JP2007035450A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の電気化学反応において未反応で燃料電池から排出される燃料ガスを再び燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、排出された燃料ガスの脈動と供給される燃料ガスの脈動を相対的に制御して、燃料電池内の不純物の排出等、燃料電池システムの各種制御を効果的に行うことを課題とする。
【解決手段】 ガス供給手段２から燃料電池１に供給される燃料ガスが通るガス供給通路２１と、前記供給ガス通路２１と連通し、燃料電池１から排出されるアノードオフガスに含まれる燃料ガスを供給ガス通路に導く循環ガス通路２２と、前記循環ガス通路と前記供給ガス通路が連通する連通部より上流の供給ガス通路における燃料ガスと前記循環ガス通路を通る燃料ガスのうち少なくともいずれか一方の燃料ガスの脈動を他方の脈動に基づいて制御する脈動制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料電池の電気化学反応によって電気エネルギを得るものである。前記燃料電池には、水素等の燃料ガスと酸素を有する酸化ガスが供給され、この燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気エネルギと水が発生する。

電気化学反応によって生成された水は、通常オフガスとともに燃料電池外へ排出される。しかし、前記排出が迅速に行われず、燃料電池内に水が滞留すると、酸化ガス等の供給や透過の妨げとなり、燃料電池の出力効率の低下をまねくおそれがある。従って、従来の燃料電池システムには、燃料電池に供給する酸化ガスの圧力を断続的に変化させて、断続的に高圧の酸化ガスを燃料電池に供給し、当該高圧の酸化ガスによって燃料電池内に滞留した水の排出を促すように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−９３５４５号公報 特開２００１−３１７７６９号公報 特開２００４−３４２４７３号公報 特開２００２−３５８９９０号公報 特開２００３−３１７７５２号公報 特開２００４−３６２７９０号公報

前記燃料電池システムによれば、断続的に高圧の酸化ガスを燃料電池に供給することによって、燃料電池内に滞留した水の移動を促進させ、水を効果的に除去することができる。しかし、前記燃料電池システムは、酸化ガスとともに水素ガスが燃料電池に供給されており、水素ガスを循環させる水素循環ポンプを備えたシステムにおいては、燃料電池に供給される水素ガスに発生する脈動によって酸化ガスの脈動が打ち消され、十分な水の排出効果を得ることができないことがある。

本発明は、前記問題に鑑みて為されたものであり、燃料電池の電気化学反応において未反応で燃料電池から排出される燃料ガスを再び燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、排出された燃料ガスの脈動と供給される燃料ガスの脈動を相対的に制御して、燃料電池内の不純物の排出等、燃料電池システムの各種制御を効果的に行うことを課題とする。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記ガス供給手段と前記燃料電池を繋ぐ供給ガス通路と、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路から分岐して、該アノードオフガス通路と前記供給ガス通路を繋ぎ、前記アノードオフガスに含まれる燃料ガスが通る循環ガス通路と、前記循環ガス通路上に設けられ、該循環ガス通路を通る燃料ガスを前記供給ガス通路に導く循環手段と、前記循環ガス通路と前記供給ガス通路が連通する連通部より上流の供給ガス通路における燃料ガスと前記循環ガス通路を通る燃料ガスのうち少なくともいずれか一方の燃料ガスの脈動を他方の脈動に基づいて制御する脈動制御手段と、を備えることを
特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に供給する燃料ガスの脈動と、燃料電池から排出され燃料電池に再び供給される循環ガス通路を通る燃料ガスの脈動と、のうち少なくともいずれか一方の脈動を他方の脈動に基づいて脈動制御手段によって制御することにより、前記供給ガス通路と循環ガス通路との連通部において合流する燃料ガスの脈動の振幅を制御して、燃料電池システムにおける各種制御の効果又は精度を向上させる。

前記燃料電池システムにおける各種制御の効果又は精度とは、例えば、燃料電池内に生成水、不純物ガス等の不純物が滞留した際の不純物の排出効果や、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量の測定精度や、燃料電池に供給する燃料ガスのガス欠防止効果が例示できる。供給ガス通路を通る燃料ガスの脈動と、燃料電池から排出され、再び供給ガス通路に導かれる燃料ガスの脈動と、を相対的に制御することにより、合流する燃料ガスの脈動を適宜に制御して、燃料電池システムの各種制御の効果又は精度を向上させることが可能となる。

