(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前記燃料電池を負荷に応じて発電させる。この燃料電池システムは、燃料電池にアノードガスを供給する供給通路と、供給通路に設けられ、燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整する調圧弁と、燃料電池からアノードガスを排出する排出通路とを含む。そして燃料電池システムは、調圧弁から供給されるアノードガスによって、排出通路に排出されるアノードガスを吸引してそのアノードガスを燃料電池に循環させるエゼクタと、アノードガス圧力を脈動させる脈動制御部とを含む。そして脈動制御部は、エゼクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、アノードガス圧力の脈動幅を変更する。
2015170416.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前記燃料電池を負荷に応じて発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池にアノードガスを供給する供給通路と、
前記供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整する調圧弁と、
前記燃料電池からアノードガスを排出する排出通路と、
前記供給通路に設けられ、前記調圧弁から供給されるアノードガスによって、前記排出通路に排出されるアノードガスを吸引して当該アノードガスを前記燃料電池に循環させるエゼクタと、
前記調圧弁により前記アノードガス圧力を脈動させる脈動制御部と、を含み、
前記脈動制御部は、前記エゼクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、前記アノードガス圧力の脈動幅を変更する、
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、
前記エゼクタよりも上流の前記供給通路に設けられ、前記アノードガスの温度を検出する検出部をさらに含み、
前記脈動制御部は、前記検出部により検出される温度が高いときには、前記温度が低いときに比べて前記脈動幅を小さくする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記調圧弁と前記エゼクタとの間の前記供給通路に設けられ、前記エゼクタよりも上流のアノードガスを温める熱交換器をさらに含む、
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、
前記熱交換器は、前記燃料電池から排出される冷却水によって、前記上流のアノードガスの温度を上昇させる、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記熱交換器は、前記負荷から排出される冷却水によって、前記上流のアノードガスの温度を上昇させる、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却水を排出する通路に設けられ遮断弁により、前記熱交換器に供給される前記冷却水の通水状態を制御する通水制御部と、
前記遮断弁よりも上流の冷却水の温度を検出する水温検出部と、を含み、
前記脈動制御部は、前記水温検出部により検出される冷却水の温度が、前記上流のアノードガスの温度よりも低い場合には、前記熱交換器への通水を停止する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１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、
前記エゼクタに対して凍結を防止するために設けられたヒータを制御するヒータ制御部を含み、
前記ヒータ制御部は、前記アノードガスの圧力を脈動させているときに、前記ヒータを加熱することにより、前記エゼクタよりも上流のアノードガスを温める、
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
前記制御部は、前記検出部により検出されるアノードガスの温度が、前記エゼクタでアノードガスを循環できる温度になるまで、前記ヒータを加熱する、
燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池にアノードガスを供給する供給通路と、前記供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池からアノードガスを排出する排出通路と、前記調圧弁から供給されるアノードガスによって、前記排出通路に排出されるアノードガスを吸引して当該アノードガスを前記燃料電池に循環させるエゼクタとを含む燃料電池システムの制御方法であって、
前記調圧弁により前記アノードガス圧力を脈動させるステップと、
前記エゼクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、前記アノードガス圧力の脈動幅を変更するステップと、
を含む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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】
燃料電池システムのひとつとして、燃料電池にアノードガスを供給する通路にエゼクタが設けられ、燃料電池で消費されなかった余剰のアノードガスを、エゼクタによって吸引して燃料電池に循環させる循環系の燃料電池システムがある。【０００３】
ＪＰ２００８−１９０３３６Ａには、エゼクタの上流側にインジェクタを備え、インジェクタから噴射した噴射流量とエゼクタで吸引した吸引流量とを加算した供給流量が負荷からの要求電力を満たす流量となるように、インジェクタの噴射タイミングを制御する技術が開示されている。
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、上述の技術では、インジェクタを用いてエゼクタから吐出される流量を制御していることから、発電に必要な流量は確保されるものの、エゼクタによって燃料電池へ循環される余剰のアノードガスが不足する可能性がある。
【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、エゼクタによって燃料電池へ循環させるアノードガスの循環流量を確保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。
【０００６】
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前記燃料電池を負荷に応じて発電させる。この燃料電池システムは、前記燃料電池にアノードガスを供給する供給通路と、前記供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるアノードガス圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池からアノードガスを排出する排出通路とを含む。そして燃料電池システムは、前記調圧弁から供給されるアノードガスによって、前記排出通路に排出されるアノードガスを吸引して当該アノードガスを前記燃料電池に循環させるエゼクタと、前記アノードガス圧力を脈動させる脈動制御部とを含む。そして脈動制御部は、前記エゼクタよりも上流のアノードガスの温度に基づいて、前記アノードガス圧力の脈動幅を変更する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックに積層された燃料電池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、燃料電池システムの主要構成を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、燃料電池システムに設けられるエゼクタの構成を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、アノード調圧弁から供給されるアノードガス供給圧力に応じてエゼクタに供給されるアノードガス供給流量の特性を示す図である。
【図６】図６は、アノードガス圧力を脈動させるために定められた脈動制御マップを示す図である。
【図７】図７は、アノードガス圧力を脈動させる脈動制御手法を説明する図である。
【図８】図８は、アノードガス圧力の脈動幅と燃料電池スタックの耐久性との関係を示す図である。
【図９】図９は、アノードガス供給圧力に対するアノードオフガス循環流量の循環特性がエゼクタの上流温度に応じて変化することを示した図である。
【図１０】図１０は、アノードガス圧力の脈動幅を補正する脈動幅補正マップの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、補正係数により脈動幅が小さく補正されたときの脈動制御マップを示す観念図である。
【図１２】図１２は、エゼクタの上流温度が上昇したときの脈動幅の変化を示す図である。
【図１３】図１３は、燃料電池システムを制御する制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、アノードガス圧力の脈動制御についての処理手順例を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、燃料電池システムの制御方法についての他の例を示すフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の第２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１７】図１７は、燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、本発明の第３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１９】図１９は、燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図２０】図２０は、本発明の第４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２１】図２１は、本発明の第５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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態における燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックについて説明する。
【００１０】
燃料電池スタックは、複数枚の燃料電池を積層したものであり、本実施形態では、車両を駆動する電動モータに電力を供給する電源として用いられる。
【００１１】
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た電解質膜と、を備える。
【００１２】
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）と、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）とが電気化学反応を起こして発電する。燃料電池の電気化学反応（発電反応）は、アノード電極及びカソード電極において、以下のとおり進行する。
【００１３】
アノード電極：  ２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−        ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
【００１４】
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１１０の一例を示す斜視図である。
【００１５】
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、不図示の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。
【００１６】
単セル１は、固体高分子型の燃料電池である。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。
