JP2009004180A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノード系から排出されるガスの水素濃度を低減する。
【解決手段】アノード出口制御弁９は、アノード３から排出されるアノードオフガスの排出流量を可変とする開度可変の弁である。制御回路２３は、電流計２１が計測した燃料電池２の出力電流値に基づいて燃料電池２の水素消費流量を計算すると共に、流量計８が検出した水素流量に基づいて燃料電池２へ供給する水素供給流量を計算し、水素消費流量と水素供給流量が等しくなるようにアノード出口制御弁９の開度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料ガス循環系を備えない燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムは、燃料電池に供給される燃料ガス流量を、制御回路によって制御される流量制御弁によって調整していた。具体的には、制御回路は、必要流量（消費流量）よりも多くの供給流量の燃料ガスが、燃料電池に対して供給されるように流量制御弁を制御していた（例えば、特許文献１）。
特開２００５−２４３４７６号公報（第６頁、図１）

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、アノード系を閉じきりにすると、アノード系内の不純物分圧が増加するため、定期的にアノード系内のガスをパージして不純物濃度を下げる必要があった。このため、パージにより排出されるガスの水素濃度が濃い可能性があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、アノードに水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソードに酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、アノードの出口を開閉する開度可変のアノード出口制御弁と、前記燃料ガス供給手段がアノードに供給する水素供給流量を検出する水素供給流量検出手段と、前記燃料電池の水素消費流量を検出する水素消費流量検出手段と、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、水素の消費流量と供給される水素量が等しくなるように、アノード出口制御弁を制御するので、アノード出口制御弁を経て排出されるガスに含まれる水素濃度を低くできるという効果がある。

一般に燃料電池システムでは水素の利用率を上げるために、アノードは系として閉じ切りになっている。系としてというのは、アノードの系としての出口がないだけであって、ポンプなどによってアノード出口ガスを、供給水素と混合してアノード入口に戻す場合（循環）には、アノードに出口はある状態も含む。

ここで、一定圧力制御を行うと供給される燃料ガスに含まれる不純物や、燃料電池を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）をカソードからアノードへ透過してくる不純物によって、アノードの系に供給される水素量＝消費水素量−不純物増加量となり、アノードの系を閉じ切りにしてしまうと、僅かながら時間ともに、アノード内の水素濃度は低下していく。このため、定期的に、堆積した不純物をパージによって、排出する必要があった。なお、このパージにより排出されるガスの水素濃度は、一定流量制御を行った場合と同様に濃い可能性がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を図面を参照して詳細に説明する。図１は、実施例１の燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、燃料ガスが供給されるアノード３と酸化剤ガスが供給されるカソード４を備えている。

水素タンク５は、燃料ガスとしての水素ガスを高圧で貯蔵する。水素圧力調整弁６は、水素タンク５から供給される水素ガスの圧力を調整して、アノード３へ供給する。水素圧力調整弁６に開度は、制御回路２３により制御される。また、水素圧力調整弁６からアノード３へ供給される水素ガスの圧力は、圧力センサ７で、流量は流量計８で測定される。アノード３の出口には、アノード出口制御弁９が設けられ、制御回路２３によりアノード出口制御弁９の開閉及び開度が制御される。

コンプレッサ１１は、燃料電池２のカソード４に酸化剤としての空気を圧送する。コンプレッサ１１の吸入空気量は流量計１０によって測定され、制御回路２３へ送られる。カソード４の出口には、空気圧力制御弁１２が設けられている。制御回路２３は、コンプレッサ１１の駆動力と空気圧調整弁１２の開度を制御することにより、カソード４に供給される空気の流量と圧力を制御する。

燃料電池２の出力は負荷装置２０に接続され、電流計２１、電圧計２２によって、燃料電池の出力電流と出力電圧が計測され、これらの計測値は、制御回路２３へ送られる。

制御回路２３は、電流計２１が計測した燃料電池２の出力電流値に基づいて燃料電池２の水素消費流量を計算すると共に、流量計８が検出した水素流量に基づいて燃料電池２へ供給する水素供給流量を計算し、水素消費流量と水素供給流量が等しくなるようにアノード出口制御弁の開度を制御する制御手段である。

