JP2017010860A - 燃料電池システムと燃料電池へのガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力と露点を互いに独立して、燃料電池を安全な状態で、高速に変更できるシステムを提供すること。
【解決手段】 上記目的を達成するために、燃料電池と、加圧された加湿ガスを供給する第一の配管経路と、乾燥ガスを供給する第二の配管経路と、加湿ガスと乾燥ガスとを合流させて、合流ガスを生成するガス合流部と、燃料電池から排出されるガスの配管に設けられた背圧弁と、加湿ガスと乾燥ガスの比率と背圧弁とを制御する制御部と、を備える燃料電池を用いる。
また、加湿ガスと乾燥ガスを混合する混合工程と、混合されたガスを燃料電池へ供給する供給工程と、燃料電池からガスを排出させる排出工程と、を含み、乾燥ガスと加湿ガスの比率を決定する際に、加湿ガス部の圧力と排出工程での圧力とを制御する燃料電池へのガス供給方法を用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムと燃料電池へのガス供給方法に関する。特に、燃料電池システムに供給するガスの露点及び圧力を短時間で変更できる燃料電池システムと燃料電池へのガス供給方法に関するものである。

従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給されるガスの圧力を制御して、燃料電池の出力を制御する方法がある。その際、燃料電池からの排出ガス配管部に背圧を制御する背圧弁を設け、燃料電池の圧力を制御する方法が知られており、圧力の応答時間が燃料電池の出力応答時間に影響を与えている。

また、燃料電池システムでは燃料ガスに含まれる水分量が重要なパラメータとなる。発電効率に影響する。燃料電池内のガスの湿度は、燃料電池内部で生成される水分により変化するので、燃料電池内部湿度を一定にするには、出力状況により、供給するガスの露点を、短時間で変更できる燃料電池システムが望まれている。

よって、燃料電池の出力を短時間で安定して切り替えるには、圧力の応答時間を短縮し、供給ガスの露点応答時間を短縮する事が必要である。

燃料電池に供給する加湿ガスの露点及び圧力を高速に変更する手段としては、加湿ガス供給配管の体積を切り替えて、圧力応答時間を短縮しているものがある。（例えば、特許文献１参照。）
図７Ａは、特許文献１に記載された燃料電池システムの構成図である。図７Ａにおいて、カソードガス７０１は、コンプレッサ７０２により加圧され、加湿装置７０３により加湿されて、燃料電池７０４に供給されている。

また、アノードガス７０５も燃料電池７０４に供給されて、発電が行われる。

燃料電池７０４に印加されるカソードガス７０１の圧力は、圧力計７０６で計測される値になるように、制御装置７０７を介して、背圧弁７０８で制御されている。

通常の発電状態において、制御装置７０７は、カソードガス７０１が、加湿装置７０３を通る第一配管７０９を通るように、第一切替え弁７１０と第二切替え弁７１１を制御している。

通常の発電状態で、背圧弁７０８を用いて、圧力計７０６の値を上昇させる場合、カソードガス７０１の流量と第一配管７０９の体積により圧力上昇時間が決まる。

そこで、圧力上昇時間を短縮したい場合、第一配管７０９より体積の小さい第二配管７１２を用意しておき、制御装置７０７で、カソードガス７０１が、第二配管７１２を通るように、第一切替え弁７１０と第二切替え弁７１１を制御して、圧力上昇範囲の体積を変え、背圧上昇時間を短縮している。

一方、燃料電池７０４に供給されるガスの露点を変更する際は、加湿装置７０３を制御して、露点を変更している。

また、燃料電池７０４に供給する加湿ガスと乾燥ガスとを混合して供給し、その混合比を変える事で、露点を変更しているものがある（例えば、特許文献２参照）。図７Ｂは、特許文献２に記載された、燃料電池システムの構成図である。

図７Ｂにおいて、乾燥配管７１３では、乾燥カソードガス７１４が、加圧装置７１５によって加圧され、更に、加熱装置７１７によって加熱され、加熱乾燥カソードガス７１８が生成される。また、加熱乾燥カソードガス７１８は、流量制御装置７１６によって流量が調整される。

一方、加湿配管７１９では、乾燥カソードガス７１４が、流量制御装置７２０によって流量が調整される。更に、乾燥カソードガス７１４は、加湿装置７２１によって加湿される。結果、加湿カソードガス７２２が生成される。