【００１７】
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によって形成される。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。出力端子６から、燃料電池スタック１１０に積層された単セル１ごとに生じる電子ｅ−が取り出される。
【００１８】
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、例えばゴムによって形成される。
【００１９】
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、例えば鋼によって形成される。
【００２０】
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、冷却水入口孔４１ａ及び冷却水出口孔４１ｂと、アノードガス入口孔４２ａ及びアノードガス出口孔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。
【００２１】
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、高圧ガスタンクや、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。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。また酸化剤ガスとしては、一般的に空気が使用される。
【００２２】
ナット５は、燃料電池スタック１１０の内部を貫通する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、例えば鋼によって形成される。テンションロッドの表面には、単セル１同士が電気的に短絡することを防止するために、絶縁処理が施される。
【００２３】
図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面を示す図である。
【００２４】
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とで挟持して構成される。
【００２５】
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。
【００２６】
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、水を含んだ湿った状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２７】
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とを含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子によって形成される。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
なお、アノードセパレータ２０の冷却水流路２６とカソードセパレータ３０の冷却水流路３６とが互いに向き合うように形成されて、１つの冷却水流路５１が形成される。
【００３１】
また、アノードガス流路２４を流れるアノードガスと、カソードガス流路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、アノードガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れ、カソードガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
アノードガス流路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、アノードガス流路２４を流れるガスの余分な乱流が抑制されるので、圧力損失が低減される。
【００３６】
アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとアノードガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１には、アノードガスを各アノードガス流路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２２２が格子状に形成される。
【００３７】
アノードガス合流部２７は、アノードガス流路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、アノードガス流路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。
【００３８】
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（ガス合流流路）２９に区分けされる。
【００３９】
合流リブ２８は、ガス流路終端２４ｃ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、アノードガス流路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の流路幅がアノードガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長されている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２２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。
【００４３】
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。
【００４４】
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つの孔と同じ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３Ｂの右側）にも、アノードセパレータ２０の一端側に形成される３つの孔と同じ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。
【００４５】
図４は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０１の構成を示す概略図である。
【００４６】
燃料電池システム１０１は、燃料電池スタック１１０にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて燃料電池スタック１１０を発電させる。
【００４７】
燃料電池システム１０１は、アノードガス循環系の燃料電池システムである。燃料電池システム１０１は、燃料電池スタック１１０と、アノードガス給排装置２００と、コントローラ４００と、を備える。
【００４８】
なお、図１に示した燃料電池スタック１１０の入口孔４３ａにカソードガスを供給するカソードガス供給装置、及び燃料電池スタック１１０の入口孔４１ａに冷却水を供給する冷却装置については、便宜上、図示を省略している。
【００４９】
燃料電池スタック１１０は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けると共に、燃料電池スタック１１０に接続された負荷に応じて発電する。負荷は、例えば車両に搭載された電動モータや、燃料電池スタック１１０の発電を補助する補機等である。補機としては、例えば燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するコンプレッサなどが挙げられる。
【００５０】
燃料電池スタック１１０では、積層された複数枚の単セル１が互いに直列に接続されていることから、単セル１ごと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】
アノードガス給排装置２００は、高圧タンク２１０と、アノードガス供給通路２２０と、アノード調圧弁２３０と、エゼクタ２４０と、アノードガス排出通路２５０と、バッファタンク２６０と、循環通路２７０と、パージ通路２８０と、パージ弁２９０とを備える。さらにアノードガス給排装置２００は、第１圧力センサ４１１と、第２圧力センサ４１２と、温度センサ４２０とを備える。
【００５２】
高圧タンク２１０は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００５３】
アノードガス供給通路２２０は、高圧タンク２１０から流れ出るアノードガスを燃料電池スタック１１０に供給するために用いられる通路である。アノードガス供給通路２２０の一端部は高圧タンク２１０に接続され、他端部は、図１に示した燃料電池スタック１１０のアノードガス入口孔４２ａに接続される。
【００５４】
アノード調圧弁２３０は、アノードガス供給通路２２０に設けられる。アノード調圧弁２３０は、高圧タンク２１０から押し出される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１１０に供給する。アノード調圧弁２３０は、連続的又は段階的に弁の開度を調節可能な電磁弁である。アノード調圧弁２３０の開度は、コントローラ４００によって制御される。アノード調圧弁２３０の開度が大きくなるほど、アノード調圧弁２３０が開かれ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Ｐ２が上昇する。
【００５５】
第１圧力センサ４１１及び温度センサ４２０は、アノード調圧弁２３０とエゼクタ２４０との間のアノードガス供給通路２２０に設けられる。
【００５６】
第１圧力センサ４１０は、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給圧力Ｐ１を検出する。第１圧力センサ４１０は、供給圧力Ｐ１を示す検出信号をコントローラ４００に出力する。
【００５７】
温度センサ４２０は、エゼクタ２４０よりも上流側のアノードガスの温度（以下、「エゼクタ２４０の上流温度」という。）Ｔｇを検出する。温度センサ４２０は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを示す検出信号をコントローラ４００に出力する。
【００５８】
エゼクタ２４０は、アノード調圧弁２３０よりも下流のアノードガス供給通路２２０に対して循環通路２７０が合流する部分に設けられる。エゼクタ２４０は、アノード調圧弁２３０から供給されるアノードガスの供給流量を燃料電池スタック１１０に供給しつつ、循環通路２７０からアノードガスを吸引してそのアノードガスを燃料電池スタック１１０に循環させる機械式のポンプである。エゼクタ２４０の詳細については、図５Ａ及び図５Ｂを参照して後述する。
【００５９】
第２圧力センサ４１２は、エゼクタ２４０よりも下流であって燃料電池スタック１１０の近傍にあるアノードガス供給通路２２０に設けられる。第２圧力センサ４１２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Ｐ２を検出する。第２圧力センサ４１２は、圧力Ｐ２を示す検出信号をコントローラ４００に出力する。圧力Ｐ２は、図３Ａに示したアノードガス流路２４の圧力として用いられる。
【００６０】
アノードガス排出通路２５０は、図１に示した燃料電池スタック１１０のアノードガス出口孔４２ｂからアノードガスを排出する通路である。アノードガス排出通路２５０には、燃料電池スタック１１０からアノードオフガスが排出される。
【００６１】
アノードオフガスとは、燃料電池スタック１１０の発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスと不純物ガスとの混合ガスのことである。また不純物ガスとは、カソードガス流路３４からＭＥＡ１１を介してアノードガス流路２４にクロスリーク（透過）してきた水蒸気や窒素ガスなどの不活性ガスのことである。
【００６２】
バッファタンク２６０は、燃料電池スタック１１０からアノードガス排出通路２５０を通って流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部はバッファタンク２６０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。