また、制御回路２３は、燃料電池システム１全体を制御する。特に限定されないが本実施例では、制御回路２３は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、制御回路２３の制御内容は、ＣＰＵがプログラムＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより実現されている。

なお、燃料電池２には、冷却が必要であるが、冷却系統は図示していない。また、燃料電池２に使用される電解質が、ガスの相対湿度を要求するものであれば、加湿器が必要になるが、加湿に関する装置は図示していない。

次に、図２の制御フローチャートを参照して、実施例１における制御回路２３の動作を説明する。最初に、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、制御回路２３は、電流計２１によって燃料電池２が負荷装置２０へ出力する電流値Ｉｓを計測する。次いでＳ１２で、制御回路２３は、電流値Ｉｓと燃料電池２のセル数ｎから、アノード３で消費される水素消費流量Ｑｃを式（１）で算出する。

ここで、燃料電池の電気化学反応式を（化１）、（化２）とし、ファラデー定数をＦ（ファラデー定数＝アボガドロ定数×素電荷）とすれば、水素消費流量Ｑｃは、式（１）となる。

［アノード］：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- …（化１）
［カソード］：Ｏ₂ ＋４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ …（化２）
Ｑｃ［mol／ｓ］＝（１／２）×（Ｉｓ×ｎ）／Ｆ …（１）
次いでＳ１４で、制御回路２３は、流量計８によって、アノード３に流れ込む水素供給流量Ｑｆを計測する。次いでＳ１６において、制御回路２３は、水素消費流量Ｑｃと水素供給流量Ｑｆとの差異の絶対値（｜Ｑｃ−Ｑｆ｜）が所定値εより小さいか否かを判定する。この判定に先立って、流量計８の計測値である水素供給流量と水素消費流量とを比較するために、両者の単位を揃える計算を行うことは言うまでもない。

また、Ｓ１６の判定に用いる所定値εは、アノード出口制御弁９の開度制御ステップの大きさ、アノード出口制御弁９の制御精度、流量計８の流量検出精度、電流計２１の電流検出精度等を総合的に考慮して、アノード出口制御弁９の開度増減の制御がハンチング等の不都合を生じない範囲で極力小さい値に設定するものとする。

Ｓ１６の判定の結果、｜Ｑｃ−Ｑｆ｜が所定値εより小さければ、制御回路２３は、アノード出口制御弁９の開度を維持して、リターンする。Ｓ１６の判定の結果、｜Ｑｃ−Ｑｆ｜が所定値ε以上であれば、Ｓ１８へ移る。Ｓ１８では、制御回路２３は、ＱｃがＱｆを超えているか否かを判定する。Ｓ１８の判定で、ＱｃがＱｆを超えてれば、水素供給流量Ｑｆが不足していることになるので、Ｓ２２へ進む。Ｓ２２では、制御回路２３はアノード出口制御弁９の開度を一段開き、再度水素供給流量Ｑｆを測定するために、Ｓ１４へ戻る。

また、Ｓ１８の判定で、ＱｃがＱｆを超えていなければ、水素供給流量Ｑｆが過剰であることになるので、Ｓ２０へ進む。Ｓ２０では、制御回路２３はアノード出口制御弁９の開度を一段絞り、再度水素供給流量Ｑｆを測定するために、Ｓ１４へ戻る。

このような制御を行うことにより、カソード４からアノード３に透過した不純物（窒素や水蒸気）を非常に高い濃度でアノード出口制御弁９から排出することができる。逆にアノード出口制御弁９から排出されるガスの水素濃度は極めて低いため、水素の後処理が不要となるとともに、無駄に排出される水素量が減少するために燃料電池システムの燃費効率が向上するという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を図面を参照して説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。図３に実施例２の制御の流れをフローチャートで示す。実施例１との違いは、実施例１のＳ１４に代えて、実施例２では、Ｓ１５が用いられていることである。その他のステップは、実施例１と同様であるので説明を省略する。

Ｓ１５では、制御回路２３は、流量計８の計測値を水素タンク中の水素濃度で補正して、水素供給流量Ｑｆを計算している。アノード３に供給する水素流量を計測する流量計８に、熱式流量計などの質量流量計を用いた場合、流量計８の測定値は、水素タンク５が貯蔵するガスの水素濃度（或いは不純物濃度）によって補正することによって、水素供給流量の精度を向上することができる。

