JPWO2014091851A1

JPWO2014091851A1 - 燃料電池システム及びその制御方法

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Publication number: JPWO2014091851A1
Application number: JP2014551931A
Authority: JP
Inventors: 英高西村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: WO2014091851A1; JP5967219B2

Abstract

カソード極に供給されるカソードガスと、アノード極に供給されるアノードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池であって、アノード極とセパレーターを介して冷却水が供給される冷却システムを備えた燃料電池システムにおいて、要求発電量に基づいて燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、燃料電池スタック内の冷却水の圧力が脈動圧力の変動範囲外となるように、冷却水の流量及び／又はアノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含む。

Description

この発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。

ＪＰ２００８−２７７２１５Ａの燃料電池システムは、電解質膜を挟んだアノード側及びカソード側の圧力差(差圧)を考慮して、アノードガス及びカソードガスの供給圧力を制御している。

ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体)に供給されるアノードガスと、燃料電池を冷却するための冷却水とは、ＭＥＡに隣接するセパレーターを介して供給される。

現在、脈動システムの開発が進められている。

このようなシステムでは、通常、要求発電に応じて脈動圧力を制御するとともに、湿潤状態や高負荷時などの負荷状態に応じて冷却水流量を制御する。

上記のようにして制御される脈動圧力と冷却水圧力とが重なる圧力になると、アノード側の圧力が冷却水側の圧力より高くなるのと低くなるのとを繰り返す。これによってセパレーターが振動し、音振やセパレーターへの耐久性劣化の可能性があることが発明者らによって知見された。

本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、振動が生じにくい燃料電池システムを提供することである。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、カソード極に供給されるカソードガスと、アノード極に供給されるアノードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池であって、アノード極とセパレーターを介して冷却水が供給される冷却システムを備えた燃料電池システムである。この燃料電池システムは、要求発電量に基づいて燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、を含む。さらに燃料電池システムは、燃料電池スタック内の冷却水の圧力が脈動圧力の変動範囲外となるように、冷却水の流量及び／又はアノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含む。

図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。図２Ａは、ＭＥＡの一例を示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ−２Ｂ断面の一部を拡大した図である。図３は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動下限圧よりも低圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御内容を示す制御ブロック図である。図４は、ポンプ回転補正量を設定するマップの一例を示す図である。図５は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動下限圧よりも低圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御を実行したときのタイミングチャートである。図６は、本発明による燃料電池システムの、冷却水の圧力がアノードガスの脈動上限圧よりも高圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御内容を示す制御ブロック図である。図７は、ポンプ回転補正量を設定するマップの一例を示す図である。図８は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動上限圧よりも高圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御を実行したときのタイミングチャートである。図９は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態の制御内容を示す制御ブロック図である。図１０は、第３実施形態の制御を実行したときのタイミングチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。

最初に図１を参照して、本発明による燃料電池システムの基本構成について説明する。

本発明による燃料電池システムは、アノードガスＨ_２の供給停止が繰り返されて、アノードガスＨ_２が脈動供給される、いわゆるアノードデッドエンドタイプのシステムである。アノードガスＨ_２が供給されると燃料電池スタック内のアノード圧が上昇する。アノードガスＨ_２が停止されて燃料電池スタック内でアノードガスが発電消費されるとアノード圧が下降する。これが繰り返されることで、アノードガスＨ_２の利用効率が向上する。また発電反応を促進すべく、燃料電池スタック１０は、電解質膜が適度な湿潤状態に維持される。このようにするために、燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。

カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスＯ_２が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、ＷＲＤ(Water Recovery Device)２２と、カソード調圧弁２３と、が設けられる。

コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０やＷＲＤ２２よりも上流のカソードライン２０に配置される。コンプレッサー２１は、たとえばモーターによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ_２の流量を調整する。カソードガスＯ_２の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。

