燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池系统。

背景技术：

us2012/0156575a中公开有一种燃料电池系统，其基于关闭氢供给阀而停止向燃料电池的氢供给的期间的氢供给阀下游的阳极系统内的压力变化，计算从阳极系统内排出的气体量。

技术实现要素：

在燃料电池系统的工作中，在排气阀闭阀的期间，从燃料电池的阴极电极经由电解质膜透过阳极电极的氮等被蓄积在阳极系统内，阳极系统内的氢浓度慢慢降低。阳极系统内的氢浓度降低时，在燃料电池系统的工作中产生电压降。

为了防止这种电压降，根据需要打开排气阀，经由排气阀从阳极系统排出包含氮或氢的废气，由此在不产生电压降的氢浓度以上管理阳极系统内的氢浓度。此时，是否适当管理阳极系统内的氢浓度，通过估计经由排气阀从阳极系统内排出的废气的量(排气量)来判断。如果排气量少，则需要实施追加的排气。这是因为阳极系统内的氢浓度根据排气量而变化，排气量越多越高。

然而，在上述的燃料电池系统中，不管供给阀的开闭状态，任意地打开排气阀，因此，在氢供给阀闭阀中排气阀未必打开。因此，不能确保估计排气流量的频次，有时至排气流量的估计需要时间。因此，在该期间即使阳极系统内的氢浓度降低，也不能实施追加的排气，恐怕不能防止电压降。

本发明的目的是确保排气流量的估计频次。

根据本发明的某一方式，提供向燃料电池供给阳极气体及阴极气体，根据负载使燃料电池发电的燃料电池系统。该燃料电池系统包括：供给阀，控制向燃料电池系统的阳极系统内的阳极气体的供给；排气阀，其从阳极系统内排出废气；压力检测单元，其估计或测量阳极系统内的压力；供给阀控制单元，其基于燃料电池的负载控制供给阀的开闭；排气量估计单元，基于供给阀闭阀中的阳极系统内的压力降低，估计通过排气阀从阳极系统内排出的废气的排气量；排气阀控制单元，与供给阀闭阀中相应地打开排气阀。

附图说明

图1是本发明一实施方式的燃料电池系统的概略图。

图2是对本发明一实施方式的排气量的计算方法进行说明的图。

图3是对氢供给阀闭阀中的阳极系统内的气体流入流出进行说明的图。

图4是对本发明一实施方式的排气控制进行说明的流程图。

图5是基于燃料电池堆的负载和堆温度，计算基准占空比的图。

图6是说明排气阀开阀请求信号生成处理的细节的流程图。

图7是说明排气阀开闭处理的细节的流程图。

图8是说明排气流量估计处理的细节的流程图。

图9是基于阳极压力的降低量，计算在排气阀开阀时从阳极系统内流出的每个运算周期的气体量的图。

图10是基于输出电流计算因排气阀开阀时的发电而在燃料电池堆内被消耗的每个运算周期的氢量的图。

图11是对排气流量的计算方法进行说明的图。

图12是表示排气流量的阈值的图。

图13是说明高负载排气处理的细节的流程图。

图14a是对本发明一实施方式的氢供给阀的控制进行说明的流程图。

图14b是基于目标输出电流计算脉动上下限压力的图。

图15是表示工作区域为通常区域且排气流量为阈值以上的情况的排气控制的定时图。

图16是表示工作区域为通常区域且排气流量低于阈值的情况的排气控制的定时图。

图17是表示工作区域是高负载区域且排气流量为阈值以上的情况的排气控制的定时图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

燃料电池通过由阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹着电解质膜来构成。燃料电池通过阳极电极接受含有氢的阳极气体(燃料气体)的供给、阴极电极接受含有氧的阴极气体(氧化剂气体)的供给来发电。在阳极电极及阴极电极两电极中进行的电极反应如下。

阳极电极：2h2→4h⁺+4e^-…(1)

阴极电极：4h⁺+4e^-+o2→2h2o…(2)

通过该(1)(2)的电极反应，燃料电池产生1伏特左右的电动势。

在将燃料电池作为汽车用动力源使用的情况下，由于所要求的电力大，所以作为层叠了数百张的燃料电池的燃料电池堆来使用。而且，构成对燃料电池堆供给阳极气体及阴极气体的燃料电池系统，取出车辆驱动用电力。

图1是本发明一实施方式的燃料电池系统100的概略图。

燃料电池系统100包括：燃料电池堆1、阴极气体供给排放装置2、阳极气体供给排放装置3、以及控制器4。

燃料电池堆1层叠了数张燃料电池，接受阳极气体及阴极气体的供给，进行车辆的驱动需要的电力的发电。

阴极气体供给排放装置2包括：阴极气体供给通路21、阴极气体排出通路22、过滤器23、空气流量传感器24、阴极压缩机25、阴极压力传感器26、水分回收装置(waterrecoverydevice；以下称为“wrd”)27、阴极调压阀28。阴极气体供给排放装置2向燃料电池堆1供给阴极气体，并且向外部排出从燃料电池堆1排出的阴极废气。

阴极气体供给通路21是向燃料电池堆1供给的阴极气体流动的通路。阴极气体供给通路21的一端与过滤器23连接，另一端与燃料电池堆1的阴极气体入口孔连接。

阴极气体排出通路22是从燃料电池堆1排出的阴极废气流动的通路。阴极气体排出通路22的一端与燃料电池堆1的阴极气体出口孔连接，另一端为开口端。阴极废气是阴极气体、和由电极反应产生的水蒸气的混合气体。

过滤器23除去阴极气体供给通路21中取入的阴极气体中的异物。

空气流量传感器24设置于比阴极压缩机25靠上游的阴极气体供给通路21。空气流量传感器24检测向阴极压缩机25供给、最终向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量。

