JP2006221980A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成にてパージ流量制御を可能にし、燃料電池システムの発電効率の向上を図る。
【解決手段】可変パージ弁４は、自己の開度に応じて排出ガスのパージ流量を可変に設定する。ガス循環手段３は排出ガスを燃料電池１のアノード側の入口に循環させる。絞り部１４ａは、排出流路１４において、自己の絞り径が排出流路の内径よりも小さくなっている。検出手段１８，１９は、排出流路１４の絞り部１４ａの上流側の圧力を上流圧力Ｐｕとして検出するとともに、排出流路１４の絞り部１４ａの下流側の圧力を下流圧力Ｐｄとして検出する。制御手段２０は、アノード系内の窒素量Ｎに基づいて、目標パージ流量Ｑｔを設定し、この目標パージ流量Ｑｔと、下流圧力Ｐｄとに基づいて、絞り部上流の目標圧力Ｐｔを設定する。そして、上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔに近づくように、可変パージ弁４の開度が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から排出される排出ガスを再循環させて使用する燃料電池システムに関する。

一般に、燃料ガス（例えば、水素）を用いる固体高分子型燃料電池では、燃料電池スタックから排出される排出ガス（余剰水素）を燃料電池スタックの入口側に供給することにより、発電効率の向上を図っている。この燃料電池において、酸化剤として空気を用いた場合には、空気中の窒素がカソードからアノードに拡散するため、アノード系内の窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、この類の燃料電池システムには、窒素を含む余剰水素（排出ガス）を外部に排出する排出流路に、自己の開度に応じてパージ流量を可変に制御する可変パージ弁が設けられている。この可変パージ弁は、アノード系内における窒素を排出しつつ、同時に排出される水素量を最小限に抑制するように、その開度が制御される（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示されている手法では、可変パージ弁の開度をセンサによって検出することにより、パージ流量制御が行われる。
特開２００４−１８５９７４号公報

しかしながら、燃料電池システムにおけるパージ流量は微少であり、微少流量用の開度センサを開発するためにはコストがかかり、経済的な観点より好ましくない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価な構成にてパージ流量制御を可能にし、燃料電池システムの発電効率の向上を図ることである。

かかる課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、可変パージ弁と、ガス循環手段と、絞り部と、検出手段と、制御手段とを有する。燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設されている。可変パージ弁は、燃料電池のアノード側からの排出ガスを外部に排出する排出流路に設けられており、自己の開度に応じて排出ガスのパージ流量を可変に設定する。ガス循環手段は、排出流路において、可変パージ弁よりも上流に設けられており、燃料電池のアノード側から排出される排出ガスを燃料電池のアノード側の入口に循環させる。絞り部は、排出流路において、可変パージ弁よりも下流に設けられており、自己の絞り径が排出流路の内径よりも小さくなっている。検出手段は、排出流路の絞り部の上流側の圧力を上流圧力として検出するとともに、排出流路の絞り部の下流側の圧力を下流圧力として検出する。制御手段は、アノード系内の窒素量に基づいて、目標パージ流量を設定し、設定された目標パージ流量と、検出手段によって検出された下流圧力とに基づいて、絞り部上流の目標圧力を設定するとともに、検出手段によって検出された上流圧力が目標圧力に近づくように、可変パージ弁の開度を制御する。

本発明によれば、燃料電池システムは、排出流路の下流に絞り部を設けており、アノード系内の窒素量に基づいて、目標パージ流量を設定し、この目標パージ流量に基づいて、オリフィス上流の目標圧力を設定する。オリフィスの上流と下流との圧力差に応じて、パージ流量が変化するため、圧力センサおよび絞り部といった安価な構成により、パージ流量制御を行うことができる。そのため、燃料電池システムの効率を安価に高めることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給装置２と、ガス循環装置（ガス循環手段）３と、可変パージ弁４と、コンプレッサー（酸化剤ガス供給手段）５と、制御部（制御手段）２０とを主体に構成される。

燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードとを対設した燃料電池構造体（燃料電池）をセパレータで挟持し、これを複数積層して構成される。この燃料電池スタック１は、アノードに燃料ガス（本実施形態では、水素）を供給し、カソードに酸化剤ガス（本実施形態では、空気）を供給することにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う。

燃料ガス供給装置２は、燃料ガス供給流路７を介して、燃料ガスである水素を燃料電池スタック１に供給する。この燃料ガス供給流路７には、燃料ガス供給装置２と燃料電池スタック１との間に圧力調整弁６が介装されている。この圧力調整弁６は、通常運転時、燃料電池スタック１へ供給される供給水素流量と供給水素圧力とが適正な値となるように、制御部２０によってその開度が制御される。

