(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を有する燃料ガス系と、前記燃料ガス供給流路を流通するガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、前記燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、前記可変調圧弁から前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値及び前記パージ弁から排出されるガスの排出量指令値に基づいて前記可変調圧弁及び前記パージ弁の開閉動作を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、要求発電電流値と前記圧力指令値との関係及び要求発電電流値と前記排出量指令値との関係を各々規定するマップを有し、要求発電電流値及び前記マップによって前記圧力指令値及び前記排出量指令値を設定し、前記排出量指令値を前記燃料ガス系の全容積で除することによりパージ率を算出し、このパージ率を１から減じることにより、前記パージ弁からのガス排出後における前記燃料ガス系内のガス残留率を算出し、このガス残留率に基づいて前記燃料ガス系内の不純物分圧を算出し、この不純物分圧を前記圧力指令値で除することにより、前記燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出するものであり、
前記マップは、前記燃料電池の運転温度が第１の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が第１の値である常温・低負荷領域、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第１の値を超える常温・中高負荷領域、及び、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度より高い第２の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第１の値以上である高温・全負荷領域、の各々において設計されたものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記可変調圧弁は、インジェクタである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を有する燃料ガス系と、前記燃料ガス供給流路を流通するガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、前記燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、要求発電電流値と前記可変調圧弁から前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値との関係及び要求発電電流値と前記パージ弁から排出されるガスの排出量指令値との関係を各々規定するマップと、を備えた燃料電池システムの不純物濃度推定方法であって、
要求発電電流値及び前記マップによって前記圧力指令値及び前記排出量指令値を設定し、前記排出量指令値を前記燃料ガス系の全容積で除することによりパージ率を算出し、このパージ率を１から減じることにより、前記パージ弁からのガス排出後における前記燃料ガス系内のガス残留率を算出する第一の工程と、
前記第一の工程で算出したガス残留率に基づいて、前記燃料ガス系内の不純物分圧を算出する第二の工程と、
前記第二の工程で算出した不純物分圧を、前記圧力指令値で除することにより、前記燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出する第三の工程と、を備え、
前記マップは、前記燃料電池の運転温度が第１の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が第１の値である常温・低負荷領域、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第１の値を超える常温・中高負荷領域、及び、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度より高い第２の温度であって前記燃料電池への要求発電電流値が前記第１の値以上である高温・全負荷領域、の各々において設計されたものである、
不純物濃度推定方法。
【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不純物濃度推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って窒素ガス等の不純物が経時的に蓄積することが知られている。現在においては、燃料電池の運転状態を安定化させる目的で、循環流路に接続した排出流路にパージ弁を設け、パージ弁の開閉制御を行って不純物を外部に排出する（パージを行う）燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
