(57)【要約】【課題】燃料電池システムから排出されるガスの水素濃度の増大を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードオフガスを外部に排出する２つのアノードオフガス排出通路４７、４８と、アノードオフガス排出通路４７、４８に設けた第１パージ弁４９と第２パージ弁５０とを備え、第１パージ弁４９と第２パージ弁５０とを同時に開弁した場合に必要なカソードガス流量が、カソードガス流量制限値よりも大きく、カソードガス流量が制限された場合に、少なくとも第１パージ弁４９、第２パージ弁５０のいずれか一方の開弁時間を制限する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
カソードガス供給通路を介してカソードガスを燃料電池スタックへ供給するためのカソードガス供給機と、
前記カソードガス供給通路、若しくはカソードオフガス排出通路に合流すると共に、前記燃料電池スタックのアノードオフガスが流れる２つのアノードオフガス排出通路と、
一方の前記アノードオフガス排出通路に設けられ、前記アノードオフガスを外部に排出する第１パージ弁と、
他方の前記アノードオフガス排出通路に設けられ、前記アノードオフガスを外部に排出する第２パージ弁と、
前記燃料電池システムの状態に基づいて決定される前記第１パージ弁の開弁時間に基づいて、前記第１パージ弁の開弁と閉弁とを制御する第１パージ弁制御手段と、
前記燃料電池システムの状態に基づいて決定される前記第２パージ弁の開弁時間に基づいて、前記第２パージ弁の開弁と閉弁とを制御する第２パージ弁制御手段と、
両パージ弁が同時に開弁する状況では、同時に開弁しないときに比してカソードガス供給機によるカソードガス流量を増量するカソードガス流量制御手段と、
前記カソードガス流量がカソードガス流量制限値よりも大きい場合には前記カソードガス流量を制限するカソードガス流量制限手段と、を備え、
前記第１パージ弁制御手段及び前記第２パージ弁制御手段は、前記カソードガス流量制限手段によって前記カソードガス流量が制限された場合に、少なくとも前記第１パージ弁、前記第２パージ弁のいずれか一方の開弁時間を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、
前記燃料電池スタックの目標温度に基づいて冷却手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記カソードガス流量制御手段によって前記カソードガス流量が制限された場合に、前記燃料電池スタックの温度が下がるように、前記冷却手段の操作量を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
少なくとも前記第１パージ弁、前記第２パージ弁のいずれか一方の開弁時間が制限された場合に、制限無し時に排出すべきアノードオフガス流量に対して、制限することで排出できなかったアノードオフガス流量を積算する積算手段を備え、
前記第１パージ弁制御手段及び前記第２パージ弁制御手段は、前記制限が解除された場合には、前記積算した前記アノードオフガス流量に基づいて少なくとも前記第１パージ弁、前記第２パージ弁のいずれか一方の開弁と閉弁とを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第２パージ弁制御手段は、前記燃料電池スタックの負荷に基づき決定される前記第２パージ弁の開弁時間に基づいて前記第２パージ弁の開弁と閉弁とを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記第１パージ弁制御手段は、前記燃料電池スタックの前記カソードの圧力に基づき決定される前記第１パージ弁の開弁時間に基づいて前記第１パージ弁の開弁と閉弁とを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池で発電を行うと、燃料電池のアノード内に不純物が発生する。そこで、水素濃度を維持するためにアノード内の不純物を水素と共にパージすることでその濃度を維持している。
【０００３】
一方で不純物をパージする場合は、排出されるガスの水素濃度が十分に低くなるようにカソードガスで希釈することが知られている。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムでは不純物を排出するためのパージ弁を２つ備え、所定の周期で両弁の開閉を繰り返している。一方の弁は開弁周期の開始から開弁し、他方のパージ弁は開弁周期の終わりを合わせるように開弁する。なお、２つのパージ弁の開弁時間は、アノード内の不純物（窒素と水）の量に比例して長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／００６６４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のパージ方法では、両弁の開閉周期を定めているために２つのパージ弁の開弁時間が長くなると、両弁が同時に開くようになり、このときは、片弁ずつ開弁した場合に比べて排出される水素の量は略２倍になる。そのため、カソード側は、片弁のみ開弁する時よりも多くのカソードガスを流すことで、水素濃度を所定濃度以下とすることが必要になる。
【０００７】
この希釈を行うためにコンプレッサによるカソードガスの流量を増量するのだが、燃料電池システムの状態によっては２つのパージ弁を同時に開弁する時に必要なカソードガスの流量をコンプレッサが流せない場合がある。たとえば、ＷＲＤ（Water Recovery Device）の耐熱保護のために、コンプレッサの流量が制限された場合である。
【０００８】
この場合、パージによって不純物と共に排出されるガスの水素濃度を所定濃度以下とすることができない可能性がある。本発明では、このような状況においても、パージによって不純物と共に排出されるガスの水素濃度の増大を抑制できる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、カソードガス供給通路を介してカソードガスを燃料電池スタックへ供給するためのカソードガス供給機と、カソードガス供給通路、若しくはカソードオフガス排出通路に合流すると共に、燃料電池スタックのアノードオフガスが流れる２つのアノードオフガス排出通路と、一方のアノードオフガス排出通路に設けられ、アノードオフガスを外部に排出する第１のパージ弁と、他方のアノードオフガス排出通路に設けられ、アノードオフガスを外部に排出する第２のパージ弁と、燃料電池システムの状態に基づいて決定される第１のパージ弁の開弁時間に基づいて、第１のパージ弁の開弁と閉弁とを制御する第１パージ弁制御手段と、燃料電池システムの状態に基づいて決定される第２のパージ弁の開弁時間に基づいて、第２のパージ弁の開弁と閉弁とを制御する第２パージ弁制御手段と、両パージ弁が同時に開弁する状況では、同時に開弁しないときに比してカソードガス供給機によるカソードガス流量を増量するカソード流量制御手段と、カソードガス流量がカソードガス流量制限値よりも大きい場合にはカソードガス流量を制限するカソードガス流量制限手段と、を備える。第１パージ弁制御手段及び第２パージ弁制御手段は、カソードガス流量制限手段によってカソードガス流量が制限された場合に、少なくとも第１パージ弁、第２パージ弁のいずれか一方の開弁時間を制限する。
【発明の効果】
【００１０】
この態様によると、第１パージ弁及び第２パージ弁を同時開弁する場合に、カソードガス流量が制限された場合に、少なくとも第１パージ弁、第２パージ弁のいずれか一方の開弁時間を制限することで、燃料電池スタックのアノードから不純物と共に排出されるガスの水素濃度が増大することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１パージ弁及び第２パージ弁の開閉を説明する図である。
