JP2021114457A - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気水素濃度の推定について、推定精度を向上すること。【解決手段】セルが積層された燃料電池と、１または複数のセルを単位として電圧を検出する電圧センサと、燃料電池の動作点を決定し、燃料電池を動作させる制御部であって、燃料電池の暖機運転時には基準動作点よりも効率の低い低効率動作点において燃料電池を動作させる制御部と、を備え、制御部は、暖機運転時に、電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下であるセルの総枚数を算出し、総枚数を用いて排気水素濃度を算出する燃料電池システム。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。

低効率運転による暖機運転においては、アノードで発生してカソードへ移動した水素イオンが電子を受け取り、ポンピング水素が発生することが知られている。ポンピング水素の発生量が増加すると、カソードオフガス中の水素濃度（以下、排気水素濃度という。）が上昇するおそれがある。特許文献１には、燃料電池の運転電流およびセル枚数などから導出されるポンピング水素の理論発生量を、燃料電池の電圧に応じた補正係数によって補正して、ポンピング水素の発生量を推定する方法が開示されている。

国際公開第２０１１／０１３２２６号

しかし、排気水素濃度の推定について、推定精度を向上する余地があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、セルが積層された燃料電池と、１または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の動作点を決定し、前記燃料電池を動作させる制御部であって、前記燃料電池の暖機運転時に基準動作点よりも効率の低い低効率動作点において前記燃料電池を動作させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記暖機運転時に、前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である前記セルの総枚数を算出し、前記総枚数を用いて排気水素濃度を算出する。この形態によれば、セル電圧が低下したセルの総枚数を用いることで、排気水素濃度を精度良く推定することができる。
（２）上記形態の燃料システムにおいて、さらに、前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池の始動時温度毎に前記燃料電池の現在温度に対する補正係数が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど補正係数の値が大きいマップを記憶する記憶装置と、を備え、前記制御部は、始動時に前記温度センサから取得した始動時温度を記憶し、前記マップを用いて、前記始動時温度および前記温度センサから取得した前記現在温度に対応する前記補正係数を取得し、前記総枚数に前記補正係数を乗じた値を用いて、前記排気水素濃度を算出してもよい。この形態によれば、始動時温度に対応する補正係数を用いることで、排気水素濃度を精度良く推定することができる。
（３）上記形態の燃料システムにおいて、前記制御部は、前記排気水素濃度が、予め定められた基準濃度よりも高い場合、水素濃度低減処理を実行してもよい。この形態によれば、精度良く推定された排気水素濃度が基準濃度よりも高い場合、排気水素濃度を低減することができる。
（４）上記形態の燃料システムにおいて、前記電圧センサは、１枚の前記セルの電圧を検出する第１電圧センサと、２枚の前記セルの電圧を検出する第２電圧センサと、を含み、前記制御部は、前記第１電圧センサの検出電圧が前記第１基準電圧以下である場合、前記第１基準電圧以下である前記セルを１枚と計数し、前記第２電圧センサの検出電圧が前記第１基準電圧以下である場合、前記第１基準電圧以下である前記セルを２枚と計数し、前記第２電圧センサの検出電圧が前記第１基準電圧より大きく、かつ、前記第１基準電圧よりも大きい予め定められた第２基準電圧以下である場合、前記第１基準電圧以下である前記セルを１枚と計数し、前記総枚数を算出してもよい。この形態によれば、２枚のセルに対して１つの電圧センサが備えられる場合においても、総枚数を算出することができる。
（５）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、セルが積層された燃料電池と、１または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、前記複数のセルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの枚数に対する要求発熱量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求発熱量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、前記制御部は、前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求発熱量を取得し、取得した前記要求発熱量を目標値として前記燃料電池を動作させる。この形態によれば、排気水素濃度が基準濃度となるように予め規定された参照マップを用いて、算出した総枚数に対応する要求発熱量を目標値に設定することで、排気水素濃度が基準濃度となる燃料電池の制御を行うことができる。
（６）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、セルが積層された燃料電池と、１または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの枚数に対する要求電流量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求電流量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、前記制御部は、前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求電流量を取得し、取得した前記要求電流量を目標値として前記燃料電池を動作させる。この形態によれば、排気水素濃度が基準濃度となるように予め規定された参照マップを用いて、算出した総枚数に対応する要求電流量を目標値に設定することで、排気水素濃度が基準濃度となる燃料電池の制御を行うことができる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムの制御方法、その制御方法をコンピューターに実行させるためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した非一過性の記録媒体などの形態で実現することができる。

車両に搭載される燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 第１実施形態に係る排気水素判定処理のフローチャートである。 第１実施形態に係るセル枚数算出処理のフローチャートである。 掃引電流毎の現在温度と第１電圧閾値との関係を示す図である。 現在温度と補正係数との関係を示す図である。 掃引電流と第１電圧閾値との関係を示す図である。 第２実施形態に係るセル枚数算出処理のフローチャートである。 第２実施形態に係る目標電流と第２電圧閾値との関係を示す図である。 第３実施形態に係る目標動作点を決定するための動作点マップを説明する図である。 第３実施形態に係る掃引電流毎のポンピング水素セル数と排気水素濃度との相関関係を示す図である。 第３実施形態に係る排気水素濃度毎の発熱量とポンピング水素セル数との相関関係を示す図である。 第３実施形態に係る排気水素濃度制御処理のフローチャートである。 第３実施形態に係るポンピング水素セル数と要求発熱量との相関関係を規定する参照マップを示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、車両に搭載される燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化ガス系回路２０と、燃料ガス系回路４０と、冷却系回路６０と、負荷７１と、制御部８０と、電流センサ１１と、電圧センサ１２と、温度センサ１４と、マフラー５２と、を備える。燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化ガスを用い、電気化学反応によって発電する。燃料電池１０は、複数のセル９０が積層されたスタック構造を有する。セル９０は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly）（図示せず）がセパレータ（図示せず）により挟持された構造を有する。ＭＥＧＡは、電解質膜（図示せず）の一方の面にアノードとして機能する電極触媒層（図示せず）を、他方の面にカソードとして機能する電極触媒層（図示せず）を備えるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）（図示せず）の両面にガス拡散層（図示せず）を備える。本実施形態では、燃料ガスとして水素が用いられ、酸化ガスとして空気中の酸素が用いられる。燃料電池１０により発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２により昇圧され、負荷７１に供給され、消費される。燃料電池１０と負荷７１との間には、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１１が設けられている。本実施形態では、１枚のセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２が設けられている。制御部８０は、図示しないＣＰＵ（central processing unit）および記憶装置８１を備え、酸化ガス系回路２０と、燃料ガス系回路４０と、冷却系回路６０と、を制御する。記憶装置８１には、後述する排気水素判定処理のプログラム、排気水素判定処理にて使用される第１電圧閾値Ｖｓ１を規定するマップなどの各マップ、センサ総数Ｎなどの各値が記憶されている。電圧センサ１２と、電流センサ１１と、温度センサ１４とは、それぞれ制御部８０と接続されている。電流センサ１１、電圧センサ１２、および温度センサ１４が検出した検出値は、制御部８０へ送信される。電圧センサ１２の各々には、燃料電池１０の両端部のいずれか一方のセル９０に設けられている電圧センサ１２を１番とする番号が付されている。制御部８０は、電圧センサ１２から受信した検出電圧は、何番目の電圧センサ１２から送信された検出電圧であるかを特定する。制御部８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２を用いて燃料電池１０の出力電流を制御することにより、燃料電池１０の出力電圧を制御する。

