WO2012165073A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012165073A1
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fuel cell
anode gas
anode
concentration
pulsation
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英高 西村
市川　靖
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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 normally closed solenoid valve was provided in the anode gas supply passage, and a normally open solenoid valve and a buffer tank (recycle tank) were provided in the anode gas discharge passage in order from the upstream.
  • This conventional fuel cell system is an anode gas non-circulation type fuel cell system in which unused anode gas discharged into the anode gas discharge passage is not returned to the anode gas supply passage, and is controlled by a control valve that controls the anode pressure.
  • the pulsation operation for increasing / decreasing the pressure of the anode gas with the pulsation width corresponding to the operation state was performed.
  • the conventional fuel cell system described above does not take into account the temperature change of the buffer tank. Therefore, depending on the temperature of the buffer tank, if pulsation operation is performed with the set pulsation width, the anode gas concentration inside the fuel cell stack is lowered and power generation stability is lowered, or the discharge performance of liquid water is lowered. There was a problem.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and by setting an appropriate pulsation width according to the temperature of the temperature of the buffer tank, stable power generation is achieved and liquid water discharge performance is improved.
  • the purpose is to secure.
  • a control valve for controlling the pressure of anode gas supplied to the fuel cell, a buffer unit for storing anode off-gas discharged from the fuel cell, and the pressure of the anode gas
  • a fuel cell system comprising pulsation operation means for controlling the control valve so that the valve periodically increases and decreases with a predetermined pulsation width, and pulsation width correction means for correcting the pulsation width based on the temperature of the buffer section.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view of a fuel cell.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the fuel cell.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the reason why a portion in which the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path.
  • FIG. 5 is a diagram showing the minimum anode gas concentration in the flow path according to the temperature of the buffer tank when the anode pressure is reduced when the pulsation width is the same.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view of a fuel cell.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the fuel cell.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 6 is a diagram showing the magnitude of the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased according to the temperature of the buffer tank when the pulsation width is the same.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating pulsation operation control according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a table for calculating the reference pressure from the output current.
  • FIG. 9 is a table for calculating the basic pulsation width from the output current.
  • FIG. 10 is a table for calculating the basic opening of the purge valve from the temperature of the fuel cell stack.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining low temperature pulsation width correction processing according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a table for calculating the reference pressure from the output current.
  • FIG. 9 is a table for calculating the basic pulsation width from the output current.
  • FIG. 10 is a table for calculating the basic opening of the purge valve from the temperature of the fuel cell stack
  • FIG. 12 is a map showing the relationship between the pulsation width and the minimum anode gas concentration in the flow path when the anode pressure is reduced for each temperature of the buffer tank.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating the high temperature pulsation width correction processing according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a table for calculating the allowable lower limit kinetic energy from the output current.
  • FIG. 15 is a map showing the relationship between the pulsation width and the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased for each buffer tank temperature.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of the low-temperature pulsation width correction process according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the operation of the high-temperature pulsation width correction process according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the pulsation width ⁇ P and the minimum anode gas concentration in the flow path according to the opening of the purge valve when the temperature of the buffer tank is a predetermined temperature.
  • FIG. 19 is a flowchart illustrating the low temperature pulsation width correction processing according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a table for calculating the opening correction amount of the purge valve from the internal resistance.
  • FIG. 21 is a table for calculating an allowable maximum pulsation width correction amount from the purge valve opening correction amount.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining the operation of the low-temperature pulsation width correction process according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the pulsation width, the kinetic energy of the anode gas, and the minimum anode gas concentration in the flow path when the temperature of the buffer tank is a predetermined temperature higher than the steady temperature of the fuel cell stack. is there.
  • FIG. 24 is a flowchart for explaining the high temperature pulsation width correction processing according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a table for calculating the opening correction amount of the purge valve from the concentration difference.
  • FIG. 26 is a table for calculating the purge valve opening correction amount from the concentration difference.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining the operation of the high temperature pulsation width correction processing according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining the operation of the high-temperature pulsation width correction process according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a flowchart illustrating pulsation operation control according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a flowchart for explaining a low temperature purge valve opening correction process according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 31 is a table for calculating the opening correction amount of the purge valve from the concentration difference.
  • FIG. 32 is a diagram for explaining the operation of the low temperature purge valve opening correction process according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a fuel cell has an electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • Anode electrode 2H 2 ⁇ 4H + + 4e ⁇ (1)
  • Cathode electrode 4H + + 4e ⁇ + O 2 ⁇ 2H 2 O (2)
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
  • FIG. 1A is a schematic perspective view of the fuel cell 10.
  • FIG. 1B is a BB cross-sectional view of the fuel cell 10 of FIG. 1A.
  • the fuel cell 10 includes an anode separator 12 and a cathode separator 13 arranged on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113.
  • the MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface.
  • the electrolyte membrane 111 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin.
  • the electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.
  • the anode electrode 112 includes a catalyst layer 112a and a gas diffusion layer 112b.
  • the catalyst layer 112a is in contact with the electrolyte membrane 111.
  • the catalyst layer 112a is formed of carbon black particles carrying platinum or platinum.
  • the gas diffusion layer 112b is provided outside the catalyst layer 112a (on the opposite side of the electrolyte membrane 111) and is in contact with the anode separator 12.
  • the gas diffusion layer 112b is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers.
  • the cathode electrode 113 includes a catalyst layer 113a and a gas diffusion layer 113b.
  • the anode separator 12 is in contact with the gas diffusion layer 112b.
  • the anode separator 12 has a plurality of groove-shaped anode gas passages 121 for supplying anode gas to the anode electrode 112 on the side in contact with the gas diffusion layer 112b.
  • the cathode separator 13 is in contact with the gas diffusion layer 113b.
  • the cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas flow paths 131 for supplying cathode gas to the cathode electrode 113 on the side in contact with the gas diffusion layer 113b.
  • the anode gas flowing through the anode gas channel 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas channel 131 flow in the same direction in parallel with each other. You may make it flow in the opposite direction in parallel with each other.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, an anode gas supply device 3, and a controller 4.
  • the fuel cell stack 2 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10, generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and generates electric power necessary for driving a vehicle (for example, electric power necessary for driving a motor). ).
  • the cathode gas supply / discharge device for supplying and discharging the cathode gas to / from the fuel cell stack 2 and the cooling device for cooling the fuel cell stack 2 are not the main part of the present invention, and are not shown for the sake of easy understanding. did. In this embodiment, air is used as the cathode gas.
  • the anode gas supply device 3 includes a high-pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, a pressure regulating valve 33, a pressure sensor 34, an anode gas discharge passage 35, a buffer tank 36, a purge passage 37, and a purge valve 38. .
  • the high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 in a high pressure state.
  • the anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2, and has one end connected to the high-pressure tank 31 and the other end of the fuel cell stack 2. Connected to the anode gas inlet hole 21.
  • the pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32.
  • the pressure regulating valve 33 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 2.
  • the pressure regulating valve 33 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 4.
  • the pressure sensor 34 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33.
  • the pressure sensor 34 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33.
  • the pressure of the anode gas detected by the pressure sensor 34 is the pressure of the entire anode system including the anode gas flow paths 121 and the buffer tanks 36 inside the fuel cell stack (hereinafter referred to as “anode pressure”). As a substitute.
  • the anode gas discharge passage 35 has one end connected to the anode gas outlet hole 22 of the fuel cell stack 2 and the other end connected to the upper portion of the buffer tank 36.
  • the anode gas discharge passage 35 has a mixed gas of excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and an impure gas such as nitrogen or water vapor that has permeated from the cathode side to the anode gas passage 121 (hereinafter referred to as “anode”). Off-gas ”) is discharged.
  • the buffer tank 36 temporarily stores the anode off gas flowing through the anode gas discharge passage 35. A part of the water vapor in the anode off gas is condensed in the buffer tank 36 to become liquid water and separated from the anode off gas.
  • One end of the purge passage 37 is connected to the lower part of the buffer tank 36.
