(57)【要約】【課題】低負荷状態において、パージされるガス中の燃料ガス濃度を抑えつつ、燃料ガス流路の水分を好適に排出する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０と、パージ弁２６と、モータ４１が燃料電池スタック１０に要求する負荷要求量を算出する負荷要求量算出手段と、負荷要求量算出手段が算出した負荷要求量に基づいて、アノード流路１２における水素の目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、圧力算出手段が算出した目標圧力に基づいて、アノード流路１２における水素の圧力を制御する圧力制御手段と、を備え、パージ弁２６がパージする場合において、目標圧力算出手段の算出した目標圧力が所定値以下であるとき、圧力制御手段は、水素の圧力を目標圧力よりも低くし、パージ弁２６は、水素の圧力が低くされた状態で、パージする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路からの燃料オフガスをパージするパージ手段と、
負荷が前記燃料電池に要求する負荷要求量を算出する負荷要求量算出手段と、
前記負荷要求量算出手段が算出した負荷要求量に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、
前記圧力算出手段が算出した目標圧力に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
を備え、
前記パージ手段がパージする場合において、前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力が所定値以下であるとき、
前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を前記目標圧力よりも低くし、
前記パージ手段は、燃料ガスの圧力が低くされた状態で、パージする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記パージ手段の下流に、パージされた燃料オフガスと、希釈用ガスとを混合し、燃料オフガス中の燃料ガスを希釈する希釈手段を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記負荷要求量算出手段の算出する負荷要求量が増加している場合、前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を低くしない
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス流路における水分量を算出する水分量算出手段を備え、
前記圧力制御手段は、前記水分量算出手段の算出する水分量が少ないほど、圧力の低下量を小さくする
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路からの燃料オフガスをパージするパージ手段と、
を備え、
負荷が前記燃料電池に要求する負荷要求量に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの目標圧力を算出し、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を前記目標圧力に制御する燃料電池システムの運転方法であって、
前記パージ手段によってパージする場合において、前記目標圧力が所定値以下であるとき、
燃料ガスの圧力を前記目標圧力よりも低くし、燃料ガスの圧力が低い状態で、前記パージ手段によってパージする
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。
【０００３】
このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水分（水蒸気）を生成し、その一部は、電解質膜をアノードに向かって透過し、透過した水分は、アノードの表面に付着する。このようにアノードの表面に水分が付着すると、水素がアノードに供給されず、燃料電池の電圧（セル電圧）が低下し、燃料電池の発電性能が低下する。
【０００４】
そこで、燃料電池の電圧が低下した場合、アノード流路（燃料ガス流路）の下流に設けられたパージ弁（パージ手段）を開き、アノード流路内のガスと共に、前記水分をパージする技術が提案されている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８０８０１号公報
【特許文献２】特開２００７−２７１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、燃料電池のアノード流路におけるガス（水素を含む）の圧力は、外部の負荷（例えばモータ）が燃料電池に要求する要求電流値（負荷要求量）に基づいて制御される。すなわち、要求電流値が大きくなると、アノード流路におけるガスの圧力が高くなるように制御され、要求電流値が小さくなると、圧力が低くなるように制御される。
そうすると、要求電流値が小さく、水素の圧力が低い状態（低負荷状態という）では、前記したパージ弁を開いたとしても、アノード流路内の水分が、アノード流路から排出されにくくなる。
【０００７】
そこで、アノード流路のガスの圧力を一時的に高めた後、パージ弁を開く技術が考えられる。ところが、このように圧力が高い状態でパージ弁を開くと、パージされるガスに含まれる水素の瞬間的な流量が増加し、水素濃度が高くなってしまい、パージ弁の開時間を短くする必要がある。
【０００８】