【図３】パージ制御部を説明する制御ブロック図である。
【図４】液水排出要求ＤＵＴＹ設定部を説明する制御ブロック図である。
【図５】透過ガス排出要求ＤＵＴＹ設定部を説明する制御ブロック図である。
【図６】同時開弁要求判定部を説明する制御ブロック図である。
【図７】同時開弁禁止フラグ設定部を説明する制御ブロック図である。
【図８】パージ弁制限ＤＵＴＹ設定部を説明する制御ブロック図である。
【図９】アノード不純物ガス蓄積量設定部を説明する制御ブロック図である。
【図１０】冷却制御部を説明する制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態の構成を図１を用いて説明する。図１は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。
【００１３】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、カソードガス給排装置３と、アノードガス給排装置４と、スタック冷却装置６と、コントローラ７と、を備える。
【００１４】
燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、水素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。
【００１５】
カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、フィルタ３２と、空気コンプレッサ３３と、エアフローセンサ３４と、カソードガス排出通路３５と、バイパス通路３６と、流量制御弁３７と、圧力センサ３８と、空気圧力制御弁３９とを備える。
【００１６】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック２のカソード側に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、一端がフィルタ３２に接続され、他端が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２１に接続される。なお、カソードガス供給通路３１に、カソードガスを加湿するためのＷＲＤを設けてもよい。
【００１７】
フィルタ３２は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００１８】
空気コンプレッサ３３は、カソードガス供給通路３１に設けられる。空気コンプレッサ３３は、フィルタ３２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック２に供給する。
【００１９】
エアフローセンサ３４は、空気コンプレッサ３３よりも上流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。
【００２０】
カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガス、及びバイパス通路３６を介してカソードガス供給通路３１から供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２２に接続され、他端が開口端となっている。
【００２１】
バイパス通路３６は、燃料電池スタック２をバイパスしてカソードガス供給通路３１とカソードガス排出通路３５とを接続する。バイパス通路３６は、カソードガス供給通路３１から燃料電池スタック２をバイパスしてカソードガスをカソードガス排出通路３５に供給可能である。
【００２２】
流量制御弁３７は、バイパス通路３６に設けられる。流量制御弁３７は連続的または段階的に開度を調整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７によって制御される。流量制御弁３７を開くことで、燃料電池スタック２で必要なカソードガスの流量が少ない場合でも、後述するアノードオフガスを希釈するために必要なカソードガスを、バイパス通路３６を介してカソードガス排出通路３５に供給することができる。
【００２３】
圧力センサ３８は、バイパス通路３６が接続する箇所よりも下流側（燃料電池スタック２側）のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３８は、燃料電池スタック２に供給されるカソードガス供給通路３１の圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３８で検出した圧力を、燃料電池スタック２のカソード系全体の圧力として代用する。
【００２４】
空気圧力制御弁３９は、カソードガス排出通路３５の、バイパス通路３６の合流部より上流に設けられる。空気圧力制御弁３９は連続的または段階的に開度を調整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７によって制御され、空気圧力制御弁３９の開度を小さくすることで、燃料電池スタック２のカソード圧を上昇させることができる。
【００２５】
アノードガス給排装置４は、高圧タンク４１と、アノードガス供給通路４２と、調圧弁４３と、圧力センサ４４と、第１アノードガス排出通路４５と、第２アノードガス排出通路４６と、第１パージ通路４７と、第２パージ通路４８と、第１パージ弁４９と、第２パージ弁５０と、バッファタンク５１と、を備える。
【００２６】
高圧タンク４１は、燃料電池スタック２に供給する水素を高圧状態に保って貯蔵する。
【００２７】
アノードガス供給通路４２は、高圧タンク４１から排出された水素を燃料電池スタック２のアノード側に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク４１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２３に接続される。
【００２８】
調圧弁４３は、アノードガス供給通路４２に設けられる。調圧弁４３は、高圧タンク４１から排出された水素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４３は、連続的また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７によって制御される。
【００２９】
圧力センサ４４は、調圧弁４３よりも下流のアノードガス供給通路４２に設けられる。圧力センサ４４は、調圧弁４３よりも下流のアノードガス供給通路４２の圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ４４で検出した圧力を、バッファタンク５１を含む燃料電池スタック２のアノード系全体の圧力として代用する。
【００３０】
第１アノードガス排出通路４５は、一端部が燃料電池スタック２の第１アノードガス出口孔２４に接続され、他端部がバッファタンク５１に接続される。第１アノードガス排出通路４５には、燃料電池スタック２の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側へと透過してきたカソードガス（窒素など）や水蒸気などの不活性ガスとの混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）や燃料電池スタック２の電極反応によって発生する生成水（以下、「液水」という。）が排出される。
【００３１】
第２アノードガス排出通路４６は、一端部が燃料電池スタック２の第２アノードガス出口孔２５に接続され、他端部がバッファタンク５１に接続される。第２アノードガス排出通路４６には、アノードオフガスや液水が排出される。
【００３２】
