WO2010058747A1 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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fuel
fuel cell
cell system
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靖 市川
圭吾 池添
健一 後藤
謙 中山
光徳 熊田
要介 冨田
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • a fuel gas for example, hydrogen
  • an oxidant gas for example, air
  • these gases are reacted electrochemically to generate power.
  • a fuel cell system including a fuel cell for performing the above.
  • Patent Document 1 discloses a method of purging water and accumulated unreacted gas of the fuel cell by changing the gas pressures of the fuel electrode and the oxidant electrode.
  • Patent Document 1 since a relatively large pressure fluctuation is required to purge liquid water and unreacted gas, a large stress is applied to the electrolyte membrane or the like constituting the fuel cell. May affect the durability of the fuel cell.
  • An object of the present invention is to suppress reaction gas heterogeneity while suppressing a decrease in durability of the fuel cell.
  • an object of the present invention is to suppress the stress generated in the fuel cell and fuel gas supply system parts and to suppress the deterioration of the fuel cell system.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting an oxidant gas supplied to an oxidant electrode and a fuel gas supplied to the fuel electrode; A fuel gas supply device that supplies the fuel gas to the fuel electrode; and when the fuel gas is supplied to the fuel electrode by controlling the fuel gas supply device and the outlet on the fuel electrode side is closed A control device for performing pressure fluctuations, wherein the control device periodically varies the pressure of the fuel gas at the fuel electrode based on a first pressure fluctuation pattern for performing the pressure fluctuations in a first pressure range.
  • a control method for a fuel cell system includes generating an electric power by electrochemically reacting an oxidant gas supplied to an oxidant electrode and a fuel gas supplied to the fuel electrode.
  • the fuel gas is supplied to the fuel electrode, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode by controlling the supply of the fuel gas, and the outlet on the fuel electrode side is closed.
  • Pressure fluctuation is sometimes performed, and the pressure of the fuel gas at the fuel electrode is periodically changed based on a first pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuation is performed with a first pressure width.
  • the fuel cell system is a fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting an oxidant gas supplied to the oxidant electrode and a fuel gas supplied to the fuel electrode.
  • the fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel electrode, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode by controlling the fuel gas supply means, and the outlet on the fuel electrode side is closed
  • Control means for sometimes changing the pressure, wherein the control means periodically changes the pressure of the fuel gas at the fuel electrode based on a first pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuation is performed with a first pressure width.
  • the fuel electrode side gas can be agitated by periodically changing the pressure of the fuel gas in the fuel electrode based on the first pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuates in the first pressure range.
  • the fuel electrode side gas can be made uniform.
  • the present invention since the amount of fuel gas supply during the execution period of one control pattern is increased, the increase in the number of executions of pressure increase / decrease per unit time can be suppressed. Thereby, the stress applied to the fuel cell / fuel gas supply system parts can be alleviated, and deterioration of the fuel cell system can be suppressed.
  • FIG. 1A is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a block diagram schematically showing another configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram showing the state of the fuel electrode side hydrogen in the fuel cell, and shows the hydrogen streamlines in the fuel electrode side gas flow path.
  • FIG. 2B shows the hydrogen concentration distribution in the fuel electrode side gas flow path.
  • FIG. 2C shows the hydrogen concentration distribution on the fuel electrode side reaction surface.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram schematically showing a fuel cell, and assumes eight current measurement points.
  • FIG. 3B shows a time-series transition of the current distribution at each measurement point.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the fuel battery cell.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the nitrogen partial pressure difference between the oxidant electrode and the fuel electrode and the amount of leaked nitrogen.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the ambient humidity and the amount of leaked nitrogen according to the ambient temperature.
  • Fig.7 (a) is explanatory drawing which shows typically the stirring state of hydrogen and an unreacted gas.
  • FIG. 7B shows the timing of stopping the hydrogen supply (valve closing operation).
  • Fig.8 (a) is explanatory drawing which shows a liquid water discharge state.
  • FIG. 8B shows the timing of stopping the hydrogen supply (valve closing operation).
  • FIG.8 (c) shows another example of the timing which stops hydrogen supply (valve closing operation).
  • FIG. 8D shows still another example of timing for stopping the hydrogen supply (valve closing operation).
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a current distribution in the power generation plane.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure of a control method of the fuel cell system according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating a control pattern according to the first control method.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a control pattern according to the second control method.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating a control pattern according to the third control method.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram showing changes in pressure increase and decrease in the fuel electrode.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of the first holding time Tp1.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram of the second holding time Tp2.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram of the first holding time Tp1, the second holding time Tp2, and the load.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram of the first holding time Tp1, the second holding time Tp2, and the load.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram of the load current and the upper limit pressure P1 and lower limit pressure P2.
  • FIG. 20A is an explanatory diagram schematically showing the fuel electrode side volume Rs and the volume Rt of the volume portion in the fuel cell stack.
  • FIG. 20 (b) shows that about 1/4 of the volume of the fuel system has flowed in new hydrogen.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram of the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram of the pressure drop speed.
  • FIG. 1A is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 mainly includes a fuel cell stack 1 configured by stacking a plurality of fuel cells.
  • Each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is a fuel in which a fuel electrode 67 (see FIG. 4 described later) and an oxidizer electrode 34 (refer to FIG. 4 described later) are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween.
  • the battery structure is sandwiched between a pair of separators.
  • a pair of internal flow paths extending in the stacking direction of the fuel cells is configured corresponding to each of the fuel gas and the oxidant gas.
  • the supply internal flow path which is the first internal flow path
  • the gas flow path cell flow path
  • the fuel gas is respectively supplied to the reaction surface on the fuel electrode 67 side, and the gas discharged from the fuel electrode 67 side gas flow path of each fuel cell is supplied to the discharge internal flow path which is the second internal flow path.
  • fuel electrode off-gas flows in.
  • the supply internal flow path that is the first internal flow path includes the oxidant electrode 34 side gas flow paths (cell flow paths) of the individual fuel cells. ) Is supplied to the reaction surface on the oxidant electrode 34 side, and the discharge internal flow path, which is the second internal flow path, is supplied from the gas flow path on the oxidant electrode 34 side of each fuel cell.
  • Each discharged gas hereinafter referred to as “oxidant electrode off-gas”) flows in.
  • the fuel cell stack 1 according to the first embodiment employs a so-called counter flow system in which the fuel gas and the oxidant gas flow in directions opposite to each other.
  • the fuel cell stack 1 generates generated power by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode 67 and the oxidant electrode 34 for each individual fuel cell.
  • the fuel cell system 100 further includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1 and an air system for supplying air to the fuel cell stack 1.
  • hydrogen which is a fuel gas
  • a fuel tank 10 for example, a high-pressure hydrogen cylinder
  • the fuel cell stack from the fuel tank 10 via a hydrogen supply channel (fuel electrode inlet channel) L1. 1 is supplied.
  • the hydrogen supply flow path L1 has a first end connected to the fuel tank 10 and a second end connected to the inlet side of the fuel gas supply internal flow path of the fuel cell stack 1. Yes.
  • a tank original valve (not shown in FIG. 1) is provided downstream of the fuel tank 10, and when this tank original valve is opened, the high-pressure hydrogen gas from the fuel tank 10 is opened. Is mechanically reduced to a predetermined pressure by a pressure reducing valve (not shown in FIG.
  • the depressurized hydrogen gas is further depressurized by a hydrogen pressure adjusting valve 11 provided downstream of the depressurizing valve, and then supplied to the fuel cell stack 1.
  • the hydrogen pressure supplied to the fuel cell stack 1, that is, the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 can be adjusted by controlling the opening of the hydrogen pressure regulating valve 11.
  • a hydrogen supply device that supplies hydrogen to the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 by the fuel tank 10, the hydrogen supply flow path L1, and the hydrogen pressure regulating valve 11 provided in the hydrogen supply flow path L1.
  • HS fuel gas supply device HS
  • the fuel cell stack 1 is basically closed at the outlet side of the fuel gas discharge internal flow path in the fuel cell stack 1, and discharge of the fuel electrode off-gas from the fuel cell stack 1 is restricted.
  • the so-called closed system fuel cell system 100 is configured. However, this does not indicate a strict blockage, but in order to discharge an inert gas such as nitrogen or impurities such as liquid water from the fuel electrode 67, an exception is made in the internal flow path for discharging the fuel gas.
  • a discharge system is provided that can open the outlet side. Specifically, a fuel electrode off-gas flow path (discharge flow path) L2 is connected to the outlet side of the internal flow path for fuel gas discharge. The second end of the fuel electrode off-gas channel L2 is connected to an oxidant electrode off-gas channel L6 described later.
  • the fuel electrode off-gas flow path L2 has a predetermined volume Rs (FIG. 20 described later), for example, a volume Rs that is the same as or about 80% of the volume on the fuel electrode 67 side for all fuel cells constituting the fuel cell stack 1.
  • the volume part (volume apparatus) 12 provided as is provided.
  • the volume portion 12 functions as a buffer for temporarily storing impurities contained in the fuel electrode off-gas flowing from the fuel electrode 7 side.
  • a drainage flow path L3 having a first end opened is connected to the lower portion of the volume portion 12 in the vertical direction, and a drainage valve 13 is provided in the drainage flow path L3. Impurities (mainly liquid water) contained in the fuel electrode off gas that has flowed into the volume portion 12 accumulate in the lower portion of the volume portion 12.
  • the accumulated impurities can be discharged by controlling the open / close state of the drain valve 13.
  • a purge valve (shutoff device) 14 is provided in the fuel electrode off-gas flow path L ⁇ b> 2 on the downstream side of the volume portion 12.
  • the fuel electrode off-gas flowing into the volume 12, specifically, a gas containing impurities (mainly inert gas such as nitrogen) and unreacted hydrogen can be discharged by controlling the open / close state of the purge valve 14.
  • the fuel electrode off-gas channel (discharge channel) L2 the volume part (volume device) 12, and the purge valve (blocking device) 14 form a limiting device 70.
  • air that is an air-based oxidant gas will be described.
  • the atmosphere is taken in by the compressor 20, the atmosphere is pressurized and air is supplied to the fuel cell stack 1 via the air supply flow path L5.
  • the air supply flow path L5 has a first end connected to the compressor 20 and a second end connected to the inlet side of the internal flow path for supplying oxidant gas in the fuel cell stack 1. Further, a humidifier 21 for humidifying the air supplied to the fuel cell stack 1 is provided in the air supply flow path L5.
  • An oxidant electrode off-gas channel L6 is connected to the outlet side of the oxidant gas discharge internal channel in the fuel cell stack 1. Thereby, the oxidant electrode off-gas from the oxidant electrode 34 in the fuel cell stack 1 is discharged to the outside through the oxidant electrode off-gas channel L6.
  • the humidifier 21 is provided in the oxidant electrode off-gas flow path L6, and moisture generated by power generation is dehumidified (this dehumidified moisture is used for humidifying the supply air).
  • an air pressure regulating valve 22 is provided on the downstream side of the humidifier 21.
  • the air pressure supplied to the fuel cell stack 1, that is, the air pressure at the oxidant electrode 34 can be adjusted by controlling the opening of the air pressure regulating valve 22.
  • a gas supply device OS is configured.
  • an output extraction device 30 that controls an output (for example, current) extracted from the fuel cell stack 1 is connected to the fuel cell stack 1.
  • the electric power generated by the fuel cell stack 1 is necessary for the electric power generation operation of the vehicle driving electric motor (not shown in FIG. 1), the secondary battery, and the fuel cell stack 1 via the output extraction device 30. Supplied to various accessories.
  • the electric power generated in the output extraction device 30 is also supplied to a secondary battery (not shown in FIG. 1). This secondary battery is provided to compensate for the shortage of power supplied from the fuel cell stack 1 when the fuel cell system 100 is started up or during a transient response.
  • the control unit (control device) 40 has a function of controlling the entire fuel cell system 100 in an integrated manner, and controls the operating state of the fuel cell system 100 by operating according to the control program.
  • a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface can be used.
  • the control unit 40 performs various calculations according to a control program stored in the ROM, and outputs the calculation results to various actuators (not shown in FIG. 1) as control signals.
  • the control unit 40 controls various elements such as the hydrogen pressure regulating valve 11, the drain valve 13, the purge valve 14, the compressor 20, the air pressure regulating valve 22, and the output extraction device 30, and the power generation operation of the fuel cell stack 1 is controlled. Do.
  • the hydrogen pressure sensor 41 detects the hydrogen pressure supplied to the fuel cell stack 1.
  • the air pressure sensor 42 detects the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1.
  • the stack temperature sensor 43 detects the temperature of the fuel cell stack 1.
  • the control unit 40 controls the fuel cell system 100 in the following manner. First, the control unit 40 supplies air and hydrogen to the fuel cell stack 1, thereby generating power by the fuel cell stack 1. Each pressure (operating pressure) of air and hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 is set in advance as a constant reference value or a variable value corresponding to the operating load regardless of the operating load. Therefore, the control unit 40 generates power in the fuel cell stack 1 by supplying air and hydrogen at a predetermined operating pressure.
  • the control unit 40 when the control unit 40 supplies hydrogen to the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1, the control unit 40 performs pressure variation with a first pressure width (differential pressure).
  • the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 is periodically changed based on the pressure fluctuation pattern and the second pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuation is performed with a second pressure width (differential pressure) larger than the first pressure width. Fluctuate.
  • the control unit 40 repeatedly performs the basic control pattern for executing the second pressure fluctuation pattern after executing the first pressure fluctuation pattern a plurality of times.
  • the control unit 40 stops the supply of hydrogen to the fuel cell stack 1, and the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 is a predetermined pressure width (first pressure width or second pressure width).
  • the supply of hydrogen to the fuel cell stack 1 is resumed, and the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 is returned to the operating pressure.
  • the hydrogen supply to the fuel cell stack 1 can be stopped and restarted by opening / closing the hydrogen pressure regulating valve 11.
  • the hydrogen pressure drop corresponding to the pressure range can be monitored by referring to the detection value of the hydrogen pressure sensor 41.
  • FIG. 1B is a block diagram schematically showing another configuration of the fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the drain valve 13 is eliminated and only the purge valve 14 is used.
  • impurities mainly inert gas such as nitrogen and liquid water
  • unreacted hydrogen gas contained in the fuel electrode off-gas can be discharged by controlling the open / close state of the purge valve 14.
  • FIG. 2A shows a hydrogen stream line in the fuel electrode 67 side gas flow path.
  • the horizontal axis indicates the distance of the gas flow path (in the direction of the gas flow path)
  • the left side of the horizontal axis corresponds to the inlet side of the gas flow path
  • the right side of the horizontal axis corresponds to the outlet side of the gas flow path. It corresponds.
  • the vertical axis indicates the height of the gas flow path
  • the lower side of the vertical axis corresponds to the reaction surface.
  • FIG. 2B shows the hydrogen concentration distribution in the gas passage on the fuel electrode 67 side. Similar to FIG.
  • a region a1 shows a range where the hydrogen concentration is 93% to 100%
  • a region a2 shows a range where the hydrogen concentration is 83% to 93%
  • a region a3 shows a hydrogen concentration of 73%. Shows a range of ⁇ 83%.
  • the region a4 indicates a range where the hydrogen concentration is 63% to 73%
  • the region a5 indicates a range where the hydrogen concentration is 53% to 63%
  • the region a6 indicates a range where the hydrogen concentration ranges from 43% to 53%.
  • Region a7 shows a hydrogen concentration range of 33% to 43%.
  • FIG. 2C shows a hydrogen concentration distribution on the reaction surface on the fuel electrode 67 side.
  • the horizontal axis indicates the distance of the gas flow path
  • the left side of the horizontal axis corresponds to the inlet side of the gas flow path
  • the right side of the horizontal axis corresponds to the outlet side of the gas flow path.
  • the vertical axis represents the hydrogen concentration.
  • the fuel electrode 67 has a portion where the nitrogen concentration is high, that is, a portion where the hydrogen concentration is low. Specifically, in the fuel battery cell, the hydrogen concentration tends to be lower toward the downstream (outlet side) of the gas flow path. Further, if power generation is continued from this state, the concentration of the portion having a low hydrogen concentration is further decreased.
  • FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a fuel cell.
  • eight current measurement points # 1 to # 8 are assumed in the power generation surface of the fuel cell along the flow of the reaction gas.
  • FIG. 3B shows a time-series transition of the current distribution at the individual measurement points # 1 to # 8. Specifically, as indicated by broken line arrows, the transition of the current distribution at each of the measurement points # 1 to # 8 transitions from the alternate long and short dash line to the broken line and then to the solid line. That is, at the initial stage of power generation, the hydrogen concentration in the gas flow path is substantially uniform, so that the current values at the measurement points # 1 to # 8 correspond approximately as indicated by the dashed line.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the fuel cell.
