JP5704228B2

JP5704228B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5704228B2
Application number: JP2013501122A
Authority: JP
Inventors: 要介冨田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: CA2828812A1; EP2680356A1; JPWO2012115196A1; CN103392253A; US20130323619A1; WO2012115196A1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００７−５１７３６９Ａに記載の燃料電池システムは、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とリサイクルタンク（バッファタンク）とを設けていた。この燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、常閉ソレノイドバルブ及び常開ソレノイドバルブを周期的に開閉していた。

現在、我々が開発しているアノードガス非循環型の燃料電池システムでは、アノードガスの圧力を、要求出力が大きくなるほど発電効率を考慮して大きくしている。このシステムでは、燃料電池スタックの要求出力が小さくなる過渡運転時（以下「下げ過渡運転時」という。）に、アノード系の圧力が急激に下がることに伴ってバッファタンクからアノードオフガスが大きく逆流することになる。アノードオフガスには発電を継続することに伴ってカソード系からクロスリークする窒素等の不純物が多く含まれるため、燃料電池スタック内部のアノードガス流路内で局所的にアノードガス濃度が低くなる部分が発生するという問題点が生じることがわかった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、下げ過渡運転時に、アノードガス流路内で局所的にアノードガス濃度が低くなる部分が発生するのを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のある態様によれば、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンクと、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、要求出力が大きいほど、制御弁を制御してアノードガス圧力を上昇させると共に脈動させるアノードガス圧力制御手段と、を備え、アノードガス圧力制御手段が、要求出力が小さくなることで、前記燃料電池内のアノードガス圧力を小さくする下げ過渡運転時に、前記燃料電池に供給されるアノードガス量が、下げ過渡運転時に前記燃料電池で消費されるアノードガスの消費量よりも少なくなるように、前記制御弁の開度を調節し、アノードガスを供給しながらアノードガスの圧力を減圧させる燃料電池システムが提供される。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、燃料電池の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池の断面図である。図３は、本発明の一実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。図４は、定常運転時における脈動運転について説明する図である。図５は、本発明の一実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。図６は、本発明の一実施形態による通常運転処理について説明するフローチャートである。図７は、本発明の一実施形態による下げ過渡運転処理について説明するフローチャートである。図８は、本発明の一実施形態によるパージ弁の制御について説明するフローチャートである。図９は、本発明の一実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。図１０は、本発明の一実施形態による脈動運転制御の効果について説明する図である。図１１は、下げ過渡運転時に調圧弁を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。図１２は、アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。

カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。

アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図３は、本発明の一実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。

燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。

アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。

圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。

アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がバッファタンク３６の上部に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。

パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が一定以下となるように調節する。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高くなり過ぎると、バッファタンク３６からパージ通路３７を通って外気へ排出されるアノードガス量が多くなり、無駄となるからである。

コントローラ４８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４３などの、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。

コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク３６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を一定以下に保つ。

アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。

そこで、本実施形態では調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、燃料電池スタック内の発電領域（アノードガス流路１２１）にクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスをバッファタンク３６に溜めることができる。これにより、発電領域のアノードガス濃度を高く維持しつつ、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。

以下、図４を参照して脈動運転について説明しつつ、アノード圧の減圧時にバッファタンク３６に溜めたアノードオフガスが燃料電池スタック２に逆流する理由について説明する。

図４は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。

図４（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて燃料電池スタック２の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。なお、アノード圧の上限値及び下限値の設定の詳細については、図５のフローチャート（ステップＳ３）を参照して後述する。

脈動運転では、目標圧力と実圧力に基づくフィードバック制御を実施する。具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、アノード圧の目標圧として上限値が設定され、目標圧へのフィードバック制御が実施される。これにより、図４（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３が開かれる。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、目標圧として下限値が設定され、目標圧へのフィードバック制御が実施される。これにより、図４（Ｂ）に示すように調圧弁３３が全閉とされ、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給が停止される。そうすると、前述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。アノード圧の上昇速度と下降速度とを比較すると、上昇時は高圧タンク３１からアノードガスが供給されるので速やかにアノード圧が上昇するが、下降速度はそのときの発電量（＝水素消費量）に依存する。

