WO2013129453A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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WO2013129453A1
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anode
pressure
purge valve
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市川　靖
池添　圭吾
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
  • This fuel cell system is an anode gas non-circulation type fuel cell system that does not return unused anode gas discharged into the anode gas discharge passage to the anode gas supply passage, and includes a normally closed solenoid valve and a normally open solenoid valve. By periodically opening and closing, unused anode gas stored in the recycle tank flows back into the fuel cell stack for reuse.
  • the anode gas concentration is reduced inside the fuel cell when the pulsation operation in which the anode gas pressure is periodically increased or decreased is reduced, and the power generation efficiency depends on the degree of decrease in the anode gas concentration. It turns out that it falls.
  • An object of the present invention is to provide a technique for suppressing a decrease in the anode gas concentration in the fuel cell during pressure reduction of pulsation operation in which the pressure of the anode gas is periodically increased or decreased.
  • a fuel cell system in one embodiment, includes a pressure regulating valve that controls the pressure of an anode gas supplied to the fuel cell, a buffer unit that stores anode off gas discharged from the fuel cell, and an anode off gas stored in the buffer unit.
  • a purge valve for controlling the amount; and pulsation operation control means for periodically increasing and decreasing the pressure of the anode gas by periodically opening and closing the pressure regulating valve.
  • the purge valve is controlled so that the purge flow rate is increased when the pulsation operation is reduced than when the pressure is increased.
  • FIG. 1A is a perspective view of the fuel cell for explaining the configuration of the fuel cell system in the first embodiment.
  • FIG. 1B is a diagram for explaining the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment, and is a cross-sectional view taken along the line 1B-1B of the fuel cell of FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the fuel cell system is constant.
  • FIG. 4 is a flowchart of pulsation operation control.
  • FIG. 5 is a flowchart of general purge control.
  • FIG. 1A is a perspective view of the fuel cell for explaining the configuration of the fuel cell system in the first embodiment.
  • FIG. 1B is a diagram for explaining the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment, and is a cross-sectional view taken along the line 1B-1B of the fuel cell of FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature and humidity of the fuel cell stack and the amount of nitrogen permeated.
  • FIG. 7 is a flowchart of the opening / closing control of the purge valve performed by the fuel cell system in the present embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the opening degree of the purge valve when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the first embodiment. .
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the opening degree of the purge valve when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a temporal change in anode pressure and a temporal change in purge flow rate when pulsation operation control and purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a temporal change in anode pressure and a temporal change in purge flow rate when pulsation operation control and purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the purge flow rate when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is a flowchart of the opening / closing control of the purge valve performed by the fuel cell system according to the fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the load and the pulsation cycle and whether or not the opening / closing of the purge valve is synchronized with the pulsation cycle.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the opening degree of the purge valve when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the sixth embodiment. .
  • an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reaction of the formulas (1) and (2).
  • FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 1A is a perspective view of the fuel cell 10.
  • 1B is a 1B-1B cross-sectional view of the fuel cell of FIG. 1A.
  • the fuel cell 10 includes an anode separator 12 and a cathode separator 13 arranged on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113.
  • the MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface.
  • the electrolyte membrane 111 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin.
  • the electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.
  • the anode electrode 112 includes a catalyst layer 112a and a gas diffusion layer 112b.
  • the catalyst layer 112a is in contact with the electrolyte membrane 111.
  • the catalyst layer 112a is formed of carbon black particles carrying platinum or platinum.
  • the gas diffusion layer 112b is provided outside the catalyst layer 112a (on the opposite side of the electrolyte membrane 111) and is in contact with the anode separator 12.
  • the gas diffusion layer 112b is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers.
  • the cathode electrode 113 includes a catalyst layer 113a and a gas diffusion layer 113b.
  • the anode separator 12 is in contact with the gas diffusion layer 112b.
  • the anode separator 12 has a plurality of groove-like anode gas passages 121 for supplying anode gas to the anode electrode 112 on the side in contact with the gas diffusion layer 112b.
  • the cathode separator 13 is in contact with the gas diffusion layer 113b.
  • the cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas flow paths 131 for supplying cathode gas to the cathode electrode 113 on the side in contact with the gas diffusion layer 113b.
  • the anode gas flowing through the anode gas channel 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas channel 131 flow in the same direction in parallel with each other. You may make it flow in the opposite direction in parallel with each other.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system 1 according to the first embodiment.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, an anode gas supply device 3, and a controller 4.
  • the fuel cell stack 2 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10, generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and generates electric power necessary for driving a vehicle (for example, electric power necessary for driving a motor). ).
