JP2009245800A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】急に大きな発電要求がされたとしても、燃料ガス不足となりにくく、燃料電池が好適に発電可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】アノード流路１１及びカソード流路１２を有する燃料電池スタック１０と、アノード流路１１における水素の圧力、及び／又は、カソード流路１２における空気の圧力を制御すると共に、水素の圧力と空気の圧力との圧力差を制御する圧力制御手段と、を備え、圧力制御手段は、水素の圧力を空気の圧力よりも高め、燃料電池スタック１０の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように圧力差を制御する燃料電池システム１である。
【選択図】図１
【解決手段】アノード流路１１及びカソード流路１２を有する燃料電池スタック１０と、アノード流路１１における水素の圧力、及び／又は、カソード流路１２における空気の圧力を制御すると共に、水素の圧力と空気の圧力との圧力差を制御する圧力制御手段と、を備え、圧力制御手段は、水素の圧力を空気の圧力よりも高め、燃料電池スタック１０の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように圧力差を制御する燃料電池システム１である。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。水素は、水素タンク等から減圧弁を介して供給され、空気は、コンプレッサ等から供給されることが一般的である。
また、燃料電池に供給される水素の圧力（アノード圧力）と空気の圧力（カソード圧力）との圧力差を、一定にする技術が提案されている（特許文献１参照）。
また、燃料電池に供給される水素の圧力（アノード圧力）と空気の圧力（カソード圧力）との圧力差を、一定にする技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、例えば、水素の圧力を空気の圧力よりも高く設定すると共に、水素の圧力と空気の圧力との圧力差を一定とした場合において、燃料電池に対して、急に大きな発電要求がされると、水素の供給、つまり、水素の圧力の上昇が遅れ、燃料電池において水素不足となる虞がある。そして、このように水素不足になると、燃料電池は、発電要求量に対応した目標出力電流を出力できない虞がある。
そこで、本発明は、急に大きな発電要求がされたとしても、燃料ガス不足となりにくく、燃料電池が好適に発電可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力、及び／又は、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御すると共に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力との圧力差を制御する圧力制御手段と、を備え、前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、前記燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように前記圧力差を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
ここで、「燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差」とは、燃料ガス及び酸化剤ガスが過不足なく燃料電池に供給、つまり、目標出力電流で発電するために必要十分な燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池に供給され、燃料電池が良好に発電可能な燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力との圧力差を意味する。
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差を制御する。これにより、燃料電池には、目標出力電流に対応した基準燃料ガス圧力よりも高い圧力で、燃料ガスが供給される。
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差を制御する。これにより、燃料電池には、目標出力電流に対応した基準燃料ガス圧力よりも高い圧力で、燃料ガスが供給される。
したがって、その後、燃料電池に対して、急に大きな発電要求がされ、その後の目標出力電流が大きくなり、目標出力電流に対応したその後の基準燃料ガス圧力が高まったとしても、現在において、予め、燃料ガスが高い圧力で供給されているので、燃料電池で燃料ガス不足となりにくくなる。よって、燃料電池は、その後の大きな目標出力電流（発電要求）に対応して、好適に発電できる。
また、前記圧力制御手段は、前記現在の目標出力電流が小さいほど、前記圧力差を大きくすることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、現在の目標出力電流が小さいほど（基準燃料ガス圧力が低いほど）、圧力差を大きくするので、その後に、急に大きな発電要求がされた場合に燃料ガス不足となりにくくなる。
また、前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力をその上限圧力以下で制御することを特徴とする燃料電池システムである。
ここで、燃料ガスの上限圧力は、燃料ガスが通流する機器、配管等の耐圧性に基づいて求められる圧力である。
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を、燃料ガスの上限圧力以下で制御する。これにより、燃料ガスが外部に漏れることを防止できる。
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を、燃料ガスの上限圧力以下で制御する。これにより、燃料ガスが外部に漏れることを防止できる。
