JP2015164092A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードガス流路内の液水が十分に排出されない。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池内の不純物を燃料ガスと共に外部に排出するアノードオフガス流路に、開口面積を２段階で変更可能に構成されたパージ弁を備え、燃料電池の発電領域内の液水量を推定し、推定した液水量が所定量以上の場合におけるパージ弁の開口面積を、液水量が所定量未満の場合におけるパージ弁の開口面積よりも大きくする。
【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とリサイクルタンク（バッファタンク）とを設けた燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。この燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、常閉ソレノイドバルブ及び常開ソレノイドバルブを周期的に開閉する。

特開２００７−５１７３６９号公報

前述した従来の燃料電池システムでは、アノードガスの増圧時に、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からクロスリークしてきた窒素、水蒸気や液水などを燃料電池の外部に排出するようにしている。しかしながら、この方法では、燃料電池内部の液水が十分に排出されない場合があり、カソードに溜まる液水の量が多くなると、燃料電池の発電効率が低下するという問題が生じる。

本発明は、アノードガス流路内の推定液水量が所定量以上の場合に、パージ弁の開口面積を大きくすることによって、アノードガス流路内の液水を十分に排出することを目的とする。

本発明による燃料電池システムは、アノードに燃料ガスを供給すると共に、カソードに酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムである。この燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、燃料電池内の不純物を燃料ガスと共に外部に排出するアノードオフガス流路と、開口面積を２段階で変更可能に構成され、アノードオフガス流路に設けられるパージ弁と、燃料電池の発電領域内の液水量が所定量以上の場合、パージ弁の開口面積を、液水量が所定量未満の際に使用するパージ弁の開口面積よりも大きくするパージ弁制御手段とを備える。

本発明によれば、燃料電池の発電領域内の推定液水量が所定量以上の場合に、パージ弁の開口面積を大きくするので、アノードガス流路内に大流速を発生させて、アノードガス流路内の液水を十分に排出することができる。

図１は、第１の実施形態における燃料電池の構成について説明するための図である。 図２は、第１の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、燃料電池システムの運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。 図４は、脈動運転制御のフローチャートである。 図５は、第１の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁の開閉制御のフローチャートである。 図６は、燃料電池スタックに対する負荷の大きさと、アノードガス流路内に残留している液水量との関係を示す図である。 図７は、燃料電池スタックの温度と、アノードガス流路内に残留している液水量との関係を示す図である。 図８は、燃料電池スタックのインピーダンスと、アノードガス流路内に残留している液水量との関係を示す図である。 図９は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタックに対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。 図１０は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタック２に対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。 図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、液水量が多いほど、パージ弁４０を開く頻度を多くする制御を行った場合のパージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタックに対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。 図１２は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタックに対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。 図１３は、第４の実施形態における燃料電池システムにおいて、あるセルの電圧の時間変化を示す図である。 図１４は、第５の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、カソードガス流量、燃料電池スタックに対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。

−第１の実施形態−
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
式（１）及び式（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

図１は、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。図１（Ａ）は、燃料電池１０の斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池のＢ−Ｂ断面図である。

燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。

カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側に、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側に、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。

アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図２は、第１の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。

燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態では、カソードガスとして空気を使用している。

アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、パージ通路３９と、パージ弁４０とを備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。コントローラ４は、調圧弁３３に供給する電流の量を制御することによって、調圧弁３３の開度を制御する。

圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。

アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がバッファタンク３６の上部に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスとの混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。

パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が一定以下となるように調節する。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高くなり過ぎると、バッファタンク３６からパージ通路３７を通って外気へ排出されるアノードガス量が多くなり、無駄となるからである。

なお、パージ弁３８はＯＮ・ＯＦＦ弁であっても良い。このときは、ＯＮ時間とＯＦＦ時間を変更することで、外気へ排出するアノードオフガスの量を調整することになる。

本実施形態における燃料電池システムでは、バッファタンク３６に、パージ通路３７とともに、パージ通路３９が接続されている。パージ通路３９には、パージ弁４０が設けられている。パージ弁４０は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。特に、本実施形態では、パージ弁４０の開口面積は、パージ弁３８の開口面積よりも大きいものとする。コスト低減のため同一開口面積としても良い。

