(57)【要約】  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、燃料電池内の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、燃料電池とバッファ部とを接続するオフガス排出通路と、オフガス排出通路に接続されるパージ通路と、パージ通路に設けられるパージ弁と、パージ弁を開いてバッファ部のガスを燃料電池システムの外部に排出するパージ手段と、燃料電池内のアノードガスの圧力を第１所定圧力から第２所定圧力まで低下させてバッファ部のガスを燃料電池側に逆流させる圧力制御手段と、を備える。
2013137271.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、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
前記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、
前記燃料電池と前記バッファ部とを接続するオフガス排出通路と、
前記オフガス排出通路に接続されるパージ通路と、
前記パージ通路に設けられるパージ弁と、
前記パージ弁を開いて前記バッファ部のガスを前記燃料電池システムの外部に排出するパージ手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を第１所定圧力から第２所定圧力まで低下させて前記バッファ部のガスを前記燃料電池側に逆流させる圧力制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第１所定圧力まで昇圧させる昇圧手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第１所定圧力まで昇圧させた後に、前記第１所定圧力よりも低い前記第２所定圧力まで低下させる減圧手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力が前記第２所定圧力まで低下した後に、前記燃料電池内のアノードガスの圧力を、前記第２所定圧力に所定期間保持する圧力保持手段と、
を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力制御手段は、
前記圧力保持手段の後に再度前記昇圧手段を実施し、前記昇圧手段、前記減圧手段及び前記圧力保持手段を繰り返し実施する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パージ弁を通過する前記バッファ部のガスの流量に応じて、前記パージ手段の必要継続時間を算出するパージ継続時間算出手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第２所定圧力に保持した時間を、前記バッファ部のガスを前記燃料電池システムの外部に排出したパージ時間として算出するパージ時間算出手段と、
を備え、
前記パージ時間が前記必要継続時間以上になったときに、前記パージ手段及び前記圧力制御手段の実施を終了する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記パージ手段は、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第２所定圧力に保持しているときに、前記パージ弁を開く、
請求項２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。
【請求項６】
前記第１所定圧力は、
前記燃料電池のアノードガス流路及び前記オフガス排出通路内のガスを、前記バッファ部内に押し込むことができる圧力である、
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２所定圧力は、
前記バッファ部のガスが、少なくとも前記オフガス排出通路と前記パージ通路との接続部よりも前記燃料電池側まで逆流する圧力である、
請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記パージ手段は、
前記アノードガスの圧力の降圧時に、前記パージ弁を開いてアノードオフガスを外部に排出するパージ制御を開始する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記パージ手段は、
アノードガスの圧力の降圧が始まってから第１所定時間が経過した後に、パージ制御を開始する、
請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記パージ手段は、
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に応じて、前記パージ制御中に前記パージ弁を開くパージ時間を算出する、
請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記パージ手段は、
前記パージ制御を開始してからの経過時間が前記パージ時間以上になったときに、前記パージ制御を終了する、
請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記パージ手段は、
前記アノードガスの圧力の昇圧が始まってから第２所定時間が経過した後も前記パージ弁が開かれていたときは、前記パージ制御を開始してからの経過時間が前記パージ時間未満であっても前記パージ制御を終了する、
請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記パージ手段は、
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する透過窒素量算出手段と、
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窒素濃度算出手段と、
前記窒素濃度に基づいて、パージ制御中に排出するアノードオフガスの流量の目標値を目標パージ総流量として算出する目標パージ総流量算出手段と、
前記目標パージ総流量に基づいて、パージ制御中にパージ弁を開く時間をパージ時間として算出するパージ時間算出手段と、
を備える請求項１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】
ＪＰ２００７−５１７３６９Ａには、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）とを設けたものが開示されている。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、常閉ソレノイドバルブ及び常開ソレノイドバルブを周期的に開閉する脈動運転を実施することで、バッファタンクに蓄えた未使用のアノードガスを燃料電池スタックに逆流させて再利用していた。そして、バッファタンク内に溜まった窒素等の不純物をバッファタンクよりも下流のアノードガス排出通路に設けられた第２の常開ソレノイド弁を介してシステム外部に排出していた。
【発明の概要】
【０００３】
脈動運転を実施する場合、燃料電池システムの起動時やその後の通常運転中には、バッファタンク内に溜まった窒素等の不純物を速やかにバッファタンク内からシステム外部に排出する必要がある。
【０００４】
現在、バッファタンク内のガスをシステム外部に排出するための通路（パージ通路）を、燃料電池スタックとバッファタンクとの間に接続するシステムが考案されている。このようなシステムの場合、アノード系内の圧力を適切に制御しないと、バッファタンク内のガスをパージ通路からシステム外部に排出することができず、逆に燃料電池スタックから排出された比較的高濃度のアノードガスがパージ通路からシステム外部に排出されることがわかった。そのため、バッファタンク内に溜まった窒素等の不純物を速やかにシステム外部に排出できず、バッファタンク内のアノードガス濃度（水素濃度）を速やかに上げることができないという問題点があることがわかった。
【０００５】
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、バッファタンク内に溜まった窒素等の不純物を速やかにシステム外部に排出し、バッファタンク内のアノードガス濃度（水素濃度）を速やかに上げることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、燃料電池内の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、燃料電池とバッファ部とを接続するオフガス排出通路と、オフガス排出通路に接続されるパージ通路と、パージ通路に設けられるパージ弁と、パージ弁を開いてバッファ部のガスを燃料電池システムの外部に排出するパージ手段と、燃料電池内のアノードガスの圧力を第１所定圧力から低下させてバッファ部のガスを燃料電池側に逆流させる圧力制御手段と、を備えることを特徴とする。【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態による燃料電池の概略斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの燃料電池のＩＢ−ＩＢ断面図である。
【図２】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】図３は、燃料電池システム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４】図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの制御について説明するフローチャートである。
【図５】図５は、起動パージ運転処理について説明するフローチャートである。
【図６】図６は、起動パージ準備処理について説明するフローチャートである。
【図７】図７は、起動パージ処理について説明するフローチャートである。
【図８】図８は、代表温度と大気圧とに基づいて起動パージ終了時間ｔｔｐを算出するマップである。
【図９】図９は、減圧処理について説明するフローチャートである。
【図１０】図１０は、圧力保持処理について説明するフローチャートである。
【図１１】図１１は、昇圧処理について説明するフローチャートである。
【図１２】図１２は、起動パージ終了処理について説明するフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの制御動作を示すタイムチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の第２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１５】図１５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１６】図１６は、本発明の第２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１７】図１７は、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１８】図１８は、本発明の第２実施形態によるパージ制御について説明するフローチャートである。
