JP2010129207A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの排出を抑制しつつ、不活性ガスを効率的に排出することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４を開放する。これにより、圧力増加に対応して高水素濃度のガスが導入されると、燃料極に残留する低水素濃度のガスが容積部１２へと押し出され、高水素濃度のガスにより置換される。また、容積部１２へと押し出された低水素濃度のガスは、パージバルブ１４から排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、発電反応にともない生成水が精製されることから、これを外部に排出する処理を行っている。

例えば、特許文献１には、燃料電池の燃料極側の生成水を排出する手法が開示されている。具体的には、燃料電池の発電動作により燃料極側に生成水が溜まると、燃料電池の燃料極側の上流の水素供給弁と、燃料極側の下流の排水弁とを閉じる。この状態において、燃料電池の発電を行い、燃料電池内および燃料電池に連通した容器が減圧状態になった後、供給弁を開いて減圧状態の燃料電池内に水素を噴入する。これにより、燃料電池の燃料極側の生成水を容器に押し出して排出する。
特開２００７−１４９６３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、生成水が溜まるまで排水弁が閉じられ続けるので、窒素などの不活性ガスの濃度が上昇し、発電を効率が低下する虞がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスの排出を抑制しつつ、不活性ガスを効率的に排出することにある。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池システムが、燃料電池の燃料極からの排出ガスが流入する排出流路を有している。そして、上限圧力と下限圧力との間で圧力増減を行う制御パターンに基づいて、燃料電池の燃料極における燃料ガスの圧力を周期的に変動させながら、燃料極へ燃料ガスを供給する。この場合、燃料極における燃料ガスの圧力増加過程に対応して、開閉手段により排出流路を開放する。

本発明によれば、圧力増加により高濃度の燃料ガスが導入されると、燃料極に残留する低濃度の燃料ガスを含むガスが排出流路へと押し出され、燃料極は高濃度の燃料ガスにより置換される。また、排出流路へと押し出された低濃度の燃料ガスを含むガス、すなわち、不活性ガスを多く含むガスは、開閉手段により開放された排出流路から排出される。これにより、燃料ガスの排出を抑制しつつ、不活性ガスを効率的に排出することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。

燃料電池システムは、燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備えている。燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を一対のセパレータで挟持して構成される。燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル毎に、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。

燃料電池スタック１には、燃料電池セルの積層方向に延在する一対の内部流路（マニホールド）が、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれに対応して構成されている。燃料ガス側に対応する一対のマニホールドのうち、一方のマニホールドである供給用マニホールドは、個々の燃料電池セルが備えるガス用流路（セル流路）を介して燃料極の反応面に燃料ガスをそれぞれ供給し、他方のマニホールドである排出用マニホールドは、当該セル流路から排出されたガス（以下「燃料極オフガス」という）がそれぞれ流入する。同様に、酸化剤ガスに対応する一対の内部流路（マニホールド）のうち、一方のマニホールドである供給用マニホールドは、個々の燃料電池セルが備えるガス用流路（セル流路）を介して酸化剤極の反応面に酸化剤ガスをそれぞれ供給し、他方のマニホールドである排出用マニホールドは、当該ガス流路から排出されたガス（以下「酸化剤極オフガス」という）が流入する。

ここで、本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。また、本明細書では、「燃料電池セル」、「燃料極」または「酸化剤極」という用語を、単一の燃料電池セル、またはその燃料極または酸化剤極を指す場合のみに用いだけではなく、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルのすべて、または、その燃料極または酸化剤極のすべてを総称する場合にも用いることとする。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とをさらに有している。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路（燃料極入口流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素供給流路Ｌ１は、一方の端部が燃料タンク１０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１の燃料ガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。この水素供給流路Ｌ１において、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図示せず）が設けられており、このタンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力、すなわち、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。燃料タンク１０、水素供給流路Ｌ１およびこの水素供給流路Ｌ１に設けられた水素調圧バルブ１１によって、燃料電池スタック１の燃料極へ水素を供給する水素供給手段が構成される。

