JP2004178983A - 燃料電池システムにおけるパージ方法およびそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】低気温下時などにより、燃料電池スタックが低温になっているときに、パージ時間が長時間となって、発電が不安定になることを回避する。
【解決手段】測定したセル電圧Ｖｃ中、最低セル電圧が発電電流Ｉｈに応じて予め定められた閾値電圧より低い場合には、測定温度Ｔｃが高くかつ測定発電電流Ｉｈが大きいときに比較して、測定温度Ｔｃが低くかつ測定発電電流Ｉｈが小さいときに、パージ時間を短い時間に制御するようにする。これにより、低温時に過度に電解質膜が冷やされることをも防止し、かつ発電電流Ｉｈが小さいときに水素を無駄に排出しないようにできる。このように制御することで、周囲温度や発電電流Ｉｈが変動しても安定な発電を継続することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムにおけるパージ方法およびそのシステムに関し、特に、燃料電池スタックの発電効率が落ちてきたときに、アノード電極側から排気システムに水等をパージして発電効率を上げる燃料電池システムにおけるパージ方法およびそのシステムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなるセルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面に沿って設けられ、燃料電池装置とされている。
【０００５】
このような燃料電池装置では、燃料電池スタックの発電を安定に行うために、アノード電極側に溜まった水やカソード電極側にある窒素が電解質膜を透過して水素循環系内に溜まった窒素等の不純物を大気に排出すること、いわゆるパージが必要とされている（特許文献１，特許文献２参照）。なお、パージの際には、水や窒素とともに水素も一部排出される。
【０００６】
上記特許文献１の「燃料電池発電装置のオフガスリサイクル方式」には、反応に使用された燃料ガスの一部を不純物とともにパージする技術が記載されている。
【０００７】
上記特許文献２の「燃料電池装置」には、水素以外の不純物が水素給排気系に蓄積されあるいは電極に付着すると燃料電池スタックの出力性能が時間とともに低下してくることを考慮して、一定時間毎に水素排気系内のガス（不純物を含む水素ガス）を所定時間だけ大気にパージすること、あるいは燃料電池スタックの電圧低下を検出してパージする技術が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２２７１４号公報（段落［００１７］，［００１８］，図１）
【特許文献２】
特開２０００−２４３４１７号公報（段落［００２７］，［００３２］，図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、外気温（周囲温度）が比較的に低温であるとき、その外気で冷やされた水素の貯留タンクから水素循環系に低温の水素が供給されるが、このときに長時間のパージを行うと、水素循環系のアノード電極側に低温で多量の水素が入ってくることになる。
【００１０】
この低温の水素が電解質膜に触れると、電解質膜のその部分の温度が低下し、発電が安定化されずに、逆に不安定になる場合があるということをこの出願の発明者が見いだした。
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１あるいは特許文献２に係る技術では、低温時における考慮が払われていないので、低温時でも長時間のパージがなされ、この長時間のパージを原因として発電が不安定になるという問題がある。
【００１２】
実際上、発電電流が小さい低出力動作の場合には、水素圧力が低いので、大気に排出するパージの流速が遅くなり、結果としてあまり効果が期待できず、水素を無駄に排出することになるという懸念もある。
【００１３】
この発明は、このような種々の課題を考慮してなされたものであり、安定した発電を継続することを可能とする燃料電池システムにおけるパージ方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１４】
また、この発明は、周囲温度や発電電流が変動しても、安定した発電を継続することを可能とする燃料電池システムにおけるパージ方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１５】
さらに、この発明は、燃料電池スタックを構成するセルの電圧に応じて最適なパージ制御を行うことを可能とする燃料電池システムにおけるパージ方法およびそのシステムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【００１７】
この発明の燃料電池システムにおけるパージ方法は、複数のセル（１２）が電気的に直列に接続された燃料電池スタック（１４）のアノード電極に水素が供給され、カソード電極に空気が供給されて発電し、発電電流（Ｉｈ）を負荷に供給する前記燃料電池スタックの前記アノード電極側に溜まる水等を間欠的にパージする方法において、以下の特徴（１）−（４）を有する。
【００１８】