【図１９】図１９は、本発明の第２実施形態によるパージ時間算出処理について説明するフローチャートである。
【図２０】図２０は、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２１】図２１は、窒素濃度に基づいて、目標パージ総流量を算出するテーブルである。
【図２２】図２２は、アノード圧と目標パージ総流量とに基づいて、パージ時間を算出するマップである。
【図２３】図２３は、本発明の第２実施形態によるパージ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】
【０００９】
（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。
【００１０】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１１】
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。
【００１２】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１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ＩＢ−ＩＢ断面図である。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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１の概略構成図である。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、カソードコンプレッサ３３と、エアフローセンサ３４と、カソードガス排出通路３５と、を備える。
【００２６】
カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック２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。
【００２７】
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。
【００２８】
カソードコンプレッサ３３は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ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。
【００２９】
エアフローセンサ３４は、カソードコンプレッサ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（以下「カソード流量」という。）を検出する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
高圧タンク４１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。
【００３３】
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。
【００３４】
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４３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７によって制御される。
【００３５】
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、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５１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。
【００３６】
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、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活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００３７】
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、アノードオフガスが排出される。
【００３８】
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、他端部がカソードガス排出通路３５に接続される。
【００３９】
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、他端部がカソードガス排出通路３５に接続される。
【００４０】
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、開度を全開又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。第１パージ弁４９の内部にはウォータジャケット（図示せず）が形成されており、燃料電池スタック２を冷却する冷却水が循環するようになっている。これにより、凍結による固着を防止している。
【００４１】
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、開度を全開又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。第２パージ弁５０の内部にはウォータジャケット（図示せず）が形成されており、燃料電池スタック２を冷却する冷却水が循環するようになっている。これにより、凍結による固着を防止している。
【００４２】
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３７を介して外気へ排出されるアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク５１内のアノードガス濃度が所望の濃度となるように調節する。バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が低すぎると、後述する脈動運転時において電極反応に使用されるアノードガスが不足するので、発電効率が低下するとともに、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内のアノードガス濃度（水素濃度）が高すぎると、パージ通路４７を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。したがって、バッファタンク５１内のアノードガス濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される。
【００４３】
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及び第２パージ弁５０が開かれたときに、第１パージ通路４７及び第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、外気排出ガス中のアノードガス濃度が所定の可燃濃度未満になるようにしている。
【００４４】
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、ＰＴＣヒータ６６と、第１パージ弁循環通路６７と、第２パージ弁循環通路６８と、第１水温センサ６９と、第２水温センサ７０と、第３水温センサ７１と、を備える。
【００４５】
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。以下では、冷却水循環通路６１のうち、冷却水出口孔２７側を上流側、冷却水入口孔２６側を下流側として説明する。
【００４６】
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から排出された冷却水を冷却する。
【００４７】
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。
【００４８】
三方弁６４は、ラジエータ６２よりも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。
【００４９】
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。
【００５０】
ＰＴＣヒータ６６は、バイパス通路６３に設けられる。ＰＴＣ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。
【００５１】
第１パージ弁循環通路６７は、凍結による第１パージ弁４９の固着を防止するために、第１パージ弁４９の内部に形成されたウォータジャケット（図示せず）に冷却水を導入するための通路である。第１パージ弁循環通路６７は、循環ポンプ６５の下流側の冷却水循環通路６１から分岐して第１パージ弁４９のウォータジャケットに冷却水を導入する第１導入通路６７１と、第１パージ弁４９のウォータジャケットから排出された冷却水を、再び循環ポンプ６５の上流側の冷却水循環通路６１に戻す第１戻し通路６７２と、を備える。
【００５２】
第２パージ弁循環通路６８は、凍結による第２パージ弁５０の固着を防止するために、第２パージ弁５０の内部に形成されたウォータジャケット（図示せず）に冷却水を導入するための通路である。第２パージ弁循環通路６８は、循環ポンプ６５の下流側の冷却水循環通路６１から分岐して第２パージ弁５０のウォータジャケットに冷却水を導入する第２導入通路６８１と、第２パージ弁５０のウォータジャケットから排出された冷却水を、再び循環ポンプ６５の上流側の冷却水循環通路６１に戻す第２戻し通路６８２と、を備える。
【００５３】
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（以下「スタック温度」という。）を検出する。
【００５４】
第２水温センサ７０は、第１戻し通路６７２に設けられる。第２水温センサ７０は、第１パージ弁４９のウォータジャケットから排出された冷却水の温度（以下「第１パージ弁温度」という。）を検出する。
【００５５】
第３水温センサ７１は、第２戻し通路６８２に設けられる。第３水温センサ７１は、第２パージ弁５０のウォータジャケットから排出された冷却水の温度（以下「第２パージ弁温度」という。）を検出する。
【００５６】
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。
【００５７】
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、第１水温センサ６９、第２水温センサ７０、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（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。
【００５８】
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とともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク５１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５１内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つ。
