JP2016096085A - 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】本発明は、燃料電池の発電効率の向上を図ることを目的とする。【解決手段】燃料電池システムは、アノードとカソードとを備える単セルを含む燃料電池と、アノードに水素ガスを供給する水素供給装置と、燃料電池の発電に使用されずにアノードから排出される水素を含むアノード排ガスを再びアノードに供給してアノード排ガスを循環させる循環ポンプと、水素供給装置による水素ガスの供給量、および、循環ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、制御部は、所定の電流値において、循環ポンプを駆動させるために必要な電力に相当する水素量と、燃料電池のアノード側からカソード側へ通過する水素量との合計である総合水素損失量が最小となる循環ポンプの最適回転数に回転数が近づくように循環ポンプを駆動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法に関する。

従来から、インジェクタを介して高圧水素タンクに貯蔵されている水素を燃料電池に供給するとともに、一度、燃料電池に供給されたにも関わらず発電に用いられなかった水素を含むアノード排ガスを循環ポンプによって循環させて、再度、燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている。（特許文献１）。

特開２００８−２３５０２０号公報

燃料電池システムにおいては、従来から、発電効率の向上が求められている。燃料電池の発電効率の低下をもたらす一つの原因として、アノードに供給された水素が発電反応に用いられることなく電解質膜を透過してカソード側にリーク（以後、単に「クロスリーク」とも呼ぶ）してしまう場合があり、水素が発電に利用されずに消費されてしまうことがあった。特に、間欠運転時において、インジェクタから供給される水素の多くが、クロスリークに使われてしまい、発電効率が低下する問題があった。ここでの間欠運転とは、燃料電池システムを搭載する車両において、アイドリング時や低速走行時、回生制動時のような低負荷運転時に燃料電池の発電を一時的に停止させ、二次電池から負荷（車両モータ等）に電力を供給させる状態、もしくは、高電位回避制御等を行う際の極低負荷での小発電時の状態をいう。高電位回避とは、この間欠運転時において、アノードやカソードに含まれる触媒金属の形態変化の進行を抑制するために、燃料電池の出力電圧を開放端電圧（ＯＣＶ）より小さい高電位回避電圧となるように制御することをいう。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードとカソードとを備える単セルを含む燃料電池と、前記アノードに水素ガスを供給する水素供給装置と、前記燃料電池の発電に使用されずに前記アノードから排出される水素を含むアノード排ガスを再び前記アノードに供給して前記アノード排ガスを循環させる循環ポンプと、前記水素供給装置による水素ガスの供給量、および、前記循環ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、所定の電流値において、前記循環ポンプを駆動させるために必要な電力に相当する水素量と、前記燃料電池のアノード側からカソード側へ通過する水素量との合計である総合水素損失量が最小となる前記循環ポンプの最適回転数に回転数が近づくように前記循環ポンプを駆動させるように構成されている。この構成によれば、クロスリーク量を低減させつつ、クロスリークの低減のための循環ポンプの駆動によって消費される水素量を抑制できる。すなわち、循環ポンプの回転数を上昇させ、アノード排ガスの循環量を増やすことによって、目標の電流値を発生させるために必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料電池のアノード側の水素分圧を下げてクロスリーク量を低減させる。一方で、循環ポンプの回転数を上昇させすぎないことによって、クロスリークの低減のための循環ポンプの駆動によって消費される水素量を抑制できる。これにより、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の通常運転と間欠運転とを切り替え、前記燃料電池の通常運転時において、前記総合水素損失量が最小となる最適回転数よりも小さい回転数で前記循環ポンプを駆動させ、前記燃料電池の間欠運転時に所定の電流値において、前記総合水素損失量が最小となる前記最適回転数に回転数が近づくように前記循環ポンプを駆動させるように構成されていてもよい。この構成によれば、燃料電池の間欠運転時において、クロスリーク量を低減させつつ、クロスリークの低減のための循環ポンプの駆動によって消費される水素量を抑制できる。