【００６３】
パージ通路２８０は、バッファタンク２６０に蓄積された窒素ガスを含むアノードオフガスと液水とを排出する通路である。パージ通路２８０の一端部はバッファタンク２６０の下流側に接続され、他端部は開口している。
【００６４】
パージ弁２９０は、パージ通路２８０に設けられる。パージ弁２９０は、バッファタンク２６０に溜められたアノードオフガスと液水とを、パージ通路２８０を介して外部へ排出する。パージ弁２９０は、連続的又は段階的に弁の開度を調節可能な電磁弁である。パージ弁２９０の開度は、コントローラ４００によって制御される。パージ弁２９０の開度は、アノードオフガス中のアノードガス濃度が一定の値以下になるように調節される。
【００６５】
循環通路２７０は、バッファタンク２６０から流れ出るアノードオフガスをアノードガス供給通路２２０に合流させる通路である。循環通路２７０の一端部は、バッファタンク２６０に接続され、他端部はエゼクタ２４０の吸引口に接続される。
【００６６】
コントローラ４００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。
【００６７】
コントローラ４００には、前述した第１圧力センサ４１１、第２圧力センサ４１２、及び温度センサ４２０の他にも、燃料電池システム１０１の運転状態や、燃料電池スタック１１０に接続される負荷の作動状態などを検出する各種センサの信号等が入力される。
【００６８】
各種センサとしては、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ５１０や、外気温度Ｔａｉｒを検出する外気温センサ４２１などがある。外気温センサ４２１は、例えばコントローラ４００の近傍に設けられる。
【００６９】
コントローラ４００は、上述の各種センサ等から入力される信号や、燃料電池システム１０１の部品への指令信号などに基づいて、燃料電池スタック１１０の運転状態を制御する。
【００７０】
例えば、コントローラ４００は、アクセルストロークセンサ５１０から出力される踏み込み量に基づいて、電動モータから燃料電池スタック１１０に要求される要求電力、すなわち要求負荷を算出する。
【００７１】
そしてコントローラ４００は、その要求負荷が大きくなるほど、燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガスの流量を大きくする。これと共にコントローラ４００は、要求負荷が大きくなるほど、アノード調圧弁２３０の開度を大きくすることにより、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。
【００７２】
また、コントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の温度状態や、湿潤状態、内部の圧力状態、水蒸気の分圧状態、排出水素の希釈状態などに応じて、カソードガス圧力及び流量の制御やアノードガス圧力の制御を制限する。
【００７３】
図５Ａは、本実施形態におけるエゼクタ２４０の詳細構成を示す断面図である。
【００７４】
エゼクタ２４０は、ノズル２４１及びディフューザ２４２により構成される。
【００７５】
ノズル２４１は、アノード調圧弁２３０から供給口２４０Ａに供給されたアノードガスの流れを加速してディフューザ２４２に噴射する。ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量は、要求負荷に基づいて算出される流量であり、燃料電池スタック１１０によって発電に伴い消費されるアノードガス量に相当する。
【００７６】
ノズル２４１は円筒状に形成される。ノズル２４１の先端部には、供給口２４０Ａよりも狭い開口が形成される。これにより、供給口２４０Ａに供給されたアノードガスの流速が先端部で速くなるので、先端部でアノードガスがディフューザ２４２へ噴射される。
【００７７】
ディフューザ２４２は、アノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環させるために、ノズル２４１から噴射されたアノードガスの流速によって、循環通路２７０からアノードオフガスを吸引する。そしてディフューザ２４２は、吸引したアノードオフガスの循環流量と、ノズル２４１から噴射されたアノードガスの供給流量とを足し合わせたアノードガス総流量を、吐出口２４０Ｃから燃料電池スタック１１０へ吐出する。
【００７８】
ディフューザ２４２は、ノズル２４１と同軸上に合流通路が形成される。合流通路の開口は、吐出口２４０Ｃに近づくにつれて広く形成される。ディフューザ２４２には、吸引口２４０Ｂからノズル２４１の先端部分まで延びる円筒状の吸引室が形成され、吸引室と合流通路とが連通している。
【００７９】
図５Ｂは、アノード調圧弁２３０によって調整されるアノードガス供給圧力に応じて、エゼクタ２４０に供給されるアノードガス供給流量が変化する特性２４８を示す図である。
【００８０】
ここでは、横軸が、アノード調圧弁２３０からノズル２４１に供給されるアノードガスの供給圧力を示し、縦軸が、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量を標準状態でのアノードガス流量（ＮＬ／ｍｉｎ）に換算した値を示す。
【００８１】
図５Ｂに示すように、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量は、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給圧力に比例する。
【００８２】
このため、負荷から要求される要求電力が増加するほど、アノード調圧弁２３０から供給されるアノードガスの供給圧力が大きくなるので、ノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量は増加する。これにより、ディフューザ２４２によって吸引されるアノードオフガスの循環流量が増加する。
【００８３】
このように、エゼクタ２４０を用いて、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードオフガスを吸引して燃料電池スタック１１０に循環させることにより、余剰のアノードガスを再利用することが可能になる。
【００８４】
一方、負荷からの要求電力が小さくなると、ノズル２４１へのアノードガスの供給流量が少なくなるため、ディフューザ２４２で吸引されるアノードオフガスの吸引量が減少し、燃料電池スタック１１０にアノードオフガスが循環されなくなる。
【００８５】
この対策として本実施形態では、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードオフガスがエゼクタ２４０によって十分に循環されるように、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。
【００８６】
これに加えて本実施形態では、アノードオフガスに含まれる水蒸気を利用して、燃料電池スタック１１０の内部を加湿する。
【００８７】
具体的には、エゼクタ２４０によって、図３Ａに示したアノードガス流路２４へアノードオフガスを十分に循環させることで、アノードガス流路２４の湿度が全体的に上昇する。これに伴い、アノードガス流路２４の湿度と、乾燥したカソードガスが流れる上流側のカソードガス流路３４の湿度との差が大きくなる。この相対的な湿度の差がドライビングフォースとなり、アノードガス流路２４内の水蒸気が、ＭＥＡ１１を介してカソードガス流路３４内へ拡散し、電解質膜１１ａが加湿される。これにより、ＭＥＡ１１において効率よく発電が行われることになる。
【００８８】
図６は、アノードガスの圧力を脈動させるために定められた脈動制御マップの一例を示す観念図である。脈動制御マップは、コントローラ４００に予め記録される。
【００８９】
図６には、エゼクタ２４０から燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガス圧力Ｐ２の目標値が実線により示されている。また、参考としてアノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガス供給圧力Ｐ１の最大値が破線により示されている。
【００９０】
ここでは、縦軸が、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの目標圧力Ｐｔを示し、横軸が燃料電池スタック１１０に対する要求負荷Ｌｒｅｑを示す。要求負荷Ｌｒｅｑは、例えば電動モータから要求される要求電力に基づいて算出される。
【００９１】
図６に示すように、アノードガスの目標圧力Ｐｔとして、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ、及び、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎの２つの目標値が定められている。これにより、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動するようにアノード調圧弁２３０が制御される。
【００９２】
脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐと脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとは、要求負荷Ｌｒｅｑに比例して大きくなる。このため、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐと脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとは共に高くなる。
【００９３】
脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎは、燃料電池の加湿に必要な生成水量をアノードガスに含有させるのに最低限必要となるアノードガスの圧力に定められる。
【００９４】
要求負荷Ｌｒｅｑがゼロ（０）から負荷Ｌ１までの低負荷範囲においては、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐと脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとは、ほぼ一定の値に定められる。要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは大きくなる。
【００９５】
脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、エゼクタ２４０によって燃料電池スタック１１０に循環させるアノードオフガスの循環流量に基づいて定められる。すなわち脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、アノードオフガスの循環流量が燃料電池スタック１１０の加湿に必要な流量となるように設定される。
【００９６】
例えば、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐは、アノード調圧弁２３０からノズル２４１に供給されるアノードガスの供給流量に対するアノードオフガスの循環流量の流量比が３０％（パーセント）以上となるように設定される。流量比は、アノードオフガスの循環流量をアノードガスの供給流量で除算して求められる。
【００９７】
脈動幅ΔＰは、脈動上限圧力Ｐ２と脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとの差であり、アノードガス圧力Ｐ２が変動する幅である。脈動幅ΔＰは、例えば、要求負荷Ｌｒｅｑが変動する範囲の全ての値において３０％の流量比を確保できる幅に定められる。
【００９８】
また要求負荷Ｌｒｅｑが負荷Ｌ１よりも高い高負荷範囲においては、要求負荷Ｌｒｅｑの上昇に伴う脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎの増加幅が、低負荷範囲に比べて大きくなる。
【００９９】
この理由は、要求負荷Ｌｒｅｑが大きくなるほど燃料電池スタック１１０に供給されるカソードガス圧力が高くなることで、燃料電池スタック内のカソードガス圧力とアノードガス圧力との極間差圧が大きくなり過ぎＭＥＡ１１が損傷するのを防止するためである。
