JP2012155982A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの間欠運転中に、急激な電力の出力要求があった場合において発生しやすい燃料ガス欠を抑制する。
【解決手段】発明の燃料電池システムは、供給される燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却部と、を備える。冷却部は、燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転に合わせて、燃料電池の冷却動作の実行と停止を繰り返すことにより、燃料電池の発電の開始前の燃料電池の温度が、燃料電池の発電の実行中における制御温度よりも所定量以上降下した温度となっているように動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す燃料電池システムの間欠運転の制御に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転の制御が行われる場合がある。間欠運転制御中における燃料電池の発電停止時には、通常、燃費向上のために、燃料ガス（Ｈ_２）を供給するポンプや、燃料ガスを循環させる循環ポンプ等の各種補機の動作を停止するため、燃料電池セル内の燃料ガス濃度の低下や不均一性が発生する。このため、急激な電力の出力要求があった場合に、直ちに各種ポンプ等の補機の動作を再開させたとしても、補機の動作の応答の遅れに起因して燃料ガスの供給が不十分となって、燃料ガス欠（「Ｈ_２欠」とも呼ぶ）状態が発生しやすくなる。特に、燃料電池セルの燃料ガスの出口側部分で局所的な燃料ガス欠が発生する可能性がある。

特許文献１には、燃料電池の発電停止時に、燃料電池の燃料ガスの出口から排出される燃料ガス（以下、「燃料オフガス」とも呼ぶ）を燃料電池の燃料ガスの入口に戻す循環路を設け、この循環路の開閉を間欠的に駆動することにより、燃料電池セル内の燃料ガス濃度の低下や不均一性を抑制して、燃料ガス欠状態の発生を抑制することが開示されている。しかしながら、この場合、間欠的に駆動するタイミングで燃料ガスの圧力を変化させることになるため、圧力変動の発生機会が多く、燃料電池セル、具体的には、燃料電池セルを構成する電解質膜が劣化しやすくなる、という問題がある。このため、特許文献１の構成では燃料ガス欠の発生の抑制に関して十分ではない。

特開２０１０−２７２５０５号公報 特開２０１０−０６７４６０号公報 特開２００９−００４１２０号公報 特開２０１０−１２９２０７号公報

そこで、本発明は、燃料電池システムの間欠運転中に、急激な電力の出力要求があった場合において発生しやすい燃料ガス欠を抑制することが可能な新たな技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池システムであって、供給される燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却部と、を備え、前記冷却部は、前記燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転に合わせて、前記燃料電池の冷却動作の実行と停止を繰り返すことにより、前記燃料電池の発電の開始前の前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の発電の実行中における制御温度よりも所定量以上降下した温度となっているように動作することを特徴とする燃料電池システム。
上記燃料電池システムによれば、燃料電池の停止中の燃料電池の温度を、燃料電池の発電実行中における制御温度よりも所定量以上低下させることができるので、燃料電池に存在している燃料ガスの飽和蒸気圧が低下する。これにより、水発電の実行中に燃料ガス中に含まれていた水蒸気が凝結して液水化することにより体積が減少するので、これに対応した量の燃料ガスを新たに供給することが可能となる。この結果、燃料電池の発電開始前の燃料ガスの濃度を高めることができ、燃料ガス欠の発生を抑制することが可能となる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記冷却部は、前記燃料電池の発電を停止するタイミングであっても、前記冷却部の冷却動作を継続し、前記燃料電池の温度が前記制御温度よりも前記所定量以上降下してから前記冷却動作を停止することを特徴とする燃料電池システム。

［適用例３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記冷却部は、前記間欠運転における周期的な前記燃料電池の発電を停止するタイミングよりも前の所定のタイミングから、前記燃料電池の温度が前記制御温度よりも降下するように動作し、前記燃料電池の温度が所定量以上降下してから前記冷却動作を停止することを特徴とする燃料電池システム。

［適用例４］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記冷却部は、前記間欠運転における周期的な前記燃料電池の発電を開始するタイミングよりも前の所定のタイミングから前記冷却動作を開始し、前記燃料電池の発電を実行するタイミングまでに前記燃料電池の温度を前記制御温度から所定量以上降下するように動作し、前記燃料電池の発電の実行中は前記燃料電池の温度が前記制御温度となるように冷却動作を継続することを特徴とする燃料電池システム。