  • the fuel cell structure 150 constituting the fuel cell is configured by sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 2 between a fuel electrode 67 and an oxidant electrode 34 which are a pair of electrodes (reaction electrodes).
  • the solid polymer electrolyte membrane 2 is composed of, for example, an ion conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
  • the oxidant electrode 34 includes a platinum-based catalyst layer 3 that supports a catalyst such as platinum, and a gas diffusion layer 4 that is formed of a porous material such as carbon fiber.
  • the fuel electrode 67 includes a platinum-based catalyst layer 6 that supports a catalyst such as platinum, and a gas diffusion layer 7 that is formed of a porous material such as carbon fiber.
  • Gas separators (not shown in FIG. 4) sandwiching the fuel cell structure 150 from both sides are formed with gas flow paths 5 and 8 for supplying a reaction gas (hydrogen or air) to each reaction electrode. Has been.
  • Fuel electrode 67 side O 2 + 4H + + 4e ⁇ ⁇ 2H 2 O
  • Oxidant electrode 34 side C + 2H 2 O ⁇ CO 2 + 4H + + 4e ⁇
  • carbon in the structure of the fuel cell reacts with water generated on the oxidant electrode 34 side, and carbon dioxide is generated on the oxidant electrode 34 side. This means that the structure inside the fuel cell is eroded.
  • An element that forms a gas flow path, a structure that supports a catalyst that causes a reaction, a structure that constitutes a gas diffusion layer 4, and a carbon that is contained in a structure that constitutes a separator is changed to carbon dioxide. Leading to deterioration.
  • the power generation reaction product water moves from the oxidant electrode 34 side to the solid polymer electrolyte membrane 2 by the reverse diffusion phenomenon, or the condensed water in the hydrogen supplied after being humidified is gas. May remain in the flow path.
  • liquid water is present in the form of water droplets in the gas flow path, no particular problem is caused.
  • the liquid water is present in a film shape and covers the gas flow path surface of the gas diffusion layer 7, the supply of hydrogen to the reaction surface is hindered by the liquid water, resulting in a location where the hydrogen concentration is low. . This may lead to deterioration of the fuel cell, similar to the case on the oxidant electrode 34 side.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the nitrogen partial pressure difference between the oxidant electrode 34 and the fuel electrode 67 and the amount of leaked nitrogen.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the ambient humidity and the amount of leaked nitrogen according to the ambient temperature. As shown by the broken line arrows, the ambient humidity and the ambient humidity are increased according to the increase in the ambient temperature Temp1, Temp2, Temp3, and Temp4. The value of the relationship with the leak flow rate is relatively large. As shown in FIG. 5, the amount of nitrogen permeated from the oxidizer electrode 34 side to the fuel electrode 67 side (leakage nitrogen amount) increases as the nitrogen partial pressure difference increases, and the humidity at the fuel electrode 67 increases as shown in FIG. The higher the temperature and the higher the temperature.
  • the nitrogen that has permeated the fuel electrode 67 rides on the flow of supplied hydrogen and remains so as to be pushed downstream (outlet side). Therefore, in the first embodiment, the occurrence of such a deficient portion where the hydrogen concentration is locally lowered is suppressed by causing forced convection and stirring hydrogen and nitrogen.
  • FIG. 7 is an explanatory view schematically showing a stirring state of hydrogen and an unreacted gas (mainly nitrogen).
  • an unreacted gas mainly nitrogen.
  • the hydrogen pressure on the fuel electrode 67 side of the fuel cell stack 1 is lowered below the hydrogen supply pressure, and a predetermined differential pressure is created inside and outside the fuel cell stack 1.
  • a large supply amount (flow velocity) of hydrogen flowing into the fuel cell stack 1 is instantaneously ensured.
  • stirring with hydrogen and nitrogen is attained.
  • this agitation effect is increased when turbulent flow is obtained.
  • This differential pressure ⁇ P1 is, for example, about 5 to 8 kPa.
  • the optimum value of the differential pressure ⁇ P1 can be set through experiments and simulations in consideration of the characteristics of the fuel cell stack 1 and the gas agitation characteristics.
  • the differential pressure ⁇ P1 required for gas agitation is set to a small value compared to the differential pressure required for liquid water discharge described later.
  • the above gas agitation can suppress the occurrence of hydrogen-deficient parts, when power generation is continued for a long time, the generated water and condensed water accumulate and block the fuel electrode 67 side gas flow path in the fuel cell. It may end up. Therefore, in the first embodiment, by flowing hydrogen into the fuel electrode 67, liquid water that closes the gas flow path is discharged out of the fuel cell.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing a liquid water discharge state.
  • the hydrogen pressure on the fuel electrode 67 side of the fuel cell stack 1 is lowered below the hydrogen supply pressure, and a predetermined differential pressure is created inside and outside the fuel cell stack 1. Then, by releasing this constant differential pressure instantaneously, a large supply amount (flow velocity) of the fuel gas flowing into the fuel cell stack 1 is instantaneously ensured.
  • Fig.8 (a) liquid water can be discharged
  • the differential pressure required for liquid water discharge is required to be larger than the differential pressure required for gas stirring.
  • the frequency at which liquid water discharge is required is lower than the frequency at which gas agitation is required. Therefore, as shown in FIG. 8B, after the pressure fluctuation pattern required for gas stirring is executed a plurality of times, hydrogen supply is stopped by the hydrogen pressure regulating valve 11 at the timing Tm (valve closing operation). Then, a holding time is provided until the predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P2 is reached, thereby ensuring the differential pressure.
  • the differential pressure ⁇ P2 is obtained (timing Tn)
  • hydrogen is supplied by the hydrogen pressure regulating valve 11 (opening operation). As a result, a large flow rate is instantaneously generated and liquid water can be discharged.
  • Such a pressure fluctuation pattern (second pressure fluctuation pattern) is periodically repeated in the same manner as the first pressure fluctuation pattern required for gas stirring.
  • the frequency of execution of the second pressure fluctuation pattern required for liquid water discharge is lower than that of the first pressure fluctuation pattern required for gas stirring.
  • This differential pressure ⁇ P2 is, for example, about 20 to 30 kPa.
  • the optimum value of the differential pressure ⁇ P2 can be set through experiments and simulations in consideration of the characteristics of the fuel cell stack 1 and the liquid water discharge characteristics.
  • the differential pressure ⁇ P2 required for liquid water discharge is set to a larger value than the differential pressure ⁇ P1 required for gas stirring.
  • an operation (valve closing operation) for stopping the supply of hydrogen by the hydrogen pressure regulating valve 11 at the timing Tm is performed. Do. Then, a holding time is provided until a predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P1 is reached, thereby ensuring the differential pressure.
  • a predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P1 is reached, thereby ensuring the differential pressure.
  • an operation (opening operation) of supplying hydrogen by opening the hydrogen pressure regulating valve 11 with a larger opening than at the timing Tm is performed. As a result, the gas is supplied at a pressure higher than the pressure at Tm and reaches a predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P2 (timing To).
  • timing Tp an operation (valve closing operation) for stopping the supply of hydrogen with the hydrogen pressure regulating valve 11 is performed. Then, a holding time is provided until a predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P2 is reached, thereby ensuring the differential pressure.
  • a predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P2 is obtained (timing Tq)
  • an operation (opening operation) of supplying hydrogen with the hydrogen pressure regulating valve 11 is performed. At that time, it is preferable to supply hydrogen at the same opening degree as the timing Tm.
  • the pressure returns to the same pressure as the timing Tm at the timing Tr, and the same pressure fluctuation pattern as before the timing Tm is executed after the timing Tr. Even when such an operation is performed, liquid water can be discharged by generating a large flow rate instantaneously.
  • timing Tp an operation (valve closing operation) for stopping the supply of hydrogen with the hydrogen pressure regulating valve 11 is performed. Then, a holding time is provided until a predetermined differential pressure (pressure width) ⁇ P3 is reached, thereby ensuring the differential pressure.
  • the pressure lower limit value when the differential pressure ⁇ P3 is secured is preferably the pressure lower limit value when the differential pressure ⁇ P1 is secured.
  • timing Tq an operation (opening operation) of supplying hydrogen with the hydrogen pressure regulating valve 11 is performed. At that time, it is preferable to supply hydrogen at the same opening degree as the timing Tm.
  • the pressure returns to the same pressure as the timing Tm at the timing Tr, and the same pressure fluctuation pattern as before the timing Tm is executed after the timing Tr. Even when such an operation is performed, liquid water can be discharged by generating a large flow rate instantaneously.
  • the control unit 40 supplies the hydrogen to the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 by controlling the fuel gas supply device HS (10, 11, L1), and the first pressure.
  • the hydrogen pressure in the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 is periodically changed based on the first pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuation is performed with the width ⁇ P1 and the second pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuation is performed with the second pressure width ⁇ P2.
  • the first pressure fluctuation pattern having a small pressure width is included in addition to the second pressure fluctuation pattern, so that the fuel electrode 67 is not subjected to a large stress on the individual fuel cells of the fuel cell stack 1.
  • Side gas can be stirred.
  • the fuel electrode 67 side gas can be made uniform. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the fuel cell stack 1 due to the partial decrease in the hydrogen concentration.
  • by providing the second pressure fluctuation pattern it is possible to discharge liquid water or the like that cannot be discharged by the first pressure fluctuation pattern. Thereby, deterioration of the fuel cell stack 1 due to liquid water can be suppressed.
  • the fuel cell system 100 of the first embodiment employs a closed system in which the fuel electrode off-gas discharged from the fuel electrode 67 side of the fuel cell stack 1 is limited. According to such a configuration, the hydrogen concentration tends to decrease in the fuel electrode 67 side gas flow path due to impurities, but by performing the above control, the fuel electrode 67 side gas can be made uniform.
  • the control unit 40 executes the second pressure fluctuation pattern after executing the first pressure fluctuation pattern a plurality of times. According to such a configuration, it is possible to achieve both gas agitation and liquid water discharge on the fuel electrode 67 side while reducing the frequency with which a large stress is applied to individual fuel cells of the fuel cell stack 1. Moreover, since the execution frequency of the 1st pressure fluctuation pattern which performs gas stirring is high, gas stirring can be performed effectively, even when power generation is performed continuously. As a result, as shown in FIG. 9, even when power generation is continuously performed, the current value in the power generation surface substantially corresponds, and the current value decreases on the outlet side of the gas flow path and on the inlet side of the gas flow path. Current concentration can be suppressed.
  • the control unit 40 stops the supply of hydrogen to the fuel cell stack 1 in a state in which the fuel cell stack 1 generates power by supplying hydrogen at a predetermined operating pressure,
  • the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 is changed by restarting the hydrogen supply on condition that the hydrogen pressure at the electrode 67 has decreased by a predetermined pressure range ( ⁇ P1, ⁇ P2).
  • ⁇ P1, ⁇ P2 a predetermined pressure range
  • the fuel cell system 100 of the first embodiment includes the fuel electrode off-gas flow path L2, the volume portion 12, and the purge valve.
  • the volume portion 12 functions as a fuel electrode off-gas from the fuel electrode 67 side, that is, a space for storing nitrogen and liquid water (volume Rs: FIG. 20 described later).
  • impurities such as nitrogen that have risen relatively to the outside by opening the purge valve 14 as necessary. That is, nitrogen leaks occur until the nitrogen partial pressure difference disappears, but when it is desired to keep the hydrogen concentration at a predetermined level or higher on the fuel electrode 67 side, a flow rate corresponding to the leak amount can be discharged to the outside.
  • the flow rate at this time is sufficiently small, there is little influence on the pressure fluctuation required for gas stirring in the fuel electrode 67, and dilution by the oxidant electrode 34 being off can be easily performed.
  • the total pressure on the fuel electrode 67 side may be increased so that power can be generated even when the nitrogen partial pressure is in an equilibrium state. In this case, a simple closed system can be employed.
  • the rate at which the hydrogen pressure in the fuel electrode 67 decreases when the hydrogen supply is stopped is determined by the flow path volume in the fuel cell stack 1.
  • the capacity of the volume portion 12 of the hydrogen supply flow path L1 or the fuel electrode off-gas flow path L2 is changed in the fuel cell stack 1. The pressure change time can be controlled.
  • the fuel cell system 100 according to the second embodiment is different from the fuel cell system 100 of the first embodiment in that hydrogen supplied to the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 due to pressure fluctuation due to the pressure fluctuation pattern.
  • the amount is set to be variable according to the operation state of the fuel cell system 100. Since the configuration of the fuel cell system 100 is the same as that of the first embodiment, a duplicate description will be omitted, and the following description will focus on the differences.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system 100 according to the second embodiment of the present invention, specifically, a processing procedure of a method of supplying hydrogen to the fuel electrode 67.
  • the control unit 40 executes the process shown in this flowchart.
  • step 1 (S1) the control unit 40 detects the operating state of the fuel cell stack 1.
  • the operating state detected in step 1 includes the operating load of the fuel cell stack 1, the operating temperature of the fuel cell stack 1, and the operating pressure of the fuel cell stack 1 (the operating pressure of the oxidizer electrode 34).
  • the operating load of the fuel cell stack 1 can be calculated by taking into account the vehicle-side required power specified from the vehicle speed and the accelerator opening, the required power of auxiliary equipment, and the like.
  • the operating temperature of the fuel cell stack 1 can be detected by the stack temperature sensor 43.
  • a constant reference value or a variable value corresponding to the operating load is set in advance regardless of the above operating load. Therefore, the operation pressure of the fuel cell stack 1 can be detected by referring to this.
  • step 2 the control unit 40 determines whether or not the operation state detected this time has changed in comparison with the operation state detected in advance. If an affirmative determination is made in this determination, that is, if the operating state has changed, the process proceeds to step 3 (S3). On the other hand, if a negative determination is made in step 2, that is, if the operating state has not changed, the process of step 3 is skipped and the process proceeds to step 4 (S4).
  • step 3 the control unit 40 sets a pressure fluctuation pattern based on the operating state. As shown in the first embodiment, the control unit 40 executes the first pressure fluctuation pattern necessary for gas stirring a plurality of times, and then executes the second pressure fluctuation pattern necessary for liquid water discharge, and sets this one set. As a result, hydrogen supply is performed. By the way, in the supply mode with pressure fluctuation, the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 67 changes pulsatically due to pressure fluctuation, so that a load is repeatedly applied to the solid polymer electrolyte membrane 2 and this acts as stress. .
  • the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 67 due to such pressure fluctuation is reduced to reduce the load on the solid polymer electrolyte membrane 2. It is preferable.
  • pressure fluctuation is actively performed, and the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 67 due to the pressure fluctuation is pulsatically changed to perform gas agitation and liquid water discharge. preferable.
  • the amount of nitrogen that cross leaks is small. Therefore, when the operating state is changed corresponding to any of the above, the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 67 due to pressure fluctuation is reduced.
  • the basic control pattern is corrected as follows.
  • the valve closing time T of the hydrogen pressure regulating valve 11 is set longer than the valve closing time of the basic control pattern.
  • the basic control pattern is corrected so that the execution period of the pressure fluctuation is set to be large.
  • the differential pressures (pressure widths) ⁇ P11, ⁇ P21 of the pressure control pattern are set smaller than the differential pressures (pressure widths) ⁇ P1, ⁇ P2 of the pressure control pattern in the basic control pattern. To do.
  • the execution frequency of the second pressure fluctuation pattern required for liquid water discharge with respect to the first pressure fluctuation pattern required for gas stirring is less than the execution frequency of the basic control pattern.
  • the first to third control methods may be controlled in opposite directions.
  • the control unit 40 corrects the basic control pattern based on any one of the first to third control methods or a combination thereof according to the changed operating state. Then, the control unit 40 sets the corrected control pattern as the current control pattern.
  • step 4 the control unit 40 supplies hydrogen based on the currently set control pattern.
  • step 5 the control unit 40 determines whether or not to end the operation of the fuel cell system 100. Specifically, the control unit 40 determines whether or not an off signal is input from the ignition switch. When an affirmative determination is made in step 5, that is, when the operation of the fuel cell system 100 is terminated, the present control is terminated. On the other hand, if a negative determination is made in step 5, that is, if the operation of the fuel cell system 100 is not terminated, the processing returns to step 1.
  • the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode 67 due to pressure fluctuation is set to be small based on the operating state of the fuel cell system 100. According to such a configuration, it is possible to reduce the repeated load on the individual fuel cells of the fuel cell stack 1 while performing gas stirring and liquid water discharge of the fuel electrode 67.
  • the control unit 40 controls the fuel cell system 100 in the following manner.
  • the control unit 40 supplies air and hydrogen to the fuel cell stack 1, thereby generating power by the fuel cell stack 1.