水素ガスは最も軽い気体であり、化学工業による副生水素ガスは不純物を含むことが多い。例えば、水素タンク５に充填された水素ガスに不純物として１％の二酸化炭素が混入している場合、流量計８の計測値をＱｆ’、水素の分子量を２、二酸化炭素の分子量を４４とすれば、補正後の水素流量Ｑｆは、次の式（２）により計算することができる。

Ｑｆ＝Ｑｆ’×（０．９９×２／（０．９９×２＋０．０１×４４） …（２）
実施例２によれば、水素タンクから供給される水素の濃度で流量計を流れる水素流量を補正するので、より正確に水素供給流量を制御できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を図面を参照して説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。図４に実施例３の制御の流れをフローチャートで示す。実施例１との違いは、実施例１のＳ１２に代えて、実施例３では、Ｓ１３が用いられていることである。その他のステップは、実施例１と同様であるので説明を省略する。

Ｓ１３では、制御回路２３は、電流計２１による電流値Ｉｓに加えて、電解質に流れる漏洩電流（リークカレント）Ｉｒを考慮して水素消費流量Ｑｃを計算していることである。燃料電池２による水素消費は、負荷装置２０を流れる電流によって消費されるだけでなく、燃料電池２の電解質をリークして流れる漏洩電流によっても消費される。また、漏洩電流の大きさは電解質によって固有である。実施例３の制御回路２３は、燃料電池２の電解質に固有な漏洩電流値を記憶しており、電流計２１で計測した負荷装置２０を流れる電流値Ｉｓに、漏洩電流値Ｉｒを加えた電流値（Ｉｓ＋Ｉｒ）で、水素消費流量Ｑｃを演算することにより、水素消費流量Ｑｃの精度を向上させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を図面を参照して説明する。実施例４の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。図５に実施例４の制御の流れをフローチャートで示す。実施例１との違いは、実施例１のＳ１８とＳ２２との間に、Ｓ２１が加えられていることである。その他のステップは、実施例１と同様であるので説明を省略する。

実施例１は、アノード３へ供給する水素供給流量と、アノード３が消費する水素消費流量とが一致するように、アノード出口制御弁９を制御していた。これは、言い換えれば、アノード出口制御弁９から流れ出るガスの流量が、燃料電池２のカソード４からアノード３への不純物の透過流量と水素タンク５から供給される不純物流量との和に等しくなるように制御することである。よって、本実施例では、燃料電池２に固有な不純物透過流量と水素タンク５の不純物濃度を制御回路２３が記憶することにより、アノード出口制御弁９の開度の上限である上限開度を設定できる。この上限開度は、水素タンク５からアノードへ供給される水素ガスの不純物濃度と流量計８が検出した流量から計算される不純物供給流量に、カソード４からアノード３へ透過する不純物透過流量を加えた合計の不純物流量がアノード出口制御弁から排出できる開度とする。

実施例４では、Ｓ１８の判定がＹｅｓのとき、Ｓ２１へ進んで、制御回路２３は、アノード出口制御弁９の開度が上限開度より小さいか否かを判定する。Ｓ２１の判定で開度が上限開度より小さければ、アノード出口制御弁９の開度を一段階開くためにＳ２２へ進む。Ｓ２１の判定で開度が上限開度以上であれば、これ以上開度を増加させずに、リターンする。

本実施例によれば、アノード出口制御弁９の開度制御において、アノード出口制御弁９の開度を水素タンク内の不純物濃度と膜電極接合体（ＭＥＡ）の不純物透過流量に応じたアノード出口制御弁の上限開度に制限しているので、アノード出口制御弁の開きすぎによる水素濃度の高いガスの排出を防ぐことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を図面を参照して説明する。実施例５の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。図６に実施例５の制御の流れをフローチャートで示す。実施例５は起動直後など、アノード３内が水素以外のガスに置換された状態から、水素ガスをアノード３に導入して、実施例１の制御に移るまでの制御を示すものである。説明を分かりやすくするために、アノードのガス系路を示す図７を用いる。

