(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は、燃料電池に供給する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、アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように制御弁を制御する脈動運転手段と、バッファ部の温度に基づいて脈動幅を補正する脈動幅補正手段と、を備える。
2012165073.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（１０）に供給して発電する燃料電池システム（１）であって、
前記燃料電池（１０）に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁（３３）と、
前記燃料電池（１０）から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部（３６）と、
アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁（３３）を制御する脈動運転手段（４）と、
前記バッファ部（３６）の温度に基づいて、前記脈動幅を補正する脈動幅補正手段（４）と、
を備える燃料電池システム（１）。
【請求項２】
前記脈動幅補正手段（４）は、
前記バッファ部（３６）の温度が前記燃料電池（１０）の定常温度よりも低いときに、前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路のアノードガス濃度が、所定の許容下限濃度を下回らないように、前記脈動幅を小さくする、
請求項１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項３】
前記脈動幅補正手段（４）は、
前記脈動幅を小さくするときのその脈動幅の下限値を、前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路を流れるアノードガスの運動エネルギーが、そのアノードガス流路に存在する液水を前記バッファ部（３６）へと排出することができる許容下限運動エネルギーを下回らないように設定する、
請求項２に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項４】
前記バッファ部（３６）から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁（３８）と、
前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システム（１）の運転状態に応じた開度に前記パージ弁（３８）を制御するパージ弁制御手段（４）と、
前記燃料電池（１０）の湿潤状態を判断する湿潤状態判断手段（４）と、
前記燃料電池（１０）の湿潤状態に基づいて、前記パージ弁（３８）の開度を大きくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くし、前記脈動幅を小さくするときの下げ幅を少なくする湿潤時パージ弁開度補正手段（４）と、
をさらに備える請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項５】
前記脈動幅補正手段（４）は、
前記バッファ部（３６）の温度が前記燃料電池（１０）の定常温度よりも高いときに、前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路を流れるアノードガスの運動エネルギーが、そのアノードガス流路に存在する液水を前記バッファ部（３６）へと排出することができる許容下限運動エネルギーを下回らないように、前記脈動幅を大きくする、
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（１）。
【請求項６】
前記バッファ部（３６）から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁（３８）と、
前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システム（１）の運転状態に応じた開度に前記パージ弁（３８）を制御するパージ弁制御手段（４）と、
前記脈動幅補正手段（４）によって前記脈動幅が大きくなるように補正したときに、その補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路の最低濃度を算出する最低濃度算出手段（４）と、
算出した最低濃度に応じて、前記パージ弁（３８）の開度を補正する高温時パージ弁開度補正手段（４）と、
をさらに備える請求項５に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項７】
前記高温時パージ弁開度補正手段（４）は、
前記算出した最低濃度が所定の許容下限濃度よりも高いときは、前記補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路の最低濃度が許容下限濃度まで低下するように、前記パージ弁（３８）の開度を小さくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも低くする、
請求項６に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項８】
前記高温時パージ弁開度補正手段（４）は、
前記算出した最低濃度が所定の許容下限濃度よりも低いときは、前記補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路の最低濃度が許容下限濃度まで増加するように、前記パージ弁（３８）の開度を大きくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くする、
請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項９】
アノードガス及びカソードガスを燃料電池（１０）に供給して発電する燃料電池システム（１）であって、
前記燃料電池（１０）に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁（３３）と、
前記燃料電池（１０）から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部（３６）と、
前記バッファ部（３６）から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁（３８）と、
アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁（３３）を制御する脈動運転手段（４）と、
前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システム（１）の運転状態に応じた開度に前記パージ弁（３８）を制御するパージ弁制御手段（４）と、
前記バッファ部（３６）の温度が前記燃料電池（１０）の定常温度よりも低いときに、前記パージ弁（３８）の開度を大きくして前記バッファ部（３６）内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くする低温時パージ弁開度補正手段（４）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム（１）。
【請求項１０】
前記低温時パージ弁開度補正手段（４）は、
前記燃料電池（１０）内のアノードガス流路のアノードガス濃度が所定の許容下限濃度を下回らないように、前記パージ弁（３８）の開度を大きくする、
請求項９に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１１】
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（１）であって、
前記燃料電池（１０）に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁（３３）と、
前記燃料電池（１０）から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部（３６）と、
アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁（３３）を制御する脈動運転手段（４）と、
前記制御弁（３３）から前記燃料電池（１０）までのアノードガス流路の容積温度に基づいて、前記脈動幅を補正する脈動幅補正手段（４）と、
を備える燃料電池システム（１）。
【請求項１２】
前記脈動運転手段（４）は、前記燃料電池（１０）の負荷が高いときほど、前記脈動幅を大きくする、
請求項１から請求項１１までのいずれか１つに記載の燃料電池システム（１）。
