JP6299683B2 - 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。
燃料電池への反応ガス供給を制御する燃料電池システムとして、特許文献１には、燃料電池スタックの運転状態に基づいて燃料ガスの目標圧力値を算出し、算出した目標圧力値と、センサで検出した圧力値と、の差を補正するために、インジェクタの稼働を制御して燃料ガスの供給量を調整するシステムが開示されている。
特開２００８−１３０４４２号
このように燃料ガスの供給量の調整にインジェクタを用いる燃料電池システムにおいて、例えばシステムの始動後燃料電池の発電に用いられるエアを供給するコンプレッサや燃料電池の冷却水を循環させる冷却水ポンプがまだ稼動していない非発電状態においてインジェクタが稼働されると、発電状態に比べてコンプレッサや冷却水ポンプの稼働音がないため、インジェクタの稼働の頻度によっては、インジェクタの稼動音や振動が、利用者に不快感を与えるおそれがあった。そのため、燃料電池の非発電時において、インジェクタが稼働することに起因する騒音や振動を抑制する技術が求められていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
燃料電池システムであって、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池を複数備えた燃料電池スタックと、
前記アノードに水素を供給するインジェクタと、
前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス供給系と、
前記カソードガス供給系と、前記インジェクタと、を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの始動後であって前記燃料電池の発電前における非発電状態において、前記アノードの目標圧力を、第１目標圧力よりも高い圧力である第２目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第２目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御して、前記アノードの圧力が前記第１目標圧力よりも高くなった後であって、前記第２目標圧力に設定してから予め定められた時間が経過した際に、前記目標圧力を前記第１目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第１目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御し、
前記第１目標圧力は前記燃料電池スタックの前記アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力であり、
前記予め定められた時間は、前記カソードへカソードガスの供給を開始するために要する時間である、
燃料電池システム。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池を複数備えた燃料電池スタックと；前記アノードに水素を供給するインジェクタと；前記アノードの圧力が目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御する制御部と、を備え；前記制御部は、前記燃料電池システムの始動後であって前記燃料電池の発電前における非発電状態において、前記目標圧力を、第１目標圧力よりも高い圧力である第２目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第２目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御して、前記アノードの圧力が前記第１目標圧力よりも高くなった後に、前記目標圧力を前記第１目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第１目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御し
；前記第１目標圧力は前記燃料電池スタックの前記アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力である。このような形態の燃料電池システムであれば、アノードの目標圧力を第１目標圧力よりも高い圧力である第２目標圧力に設定して、アノードの圧力が第２目標圧力になるようにインジェクタの稼働を制御して、アノードの圧力が第１目標圧力よりも高くなった後に、目標圧力を第１目標圧力にするため、アノードの圧力が第１目標圧力を下回る頻度が減少する。そのため、アノードの圧力を第１目標圧力になるようにするためにインジェクタが稼働する回数や頻度を減らすことができ、非発電時におけるインジェクタの稼働による騒音や振動を抑制することができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記アノードから排出されたガスを前記アノードに戻す循環流路と前記循環流路上に設けられたポンプとを備え；前記制御部は、前記非発電状態において、前記アノードから排出されたガスを前記アノードに戻すように前記ポンプを稼働させてもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、燃料電池のアノード全体により水素が行きわたりやすくなるため、アノードにおいて水素が欠乏することをより抑制することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記非発電状態において、前記アノードの圧力を前記第２目標圧力とした後に、前記アノードの圧力を測定することによって前記燃料電池システムにおける水素漏れ検査を行ってもよい。このような形態の燃料電池システムであれば、水素漏れ検査を行う場合において、インジェクタの稼働による騒音や振動を抑制することができる。
