燃料电池系统及其制造方法与流程

本发明涉及燃料电池系统。

背景技术：

作为现有的燃料电池系统，具有如下的构成，即，基于在将供氢阀闭阀而停止向燃料电池供氢期间的供氢阀下游的阳极系统内的压力变化算出从阳极系统内排出的气体量(us2012/0156575a)。

技术实现要素：

在燃料电池系统运转中，在排气阀闭阀期间，从燃料电池的阴极电极经由电解质膜向阳极电极透过来的氮等积存在阳极系统内，阳极系统内的氢浓度逐渐降低。当阳极系统内的氢浓度降低时，在燃料电池系统运转中有可能发生电压下降。

为了防止这样的电压下降，根据需要将排气阀开阀，经由排气阀将含有氮或氢的废气从阳极系统内排出，从而将阳极系统内的氢浓度管理为不发生电压下降的氢浓度以上。但是，由于没有精度良好地推定阳极系统内的氢浓度的方法，故而不能适当地控制经由排气阀从阳极系统内排出的废气量(排气量)，当排气量过大而超过需要时，燃耗率有可能恶化，或者相反地，有可能因排气量不足而发生电压下降。

本发明是着眼于这种问题点而设立的，其目的在于精度良好地推定阳极系统内的氢浓度。

根据本发明的一方面，提供一种向燃料电池供给阳极气体及阴极气体，并根据负荷使燃料电池发电的燃料电池系统。该燃料电池系统具备：供给阀，其用于向燃料电池系统的阳极系统内供给阳极气体；排气阀，其用于从阳极系统内排出废气；压力检测部，其推定或测量阳极系统内的压力；氢浓度推定部，其基于在供给阀闭阀中且排气阀开阀期间的压力下降来推定阳极系统内的氢浓度。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的燃料电池系统的概略图；

图2是对本发明第一实施方式的推定阳极系统内的氢浓度的方法进行说明的图；

图3是对本发明第一实施方式的排气控制进行说明的流程图；

图4是对基准负荷率算出处理的详细进行说明的流程图；

图5是对排气阀开阀请求信号生成处理的详细进行说明的流程图；

图6是对排气阀开闭处理的详细进行说明的流程图；

图7是对本发明第一实施方式的氢浓度推定处理的详细进行说明的流程图；

图8是基于压力下降速度来推定氢浓度的映像图；

图9是对本发明第一实施方式的供氢阀的控制进行说明的流程图；

图10是基于目标输出电流来算出脉动上下限压力的表；

图11是对本发明第一实施方式的排气控制进行说明的时间图；

图12是对本发明第二实施方式的氢浓度的推定方法进行说明的图；

图13是对当供氢阀闭阀时的阳极系统内的气体流入流出进行说明的图；

图14是对本发明第二实施方式的氢浓度推定处理的详细进行说明的流程图；

图15是基于发电耗氢量来算出压力下降量的表；

图16是基于输出电流来算出耗氢量的表；

图17是对本发明第二实施方式的氢浓度的推定方法进行说明的框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

在燃料电池中，通过阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹着电解质膜，向阳极电极供给含有氢的阳极气体(燃料气体)，向阴极电极供给含有氧的阴极气体(氧化剂电极)，由此进行发电。在阳极电极及阴极电极这两个电极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)

根据该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1伏特程度的电动势。

在将燃料电池用作汽车用动力源的情况下，由于需求的电力大，故而作为层积了数百个燃料电池的燃料电池组而使用。于是，构成向燃料电池组供给阳极气体及阴极气体的燃料电池系统，取得车辆驱动用的电力。

图1是本发明第一实施方式的燃料电池系统100的概略图。

燃料电池系统100具备燃料电池组1、阴极气体给排装置2、阳极气体给排装置3、控制器4。

燃料电池组1是层积了多个燃料电池的电池组，其接受阳极气体及阴极气体的供给，对车辆驱动所需的电力进行发电。

阴极气体给排装置2具备阴极气体供给通路21、阴极气体排出通路22、过滤器23、气体流量传感器24、阴极压缩机25、阴极压力传感器26、水分回收装置(waterrecoverydevice；以下称作“wrd”)27、阴极调压阀28。阴极气体给排装置2向燃料电池组1供给阴极气体，并且将从燃料电池组1排出的阴极废气向外界气体中排出。

阴极气体供给通路21是向燃料电池组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，另一端与燃料电池组1的阴极气体入口孔连接。

阴极气体排出通路22是从燃料电池组1排出的阴极废气流动的通路。阴极气体排出通路22的一端与燃料电池组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因电极反应而产生的水蒸气的混合气体。

