JP6183435B2

JP6183435B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6183435B2
Application number: JP2015199144A
Authority: JP
Inventors: 村田　成亮; 成亮村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-08-23
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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムが発電待機中にある場合に、カソード電極が高電位となることを回避するために、発電待機中にカソードガスを循環させて電圧を低下させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。発電待機中のカソード電極の高電位が回避されると、燃料電池の劣化が抑制される。このような技術に関連する他の文献として特許文献２がある。

特開２００９−２５２５５２号公報特開２００３−１１５３１７号公報

ところで、特許文献１や特許文献２で開示されているように、発電待機状態においてカソードガスの循環制御が行われる燃料電池システムでは、その循環制御により、スタック内部のカソードガス内の酸素濃度が低くなっている。このため、発電待機状態から発電要求状態に切り替わる際に、カソードガスの循環制御を停止し、エア供給コンプレッサによる空気供給量を増加させても、スタックの全域に酸素が供給され、高出力発電が可能になるまでに時間がかかる。このような酸素の供給遅れが生じると、燃料電池システムの効率が低下する。酸素の供給遅れは、低酸素濃度のカソードガスで満たされた燃料電池スタック内のガス置換に時間がかかることに起因する。

そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、カソードガスの循環制御後の燃料電池スタック内のガス置換を速やかに行うことを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料電池システムは、カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する単セルを複数積層して形成されるとともに、内部にカソード流路とアノード流路とが形成された燃料電池スタックと、カソードガスを吐出する第１のポンプが配置されるとともに、前記カソード流路の入口側に接続されるカソードガス供給流路と、背圧弁が配置されるとともに、前記カソード流路の出口側に接続されるカソードオフガス排出流路と、前記カソードガス供給流路内の前記第１のポンプよりも下流側と前記カソードオフガス排出流路内の前記背圧弁よりも上流側とを接続し、カソードオフガスを吐出する第２のポンプが配置されるとともに、前記カソードオフガスを前記カソードオフガス排出流路から前記カソードガス供給流路に循環させる循環流路と、アイドル運転の要求があったときに、カソード背圧が、負荷運転時のカソード背圧よりも高くなるように前記第２のポンプを運転し、前記カソードオフガスを循環させるカソード循環制御を実施するとともに、前記アイドル運転から負荷運転に移行した後に、前記燃料電池スタック内の酸素濃度が所定値に到達するまでの期間、前記背圧弁の開度を前記アイドル運転時よりも大きくしてカソード背圧を前記アイドル運転時のカソード背圧よりも低下させる減圧制御を実施する制御部と、を備える。これにより、カソードガスの循環制御後の燃料電池スタック内のガス置換を速やかに行うことができる。

前記制御部は、前記アイドル運転時に、前記背圧弁を閉じて前記カソード循環制御を実施してもよい。また、前記制御部は、前記アイドル運転時に、前記第１のポンプにカソードガスを吐出させることにより前記カソード背圧を上昇させてもよい。さらに、前記制御部は、前記アイドル運転から前記負荷運転への移行時に、前記背圧弁を全開にし、前記カソード背圧を低下させ、大気圧に近づける減圧制御を実施してもよい。
これにより、より効率的に燃料電池スタック内のガス置換を行うことができる。

また、燃料電池システムは、前記背圧弁に並列させた開放弁をさらに備え、前記制御部は、前記アイドル運転から前記負荷運転への移行時に、前記開放弁を開放させるようにしてもよい。これにより、さらにガス置換の効率を高めることができる。

本明細書開示の燃料電池システムによれば、カソードガスの循環制御後の燃料電池スタック内のガス置換を速やかに行うことができる。

図１は第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図２は第１実施形態における燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。図３は第１実施形態における燃料電池システムの指令及び各部の動作を示すタイムチャートの一例である。図４は比較例における燃料電池システムの指令及び各部の動作を示すタイムチャートの一例である。図５は第２実施形態における燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。図６は第２実施形態における燃料電池システムの指令及び各部の動作を示すタイムチャートの一例である。図７はカソード循環運転停止後のスタック内ガス置換率を示すグラフである。図８は第３実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（第１実施形態）
まず、図１を参照しつつ、第１実施形態の燃料電池システム１について説明する。図１は第１実施形態の燃料電池システム１の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１を例に説明する。燃料電池システム１は、固体高分子電解質型の燃料電池２を含む。燃料電池２は、カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する単セルを複数積層して形成されるとともに、内部にカソード流路３ａとアノード流路３ｂとが形成された燃料電池スタック３を含む。電解質膜は、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜である。なお、図１において単セルの図示は省略されている。また、燃料電池スタック３内には、図示されていない冷媒流路が設けられている。燃料電池スタック３には、アノード電極に水素ガス、すなわち、アノードガスが供給されると共に、カソード電極に酸素を含む空気、すなわち、カソードガスが供給される。そして、アノード電極における触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード電極まで移動して、酸素と電気化学反応を起こすことにより発電する。燃料電池スタック３には、発電した電気の電圧値を測定する電圧計Ｖと電流値を測定する電流計Ａが接続されている。