（３）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。この制御方法は、燃料電池の通常運転時において、前記燃料電池から得られる電流の増加にともなって、水素ガスの供給量を増加させ、前記燃料電池の間欠運転時において、前記燃料電池から得られる電流の増加にともなって、前記アノードから排出されて再び前記アノードに供給されるアノード排ガスの流量を増加させ、前記アノードの水素分圧を、前記燃料電池の通常運転時において前記電流を発生させるために必要となる水素分圧よりも低下させるように構成されている。この構成によれば、間欠運転時において、目標の電流値を発生させるために必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料電池のアノード側の水素分圧を下げることができる。これにより、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池へのアノードガスの供給方法、燃料電池システムの制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図である。 循環ポンプの回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係を示した説明図である。 循環ポンプの回転数Ｒ_Ｐと消費電力Ｗ_Ｐとの関係を示した説明図ある。 電流値Ｉと循環ポンプの最適回転数との関係を説明するための図である。 制御部による燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。 目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２を説明するための図である。 間欠運転時と通常運転時の回転数の制御内容を説明するための図である。

図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、車両の駆動モータや電装品等に電力を供給する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソード排ガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環部６０と、を備える。

燃料電池１０は、アノードガスとしての水素、および、カソードガスとしての酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、直列に積層配列された、単セルとも呼ばれる複数の発電体を備えている。各単セルは、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に配置されているカソード２と、電解質膜１の他方の面に配置されるアノード３と、を有する膜電極接合体を備えている。なお、図１では、燃料電池１０として、一つの単セルが示されている。電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜であり、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。カソード２およびアノード３は、ガス拡散性と導電性とを有する電極であり、それぞれ、触媒電極層と、この触媒電極層に面したガス流路とを含んで構成されている。触媒電極層は、電気化学反応を進行する触媒金属と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含んでいる。触媒電極層は、例えば、白金担持カーボンと電解質膜１と同じ又は類似の高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクの乾燥塗膜として形成される。ガス流路は、例えば、図示しないセパレータの溝部やエキスパンドメタルによって形成される。ここでは、カソード側のガス流路をカソードガス流路とも呼び、アノード側のガス流路をアノードガス流路とも呼ぶ。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成される。制御部２０は、外部からの出力要求を受け付けるとともに、システム内の各種のセンサ類からの出力信号に基づく計測値を取得し、当該出力要求に応じた発電を燃料電池１０に行わせるための制御指令をシステム内の各構成部に発行する。制御部２０は、燃料電池システム１００の各部を制御して、燃料電池１０の運転状態の切り替えをおこなう。具体的には、制御部２０は燃料電池１０の通常運転と間欠運転との切り替えをおこなう。ここでの「燃料電池１０の通常運転」とは、燃料電池１０が発電電力を外部負荷に供給可能な状態を意味しており、例えば、燃料電池１０の停止時や間欠運転時等が除かれる。「燃料電池１０の間欠運転」とは、燃料電池１０に対する要求出力量が所定値（例えば、高電位回避制御等をするのに必要な量）以下となる状態を意味している。なお、間欠運転か否かの判断は、要求出力量に限られることはなく、燃料電池１０の温度、電圧、水素圧力等から判断してもよい。

ところで、一般に、燃料電池では、アノードに供給された水素の一部が発電反応に用いられることなく電解質膜を介してカソードへと移動してしまう、いわゆるクロスリークが発生する。制御部２０は、燃料電池１０の間欠運転時において、クロスリークによる水素の損失量（クロスリーク量Ｍ_Ｌ）と、クロスリーク量Ｍ_Ｌを低減させるための後述する循環ポンプ６４の駆動に要する消費電力Ｗ_Ｐと、を考慮して、水素の損失量を抑制するための運転制御をおこなう。その制御の具体的内容については後述する。

カソードガス供給部３０は、燃料電池１０のカソード２に酸素を含有する高圧空気を供給する。カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、供給バルブ３４と、を備える。カソードガス配管３１は、一方の端部が図示しないエアフィルターを介して燃料電池システム１００の外部に開放されており、エアフロメータ３３、エアコンプレッサ３２、圧力計測部３５、供給バルブ３４、を介して他方の端部が燃料電池１０のカソードガス流路の入口に接続されている。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１およびカソードガス流路を介して、外気を取り込んで圧縮した高圧空気を燃料電池１０のカソード２に供給する。エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、カソード２に対する空気の供給量を制御する。供給バルブ３４は、三方バルブとして構成され、エアコンプレッサ３２から送られる高圧空気をカソード２、または、後述するカソード排ガス配管４１の排出バルブ４３より下流に供給する。供給バルブ３４は、カソード２に供給されるカソードガスの圧力に応じて開閉し、カソード２への高圧空気の流入を制御する。圧力計測部３５は、供給バルブ３４とエアコンプレッサ３２との間におけるカソードガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。

