JP5773084B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００５−２４３４７６Ａには、従来の燃料電池システムとして、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が開示されている。この従来の燃料電池システムは、アノードガスの圧力を昇降圧させる脈動運転を実施している。

脈動運転を実施する場合、燃料電池スタック内のアノード側とカソード側の差圧を適切に管理しないと、各燃料電池の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）に想定外の応力が加わり、燃料電池を劣化させる原因となる。

そのため、脈動運転時のアノード側の下限圧力が、カソード側の圧力よりも所定圧だけ高くなるように制御し、併せてアノード側とカソード側の差圧が所定の管理値未満になったか否かを判定してＭＥＡの保護を図っている。

ところが、この差圧判定において、アノード側の圧力としてアノードガス供給通路に設けられた圧力センサの検出値を用いると、アノードガス供給通路の取り回し等による圧力損失の影響で、例えばアノード圧力の昇圧時に、圧力センサの検出値と、実際の燃料電池スタック内のアノード側の圧力と、の間にズレが生じ、実際には燃料電池スタック内のアノード側とカソード側の差圧が管理値未満になっているにもかかわらず、差圧判定では差圧が管理値以上になっていると判定するおそれがある。

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、圧力損失を考慮した精度の高い差圧判定を実施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する燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが、燃料電池に供給するアノードガスが流れるアノードガス供給通路と、アノードガス供給通路に設けられて、アノードガス供給通路内のアノード圧力を検出するアノード圧力検出手段と、燃料電池内のカソード側のカソード圧力を検出するカソード圧力検出手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて燃料電池に供給するカソードガスの圧力を制御するカソード圧力制御手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいてアノード圧力を所定の脈動幅で昇降圧させると共に、脈動幅の下限とカソード圧力との差圧が所定値以上となるようにアノード圧力を制御するアノード圧力制御手段と、燃料電池内のアノード圧力とカソード圧力との差圧が所定の管理値未満か否かを判定する差圧判定手段と、燃料電池内のアノード圧力をアノード圧力検出手段によって検出されるアノードガス供給通路内のアノード圧力の変化率に基づいて推定する推定部と、を備える。

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II−II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カソード圧力の制御方法について説明するブロック図である。 図６は、本発明の一実施形態によるアノード圧力の制御方法について説明するブロック図である。 図７は、本発明の一実施形態による差圧判定について説明するフローチャートである。 図８は、アノードガス供給流量に基づいて、アノードガス供給通路で生じる圧力損失を算出するテーブルである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

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、ＭＥＡ１１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、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一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、アノードガス給排装置３と、カソードガス給排装置４と、コントローラ５と、を備える。なお、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。

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。

アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ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。アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを一旦バッファタンク３６に蓄えた後、必要に応じてパージ通路３７から排出する。

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。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁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。アノード調圧弁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５によって制御される。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁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。以下では、このアノード圧力センサ３４の検出値を検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］という。

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へと透過してきた窒素などの不純ガスと、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。

パージ通路３７は、一端部がアノードガス排出通路３５に接続され、他端部が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は、アノードガス排出通路３５を一旦逆流した後、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、コントローラ５によって開閉制御される電磁弁である。パージ弁３８を開くことで、バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスがパージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。

カソードガス給排装置４は、カソードガス供給通路４１と、カソードガス排出通路４２と、フィルタ４３と、エアフローセンサ４４と、カソードコンプレッサ４５と、カソード圧力センサ４６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）４７と、カソード調圧弁４８と、を備える。カソードガス給排装置４は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。

カソードガス供給通路４１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路４１は、一端がフィルタ４３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔２３に接続される。

カソードガス排出通路４２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路４２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔２４に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

フィルタ４３は、カソードガス供給通路４１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

エアフローセンサ４４は、カソードコンプレッサ４５よりも上流のカソードガス供給通路４１に設けられる。エアフローセンサ４４は、カソードコンプレッサ４５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

