JPWO2013137275A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、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、燃料電池に電気的に接続され、燃料電池への発電要求量に基づいて燃料電池の出力を制御する電力制御器と、制御弁よりも下流のアノードガスの圧力を燃料電池への発電要求量に応じて大きくすると共に、周期的に増減圧させる脈動運転制御部と、燃料電池への発電要求量が低下する際に、電力制御器によって設定される燃料電池の出力を制限する出力制限部と、を備える。

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、アノードガス非循環型の燃料電池システムであり、アノードガスの圧力を増減させる脈動運転を実施することで、燃料電池内の発電領域で生じる不純物を下流のバッファタンクに押し込み、発電領域の水素濃度低下を抑制している。

脈動運転を実施する燃料電池システムでは、燃料電池への発電要求量が低下したときに、アノードガスの圧力が高い状態から、発電要求量の低下に応じた低い目標圧力へと変更される。このときの圧力降下速度は、消費電力に応じた速度となるが、圧力降下速度が速いと、燃料電池内の発電領域で生じる不純物を下流のバッファタンクに十分押し込むことができず、発電領域の水素濃度低下を抑制しきれないことがわかった。

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、燃料電池への発電要求量が低下したときの圧力降下速度を遅くして、確実に発電領域の水素濃度低下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すると共に、電力制御器の制御に応じ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の圧力を制御する制御弁と、燃料電池に電気的に接続され、燃料電池への発電要求量に基づいて燃料電池の出力を制御する電力制御器と、制御弁よりも下流のアノードガスの圧力を燃料電池への発電要求量に応じて大きくすると共に、周期的に増減圧させる脈動運転制御部と、燃料電池への発電要求量が低下する際に、電力制御器によって設定される燃料電池の出力を制限する出力制限部と、
を備える。

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１Ａは、本発明の一実施形態による燃料電池の概略斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａの燃料電池のＩＢ−ＩＢ断面図である。 図２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図である。 図３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４は、下げ過渡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、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、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、アノード圧降下量に基づいて、燃料電池スタックの出力電流上限値を算出するテーブルである。

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）とによって挟み、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）（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１Ａ及び図１Ｂ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１Ａは、燃料電池１０の概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池１０のＩＢ−ＩＢ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２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、電力系４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック２は、数百枚の燃料電池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、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック２は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子２１と、カソード電極側出力端子２２と、を備える。

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２３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５４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２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２４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へと透過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５４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、バッファタンク内のアノードガス濃度が所望の濃度となるように調節する。バッファタンク内のアノードガス濃度が低すぎると、電極反応に使用されるアノードガスが不足するので、発電効率が低下する。一方で、バッファタンク内のアノードガス濃度が高すぎると、パージ通路３７を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。したがって、バッファタンク内のアノードガス濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３８の開度を大きくするほどバッファタンク３６内の不活性ガスの濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。

電力系４は、電流センサ４１と、電圧センサ４２と、駆動モータ４３と、インバータ４４と、バッテリ４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備える。

電流センサ４１は、燃料電池スタック２から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。

駆動モータ４３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ４３は、燃料電池スタック２及びバッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

インバータ４４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４４の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４４は、駆動モータ４３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック２の発電電力とバッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ４３に供給する。一方で、駆動モータ４３を発電機として機能させるときは、駆動モータ４３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４５に供給する。

バッテリ４５は、充放電可能な二次電池である。バッテリ４５は、燃料電池スタック２の出力電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び駆動モータ４３の回生電力を充電する。バッテリ４５に充電された電力は、必要に応じて各種の補機類（例えば燃料電池スタック２にカソードガスを圧送するコンプレッサ）及び駆動モータ４３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃料電池スタック２の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック２の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック２の出力電流、ひいては出力電力が制御される。

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、前述した圧力センサ３４や電流センサ４１、電圧センサ４２の他にも、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５１、バッテリ４５の充電量を検出するＳＯＣセンサ５２などの燃料電池システム１を制御するために必要な各種センサから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制御を行うとともに、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調節するパージ制御を行う。

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３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３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３（Ａ）に示すように、コントローラ５は、燃料電池スタック２の目標出力電力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る。つまり、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。

