(57)【要約】  燃料電池システムは、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に負荷に応じて発電する。そして燃料電池システムは、負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御部と、カソードガスの圧力と燃料電池の運転状態に基づいて定まる脈動幅とに基づいて、アノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御部とを含む。さらに燃料電池システムは、燃料電池内の不純物状態に応じてアノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御部を含む。そしてカソードガス制御部は、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧が大きいときは、差圧が小さいときに比べてカソードガスの圧力を高くする。
2015001845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御部と、
前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態に基づいて定まる脈動幅とに基づいてアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御部と、
前記燃料電池内の不純物の状態に応じて前記アノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御部と、を含み、
前記カソードガス制御部は、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きいときは、前記差圧が小さいときに比べて前記カソードガスの圧力を高くする、
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、
前記カソードガス制御部は、前記差圧が、前記燃料電池保護のための許容圧力を超えるときには、前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物状態に基づいてアノードガスの下限圧力を算出し、
前記アノードガス制御部は、
前記下限圧力と前記カソードガスの圧力とのうち大きい方の圧力にアノードガスの脈動下限圧力を設定する下限設定部と、
前記脈動下限圧力と前記脈動幅とを加算した圧力にアノードガスの脈動上限圧力を設定する上限設定部と、を含み、
前記脈動上限圧力と前記脈動下限圧力とに基づいて前記アノードガスの圧力を脈動させ、
前記カソードガス制御部は、
前記負荷に基づいてカソードガスの要求圧力を演算する演算部と、
前記アノードガスの脈動上限圧力と前記カソードガスの要求圧力との差圧が、前記許容圧力を超えるときには、前記脈動上限圧力に基づいて前記カソードガスの圧力を前記要求圧力よりも高くする差圧調整部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記脈動上限圧力がアノードガスの過大圧力を防止するための限界圧力を超えたときは、カソードガスの昇圧を停止する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記カソードガスの圧力を、前記脈動上限圧力から前記限界圧力を減算した差分だけ前記要求圧力よりも高くする、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記カソードガスの圧力を、前記差圧から前記許容圧力を減算した差分だけ前記要求圧力よりも高くする、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項３から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記不純物は、前記発電により生じる水蒸気であり、
前記差圧調整部は、燃料電池の温度に基づいて前記アノードガスの下限圧力を算出し、当該下限圧力を前記脈動幅に加算して前記アノードガスの脈動上限圧力を算出する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、
前記上限圧力設定部により設定されたアノードガスの圧力と前記限界圧力とのうち小さい方の圧力から前記許容圧力を減算してカソードガスの下限圧力を算出する算出部と、
前記カソードガスの下限圧力と前記要求圧力とのうち大きい方の圧力に前記カソードガスの圧力を設定する圧力設定部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項３から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記上限設定部は、燃料電池の温度が高くなるほど、前記アノードガスの脈動上限圧力を高くし、
前記差圧調整部は、前記差圧が前記許容圧力よりも大きいときには、前記アノードガスの脈動上限圧力を高くするほど、前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御ステップと、
前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態に基づいて定まる脈動幅とに基づいてアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御ステップと、
前記燃料電池内の不純物の状態に応じて前記アノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御ステップと、を含み、
前記カソードガス制御ステップでは、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きいときは、前差圧が小さいときに比べて前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に供給されるアノードガスを脈動させる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、発電に伴う水蒸気や空気中の窒素などの不純物を燃料電池から排出するために、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がある（ＪＰ２００５−２４３４７６Ａ参照）。
【発明の概要】
【０００３】
現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池の運転状態に応じた所望の脈動幅でアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転が実施される。具体的には、アノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧による電解質膜の劣化を防ぐ目的でアノードガスの脈動下限圧力が、カソードガス圧力と同じ値に設定され、脈動上限圧力が、脈動下限圧力に脈動幅を加算した値に設定される。
【０００４】
このような燃料電池システムでは、例えば高負荷運転時に燃料電池の温度が上昇すると、燃料電池のアノードガス流路内の水蒸気分圧が上昇するため、これに伴い相対的にアノードガスの水素分圧（濃度）が低下し燃料電池の発電効率が低下することになる。これに対して、水蒸気分圧の上昇に応じて脈動下限圧力をカソードガス圧力よりも高くすることで、燃料電池に対する要求電力が確保され、脈動下限圧力の上昇に応じて脈動上限圧力を上昇させることで、アノードガスの脈動幅が確保される。
【０００５】
しかしながら、水蒸気分圧の上昇に伴い脈動上限圧力を上昇させるときは、電解質膜の許容差圧を超えないように脈動上限圧力が低く制限される場合がある。この場合には、脈動幅が狭くなり、燃料電池内の不純物の排出性が悪くなるため燃料電池の発電効率が低下してしまう。
【０００６】
仮に脈動幅を確保するために、脈動上限圧力を上昇させず、逆に脈動下限圧力を低下させると、不純物の排出性は確保できるものの、アノードガスの圧力が全体的に低下するため、要求電力を確保することが困難になる。
【０００７】
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、アノードガス圧力の脈動幅の確保と要求電力の確保とを両立する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に負荷に応じて発電する。そして燃料電池システムは、前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御部と、前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態に基づいて定まる脈動幅とに基づいて、アノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御部と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記燃料電池内の不純物状態に応じてアノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御部を含む。そして前記カソードガス制御部は、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きいときは、前記差圧が小さいときに比べて前記カソードガスの圧力を高くする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックの単セルを示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池を構成するアノードセパレータを示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、燃料電池を構成するカソードセパレータを示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】図５は、コントローラーの構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、目標アノード圧力演算部の構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、水素分圧維持制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、目標カソード圧力演算部の構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、下限カソード圧力演算部の構成を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、水素分圧の変動に伴うカソードガスの圧力制御を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。