前記脈動制御手段における燃料ガスの脈動の制御とは、少なくとも一方の燃料ガスの位相、振幅、変位、周期等を他方の燃料ガスとの関係で制御することである。具体的には、前記循環手段としての燃料ガスのポンプ、ガス供給手段のインジェクタ等によって燃料ガスの脈動を制御する。尚、前記燃料ガスの脈動の制御は、供給ガス通路を通る燃料ガスと循環ガス通路を通る燃料ガスのうちいずれか一方を制御してもよいし、双方を制御してもよく、一方の脈動を他方との関係で制御できればよい。

また、本発明に係る前記脈動制御手段は、前記循環手段を通過した燃料ガスが循環ガス通路と供給ガス通路との連通部に到達する時間と、前記ガス供給手段から供給された燃料ガスが供給ガス通路と循環ガス通路との連通部に到達する時間と、を算出し、当該算出した到達時間に基づいて、燃料ガスの脈動を制御することを特徴としてもよい。燃料ガスの到達時間も考慮して脈動を制御することにより、より正確に合流する燃料ガスの脈動を制御することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記循環手段が前記燃料ガスを圧送する循環ポンプである場合、前記脈動制御手段が、前記供給ガス通路と循環ガス通路が連通する連通部において合流する燃料ガスの脈動の振幅を増加させるように、前記循環手段を制御することを特徴としてもよい。供給ガス通路と循環ガス通路とは連通しており、両通路を通過する燃料ガスは、連通部において合流する。この合流部において、循環ポンプを制御して供給ガス通路の燃料ガスと循環ガス通路の燃料ガスの脈動の山（圧力のピーク値）と山を重ねることで、合流する燃料ガスの脈動の振幅を合流前と比較して増大させることができる。

燃料ガスの脈動の振幅を増大させることにより、以下の制御を行うことができる。例えば、燃料電池のアノード（燃料極）側の電極付近で電気化学反応によって得られる水分が過多になるフラッディングが生じた際に、燃料電池に供給する燃料ガスの脈動の振幅を増大させることにより、高圧力の燃料ガスの供給により燃料電池内に堆積する水分の移動を促進して、フラッディングを回避することができる。

また、前記フラッディングが発生し、燃料電池内のアノードオフガスを排出したい際に合流する燃料ガスの脈動の振幅を増大させることにより、排出されるアノードオフガスの脈動も増大させることができる。この増大させたアノードオフガスの脈動の山に合わせてアノードオフガスを排出することにより、アノードオフガスの瞬間排出量を増大でき、より効果的にアノードオフガスを排出することが可能となる。

また、本発明は、前記アノードオフガス通路上に設けられ、該アノードオフガス通路を通るアノードオフガスの排出を制御する排出弁と、前記排出弁の開閉を制御する排出弁制御手段と、を更に備え、前記排出弁制御手段は、前記排出弁に到達する燃料ガスの脈動がピーク値を向かえる近傍において排出弁を開かせることを特徴としてもよい。

前記燃料ガスの脈動を制御して、循環ガス通路と供給ガス通路の連通部で合流する燃料ガスの脈動の振幅を増大させることにより、アノードオフガス通路の排出弁に到達する燃料ガスの脈動の振幅は増大する。前記排出弁制御手段によって、排出弁に到達する脈動の振幅がピーク値を向かえる近傍において排出弁を開かせることにより、排出弁を通過する（排出する）オフガスの瞬間流量を増大させ、効率よくアノードオフガスの排出を行うことができる。尚、前記脈動のピーク値の近傍とは、圧力が最も高いピーク値のみでなく、その前後を含むものであり、効率よくアノードオフガスの排出を行うことができる圧力値であればよい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいては、前記循環手段が前記燃料ガスを圧送する循環ポンプである場合、前記脈動制御手段が、前記供給ガス通路と前記循環ガス通路とが連通する連通部において合流する燃料ガスの脈動の振幅が低減するように、前記循環手段を制御することを特徴としてもよい。前記供給ガス通路と循環ガス通路とは連通しており、両通路を通過する燃料ガスは、連通部において合流する。この合流部において、循環ポンプを制御して供給ガス通路の燃料ガスと循環ガス通路の燃料ガスの脈動の山と谷（圧力の最小値）を合わせることで、合流する燃料ガスの脈動の振幅を合流前と比較して小さくすることができる。