燃料電池スタック３のカソード流路３ａの入口３ａ１側には、カソードガス供給流路４が接続されている。カソードガス供給流路４には、カソードガスを吐出する第１のポンプＰ１が配置されている。第１のポンプＰ１は、ルーツ式のポンプであり、駆動停止状態において、空気の流通を遮断することができる。また、カソードガス供給流路４には、カソード流路３ａの入口３ａ１と第１のポンプＰ１との間にインタークーラ５が配置されている。インタークーラ５は、燃料電池スタック３内を循環する冷媒との間で熱交換を行う。

燃料電池スタック３のカソード流路３ａの出口３ａ２側には、カソードオフガス排出流路６が接続されている。カソードオフガス排出流路６には、圧力計Ｐが設置されている。圧力計Ｐは後に説明するカソード背圧を計測する。カソードオフガス排出流路６には、さらに、圧力計Ｐよりも下流側に背圧弁７が配置されている。背圧弁７は、カソードオフガス排出流路６の背圧弁７よりも上流側の領域の圧力、すなわち、カソード背圧を調整する。カソード背圧は、圧力計Ｐにより把握することができる。

燃料電池システム１は、カソードガス供給流路４とカソードオフガス排出流路６とを接続する循環流路８を備える。具体的に、循環流路８は、カソードガス供給流路４内の第１のポンプＰ１よりも下流側とカソードオフガス排出流路６内の背圧弁７よりも上流側とを接続している。循環流路８には、カソードオフガスを吐出する第２のポンプＰ２が配置されている。これにより、循環流路８は、カソードオフガスをカソードオフガス排出流路６からカソードガス供給流路４に循環させる。これにより、カソードオフガスを、再度、カソードガス供給流路４を通じてカソード流路３ａに供給することができる。後に詳説するように、アイドル運転の要求があったときには、第２のポンプＰ２を運転し、カソードオフガスを循環させるカソード循環制御が実施される。

燃料電池スタック３のアノード流路３ｂの入口３ｂ１側には、アノード供給流路９が接続されている。アノード供給流路９の端部には、水素供給源となる水素タンク１０が接続されている。水素タンク１０内には、高圧の水素が貯留されている。アノード供給流路９には、水素の供給を遮断するシャット弁１１と、水素の圧力を減圧するレギュレータ１２が配置されている。

燃料電池スタック３のアノード流路３ｂの出口３ｂ２側には、排気管１３が接続されている。排気管１３は、分岐点１３ａにおいて、循環流路１４とパージ流路１５とに分岐している。循環流路１４には、第３のポンプＰ３が配置されている。循環流路１４に第３のポンプＰ３が配置されることにより、アノードオフガスをアノード流路３ｂへ再度供給することができる。分岐点１３ａにおいて分岐したパージ流路１５は、カソードオフガス排出流路６に設けられた背圧弁７の下流側に接続されている。パージ流路１５には、パージ弁１６が配置されている。パージ弁１６を開弁することにより、循環させないアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出することができる。

燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７を備える。ＥＣＵ１７は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されており、制御部として機能する。すなわち、燃料電池システム１に対し、アイドル運転の要求があったときに、第２のポンプＰ２を運転し、カソードオフガスを循環させるカソード循環制御を実施する。このとき、ＥＣＵ１７は、背圧弁７を閉じる。また、アイドル運転から負荷運転に移行した後に、燃料電池スタック３内の酸素濃度が所定値に達するまでの期間、背圧弁７の開度を大きくしてカソード背圧を低下させる減圧制御を実施する。また、ＥＣＵ１７には、圧力計Ｐ、電圧計Ｖ、電流計Ａが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１７には、第１のポンプＰ１、第２のポンプＰ２及び第３のポンプＰ３が接続されており、これらのポンプの駆動制御を行う。さらに、ＥＣＵ１７には、背圧弁７、シャット弁１１、レギュレータ１２及びパージ弁１６が電気的に接続されており、これらの弁の開閉制御を行う。ＥＣＵ１７は、その他各センサによって検出された値が入力される。また、ＥＣＵ１７は、電流電圧マップ等を格納している。このようなＥＣＵ１７は、出力設定処理を行う。すなわち、後述する車両から燃料電池システム１への出力要求、電流電圧マップ、出力履歴等から、燃料電池２が出力する電圧値・電流値を設定し、その値に基づいて空気供給量や、カソード背圧、水素供給量、水素圧力を設定する。さらに、ＥＣＵ１７には、図示しないアクセル開度センサ、ブレーキセンサ、パーキングブレーキセンサ、シフトセレクタ、ナビゲーションシステム、横Ｇセンサ及び車速センサなどの検出情報が入力される。ＥＣＵ１７は、これら検出情報等に応じて、車両から燃料電池システム１への出力要求を算出し、燃料電池システム１がアイドル運転を要求されているか否か、アイドル運転から負荷運転への移行が要求されているか否かの判断を行う。ここで、燃料電池システム１のアイドル運転とは、燃料電池システム１が低負荷領域での発電を要求されている状態や、発電待機中の状態を指す。ＥＣＵ１７は、燃料電池システム１に対する出力要求が予め定めた所定値よりも低い場合は、アイドル運転を実施する。また、負荷運転とは、燃料電池システム１に対する出力要求が上述した予め定めた所定値以上の状態を指し、アイドル運転に該当しない状態を指す。

つぎに、図２、図３及び図４を参照しつつ、第１実施形態の燃料電池システム１の制御について説明する。図２は第１実施形態における燃料電池システム１の制御の一例を示すフローチャートである。図３は第１実施形態における燃料電池システム１の指令値及び各部の動作を示すタイムチャートの一例である。図４は比較例における燃料電池システムの指令及び各部の動作を示すタイムチャートの一例である。なお、比較例の燃料電池システムのハード構成は、第１実施形態の燃料電池システム１と共通しているが、その制御の内容において両者は異なっている。以下の説明では、まず第１実施形態の燃料電池システム１の制御について説明し、第１実施形態と比較例の制御の相違及び効果の相違については、後に詳述する。

まず、燃料電池システム１が、負荷運転を行っている状態を想定する。図３における参照符号Ｔ１で示す期間は、燃料電池システム１が負荷運転をしている期間を示している。燃料電池システム１が負荷運転をしているときの出力要求は、Ｈｉｇｈとなっている。ここで、図３における出力要求をＨｉｇｈの状態とすることは、燃料電池システム１に対して所定値以上の出力要求があることを表現している。出力要求がＨｉｇｈになっているとき、ＥＣＵ１７が、カソード背圧として設定する圧力要求値は、大気圧よりも高い圧力ｐ１である。このＥＣＵ１７の圧力要求値ｐ１の設定に伴って、圧力計Ｐによって測定される実圧力（カソード背圧）もｐ１となっている。また、ＥＣＵ１７は、第１のポンプＰ１の吐出流量要求値をＨｉｇｈに設定し、これに伴って、第１のポンプＰ１の実際の吐出流量もＨｉｇｈとなっている。一方、ＥＣＵ１７は、第２のポンプＰ２の吐出流量要求値を０に設定し、これに伴って、第２のポンプＰ２の実際の吐出流量は０となっている。すなわち、カソード循環制御は行われていない。ここで、第１のポンプＰ１の吐出流量要求値がＨｉｇｈとは、第１のポンプＰ１がＯＮ（運転）状態であり、第１のポンプＰ１の吐出流量要求値が０とは、第１のポンプＰ１がＯＦＦ（停止）状態であることを意味する。このような負荷運転状態のとき、スタック内酸素濃度は、Ｆｕｌｌの状態となっている。ここで、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌの状態とは、燃料電池スタック３に設けられたカソード流路３ａの入口３ａ１における酸素濃度が外気中の酸素濃度と略同等の状態であり、燃料電池システム１が所望の出力を得ることができる負荷運転に対応可能な状態であることを意味する。スタック内酸素濃度が高い状態となることにより、スタック出力は、高出力（Ｈｉｇｈ）を実現することができる状態となっている。なお、図３では、省略されているが、負荷運転時において、第３のポンプＰ３の吐出流量もＨｉｇｈ状態、すなわち、アノードガスの循環が行われている。

