(57)【要約】【課題】バッファタンク内の窒素濃度を効率的に低下させる。【解決手段】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であって、燃料電池から排出されるアノードオフガスが蓄えられるバッファ部と、燃料電池とバッファ部とを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出するためのパージ弁と、燃料電池システムの運転状態に応じた脈動上限圧及び脈動下限圧の間で、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させるアノード圧制御手段と、燃料電池のシステムの運転状態に基づいて、前記パージ弁を開くパージ実行手段と、パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を減圧させるパージ時アノード圧制御手段と、を備える。【選択図】図５
2014241260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが蓄えられるバッファ部と、
前記燃料電池と前記バッファ部とを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出するためのパージ弁と、
前記燃料電池システムの運転状態に応じた脈動上限圧及び脈動下限圧の間で、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させるアノード圧制御手段と、
燃料電池のシステムの運転状態に基づいて、前記パージ弁を開くパージ実行手段と、
パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を減圧させるパージ時アノード圧制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記パージ時アノード圧制御手段は、
パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を前記脈動下限圧よりも低いパージ下限圧まで減圧する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池及び前記バッファ部を含むアノード系内の窒素濃度を算出する窒素濃度算出手段を備え、
前記パージ実行手段は、
前記窒素濃度が所定濃度以上になった場合にパージを実行する、
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】
前記窒素濃度算出手段は、
前記燃料電池の電解質膜の温度及び含水率に基づいて、電解質膜をカソード側からアノード側に透過してくる透過窒素量を算出し、
前記透過窒素量に基づいて、前記燃料電池及び前記バッファ部を含むアノード系の窒素濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を減圧させているときに、前記燃料電池の出力電力を低下させる出力制御手段を備える、
ことを特徴とする請求項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。
【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。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、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）とを設けたものがある。
【０００３】
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、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施するものである。脈動運転を実施する燃料電池システムでは、アノードガス圧力の減圧時に、バッファタンク内のアノードオフガスが燃料電池側に逆流してくることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５１７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池システムの運転中は、電解質膜を介してカソード側からアノード側へとカソードガス中の窒素が透過してくる。そのため、燃料電池システムの運転中は、徐々にバッファタンク内のアノードオフガスの窒素濃度が増加していく。このような窒素濃度の高いアノードオフガスを逆流させてしまうと、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。
【０００６】
そのため、バッファタンク内の窒素濃度がある程度高くなったら、バッファタンク内のアノードオフガスを燃料電池システムの外部に排出して、バッファタンク内の窒素濃度を下げる必要がある。
【０００７】
このとき、燃料電池とバッファタンクとを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出する構成にすると、排出するタイミングによってはアノードガス自体を排出してしまい、バッファタンク内の窒素濃度を効率的に低下させることができないという問題点があった。
【０００８】
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、バッファタンク内の窒素濃度を効率的に低下させ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よれば、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が提供される。そして、その燃料電池システムが、燃料電池から排出されるアノードオフガスが蓄えられるバッファ部と、燃料電池とバッファ部とを結ぶ通路内のアノードオフガスを外部に排出するためのパージ弁と、燃料電池システムの運転状態に応じた脈動上限圧及び脈動下限圧の間で、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させるアノード圧制御手段と、燃料電池のシステムの運転状態に基づいて、パージ弁を開くパージ実行手段と、を備える。そして、パージ実行時に合わせてアノードガスの圧力を減圧させる。