  • the other end of the purge passage 37 is an open end.
  • the anode off gas and liquid water stored in the buffer tank 36 are discharged from the opening end to the outside air through the purge passage 37. Although not shown in FIG. 2, it is normally discharged to the cathode discharge line.
  • the purge valve 38 is provided in the purge passage 37.
  • the purge valve 38 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 4.
  • the opening of the purge valve 38 By adjusting the opening of the purge valve 38, the amount of anode off-gas discharged from the buffer tank 36 to the outside air through the purge passage 37 is adjusted, and the anode gas concentration in the buffer tank 36 is adjusted to be constant. . If the operating state of the fuel cell system 1 is the same, the nitrogen concentration in the buffer tank 36 decreases and the anode gas concentration increases as the opening of the purge valve 38 is increased.
  • the controller 4 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • CPU central processing unit
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • I / O interface input / output interface
  • the controller 4 includes a current sensor 41 that detects the output current of the fuel cell stack 2 and the temperature of cooling water that cools the fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as “stack temperature”). Signals for detecting the operating state of the fuel cell system 1, such as the temperature sensor 42 to detect and the accelerator stroke sensor 43 to detect the amount of depression of the accelerator pedal (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”) are input.
  • the controller 4 periodically opens and closes the pressure regulating valve 33 based on these input signals, performs pulsation operation to periodically increase and decrease the anode pressure, and adjusts the opening degree of the purge valve 38 from the buffer tank 36.
  • the flow rate of the anode off gas to be discharged is adjusted to keep the anode gas concentration in the buffer tank 36 at a predetermined concentration.
  • the fuel cell stack 2 In the case of the anode gas non-circulation type fuel cell system 1, if the anode gas continues to be supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 while the pressure regulating valve 33 is kept open, the fuel cell stack 2 is not discharged. Since the anode off gas including the used anode gas is continuously discharged from the buffer tank 36 through the purge passage 37 to the outside air, it is wasted.
  • the pulsation operation is performed in which the pressure regulating valve 33 is periodically opened and closed to increase and decrease the anode pressure periodically.
  • the anode off gas accumulated in the buffer tank 36 can be caused to flow back to the fuel cell stack 2 when the anode pressure is reduced.
  • the anode gas in the anode off-gas can be reused, so that the amount of the anode gas discharged to the outside air can be reduced and waste can be eliminated.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the fuel cell system 1 is constant.
  • the controller 4 calculates the reference pressure and pulsation width of the anode pressure based on the load (hereinafter referred to as “stack load”) (output current) applied to the fuel cell stack 2.
  • stack load the load
  • the upper limit value and the lower limit value of the anode pressure are set. Then, the anode pressure is periodically increased or decreased in the range of the pulsation width around the reference pressure, and the anode pressure is periodically increased or decreased between the upper limit value and the lower limit value of the set anode pressure.
  • the pressure regulating valve 33 is opened to an opening at which the anode pressure can be increased to at least the upper limit value.
  • the anode gas is supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 and discharged to the buffer tank 36.
  • the pressure regulating valve 33 When the anode pressure reaches the upper limit at time t2, the pressure regulating valve 33 is fully closed as shown in FIG. 3B, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 is stopped. Then, since the anode gas left in the anode gas flow path 121 inside the fuel cell stack is consumed over time due to the electrode reaction of (1) described above, the anode pressure is reduced by the amount of consumption of the anode gas.
  • the pressure in the buffer tank 36 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121, so that the anode gas flow path 121 extends from the buffer tank 36.
  • the anode off-gas flows back into.
  • the anode gas left in the anode gas channel 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas channel 121 are consumed over time, and the anode pressure further decreases.
  • the pressure regulating valve 33 When the anode pressure reaches the lower limit at time t3, the pressure regulating valve 33 is opened in the same manner as at time t1. When the anode pressure reaches the upper limit again at time t4, the pressure regulating valve 33 is fully closed.
  • the reference pressure and pulsation width of the anode pressure described above are set on the assumption that the temperature of the fuel cell stack 2 and the temperature of the buffer tank 36 are equal. Specifically, it is set on the assumption that the temperature of the buffer tank 36 is equal to the steady temperature (about 60 [° C.]) of the fuel cell stack 2 after the warm-up is completed.
  • the temperature of the buffer tank 36 may be lower than the steady temperature of the fuel cell stack 2 during the warm-up of the fuel cell stack 2.
  • the temperature of the buffer tank 36 varies depending on the external environment such as the outside air temperature and traveling wind even after the warm-up is completed, and may be lower or higher than the steady temperature of the fuel cell stack 2.
  • the anode pressure is decreased from the upper limit pressure to the lower limit pressure, and the anode pressure is decreased from the lower limit pressure. It has been found that the following problems occur when the pressure is increased to the upper limit.
  • the amount of anode gas (hydrogen) present in the buffer tank 36 when the anode pressure reaches a predetermined upper limit pressure changes according to the temperature of the buffer tank 36. Specifically, if the pressure in the buffer tank 36 is the same, the lower the temperature of the buffer tank 36, the larger the amount of anode gas present in the buffer tank 36.
  • the anode pressure When the anode pressure is reduced, the anode gas remaining in the anode gas channel 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas channel 121 are consumed, so that the anode pressure is reduced from the upper limit pressure to the lower limit pressure. I am letting. Therefore, as the amount of the anode gas present in the buffer tank 36 increases, the amount of anode gas consumption required to reduce the anode pressure to the lower limit pressure increases. Therefore, the anode pressure is reduced to the lower limit pressure. The time required for
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the reason why a portion where the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path 121.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating the flow of the anode gas and the anode off gas in the anode gas flow path 121 when the anode pressure is reduced.
  • FIG. 4B is a diagram showing the concentration distribution of the anode gas in the anode gas flow path 121 when the anode pressure is reduced as time elapses.
  • the pressure in the buffer tank 36 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121.
  • the anode off gas flows backward from the tank 36 side to the anode gas flow path 121.
  • the high-concentration anode gas in the anode gas supply passage 32 also flows into the anode gas passage 121 having a low pressure.
  • the anode gas concentration in the anode gas flow path 121 where the anode gas concentration is the lowest falls below a predetermined allowable lower limit anode gas concentration, that portion.
  • the electrode reactions (1) and (2) described above in (1) may be hindered and the voltage may turn to a negative voltage, which causes the fuel cell 10 to deteriorate.
  • the pulsation operation is performed with the pulsation width set on the assumption that the temperature of the buffer tank 36 is the steady temperature of the fuel cell stack 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing the minimum anode gas concentration in the flow path according to the temperature of the buffer tank 36 when the anode pressure is reduced when the pulsation width is the same.
  • the amount of the anode gas (hydrogen) present in the buffer tank 36 when the anode pressure reaches the predetermined upper limit pressure changes according to the temperature of the buffer tank 36. Specifically, if the pressure in the buffer tank 36 is the same, the higher the temperature of the buffer tank 36, the smaller the amount of anode gas present in the buffer tank 36.
  • the higher the temperature of the buffer tank 36 the smaller the amount of anode gas necessary to increase the anode pressure to the upper limit pressure.
  • the higher the temperature of the buffer tank 36 the lower the flow rate of the anode gas when the anode pressure is increased, and the lower the kinetic energy, and the lower the discharge performance of the liquid water in the anode gas channel 121.
  • the pulsation width is corrected so as to increase, and the kinetic energy of the anode gas is ensured.
  • FIG. 6 is a diagram showing the magnitude of the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased according to the temperature of the buffer tank 36 when the pulsation width is the same.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating pulsation operation control according to the present embodiment.
  • the controller 4 repeatedly executes this routine every predetermined time (for example, 10 ms).
  • step S1 the controller 4 reads the output current as the stack load, the stack temperature, the outside air temperature, and the vehicle speed.
  • step S2 the controller 4 refers to the table in FIG. 8 and calculates the reference pressure of the anode pressure during the pulsation operation based on the output current. As shown in FIG. 8, the reference pressure of the anode pressure increases as the output current increases.