また、前記圧力制御手段は、前記圧力差を、前記燃料電池の膜電極接合体が破損しない所定圧力差以下にすることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、圧力制御手段が、圧力差を、燃料電池の膜電極接合体が破損しない所定圧力差以下にする。これにより、膜電極接合体に過大な圧力差が作用することになく、膜電極接合体が破損することを防止できる。
また、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記圧力制御手段は、前記電圧検出手段が検出する出力電圧に基づいて、前記燃料電池の発電性能が低下していると判定される場合、燃料ガスの圧力及び／又は酸化剤ガスの圧力を高めることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、電圧検出手段が検出する出力電圧に基づいて、前記燃料電池の発電性能が低下していると判定される場合、圧力制御手段は、燃料ガスの圧力及び／又は酸化剤ガスの圧力を高める。これにより、燃料電池の膜電極接合体に、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスが、高圧で供給されることになり、燃料電池の発電性能を回復させることができる。
また、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力、及び／又は、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御すると共に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力との圧力差を制御する圧力制御手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、前記燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように前記圧力差を制御すると共に、前記現在の目標出力電流が小さいほど前記圧力差を大きくすることを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
このような燃料電池システムの運転方法によれば、圧力制御手段が、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差を制御する。これにより、燃料電池には、目標出力電流に対応した基準燃料ガス圧力よりも高い圧力で、燃料ガスが供給される。
したがって、その後、燃料電池に対して、急に大きな発電要求がされ、その後の目標出力電流が大きくなり、目標出力電流に対応したその後の基準燃料ガス圧力が高まったとしても、現在において、予め、燃料ガスが高い圧力で供給されているので、燃料電池で燃料ガス不足となりにくくなる。よって、燃料電池は、その後の大きな目標出力電流（発電要求）に対応して、好適に発電できる。
また、現在の目標出力電流が小さいほど（基準燃料ガス圧力が低いほど）、圧力差を大きくするので、その後に、急に大きな発電要求がされた場合に燃料ガス不足となりにくくなる。
また、現在の目標出力電流が小さいほど（基準燃料ガス圧力が低いほど）、圧力差を大きくするので、その後に、急に大きな発電要求がされた場合に燃料ガス不足となりにくくなる。
本発明によれば、急に大きな発電要求がされたとしても、燃料ガス不足となりにくく、燃料電池が好適に発電可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
本発明の一実施形態について、図１から図８を参照して説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
そして、このように発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁１００と、エゼクタ２６と、常閉型のパージ弁２７とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁１００、配管１００ａ、エゼクタ２６、配管２６ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁１００と、エゼクタ２６と、常閉型のパージ弁２７とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁１００、配管１００ａ、エゼクタ２６、配管２６ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。
［減圧弁］
減圧弁１００は、特開２００４−１８５８３１号公報、特開２００４−１８５８７２号公報、特開２００６−１５６２０８号公報に記載されたものと同様のものであるが、その主要部について、図２を参照して説明する。なお、図２は、弁体１５０が弁座１４０に着座し、減圧弁１００が閉じた状態を記載している。
減圧弁１００は、第１ボディ１１０と、第２ボディ１２０と、第３ボディ１３０と、弁座１４０と、第１ボディ１１０内に配置されると共に、閉弁時に弁座１４０に着座する弁体１５０と、シャフト１６０と、第１ダイアフラム１７１と、第２ダイアフラム１７２と、圧縮コイルばねから構成される第１ばね１７３及び第２ばね１７４と、を備えている。
減圧弁１００は、特開２００４−１８５８３１号公報、特開２００４−１８５８７２号公報、特開２００６−１５６２０８号公報に記載されたものと同様のものであるが、その主要部について、図２を参照して説明する。なお、図２は、弁体１５０が弁座１４０に着座し、減圧弁１００が閉じた状態を記載している。
減圧弁１００は、第１ボディ１１０と、第２ボディ１２０と、第３ボディ１３０と、弁座１４０と、第１ボディ１１０内に配置されると共に、閉弁時に弁座１４０に着座する弁体１５０と、シャフト１６０と、第１ダイアフラム１７１と、第２ダイアフラム１７２と、圧縮コイルばねから構成される第１ばね１７３及び第２ばね１７４と、を備えている。
第１ボディ１１０には、弁座１４０に着座した弁体１５０で仕切られた一次室１１１及び二次室１１２と、一次室１１１に連通すると共に配管２２ａが接続される一次ポート１１３と、二次室１１２に連通すると共に配管１００ａが接続される二次ポート１１４とが形成されている。弁座１４０は、第１ボディ１１０に固定されており、弁体１５０は、第１ばね１７３によって弁座１４０側に、つまり、閉方向に付勢されている。