本発明は、上述した燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法や、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を説明するための図である。 制御部によって実行される水素供給処理のフローチャートである。 水素供給処理における燃料電池システム状態の一例を説明するための図である。 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を説明するための図である。 制御部によって実行される水素供給処理のフローチャートである。 第２実施形態の水素供給処理における燃料電池システムの状態の一例を説明するための図である。 第３実施形態の水素供給処理のフローチャートである。
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を説明するための図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、冷却系７０と、を備える。
燃料電池スタック１００は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１１が積層されて構成されている。
各燃料電池１１は、膜電極接合体５と、膜電極接合体５を狭持して反応ガスや冷媒の流路を形成するとともに、集電板としても機能する板状基材である２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。膜電極接合体５は、電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極２、３とを有している。電解質膜１は、湿潤状態の時に良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。燃料電池１１の空気が供給される電極は、カソード（空気極）と呼ばれ、水素が供給される電極は、アノード（燃料極）と呼ばれる。燃料電池１１内において発電が行われると、水素と酸素の電気化学反応によってカソード側に水が生成される。
制御部２０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されている。制御部２０は、非発電状態においてインジェクタ５５の音と振動の少なくとも一方を低減しつつ水素の供給を行うための水素供給処理を行う。制御部２０のＲＯＭには、水素供給処理において用いられる第１目標圧力Ｐ１と、第２目標圧力Ｐ２と、第２目標圧力Ｐ２の設定時間ｔＰ２と、が記憶されている。水素供給処理の詳細は後述する。また、制御部２０は、燃料電池スタック１００におけるアノードの圧力の目標値である目標圧力を設定して、アノードの圧力が目標圧力になるように、インジェクタ５５の稼働を制御する。具体的には、制御部２０は、アノードの圧力を第１目標圧力Ｐ１よりも高い圧力である第２目標圧力Ｐ２に設定して、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２になるようにインジェクタ５５の稼働を制御する。そして、制御部２０は、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１よりも高くなった後に、目標圧力を第１目標圧力Ｐ１に設定して、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１になるようにインジェクタ５５の稼働を制御する。さらに、制御部２０は、カソードガス供給系３０、カソードガス排出系４０、アノードガス供給系５０、アノードガス排出系６０、冷却系７０を制御して、燃料電池スタック１００に発電させる。
カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１００のカソード側の供給用マニホールドに接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１００と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池スタック１００に供給する。
エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池スタック１００に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック１００との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池スタック１００のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管である。カソード排ガスは、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１０の外部へと排出される。調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池スタック１００のカソード側の背圧）を調整する。
アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１００のアノード側の供給用マニホールドと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池スタック１００に供給する。
開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、圧力計測部５６とは、この順序で、上流側である水素タンク５２側から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。インジェクタ５５は、電磁駆動式の開閉弁である。圧力計測部５６は、インジェクタ５５の下流側における圧力を計測し、制御部２０に送信する。本実施形態では、制御部２０は、インジェクタ５５の下流側における圧力を、燃料電池スタック１００のアノードの圧力として取得する。
アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、開閉弁６６とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池スタック１００のアノード側の排出用マニホールドに接続された配管である。燃料電池スタック１００の発電に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスは、アノード排ガス配管６１を介して、燃料電池システム１０の外部へと排出される。開閉弁６６は、アノード排ガス配管６１に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。
冷却系７０は、冷却配管７１と、冷却水ポンプ７３と、ラジエータ７４と、を備える。冷却水は、冷却水ポンプ７３によって、冷却配管７１を流れ、燃料電池スタック１００内を循環して燃料電池スタック１００を冷却した後、ラジエータ７４によって冷却され、再度、燃料電池スタック１００に供給される。
なお、図示や詳細な説明は省略するが、車両に搭載された燃料電池システム１０は、さらに、二次電池と、燃料電池スタック１００の出力電圧や二次電池の充放電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。二次電池は、燃料電池スタック１００が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池スタック１００とともに電力源として機能する。
Ａ２．水素供給処理：
次に、燃料電池システム１０において実行される水素供給処理について説明する。この処理は、燃料電池システム１０の始動後であって燃料電池１１の発電前である非発電状態において実行される。
水素供給処理は、燃料電池システム１０の始動後、燃料電池スタック１００の発電時に水素がアノード全体に供給されるまでの時間を省略するために、予めアノードガス供給系５０から燃料電池スタック１００へ水素を供給する処理である。このとき、燃料電池システム１０の搭載される車両は、「車両始動の待機状態」となる。「車両始動の待機状態」とは、燃料電池システム１０の搭載される車両が、例えば、ユーザのアクセルペダルの踏み込みにより始動可能な状態をいう。「車両始動の待機状態」は、ユーザがアクセルペダルを踏むことにより解除され、燃料電池スタック１００の発電が始動される。
図２は、制御部２０によって実行される水素供給処理のフローチャートである。水素供給処理が開始されると、制御部２０は、制御部２０のＲＯＭに予め記憶された第２目標圧力Ｐ２を読み出して、燃料電池スタック１００のアノードの目標圧力を、第１目標圧力Ｐ１よりも高い圧力である第２目標圧力Ｐ２に設定する（ステップＳ１００）。第１目標圧力Ｐ１は、燃料電池スタック１００のアノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力である。本実施形態では、第１目標圧力Ｐ１は、燃料電池スタック１００のアノードにおいて部分的に水素が欠乏することを防ぐために必要な最小圧力と、圧力計測部５６の計測誤差と、を加算した圧力である。第２目標圧力Ｐ２は、車両始動の待機状態が解除されるまでに、燃料電池スタック１００のアノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回ることを抑制するために設定される圧力である。第２目標圧力Ｐ２は、例えば、車両始動の待機状態が解除されるまでの通常の時間と、燃料電池スタック１００のクロスオーバーによる水素の減少量と、第１目標圧力Ｐ１と、の関係を実験により算出し、算出した値に圧力計測部５６の計測誤差を加算することで、求めることができる。
次に、制御部２０は、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２になるように、インジェクタ５５の稼動を制御する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部２０は、圧力計測部５６から取得した燃料電池スタック１００のアノードの圧力と、第２目標圧力Ｐ２と、の差圧を計算し、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するように、インジェクタ５５を稼動してインジェクタ５５の弁を開き、差圧分のアノードガスを供給した後、インジェクタ５５の弁を閉じる。ステップＳ１０２が行われることにより、アノードの圧力は、第１目標圧力Ｐ１よりも高い第２目標圧力Ｐ２まで高くなる。
ステップＳ１０２が行われることによりアノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１よりも高くなった後、制御部２０は、制御部２０のＲＯＭに予め記憶された第１目標圧力Ｐ１を読み出して、燃料電池スタック１００のアノードの目標圧力を、第１目標圧力Ｐ１に設定する（ステップＳ１０８）。
なお、本実施形態では、制御部２０は、ステップＳ１０２において、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼動し、ステップＳ１０８においてアノードの圧力を第１目標圧力Ｐ１に設定するまでに、以下の制御を実行する。
アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼動すると（ステップＳ１０２）、制御部２０は、目標圧力を第２目標圧力Ｐ２に設定してからの経過時間が、予め定めた設定時間ｔＰ２を経過したか否かを判断する（ステップＳ１０４）。この予め定めた設定時間ｔＰ２のことを、以下単に「設定時間ｔＰ２」ともいう。設定時間ｔＰ２は、例えば、数秒である。設定時間ｔＰ２は、例えば、カソードガス供給系３０など、燃料電池システム１０の他の系の始動に要する時間などに応じて、適宜定めておくことができる。なお、本実施形態では、設定時間ｔＰ２が経過すると、カソードガス供給系３０はカソードガスを燃料電池スタック１００に十分に供給可能となり、遅滞なく発電可能な状態になる。