適用例２〜適用例４のいずれのようにしても、燃料電池の停止中の燃料電池の温度を、燃料電池の発電実行中における制御温度よりも所定量以上低下させることができる。

［適用例５］
供給される燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転に合わせて、前記冷却部により前記燃料電池の冷却動作の実行と停止を繰り返すことにより、前記燃料電池の発電の開始前の前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の発電の実行中における制御温度よりも所定量以上降下した温度となっているようにすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
上記燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の停止中の燃料電池の温度を、燃料電池の発電実行中における制御温度よりも所定量以上低下させることができるので、燃料電池に存在している燃料ガスの飽和蒸気圧が低下する。これにより、水発電の実行中に燃料ガス中に含まれていた水蒸気が凝結して液水化することにより体積が減少するので、これに対応した量の燃料ガスを新たに供給することが可能となる。この結果、燃料電池の発電開始前の燃料ガスの濃度を高めることができ、燃料ガス欠の発生を抑制することが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの制御方法などの種々の形態で実現することが可能である。

第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 燃料ガス供給系の概略動作を示す説明図である。 酸化ガス供給系の概略動作を示す説明図である。 燃料電池冷却系の概略動作を示す説明図である。 間欠運転時の冷却制御の手順を示すフローチャートである。 間欠運転時の冷却制御を示すタイムチャートである。 間欠運転時冷却制御による効果を示す説明図である。 間欠運転時の冷却制御の変形例を示すタイムチャートである。 間欠運転時の冷却制御の他の変形例を示すタイミングチャートである。 第２実施例における間欠運転時の燃料ガス圧力制御の手順を示すフローチャートである。 間欠運転時の燃料ガス圧力制御を示すタイムチャートである。 圧力制御により変化する燃料電池内の燃料ガス濃度について示す説明図である。 間欠運転時燃料ガス圧力制御による効果を示す説明図である。 間欠運転時の燃料ガス圧力制御の変形例を示すタイムチャートである。 間欠運転時の燃料ガス圧力制御の他の変形例を示すタイムチャートである。 第３実施例における燃料ガス循環制御を示すタイムチャートである。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成例：
図１は、第１実施例としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給系２００と、酸化ガス供給系３００と、燃料電池冷却系４００と、切替制御回路５００と、蓄電池６００と、制御部７００と、を備え、負荷回路２０が要求する電力を供給するシステムである。

燃料電池１００は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。

この燃料電池１００としては、固体高分子電解質膜等の種々の電解質膜を用いた燃料電池セルで構成される燃料電池が対象となる。また、燃料電池１００は、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有するものとする。

燃料電池セルは、図示は省略するが、基本的に、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」あるいは単に「アノード」とも呼ぶ）と、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」あるいは単に「カソード」とも呼ぶ）とで構成される。ＭＥＡとセパレータとの間には、アノード側およびカソード側に、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられている。また、セパレータとガス拡散層に接する面には、燃料ガスや酸化ガスを流す溝状のガス流路が形成されている。ただし、セパレータとガス拡散層との間に、ガス流路部が別途設けられる場合もある。なお、電解質膜とアノード側のセパレータとの間に形成された各構成要素を纏めて「アノード」と呼ぶ場合もある。また、電解質膜とカソード側のセパレータとの間に形成された各構成要素を纏めて「カソード」と呼ぶ場合もある。また、各燃料電池セルの間のセパレータの面には、燃料電池セルを冷却するための冷媒を流す冷媒流路が形成されている。

燃料電池１００の内部には、燃料電池セルのスタック方向に沿って、各燃料電池セルのアノードに連通するアノードマニホールド（燃料ガスマニホールド）と、各燃料電池セルのカソードに連通するカソードマニホールド（酸化ガスマニホールド）と、各燃料電池セルの冷媒流路に連通する冷媒マニホールドと、がそれぞれ延びている。