【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に記載の燃料電池システムは、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）とを設けていた。【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、アノード圧力を制御する制御弁によって、運転状態に応じた脈動幅でアノードガスの圧力を増減圧させる脈動運転を実施していた。
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、バッファタンクの温度変化を考慮していなかった。そのため、バッファタンクの温度によっては、設定された脈動幅で脈動運転を実施すると、燃料電池スタック内部のアノードガス濃度が低下して発電の安定性が低下したり、液水の排出性能が低下するという問題点があった。
【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、バッファタンクの温度の温度に応じて適切な脈動幅を設定することで、安定した発電を行うとともに、液水の排出性能を確保することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のある態様によれば、燃料電池に供給する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、アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように制御弁を制御する脈動運転手段と、バッファ部の温度に基づいて脈動幅を補正する脈動幅補正手段と、を備える燃料電池システムが提供される。
【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、燃料電池の概略斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、燃料電池の断面図である。
【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、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、アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。
【図５】図５は、脈動幅が同じときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度をバッファタンクの温度に応じて示した図である。
【図６】図６は、脈動幅が同じときの、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーの大きさをバッファタンクの温度に応じて示した図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。
【図８】図８は、出力電流から基準圧を算出するテーブルである。
【図９】図９は、出力電流から基本脈動幅を算出するテーブルである。
【図１０】図１０は、燃料電池スタックの温度からパージ弁の基本開度を算出するテーブルである。
【図１１】図１１は、本発明の第１実施形態による低温時脈動幅補正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、アノード圧の減圧時における脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、バッファタンクの温度ごとに示したマップである。
【図１３】図１３は、本発明の第１実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
【図１４】図１４は、出力電流から許容下限運動エネルギーを算出するテーブルである。
【図１５】図１５は、アノード圧の増圧時における脈動幅とアノードガスの運動エネルギーとの関係を、バッファタンクの温度ごとに示したマップである。
【図１６】図１６は、本発明の第１実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。
【図１７】図１７は、本発明の第１実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。
【図１８】図１８は、バッファタンクの温度が所定温度のときの、脈動幅ΔＰと流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁の開度に応じて示した図である。
【図１９】図１９は、本発明の第２実施形態による低温時脈動幅補正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、内部抵抗からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。
【図２１】図２１は、パージ弁の開度補正量から許容最大脈動幅の補正量を算出するテーブルである。
【図２２】図２２は、本発明の第２実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。
【図２３】図２３は、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも高い所定温度のときの、脈動幅と、アノードガスの運動エネルギー及び流路内最低アノードガス濃度と、の関係を示した図である。
【図２４】図２４は、本発明の第３実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
【図２５】図２５は、濃度差からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。
【図２６】図２６は、濃度差からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。
【図２７】図２７は、本発明の第３実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。
【図２８】図２８は、本発明の第３実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。
【図２９】図２９は、本発明の第４実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。
【図３０】図３０は、本発明の第４実施形態による低温時パージ弁開度補正処理について説明するフローチャートである。
【図３１】図３１は、濃度差からパージ弁の開度補正量を算出するテーブルである。
【図３２】図３２は、本発明の第４実施形態による低温時パージ弁開度補正処理の作用について説明する図である。
【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Ｂ−Ｂ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、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆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。
【００２３】
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。
【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】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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を高圧状態に保って貯蔵する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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の上部に接続される。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や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００３２】
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。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
【００３３】
パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、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及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。図２では図示しないが、通常はカソード排出ラインへ排出される。
【００３４】
パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８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。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が一定となるように調節する。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３８の開度を大きくするほどバッファタンク３６内の窒素濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。