【０１００】
図６では、要求負荷Ｌｒｅｑに応じてアノードガスの目標圧力Ｐｔが設定された脈動制御マップについて説明したが、要求負荷Ｌｒｅｑの代わりに要求負荷Ｌｒｅｑと相関のあるパラメータを用いてもよい。例えば、要求負荷Ｌｒｅｑと相関のあるパラメータとしてはアノードガスの要求流量が挙げられる。
【０１０１】
図７は、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる脈動制御の手法を説明する図である。図７には、アノードガスの圧力波形とアノード調圧弁２３０の開閉状態とが時間軸を共通にして示されている。
【０１０２】
時刻ｔ１では、アノード調圧弁２３０が全開（ＯＮ）に設定される。これにより、エゼクタ２４０を介して、アノード調圧弁２３０から燃料電池スタック１１０へアノードガスが吐出されるので、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。
【０１０３】
時刻ｔ２では、アノードガス圧力Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐまで上昇するので、アノード調圧弁２３０が全閉（ＯＦＦ）に設定される。これにより、燃料電池スタック１１０へのアノードガスの供給が停止される。この状態では、燃料電池スタック１１０に供給されたアノードガスが発電反応によって消費されるので、燃料電池スタック１１０内に存在するアノードガスが減少してアノードガスの圧力Ｐ２が低下する。
【０１０４】
時刻ｔ３では、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎまで低下するので、アノード調圧弁２３０が再び全開に設定され、アノード調圧弁２３０から燃料電池スタック１１０にアノードガスが供給され、アノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。
【０１０５】
このように、図６に示した脈動制御マップを参照し、要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを交互に切り替えることにより、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる。これにより、エゼクタ２４０によって、燃料電池の湿潤状態を確保できる循環流量でアノードオフガスが吸引されて燃料電池スタック１１０に供給される。
【０１０６】
一方、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰによってＭＥＡ１１には応力が生じる。脈動幅ΔＰによってＭＥＡ１１に生じる応力は、アノードガス拡散部２１とアノードガス流路２４との間の境界部分や、アノードガス流路２４の外周部分で特に大きくなる。これらの箇所に繰り返し応力が生じることにより、燃料電池スタック１１０の耐久性は低下してしまう。
【０１０７】
図８は、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰと燃料電池スタック１１０の耐久性との関係を示す図である。ここでは、横軸が、アノードガスの圧力を繰り返し脈動させたときの脈動回数Ｎを対数により示し、縦軸が、脈動幅ΔＰによってＭＥＡ１１に生じる応力の限界値（限界応力）を示す。
【０１０８】
図８に示すように、脈動回数Ｎが多くなるほど、ＭＥＡ１１の限界応力は低下する。すなわち、脈動回数Ｎが多くなるほど、燃料電池スタック１１０の耐久性が低下してしまう。
【０１０９】
万一、脈動幅ΔＰによってアノードガス流路２４の境界部分や外周部分において限界応力を超える応力が生じると、これらの箇所に設けられたガスシール部材が破れてアノードガスや生成水などがリークしてしまう。
【０１１０】
この対策として本実施形態では、アノードオフガスに含まれる水蒸気を利用して電解質膜１１ａの乾燥を抑えつつ、燃料電池スタック１１０の耐久性が低下するのを抑制する。
【０１１１】
コントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに基づいて、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくする。
【０１１２】
図９は、アノードガス供給圧力Ｐ１に対するアノードオフガス循環流量Ｑｓの循環特性がエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに応じて変化することを示した図である。
【０１１３】
ここでは、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが異なる２つの循環特性が示されている。破線で示した循環特性は、実線で示した循環特性よりもエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高いときの特性である。
【０１１４】
また、縦軸は、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給圧力Ｐ１を示し、横軸は、エゼクタ２４０から吸引されるアノードオフガスの循環流量Ｑｓを示す。
【０１１５】
図９に示すように、アノードガスの供給圧力Ｐ１が大きくなるほど、アノードオフガスの循環流量Ｑｓは大きくなる。さらにアノードガスの供給圧力Ｐ１が一定の状態では、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高くなるほど、アノードオフガスの循環流量Ｑｓが大きくなる。
【０１１６】
例えば、アノードガスの供給圧力Ｐ１ａにおいて、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇して、実線で示した循環特性から破線で示した循環特性になったときには、アノードオフガスの循環流量Ｑｓ２は、上昇前の循環流量Ｑｓ１から変化量ΔＱａだけ増加する。
【０１１７】
この理由は、アノードガスの供給圧力Ｐ１ａが一定の状態でエゼクタ２４０の上流温度が上昇すると、これに伴いエゼクタ２４０に供給されるアノードガスのエンタルピー、つまり内部エネルギーが上昇するからである。この内部エネルギーの増加によって、エゼクタ２４０から吐出されるアノードガスのエンタルピーについても、エネルギー保存の法則に従い増加するので、アノードガスの循環流量Ｑｓが増加する。
【０１１８】
このように、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇することに伴い、エゼクタ２４０によって吸引されるアノードオフガスの循環流量Ｑｓが変化量ΔＱａだけ増加するので、その増加量ΔＱａだけ、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを下げることが可能となる。
【０１１９】
図８に示すように、脈動幅ΔＰ１でアノードガスの圧力を脈動させたときに比べて、脈動幅ΔＰ１よりも狭い脈動幅ΔＰ２でアノードガスの圧力を脈動させたときには、ＭＥＡ１１で許容できる脈動回数を１桁以上増やすことができる。このように、脈動幅ΔＰを狭くすることにより、ＭＥＡ１１における限界応力の低下が抑えられるので、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１２０】
そこで本実施形態では、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが大きくなるほど、脈動幅ΔＰを小さくすることにより、アノードオフガスを利用してＭＥＡ１１の乾燥を抑えつつ、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制する。
【０１２１】
図１０は、本実施形態におけるコントローラ４００に予め記録される脈動幅補正マップの一例を示す図である。
【０１２２】
脈動幅補正マップでは、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを補正する補正係数Ｃがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇごとに対応付けられている。ここでは、横軸がエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを示し、縦軸が補正係数Ｃを示す。
【０１２３】
補正係数の上限値Ｃ_ｕｐは、例えば、ＭＥＡ１１の限界応力に基づいて定められる。補正係数の下限値Ｃ_ｄｎは、例えば、要求負荷Ｌｒｅｑの全範囲においてＭＥＡ１１の湿潤状態を維持するのに必要となる脈動幅ΔＰに基づいて定められる。
【０１２４】
また、温度Ｔ１から温度Ｔ２までの範囲においては、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが大きくなるほど、補正係数Ｃは小さな値に定められる。これにより、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが大きくほど、アノードガスの圧力を脈動させる脈動幅ΔＰを小さくすることができる。
【０１２５】
本実施形態では、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが、燃料電池スタック１１０の発電に適した発電温度Ｔｍとなったときに、補正係数Ｃは「１．０」となる。発電温度Ｔｍは、例えば７０℃である。
【０１２６】
なお、脈動幅補正マップにおいて補正特性４０２は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇するほど補正係数Ｃが単調に減少するように設定されているが、エゼクタ２４０の循環特性に合わせて補正特性４０２を曲線にしてもよい。
【０１２７】
図１１は、補正係数Ｃにより脈動幅ΔＰが小さく補正されたときの脈動制御マップを観念的に示した図である。
【０１２８】
図１１に示すように、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが大きくなるほど、脈動幅ΔＰが補正係数Ｃによって小さく補正される。このため、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが大きくなるほど、補正後の脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐは、図６の脈動制御マップに設定された脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐよりも低下する。
【０１２９】
図１２は、本実施形態におけるエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇したときの脈動幅ΔＰの変化を示す図である。
【０１３０】
図１２（Ａ）は、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させたときの脈動波形を示す。図１２（Ｂ）は、エゼクタ２４０によって循環通路２７０から吸引されるアノードオフガスの循環流量Ｑｓの脈動波形を示す。図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１３１】
ここでは、脈動幅ΔＰを小さく補正したときの脈動波形が実線により示され、脈動幅ΔＰを補正する前の脈動波形が破線により示されている。
【０１３２】
図１２（Ａ）に示すように脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを下げることに伴い、脈動幅ΔＰが小さくなると共に脈動周期Ｔｐが短くなる。しかしながら、図９に示したように、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇することに伴いアノードオフガスの循環流量Ｑｓが増加するので、図１２（Ｂ）に示すように循環流量Ｑｓについての平均流量Ｑｓ_ａｖｅは、補正前の平均流量と同じレベルになる。
【０１３３】
したがって、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに応じて脈動幅ΔＰを小さくすることによって、ＭＥＡ１１の加湿に必要なアノードオフガスの循環流量Ｑｓを確保しつつ、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１３４】