ＷＲＤ２２は、燃料電池スタック１０に導入される空気を加湿する。ＷＲＤ２２は、加湿対象となるガスが流れる被加湿部と、加湿源となる水含有ガスが流れる加湿部と、を含む。被加湿部には、コンプレッサー２１によって導入された空気が流れる。加湿部には、燃料電池スタック１０を通流して水を含有しているガスが流れる。

カソード調圧弁２３は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２３は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ_２の圧力を調整する。カソードガスＯ_２の圧力は、カソード調圧弁２３の開度によって調整される。

アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ_２が流れる。アノードライン３０には、Ｈ_２タンク３１と、アノード調圧弁３２と、バッファータンク３３と、パージ弁３４と、が設けられる。

Ｈ_２タンク３１には、アノードガスＨ_２が高圧状態で貯蔵されている。Ｈ_２タンク３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。

アノード調圧弁３２は、Ｈ_２タンク３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、Ｈ_２タンク３１からアノードライン３０に供給するアノードガスＨ_２の圧力を調整する。アノードガスＨ_２の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。上述のように、本発明による燃料電池システムでは、アノードガスＨ_２の供給停止が繰り返される。すなわち、アノード調圧弁３２の開閉が繰り返されることで、アノードガスＨ_２の供給停止が繰り返される。アノードガスＨ_２の供給圧力は、燃料電池に要求される発電量に応じて設定される。すなわち要求発電量が高いほど、アノードガスＨ_２の供給圧力も高くなる。

バッファータンク３３は、燃料電池スタック１０の下流に設けられる。バッファータンク３３は、燃料電池スタック１０から流出したアノードガスＨ_２を蓄える。

パージ弁３４は、バッファータンク３３の下流に設けられる。燃料電池スタックでは、カソード流路に空気(酸素)が供給されるとともに、アノード流路に水素が供給される。この結果、電解質膜で発電反応が生じる。このとき、カソード流路に供給された空気の一部が電解質膜を透過してアノード流路に漏れることがある。この場合、空気中の窒素Ｎ_２は、反応することなく、バッファータンク３３に溜まる。このような窒素Ｎ_２が、燃料電池スタックのアノード流路に逆流しては、水素分圧が下がってしまって、発電反応が阻害される。そこで適時、パージ弁３４が開かれて、アノードガスＨ_２とともに窒素Ｎ_２がパージされる。

アノードガスの圧力は、圧力センサー１３１で検出される。

冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流から分岐し、ラジエーター４１よりも下流に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。

ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。

三方弁４２は、バイパスライン４００の合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。

ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。ウォーターポンプ４３の回転速度が上がれば、冷却水の流量が増すとともに、冷却水の圧力が上昇する。ウォーターポンプ４３の回転速度が下がれば、冷却水の流量が減るとともに、冷却水の圧力が下降する。

また冷却水循環ライン４０の途中には、加圧キャップ４２１が設けられる。冷却水循環ライン４０の冷却水の圧力が第１設定圧よりも高圧になると、加圧キャップ４２１が開弁する。この結果、冷却水循環ライン４０の冷却水がリザーバータンク４２２に逃がされる。また冷却水循環ライン４０の冷却水の圧力が第２設定圧よりも低圧になると、加圧キャップ４２１が開弁する。この結果、リザーバータンク４２２の冷却水が冷却水循環ライン４０に戻される。

冷却水の圧力は、スタック入口圧力センサー１４１及びスタック出口圧力センサー１４２で検出される。冷却水の温度は、温度センサー１４３で検出される。

種々センサーの信号は、コントローラーに送られる。コントローラーは、これらの信号に基づいて、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２３、アノード調圧弁３２、パージ弁３４、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。

このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されることで、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されて、反応ガス(カソードガスＯ_２、アノードガスＨ_２)が供給されて発電する。なお、電解質膜の湿潤度は、インピーダンスから把握できる。すなわち電解質膜の湿潤度が小さいほど(電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど)、インピーダンスは大きくなる。電解質膜の湿潤度が大きいほど(電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど)、インピーダンスは小さくなる。この特性を利用して、たとえば燃料電池スタックの発電電流をたとえば１ｋＨｚの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして１ｋＨｚの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することでインピーダンスを求める。そしてこのインピーダンスに基づいて電解質膜の湿潤度を得ることができる。なおインピーダンスは、このように高周波の交流を用いて求めるので、以下では、適宜、ＨＦＲ(High Frequency Resistance)と称する。

電解質膜の湿潤度を調整するには、たとえば冷却水の流量を調整すればよい。冷却水の流量が上がれば、燃料電池スタックの温度が下がり、燃料電池スタックから排出されるカソードガスＯ_２に含まれる水分が減る。この結果、電解質膜の湿潤度が上がる。冷却水の流量が下がれば、燃料電池スタックの温度が上がり、燃料電池スタックから排出されるカソードガスＯ_２に含まれる水分が増す。この結果、電解質膜の湿潤度が下がる。

次に本発明の理解を容易にすべく、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、一般的な燃料電池システムで起こり得る事象について説明する。

図２Ａは、ＭＥＡの一例を示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ−２Ｂ断面の一部を拡大した図である。図２Ｂ（ａ）は、アノード圧が冷却水圧よりも大きい状態を示す。図２Ｂ(ｂ)は、アノード圧が冷却水圧よりも小さい状態を示す。

図２Ａに示されるように、燃料電池スタック１０を構成するＭＥＡ１００は、電解質膜１１０の両側にガス拡散部１２０が形成されている。ガス拡散部１２０には、エンボスが形成されている。またＭＥＡ１００には、アノード供給口１０１ａと、アノード排出口１０１ｂと、カソード供給口１０２ａと、カソード排出口１０２ｂと、冷却水供給口１０３ａと、冷却水排出口１０３ｂとが設けられている。本実施形態では、カソード供給口１０２ａ、冷却水供給口１０３ａ及びアノード排出口１０１ｂは図中右側に設けられている。またアノード供給口１０１ａ、冷却水排出口１０３ｂ及びカソード排出口１０２ｂは図中左側に設けられている。ＭＥＡ１００が積層されると、これによってマニホールドが形成される。

図２Ｂ(ａ)に示されるように、ＭＥＡ１００の一方の面にアノードセパレーター２００が重ねられ、他方の面にカソードセパレーター３００が重ねられる。このようなアッセンブリーのうち、ＭＥＡ１００とアノードセパレーター２００とで形成される空間がアノード流路である。ＭＥＡ１００とカソードセパレーター３００とで形成される空間がカソード流路である。そして、ひとつのアッセンブリーに別のアッセンブリーが積層されて燃料電池スタック１０が構成される。すなわち、ひとつのアッセンブリーのアノードセパレーター２００の上に、別のアッセンブリーのカソードセパレーター３００が重ねられて燃料電池スタック１０が構成される。なおひとつのアッセンブリーのアノードセパレーター２００と、別のアッセンブリーのカソードセパレーター３００とで形成される空間が冷却水流路である。

各アッセンブリーは、電解質膜１１０の付近では互いに当接しているが、図２Ｂ(ａ)に示されるような電解質膜１１０が無いガス拡散部１２０の付近では、積層時の誤差が吸収できるように、板厚方向で微小な隙間が設けられている。

