JP5741713B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関する。
ＪＰ２００７−５１７３６９Ａには、従来の燃料電池システムとして、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バッファタンク（リサイクルタンク）とを設けたものが記載されている。
この従来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することで、バッファタンクに蓄えた未使用のアノードガスを燃料電池スタックに逆流させて再利用していた。
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックにかかる負荷（以下「スタック負荷」という。）が低下した後の過渡運転時（以下「下げ過渡運転時」という。）に、バッファタンクからのアノードオフガスの逆流によって、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。
本発明のある態様によれば、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させる燃料電池システムとして、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、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部と、バッファ部から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁と、制御弁よりも下流のアノードガスの圧力を、燃料電池の負荷に応じて大きくすると共に変動させる脈動運転手段と、燃料電池の負荷に応じて前記パージ弁の開度を制御するパージ手段と、を備え、パージ手段が、燃料電池の負荷が低下する下げ過渡運転時において、燃料電池の負荷に応じて制御されるパージ弁の開度を大きくす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。
本発明の第１実施形態による燃料電池の概略斜視図である。 図１の燃料電池のII-II断面図である。 本発明の第１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。 燃料電池システム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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 スタック負荷に基づいてパージ弁の通常目標開度を算出するテーブルである。 本発明の第１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。 スタック負荷に基づいてパージ弁の下げ過渡目標開度を設定するテーブルである。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第２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。 本発明の第２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。 本発明の第２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。 下げ過渡運転を同じ時間だけ実施した場合の下げ過渡運転後のアノードガス流路内におけるアノードガスの濃度分布を、下げ過渡運転前のバッファタンク内のアノードガス濃度に応じて比較した図である。 下げ過渡運転を同じ時間だけ実施した場合の下げ過渡運転後のアノードガス流路内におけるアノードガスの濃度分布を、下げ過渡運転前のバッファタンク内のアノードガス濃度に応じて比較した図である。 本発明の第３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。 下げ過渡運転終了直後のアノードガス流路内でのアノードガスの濃度分布を示した図である。 淀み点がアノードガス流路外から出た後のアノードガス流路内でのアノードガスの濃度分布を示した図である。 本発明の第４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。 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値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。 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。
（第１実施形態）
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、本発明の第１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、本発明の第１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活性ガスと、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を所望の濃度に調節する。
コントローラ４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「スタック温度」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所望の濃度に保つ。
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、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、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、スタック負荷に基づいてアノード圧の基準圧と脈動幅とを算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて、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。本実施形態では、スタック負荷を代表するものとして、燃料電池システム１の運転状態に基づいて算出される燃料電池スタック２の目標出力電力を使用するが、これに限らず出力電流や出力電圧を使用しても良い。