上述のように、ＥＣＵ１７は、アクセル開度センサ、ブレーキセンサ、パーキングブレーキセンサ等の検出情報等に応じて、燃料電池システム１がアイドル運転を要求されているか否かを判断する。そして、時刻ｔ１のタイミングでアイドル運転が要求されていると判断すると、ステップＳ１においてＹＥＳと判断し、出力要求をＩｄｌｅに設定する。そして、図３中の期間Ｔ２において実施される、カソード循環制御へ移行する。具体的に、ステップＳ２へ進み、出力目標値をｗ１に設定する。ここで、出力目標値とされるｗ１は、以後の燃料電池システム１の稼働に必要とされる電力を賄うことができる出力値として設定されている。例えば、ｗ１は、第２のポンプＰ２の駆動等に求められる電力を賄うことができる出力値に設定される。

ステップＳ２に引き続き行われるステップＳ３では、カソード循環制御を開始する。すなわち、ＥＣＵ１７は、第１のポンプＰ１を停止するとともに、第２のポンプＰ２の運転を開始する。さらに、背圧弁７を閉弁する。具体的に、図３に示すように、第１のポンプＰ１の吐出流量要求値が０に設定され、これに伴って第１のポンプＰ１の吐出流量が０となる。また、第２のポンプＰ２の吐出流量要求値がＨｉｇｈとなり、この吐出流量要求値の設定に伴って、実際の第２のポンプＰ２の吐出流量がＨｉｇｈとなる。なお、実際の第２のポンプＰ２の吐出流量は、吐出流量０の状態から立ち上がるため、徐々に吐出流が増し、最終的な吐出流量に到達する。ここで、第２のポンプＰ２の吐出流要求値は、厳密な値を請求されるものではなく、第２のポンプＰ２が駆動されることにより、カソードオフガスを流通させることができるようになればよい。このように、第１のポンプＰ１の運転が停止され、第２のポンプＰ２の運転が開始されると、燃料電池システム１内に新気が導入されずに、カソードオフガスが循環することになる。すなわち、カソード流路３ａに導入される新気が減る。この結果、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌの状態から徐々に低下する。このように、燃料電池スタック３内の酸素濃度が低下すると、スタック出力は、アイドル運転が開始される時刻ｔ１における出力と比較して低下する。なお、時刻ｔ１からのアイドル要求状態において、圧力要求値は、時刻ｔ１以前と同様に圧力ｐ１に維持されている。ここで、第１のポンプＰ１の運転が停止されているにもかかわらず、実圧力がｐ１に保たれるのは、背圧弁７が閉弁されるためである。第１実施形態では、ステップＳ２に引き続いてステップＳ３を実施しているが、ステップＳ２と、ステップＳ３は、同時に行ってもよいし、順番を入れ替えてもよい。なお、本実施形態におけるステップＳ３では、背圧弁７を全閉としたが、必ずしも全閉でなくてもよい。循環ポンプである第２のポンプＰ２によりカソードオフガスが循環されれば、燃料電池スタック３内の酸素濃度が低下するため、出力電圧を低下させることができるためである。ただし、背圧弁７を全閉とすることにより、第１のポンプＰ１を運転しなくても燃料電池スタック３の内圧を高めることできるため、背圧弁７は、全閉としておくことが好ましい。ここで、背圧弁７が全閉とは、背圧弁７の下流側へカソードオフガスが全く流れない状態だけでなく、背圧弁７の開度が０に近く、背圧弁７の下流側へカソードオフガスが僅かに流れる状態も含んでいる。燃料電池スタック３の内圧を高めておくのは、後に詳説するように、カソード背圧を一気に開放してパージを行い、ガス置換を促進するためである。

ＥＣＵ１７は、ステップＳ３に引き続いて行われるステップＳ４において、電圧計Ｖによって測定されるスタック電圧が予め定めた電圧Ｖ１よりも低いか否かを判断する。ここで、予め定めた電圧Ｖ１は、燃料電池システム１がアイドル状態となったときに、カソード電極の高電位を回避し、燃料電池２の劣化を抑制するための電圧として設定されている。アイドル運転中の燃料電池システム１は、カソード循環制御が実施されることにより、徐々に電圧が低下し、電圧Ｖ１を下回るようになる。ステップＳ４でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、燃料電池システム１の出力目標値をｗ０に設定する。そして、ステップＳ５に引き続き行われるステップＳ６では、第２のポンプＰ２を停止する。ステップＳ５において燃料電池システム１の出力目標値をｗ０に設定し、出力目標値を低下させるのは、スタック電圧がＶ１よりも低い値にまで低下した後は、第２のポンプＰ２の運転も不要となり、消費する電力も低下するためである。ステップＳ６の後は、処理はリターンとなる。なお、ステップＳ５とステップＳ６は、順番を入れ替えてもよいし、同時に行うようにしてもよい。このようなステップＳ２からステップＳ６までの処理がカソード循環制御に相当する。一方、ステップＳ４でＮＯと判断したときは、ステップＳ１からの処理を繰り返す。このようにステップＳ１からの処理が繰り返され、出力目標値をｗ１とする制御は、ステップＳ４でＹＥＳと判断されるまで継続される。

