JP4626176B2

JP4626176B2 - 燃料電池の制御装置

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Publication number: JP4626176B2
Application number: JP2004117916A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: JP2005302571A

Description

本発明は、燃料電池の制御装置に関する。

燃料電池は、例えば、電解質膜と電解質膜を挟んで形成され、触媒層を含む２つの電極を有している。燃料電池では、一方の電極（水素極）には、燃料である水素が供給され、他方の電極（空気極）には、酸化剤である酸素が供給される。水素極に供給された燃料ガス中の水素は、水素極中を触媒層の方向に拡散し、触媒層においてプロトンと電子に分離される。プロトンは、水分子とともに電解質膜を通って空気極側の触媒層に移動する。

一方、空気極に供給された酸素は、空気極中を触媒層の方向に拡散する。そして、空気極側の触媒層において、プロトン、電子、および酸素が反応して水が生成される。このとき、空気極と水素極とを外部回路（例えば、導体）で接続すると、水素極から空気極に電子が移動し、上記のプロトンとの反応に消費される。

したがって、水素極に水素を供給し、空気極に酸素を供給する限り、水素極中の水素の拡散、電解質膜中のプロトンの移動、外部回路中の電子の移動、および空気極中の酸素の拡散が継続し、空気極から水素極に電流が継続して流れる。

しかし、上記反応により空気極では大量の生成水が発生する。この生成水は、空気極中に堆積し、空気極側の酸化剤供給通路、排出経路中で空気中に蒸発する他、電解質膜を通過して水素極側にも拡散する。そして、生成水は、水素極表面に堆積し、または、水素極へのガス供給路、排出経路中で燃料ガス中に蒸発する。

このような生成水が燃料電池内または燃料電池に反応ガス（酸化剤、燃料ガス等）を供給する供給通路または排出経路内に残留すると、例えば、水素極では水素濃度が低下して燃料電池の性能低下、出力電圧低下の原因となる。また、電極中に残留している生成水により水素の拡散が阻害され、出力電圧低下の原因となる。

このような生成水を空気極側から排出するため、燃料電池の空気極側排出弁とエアーコンプレッサの制御により圧力変化を生じさせる技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−３０５０１７号公報特開２００３−１７８７７９号公報特開２００２−２３１２７７号公報

しかし、上述した技術では、水素極側において生成水、生成水の氷結物、その他の物質を除去することについての配慮はなかった。
本発明の目的は、空気極側だけでなく燃料ガスの供給通路および水素極を含む燃料ガス系において生成水、生成水の氷結物、その他の物質の除去機能を向上させることにある。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、燃料電池の制御装置において、反応ガスを供給するガス供給通路と、上記ガス供給通路に設けられ互いに並列に反応ガスの通路を構成し反応ガスの供給を制御する複数のガス流量調整手段と、上記ガス供給通路または上記燃料電池内の反応ガスが通過する流路に反応ガスの通過を阻害する物質が堆積していることを検出する検出手段と、上記検出手段により上記物質の堆積が検出されたときに少なくとも２つ以上の第１所定数の上記ガス流量調整手段により並列に反応ガスを供給した後、上記第１所定数より少ない第２所定数の上記ガス流量調整手段により反応ガスを供給するガス流量制御手段と、を備える。

この燃料電池の制御装置は、互いに並列に反応ガスの供給を制御する複数のガス流量調整手段を有し、反応ガスの通過を阻害する物質が堆積していることを検出したときに、少なくとも２つ以上の第１所定数の上記ガス流量調整手段により並列に反応ガスを供給した後、上記第１所定数より少ない第２所定数のガス流量調整手段により反応ガスを供給する。したがって、本燃料電池の制御装置は、少なくとも２つ以上の第１所定数のガス流量調整手段により、短時間で反応ガス流量を急速に増加させ、その後、上記第１所定数より少ない第２所定数のガス流量調整手段による供給とすることで、急速にガス供給量を減少させる。したがって、ガス供給通路または燃料電池内において、反応ガスの流れの脈動または反応ガスの圧力の脈動を生じさせる。このような反応ガス流量の脈動により、この燃料電池の制御装置は、ガス供給通路または上記燃料電池内の反応ガスが通過する流路に堆積した物質を除去する機能を向上させることができる。なお、上記第２所定数には０を含んでもよい。すなわち、少なくとも２つ以上の第１所定数の上記ガス流量調整手段により並列に反応ガスを供給した後、すべてのガス流量調整手段による反応ガスの供給を停止するようにしてもよい。