（１） 前記各セルの電圧（Ｖｃ）を測定する過程（ステップＳ２）と、前記発電電流を測定する過程（ステップＳ１）と、前記各セルの電圧中、最低セル電圧（Ｖｃｍｉｎ）を求め、求めた最低セル電圧と前記発電電流に応じて予め定められた閾値電圧（Ｖｔｈ）との比較結果に応じて、パージを行うパージ時間と、パージを行わないパージインターバル時間を変化させる時間制御過程（ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ６，Ｓ９）とを有する。
【００１９】
この発明では、最低セル電圧と発電電流に応じて予め定められ閾値電圧との比較結果に応じてパージを行うパージ時間と、パージを行わないパージインターバル時間を変化させるようにしているので、セルが保護され安定した発電を継続することができる。
【００２０】
（２） 上記特徴（１）において、前記時間制御過程では、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より低い場合のパージ時間（ｔ１−ｔ３のいずれか）を、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より高い場合のパージ時間（ｔ０）に比較して長く制御する一方、パージインターバル時間（ｔ４，ｔ５）を、前記最低セル電圧が閾値電圧より高い場合のパージインターバル時間（ｔ６，ｔ７）に比較して短く制御している。
【００２１】
この発明によれば、最低セル電圧が閾値電圧より低い場合には、パージ時間を長くする一方、パージインターバル時間を短くしているので、積極的にパージが行われ、セルの回復を早めることができる。
【００２２】
（３） 上記特徴（１）または（２）において、さらに、前記燃料電池スタックの温度（Ｔｃ）を測定する過程（ステップＳ３，Ｓ１３）を有し、前記時間制御過程では、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より高い場合に、測定温度および測定発電電流に拘わらずパージ時間を一定の時間（ｔ０）に制御する一方、測定温度に拘わらず測定発電電流が小さくなるにしたがってパージインターバル時間を長い時間（ｔ６＜ｔ７）に制御し、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より低い場合に、測定温度が低くなりかつ測定発電電流が小さくなるにしたがって、パージ時間を短い時間（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）に制御する一方、パージインターバル時間を長い時間（ｔ５＞ｔ４）に制御する。
【００２３】
この発明によれば、測定された最低セル電圧が閾値電圧以上の値である場合には、発電が安定に継続されていると判断して、測定された最低セル電圧が閾値電圧以下の値である場合に比較して、パージ時間を短く制御し、パージインターバル時間を長く制御しているので、燃料ガスのパージ量を少なくすることができ、燃料ガスの利用率が向上する。その一方、測定された最低セル電圧が閾値電圧以下の値である場合に、測定温度が低くなりかつ測定発電電流が小さくなるにしたがってパージ時間が短くなるように制御しているので、低温時に過度に電解質膜が冷やされることがなくなり、また、発電電流が小さいときに水素を無駄に排出しないようにできる。このように制御することで、周囲温度や発電電流が変動しても安定な発電を継続することができる。また、燃料電池スタックを構成するセルの電圧に応じて最適なパージ制御を行うことができる。
【００２４】
（４） 上記特徴（１）−（３）において、前記燃料電池スタックの温度を、前記燃料電池スタックを冷却する冷却媒体の温度とすることで、冷却媒体の温度が急激には変動しないことから、結果として滑らかな応答のパージ制御を行うことができる。
【００２５】
また、この発明の燃料電池システムは、複数のセル（１２）が電気的に直列に接続された燃料電池スタック（１４）のアノード電極に水素が供給され、カソード電極に空気が供給されて発電し、発電電流（Ｉｈ）を負荷に供給する前記燃料電池スタックの前記アノード電極側に溜まる水等を間欠的にパージするシステムにおいて、以下の特徴（５），（６）を有する。
【００２６】
（５） 前記各セルの電圧（Ｖｃ）を測定する手段（１６）と、前記発電電流を測定する手段（３２）と、前記各セルの電圧中、最低セル電圧を求め、求めた最低セル電圧と前記発電電流に応じて予め定められた閾値電圧との比較結果に応じてパージを行うパージ時間と、パージを行わないパージインターバル時間を変化させる時間制御手段（１６）とを有する。
【００２７】
この発明では、時間制御手段により、最低セル電圧と発電電流に応じて予め定められ閾値電圧との比較結果に応じてパージを行うパージ時間と、パージを行わないパージインターバル時間を変化させるようにしているので、セルが保護され安定した発電を継続することができる。
【００２８】
（６） 上記特徴（５）において、前記時間制御手段は、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より低い場合に、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より高い場合に比較して、パージ時間を長い時間に制御する一方、パージインターバル時間を短い時間に制御する。
【００２９】
この発明によれば、最低セル電圧が閾値電圧より低い場合には、パージ時間を長くする一方、パージインターバル時間を短くしているので、積極的にパージが行われ、セルの回復を早めることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０の構成を示している。