カソード排ガス排出部４０は、カソード２において発電反応に用いられることのなかった未反応ガスや生成水分を含む排ガス（以下、「カソード排ガス」とも呼ぶ）を排出する。カソード排ガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、排出バルブ４３とを備える。カソード排ガス配管４１は、一方の端部が燃料電池１０のカソードガス流路の出口に接続され、排出バルブ４３を介して他方の端部が燃料電池システム１００の外部に開放されている。排出バルブ４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード２側の背圧）を調整する。排出バルブ４３は、制御部２０によって、その開度が調整される。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６と、を備える。アノードガス配管５１は、一方の端部が水素タンク５２に接続されており、開閉弁５３、レギュレータ５４、水素供給装置５５、圧力計測部５６を介して他方の端部が燃料電池１０のアノードガス流路の入口に接続されている。水素タンク５２は、アノードガス配管５１およびアノードガス流路を介して、貯蔵している高圧水素を、燃料電池１０のアノード３に供給する。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。

アノードガス循環部６０は、アノード３において発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを、燃料電池１０のアノード３に循環させる。また、アノードガス循環部６０は、予め設定されたタイミングにおいて、排水とアノード排ガス中の不活性ガスをカソード排ガス配管４１から外部へと排出する。アノードガス循環部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、循環ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、を備える。

アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のカソードガス流路の出口と、気液分離部６２と、を接続しており、燃料電池１０から排出されたアノード排ガスを気液分離部６２に誘導する。気液分離部６２は、アノード排ガス配管６１から誘導されたアノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分をアノードガス循環配管６３に誘導し、水分をアノード排水配管６５に誘導する。アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、循環ポンプ６４が設けられており、循環ポンプ６４の駆動力によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素をアノードガス配管５１に送出する。アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分（排水）やアノード排ガス中の不活性ガスをカソード排ガス配管４１の排出バルブ４３より下流に排出する。アノード排水配管６５には、排水弁６６が設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。

なお、図示や詳細な説明は省略するが、燃料電池車両に搭載された燃料電池システム１００は、さらに、二次電池と、燃料電池１０の出力電圧や二次電池の充放電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。二次電池は、燃料電池１０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池１０とともに電力源として機能する。上述した燃料電池システム１００の各構成部は、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池１０の運転停止後においても駆動することが可能である。

ところで、一般に、クロスリーク量Ｍ_Ｌは、燃料電池内の圧力に影響される。例えば、燃料電池１０のアノード３の水素分圧Ｐ_Ｈ２が低下すると、クロスリーク量Ｍ_Ｌも低減する。本実施形態の制御部２０は、燃料電池１０の間欠運転時において、アノード排ガスの循環量を増加させることによって、目標の電流値を発生させるために必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料電池１０のアノード３の水素分圧Ｐ_Ｈ２を低減させる。ここでは、燃料電池１０のアノードの水素分圧Ｐ_Ｈ２とは、アノード３のうちのアノードガス流路の内部の水素分圧を意味する。燃料電池１０の間欠運転時における、アノード排ガスの循環量と水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係について以下で説明する。

間欠運転時に目標の電流値Ｉを発生させるために必要な理論上の水素量Ｍ_Ｎ（ｍｏｌ／ｓ）に対して、水素ストイキ比Ｃ（例えば、Ｃ≒１．２５）を確保した水素量Ｍ_Ｎ ^＊（ｍｏｌ／ｓ）は、式（１）を満たす。
Ｍ_Ｎ ^＊＝Ｃ×Ｍ_Ｎ＝Ｍ_Ｎ＋Ｍ_Ｃ ・・・（１）
ここで、Ｍ_Ｃは、理論上の水素量Ｍ_Ｎに対して、水素ストイキ比Ｃを確保するために必要な追加の水素量であり、Ｍ_Ｃ＝（Ｃ−１）×Ｍ_Ｎである。