本実施形態において、燃料電池スタック１は、燃料ガス排出用マニホールドの外部へ通じる出口側が基本的に閉塞されており、燃料電池スタック１から燃料極オフガスの排出が制限されている、いわゆる、閉塞系を採用するシステムである。ただし、これは厳密な意味での閉塞を指すものではなく、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物を燃料極から排出するために、燃料ガス用の排出用マニホールドの出口側を例外的に開放する排出システムが設けられている。具体的には、燃料ガス排出用マニホールドの出口側には、燃料極オフガス流路（排出流路）Ｌ２が接続されている。燃料極オフガス流路Ｌ２は、他方の端部が、後述する酸化剤極オフガス流路Ｌ６に接続されている。

燃料極オフガス流路Ｌ２には、所定容量、例えば、燃料電池スタック１を構成する全燃料電池セルに関する燃料極側の容積と同程度もしくは８割程度の容積を空間として備える容積部（容積手段）１２が設けられている。この容積部１２は、燃料極オフガス流路Ｌ２の一部を構成するとともに、燃料極側から流入する燃料極オフガスを一次的に蓄えるバッファとして機能する。容積部１２の鉛直方向の下部には、一方の端部が開放された排水流路Ｌ３が接続されており、この排水流路Ｌ３には、排水バルブ１３が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガスに含まれる液水は容積部１２の下部にたまり、排水バルブ１３の開閉状態を制御することにより、排出することができる。また、燃料極オフガス流路Ｌ２には、容積部１２よりも下流側にパージバルブ（開閉手段）１４が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガス、具体的には、不純物（主として、窒素など）および未反応な水素を含むガスは、パージバルブ１４の開閉状態を制御することにより、排出することができる。

一方、空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。空気供給流路Ｌ５は、一方の端部がコンプレッサ２０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１における酸化剤ガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。また、空気供給流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気を加湿するための加湿装置２１が設けられている。

燃料電池スタック１における酸化剤ガス排出用マニホールドの出口側には、酸化剤極オフガス流路Ｌ６が接続されている。燃料電池スタック１における酸化剤極からの酸化剤極オフガスは、酸化剤極オフガス流路Ｌ６を介して外部に排出される。この酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、上述した加湿装置２１が設けられており、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、酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、加湿装置２１により下流側に、空気調圧バルブ２２が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力、すなわち、燃料電池スタック１の酸化剤極における空気圧力は、空気調圧バルブ２２の開度を制御することによって調整することができる。

また、燃料電池システムには、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置３０が備えられている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置３０を介して負荷、例えば、車両駆動用の電動モータ（図示せず）や燃料電池スタック１の発電動作に必要な種々の補機に供給される。また、出力取出装置３０において発電された電力は、二次電池（図示せず）にも供給されている。この二次電池は、システムの起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１から負荷へ供給される電力の不足を補うために備えられている。

制御部（制御手段）４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成された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４０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、水素調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、出力取出装置３０といった種々の要素を制御し、燃料電池スタック１の発電動作を行う。

制御部４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。本実施形態では、水素圧力センサ４１と、空気圧力センサ４２と、スタック温度センサ４３とが挙げられる。水素圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を検出する。空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する。スタック温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度を検出する。

制御部４０は、以下に示す形態で燃料電池システムを制御する。制御部４０は、燃料電池スタック１に空気および水素を供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。この場合、制御部４０は、空気および水素を所定の運転圧力で供給する。燃料電池スタック１に供給する空気および水素の圧力（運転圧力）は、例えば、燃料電池スタック１による発電電力に応じた値（可変値）として設定される。

本実施形態の特徴の一つとして、制御部４０は、酸化剤極への空気供給については、発電電力に応じた運転圧力にしたがって圧力制御を行うものの、燃料極の水素供給については、図２に示すように、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との範囲内において圧力を周期的に増減させる圧力制御を行う。換言すれば、制御部４０は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力増減を行う制御パターンに基づいて、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力を周期的に変動させる。