  • the cathode gas supply / discharge device for supplying and discharging the cathode gas to / from the fuel cell stack 2 and the cooling device for cooling the fuel cell stack 2 are not the main part of the present invention, and are not shown for the sake of easy understanding. did. In this embodiment, air is used as the cathode gas.
  • the anode gas supply device 3 includes a high-pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, a pressure regulating valve 33, a pressure sensor 34, an anode gas discharge passage 35, a buffer tank 36, a purge passage 37, and a purge valve 38. .
  • the high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 in a high pressure state.
  • the anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2, and has one end connected to the high-pressure tank 31 and the other end of the fuel cell stack 2. Connected to the anode gas inlet hole 21.
  • the pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32.
  • the pressure regulating valve 33 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 2.
  • the pressure regulating valve 33 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 4.
  • the controller 4 controls the opening degree of the pressure regulating valve 33 by controlling the amount of current supplied to the pressure regulating valve 33.
  • the pressure sensor 34 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33.
  • the pressure sensor 34 detects the pressure of the anode gas flowing through the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33.
  • the pressure of the anode gas detected by the pressure sensor 34 is the pressure of the entire anode system including the anode gas flow paths 121 and the buffer tanks 36 inside the fuel cell stack (hereinafter referred to as “anode pressure”). As a substitute.
  • the anode gas discharge passage 35 has one end connected to the anode gas outlet hole 22 of the fuel cell stack 2 and the other end connected to the upper portion of the buffer tank 36.
  • the anode gas discharge passage 35 has a mixed gas of excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and an impure gas such as nitrogen or water vapor that has cross-leaked from the cathode side to the anode gas passage 121 (hereinafter referred to as “anode”). Off-gas ”) is discharged.
  • the buffer tank 36 temporarily stores the anode off gas flowing through the anode gas discharge passage 35. A part of the water vapor in the anode off gas is condensed in the buffer tank 36 to become liquid water and separated from the anode off gas.
  • One end of the purge passage 37 is connected to the lower part of the buffer tank 36.
  • the other end of the purge passage 37 is an open end.
  • the anode off gas and liquid water stored in the buffer tank 36 are discharged from the opening end to the outside air through the purge passage 37.
  • the purge valve 38 is provided in the purge passage 37.
  • the purge valve 38 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 4.
  • the opening of the purge valve 38 By adjusting the opening of the purge valve 38, the amount of anode off-gas discharged from the buffer tank 36 to the outside air via the purge passage 37 is adjusted, and the anode gas concentration in the buffer tank 36 is adjusted to be a certain level or less. To do. This is because if the concentration of the anode gas in the buffer tank 36 becomes too high, the amount of the anode gas discharged from the buffer tank 36 through the purge passage 37 to the outside air increases and is wasted.
  • the controller 4 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • CPU central processing unit
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • I / O interface input / output interface
  • the controller 4 includes a current sensor 41 that detects the output current of the fuel cell stack 2 and a temperature of cooling water that cools the fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as “cooling water temperature”). Signals for detecting the operating state of the fuel cell system 1, such as the temperature sensor 42 to detect and the accelerator stroke sensor 43 to detect the amount of depression of the accelerator pedal (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”) are input.
  • the controller 4 periodically opens and closes the pressure regulating valve 33 based on these input signals, performs pulsation operation to periodically increase and decrease the anode pressure, and adjusts the opening degree of the purge valve 38 from the buffer tank 36.
  • the flow rate of the anode off gas to be discharged is adjusted, and the anode gas concentration in the buffer tank 36 is kept below a certain level.
  • the fuel cell stack 2 In the case of the anode gas non-circulation type fuel cell system 1, if the anode gas continues to be supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 while the pressure regulating valve 33 is kept open, the fuel cell stack 2 is not discharged. Since the anode off gas including the used anode gas is continuously discharged from the buffer tank 36 through the purge passage 37 to the outside air, it is wasted.
  • the pulsation operation is performed in which the pressure regulating valve 33 is periodically opened and closed to increase and decrease the anode pressure periodically.
  • the anode off gas accumulated in the buffer tank 36 can be caused to flow back to the fuel cell stack 2 when the anode pressure is reduced.
  • the anode gas in the anode off-gas can be reused, so that the amount of the anode gas discharged to the outside air can be reduced and waste can be eliminated.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the fuel cell system 1 is constant.
  • the controller 4 calculates the target output of the fuel cell stack 2 based on the operating state of the fuel cell system 1 (the load of the fuel cell stack), and sets the anode pressure according to the target output. Set the upper and lower limits. Then, the anode pressure is periodically increased or decreased between the upper limit value and the lower limit value of the set anode pressure.
  • the pressure regulating valve 33 is opened to an opening at which the anode pressure can be increased to at least the upper limit value.
  • the anode gas is supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 and discharged to the buffer tank 36.