  • step S3 the controller 4 calculates a basic value of the pulsation width during pulsation operation (hereinafter referred to as “basic pulsation width”) based on the output current with reference to the table of FIG. As shown in FIG. 9, the basic pulsation width increases as the output current increases.
  • step S4 the controller 4 refers to the table of FIG. 10 and calculates the basic opening of the purge valve based on the stack temperature. As shown in FIG. 10, the basic opening of the purge valve increases as the stack temperature increases.
  • step S5 the controller 4 calculates the temperature of the buffer tank 36.
  • the temperature of the buffer tank 36 is calculated based on the stack temperature, the outside air temperature, and the vehicle speed.
  • step S6 the controller 4 determines whether or not the temperature of the buffer tank 36 is higher than the first predetermined temperature.
  • the first predetermined temperature is set to a temperature higher than the steady temperature (about 60 [° C.]) of the fuel cell stack 2 after completion of warm-up.
  • the controller 4 performs the process of step S10 if the temperature of the buffer tank 36 is higher than the first predetermined temperature, and performs the process of step S7 if it is low.
  • step S7 the controller 4 determines whether or not the temperature of the buffer tank 36 is lower than the second predetermined temperature.
  • the second predetermined temperature is set to a temperature lower than the steady temperature of the fuel cell stack 2 after the warm-up is completed.
  • the controller 4 performs the process of step S9 if the temperature of the buffer tank 36 is lower than the second predetermined temperature, and performs the process of step S8 if it is higher.
  • step S8 the controller 4 determines that the temperature of the buffer tank 36 is substantially equal to the steady temperature of the fuel cell stack 2, and periodically increases and decreases the anode pressure within the range of the basic pulsation width around the reference pressure. Carry out pulsation operation.
  • step S9 the controller 4 determines that the temperature of the buffer tank 36 is lower than the steady temperature of the fuel cell stack 2, and performs a low temperature pulsation width correction process so that the pulsation width is smaller than the reference pulsation width.
  • the low temperature pulsation width correction process will be described later with reference to FIG.
  • step S10 the controller 4 determines that the temperature of the buffer tank 36 is lower than the steady temperature of the fuel cell stack 2, and performs a high temperature pulsation width correction process so that the pulsation width becomes larger than the reference pulsation width.
  • the high temperature pulsation width correction process will be described later with reference to FIG.
  • step S11 the controller 4 controls the opening degree of the purge valve to the basic opening degree.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining the low-temperature pulsation width correction processing.
  • step S91 the controller 4 refers to the map of FIG. 12, and based on the temperature of the buffer tank 36, the maximum value of the pulsation width in which the minimum anode gas concentration in the flow path does not fall below the allowable lower limit anode gas concentration (hereinafter “allowable”). "Maximum pulsation width").
  • FIG. 12 is a map showing the relationship between the pulsation width when the anode pressure is reduced and the minimum anode gas concentration in the flow path for each temperature of the buffer tank 36.
  • step S92 the controller 4 performs pulsation operation by periodically increasing / decreasing the anode pressure in the range of the allowable maximum pulsation width around the reference pressure.
  • step S93 the controller 4 controls the opening degree of the purge valve to the basic opening degree.
  • FIG. 13 is a flowchart for explaining the high temperature pulsation width correction processing.
  • step S101 the controller 4 refers to the table of FIG. 14 and calculates the allowable lower limit kinetic energy based on the output current. As shown in FIG. 14, the allowable lower limit kinetic energy increases as the output current increases. This is because as the output current is larger, more water is generated by the electrode reaction (2) described above.
  • step S102 the controller 4 refers to the map of FIG. 15 and calculates the minimum value of the pulsation width that does not fall below the allowable lower limit kinetic energy (hereinafter referred to as “allowable minimum pulsation width”) based on the temperature of the buffer tank 36. To do.
  • FIG. 15 is a map showing the relationship between the pulsation width and the kinetic energy of the anode gas when the anode pressure is increased for each temperature of the buffer tank 36.
  • the pulsation width the smaller the amount of anode gas required to increase the anode pressure to the upper limit pressure. Therefore, the kinetic energy of the anode gas is Get smaller. If the pulsation width is the same, the higher the temperature of the buffer tank 36, the smaller the amount of anode gas required to increase the anode pressure to the upper limit pressure, so the kinetic energy of the anode gas becomes smaller.
  • step S103 the controller 4 performs pulsation operation by periodically increasing and decreasing the anode pressure in the range of the allowable minimum pulsation width around the reference pressure.
  • step S104 the controller 4 controls the opening degree of the purge valve to the basic opening degree.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of the low-temperature pulsation width correction process according to the present embodiment.
  • the thin solid line indicates the minimum anode gas concentration in the flow path when the temperature of the buffer tank 36 is the steady temperature of the fuel cell stack 2 according to the pulsation width.
  • the thick solid line shows the minimum anode gas concentration in the flow path when the temperature of the buffer tank 36 is a predetermined temperature lower than the steady temperature of the fuel cell stack 2, that is, the predetermined temperature lower than the second predetermined temperature. It is shown according to.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path is higher than the allowable lower limit anode gas concentration. Will also be low.
  • the pulsation width during pulsation operation is corrected so as to be smaller than the basic pulsation width based on the temperature of the buffer tank 36.
  • an allowable maximum pulsation width in which the minimum anode gas concentration in the flow path becomes the allowable lower limit anode gas concentration is calculated, and the pulsation operation is performed with the calculated allowable maximum pulsation width.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the operation of the high-temperature pulsation width correction processing according to the present embodiment.
  • a thin solid line indicates the kinetic energy of the anode gas when the temperature of the buffer tank 36 is the steady temperature of the fuel cell stack 2 according to the pulsation width.
  • the thick solid line indicates the kinetic energy of the anode gas when the temperature of the buffer tank 36 is higher than the steady temperature of the fuel cell stack 2, that is, when the temperature is higher than the first predetermined temperature, according to the pulsation width. It is shown.
  • the pulsation width when performing the pulsation operation is corrected based on the temperature of the buffer tank 36.
  • the pulsation width during pulsation operation is set, and the temperature of the buffer tank 36 is the fuel cell. It is made smaller than the pulsation width set when it is substantially equal to the steady temperature of the stack 2.
  • the pulsation width during pulsation operation is set, and the temperature of the buffer tank 36 is equal to that of the fuel cell stack 2.
  • the pulsation width is set larger than the steady temperature.
  • the pulsation width at the time of pulsation operation is set when the temperature of the buffer tank 36 is substantially equal to the steady temperature of the fuel cell stack 2. It was made smaller than the pulsation width set to.
  • the pulsation width during pulsation operation is reduced, the kinetic energy of the anode gas is reduced when the anode pressure is increased, and the discharge performance of the liquid water in the anode gas flow path 121 is reduced. Therefore, when the amount of water in the electrolyte membrane 111 is large and the electrolyte membrane 111 is in a wet state, it is desired to reduce the reduction width of the pulsation width from the basic pulsation width as much as possible.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the pulsation width and the minimum anode gas concentration in the flow path according to the opening of the purge valve 38 when the temperature of the buffer tank 36 is a predetermined temperature.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation width is the same increases the opening of the purge valve 38 and increases the anode gas concentration in the buffer tank 36. It gets higher. This is because as the anode gas concentration in the buffer tank 36 increases, the amount of nitrogen in the anode off-gas that flows back from the buffer tank 36 side to the anode gas flow path 121 decreases, and the amount of nitrogen remaining in the vicinity of the stagnation point decreases. It is to become.
  • the maximum allowable pulsation width increases as the opening of the purge valve 38 increases.
  • the opening degree of the purge valve 38 is made larger than the basic opening degree so that the anode gas concentration in the buffer tank 36 is made higher than usual.
  • FIG. 19 is a flowchart for explaining low temperature pulsation width correction processing according to the present embodiment.