一方、ステップＳ１でＮＯと判断したときは、ステップＳ１ａへ進む。ステップＳ１ａでは、アイドル運転から負荷運転への移行時であるか否かを判断する。すなわち、燃料電池システム１が、アイドル運転を実施している状態で一連の処理がリターンとなり、再度行われるステップＳ１を経てステップＳ１ａの処理を行っているか否かを判断する。ステップＳ１ａでＮＯと判断したときは、ステップＳ１ｂへ進み、通常制御を実施し、処理はリターンとなる。ここで、通常制御とは、負荷運転中であって、後に詳説する減圧制御を実施していない制御を指す。例えば、図３に示す期間Ｔ１内の状態が継続されているような場合である。一方、ステップＳ１ａでＹＥＳと判断すると、ステップＳ７へ移行する。すなわち、図３における時刻ｔ２のタイミングでアイドル運転が要求されていないと判断すると、ステップＳ１においてＮＯと判断し、出力要求をＨｉｇｈに設定する。すなわち、燃料電池システム１は、アイドル運転から負荷運転に移行する。このとき、背圧弁７の開度を大きくして、燃料電池スタック３内の圧力をアイドル運転時よりも低下させる減圧制御を実施する。具体的に、ステップＳ７において、第１のポンプＰ１の運転を開始し、第２のポンプＰ２の運転を停止すると共に、背圧弁７の開度を大きくする。これにより、カソード背圧をアイドル運転時のカソード背圧よりも低下させる。減圧制御が実施されている状態とは、背圧弁７の開度がアイドル運転時よりも大きく、カソード背圧がアイドル運転時よりも低下している状態を指す。そして、図３に示すように、第１のポンプＰ１の吐出流量要求値をＨｉｇｈに設定すると第１のポンプＰ１の吐出流量がＨｉｇｈとなる。すなわち、負荷運転時の出力要求に対応可能な状態となる。また、第２のポンプＰ２の吐出流量要求値が０となり、この吐出流量要求値の設定に伴って、実際の第２のポンプＰ２の吐出流量が０となる。なお、実際の第１のポンプＰ１の吐出流量は、吐出流量０の状態から立ち上がるため、徐々に吐出流が増し、最終的に吐出流量Ｈｉｇｈに到達する。このように、第１のポンプＰ１の運転が開始され、第２のポンプＰ２の運転が停止されると、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌに近づく。このとき、ＥＣＵ１７は、カソード背圧の圧力要求値として大気圧を指定し、背圧弁７を全開にするため、カソード流路３ａ内のガス置換が一気に進行する。この結果、豊富な酸素を含んだ新気がカソード流路３ａ内に導入されて、スタック内酸素濃度が上昇する。図３を参照すると、スタック内酸素濃度は、時刻ｔ２から時刻ｔ３１にかけてＦｕｌｌの状態に復帰するが、時刻ｔ２から時刻ｔ３１ａまでの間に直線的にガス置換が進行し、スタック内酸素濃度が上昇していることがわかる。この直線的なガス置換の進行は、時刻ｔ２のタイミングまで圧力ｐ１に維持されていたカソード背圧が一気に開放されてパージが行われたことに起因している。ここで、アイドル運転から負荷運転への移行時にガス交換が行われる際の、スタック酸素濃度の到達目標値に対する各時刻での酸素濃度の割合をガス置換率と定義すると、時刻ｔ３１ａの後のガス置換率は、二次曲線的に増加し、最終的にＦｕｌｌの状態に到達する。

なお、本実施形態では、減圧制御時にカソード背圧を大気圧としてガス置換を促進しているが、カソード背圧が減圧制御時にアイドル状態時よりも低ければ、ガス置換の効果を得ることができる。すなわち、背圧弁７を全開にしてカソード背圧を大気圧と同等としなくても、カソード背圧が減圧制御時にアイドル状態時よりも低ければよい。また、背圧弁７が全開とは、背圧弁７の開度がほぼ１００％であり、カソード背圧が背圧弁７の全開時と実質的に異ならない状態を含む。また、カソード背圧が大気と同等とは、例えば、背圧弁７そのものの圧損により、カソード背圧が大気圧よりもわずかに大きい状態を含む。