次に、燃料電池システム１０１の動作の詳細について、図１３及び図１４を参照して詳細に説明する。
【０１３５】
図１３は、本実施形態における燃料電池システム１０１を制御する制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０１３６】
まず、燃料電池システム１０１の起動スイッチがＯＦＦからＯＮに切り替えられると、コントローラ４００は、燃料電池システム１０１の起動処理を実行する。
【０１３７】
そしてステップＳ９０１においてコントローラ４００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Ｐ２を示す検出信号を第２圧力センサ４１２から取得する。
【０１３８】
その後、ステップＳ９０２においてコントローラ４００は、燃料電池スタック１１０に要求される要求負荷Ｌｒｅｑを取得する。例えば、要求負荷Ｌｒｅｑは、アクセルストロークセンサ５１０によって検出された踏み込み量に基づいて算出される。
【０１３９】
ステップＳ９０３においてコントローラ４００は、エゼクタ２４０よりも上流側のアノードガスの上流温度Ｔｇを温度センサ４２０から取得する。
【０１４０】
ステップＳ９０４においてコントローラ４００は、ステップＳ９０３で取得された上流温度Ｔｇに基づいて、脈動幅ΔＰを補正する補正係数Ｃを演算する。本実施形態では、コントローラ４００は、図１０に示した脈動幅補正マップを参照し、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに対応付けられた補正係数Ｃを算出する。
【０１４１】
これにより、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高くなるほど、補正係数Ｃは小さくなる。なお、コントローラ４００は、脈動幅補正マップに代えて、予め定められた演算式を用いて補正係数Ｃを算出してもよい。
【０１４２】
ステップＳ９１０においてコントローラ４００は、ステップＳ９０２で取得された要求負荷Ｌｒｅｑに基づいて、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させるために定められた脈動制御を実行する。ステップＳ９１０で実行される脈動制御の詳細については、図１４を参照して後述する。
【０１４３】
その後、ステップＳ９０５においてコントローラ４００は、燃料電池スタック１１０の運転が停止されたか否かを判断する。例えば、コントローラ４００は、燃料電池システム１０１の起動スイッチがＯＦＦに切り替えられたことを検出すると、燃料電池スタック１１０の運転が停止されたと判断する。
【０１４４】
燃料電池スタック１１０の運転が停止されていない場合には、コントローラ４００は、ステップＳ９０４に戻り、燃料電池スタック１１０の運転が停止されるまで、ステップＳ９０４及びＳ９１０の処理を繰り返す。一方、燃料電池スタック１１０の運転が停止された場合には、コントローラ４００は、燃料電池システム１０１の制御方法を終了する。
【０１４５】
図１４は、コントローラ４００で実行されるアノードガス圧力の脈動制御Ｓ９１０についての処理手順例を示すフローチャートである。
【０１４６】
ステップＳ９１１において、コントローラ４００は、ステップＳ９０４で補正係数Ｃが算出されると、図６に示した脈動制御マップを参照し、要求負荷Ｌｒｅｑに対応付けられた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐと脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとの間の脈動幅ΔＰを演算する。
【０１４７】
そしてコントローラ４００は、脈動幅ΔＰを補正係数Ｃに基づいて補正する。具体的には、コントローラ４００は、脈動幅ΔＰに対して補正係数Ｃを乗算することにより、補正後の脈動幅ΔＰｃを算出する。これにより、コントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高くなるほど、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくすることができる。
【０１４８】
ステップＳ９１２において、コントローラ４００は、脈動制御マップを参照して、補正後の脈動幅ΔＰｃに基づいて脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐ及び脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを算出する。
【０１４９】
具体的には、コントローラ４００は、脈動制御マップに対応付けられた脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに対し、補正後の脈動幅ΔＰｃを加算することにより、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを補正する。これにより、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇するほど、補正後の脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐは低くなる。
【０１５０】
ステップＳ９１３においてコントローラ４００は、アノードガス目標圧力Ｐｔを補正後の脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐに設定する。
【０１５１】
そしてステップＳ９１４においてコントローラ４００は、アノード調圧弁２３０を開く。本実施形態ではコントローラ４００はアノード調圧弁２３０の開度を全開に設定する。これにより、第２圧力センサ４１２で検出されるアノードガスの圧力Ｐ２が上昇する。なお、コントローラ４００は、アノード調圧弁２３０の開度を、全開と全閉との間の所定の値に設定するようにしてもよい。
【０１５２】
ステップＳ９１５においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４１２から出力される検出値Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐまで上昇したか否かを判断する。そしてコントローラ４００は、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐに達していない場合には、ステップＳ９１４に戻り、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐに達するまでアノード調圧弁２３０を開いた状態に維持する。
【０１５３】
ステップＳ９１６においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４１２の検出値が脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐに達すると、アノードガス目標圧力Ｐｔを、脈動上限圧力Ｐ２ｃ_ｕｐから、図６に示された脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに切り替える。
【０１５４】
そしてステップＳ９１７においてコントローラ４００は、アノード調圧弁２３０を閉じる。本実施形態ではコントローラ４００はアノード調圧弁２３０の開度を全閉に設定する。なお、コントローラ４００は、アノード調圧弁２３０の開度を、全閉ではなく、ステップＳ９１４で設定された開度よりも小さな値に設定するようにしてもよい。
【０１５５】
ステップＳ９１７でアノード調圧弁２３０が閉じられると、燃料電池スタック１１０にはアノードガスが供給されなくなる。この状態では、燃料電池スタック１１０内において要求負荷Ｌｒｅｑに相当するアノードガスが消費されるので、アノードガスの圧力Ｐ２が下降する。
【０１５６】
ステップＳ９１８においてコントローラ４００は、第２圧力センサ４１２から出力される検出値Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎまで低下したか否かを判断する。そしてコントローラ４００は、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達していない場合には、ステップＳ９１７に戻り、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達するまでアノード調圧弁２３０を閉じた状態に維持する。
【０１５７】
コントローラ４００は、第２圧力センサ４１２の検出値が、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに達すると、アノードガス圧力の脈動制御が終了して図１３に示した燃料電池システム１０１の制御方法に戻り、ステップＳ９０５に進む。
【０１５８】
このように、コントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇するほど、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを狭くして脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを低くする。これにより、燃料電池を加湿するのに必要となるアノードオフガスの循環流量Ｑｓを確保しつつ、脈動幅ΔＰによってＭＥＡ１１に生じる応力を抑えることができる。したがって、燃料電池スタック１１０の乾燥を抑制しつつ、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１５９】
なお、本実施形態では、補正後の脈動幅ΔＰｃを、脈動制御マップに対応付けられた脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに加算して脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを補正する例について説明したが、補正後の脈動幅ΔＰｃに基づいて脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを補正してもよい。
【０１６０】
この場合には、コントローラ４００は、脈動制御マップに対応付けられた脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに対し、補正後の脈動幅ΔＰを加算して脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎを補正する。これにより、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇するほど、脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎが高くなるので、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくしつつ、エゼクタ２４０によって循環されるアノードオフガスの循環流量を多めに確保することができる。したがって、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制しつつ、ＭＥＡ１１を十分に湿らせて発電性能を高めることができる。
【０１６１】
なお、本実施形態では第２圧力センサ４１２を用いてアノードガスの圧力Ｐ２を昇圧する例について説明したが、アノード調圧弁２３０を開いている時間、すなわちアノードガスの供給時間を、所定の時間に固定して圧力Ｐ２を昇圧してもよい。例えば、所定の時間は、脈動制御が実行される要求負荷の全範囲でアノードガスの圧力Ｐ２が脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎから脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに達する時間に設定される。
【０１６２】
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、アノードガス供給通路２２０に供給されるアノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁２３０と、アノードオフガスを燃料電池スタック１１０に循環させるエゼクタ２４０とを含む。