  • step S291 the controller 4 calculates an internal high frequency resistance (HFR) (hereinafter referred to as “internal resistance”) of the fuel cell stack 2 in order to determine the wet state of the electrolyte membrane 111.
  • HFR high frequency resistance
  • step S292 the controller 4 determines whether or not the internal resistance of the fuel cell stack 2 is smaller than a predetermined value. If the internal resistance of the fuel cell stack 2 is smaller than the predetermined value, the controller 4 determines that the electrolyte membrane 111 is wet and performs the process of step S293. On the other hand, if the internal resistance of the fuel cell stack 2 is greater than or equal to a predetermined value, the process of step S91 is performed.
  • step S293 the controller 4 calculates the opening correction amount of the purge valve 38 based on the internal resistance of the fuel cell stack 2 with reference to the table of FIG. As shown in FIG. 20, the smaller the internal resistance of the fuel cell stack 2, that is, the greater the amount of moisture in the membrane of the electrolyte membrane 111, the larger the opening correction amount of the purge valve 38 and the purge valve 38. Increase the opening of.
  • step S294 the controller 4 refers to the table of FIG. 21 and calculates the correction amount of the allowable maximum pulsation width based on the opening correction amount of the purge valve 38. As shown in FIG. 21, the correction amount of the allowable maximum pulsation width increases as the opening correction amount of the purge valve 38 increases.
  • step S295 the controller 4 performs the pulsation operation with the pulsation width obtained by adding a correction amount to the allowable maximum pulsation width (hereinafter referred to as “corrected allowable maximum pulsation width”) around the reference pressure.
  • step S296 the controller 4 controls the opening of the purge valve 38 to a corrected opening obtained by adding an opening correction amount to the basic opening.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining the operation of the low-temperature pulsation width correction processing according to the present embodiment.
  • the thin solid line indicates the minimum anode gas concentration in the flow path when the temperature of the buffer tank is a predetermined temperature lower than the steady temperature of the fuel cell stack and the purge valve is at the basic opening, according to the pulsation width. It is shown.
  • the thick solid line shows the minimum anode gas concentration in the flow path when the temperature of the buffer tank is lower than the steady temperature of the fuel cell stack and the purge valve is larger than the basic opening, depending on the pulsation width. It is shown.
  • the purge valve depends on the internal resistance of the fuel cell stack 2.
  • the opening of 38 is made larger than the basic opening.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the discharge performance of the liquid water when the electrolyte membrane 111 is wet can be improved. It is possible to further suppress the occurrence of flooding.
  • FIG. 23 shows the relationship between the pulsation width, the kinetic energy of the anode gas, and the minimum anode gas concentration in the flow path when the temperature of the buffer tank 36 is a predetermined temperature higher than the steady temperature of the fuel cell stack 2.
  • the pulsation operation is performed so that the kinetic energy of the anode gas does not fall below the allowable lower limit kinetic energy. Correction was made so that the pulsation width at that time was larger than the basic pulsation width, and the pulsation operation was performed with the allowable minimum pulsation width.
  • the allowable lower limit kinetic energy changes according to the operating state of the fuel cell system. Therefore, as shown in FIG. 23, when the allowable lower limit kinetic energy is relatively small, the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width is higher than the allowable lower limit anode gas concentration. There is.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width may be lower than the allowable lower limit anode gas concentration.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width is larger than the allowable lower limit anode gas concentration
  • the minimum anode gas concentration in the flow path is the allowable lower limit anode gas.
  • the opening degree of the purge valve 38 is made smaller than the basic opening degree so as to decrease to the concentration.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path when pulsating with the allowable minimum pulsation width is lower than the allowable lower limit anode gas concentration
  • the minimum anode gas concentration in the flow path increases to the allowable lower limit anode gas concentration.
  • the opening degree of the purge valve 38 is made larger than the basic opening degree.
  • FIG. 24 is a flowchart for explaining the high-temperature pulsation width correction processing according to this embodiment.
  • step S301 the controller 4 refers to the map of FIG. 12 described above, and calculates the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width.
  • step S302 the controller 4 determines whether or not the calculated minimum anode gas concentration in the flow path is equal to or higher than the allowable lower limit anode gas concentration. If the calculated minimum anode gas concentration in the flow path is equal to or higher than the allowable lower limit anode gas concentration, the controller 4 performs the process of step S303. On the other hand, if the calculated minimum anode gas concentration in the flow path is smaller than the allowable lower limit anode gas concentration, the process of step S306 is performed.
  • step S303 the controller 4 calculates the opening correction amount of the purge valve 38 based on the concentration difference obtained by subtracting the allowable lower limit anode gas concentration from the calculated minimum anode gas concentration in the flow path with reference to the table of FIG. To do. As shown in FIG. 25, the opening correction amount of the purge valve 38 is set so that the opening of the purge valve 38 becomes smaller than the basic opening as the concentration difference increases.
  • step S304 the controller 4 sets the opening of the purge valve 38 to a corrected opening obtained by adding an opening correction amount to the basic opening of the purge valve 38.
  • step S305 the controller 4 performs the pulsation operation with the allowable minimum pulsation width around the reference pressure.
  • step S306 the controller 4 calculates the opening correction amount of the purge valve 38 based on the concentration difference obtained by subtracting the allowable lower limit anode gas concentration from the calculated minimum anode gas concentration in the flow path with reference to the table of FIG. To do. As shown in FIG. 26, the opening correction amount of the purge valve 38 is set so that the opening of the purge valve 38 becomes larger than the basic opening as the concentration difference increases.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining the operation when the minimum anode gas concentration in the flow path becomes higher than the allowable lower limit anode gas concentration when the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path is the allowable lower limit.
  • the opening degree of the purge valve 38 is made smaller than the basic opening degree so as to decrease to the anode gas concentration.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining the operation when the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width is lower than the allowable lower limit anode gas concentration.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path is the allowable lower limit.
  • the opening degree of the purge valve 38 is made larger than the basic opening degree so as to increase to the anode gas concentration.
  • the pulsation during pulsation operation is performed so that the kinetic energy of the anode gas does not fall below the allowable lower limit kinetic energy.
  • the width is corrected to be larger than the basic pulsation width, and the pulsation operation is performed with the allowable minimum pulsation width.
  • the minimum anode gas concentration in the flow channel when pulsating with the allowable minimum pulsation width is higher than the allowable lower limit anode gas concentration
  • the minimum anode gas concentration in the flow channel is reduced to the allowable lower limit anode gas concentration.
  • the opening of the purge valve 38 is made smaller than the basic opening.
  • the minimum anode gas concentration in the flow path when pulsating with the allowable minimum pulsation width is lower than the allowable lower limit anode gas concentration
  • the minimum anode gas concentration in the flow path is increased to the allowable lower limit anode gas concentration.
  • the opening degree of the purge valve 38 is made larger than the basic opening degree.
  • FIG. 29 is a flowchart illustrating pulsation operation control according to this embodiment.
  • the controller 4 repeatedly executes this routine every predetermined time (for example, 10 ms).
  • step S49 the controller 4 performs a low temperature purge valve opening correction process.
  • FIG. 30 is a flowchart for explaining a low temperature purge valve opening correction process.
  • step S491 the controller 4 refers to the map of FIG. 12 described above and calculates the minimum anode gas concentration in the flow path when the pulsation operation is performed with the basic pulsation width.
  • step S492 the controller 4 calculates the opening correction amount of the purge valve 38 based on the concentration difference obtained by subtracting the minimum anode gas concentration in the flow path from the calculated allowable lower limit anode gas concentration with reference to the table of FIG. To do. As shown in FIG. 31, the opening correction amount of the purge valve 38 is calculated so that the opening of the purge valve 38 becomes larger than the basic opening as the concentration difference increases.
  • step S493 the controller 4 sets the opening of the purge valve 38 to a corrected opening obtained by adding an opening correction amount to the basic opening of the purge valve 38.
  • step S494 the controller 4 performs the pulsation operation with the basic pulsation width around the reference pressure.
  • FIG. 32 is a diagram for explaining the operation of the purge valve opening correction process at low temperature according to this embodiment.