ステップＳ８では、カソード流路３ａ内のガス置換が完了したか否かを判断する。ガス置換が完了したか否かの判断は、時刻ｔ２における第１のポンプＰ１の運転開始からの新気の供給量を推定し、この推定量に応じて判断する。なお、カソード流路３ａの出口３ａ２側における酸素濃度を測定し、この測定値が予め定めた閾値を越えていたらガス置換が完了していると判断するようにしてもよい。ステップＳ７及びステップＳ８が減圧制御に相当する。このステップＳ８でＹＥＳと判断したら、すなわち、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌの状態に到達したことが確認できたらステップＳ９へ進み、通常制御に移行する。一方、ステップＳ８でＮＯと判断したら、ステップＳ８でＹＥＳと判断するまで、その処理を繰り返す。ステップＳ８でＹＥＳと判断した後は、ステップＳ９へ進み、通常制御へ移行し、圧力要求値をｐ１に設定する。ステップＳ９の後は、リターンとなる。なお、ステップＳ８においてＮＯと判断したとき、ステップＳ１０において、再度、アイドル運転要求が有るか否かを判断する。減圧制御中にアイドル運転要求が出された場合に対処するためである。ステップＳ１０でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２へ移行する。一方、ステップＳ１０でＮＯと判断したときは、ステップＳ８の処理を繰り返す。

このように、本実施形態の燃料電池システム１は、アイドル運転から負荷運転へ移行するときに、背圧弁７の開度を大きくしてカソード背圧を低下させる減圧制御を実施するため、カソードガスの循環制御後の燃料電池スタック内のガス置換を速やかに実施できる。

これに対し、図４にタイムチャートの一例を示した比較例では、アイドル運転から負荷運転への移行指令が出された後、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌの状態に到達するまでの期間Ｔ３が第１実施形態における期間Ｔ３と比較して長期間となっている。比較例が第１実施形態と異なる点は、圧力要求値の設定及びこれに伴う実圧力である。比較例では、第１実施形態と異なり、圧力要求値は一定とされている。すなわち、燃料電池システムがアイドル状態から負荷運転へ移行するときもカソード背圧の圧力要求値は一定とされている。このように、圧力要求値が一定とされ、実際にカソード背圧が一定とされる場合、スタック内酸素濃度は、アイドル運転から負荷運転への移行指令が出された後、Ｆｕｌｌの状態に到達するまでを通じて二次曲線的に増加する。すなわち、ガス置換が完了するまでの期間が長い。このように、ガス置換が完了するまでの期間が長期化すると、要求された出力を得るまでに時間を要する制御遅れなどの問題が生じる。このような比較例に対し、第１実施例の燃料電池システム１によれば、速やかにガス置換を完了させ、即座に所望の出力を得ることができる。

なお、第１実施形態の燃料電池システム１は、カソードガス供給流路４内にインタークーラ５が配置されている。インタークーラ５は、多量の空気が流通する容積を備える。このため、背圧弁７が開弁されると、この容積内の空気がカソード流路３ａ内のガスを押し出し、ガス置換時の掃気の効率を向上させる。本実施形態では、圧力計Ｐを燃料電池スタック３の下流のカソードオフガス排出流路６内に設置しているが、これに限定されず、圧力計Ｐは、例えば、燃料電池スタック３よりも上流のカソードガス供給流路４内に配置してもよい。圧力計Ｐがカソードガス供給流路４側に配置されていても、カソードガス流量やスタック温度等の条件に応じて予め記憶している燃料電池スタック３における圧損を差し引くことで、カソード背圧を算出することができるからである。

（第２実施形態）
つぎに、図５及び図６を参照しつつ、第２実施形態について説明する。図５は第２実施形態における燃料電池システム１の制御の一例を示すフローチャートである。図６は第２実施形態における燃料電池システム１の指令及び各部の動作を示すタイムチャートの一例である。第２実施形態と第１実施形態とを比較すると、両者はその制御が異なっており、燃料電池システム１のハード構成自体は、共通している。従って、以下の説明では、制御において第２実施形態が第１実施形態と相違する点を中心に説明する。

ステップＳ１では、第１実施形態と同様に、燃料電池システム１のアイドル運転が要求されているか否かを判断する。ステップＳ１においてＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２へ進む。ステップＳ１でＮＯと判断したときは、ステップＳ１ａへ進む。ステップＳ１ａでは、第１実施形態の場合と同様にアイドル運転からの復帰であるか否かを判断する。ステップＳ１ａでＹＥＳと判断したときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７へ進んだ場合、ステップＳ７からステップＳ９の内容は第１実施形態と共通する。また、ステップＳ２では、第１実施形態と同様に出力目標値をｗ１に設定する。ステップＳ２の後はステップＳ１１へ進む。なお、ステップＳ１ａでＮＯと判断したときは、第１実施形態の場合と同様にステップＳ１ｂの処理を経てリターンとなる。

