JP2005327597A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池における水素系の不純物濃度を正確に推定し、不必要な水素系のガスの排出を低減することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池の水素系（アノード極）の圧力を取得する圧力取得手段と、水素系内の水素分圧を推定する圧力推定手段を有している。また、燃料電池システムは、取得した水素系の圧力と推定された水素分圧とに基づいて、水素系内に存在する不純物濃度を推定する不純物濃度推定手段を有している。即ち、不純物濃度推定手段は、水素系の現在の状態を考慮に入れて不純物濃度を推定する。これにより、不純物濃度推定手段は、燃料電池の水素系内に存在する不純物濃度を正確に推定することが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池内の不純物濃度を推定してガスの供給／排出の制御を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに適用される燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料ガスとして水素が供給されるアノード極と、空気が供給されるカソード極を備える燃料電池スタックを本体として、アノード極に供給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンクや、未使用の燃料ガスを含む排ガスを元のアノード極に戻すためのポンプ等が付設されたシステムである。燃料電池スタックでは、水素と空気に含まれる酸素が反応して電力が生成される。

ここで、燃料電池においては反応が進むにつれて、カソード極からカソードガス（空気）中の窒素や反応による生成水などが電解質膜を通りアノード極側へと滲み出してくることが知られている。これにより、アノード極において窒素や水蒸気（以下、これらを合わせて「不純物」とも呼ぶ）の分圧が上昇して燃料ガス（水素）の濃度が低下し、燃料電池の発電能力が低下してしまう。

そのため、一般的には、アノード極側（以下、「水素系」とも呼ぶ。）の排出流路に設けられた排出弁を開弁し、未使用の水素や不純物を含むガスを排出していた。例えば、特許文献１には、燃料電池の空気ポンプを目標回転数で運転し、空気調節弁で目標圧力に調圧する燃料電池システムにおいて、この回転数と調圧弁の開度から大気圧を推定し、水素排出弁の排出間隔を補正するといった技術が記載されている。また、特許文献２には、水素系内の不純物の濃度が上昇した場合に、水素オフガス（電流生成における使用済みのガス）を排出して、不純物の濃度を下げるといった技術が記載されている。

しかしながら、上記の特許文献１に記載された技術では、空気流量のみに基づいて排出間隔を制御しており、水素系のガスの状態を考慮に入れて排出間隔を変えてはいない。また、特許文献２に記載された技術では、燃料電池システムの運転経過時間、若しくは水素濃度センサが検出した水素濃度のみに基づいて不純物濃度の推定を行い、この推定された不純物濃度に従って水素系の排出を行っていた。以上より、特許文献１及び特許文献２に記載された制御技術では現在の水素系内の状況を考慮に入れて不純物濃度を推定しないため、無駄に未使用の水素が排出されてしまうという問題があった。そのため、燃費の低下等に繋がっていた。

特開２００３−１６８４６７号公報 特開２００２−２８９２３７号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池における水素系の不純物濃度を正確に推定し、不必要な水素系のガスの排出を低減することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の１つの観点では、燃料電池システムは、燃料電池の水素系の圧力を取得する圧力取得手段と、前記水素系内の水素分圧を推定する圧力推定手段と、前記取得した圧力と前記推定された圧力とに基づいて、前記水素系内の不純物濃度を推定する不純物濃度推定手段と、を備えている。

上記の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車などに搭載される。燃料電池システムは、燃料電池の水素系（アノード極）の圧力を取得する圧力取得手段と、水素系内の水素分圧を推定する圧力推定手段を有している。また、燃料電池システムは、取得した水素系の圧力と推定された水素分圧とに基づいて、水素系内に存在する不純物濃度を推定する不純物濃度推定手段を有している。即ち、不純物濃度推定手段は、水素系の現在の状態を考慮に入れて不純物濃度を推定する。これにより、不純物濃度推定手段は、燃料電池の水素系内に存在する不純物濃度を正確に推定することが可能となる。