ガス循環装置３は、燃料電池スタック１のアノード側から排出される排出ガス（余剰水素）を、循環流路８を介して、燃料ガス供給流路７へと循環させる。余剰水素を燃料電池スタック１のアノード側の入口へ再度供給することにより、安定した発電を維持するとともに、反応効率の向上を図ることができる。このガス循環装置３の循環流量には、自己のガス循環性能、および、アノードの圧力損失と循環流路８との圧力損失に基づいた限界値（上限値）が存在する。そのため、燃料電池スタック１の発電に応じて要求される水素流量に基づいて、循環流路８を含むアノード系に許容できる窒素濃度の上限値が存在する。そのため、アノード系の窒素濃度を上限値以下に調整するためは、ガス循環装置３と連通する排出流路１４を介して、窒素を水素とともに外部へ排出（パージ）する必要がある。一方で過度なパージは水素を無駄に排出することになるため、アノード系の窒素濃度には下限値も存在する。

可変パージ弁４は、排出流路１４のガス循環装置３よりも下流に設けられており、自己の開度に応じて排出ガスのパージ流量を可変に設定する。可変パージ弁４は、排出流路１４を介して、排出ガスに含まれる窒素を水素とともに大気中に放出することにより、アノード系内の窒素濃度が所定の範囲に収まるように、或いは、略一定の値となるように、制御部２０によりその開度が制御される。

排出流路１４の可変パージ弁４よりも下流には、自己の絞り径が排出流路１４の内径よりも小さい絞り部として機能するオリフィス１４ａが設けられている。そのため、オリフィス１４ａを介して上流と下流との圧力差に基づいて、排出流路１４から排出される排出ガス流量（以下、「パージ流量」という）Ｑを検出することができる。

コンプレッサー５は、空気供給流路９を介して、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック１に供給する。空気供給流路９には、コンプレッサー５よりも下流にアフタークーラー１０が設けられており、このアフタークーラー１０によって供給空気が燃料電池スタック１の反応に必要な温度まで冷却される。また、空気供給流路９には、アフタークーラー１０よりも下流に加湿装置１１が設けられており、この加湿装置１１により、供給空気が燃料電池スタック１の反応に必要な湿度まで加湿される。

燃料電池スタック１のカソードにおいて一部の酸素が消費された供給空気は、発電により生成された水分とともに、カソード側の排出流路１２を介して排出される。この排出流路１２には、上述した加湿装置１１が介装されており、発電により生成された水分の除湿が行われる（この除湿した水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、この排出流路１２には、加湿装置１１よりも下流に、燃料電池スタック１へ供給される供給空気圧力を調整する圧力調整弁１３が介装されている。この圧力調整弁１３は、供給水素圧力に応じて決定される供給空気圧力に基づいて、制御部２０によりその開度が制御される。

制御部２０は、燃料電池システムの運転状態に応じて、制御信号を各種のアクチュエータ（図示せず）に出力することにより、可変パージ弁４、圧力調整弁６，１３の開度を制御する。制御部２０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部２０には、燃料電池システムの運転状態を検出すべく、各種のセンサ１５〜１９からの検出信号が入力されている。圧力センサ１５は、燃料ガス供給流路７の圧力調整弁６よりも下流に設けられており、燃料電池スタック１に供給される供給水素圧力Ｐｈを検出する。圧力センサ１６は、空気供給流路９の加湿装置１１よりも下流に設けられており、燃料電池スタック１に供給される供給空気圧力Ｐｏを検出する。温度センサ１７は、燃料電池スタック１内の温度をスタック温度Ｔとして検出する。圧力センサ（検出手段）１８は、アノード側の排出流路１４の可変パージ弁４よりも下流に設けられており、オリフィス１４ａの上流側の圧力Ｐｕ（以下「オリフィス上流圧力」という）を検出する。大気圧センサ（検出手段）１９は、大気圧を検出することにより、オリフィス１４ａの下流側の圧力Ｐｄ（以下「オリフィス下流圧力」という）を検出する。

以下、第１の実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作（通常制御）を示すフローチャートである。まず、ステップ１において、制御部２０は、各種のセンサ１５〜１９によって検出された検出値を読み込む。このステップ１において読み込まれる検出値としては、供給水素圧力Ｐｈ、供給空気圧力Ｐｏ、オリフィス上流圧力Ｐｕ、オリフィス下流圧力Ｐｄおよびスタック温度Ｔである。なお、詳述しないが、これらの検出値のうち、供給水素圧力Ｐｈは、燃料ガス供給流路７側の圧力調整弁６の開度制御のために用いられ、供給空気圧力Ｐｏは、空気供給流路９側の圧力調整弁１３の開度制御のために用いられる。