阴极压缩机25设置于阴极气体供给通路21中。阴极压缩机25经由过滤器23将作为阴极气体的空气(外部气体)取入到阴极气体供给通路21，供给到燃料电池堆1。

阴极压力传感器26设置于阴极压缩机25和wrd27之间的阴极气体供给通路21中。阴极压力传感器26检测向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力(以下称为“阴极压力”)。

wrd27分别连接到阴极气体供给通路21及阴极气体排出通路22，回收阴极气体排出通路22中流过的阴极废气中的水分，用该回收的水分加湿阴极气体供给通路21中流过的阴极气体。

阴极调压阀28设置于比wrd27靠下游的阴极气体排出通路22中。阴极调压阀28通过控制器4进行开闭控制，调节供给到燃料电池堆1的阴极气体的压力。此外，本实施方式中基本上通过调整阴极压缩机25的转速及阴极调压阀28的开度，将阴极压力控制到期望的压力(目标阴极压力)。

阳极气体供给排放装置3向燃料电池堆1供给阳极气体，同时将从燃料电池堆1排出的阳极废气排出到阴极气体排出通路22。阳极气体供给排放装置3包括：高压氢罐31、阳极气体供给通路32、氢供给阀33、阳极压力传感器34、阳极气体排出通路35、排气阀36。

高压氢罐31将供给燃料电池堆1的阳极气体保持在高压状态来贮存。

阳极气体供给通路32是用于向燃料电池堆1供给从高压氢罐31排出的阳极气体的通路。阳极气体供给通路32的一端与高压氢罐31连接，另一端与燃料电池堆1的阳极气体入口孔连接。

氢供给阀33设置于阳极气体供给通路32。氢供给阀33通过控制器4进行开闭控制，将向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力调节在希望的压力。另外，通过开闭控制氢供给阀33，也控制向燃料电池堆1供给的阳极气体的流量。

阳极压力传感器34设置于比氢供给阀33靠下游的阳极气体供给通路32中。阳极压力传感器34是检测比氢供给阀33靠下游的阳极气体供给通路32的压力的压力检测单元。本实施方式中，将用该阳极压力传感器34检测到的压力代用作从氢供给阀33至排气阀36的阳极系统内的压力(以下称为“阳极压力”)。

阳极气体排出通路35是从燃料电池堆1排出的阳极废气流动的通路。阳极废气是在电极反应中未使用的剩余的氢(阳极气体)、和从阴极电极侧经由电解质膜透过至阳极电极侧的氮或水蒸气的混合气体。阳极气体排出通路35的一端与燃料电池堆1的阳极气体出口孔连接，另一端与阴极气体排出通路22连接。

排出到阴极气体排出通路22的阳极废气在阴极气体排出通路22内和阴极废气混合后向燃料电池系统100的外部排出。阳极废气中含有在电极反应中未使用的剩余的氢，所以通过和阴极废气混合后向燃料电池系统100的外部排出，该排出气体中的氢浓度成为预定的规定浓度以下。

排气阀36设置于阳极气体排出通路35。排气阀36通过控制器4进行开闭控制，控制从阳极系统内向阴极气体排出通路22排出的阳极废气的流量(以下称为“排气流量”)。

控制器4由包括中央运算装置(cpu)、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)及输入输出接口(i/o接口)的微计算机构成。

控制器4被输入除了上述的空气流量传感器24等外，来自检测加速踏板的踩踏量(以下称为“加速器操作量”)的加速器行程传感器41、检测冷却燃料电池堆1的冷却水的温度(以下称为“堆温度”)的温度传感器42、检测燃料电池堆1的输出电流的电流传感器43等用于检测燃料电池系统100的工作状态的各种传感器的信号。

控制器4基于燃料电池系统100的工作状态，算出燃料电池堆1的目标输出电流。具体而言，基于用于驱动车辆的行驶马达(未图示)的请求电力及阴极压缩机25等辅机类的请求电力、蓄电池(未图示)的充放电请求，算出燃料电池堆1的目标输出电流。

另外，控制器4基于燃料电池系统100的工作状态，进行使阳极压力周期升降压的脉动工作。脉动工作时，基本上在根据燃料电池堆1的目标输出电流设定的脉动上限压力及脉动下限压力的范围内使阳极压力周期性升降压，使阳极压力脉动。通过进行这种脉动工作，在阳极压力的升压时向阳极系统外排出阳极系统内的液态水确保排水性。

在此，在燃料电池堆1发电中，氮或水蒸气等从阴极电极侧经由电解质膜透过到阳极电极侧。因此，如果一直关闭排气阀36，则氢被燃料电池堆1消耗，透过来的氮等蓄积在阳极系统内。其结果，即使将阳极系统内的压力(阳极压力)控制在相同的压力的情况下，氮等透过来，相应地阳极系统内的氢浓度慢慢降低。这样，在阳极系统内的氢浓度降低的状态下进行发电时，即使将阳极压力控制在目标值，在燃料电池堆1内发电需要的氢也会不足，可能会产生电压降。

另一方面，如果打开排气阀36，则蓄积于阳极系统内的氮等作为阳极废气从阳极系统内排出，因此，阳极系统内的氢浓度增加(恢复)。即。根据通过排气阀36从阳极系统内排出的阳极废气的量(以下称为“排气量”)，阳极系统内的氢浓度变化，具体而言，排气量越多，阳极系统内的氢浓度越增加。

因此，在本实施方式中，根据燃料电池堆1的负载，通过事先实验等求出可以将阳极系统内的氢浓度管理为不产生电压降的氢浓度(目标氢浓度，例如60％)的排气流量(或排气量)的阈值。而且，估计打开排气阀36时的排气流量，比较估计的排气流量和阈值。估计的排气流量只要为阈值以下，则判断出将阳极系统内的氢浓度管理为目标氢浓度而需要的排气量不足，实施追加排气。