过滤器23将进入阴极气体供给通路21的阴极气体中的异物去除。

气体流量传感器24设置在比阴极压缩机25更靠上游的阴极气体供给通路21中。气体流量传感器24检测向阴极压缩机25供给，进而最终向燃料电池组1供给的阴极气体的流量。

阴极压缩机25设置在阴极气体供给通路21中。阴极压缩机25经由过滤器23将作为阴极气体的空气(外界气体)取入阴极气体供给通路21，并向燃料电池组1供给。

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

wrd27分别与阴极气体供给通路21及阴极气体排出通路22连接，将在阴极气体排出通路22中流动的阴极废气中的水分回收，并利用该回收了的水分对在阴极气体供给通路21中流动的阴极气体进行加湿。

阴极调压阀28设置在比wrd27更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被开闭控制，调节向燃料电池组1供给的阴极气体的压力。此外，在本实施方式中，基本上通过调节阴极压缩机25的转速及阴极调压阀28的开度，从而将阴极压力控制为希望的压力(目标阴极压力)。

阳极气体给排装置3向燃料电池组1供给阳极气体，并且将从燃料电池组1排出的阳极废气向阴极气体排出通路22排出。阳极气体给排装置3具备高压氢罐31、阳极气体供给通路32、供氢阀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将向燃料电池组1供给的阳极气体保持为高压状态而存储。

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

供氢阀33设置在阳极气体供给通路32中。供氢阀33通过控制器4被开闭控制，将向燃料电池组1供给的阳极气体的压力调节为希望的压力。另外，通过对供氢阀33进行开闭控制，向燃料电池组1供给的阳极气体的流量也被控制。

阳极压力传感器34设置在比供氢阀33更靠下游的阳极气体供给通路32中。阳极压力传感器34检测比供氢阀33更靠下游的阳极气体供给通路32的压力。在本实施方式中，将由该阳极压力传感器34检测到的压力作为从供氢阀33到排气阀36的阳极系统内的压力(以下称作“阳极压力”)而代用。

阳极气体排出通路35是从燃料电池组1排出的阳极废气流动的通路。阳极废气是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向阳极电极侧透过来的氮或水蒸气的混合气体。阳极气体排出通路35的一端与燃料电池组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。

向阴极气体排出通路22排出的阳极废气在阴极气体排出通路22内与阴极废气混合而向燃料电池系统100的外部排出。由于阳极废气中含有电极反应中未使用的剩余的氢，因而通过与阴极废气混合而向燃料电池系统100的外部排出，可使该排出气体中的氢浓度为事先规定的规定浓度以下。

排气阀36设置在阳极气体排出通路35中。排气阀36通过控制器4被开闭控制，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(以下称作“排气流量”)。

控制器4由具备中央运算装置(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)的微型计算机构成。

在控制器4中，除了输入来自上述的气体流量传感器24等的信号之外，还输入有来自对加速踏板的踏入量(以下称作“加速操作量”)进行检测的加速行程传感器41、对将燃料电池组冷却的冷却水的温度(以下称作“堆栈温度”)进行检测的温度传感器42、对燃料电池组的输出电流进行检测的电流传感器43等用于对燃料电池系统100的运转状态进行检测的各种传感器的信号。

控制器4基于燃料电池系统100的运转状态算出燃料电池组1的目标输出电流。具体地，基于用于驱动车辆的行驶电动机(未图示)的请求电力、阴极压缩机25等辅机类的请求电力、电池(未图示)的充放电要求，算出燃料电池组1的目标输出电流。

另外，控制器4基于燃料电池系统100的运转状态进行使阳极压力周期性升压降压的脉动运转。在脉动运转中，基本上在根据燃料电池组1的目标输出电流所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地升压降压，使阳极压力脉动。通过进行这样的脉动运转，在阳极压力升压时将阳极系统内的液态水向阳极系统外排出而确保排水性。

在此，在燃料电池组1发电中，氮或水蒸气等从阴极电极侧经由电解质膜向阳极电极侧透过。因此，当持续将排气阀36关闭时，氢在燃料电池组1被消耗，另一方面，透过来的氮等积存在阳极系统内。其结果，即使在将阳极系统内的压力(阳极压力)控制为同压力的情况下，相应于氮的透过，阳极系统内的氢浓度逐渐降低。这样，如果在阳极系统内的氢浓度降低的状态下进行发电，则即使将阳极压力控制为目标值，在燃料电池组1内进行发电所需的氢也会不足，有可能发生电压下降。

