JP2007157544A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を通過した空気を燃料電池の上流へ循環させる燃料電池システムにおいて、循環する空気の流量を制御して燃料電池の負荷に応じた空気をカソードに供給することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池２を通過した空気を燃料電池２の上流へ循環させる空気循環流路１５を備え、燃料電池２のセル電圧が予め設定された所定電圧ＶＬ以下となるように空気供給装置１０の回転数と空気流量調整弁１３の開度をコントロールして空気循環流路１５を流れる空気の循環流量を制御することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を通過した酸化剤ガスを燃料電池の上流へ循環させる燃料電池システムに係り、特に燃料電池のセル電圧に基づいて循環させる酸化剤ガスの流量を制御する燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源として、燃料電池技術が注目されている。

この燃料電池は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気とを燃料電池スタックに供給し、電気化学反応を起こして発電するエネルギー変換システムである。このような燃料電池システムの中には、空気循環ブロアを備えて燃料電池を通過したカソード排ガスを燃料電池の上流へ循環させ、カソードへ供給されるガスに混入するようにしているものがある。この従来例では、燃料電池を通過したカソード排ガスを燃料電池の上流へ循環させる再循環ラインを備え、燃料電池のカソード入口におけるカソードガスの温度が所定の範囲になるように再循環ラインを流れるガスの流量を制御している（特許文献１参照）。
特開平７−１６１３７１号公報

上述した従来の燃料電池システムでは、カソードガスの温度に基づいて再循環ラインを流れるガスの流量を制御しているので、燃料電池の負荷に関係なく再循環ラインの流量が調整されてしまい、低負荷のときに燃料電池のセル電圧の上昇を抑制して燃料電池の劣化を防止するような運転をすることができなかった。また、高負荷のときには比較的酸素濃度の高い空気を供給して燃料電池の発電効率を高くするような運転をすることができなかった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を通過した酸化剤ガスを前記燃料電池の上流へ循環させる酸化剤循環流路と、前記燃料電池の運転制御及び前記酸化剤循環流路の循環流量を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が予め設定された所定電圧以下となるように前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量を制御することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池のセル電圧が予め設定された所定電圧以下となるように酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量を制御するので、燃料電池の負荷に応じた酸化剤ガスをカソードに供給することが可能となる。特に、低出力時またはＯＣＶ状態のときに燃料電池のセル電圧が所定電圧以下となるように循環する酸化剤ガスの流量を制御することができ、これによって電圧サイクル及びＯＣＶ状態において高電位による電極触媒の劣化を抑制することができる。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池システム１を制御するコントローラ（制御手段）３と、水素ガスを貯蔵する高圧水素タンク４と、高圧水素タンク４から燃料電池２のアノードに水素ガスを供給する水素供給流路５と、アノードに供給される水素ガスの圧力を調節する水素調圧弁６と、燃料電池２で消費されなかった水素ガスを再循環させる水素循環流路７と、水素循環流路７内の水素ガスを循環させる水素循環ポンプ８と、燃料電池２における反応で使用されない不純物を水素循環流路７から排出するパージ弁９と、外部から吸入した空気を加圧して燃料電池２のカソードに供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）１０と、空気供給装置１０に吸入される空気から異物を取り除く空気フィルタ１１と、空気供給装置１０から燃料電池２のカソードへ空気を供給する空気供給流路１２と、燃料電池２のカソードにおける空気流量を調整する空気流量調整弁１３と、燃料電池２のカソード排ガスを外部へ排気する排気流路１４と、燃料電池２を通過した空気を燃料電池２の上流へ循環させる空気循環流路（酸化剤循環流路）１５と、空気循環流路１５における空気の流れを遮断する遮断弁１６とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極） ：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
また、燃料電池２に水素ガスを供給する水素供給系では、高圧水素タンク４から水素供給流路５を通じて燃料電池２のアノードに水素ガスが供給され、水素調圧弁６の開度を調節することによって燃料電池２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。また、燃料電池２のアノードで消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ８によって水素循環流路７を通じて燃料電池２のアノードに再循環されている。さらに、燃料電池２のアノード出口にはパージ弁９が設置され、水素供給系内に蓄積した窒素を排出している。