第１パージ通路４７は、一端部が第１アノードガス排出通路４５に接続され、他端部が空気圧力制御弁３９下流のカソードガス排出通路３５に接続される。
【００３３】
第２パージ通路４８は、一端部が第２アノードガス排出通路４６に接続され、他端部が空気圧力制御弁３９下流のカソードガス排出通路３５に接続される。
【００３４】
第１パージ弁４９は、第１パージ通路４７に設けられる。第１パージ弁４９は、開度を全開または全閉に調節することが可能な電磁弁であり、コントローラ７によって制御される。
【００３５】
第２パージ弁５０は、第２パージ通路４８に設けられる。第２パージ弁５０は、開度を全開または全閉に調節することが可能な電磁弁であり、コントローラ７によって制御される。
【００３６】
第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開閉することで、バッファタンク５１からパージ通路４７、４８を介して外気へ排出されるアノードオフガス、液水の量を調節し、バッファタンク５１内の水素濃度を所望の濃度に調整すると同時に、アノード内に液水が蓄積することを防止する。バッファタンク５１内の水素濃度が低すぎると、バッファタンク５１内の水素を用いて燃料電池スタック２で発電する際に電極反応に使用される水素が不足するので、発電不良が生じると共に、燃料電池が劣化するおそれがある。一方で、バッファタンク５１内の水素濃度が高すぎると、パージ通路４７、４８を介してアノードオフガス中の不活性ガスと共に外気へ排出される水素の量が多くなるので、燃費が悪化する。従って、バッファタンク５１内の水素濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される。また、アノード内の液水量が多くなると、アノードにおけるＭＥＡへの水素の供給が阻害されて燃料電池スタック２で発電不良が生じるおそれがある。従って、アノード内の液水を適宜排出する。
【００３７】
バッファタンク５１は、第１アノードガス排出通路４５及び第２アノードガス排出通路４６を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク５１に溜められたアノードオフガスは、第１パージ弁４９または第２パージ弁５０が開かれたときに、第１パージ通路４７または第２パージ通路４８を通ってカソードガス排出通路３５に排出される。その結果、アノードオフガスとカソードオフガス及びカソードガスとの混合ガス（以下「外気排出ガス」という。）がカソードガス排出通路３５の開口端から外気へ排出される。このように、アノードオフガスをカソードオフガス及びカソードガスに混合させた上で外気に排出することで、外気排出ガス中の水素濃度が所定の可燃濃度未満になるようにしている。バッファタンク５１のアノードオフガスは、調圧弁４３から供給される水素の圧力が小さくなると、燃料電池スタック２に流れ、アノードオフガス中の水素が燃料電池スタック２の電極反応に使用される。なお、以下においては外気排出ガスを形成するカソードオフガス及びカソードガスを単にカソードオフガスとして説明する。
【００３８】
スタック冷却装置６は、燃料電池スタック２を冷却し、燃料電池スタック２を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置６は、冷却水循環通路６１と、ラジエータ６２と、バイパス通路６３と、三方弁６４と、循環ポンプ６５と、電気ヒータ６６と、第１水温センサ６９と、第２水温センサ８０と、ラジエータファン８１と、を備える。
【００３９】
冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック２の冷却水入口孔２６に接続され、他端が燃料電池スタック２の冷却水出口孔２７に接続される。
【００４０】
ラジエータ６２は、冷却水循環通路６１に設けられる。ラジエータ６２は、燃料電池スタック２から排出され、ラジエータ６２の内部を流れる冷却水と、ラジエータファン８１などによってラジエータ６２の外部を流れる空気と間で熱交換を行い、冷却水を冷却する。
【００４１】
ラジエータファン８１は、コントローラ７によって回転速度が制御され、ラジエータ６２の外部を流れる空気流量を調整する。
【００４２】
バイパス通路６３は、ラジエータ６２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が燃料電池スタック２の冷却水出口孔２７とラジエータ６２との間の冷却水循環通路６１に接続され、他端が三方弁６４に接続される。
【００４３】
三方弁６４は、ラジエータ６２と燃料電池スタック２の冷却水入口孔２６との間の下流側の冷却水循環通路６１に設けられる。三方弁６４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水が、ラジエータ６２を介して再び燃料電池スタック２に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック２から排出された冷却水が、ラジエータ６２を介さずにバイパス通路６３を流れて再び燃料電池スタック２に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００４４】
循環ポンプ６５は、三方弁６４よりも下流側の冷却水循環通路６１に設けられて、冷却水を循環させる。
【００４５】
電気ヒータ６６は、バイパス通路６３に設けられる。電気ヒータ６６は、燃料電池スタック２の暖機時などに通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
【００４６】
第１水温センサ６９は、燃料電池スタック２の冷却水出口孔２７の近傍の冷却水循環通路６１に設けられる。第１水温センサ６９は、燃料電池スタック２から排出された冷却水の温度を検出する。
【００４７】
第２水温センサ８０は、燃料電池スタック２の冷却水入口孔２６の近傍の冷却水循環通路６１に設けられる。第２水温センサ８０は、燃料電池スタック２に供給される冷却水の温度を検出する。
【００４８】
コントローラ７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。
【００４９】
コントローラ７には、前述したエアフローセンサ３４や圧力センサ４４および３８、第１水温センサ６９、第２水温センサ８０、第３水温センサ７１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７２や燃料電池スタック２の出力電圧を検出する電圧センサ７３、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ７４、大気圧を検出する大気圧センサ７５などの燃料電池システム１の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。
【００５０】
コントローラ７は、これらの入力信号に基づいて図示しない外部負荷などの要求負荷に応じて外部負荷などと燃料電池スタック２との間に設けた図示しないインバータを制御することで燃料電池スタック２の発電電力を制御する。また、コントローラ７は、これらの入力信号に基づいて調圧弁４３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。また、コントローラ７は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開閉してバッファタンク５１から外部へ排出するアノードオフガスの流量を調節し、燃料電池スタック２のアノード内への窒素および液水の蓄積を防止する。
【００５１】
