JP5804181B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

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（ＪＰ２００７−５１７３６９Ａ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。これにより、脈動運転により発電領域から発生する不純物をバッファタンク内に押し込み、発電領域の水素濃度を維持することが行われる。

ところで、一般的に、燃料電池システムによっては要求出力等に応じてアノードガスの圧力を大きくするものが知られている。また、例えば、非循環型燃料電池システムのようにスタック内の流動が弱いシステムでは、脈動を実施することでスタック内の不純物をオフガス側へ押し込むものが知られている。このような脈動を行う燃料電池システムでは、要求出力が高く、かつ、アノードのベース圧が高い状態で脈動を行っている状態から、要求出力が低くなり、それに伴い要求されるアノード圧が小さくなる状況では次のような不都合が生じてしまう。アノードガス圧力の要求値が低くなると、アノードガス圧力が要求値となるように調圧弁を制御する。具体的には、圧力のフィードバック制御により調圧弁は閉弁され、そのときの出力に応じて水素が消費される。このとき、燃料電池システムのオフガス側の圧力よりも発電領域の圧力が低下するため、オフガス側の不純物を含んだガスが逆流することにより、燃料電池内部のアノードガス流路内で局所的にアノードガス濃度が低くなる点が発生することがわかった。そして、このような状態で発電を継続すると反応に必要なアノードガスが不足して発電効率が低下することがわかった。

本発明は、アノードガスの圧力を低下させる場合に、燃料電池内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

一実施形態における燃料電池システムは、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、負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる脈動運転制御手段と、負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限するアノードガス圧力制限手段とを備える。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１Ａ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って、燃料電池の斜視図である。 図１Ｂ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って、図１Ａの燃料電池の１Ｂ−１Ｂ断面図である。 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、下げ過渡運転時に調圧弁を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。 図６は、アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明するための図である。 図７は、コントローラによって行われるパージ制御のフローチャートである。 図８は、燃料電池スタックの温度および湿度と、窒素の透過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よって行われるアノード圧制御のフローチャートである。 図１０は、第１の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧およびカソード圧の時間変化の一例を示す図である。 図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧の時間変化の一例を示す図である。

−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１Ａおよび図１Ｂ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１Ａは、燃料電池１０の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池の１Ｂ−１Ｂ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、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。

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。脈動運転を行うことで、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。

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。

ここで、このような脈動運転を実施する場合、燃料電池システム１の運転状態が変化するとき、具体的には、燃料電池スタック２の目標出力が減少して、燃料電池スタック２の出力を目標出力に向けて減少させる過渡運転時（以下、下げ過渡運転時と呼ぶ）に、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生することがわかった。以下、この点について図５及び図６を参照して説明する。

図５は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。

時刻ｔ１１で、例えばアクセル操作量が減少して燃料電池スタック２の目標出力が低下すると、図５（Ａ）に示すように、低下した目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限圧が設定される。

このとき、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１１で調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限値まで低下させると（時刻ｔ１２）、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。この理由について、図６を参照して説明する。

図６は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明するための図である。図６（Ａ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示す図である。図６（Ｂ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を時間の経過に応じて示した図である。

図６（Ａ）に示すように、調圧弁３３が全閉にされると、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスは、慣性でバッファタンク３６側へと流れる。そして、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側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。

そうすると、アノードガス流路１２１をバッファタンク３６側に流れるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスとの合流部において、それぞれのガス流速がゼロとなる淀み点が発生する。

アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、上述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図６（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。

このように、下げ過渡運転後は、アノードガス流路１２１の内部に淀み点が存在する状態となり、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。

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の目標出力の低下に応じて、目標アノード圧を目標最終下限圧（第１の目標アノード圧）まで低下させる際に、目標最終下限圧よりも高い目標中間下限圧（第２の目標アノード圧）に所定期間保持した後、第１の目標アノード圧まで低下させる。目標中間下限圧に所定時間保持する間に、アノードガスの供給を再開するとともに、バッファタンク３６からパージ通路３７を介してアノードオフガスを排出するパージを行うことによって、上述した局所的にアノードガス濃度が低い部分を燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出すようにする。

図７は、コントローラ４によって行われるパージ制御のフローチャートである。

ステップＳ１１０では、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過してくる窒素の透過量を算出する。

図８は、燃料電池スタック２の温度および湿度と、窒素の透過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の温度が高いほど、また、湿度が高いほど、窒素の透過量は多くなる。ここでは、燃料電池スタック２の温度として、温度センサ４２によって検出される温度を用い、高周波抵抗（ＨＦＲ）に基づいて、湿度を求める。ステップＳ１１０では、燃料電池スタック２の温度および湿度を求め、予め用意した図８に示すような関係のテーブルを参照することによって、窒素の透過量を算出する。