また、上記ガス流量制御手段は、上記検出手段により上記物質の堆積が検出されていないときは上記ガス流量調整手段のいずれか１つ以上から燃料電池に反応ガスを供給するようにしてもよい。このような場合、例えば、通常運転時には、本燃料電池の制御装置は、脈動を低減して反応ガスを供給できる。

上記燃料電池の制御装置において、さらに、所定時間あたりに供給する反応ガス流量を設定する反応ガス流量設定手段を備え、上記ガス流量制御手段は上記検出手段により上記物質の堆積が検出されたときに上記所定時間のうちの部分区間におけるガス供給量を上記所定時間のうちの上記部分区間以外の区間におけるガス供給量よりも多くして上記所定時間内に上記反応ガス流量を供給するようにしてもよい。この燃料電池の制御装置によれば、燃料ガス供給時の脈動の有無に拘わらず、所定時間あたり供給する反応ガス流量を一定に維持するので、燃料電池の出力変動を抑制できる。

上記燃料電池の制御装置において、上記複数のガス流量調整手段は２つのガス流量調整手段が並列に上記ガス供給通路に設けられ、上記ガス流量制御手段は、上記検出手段により上記物質の堆積が検出されたときに上記２つのガス流量調整手段により並列に反応ガスを供給した後、上記２つのガス流量調整手段による反応ガスの供給を停止する、そのような２つのガス流量調整手段による反応ガスの並列供給状態と供給停止状態との組み合わせにより反応ガスを供給するガス流量制御手段と、を備えるものでもよい。
このように、上記２つのガス流量調整手段により並列に反応ガスを供給した後、上記２つのガス流量調整手段による反応ガスの供給を停止することにより、ガス供給通路または上記燃料電池内の反応ガスが通過する流路に燃料ガスの脈動を生じさせることができる。なお、以上説明した構成は、可能な限り組み合わせることができる。

本燃料電池の制御装置によれば、燃料ガスの供給通路および水素極を含む燃料ガス系に
おいて生成水、生成水の氷結物、その他の物質の除去機能を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成図である。この燃料電池は、燃料電池セル（以下、単にセルと呼ぶ）を含む燃料電池本体１と、燃料電池本体１の水素極側に燃料ガスを供給する燃料タンク４と、燃料タンク４と燃料電池本体１の燃料導入口とを接続する燃料ガス供給通路Ｌ１と、燃料ガス供給通路Ｌ１上に互いに並列に配置され燃料ガスの供給量を制御する流量制御弁５Ａ、５Ｂと、燃料電池本体１のガス排出口に接続される燃料排出通路Ｌ２と、燃料排出通路Ｌ２上に配置され、燃料電池本体１の水素極側で使用されたガス（燃料オフガスと呼ぶ）の排出を制御する排出弁６と、燃料電池本体１または燃料電池本体１に含まれるセルの出力電圧を検出する電圧センサ２と、電圧センサ２の検出値を監視するとともに流量制御弁５Ａ、５Ｂおよび排出弁６の開閉を制御するＥＣＵ３（電子制御ユニット）とを有している。なお、図１においては、酸化ガスが供給される空気極側の構成要素は省略されている。

燃料電池本体１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを含むセルを直列に接続し、複数階層に積層した積層体（セルスタックと呼ばれる）から構成される。膜−電極接合体は、水素をプロトンと電子に分離する水素極と、水素極で生成されたプロトンを空気極に伝導する電解質膜と、空気極に伝導したプロトンと酸素と外部回路を通じて水素極から伝導した電子により水を生成する空気極とを含む。