  • the pulsation width when the temperature of the buffer tank 36 is a predetermined temperature lower than the steady temperature of the fuel cell stack 2. It is the figure which showed the relationship with the minimum anode gas density
  • the opening degree of the purge valve 38 is made larger than the basic opening degree so that the lowest anode gas in the flow path increases to the allowable lower limit anode gas concentration. is there.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained by correcting only the opening degree of the purge valve 38 without correcting the pulsation width.
  • the temperature of the buffer tank 36 is calculated by calculation, but is not limited thereto.
  • a temperature sensor may be provided in the buffer tank 36 and the temperature of the buffer tank 36 may be directly detected.
  • the pulsation width is corrected based on the temperature of the buffer tank 36.
  • the present invention is not limited to this.
  • the volume of the anode gas supply passage 32 from the pressure regulating valve 38 to the fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as “upstream buffer volume”) is regarded as a buffer tank, and each of the above embodiments is based on the temperature in the upstream buffer volume.
  • the pulsation width may be corrected in the same manner as described above. Further, the pulsation width may be corrected according to the temperature difference between the fuel cell stack 2 and the buffer tank 36.
  • the pulsation width is corrected so as to be smaller than the basic pulsation width, and the minimum anode gas concentration in the flow path is
  • the pulsation operation is performed with the allowable maximum pulsation width so as not to be lower than the allowable lower limit anode gas concentration, it is not limited to this.
  • the pulsation operation may be performed with the pulsation width further smaller than the allowable maximum pulsation width.
  • the kinetic energy of the anode gas decreases as the pulsation width is reduced, the kinetic energy of the anode gas does not become smaller than the allowable lower limit kinetic energy, that is, the pulsation width does not become smaller than the allowable minimum pulsation width.
  • the pulsation width can be made smaller than the allowable maximum pulsation width.

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Abstract

　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムは、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように制御弁を制御する脈動運転手段と、バッファ部の温度に基づいて脈動幅を補正する脈動幅補正手段と、を備える。

Description

燃料電池システム
　本発明は燃料電池システムに関する。
　ＪＰ２００７－５１７３６９Ａに記載の燃料電池システムは、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とバッファタンク（リサイクルタンク）とを設けていた。
　この従来の燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、アノード圧力を制御する制御弁によって、運転状態に応じた脈動幅でアノードガスの圧力を増減圧させる脈動運転を実施していた。
　しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、バッファタンクの温度変化を考慮していなかった。そのため、バッファタンクの温度によっては、設定された脈動幅で脈動運転を実施すると、燃料電池スタック内部のアノードガス濃度が低下して発電の安定性が低下したり、液水の排出性能が低下するという問題点があった。
　本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、バッファタンクの温度の温度に応じて適切な脈動幅を設定することで、安定した発電を行うとともに、液水の排出性能を確保することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明のある態様によれば、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように制御弁を制御する脈動運転手段と、バッファ部の温度に基づいて脈動幅を補正する脈動幅補正手段と、を備える燃料電池システムが提供される。
　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１Ａは、燃料電池の概略斜視図である。 図１Ｂは、燃料電池の断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、定常運転時における脈動運転について説明する図である。 図４は、アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。 図５は、脈動幅が同じときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度をバッファタンクの温度に応じて示した図である。 図６は、脈動幅が同じときの、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーの大きさをバッファタンクの温度に応じて示した図である。 図７は、本発明の第１実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。 図８は、出力電流から基準圧を算出するテーブルである。 図９は、出力電流から基本脈動幅を算出するテーブルである。 図１０は、燃料電池スタックの温度からパージ弁の基本開度を算出するテーブルである。 図１１は、本発明の第１実施形態による低温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。 図１２は、アノード圧の減圧時における脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、バッファタンクの温度ごとに示したマップである。 図１３は、本発明の第１実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。 図１４は、出力電流から許容下限運動エネルギーを算出するテーブルである。 図１５は、アノード圧の増圧時における脈動幅とアノードガスの運動エネルギーとの関係を、バッファタンクの温度ごとに示したマップである。 図１６は、本発明の第１実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。 図１７は、本発明の第１実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。 図１８は、バッファタンクの温度が所定温度のときの、脈動幅ΔＰと流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁の開度に応じて示した図である。 図１９は、本発明の第２実施形態による低温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。 図２０は、内部抵抗からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。 図２１は、パージ弁の開度補正量から許容最大脈動幅の補正量を算出するテーブルである。 図２２は、本発明の第２実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。 図２３は、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも高い所定温度のときの、脈動幅と、アノードガスの運動エネルギー及び流路内最低アノードガス濃度と、の関係を示した図である。 図２４は、本発明の第３実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。 図２５は、濃度差からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。 図２６は、濃度差からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。 図２７は、本発明の第３実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。 図２８は、本発明の第３実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。 図２９は、本発明の第４実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。 図３０は、本発明の第４実施形態による低温時パージ弁開度補正処理について説明するフローチャートである。 図３１は、濃度差からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。 図３２は、本発明の第４実施形態による低温時パージ弁開度補正処理の作用について説明する図である。
　（第１実施形態）
　燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
　　　アノード電極　：　　２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-         　　…(１)
　　　カソード電極　：　　４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
　この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
　図１Ａは、燃料電池１０の概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池１０のＢ－Ｂ断面図である。
　燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
　ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
　電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
　アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
　カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。
　アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。
　カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。
　アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。
　このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
　図２は、本発明の一実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
　燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。
　燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。
　燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
　アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。
　高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
　アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。
　調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。
　圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。
　アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がバッファタンク３６の上部に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
　バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
　パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。図２では図示しないが、通常はカソード排出ラインへ排出される。
　パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が一定となるように調節する。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３８の開度を大きくするほどバッファタンク３６内の窒素濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。
　コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
　コントローラ４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する温度センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４３などの、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。
　コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク３６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。
　アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。
　そこで、本実施形態では調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
　以下、図３を参照して脈動運転について説明しつつ、アノード圧の減圧時にバッファタンク３６に溜めたアノードオフガスが燃料電池スタック２に逆流する理由について説明する。
　図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
　図３（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池スタック２にかかる負荷（以下「スタック負荷」という。）（出力電流）に基づいて、アノード圧の基準圧と脈動幅とを算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
　具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。
　時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
　また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。
　時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を全閉とする。
　ここで、前述したアノード圧の基準圧と脈動幅は、燃料電池スタック２の温度とバッファタンク３６の温度とが等しいことを前提に設定されたものである。具体的には、バッファタンク３６の温度が、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度（約６０［℃］）と等しいことを前提として設定されたものである。
　しかしながら、バッファタンク３６の温度は、燃料電池スタック２の暖機中には燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなる場合がある。また、バッファタンク３６の温度は、暖機完了後においても外気温度や走行風などの外部環境によって変動し、燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなったり高くなったりする場合がある。
　脈動運転を実施する場合、このようなバッファタンク３６の温度変化を考慮せずに脈動幅を設定してしまうと、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させる減圧時及びアノード圧を下限圧から上限圧まで増加させる増圧時において、それぞれ以下のような問題が生じることがわかった。
　まず、アノード圧の減圧時に生じる問題について説明する。
　アノード圧が所定の上限圧に達したときのバッファタンク３６の内部に存在するアノードガス（水素）の物質量は、バッファタンク３６の温度に応じて変化する。具体的には、バッファタンク３６内の圧力が同じであれば、バッファタンク３６の温度が低いときほど、バッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量は多くなる。
　アノード圧の減圧時には、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスとを消費させることで、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させている。そのため、バッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量が多くなるほど、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要なアノードガスの消費量が多くなるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなる。
　ここで、アノード圧の減圧時には、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他より低くなる部分が発生する。この理由について、図４を参照して説明する。
　図４は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。図４（Ａ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示した図である。図４（Ｂ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を、時間の経過に応じて示した図である。
　図４（Ａ）に示すように、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。また、同様にアノードガス供給通路３２にある高濃度のアノードガスも、圧力の低いアノードガス流路１２１へ流れ込んでくる。
　そうすると、アノードガス供給通路３２側からアノードガス流路１２１へ流れ込んでくるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速が略ゼロとなる淀み点が発生する。
　アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、前述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図４（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。
　アノードガス流路１２１内で最もアノードガス濃度が低くなる部分のアノードガス濃度（以下「流路内最低アノードガス濃度」という。）が、予め定められた許容下限アノードガス濃度を下回ると、その部分で前述した（１）及び（２）の電極反応が阻害されて電圧が負電圧に転じるおそれがあり、燃料電池１０を劣化させる原因となる。
　したがって、アノード圧の減圧時に流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回ることは避けなければならない。
　しかしながら、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときに、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度であることを前提に設定した脈動幅で脈動運転を実施すると、アノード圧が下限圧に低下するまでの時間が長くなって、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るおそれがある。
　そこで本実施形態では、バッファタンク３６の温度が低いときは、脈動幅が小さくなるように補正して、アノード圧が下限圧に低下するまでの時間を短くする。これにより、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回らないようにする。
　図５は、脈動幅が同じときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度をバッファタンク３６の温度に応じて示した図である。
　図５に示すように、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が低くなるほどアノード圧が下限圧に低下するまでの時間が長くなって、流路内最低アノードガス濃度が低下することがわかる。
　次に、アノード圧の増圧時に生じる問題について説明する。
　前述したように、アノード圧が所定の上限圧に達したときのバッファタンク３６の内部に存在するアノードガス（水素）の物質量は、バッファタンク３６の温度に応じて変化する。具体的には、バッファタンク３６内の圧力が同じであれば、バッファタンク３６の温度が高くなるほど、バッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量は少なくなる。
　そのため、バッファタンク３６の温度が高くなるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が少なくなる。その結果、バッファタンク３６の温度が高くなるほど、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの流速、ひいては運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下する。
　したがって、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高きときに、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と等しいことを前提にした脈動幅で脈動運転を実施すると、アノードガスの運動エネルギーが、アノードガス流路１２１内の液水を排出するために必要な運動エネルギーの最小値（以下「許容下限運動エネルギー」という。）を下回るおそれがある。
　そこで本実施形態では、バッファタンク３６の温度が高いときは、脈動幅が大きくなるように補正して、アノードガスの運動エネルギーを確保する。
　図６は、脈動幅が同じときの、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーの大きさをバッファタンク３６の温度に応じて示した図である。
　図６に示すように、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が高くなるほどアノードガスの運動エネルギーが低下することがわかる。
　以下、本実施形態による脈動運転制御について説明する。
　図７は、本実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。
　ステップＳ１において、コントローラ４は、スタック負荷としての出力電流、スタック温度、外気温度及び車速を読み込む。
　ステップＳ２において、コントローラ４は、図８のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時のアノード圧の基準圧を算出する。図８に示すように、出力電流が大きいときほど、アノード圧の基準圧は大きくなる。
　ステップＳ３において、コントローラ４は、図９のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時の脈動幅の基本値（以下「基本脈動幅」という。）を算出する。図９に示すように、出力電流が大きいときほど、基本脈動幅は大きくなる。
　ステップＳ４において、コントローラ４は、図１０のテーブルを参照し、スタック温度に基づいて、パージ弁の基本開度を算出する。図１０に示すように、スタック温度が高いときほど、パージ弁の基本開度は大きくなる。
　ステップＳ５において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度を算出する。本実施形態では、スタック温度、外気温度及び車速に基づいて、バッファタンク３６の温度を算出する。
　ステップＳ６において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第１所定温度よりも高いか否かを判定する。第１所定温度は、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度（約６０［℃］）よりも高い温度に設定される。コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第１所定温度よりも高ければステップＳ１０の処理を行い、低ければステップＳ７の処理を行う。
　ステップＳ７において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第２所定温度よりも低いか否かを判定する。第２所定温度は、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度よりも低い温度に設定される。コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第２所定温度よりも低ければステップＳ９の処理を行い、高ければステップＳ８の処理を行う。
　ステップＳ８において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度に概ね等しいと判断し、基準圧を中心として、基本脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。
　ステップＳ９において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いと判断し、脈動幅が基準脈動幅よりも小さくなるように、低温時脈動幅補正処理を実施する。低温時脈動幅補正処理については、図１１を参照して後述する。
　ステップＳ１０において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いと判断し、脈動幅が基準脈動幅よりも大きくなるように、高温時脈動幅補正処理を実施する。高温時脈動幅補正処理については、図１３を参照して後述する。
　ステップＳ１１において、コントローラ４は、パージ弁の開度を基本開度に制御する。
　図１１は、低温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
　ステップＳ９１において、コントローラ４は、図１２のマップを参照し、バッファタンク３６の温度に基づいて、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回らない脈動幅の最大値（以下「許容最大脈動幅」という。）を算出する。
　図１２は、アノード圧の減圧時における脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、バッファタンク３６の温度ごとに示したマップである。
　図１２に示すように、バッファタンク３６の温度が同じであれば、脈動幅を小さくするほどアノード圧を下限圧まで低下させるのに必要な時間が短くなるので、流路内最低アノードガス濃度は高くなる。また、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が低くなるほどバッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量が多くなり、アノード圧を下限圧まで低下させるのに必要な時間が長くなるので、流路内最低アノードガス濃度は低くなる。
　ステップＳ９２において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最大脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。
　ステップＳ９３において、コントローラ４は、パージ弁の開度を基本開度に制御する。
　図１３は、高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
　ステップＳ１０１において、コントローラ４は、図１４のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、許容下限運動エネルギーを算出する。図１４に示すように、出力電流が大きいときほど、許容下限運動エネルギーは大きくなる。これは、出力電流が大きいときほど、前述した（２）の電極反応によって生じる生成水が多くなるためである。
　ステップＳ１０２において、コントローラ４は、図１５のマップを参照し、バッファタンク３６の温度に基づいて、許容下限運動エネルギーを下回らない脈動幅の最小値（以下「許容最小脈動幅」という。）を算出する。
　図１５は、アノード圧の増圧時における脈動幅とアノードガスの運動エネルギーとの関係を、バッファタンク３６の温度ごとに示したマップである。
　図１５に示すように、バッファタンク３６の温度が同じであれば、脈動幅を小さくするほどアノード圧を上限圧まで増加させるために必要なアノードガス量が少なくなるので、アノードガスの運動エネルギーは小さくなる。また、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が高くなるほどアノード圧を上限圧まで増加させるために必要なアノードガス量が少なくなるので、アノードガスの運動エネルギーは小さくなる。
　ステップＳ１０３において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最小脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。