燃料ガス供給系２００は、水素タンク２１０と、燃料ガス供給路２２０と、バルブ２３０と、圧力センサー２４０と、燃料ガス循環路２５０と、循環ポンプ２６０と、燃料ガス排出路２７０と、シャットバルブ２８０と、を備える。燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵された水素タンク２１０は、燃料ガス供給路２２０を介して燃料電池１００の入口側（供給側）の燃料ガスマニホールドの入口に接続されている。そして、燃料ガス供給路２２０にはバルブ２３０が設けられている。このバルブ２３０は、調圧機能を実現する調圧弁としての機能と遮断機能を実現するシャットバルブ(遮断弁)としての機能を有する。また、燃料ガス供給路２２０の燃料電池１００側の端部には、圧力センサー２４０が設けられている。

燃料電池１００の出口側（排出側）の燃料ガスマニホールドの出口と、燃料ガス供給路２２０のバルブ２３０よりも下流側との間には、燃料電池１００の出口側の燃料ガスマニホールドの出口から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給路２２０に戻して、燃料電池１００内で燃料ガスを循環させるための燃料ガス循環路２５０が接続されている。そして、燃料ガス循環路２５０には循環ポンプ２６０が設けられている。また、燃料ガス循環路２５０には、燃料ガス排出路２７０が接続されている。そして、燃料ガス排出路２７０には、この燃料ガス排出路２７０を開閉するシャットバルブ２８０が設けられている。

図２は、燃料ガス供給系の概略動作を示す説明図である。発電実行時には、バルブ２３０により出力要求に応じた圧力および流量の燃料ガス（水素ガス）が水素タンク２１０から燃料ガス供給路２２０を介して燃料電池１００の入口側の燃料ガスマニホールド１０１に供給される。入口側の燃料ガスマニホールド１０１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１１０の燃料ガス流路を流れて、発電に利用される。そして、発電に利用されなかった燃料ガス（燃料オフガス）は、出口側の燃料ガスマニホールド１０２の出口から燃料ガス循環路２５０に排出される。燃料ガス循環路２５０に排出された燃料オフガスは、循環ポンプ２６０を介して燃料ガス供給路２２０に戻されて、循環利用される。なお、実際には、燃料ガス供給路２２０、燃料電池１００、および、燃料ガス循環路２５０を介して形成される燃料ガスの循環流路を流れる燃料ガスの圧力、流量、および、濃度が、圧力センサー２４０の示す値、循環ポンプ２６０の流量、バルブ２３０の調圧および開閉、および、シャットバルブ２８０の開閉を調整することにより実行される。

発電停止時には、基本的には、循環ポンプ２６０の停止、バルブ２３０およびシャットバルブ２８０の遮断が実行される。このとき、バルブ２３０から下流の燃料ガス供給路２２０、燃料電池１００内の燃料ガス流路、循環ポンプ２６０までの燃料ガス循環路２５０、および、シャットバルブ２８０までの燃料ガス排出路２７０に、残像していた燃料ガスが一定の体積および圧力状態で封止される。ただし、この状態において、後述するように体積や圧力が変化した場合には、バルブ２３０の開閉を調整することによる水素タンク２１０からの燃料ガスの供給や、シャットバルブ２８０の開閉を調整することによる不純物や燃料ガス（燃料オフガス）等の排出が実行される。

図１の酸化ガス供給系３００は、エアーコンプレッサー３１０と、酸化ガス供給路３２０と、圧力センサー３３０と、酸化ガス排出路３４０と、背圧弁３５０と、を備える。エアーコンプレッサー３１０は、酸化ガス供給路３２０を介して燃料電池１００の入口側（供給側）の酸化ガスマニホールドの入口に接続されている。そして、酸化ガス供給路３２０の燃料電池１００側の端部には、圧力センサー３３０が設けられている。

燃料電池１００の出口側（排出側）の酸化ガスマニホールドの出口には、排出される酸化ガス（酸化オフガス）の酸化ガス排出路３４０が接続されている。そして、酸化ガス排出路３４０には、この酸化ガス排出路３４０を開閉する背圧弁３５０が設けられている。