  • the control unit 40 supplies air and hydrogen so that the respective pressures of air and hydrogen supplied to the fuel cell stack 1 become predetermined operating pressures.
  • This operating pressure is set, for example, as a constant reference value regardless of the power generated by the fuel cell stack 1 or as a variable value corresponding to the power generated by the fuel cell stack 1.
  • control unit 40 performs pressure control on the air supply to the oxidant electrode 34 according to a predetermined operating pressure.
  • the control unit 40 controls supply / stop of hydrogen according to a control pattern for increasing / decreasing the pressure within the range between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 for supplying hydrogen to the fuel electrode 67. Then, the control unit 40 repeats the operation according to the control pattern, so that hydrogen is supplied to the fuel electrode 67 while periodically changing the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 as shown in FIG. Supply.
  • control unit 40 assumes that the hydrogen pressure of the fuel electrode 67 has reached the upper limit pressure P1, and that a sufficient hydrogen concentration for generating power is secured in the fuel electrode 67.
  • the hydrogen pressure regulating valve 11 is controlled to the minimum opening, and the hydrogen supply to the fuel cell stack 1 is stopped.
  • the control unit 40 continues from the fuel cell stack 1 via the output extraction device 30 to extract the load current corresponding to the required load required for the fuel cell system 100, hydrogen is consumed by the power generation reaction.
  • the hydrogen pressure decreases.
  • the control unit 40 controls the hydrogen pressure regulating valve 11 to the maximum opening and restarts the hydrogen supply to the fuel cell stack 1. . Thereby, the hydrogen pressure in the fuel electrode 67 increases. Then, on the condition that the hydrogen pressure has reached (returned to) the upper limit pressure P1, the control unit 40 stops the hydrogen supply again by controlling the hydrogen pressure regulating valve 11 to the minimum opening. By repeating such a series of processes as a one-cycle control pattern, the control unit 40 supplies hydrogen to the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 while periodically changing the hydrogen pressure.
  • an upper limit pressure P1 and a lower limit pressure P2 are set based on the specified operating pressure.
  • the hydrogen pressure of the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 can be monitored. Further, when the pressure is increased, it is desirable that the hydrogen pressure on the upstream side of the hydrogen pressure regulating valve 11 is made sufficiently high to increase the pressure increase rate as much as possible.
  • the pressure increase period from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1 is set to about 0.1 to 0.5 seconds.
  • the time from the upper limit pressure P1 to the lower limit pressure P2 is about 1 to 10 seconds, but the upper limit pressure P1, the lower limit pressure P2 and the current value taken out from the fuel cell stack 1, that is, the hydrogen consumption rate, Dependent.
  • the holding time Tp2 can be set as a control pattern.
  • the control unit 40 can arbitrarily set the first holding time Tp1 and the second holding time Tp2 in a range from zero to a predetermined value.
  • the first holding time Tp1 is such that the pressure of the fuel electrode 67 is set to the upper limit pressure P1 before the first step of reducing the pressure of the fuel electrode 67 from the upper limit pressure P1 to the lower limit pressure P2. It is time to hold.
  • the control unit 40 controls the opening degree Ot of the hydrogen pressure regulating valve 11 to the maximum opening degree O1 on the condition that the pressure of the fuel electrode 67 has been reduced to the lower limit pressure P2, and thereby the fuel cell stack.
  • the hydrogen supply to 1 is restarted, and the pressure of the fuel electrode 67 is increased.
  • the control unit 40 reduces the opening degree Ot of the hydrogen pressure regulating valve 11 from the maximum opening degree O1 to a predetermined opening degree on the condition that the pressure of the fuel electrode 67 has reached the upper limit pressure P1, and thereby increases the pressure of the fuel electrode 67. Is maintained at the upper limit pressure P1. Then, the control unit 40 sets the opening degree Ot of the hydrogen pressure regulating valve 11 to the minimum opening degree O2 on the condition that the first holding time Tp1 has elapsed from the timing when the pressure of the fuel electrode 67 reaches the upper limit pressure P1. By controlling, hydrogen supply to the fuel cell stack 1 is stopped.
  • the second holding time Tp2 is the pressure of the fuel electrode 67 before the execution of the second process of increasing the hydrogen pressure of the fuel electrode 67 from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1.
  • the control unit 40 controls the opening degree Ot of the hydrogen pressure regulating valve 11 to the minimum opening degree O2 on the condition that the pressure of the fuel electrode 67 has reached the upper limit pressure P1, so that the fuel cell stack 1 The hydrogen supply to is stopped.
  • the control unit 40 increases the opening degree Ot of the hydrogen pressure regulating valve 11 from the minimum opening degree O2 to a predetermined opening degree on the condition that the hydrogen pressure of the fuel electrode 67 has decreased to the lower limit pressure P2.
  • the pressure is kept at the lower limit pressure P2. Then, the control unit 40 sets the opening degree Ot of the hydrogen pressure regulating valve 11 to the maximum opening degree O1 on the condition that the second holding time Tp2 has elapsed from the timing when the pressure of the fuel electrode 67 reaches the lower limit pressure P2. By controlling, the hydrogen supply to the fuel cell stack 1 is restarted, and the pressure of the fuel electrode 67 is increased.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram showing the correspondence between the load and each of the first holding time Tp1 and the second holding time Tp2.
  • the first holding time Tp1 and the second holding time Tp2 are respectively It is set to zero.
  • the first holding time Tp1 is set to zero.
  • the second holding time Tp2 is set so that the value increases as the load increases, starting from zero.
  • the first holding time Tp1 increases as the load increases starting from zero.
  • the second holding time Tp2 is set to a constant value.
  • the control unit 40 can determine the first holding time Tp1 and the second holding time Tp2 according to the load state. In other words, whether to hold the pressure of the fuel electrode 67 at the upper limit pressure P1 or the lower limit pressure P2 can be selected according to the load.
  • the control unit 40 is configured such that when the required load is high (when the load current is large), compared to when the required load is low (when the load current is small), The amount of hydrogen supply in the execution period of one control pattern is increased. In the driving scene such as high load, the hydrogen consumption tends to be large. Therefore, there is a possibility that the number of executions of pressure increase / decrease corresponding to one control pattern increases in order to cover the hydrogen supply.
  • the hydrogen supply amount in the execution period of one control pattern is increased, an increase in the number of executions of pressure increase / decrease per unit time can be suppressed. As a result, stress applied to the fuel cell stack 1 and the hydrogen-based parts can be alleviated, so that deterioration of the fuel cell system 100 can be suppressed.
  • the second holding time Tp2 for holding the pressure of the pole 67 at the lower limit pressure P2 can be set in the control pattern. Then, the control unit 40 sets the first holding time Tp1 or the second holding time Tp2 longer as the required load is higher. As the required load increases, the amount of hydrogen consumption increases, and thus the pressure decrease rate in the first process increases. However, according to the third embodiment, as the required load increases, the first holding time Tp1 and the second holding time are increased. Tp2 is set long.
  • the period from the timing when the pressure of the fuel electrode 67 reaches the upper limit pressure P1 to the timing when the pressure of the fuel electrode 67 is returned from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1 can be set longer. That is, by setting the first holding time Tp1 and the second holding time Tp2 to be long, the execution period of one control pattern is lengthened, so that the increase in the number of executions of pressure increase / decrease per unit time can be suppressed. As a result, stress applied to the fuel cell stack 1 and the hydrogen-based parts can be alleviated, so that deterioration of the fuel cell system 100 can be suppressed.
  • control unit 40 sets the first holding time Tp1 longer as the required load is higher.
  • the required load increases, it may become difficult to secure the hydrogen partial pressure in the fuel electrode 67. Therefore, by setting the first holding time Tp1 at the upper limit pressure P1 to be long, there is an effect that the hydrogen partial pressure is easily ensured even when the required load is high.
  • the second holding time Tp2 is set longer as the required load increases in the region where the required load is low to medium load (lower side in FIG. 17). From low load to medium load, liquid water tends to accumulate in the fuel electrode 67. By setting the second holding time Tp2 at the lower limit pressure P2 to be long, the execution accuracy of the liquid water discharge process can be increased. Furthermore, it is preferable that the control unit 40 sets the first holding time Tp1 longer as the required load becomes higher in a region where the required load is medium load to high load (upper part of FIG. 17). When the required load increases, it may become difficult to secure the hydrogen partial pressure in the fuel electrode 67. Therefore, by setting the first holding time Tp1 at the upper limit pressure P1 to be long, there is an effect that the hydrogen partial pressure is easily ensured even when the required load is high.
  • the first holding time Tp1 for holding the upper limit pressure P1 is set longer.
  • the hydrogen partial pressure may be secured.
  • the inert gas concentration in the fuel electrode 67 increases as the time from the stop of the fuel cell system 100 to the start-up increases. Therefore, the first holding time Tp1 for holding the upper limit pressure P1 is made variable by measuring the stop period of the fuel cell system 100 or measuring the nitrogen concentration in the fuel electrode 67 when the fuel cell system 100 is activated. May be.
  • the fuel electrode 67 immediately after returning from the idle stop.
  • the nitrogen concentration inside is high. Therefore, the first holding time Tp1 may be set longer in such a scene.
  • the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 can be set according to the load current.
  • the control unit 40 determines the target generated power of the fuel cell stack 1 as a required load required for the fuel cell system 100 based on the vehicle speed, the driver's accelerator operation amount, and information on the secondary battery. Based on the target generated power, the control unit 40 calculates a load current, which is a current value extracted from the fuel cell stack 1.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram showing a correspondence relationship between the load current Ct and the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2.
  • the operating pressure Psa for supplying the reaction gas necessary for extracting the load current Ct from the fuel cell stack 1 is determined by considering the characteristics of the fuel cell stack 1 and the fuel cell system 100 such as a hydrogen system and an air system. Can be defined through experiments and simulations.
  • 19 in FIG. 19 represents the rated load current Cr (the same applies to FIG. 20B described later).
  • this operating pressure Psa is set as the target operating pressure.
  • an upper limit pressure P1 and a lower limit pressure P2 are set based on the operating pressure Psa.
  • the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 are set so as to increase the differential pressure between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2, that is, the pressure fluctuation range during gas supply, as the load current Ct increases.
  • the higher the required load of the scene the greater the amount of hydrogen supply during the execution period of one control pattern can be increased.
  • count of execution of the pressure increase / decrease per unit time can be suppressed.
  • deterioration of the fuel cell system 100 can be suppressed.
  • the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 may be set in consideration of the power generation stability of the fuel cell stack 1.
  • the pressure is set to about 50 kPa so that the differential pressure between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 becomes relatively small.
  • the average hydrogen concentration in each fuel cell is about 40%.
  • the load is high, that is, when the load current is large, the power generation efficiency becomes higher when the gas pressure is increased. Therefore, the supply pressure is reduced as a whole on both the oxidant electrode 34 side and the fuel electrode 67 side. increase.
  • the differential pressure between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 is set to about 100 kPa. In this case, the fuel cell stack 1 is operated when the average hydrogen concentration in each fuel cell is about 75%.
  • the atmosphere inside the fuel cell stack 1 (the fuel electrode 67) is in a state where the hydrogen concentration is low at the timing of the lower limit pressure P2, and hydrogen is at the timing of the upper limit pressure P1.
  • the concentration becomes high. That is, by increasing the pressure from the lower limit pressure P 2 to the upper limit pressure P 1, the high hydrogen concentration gas is introduced into the fuel electrode 67, whereby the low hydrogen concentration gas is pushed into the volume portion 12 from the fuel cell stack 1. Further, the gas in the fuel electrode 67 is agitated by the high hydrogen concentration gas.
  • FIG. 20A and 20B are explanatory views schematically showing the fuel electrode 67 side volume Rs and the volume Rt of the volume part 12 in the fuel cell stack 1.
  • the pressure ratio P1 / P2 between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 is approximately 1.33.
  • the volume and volume part of the fuel cell stack 1 is increased by the pressure increase from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1. 12), that is, new hydrogen will flow to about 50% of the fuel cell stack 1.
  • this state is expressed as a hydrogen exchange rate of 0.5 ⁇ FIG. )reference) ⁇ .
  • the rate of hydrogen consumption is slow, so that the fuel cell stack 1 can generate power at a hydrogen exchange rate of about this level.
  • the time-averaged hydrogen concentration in the anode off-gas is about 40%.
  • the pressure ratio P1 / P2 (for example, 2 or more) enough to replace the entire fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 with new hydrogen, that is, the hydrogen exchange rate is about 1. It is desirable.
  • the concentration of discharged hydrogen is desired to be kept low, the hydrogen consumption rate is high, so that a hydrogen concentration higher than a predetermined level is necessary for stable power generation (for example, about 75% or more is required).
  • the fuel electrode off-gas flow path L2 is opened by the purge valve 14 in order to adjust the hydrogen concentration.
  • a minute flow rate that does not interfere with hydrogen supply due to periodic pressure fluctuations is discharged from the purge valve 14 continuously or intermittently. Since the gas discharged from the purge valve 14 has a minute flow rate, it is diluted by the cathode side exhaust and safely discharged out of the system.
  • the purge valve 14 is opened to discharge impurities (nitrogen and water vapor) from the fuel electrode 67, but hydrogen is also mixed in the fuel electrode 67. For this reason, it is preferable to effectively discharge impurities while suppressing hydrogen discharge.
  • the purge valve 14 in the hydrogen supply, is controlled to be opened in response to the process of increasing the hydrogen pressure from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1 (second process). Release (purge process). Specifically, the control unit 40 monitors the pressure of the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 and controls the purge valve 14 to be open in response to the timing when the monitored pressure reaches the lower limit pressure P2. The purge valve 14 is controlled to be closed in accordance with the timing at which the monitored pressure reaches the upper limit pressure P1 (basic control pattern).
  • the low hydrogen concentration gas is pushed from the fuel cell stack 1 into the volume portion 12 and before the high concentration hydrogen reaches the purge valve 14, the low hydrogen concentration gas is discharged from the volume portion 12 via the purge valve 14. The Thereby, many impurities can be efficiently discharged.
  • the opening / closing control of the purge valve 14 is not limited to this basic control pattern. If the purge valve 14 is controlled to be in an open state so as to include at least a process of increasing the pressure from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1 (second process), the opening / closing control of the purge valve 14 is sufficient. Therefore, the timing for controlling the purge valve 14 to the closed state can be corrected to a timing delayed from the timing at which the hydrogen pressure reaches the upper limit pressure P1 (hereinafter referred to as “reference closing timing”). For example, the boundary between high-concentration hydrogen and low-concentration hydrogen can be determined as a constant surface within a short time range when considering the diffusion rate.
  • the position at which the boundary surface (so-called hydrogen front) reaches in the fuel cell stack 1 and the volume portion 12 at what time is predicted through experiments and simulations.
  • the timing for controlling the purge valve 14 to the closed state can be delayed from the reference closing timing until the boundary surface reaches the purge valve 14.
  • the purge process does not have to be performed for every execution of the control pattern, specifically, for each of the pressure increasing processes (second processes).
  • the purge valve 14 may be opened corresponding to the subsequent pressure increasing process on the condition that the hydrogen concentration in the fuel electrode 67 is equal to or lower than a predetermined determination threshold value.
  • liquid water is also considered as a factor that hinders the power generation reaction, so liquid water can also be discharged.
  • this liquid water discharge process is executed once every multiple times or every fixed time, not every time the pressure increases or decreases periodically. It is preferable to do. Since the liquid water only needs to be removed from the fuel cell stack 1, it is considered that the liquid water is discharged from the fuel cell stack 1 to the volume portion 12. In this case, since it is necessary to increase the flow velocity, it is preferable to set the differential pressure between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 to about 100 kPa.
  • the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 can be set in consideration of the following additional method in addition to the method of making variable according to the required load as described above.
  • the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 may be set according to the allowable inter-electrode differential pressure between the oxidant electrode 34 and the fuel electrode 67 in the fuel cell.
  • an upper limit is set so as to ensure a minimum pressure for reliably performing the purge.
  • the pressure P1 and the lower limit pressure P2 may be limited.
  • the upper limit pressure P1 is set to a larger value, and the liquid water retention amount or liquid water generation amount in the fuel electrode 67 is larger.
  • the lower limit pressure P2 is set to a small value in a predicted state.
  • the pressure ratio (P1 / P2) between the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2. ) Is temporarily set to a large value (P1w / P2w), the upper limit pressure P1 and the lower limit pressure P2 are set.
  • the pressure decreases from the upper limit pressure P1 to the lower limit pressure P2 because the hydrogen consumption rate is low in the low load region. Slows down. In this case, since it takes time to reach the lower limit pressure P2, the second process of increasing the pressure from the lower limit pressure P2 to the upper limit pressure P1 may not be executed for a while.