また、現在においては、パージ時期やパージ時間の的確な制御を実現させること等を目的として、燃料ガス系内における不純物濃度を推定するための技術が種々提案されている。例えば、パージ前の燃料ガス系内における窒素量と、パージ時に排出される窒素量と、の差分を残留窒素量と推定し、この残留窒素量に基づいて、燃料ガス系内における窒素濃度を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３２７５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年においては、燃料供給源から燃料電池へと供給される燃料ガスの可変調圧を行う可変調圧弁（インジェクタ等）を採用した燃料電池システムの開発が進められている。このように燃料ガス系の可変調圧を行う燃料電池システムにおいては、可変調圧によりパージ時の排出窒素量が変化してしまうため、前記した特許文献１に記載したような従来の不純物濃度推定方法を採用すると、不純物濃度を精確に推定することが困難となっていた。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガス系の可変調圧を行う燃料電池システムにおいて、不純物濃度の精確な推定を実現させること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を有する燃料ガス系と、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、可変調圧弁から燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値及びパージ弁から排出されるガスの排出量指令値に基づいて可変調圧弁及びパージ弁の開閉動作を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、制御手段は、排出量指令値に基づいてパージ弁からのガス排出後における燃料ガス系内のガス残留率を算出し、このガス残留率に基づいて燃料ガス系内の不純物分圧を算出し、この不純物分圧を圧力指令値で除することにより、燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出するものである。
【０００７】
また、本発明に係る不純物濃度推定方法は、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料ガス供給流路を有する燃料ガス系と、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの可変調圧を行う可変調圧弁と、燃料ガス系からガスを排出するためのパージ弁と、を備えた燃料電池システムの不純物濃度推定方法であって、パージ弁から排出されるガスの排出量指令値に基づいて、パージ弁からのガス排出後における燃料ガス系内のガス残留率を算出する第一の工程と、第一の工程で算出したガス残留率に基づいて、燃料ガス系内の不純物分圧を算出する第二の工程と、第二の工程で算出した不純物分圧を、可変調圧弁から燃料電池に供給される燃料ガスの圧力指令値で除することにより、燃料ガス系内の推定不純物濃度を算出する第三の工程と、を備えるものである。
【０００８】
かかる構成及び方法を採用すると、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスの可変調圧を行う燃料電池システムにおいても、燃料ガスの調圧値に関する情報（圧力指令値）やパージ量に関する情報（排出量指令値）に基づいて、燃料ガス系内の不純物濃度を精確に推定することができる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、可変調圧弁としてインジェクタを採用することができる。
【００１０】
インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を精度良く制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料ガス系の可変調圧を行う燃料電池システムにおいて、不純物濃度の精確な推定を実現させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１３】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１４】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２を備え、燃料電池２に、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給しかつ燃料電池２から酸化オフガスを排出するための酸化ガス系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給しかつ燃料オフガスとしての水素オフガスを水素ガスとともに燃料電池２に循環させる燃料ガス系４と、が接続されている。燃料ガス系４は、水素オフガスを燃料ガス系４から排出可能な排気排水弁２９を有し、排気排水弁２９から排出される水素オフガスが希釈部５において酸化ガス系３から排出される酸化オフガス（空気）と混合されて外部に排出可能となっている。そして、システム全体が制御部６により統括制御されている。
