JPWO2015072229A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、燃料電池スタックの負荷に基づいて、燃料電池スタック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、カソードガスの圧力との差圧が所定差圧以下となるように、燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力以上に制御するアノード圧力制御部と、を備える。アノード圧力制御部は、アイドルストップからの復帰時は、燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力を、大気圧相当の所定圧に所定差圧を加算した復帰時圧力に制御する。

Description

本発明は燃料電池システムに関する。
ＪＰ２０１２−１３４１６６Ａには、従来の燃料電池システムとして、低負荷時などに燃料電池の発電を一時的に停止し、２次電池の電力で燃料電池システムを稼動するアイドルストップ機能を備えるものが開示されている。
燃料電池による発電中は、電解質膜の機械的強度の低下を抑制するために、燃料電池内のアノード側とカソード側との差圧（以下「膜間差圧」という。）が所定の許容膜間差圧以上にならないように、燃料電池の負荷に応じてそれぞれの電極に供給する各反応ガスの圧力を制御している。
ここで、燃料電池システムの起動時やアイドルストップからの復帰時（以下「ＩＳ復帰時」という。）など、燃料電池による発電の開始時は、一般的に燃料電池内のアノードガス流路には不純物としての空気が混入した状態となっている。そのため、燃料電池による発電の開始時には、このアノードガス流路内の空気を燃料電池のアクティブエリア（発電領域）から排出する必要がある。
そこで、起動時には、膜間差圧が許容膜間差圧以上になることを許容し、アノードガスの供給圧を例えば最大圧力に制御して可能な限り高くしている。これにより、アノードガス流路内の空気を速やかにアクティブエリアから全て排出してアノードガスで置換することができる。
一方で、ＩＳ復帰時においても膜間差圧が許容膜間差圧以上になることを許容すると、ＩＳ復帰は起動に比べて頻度が多いため、電解質膜の機械的強度の低下が懸念され、要求される燃料電池の耐久性能を確保できなくなるおそれがある。
そのため、ＩＳ復帰時には、例えば燃料電池の負荷に応じて変動するカソードガスの圧力を基準として、膜間差圧が許容膜間差圧を超えない範囲でアノードガスの供給圧を可能な限り高くすることが考えられる。
ところが、このようにすると、ＩＳ復帰時のアノードガスの供給圧は基本的に起動時よりも低くなるため、アノードガス流路内の空気を完全にアノードガスで置換することができない場合がある。
その場合、アノードガス流路内に残った空気については、アノードオフガスをパージすることで徐々にアノードガス排出通路へと排出していく必要があるが、パージ中に燃料電池の負荷が低下してカソードガスの供給圧の低下と共にアノードガスの供給圧が低下すると、アノードガス排出通路に排出した空気が再びアクティブエリア内に逆流してくるおそれがある。
このように、アノードガス流路内に空気が残っている状態で、一旦排出した空気が再びアクティブエリアに逆流してくると、特にアクティブエリアの下流でスタベーションの発生が促進される。
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、ＩＳ復帰時において、電解質膜の機械的強度の低下を抑制しつつ、スタベーションの発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明のある態様によれば、燃料電池による発電を一時的に停止することが可能なアイドルストップ機能を有する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、燃料電池の負荷に基づいて、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部と、カソードガスの圧力との差圧が所定差圧以下となるように、燃料電池に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力以上に制御するアノード圧力制御部と、を備える。そして、アノード圧力制御部は、アイドルストップからの復帰時には、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を、大気圧相当の所定圧に前記所定差圧を加算した復帰時圧力に制御する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池の構成について説明する図である。 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燃料電池システムの概略図である。 図４は、本発明の一実施形態によるアノード圧力制御について説明するフローチャートである。 図５は、通常脈動運転の内容を説明するブロック図である。 図６は、水素分圧下限値演算部の詳細構成を示すブロック図である。 図７は、脈動制御部の詳細構成を示すフローチャートである。 図８は、水素置換促進処理について説明するフローチャートである。 図９は、起動時アクティブエリア内水素置換促進処理の内容について説明するフローチャートである。 図１０は、起動時バッファタンク内水素置換促進処理の内容について説明するフローチャートである。 図１１は、起動時脈動運転の内容について説明するブロック図である。 図１２は、ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換促進処理の内容について説明するフローチャートである。 図１３は、ＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換処理について説明するフローチャートである。 図１４は、ＩＳ復帰時脈動運転の内容について説明するブロック図である。 図１５は、本発明の一実施形態によるアノード圧力制御の動作について説明するタイムチャートである。
以下、図面を参照して本発明の一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。以下の説明では、ＭＥＡ１１の中で、アノードガス及びカソードガスが供給されて、前述した電極反応が起こる領域のことを、必要に応じて「アクティブエリア」という。
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、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、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１として使用する。そして、燃料電池スタック１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１００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燃料電池システム１００の概略図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。
燃料電池スタック１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、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２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２１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２１は、一端がフィルタ２３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に接続される。