合流部７２３では、加熱乾燥カソードガス７１８と加湿カソードガス７２２とが、混合され、混合カソードガス７２４が作られる。この露点が調整された、混合カソードガス７２４が燃料電池７０４に供給されて発電が実行される。

この際、制御装置７２５により、流量制御装置７１６と流量制御装置７２０とを制御し、２つのガスの流量比を変える。この事で、混合カソードガス７２４の露点を変更でき、露点の短時間変更を可能としている。

ここで燃料電池７０４が発電するには、アノードガスも必要であり、供給も行っているが、図示してない。

燃料電池７０４に印加される圧力を上げる際には、圧力計７２６の値が所定の圧力になるように、制御装置７２５を介して、背圧弁７２７を制御している。

特開２０１４−３２７９７号公報 特開２０１３−８０６３１号公報

しかしながら、従来の構成の図７Ａにおいては、カソードガス７０１は、第二配管７１２に切り替えた場合に、加湿装置７０３を経由しないため、露点が変化する。そのため、燃料電池７０４が、正常な動作をしなくなる危険性がある。

また、従来の構成の図７Ｂにおいては、露点は高速に変化させる事がはできるが、圧力計７２６で計測される圧力は、乾燥配管７１３と加湿配管７１９の一部を含む大きい体積範囲の圧力を変化させる必要があり、圧力応答性を改善する事はできない。

そこで、本発明では、圧力と露点を互いに独立して、短時間で変更できる燃料電池システムと燃料電池へのガス供給方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、燃料電池と、加湿ガスを供給する第一の配管経路と、
乾燥ガスを供給する第二の配管経路と、加湿ガスと乾燥ガスとを合流させて、合流ガスを生成するガス合流部と、燃料電池から排出されるガスの配管に設けられた背圧弁と、
加湿ガスの流量と乾燥ガスの流量と背圧弁とを制御する制御部と、を備える燃料電池システム
を用いる。

また、加湿ガスと乾燥ガスを混合する混合工程と、混合されたガスを燃料電池へ供給する供給工程と、燃料電池からガスを排出させる排出工程と、を含み、乾燥ガスと加湿ガスの比率を決定する際に、加湿ガス部の圧力と排出工程での圧力とを制御する燃料電池へのガス供給方法を用いる。

以上のように、本発明によれば、圧力と露点を互いに独立して、燃料電池を安全な状態で、高速に変更できる燃料電池システムと、燃料電池へのガス供給方法と、を提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの全体構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの加圧範囲説明図 発明の実施の形態１における燃料電池システムの圧力の変化を示す図 発明の実施の形態１における燃料電池システムの露点の変化を示す図 発明の実施の形態１における燃料電池システムのガス流量の変化を示す図 発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御方法の同期加圧手順を示す図 発明の実施の形態１における燃料電池システムの圧力差制限なしモードでのカソード側、アノード側の圧力の変化を説明する図 発明の実施の形態１の燃料電池システムにおける上限値よりユーザ制限値の方が大きい場合の圧力差制限モードでのカソード側、アノード側の圧力の変化を説明する図 発明の実施の形態１の燃料電池システムにおけるユーザ制限値の方が上限値より小さい場合の圧力差制限モードでのカソード側、アノード側の圧力の変化を説明する図 本発明の実施形態２における、燃料電池システムの制御方法の加湿部構成図 特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成図 特許文献２に記載された従来の燃料電池システムの構成図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
＜燃料電池システムの全体構成＞
図１は、本発明の実施形態１における、燃料電池システムの全体構成図である。図１において、図７Ａ、図７Ｂと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
＜カソード＞
図１において、カソード側の第一配管１０１は、カソード側の乾燥ガス１０２が供給され、カソード側の流量制御装置１０３により流量が制御され、更に、カソード側の加湿装置７２１で加湿された、カソード側の加湿ガス１０４が生成される。

又、第一配管１０１では、カソード側の圧力計１０５で示す圧力が、所定の圧力になるように、制御装置１０６を介した、カソード側の圧力弁１０７で圧力を制御することができる。

ここで、乾燥ガス１０２は、通常空気もしくは、酸素が使用される。

次に、カソード側の第二配管１０８では、乾燥ガス１０２が供給され、流量制御装置１０９により流量が制御された、乾燥ガス１１０が作成される。

カソード側のガス合流部１１１では、加湿ガス１０４と乾燥ガス１１０とが供給され、混合ガス１１３が作成される。又、ヒータ−１１２により、混合ガス１１３は、結露しない温度に保たれ、燃料電池７０４に供給される。