【００３５】
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。
【００３６】
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を冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する温度センサ４２、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４３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信号が入力される。
【００３７】
コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて調圧弁３３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３６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３６内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。
【００３８】
アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。
【００３９】
そこで、本実施形態では調圧弁３３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のである。脈動運転を行うことで、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
【００４０】
以下、図３を参照して脈動運転について説明しつつ、アノード圧の減圧時にバッファタンク３６に溜めたアノードオフガスが燃料電池スタック２に逆流する理由について説明する。
【００４１】
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。
【００４２】
図３（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池スタック２にかかる負荷（以下「スタック負荷」という。）（出力電流）に基づいて、アノード圧の基準圧と脈動幅とを算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて、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。
【００４３】
具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、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３３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。
【００４４】
時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、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を停止する。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、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
【００４５】
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３６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３６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。
【００４６】
時刻ｔ３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３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を全閉とする。
【００４７】
ここで、前述したアノード圧の基準圧と脈動幅は、燃料電池スタック２の温度とバッファタンク３６の温度とが等しいことを前提に設定されたものである。具体的には、バッファタンク３６の温度が、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度（約６０［℃］）と等しいことを前提として設定されたものである。
【００４８】
しかしながら、バッファタンク３６の温度は、燃料電池スタック２の暖機中には燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなる場合がある。また、バッファタンク３６の温度は、暖機完了後においても外気温度や走行風などの外部環境によって変動し、燃料電池スタック２の定常温度よりも低くなったり高くなったりする場合がある。
【００４９】
脈動運転を実施する場合、このようなバッファタンク３６の温度変化を考慮せずに脈動幅を設定してしまうと、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させる減圧時及びアノード圧を下限圧から上限圧まで増加させる増圧時において、それぞれ以下のような問題が生じることがわかった。
【００５０】
まず、アノード圧の減圧時に生じる問題について説明する。
【００５１】
アノード圧が所定の上限圧に達したときのバッファタンク３６の内部に存在するアノードガス（水素）の物質量は、バッファタンク３６の温度に応じて変化する。具体的には、バッファタンク３６内の圧力が同じであれば、バッファタンク３６の温度が低いときほど、バッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量は多くなる。
【００５２】
アノード圧の減圧時には、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とを消費させることで、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させている。そのため、バッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量が多くなるほど、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要なアノードガスの消費量が多くなるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなる。
【００５３】
ここで、アノード圧の減圧時には、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他より低くなる部分が発生する。この理由について、図４を参照して説明する。
【００５４】
図４は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。図４（Ａ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示した図である。図４（Ｂ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を、時間の経過に応じて示した図である。
【００５５】
図４（Ａ）に示すように、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３６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３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。また、同様にアノードガス供給通路３２にある高濃度のアノードガスも、圧力の低いアノードガス流路１２１へ流れ込んでくる。
【００５６】
そうすると、アノードガス供給通路３２側からアノードガス流路１２１へ流れ込んでくるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速が略ゼロとなる淀み点が発生する。
【００５７】
アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、前述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図４（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。
【００５８】
アノードガス流路１２１内で最もアノードガス濃度が低くなる部分のアノードガス濃度（以下「流路内最低アノードガス濃度」という。）が、予め定められた許容下限アノードガス濃度を下回ると、その部分で前述した（１）及び（２）の電極反応が阻害されて電圧が負電圧に転じるおそれがあり、燃料電池１０を劣化させる原因となる。