ステップＳ１１では、圧力要求値をｐ２に設定する。圧力要求値は、換言すれば、背圧制御値となる。圧力値ｐ２は、圧力値ｐ１よりも大きい。すなわち、ステップＳ１１では、それまでの通常制御における圧力要求値よりも大きな値に圧力要求値を設定する。ステップＳ１１に引き続いて行われるステップＳ１２では、第１のポンプＰ１及び第２のポンプＰ２を運転状態とするとともに、背圧弁７を閉弁する。すなわち、圧力値をｐ１からｐ２へ上昇させるために、第１のポンプＰ１の運転を継続する。このように、圧力値を上昇させるために第１のポンプＰ１の運転を継続する点が、第１実施形態と異なる。なお、本実施形態において、背圧弁７を全閉としたが、必ずしも全閉でなくてもよい。また、背圧弁７が全閉とは、背圧弁７の下流側へカソードオフガスが全く流れない状態だけでなく、背圧弁７の開度が０に近く、背圧弁７の下流側へカソードオフガスが僅かに流れる状態も含んでいる。これらの点については第１実施形態の場合と同様である。

ステップＳ１２に引き続いて行われるステップＳ１３では、実圧力ｐ、すなわち、圧力計Ｐで測定されたカソード背圧ｐがｐ２以上であるか否かを判断する。ステップＳ１３でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、第１のポンプＰ１の運転を停止する。そして、第２のポンプＰ２の運転を継続するともに、背圧弁７の閉弁状態を維持する。この点は、第１実施形態のステップＳ３と共通する。ステップＳ１４の後はステップＳ１５へ進む。一方、ステップＳ１３でＮＯと判断したときは、ステップＳ１４をスキップしてステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、電圧計Ｖによって測定されるスタック電圧Ｖが予め定めた電圧Ｖ１よりも低いか否かを判断する。この処理は、第１実施形態におけるステップＳ４と共通する。ステップＳ１５でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６では、燃料電池システム１の出力目標値をｗ０に設定する。この点は、第１実施形態のステップＳ５と共通する。ステップＳ１６の後はステップＳ１７へ進む。ステップＳ１５でＮＯと判断したときは、ステップＳ１からの処理を繰り返す。これは、第１実施形態のステップＳ４においてＮＯと判断したときと共通する。

ステップＳ１７では、実圧力ｐがｐ２以上であり、かつ、スタック電圧ＶがＶ１よりも低いか否かを判断する。ステップＳ１７でＹＥＳと判断したときは、第１実施形態と共通するステップＳ６を経て処理はリターンとなる。一方、ステップＳ１７でＮＯと判断したときは、ステップＳ１７でＹＥＳと判断されるまでステップＳ１３からの処理を繰り返す。

ステップＳ１でＮＯと判断し、ステップＳ７へ進んだ場合のステップＳ７からステップＳ９の内容は上述したように第１実施形態と共通する。しかしながら、その効果は、第１実施例と異なる。具体的に、アイドル運転から負荷運転への移行指令が出された後、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌの状態に到達するまでの期間Ｔ３が第１実施形態における期間Ｔ３と比較してさらに短期間となっている。この理由について説明する。第２実施形態では、アイドル運転中にカソード背圧をｐ２まで高めている。すなわち、大気圧との差が大きくなっている。このため、燃料電池システム１をアイドル運転から復帰させるときに背圧弁７を開放すると、カソード流路３ａ内の残存ガスが勢いよく排出されてガス置換が効率よく行われる。この結果、図６に示すように時刻ｔ２と時刻ｔ３２ａの間隔が短くなり、ガス置換率を示す直線がより垂直に近い状態となっている。これにより、スタック内酸素濃度がＦｕｌｌの状態に到達する時刻ｔ３２までの期間Ｔ３も短縮されている。

このように、アイドル運転期間Ｔ２においてカソード背圧を上昇させておくことにより、より効率的なガス置換を行うことができる。この相違が生じる理由につき、図７を参照しつつ整理すると、以下の如くである。まず、第１実施形態において説明した比較例のように、アイドル運転時から負荷運転への移行時にカソード背圧の減圧を行わない場合、スタック内のガス置換率の変化は、終始二次曲線で示される。この結果、全量のガス置換が完了するまでに長時間かかる。これに対し、第１実施形態のように、アイドル運転から負荷運転へ移行するときに、それまでのカソード背圧よりも低下させる減圧制御を実施することで、カソード背圧低下に伴うパージにより、一気にガス置換が進行する。この結果、全量のガス置換が完了するまでの時間が短縮される。そして、第２実施形態では、アイドル運転時に、カソード背圧を上昇させておき、カソード背圧と背圧弁７を開放した後の圧力との差を大きくしたことにより、さらに効率よいガス置換を実施することができる。この結果、全量のガス置換が完了するまでの時間がさらに短縮される。