カソードコンプレッサ４５は、カソードガス供給通路４１に設けられる。カソードコンプレッサ４５は、フィルタ４３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路４１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソード圧力センサ４６は、カソードコンプレッサ４５とＷＲＤ４７との間のカソードガス供給通路４１に設けられる。カソード圧力センサ４６は、ＷＲＤ４７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ４６の検出値を検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}［ｋＰａ］という。

ＷＲＤ４７は、カソードガス供給通路４１及びカソードガス排出通路４２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路４２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路４１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁４８は、ＷＲＤ４７よりも下流のカソードガス排出通路４２に設けられる。カソード調圧弁４８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

コントローラ５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５には、前述したアノード圧力センサ３４やエアフローセンサ４４、カソード圧力センサ４６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５１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度を検出する温度センサ５２、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５３、大気圧を検出する大気圧センサ５４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各種の信号が入力される。

コントローラ５は、これらの入力信号に基づいて、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。

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５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の目標出力電電流（燃料電池スタック２の負荷）を算出し、目標出力電流に応じた脈動幅の間で、アノード圧力を周期的に昇降圧させる。

具体的には、時刻ｔ１でアノード圧力が下限圧力に達したら、図４（Ｂ）に示すように、アノード圧力が上限圧力となるようにアノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。これにより、図４（Ａ）に示すように、アノード圧力が下限圧力から上限圧力に向けて上昇する。この状態のときは、アノードガスが高圧タンク３１から燃料電池スタック２へと供給され、アノードオフガスがバッファタンク３６へと押し込まれることになる。

時刻ｔ２で、アノード圧力が上限圧力に達したら、図４（Ｂ）に示すように、アノード圧力が下限圧力となるようにアノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁３３の開度は全閉となり、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、図４（Ａ）に示すように、アノードガスの消費に応じてアノード圧力が低下する。

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ることで、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から燃料電池スタック２側へとアノードオフガスが逆流してくる。このタイミングでパージ弁３８を開くことで、バッファタンク３６に蓄えられたアノードオフガスが外部に排出される。

ここで、このような脈動運転を実施する場合、例えばカソード圧力を、アノード圧力の上限圧力と下限圧力との間の圧力に設定してしまうと、燃料電池スタック２内においてアノードガス流路１２１内の圧力がカソードガス流路１３１内の圧力よりも高くなる状態と低くなる状態とが周期的に訪れることになる。そうすると、アノードガス流路１２１内の圧力とカソードガス流路１３１内の圧力との圧力差によってＭＥＡ１１が周期的に波打つなどしてＭＥＡ１１に想定外の応力が加わり、ＭＥＡ１１を劣化させる原因となる。

そのため本実施形態では、ＭＥＡ１１を保護するために、アノードガス流路１２１内の圧力が、常にカソードガス流路１３１内の圧力よりも高くなるように、カソード圧力及びアノード圧力を制御している。具体的には、アノード圧力の下限圧力が、カソード圧力よりも所定圧だけ高くなるように、カソード圧力に基づいてアノード圧力の下限圧力を設定している。

また、併せてアノード圧力とカソード圧力との差圧が所定の管理値未満になったか否かを判定する差圧判定を実施し、差圧が管理値未満になったまま所定時間が経過したときは、出力制限等を実施して確実にＭＥＡ１１を保護できるようにしている。

ところが、この差圧判定を実施するにあたり、アノード圧力として検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］を用いると、アノード圧力センサ３４から燃料電池スタック２までのアノードガス供給通路３２の取り回し等による圧力損失の影響によって、以下のような問題点が生じることがわかった。

すなわち、アノード圧力センサ３４から燃料電池スタック２までの間には、アノードガス供給通路３２の取り回し等によって圧力損失が生じる。この圧力損失の影響によって、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］と、燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内の圧力と、の間にはズレが生じる。つまり、アノードガス流路１２１内の圧力が、実際には検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］よりも低くなる。そして、この圧力損失は、アノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの流量が多くなるほど大きくなる。