酸化ガス系回路２０は、燃料電池１０のカソードに対して空気を供給するための回路である。酸化ガス系回路２０は、酸化ガス供給管２１と、エアクリーナ２２と、エアコンプレッサ２３と、バイパス管２４と、酸化オフガス排出管２５と、酸化ガス供給バルブ２６と、バイパスバルブ２７と、カソードオフガス排気バルブ２８と、を有する。酸化ガス供給管２１はエアクリーナ２２と、燃料電池１０のカソード、すなわち酸化ガス導入口（図示せず）と、を接続する。酸化オフガス排出管２５は燃料電池１０の酸化オフガス排出口（図示せず）と、大気とを連通する。酸化オフガス排出管２５にはマフラー５２が配置されている。エアコンプレッサ２３は、エアクリーナ２２により塵埃が除去された空気を圧縮し、酸化ガス供給管２１を介して圧縮した空気を燃料電池１０に供給する。酸化ガス供給バルブ２６は酸化ガス供給管２１に配置されており、酸化ガス供給管２１の流路を開閉することにより燃料電池１０への空気の供給を遮断または許容する。カソードオフガス排気バルブ２８は酸化オフガス排出管２５に配置されており、燃料電池１０の酸化オフガス排出口から排出されたカソードオフガスの排出量を制御し、燃料電池１０の背圧を調整する。バイパス管２４は、酸化ガス供給管２１と酸化オフガス排出管２５とを接続する。バイパスバルブ２７は、バイパス管２４に配置されており、エアコンプレッサ２３およびカソードオフガス排気バルブ２８と協働して、燃料電池１０を流れる空気の流量を調整する。

燃料ガス系回路４０は、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガスを供給するための回路である。燃料ガス系回路４０は、燃料ガス供給管４１と、燃料ガス源である燃料ガスタンク４２と、主止弁４３と、調圧弁４４と、インジェクタ４５と、燃料排ガス管４６と、気液分離器４７と、排気排水弁４８と、還流管４９と、還流ポンプ５０と、を備える。燃料ガス供給管４１は、燃料ガスタンク４２と、燃料電池１０のアノード、すなわち燃料ガス導入口（図示せず）と、を接続する。燃料ガスタンク４２は高圧水素ガスを貯留する。燃料ガス供給管４１には、燃料ガスタンク４２から燃料電池１０に向かって、主止弁４３、調圧弁４４、インジェクタ４５が順に配置されている。主止弁４３は、燃料ガス供給管４１の流路を開閉することにより燃料ガスタンク４２からの水素ガスの供給を遮断または許容する。調圧弁４４は、高圧水素ガスの圧力を予め定められた水素圧力まで低下させる。インジェクタ４５は、燃料電池１０に対する水素ガスの供給量を調整するために備えられている。インジェクタ４５は、噴射間隔、すなわち、開口間隔が制御されることによって、燃料ガスの供給量（燃料ガス量）を調整する。燃料排ガス管４６は、燃料電池１０の燃料オフガス排出口（図示せず）と、酸化オフガス排出管２５と、を接続する。燃料排ガス管４６には、燃料電池１０からマフラー５２に向かって、順に気液分離器４７と、排気排水弁４８とが、配置されている。還流管４９は、気液分離器４７と、インジェクタ４５下流側の燃料ガス供給管４１と、を接続する。燃料電池１０の燃料オフガス排出口から排出される燃料オフガスは、気液分離器４７により気体成分と液体成分とに分離される。排気排水弁４８は、燃料排ガス管４６を連通・非連通に切り替える。気液分離器４７により分離された燃料排ガスの気体成分は、還流ポンプ５０により燃料ガス供給管４１へ還流される。これにより、燃料オフガスに含まれる未反応の水素が再利用される。燃料オフガス中の水素ガス以外のガス成分の濃度が高くなると、排気排水弁４８が開弁されて、液体成分と燃料オフガスとが排出される。燃料排ガス管４６を流れる燃料オフガスと、酸化オフガス排出管２５を流れるカソードオフガスとは、混合され、マフラー５２を介して排気される。

冷却系回路６０は燃料電池１０を冷却するための回路である。冷却系回路６０は、冷媒供給管６１と、ラジエータ６４と、冷媒ポンプ６５と、を備える。冷媒供給管６１を流れる冷媒は、ラジエータ６４により冷却され、冷媒ポンプ６５により燃料電池１０内を循環する。冷媒供給管６１には、温度センサ１４が設けられている。燃料電池１０から排出される冷媒の温度と、燃料電池１０の温度とは、ほぼ等しいため、冷媒の温度を燃料電池１０の温度とすることができる。なお、温度センサを、燃料電池１０に設けてもよい。

燃料電池１０における通常運転および暖機運転について説明する。通常運転においては、目標の出力電力を発電するのに必要な理論空気量以上の空気が供給されて発電が行われる。一方、暖機運転においては、運転効率を低下させるために、通常運転にて供給される空気量未満の空気量にて発電が行われる。ここで、通常運転にて供給される空気量未満の空気量にて発電される場合の動作点である、暖機運転において制御される燃料電池１０の動作点を低効率動作点という。暖機運転においては、目標の出力電力を発電するのに必要な理論空気量に対する、実際に供給される空気量の比である、エアストイキ比は、例えば１．０程度とされる。低効率動作点において燃料電池１０を稼働させることにより、濃度過電圧が増大し、自己発熱により燃料電池１０が暖機される。通常運転においては、制御部８０は、燃料消費の観点から適切な運転効率となるように、燃料電池１０の動作点を決定して燃料電池１０を動作させる。運転効率とは、燃料電池１０に供給される燃料ガス量と燃料電池１０から出力される電力とにより求められる効率である。暖機運転では、燃料電池１０の動作点の内、基準となる基準動作点よりも効率が低い低効率動作点にて運転される。ここで、基準動作点とは、目標の出力電力を発電するのに必要な理論空気量以上の空気を供給して燃料電池１０を運転するための動作点である。暖機運転では、例えば、燃料電池１０の始動時温度に応じて目標発熱量が設定され、設定された目標発熱量に基づき、低効率動作点の目標値が決定される。

暖機運転は、主に外気温が氷点下である場合に行われる。氷点下では、燃料電池１０に残存する水分などが凍結し、燃料電池１０の酸化ガスの流路が閉塞される場合がある。このため、酸化ガスの圧力損失が増大し、目標の燃料ガス供給量に対して、実際の燃料ガス供給量が少なくなり、目標のセル電圧に対して、実際のセル電圧は低下する。また、燃料ガス供給量が少なくなるとポンピング水素が発生する。ポンピング水素とは、カソードに移動した水素イオンが電子を受け取り発生する水素である。水素イオンのカソードへの移動量は、燃料電池１０から掃引する電流量に比例するため、ポンピング水素の発生量は、掃引する電流量に比例する。

制御部８０が実行する排気水素判定処理について図２を参照して説明する。制御部８０は、起動後、排気水素判定処理を繰り返し実行する。制御部８０は、起動時、温度センサ１４の検出温度を、燃料電池１０始動時の始動時温度として、記憶装置８１に記憶する。制御部８０は、例えば酸化ガス供給管２１（図１）に設けられた外気温を検出する温度センサ（図示しない）の検出値に基づき、暖機運転が必要か否かを判断し、暖機運転が必要であると判断すると、暖機運転フラグをオンに切り替え、暖機運転を開始する。詳しくは、制御部８０は、酸化ガス系回路２０に燃料電池１０に対する空気の供給を開始させ、燃料ガス系回路４０に燃料電池１０に対する燃料ガスの供給を開始させ、燃料電池１０に発電を開始させる。また、制御部８０は、暖機運転を終了する場合は、暖機運転フラグをオフに切り替える。制御部８０は、暖機運転時には、低効率動作点において燃料電池１０を動作させる。

