(57)【要約】【課題】実用的な計算時間で精度良く最適なパージインターバルを決定する。【解決手段】パージインターバル決定装置は、パージインターバル毎にアノード極側を掃気する燃料電池システムを模擬したシミュレーションモデル６５を有し、燃料ガス分圧の初期値、出力電流密度、パージインターバル、アノード極への窒素ガス透過量及び燃料ガス中の不純物ガス濃度をシミュレーションモデルに入力して燃料電池スタックの燃料ガス分圧を推定し、その燃料ガス分圧に基づきパージインターバルの最適値を決定する。その際、Ｘ倍速処理部６２は、パージインターバルを設定値の１／Ｘ倍、窒素ガス透過量及び不純物ガス濃度を設定値のＸ倍として、シミュレーションを実行する。１倍速処理部６３は、Ｘ倍速処理部６２のシミュレーション結果に基づき、パージインターバル、窒素ガス透過量及び不純物ガス濃度を設定値の１倍として、シミュレーションを実行する。【選択図】図４
2016076298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの燃料ガス供給口に接続され、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックの燃料ガス排出口に接続され、パージインターバルＴＰ毎に開弁されて前記燃料電池スタック内の燃料ガスを排出するパージ制御弁とを備える燃料電池システムを模擬したシミュレーションモデルを有し、前記燃料電池スタック内の燃料ガス分圧の初期値と、前記燃料電池スタックの出力電流密度の条件値、前記パージインターバルＴＰの条件値、前記燃料電池スタック内でのカソード極からアノード極への窒素ガス透過量の条件値、及び、前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス中の不純物ガス濃度の条件値とを前記シミュレーションモデルに入力して前記燃料電池スタック内の燃料ガス分圧を繰り返し推定し、推定された前記燃料ガス分圧に基づいて前記パージインターバルの最適値を決定する、燃料電池システムのパージインターバル決定装置であって、
前記燃料ガス分圧の設定値と、前記出力電流密度の設定値、前記パージインターバルの設定値、前記窒素ガス透過量の設定値、及び、前記不純物ガス濃度の設定値とをそれぞれ設定する設定部と、
前記設定部により設定された前記燃料ガスの設定値を前記燃料ガス分圧の初期値として、前記設定部により設定された前記出力電流密度の設定値、前記設定部により設定された前記パージインターバルの設定値の１／Ｘ（Ｘ＞１）倍の値、前記設定部により設定された前記窒素ガス透過量の設定値のＸ倍の値、及び、前記設定部により設定された前記不純物ガス濃度の設定値のＸ倍の値を前記条件値として、それぞれ前記シミュレーションモデルに入力して、前記燃料ガス分圧を推定すると共に、前記パージインターバルの条件値の終点における前記燃料ガス分圧である終点分圧値が収束するまで前記条件値を維持しつつ前記燃料ガス分圧の推定を繰り返し、それにより前記終点分圧値の収束値である終点分圧収束値を算出する、Ｘ倍速処理部と、
前記Ｘ倍速処理部により算出された前記終点分圧収束値を前記燃料ガス分圧の初期値として、前記設定部により設定された前記出力電流密度の設定値、前記設定部により設定された前記パージインターバルの設定値、前記設定部により設定された前記窒素ガス透過量の設定値、及び、前記設定部により設定された前記不純物ガス濃度の設定値を前記条件値として、それぞれ前記シミュレーションモデルに入力して、前記燃料ガス分圧を推定すると共に、前記終点分圧値が収束するまで前記条件値を維持しつつ前記燃料ガス分圧の推定を繰り返し、それにより前記終点分圧収束値を算出し、更に、前記終点分圧収束値が所定の圧力範囲内になるまで前記パージインターバル以外の前記条件値を維持しつつ前記パージインターバルの条件値を変更して前記終点分圧収束値の算出を繰り返し、前記終点分圧収束値が所定の圧力範囲内になったときの前記パージインターバルの条件値を前記最適値に決定する、１倍速処理部と、
を備える、燃料電池システムのパージインターバル決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのパージインターバル決定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを模擬したシミュレーションモデルを有し、燃料電池システムに関する初期値と条件値とをシミュレーションモデルに入力して、燃料電池スタックのガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算するガス流動解析と、電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する発電解析と、反応ガスに含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する気液二相流解析とを行う燃料電池シミュレータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、燃料電池システムとして、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの燃料ガス供給口に接続され、燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池スタックの燃料ガス排出口に接続され、パージインターバル毎に開弁されて燃料電池スタック内の燃料ガスを排出するパージ制御弁とを備える、燃料ガスが循環しない燃料電池システムが考えられている。この燃料電池システムでは、消費された分だけの燃料ガスが補充されるように燃料ガス供給装置から燃料電池スタックの燃料ガス供給口へ燃料ガスが供給されるが、そのときに燃料電池スタックの燃料電池単セルのアノード極側に蓄積したガスを直ちに排出することはない。しかし、カソード極側からアノード極側へ窒素ガスが拡散するため、アノード極側の燃料ガスの分圧が低下してゆき、いずれアノード極側の燃料ガスが不足することになる。そこで、この燃料電池システムは、所定のパージインターバル毎にパージ制御弁を開弁し、燃料ガス供給装置から燃料電池スタックのアノード極側へ燃料ガスを供給しながら、アノード極側を掃気して、アノード極側に蓄積した窒素ガスを排気している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３５８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の燃料電池システムでは、アノード極側の燃料ガスが不足しないようにし、かつ、燃料ガスを不必要に排出しないようにするために、パージインターバルには最適値が存在する。
【０００６】