【００５９】
脈動運転を行うことで、電解質膜１１１を介してカソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に透過してきた窒素等の不純ガスを、バッファタンク５１に押し込むことができるので、不純ガスがアノードガス流路１２１内に蓄積されて電極反応が阻害されるのを抑制でき、安定した発電を実施することができる。
【００６０】
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。
【００６１】
図３（Ａ）に示すように、コントローラ７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の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の基準圧と脈動幅とを算出してアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、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。
【００６２】
具体的には、時刻ｔ１１でアノード圧が下限値に達したら、アノード圧の目標圧として上限値が設定され、目標圧へのフィードバック制御が実施される。これにより、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４３が開かれる。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク４１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク５１へと排出される。
【００６３】
時刻ｔ１２でアノード圧が上限値に達したら、アノード圧の目標圧として下限値が設定され、目標圧へのフィードバック制御が実施される。これにより、図３（Ｂ）に示すように調圧弁４３が全閉とされ、高圧タンク４１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２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。
【００６４】
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５１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５１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。
【００６５】
時刻ｔ１３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４３が開かれる。そして、時刻ｔ１４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁４３が全閉にされる。
【００６６】
このような脈動運転を実施する場合、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が低すぎると、アノード圧の減圧時にアノードオフガスが逆流したときに、アノードガス流路の下流域で電極反応に使用されるアノードガスが不足し、発電効率を低下させるとともに、燃料電池を劣化させるおそれがある。
【００６７】
燃料電池システム１の起動時は、燃料電池システム１の停止中にアノード系内に侵入してきた大気中の空気によって、アノードガス流路やバッファタンク５１に空気が充満した状態となっている。
【００６８】
したがって、燃料電池システム１の起動時には、脈動運転を実施する前の準備運転として、パージ弁４９，５０を開いてバッファタンク５１内の空気を外気へ排出しつつ、バッファタンク５１にアノードガスを供給してバッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を所望の濃度まで上昇させる起動パージ運転を実施する必要がある。
【００６９】
以下、この本実施形態による起動パージ運転について説明する。
【００７０】
図４は、本実施形態による燃料電池システム１の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７は、燃料電池システム１が起動されると、本ルーチンを所定の演算周期Δｔ（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。
【００７１】
ステップＳ１において、コントローラ７は、前述した各種センサの検出値を読む。
【００７２】
ステップＳ２において、コントローラ７は、起動パージ運転終了フラグが１に設定されているか否かを判定する。起動パージ運転終了フラグは、起動パージ運転の終了後に１に設定されるフラグであって、燃料電池システムの起動時は０に設定される。コントローラ７は、起動パージ運転終了フラグが０に設定されていればステップＳ３の処理を行う。一方で、起動パージ運転終了フラグが１に設定されていればステップＳ４の処理を行う。
【００７３】
ステップＳ３において、コントローラ７は、起動パージ運転処理を実施する。起動パージ運転処理の詳細については、図５を参照して後述する。
【００７４】
ステップＳ４において、コントローラ７は、通常処理を実施する。通常処理中は、図３を参照して前述したように、燃料電池スタック２の目標出力に応じてアノード圧の上限値及び下限値が設定され、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脈動運転が実施される。なお、脈動運転の制御内容自体は本発明の主要部ではないので、ここでは詳細なフローチャートは省略する。
【００７５】
図５は、起動パージ運転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Ｓ３１において、コントローラ７は、起動パージ準備終了フラグが１に設定されているか否かを判定する。起動パージ準備終了フラグは、起動パージ運転の準備が終了したときに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７は、起動パージ準備終了フラグが０に設定されていればステップＳ３２の処理を行う。一方で、起動パージ準備終了フラグが１に設定されていればステップＳ３３の処理を行う。
【００７７】
ステップＳ３２において、コントローラ７は、起動パージ準備処理を実施する。起動パージ準備処理の詳細については、図６を参照して後述する。
【００７８】
ステップＳ３３において、コントローラ７は、起動パージ処理を実施する。起動パージ処理の詳細については、図７を参照して後述する。
【００７９】
図６は、起動パージ準備処理について説明するフローチャートである。
【００８０】
ステップＳ３２１において、コントローラ７は、起動パージ運転中におけるカソード流量の目標値を、所定の起動目標カソード流量Ｑｓに設定する。起動パージ運転中は、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を上げるために、バッファタンク５１にアノードガスが供給される。その際、バッファタンク５１に供給されるアノードガスの一部は、パージ通路を通ってカソードガス排出通路３５に排出される。したがって、起動目標カソード流量Ｑｓは、外気排出ガス中のアノードガス濃度が所定の可燃濃度未満となるような値に設定される。起動目標カソード流量Ｑｓは、予め実験等によって定められる値である。
【００８１】
ステップＳ３２２において、コントローラ７は、カソード流量が起動目標カソード流量Ｑｓとなるように、カソードコンプレッサ３３をフィードバック制御する。
【００８２】
ステップＳ３２３において、コントローラ７は、アノード圧の目標値を、所定の起動目標アノード上限圧Ｐａｕに設定する。起動目標アノード上限圧Ｐａｕは、カソードガス流路内の空気を、アノードガスとともにバッファタンク５１に押し込むことができる値に設定される。起動目標アノード上限圧Ｐａｕは、予め実験等によって定められる値である。
【００８３】
ステップＳ３２４において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード上限圧Ｐａｕとなるように、調圧弁４３をフィードバック制御する。
【００８４】
ステップＳ３２５において、コントローラ７は、カソード流量が起動目標カソード流量Ｑｓ以上になったか否かを判定する。コントローラ７は、カソード流量が起動目標カソード流量Ｑｓ未満であれば今回の処理を終了し、カソード流量が起動目標カソード流量Ｑｓ以上であればステップＳ３２６の処理を行う。
【００８５】
ステップＳ３２６において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード上限圧Ｐａｕ未満であれば今回の処理を終了する。一方で、アノード圧が起動目標アノード上限圧Ｐａｕ以上であれば、起動パージ運転の準備が完了したと判定し、ステップＳ３２７の処理を行う。
【００８６】
ステップＳ３２７において、コントローラ７は、起動パージ準備終了フラグを１に設定する。
【００８７】
ステップＳ３２８において、コントローラ７は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開く。
【００８８】
ステップＳ３２９において、コントローラ７は、減圧フラグを１に設定する。減圧フラグは、アノード圧を起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇させた後、アノード圧を所定圧（後述する起動目標アノード下限圧Ｐａｄ）まで減圧するときに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。
【００８９】
図７は、起動パージ処理について説明するフローチャートである。
【００９０】
ステップＳ３３１において、コントローラ７は、スタック温度、第１パージ弁温度及び第２パージ弁温度のうち、最も大きいものを代表温度として選択する。
【００９１】
ステップＳ３３２において、コントローラ７は、図８のマップを参照し、代表温度と大気圧とに基づいて、起動パージ終了時間ｔｔｐを算出する。起動パージ終了時間は、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が、起動パージ運転によって脈動運転を開始することのできる所望の濃度まで上昇したと判定することのできる時間である。換言すれば、起動パージ終了時間は、アノード系内に存在していた空気のうち、所定量の空気を起動パージ運転によって外気に排出したと判定することのできる時間である。
【００９２】
図８のマップに示すように、起動パージ終了時間は、代表温度が高くなるほど、また、大気圧が高くなるほど長くなる。
【００９３】
これは、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を通過するガスの流量が、通過するガスの温度と、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０のそれぞれの上流側と下流側との前後差圧と、に応じて変化するためである。具体的には、通過するガスの温度が高くなるほど、また、前後差圧が小さくなるほど、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を通過するガスの流量が少なくなるためである。