燃料タンク４は、ガス供給通路Ｌ１および流量制御弁５Ａ、５Ｂを介して燃料電池本体１の水素極側に燃料（例えば、水素ガス）を供給する。燃料タンク４は、燃料ガスを高圧状態（１気圧を超える圧力状態）で保持している。

流量制御弁５Ａ、５Ｂ（ガス流量調整手段に相当）は、弁の開閉により通過するガス流量を調整する。流量制御弁５Ａ、５Ｂは、例えば、自動車のエンジンに使用されるインジェクタと同様の構成とすることができ、ＥＣＵ３からの駆動信号により弁を開閉する。

開弁状態では、燃料タンク４に保持された高圧の燃料ガスが流量制御弁５Ａ、または、５Ｂの開口を通過して燃料電池本体１に供給される。一方、閉弁状態では、流量制御弁５Ａ、５Ｂでの燃料ガスの通過が阻止され、燃料タンク４からの燃料ガスの供給が停止される。そして、流量制御弁５Ａ、５Ｂは、ＥＣＵ３からの駆動信号により、弁の開閉間隔および開弁時間を制御され、燃料ガスの流量を調整する。

このように、通常の燃料電池と異なり本実施形態の燃料電池は、流量制御弁５Ａ、５Ｂの２つの弁を有している。流量制御弁５Ａ、５Ｂは、ＥＣＵ３からの駆動信号により、略同時点で開閉することができる。また、流量制御弁５Ａ、５Ｂは、ＥＣＵ３からの駆動信号により、互いに時間をずらせて開閉することもできる。

本実施形態では、流量制御弁５Ａ、５Ｂを略同時点で開閉する制御シーケンスを脈動モードと呼ぶ。流量制御弁５Ａ、５Ｂを同時に開閉すると、流量制御弁５Ａ、５Ｂを通過する燃料ガスの流量の変化が大きくなり、ガス供給通路Ｌ１および燃料電池本体１内の燃料ガスの流れ、または、燃料ガスの圧力が脈動するからである。また、互いに開弁時間をずらせて流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉する制御シーケンスを脈動抑制モードと呼ぶ。開弁時
間をずらせて２つの流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉することで、上記流量の脈動、したがって、ガス供給通路Ｌ１および燃料電池本体１内の燃料ガスの流れ、または、燃料ガスの圧力の脈動を抑制できるからである。

なお、図１では、２つの流量制御弁５Ａ、５Ｂを例示したが、本発明の実施において流量制御弁の数に制限はなく、３つ以上の流量制御弁を互いに並列に配置し、ガス供給通路Ｌ１に分岐して接続するようにしてもよい。

排出弁６は、例えば、電磁バルブであり、ＥＣＵ３からの駆動信号により弁を開閉し、燃料電池本体１の水素極側に滞留する燃料オフガスを排出する。燃料オフガスには、空気（窒素、酸素）、水素極で消費されなかった燃料（水素）、空気極側から膜−電極接合体を透過した水、水蒸気等が含まれる。燃料オフガスが排出弁６から排出されると燃料電池本体１の水素極側には、流量制御弁５Ａ、５Ｂを通じて新たな燃料ガスが供給され、燃料ガスの密度が高くなる。そして、排出弁６を閉じた状態で燃料電池本体１が反応を継続すると、次第に水素極側で燃料ガスの密度が低下する。ＥＣＵ３は、所定のシーケンスにしたがい、燃料ガスの密度が所定値以下になった時点（または所定値以下になったと推定される時点）で排出弁６を開弁し、燃料オフガスを排出する。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を含み、本実施形態の燃料電池の反応を制御する。ＥＣＵ３は、不図示の入出力インターフェースを介して流量制御弁５Ａ、５Ｂ、排出弁６、および電圧センサ２に接続されている。

図２に、ＥＣＵ３のうちの流量制御弁５Ａ、５Ｂをする部分の詳細図を示す。図２のように、ＥＣＵ３は、ＣＰＵ回路３１およびドライバ回路３２を有している。ＣＰＵ回路３１は、流量制御弁５Ａ、５Ｂの開閉タイミングにおいて、パルス信号を発生し、ドライバ回路３２に入力する。ドライバ回路３２は、ＣＰＵ回路３１からのパルス信号に応じて流量制御弁５Ａまたは５Ｂに対する駆動信号を生成し、そのパルス信号のオン／オフのタイミングで流量制御弁５Ａまたは５Ｂを開閉する。図２のように、この駆動信号は、急峻なピーク部分とピークよりやや振幅の小さい平坦部分とを含む波形で、流量制御弁５Ａおよび５Ｂの規格に対応した駆動力を生じさせる電流値を有する。