制御部８０は、排気水素判定処理を開始すると、燃料電池１０が暖機運転中であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。燃料電池１０は、暖機運転フラグを参照し、暖機運転フラグがオフの場合には、燃料電池１０は暖機運転中でないと判断し（ステップＳ１０：ＮＯ）、本処理ルーチンを終了する。制御部８０は、暖機運転フラグがオンの場合には（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、セル枚数算出処理（ステップＳ２０）を実行する。

セル枚数算出処理について、図３を参照して説明する。発明者らは、ポンピング水素発生量は、セル電圧が低下しているセル９０が多いほど多いことに着目した。ポンピング水素発生量の算出のため、セル枚数算出処理では、ポンピング水素が発生していると推定されるセル９０の数（以下、「ポンピング水素セル数」と称する。）Ｎｈが計数される。セル枚数算出処理では、セル電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下であるセル９０に、ポンピング水素が発生していると判断され、ポンピング水素が発生していると推定されるセル９０（以下「ポンピング水素発生セル」と称する。）として特定される。

図４は、現在温度および掃引電流に対して第１電圧閾値Ｖｓ１を規定するマップである。ここで、掃引電流とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２により、燃料電池１０から取り出される電流である。図４の横軸は、燃料電池１０の現在温度［℃］であり、縦軸は、第１電圧閾値Ｖｓ１［Ｖ］である。第１電圧閾値Ｖｓ１は、掃引電流毎に規定されている。燃料電池１０の出力電圧は、出力電流が大きいほど、小さくなるため、燃料電池１０の掃引電流が大きいほど、第１電圧閾値Ｖｓ１は小さく設定されている。特性線Ｌｂ１は、燃料電池１０の現在温度によらず、第１電圧閾値Ｖｓ１が一定と設定された特性線である。燃料電池１０の温度が低いほど、電解質膜の抵抗は大きくなり、セル９０から出力されるセル電圧は低下する。このため、特性線Ｌａ１および特性線Ｌｃ１のように、現在温度が低いほどセル電圧が低くなる燃料電池１０の特性が反映された特性線を使用してもよい。本実施形態では、特性線Ｌａ１が用いられる。

制御部８０は、セル枚数算出処理（図３）を開始すると、本サブルーチンで使用する、電圧センサ１２の番号を示すセンサ番号ｎを初期値の１に設定し、ポンピング水素が発生しているセル９０の総枚数を示す発生セル数ｍを初期値のゼロに設定する。制御部８０は、図４に示すマップを参照し、目標電流を掃引電流として、温度センサ１４により検出された現在温度および掃引電流に対応する第１電圧閾値Ｖｓ１（第１基準電圧の一例）を取得する（ステップＳ１００）。制御部８０は、ｎ番目の電圧センサ１２の検出電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下であるか否か判断する（ステップＳ１１０）。制御部８０は、検出電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下であると判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、対象セルにポンピング水素が発生していると推定し、発生セル数ｍに１を加算し（ステップＳ１２０）、ステップＳ１３０に移行する。制御部８０は、検出電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下でない、すなわち第１電圧閾値Ｖｓ１より大きいと判断すると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、対象セルにポンピング水素が発生していないと推定し、ステップＳ１２０をスキップし、ステップＳ１３０に移行する。制御部８０は、次の電圧センサ１２を判断対象とするため、センサ番号ｎに１を加算し（ステップＳ１３０）、センサ番号ｎが電圧センサ１２のセンサ総数Ｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。制御部８０は、センサ番号ｎがセンサ総数Ｎ以上でない、すなわちセンサ総数Ｎ未満であると判断すると（ステップＳ１４０：ＮＯ）、次の電圧センサ１２について判断するため、ステップＳ１１０へ戻る。制御部８０は、センサ番号ｎがセンサ総数Ｎ以上であると判断すると（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、すべての電圧センサ１２についての判断を終了したため、本サブルーチンを終了する。

図２に戻り、制御部８０は、ステップＳ２０実行後、排気水素濃度推定が可能であるか否かを判断する（ステップＳ３０）。具体的には、制御部８０は、後述する排気水素濃度の算出式である式（１）〜（３）にて使用される、総エア流量Ｖａなどの各値が、妥当であるか否かを判断する。条件の例示は、（ａ）から（ｊ）に示すとおりである。（ａ）から（ｊ）までの項目の少なくともいずれか１つが判断基準として用いられる。用いられる１以上の判断基準について、１つでも該当する場合には、排気水素濃度の推定は可能でないと判断される。
（ａ）セル電圧の絶対値が基準値以下の場合。
（ｂ）セル電圧が指令電圧値以下の場合。
（ｃ）セル電圧が指令電圧値に対して所定範囲内で推移していない場合。
（ｄ）現在温度が基準値以下の場合。
（ｅ）空気流量の絶対値が基準値以下の場合。
（ｆ）空気流量が指令流量値以下の場合。
（ｇ）空気流量が指令流量値に対して所定範囲内で推移していない場合。
（ｈ）出力電流の絶対値が基準値以下の場合。
（ｉ）出力電流が指令電流値以下の場合。
（ｊ）出力電流が指令電流値に対して所定範囲内で推移していない場合。
空気流量は、例えば、エアコンプレッサ２３の回転数およびバイパスバルブ２７の開度から推定される値である。制御部８０は、排気水素濃度の推定は不可能である（ステップＳ３０：ＮＯ）と判断すると、本処理ルーチンを終了する。制御部８０は、排気水素濃度の判定は可能であると判定すると（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ４０へ進む。

ここで、後のステップＳ５０，Ｓ６０にて使用される、排気水素濃度Ｃｈの算出式について説明する。発明者らは、ポンピング水素発生量は、ポンピング水素セル数と、燃料電池１０から掃引する電流と、に比例することに着目した。各セル９０には、同じ電流値の電流が流れるとみなし、排気水素濃度Ｃｈは次の式（１）〜（３）を用いて算出される。
Ｖｈ＝ＣＦ×Ｉ／（２×Ｆ）×２２．４×６０×Ｎｈ・・・式（１）
Ｖｏ＝Ｉ／（４×Ｆ）×２２．４×６０×（Ｎａ−Ｎｈ）・・・式（２）
Ｃｈ＝Ｖｈ／（Ｖａ−Ｖｏ＋Ｖｈ）×１００・・・式（３）
式（１）は、推定されるポンピング水素の発生量（以下、「ポンピング水素量」と称する。）の算出式であり、式（２）は、消費酸素量の算出式である。式（３）は、排気水素濃度Ｃｈの算出式であり、式（１），（２）により算出されたポンピング水素量Ｖｈおよび消費酸素量Ｖｏが代入される。
式（１）〜（３）におけるパラメータの定義は、次に示す通りである。
Ｖｈ：ポンピング水素量［ＮＬ／ｍｉｎ］
Ｖｏ：消費酸素量［ＮＬ／ｍｉｎ］
Ｃｈ：排気水素濃度［％］
Ｖａ：総エア流量［ＮＬ／ｍｉｎ］
ＣＦ：補正係数
Ｉ：掃引電流［Ａ］
Ｎｈ：ポンピング水素セル数
Ｎａ：総セル数
Ｆ：ファラデー定数
「総セル数」は、セル９０の総枚数を示す。式（１）における、数値「２」は、２つの水素イオンがカソードで水素１分子になる際にカソードから受け取る電子の数である。式（２）における数値「４」は、酸素１分子がカソードにおいて水になる際にカソードから受け取る電子の数である。掃引電流Ｉに基づき、カソードへ供給される１秒当たりの電荷の量が見積もられる。例えば、式（１）におけるポンピング水素量Ｖｈの算出では、見積もられた電荷の量から、ファラデー定数を用いて、発生するポンピング水素の分子数が算出される。算出された分子数は、標準状態における気体１ｍｏｌ当たりの体積（２２．４[Ｌ／ｍｏｌ]）を用いて、１分当たりに発生するポンピング水素の体積であるポンピング水素量Ｖｈ［ＮＬ／ｍｉｎ］に換算される。