【００５９】
したがって、アノード圧の減圧時に流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回ることは避けなければならない。
【００６０】
しかしながら、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときに、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度であることを前提に設定した脈動幅で脈動運転を実施すると、アノード圧が下限圧に低下するまでの時間が長くなって、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るおそれがある。
【００６１】
そこで本実施形態では、バッファタンク３６の温度が低いときは、脈動幅が小さくなるように補正して、アノード圧が下限圧に低下するまでの時間を短くする。これにより、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回らないようにする。
【００６２】
図５は、脈動幅が同じときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度をバッファタンク３６の温度に応じて示した図である。
【００６３】
図５に示すように、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が低くなるほどアノード圧が下限圧に低下するまでの時間が長くなって、流路内最低アノードガス濃度が低下することがわかる。
【００６４】
次に、アノード圧の増圧時に生じる問題について説明する。
【００６５】
前述したように、アノード圧が所定の上限圧に達したときのバッファタンク３６の内部に存在するアノードガス（水素）の物質量は、バッファタンク３６の温度に応じて変化する。具体的には、バッファタンク３６内の圧力が同じであれば、バッファタンク３６の温度が高くなるほど、バッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量は少なくなる。
【００６６】
そのため、バッファタンク３６の温度が高くなるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が少なくなる。その結果、バッファタンク３６の温度が高くなるほど、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの流速、ひいては運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下する。
【００６７】
したがって、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高きときに、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と等しいことを前提にした脈動幅で脈動運転を実施すると、アノードガスの運動エネルギーが、アノードガス流路１２１内の液水を排出するために必要な運動エネルギーの最小値（以下「許容下限運動エネルギー」という。）を下回るおそれがある。
【００６８】
そこで本実施形態では、バッファタンク３６の温度が高いときは、脈動幅が大きくなるように補正して、アノードガスの運動エネルギーを確保する。
【００６９】
図６は、脈動幅が同じときの、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーの大きさをバッファタンク３６の温度に応じて示した図である。
【００７０】
図６に示すように、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が高くなるほどアノードガスの運動エネルギーが低下することがわかる。
【００７１】
以下、本実施形態による脈動運転制御について説明する。
【００７２】
図７は、本実施形態による脈動運転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４は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。
【００７３】
ステップＳ１において、コントローラ４は、スタック負荷としての出力電流、スタック温度、外気温度及び車速を読み込む。
【００７４】
ステップＳ２において、コントローラ４は、図８のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時のアノード圧の基準圧を算出する。図８に示すように、出力電流が大きいときほど、アノード圧の基準圧は大きくなる。
【００７５】
ステップＳ３において、コントローラ４は、図９のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時の脈動幅の基本値（以下「基本脈動幅」という。）を算出する。図９に示すように、出力電流が大きいときほど、基本脈動幅は大きくなる。
【００７６】
ステップＳ４において、コントローラ４は、図１０のテーブルを参照し、スタック温度に基づいて、パージ弁の基本開度を算出する。図１０に示すように、スタック温度が高いときほど、パージ弁の基本開度は大きくなる。
【００７７】
ステップＳ５において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度を算出する。本実施形態では、スタック温度、外気温度及び車速に基づいて、バッファタンク３６の温度を算出する。
【００７８】
ステップＳ６において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第１所定温度よりも高いか否かを判定する。第１所定温度は、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度（約６０［℃］）よりも高い温度に設定される。コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第１所定温度よりも高ければステップＳ１０の処理を行い、低ければステップＳ７の処理を行う。
【００７９】
ステップＳ７において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第２所定温度よりも低いか否かを判定する。第２所定温度は、暖機完了後の燃料電池スタック２の定常温度よりも低い温度に設定される。コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が第２所定温度よりも低ければステップＳ９の処理を行い、高ければステップＳ８の処理を行う。
【００８０】
ステップＳ８において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度に概ね等しいと判断し、基準圧を中心として、基本脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。
【００８１】
ステップＳ９において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いと判断し、脈動幅が基準脈動幅よりも小さくなるように、低温時脈動幅補正処理を実施する。低温時脈動幅補正処理については、図１１を参照して後述する。
【００８２】
ステップＳ１０において、コントローラ４は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いと判断し、脈動幅が基準脈動幅よりも大きくなるように、高温時脈動幅補正処理を実施する。高温時脈動幅補正処理については、図１３を参照して後述する。
【００８３】
ステップＳ１１において、コントローラ４は、パージ弁の開度を基本開度に制御する。
【００８４】
図１１は、低温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
【００８５】
ステップＳ９１において、コントローラ４は、図１２のマップを参照し、バッファタンク３６の温度に基づいて、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回らない脈動幅の最大値（以下「許容最大脈動幅」という。）を算出する。
【００８６】
図１２は、アノード圧の減圧時における脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、バッファタンク３６の温度ごとに示したマップである。
【００８７】
図１２に示すように、バッファタンク３６の温度が同じであれば、脈動幅を小さくするほどアノード圧を下限圧まで低下させるのに必要な時間が短くなるので、流路内最低アノードガス濃度は高くなる。また、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が低くなるほどバッファタンク３６の内部に存在するアノードガスの物質量が多くなり、アノード圧を下限圧まで低下させるのに必要な時間が長くなるので、流路内最低アノードガス濃度は低くなる。
【００８８】