そこで、本発明は、低負荷状態において、パージされるガス中の燃料ガス濃度を抑えつつ、燃料ガス流路の水分を好適に排出する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路からの燃料オフガスをパージするパージ手段と、負荷が前記燃料電池に要求する負荷要求量を算出する負荷要求量算出手段と、前記負荷要求量算出手段が算出した負荷要求量に基づいて、前記燃料ガス流路（後記する実施形態では燃料ガス流路の入口）における燃料ガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、前記圧力算出手段が算出した目標圧力に基づいて、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、を備え、前記パージ手段がパージする場合において、前記目標圧力算出手段の算出した目標圧力が所定値以下であるとき、前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を前記目標圧力よりも低くし、前記パージ手段は、燃料ガスの圧力が低くされた状態で、パージすることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、パージ手段がパージする場合において、目標圧力算出手段の算出した目標圧力が所定値以下であるとき、つまり、負荷要求量が小さい低負荷状態であるとき、圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を目標圧力よりも低くする。そうすると、燃料ガス流路の入口圧力及び出口圧力が低下すると共に、燃料ガス流路及びその前後の流路のガス（燃料ガス、燃料オフガス）が体積膨張する。これにより、単位体積当たりの燃料ガスの密度が低下し、燃料ガスの濃度が低下すると共に、燃料ガス流路の前後の差圧が大きくなる。
【００１１】
このように、ガスが体積膨張し、差圧が大きい状態で、パージ手段がパージするので、燃料ガス流路を体積膨張したガスが通流することになり、燃料ガス流路に残留する水分が、燃料ガス流路から好適に押し出され、その下流に排出される。これにより、燃料ガスが燃料電池のアノードに適切に供給され、燃料電池の発電性能が速やかに回復する。
【００１２】
また、体積膨張によって燃料ガスの密度及び濃度が低下しているので、パージ手段によってパージされる燃料オフガス中の燃料ガス濃度が急上昇することはなく抑えられる。これにより、パージ手段によるパージ時間を長くし、１回当たりのパージ量も増加できる。したがって、水分や不純物（水蒸気、窒素等）を速やかにパージでき、燃料電池の発電性能が速やかに回復する。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記パージ手段の下流に、パージされた燃料オフガスと、希釈用ガスとを混合し、燃料オフガス中の燃料ガスを希釈する希釈手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、希釈手段によって、パージされた燃料オフガスと、希釈用ガス（後記する実施形態では、酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガス（カソードオフガス））とを混合し、燃料オフガス中の燃料ガスを希釈できる。
この場合において、前記したように、パージされる燃料オフガス中の燃料ガス濃度は、体積膨張により抑えられているので、希釈手段に導入される希釈用ガスの流量を少なくしたり、希釈手段の希釈能力（後記する実施形態では希釈器の大きさ）を小さくできる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記負荷要求量算出手段の算出する負荷要求量が増加している場合、前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を低くしないことを特徴とする。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、負荷要求量が増加している場合、これに対応して、目標圧力が高くなり、これに従って圧力制御手段が圧力を高めるので、パージ手段が通常にパージしても、燃料ガス流路の水分が排出されやすい状態に近づく。
したがって、このようにパージ手段が通常にパージしても、水分が排出されやすい状態に近づく場合、圧力制御手段が燃料ガスの圧力を低くしないことにより、燃料ガスの圧力低下に要する処理や時間を省略できる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス流路における水分量を算出する水分量算出手段を備え、前記圧力制御手段は、前記水分量算出手段の算出する水分量が少ないほど、圧力の低下量を小さくすることを特徴とする。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、水分量算出手段の算出する水分量が少ないほど、圧力制御手段が圧力の低下量を小さくし、燃料ガス流路前後の差圧を小さくする。逆に、水分量算出手段の算出する水分量が多いほど、圧力制御手段が圧力の低下量を大きくし、差圧を大きくする。
このように燃料ガス流路における水分量に対応して、圧力の低下量及びアノード流路前後の差圧並びに体積膨張の程度を適切とし、燃料ガス流路の水分を適切に排出できる。
【００１９】
また、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路からの燃料オフガスをパージするパージ手段と、を備え、負荷が前記燃料電池に要求する負荷要求量に基づいて、前記燃料ガス流路（後記する実施形態では燃料ガス流路の入口）における燃料ガスの目標圧力を算出し、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を前記目標圧力に制御する燃料電池システムの運転方法であって、前記パージ手段によってパージする場合において、前記目標圧力が所定値以下であるとき、燃料ガスの圧力を前記目標圧力よりも低くし、燃料ガスの圧力が低い状態で、前記パージ手段によってパージすることを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