【００１２】
燃料電池スタック１１０は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータに対して電力を供給する電源として用いられる。燃料電池スタック１１０は、複数枚の燃料電池を積層したものである。
【００１３】
燃料電池は、アノード電極（いわゆる燃料極）と、カソード電極（いわゆる酸化剤極）と、これらの電極に挟まれる電解質膜とを備える。ここでは、燃料電池スタック１１０に積層された複数の燃料電池のひとつを「単セル」という。
【００１４】
燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（いわゆる燃料ガス）及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（いわゆる酸化剤ガス）を用いて発電する。燃料電池での電気化学反応は、アノード電極及びカソード電極の両電極において、以下のとおり進行する。
【００１５】
アノード電極：  ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-           ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【００１６】
燃料電池スタック１１０は、複数の単セル１と、一対の集電板２ａ及び２ｂと、一対の絶縁板３ａ及び３ｂと、一対のエンドプレート４ａ及び４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５と、を有する。
【００１７】
単セル１は、固体高分子型燃料電池である。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構造については図２を参照して後述する。
【００１８】
一対の集電板２ａ及び２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ及び２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成される。ガス不透過性の導電部材は、例えば緻密質カーボンである。集電板２ａ及び２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１１０では、単セル１ごとに生じた電子ｅ−が出力端子６から取り出される。
【００１９】
一対の絶縁板３ａ及び３ｂは、集電板２ａ及び２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ及び３ｂは、絶縁性の部材で形成される。絶縁性の部材は例えばゴムなどである。
【００２０】
一対のエンドプレート４ａ及び４ｂは、絶縁板３ａ及び３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ及び４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
【００２１】
一対のエンドプレート４ａ及び４ｂのうち一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。
【００２２】
ここで、アノードガス入口孔４２ａに水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００２３】
ナット５は、燃料電池スタック１１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１１０が積層方向に締め付けられる。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。
【００２４】
図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【００２５】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」という。）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。
【００２６】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００２７】
電解質膜１１ａ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１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２８】
アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスによって形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００２９】
アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのアノードガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述する流路リブ２５の頂面）２５ａの反対面に、燃料電池スタック１１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。
【００３０】
カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面（後述する流路リブ３５の頂面）３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンである。
【００３１】
なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６及び冷却水流路３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６及び冷却水流路３６によって１つの冷却水流路５１が形成される。
【００３２】
また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れる。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れ、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れる。
【００３３】
図３Ａは、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。
【００３４】
アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。
【００３５】
また、アノードセパレータ２０の表面には、アノードガス拡散部２１と、複数の溝状のアノードガス流路２４と、アノードガス合流部２７とが形成される。ここでは、アノードガス流路２４は、単に「ガス流路２４」という。
【００３６】
ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ２５との間に形成される流路である。なお、流路リブ２５の背面が、前述した冷却水流路２６となっている。流路リブ２５の側面２５ｂはテーパ状となっており、流路リブ頂面２５ａからガス流路底面２４ａへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、ガス流路２４を流れるガス及び冷却水流路２６を流れる冷却水の余分な乱流を抑制して圧力損失を低減している。
【００３７】
アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａからガス流路２４へ向かって幅が広がっていくガス流路である。
【００３８】
アノードガス拡散部２１には、アノードガスを各ガス流路２４へ均等に分配するために、アノードガス拡散部底面２１ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の突起状の拡散リブ２２が格子状に形成される。
【００３９】
アノードガス合流部２７は、ガス流路２４とアノードガス出口孔４２ｂとの間に形成される。アノードガス合流部２７は、ガス流路２４からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。
【００４０】
アノードガス合流部２７には、アノードガス合流部底面２７ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ２８が形成される。アノードガス合流部２７は、この合流リブ２８によって複数の領域２９に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域２９を「ガス合流流路２９」という。
【００４１】
合流リブ２８は、ガス流路２４の終端からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される。合流リブ２８は、アノードガス出口孔４２ｂへ行くほどガス合流流路２９の幅が狭くなるように形成される。合流リブ２８は、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ２８の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路２９の流路幅がガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長される。