理論上の水素量Ｍ_Ｎは、発電時の電気化学反応によって消費される。また、アノードを流れる水素ガス流量はアノード排ガスの流量Ｖ_Ｈ２（ｍ^３／ｓ）と等しい。よって、この追加の水素量Ｍ_Ｃ、アノード排ガスの流量Ｖ_Ｈ２、水素分圧Ｐ_Ｈ２（Ｐａ）は、下記の式（２）の状態方程式を満たす。
Ｍ_Ｃ＝Ｐ_Ｈ２Ｖ_Ｈ２／ＲＴ ・・・（２）
ここで、Ｒは気体定数であり、Ｔはアノードのガス温度（Ｋ）である。式（２）から、ＲＴが一定の場合には、アノード排ガスの流量Ｖ_Ｈ２を増加させると、追加の水素量Ｍ_Ｃを確保する上で必要な水素分圧Ｐ_Ｈ２を低減できることがわかる。アノード排ガスの流量Ｖ_Ｈ２は、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐと相関する（Ｖ_Ｈ２＝αＲ_Ｐ α：単位変換係数）。このことから、アノード排ガスの循環量を増加させることによって、必要な水素ストイキ比Ｃを確保しつつ、水素分圧Ｐ_Ｈ２を低減できることがわかる。

図２は、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係を示した説明図である。図２の横軸は循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを示している。図２の縦軸は水素分圧Ｐ_Ｈ２を示している。上述のように、クロスリーク量Ｍ_Ｌは水素分圧Ｐ_Ｈ２と比例するため、図２の縦軸はクロスリーク量Ｍ_Ｌとも対応している。図２には、電流値ＩがＩ_１のときの回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係、および、電流値ＩがＩ_２（Ｉ_１＜Ｉ_２）のときの回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係が例示されている。燃料電池１０は、電流値Ｉが一定の場合、回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２とは、おおむね反比例する。上述の式（２）より、電流値Ｉが一定の場合、追加の水素量Ｍ_Ｃが一定となるためである。また、燃料電池１０は、電流値Ｉが大きくなるほど、水素分圧Ｐ_Ｈ２が大きくなる。これは、上述の式（１）、（２）より、電流値Ｉが大きくなるほど、水素ストイキ比Ｃを確保するために必要な追加の水素量Ｍ_Ｃが大きくなるためである。

図３は、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐと循環ポンプ６４の消費電力Ｗ_Ｐとの関係を示した説明図である。図３の横軸は循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを示している。図３の縦軸は循環ポンプ６４の消費電力Ｗ_Ｐを示している。アノード排ガスの循環量を増加させるために循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを上昇させると、循環ポンプ６４の消費電力Ｗ_Ｐも増加する。すなわち、クロスリーク量Ｍ_Ｌを低減させるために循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを上昇させると、一方で、消費電力Ｗ_Ｐの増加による水素の損失量が増加する。そこで、制御部２０は、クロスリーク量Ｍ_Ｌと、消費電力Ｗ_Ｐの増加による水素の損失量との合計の水素損失量（総合水素損失量ＭＴ_Ｌ）が抑制されるように循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐ、および、水素供給装置５５による水素供給量の制御をおこなう。ここで、総合水素損失量ＭＴ_Ｌは、例えば、以下の式（３）ように規定することができる。
ＭＴ_Ｌ＝Ｍ_Ｌ＋βＷ_Ｐ ・・・（３）
ここで、βは、消費電力Ｗ_Ｐを水素の損失量に変換する単位変換係数である。

図４は、電流値Ｉと循環ポンプ６４の最適回転数との関係を説明するための図である。図４の横軸は回転数Ｒ_Ｐを示し、縦軸は水素分圧Ｐ_Ｈ２および消費電力Ｗ_Ｐを示している。図４には、図２と同様に、電流値ＩがＩ_１のときの回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係、および、電流値ＩがＩ_２（Ｉ_１＜Ｉ_２）のときの回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２との関係が例示されている。また、図３と同様に、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐと消費電力Ｗ_Ｐとの関係が示されている。図４には、これらに追加して、電流値ＩがＩ_１のときに、総合水素損失量ＭＴ_Ｌが最小となる循環ポンプ６４の回転数（最適回転数）Ｒ_１と、電流値ＩがＩ_２のときの循環ポンプ６４の最適回転数Ｒ_２（Ｒ_１＜Ｒ_２）が示されている。燃料電池１０は、電流値Ｉによって最適回転数が異なるため、電流値Ｉに応じて、総合水素損失量ＭＴ_Ｌがより小さくなるように回転数Ｒ_Ｐを変更することによって、発電効率の向上を図ることができる。例えば、電流値ＩがＩ_１からＩ_２に向かって高くなるとき、回転数Ｒ_ＰをＲ_１からＲ_２に向かって高くすることによって、総合水素損失量ＭＴ_Ｌを抑制することができる。このような制御をおこなえば、例えば、電流値ＩがＩ_１程度に小さいにもかかわらず、回転数Ｒ_ＰをＲ_２以上に高くてしまい、クロスリーク量の低減量よりも循環ポンプ６４の消費電力の増加による水素損失量が大きくなり、結果として発電効率が悪くなることを抑制できる。