燃料電池７０４のカソード側には、カソード側のガス合流部１１１より、混合ガス１１３が供給され、カソード側の周辺は、カソード側の加熱冷却機構１１４によって、混合ガス１１３のガス温度が制御される。

又、燃料電池７０４に入力される混合ガス１１３の露点を、計測する露点計１１５が設置してあり、露点の確認、制御が可能である。

燃料電池７０４に印加される圧力を上げる際には、圧力計１１６の値が所定の圧力になるように、制御装置１０６を介して、背圧弁１１７を制御している。
＜アノード＞
燃料電池７０４には、アノード側のガス供給部１１８が接続されている。ガス供給部１１８に乾燥ガス１１９が接続され、入るガスの露点、温度、圧力を制御している。
アノード側の構成は、カソード側とほぼ同様であるので、ここでの説明は割愛する。

ここで、乾燥ガス１１９は、水素が使用される。
＜全体＞
このシステムは、制御装置１０６によって、燃料電池７０４に供給されるガス露点、温度、圧力及び図示されていない負荷装置等を、手動及び自動で所定の手順で制御する機能を有している。

このようにガス配管上に、複数の弁を用いる事で、圧力印加範囲を区切る構成をとることができる。

＜カソード極部分＞
図２は、本発明の実施形態１における、燃料電池７０４の加圧範囲を説明する図である。図２は、図１のカソード極部分（上側）を抜き出したものである。

図２において、カソード側の圧力弁１０７で制御され、圧力計１０５で計測される圧力範囲を示したものが、加湿部圧力範囲２０１である。

また、背圧弁１１７で制御され、圧力計１１６で計測される圧力範囲を示したものが、燃料電池圧力範囲２０２である。

燃料電池圧力範囲２０２は、燃料電池７０４及び周辺だけでなく、第二配管１０８とガス合流部１１１も含む。

カソード側の背圧弁１１７にて加圧される、燃料電池圧力範囲２０２は、大気圧２０３の１０１ｋＰａ（ａｂｓ）に対して、０〜２００ｋＰａ加圧され、１０１〜３０１ｋＰａ（ａｂｓ）の圧力の状態である。

ここで、実際には配管の形状、及び、ガス流量における圧力損失が発生し、カソード側の燃料電池圧力範囲２０２は、全範囲において、厳密には同じ圧力にはならないが、圧力範囲の考え方として同一とみなしている。

加湿部圧力範囲２０１の圧力は、燃料電池圧力範囲２０２より高い圧力でないと、ガスを供給できないので、３５０ｋＰａ（ａｂｓ）の設定としている。

また、加湿部圧力範囲２０１を加圧する、乾燥ガス１０２の圧力は、４００ｋＰａ（ａｂｓ）に設定している。

ヒーター１１２は、結露を防ぐ為、加湿装置７２１の設定温度より高い温度に設定される。一方、ガス合流部１１１では、第二配管１０８と合流する事で、混合ガス１１３の露点は下がる。

この混合ガス１１３を、そのまま燃料電池７０４に供給すると、ガス湿度が下がり、燃料電池７０４にダメージを与える危険性があるので、加熱冷却機構１１４は、燃料電池７０４に供給するガスの湿度を維持する、配管の加熱冷却機能を有している。

この様に、加湿装置７２１を含んだ加湿部圧力範囲２０１と、燃料電池７０４を含んだ加湿部圧力範囲２０１とを分ける事で、圧力と露点と、温度を独立して制御する事ができる。

＜圧力及び露点設定方法＞
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、発明の実施の形態１における燃料電池７０４で、圧力及び露点、ガス流量の変化を示す図である。ここでは、具体的な背圧、露点、ガス流量の設定例を示す。

図３Ａにおいて、横軸は、時間の変化を示し、圧力計１０５及び、圧力計１１６の圧力を示す。

図３Ｂにおいて、横軸は、時間の変化を示し、露点計１１５の露点を示す。

図３Ｃにおいて、横軸は、時間の変化を示し、縦軸は、流量制御装置１０３の流量及び、流量制御装置１０９の流量及び、の加湿ガス１０４の流量を示す。

ここでは、燃料電池７０４を取り外し、燃料電池７０４のカソード側の入口と出口を短絡し、更にアノード側の燃料電池７０４の入口と出口を短絡させた状態での動きを示したものである。燃料電池７０４を除いて、配管での制御方法を説明する。