一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、空気フィルタ１１を介して外気から空気が吸入され、空気供給装置１０によって加圧された空気を燃料電池２のカソードに供給している。カソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値がコントローラ３にフィードバックされ、この検出値に基づいてコントローラ３が空気供給装置１０の回転数及び空気流量調整弁１３の開口面積を調節することによってカソードにおける空気流量が制御されている。

コントローラ３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたマイクロコンピュータによって構成され、図示しない各種センサで検出された検出値に基づいて各弁や空気供給装置１０、水素循環ポンプ８を制御している。特に、燃料電池２の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が予め設定された所定電圧以下となるように空気循環流路１５を流れる空気の循環流量を制御している。

次に、本実施形態の燃料電池システム１によるセル電圧制御処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず燃料電池２が要求された出力を発生している通常の運転状態において、出力低下指令信号がコントローラ３に入力されると（Ｓ１０１）、コントローラ３は、燃料電池２の単セルにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性に基づいて入力された出力低下指令値からセル電圧予測値を算出し、このセル電圧予測値が、燃料電池２の電極触媒の劣化を抑制するために予め設定された所定電圧ＶＬより大きいか否かを判定する（Ｓ１０２）。

ここで、所定電圧ＶＬに関して図３に基づいて説明する。燃料電池システムでは、燃料電池に要求される出力変動に伴って繰り返し高電圧状態が発生し、この高電圧状態をサイクリック高電圧という。

図３に示すように、サイクリック高電圧の値が変化して高くなると、電極触媒の溶出等の劣化が発生して燃料電池のセル電圧が低下していく。これは、サイクリック高電圧によって到達する電圧が高くなるほど劣化率が大きくなることを意味している。

したがって、セル電圧の劣化が急激に大きくなる図３のＡ点を所定電圧ＶＬとして設定し、この所定電圧ＶＬを超えないように管理することによって、燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。特に、燃料電池の出力電流が低くなる場合にセル電圧が所定電圧ＶＬを超えないようにするためには、カソード入口に低酸素空気を供給することによってセル電圧の上昇を防止することができ、燃料電池スタックの性能低下を抑制することができる。

このようにして設定された所定電圧ＶＬに対して、ステップＳ１０２において所定電圧ＶＬとセル電圧予測値とを比較し、セル電圧予測値が所定電圧ＶＬ以下になるときには出力低下指令信号で指令された出力まで燃料電池２の出力を低下させて通常運転を実施する。

一方、セル電圧予測値が所定電圧ＶＬより大きくなるときには、燃料電池２のカ ソード出口における酸素濃度を低下させるために、空気供給装置１０の回転数を低下させて燃料電池２に供給される空気の流量を通常より減少させる。さらに、この空気流量の低下に対応して空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気圧が燃料電池２の運転に支障が生じないように制御する（Ｓ１０３）。このように燃料電池２のアノード流路とカソード流路との差圧を制御することによって燃料電池２の電解質膜に耐圧を超える差圧が加わらないようにしている。

次に、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより低下したか否かを監視し（Ｓ１０４）、セル電圧が所定電圧ＶＬより低下していない場合にはステップＳ１０３の処理を継続して実施してさらに空気流量を低下させる。ここで、セル電圧としては、燃料電池２の最高セル電圧もしくは平均セル電圧を利用する。

そして、セル電圧が所定電圧ＶＬより低下すると、燃料電池２のカソードから排出される空気中の酸素濃度が必要濃度以下に低下したと判断し、カソードから排気される空気を燃料電池２の上流に循環させる運転モードに移行して遮断弁１６を開放する（Ｓ１０５）。これにより燃料電池２のカソードから排出された空気は空気供給装置１０の上流へ循環するので、空気流量調整弁１３を流れる空気流量が低下する。これに対応させて空気流量調整弁１３の開度を縮小し、この状態で燃料電池２の出力電流を出力低下指令信号で指令された出力電流まで低下させる（Ｓ１０６）。