【００１５】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池（セル）は、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。アノード側のセパレータの流路に燃料ガスが供給されるとともに、カソード側のセパレータの流路に酸化ガスが供給されることで、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、その運転温度を検出する温度センサ２ａが設けられている。温度センサ２ａで検出された燃料電池２の運転温度に係る情報は、制御部６に伝送されて、水素循環系の制御に用いられる。
【００１６】
酸化ガス系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１は、酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、を備えている。排気流路１２は、背圧調整弁１６を備えるとともに加湿器１５に接続されており、排気流路１２を流れる酸化オフガスが、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、希釈部５に移送される。
【００１７】
燃料ガス系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料ガス供給流路としての水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路２２に戻すための循環流路２３と、を備えている。なお、水素タンク２１に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００１８】
水素供給流路２２には、水素タンク２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２４と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２５と、インジェクタ２６と、が設けられている。また、インジェクタ２６の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２７が設けられている。圧力センサ２７で検出された水素ガスの圧力に係る情報は、制御部６に伝送されて、水素循環系の制御に用いられる。
【００１９】
レギュレータ２５は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２５として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
【００２０】
インジェクタ２６は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部より上流側にインジェクタ２６を配置している。インジェクタ２６は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、ノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２６の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部６から出力される制御信号によってインジェクタ２６のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ２６は、弁（弁座及び弁体）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００２１】
インジェクタ２６は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ２６のガス流路に設けられた弁の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ２６の弁の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２６下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２６上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２６を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２６の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁としても機能する。
【００２２】
循環流路２３には、気液分離器２８及び排気排水弁２９を介して、排出流路３０が接続されている。気液分離器２８は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁２９は、制御部６からの指令によって作動することにより、気液分離器２８で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものであり、本発明におけるパージ弁の一実施形態として機能する。かかるパージを実行することにより、不純物分圧及び不純物濃度が低下し、燃料電池２に供給される水素ガスの濃度が上昇する。不純物分圧とは、例えば、水素タンク２１から供給される水素ガス中に含まれる窒素ガス、酸化ガス系３から固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス系４に供給される窒素ガス、燃料電池２の発電により生じた水蒸気、等の水素ガス以外の気体の分圧の総和である。また、循環流路２３には、循環流路２３内の水素オフガスを加圧して水素供給流路２２側へ送り出す循環ポンプ３１が設けられている。なお、排気排水弁２９及び排出流路３０を介して排出される水素オフガスは、希釈器５で排気流路１２内の酸化オフガスと合流して希釈されるようになっている。