具体的には、制御部４０は、燃料極の水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達しており、燃料極内に発電を行うための十分な水素濃度が確保されていることを前提に、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させる。制御部４０は、出力取出装置３０を介して燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、発電反応により水素が消費され、燃料極の水素の圧力が低下する。つぎに、制御部４０は、燃料極の水素圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、燃料電池スタック１へ水素の供給を再開させる。これにより、燃料極における水素の圧力を増加させる。そして、制御部４０は、水素圧力が上限圧力Ｐ１まで増加したことを条件に、水素の供給を再度停止させる。このような一連の処理を単位制御パターンとして繰り返すことで、制御部４０は、水素の圧力を周期的に変動させながら、燃料電池スタック１の燃料極へ水素を供給する。

燃料電池スタック１への水素供給および停止は、水素調圧バルブ１１の開閉状態を切り換えることにより可能であり、燃料極の水素圧力は、水素圧力センサ４１の検出値を参照することにより、モニタリング可能である。なお、圧力増加を行う場合には、水素調圧バルブ１１よりも上流側の水素圧力を十分に高くしておき、圧力の増加速度を極力速めることが望ましい。例えば、０．１〜０．５秒程度に設定するといった如くである。一方、上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２まで達する時間は、１秒から１０秒程度であるが、この時間は、上下限圧力Ｐ１，Ｐ２、および、燃料電池スタック１から取り出す電流値、すなわち水素消費速度に依存する。

また、本実施形態の特徴の一つとして、制御部４０は、パージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限しているものの、燃料極に供給される水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放する。

図３は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池スタック１の制御方法、具体的には、制御パラメータの決定方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部４０によって実行される。この処理によって設定される制御パラメータは、水素供給用の上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２と、パージバルブ１４の開閉タイミングとであり、設定された各パラメータは、ガス供給制御およびパージバルブ１４の開閉制御における制御パラメータとして反映される。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、制御部４０は、負荷電流Ｃｔを演算する。制御部４０は、車両の速度、ドライバーのアクセル操作量、さらには二次電池に関する情報に基づいて、燃料電池スタック１の目標発電電力を決定する。制御部４０は、目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流値である負荷電流Ｃｔを演算する。

ステップ２（Ｓ２）において、制御部４０は、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。上述したように、燃料極への水素供給を行う場合、制御部４０は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との間で圧力増減を行い、この制御パターンを繰り返すことにより、燃料極の水素圧力を周期的に変動させる。上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、制御パターンを規定するパラメータであり、負荷電流Ｃｔに応じて設定される。

図４は、負荷電流Ｃｔと、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との対応関係を示す説明図である。燃料電池スタック１から負荷電流Ｃｔを取り出すために必要な反応ガスを供給するための運転圧力Ｐsaは、燃料電池スタック１、水素系および空気系などのシステムの特性を考慮することにより、実験やシミュレーションを通じて定義することができる。酸化剤極へ空気を供給する場合には、この運転圧力Ｐsaは目標運転圧力として設定される。
これに対して、燃料極へ水素を供給する場合には、運転圧力Ｐsaをベースに、燃料電池セルにおける酸化剤極と燃料極との許容膜間差圧を限度として、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２がそれぞれ設定されている。

具体的には、低負荷の場合、すなわち、負荷電流Ｃｔが小さい場合は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧ΔＰが相対的に小さくなるように、例えば、５０ｋＰａ程度に設定されている。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的な水素濃度は、４０％程度となる。これに対して、高負荷の場合、すなわち、負荷電流Ｃｔが大きい場合、ガス圧力を大きくしたほうが発電効率が高くなることから、酸化剤極側および燃料極側とも全体的に供給圧力を上げている。また、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧ΔＰは、１００ｋＰａ程度に設定されている。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的な水素濃度は、７５％程度で運転が行われる。