カソードガス排出通路２２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２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、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２３は、カソードガス供給通路２１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２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５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２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３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２１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２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。以下では、このカソード圧力センサ２６の検出値を検出カソード圧力という。本実施形態では、この検出カソード圧力を、アクティブエリアに面するカソードガス流路１３１内の圧力として代用している。
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２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２１を流れるカソードガスを加湿する。
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１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。なお、カソード調圧弁２８を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。
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、カソードガス排出通路２２に排出する。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。
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１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から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
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、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
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、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）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」という。本実施形態では、この検出アノード圧力を、アクティブエリアに面するアノードガス流路１２１内の圧力として代用している。
アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がバッファタンク３６に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード電極側からアノード電極側へと透過してきた窒素や水分（生成水や水蒸気）などの不純物と、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を流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれているときに、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。
パージ通路３７は、一端がアノードガス排出通路３５に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
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６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量（以下「パージ流量」という。）を制御する。以下の説明において、パージ弁３８を開いてカソードガス排出通路２２にアノードオフガスを排出することを、必要に応じて「パージ」という。
アノードガス排出通路３５を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端が燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。
三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が所定温度よりも低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。
ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「入口水温」という。）を検出する。
出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「出口水温」という。）を検出する。
電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。
電流センサ５１は、燃料電池スタック１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５２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。
走行モータ５３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。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５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５４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５４の半導体スイッチは、コントローラ６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５４は、走行モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５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走行モータ５３に供給する。一方で、走行モータ５３を発電機として機能させるときは、走行モータ５３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５５に供給する。
バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ５３に供給される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１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５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
コントローラ６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６には、前述したエアフローセンサ２４等の他にも、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６１や、外気温を検出する外気温センサ６２などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。
コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。
そしてコントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ５３や補機類に必要な電力を供給する。またコントローラ６は、目標出力電流に応じて燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量及び圧力を制御する。具体的には、目標出力電流が高くなるほど、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量及び圧力を大きくする。