パージ弁４０の他端は、逆止弁４６を介して、カソードガス供給通路４５に接続されている。すなわち、パージ弁４０を介して排出されるアノードオフガスは、カソードガス供給通路４５に戻されることによって、アノードオフガス中のアノードガスを燃料電池スタック２内部の触媒上でカソードガスと反応させて消費させることができる。これにより、アノードオフガスを外気へ排出する構成と比べて、アノードガスが外気へと排出されるのを抑制することができる。

さらに，パージ通路３９は、重力方向上側（もしくは横側）からバッファタンクに接続されており、バッファタンク内の液水が流れ込まない構造になっている。これは、液水をカソードガス供給通路に戻すことによるカソードフラッディングを防止するために、好ましい構成である。逆に、パージ通路３７はバッファタンクの下側に接続されており、積極的に水を排出する構成とする。

また、パージ弁４０と、カソードガス供給通路４５との間には、カソードガス供給通路４５からパージ弁４０の方向へのガスの流入を防ぐための逆止弁４６が設けられている。すなわち、逆止弁４６は、バッファタンク３６からパージ弁４０を介してカソードガス供給通路４５の方向にのみ、ガスを流す機能を有している。これにより、カソードガスがカソードガス供給通路４５からパージ弁４０の方向に逆流することによってバッファタンク３６内のアノードガス濃度が低下し、セル電圧が不安定になることを防ぐことができる。

コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４３などの、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。

コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク３６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を一定以下に保つ。

アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。

そこで、本実施形態では、調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。一定圧力制御では特に発電領域下流側に流動が起こせず不純物が増加して、発電不良に陥る可能性がある。しかしながら、脈動運転を行うことで、発電領域下流に溜まった不純物をバッファタンク３６に繰り返し押し込むことができるので、発電を継続している際に生じる不純物から発電領域を守ることができ、安定して発電を継続することができる。

図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。

図３（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態（燃料電池スタックの負荷）に基づいて燃料電池スタック２の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。

具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３を開く。この状態のとき、アノードガスは、高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、上述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。

また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。

時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を全閉とする。

図４は、脈動運転制御のフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。

ステップＳ１０では、燃料電池システム１の運転状態に基づいて、燃料電池スタック２の目標出力を算出する。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で算出した燃料電池スタック２の目標出力に基づいて、脈動運転時のアノード圧の上限値及び下限値を設定するとともに、設定した上限値及び下限値に基づいて、アノード圧目標値を決定する。アノード圧の増圧時には、上限値がアノード圧目標値となり、降圧時には、下限値がアノード圧目標値となる。

ステップＳ３０では、圧力センサ３４によってアノード圧を検出する。

ステップＳ４０では、ステップＳ２０で決定したアノード圧目標値（昇圧の場合は上限圧が設定され、降圧の場合は下限圧が設定される）と、ステップＳ３０で検出したアノード圧との差に基づいて、アノード圧がアノード圧目標値に近づくように、調圧弁３３の開閉を制御するフィードバック制御を行う。

ところで、不純物ガスを排出するのに適した開口面積のパージ弁を選択した場合、アノード側の不純物濃度の管理を行えるが（分解能があがることで低パージ流量時の制御精度が良くなる）、次のような課題が生じる可能性がある。アノードガスの圧力を周期的に増減させるアノードガス非循環型の燃料電池システムでは、脈動により不純物ガスをバッファタンクへ押し込むと共に、カソード側からアノード側にクロスリークする水もバッファタンクに押し込むことができる。