上記の燃料電池システムの一態様では、前記不純物濃度推定手段は、前記圧力取得手段が取得した圧力が前記圧力推定手段が推定した圧力を所定圧以上上回った場合に、前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定する。この態様では、不純物濃度推定手段は、取得した水素系の圧力が推定された水素分圧を所定圧以上上回った場合に、不純物濃度が所定濃度以上であると推定する。即ち、取得した水素系の圧力は、概ね推定された水素分圧と不純物の分圧とにより構成されているため、取得した水素系の圧力が推定された水素分圧を所定圧以上上回る場合には、不純物濃度が所定濃度以上存在していることになる。

上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記不純物濃度推定手段が前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定し、かつ、前記圧力取得手段が取得した圧力が所定圧力より小さい場合に、前記水素系へ供給する水素を増量する手段を備えている。

この態様では、燃料電池システムは、不純物濃度推定手段が不純物濃度が所定濃度以上であると推定し、且つ、取得した水素系の圧力が所定圧力より小さい場合には、水素系へ供給する水素を増量する。不純物は燃料電池の発電安定性に大きく影響を与えるため、不純物濃度が所定濃度以上である場合には、燃料電池から安定した電力を取得することはできない。しかし、不純物濃度が所定濃度以上であっても、水素系の圧力が所定圧力より小さい場合には、水素系の圧力を上昇させても燃料電池には悪影響を及ぼさない。よって、上記のような場合には、水素系へ供給する水素を増量する。これにより、燃料電池システムは、発電安定性を確保し、無駄な水素系のガスの排出を削減することができる。

上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記不純物濃度推定手段が前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定し、かつ、前記圧力取得手段が取得した圧力が所定圧力以上である場合に、前記水素系内の流体を排出する手段を備えている。

この態様では、燃料電池システムは、不純物濃度推定手段が不純物濃度が所定濃度以上であると推定し、且つ、取得した水素系の圧力が所定圧力以上である場合には、水素系内のガスを排出する。この場合は、不純物濃度が所定濃度以上であり、また、燃料電池の耐久性などの観点から、それ以上水素系の圧力を増加することができないので、水素系内の流体を排出する。即ち、水素系内のガスを排出することにより、不純物を排出して燃料電池の発電安定性を確保すると共に、燃料電池にこれ以上の圧力がかからないようにする。

上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記不純物濃度推定手段が前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定した場合に、前記水素系内の流体を排出する手段を備えている。この態様では、不純物濃度が所定濃度以上である場合には、供給する水素を増量する対策は行わず、常に水素系内の流体を排出することにより、不純物を排出して燃料電池の発電安定性を確保する。

上記の燃料電池システムにおいては、好適には、前記所定圧力は、前記燃料電池の機械的強度に基づいて決定される。この場合、所定圧力は、燃料電池の耐久性などの機械的強度により決定される。

更に、上記の燃料電池システムにおいては、好適には、前記圧力推定手段は、前記燃料電池が消費した水素量と、前記燃料電池の電解質膜を透過して移動した水素量と、に基づいて前記水素分圧を推定し、前記不純物濃度推定手段は、前記圧力取得手段が取得した圧力と、前記推定された圧力と、前記燃料電池の許容最大窒素量と、に基づいて不純物濃度を推定する。この場合、圧力推定手段は、燃料電池が消費した水素量と、燃料電池の電解質膜を透過して移動した水素量と、に基づいて水素系の実質的な水素分圧を推定する。また、不純物濃度推定手段は、取得した水素系の圧力と、上記の推定された水素分圧と、燃料電池が安定に発電可能な許容最大窒素量と、に基づいて不純物濃度を推定する。以上により、不純物濃度推定手段は、更に不純物濃度の推定精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の１つの実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

燃料電池システム５０は、主に、流量計２と、供給弁３と、圧力計４と、温度センサ５と、電流センサ６と、排出弁８と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０と、供給流路１１、１２と、排出流路１３、１４と、を備える。燃料電池システム５０は、燃料電池自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）などに搭載され、燃料電池（燃料電池スタック）１に対して種々の制御を行うシステムである。

燃料電池１は、電解質膜１ｃの両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜１ｃ面にカソード極（空気極）１ａと、アノード極１ｂが形成された電池セルの構造のみを示している。図示のように、カソード極１ａには供給流路１１より空気が供給され、アノード極１ｂには供給流路１２より水素が供給される。これによって、電力が生成される。