第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の開閉は、図２に示すように所定周期で実行される。第１パージ弁４９は開時間が設定されると所定周期の始めから開き始めるように制御され、第２パージ弁５０は開時間が設定されると所定周期の終わりに開き終わるように制御される。第１パージ弁４９の開時間または第２パージ弁５０の開時間が長くなると、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０が同時に開く同時開弁が生じる。
【００５２】
次に本実施形態における第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を制御するパージ弁制御部１００について図３の制御ブロック図を用いて説明する。以下において説明する制御は、コントローラ７によって実行される。
【００５３】
パージ弁制御部１００は、液水排出要求ＤＵＴＹ設定部１１０と、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ設定部１２０と、同時開弁要求判定部１３０と、同時開弁禁止フラグ設定部１４０と、パージ弁制限ＤＵＴＹ設定部１５０と、アノード不純物ガス蓄積量設定部１６０とから構成される。
【００５４】
液水排出要求ＤＵＴＹ設定部１１０について図４の制御ブロック図を用いて説明する。
【００５５】
液水排出要求ＤＵＴＹ設定部１１０は、アノード液水量算出部１１１と、偏差算出部１１２と、液水排出量算出部１１３と、液水排出要求ＤＵＴＹ算出部１１４とから構成される。
【００５６】
アノード液水量算出部１１１は、予め設定したマップから要求電流とＨＦＲ（High Frequency Resistance）とに基づいてアノード液水量を算出する。ＨＦＲは、公知の交流インピーダンス法によって算出される。燃料電池スタック２の内部抵抗は、燃料電池スタック２の電解質膜の湿潤状態によって変化することが知られている。そのため、燃料電池スタック２のＨＦＲを検知することで、燃料電池スタック２の電解質膜の湿潤状態を間接的に検知することができる。ＨＦＲが大きくなると電解質膜が乾燥していることを意味する。ＨＦＲは、例えば本出願人が出願した特開２０１２−０５４１５３号公報に記載された方法などを用いて算出される。アノード液水量は、要求電流が大きくなるほど多くなり、ＨＦＲが小さく、電解質膜が湿っているほど多くなる。
【００５７】
偏差算出部１１２は、目標アノード圧と大気圧との偏差を算出する。なお、目標アノード圧は、要求電流などに応じて算出される。
【００５８】
液水排出量算出部１１３は、予め設定したテーブルから偏差算出部１１２によって算出した偏差に基づいて液水排出可能量を算出する。液水排出可能量は、偏差が大きくなるほど多くなる。
【００５９】
液水排出要求ＤＵＴＹ算出部１１４は、アノード液水量を液水排出量で除算することで液水排出要求ＤＵＴＹを算出する。
【００６０】
このように、液水排出要求ＤＵＴＹ設定部１１０は、燃料電池システム１の状態に基づいて液水排出要求ＤＵＴＹを設定する。
【００６１】
透過ガス排出要求ＤＵＴＹ設定部１２０について、図５の制御ブロック図を用いて説明する。
【００６２】
透過ガス排出要求ＤＵＴＹ設定部１２０は、カソードガス透過量算出部１２１と、アノード不純物ガス排出可能量算出部１２２と、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ算出部１２３と、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ補正部１２４と、第１パージ弁ＤＵＴＹ選択部１２５とから構成される。
【００６３】
カソードガス透過量算出部１２１は、予め設定したマップから、圧力センサ３８によって検出したカソード圧と、燃料電池温度とに基づいてカソード側からアノード側へ透過するカソードガス透過量を算出する。燃料電池温度は、第１水温センサ６９によって検出した温度と、第２水温センサ８０によって検出した温度との平均値である。カソードガス透過量は、カソード圧が高くなるほど多くなり、燃料電池温度が高いほど多くなる。カソードガス透過量は、単位時間あたりにカソード側からアノード側へ透過するカソードガスの透過量である。
【００６４】
アノード不純物ガス排出可能量算出部１２２は、予め設定したマップから、目標アノード圧と、大気圧センサ７５によって検出した大気圧とに基づいてアノード不純物ガス排出可能量を算出する。アノード不純物ガス排出可能量は、目標アノード圧が高いほど多くなり、大気圧が低いほど多くなる。アノード不純物オフガス排出可能量は、単位時間あたりにアノードから排出可能なアノード不純物ガスの排出量である。
【００６５】
透過ガス排出要求ＤＵＴＹ算出部１２３は、カソードガス透過量をアノード不純物ガス排出可能量で除算することで、透過ガス排出要求ＤＵＴＹを算出する。
【００６６】
透過ガス排出要求ＤＵＴＹ補正部１２４は、詳しく後述するアノード不純物ガス蓄積量がゼロではない場合には、透過ガス排出要求ＤＵＴＹに所定のＤＵＴＹを加算して透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹを算出する。所定のＤＵＴＹは、予め設定されたＤＵＴＹであり、たとえば２を設定する。アノードにアノード不純物ガスが蓄積されている場合には、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ１２３によって算出されたＤＵＴＹに所定のＤＵＴＹを加算し、第１パージ弁４９の開弁時間を長くすることで、アノードに蓄積されたアノード不純物ガスを外部に排出する。また、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ補正部１２４は、アノード不純物ガス蓄積量がゼロの場合には、透過ガス排出要求ＤＵＴＹを透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹとして算出する。なお、所定のＤＵＴＹをアノード不純物ガス蓄積量に応じて設定してもよく、この場合には、アノード不純物ガス蓄積量が多くなるほど所定のＤＵＴＹは大きくなる。
【００６７】
第１パージ弁ＤＵＴＹ選択部１２５は、透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹと、液水排出要求ＤＵＴＹとを比較し、大きい方のＤＵＴＹを第１パージ弁ＤＵＴＹとして選択する。ここで、透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹと液水排出要求ＤＵＴＹとを比較するのは、例えば車両の傾き具合により液水が第１パージ弁４９、第２パージ弁５０のどちらから排出されるか不明であるためである。本実施形態では、液水を排出するためのＤＵＴＹである液水排出要求ＤＵＴＹが、アノードへ透過したカソードガスを排出するためのＤＵＴＹである透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹよりも大きい場合には、第１パージ弁ＤＵＴＹ選択部１２５は、液水を確実に排出するために第１パージ弁ＤＵＴＹとして液水排出要求ＤＵＴＹを選択する。なお、透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹが液水排出要求ＤＵＴＹよりも大きい場合には、液水が第１パージ弁４９側にある場合でもアノードオフガスを排出するために第１パージ弁４９を透過ガス排出要求補正ＤＵＴＹに基づいて開くと、液水排出量算出部１１３によって算出された液水排出量の液水はアノードオフガスと共に第１パージ弁４９から排出される。
【００６８】
このように、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ設定部１２０は、燃料電池システム１の状態に基づいて第１パージ弁ＤＵＴＹを設定する。
【００６９】