また、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度（含水率）が発電に適した湿潤度になるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。具体的には、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係にある燃料電池スタック１の内部インピーダンス（High Frequency Resistance；以下「ＨＦＲ」という。）を、例えば交流インピーダンス法等によって算出し、ＨＦＲが目標値となるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。
また、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力及び脈動下限圧力の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧力を脈動させる。脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時にアノードガス流路１２１の液水をアノードガス排出通路３５へ排出し、アノードガス流路１２１における排水性を確保している。
また、このような脈動運転を実施する場合、燃料電池１０内のアノード側とカソード側との電解質膜間の差圧（膜間差圧）が、アノード圧力を脈動させることで変動する。この膜間差圧が過大になったり、アノード圧力を脈動させることでカソード側の圧力に対してアノード側の圧力が高くなったり低くなったりすると、電解質膜１１１に想定外の応力が加わって電解質膜１１１の機械的強度が低下し、燃料電池１０を劣化させる要因となる。
したがってコントローラ６は、アノード圧力が、カソード圧力以上となるように、かつ、膜間差圧が所定の許容膜間差圧よりも大きくならないように、アノード圧力及びカソード圧力のそれぞれを制御している。許容膜間差圧は、電解質膜１１１に想定外の応力が加わらないようにするため、すなわち電解質膜１１１の機械的強度が低下しないように、又は、低下したとしても許容された範囲内の低下で収まるようにするために、予め実験等によって設定される膜間差圧の上限値である。本実施形態では、アノード圧力センサ３４の検出誤差やアノード圧力を脈動させたときのオーバーシュートによる制御誤差等を考慮して、許容膜間差圧を１１０[kPa]から９０[kPa]まで下げた値に設定している。なお、例示した許容膜間差圧の値はあくまで参考値であり、電解質膜１１１の性能等によって適宜変更可能である。
ここで、燃料電池システム１００の起動時やＩＳ復帰時など、燃料電池スタック１による発電の開始時は、一般的にアノードガス流路１２１には不純物としての空気が混入した状態となっている。そのため、燃料電池スタック１による発電の開始時には、このアノードガス流路１２１の空気、特にアクティブエリアに面するアノードガス流路１２１の空気をアクティブエリア外に排出する必要がある。
そこで、起動時には、膜間差圧が許容膜間差圧以上になることを許容し、目標アノード圧力を例えば最大圧力（システム上限値）に設定し、アノード圧力が可能な限り高くなるように制御している。これにより、アノードガス流路１２１の空気をアクティブエリアから全て押し出して、アノードガス流路１２１の空気を速やかにアノードガスで置換することができる。
一方で、ＩＳ復帰時においても膜間差圧が許容膜間差圧以上になることを許容すると、ＩＳ復帰は通常起動に比べて頻度が多いため、電解質膜の機械的強度の低下が懸念され、燃料電池スタックに要求される耐久性能を確保できなくなるおそれがある。
そのため、ＩＳ復帰時には、例えば燃料電池スタックの目標出力電流（負荷）に応じて変動するカソード圧力を基準として、膜間差圧が許容膜間差圧を超えない範囲で目標アノード圧力を可能な限り高くすることが考えられる。
ところが、このようにすると、ＩＳ復帰時の目標アノード圧力は、基本的に最大圧力に設定されている起動時の目標アノード圧力よりも低くなるため、アノードガス流路１２１の空気を完全にアノードガスで置換することができない場合がある。
その場合、アノードガス流路１２１のアクティブエリアに残った空気については、アノードオフガスをパージすることで徐々にアノードガス排出通路３５へと排出していく必要があるが、パージ中に燃料電池スタック１の負荷が低下してカソード圧力の低下と共にアノード圧力が低下すると、アノードガス排出通路３５に排出した空気が再びアノードガス流路１２１のアクティブエリア内に逆流してくるおそれがある。
このように、アノードガス流路１２１のアクティブエリアに空気が残っている状態で、一旦排出した空気が再びアクティブエリアに逆流してくると、アクティブエリアの下流で電極反応に必要な水素が不足してスタベーションの発生が促進される。
そこで本実施形態では、ＩＳ復帰時において、電解質膜１１１の機械的強度の低下を抑制しつつ、スタベーションの発生を抑制できるように、アノード圧力を制御する。
図４は、本実施形態によるアノード圧力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６は、燃料電池スタック１による発電の開始時か否かを判定する。具体的には、起動時又はＩＳ復帰時であるか否かを判定する。コントローラ６は、発電開始時であればステップＳ２の処理を行い、そうでなければステップＳ３の処理を行う。
ステップＳ２において、コントローラ６は、水素置換促進処理を実施する。水素置換促進処理は、燃料電池システム１００の停止中又はＩＳ中にアノードガス流路１２１やバッファタンク３６等を含むアノード系内に蓄積された空気等の不純物を、起動後又はＩＳ復帰後、早期にアノードガス（水素）で置換するための処理である。水素置換促進処理の詳細については、図８を参照して後述する。
ステップＳ３において、コントローラ６は、水素置換促進処理が終了したか否かを判定する。コントローラ６は、水素置換促進処理が終了していればステップＳ４の処理を行い、終了していなければステップＳ５の処理を行う。
ステップＳ４において、コントローラ６は、通常脈動運転を実施する。通常脈動運転は、排水性を確保するために、燃料電池システム１００の運転状態に基づいてアノード圧力を周期的に昇降圧させる通常脈動運転を行わせる処理である。通常脈動運転の詳細については、図５を参照して後述する。
ステップＳ５において、コントローラ６は、水素置換促進処理を継続する。
以下では、まず図５を参照して、水素置換促進処理が終了してから実施される通常脈動運転について説明する。
図５は、通常脈動運転の内容を説明するブロック図である。通常脈動運転処理を実施するために、コントローラ６は、脈動下限圧力演算部７１と、脈動上限圧力演算部７２と、脈動制御部７３と、を備える。
脈動下限圧力演算部７１には、検出カソード圧力、大気圧、ＨＦＲ、入口水温及び出口水温が入力される。脈動下限圧力演算部７１は、これらの入力値に基づいて、通常脈動運転時における下限側のアノード圧力の目標値（以下「脈動下限圧力」という。）を算出する。以下、脈動下限圧力演算部７１について詳しく説明する。
脈動下限圧力演算部７１は、水素分圧下限値演算部７１１と、脈動下限圧力設定部７１２と、を備える。
水素分圧下限値演算部７１１は、アノードガス流路１２１内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧力の下限値（以下「水素分圧下限値」という。）を演算する。
前述したように、アノードガス流路１２１には、ＭＥＡ１１を介してカソードガス流路１３１から窒素や水分等の不純物が透過してくる。この不純物の透過量は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど多くなる。また、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど飽和水蒸気量も多くなる。そのため、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、アノードガス流路１２１内における不純物の分圧が相対的に高くなり、水素分圧が相対的に低くなってしまう。水素分圧が低くなりすぎると、アノードガス流路１２１のアクティブエリアにおける水素濃度が低下してしまう。この状態で発電が継続されると、燃料電池１０が劣化するおそれがある。
そこで本実施形態では、アノードガス流路１２１内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧力の下限値として、水素分圧下限値を演算し、水素分圧下限値よりもアノード圧力が低下しないようにしている。
図６は、水素分圧下限値演算部７１１の詳細構成を示すブロック図である。
水素分圧下限値演算部７１１は、基本下限値演算部７１１１と、補正係数演算部７１１２と、水素分圧下限値算出部７１１３と、を備える。
