WO2013129553A1 - 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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WO2013129553A1
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anode gas
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anode
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市川　靖
隆宏 藤井
池添　圭吾
篤至 福中
達郎 石川
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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. Open and close periodically. Thus, impurities generated from the power generation region due to the pulsation operation are pushed into the buffer tank, and the hydrogen concentration in the power generation region is maintained.
  • some fuel cell systems increase the pressure of the anode gas according to the required output.
  • a system in which the flow in the stack is weak such as a non-circulating fuel cell system
  • the required output decreases from the state where the required output is high and the pulsation is performed with the anode base pressure being high, and the required anode pressure is reduced accordingly.
  • the required value of the anode gas pressure becomes low, the pressure regulating valve is controlled so that the anode gas pressure becomes the required value.
  • the pressure regulating valve is closed by pressure feedback control, and hydrogen is consumed according to the output at that time.
  • the pressure in the power generation region is lower than the pressure on the off-gas side of the fuel cell system, the gas containing impurities on the off-gas side flows backward, so that the anode locally in the anode gas flow path inside the fuel cell. It was found that a point where the gas concentration was lowered occurred. Then, it was found that if power generation is continued in such a state, the anode gas necessary for the reaction is insufficient and the power generation efficiency decreases.
  • An object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing a decrease in the anode gas concentration in the fuel cell when the pressure of the anode gas is decreased.
  • a fuel cell system includes a pressure regulating valve that controls a pressure of an anode gas supplied to the fuel cell, and a pulsation operation control unit that pulsates the anode gas pressure at the same load while the anode gas pressure increases as the load increases. And an anode gas pressure limiting means for limiting the anode gas pressure with a pressure higher than the anode gas pressure corresponding to the load when the load decreases.
  • 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. 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 an
  • FIG. 5 is a time chart showing changes in the anode pressure when the pressure regulating valve is fully closed and the anode pressure is lowered to the lower limit pressure during the lowered transient operation.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the reason why a portion where the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path.
  • FIG. 7 is a flowchart of purge control performed by the controller.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the temperature and humidity of the fuel cell stack and the amount of nitrogen permeated.
  • FIG. 9 is a flowchart of anode pressure control performed by the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of temporal changes in the anode pressure and the cathode pressure when the anode pressure control is performed by the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a temporal change in anode pressure when anode pressure control is performed by the fuel cell system according to the second 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.
  • FIG. 5 is a time chart showing changes in the anode pressure when the pressure regulating valve 33 is fully closed and the anode pressure is lowered to the lower limit pressure during the lowered transient operation.
  • the upper limit value and the lower limit pressure of the anode pressure are set according to the decreased target output, as shown in FIG. Is done.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the reason why a portion where the anode gas concentration is locally lower than the others is generated inside the anode gas flow path 121.
  • FIG. 6A is a diagram showing the flow of the anode gas and the anode off-gas in the anode gas passage 121 when the pressure regulating valve 33 is fully closed during the down transition operation.
  • FIG. 6B is a diagram showing the concentration distribution of the anode gas in the anode gas flow passage 121 as time elapses when the pressure regulating valve 33 is fully closed during the down transition operation.
  • the anode gas left in the anode gas flow path 121 flows to the buffer tank 36 side by inertia.
  • 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 from the buffer tank 36 side.
  • the anode off gas flows backward to 121.
  • the stagnation point exists in the anode gas flow path 121, and a portion in which the anode gas concentration is locally lower than the others is generated in the anode gas flow path 121. .
  • the target anode pressure when the target anode pressure is decreased to the target final lower limit pressure (first target anode pressure) in accordance with the decrease in the target output of the fuel cell stack 2, the target final lower limit pressure is exceeded.
  • the pressure After maintaining the high target intermediate lower limit pressure (second target anode pressure) for a predetermined period, the pressure is lowered to the first target anode pressure. While maintaining the target intermediate lower limit pressure for a predetermined time, the supply of the anode gas is resumed, and the purge of discharging the anode off-gas from the buffer tank 36 through the purge passage 37 is performed, whereby the above-mentioned local anode gas concentration is obtained. Is pushed out of the power generation area of the fuel cell stack 2.
  • FIG. 7 is a flowchart of purge control performed by the controller 4.
  • step S110 the amount of nitrogen permeated from the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane is calculated.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the temperature and humidity of the fuel cell stack 2 and the amount of nitrogen permeated. As shown in FIG. 8, the higher the temperature of the fuel cell stack 2 and the higher the humidity, the greater the amount of nitrogen permeated.