【００２０】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、パージ手段によってパージする場合において、目標圧力が所定値以下であるとき、つまり、負荷要求量が小さい低負荷状態であるとき、燃料ガスの圧力を目標圧力よりも低くする。これにより、燃料ガス流路の入口圧力及び出口圧力が低下し、燃料ガス流路及びその前後の流路のガス（燃料ガス、燃料オフガス）が体積膨張し、単位体積当たりの燃料ガスの密度及び濃度が低下すると共に、燃料ガス流路の前後の差圧が大きくなる。
【００２１】
そして、ガスが体積膨張し、差圧が大きい状態で、パージ手段によってパージするので、燃料ガス流路を体積膨張したガスが通流することになり、燃料ガス流路に残留する水分が、燃料ガス流路から好適に押し出され、その下流に排出される。これにより、燃料ガスが燃料電池のアノードに適切に供給され、燃料電池の発電性能が速やかに回復する。
【００２２】
また、体積膨張によって燃料ガス密度及び濃度が低下しているので、パージ手段によってパージされる燃料オフガス中の燃料ガス濃度が急上昇することはなく抑えられる。これにより、パージ手段によるパージ時間を長くし、１回当たりのパージ量も増加でき、水分や不純物（水蒸気、窒素等）を速やかにパージでき、燃料電池の発電性能が速やかに回復する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低負荷状態において、パージされるガス中の燃料ガス濃度を抑えつつ、燃料ガス流路の水分を好適に排出する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す図である。
【図３】（ａ）はアノード流路の入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との関係を示すグラフであり、（ｂ）はアノード流路の入口圧力Ｐ１と、アノード流路前後の差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）との関係を示すグラフである。
【図４】要求電流値（アクセル開度）と、目標圧力との関係を示すマップである。
【図５】アノード流路の水分量（平均セル電圧−最低セル電圧、最低セル電圧）と、目標圧力を低下すべき圧力低下量との関係を示すマップである。
【図６】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は第１実施形態（実施例）に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートであり、（ｂ）は比較例に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。
【図８】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
【００２６】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１５と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２７】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２８】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
【００２９】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セル１１に水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３０】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と後記するモータ４１等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３１】
このようにカソードで水分（水蒸気）が生成するため、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となり、水分（水蒸気、結露水等）を含む。また、カソードで生成した水分の一部は、電解質膜をアノードに向かって透過（クロスリーク）するので、アノードから排出されるアノードオフガスも、多湿となり、水分を含む。さらに、透過した水分Ｗは、アノードの表面に付着する（図２参照）。
【００３２】
ここで、図２、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、アノード流路１２の流路断面積は、配管２４ａ、配管２５ａ、配管２５ｂ、配管２６ａ等の流路断面積よりも小さく、また、アノード流路１２は長いため、アノード流路１２の出口圧力Ｐ２は、入口圧力Ｐ１よりも低くなり、アノード流路１２の前後で差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）が発生する。
しかも、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、差圧ΔＰは、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１が低くなるほど、大きくなるという特性を有している。
【００３３】