ステップ２において、制御部２０は、アノード系内の窒素量Ｎと水蒸気量Ｖとを推定する。図３は、窒素量Ｎおよび水蒸気量Ｖの推定処理を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、ステップ１０において、制御部２０は、前回の処理において推定された窒素量Ｎに基づいて、アノード系の窒素分圧Ｐｎを推定する。

ステップ１１において、制御部２０は、推定された窒素分圧Ｐｎと、スタック温度Ｔとに基づいて、カソードからアノードに透過してくる窒素量（クロスオーバー窒素量）Ｎｃを推定する。そして、ステップ１２において、制御部２０は、クロスオーバー窒素量Ｎｃに基づいて、アノード系内に蓄積される窒素蓄積量Ｎａを推定する。ステップ１３において、制御部２０は、気体に含まれる水蒸気分圧Ｐｖは温度特性が大きいとの知得に基づいて、スタック温度Ｔから水蒸気分圧Ｐｖを推定する。

ステップ１４において、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕおよびオリフィス下流圧力Ｐｄに基づいて、排出流路１４からのパージ流量Ｑを推定する。図４は、パージ流量Ｑと、オリフィス１４ａの上流と下流との圧力差ΔＰとの対応関係を示す図である。同図には、窒素濃度、温度、可変パージ弁開度を一定としたときの、パージ流量Ｑと、圧力差ΔＰとの対応関係が示されている。図４から分かるように、圧力差ΔＰの増加に伴い、パージ流量Ｑは増加する傾向を示す。同図に示す両者Ｑ，ΔＰの対応関係は、予め実験やシミュレーションを通じて取得されており、例えば、制御部２０内のメモリに格納されている。そこで、制御部２０は、この対応関係を参照し、パージ流量Ｑを推定する。そして、制御部２０は、推定されたパージ流量Ｑと、窒素分圧Ｐｎとに基づいて、排出流路１４に排出される窒素量を推定するとともに、この推定された窒素量の積算値である窒素排出積算量Ｎｏを推定する（ステップ１５）。

ステップ１６において、制御部２０は、窒素蓄積量Ｎaと、窒素排出積算量Ｎｏとの差に基づいて、アノード系内の窒素量Ｎを推定する。また、ステップ１７において、制御部２０は、水蒸気分圧Ｐｖと、オリフィス上流圧力Ｐｕとに基づいて、アノード系内の水蒸気量Ｖを推定する。

再び図２を参照するに、ステップ２に続くステップ３において、制御部２０は、パージ流量Ｑの目標値である目標パージ流量Ｑｔを設定する。目標パージ流量Ｑｔは、ステップ２において推定された窒素量Ｎと水蒸気量Ｖとに基づいて、排出される窒素量Ｎが所定の範囲（下限値から上限値の範囲）に収まるような値、或いは、排出される窒素量Ｎが略一定となるような値として、運転状態に応じた値として適宜設定される。ステップ４において、制御部２０は、図４に示すパージ流量Ｑと圧力差ΔＰとの対応関係を参照し、目標パージ流量Ｑと、オリフィス下流圧力Ｐｄとに基づいて、オリフィス１４ａの上流側の目標圧力Ｐｔを設定する。

ステップ５において、制御部２０は、現在通常制御の実行中であるか否かを判定する。制御部２０は、基本的に、以下のステップ６〜９に示すように、運転状態に応じた可変パージ弁４の開度制御を行う（通常制御）。しかしながら、制御部２０は、後述するように、可変パージ弁４およびオリフィス１４ａに水詰まりが発生した場合には、これを解消すべく、通常制御とは異なるパターンで可変パージ弁４の開度を制御する。そこで、制御部２０は、このステップ５において、現在通常制御を行うべき状況であるか否かを判定する。この判定は、後述する水詰まり判定処理において、現在水詰まりの解消処理の実行中であるか否かにより、一義的に判定することができる。

このステップ５において肯定判定された場合、すなわち、通常制御を行う場合には、ステップ６に進む。一方、このステップ５において否定判定された場合、すなわち、通常制御を行わない場合には、本ルーチンを抜ける。そして、再度、通常制御を行うべき状況に至るまでは、本ステップ５において否定判定されるため、ステップ６〜９までの処理をスキップし、本ルーチンを抜ける。なお、この場合、ステップ２における窒素量Ｎおよび水蒸気量Ｖの推定では、窒素排出積算量Ｎｏの値は一定とする（すなわち、窒素排出積算量Ｎｏの積算を停止する）。なぜならば、オリフィス１４ａが水詰まりを起こしている間は、オリフィス１４ａからは窒素が排出されないので、窒素排出積算量Ｎｏの積算を停止することが好ましいからである。