時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、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を開く。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、図４（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、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を停止する。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。
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、燃料電池システムの運転状態が変化して燃料電池スタックの目標出力電力（スタック負荷）が低下した後の下げ過渡運転時に、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２０及び図２１を参照して説明する。
図２０は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限値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。
時刻ｔ３１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の目標出力電力が低下すると、図２０（Ａ）に示すように、低下した目標出力電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、図２０（Ａ）及び図２０（Ｂ）に示すように、時刻ｔ３１で調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限値まで低下させると（時刻ｔ３２）、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２１を参照して説明する。
図２１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２１（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２１（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２１（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、アノードガスが消費されることで生じる圧力差によって、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。その結果、淀み点近傍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２１（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、下げ過渡運転時において、調圧弁３３を全閉にしている時間が長くなるほど、つまり、アノード圧が下限値に到達するまでに必要な時間が長くなるほど、淀み点近傍のアノードガス濃度が低くなる。そうすると、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し、その部分のアノードガス濃度（以下「流路内最低アノードガス濃度」という。）が所定濃度を下回ると、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定常運転時よりもパージ弁３８の開度を大きくし、下げ過渡運転時におけるアノード圧の低下速度を速めることとした。これにより、下げ過渡運転時にアノード圧が下限値に到達するまでに必要な時間を短くすることができる。結果として、流路内最低アノードガス濃度が所定濃度を下回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。
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、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の目標出力電力を算出する。目標出力電力は、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の目標出力電力に基づいて、その目標出力電力で脈動運転する場合のアノード圧の基準圧及び脈動幅を算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。アノード圧の基準圧及び脈動幅は、目標出力電力が大きいときほど大きくなる。
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電力が前回算出した目標出力電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電力が前回算出した目標出力電力よりも小さければステップ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、コントローラは、下げ過渡運転中フラグＦ１が１か否かを判定する。下げ過渡運転中フラグＦ１は、下げ過渡運転中にアノード圧が下限値に到達するまで１に設定されるフラグであり、初期値は０に設定される。コントローラは、下げ過渡中フラグＦが１であればステップＳ７の処理を行い、そうでなければステップＳ６の処理を行う。
ステップＳ６において、コントローラは、通常運転処理を実施する。通常運転処理の詳細については図６を参照して後述する。