【００３２】
この燃料電池システム１０は、基本的には、複数のセル１２が電気的に直列に接続された燃料電池スタック１４と、この燃料電池スタック１４を含む燃料電池システム１０の全体的な動作を制御する制御部１６とから構成されている。
【００３３】
各セル１２は、周知のようにアノード電極と電解質膜（この実施形態では固体高分子膜）とカソード電極からなる燃料電池がセパレータにより挟まれて保持された構造とされている。
【００３４】
燃料電池スタック１４は、このように構成される各セル１２が積層され、両端に電圧取出板であるターミナルプレート１８，２０が取り付けられ、さらにターミナルプレート１８，２０の両側がエンドプレート２２により保持固定された構造とされている。
【００３５】
そして、ターミナルプレート１８，２０に発生する燃料電池スタック１４の両端の電圧（高圧電圧であるスタック電圧）Ｖｈが負荷、たとえば車両を推進するためのモータに印加される。
【００３６】
なお、負荷へ供給される電流、換言すれば発電電流Ｉｈは、ターミナルプレート２０と負荷との間に挿入された発電電流測定手段としての電流計３２を通じて制御部１６により検出される。
【００３７】
また、燃料電池スタック１４を構成する各セル１２の発生電圧（セル電圧）Ｖｃは、セル電圧測定手段および時間制御手段として機能する制御部１６により検出され、スタック電圧Ｖｈは、検出した各セル電圧Ｖｃを全て加算することにより求められる。
【００３８】
一方、燃料電池スタック１４を構成するエンドプレート２２の一端側にはアノード電極に対する燃料ガスの供給ポート２４とカソード電極に対する空気の供給ポート２６とが設けられ、他端側には燃料ガスおよび水等のアノード電極側の排出ポート２８と、空気および水のカソード電極側の排出ポート３０が設けられている。
【００３９】
燃料ガスの供給ポート２４には、燃料電池スタック１４の発電時に、燃料ボンベ５０から圧力制御弁（燃料供給弁）５４を介して燃料ガスである水素（Ｈ_２）が供給される。
【００４０】
空気の供給ポート２６には、大気である外気への連通口からコンプレッサ６０を通じて圧縮空気が供給される。この圧縮空気の圧力が信号圧として、燃料供給弁５４の弁開度制御ポートに供給される。
【００４１】
すなわち、燃料供給弁５４は、空気供給ポート２６の空気圧、換言すればコンプレッサ６０の出口側圧力（カソード電極の入口側圧力）を信号圧として弁開度が制御され、アノード電極への供給水素量を制御する。
【００４２】
さらに、燃料ガスの排出ポート２８と排気システムとの間には、開閉弁（水素パージ弁）７０が設けられている。また、燃料ガスの排出ポート２８と供給ポート２４との間には、循環ポンプ７２が接続されている。水素パージ弁７０が開かれているときには、排出ポート２８と排気システムとが連通され、排出ポート２８から水と水素，窒素等が排気システムに供給されて排出される。その一方、水素パージ弁７０が閉じられているときには、循環ポンプ７２により排出ポート２８からの水素が供給ポート２４にもどされ、水素が有効利用される。
【００４３】
空気および水の排出ポート３０は、圧力制御弁である排圧弁７３を介して外気に連通し、外気に対して水等が排出される。
【００４４】
さらに、エンドプレート２２間には、燃料電池スタック１４における電気化学反応が円滑に行われるように燃料電池スタック１４を冷却するための冷却媒体循環通路が設けられている。冷却媒体は、制御部１６の制御下にポンプ８０により燃料電池スタック１４内を循環する。冷却媒体の温度（便宜上、水温ともいう。
）Ｔｃは、温度検出手段としての温度センサ８２により燃料電池スタック１４の入口側で検出され、制御部１６に供給される。なお、燃料電池スタック１４の温度の検出は、冷却媒体の燃料電池スタック１４の入口側の温度に限らず、燃料電池スタック１４に供給される空気供給ポート２６近傍の温度、あるいは燃料電池スタック１４に供給される燃料ガス供給ポート２４近傍の温度の少なくとも一つの燃料電池スタック１４の入口側の温度で検出することができる。
【００４５】
制御部１６は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）９０，ＲＯＭ（Ｒｅａｄ ＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリ９２，計数・計時手段であるカウンタ・タイマ（タイマという。）９４，Ａ／Ｄ変換器・Ｄ／Ａ変換器・ドライバ等のインタフェース（Ｉ／Ｆ）９６が搭載された制御基板で構成されている。
【００４６】
制御部１６（のＣＰＵ９０）は、各種入力（各セル電圧Ｖｃ，発電電流Ｉｈ，冷却媒体温度Ｔｃ等の検出入力）に対応して、メモリ９２に格納されているプログラムを実行することで、燃料電池システム１０全体を統括して制御する。たとえば、燃料電池システム１０が車両に搭載されている場合には、制御部１６は、イグニッションスイッチの位置、トランスミッションの位置、パーキングブレーキ、あるいはアクセルペダルさらにはエアコンスイッチ等の状態、および各セル電圧Ｖｃ，発電電流Ｉｈ，冷却媒体温度Ｔｃに応じて、排圧弁７３の排圧の調節、水素パージ弁７０の開閉、ポンプ７２，８０およびコンプレッサ６０の駆動（回転数）の制御を行う。
【００４７】
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、パージ動作について、（ｉ）概括的な全体動作、（ｉｉ）詳細動作の順に説明する。