在此，作为估计排气量的方法，例如，基于在氢供给阀闭阀中打开排气阀36的期间的阳极压力的降低量，估计该期间内从阳极系统内流出的气体量，从该气体量中减去该期间内由发电消耗的氢量的气体量作为通过排气阀36从阳极系统内排出的阳极废气的量即排气量进行估计。此外，该排气量除以该期间则为排气流量。

然而，除了通过排气阀36流出的气体(以下称为“排出气体”)或由发电消耗的氢外，还存在氢供给阀33闭阀中从阳极系统内流出的气体。例如，是从阳极电极侧经由电解质膜透过到阴极电极侧的氢(以下称为“透过氢”)或在阳极系统内凝缩成为液态水的水蒸气。其中，透过氢有助于降低阳极系统内的氢浓度的方向。而且，氢因分子量也小，所以经由电解质膜透过的量也少。

这样，排出气体有助于提高阳极系统内的氢浓度的方向，但透过氢有助于降低阳极系统内的氢浓度的方向。

因此，通过上述的估计方法估计的排气量中透过氢量的比率增大时，通常如果排气量多，则阳极系统内的氢浓度应该恢复，但该恢复量减少。因此，当忽略该透过氢量含于排气量时，虽然排气流量为阈值以上，但实际的阳极系统内的氢浓度为比设想低的状态，可能会产生想不到的电压降。

因此，在本实施方式中，作为排气量可以只算出通过排气阀36流出的气体(排出气体)。以下，对该本实施方式的排气量的计算方法，参照图2及图3进行说明。

图2是对本实施方式的排气量的计算方法进行说明的图。图3是对氢供给阀33闭阀中的阳极系统内的气体流入流出进行说明的图。

在本实施方式中，基于氢供给阀33闭阀中打开排气阀36的期间的压力降低、和氢供给阀33闭阀中关闭排气阀36的期间的压力降低，作为排气量只算出通过排气阀36流出的气体(排出气体)。

如图2所示，在燃料电池堆1发电中，在时刻t11的定时，关闭氢供给阀33停止向燃料电池堆1的阳极气体的供给时，阳极压力慢慢降低。该阳极压力的变化因以下的要因而产生。

图2中，从时刻t11至时刻t13打开排气阀36，从时刻t13至时刻t14关闭排气阀36，但不论排气阀36的开闭状态，说明成为使阳极压力变化的要因的情况。

如图2及图3所示，第一要因是氢供给阀33闭阀中因发电而消耗的阳极系统内的氢。因该发电消耗氢而阳极压力降低。第二要因是在阳极系统内液态水蒸发变成水蒸气，或相反水蒸气凝缩成为液态水。该蒸发及凝缩的平衡而阳极压力产生变化。最后第三要因是从阳极电极侧经由电解质膜透过到阴极电极侧的氢(透过氢)、或相反从阴极电极侧经由电解质膜透过到阳极电极侧的氮及氧。这些透过气体的收支平衡而阳极压力产生变化。

从时刻t13至时刻t14关闭排气阀36，所以因这三个要因而阳极压力降低。

另一方面，从时刻t11至时刻t13打开排气阀36，因此，除这三个要因外，因通过排气阀36流出的气体(排出气体)而阳极压力降低。此外，在排气阀36的构造上，因打开排气阀36时首先排出液态水，之后，阳极废气作为排出气体排出，因此如图2所示，从时刻t12开始排出阳极废气。

在此，在本实施方式中，基于氢供给阀33闭阀中关闭排气阀36的排气阀闭阀期间(时刻t13～时刻t14)的压力降低，求出该期间因上述三种要因而损失的阳极系统内的气体量。将该气体量除以排气阀闭阀期间，则可以算出因上述三种要因而损失的每单位时间的阳极系统内的气体量。

同样，基于排气阀开阀期间(时刻t11～时刻t13)的压力降低，求出该期间除上述三种要因外因排气而损失的阳极系统内的气体量。而且，将该气体量除以排气阀开阀期间，算出在排气阀开阀期间除上述三种要因外因排气而损失的每单位时间的阳极系统内的气体量。

在此，认为在从时刻t11至时刻t13的排气阀开阀期间，因上述三种要因而损失的每单位时间的阳极系统内的气体量也基本上和排气阀闭阀期间无变化。

因此，从在排气阀开阀期间除上述三种要因因排气而损失的每单位时间的阳极系统内的气体量(排气阀开阀期间从阳极系统内流出的气体的流量)减去排气阀闭阀期间因上述三种要因而损失的每单位时间的阳极系统内的气体量(排气阀闭阀期间从阳极系统内流出的气体的流量)，则可以高精度算出只通过排气阀36流出的气体(排出气体)的流量。

这样，本实施方式中，在估计排气量或排气流量时，氢供给阀33闭阀中需要进行排气阀36的开阀及闭阀。因此，不论氢供给阀33的开闭状态任意实施排气阀36的开闭时，会不能确保排气量或排气流量的估计频次。

因此，在本实施方式中，以与氢供给阀33闭阀中相应地打开排气阀36的方式控制排气阀36的开闭。

以下，参照图4～图13对本实施方式的排气控制进行说明。

图4是对本实施方式的排气控制进行说明的流程图。控制器4以规定的运算周期反复执行本程序。

在步骤s100，控制器4参照图5的图，基于燃料电池堆1的负载(输出电流)和堆温度，算出基准占空比。基准占空比是将排气周期固定在某一定值(基准排气周期，本实施方式中设为5秒，但可适当变更)时，每个负载能够稳定进行发电的排气阀36的占空比，通过事先实验等求出。换句话说，基准占空比是可以将阳极系统内的氢浓度管理为目标氢浓度的排气阀36的占空比。此外，基准占空比仅基于燃料电池堆1的负载(输出电流)也可以算出。