式（１）における補正係数ＣＦは、掃引電流Ｉおよびポンピング水素セル数Ｎｈから導出されるポンピング水素発生量の理論値を実測値に補正するための係数であり、実験などにより求められる値である。

上記のように、セル枚数算出処理（図３）では、セル電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下のセル９０が、ポンピング水素発生セルと判断される。判断に際して、ポンピング水素発生セルと、ポンピング水素が発生していないと推定されるセル９０（以下、「ポンピング水素非発生セル」と称する。）とで、セル電圧は明確に２分されることが理想である。しかし、実際には、セル電圧の実測値は、０Ｖ付近から目標のセル電圧付近まで分布する。このため、第１電圧閾値Ｖｓ１の値によっては、実際にはポンピング水素が発生していないセル９０がポンピング水素発生セルとして誤計数され、実際にポンピング水素が発生しているセル９０が、ポンピング水素非発生セルとして誤計数される場合が生じてしまう。補正係数ＣＦは、このような、誤った計数を補正するために用いられる。

図５は、始動時温度毎に現在温度に対して補正係数ＣＦを規定するマップである。図５の横軸は、燃料電池１０の現在温度［℃］であり、縦軸は、補正係数ＣＦである。特性線Ｌｄ１〜Ｌｄ３は、異なる始動時温度に対応し、特性線Ｌｄ１、特性線Ｌｄ２、特性線Ｌｄ３の順に、始動時温度が低い。始動時温度に関しては後述する。

実際にはポンピング水素が発生しているセル９０がポンピング水素非発生セルと計数される誤計数は、氷点下であった燃料電池１０の温度が氷点以上に移行する時に生じ易い。暖機運転において、燃料電池１０は、エアストイキ比の変化量に対する出力電圧の変化量が大きい動作域にて運転されている。暖機運転においては、例えば燃料電池１０の凍結していた水分の融解に応じて、燃料ガスの供給量が増えると、セル電圧は大きく上昇する。このため、ポンピング水素が発生しているにもかかわらず、第１電圧閾値Ｖｓ１よりも実測値が大きくなり、ポンピング水素が発生しているセル９０がポンピング水素非発生セルとして誤計数される。

反対に、実際にはポンピング水素が発生していないセル９０がポンピング水素発生セルと計数される誤計数は、燃料電池１０の温度の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい、掃引電流０Ａ付近で生じ易い。図６は、現在温度毎の掃引電流Ｉと、第１電圧閾値Ｖｓ１との関係を示す図である。図６の横軸は、掃引電流Ｉ［Ａ］であり、縦軸は、第１電圧閾値Ｖｓ１［Ｖ］である。特性線Ｌａ１〜Ｌａ３は、それぞれ、現在温度−１０℃、−２０℃、−３０℃に対応している。掃引電流０Ａ付近では、燃料電池１０の温度の変化量に対する出力電圧の変化量が小さい。このため、僅かな検出誤差であっても、誤計数を招きやすい。例えば、温度センサ１４の検出温度に対して、対象のセル９０の温度が低い場合には、実際の現在温度よりも高い現在温度に対応する第１電圧閾値Ｖｓ１を用いて判断されてしまう。この場合には、ポンピング水素が発生していないセル９０がポンピング水素発生セルとして誤計数される。

ポンピング水素が発生しているセル９０がポンピング水素非発生セルとして誤計数された場合には、計数されたセル数を大きい値に補正する必要がある。反対に、ポンピング水素が発生していないセル９０がポンピング水素発生セルとして誤計数された場合には、計数されたセル数を小さい値に補正する必要がある。補正係数ＣＦは、上記の事象が勘案されて、設定されている。

次に、補正係数ＣＦのマップが、始動時温度毎に規定されている理由について説明する。発明者らは、現在動作点が同じであっても、始動時温度が低いほど、ポンピング水素が発生し易くなることを見出した。始動時温度が低いほど、暖機に求められる熱量は大きくなり、指令電圧は下げられ、すなわち、空気の供給量が減らされるからである。そこで、始動時温度が低いほど、補正係数ＣＦが大きくされたマップを用いることで、ポンピング水素量を精度良く算出することができる。

図２に戻り、制御部８０は、排気水素濃度を推定可能であると判定すると（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、図５に示すマップを参照し、温度センサ１４の検出温度である現在温度および始動時温度に対応する補正係数ＣＦを取得する（ステップＳ４０）。制御部８０は、掃引電流Ｉに電流センサ１１の検出電流である現在電流を代入し、ポンピング水素セル数Ｎｈに発生セル数ｍの値を代入して、上記の式（１）〜（３）に基づき、排気水素濃度Ｃｈを算出する（ステップＳ５０）。現在電流が代入されて算出された排気水素濃度Ｃｈを第１推定水素濃度Ｃａと称する。制御部８０は、掃引電流Ｉに目標電流を代入して、上記の式（１）〜（３）に基づき、排気水素濃度Ｃｈを算出する（ステップＳ６０）。目標電流が代入されて算出された排気水素濃度Ｃｈを第２推定水素濃度Ｃｂと称する。制御部８０は、掃引電流が目標電流となるように制御するが、例えば、燃料電池１０に残存する水分が完全に融解していない場合などに、掃引電流が目標電流に一致しない状態が生じ得る。第１推定水素濃度Ｃａと第２推定水素濃度Ｃｂとが、乖離する場合がある。このため、第１推定水素濃度Ｃａと第２推定水素濃度Ｃｂとの両者を算出し、各々に基づき濃度判定（ステップＳ７０，Ｓ８０）を行うことで、排気水素濃度が高い場合の水素濃度低減処理（ステップＳ９０）を確実に実行することができる。

制御部８０は、第１推定水素濃度Ｃａが例えば環境基準に基づく濃度閾値（基準濃度の一例）以上であるか否かを判断する（ステップＳ７０）。制御部８０は、第１推定水素濃度Ｃａが濃度閾値以上であると判断すると（ステップＳ７０：ＹＥＳ）、排気水素濃度を下げるため、ステップＳ９０へ移行する。制御部８０は、第１推定水素濃度Ｃａが濃度閾値以上でない、すなわち濃度閾値未満であると判断すると（ステップＳ７０：ＮＯ）、第２推定水素濃度Ｃｂが濃度閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ８０）。制御部８０は、第２推定水素濃度Ｃｂが濃度閾値以上であると判断すると（ステップＳ８０：ＹＥＳ）、排気水素濃度を下げるため、ステップＳ９０へ移行する。制御部８０は、第２推定水素濃度Ｃｂが濃度閾値以上でない、すなわち濃度閾値未満であると判断すると（ステップＳ８０：ＮＯ）、本処理ルーチンを終了する。制御部８０は、ポンピング水素の発生を低減するために、燃料電池１０の動作点を現在の動作点よりも効率の良い高効率動作点に変更する水素濃度低減処理を実行し（ステップＳ９０）、本処理ルーチンを終了する。水素濃度低減処理は、水素濃度を低減できればどのような処理でもよく、例えば、目標電流値を現在の設定値よりも小さくする処理である。これにより、排気水素濃度が低減される。