設定時間ｔＰ２が経過していない場合には（ステップＳ１０４：ＮＯ）、制御部２０は、圧力計測部５６から燃料電池スタック１００のアノードの圧力を取得して、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２を下回ったか否かを判断する（ステップＳ１０６）。アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２を下回った場合には（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、制御部２０は、ステップＳ１０２に戻り、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼動させて、圧力計測部５６から取得した燃料電池スタック１００のアノードの圧力と、第２目標圧力Ｐ２と、の差圧分のアノードガスを供給する。
設定時間ｔＰ２が経過しておらず（ステップＳ１０４：ＮＯ）、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２を下回っていない場合には（ステップＳ１０６：ＮＯ）、制御部２０は、設定時間ｔＰ２が経過したか否かを再び判断する（ステップＳ１０４）。設定時間ｔＰ２が経過した場合には（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、制御部２０は、アノードの圧力を第１目標圧力Ｐ１に設定する（ステップＳ１０８）。
以上のようにして第１目標圧力Ｐ１が設定されると（ステップＳ１０８）、制御部２０は、車両始動の待機状態が解除されたか否かを判断する（ステップＳ１１０）。車両始動の待機状態が解除されていない場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部２０は、圧力計測部５６から燃料電池スタック１００のアノードの圧力を取得して、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回ったか否かを判断する（ステップＳ１１２）。ここで、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回った場合には（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、制御部２０は、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１に達するように、インジェクタ５５を稼動させて、圧力計測部５６から取得した燃料電池スタック１００のアノードの圧力と、第１目標圧力Ｐ１と、の差圧分のアノードガスを供給する（ステップＳ１１４）。
一方、車両始動の待機状態が解除されておらず（ステップＳ１１０：ＮＯ）、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回っていない場合には（ステップＳ１１２：ＮＯ）、制御部２０は、ステップＳ１１０に戻り、車両始動の待機状態が解除されたか否かを再び判断する。
制御部２０は、車両始動の待機状態が解除されると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、水素供給処理を終了し、目標圧力を燃料電池スタック１００の発電に必要な圧力へと変更する。制御部２０は、また、燃料電池スタック１００を発電させるために、エアコンプレッサ３２や、冷却水ポンプ７３を回転させる。
図３は、水素供給処理における燃料電池システム１０の状態の一例を説明するための図である。図３には、燃料電池システム１０の運転モードと、アノードの圧力である水素圧力と、インジェクタ５５の弁の開閉状態と、エアコンプレッサ３２の回転数と、冷却水ポンプ７３の回転数と、がそれぞれ横軸に時間をとって示されている。なお、図３に示す水素圧力には、目標圧力が破線で示されており、圧力の測定値が実線で示されている。
燃料電池システム１０と接続されるバッテリなどの高電圧系の立ち上げが完了すると（時間ｔ１）、図３に示すように、燃料電池システム１０の運転モードは停止モードであるモード０から始動モードであるモード１へと切り替わる。このとき、燃料電池スタック１００は非発電状態であるため、エアコンプレッサ３２や、冷却水ポンプ７３は、回転していない。
時間ｔ１に至ると、制御部２０によりアノードの圧力は第２目標圧力Ｐ２に設定され（図２、ステップＳ１００）、第２目標圧力Ｐ２に達するように、インジェクタ５５が稼働される（図２、ステップＳ１０２）。水素圧力の測定値は、第２目標圧力Ｐ２に達する。
設定時間ｔＰ２が経過すると（時間ｔ２、図２、ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、図３に示すように、目標圧力は第１目標圧力Ｐ１に設定される（図２、ステップＳ１０８）。図３に示す例では、車両始動の待機状態が解除されるまでに、水素圧力の測定値が第１目標圧力Ｐ１を下回っていない。そのため、インジェクタ５５は、車両始動の待機中において、水素圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するようにするために、一度稼働するのみである。
車両始動の待機状態が解除されると（時間ｔ３）、エアコンプレッサ３２や冷却水ポンプ７３の回転が始まり、発電に必要な水素を供給するために、インジェクタ５５が稼動される。
Ａ３．効果：