另一方面，当将排气阀36开阀时，由于积存在阳极系统内的氮等作为阳极废气而从阳极系统内被排出，故而阳极系统内的氢浓度增加(恢复)。即，阳极系统内的氢浓度与通过排气阀36从阳极系统内排出的阳极废气的量(以下称作“排气量”)相对应地变化，具体地，排气量越多，阳极系统内的氢浓度越增加。

然而，由于排气量越多，相应地从阳极系统内作为阳极废气而被排出的氢量也越多，故而导致燃耗率恶化。因此，如果能够根据阳极系统内的氢浓度来控制排气量，则能够将阳极系统内的氢浓度管理为不发生电压下降的氢浓度(目标氢浓度：例如60％)，并且进行足以满足必要程度的氮等的排出，因而能够将燃耗率的恶化限制在最小限度。

在此，对根据阳极系统内的氢浓度来控制排气量来说，对阳极系统内的氢浓度进行推定是必要的。因此在本实施方式中，用以下的方法来推定阳极系统内的氢浓度。

图2是对本实施方式的推定阳极系统内的氢浓度的方法进行说明的图。

在本实施方式中，基于当供氢阀33闭阀时将排气阀36开阀期间的压力下降，推定阳极系统内的氢浓度。

如图2所示，当燃料电池组1发电中，在时刻t11的定时将供氢阀33闭阀而停止向燃料电池组1供给阳极气体时，阳极压力逐渐下降。该阳极压力的变化主要因以下的原因而产生。

在图2中，从时刻t10到时刻t13将排气阀36开阀，从时刻t13到时刻t14将排气阀36闭阀。然而，作为与排气阀36的开闭状态无关地使阳极压力发生变化的主要原因之一，列举出当供氢阀33闭阀时由于发电所消耗的阳极系统内的氢。由于从时刻t13到时刻t14将排气阀36闭阀，因而阳极压力主要因为该发电耗氢而下降。

另一方面，由于从时刻t10到时刻t13将排气阀36开阀，因而从供氢阀33闭阀后的时刻t11到时刻t13，除了该发电耗氢以外，阳极压力还因为通过排气阀36流出的气体(排气气体)而下降。需要说明的是，在排气阀36的结构上，当排气阀36开阀时，首先液态水被排出，之后阳极废气作为排气气体被排出，因而从时刻t12开始，阳极废气被排出而压力下降速度变快。

此时，通过发明人的深入研究得知，在从时刻t11到时刻t13的当供氢阀33闭阀时将排气阀36开阀的期间(严格来说液态水被排出后的从时刻t12到时刻t13的期间)的压力下降量根据阳极系统内的氢浓度而变化。

这是由于，氢的分子量(分子量2)与氮的分子量(分子量28)相比非常小，故而在阳极系统内的氢浓度高时，阳极系统内的阳极废气的平均分子量变小。在将排气阀36开阀后，通过排气阀36被排出的阳极废气(排气气体)的摩尔流量(mol/s)随着该平均分子量变小而增加。因此，阳极系统内的氢浓度越高，排气气体的流量越增加。

即，如图2所示，阳极系统内的氢浓度越高，当供氢阀33闭阀时将排气阀36开阀期间的阳极压力的压力下降量变得越大。

因此，在本实施方式中，基于当供氢阀33闭阀时将排气阀36开阀期间的压力下降来推定阳极系统内的氢浓度，并基于所推定的阳极系统内的氢浓度来控制排气阀。

以下，参照图3～图9对本实施方式的排气控制进行说明。

图3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循环。

在步骤s100中，控制器4实施如下的处理，即，算出用于将阳极系统内的氢浓度设为事先规定的目标氢浓度(例如60％)的成为基准的排气阀36的负荷率(以下称作“基准负荷率”)。在后文中参照图4对该基准负荷率算出处理的详细进行说明。

在步骤s200，控制器4实施如下的处理，即，基于基准负荷率而生成排气阀36的开阀请求信号。在后文中参照图5对该排气阀开阀请求信号生成处理的详细进行说明。

在步骤s300中，控制器4实施如下的处理，即，基于排气阀开阀请求信号等，实际上使排气阀36开闭。在后文中参照图6对该排气阀开闭处理的详细进行说明。

在步骤s400中，控制器4实施如下的氢浓度推定处理，即，基于当供氢阀33闭阀时将排气阀36开阀期间的压力下降，推定阳极系统内的氢浓度。在后文中参照图9对该氢浓度推定处理的详细进行说明。