基本下限値演算部７１１１には、入口水温と出口水温とが入力される。基本下限値演算部７１１１は、図６に示したマップを参照し、入口水温と出口水温とに基づいて、基本下限値を演算する。図６のマップ示すように、基本下限値は、入口水温が高くなるほど、また出口水温が高くなるほど大きくなる。つまり、基本下限値は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど大きくなる。これは前述した通り、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、アノードガス流路１２１内の水素分圧が相対的に低下するためである。
補正係数演算部７１１２には、ＨＦＲが入力される。補正係数演算部７１１２は、図６のテーブルを参照し、ＨＦＲに基づいて、補正係数を演算する。図６のテーブルに示すように、補正係数は、ＨＦＲが小さいときのほうが大きくなる。これは、ＨＦＲが小さいときほど、電解質膜１１１の含水率が高く、アノードガス流路１２１内の水分量が多いと考えられるからである。
水素分圧下限値算出部７１１３は、基本下限値に補正係数を掛けたゲージ水素分圧下限値に、大気圧を足して絶対圧に変換したものを、水素分圧下限値として算出する。
再び図４に戻って脈動下限圧力演算部７１の脈動下限圧力設定部７１２について説明する。
脈動下限圧力設定部７１２には、検出カソード圧力と、水素分圧下限値と、が入力される。脈動下限圧力設定部７１２は、これら２つの入力値のうち、大きい方を脈動下限圧力として設定する。脈動下限圧力設定部７１２は、通常は検出カソード圧力を脈動下限圧力として設定する。そして、燃料電池システム１００の運転状態に応じて水素分圧下限値が増加し、検出カソード圧力よりも大きくなったときは、水素分圧下限値を脈動下限圧力として設定し、水素分圧を確保する。
このように本実施形態では、脈動下限圧力が常に検出カソード圧力以上となるようにしている。つまり、燃料電池スタック１内のアノード側の圧力が、常にカソード側の圧力以上となるようにしている。これは、例えば脈動時下限圧力を検出カソード圧力よりも低い値に設定してしまうと、脈動時上限圧力が検出カソード圧力よりも高くなることがある。そのため、脈動運転を実施することによって、燃料電池スタック１内においてアノード側の圧力がカソード側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、アノード側とカソード側との圧力差によってＭＥＡ１１が周期的に波打つ等してＭＥＡ１１を劣化させるおそれがあるためである。したがって、検出カソード圧力に換えて検出カソード圧力に所定のマージンを加えた圧力を、脈動下限圧力設定部７１２に入力するようにしても良い。
脈動上限圧力演算部７２には、大気圧と、検出カソード圧力と、目標出力電流と、ＨＦＲと、が入力される。脈動上限圧力演算部７２は、これらの入力値に基づいて、通常脈動運転時における上限側のアノード圧力の目標値（以下「脈動上限圧力」という。）を演算する。以下、脈動上限圧力演算部７２について詳しく説明する。
脈動上限圧力演算部７２は、システム上限値算出部７２１と、膜保護上限値算出部７２２と、脈動幅演算部７２３と、基本脈動上限圧力演算部７２４と、脈動上限圧力設定部７２５と、を備える。
システム上限値算出部７２１には、大気圧が入力される。システム上限値算出部７２１は、大気圧に所定のシステム耐圧を足したものを、燃料電池システム１００の耐久性を確保するために必要なアノード圧力の上限値（以下「システム上限値」という。）として算出する。システム耐圧は、燃料電池スタック１やアノードガス供給通路３２等の耐圧性能に応じて適宜設定される所定値であって、本実施形態では１７０［kPa］に設定されている。なお、例示したシステム耐圧の値はあくまで参考値である。システム上限値は、燃料電池スタック１やアノードガス供給通路３２等に耐圧性能を超える圧力がかからないようにするための、アノード圧力の上限側の制限値であり、燃料電池システム１００として許容できるアノード圧力の最大値である。
膜保護上限値算出部７２２には、検出カソード圧力が入力される。膜保護上限値算出部７２２は、検出カソード圧力に許容膜間差圧を足したものを、電解質膜１１１の耐久性を確保するために必要なアノード圧力の上限値（以下「膜保護上限値」という。）として算出する。膜保護上限値は、燃料電池スタック１内におけるアノード側とカソード側との差圧が、電解質膜１１１を劣化させるような過大な値とならないようにするための、アノード圧力の上限側の制限値である。
脈動幅演算部７２３には、目標出力電流と、ＨＦＲと、が入力される。脈動幅演算部７２３は、図４に示したマップを参照し、目標出力電流とＨＦＲとに基づいて、脈動幅を演算する。図４のマップに示すように、脈動幅は、目標出力電流が高くなるほど、また、ＨＦＲが小さくなるほど大きくなる。つまり、燃料電池スタック１内の水分量が多くなるほど、大きくなる。
基本脈動上限圧力演算部７２４には、脈動幅と、脈動下限圧力と、が入力される。基本脈動上限圧力演算部７２４は、脈動幅に脈動下限圧力を足したものを、基本脈動上限圧力として算出する。
脈動上限圧力設定部７２５には、システム上限値、膜保護上限値及び基本脈動上限圧力が入力される。脈動上限圧力設定部７２５は、これら３つの入力値のうち、最も小さいものを脈動上限圧力として設定する。脈動上限圧力設定部７２５は、通常は基本脈動上限圧力を脈動上限圧力として設定する。そして、基本脈動上限圧力がシステム上限値又は膜保護上限値よりも大きくなったときは、システム上限値又は膜保護上限値を脈動上限圧力として設定する。
このように、システム上限値又は膜保護上限値が脈動上限圧力として設定されたときは、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限されることになる。
脈動制御部７３には、検出アノード圧力と、脈動上限圧力と、脈動下限圧力と、昇圧変化率と、が入力される。脈動制御部７３は、これらの入力値に基づいて、図７のフローチャートに従ってアノード調圧弁３３を制御し、アノード圧力を脈動させる。
図７は、脈動制御部７３の詳細構成を示すフローチャートである。
ステップＳ１１において、コントローラ６は、アノード圧力が脈動上限圧力以上か否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が脈動上限圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ１２の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動上限圧力未満であれば、ステップＳ１３の処理を行う。
ステップＳ１２において、コントローラ６は、目標アノード圧力を脈動下限圧力に設定する。
ステップＳ１３において、コントローラ６は、アノード圧力が脈動下限圧力以下か否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が脈動下限圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ１４の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動下限圧力よりも高ければ、ステップＳ１５の処理を行う。
ステップＳ１４において、コントローラ６は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定する。
ステップＳ１５において、コントローラ６は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。
ステップＳ１６において、コントローラ６は、脈動下限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動下限圧力となるように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。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１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック１内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。
一方、コントローラ６は、脈動上限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が、所定の昇圧変化率で脈動上限圧力まで昇圧するように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、所定の昇圧変化率でアノード圧力が上昇する。