同時開弁要求判定部１３０について図６の制御ブロック図を用いて説明する。
【００７０】
同時開弁要求判定部１３０は、合計ＤＵＴＹ算出部１３１と、同時開弁判定フラグ選択部１３２とから構成される。
【００７１】
合計ＤＵＴＹ算出部１３１は、第１パージ弁ＤＵＴＹと液水排出要求ＤＵＴＹとを加算して合計ＤＵＴＹを算出する。本実施形態では、第１パージ弁４９と第２パージ弁５０との開閉が繰り返される所定周期は、合計ＤＵＴＹが１である場合に対応している。すなわち、合計ＤＵＴＹが１の場合には、所定周期の間に第１パージ弁４９が閉じると同時に第２パージ弁５０が開く。また、合計ＤＵＴＹが１よりも大きい場合には、第１パージ弁ＤＵＴＹと液水排出要求ＤＵＴＹとに基づいて第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開閉すると、所定周期の間に第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０が同時に開く同時開弁が生じる。
【００７２】
同時開弁判定フラグ選択部１３２は、合計ＤＵＴＹが１よりも大きい場合には、第１パージ弁ＤＵＴＹと液水排出要求ＤＵＴＹとに基づいて第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開閉すると、同時開弁が生じるので、同時開弁判定フラグとして「１」を選択する。一方、同時開弁判定フラグ選択部１３２は、合計ＤＵＴＹが１よりも小さい場合には、第１パージ弁ＤＵＴＹと液水排出要求ＤＵＴＹとに基づいて第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開閉しても、所定周期の間に同時開弁が生じないので、同時開弁判定フラグとして「０」を選択する。
【００７３】
同時開弁禁止フラグ設定部１４０について図７の制御ブロック図を用いて説明する。
【００７４】
同時開弁禁止フラグ設定部１４０は、発電要求カソードガス流量算出部１４１と、希釈カソードガス流量算出部１４２と、希釈係数選択部１４３と、最終希釈カソードガス流量算出部１４４と、要求カソードガス流量選択部１４５と、カソードガス流量制限部１４６と、目標カソードガス流量選択部１４７と、目標空気コンプレッサ流量選択部１４８と、同時開弁禁止フラグ選択部１４９とから構成される。
【００７５】
発電要求カソードガス流量算出部１４１は、予め設定したマップから要求電流に基づいて発電要求カソードガス流量を算出する。要求電流が大きくなるほど、発電要求カソードガス流量は増加する。発電要求カソードガス流量は、燃料電池スタック２による電極反応で必要なカソードガス流量である。
【００７６】
希釈カソードガス流量算出部１４２は、予め設定したマップから、圧力センサ４４によって検出したアノード圧と、大気圧センサ７５によって検出した大気圧とに基づいて第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開いたときに排出されるアノードオフガスを希釈するために必要な希釈カソードガス流量を算出する。なお、希釈カソードガス流量は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０が同時開弁しない場合の希釈カソードガス流量である。希釈カソードガス流量は、アノード圧が高いほど多くなり、大気圧が低いほど多くなる。
【００７７】
希釈係数選択部１４３は、同時開弁判定フラグに基づいて希釈係数を選択する。同時開弁判定フラグは、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がある場合に「１」となり、同時開弁する必要がない場合に「０」となる。希釈係数選択部１４３は、同時開弁判定フラグが「０」の場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がないので希釈係数として「１」を選択し、同時開弁判定フラグが「１」の場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要があるので希釈係数として「２」を選択する。
【００７８】
最終希釈カソードガス流量算出部１４４は、希釈カソードガス流量と希釈係数とを乗算して最終希釈カソードガス流量を算出する。同時開弁判定フラグが「１」の場合、つまり第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がある場合には、希釈係数が「２」となっており、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がある場合の最終希釈カソードガス流量は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がない場合の最終希釈カソードガス流量の２倍の流量となる。
【００７９】
要求カソードガス流量選択部１４５は、発電要求カソードガス流量と、最終希釈カソードガス流量とを比較して、多い方の流量を要求カソードガス流量として選択する。
【００８０】
カソードガス流量制限部１４６は、予め設定したマップから空気コンプレッサ３３の制限状態に基づいてカソードガス制限流量を算出する。空気コンプレッサ３３は、例えば、吸気したカソードガスの温度が高い場合には、空気コンプレッサ３３自身の耐熱性や、空気コンプレッサ３３よりも下流側の部品などの耐熱性のために流量が制限される場合がある。そのため、カソードガス流量制限部１４６は、空気コンプレッサ３３が供給することが可能なカソードガス制限流量を空気コンプレッサ３３の制限状態から算出する。空気コンプレッサ３３の制限状態とは、例えばカソードガスの温度、空気コンプレッサ３３の温度などによって求められ、例えばカソードガスの温度が高いほど大きくなる。空気コンプレッサ３３の制限状態が大きくなるとカソードガス制限流量は小さくなる。
【００８１】
目標カソードガス流量選択部１４７は、要求カソードガス流量と、カソードガス制限流量とを比較し、少ない方の流量を目標カソードガス流量として選択する。目標カソードガス流量選択部１４７は、要求カソードガス流量がカソードガス制限流量よりも多い場合には、カソードガス流量を制限するためにカソードガス制限流量を目標カソードガス流量として選択する。例えば、同時開弁判定フラグが「１」であり、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がある場合であっても、要求カソードガス流量がカソードガス制限流量よりも多い場合には、目標カソードガス流量選択部１４７は、空気コンプレッサ３３の制限状態に合わせてカソードガス流量を制限するためにカソードガス制限流量を目標カソードガス流量として選択する。
【００８２】
目標空気コンプレッサ流量選択部１４８は、目標カソードガス流量と、希釈カソードガス流量とを比較して、多い方の流量を目標空気コンプレッサ流量として選択する。目標カソードガス流量選択部１４７によってカソードガス制限流量が目標カソードガス流量として選択された場合でも、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁せずに第１パージ弁４９または第２パージ弁５０から排出されたアノードオフガス中の水素濃度が所定の可燃濃度未満となるようにカソードオフガスによってアノードオフガスを希釈しなければならない。そのため、目標カソードガス流量が希釈カソードガス流量よりも少ない場合には、目標空気コンプレッサ流量選択部１４８は、希釈カソードガス流量を目標空気コンプレッサ流量として選択する。なお、目標空気コンプレッサ流量選択部１４８によって選択された目標空気コンプレッサ流量に基づいて空気コンプレッサ３３が制御される。
【００８３】