【発明の効果】
【００１０】
この態様によれば、パージ実行時に合わせてアノード圧が減圧させられるので、パージ実行中において、バッファ部側と燃料電池側の差圧を大きくして、バッファ部側から燃料電池側へアノードオフガスを逆流させることができる。そのため、バッファ部内の窒素濃度の高いアノードオフガスを多量に燃料電池システムの外部に排出することができる。したがって、バッファ部内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池の概略斜視図である。
【図２】図１の燃料電池のII−II断面図である。
【図３】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の概略構成図である。
【図４】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５】本発明の一実施形態による脈動制御について説明するフローチャートである。
【図６】目標出力電力に基づいて、アノード圧の上限圧及び下限圧を設定するテーブルである。
【図７】本発明の一実施形態による窒素濃度算出処理について説明するフローチャートである。
【図８】電解質膜の温度及び含水率に基づいて、窒素透過量を算出するマップである。
【図９】本発明の一実施形態による脈動制御の動作について説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【００１３】
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。
【００１４】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１５】
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。
【００１６】
図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。
【００２５】
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。
【００２６】
図３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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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（水素）を高圧状態に保って貯蔵する。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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等の不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００３６】
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。
【００３７】
パージ通路３７は、一端部がアノードガス排出通路３５に接続され、他端部が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は、アノードガス排出通路３５を一旦逆流した後、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。
【００３８】
パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、コントローラによって開閉制御される電磁弁である。パージ弁３８を開くことで、バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスがパージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。
【００３９】
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。
【００４０】
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の出力電圧を検出する電圧センサ４２、燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ４３、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４４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各種の信号が入力される。
【００４１】
コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて、アノード圧を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。
【００４２】
図４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。
【００４３】
図４（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて燃料電池スタック２の目標出力電力（燃料電池スタック２の負荷）を算出し、目標出力電力に応じたアノード圧の上限圧及び下限圧を設定する。そして、設定したアノード圧の上限圧及び下限圧の間でアノード圧を周期的に昇降圧させる。
【００４４】
具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限圧に達したら、図４（Ｂ）に示すように、アノード圧が上限圧となるように調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。これにより、図４（Ａ）に示すように、アノード圧が下限圧から上限圧に向けて上昇する。この状態のときは、アノードガスが高圧タンク３１から燃料電池スタック２へと供給され、アノードオフガスがバッファタンク３６へと押し込まれることになる。