【００９４】
本実施形態では、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を通過するガスの温度を、スタック温度、第１パージ弁温度及び第２パージ弁温度のうちの最も大きい温度と仮定することで、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を通過するガスの流量が最も少ない場合を想定して起動パージ終了時間を算出している。これにより、脈動運転の開始時には、確実にバッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を所望の濃度まで上昇させている。
【００９５】
また、本実施形態では、起動パージ終了時間を算出するためのパラメータとして大気圧を用いている。第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の前後差圧は、アノード圧と大気圧との差圧なので、大気圧が分かれば第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の前後差圧を推定することができる。つまり、大気圧が低下し、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の前後差圧が大きくなったことで、必要なパージ時間が短くなったことを検出することができる。
【００９６】
ステップＳ３３３において、コントローラ７は、パージタイマｔ１が、起動パージ終了時間ｔｔｐ以上になったか否かを判定する。パージタイマｔ１は、バッファタンク５１に溜められたガス（空気又は空気とアノードガスとの混合ガス）が第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を通って外気に排出されている時間の積算値である。コントローラ７は、パージタイマｔ１が起動パージ終了時間ｔｔｐ未満であればステップＳ３３４の処理を行う。一方で、パージタイマｔ１が起動パージ終了時間ｔｔｐ以上であればステップＳ３３９の処理を行う。
【００９７】
ステップＳ３３４において、コントローラ７は、減圧フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ７は、減圧フラグが１に設定されていればステップＳ３３５の処理を行い、０に設定されていればステップＳ３３６の処理を行う。
【００９８】
ステップＳ３３５において、コントローラ７は、減圧処理を実施する。減圧処理については、図９を参照して後述する。
【００９９】
ステップＳ３３６において、コントローラ７は、圧力保持フラグが１に設定されているか否かを判定する。圧力保持フラグは、減圧処理によってアノード圧を所定圧（後述する起動目標アノード下限圧Ｐａｄ）まで減圧させた後、その所定圧に保持しているときに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７は、圧力保持フラグが１に設定されていればステップＳ３３７の処理を行い、０に設定されていればステップＳ３３８の処理を行う。
【０１００】
ステップＳ３３７において、コントローラ７は、圧力保持処理を実施する。圧力保持処理については、図１０を参照して後述する。
【０１０１】
ステップＳ３３８において、コントローラ７は、昇圧処理を実施する。昇圧処理については、図１１を参照して後述する。
【０１０２】
ステップＳ３３９において、コントローラ７は、起動パージ終了処理を実施する。起動パージ終了処理については、図１２を参照して後述する。
【０１０３】
図９は、減圧処理について説明するフローチャートである。
【０１０４】
減圧処理は、バッファタンク５１内にアノードガスを供給した後、バッファタンク５１内のアノードガスと空気との混合ガスを第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８からカソードガス排出通路３５へと排出するために、アノード圧を減圧してバッファタンク５１内の混合ガスを第１アノードガス排出通路４５及び第２ガス排出通路に逆流させるための処理である。
【０１０５】
ステップＳ３３５１において、コントローラ７は、アノード圧の目標値を、所定の起動目標アノード下限圧Ｐａｄに設定する。起動目標アノード下限圧Ｐａｄは、バッファタンク５１内の混合ガスが、少なくとも第１アノードガス排出通路４５と第１パージ通路４７との接続部及び第２アノードガス排出通路４６と第２パージ通路４８との接続部よりも上流側（燃料電池スタック２側）まで押し戻される値に設定される。起動目標アノード下限圧Ｐａｄは、起動目標アノード上限圧Ｐａｕよりも所定圧だけ低い値であって、予め実験等によって定められる値である。なお、アノードガス流路１２１流路内でアノードガスが不足しないようであれば、バッファタンク５１内の混合ガスがアノードガス流路１２１まで逆流するような値に設定しても構わない。
【０１０６】
ステップＳ３３５２において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード下限圧Ｐａｄとなるように、調圧弁４３をフィードバック制御する。
【０１０７】
ステップＳ３３５３において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード下限圧以下になったか否かを判定する。コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード下限圧よりも高ければステップＳ３３５４の処理を行う。一方で、アノード圧が起動目標アノード下限圧以下であればステップＳ３３５５の処理を行う。
【０１０８】
ステップＳ３３５４において、コントローラ７は、減圧フラグを１に設定する。すなわち、減圧フラグを１のまま維持する。
【０１０９】
ステップＳ３３５５において、コントローラ７は、減圧フラグを０に設定する。
【０１１０】
ステップＳ３３５６において、コントローラ７は、圧力保持フラグを１に設定する。
【０１１１】
図１０は、圧力保持処理について説明するフローチャートである。
【０１１２】
圧力保持処理では、アノード圧を起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持する。すなわち、バッファタンク５１内の混合ガスが、少なくとも第１アノードガス排出通路４５と第１パージ通路４７との接続部及び第２アノードガス排出通路４６と第２パージ通路４８との接続部よりも上流側（燃料電池スタック２側）まで押し戻された状態を維持する。これにより、バッファタンク５１内の混合ガスを第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８からカソードガス排出通路３５へと排出し、その後の昇圧時に上流からアノードガスが供給されることでバッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を上げることができる。
【０１１３】
ステップＳ３３７１において、コントローラ７は、アノード圧の目標値を、起動目標アノード下限圧Ｐａｄに設定する。つまり、アノード圧の目標値を、減圧処理時に設定された起動目標アノード下限圧Ｐａｄのまま保持する。
【０１１４】
ステップＳ３３７２において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持されるように、調圧弁４３をフィードバック制御する。
【０１１５】
ステップＳ３３７３において、コントローラ７は、パージタイマｔ１を更新する。具体的には、パージタイマｔ１を、パージタイマｔ１の前回値に演算周期Δｔを加算した値に更新する。
【０１１６】
ステップＳ３３７４において、コントローラ７は、圧力保持タイマｔ２を更新する。具体的には、圧力保持タイマｔ２を、圧力保持タイマｔ２の前回値に演算周期Δｔを加算した値に更新する。
【０１１７】
ステップＳ３３７５において、コントローラ７は、圧力保持タイマｔ２が所定の圧力保持終了時間ｔｋｄ以上になったか否かを判定する。コントローラ７は、圧力保持タイマｔ２が圧力保持終了時間ｔｋｄ未満であれば、ステップＳ３３７６の処理を行う。一方で、圧力保持タイマｔ２が圧力保持終了時間ｔｋｄ以上であれば、ステップＳ３３７７の処理を行う。
【０１１８】
ステップＳ３３７６において、コントローラ７は、圧力保持フラグを１に設定する。すなわち、圧力保持フラグを１のまま維持する。
【０１１９】
ステップＳ３３７７において、コントローラ７は、圧力保持フラグを０に設定する。
【０１２０】
ステップＳ３３７８において、コントローラ７は、圧力保持タイマｔ１の値を０に更新する。
【０１２１】
ステップＳ３３７９において、コントローラ７は、昇圧フラグを１に設定する。昇圧フラグは、圧力保持処理によってアノード圧を起動目標アノード下限圧Ｐａｄに所定時間に保持した後、アノード圧を再び起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇させているときに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。
【０１２２】
図１１は、昇圧処理について説明するフローチャートである。
【０１２３】
昇圧処理は、圧力保持処理の終了後、アノード圧を再び起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇させて、バッファタンク５１内のアノードガスを供給し、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を上昇させるための処理である。
【０１２４】
ステップＳ３３８１において、コントローラ７は、アノード圧の目標値を起動目標アノード上限圧Ｐａｕに設定する。
【０１２５】
ステップＳ３３８２において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇するように、調圧弁４３をフィードバック制御する。
【０１２６】
ステップＳ３３８３において、コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード上限圧以上になったか否かを判定する。コントローラ７は、アノード圧が起動目標アノード上限圧未満であればステップＳ３３８４の処理を行う。一方で、アノード圧が起動目標アノード上限圧以上であればステップＳ３３８５の処理を行う。
【０１２７】
ステップＳ３３８４において、コントローラ７は、昇圧フラグを１に設定する。すなわち、昇圧フラグを１のまま維持する。
【０１２８】
ステップＳ３３８５において、コントローラ７は、昇圧フラグを０に設定する。
【０１２９】
ステップＳ３３８６において、コントローラ７は、減圧フラグを１に設定する。
【０１３０】
図１２は、起動パージ終了処理について説明するフローチャートである。
【０１３１】
ステップＳ３３９１において、コントローラ７は、パージタイマｔ１の値を０に更新する。
【０１３２】
ステップＳ３３９２において、コントローラ７は、起動パージ運転終了フラグを１に設定する。