【０１６３】
そしてコントローラ４００は、アノードオフガスの循環流量Ｑｓによって定められた脈動幅ΔＰに基づいて、アノードガスの圧力Ｐ２が脈動するようにアノード調圧弁２３０の開度を制御する。これにより、エゼクタ２４０によってアノードオフガスの循環流量Ｑｓを十分に確保することができる。
【０１６４】
さらにコントローラ４００は、エゼクタ２４０よりも上流を流れるアノードガスの上流温度Ｔｇに基づいて、アノードガス圧力Ｐ２の脈動幅ΔＰを変更する。
【０１６５】
これにより、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが低くなるほど、脈動幅ΔＰを広くすることができる。このため、図９に示したように、上流温度Ｔｇの低下に伴いアノードオフガスの循環流量Ｑｓが減少しても、減少した分だけ、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを上げることができるので、燃料電池スタック１１０にアノードオフガスを確実に循環させることができる。
【０１６６】
一方、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高くなるほど、脈動幅ΔＰを狭くすることもできる。このため、上流温度Ｔｇが上昇した場合には、これに伴いアノードオフガスの循環流量Ｑｓが増加した分だけ、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐを下げることがきるので、脈動幅ΔＰに起因する燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制しつつ、アノードオフガスの循環流量Ｑｓを維持することができる。
【０１６７】
このように、本実施形態によれば、エゼクタ２４０によって燃料電池に循環させるアノードオフガスの循環流量を十分に確保することができる。したがって、余剰のアノードガスを効率よく消費することができる。
【０１６８】
これに加えて、燃料電池スタック１１０へアノードオフガスを十分に循環させることにより、アノードオフガスに含まれる水蒸気が多量に燃料電池スタック１１０へ供給されることになるので、燃料電池スタック１１０内のＭＥＡ１１の乾燥を抑制することができる。このため、カソードガスを加湿する加湿器を燃料電池システムに設けることなく、燃料電池スタック１１０を発電に適した湿潤状態に維持することが可能となる。したがって、簡素な構成で、燃料電池スタック１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【０１６９】
また、本実施形態では、温度センサ４２０が、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガス供給通路２２０に設けられる。そしてコントローラ４００は、温度センサ４２０により検出される上流温度Ｔｇが高いときには、上流温度Ｔｇが低いときに比べて、アノードガス圧力Ｐ２の脈動幅ΔＰを小さくする。
【０１７０】
このように温度センサ４２０を用いることにより、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを正確に検出できるので、エゼクタ２４０の上流温度が高くなったときに、正確にアノードガス圧力の脈動幅ΔＰを抑えることができる。したがって、アノードオフガスの循環流量Ｑｓを確保しつつ、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１７１】
なお、本実施形態では温度センサ４２０を用いてエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを検出する例について説明したが、外気温センサ４２１を用いてエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを推定してもよい。次にエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを推定する例について説明する。
【０１７２】
図１５は、燃料電池システム１０１の制御方法についての他の例を示すフローチャートである。
【０１７３】
この例では、図１３で示したステップＳ９０３の代わりにステップＳ９２１及びＳ９２２が示されている。その他の処理については、図１３で示した処理と同じであるためここでの説明を省略し、ステップＳ９２１及びＳ９２２の処理についてのみ説明する。
【０１７４】
ステップＳ９２１においてコントローラ４００は、外気温センサ４２１から外気温度Ｔａｉｒを取得する。
【０１７５】
ステップＳ９２２においてコントローラ４００は、外気温度Ｔａｉｒに基づいて、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを推定する。
【０１７６】
具体的には、外気温度Ｔａｉｒとエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇとの関係を示す推定マップがコントローラ４００に予め記録される。そしてコントローラ４００は、外気温度Ｔａｉｒを取得すると、推定マップを参照し、その外気温度Ｔａｉｒに関係付けられたエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを算出する。
【０１７７】
ステップＳ９０４においてコントローラ４００は、ステップＳ９２２でエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが推定されると、その上流温度Ｔｇに基づいて脈動幅ΔＰの補正係数Ｃを算出する。
【０１７８】
このように、外気温センサ４２１を利用してエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを推定することにより、新たに温度センサ４２０を設けずに補正係数Ｃを求めることができる。したがって、第１実施形態よりも簡易な構成により、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇの上昇に応じてアノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくすることができる。
【０１７９】
（第２実施形態）
図１６は、本発明の第２実施形態における燃料電池システム１０２の構成を示す図である。
【０１８０】
燃料電池システム１０２は、燃料電池システム１０１の構成に加えて、燃料電池スタック１１０を冷却する冷却装置６００を備える。以下では、燃料電池システム１０１の構成と同じ構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１８１】
冷却装置６００は、冷却水循環通路６１０と、ラジエータ６２０と、循環ポンプ６３０と、熱交換器６４０とを備える。さらに冷却装置６００は水温センサ４３０を備える。
【０１８２】
冷却水循環通路６１０は、供給通路６１１と排出通路６１２とを含む。
【０１８３】
供給通路６１１は、冷却水を燃料電池スタック１１０に通す冷却水通路である。供給通路６１１は、ラジエータ６２０の出口孔と、図１に示した燃料電池スタック１１０の冷却水入口孔４１ａとの間を接続する。
【０１８４】
排出通路６１２は、燃料電池スタック１１０から排出された冷却水をラジエータ６２０に通す冷却水通路である。排出通路６１２は、図１に示した燃料電池スタック１１０の冷却水出口孔４１ａと、ラジエータ６２０の入口孔との間を接続する。
【０１８５】
ラジエータ６２０は、燃料電池スタック１１０から排出された冷却水を冷却する。
【０１８６】
循環ポンプ６３０は、供給通路６１１に設けられる。循環ポンプ６３０は、ラジエータ６２０で冷やされた冷却水を燃料電池スタック１１０に循環させる。
【０１８７】
熱交換器６４０は、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水を用いて、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱する。
【０１８８】
熱交換器６４０は、アノード調圧弁２３０とエゼクタ２４０との間のアノードガス供給通路２２０に設けられる。本実施形態では、熱交換器６４０は、排出通路６１２をアノードガス供給通路２２０に近接させることにより実現される。
【０１８９】
さらに熱交換器６４０は、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱するヒータ６４１を備える。
【０１９０】
ヒータ６４１は、アノードガス供給通路２２０に設けられ、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータや、誘導加熱式の電気ヒータにより実現される。ヒータ６４１は、コントローラ４００によって不図示の電源と接続される。ヒータ６４１に対して電源が接続されると、ヒータ６４１に電力が供給されてヒータ６４１が加熱される。ヒータ６４１と電源との接続が遮断されると、ヒータ６４１の加熱が停止される。
【０１９１】
水温センサ４３０は、熱交換器６４０よりも上流であって燃料電池スタック１１０の近傍にある排出通路６１２に設けられる。水温センサ４３０は、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水の温度（以下、「スタック出口水温」という。）Ｔｗを検出する。水温センサ４３０は、スタック出口水温Ｔｗを示す検出信号をコントローラ４００に出力する。
【０１９２】
このように、エゼクタ２４０の上流に熱交換器６４０を設けることにより、燃料電池スタック１１０で温められた冷却水を利用して、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱することができる。このため、第１実施形態に比べて、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高くなるので、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくでき、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下をより抑制することができる。
【０１９３】
図１７は、本実施形態の燃料電池システム１０２の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０１９４】
本実施形態の制御方法では、図１３に示した一連の処理に加えて、ステップＳ９３１からＳ９３２までの処理が含まれている。そのため、これらの処理についてのみ説明する。
【０１９５】
ステップＳ９３１においてコントローラ４００は、ステップＳ９０３でエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを取得した後、水温センサ４３０からスタック出口水温Ｔｗを取得する。
【０１９６】
ステップＳ９３２においてコントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗよりも高いか否かを判断する。
【０１９７】
水温閾値Ｔｈ_ｗは、本実施形態では、温度センサ４２０により検出されるエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに設定される。これにより、スタック出口水温Ｔｗがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇよりも高いか否かが分かるので、熱交換器６４０によってアノードガスを加熱できるか否かを判定できる。
【０１９８】
あるいは、水温閾値Ｔｈ_ｗは、アノードオフガスの循環流量Ｑｓを確保できる所定の温度に設定されてもよい。これにより、熱交換器６４０及びヒータ６４１を用いてエゼクタ２４０の循環性能を早期に回復させることができる。
【０１９９】
ステップＳ９３３においてコントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗ以下である場合には、ヒータ６４１に電力を供給する。これにより、ヒータ６４１が加熱されるので、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスが温められ、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇する。これに伴い、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの密度ρが低下する。