同時開弁禁止フラグ選択部１４９は、目標空気コンプレッサ流量と、最終希釈カソードガス流量とを比較する。目標空気コンプレッサ流量が最終希釈カソードガス流量よりも少ない場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を行うと第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０から排出されるアノードオフガスをカソードオフガスによって十分に希釈することができないおそれがあるので、同時開弁禁止フラグ選択部１４９は第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止するために同時開弁禁止フラグとして「１」を選択する。一方、目標空気コンプレッサ流量が最終希釈カソードガス流量以上である場合には、カソードオフガスによってアノードオフガスを十分に希釈することができるので、同時開弁禁止フラグ選択部１４９は同時開弁禁止フラグとして「０」を選択する。なお、同時開弁判定フラグが「０」であり、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がない場合には最終希釈カソードガス流量と希釈カソードガス流量とが等しく、目標空気コンプレッサ流量選択部１４８において目標空気コンプレッサ流量は希釈カソードガス流量以上の流量となる。そのため、最終希釈カソードガス流量と目標空気コンプレッサ流量とを比較した場合には、目標空気コンプレッサ流量が最終希釈カソードガス流量よりも少なくなることはない。つまり、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がない場合には、同時開弁禁止フラグが「１」になることはない。
【００８４】
パージ弁制限ＤＵＴＹ設定部１５０について図８の制御ブロック図を用いて説明する。
【００８５】
パージ弁制限ＤＵＴＹ設定部１５０は、同時開弁禁止実行フラグ選択部１５１と、最終第１パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５２と、最終第２パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５３と、加算部１５４と、同時開弁実行フラグ選択部１５５とから構成される。
【００８６】
同時開弁禁止実行フラグ選択部１５１は、同時開弁判定フラグと、同時開弁禁止フラグとに基づいて同時開弁禁止実行フラグを選択する。同時開弁禁止実行フラグ選択部１５１は、同時開弁判定フラグが「１」であり、かつ同時開弁禁止フラグが「１」の場合に、同時開弁禁止実行フラグとして「１」を選択し、これ以外の場合には、同時開弁禁止実行フラグとして「０」を選択する。
【００８７】
最終第１パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５２は、同時開弁禁止実行フラグに基づいて最終第１パージ弁ＤＵＴＹを設定する。最終第１パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５２は、同時開弁禁止実行フラグが「１」の場合には最終第１パージ弁ＤＵＴＹを０．５に設定する。最終第１パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５２は、同時開弁禁止実行フラグが「０」の場合には第１パージ弁ＤＵＴＹを最終第１パージ弁ＤＵＴＹとして設定する。
【００８８】
最終第２パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５３は、同時開弁禁止フラグに基づいて最終第２パージ弁ＤＵＴＹを設定する。最終第２パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５３は、同時開弁禁止実行フラグが「１」の場合には最終第２パージ弁ＤＵＴＹを０．５に設定する。最終第２パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５３は、同時開弁禁止実行フラグが「０」の場合には液水排出要求ＤＵＴＹを最終第２パージ弁ＤＵＴＹとして設定する。
【００８９】
このようにパージ弁制限ＤＵＴＹ設定部１５０は、同時開弁禁止実行フラグが「１」の場合には、最終第１パージ弁ＤＵＴＹ及び最終第２パージ弁ＤＵＴＹを０．５とし、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０が同時開弁することを禁止する。
【００９０】
最終第１パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５２によって算出した最終第１パージ弁ＤＵＴＹ、及び最終第２パージ弁ＤＵＴＹ設定部１５３によって算出した最終第２パージ弁ＤＵＴＹに基づいて第１パージ弁４９、第２パージ弁５０が開閉し、アノードオフガス及び液水をアノードから外部へ排出する。
【００９１】
加算部１５４は、最終第１パージ弁ＤＵＴＹと最終第２パージ弁ＤＵＴＹとを加算し、最終合計ＤＵＴＹを算出する。
【００９２】
同時開弁実行フラグ選択部１５５は、最終合計ＤＵＴＹに基づいて同時開弁実行フラグを選択する。同時開弁実行フラグ選択部１５５は、最終合計ＤＵＴＹが１よりも大きい場合には第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁するので、同時開弁実行フラグとして「１」を選択する。また、同時開弁実行フラグ選択部１５５は、最終合計ＤＵＴＹが１以下の場合には第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁しないので、同時開弁実行フラグとして「０」を選択する。
【００９３】
アノード不純物ガス蓄積量設定部１６０について図９の制御ブロック図を用いて説明する。
【００９４】
アノード不純物ガス蓄積量設定部１６０は、合計ＤＵＴＹ算出部１６１と、超過ＤＵＴＹ算出部１６２と、不足ＤＵＴＹ設定部１６３と、アノード不純物ガス排出不足量算出部１６４と、アノード不純物ガス増加量設定部１６５と、過剰ＤＵＴＹ算出部１６６と、アノード不純物ガス過剰排出量算出部１６７と、アノード不純物ガス余剰排出量設定部１６８と、アノード不純物ガス増減量算出部１６９と、アノード不純物ガス蓄積量算出部１７０とから構成される。
【００９５】
合計ＤＵＴＹ算出部１６１は、第１パージ弁ＤＵＴＹと液水排出要求ＤＵＴＹとを加算して合計ＤＵＴＹを算出する。
【００９６】
超過ＤＵＴＹ算出部１６２は、合計ＤＵＴＹ算出部１６１によって算出した合計ＤＵＴＹから１を減算してパージ未実行ＤＵＴＹを算出する。パージ未実行ＤＵＴＹは、合計ＤＵＴＹから同時開弁が禁止された際に実現可能な合計ＤＵＴＹである１を減算した値であり、同時開弁が禁止された際に不足するＤＵＴＹである。パージ未実行ＤＵＴＹは、合計ＤＵＴＹが１よりも大きい場合、つまり第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がある場合に正の値となり、合計ＤＵＴＹが１以下の場合、つまり第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する必要がない場合にゼロ、または負の値となる。
【００９７】
不足ＤＵＴＹ設定部１６３は、超過ＤＵＴＹが正の値であるかどうか判定し、不足ＤＵＴＹを設定する。不足ＤＵＴＹ設定部１６３は、パージ未実行ＤＵＴＹが正の値である場合には、パージ未実行ＤＵＴＹを不足ＤＵＴＹとして設定する。また、不足ＤＵＴＹ設定部１６３は、パージ未実行ＤＵＴＹがゼロ以下である場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁しなくてもアノード内のアノードオフガスを十分に排出することができるので、不足ＤＵＴＹをゼロに設定する。