  • the pressure regulating valve 33 When the anode pressure reaches the upper limit at time t2, the pressure regulating valve 33 is fully closed as shown in FIG. 3B, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 is stopped. Then, since the anode gas left in the anode gas flow path 121 inside the fuel cell stack is consumed over time due to the electrode reaction of (1) described above, the anode pressure is reduced by the consumed amount of the anode gas.
  • the pressure in the buffer tank 36 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121, so that the anode gas flow path 121 extends from the buffer tank 36.
  • the anode off-gas flows back into.
  • the anode gas left in the anode gas channel 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas channel 121 are consumed over time, and the anode pressure further decreases.
  • the pressure regulating valve 33 When the anode pressure reaches the lower limit at time t3, the pressure regulating valve 33 is opened in the same manner as at time t1. When the anode pressure reaches the upper limit again at time t4, the pressure regulating valve 33 is fully closed.
  • FIG. 4 is a flowchart of pulsation operation control. The process starting from step S10 is performed by the controller 4.
  • step S10 the target output of the fuel cell stack 2 is calculated based on the operating state of the fuel cell system 1.
  • step S20 an upper limit value and a lower limit value of the anode pressure during pulsation operation are set based on the target output of the fuel cell stack 2 calculated in step S10, and an anode pressure is set based on the set upper limit value and lower limit value. Determine the target value.
  • the upper limit value is the anode pressure target value
  • the lower limit value is the anode pressure target value.
  • step S30 the anode pressure is detected by the pressure sensor 34.
  • step S40 based on the difference between the anode pressure target value determined in step S20 and the anode pressure detected in step S30, feedback for controlling the opening and closing of the pressure regulating valve 33 so that the anode pressure approaches the anode pressure target value. Take control.
  • the buffer tank 36 since the anode gas remaining in the anode gas flow path 121 is consumed during the pressure reduction of the pulsation operation, when the pressure of the buffer tank 36 becomes higher than the pressure of the anode gas flow path 121, the buffer tank 36 side The anode off gas flows backward to the anode gas flow path 121. As a result, the anode gas concentration decreases to a minimum at the junction of the anode gas flowing through the anode gas flow path 121 toward the buffer tank 36 and the anode off-gas flowing back from the buffer tank 36 toward the anode gas flow path 121. Become. In particular, the anode gas concentration at the position where the anode gas concentration is minimum becomes the lowest immediately before the pulsation operation is increased.
  • the purge valve 38 is opened when the pulsation operation is lowered to prevent the backflow of the anode off gas from the buffer tank 36 side to the anode gas flow path 121, thereby reducing the anode gas concentration. Suppress.
  • FIG. 5 is a flowchart of general purge control.
  • step S110 the amount of nitrogen permeated from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is calculated.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the temperature and humidity of the fuel cell stack 2 and the permeation amount of nitrogen. As shown in FIG. 6, the higher the temperature of the fuel cell stack 2 and the higher the humidity, the greater the nitrogen permeation amount.
  • the temperature detected by the temperature sensor 42 is used as the temperature of the fuel cell stack 2, and the humidity is obtained based on the high frequency resistance (HFR).
  • HFR high frequency resistance
  • step S110 the temperature and humidity of the fuel cell stack 2 are obtained, and the permeation amount of nitrogen is calculated by referring to a previously prepared table as shown in FIG.
  • step S120 a load (target output of the fuel cell stack 2) connected to the fuel cell stack 2 is detected.
  • step S130 the pressure sensor 34 detects the anode pressure.
  • step S140 based on the nitrogen permeation amount calculated in step S110, the load detected in step S120, and the anode pressure detected in step S130, the opening degree of the purge valve 38 necessary for purging nitrogen is calculated. . That is, the greater the nitrogen permeation amount, the greater the load, and the higher the anode pressure, the greater the opening of the purge valve 38.
  • FIG. 7 is a flowchart of the opening / closing control of the purge valve 38 performed by the fuel cell system in the present embodiment.
  • the process starting from step S210 is performed by the controller 4 during pulsation operation control for periodically increasing and decreasing the anode pressure.
  • step S210 the amount of nitrogen permeated from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is calculated. This process is the same as the process of step S110 of FIG.
  • step S220 a load on the fuel cell stack 2 (target output of the fuel cell stack 2) is detected.
  • step S230 the pressure sensor 34 detects the anode pressure.
  • step S240 it is determined whether or not step-down control for decreasing the anode pressure is being performed. If it is determined that the step-down control is being performed, the process proceeds to step S250, and if it is determined that the step-up control is being performed, the process proceeds to step S260.
  • step S250 the opening of the purge valve 38 necessary for purging nitrogen is calculated based on the nitrogen permeation amount calculated in step S210, the load detected in step S220, and the anode pressure detected in step S230. . That is, the greater the nitrogen permeation amount, the greater the load, and the higher the anode pressure, the greater the opening of the purge valve 38.