通常、発電中に発生する水が少ない場合、その大部分は水蒸気となるので、脈動により水蒸気をバッファタンクに押し込むことができる。しかしながら、発電中に発生する水が多くなり、アノード側にクロスリークする水分の量が増えてくると、一部は凝縮し、液体となってしまう。凝縮水の量が少ないうちは良いが、その量が増えるとフラッディングと呼ばれる現象が発生することになる。フラッディングとは凝縮水がアノードガス流路を閉塞させる現象である。フラッディングが生じると、閉塞された流路にアノードガスが行きわたらず、最悪発電不良となる可能性がある。

フラッディングを解消するために、脈動を大きくすることも上げられるが、それではＭＥＡの耐久性を損ねる可能性がある。

そこで、水を排出させるためにパージ弁を全開にすることで、アノードオフガスの排出を多くしてアノード流路内の流動を上げることが考えられる。しかしながら、不純物ガスを排出するのに適したパージ弁の開口面積では、フラッディングが生じた場合の凝縮水を排出するのに必要な流動は稼げない可能性がある。

従って、本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内の液水の量を推定し、推定した液水の量がフラッディングを生じるような所定量以上になると、パージ弁３８よりも開口面積が大きいパージ弁４０を開くことによって、液水を十分に排出させる。

図５は、第１の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁の開閉制御のフローチャートである。ステップＳ１００から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。

ステップＳ１００では、燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１（燃料電池スタック２の発電領域）内に残留している液水量を推定する。アノードガス流路１２１内に残留している液水量は、例えば、燃料電池スタック２に対する負荷の大きさに基づいて推定する。

図６は、燃料電池スタック２に対する負荷の大きさと、アノードガス流路１２１内に残留している液水量との関係を示す図である。図６に示すように、負荷が大きくなるほど、アノードガス流路１２１内に残留している液水量は多くなる。コントローラ４は、燃料電池スタック２に対する負荷（燃料電池スタック２の要求出力）を検出し、図６に示すような関係を有するテーブルデータを参照することにより、液水量を推定する。

図６ではさらに、燃料電池スタック２の温度との関係も示している。燃料電池スタック２に対する負荷が同じ大きさでも、燃料電池スタック２の温度が低くなるほど、アノードガス流路１２１内に残留している液水量は多くなる。

アノードガス流路１２１内に残留している液水量を燃料電池スタック２の温度に基づいて推定することもできる。図７は、燃料電池スタック２の温度と、アノードガス流路１２１内に残留している液水量との関係を示す図である。図７に示すように、燃料電池スタック２の温度が高くなるほど、アノードガス流路１２１内に残留している液水量は少なくなる。燃料電池スタック２の温度は、温度センサ４２で検出される冷却水の温度に基づいて推定することができるので、コントローラ４は、温度センサ４２で検出された温度に基づいて、図７に示すような関係を有するテーブルデータを参照することにより、液水量を推定する。なお、冷却水の温度ではなく、燃料電池スタック２の温度を直接検出するようにしてもよい。

アノードガス流路１２１内に残留している液水量を燃料電池スタック２のインピーダンスに基づいて推定することもできる。図８は、燃料電池スタック２のインピーダンスと、アノードガス流路１２１内に残留している液水量との関係を示す図である。図８に示すように、燃料電池スタック２のインピーダンスが高くなるほど、アノードガス流路１２１内に残留している液水量は少なくなる。コントローラ４は、既知の方法によって燃料電池スタック２のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスに基づいて、図８に示すような関係を有するテーブルデータを参照することにより、液水量を推定する。

図５のステップＳ１１０では、ステップＳ１００で推定した液水量が所定量以上であるか否かを判定する。推定した液水量が所定量以上であると判定するとステップＳ１２０に進み、所定量未満であると判定すると、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１２０では、パージ弁４０を開く。

一方、ステップＳ１３０では、パージ弁４０を閉じる。

図９は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタック２に対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。パージ弁３８は、アノードガス流路１２１内の液水量とは関係なく、通常の開閉制御が行われる。