図３は、酸化ガス供給系の概略動作を示す説明図である。発電実行時には、エアーコンプレッサー３１０により出力要求に応じた圧力Ｐｃおよび流量の酸化ガス（エアー）がエアーコンプレッサー３１０の大気取り入れ口（不図示）から取り込まれて、酸化ガス供給路３２０を介して燃料電池１００の入口側の酸化ガスマニホールド１０３に供給される。入口側の酸化ガスマニホールド１０３に供給された酸化ガスは、各燃料電池セル１１０の酸化ガス流路を流れて、発電に利用される。そして、発電に利用されなかった酸化ガス（酸化オフガス）は、出口側の酸化ガスマニホールド１０４の出口から酸化ガス排出路３４０に排出される。酸化ガス排出路３４０に排出された酸化オフガスは、背圧弁３５０を介して大気中に排出される。なお、燃料電池１００の酸化ガス流路を流れる酸化ガスの圧力および流量は、圧力センサー３３０の値、エアーコンプレッサー３１０の動作量、および、背圧弁３５０の開閉量により調整される。

発電停止時には、基本的には、エアーコンプレッサー３１０の停止、および、は威圧弁の遮断が実行される。このとき、酸化ガス供給路３２０、燃料電池１００内の酸化ガス流路、および、酸化ガス排出路３４０内に残存していた酸化ガスが封止される。

図１の燃料電池冷却系４００は、ラジエーター４１０と、冷媒供給路４２０と、冷媒ポンプ４３０と、冷媒排出路４４０と、温度センサー４５０と、を備える。ラジエーター４１０は、冷媒供給路４２０を介して燃料電池１００の入口側（供給側）の冷媒マニホールドの入口に接続されており、冷媒排出路４４０を介して燃料電池１００の出口側（排出側）の冷媒マニホールドの出口に接続されている。冷媒供給路４２０には冷媒ポンプ４３０が設けられている。また、冷媒排出路４４０には温度センサー４５０が設けられている。

図４は、燃料電池冷却系の概略動作を示す説明図である。燃料電池冷却系４００は、ラジエーター４１０、冷媒供給路４２０、および、燃料電池１００の入口側の冷媒マニホールド１０５、各燃料電池セル１１０の冷媒流路、燃料電池１００の出口側の冷媒マニホールド１０６、および、冷媒排出路４４０により形成される冷媒循環路中の冷媒を、冷媒ポンプ４３０を駆動することによって循環させる。このとき、ラジエーター４１０で冷却された冷媒を、燃料電池１００内に供給することにより、各燃料電池セル１１０を冷却することができる。そして、冷媒ポンプ４３０を制御して冷媒の循環量(循環速度)を制御することにより、温度センサー４５０により検知される温度、すなわち、燃料電池１００の温度（各燃料電池セル１１０の平均的な温度）を所望の制御温度となるように制御することができる。また、温度センサー４５０により検知される温度に従って、燃料電池冷却系４００の動作の実行や停止を制御することができる。冷媒としては、水、不凍液等を用いることができる。

なお、燃料ガス供給系２００や酸化ガス供給系３００、燃料電池冷却系４００の制御は各種センサーの検知結果に基づいて後述する制御部７００によって実行される。

図１の切替制御回路５００は、燃料電池１００の正極側端子１０８（＋）および負極側端子１０８（−）に電気的に接続されている。また、切替制御回路５００は、蓄電池６００の正極側端子６０１（＋）および負極側端子６０１（−）に電気的に接続されている。そして切替制御回路５００は、燃料電池１００が発電の実行中においては、その出力を負荷回路２０や蓄電池６００に供給する。また、切替制御回路５００は、燃料電池１００が発電の停止中においては、蓄電池６００の出力を負荷回路２０や図示しない種々の補機に供給する。なお、切替制御回路５００の制御は、制御部７００によって実行される。

なお、燃料電池１００の正極側端子１０８（＋）と５００切替制御回路５００との間には、出力電流を検知する電流センサー５１０が設けられており、正極側端子１０８（＋）と負極側端子１０８（−）との間には、出力電圧を検知する電圧センサー５２０が設けられている。