【００２３】
制御部６は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４のモータや循環ポンプ３１のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００２４】
制御部６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。
【００２５】
具体的には、制御部６は、負荷（負荷装置からの要求発電量）に応じて、インジェクタ２６から燃料電池２へと供給される水素ガスの圧力指令値（水素調圧値）と、排気排水弁２９から排出されるガスの排出量指令値（パージ量）と、循環流路２３から水素供給流路２２へと送られるガスの流量の指令値（循環量）と、を所定のマップ（図６）に基づいて設定する。そして、制御部６は、設定した各制御パラメータ（水素調圧値、パージ量及び循環量）に基づいて、インジェクタ２６、排気排水弁２９及び循環ポンプ３１の動作を制御する。
【００２６】
また、制御部６は、設定したパージ量に基づいて、パージ後（排気排水弁２９からのガス排出後）における燃料ガス系４内のガス残留率を算出し、このガス残留率に基づいて燃料ガス系４内の不純物分圧を算出する。そして、制御部６は、この不純物分圧を、設定した水素調圧値で除することにより、燃料ガス系４内の推定不純物濃度を算出する。すなわち、制御部６は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。
【００２７】
ここで、図２〜図８を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御パラメータの設定に用いられるマップ（図６）の設計方法について説明する。
【００２８】
＜常温：低負荷領域における設計＞
最初に、燃料電池２の運転温度が常温Ｔ１の場合の代表的な低負荷領域（燃料電池２への要求発電電流値ＡＬ）における設計を行う。低負荷領域においては、図２のフローチャートに示すように、まず水素ストイキ比ＲＳを設定する（ストイキ比設定工程：Ｓ１）。ここで、水素ストイキ比とは、供給水素ガス量と消費水素ガス量との比（供給水素ガス量を消費水素ガス量で除した値）である。ストイキ比設定工程Ｓ１で水素ストイキ比ＲＳを設定した後、パージの際に排出される水素ガスの濃度が所定の環境基準値未満になるように、パージ量ＥＬを設定する（パージ量設定工程：Ｓ２）。
【００２９】
次いで、パージ量設定工程Ｓ２で設定したパージ量ＥＬにおいて、水素損失が最小となるような水素調圧値を設定する（水素調圧値設定工程：Ｓ３）。ここで、水素損失とは、クロスリーク損失（水素透過係数とアノード側水素分圧とセル枚数と電極面積とを乗じた値）と、水素排出損失（排気排水弁２９からのガス排出量に燃料電池２の出口における水素濃度を乗じた値）と、循環ポンプ動力損失（循環ポンプ３１の動力に基づいて推定される理論水素消費量）と、を加算した値である。低負荷領域においては、水素圧力（水素供給流路２２内における水素ガスの供給圧力）と水素損失との関係は、図３のグラフに示すように略線形となる。このため、図３のグラフにおける水素圧力の最小値ＰＬを水素調圧値として設定する。
【００３０】
次いで、ストイキ比設定工程Ｓ１で設定した水素ストイキ比ＲＳと、パージ量設定工程Ｓ２で設定したパージ量ＥＬと、水素調圧値設定工程Ｓ３で設定した水素調圧値ＰＬと、に基づいて、循環量ＣＬを設定する（循環量設定工程：Ｓ４）。なお、水素ストイキ比、パージ量、水素調圧値及び循環量の各パラメータは、燃料電池システム１の水素循環系の運転条件に関するパラメータであり、何れか３つのパラメータが決定されると、残り１つのパラメータが自動的に決定されるような関係にあるものとする。
【００３１】
次いで、ストイキ比設定工程Ｓ１〜循環量設定工程Ｓ４で設定した各パラメータに基づいて運転した場合における燃料電池２の出口の不純物分圧ＰＮＨを算出する（不純物分圧算出工程：Ｓ５）。不純物分圧は、主として窒素ガス分圧と水蒸気分圧とに基づいて算出することができる。窒素ガス分圧は、主に水素タンク２１から供給される水素ガス中に含まれる窒素分と、カソード側からアノード側へ透過する窒素分と、から算出することができ、水蒸気分圧は、燃料電池２の温度における飽和水蒸気圧により算出することができる。
【００３２】
以上の手順により、常温時の代表的な低負荷領域（燃料電池２への要求発電電流値ＡＬ）における設計が終了する。パージ量設定工程Ｓ２で設定したパージ量ＥＬは図６（Ａ）のマップに、水素調圧値設定工程Ｓ３で設定した水素調圧値ＰＬは図６（Ｂ）のマップに、循環量設定工程Ｓ４で設定した循環量ＣＬは図６（Ｃ）のマップに、各々プロットされることとなる。
【００３３】
＜常温：中負荷領域〜高負荷領域における設計＞