図３に、脈動モードにおいて、流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動するパルス信号の波形例を示す。図３は、流量制御弁５Ａ、５Ｂおよび参考例として単一の流量制御弁（以下、単に単一弁と呼ぶ）を駆動する場合の波形例を示している。図３において、横軸は時間Ｔであり、各波形の縦軸は、パルス信号の振幅である。ここでは、パルス信号が示す高電位と低電位を、それぞれ、オン（状態）およびオフ（状態）と呼ぶ。

脈動モードでは、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号が略同一のタイミングでオン／オフされる。図３の例では、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号は、タイミングＴ０でオンとなり、タイミングＴ１でオフとなる。図２に示したように、このタイミングで駆動信号が流量制御弁５Ａ、５Ｂを略同時点で開閉する。

参考例として示した単一弁では、２つの流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉する場合と比較して、パルスの幅が長くなっている。すなわち、単一弁に対するパルス信号は、タイミングＴ０でオンとなり、タイミングＴ２でオフとなっている。これは、２つの流量制御弁５Ａ、５Ｂによる場合と同一の流量の燃料ガスを単一弁で供給するためである。逆に、流量制御弁５Ａ、５Ｂによる場合は、単一弁と比較して、短い開弁時間で大きな流量の燃料ガスを供給できる。

図４に、脈動抑制モードにおいて、流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動するパルス信号の波形
例（参考例としての単一弁に対するパルス信号も含む）を示す。
脈動抑制モードでは、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号が互いにずれたタイミングでオン／オフされる。図３の例では、流量制御弁５Ａに対するパルス信号は、タイミングＴ０でオンとなり、タイミングＴ１でオフとなる。そして、その後、流量制御弁５Ｂに対するパルス信号がタイミングＴ３でオンとなり、タイミングＴ４でオフとなる。そして、このパルス信号に対応するタイミングの駆動信号が開弁時間をずらせて流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉する。図３および図４のパルス信号により流量制御弁５Ａ、５Ｂを制御するＥＣＵ３が本発明のガス流量制御手段に相当する。

図５に、流量制御弁出口側（または入口側）で計測される流量を例示した図を示す。図５は、流量制御弁５Ａ、５Ｂと従来の単一の流動制御弁とで流量を比較して示している。図５において、実線のグラフ１００は、脈動モード、すなわち、流量制御弁５Ａ、５Ｂを略同時点で開閉した場合に、２つの流量制御弁５Ａ、５Ｂに接続されるガス供給通路を流れる燃料ガスの流量である。

また、破線のグラフ１０１は、脈動抑制モード、すなわち、開弁時間をずらせて流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉した場合に、２つの弁に接続されるガス供給通路を流れる燃料ガスの流量である。また、一点鎖線のグラフ１０２は、単一弁を開閉した場合に、ガス供給通路を流れる燃料ガスの流量である。

図５のように、脈動モードの場合、単一弁の場合と比較して、短時間で急峻に流量が立ち上がり、さらに立ち下がる。したがって、略同時に複数の流量制御弁５Ａ、５Ｂ等を開閉することで、流量の激しい変化を生じさせ、燃料の流れまたは圧力の脈動を大きくすることができる。

一方、脈動抑制モードの場合、流量のグラフは、前後２つのピークを有し、かつ、その２つのピーク間に略平坦な箇所を有する波形となる。したがって、脈動抑制モードでは、単一弁の場合と比較して、より長期間にわたって変動の少ない状態で流量が維持され、圧力変動が低減される。