そのため、特に本実施形態のような脈動運転を実施する場合は、アノード圧力を昇圧させるときにアノードガスの供給流量が瞬間的に増加するため、アノードの昇圧時において、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］とアノードガス流路１２１内の圧力との間のズレが大きくなりやすい。

したがって、差圧判定を実施するにあたり、アノード圧力として検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］を用いると、実際にはアノードガス流路１２１内の圧力とカソードガス流路１３１内の圧力との差圧が管理値未満になっているにもかかわらず、差圧判定では差圧が管理値以上になっていると判定するおそれがある。

また、例えばアクセル操作量が増加して燃料電池スタック２の目標出力電流が増加する上げ過渡時には、カソード圧力及びアノード圧力が共に上昇する。このとき、圧力損失の影響によってアノードガス流路１２１内の圧力上昇の応答が遅くなり、上記と同様にアノードガス流路１２１内の圧力とカソードガス流路１３１内の圧力との差圧が管理値未満になっているにもかかわらず、差圧診断では差圧が管理値以上になっていると判定するおそれがある。

そこで本実施形態では、アノード圧力センサ３４から燃料電池スタック２までの間の圧力損失を考慮して、アノードガス流路１２１内の圧力を推定し、この推定した圧力を差圧判定に用いることとした。以下では、図５及び図６を参照してカソード圧力及びアノード圧力の制御方法について説明した後、図７を参照してこの本実施形態による差圧判定について説明する。

図５は、本実施形態によるカソード圧力の制御方法について説明するブロック図である。

スタック要求カソード圧力算出部６１には、燃料電池スタック２の目標出力電流と、大気圧と、が入力される。スタック要求カソード圧力算出部６１は、図５に示すマップを参照し、燃料電池スタック２１の目標出力電流と、大気圧と、に基づいてスタック要求カソード圧力を算出する。スタック要求カソード圧力は、燃料電池スタック２から目標出力電流を取り出したときに、燃料電池スタック２内の酸素分圧を確保するために必要なカソード圧力である。

目標カソード圧力設定部６２には、スタック要求カソード圧力と、湿潤要求カソード圧力と、が入力される。目標カソード圧力設定部６２は、スタック要求カソード圧力及び湿潤要求カソード圧力のうち、大きいほうを目標カソード圧力として設定する。なお、湿潤要求カソード圧力は、電解質膜１１１の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック２の負荷に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なカソード圧力である。

フィードバック制御部６３には、目標カソード圧力と、検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}と、が入力される。フィードバック制御部６３は、目標カソード圧力と検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}とに基づいて、検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}を目標カソード圧力に向けて変化させる際のカソードコンプレッサ及びカソード調圧弁に対する各指令値を算出する。

図６は、本実施形態によるアノード圧力の制御方法について説明するブロック図である。

下限圧力算出部７１には、検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}、圧力測定誤差及び圧力制御誤差が入力される。下限圧力算出部７１は、これらの入力値を足し合わせたものを、アノード圧力の下限圧力として算出する。なお、圧力測定誤差は、カソード圧力センサ４６の測定誤差、例えば検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}と比較して実際のカソード圧力が高くなっている場合等を考慮したものであり、予め定められた所定値である。また、圧力制御誤差は、検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}を目標カソード圧力に向けて制御したときに生じる目標カソード圧力と検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}との誤差等を考慮したもので、これも予め定められた所定値である。

脈動幅算出部７２には、燃料電池スタック２の目標出力電流と、燃料電池スタック２の内部インピーダンス（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）と、が入力される。燃料電池スタック２の内部インピーダンスは、例えば交流インピーダンス法等によって算出したものを用いる。脈動幅算出部７２は、図６のマップを参照し、燃料電池スタック２の目標出力電流と、燃料電池スタック２の内部インピーダンスと、に基づいて、アノード圧力の脈動幅を算出する。