図５は、制御部２０による燃料電池システム１００の制御手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、制御部２０には、図４の電流値Ｉ_１、Ｉ_２（Ｉ_１＜Ｉ_２）および、最適回転数Ｒ_１、Ｒ_２（Ｒ_１＜Ｒ_２）に対応する設定値として記憶されているものとして説明する。電流値Ｉ_１、Ｉ_２としては任意の値を設定することができる。また、制御部２０は、図２のような回転数Ｒ_Ｐと水素分圧Ｐ_Ｈ２（ここでは、「目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２」に読み替える）との関係を示すマップ（Ｒ_Ｐ−ＰＴ_Ｈ２マップ）を燃料電池１０の電流値Ｉごとに複数記憶しているものとして説明する。

制御部２０は、燃料電池１０の間欠運転時に以下の運転制御を開始する。制御部２０は、アノードガス流路の実際の水素分圧Ｐ_Ｈ２が目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２となるように水素供給装置５５を制御しながら、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰがＲ_１となるように循環ポンプ６４を制御する（ステップＳ１１０）。このＲ_１は、電流値ＩがＩ_１のときに総合水素損失量ＭＴ_Ｌが最小となる回転数として予め特定されている設定値である。アノードガス流路の水素分圧Ｐ_Ｈ２は、例えば、アノードの入口付近の圧力計の圧力に圧損等を考慮して推定されたアノードの出口付近の圧力から特定できる。また、アノードの出口付近に圧力計を設けて、出口付近の圧力計によって計測される燃料電池１０の出口近傍のアノード排ガスの圧力から特定してもよい。

制御部２０は、電流値ＩがＩ_２より大きくなるまで、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１のままとする（ステップＳ１２０）。このＩ_２は上述した設定値であり、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰがＲ_２（Ｒ_１＜Ｒ_２）のとき総合水素損失量ＭＴ_Ｌが最小となる電流値である。電流値Ｉは、燃料電池１０を流れる実際の電流値であって、図示しない電流検出部によって検出されたものであってもよいし、外部からの出力要求等に基づいて設定される目標電流値であってもよい。電流値Ｉは、システム内の各種のセンサ類からの出力信号に基づく計測値から特定されてもよい。また、電流値Ｉは、例えば、高電位回避のために予め設定されている目標電圧値と、燃料電池１０のＩＶ特性から導出されてもよい。燃料電池１０のＩＶ特性は、制御部２０に予め記憶されていてもよいし、温度を含む燃料電池１０の状態から逐次ＩＶ特性が設定されてもよい。また、電流値Ｉが目標電流値の場合、燃料電池システム１００の補機類に対して電力を供給するための内的出力要求や、燃料電池車両の運転者などの燃料電池システム１００の利用者による外的出力要求に基づいて設定されてもよい。

制御部２０は、電流値ＩがＩ_２より大きくなると、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１からＲ_２（Ｒ_１＜Ｒ_２）に切り換える（ステップＳ１３０）。電流値Ｉの増加と回転数Ｒ_Ｐの上昇によって目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２が変更されるため、制御部２０は、水素供給装置５５による水素供給量を制御して、水素分圧Ｐ_Ｈ２を新たな目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２に近づける。

図６は、電流値Ｉの増加と回転数Ｒ_Ｐの上昇によって変更される目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２を説明するための図である。ここでは、電流値ＩがＩ_３からＩ_４（Ｉ_１＜Ｉ_３＜Ｉ_２＜Ｉ_４）に増加したものとする。図６には、電流値Ｉ_３および電流値Ｉ_４における回転数Ｒ_Ｐと目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２との関係がそれぞれ示されている。電流値ＩがＩ_３からＩ_４に増加したときに循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１のままとした場合、目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２は、ＰＴ１_Ｈ２からＰＴ２_Ｈ２に上昇する。一方、電流値ＩがＩ_３からＩ_４に増加したときに循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１からＲ_２に切り換えると、目標水素分圧は、ＰＴ２_Ｈ２よりも低いＰＴ３_Ｈ２となる。すなわち、電流値Ｉの増加にともなって循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを上昇させることによって、目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２を、回転数Ｒ_Ｐを上昇させなかった場合における目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２よりも低下させることができる。