ステップ６において、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕと目標圧力Ｐｔとの差（絶対値）と、所定の判定値Ｐｔｈとを比較し、両者の圧力Ｐｕ，Ｐｔの差（絶対値）が判定値Ｐｔｈよりも大きいか否かを判定する。この判定値Ｐｔｈは、オリフィス上流圧力Ｐｕと目標圧力Ｐｔとが制御を必要としない程度まで近似しているか否かを判定するための値であり、実験やシミュレーションを通じて、両者の圧力Ｐｕ，Ｐｔの差（絶対値）の最大値として予め設定されている。このステップ６において肯定判定された場合には（｜Ｐｕ−Ｐｔ｜＞Ｐｔｈ）、ステップ７に進む。一方、このステップ６において否定判定された場合（｜Ｐｕ−Ｐｔ｜≦Ｐｔｈ）には、本ルーチンを抜ける。

ステップ７において、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも小さいか否かを判定する。このステップ７において肯定判定された場合、すなわち、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも小さい場合には（Ｐｕ＜Ｐｔ）、ステップ８に進む。そして、ステップ８において、制御部２０は、可変パージ弁４の開度を開方向へ制御する。これにより、オリフィス上流圧力Ｐｕが現在値よりも増加するため、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔに近づく方向に作用する。一方、ステップ７において否定判定された場合、すなわち、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも大きい場合には（Ｐｕ＞Ｐｔ）、ステップ９に進む。そして、ステップ９において、制御部２０は、可変パージ弁４の開度を閉方向へ制御する。これにより、オリフィス上流圧力Ｐｕが現在値よりも減少するため、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔに近づく方向に作用する。

このようなパージ処理に関する通常制御において、循環流路８には、窒素、水素の他に水蒸気が存在するため、循環流路８の温度に応じて凝縮水が生成される。この凝縮水により、可変パージ弁４およびオリフィス１４ａに水詰まりが発生する場合があるので、制御部２０は、可変パージ弁４とオリフィス１４ａとに水詰まりが発生したか否かを判定する必要がある。以下、水詰まりの判定処理の概念について説明する。

図５は、排出流路１４内を通過する水の推移と、オリフィス上流圧力Ｐｕの推移、および、可変パージ弁４の開度の推移を時系列的に示す説明図である。同図の示すように、可変パージ弁４に水が詰まっている場合（期間Ａ）、可変パージ弁４よりも上流側において排出ガスの移動はないが、それよりも下流側に存在する排出ガスは排出される。そのため、圧力センサ１８によって検出されるオリフィス上流圧力Ｐｕは減少する。したがって、この期間Ａにおいて、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移は、目標圧力Ｐｔから下降（減少）する傾向を示す。

ところで、この期間Ａの間にも、制御部２０は、可変パージ弁４のフィードバック制御を行っている（通常制御）。そのため、オリフィス上流圧力Ｐｕと目標圧力Ｐｔとの差が増加すると、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔに近づくように、可変パージ弁４を開方向に制御する。これにより、可変パージ弁４に留まっている水は、そこから排出される方向へと作用する。

可変パージ弁４の水詰まりが解消されると、可変パージ弁４の開度に応じて（現在、開方向）、オリフィス上流圧力Ｐｕは増加する。したがって、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移は、上昇する傾向を示す。具体的には、オリフィス上流圧力Ｐｕは、目標圧力Ｐｔよりも減少した状態から目標圧力Ｐｔよりも増加した状態へと推移する（以下「第１の変動」という）。そして、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも上昇すると、フィードバック制御により、制御部２０は、可変パージ弁４を閉方向に制御する。それ故に、オリフィス上流圧力Ｐｕの上昇の割合は時間と共に減少し、オリフィス上流圧力Ｐｕは目標圧力Ｐｔへと推移する（その期間Ｂ）。その後、排出流路１４内の水は、圧力センサ１８を通過し、更に下流へと流れる（その期間Ｃ）。

つぎに、オリフィス１４ａにおいて水詰まりが起こると（その期間Ｄ）、オリフィス上流圧力Ｐｕは増加する。したがって、この期間Ｄにおいて、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移は、目標圧力Ｐｔから上昇する傾向を示す。具体的には、オリフィス上流圧力Ｐｕは、目標圧力Ｐｔから、この目標圧力Ｐｔよりも増加した状態へと推移する（以下「第２の変動」という）。この期間Ｄにおいて、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも上昇すると、フィードバック制御により、制御部２０は、可変パージ弁４を閉方向に制御する（それ故に、オリフィス上流圧力Ｐｕの上昇の割合は、時間の推移とともに減少していく）。