特許文献１の燃料電池シミュレータは、特許文献１には記載されていないが、上記の燃料ガスを循環させない燃料電池システムを模擬したシミュレーションモデルを用い、燃料電池スタック内の燃料ガス分圧の初期値と、燃料電池スタックの出力電流密度の条件値、パージインターバルの条件値、燃料電池スタック内でのカソード極からアノード極への窒素ガス透過量の条件値、及び、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス中の不純物ガス濃度の条件値とを上記のシミュレーションモデルに入力して燃料電池スタック内の燃料ガス分圧を繰り返し推定し、推定された燃料ガス分圧に基づいてパージインターバルの最適値を決定する、という処理を実行できるかもしれない。
【０００７】
しかし、シミュレーションモデルに入力すべき初期値や条件値をそのまま用いてシミュレーションを実行すると、精度は高いが、計算時間が非常に長くなり実用的ではない。実用的な計算時間で精度良くパージインターバルの最適値を決定する技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの燃料ガス供給口に接続され、前記燃料電池スタックへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックの燃料ガス排出口に接続され、パージインターバル毎に開弁されて前記燃料電池スタック内の燃料ガスを排出するパージ制御弁とを備える燃料電池システムを模擬したシミュレーションモデルを有し、前記燃料電池スタック内の燃料ガス分圧の初期値と、前記燃料電池スタックの出力電流密度の条件値、前記パージインターバルの条件値、前記燃料電池スタック内でのカソード極からアノード極への窒素ガス透過量の条件値、及び、前記燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス中の不純物ガス濃度の条件値とを前記シミュレーションモデルに入力して前記燃料電池スタック内の燃料ガス分圧を繰り返し推定し、推定された前記燃料ガス分圧に基づいて前記パージインターバルの最適値を決定する、燃料電池システムのパージインターバル決定装置であって、前記燃料ガス分圧の設定値と、前記出力電流密度の設定値、前記パージインターバルの設定値、前記窒素ガス透過量の設定値、及び、前記不純物ガス濃度の設定値とをそれぞれ設定する設定部と、前記設定部により設定された前記燃料ガスの設定値を前記燃料ガス分圧の初期値として、前記設定部により設定された前記出力電流密度の設定値、前記設定部により設定された前記パージインターバルの設定値の１／Ｘ（Ｘ＞１）倍の値、前記設定部により設定された前記窒素ガス透過量の設定値のＸ倍の値、及び、前記設定部により設定された前記不純物ガス濃度の設定値のＸ倍の値を前記条件値として、それぞれ前記シミュレーションモデルに入力して、前記燃料ガス分圧を推定すると共に、前記パージインターバルの条件値の終点における前記燃料ガス分圧である終点分圧値が収束するまで前記条件値を維持しつつ前記燃料ガス分圧の推定を繰り返し、それにより前記終点分圧値の収束値である終点分圧収束値を算出する、Ｘ倍速処理部と、前記Ｘ倍速処理部により算出された前記終点分圧収束値を前記燃料ガス分圧の初期値として、前記設定部により設定された前記出力電流密度の設定値、前記設定部により設定された前記パージインターバルの設定値、前記設定部により設定された前記窒素ガス透過量の設定値、及び、前記設定部により設定された前記不純物ガス濃度の設定値を前記条件値として、それぞれ前記シミュレーションモデルに入力して、前記燃料ガス分圧を推定すると共に、前記終点分圧値が収束するまで前記条件値を維持しつつ前記燃料ガス分圧の推定を繰り返し、それにより前記終点分圧収束値を算出し、更に、前記終点分圧収束値が所定の圧力範囲内になるまで前記パージインターバル以外の前記条件値を維持しつつ前記パージインターバルの条件値を変更して前記終点分圧収束値の算出を繰り返し、前記終点分圧収束値が所定の圧力範囲内になったときの前記パージインターバルの条件値を前記最適値に決定する、１倍速処理部と、を備える、燃料電池システムのパージインターバル決定装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
実用的な計算時間で精度良くパージインターバルの最適値を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの構成例を示す概略図である。
【図２】パージ動作における水素ガス分圧の推移と、パージ制御弁の開閉との関係を示すグラフである。
【図３】出力電流密度とパージインターバルとの関係の一例を示すグラフである。
【図４】パージインターバル決定装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図５】燃料電池システムのうちシミュレーションモデルの対象部分を示す概略図である。
【図６】図５に対応するシミュレーションモデルの構成例を示す概略図である。
【図７】燃料ガス供給装置から供給される水素ガスの圧力変動を示すグラフである。
【図８】シミュレーションの初期値と条件値とを説明する概略図である。
【図９】シミュレーションの水素ガス分圧の推定方法を説明する概略図である。
【図１０】パージインターバル決定方法を示すフローチャートである。
【図１１】パージインターバル決定方法のＸ倍速処理を示すフローチャートである。
【図１２】パージインターバル決定方法の１倍速処理を示すフローチャートである。
【図１３】実際の車両の実験結果とシミュレーションの計算結果とを比較したグラフである。
【図１４】燃料電池システムの別の構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
パージインターバル決定装置がパージインターバルを決定する対象である燃料電池システムＡについて説明する。図１は、燃料電池システムＡの構成例を示す概略図である。燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は複数の燃料電池単セル（図示せず）が積層方向に互いに積層された積層体を備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
【００１２】
燃料電池単セルのアノード極は隣接する燃料電池単セルのカソード極に、カソード極は隣接する他の燃料電池単セルのアノード極にそれぞれ電気的に接続される。燃料電池単セルの積層体の一方の端のアノード極と他方の端のカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してインバータに電気的に接続され、インバータは車両等のモータジェネレータに電気的に接続される。また、別の実施例では、燃料電池システム１は、バッテリのような蓄電器を備える。これらの電気的な構成については、図示を省略している。
【００１３】