在步骤s200，控制器4基于基准占空比实施生成排气阀36开阀请求信号的处理。对于该排气阀开阀请求信号生成处理的细节，参照图6后述。

在步骤s300，控制器4基于排气阀开阀请求信号等，实施在氢供给阀33闭阀时(阳极气体供给停止时)实际使排气阀36开闭的处理。对于该排气阀36开闭处理的细节，参照图7后述。

在步骤s400，控制器4基于脉动降压时(阳极气体供给停止时)打开排气阀36时和关闭时各压力降低程度，实施估计排气流量的处理。对于该排气流量估计处理的细节，参照图8后述。

图6是说明排气阀开阀请求信号生成处理的细节的流程图。

在步骤s201，控制器4判定将后述的排气阀开阀请求信号为开启(on)的时间的累积值(以下称为“排气阀开阀请求开启时间”)除以预设定的基准排气周期的值是否比基准占空比大。即，控制器4判定在基准排气周期占的排气阀开阀请求开启时间的比率是否比基准占空比大。控制器4，如果除法值为基准占空比以下，则进行步骤s202的处理，如果比基准占空比大，则进行步骤s203的处理。

在步骤s202，控制器4将排气阀开阀请求信号变成开启。

在步骤s203，控制器4将排气阀开阀请求信号变成关闭(off)。

在步骤s204，控制器4累积排气阀开阀请求信号成为开启的时间，作为排气阀开阀请求开启时间算出。

在步骤s205，控制器4判定是否经过基准排气周期的1周期。即，例如判定在将基准排气周期设定在5秒时，开始基准排气周期的计数后是否经过5秒。如果未经过基准排气周期的1周期，则控制器4结束本次处理，如果经过，则进行步骤s206的处理。

在步骤s206，控制器4将在步骤s204算出的排气阀开阀请求开启时间重置为零，同时基准排气周期的计数也重置为零。

图7是说明排气阀开闭处理的细节的流程图。

在步骤s301，控制器4与上述的步骤s204不同地计算排气阀开阀请求开启时间。

在步骤s302，控制器4判定氢供给阀33是否打开。控制器4在氢供给阀33打开时，即如果是阳极气体供给时，则进行步骤s302的处理。另一方面，控制器4在氢供给阀33关闭时，即如果是阳极气体供给停止时，则进行步骤s309的处理。进行步骤s302的判定是因为在本实施方式中基本上与阳极气体供给停止时一起进行排气阀36开阀。

在步骤s303，控制器4判定燃料电池堆1的工作区域是否为高负载区域。控制器4例如在输出电流比规定电流大时，判定为高负载区域。如果燃料电池堆1的工作区域为高负载区域，则控制器4进行步骤s600的处理，否则，进行步骤s304的处理。

在步骤s600，控制器4实施在高负载区域被实施的排气阀36的开闭处理。对于该高负载排气处理的细节，参照图13后述，但简单说明时，在高负载区域蓄积于阳极系统内的液态水比通常区域增加。在排气阀36的构造上，打开排气阀36时首先液态水从阳极系统内排出，之后排出阳极废气。因此，在高负载区域，脉动升压时也可以打开排气阀36，可靠地从阳极系统内排出阳极系统内的液态水，之后，阳极废气有规律地从阳极系统内排出。

在步骤s304，控制器4关闭排气阀36。

在步骤s305，控制器4判定排气阀开阀继续标记是否为开启。如果排气阀开阀继续标记为开启，则控制器4进行步骤s306的处理，如果为关闭，则结束本次的处理。

排气阀开阀继续标记是直至阳极气体供给停止时的排气阀开阀时间超过作为在阳极气体供给停止时实际打开排气阀36的时间而预设定的第二规定值为止被设为开启的标记。该排气阀开阀继续标记是例如在阳极气体供给停止时打开排气阀36，在经过第二规定值前开始阳极气体供给的情况下，为了一直继续本次的排气阀开阀时间而设定的标记。由此，在下一次的阳极气体供给停止时只在剩余的时间可以打开排气阀36(分割排气)。

在步骤s306，控制器4判定在步骤s301算出的排气阀开阀请求开启时间是否为预先设定的第一规定值以上。如果排气阀开阀请求开启时间为第一规定值以上，则控制器4进行步骤s307的处理，如果低于第一规定值，则进行步骤s308的处理。

在步骤s307，控制器4使排气阀开阀指令为开启。排气阀开阀指令的初期值设定为关闭。在排气阀开阀指令为开启的状态下阳极气体供给停止时，实际上打开排气阀36。由此，可以与水供给阀闭阀时连动地打开排气阀36。

这样，在本实施方式中，排气阀开阀请求开启时间(＝基准占空比的累积值)为第一规定值以上后，使排气阀开阀指令变为开启，许可排气阀开阀。这是因为，在本实施方式中，在氢供给阀33闭阀时在一定程度上确保打开排气阀36的时间，从而可靠地实施排水，使得在排气阀开阀中，阳极废气可靠地通过排气阀36排出。

另外，通过这样，基准占空比因输出电流越低而越小，所以输出电流越低时，可以越加长至排气阀开阀指令变为开启的时间。即，基于输出电流变更输出排气阀开阀指令的间隔，输出电流越低时，从关闭排气阀起至打开为止的间隔(排气间隔)越加长。输出电流低时，阴极压力也低，所以从阴极电极侧透过来的氮等的量也少。因此，输出电流越低时，越加长排气间隔，确保氢供给阀33闭阀时打开排气流量估计需要的排气阀36的时间。