上限圧力算出部７３には、アノード圧力の下限圧力と、脈動幅と、が入力される。上限圧力算出部７３は、アノード圧力の下限圧力に脈動幅を足したものを、アノード圧力の上限圧力として算出する。

目標アノード圧力算出部７４には、アノード圧力の上限圧力と下限圧力とが入力される。目標アノード圧力算出部７４は、アノード圧力の上限圧力と下限圧力とに基づいて脈動波形を演算し、目標アノード圧力を算出する。

フィードバック制御部７５には、目標アノード圧力と、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}と、が入力される。フィードバック制御部７５は、目標アノード圧力と検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}とに基づいて、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}を目標アノード圧力に向けて変化させる際のアノード調圧弁３３に対する指令値を算出する。

図７は、本実施形態による差圧判定について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ５は、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］の圧力変化率（ΔＰ／Δｓ）に基づいて、燃料電池スタック２に供給されたアノードガスの質量流量ｍ［ｍｏｌ／ｓ］を推定する。具体的には、以下の（３）式に基づいて、アノードガスの質量流量ｍ［ｍｏｌ／ｓ］を推定する。

但し、
Ｔ₀［Ｋ］：標準状態温度（＝２７３．１５［Ｋ］）
Ｔ_min［Ｋ］：運転保証環境での最低温度（本実施形態では２４３．１５［Ｋ］）
Δｓ［ｓ］：圧力変化率を計測する単位時間（本実施形態では０．０２［ｓ］）
ΔＰ［ｋＰａ］：単位時間あたりのアノード圧力センサ３４の検出値増加量
Ｐ₀［ｋＰａ］：標準状態絶対圧力（＝１０１．３２５［ｋＰａ］）
Ｖ［ｍ³］：アノード圧力センサ３４よりも下流のアノード系全体（燃料電池スタック２内及びバッファタンク等）の容積
Ｖ₀［ｍ³／ｍｏｌ］：標準状態での１［ｍｏｌ］あたりの水素（アノードガス）の体積（＝０．０２２４１４［ｍ³／ｍｏｌ］）
ｍ_p［ｍｏｌ／ｓ］：昇圧分のアノードガス供給質量流量
ｍ_c［ｍｏｌ／ｓ］：消費分のアノードガス供給質量流量

ここで、（３）式の第１項、すなわち、昇圧分のアノードガス供給質量流量ｍ_p［ｍｏｌ／ｓ］は、燃料電池スタック２内でアノードガスの消費がないと仮定したときに、アノード圧力の圧力変化率分（ΔＰ／Δｓ）だけアノード圧力を上昇させるために、燃料電池スタック２の供給する必要のある１秒あたりのアノードガスの質量流量である。

一方、燃料電池システム１の運転中は、実際には燃料電池スタック２内でアノードガスの消費があるので、第１項で計算される質量流量分を燃料電池スタック２に供給しても、圧力変化率分だけアノード圧力を上昇させることができない。

そこで、本実施形態では、燃料電池スタック２から最大電流を取り出したときに、燃料電池スタック２内で消費される１秒あたりのアノードガス量を、消費分のアノードガス供給質量流量ｍ_c［ｍｏｌ／ｓ］として第１項に加算している。したがって、消費分のアノードガス供給質量流量ｍ_c［ｍｏｌ／ｓ］は、以下の（４）式によって計算可能な所定値である。なお、燃料電池スタック２の目標出力電流に応じて、燃料電池スタック２内で消費される１秒あたりのアノードガス量を逐次算出し、それを消費分のアノードガス供給質量流量として第１項に加算しても良い。

但し、
Ｉ_max［Ａ］：最大電流
Ｆ［Ｃ／ｍｏｌ］：ファラデー定数
Ｎ：燃料電池の総枚数

ステップＳ２において、コントローラ５は、以下の（５）式に基づいて、推定したアノードガスの質量流量ｍ［ｍｏｌ／ｓ］を体積流量Ｑ［ｍ³／ｓ］に変換する。

但し、
Ｔ_max［Ｋ］：アノードガスの温度の最大値（本実施形態では３５８．１５［Ｋ］）
Ｐ_{am_sen}［ｋＰａ］：アノード圧力センサ３４の検出値
Ｑ_p［ｍ³／ｓ］：昇圧分のアノードガス供給流量
Ｑ_c［ｍ³／ｓ］：消費分のアノードガス供給流量