  • the control unit 40 temporarily increases the current taken out from the fuel cell stack 1 to The descending speed may be increased.
  • the time required to decrease from the upper limit pressure P1w to the lower limit pressure P2 is the time Tm2
  • the upper limit pressure P1w is changed to the lower limit pressure P2.
  • the power generation state may be unstable by temporarily increasing the current extracted from the fuel cell stack 1, or the extracted current is stored.
  • the pressure drop rate may be increased by a separate method instead of increasing the extraction current.
  • the pressure decreasing speed may be increased by increasing the volume of the fuel electrode 67.
  • the liquid water management level in the fuel electrode 67 is lowered and the liquid water in the fuel electrode 67 is discharged.
  • the liquid water generation amount is estimated by integrating the load current based on the characteristic that the liquid water generation amount is approximately proportional to the load current. Further, the liquid water retention amount may be estimated based on the elapsed time from the timing of the liquid water discharge performed previously. Further, the voltage of the fuel cell may be measured, and it may be estimated that the liquid water retention amount is large due to the abnormal drop in voltage. Further, when the liquid water retention amount is estimated, it may be corrected by the temperature of the cooling water that cools the fuel cell stack 1. This is because even if the load current is the same, the lower the cooling water temperature, the more liquid water stays. Similarly, the liquid water retention amount can be corrected by the number of pressure pulsations and the cathode air amount.
  • a fuel cell system 100 according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
  • the normal operation process for generating power corresponding to the load current in the fuel cell stack 1 has been described.
  • the process at the time of starting and stopping of the fuel cell system 100 is described. To do. Since the configuration of the fuel cell system 100 is the same as that of the first to fourth embodiments, the redundant description will be omitted, and the following description will focus on the differences.
  • the hydrogen pressure regulating valve 11 and the purge valve 14 are controlled to be closed, power is generated, and hydrogen is consumed, so that the hydrogen pressure at the fuel electrode 67 is reduced. Reduce pressure.
  • the hydrogen pressure is increased again to the predetermined starting upper limit pressure. Such pressure increase / decrease is repeated until the concentration of the fuel electrode 67 of the fuel cell stack 1 reaches a predetermined average hydrogen concentration.
  • the output from the mounted secondary battery may be used.
  • the upper limit pressure P1 is set to 200 kPa (absolute pressure) and the lower limit pressure P2 is set to 101.3 kPa, and values sufficient to discharge liquid water from the fuel electrode 67 are set.
  • the number of repetitions is based on the number of times that liquid water can be sufficiently discharged through experiments and simulations. This terminates power generation.
  • the drained water from the fuel cell stack 1 to the volume 12 is drained by controlling the drain valve 13 to be open. Then, a heating device such as a heater is operated after the drainage using the power generated until just before, the purge valve 14 and the drain valve 13 are heated, and the discharged liquid water is dried.
  • a heating device such as a heater is operated after the drainage using the power generated until just before, the purge valve 14 and the drain valve 13 are heated, and the discharged liquid water is dried.
  • the startability at the start-up is achieved by the stop process, and impurities can be preferentially discharged over hydrogen even at the start-up process.
  • the fuel electrode side gas can be agitated by periodically changing the pressure of the fuel gas in the fuel electrode based on the first pressure fluctuation pattern in which the pressure fluctuates in the first pressure range.
  • the fuel electrode side gas can be made uniform.

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Abstract

　本発明の燃料電池システム１００は、酸化剤極３４に供給される酸化剤ガスと、燃料極６７に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電する燃料電池１と、前記燃料極６７に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置ＨＳと、前記燃料ガス供給装置ＨＳを制御することにより前記燃料極６７へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極６７側の出口が閉じられたときに圧力変動を行う制御装置４０であって、第１圧力幅ΔＰ１で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極６７における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させる前記制御装置４０と、を有することを特徴とする。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　燃料電池システムおよびその制御方法
　本発明は、燃料電池システムに関する。
　従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。
　この類の燃料電池システムでは、空気中に含まれる窒素が燃料極側へと透過することにより、燃料極では、窒素濃度が濃い箇所、すなわち、水素濃度が低い箇所ができる。このガス不均一化は、燃料電池を構成する部材の劣化要因となる。そこで、特許文献１には、燃料極および酸化剤極のガス圧力を変動させることにより、燃料電池の水および蓄積した不反応ガスをパージする手法が開示されている。
特表２００７－５１７３６９号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、液水および不反応ガスをパージするために比較的大きな圧力幅の圧力変動が要求されるため、燃料電池を構成する電解質膜などに大きなストレスが作用し、燃料電池の耐久性を低下させるおそれがある。
　本発明はかかる事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、燃料電池の耐久性の低下を抑制しつつ、反応ガス不均一化を抑制することである。
　更に本発明の目的は、燃料電池や燃料ガス供給系部品に生じるストレスを抑制し、燃料電池システムの劣化を抑制することである。
　本発明の態様にかかる燃料電池システムは、酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電する燃料電池と、前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置を制御することにより前記燃料極へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極側の出口が閉じられたときに圧力変動を行う制御装置であって、第１圧力幅で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させる前記制御装置と、を有する。
　更に、本発明の態様にかかる燃料電池システムの制御方法は、酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電することと、前記燃料極に前記燃料ガスを供給することと、前記燃料ガスの前記供給を制御することにより前記燃料極へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極側の出口が閉じられたときに圧力変動を行い、第１圧力幅で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させることと、を有する。
　更に、本発明の態様にかかる燃料電池システムは、酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電する燃料電池と、前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段を制御することにより前記燃料極へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極側の出口が閉じられたときに圧力変動を行う制御手段であって、第１圧力幅で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させる前記制御手段と、を有する。
　本発明によれば、第１圧力幅で圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、燃料極における燃料ガスの圧力を周期的に変動させることにより、燃料極側ガスを撹拌できる。これにより、燃料極側ガスの均一化を図れる。
　更に本発明によれば、制御パターン一回の実行期間における燃料ガス供給量を増加させているので、単位時間あたりの圧力増減の実行回数増加を抑制できる。これにより、燃料電池・燃料ガス供給系部品にかかるストレスを緩和でき、燃料電池システムの劣化を抑制できる。
図１(ａ)は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。図１（ｂ）は第１実施形態にかかる燃料電池システムの別の構成を模式的に示すブロック図である。 図２（ａ）は、燃料電池セル内の燃料極側水素の状態を示す説明図であり、燃料極側ガス流路における水素流線を示している。図２（ｂ）は、燃料極側ガス流路における水素濃度分布を示している。図２（ｃ）は、燃料極側反応面における水素濃度分布を示している。 図３（ａ）は、燃料電池セルを模式的に示す説明図であり、８点の電流計測ポイントを仮定している。図３（ｂ）は、個々の計測ポイントにおける電流分布の時系列的推移を示している。 図４は、燃料電池セルの構造を模式的に示す断面図である。 図５は、酸化剤極と燃料極との窒素分圧差とリーク窒素量との関係を示す説明図である。 図６は、周囲湿度とリーク窒素量との関係を周囲温度に応じて示す説明図である。 図７（ａ）は、水素と不反応ガスとの攪拌状態を模式的に示す説明図である。図７（ｂ）は、水素供給を停止する（閉弁操作）タイミングを示す。 図８（ａ）は、液水排出状態を示す説明図である。図８（ｂ）は、水素供給を停止する（閉弁操作）タイミングを示す。図８（ｃ）は、水素供給を停止する（閉弁操作）タイミングの別の例を示す。図８（ｄ）は、水素供給を停止する（閉弁操作）タイミングの更に別の例を示す。 図９は、発電面内の電流分布を示す説明図である。 図１０は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の処理手順を示すフローチャートである。 図１１は、第１制御手法による制御パターンを示す説明図である。 図１２は、第２制御手法による制御パターンを示す説明図である。 図１３は、第３制御手法による制御パターンを示す説明図である。 図１４は、燃料極における圧力増減の推移を示す説明図である。 図１５は、第１保持時間Ｔｐ１の説明図である。 図１６は、第２保持時間Ｔｐ２の説明図である。 図１７は、第１保持時間Ｔｐ１・第２保持時間Ｔｐ２と負荷との説明図である。 図１８は、第１保持時間Ｔｐ１・第２保持時間Ｔｐ２と負荷との説明図である。 図１９は、負荷電流と上限圧力Ｐ１・下限圧力Ｐ２との説明図である。 図２０（ａ）は、燃料電池スタックにおける燃料極側容積Ｒｓと容積部の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図である。図２０（ｂ）は、燃料系の容積のうち１／４程度新たな水素が流入したことを示す。 図２１は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２の説明図である。 図２２は、圧力下降速度の説明図である。
（第１実施形態）
　図１（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システム１００の構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池システム１００は、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システム１００から供給される電力によって駆動する。
　燃料電池システム１００は、燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタック１を主体に備えている。燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極６７（後述の図４参照）と酸化剤極３４（後述の図４参照）とを対設した燃料電池構造体を一対のセパレータで挟持して構成される。
　燃料電池スタック１には、燃料電池セルの積層方向に延在する一対の内部流路が、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれに対応して構成されている。燃料ガスに対応する一対の内部流路（マニホールド）のうち、第１内部流路である供給用内部流路には、個々の燃料電池セルの燃料極６７側ガス流路（セル流路）を介して燃料極６７側反応面に燃料ガスをそれぞれ供給し、第２内部流路である排出用内部流路には、個々の燃料電池セルの燃料極６７側ガス流路からそれぞれ排出されるガス（以下「燃料極オフガス」という）が流入する。同様に、酸化剤ガスに対応する一対の内部流路のうち、第１内部流路である供給用内部流路には、個々の燃料電池セルの酸化剤極３４側ガス流路（セル流路）を介して酸化剤極３４側反応面に酸化剤ガスをそれぞれ供給し、第２内部流路である排出用内部流路には、個々の燃料電池セルの酸化剤極３４側ガス流路からそれぞれ排出されるガス（以下「酸化剤極オフガス」という）が流入する。本第１実施形態の燃料電池スタック１は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが互いに対向する方向に流れる、いわゆる、カウンターフロー方式を採用している。
　燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル毎に、燃料極６７および酸化剤極３４にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。
　本第１実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。なお、本明細書では、「燃料電池セル」、「燃料極」または「酸化剤極」という用語を、単一の燃料電池セル、またはその燃料極または酸化剤極を指す場合にのみ用いるのではなく、燃料電池スタック１の各燃料電池セル、または、それらの燃料極または酸化剤極を総称する場合にも用いる。
　燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とを、更に有している。
　水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路（燃料極入口流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素供給流路Ｌ１は、第１端部が燃料タンク１０に接続されるとともに、第２端部が燃料電池スタック１の燃料ガス供給用内部流路の入口側に接続されている。この水素供給流路Ｌ１において、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図１で図示せず）が設けられており、このタンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、燃料タンク１０の下流に設けられた減圧バルブ（図１で図示せず）によって機械的に所定圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力、即ち、燃料極６７における水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整できる。本第１実施形態では、燃料タンク１０、水素供給流路Ｌ１およびこの水素供給流路Ｌ１に設けられた水素調圧バルブ１１によって、燃料電池スタック１の燃料極６７へ水素を供給する水素供給装置ＨＳ（燃料ガス供給装置ＨＳ）が構成される。
　本第１実施形態において、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１における燃料ガス排出用内部流路の出口側が基本的に閉塞されており、燃料電池スタック１から燃料極オフガスの排出が制限されている、いわゆる、閉じ系を採用する燃料電池システム１００を構成する。ただし、これは厳密な意味での閉塞を指すのではなく、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物を燃料極６７から排出するために、例外的に、燃料ガス排出用内部流路の出口側を開放できる排出システムが設けられている。具体的には、燃料ガス排出用内部流路の出口側には、燃料極オフガス流路（排出流路）Ｌ２が接続されている。燃料極オフガス流路Ｌ２は、第２端部が、後述の酸化剤極オフガス流路Ｌ６に接続されている。
　燃料極オフガス流路Ｌ２には、所定容積Ｒｓ（後述の図２０）、例えば、燃料電池スタック１を構成する全燃料電池セルに関する燃料極６７側容積と同程度もしくは８割程度の容積Ｒｓを空間として備える容積部（容積装置）１２が設けられている。この容積部１２は、燃料極７側から流入する燃料極オフガスに含まれる不純物を一次的に蓄えるバッファとして機能する。図１で容積部１２の鉛直方向の下部には、第１端部が開放された排水流路Ｌ３が接続されており、この排水流路Ｌ３には、排水バルブ１３が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガスに含まれる不純物（主に液水）は容積部１２の下部に溜まる。溜まった不純物は、排水バルブ１３の開閉状態を制御することにより、排出できる。また、燃料極オフガス流路Ｌ２には、容積部１２よりも下流側にパージバルブ（遮断装置）１４が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガス、具体的には、不純物（主に窒素などの不活性ガス）および未反応水素を含むガスは、パージバルブ１４の開閉状態を制御することにより、排出できる。
　燃料極オフガス流路（排出流路）Ｌ２と容積部（容積装置）１２、パージバルブ（遮断装置）１４が、制限装置７０を形成する。