制御部７００は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等を有する１以上のマイクロコンピュータで構成されている。そして、上記したように、燃料電池システム１０の各種センサー等から受け取る情報に基づいて、各種制御回路の動作を制御することにより、システム全体の動作を制御する。

上記構成の燃料電池システム１０は、以下で説明するように、燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転に合わせて、燃料電池１００の冷却動作の実行と停止を繰り返すことに特徴を有している。

Ａ２．間欠運転時冷却制御：
図５は、間欠運転時の冷却制御の手順を示すフローチャートである。また、図６は、間欠運転時の冷却制御を示すタイムチャートである。

燃料電池システムの動作が、通常の発電動作から間欠運転動作となって、図５に示した間欠時冷却制御を開始すると、まず、発電停止タイミングであるか否か判断する（ステップＳ１０）。ここで、図６に示すように、発電停止タイミングでない場合には、通常の冷却処理を継続する（ステップＳ１２０）。一方、発電停止タイミングである場合には、図６に示すように、温度センサー４５０で検知される冷媒温度（燃料電池セルの温度に対応）が、通常発電時に設定される制御温度Ｔｓから、あらかじめ設定した低下量ΔＴだけ低下するまで、そのままの状態で冷却処理を継続した後で冷却処理を停止し（ステップＳ１３０）、発電再開のタイミングとなるまで待機する（ステップＳ１４０）。そして、発電再開のタイミングとなった場合には、図６に示すように、冷媒温度が、制御温度Ｔｓまで上昇したら、冷却処理を再開する（ステップＳ１５０）。なお、以上説明した一連の処理は、間欠運転終了と判断されるまで（ステップＳ１６０）、繰り返し実行される。

以上説明したように間欠運転時において冷却制御を実行した場合には、以下で説明するような効果を得ることができる。図７は、間欠運転時冷却制御による効果を示す説明図である。

以下の点を前提とする。
燃料電池システム１０の燃料ガスの流路領域を下記の領域Ａ，Ｂ，Ｃの３つに大別する。
領域Ａ：入口部［水素タンク〜セル入口（入口側燃料ガスマニホールド）］
領域Ｂ：セル部［セル入口〜セル出口］
領域Ｃ：出口部［セル出口（出口側燃料ガスマニホールド）〜循環ポンプ，燃料ガス排出路］
また、発電中や発電後の出口部の湿度がほぼ１００％になると考え、各領域の湿度を図７に示す状態と過程する。
また、各領域の容積比率をＡ：１０％、Ｂ：８０％、Ｃ：１０％とする。

上記前提の状態において、発電中の制御温度Ｔｓ＝６５℃、低下量ΔＴ＝１０℃として、発電停止後に継続した冷却処理により発電停止後の温度Ｔｄ＝５５℃となったとする。温度６５℃における気体中の飽和蒸気圧は２５．０ｋｐａであるのに対して、温度５５℃
の場合には、１５．７ｋｐａとなるため、図中破線で示す領域、すなわち、領域Ｂの出口側および領域Ｃにおける蒸気分圧に対応する水蒸気が凝結して液水化することになる。このとき、凝結により、領域Ｃでは、８．３ｋｐａ（＝[２４−１５．７]ｋｐａ）分の体積が減少し、領域Ｂでは、１．８ｋｐａ（＝０．５×[２４−１５．７]×[２４−１５．７]／[２４−５]ｋｐａ）分の体積が減少する。各領域の容積率を掛け合わせると、平均して２．２７ｋｐａ（＝［０．８×１．８＋０．１×８．３］ｋｐａ）分の水蒸気が減少することになる。ここで、上記したように、燃料ガス流路領域中のガスの圧力は一定となるように制御するので、減少した分に対応する燃料ガスとしての水素が水素タンクから供給されることになり、燃料ガスの濃度を向上させることが可能となる。例えば、ガスの圧力が大気圧（１０１．３ｋｐａ）と同程度と過程すると、約２％（≒［２．２７／１０１．３］×１００）程度濃度が向上することになる。これにより、急激な出力要求に対応して発電を開始した場合において、燃料ガス欠（Ｈ_２欠）の発生を抑制することが可能となる。