ここで、昇圧分のアノードガス供給流量Ｑ_p［ｍ³／ｓ］は、（３）式の第１項、すなわち、昇圧分のアノードガス供給質量流量ｍ_p［ｍｏｌ／ｓ］を体積流量に変換したものである。

一方で、消費分のアノードガス供給流量Ｑ_c［ｍ³／ｓ］は、（３）式の第２項、すなわち消費分のアノードガス供給質量流量ｍ_c［ｍｏｌ／ｓ］を体積流量に変換したものである。

ステップＳ３において、コントローラ５は、予め実験等で定められた図８のテーブルを参照し、昇圧分のアノードガス供給流量Ｑ_p［ｍ³／ｓ］に基づいて、昇圧分のアノードガス供給流量Ｑ_p［ｍ³／ｓ］を流したときに、アノード圧力センサ３４よりも下流のアノードガス供給通路３２で生じる圧力損失ΔＰ_p［ｋＰａ］を算出する。

ステップＳ４において、コントローラ５は、ステップＳ３と同様に図８のテーブルを参照し、消費分のアノードガス供給流量Ｑ_c［ｍ³／ｓ］に基づいて、消費分のアノードガス供給流量Ｑ_c［ｍ³／ｓ］を流したときに、アノード圧力センサ３４よりも下流のアノードガス供給通路３２で生じる圧力損失ΔＰ_c［ｋＰａ］を算出する。

ステップＳ５において、コントローラ５は、以下の（６）式に基づいて、圧力損失を考慮した燃料電池スタック２内の推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］を算出する。

但し、
Ｐ_aiz［ｋＰａ］：推定アノード圧力Ｐ_aiの前回値
ｍａｘ（Ａ，Ｂ）：Ａ及びＢのうち、大きい方を選択して出力

（６）式に示すように、推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］は、基本的に検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］から、昇圧分のアノードガス供給流量Ｑ_p［ｍ³／ｓ］を流したときの圧力損失ΔＰ_p［ｋＰａ］及び消費分のアノードガス供給流量Ｑ_c［ｍ³／ｓ］を流したときの圧力損失ΔＰ_c［ｋＰａ］を引いたものとなる。

しかしながら、アノード圧力の昇圧時において、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］から昇圧分のアノードガス供給流量Ｑ_p［ｍ³／ｓ］を流したときの圧力損失ΔＰ_p［ｋＰａ］を引いたものが、推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］の前回値Ｐ_aiz［ｋＰａ］よりも低下することはない。そのため、本実施形態では、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］から昇圧分のアノードガス供給流量Ｑ_p［ｍ³／ｓ］を流したときの圧力損失ΔＰ_p［ｋＰａ］を引いたものが、推定アノード圧力Ｐ_aiの前回値Ｐ_aizよりも小さいときは、推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］の前回値Ｐ_aiz［ｋＰａ］から消費分のアノードガス供給流量Ｑ_c［ｍ³／ｓ］を流したときの圧力損失ΔＰ_c［ｋＰａ］を引いたものを、推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］としている。

ステップＳ６において、コントローラ５は、推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］と検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}［ｋＰａ］との差圧を算出する。

ステップＳ７において、コントローラ５は、差圧が所定の管理値未満か否かを判定する。コントローラ５は、差圧が管理値以上であれば今回の処理を終了し、差圧が管理値未満であればステップＳ８の処理を行う。

ステップＳ８において、コントローラ５は、差圧が管理値未満の状態が所定時間続いたか否かを判定する。コントローラ５は、差圧が管理値未満の状態が所定時間続いていなければ今回の処理を終了し、差圧が管理値未満の状態が所定時間続いていればステップＳ９の処理を行う。