また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給する空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。また、燃料電池スタック１０内には、複数の燃料電池単セルの各々の水素ガス流通路の入口に水素ガスを供給する水素ガス入口マニホールド３０ｉと、水素ガス流通路の出口から排出される水素ガスを含むガスを収集する水素ガス出口マニホールド３０ｏとが形成される。また、複数の燃料電池単セルの各々の空気流通路の入口に空気を供給する空気入口マニホールド４０ｉと、空気流通路の出口から排出される空気を含むガスを収集する空気出口マニホールド４０ｏとが形成される。更に、複数の燃料電池単セルの各々の冷却水流通路の入口に冷却水を供給する冷却水入口マニホールドと、冷却水流通路の出口から排出される冷却水を収集する冷却水出口マニホールドとが形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路、空気流通路、及び冷却水流通路がそれぞれ各入口マニホールド及び各出口マニホールドに並列接続されることにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路（図示せず）がそれぞれ形成される。
【００１４】
水素ガス通路３０の入口である水素ガス供給口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は燃料ガス源である水素タンク３２に連結される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガスを噴射する水素ガスインジェクタ３５と、水素ガス供給管３１内の圧力を測定する圧力センサＳと、が配置される。一方、水素ガス通路３０の出口である水素ガス排出口にはバッファタンク３７が連結される。バッファタンク３７の下部には液体及び気体を排出するための排出管３６ａが連結され、排出管３６ａ内には液体及び気体の排出を制御するパージ制御弁３８が配置される。遮断弁３３が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが、レギュレータ３４で調圧され、水素ガスインジェクタ３５で流量を調節されて、水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。すなわち、図１に示される実施例の燃料電池システムＡは、水素ガス通路３０の出口である水素ガス排出口と水素ガス供給管３１とが分離され、水素ガスが循環しない水素ガス非循環型のシステムということができる。
【００１５】
図１に示される実施例では、水素ガス供給管３１の圧力が例えば燃料電池システムＡの負荷に応じて定まる目標圧力に維持されるように水素ガス供給管３１に水素ガスが供給され、それにより、燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０の圧力も目標圧力に維持される。言い換えると、パージ制御弁３８が閉弁されているときには、燃料電池スタック１０で消費された分の水素ガスが補充されるように水素ガス供給管３１に水素ガスが供給される。
【００１６】
これに対し、例えば、パージ制御弁３８が開弁されると、燃料電池スタック１０の水素ガス通路３０及びバッファタンク３７が、水素ガス供給管３１に供給される水素ガスによって掃気される。このとき水素ガス通路３０から流出するアノードオフガス、すなわちパージガスはバッファタンク３７を介してパージ制御弁３８から排出される。
【００１７】
また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源である大気４２に連結される。空気供給管４１内には上流側から順に、エアクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス制御弁４７が配置される。更に、インタークーラ４５下流の空気供給管４１に空気バイパス管４９の入口が連結され、空気バイパス管４９の出口がカソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に連結される。空気バイパス管４９内には、空気バイパス制御弁４８が配置されている。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。また、空気バイパス制御弁４８が開弁されると、コンプレッサ４４から吐出された空気の一部又は全部が空気バイパス管４９を介してカソードオフガス管４６に供給される。
【００１８】
更に、冷却水通路の入口には冷却水供給管の一端が連結され、冷却水通路の出口には冷却水供給管の他端が連結される。冷却水供給管内には冷却水を圧送する冷却水ポンプと冷却水を冷却するラジエータとが配置される。冷却水ポンプが駆動されると、冷却水ポンプから吐出された冷却水は冷却水供給管を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路内に流入し、次いで冷却水通路を通って冷却水供給管内に流入し、ラジエータを介して冷却水ポンプに戻る。これら冷却水に関わる構成については図示を省略している。
【００１９】
電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。出力センサ（図示せず）や圧力センサＳの出力信号は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。一方、出力ポート５６は対応する駆動回路５８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータ及びモータジェネレータのような駆動機器（図示されず）、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガスインジェクタ３５、パージ制御弁３８、上部排気排出弁３９、コンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、空気バイパス制御弁４８、冷却ポンプ（図示せず）に電気的に接続される。
【００２０】
燃料電池スタック１０に水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック１０では水素と酸素とによる電気化学反応により電気エネルギが発生される。この電気エネルギは例えば車両等のモータジェネレータに供給される。
【００２１】