なお、上記実施例において、燃料電池１００から排出される冷媒の温度を温度センサー４５０で測定することにより、燃料電池１００の温度（各燃料電池セル１１０の平均的な温度）を測定する場合を例に説明している。しかしながら、これに限定されるものではなく、燃料電池１００の内側あるいは外側に温度センサーを取り付けて、燃料電池１００の温度（各燃料電池セル１１０の平均的な温度）を測定するようにしてもよい。また、各燃料電池セルに温度センサーを取り付けて、各燃料電池セル１１０の温度を測定して、平均値、最高値、あるいは、最低値を、燃料電池１００の温度とするようにしてもよい。また、いずれか１つの燃料電池セルに温度センサーを取り付けて、その温度を測定して、測定した燃料電池セルの温度を燃料電池１００の温度としてもよい。すなわち、燃料電池１００の温度を測定することができれば、どのような手法であってもよい。

Ａ３．間欠運転時冷却制御の変形例：
図８は、間欠運転時の冷却制御の変形例を示すタイムチャートである。間欠運転が周期的に実行される場合において、図８に示すように、発電を停止するタイミングよりも前のあらかじめ定めた所定のタイミングから、冷媒温度が制御温度Ｔｓよりも降下するように、冷媒循環量を増加させて冷却動作を実行し、冷媒温度が所定の低下量ΔＴ以上降下してから冷却動作を停止するようにしてもよい。このようにしても、同様に、燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝結して液水化することにより、燃料ガスの濃度を高めることができるので、急激な出力要求に対応して発電を開始した場合において、燃料ガス欠（Ｈ_２欠）の発生を抑制することが可能となる。

図９は、間欠運転時の冷却制御の他の変形例を示すタイミングチャートである。間欠運転が周期的に実行される場合において、図９に示すように、発電を停止するタイミングで冷却動作を停止し、発電を再開するタイミングよりも前のあらかじめ定めた所定のタイミングから冷却動作を開始して、発電を再開するタイミングまでに冷媒温度を制御温度Ｔｓから所定の低下量ΔＴ以上降下するようにし、発電を開始した後は、引き続き冷却動作を継続して、冷媒温度が制御温度Ｔｓとなるようにするようにしてもよい。このようにしても、同様に、燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝結して液水化することにより、燃料ガスの濃度を高めることができるので、急激な出力要求に対応して発電を開始した場合において、燃料ガス欠（Ｈ_２欠）の発生を抑制することが可能となる。

Ｂ．第２実施例：
第１実施例においては、間欠運転時における冷却動作を制御することにより、燃料ガス欠の発生を抑制する実施例について説明したが、以下で説明するように、燃料ガスの圧力を制御することにより、燃料ガス欠の発生を抑制することも可能である。なお、本実施例の燃料電池システムの構成は第１実施例の燃料電池システムの構成と同じであるので、図示および説明を省略する。

Ｂ１．間欠運転時燃料ガス圧力制御：
図１０は、第２実施例における間欠運転時の燃料ガス圧力制御の手順を示すフローチャートである。また、図１１は、間欠運転時の燃料ガス圧力制御の状態を示すタイムチャートである。

燃料電池システムの動作が、通常の発電動作から間欠運転動作となって、図１０に示した間欠時燃料ガス圧力制御を開始すると、図１１に示すように、まず、発電停止タイミングのあらかじめ定めた所定時間ｔｂ前（例えば、数秒前）から発電停止タイミングまでの間で、燃料ガス圧力を通常の圧力一定の状態から徐々に低下させる(ステップＳ２１０)。圧力の調整は、バルブ２３０の開閉度合いを調整することにより実現される。なお、減圧量は例えば数十ｋｐａ程度とする。そして、図１１に示すように、発電停止タイミングからあらかじめ定めた所定時間ｔａ（例えば、１〜２秒）の間で燃料ガス圧力を通常状態に戻す（ステップＳ２２０）。なお、以上説明した一連の処理は、間欠運転終了と判断されるまで（ステップＳ２３０）、繰り返し実行される。

図１２は、圧力制御により変化する燃料電池内の燃料ガス濃度について示す説明図である。図１２（Ａ）は圧力制御を行わない通常（圧力一定）の場合を示し、図１２（Ｂ）は圧力制御を行う場合を示している。