これらにより、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１からＲ_２に切り換えると、回転数Ｒ_ＰをＲ_１のままとした場合よりも、総合水素損失量ＭＴ_Ｌを低減させることができる。すなわち、電流値ＩがＩ_２より大きい場合、電流値Ｉに対応する最適回転数はＲ_２よりも大きくなる。例えば、図６では、電流値ＩがＩ_４（Ｉ_２＜Ｉ_４）のときの最適回転数はＲ_２よりも大きいＲ_４となる。よって、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１のままとするよりも、Ｒ_２まで上昇させることにより、回転数Ｒ_Ｐが電流値Ｉに対応する最適回転数により近づくため、燃料電池１０の発電効率が向上する。

図５に戻り、回転数Ｒ_ＰをＲ_２に変更した後、制御部２０は、電流値ＩがＩ_１より小さくなるまで、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_２のままとする（ステップＳ１４０）。このＩ_１は上述した設定値であり、循環ポンプ６４の回転数がＲ_１（Ｒ_１＜Ｒ_２）とき総合水素損失量ＭＴ_Ｌが最小となる電流値である。制御部２０は、電流値ＩがＩ_１より小さくなると、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１（Ｒ_１＜Ｒ_２）に切り換える（ステップｓ１１０）。電流値Ｉの増加と回転数Ｒ_Ｐの上昇によって目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２が変更されるため、制御部２０は、水素供給装置５５による水素供給量を制御して、水素分圧Ｐ_Ｈ２を新たな目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２に近づける。これにより、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_２のままとした場合よりも、総合水素損失量ＭＴ_Ｌを低減させることができる。すなわち、電流値ＩがＩ_１より小さい場合、電流値Ｉに対応する最適回転数はＲ_１よりも小さくなる。よって、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_２のままとするよりも、Ｒ_１まで低下させることにより、回転数Ｒ_Ｐが電流値Ｉに対応する最適回転数により近づくため、燃料電池１０の発電効率が向上する。

制御部２０は、燃料電池１０の間欠運転状態を解消するまで、上記のステップＳ１１０〜Ｓ１４０の処理手順を繰り返す。このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の間欠運転時において、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを、総合水素損失量ＭＴ_Ｌが最小となる最適回転数に近づくように変更するため、このような変更おこなわない場合よりも、総合水素損失量ＭＴ_Ｌの低減を図ることができる。

図７は、燃料電池１０の間欠運転時と通常運転時における回転数Ｒ_Ｐの制御内容の違いを説明するための図である。図７（ａ）には、図４と同様に間欠運転時の電流値Ｉと回転数Ｒ_Ｐとの関係のほか、通常運転時の一例としての電流値Ｉ_５と、そのときの回転数Ｒ_ＰであるＲ_５が示されている。図７（ｂ）には、間欠運転時と通常運転時における電流値Ｉと回転数Ｒ_Ｐとの関係が示されている。図７（ｂ）の横軸は電流値Ｉを示し、縦軸は回転数Ｒ_Ｐを示している。

制御部２０は、燃料電池１０の間欠運転時においては、上述のように、総合水素損失量ＭＴ_Ｌが小さくなるように循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを制御している。すなわち、制御部２０は、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐが最適回転数に近づくように循環ポンプ６４を制御する。一方、制御部２０は、燃料電池１０の通常運転時においては、図７（ｂ）に示すように、電流値Ｉの増加にともなって、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐが増加するように循環ポンプ６４を制御する。その結果、燃料電池１０の通常運転時においては、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐは最適回転数よりも小さくなる。制御部２０は、燃料電池１０の通常運転時において、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを最適回転数に近づくように循環ポンプ６４を制御させていない。これは、一般に、アノード排ガスには不純物が含まれているため、アノード排ガスの割合が増えると発電に必要な水素量が得られないおそれがあり、通常運転時には、不純物の少ないインジェクタから供給される水素の割合を多くする必要があるためである。また、通常運転時には、アノードに供給される水素は発電によってすぐに消費されるため、クロスリークが問題となりにくいためである。