次に、代表的な低負荷領域を超える負荷領域、すなわち、燃料電池２への要求発電電流値が中負荷領域に相当する値ＡＭ１、ＡＭ２、…を経て高負荷領域に相当する値ＡＨにいたるまでの負荷領域における設計を行う。これらの負荷領域（中負荷領域〜高負荷領域）においては、図４のフローチャートに示すように、まず、低負荷領域における不純物分圧算出工程Ｓ５で設定した不純物分圧ＰＮＨを維持するように、パージ量ＥＭ１、ＥＭ２、…、ＥＨを設定する（パージ量設定工程：Ｓ１１）。
【００３４】
次いで、パージ量設定工程Ｓ１１で設定したパージ量ＥＭ１、ＥＭ２、…、ＥＨにおいて、水素損失が最小となるような水素調圧値を設定する（水素調圧値設定工程：Ｓ１２）。中負荷領域〜高負荷領域においては、水素圧力と水素損失との関係は、図５（Ａ）〜（Ｇ）のグラフに示すように略線形ないし非線形となる。このため、図５（Ａ）〜（Ｇ）のグラフにおいて水素損失が最小となる水素圧力（ＰＭ１、ＰＭ２、…、ＰＨ）を水素調圧値として設定する。次いで、パージ量設定工程Ｓ１１で設定したパージ量ＥＭ１、ＥＭ２、…、ＥＨと、水素調圧値設定工程Ｓ１２で設定した水素調圧値ＰＭ１、ＰＭ２、…、ＰＨと、（さらにストイキ比設定工程Ｓ１で設定した水素ストイキ比ＲＳと、）に基づいて、循環量ＣＭ１、ＣＭ２、…、ＣＨを設定する（循環量設定工程：Ｓ１３）。
【００３５】
以上の手順により、常温時の中負荷領域〜高負荷領域における設計が終了する。パージ量設定工程Ｓ１１で設定したパージ量ＥＭ１、ＥＭ２、…、ＥＨは図６（Ａ）のマップに、水素調圧値設定工程Ｓ３で設定した水素調圧値ＰＭ１、ＰＭ２、…、ＰＨは図６（Ｂ）のマップに、循環量設定工程Ｓ４で設定した循環量ＣＭ１、ＣＭ２、…、ＣＨは図６（Ｃ）のマップに、各々プロットされ、これにより、全負荷領域におけるマップの設計が完了することとなる。なお、全負荷領域における不純物分圧ＰＮＨは、図７のグラフに示すように一定とされている。
【００３６】
＜高温：全負荷領域における設計＞
続いて、燃料電池２の運転温度が常温Ｔ１より高い温度Ｔ２になった場合における設計を行う。かかる高温時においては、まず、常温時の代表的な低負荷領域（燃料電池２への要求発電電流値ＡＬ）において設定した各パラメータ（水素調圧値ＰＬ、パージ量ＥＬ、循環量ＣＬ）に基づいて運転した場合における燃料電池２の出口の不純物分圧ＰＮＨ´を算出する（不純物分圧算出工程：Ｓ２１）。高温時の不純物分圧算出工程Ｓ２１で算出される不純物分圧ＰＮＨ´は、燃料電池２の運転温度が上昇している分だけ水蒸気分圧が増大しているため、常温時の不純物分圧算出工程Ｓ５で算出される不純物分圧ＰＮＨよりも高くなる。
【００３７】
次いで、不純物分圧算出工程Ｓ２１で設定した不純物分圧ＰＮＨ´を維持するように、パージ量ＥＭ１´、ＥＭ２´、…、ＥＨ´を設定する（パージ量設定工程：Ｓ２２）。この後、パージ量設定工程Ｓ２２で設定したパージ量ＥＭ１´、ＥＭ２´、…、ＥＨ´と、水素調圧値ＰＭ１、ＰＭ２、…、ＰＨと、（さらにストイキ比設定工程Ｓ１で設定した水素ストイキ比ＲＳと、）に基づいて、循環量ＣＭ１´、ＣＭ２´、…、ＣＨ´を設定する（循環量設定工程：Ｓ２３）。なお、本実施形態においては、設計の簡素化のため、高温時においても常温時の水素調圧値ＰＭ１、ＰＭ２、…、ＰＨを採用している。
【００３８】
以上の手順により、高温時の全負荷領域における設計が終了する。パージ量設定工程Ｓ２２で設定したパージ量ＥＭ１´、ＥＭ２´、…、ＥＨ´を図６（Ａ）のマップにプロットすると、高温時Ｔ２におけるパージ量（破線）は、常温時Ｔ１におけるパージ量（実線）よりも増大していることがわかる。
【００３９】
次に、図９及び図１０のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。
【００４０】
まず、燃料電池システム１の制御部６は、図９に示すように、車両に設けられたアクセルセンサ等からの信号を受けて、燃料電池２への負荷（要求発電電流値）を算出する（負荷算出工程：Ｓ３１）。また、制御部６は、温度センサ２ａを用いて、燃料電池２の運転温度を検出する（温度検出工程：Ｓ３２）。
【００４１】
次いで、制御部６は、負荷算出工程Ｓ３１で算出した負荷と、温度検出工程Ｓ３２で検出した温度と、図６のマップと、に基づいて、水素調圧値と、パージ量と、循環量と、を設定する（制御パラメータ設定工程：Ｓ３３）。例えば、算出した負荷がＡＭであり、検出した温度がＴ１である場合には、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、水素調圧値はＰＭ、パージ量はＥＭ、循環量はＣＭに各々設定される。また、算出した負荷がＡＭであり、検出した温度がＴ２である場合には、図６（Ａ）に示すように、パージ量はＥＭ´に設定される。
【００４２】
次いで、制御部６は、制御パラメータ設定工程Ｓ３３で設定した水素調圧値やパージ量に基づいて、燃料ガス系４内における不純物濃度を推定する（不純物濃度推定工程：Ｓ３４）。不純物濃度推定工程Ｓ３４で推定された不純物濃度に係る情報は、次の工程（循環制御工程Ｓ３５）におけるインジェクタ２６、排気排水弁２９及び循環ポンプ３１の制御に反映される。
【００４３】
ここで、図１０のフローチャートを用いて、不純物濃度推定工程Ｓ３４の詳細について説明する。
【００４４】