そして、オリフィス１４ａの水詰まりが解消されると、可変パージ弁４の開度に応じて（現在、閉方向）、オリフィス上流圧力Ｐｕは減少する。したがって、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移は下降する傾向を示す。具体的には、オリフィス上流圧力Ｐｕは、目標圧力Ｐｔよりも増加した状態から目標圧力Ｐｔよりも減少した状態へと推移する（以下「第３の変動」という）。そして、オリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも下降すると、フィードバック制御により、制御部２０は、可変パージ弁４を開方向に制御する。それ故に、オリフィス上流圧力Ｐｕの下降の割合は時間と共に減少し、オリフィス上流圧力Ｐｕは目標圧力Ｐｔへと推移する（その期間Ｅ）。

このように、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕの一連の推移をモニタリングすることにより、期間Ｂに示す第１の変動の後に、期間Ｄに示す第２の変動が起こった場合に、可変パージ弁４およびオリフィス１４ａに水詰まりが発生したと判定することができる。特に、第一の変動は、可変パージ弁４の水詰まりと判定でき、第二の変動は、オリフィス１４ａの水詰まりと判定できる。

このような概念を踏まえた上で、第１の実施形態に係る燃料電池システムの水詰まり判定処理について説明する。図６は、水詰まり判定処理の詳細動作を示すフローチャートである。（すなわち、制御部２０は、図２に示す動作と図６に示す動作とを並列的に行っている）。

まず、ステップ２０において、制御部２０は、圧力センサ値としてオリフィス上流圧力Ｐｕを読み込む。ステップ２１において、制御部１は、第１の判定フラグＦ１が「１」であるか否かを判定する。第１の判定フラグＦ１は、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移において、第１の変動が発生したか否かを示すフラグであり、初期的には「０」にセットされている。そのため、第１の判定フラグＦ１が「１」にセットされるまではこのステップ２１において否定判定され、ステップ２２に進む。

ステップ２２において、制御部２０は、第１の変動が発生したか否かを判定する。すなわち、制御部２０は、目標圧力Ｐｔよりも減少したオリフィス上流圧力Ｐｕが目標圧力Ｐｔよりも増加した状態へと推移したか否かを判定する。このステップ２２において肯定判定された場合、すなわち、第１の変動が発生した場合には、ステップ２３に進み、第１の判定フラグＦ１を「１」にセットした後に、本ルーチンを抜ける。一方、このステップ２３において否定判定された場合、すなわち、第１の変動が発生していない場合には、ステップ２３をスキップして本ルーチンを抜ける。

一方、第１の判定フラグＦ１が「１」の場合、すなわち、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移において、第１の変動が発生した場合には、ステップ２１の肯定判定に従い、ステップ２４に進む。そして、ステップ２２において、制御部２０は、第２の判定フラグＦ２が「１」であるか否かを判定する。この第２の判定フラグＦ２は、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移において、第２の変動が発生したか否かを示すフラグであり、初期的には「０」にセットされている。そのため、第２の判定フラグＦ２が「１」にセットされるまではこのステップ２４において否定判定され、ステップ２５に進む。

ステップ２５において、制御部２０は、第２の変動が発生したか否かを判定する。すなわち、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕが、目標圧力Ｐｔから、これよりも増加した状態へと推移したか否かを判定する。このステップ２２において肯定判定された場合、すなわち、第２の変動が発生した場合には、ステップ２６に進み、第２の判定フラグＦ２を「１」にセットした後に、本ルーチンを抜ける。一方、このステップ２５において否定判定された場合、すなわち、第２の変動が発生していない場合には、ステップ２６をスキップして本ルーチンを抜ける。

一方、第２の判定フラグＦ２が「１」の場合、すなわち、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移において、第２の変動が発生した場合には、ステップ２４の肯定判定に従い、ステップ２７に進む。制御部２０は、第２の変動の経過時間Ｔｓをカウントしており、ステップ２７において、この経過時間Ｔｓが所定の判定時間Ｔｔｈに到達する以前に、水詰まりが解消したか否かを判定する。図６に示すように、オリフィス１１に水詰まりが発生したとしても、一連のフィードバック制御によって、水詰まりは自然に解消する方向へと作用する。そのため、オリフィス上流圧力Ｐｕは、目標圧力Ｐｔよりも増加した状態から目標圧力Ｐｔよりも減少した状態へと推移する（第３の変動の発生）。