次に図８を参照して、水素置換促進処理について説明する。
図８は、水素置換促進処理について説明するフローチャートである。
ステップＳ２１において、コントローラ６は、起動時かＩＳ復帰時か否かを判定する。コントローラ６は、起動時であればステップＳ２２の処理を実施する。一方で、ＩＳ復帰時であればステップＳ２４の処理を実施する。
ステップＳ２２において、コントローラ６は、起動時アクティブエリア内水素置換処理を実施する。この処理は、アノード圧力を最大圧力、すなわちシステム上限値まで昇圧させて、アノードガス流路１２１内の不純物を全てバッファタンク３６に押し込み、アノードガス流路１２１をアノードガスで置換する処理である。起動時アクティブエリア内水素置換処理の詳細については、図９を参照して後述する。
ステップＳ２３において、コントローラ６は、起動時バッファタンク内水素置換促進処理を実施する。この処理は、起動時アクティブエリア内水素置換促進処理が終わった後、脈動下限圧力が通常脈動運転よりも高く設定される起動時用の脈動運転（以下「起動時脈動運転」という。）を実施しつつパージ弁３８を開くことで、バッファタンク３６内の不純物を燃料電池システム１００の外部に排出し、バッファタンク３６内をアノードガスで置換する処理である。起動時バッファタンク内水素置換促進処理の詳細については、図１０及び図１１を参照して後述する。
ステップＳ２４において、コントローラ６は、ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換処理を実施する。この処理は、アノード圧力を、大気圧に許容膜間差圧を加えた所定の不純物逆流防止上限圧力まで昇圧させて、ＩＳ中にアノードガス流路１２１に蓄積された不純物をバッファタンク３６側へと押し出す。そして、押し出しきれずにアノードガス流路１２１内に残った不純物を、さらにアノード圧を昇圧させるか、又はパージすることによって、アノードガス流路１２１から排出し、アノードガス流路１２１をアノードガスで置換する処理である。ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換処理の詳細については、図１２を参照して後述する。
ステップＳ２５において、コントローラ６は、ＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換促進処理を実施する。この処理は、ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換処理が終わった後、ＩＳ復帰時用の脈動運転（以下「ＩＳ復帰時脈動運転」という。）を実施しつつパージ弁３８を開くことで、バッファタンク３６内の不純物を燃料電池システム１００の外部に排出し、バッファタンク３６内をアノードガスで置換する処理である。ＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換促進処理の詳細については、図１３及び図１４を参照して後述する。
図９は、起動時アクティブエリア内水素置換促進処理の内容について説明するフローチャートである。
ステップＳ２２１において、コントローラ６は、目標アノード圧力をシステム上限値に設定する。
ステップＳ２２２において、コントローラ６は、検出アノード圧力がシステム上限値となるように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給されてアノード圧力が上昇する。
ステップＳ２２３において、コントローラ６は、検出アノード圧力がシステム上限値に制御されているか否かを判定する。コントローラ６は、検出アノード圧力がシステム上限値に制御されていれば、目標アノード圧力をシステム上限値に設定したまま今回の処理を終了し、起動時バッファタンク内水素置換促進処理に移行する。一方で、検出アノード圧力がシステム上限値まで上昇していなければ、ステップＳ２２２の処理に戻る。
図１０は、起動時バッファタンク内水素置換促進処理の内容について説明するフローチャートである。
ステップＳ２３１において、コントローラ６は、燃料電池システム１００を起動してからの経過時間（以下「起動後経過時間」という。）が、所定のパージ開始時間になったか否かを判定する。パージ開始時間は、燃料電池システム１００を起動してから希釈要求（排出ガス中の水素濃度を所定濃度以下にするという要求）が確保できるまでに必要な時間であり、燃料電池システム１００を起動してからカソードガス排出通路２２にカソードオフガスが到達するまでの時間よりも長くなるように設定される。コントローラ６は、起動後経過時間がパージ開始時間以上であれば、ステップＳ２３２の処理を行う。一方でコントローラ６は、起動後経過時間がパージ開始時間未満であれば、パージ開始時間以上になるまでアノード圧力をシステム上限値に制御する。
ステップＳ２３２において、コントローラ６は、パージ弁３８を開いてパージを開始する。
ステップＳ２３３において、コントローラ６は、起動時脈動運転を実施する。起動時脈動運転の内容については、図１１を参照して後述する。
ステップＳ２３４において、コントローラ６は、燃料電池システム１００の停止中にアノード系内に蓄積された空気等の不純物をパージによって排出できたか否か、すなわち、パージによってバッファタンク３６内をアノードガスで置換できたか否かを判定する。具体的には、パージ量が、起動時にアノード系内に存在する不純物量（以下「起動時不純物量」という。）以上になったときに、バッファタンク３６内をアノードガスで置換できたと判定する。なお、起動時不純物量は、起動時にはアノードガス流路１２１やバッファタンク３６等を含むアノード系内全体が不純物で満たされていると仮定して、アノード系内の体積としている。なお、体積の単位は、アノード圧力及びスタック温度に応じてリットルからノルマルリットルに適宜変更している。コントローラ６は、バッファタンク３６内をアノードガスで置換できたと判定したときは、ステップＳ２３５の処理を行い、そうでなければ引き続き起動時脈動運転を実施しながらパージを行う。
ステップＳ２３５において、コントローラ６は、水素置換促進処理が終了したと判定する。
図１１は、起動時脈動運転の内容について説明するブロック図である。なお、前述した通常脈動運転処理と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
図１１に示すように、起動時脈動運転では、脈動上限圧力設定部７２５に、システム上限値と基本脈動上限圧力とを入力し、これら２つの入力値のうち、小さい方を脈動上限圧力として設定する。
また、脈動下限圧力設定部７１２に、検出カソード圧力と所定の起動時下限圧とを入力し、これら２つの入力値のうち、大きい方を脈動下限圧力として設定する。なお、起動時下限圧は、可能な限り脈動下限圧力を高く保持した状態で脈動運転を実施させるために設定される所定値であって、例えば後述するアクティブエリア内水素置換完了圧力に設定される。したがって、脈動下限圧力設定部７１２は、通常は起動時下限圧を脈動下限圧力として設定する。
ここでパージ流量（単位時間当たりのパージ量）は、パージ弁３８の上流側の圧力（アノード圧力相当）と下流側の圧力（大気圧相当）との差圧が大きくなるほど増加する。つまり、アノード圧力を高くするほどパージ流量は増加する。したがって、可能な限り脈動下限圧力を高く保持した状態で脈動運転を実施することで、アノード圧力を脈動上限圧力から脈動下限圧力に向かって低下させているときにバッファタンク３６から燃料電池スタック１側に逆流してパージ通路３７に排出される不純物の流量を増加させることできる。
このように、起動時脈動運転では、可能な限り脈動下限圧力を高く保持した状態で脈動運転を実施することで、効率的にバッファタンク３６内の不純物をシステム外部に排出し、バッファタンク３６内の水素置換を促進させることができる。
図１２は、ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換促進処理の内容について説明するフローチャートである。
ステップＳ２４０において、コントローラ６は、目標アノード圧力を、大気圧に許容膜間差圧を加えた所定の不純物逆流防止上限圧力に設定する。このようにＩＳ復帰の最初は、大気圧を基準として許容膜間差圧を守れる圧力までしかアノード圧力を昇圧しないようにする。なお、ここでいう大気圧は、大気圧にセンサ誤差等を考慮したマージン（例えば２０[kPa]）を加えた値（大気圧相当の所定圧）等も含むものである。また、大気圧自体も燃料電池システム１００を搭載した車両等の仕向地（例えば高地など）により変動するもので、あくまで参考値であるが６４．２[kPa#a]から１０５[kPa#a]の範囲で変動する。