通常、燃料電池セル１１０内の燃料ガスの濃度は、例えば、図１２（Ａ）の上段の発電中のように、入口側から出口側に向かって減少する。そして、燃料電池セル１１０内の燃料ガスの平均濃度は、通常の場合、図１２（Ａ）に示すように、発電中、発電停止直後、発電停止中のいずれにおいてもほぼ同じであり、本例では、それぞれ、６０．３％、６０．４％、６０．５％である。

圧力制御を行った場合には、まず、図１２（Ｂ）の上段に示すように、停止前の発電中における減圧中には、燃料ガスのストイキ比が一時的に低下していくことになり、燃料電池セル１１０の出口側の燃料ガス濃度が低く、不純物である窒素（Ｎ_２）濃度が高くなっていくことになる。そして、図１２（Ｂ）の中段に示すように、発電停止直後の減圧状態では、入口側と出口側の燃料ガスの濃度差が大きくなり、出口側の燃料ガスマニホールド１０２や外部の燃料ガス路（燃料ガス循環路２５０や燃料ガス排出路２７０）における燃料ガス濃度まで低くなり、窒素濃度が高くなる。この結果、燃料ガスの平均濃度は低下することになる。図１２（Ｂ）では、発電停止直後の減圧状態において、例えば、４６．４％まで低下している例を示している。そして、図１２（Ｂ）の下段に示すように、燃料ガスの圧力を増圧して通常の状態に戻すことにより、燃料電池セル１１０内に燃料ガスが供給され、燃料電池セル１１０の出口側に存在する濃度の高い窒素を出口側の燃料ガスマニホールド１０２へ掃気することができる。このとき、燃料電池セル１１０内や出口側の燃料ガスマニホールド１０２、燃料ガス路（燃料ガス循環路２５０や燃料ガス排出路２７０）中に存在する窒素の総量は一定であるため、出口側の燃料ガスマニホールド１０２や燃料ガス路中の窒素濃度が高い状態となっていれば、相対的に、入口側の燃料ガスマニホールド１０１や燃料電池セル１１０内の窒素濃度が低くなり、燃料ガス濃度を高くすることができる。これにより、燃料電池セル１１０内の燃料ガスの平均濃度を高くすることができる。図１２（Ｂ）では、例えば、６４．８％まで高くなった例を示している。

図１３は、間欠運転時燃料ガス圧力制御による効果を示す説明図である。上記したように、発電停止時に燃料ガスの圧力を制御することにより、圧力制御を行わない場合に比べて、運転停止中に燃料電池セル中の燃料ガスの平均濃度を高めることができるので、燃料ガス欠発生割合を改善することが可能である。

Ｂ２．間欠運転時燃料ガス圧力制御の変形例：
図１４は、間欠運転時の燃料ガス圧力制御の変形例を示すタイムチャートである。図１４（Ａ）に示すように、燃料ガスの減圧後の増圧量は、通常状態より低くてもよく、また、図１４（Ｂ）に示すように、通常状態よりも高くてもよい。

図１５は、間欠運転時の燃料ガス圧力制御の他の変形例を示すタイムチャートである。図１５（Ａ）に示すように、燃料ガスの減圧後の増圧の開始は、一定の間隔後であってもよい。また、図１５（Ｂ）に示すように、次の運転開始前であってもよい。また、急な出力が必要になった場合には、その時点で増圧するようにしてもよい。

いずれのようにしても、同様に、運転停止中に燃料電池セル中の燃料ガスの平均濃度を高めることができるので、燃料ガス欠発生割合を改善することが可能である。

Ｃ．第３実施例：
第２実施例においては、間欠運転時の燃料ガス圧力制御により運転停止時における燃料電池セル内の燃料ガスの平均濃度を高めて、燃料ガス欠の発生を抑制する実施例について説明したが、以下で説明するように、燃料ガス循環制御により
燃料電池セル内の燃料ガスの平均濃度を高めて、燃料ガス欠の発生を抑制することも可能である。