【００９８】
アノード不純物ガス排出不足量算出部１６４は、不足ＤＵＴＹとアノード不純物ガス排出可能量算出部１２２によって算出したアノード不純物ガス排出可能量とを乗算し、アノード不純物ガス排出不足量を算出する。アノード不純物ガス排出不足量は、不足ＤＵＴＹがゼロの場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁しなくてもアノード不純物ガスを十分に排出できるので、ゼロとなる。
【００９９】
アノード不純物ガス増加量設定部１６５は、同時開弁禁止実行フラグに応じてアノードにおけるアノード不純物ガス増加量を設定する。同時開弁禁止実行フラグが「０」の場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁は禁止されない。そのため、不足ＤＵＴＹがゼロではない場合でも、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁することでアノード不純物ガスがアノードから十分に排出されるので、アノードでアノード不純物ガスは増加しない。従って、アノード不純物ガス増加量設定部１６５は、アノード不純物ガス増加量をゼロとする。一方、同時開弁禁止実行フラグが「１」の場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が禁止される。そのため、不足ＤＵＴＹがゼロではない場合には、アノード不純物ガスがアノードから十分に排出されず、アノードでアノード不純物ガスが増加する。従って、アノード不純物ガス増加量設定部１６５は、アノード不純物ガス排出不足量をアノード不純物ガス増加量として設定する。また、アノード不純物ガス排出不足量がゼロの場合には、アノード不純物ガス増加量設定部１６５はアノード不純物ガス増加量をゼロとする。
【０１００】
過剰ＤＵＴＹ算出部１６６は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁した場合のＤＵＴＹである２から、合計ＤＵＴＹを減算して過剰ＤＵＴＹを算出する。
【０１０１】
アノード不純物ガス過剰排出量算出部１６７は、過剰ＤＵＴＹとアノード不純物ガス排出可能量とを乗算し、アノード不純物ガス過剰排出量を算出する。アノード不純物ガス過剰排出量は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁した場合に、アノードから排出される過剰のアノード不純物ガス量である。
【０１０２】
アノード不純物ガス余剰排出量設定部１６８は、同時開弁実行フラグに応じてアノードにおけるアノード不純物ガス減少量を設定する。同時開弁実行フラグが「０」の場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が行われないので、アノードから余剰のアノード不純物ガスが排出されない。そのため、アノード不純物ガス余剰減少量設定部１６８は、アノード不純物ガス余剰減少量をゼロとする。一方、同時開弁実行フラグが「１」の場合には、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が行われるので、アノードに蓄積されたアノード不純物ガスが排出される。そのため、アノード不純物ガス余剰排出量設定部１６８は、アノード不純物ガス排出過剰量をアノード不純物ガス余剰減少量として設定する。
【０１０３】
アノード不純物ガス増減量算出部１６９は、アノード不純物ガス増加量からアノード不純物ガス余剰減少量を減算し、アノード不純物ガス増減量を算出する。
【０１０４】
アノード不純物ガス蓄積量算出部１７０は、アノード不純物ガス増減量を現在記憶しているアノード不純物ガス蓄積量に加算し、アノード不純物ガス蓄積量を更新する。更新されたアノード不純物ガス蓄積量は記憶され、次回の演算に使用される。
【０１０５】
以上のように第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止すると、その分だけバッファタンク５１内の不活性ガスが増加し、水素濃度が低くなり、発電効率が低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止した場合に、バッファタンク５１内の不活性ガスの一種である水蒸気の影響を小さくするように、燃料電池スタック２の温度を低くする。これにより、バッファタンク５１に含まれる水蒸気を少なくし、また第１パージ弁４９、または第２パージ弁５０から排出される不純物ガス量を多くすることで、アノードオフガス中の水素濃度を高くし、発電効率の低下を抑止する。
【０１０６】
次に燃料電池スタック２を冷却するための冷却制御部１８０について図１０の制御ブロック図を用いて説明する。以下において説明する制御は、コントローラ７によって実行される。
【０１０７】
冷却制御部１８０は、目標燃料電池温度算出部１８１と、冷却系回転速度算出部１８２と、循環ポンプ回転速度算出部１８３と、目標循環ポンプ回転速度選択部１８４と、ラジエータファン回転速度算出部１８５と、目標ラジエータファン回転速度選択部１８６とから構成される。
【０１０８】
目標燃料電池温度算出部１８１は、要求電流と、ＨＦＲとに基づいて燃料電池スタック２の目標温度を算出する。目標温度は、要求電流に対して所望するＨＦＲとなる燃料電池スタック２の温度である。
【０１０９】
冷却系回転速度算出部１８２は、燃料電池温度と目標温度との偏差に基づいて、ＰＩ制御器を解して、燃料電池の水温が高いほど循環ポンプおよびラジエータファンの回転数が上昇するように制御する。燃料電池温度は、上記したように、第１水温センサ６９によって検出した冷却水温度と、第２水温センサ８０によって検出した冷却水温度との平均値である。
【０１１０】
循環ポンプ回転速度算出部１８３は、アノード不純物ガス蓄積量と、第２水温センサ８０によって検出した冷却水温とに基づいて予め設定したマップから第２循環ポンプ回転速度を算出する。第２循環ポンプ回転速度は、アノード不純物ガス蓄積量が大きいほど高くなり、冷却水温が高いほど高くなる。
【０１１１】
目標循環ポンプ回転速度選択部１８４は、第１循環ポンプ回転速度と第２循環ポンプ回転速度とを比較し、高い方の回転速度を目標循環ポンプ回転速度として選択する。
【０１１２】
ラジエータファン回転速度算出部１８５は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０のアノード不純物ガス蓄積量と、第２水温センサ８０によって検出した冷却水温とに基づいて予め設定したマップから第２ラジエータファン回転速度を算出する。第２ラジエータファン回転速度は、アノード不純物ガス蓄積量が大きいほど高くなり、冷却水温が高いほど高くなる。
【０１１３】
目標ラジエータファン回転速度選択部１８６は、第１ラジエータファン回転速度と第２ラジエータファン回転速度とを比較し、高い方の回転速度を目標ラジエータファン回転速度として選択する。
【０１１４】
このようにして設定された目標循環ポンプ回転速度、目標ラジエータファン回転速度に基づいて、循環ポンプ６５及びラジエータファン８１が制御される。第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が禁止された場合でも、循環ポンプ６５の回転速度及びラジエータファン８１の回転速度を高くすることで、燃料電池スタック２を循環する冷却水の流量を大きくし、燃料電池スタック２を循環する冷却水の温度を低くし、燃料電池スタック２の温度を低くする。これにより、アノードオフガス中に含まれる水蒸気を少なくし、また第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０から排出される不活性ガスを多くすることで、バッファタンク５１内の水素濃度を高くし、発電効率の低下を抑止することができる。