ステップＳ９において、コントローラ５は、燃料電池スタック２の目標出力電流を所定の上限値に制限し、出力制限を行う。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１は、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］の変化率に基づいて、アノード圧力センサ３４よりも下流のアノードガス供給通路３２で生じる圧力損失を考慮した燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内の推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］を算出する。

これにより、アノードガス供給通路３２内の圧力損失を考慮した精度の良い推定ができる。このため、脈動下限圧力とカソード圧力とを所定の差圧を維持するように制御しているにも関わらず、燃料電池スタック内のアノード圧力とカソード圧力との差圧が所定の管理値以下となる状況でも、アノードガス供給通路３２内の圧力損失を考慮した精度の高い差圧判定を実施することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１は、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］の変化率に基づいてアノードガス供給流量Ｑ［ｍ³／ｓ］を算出し、このアノードガス供給流量Ｑ［ｍ³／ｓ］に基づいて圧力損失を算出する。そして、燃料電池スタック内のアノード側とカソード側との差圧判定に用いるアノード圧力として、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］ではなく、推定アノード圧力Ｐ_ai［ｋＰａ］を用いる。

これにより、燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内の圧力を精度良く推定することができると共に、検出アノード圧力Ｐ_{an_sen}［ｋＰａ］と検出カソード圧力Ｐ_{cath_sen}との差圧に基づいて差圧判定を実施する場合と比較して、差圧判定の精度を向上させることができる。そのため、ＭＥＡ１１の劣化を抑制し、燃料電池システム１の耐久性を向上させることができる。

また、差圧判定の結果、差圧が管理値未満の状態が続いていると判定されたときは、燃料電池スタック２の出力制限を実施することにしたので、ＭＥＡ１１の保護を確実に図ることができる。

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、上記の実施形態では、図８のテーブルを参照し、アノードガス供給流量に基づいて、アノードガス供給通路３２で生じる圧力損失を算出していたが、図８のテーブルを近似式として算出しておき、この算出した近似式にアノードガス供給流量を代入することで圧力損失を算出しても良い。

また、上記の実施形態では、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、アノードガス循環型の燃料電池システムであってもよい。

本願は、２０１２年９月２１日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−２０８４５７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 (4)

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す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が流れるアノードガス供給通路と、
   前記アノードガス供給通路に設けられて、前記アノードガス供給通路内のアノード圧力を検出するアノード圧力検出部と、
   前記燃料電池内のカソード側のカソード圧力を検出するカソード圧力検出部と、
   前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を制御するカソード圧力制御部と、
   前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記アノード圧力を所定の脈動幅で昇降圧させると共に、前記脈動幅の下限が前記カソード圧力よりも所定圧だけ高くなるように、前記アノード圧力を制御するアノード圧力制御部と、
   前記燃料電池内のアノード圧力を、前記アノード圧力検出部によって検出される前記アノードガス供給通路内のアノード圧力の変化率に基づいて推定する推定部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記アノード圧力の変化率に基づいて、前記燃料電池に供給されたアノードガスの流量を算出する供給流量算出部と、
   前記アノードガスの流量に基づいて、前記アノードガス供給通路の圧力損失を算出する圧力損失算出部と、
   をさらに備え、
   前記推定部は、
   前記アノード圧力と前記圧力損失とに基づいて、前記燃料電池内のアノード圧力を推定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記供給流量算出部は、
   前記アノード圧力の変化率分に相当するアノードガスの流量と、前記燃料電池内で消費されるアノードガス量に相当するアノードガスの流量と、を加算したものを前記燃料電池に供給されたアノードガスの流量として算出する、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 推定された前記燃料電池内のアノード圧力と前記カソード圧力との差圧が所定の管理値未満の状態が所定時間続いたときに、前記燃料電池から取り出す電流を制限する出力制限部を備える、
   請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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