ステップＳ１２０では、燃料電池スタック２に接続されている負荷（燃料電池スタック２の目標出力）を検出する。

ステップＳ１３０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Ｓ１４０では、ステップＳ１１０で算出した窒素透過量、ステップＳ１２０で検出した負荷、および、ステップＳ１３０で検出したアノード圧に基づいて、窒素をパージするために必要なパージ弁３８の開度を算出する。すなわち、窒素透過量が多いほど、負荷が大きいほど、アノード圧が高いほど、パージ弁３８の開度が大きくなるようにする。

図９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アノード圧制御のフローチャートである。コントローラ４は、下げ過渡運転時等のように、目標アノード圧が低下する場合に、ステップＳ２１０の処理を開始する。

ステップＳ２１０では、燃料電池スタック２の目標出力に応じて、目標最終下限圧を決定するとともに、目標最終下限圧よりも高い目標中間下限圧を決定する。目標中間下限圧は、バッファタンク３６内のアノードガス濃度に基づいて決定する。すなわち、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高いほど、目標中間下限圧を低くする。バッファタンク３６内のアノードガス濃度はセンサを設けて計測してもよいし、アノード圧等に基づいて推定するようにしてもよい。

ステップＳ２２０では、調圧弁３３を全閉とする。調圧弁３３が全閉とされることにより、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスは、慣性でバッファタンク３６側へと流れて消費されていく。これにより、アノード圧は低下していく。

ステップＳ２３０では、圧力センサ３４によって検出されるアノード圧が目標中間下限圧より低いか否かを判定する。アノード圧が目標中間下限圧以上であると判定すると、ステップＳ２２０に戻り、アノード圧が目標中間下限圧より低いと判定すると、ステップＳ２４０に進む。

ステップＳ２４０では、目標中間下限圧を下限圧として、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動制御を行う。これにより、アノードガスの供給が再開される。

ステップＳ２５０では、目標中間下限圧を下限圧として、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動制御が開始されてから所定の目標時間が経過したか否かを判定する。この脈動制御時には、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、窒素を含むアノードオフガスを排出するパージが行われている。パージを行うことにより、上述した局所的にアノードガス濃度が低い領域が燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出される。所定の目標時間は、パージを行うことにより、局所的にアノードガス濃度が低い領域が燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出されるまでの時間とする。より好ましくは、所定の目標時間は、パージを行うことにより、局所的にアノードガス濃度が低い領域がバッファタンク３６に押し出されるまでの時間とする。

ここで、所定の目標時間は、バッファタンク３６内のアノードガス濃度に基づいて決定する。すなわち、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高いほど、目標時間を長くする。

ステップＳ２６０では、調圧弁３３を全閉とする。これにより、アノード圧は再び低下していく。

ステップＳ２７０では、圧力センサ３４によって検出されるアノード圧が目標最終下限圧より低いか否かを判定する。アノード圧が目標最終下限圧以上であると判定すると、ステップＳ２６０に戻り、アノード圧が目標最終下限圧より低いと判定すると、ステップＳ２８０に進む。

ステップＳ２８０では、目標最終下限圧を下限圧として、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動制御を行う。

図１０は、第１の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧およびカソード圧の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ２１で調圧弁３３が全閉となり、下げ過渡が開始されると、アノード圧は低下していく。

時刻ｔ２２において、アノード圧が目標中間下限圧まで低下すると、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転が開始される。そして、時刻ｔ２２において脈動運転を開始してから所定の目標時間が経過した時刻ｔ２３において、調圧弁３３を再び全閉とする。これにより、アノード圧は再び低下していく。

時刻ｔ２４において、アノード圧が目標最終下限圧まで低下すると、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転を開始する。

このように、アノード圧を目標最終下限圧まで低下させる際に、一気に目標最終下限圧まで低下させずに、目標最終下限圧より高い目標中間下限圧に所定期間保持した後、目標最終下限圧に低下させる。これにより、アノードガス流路内で局所的にアノードガス濃度が低くなることに起因して発電効率が低下することを抑制することができる。

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、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンク３６を備え、負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる燃料電池システムにおいて、負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限する。これにより、オフガス側に存在する不純物濃度の高いアノードガスの逆流を抑制できるので、燃料電池スタックのアノードガス流路内でのアノードガス濃度の低下を抑制することができる。特に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限している間に、窒素を含むアノードオフガスを排出するパージを行うことによって、局所的にアノードガス濃度が低い領域が燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出されるので、燃料電池スタック２の発電領域内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック２の発電効率の低下を抑制することができる。