一般的に、燃料電池システム１０の非発電状態においては、エアコンプレッサ３２や冷却水ポンプ７３が回転していない。そのため、非発電状態においてインジェクタ５５が稼動されると、発電が行われている状態に比べてエアコンプレッサ３２や冷却水ポンプ７３の稼動音がないため、インジェクタ５５の稼働の頻度によっては、例えば燃料電池システム１０の搭載された車両の利用者に、不快感を与えるおそれがある。しかし、以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１００の非発電状態において、アノードの目標圧力を、第１目標圧力Ｐ１よりも高い圧力である第２目標圧力Ｐ２に設定して、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２になるようにインジェクタ５５の稼動を制御して、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１よりも高くなった後に、第１目標圧力Ｐ１に設定して、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１になるようにインジェクタ５５の稼動を制御する。そのため、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回る頻度を減少させることができる。従って、アノードの圧力を目標圧力にするために、インジェクタ５５が稼働する回数を減らすことができるので、インジェクタ５５の稼働による騒音や振動の少なくとも一方を抑制することができる。
さらに、第１目標圧力Ｐ１は、燃料電池スタック１００のアノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力のうち最小の圧力であるため、アノードにおいて水素が部分的に欠乏することに起因する燃料電池スタック１００の劣化を抑制することができる。
また、燃料電池スタック１００の非発電状態においてアノードに水素が供給されるため、燃料電池スタック１００の発電時に、燃料電池スタック１００へ水素が到達するまでの時間を省略できる。そのため、燃料電池スタック１００の発電開始に要する時間を短縮することができる。
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．システム構成：
第１実施形態における燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の始動後であって燃料電池スタック１００の発電前における非発電状態において、インジェクタ５５の稼動による騒音や振動を抑制しつつ、アノードにおいて水素が欠乏することに起因する燃料電池スタック１００の劣化を抑制することが可能であった。これに対し、第２実施形態では、アノードから排出されるガスであるアノード排ガスを燃料電池スタック１００に循環させるアノードガス循環系８０を備えることで、アノードにおいて水素が欠乏することに起因する燃料電池スタック１００の劣化を、より抑制可能な燃料電池システム１０ａについて説明する。
図４は、第２実施形態の燃料電池システム１０ａの概略構成を説明するための図である。本実施形態の燃料電池システム１０ａは、燃料電池スタック１００と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、冷却系７０と、アノードガス循環系８０と、を備える。
アノードガス循環系８０は、アノードガス循環配管８１と、アノードガス循環配管８１上に設けられた水素ポンプ８２と、を主に備える。制御部２０はアノードガス循環系８０を制御して、燃料電池スタック１００のアノードにおいて発電反応に用いられることのなかった未反応ガスである水素や窒素などを含むアノードから排出されるガスを、水素ポンプ８２を稼働させ、アノードガス循環配管８１を介して、燃料電池スタック１００のアノードに循環させる。また、制御部２０は、非発電状態において、アノードから排出されたガスをアノードに戻すように水素ポンプ８２を稼動させる。アノードガス循環配管８１のことを、「循環流路」とも呼ぶ。なお、アノードガス循環系８０の構成以外は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様の構成であるため、第２実施形態における燃料電池システム１０ａのその他の構成については、説明を省略する。
Ｂ２．水素供給処理：
図５は、制御部２０によって実行される水素供給処理のフローチャートである。上述の第１実施形態では、制御部２０は、第２目標圧力Ｐ２を設定し（図２、ステップＳ１００）、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼働させた（図２、ステップＳ１０２）。これに対し、第２実施形態では、制御部２０は、第２目標圧力Ｐ２と、第２回転数Ｒ２とを設定し（図５、ステップＳ２００）、その後、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼働させるのに加えて、第２回転数Ｒ２で水素ポンプ８２を回転させる（図５、ステップＳ２０２）。さらに、上述の第１実施形態では、制御部２０は、時間ｔＰ２が経過すると、目標圧力を第１目標圧力Ｐ１に設定した（図２、ステップＳ１０８）。これに対し、第２実施形態では、時間ｔＰ２が経過すると、制御部２０は、第１目標圧力Ｐ１と、第１回転数Ｒ１を設定して（図５、ステップ２０８）、第１回転数Ｒ１で水素ポンプを回転させる（図５、ステップＳ２０９）。第２実施形態におけるその他の水素供給処理は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
本実施形態において、第２回転数Ｒ２は、水素供給処理の開始時において燃料電池スタック１００のアノードに空気が存在した場合に、その状態を解消してアノードに水素を行きわたらせるために十分な回転数である。第１回転数Ｒ１は、水素ポンプ８２の取り得る回転数のうち最小の回転数である。なお、制御部２０は、水素供給処理の開始時から、水素ポンプ８２を第１回転数Ｒ１で回転させてもよい。