周期的な圧力増減を行う本実施形態において、燃料電池スタック１の内部（燃料極）の雰囲気は、下限圧力Ｐ２のタイミングにおいて水素濃度が低い状態にあり、上限圧力Ｐ１のタイミングおいて水素濃度が高い状態になる。そのため、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１まで圧力を増加させることにより、高水素濃度のガスが燃料極へ導入され、これにより、低水素濃度のガスが燃料電池スタック１から容積部１２へ押し込まれる。また、高水素濃度のガスにより燃料極内のガスが攪拌されることとなる。

図５は、燃料電池スタック１における燃料極側の容積Ｒｓと容積部１２の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図である。例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）とし、下限圧力Ｐ２を１５０ｋＰａ（絶対圧）とした場合、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との圧力比Ｐ１／Ｐ２は概ね１．３３となる。この場合、同図（ａ）に示すように、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１への圧力増加により、燃料系の容積（具体的には、燃料電池スタック１および容積部１２の容積）のうち１／４程度、つまり燃料電池スタック１の５割地点まで新たな水素が流入することとなる（以下、この状態を水素交換率０．５と表現する）。

負荷電流Ｃｔが低い場合には水素の消費速度が遅いため、概ねこの程度の水素交換率において燃料電池スタック１の発電が可能となる。このシーンにおいて、例えば、時間平均された燃料極オフガス中の水素濃度は、約４０％である。これに対して、負荷電流が高い場合には、燃料電池スタック１の燃料極全体が新たな水素で置き換わる程の圧力比Ｐ１／Ｐ２（例えば、２以上）、つまり水素交換率が１程度となることが望ましい。排出される水素濃度を低く抑えたいものの、水素消費速度が速いため、発電を安定的に行うためにはある一定以上の水素濃度が必要となる（例えば、約７５％以上が必要となる）。

制御部４０は、以上の点を考慮して作成された上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２と負荷電流Ｃｔとの対応関係を、マップまたは演算式として保持している。そして、制御部４０は、現在の負荷電流Ｃｔに基づいて、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。

ステップ３（Ｓ３）において、制御部４０は、パージバルブ１４の開閉タイミングを設定する。パージバルブ１４の開閉は、不純物の排出、すなわち、燃料極の水素濃度を調整するために必要となる。そこで、パージバルブ１４から、周期的な圧力増減による水素の供給を妨げない程度の微小流量を連続的あるいは間欠的に排出させる。パージバルブ１４より排出されるガスは微小流量のため、カソード側の排気により希釈され安全に系外へ排出される。パージバルブ１４の開放は、燃料極から不純物（窒素や水蒸気）を排出するために行うものであるが、燃料極には水素も混在している。そのため、水素の排出を抑制して、不純物を有効に排出することが好ましい。

そこで、本実施形態では、水素供給において、その圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと増加させる過程に対応して、パージバルブ１４を開状態に制御し、これを開放する。具体的には、図６に示すように、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極の水素圧力をモニタリングし、これが下限圧力Ｐ２に到達したタイミングＴｏに対応してパージバルブ１４を開状態に制御し、また、これが上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃに対応してパージバルブ１４を閉状態に制御する（基本制御パターン）。これにより、低水素濃度のガスが燃料電池スタック１から容積部１２に押し込まれ、かつ、高濃度水素がパージバルブ１４に到達する前に、容積部１２から低水素濃度のガスがパージバルブ１４を介して排出される。これにより、効率よく多くの不純物を排出することが可能となる。

ただし、パージバルブ１４の開閉制御は、図６に示す基本制御パターンに限定されず、少なくとも下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと圧力を増加させる過程を含むように、パージバルブ１４が開状態に制御されていれば足りる。そのため、図７に示すように、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃ（以下「基準閉タイミングＴｃ」という）よりも遅延したタイミングＴcaに修正することもできる。

高濃度水素と低濃度水素の境目は、拡散速度を考えた場合、短時間の範囲なら一定の面として判別できる。そこで、水素の供給時、燃料電池スタック１および容積部１２において、どのくらいの時間でどの位置まで境界面（いわゆる、水素フロント）が到達するかを、実験やシミュレーションを通じて予測しておく。そして、この境界面がパージバルブ１４に到達するまでのタイミングまで、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングを基準閉タイミングＴｃよりも遅らせることができる。