まず、図７（ａ）に示すように、水素圧力調整弁６の下流からアノード３の入口までのガス系路の容積を上流容積、アノード３の入口からアノード３の出口までの発電部のガス系路の容積を発電部容積、アノード３の出口からアノード出口制御弁９までのガス系路の容積を下流容積と定義する。

次に、図６のフローチャートと図７を参照して、制御の流れを説明する。例えば、燃料電池システム１の運転停止から長時間経過した状態では、図７（ｂ）に示すように、上流容積、発電部容積、下流容積の全てが空気で満たされている。

図６のフローチャートが呼び出されると、最初に、Ｓ３０で、制御回路２３は、アノード出口制御弁９を開く。次いでＳ３２で、制御回路２３は、水素供給累積値Ｖを０にリセットする。次いでＳ３４で、制御回路２３は、流量計８により水素供給流量Ｑｆを計測する。次いでＳ３６で、制御回路２３は、水素供給累積値Ｖに、水素供給流量Ｑｆと水素供給流量の計測間隔Δｔとの積を加算して、水素供給累積値Ｖを更新する。

次いでＳ３８で制御回路３２は、水素供給累積値Ｖが上流容積、発電部容積、下流容積の合計に達したかどうかを判断する。達していない場合は、達するまで、アノード出口制御弁９は開いたまま、水素供給を続ける。Ｓ３８の判定で達した場合は、制御回路２３は、Ｓ４０へ進み、アノード出口制御弁９を閉じる。次いでＳ４２で、水素供給累積値Ｖを０にリセットする。この時点では、図７（ｃ）の状態になっている。

次いで、Ｓ４４で、制御装置２３は、アノード出口制御弁９を閉じたまま、燃料電池２から負荷装置２０への電流取り出しを開始させ、燃料電池２の出力電流を電流計２１で計測する。次いでＳ４６で、制御回路２３は、電流値に基づいて水素消費流量Ｑｃを演算する。この演算は、実施例１のＳ１２と同様である。

次いでＳ４８で、制御回路２３は、流量計８で水素供給流量Ｑｆを計測する。次いでＳ５０で制御回路２３は、水素供給流量Ｑｆと水素消費流量Ｑｃとの差分に計測間隔Δｔを乗じた値を水素供給累積値Ｖに加算して、水素供給累積値Ｖを更新する。次いでＳ５２で、制御回路２３は、水素供給累積値Ｖが下流容積より小さいか否かを判定する。Ｓ５２の判定で、水素供給累積値Ｖが下流容積より小さいうちは、Ｓ４４へ戻って、アノード出口制御弁９は閉じ切りとし、水素ガス供給を続ける。

Ｓ５２の判定で、水素供給累積値Ｖが下流容積以上となったときに、本フローチャートを終了して、実施例１の制御を行うために、図２の制御へ移る。ここで、水素供給累積値Ｖが下流容積以上となったときには、図７（ｄ）に示すように、下流容積が不純物の窒素で満たされた状態になっており、アノード出口制御弁９を開く制御を始めても、水素濃度の高いガスが排出される虞がない。

実施例５によれば、起動時にアノード系内の水素以外のガスを水素ガスに置換した後に、一旦アノード出口制御弁を閉じきり、発電部の下流容積に含まれる水素濃度が低くなった後に、アノード出口制御弁の開度を制御するので、置換直後に下流容積の水素濃度が高いガスの排出を防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例６を図面を参照して説明する。図８は、実施例６の燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。図１に示した実施例１との違いは、燃料電池２のアノード３の下流かつアノード出口制御弁９の上流に、言い換えれば図７（ａ）の下流容積に、水素濃度センサ２４が追加されたことである。その他の構成は、実施例１と同様である。

次に、図９のフローチャートを参照して、実施例６における制御の流を説明する。実施例６の制御は、Ｓ３０からＳ４０のアノード出口制御弁９を閉じきるまでのフローは、図６に示した実施例５と同様であるので、同じ制御ステップには、同じステップ番号を付与して説明を省略する。Ｓ４０におけるアノード出口制御弁９を閉じきる状態では、図７（ｃ）になる最も初期の状態になっている点は実施例５と同じであるが、図７（ｄ）の状態への移行の判定に、水素濃度センサ２４の測定値で判断する点に本実施例の特徴がある。