＜準備状態３０７＞
準備状態３０７は、カソード側の露点温度を４０℃〜８０℃に、又、圧力を１０１〜３０１ｋＰａに、混合ガス１１３のガス流量を２５リットル／分に調整する為に、所定の温度、圧力に設定を行う準備状態である。

上記範囲を満足する為には、加湿装置７２１の温度は、８０℃以上であり、圧力は、３０１ｋＰａ以上必要である。このため、加湿装置７２１の温度を１２０℃に設定し、圧力計１０５が、３５０ｋＰａになるように設定している。

次に、混合ガス１１３の量を制御する為に、加湿ガス１０４の流量を決める。加湿ガス１０４は、流量制御装置１０３で供給されるガス量と、加湿装置７２１から供給される水蒸気の合計流量である。加湿装置７２１の温度１２０℃の時の供給水蒸気量を計算し、流量制御装置１０３から、１０．８リットル／分のガスを供給する事で、加湿ガス１０４に２５リットル／分のガスが供給される。

上記の設定を行い、背圧弁１１７を解放にし、圧力計１１６が大気圧を示す状態にすると、露点計１１５で示す露点は、８４℃になり、準備が出来た状態になる。

＜第一設定状態３０８＞
次に、第一設定状態３０８に変更する方法を説明する。（露点変更）
第一設定状態３０８では、圧力計１０５は、大気圧のままで、露点計１１５が示す露点が８０℃になった状態であり、その変更手順例を示す。

準備状態３０７では、露点計１１５では、露点温度は８４℃であり、露点を下げる必要がある。そこで、流量制御装置１０９から、乾燥ガス１１９を入れる事で、混合ガス１１３に含まれる水蒸気量の割合を変え、露点を下げる制御を行う。

具体的には、目標露点に必要な、水蒸気量を求め、加湿ガス１０４のガス流量を求め、水蒸気量を差し引いて、流量制御装置１０３を求める。

目標のガス流量を、２５リットル／分とした場合、カソード側の加湿ガス１０４は、２０．９リットル／分、カソード側の流量制御装置１０９の供給ガス流量は、４．１リットル／分であり、カソード側の流量制御装置１０３の供給ガス流量は、９．１リットル／分となる。

このよう手順で、流量制御装置１０３と流量制御装置１０９の、ガス流量を変更する制御行う事で、露点計１１５で示す露点温度の変更が可能となる。

流量制御装置１０３及び、流量制御装置１０９を、約１秒でガス流量の切替が可能なデバイスを用いた場合、ガス流量変更と同じ時間である、約１秒で露点変更が可能となる。

＜第二設定状態３０９＞
次に、第二設定状態３０９に変更する方法を説明する。（圧力変更）
第二設定状態３０９は、混合ガス１１３のガス流量、露点計１１５で示す露点温度は、第一設定状態３０８と同一のまま、圧力計１１６で示す圧力が１０１ｋＰａから３０１ｋＰａに変更された状態であり、その変更手順例を示す。

まず、圧力計１１６が３０１ｋＰａに変わった場合の、加湿ガス１０４だけが供給された場合の露点計１１５で示す露点を計算する。この場合、露点計１１５で示す露点は約１１５℃となる。

上記の条件を踏まえて、第一設定状態３０８と同様の計算を行うと、加湿ガス１０４は、７．５リットル／分、流量制御装置１０３の供給ガス、３．３リットル／分、流量制御装置１０９の供給ガス、１７．５リットル／分となる。

更に、圧力変更時の圧力変更時間３１０の概算例を示す。

流量制御装置１０３と流量制御装置１０９のガス流量とを変更すると同時に、背圧弁１１７を閉じ、圧力計１１６を目標値になるように制御を行った場合の変更時間を示す。

目標のガス流量は、２５リットル／分であり、燃料電池７０４を外した、燃料電池圧力範囲２０２の体積を、Ｖ１とすると、変更時間は、体積Ｖ１と、圧力差と、供給ガス流量より算出でき、ガス流量：２５リットル／分と、体積Ｖ１：０．５リットルとした場合、１０１ｋＰａから、３０１ｋＰａに変更する、圧力変更時間３１０は、約２．４秒となる。