【００４８】
まず、（ｉ）パージの概括的な全体動作について説明する。この場合、制御部１６により、図示していないアクセル開度等に応じて負荷へ供給される目標の発電電流Ｉｔａｒｇｅｔが決定されると、制御部１６により排圧弁７３の開度が調整され、さらにコンプレッサ６０の回転数が調節される。このとき、コンプレッサ６０の出口圧力を信号圧として燃料供給弁５４の開度が調節され、同時に、水素循環ポンプ７２の回転数も調節されることで、目標の発電電流Ｉｔａｒｇｅｔに対応した水素の供給量が調節される。
【００４９】
そして、この供給量に対応する水素が水素ボンベ５０から、複数のセル１２が電気的に直列に接続された燃料電池スタック１４のアノード電極の供給ポート２４側に供給され、その一方、空気が供給ポート２６から供給されて、燃料電池スタック１４が電気化学反応により発電し、前記の目標発電電流Ｉｔａｒｇｅｔに対応した発電電流Ｉｈが負荷に供給される。
【００５０】
制御部１６は、このような動作の遂行中に、アノード電極側に溜まる水や窒素を排気システム側に間欠的にパージするために水素パージ弁７０を間欠的に開くと、このとき、水・窒素とともに水素も排出される。なお、窒素は、カソード電極側にあるものが電解質膜を透過して水素循環系内に溜まってきたものである。
【００５１】
ここで、各セルの電圧Ｖｃを制御部１６により測定し、測定した各セル電圧Ｖｃ中、電圧が最低のセル電圧を求め、この最低セル電圧Ｖｃｍｉｎに応じてパージを行うパージ時間ｔｐと、パージを行わないパージインターバル時間ｔｐｉを制御部１６により制御することで、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを発生しているセル１２が保護され、安定した発電を継続することができる。
【００５２】
なお、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを発生しているセル１２が保護される理由を説明すると、燃料電池スタック１４は、セル１２が電気的に直列に接続された構成とされているので、各セル１２に流れる電流は、全て発電電流Ｉｈに等しい電流が流れる。そのため、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを発生しているセル１２の内部抵抗に基づく逆起電力が最低セル電圧Ｖｃｍｉｎに比較して相対的に大きくなり、この最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを発生しているセル１２が損傷するおそれがあるからである。
【００５３】
この場合、パージをすることで、アノード電極の一部に溜まっている水や窒素が水素とともに吹き飛ばされて排気システムに排出される。このため、再び、アノード電極全体に燃料ガスである水素が行き渡ることになり、セル電圧Ｖｃが回復する。なお、カソード電極側に溜まった水は、排圧弁７３を通じて連続的に外気側へ排出されるので、過度に溜まることがない。
【００５４】
次に、（ｉｉ）パージの詳細動作について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
【００５５】
燃料電池スタック１４の発電中に、まずステップＳ１において、電流計３２により発電電流Ｉｈを検出し、この発電電流Ｉｈに対応する閾値電圧（閾値）Ｖｔｈを算出する。
【００５６】
図３は、発電電流Ｉｈに対して予め定められメモリ９２に格納されている閾値電圧テーブル（表）の例を示している。閾値電圧Ｖｔｈを発電電流Ｉｈの増加に対して低下させているのは、発電電流Ｉｈに応じて燃料電池の過電圧が増加することを考慮したためである。なお、図３において、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより高い領域Ａは、発電が安定に行われているとみなされる領域（発電安定領域Ａという。）であり、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより低い領域Ｂは、発電が不安定に行われる可能性があるとみなされる領域（便宜上、発電不安定領域Ｂという。）である。
【００５７】
次いで、ステップＳ２において、燃料電池スタック１４を構成する全てのセル１２のセル電圧Ｖｃを検出し、検出したセル電圧Ｖｃ中、電圧がもっとも低いセル１２の電圧を求め最低セル電圧Ｖｃｍｉｎとし、この最低セル電圧ＶｃｍｉｎがステップＳ１で求めた閾値電圧Ｖｔｈより低いかどうかを判定する（Ｖｃｍｉｎ＜Ｖｔｈ？）。
【００５８】
もし、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以上の値である発電安定領域Ａにある場合には、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎは、安定な発電のために余裕のある値となっており、換言すれば保護を必要とする値ではないと判断し、いわゆる定期パージ処理（通常パージ処理）の設定をステップＳ３で行う。
【００５９】
定期パージ処理を行う際、このステップＳ３では、さらに、燃料電池スタック１４の温度を測定する。この実施形態で燃料電池スタック１４の温度は、燃料電池スタック１４を冷却する冷却媒体の温度（単に、水温ともいう。）Ｔｃを代用（置換）して測定している。代用して測定している理由は、温度センサ８２により検出される冷却媒体の温度Ｔｃは、燃料電池スタック１４のカソード電極に供給される水素と同じ温度であると考えることができるからである。すなわち、冷却媒体が冷えているときには、水素も冷えていると考えることができ、周囲温度が冷えていれば、水素も冷却媒体も同様に冷えているからである。もちろん、冷却媒体の温度Ｔｃに代替して水素の温度を直接測定してもよい。