ステップＳ７において、コントローラは、下げ過渡運転処理を実施する。下げ過渡運転処理の詳細については図８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。
ステップＳ６１において、コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦ２が１か否かを判定する。アノード圧減圧中フラグＦ２は初期値が０であり、アノード圧が上限値に達した後、下限値に下がるまで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Ｆ２が０であればステップＳ６２の処理を行う。一方、アノード圧減圧中フラグＦ２が１であればステップＳ６７の処理を行う。
ステップＳ６２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Ｓ６３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Ｓ６４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Ｓ６５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Ｓ６９の処理を行う。
ステップＳ６５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Ｓ６６において、コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦ２を１に設定する。
ステップＳ６７において、コントローラは、後述する図７のテーブルを参照し、スタック負荷、すなわち燃料電池スタック２の目標出力電力に基づいて、通常運転中のパージ弁３８の目標開度（以下「通常目標開度」という。）を算出する。
ステップＳ６８において、コントローラはパージ弁３８の開度を通常目標開度に制御する。
ステップＳ６９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Ｓ６８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Ｓ７０において、コントローラ４は、アノード圧減圧中フラグＦ２を０に設定する。
図７は、スタック負荷、すなわち燃料電池スタック２の目標出力電力に基づいてパージ弁３８の通常目標開度を算出するテーブルである。ここではまず、パージ弁３８の通常目標開度を設定するときの基本的な考え方について説明した後、図６のテーブルについて説明する。
燃料電池システム１の運転中は、カソードガス中の窒素が電解質膜を介してアノードガス流路１２１へと透過してくる。したがって、パージ弁３８を全閉にした状態では、バッファタンク３６内の窒素濃度が徐々に高くなり、逆にバッファタンク３６内のアノードガス濃度が徐々に低くなる。
ここで、スタック負荷が大きくなるほど電極反応によって消費されるアノードガス量が多くなるので、スタック負荷が大きいときほどバッファタンク３６内のアノードガス濃度を高くする必要がある。
そこで本実施形態では、スタック負荷が大きくなるほど燃料電池システム１の外部へ排出される窒素量が多くなるように、パージ弁３８の通常目標開度を設定している。つまり、スタック負荷が大きくなるほど、バッファタンク３６からパージ通路３７を通って燃料電池システム１１の外部に排出されるアノードオフガス量が多くなるように、パージ弁３８の通常目標開度を設定している。
図７のテーブルでは、スタック負荷が大きくなるほどパージ弁３８の通常目標開度が小さくなっているが、これはスタック負荷が大きくなるほどアノード圧の基準圧が増加し、パージ弁３８の開度が小さくても燃料電池システム１の外部に排出されるアノードオフガス量が多くなるためである。
このように、本実施形態では、スタック負荷に応じてバッファタンク内のアノードガス濃度が所望の濃度となるように、予め実験等によってスタック負荷に応じたパージ弁３８の通常目標開度を設定し、それをテーブルとしてコントローラ４に記憶させている。
図８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Ｓ７１において、コントローラ４は、下げ過渡中フラグを１に設定する。
ステップＳ７２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Ｓ７３において、コントローラ４は、後述する図８のテーブルを参照し、スタック負荷、すなわち燃料電池スタック２の目標出力電力に基づいて下げ過渡運転中のパージ弁３８の目標開度（以下「下げ過渡目標開度」という。）を算出する。
ステップＳ７４において、コントローラ４は、下げ過渡目標開度となるように、パージ弁３８の開度を制御する。
ステップＳ７５において、コントローラ４は、アノード圧が下限値に到達し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に到達していれば、ステップＳ７６の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。
ステップＳ７６において、コントローラ４は、下げ過渡運転中フラグＦ１を０に設定する。
図９は、スタック負荷、すなわち燃料電池スタック２の目標出力電力に基づいて、パージ弁３８の下げ過渡目標開度を設定するテーブルである。図９において、実線がパージ弁３８の下げ過渡目標開度であり、破線がパージ弁３８の通常目標開度である。
図９に示すように、パージ弁３８の下げ過渡目標開度は、通常目標開度よりも高くなるように設定される。
図１０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。図１０において、下げ過渡運転中にパージ弁３８を通常目標開度に設定した場合の動作を比較例として破線で示した。以下、フローチャート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で燃料電池システム１の運転状態が変化し、燃料電池スタックの目標出力電力（スタック負荷）が低下すると、低下した目標出力電力に応じてアノード圧の基準圧及び脈動幅が算出され、アノード圧の上限値及び下限値が設定される（図１０（Ａ）；Ｓ３）。