これにより、少なくともカソード圧力は大気圧以上なので、たとえカソード圧力が変動しても、アノード圧力に関しては不純物逆流防止上限圧力に制御しておけば、膜間差圧を許容膜間差圧以下にすることができる。つまり、アノード圧力の昇圧を不純物逆流防止上限圧力までに制限しておけば、カソード圧力が低下したとしても、膜間差圧を許容膜間差圧以下にするためにアノード圧力を低下させる必要がない。そのため、不純物がバッファタンク３６側からアノードガス流路１２１のアクティブエリアに逆流してくるのを防止できるので、スタベーションの発生を防止できる。
ステップＳ２４１において、コントローラ６は、検出アノード圧力が不純物逆流防止上限圧力となるように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力が不純物逆流防止上限圧力に保持される。
ステップＳ２４２において、コントローラ６は、アノード圧力が不純物逆流防止上限圧力に保持されているか否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が不純物逆流防止上限圧力に保持されていればステップＳ２４３の処理を行い、そうでなければステップＳ２４１の処理に戻る。
ステップＳ２４３において、コントローラ６は、ＩＳ復帰してからの経過時間（以下「ＩＳ復帰後経過時間」という。）が、パージ開始時間になったか否かを判定する。コントローラ６は、ＩＳ復帰後経過時間がパージ開始時間以上であればステップＳ２４４の処理を行い、そうでなければパージ開始時間になるまで本処理を繰り返す。
ステップＳ２４４において、コントローラ６は、パージ弁３８を開いてパージを開始する。
ステップＳ２４５において、コントローラ６は、不純物逆流防止上限圧力までに制限していたアノード圧力の上限制限を解除するか否かを判定する。具体的には、検出カソード圧力が、所定の上限制限解除圧力以上になったか否かを判定する。コントローラ６は、検出カソード圧力が上限制限解除圧力以上になっていればステップＳ２４６の処理を行い、検出カソード圧力が上限制限解除圧力未満であればステップＳ２４９の処理を行う。
なお、上限制限解除圧力は、所定のアクティブエリア内水素置換完了圧力から許容膜間差圧を引いたものである。ここで、アクティブエリア内水素置換完了圧力は、アノードガス流路１２１のアクティブエリアが全て不純物で満たされているときに、その不純物を全てアクティブエリアから押し出すことが可能なアノード圧力の下限値であって、予め実験等によって求められる値である。本実施形態では、アクティブエリア内水素置換完了圧力を大気圧よりも１５０[kPa]高い値に設定している。なお、例示したアクティブエリア内水素置換完了圧力の値はあくまで参考値である。このようにステップＳ２４５では、検出カソード圧力に許容膜間差圧に加えた値がアクティブエリア内水素置換完了圧力以上になったら、アノード圧力をアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧させてアクティブエリア内の水素置換を終了させるべく、不純物逆流防止上限圧力までに制限していたアノード圧力の上限制限を解除する。
ステップＳ２４６において、コントローラ６は、不純物逆流防止上限圧力に設定されていた目標アノード圧力を、アクティブエリア内水素置換完了圧力に設定する。
ステップＳ２４７において、コントローラ６は、不純物逆流防止上限圧力に制御されていたアノード圧力が、アクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧するように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力がアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧させられる。
ステップＳ２４８において、コントローラ６は、アノード圧力がアクティブエリア内水素置換完了圧力まで上昇したか否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力がアクティブエリア内水素置換完了圧力まで上昇していれば、今回の処理を終了してＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換促進処理に移行する。一方で、アノード圧力がアクティブエリア内水素置換完了圧力まで上昇していなければ、ステップＳ２４７の処理に戻る。
ステップＳ２４９において、コントローラ６は、アノード圧力を不純物逆流防止上限圧力まで昇圧したときにアノードガス流路１２１のアクティブエリアから押し出しきれずにアクティブエリア内に残った不純物をパージによって排出できたか否か、すなわち、パージによってアノードガス流路１２１のアクティブエリアをアノードガスで完全に置換できたか否かを判定する。
ここで、通常脈動運転を実施しているときは、基本的にカソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に透過してくる不純物（主に窒素）が全て排出されるように、パージ流量を調節している。そのため本実施形態では、アイドルストップ直後はアノードガス流路１２１内の不純物はゼロとして、アイドルストップしていた時間に応じてアノードガス流路１２１に透過してきた不純物量（以下「透過不純物量」という。）を算出している。透過不純物量は、アイドルストップ時間やスタック温度等に応じて変動するので、これらのパラメータに基づくマップ等を予め実験等によって用意しておくことで算出すれば良い。そして、この透過不純物量に基づいて、アノード系内の不純物濃度を算出する。
また、アノード圧力を不純物逆流防止上限圧力まで昇圧したときに、不純物が残っているアノードガス流路１２１の容積（以下「アクティブエリア不純物残存容積」という。）を予め実験等で求めておき、このアクティブエリア不純物残存容積に不純物濃度を掛けることで、アクティブエリア内に残存している不純物量（以下「アクティブエリア残存不純物量」という。）を算出する。
コントローラ６は、パージ量に不純物濃度を掛けた値（以下「不純物パージ量」という。）が、このアクティブエリア残存不純物量以上になったときに、パージによってアノードガス流路１２１のアクティブエリアをアノードガスで完全に置換できたと判定して今回の処理を終了し、ＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換促進処理に移行する。一方で、不純物パージ量がアクティブエリア残存不純物量未満のときは、ステップＳ２４５の処理に戻る。
図１３は、ＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換処理について説明するフローチャートである。
ステップＳ２５１において、コントローラ６は、ＩＳ復帰時脈動運転を実施する。なお、パージに関しては、ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換処理から引き続き実施されている。ＩＳ復帰時脈動運転の内容については、図１４を参照して後述する。
ステップＳ２５２において、コントローラ６は、パージによってバッファタンク３６内をアノードガスで置換できたか否かを判定する。具体的には、不純物パージ量が透過不純物量以上なったときに、バッファタンク３６内をアノードガスで置換できたと判定する。コントローラ６は、バッファタンク３６内をアノードガスで置換できたと判定したときは、ステップＳ２５１の処理を行い、そうでなければ引き続きＩＳ復帰時脈動運転を実施しながらパージを行う。
ステップＳ２５３において、コントローラ６は、水素置換促進処理が終了したと判定する。
図１４は、ＩＳ復帰時脈動運転の内容について説明するブロック図である。なお、前述した通常脈動運転処理と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
図１４に示すように、ＩＳ復帰時脈動運転では、脈動下限圧力設定部７１２に、検出カソード圧力と所定のＩＳ復帰時脈動下限圧制限値とを入力し、これら２つの入力値のうち、大きい方を脈動下限圧力として設定する。
ＩＳ復帰時脈動下限圧制限値は、システム上限値からアノード圧力を下げたとしても、スタベーションが発生しないアノード圧力の下限値であって、予め実験等によって求められる所定値である。本実施形態では、不純物逆流防止上限圧力よりもやや低い圧力に設定される。
図１５は、本実施形態によるアノード圧力制御の動作について説明するタイムチャートである。
まず、起動時の水素置換促進処理について説明する。