こうして燃料電池２の出力電流が低下すると、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなったか否かを監視し（Ｓ１０７）、セル電圧が所定電圧ＶＬ以下の場合にはそのままの出力を維持して運転を継続し、セル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなると、空気供給装置１０の回転数を低下させて供給する空気流量を減少させ、これに伴って空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気循環流路１５を流れる循環流量を増加させる（Ｓ１０８）。

これにより、排気流路１４から排出される排出流量と空気循環流路１５を流れる循環流量との比（排出流量／循環流量）を小さくし、燃料電池２に供給される空気の総流量を一定にしたまま燃料電池２に流入する酸素流量を減少させることができる。さらに、このとき空気の供給流量を低下させることによってセル電圧が所定電圧ＶＬ以下になるように調整することができる。

こうしてステップＳ１０８の処理が実行されたら、出力増加指令信号の入力があったか否かを監視し（Ｓ１０９）、無い場合にはステップＳ１０７に戻ってセル電圧と所定電圧ＶＬとを比較し、セル電圧が所定電圧ＶＬ以下になるまでステップＳ１０８の処理を継続して実行する。また、出力増加指令信号の入力があった場合には、遮断弁を閉じ、空気流量・空気圧力を通常制御に戻して、通常運転に戻る（ステップＳ１１０〜Ｓ１１２）。

このようにして燃料電池システム１の運転中、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなることがないように管理して本実施形態の燃料電池システム１によるセル電圧制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２のセル電圧が予め設定された所定電圧ＶＬ以下となるように空気循環流路１５を流れる空気の循環流量を制御するので、燃料電池２の負荷に応じた空気をカソードに供給することができる。特に、低出力時またはＯＣＶ状態のときに燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬ以下となるように循環する空気の流量を制御することができ、これによって電圧サイクル及びＯＣＶ状態において高電位による電極触媒の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、空気循環流路１５に遮断弁１６を設置し、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬ以下になると、遮断弁１６を開放するようにしたので、空気を循環させない低出力時以外には空気循環流路１５を閉塞することができ、燃料電池２のカソード入口における酸素濃度が低下することを防止して中・高出力時における電流−電圧特性の低下を防止することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、空気循環流路１５を燃料電池２のカソード出口から空気供給装置１０の上流へ接続したので、空気供給装置１０によって作られる圧力差で空気を循環させることができる。また、燃料電池２の定格出力での空気流量をまかなう空気供給装置１０により、運転に必要な空気流量を確保しながら、空気循環によるカソード低ＳＲ（燃料電池反応に必要な酸素量に対して供給する酸素量の余剰率が低い：以下、低ＳＲと記述）状態を実現できるので、１つの空気供給装置１０で空気循環を実現でき、これによってシステムが大型化してしまうリスクを抑えることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬ以下に低下すると、燃料電池２のカソード出口における酸素濃度が低下したと判定するので、確実にセル電圧の一時上昇を防止することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、空気循環流路１５へ循環されずに排出される排出流量と空気循環流路１５を流れる空気の循環流量との比を、空気流量調整弁１３によって制御するので、空気循環流路１５にポンプなどを設置することなく空気の循環流量を変更することができ、これによって新たな構成を追加することなく循環流量を制御することができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２を図４に基づいて説明する。図４は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム４１は、燃料電池２のカソード排気ガスを利用して燃料電池２へ供給される空気を加湿する加湿装置４２と、燃料電池２のカソード出口における酸素濃度を検出する酸素濃度検知装置（酸素濃度検出手段）４３をさらに備えたことが実施形態１と異なっており、その他の構成については実施形態１と同様なので、詳しい説明は省略する。