在步骤s308，控制器4使排气阀开阀指令变为关闭。

在步骤s309，控制器4判定排气阀开阀指令是否为开启。如果排气阀开阀指令为关闭，则控制器4进行步骤s310的处理，如果是开启，则控制器4进行步骤s311的处理。

在步骤s310，控制器4关闭排气阀36。这样，至排气阀开阀请求开启时间为第一规定值以上为止，即使是阳极气体供给停止时，也不打开排气阀36。

在步骤s311，控制器4打开排气阀36。

在步骤s312，控制器4累积打开排气阀36的时间，作为排气阀开阀时间计算。

在步骤s313，控制器4判定在步骤s312算出的排气阀开阀时间是否为作为在阳极气体供给停止时实际打开排气阀36的时间而预先设定的第二规定值以上。这样，在本实施方式中，如果排气阀开阀请求开启时间为第一规定值以上，则只以第二规定值打开排气阀36。本实施方式中，将第一规定值和第二规定值设定为相同的值，但也可以设定在不同的值。第一规定值及第二规定值作为可以分别将阳极系统内的氢浓度管理为目标氢浓度、且可以高精度地实施排气流量的估计的值(例如0.5秒)，事先通过实验等求出。如果排气阀开阀时间低于第二规定值，则控制器4进行步骤s314的处理，如果排气阀开阀时间是第二规定值以上，则控制器4进行步骤s316的处理。

在步骤s314，控制器4使排气阀开阀继续标记变为开启。

在步骤s315，控制器4使升压中标记变为关闭。该升压中标记是在高负载排气处理中所使用的标记。

在步骤s316，控制器4将在排气阀开闭处理内算出的排气阀开阀时间重置为零。

在步骤s317，控制器4使排气阀开阀继续标记为关闭。

在步骤s318，控制器4使排气阀开阀指令为关闭。

图8是说明排气流量估计处理的细节的流程图。

在步骤s401，控制器4判定是否关闭氢供给阀33。如果是氢供给阀33闭阀时，则控制器4为了获取用于估计排气流量的数据，进行步骤s402以后处理。另一方面，如果是氢供给阀33开阀时，则控制器4基于获取的数据，为估计排气流量而进行步骤s409以后的处理。

在步骤s402，控制器4判定排气阀36是否打开。如果排气阀36开阀，则控制器4进行步骤s403的处理，如果关闭，则控制器4进行步骤s406的处理。

在步骤s403，控制器4基于阳极压力的降低，计算排气阀开阀时从阳极系统内流出的每个运算周期的气体量，通过在前次值上加上该气体量，计算排气阀开阀时的流出气体量。

例如事先通过实验等制作将阳极压力的降低量(阳极压力的前次值－阳极压力的本次值)、和从阳极系统内流出的气体量相关联的图9所示的图，通过参照该图，基于阳极压力的降低量可以算出在该排气阀开阀时从阳极系统内流出的每个运算周期的气体量。图9中，根据堆温度修正从阳极系统内流出的气体量，但不一定需要基于堆温度的修正。另外，通过计算例如在气体的状态方程式中代入阳极压力的前次值等求出的阳极系统内的气体的摩尔数、和代入阳极压力的本次值等求出的阳极系统内的气体的摩尔数的变化，也可以求出该气体量。

在步骤s404，控制器4基于电流传感器43的检测值(输出电流)，计算在排气阀开阀时因发电而在燃料电池堆1内消耗的每个运算周期的氢量，通过在前次值上加上该氢量，计算排气阀开阀时的发电消耗氢量。

例如事先通过实验等制作将输出电流、消耗氢量相关联的图10所示的图，通过参照该图，基于输出电流可以计算该排气阀开阀时的因发电在燃料电池堆1内消耗的每个运算周期的氢量。另外，例如也可以通过在使用了法拉第常数的运算式中代入输出电流、运算周期及燃料电池的张数，计算被消耗的氢的摩尔质量来求出。

在步骤s405，控制器4与步骤s312不同地计算排气阀开阀时间。

在步骤s406，控制器4基于阳极压力的降低，计算在排气阀闭阀时从阳极系统内流出的每个运算周期的气体量，通过在前次值上加上该气体量，计算排气阀闭阀时流出气体量。

在步骤s407，控制器4基于电流传感器43的检测值(输出电流)，计算排气阀闭阀时因发电而在燃料电池堆1内消耗的每个运算周期的氢量，通过在前次值上加上该氢量，计算排气阀闭阀时的发电消耗氢量。

在步骤s408，控制器4累积关闭排气阀36的时间，作为排气阀闭阀时间计算。

在步骤s409，控制器4判定用于计算排气流量的数据量是否足够。具体而言，判定在步骤s405及步骤s408中算出的排气阀开阀时间及排气阀闭阀时间是否分别比预设定的规定时间(例如0.5秒)大。如果数据量足够，则控制器4进行步骤s410的处理，如果不足够，则结束本次的处理。因此，如果数据量不足够，则不仅基于脉动1周期量的数据，还基于脉动多周期量的压力变化的数据，估计排气流量。

在步骤s410，控制器4基于从步骤s403至步骤s408获取的数据，计算排气流量。具体而言，实施图11所示的计算算出排气流量。作为排气流量的计算方法，参照图2，如上述，也可以将从用排气阀开阀时的流出气体量除以排气阀开阀时间所得的值(＝排气阀开阀时的流出气体流量)减去用排气阀闭阀时的流出气体量除以排气阀闭阀时间所得的值(＝排气阀闭阀时的流出气体流量)的值作为排气流量，但也可以如图11所示，通过事先从排气阀开阀时的流出气体量减去排气阀开阀时的发电消耗氢量，并且同样从排气阀闭阀时的流出气体量减去排气阀闭阀时的发电消耗氢量，进一步提高排气流量的估计精度。这是因为发电消耗氢量因负载变动而变化，所以在排气阀36的开闭中未必固定。

在步骤s411，控制器4参照图12的图，判定算出的排气流量是否为预设定的阈值以上。换句话说，判定排气量是否足够。如果排气流量为阈值以上，则控制器4进行步骤s412的处理，如果低于阈值，则控制器4进行步骤s413的处理。