【００４２】
図３Ｂは、カソードセパレータ３０をカソード電極１１ｃ側から見た平面図である。
【００４３】
カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様の構成である。カソードセパレータ３０は、カソードガス拡散部３１と、カソードガス流路３４と、流路リブ３５と、カソードガス合流部３７とを有する。ここでは、カソードガス流路３４を単に「ガス流路３４」という。
【００４４】
カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２が設けられる。カソードガス合流部３７には、合流リブ３８が設けられ、ガス合流流路３９が形成される。
【００４５】
カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ１１を介してアノードセパレータ２０と対向しているため、カソードセパレータ３０の一端側（図３Ｂの左側）は、アノードセパレータ２０の他端側（図３Ａの右側）となる。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図３Ｂの右側）が、アノードセパレータ２０の一端側（図３Ａの左側）となる。
【００４６】
したがって、カソードセパレータ３０の一端側（図３Ｂの左側）には、アノードセパレータ２０の他端側に形成される３つの孔に対応してアノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）にも、アノードセパレータ２０の一端側に形成される３つの孔に対応してカソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。
【００４７】
図４は、本発明の実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。
【００４８】
燃料電池システム１００は、燃料電池に対して外部から発電に必要な燃料ガスを供給し、負荷に応じて燃料電池を発電させる電源システムである。燃料電池システム１００は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータなどに電力を供給する。
【００４９】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、カソードガス給排装置１２０と、アノードガス給排装置１３０と、スタック冷却装置１４０と、コントローラー１５０と、を備える。
【００５０】
燃料電池スタック１１０は、例えば数百Ｖ（ボルト）の電圧を発電する。燃料電池スタック１１０は、駆動モータや燃料電池システム１００の補機に接続される。燃料電池スタック１１０に積層された単セル１は、互いに直列に接続されているため、燃料電池スタック１１０では、各単セル１に生じるセル電圧の総和が負荷に対する出力電圧となる。
【００５１】
燃料電池スタック１１０は、カソードガス給排装置１２０からカソードガスが供給され、アノードガス給排装置１３０からアノードガスが供給される。
【００５２】
カソードガス給排装置１２０は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードガスを大気に排出する装置である。
【００５３】
カソードガス給排装置１２０は、カソードガス供給通路１２１と、カソードコンプレッサー１２２と、カソード流量センサー１２３と、カソード圧力センサー１２４と、カソードガス排出通路１２５と、カソード調圧弁１２６と、を備える。
【００５４】
カソードガス供給通路１２１は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路１２１の一端は、外気から空気を取り込むための通路と連通し、他端はカソードガス入口孔４３ａに接続される。
【００５５】
カソードコンプレッサー１２２は、カソードガスを燃料電池スタック１１０に供給するポンプである。カソードコンプレッサー１２２は、カソードガス供給通路１２１に設けられる。カソードコンプレッサー１２２は、酸素を含む空気をカソードガス供給通路１２１に取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１１０に供給する。
【００５６】
カソード流量センサー１２３は、カソードガス供給通路１２１に設けられる。カソード流量センサー１２３は、燃料電池スタック１１０に供給さ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。カソード流量センサー１２３は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。カソード流量センサー１２３の検出値は、例えばカソードコンプレッサー１２２の操作量の制御に用いられる。
【００５７】
カソード圧力センサー１２４は、カソードコンプレッサー１２２よりも下流に位置するカソードガス供給通路１２１に設けられる。カソード圧力センサー１２４は、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力（以下「スタック入口カソード圧」又は単に「カソード圧」という。）を検出する。カソード圧力センサー１２４は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。カソード圧力センサー１２４の検出値は、例えばカソードコンプレッサー１２２の操作量の制御に用いられる。
【００５８】
カソードガス排出通路１２５は、燃料電池スタック１１０からカソードガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路１２５の一端は、カソードガス出口孔４３ｂに接続され、他端は開口している。
【００５９】
カソード調圧弁１２６は、カソードガス排出通路１２５に設けられる。カソード調圧弁１２６は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスが所望の圧力に調節される。
【００６０】
アノードガス給排装置１３０は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０に滞留する不純物をカソードガス排出通路へ排出する装置である。
【００６１】
アノードガス給排装置１３０は、アノードガス供給通路１３１と、遮断弁１３２と、アノード調圧弁１３３と、アノード圧力センサー１３４と、を備える。さらにアノードガス給排装置１３０は、アノードガス排出通路１３５と、貯水バッファ１３６と、を備える。
【００６２】
アノードガス供給通路１３１は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するための通路である。アノードガス供給通路１３１の一端は、例えばアノードガスが充填された高圧タンクに接続され、他端は、アノードガス入口孔４２ａに接続される。
【００６３】
遮断弁１３２は、アノードガス供給通路１３１に設けられる。遮断弁１３２は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスを遮断する。遮断弁１３２は、コントローラー１５０によって開閉制御される。遮断弁１３２は、燃料電池システム１００の起動時に開弁し、停止時に閉止する。
【００６４】
アノード調圧弁１３３は、遮断弁１３２よりも下流に位置するアノードガス供給通路１３１に設けられる。アノード調圧弁１３３は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスが、燃料電池に対して要求される発電電力（要求電力）に基づいて所定の圧力に調節される。
【００６５】
アノード圧力センサー１３４は、アノード調圧弁１３３とアノードガス入口孔４２ａとの間のアノードガス供給通路１３１に設けられる。アノード圧力センサー１３４は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力（以下、「スタック入口アノード圧」又は単に「アノード圧」という。）を検出する。アノード圧力センサー１３４は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。アノード圧力センサー１３４の検出値は、例えばアノード調圧弁１３３の開度の調整に用いられる。
【００６６】
アノードガス排出通路１３５は、燃料電池スタック１１０からアノードガスに含まれる不純物を排出する通路である。アノードガス排出通路１３５の一端は、カソードガス排出通路１２５に合流し、他端は、貯水バッファ１３６の出口孔に接続される。
【００６７】
貯水バッファ１３６は、アノードガス出口孔４２ｂに設けられる。なお、本実施形態では貯水バッファ１３６がアノードガス出口孔４２ｂに直接接続されているが、アノードガス排出通路１３５に代えてアノードガス出口孔４２ｂとカソードガス排出通路１２５とを結ぶ通路を設け、その通路の途中に貯水バッファ１３６を設けてもよい。
【００６８】
アノードガス出口孔４２ｂから排出されるアノードガスには、発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスの他に、カソードガスに含まれる不活性ガスの窒素や、発電反応に伴う水蒸気などの不純物が含まれている。
【００６９】
貯水バッファ１３６は、アノードガス出口孔４２ｂから、後述のパージ弁３６２の排水性能を超える流量の凝縮水が一時的に排出された場合に、凝縮水がアノードガス出口孔４２ｂに逆流するのを防止する役割を果たす。
【００７０】
アノードガス排出通路１３５には、燃料電池スタック１１０内のアノードガスに含まれる窒素、水蒸気、凝縮水をカソードガス排出通路１２５へ排出するためのパージ弁３６２を備える。
【００７１】
パージ弁３６２は、容積部３６１に溜められた窒素を含むアノードガスを、カソードガス排出通路１２５へ排出する。これにより、カソードガスによってアノードガス中の水素が希釈される。パージ弁３６２は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によってカソードガス排出通路１２５の出口端部の水素濃度が規定値以下に維持される。