図６は、第２実施形態の水素供給処理における燃料電池システム１０ａの状態の一例を説明するための図である。図６には、燃料電池システム１０ａの運転モードと、水素圧力と、インジェクタ５５の開閉状態と、エアコンプレッサ３２の回転数と、冷却水ポンプ７３の回転数と、水素ポンプ８２の回転数とがそれぞれ横軸に時間をとって示されている。なお、図６に示す水素ポンプ８２の回転数には、目標回転数が破線で示されており、回転数の測定値が実線で示されている。本実施形態でも、時間ｔ１に至ると、アノードの圧力を第２目標圧力Ｐ２に設定し（図５、ステップＳ２００）、第２目標圧力Ｐ２に達するようにするために、制御部２０はインジェクタ５５を稼働させる（図５、ステップＳ２０２）。水素圧力の測定値は、第２目標圧力Ｐ２に達する。このとき、制御部２０は、水素ポンプ８２を、第２回転数Ｒ２で回転させる（図５、ステップＳ２０２）。
設定時間ｔＰ２が経過すると（時間ｔ２、図５、ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、図６に示すように、制御部２０は、目標圧力を第１目標圧力Ｐ１に設定し、水素ポンプ８２の回転数を第１回転数Ｒ１に設定して（図５、ステップＳ２０８）、水素ポンプ８２を第１回転数Ｒ１で回転させる。図６に示す例では、車両始動の待機状態が解除されるまでに、水素圧力の測定値が、第１目標圧力Ｐ１を下回っていない。そのため、図６に示す例では、車両始動の待機中において、インジェクタ５５は、一度稼働するのみである。また、水素ポンプ８２は、第２回転数Ｒ２で回転した後、水素ポンプ８２の最小回転数である第１回転数Ｒ１で回転する。そして、車両始動の待機状態が解除されると（時間ｔ３）、エアコンプレッサ３２や冷却水ポンプ７３の回転が始まり、発電に必要な圧力を供給するために、インジェクタ５５が稼働される。
Ｂ３．効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０ａでは、燃料電池の非発電状態において、アノードの圧力を第２目標圧力Ｐ２に設定した後に、第２目標圧力Ｐ２よりも低い第１目標圧力Ｐ１に設定する。また、第１目標圧力Ｐ１は、アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力のうち最小の圧力である。そのため、燃料電池システム１０ａは、第１実施形態と同様の効果を奏する。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１０ａでは、制御部２０は水素ポンプ８２を回転させるので、水素はアノード全体により行きわたりやすくなる。そのため、アノードにおいて水素が部分的に欠乏することに起因する燃料電池スタック１００の劣化をより抑制することができる。加えて、第１回転数Ｒ１は、アノードにおいて水素が部分的に欠乏することを抑制することが可能な回転数のうち最小の回転数である。そのため、非発電状態において水素ポンプ８２が稼働していても、水素ポンプ８２が稼働することによる騒音や振動を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０ａでは、圧力が第２目標圧力Ｐ２に設定されると、水素ポンプ８２は、第１回転数Ｒ１よりも多い回転数である第２回転数Ｒ２で回転する。そのため、燃料電池システム１０ａの始動時に燃料電池スタック１００のアノードに空気が存在する場合であっても、水素をアノード全体により早くいきわたらせることができるので、アノードにおいて水素が部分的に欠乏することを、効果的に抑制することができる。
Ｃ．第３実施形態：
Ｃ１．システム構成：
第１実施形態及び第２実施形態における燃料電池システム１０、１０ａは、燃料電池１１の発電開始時に燃料電池スタック１００へ水素が到達するまでの時間を省略するために、非発電状態において燃料電池スタック１００へ水素を供給しつつ、インジェクタ５５の稼動による騒音や振動を抑制することができた。これに対し、第３実施形態では、燃料電池スタック１００の非発電状態において、水素漏れ検査を行うために燃料電池スタック１００へ水素を供給しつつ、インジェクタ５５の稼動による騒音や振動を抑制することが可能な燃料電池システムについて説明する。水素漏れ検査は、制御部２０が、非発電状態において、アノードの圧力を第２目標圧力Ｐ２とした後に、アノードの圧力を測定することによって行われる。なお、第３実施形態における燃料電池システムの概略構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
Ｃ２．水素供給処理：
図７は、第３実施形態の水素供給処理のフローチャートである。本実施形態における水素供給処理は、水素漏れ検査と同時に行われる。
水素供給処理が開始されると、制御部２０は、アノードの圧力を第２目標圧力Ｐ２に設定し（ステップＳ３００）、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼動させて、その後、開閉弁５３、６６を閉鎖させる（ステップＳ３０２）。アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達した場合には（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）、制御部２０は、アノードの圧力を第１目標圧力Ｐ１に設定する（ステップＳ３０８）。一方、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達しない場合には（ステップＳ３０４：ＮＯ）、制御部２０は、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するまで待機する。
次に、制御部２０は、アノードの圧力低下が所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。具体的には、制御部２０は、圧力計測部５６が測定したアノードの圧力値を取得して、アノードの圧力の減少量がクロスオーバーによる水素の減少量と、圧力計測部５６の計測誤差と、を加算した値以上であるか否かを判断する。圧力低下が所定値以上である場合には（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、制御部２０は、例えば、警告ランプをオンにするなどの水素漏れ報告を行い（ステップＳ３１１）、水素供給処理を終了する。