本実施形態の燃料電池は、通常状態では、流量制御弁５Ａ、５Ｂを脈動抑制モードで開閉し、変動の少ない流量の燃料ガスを燃料電池本体１に供給する。一方、燃料電池の運転状態が通常と異なる状態、例えば、ガス供給通路Ｌ１に水が滞留した状態、燃料電池本体１の水素極側（水素極表面、拡散層等）に水が堆積した状態等では、本実施形態の燃料電池は、流量制御弁５Ａ、５Ｂを脈動モードで開閉する。これにより、本燃料電池は、ガス供給通路Ｌ１に滞留した水、燃料電池本体１の水素極側に凝縮した水を効果的に移動させる。例えば、脈動モードの燃料ガスにより水素極表面の水を移動し、または、除去し、発電に寄与する電極表面積を増加させる。

上記のような通常と異なる状態（反応ガスの通過を阻害する物質が堆積した状態に相当）は、例えば、燃料電池本体１を構成するセルの出力電圧を監視することで検知できる。セルの水素極表面に水が堆積すると、水素極表面のうち発電に寄与する有効面積が減少し、出力電圧が低下するからである。

また、セルの出力電圧が低下する前に、ＥＣＵ３がコンピュータプログラムを実行することにより上記状態を予測するようにしてもよい。例えば、排出弁６から燃料オフガスを排出した後の経過時間と燃料電池の発電量（出力電流値）により、水素極側の不純物濃度（例えば、水蒸気の濃度）を予測すればよい。水蒸気の濃度と燃料オフガスを排出した後の経過時間と燃料電池の発電量との関係は、例えば、実測値に基づく実験式として求めることができ、コンピュータプログラムに組み込むことができる。

図６に、流量制御弁５Ａ、５Ｂを制御するＥＣＵ３の処理を示す。この処理では、ＥＣＵ３は、まず、ガス供給通路Ｌ１または燃料電池本体１の水素極側（水素極表面、拡散層等）に水、炭素等の物質が堆積しているか否かを判定する（Ｓ１）。

そのような物質が堆積しているか否かは、例えば、図１に示した電圧センサ２により、セルの出力電圧の低下を監視することで推定できる。また、排出弁６を開閉して燃料オフガスを排出した後の経過時間と燃料電池の出力値（電流値）とから水蒸気濃度を予測し、予測水蒸気濃度が所定値に達する時間以降、水が堆積していると推定してもよい。このようなＳ１の処理を実行するＥＣＵ３が本発明の検出手段に相当する。

Ｓ１の判定で、物質が堆積していると判定された場合、ＥＣＵ３は、脈動モードで流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動する（Ｓ２）。この場合、流量制御弁５Ａ、５Ｂは、例えば、図３に示したような駆動タイミングで駆動される。すなわち、流量制御弁５Ａ、５Ｂは、略同一のタイミングで開閉される。

一方、Ｓ１の判定で、物質が堆積していないと判定された場合、ＥＣＵ３は、脈動抑制モードで流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動する（Ｓ３）。この場合、流量制御弁５Ａ、５Ｂは、例えば、図４に示したような駆動タイミングで駆動される。すなわち、流量制御弁５Ａと５Ｂとは、略半周期程度ずれたタイミングで開閉される。

このようにして、ＥＣＵ３は、燃料電池内の物質の堆積状況に応じて、流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動する。なお、図６に示した流量制御弁５Ａ、５Ｂの制御フローは、所定の時間間隔で実行するようにしてもよい。また、図６の処理を反復して繰り返して実行する、すなわち、Ｓ１−Ｓ３をループさせて実行するようにしてもよい。
以上述べたように、本実施形態の燃料電池によれば、燃料ガスの供給通路Ｌ１上に流量制御弁５Ａ、５Ｂ等を複数個並列に配置する。そして、燃料ガスの供給時に脈動が必要な場合、図３に示したようなパルス波形により、略同時点で複数の流量制御弁５Ａ、５Ｂ等を開閉し、燃料ガスの供給量の変化を大きくする。その結果、この燃料電池は、ガス供給通路Ｌ１および燃料電池本体１内の燃料ガスの流れの脈動または圧力の脈動を生じさせる。