上述のように、アノードガスＨ_２は、要求発電量に応じた圧力で脈動供給される。また冷却水の流量は、電解質膜の湿潤度に応じて調整される。このように別々のパラメーターに基づいて制御されるので、アノードガスＨ_２の脈動圧と冷却水の圧力と重なる場合がある。アノードガスＨ_２の圧力が上昇して冷却水の圧力よりも大きくなると、図２Ｂ(ａ)に示されるように、アノード流路が広がり冷却水流路が狭まる。アノードガスＨ_２の圧力が下降して冷却水の圧力よりも小さくなると、図２Ｂ(ｂ)に示されるように、アノード流路が狭まり冷却水流路が広がる。これが繰り返されると、冷却水が脈動して燃料電池スタック１０から流出することとなる。すると、冷却水循環ライン４０が脈動してしまい、異音や振動が生じることが発明者らによって知見された。そこで、このような事態が生じないように、アノードガスの脈動圧又は冷却水流量を調整するようにしたのである。以下では、具体的な制御内容について説明する。

図３は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動下限圧よりも低圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御内容を示す制御ブロック図である。

アノードガスの圧力は、ブロックＢ１０１と、ブロックＢ１０２とで制御される。具体的な内容は、以下で説明される。

ブロックＢ１０１は、要求発電量Ｉに基づいてアノードガスＨ_２の脈動圧(脈動上限圧及び脈動下限圧)を設定する。具体的には、ブロックＢ１０１は、たとえば予め設定されているマップに要求発電量Ｉを適用して、アノードガスＨ_２の脈動圧(脈動上限圧及び脈動下限圧)を設定すればよい。なお、脈動上限圧は、アノードガスＨ_２の圧力が脈動しているときの脈動圧力について脈動圧力が変動する変動範囲の上限値である。また脈動下限圧は、脈動圧力の変動範囲の下限値である。

ブロックＢ１０２は、圧力センサー１３１で検出されたアノードガスの実圧力ＰH2をフィードバックして、その実圧力ＰH2が目標値に一致するようにアノード調圧弁３２を制御する。

冷却水の流量は、ブロックＢ２０１と、ブロックＢ２０２と、ブロックＢ２０３と、ブロックＢ２０４と、ブロックＢ２０５とで制御される。具体的な内容は、以下で説明される。

ブロックＢ２０１は、要求発電量Ｉに基づいて目標ＨＦＲを設定する。具体的には、たとえば予め設定されているマップに要求発電量Ｉを適用して、目標ＨＦＲを設定すればよい。

ブロックＢ２０２は、検出された実ＨＦＲをフィードバックして、その実ＨＦＲが目標ＨＦＲに一致するようにウォーターポンプ４３の回転速度を設定する。

ブロックＢ２０３は、ブロックＢ２０２で設定されたウォーターポンプの回転速度と、燃料電池スタックの放熱要求によって設定されるウォーターポンプの回転速度とを比較して、大きい方を、ウォーターポンプ４３の回転速度基本値として出力する。

ブロックＢ２０４は、ブロックＢ１０１で設定されたアノードガスＨ_２の脈動下限圧と、スタック入口圧力センサー１４１で検出された冷却水の実圧とに基づいて、ポンプ回転補正量を設定する。なお、冷却水の圧力は、アノードガスＨ_２の脈動下限圧と比較するときには、スタック入口圧力センサー１４１の検出値を用いる。スタック入口の圧力が最も高く、アノードガスＨ_２の脈動下限圧を上回る可能性が高いからである。また後述の実施形態のように、アノードガスＨ_２の脈動上限圧と比較するときには、スタック出口圧力センサー１４２の検出値を用いる。スタック出口の圧力が最も低く、アノードガスＨ_２の脈動上限圧を下回る可能性が高いからである。

ポンプ回転補正量は、たとえば予め図４のように設定されているマップに、アノードガスＨ_２の脈動下限圧から冷却水実圧を減算した値を適用して設定される。図４に示される例では、アノードガスＨ_２の脈動下限圧から冷却水実圧を減算した値がゼロよりも大きい一定範囲でのみ、一定の補正量(負値)が設定される。

ブロックＢ２０５は、ブロックＢ２０３から出力されたウォーターポンプ４３の回転速度基本値を、ブロックＢ２０４から出力されたポンプ回転補正量で補正して、ウォーターポンプ４３の回転速度を設定する。そして、ウォーターポンプ４３の回転を制御する。