以上説明した、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐが最適回転数に近づくように循環ポンプ６４を制御するため、クロスリーク量Ｍ_Ｌを低減させつつ、クロスリーク量Ｍ_Ｌの低減のための循環ポンプ６４の駆動に要する消費電力Ｗ_Ｐに相当する水素の損失量を抑制できる。すなわち、循環ポンプ６４の回転数を上昇させ、アノード排ガスの循環量を増やすことによって、目標の電流値を発生させるために必要な水素ストイキ比Ｃを確保しつつ、燃料電池１０のアノードガス流路の水素分圧Ｐ_Ｈ２を下げてクロスリーク量Ｍ_Ｌを低減させる。一方で、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｐを上昇させすぎないことによって、クロスリーク量Ｍ_Ｌの低減のための循環ポンプの駆動に要する消費電力Ｗ_Ｐに相当する水素の損失量を抑制できる。これにより、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。

・変形例：
なお、この発明は上記の実施形態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り、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
第1実施形態では、制御部２０は、循環ポンプ６４の回転数Ｒ_ＰをＲ_１とＲ_２のいずれかに切り換えるものとして構成として説明した。しかし、制御部２０は、電流値Ｉに応じて、最適回転数を特定し、循環ポンプ６４を制御して回転数Ｒ_Ｐを特定した最適回転数に変更する構成であってもよい。例えば、制御部２０には、燃料電池１０の電流値Ｉごとの最適回転数および目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２が予め記憶されているものとする。この場合、制御部２０は、電流値Ｉから最適回転数と目標水素分圧ＰＴ_Ｈ２を特定することができる。また、例えば、制御部２０には、燃料電池１０の電流値ＩごとのＲ_Ｐ−ＰＴ_Ｈ２マップと、図３に示す、回転数Ｒ_Ｐと消費電力Ｗ_Ｐとの関係を示したマップ（Ｒ_Ｐ−Ｗ_Ｐマップ）とが記憶されているものとする。この場合、制御部２０は、Ｒ_Ｐ−ＰＴ_Ｈ２マップから各回転数Ｒ_Ｐにおけるクロスリーク量Ｍ_Ｌを特定し、Ｒ_Ｐ−Ｗ_Ｐマップから各回転数Ｒ_Ｐにおける消費電力Ｗ_Ｐを特定することができる。特定した各回転数Ｒ_Ｐにおけるクロスリーク量と消費電力Ｗ_Ｐとの組合せを上述した式（３）にあてはめることによって、総合水素損失量ＭＴ_Ｌが最小となる最適回転数を特定することができる。この構成であっても、水素の損失を低減させて発電効率の向上を図ることができる。

・変形例２：
本実施形態では、図５の運転制御は燃料電池１０の間欠運転時に実行されるものとして説明した。しかし、図５の運転制御は、燃料電池１０の間欠運転時以外の状態においても実行されてもよい。この場合であっても、水素の損失を低減させて発電効率の向上を図ることができる。

１…電解質膜
２…カソード
３…アノード
１０…燃料電池
２０…制御部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…供給バルブ
３５…圧力計測部
４０…カソード排ガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…排出バルブ
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…循環ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
１００…燃料電池システム

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   アノードとカソードとを備える単セルを含む燃料電池と、
   前記アノードに水素ガスを供給する水素供給装置と、
   前記燃料電池の発電に使用されずに前記アノードから排出される水素を含むアノード排ガスを再び前記アノードに供給して前記アノード排ガスを循環させる循環ポンプと、
   前記水素供給装置による水素ガスの供給量、および、前記循環ポンプの回転数を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、所定の電流値において、前記循環ポンプを駆動させるために必要な電力に相当する水素量と、前記燃料電池のアノード側からカソード側へ通過する水素量との合計である総合水素損失量が最小となる前記循環ポンプの最適回転数に回転数が近づくように前記循環ポンプを駆動させる、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池の通常運転と間欠運転とを切り替え、
   前記燃料電池の通常運転時において、前記総合水素損失量が最小となる最適回転数よりも小さい回転数で前記循環ポンプを駆動させ、
   前記燃料電池の間欠運転時に所定の電流値において、前記総合水素損失量が最小となる前記最適回転数に回転数が近づくように前記循環ポンプを駆動させる、燃料電池システム。
3. 燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池の通常運転時において、前記燃料電池から得られる電流の増加にともなって、水素ガスの供給量を増加させ、
   前記燃料電池の間欠運転時において、前記燃料電池から得られる電流の増加にともなって、前記アノードから排出されて再び前記アノードに供給されるアノード排ガスの流量を増加させ、前記アノードの水素分圧を、前記燃料電池の通常運転時において前記電流を発生させるために必要となる水素分圧よりも低下させる、制御方法。

Images