  • step S260 the purge valve 38 is closed.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the opening degree of the purge valve when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the first embodiment.
  • the control result of the prior art that makes the opening degree of the purge valve constant is indicated by a dotted line, and the control result of this embodiment is indicated by a solid line.
  • the purge valve 38 is opened only when the pressure is lowered during pulsation operation in which the anode pressure is periodically increased or decreased, and the purge valve 38 is closed when the pressure is raised.
  • the purge valve 38 is closed when the pressure is raised.
  • the buffer tank 36 for storing the anode off-gas discharged from the fuel cell is provided, and the pressure of the anode gas is periodically changed by periodically opening and closing the pressure regulating valve 33.
  • the opening and closing of the purge valve 38 is controlled according to the increase and decrease cycle so that the purge valve 38 is opened when the pulsation operation is reduced.
  • the purge valve 38 is opened when the anode pressure increasing process is completed and the pressure decreasing process is started during pulsation operation control (see FIG. 8).
  • the decrease in the anode gas concentration is small at the beginning of the pressure reduction process, the back flow of the anode off gas from the buffer tank 36 is small, and the necessity to open the purge valve 38 is low.
  • the purge valve 38 is controlled to open in the middle of the pressure-lowering process.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the opening degree of the purge valve when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the second embodiment.
  • the anode pressure reduction starts, but at time t52 during the pressure reduction, the purge valve 38 is opened.
  • the timing for opening the purge valve 38 can be set to an arbitrary timing. For example, it may be after a predetermined time has elapsed since the start of pressure reduction, or after the anode pressure has been reduced by a predetermined amount.
  • the opening and closing of the purge valve 38 is controlled so that the purge valve 38 is opened during the pressure reduction of the pulsation operation. Therefore, the purge valve 38 is opened at an appropriate timing. Thus, it is possible to suppress a decrease in the anode gas concentration inside the fuel cell stack 2 while suppressing wasteful discharge of the anode gas.
  • the opening degree of the purge valve 38 is controlled so that the purge flow rate becomes substantially constant even when the anode pressure decreases.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the purge flow rate when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the third embodiment. If the opening of the purge valve 38 is kept constant when the anode pressure is reduced, the purge flow rate decreases as the pressure decreases. Therefore, in the fuel cell system according to the third embodiment, the purge flow rate is made substantially constant even when the anode pressure decreases by increasing the opening of the purge valve 38 as the pressure decreases.
  • the opening and closing of the purge valve 38 is controlled so that the purge flow rate during the pressure reduction period of the pulsation operation is substantially constant, the purge flow rate is reduced when the anode pressure is reduced. It is possible to effectively prevent the anode off gas from flowing backward from the buffer tank 36 side to the anode gas flow path 121 due to the decrease. Thereby, the fall of the anode gas density
  • the anode gas concentration in the anode gas flow path 121 decreases at an accelerated rate as the pressure reduction time elapses. Therefore, in the fuel cell system according to the fourth embodiment, the anode off-gas flows back from the buffer tank 36 side to the anode gas flow path 121 by increasing the purge flow rate at an accelerated rate as the pressure reduction time elapses. This effectively prevents the decrease in the anode gas concentration inside the fuel cell stack 2.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a temporal change of the anode pressure and a temporal change of the purge flow rate when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • the purge flow rate is increased at an accelerated rate by increasing the opening of the purge valve 38.
  • the opening and closing of the purge valve 38 is controlled so that the purge flow rate increases with the passage of the pressure reduction period of the pulsation operation. It is possible to effectively prevent the anode off gas from flowing back into the flow path 121, and to effectively suppress the decrease in the anode gas concentration inside the fuel cell stack 2.
  • the opening and closing of the purge valve 38 is not synchronized with the pulsation cycle.
  • FIG. 12 is a flowchart of opening / closing control of the purge valve 38 performed by the fuel cell system according to the fifth embodiment. Steps for performing the same processing as the processing in the flowchart shown in FIG. 7 are assigned the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
  • step S300 it is determined whether or not the engine is in a high load state, that is, whether or not the required output of the fuel cell stack 2 is large.
  • the required output of the fuel cell stack 2 is greater than or equal to a predetermined output, it is determined that the load is high. If it is determined that the load is high, the process proceeds to step S310.
  • step S310 the opening degree of the purge valve 38 is determined.
  • the opening of the purge valve 38 is set to a value not synchronized with the pulsation cycle of the anode pressure. That is, the purge valve 38 may be opened at the time of pressure increase, or the purge valve 38 may remain closed even at the time of pressure decrease.