燃料ガスの脈動の振幅を低減させることにより、以下の制御を行うことができる。例えば、燃料電池の起動時において、燃料電池のアノード側に酸化ガスが滞留している場合、燃料電池を起動させるために、酸化ガスを燃料ガスに置換する必要がある。このガス置換の際、燃料電池に供給する燃料ガスの脈動振幅を低減させることにより、単位時間あたりの燃料ガスの供給量が一定化するため、酸化ガスから燃料ガスの置換量を正確に算出することが可能となり、燃料ガスの過度な供給を防ぐことができる。

さらに、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給流量を検出するガス流量検出手段を更に備えた燃料電池システムにあっては、前記脈動制御手段が、前記ガス流量検出手段によって燃料ガスの流量を検出する際に、燃料ガスの脈動が低減するように制御することを特徴とすることが望ましい。

前記ガス流量検出手段によって、燃料電池に供給する燃料ガスの供給流量を検出する際に燃料ガスの脈動が大きいと、供給流量が常時大きく変動するため、検出する供給流量の精度が低くなるおそれがある。前記燃料電池に供給される燃料ガスの脈動を低減することにより、供給流量の変動を抑制し、燃料ガスの流量の検出精度を向上させることができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池に供給された燃料ガスの圧力を検出するガス圧検出手段を更に備え、前記脈動制御手段は、前記ガス圧検出手段によって検出された燃料ガスの圧力が所定圧力以下で燃料電池が起動する際に、燃料ガスの脈動を制御することを特徴としてもよい。

前記所定圧力とは、燃料電池の発電処理を行うために必要な圧力である。燃料電池の起動時は、前記ガス供給手段によって所定圧力以上になるように燃料ガスを供給する。また、燃料電池に供給される燃料ガスの供給流量は、一般的にインジェクタ等の噴射制御手段
によって脈動が生じる。燃料電池を起動させるためには、燃料ガスの脈動の谷においても前記所定圧力以上であることが必要である。供給する脈動の振幅が大きいと、全体として燃料ガスの圧力を高くしなければならず、起動時に多量の燃料ガスが必要となる。

従って、燃料ガスの脈動を制御して、その振幅を低減させることが望ましい。燃料ガスの振幅を低減させることにより、燃料ガスの供給流量のバラツキを抑え、供給する燃料ガス量を発電最小限の燃料ガス量に近づけることができ、省エネルギ化を図ることができる。

また、前記ガス圧検出手段を備える燃料電池システムにあっては、燃料電池に供給した燃料ガスのリーク量を検出する際に、燃料ガスの脈動を制御することが望ましい。燃料ガスのリーク量は、供給した燃料ガス量と燃料電池内の燃料ガスの圧力変化により、燃料ガスの圧力変化に供された燃料ガス量を供給ガス量から減ずることにより算出できる。前記燃料ガスの流量検出精度を向上させることにより、燃料ガス量及びリーク量の算出精度を向上させることができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記循環ガス通路との連通部より上流の供給ガス通路を通る燃料ガスの脈動、前記循環ガス通路を通る燃料ガスの脈動、及び供給ガス通路と循環ガス通路の連通部より下流を通る燃料ガスの脈動、を検出し、これらの燃料ガスの脈動から循環ガス通路を通る燃料ガスの逆流を検出する逆流検出手段を更に備えることを特徴とすることが望ましい。

前記逆流検出手段は、前記循環ガス通路との連通部より上流の供給ガス通路を通る燃料ガスの脈動、前記循環ガス通路を通る燃料ガスの脈動、及び供給ガス通路と循環ガス通路の連通部より下流を通る燃料ガスの脈動、からガス循環通路における燃料ガスの逆流を検出する。燃料ガスが逆流しない状態では、供給ガス通路と循環ガス通路の連通部より下流を通る燃料ガスの脈動は、供給ガス通路を通る燃料ガスと循環ガス通路を通る燃料ガスとを合わせた脈動となる。