【００７２】
スタック冷却装置１４０は、冷媒によって燃料電池スタック１１０及び貯水バッファ１３６を冷却する装置である。冷媒としては、本実施形態では冷却水が用いられる。
【００７３】
スタック冷却装置１４０は、冷却水循環通路１４１と、熱交換器１４２と、冷却水ポンプ１４３と、バイパス流路１４４と、サーモスタット１４５と、水温センサー１４６及び１４７と、分岐通路１４１１及び合流通路１４１２と、を備える。
【００７４】
冷却水循環通路１４１は、燃料電池スタック１１０に冷却水を循環させる通路である。
【００７５】
熱交換器１４２は、冷却水循環通路１４１に設けられる。熱交換器１４２は、燃料電池スタック１１０で温められた冷却水を、例えばファンによって冷却する。
【００７６】
冷却水ポンプ１４３は、冷却水循環通路１４１に設けられる。冷却水ポンプ１４３は、熱交換器１４２で冷やされた冷却水を燃料電池スタック１１０に吐出する。冷却水ポンプ１４３の吐出流量は、コントローラー１５０によって制御される。
【００７７】
バイパス流路１４４は、燃料電池スタック１１０よりも下流にある冷却水循環通路１４１から分岐して冷却水ポンプ１４３よりも上流の冷却水循環通路１４１に合流する。
【００７８】
サーモスタット１４５は、バイパス流路１４４の合流部に設けられる。サーモスタット１４５は、バイパス流路１４４及び熱交換器１４２に供給される冷却水の流量を制御する。これにより、冷却水ポンプ１４３に供給される冷却水の温度を制御することができる。具体的には、冷却水の温度が低いほど、バイパス流路１４４を流れる冷却水流量が多くなるように制御される。
【００７９】
水温センサー１４６は、入口孔４１ａ近傍の冷却水循環通路１４１に設けられる。水温センサー１４６は、燃料電池スタック１１０に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。水温センサー１４６は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。
【００８０】
水温センサー１４７は、出口孔４１ｂ近傍の冷却水循環通路１４１に設けられる。水温センサー１４７は、燃料電池スタック１１０から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。水温センサー１４７は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。
【００８１】
分岐通路１４１１は、冷却水ポンプ１４３よりも下流にある冷却水循環通路１４１から分岐して貯水バッファ１３６とパージ弁３６２の周りに冷却水を通す。このため、貯水バッファ１３６とパージ弁３６２とを通過する内部通路には、燃料電池スタック１１０の暖機操作（暖機運転）によって燃料電池スタック１１０で温められた冷却水が流れる。
【００８２】
これにより、貯水バッファ１３６及びパージ弁３６２も暖められるので、零下環境下でパージ弁３６２に付着した凝縮水が凍結するのを防止することができる。なお、バイパス流路１４４にヒーターを設け、ヒーターによって冷却水を加熱して貯水バッファ１３６及びパージ弁３６２を暖機してもよい。
【００８３】
合流通路１４１２は、貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２の内部通路から延びて冷却水ポンプ１４３よりも上流にある冷却水循環通路１４１に合流する。
【００８４】
コントローラー１５０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ーによって構成される。また、コントローラー１５０には、大気圧を検出する大気圧センサー１２から検出値が入力される。
【００８５】
コントローラー１５０は、大気圧センサー１２、カソード圧力センサー１２４、アノード圧力センサー１３４、水温センサー１４６及び水温センサー１４７から検出値を取得する。コントローラー１５０は、これらの検出値や指令値（設定値）などを用いて、カソードコンプレッサー１２２、カソード調圧弁１２６、アノード調圧弁１３３、冷却水ポンプ１４３、及び、パージ弁３６２を制御する。
【００８６】
図５は、コントローラー１５０の機能構成を示すブロック図である。
【００８７】
コントローラー１５０は、目標電流演算部１５１と、スタック電流制御部１５２と、目標アノード圧力演算部１５３と、アノードガス制御部１５４と、目標カソード圧力演算部１５５と、カソードガス制御部１５６と、を備える。
【００８８】
目標電流演算部１５１は、駆動モータや補機などの負荷から要求される要求電力に基づいて、燃料電池スタック１１０から取り出される発電電流の目標値（以下「目標電流」という。）を演算する。
【００８９】
目標電流演算部１５１には、例えば、燃料電池スタック１１０の電流電圧特性（ＩＶ特性）を示す基準情報が記録されている。そして目標電流演算部１５１は、負荷に基づく要求電力を受け付けると、基準情報を参照し、要求電力を確保できる目標電流を演算する。目標電流演算部１５１は、その演算結果である目標電流をスタック電流制御部１５２に出力する。また、目標電流は、目標アノード圧力演算部１５３、目標カソード圧力演算部１５５及びカソードガス制御部１５６にも入力される。
【００９０】
スタック電流制御部１５２は、目標電流に基づいてＰＭ（パワーマネージメント）回路を制御する。ＰＭ回路は、例えばバッテリーが接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであり、バッテリーの反対側に接続された燃料電池スタック１１０の出力電圧を制御して、燃料電池スタック１１０から駆動モータに供給される電流が目標電流となるように調整する。
【００９１】
目標アノード圧力演算部１５３は、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力（カソード圧）と、燃料電池スタック１１０内の不純物ガスの排出に必要な脈動幅とに基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる。脈動幅は、燃料電池スタック１１０の運転状態に基づいて定まる値である。さらに目標アノード圧力演算部１５３は、燃料電池スタック１１０内の不純物の分圧状態に応じて、アノードガスの脈動圧力を上昇させる。
【００９２】
本実施形態では、目標アノード圧力演算部１５３は、燃料電池スタック１１０の運転状態を示すパラメータとして、大気圧、カソード圧、冷却水温度、及びアノード圧の検出値と目標電流とを用いてアノードガス圧力の目標値（以下「目標アノードガス圧力」という。）を演算する。目標アノード圧力演算部１５３の構成については図６を参照して後述する。
【００９３】
また、目標アノード圧力演算部１５３は、目標アノードガス圧力の演算途中で得られた値を、アノードガス圧力に関する情報として目標カソード圧力演算部１５５に出力する。目標アノード圧力演算部１５３は、目標アノードガス圧力の演算結果を、アノードガス制御部１５４に出力する。
【００９４】
アノードガス制御部１５４は、目標アノードガス圧力に基づいてアノード調圧弁１３３の開度の開度を制御する。具体的には、アノードガス制御部１５４は、所定周期でアノード調圧弁１３３が全閉から全開に切り替えられるように、目標アノードガス圧力に基づいて所定周期におけるアノード調圧弁１３３の全開期間の割合（デューティ比）を算出し、デューティ比に基づいてアノード調圧弁１３３を開閉制御する。例えば、アノードガス制御部１５４は、目標アノードガス圧力が大きくなるほど、所定周期内の全開期間を長くする。
【００９５】
目標カソード圧力演算部１５５は、目標電流に基づいてカソードガスの圧力を制御する。本実施形態では、目標カソード圧力演算部１５５は、目標アノード圧力演算部１５３からのアノードガス圧力に関する情報と、目標電流と、大気圧及びアノード圧の検出値とを用いて、カソードガス圧力の目標値（以下「目標カソードガス圧力」という。）を演算する。
【００９６】
目標カソード圧力演算部１５５は、目標アノードガス圧力の演算結果をカソードガス制御部１５６に出力する。目標カソード圧力演算部１５５の構成については、図８を参照して後述する。
【００９７】
カソードガス制御部１５６は、目標カソードガス圧力と、目標電流と、カソード圧及びカソード流量の検出値とを用いて、カソードガス流量の目標値（以下「目標カソードガス流量」という。）を算出する。
【００９８】
カソードガス制御部１５６は、目標カソードガス流量と目標カソードガス圧力とに基づいて、カソード調圧弁１２６の開度を制御すると共に、カソードコンプレッサー１２２のトルクを制御する。
【００９９】
図６は、目標アノード圧力演算部１５３の詳細構成を示すブロック図である。
【０１００】
目標アノード圧力演算部１５３は、脈動制御部２００と水素分圧維持制御部３００とを備える。
【０１０１】
脈動制御部２００は、スタック耐圧定数保持部２１１と、スタック耐圧限界値算出部２１２と、極間耐圧定数保持部２１３と、膜耐圧限界値算出部２１４と、目標脈動幅演算部２１５と、上限圧力目標値算出部２１６と、を備える。また、脈動制御部２００は、脈動上限圧力設定部２１０と、脈動下限圧力設定部２２０と、脈動波形演算部２３０と、を備える。
【０１０２】
スタック耐圧定数保持部２１１には、アノードガスの過大圧力を防止するためのスタック耐圧定数として、燃料電池スタック１１０に形成されたアノードガス流路２４の耐圧上限値が保持されている。
【０１０３】
スタック耐圧限界値算出部２１２は、大気圧センサー１２から検出値を取得すると、大気圧の検出値にスタック耐圧定数を加算し、その加算した値をスタック耐圧限界値（限界圧力）として脈動上限圧力設定部２１０に出力する。
【０１０４】
極間耐圧定数保持部２１３には、アノードガス流路２４とカソードガス流路３４とで挟まれた膜電極接合体１１の発電性能の劣化を防止するための極間耐圧定数（許容圧力）として、膜電極接合体１１の耐圧上限値が保持されている。
【０１０５】