図９において、制御回路２３は、Ｓ４０のアノード出口制御弁を閉じた後、Ｓ７２へ移る。Ｓ７２では、制御回路２３は、水素濃度センサ２４により下流容積の水素濃度Ｃを測定する。次いでＳ７４で、制御回路２３は、水素濃度Ｃが所定濃度を超えているか否かを判定する。Ｓ７４の判定で、水素濃度Ｃが所定濃度を超えていれば、アノード出口制御弁９は閉じ切りとし、水素ガス供給を続け、水素濃度Ｃの測定を繰り返すために、Ｓ７２へ戻る。Ｓ７４の判定で、水素濃度Ｃが所定濃度を超えていなければ、本フローチャートを終了して、実施例１の制御を行うために、図２の制御へ移る。

実施例６によれば、起動時にアノード系内の水素以外のガスを水素ガスに置換した後に、一旦アノード出口制御弁を閉じきり、発電部の下流容積に含まれる水素濃度が低くなったことを水素濃度センサによって確認した後に、アノード出口制御弁の開度を制御するので、置換直後の下流容積の水素濃度が高いガスの排出を防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例７を図面を参照して説明する。実施例７の燃料電池システムの構成は、図８に示した実施例６と同様である。図１０に実施例７の制御の流れをフローチャートで示す。図１０のＳ８０において、制御回路２３は、図７（ｂ）の状態から、アノード出口制御弁９を開放する。次いでＳ８２で、制御回路２３は、水素濃度センサ２４により下流容積の水素濃度Ｃを測定する。次いでＳ８４で、制御回路２３は、水素濃度Ｃが所定濃度を超えているか否かを判定する。

Ｓ８４の判定で、水素濃度Ｃが所定濃度を超えていなければ、Ｓ８２へ戻る。即ち、水素濃度センサ２４が水素を感知するまでは、アノード出口制御弁９は開いたままとする。Ｓ７４の判定で、水素濃度Ｃが所定濃度を超えた時には、図７（ｃ）の状態になっているので、本フローチャートを終了して、実施例１の制御を行うために、図２の制御へ移る。

実施例７によれば、起動時にアノード内に存在する空気を供給水素ガスで押し出す際に、水素濃度センサで発電部の下流容積の水素濃度を検出することによって、発電部の下流容積すべてを水素に置換することなく、アノード出口制御弁の開度制御を開始できるので、アノード系内のガス置換から制御開始までの時間を短縮できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例８を図面を参照して説明する。実施例８の燃料電池システムの構成は、図８に示した実施例６と同様である。図１１に実施例８の制御の流れをフローチャートで示す。この制御は、実施例１の制御の割り込みとして行う。水素濃度センサ２４が所定の濃度以下であれば、実施例１の制御には割り込まないが、所定の濃度以上であれば、アノード出口制御弁９を閉じ切る割り込みを行う。このことによって濃度の高い水素を含むガスの排出を防止できる。

図１１において、まずＳ９０で、制御回路２３は、水素濃度センサ２４により、下流容積の水素濃度Ｃを測定する。次いでＳ９２で、制御回路２３は、水素濃度Ｃが所定濃度を超えているか否かを判定する。Ｓ９２の判定で、水素濃度Ｃが所定濃度を超えていれば、Ｓ９４へ移る。Ｓ９４では制御回路２３は、アノード出口制御弁９を閉じきる操作をおこなって、Ｓ９０へ戻る。Ｓ９２の判定で、水素濃度Ｃが所定濃度を超えていなければ、本ルーチンを終了する。

実施例８によれば、発電部の下流の水素濃度が高い場合には、制御弁を閉じ切りとするので、水素濃度が高い状態のガスの排出を防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例９を図面を参照して説明する。実施例９の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。図１２に実施例９の制御の流れをフローチャートで示す。この制御は、実施例１の制御の割り込みとして行う。燃料電池２の運転圧力を低下させる場合は、アノード出口制御弁９を閉じ切り、無駄時間をカウントする割り込みを行い、実施例１の図２の制御に戻る。