　ステップＳ１０４において、コントローラ４は、パージ弁の開度を基本開度に制御する。
　図１６は、本実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。図１６において、細い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度のときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。一方、太い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低い所定温度のとき、すなわち第２所定温度よりも低い所定温度ときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。
　図１６に太い実線で示すように、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときに基本脈動幅で脈動運転すると、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くなってしまう。
　そこで、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときは、バッファタンク３６の温度に基づいて、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも小さくなるように補正する。具体的には、バッファタンク３６の温度に基づいて、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度となる許容最大脈動幅を算出し、その算出した許容最大脈動幅で脈動運転する。これにより、アノード圧の減圧時に流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できる。
　図１７は、本実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。図１７において、細い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度のときのアノードガスの運動エネルギーを、脈動幅に応じて示したものである。一方、太い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高い所定温度のとき、すなわち第１所定温度よりも高い所定温度ときのアノードガスの運動エネルギーを、脈動幅に応じて示したものである。
　図１７に太い実線で示すように、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よいも高いときに基本脈動幅で脈動運転すると、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーよりも小さくなってしまう。
　そこで、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いときは、バッファタンク３６の温度に基づいて、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも大きくなるように補正する。具体的には、バッファタンク３６の温度に基づいて、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーとなる許容最小脈動幅を算出し、その算出した許容最小脈動幅で脈動運転する。これにより、アノード圧の増圧時に、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回るのを抑制できる。
　以上説明した本実施形態によれば、バッファタンク３６の温度に基づいて、脈動運転を実施するときの脈動幅を補正することにした。
　具体的には、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いとき、すなわち第２所定温度よりも低いときは、脈動運転時の脈動幅を、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と略等しいときに設定される脈動幅よりも小さくする。
　これにより、アノード圧の減圧時において、アノード圧が下限圧に低下するまでの時間が短くなるので、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できる。よって、前述した（１）及び（２）の電極反応が阻害されて電圧が負電圧に転じるおそれもなく、安定した発電を実施できるとともに、燃料電池１０の劣化も抑制することができる。
　また、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いとき、すなわち第１所定温度よりも高いときは、脈動運転時の脈動幅を、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と略等しいときに設定される脈動幅よりも大きくする。
　これにより、アノード圧の増圧時において、脈動幅が増加した分だけアノードガスの運動エネルギーが増加するので、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回るのを抑制できる。よって、液水の排出性能を確保することができ、アノードガス流路１２１内でフラッディングが発生するのを抑制できる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、電解質膜１１１の湿潤状態に応じてパージ弁３８の開度を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
　第１実施形態では、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときは、脈動運転時の脈動幅を、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と略等しいときに設定される脈動幅よりも小さくしていた。
　しかしながら、脈動運転時の脈動幅を小さくしてしまうと、アノード圧の増圧時においてアノードガスの運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下してしまう。したがって、電解質膜１１１の膜中の水分量が多く、電解質膜１１１が湿った状態のときは、基本脈動幅からの脈動幅の下げ幅をできるだけ小さくしたい。
　図１８は、バッファタンク３６の温度が所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁３８の開度に応じて示した図である。
　図１８に示すように、アノード圧の減圧時において、脈動幅が同じときの流路内最低アノードガス濃度は、パージ弁３８の開度を大きくしてバッファタンク３６内のアノードガス濃度を高くするほど高くなる。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を高くするほど、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１に逆流してくるアノードオフガス中の窒素量が少なくなり、淀み点近傍に滞留する窒素が少なくなるためである。
　したがって、図１８に示すように、パージ弁３８の開度を多くするほど、許容最大脈動幅が大きくなる。
　そこで本実施形態では、電解質膜１１１が湿った状態のときは、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくして、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を通常よりも高くする。これにより、許容最大脈動幅を大きくすることができるので、基本脈動幅からの脈動幅の下げ幅を小さくすることができる。
　図１９は、本実施形態による低温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
　ステップＳ２９１において、コントローラ４は、電解質膜１１１の湿潤状態を判断するために、燃料電池スタック２の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）（以下「内部抵抗」という。）を算出する。電解質膜１１１の湿潤状態と燃料電池スタック２の内部抵抗との間には相関関係があることが知られており、燃料電池スタック２の内部抵抗が低いほど膜中の水分量が多く、電解質膜１１１が濡れた状態となる。
　ステップＳ２９２において、コントローラ４は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラ４は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さければ、電解質膜１１１が湿った状態であると判断してステップＳ２９３の処理を行う。一方で、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値以上であればステップＳ９１の処理を行う。
　ステップＳ２９３において、コントローラ４は、図２０のテーブルを参照し、燃料電池スタック２の内部抵抗に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図２０に示すように、燃料電池スタック２の内部抵抗が小さいときほど、すなわち、電解質膜１１１の膜中の水分量が多いときほど、パージ弁３８の開度補正量を大きくしてパージ弁３８の開度を大きくする。
　ステップＳ２９４において、コントローラ４は、図２１のテーブルを参照し、パージ弁３８の開度補正量に基づいて、許容最大脈動幅の補正量を算出する。図２１に示すように、パージ弁３８の開度補正量が大きいときほど、許容最大脈動幅の補正量は大きくなる。
　ステップＳ２９５において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最大脈動幅に補正量を加えた脈動幅（以下「補正許容最大脈動幅」という。）で脈動運転を実施する。
　ステップＳ２９６において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を、基本開度に開度補正量を加えた補正開度に制御する。
　図２２は、本実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。図２２において、細い実線は、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも低い所定温度であって、パージ弁が基本開度のときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。一方、太い実線は、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも低い所定温度であって、パージ弁が基本開度よりも大きいときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。
　図２２に太い実線で示すように、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも低く、かつ、電解質膜１１１が湿った状態のときは、燃料電池スタック２の内部抵抗に応じてパージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。これにより、流路内最低アノードガス濃度を高くすることができるので、許容最大脈動幅を補正許容最大脈動幅まで大きくすることができ、基本脈動幅からの脈動幅の下げ幅を小さくすることができる。
　したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、電解質膜１１１が湿った状態のときの液水の排出性能を向上させることができるので、アノードガス流路１２１内でフラッディングが発生するのをより一層抑制できる。
　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、高温時脈動幅補正処理の実施時に、脈動幅を高くすると共にパージ弁３８の開度を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
　図２３は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高い所定温度のときの、脈動幅と、アノードガスの運動エネルギー及び流路内最低アノードガス濃度と、の関係を示した図である。
　図２３に示すように、第１実施形態では、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いときは、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回らないように、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも大きくなるように補正し、許容最小脈動幅で脈動運転を実施していた。
　しかしながら、許容下限運動エネルギーは燃料電池システムの運転状態に応じて変化する。そのため、図２３に示すように、許容下限運動エネルギーが比較的小さい場合には、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度よりも高くなることがある。
　一方で、許容下限運動エネルギーが比較的大きい場合には、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度よりも低くなることがある。
　そこで本実施形態では、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも大きくなると判断したときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで低下するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも小さくする。これにより、パージ通路から排出されるアノードガス量を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。
　一方で、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くなると判断したときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。以下、本実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明する。
　図２４は、本実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
　ステップＳ３０１において、コントローラ４は、前述した図１２のマップを参照し、許容最小脈動幅で脈動運転を実施したときの流路内最低アノードガス濃度を算出する。
　ステップＳ３０２において、コントローラ４は、算出した流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度以上か否かを判定する。コントローラ４は、算出した流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度以上であればステップＳ３０３の処理を行う。一方で、算出した流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも小さければステップＳ３０６の処理を行う。
　ステップＳ３０３において、コントローラ４は、図２５のテーブルを参照し、算出した流路内最低アノードガス濃度から許容下限アノードガス濃度を引いた濃度差に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図２５に示すように、濃度差が大きくなるほどパージ弁３８の開度が基本開度に対して小さくなるように、パージ弁３８の開度補正量が設定される。
　ステップＳ３０４において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を、パージ弁３８の基本開度に開度補正量を加えた補正開度にする。
　ステップＳ３０５において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最小脈動幅で脈動運転を実施する。
　ステップＳ３０６において、コントローラ４は、図２６のテーブルを参照し、算出した流路内最低アノードガス濃度から許容下限アノードガス濃度を引いた濃度差に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図２６に示すように、濃度差が大きくなるほどパージ弁３８の開度が基本開度に対して大きくなるように、パージ弁３８の開度補正量が設定される。
　次に、図２７及び図２８を参照して、本実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する。