ここで、空気循環流路１５は、燃料電池２のカソード出口と加湿装置４２との間から空気供給装置１０の上流側へ接続されている。

このように、加湿装置４２の上流から空気を循環させるので、循環される空気の湿度が高く維持されており、低出力運転時に電解質膜の湿潤状態を維持することが容易になる。また、加湿装置４２の上流から空気を循環させることによって加湿装置４２の下流から空気を循環させた場合よりも、空気循環流路１５の上流と下流との間の差圧を大きくすることができ、空気循環流路１５を流れる空気の流れを確保することができる。

さらに、カソード出口に酸素濃度検知装置４３を設置したことにより、カソード出口の酸素濃度に応じて空気循環を開始することができ、燃料電池２の電解質膜の乾燥等の他の影響を受けることなく空気循環運転の開始や電圧維持を管理することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム４１によるセル電圧制御処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。図５に示すように、まず燃料電池２が要求された出力を発生している通常の運転状態において、出力低下指令信号がコントローラ３に入力されると（Ｓ２０１）、コントローラ３は、燃料電池２の単セルにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性に基づいて入力された出力低下指令値からセル電圧予測値を算出し、このセル電圧予測値が燃料電池２の電極触媒の劣化を抑制するために予め設定された所定電圧ＶＬより大きいか否かを判定する（Ｓ２０２）。

そして、セル電圧予測値が所定電圧ＶＬ以下になるときには出力低下指令信号で指令された出力まで燃料電池２の出力を低下させて通常運転を実施し、一方セル電圧予測値が所定電圧ＶＬより大きくなるときには、燃料電池２のカソード出口における酸素濃度を低下させるために、空気供給装置１０の回転数を低下させて燃料電池２に供給される空気の流量を通常より減少させる。さらに、この空気流量の低下に対応して空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気圧が燃料電池２の運転に支障が生じないように制御する（Ｓ２０３）。このように燃料電池２のアノード流路とカソード流路との差圧を制御することによって燃料電池２の電解質膜に耐圧を超える差圧が加わらないようにしている。

次に、酸素濃度検知装置４３によって検出されたカソード排ガスの酸素濃度が所定値より低下したか否かを監視し（Ｓ２０４）、酸素濃度が所定値より低下していない場合にはステップＳ２０３の処理を継続して実施してさらに空気流量を低下させる。

そして、酸素濃度が所定値より低下すると、カソードから排気される空気を燃料電池２の上流へ循環させる運転モードに移行して遮断弁１６を開放する（Ｓ２０５）。これにより燃料電池２のカソードから排出された空気を空気供給装置１０の上流へ循環させるので、空気流量調整弁１３を流れる空気流量が低下する。さらに、これに対応させて空気流量調整弁１３の開度を縮小し、この状態で燃料電池２の出力電流を出力低下指令信号で指令された出力電流まで低下させる（Ｓ２０６）。

こうして燃料電池２の出力電流が低下すると、コントローラ３は、酸素濃度検知装置４３で検出された酸素濃度が所定値より大きくなったか否かを監視し（Ｓ２０７）、酸素濃度が所定値以下となる場合にはそのままの出力を維持して運転を継続し、酸素濃度が所定値より大きくなると、空気供給装置１０の回転数を低下させて供給する空気流量を減少させ、これに伴って空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気循環流路１５を流れる循環流量を増加させる（Ｓ２０８）。

これにより、排気流路１４から排出される排出流量と空気循環流路１５を流れる循環流量との比（排出流量／循環流量）を小さくし、燃料電池２に供給される空気の総流量を一定にしたまま燃料電池２に流入する酸素流量を減少させることができる。さらに、このとき空気の供給流量を低下することによって酸素濃度が所定値以下になるように調整することができる。