シャフト１６０は、その下端が弁体１５０に螺着されると共に、その上端は、第２ボディ１２０、第３ボディ１３０内で上方に延びており、第１ボディ１１０に固定されたシャフトガイド１６１により、軸方向にガイドされている。
シャフト１６０の中間部には、径方向に延出するストッパ部１６２が形成されており、ストッパ部１６２の上には、第１ダイアフラム１７１、第１ダイアフラム１７１と第２ダイアフラム１７２との間隔を所定に保持するスペーサ１６３、第２ダイアフラム１７２、円盤状の挟持板１６４が、順に配置されている。そして、ナット１６５が、挟持板１６４の上方からシャフト１６０に螺合されており、シャフト１６０に対して、第１ダイアフラム１７１、第２ダイアフラム１７２及び挟持板１６４が、所定位置で保持されている。
シャフト１６０の中間部には、径方向に延出するストッパ部１６２が形成されており、ストッパ部１６２の上には、第１ダイアフラム１７１、第１ダイアフラム１７１と第２ダイアフラム１７２との間隔を所定に保持するスペーサ１６３、第２ダイアフラム１７２、円盤状の挟持板１６４が、順に配置されている。そして、ナット１６５が、挟持板１６４の上方からシャフト１６０に螺合されており、シャフト１６０に対して、第１ダイアフラム１７１、第２ダイアフラム１７２及び挟持板１６４が、所定位置で保持されている。
第１ダイアフラム１７１の周縁は、第１ボディ１１０と第２ボディ１２０とに挟持されている。第２ダイアフラム１７２の周縁は、第２ボディ１２０と第３ボディ１３０とに挟持されている。
そして、二次側に流入した水素は、細管１１５を通って、アスピレータ室１１６に流入し、シャフト１６０のストッパ部１６２を上方向に押圧することで、シャフト１６０と一体である弁体１５０を閉方向に付勢するようになっている。
そして、二次側に流入した水素は、細管１１５を通って、アスピレータ室１１６に流入し、シャフト１６０のストッパ部１６２を上方向に押圧することで、シャフト１６０と一体である弁体１５０を閉方向に付勢するようになっている。
第２ばね１７４は、第３ボディ１３０に螺着されたばね止め部材１３３と、挟持板１６４との間に介装されており、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢している。ばね止め部材１３３は、第３ボディ１３０に対して回動可能に構成されており、このように回動させると、第２ばね１７４のばね長が変化し、第２ばね１７４が弁体１５０を開方向に付勢する力が可変するように設計されている。
第３ボディ１３０には、パイロット室１３１と、パイロット室１３１に連通すると共に、配管２４ａ（図１参照）が接続されるパイロットポート１３２が形成されている。配管２４ａの上流端は、後記するコンプレッサ３１からの空気が流れる配管３１ａに接続されており、その途中には、オリフィス２４が設けられている。
そして、コンプレッサ３１が作動すると、配管３１ａ内の空気は、オリフィス２４で流量が絞られた後、配管２４ａ、パイロットポート１３２を介して、パイロット室１３１に導入され、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢するようになっている。
そして、コンプレッサ３１が作動すると、配管３１ａ内の空気は、オリフィス２４で流量が絞られた後、配管２４ａ、パイロットポート１３２を介して、パイロット室１３１に導入され、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢するようになっている。
また、配管２４ａは、オリフィス２４と減圧弁１００との間で、配管２５ａを介して常閉型の空気排出弁２５に接続されている。空気排出弁２５は、ＥＣＵ６０の指令によって開き、配管２４ａ内の空気を排出する機能を備えている。そして、このように空気が排出されると、図２のパイロット室１３１における空気の圧力が下がり、空気が弁体１５０を開方向に付勢する力が小さくなる。
したがって、第２ばね１７４及びパイロット室１３１の空気による弁体１５０を開方向に付勢する力が、第１ばね１７３及びアスピレータ室１１６の水素による弁体１５０を閉方向に付勢する力よりも大きくなると、弁体１５０が弁座１４０から離座し、減圧弁１００が開弁するようになっている。
図１に戻って説明を続ける。
アノード流路１１の出口は、配管２６ｂ（水素循環ライン）を介して、エゼクタ２６の吸込口に接続されており、配管２６ｂには気液分離器（図示しない）が設けられている。そして、アノード流路１１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、前記気液分離器において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２６に戻されるようになっている。次いで、エゼクタ２６において、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。
アノード流路１１の出口は、配管２６ｂ（水素循環ライン）を介して、エゼクタ２６の吸込口に接続されており、配管２６ｂには気液分離器（図示しない）が設けられている。そして、アノード流路１１（アノード）から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、前記気液分離器において、これに同伴する液状の水分が分離された後、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２６に戻されるようになっている。次いで、エゼクタ２６において、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１１に再供給されるようになっている。
［パージ弁］
配管２６ｂは、その途中で、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器３４の上部に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２６ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。