　一方、空気系の酸化剤ガスである空気に関して述べる。例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれると大気が加圧され、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に空気が供給される。空気供給流路Ｌ５は、第１端部がコンプレッサ２０に接続されるとともに、第２端部が燃料電池スタック１における酸化剤ガス供給用内部流路の入口側に接続されている。また、燃料電池スタック１へ供給される空気を加湿するための加湿装置２１が空気供給流路Ｌ５に設けられている。
　燃料電池スタック１における酸化剤ガス排出用内部流路の出口側には、酸化剤極オフガス流路Ｌ６が接続されている。これにより、燃料電池スタック１における酸化剤極３４からの酸化剤極オフガスは、酸化剤極オフガス流路Ｌ６を介して外部に排出される。この酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、上記の加湿装置２１が設けられており、発電により生成された水分の除湿が行われる（この除湿水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、酸化剤極オフガス流路Ｌ６では、加湿装置２１よりも下流側に、空気調圧バルブ２２が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力、すなわち、酸化剤極３４における空気圧力は、空気調圧バルブ２２の開度を制御することによって調整できる。本第１実施形態では、コンプレッサ２０、空気供給流路Ｌ５および酸化剤極オフガス流路Ｌ６に設けられた空気調圧バルブ２２によって、燃料電池スタック１の酸化剤極３４へ空気を供給する酸化剤ガス供給装置ＯＳが構成される。
　また、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置３０が燃料電池スタック１に接続されている。燃料電池スタック１で発電された電力は、出力取出装置３０を介して、例えば、車両駆動用の電動モータ（図１で図示せず）や二次電池、燃料電池スタック１の発電動作に必要な種々の補機に供給される。また、出力取出装置３０において発電された電力は、二次電池（図１で図示せず）にも供給されている。この二次電池は、燃料電池システム１００の起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１から供給される電力の不足を補うために備えられている。
　制御部（制御装置）４０は、燃料電池システム１００全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池システム１００の運転状態を制御する。制御部４０として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを使用できる。この制御部４０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図１で図示せず）に出力する。これにより、制御部４０は、水素調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、出力取出装置３０といった種々の要素を制御し、燃料電池スタック１の発電動作を行う。
　燃料電池システム１００の状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が制御部４０に入力される。本第１実施形態では、水素圧力センサ４１と、空気圧力センサ４２と、スタック温度センサ４３とが上記各種センサとして挙げられる。水素圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素圧力を検出する。空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する。スタック温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度を検出する。
　本第１実施形態において、制御部４０は、以下の形態で燃料電池システム１００を制御する。まず、制御部４０は、燃料電池スタック１に空気と水素を供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。燃料電池スタック１に供給する空気と水素の各々の圧力（運転圧力）は、運転負荷に拘わらず一定基準値、あるいは、運転負荷に応じた可変値として予め設定されている。そこで、制御部４０は、空気と水素を所定運転圧力で供給することにより燃料電池スタック１の発電を行う。ここで、本第１実施形態の特徴の一つとして、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極６７へ水素を供給する際、第１圧力幅（差圧）で圧力変動を行う第１圧力変動パターンと、第１圧力幅よりも大きな第２圧力幅（差圧）で圧力変動を行う第２圧力変動パターンとに基づいて、燃料電池スタック１の燃料極６７における水素圧力を周期的に変動させる。具体的には、制御部４０は、第１圧力変動パターンを複数回実行した後に、第２圧力変動パターンを実行する基本制御パターンを繰り返し行う。圧力変動を行う場合、制御部４０は、燃料電池スタック１への水素供給を停止させるとともに、燃料電池スタック１の燃料極６７における水素圧力が所定圧力幅（第１圧力幅または第２圧力幅）低下したことを条件に、燃料電池スタック１への水素供給を再開させ、燃料電池スタック１の燃料極６７における水素圧力を運転圧力まで復帰させる。燃料電池スタック１への水素供給の停止と再開は、水素調圧バルブ１１の開閉操作により可能である。圧力幅に相当する水素圧力低下は、水素圧力センサ４１の検出値を参照することにより、モニタリング可能である。
　また図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システム１００の別の構成を模式的に示すブロック図である。ここで排水バルブ１３を廃止してパージバルブ１４のみとする構成としている。このような構成にすることで燃料極オフガスに含まれる不純物（主に窒素などの不活性ガスと液水）および未反応水素を含むガスをパージバルブ１４の開閉状態を制御することにより排出できる。
　以下、このような構成および制御方法を採用する燃料電池システム１００について、その概念について説明する。
　燃費向上や、燃料電池スタックを動作させる種々の補機類の動力の低減などの観点から、低ストイキ（または「低反応ガス供給過剰率」）、低流量で燃料電池システム１００の運転を行う場合、燃料電池スタック１の各燃料電池セル内のガス流路（セル流路）を流れる反応ガス（水素または空気）の流速が低くなる。そのため、発電反応に不要な不純物、例えば、液水や不反応ガス（主に窒素）がガス流路に蓄積されやすくなり、これが、発電に必要な反応ガスの流通を妨げる可能性がある。この場合、燃料電池スタック１の出力が低下し、ひいては、発電不能となるばかりか、反応に必要な触媒の劣化を引き起こすおそれがある。
　例えば、燃料電池スタック１の酸化剤極３４に空気を供給するとともに、燃料電池スタック１から燃料極オフガスの排出を制限して、燃料極６７において消費された分の水素を定常的に供給することにより、燃料電池スタック１が発電を行う状態を考える。個々の燃料電池セルでは、燃料電池セルを構成する固体高分子電解質膜を介して、酸化剤極３４側ガス流路から燃料極６７側ガス流路に、空気中の窒素がクロスリークする。一方で、燃料極６７側ガス流路には、発電反応による水素の消費量と同等量の水素が対流により流入してくる。しかしながら、燃料ガス排出用内部流路の出口側が閉塞されているため、クロスリークしてきた窒素は、水素の対流によってガス流路の下流側（出口側）に押し込まれる。燃料極６７の窒素は、発電反応により消費されないばかりか、酸化剤極３４側分圧と燃料極６７側分圧とが同等になるまで酸化剤極３４側からのリークにより増加し続ける。
　図２（ａ）～図２（ｃ）は、燃料電池セル内の燃料極６７側水素の状態を示す説明図である。図２（ａ）は、燃料極６７側ガス流路における水素流線を示している。ここで、横軸は、ガス流路の距離（ガス流路方向）を示しており、横軸の左側がガス流路の入口側に対応し、横軸の右側がガス流路の出口側に対応している。一方、縦軸は、ガス流路の高さを示しており、縦軸の下側が反応面に対応する。また、図２（ｂ）は、燃料極６７側ガス流路における水素濃度分布を示している。図２（ａ）と同様、横軸は、ガス流路の距離（ガス流路方向）を示し、縦軸は、ガス流路の高さを示す。図２（ｂ）において、領域ａ１は、水素濃度が９３％～１００％の範囲を示し、領域ａ２は、水素濃度が８３％～９３％の範囲を示し、領域ａ３は、水素濃度が７３％～８３％の範囲を示す。また、領域ａ４は、水素濃度が６３％～７３％の範囲を示し、領域ａ５は、水素濃度が５３％～６３％の範囲を示し、領域ａ６は、水素濃度が４３％～５３％の範囲を示し、領域ａ７は、水素濃度が３３％～４３％の範囲を示す。更に、図２（ｃ）は、燃料極６７側反応面における水素濃度分布を示している。ここで、横軸は、ガス流路の距離を示しており、横軸の左側がガス流路の入口側に対応し、横軸の右側がガス流路の出口側に対応している。一方、縦軸は、水素濃度を示している。
　上記のように、クロスリークした窒素の流入、および、流入した水素により、燃料極６７では、窒素濃度が濃い箇所、すなわち、水素濃度が低い箇所ができる。具体的には、燃料電池セルにおいて、ガス流路の下流（出口側）ほど、水素濃度が低くなる傾向を有する。また、この状態から発電を継続すると、水素濃度の低い箇所は更に濃度が低くなる。
　図３は、燃料電池セルを模式的に示す説明図である。図３（ａ）に示すように、反応ガスの流れに沿って、燃料電池セルの発電面内に＃１～＃８の８点の電流計測ポイントをそれぞれ仮定する。図３（ｂ）は、個々の計測ポイント＃１～＃８における電流分布の時系列的推移を示す。具体的には、破線矢印で示すように、各計測ポイント＃１～＃８における電流分布の推移は、一点鎖線から、破線、そして実線へと推移する。すなわち、発電初期段階では、ガス流路における水素濃度は概ね均一であるため、一点鎖線で示すように、各計測ポイント＃１～＃８における電流値は概ね対応している。しかしながら、発電を継続的に行うことにより、ガス流路の出口側における水素濃度が低下するため、破線または実線で示すように、ガス流路の出口側における電流値が低下するとともに、ガス流路の入口側において電流集中が起こる。このような状態では、安定的発電を継続することが困難となり、最終的には、発電が不能となる状態に陥るおそれがある。また、このような局部的電流低下は検知が難しく、電流が低下していることに気づかず、燃料電池スタックから出力を取り続けてしまうことも起こり得る。
　図４は、燃料電池セルの構造を模式的に示す断面図である。燃料電池セルを構成する燃料電池構造体１５０は、固体高分子電解質膜２を、一対の電極（反応極）である燃料極６７と酸化剤極３４とで挟持することにより構成される。固体高分子電解質膜２は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。酸化剤極３４は、プラチナ等の触媒を担持した白金系の触媒層３と、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層４とで構成されている。燃料極６７は、プラチナ等の触媒を担持した白金系の触媒層６と、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層７とで構成されている。また、燃料電池構造体１５０を両側より挟持するセパレータ（図４で図示せず）には、個々の反応極に反応ガス（水素または空気）を供給するためのガス流路５，８がそれぞれ形成されている。
　発電を継続した場合、窒素と同時に酸素も酸化剤極３４側から燃料極６７側へリークしているため、燃料極６７側へ酸素が移動する。また、酸化剤極３４側には、発電反応によって生成された水が存在している。更に、ガス拡散層４やセパレータ（図示せず）など、燃料電池セル内のガス流路を構成する部材や触媒を支持する部材は主にカーボンにより構成されている。そのため、水素が欠乏している領域（図４中、領域Ｂ）では、以下の反応が促進される。
　　［式１］
　　　　燃料極６７側：　 Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－→２Ｈ２Ｏ
　　　　酸化剤極３４側： Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ－
　式１を参照すると、燃料電池セルの構造物中のカーボンと、酸化剤極３４側で生成した水とが反応し、酸化剤極３４側で二酸化炭素が生成される。これは、燃料電池セル内部の構造物が侵食されることを意味する。ガス流路を形成する要素、反応を起こす触媒を担持する構造体、ガス拡散層４を構成する構造体、および、セパレータを構成する構造体に含まれるカーボンが二酸化炭素に変化し、燃料電池セルの劣化へと繋がる。
　また、燃料極６７側にも、酸化剤極３４側から固体高分子電解質膜２に発電反応生成水が逆拡散現象により移動し、あるいは、加湿されて供給される水素中の凝縮水が、ガス流路内に留まることがある。液水がガス流路中に水滴状に存在する場合は、特に大きな問題を引き起こすことはない。しかしながら、液水が膜状に広がって存在し、ガス拡散層７のガス流路面を覆ってしまう場合には、反応面への水素供給が液水によって阻害され、水素濃度が低い箇所が発生する。これにより、上記の酸化剤極３４側のケースと同様に、燃料電池の劣化へと繋がるおそれがある。
　ガス流路中の液水による不都合は一般的に認識され、この液水を排出するための手法は実施されている。しかしながら、液水がなくても燃料電池セルの劣化が生じる。すなわち、燃料電池セル（触媒）の劣化現象は、燃料極６７の水素が欠乏することに起因しており、この欠乏箇所（例えば、体積濃度にして概ね５％以下となる箇所）の発生を抑えることが重要である。ここで、燃料極６７側でガス中の水素濃度が低くなる原因は、酸化剤極３４側ガス中に含まれる窒素が、燃料極６７側に透過するためである。そのため、窒素透過量を適切に把握しておく必要がある。このため、まず、各物理量（窒素分圧、温度、湿度）に対する単位時間当り窒素透過量（固体高分子膜を透過するリーク窒素量）を、実験やシミュレーションを通じて調べたところ、その結果は、図５および図６に示すようになる。
　図５は、酸化剤極３４と燃料極６７との窒素分圧差とリーク窒素量との関係を示す説明図である。図６は、周囲湿度とリーク窒素量との関係を周囲温度に応じて示す説明図であり、破線矢印で示すように、周囲温度Ｔｅｍｐ１、Ｔｅｍｐ２、Ｔｅｍｐ３、Ｔｅｍｐ４の増加に応じて、周囲湿度とリーク流量との関係は相対的に値が大きくなる。図５に示すように、酸化剤極３４側から燃料極６７側へ透過する窒素量（リーク窒素量）は、窒素分圧差が大きい程大きく、また図６に示すように燃料極６７における湿度が高い程、また、温度が高い程大きくなる。
　上記のように、燃料電池セルにおいて、燃料極６７に透過してきた窒素は、供給される水素の流れに乗り、下流側（出口側）に押し込められるようにして留まる。そこで、本第１実施形態では、このような水素濃度が局所的に低くなる欠乏箇所の発生を、強制対流を起こして水素と窒素とを攪拌することで抑制する。
　図７は、水素と不反応ガス（主に窒素）との攪拌状態を模式的に示す説明図である。強制対流による攪拌を行う手法としては、例えば、燃料電池スタック１の燃料極６７側水素圧力を水素供給圧力よりも低下させて、所定差圧を燃料電池スタック１の内外で作っておく。そして、この一定差圧を瞬間的に解放することで、燃料電池スタック１内へ流入する水素の大きな供給量（流速）が瞬間的に確保される。これにより、図７（ａ）に示すように、水素と窒素との攪拌が可能となる。燃料電池セル内のガス流路のサイズに依存するが、乱流が得られる場合には、この撹拌効果が大きくなる。また、層流であっても、水素系において燃料電池スタック１の下流に設けられた容積部１２へ窒素が押しやられるため、燃料電池セル内は水素に置換される。また、ガス流路全域で圧力が下げられていることから、燃料極６７の圧力が供給圧と同等になるまでは、水素がガス流路の全域に行き渡れる。
　一定差圧を得るには、発電中の燃料電池スタック１に、大圧力を瞬間的に発生させながら水素を供給することも可能である。しかしながら、差圧をより簡単に得るためには、図７（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の発電を継続させたままで、タイミングＴ１において、水素調圧バルブ１１で水素供給を停止する（閉弁操作）。そして、所定差圧（圧力幅）ΔＰ１になるまで保持時間を設け、差圧を確保する。所定差圧ΔＰ１が得られたら（タイミングＴ２）、水素調圧バルブ１１で水素を供給する（開弁操作）。これにより、大きな供給量（流速）が瞬間的に発生し、攪拌を行える。また、このような圧力変動パターン（第１圧力変動パターン）を周期Ｃで繰り返すと、タイミングＴ３において閉弁操作およびタイミングＴ４において開弁操作が行われる。これにより、水素が脈動的に供給されることになる。この差圧ΔＰ１は、例えば、５～８ｋＰａ程度である。燃料電池スタック１の特性およびガスの撹拌特性等を考慮した上で、実験やシミュレーションを通じて差圧ΔＰ１の最適値を設定できる。ガス攪拌に必要な差圧ΔＰ１は、後述の液水排出に必要な差圧と比較して、小さな値に設定されている。
　上記のガス撹拌により水素の欠乏箇所の発生を抑制できるものの、発電を長時間継続した場合には、生成水や凝縮水が蓄積され、燃料電池セル内の燃料極６７側ガス流路を塞いでしまうことがある。そこで、本第１実施形態では、水素を燃料極６７へ流入させることで、ガス流路を閉塞する液水を燃料電池セル外へ排出する。
　図８は、液水排出状態を示す説明図である。水素供給による液水排出を行う手法としては、例えば、燃料電池スタック１の燃料極６７側水素圧力を水素供給圧力よりも低下させて、所定差圧を燃料電池スタック１の内外で作っておく。そして、この一定差圧を瞬間的に解放することで、燃料電池スタック１内へ流入する燃料ガスの大きな供給量（流速）が瞬間的に確保される。これにより、図８（ａ）に示すように、ガス流路から液水を排出できる。
　液水排出に必要な差圧は、上記のガス攪拌のために必要な差圧よりも大きいことが要求される。一方、液水排出が要求される頻度は、ガス攪拌が要求される頻度に比べて低くなる。そこで、図８（ｂ）に示すように、ガス攪拌に要求される圧力変動パターンを複数回実行した後、タイミングＴｍにおいて、水素調圧バルブ１１で水素供給を停止する（閉弁操作）。そして、所定差圧（圧力幅）ΔＰ２になるまで保持時間を設け、差圧を確保する。差圧ΔＰ２が得られたら（タイミングＴｎ）、水素調圧バルブ１１で水素を供給する（開弁操作）。これにより、大きな流速が瞬間的に発生し、液水排出を行える。もっとも、このような圧力変動パターン（第２圧力変動パターン）は、ガス攪拌に要求される第１圧力変動パターンと同様、周期的に繰り返される。しかしながら、ガス攪拌に要求される第１圧力変動パターンと比較して、液水排出に要求される第２圧力変動パターンの実行頻度は低くなる。この差圧ΔＰ２は、例えば、２０～３０ｋＰａ程度である。燃料電池スタック１の特性および液水排出特性等を考慮した上で、実験やシミュレーションを通じて差圧ΔＰ２の最適値を設定できる。液水排出に必要な差圧ΔＰ２は、上記のガス攪拌に必要な差圧ΔＰ１と比較して、大きな値に設定されている。
　また図８（ｃ）に示すように、ガス攪拌に要求される圧力変動パターンを複数回実行した後、タイミングＴｍにおいて、水素調圧バルブ１１で水素の供給を停止する操作（閉弁操作）を行う。そして、所定の差圧（圧力幅）ΔＰ１になるまで保持時間を設け、差圧を確保する。差圧ΔＰ１が得られたら（タイミングＴｎ）、水素調圧バルブ１１をタイミングＴｍ時よりも開度を大きくして水素を供給する操作（開弁操作）を行う。これによりＴｍ時の圧力よりも高い圧力でガスが供給されて所定の差圧（圧力幅）ΔＰ２に達する（タイミングＴｏ）。次いでタイミングＴｐで水素調圧バルブ１１で水素の供給を停止する操作（閉弁操作）を行う。そして、所定の差圧（圧力幅）ΔＰ２になるまで保持時間を設け、差圧を確保する。差圧ΔＰ２が得られたら（タイミングＴｑ）、水素調圧バルブ１１で水素を供給する操作（開弁操作）を行う。その際、タイミングＴｍと同じ開度にして水素を供給するのが好ましい。するとタイミングＴｒにはタイミングＴｍと同じ圧力に戻り、タイミングＴｒ以降はタイミングＴｍ以前と同じ圧力変動パターンが実施されることになる。このような操作を行なった場合でも大きな流速を瞬間的に発生させて、液水排出を行なえる。
　さらにまた図８（ｄ）に示すように、ガス攪拌に要求される圧力変動パターンを複数回実行した後、タイミングＴｍにおいて、水素調圧バルブ１１で水素の供給を停止する操作（閉弁操作）を行う。そして、所定の差圧（圧力幅）ΔＰ１よりも大きな差圧になるまで保持時間を設ける。差圧ΔＰ１よりも大きな差圧が得られたら（タイミングＴｎ）、水素調圧バルブ１１をタイミングＴｍ時よりも開度を大きくして水素を供給する操作（開弁操作）を行う。これによりＴｍ時の圧力よりも高い圧力でガスが供給されて所定の差圧（圧力幅）ΔＰ２に達する（タイミングＴｏ）。次いでタイミングＴｐで水素調圧バルブ１１で水素の供給を停止する操作（閉弁操作）を行う。そして、所定の差圧（圧力幅）ΔＰ３になるまで保持時間を設け、差圧を確保する。なおこの差圧ΔＰ３を確保したときの圧力下限値は差圧ΔＰ１を確保していたときの圧力下限値にすることが好ましい。次いで差圧ΔＰ３が得られたら（タイミングＴｑ）、水素調圧バルブ１１で水素を供給する操作（開弁操作）を行う。その際、タイミングＴｍと同じ開度にして水素を供給するのが好ましい。するとタイミングＴｒにはタイミングＴｍと同じ圧力に戻り、タイミングＴｒ以降はタイミングＴｍ以前と同じ圧力変動パターンが実施されることになる。このような操作を行なった場合でも大きな流速を瞬間的に発生させて、液水排出を行なえる。
　このように本第１実施形態において、制御部４０は、燃料ガス供給装置ＨＳ（１０、１１、Ｌ１）を制御することにより燃料電池スタック１の燃料極６７へ水素を供給するとともに、第１圧力幅ΔＰ１で圧力変動を行う第１圧力変動パターンと、第２圧力幅ΔＰ２で圧力変動を行う第２圧力変動パターンとに基づいて、燃料電池スタック１の燃料極６７における水素圧力を周期的に変動させる。
　かかる構成によれば、圧力幅の小さな第１圧力変動パターンを、第２圧力変動パターンに加えて有することにより、燃料電池スタック１の個々の燃料電池セルに大きなストレスをかけることなく、燃料極６７側ガスを撹拌できる。これにより、燃料極６７側ガスの均一化を図れる。そのため、水素濃度が部分的に低下することに起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制できる。また、第２圧力変動パターンも備えることで、第１圧力変動パターンで排出できないような液水等の排出を行える。これにより、液水に起因する燃料電池スタック１の劣化を抑制できる。
　また、本第１実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の燃料極６７側から排出される燃料極オフガスが制限された閉じ系のシステムを採用している。かかる構成によれば、不純物によって燃料極６７側ガス流路に水素濃度の低下が生じ易いが、上記の制御を実施することにより、燃料極６７側ガスの均一化を図れる。
　また、本第１実施形態において、制御部４０は、第１圧力変動パターンを複数回実行した後に、第２圧力変動パターンを実行する。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の個々の燃料電池セルに大きなストレスをかける頻度を少なくしつつ、燃料極６７側でガス攪拌と液水排出との両立を行える。また、ガス撹拌を行う第１圧力変動パターンの実行頻度が高いため、発電を継続的に行った場合でもガス攪拌を有効に行える。これにより、図９に示すように、発電を継続的に行った場合でも、発電面内の電流値が概ね対応し、ガス流路の出口側における電流値の低下およびガス流路の入口側における電流集中を抑制できる。
　また、本第１実施形態において、制御部４０は、水素を所定運転圧力で供給することにより燃料電池スタック１の発電を行った状態において、燃料電池スタック１への水素供給を停止させるとともに、燃料極６７の水素圧力が所定圧力幅（ΔＰ１，ΔＰ２）低下したことを条件に、水素供給を再開させることにより、燃料極６７における水素圧力を変動させる。かかる構成によれば、水素調圧バルブ１１によって簡単に圧力変動を行えるので、簡素な制御システムを実現できる。