【００４５】
時刻ｔ２で、アノード圧が上限圧に達したら、図４（Ｂ）に示すように、アノード圧が下限圧となるように調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常は調圧弁３３の開度は全閉となり、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が停止される。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、図４（Ａ）に示すように、アノードガスの消費に応じてアノード圧が低下する。
【００４６】
そして、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てアノード圧が低下し、燃料電池スタック２側の圧力がバッファタンク３６側の圧力よりも低くなると、バッファタンク３６から燃料電池スタック２側へとアノードオフガスが逆流してくる。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。
【００４７】
時刻ｔ３でアノード圧が下限圧に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。これにより、アノードガスが高圧タンク３１から燃料電池スタック２へと供給されると共に、燃料電池スタック２側へと逆流していたアノードオフガスが再度バッファタンク３６に押し込まれることになる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限圧に達したら、時刻ｔ２のときと同様に調圧弁３３を全閉とする。
【００４８】
ここで、燃料電池システム１の運転中は、前述したように、電解質膜１１１を介してカソード側からアノードガス流路１２１に窒素等の不純ガスが透過してくる。したがって、このようなアノードガス非循環型の燃料電池システム１では、パージ弁３８を開かない限りは、バッファタンク３６内のアノードオフガス中の窒素濃度が徐々に増加していくことになる。窒素濃度の高いアノードオフガスがアノードガス流路１２１に逆流すると、アノードガス流路１２１内で電極反応に必要なアノードガスが不足して、発電効率が低下するおそれがある。そのため、バッファタンク３６内の窒素濃度が相対的に高くなったときは、パージ弁３８を開いてバッファタンク３６内のアノードオフガスを燃料電池システム１の外部に排出し、バッファタンク３６内の窒素濃度を低下させる必要がある。
【００４９】
そこで本実施形態では、バッファタンク３６内の窒素濃度を効率的に低下させるため、バッファタンク３６内の窒素濃度が所定濃度以上になったときは、アノード圧の下限圧を通常よりも低く設定して、パージ弁３８を開くこととした。すなわち、パージ実行時に合わせて、アノード圧の下限圧を通常設定される下限圧よりも小さくすることとした。これにより、バッファタンク３６から燃料電池スタック２側へと逆流するアノードオフガスの流量が通常よりも多くなる状態でパージ弁３８が開かれることになるので、バッファタンク３６内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
【００５０】
以下、この本実施形態による脈動制御について説明する。
【００５１】
図５は、本実施形態による脈動制御について説明するフローチャートである。
【００５２】
ステップＳ１において、コントローラ４は、図６のテーブルを参照し、燃料電池スタック２の目標出力電力に基づいて、アノード圧の上限圧及び下限圧を設定する。図６に示すように、上限圧と下限圧との差（脈動幅）は、目標出力電力が高くなるほど大きくなる。これは、燃料電池スタック２内からの生成水の排水性や透過窒素の排気性を考慮したものである。
【００５３】
ステップＳ２において、コントローラ４は、アノード系内の窒素濃度を算出する窒素濃度算出処理を実施する。窒素濃度算出処理の詳細については、図７を参照して後述する。
【００５４】
ステップＳ３において、コントローラ４は、アノード圧の降圧時であって、パージを実行する必要があるか否かを判定する。具体的には、昇圧フラグが０に設定されていて、かつ、パージ要求フラグが１に設定されているか否かを判定する。昇圧フラグは、アノード圧の昇圧時に１に設定されるフラグであって、初期値は１に設定される。パージ要求フラグは、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上となって、パージを実行する必要があるときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。コントローラ４は、昇圧フラグが０に設定されていて、かつ、パージ要求フラグが１に設定されていればステップＳ１７の処理を行い、そうでなければステップＳ４の処理を行う。
【００５５】
ステップＳ４において、コントローラ４は、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になっているか否かを判定する。コントローラ４は、アノード系内の窒素濃度が所定濃度未満であればステップＳ５の処理を行い、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上であればステップＳ６の処理を行う。
【００５６】
ステップＳ５において、コントローラ４は、パージ要求フラグを０に設定する。
【００５７】
ステップＳ６において、コントローラ４は、パージ要求フラグを１に設定する。
【００５８】
ステップＳ７において、コントローラ４は、パージ実行時に設定する下限圧（以下「パージ下限圧」という。）を算出する。本実施形態では、ステップＳ１で設定された下限圧から所定値を引いた値をパージ下限圧とし、パージ下限圧を燃料電池システム１の運転状態に応じた可変値としているが、予め定められた所定値をパージ下限圧としても良い。なお、パージ実行時においては、燃料電池スタック２内のアノード圧が低下することで、一部のアノードオフガスは燃料電池スタック２内に逆流してくることがある。そのため、所定値は、逆流してきたアノードオフガスの流量が燃料電池スタック２での発電に支障が生じない程度の流量となるように、燃料電池システム１の運転状態に応じて予め実験等で設定しておくことが望ましい。