燃料電池１は、車両駆動用のモータの給電源であり、３００Ｖ程度の直流の高電圧を発生するようになっている。また、燃料電池１の発電電圧は、電源ケーブル１５を通り、モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータや、車両に搭載される種々の補機や、この補機への給電用の二次電池であるバッテリー（これら全てを含めて、「負荷７」として示している）に出力される。

供給流路１１には空気が流通し、供給流路１２には水素が流通する。そして、排出流路１３にはカソード極１ａより排出されるガスが流通し、排出流路１４にはアノード極１ｂより排出されるガスが流通する。

ここで、燃料電池システム５０を構成する各種センサ、弁について説明する。上記した供給流路１２上には、流量計２と、供給弁３と、圧力計４とが配設されている。流量計２は、供給流路１２を流通する流体の流量を検出する装置である。即ち、流量計２が検出する流量は、アノード極１ｂに供給される水素量に相当する。流量計２が検出した流量に対応する信号Ｓ１は、ＥＣＵ１０に出力される。

供給弁３は、アノード極１ｂに供給する水素の流量（水素量）を調節する弁である。供給弁３は、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ２により制御される。なお、供給弁３が精度よく開度量の調節が可能な弁であれば、上記のように流量を直接検出する流量計２を用いずに、供給弁３の開度量から、アノード極１ｂに供給される水素の流量を求めるようにしてもよい。更に、供給弁３がインジェクタ等で構成される場合（即ち、通電される制御パルスのデューティ比により開閉の制御が行われる弁を用いる場合）も、流量計２を用いずに、上流圧と上流温度と弁の開信号とに基づいて流量を求めてもよい。

圧力計４は、供給流路１２内の圧力、即ち燃料電池１のアノード極１ｂの圧力を検出する装置である。即ち、圧力計４は、燃料電池の水素系の圧力を取得する圧力取得手段として機能する。圧力計４が検出した圧力に対応する信号Ｓ３は、ＥＣＵ１０に出力される。

また、燃料電池１には温度センサ５が配設されている。即ち、温度センサ５は、燃料電池１の温度を検出する。温度センサ５が検出した温度に相当する信号Ｓ４は、ＥＣＵ１０に出力される。なお、温度センサ５は燃料電池１に直接配設されるものに限定はされない。例えば、燃料電池１に供給する冷却剤の温度を燃料電池１の温度として用いても良い。即ち、燃料電池１の温度を直接検出せずとも、燃料電池１の温度を精度良く反映している温度を用いればよい。

電源ケーブル１５には、電流センサ６が設けられている。電流センサ６は、燃料電池１が発電した電流値を検出するセンサである。電流センサ６が検出した電流値に相当する信号Ｓ５は、ＥＣＵ１０に出力される。この電流センサの出力信号Ｓ５は、燃料電池１の発電量に対応する。更に、排出流路１４には、排出弁８が配設されている。排出弁８は、アノード極１ｂより未使用の水素や不純物（窒素、水など）を含むガスを排出する弁である。排出弁８は、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ６により制御される。

ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ＥＣＵ１０は、上記したように、流量計２と圧力計４と温度センサ５と電流センサ６からの検出信号Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５に基づいて、供給弁３と排出弁８を制御する。即ち、供給弁３と排出弁８に制御信号Ｓ２、Ｓ６を供給する。本実施形態では、ＥＣＵ１０は、現在のアノード極１ｂ内の水素分圧を推定し、この推定された水素分圧に基づいてアノード極１ｂ内の不純物の濃度（又は量）を精度良く推定する。そして、ＥＣＵ１０は、推定された不純物濃度に従って供給弁３又は排出弁８を制御する。つまり、ＥＣＵ１０は、推定された不純物の濃度に基づいて、アノード極１ｂへ供給する水素量を増量したり、アノード極１ｂ内のガスを排出したりする。ＥＣＵ１０が行う推定方法及び弁の制御については、詳細は後述する。以上のように、ＥＣＵ１０は、水素系内の水素分圧を推定する圧力推定手段、及び不純物濃度を推定する不純物濃度推定手段として機能する。