　また、本第１実施形態の燃料電池システム１００は、燃料極オフガス流路Ｌ２と、容積部１２と、パージバルブ１４とを備えている。この場合、容積部１２は、燃料極６７側からの燃料極オフガス、すなわち、窒素や液水を蓄える空間（容積Ｒｓ：後述の図２０）として機能する。これにより、実質的には閉じ系のシステムを構築するものの、必要に応じてパージバルブ１４を開放することにより、相対的に上昇した窒素などの不純物を外部に排出することも可能となる。すなわち、窒素リークは窒素分圧差がなくなるまで発生するが、燃料極６７側で水素濃度を所定以上保ちたい場合は、リーク量に相当した流量を外部へ排出できる。なお、このときの流量は十分小さいため、燃料極６７内のガス攪拌に必要な圧力変動に影響を与えることが少なく、また、酸化剤極３４オフによる希釈も簡単に行える。もっとも、窒素分圧が平衡状態になっても発電ができるように燃料極６７側全圧を高めておいてもよく、この場合は、単純な閉じ系システムを採用できる。
　なお、水素供給を停止させた際に、燃料極６７における水素圧力が低下する速度は、燃料電池スタック１内の流路容積によって決まる。燃料電池システム１００制御上の要請などで急激な圧力低下を望まない場合には、燃料電池スタック１に水素供給流路Ｌ１、あるいは、燃料極オフガス流路Ｌ２の容積部１２の容量を変えることで、圧力変化時間を制御できる。
（第２実施形態）
　以下、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システム１００について説明する。第２実施形態にかかる燃料電池システム１００が、第１実施形態の燃料電池システム１００と相違する点は、圧力変動パターンによる圧力変動に起因して燃料電池スタック１の燃料極６７に供給される水素量を、燃料電池システム１００の運転状態に応じて可変に設定することにある。なお、燃料電池システム１００の構成については、第１実施形態と同様であるため、重複する説明を省略することとし、相違点を中心に以下説明する。
　図１０は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システム１００の制御方法、具体的には、燃料極６７へ水素を供給する方法の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御部４０が実行する。
　まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御部４０は、燃料電池スタック１の運転状態を検出する。このステップ１において検出される運転状態としては、燃料電池スタック１の運転負荷、燃料電池スタック１の運転温度、燃料電池スタック１の運転圧力（酸化剤極３４の運転圧力）である。燃料電池スタック１の運転負荷は、車両車速やアクセル開度から特定される車両側要求電力、補機類の要求電力等を考慮することにより、演算できる。また、燃料電池スタック１の運転温度は、スタック温度センサ４３より検出できる。燃料電池スタック１の運転圧力に関しては、上記の運転負荷に拘わらず一定基準値、あるいは、運転負荷に応じた可変値が予め設定されている。従ってこれを参照することにより、燃料電池スタック１の運転圧力を検出できる。
　ステップ２（Ｓ２）において、制御部４０は、今回検出された運転状態が、予め検出された運転状態と比較して変更したか否かを判断する。この判断において肯定判定された場合、すなわち、運転状態が変更した場合には、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、運転状態が変更していない場合には、ステップ３の処理をスキップして、ステップ４（Ｓ４）の処理に進む。
　ステップ３において、制御部４０は、運転状態に基づいて、圧力変動パターンを設定する。第１実施形態で示すように、制御部４０は、ガス攪拌に必要な第１圧力変動パターンを複数回実行した後に、液水排出に必要な第２圧力変動パターンを実行し、これを１セットとして繰り返し行うことで水素供給を行う。ところで、圧力変動を伴う供給形態では、圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量が脈動的に変化するため、固体高分子電解質膜２へ繰り返し荷重がかかり、これがストレスとして作用する。そこで、酸化剤極３４からのクロスリークが少ないシーンでは、このような圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を小さくして、固体高分子電解質膜２への加重を低減させることが好ましい。一方で、クロスリークが多いシーンでは、積極的に圧力変動を行い、圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を脈動的に変化させ、ガス撹拌および液水排出を行うことが好ましい。
　一般に、燃料電池スタック１の運転負荷が小さい程、燃料電池スタック１の運転温度が低い程、あるいは、燃料電池スタック１の運転圧力（具体的には、酸化剤極３４の運転圧力）が低い程、クロスリークする窒素量が少ない。そこで、上記のいずれかに該当して運転状態が変更した場合には、圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を小さくする。反対に、燃料電池スタック１の運転負荷が大きい程、燃料電池スタック１の運転温度が高い程、あるいは、燃料電池スタック１の運転圧力（具体的には、酸化剤極３４の運転圧力）が高い程、クロスリークする窒素量が多い。そこで、上記のいずれかに該当して運転状態が変更した場合には、圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を大きくする。
　圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を小さく設定する場合には、以下のように、基本制御パターンを修正する。
　第１制御手法としては、図１１に示すように、水素調圧バルブ１１の閉弁時間Ｔを、基本制御パターンの閉弁時間よりも長く設定する。換言すれば、圧力変動の実行周期を大きく設定するように、基本制御パターンが修正されることとなる。
　第２制御手法としては、図１２に示すように、圧力制御パターンの差圧（圧力幅）ΔＰ１１，ΔＰ２１を、基本制御パターンにおける圧力制御パターンの差圧（圧力幅）ΔＰ１，ΔＰ２よりも小さく設定する。
　第３制御手法としては、図１３に示すように、ガス攪拌に必要な第１圧力変動パターンに対する液水排出に必要な第２圧力変動パターンの実行頻度を、基本制御パターンの実行頻度よりも少なく設定する。
　これに対して、圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を大きく設定する場合には、第１～第３制御手法をそれぞれ逆方向に制御すればよい。
　制御部４０は、変更した運転状態に応じて、第１～第３制御手法のいずれか一つ、あるいは、これらの組み合わせに基づいて、基本制御パターンを修正する。そして、制御部４０は、この修正された制御パターンを現在の制御パターンとして設定する。
　ステップ４において、制御部４０は、現在設定されている制御パターンに基づいて、水素供給を行う。
　ステップ５（Ｓ５）において、制御部４０は、燃料電池システム１００の運転を終了するか否かを判断する。具体的には、制御部４０は、イグニッションスイッチからオフ信号が入力されるか否かを判断する。このステップ５において肯定判定された場合、すなわち、燃料電池システム１００の運転を終了する場合には、本制御を終了する。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、燃料電池システム１００の運転を終了しない場合には、ステップ１の処理に戻る。
　このように本第２実施形態において、燃料電池システム１００では、圧力変動に起因して燃料極６７に供給される水素量を燃料電池システム１００の運転状態に基づいて小さく設定している。かかる構成によれば、燃料極６７のガス攪拌および液水排出を行いつつも、燃料電池スタック１の個々の燃料電池セルへの繰り返し荷重を低減できる。
（第３実施形態）
　以下、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システム１００について説明する。なお、燃料電池システム１００の構成については、第１～２実施形態と同様であるため、重複する説明を省略することとし、相違点を中心に以下説明する。
　制御部４０は、以下の形態で燃料電池システム１００を制御する。制御部４０は、燃料電池スタック１に空気および水素を供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。この場合、制御部４０は、燃料電池スタック１へと供給される空気・水素のそれぞれの圧力が、所定運転圧力となるように空気および水素を供給する。この運転圧力は、例えば、燃料電池スタック１による発電電力に拘わらず一定基準値、あるいは、燃料電池スタック１による発電電力に応じた可変値として設定される。
　本第３実施形態において、制御部４０は、酸化剤極３４への空気供給については、所定運転圧力に従って圧力制御を行う。これに対して、制御部４０は、燃料極６７の水素供給については、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との範囲内において圧力の増加・減少を行う制御パターンに従って水素の供給・停止を制御する。そして、制御部４０は、制御パターンに従った動作を繰り返すことにより、図１４に示すように、燃料電池スタック１の燃料極６７における水素圧力を周期的に変動させながら、燃料極６７へ水素を供給する。
　具体的には、制御部４０は、燃料極６７の水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達しており、燃料極６７内に発電を行うための十分な水素濃度が確保されていることを前提に、水素調圧バルブ１１を最小開度に制御し、燃料電池スタック１への水素供給を停止させる。燃料電池システム１００に要求される要求負荷に対応した負荷電流の取り出しを出力取出装置３０を介して燃料電池スタック１から制御部４０が継続すると、発電反応により水素が消費されるので、燃料極６７の水素圧力が低下する。
　次に、制御部４０は、燃料極６７の水素圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、水素調圧バルブ１１を最大開度に制御し、燃料電池スタック１への水素供給を再開させる。これにより、燃料極６７における水素圧力が増加する。そして、水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達（復帰）したことを条件に、水素調圧バルブ１１を最小開度に制御することにより、制御部４０は水素供給を再度停止させる。このような一連処理を１サイクル制御パターンとして繰り返すことで、制御部４０は、水素圧力を周期的に変動させながら、燃料電池スタック１の燃料極６７へ水素を供給する。
　ここで、例えば、規定運転圧力をベースに、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２とがそれぞれ設定されている。水素圧力センサ４１の検出値を参照することにより、燃料電池スタック１の燃料極６７の水素圧力をモニタリング可能である。また、圧力増加を行う場合には、水素調圧バルブ１１よりも上流側の水素圧力を十分に高くしておき、圧力増加速度を極力速めることが望ましい。例えば、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１までの圧力増加期間を０．１～０．５秒程度に設定するといった如くである。一方、上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２まで達する時間は１秒から１０秒程度であるが、上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２および燃料電池スタック１から取り出す電流値、すなわち、水素消費速度に、上記時間は依存する。
　このような周期的圧力増減をともなう水素供給制御において、本第３実施形態の特徴の一つとして、燃料極６７の圧力を上限圧力Ｐ１・下限圧力Ｐ２においてそれぞれ保持する第１保持時間Ｔｐ１・第２保持時間Ｔｐ２を制御パターンに設定できることがある。制御部４０は、これらの第１保持時間Ｔｐ１・第２保持時間Ｔｐ２として、ゼロから所定値までの範囲において任意に設定できる。
　第１保持時間Ｔｐ１は、図１５に示すように、燃料極６７の圧力を上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２へと低下させる第１過程の実行前に、燃料極６７の圧力を上限圧力Ｐ１にて保持する時間である。具体的には、制御部４０は、燃料極６７の圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最大開度Ｏ１に制御することにより、燃料電池スタック１への水素供給を再開させて、燃料極６７の圧力を増加させる。制御部４０は、燃料極６７の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最大開度Ｏ１から所定開度まで減少させて、燃料極６７の圧力を上限圧力Ｐ１に保持する。そして、制御部４０は、燃料極６７の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングから、第１保持時間Ｔｐ１が経過したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最小開度Ｏ２に制御することにより、燃料電池スタック１への水素供給を停止させる。
　これに対して、第２保持時間Ｔｐ２は、図１６に示すように、燃料極６７の水素圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと増加させる第２過程の実行前に、燃料極６７の圧力を下限圧力Ｐ２にて保持する時間である。具体的には、制御部４０は、燃料極６７の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最小開度Ｏ２に制御して、燃料電池スタック１への水素供給を停止させる。制御部４０は、燃料極６７の水素圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最小開度Ｏ２から所定開度まで増加させて、燃料極６７の圧力を下限圧力Ｐ２に保持する。そして、制御部４０は、燃料極６７の圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングから、第２保持時間Ｔｐ２が経過したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最大開度Ｏ１に制御することにより、燃料電池スタック１への水素供給を再開させて、燃料極６７の圧力を増加させる。
　図１７は、負荷と、第１保持時間Ｔｐ１・第２保持時間Ｔｐ２の各々との対応関係を示す説明図である。例えば、燃料電池システム１００の運転シーンとして低負荷（例えば、定格負荷電流に対して１／３程度以下までの負荷電流の取り出し状態）の場合、第１保持時間Ｔｐ１と第２保持時間Ｔｐ２は各々ゼロに設定されている。そして、中負荷（例えば、定格負荷電流に対して１／３程度よりも大きく２／３程度よりも小さい範囲の負荷電流の取り出し状態）の場合、第１保持時間Ｔｐ１は、ゼロに設定されており、第２保持時間Ｔｐ２は、ゼロを始点として、負荷が高くなる程、値が増加するように設定されている。また、高負荷（例えば、定格負荷電流に対して２／３程度以上の負荷電流の取り出し状態）の場合、第１保持時間Ｔｐ１は、ゼロを始点として、負荷が高くなる程、値が増加するように設定されており、第２保持時間Ｔｐ２は一定値に設定されている。このように、制御部４０は、第１保持時間Ｔｐ１や第２保持時間Ｔｐ２を、負荷状態に応じて決定できる。換言すれば、燃料極６７の圧力を上限圧力Ｐ１にて保持させるか、それとも下限圧力Ｐ２にて保持させるかという点を、負荷に応じて選択できる。
　このように本第３実施形態において、図１７のように、制御部４０は、要求負荷が高い場合（負荷電流が大きい場合）は、要求負荷が低い場合（負荷電流が小さい場合）と比べ、制御パターン一回の実行期間における水素供給量を増加させている。高負荷といった運転シーンでは、水素消費量が多い傾向となる。そのため、水素供給を賄うために、一回の制御パターンに対応する圧力増減の実行回数が増加する可能性がある。しかしながら、本第３実施形態によれば、制御パターン一回の実行期間における水素供給量を増加させているので、単位時間あたりの圧力増減の実行回数増加を抑制できる。これにより、燃料電池スタック１や水素系部品にかかるストレスを緩和できるので、燃料電池システム１００の劣化を抑制できる。
　また、本第３実施形態において、図１６のように、第１過程の実行前に燃料極６７の圧力を上限圧力Ｐ１にて保持する第１保持時間Ｔｐ１や、第２過程の実行前に燃料極６７の圧力を下限圧力Ｐ２にて保持する第２保持時間Ｔｐ２を、制御パターンに設定可能となっている。そして、制御部４０は、要求負荷が高い程、第１保持時間Ｔｐ１または第２保持時間Ｔｐ２を長く設定する。要求負荷が高くなると、水素消費量が増えるため、第１過程における圧力下降速度が速くなるものの、本第３実施形態によれば、要求負荷が大きい程、第１保持時間Ｔｐ１や第２保持時間Ｔｐ２が長く設定される。これにより、燃料極６７の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングから、燃料極６７の圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと復帰させるタイミングまでの期間を長く設定できる。すなわち、第１保持時間Ｔｐ１や第２保持時間Ｔｐ２を長く設定することにより、制御パターン一回の実行期間が長くなるので、単位時間あたりの圧力増減の実行回数増加を抑制できる。これにより、燃料電池スタック１や水素系部品にかかるストレスを緩和できるので、燃料電池システム１００の劣化を抑制できる。
　とくに、制御部４０は、要求負荷が高い程、第１保持時間Ｔｐ１を長く設定することが好ましい。要求負荷が増大すると、燃料極６７における水素分圧を確保することが困難となる可能性がある。そのため、上限圧力Ｐ１における第１保持時間Ｔｐ１を長く設定することにより、要求負荷が高い状態であっても水素分圧が確保されやすくなるという効果を奏する。
　また、本第３実施形態では、要求負荷が低負荷から中負荷の領域において要求負荷が高くなる程、第２保持時間Ｔｐ２を長く設定する（図１７下）。低負荷から中負荷では、燃料極６７に液水が溜まりやすい傾向にある。下限圧力Ｐ２における第２保持時間Ｔｐ２を長く設定することで、液水排出処理の実行精度を高めることができる。更に、制御部４０は、要求負荷が中負荷から高負荷の領域において要求負荷が高くなる程、第１保持時間Ｔｐ１を長く設定することが好ましい（図１７上）。要求負荷が増大すると、燃料極６７における水素分圧を確保することが困難となる可能性がある。そのため、上限圧力Ｐ１における第１保持時間Ｔｐ１を長く設定することにより、要求負荷が高い状態であっても水素分圧が確保されやすくなるという効果を奏する。
　なお、図１８に示すように、燃料電池システム１００の起動直後即ち、燃料極６７内の窒素などの不純物濃度が高いシーン程、上限圧力Ｐ１を保持する第１保持時間Ｔｐ１を長く設定することで、水素分圧を確保してもよい。このとき、燃料電池システム１００が停止してから起動するまでの時間が長い程、燃料極６７内の不活性ガス濃度は高くなる。そのため、燃料電池システム１００の停止期間を計測したり、燃料電池システム１００を起動時の燃料極６７内の窒素濃度を計測したりすることで上限圧力Ｐ１を保持する第１保持時間Ｔｐ１を可変にしてもよい。
　更に、低負荷時などに、燃料電池スタック１の発電を一時的に停止し、２次電池の電力で走行するアイドルストップを採用する燃料電池システム１００では、アイドルストップから復帰した直後も燃料極６７内の窒素濃度は高い状況にある。そこで、このようなシーンでも第１保持時間Ｔｐ１を長く設定してもよい。
（第４実施形態）
　以下、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システム１００について説明する。なお、燃料電池システム１００の構成については、第１～３実施形態と同様であるため、重複する説明を省略する。本第４実施形態では、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２の設定方法について説明する。
（第１設定手法）
　第１設定手法では、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を、負荷電流に応じて設定できる。燃料電池システム１００に要求される要求負荷として燃料電池スタック１の目標発電電力を、車両速度、ドライバーのアクセル操作量、更には二次電池に関する情報に基づいて、制御部４０は決定する。燃料電池スタック１から取り出す電流値である負荷電流を、目標発電電力に基づいて、制御部４０は演算する。
　図１９は、負荷電流Ｃｔと、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との対応関係を示す説明図である。燃料電池スタック１から負荷電流Ｃｔを取り出すために必要な反応ガスを供給するための運転圧力Ｐｓａは、燃料電池スタック１や、水素系および空気系などの燃料電池システム１００の特性を考慮することにより、実験やシミュレーションを通じて定義できる。図１９のＣｒは定格負荷電流Ｃｒを表す｛後述の図２０（ｂ）でも同様｝。
　酸化剤極３４へ空気を供給する場合には、この運転圧力Ｐｓａが目標運転圧力として設定される。
　これに対して、燃料極６７へ水素を供給する場合には、運転圧力Ｐsaをベースに、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２がそれぞれ設定されている。ここで、負荷電流Ｃｔが大きいほど、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧、すなわち、ガス供給時の圧力変動幅が大きくなるような関係に、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は設定されている。
　かかる構成によれば、要求負荷が高いシーンほど、制御パターン一回の実行期間における水素供給量を相対的に増加できる。これにより、単位時間あたりの圧力増減の実行回数増加を抑制できる。これにより、燃料電池システム１００の劣化を抑制できる。
（第２設定手法）
　第２設定手法として、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、燃料電池スタック１の発電安定性を考慮して設定してもよい。低負荷の場合、すなわち、負荷電流が小さい場合は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧が相対的に小さくなるように、例えば、５０ｋＰａ程度に設定する。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的水素濃度は４０％程度となる。これに対して、高負荷の場合、すなわち、負荷電流が大きい場合、ガス圧力を大きくした方が発電効率が高くなることから、酸化剤極３４側および燃料極６７側ともに全体的に供給圧力を上げる。また、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧は、１００ｋＰａ程度に設定されている。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的水素濃度が７５％程度で燃料電池スタック１の運転が行われる。
　周期的圧力増減を行う本第４実施形態において、燃料電池スタック１の内部（燃料極６７）の雰囲気は、下限圧力Ｐ２のタイミングにおいて水素濃度が低い状態にあり、上限圧力Ｐ１のタイミングおいて水素濃度が高い状態になる。すなわち、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１まで圧力を増加させることにより、高水素濃度ガスが燃料極６７へ導入され、これにより、低水素濃度ガスが燃料電池スタック１から容積部１２へ押し込まれる。また、高水素濃度ガスにより燃料極６７内のガスが攪拌されることとなる。