また、燃料電池スタックの目標出力電力が低下したことで下げ過渡運転処理に入り（Ｓ４でＹｅｓ、Ｓ７）、調圧弁３３が全閉に制御されると共に（図１０（Ｂ）；Ｓ７２）、パージ弁３８が下げ過渡目標開度に設定される（図１０（Ｃ）；Ｓ７３、Ｓ７４）。
このとき、下げ過渡目標開度は通常目標開度よりも大きくなるように設定されているので（図１０（Ｃ））、パージ弁３８を通常目標開度に設定したときと比べて、下げ過渡運転中におけるアノード圧の低下速度を速くすることができる（図１０（Ａ））。
これにより、アノード圧が下限値に到達するまでに必要な時間を、下げ過渡運転中にパージ弁３８を通常目標開度にしたときよりも短くすることができる。
図１１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１１において、実線は、本実施形態による脈動運転制御を実施したとき、すなわち下げ過渡運転中にパージ弁３８を下げ過渡目標開度に設定したときの、下げ過渡運中におけるアノードガス流路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ものである。一方で破線は、本実施形態による脈動運転制御を実施しなかったとき、すなわち下げ過渡運転中にパージ弁３８を通常目標開度に設定したときの下げ過渡運中におけるアノードガス流路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ものである。
本実施形態による脈動運転制御を実施したときは、アノード圧が下限値に到達するまでに必要な時間を、下げ過渡運転中にパージ弁３８を通常目標開度にしたときよりも短くすることができる。したがって、図１１に実線で示すように、流路内最低アノードガス濃度が所定濃度を下回るのを抑制することができる。よって、燃料電池１０の劣化を抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、下げ過渡運転前のアノード圧と、下げ過渡運転中のアノード圧と、の差圧が所定の弁開度切替圧よりも大きくなってから、パージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
下げ過渡運転中にパージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に設定すると、燃料電池システム１の外部に排出されるアノードオフガス量が多くなる。アノードオフガス中には、電極反応で使用されなかった未使用のアノードガスが含まれるため、燃料電池システム１の外部に排出されるアノードオフガス量が多くなるほど燃費が悪化する。
本実施形態のように燃料電池システム１を車両に搭載する場合には、下げ過渡運転中において、アノード圧が下限値に到達する前にアクセルペダルが再度踏み込まれることがある。つまり、パージ弁３８の開度を通常目標開度に設定していたとしても、流路内最低アノードガス濃度が所定濃度を下回る前にアクセルペダルが踏込まれ、下げ過渡運転が終了する場合がある。
このような場合に最初からパージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に設定していると、燃料電池システム１の外部に排出されるアノードオフガス量が多くなって燃費が悪化する。
そこで本実施形態では、下げ過渡運転前のアノード圧と、下げ過渡運転中のアノード圧と、の差圧ΔＰが所定の弁開度切替圧よりも大きくなってから、パージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に設定することとした。つまり、下げ過渡運転中にアノード圧が弁開度切替圧だけ低下してからパージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に設定することとした。
図１２は、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４４は、本ルーチンを燃料電池システム１１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からステップＳ７の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ１１において、コントローラ４は、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧を記憶する。このステップＳ１１で記憶されたアノード圧は、下げ過渡運転が開始されたときのアノード圧である。以下では、このステップＳ１１で記憶されたアノード圧のことを「下げ過渡開始時アノード圧」という。
図１２は、本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。ステップＳ７１からステップＳ７６の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ１０１において、コントローラ４は、下げ過渡開始時アノード圧と、下げ過渡運転中のアノード圧と、の差圧ΔＰを算出する。
ステップＳ１０２において、コントローラ４は、差圧ΔＰが弁開度切替圧以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、差圧ΔＰが弁開度切替圧以上になったときは、ステップＳ７３の処理を行う。一方で、差圧ΔＰが弁開度切替圧よりも小さければは、ステップＳ１０３の処理を行う。
ステップＳ１０３において、コントローラ４は、前述した図７のテーブルを参照し、スタック負荷に基づいて、通常目標開度を算出する。
ステップＳ１０４において、コントローラ４は、パージ弁３８の開度を通常目標開度に制御する。
図１４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。図１４において、下げ過渡運転中にパージ弁３８を通常目標開度に設定した場合の動作を比較例として破線で示した。以下、フローチャート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ｔ２１で、燃料電池システム１の運転状態が変化し、燃料電池スタックの目標出力電力（スタック負荷）が低下すると、低下した目標出力電力に応じてアノード圧の基準圧及び脈動幅が算出され、アノード圧の上限値及び下限値が設定される（図１４（Ａ）；Ｓ３）。