＜セル電圧モニタ＞
図１に戻って説明を続ける。
セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１５）は、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３４】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２４と、逆止弁２５と、常閉型のパージ弁２６（パージ手段）と、を備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁２３、配管２３ａ、エゼクタ２４、配管２４ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から遮断弁２２等を通って、アノード流路１２に供給されるようになっている。
【００３５】
減圧弁２３は、例えば、特開２００４−１８５８３１号公報、特開２００４−１８５８７２号公報、特開２００６−１５６２０８号公報に記載されるように、カソード系の後記する配管３１ａから配管２３ｂを通って供給される空気の圧力をパイロット圧力（信号圧）として作動し、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１（図２参照）を制御するものである。なお、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１が制御されると、アノード流路１２内の圧力も当然に制御される。
【００３６】
また、配管２３ｂの途中は、配管２７ａを介して、インジェクタ２７に接続されている。そして、インジェクタ２７が、ＥＣＵ６０からの開指令（パルス信号）に従って開くと、空気が車外に噴射され、インジェクタ２７がリリーフ弁として機能し、配管２７ａ及び配管２３ｂの圧力、つまり、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力が下がるようになっている。
【００３７】
すなわち、ＥＣＵ６０が、インジェクタ２７をＰＷＭ制御することで、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力が制御され、これにより、減圧弁２３の二次側圧力、つまり、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１が制御されるようになっている。よって、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１を制御する圧力制御手段は、減圧弁２３と、インジェクタ２７と、ＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
なお、配管２７ａの接続位置よりも上流の配管２３ｂには、オリフィス（図示しない）が設けられている。
【００３８】
アノード流路１２の出口は、配管２５ａ、逆止弁２５、配管２５ｂを介して、エゼクタ２４の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１２（アノード）から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）が、エゼクタ２４に戻され、その結果、水素が循環するようになっている。
【００３９】
なお、配管２５ａには気液分離器（図示しない）が設けられており、この気液分離器によって、循環する水素に同伴する水分が分離されるようになっている。また、配管２５ａ及び配管２５ｂは燃料ガス循環ラインを構成している。
そして、逆止弁２５が燃料ガス循環ラインに設けられているので、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２が低い低負荷状態において、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１を低下させた場合、逆止弁２５によって、アノードオフガスのエゼクタ２４への通流が許容されにくく、その結果、入口圧力Ｐ１と出口圧力Ｐ２との差圧ΔＰが大きくなるようになっている。
【００４０】
また、配管２５ａは、その途中で、配管２６ａ、パージ弁２６、配管２６ｂを介して、後記する希釈器３３に接続されている。パージ弁２６は、燃料電池スタック１０の発電中において、アノード流路１２内の水分（結露水、水蒸気）や、配管２５ａ、２５ｂを循環する不純物（水水分、窒素等）をパージ（排出）する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、最低セル電圧が所定セル電圧以下となった場合、不純物をパージする必要があると判定し、パージ弁２６を開く設定となっている。
【００４１】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、背圧弁３２と、希釈器３３（希釈手段）と、を備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管３１ａを介して、カソード流路１３に供給するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又はこの電力を蓄えるバッテリ（図示しない）を電源としている。
【００４２】
また、配管３１ａと後記する配管３２ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分透過性を有する中空糸膜を複数本内蔵し、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、カソード流路１３から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１３に向かう空気を加湿するものである。