しかしながら、図７に示すように、通常のフィードバック制御ではオリフィス１４ａの水詰まりが解消され難い場合には、第２の変動の期間（経過時間Ｔｓ）が長くなる。ここで、図７は、オリフィス１４ａの水詰まりが長期に解消されないケースでの、排出流路１４内を通過する水の推移と、オリフィス上流圧力Ｐｕの推移、および、可変パージ弁４の開度の推移を時系列的に示す説明図である。なお、図７の推移の流れは、図６に示すそれと対応している。そこで、制御部２０は、所定の判定時間Ｔｔｈを経過しても第３の変動が発生しないことを条件として、オリフィス１４ａの水詰まりが解消していないと判定する。判定時間Ｔｔｈは、通常のフィードバック制御において、強制的に水詰まりを解消する必要があると認められる程度の経過時間Ｔｓの最小値として、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。

このステップ２７において肯定判定された場合、すなわち、水詰まりが解消された場合（経過時間Ｔｓが判定時間Ｔｔｈに到達する以前に第３の変動が発生した場合）には、ステップ２８に進む。ステップ２８において、制御部２０は、第１の判定フラグＦ１を「０」にリセットした後に、第２の判定フラグＦ２を「０」にリセットし（ステップ２９）、本ルーチンを抜ける。

一方、このステップ２７において否定判定された場合、すなわち、水詰まりが解消されていない場合（経過時間Ｔｓが判定時間Ｔｔｈに到達しても第３の変動が発生しない場合）には、ステップ３０に進む。そして、ステップ３０において、制御部２０は、オリフィス１４ａの水詰まりを強制的に排除すべく、水詰まりの解消処理の実行を指示し、本ルーチンを抜ける。この水詰まりの解消処理では、図７に示すように、制御部２０は、可変パージ弁４を所定時間だけ開方向に制御し、オリフィス１４ａに詰まっている水を排出する。この解消処理を実行している間、制御部２０は、通常制御を中止している（図２のステップ５において否定判定）。そして、制御部２０は、オリフィス１４ａの水詰まりが解消するのに十分な時間が経過したと判断すると、ステップ２７の判定結果を肯定判定に切り替え、通常制御の再開を指示するとともに（図２のステップ５において肯定判定）、第１および第２の判定フラＦ１，Ｆ２を「０」にリセットした上で（ステップ２８，２９）、本ルーチンを抜ける。

このように、第１の実施形態に係る燃料電池システムは、排出流路１４の最下流にオリフィス１４ａを設けており、アノード系内の窒素量Ｎに基づいて、目標パージ流量Ｑｔを設定し、この目標パージ流量Ｑｔに基づいて、オリフィス上流の目標圧力Ｐｔを設定する。オリフィス１４ａの上流と下流との圧力差に応じて、パージ流量Ｑが変化するため、圧力センサ１８およびオリフィス１４ａといった構成により、パージ流量制御を行うことができる。このような構成によれば、パージ弁開度センサを用いることなく、パージ流量Ｑを制御することができ、安価な構成で流量制御を行うことができる。そのため、燃料電池システムの効率を安価に高めることができる。なお、パージ流量Ｑを流量センサによって検出し、この検出値に基づいて、流量制御を行うことも可能である。しかしながら、流量センサを用いた場合には、水蒸気を含む排出ガスに伴うセンサ精度の低下や耐久性の低下といった問題が危惧されるが、本実施形態によれば、流量センサを用いる必要がないので、このような不都合を解消することができる。

また、第１の実施形態に係る燃料電池システムでは、上述した構成に起因して、可変パージ弁４およびオリフィス１４ａの水詰まりが懸念される。しかしながら、この燃料電池システムは、オリフィス上流圧力Ｐｕの時系列的な推移をモニタリングすることにより、可変パージ弁４およびオリフィス１４ａの水詰まりの有無を判定することができる。可変パージ弁４に水が詰まった場合、オリフィス上流圧力Ｐｕは下降するので、それに応じて可変パージ弁４の開度は開方向に制御され、水詰まりを自動的に解消する方向に制御される。また、オリフィス１４ａに水が詰まった場合、オリフィス上流圧力Ｐｕは上昇するので、それに応じて、可変パージ弁４の開度は閉方向に制御され、水詰まりを自動的に解消する方向に制御される。このため、水詰まり時間を短縮することができ、アノード系内窒素濃度の過度の上昇を抑えることができるので燃料電池システムの効率を高めることができる。

また、第１の実施形態では、オリフィス１４ａの水詰まりが所定時間経過しても解消されていないと判断した場合には、可変パージ弁４を開方向に制御することにより、オリフィス１４ａに詰まった水を強制的に排出させている。これにより、オリフィス１４ａの水詰まりを短時間で解消することができる。また、この短時間の解消によって、パージ流量Ｑの制御を再開することにより、アノード系内の窒素濃度の上昇を抑制することができる。そのため、燃料電池システムの発電効率の向上を図ることができる。