また、燃料電池スタックの目標出力電力が低下したことで、下げ過渡開始時アノード圧が記憶されると共に（Ｓ４でＹｅｓ、Ｓ１１）、下げ過渡運転処理に入り（Ｓ７）、調圧弁３３が全閉に制御される（図１４（Ｂ）；Ｓ７２）。
このとき、本実施形態では、下げ過渡開始時アノード圧と、下げ過渡運転中のアノード圧と、の差圧ΔＰが弁開度切替圧になる時刻ｔ２２までは（図１４（Ａ））、パージ弁３８の開度を通常目標開度に制御する（図１４（Ｃ）；Ｓ１０２でＮｏ、Ｓ１０３、Ｓ１０４）。そして、下げ過渡開始時アノード圧と、下げ過渡運転中のアノード圧と、の差圧ΔＰが弁開度切替圧以上となる時刻ｔ２２以降から（図１４（Ａ））、パージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に制御する（図１４（Ｃ）；Ｓ１０２でＹｅｓ、Ｓ７３、Ｓ７４）。
これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、下げ過渡運転中に燃料電池システム１から排出される未使用のアノードガス量を少なくすることができるので、燃費の悪化を抑制することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、下げ過渡運転前のスタック負荷が大きいときほど、弁開度切替圧を大きくする点で第２実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、下げ過渡運転を同じ時間だけ実施した場合の下げ過渡運転後のアノードガス流路１２１内におけるアノードガスの濃度分布を、下げ過渡運転前のバッファタンク３６内のアノードガス濃度に応じて比較した図である。図１５Ａは、下げ過渡運転前のバッファタンク３６内のアノードガス濃度が高いときの図である。図１５Ｂは、下げ過渡運転前のバッファタンク３６内のアノードガス濃度が低いときの図である。
前述したように、バッファタンク３６内のアノードガス濃度は、スタック負荷が大きいときほど高くなるように制御されている。
ここで、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、下げ過渡運転を実施している時間が同じ場合、下げ過渡運転開始前のバッファタンク３６内のアノードガス濃度が低いときほど、流路内最低アノードガス濃度は低くなる。
したがって、第２実施形態のように弁開度切替圧を固定値にすると、下げ過渡運転前のバッファタンク３６内のアノードガス濃度が低い場合、すなわち下げ過渡運転前のスタック負荷が低い場合には、アノード圧が下限値に到達する前に流路内アノードガス濃度が所定濃度を下回ってしまうおそれがある。
そこで本実施形態では、下げ過渡運転前のスタック負荷に応じて弁開度切替圧を変更することした。具体的には、下げ過渡運転前のスタック負荷が低いときほど、弁開度切替圧を低くすることした。
図１６は、本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。ステップＳ７１からステップＳ７６、ステップＳ１０１からステップＳ１０４の処理は、第１実施形態及び第２実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
ステップＳ２０１において、コントローラ４は、スタック負荷に応じて弁開度切替圧を設定する。弁開度切替圧は、スタック負荷が低いときほど低くなるように設定される。
以上説明した本実施形態によれば、スタック負荷が低いときほど弁開度切替圧を低くした。これにより、下げ過渡開始時アノード圧と、下げ過渡運転中のアノード圧と、の差圧ΔＰが弁開度切替圧以上になってからパージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に設定したとしても、流路内アノードガス濃度が所定濃度を下回るのを抑制することができる。よって、燃費の悪化を抑制しつつ、より確実に燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、下げ過渡運転が開始されてアノード圧が下限値まで低下した後も、一定期間パージ弁３８を下げ過渡目標開度に制御する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
図１７は、下げ過渡運転終了直後のアノードガス流路内でのアノードガス濃度を示した図である。
図１７に示すように、下げ過渡運転終了直後は、アノードガス流路１２１の内部の淀み点で、局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる。そして、この状態から目標出力電力に応じて設定されたアノード圧の上限値及び下限値の範囲で脈動運転が実施される。
ここで、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している状態でパージ弁３８の開度を通常目標開度に戻して脈動運転を実施すると、淀み点がアノードガス流路１２１の内部に残った状態のまま脈動運転が実施されるおそれがある。そうすると、燃料電池が劣化したり、発電性能が低下するおそれがある。
そこで本実施形態では、図１８に示すように、下げ過渡運転が終了した後、脈動運転によって淀み点がアノードガス流路外に出るまでは、パージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に維持する。
図１９は、本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。
ステップＳ３０１において、コントローラ４は、下げ過渡目標開度維持フラグＦ３が１に設定されているか否かを判定する。下げ過渡目標開度維持フラグＦ３は初期値が０であり、下げ過渡運転が終了した後、すなわちアノード圧が下限値以下になった後、パージ弁３８の開度を通常目標開度に戻すまで１に設定されるフラグである。コントローラ４は、下げ過渡目標開度維持フラグが１に設定されていればステップＳ３０６の処理を行う。一方で、下げ過渡目標開度維持フラグが０に設定されていればステップＳ７１の処理を行う。