また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。

時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を全閉とする。

ここで、このような脈動運転を実施する場合、燃料電池システム１の運転状態が変化するとき、具体的には、燃料電池スタック２の出力が低下し、アノード圧を出力低下に応じて低下させる下げ過渡運転時に、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生するという問題点が生じることがわかった。以下、この問題点について図１１及び図１２を参照して説明する。

図１１は、下げ過渡運転時にアノード圧のフィードバック制御のみを実施した場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。

時刻ｔ１１で、例えばアクセル操作量が減少して燃料電池スタック２の目標出力が低下すると、図１１（Ａ）に示すように、低下した目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限圧が設定される。

このとき、アノード圧の目標圧として目標出力低下後の下限値が設定されるので、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、フィードバック制御によって時刻ｔ１１で調圧弁３３が全閉にされる。そして、調圧弁３３を全閉にした状態でアノード圧を下限値まで低下させると（時刻ｔ１２）、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。この理由について、図１２を参照して説明する。

図１２は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。図１２（Ａ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示す図である。図１２（Ｂ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を時間の経過に応じて示した図である。

図１２（Ａ）に示すように、調圧弁３３が全閉にされると、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスは、慣性でバッファタンク３６側へと流れる。そして、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されと、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。

そうすると、アノードガス流路１２１をバッファタンク３６側に流れるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速がゼロとなる淀み点が発生する。

アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生してしまうと、前述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。ここで、高圧タンク３１側からは濃度１００％のアノードガスが供給されるが、バッファタンク３６側からはアノードガスの濃度が所定濃度（例えば７０％）のアノードオフガスが供給される。その結果、淀み点よりもややバッファタンク３６側の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図１２（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまうのである。

このように、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなると、その部分で前述した（１）及び（２）の電極反応が阻害されて電圧が負電圧に転じるおそれがあり、燃料電池１０を劣化させる原因となる。

そこで本実施形態では、下げ過渡運転時にはフィードバック制御によって設定される調圧弁３３を全閉にせずに後述する所定の下げ過渡時用開度まで開き、燃料電池スタック２にアノードガスを供給しつつ、アノード圧を下限圧まで減圧させるようにした。以下、この本実施形態による脈動運転制御について説明する。

図５は、コントローラ４が実施する本実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを燃料電池システム１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ４は、前述した各種センサの検出値を読み込み、燃料電池システム１の運転状態を検出する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて、燃料電池スタック２の目標出力を算出する。目標出力は、基本的にアクセル操作量が大きいときほど大きくなる。

ステップＳ３において、コントローラ４は、燃料電池スタック２の目標出力に基づいて、その目標出力で脈動運転する場合のアノード圧の上限値及び下限値を算出する。アノード圧の上限値及び下限値は、目標出力が大きいときほど高くなるように設定される。このアノード圧の上限値及び下限値によって脈動の振幅（脈動幅）が決まる。アノード圧の上限値及び下限値は、発電中にアノードガス流路１２１にクロスリークしてくる不純ガスを、脈動によって発電領域からバッファタンク３６に押し込んで発電領域の水素分圧を守るように設定される。したがって、要求出力に応じてアノード圧の上限値及び下限値が大きくなるとともに、脈動幅も大きくなる。なお、アノード圧の上限値及び下限値を冷却水温に応じて補正しても良い。具体的には、冷却水温が高いときほど目標出力が大きくなるように補正する。