【０１３３】
ステップＳ３３９３において、コントローラ７は、起動パージ準備終了フラグを０に設定する。
【０１３４】
ステップＳ３３９４において、コントローラ７は、圧力保持タイマｔ２の値を０に更新する。
【０１３５】
ステップＳ３３９５において、コントローラ７は、減圧フラグを０に設定する。
【０１３６】
ステップＳ３３９６において、コントローラ７は、圧力保持フラグを０に設定する。
【０１３７】
ステップＳ３３９７において、コントローラ７は、昇圧フラグを０に設定する。
【０１３８】
図１３は、本実施形態による燃料電池システムの制御動作を示すタイムチャートである。以下の説明では、図４から図１２のフローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。
【０１３９】
時刻ｔ１で、燃料電池システムが起動されると、燃料電池システムの起動時は起動パージ運転終了フラグ及び起動パージ準備終了フラグがそれぞれ０に設定されているので（図１３（Ｆ）、図１３（Ｇ）；Ｓ２でＮｏ、Ｓ３１でＮｏ）、起動パージ準備処理が実施される（Ｓ３２）。
【０１４０】
起動パージ準備処理が実施されると、カソード流量が所定の変化率で起動目標カソード流量Ｑｓまで上昇するようにカソードコンプレッサ３３がフィードバック制御され（図１３（Ｂ）；Ｓ３２１、Ｓ３２２）、アノード圧が所定の変化率で起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇するように調圧弁４３がフィードバック制御される（図１３（Ａ）；Ｓ３２３、Ｓ３２４）。
【０１４１】
時刻ｔ２で、カソード流量が起動目標カソード流量まで上昇し、かつ、アノード圧が起動目標アノード上限圧まで上昇すると（図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）；Ｓ３２５でＹｅｓ、Ｓ３２６でＹｅｓ）、起動パージ準備終了フラグが１に設定され（図１３（Ｇ）；Ｓ３２７）、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０が開かれる（図１３（Ｄ）、図１３（Ｅ）；Ｓ３２８）。また、減圧フラグが１に設定される（図１３（Ｈ）；Ｓ３２９）。
【０１４２】
起動パージ準備終了フラグが１に設定されると、次は起動パージ処理が実施される（Ｓ３１でＹｅｓ、Ｓ３３）。起動パージ処理の開始時においては、パージタイマｔ１の値は初期値０で（図１３（Ｋ）；Ｓ３３３でＮｏ）、かつ、減圧フラグが１に設定されているので（図１３（Ｈ）；Ｓ３３４でＹｅｓ）、減圧処理が実施される（Ｓ３３５）。
【０１４３】
減圧処理が実施されると、アノード圧が起動目標アノード下限圧Ｐａｄまで低下するように調圧弁４３がフィードバック制御される（図１３（Ａ）；Ｓ３３５１、Ｓ３３５２）。
【０１４４】
時刻ｔ３で、アノード圧が起動目標アノード下限圧Ｐａｄまで低下すると（図１３（Ａ）；Ｓ３３５３でＹｅｓ）、減圧フラグが０に設定され（図１３（Ｈ）；Ｓ３３５５）、圧力保持フラグが１に設定される（図１３（Ｉ）；Ｓ３３５６）。
【０１４５】
圧力保持フラグが１に設定され、圧力保持処理が実施されると（Ｓ３３４でＮｏ、Ｓ３３６でＹｅｓ、Ｓ３３７）、アノード圧が起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持される（図１３（Ａ））。そして、アノード圧を起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持している時間を圧力保持タイマｔ２によってカウントしていく（図１３（Ｌ）；Ｓ３３７４）。
【０１４６】
また、バッファタンク５１内の混合ガスは、アノード圧が起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持されているときに、第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を通ってカソードガス排出通路３５へ排出される。そこで、アノード圧を起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持している時間をパージタイマｔ１によってカウントしていく（図１３（Ｋ）；Ｓ３３７３）。
【０１４７】
時刻ｔ４で、アノード圧を起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持してからの経過時間が圧力保持終了時間ｔｋｄに達すると（図１３（Ｌ）；Ｓ３３７５でＹｅｓ）、圧力保持フラグが０に設定され（図１３（Ｉ）；Ｓ３３７３）、圧力保持タイマｔ２が０にリセットされる（図１３（Ｌ）；Ｓ３３７８）。また、昇圧フラグが１に設定される（図１３（Ｊ）；Ｓ３３７９）。
【０１４８】
昇圧フラグが１に設定され、かつ、圧力保持処理中にカウントされたパージタイマｔ１が起動パージ終了時間ｔｔｐ未満のときは（Ｓ３３３でＮｏ、Ｓ３３４でＮｏ、Ｓ３３６でＮｏ）、昇圧処理が実施される（Ｓ３３８）。
【０１４９】
昇圧処理が実施されると、アノード圧が再び起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇するように、調圧弁４３がフィードバック制御される（図１３（Ａ）；Ｓ３３８１、Ｓ３３８２）。
【０１５０】
時刻ｔ５で、アノード圧が起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇すると（図１３（Ａ）；Ｓ３３８３でＹｓｅ）、昇圧フラグが０に戻され（図１３（Ｊ）；Ｓ３３８５）、減圧フラグが再び１に設定される（図１３（Ｈ）；Ｓ３３８６）。
【０１５１】
その後は、時刻ｔ６でパージタイマｔ１が起動パージ終了時間ｔｔｐに達するまで（図１３（Ｋ）；Ｓ３３３でＹｅｓ）、減圧処理、圧力保持処理及び昇圧処理を繰り返し、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を所望の濃度まで上昇させる。
【０１５２】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１の起動時に、アノード圧を起動目標アノード上限圧Ｐａｕまで上昇させることで、燃料電池システム１の停止中にアノード系内に侵入してきた空気をアノードガスとともにバッファタンク５１内に押し込む。その後、アノード圧を目標アノード下限圧Ｐａｄまで低下させることで、バッファタンク５１内の混合ガスを第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に逆流させる。
【０１５３】
また、上記の制御に併せて、燃料電池システム１の起動時に第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開く。
【０１５４】
これにより、燃料電池システム１の起動時に、バッファタンク５１内の混合ガスを第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を介してカソードガス排出通路３５に排出し、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を徐々に上昇させることができる。したがって、脈動運転の実施時に、バッファタンク内のアノードオフガスがアノードガス流路１２１に逆流した場合でも、アノードガス流路１２１の下流域で電極反応に使用されるアノードガスが不足するのを抑制できる。よって、発電効率が低下するのを抑制できるとともに、燃料電池の劣化も抑制できる。
【０１５５】
また、本実施形態では、バッファタンク５１内の混合ガスが、実際に第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を介してカソードガス排出通路３５に排出されているとき、すなわち、圧力保持処理中のみパージタイマｔ１をカウントすることとした。
【０１５６】
これは、減圧処理中や昇圧処理中は、バッファタンク５１内の混合ガスではなく、高圧タンク４１から供給されたアノードガスが第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を介してカソードガス排出通路３５に排出されている可能性があるためである。
【０１５７】
本実施形態のように、圧力保持処理中のみパージタイマｔ１をカウントすることで、バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）を所望の濃度まで上昇したことを精度良く判定することができる。
【０１５８】
（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。以下に示す各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。
【０１５９】
図１４は、本発明の第２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。図２では、簡便のため、カソードガス給排装置３及びスタック冷却装置６を省略すると共に、パージ弁５４を一つだけ備えるものを記載している。
【０１６０】
本発明の第２実施形態による燃料電池システム１の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、バッファタンク５１と、アノードガス排出通路５２と、パージ通路５３と、パージ弁５４と、を備える。
【０１６１】
高圧タンク４１、アノードガス供給通路４２、調圧弁４３、圧力センサ４４及びバッファタンク５１の機能を第１実施形態と同様である。
【０１６２】
アノードガス排出通路５２は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２６に接続され、他端部がバッファタンク５１に接続される。
【０１６３】
パージ通路５３は、一端部がアノードガス排出通路５２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５１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５２を一旦逆流した後、パージ通路５３を通って開口端から外気へ排出される。
【０１６４】
パージ弁５４は、パージ通路５３に設けられる。パージ弁５４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５４を開くことで、バッファタンク５１に溜められたアノードオフガスがパージ通路５３を通って開口端から外気へ排出される。
【０１６５】
図１５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。
【０１６６】
図１５（Ａ）に示すように、コントローラ７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の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の基準圧と脈動幅とを算出してアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、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。
【０１６７】