如图12所示，校正阈值，使得输出排气阀开阀指令的间隔(从排气阀开阀指令输出起至下一个排气阀开阀指令输出为止的间隔。以下称为“排气间隔”)越长，阈值越小。

这些因为，由于排气间隔越长，从打开排气阀36后至下一次打开的期间加长，所以蓄积于阳极系统内的液态水量赠多。因此，排气间隔越长，打开排气阀36时排出的排气量相对减少。在本实施方式中，因按照氢供给阀33的开闭状态来打开排气阀36，所以至打开排气阀36的间隔变化。该情况下，与排气间隔短的情况相比，在排气间隔长时排气量减少，其原因是因排气间隔增长而阳极系统内的液态水量增多。因此，通过输出排气阀开阀指令的间隔越长时，越减小阈值，减少判断出排气不足的频次。

此外，为了将阳极系统内的氢浓度管理为发电稳定的氢浓度，基本上需要燃料电池堆1的负载越高，排气量越多。图12中可以认为燃料电池堆1的负载越高，阈值越小，趋势相反，这是因为以排气流量为横轴，燃料电池堆1的负载越高，与每种负载的基准占空比对应的排气阀36开阀时间与排气流量相乘后的排气量本身越多。

在步骤s412，控制器4从步骤s301算出的排气阀开阀请求开启时间减去排气阀开阀时间。

在步骤s413，控制器4一直保持在步骤s301算出的排气阀开阀请求开启时间。这是因为，在判定出排气流量低于阈值时，为了进行稳定的发电需要进一步执行排气，所以使得在下一次的处理时可以实行追加排气。

这样，在排气流量低于阈值时(排气量不足时)，通过不从排气阀开阀请求开启时间内减去排气阀开阀时间，从而与通常相比缩短排气间隔，与排气流量为阈值以上时(排气量充分时)相比，增加排气阀开阀请求开启时间。由此，打开排气阀36的时间增加使其增加的量即未减去的量。

在步骤s414，控制器4将从步骤s403至步骤s408的数据重置为零。

图13是说明高负载排气处理的细节的流程图。

在步骤s601，控制器4判定排气阀开阀指令是否为开启。如果排气阀开阀指令为开启，则控制器4进行步骤s602的处理，如果是关闭，则控制器4进行步骤s605的处理。

在步骤s602，控制器4判定在步骤s312算出的排气阀开阀时间是否为零，或升压中开阀标记是否为开启。如果任一方成立，则控制器4进行步骤s603的处理，如果任一方都不成立，则控制器4进行步骤s605的处理。

在步骤s603，控制器4使升压中开阀标记变为开启。

在步骤s604，控制器4打开排气阀36。

在步骤s605，控制器4累积打开排气阀36的时间，作为排气阀开阀时间计算。

在步骤s606，控制器4使升压中开阀标记变为关闭。

在步骤s607，控制器4关闭排气阀36。

这样，高负载时即使是氢供给阀33开阀中，也打开排气阀36。这是因为，由于高负载时燃料电池堆1内的液态水增加，所以通过从氢供给阀33开阀时开始打开排气阀36，从而可靠地排出液态水。另外，高负载时因发电而消耗的氢量增多，因而氢供给阀33闭阀后的阳极压力的降低速度也加快，降压时间也缩短。因此，通过在升压中打开排气阀36，提高液态水的排出效率，即使降压时间缩短，在氢供给阀闭阀后也能够经由排气阀36可靠地排出排出气体。因此，可以提高排气流量的估计精度。

图14a是对本实施方式的氢供给阀33的控制进行说明的流程图。

在步骤s1，控制器4参照图14b的图，基于燃料电池堆1的目标输出电流，设定阳极压力的脉动上限压力及脉动下限压力。

在步骤s2，控制器4判定阳极压力是否为脉动上限压力以上。如果阳极压力为脉动上限压力以上，则控制器4为了使阳极压降压而进行步骤s3的处理。另一方面，如果阳极压力低于脉动上限压力，则进行步骤s4的处理。

在步骤s3，控制器4将目标阳极压力设定为脉动下限压力。

在步骤s4，控制器4判定阳极压力是否为脉动下限压力以下。如果阳极压力为脉动下限压力以下，则控制器4为了使阳极压升压而进行步骤s5的处理。另一方面，如果阳极压力比脉动下限压力高，则进行步骤s6的处理。

在步骤s5，控制器4将目标阳极压力设定为脉动上限压力。

在步骤s6，控制器4将目标阳极压力设定为与前次相同的目标阳极压力。

在步骤s7，控制器4在将脉动下限压力作为目标阳极压力设定时，反馈控制氢供给阀33，使得阳极压力为脉动下限压力。该反馈控制的结果，通常氢供给阀33的开度为全闭，停止从高压氢罐31向燃料电池堆1的阳极气体的供给。其结果是，因发电造成的在燃料电池堆1内的阳极气体的消耗等，阳极压力降低。

另一方面，控制器4在将脉动上限压力设定作为目标阳极压力时，反馈控制氢供给阀33，使得阳极压力升压至脉动上限压力。该反馈控制的结果，氢供给阀33打开至希望的开度，从高压氢罐31向燃料电池堆1供给阳极气体，阳极压力上升。

图15及图16是对本实施方式的排气控制进行说明的定时图。图15的定时图是工作区域为通常区域、且排气流量为阈值以上时的定时图。另一方面，图16的定时图是工作区域为通常区域、且排气流量低于阈值时的定时图。

如图15(d)所示，通过排气阀开阀请求信号生成处理，在基准排气周期中仅以基准占空比生成排气阀开阀请求信号为开启的排气阀开阀请求信号。而且，如图15(e)所示，累积排气阀开阀请求信号为开启的时间，作为排气阀开阀请求开启时间计算。