しかし、循環ガス通路で逆流が生じていると、供給ガス通路と循環ガス通路の連通部より下流を通る燃料ガスの脈動は、供給ガス通路を通る燃料ガスと循環ガス通路を通る燃料ガスとを合わせた脈動とならない。従って、逆流検出手段によって、各通路を通る燃料ガスの脈動を検出し、供給ガス通路と循環ガス通路の連通部より下流を通る燃料ガスの脈動がガス供給手段と循環手段を通る燃料ガスの脈動を合わせた脈動でない場合には、燃料ガスが逆流していると判定する。このように本発明によれば、燃料ガスの脈動を検出して、逆流を容易に検知することができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記ガス供給手段によって供給された燃料ガスが燃料電池に到達するガスの到達速度を検出し、該ガスの到達速度によって燃料ガスの濃度を推定するガス濃度推定手段を更に備えることを特徴とすることが望ましい。

燃料ガスは、ガス供給手段から燃料電池に供給され、その到達速度は供給ガス通路の燃料ガス濃度によって一定である。従って、ガス供給手段から燃料電池までの燃料ガスの到達速度を検出し、この到達速度によって燃料ガスの濃度を推定することができる。燃料ガスの濃度を推定することにより、燃料ガス濃度に応じた燃料電池の発電処理を行うことができる。例えば、起動時において燃料ガスの濃度が低い場合には、前記フラッディング対策を行ったり、燃料ガスの供給圧力を高くしたりすることにより、適切に発電処理を行うことが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の電気化学反応において未反応で燃料電池から排出される燃料ガスを再び燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、排出された燃料ガスの脈動と供給される燃料ガスの脈動を相対的に制御して、燃料電池内の不純物の排出等、燃料電池システムの各種制御を効果的に行うことができる。

発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池１と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１に水素ガスを供給するガス供給手段としての高圧水素タンク２と、前記高圧水素タンク２から水素ガスを供給ガス通路２１に放出するインジェクタ３と、燃料電池１に空気を供給する空気供給装置４と、燃料電池１から排出される水素ガスを循環させる循環手段としてのポンプ５と、電子制御装置（ＥＣＵ）６と、燃料電池１のアノード側から排出されたアノードオフガスを大気へ排出する排出弁７と、燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出するガス圧検出手段としての第一の圧力計３１と、を備えている。

前記高圧水素タンク２から放出された水素ガスは、供給ガス通路２１を通って、燃料電池１に供給される。燃料電池１に供給された水素ガスは電気化学反応に供され、未反応の燃料ガスは燃料電池１のアノード側からアノードオフガス通路２３に排出される。このアノードオフガス通路２３は、循環ガス通路２２と分岐している。前記供給ガス通路２１と循環ガス通路２２は連通しており、連通部Ａより下流の合流ガス通路２４は、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２の水素ガスが合流する。燃料電池１から排出されたアノードオフガスは、燃料ガスが含まれている場合には循環ガス通路２２を通って供給ガス通路２１に導かれ、再び燃料電池１に供給される。また、燃料電池１から排出されたアノードオフガスをシステムから排出する際は、前記アノードオフガス通路２３を通って、大気へ放出される。

前記供給ガス通路２１、前記循環ガス通路２２、前記排出ガス通路２３、及び前記合流ガス通路２４には、それぞれの通路を通る水素ガスの脈動を検出する第二から第五の圧力計３２〜３５が設けられている。前記燃料電池１内に設けられた第一の圧力計３１を含めた第一から第五の圧力計３１〜３５によって検出された脈動は、前記ＥＣＵ６に入力されるように構成されている。

前記燃料電池１は、水素と酸素とを電解質を介して電気化学的に反応させて電気エネルギを得るものである。本実施例１に係る燃料電池１は、燃料電池を電源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。

前記高圧水素タンク２は、高圧水素が貯蔵されており、水素ガスを燃料電池１に供給する。前記インジェクタ３による高圧水素タンク２の水素ガスの供給は、ＥＣＵ６によって制御されている。このインジェクタ３は、ＥＣＵ６の制御によって、設定された流量で水素ガスを供給ガス通路２１に放出している。ＥＣＵ６は、ガス流量検出手段の機能を備えている。

前記第一の圧力計３１は、燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出する。前記燃料電池１の発電停止中に高圧水素タンク２から水素ガスが供給されると、燃料電池１内の水素ガスの圧力は増加する。一方、燃料電池１の発電中に水素ガスが供給されても、水素ガスは消費され、水素ガスの圧力は減少するか、供給と消費が保たれ圧力は変化しない。第一の圧力計３１は、この燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出する。