こうしてステップＳ２０８の処理が実行されたら、出力増加指令信号の入力があったか否かを監視し（Ｓ２０９）、無い場合にはステップＳ２０７に戻って酸素濃度と所定値とを比較し、酸素濃度が所定値以下になるまでステップＳ２０８の処理を継続して実行する。また、出力増加指令信号の入力があった場合には、遮断弁を閉じ、空気流量・空気圧力を通常制御に戻して、通常運転に戻る（ステップＳ２１０〜Ｓ２１２）。

このようにして燃料電池システム４１の運転中、コントローラ３は、燃料電池２のカソード排ガスの酸素濃度が所定値より大きくなることがないように管理して本実施形態の燃料電池システム４１によるセル電圧制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム４１では、燃料電池２のカソード排気ガスを利用して燃料電池２へ供給される空気を加湿する加湿装置４２を備え、空気循環流路１５をカソード出口と加湿装置４２との間から空気供給装置１０の上流へ接続したので、加湿装置４２によって空気循環流路１５の上流側の圧力が上昇し、空気循環流路１５を流れる空気の流れを確保することができる。これによって、空気循環運転中における空気供給装置１０の動力を抑えることができ、システム効率を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム４１では、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬ以上になると予測されるときには、燃料電池２に供給される空気の流量を減少させ、その後に燃料電池２のカソード出口における酸素濃度が所定値以下に低下したと判定すると遮断弁１６を開放するので、セル電圧が所定電圧ＶＬ以上になると予測される空気流量が大きい状態のときに一旦低ＳＲ運転をすることでカソード出口における酸素濃度の低下を早めることができ、これによって空気循環運転開始時にセル電圧が一時的に上昇することを防いで燃料電池２の劣化を抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム４１では、燃料電池２のカソード出口における酸素濃度を検出する酸素濃度検知装置４３を備えたので、酸素濃度を直接検出することができ、これによって確実にセル電圧の一時的な上昇を防止することができる。

＜実施形態３＞
次に、本発明の実施形態３を図６に基づいて説明する。図６は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム６１は、空気循環流路１５を流れる空気を循環させる空気循環ポンプ６２をさらに備え、空気循環流路１５を燃料電池２のカソード出口から空気供給装置１０の下流へ接続したことが実施形態１と異なっており、その他の構成については実施形態１と同様なので、詳しい説明は省略する。

ここで、空気循環ポンプ６２に要求される容量は、空気を循環させために必要な容量だけなので、空気供給装置１０が最大流量を流すときの容量よりは小さな容量になる。したがって、空気循環ポンプ６２は小型で消費電力の小さなポンプにすることができる。とくに、空気循環流路１５を燃料電池２のカソード出口と空気供給装置１０の下流とを接続するようにしたので、空気循環のために必要となる空気循環ポンプ６２の揚程は燃料電池２のカソード流路圧損分だけとなり、消費電力を削減することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム６１によるセル電圧制御処理を図７のフローチャートに基づいて説明する。図７に示すように、まず燃料電池２が要求された出力を発生している通常の運転状態において、出力低下指令信号がコントローラ３に入力されると（Ｓ３０１）、コントローラ３は、燃料電池２の単セルにおける電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性に基づいて入力された出力低下指令値からセル電圧予測値を算出し、このセル電圧予測値が燃料電池２の電極触媒の劣化を抑制するために予め設定された所定電圧ＶＬより大きいか否かを判定する（Ｓ３０２）。

そして、セル電圧予測値が所定電圧ＶＬ以下になるときには出力低下指令信号で指令された出力まで燃料電池２の出力を低下させて通常運転を実施し、一方セル電圧予測値が所定電圧ＶＬより大きくなるときには、燃料電池２のカソード出口における酸素濃度を低下させるために、空気供給装置１０の回転数を低下させて燃料電池２に供給される空気の流量を通常より減少させる。さらに、この空気流量の低下に対応して空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気圧が燃料電池２の運転に支障が生じないように制御する（Ｓ３０３）。このように燃料電池２のアノード流路とカソード流路との差圧を制御することによって、燃料電池２の電解質膜に耐圧を超える差圧が加わらないようにしている。