【００４３】
カソード流路１３の出口は、配管３２ａ、背圧弁３２、配管３２ｂを介して、希釈器３３に接続されている。そして、カソード流路１３から排出された多湿のカソードオフガス（酸化剤オフガス）が、配管３２ａ等を介して、希釈器３３に供給されるようになっている。
【００４４】
背圧弁３２は、例えばバタフライ弁から構成され、アクセル開度に対応して、カソード流路１３における空気の圧力を制御するものであり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。なお、アクセル開度が大きくなると、電力制御器４２への目標電流値（負荷要求量）が大きくなり、これに対応して、カソード流路１３における空気の圧力を高めるべく、背圧弁３２の開度は小さくなる。
【００４５】
希釈器３３は、パージ弁２６から導入されるアノードオフガスと、配管３２ｂから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合することで生成した希釈後ガスは、配管３３ａを介して車外に排出されるようになっている。
【００４６】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行用のモータ４１と、電力制御器４２と、出力検出器４３（電流検出手段）とを備えている。モータ４１は、電力制御器４２、出力検出器４３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
【００４７】
モータ４１は、電力によって燃料電池車の駆動力を発生する外部負荷である。
電力制御器４２は、ＥＣＵ６０から入力される指令電流値に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると、指令電流値は大きくなる。
【００４８】
出力検出器４３は、燃料電池スタック１０の現在の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えている。そして、出力検出器４３は、検出した出力電流及び出力電圧を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４９】
＜アクセル等＞
アクセル５１は、運転者が燃料電池車を走行させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル５１は、その開度（踏み込み量）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００５０】
外気圧センサ５２は、外気圧を検出するセンサであり、燃料電池車の適所に取り付けられている。そして、外気圧センサ５２は、検出した外気圧をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００５１】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
【００５２】
＜ＥＣＵ−負荷要求量算出機能＞
ＥＣＵ６０（負荷要求量算出手段）は、アクセル５１から入力されるアクセル開度に基づいて、モータ４１（負荷）が燃料電池スタック１０に要求する要求電流値（負荷要求量）を算出する負荷要求量算出機能を備えている。なお、アクセル開度が大きくなると、モータ４１を高速で回転させるべく、要求電流値が大きくなる関係となっている（図４参照）。
そして、ＥＣＵ６０は、算出した要求電流値を指令値（指令電流値）として、電力制御器４２に出力し、電力制御器４２は、現在の燃料電池スタック１０の出力電流値が、要求電流値となるように制御する。
【００５３】
＜ＥＣＵ−負荷要求量増加判定機能＞
また、ＥＣＵ６０（負荷要求量増加判定手段）は、現在、要求電流値が増加しているか否か、つまり、アクセル開度が増加し燃料電池車が現在加速中であるか判定する負荷要求量増加判定機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ６０は、単位時間（例えば０．５〜１秒）当たりにおける要求電流値（アクセル開度）の変化量が、所定変化量以上である場合、現在、要求電流値の増加中であると判定するように設定されている。
【００５４】
なお、要求電流値の増加中であると判定される場合、これに対応して、アノード流路１２の入口における目標圧力が高くなり、パージによってアノード流路１２の水分Ｗが排出されやすい状態に近づくから、後記する減圧パージを実行しない設定となっている。これにより、減圧パージに要する処理や時間が省略されるようになっている。
【００５５】
＜ＥＣＵ−目標圧力算出機能＞
ＥＣＵ６０（目標圧力算出手段）は、要求電流値と、図４のマップとに基づいて、アノード流路１２の入口における目標圧力を算出する目標圧力算出機能を備えている。図４に示すように、要求電流値が大きくなると、燃料電池スタック１０で水素不足とならないように、目標圧力が高くなる関係となっている。
なお、図４のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。また、アクセル開度と要求電流値とは比例関係にあるから、アクセル開度に基づいて目標圧力を直接的に算出してもよく、このように算出しても技術的範囲に属することは言うまでもない。
【００５６】
＜ＥＣＵ−圧力制御機能＞
ＥＣＵ６０（圧力制御手段）は、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１が目標圧力となるように、インジェクタ２７をＰＷＭ制御する圧力制御機能を備えている。例えば、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１を低下させる場合、インジェクタ２７による噴射時間及び／又は回数を増加し、減圧弁２３に入力されるパイロット圧を低下させる。