このような燃料ガスの脈動により、空気極側で生成され、水素極側に拡散し凝縮した水を水素極上の他の位置、または、水素極以外の位置（例えば、配管内）に移動し、排出する。これにより、水の凝縮によるフラッディングの発生を抑制し、または、フラッディングにより低下した発電効率を再度向上できる。また、水素極表面以外の水、例えば、ガス供給通路Ｌ１からセルの水素極に通じる流路上で水が堆積したような場合に、燃料ガスの脈動によりその水を移動し、ガスの通気性（コンダクタンス）を改善できる。また、脈動により、水以外の物質、例えば、氷、水素極から剥離した物質（炭素等）を移動し、除去し、または排出することができる。

一方、脈動が必要ない場合には、図４に示したようなパルス波形で流量制御弁５Ａ、５Ｂを制御することで、極力燃料ガスの流量または圧力の脈動を低減できる。例えば、セルスタック内の水素ガス濃度が低下し、水素欠乏の状態に近くなった場合には、ＥＣＵ３は圧力変動を抑制する必要があると判断し、流量制御弁５Ａ、５Ｂの流量を略同量にした上で、開弁時間を半周期ずらせて（流量制御弁５Ａ、５Ｂの開閉期間が入れ替わるタイミングで）、流量制御弁５Ａ、５Ｂを開閉すればよい。

また、本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池の状態、例えば、セルの出力電圧、排出弁６開閉後の経過時間と発電量とから予測される生成水の生成量（または、空気極側か
ら水素極側に拡散する水蒸気の濃度）等により、燃料ガス供給時の脈動の必要性が判定される。したがって、本燃料電池は、必要なときに燃料ガスの流れまたは圧力を脈動させることができる。また、本燃料電池は、必要のないときに燃料ガスの流れまたは圧力の脈動を低減できる。

なお、図３の例では、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号は、同時点でオン／オフしている。しかし、本発明の実施においては、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号のオン／オフのタイミング、したがって、流量制御弁５Ａ、５Ｂの開閉タイミングは、完全に一致している必要はなく、所定の限度で重複していればよい。

また、図４の例では、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号は、互いに半周期ずれたタイミングでオン／オフしている。しかし、本発明の実施においては、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号のオン／オフのタイミング、したがって、流量制御弁５Ａ、５Ｂの開閉タイミングは、完全に半周期ずれている必要はなく、所定の限度で開閉タイミングにずれがあればよい。

また、上記実施形態では、図３および図４に示したように流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号がオン／オフする周期はほぼ一定である。しかし、本発明の実施において、流量制御弁５Ａ、５Ｂに対するパルス信号の周期は一定である必要はなく、要求発電量、および、出力電圧低下の程度、排出弁６開閉後の経過時間等に応じて、所定のシーケンスにしたがいＥＣＵ３が設定すればよい。

＜第２実施形態＞
図７および図８を参照して本発明の第２実施形態を説明する。上記第１実施形態では、ガス供給通路Ｌ１または燃料電池本体１の水素極側（水素極表面、拡散層等）に水、炭素等の物質が堆積していることが検知された場合に、流量制御弁５Ａ、５Ｂが脈動モードで駆動された。具体的には、流量制御弁５Ａ、５Ｂは、図３に示したよう略同一のタイミングで開閉された。

本実施形態では、上記第１実施形態で示した例以外の各種の脈動モードを例示する。本実施形態の他の構成および作用は第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を説明する。また、必要に応じて、図１から図６の図面を参照する。

図７は、４つの流量制御弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄを並列にしてガス供給通路Ｌ１（図１参照）に接続し、略同一のタイミングで開閉するためのパルス信号の波形を示す図である。このように、３以上の流量制御弁をほぼ同時に開閉することにより、燃料ガスの流量にさらに大きな脈動を作ることができる。なお、本発明の実施において、流量制御弁の数に制限はなく、５以上の流量制御弁を並列に接続してよい。