  • step S300 if it is determined in step S300 that the load is not high, the process proceeds to step S240.
  • the processing in steps S240 to S260 is the same as the processing in the flowchart shown in FIG. Note that the opening / closing control of the purge valve 38 performed in steps 240 to S260 is a control synchronized with the pulsation cycle of the anode pressure, as described in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the load and the pulsation cycle, and whether or not the opening / closing of the purge valve 38 is synchronized with the pulsation cycle. As shown in FIG. 13, the higher the load, the shorter the pulsation cycle. When the load is high, that is, when the pulsation cycle is short, the opening / closing of the purge valve 38 is not synchronized with the pulsation cycle.
  • the opening / closing control of the purge valve 38 according to the increase / decrease cycle is not performed. Even if a bad purge valve is used, a decrease in the anode gas concentration inside the fuel cell stack 2 can be suppressed when the pulsation operation is lowered. That is, even when the pulsation cycle is shortened in a high load state, the anode off gas flows back from the buffer tank 36 side to the anode gas flow path 121 by opening and closing the purge valve 38 without synchronizing with the pulsation cycle. Thus, the anode gas concentration in the fuel cell stack 2 can be prevented from decreasing.
  • the purge valve 38 is kept open without closing at the timing when the pressure increasing process is started, and the purge valve 38 is controlled to be closed during the pressure increasing process.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure and a temporal change in the opening degree of the purge valve when the pulsation operation control and the purge valve opening / closing control are performed by the fuel cell system according to the sixth embodiment.
  • the purge valve 38 is not closed but remains open even when the pulsation operation pressure reduction process is completed.
  • the purge valve 38 is closed at time t72 during the pressure increasing process.
  • the period from the end of the pressure reduction process to the closing of the purge valve 38 is set to an appropriate value in consideration of the position where the pressure sensor 34 is provided, the volume in the anode system, and the like. deep.
  • the purge valve 38 is not closed even when the pulsation operation pressure increasing process is completed, and the purge valve 38 is opened at time t74 in the middle of the pressure decreasing process. This is because a time delay occurs until the downstream anode pressure close to the buffer tank 36 coincides with the anode pressure detected by the pressure sensor 34, and the anode gas concentration continues for a while even after the pressure reduction process is started. This is because there is little backflow of the anode off gas from the buffer tank 36 and the necessity to open the purge valve 38 is low.
  • the purge valve 38 is kept open even after the pulsation operation pressure reduction is completed, and the purge valve 38 is closed during the pressure increase. For a while after the completion, low concentration anode gas can be discharged to the outside air.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments.
  • the present invention can be applied to various devices other than the vehicle.

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Abstract

　燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを外部に排出する量を制御するパージ弁とを備え、調圧弁を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる燃料電池システムにおいて、脈動運転制御時において、脈動運転の減圧時は、増圧時よりもパージ流量が増量するようにパージ弁を制御する。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
　本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
　従来、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リサイクルタンク（バッファタンク）とを設けた燃料電池システムが知られている（ＪＰ２００７－５１７３６９Ａ参照）。この燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、常閉ソレノイドバルブ及び常開ソレノイドバルブを周期的に開閉することで、リサイクルタンクに蓄えた未使用のアノードガスを燃料電池スタックに逆流させて再利用している。
　しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、アノードガスの圧力を周期的に増減させる脈動運転の減圧時に、燃料電池内部でアノードガス濃度が低下し、アノードガス濃度の低下度合いによっては、発電効率が低下することがわかった。
　本発明は、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転の減圧時に、燃料電池内部のアノードガス濃度の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。