【００５９】
また、パージ下限圧は、大気圧よりも高い値に設定される。これは、パージ下限圧を大気圧よりも低い値に設定してしまうと、アノードガス排出通路３５側の圧力の方が燃料電池システム１の外部の圧力（＝大気圧）よりも低くなってしまうので、アノードオフガスを燃料電池システム１の外部に排出できなくなるからである。
【００６０】
ステップＳ８において、コントローラ４は、昇圧フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、昇圧フラグが１に設定されているとき、すなわちアノード圧の昇圧時であればステップＳ９の処理を行う。一方で、昇圧フラグが０に設定されているとき、すなわちアノード圧の降圧時であればステップＳ１２の処理を行う。
【００６１】
ステップＳ９において、コントローラ４は、圧力センサ３４で検出したアノード圧が上限圧よりも低いか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が上限圧よりも低ければステップＳ１０の処理を行い、アノード圧が上限圧以上であればステップＳ１１の処理を行う。
【００６２】
ステップＳ１０において、コントローラ４は、アノード圧が上限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁３３の開度をフィードバック制御する。
【００６３】
ステップＳ１１において、コントローラ４は、昇圧フラグを０に設定する。
【００６４】
ステップＳ１２において、コントローラ４は、パージ要求フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、パージ要求フラグが０に設定されていればステップＳ１３の処理を行い、パージ要求フラグが１に設定されていればステップＳ１７の処理を行う。
【００６５】
ステップＳ１３において、コントローラ４は、圧力センサ３４で検出したアノード圧が下限圧よりも高いか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が下限圧よりも高ければステップＳ１４の処理を行い、アノード圧が下限圧以下であればステップＳ１５の処理を行う。
【００６６】
ステップＳ１４において、コントローラ４は、アノード圧が下限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁３３の開度をフィードバック制御する。
【００６７】
ステップＳ１５において、コントローラ４は、昇圧フラグを１に設定する。
【００６８】
ステップＳ１６において、コントローラ４は、アノード圧が上限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁３３の開度をフィードバック制御する。
【００６９】
ステップＳ１７において、コントローラ４は、圧力センサ３４で検出したアノード圧がパージ下限圧よりも高いか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧がパージ下限圧よりも高ければステップＳ１８の処理を行い、アノード圧がパージ下限圧以下であればステップＳ２０の処理を行う。
【００７０】
ステップＳ１８において、コントローラ４は、パージ弁３８を開く。
【００７１】
ステップＳ１９において、コントローラ４は、アノード圧がパージ下限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁３３の開度をフィードバック制御する。
【００７２】
ステップＳ２０において、コントローラ４は、昇圧フラグを１に設定する。
【００７３】
ステップＳ２１において、コントローラ４は、パージ要求フラグを０に設定する。
【００７４】
ステップＳ２２において、コントローラ４はパージ弁３８を閉じる。
【００７５】
図７は、窒素濃度算出処理について説明するフローチャートである。
【００７６】
ステップＳ２０１において、コントローラ４は、図８のマップを参照し、電解質膜１１１の温度及び含水率に基づいて、カソード側からアノードガス流路１２１に透過してくる窒素量（以下「窒素透過量」という。）を算出する。なお、本実施形態では、電解質膜１１１の温度として冷却水温を用いている。また、電解質膜１１１の含水率は、公知の種々の手法（例えば交流インピーダンス法など）で算出した燃料電池スタック２の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）に基づき算出している。
【００７７】
ステップＳ２０２において、コントローラ４は、パージ弁３８が開いているか否かを判定する。コントローラ４は、パージ弁３８が閉じていればステップＳ２０３の処理を行い、パージ弁３８が開いていればステップＳ２０４の処理を行う。
【００７８】
ステップＳ２０３において、コントローラ４は、アノード系内全体の窒素量（以下「総窒素量」という。）を算出する。ここでは、総窒素量の前回値に窒素透過量を足したものを、総窒素量として算出する。
【００７９】
ステップＳ２０４において、コントローラ４は、総窒素量を算出する。ここでは、総窒素量の前回値に窒素透過量を足したものから、圧力センサ３４で検出されたアノード圧に基づいて算出される単位時間当りのパージ流量を差し引いたものを、総窒素量として算出する。なお、パージ流量は、パージ弁３８の前後差圧、つまりアノード圧から大気圧を引いたものと、パージ弁３８の開度によって決まるものである。本実施形態ではパージ弁３８の開度は一定なので、アノード圧がわかればパージ流量を算出することができる。
【００８０】
ステップＳ２０５において、コントローラ４は、総窒素量に基づいて、アノード系全体の窒素濃度を算出する。
【００８１】
図９は、本実施形態による脈動制御の動作について説明するタイムチャートである。