図８は、４つの流量制御弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄを並列にしてガス供給通路Ｌ１（図１参照）に接続した構成において、流量制御弁５Ｄを他の流量制御弁５Ａ−５Ｃとは、異なるタイミングで開閉する制御の例を示す図である。図８のように、総ての流量制御弁５Ａ−５Ｄをほぼ同時に開閉しなくても、燃料ガスの流量に脈動を作ることができる。図８の場合、タイミングＴ０において、３つの流量制御弁５Ａ−５Ｃを開弁し、その後、タイミングＴ１において、２つの流量制御弁５Ａ−５Ｂを閉弁している。すなわち、並列に接続された流量制御弁５Ａ−５Ｄのうち、少なくとも２つ以上の第１所定数（図８の場合３個）の流量制御弁５Ａ−５Ｃにより並列に反応ガスを供給した後、その第１所定数より少ない第２所定数（図８の場合１個）の流量制御弁５Ｃにより反応ガスを供給するようにすれば、燃料ガスの流量に脈動を生じさせることができる。
また、図８では、流量制御弁５Ａ、５Ｂが閉弁した後、タイミングＴ２において、流量制御弁５Ｃが閉弁している。さらに、図８では、流量制御弁５Ｄは、流量制御弁５Ａ、５Ｂとは概ね半周期ずらせたタイミングで開閉している。このような、多様なタイミングで流量制御弁５Ａ−５Ｄ等を開閉し、反応ガスを供給することにより、燃料ガスの流量または圧力の適度な脈動を得ることができる。

＜第３実施形態＞
図９を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。上記第１実施形態では、ガス供給通路Ｌ１または燃料電池本体１の水素極側（水素極表面、拡散層等）に水、炭素等の物質が堆積していることが検知された場合に、流量制御弁５Ａ、５Ｂが脈動モードで駆動された。また、第２実施形態では、多様なタイミングの組み合わせにより燃料ガスの供給を脈動させる制御シーケンスの例を示した。本実施形態では、所定時間当たりの燃料ガスの供給量（平均供給量）を維持した上で、短期的に燃料ガス流量を脈動させるＥＣＵ３の制御処理の例を示す。本実施形態の他の構成および作用は第１実施形態または第２実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を説明する。また、必要に応じて、図１から図８の図面を参照する。

図９は、脈動モードで流量制御弁５Ａ等を駆動するときのＥＣＵ３の処理例を示すフローチャートである。この処理では、まず、ＥＣＵ３は、要求ガス量Ｑを参照する（Ｓ２１）。要求ガス量Ｑは、例えば、要求発電量からＥＣＵ３の処理により不図示のメモリ上に設定されるガス量である。この要求ガス量Ｑは、流量Ｆ（本発明の反応ガス流量に相当）と、供給時間Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２よって、Ｑ＝Ｆ×（Ｔ１＋Ｔ２）のように記述できる。なお、要求発電量から流量Ｆを設定するＥＣＵ３が本発明の反応ガス流量設定手段に相当する。

次に、ＥＣＵ３は、供給時間Ｔを部分区間Ｔ１とＴ２に分離して流量制御弁５Ａ等を制御する。すなわち、ＥＣＵ３は、現在の時刻が第１の部分区間Ｔ１にあるか否かを判定する（Ｓ２２）。現在の時刻が第１の部分区間Ｔ１にある場合、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ等を制御し、流量Ｆ＋ΔＦにて燃料ガスを供給する（Ｓ２３）。したがって、部分区間Ｔ１においては、（Ｆ＋ΔＦ）×Ｔ１のガス量が供給される。

一方、現在の時刻が第１の部分区間Ｔ１にない場合、ＥＣＵ３は、流量制御弁５Ａ等を制御し、流量Ｆ−ΔＦ×（Ｔ１／Ｔ２）にて燃料ガスを供給する（Ｓ２４）。したがって、部分区間Ｔ２においては、（Ｆ−ΔＦ×（Ｔ１／Ｔ２））×Ｔ２のガス量が供給される。その結果、供給時間Ｔにおいては、Ｓ２３とＳ２４の制御によりＦ×（Ｔ１＋Ｔ２）という要求ガス量が供給される。このとき、部分区間Ｔ１では、要求ガス量に対応する流量Ｆより大きい流量のＦ＋ΔＦで燃料ガスが供給される。また、部分区間Ｔ１以外の区間では、要求ガス量に対応する流量Ｆより少ない流量のＦ−ΔＦ×（Ｔ１／Ｔ２）で燃料ガスが供給される。