以上、説明した排気水素判定処理によれば、電圧センサ１２の検出電圧に基づき、ポンピング水素発生セルを特定し、ポンピング水素セル数Ｎｈに基づき、排気水素濃度Ｃｈを算出するため、排気水素濃度Ｃｈを精度良く算出することができる。水素濃度低減処理は、排気水素濃度Ｃｈが濃度閾値以上の場合に実行される。水素濃度低減処理を実行するか否かの判断に、精度良く算出された排気水素濃度Ｃｈを用いることができるため、実際の排気水素濃度が濃度閾値以上ではない場合における水素濃度低減処理の実行が抑制される。排気水素濃度Ｃｈが濃度閾値以上の場合には、高効率側へ動作点が移動される。このため、排気水素濃度Ｃｈの算出精度が悪い場合には、動作点の過剰移動（ハンチング）が発生してしまう。排気水素濃度Ｃｈを精度良く算出することで、動作点の過剰移動（ハンチング）を抑制することができる。また、暖機運転中に、水素濃度低減処理を実行するため、通常運転に移行した後に、掃引電流の増加に伴うポンピング水素量の増加を抑制することができる。発明者らは、一度ポンピング水素が発生すると、カソードとして機能する電極触媒層の触媒表面が水素リッチ状態となり、触媒表面への酸素供給が阻害され、発電反応が阻害されることを見出した。触媒表面が水素リッチ状態で、通常運転に移行されると、燃料電池１０の掃引電流が増加され、掃引電流の増加に応じて、ポンピング水素量も増加してしまう。そこで、通常運転へ移行する前の暖機運転中に、水素濃度低減処理を実行することで、ポンピング水素量の増加を抑制することができる。

Ｂ：第２実施形態
第１実施形態では、燃料電池システム１００には、１枚のセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２が設けられている。これに対して、第２実施形態における燃料電池システムには、積層されるセル９０のうち、両端の複数のセル９０については、１枚のセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２（以下、「第１電圧センサ」と称する。）が設けられている。両端の複数のセル９０を除く中間のセル９０については、２つのセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２（以下、「第２電圧センサ」と称する。）が設けられている。２つのセル９０の電圧を検出する電圧センサ１２の検出電圧は、各セル９０の電圧の総和となる。第２実施形態に係る発生セル枚数算出処理は、電圧センサ１２が２つのセル９０の電圧を検出する構成においても、ポンピング水素発生セルの特定を可能とする処理である。第２実施形態に係る排気水素判定処理は、セル枚数算出処理以外の処理は、第１実施形態に係る排気水素判定処理と同様のため、説明は省略する。

第２電圧センサが検出対象とする２つのセル９０のいずれか一方のみのセル電圧が低下している場合、第２電圧センサの検出電圧は、２つのセル９０のどちらもセル電圧が低下していない場合の検出電圧と、２つのセル９０のどちらもセル電圧が低下している場合の検出電圧と、の間の値となる。そこで、第１電圧閾値Ｖｓ１よりも大きい第２電圧閾値Ｖｓ２を用いて、２つのセル９０のいずれか一方のみがセル電圧が低下している第２電圧センサを特定する。図８は、現在温度毎に目標電流に対して、第２電圧閾値Ｖｓ２を規定するマップである。図８の横軸は、目標電流［Ａ］であり、縦軸は第２電圧閾値Ｖｓ２である。特性線Ｌｅ１〜Ｌｅ３は、異なる現在温度に対応し、特性線Ｌｅ１，特性線Ｌｅ２，特性線Ｌｅ３の順に現在温度が低い。ポンピング水素が発生していないセル９０のセル電圧は、燃料電池１０の目標電圧に応じた値となる。このため、第２電圧閾値Ｖｓ２は、目標電圧に応じた値とされている。第２実施形態に係るセル枚数算出処理では、第２電圧センサの検出電圧が第１電圧閾値より大きく、第２電圧閾値Ｖｓ２以下である場合、ポンピング水素発生セルは、１枚であるとして計数される。

制御部８０は、セル枚数算出処理（図７）を開始すると、第１実施形態と同様に、本サブルーチンで使用する変数であるセンサ番号ｎを初期値の１に、発生セル数ｍを初期値のゼロに設定する。制御部８０は、図２に示すマップを参照して、現在温度および電流センサ１１の検出電流に対応する第１電圧閾値Ｖｓ１を取得する（ステップＳ２１０）。制御部８０は、図８に示すマップを参照して、現在温度および目標電流に対応する、第２電圧閾値Ｖｓ２（第２基準電圧の一例）を取得する（ステップＳ２２０）。

制御部８０は、対象とするｎ番目の電圧センサ１２が検出するセル９０の枚数をセル枚数Ｎｃに設定する（ステップＳ２３０）。第１電圧センサであれば、セル枚数Ｎｃは１に設定され、第２電圧センサであれば、セル枚数Ｎｃは２に設定される。制御部８０は、対象とするｎ番目の電圧センサ１２の検出電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下であるか否か判断する（ステップＳ２４０）。制御部８０は、検出電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下であると判断すると（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、対象セルにポンピング水素が発生していると推定されるため、発生セル数ｍにセル枚数Ｎｃを加算し（ステップＳ２５０）、ステップＳ２６０に移行する。第１電圧センサであれば、発生セル数ｍに１が加算され、第２電圧センサであれば、発生セル数ｍに２が加算される。

制御部８０は、検出電圧が第１電圧閾値Ｖｓ１以下でない、すなわち第１電圧閾値Ｖｓ１より大きいと判断すると（ステップＳ２４０：ＮＯ）、対象の電圧センサ１２が検出するセル９０の検出枚数は２枚であるか否かを判断する（ステップＳ２８０）。制御部８０は、対象とする電圧センサ１２は、第１電圧センサであり、検出枚数は２枚でないと判断すると（ステップＳ２８０：ＮＯ）、ステップＳ２６０に移行する。制御部８０は、検出枚数は２枚であると判断すると（ステップＳ２８０：ＹＥＳ）、対象としているｎ番目の検出電圧は、第２電圧閾値Ｖｓ２以下であるか否かを判断する（ステップＳ２９０）。制御部８０は、検出電圧が第２電圧閾値Ｖｓ２以下でない、すなわち第２電圧閾値Ｖｓ２より大きいと判断すると（ステップＳ２９０：ＮＯ）、ステップＳ２６０に移行する。制御部８０は、検出電圧が第２電圧閾値Ｖｓ２以下であると判断すると（ステップＳ２９０：ＹＥＳ）、発生セル数ｍに１を加算する（ステップＳ３００）。

制御部８０は、次の電圧センサ１２を判断対象とするため、センサ番号ｎに１を加算し（ステップＳ２６０）、センサ番号ｎが電圧センサ１２のセンサ総数Ｎ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２７０）。制御部８０は、センサ番号ｎがセンサ総数Ｎ以上でない、すなわちセンサ総数Ｎ未満であると判断すると（ステップＳ２７０：ＮＯ）、次の電圧センサ１２について判断するため、ステップＳ２３０へ戻る。制御部８０は、センサ番号ｎがセンサ総数Ｎ以上であると判断すると（ステップＳ２７０：ＹＥＳ）、すべての電圧センサ１２についての判断を終了したため、本サブルーチンを終了する。

以上、説明した第２実施形態に係るセル枚数算出処理によれば、電圧センサ１２が、１枚のセル９０を単位とする電圧センサと、２枚のセル９０を単位とする電圧センサとを含む場合にも、精度良く、ポンピング水素セル数Ｎｈを算出することができる。

Ｃ．第３実施形態
第３実施形態では、排気水素濃度Ｃｈが基準濃度以下となるように予め規定された参照マップの使用により、燃料電池１０は、排気水素濃度Ｃｈが基準濃度以下となる動作点にて制御される。これにより、燃料電池１０の排気水素濃度Ｃｈを基準濃度以下に維持することができる。