图4是对基准负荷率算出处理的详细进行说明的流程图。

在步骤s101中，控制器4判定阳极系统内的氢浓度在前次的处理中是否被推定。当氢浓度在前次的处理中被推定时，控制器4执行步骤s102的处理，当氢浓度在前次的处理中未被推定时，控制器4执行步骤s104的处理。

在步骤s102中，控制器4基于在前次的处理中所推定的氢浓度算出基准负荷率。具体地，实施基于目标氢浓度和所推定的氢浓度间偏差的反馈控制(pi控制)而算出基准负荷率。因此，所推定的氢浓度与目标氢浓度相比越高，基准负荷率越小；所推定的氢浓度与目标氢浓度相比越低，基准负荷率越大。

在步骤s103，控制器4将基准负荷率更新为本次算出的基准负荷率。

在步骤s104，控制器4将前次的基准负荷率保持不变。

图5是对排气阀开阀请求信号生成处理的详细进行说明的流程图。

在步骤s201中，控制器4判定将后述的排气阀开阀请求信号为on的时间的累计值(以下称作“排气阀开阀请求on时间”)除以事先规定的基准排气周期(例如5秒)而计算得到的值是否大于基准负荷率。即，控制器4判定排气阀开阀请求on时间占据基准排气周期的比率是否比基准负荷率大。在除算值比基准负荷率大时，控制器4进行步骤s203的处理，若除算值为基准负荷率以下，则控制器4进行步骤s202的处理。

在步骤s202中，控制器4将排气阀开阀请求信号设为on。

在步骤s203中，控制器4将排气阀开阀请求信号设为off。

在步骤s204中，控制器4对排气阀开阀请求信号为on的时间进行累计，并作为排气阀开阀请求on时间而算出。

在步骤s205中，控制器4判定是否经过了基准排气周期的一个周期。即，例如在将基准排气周期设定为5秒时，判定从基准排气周期的计数开始起是否经过了5秒。当未经过基准排气周期的一个周期，则控制器4结束本次处理，当经过了基准排气周期的一个周期，则控制器4执行步骤s206的处理。

在步骤s206中，控制器4将步骤s204中算出的排气阀开阀请求on时间重置为零，并且将基准排气周期的计数也重置为零。

图6是对排气阀开闭处理的详细进行说明的流程图。

在步骤s301中，控制器4与前述步骤s204分开而算出排气阀开阀请求on时间。

在步骤s302中，控制器4判定步骤s301中算出的排气阀开阀请求on时间是否在事先设定的第一规定值以上。当排气阀开阀请求on时间在第一规定值以上时，控制器4执行步骤s303的处理，当排气阀开阀请求on时间不到第一规定值时，控制器4执行步骤s304的处理。

在步骤s303中，控制器4将排气阀开阀指令设为on。排气阀开阀指令的初始值被设定为off。当供氢阀33在排气阀开阀指令为on的状态下开阀时，排气阀36实际上被开阀。

在步骤s304中，控制器4将排气阀开阀指令设为off。

这样在本实施方式中，在排气阀开阀请求on时间(＝基准负荷率的累计值)为第一规定值以上后将排气阀开阀指令设为on，允许排气阀的开阀。这是为了在本实施方式中在供氢阀33闭阀时确保一定程度的将排气阀36开阀的时间，并当排气阀开阀时使阳极废气可靠地通过排气阀36而排出。于是，通过在排气阀开阀请求on时间(＝基准负荷率的累计值)为第一规定值以上后将排气阀开阀指令设为on，由于所推定的氢浓度越低，基准负荷率越大，因而排气阀开阀指令为on的间隔变短。

在步骤s305中，控制器4判定供氢阀33是否开阀。在供氢阀33开阀时、即阳极气体供给时，控制器4执行步骤s306的处理。另一方面，在供氢阀33闭阀时、即阳极气体供给停止时，控制器4执行步骤s309的处理。进行该判定是为了在本实施方式中与供氢阀33的开阀一起进行排气阀36的开阀。

在步骤s306中，控制器4判定排气阀开阀指令是否为on。当排气阀开阀指令为on时，控制器4执行步骤s307的处理，当排气阀开阀指令为off时，控制器4执行步骤s308的处理。