［不純物濃度の推定方法］
以下では、ＥＣＵ１０が行う不純物濃度の推定方法、及びこの推定結果に基づく供給弁３及び排出弁８の制御方法について具体的に説明する。

図２は、ＥＣＵ１０が行う処理を示すフローチャートである。なお、この処理は燃料電池１の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。例えば、１Ｈｚ以上の短い周期で処理を行うことが好適である。

この処理の大まかな流れについて簡単に説明する。まず、ステップＳ１１からステップＳ１８では、ＥＣＵ１０は、現在の燃料電池１の状態に基づいて不純物濃度を推定し、この推定された不純物濃度が所定濃度以上であるか否かの判定と、アノード極１ｂ内の圧力が最大許容水素系圧力に達しているか否かの判定を行う。そして、ステップＳ１９からステップＳ２１では、ＥＣＵ１０は、燃料電池１の発電安定性を確保しつつ、不必要な水素系のガスの排出を抑制するために、上記の判定結果に基づいて供給弁３又は排出弁８を制御する。なお、この処理においては、「不純物濃度」の推定に限定はせず、「不純物量」の推定としてもよい。燃料電池１の容積は一定であるため、濃度と量は一対一で対応するからである。

また、以下では、不純物が窒素のみから成るものとして説明する。こうしたのは、窒素は、燃料電池１の発電安定性に最も影響を及ぼすからである。アノード極１ｂ側のガスに含まれる不純物としては窒素以外に水蒸気などがあるが、水蒸気量は通常温度が一定であればほぼ一定量となるので、温度をほぼ一定として所定の閾値を設定するか、又は、その閾値を温度に基づいて補正することにより、以下の処理における計算から除外することができる。

まず、ステップＳ１１では、ＥＣＵ１０は、アノード極１ｂ内の窒素量の初期値（窒素量（初期値））、及び透過水素量の積算値を設定する。ステップＳ１１の処理は、主に燃料電池１の起動時などに行うものとする。窒素量の初期値は、圧力計４から供給される圧力値（信号Ｓ３に対応する圧力値）を用いて設定するものとする。動作停止後一定時間停止した後の燃料電池１の水素系内の窒素濃度は概ね１００％の濃度となっており、その圧力は大気圧に一致する。また、水素系の水素濃度が１００％の場合（即ち窒素濃度が０％）の場合の圧力計４の出力値は既知であるので、両者の関係に基づいて、圧力計４から得た圧力値から水素系の窒素量を算出することができる。なお、燃料電池１の停止後即座に起動した場合は、前回の動作中に得られた窒素量を初期値として用いてもよい。