配管２６ｂは、その途中で、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器３４の上部に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２６ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１２に供給するようになっている。なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃ、背圧弁３３、配管３３ａを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３２ｂ等を介して、希釈器３４に排出されるようになっている。
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁である。そして、背圧弁３３は、後記するアクセルペダル５１の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ＥＣＵ６０により、その開度が制御されるようになっている。
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁である。そして、背圧弁３３は、後記するアクセルペダル５１の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ＥＣＵ６０により、その開度が制御されるようになっている。
＜加湿器＞
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜３２ｄを備えている。
加湿器３２は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するため、カソード流路１２に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとを水分交換させる中空糸膜３２ｄを備えている。
＜希釈器＞
希釈器３４は、パージ弁２７から導入されるアノードオフガスと、配管３３ａから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合することで生成した希釈後ガスは、配管３４ａを介して車外に排出されるようになっている。
希釈器３４は、パージ弁２７から導入されるアノードオフガスと、配管３３ａから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合することで生成した希釈後ガスは、配管３４ａを介して車外に排出されるようになっている。
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit、発電電力制限手段）と、出力検出器４３（電圧検出手段）と、を備えている。走行モータ４１は、ＶＣＵ４２、出力検出器４３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
電力消費系は、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit、発電電力制限手段）と、出力検出器４３（電圧検出手段）と、を備えている。走行モータ４１は、ＶＣＵ４２、出力検出器４３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えている。なお、走行モータ４１とＶＣＵ４２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えている。なお、走行モータ４１とＶＣＵ４２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。
出力検出器４３は、燃料電池スタック１０の現在の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えており、電流センサ及び電圧センサは適所に配置されている。そして、出力検出器４３は、出力電流及び出力電圧を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
＜アクセルペダル＞
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal）は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み量（ＡＰ量）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal）は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み量（ＡＰ量）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図３から図７を参照して説明する。なお、初期状態において、燃料電池スタック１０に水素及び空気が供給され、燃料電池スタック１０は発電している。
次に、燃料電池システム１の動作について、図３から図７を参照して説明する。なお、初期状態において、燃料電池スタック１０に水素及び空気が供給され、燃料電池スタック１０は発電している。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１から入力される現在のアクセルペダル５１の踏み込み量（ＡＰ量）と、図４のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０の目標出力電流を算出する。図４に示すように、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きくなると、走行モータ４１を高速で回転させるべく、目標出力電流が大きくなる関係となっている。なお、図４のマップは、事前試験やシミュレーションにより求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、目標出力電流と図５のマップとに基づいて、カソード流路１２における目標空気圧力を算出する。
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、図５のマップに基づいて、アノード流路１１における目標水素圧力を算出する。具体的には、目標水素圧力は、ステップＳ１０２で算出された目標空気圧力と、目標圧力差ΔＰとの和で与えられる。
ここで、図５のマップについて具体的に説明する。なお、図５のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。また、図５において、目標出力電流が小さい破線左側の範囲は、燃料電池自動車のアイドル状態（無負荷状態）に対応している。