ところで、燃料電池単セルでは、カソード極側の空気中の窒素ガスが電解質を拡散してアノード極に到達する窒素ガスクロスオーバーが発生する。また、水素ガス供給管３１から水素ガス通路３０へ供給される水素ガスにも不純物ガスとして例えば窒素ガスが含まれる。その結果、燃料電池システム１の運転時間が長くなるに連れて、燃料電池スタック１０の水素ガス通路３０及びバッファタンク３７内の窒素ガスの濃度が高くなる。特に、各燃料電池単セル内の水素ガス流通路の出口付近、すなわち水素ガス出口マニホールド付近では、窒素ガスの濃度が非常に高くなり、発電に必要な水素ガスが不足して、発電が起こり難くなる状態、すなわち水素欠乏状態が発生する。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、水素欠乏状態の発生を防止するべく、燃料電池スタック１０の水素ガス通路３０及びバッファタンク３７から窒素ガスを除去するために、パージ動作が周期的に行われる。パージ動作では、所定のパージインターバル毎にパージ制御弁３８が開弁され、燃料電池スタック１０の水素ガス通路３０及び及びバッファタンク３７からなる水素ガス流路が、水素ガス供給管３１に供給される水素ガスによって掃気され、すなわち水素ガス流路中の窒素ガスが排気される。それにより、水素ガス分圧が上昇して、水素欠乏状態の発生が防止される。
【００２２】
図２は、パージ動作における水素ガス分圧ＰＨの推移と、パージ制御弁３８の開閉との関係を示す図である。上側のグラフは、燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨの推移を示す。曲線Ｃｉ、Ｃｍ及びＣｏはそれぞれ燃料電池スタック１０の水素ガス供給管３１に近い側、中央部、水素ガス供給管３１から遠い側の燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨを示す。下側のグラフは、パージ制御弁の開閉の状態を示す。ただし、出力電流密度ｉは一定とする。
【００２３】
図に示すように、各燃料電池単セルの水素ガス分圧ＰＨは、パージインターバルＴＰの初期Ｘ１では高い値を示すが、時間経過と共に窒素ガス等の影響により減少し、終期Ｘ２では小さい値となり、次のパージ動作を行う直前にて極小値となる。ここで、燃料電池単セルで水素欠乏状態が発生し得る水素ガス分圧ＰＨの閾値を下限閾値分圧ＰＨＬとすると、極小値のときの水素ガス分圧ＰＨとしての終点分圧値ＰＨＥＰが常に下限閾値分圧ＰＨＬ以上になるようにする必要がある。したがって、終点分圧値ＰＨＥＰ≧下限閾値分圧ＰＨＬとなるように、パージインターバルＴＰが設定される。
【００２４】
パージ動作では、パージインターバルＴＰ毎に、パージ制御弁３８が所定の開弁時間Δｔだけ開弁される。その結果、水素ガス通路３０及びバッファタンク３７のパージガスの圧力と排出管３６ａ内の圧力との差により、パージ制御弁３８から排出管３６ａ内へパージガスが排出される。ここで、パージガスには、水素ガスに加えて、水素ガス通路３０及びバッファタンク３７内の窒素ガスが含まれる。そのため、パージ動作により水素ガス通路３０及びバッファタンク３７内の窒素ガスが低減される。このとき、水素ガス通路３０及びバッファタンク３７内から排出されたパージガスの分だけ、水素ガスインジェクタ３５から水素ガス供給管３１を介して水素ガス通路３０へ水素ガスが供給されるので、燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨは、再び高い値に戻る。その後、水素ガス分圧ＰＨは、再び、時間経過と共に窒素ガスの影響により減少してゆく。それゆえ、再びパージ動作を実施する。以下同様である。
【００２５】
このように、出力電流密度ｉが一定の場合、適切なパージインターバルＴＰを設定してパージ動作を実行することにより、水素欠乏状態の発生を防止することができる。
【００２６】
図３は、出力電流密度ｉとパージインターバルＴＰの最適値との関係の一例を示すグラフである。縦軸はパージインターバルＴＰを示し、横軸は出力電流密度ｉを示す。このグラフの曲線は、各出力電流密度ｉにおいて水素欠乏状態が発生しない最長のパージインターバルＴＰを示している。この図の例では、出力電流密度ｉが０．２Ａ／ｃｍ２、１．２Ａ／ｃｍ２、２Ａ／ｃｍ２のとき、パージインターバルＴＰの最適値はそれぞれ２０秒、６秒、４秒である。ここで、燃料電池システムＡを車両の動力源として用いる場合には、出力電流密度ｉは車両の運転条件に対応するから、例えば約０．２Ａ／ｃｍ２が市街地走行に対応し、約１．２Ａ／ｃｍ２は高速走行に対応し、約２Ａ／ｃｍ２はＷＯＴ（Ｗｉｄｅ  Ｏｐｅｎ  Ｔｈｒｏｔｔｌｅ：全負荷）走行に対応する、と見ることができる。その場合、市街地走行、高速走行、ＷＯＴ走行には、パージインターバルＴＰとしてそれぞれ２０秒、６秒、４秒を用いることができる。
【００２７】
しかし、実際の車両において、燃料電池スタック１０の内部、特に各燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨを計測することは困難であり、図３のような関係を把握することは難しい。そのため、シミュレーションにより、燃料電池スタック１０の内部、すなわち各燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨを把握することで、運転条件ごとに水素欠乏状態を発生させないパージインターバルＴＰを決定する必要がある。
【００２８】
そこで、本実施例に係る燃料電池システムのパージインターバル決定装置では、燃料電池システムＡについて、実用的な時間で精度良く水素ガス分圧ＰＨを推定でき、運転条件（出力電流密度ｉ）に応じた最適なパージインターバルＴＰを決定できるシミュレーション方法を実現する。
【００２９】
図４は、燃料電池システムのパージインターバル決定装置６０の構成例を示す機能ブロック図である。パージインターバル決定装置６０は、シミュレーションを実行し最適なパージインターバルＴＰを決定する。パージインターバル決定装置６０はコンピュータに例示される情報処理装置である。パージインターバル決定装置６０は、図示されていないＣＰＵと記憶装置とリムーバルメモリドライブと通信装置と入力装置と出力装置とインターフェースとを備えている。ＣＰＵは、パージインターバル決定装置６０にインストールされたコンピュータプログラムを実行し、これら記憶装置等を制御する。記憶装置は、コンピュータプログラムを記憶し、更にＣＰＵが利用する情報及び生成した情報を記憶する。リムーバルメモリドライブは、コンピュータプログラムが記憶された記憶媒体から、コンピュータプログラムをパージインターバル決定装置６０にインストールするときに用いられる。通信装置は、通信回線網を介して他のコンピュータからコンピュータプログラムをパージインターバル決定装置６０にダウンロード／インストールするときに用いられる。入力装置は、ユーザ操作により生成される情報をＣＰＵに出力する。出力装置は、ＣＰＵにより生成された情報をユーザ認識可能に出力する。インターフェースは、パージインターバル決定装置６０に接続される外部機器により生成される情報をＣＰＵに出力し、ＣＰＵにより生成された情報を外部機器に出力する。外部機器は、車両に搭載されたコンピュータを含んでいる。記憶装置としては、ＲＯＭやＲＡＭやＨＤＤや不揮発性メモリが例示される。リムーバルメモリドライブとしては、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブが例示される。入力装置としては、キーボード、マウスが例示される。出力装置としては、ディスプレイやプリンタが例示される。