在步骤s307中，控制器4将排气阀36开阀。

在步骤s308中，控制器4将排气阀36开阀。

在步骤s309中，控制器4判定排气阀36是否开阀。当排气阀36开阀时，控制器4执行步骤s310的处理，当排气阀36闭阀时，控制器4结束本次处理。

在步骤s310中，控制器4对排气阀36开阀的时间进行累计，作为排气阀开阀时间而算出。

在步骤s311中，控制器4判定步骤s310中算出的排气阀开阀时间是否在作为将排气阀36实际上打开的时间而事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on时间在第一规定值以上，仅将排气阀36打开第二规定值。在本实施方式中将第一规定值和第二规定值设定为相同值，但也可以设定为不同的值。第一规定值及第二规定值可分别将阳极系统内的氢浓度管理为目标氢浓度，并且可作为可精度良好地实施氢浓度推定的值(例如0.5秒)而事先通过实验等求出。当排气阀开阀时间在第二规定值以上时，控制器4执行步骤s312的处理，当排气阀开阀时间不到第二规定值时，控制器4结束本次处理。

在步骤s312中，控制器4从步骤s301中算出的排气阀开阀请求on时间减去排气阀开阀时间(＝第二规定值)而进行减法运算。

在步骤s313中，控制器4将步骤s310中算出的排气阀开阀时间重置为零。

在步骤s314中，控制器4将排气阀开阀指令设为off。

在步骤s315中，控制器4将排气阀36闭阀。

图7是对氢浓度推定处理的详细进行说明的流程图。

在步骤s401中，控制器4判定排气阀36是否开阀。当排气阀36开阀时，控制器4执行步骤s402的处理，当排气阀36闭阀时，控制器4执行步骤s407的处理。

在步骤s402中，控制器4与前述步骤s310分开而对排气阀36开阀的时间进行累计，作为排气阀开阀时间而算出。

在步骤s403中，当步骤s402中算出的排气阀开阀时间在事先设定的规定时间以上时，控制器4执行步骤s404的处理，当步骤s402中算出的排气阀开阀时间不到规定时间时，控制器4结束本次处理。该规定时间是可判定阳极系统内的液态水排水结束，阳极废气通过排气阀36被排出的时间，可通过实验等设定。在本实施方式中将其设为固定值，但由于例如燃料电池组1的负荷越高，阳极系统内的液态水水量也越增加，因而也可以根据负荷进行变更。

在步骤s404中，控制器4判定供氢阀33是否闭阀。当供氢阀33闭阀时，控制器4执行步骤s405的处理，当供氢阀33开阀时，控制器4结束本次处理。

在步骤s405中，控制器4通过算出每个运算周期的压力下降量并将该压力下降量与前次值相加，算出排气阀开阀时间经过了规定时间后的供氢阀33闭阀中且排气阀36开阀期间的压力下降量。

在步骤s406中，控制器4算出在步骤s405中算出的压力下降量的压力下降所需的时间(以下称作“压力下降时间”。)。

在步骤s407中，控制器4判定是否能够精度良好地推定氢浓度。具体地，判定步骤s405中算出的压力下降量是否在规定以上，或步骤s406中算出的压力下降时间是否在规定以上。在判定为能够精度良好地推定氢浓度时，控制器4执行步骤s408的处理，除此之外时，控制器4结束本次处理。

在步骤s408中，控制器4参照图8的映像图，基于将压力下降量除以压力下降时间而得到的压力下降速度推定氢浓度。在图8的映像图中，利用排气阀36的前后压差(＝阳极压力－大气压)、及排气气体(阳极废气)的温度来校正氢浓度。在本实施方式中，将堆栈温度作为排气气体的温度而代用。

排气阀36的前后压差越大，推定氢浓度越低，这是因为排气阀36的前后压差越大，可推定排气流量越多而压力下降速度越快。另外，排气气体的温度越高，推定氢浓度越低，这是因为排气气体的温度越高，饱和水蒸气量越增加而使排气气体中的水蒸气浓度越高，由此可推定为排气气体中的氢浓度越低。

需要说明的是，也能够代替排气阀36的前后压差，分别基于阳极压力及大气压来校正氢浓度。另外，也可以代替排气气体的温度而用传感器等直接测量水蒸气浓度，或通过例如交流阻抗法来测量燃料电池组1内的电解质膜的湿润状态从而进行推定，并基于该测量或推定得到的水蒸气浓度来校正氢浓度。

在步骤s409中，控制器4将压力下降量及压力下降时间重置为初始值的零。

在步骤s410中，控制器4将步骤s402中算出的排气阀开阀时间重置为零。

图9是对本实施方式的供氢阀33的控制进行说明的流程图。

在步骤s1中，控制器4参照图10的表，基于燃料电池组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中，控制器4判定阳极压力是否在脉动上限压力以上。当阳极压力在脉动上限压力以上时，为了使阳极压力降压，控制器4执行步骤s3的处理。另一方面，当阳极压力不到脉动上限压力时，控制器4执行步骤s4的处理。