ステップＳ９２において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最大脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。
【００８９】
ステップＳ９３において、コントローラ４は、パージ弁の開度を基本開度に制御する。
【００９０】
図１３は、高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
【００９１】
ステップＳ１０１において、コントローラ４は、図１４のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、許容下限運動エネルギーを算出する。図１４に示すように、出力電流が大きいときほど、許容下限運動エネルギーは大きくなる。これは、出力電流が大きいときほど、前述した（２）の電極反応によって生じる生成水が多くなるためである。
【００９２】
ステップＳ１０２において、コントローラ４は、図１５のマップを参照し、バッファタンク３６の温度に基づいて、許容下限運動エネルギーを下回らない脈動幅の最小値（以下「許容最小脈動幅」という。）を算出する。
【００９３】
図１５は、アノード圧の増圧時における脈動幅とアノードガスの運動エネルギーとの関係を、バッファタンク３６の温度ごとに示したマップである。
【００９４】
図１５に示すように、バッファタンク３６の温度が同じであれば、脈動幅を小さくするほどアノード圧を上限圧まで増加させるために必要なアノードガス量が少なくなるので、アノードガスの運動エネルギーは小さくなる。また、脈動幅が同じであれば、バッファタンク３６の温度が高くなるほどアノード圧を上限圧まで増加させるために必要なアノードガス量が少なくなるので、アノードガスの運動エネルギーは小さくなる。
【００９５】
ステップＳ１０３において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最小脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて脈動運転を実施する。
【００９６】
ステップＳ１０４において、コントローラ４は、パージ弁の開度を基本開度に制御する。
【００９７】
図１６は、本実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。図１６において、細い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度のときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。一方、太い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低い所定温度のとき、すなわち第２所定温度よりも低い所定温度ときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。
【００９８】
図１６に太い実線で示すように、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときに基本脈動幅で脈動運転すると、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くなってしまう。
【００９９】
そこで、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときは、バッファタンク３６の温度に基づいて、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも小さくなるように補正する。具体的には、バッファタンク３６の温度に基づいて、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度となる許容最大脈動幅を算出し、その算出した許容最大脈動幅で脈動運転する。これにより、アノード圧の減圧時に流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できる。
【０１００】
図１７は、本実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。図１７において、細い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度のときのアノードガスの運動エネルギーを、脈動幅に応じて示したものである。一方、太い実線は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高い所定温度のとき、すなわち第１所定温度よりも高い所定温度ときのアノードガスの運動エネルギーを、脈動幅に応じて示したものである。
【０１０１】
図１７に太い実線で示すように、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よいも高いときに基本脈動幅で脈動運転すると、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーよりも小さくなってしまう。
【０１０２】
そこで、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いときは、バッファタンク３６の温度に基づいて、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも大きくなるように補正する。具体的には、バッファタンク３６の温度に基づいて、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーとなる許容最小脈動幅を算出し、その算出した許容最小脈動幅で脈動運転する。これにより、アノード圧の増圧時に、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回るのを抑制できる。
【０１０３】
以上説明した本実施形態によれば、バッファタンク３６の温度に基づいて、脈動運転を実施するときの脈動幅を補正することにした。
【０１０４】
具体的には、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いとき、すなわち第２所定温度よりも低いときは、脈動運転時の脈動幅を、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と略等しいときに設定される脈動幅よりも小さくする。
【０１０５】
これにより、アノード圧の減圧時において、アノード圧が下限圧に低下するまでの時間が短くなるので、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できる。よって、前述した（１）及び（２）の電極反応が阻害されて電圧が負電圧に転じるおそれもなく、安定した発電を実施できるとともに、燃料電池１０の劣化も抑制することができる。
【０１０６】
また、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いとき、すなわち第１所定温度よりも高いときは、脈動運転時の脈動幅を、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と略等しいときに設定される脈動幅よりも大きくする。
【０１０７】
これにより、アノード圧の増圧時において、脈動幅が増加した分だけアノードガスの運動エネルギーが増加するので、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回るのを抑制できる。よって、液水の排出性能を確保することができ、アノードガス流路１２１内でフラッディングが発生するのを抑制できる。
【０１０８】
（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。本実施形態は、電解質膜１１１の湿潤状態に応じてパージ弁３８の開度を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す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。
【０１０９】
第１実施形態では、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときは、脈動運転時の脈動幅を、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度と略等しいときに設定される脈動幅よりも小さくしていた。
【０１１０】
しかしながら、脈動運転時の脈動幅を小さくしてしまうと、アノード圧の増圧時においてアノードガスの運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下してしまう。したがって、電解質膜１１１の膜中の水分量が多く、電解質膜１１１が湿った状態のときは、基本脈動幅からの脈動幅の下げ幅をできるだけ小さくしたい。
【０１１１】
図１８は、バッファタンク３６の温度が所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁３８の開度に応じて示した図である。
【０１１２】