  • 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. 9 is a flowchart of anode pressure control performed by the fuel cell system according to the first embodiment.
  • the controller 4 starts the process of step S210 when the target anode pressure decreases, such as during a lowered transient operation.
  • the target final lower limit pressure is determined according to the target output of the fuel cell stack 2, and the target intermediate lower limit pressure higher than the target final lower limit pressure is determined.
  • the target intermediate lower limit pressure is determined based on the anode gas concentration in the buffer tank 36. That is, the higher the anode gas concentration in the buffer tank 36, the lower the target intermediate lower limit pressure.
  • the concentration of the anode gas in the buffer tank 36 may be measured by providing a sensor, or may be estimated based on the anode pressure or the like.
  • step S220 the pressure regulating valve 33 is fully closed.
  • the pressure regulating valve 33 is fully closed, the anode gas remaining in the anode gas flow path 121 flows to the buffer tank 36 side due to inertia and is consumed. As a result, the anode pressure decreases.
  • step S230 it is determined whether or not the anode pressure detected by the pressure sensor 34 is lower than the target intermediate lower limit pressure. If it is determined that the anode pressure is equal to or higher than the target intermediate lower limit pressure, the process returns to step S220. If it is determined that the anode pressure is lower than the target intermediate lower limit pressure, the process proceeds to step S240.
  • step S240 pulsation control is performed to periodically increase and decrease the anode pressure using the target intermediate lower limit pressure as the lower limit pressure. Thereby, supply of anode gas is restarted.
  • step S250 it is determined whether or not a predetermined target time has elapsed since the start of pulsation control for periodically increasing and decreasing the anode pressure using the target intermediate lower limit pressure as the lower limit pressure.
  • the purge of exhausting the anode off-gas containing nitrogen from the buffer tank 36 through the purge passage 37 is performed by adjusting the opening of the purge valve 38.
  • the predetermined target time is a time until the region where the anode gas concentration is locally low is pushed out of the power generation region of the fuel cell stack 2 by purging. More preferably, the predetermined target time is a time until a region where the anode gas concentration is locally low is pushed out to the buffer tank 36 by purging.
  • the predetermined target time is determined based on the anode gas concentration in the buffer tank 36. That is, the higher the anode gas concentration in the buffer tank 36, the longer the target time.
  • step S260 the pressure regulating valve 33 is fully closed. As a result, the anode pressure decreases again.
  • step S270 it is determined whether or not the anode pressure detected by the pressure sensor 34 is lower than the target final lower limit pressure. If it is determined that the anode pressure is equal to or higher than the target final lower limit pressure, the process returns to step S260, and if it is determined that the anode pressure is lower than the target final lower limit pressure, the process proceeds to step S280.
  • step S280 pulsation control is performed to periodically increase and decrease the anode pressure with the target final lower limit pressure as the lower limit pressure.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of temporal changes in the anode pressure and the cathode pressure when the anode pressure control is performed by the fuel cell system according to the first embodiment.
  • the target final lower limit pressure is maintained after maintaining the target intermediate lower limit pressure higher than the target final lower limit pressure for a predetermined period without reducing it to the target final lower limit pressure. Reduce. Thereby, it can suppress that power generation efficiency falls resulting from anode gas concentration becoming low locally in an anode gas channel.
  • the buffer tank 36 that stores the anode off-gas discharged from the fuel cell is provided, and the anode gas pressure increases as the load increases, and the anode gas pressure is increased at the same load.
  • the anode gas pressure is limited to a pressure higher than the anode gas pressure corresponding to the load.
  • the backflow of the anode gas having a high impurity concentration present on the off gas side can be suppressed, so that a decrease in the anode gas concentration in the anode gas flow path of the fuel cell stack can be suppressed.
  • the anode gas pressure is limited to a pressure higher than the anode gas pressure corresponding to the load
  • the region where the anode gas concentration is locally low is the fuel. Since it is pushed out of the power generation region of the battery stack 2, it is possible to suppress a decrease in the anode gas concentration in the power generation region of the fuel cell stack 2. Thereby, the fall of the power generation efficiency of the fuel cell stack 2 can be suppressed.
  • the pressure for limiting the anode gas pressure is set based on the concentration of the anode gas in the buffer tank 36, the decrease in the anode gas concentration in the power generation region of the fuel cell stack 2 can be more appropriately suppressed. Can do.
  • a pulsation operation is performed to periodically increase or decrease the pressure of the anode gas for a predetermined time.