【００３０】
パージインターバル決定装置６０にインストールされるコンピュータプログラムは、パージインターバル決定装置６０に複数の機能をそれぞれ実現させるための複数のコンピュータプログラムから形成さる。その複数の機能は、シミュレーションモデル６５を記憶する記憶部６４と、シミュレーションモデル６５を用いてシミュレーションを行うときに初期値や条件値を設定する設定部６１と、シミュレーションモデル６５を用いてシミュレーションをＸ倍速処理で実行するＸ倍速処理部６２と、シミュレーションモデル６５を用いてシミュレーションを１倍速処理で実行し、パージインターバルＴＰの決定を行う１倍速処理部６３とを含む。
【００３１】
シミュレーションに用いられるシミュレーションモデル６５について説明する。既述のように燃料電池スタック１０の構造は極めて複雑であり、このような燃料電池スタック１０をシミュレーションモデルで忠実に模擬することは、メッシュ数が膨大になるため、精度は高いが、計算時間が非常に長くなり実用的ではない。そこで、パージインターバル決定装置６０のシミュレーションモデル６５は、以下に示すような構成として計算時間の短縮を図っている。
【００３２】
図５は、燃料電池システムＡのうちシミュレーションモデル６５の対象部分を示す概略図である。また、図６は、図５に対応するシミュレーションモデル６５の構成例を示す概略図である。シミュレーションモデル６５は、各燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨを把握するための計算モデルであり、主に水素ガスに関わる構成を模擬する。空気に関わる構成については、空気中の窒素ガスがカソード極側からアノード極側へ拡散する窒素ガスの透過量で考慮される。シミュレーションモデル６５で模擬する燃料電池システムＡは、図５に示すように、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の水素ガス供給口（水素ガス通路３０の入口）に接続され、燃料電池スタック１０へ水素ガスを供給する燃料ガス供給装置（水素ガスインジェクタ３５）と、燃料電池スタック１０の水素ガス排出口（水素ガス通路３０の出口）に接続され、パージインターバルＴＰ毎に開弁されて燃料電池スタック１０内の水素ガスを排出するパージ制御弁３８とを備える。燃料電池スタック１０内には、水素ガス供給口に接続された水素ガス入口マニホールド３０ｉと、水素ガス排出口に接続された水素ガス出口マニホールド３０ｏが設けられている。
【００３３】
燃料電池システムＡに対応するシミュレーションモデル６５は、図６に示すように、燃料電池スタック本体モデル８０、水素ガス入口マニホールドモデル８１、水素ガス出口マニホールドモデル８２、インジェクタモデル８３、パージ制御弁モデル８４で構成される。図５の燃料電池システムＡと対比すると、燃料電池スタック本体モデル８０は、燃料電池単セルの積層体のうち水素ガス通路３０の水素ガス流通路を含む膜電極接合体２０の部分を模擬している。水素ガス入口マニホールドモデル８１は、水素ガス通路３０の水素ガス入口マニホールド３０ｉを模擬している。水素ガス出口マニホールドモデル８２は水素ガス通路３０の水素ガス出口マニホールド３０ｏを模擬している。インジェクタモデル８３は、水素ガスインジェクタ３５及び水素ガス供給管３１を模擬している。パージ制御弁モデル８４はアノードオフガス管３６、バッファタンク３７及びパージ制御弁３８を模擬している。各モデルは複数のメッシュに分割され、各メッシュの水素ガス分圧ＰＨの推移がシミュレーションにより計算される。
【００３４】
インジェクタモデル８３は、インジェクタ入口境界８５と、圧力モニター領域８６とを含む。インジェクタモデル８３は、インジェクタ入口境界８５から水素ガスを水素ガス入口マニホールドモデル８１へ供給する。水素ガスは、例えば体積濃度０．９９９であり、不純物ガスとして体積濃度０．００１の窒素ガスを含む。このとき、圧力モニター領域８６での水素ガスの圧力が実験から取得した図７に示す圧力脈動に一致するように、インジェクタ入口境界８５から供給する水素ガスの流量を制御する。
【００３５】
パージ制御弁モデル８４は、排気領域８７と、流量モニター領域８８とを含む。パージ制御弁モデル８４は、パージ制御弁３８を開弁するタイミングで排気領域８７から水素ガス及び窒素ガスの混合ガスを外部へ流出させる。このとき、流量モニター領域８８での混合ガスの流量が所定の入力値になるように制御する。
【００３６】
燃料電池スタック本体モデル８０は、燃料電池単セルの水素ガス流通路の溝や山を忠実に模擬せず、外形の直方体の形状のみを模擬する。また、燃料電池単セルは圧損が付与された多孔体とする。すなわち、燃料電池単セルは、水素ガスの圧損が実験で得られる水素ガスの圧損と同じになるように多孔質の抵抗体として設定される。例えば１０枚の燃料電池単セルを１枚の燃料電池単セルとして模擬し、総容積及び総圧損は実際の１０枚の燃料電池単セルと合わされる。このようなモデルを用いることで、燃料電池単セルの形状を１枚１枚忠実に模擬する場合と比較して、約１／１０に計算期間を短縮できる。
【００３７】
上記の燃料電池スタック本体モデル８０では、燃料電池単セル内の水素ガス流通路の流路の構成が、水素ガス入口マニホールド３０ｉから水素ガス出口マニホールド３０ｏまで直線状の流路を備えるストレート流路である。ただし、水素ガス流通路の流路の構成を、水素ガス入口マニホールド３０ｉから水素ガス出口マニホールド３０ｏまでの間に流路の方向が２か所以上で反転する蛇行した流路を備える２ターン流路又は同種のサーペンタイン型の流路とすることも可能である。また、上記の燃料電池スタック本体モデル８０では、燃料電池スタックのサイズや数は任意に変更することも可能である。
【００３８】
次に、シミュレーションモデル６５の初期値及び条件値について説明する。図８は、シミュレーションの初期値及び条件値を説明する概略図である。シミュレーションでは、以下の初期値と条件値とがシミュレーションモデル６５に入力される。すなわち、シミュレーションモデル６５内の水素ガス分圧ＰＨの初期値ＰＨ０と、燃料電池スタック本体モデル８０での出力電流密度ｉの条件値ｉｓ、パージ制御弁モデル８４でのパージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓ、燃料電池スタック本体モデル８０での膜電極接合体９０のカソード極９１側から電解質９２を介してアノード極９３側へ透過する窒素ガス透過量ＱＮの条件値ＱＮｓ、及び、インジェクタモデル８３から供給される水素ガス中の不純物ガス濃度ＳＮの条件値ＳＮｓとである。ただし、水素ガス分圧ＰＨの初期値ＰＨ０は燃料電池スタック本体モデル８０内の場所によらず同一とする。この水素ガス分圧ＰＨの推移がシミュレーションにより求められる。出力電流密度ｉの条件値ｉｓは、燃料電池スタック本体モデル８０内の場所によらず同一とし、シミュレーション中では一定とする。パージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓはシミュレーション中では基本的に一定であるが、必要に応じて変更される。窒素ガス透過量ＱＮの条件値ＱＮｓは、燃料電池スタック本体モデル８０内の場所によらず同一とし、シミュレーション中では一定とする。水素ガス中の不純物ガス濃度ＳＮの条件値ＳＮｓは、シミュレーション中では一定とする。