前記電子制御装置（ＥＣＵ）６は、前記第一から第五の圧力計３１〜３５によって検出された値が入力されるように構成され、この入力された値に基づいて前記インジェクタ３やポンプ５を制御して水素ガスの脈動を制御したり、前記排出弁６の開閉を制御したり、検出された脈動に基づいて水素ガスの逆流を検出したり、水素ガスの伝達速度を検出したりする。ＥＣＵ６は、本発明における脈動制御手段、排出弁制御手段、逆流検出手段、水素濃度検出手段の機能を備えている。

以下、上記のように構成された燃料電池システムにおける水素ガスの脈動の制御によるシステムの各種制御について詳細に説明する。以下に説明する各種制御は、前記ＥＣＵ６によって実行され、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

＜フラッディング防止制御＞
フラッディングとは、燃料電池の電解質膜付近での水分が過多となり、ガスの拡散が阻害される現象である。フラッディングが生じると、そのままでは燃料電池の性能が下げるため、燃料電池１内に滞留する水分を燃料電池１外へ排出する制御を行う。フラッディング防止制御とは、フラッディングが想定された際における燃料電池１内の水分の排出制御であり、その処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、前記フラッディングが生じているか否かを判定して（Ｓ１０１）、フラッディングが生じていると判定された場合には、第二の圧力計３２と第三の圧力計３３によって、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動を検出する（Ｓ１０２）。一方、Ｓ１０１においてフラッディングが生じていないと判定した場合には、フラッディング防止制御を行う必要がないため、処理を終了する。

次いで、ＥＣＵ６は、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２の連通部Ａにおいて、供給ガス通路２１を通る水素ガスと循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動の山（圧力のピーク値）と山が合流するように、インジェクタ３を制御する（Ｓ１０３）。インジェクタ３を制御することにより、供給ガス通路２１を通る燃料ガスの位相をずらし、供給ガス通路２１を通る燃料ガスの脈動を循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動と合わせることができる。

尚、この燃料ガスの脈動を制御する際は、水素ガスの脈動を検出した第二と第三の圧力計３２、３３から燃料ガスが合流する連通部Ａまでの到達時間を考慮して制御する。到達時間を考慮することにより、互いの通路を通る水素ガスの山と山を正確に合わせることができる。

さらに、水素ガスの脈動を制御する際に、前記第一の圧力計３１によって燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出して、当該圧力によってインジェクタ３の開閉を制御してもよい。具体的には、燃料電池１内の水素ガスの圧力が目標圧力（例えば、発電に必要な圧力）に達していない際に脈動を制御するときは、インジェクタ３を開く（水素ガスの供給を開始する）ことによって、循環ガス通路２２を通る水素ガスとの脈動を合わせる。一方、燃料電池１内の圧力が目標圧力に達している際に脈動の制御をするときは、インジェクタ３を閉めることにより（水素ガスの供給を停止する）ことにより、循環ガス通路２２を通る水素ガスとの脈動を合わせる。このように燃料電池１内の圧力によってインジェクタ３による脈動の制御方法を変えることにより、必要量の水素ガスの供給によって燃料電池１の発電を行うことが可能となる。

以上のようにして供給ガス通路２１を通る水素ガスの脈動と循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動との山と山を合わせ、合流ガス通路２４を通る燃料ガスの脈動を合流前の脈動より増大させることにより、燃料電池１に高圧力の水素ガスを供給する（Ｓ１０４）。
このように大きな振幅の脈動を燃料電池１に供給することにより、燃料電池内に滞留する水分の移動が促進され、フラッディングを回避することが可能となる。

また、フラッディング防止のために、燃料電池１のアノードオフガスを排出する際は、前記と同様に供給ガス通路２１を通る水素ガスと循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動の山と山とが重なるように制御して、燃料電池１に脈動の振幅が増大された水素ガスを供給する。これにより、燃料電池１から排出されるアノードオフガスの脈動の振幅も増大される。そして、アノードオフガス通路２３を通る水素ガスの脈動を第四の圧力計３４によって検出し、前記排出弁７に到達するアノードオフガスの脈動の振幅がピーク値を向かえる近傍において排出弁７を開く。前記排出弁７に到達するアノードオフガスの脈動の振幅が増大されているため、排出弁７から放出される瞬間流量は増大され、オフガスの排出能力を向上させ、フラッディング防止を促進することができる。