図９は、燃料電池１０の暖機運転における目標動作点を決定するための動作点マップを説明する図である。なお、図９を用いて決定される動作点は、暖機運転における動作点であり、上述のように、基準動作点よりも効率が低い低効率動作点である。図９の横軸は、燃料電池１０の電流であり、縦軸は、燃料電池１０の電圧である。図９には、同じ発電量となる動作点を示す等パワーラインＰＬと、同じ発熱量となる動作点を示す等ＱラインＱＬ１，ＱＬ２とが示されている。ここで、発熱量とは、燃料電池１０の発電に伴って発生する時間当たりの熱量である。等ＱラインＱＬ１，ＱＬ２は、互いに発熱量が異なり、等ＱラインＱＬ１の発電量は発熱量ｑｍａｘであり、等ＱラインＱＬ２の発電量は発熱量ｑａである。発熱量ｑｍａｘは、暖機運転において設定される目標発熱量の最大値であり、発熱量ｑａよりも大きい。通常運転においては、要求発電量に応じて目標動作点が設定される。これに対して、暖機運転においては、目標発熱量が決定され、決定された目標発熱量に応じて目標動作点が決定される。詳しくは、目標発熱量の等Ｑラインと、目標発電量の等パワーラインとの交点が目標動作点に設定される。暖機運転においては、燃料電池１０は、エアストイキ比の変化量に対する出力電圧の変化量が大きい動作域にて運転されていることなどから、目標発電量は、予め定められた値に固定される。つまり、暖機運転における動作点は、図９の等パワーラインＰＬ上の動作点に設定される。また、エアコンプレッサ２３の回転数予め定められた値に固定され、燃料電池システム１００へ供給される総エア流量Ｖａは、予め定められた値に固定される。暖機運転においては、暖機運転時間を短縮するため、可能な限り、目標発熱量は大きく設定されるのが好ましい。そこで、暖機運転は、発熱量ｑｍａｘに応じた目標動作点にて運転が開始される。詳しくは、発熱量ｑｍａｘである等ＱラインＱＬ１と等パワーラインＰＬとの交点である目標動作点ＯＰ１にて運転が開始される。なお、暖機運転における時間当たりの目標発電量は、例えば、１０．３ｋＷである。また、発熱量ｑｍａｘは、例えば、時間当たり５６ｋＷである。

第１実施形態にて説明したように、排気水素濃度Ｃｈは、ポンピング水素セル数Ｎｈおよび掃引電流Ｉなどを用いて、式（３）を用いて算出することができる。ここで、掃引電流Ｉとは、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２により燃料電池１０から取り出される電流である。なお、排気水素濃度Ｃｈは、詳しくは、酸化オフガス排出管２５とバイパス管２４との接続点より下流側の、酸化オフガス排出管２５における濃度である。また、総エア流量Ｖａは、固定値である。総エア流量Ｖａは、エアコンプレッサ２３から燃料電池システム１００に供給される空気の流量であり、詳しくは、燃料電池１０に供給される空気流量と、バイパス管２４を流通する空気流量との合計量である。ここで、第３実施形態では、式（３）に代入されるポンピング水素量Ｖｈは、次の式（４）を用いて算出される。式（４）は、式（１）に含まれる補正係数ＣＦがない点が、式（１）とは異なる。
Ｖｈ＝Ｉ／（２×Ｆ）×２２．４×６０×Ｎｈ・・・式（４）
上記したように、ポンピング水素が発生しているセル９０では、セル電圧が低下する。そこで、第１実施形態では、セル電圧が０Ｖより大きい値である第１電圧閾値Ｖｓ１以下であるセル９０を計数し、補正係数ＣＦを用いて、例えば実際にはポンピング水素が発生していないセル９０が特定セルであるポンピング水素発生セルとして計数されてしまうなどの誤計数が補正される。ここで、ポンピング水素発生セルのセル電圧は、典型的には負電圧となる。そこで、本実施形態では、第１電圧閾値Ｖｓ１は、例えば０Ｖと設定され、セル電圧が０Ｖ以下であるセル９０がポンピング水素発生セルとして計数される。そして、補正係数ＣＦを用いた補正は行われずにポンピング水素量Ｖｈが算出される。式（４），（２）を式（３）に代入して整理すると、次の式（５）となる。
Ｃｈ＝２Ｎｈ／（４Ｆ／Ｉ×Ｖａ／（２２．４×６０）−Ｎａ＋３Ｎｈ）・・・式（５）

ここで、発明者らは、総エア流量Ｖａを固定値とした場合、排気水素濃度Ｃｈはポンピング水素セル数Ｎｈと、掃引電流Ｉとに基づき算出することができるため、排気水素濃度Ｃｈ毎に、ポンピング水素セル数Ｎｈと掃引電流Ｉとの相関関係を予め規定できることに着目した。排気水素濃度Ｃｈが基準濃度以下となる、ポンピング水素セル数Ｎｈと掃引電流Ｉとの相関関係に基づいて、掃引電流Ｉとなる動作点にて燃料電池１０を動作させることにより、排気水素濃度Ｃｈが基準濃度以下となる燃料電池１０の制御を実現することができる。以下に詳述する。

図１０は、式（５）を用いて算出された、掃引電流Ｉ毎の、ポンピング水素セル数Ｎｈと排気水素濃度Ｃｈとの相関関係を示す図である。特性線Ｌ１〜Ｌ５は、それぞれ、掃引電流Ｉがｉ１〜ｉ５であり、特性線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の順に、掃引電流Ｉの電流値は次第に大きくなる。図１０に示されるように、ポンピング水素セル数Ｎｈが同じ場合、掃引電流Ｉが大きいほど、排気水素濃度Ｃｈは高くなる。また、掃引電流Ｉが同じ場合、ポンピング水素セル数Ｎｈが多いほど、排気水素濃度Ｃｈは高くなる。

図１１は、排気水素濃度毎の、発熱量とポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係を規定するマップである。図１１に示されるマップは、後述するように、排気水素濃度制御処理にて使用される参照マップを含むマップである。参照マップは、等パワーライン上の動作点で燃料電池１０を発電させた場合のマップであり、エアコンプレッサ２３により燃料電池システム１００に供給される空気量である総エア流量Ｖａは固定値である。式（５）に示されるように、総エア流量Ｖａおよび総セル数Ｎａを固定値とした場合、排気水素濃度Ｃｈは、掃引電流Ｉとポンピング水素セル数Ｎｈとを用いて算出される。上記のように、本実施形態では、目標発熱量が決定され、目標発熱量に応じて目標動作点が決定され、燃料電池１０は、決定された目標動作点に制御される。そこで、図１１に示されるマップは、掃引電流Ｉではなく、発熱量と、ポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係が規定されている。本実施形態では、暖機運転においては、制御部８０は、燃料電池１０を等パワーラインＰＬ上の動作点にて動作させるため、掃引電流Ｉと要求発熱量とを一対一に対応付けることができる。よって、発熱量と、ポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係を予め規定することができる。詳しくは、掃引電流Ｉから発熱量への換算は、例えば図９に示される動作点マップを用いて行うことができる。図１０に示されるように、ポンピング水素セル数Ｎｈおよび排気水素濃度Ｃｈが決定されれば、掃引電流Ｉが一義に決定される。そして、図９に示されるように、掃引電流Ｉが決定されれば、発熱量が一義に決定される。特性線ＣＬ１〜ＣＬ６の排気水素濃度Ｃｈは、それぞれ濃度ｃ１〜ｃ６であり、特性線ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４，ＣＬ５，ＣＬ６の順に排気水素濃度Ｃｈは次第に高くなる。図１１に示されるように、排気水素濃度Ｃｈを例えば濃度ｃ３以下にするには、燃料電池１０の動作点をポンピング水素セル数Ｎｈが多いほど、発熱量が小さい動作点に設定すればよい。

第３実施形態に係る排気水素濃度制御処理について、図１２を参照して説明する。第１実施形態と同様のステップについては、同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。制御部８０は、起動後、排気水素濃度制御処理を繰り返し実行する。制御部８０は、ステップＳ１０，Ｓ２０を実行する。上記のように、本実施形態におけるステップＳ２０では、第１電圧閾値Ｖｓ１は、例えば０Ｖに設定される。制御部８０は、図１３に示す参照マップを用いて、予め定められた基準濃度において、ステップＳ２０にて算出されたポンピング水素セル数Ｎｈに対応する要求発熱量を取得する（ステップＳ４００）。