また、第１の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、制御部２０は、オリフィス１４ａが水詰まりを起こしている間はオリフィス１４ａから窒素が排出されないことを考慮して、窒素排出積算量Ｎｏの積算を停止している。これにより、アノード系内より排出される窒素量Ｎの推定を正確にできる。また、アノード系内の窒素量Ｎが正確に推定可能となるため、最適な目標パージ流量Ｑｔを推定することができ、燃料電池システムの効率を高めることができる。

以下、第２の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第２の実施形態に係る詳細動作が、第１の実施形態に係るそれと相違する点は、水詰まりの解消処理である。図８は、第２の実施形態に係る水詰まりの解消処理を説明する説明図であり、基本的な内容は、図５または図７に示すそれと対応している。

第１の実施形態と同様に、図６のステップ３０において、水詰まりが解消されていない場合（経過時間Ｔｓが判定時間Ｔｔｈに到達しても第３の変動が発生しない場合）には、ステップ３０に進む。そして、ステップ３０において、制御部２０は、通常制御を中止した上で、水詰まりの解消処理の実行を指示し、本ルーチンを抜ける。第２の実施形態における水詰まり解消処理では、図８に示すように、制御部２０は、可変パージ弁４を全閉に制御する。そして、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕが基準圧力（本実施形態では、大気圧）に到達（下降）すると、ステップ２７の判定結果を肯定判定に切り替え、通常制御の再開を指示するとともに、第１および第２の判定フラＦ１，Ｆ２を「０」にリセットした上で（ステップ２８，２９）、本ルーチンを抜ける。

このように、例えば、重力方向に可変パージ弁４、圧力センサ１８、オリフィス１４ａと並んでいる構成の場合、重力の分だけ水を排出しやすくなるのでパージ時間を短縮することができる。これにより、窒素の濃度の上昇を抑えることができ燃料電池システムの効率を高めることができる。また、制御部２０は、オリフィス上流圧力Ｐｕが基準圧力に到達したか否かにより、水詰まり解消のタイミングの判断を正確に行うことができる。なお、第２の実施形態において、水詰まり時に可変パージ弁４を全閉にした場合、窒素排出積算量Ｎｏの積分を止めることにより、窒素排出積算量Ｎｏの推定精度の向上を図ることができる。

以下、第３の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第３の実施形態に係る燃料電池システムが第１または第２の実施形態のそれと相違する点は、シャット弁１４ｂを用いた点である。図９は、第３の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

図９に示すように、シャット弁１４ｂは、絞り部としてのオリフィス１４ａの代わりに用いられている。このシャット弁１４ｂは、全閉時の最小絞り径がオリフィス１４ａの絞り経と略同一のシャット弁であり、制御部２０によってその開度が制御される。通常、制御部２０は、シャット弁１４ｂの開度を全閉に制御している。このシャット弁１４ｂも絞り部として機能する関係上、第１の実施形態および第２の実施形態に示すオリフィス１４ａと同様に、その水詰まりを判定することができる。ここで、図１０は、第３の実施形態に係る水詰まりの解消処理を説明する説明図である。

また、シャット弁１４ｂを用いるケースでは、水詰まりの解消処理において、以下のような動作を行ってもよい。具体的には、第１水詰まりが解消されていない場合、すなわち、経過時間Ｔｓが判定時間Ｔｔｈに到達しても第３の変動が発生しない場合には、図６に示すステップ３０に進む。そして、ステップ３０において、制御部２０は、シャット弁１４ｂの水詰まりを強制的に排除すべく、水詰まりの解消処理の実行を指示し、本ルーチンを抜ける。この水詰まりの解消処理では、制御部２０は、シャット弁１４ｂを開方向に制御する。これにより、絞り径が拡大されるので、シャット弁１４ｂに留まっていた水を強制的に排出することができる。