【００５７】
＜ＥＣＵ−パージ判定機能＞
ＥＣＵ６０（パージ判定手段）は、パージ弁２６を開き、アノード流路１２の水分Ｗ（結露水等）や、循環する不純物（水分、窒素）をパージする必要があるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ６０は、（１）セル電圧モニタ１５から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下である場合や、（２）平均セル電圧と最低セル電圧との差が所定セル電圧差以上である場合、パージする必要があると判定するように設定されている。この場合において、判断基準となる所定セル電圧や、所定セル電圧差は、事前試験等により求められ、アノード流路１２の水分Ｗや、循環する不純物が多く、排出（パージ）すべきと判断される値に設定される。
なお、アノード流路１２の水分Ｗや、不純物が増加すると、ＭＥＡのアノードに水素が供給されにくくなり、セル電圧が低下する。また、ＭＥＡのアノードの表面に水分Ｗが付着することは、フラッディングと称される。
【００５８】
その他、定期的に、つまり、所定のパージインターバル（パージ弁２６の閉時間）経過毎にパージする構成でもよい。この構成の場合、前回パージから前記パージインターバルを経過した場合、パージする必要があると判定する。
【００５９】
＜ＥＣＵ−減圧パージ実行機能＞
ＥＣＵ６０は、パージする必要があると判定した場合において、現在の要求電流値（負荷要求量）に基づいて算出された目標圧力が、所定圧力（所定値）以下であるとき、減圧パージを実行する機能を備えている。
減圧パージを実行するとは、目標圧力が低くなるように補正し、補正後の目標圧力に従って、インジェクタ２７を制御し、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１を低下させると共に、アノード流路１２前後の差圧ΔＰ（入口圧力Ｐ１−出口圧力Ｐ２）を大きくした状態で、パージ弁２６を開き、アノード流路１２に残留する水分Ｗを、アノード流路１２の下流に押し出すことをいう。
【００６０】
所定圧力は、事前試験等により求められる圧力であって、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１が、この所定圧力以下である場合、アノード流路１２前後の差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）が小さすぎ、パージ弁２６を開いたとしても、アノード流路１２の水分Ｗを押し出すことができず、水分Ｗを除去できないと判断される圧力に設定される。
【００６１】
＜ＥＣＵ−水分量算出機能＞
ＥＣＵ６０（水分量算出手段）は、現在、アノード流路１２における水分Ｗの量を算出する水分算出機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ６０は、例えば、発電開始から現在、又は、後記するステップ１０６における減圧パージから現在までの間において、出力検出器４３から入力される燃料電池スタック１０の電力（出力電流）の積算値（積算電力値）と、発電に伴ってカソードで生成した水分のアノード流路１２への透過率（クロスリーク率）と、アノードに透過した生成水がアノード流路１２に残留する残留率と、に基づいて算出する。
すなわち、（１）積算電力値が大きくなるほど、（２）電解質膜の材質等に依存する透過率大きくなるほど、（３）アノード流路１２が細長く、残留率が大きくなるほど、現在の水分量が多くなる。
【００６２】
その他、ＥＣＵ６０は、平均セル電圧と最低セル電圧との差、及び／又は、最低セル電圧に基づいて、水分量を算出する構成としてもよい。この場合、平均セル電圧と最低セル電圧との差が大きくなるほど、また、最低セル電圧が低くなるほど、水分量が多くなるように算出される（図５参照）。
【００６３】
＜ＥＣＵ−圧力低下量算出機能＞
ＥＣＵ６０（圧力低下量算出手段）は、前記した減圧パージを実行する場合において、目標圧力の低下量（圧力低下量）を、アノード流路１２（燃料電池スタック１０）の水分量と、図５のマップとに基づいて算出する圧力低下量算出機能を備えている。具体的には、アノード流路１２の水分量が多くなるほど、圧力低下後におけるアノード流路１２前後の差圧ΔＰが大きくなるように、圧力低下量は大きく算出される。
【００６４】
ただし、圧力低下後のアノード流路１２の出口圧力Ｐ２が、外気圧センサ５２から入力される外気圧よりも高くなるように、圧力低下量の上限値が設定される。これは、図２に示すように、出口圧力Ｐ２はパージ弁２６の上流圧力Ｐ２と略等しく、また、パージ弁２６の下流圧力Ｐ３は外気圧と略等しいので、圧力低下後の出口圧力Ｐ２（パージ弁２６の上流圧力）が外気圧（パージ弁２６の下流圧力）以下になると、パージ弁２６を開いてもパージされないからである。
【００６５】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図６を参照して説明する。
なお、初期状態において、水素及び空気が燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０はアクセル開度に対応して発電している。
【００６６】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、パージが必要であるか否か、つまり、パージ弁２６を開き、アノード流路１２に残留する水分Ｗや、配管２５ａ等を循環する不純物（水分、窒素）を排出する必要あるか否か判定する。
【００６７】