ステップＳ３０２において、コントローラ４は、燃料電池スタックの目標出力電力の低下幅に基づいて、アノードガス流路内での淀み点位置を推定し、淀み点距離を算出する。淀み点距離は、アノードガス流路の出口側（バッファタンク３６側）から淀み点位置までの距離である。燃料電池スタックの目標出力電力の低下幅が大きいときほど、下げ過渡運転の時間が長くなるので、淀み点距離も大きくなる。
ステップＳ３０３において、コントローラ４は、淀み点距離と、燃料電池スタックの目標出力電力と、に基づいて、淀み点位置がアノードガス流路外に出るまでに必要な時間（以下「パージ弁切替時間」という。）を算出する。パージ弁切替時間は、淀み点距離が大きくなるほど長くなる。また、燃料電池スタックの目標出力電力が小さくなるほど、脈動運転中のアノード圧増圧時にアノードガスをバッファタンク３６内に押し込む力が弱くなるので、パージ弁切替時間は長くなる。
ステップＳ３０４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Ｓ３０５において、コントローラ４は、調圧弁３３をステップＳ３０４で設定した開度まで開く。
ステップＳ３０６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てからの経過時間を算出する。具体的には、前回までの経過時間に演算周期を足して、今回の経過時間とする。
ステップＳ３０７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てからの経過時間が、パージ弁切替時間以上になったかを判定する。コントローラ４は、アノード圧が下限値以下になってからの経過時間が、パージ弁切替時間以上になっていれば、ステップＳ７６の処理を行い、そうでなければステップＳ３０８の処理を行う。
ステップＳ３０８において、コントローラ４は、下げ過渡目標開度維持フラグＦ３を１に設定する。
ステップＳ３０９において、コントローラ４は、下げ過渡目標開度維持フラグＦ３を０に設定する。
以上説明した本実施形態によれば、下げ過渡運転が終了した後、脈動運転によって淀み点位置がアノードガス流路外に出るまでは、パージ弁３８の開度を下げ過渡目標開度に維持することとした。
これにより、アノードガス流路内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した状態が続いたまま脈動運転が実施されるのを抑制できる。よって、燃料電池の劣化を抑制できると共に、発電性能の悪化を抑制することができる。
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、上記の各実施形態では、燃料電池スタック２の下流に意識的にバッファタンク３６を設けているが、このような部品が必ずしも必要というわけではなく、通常の配管や、燃料電池スタック２の内部マニホールドをバッファタンクとみなしても良い。
また、上記第１実施形態では、下げ過渡目標開度を通常目標開度に対して一律に所定開度だけ大きくなるように設定したが、下げ過渡運転中のアノード圧に応じて段階的に通常目標開度から下げ過渡目標開度へと変更しても良い。つまり、下げ過渡運転中のアノード圧が低下するにつれて、アノードオフガスの排出量が多くなるようにしても良い。
これは、アノード圧が高いときは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度も高い状態なので、パージ弁３８の開度が小さくても流路内最低アノードガス濃度が所定濃度を下回るおそれが少なくなるからである。これにより、燃料電池システム１の外部に排出されるアノードオフガスの量を少なくすることができるので、燃費を向上させることができる。
また、上記第２実施形態において、下げ過渡運転後のスタック負荷が高いときほど、弁開度切替圧が小さくなるようにしても良い。これは、下げ過渡運転後のスタック負荷が高いと、下げ過渡開始時アノード圧と、下げ過渡運転後のアノード圧の下限値と、の差圧が弁開度切替圧よりも小さくなって、下げ過渡運転中にパージ弁３８を下げ過渡目標開度に変更できないおそれがあるためである。
また、上記第３実施形態では、スタック負荷に応じてバッファタンク３６内のアノードガス濃度が所望の濃度となるようにパージ弁３８の開度を制御していることを前提として、スタック負荷に応じて弁開度切替圧を変更していた。しかしながら、バッファタンク３６内の水素濃度を検出又は推定し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高くなるほど弁開度切替圧が高くなるようにしても良い。
バッファタンク３６内のアノードガス濃度を検出する場合は、濃度センサをバッファタンク３６に取り付ければ良い。
バッファタンク３６内のアノードガス濃度を推定する場合は、カソード側からアノード側に透過してくる窒素量から、燃料電池システム１の外部に排出される窒素量を引いたものを積算することでバッファタンク３６内のアノードガス濃度を推定すれば良い。カソード側からアノード側に透過してくる窒素量は、電解質膜の透過係数と、カソードガス中の窒素分圧とアノードガス中の窒素分圧との分圧差と、に応じて変化する。
ここで、電解質膜の透過係数は、電解質膜の材質や膜厚によって決まる物性値であり、スタック温度によって変化する。したがって、スタック温度に応じた電解質膜の透過係数を予め実験等によって求めてき、マップとしてコントローラ４に記憶させておくことで、スタック温度に応じて電解質膜の透過係数を算出することができる。電解質膜の透過係数は、スタック温度が高いときほど大きくなる。
一方、カソードガス中の窒素分圧とアノードガス中の窒素分圧との分圧差は、カソードガス中の窒素分圧の初期値を例えば７６［ｋＰａ］、アノードガス中の窒素分圧の初期値を０［ｋＰａ］として、透過窒素量に応じてアノードガス中の窒素分圧を増大させることで算出することができる。
また、上記実施形態では、下げ過渡運転時には、発電状態に応じて設定されるパージ弁３８の開度を大きくすることで、下げ過渡運転時にアノードガス流路内に発生する局所的な水素濃度低下を抑制していた。