図５は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動下限圧よりも低圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御を実行したときのタイミングチャートである。

時刻ｔ１１までは、要求発電量が低い。この要求発電量に基づいて、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧が設定され、アノードガスが脈動供給される。また冷却水の流量が制御される。このとき、冷却水の圧力は、アノードガスの脈動下限圧を大幅に下回っている。このような場合には、ポンプ回転補正量はゼロであり、ウォーターポンプ４３の回転は補正されない。

時刻ｔ１１で要求発電量が上がる。この結果、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧も上昇する。また燃料電池スタックの発熱量も増えて、湿潤度が乾燥気味になるので、それを抑制すべく、冷却水の流量が上がって冷却水の圧力が上昇する。

そして時刻ｔ１２以降は、冷却水圧が、アノードガスの脈動下限圧を所定量だけ下回るように、ウォーターポンプ４３の回転が制御される。

このように燃料電池スタック１０内において、冷却水の圧力が、脈動圧力よりも低い状態から脈動圧力の下限値に近づく場合にはブロックＢ２０４及びＢ２０５によって、冷却水の実圧がアノードガスの脈動下限圧（脈動圧）よりも低くなるように冷却水の流量が減らされる。

本実施形態によれば、冷却水の圧力が、アノードガスの圧力を常に下回る。そのため、アノードガスが脈動供給されても、常に、図２Ｂ(ａ)に示されるように、アノード流路が広がって冷却水流路が狭まった状態が維持される。そのため、アノードガスが脈動供給されても、冷却水は脈動することなく燃料電池スタック１０から流出する。したがって、冷却水循環ライン４０の脈動に起因する異音や振動を抑制できるのである。

なお本実施形態では、冷却水の流量が小さくなるように補正するので、燃料電池スタックの温度が高めになって、電解質膜の湿潤度が乾燥気味になりやすい。これについては、コンプレッサー２１を制御してカソードガスＯ_２の流量を下げることや、カソード調圧弁２３を制御してカソードガスＯ_２の圧力を上げることで、フォローすることができる。またクーリングファン４１０の回転を増やすことや、三方弁４２を制御することで、冷却水の温度を下げることで対応してもよい。

また本実施形態のように、冷却水の圧力が、アノードガスの圧力を常に下回るように制御しては、燃料電池スタックを冷却しきれないおそれがある。そこでたとえば一時的な急加速のような大きな要求発電量になったときには、冷却水の流量を補正する制御を停止して、燃料電池スタックの冷却を優先してもよい。このような場合は、暗騒音が大きいため、仮に冷却水の脈動による異音や振動が生じても、ドライバーは違和感を受けにくいからである。なお冷却水の流量を補正する制御を停止するための基準発電量は、実験等を通じて適宜設定すればよい。

また同様に、車速が高いときに、冷却水の流量補正の制御を停止して、燃料電池スタックの冷却を優先してもよい。このような場合も、暗騒音が大きいため、仮に冷却水の脈動による異音や振動が生じても、ドライバーは違和感を受けにくいからである。なお補正を停止するための基準車速は、実験等を通じて適宜設定すればよい。

（第２実施形態）
図６は、本発明による燃料電池システムの、冷却水の圧力がアノードガスの脈動上限圧よりも高圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御内容を示す制御ブロック図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

ブロックＢ１０１，ブロックＢ１０２，ブロックＢ２０１，ブロックＢ２０２，ブロックＢ２０３は、第１実施形態と同じであるので、説明を省略する。

ブロックＢ２２４は、ブロックＢ１０１で設定されたアノードガスＨ_２の脈動上限圧と、スタック出口圧力センサー１４２で検出された冷却水の実圧とに基づいて、ポンプ回転補正量を設定する。