このように第３の実施形態では、シャット弁１４ｂをオリフィス１４ａ同様に絞り部として機能させることにより、第１または第２の実施形態と同様の効果を奏する。また、このシャット弁１４ｂを用いることにより、水詰まりを容易に解消することができる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第１の実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作（通常制御）を示すフローチャートである。 窒素量Ｎおよび水蒸気量Ｖの推定処理を示すフローチャートである。 パージ流量Ｑと、オリフィス１４ａの上流と下流との圧力差ΔＰとの対応関係を示す図である。 排出流路１４内を通過する水の推移と、オリフィス上流圧力Ｐｕの推移、および、可変パージ弁４の開度の推移を時系列的に示す説明図である。 水詰まり判定処理の詳細動作を示すフローチャートである。 水詰まりが解消されないケースでの、排出流路１４内を通過する水の推移と、オリフィス上流圧力Ｐｕの推移、および、可変パージ弁４の開度の推移を時系列的に示す説明図である。 第２の実施形態に係る水詰まりの解消処理を説明する説明図である。 第３の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第３の実施形態に係る水詰まりの解消処理を説明する説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 燃料ガス供給装置
３ ガス循環装置
４ 可変パージ弁
５ コンプレッサー
６ 圧力調整弁
７ 燃料ガス供給流路
８ 循環流路
９ 空気供給流路
１０ アフタークーラー
１１ 加湿装置
１２ 排出流路（カソード側）
１３ 圧力調整弁
１４ 排出流路（アノード側）
１４ａ オリフィス
１４ｂ シャット弁
１５ 圧力センサ
１６ 圧力センサ
１７ 温度センサ
１８ 圧力センサ
１９ 大気圧センサ
２０ 制御部

Claims (11)

1. 電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設された燃料電池と、
   前記燃料電池のアノード側からの排出ガスを外部に排出する排出流路に設けられており、自己の開度に応じて前記排出ガスのパージ流量を可変に設定する可変パージ弁と、
   前記排出流路において、前記可変パージ弁よりも上流に設けられており、前記燃料電池のアノード側から排出される前記排出ガスを前記燃料電池のアノード側の入口に循環させるガス循環手段と、
   前記排出流路において、前記可変パージ弁よりも下流に設けられており、自己の絞り径が前記排出流路の内径よりも小さい絞り部と、
   前記排出流路の前記絞り部の上流側の圧力を上流圧力として検出するとともに、前記排出流路の前記絞り部の下流側の圧力を下流圧力として検出する検出手段と、
   アノード系内の窒素量に基づいて、目標パージ流量を設定し、当該設定された目標パージ流量と、前記検出手段によって検出された前記下流圧力とに基づいて、前記絞り部上流の目標圧力を設定するとともに、前記検出手段によって検出された前記上流圧力が前記目標圧力に近づくように、前記可変パージ弁の開度を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記検出手段によって検出された前記上流圧力の時系列的な推移に基づいて、前記可変パージ弁と、前記絞り部とに水詰まりが発生したか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記検出手段によって検出された前記上流圧力の時系列的な推移において、前記上流圧力が前記目標圧力よりも減少した状態から前記目標圧力よりも増加した状態へと推移する第１の変動の後に、前記上流圧力が前記目標圧力から当該目標圧力よりも増加した状態へと推移する第２の変動が発生した場合には、前記水詰まりが発生していると判定する請求項１または２に記載された燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記第１の変動の期間を前記可変パージ弁の水詰まりと判定し、前記第２の変動の期間を前記絞り部の水詰まりと判定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記水詰まりが発生していると判定した場合、前記上流圧力が前記目標圧力よりも増加した状態から前記目標圧力よりも減少した状態へと推移する第３の変動が発生した場合には、前記水詰まりが解消したと判定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記第２の変動の経過時間が、前記水詰まりの解消を判定するための判定時間に到達しても前記第３の変動が発生しない場合には、水詰まり解消処理を実行することを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記水詰まり解消処理として、前記可変パージ弁の開度を開方向へ制御することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記水詰まり解消処理として、前記上流圧力が基準圧力に到達するまで、前記可変パージ弁の開度を閉方向へ制御することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
9. 前記絞り部は、前記絞り径が可変のシャット弁であり、
   前記制御部は、前記シャット弁の絞り径が前記排出流路の内径よりも小さくなるような基準径に前記シャット弁を制御するとともに、前記水詰まり解消処理を実行する場合には、前記絞り径が前記基準径よりも大きくなるように前記シャット弁を開方向へ制御することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記排出流路から排出される窒素の積算量である窒素排出積算量と、前記アノード系内に蓄積する窒素蓄積量とに基づいて、前記アノード系内の窒素量を推定しており、前記絞り部の前記水詰まりを判定した場合には、前記窒素排出積算量の積算を停止することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
11. 電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設された燃料電池のアノード側からの排出ガスを、前記燃料電池のアノード側の入口に循環させるとともに、自己の絞り径が前記排出流路の内径よりも小さい絞り部を有する排出流路を介して外部にパージしており、アノード系内の窒素量に基づいて、目標パージ流量を設定し、当該設定された目標パージ流量に基づいて、前記絞り部上流の目標圧力を設定するとともに、前記絞り部の上流側の圧力が前記目標圧力に近づくように、パージ流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。

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