まず、制御部６は、制御パラメータ設定工程Ｓ３３で設定したパージ量（排出量指令値）を、燃料ガス系４の全容積で除することにより、パージ率ＲＰを算出し（パージ率算出工程：Ｓ４１）、さらに、このパージ率ＲＰを１から減じることにより、パージ後における燃料ガス系４内のガス残留率ＲＲを算出する(残留率算出工程：Ｓ４２)。残留率算出工程Ｓ４２は、本発明における第一の工程に相当するものである。
【００４５】
次いで、制御部６は、残留率算出工程Ｓ４２で算出したガス残留率ＲＲに、前回の制御ループにおける不純物分圧ＰＮＨn-1を乗じることにより、今回の制御ループにおける不純物分圧ＰＮＨnを算出する（不純物分圧算出工程：Ｓ４３）。そして、制御部６は、不純物分圧算出工程Ｓ４３で算出した不純物分圧ＰＮＨnを、制御パラメータ設定工程Ｓ３３で設定した水素調圧値（圧力指令値）で除することにより、燃料ガス系４内の推定不純物濃度を算出する（推定不純物濃度算出工程：Ｓ４４）。不純物分圧算出工程Ｓ４３及び推定不純物濃度算出工程Ｓ４４は、各々、本発明における第二及び第三の工程に相当するものである。以上の工程群を経て、不純物濃度推定工程Ｓ３４を終了する。
【００４６】
このような不純物濃度推定工程Ｓ３４に続いて、制御部６は、制御パラメータ設定工程Ｓ３３で設定した各制御パラメータに基づいて、インジェクタ２６、排気排水弁２９及び循環ポンプ３１の動作を制御する（循環制御工程：Ｓ３５）。循環制御工程Ｓ３５において、制御部６は、圧力センサ２７で検出した水素ガスの圧力値と、水素調圧値（制御パラメータ）と、の偏差を算出し、この偏差を低減させるようにインジェクタ２６のフィードバック制御を行う。また、循環制御工程Ｓ３５において、制御部６は、排気排水弁２９を開放した時点からのガス排出量を算出し、この算出したガス排出量がパージ量（制御パラメータ）に到達した時点で、排気排水弁２９を閉鎖する。また、循環制御工程Ｓ３５において、制御部６は、循環ポンプ３１から水素供給流路２２に送られるガスの流量が循環量（制御パラメータ）になるように、循環ポンプ３１の回転数を設定する。
【００４７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ２６を用いて水素供給流路２２を流通する水素ガスの可変調圧制御を行いながら、水素調圧値やパージ量に基づいて燃料ガス系４内の不純物濃度を精確に推定することができる。従って、不純物濃度に係る精確な推定情報を利用して、的確なパージ制御を実現させることが可能となる。
【００４８】
なお、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁２９をパージ弁として循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器２８で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁（パージ弁）と、を別々に設け、制御部６で排気弁を制御することもできる。
【００４９】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムのマップの設計方法（常温：低負荷領域）を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１に示す燃料電池システムのマップの設計方法（常温：低負荷領域）を説明するためのグラフである。
【図４】図１に示す燃料電池システムのマップの設計方法（常温：中〜高負荷領域）を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムのマップの設計方法（常温：中〜高負荷領域）を説明するためのグラフである。
【図６】図１に示す燃料電池システムの制御パラメータの設定に用いられるマップであり、（Ａ）は負荷とパージ量との関係を示すマップ、（Ｂ）は負荷と水素調圧値との関係を示すマップ、（Ｃ）は負荷と循環量との関係を示すマップである。
【図７】図１に示す燃料電池システムの全負荷領域における不純物分圧を示すグラフである。
【図８】図１に示す燃料電池システムのマップの設計方法（高温：全負荷領域）を説明するためのフローチャートである。
【図９】図１に示す燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図１に示す燃料電池システムの不純物濃度推定工程を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、４…燃料ガス系、６…制御部（制御手段）、２１…水素タンク（燃料供給源）、２２…水素供給流路（燃料ガス供給流路）、２６…インジェクタ（可変調圧弁）、２９…排気排水弁（パージ弁）。
【図１】
0005392592.tif 000002
【図２】
0005392592.tif 000003
【図３】
0005392592.tif 000004
【図４】
0005392592.tif 000005
【図５】
0005392592.tif 000006
【図６】
0005392592.tif 000007
【図７】
0005392592.tif 000008
【図８】
0005392592.tif 000009
【図９】
0005392592.tif 000010
【図１０】
0005392592.tif 000011