燃料電池スタック２に対する負荷が大きくなると、燃料電池スタック２の出力を大きくするために、アノード圧も上昇する。負荷が大きくなり、アノードガス流路１２１内に残留している液水量が所定量以上になったと判定すると、パージ弁４０を開く。これにより、アノードガス流路１２１内に大流速を発生させることができるので、アノードガス流路１２１内の液水を十分に排出することができる。その後、燃料電池スタック２に対する負荷が小さくなり、アノードガス流路１２１内に残留している液水量が所定量未満になったと判定すると、パージ弁４０を閉じる。

以上、第１の実施形態における燃料電池システムによれば、開口面積を２段階で変更可能に構成され、燃料電池内の不純物を燃料ガスと共に外部に排出するアノードガス排出通路に設けられるパージ弁を備え、燃料電池の発電領域内の液水量を推定し、推定した液水量が所定量以上の場合におけるパージ弁の開口面積を、液水量が所定量未満の場合におけるパージ弁の開口面積よりも大きくする。特に、推定した液水量が所定量以上であるか否かに関わらず、パージ弁３８を開閉するように制御し、推定した液水量が所定量以上の場合には、パージ弁４０を開くように制御する。これにより、アノードガス流路１２１内に大流速を発生させることができるので、アノードガス流路１２１内の液水を十分に排出することができる。

特に、パージ弁４０の開口面積は、パージ弁３８の開口面積よりも大きいので、液水量が多くなった状況下で大量パージを行うことができるので、十分に液水を排出することができる。また、液水量が多くない状況下では、開口面積が小さい方のパージ弁３８の開閉制御を行うので、開口面積が大きいパージ弁４０を開閉する場合と比べて、アノードガスが排出され過ぎるのを防ぐことができる。

また、燃料電池に対する負荷の大きさに基づいて、燃料電池の発電領域内の液水量を推定することにより、精度良く液水量を推定することができる。

また、燃料電池の温度に基づいて、燃料電池の発電領域内の液水量を推定することにより、精度良く液水量を推定することができる。

また、燃料電池のインピーダンスに基づいて、燃料電池の発電領域内の液水量を推定することにより、精度良く液水量を推定することができる。

さらに、パージ弁４０の一端は、カソードガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路４５に接続されているので、アノードオフガスをカソードガス供給通路４５に戻すことによって、アノードオフガス中のアノードガスを燃料電池内部の触媒上でカソードガスと反応させて消費させることができる。これにより、アノードオフガスを外気へ排出する構成と比べて、アノードガスが外気へと排出されるのを抑制することができる。

また、パージ弁４０の一端は、カソードガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路４５に接続され、他端は、アノードガス排出通路３５もしくはバッファタンク３６に接続されると共に、当該接続場所においてパージ弁４０とアノードガス排出通路３５もしくはバッファタンク３６を結ぶ配管は、重力方向上側方向に形成されている。

−第２の実施形態−
第２の実施形態における燃料電池システムは、アノードガス流路１２１内に残留している液水量が所定量以上の場合にパージ弁４０を開く点では、第１の実施形態と同じであるが、パージ弁４０を周期的に開閉する点が異なる。パージ弁４０を周期的に開閉することにより、パージ弁４０を開いたままの状態にする場合と比べて、パージ弁４０を開いた時に瞬間的に発生する大流速によって、アノードガス流路１２１内に残留している液水量を効果的に排出させることができる。また、パージ弁４０を開いたままの状態にする場合と比べて、パージ時間（パージ量）を少なくすることができる。

図１０は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタック２に対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。

燃料電池スタック２に対する負荷が大きくなると、燃料電池スタック２の出力を大きくするために、アノード圧も上昇する。負荷が大きくなり、アノードガス流路１２１内に残留している液水量が所定量以上になったと判定すると、パージ弁４０を開くが、図１０に示すように、周期的に開閉する。

なお、パージ弁４０の開閉周期は、アノードガス流路１２１内に残留している液水量の推定値に基づいて、事前に実験等を行うことにより、適切な値を設定しておけばよい。

ここで、アノードガス流路１２１内に残留している液水量が多いほど、パージ弁４０を開く頻度を多くして、パージ弁４０を開く時間を長くすれば、より効果的に液水を排出することができる。