ステップＳ４からステップＳ６は、現在の燃料電池システム１の運転状態が、定常運転時なのか、下げ過渡運転時なのか、又は燃料電池スタック２の出力を目標出力に向けて増大させる過渡運転時（以下「上げ過渡運転時」という。）なのかを判定するためのステップである。定常運転時又は上げ過渡運転時であれば、最終的にステップＳ７の処理に進み、下げ過渡運転時であれば、最終的にステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ４において、コントローラ４は、今回算出した目標出力が前回算出した目標出力よりも大きいか否かを判定する。コントローラ４は、今回算出した目標出力が前回算出した目標出力よりも大きければステップＳ７の処理を行い、そうでなければステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ５において、コントローラ４は、下げ過渡運転中フラグｆが１か否かを判定する。下げ過渡運転中フラグｆは初期値が０であり、下げ過渡運転中に１となる。コントローラ４は、下げ過渡運転中フラグが１であればステップＳ８の処理を行い、０であればステップＳ６の処理を行う。

ステップＳ６において、コントローラ４は、今回算出した目標出力が前回算出した目標出力よりも小さいか否かを判定する。コントローラ４は、今回算出した目標出力が前回算出した目標出力よりも小さければステップＳ８の処理を行い、そうでなければステップＳ７の処理を行う。

ステップＳ７において、コントローラ４は、通常運転処理を実施する。通常運転処理の詳細は、図６を参照して後述する。

ステップＳ８において、コントローラ４は、下げ過渡運転処理を実施する。下げ過渡運転処理の詳細は、図７を参照して後述する。

図６は、通常運転処理について説明するフローチャートである。通常運転処理は、定常運転時及び上げ過渡運転時に実施される。なお、基本的にはアノード圧の上限値及び下限値に基づくフィードバック制御であるが、本ルーチンではフラク゛によって減圧制御と昇圧制御とを切り替えている。

ステップＳ７１において、コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦが１か否かを判定する。アノード圧減圧中フラグＦは初期値が０であり、アノード圧が上限圧に達した後、下限圧に下がるまで１に設定されるフラグである。コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦが０であればステップＳ７２の処理を行う。一方、アノード圧減圧中フラグＦが１であればステップＳ７７の処理を行う。

ステップＳ７２において、コントローラ４は、アノード圧の上限値に基づいて、少なくともその上限値までアノード圧を上昇させることができるように調圧弁３３の開度を設定する。

ステップＳ７３において、コントローラ４は、調圧弁３３をステップＳ７２に設定した開度まで開く。

ステップＳ７４において、コントローラ４は、アノード圧が上限値以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が上限値以上になっていれば、ステップＳ７５の処理を行う。一方、アノード圧が上限値未満であれば、ステップＳ７７の処理を行う。

ステップＳ７５において、コントローラ４は、調圧弁３３を全閉とする。

ステップＳ７６において、コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦを１に設定する。

ステップＳ７７において、コントローラ４は、アノード圧が下限値以下になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が下限値以下になっていれば、ステップＳ７８の処理を行う。一方、アノード圧が下限値より大きければ今回の処理を終了する。

ステップＳ７８において、コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦを０に設定する。

図７は、下げ過渡運転処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ８１において、コントローラ４は、調圧弁３３の開度を、所定の下げ過渡時用開度に設定する。通常、アノード圧は、フィードバック制御によって上限に到達した後は、下限圧となるように制御される。具体的には、調圧弁３３が全閉となるように制御される。下げ過渡時には、調圧弁３３の開度を、図１２を用いて説明したアノードガス濃度が最低になる位置がアノードガス流路１２１の発電領域内に発生しない程度の所定開度に開いて水素を供給することで減圧のスピードを抑えることができる。

また、アノード圧は、基本的に調圧弁３３の開度と、燃料電池スタック内部での電極反応によって消費されるアノードガス量と、に基づいて定まる。したがって、調圧弁３３の下げ過渡時用開度は、少なくとも下げ過渡運転時にアノード圧が低下するように、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へと供給されるアノードガス量が、燃料電池スタック内部の電極反応で消費されるアノードガス量よりも少なくなるように設定される。