図１８に示すように、アノード圧の減圧時において、脈動幅が同じときの流路内最低アノードガス濃度は、パージ弁３８の開度を大きくしてバッファタンク３６内のアノードガス濃度を高くするほど高くなる。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を高くするほど、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１に逆流してくるアノードオフガス中の窒素量が少なくなり、淀み点近傍に滞留する窒素が少なくなるためである。
【０１１３】
したがって、図１８に示すように、パージ弁３８の開度を多くするほど、許容最大脈動幅が大きくなる。
【０１１４】
そこで本実施形態では、電解質膜１１１が湿った状態のときは、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくして、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を通常よりも高くする。これにより、許容最大脈動幅を大きくすることができるので、基本脈動幅からの脈動幅の下げ幅を小さくすることができる。
【０１１５】
図１９は、本実施形態による低温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
【０１１６】
ステップＳ２９１において、コントローラ４は、電解質膜１１１の湿潤状態を判断するために、燃料電池スタック２の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）（以下「内部抵抗」という。）を算出する。電解質膜１１１の湿潤状態と燃料電池スタック２の内部抵抗との間には相関関係があることが知られており、燃料電池スタック２の内部抵抗が低いほど膜中の水分量が多く、電解質膜１１１が濡れた状態となる。
【０１１７】
ステップＳ２９２において、コントローラ４は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラ４は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さければ、電解質膜１１１が湿った状態であると判断してステップＳ２９３の処理を行う。一方で、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値以上であればステップＳ９１の処理を行う。
【０１１８】
ステップＳ２９３において、コントローラ４は、図２０のテーブルを参照し、燃料電池スタック２の内部抵抗に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図２０に示すように、燃料電池スタック２の内部抵抗が小さいときほど、すなわち、電解質膜１１１の膜中の水分量が多いときほど、パージ弁３８の開度補正量を大きくしてパージ弁３８の開度を大きくする。
【０１１９】
ステップＳ２９４において、コントローラ４は、図２１のテーブルを参照し、パージ弁３８の開度補正量に基づいて、許容最大脈動幅の補正量を算出する。図２１に示すように、パージ弁３８の開度補正量が大きいときほど、許容最大脈動幅の補正量は大きくなる。
【０１２０】
ステップＳ２９５において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最大脈動幅に補正量を加えた脈動幅（以下「補正許容最大脈動幅」という。）で脈動運転を実施する。
【０１２１】
ステップＳ２９６において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を、基本開度に開度補正量を加えた補正開度に制御する。
【０１２２】
図２２は、本実施形態による低温時脈動幅補正処理の作用について説明する図である。図２２において、細い実線は、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも低い所定温度であって、パージ弁が基本開度のときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。一方、太い実線は、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも低い所定温度であって、パージ弁が基本開度よりも大きいときの流路内最低アノードガス濃度を、脈動幅に応じて示したものである。
【０１２３】
図２２に太い実線で示すように、バッファタンクの温度が燃料電池スタックの定常温度よりも低く、かつ、電解質膜１１１が湿った状態のときは、燃料電池スタック２の内部抵抗に応じてパージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。これにより、流路内最低アノードガス濃度を高くすることができるので、許容最大脈動幅を補正許容最大脈動幅まで大きくすることができ、基本脈動幅からの脈動幅の下げ幅を小さくすることができる。
【０１２４】
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、電解質膜１１１が湿った状態のときの液水の排出性能を向上させることができるので、アノードガス流路１２１内でフラッディングが発生するのをより一層抑制できる。
【０１２５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、高温時脈動幅補正処理の実施時に、脈動幅を高くすると共にパージ弁３８の開度を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１２６】
図２３は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高い所定温度のときの、脈動幅と、アノードガスの運動エネルギー及び流路内最低アノードガス濃度と、の関係を示した図である。
【０１２７】
図２３に示すように、第１実施形態では、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いときは、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回らないように、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも大きくなるように補正し、許容最小脈動幅で脈動運転を実施していた。
【０１２８】
しかしながら、許容下限運動エネルギーは燃料電池システムの運転状態に応じて変化する。そのため、図２３に示すように、許容下限運動エネルギーが比較的小さい場合には、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度よりも高くなることがある。
【０１２９】
一方で、許容下限運動エネルギーが比較的大きい場合には、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度よりも低くなることがある。
【０１３０】
そこで本実施形態では、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも大きくなると判断したときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで低下するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも小さくする。これにより、パージ通路から排出されるアノードガス量を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。
【０１３１】
一方で、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くなると判断したときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。以下、本実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明する。
【０１３２】
図２４は、本実施形態による高温時脈動幅補正処理について説明するフローチャートである。
【０１３３】
ステップＳ３０１において、コントローラ４は、前述した図１２のマップを参照し、許容最小脈動幅で脈動運転を実施したときの流路内最低アノードガス濃度を算出する。
【０１３４】
ステップＳ３０２において、コントローラ４は、算出した流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度以上か否かを判定する。コントローラ４は、算出した流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度以上であればステップＳ３０３の処理を行う。一方で、算出した流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも小さければステップＳ３０６の処理を行う。
【０１３５】