また、バッファタンク３６内のアノードガスの濃度に基づいて、アノードガス圧力を制限する際の圧力を設定するので、より適切に燃料電池スタック２の発電領域内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。

さらに、アノードガスの圧力が負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力まで低下すると、所定時間、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転を行うので、アノードガスの供給を再開して安定した発電を行うことにより、アノードガス濃度の低下を効果的に抑制することができる。

また、バッファタンク３６内のアノードガスの濃度に基づいて、所定時間を決定するので、より適切に燃料電池スタック２の発電領域内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。

−第２の実施形態−
第１の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧を目標最終下限圧よりも高い目標中間下限圧まで低下させて脈動運転を行う場合のアノード圧の脈動幅は一定とした。第２の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧を目標中間下限圧まで低下させて脈動運転を行う場合のアノード圧の脈動幅を最初は小さくし、時間の経過とともに徐々に大きくなるように制御する。

図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧の時間変化の一例を示す図である。ただし、図１１では、アノード圧を目標最終下限圧まで低下させる前に、目標中間下限圧まで低下させて脈動運転を行うところまでを示し、目標最終下限圧まで低下させる部分は省略している。

図１１に示すように、下げ過渡運転が開始されると、アノード圧を目標中間下限圧まで低下させる。アノード圧が目標中間下限圧まで低下すると、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転を開始するが、図１１に示すように、最初は脈動幅を小さくし、その後徐々に脈動幅を大きくしていく。図１１では、第２の実施形態におけるアノード圧の時間変化を実線で示し、第１の実施形態におけるアノード圧の時間変化を点線で示している。

上述したように、下げ過渡運転時には、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流して、局所的にアノードガス濃度が低くなる箇所ができる。本実施形態のように、アノード圧を目標中間下限圧まで低下させてから脈動運転を開始する際に、最初は脈動幅を小さくすることにより、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へのアノードオフガスの逆流量を少なくすることができるので、脈動運転中にアノードガス濃度が低下するのをより抑制することができる。

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、アノードガスの圧力が第１の目標圧力よりも高い第２の目標圧力まで低下してから脈動運転を行う際に、脈動運転の開始時におけるアノードガスの増減圧幅を、脈動運転の終了時におけるアノードガスの増減圧幅よりも小さくする。これにより、脈動運転中に、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へのアノードオフガスの逆流量を少なくすることができるので、アノードガス濃度の低下をより抑制することができる。

本発明は、上述した各実施形態に限定されることはない。例えば、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。

また、本発明は、バッファタンクを備えた非循環型燃料電池システムを例に挙げて説明したが、循環型燃料電池システムであっても、脈動制御を行うとともに、低負荷ではアノード圧が低圧、高負荷ではアノード圧が高圧に設定されるものであれば、本発明を同様に適用することができる。そして、循環型燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの発電要求が高負荷から低負荷へと変化した場合、つまり、下げ過渡となった場合に、アノード圧は、負荷に応じて設定される圧力よりも高い圧力に制限されることになる。このとき、脈動運転によって不純物濃度が高くなったオフガス側のアノードガスがスタック内のアノード流路に流れ込むことが抑制できるので、脈動制御を行う循環型燃料電池システムでも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

本願は、２０１２年２月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−０４３８７９に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (6)

1. アノードガスおよびカソード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、
   前記燃料電池に要求される負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる脈動運転制御手段と、
   前記負荷の低下を判断し、前記脈動運転制御手段の制御による負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力で前記アノードガス圧力を制限するアノードガス圧力制限手段と、
   を備え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、
   前記燃料電池から排出されるガスを一時的に蓄えるバッファ部内のアノードガスの濃度を求めるアノードガス濃度取得手段をさらに備え、
   前記アノードガス圧力制限手段は、前記バッファ部内のアノードガスの濃度に基づいて、前記アノードガス圧力を制限する際の圧力を設定する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記脈動運転制御手段は、アノードガスの圧力が前記負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力まで低下すると、所定時間、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転を行う、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出されるガスを一時的に蓄えるバッファ部内のアノードガスの濃度に基づいて、前記所定時間を決定する所定時間決定手段と、
   をさらに備える燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記脈動運転制御手段は、前記アノードガスの圧力が前記負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力まで低下してから前記脈動運転を行う際に、前記脈動運転の開始時における前記アノードガスの増減圧幅を、前記脈動運転の終了時における前記アノードガスの増減圧幅よりも小さくする、
   燃料電池システム。
6. アノードガスおよびカソード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の制御方法であって、
   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工程と、
   前記燃料電池に要求される負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる工程と、
   前記負荷の低下を判断し、前記アノードガス圧力を脈動させる工程の制御による負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力で前記アノードガス圧力を制限する工程と、
   を備える燃料電池システムの制御方法。

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