このように様に、今回のシステムでは、ガス流量変更と背圧弁１１７の制御だけで、露点を変える事無く、短時間での圧力上昇が可能となる。

＜第三設定状態３１１＞
次に、第三設定状態３１１に変更する方法を説明する。（圧力、露点変更）
第三設定状態３１１は、第二設定状態３０９に対して、燃料電池７０４に供給されるガス流量は同一であり、カソード側の露点計１１５で計測される露点温度が８０℃から４０℃に変化し、カソード側の圧力計１１６で計測される圧力が、３０１ｋＰａから大気圧が１０１ｋＰａに変化した状態であり、その変更手順例を示す。

今までと同様の計算により、加湿ガス１０４は、３．６リットル／分、流量制御装置１０９からの供給ガスは、２１．４リットル／分となり、流量制御装置１０３からの供給ガスは、１．６（リットル／分）となる。

ここで、流量制御装置１０３と流量制御装置１０９のガス流量を変更すると同時に、背圧弁１１７を操作し、圧力計１１６を目標値になるように制御を行う事で、高速な露点と圧力の同時変更が可能となる。

＜圧力同期上昇課題＞
次に、燃料電池７０４を繋いで背圧弁１１７で、圧力計１１６で示す圧力を上昇させる際の課題について説明する。

燃料電池７０４を接続した場合、燃料電池７０４の本体にガスが流れる流路があるので、圧力を上昇させる時間は、圧力変更時間３１０より、長くなる。

具体的には、燃料電池圧力範囲２０２を、２．５リットルの体積とした場合、２５リットル／分のガスを流し、１０１ｋＰａから、３０１ｋＰａに背圧を上昇させるおおよその時間は、約１２秒である。

ここで、アノード側に着目すると、アノード側は、水素ガスが流される。
燃料電池７０４では、カソードガスの酸素の２倍のモル数の水素ガスがアノードには必要である。カソード極に２５リットル／分の空気を供給すると、空気中の酸素体積比は、ほぼ２１％であり、酸素はほぼ５リットル／分供給されるので、その２倍の約１０リットル／分の水素ガスをアノード極に入れると、両極同様に消費される事になる。

よって、アノード極に１０リットル／分の水素ガスを入れて、１０１ｋＰａから、３０１ｋＰａに背圧を上昇させるおおよその時間は、約３０秒となる。

両者を同じタイミングで上昇させると、１２秒後には、カソード側を３０１ｋＰａとなり、アノード側は、１８０ｋＰａとなり、約１２０ｋＰａの差圧を生じる事となる。

このような圧力差が生じる動作を繰り返し、燃料電池７０４に与えると、燃料電池７０４内部の電解質膜の破損に繋がる可能性が高い。そこで、アノードとカソード間での圧力差を小さくする方法が必要であり、その具体的な方法を以下で説明する。

＜圧力制御方法＞
図４は、発明の実施の形態１における燃料電池システムでの圧力制御方法を示したフローである。

＜上昇率決定ステップ４０１＞
まず、上昇率決定ステップ４０１において、アノード、カソードの各配管体積を求める。そして、設定ガス流量における、最大上昇率を、アノードカソード共に計算する。

例えば、カソード側を、２．５リットルの体積、２５リットル／分のガス流量、１０１ｋＰａから、３０１ｋＰａに背圧上昇時の最大上昇率は、１６．６７ｋＰａ／秒
となる。

一方、アノード側は、２．５リットルの体積、１０リットル／分のガス流量、１０１ｋＰａから、３０１ｋＰａの背圧上昇時の最大上昇率は、６．６７ｋＰａ／秒になる。

＜判定ステップ４０２＞
動作に関しては、圧力差を制限しない＜圧力差制限なしモード＞と、圧力差を制限する＜圧力差制限モード＞の二つの設定が可能である。

＜制限なし上昇値設定ステップ４０３＞
判定ステップ４０２で、＜圧力差制限なしモード＞が選択された場合、制限なし上昇値設定ステップ４０３に移り、同ステップでは、上昇率決定ステップ４０１で計算された最大上昇率が、そのまま、アノード、カソードに適用される。アノード側最大上昇率は、１６．６７ｋＰａ／秒である。カソード側最大上昇率は、６．６７ｋＰａ／秒である。

＜制限値設定判定ステップ４０４＞
判定ステップ４０２で、＜圧力差制限モード＞が選択された場合、制限値設定判定ステップ４０４に移り、同ステップでは、ユーザの設定した制限値により、上昇率を変更する。ここで、アノードとカソードの最小上昇率と最大上昇率を出しておく。