具体的には、時刻ｔ１１でアノード圧が下限圧に達したら、図１５（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４３の開度がフィードバック制御される。これにより、図１５（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４１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５１へと押し込まれることになる。
【０１６８】
時刻ｔ１２で、アノード圧が上限圧に達したら、図１５（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４３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４３の開度は全閉となり、高圧タンク４１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１５（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。
【０１６９】
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ることで、一時的にバッファタンク５１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５１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。本実施形態では、このタイミングでパージ弁５４を開くことで、バッファタンク５１に蓄えられたアノードオフガスを外部に排出する。
【０１７０】
これは、アノード圧の昇圧時にパージ弁５４の上流、すなわちアノードガス排出通路５２を燃料電池スタック２側からバッファタンク５１側へと流れるアノードオフガスは、相対的にアノードガス濃度が高く、このタイミングでパージ弁５４を開くとアノードガスを無駄に外部に排出してしまうことになるからである。一方で、アノード圧の降圧時にアノードガス排出通路５２をバッファタンク５１側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は、バッファタンク５１に蓄えられた相対的にアノードガス濃度が低い（換言すれば窒素濃度が高い）ガスである。したがって、このタイミングでパージ弁５４を開くことで、アノードガスの無駄な排出を抑制するとともに、カソード側からアノードガス流路１２１に透過してきた窒素を効率的に外部に排出することができる。
【０１７１】
また、アノード圧の降圧時において、アノードガス濃度が低いアノードオフガスが燃料電池スタック２の内部に流入すると、アノードガス流路１２１の下流部でアノードガス濃度の低下が大きくなって発電効率が低下するが、アノード圧の降圧時にパージ弁５４を開くことによって、アノードガス濃度が低いアノードオフガスが燃料電池スタック２の内部に流入することに起因する発電効率の低下を抑制することができる。
【０１７２】
以下、この本実施形態による脈動制御及びパージ制御について説明する。
【０１７３】
図１６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。
【０１７４】
ステップＳ１１において、コントローラ７は、前述した各種センサの検出値を読み込む。
【０１７５】
ステップＳ１２において、コントローラ７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の目標出力電力を算出する。
【０１７６】
ステップＳ１３において、コントローラ７は、図１７のテーブルを参照し、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。
【０１７７】
ステップＳ１４において、コントローラ７は、昇圧フラグが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。コントローラ７は、昇圧フラグが１に設定されていればステップＳ５の処理を行い、昇圧フラグが０に設定されていればステップＳ９の処理を行う。なお、昇圧フラグが０に設定されているときは、アノード圧を降圧させているときである。
【０１７８】
ステップＳ１５において、コントローラ７は、圧力センサ４４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７は、アノード圧が上限圧よりも低ければステップＳ１６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Ｓ１７の処理を行う。
【０１７９】
ステップＳ１６において、コントローラ７は、アノード圧が上限圧となるように調圧弁４３の開度をフィードバック制御する。
【０１８０】
ステップＳ１７において、コントローラ７は、昇圧フラグを０に設定する。
【０１８１】
ステップＳ１８において、コントローラ７は、アノード圧が下限圧となるように調圧弁４３の開度をフィードバック制御する。
【０１８２】
ステップＳ１９において、コントローラ７は、圧力センサ４４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７は、アノード圧が下限圧よりも高ければステップＳ１８の処理を行い、アノード圧が下限圧以下であればステップＳ２０の処理を行う。
【０１８３】
ステップＳ２０において、コントローラ７は、昇圧フラグを１に設定する。
【０１８４】
ステップＳ２１において、コントローラ７は、アノード圧が上限圧となるように調圧弁４３の開度をフィードバック制御する。
【０１８５】
図１８は、本実施形態によるパージ制御について説明するフローチャートである。
【０１８６】
ステップＳ１０１において、コントローラ７は、前述した各種センサの検出値を読み込む。
【０１８７】
ステップＳ１０２において、コントローラ７は、パージ弁５４を開く時間（以下「パージ時間」という。）を算出するための処理（以下「パージ時間算出処理」という。）を実施する。パージ時間算出処理の詳細については、図１９を参照して後述する。
【０１８８】
ステップＳ１０３において、コントローラ７は、パージ弁５４が開かれているか否かを判定する。コントローラ７は、パージ弁５４が閉じられていればステップＳ１０４の処理を行い、パージ弁５４が開かれていればステップＳ１１０の処理を行う。
【０１８９】
ステップＳ１０４において、コントローラ７は、昇圧フラグが０に設定されているか、すなわち、アノード圧の降圧時か否かを判定する。コントローラ７は、昇圧フラグが０のとき、すなわちアノード圧の降圧時であればステップＳ１０６の処理を行う。一方、昇圧フラグが１のとき、すなわちアノード圧の昇圧時であればステップＳ１０５の処理を行う。
【０１９０】
ステップＳ１０５において、コントローラ７は、パージ弁５４を閉じた状態のまま維持する。
【０１９１】
ステップＳ１０６において、コントローラ７は、昇圧フラグが０に設定されてからの経過時間Ｔ１を算出する。つまり、経過時間Ｔ１は、アノード圧の降圧が始まってからの経過時間である。
【０１９２】
ステップＳ１０７において、コントローラ７は、経過時間Ｔ１が第１所定時間以上になったか否かを判定する。コントローラ７は、経過時間Ｔ１が第１所定時間以上になっていればステップＳ１０８の処理を行い、そうでなければステップＳ１０５の処理を行う。
【０１９３】
ステップＳ１０８において、コントローラ７は、パージ弁５４を開くとともに、経過時間Ｔ１をゼロに戻す。このように、アノード圧の降圧が始まってから第１所定時間が経過した後にパージ弁５４を開くのは、アノード圧の降圧が始まってからパージ弁５４の上流にバッファタンク内から逆流したアノードオフガスが到達するまでには、所定の時間遅れが生じるためである。
【０１９４】
ステップＳ１０９において、コントローラ７は、パージ弁５４が開かれてからの経過時間Ｔ２を算出する。
【０１９５】
ステップＳ１１０において、コントローラ７は、昇圧フラグが０に設定されているか否かを判定する。コントローラ７は、昇圧フラグが０に設定されていればステップＳ１１１の処理を行い、昇圧フラグが１に設定されていればステップＳ１１３の処理を行う。
【０１９６】
ステップＳ１１１において、コントローラ７は、経過時間Ｔ２が、パージ時間以上になったか否かを判定する。コントローラ７は、経過時間Ｔ２がパージ時間未満であれば、今回の処理を終了してパージ弁５４を開いたままとする。一方で、経過時間Ｔ２がパージ時間以上であればステップＳ１１２の処理を行う。
【０１９７】
ステップＳ１１２において、コントローラ７は、パージ弁５４を閉じるとともに、経過時間Ｔ２及び後述する経過時間Ｔ３をゼロに戻す。
【０１９８】
ステップＳ１１３において、コントローラ７は、昇圧フラグが１に設定されてからの経過時間Ｔ３を算出する。この経過時間Ｔ３は、パージ弁５４が開いた状態のまま昇圧フラグが１に設定されたときに算出される時間である。
【０１９９】
ステップＳ１１４において、コントローラ７は、経過時間Ｔ３が第２所定時間以上になったか否かを判定する。コントローラ７は、経過時間Ｔ３が第２所定時間未満であれば、ステップＳ１１１の処理を行い、第２所定時間以上であればステップＳ１１５の処理を行う。
【０２００】
ステップＳ１１５において、コントローラ７は、パージ弁５４を閉じるとともに、経過時間Ｔ２及び経過時間Ｔ３をゼロに戻す。このように、パージ弁５４が開いた状態のまま昇圧フラグが１に設定された場合に、アノード圧の昇圧が始まってから第２所定時間が経過したときは、パージ弁５４を開いている時間（経過時間Ｔ２）がパージ時間未満であっても強制的にパージ弁５４を閉じる。
【０２０１】
これは、アノード圧の昇圧が始まると、高圧タンク４１から燃料電池スタック２にアノードガスが供給されるため、パージ弁５４の上流には、燃料電池スタック２からバッファタンク５１に向かって相対的にアノードガス濃度の高いアノードオフガスが流れることになる。そのため、このようなアノードガス濃度の高いアノードオフガスがパージ弁５４の上流に到達する前にパージ弁５４を閉じて、アノードガス濃度の高いアノードオフガスが排出されるのを抑制するためである。
【０２０２】
図１９は、パージ時間算出処理について説明するフローチャートである。
【０２０３】
ステップＳ１０２１において、コントローラ７は、図２０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。
【０２０４】
ステップＳ１０２２において、コントローラ７は、パージ弁５４が開いているか否かを判定する。コントローラ７は、パージ弁５４が閉じていればステップＳ１０２３の処理を行い、パージ弁５４が開いていればステップＳ１０２４の処理を行う。
【０２０５】
ステップＳ１０２３において、コントローラ７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。
【０２０６】
ステップＳ１０２４において、コントローラ７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４４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５４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５４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５４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。