在步骤s3中，控制器4将目标阳极压力设定为脉动下限压力。

在步骤s4中，控制器4判定阳极压力是否在脉动下限压力以下。当阳极压力在脉动下限压力以下时，为了使阳极压力升压，控制器4执行步骤s5的处理。另一方面，当阳极压力高于脉动下限压力时，执行步骤s6的处理。

在步骤s5中，控制器4将目标阳极压力设定为脉动上限压力。

在步骤s6中，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中，控制器4在脉动下限压力被设定为目标阳极压力时，对供氢阀33进行反馈控制，以使阳极压力为脉动下限压力。该反馈控制的结果通常是，供氢阀33的开度为全闭，停止从高压氢罐31向燃料电池组1供给阳极气体。其结果，由于发电引起的在燃料电池组1内的阳极气体的消耗等，阳极压力开始下降。

另一方面，控制器4在脉动上限压力被设定为目标阳极压力时，对供氢阀33进行反馈控制，以使阳极压力升压至脉动上限压力。该反馈控制的结果是，供氢阀33打开至希望的开度，从高压氢罐31向燃料电池组1供给阳极气体，阳极压力上升。

图11是对本实施方式的排气控制进行说明的时间图。

如图11(d)所示，通过排气阀开阀请求信号生成处理，生成排气阀开阀请求信号在基准排气周期中根据基准负荷率为on那样地排气阀开阀请求信号。然后，如图11(e)所示，对排气阀开阀请求信号为on的时间进行累计，作为排气阀开阀请求on时间而算出。

在时刻t1，当排气阀开阀请求on时间在第一规定值以上时，排气阀开阀指令为on(图11(f))，在之后的时刻t2，在供氢阀3开阀时排气阀36也开阀(图11(c))。当排气阀36开阀时，如图11(g)所示，对排气阀36开阀的时间进行累计，作为排气阀开阀时间而算出。

在时刻t3，当排气阀开阀时间在规定时间以上时，若供氢阀33闭阀，则算出从该时刻开始的阳极压力的压力下降量及压力下降时间。

在时刻t4，当排气阀开阀时间在第二规定值以上时，排气阀开阀指令为off(图11(f))，排气阀36闭阀(图11(c))。然后，如果在该时刻压力下降量(或压力下降时间)对推定氢浓度来说是足够的下降量，则氢浓度被推定(图11(h))。

然后，但氢浓度被重新推定时，基于该氢浓度设定新的基准负荷率(图11(d))。该时间图中，由于所推定的氢浓度高于目标氢浓度(图11(h))，因而重新设定的基准负荷率为比至此为止的基准负荷率小的值。这样，排气阀36的开阀时间(基准负荷率)根据氢浓度而变更，具体地，氢浓度越高则开阀时间越短，氢浓度越低则开阀时间越长。即，排气间隔(排气阀开阀时间达到第一规定值的间隔)对应于氢浓度而变化，具体地，氢浓度越高则排气间隔越长而排气频率降低，因而排气量变少。另一方面，氢浓度越低则排气间隔越短而排气频率升高，因而排气量变多。

以上说明的本实施方式的燃料电池系统100具备：用于向燃料电池系统100的阳极系统内供给阳极气体的供氢阀(供给阀)33、用于从阳极系统内排出阳极废气(废气)的排气阀36、对阳极系统内的压力进行测量的阳极压力传感器(压力检测部)34、以包括基于在供氢阀33闭阀中且排气阀36开阀期间的压力下降而对阳极系统内的氢浓度进行推定的氢浓度推定部的方式而构成的控制器4。

在供氢阀33闭阀中将排气阀36开阀期间的压力下降主要因阳极废气通过排气阀36被排出而产生的。此时，阳极系统内的氢浓度越高，阳极废气的平均分子量越小，排气流量越增加，阳极压力的压力下降量变大。因此，通过对在供氢阀33闭阀中且排气阀36开阀期间的压力下降进行测量，能够精度良好地推定阳极系统内的氢浓度。

另外，本实施方式的燃料电池系统100的氢浓度推定部更详细地，基于在供氢阀33闭阀中、且排气阀36开阀后经过规定时间起开始的将排气阀36开阀期间的压力下降，推定阳极系统内的氢浓度。排气阀36开阀后到经过规定时间为止，从排气阀36有可能排出液态水而不是阳极废气。因此，排气阀36开阀后到经过规定时间的压力下降主要是发电耗氢引起的，如果测量该期间的压力下降而推定氢浓度，会导致其推定精度恶化。因此，通过基于排气阀36开阀后经过规定时间起开始的将排气阀36开阀期间的压力下降来推定阳极系统内的氢浓度，能够抑制这种推定精度的恶化。