時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、アノード圧が目標上限値となるように調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。これにより、図３（Ａ）に示すように、アノード圧が下限値から上限値に向けて上昇する。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、図３（Ｂ）に示すように、アノード圧が下限値となるように調圧弁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２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。

このような脈動運転を行う場合、燃料電池スタック２の目標出力電力が低下した後の下げ過渡運転時において、以下のような問題が生じることが分かった。

図４は、下げ過渡運転時における脈動運転について説明する図である。

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の目標出力電力が低下すると、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値が新たに設定される。そして、新たに設定された下限値までアノード圧を低下させるために、調圧弁３３が全閉にされる。

ここで図４に示すように、下げ過渡運転時は、定常運転時と比べてアノード圧の降下量が大きくなる。

前述したように、脈動運転では、調圧弁３３を全閉にして燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止し、アノードガス流路１２１のアノードガスを消費させることで、アノード圧を低下させる。アノード圧を低下させている最中も、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと不活性ガスが透過してくる。したがって、アノード圧の降下量が大きくなる下げ過渡運転時は、アノードガス流路１２１のアノードガス濃度の低下量も定常運転時よりも大きくなる。

このとき、アノードガス流路１２１におけるアノードガスの消費速度が速いと、即座にアノードガス流路１２１内とバッファタンク内の圧力差が大きくなって、バッファタンク３６内から多くのアノードオフガスがアノードガス流路１２１内に逆流する。また、アノードガス流路１２１におけるアノードガスの消費速度が速いと、アノード圧の降下速度も速くなるので、アノード圧の降下中におけるパージ制御の実施時間も短くなる。そのため、相対的にアノードガス濃度の低いアノードオフガスがバッファタンク３６内から逆流してくる。

つまり、下げ過渡運転時のアノードガス流路１２１におけるアノードガスの消費速度が速いと、アノードガスの消費によってアノードガス濃度が低下した部分に、さらにアノードガス濃度が相対的に低いアノードオフガスが逆流してくる。そのため、アノードオフガスが逆流してくるアノードガス流路下流域のアノードガス濃度が特に低くなって電極反応が阻害され、燃料電池１０を劣化させるおそれがある。

そこで本実施形態では、下げ過渡運転時には、燃料電池スタック２の発電量を制限することとした。これにより、アノードガス流路１２１におけるアノードガスの消費速度を低下させることができる。その結果、アノード圧の降下中におけるパージ制御の実施時間を長くすることができるので、バッファタンク３６内のアノードオフガスのアノードガス濃度を相対的に高くすることができる。また、パージ制御によってバッファタンク３６内の圧力も低下するので、バッファタンク３６内から逆流するアノードオフガス流量を抑制することができる。その結果、アノードガス流路下流域のアノードガス濃度の低下を抑制でき、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。

ステップＳ１において、コントローラ５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５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５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５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Ｓ８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５は、下げ過渡運転中フラグＦ１が１に設定されているか否かを判定する。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５は、下げ過渡中フラグＦ１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５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５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大きいか否かを判定する。つまり、下げ過渡運転中にアクセルペダルが踏込まれたか否かを判定する。コントローラ５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大きければ、ステップＳ８の処理を行い、そうでなければステップＳ１０の処理を行う。

ステップＳ８において、コントローラ５は、下げ過渡運転中フラグＦ１を０に設定する。

ステップＳ９において、コントローラ５は、前回算出されたアノード圧の基準圧と、今回算出されたアノード圧の基準圧と、の差（以下「アノード圧降下量」という。）を算出し、記憶する。

ステップＳ１０において、コントローラ５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。

ステップＳ６１において、コントローラ５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５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５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５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５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５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Ｓ６７の処理を行う。

ステップＳ６５において、コントローラ５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５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５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５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Ｓ６８において、コントローラ５は、アノード圧減圧中フラグＦ２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Ｓ１０１において、コントローラ５は、下げ過渡中フラグを１に設定する。

ステップＳ１０２において、コントローラ５は、調圧弁３３を全閉とする。

ステップＳ１０３において、コントローラ５は、図８のテーブルを参照し、アノード圧降下量に基づいて、燃料電池スタック２の出力電流の上限値（以下「出力電流上限値」という。）を算出する。