一方、圧力低下が所定値未満である場合には（ステップＳ３１０：ＮＯ）、制御部２０は、所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ３１２）。所定時間とは、水素漏れ検査を行うために予め定められた時間であり、例えば、第２目標圧力Ｐ２に到達した後から計測される。所定時間が経過していない場合には（ステップＳ３１２：ＮＯ）、制御部２０は、ステップＳ３１０に戻り、圧力低下が所定値以上か否かを再び判断する。
所定時間が経過した後は（ステップＳ３１２：ＹＥＳ）、制御部２０は、開閉弁５３、６６を開け、第１実施形態のステップＳ１１０からステップＳ１１４と同様の処理を行う（ステップＳ３１４−ステップＳ３１８）。すなわち、制御部２０は、車両始動の待機状態が解除されたか否かを判断し（ステップＳ３１４）、待機状態が解除されない場合は（ステップＳ３１４：ＮＯ）、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回ったか否かを判断する（ステップＳ３１６）。そして、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回った場合には（ステップＳ３１６：ＹＥＳ）、第１目標圧力Ｐ１に達するようにインジェクタ５５を稼働させる（ステップＳ３１８）。車両始動の待機状態が解除された場合には（ステップＳ３１４：ＹＥＳ）、制御部２０は水素供給処理を終了する。
Ｃ３．効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給処理と同時に行われる水素漏れ検査において、アノードの圧力を第２目標圧力Ｐ２に設定した後に、第２目標圧力Ｐ２よりも低い第１目標圧力Ｐ１に設定する。また、第１目標圧力Ｐ１は、アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力のうち最小の圧力である。そのため、燃料電池システムは、水素供給処理と同時に水素漏れ検査を行う場合においても、上述の第１実施形態と同様の効果を奏する。
Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
上述の種々の実施形態では、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回ると（図２、ステップＳ１１２：ＹＥＳ、図５、ステップＳ２１２：ＹＥＳ、図７、ステップＳ３１６：ＹＥＳ）、制御部２０は、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１に達するようにインジェクタ５５を稼働させる（図２、ステップＳ１１４、図５、ステップＳ２１４、図７、ステップＳ３１８）。これに対し、制御部２０は、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回った場合には、アノードの圧力を第１目標圧力Ｐ１よりも高い圧力、例えば、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼動させてもよい。こうすることで、第１目標圧力Ｐ１に達するようにインジェクタ５５を稼動させる場合よりも、アノードの圧力が高くなるので、アノードの圧力が第１目標圧力Ｐ１を下回るまでの時間を長くすることができる。そのため、水素供給処理において、インジェクタ５５の稼動頻度をより減らすことができ、燃料電池システム１０、１０ａにおける騒音や振動をより抑制することができる。
Ｄ２．変形例２：
上述の第１実施形態及び第２実施形態では、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２を下回ると（図２、ステップＳ１０６：ＹＥＳ、図５、ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、制御部２０は、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼働させる（図２、ステップＳ１０２、図５、ステップＳ２０２）。これに対し、制御部２０は、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に対して所定の割合を下回った場合に、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼働させてもよい。例えば、制御部２０は、アノードの圧力が、第２目標圧力Ｐ２の値から１０％下回った場合に、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタ５５を稼働させてもよい。
Ｄ３．変形例３：
上述の第１実施形態及び第２実施形態では、制御部２０は、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタを稼働させる（図２、ステップＳ１０２、図５、ステップＳ２０２）。これに対し、アノードの圧力は、インジェクタ５５の稼働する頻度が低減するように、第１目標圧力Ｐ１よりも高くなればよく、第２目標圧力Ｐ２に達しなくともよい。
Ｄ４．変形例４：
上述の第１実施形態では、制御部２０は、設定時間ｔＰ２が経過したか否かを判断し（図２、ステップＳ１０４）、設定時間ｔＰ２を経過していない場合には（図２、ステップＳ１０４：ＮＯ）、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２を下回ったか否かを判断する（図２、ステップＳ１０６）。これに対し、ステップＳ１０４からステップＳ１０６は、省略されてもよい。
Ｄ５．変形例５：