膜耐圧限界値算出部２１４は、カソード圧力センサー１２４から取得したスタック入口カソード圧に極間耐圧定数を加算し、その加算した値を膜耐圧限界値として脈動上限圧力設定部２１０に出力する。
【０１０６】
目標脈動幅演算部２１５は、目標電流に基づいてアノードガス圧力を脈動させる脈動幅の目標値（以下「目標脈動幅」という。）を演算する。
【０１０７】
本実施形態では、目標脈動幅演算部２１５には、目標電流と目標脈動幅とが互いに対応付けられた目標脈動幅マップが記録されている。そして目標脈動幅演算部２１５は、目標電流演算部１５１から目標電流を取得すると、目標脈動幅マップを参照し、目標電流に対応付けられた目標脈動幅を演算する。
【０１０８】
具体的には、目標脈動幅演算部２１５は、目標電流が大きくなるほど、アノードガス流路２４に不純物ガスが堆積しやすくなるので目標脈動幅を大きくする。目標脈動幅演算部２１５は、目標脈動幅を上限圧力目標値算出部２１６に出力する。
【０１０９】
上限圧力目標値算出部２１６は、カソード圧に基づく脈動下限圧力と、目標脈動幅とを加算し、その加算した値を目標脈動上限圧力として脈動上限圧力設定部２１０に出力する。
【０１１０】
脈動上限圧力設定部２１０は、スタック耐圧限界値と、膜耐圧限界値と、目標脈動上限圧力の算出値とのうち最も小さな値を選択し、その選択した値を脈動上限圧力として、脈動波形演算部２３０に設定する。
【０１１１】
水素分圧維持制御部３００は、燃料電池スタック１１０内の不純物の分圧状態に応じて、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を高くする。例えば、水素分圧維持制御部３００は、燃料電池スタック１１０の温度に応じてアノードガスの圧力を上昇させる。
【０１１２】
本実施形態では、水素分圧維持制御部３００は、大気圧、スタック入口水温、及びスタック出口水温の検出値を用いて、アノードガス流路２４内の水素分圧を確保するために必要なアノードガス圧力の下限値（以下「所要水素分圧下限値」という。）を演算する。
【０１１３】
燃料電池スタック１１０では、膜電極接合体１１のアノードガス流路２４が形成される発電領域において、スタック温度の上昇に伴い、窒素や水蒸気などの不純物ガスの分圧が高くなる。特にスタック温度の上昇によって液水が水蒸気になり水蒸気量が増加して不純物ガスの分圧が高くなる。このため、アノードガス流路２４内の水素分圧が相対的に低くなり、発電領域における水素濃度が低下してしまう。この対策として、不純物ガスの状態と相関のある上述の検出値を用いて所要水素分圧下限値を推定することにより、不純物ガスの分圧上昇に応じてアノードガス圧力を高くすることが可能になる。
【０１１４】
水素分圧維持制御部３００は、所要水素分圧下限値を脈動下限圧力設定部２２０に出力する。水素分圧維持制御部３００の構成については、図７を参照して後述する。
【０１１５】
脈動下限圧力設定部２２０は、スタック入口カソード圧の検出値と所要水素分圧下限値とのうち大きな方の値を選択し、その選択した値を脈動下限圧力として脈動波形演算部２３０に設定する。すなわち脈動下限圧力設定部２２０は、不純物ガスの分圧状態に応じて脈動下限圧力を燃料電池スタック１１０内のカソードガス圧力よりも高くする。
【０１１６】
脈動波形演算部２３０は、脈動上限圧力と脈動下限圧力とスタック入口アノード圧とに基づいて目標アノードガス圧力を設定する。
【０１１７】
脈動波形演算部２３０は、目標アノードガス圧力を脈動上限圧力に設定し、スタック入口アノード圧が脈動上限圧力まで上昇すると、目標アノードガス圧力を脈動下限圧力に切り替える。そして脈動波形演算部２３０は、スタック入口アノード圧が脈動下限圧力まで低下した後に、再び目標アノードガス圧力を脈動上限圧力に設定する。このように脈動波形演算部２３０は、脈動上限圧力及び脈動下限圧力を交互に目標アノードガス圧力に設定することによって、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力を脈動させる。
【０１１８】
図７は、水素分圧維持制御部３００の詳細構成を示すブロック図である。
【０１１９】
水素分圧維持制御部３００は、水素分圧変動演算部３１０と水素分圧下限値算出部３２０とを備える。
【０１２０】
水素分圧変動演算部３１０は、スタック入口水温とスタック出口水温とに基づいて、水素分圧の変動量（以下「分圧変動量」という。）を演算する。
【０１２１】
本実施形態では、水素分圧変動演算部３１０には、スタック入口水温と分圧変動量とが互いに対応付けられた分圧変動マップがスタック出口水温ごとに記録されている。そして水素分圧変動演算部３１０は、スタック出口水温及びスタック入口水温の検出値を取得すると、スタック入口水温で特定される分圧変動マップを参照し、スタック入口水温に対応付けられた分圧変動量を水素分圧下限値算出部３２０に出力する。
【０１２２】
具体的には、水素分圧変動演算部３１０は、スタック入口水温が高くなるほど、窒素及び水蒸気の分圧が大きくなるため、分圧変動量を大きくする。また、水素分圧変動演算部３１０は、同一のスタック入口水温において、スタック出口水温が高いほど、アノードガス流路２４内の平均温度（スタック入口水温とスタック出口水温の平均値）が上がって水蒸気分圧が上昇するため、分圧変動量を大きくする。
【０１２３】
水素分圧下限値算出部３２０は、分圧変動量に大気圧の検出値を加算し、その加算した値を所要水素分圧下限値として出力する。
【０１２４】
以上のように、アノードガス制御部１５４は、燃料電池スタック１１０の運転状態に応じた所望の脈動幅で、アノードガス圧力を脈動させる脈動運転を実施する。脈動下限圧力は、アノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧に伴う電解質膜の劣化を防ぐ目的でスタック入口カソード圧と同じ値に設定され、脈動上限圧力は、スタック入口カソード圧を基準として脈動下限圧力に脈動幅を加算した値に設定される。
【０１２５】
アノードガス圧力の脈動運転では、例えば高負荷運転時において燃料電池スタック１１０に対する要求電力が大きくなってスタック温度が上昇すると、アノードガス流路２４の不純物ガス、特に水蒸気の分圧が上昇して相対的にアノードガス中の水素分圧が低下する。
【０１２６】
相対的な水素分圧の低下を防ぐために、燃料電池スタック１１０内の水蒸気分圧の上昇幅に応じて脈動下限圧力を高くし、この値がカソード圧よりも大きくなる場合には、脈動下限圧力をカソード圧よりも上昇させる。これにより、燃料電池スタック１１０内の水素分圧が確保されるので、水素欠乏による発電不良を防止することができる。そして脈動下限圧力の上昇と共に脈動上限圧力を上昇させることにより、アノードガス圧力の脈動幅を確保することができる。
【０１２７】
しかしながら、燃料電池スタック１１０内の水蒸気分圧の上昇に伴い脈動上限圧力を上昇させるときには、電解質膜の許容差圧（極間耐圧）を超えないように、脈動上限圧力が低く制限される場合がある。このような場合には、脈動幅が狭くなり、燃料電池スタック１１０内の不純物の排出性が悪くなるので燃料電池スタック１１０の発電効率が低下してしまう。
【０１２８】
仮に不純物の排出性を確保するために、脈動上限圧力を上昇させずに脈動下限圧力を下げると、脈動幅は確保できるものの、全体的にアノードガス圧力が低下するため、駆動モータなどの負荷に必要な要求電力を確保することが困難になる。
【０１２９】
そこで本実施形態では、燃料電池スタック１１０内の所要水素分圧の上昇に応じてアノードガスの脈動上限圧力を高くすると共に、電解質膜の極間耐圧を超えないようにカソードガスの圧力を高くする。これにより、アノードガスの脈動上限圧力の制限を緩和しつつ所要水素分圧を確保できるので、アノードガスの脈動幅を確保することと、要求電力を確保することを両立できる。
【０１３０】
図８は、本発明の実施形態における目標カソード圧力演算部１５５の構成を示すブロック図である。
【０１３１】
目標カソード圧力演算部１５５は、要求カソード圧力演算部４１０と差圧調整部４１１とを備える。
【０１３２】
要求カソード圧力演算部４１０は、要求電力を確保するために、目標電流に基づいて燃料電池スタック１１０の発電に最低限必要なカソードガス圧力の要求値（以下「要求カソード圧力」という。）を演算する。要求カソード圧力演算部４１０は、目標電流が大きいほど、要求カソード圧力を大きくする。
【０１３３】
要求カソード圧力演算部４１０は、大気圧の検出値に応じて要求カソード圧力を補正する。大気圧が小さくなるほど、大気圧に対する要求カソード圧力の圧力比、すなわちカソードコンプレッサー１２２の圧力比が大きくなるため、カソードコンプレッサー１２２の所要動力が大きくなってシステム効率が低下する。この対策として要求カソード圧力演算部４１０は、大気圧が小さくなるほど、要求カソード圧力を小さな値に補正する。
【０１３４】
本実施形態では、要求カソード圧力演算部４１０には、発電電流と要求カソード圧力とが互いに対応付けられた発電要求マップが大気圧ごとに予め記録される。そして要求カソード圧力演算部４１０は、大気圧の検出値及び目標電流を取得すると、大気圧の検出値で特定される発電要求マップを参照し、目標電流に対応付けられた要求カソード圧力を目標カソード圧力設定部４３０に出力する。
【０１３５】
差圧調整部４１１は、脈動上限圧力の設定値がスタック耐圧限界値を超過した場合には、その超過分だけ、目標カソードガス圧力を要求カソード圧力よりも高く設定する。また、差圧調整部４１１は、アノードガスの脈動上限圧力と要求カソード圧力との極間差圧が、膜電極接合体１１の極間耐圧定数を超過した場合には、その超過した分だけ、目標カソードガス圧力を高くする。
【０１３６】
差圧調整部４１１は、下限カソード圧力演算部４２０と目標カソード圧力設定部４３０とを備える。
【０１３７】
下限カソード圧力演算部４２０は、電解質膜の極間耐圧を超えないように、カソードガス圧力の下限値（以下「下限カソード圧力」という。）を演算する。
【０１３８】
下限カソード圧力演算部４２０は、図５で述べたアノードガス圧力に関する情報として、所要水素分圧下限値と目標脈動幅とスタック耐圧限界値とを取得し、これらの値を用いて下限カソード圧力を求め、目標カソード圧力設定部４３０に出力する。なお、下限カソード圧力演算部４２０の詳細については図９を参照して後述する。