ステップＳ３０３において、コントローラ４は、図２５のテーブルを参照し、算出した流路内最低アノードガス濃度から許容下限アノードガス濃度を引いた濃度差に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図２５に示すように、濃度差が大きくなるほどパージ弁３８の開度が基本開度に対して小さくなるように、パージ弁３８の開度補正量が設定される。
【０１３６】
ステップＳ３０４において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を、パージ弁３８の基本開度に開度補正量を加えた補正開度にする。
【０１３７】
ステップＳ３０５において、コントローラ４は、基準圧を中心として、許容最小脈動幅で脈動運転を実施する。
【０１３８】
ステップＳ３０６において、コントローラ４は、図２６のテーブルを参照し、算出した流路内最低アノードガス濃度から許容下限アノードガス濃度を引いた濃度差に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図２６に示すように、濃度差が大きくなるほどパージ弁３８の開度が基本開度に対して大きくなるように、パージ弁３８の開度補正量が設定される。
【０１３９】
次に、図２７及び図２８を参照して、本実施形態による高温時脈動幅補正処理の作用について説明する。
【０１４０】
図２７は、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より高くなる場合の作用について説明する図である。
【０１４１】
図２７に示すように、許容最小脈動幅で脈動運転を実施した場合に、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を上回っているときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで低下するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも小さくする。これにより、パージ通路から排出されるアノードガス量を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。
【０１４２】
図２８は、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より低くなる場合の作用について説明する図である。
【０１４３】
図２８に示すように、許容最小脈動幅で脈動運転を実施した場合に、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回っているときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。これにより、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度より高い場合であっても、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できるので、より安定した発電を実施することができる。
【０１４４】
以上説明した本実施形態によれば、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも高いときは、アノードガスの運動エネルギーが許容下限運動エネルギーを下回らないように、脈動運転時の脈動幅が基本脈動幅よりも大きくなるように補正し、許容最小脈動幅で脈動運転する。
【０１４５】
そして、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より高くなるときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで低下するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも小さくする。これにより、パージ通路から排出されるアノードガス量を減らすことができるので、燃費を向上させることができる。
【０１４６】
一方、許容最小脈動幅で脈動運転したときの流路内最低アノードガス濃度が、許容下限アノードガス濃度より低くなるときは、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくする。これにより、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度より高い場合であっても、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回るのを抑制できるので、より安定した発電を実施することができる。
【０１４７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときに、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度を下回らないようにパージ弁３８の開度のみを補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【０１４８】
図２９は、本実施形態による脈動運転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４は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。
【０１４９】
ステップＳ４９において、コントローラ４は、低温時パージ弁開度補正処理を実施する。
【０１５０】
図３０は、低温時パージ弁開度補正処理について説明するフローチャートである。
【０１５１】
ステップＳ４９１において、コントローラ４は、前述した図１２のマップを参照し、基本脈動幅で脈動運転を実施したときの流路内最低アノードガス濃度を算出する。
【０１５２】
ステップＳ４９２において、コントローラ４は、図３１のテーブルを参照し、算出した許容下限アノードガス濃度から流路内最低アノードガス濃度を引いた濃度差に基づいて、パージ弁３８の開度補正量を算出する。図３１に示すように、濃度差が大きくなるほどパージ弁３８の開度が基本開度に対して大きくなるように、パージ弁３８の開度補正量が算出される。
【０１５３】
ステップＳ４９３において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を、パージ弁３８の基本開度に開度補正量を加えた補正開度にする。
【０１５４】
ステップＳ４９４において、コントローラ４は、基準圧を中心として、基本脈動幅で脈動運転を実施する。
【０１５５】
図３２は、本実施形態による低温時パージ弁開度補正処理の作用について説明する図であり、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低い所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を示した図である。
【０１５６】
図３２に示すように、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の定常温度よりも低いときは、基本脈動幅で脈動運転すると、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くなってしまう。
【０１５７】
そこで、本実施形態では、基本脈動幅で脈動運転したときに、流路内最低アノードガスが許容下限アノードガス濃度まで増加するように、パージ弁３８の開度を基本開度よりも大きくしたのである。このように、脈動幅を補正せず、パージ弁３８の開度のみを補正することでも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１５８】
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。
【０１５９】
上記各実施形態では、バッファタンク３６の温度を演算によって算出していたが、これに限られるものではない。例えば、バッファタンク３６に温度センサを設け、バッファタンク３６の温度を直接検出しても良い。
【０１６０】
また、上記各実施形態では、バッファタンク３６の温度に基づいて脈動幅を補正していたが、これに限られるものではない。例えば、調圧弁３８から燃料電池スタック２までのアノードガス供給通路３２の容積（以下「上流バッファ容積」という。）をバッファタンクに見立て、その上流バッファ容積内の温度に基づいて、上記各実施形態と同様に脈動幅を補正しても良い。また、燃料電池スタック２とバッファタンク３６の温度差に応じて脈動幅を補正しても良い。
【０１６１】
また、上記第１実施形態では、バッファタンク３６の温度が燃料電池スタック２の温度よりも低いときは、脈動幅が基本脈動幅よりも小さくなるように補正し、流路内最低アノードガス濃度が許容下限アノードガス濃度よりも低くならないように許容最大脈動幅で脈動運転していが、これに限られるものではない。例えば、脈動幅を小さくするほど流路内アノードガス濃度は高くなるので、脈動幅を許容最大脈動幅よりもさらに小さくして脈動運転しても良い。
【０１６２】
この場合、脈動幅を小さくするほどアノードガスの運動エネルギーが低下するので、アノードガスに運動エネルギーが許容下限運動エネルギーよりも小さくならない範囲、すなわち脈動幅が許容最小脈動幅よりも小さくならない範囲で、脈動幅を許容最大脈動幅よりも小さくすることができる。これにより、発電性能を確保しつつ、液水の排出性能も確保することができる。