一方、透過水素量はアノード極１ｂから電解質膜１ｃを透過してカソード極１ａに移動した水素の量であり、燃料電池１の動作中は時間の経過とともに増加する。燃料電池１の起動時などにおいては、透過水素量の積算値は「０」に初期設定される。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ＥＣＵ１０は、燃料電池１で発電に消費された水素量である発電消費水素量（以下、単に「消費水素量」とも呼ぶ）を求める。ＥＣＵ１０は、電流センサ６から供給される電流値（信号Ｓ５に対応する）を取得し、予め既知である消費水素量と電流値（即ち発電量）との関係に基づいて、消費水素量を求める。そして、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、ＥＣＵ１０は、アノード極１ｂから電解質膜１ｃを透過してカソード極１ａに移動した水素量（以下、「透過水素量」と呼ぶ。）の積算値を求める。この透過水素量の算出方法について、図３を用いて説明する。図３は、横軸に燃料電池１の発電量を示し、縦軸に燃料電池１の温度を示している。そして、複数の曲線Ａ１は、透過水素量と、発電量と、燃料電池１の温度との関係を示す特性曲線を表している。即ち、透過水素量は、燃料電池１の発電量と温度に依存している。この特性曲線Ａ１（以下、「マップＡ１」とも呼ぶ）より、発電量が大きいほど、及び、燃料電池１の温度が高いほど、透過水素量が多くなることがわかる。以上のように、ステップＳ１３ではＥＣＵ１０は、電流センサ６から燃料電池の発電量を取得し、温度センサ５から燃料電池１の温度を取得し、これらの取得した値とマップＡ１を用いて透過水素量を求める。こうして求まった透過水素量を、ＥＣＵ１０は、前回までの透過水素量の積算値に積算する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１４に進む。なお、上記したマップＡ１は、ＥＣＵ１０内のメモリなどに記憶されている。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ１０は、許容最大窒素量を求める。この許容最大窒素量は、アノード極１ｂ内で安定に発電することが可能な窒素量の最大値である。即ち、アノード極１ｂ内に許容最大窒素量を超える量の窒素が存在すれば、燃料電池１の発電は不安定になる。この許容最大窒素量の算出方法について、図４を用いて説明する。図４は、横軸に燃料電池１の発電量を示し、縦軸に許容最大窒素量を示している。図４における複数の曲線Ａ２は、発電量と、許容最大窒素量と、燃料電池１の温度との関係を示す特性曲線を表している。即ち、許容最大窒素量も、燃料電池１の発電量と温度に依存している。この特性曲線Ａ２（以下、「マップＡ２」とも呼ぶ）より、発電量が大きいほど許容最大窒素量は下がる傾向にある。これは、発電量が大きいときには不純物である窒素の排出量を増やす必要があるからである。また、燃料電池１の温度が低いときも許容最大窒素量は下がる傾向にあることがわかる。これは、燃料電池１の温度（燃料電池スタックの水温）が低いときほど発電しにくいので水素濃度を大きくする必要があるからである。以上のように、ステップＳ１４ではＥＣＵ１０は、電流センサ６から燃料電池１の発電量を取得し、温度センサ５から燃料電池１の温度を取得し、これらの取得した値とマップＡ２を用いて許容最大窒素量を求める。そして、処理はステップＳ１５に進む。なお、上記したマップＡ２も、ＥＣＵ１０内のメモリなどに記憶されている。

ステップＳ１５では、ＥＣＵ１０は、最大許容水素系圧力を求める。この最大許容水素系圧力は燃料電池１が耐え得る最大の水素系圧力であり、燃料電池１の耐久性などの機械的強度により定まる値であり、固定値とすることができる。ＥＣＵ１０は、メモリ等から最大許容水素系圧力を読み出して用いる。なお、燃料電池システム１などの状態に応じて、読み出した最大許容水素系圧力を補正などしてもよい。また、最大許容水素系圧力が、カソード極側の空気圧との差圧により規定される場合は、カソード極側の空気圧をパラメータとする予め用意したマップなどを用いて最大許容水素系圧力を求めることとしてもよい。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２〜ステップＳ１４までの処理にて求めた値を用いて上限水素系圧力値を求める。上限水素系圧力値は、現在の発電量において安定に発電可能なアノード極１内の圧力の上限値である。上限水素系圧力値は、以下の式（１）にて求めることができる。

上限水素系圧力値
＝目標圧力値＋（供給水素量−消費水素量−透過水素量の積算値）
＋（許容最大窒素量−窒素量の初期値） 式（１）
式（１）の右辺の第１項目に示す「目標圧力値」は、燃料電池に対して要求される発電量により定まる値であり、具体的には外部からＥＣＵ１０へ供給される要求発電量に基づいて決定される。

また、式（１）の右辺の第２項においては、「供給水素量」は燃料電池１に供給する水素の量（流量計２の検出値Ｓ１に対応する）であり、「消費水素量」はステップＳ１２で求めた値であり、「透過水素量の積算値」はステップＳ１３で求めた値である。即ち、式（１）の右辺の第２項では、現在アノード極１ｂ内に実質的に存在する水素量を求めている。なお、この水素量は圧力値に変換したものを用いる。

更に、式（１）の右辺の第３項は、アノード極１ｂが現在の状態から更に許容することが可能な最大の窒素量に相当する。なお、この窒素量も、圧力値に変換したものを用いる。「許容最大窒素量」はステップＳ１４で求められた値であり、「窒素量の初期値」はステップＳ１１にて設定された値である。こうして、上限水素系圧力値を算出すると、処理はステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、ＥＣＵ１０は、圧力計４が検出した圧力値（信号Ｓ３に対応する）、即ちアノード極の現在の圧力（以下、「水素系内圧力値」と呼ぶ。）が、ステップＳ１６で求めた上限水素系圧力値以上であるか否かを判定する。上記した上限水素系圧力値は、許容範囲内で最大量の窒素（不純物）がアノード極１ｂ内にある場合の水素系圧力値である。したがって、水素系内圧力値と上限水素系圧力値を比較することは、アノード極１ｂ内の不純物濃度が所定濃度以上であるか（不純物が所定量以上存在するか）否かを判定することになる。