時刻ｔ１で、燃料電池システム１００が起動されると、起動時アクティブエリア内水素置換処理が開始され、アノード圧力がシステム上限値まで昇圧される。システム上限値は、前述したアクティブエリア内水素置換完了圧力よりも高い圧力なので、アノード圧力をシステム上限値まで昇圧させることで、燃料電池システム１００の停止中にアノードガス流路１２１に蓄積された不純物を素早くバッファタンク３６へと押し出して、アクティブエリアに面するアノードガス流路１２１内を水素で置換することができる。
アノード圧力がシステム上限値まで昇圧され、アクティブエリアに面するアノードガス流路１２１内の水素置換が完了すると、起動時バッファタンク内水素置換処理が開始される。そして、時刻ｔ２で起動後経過時間がパージ開始時間になると、パージ弁３８が開かれてパージが開始されると共に、起動時脈動運転が実施される。
起動時脈動運転では、脈動運転をする際のアノード圧力の下限値を、通常脈動運転よりも高い起動時下限圧（本実施形態ではアクティブエリア内水素置換完了圧力）に設定し、可能な限り脈動下限圧力を高く保持した状態で脈動運転を実施する。前述したように、パージ流量はアノード圧力を高くするほど大気圧との差圧が大きくなって増加する。そのため、可能な限り脈動下限圧力を高く保持した状態で脈動運転を実施することで、アノード圧力を脈動上限圧力から脈動下限圧力に向かって低下させているときにバッファタンク３６から燃料電池スタック１側に逆流してパージ通路３７に排出される不純物量を増加させることができる。よって、効率的にバッファタンク３６内の不純物をシステム外部に排出し、バッファタンク３６内の水素置換を促進させることができる。
そして、パージ量が起動時不純物量以上になったら、起動時脈動運転から通常脈動運転に移行し、基本的にカソード圧力を脈動下限圧力とした脈動運転が実施される。
次に、ＩＳ復帰時の水素置換処理について説明する。
時刻ｔ１で、ＩＳ復帰されると、ＩＳ復帰時アクティブエリア内水素置換処理が開始され、アノード圧力が不純物逆流防止上限圧力まで昇圧され、アノード圧力が不純物逆流防止上限圧力に保持される。このように、ＩＳ復帰時は、大気圧を基準として許容膜間差圧を守れる圧力までしかアノード圧力を昇圧しないようにする。
これにより、少なくともカソード圧力は大気圧以上なので、たとえカソード圧力が変動しても、膜間差圧を許容膜間差圧以下にすることができる。つまり、アノード圧力の昇圧を不純物逆流防止上限圧力までに制限しておけば、カソード圧力が低下したとしても、膜間差圧を許容膜間差圧以下にするためにアノード圧力を低下させる必要がない。そのため、不純物がバッファタンク３６側からアノードガス流路１２１のアクティブエリアに逆流してくるのを防止できるので、スタベーションの発生を防止できる。
一方で、不純物逆流防止上限圧力は、アクティブエリア内水素置換完了圧力よりも低い。そのため、ＩＳ復帰時は、ＩＳ中にアノード側に透過してきた不純物がアクティブエリア内に残存した状態となっている。そのため、時刻ｔ２で、ＩＳ復帰後経過時間がパージ開始時間になると、アクティブエリア残存不純物量をアクティブエリアから排出するために、パージ弁３８が開かれてパージが開始される。
このタイムチャートでは、アクティブエリア残存不純物量がアクティブエリアから排出される前に、例えばアクセル操作量が増加して燃料電池スタック１の負荷が増大したことによってカソード圧力が増加し、時刻ｔ３で検出カソード圧力が上限制限解除圧力以上となる。そのため、アノード圧力がアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧される。その結果、アクティブエリア内水素置換が完了してＩＳ復帰時バッファタンク内水素置換処理が開始され、時刻ｔ４以降はＩＳ復帰時脈動運転が実施される。
ＩＳ復帰時脈動運転では、脈動運転をする際のアノード圧力の下限値を、ＩＳ復帰時脈動下限圧制限値に設定し、アノード圧力がアクティブエリア内水素置換完了圧力からＩＳ復帰時脈動下限圧制限値まで低下してとしても確実にスタベーション発生しないようにしている。そして、このＩＳ復帰時脈動運転中に不純物パージ量が透過不純物量以上になると、ＩＳ復帰時脈動運転から通常脈動運転に移行し、基本的にカソード圧力を脈動下限圧力とした脈動運転が実施される。
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１による発電を一時的に停止することが可能なアイドルストップ機能を有する燃料電池システムである。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の目標出力電流（負荷）に基づいて、燃料電池スタック１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、カソードガスの圧力との差圧が許容膜間差圧（所定差圧）以下となるように、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力以上に制御するアノード圧力制御部と、を含むように構成されたコントローラ６を備える。
そして、アノード圧力制御部が、ＩＳ復帰時には、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力を、大気圧相当の所定圧に許容膜間差圧を加算した不純物逆流防止上限圧力（復帰時圧力）に制御する。
そのため、ＩＳ復帰時においては、燃料電池スタック１の目標出力電流が低下してカソードガスの圧力が低下しても、アノードガスの圧力は不純物逆流防止上限圧力に制御されているので、アノードガスの圧力は低下しない。したがって、一旦燃料電池スタック１から排出された不純物が逆流してくることがないので、スタベーションの発生を抑制できる。
また、燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力は少なくとも大気圧よりも高いので、ＩＳ復帰時においてアノードガスの圧力を不純物逆流防止上限圧力に制御しておけば、膜間差圧が許容膜間差圧を超えることがない。よって、電解質膜１１１の機械的強度の低下も抑制することができる。
また、本実施形態による燃料電池システム１００のアノード圧力制御部は、カソードガスの圧力が上限制限解除圧力（解除圧力）まで上昇したときは、不純物逆流防止上限圧（復帰時圧力）に制御していたアノードガスの圧力を、燃料電池スタック１内に残存する不純物をその燃料電池スタック１内から排出してアノードガスで置換することができるアクティブエリア内水素置換完了圧力（置換圧力）まで昇圧する。ここで上限制限解除圧力（解除圧力）は、アクティブエリア内水素置換完了圧力（置換圧力）から許容膜間差圧を減算した圧力である。
このように、アノードガスの圧力をアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧しても、膜間差圧を許容膜間差圧以下に抑えることができる状態になった段階で、アノードガスの圧力を不純物逆流防止上限圧からアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧する。これにより、ＩＳ復帰後、早期にアクティブエリアに面するアノードガス流路１２１をアノードガスで置換することができる。
また、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１から排出された不純物を含むアノードオフガスを蓄えるバッファタンク３６（バッファ部）と、バッファタンク３６に蓄えたアノードオフガスを燃料電池システム１００の外部にパージするためのパージ弁３８と、ＩＳ復帰後にパージ弁３８を開いてパージを実施するパージ制御部をさらに含むように構成されたコントローラ６と、を備える。
そして、アノード圧力制御部は、アノードガスの圧力をアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧した後は、パージの実施と共にアノードガスの圧力を脈動させるので、燃料電池スタック１内から排出されてバッファタンク３６に流入した不純物を燃料電池システム１００の外部にパージすることができる。
また、本実施形態による燃料電池システム１００のアノード圧力制御部は、アノードガスの圧力を不純物逆流防止上限圧（復帰時圧力）に制御している場合に、パージの実施によって燃料電池スタック１内に残存する不純物を燃料電池スタック１内から排出できたときも、パージの実施と共にアノードガスの圧力を脈動させることで、燃料電池スタック１内から排出されてバッファタンク３６に流入した不純物を燃料電池システム１００の外部にパージする。