【０１３９】
目標カソード圧力設定部４３０は、要求カソード圧力と下限カソード圧力とのうち大きい方の値を選択し、その選択した値を目標カソードガス圧力に設定する。
【０１４０】
図９は、下限カソード圧力演算部４２０の機能構成を示すブロック図である。
【０１４１】
下限カソード圧力演算部４２０は、アノード上限圧力算出部４２１と、水素分圧上昇制限部４２２と、極間耐圧定数保持部４２３と、下限カソード圧力算出部４２４と、を備える。なお、極間耐圧定数保持部４２３は、図６に示した極間耐圧定数保持部２１３と同じものである。
【０１４２】
アノード上限圧力算出部４２１は、所要水素分圧下限値と目標脈動幅とを加算し、その加算した値をアノード上限圧力として水素分圧上昇制限部４２２に出力する。
【０１４３】
水素分圧上昇制限部４２２は、アノード上限圧力とスタック耐圧限界値とのうち小さい方の値を選択し、その選択した値を上限アノード圧力として下限カソード圧力算出部４２４に出力する。
【０１４４】
下限カソード圧力算出部４２４は、上限アノード圧力から極間耐圧定数を減算し、その減算した値を下限カソード圧力として出力する。
【０１４５】
このように、目標カソード圧力演算部１５５は、要求カソード圧力と脈動上限圧力との極間差圧が許容圧力よりも大きくなるときには、極間差圧が許容圧力を超えないように、脈動上限圧力が高くなるほど目標カソードガス圧力を高くする。
【０１４６】
具体的には、下限カソード圧力演算部４２０において、目標アノード圧力演算部１５３で所要水素分圧を確保するために目標アノードガス圧力を上昇させるような状況では、所要水素分圧下限値が大きくなる。このため、アノード上限圧力算出部４２１の算出値であるアノード上限圧力も大きくなる。
【０１４７】
そして、アノード上限圧力がスタック耐圧限界値よりも小さい場合において、アノード上限圧力から極間耐圧定数を減算した下限カソード圧力が、要求カソード圧力よりも大きくなると、目標カソード圧力設定部４３０において、下限カソード圧力が目標カソードガス圧力として設定される。
【０１４８】
このように、所要水素分圧の上昇による脈動上限圧力の上昇に応じて、極間差圧が膜電極接合体１１の極間耐圧を超えないようにカソードガスの圧力が上昇する。
【０１４９】
また、目標アノード圧力演算部１５３で脈動上限圧力がスタック耐圧限界値で制限されるような状況では、水素分圧上昇制限部４２２において、目標アノード圧力演算部１５３と同じようにアノード上限圧力がスタック耐圧限界値によって制限される。これにより、アノードガス圧力の昇圧が、スタック耐圧限界値によって停止された時点で、カソードガス圧力の昇圧も停止させることができる。
【０１５０】
したがって、目標アノード圧力演算部１５３でアノードガスの昇圧が制限された状態で、目標カソード圧力演算部１５５でカソードガスの圧力を必要以上に高くすることを防止できるので、カソードコンプレッサー１２２の消費電力を低減することができる。
【０１５１】
次にコントローラー１５０による燃料電池システム１００の動作について説明する。
【０１５２】
図１０は、所要水素分圧の変動に伴う燃料電池スタック１１０の運転状態の一例を示す図である。
【０１５３】
図１０（ａ）は、目標電流演算部１５１で算出された目標電流を示す図である。図１０（ｂ）は、冷却水温度を示す図である。図１０（ｂ）では、冷却水温度の検出値が実線で示され、冷却水温度の目標値が破線で示されている。
【０１５４】
図１０（ｃ）は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの脈動圧力を示す図である。図１０（ｃ）では、水素分圧確保のための脈動下限圧力及び脈動上限圧力が実線で示され、脈動下限圧力がカソード圧に設定されたときの脈動下限圧力及び脈動上限圧力が破線で示されている。
【０１５５】
図１０（ｄ）は、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力を示す図である。図１０（ｄ）には、目標電流に基づく下限値（要求カソード圧力）と、所要水素分圧に応じた下限値（下限カソード圧力）とが、それぞれ示されている。図１０（ａ）から図１０（ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１５６】
時刻ｔ０から時刻ｔ１までのアイドル期間では、車両がアイドル状態であり、アクセル操作量がゼロである。よって、燃料電池スタック１１０から駆動モータに供給される電力はゼロであり、燃料電池スタック１１０で発電した電力は、カソードコンプレッサー１２２や冷却水ポンプ１４３などの補機にのみ供給される。このため、目標電流は、補機から要求される要求電力に基づいて算出される。
【０１５７】
アイドル期間中は、燃料電池スタック１１０に対する要求電力が小さいため、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に示すように、目標電流、冷却水温度、アノードガスの脈動上限圧力及び脈動下限圧力、カソードガス圧力は、共に走行中の値に比べて低い。
【０１５８】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの負荷上げ期間では、車両を加速するためにアクセル操作量が大きくなり、駆動モータから要求される要求電力が大きくなるので、図１０（ａ）に示すように目標電流が徐々に大きくなる。これにより、図１０（ｃ）に示すように脈動幅も大きくなる。
【０１５９】
また、図１０（ｂ）に示すように冷却水温度の実値（検出値）は目標値よりも低いため、アノードガス圧力は、図１０（ｃ）に示すように目標電流に基づく通常制御によって脈動運転が実施される。すなわち、図６に示した脈動下限圧力設定部２２０によってスタック入口カソード圧が選択され、スタック入口カソード圧を基準に脈動下限圧力及び脈動上限圧力が設定される。
【０１６０】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの高負荷定常運転期間では、アクセル操作量が一定に維持されるため、図１０（ａ）に示すように目標電流が一定に維持される。これにより、図１０（ｃ）に示すように脈動幅も一定に維持される。
【０１６１】
このとき、時刻ｔ２１を経過すると、冷却水温度の実値が目標値よりも大きくなるため、脈動下限圧力設定部２２０によって、脈動下限圧力の基準が、スタック入口カソード圧から所要水素分圧下限値に切り替えられる。よって、図１０（ｃ）に示すようにアノードガスの脈動運転が、通常制御から水素分圧維持制御に移行する。
【０１６２】
そして時刻ｔ２２を経過すると、図１０（ｃ）に示すように所要水素分圧の上昇に応じてアノードガス圧力が上昇することにより、図１０（ｄ）に示すようにカソードガス圧力の水素分圧に応じた下限値は、目標電流に基づく下限値よりも大きくなる。このため、目標カソード圧力設定部４３０によって、目標カソード圧力が、目標電流に基づく下限値から、水素分圧に応じた下限値に切り替えられる。
【０１６３】
このように、所要水素分圧の上昇に伴い、カソードガス圧力を目標電流に基づく下限値よりも上昇させることにより、カソードガス圧力と脈動上限圧力との差圧を電解質膜の極間耐圧以下に維持しつつ、脈動上限圧力及び脈動下限圧力を共に上昇させることができる。このため、極間耐圧を確保するために脈動幅を制限することなく、所要水素分圧の上昇に応じて脈動圧力を上昇させることができる。
【０１６４】
時刻ｔ３から時刻ｔ４までの負荷下げ期間では、アクセル操作量がゼロまで下げられ、図１０（ａ）に示すように目標電流がゆるやかに低下する。これにより、図１０（ｃ）に示すように脈動幅も小さくなる。
【０１６５】
さらに目標電流の低下に伴い、図１０（ｂ）に示すように冷却水温度が低下する。これにより、図１０（ｃ）に示すように水素分圧維持制御によって脈動下限圧力及び脈動上限圧力が低下すると共に、図１０（ｄ）に示すように水素分圧に応じた下限値も低下する。
【０１６６】
このとき、時刻ｔ３１を経過すると、図１０（ｃ）に示すように水素分圧に応じた下限値が目標電流に基づく下限値よりも低下する。このため、目標カソード圧力設定部４３０では目標カソードガス圧力が目標電流に基づく下限値に切り替えられる。
【０１６７】
そして時刻ｔ３２では、冷却水温度の実値が目標値と一致し、図１０（ｃ）に示すように、アノードガスの脈動運転が、水素分圧維持制御から通常制御に切り替えられる。その後、時刻ｔ４においてアクセル操作量がゼロになり車両はアイドル状態となる。
【０１６８】
このように、冷却水温度の上昇に伴い、アノード圧上げ区間において所要水素分圧の上昇に応じてカソードガス圧力を上げる。これにより、カソード圧上げ区間で脈動上限圧力が、電解質膜の極間耐圧により低く制限されることなく、アノードガス圧力の全体を上昇させることができる。
【０１６９】
本発明の実施態様によれば、目標カソード圧力演算部１５５は、燃料電池スタック１１０に接続される負荷の要求電力に基づいてカソードガスの圧力を制御する。また脈動制御部２００は、アノードガス流路２４に滞留する不純物の排出に必要な脈動幅とカソード圧の検出値とに基づいて、アノードガスの圧力を脈動させる。さらに水素分圧維持制御部３００は、燃料電池スタック１１０内の不純物の分圧変動状態に応じてアノードガスの圧力を高くする。
【０１７０】
そして目標カソード圧力演算部１５５は、アノードガスの脈動上限圧力とカソードガス圧力との極間差圧が、電解質膜を保護するために定められた極間耐圧定数（許容圧力）を超えるときには、目標カソードガス圧力を高くする。
【０１７１】
すなわち、カソードガス制御部１５６は、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との極間差圧に応じて、極間差圧が大きいときは極間差圧が小さいときよりもカソードガスの圧力を高くする。
【０１７２】
このため、燃料電池スタック１１０内の不純物ガスの分圧上昇に応じてアノードガス圧力が上げられる場合、目標カソード圧力演算部１５５は、極間差圧が電解質膜の許容圧力を超えないように、目標カソードガス圧力を高くする。