【０１１５】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【０１１６】
第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を同時開弁する場合に、アノードオフガスに含まれる水素量に対して、空気コンプレッサ３３によって供給可能なカソードオフガスの流量が制限されると、アノードオフガスに含まれる水素を十分に希釈することができなくなるおそれがある。
【０１１７】
そこで、本実施形態では、このような場合に、少なくとも第１パージ弁４９、第２パージ弁５０のいずれか一方の開弁時間を制限することで第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止し、外気に排出されるアノードオフガスの流量を少なくし、外気に排出される外気排出ガスの水素濃度が高くなることを抑制する。
【０１１８】
第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止すると、本来、排出したいアノードオフガスに含まれる不活性ガス、特に窒素を希望通りに排出することが困難となる。
【０１１９】
そこで、本実施形態では、このような場合に、循環ポンプ６５における循環ポンプ回転速度を高くし、ラジエータファン８１におけるラジエータファン回転速度を高くすることで、燃料電池スタック２の温度を低くする。アノードオフガスの不活性ガスには水蒸気が含まれているので、燃料電池スタック２の温度を低くすることで飽和水蒸気圧が低くなる。これにより、アノードオフガス中に気体として存在していた水蒸気が少なくなり、アノードオフガスに占める窒素の割合が高くなる。従って、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が禁止された場合でも、燃料電池スタック２の温度を低くしてアノードオフガス中の水蒸気を減らした分、窒素を多く排出することができ、バッファタンク５１内の水素濃度を高くすることができ、燃料電池スタック２の発電効率が低下することを抑制することができる。
【０１２０】
また、燃料電池スタック２のアノードから水を排出する必要があるが、水が水蒸気として存在している場合には水蒸気を排出するために十分なパージガス流量が必要となる。そこで、本実施形態では、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が禁止されている場合には、燃料電池スタック２の温度を低くし、飽和水蒸気を下げることで、水蒸気を液化し、第１パージ弁４９または第２パージ弁５０を用いてパージするアノードオフガスの流量が制限された状況でも、アノードオフガス中の窒素ガスをできる限り排出することができる。
【０１２１】
第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止することで、アノードオフガスに含まれる窒素ガスが蓄積され、アノードオフガス中の窒素ガスの割合が高くなるおそれがある。この状態が長く継続されると、燃料電池スタック２の触媒を劣化させるおそれがある。
【０１２２】
本実施形態では、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を禁止した場合には、同時開弁が禁止されたことでアノードに蓄積されたアノード不純物ガスを積算しておき、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁禁止が解除された後は、積算されたアノード不純物ガス量に基づいて少なくとも第１パージ弁４９、第２パージ弁５０の開閉を制御するので、アノードに蓄積された水素濃度が低いアノード不純物ガスを排出することができ、燃料電池スタック２の触媒の劣化を抑制することができる。
【０１２３】
燃料電池スタック２のアノード側における不純物である水は燃料電池スタック２の負荷が大きくなると増加する。そのため、増加する水を燃料電池スタック２のアノードから排出することが重要である。
【０１２４】
本実施形態では、燃料電池スタック２の負荷に基づき決定される液水排出要求ＤＵＴＹに基づいて、第２パージ弁５０の開閉を制御することで、燃料電池スタック２で発生する水を排出し、燃料電池スタック２のアノードにおけるフラッディングを抑制することができる。
【０１２５】
燃料電池スタック２の不純物としてカソードからアノードに透過する窒素は燃料電池スタック２のカソード側の圧力が高くなると増加する。
【０１２６】
本実施形態では、カソードの圧力に基づき決定される透過カス排出要求ＤＵＴＹに基づいて、第１パージ弁４９の開閉を制御することで、アノードオフガスの水素濃度が低くなることを抑制し、燃料電池スタック２の発電効率の低下を抑制することができる。
【０１２７】
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。
【０１２８】
上記実施形態では、アノード不純物ガス蓄積量がゼロではない場合には、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ設定部１２０の透過ガス排出要求ＤＵＴＹ補正部１２４において透過ガス排出要求ＤＵＴＹを補正したが、これに限られることはなく、第１パージ弁４９、第２パージ弁５０の少なくとも一方の弁のＤＵＴＹを増加させる補正を行えばよい。これにより、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁が禁止された場合には、同時開弁の禁止が解除された後に同時開弁を実行し、アノードに蓄積されたアノード不純物ガスを外部へ排出することができる。
【０１２９】
上記実施形態では、透過ガス排出要求ＤＵＴＹ算出部１２３においてカソードガス透過量をアノード不純物ガス排出可能量で除算することで透過ガス排出要求ＤＵＴＹを算出し、液水排出要求ＤＵＴＹ算出部１１４においてアノード液水量を液水排出量で除算することで第２パージ弁ＤＵＴＹを算出したが、除算した各値に基づいて透過ガス排出要求ＤＵＴＹ及び液水排出要求ＤＵＴＹを算出してもよい。
【０１３０】
上記実施形態では、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の同時開弁を制限する場合に、最終第１パージ弁ＤＵＴＹ及び最終第２パージ弁ＤＵＴＹを制限したが、いずれか一方のＤＵＴＹを制限してもよい。
【０１３１】
上記実施形態では、第１パージ通路４７、第２パージ通路４８はカソードガス排出通路３５に合流しているが、流量制御弁３７よりも下流側のバイパス通路３６に合流してもよい。
【０１３２】
上記実施形態では、アノード不純物ガス蓄積量に基づいて第２循環ポンプ回転速度及び第２ラジエータファン回転速度を算出したが、いずれか一方のみを算出し、循環ポンプ６５またはラジエータファン８１のいずれか一方のみの回転速度を増加させることで、燃料電池スタック２の温度を下げてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
２    燃料電池スタック
６    スタック冷却装置（冷却手段）
７    コントローラ（第１パージ弁制御手段、第２パージ弁制御手段、カソードガス流量制御手段、カソードガス流量制限手段、制御手段、積算手段）
３３  空気コンプレッサ（カソード供給機）
４７  第１パージ通路（アノードオフガス排出通路）
４８  第２パージ通路（アノードオフガス排出通路）
４９  第１パージ弁
５０  第２パージ弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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