  • the predetermined time is determined based on the concentration of the anode gas in the buffer tank 36, it is possible to more appropriately suppress the decrease in the anode gas concentration in the power generation region of the fuel cell stack 2.
  • the pulsation width of the anode pressure is constant when the pulsation operation is performed by reducing the anode pressure to the target intermediate lower limit pressure higher than the target final lower limit pressure.
  • the pulsation width of the anode pressure is initially reduced and controlled so as to gradually increase as time elapses. To do.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a temporal change in the anode pressure when the anode pressure control is performed by the fuel cell system according to the second embodiment.
  • FIG. 11 before the anode pressure is reduced to the target final lower limit pressure, the portion until the target intermediate lower limit pressure is reduced and the pulsation operation is performed is shown, and the portion where the anode pressure is reduced to the target final lower limit pressure is omitted.
  • the anode pressure is reduced to the target intermediate lower limit pressure.
  • a pulsation operation for periodically increasing or decreasing the anode pressure is started.
  • the pulsation width is first reduced and then the pulsation width is gradually increased. Go.
  • the time change of the anode pressure in the second embodiment is indicated by a solid line
  • the time change of the anode pressure in the first embodiment is indicated by a dotted line.
  • the anode off-gas flows backward from the buffer tank 36 side to the anode gas flow path 121 during the lowered transient operation, and a portion where the anode gas concentration is locally reduced is formed.
  • the anode is first supplied from the buffer tank 36 to the anode gas flow path 121 by reducing the pulsation width. Since the reverse flow rate of the off gas can be reduced, it is possible to further suppress the decrease in the anode gas concentration during the pulsation operation.
  • the pulsation operation when the pulsation operation is performed after the pressure of the anode gas is decreased to the second target pressure higher than the first target pressure, the pulsation operation is started.
  • the pressure increase / decrease width of the anode gas is made smaller than that of the anode gas at the end of the pulsation operation.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments.
  • the present invention can be applied to various devices other than the vehicle.
  • the present invention has been described by taking a non-circulation type fuel cell system including a buffer tank as an example.
  • the pulsation control is performed and the anode pressure is low at low load.
  • the present invention can be similarly applied as long as the anode pressure is set to a high pressure at a high load.
  • the anode pressure is higher than the pressure set according to the load. Will be limited to high pressures.
  • the anode gas on the off-gas side whose impurity concentration has been increased by pulsation operation can be suppressed from flowing into the anode flow path in the stack. Can be obtained.

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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調圧弁と、負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる脈動運転制御手段と、負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限するアノードガス圧力制限手段とを備える。

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。これにより、脈動運転により発電領域から発生する不純物をバッファタンク内に押し込み、発電領域の水素濃度を維持することが行われる。
　ところで、一般的に、燃料電池システムによっては要求出力等に応じてアノードガスの圧力を大きくするものが知られている。また、例えば、非循環型燃料電池システムのようにスタック内の流動が弱いシステムでは、脈動を実施することでスタック内の不純物をオフガス側へ押し込むものが知られている。このような脈動を行う燃料電池システムでは、要求出力が高く、かつ、アノードのベース圧が高い状態で脈動を行っている状態から、要求出力が低くなり、それに伴い要求されるアノード圧が小さくなる状況では次のような不都合が生じてしまう。アノードガス圧力の要求値が低くなると、アノードガス圧力が要求値となるように調圧弁を制御する。具体的には、圧力のフィードバック制御により調圧弁は閉弁され、そのときの出力に応じて水素が消費される。このとき、燃料電池システムのオフガス側の圧力よりも発電領域の圧力が低下するため、オフガス側の不純物を含んだガスが逆流することにより、燃料電池内部のアノードガス流路内で局所的にアノードガス濃度が低くなる点が発生することがわかった。そして、このような状態で発電を継続すると反応に必要なアノードガスが不足して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低下させる場合に、燃料電池内のアノードガス濃度の低下を抑制することができ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、負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる脈動運転制御手段と、負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限するアノードガス圧力制限手段とを備える。