次に、コントローラ３は、燃料電池２のカソード流路容積と空気流量と出力電流とに基づいて、カソード出口における酸素濃度が低下するまでの時間を酸素濃度低下予測時間として算出し、この酸素濃度低下予測時間がステップＳ３０３における処理が実施されてから経過したか否かを監視する（Ｓ３０４）。

そして、酸素濃度低下予測時間が経過していない場合にはステップＳ３０３の処理を継続して実施してさらに空気流量を低下させ、酸素濃度低下予測時間が経過すると、燃料電池２のカソードから排出される空気中の酸素濃度が必要濃度以下に低下したと判断し、カソードから排気される空気を燃料電池２の上流に循環させる運転モードに移行して遮断弁１６を開放する（Ｓ３０５）。これにより燃料電池２のカソードから排出される空気を空気供給装置１０の上流へ循環させるので、空気流量調整弁１３を流れる空気流量が低下する。さらに、これに対応させて空気流量調整弁１３の開度を縮小し、この状態で燃料電池２の出力電流を出力低下指令信号で指令された出力電流まで低下させる（Ｓ３０６）。

こうして燃料電池２の出力電流が低下すると、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなったか否かを監視し（Ｓ３０７）、セル電圧が所定電圧ＶＬ以下となる場合にはそのままの出力を維持して運転を継続し、セル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなると、空気循環ポンプ６２の回転数を上昇させて空気循環流路１５を循環する空気流量を増加させ、さらに空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気循環流路１５を流れる循環流量を増加させる（Ｓ３０８）。

こうしてステップＳ３０８の処理が実行されたら、出力増加指令信号の入力があったか否かを監視し（Ｓ３０９）、無い場合にはステップＳ３０７に戻ってセル電圧と所定電圧ＶＬとを比較し、セル電圧が所定電圧ＶＬ以下になるまでステップＳ３０８の処理を継続して実行する。また、出力増加指令信号の入力があった場合には、遮断弁を閉じ、空気流量・空気圧力を通常制御に戻して、通常運転に戻る（ステップＳ３１０〜Ｓ３１２）。

このようにして燃料電池システム６１の運転中、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなることがないように管理して本実施形態の燃料電池システム６１によるセル電圧制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム６１では、空気循環流路１５に空気を循環させるための空気循環ポンプ６２を設置したので、空気供給装置１０とは別に空気を循環させることができ、これによって空気循環流路１５を循環する空気流量を容易に調整することができるので、制御性を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム６１では、空気循環ポンプ６２を空気供給装置１０よりも小型のポンプにしたので、システムが大型化してしまうことを防止できる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム６１では、空気循環流路１５を燃料電池２のカソード出口から空気供給装置１０の下流へ接続したので、空気循環ポンプ６２の消費電力を低く抑えることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム６１では、燃料電池２のカソード流路容積と空気流量と出力電流とに基づいて、カソード出口における酸素濃度が低下するまでの時間を酸素濃度低下予測時間として算出し、この酸素濃度低下予測時間が経過するとカソード出口における酸素濃度が低下したと判定するので、酸素濃度検知装置のような特別な検知手段を設置することなく、セル電圧の一時的な上昇を防止することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム６１では、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなると、空気循環流路１５を流れる空気の循環流量を増加させるので、外気圧や車速等による外乱で燃料電池２のカソード入口における酸素濃度が変化してセル電圧が上昇することを防ぎ、これによって低電圧状態を維持することができるので、燃料電池２の電解質膜の劣化を防ぐことができる。

また、本実施形態の燃料電池システム６１では、空気循環流路１５へ循環されずに排出される空気の排出流量と空気循環流路１５を流れる空気の循環流量との比を、空気循環ポンプ６２によって制御するので、燃料電池２のカソード入口における酸素濃度を容易に制御することができる。