この排出弁７を開くタイミング（脈動振幅が大きい際に排出弁を開くこと）は、水素ガスの脈動の制御をしたときのみならず、水素ガスの脈動を制御せずにアノードオフガスを排出する際にも適用することができる。いずれの場合においても排出弁７に到達する水素ガスの脈動の振幅がピーク値を向かえる近傍において排出弁７を開くことにより、排出弁７の瞬間排出流量を増大させ、排出能力を向上させることができる。

なお、前記フラッディング防止制御における水素ガスの脈動制御は、高圧水素タンク２から供給される水素ガスの脈動をインジェクタ３によって調整することにより行ったが、前記ポンプ５によって循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動を調整して水素ガスの脈動を制御してもよいし、インジェクタ３とポンプ５の両方を用いて水素ガスの脈動を制御してもよい。

＜ガス置換制御＞
ガス置換制御とは、燃料電池１の起動時において、燃料電池１のアノード側に酸化ガスが滞留している場合、燃料電池１を起動させるため酸化ガスを水素ガスに置換する制御である。図３に示すフローチャートに基づいてガス置換制御について詳細に説明する。

前記第二の圧力計３２と第三の圧力計３３によって、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動を検出する（Ｓ２０１）。次いで、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２の連通部Ａにおいて、供給ガス通路２１を通る水素ガスと循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動の山と谷が合流するように、インジェクタ３を制御する（Ｓ２０２）。このようにインジェクタ３を制御することにより、合流ガス通路２４を通る水素ガスの脈動の振幅を低減することができる。そして、燃料電池１には、脈動の振幅が低減された水素ガスが供給される（Ｓ２０３）。

燃料電池１内の酸化ガスを水素ガスに置換する際に、供給する水素ガスの脈動の振幅が大きいと、圧力のバラツキにより、酸化ガスから水素ガスの置換量を正確に算出することができない。しかし、前記脈動の制御により、燃料電池に供給する水素ガスの脈動の振幅を抑え、近似した圧力で水素ガスを供給でき、水素ガスの置換量の算出精度を向上させることができる。

＜水素流量検出における脈動制御＞
水素流量検出における脈動制御とは、燃料電池１に供給する水素ガスの流量を検出する際の水素ガスの脈動制御である。燃料電池１のアノード側に供給された水素ガスは、電気化学反応に供されるが、その一部はアノード側から電解質膜を通過してカソード側に透過するクロスリークが生じる。このクロスリークが生じると燃料によっては、発電効率が大幅に低下するおそれがあり、特に燃料電池１の起動時においては電解質膜の劣化度合いを
知るためにクロスリーク量を正確に把握する必要がある。従って、水素ガスの供給量と、水素ガスの供給による燃料電池１内の水素ガスの圧力変化と、から水素ガスのリーク量を算出する。ある水素ガスの供給量に対する燃料電池１内の水素ガスの圧力変化量を検出することにより、水素ガスのリーク量を算出することができる。

すなわち、水素ガスのリーク量は、燃料電池１に供給した水素ガスの圧力変化量から圧力変化に使われた水素ガス量を算出し、供給ガス量から圧力変化に使われた水素ガス量を減じた量である。

図４は、水素流量検出における脈動制御処理を示すフローチャートである。第二の圧力計３２と第三の圧力計３３によって、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動を検出する（Ｓ３０１）。次いで、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２の連通部Ａにおいて、供給ガス通路２１を通る水素ガスと循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動の山と谷が合流するように、インジェクタ３を制御する（Ｓ３０２）。このようにインジェクタ３を制御することにより、合流ガス通路２４を通る水素ガスの脈動を低減することができる。

次いで、第一の圧力計３１によって、燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出する（Ｓ３０３）。水素ガスの供給を開始して、一定時間経過後、再度第一の圧力計３２によって燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出する（Ｓ３０４）。インジェクタ３の供給流量と経過時間とから水素ガスの供給量を算出する（Ｓ３０５）。Ｓ３０３とＳ３０４によって検出した圧力値から圧力変化量を算出し、圧力変化を生じさせた水素ガス量の理論値を算出する（Ｓ３０６）。Ｓ３０５で算出した供給量からＳ３０６で求めた水素ガス量を減じて、水素ガスのリーク量を算出する（Ｓ３０７）。