　一実施形態における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調圧弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁と、調圧弁を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御手段とを備える。この燃料電池システムにおいて、脈動運転の減圧時は、増圧時よりもパージ流量が増量するようにパージ弁を制御する。
　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図１Ａは、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図であって、燃料電池の斜視図である。 図１Ｂは、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図であって、図１Ａの燃料電池の１Ｂ－１Ｂ断面図である。 図２は、第１の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、燃料電池システム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４は、脈動運転制御のフローチャートである。 図５は、一般的なパージ制御のフローチャートである。 図６は、燃料電池スタックの温度および湿度と、窒素の透過量との関係を示す図である。 図７は、本実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁の開閉制御のフローチャートである。 図８は、第１の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。 図９は、第２の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。 図１０は、第３の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。 図１１は、第４の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。 図１２は、第５の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁の開閉制御のフローチャートである。 図１３は、負荷と脈動周期との関係、および、パージ弁の開閉を脈動周期に同期させるか否かを示す図である。 図１４は、第６の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。
　－第１の実施形態－
　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）とで挟み、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)
　式（１）及び式（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および図１Ｂは、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。図１Ａは、燃料電池１０の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池の１Ｂ－１Ｂ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、第１の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
　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、コントローラ４と、を備える。
　燃料電池スタック２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発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。
　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２１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４によって制御される。コントローラ４は、調圧弁３３に供給する電流の量を制御することによって、調圧弁３３の開度を制御する。
　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２２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へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスとの混合ガス（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４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３６内のアノードガス濃度が一定以下となるように調節する。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高くなり過ぎると、バッファタンク３６からパージ通路３７を通って外気へ排出されるアノードガス量が多くなり、無駄となるからである。
　コントローラ４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４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ４２、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４３などの、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。
　コントローラ４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一定以下に保つ。
　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。
　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４は、燃料電池システム１の運転状態（燃料電池スタックの負荷）に基づいて燃料電池スタック２の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、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。
　具体的には、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、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３を開く。この状態のとき、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）に示すように調圧弁３３を全閉とし、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を停止する。そうすると、上述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック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。
　図４は、脈動運転制御のフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。
　ステップＳ１０では、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の目標出力を算出する。
　ステップＳ２０では、ステップＳ１０で算出した燃料電池スタック２の目標出力に基づいて、脈動運転時のアノード圧の上限値及び下限値を設定するとともに、設定した上限値及び下限値に基づいて、アノード圧目標値を決定する。アノード圧の増圧時には、上限値がアノード圧目標値となり、降圧時には、下限値がアノード圧目標値となる。
　ステップＳ３０では、圧力センサ３４によってアノード圧を検出する。
　ステップＳ４０では、ステップＳ２０で決定したアノード圧目標値と、ステップＳ３０で検出したアノード圧との差に基づいて、アノード圧がアノード圧目標値に近づくように、調圧弁３３の開閉を制御するフィードバック制御を行う。
　ここで、脈動運転の降圧時には、アノードガス流路１２１内に残されたアノードガスが消費されるので、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と、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。そうすると、アノードガス流路１２１をバッファタンク３６側に流れるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスとの合流部において、アノードガス濃度が低下して最小となる。特に、アノードガス濃度が最小となる位置のアノードガス濃度は、脈動運転の昇圧する直前に最も低くなる。
　従って、本実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転の降圧時にパージ弁３８を開くことにより、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へのアノードオフガスの逆流を防いで、アノードガス濃度の低下を抑制する。