これに対して、オン・オフのパージ弁３８を利用してパージ制御を実施している場合には、次のようにしても良い。
まず、カソード側からアノード側にＭＥＡ１１を介して進入する不純物量（主に、窒素）を推定する。不純物量は、発電電流、ＭＥＡ１１の湿度（燃料電池の内部インピーダンス）に依存する。
次に、推定した不純物量を排出するために必要なパージ弁３８の開弁時間を設定する。
パージ弁３８の開弁は、所定時間（例えば、５秒）ごとに実施され、所定時間に占めるパージ弁３８の開弁時間を変化させることで不純物を排出し、バッファタンク内の水素濃度を所定の管理濃度に維持するのである。
ここで、下げ過渡運転が発生した場合は、目標となるアノードの圧力が低下するために、調圧弁３３による水素の供給が停止される。一方で、発電によるアノードガス流路内での水素の消費は継続し、発電量に応じたパージ流量を排出するためにパージ弁３８の開弁が実施される。しかしながら、アノードガス流路内での水素の消費速度は、パージ弁３８によるアノードオフガスの排出速度よりも速いため、バッファタンク内の不純物がアノードガス流路側へと逆流してしまい、アノードガス流路内に局所的な水素濃度低下を発達させることになる。
そこで、下げ過渡運転が発生した場合は、発電電流、ＭＥＡ１１の湿度に応じて算出される不純物量を排出するためのパージ弁３８の開弁時間よりも長い時間開弁する。より最適には、逆流が生じてもアノードガス流路内の局所的な水素濃度低下が所定濃度を下回らないように調整されることが望ましい。所定濃度は、繰り返しの下げ過渡を実施しても、製品寿命を考慮して許容できる触媒の劣化から定まる。
本願は、２０１１年１２月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１１−２８８５１７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 (8)

  1. 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させる燃料電池システムであって、
    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、
    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部と、
    前記バッファ部から排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁と、
    前記制御弁よりも下流のアノードガスの圧力を、前記燃料電池の負荷に応じて大きくすると共に変動させる脈動運転手段と、
    前記燃料電池の負荷に応じて設定される目標開度に前記パージ弁の開度を制御する通常パージ手段と、
    前記燃料電池の負荷が低下する下げ過渡運転時の前記パージ弁開度を、低下する負荷に応じて設定される前記目標開度よりも大きくする下げ過渡パージ手段と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記下げ過渡パージ手段は、
    下げ過渡運転前のアノードガスの圧力と、下げ過渡運転中のアノードガスの圧力と、の差圧が所定圧以上になったときに、前記パージ弁開度を前記目標開度よりも大きくする、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記通常パージ手段は、
    前記燃料電池の負荷が高いときほど前記バッファ部のアノードガスの濃度が高くなるように前記パージ弁の開度量を制御し、
    前記下げ過渡パージ手段は、
    下げ過渡運転前の前記燃料電池の負荷が高いときほど前記所定圧を大きくする、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記バッファ部のアノードガスの濃度を検出又は推定する手段を備え、
    前記下げ過渡パージ手段は、
    前記バッファ部のアノードガス濃度が高いときほど前記所定圧を大きくする、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記下げ過渡パージ手段は、
    下げ過渡運転後の前記燃料電池の負荷が高いときほど前記所定圧を小さくする、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記下げ過渡パージ手段は、
    下げ過渡運転中のアノードガスの圧力が低くなるほど、前記パージ弁開度を前記目標開度よりも大きくする、
    請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  7. 前記下げ過渡パージ手段は、
    下げ過渡運転が終了した後、下げ過渡運転中に前記燃料電池のアノードガス流路内で発生した淀み点がアノードガス流路外に出るまでは、前記パージ弁開度を前記目標開度よりも大きくする、
    請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  8. 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させる燃料電池システムであって、
    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、
    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部と、
    前記バッファ部のアノードオフガスを排出するためのパージ弁と、
    前記制御弁よりも下流のアノードガスの圧力を、前記燃料電池の負荷に応じて大きくすると共に変動させる脈動運転手段と、
    前記燃料電池の負荷に応じて設定される目標パージ流量に基づいて、前記パージ弁の開弁時間を制御する通常パージ手段と、
    前記燃料電池の負荷が低下する下げ過渡運転時の前記目標パージ流量を、低下する負荷に応じて設定される前記目標パージ流量よりも大きくする下げ過渡パージ手段と、
    を備える燃料電池システム。
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