そのため、カソードガスの圧力が上限制限解除圧力まで上昇していなくても、アクティブエリアの水素置換が完了した段階で早期にバッファタンク３６の不純物を燃料電池システム１００の外部にパージすることができる。
また、本実施形態による燃料電池システム１００のアノード圧力制御部は、燃料電池システム１００の起動時には、カソードガスの圧力との差圧が許容膜間差圧よりも大きくなることを許容し、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力をアクティブエリア内水素置換完了圧力（置換圧力）以上まで昇圧する。
これにより、燃料電池システム１００の起動後、早期にアクティブエリアに面するアノードガス流路１２１をアノードガスで置換することができる。
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。
上記実施形態では、アノード圧力制御部が、ＩＳ復帰時には、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力を、不純物逆流防止上限圧力に制御していた。しかしながら、例えばＩＳ復帰時には、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を、不純物逆流防止上限圧力以下に制御し、アノードガスの圧力の減圧を禁止又は減圧幅を規制するようにしても良い。
このようにしても、アノードガスの圧力が不純物逆流防止上限圧力以下に制御されているため、膜間差圧が許容膜間差圧を超えることはない。そして、アノードガスの圧力の減圧を禁止しておけば、カソードガスの圧力が低下してもアノードガスの圧力は低下しないので、一旦燃料電池スタック１から排出された不純物が逆流してくることがない。また、アノードガスの圧力の減圧幅を規制しておけば、カソードガスの圧力が低下したときのアノードガスの圧力低下を一定の範囲に抑えることができるので、一旦燃料電池スタック１から排出された不純物の逆流を抑制することができる。よって、いずれの場合も、スタベーションの発生を抑制できる。
また、上記実施形態では、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンク３６３６を設けていた。しかしながら、このようなバッファタンク３６を設けずに、例えば、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンク３６の代わりの空間としても良い。ここでいう内部マニホールドとは、アノードガス流路１２１を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路３５へと排出される。
また、上記実施形態では、ＩＳ復帰時において、アノード圧力をアクティブエリア内水素置換完了圧力まで昇圧した後は、ＩＳ復帰時脈動下限圧制限値を脈動下限圧力として設定し、その脈動下限圧力を基準とした脈動運転を実施していたが、これに限られるものではない。例えば、バッファタンク内水素置換処理を促進するため、アクティブエリア内水素置換完了圧力を脈動上限圧力として設定し、そこから脈動幅を引いた値を脈動下限圧力として設定した脈動運転を実施しても良い。
本願は、２０１３年１１月１４日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−２３６２９１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 (9)

  1. 燃料電池による発電を一時的に停止することが可能なアイドルストップ機能を有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、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、
    カソードガスの圧力との差圧が所定差圧以下となるように、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力以上に制御するアノード圧力制御部と、
    を備え、
    前記アノード圧力制御部は、
    アイドルストップからの復帰時は、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を、大気圧相当の所定圧に前記所定差圧を加算した復帰時圧力に制御する、
    燃料電池システム。
  2. 前記アノード圧力制御部は、
    カソードガスの圧力が所定の解除圧力まで上昇したときは、前記復帰時圧力に制御していたアノードガスの圧力を、前記燃料電池内に残存する不純物をその燃料電池内から排出してアノードガスで置換することができる所定の置換圧力まで昇圧する、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池から排出された前記不純物を含むアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、
    前記バッファ部に蓄えたアノードオフガスを前記燃料電池システムの外部にパージするためのパージ弁と、
    アイドルストップから復帰した後に前記パージ弁を開いてパージを実施するパージ制御部と、
    を備え、
    前記アノード圧力制御部は、
    アノードガスの圧力を前記置換圧力まで昇圧した後は、前記パージの実施と共にアノードガスの圧力を脈動させることで、前記燃料電池内から排出されてバッファ部に流入した不純物を前記燃料電池システムの外部にパージする、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記アノード圧力制御部は、
    アノードガスの圧力を前記復帰時圧力に制御している場合に、前記パージの実施によって前記燃料電池内に残存する不純物をその燃料電池内から排出できたときも、前記パージの実施と共にアノードガスの圧力を脈動させることで、前記燃料電池内から排出されてバッファ部に流入した不純物を前記燃料電池システムの外部にパージする、
    請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記アノード圧力制御部は、
    前記燃料電池システムの起動時には、カソードガスの圧力との差圧が所定差圧よりも大きくなることを許容し、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を前記置換圧力以上まで昇圧する、
    請求項２から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  6. 前記解除圧力は、前記置換圧力から前記所定差圧を減算した圧力である、
    請求項２から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  7. 前記所定差圧は、
    前記燃料電池の電解質膜の耐久性を確保するために許容することのできる燃料電池内のアノード側とカソード側との差圧の最大値である、
    請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  8. 燃料電池による発電を一時的に停止することが可能なアイドルストップ機能を有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、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、
    カソードガスの圧力との差圧が所定差圧以下となるように、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力をカソードガスの圧力以上に制御するアノード圧力制御部と、
    を備え、
    前記アノード圧力制御部は、
    アイドルストップからの復帰時は、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を、大気圧相当の所定圧に前記所定差圧を加算した復帰時圧力以下に制御すると共に、アノードガスの圧力の減圧を禁止又は減圧幅を規制する、
    燃料電池システム。
  9. 燃料電池による発電を一時的に停止することが可能なアイドルストップ機能を有する燃料電池システムであって、
    アイドルストップからの復帰時は、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を、大気圧相当の所定圧を基準として前記燃料電池の電解質膜保護を図れる圧力に制御する、
    燃料電池システム。
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