上述の第２実施形態では、制御部２０は、設定時間ｔＰ２が経過したか否かを判断し（図５、ステップＳ２０４）、設定時間ｔＰ２を経過していない場合には（図５、ステップＳ２０４：ＮＯ）、アノードの圧力が第２目標圧力Ｐ２を下回ったか否かを判断する（図５、ステップＳ２０６）。これに対し、ステップＳ２０４からステップＳ２０６は、省略されてもよい。
Ｄ６．変形例６：
上述の種々の実施形態では、制御部２０は、インジェクタ５５の下流側における圧力を、燃料電池スタック１００のアノードの圧力として取得している。これに対し、燃料電池スタック１００に圧力センサを備えることとし、制御部２０は、センサによって取得された圧力を燃料電池スタック１００のアノードの圧力として取得してもよい。また、例えばアノードガス配管５１から最も離れた箇所の燃料電池１１に圧力センサを備えることとし、制御部２０は、センサによって取得された圧力を、燃料電池スタック１００のアノードの圧力として取得してもよい。また、燃料電池１１の電流値を計測するセンサを備えることとし、制御部２０は、燃料電池１１の電流値を取得して、予め実験により求められた電流値とアノードの圧力との関係に基づいて、取得した電流値からアノードの圧力を算出してもよい。
Ｄ７．変形例７：
上述の種々の実施形態では、制御部２０は、取得したアノードの圧力に基づいて、アノードガスを供給している。これに対し、燃料電池システム１０、１０ａにおいてアノードガス中の水素分圧や、水素濃度を測定可能なセンサを備えることとし、制御部２０は、アノードガス中の水素分圧や水素濃度を取得してもよい。制御部２０は、取得した水素分圧や水素濃度に基づいて、アノードガスを供給してもよい。
Ｄ８．変形例８：
上述の種々の実施形態では、第１目標圧力Ｐ１、第２目標圧力Ｐ２は、制御部２０のＲＯＭに記憶されている。これに対し、制御部２０は、取得されるアノードの圧力と、アノードの水素欠を防ぐための圧力と、の関係を定めた計算式やマップをＲＯＭに記憶しておき、計算式やマップに基づいて目標圧力を設定してもよい。
Ｄ９．変形例９：
上述の第３実施形態では、燃料電池システムは、第１実施形態と同様に燃料電池スタック１００と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、冷却系７０と、を備えている。これに対し、第３実施形態における燃料電池システムは、第２実施形態と同様に、アノード排ガスを燃料電池スタック１００に循環させるアノードガス循環系８０を備えていてもよい。そして、第２実施形態と同様に、水素漏れ検査において、第１目標圧力Ｐ１を設定して、第１回転数Ｒ１で水素ポンプを回転させてもよい。さらに、第２目標圧力Ｐ２と、第２回転数Ｒ２とを設定し、その後、第２目標圧力Ｐ２に達するようにインジェクタを稼働させるのに加えて、第２回転数Ｒ２で水素ポンプを回転させてもよい。こうすることで、水素漏れ検査を行う場合であっても、第２実施形態と同様の効果を奏する。
１…電解質膜
２、３…電極
５…膜電極接合体
１０、１０ａ…燃料電池システム
１１…燃料電池
２０…制御部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…インジェクタ
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
７０…冷却系
７１…冷却配管
７３…冷却水ポンプ
７４…ラジエータ
８０…アノードガス循環系
８１…アノードガス循環配管
８２…水素ポンプ
１００…燃料電池スタック
Ｐ１…第１目標圧力
Ｐ２…第２目標圧力
Ｒ１…第１回転数
Ｒ２…第２回転数
ｔＰ２…設定時間

Claims (3)

  1. 燃料電池システムであって、
    電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する燃料電池を複数備えた燃料電池スタックと、
    前記アノードに水素を供給するインジェクタと、
    前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス供給系と、
    前記カソードガス供給系と、前記インジェクタと、を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの始動後であって前記燃料電池の発電前における非発電状態において、前記アノードの目標圧力を、第１目標圧力よりも高い圧力である第２目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第２目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御して、前記アノードの圧力が前記第１目標圧力よりも高くなった後であって、前記第２目標圧力に設定してから予め定められた時間が経過した際に、前記目標圧力を前記第１目標圧力に設定して、前記アノードの圧力が前記第１目標圧力になるように前記インジェクタの稼働を制御し、
    前記第１目標圧力は前記燃料電池スタックの前記アノード全体に水素を行きわたらせるために定められた圧力であり、
    前記予め定められた時間は、前記カソードへカソードガスの供給を開始するために要する時間である、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記アノードから排出されたガスを前記アノードに戻す循環流路と前記循環流路上に設けられたポンプとを備え、
    前記制御部は、前記非発電状態において、前記アノードから排出されたガスを前記アノードに戻すように前記ポンプを稼働させる、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記非発電状態において、前記アノードの圧力を前記第２目標圧力とした後に、前記アノードの圧力を測定することによって水素漏れ検査を行う、
    燃料電池システム。
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