【０１６３】
本願は、２０１１年６月２日に日本国特許庁に出願された特願２０１１−１２４２２０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】
2012165073.tif 000003
【図１Ｂ】
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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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【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月7日(2013.11.7)
【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、
前記燃料電池に供給する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、
アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁を制御する脈動運転手段と、
前記バッファ部の温度に基づいて、前記脈動幅を補正する脈動幅補正手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記脈動幅補正手段は、
前記バッファ部の温度が前記燃料電池の定常温度よりも低いときに、前記燃料電池内のアノードガス流路のアノードガス濃度が、所定の許容下限濃度を下回らないように、前記脈動幅を小さくする、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記脈動幅補正手段は、
前記脈動幅を小さくするときのその脈動幅の下限値を、前記燃料電池内のアノードガス流路を流れるアノードガスの運動エネルギーが、そのアノードガス流路に存在する液水を前記バッファ部へと排出することができる許容下限運動エネルギーを下回らないように設定する、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バッファ部から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁と、
前記バッファ部内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システムの運転状態に応じた開度に前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
前記燃料電池の湿潤状態を判断する湿潤状態判断手段と、
前記燃料電池の湿潤状態に基づいて、前記パージ弁の開度を大きくして前記バッファ部内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くし、前記脈動幅を小さくするときの下げ幅を少なくする湿潤時パージ弁開度補正手段と、
をさらに備える請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記脈動幅補正手段は、
前記バッファ部の温度が前記燃料電池の定常温度よりも高いときに、前記燃料電池内のアノードガス流路を流れるアノードガスの運動エネルギーが、そのアノードガス流路に存在する液水を前記バッファ部へと排出することができる許容下限運動エネルギーを下回らないように、前記脈動幅を大きくする、
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６】
前記バッファ部から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁と、
前記バッファ部内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システムの運転状態に応じた開度に前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
前記脈動幅補正手段によって前記脈動幅が大きくなるように補正したときに、その補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池内のアノードガス流路の最低濃度を算出する最低濃度算出手段と、
算出した最低濃度に応じて、前記パージ弁の開度を補正する高温時パージ弁開度補正手段と、
をさらに備える請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記高温時パージ弁開度補正手段は、
前記算出した最低濃度が所定の許容下限濃度よりも高いときは、前記補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池内のアノードガス流路の最低濃度が許容下限濃度まで低下するように、前記パージ弁の開度を小さくして前記バッファ部内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも低くする、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記高温時パージ弁開度補正手段は、
前記算出した最低濃度が所定の許容下限濃度よりも低いときは、前記補正した脈動幅で脈動運転したときの前記燃料電池内のアノードガス流路の最低濃度が許容下限濃度まで増加するように、前記パージ弁の開度を大きくして前記バッファ部内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くする、
請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
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、
前記燃料電池に供給する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、
前記バッファ部から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁と、
アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁を制御する脈動運転手段と、
前記バッファ部内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システムの運転状態に応じた開度に前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
前記バッファ部の温度が前記燃料電池の定常温度よりも低いときに、前記パージ弁の開度を大きくして前記バッファ部内のアノードガス濃度を前記所定濃度よりも高くする低温時パージ弁開度補正手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記低温時パージ弁開度補正手段は、
前記燃料電池内のアノードガス流路のアノードガス濃度が所定の許容下限濃度を下回らないように、前記パージ弁の開度を大きくする、
請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
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、
前記燃料電池に供給する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、
アノードガスの圧力が所定の脈動幅で周期的に増減するように、前記制御弁を制御する脈動運転手段と、
前記制御弁から前記燃料電池までのアノードガス流路の容積温度に基づいて、前記脈動幅を補正する脈動幅補正手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１２】
前記脈動運転手段は、前記燃料電池の負荷が高いときほど、前記脈動幅を大きくする、
請求項１から請求項１１に記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１７】
ステップＳ２９２において、コントローラ４は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラ４は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さければ、電解質膜１１１が湿った状態であると判断してステップＳ２９３の処理を行う。一方で、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値以上であればステップＳ９２の処理を行う。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2012165073.tif 000036
【国際調査報告】
2012165073.tif 000037
2012165073.tif 000038
2012165073.tif 000039
2012165073.tif 000040
2012165073.tif 000041