（第３実施形態）
つぎに、図８を参照しつつ、第３実施形態について説明する。第３実施形態の燃料電池システム１０１が、第１実施形態の燃料電池システム１と異なる点は、背圧弁７と並列させて設置された開放弁１０２が設けられている点である。その他の点は、第１実施形態の燃料電池システム１と異なる点はないので、共通する構成要素には、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

開放弁１０２は、背圧弁７からのカソードオフガスの排出を補助する役割を有する。開放弁１０２は、アイドル運転時のカソード循環制御から減圧制御へ移行する際に背圧弁７と共に開放する。これにより、カソード背圧の低下の効率が向上し、この結果、ガス置換の効率が向上する。ガス置換の効率の向上により、燃料電池スタック３の広範囲に即座に酸素が行きわたり、燃料電池システム１０１は短時間で高電位を出力することができる状態となる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１、１０１燃料電池システム
２燃料電池
３燃料電池スタック
３ａカソード流路
４カソードガス供給流路
５インタークーラ
６カソードオフガス排出流路
７背圧弁
８循環流路
１０２開放弁
Ｐ１第１のポンプ
Ｐ２第２のポンプ
Ｐ３第３のポンプ

Claims

カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する単セルを複数積層して形成されるとともに、内部にカソード流路とアノード流路とが形成された燃料電池スタックと、
カソードガスを吐出する第１のポンプが配置されるとともに、前記カソード流路の入口側に接続されるカソードガス供給流路と、
背圧弁が配置されるとともに、前記カソード流路の出口側に接続されるカソードオフガス排出流路と、
前記カソードガス供給流路内の前記第１のポンプよりも下流側と前記カソードオフガス排出流路内の前記背圧弁よりも上流側とを接続し、カソードオフガスを吐出する第２のポンプが配置されるとともに、前記カソードオフガスを前記カソードオフガス排出流路から前記カソードガス供給流路に循環させる循環流路と、
アイドル運転の要求があったときに、カソード背圧が、負荷運転時のカソード背圧よりも高くなるように前記第２のポンプを運転し、前記カソードオフガスを循環させるカソード循環制御を実施するとともに、前記アイドル運転から負荷運転に移行した後に、前記燃料電池スタック内の酸素濃度が所定値に到達するまでの期間、前記背圧弁の開度を前記アイドル運転時よりも大きくしてカソード背圧を前記アイドル運転時のカソード背圧よりも低下させる減圧制御を実施する制御部と、
を備える燃料電池システム。
前記制御部は、前記アイドル運転時に、前記背圧弁を閉じて前記カソード循環制御を実施する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記アイドル運転時に、前記第１のポンプにカソードガスを吐出させることにより前記カソード背圧を上昇させる請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記アイドル運転から前記負荷運転への移行時に、前記背圧弁を全開にし、前記カソード背圧を低下させ、大気圧に近づける減圧制御を実施する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記背圧弁に並列させた開放弁をさらに備え、前記制御部は、前記アイドル運転から前記負荷運転への移行時に、前記開放弁を開放させる請求項４に記載の燃料電池システム。
カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する単セルを複数積層して形成されるとともに、内部にカソード流路とアノード流路とが形成された燃料電池スタックと、
カソードガスを吐出する第１のポンプが配置されるとともに、前記カソード流路の入口側に接続されるカソードガス供給流路と、
背圧弁が配置されるとともに、前記カソード流路の出口側に接続されるカソードオフガス排出流路と、
前記背圧弁に並列させた開放弁と、
前記カソードガス供給流路内の前記第１のポンプよりも下流側と前記カソードオフガス排出流路内の前記背圧弁よりも上流側とを接続し、カソードオフガスを吐出する第２のポンプが配置されるとともに、前記カソードオフガスを前記カソードオフガス排出流路から前記カソードガス供給流路に循環させる循環流路と、
アイドル運転の要求があったときに、前記第２のポンプを運転し、前記カソードオフガスを循環させるカソード循環制御を実施するとともに、前記アイドル運転から負荷運転に移行した後に、前記背圧弁を全開にすると共に、前記開放弁を開放させてカソード背圧を低下させ、大気圧に近づける減圧制御を実施する制御部と、
を備える燃料電池システム。