水素ガスのリーク量を算出する際に、前記水素ガスの脈動の制御によって、合流ガス通路を通る水素ガスの脈動の振幅を低減させることにより、供給する水素ガスの流量の算出精度が向上し、更には水素ガスのリーク量の算出精度を向上させることができる。

＜燃料電池の起動制御＞
燃料電池の起動制御とは、発電に必要な最低圧力の水素ガスで燃料電池１を起動させる際の脈動制御であり、その処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。燃料電池１内において発電に必要な水素ガスの所定圧力は定まっており、その所定圧力以下であると発電を行うことができない。また、供給する水素ガスには脈動が生じており、燃料電池１を起動する際は、脈動の谷（圧力が最も低い）において前記所定圧力を超えている必要がある。

燃料電池１に供給する水素ガスの脈動の振幅が大きい、すなわち、圧力の高低差が大きいと、供給する水素ガスの圧力を全体として高くしなければならない。しかし、供給する水素ガスの脈動を低減することにより、水素ガスの圧力が一定値に近づき、発電に必要な最小限の圧力に近い圧力で水素ガスを供給することができ、効率良く運転することができる。例えば、電解質膜に軽微な孔が開いてガス漏れが生じている際に、燃料電池１に供給する（合流ガス通路２４を通る）水素ガスの脈動の振幅を低減させることにより、ガス漏れ量を少なくすることができる。

燃料電池１の起動制御は、まず、第二の圧力計３２によってインジェクタ３により放出された供給ガス通路２１を通る水素ガスの脈動を検出して（Ｓ４０１）、水素ガスの脈動の谷となる圧力が所定圧力以上であるか否かを判定する（Ｓ４０２）。脈動の谷の圧力が所定圧力以下であるときは、インジェクタ３を調整して水素ガスの流量を高める（Ｓ４０３）。Ｓ４０２において、検出した水素ガスの脈動の谷の圧力が所定圧力以上である場合
、又は、Ｓ４０３におけるインジェクタ３の調整により、所定圧力以上となった場合には、第三の圧力計３３によって循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動を検出する（Ｓ４０４）。

ＥＣＵ６は、供給ガス通路２１を通る水素ガスの脈動を循環ガス通路２２を通る脈動との関係でインジェクタ３を調整して、合流ガス通路２４を通る水素ガスの脈動の振幅を抑える（Ｓ４０５）。このとき、合流ガス通路２４を通る水素ガスの脈動の谷が所定圧力以下とならないようにする。このように水素ガスの脈動の振幅を低減させることにより、燃料電池１の発電可能な所定圧力を保ちつつ、供給する水素ガス量を少なくすることができ、燃料電池１の発電効率を向上させることができる。

＜水素濃度検出制御＞
水素濃度検出制御とは、水素ガスの伝播（到達）速度から水素ガスの濃度を検出する制御である。水素ガスの濃度を検出することにより、燃料電池の水素ガス系内の状況を把握して、適切に燃料電池１を発電させることができる。

図６は、水素濃度検出制御の処理を示すフローチャートである。インジェクタ３によって水素ガスの供給を開始して（Ｓ５０１）、第二の圧力計３２と第三の圧力計３３を水素ガスが通過した時間から、水素ガスの伝播速度を算出する（Ｓ５０２）。この水素ガスの伝播速度は、通過した供給ガス通路２１の水素ガス濃度により異なる。従って、算出した伝播速度から水素ガスの濃度を検出する（Ｓ５０３）。ＥＣＵ６は、検出した水素ガスの濃度に応じて、燃料電池１、インジェクタ３、空気供給装置４等を制御して、水素ガス濃度に応じた制御を行うことが可能となる。

また、前記水素濃度検出制御と合わせて、前記脈動の制御を行うことにより、水素ガスの濃度に応じて、水素ガスの供給量を増大させたり、適切にフラッディング対策を行ったりすることが可能となる。