ポンプ回転補正量は、たとえば予め、図７のように設定されているマップに、アノードガスＨ_２の脈動上限圧から冷却水実圧を減算した値を適用して設定される。図７に示される例では、アノードガスＨ_２の脈動上限圧から冷却水実圧を減算した値がゼロよりも小さい一定範囲でのみ、一定の補正量(正値)が設定される。

図８は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動上限圧よりも高圧である場合に冷却水の流量を補正するときの制御を実行したときのタイミングチャートである。

時刻ｔ２１までは、要求発電量が低い。この要求発電量に基づいて、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧が設定され、アノードガスが脈動供給される。また冷却水の流量が制御される。このとき、冷却水の圧力は、アノードガスの脈動上限圧を大幅に上回っている。このような場合には、ポンプ回転補正量はゼロであり、ウォーターポンプ４３の回転は補正されない。

時刻ｔ２１で要求発電量が上がる。この結果、アノードガスの脈動上限圧及び脈動下限圧も上昇する。また燃料電池スタックの発熱量も増えて、湿潤度が乾燥気味になるので、それを抑制すべく、冷却水の流量が上がって冷却水の圧力が上昇する。

そして時刻ｔ２２以降は、冷却水圧が、アノードガスの脈動上限圧を所定量だけ上回るように、ウォーターポンプ４３の回転が制御される。

このように燃料電池スタック１０内において冷却水の圧力が、脈動圧力よりも高い状態から脈動圧力の上限値に近づく場合にはブロックＢ２０５及びＢ２２４によって、冷却水の実圧がアノードガスの脈動上限圧（脈動圧）よりも高くなるように冷却水の流量が増やされる。

本実施形態によれば、冷却水の圧力が、アノードガスの圧力を常に上回る。そのため、アノードガスが脈動供給されても、常に、図２Ｂ(ｂ)に示されるように、アノード流路が狭まって冷却水流路が広がった状態が維持される。そのため、アノードガスが脈動供給されても、冷却水は脈動することなく燃料電池スタック１０から流出する。したがって、冷却水循環ライン４０の脈動に起因する異音や振動を抑制できるのである。

なお本実施形態では、冷却水の流量が大きくなるように補正するので、燃料電池スタックの温度が低めになって、電解質膜の湿潤度が湿潤気味になりやすい。これについては、コンプレッサー２１を制御してカソードガスＯ_２の流量を上げることや、カソード調圧弁２３を制御してカソードガスＯ_２の圧力を下げることで、フォローすることができる。またクーリングファン４１０の回転を下げることや、三方弁４２を制御することで、冷却水の温度を上げることで対応してもよい。

（第３実施形態）
図９は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態の制御内容を示す制御ブロック図である。

この第３実施形態は、いわば第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせたものであり、放熱要求に応じて制御を切り換える。

図１０は、第３実施形態の制御を実行したときのタイミングチャートである。

時刻ｔ３１までは、第１実施形態と同様に制御する。

そして、温度センサー１４３で検出している冷却水温が、時刻ｔ３３で基準温度を超える。これを受けて、制御が切り換えられて、冷却水圧が、アノードガスの脈動上限圧を所定量だけ上回るように、ウォーターポンプ４３の回転が制御される。

このように、燃料電池スタック１０内の冷却水の圧力が上昇し、燃料電池スタック１０内のアノードガスの脈動圧力の下限値に近づく場合、冷却水の温度が所定値よりも大きいときには、冷却水の実圧が脈動上限圧よりも高くなるように冷却水の流量が増やされる。

本実施形態によれば、冷却水循環ライン４０の脈動に起因する異音や振動の抑制と、燃料電池スタックの過剰な温度上昇の防止とを両立できる。

また、冷却水の圧力(流量)を無闇に上げるのではなく、冷却水温が上昇して放熱要求が高いときにのみ、冷却水の圧力(流量)を上げるようにした。冷却水の圧力(流量)を上げれば、ウォーターポンプ４３の消費電力が上がって燃費が悪化することが懸念されるが、本実施形態では、そのような事態を最小限にとどめるので、燃費もよい。