【００６０】
そこで、このステップＳ３では、冷却媒体の温度ＴｃとステップＳ１で測定してある発電電流Ｉｈとを変数として、図４Ａに示す定期パージ時間マップ（テーブル）１０２からパージ時間（水素パージ弁７０を開いて、水，窒素，水素を排気システム側へ排出している時間）ｔｐを求める。
【００６１】
実際上、Ｖｃｍｉｎ≧Ｖｔｈの条件では、パージ時間ｔｐは、ｔｐ＝ｔ０と温度Ｔｃの高低、発電電流Ｉｈの大小に拘わらず一定の時間、後述するように最も短いパージ時間ｔ０に設定している。
【００６２】
また、ステップＳ４では、冷却媒体の温度Ｔｃと発電電流Ｉｈとを変数として、図４Ｂに示す定期パージインターバル時間マップ（テーブル）１０４からパージインターバル時間（水素パージ弁７０を閉じていてパージが行われていない時間）ｔｐｉを求める。
【００６３】
実際上、Ｖｃｍｉｎ≧Ｖｔｈの条件では、パージインターバル時間ｔｐｉは、温度Ｔｃには無関係に、発電電流Ｉｈが小さくなるにしたがって、短いパージインターバル時間ｔ６から長いパージインターバル時間ｔ７に制御している（ｔ６＜ｔ７）。
【００６４】
図５の（Ａ），（Ｂ）は、発明の理解の容易化のために、Ｖｃｍｉｎ≧Ｖｔｈの条件下での（Ａ）発電電流Ｉｈが比較的に大きい場合のパージ時間ｔ０とパージインターバル時間ｔ６と、（Ｂ）発電電流Ｉｈが比較的に小さい場合のパージ時間ｔ０とパージインターバル時間ｔ７との相対的な関係のタイミング図の一例を示している。図５の（Ａ），（Ｂ）においては、ｔ６＜ｔ７である。
【００６５】
図５の（Ａ），（Ｂ）から分かるように、発電電流Ｉｈが大きい場合には、水等の溜まり方が早いのでパージインターバル時間ｔｐｉを発電電流Ｉｈが小さい場合に比較して短い時間にしている。ただ、同じパージ時間ｔｐ＝ｔ０でもアノード電極側の圧力が高くなっているので、排出量が多くなり、十分にパージ可能である。もちろん、発電電流Ｉｈに応じて、パージ時間ｔ０を変えることも可能であるが、目安としては、（発電電流Ｉｈ大のときのパージ時間ｔｐ／パージインターバル時間ｔｐｉ）＞（発電電流Ｉｈ小のときのパージ時間ｔｐ／パージインターバル時間ｔｐｉ）になっていればよい。
【００６６】
次に、ステップＳ５において、メモリ９２中あるいはＣＰＵ９０中のレジスタ内のパージフラグＦｐを参照することで、パージ時間ｔｐの経過中か（フラグＦｐがセット：Ｆｐ＝１）パージインターバル時間ｔｐｉの経過中か（フラグＦｐがクリア：Ｆｐ＝０）どうかを確認する。
【００６７】
パージインターバル時間ｔｐｉの経過中である場合には（Ｆｐ＝０）、ステップＳ６において、パージインターバルタイマとして機能しているタイマ９４の計時時間がパージインターバル時間ｔｐｉ（ステップＳ４の処理後の場合には、ｔｐｉ＝ｔ６かｔ７）になっているかどうかが確認され、経過していない場合には、ステップＳ７において、パージフラグＦｐがクリアされる（Ｆｐ←０）。クリアされている場合には、そのクリアが継続される。
【００６８】
そして、ステップＳ１−Ｓ６までの処理を所定時間毎に繰り返し、ステップＳ６の判定が成立したとき、すなわちパージインターバル時間タイマとして機能しているタイマ９４の計時時間が設定したパージインターバル時間ｔｐｉ（ステップＳ４の処理後の場合には、ｔｐｉ＝ｔ６かｔ７）になった場合には、ステップＳ６の判定が肯定となるので、ステップＳ８において、パージフラグＦｐがセットされる（Ｆｐ←１）。
【００６９】
そこで、次に、ステップＳ１−Ｓ４の処理後にステップＳ５の判定が肯定となり、水素パージ弁７０が開とされてパージが開始され、ステップＳ９において、今度は、パージ時間タイマとして機能するタイマ９４の計時時間がパージ時間ｔｐ（ステップＳ３の処理後の場合には、ｔｐ＝ｔ０）になっているかどうかが確認され、経過していない場合には、ステップＳ１０において、パージフラグＦｐがセットされる（Ｆｐ←１）。セットされている場合には、そのセットが継続される。
【００７０】
そして、ステップＳ１−Ｓ５，Ｓ９までの処理を繰り返し、ステップＳ９の判定が成立したとき、すなわちパージ時間タイマとして機能しているタイマ９４の計時時間が設定したパージ時間ｔｐ（ステップＳ３の所定後の場合には、ｔｐ＝ｔ０）になった場合には、ステップＳ９の判定が肯定となるので、ステップＳ１１において、パージフラグＦｐがクリアされる（Ｆｐ←０）。
【００７１】
このようにして、ステップＳ２の判定が否定の場合には、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合の発電安定領域Ａ（図３参照）における、図４Ａに示す定期パージ時間マップ１０２と、図４Ｂに示す定期パージインターバル時間マップ１０４とを参照したパージ時間制御（図５の（Ａ）または図５の（Ｂ）参照）が行われる。
【００７２】
次に、ステップＳ２の判定において、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈよりも小さい場合の発電不安定領域Ｂ（図３参照）のパージ制御処理について説明する。
【００７３】