図１３に示される参照マップには、発熱量ｑｍａｘと、図１１に示される特性線ＣＬ１〜ＣＬ６のうち、排気水素濃度Ｃｈが濃度ｃ３である特性線ＣＬ３とが示されている。なお、図１１と図１３とは軸が異なり、図１３の横軸は、ポンピング水素セル数Ｎｈであり、縦軸は、要求発熱量［ｋＷ］である。本実施形態では、基準濃度として、予め固定の濃度が設定されており、基準濃度は濃度ｃ３である。記憶装置８１には、排気水素濃度が濃度ｃ３である参照マップが予め記憶されている。排気水素濃度が濃度ｃ３である参照マップが用いられることにより、制御部８０は、基準濃度となる、ポンピング水素セル数Ｎｈに対応する要求発熱量を取得することができる。

制御部８０は、ステップＳ４００（図１２）の実行後、要求発熱量を目標値とするレート処理を実行する（ステップＳ４１０）。レート処理とは、現在の目標発熱量に対応する動作点から新たな目標発熱量に対応する動作点へ変更する過程において、発熱量の単位時間あたりの変化量である変更レートを予め定められた基準レートとする処理である。ここで、基準レートは、上昇レートおよび下降レート共に、例えば、１２［ｋｗ／ｓｅｃ］である。レート処理を実行することにより、発熱量の急激な変化を抑えることができる。詳しくは、制御部８０は、バイパスバルブ２７の開度を調整することにより、燃料電池１０への空気流量を調整するとともに、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ７２を用いて、燃料電池１０の掃引電流を、基準レートに応じたレートで変化させることにより、燃料電池１０の動作点を切り替える。例えば、図１３に示すように、ポンピング水素セル数Ｎｈが枚数ｎａである場合、ステップＳ４００にて取得される要求発熱量は、発熱量ｑａである。この場合、図９に示すように、新たな目標発熱量に対応する動作点は、目標動作点ＯＰ２である。そこで、現在の動作点が目標動作点ＯＰ１である場合には、動作点は、新たな目標動作点ＯＰ２へ向かって、等パワーラインＰＬに沿って切り替えられていく。ポンピング水素が発生しているセル９０がある場合には、より高効率の動作点に切り替えられることで、掃引電流Ｉが小さくされるため、排気水素濃度Ｃｈが低減される。また、例えば、燃料電池１０の温度が上昇し、ポンピング水素セル数Ｎｈが少なった場合には、動作点は、例えば、目標動作点ＯＰ２から、目標動作点ＯＰ１へ切り替えられる。この場合には、排気水素濃度は基準濃度以下に維持されつつ、より多くの発熱量となる制御が行われることになる。このように、暖機運転中において、ステップＳ２０，Ｓ４００，Ｓ４１０が実行されることにより、排気水素濃度は基準濃度以下に維持されつつ、発熱量は可能な限り多くされた制御が行われるため、暖機時間を短縮することができる。

以上、説明した第３実施形態によれば、特定セルの枚数としてのポンピング水素セル数Ｎｈを用いて精度良く算出される排気水素濃度Ｃｈが基準濃度以下となるように、特定セルの枚数としてのポンピング水素セル数Ｎｈに対する要求発熱量が対応付けられている参照マップを用いて、算出したポンピング水素セル数Ｎｈに対応する発熱量を要求発熱量に設定することで、排気水素濃度Ｃｈが基準濃度となる燃料電池１０の制御を行うことができる。

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記第１実施形態に係る排気水素判定処理では、第１推定水素濃度Ｃａと、第２推定水素濃度Ｃｂとの算出を行い、それぞれを濃度閾値と比較している。これに対し、第１推定水素濃度Ｃａと、第２推定水素濃度Ｃｂとのいずれかの算出を行い、算出したいずれかの濃度が濃度閾値以上である場合に、水素濃度低減処理を実行する処理内容としても良い。これにより、処理のステップを削減し、排気水素判定処理に係る負荷を低減することができる。

（Ｄ２）上記第２実施形態に係るセル枚数算出処理は、２枚のセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２が設けられている燃料電池システムにおいて、ポンピング水素セル数を計数する処理である。３枚以上のセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２が設けられている燃料電池システムにおいも、ポンピング水素が発生しているか否かの判断に使用する基準電圧を増やし、第２実施形態と同様の方法にてポンピング水素セル数を計数することができる。例えば、３枚のセル９０を単位として電圧を検出する電圧センサ１２が含まれる構成の場合には、検出する３枚のセル９０にポンピング水素が発生している電圧センサ１２を特定するための第１基準電圧の他に、検出する３枚のセル９０のうち、２枚のセル９０にポンピング水素が発生している電圧センサ１２を特性するための基準電圧と、１枚のセル９０にポンピング水素が発生している電圧センサ１２を特性するための基準電圧と、を用いることにより、ポンピング水素セル数を計数することができる。

（Ｄ３）上記第１実施形態では、始動時温度に応じて、異なる補正係数ＣＦが適用される（図５参照）。これに対し、始動時温度によらず、同じ補正係数が適用される構成としてもよい。これにより、処理の負荷を低減することができる。

（Ｄ４）上記第２実施形態では、現在温度に応じて、異なる第２電圧閾値Ｖｓ２が適用される（図８参照）。これに対し、現在温度によらず、同じ第２電圧閾値Ｖｓ２が適用される構成としてもよい。これにより、処理の負荷を低減することができる。

（Ｄ５）上記第１実施形態では、水素濃度低減処理において、燃料電池１０の動作点が現在の動作点よりも効率の良い高効率動作点に変更され、ポンピング水素の発生量が低減されて、排気水素濃度が低減される。これに対し、水素濃度低減処理において、バイパス管２４を流通する空気流量を増加させ、燃料電池１０の動作点を変更せずに、水素濃度を低下させる処理が実行されても良い。

（Ｄ６）上記第１実施形態における水素濃度低減処理は、例えば、目標電流値を現在の設定値よりも小さくする処理である。この他に、水素濃度低減処理として、総エア流量Ｖａを増加させ、燃料電池１０のカソードから排出されるカソードオフガスを空気により希釈することにより、排気水素濃度Ｃｈを低減してもよい。

（Ｄ７）上記第３実施形態では、排気水素濃度が基準濃度となる、要求発熱量とポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係が規定されている参照マップを用いて、ポンピング水素セル数Ｎｈに対応する発熱量が決定され、決定された発熱量に応じた動作点が決定される。これに対して、排気水素濃度が基準濃度となる、掃引電流とポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係が規定されるマップを用いて、要求電流量としての掃引電流が決定され、決定された掃引電流に応じた動作点が決定される構成としてもよい。排気水素濃度が基準濃度以下となるように、特定セルの枚数に対する掃引電流が対応付けられている参照マップを用いて、算出した枚数に対応する掃引電流量を要求電流量に設定することで、排気水素濃度が基準濃度となる燃料電池１０の制御を行うことができる。

（Ｄ８）上記第３実施形態では、基準濃度は、予め定められている。これに対して、例えば、温度などに応じて、基準濃度が可変に設定される構成としてもよい。この基準濃度が可変に設定される場合には、基準濃度毎に、要求発熱量とポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係が規定されている参照マップを用いて、変更後の基準濃度の参照マップを用いて、ポンピング水素セル数Ｎｈに対応する発熱量が決定され、決定された発熱量に応じた動作点が決定される処理内容とするとよい。