＜逆流検出制御＞
逆流検出制御とは、循環ガス通路２２を通る水素ガスの逆流を検知する制御である。図７は、逆流検出制御の処理を示すフローチャートである。まず、第二の圧力計３２と第三の圧力計３３、及び第五の圧力計３５によって、循環ガス通路２２との連通部Ａより上流の供給ガス通路２１を通る水素ガスの脈動、循環ガス通路２２を通る水素ガスの脈動、及び合流ガス通路２４を通る水素ガスの脈動を検出する（Ｓ６０１）。

次いで、合流ガス通路２４の水素ガスの脈動が、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２から合流した水素ガスの脈動に対応するか否かを判定する（Ｓ６０２）。このＳ６０２の判定の結果、合流ガス通路２４の水素ガスの脈動が、供給ガス通路２１と循環ガス通路２２から合流した水素ガスの脈動に対応する場合には、逆流は生じていないと判定し（Ｓ６０３）、対応しない場合には、逆流が生じていると判定する（Ｓ６０４）。このように、各通路を通る水素ガスの脈動を検出して、循環ガス通路２２を通る水素ガスの逆流を容易に検知することができる。

実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成図である。 実施の形態に係るフラッディング防止制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係るガス置換制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係る水素流量検出における脈動制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係る燃料電池の起動制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係る水素濃度検出制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係る逆流検出制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 高圧水素タンク
３ インジェクタ
４ 空気供給装置
５ ポンプ
６ 電子制御装置（ＥＣＵ）
７ 排出弁
１０ 燃料電池システム
２１ 供給ガス通路
２２ 循環ガス通路
２３ アノードオフガス通路
２４ 合流ガス通路
３１ 第一の圧力計
３２ 第二の圧力計
３３ 第三の圧力計
３４ 第四の圧力計
３５ 第五の圧力計

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   前記ガス供給手段と前記燃料電池を繋ぐ供給ガス通路と、
   前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路と、
   前記アノードオフガス通路から分岐して、該アノードオフガス通路と前記供給ガス通路を繋ぎ、前記アノードオフガスに含まれる燃料ガスが通る循環ガス通路と、
   前記循環ガス通路上に設けられ、該循環ガス通路を通る燃料ガスを前記供給ガス通路に導く循環手段と、
   前記循環ガス通路と前記供給ガス通路が連通する連通部より上流の供給ガス通路における燃料ガスと前記循環ガス通路を通る燃料ガスのうち少なくともいずれか一方の燃料ガスの脈動を他方の脈動に基づいて制御する脈動制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記循環手段は、前記燃料ガスを圧送する循環ポンプであって、
   前記脈動制御手段は、前記供給ガス通路と前記循環ガス通路が連通する連通部において合流する燃料ガスの脈動の振幅が増加するように、前記循環手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記アノードオフガス通路上に設けられ、該アノードオフガス通路を通るアノードオフガスの排出を制御する排出弁と、
   前記排出弁の開閉を制御する排出弁制御手段と、を更に備え、
   前記排出弁制御手段は、前記排出弁に到達する燃料ガスの脈動がピーク値を向かえる近傍において排出弁を開かせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環手段は、前記燃料ガスを圧送する循環ポンプであって、
   前記脈動制御手段は、前記供給ガス通路と循環ガス通路が連通する連通部において合流する燃料ガスの脈動の振幅が低減するように、前記循環手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給流量を検出するガス流量検出手段を更に備え、
   前記脈動制御手段は、前記ガス流量検出手段によって燃料ガスの流量を検出する際に、燃料ガスの脈動の振幅を低減するように制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に供給された燃料ガスの圧力を検出するガス圧検出手段を更に備え、
   前記脈動制御手段は、前記ガス圧検出手段によって検出された燃料ガスの圧力が所定圧力以下で燃料電池が起動する際に、燃料ガスの脈動の振幅を低減するように制御することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記循環ガス通路との連通部より上流の供給ガス通路を通る燃料ガスの脈動、前記循環ガス通路を通る燃料ガスの脈動、及び供給ガス通路と循環ガス通路の連通部より下流を通る燃料ガスの脈動、を検出し、これらの燃料ガスの脈動から循環ガス通路を通る燃料ガスの逆流を検出する逆流検出手段を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記ガス供給手段によって供給された燃料ガスが燃料電池に到達するガスの到達速度を
   検出し、当該ガスの到達速度によって燃料ガスの濃度を推定するガス濃度推定手段を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。

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