なお、下げ過渡時用開度が大きすぎると、圧力降下速度が速くなりすぎるので、バッファタンク３６からのアノードオフガスの逆流を効果的に抑制しつつ、速やかに効果できる開度を実験等によって求める。また、逆流を効果的に抑制できるように、目標の降下速度を決定しても良い。この目標値に基づいてフィードバック制御を実施することでも、上記と同様の制御を実現できる。

ステップＳ８２において、コントローラ４は、調圧弁３３を、下げ過渡時用開度まで開く。

ステップＳ８３において、コントローラ４は、アノード圧が下限圧以下になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が下限圧以下になっていれば、ステップＳ８４の処理を行う。一方、アノード圧が下限圧より大きければ、ステップＳ８５の処理を行う。

ステップＳ８４において、コントローラ４は、下げ過渡運転中フラグｆを０に設定する。

ステップＳ８５において、コントローラ４は、下げ過渡運転中フラグｆを１に設定する。

このように、下げ過渡時に通常制御によって決定される調圧弁３３の開度（全閉）よりも大きな開度を設定したことで、バッファタンク３６に対する発電エリアの圧力低下速度を抑制できる。よって、その間、徐々にパージが行われることで発電エリアへの窒素の侵入を抑制できる。なお、本実施形態では通常制御で全閉としているが、下げ過渡時の調圧弁３３の開度よりも小さい開度であれば全閉でなくても良い。

図８は、脈動運転制御とは別に実施されているパージ弁３８の制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１０１において、コントローラ４は、前述した各種センサの検出値を読み込み、燃料電池システム１の運転状態を検出する。

ステップＳ１０２において、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて、燃料電池スタック２の目標出力を算出する。

ステップＳ１０３において、コントローラ４は、目標出力と冷却水温とに基づいて、アノードオフガスの基本排出量を算出する。アノードオフガスの基本排出量は、目標出力が大きいときほど、また、冷却水温が高いときほど多くなるように設定される。

ステップＳ１０４において、コントローラ４は、アノード圧に基づいて、アノードオフガスの基本排出量を補正して目標排出量を算出する。アノード圧が低いときほど、目標排出量が少なくなるように補正される、これは、バッファタンク３６の内圧を所定以上に保持し、バッファタンク内のアノードガス濃度（分圧）を、一定以下にしておく必要があるためである。

ステップＳ１０５において、コントローラ４は、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出されるアノードオフガス量が、アノードオフガスの目標排出量となるように、パージ弁の開度を制御する。

図９は、本実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１１で、例えばアクセル操作量が減少して燃料電池スタック２の目標出力が低下すると、低下した目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限圧が設定される（図９（Ａ）；Ｓ１〜Ｓ３）。そして、時刻ｔ１１で算出された燃料電池スタック２の目標出力は、前回算出して燃料電池スタック２の目標出力よりも小さく、また、下げ過渡運転中フラグｆは初期値０に設定されているので、下げ過渡運転処理が実施される（Ｓ４でＮｏ、Ｓ５でＮｏ、Ｓ６でＹｅｓ、Ｓ８）。

下げ過渡運転処理が実施されると、調圧弁３３が所定の下げ過渡時用開度まで開かれ（図９（Ｂ）；Ｓ８１、Ｓ８２）、下げ過渡運転中フラグｆが１に設定される（Ｓ８３でＮｏ、Ｓ８５）。

下げ過渡運転時に調圧弁３３を下げ過渡時用開度に調節することで、下げ過渡運転時に燃料電池スタック内部での電極反応で消費されるアノードガス量よりは少ないものの、その消費量の一部を補うためのアノードガスを高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給しつつ、アノード圧を下限圧まで低下させることができる（図９（Ａ））。