水素系内圧力値が上限水素系圧力値より小さい場合は（ステップＳ１７；Ｎｏ）、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２に戻り再度処理を行う。即ち、アノード極１ｂ内の不純物濃度は所定濃度よりも小さいため、排出弁８を開いて不純物を排出することなく、アノード極１ｂに更に水素を供給するようにする。

水素系内圧力値が上限水素系圧力値以上である場合は（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、ＥＣＵ１０は、水素系内圧力値が、ステップＳ１５で求めた最大許容水素系圧力以上であるか否かを判定する。ステップＳ１８では、ＥＣＵ１０は、現在の水素系内圧力が燃料電池１の耐久性に影響を与えるほどの力を加えているか否か、即ちアノード極１ｂ内の圧力をさらに増加させても問題ないか否かを判定している。

水素系内圧力値が最大許容水素系圧力より小さい場合は（ステップＳ１８；Ｎｏ）、水素の供給圧を増加させても燃料電池１の耐久性に問題がないと判断されるため、処理はステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、ＥＣＵ１０は、水素系目標圧力を増加させる。即ち、ＥＣＵ１０は、排出弁８を開くことはなく、アノード極１ｂへ更に水素を供給するとともに、水素系へ供給する水素を増量する。こうするのは、不純物濃度は所定濃度以上になっているが、水素系内圧力値が最大許容水素系圧力より小さいため、水素を供給して圧力を増加させても燃料電池１の耐久性に悪影響を及ぼさないからである。これにより、燃料電池１の発電安定性を低下させることなく、不必要な水素系のガスの排出を抑制することができる。以上の処理が終了すると、ステップＳ１２に戻り再度処理を行う。

一方、水素系内圧力値が最大許容水素系圧力以上である場合は（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、ＥＣＵ１０は、排出弁８を開き流体（アノード極１ｂに存在する水素、窒素、水など）を排出する。この場合は、不純物濃度は所定濃度以上になっており、且つ水素系内圧力値が最大許容水素系圧力に達しているためそれ以上水素の供給圧を増加させることはできない。よって、ＥＣＵ１０は排出弁８を開き、不純物を排出すると共にアノード極１ｂ内の圧力が減圧するようにする。こうするのは、不純物を排出して燃料電池１の発電安定性を確保すると共に、燃料電池１にこれ以上の圧力がかからないようにするためである。なお、ＥＣＵ１０は、水素系内圧力値などに基づいて排出弁８を制御する（例えば、排出弁８の開弁時間（デューティ比）などを決定する）。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１では、ＥＣＵ１０は、窒素量の初期値と透過水素量の積算値を再設定する。具体的には、ＥＣＵ１０は、窒素量の初期値を「（現在の窒素量）−（排気した窒素量）」に設定し、透過水素量の積算値を「０」に設定する。ここで、「排気した窒素量」は、上記した排出弁８の制御方法（例えば開弁時間と弁上流の圧力）などに基づいて算出される。以上の処理が終了すると、ステップＳ１２に戻り再度処理を行う。

以上のように、本実施形態では、現在の燃料電池１の水素系の状態に基づいて不純物濃度を推定しているため、不純物濃度の推定精度が向上する。また、この推定結果に基づいて水素系のガスの供給／排出を制御しているので、燃料電池１の発電安定性を確保し、不必要な水素系のガスの排出を抑制することができる。また、本実施形態では、燃料電池１の最大許容水素系圧力にも基づいて水素系ガスの供給／排出を制御しているので、燃料電池の耐久性の範囲内において、不必要な水素系のガスの排出を効果的に抑制することができる。以上により、燃料電池１の燃費の向上に繋がる。