【００３９】
シミュレーションでは、設定部６１が、例えばユーザによる入力に基づいて、これら水素ガス分圧ＰＨの初期値ＰＨ０と、出力電流密度ｉの条件値ｉｓ、パージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓ、窒素ガス透過量ＱＮの条件値ＱＮｓ、及び、水素ガス中の不純物ガス濃度ＳＮの条件値ＳＮｓとを設定する。
【００４０】
シミュレーションでは、燃料電池スタック１０内の水素ガス分圧ＰＨが繰り返し推定される。図９は、シミュレーションにおける水素ガス分圧ＰＨの推定方法を示すグラフである。上側のグラフは、シミュレーションにおける燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨの推移を示す。すなわち、曲線Ｃは燃料電池スタック１０のある燃料電池単セル内の水素ガス分圧ＰＨを示す。下のグラフは、パージ制御弁の開閉の状態を示す。
【００４１】
シミュレーションにおいて、時間ｔ０から始まる最初のパージインターバルＴＰｓでは、水素ガス入口マニホールドモデル８１、燃料電池スタック本体モデル８０及び水素ガス出口マニホールドモデル８２内では、主に以下の変化が進行する。燃料電池単セルに出力電流密度ｉｓで電流が流れること、すなわち水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応が起こることにより、アノード極側で水素ガスが消費される。また、カソード極側からアノード極側へ窒素ガス透過量ＱＮｓで窒素ガスが透過すること（窒素ガスクロスオーバー）により、アノード極側で窒素ガス量が増加する。これらにより、図に示すように、最初のパージインターバルＴＰｓでは、水素ガス分圧ＰＨは初期値ＰＨ０から時間経過と共に減少し、次のパージ動作を行う直前にて極小値となる。以下では、このパージインターバルＴＰｓでの水素ガス分圧の極小値を終点分圧値ＰＨＥＰと記し、例えば最初のパージインターバルＴＰｓでの終点分圧値ＰＨＥＰを、ＰＨＥＰ０と記す。
【００４２】
時間ｔ１から始まる次のパージインターバルＴＰｓでは、まず、パージ動作が行われて、水素ガス入口マニホールドモデル８１、燃料電池スタック本体モデル８０及び水素ガス出口マニホールドモデル８２内の窒素ガスを多く含むガスが、パージ制御弁モデル８４の排気領域８７から排出される。それと同時に、水素ガス入口マニホールドモデル８１、燃料電池スタック本体モデル８０及び水素ガス出口マニホールドモデル８２内に、排出された分に相当する水素ガスが、インジェクタモデル８３のインジェクタ入口境界８５から供給される。その結果、図に示すように、水素ガス分圧ＰＨは再び上昇する。ただし、水素ガスには不純物ガス濃度ＳＮｓの窒素ガスが含まれているので、初期値ＰＨ０まで回復せず、初期値ＰＨ０よりもやや小さい水素ガス分圧ＰＨ１となる。その後、最初のパージインターバルと同様に、水素ガスが消費され、窒素ガスが増加する。これらにより、図に示すように、次のパージインターバルＴＰｓでは、水素ガス分圧ＰＨは、まずパージ動作により水素ガス分圧ＰＨ１まで回復し、その後に水素ガス分圧ＰＨ１から時間経過と共に減少し、次のパージ動作を行う直前にて極小値である終点分圧値ＰＨＥＰ１となる。このとき、水素ガス分圧ＰＨ０＞水素ガス分圧ＰＨ１であるため、終点分圧値ＰＨＥＰ０＞終点分圧値ＰＨＥＰ１となる。
【００４３】
以下同様にして、各パージインターバルＴＰｓにおける水素ガス分圧ＰＨの推移が繰り返し推定される。終点分圧値ＰＨＥＰは、一例としては、図中の曲線Ｌ０に示すようにパージインターバルＴＰｓ毎に減少してゆくが、その減少の程度が緩やかになってゆき、ある時間ｔｎ２において前回のパージインターバルＴＰｓの終点分圧値ＰＨＥＰｎ１と今回のパージインターバルＴＰｓの終点分圧値ＰＨＥＰｎ２との間でほとんど差がなくなる。言い換えると、下式に示すような隣り合うパージインターバルＴＰｓ間での終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が、所定の閾値変化率ΔＶ以下になる。
変化率（％）＝（ＰＨＥＰｎ１−ＰＨＥＰｎ２）／ＰＨＥＰｎ１×１００
≦ΔＶ
このとき、終点分圧値ＰＨＥＰは、水素ガス分圧ＰＨの一定の値、すなわち終点分圧収束値ＰＨＳに収束する。このようにして、水素ガス分圧ＰＨの終点分圧収束値ＰＨＳが算出される。ただし、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で上記変化率≦ΔＶとなるまで終点分圧値ＰＨＥＰの算出が実行される。ΔＶとしては例えば２％又はそれより小さい値が挙げられる。
【００４４】
算出された水素ガス分圧ＰＨの終点分圧収束値ＰＨＳは、そのパージインターバルＴＰｓを採用した場合での、最も低い水素ガス分圧ＰＨということができる。したがて、燃料電池単セルで水素欠乏状態が発生しないためには、この終点分圧収束値ＰＨＳが下限閾値分圧ＰＨＬ以上にする必要がある。すなわち、そのパージインターバルＴＰｓで、終点分圧収束値ＰＨＳ≧下限閾値分圧ＰＨＬ、となることが必要である。また、終点分圧収束値ＰＨＳが高過ぎると、パージ動作により水素ガスが無駄に排出されるので、終点分圧収束値ＰＨＳは上限閾値分圧ＰＨＵ以下にする必要がある。すなわち、そのパージインターバルＴＰｓで、終点分圧収束値ＰＨＳ≦上限閾値分圧ＰＨＵ、となることが必要である。これらのことから、下限閾値分圧ＰＨＬ以上、上限閾値分圧ＰＨＵ以下の圧力範囲に終点分圧収束値ＰＨＳが入るように、パージインターバルＴＰｓが決定される。ただし、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所のうち、最小の水素ガス分圧ＰＨを示す箇所について、上記下限閾値分圧ＰＨＬ≦終点分圧収束値ＰＨＳ≦上限閾値分圧ＰＨＵとなるまでパージインターバルＴＰｓの変更と終点分圧収束値ＰＨＳの算出が実行される。下限閾値分圧ＰＨＬ及び上限閾値分圧ＰＨＵとしては例えば７ｋＰａ及び１０ｋＰａが挙げられる。
【００４５】