すなわち、燃料電池スタック１４の発電中に、ステップＳ１において、電流計３２により検出された発電電流Ｉｈに対応する閾値電圧Ｖｔｈを図２の閾値電圧テーブルを参照して算出し、ステップＳ２において、検出したセル電圧Ｖｃ中、最低セル電圧ＶｃｍｉｎがステップＳ１で求めた閾値電圧Ｖｔｈより低かった場合の、いわゆるセル電圧低下時のパージ処理について説明する。
【００７４】
セル電圧低下時のパージ処理を行う際にも、ステップＳ１３では、燃料電池スタック１４の温度を温度センサ８２により検出される冷却媒体の温度Ｔｃとして測定する。
【００７５】
そして、このステップＳ１３では、冷却媒体の温度ＴｃとステップＳ１で測定してある発電電流Ｉｈとを変数として、図６Ａに一例を示すセル電圧低下時のパージ時間マップ（テーブル）１１２からパージ時間（水素パージ弁７０を開いて水，窒素，水素を排気システム側へ排出している時間）ｔｐを求める。図６Ａにおいて、パージ時間ｔ１，ｔ２，ｔ３は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３の大小関係を持たせている。
【００７６】
図６Ａから分かるように、セル電圧低下時（Ｖｃｍｉｎ＜Ｖｔｈ）のパージ時間ｔｐは、測定温度Ｔｃが高くかつ測定発電電流Ｉｈが大きいときのパージ時間ｔ３に比較して、測定温度Ｔｃが低くかつ測定発電電流Ｉｈが小さいときには短いパージ時間ｔ１となるような関係を持たせている。測定温度Ｔｃと測定発電電流Ｉｈが中間の領域では、標準のパージ時間ｔ２となる関係を持たせている。さらに細かく設定することもできる。
【００７７】
また、ステップＳ１４では、冷却媒体の温度Ｔｃと発電電流Ｉｈとを変数として、図６Ｂに示すセル電圧低下時のパージインターバル時間マップ（テーブル）１１４からパージインターバル時間（水素パージ弁７０を閉じていてパージが行われていない時間）ｔｐｉを求める。図６Ｂにおいて、パージインターバル時間ｔ４，ｔ５は、ｔ４＜ｔ５の大小関係を持たせている。
【００７８】
図６Ｂから分かるように、セル電圧低下時（Ｖｃｍｉｎ＜Ｖｔｈ）のパージインターバル時間ｔｐｉは、測定温度Ｔｃが高くかつ測定発電電流Ｉｈが大きいときのパージインターバル時間ｔ４に比較して、測定温度Ｔｃが低くかつ測定発電電流Ｉｈが小さいときには短いパージ時間ｔ５となるような関係を持たせている。さらに細かく設定することもできる。
【００７９】
なお、セル電圧Ｖｃが通常時（Ｖｃｍｉｎ＞Ｖｔｈ）のパージ時間ｔ０，パージインターバル時間ｔ６，ｔ７に対して、セル電圧Ｖｃの低下時（Ｖｃｍｉｎ＜Ｖｔｈ）のパージ時間ｔ１−ｔ３，パージインターバル時間ｔ４，ｔ５との大小関係は、ｔ０＜ｔ１＜ｔ２＜ｔ３≪ｔ４＜ｔ５＜ｔ６＜ｔ７に設定している。ｔ０−ｔ３はパージ時間ｔｐであり、ｔ４−ｔ７はパージインターバル時間ｔｐｉである。
【００８０】
図５の（Ｃ），（Ｄ）は、発明の理解の容易化のために、Ｖｃｍｉｎ＜Ｖｔｈの条件下での（Ｃ）測定温度Ｔｃが比較的に低く、かつ発電電流Ｉｈが比較的に小さい場合のパージ時間ｔ１とパージインターバル時間ｔ５と、（Ｄ）測定温度Ｔｃが比較的に高く、かつ発電電流Ｉｈが比較的に大きい場合のパージ時間ｔ３とパージインターバル時間ｔ４との相対的な関係のタイミング図の一例を示している。
【００８１】
図５の（Ｃ），（Ｄ）から分かるように、測定温度Ｔｃが低くて発電電流Ｉｈが小さい場合には、測定温度Ｔｃが高くて発電電流Ｉｈが高い場合に比較して、パージ時間ｔｐを短い時間にする一方、パージインターバル時間ｔｐｉを長くすることで、低温・小電流時に、セル１２内の電解質膜の温度が必要以上に低下することを未然に回避して発電の安定化を図っている。
【００８２】
ただし、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎは、閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧となっているので（Ｖｃｍｉｎ＜Ｖｔｈ）、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを回復させるために、パージ時間ｔ１，ｔ３は、図５の（Ａ），（Ｂ）に示す通常時（Ｖｃｍｉｎ＞Ｖｔｈ）のパージ時間ｔ０よりも長い時間にしている。
【００８３】
以下、上述したのと同様に、ステップＳ５において、パージフラグＦｐを参照することで、パージ時間ｔｐの経過中かパージインターバル時間ｔｐｉの経過中かを確認する。
【００８４】
パージインターバル時間ｔｐｉの経過中である場合には、ステップＳ６において、パージインターバルタイマとして機能しているタイマ９４の計時時間がパージインターバル時間ｔｐｉ（ステップＳ１４の処理後の場合には、ｔｐｉ＝ｔ４かｔ５）になっているかどうかが確認され、経過していない場合には、ステップＳ７において、パージフラグＦｐがクリアされる。
【００８５】
そして、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ５，Ｓ６までの処理を所定時間毎に繰り返し、ステップＳ６の判定が成立したとき、すなわちタイマ９４の計時時間がパージインターバル時間ｔｐｉ（ステップＳ１４の処理後の場合には、ｔｐｉ＝ｔ４かｔ５）になった場合には、ステップＳ６の判定が肯定となるので、ステップＳ８において、パージフラグＦｐがセットされる。
【００８６】