図１２において、まずＳ１００で、制御回路２３は、燃料電池２の運転圧力減少か否かを判定する。運転圧力減少でなければ、何もせずにリターンする。Ｓ１００の判定で、運転圧力減少であれば、Ｓ１０２へ進む。Ｓ１０２では、制御回路２３は、アノード出口制御弁９を閉じきる。次いでＳ１０４で、制御回路２３は、所定時間が経過するのを待ち、所定時間経過後に、リターンする。ここで、所定時間は、運転圧力減少のために、必要な無駄時間を実験的に求めて、制御回路２３に設定しておくものとする。

実施例９によれば、アノード圧力を低下させる際に、アノード圧力が所定の圧力までに下がるまでは、アノード出口制御弁を閉じ切りにするので、アノード圧力低下時に水素圧力調整弁を絞って、水素供給流量の測定値が０となることがあっても、アノード出口制御弁が開放側に動作して水素濃度の高いガスが排出されることを防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例１０を図面を参照して説明する。実施例１０の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。図１３に実施例９の制御の流れをフローチャートで示す。この制御は、実施例１の制御の割り込みとして行う。電流計２１の測定値が増加したときには、アノード出口制御弁９を閉じ切り、無駄時間をカウントする割り込みを行い、実施例１の制御に戻る。

図１３において、まずＳ１１０で、制御回路２３は、燃料電池２の電流増加か否かを判定する。電流増加減少でなければ、何もせずにリターンする。Ｓ１１０の判定で、電流増加であれば、Ｓ１１２へ進む。Ｓ１１２では、制御回路２３は、アノード出口制御弁９を閉じきる。次いでＳ１１４で、制御回路２３は、所定時間が経過するのを待ち、所定時間経過後に、リターンする。ここで、所定時間は、電流増加のために、必要な無駄時間を実験的に求めて、制御回路２３に設定しておくものとする。

実施例１０によれば、電流を増加させる時にアノード内の圧力が所定の圧力までに下がるまでは、アノード出口制御弁を閉じ切りにするので、供給水素の流量計の読み取り値が水素消費量相当より小さくなって、アノード出口制御弁が開放側に動作し水素濃度の高いガスが排出することを防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例１１を図面を参照して説明する。図１４は、実施例１１の燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。図１に示した実施例１の構成との違いは、圧力センサ７の位置がアノード入口からアノード出口に変わったことである。その他の構成は、実施例１と同様である。

図１５に実施例１１の制御の流れをフローチャートで示す。制御の概要は、水素消費流量Ｑｃと水素供給流量Ｑｆとの差は、アノード出口制御弁９で制御し、出口圧力の実測値と出口圧力の差は、水素圧力調整弁６で制御する。アノード出口制御弁９は出口圧力に影響するし、水素圧力調整弁６は水素供給流量に影響するため、両制御が影響しないことをフラグＰ、Ｑで判定する。

図１５において、まずＳ１２０で、制御回路２３は、電流計２１によって燃料電池２が負荷装置２０へ出力する電流値を計測する。次いでＳ１２２で、制御回路２３は、電流値に基づいてアノード３で消費される水素消費流量Ｑｃを算出する。この計算の詳細は、実施例１と同様である。次いでＳ１２４で、制御回路２３は、制御フラグＰ及びＱをそれぞれ１にセットする。次いでＳ１２６で、制御回路２３は、流量計８によって、アノード３に流れ込む水素供給流量Ｑｆを計測する。次いでＳ１２８において、制御回路２３は、水素消費流量Ｑｃと水素供給流量Ｑｆとの差異（Ｑｃ−Ｑｆ）が所定値−ε_Q より小さいか否かを判定する。この判定に先立って、流量計８の計測値である水素供給流量と水素消費流量とを比較するために、両者の単位を揃える計算を行うことは言うまでもない。

Ｓ１２８の判定で、Ｑｃ−Ｑｆが所定値−ε_Q より小さければ、Ｓ１３０へ進む。Ｓ１３０では、制御回路２３は、アノード出口制御弁９の開度を一段階絞り、Ｓ１３６へ進む。Ｓ１２８の判定で、Ｑｃ−Ｑｆが所定値−ε_Q 以上であれば、Ｓ１３２へ進む。