パージは必要であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、パージは必要でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０はステップＳ１０１の判定を繰り返す。
【００６８】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、アクセル開度に基づいて算出された要求電流値（負荷要求量）が、上昇中であるか、つまり、燃料電池車が加速中であるか否か判定する。
【００６９】
要求電流値は上昇中である（加速中である）と判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０８に進む。
一方、要求電流値は上昇中でない（加速中でない）と判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。なお、このようにステップＳ１０３に進む場合、低負荷状態である
【００７０】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、要求電流値と図４のマップとに基づいて算出された目標圧力が、所定圧力以下であるか否か判定する。
目標圧力は所定圧力以下であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、目標圧力は所定圧力以下でないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０８に進む。
【００７１】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、目標圧力が低くなるように補正する。
具体的には、ＥＣＵ６０は、アノード流路１２に残留する水分量と図５のマップとに基づいて、圧力低下量（補正量）を算出する。そして、ＥＣＵ６０は、要求電流値に基づいて算出された目標圧力から、圧力低下量を減じて、補正後の目標圧力とする。
【００７２】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、補正後の目標圧力となるように、インジェクタ２７を適宜開き、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力を制御する。そうすると、アノード流路１２の入口圧力Ｐ１及び出口圧力Ｐ２が低下する。この場合において、出口圧力Ｐ２は、入口圧力Ｐ１よりも大きく低下するので、結果として、アノード流路１２前後の差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）が大きくなる（図３参照）。これと同時に、アノード流路１２及びその前後のガスは体積膨張する。
【００７３】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、減圧パージを実行、つまり、アノード流路１２前後の差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）が大きく、ガスが体積膨張している状態で、パージ弁２６を開く。そうすると、体積膨張したガスが、アノード流路１２を下流に向かって通流し、アノード流路１２に残留する水分Ｗを、アノード流路１２の下流に効率的に押し出し、除去する。
【００７４】
この場合において、前記した体積膨張により、単位体積当たりの水素濃度（密度）は低下しており、開かれたパージ弁２６を通り車外に排出されるガス中の水素濃度が急上昇しない。これにより、圧力低下しない通常パージ（Ｓ１０８参照）に対して、パージ弁２６の開時間を長くし（図７（ａ）、図７（ｂ）参照）、１回当たりのパージ量を増加できる。
【００７５】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、目標圧力を、要求電流値に基づいて算出される通常圧力を戻し、これに従ってインジェクタ２７を制御する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通ってスタートに戻る。
【００７６】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、通常パージを実行する。すなわち、ＥＣＵ６０は、予め設定された通常時間でパージ弁２６を開く。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンに進む。
【００７７】
≪燃料電池システムの効果≫
次に、燃料電池システム１の効果について、図７を参照して説明する。
図７（ａ）に示すように、パージが必要である場合において（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、要求電流値に基づいて設定された目標圧力が所定圧力以下であるとき（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、目標圧力を低下するので（Ｓ１０４、Ｓ１０５）、圧力低下しない比較例（図７（ｂ）参照）に対して、アノード流路１２前後の差圧ΔＰを増加できる。
そして、このように差圧ΔＰが増加し、アノード流路１２前後のガスが体積膨張した状態で、パージ弁２６を開くので、アノード流路１２に残留する水分Ｗを、効率的にアノード流路１２の下流に押し出すことができる。
【００７８】
また、体積膨張により、パージされるガス中の水素濃度（密度）が低下するので、パージ弁２６の開時間を長くし、１回当たりのパージ量を増加できると共に、希釈器３３を小型化できる。
さらに、目標圧力の低下の程度（圧力低下量）は、アノード流路１２の水分量に基づいて算出するので（Ｓ１０４、図５）、適切に目標圧力を低下させ、適切な差圧ΔＰを発生し、適切に体積膨張できる。