ステップＳ１０４において、燃料電池スタック２の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）に応じて目標出力電力から一義的に定まる目標出力電流が、燃料電池スタック２の出力電流上限値よりも大きいか否かを判定する。コントローラは、目標出力電流が出力電流上限値よりも大きければステップＳ１０５の処理を行う。一方で、目標出力電流が出力電流上限値以下であればステップＳ１０６の処理を行う。

ステップＳ１０５において、コントローラ５は、不足分の電流がバッテリ４５によって補われるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を制御する。

ステップＳ１０６において、コントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を通常通り制御する。すなわち、燃料電池スタック２の余剰電力がバッテリ４５に充電されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６を制御する。

ステップＳ１０７において、コントローラ５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５は、アノード圧が下限値に到達していれば、ステップＳ１０６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Ｓ１０８において、コントローラ５は、下げ過渡運転中フラグＦ１を０に設定する。

以上説明した本実施形態によれば、下げ過渡運転時には、アノード圧降下量が大きくなるほど、燃料電池スタック２の発電量を制限するようにした。すなわち、アノード圧降下量が大きくなるほど、燃料電池スタック２の出力電流上限値が小さくなるようにした。

これにより、下げ過渡運転時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガスの消費速度を抑えて、アノード圧の降下中におけるパージ制御の実施時間を長くすることができる。そのため、バッファタンク３６内のアノードオフガスのアノードガス濃度を相対的に高くすることができる。また、パージ制御によってバッファタンク３６内の圧力も低下するので、バッファタンク３６内から逆流するアノードオフガス流量を抑制することができる。

その結果、アノードガス流路１２１下流域のアノードガス濃度の低下を抑制できるので、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。

また、アノード圧降下量が大きくなるほど、燃料電池スタック２の出力電流上限値が小さくなるようにしたので、アノード圧降下量が少ないときにはバッテリの消費電力を抑えることができ、バッテリの劣化を抑制することができる。

また、不足分の電力をバッテリ４５の電力によって補うこととしたので、燃料電池スタック２の発電量を制限したとしても、目標出力電力を出力することができる。よって、動力性能の悪化を防止できる。

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、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、アノードガスを圧送、循環させるためのポンプを備えないものに適用することもできる。

本願は、２０１２年３月１３日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−５６３６２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。

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５によって制御される。

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５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、バッファタンク内のアノードガス濃度が所望の濃度となるように調節する。バッファタンク内のアノードガス濃度が低すぎると、電極反応に使用されるアノードガスが不足するので、発電効率が低下する。一方で、バッファタンク内のアノードガス濃度が高すぎると、パージ通路３７を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。したがって、バッファタンク内のアノードガス濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に制御される。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３８の開度を大きくするほどバッファタンク３６内の不活性ガスの濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。

電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子２１とカソード電極側出力端子２２の間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。

ステップＳ５において、コントローラ５は、下げ過渡運転中フラグＦ１が１に設定されているか否かを判定する。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５は、下げ過渡運転中フラグＦ１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Ｓ６３において、コントローラ５は、調圧弁３３をステップＳ６２に設定した開度まで開く。

ステップＳ１０１において、コントローラ５は、下げ過渡運転中フラグＦ１を１に設定する。

ステップＳ１０７において、コントローラ５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５は、アノード圧が下限値に到達していれば、ステップＳ１０８の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。

Claims (3)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給すると共に、電力制御器の制御に応じ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の圧力を制御する制御弁と、
   前記燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池への発電要求量に基づいて前記燃料電池の出力を制御する電力制御器と、
   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への発電要求量に応じて大きくすると共に、周期的に増減圧させる脈動運転制御部と、
   前記燃料電池への発電要求量が低下する際に、前記電力制御器によって設定される前記燃料電池の出力を制限する出力制限部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記出力制限部は、
   前記燃料電池の発電要求量の低下量が大きいときほど、前記燃料電池の出力制限量を大きくする、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムは、外部負荷に接続され、前記電力制御器を介して二次電池と接続されると共に、
   前記外部負荷をドライバの要求に基づいて制御する外部負荷制御部を備え、
   前記出力制限部は、
   前記電力制御器を調整して前記燃料電池の出力を制限することで前記外部負荷に対する前記燃料電池の出力不足分を前記二次電池から出力する、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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