　図２７は、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より高くなる場合の作用について説明する図である。
　図２７に示すように、許容最小脈動幅で脈動運転を実施した場合に、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を上回っているときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで低下するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも小さくする。これにより、パージ通路から排出されるアノードガス量を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。
　図２８は、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より低くなる場合の作用について説明する図である。
　図２８に示すように、許容最小脈動幅で脈動運転を実施した場合に、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回っているときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。これにより、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度より高い場合であっても、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できるので、より安定した発電を実施することができる。
　以上説明した本実施形態によれば、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いときは、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回らないように、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも大きくなるように補正し、許容最小脈動幅で脈動運転する。
　そして、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より高くなるときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで低下するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも小さくする。これにより、パージ通路から排出されるアノードガス量を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。
　一方、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より低くなるときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。これにより、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度より高い場合であっても、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できるので、より安定した発電を実施することができる。
　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときに、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回らないようにパージ弁３８の開度のみを補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
　図２９は、本実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。
　ステップＳ４９において、コントローラ４は、低温時パージ弁開度補正処理を実施する。
　図３０は、低温時パージ弁開度補正処理について説明するフローチャートである。
　ステップＳ４９１において、コントローラ４は、前述した図１２のマップを参照し、基本脈動幅で脈動運転を実施したときの流路内最低アノードガス濃度を算出する。
　ステップＳ４９２において、コントローラ４は、図３１のテーブルを参照し、算出した許容下限アノードガス濃度から流路内最低アノードガス濃度を引いた濃度差に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図３１に示すように、濃度差が大きくなるほどパージ弁３８の開度が基本開度に対して大きくなるように、パージ弁３８の開度補正量が算出される。
　ステップＳ４９３において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を、パージ弁３８の基本開度に開度補正量を加えた補正開度にする。
　ステップＳ４９４において、コントローラ４は、基準圧を中心として、基本脈動幅で脈動運転を実施する。
　図３２は、本実施形態による低温時パージ弁開度補正処理の作用について説明する図であり、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低い所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を示した図である。
　図３２に示すように、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときは、基本脈動幅で脈動運転すると、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くなってしまう。
　そこで、本実施形態では、基本脈動幅で脈動運転したときに、流路内最低アノードガスが許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくしたのである。このように、脈動幅を補正せず、パージ弁３８の開度のみを補正することでも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　上記各実施形態では、バッファタンク３６の温度を演算によって算出していたが、これに限られるものではない。例えば、バッファタンク３６に温度センサを設け、バッファタンク３６の温度を直接検出しても良い。
　また、上記各実施形態では、バッファタンク３６の温度に基づいて脈動幅を補正していたが、これに限られるものではない。例えば、調圧弁３８から燃料電池スタック２までのアノードガス供給通路３２の容積（以下「上流バッファ容積」という。）をバッファタンクに見立て、その上流バッファ容積内の温度に基づいて、上記各実施形態と同様に脈動幅を補正しても良い。また、燃料電池スタック２とバッファタンク３６の温度差に応じて脈動幅を補正しても良い。
　また、上記第１実施形態では、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の温度よりも低いときは、脈動幅が基本脈動幅よりも小さくなるように補正し、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くならないように許容最大脈動幅で脈動運転していが、これに限られるものではない。例えば、脈動幅を小さくするほど流路内アノードガス濃度は高くなるので、脈動幅を許容最大脈動幅よりもさらに小さくして脈動運転しても良い。
　この場合、脈動幅を小さくするほどアノードガスの運動エネルギーが低下するので、アノードガスに運動エネルギーが許容下限運動エネルギーよりも小さくならない範囲、すなわち脈動幅が許容最小脈動幅よりも小さくならない範囲で、脈動幅を許容最大脈動幅よりも小さくすることができる。これにより、発電性能を確保しつつ、液水の排出性能も確保することができる。
　本願は、２０１１年６月２日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－１２４２２０号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (12)

  1. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池（１０）に供給して発電する燃料電池システム（１）であって、
    　前記燃料電池（１０）に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁（３３）と、
    　前記燃料電池（１０）から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部（３６）と、
    　アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁（３３）を制御する脈動運転手段（４）と、
    　前記バッファ部（３６）の温度に基づいて、前記脈動幅を補正する脈動幅補正手段（４）と、
    を備える燃料電池システム（１）。
  2. 　前記脈動幅補正手段（４）は、
    　　前記バッファ部（３６）の温度が前記燃料電池（１０）の定常温度よりも低いときに、前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路のアノードガス濃度が、所定の許容下限濃度を下回らないように、前記脈動幅を小さくする、
    請求項１に記載の燃料電池システム（１）。
  3. 　前記脈動幅補正手段（４）は、
    　　前記脈動幅を小さくするときのその脈動幅の下限値を、前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路を流れるアノードガスの運動エネルギーが、そのアノードガス流路に存在する液水を前記バッファ部（３６）へと排出することができる許容下限運動エネルギーを下回らないように設定する、
    請求項２に記載の燃料電池システム（１）。
  4. 　前記バッファ部（３６）から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁（３８）と、
    　前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システム（１）の運転状態に応じた開度に前記パージ弁（３８）を制御するパージ弁制御手段（４）と、
    　前記燃料電池（１０）の湿潤状態を判断する湿潤状態判断手段（４）と、
    　前記燃料電池（１０）の湿潤状態に基づいて、前記パージ弁（３８）の開度を大きくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くし、前記脈動幅を小さくするときの下げ幅を少なくする湿潤時パージ弁開度補正手段（４）と、
    をさらに備える請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム（１）。
  5. 　前記脈動幅補正手段（４）は、
    　　前記バッファ部（３６）の温度が前記燃料電池（１０）の定常温度よりも高いときに、前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路を流れるアノードガスの運動エネルギーが、そのアノードガス流路に存在する液水を前記バッファ部（３６）へと排出することができる許容下限運動エネルギーを下回らないように、前記脈動幅を大きくする、
    請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム（１）。
  6. 　前記バッファ部（３６）から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁（３８）と、
    　前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システム（１）の運転状態に応じた開度に前記パージ弁（３８）を制御するパージ弁制御手段（４）と、
    　前記脈動幅補正手段（４）によって前記脈動幅が大きくなるように補正したときに、その補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路の最低濃度を算出する最低濃度算出手段（４）と、
    　算出した最低濃度に応じて、前記パージ弁（３８）の開度を補正する高温時パージ弁開度補正手段（４）と、
    をさらに備える請求項５に記載の燃料電池システム（１）。
  7. 　前記高温時パージ弁開度補正手段（４）は、
    　　前記算出した最低濃度が所定の許容下限濃度よりも高いときは、前記補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路の最低濃度が許容下限濃度まで低下するように、前記パージ弁（３８）の開度を小さくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも低くする、
    請求項６に記載の燃料電池システム（１）。
  8. 　前記高温時パージ弁開度補正手段（４）は、
    　　前記算出した最低濃度が所定の許容下限濃度よりも低いときは、前記補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路の最低濃度が許容下限濃度まで増加するように、前記パージ弁（３８）の開度を大きくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くする、
    請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システム（１）。
  9. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池（１０）に供給して発電する燃料電池システム（１）であって、
    　前記燃料電池（１０）に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁（３３）と、
    　前記燃料電池（１０）から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部（３６）と、
    　前記バッファ部（３６）から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁（３８）と、
    　アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁（３３）を制御する脈動運転手段（４）と、
    　前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システム（１）の運転状態に応じた開度に前記パージ弁（３８）を制御するパージ弁制御手段（４）と、
    　前記バッファ部（３６）の温度が前記燃料電池（１０）の定常温度よりも低いときに、前記パージ弁（３８）の開度を大きくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くする低温時パージ弁開度補正手段（４）と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム（１）。
  10. 　前記低温時パージ弁開度補正手段（４）は、
    　　前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路のアノードガス濃度が所定の許容下限濃度を下回らないように、前記パージ弁（３８）の開度を大きくする、
    請求項９に記載の燃料電池システム（１）。
  11. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システム（１）であって、
    　前記燃料電池（１０）に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁（３３）と、
    　前記燃料電池（１０）から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部（３６）と、
    　アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁（３３）を制御する脈動運転手段（４）と、
    　前記制御弁（３３）から前記燃料電池（１０）までのアノードガス流路の容積温度に基づいて、前記脈動幅を補正する脈動幅補正手段（４）と、
    を備える燃料電池システム（１）。
  12. 　前記脈動運転手段（４）は、前記燃料電池（１０）の負荷が高いときほど、前記脈動幅を大きくする、
    請求項１から請求項１１までのいずれか１つに記載の燃料電池システム（１）。
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