【０２０７】
ステップＳ１０２５において、コントローラ７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。
【０２０８】
ステップＳ１０２６において、コントローラ７は、図２１のテーブルを参照し、窒素濃度に基づいて、目標パージ総流量を算出する。図２１に示すように、目標パージ総流量は、窒素濃度が高くなるほど多くなる。
【０２０９】
ステップＳ１０２７において、コントローラ７は、図２２のマップを参照し、圧力センサ４４で検出したアノード圧と、目標パージ総流量と、に基づいて、パージ時間を算出する。図２２に示すように、アノード圧が同じであれば、パージ時間は目標パージ総流量が多くなるほど長くなる。また、目標パージ総流量が同じであれば、パージ時間はアノード圧が低くなるほど長くなる。これは、単位時間当りのパージ流量は、パージ弁５４の開度と、アノード圧と大気圧との差圧が決まり、アノード圧が低いときほど単位時間当りのパージ流量が少なくなるためである。
【０２１０】
このように、本実施形態では、アノード系内の窒素濃度が高いときほど目標パージ総流量を多くして、アノード系内の窒素濃度が所定濃度以下となるように、アノード系内の窒素濃度に応じてパージ時間を変化させている。
【０２１１】
図２３は、本実施形態によるパージ制御の動作について説明するタイムチャートである。以下の説明では、図１６及び図１８のフローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。
【０２１２】
時刻ｔ２１で、アノード圧が上限圧になると（図２３（Ａ）；Ｓ１５でＮｏ）、昇圧フラグが０に設定されるとともに（図２３（Ｄ）；Ｓ１７）、アノード圧が下限圧となるように調圧弁４３の開度がフィードバック制御される（図２３（Ｂ）；Ｓ１８）。また、経過時間Ｔ１の算出が開始される（Ｓ１０４でＹｅｓ，Ｓ１０６）。
【０２１３】
時刻ｔ２２で、経過時間Ｔ１が第１所定時間以上になると、パージ弁５４が開かれ、バッファタンク５１の内部に蓄えられていたアノードオフガスが外部に排出される（図２３（Ｃ）；Ｓ１０７でＹｅｓ，Ｓ１０８）。また、パージ弁５４が開かれたことで、経過時間Ｔ２の算出が開始される（Ｓ１０３でＹｅｓ，Ｓ１０９）。
【０２１４】
時刻ｔ２３で、アノード圧の降圧中に経過時間Ｔ２がパージ時間以上になると、パージ弁５４が閉じられる（図２３（Ｃ）；Ｓ１１０でＹｅｓ，Ｓ１１１でＹｅｓ、Ｓ１１２）。
【０２１５】
このように、アノード圧の降圧中にパージ弁５４を開くことで、バッファタンク５１に蓄えられた相対的にアノードガス濃度が低い（窒素濃度が高い）アノードオフガスを、外部に排出することができる。また、アノード圧の降圧が始まってから第１所定時間が経過した後にパージ弁５４を開くことで、アノード圧の昇圧後にアノードガス排出通路５２に存在している相対的にアノードガス濃度の高いアノードオフガスを外部に排出することなく、バッファタンク内から逆流してきた相対的にアノードガス濃度が低いアノードオフガスを排出することができる。
【０２１６】
時刻ｔ２４で、アノード圧が下限圧になると（図２３（Ａ）；Ｓ１９でＮｏ）、昇圧フラグが１に設定されるとともに（図２３（Ｄ）；Ｓ２０）、アノード圧が上限圧となるように調圧弁４３の開度がフィードバック制御される（図２３（Ｂ）；Ｓ２１）。
【０２１７】
時刻ｔ２５で、アノード圧が再び上限圧になると（図２３（Ａ）；Ｓ１５でＮｏ）、昇圧フラグが０に設定されるとともに（図２３（Ｄ）；Ｓ１７）、アノード圧が下限圧となるように調圧弁４３の開度がフィードバック制御される（図２３（Ｂ）；Ｓ１８）。また、経過時間Ｔ１の算出が開始される（Ｓ１０４でＹｅｓ，Ｓ１０６）。
【０２１８】
時刻ｔ２６で、経過時間Ｔ１が第１所定時間以上になると、パージ弁５４が開かれ（図２３（Ｃ）；Ｓ１０７でＹｅｓ，Ｓ１０８）、経過時間Ｔ２の算出が開始される（Ｓ１０３でＹｅｓ，Ｓ１０９）。
【０２１９】
時刻ｔ２７で、アノード圧の降圧中に経過時間Ｔ２がパージ時間に達することなく、パージ弁５４が開かれた状態のままアノード圧が下限圧まで低下したときは（図２３（Ａ）（Ｃ））、経過時間Ｔ３の算出が開始される（Ｓ１１０でＮｏ，Ｓ１１３）。
【０２２０】
そして、時刻ｔ２８で、経過時間Ｔ２がパージ時間に達する前に経過時間Ｔ３が第２所定時間以上になったときは（Ｓ１１４でＹｅｓ）、パージ弁５４が閉じられる（図２３（Ｃ）；Ｓ１１５）
【０２２１】
このように、パージ弁５４が開かれた状態のままアノード圧が下限圧まで低下してアノード圧の昇圧が開始されたときは、経過時間Ｔ２がパージ時間に達する前であってもパージ弁５４を閉じることとした。
【０２２２】
これにより、アノード圧の昇圧によってアノードガス排出通路５２に燃料電池スタック２からバッファタンク５１に向かって相対的にアノードガス濃度の高いアノードオフガスが流れてくるまでは、バッファタンク５１内のアノードガス濃度の低いアノードオフガスを排出することができる。そして、燃料電池スタック２からバッファタンク５１に向かって流れてくるアノードガス濃度の高いアノードオフガスの排出を抑制することができる。
【０２２３】
以上説明した本実施形態によれば、脈動運転を実施するアノードガス非循環型の燃料電池システム１において、燃料電池スタック２とバッファタンク５１とを接続するアノードガス排出通路５２にパージ弁５４を備えるパージ通路５３を接続し、アノード圧の降圧中にパージ弁５４を開くこととした。
【０２２４】
アノード圧の降圧中は、バッファタンク５１内に一時的に蓄えられた相対的にアノードガス濃度が低い（窒素濃度が高い）アノードオフガスが、バッファタンク５１側から燃料電池スタック２側に逆流してくる。そのため、アノード圧の降圧中にパージ弁５４を開くことで、窒素濃度の高いアノードオフガスを外部に排出できる。これにより、アノードガスの無駄な排出を抑制するとともに、カソード側からアノードガス流路１２１に透過してきた窒素を効率的に外部に排出することができる。
【０２２５】
また、アノード圧の降圧時において、アノードガス濃度が低いアノードオフガスが燃料電池スタック２の内部に流入すると、アノードガス流路１２１の下流部でアノードガス濃度の低下が大きくなって発電効率が低下するが、アノード圧の降圧時にパージ弁５４を開くことによって、アノードガス濃度が低いアノードオフガスが燃料電池スタック２の内部に流入することに起因する発電効率の低下を抑制することができる。
【０２２６】
また、本実施形態によれば、アノード圧の降圧が始まってから第１所定時間が経過した後にパージ弁５４を開くこととした。
【０２２７】
アノード圧の降圧開始直後は、アノード圧の昇圧によって、アノードガス排出通路５２には相対的にアノードガス濃度の高いアノードオフガスが存在している。したがって、アノード圧の降圧が始まってから第１所定時間が経過した後にパージ弁５４を開くことで、このようなアノードガス濃度の高いアノードオフガスを外部に排出することなく、バッファタンク５１内から逆流してきたアノードガス濃度が低いアノードオフガスを排出することができる。
【０２２８】
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下となるように、アノード系内の窒素濃度に応じてパージ時間を算出することとした。
【０２２９】
これにより、カソード側からアノードガス流路１２１に透過してきた窒素を適切に外部に排出することができ、アノードオフガスと共に無駄にアノードガスが排出されるのを抑制することができる。
【０２３０】
また、本実施形態によれば、アノード圧の昇圧が始まってから第２所定時間が経過した後もパージ弁５４が開かれているときは、パージ弁５４を開いてからの経過時間Ｔ２がパージ時間未満であってもパージ弁５４を閉じることとした。
【０２３１】
これにより、アノード圧の昇圧によってアノードガス排出通路５２に燃料電池スタック２からバッファタンク５１に向かって相対的にアノードガス濃度の高いアノードオフガスが流れてくるまでは、バッファタンク５１内のアノードガス濃度の低いアノードオフガスを排出することができる。そして、燃料電池スタック２からバッファタンク５１に向かってアノードガス濃度の高いアノードオフガスが流れてくる前にパージ弁５４が閉じられるので、アノードガス濃度の高いアノードオフガスの排出を抑制することができる。
【０２３２】
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。
【０２３３】
例えば、上記の第１実施形態では、起動パージ処理中は、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０を開いたままとしていたが、圧力保持処理中のみ開くことにしても良い。これにより、減圧処理中や昇圧処理中にアノードガスがカソードガス排出通路３５に排出されるのを抑制し、バッファタンク５１内の混合ガスのみをカソードガス排出通路３５に排出することができる。
【０２３４】
また、上記の第２実施形態において、アノード圧が下限圧まで低下した場合にまだパージ弁５４が開かれているとき、すなわち経過時間Ｔ２がパージ時間以上になる前にアノード圧が下限圧まで低下したときは、アノード圧の下限圧を一時的に低下させ、経過時間Ｔ２がパージ時間以上になった段階でアノード圧の昇圧を開始させるようにしても良い。
【０２３５】
また上記の第１実施形態ではパージ弁を２つ備える燃料電池システムを用いて説明し、第２実施形態ではパージ弁を１つ備える燃料システムを用いて説明したが、両実施形態ともパージ弁は１つでも良いし、それ以上備えていても良い。
【０２３６】
本願は、２０１２年３月１２日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−５４７３３号、及び、２０１２年９月１８日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−２０４１７７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。
【図１Ａ】
2013137271.tif 000003
【図１Ｂ】
2013137271.tif 000004
【図２】
2013137271.tif 000005
【図３】
2013137271.tif 000006
【図４】
2013137271.tif 000007
【図５】
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【図６】
2013137271.tif 000009
【図７】
2013137271.tif 000010
【図８】
2013137271.tif 000011
【図９】
2013137271.tif 000012
【図１０】
2013137271.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2013137271.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2013137271.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