另外，本实施方式的燃料电池系统100在将供氢阀33闭阀之前将排气阀36开阀。即，由于在供氢阀33开阀中将排气阀36开阀，故而能够通过向阳极系统内供给的阳极气体将阳极系统内的液态水有效地从阳极系统内压出而排出。因此，在供氢阀33闭阀中能够消除或减少从排气阀36排出的液态水水量，故而能够抑制氢浓度的推定精度的恶化。

另外，本实施方式的燃料电池系统100具备以还包括基于供氢阀33的开闭状态、氢浓度而对排气阀36进行控制的排气阀控制部的方式而构成的控制器4。

排气阀控制部基于氢浓度而变更发出排气阀36的开阀指令的间隔，并且在发出开阀指令时的供氢阀33的开阀中将排气阀36开阀，故而能够通过向阳极系统内供给的阳极气体将阳极系统内的液态水有效地从阳极系统内压出而排出。因此，在供氢阀33闭阀中能够消除或减少从排气阀36排出的液态水水量，故而能够抑制氢浓度的推定精度的恶化。

另外，排气阀控制部在氢浓度越低时越缩短发出排气阀36的开阀指令的间隔，故而能够在氢浓度低时提高排气频率而抑制氢浓度的降低。

另外，排气阀控制部基于氢浓度而改变通过排气阀36从阳极系统内排出的阳极废气的排气量，在氢浓度越低时越增加排气量，故而能够抑制氢浓度的降低。

另外，排气阀控制部基于氢浓度而改变排气阀36的开阀时间，在氢浓度越低时越增长排气阀36的开阀时间，故而能够抑制氢浓度的降低。

(第二实施方式)

接着，对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式的氢浓度的推定方法与第一实施方式不同。就以下的不同点为中心进行说明。需要说明的是，对起到与前述第一实施方式相同功能的部分，使用同一标记并适当省略重复的说明。

图12是对本实施方式的氢浓度的推定方法进行说明的图。图13是对供氢阀33闭阀中的阳极系统内的气体流入流出进行说明的图。

在第一实施方式中，将与排气阀36的开闭状态无关地使阳极压力发生变化的主要原因仅设为在供氢阀33闭阀中由于发电所消耗的阳极系统内的氢。然而，构成与排气阀36的开闭状态无关地使阳极压力发生变化的主要原因还存在除该发电耗氢以外的其他因素。

即，作为除发电耗氢以外的第二个主要原因，可举出在阳极系统内液态水蒸发而变成水蒸气，或相反地水蒸气冷凝而成为液态水。阳极压力因该蒸发及冷凝的平衡而发生变化。作为第三个主要原因，可举出从阳极电极侧经由电解质膜向阴极电极侧透过来的氢(透过氢)、或相反地从阴极电极侧经由电解质膜向阳极电极侧投顾过来的氮及氧。阳极压力因这些透过气体的进出平衡而变化。

因此，在从时刻t13到时刻t14的排气阀闭阀期间，阳极压力因这三个主要原因而开始下降。

另一方面，由于从时刻t11到时刻t13将排气阀36开阀，因而除了这三个主要原因以外，阳极压力也因为通过排气阀36而流出的气体(排气气体)而下降。如前所述，在排气阀36的结构上，当排气阀36开阀时，首先液态水被排出，之后阳极废气作为排气气体被排出，因而如图12所示，阳极废气从时刻t12起被排出。

因此在本实施方式中，求出：液态水的排出结束后的供氢阀闭阀中的排气阀开阀期间(时刻t12～时刻t13)的压力下降速度、供氢阀闭阀中的排气阀闭阀期间(时刻t13～时刻t14)的压力下降速度。

在此，可以认为，即使在从时刻t12到时刻t13的排气阀开阀期间，因上述三个主要原因而产生的压力下降速度也不发生变化。

因此，当从液态水的排出结束后的供氢阀闭阀中的排气阀开阀期间(时刻t12～时刻t13)的压力下降速度(平均压力下降)减去供氢阀闭阀中的排气阀闭阀期间(时刻t13～时刻t14)的压力下降速度而进行减法运算时，能够精度良好地算出仅因通过排气阀36流出的气体(排气气体)而产生的压力下降速度。因此，在本实施方式中，能够基于仅因通过排气阀36流出的排气气体而产生的压力下降速度来推定氢浓度，故而能够使氢浓度的推定精度提高。