そこで、次に、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ１３，Ｓ１４の処理後にステップＳ５の判定が肯定となり、水素パージ弁７０が開とされてパージが開始され、ステップＳ９において、今度は、タイマ９４の計時時間がパージ時間ｔｐ（ステップＳ１３の処理後の場合には、ｔｐ＝ｔ１−ｔ３のいずれか）になっているかどうかが確認され、経過していない場合には、ステップＳ１０において、パージフラグＦｐがセットされる。
【００８７】
そして、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ５，Ｓ９までの処理を繰り返し、ステップＳ９の判定が成立したとき、すなわちタイマ９４の計時時間がパージ時間ｔｐ（ステップＳ１３の所定後の場合には、ｔｐ＝ｔ１−ｔ３のいずれか）になった場合には、ステップＳ９の判定が肯定となるので、ステップＳ１１において、パージフラグＦｐがクリアされる。
【００８８】
このようにして、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより低下した場合の発電不安定領域Ｂ（図３参照）における、図６Ａに示すセル電圧低下時のパージ時間マップ１１２と図６Ｂに示すセル電圧低下時のパージインターバル時間マップ１１４とを参照したパージ時間制御が行われる。
【００８９】
以上説明したように、上述した実施形態によれば、複数のセル１２が電気的に直列に接続された燃料電池スタック１４のアノード電極に水素が供給され、カソード電極に空気が供給されて発電し、発電電流Ｉｈを負荷に供給する燃料電池スタック１４のアノード電極側に溜まる水等を水素とともに水素パージ弁７０から間欠的にパージする際に、各セルの電圧Ｖｃと、発電電流Ｉｈとを測定する。そして、制御部１６により、測定した各セル１２の電圧Ｖｃ中、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを求め、求めた最低セル電圧Ｖｃｍｉｎと発電電流Ｉｈに応じて予め定められた閾値電圧Ｖｔｈとの比較結果に応じて、パージを行うパージ時間ｔｐと、パージを行わないパージインターバル時間ｔｐｉを変化させるようにしているので、セルが保護され安定した発電を継続することができる。
【００９０】
ここで、制御部１６は、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより小さい場合のパージ時間（ｔ１−ｔ３のいずれか）を、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合のパージ時間ｔ０に比較して長い時間に制御する一方、パージインターバル時間（ｔ４，ｔ５）を、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合のパージインターバル時間（ｔ６，ｔ７）に比較して短い時間に制御するようにしているので、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより小さい場合には、積極的にパージが行われ、セルの回復を早めることができる。
【００９１】
ただし、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより大きい場合には、発電が安定に継続されていると判断して、パージ時間ｔｐを測定温度Ｔｃおよび測定発電電流Ｉｈに拘わらず一定の時間ｔ０とする一方、パージインターバル時間ｔｐｉを測定発電電流Ｉｈが小さいときには大きいときに比較して短い時間に制御する（ｔ６＜ｔ７）。
【００９２】
また、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが閾値電圧Ｖｔｈより小さい場合には、測定温度Ｔｃが高くかつ測定発電電流Ｉｈが大きいときに比較して、測定温度Ｔｃが低くかつ測定発電電流Ｉｈが小さいときに、パージ時間ｔｐを短い時間に制御する（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）。
【００９３】
このように制御することで、低温時に過度に電解質膜が冷やされることがなくなり、また、発電電流Ｉｈが小さいときに水素を無駄に排出しないようにできる。結果として、周囲温度や発電電流Ｉｈが変動しても安定な発電を継続することができる。よって、この実施形態によれば、パージ制御が効率よく行われて、燃料電池スタック１４を構成するセル１２の電圧に応じて最適なパージ制御を行うことができ、燃料電池システム１０の発電を安定に継続することができる。
【００９４】
なお、上述した、図３に示した閾値電圧Ｖｔｈと発電電流Ｉｈとの関係、図４Ａ，図４Ｂ，図６Ａ，図６Ｂに示した温度Ｔｃと発電電流Ｉｈを変数として決定されるパージ時間ｔｐやパージインターバル時間ｔｐｉは一例であり、個々の燃料電池スタック１４に対して、設計的あるいは実験的に最適な値を設定することができる。
【００９５】
また、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、最低セル電圧に応じてパージを行うパージ時間、パージを行わないパージインターバル時間を制御するようにしているので、セルが保護され安定した発電を継続することができるという効果が達成される。
【００９７】
また、この発明によれば、周囲温度や発電電流が変動しても、安定した発電を継続することができる。
【００９８】
さらに、この発明によれば、燃料電池スタックを構成するセルの電圧に応じて最適なパージ制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態が適用された燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】パージ処理の制御フローチャートである。