図１６は、第３実施例における燃料ガス循環制御を示すタイムチャートである。第２実施例で説明したように燃料ガスの圧力を減圧して増圧するのではなく、図１６（Ａ）に示すように、燃料ガスの循環量を運転停止タイミングの前から徐々に減少させて運転停止タイミングで循環を停止するようにしてもよい。また、図１６（Ｂ）に示すように、燃料ガスの循環を運転停止タイミングよりも前に早めに停止するようにしてもよい。このようにしても、圧力を減圧する場合と同様に、燃料ガスのストイキ比が低下することになり、運転停止時において、燃料電池セル１１０の出口側の燃料ガス濃度が低く、不純物である窒素（Ｎ_２）濃度が高くなることになる。そして、運転開始時に循環を再開することにより、燃料電池セル１１０の出口側に存在する濃度の高い窒素を出口側の燃料ガスマニホールド１０２へ掃気することができる。これにより、運転開始時における燃料電池セル１１０内の燃料ガスの平均濃度を高めることができ、燃料ガス欠の発生を抑制することが可能である。

Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

上記各実施例は、それぞれ、独立して実行することにより、燃料ガス欠の発生を抑制することができるが、第１実施例と第２実施例、第１実施例と第３実施例、第２実施例と第３実施例、第１実施例ないし第３実施例、をそれぞれ組み合わせて実行することにより、燃料ガス欠の発生を抑制する効果を高めることが可能である。

１０…燃料電池システム
２０…負荷回路
１００…燃料電池
１０１…燃料ガスマニホールド
１０２…燃料ガスマニホールド
１０３…酸化ガスマニホールド
１０４…酸化ガスマニホールド
１０５…冷媒マニホールド
１０６…冷媒マニホールド
１０８（＋）…正極側端子
１０８（−）…負極側端子
１１０…燃料電池セル
２００…燃料ガス供給系
２１０…水素タンク
２２０…燃料ガス供給路
２３０…バルブ
２４０…圧力センサー
２５０…燃料ガス循環路
２６０…循環ポンプ
２７０…燃料ガス排出路
２８０…シャットバルブ
３００…酸化ガス供給系
３１０…エアーコンプレッサー
３２０…酸化ガス供給路
３３０…圧力センサー
３４０…酸化ガス排出路
３５０…背圧弁
４００…燃料電池冷却系
４１０…ラジエーター
４２０…冷媒供給路
４３０…冷媒ポンプ
４４０…冷媒排出路
４５０…温度センサー
５００…切替制御回路
５１０…電流センサー
５２０…電圧センサー
６００…蓄電池
６０１（＋）…正極側端子
６０１（−）…負極側端子
７００…制御部

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   供給される燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷却部と、
   を備え、
   前記冷却部は、前記燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転に合わせて、前記燃料電池の冷却動作の実行と停止を繰り返すことにより、前記燃料電池の発電の開始前の前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の発電の実行中における制御温度よりも所定量以上降下した温度となっているように動作することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却部は、前記燃料電池の発電を停止するタイミングであっても、前記冷却部の冷却動作を継続し、前記燃料電池の温度が前記制御温度よりも前記所定量以上降下してから前記冷却動作を停止することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却部は、前記間欠運転における周期的な前記燃料電池の発電を停止するタイミングよりも前の所定のタイミングから、前記燃料電池の温度が前記制御温度よりも降下するように動作し、前記燃料電池の温度が所定量以上降下してから前記冷却動作を停止することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却部は、前記間欠運転における周期的な前記燃料電池の発電を開始するタイミングよりも前の所定のタイミングから前記冷却動作を開始し、前記燃料電池の発電を実行するタイミングまでに前記燃料電池の温度を前記制御温度から所定量以上降下するように動作し、前記燃料電池の発電の実行中は前記燃料電池の温度が前記制御温度となるように冷却動作を継続することを特徴とする燃料電池システム。
5. 供給される燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の発電の実行と停止を繰り返す間欠運転に合わせて、前記冷却部により前記燃料電池の冷却動作の実行と停止を繰り返すことにより、前記燃料電池の発電の開始前の前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の発電の実行中における制御温度よりも所定量以上降下した温度となっているようにすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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