＜実施形態４＞
次に、本発明の実施形態４を図８に基づいて説明する。図８は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム８１は、空気循環流路１５を流れる空気の循環流量を制御する開度可変弁８２をさらに備えたことが実施形態１と異なっており、その他の構成については実施形態１と同様なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システム８１において、コントローラ３は、開度可変弁８２を制御することによって、空気循環流路１５へ循環されずに排出される空気の排出流量と空気循環流路１５を流れる空気の循環流量との比をコントロールしている。

また、開度可変弁８２によって空気循環流路１５を流れる空気流量を制御するので、ポンプ等で制御する場合と比較してシステムの出力変化を低く抑えることができる。

さらに、空気流量調整弁１３は定格発電運転における最大空気流量を流すために大径の弁にする必要があるが、開度可変弁８２は小径の弁でよいので、循環する空気流量を精度良く調整することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム８１によるセル電圧制御処理を図９のフローチャートに基づいて説明する。ただし、実施形態１で説明した図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０７までの処理と、図９のステップＳ４０１〜Ｓ４０７までの処理は同一なので、説明は省略する。

図９のステップＳ４０７において、コントローラ３は、セル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなると、開度可変弁８２の開度を拡大するとともに、空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気循環流路１５を流れる循環流量を増加させる（Ｓ４０８）。

これにより、排気流路１４から排出される排出流量と空気循環流路１５を流れる循環流量との比（排出流量／循環流量）を小さくし、燃料電池２に供給される空気の総流量を一定にしたまま燃料電池２に流入する酸素流量を減少させることができる。

こうしてステップＳ４０８の処理が実行されたら、出力増加指令信号の入力があったか否かを監視し（Ｓ４０９）、無い場合にはステップＳ４０７に戻ってセル電圧と所定電圧ＶＬとを比較し、セル電圧が所定電圧ＶＬ以下になるまでステップＳ４０８の処理を継続して実行する。また、出力増加指令信号の入力があった場合には、遮断弁を閉じ、空気流量・空気圧力を通常制御に戻して、通常運転に戻る（ステップＳ４１０〜Ｓ４１２）。

このようにして燃料電池システム８１の運転中、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなることがないように管理して本実施形態の燃料電池システム８１によるセル電圧制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム８１では、空気循環流路１５を流れる空気の循環流量を制御する開度可変弁８２を設置し、空気循環流路１５へ循環されずに排出される空気の排出流量と空気循環流路１５を流れる空気の循環流量との比を、開度可変弁８２によって制御するので、空気流量調整弁１３に対して小さな容量の開度可変弁８２によって空気の流量を制御することができ、これによって空気循環流路１５の循環流量を精度良く制御することができる。

＜実施形態５＞
次に、本発明の実施形態５を図１０に基づいて説明する。ただし、本実施形態の燃料電池システムの構成は実施形態１と同一なので、詳しい説明は省略する。図１０は本実施形態の燃料電池システムによるセル電圧制御処理を示すフローチャートである。図１０に示すように、実施形態１で説明した図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０７までの処理と、図１０のステップＳ５０１〜Ｓ５０７までの処理は同一なので、説明は省略する。

図１０のステップＳ５０７において、コントローラ３は、セル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなると、セル電圧を所定電圧ＶＬ以下に抑えるために燃料電池２の出力電流を上昇させ、空気流量調整弁１３の開度を縮小して空気循環流路１５を流れる循環流量を増加させる（Ｓ５０８）。

こうしてステップＳ５０８の処理が実行されたら、出力増加指令信号の入力があったか否かを監視し（Ｓ５０９）、無い場合にはステップＳ５０７に戻ってセル電圧と所定電圧ＶＬとを比較し、セル電圧が所定電圧ＶＬ以下になるまでステップＳ５０８の処理を継続して実行する。また、出力増加指令信号の入力があった場合には、遮断弁を閉じ、空気流量・空気圧力を通常制御に戻して、通常運転に戻る（ステップＳ５１０〜Ｓ５１２）。