　図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、燃料電池スタック１における燃料極６７側容積Ｒｓと、容積部１２の容積Ｒｔとを、模式的に示す説明図である。例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）とし、下限圧力Ｐ２を１５０ｋＰａ（絶対圧）とした場合、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との圧力比Ｐ１／Ｐ２は概ね１．３３となる。この場合、図２０（ａ）に示すように、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１への圧力増加により、燃料系（＝水素系）の容積（具体的には、燃料電池スタック１の容積および容積部１２の容積）のうち１／４程度、つまり燃料電池スタック１の５割地点まで新たな水素が流入することとなる｛以下、この状態を水素交換率０．５と表現する｛図２０（ｂ）参照）｝。
　低負荷の場合は水素消費速度が遅いため、概ねこの程度の水素交換率において燃料電池スタック１の発電が可能となる。このシーンにおいて、例えば、時間平均された燃料極オフガス中の水素濃度は、約４０％である。これに対して、高負荷の場合には、燃料電池スタック１の燃料極６７全体が新たな水素で置き換わる程の圧力比Ｐ１／Ｐ２（例えば、２以上）、つまり水素交換率が１程度となることが望ましい。排出される水素濃度を低く抑えたいものの、水素消費速度が速いため、発電を安定的に行うためには所定以上の水素濃度が必要となる（例えば、約７５％以上が必要となる）。
　このようなケースにおいて、水素濃度を調整するために、パージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放する。これにより、周期的圧力増減による水素供給を妨げない程度の微小流量を連続的あるいは間欠的にパージバルブ１４から排出させる。パージバルブ１４より排出されるガスは微小流量のため、カソード側排気により希釈され安全に系外へ排出される。パージバルブ１４の開放は、燃料極６７から不純物（窒素や水蒸気）を排出するために行うが、燃料極６７には水素も混在している。そのため、水素排出を抑制して、不純物を有効に排出することが好ましい。
　そこで、本第４実施形態では、水素供給において、水素圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと増加させる過程（第２過程）に対応して、パージバルブ１４を開状態に制御し、パージバルブ１４を開放する（パージ処理）。具体的には、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極６７の圧力をモニタリングし、モニタされた圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングに対応してパージバルブ１４を開状態に制御し、また、モニタされた圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングに対応してパージバルブ１４を閉状態に制御する（基本制御パターン）。これにより、低水素濃度ガスが燃料電池スタック１から容積部１２に押し込まれ、かつ、高濃度水素がパージバルブ１４に到達する前に、容積部１２から低水素濃度ガスがパージバルブ１４を介して排出される。これにより、多くの不純物を効率良く排出できる。
　ただし、パージバルブ１４の開閉制御は、この基本制御パターンに限定されない。下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと圧力を増加させる過程（第２過程）を少なくとも含むようにパージバルブ１４が開状態に制御されていれば、パージバルブ１４の開閉制御は足りる。そのため、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミング（以下「基準閉タイミング」という）よりも遅延したタイミングにも修正できる。例えば、高濃度水素と低濃度水素との境目は、拡散速度を考えた場合、短時間範囲なら一定面として判別できる。そこで、水素供給時、燃料電池スタック１および容積部１２において、どのくらいの時間でどの位置まで境界面（いわゆる、水素フロント）が到達するかを、実験やシミュレーションを通じて予測しておく。そして、この境界面がパージバルブ１４に到達するまで、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングを基準閉タイミングよりも遅らせることができる。
　また、パージ処理は、制御パターンの実行毎、具体的には、圧力増加過程（第２過程）毎に、これらの全てに対応して行う必要はない。例えば、燃料極６７における水素濃度が所定判定閾値以下となったことを条件に、その後の圧力増加過程に対応してパージバルブ１４を開放すればよい。
　また、発電反応を阻害する要因として液水も考えられるので、液水も併せて排出できる。ただし、不活性ガスの存在に比べ、液水が影響するまでの時間は長いため、周期的圧力増減の毎回ではなく、複数回に１回、あるいは一定時間毎に、この液水排出処理を実行することが好ましい。液水は、燃料電池スタック１内から除去されればよいので、液水を燃料電池スタック１から容積部１２へと排出することを考える。この場合、流速を上げる必要があるので、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧を１００ｋＰａ程度とすることが好ましい。
　また、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２については、これまで述べてきたような要求負荷により可変とする手法に加えて、以下のような付加的手法を加味した設定を行える。
　まず、第１付加的手法として、燃料電池セルにおける酸化剤極３４と燃料極６７との許容極間差圧に応じて上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定してもよい。
　また、第２付加的手法として、燃料極６７内に蓄積される不活性ガスを排出するためのパージ処理を行う燃料電池システム１００で、パージを確実に行うための最低圧力を確保するように上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を制限してもよい。
　更に、第３付加的手法として、燃料極６７内の窒素濃度（不純物濃度）が高い程上限圧力Ｐ１を大きな値に設定し、燃料極６７内の液水滞留量または液水生成量が多いと予測される状態で下限圧力Ｐ２を小さな値に設定する。これにより、実際に液水が溜まったと判断したときに大きな圧力差が確保されているので、液水排出を確実に行える。
　また、第４付加的手法として、燃料電池スタック１内の液水滞留量が多いと推定されるシーンでは、図２１に示すように、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との圧力比（Ｐ１／Ｐ２）を一時的に大きな値（Ｐ１ｗ／Ｐ２ｗ）となるように、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。燃料極６７内の液水を排出するために必要な圧力幅ΔＰ２（＝Ｐ１ｗ－Ｐ２ｗ）は、例えば、１００ｋＰａ以上であり、燃料極６７内の不活性ガスを排出するための圧力幅ΔＰ１（＝Ｐ１－Ｐ２）は、例えば、５０ｋＰａ以上である。このように両者の圧力幅が異なるため、液水排出の観点から上記の如く、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。
　ここで、第３・第４付加的手法のように上限圧力Ｐ１を高く即ちＰ１ｗに設定した場合、低負荷領域では、水素消費速度が少ないため、上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２へと圧力が低下する速度が遅くなる。この場合、下限圧力Ｐ２へと到達するまでに時間を要するため、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと圧力を増加させる第２過程が暫く実行できなくなる虞がある。
　そこで、図２２に示すように、低負荷時に上限圧力Ｐ１を高い値（例えば、圧力Ｐ１ｗ）に設定した場合、制御部４０は、燃料電池スタック１から取り出す電流を一時的に増加させて、圧力下降速度を速めてもよい。例えば、電流を増加させない場合には、上限圧力Ｐ１ｗから下限圧力Ｐ２に低下するまでに要する時間が、時間Ｔｍ２であるのに対して、電流を増加させることにより、上限圧力Ｐ１ｗから下限圧力Ｐ２に低下するまでに要する時間が、時間Ｔｍ２よりも短い時間Ｔｍ３（＝Ｔｍ１）となるといった如くである。これにより、不活性ガス排出のための圧力増減制御や、次回液水排出のための圧力増減制御への干渉を抑制できる。
　なお、燃料電池スタック１の電圧が低下しているシーンなど、燃料電池スタック１から取り出す電流を一時的に増加することにより、発電状態が不安定になるおそれがある場合や、取り出した電流を蓄える２次電池の充電レベルが高い場合は、取り出し電流を増加させる手法に代えて、別途方法で圧力下降速度を速めてもよい。
　圧力下降速度を速める別途方法としては、例えば、パージバルブ１４から排出される燃料極オフガスの流量を増加させることである。また、燃料極６７の容積を拡大することで、圧力下降速度を速めてもよい。燃料極６７の容積を拡大する方法としては、燃料極６７における液水管理レベルを下げ、燃料極６７内の液水を排出することが挙げられる。
　なお、燃料極６７内の液水滞留量を推定する手法としては、液水生成量が負荷電流に概ね比例するという特性に基づいて、負荷電流の積算で推定することが考えられる。また、従前に行った液水排出のタイミングからの経過時間で上記液水滞留量を推定してもよい。また、燃料電池セルの電圧を計測し、電圧が異常に低下したことで液水滞留量が多いと推定してもよい。また、液水滞留量を推定する際には、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度で補正してもよい。なぜならば、同じ負荷電流であっても、冷却水温度が低い程、液水がより多く滞留するからである。同様に、圧力脈動回数やカソードの空気量でも液水滞留量を補正できる。
（第５実施形態）
　以下、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池システム１００について説明する。第３実施形態では、燃料電池スタック１において負荷電流に対応した発電を行う通常運転時処理を述べたが、本第５実施形態では、燃料電池システム１００の起動時・停止時の処理についてそれぞれ説明する。なお、燃料電池システム１００の構成については第１～４実施形態と同様なので、重複する説明は省略することとし、相違点を中心に以下説明する。
（起動処理）
　まず、燃料電池システム１００の起動処理について説明する。燃料電池システム１００を停止後、燃料電池スタック１が直ぐに起動されることなく暫く放置された場合、燃料極６７内には、低水素濃度ガスが充満している。このような状況において燃料電池システム１００を起動する場合には、この低水素濃度ガスを燃料電池スタック１の燃料極６７から排出させるため、高水素濃度ガスを燃料タンク１０から所定起動時上限圧力で瞬間的に供給し、燃料極６７におけるガス圧力を昇圧する。この際、パージバルブ１４も開状態に制御する。これにより、低水素濃度ガスと高水素濃度ガスとの境界面である水素フロントの通過を加速できるとともに、水素フロントを燃料極６７から押し出せる。
　次に、水素フロントがパージバルブ１４に到達するタイミングよりも前に、水素調圧バルブ１１およびパージバルブ１４を閉状態に制御し、発電を行い、水素を消費させることにより、燃料極６７における水素圧力を減圧させる。そして、所定起動時下限圧力に水素圧力が到達したら、所定起動時上限圧力まで水素圧力を再度昇圧させる。そして、燃料電池スタック１の燃料極６７の濃度が所定平均水素濃度になるまで、このような圧力増減を繰り返し行う。
　なお、実際の車両では、このような起動処理を実行している間にも発進してしまう可能性があるが、この場合には、搭載された二次電池からの出力を利用すればよい。
（停止処理）
　次に、燃料電池システム１００の停止処理について説明する。燃料電池システム１００が停止後の起動シーンとして低温環境を想定する。この場合、燃料電池システム１００が停止時に燃料電池スタック１や水素調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４等に液水が存在すると、凍結等により燃料電池システム１００が起動不能に陥る可能性がある。そのため、燃料電池システム１００が停止時にこの液水を除去するための処理が必要となる。まず、酸化剤極３４に空気を供給しながら、低負荷状態で発電を行う。燃料極６７側は、第３実施形態と同様に制御パターンに従って圧力増減を繰り返し行う。この場合、例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）、下限圧力Ｐ２を１０１．３ｋＰａとして、燃料極６７から液水が排出されるのに十分な値を設定しておく。また、この繰り返す回数は、実験やシミュレーションを通じて、液水を十分に排出できる回数を取得しておき、この回数に基づいて行う。これにより発電を終了させる。
　次に、燃料電池スタック１から容積部１２への排出液水を、排水バルブ１３を開状態に制御して排水する。そして、直前まで発電していた電力を用いて、ヒータなどの加熱装置を上記排水後に作動させ、パージバルブ１４および排水バルブ１３を加熱し、排出液水を乾燥させる。
　このように本第５実施形態によれば、燃料電池システム１００において、停止処理により起動時の起動性を図るとともに、起動時の処理であっても、水素よりも不純物を優先的に排出できる。
　日本国特許出願２００８－２９８１９１（出願日２００８年１１月２１日）と日本国特許出願２００８－３０２４６５（出願日２００８年１１月２７日）との全内容がここに援用され、誤訳や記載漏れから保護される。
　以上、実施形態によって本発明の内容を説明したが、本発明はこれら記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者に自明である。
　本発明によれば、第１圧力幅で圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、燃料極における燃料ガスの圧力を周期的に変動させることにより、燃料極側ガスを撹拌できる。これにより、燃料極側ガスの均一化を図れる。

Claims (29)

  1. 　酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電する燃料電池と、
    　前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
    　前記燃料ガス供給装置を制御することにより前記燃料極へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極側の出口が閉じられたときに圧力変動を行う制御装置であって、第１圧力幅で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させる前記制御装置と、
    　を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記第１圧力幅で前記圧力変動を行う前記第１圧力変動パターンと、前記第１圧力幅よりも大きな第２圧力幅で前記圧力変動を行う第２圧力変動パターンとに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させる前記制御装置と、
    　を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記燃料極から排出される排出ガスを制限する制限装置を更に有し、
    　前記制限装置が、
    　前記燃料極から排出ガスを排出する排出流路と、
    　前記排出流路に設けられかつ所定容積の空間を備える容積装置と、
    　前記排出流路において前記容積装置よりも下流側に設けられかつ前記排出流路を遮断する遮断装置と
    を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記制御装置が、前記第１圧力変動パターンを複数回実行した後に、前記第２圧力変動パターンを実行することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記制御装置が、前記燃料ガス供給装置から前記燃料ガスを所定運転圧力で供給することにより前記燃料電池の発電を行った状態において、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するのを停止させるとともに、前記燃料極における前記燃料ガス圧力が所定圧力幅低下したことを条件に、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するのを再開させることにより、前記燃料極における前記燃料ガス圧力を変動させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を、前記燃料電池の運転負荷が小さい程、前記制御装置が小さく設定することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を、前記燃料電池の運転温度が低い程、前記制御装置が小さく設定することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 　酸化剤極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を更に有し、
    　前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を、前記酸化剤極における酸化剤ガスの運転圧力が小さい程、前記制御装置が小さく設定することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、圧力変動の実行周期を大きく設定することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、圧力変動の実行周期を大きく設定することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、圧力変動の実行周期を大きく設定することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
  12. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、圧力幅を小さく設定することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  13. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、圧力幅を小さく設定することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  14. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、圧力幅を小さく設定することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
  15. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、前記第１圧力変動パターンに対する前記第２圧力変動パターンの実行頻度を少なくすることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  16. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、前記第１圧力変動パターンに対する前記第２圧力変動パターンの実行頻度を少なくすることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  17. 　前記制御装置が、前記圧力変動に起因して前記燃料極に供給される前記燃料ガスの供給量を小さく設定する場合には、前記第１圧力変動パターンに対する前記第２圧力変動パターンの実行頻度を少なくすることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
  18. 　前記燃料電池から出力を取り出す出力取出装置を更に有する前記燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池システムに要求される要求負荷に対応した出力を、前記出力取出装置を制御することにより前記制御装置が前記燃料電池から取り出すとともに、所定制御パターンに基づいて前記燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給および停止を制御することにより、前記燃料極における圧力を周期的に変動させながら前記燃料ガスを、前記制御装置が供給し、
    　前記所定制御パターンが、前記燃料極の圧力を上限圧力から下限圧力へと低下させる第１過程と、前記燃料極の圧力を前記下限圧力から前記上限圧力へと復帰させる第２過程とを含み、
    　前記要求負荷が高い場合、前記所定制御パターンの一回の実行期間における前記燃料ガス供給量を、前記要求負荷が低い場合に比べ、前記制御装置が増加させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  19. 　前記第１過程の実行前に前記燃料極の圧力を上限圧力に保持する第１保持時間、または前記第２過程の実行前に前記燃料極の圧力を下限圧力に保持する第２保持時間を、前記所定制御パターンに設定可能であり、
    　前記要求負荷が高い程、前記制御装置が前記第１保持時間または前記第２保持時間を長く設定することを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  20. 　前記第１過程の実行前に前記燃料極の圧力を上限圧力において保持する第１保持時間を前記所定制御パターンに設定可能であり、
    　前記要求負荷が高い程、前記制御装置が前記第１保持時間を長く設定することを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  21. 　前記要求負荷が低負荷から中負荷の領域において前記要求負荷が高くなる程、前記制御装置が前記第２保持時間を長く設定することを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池システム。
  22. 　前記要求負荷が中負荷から高負荷の領域において前記要求負荷が高くなる程、前記制御装置が前記第１保持時間を長く設定することを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池システム。
  23. 　前記第１過程の実行前に前記燃料極の圧力を上限圧力において保持する第１保持時間を前記所定制御パターンに設定可能であり、
    　前記燃料極における不純物濃度が高い程、前記制御装置が前記第１保持時間を長く設定することを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  24. 　前記制御装置が、前記要求負荷が高い程、前記上限圧力と前記下限圧力との圧力差が大きくなるように、前記上限圧力および前記下限圧力を設定することを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  25. 　前記燃料極における不純物濃度が高い程、前記制御装置が前記上限圧力を大きな値に設定することを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  26. 　前記要求負荷が低い場合には、前記制御装置が前記第１過程における圧力下降速度を大きく設定することを特徴とする、請求項２５に記載の燃料電池システム。