［変形例］
以下では、前述した実施形態に関する変形例について説明する。

上記では、不純物濃度などの推定に「窒素量」を用いる方法を示したが、本発明の適用はこれに限定されることはなく、「窒素濃度」を用いてもよい。また、不純物濃度でなく不純物量を推定し、これに基づいて前述した制御を行ってもよい。更に、不純物として窒素のみを用いて制御を行う例について示したが、不純物に窒素量だけでなく、水蒸気量を付加してもよい。この場合、水蒸気量は、燃料電池システム５０が備える気液分離器の分離率のマップと水素系の出口温度、又はその代用値にて求めることができる。

更に、図１に示した燃料電池システム５０は排出された水素が再利用されないシステム（即ち、水素が循環しないシステム）で構成されるものについて示しているが、燃料電池システムを水素循環系（排出された未使用の水素を循環させて再利用するシステム）にして、これに対して前述したような不純物濃度の推定を行ってもよい。

更に、不純物濃度の推定に用いた上限水素系圧力値を以下の式（２）を用いて求めてもよい。式（２）は、透過水素量が比較的少ない場合に用いることが好ましい。

上限水素系圧力値＝目標圧力値＋（供給水素量−消費水素量）
＋（許容最大窒素量−窒素量（初期値）） 式（２）
更に、上限水素系圧力値などの圧力値から不純物濃度を推定せずに、以下の式（３）に示すように水素系のガスの量から不純物量を推定してもよい。

現在の窒素量＝（水素系圧力値−目標圧力値）＋窒素量（初期値）
−（供給水素量−消費水素量−透過水素量の積算値） 式（３）
この場合には、ＥＣＵ１０は、式（３）から求まる「窒素量」と「許容最大窒素量」の比較を行って、水素系のガスの供給／排出を制御することができる。

更に、上記では、透過水素量をマップに基づいて求めるものを示したが、「代表値」を用いて求めてもよい。この場合、透過水素量の算出するために種々のパラメータを取得する必要がないため処理時間は速くなるが、算出精度は低下する場合がある。

また、図２に示す制御においては、ステップＳ１７において水素系内圧力値が上限水素系圧力値より大きい場合、即ち、不純物濃度が所定濃度より高いと推定される場合でも、ステップＳ１８で水素系内圧力値を最大許容水素系圧力と比較し、水素供給圧を未だ増加可能であれば、排出弁を開くこと無くステップＳ１９で水素供給圧を増加させている。その代わりに、ステップＳ１８及びＳ１９を省略し、不純物濃度が所定濃度より高いと推定される場合には常にステップＳ２０にて排出弁を開き、不純物を含む水素系ガスを排出するようにしても構わない。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る不純物濃度の推定を説明するフローチャートである。 透過水素量を求めるためのマップを示す。 許容最大窒素量を求めるためのマップを示す。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ カソード極
１ｂ アノード極
２ 流量計
３ 供給弁
４ 圧力計
５ 温度センサ
６ 電流計
８ 排出弁
１０ ＥＣＵ
５０ 燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料電池の水素系の圧力を取得する圧力取得手段と、
   前記水素系内の水素分圧を推定する圧力推定手段と、
   前記取得した圧力と前記推定された圧力とに基づいて、前記水素系内の不純物濃度を推定する不純物濃度推定手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記不純物濃度推定手段は、前記圧力取得手段が取得した圧力が前記圧力推定手段が推定した圧力を所定圧以上上回った場合に、前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記不純物濃度推定手段が前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定し、かつ、前記圧力取得手段が取得した圧力が所定圧力より小さい場合に、前記水素系へ供給する水素を増量する手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記不純物濃度推定手段が前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定し、かつ、前記圧力取得手段が取得した圧力が所定圧力以上である場合に、前記水素系内の流体を排出する手段を備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記不純物濃度推定手段が前記不純物濃度が所定濃度以上であると推定した場合に、前記水素系内の流体を排出する手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記圧力推定手段は、前記燃料電池が消費した水素量と、前記燃料電池の電解質膜を透過して移動した水素量と、に基づいて前記水素分圧を推定し、
   前記不純物濃度推定手段は、前記圧力取得手段が取得した圧力と、前記圧力推定手段が推定した圧力と、前記燃料電池の許容最大窒素量と、に基づいて不純物濃度を推定することを特徴とする請求項１及至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
   

Images