え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であって、
    前記水素濃度推定部は、前記供給弁の閉弁中であって、前記パージ弁の開弁後所定時間が経過してからの前記パージ弁を開弁している期間の圧力低下に基づいて、前記アノード系内の水素濃度を推定する、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁は、前記供給弁を閉弁する前に開弁される、
    燃料電池システム。
  4. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記供給弁の開閉状態と、前記水素濃度と、に基づいて、前記パージ弁を制御するパージ弁制御部を備える、
    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であって、
    前記パージ弁制御部は、
    前記水素濃度に基づいて前記パージ弁の開弁指令を出す間隔を変更し、前記開弁指令が出ているときの前記供給弁の開弁中に前記パージ弁を開弁する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁制御部は、前記水素濃度が低いときほど前記パージ弁の開弁指令を出す間隔を短くする、
    燃料電池システム。
  7. 請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁制御部は、
    前記水素濃度に基づいて、前記パージ弁を通って前記アノード系内から排出されるオフガスのパージ量を変化させる、
    燃料電池システム。
  8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁制御部は、前記水素濃度が低いときほど前記パージ量を多くする、
    燃料電池システム。
  9. 請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁制御部は、前記水素濃度に基づいて、前記パージ弁の開弁時間を変化させる、
    燃料電池システム。
  10. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記パージ弁制御部は、前記水素濃度が低いときほど前記パージ弁の開弁時間を長くする、
    燃料電池システム。
  11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記水素濃度推定部は、前記供給弁の閉弁中であって前記パージ弁を開弁している期間と前記パージ弁を閉弁している期間のそれぞれの圧力低下に基づいて、前記アノード系内の水素濃度を推定する、
    燃料電池システム。
  12. 供給されるアノードガス及びカソードガスを用いて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池システムのアノード系内へアノードガスの供給するための供給弁と、
    前記アノード系内からオフガスを排出するためのパージ弁と、
    前記アノード系内の圧力を推定又は計測する圧力検出部と、を有する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記供給弁の閉弁中であって前記パージ弁を開弁している期間の圧力低下に基づいて、前記アノード系内の水素濃度を推定する、
    燃料電池システムの制御方法。
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