【０１７３】
これにより、電解質膜の耐圧限界値によって脈動上限圧力が制限されることなく、アノードガス全体の圧力を上昇させることができる。したがって、アノードガス圧力の脈動幅の確保と、負荷に基づく要求電力の確保との両立を図ることができる。
【０１７４】
本実施形態では、水素分圧維持制御部３００は、燃料電池スタック１１０内の不純物状態に基づいて、所要水素分圧下限値（水素分圧確保のためのアノードガスの下限圧力）を算出する。そして脈動下限圧力設定部２２０は、所要水素分圧下限値とカソード圧の検出値とのうち大きい方の圧力値に脈動下限圧力を設定する。
【０１７５】
また、脈動上限圧力設定部２１０は、脈動下限圧力と脈動幅とを加算した値にアノードガスの脈動上限圧力を設定する。そして脈動波形演算部２３０は、脈動上限圧力と脈動下限圧力とに基づいてアノードガスの圧力を脈動させる。
【０１７６】
さらに目標カソード圧力演算部１５５では、要求カソード圧力演算部４１０が、目標電流に基づいて要求カソード圧力（カソードガスの要求圧力）を演算する。そして脈動上限圧力から要求カソード圧力を減算した極間差圧が許容圧力を超えるときには、差圧調整部４１１は、極間差圧と許容圧力との差分に基づいて、目標カソードガス圧力を要求カソード圧力よりも高くする。
【０１７７】
このように本実施形態では、カソード圧の検出値を基準に脈動下限圧力を設定し、脈動下限圧力を基準に脈動上限圧力を設定する。この場合において、所要水素分圧下限値によって脈動下限圧力を上昇させるときには、その所要水素分圧下限値を利用して脈動下限圧力が電解質膜の極間耐圧を超えないように、カソードガスの圧力を上げる。これにより、アノードガスの脈動幅の確保と要求電力の確保との両立を図ることができる。
【０１７８】
なお、本実施形態では、アノードガスの脈動下限圧力をカソード圧の検出値に基づいて設定する例について説明したが、この例に限られるものではない。例えば、目標電流に基づいてアノードガスの目標圧力を算出し、その目標圧力を基準に脈動上限圧力及び脈動下限圧力を算出するようにしてもよい。この場合においても同様の効果が得られる。
【０１７９】
また、本実施形態では、水素分圧上昇制限部４２２は、脈動上限圧力がアノードガスの過大圧力を防止するための限界圧力（スタック耐圧限界値）による制限を受けた時点で、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの圧力の昇圧を停止する。これにより、脈動上限圧力が制限されている状態で、カソードガス圧力を無用に高くしてしまうことを防止できる。
【０１８０】
また差圧調整部４１１では、下限カソード圧力算出部４２４が、アノード上限圧力とスタック耐圧限界値とのうち小さい方の圧力値から極間耐圧定数を減算して下限カソード圧力を算出する。そして目標カソード圧力設定部４３０が、下限カソード圧力と要求カソード圧力とのうち大きい方の圧力を目標カソードガス圧力として設定する。
【０１８１】
これにより、不純物ガスの分圧の上昇に伴い脈動上限圧力が上昇した場合に、スタック耐圧及び極間耐圧を超えないように、目標カソードガス圧力を要求カソード圧力よりも高くすることができる。
【０１８２】
なお、下限カソード圧力を算出する場合においては、差圧調整部４１１が、燃料電池スタック１１０の温度に基づいて所要水素分圧下限値（下限圧力）を演算し、その演算結果に目標脈動幅を加算してアノード上限圧力を算出するようにしてもよい。
【０１８３】
これにより、差圧調整部４１１において、所要水素分圧の上昇に応じてアノードガスの脈動上限圧力を算出することができる。なお、燃料電池スタック１１０の温度としては、本実施形態では冷却水温度が用いられているが、燃料電池スタック１１０の内部に温度センサーを設け、その温度センサーの検出値を使用してもよい。
【０１８４】
また、本実施形態では、脈動上限圧力設定部２１０は、燃料電池スタック１１０の温度が高くなるほど、アノードガスの脈動上限圧力を高くする。この場合において差圧調整部４１１は、脈動上限圧力と要求カソード圧力との極間差圧が許容圧力よりも大きいときにのみ、脈動上限圧力を高くするほど目標カソードガス圧力を高くする。
【０１８５】
これにより、脈動上限圧力の許容差圧に対する上昇代に応じて目標カソードガス圧力を高くすることができる。したがって、目標カソードガス圧力を無駄に高く設定することを回避できるので、カソードコンプレッサー１２２の消費電力を抑制することができる。
【０１８６】
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。
【０１８７】
例えば、カソードガス圧力を要求カソード圧力よりも高くした後に脈動上限圧力がアノード耐圧限界値に制限されて脈動幅が狭くなるときには、脈動上限圧力の設定値と耐圧限界値との差圧に応じて目標電流を下げてもよい。
【０１８８】
また、差圧調整部４１１は、脈動上限圧力の設定値とカソード圧の検出値との差圧が許容圧力よりも大きいときには、許容圧力からの超過分だけ目標アノードガスを高く設定するようにしてもよい。
【０１８９】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０１９０】
本願は、２０１３年７月５日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−１４２１０１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１】
2015001845.tif 000003
【図２】
2015001845.tif 000004
【図３Ａ】
2015001845.tif 000005
【図３Ｂ】
2015001845.tif 000006
【図４】
2015001845.tif 000007
【図５】
2015001845.tif 000008
【図６】
2015001845.tif 000009
【図７】
2015001845.tif 000010
【図８】
2015001845.tif 000011
【図９】
2015001845.tif 000012
【図１０】
2015001845.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月17日(2014.10.17)
【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】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御部と、
前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態に基づいて定まる脈動幅とに基づいてアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御部と、
前記燃料電池内の不純物の状態に応じて前記アノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御部と、を含み、
前記カソードガス制御部は、前記アノードガス分圧維持制御部により制御されるアノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きいときは、前記差圧が小さいときに比べて前記カソードガスの圧力を高くする、
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、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物の分圧上昇に応じて、前記アノードガス制御部により制御されるアノードガスの脈動上限圧力及び脈動下限圧力を高くし、
前記カソードガス制御部は、前記アノードガス分圧維持制御部により前記脈動上限圧力が上げられる場合には、前記差圧が前記燃料電池保護のための許容圧力を超えないように、前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物の状態に応じて、前記アノードガス制御部により制御される前記脈動下限圧力を、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力よりも大きくする、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードガス制御部は、前記差圧が、前記燃料電池保護のための許容圧力を超えるときには、前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物状態に基づいてアノードガスの下限圧力を算出し、
前記アノードガス制御部は、
前記下限圧力と前記カソードガスの圧力とのうち大きい方の圧力にアノードガスの脈動下限圧力を設定する下限設定部と、
前記脈動下限圧力と前記脈動幅とを加算した圧力にアノードガスの脈動上限圧力を設定する上限設定部と、を備え、
前記脈動上限圧力と前記脈動下限圧力とに基づいて前記アノードガスの圧力を脈動させ、
前記カソードガス制御部は、
前記負荷に基づいてカソードガスの要求圧力を演算する演算部と、
前記アノードガスの脈動上限圧力と前記カソードガスの要求圧力との差圧が、前記許容圧力を超えるときには、前記脈動上限圧力に基づいて前記カソードガスの圧力を前記要求圧力よりも高くする差圧調整部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記脈動上限圧力がアノードガスの過大圧力を防止するための限界圧力を超えたときは、カソードガスの昇圧を停止する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記カソードガスの圧力を、前記脈動上限圧力から前記限界圧力を減算した差分だけ前記要求圧力よりも高くする、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記カソードガスの圧力を、前記差圧から前記許容圧力を減算した差分だけ前記要求圧力よりも高くする、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記不純物は、前記発電により生じる水蒸気であり、