【００８２】
時刻ｔ１１までは、燃料電池スタック２の目標出力電力に応じて算出されたアノード圧の上限圧及び下限圧の範囲でアノード圧を昇降圧させる脈動運転が実施される（図９（Ａ））。この間は、パージ弁３８が閉じられたままなので（図９（Ｃ））、アノード系内の窒素濃度が徐々に増加していく（図９（Ｆ））。
【００８３】
時刻ｔ１２で、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になると（図９（Ｆ）；Ｓ４でＹｅｓ）、パージ要求フラグが１に設定され（図９（Ｅ）；Ｓ６）、パージ下限圧が算出される（Ｓ７）。
【００８４】
時刻ｔ１３で、アノード圧が上限圧に達し、昇圧フラグが０に設定されると（図９（Ｄ））、パージ弁３８が開かれると共に（図９（Ｃ）；Ｓ３でＹｅｓ、Ｓ１７でＮｏ、Ｓ１８）、アノード圧がパージ下限圧となるように、検出したアノード圧に基づいて調圧弁３３の開度がフィードバック制御される（図９（Ａ）；Ｓ１９）。
【００８５】
そして、時刻ｔ１４でアノード圧がパージ下限圧まで達した後は、次にアノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になるまで、再び燃料電池スタック２の目標出力電力に応じて算出されたアノード圧の上限圧及び下限圧の範囲でアノード圧を昇降圧させる脈動運転が実施される。
【００８６】
以上説明した本実施形態によれば、パージ実行時に合わせて、アノード圧を通常設定される下限圧よりも小さいパージ下限圧まで低下させることとした。
【００８７】
これにより、パージ実行中において、バッファタンク３６側と燃料電池スタック２側の差圧を通常よりも大きくすることができ、バッファタンク３６から燃料電池スタック２側へと逆流するアノードオフガスの流量を通常のアノード圧減圧時よりも多くすることができる。そのため、バッファタンク３６内の窒素濃度の高いアノードオフガスを通常よりも多量にパージ通路３７から燃料電池システム１の外部に排出することができる。したがって、バッファタンク３６内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
【００８８】
また、このようにしてバッファタンク３６内の窒素濃度を効率的に低下させておくことで、燃料電池スタック２の目標出力電力に応じて算出されたアノード圧の上限圧及び下限圧の範囲で脈動運転を実施しているときの降圧中に、窒素濃度の高いアノードオフガスがアノードガス流路１２１に逆流してくるのを抑制できる。よって、アノードガス流路１２１内で電極反応に必要なアノードガスが不足するのを抑制でき、発電効率が低下するのを抑制できる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になったことを判定した上で、パージを実行することとした。
【００９０】
パージ通路３７から排出されるバッファタンク３６内のアノードオフガスには、未反応のままバッファタンク３６内に押し込まれたアノードガスも含まれている。そのため、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になったことを判定した上でパージを実行することで、窒素濃度の高いアノードオフガスをバッファタンク３６から排出することができる。したがって、燃料電池システム１の外部に排出されるアノードガスの流量も減らすことができるので、燃料電池システム１の燃費も向上させることができる。
【００９１】
また、本実施形態によれば、パージ下限圧を大気圧よりも高い値とした。
【００９２】
これにより、確実にパージ通路３７からバッファタンク３６内のアノードオフガスを燃料電池システム１の外部に排出することができる。
【００９３】
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。
【００９４】
例えば、上記実施形態では、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になった後、アノード圧が上限圧に達してからパージを実行し、それに合わせてアノード圧の減圧を開始していたが、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以上になった時点でパージを実行し、あのパージ実行時に合わせてアノード圧を減圧させるようにしても良い。つまりパージ要求があった時点で、その時点よりもアノード圧を減圧させるようにしても良い。
【００９５】
また、パージ弁３８を開いてアノード圧をパージ下限圧まで低下させるときは、燃料電池スタック２の出力電力を所定量低下させるようにしても良い。燃料電池スタック２の出力電力を低下させることで、燃料電池スタック２内でのアノードガスの消費量が低下するので、アノード圧の低下速度を遅くすることができる。アノード圧の低下速度が遅くなると、アノード圧がパージ下限圧まで低下させるまでの時間が長くなるので、パージ弁３８を開いている時間も長くなる。そのため、パージ実行時に燃料電池システム１の外部に排出できるアノードオフガスの流量を増量することができるので、より効率的にバッファタンク３６内の窒素濃度を効率的に低下させることができる。
【００９６】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック２の下流に意識的にバッファタンク３６を設けているが、このような部品が必ずしも必要というわけではなく、通常の配管や、燃料電池スタック２の内部マニホールドをバッファタンクとみなしても良い。
【符号の説明】
【００９７】
１    燃料電池システム
２    燃料電池スタック（燃料電池）
４    コントローラ（アノード圧制御手段、窒素濃度算出手段、パージ実行手段、パージ時アノード圧制御手段、出力制御手段）
３５    アノードガス排出通路（通路）
３６    バッファタンク（バッファ部）
３８    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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