このように、本実施形態では、下げ過渡運転時に高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスが供給される。そのため、図９（Ａ）に破線で示したように、調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させる場合と比べて、アノード圧が下限圧まで低下するまでの時間が長くなる。つまり、本実施形態では、調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させる場合と比べて、アノード圧を下限圧まで低下させるときの下降線の傾きの絶対値が小さくなるようにする。

なお、フル出力状態からアイドル運転へ移行するような下げ過渡時において、調圧弁３３を全閉にしたときにアノード圧が下限圧まで低下する時間（時刻ｔ１１〜時刻１２）は、１０秒程度である。一方で、本実施形態のように、調圧弁３３を所定の下げ過渡時用開度まで開いてアノード圧を下限圧まで低下させる時間（時刻ｔ１１〜時刻１３）は、２０〜３０秒程度である。なお、図１２は紙面の都合でスケールを変更している。

アノード圧が下限圧に達する時刻ｔ１３までは、目標出力が一定となっているが、下げ過渡運転中フラグｆが１に設定されているので、引き続き下げ過渡運転処理が実施される（Ｓ４でＮｏ、Ｓ５でＹｅｓ、Ｓ８）。

図１０は、本実施形態による脈動運転制御の効果について説明する図である。図１０（Ａ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を所定の下げ過渡時用開度まで開いたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示す図である。図１０（Ｂ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を所定の下げ過渡時用開度まで開いたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を時間の経過に応じて示した図である。

本実施形態では、下げ過渡運転時に、調圧弁３３を所定の下げ過渡時用開度まで開いている。これにより、燃料電池スタック内部での電極反応で消費されるアノードガス量よりは少ないものの、その消費量の一部を補うためのアノードガスを高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給することができる。

そのため、下げ過渡運転時において、アノードガス流路１２１とバッファタンク３６との間に生じる圧力差を小さくすることができるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１に逆流してくるアノードオフガスの流量を抑制することができる。

その結果、図１０（Ａ）に示すように、アノードガスとアノードオフガスとが合流する淀み点が、アノードガス流路１２１内に発生するのを抑制できる。そのため、図１０（Ｂ）に示すように、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生するのを抑制できるので、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。これにより、燃料電池システム１の信頼性及び耐久性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、下げ過渡運転時の調圧弁の開度を所定の下げ過渡時用開度に調節していたが、カソード側からアノードガス流路１２１にクロスリークしてくる窒素量やバッファタンク３６内の窒素量を、燃料電池システム１の運転状態に応じて演算等によって把握しておき、それらの窒素量に応じて下げ過渡時用開度を可変に調節して良い。すなわち、下げ過渡運転時にアノード圧を下限圧まで低下させるときの下降線の傾きを燃料電池システム１の運転状態に応じて変化させるようにしても良い。

本願は、２０１１年２月２３日に日本国特許庁に出願された特願２０１１−３７６７５号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンクと、
前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
要求出力が大きいほど、前記制御弁を制御してアノードガス圧力を上昇させると共に脈動させるアノードガス圧力制御手段と、
を備え、
前記アノードガス圧力制御手段は、
要求出力が小さくなることで、前記燃料電池内のアノードガス圧力を小さくする下げ過渡運転時に、前記燃料電池に供給されるアノードガス量が、下げ過渡運転時に前記燃料電池で消費されるアノードガスの消費量よりも少なくなるように、前記制御弁の開度を調節し、アノードガスを供給しながらアノードガスの圧力を減圧させる、
燃料電池システム。
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンクと、
前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
要求出力に応じて目標圧力を大きくする目標圧力設定部と、
前記目標圧力と実圧力とに基づいて、前記制御弁を制御してアノードガス圧力を制御するアノードガス圧力制御部と、
を備え、
前記アノードガス圧力制御部は、要求出力が小さくなる下げ過渡運転時には、前記アノードガス圧力制御部が通常運転時のために設定する前記制御弁の開度よりもその制御弁の開度を大きくする、
燃料電池システム。