具体的には、最大上昇率は、燃料電池７０４の内部の電解質膜の破損を防ぐために、アノードとカソードの低い方にあわせる必要がある。制限なし上昇値設定ステップ４０３で、アノードとカソードは、それぞれ、１６．６７ｋＰａ／秒と６．６７ｋＰａ／秒であったので、最大上昇率は、小さい方になり、６．６７ｋＰａ／秒となる。

ユーザの設定する制限値が、６．６７ｋＰａ／秒より、大きいか小さいかにより、設定が分かれる。

＜上昇率設定ステップ４０５＞
制限値設定判定ステップ４０４で、ユーザの設定する制限値が、６．６７ｋＰａ／秒より、大きい場合、このステップに移る。アノード側最大上昇率、カソード側最大上昇率共に、６．６７ｋＰａ／秒に設定される。

＜制限値設定ステップ４０６＞
制限値設定判定ステップ４０４で、ユーザの設定する制限値が、６．６７ｋＰａ／秒より、小さい場合、このステップに移り、ユーザの設定する制限値が、５ｋＰａ／秒であった場合、アノード側最大上昇率、カソード側最大上昇率共に、５ｋＰａ／秒になる。

＜ガス流量計算ステップ４０７＞
このステップでは、実際に供給される、ガス量を計算する。具体的には、燃料電池７０４に供給されるガスの露点が変化しないように、上昇率に応じて、カソード側の流量制御装置１０３の流量、流量制御装置１０９の流量、流量制御装置１０３ａの流量、流量制御装置１０９ａの流量、を計算する。この詳細は、上記と同様である。

＜指令値更新ステップ４０８＞
これまでのステップで、各流量制御装置及び背圧弁への指令値が作成されている。このステップで、実行される。目標背圧、流量に到達するまで、動作は継続される。

＜加圧動作終了ステップ４０９＞
加圧動作終了ステップ４０９では、最終圧力、最終ガス流量を維持して、終了する。

＜圧力同期上昇方法＞（制限モード違いのグラフによる説明）
図５Ａ，図５Ｂ、図５Ｃのそれぞれは、＜圧力差制限なしモード＞と、上限値よりユーザ制限値の方が大きい場合の＜圧力差制限モード＞と、ユーザ制限値の方が上限値より小さい場合の＜圧力差制限モード＞と、について、カソード側、アノード側の圧力の変化を説明する。
（１）圧力差制限なしモード
図５Ａは、＜圧力差制限なしモード＞でのカソード側、アノード側の圧力の変化を示す。
＜圧力差制限なしモード＞時は、カソード側は、カソード側の最大上昇率での上昇を行う。カソード側の指令値５０１は、カソード側の初期圧力５０２に、スタート時間５０３において、カソード側の最大上昇率５０４を加えた値を出力する。

ステップ時間５０５経過後は、カソード側の指令値５０１と、カソード側の現在値５０６は同じ値に示す、最終圧力５０７に到達する場合、カソード側の指令値５０１は、カソード側の最大上昇率を加えた値でなく、最終圧力５０７を指令値となる。

アノード側も、アノード側の最大上昇率での上昇を行い、アノード側の指令値５０８は、アノード側の初期圧力５０９に、スタート時間５０３において、アノード側の最大上昇率５１０を加えた値を出力する。

ステップ時間５０５経過後は、アノード側の指令値５０８と、アノード側の現在値５１１は同じ値に示す、最終圧力５０７に到達する場合、アノード側の指令値５０８は、アノード側の最大上昇率を加えた値でなく、最終圧力５０７を指令値となる。
（２）上限値よりユーザ制限値の方が大きい場合の＜圧力差制限モード＞
図５Ｂは、上限値よりユーザ制限値の方が大きい場合の＜圧力差制限モード＞を示す。
背圧上昇値は、アノード、カソードの小さい方に統一され、今回は、アノードステップ上昇値の方が小さいので、アノード側の最大上昇率５１０を、アノード、カソードの両方の上昇率に指定した動作になり、アノードは、制限なしと同様の動作を行うが、カソードは、制限後カソード値５１２に示す動作を行う。

このような動作を行う事で、制限なしアノードカソード圧力差５１３は、制限後アノードカソード圧力差５１４に小さくなり、燃料電池７０４に対するダメージを低減する事が可能となる。
（３）ユーザ制限値の方が上限値より小さい場合の＜圧力差制限モード＞
図５Ｃは、ユーザ制限値の方が上限値より小さい場合の＜圧力差制限モード＞である。