このようにして燃料電池システムの運転中、コントローラ３は、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなることがないように管理して本実施形態の燃料電池システムによるセル電圧制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２のセル電圧が所定電圧ＶＬより大きくなると、燃料電池２の出力電流を増加させるので、応答性良くセル電圧を低下させることができ、外乱に対して遅れなくセル電圧を管理することができる。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムによるセル電圧制御処理を示すフローチャートである。 燃料電池のセル電圧とサイクリック高電圧との間の関係を説明するための図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムによるセル電圧制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムによるセル電圧制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムによるセル電圧制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態５に係る燃料電池システムによるセル電圧制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１、４１、６１、８１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コントローラ（制御手段）
４ 高圧水素タンク
５ 水素供給流路
６ 水素調圧弁
７ 水素循環流路
８ 水素循環ポンプ
９ パージ弁
１０ 空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）
１１ 空気フィルタ
１２ 空気供給流路
１３ 空気流量調整弁
１４ 排気流路
１５ 空気循環流路（酸化剤循環流路）
１６ 遮断弁
４２ 加湿装置
４３ 酸素濃度検知装置（酸素濃度検出手段）
６２ 空気循環ポンプ
８２ 可変開度弁

Claims (16)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を通過した酸化剤ガスを前記燃料電池の上流へ循環させる酸化剤循環流路と、前記燃料電池の運転制御及び前記酸化剤循環流路の循環流量を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が予め設定された所定電圧以下となるように前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤循環流路に遮断弁を設置し、
   前記制御手段は、前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が前記所定電圧以下になると、前記遮断弁を開放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. 前記酸化剤循環流路は、前記燃料電池のカソード出口から前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置の上流へ接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池のカソード排気ガスを利用して前記燃料電池へ供給される酸化剤ガスを加湿する加湿装置を備え、
   前記酸化剤循環流路は、前記燃料電池のカソード出口と前記加湿装置との間から前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置の上流へ接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤循環流路に酸化剤ガスを循環させるための酸化剤循環ポンプを設置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤循環ポンプは、前記酸化剤ガス供給装置よりも小型のポンプであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記酸化剤循環ポンプが設置された酸化剤循環流路は、前記燃料電池のカソード出口から前記酸化剤ガス供給装置の下流へ接続されていることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が前記所定電圧以上になると予測されるときには、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を減少させ、その後に前記燃料電池のカソード出口における酸素濃度が所定値以下に低下したと判定すると、前記遮断弁を開放することを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が前記所定電圧以下に低下すると、前記燃料電池のカソード出口における酸素濃度が低下したと判定することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池のカソード出口における酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記燃料電池のカソード流路容積と空気流量と出力電流とに基づいて、前記燃料電池のカソード出口における酸素濃度が低下するまでの時間を酸素濃度低下予測時間として算出し、この酸素濃度低下予測時間が経過すると前記燃料電池のカソード出口における酸素濃度が低下したと判定することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記制御手段は、前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が前記所定電圧より大きくなると、前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量を増加させることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスの流量を調節する流量調整弁を備え、
    前記制御手段は、前記酸化剤循環流路へ循環されずに排出される酸化剤ガスの排出流量と前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量との比を、前記流量調整弁によって制御することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記制御手段は、前記酸化剤循環流路へ循環されずに排出される酸化剤ガスの排出流量と前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量との比を、前記酸化剤循環ポンプによって制御することを特徴とする請求項５から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量を制御する開度可変弁を設置し、
    前記酸化剤循環流路へ循環されずに排出される酸化剤ガスの排出流量と前記酸化剤循環流路を流れる酸化剤ガスの循環流量との比を、前記開度可変弁によって制御することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
16. 前記制御手段は、前記燃料電池の最高セル電圧もしくは平均セル電圧が前記所定電圧より大きくなると、前記燃料電池の出力電流を増加させることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
    

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