図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、液水量が多いほど、パージ弁４０を開く頻度を多くする制御を行った場合のパージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタック２に対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。期間Ｔ１２に比べて液水量が多い（負荷が大きい）期間Ｔ１１では、パージ弁４０の開閉周期を短くして、開く頻度を多くすることにより、パージ弁４０を開く時間を長くしている。これにより、液水量の多さに応じて、パージ弁４０を開く時間を調節して、より効果的に液水を排出することができる。

以上、第２の実施形態における燃料電池システムによれば、推定したアノードガス流路１２１内の液水量が所定量以上の場合に、パージ弁４０が周期的に開閉するように制御するので、パージ弁４０を開いた時に瞬間的に発生する大流速によって、アノードガス流路１２１内に残留している液水量を効果的に排出させることができる。また、パージ弁４０を開いたままの状態にする場合と比べて、パージ時間（パージ量）を少なくすることができる。

また、推定したアノードガス流路内の液水量が多いほど、パージ弁４０が開く頻度を多くすることにより、より効果的に液水を排出させることができる。

−第３の実施形態−
燃料電池スタック２に対する負荷が大きくなってもしばらくの間は、液水は電解質膜やガス拡散層に残留し、アノードガス流路１２１には出てこないので、負荷が大きくなってもしばらくの間は、パージ弁４０を開く必要性は低い。第３の実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック２に対する負荷が所定値を超えてから所定時間後に、パージ弁４０を開く。

図１２は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、燃料電池スタック２に対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。時刻ｔ２１において、負荷が大きくなって所定値を超えるが、時刻ｔ２１から所定時間を経過した時刻ｔ２２において、パージ弁４０を開いている。

なお、所定時間は、負荷に応じた値を事前の実験などにより求めておく。

以上、第３の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池に対する負荷が所定値を超えてから所定時間後に、開口面積の大きいパージ弁４０を開くので、パージ時間を短くして、アノードガスの無駄な排出を抑制しつつ、十分に液水を排出させることができる。

−第４の実施形態−
燃料電池スタック２の内部に液水が溜まり、フラッディングが発生すると、燃料電池スタック２を構成する複数の燃料電池１０（以下、セル１０と呼ぶ）のうち、電圧が低下するセルが発生する。第４の実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック２を構成する複数のセル１０のうち、セル電圧が第１の所定電圧以下まで低下したセルが発生した場合に、アノードガス流路１２１内に残留している液水量が所定量以上になったと判定して、パージ弁４０を開く。また、セル電圧が第１の所定電圧以下になった後、第２の所定電圧（第１の所定電圧＜第２の所定電圧）以上になると、パージ弁４０を閉じる。

図１３は、第４の実施形態における燃料電池システムにおいて、あるセルの電圧の時間変化を示す図である。時刻ｔ３１において、セル電圧が第１の所定電圧以下まで低下しているので、このタイミングでパージ弁４０を開く。その後、時刻ｔ３２において、セル電圧が第２の所定電圧以上になるので、このタイミングでパージ弁４０を閉じる。

なお、第２１の所定電圧および第２の所定電圧は、実験等を行うことにより、予め適切な値を設定しておく。

以上、第４の実施形態における燃料電池システムによれば、複数のセルのうちのいずれかのセルの電圧が第１の所定電圧以下になると、アノードガス流路内の液水量が所定量以上になったと判定して、パージ弁４０を開く。これにより、アノードガス流路１２１内の液水を十分に排出することができる。

また、第１の所定電圧以下となったセルの電圧が第１の所定電圧より高い第２の所定電圧以上になると、パージ弁４０を閉じるので、パージが不要と考えられるタイミングでパージ弁４０を閉じることにより、パージ時間を短くすることができる。

−第５の実施形態−
第５の実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車において、燃料電池車のイグニッションスイッチ（車両起動スイッチ）のオフ後にパージ弁４０を開く。これにより、燃料電池車の停止時に、燃料電池スタック２内に液水が在留するのを防いで、特に、零下起動時におけるアノードガス流路１２１の水つまりを防止することができる。