図５Ｃにおいて、背圧上昇値は、アノード、カソード共にユーザ制限値に統一され、アノードカソード指令値５１６は、アノードカソード初期圧力５１７に対して、スタート時間５０３から、ステップ時間５０５おきに、ユーザ制限値５１５が加えられた指令値になる。

アノードカソード指令値５１６に対して、アノード側の現在値５１８とカソード側の現在値５１９は図に示した動作を行い、アノードカソード圧力差５２０は、ユーザ制限値５１５より小さな値で動作する。

ここで、今回は、アノードカソードの同期だけを説明したが、この方法は、アノードカソード間だけでなく、図示していない、燃料電池７０４を加熱冷却する冷媒回路の加圧動作とも連動する事も可能である。

また、１秒毎のタイミングで指令値と現在値のズレがあった場合、現在値と指令値との差が一定以下になってから、次の指令を与える動作も行っても良い。

ステップ時間は１秒としたが、高速に応答する制御装置、ユニットを用いて、１秒以下のステップ時間での動作を行っても良い。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施形態２における、燃料電池システムの制御方法の加湿部の構成図である。

図６において、加湿装置７２１を含む、カソード側の第一配管１０１と、カソード側の第二配管１０８に加えて、追加された加湿装置６０１と追加されたガス流量制御装置６０２と、追加された加湿部圧力計６０３を制御する、追加された加湿部圧力弁６０４を有する、第３配管経路６０５を持つ構成である。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。

この構成を用いる事で、適用露点の範囲を広くすることが可能である。

加湿装置７２１、１個の場合は、露点は４０℃〜８０℃が適用推奨範囲であるが、追加された加湿装置６０１を加えて、加湿装置を２個にし、加湿装置７２１を３５０ｋＰａ、１３５℃加熱、追加された加湿装置６０１を３５０ｋＰａ、８０℃加熱にすることで、湿度範囲を、３０℃〜９０℃まで対応する事が可能となる。

使用方法としては、カソード側の第一配管１０１と、第３配管経路６０５は切替えて使用し、第二配管１０８の乾燥ガス経路は常に使用する。
加湿装置は、２個に限定しない。範囲を広げる場合、もっと増やしても良い。

（なお書き）
実施の形態は、それぞれ組み合わせることができる。
流量制御装置１０３，１０９は必須ではなく、あればより制御が容易である。それぞれのガス量を調整してもよい。ガス合流部１１１で調整してもよい。加湿装置７２１は必須ではなく、加湿したガスを流してもよい。圧力弁１０７は必須ではなく、あれば圧力調整ができより好ましい。ヒーター１１２と加熱冷却機構１１４とは必須ではなく、あれば温度調整ができより好ましい。

本発明の燃料電池システムと燃料電池へのガス供給方法は、アノードのガスとカソードのガスの露点を高速に変化させることができる。また、燃料電池の両極の背圧を圧力差の少ない状態で変化させることできる。このため、本発明の燃料電池システムと燃料電池へのガス供給方法は、家庭用燃料電池システム、車載燃料電池システム、燃料電池式移動体システム、燃料電池評価装置システムへ適用できる。