さらにまた、要求電流値が上昇している場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、減圧パージ（Ｓ１０６）を実行しないので、減圧パージに係る処理や時間を省略できる。
【００７９】
≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図８を参照して説明する。なお、第２実施形態では、ＥＣＵ６０に設定されたプログラムが一部異なり、この異なる部分のみを説明する。
【００８０】
第２実施形態では、ステップＳ１０３の判定結果がＹｅｓの場合、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０１に進み、判定結果がＮｏの場合、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０４に進む。なお、ステップ１０２の判定結果がＮｏの場合も、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０４に進む。
【００８１】
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ６０は、パージが必要である場合において（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、目標圧力が所定圧力以下であるとき（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８で通常パージが連続して実行された回数（通常パージ連続回数Ｎとする）が、所定回数よりも多いか否か判定する。
所定回数は、事前試験等により求められ、パージが必要であると判定された場合において（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、目標圧力が所定圧力以下であるにも関わらず（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、通常パージ（Ｓ１０８）を連続して実行しても、燃料電池スタック１０が発電が不安定とならない回数（例えば３〜５回）に設定される。
【００８２】
通常パージ連続回数Ｎが所定回数よりも多いと判定した場合（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０２に進み、ステップＳ２０２で通常パージ連続回数Ｎをリセットした後（Ｎ←０）、ステップＳ１０４に進む。
【００８３】
一方、通常パージ連続回数Ｎが所定回数よりも多くないと判定した場合（Ｓ２０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０３で通常パージ連続回数Ｎを１回加算した後（Ｎ←Ｎ＋１）、ステップＳ１０８に進む。
【００８４】
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２０３と同様に、通常パージ連続回数Ｎをリセットする（Ｎ←０）。その後、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０８に進む。
【００８５】
このように、第２実施形態では、パージが必要である場合において（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、目標圧力が所定圧力以下であるときであっても（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、通常パージ連続回数Ｎが所定回数よりも多くなるまで（Ｓ２０１・Ｎｏ）、通常パージ（Ｓ１０８）が繰り返されることになるから、ステップＳ１０３で判定基準となる所定圧力は、第１実施形態に係るステップＳ１０３の所定圧力よりも、低く設定されることが好ましい。
【００８６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００８７】
前記した実施形態では、減圧弁２３及びインジェクタ２７によって、目標圧力（アノード流路１２の入口圧力Ｐ１）を制御する構成としたが、例えば、配管２４ａにバタフライ弁等を設け、このバタフライ弁によって制御してもよい。
【００８８】
前記した実施形態では、希釈器３３において、カソードオフガスとアノードオフガスとが混合される構成を例示したが、例えば、配管３１ａから分岐するように分岐配管を設けると共に、分岐配管を希釈器３３に接続し、カソード流路１３をバイパスする空気（希釈用ガス）によって希釈する構成でもよい。
【００８９】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
１２    アノード流路（燃料ガス流路）
１３    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２３    減圧弁（圧力制御手段）
２６    パージ弁（パージ手段）
２７    インジェクタ（圧力制御手段）
３３    希釈器（希釈手段）
４１    モータ（負荷）
６０    ＥＣＵ（負荷要求量算出手段、目標圧力算出手段、水分量算出手段）
Ｗ      水分
【図１】
2010199038.tif 000003
【図２】
2010199038.tif 000004
【図３】
2010199038.tif 000005
【図４】
2010199038.tif 000006
【図５】
2010199038.tif 000007
【図６】
2010199038.tif 000008
【図７】
2010199038.tif 000009
【図８】
2010199038.tif 000010