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、上限圧力Ｐ１が低い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。燃料極へ流入する水素の速度は、上限圧力Ｐ１が低い時の方が、それが高いときと比較して遅くなる。そのため、不純物の排出が抑制されてしまう傾向があるからである。

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の温度が高い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。燃料電池スタック１の温度が高い程、酸化剤極から燃料極へと透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の燃料電池構造体の湿度が高い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。燃料電池構造体の湿度が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。なお、燃料電池構造体の湿度は、負荷電流から予測したり、セル抵抗を計測することによって予測したりしてもよい。

また、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、基準閉タイミングＴｃよりも遅く設定することができる。酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。

一方、図７に示すように、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、水素圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングＴｏ（以下「基準開タイミングＴｏ」）よりも先行したタイミングＴoaに設定することできる。例えば、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の温度が高い程、基準開タイミングＴｏよりも先行させることができる。上述したように、燃料電池スタック１の温度が高い程、酸化剤極から燃料極へと透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。

また、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、燃料電池スタック１の燃料電池構造体の湿度が高い程基準開タイミングＴｏよりも先行させることができる。燃料電池構造体の湿度が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。

また、パージバルブ１４を開状態に制御するタイミングは、酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、基準開タイミングＴｏよりも先行させることができる。酸化剤極へ供給される空気の圧力が高い程、燃料極側へ透過する窒素量が増えるため、流路内に多くの不純物が存在する傾向となるからである。

制御部４０は、以上の点を考慮して、基準閉タイミングＴｃおよび基準開タイミングＴｏに基づいて、あるいは、修正された閉タイミングＴcaおよび修正された開タイミングＴoaに基づいて、パージバルブ１４の開閉タイミングを設定する。

このように本実施形態において、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４を開放する。かかる構成によれば、圧力増加に対応して高水素濃度のガスが導入されると、燃料極に残留する低水素濃度のガスが容積部１２へと押し出され、高水素濃度のガスにより置換される。また、容積部１２へと押し出された低水素濃度のガスは、パージバルブ１４から排出される。これにより、水素よりも不純物を優先的に排出することができる。また、新たに導入された高水素濃度のガスが、パージバルブ１４から排出される前にパージバルブ１４を閉じることが可能となるので、高濃度の水素が排出されるといった事態を抑制することができる。そのため、水素の排出を抑制しつつ、窒素などの不活性ガスを効率的に排出することができる。

また、本実施形態において、制御部４０は、燃料極における水素圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングＴｏに対応してパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放し、そして、燃料極における水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃに対応してパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限する。これにより、上述した制御パターンを実現することができ、水素の排出を抑制しつつ、窒素などの不活性ガスを効率的に排出することができる。

また、本実施形態において、制御部４０は、燃料極における水素圧力が下限圧力Ｐ２に到達するタイミングＴｏよりも先行したタイミングＴoaにおいてパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放する。また、制御部４０は、燃料極における水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングＴｃよりも遅れたタイミングＴcaにおいてパージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限する。かかる構成によれば、パージバルブ１４による開放時間を増やすことできるので、より効率的に不活性ガスを排出することができる。

なお、本実施形態において、パージバルブ１４は、燃料極オフガス流路Ｌ２において、最大限下流位置に設置されていることが好ましい。これにより、水素フロントがパージバルブ１４に到達するまでの時間を長く設定することができるので、より多くの不純物の排出を行うことができる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、パージバルブ１４は、図８に示すように、開度を制御するタイプのバルブであってもよい。この場合、パージバルブ１４を開放するタイミングでは、その開度は１００％で一律に固定せずに、適宜、必要な開度に調整することも可能である。さらに、パージバルブ１４は、開閉状態の切換をパルス的に行うタイプのバルブであってもよい。このケースでは、図９に示すように、燃料極における水素の圧力増加過程に対応して、パージバルブ１４の開閉頻度を小から大へと切り換えることにより、上述したパージバルブ１４の開閉制御と同様に、燃料極オフガス流路Ｌ２を開放したり、燃料極オフガス流路Ｌ２におけるガスの流れを制限したりすることができる。