図５に示すように、目標空気圧力は、目標出力電流が大きくなると、上限空気圧力に到達するまで高くなる関係となっている。上限空気圧力は、高圧の空気が通流する機器（加湿器３２、背圧弁３３、配管３２ａ等）や、機器の接続部におけるシール（Ｏリング等）の耐圧性に基づいて、空気が漏れない圧力に設定される。
目標水素圧力は、目標空気圧力と同様に、目標出力電流が大きくなると、上限水素圧力に到達するまで高くなる関係となっている。上限水素圧力は、高圧の水素が通流する機器（エゼクタ２６、パージ弁２７、配管２６ａ等）や、機器の接続部におけるシール（Ｏリング等）の耐圧性に基づいて、水素が漏れない圧力に設定される。つまり、目標水素圧力は、水素の上限圧力以下で制御されるようになっている。
また、目標水素圧力は、燃料電池自動車の加速時等におけるアノードでの水素不足を防止するため、目標空気圧力及び基準水素圧力よりも高く設定される。基準水素圧力とは、現在の目標出力電流に対応して、水素が過不足なく供給される場合における水素の圧力である。
さらに、目標水素圧力と目標空気圧力との差である目標圧力差ΔＰは、基準圧力差よりも大きく、上限極間圧力差以下に設定される。基準圧力差は、現在の目標出力電流に対応して、水素及び空気が過不足なく供給される場合における基準水素圧力と目標空気圧力との圧力差である。上限極間圧力差は、アノード流路１１の水素とカソード流路１２の空気との間に介在するＭＥＡに破れ等が発生しない圧力差であり、ＭＥＡの機械的強度から求められ、ＭＥＡの強度が高くなると、上限極間圧力差は大きくなる関係となる。
さらに、目標出力電流の小さい領域（アイドル側の領域）では、その後に急加速が要求された場合、その後にアノードで水素不足となり易いので、水素不足とならないように、目標圧力差ΔＰは上限極間圧力差に設定されている。そして、目標圧力差ΔＰは、目標出力電流が大きくなると、徐々に小さくなるように設定されている。これは、目標出力電流が大きくなると水素供給量が増え、その後に急加速が要求されたとしても、アノードで水素不足となり難いからである。すなわち、目標圧力差ΔＰは、目標出力電流に基づいて制御されると共に、目標出力電流が小さいほど、目標圧力差ΔＰが大きくなるように制御される設定となっている。
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、出力検出器４３から入力される燃料電池スタック１０の現在の出力電圧に基づいて、目標水素圧力及び／又は目標空気圧力を補正する。
すなわち、前回の処理フローにおけるステップＳ１０５で、前回の目標水素圧力及び目標空気圧力となるように、空気排出弁２５、コンプレッサ３１及び背圧弁３３を制御したにも関わらず、前回の目標水素圧力及び目標空気圧力に対応して、出力電圧が出力されてない場合、燃料電池スタック１０の発電性能が低下している虞があるので、発電性能を回復させるべく、今回の目標水素圧力及び／又は目標空気圧力が高まるように補正、つまり、今回の目標水素圧力及び／又は目標空気圧力に、所定量を上乗せする。
すなわち、前回の処理フローにおけるステップＳ１０５で、前回の目標水素圧力及び目標空気圧力となるように、空気排出弁２５、コンプレッサ３１及び背圧弁３３を制御したにも関わらず、前回の目標水素圧力及び目標空気圧力に対応して、出力電圧が出力されてない場合、燃料電池スタック１０の発電性能が低下している虞があるので、発電性能を回復させるべく、今回の目標水素圧力及び／又は目標空気圧力が高まるように補正、つまり、今回の目標水素圧力及び／又は目標空気圧力に、所定量を上乗せする。
ただし、このように補正する場合においても、目標水素圧力は上限水素圧力以下、目標空気圧力は上限空気圧力以下、目標圧力差ΔＰは上限極間圧力差以下、の範囲に制限される。
なお、例えば、セル電圧モニタを介して、セル電圧が所定セル電圧以下に低下し、アノードに水分が付着し、アノードへの水素供給が十分でないと判断される場合、前記水分を吹き飛ばすため、目標水素圧力のみを補正してもよい。また、ＭＥＡを構成する電解質膜の乾燥が進み、出力電圧が低下していると判断される場合、電解質膜を加湿するため、目標空気圧力のみを補正してもよい。
なお、例えば、セル電圧モニタを介して、セル電圧が所定セル電圧以下に低下し、アノードに水分が付着し、アノードへの水素供給が十分でないと判断される場合、前記水分を吹き飛ばすため、目標水素圧力のみを補正してもよい。また、ＭＥＡを構成する電解質膜の乾燥が進み、出力電圧が低下していると判断される場合、電解質膜を加湿するため、目標空気圧力のみを補正してもよい。
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、補正後の目標水素圧力及び目標空気圧力となるように、空気排出弁２５、コンプレッサ３１及び背圧弁３３を制御する。
すなわち、ＥＣＵ６０は、補正後の目標空気圧力と図６のマップとに基づいて、コンプレッサ３１の回転速度及び背圧弁３３の開度を制御する。図６に示すように、目標空気圧力が高くなると、コンプレッサ３１の回転速度が高くなり、背圧弁３３の開度が小さくなる関係となっている。なお、図６のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
すなわち、ＥＣＵ６０は、補正後の目標空気圧力と図６のマップとに基づいて、コンプレッサ３１の回転速度及び背圧弁３３の開度を制御する。図６に示すように、目標空気圧力が高くなると、コンプレッサ３１の回転速度が高くなり、背圧弁３３の開度が小さくなる関係となっている。なお、図６のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
これに並行して、ＥＣＵ６０は、補正後の目標水素圧力と図７のマップとに基づいて、空気排出弁２５の排出インターバル（排出間隔）を制御する。本実施形態における空気排出弁２５は、ＥＣＵ６０からの排出指令を受けると、一定時間にて空気を排出するので、図７に示すように、目標水素圧力が低くなると、空気排出弁２５の排出インターバルが短くなる関係となっている。なお、このように空気排出弁２５の排出インターバルが短くなると、図２に示す減圧弁１００のパイロット圧が下がり、減圧弁１００の二次側圧力、つまり、アノード流路１１における水素圧力が下がるように設計されている。すなわち、本実施形態では、空気排出弁２５の排出インターバルが長い場合（又は空気が排出されない場合）、図５の上限極間圧力差が生成するように設計されており、そして、排出インターバルを可変することで、目標水素圧力、目標圧力差ΔＰに調整するようになっている。