図９の制御は、図６のＳ２に対応する処理として所定の時間間隔で実行するようにしてもよい。また、図９の処理を所定の期間繰り返して実行するようにしてもよい。いずれにしても、図９の処理により、要求発電量に基づいて設定されるガス量に基づく流量が参照され、燃料ガスの供給時間Ｔのうち、部分区間Ｔ１においては、その流量より大きい流量の燃料ガスが供給され、部分区間Ｔ１以外の区間においては、その流量より少ない流量の燃料ガスが供給されることになる。そして、供給時間Ｔ全体としては、要求発電量に基づいて設定されるガス量が供給されることになる。

このような制御により、脈動モードによる燃料電池の出力変化を抑制できる。また、脈動の有無に拘わらず、燃料電池から要求発電量の電気を供給できる。いずれにしても、ガ
ス供給通路Ｌ１または燃料電池本体１の水素極側（水素極表面、拡散層等）に水、炭素等の物質が堆積していると判定された場合には、脈動モードで流量制御弁５Ａ等を駆動し、堆積していないと判定された場合には、脈動抑制モードで流量制御弁５Ａ等を駆動すればよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成図である。ＥＣＵ３の詳細図である。脈動モードにおいて、流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動するパルス信号の波形例である。脈動抑制モードにおいて、流量制御弁５Ａ、５Ｂを駆動するパルス信号の波形例である。流量制御弁５Ａ、５Ｂと従来の単一流動制御弁との流量の比較図である。流量制御弁５Ａ、５Ｂを制御するＥＣＵ３の処理を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態において、４つの流量制御弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄを並列に接続し、略同一のタイミングで開閉するためのパルス信号の波形を示す図である本発明の第２実施形態において、４つの流量制御弁５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、および５Ｄを並列に接続した構成において、流量制御弁５Ｄを他の流量制御弁５Ａ−５Ｃとは、異なるタイミングで開閉する制御の例を示す図である。本発明の第３実施形態において、脈動モードで流量制御弁５Ａ等を駆動するときのＥＣＵ３の処理例を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池本体
２電圧センサ
３ＥＣＵ
４燃料タンク
５Ａ、５Ｂ流量制御弁
６排出弁

Claims

燃料電池に反応ガスを供給するガス供給通路と、
前記ガス供給通路に設けられ互いに並列に反応ガスの通路を構成し、各反応ガスの通路の反応ガスの供給を制御する複数のガス流量制御弁と、
前記ガス供給通路または前記燃料電池内の反応ガスが通過する流路に反応ガスの通過を阻害する物質が堆積していることを検出する検出手段と、
前記検出手段により前記物質の堆積が検出されたときに少なくとも２つ以上の第１所定数の前記ガス流量制御弁により並列に反応ガスを供給した後、前記第１所定数より少ない第２所定数の前記ガス流量制御弁により反応ガスを供給するガス流量制御手段と、を備え、
前記ガス流量制御手段は、前記検出手段により前記物質の堆積が検出されていないときは前記ガス流量制御弁のいずれか２つ以上から開閉時間をずらして燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池の制御装置。
請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、
さらに、所定時間あたりに供給する反応ガス流量を設定する反応ガス流量設定手段を備え、
前記ガス流量制御手段は前記検出手段により前記物質の堆積が検出されたときに前記所定時間のうちの部分区間におけるガス供給量を前記所定時間のうちの前記部分区間以外の区間におけるガス供給量よりも多くして前記所定時間内に前記反応ガス流量を供給する燃料電池の制御装置。
請求項１または２に記載の燃料電池の制御装置において、
前記ガス流量制御手段は、前記検出手段により前記物質の堆積が検出されたときに前記複数のガス流量制御弁により並列に反応ガスを供給した後、前記複数のガス流量制御弁による反応ガスの供給を停止し、前記複数のガス流量制御弁による反応ガスの並列供給状態と供給停止状態との組み合わせにより反応ガスを供給する燃料電池の制御装置。