第１から第３までの実施形態によれば、燃料電池スタック１０内の冷却水の圧力がアノードガスの脈動圧力の変動範囲外となるように冷却水の流量が増減されるので、燃料電池スタック１０内の冷却水の圧力とアノードガスの脈動圧とが重なることを抑制できる。このため、アノードセパレーター２００の振動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。

たとえば上記実施形態では、冷却水の流量を補正するための補正量を一定量としているが、それには限られない。種々の手法で設定でき、このような場合であっても本発明の技術的範囲に含まれる。

また上記実施形態では、アノードガスＨ_２の脈動圧と冷却水の圧力とが重ならないように、すなわち冷却水の圧力が脈動圧力の変動範囲外となるように冷却水の流量(冷却水の圧力)を調整するようにしたが、アノードガスＨ_２の脈動圧を調整するようにしてもよい。

なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

本願は、２０１２年１２月１４日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−２７３６１９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。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、カソード極に供給されるカソードガスと、アノード極に供給されるアノードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池であって、アノード極とセパレーターを介して冷却水が供給される冷却システムを備えた燃料電池システムである。この燃料電池システムは、要求発電量に基づいて燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、を含む。さらに燃料電池システムは、燃料電池スタック内の冷却水の圧力が脈動圧力の変動範囲外となるように、冷却水の流量及び／又はアノードガスの脈動圧を制御する制御部と、を含む。そして、冷却水の圧力が燃料電池内のアノードガスの脈動圧力よりも高い状態から両圧力が近づく場合、制御部は、冷却水の圧力がアノードガスの脈動圧よりも高くなるように冷却水の流量を増加させる。

Claims

カソード極に供給されるカソードガスと、アノード極に供給されるアノードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池であって、アノード極とセパレーターを介して冷却水が供給される冷却システムを備えた燃料電池システムにおいて、
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給部と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び／又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御部と、
を含む燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却水の圧力が前記燃料電池内の前記アノードガスの脈動圧力よりも高い状態から両圧力が近づく場合、前記制御部は、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも高くなるように前記冷却水の流量を増加させる、
燃料電池システム。
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却水の圧力が前記燃料電池内の前記アノードガスの脈動圧力よりも低い状態から両圧力が近づく場合、前記制御部は、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも低くなるように前記冷却水の流量を減少させる、
燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却水の温度を検出する温度検出部をさらに含み、
前記冷却水の圧力が前記燃料電池内のアノードガスの脈動圧力よりも低い状態から両圧力が近づく場合、前記冷却水の温度が所定値よりも大きいときには、前記制御部は、前記冷却水の圧力が前記アノードガスの脈動圧よりも高くなるように前記冷却水の流量を増加させる、
燃料電池システム。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
要求発電量が所定値よりも大きい場合には、前記制御部による、前記冷却水の流量又は前記アノードガスの脈動圧の制御を禁止する、
燃料電池システム。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
車速が所定値よりも大きい場合には、前記制御部は、前記冷却水の流量又は前記アノードガスの脈動圧の制御を禁止する、
燃料電池システム。
カソード極に供給されるカソードガスと、アノード極に供給されるアノードガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池であって、アノード極とセパレーターを介して冷却水が供給される冷却システムを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
要求発電量に基づいて前記燃料電池のアノード極に所定の脈動圧力でアノードガスを供給する燃料ガス供給工程と、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態又は前記燃料電池の放熱要求に基づいて所定の冷却水流量を供給する冷却水供給工程と、
燃料電池スタック内の前記冷却水の圧力が前記脈動圧力の変動範囲外となるように、前記冷却水の流量及び／又は前記アノードガスの脈動圧を制御する制御工程と、
を含む燃料電池システムの制御方法。