図１４は、第５の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、カソードガス流量、燃料電池スタック２に対する負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートである。

時刻ｔ５１において、イグニッションスイッチがオフされることにより、通常の開閉制御が行われていたパージ弁３８の開閉制御は行われなくなるが、パージ弁４０は開かれる。また、イグニッションスイッチのオフ後でパージ弁４０が開かれている間のアノードガスの希釈・燃焼のために、燃料電池スタック２にカソードガスを供給している。その後、時刻ｔ５２において、パージ弁４０を閉じるとともに、カソードガスの供給も停止している。

以上、第５の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池システムを搭載した車両の起動スイッチがオフされた後に、パージ弁４０を開くので、車両の停車中に燃料電池スタック２内に液水が在留するのを防ぐことができる。これにより、特に、零下起動時におけるアノードガス流路１２１の水つまりを防止することができる。

本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、第１〜第４の実施形態で説明した制御は、燃料電池システムを車両に搭載した例を挙げて説明したが、車両以外の様々なものに適用することもできる。

アノードガス流路内の液水量を、燃料電池スタック２に対する負荷の大きさ、燃料電池スタック２の温度、または、燃料電池スタック２のインピーダンスに基づいて推定する方法を説明したが、これら３つの要素のうちの少なくとも２つに基づいて推定するようにしてもよい。少なくとも２つの要素に基づいて推定することにより、アノードガス流路内の液水量をより精度良く推定することができる。

なお、各実施形態で説明した制御は、適宜組み合わせることができる。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
４…コントローラ（パージ弁制御手段）
３３…調圧弁
３５…アノードガス排出通路（アノードオフガス流路）
３６…バッファタンク
３８…パージ弁（第１のパージ弁）
４０…パージ弁（第２のパージ弁）

Claims (11)

1. アノードに燃料ガスを供給すると共に、カソードに酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、
   前記燃料電池内の不純物を燃料ガスと共に外部に排出するアノードオフガス流路と、
   前記アノードオフガス流路に設けられるパージ弁とを備え、
   前記パージ弁は、開口面積を２段階で変更可能に構成され、
   前記燃料電池の発電領域内の液水量が所定量以上の場合、前記パージ弁の開口面積を、液水量が所定量未満の際に使用するパージ弁の開口面積よりも大きくするパージ弁制御手段と、
   を備えることを特徴と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において、
   前記パージ弁は、第１のパージ弁および第２のパージ弁から構成されており、
   前記パージ弁制御手段は、前記液水量が所定量未満では、前記第１のパージ弁のみを開閉するように制御し、前記液水量が所定量以上では、前記第１のパージ弁と前記第２のパージ弁を開くように制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２のパージ弁の開口面積は、前記第１のパージ弁の開口面積よりも大きい、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記パージ弁制御手段は、前記液水量が所定量以上の場合に、前記第２のパージ弁が周期的に開閉するように制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記パージ弁制御手段は、前記液水量が多いほど、前記第２のパージ弁が開く頻度を多くする、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記液水量推定手段は、前記燃料電池に対する負荷の大きさに基づいて、前記燃料電池の発電領域内の液水量を推定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記パージ弁制御手段は、前記燃料電池に対する負荷が所定値を超えてから所定時間後に、前記パージ弁の開口面積を大きくする、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記液水量推定手段は、前記燃料電池の温度に基づいて、前記燃料電池のアノードガス流路内の液水量を推定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段をさらに備え、
   前記液水量推定手段は、前記燃料電池のインピーダンスに基づいて、前記燃料電池の発電領域内の液水量を推定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記第２のパージ弁の一端は、カソードガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路に接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記第２のパージ弁の一端は、酸化剤ガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路に接続され、他端は、前記アノードオフガス流路もしくはバッファタンクに接続されると共に、当該接続場所において前記第２パージ弁と前記アノードオフガス流路もしくは前記バッファタンクを結ぶ配管は、重力方向上側方向に形成されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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