もし終点分圧収束値ＰＨＳ＜下限閾値分圧ＰＨＬとなる場合、そのパージインターバルＴＰｓは長過ぎると判断できる。その場合、その時点でのシミュレーションモデル６５内の水素ガス分圧ＰＨを初期値として、パージインターバルＴＰｓを予め設定された値ΔＴＰ１だけ短縮させて、再び終点分圧収束値ＰＨＳの算出を実行する。一方、もし上限閾値分圧ＰＨＵ＜終点分圧収束値ＰＨＳとなる場合、そのパージインターバルＴＰｓは短過ぎると判断できる。その場合、その時点でのシミュレーションモデル６５内の水素ガス分圧ＰＨを初期値として、パージインターバルＴＰｓを予め設定された値ΔＴＰ２だけ延長させて、再び終点分圧収束値ＰＨＳの算出を実行する。すなわち、シミュレーションモデル６５に入力する値として、水素ガス分圧ＰＨの初期値にはその時点でのシミュレーションモデル６５内の水素ガス分圧ＰＨを用い、パージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓには、直前のパージインターバルＴＰｓ−ΔＴＰ１（長過ぎる場合）、又は、直前のパージインターバルＴＰｓ＋ΔＴＰ２（短過ぎる場合）の値を用いる。出力電流密度ｉの条件値ｉｓ、窒素ガス透過量ＱＮの条件値ＱＮｓ、及び、不純物ガス濃度ＳＮの条件値ＳＮｓにはそれまでと同じ値を用いる。以下、下限閾値分圧ＰＨＬ≦終点分圧収束値ＰＨＳ≦上限閾値分圧ＰＨＵ、となるパージインターバルＴＰｓが算出されるまで、パージインターバルＴＰｓの変更及び終点分圧収束値ＰＨＳの算出を繰り返す。なお、ΔＴＰ１とΔＴＰ２とは、同じ値であってもよく、予め記憶部６４に格納されている。
【００４６】
以上により、所定の出力電流密度ｉ（運転条件）において、下限閾値分圧ＰＨＬ≦終点分圧収束値ＰＨＳ≦上限閾値分圧ＰＨＵ、を満足するパージインターバルＴＰｓが算出される。このパージインターバルＴＰｓは、燃料電池単セルで水素欠乏状態が発生せず、かつ、パージ動作による水素ガスの無駄がない、パージ動作を実現することができる。すなわち、このパージインターバルＴＰｓを最適値のパージインターバルＴＰと決定することができる。
【００４７】
ところで、上記シミュレーションにおいて、図９に示すような水素ガス分圧ＰＨを初期値ＰＨ０から終点分圧収束値ＰＨＳに収束させるまでには多くの計算時間が掛かる。上記のシミュレーションモデル６５の構成を用いることで計算時間を短縮できるが、より実用的な計算時間でシミュレーションを終了させるために、以下の手法を採用した。
【００４８】
まず、シミュレーションの初期的な段階では、燃料電池スタック１０内のパージインターバルＴＰｓ間での水素ガス分圧ＰＨの変化率が大きいので、変化率がある程度の幅に収まるまで、燃料電池スタック１０内の水素ガス分圧ＰＨの変化の速度を通常よりも速く、すなわち加速させてシミュレーション時間の短縮を図る。その後の段階では、パージインターバルＴＰｓ間での水素ガス分圧ＰＨの変化率が小さいので、燃料電池スタック１０内の水素ガス分圧ＰＨの変化の速度を通常の速度にして、シミュレーション精度の向上を図る。
【００４９】
具体的には、まず、設定部６１が、水素ガス分圧ＰＨの設定値ＰＨ０と、出力電流密度ｉの設定値ｉｓ、パージインターバルＴＰの設定値ＴＰｓ、窒素ガス透過量ＱＮの設定値ＱＮｓ、及び、不純物ガス濃度ＳＮの設定値ＳＮｓとをそれぞれ設定する。
【００５０】
次に、Ｘ倍速処理部６２が、シミュレーションの途中までの段階をＸ倍速に加速させて実行する。すなわち、Ｘ倍速処理部６２は、設定部６１により設定された水素ガス分圧ＰＨの設定値ＰＨ０を水素ガス分圧ＰＨの初期値として、設定部６１により設定された出力電流密度ｉの設定値ｉｓ、設定部６１により設定されたパージインターバルＴＰの設定値ＴＰｓの１／Ｘ（Ｘ＞１）倍の値ＴＰｓ／Ｘ、設定部６１により設定された窒素ガス透過量ＱＮの設定値ＱＮｓのＸ倍の値ＱＮｓ・Ｘ、及び、設定部６１により設定された不純物ガス濃度ＳＮの設定値ＳＮｓのＸ倍の値ＳＮｓ・Ｘを条件値として、それぞれシミュレーションモデル６５に入力する。そして、上記シミュレーションを実行して水素ガス分圧ＰＨを推定する。それと共に、パージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓ／Ｘの終点における水素ガス分圧ＰＨである終点分圧値ＰＨＥＰが収束するまで各条件値を維持しつつ水素ガス分圧ＰＨの推定を繰り返す。それにより、Ｘ倍速処理における終点分圧値ＰＨＥＰの収束値である終点分圧収束値ＰＨＳ＿Ｘを算出する。ただし、Ｘは例えば５倍〜２００倍が挙げられる。
【００５１】
続いて、１倍速処理部６３が、シミュレーションの残りの段階を１倍速の通常速度で実行する。すなわち、１倍速処理部６３が、Ｘ倍速処理部６２により算出された終点分圧収束値ＰＨＳ＿Ｘを水素ガス分圧ＰＨの初期値として、設定部６１により設定された出力電流密度ｉの設定値ｉｓ、設定部６１により設定されたパージインターバルＴＰの設定値ＴＰｓ、設定部６１により設定された窒素ガス透過量ＱＮの設定値ＱＮｓ、及び、設定部６１により設定された不純物ガス濃度ＳＮの設定値ＳＮｓを条件値として、それぞれシミュレーションモデルに入力する。そして、上記シミュレーションを実行して水素ガス分圧ＰＨを推定する。それと共に、終点分圧値ＰＨＥＰが収束するまで各条件値を維持しつつ水素ガス分圧ＰＨの推定を繰り返す。それにより、１倍速処理における終点分圧収束値ＰＨＳ＿１を算出する。更に、終点分圧収束値ＰＨＳ＿１が所定の圧力範囲内になるまでパージインターバルＴＰ以外の各条件値を維持しつつパージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓを変更して終点分圧収束値ＰＨＳ＿１の算出を繰り返し、終点分圧収束値ＰＨＳ＿１が所定の圧力範囲内になったときのパージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓを最適値に決定する。
【００５２】
このように、シミュレーションの初期的な段階で、燃料電池スタック１０内の水素ガス分圧ＰＨの変化を加速させるので、シミュレーション時間の短縮を図ることができる。加えて、シミュレーションの最終的な段階で、燃料電池スタック１０内の水素ガス分圧ＰＨの変化を通常の速度に戻すので、シミュレーション精度を維持できる。それにより、実用的な計算時間で精度良くパージインターバルＴＰの最適値を決定することができる。
【００５３】
図１０〜図１２は、パージインターバルＴＰ決定方法を示すフローチャートである。図１０に示すように、パージインターバルＴＰ決定方法では、まずステップ１００において、設定部６１がシミュレーションに用いる水素ガス分圧ＰＨ、出力電流密度ｉ、パージインターバルＴＰ、窒素ガス透過量ＱＮ、及び、不純物ガス濃度ＳＮについてそれぞれ設定値を決定する。次にステップ１０１において、Ｘ倍速処理部６２がシミュレーションの途中までの段階をＸ倍速で実行する。その後ステップ１０２において、１倍速処理部６３がシミュレーションの残りの段階を１倍速で実行する。
【００５４】