【０２００】
この対策としてステップＳ９３３においてコントローラ４００は、さらにエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇの上昇に応じて、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給圧力Ｐ１を高くする。これにより、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの密度ρを一定に維持することができる。
【０２０１】
一方、コントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗよりも高い場合には、ヒータ６４１への電力供給を行わずにステップＳ９０４に進み、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに基づいて脈動幅ΔＰの補正係数Ｃを算出する。
【０２０２】
このように、スタック出口水温Ｔｗに応じて、ヒータ６４１への通電及びその遮断を切り替えることで、冷却水によってアノードガスを加熱できない場合にヒータ６４１を加熱することができる。したがって、熱交換器６４０及びヒータ６４１を互いに効率良く利用することができる。
【０２０３】
本発明の第２実施形態によれば、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水を熱交換器６４０に供給することによって、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱する。これにより、燃料電池スタック１１０の温度の上昇と共にエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇するので、脈動幅ΔＰを小さくすることができる。
【０２０４】
このように、燃料電池スタック１１０の発電に伴う発熱を冷却水により回収して、その冷却水と、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスとの間で熱交換することにより、効率良く、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを上昇させることができる。
【０２０５】
なお、本実施形態ではスタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗよりも低い場合であってもアノードガス圧力の脈動制御を実行する例について説明した。しかし、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗよりも低い場合には、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗを超えるまでは脈動制御を実行せずにアノードガス圧力Ｐ２が一定となるように制御するようにしてもよい。これにより、本実施形態に比べて燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制することができる。
【０２０６】
また、本実施形態では、ヒータ６４１への通電又は遮断を判断するのに、スタック出口水温Ｔｗを用いる例について説明したが、スタック出口水温Ｔｗの代わりにエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを用いてもよく、両者を用いてもよい。これにより、ヒータ６４１への通電をより的確に行うことが可能となる。
【０２０７】
（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０３の構成を示す図である。
【０２０８】
燃料電池システム１０３は、図１６に示した冷却装置６００に代えて冷却装置６０１を備えている。
【０２０９】
冷却装置６０１は、冷却装置６００の構成に加えてバイパス通路６１３と三方弁６５０とを備えている。
【０２１０】
バイパス通路６１３は、熱交換器６４０をバイパスさせる冷却水通路である。バイパス通路６１３の一端部は三方弁６５０に接続され、他端部はラジエータ６２０の入口孔に接続された排出通路６１２と合流する。バイパス通路６１３によって、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水を、熱交換器６４０に通さずにラジエータ６２０に循環させることが可能になる。
【０２１１】
三方弁６５０は、熱交換器６４０よりも上流の排出通路６１２に設けられる。三方弁６５０は、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水の循環経路を切り替える。三方弁６５０は、コントローラ４００によって制御される。
【０２１２】
循環経路は、三方弁６５０によって、冷却水をバイパス通路６１３に通さずに熱交換器６４０に通す第１経路、冷却水を熱交換器６４０に通さずにバイパス通路６１３に通す第２経路、又は冷却水を第１経路及び第２経路の両方に通す第３経路に設定される。
【０２１３】
三方弁６５０は、燃料電池スタック１１０から熱交換器６４０に排出される冷却水を遮断する遮断弁として機能する。具体的には三方弁６５０は、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水を通す冷却水通路を、熱交換器６４０からバイパス通路６１３へ切り替える。
【０２１４】
このように、熱交換器６４０よりも上流にバイパス通路６１３及び三方弁６５０を設けることにより、スタック出口水温Ｔｗに応じて熱交換器６４０をバイパスさせることができる。
【０２１５】
例えば、スタック出口水温Ｔｗがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇよりも低い場合には、三方弁６５０を制御して熱交換器６４０をバイパスさせることにより、冷却水によってエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが低下するのを防ぐことができる。
【０２１６】
図１９は、本実施形態における燃料電池システム１０３の制御方法の一例を示すフローチャートである。
【０２１７】
ここでは、図１３に示した一連の処理に加えて、ステップＳ９４１からＳ９４６までの処理が含まれているため、これらの処理についてのみ説明する。
【０２１８】
ステップＳ９４１においてコントローラ４００は、ステップＳ９０３でエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを取得した後、水温センサ４３０からスタック出口水温Ｔｗを取得する。
【０２１９】
ステップＳ９４２においてコントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗよりも高いか否かを判断する。水温閾値Ｔｈ_ｗは、例えば、温度センサ４２０により検出されるエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇに設定される。あるいは、水温閾値Ｔｈ_ｗは、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水が、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを超えるときの所定の温度に設定される。
【０２２０】
ステップＳ９４３においてコントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗよりも高い場合には、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水が熱交換器６４０を通過する循環経路となるように三方弁６５０を設定する。
【０２２１】
これにより、スタック出口水温Ｔｗがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇよりも高くなったときに、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水を熱交換器６４０に供給することができる。このため、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水によって、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスが加熱されるので、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを確実に上昇させることができる。
【０２２２】
一方、ステップＳ９４４においてコントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが水温閾値Ｔｈ_ｗ以下である場合には、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水がバイパス通路６１３を通過する循環経路となるように三方弁６５０を切り替える。
【０２２３】
これにより、スタック出口水温Ｔｗがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇよりも低いときには、熱交換器６４０に供給される冷却水が遮断されるので、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水によって、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを冷却してしまうことを回避できる。
【０２２４】
このようにスタック出口水温Ｔｗがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇよりも高くなったときに限り、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水が熱交換器６４０に供給されるので、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを速やかに上昇させることができる。
【０２２５】
ステップＳ９４５においてコントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇがガス温度閾値Ｔｈ_ｇよりも高いか否かを判断する。ガス温度閾値Ｔｈ_ｇは、エゼクタ２４０によって燃料電池スタック１１０に供給されるアノードオフガスの循環流量Ｑｓを確保できる温度に設定される。ガス温度閾値Ｔｈ_ｇは、例えば氷点温度に基づいて設定される。
【０２２６】
ステップＳ９４６においてコントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇがガス温度閾値Ｔｈ_ｇ以下である場合には、ヒータ６４１に電力を供給する。これにより、ヒータ６４１が加熱されるので、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスが温められ、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇する。
【０２２７】
コントローラ４００は、ヒータ６４１に電力を供給するとともに、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇの上昇に応じて、アノード調圧弁２３０からエゼクタ２４０に供給されるアノードガスの供給圧力Ｐ１を高くする。これにより、エゼクタ２４０に供給されるアノードガスの密度ρが一定に維持される。
【０２２８】
そしてコントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇがガス温度閾値Ｔｈ_ｇよりも高くなるまで、ステップＳ９４２に戻り、熱交換器６４０及びヒータ６４１を用いてエゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱する。
【０２２９】
その後、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇがガス温度閾値Ｔｈ_ｇよりも高くなった場合には、コントローラ４００は、ステップＳ９０４に進み、脈動幅ΔＰを狭くした状態でアノードガスの圧力を脈動させる。