　脈動運転の降圧時のパージ弁３８の開閉制御について説明する前に、パージ弁３８の一般的な開閉制御について説明する。
　図５は、一般的なパージ制御のフローチャートである。
　ステップＳ１１０では、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過してくる窒素の透過量を算出する。
　図６は、燃料電池スタック２の温度および湿度と、窒素の透過量との関係を示す図である。図６に示すように、燃料電池スタック２の温度が高いほど、また、湿度が高いほど、窒素の透過量は多くなる。ここでは、燃料電池スタック２の温度として、温度センサ４２によって検出される温度を用いるとともに、高周波抵抗（ＨＦＲ）に基づいて、湿度を求める。ステップＳ１１０では、燃料電池スタック２の温度および湿度を求め、予め用意した図６に示すような関係のテーブルを参照することによって、窒素の透過量を算出する。
　ステップＳ１２０では、燃料電池スタック２に接続されている負荷（燃料電池スタック２の目標出力）を検出する。
　ステップＳ１３０では、圧力センサ３４によって、アノード圧を検出する。
　ステップＳ１４０では、ステップＳ１１０で算出した窒素透過量、ステップＳ１２０で検出した負荷、および、ステップＳ１３０で検出したアノード圧に基づいて、窒素をパージするために必要なパージ弁３８の開度を算出する。すなわち、窒素透過量が多いほど、負荷が大きいほど、アノード圧が高いほど、パージ弁３８の開度が大きくなるようにする。
　図７は、本実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁３８の開閉制御のフローチャートである。ステップＳ２１０から始まる処理は、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転制御時に、コントローラ４によって行われる。
　ステップＳ２１０では、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過してくる窒素の透過量を算出する。この処理は、図６のステップＳ１１０の処理と同じである。
　ステップＳ２２０では、燃料電池スタック２に対する負荷（燃料電池スタック２の目標出力）を検出する。
　ステップＳ２３０では、圧力センサ３４によって、アノード圧を検出する。
　ステップＳ２４０では、アノード圧を降圧させる降圧制御中であるか否かを判定する。降圧制御中であると判定すると、ステップＳ２５０に進み、昇圧制御中であると判定すると、ステップＳ２６０に進む。
　ステップＳ２５０では、ステップＳ２１０で算出した窒素透過量、ステップＳ２２０で検出した負荷、および、ステップＳ２３０で検出したアノード圧に基づいて、窒素をパージするために必要なパージ弁３８の開度を算出する。すなわち、窒素透過量が多いほど、負荷が大きいほど、アノード圧が高いほど、パージ弁３８の開度が大きくなるようにする。
　一方、ステップＳ２６０では、パージ弁３８を閉じる。
　図８は、第１の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。パージ弁の開度の時間変化を示す図では、パージ弁の開度を一定とする従来技術の制御結果を点線で示し、本実施形態の制御結果を実線で示している。
　図８に示すように、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転時の降圧時にのみパージ弁３８を開き、昇圧時にはパージ弁３８を閉じる。これにより、降圧時に、バッファタンク３６側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のを防ぐことができるので、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
　以上、第１の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンク３６を備え、調圧弁３３を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転を行う燃料電池システムにおいて、脈動運転の減圧時にパージ弁３８が開くように、増減圧の周期に応じてパージ弁３８の開閉を制御する。これにより、降圧時に、バッファタンク３６側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のを防ぐことができるので、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
　－第２の実施形態－
　第１の実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転制御時に、アノード圧の昇圧工程が終了して降圧工程に入ると、パージ弁３８を開くようにした（図８参照）。しかしながら、降圧過程に入った最初のうちは、アノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク３６からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁３８を開く必要性は低い。
　従って、第２の実施形態における燃料電池システムでは、降圧工程の途中からパージ弁３８を開くように制御する。
　図９は、第２の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ５１に、アノード圧の降圧が開始されるが、降圧の途中の時刻ｔ５２において、パージ弁３８が開かれている。パージ弁３８を開くタイミングは、任意のタイミングに設定することができる。例えば、降圧を開始してから所定時間経過後としてもよいし、アノード圧が所定量降圧した後としてもよい。
　以上、第２の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧の途中でパージ弁３８が開くように、パージ弁３８の開閉を制御するので、適切なタイミングでパージ弁３８を開くことにより、アノードガスの無駄な排出を抑制しつつ、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
　－第３の実施形態－
　第３の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるように、パージ弁３８の開度を制御する。
　図１０は、第３の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。アノード圧の低下時にパージ弁３８の開度を一定とすると、降圧につれてパージ流量が減少する。従って、第３の実施形態における燃料電池システムでは、降圧につれてパージ弁３８の開度を大きくすることによって、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるようにする。これにより、パージ流量の減少に起因してバッファタンク３６側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のを効果的に防ぐことができるので、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
　以上、第３の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧期間中のパージ流量が略一定となるように、パージ弁３８の開閉を制御するので、アノード圧の減圧時にパージ流量が減少することに起因してバッファタンク３６側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のを効果的に防ぐことができる。これにより、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下をより効果的に抑制することができる。
　－第４の実施形態－
　アノードガス流路１２１内のアノードガス濃度は、降圧時間の経過に伴い、加速度的に減少する。従って、第４の実施形態における燃料電池システムでは、降圧時間の経過に伴い、パージ流量を加速度的に増加させることによって、バッファタンク３６側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のを効果的に防いで、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制する。
　図１１は、第４の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。降圧時間の経過に伴い、パージ弁３８の開度を大きくしていくことにより、パージ流量を加速度的に増やしていく。
　以上、第４の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧期間の経過に応じてパージ流量が増加するように、パージ弁３８の開閉を制御するので、バッファタンク３６側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のを効果的に防いで、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を効果的に抑制することができる。
　－第５の実施形態－
　燃料電池スタック２に対する負荷が高い状態、すなわち、燃料電池スタック２の要求出力が大きくなると、脈動運転制御時の脈動周期が短くなる。この場合、脈動周期に合わせて、降圧時にパージ弁３８を開き、昇圧時にパージ弁３８を閉じる制御を行うためには、応答性の良い高価なパージ弁を用いる必要がある。