在时刻t1，排气阀开阀请求开启时间为第一规定值以上时，在之后的时刻t2打开氢供给阀33时(图15(b))，排气阀开阀指令为开启(图15(f))。

而且，在时刻t3，在排气阀开阀指令为开启的状态下关闭氢供给阀33时，打开排气阀36(图15(c))。在排气阀36打开时，如图15(g)所示，累积打开排气阀36的时间，作为排气阀开阀时间计算。在时刻t4排气阀开阀时间为第二规定值以上时，排气阀开阀指令为关闭(图15(f))，关闭排气阀36(图15(c))。

在从时刻t3至时刻t4的排气阀开阀期间，计算用于估计排气流量的数据，即排气阀开阀时的流出气体量或发电消耗氢量。

而且，在从时刻t4至时刻t5的排气阀闭阀期间，计算用于估计排气流量数据，即排气阀闭阀时的流出气体量和发电消耗氢量。

在时刻t5打开氢供给阀33时，如果数据量足够，则基于获取的数据，计算排气流量(图15(i))。

如果该算出的排气流量为阈值以上，则在时刻t6排气阀开阀请求开启时间仅减小排气阀开阀时间(＝第二规定值)(图15(e))。由此，排气阀开阀请求开启时间低于第一规定值，在时刻t7即使关闭氢供给阀33，排气阀36也不打开。

另一方面，如图16所示，如果排气流量低于阈值，则在时刻t6一直保持排气阀开阀请求开启时间。因此，在时刻t6排气阀开阀指令为开启，在时刻t7可以打开排气阀36。这样，如果排气流量小于阈值，则排气间隔比通常的排气间隔小，在排气流量估计后的氢供给阀33闭阀时再次打开排气阀36，实施追加排气。因此，可以将阳极系统内的氢浓度管理为发电稳定的氢浓度。

图17也是对本实施方式的排气控制进行说明的定时图。图17的定时图是工作区域为高负载区域，且排气流量为阈值以上时的定时图。

如图17所示，在时刻t21排气阀开阀请求开启时间为第一规定值以上时(图17(d))，排气阀开阀指令为开启(图17(e))。此时，如果工作区域为高负载区域，则判定通过高负载排气处理，排气阀开阀时间为零或升压中开阀标记是否为开启。在时刻t21，排气阀开阀时间为零，升压中标记为开启(图17(h))，在氢供给阀33开阀中打开排气阀36(图17(b))。

这样，在高负载时，在氢供给阀33开阀中通过打开排气阀36，可靠地排出液态水，在氢供给阀闭阀后经由排气阀36可以可靠地排出排出气体。由此，可以提高排气流量的估计精度。

在时刻t22，关闭氢供给阀33时，升压中标记为关闭(图17(h))。而且，在时刻t23打开氢供给阀33，但这时的排气阀开阀时间还未达到第二规定值(图17(f))。因此，排气阀36在氢供给阀33闭阀中一直打开(图17(b))。另外，排气阀开阀时间也不重置(图17(f))，排气阀开阀指令也一直为开启(图17(e))。

其结果，在时刻t23，再判定排气阀开阀时间是否为零或是升压中开阀标记是否为开启。在时刻t23，因均未满足任一条件，所以本次即使是高负载区域，在氢供给阀33开阀中也关闭排气阀36(图17(b))。

而且，在时刻t24关闭氢供给阀33时，打开排气阀36(图17(b))，排气阀开阀时间再增加(图17(f))。

在时刻t25打开氢供给阀33，但排气阀开阀时间还未达到第二规定值(图17(f))，因此，排气阀36从时刻t24一直打开(图17(b))。另外，排气阀开阀时间也没被重置(图17(f))，排气阀开阀指令也一直为开启(图17(e))。

在时刻t26关闭氢供给阀33时，在时刻t27，在排气阀开阀时间达到第二规定值时(图17(f))，排气阀开阀指令为关闭(图17(e))，排气阀36被关闭(图17(b))。

这样，高负载区域等从关闭氢供给阀33后至打开的间隔缩短时，在一次脉动降压中存在排气阀开阀时间未达到第二规定值的时候。这时，分割进行排气阀36开阀，并且只有最初的排气在氢供给阀33开阀中进行。

以上说明的本实施方式的燃料电池系统100包括：氢供给阀33(供给阀)，其控制向阳极系统内的阳极气体的供给；排气阀36，其从阳极系统内排出废气；阳极压力传感器34(压力检测单元)，其测量阳极系统内的压力；供给阀控制单元(控制器4)，其基于燃料电池堆1的负载(输出电流)，控制氢供给阀33开闭；排气流量估计单元(控制器4)，其基于氢供给阀33闭阀中的阳极系统内的压力降低，估计通过排气阀36从阳极系统内排出的废气的排气流量；排气阀控制单元(控制器4)，与氢供给阀33闭阀中相应地打开排气阀36。

这样，通过与氢供给阀33闭阀中相应地打开排气阀36，与不管氢供给阀33的开闭状态任意打开排气阀36的情况相比，可以增加在氢供给阀33闭阀中的阳极系统内的压力降低时打开排气阀36的频次。因此，基于氢供给阀33闭阀中的阳极系统内的压力降低，可以确保估计通过排气阀36从阳极系统内排出的废气的排气流量的频次。

另外，排气阀控制单元在氢供给阀33闭阀中一旦将排气阀36打开规定的开阀时间(第二规定值)，则关闭排气阀36(氢供给阀33开阀前关闭排气阀36)，所以在氢供给阀33闭阀中可以形成打开排气阀36的状态和关闭排气阀36的状态。因此，在基于氢供给阀33闭阀中的排气阀开阀时的压力降低和排气阀闭阀时的压力降低来估计排气流量的情况下，也能确保其估计频次。