【０２３０】
本発明の第３実施形態によれば、熱交換器６４０よりも上流の排出通路６１２に三方弁６５０が設けられる。そしてコントローラ４００は、スタック出口水温Ｔｗが所定の水温閾値Ｔｈ_ｗよりも低い場合には、三方弁６５０を制御して燃料電池スタック１１０から熱交換器６４０に供給される冷却水を遮断する。
【０２３１】
一般的に、高圧タンク２１０にアノードガスが充填された直後は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスの温度が、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水の温度Ｔｗよりも高くなりやすい。また、零下で燃料電池システム１０３が起動されたときにも、エゼクタ２４０の上流温度がスタック出口水温Ｔｗよりも高くなることがある。
【０２３２】
これに対して本実施形態では、スタック出口水温Ｔｗがエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇよりも低い場合には、燃料電池スタック１１０から熱交換器６４０への通水を停止する。これにより、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水によって、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスが冷やされてしまうことを回避することができる。
【０２３３】
なお、本実施形態では、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが、ガス温度閾値Ｔｈ_ｇを超えるまではアノードガス圧力の脈動制御を実行しない例について説明した。しかし、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが、ガス温度閾値Ｔｈ_ｇを超えていない場合であっても、アノードガス圧力の脈動制御を実行してもよい。これにより、早期に燃料電池システム１０３を起動させることができる。
【０２３４】
（第４実施形態）
図２０は、本発明の第４実施形態における燃料電池システム１０４の構成を示す図である。
【０２３５】
燃料電池システム１０４は、燃料電池システム１０１の構成に加えて、負荷装置１２０を冷却する冷却装置７００を備える。
【０２３６】
冷却装置７００は、負荷装置１２０と、冷却水循環通路７１０と、ラジエータ７２０と、循環ポンプ７３０と、熱交換器７４０とを備える。さらに冷却装置７００は水温センサ４４０を備える。
【０２３７】
負荷装置１２０は、燃料電池スタック１１０に接続される電気的な負荷である。負荷装置１２０は、例えば電動モータや、燃料電池スタック１１０の直流電力を交流電力に変換して電動モータに供給するインバータなどである。負荷装置１２０は、冷却水循環通路７１０を流れる冷却水によって冷却される。
【０２３８】
冷却水循環通路７１０は、供給通路７１１と排出通路７１２とを含む。
【０２３９】
供給通路７１１は、冷却水を負荷装置１２０に通す冷却水通路である。供給通路７１１は、ラジエータ７２０の出口孔と、負荷装置１２０の冷却水入口孔との間を接続する。
【０２４０】
排出通路７１２は、負荷装置１２０から排出された冷却水をラジエータ７２０に通す冷却水通路である。排出通路７１２は、負荷装置１２０の冷却水出口孔とラジエータ７２０の入口孔との間を接続する。
【０２４１】
ラジエータ７２０は、負荷装置１２０から排出された冷却水を冷却する。
【０２４２】
循環ポンプ７３０は、供給通路７１１に設けられる。循環ポンプ７３０は、ラジエータ７２０で冷やされた冷却水を負荷装置１２０に循環させる。
【０２４３】
熱交換器７４０は、負荷装置１２０から排出される冷却水を用いてエゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱する。
【０２４４】
熱交換器７４０は、アノード調圧弁２３０とエゼクタ２４０との間のアノードガス供給通路２２０に設けられる。本実施形態では、熱交換器７４０は、排出通路７１２をアノードガス供給通路２２０に近接させることにより実現される。
【０２４５】
水温センサ４４０は、熱交換器７４０よりも上流であって負荷装置１２０の近傍にある排出通路７１２に設けられる。水温センサ４４０は、負荷装置１２０から排出される冷却水の温度（以下、「負荷出口水温」という。）Ｔｗを検出する。水温センサ４４０は、負荷出口水温Ｔｗを示す検出信号をコントローラ４００に出力する。
【０２４６】
このように、エゼクタ２４０の上流に熱交換器７４０を設けることにより、負荷装置１２０で温められた冷却水を利用して、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱することができる。一般的に、負荷装置１２０で温められる冷却水は、燃料電池スタック１１０で温められる冷却水よりも温度の上昇が早い。このため、第１実施形態に比べて、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが高くなるので、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを小さくでき、燃料電池スタック１１０の耐久性の低下をより抑制することができる。
【０２４７】
本発明の第４実施形態によれば、負荷装置１２０から排出される冷却水を熱交換器７４０に供給することによって、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱する。これにより、負荷装置１２０の温度上昇と共にエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが上昇するので、脈動幅ΔＰを早期に抑制することができる。
【０２４８】
このように、電動モータやインバータの駆動に伴う発熱を冷却水により回収して、その冷却水と、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスとの間で熱交換することにより、効率良く、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを上昇させることができる。
【０２４９】
また、第２及び第３実施形態に比べて、冷却水の温度上昇が早いので、速やかにエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを上昇させることができる。すなわち、燃料電池スタック１１０から排出される冷却水を利用する場合に比べて、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを迅速に昇温させることができる。
【０２５０】
（第５実施形態）
図２１は、本発明の第５実施形態における燃料電池システム１０５の構成を示す図である。
【０２５１】
燃料電池システム１０５は、燃料電池システム１０１の構成に加え、エゼクタ２４０に対して凍結を防止するために設けられた凍結防止ヒータ８４０を備える。なお、温度センサ４２０は、アノードガス供給通路２２０に配置されるが、便宜上、アノードガス供給通路２２０から離れた位置に示されている。
【０２５２】
凍結防止ヒータ８４０は、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガス供給通路２２０からエゼクタ２４０の全体に設けられる。凍結防止ヒータ８４０は、例えば、抵抗加熱式の電気ヒータや、誘導加熱式の電気ヒータにより実現される。凍結防止ヒータ８４０に対する通電又は遮断は、コントローラ４００によって切り替えられる。
【０２５３】
コントローラ４００は、例えば、外気温センサ４２１により検出される外気温度Ｔａｉｒが氷点温度よりも低い場合には、エゼクタ２４０の凍結を防止するために、不図示の電源から凍結防止ヒータ８４０に通電して凍結防止ヒータ８４０を加熱する。
【０２５４】
さらに本実施形態では、コントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが、エゼクタ２４０の循環性能を確保するために必要な循環温度よりも低い場合には、アノードガス圧力の脈動制御を実行しつつ、凍結防止ヒータ８４０を加熱する。
【０２５５】
エゼクタ２４０の循環温度は、エゼクタ２４０によって燃料電池スタック１１０に供給されるアノードオフガスの循環流量Ｑｓを確保できる温度に設定される。循環温度は、例えば、氷点温度や燃料電池スタック１１０の発電に適した温度などに設定される。
【０２５６】
本発明の第５実施形態によれば、コントローラ４００は、アノードガスの圧力Ｐ２を脈動させているときに、凍結防止ヒータ８４０に電力を供給することにより、エゼクタ２４０よりも上流のアノードガスを加熱する。
【０２５７】
これにより、凍結防止ヒータ８４０を利用して、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを上昇させることができるので、新たにヒータを設けることなく、アノードガス圧力の脈動幅ΔＰを速やかに小さくすることができる。
【０２５８】
また本実施形態では、コントローラ４００は、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇが、エゼクタ２４０の循環性能を確保するために定められた循環温度になるまで、凍結防止ヒータ８４０を加熱する。これにより、燃料電池システム１０３が低温時に起動された場合において、エゼクタ２４０の吸引（ポンプ）性能を早期に回復させることができる。
【０２５９】
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。
【０２６０】
例えば、本実施形態では、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを高くして脈動幅ΔＰを狭くして燃料電池スタック１１０の耐久性の低下を抑制する例について説明したが、エゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを高くして燃料電池スタック１１０を加湿するようにしてもよい。
【０２６１】
例えば、図１６又は図２１に示した燃料電池システム１０２又は１０５において、燃料電池スタック１１０の湿潤状態と相関のあるパラメータとして、燃料電池スタック１１０の内部抵抗や温度を検出する。そしてコントローラ４００は、そのパラメータが所定の湿潤閾値よりも低い場合には、ヒータ６４１又は、凍結防止ヒータ８４０を加熱する。湿潤閾値は、例えば、実験等によって定められる。
【０２６２】
このように、燃料電池スタック１１０が乾燥した状態のときにエゼクタ２４０の上流温度Ｔｇを上昇させることにより、エゼクタ２４０によって循環されるアノードオフガスの循環流量Ｑｓが増加するので、燃料電池スタック１１０の乾燥を抑制することができる。
【０２６３】
また、本実施形態では、第２圧力センサ４１２の検出信号を用いてアノードガスの圧力Ｐ２を脈動させる例について説明したが、計測カウンタで計測された経過時間に応じて、脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐと脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎとを切り替えるようにしてもよい。例えば、コントローラ４００は、実験等によって定められた切替時間が経過するたびに、アノードガス目標圧力Ｐｔを脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎから脈動上限圧力Ｐ２_ｕｐに切り替え、予め定められた昇圧時間が経過した後に脈動下限圧力Ｐ２_ｄｎに戻して計測カウンタをリセットする。
【０２６４】
また、アノード調圧弁２３０は、ＯＮ／ＯＦＦバルブでもよく、ソレノイドバルブであってもよい。
【０２６５】
また、本実施形態では、アノードガス供給通路２２０を加熱する例について説明したが、高圧タンク２１０を温めてもよい。
【０２６６】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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