　第５の実施形態における燃料電池システムでは、高負荷で燃料電池スタック２の要求出力が大きい場合には、パージ弁３８の開閉を脈動周期に同期させない。
　図１２は、第５の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁３８の開閉制御のフローチャートである。図７に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
　ステップＳ２３０に続くステップＳ３００では、高負荷状態であるか否か、すなわち、燃料電池スタック２の要求出力が大きいか否かを判定する。ここでは、燃料電池スタック２の要求出力が所定出力以上であれば、高負荷状態であると判定する。高負荷状態であると判定すると、ステップＳ３１０に進む。
　ステップＳ３１０では、パージ弁３８の開度を決定する。ここでのパージ弁３８の開度は、アノード圧の脈動周期に同期しない値とする。すなわち、昇圧時にパージ弁３８を開くこともあれば、降圧時であっても、パージ弁３８が閉じたままの状態が存在する場合がある。
　一方、ステップＳ３００において高負荷状態ではないと判定すると、ステップＳ２４０に進む。ステップＳ２４０～Ｓ２６０の処理は、図７に示すフローチャートの処理と同じである。なお、ステップ２４０～Ｓ２６０で行われるパージ弁３８の開閉制御は、第１の実施形態で説明したように、アノード圧の脈動周期に同期した制御である。
　図１３は、負荷と脈動周期との関係、および、パージ弁３８の開閉を脈動周期に同期させるか否かを示す図である。図１３に示すように、負荷が高くなるほど、脈動周期は短くなる。また、負荷が高い場合、すなわち、脈動周期が短い場合には、パージ弁３８の開閉を脈動周期に同期させない。
　以上、第５の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池の要求出力が所定出力より大きい場合には、増減圧の周期に応じたパージ弁３８の開閉制御は行わないので、応答性の良くないパージ弁を用いても、脈動運転の降圧時に、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。すなわち、高負荷状態で脈動周期が短くなる場合でも、脈動周期に同期させずにパージ弁３８の開閉を行うことにより、バッファタンク３６側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のを防いで、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
　－第６の実施形態－
　第１～第５の実施形態では、脈動運転の降圧工程が終了して昇圧工程に入ると、未燃焼のアノードガスがバッファタンク３６に入っていくため、高濃度のアノードガスが外気に排出されるのを抑制するために、昇圧工程に入るタイミングで、パージ弁３８を閉じるように制御している。しかしながら、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、未燃焼のアノードガスはバッファタンク３６に入っていかない。また、圧力センサ３４は、燃料電池スタック２の上流側に設けられているため、バッファタンク３６に近い下流側のアノード圧が圧力センサ３４によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じる。従って、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、パージ弁３８を閉じずに開いておいても、高濃度のアノードガスが外気に排出される可能性は低く、かつ、バッファタンク３６内にある低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
　従って、第６の実施形態における燃料電池システムでは、昇圧工程に入ったタイミングではパージ弁３８を閉じずに開いたままとし、昇圧工程の途中でパージ弁３８を閉じるように制御する。
　図１４は、第６の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ７１において、脈動運転の降圧工程が終了してもパージ弁３８は閉じずに開いたままとする。そして、昇圧工程の途中の時刻ｔ７２において、パージ弁３８を閉じている。
　ここで、降圧工程が終了してから、パージ弁３８を閉じるまでの期間は、圧力センサ３４が設けられている位置や、アノード系内の容積等を考慮して、適切な値に設定しておく。
　また、時刻ｔ７３において、脈動運転の昇圧工程が終了してもパージ弁３８は閉じずに、降圧工程の途中の時刻ｔ７４において、パージ弁３８を開いている。これは、バッファタンク３６に近い下流側のアノード圧が圧力センサ３４によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じること、および、降圧工程に入ってもしばらくの間はアノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク３６からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁３８を開く必要性が低いからである。
　以上、第６の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧が終了してもパージ弁３８を開いたままとし、増圧の途中でパージ弁３８を閉じるので、脈動運転の減圧が終了してもしばらくの間は、低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
　本発明は、上述した各実施形態に限定されることはない。例えば、燃料電池システムを車両に搭載した例を挙げて説明したが、車両以外の様々なものに適用することもできる。
　本願は、２０１２年２月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－０４３９４２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 (7)

  1. 　アノードガスおよびカソードガスを燃料電池に供給して発電させ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調圧弁と、
    　前記燃料電池から排出される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られたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁と、
    　前記調圧弁を周期的に開閉することによって、前記調圧弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御手段と、
    　前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時において、前記脈動運転の減圧時は、増圧時よりもパージ流量が増量するように前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
    を備え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において、
    　前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧の途中で前記パージ弁が開くように、前記パージ弁の開閉を制御する、
    燃料電池システム。
  3. 　請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間中のパージ流量が略一定となるように、前記パージ弁の開閉を制御する、
    燃料電池システム。
  4. 　請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間の経過に応じて、前記パージ流量が増加するように、前記パージ弁の開閉を制御する、
    燃料電池システム。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記パージ弁制御手段は、前記燃料電池の要求出力が所定出力より大きい場合には、増減圧の周期に応じた前記パージ弁の開閉制御は行わない、
    燃料電池システム。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧が終了しても前記パージ弁を開いたままとし、増圧の途中で前記パージ弁を閉じる、
    燃料電池システム。
  7. 　燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、前記燃料電池から排出される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られたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁とを備え、アノードガスおよびカソードガスを前記燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記調圧弁を周期的に開閉することによって、前記調圧弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させる工程と、
    　前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時において、前記脈動運転の減圧時は、増圧時よりもパージ流量が増量するように前記パージ弁を制御する工程と、
    を備える燃料電池システムの制御方法。
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