Ｓ１３２では、制御回路２３は、Ｑｃ−Ｑｆが所定値ε_Q より大きいか否かを判定する。Ｓ１３２の判定で、Ｑｃ−Ｑｆが所定値ε_Q より大きければ、Ｓ１３４へ進む。Ｓ１３４では、制御回路２３は、アノード出口制御弁９の開度を一段階開き、Ｓ１３６へ進む。Ｓ１３２の判定で、Ｑｃ−Ｑｆが所定値ε_Q 以下であれば、Ｓ１３８へ進む。

ここで、Ｓ１２８，Ｓ１３２の判定に用いる所定値ε_Q は、アノード出口制御弁９の開度制御ステップの大きさ、アノード出口制御弁９の制御精度、水素圧力調整弁６の開度制御ステップの大きさ、水素圧力調整弁６の制御精度、流量計８の流量検出精度、圧力センサ７の圧力検出精度、電流計２１の電流検出精度等を総合的に考慮して、アノード出口制御弁９の開度増減の制御、及び水素圧力調整弁６の開度制御がハンチング等の不都合を生じない値に設定するものとする。

Ｓ１３６では、制御回路２３は、制御フラグＰに０をセットして、Ｓ１２６へ戻る。Ｓ１３８では、制御回路２３は、圧力センサ７によって、アノード３の出口におけるガス圧力Ｐを計測する。次いでＳ１４０で、制御回路２３は、目標圧力Ｐｔと測定圧力Ｐとの差異（Ｐｔ−Ｐ）が所定値−ε_ｐ より小さいか否かを判定する。

Ｓ１４０の判定で、Ｐｔ−Ｐが所定値−ε_ｐ より小さければ、Ｓ１４２へ進む。Ｓ１４２では、制御回路２３は、水素圧力調整弁６の開度を一段階開き、Ｓ１５０へ進む。Ｓ１４０の判定で、Ｐｔ−Ｐが所定値−ε_ｐ 以上であれば、Ｓ１４４へ進む。Ｓ１４４では、制御回路２３は、Ｐｔ−Ｐが所定値ε_ｐ より大きいか否かを判定する。Ｓ１４４の判定で、Ｐｔ−Ｐが所定値ε_ｐ より大きければ、Ｓ１４６へ進む。Ｓ１４６では、制御回路２３は、水素圧力調整弁６の開度を一段階絞り、Ｓ１５０へ進む。Ｓ１４４の判定で、Ｐｔ−Ｐが所定値ε_ｐ 以下であれば、Ｓ１４８へ進む。

ここで、Ｓ１４０，Ｓ１４４の判定に用いる所定値ε_ｐ は、アノード出口制御弁９の開度制御ステップの大きさ、アノード出口制御弁９の制御精度、水素圧力調整弁６の開度制御ステップの大きさ、水素圧力調整弁６の制御精度、流量計８の流量検出精度、圧力センサ７の圧力検出精度、電流計２１の電流検出精度等を総合的に考慮して、アノード出口制御弁９の開度増減の制御、及び水素圧力調整弁６の開度制御がハンチング等の不都合を生じない値に設定するものとする。

Ｓ１４８では、制御回路２３は、制御フラグＰ、Ｑが共に１であるか否かを判定する。Ｓ１４８の判定で、制御フラグＰ、Ｑが共に１であれば、流量及び圧力の制御誤差が所定以内となったので、リターンする。Ｓ１４８の判定で、制御フラグＰ、Ｑの少なくとも一方が０であれば、アノード出口制御弁９または水素圧力調整弁６による制御の一方、または双方の制御を継続するために、Ｓ１２４へ戻る。Ｓ１５０では、制御フラグＰに０をセットして、Ｓ１３８へ移る。

実施例１１によれば、アノード出口圧力を制御目標値として持つことができるので、水素の必要流量を確保しつつアノード出口の水素圧力を確保でき、水素濃度低下による拡散分極を小さくできるという効果がある。