また、本実施形態において、制御部４０は、パージバルブ１４の開放を、水素供給の圧力増加の全てに対応して行う必要はない。例えば、燃料極における水素濃度がある判定閾値以上となった場合に、水素供給の圧力増加に対応してパージバルブ１４を開放すればよい。

また、発電反応を阻害する要因として液水も考えられるので、これも併せて排出してもよい。ただし、不活性ガスの存在に比べ、液水が影響するまでの時間は長いため、周期的な圧力増減の毎回ではなく、複数回に１回、あるいは一定時間毎に、この液水排出のための処理を実行することが好ましい。液水は、燃料電池スタック１内から除去されればよいので、これを燃料電池スタック１から容積部１２へと排出することを考える。この場合、流速を上げる必要があるので、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧ΔＰを１００ｋＰａ程度とすることが好ましい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第１の実施形態では、燃料電池スタック１において負荷電流Ｃｔに対応した発電を行う通常運転時の処理を述べたが、本実施形態では、システムの起動時およびシステムの停止時の処理についてそれぞれ説明する。なお、燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同じであるため、重複する説明は省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

まず、起動処理について説明する。システム停止後、燃料電池スタック１が直ぐに起動されることなく暫く放置された場合、燃料極内には、低水素濃度のガスが充満している。このような状況において燃料電池システムを起動する場合には、この低水素濃度のガスを燃料電池スタック１の燃料極から排出させるため、高水素濃度のガスを燃料タンク１０から所定の起動時上限圧力で瞬間的に供給し、燃料極におけるガス圧力を昇圧する。この際、パージバルブ１４も開状態へと制御する。これにより、低水素濃度のガスと、高水素濃度のガスとの境界面である、水素フロントの通過を速めることができるとともに、水素フロントを燃料極から押し出すことができる。

つぎに、水素フロントがパージバルブ１４に到達するタイミングよりも前に、水素調圧バルブ１１およびパージバルブ１４を閉状態に制御し、発電を行い、水素を消費させるとにより、燃料極における水素圧力を減圧させる。そして、水素圧力が、所定の起動時下限圧力まで到達したら、再度、所定の起動時上限圧力まで昇圧させる。そして、燃料電池スタック１の燃料極の濃度が所定の平均水素濃度になるまで、このような圧力増減を繰り返し行う。

なお、実際の車両では、このような起動処理を実行している間にも発進してしまう可能性があるが、この場合には、搭載された二次電池からの出力を利用すればよい。

つぎに、停止処理について説明する。停止後の起動のシーンとして、低温環境を想定した場合、停止時に燃料電池スタック１およびバルブ等に液水が存在すると、凍結等により起動不能に陥る可能性がある。そのため、停止時にこの液水を除去するための処理が必要となる。まず、酸化剤極に空気を供給しながら、低負荷の状態で発電を行う。燃料極側は、第１の実施形態と同様に制御パターンにしたがって圧力増減を繰り返し行う。この場合、例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）、下限圧力Ｐ２を１０１．３ｋＰａとして、燃料極から液水が排出されるのに十分な値を設定しておく。また、この繰り返す回数は、実験やシミュレーションを通じて、液水を十分に排出できる回数を取得しておき、この回数に基づいて行う。これにより発電を終了させる。

次に、燃料電池スタック１から容積部１２へ排出された液水を排水バルブ１３を開状態に制御して排水する。そして、排水後、直前まで発電していた電力を用いて、ヒータなどの加熱手段を作動させ、パージバルブ１４および排水バルブ１３を加熱し、乾燥させる。