2013137271.tif 000023
【図２１】
2013137271.tif 000024
【図２２】
2013137271.tif 000025
【図２３】
2013137271.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月10日(2013.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
前記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、
前記燃料電池と前記バッファ部とを接続するオフガス排出通路と、
前記オフガス排出通路に接続されるパージ通路と、
前記パージ通路に設けられるパージ弁と、
前記パージ弁を開いて前記バッファ部のガスを前記燃料電池システムの外部に排出するパージ手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を第１所定圧力から第２所定圧力まで低下させて前記バッファ部のガスを前記燃料電池側に逆流させる圧力制御手段と、
を備え、
前記パージ手段は、
前記アノードガスの圧力の降圧時に、前記パージ弁を開いて前記バッファ部のガスを外部に排出するパージ制御を開始する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第１所定圧力まで昇圧させる昇圧手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第１所定圧力まで昇圧させた後に、前記第１所定圧力よりも低い前記第２所定圧力まで低下させる減圧手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力が前記第２所定圧力まで低下した後に、前記燃料電池内のアノードガスの圧力を、前記第２所定圧力に所定期間保持する圧力保持手段と、
を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力制御手段は、
前記圧力保持手段の後に再度前記昇圧手段を実施し、前記昇圧手段、前記減圧手段及び前記圧力保持手段を繰り返し実施する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パージ手段は、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第２所定圧力に保持しているときも、前記パージ制御を継続する、
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記パージ弁を通過する前記バッファ部のガスの流量に応じて、前記パージ手段の必要継続時間を算出するパージ継続時間算出手段と、
前記燃料電池内のアノードガスの圧力を前記第２所定圧力に保持した時間を、前記バッファ部のガスを前記燃料電池システムの外部に排出したパージ時間として算出するパージ時間算出手段と、
を備え、
前記パージ時間が前記必要継続時間以上になったときに、前記パージ手段及び前記圧力制御手段の実施を終了する、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１所定圧力は、
前記燃料電池のアノードガス流路及び前記オフガス排出通路内のガスを、前記バッファ部内に押し込むことができる圧力である、
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２所定圧力は、
前記バッファ部のガスが、少なくとも前記オフガス排出通路と前記パージ通路との接続部よりも前記燃料電池側まで逆流する圧力である、
請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記パージ手段は、
アノードガスの圧力の降圧が始まってから第１所定時間が経過した後に、前記パージ制御を開始する、
請求項１から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記パージ手段は、
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に応じて、前記パージ制御中に前記パージ弁を開くパージ時間を算出する、
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。
【請求項１０】
前記パージ手段は、
前記パージ制御を開始してからの経過時間が前記パージ時間以上になったときに、前記パージ制御を終了する、
請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記パージ手段は、
前記アノードガスの圧力の昇圧が始まってから第２所定時間が経過した後も前記パージ弁が開かれていたときは、前記パージ制御を開始してからの経過時間が前記パージ時間未満であっても前記パージ制御を終了する、
請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記パージ手段は、
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する透過窒素量算出手段と、
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窒素濃度算出手段と、
前記窒素濃度に基づいて、前記パージ制御中に排出するアノードオフガスの流量の目標値を目標パージ総流量として算出する目標パージ総流量算出手段と、
前記目標パージ総流量に基づいて、前記パージ制御中にパージ弁を開く時間をパージ時間として算出するパージ時間算出手段と、
を備える請求項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。
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月3日(2014.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
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から第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を介して外気へ排出されるアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク５１内のアノードガス濃度が所望の濃度となるように調節する。バッファタンク５１内のアノードガス濃度（水素濃度）が低すぎると、後述する脈動運転時において電極反応に使用されるアノードガスが不足するので、発電効率が低下するとともに、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内のアノードガス濃度（水素濃度）が高すぎると、第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。したがって、バッファタンク５１内のアノードガス濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
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とともに、第１パージ弁４９及び第２パージ弁５０の開度を調節してバッファタンク５１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５１内のアノードガス濃度を所望の濃度に保つ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
時刻ｔ１３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１１のときと同様に調圧弁４３が開かれる。そして、時刻ｔ１４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁４３が全閉にされる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０４】
減圧処理は、バッファタンク５１内にアノードガスを供給した後、バッファタンク５１内のアノードガスと空気との混合ガスを第１パージ通路４７及び第２パージ通路４８からカソードガス排出通路３５へと排出するために、アノード圧を減圧してバッファタンク５１内の混合ガスを第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に逆流させるための処理である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
ステップＳ３３７８において、コントローラ７は、圧力保持タイマｔ２の値を０に更新する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４７】
時刻ｔ４で、アノード圧を起動目標アノード下限圧Ｐａｄに保持してからの経過時間が圧力保持終了時間ｔｋｄに達すると（図１３（Ｌ）；Ｓ３３７５でＹｅｓ）、圧力保持フラグが０に設定され（図１３（Ｉ）；Ｓ３３７７）、圧力保持タイマｔ２が０にリセットされる（図１３（Ｌ）；Ｓ３３７８）。また、昇圧フラグが１に設定される（図１３（Ｊ）；Ｓ３３７９）。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５９】
図１４は、本発明の第２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。図１４では、簡便のため、カソードガス給排装置３及びスタック冷却装置６を省略すると共に、パージ弁５４を一つだけ備えるものを記載している。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７７】
ステップＳ１４において、コントローラ７は、昇圧フラグが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。コントローラ７は、昇圧フラグが１に設定されていればステップＳ１５の処理を行い、昇圧フラグが０に設定されていればステップＳ１９の処理を行う。なお、昇圧フラグが０に設定されているときは、アノード圧を降圧させているときである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８８】
ステップＳ１０３において、コントローラ７は、パージ弁５４が開かれているか否かを判定する。コントローラ７は、パージ弁５４が閉じられていればステップＳ１０４の処理を行い、パージ弁５４が開かれていればステップＳ１０９の処理を行う。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
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【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
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【国際調査報告】
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