以上の実施例で、制御方法は、制御目標値と計測値の差分による比例制御的な記述としたが、これは制御方法を限定するものではない。

実施例１の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 実施例１の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例２の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例３の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例４の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例５の制御内容を説明するフローチャートである。 （ａ）上流容積、発電部容積、下流容積の概念を説明する図である。（ｂ）起動前の上流容積、発電部容積、下流容積の各部のガス組成を説明する図である。（ｃ）起動時の上流容積、発電部容積、下流容積の各部のガス組成を説明する図である。（ｄ）通常運転時の上流容積、発電部容積、下流容積の各部のガス組成を説明する図である。 実施例６の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 実施例６の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例７の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例８の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例９の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例１０の制御内容を説明するフローチャートである。 実施例１１の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 実施例１１の制御内容を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
５ 水素タンク
６ 水素圧力調整弁
７ 圧力センサ
８ 流量計
９ アノード出口制御弁
１０ 流量計
１１ コンプレッサ
１２ 空気圧力制御弁
２０ 負荷装置
２１ 電流計
２２ 電圧計
２３ 制御回路
２４ 水素濃度センサ

Claims (12)

1. アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   アノードに水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   カソードに酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   アノードの出口を開閉する開度可変のアノード出口制御弁と、
   前記燃料ガス供給手段がアノードに供給する水素供給流量を検出する水素供給流量検出手段と、
   前記燃料電池の水素消費流量を検出する水素消費流量検出手段と、
   前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素消費流量検出手段は、燃料電池の出力電流値に基づいて、燃料電池の水素消費流量を検出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. 前記水素供給流量検出手段は、前記燃料ガス供給手段が供給する燃料ガス流量を燃料ガス中の水素濃度で補正して水素供給流量と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。
4. 前記水素消費流量検出手段は、燃料電池の出力電流値に燃料電池内部の漏洩電流を加えて、水素消費流量を演算す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。
5. 前記制御手段は、アノードに供給する燃料ガス中の不純物濃度と膜電極接合体の不純物透過速度から演算される流量になる前記アノード出口制御弁の開度を求め、この開度を上限開度とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、燃料ガス供給手段が供給する燃料ガスの体積が、前記燃料ガス供給手段の供給圧力調整部からアノード入口までの上流容積、アノード入口からアノード出口までの発電部容積、アノード出口から前記アノード出口制御弁までの下流容積の各容積の合計になるまで、前記アノード出口制御弁を開放した後に、前記アノード出口制御弁を閉じきり、水素供給流量と水素消費流量との差の積算値が前記下流容積になった後に、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁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。
7. 前記下流容積中のガスの水素濃度を検出する水素濃度センサを備え、
   前記制御手段は、燃料ガス供給手段が供給する燃料ガスの体積が、前記燃料ガス供給手段の供給圧力調整部からアノード入口までの上流容積、アノード入口からアノード出口までの発電部容積、アノード出口から前記制御弁までの下流容積の各容積の合計になるまで、前記アノード出口制御弁を開放した後に、前記アノード出口制御弁を閉じきり、前記下流容積の水素濃度を検出する水素センサが検出した水素濃度が第１の所定値よりも低くなった後に、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁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。
8. 前記下流容積中のガスの水素濃度を検出する水素濃度センサを備え、
   前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段からアノードへ燃料ガスを導入後、前記水素濃度センサが検出した水素濃度が第２の所定値に達するまで、前記アノード出口制御弁を開放し、前記水素濃度が第２の所定値に達した後に、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁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。
9. 前記下流容積中のガスの水素濃度を検出する水素濃度センサを備え、
   前記制御手段は、前記水素濃度センサの検出値が第１の所定値以上を示す場合は、制御弁は閉じきりとし、前記水素濃度センサの検出値が第１の所定値未満となった後に、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁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。
10. 前記制御手段は、アノード内の圧力を低下させる過渡時には、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁を制御することを中断して、アノード出口制御弁を閉じ切りとし、ある遅れ時間の後に、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁の制御を再開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。
11. 前記制御手段は、燃料電池から取り出す電流を増加する過渡時には、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁を制御することを中断して、前記アノード出口制御弁を閉じ切りとし、ある遅れ時間の後に、前記水素消費流量と前記水素供給流量が等しくなるように前記アノード出口制御弁の制御を再開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。
12. アノード入口の圧力を制御する水素圧力調整弁を備え、
    前記制御手段は、アノードの出口圧力が所定圧力になるように、前記水素圧力調整弁を調整することことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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