另外，排气阀控制单元在经过排气阀开阀时间(第二规定值)前打开氢供给阀33时，与氢供给阀33开阀定时相应地关闭排气阀36，在下一次氢供给阀33闭阀中再次打开排气阀36。因此，在氢供给阀33闭阀中打开排气阀36，确保排气流量的估计频次，并能够可靠地确保为了将阳极系统内的氢浓度保持在发电稳定的氢浓度所需要的排气量。

另外，本实施方式的燃料电池系统100包括基于由排气流量估计单元估计的排气流量，判定排气量是否不足的判定单元(控制器4)，排气阀控制单元基于燃料电池堆1的负载变更至打开排气阀36的间隔(排气间隔)，判定出排气量不足时，使至打开排气阀36的间隔比基于燃料电池堆1的负载设定的间隔短。

具体而言，排气阀控制单元基于燃料电池堆1的负载计算排气阀36开阀请求时间(基准占空比)，在开阀请求时间的累积值(排气阀开阀请求开启时间)为第一规定值以上时输出排气阀36开阀指令，判定出排气量并非不足时，将开阀请求时间的累积值只减去排气阀36开阀时间，判定出排气量不足时，原样保持开阀请求时间的累积值。

由此，在排气量不足时，可以与基于负载的排气不同途径地实施追加的排气，所以可以抑制阳极系统内的氢浓度的降低，可以继续实施稳定的发电。

另外，判定单元基于由排气流量估计单元估计的排气流量、和与燃料电池堆1的负载对应的阈值判定排气量是否不足，修正阈值，使得至打开排气阀36的间隔越长阈值越小。

这些因为排气间隔越长，从打开排气阀36至下一次开阀为止的期间越长，所以蓄积于阳极系统内的液态水量增多。因此，排气间隔越长，打开排气阀36时排出的排气量相对减少。本实施方式中，与氢供给阀33开闭状态相应地打开排气阀36，所以至打开排气阀36的间隔变化。该情况下，与排气间隔短的情况相比，在排气间隔长时排气量减少，其原因是由于排气间隔增加而阳极系统内的液态水量增多。因此，排气间隔越长，越减小阈值，由此可以减少不小心地判断为排气不足的频次。由此，没有不小心地实施追加排气，所以可以抑制燃料消耗量的恶化。

另外，排气阀控制单元在燃料电池堆1的负载比规定负载高时，因从氢供给阀33开阀中打开排气阀36，所以可靠地排出蓄积于阳极系统内的液态水，可以确保打开排气阀36时排出的阳极废气的量。因此，可以提高排气流量的估计精度。

另外，排气阀控制单元在氢供给阀33闭阀中打开排气阀36的情况下，一旦被关闭的氢供给阀33在经过排气阀开阀时间(第二规定值)前再次被打开时，与氢供给阀33再开阀定时相应地关闭排气阀36，在之后的氢供给阀33闭阀中再次打开排气阀36。这样，分割实施排气时，仅在最初的排气时在氢供给阀33开阀中打开排气阀36。由此，通过在最初的排气时可靠地排出液态水，并从下一次的排气开始与氢供给阀33闭阀中相应地打开排气阀36，由此可以确保排气流量的估计频次。

另外，排气流量估计单元基于对阳极系统内的阳极气体供给停止时的排气阀开阀时的压力降低和排气阀闭阀时的压力降低，估计通过排气阀36从阳极系统内排出的废气的排气流量。排气流量估计单元具体而言，包括：基于排气阀开阀时的压力降低，估计在排气阀开阀期间从阳极系统内流出的气体流量的第一估计单元；和基于排气阀闭阀时的压力降低，不依赖于排气阀36的开闭状态地估计从阳极系统内流出的气体流量的第二估计单元，基于用第一估计单元估计的气体流量和用第二估计单元估计的气体流量估计排气流量。

由此，由于可以不依赖于排气阀36的开闭状态，而根据排气阀闭阀时的压力降低估计从阳极系统内流出的气体流量，所以根据该估计结果和在排气阀开阀期间从阳极系统内流出的气体流量，可以高精度估计通过排气阀36从阳极系统内排出的仅废气的流量。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过表示了本发明的应用例的一部分，而不是将本发明的技术范围限定在上述实施方式的具体的构成的意思。

例如，在上述的实施方式中，与氢供给阀33闭阀同时打开排气阀36，但氢供给阀33闭阀后，也可以经过规定时间(例如80毫秒)后打开排气阀36。由此，可以减小氢供给阀33的响应延迟或阳极压力传感器34的检测值的过冲等对排气流量的估计的影响，可以进一步提高排气流量的估计精度。

另外，在上述的实施方式中，将阳极压力传感器34的检测值用作阳极系统内的压力，但例如也可以根据氢供给阀33的开度等估计阳极系统内的压力。

另外，在上述的实施方式中，实施了使阳极压力脉动的脉动工作，但也可以是根据燃料电池堆的负载使阳极压力固定的燃料电池系统。该情况下，在负载降低时的下降过渡时(阳极压降低时)进行排气阀36的开闭即可。另外，也可以一次性使阳极压力脉动。

另外，在上述的实施方式中，至排气阀开阀时间为第二规定值为止，在氢供给阀33闭阀中一直打开排气阀36，在高负载时等分割地实施排气。与之相对，也可以在氢供给阀33开阀前关闭排气阀36，同时至排气阀开阀时间成为第二规定值为止分割地进行排气。

另外，在上述的实施方式中，也可以设为连接比排气阀36靠上游的阳极气体排出通路35和阳极气体供给通路32，使阳极废气循环的结构。

本申请要求基于2014年10月28日向日本专利局提出申请的特愿2014－219712的优先权，该申请的全部内容通过参照加入本说明书。