  27. 　前記燃料極における液水量が多い程、前記制御装置が前記下限圧力を小さな値に設定することを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
  28. 　酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電することと、
    　前記燃料極に前記燃料ガスを供給することと、
    　前記燃料ガスの前記供給を制御することにより前記燃料極へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極側の出口が閉じられたときに圧力変動を行い、第１圧力幅で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させることと、
    　を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  29. 　酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発電する燃料電池と、
    　前記燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
    　前記燃料ガス供給手段を制御することにより前記燃料極へ前記燃料ガスを供給するとともに、前記燃料極側の出口が閉じられたときに圧力変動を行う制御手段であって、第１圧力幅で前記圧力変動を行う第１圧力変動パターンに基づいて、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させる前記制御手段と、
    　を有することを特徴とする燃料電池システム。
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BRPI0921969 BRPI0921969B1 (pt) 2008-11-21 2009-11-16 sistema de célula de combustível e método para controlar o mesmo
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WO (1) WO2010058747A1 (ja)

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013129553A1 (ja) * 2012-02-29 2013-09-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
WO2013137275A1 (ja) * 2012-03-13 2013-09-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2013191370A (ja) * 2012-03-13 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20130323619A1 (en) * 2011-02-23 2013-12-05 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
EP2453507A4 (en) * 2009-07-07 2014-04-02 Nissan Motor OPERATING CONTROL DEVICE AND OPERATING CONTROL METHOD FOR A FUEL CELL POWER PLANT
CN103843183A (zh) * 2011-10-04 2014-06-04 日产自动车株式会社 燃料电池系统
CN103959529A (zh) * 2011-11-28 2014-07-30 日产自动车株式会社 燃料电池系统
WO2014192486A1 (ja) * 2013-05-30 2014-12-04 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20150004513A1 (en) * 2012-01-05 2015-01-01 Nissan Motor Company, Ltd. Fuel cell system
US20150017562A1 (en) * 2012-02-29 2015-01-15 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system and control method of fuel cell system
US20150030948A1 (en) * 2012-03-13 2015-01-29 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method of fuel cell system
US20150044582A1 (en) * 2012-03-12 2015-02-12 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20150056531A1 (en) * 2012-03-15 2015-02-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
WO2015053034A1 (ja) * 2013-10-08 2015-04-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
US9812718B2 (en) * 2011-06-02 2017-11-07 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9269973B2 (en) 2010-10-21 2016-02-23 Nissan Motor Co., Ltd. Operating method of fuel cell system
JP5741713B2 (ja) * 2011-12-28 2015-07-01 日産自動車株式会社 燃料電池システム
EP2827421B1 (en) * 2012-03-15 2017-07-05 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system
JP6035797B2 (ja) 2012-03-15 2016-11-30 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US9256842B2 (en) * 2012-06-27 2016-02-09 International Business Machines Corporation Determining fuel economy by fuel source location
CA2917408C (en) * 2013-07-05 2019-05-14 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method for controlling fuel cell system
AT517685B1 (de) * 2015-11-17 2017-04-15 Avl List Gmbh Messverfahren und Messvorrichtung zur Ermittlung der Rezirkulationsrate
JP6376184B2 (ja) * 2016-07-21 2018-08-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび車両
DE102017115871A1 (de) * 2017-07-14 2019-01-17 Elringklinger Ag Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung
JP6911716B2 (ja) * 2017-11-09 2021-07-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよびその制御方法
JP7223282B2 (ja) 2019-12-25 2023-02-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2022134843A (ja) * 2021-03-04 2022-09-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001229946A (ja) * 2000-02-17 2001-08-24 Denso Corp 燃料電池システム。
JP2003173807A (ja) * 2001-12-05 2003-06-20 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2004039322A (ja) * 2002-07-01 2004-02-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007157621A (ja) * 2005-12-08 2007-06-21 Denso Corp 燃料電池システム
JP2007165186A (ja) * 2005-12-15 2007-06-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び移動体
JP2007517369A (ja) 2003-12-31 2007-06-28 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド 燃料電池スタックからの水の安全なパージ
JP2007280801A (ja) * 2006-04-07 2007-10-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システムとオフガスパージ方法
JP2008010347A (ja) * 2006-06-30 2008-01-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008108536A (ja) * 2006-10-25 2008-05-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、および、その制御方法
JP2008298191A (ja) 2007-05-31 2008-12-11 Mitsubishi Motors Corp 左右駆動力配分装置
JP2008302465A (ja) 2007-06-07 2008-12-18 Fujibo Holdings Inc 研磨パッドの製造方法および研磨パッド

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3742256C1 (de) 1987-12-12 1989-03-02 Daimler Benz Ag Vorrichtung zum Auffangen von Kraftstoffdaempfen beim Betanken eines Kraftstoffbehaelters
US5191867A (en) 1991-10-11 1993-03-09 Caterpillar Inc. Hydraulically-actuated electronically-controlled unit injector fuel system having variable control of actuating fluid pressure
RU2076405C1 (ru) 1993-11-09 1997-03-27 Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева Система энергопитания постоянного тока
US5629104A (en) 1994-11-23 1997-05-13 Detroit Center Tool Modular electrical energy device
JP2000012048A (ja) 1998-06-18 2000-01-14 Toyota Motor Corp 燃料電池用ガスセパレータと該燃料電池用セパレータを用いた燃料電池、並びに燃料電池用ガスセパレータの製造方法
DE10106536A1 (de) 2000-02-17 2001-08-23 Denso Corp Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Energie durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
JP4788018B2 (ja) * 2000-06-08 2011-10-05 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用燃料補給システムおよび移動体
US6393354B1 (en) 2000-12-13 2002-05-21 Utc Fuel Cells, Llc Predictive control arrangement for load-following fuel cell-powered applications
MXPA02009333A (es) 2001-01-24 2003-03-10 Casio Computer Co Ltd Sistema de suministro de energia, paquete de combustible que constituye el sistema, y dispositivo impulsado por un generador de energia y sistema de suministro de energia.
JP3972675B2 (ja) * 2002-02-15 2007-09-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2004055346A (ja) 2002-07-19 2004-02-19 Nissan Motor Co Ltd 組電池、複合組電池およびそれを搭載した車両
CA2518364C (en) 2003-03-07 2010-07-20 Ballard Power Systems Inc. Methods of operating fuel cells having closed reactant supply systems
JP4806886B2 (ja) * 2003-05-16 2011-11-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムの運転制御
DE10347793A1 (de) * 2003-10-14 2005-05-19 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage sowie Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanlage
JP4632683B2 (ja) 2004-03-31 2011-02-16 日本電気株式会社 フィルム外装電池用の電池加圧部材
JP4583793B2 (ja) 2004-03-31 2010-11-17 日本電気株式会社 フィルム外装電池用の電池加圧部材および固定保持方法
US20050260463A1 (en) * 2004-05-21 2005-11-24 Chapman Ivan D Fluid flow pulsing for increased stability in PEM fuel cell
KR100891079B1 (ko) 2005-02-07 2009-03-30 주식회사 엘지화학 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템
JP4992188B2 (ja) * 2005-03-11 2012-08-08 株式会社エクォス・リサーチ セパレータユニット及び燃料電池スタック
JP2007103344A (ja) 2005-09-12 2007-04-19 Nissan Motor Co Ltd 組電池
JP4895648B2 (ja) 2005-10-25 2012-03-14 ダイハツ工業株式会社 燃料電池システム
KR100748537B1 (ko) 2005-11-29 2007-08-13 엘지전자 주식회사 연료전지시스템
JPWO2007119621A1 (ja) 2006-04-11 2009-08-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001229946A (ja) * 2000-02-17 2001-08-24 Denso Corp 燃料電池システム。
JP2003173807A (ja) * 2001-12-05 2003-06-20 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2004039322A (ja) * 2002-07-01 2004-02-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007517369A (ja) 2003-12-31 2007-06-28 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド 燃料電池スタックからの水の安全なパージ
JP2007157621A (ja) * 2005-12-08 2007-06-21 Denso Corp 燃料電池システム
JP2007165186A (ja) * 2005-12-15 2007-06-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び移動体
JP2007280801A (ja) * 2006-04-07 2007-10-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システムとオフガスパージ方法
JP2008010347A (ja) * 2006-06-30 2008-01-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008108536A (ja) * 2006-10-25 2008-05-08 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、および、その制御方法
JP2008298191A (ja) 2007-05-31 2008-12-11 Mitsubishi Motors Corp 左右駆動力配分装置
JP2008302465A (ja) 2007-06-07 2008-12-18 Fujibo Holdings Inc 研磨パッドの製造方法および研磨パッド

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2357699A4

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2453507A4 (en) * 2009-07-07 2014-04-02 Nissan Motor OPERATING CONTROL DEVICE AND OPERATING CONTROL METHOD FOR A FUEL CELL POWER PLANT
US20130323619A1 (en) * 2011-02-23 2013-12-05 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US10193168B2 (en) 2011-06-02 2019-01-29 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US9812718B2 (en) * 2011-06-02 2017-11-07 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
CN103843183A (zh) * 2011-10-04 2014-06-04 日产自动车株式会社 燃料电池系统
CN103959529A (zh) * 2011-11-28 2014-07-30 日产自动车株式会社 燃料电池系统
US20140349208A1 (en) * 2011-11-28 2014-11-27 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20150004513A1 (en) * 2012-01-05 2015-01-01 Nissan Motor Company, Ltd. Fuel cell system
US20150017562A1 (en) * 2012-02-29 2015-01-15 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system and control method of fuel cell system
WO2013129553A1 (ja) * 2012-02-29 2013-09-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
US20150044582A1 (en) * 2012-03-12 2015-02-12 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US20150030948A1 (en) * 2012-03-13 2015-01-29 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP2013191370A (ja) * 2012-03-13 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
WO2013137275A1 (ja) * 2012-03-13 2013-09-19 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20150056531A1 (en) * 2012-03-15 2015-02-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US10651486B2 (en) * 2012-03-15 2020-05-12 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
WO2014192486A1 (ja) * 2013-05-30 2014-12-04 日産自動車株式会社 燃料電池システム
WO2015053034A1 (ja) * 2013-10-08 2015-04-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
CN105594046A (zh) * 2013-10-08 2016-05-18 日产自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
JPWO2015053034A1 (ja) * 2013-10-08 2017-03-09 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
CN105594046B (zh) * 2013-10-08 2018-06-22 日产自动车株式会社 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2887436B1 (en) 2016-09-14
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BRPI0921969A2 (pt) 2018-09-11
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EP2357699B1 (en) 2016-10-12
RU2472256C1 (ru) 2013-01-10

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