【図３】発電電流と閾値電圧と最低セル電圧との対応関係を示す説明図である。
【図４】図４Ａは、最低セル電圧が閾値電圧以上であるときの定期パージ時間のマップを示す説明図、
図４Ｂは、最低セル電圧が閾値電圧以上であるときの定期パージインターバル時間のマップを示す説明図である。
【図５】図５（Ａ）は、最低セル電圧が閾値電圧以上であって発電電流が比較的に大きい場合のパージ制御タイミング図、
図５（Ｂ）は、最低セル電圧が閾値電圧以上であって発電電流が比較的に小さい場合のパージ制御タイミング図、
図５（Ｃ）は、最低セル電圧が閾値電圧以下であって発電電流が小さく水温が低い場合のパージ制御タイミング図、
図５（Ｄ）は、最低セル電圧が閾値電圧以下であって発電電流が大きく水温が高い場合のタイミング図である。
【図６】図６Ａは、最低セル電圧が閾値電圧以下であるあるときのパージ時間のマップを示す説明図、
図６Ｂは、最低セル電圧が閾値電圧以下であるときのパージインターバル時間のマップを示す説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム １２…セル
１４…燃料電池スタック １６…制御部
１８，２０…ターミナルプレート ２２…エンドプレート
２４…燃料ガスの供給ポート ２６…空気の供給ポート
２８，３０…排出ポート ３２…電流計
５０…燃料ボンベ ５４…圧力制御弁（燃料供給弁）
６０…コンプレッサ ７０…開閉弁（水素パージ弁）
７２…循環ポンプ ７３…圧力制御弁（排圧弁）
８０…ポンプ ９０…ＣＰＵ
９２…メモリ ９４…タイマ（カウンタ・タイマ）
９６…インタフェース（Ｉ／Ｆ）

Claims (6)

1. 複数のセルが電気的に直列に接続された燃料電池スタックのアノード電極に水素が供給され、カソード電極に空気が供給されて発電し、発電電流を負荷に供給する前記燃料電池スタックの前記アノード電極側に溜まる水等を間欠的にパージする方法において、
   前記各セルの電圧を測定する過程と、
   前記発電電流を測定する過程と、
   前記各セルの電圧中、最低セル電圧を求め、求めた最低セル電圧と前記発電電流に応じて予め定められた閾値電圧との比較結果に応じて、パージを行うパージ時間と、パージを行わないパージインターバル時間を変化させる時間制御過程と
   を有することを特徴とする燃料電池システムにおけるパージ方法。
2. 請求項１記載のパージ方法において、
   前記時間制御過程では、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より低い場合に、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より高い場合に比較して、パージ時間を長い時間に制御する一方、パージインターバル時間を短い時間に制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるパージ方法。
3. 請求項１または２記載のパージ方法において、さらに、
   前記燃料電池スタックの温度を測定する過程を有し、
   前記時間制御過程では、
   前記最低セル電圧が前記閾値電圧より高い場合に、測定温度および測定発電電流に拘わらずパージ時間を一定の時間に制御する一方、測定温度に拘わらず測定発電電流が小さくなるにしたがってパージインターバル時間を長い時間に制御し、
   前記最低セル電圧が前記閾値電圧より低い場合に、測定温度が低くなりかつ測定発電電流が小さくなるにしたがってパージ時間を短い時間に制御し、測定温度が低くなりかつ測定発電電流が小さくなるにしたがってパージインターバル時間を長い時間に制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるパージ方法。
4. 請求項１−３のいずれか１項に記載のパージ方法において、
   前記燃料電池スタックの温度は、前記燃料電池スタックを冷却する冷却媒体の温度とする
   ことを特徴とする燃料電池システムにおけるパージ方法。
5. 複数のセルが電気的に直列に接続された燃料電池スタックのアノード電極に水素が供給され、カソード電極に空気が供給されて発電し、発電電流を負荷に供給する前記燃料電池スタックの前記アノード電極側に溜まる水等を間欠的にパージするシステムにおいて、
   前記各セルの電圧を測定する手段と、
   前記発電電流を測定する手段と、
   前記各セルの電圧中、最低セル電圧を求め、求めた最低セル電圧と前記発電電流に応じて予め定められた閾値電圧との比較結果に応じて、パージを行うパージ時間と、パージを行わないパージインターバル時間を変化させる時間制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記時間制御手段は、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より低い場合に、前記最低セル電圧が前記閾値電圧より高い場合に比較して、パージ時間を長い時間に制御する一方、パージインターバル時間を短い時間に制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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