ステップ１０１のＸ倍速処理は、図１１に示すように、まずステップ２００において、Ｘ倍速処理部６２が、水素ガス分圧ＰＨの設定値ＰＨ０を水素ガス分圧ＰＨの初期値として、出力電流密度ｉの設定値ｉｓ、パージインターバルＴＰの設定値ＴＰｓの１／Ｘ（Ｘ＞１）倍の値ＴＰｓ／Ｘ、窒素ガス透過量ＱＮの設定値ＱＮｓのＸ倍の値ＱＮｓ・Ｘ、及び、不純物ガス濃度ＳＮの設定値ＳＮｓのＸ倍の値ＳＮｓ・Ｘを条件値として、それぞれ決定する。次に、ステップ２０１において、Ｘ倍速処理部６２が、決定された初期値及び条件値をそれぞれシミュレーションモデル６５に入力して、上記シミュレーションを実行して水素ガス分圧ＰＨを推定する。続いて、ステップ２０２において、Ｘ倍速処理部６２は、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、水素ガス分圧ＰＨの終点分圧値ＰＨＥＰの変化率を算出する。次に、ステップ２０３において、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が閾値変化率ΔＶ以下であるか否か判別する。そして、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が閾値変化率ΔＶ以下となるまでステップ２０１〜２０３を繰り返す。燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が閾値変化率ΔＶ以下となり、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が収束した場合、プロセスは終了し、その時の、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所での終点分圧値ＰＨＥＰが終点分圧収束値ＰＨＳ＿Ｘとして、記憶部６４に格納される。
【００５５】
ステップ１０１の１倍速処理は、図１２に示すように、まずステップ３００において、１倍速処理部６３が、Ｘ倍速処理部６２により算出された終点分圧収束値ＰＨＳ＿Ｘを記憶部６４から読み出し、水素ガス分圧ＰＨの初期値として、出力電流密度ｉの設定値ｉｓ、パージインターバルＴＰの設定値ＴＰｓ、窒素ガス透過量ＱＮの設定値ＱＮｓ、及び、不純物ガス濃度ＳＮの設定値ＳＮｓを条件値として、それぞれ決定する。次に、ステップ３０１において、１倍速処理部６３が、決定された初期値及び条件値をそれぞれシミュレーションモデル６５に入力して、上記シミュレーションを実行して水素ガス分圧ＰＨを推定する。続いて、ステップ３０２において、１倍速処理部６３は、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、水素ガス分圧ＰＨの終点分圧値ＰＨＥＰの変化率を算出する。次に、ステップ３０３において、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が閾値変化率ΔＶ以下であるか否か判別する。そして、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が閾値変化率ΔＶ以下となるまでステップ３０１〜３０３を繰り返す。燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所で、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が閾値変化率ΔＶ以下となり、終点分圧値ＰＨＥＰの変化率が収束した場合、その時の、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所での終点分圧値ＰＨＥＰが終点分圧収束値ＰＨＳ＿１として、記憶部６４に格納される。その後、ステップ３０４において、燃料電池スタック本体モデル８０内のすべての箇所のうち、最小の終点分圧収束値ＰＨＳｍｉｎが所定の圧力範囲内（ＰＨＬ≦ＰＨＳｍｉｎ≦ＰＨＵ）か否かが判別される。最小の終点分圧収束値ＰＨＳｍｉｎが所定の圧力範囲内でない場合、ステップ３０５において、パージインターバルＴＰ以外の条件値を維持しつつパージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓを変更する。そして、ステップ３０１〜３０４を繰り返す。最小の終点分圧収束値ＰＨＳｍｉｎが所定の圧力範囲内である場合、ステップ３０６において、そのときのパージインターバルＴＰの条件値ＴＰｓを最適値に決定する。
【００５６】
図１３は、実際の車両の実験結果とシミュレーションの計算結果とを比較したグラフである。縦軸は水素欠乏状態になるまでの時間を示し、横軸は出力電流密度ｉを示す。菱形及び破線は実際の車両での実験結果を示す。四角・三角及び実線は通常の速度（１倍速のみ）でのシミュレーションの計算結果を示す。また、グラフ中、上側のグループと下側のグループとは、燃料電池スタック（燃料電池スタック本体モデル８０）の形状が異なっている。すなわち、極めて高い精度で所望の出力電流密度ｉに対する水素欠乏状態になるまでの時間を得ることができた。
【００５７】
また、図示しないが、一例として、Ｘ＝１００として、Ｘ倍速処理部６２がシミュレーションの途中までの段階を１００倍速で実行した場合、シミュレーションのすべての段階を通常の速度（１倍速）で実行する場合と比較して、計算時間を約１／７に短縮することができ、実用的な計算時間、例えば１条件２日程度で、所望の出力電流密度ｉに対する最適なパージインターバルＴＰを得ることができた。
【００５８】
本実施例のパージインターバル決定装置６０では、実用的な計算時間で精度良く燃料電池スタック１０内の水素ガスの状態を可視化することができる。それにより、算出されたパージインターバルＴＰと出力電流密度ｉとの関係、例えば図３のグラフを、実機での運転条件（例えば、市街地走行、高速走行、ＷＯＴ走行など）用の制御ロジックとして車両に搭載される燃料電池システムＡに組み込むことができる（例えばＲＯＭ５２など）。
【００５９】
上記の燃料電池システムのパージインターバル決定装置６０は、他の燃料電池システムＡに対しても適用可能である。図１４は、燃料電池システムＡの他の構成例を示す概略図である。図１の燃料電池システムＡは水素ガス非循環型であったが、図１４の燃料電池システムＡは水素ポンプを備え、水素ガス通路３０の出口である水素ガス排出口と水素ガス供給管３１とが連通された水素ガス循環型である。すなわち、バッファタンク３７と水素ガス供給管３１の水素ガスインジェクタ３５よりも下流側とを連通するアノードオフガス管３６ａが配置され、アノードオフガス管３６ａ内には水素ガス循環用の循環ポンプ９５が配置される。この場合においても、燃料電池システムのパージインターバル決定装置６０を適用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
Ａ    燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
３８    パージ制御弁
６０    パージインターバル決定装置
６１    設定部
６２    Ｘ倍速処理部
６３    １倍速処理部
６５    シミュレーションモデル
【図１】
2016076298.tif 000003
【図２】
2016076298.tif 000004
【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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