１０１ 第一配管
１０２ 乾燥ガス
１０３ 流量制御装置
１０３ａ 流量制御装置
１０４ 加湿ガス
１０５ 圧力計
１０６ 制御装置
１０７ 圧力弁
１０８ 第二配管
１０９ 流量制御装置
１０９ａ 流量制御装置
１１０ 乾燥ガス
１１１ ガス合流部
１１２ ヒーター
１１３ 混合ガス
１１４ 加熱冷却機構
１１５ 露点計
１１６ 圧力計
１１７ 背圧弁
１１８ ガス供給部
１１９ 乾燥ガス
２０１ 加湿部圧力範囲
２０２ 燃料電池圧力範囲
２０３ 大気圧
３０７ 準備状態
３０８ 第一設定状態
３０９ 第二設定状態
３１０ 圧力変更時間
３１１ 第三設定状態
４０１ 上昇率決定ステップ
４０２ 判定ステップ
４０３ 制限なし上昇値設定ステップ
４０４ 制限値設定判定ステップ
４０５ 上昇率設定ステップ
４０６ 制限値設定ステップ
４０７ ガス流量計算ステップ
４０８ 指令値更新ステップ
４０９ 加圧動作終了ステップ
５０１ カソード側の指令値
５０２ カソード側の初期圧力
５０３ スタート時間
５０４ カソード側の最大上昇率
５０５ ステップ時間
５０６ カソード側の現在値
５０７ 最終圧力
５０８ アノード側の指令値
５０９ アノード側の初期圧力
５１０ アノード側の最大上昇率
５１１ アノード側の現在値
５１２ 制限後カソード値
５１３ 制限なしアノードカソード圧力差
５１４ 制限後アノードカソード圧力差
５１５ ユーザ制限値
５１６ アノードカソード指令値
５１７ アノードカソード初期圧力
５１８ アノード側の現在値
５１９ カソード側の現在値
５２０ アノードカソード圧力差
６０１ 加湿装置
６０２ ガス流量制御装置
６０３ 加湿部圧力計
６０４ 加湿部圧力弁
６０５ 第３配管経路
７０１ カソードガス
７０２ コンプレッサ
７０３ 加湿装置
７０４ 燃料電池
７０５ アノードガス
７０６ 圧力計
７０７ 制御装置
７０８ 背圧弁
７０９ 第一配管
７１０ 第一切替え弁
７１１ 第二切替え弁
７１２ 第二配管
７１３ 乾燥配管
７１４ 乾燥カソードガス
７１５ 加圧装置
７１６ 流量制御装置
７１７ 加熱装置
７１８ 加熱乾燥カソードガス
７１９ 加湿配管
７２０ 流量制御装置
７２１ 加湿装置
７２２ 加湿カソードガス
７２３ 合流部
７２４ 混合カソードガス
７２５ 制御装置
７２６ 圧力計
７２７ 背圧弁

Claims (10)

1. 燃料電池と、
   加湿ガスを供給する第一の配管と、
   乾燥ガスを供給する第二の配管と、
   前記加湿ガスと前記乾燥ガスとを合流させて合流ガスを生成するガス合流部と、
   前記燃料電池から排出されるガスの配管に設けられた背圧弁と、
   前記加湿ガスの流量と前記乾燥ガスの流量と前記背圧弁とを制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記第一の配管には、第１流量計があり、
   前記第二の配管には、第２流量計がある請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第一の配管には、加湿装置がある請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第一の配管には、圧力弁がある請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. さらに、前記ガス合流部の温度を調整する第１温度調整部と、
   前記ガス合流部から前記燃料電池に入るまでの配管の温度を調整する第２温度調整部と、
   を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１温度調整部と前記第２温度調整部とは、独立して温度の調整が行われる請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池と、
   カソード用の加湿ガスを供給するカソード用の第一の配管と、
   カソード用の乾燥ガスを供給するカソード用の第二の配管と、
   前記カソード用の加湿ガスと前記カソード用の乾燥ガスとを合流させて、カソード用の合流ガスを生成するカソード用のガス合流部と、
   前記燃料電池のカソード極から排出されるガスの配管に設けられたカソード用の背圧弁と、
   アノード用の加湿ガスを供給するアノード用の第一の配管と、
   アノード用の乾燥ガスを供給するアノード用の第二の配管と、
   前記アノード用の加湿ガスと前記アノード用の乾燥ガスとを合流させて、アノード用の合流ガスを生成するアノード用のガス合流部と、
   前記燃料電池のアノード極から排出されるガスの配管に設けられたアノード用の背圧弁と、
   前記カソード用の加湿ガスの流量と前記カソード用の乾燥ガスの流量と前記カソード用の背圧弁と前記アノード用の加湿ガスの流量と前記アノード用の乾燥ガスの流量と前記アノード用の背圧弁とを制御する制御部と、
   を含む燃料電池システム。
8. 前記第一の配管は、２つの配管を有し、
   それぞれ前記加湿ガスを流す請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 加湿ガスと乾燥ガスを混合する混合工程と、
   前記混合されたガスを燃料電池へ供給する供給工程と、
   前記燃料電池からガスを排出させる排出工程と、を含み、
   前記加湿ガスの流量と前記乾燥ガスの流量と前記排出工程で前記ガスの圧力とを制御する燃料電池へのガス供給方法。
10. 前記供給工程は、前記燃料電池のアノード側とカソード側で行われ、
    前記アノード側、または、前記カソード側での圧力が、一定上限値以下となるように、制御する制御工程を、さらに有する請求項９記載の燃料電池へのガス供給方法。

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