图14是对本实施方式的氢浓度推定处理的详细进行说明的流程图。

到步骤s410为止的处理是与第一实施方式相同的处理，因而在此对步骤s411以后的处理进行说明。

在步骤s411中，控制器4基于电流传感器43的检测值(输出电流)算出在排气阀开阀时由于发电在燃料电池组1内消耗的每个运算周期的氢量，并将该氢量与前次值相加，从而算出在供氢阀33闭阀中排气阀36开阀期间的发电耗氢量。然后，事先通过实验等作成将发电耗氢量和压力下降量相关联的图15的表，并参照该表从而算出发电耗氢量引起的压力下降量。

需要说明的是，对于排气阀开阀时由于发电在燃料电池组1内消耗的每个运算周期的氢量，例如可事先通过实验等作成将输出电流和耗氢量相关联的图16中表示的表，并参照该表，基于输出电流算出。另外，例如也可通过将输出电流i、运算周期△t及燃料电池的个数n代入使用了法拉第常数f的运算式(n＝n·i·△t/2f)，而算出每个运算周期所消耗的氢的摩尔质量n，从而进行求解。

在步骤s412中，控制器4判定供氢阀是否闭阀。当供氢阀闭阀时，控制器4执行步骤s413的处理，当供氢阀开阀时，控制器4结束本次处理。

在步骤s413中，控制器4算出每个运算周期的压力下降量，并将该压力下降量与前次值相加，从而算出在供氢阀33闭阀中排气阀36闭阀期间的压力下降量。

在步骤s414中，控制器4基于电流传感器43的检测值(输出电流)算出排气阀闭阀时由于发电在燃料电池组1内所消耗的每个运算周期的氢量，并将该氢量与前次值相加，从而算出在供氢阀33闭阀中排气阀36闭阀期间的发电耗氢量。然后，通过参照图15的表算出发电耗氢量引起的压力下降量。

在步骤s415中，控制器4算出步骤s413中算出的压力下降量的压力下降所需的时间(排气阀闭阀时的压力下降时间)。

在步骤s416中，控制器4判定是否能够精度良好地推定氢浓度。具体地，判定步骤s405及步骤s412中算出的压力下降量是否分别在规定以上，或步骤s406及步骤s413中算出的压力下降时间是否分别在规定以上。在判定为能够精度良好地推定氢浓度时，控制器4执行步骤s417的处理，除此之外时，结束本次处理。

在步骤s417中，控制器4实施图17中表示的计算而推定氢浓度。作为氢浓度的推定方法，参照图12而如前所述，也可以将从排气阀开阀期间的压力下降速度减去排气阀闭阀期间的压力下降速度而得到的值作为排气气体引起的压力下降速度，但如图17所示，通过从排气阀开阀期间的压力下降速度及排气阀闭阀期间的压力下降速度分别事先减去发电耗氢引起的压力下降速度，能够使氢浓度的推定精度进一步提高。这是由于发电耗氢量因负荷变动而变化，故而在排气阀36开闭中不一定为恒定。

以上说明的本实施方式的燃料电池系统100的氢浓度推定部基于在供氢阀33闭阀中且排气阀36开阀期间、和排气阀36闭阀期间的各自的压力下降，推定阳极系统内的氢浓度。因此，能够精度良好地仅测量因通过排气阀36排出的阳极废气而产生的压力下降，故而能够精度良好地推定氢浓度。

在上述实施方式中，将阳极压力传感器34的检测值用作阳极系统内的压力，但也可以例如由供氢阀33的开度等推定阳极系统内的压力。

另外，在上述实施方式中，实施使阳极压力产生脉动的脉动运转，但也可以是根据燃料电池组的负荷而使阳极压力恒定的燃料电池系统。该情况下，只要在负荷降低时的下降过渡时(阳极下降时)进行排气阀36的开闭而进行氢浓度的推定即可。另外，还可以在推定氢浓度时使阳极压力暂时脉动。

另外，在上述实施方式中，与供氢阀33的开阀时同步而将排气阀36开阀，但不一定需要同步。

另外，在上述实施方式中，也可以将比排气阀36更靠上游的阳极气体排出通路35和阳极气体供给通路32连接，使阳极废气循环。

以上，说明了本发明的实施方式，但上述实施方式只不过表示了本发明的适用例的一部分，并非将本发明的技术范围限定在上述实施方式的具体构成。

本申请基于2014年10月28日向日本国特许厅提出申请的特愿2014－219710主张优先权，并通过参照将该申请的全部内容并入本说明书。