前記差圧調整部は、燃料電池の温度に基づいて前記アノードガスの下限圧力を算出し、当該下限圧力を前記脈動幅に加算して前記アノードガスの脈動上限圧力を算出する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項５から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、
前記上限圧力設定部により設定されたアノードガスの圧力と前記限界圧力とのうち小さい方の圧力から前記許容圧力を減算してカソードガスの下限圧力を算出する算出部と、
前記カソードガスの下限圧力と前記要求圧力とのうち大きい方の圧力に前記カソードガスの圧力を設定する圧力設定部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項５から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記上限設定部は、燃料電池の温度が高くなるほど、前記アノードガスの脈動上限圧力を高くし、
前記差圧調整部は、前記差圧が前記許容圧力よりも大きいときには、前記アノードガスの脈動上限圧力を高くするほど、前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御ステップと、
前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態に基づいて定まる脈動幅とに基づいてアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御ステップと、
前記燃料電池内の不純物の状態に応じて前記アノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御ステップと、を備え、
前記カソードガス制御ステップでは、前記アノードガス分圧維持制御ステップにより制御されるアノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きいときは、前記差圧が小さいときに比べて前記カソードガスの圧力を高くする、
燃料電池システムの制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月21日(2015.12.21)
【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】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御部と、
前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態とに基づいて定まる上限圧力と下限圧力との間でアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御部と、
前記燃料電池内の不純物の状態に応じて前記アノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御部と、を含み、
前記カソードガス制御部は、前記アノードガス分圧維持制御部により前記アノードガスの圧力が高く制御されることで、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きくなった時は、前記アノードガスの上限圧力に基づいて前記カソードガスの目標圧力を設定する、
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、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物の分圧上昇に応じて、前記アノードガス制御部により制御されるアノードガスの脈動上限圧力及び脈動下限圧力を高くし、
前記カソードガス制御部は、前記アノードガス分圧維持制御部により前記脈動上限圧力が上げられる場合には、前記差圧が前記燃料電池保護のための許容圧力を超えないように、前記カソードガスの目標圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物の状態に応じて、前記アノードガス制御部により制御される前記脈動下限圧力を、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力よりも大きくする、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードガス制御部は、前記差圧が前記燃料電池保護のための許容圧力を超えるときには、前記カソードガスの目標圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードガス分圧維持制御部は、前記燃料電池内の不純物状態に基づいてアノードガスの分圧下限圧力を算出し、
前記アノードガス制御部は、
前記アノードガスの分圧下限圧力と前記カソードガスの圧力とのうち大きい方の圧力にアノードガスの脈動下限圧力を設定する下限設定部と、
前記脈動下限圧力と前記脈動幅とを加算した圧力にアノードガスの脈動上限圧力を設定する上限設定部と、を備え、
前記脈動上限圧力と前記脈動下限圧力とに基づいて前記アノードガスの圧力を脈動させ、
前記カソードガス制御部は、
前記負荷に基づいてカソードガスの要求圧力を演算する演算部と、
前記アノードガスの脈動上限圧力と前記カソードガスの要求圧力との差圧が前記許容圧力を超えるときには、前記脈動上限圧力に基づいて前記カソードガスの目標圧力を前記要求圧力よりも高くする差圧調整部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記脈動上限圧力がアノードガスの過大圧力を防止するための限界圧力を超えたときは、カソードガスの昇圧を停止する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記カソードガスの目標圧力を、前記脈動上限圧力から前記限界圧力を減算した差分だけ前記要求圧力よりも高くする、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、前記カソードガスの目標圧力を、前記差圧から前記許容圧力を減算した差分だけ前記要求圧力よりも高くする、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記不純物は、前記発電により生じる水蒸気であり、
前記差圧調整部は、燃料電池の温度に基づいて前記アノードガスの下限圧力を算出し、当該下限圧力を前記脈動幅に加算して前記アノードガスの脈動上限圧力を算出する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項５から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記差圧調整部は、
前記上限設定部により設定されたアノードガスの圧力と、アノードガスの過大圧力を防止するための限界圧力とのうち小さい方の圧力から前記許容圧力を減算してカソードガスの下限圧力を算出する算出部と、
前記カソードガスの下限圧力と前記要求圧力とのうち大きい方の圧力に前記カソードガスの目標圧力を設定する圧力設定部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項５から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記上限設定部は、燃料電池の温度が高くなるほど、前記アノードガスの脈動上限圧力を高くし、
前記差圧調整部は、前記差圧が前記許容圧力よりも大きいときには、前記アノードガスの脈動上限圧力を高くするほど、前記カソードガスの目標圧力を高くする、
燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御ステップと、
前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態とに基づいて定まる上限圧力と下限圧力との間でアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御ステップと、
前記燃料電池内の不純物の状態に応じて前記アノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御ステップと、を備え、
前記カソードガス制御ステップでは、前記アノードガス分圧維持制御ステップにより前記カソードガスの圧力が高く制御されることで、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きくなった時は、前記アノードガスの上限圧力に基づいて前記カソードガスの目標圧力を設定する、
燃料電池システムの制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に負荷に応じて発電する。そして燃料電池システムは、前記負荷に基づいてカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御部と、前記カソードガスの圧力と前記燃料電池の運転状態とに基づいて定まる上限圧力と下限圧力との間でアノードガスの圧力を脈動させるアノードガス制御部と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記燃料電池内の不純物状態に応じてアノードガスの圧力を高くするアノードガス分圧維持制御部を含む。そして前記カソードガス制御部は、アノードガス分圧維持制御部により前記アノードガスの圧力が高く制御されることで、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が大きくなった時は、前記アノードガスの上限圧力に基づいて前記カソードガスの目標圧力を設定する。
【国際調査報告】
2015001845.tif 000014
2015001845.tif 000015
2015001845.tif 000016
2015001845.tif 000017