このように本実施形態によれば、停止処理により起動時の起動性を図るとともに、起動時の処理であっても、水素よりも不純物を優先的に排出することができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、容積部１２の形態である。なお、基本的なシステム構成は、第１の実施形態と同じであるため、重複する説明は省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

図１０は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図である。同図に示す形態では、燃料電池スタック１における燃料ガス排出用マニホールド３の出口側には、気液分離装置１５が設けられており、この気液分離装置１５を介して気液分離されたガス成分が容積部１２へと導入される形態となっている。また、気液分離された液体成分は、気液分離装置１５の底部に貯留され、その底部に接続された排水流路Ｌ３を介して外部に排出可能となっている。また、この実施形態では、容積部１２の鉛直方向の上方側が尖鋭形状に形成されており、その先端部に燃料極オフガス流路Ｌ２が接続されている。

図１１は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図である。同図に示す形態では、燃料ガス排出用マニホールド３の容積が、図１０に示す形態と比較して拡大されている。かかる形態では、このマニホールドの空間が、燃料極におけるガスが流入することにより容積部としての機能を担い、燃料極オフガス流路Ｌ２に設ける容積部１２を省略している。

図１２は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図である。同図に示す形態では、燃料ガス供給用マニホールド２および燃料ガス排出用マニホールド３の容積が、図１０に示す形態と比較して拡大されている。かかる形態では、これらのマニホールドの空間が、燃料極におけるガスが流入することにより容積部としての機能を担い、これにより、燃料極オフガス流路Ｌ２に設ける容積部１２を省略している。

このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガスが流入する容積手段を種々の形態で実現することができる。これにより、システムの実施形態のバリエーションを豊富化し、また、車両への搭載性の向上を図ることができる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 燃料極における圧力の制御パターンを示す説明図 燃料電池スタック１の制御パラメータの決定方法を示すフローチャート 負荷電流Ｃｔと、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との対応関係を示す説明図 燃料電池スタック１における燃料極側の容積Ｒｓと容積部１２の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図 パージバルブ１４の基本的な開閉タイミングを示す説明図 パージバルブ１４の修正された開閉タイミングを示す説明図 パージバルブの開度推移を示す説明図 パージバルブの開閉頻度を示す説明図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部１２の中心とする模式図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部の中心とする模式図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの容積部の中心とする模式図

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料ガス供給用マニホールド
３…燃料ガス排出用マニホールド
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…容積部
１３…排水バルブ
１４…パージバルブ
１５…気液分離装置
２０…コンプレッサ
２１…加湿装置
２２…空気調圧バルブ
３０…出力取出装置
４０…制御部
Ｌ１…水素供給流路
Ｌ２…燃料極オフガス流路
Ｌ３…排水流路
Ｌ５…空気供給流路
Ｌ６…酸化剤極オフガス流路

Claims (5)

1. 酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   所定容量の空間を備え、前記燃料電池の燃料極からの排出ガスが流入する排出流路と、
   前記排出流路に設けられており、当該排出流路を開閉する開閉手段と、
   前記燃料ガス供給手段を制御することにより、上限圧力と下限圧力との間で圧力増減を行う制御パターンに基づいて、前記燃料電池の燃料極における前記燃料ガスの圧力を周期的に変動させながら、前記燃料電池の燃料極へ前記燃料ガスを供給する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記燃料極における燃料ガスの圧力増加過程に対応して、前記開閉手段により前記排出流路を開放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、前記上限圧力および前記下限圧力を、前記燃料電池が発電する電力に応じて可変に設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、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力が前記下限圧力に到達したタイミングに対応して前記開閉手段により前記排出流路を開放し、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力が前記上限圧力に到達したタイミングに対応して前記開閉手段により前記排出流路におけるガスの流れを制限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。
4. 前記制御手段は、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力が前記下限圧力に到達するタイミングよりも先行したタイミングにおいて前記開閉手段により前記排出流路を開放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、前記燃料極における前記燃料ガスの圧力が前記上限圧力に到達したタイミングよりも遅れたタイミングにおいて前記開閉手段により前記排出流路におけるガスの流れを制限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。

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