すなわち、本実施形態では、アノード流路１１における水素の圧力、及び／又は、カソード流路１２における空気の圧力を制御すると共に、水素の圧力と空気の圧力との圧力差を制御する圧力制御手段は、ＥＣＵ６０と、減圧弁１００と、空気排出弁２５と、コンプレッサ３１と、背圧弁３３とを備えて構成されている。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１から得られる効果について、図８を参照して説明する。
現在の目標出力電流に対応した基準圧力差（図８の比較例）よりも大きくなるように、水素と空気との目標圧力差ΔＰを制御するので、燃料電池スタック１０には、目標出力電流に対応した基準水素圧力（比較例）よりも高い圧力で（図５参照）、水素が供給される。
このような燃料電池システム１から得られる効果について、図８を参照して説明する。
現在の目標出力電流に対応した基準圧力差（図８の比較例）よりも大きくなるように、水素と空気との目標圧力差ΔＰを制御するので、燃料電池スタック１０には、目標出力電流に対応した基準水素圧力（比較例）よりも高い圧力で（図５参照）、水素が供給される。
したがって、その後、急にアクセルペダル５１が踏み込まれ、目標出力電流が急に大きくなり、目標出力電流に対応したその後の基準水素圧力が高まったとしても、予め、水素が高い圧力で供給されているので、水素の供給遅れは発生せず、アノードで水素不足となりにくくなる。よって、燃料電池スタック１０は、その後の大きな目標出力電流に対応して発電し、大きな出力電流を実際に出力できる。その結果、燃料電池自動車は、運転者の加速要求（発電要求）に応じて、好適に加速できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組合させてもよい。
前記した実施形態では、減圧弁１００のパイロット圧等を制御することで、目標水素圧力及び目標圧力差ΔＰを制御する構成としたが、その他に例えば、減圧弁１００に代えて、又は、その下流に、バタフライ弁等を設けて水素の圧力を制御する構成としてもよい。
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ アノード流路（燃料ガス流路）
１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２４ オリフィス
２５ 空気排出弁（圧力制御手段）
３１ コンプレッサ（圧力制御手段）
３３ 背圧弁（圧力制御手段）
４３ 出力検出器（電圧検出手段）
６０ ＥＣＵ（圧力制御手段）
１００ 減圧弁
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１ アノード流路（燃料ガス流路）
１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２４ オリフィス
２５ 空気排出弁（圧力制御手段）
３１ コンプレッサ（圧力制御手段）
３３ 背圧弁（圧力制御手段）
４３ 出力検出器（電圧検出手段）
６０ ＥＣＵ（圧力制御手段）
１００ 減圧弁
Claims (6)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力、及び／又は、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御すると共に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力との圧力差を制御する圧力制御手段と、
を備え、
前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、前記燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように前記圧力差を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記圧力制御手段は、前記現在の目標出力電流が小さいほど、前記圧力差を大きくする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力をその上限圧力以下で制御する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記圧力制御手段は、前記圧力差を、前記燃料電池の膜電極接合体が破損しない所定圧力差以下にする
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記圧力制御手段は、前記電圧検出手段が検出する出力電圧に基づいて、前記燃料電池の発電性能が低下していると判定される場合、燃料ガスの圧力及び／又は酸化剤ガスの圧力を高める
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。 - 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力、及び／又は、前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力を制御すると共に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力との圧力差を制御する圧力制御手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記圧力制御手段は、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスの圧力よりも高め、前記燃料電池の現在の目標出力電流に対応した基準圧力差よりも大きくなるように前記圧力差を制御すると共に、前記現在の目標出力電流が小さいほど前記圧力差を大きくする
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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