（Ｄ９）上記第３実施形態では、暖機運転において、総エア流量Ｖａは固定される。これに対して、総エア流量Ｖａが可変に設定される構成としてもよい。この総エア流量Ｖａが可変に設定される場合には、総エア流量Ｖａ毎に、ポンピング水素セル数Ｎｈと要求発熱量との予め規定された相関関係を用いることにより、変更後の総エア流量Ｖａに対応する、要求発熱量を取得し、取得した要求発熱量を目標値として燃料電池１０を動作させることにより、排気水素濃度Ｃｈを基準濃度以下とすることができる。

（Ｄ１０）上記第３実施形態では、制御部８０は、暖機運転において、燃料電池１０を１つの等パワーラインＰＬ上の動作点で制御する。これに対して、目標発電量が可変に設定される構成としてもよい。この目標発電量が可変に設定される構成の場合には、新たな目標発電量を決定し、複数の等パワーラインＰＬを含む参照マップを用い、参照マップを用いて、新たな目標発熱量と、新たな要求発熱量とに対応する動作点を変更後の動作点に設定する処理内容とするとよい。

（Ｄ１１）上記第３実施形態では、排気水素濃度制御処理は、暖機運転において実行されるが、排気水素濃度制御処理は、通常運転時において実行されてもよい。例えば、燃料電池システム１００が燃料電池システム１００の電力源として機能する二次電池を備える場合であって、二次電池の充放電量を制限したい場合などに、燃料電池１０を低効率動作点にて動作させる場合に、排気水素濃度制御処理を実施する構成としてもよい。これにより、出力電流を制限し、余剰の電力の発電を抑制しつつ、排気水素濃度Ｃｈを基準濃度以下にすることができる。

（Ｄ１２）上記第３実施形態では、ポンピング水素量Ｖｈは、式（４）を用いて算出される。ポンピング水素量Ｖｈは、式（４）ではなく、第１実施形態と同様に、式（１）にて算出されてもよい。

（Ｄ１３）上記第３実施形態では、動作点を変更する場合の基準レートは、上昇レートおよび下降レート共に、例えば、１２［ｋｗ／ｓｅｃ］である。基準レートは、この値に限定されず、また、上昇レートと下降レートとは異なる値であってもよい。

（Ｄ１４）上記第３実施形態では、エアコンプレッサ２３の回転数予め定められた値に固定され、燃料電池システム１００へ供給される総エア流量Ｖａは、予め定められた値に固定される。これに対して、暖機運転において、エアコンプレッサ２３の回転数は、変更されてもよい。エアコンプレッサ２３の回転数が変更される場合には、総エア流量Ｖａも変化することになる。エアコンプレッサ２３の回転数が変更されて、総エア流量Ｖａが変更される場合においては、例えば、次の構成を適用すればよい。総エア流量Ｖａ毎に、排気水素濃度Ｃｈが基準濃度となる、発熱量とポンピング水素セル数Ｎｈとの相関関係を規定するマップを予め記憶装置８１に記憶させておく。変更後のエアコンプレッサ２３の回転数に応じた総エア流量Ｖａに対応するマップにて、ポンピング水素セル数Ｎｈに対応する発熱量を要求発熱量に設定する。これにより、排気水素濃度Ｃｈが基準濃度となる燃料電池１０の制御を行うことができる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池、１１…電流センサ、１２…電圧センサ、１４…温度センサ、２０…酸化ガス系回路、２１…酸化ガス供給管、２２…エアクリーナ、２３…エアコンプレッサ、２４…バイパス管、２５…酸化オフガス排出管、２６…酸化ガス供給バルブ、２７…バイパスバルブ、２８…カソードオフガス排気バルブ、４０…燃料ガス系回路、４１…燃料ガス供給管、４２…燃料ガスタンク、４３…主止弁、４４…調圧弁、４５…インジェクタ、４６…燃料排ガス管、４７…気液分離器、４８…排気排水弁、４９…還流管、５０…還流ポンプ、５２…マフラー、６０…冷却系回路、６１…冷媒供給管、６４…ラジエータ、６５…冷媒ポンプ、７１…負荷、７２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８０…制御部、８１…記憶装置、９０…セル、１００…燃料電池システム

Claims (9)

1. セルが積層された燃料電池と、
   １または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、
   前記燃料電池の動作点を決定し、前記燃料電池を動作させる制御部であって、前記燃料電池の暖機運転時に基準動作点よりも効率の低い低効率動作点において前記燃料電池を動作させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記暖機運転時に、前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である前記セルの総枚数を算出し、前記総枚数を用いて排気水素濃度を算出する燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池の始動時温度毎に前記燃料電池の現在温度に対する補正係数が対応付けられているマップであって、始動時温度が低いほど補正係数の値が大きいマップを記憶する記憶装置と、を備え、
   前記制御部は、
   始動時に前記温度センサから取得した始動時温度を記憶し、前記マップを用いて、前記始動時温度および前記温度センサから取得した前記現在温度に対応する前記補正係数を取得し、
   前記総枚数に前記補正係数を乗じた値を用いて、前記排気水素濃度を算出する燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記排気水素濃度が、予め定められた基準濃度よりも高い場合、水素濃度低減処理を実行する燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記電圧センサは、
   １枚の前記セルの電圧を検出する第１電圧センサと、
   ２枚の前記セルの電圧を検出する第２電圧センサと、を含み、
   前記制御部は、
   前記第１電圧センサの検出電圧が前記第１基準電圧以下である場合、前記第１基準電圧以下である前記セルを１枚と計数し、
   前記第２電圧センサの検出電圧が前記第１基準電圧以下である場合、前記第１基準電圧以下である前記セルを２枚と計数し、
   前記第２電圧センサの検出電圧が前記第１基準電圧より大きく、かつ、前記第１基準電圧よりも大きい予め定められた第２基準電圧以下である場合、前記第１基準電圧以下である前記セルを１枚と計数し、
   前記総枚数を算出する燃料電池システム。
5. セルが積層された燃料電池と、
   １または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、
   積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、
   排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの前記枚数に対する要求発熱量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求発熱量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、
   前記制御部は、
   前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求発熱量を取得し、取得した前記要求発熱量を目標値として前記燃料電池を動作させる燃料電池システム。
6. セルが積層された燃料電池と、
   １または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、
   積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である特定セルの枚数を算出し、算出した前記枚数を用いて前記燃料電池を動作させる制御部と、
   排気水素濃度が基準濃度以下となるように、前記特定セルの前記枚数に対する要求電流量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求電流量が小さい参照マップが記憶されている記憶装置と、を備え、
   前記制御部は、
   前記検出電圧を用いて前記枚数を算出し、前記参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求電流量を取得し、取得した前記要求電流量を目標値として前記燃料電池を動作させる燃料電池システム。
7. １または複数のセルを単位として電圧を検出する電圧センサを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池の暖機運転時に基準動作点よりも効率の低い低効率動作点において前記燃料電池を動作させる工程と、
   前記暖機運転時に、前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である前記セルの総枚数を算出し、前記総枚数を用いて排気水素濃度を算出する工程と、を備える制御方法。
8. セルが積層された燃料電池と、１または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である特定セルの枚数を算出する工程と、
   前記特定セルの枚数に対する要求発熱量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求発熱量が小さい参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求発熱量を取得し、取得した前記要求発熱量を目標値として前記燃料電池を動作させる工程と、を備える制御方法。
9. セルが積層された燃料電池と、１または複数の前記セルを単位として電圧を検出する電圧センサと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   積層された前記セルのうちで前記電圧センサの検出電圧が予め定められた第１基準電圧以下である特定セルの枚数を算出する工程と、
   前記特定セルの枚数に対する要求電流量が対応付けられている参照マップであって、前記枚数が多いほど前記要求電流量が小さい参照マップを用いて、算出した前記枚数に対応する前記要求電流量を取得し、取得した前記要求電流量を目標値として前記燃料電池を動作させる工程と、を備える制御方法。

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