　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、下げ過渡運転時に調圧弁を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。 図６は、アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明するための図である。 図７は、コントローラによって行われるパージ制御のフローチャートである。 図８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９は、第１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アノード圧制御のフローチャートである。 図１０は、第１の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧およびカソード圧の時間変化の一例を示す図である。 図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧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、このような脈動運転を実施する場合、燃料電池システム１の運転状態が変化するとき、具体的には、燃料電池スタック２の目標出力が減少して、燃料電池スタック２の出力を目標出力に向けて減少させる過渡運転時（以下、下げ過渡運転時と呼ぶ）に、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生することがわかった。以下、この点について図５及び図６を参照して説明する。
　図５は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。
　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の目標出力が低下すると、図５（Ａ）に示すように、低下した目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限圧が設定される。
　このとき、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１１で調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限値まで低下させると（時刻ｔ１２）、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。この理由について、図６を参照して説明する。
　図６は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明するための図である。図６（Ａ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示す図である。図６（Ｂ）は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を時間の経過に応じて示した図である。
　図６（Ａ）に示すように、調圧弁３３が全閉にされると、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスは、慣性でバッファタンク３６側へと流れる。そして、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、それぞれのガス流速がゼロとなる淀み点が発生する。
　アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、上述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図６（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。
　このように、下げ過渡運転後は、アノードガス流路１２１の内部に淀み点が存在する状態となり、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。
　本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の目標出力の低下に応じて、目標アノード圧を目標最終下限圧（第１の目標アノード圧）まで低下させる際に、目標最終下限圧よりも高い目標中間下限圧（第２の目標アノード圧）に所定期間保持した後、第１の目標アノード圧まで低下させる。目標中間下限圧に所定時間保持する間に、アノードガスの供給を再開するとともに、バッファタンク３６からパージ通路３７を介してアノードオフガスを排出するパージを行うことによって、上述した局所的にアノードガス濃度が低い部分を燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出すようにする。
　図７は、コントローラ４によって行われる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８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８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、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８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９は、第１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アノード圧制御のフローチャートである。コントローラ４は、下げ過渡運転時等のように、目標アノード圧が低下する場合に、ステップＳ２１０の処理を開始する。
　ステップＳ２１０では、燃料電池スタック２の目標出力に応じて、目標最終下限圧を決定するとともに、目標最終下限圧よりも高い目標中間下限圧を決定する。目標中間下限圧は、バッファタンク３６内のアノードガス濃度に基づいて決定する。すなわち、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高いほど、目標中間下限圧を低くする。バッファタンク３６内のアノードガス濃度はセンサを設けて計測してもよいし、アノード圧等に基づいて推定するようにしてもよい。
　ステップＳ２２０では、調圧弁３３を全閉とする。調圧弁３３が全閉とされることにより、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスは、慣性でバッファタンク３６側へと流れて消費されていく。これにより、アノード圧は低下していく。
　ステップＳ２３０では、圧力センサ３４によって検出されるアノード圧が目標中間下限圧より低いか否かを判定する。アノード圧が目標中間下限圧以上であると判定すると、ステップＳ２２０に戻り、アノード圧が目標中間下限圧より低いと判定すると、ステップＳ２４０に進む。
　ステップＳ２４０では、目標中間下限圧を下限圧として、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動制御を行う。これにより、アノードガスの供給が再開される。
　ステップＳ２５０では、目標中間下限圧を下限圧として、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動制御が開始されてから所定の目標時間が経過したか否かを判定する。この脈動制御時には、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、窒素を含むアノードオフガスを排出するパージが行われている。パージを行うことにより、上述した局所的にアノードガス濃度が低い領域が燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出される。所定の目標時間は、パージを行うことにより、局所的にアノードガス濃度が低い領域が燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出されるまでの時間とする。より好ましくは、所定の目標時間は、パージを行うことにより、局所的にアノードガス濃度が低い領域がバッファタンク３６に押し出されるまでの時間とする。
　ここで、所定の目標時間は、バッファタンク３６内のアノードガス濃度に基づいて決定する。すなわち、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高いほど、目標時間を長くする。
　ステップＳ２６０では、調圧弁３３を全閉とする。これにより、アノード圧は再び低下していく。
　ステップＳ２７０では、圧力センサ３４によって検出されるアノード圧が目標最終下限圧より低いか否かを判定する。アノード圧が目標最終下限圧以上であると判定すると、ステップＳ２６０に戻り、アノード圧が目標最終下限圧より低いと判定すると、ステップＳ２８０に進む。
　ステップＳ２８０では、目標最終下限圧を下限圧として、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動制御を行う。
　図１０は、第１の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧およびカソード圧の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ２１で調圧弁３３が全閉となり、下げ過渡が開始されると、アノード圧は低下していく。
　時刻ｔ２２において、アノード圧が目標中間下限圧まで低下すると、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転が開始される。そして、時刻ｔ２２において脈動運転を開始してから所定の目標時間が経過した時刻ｔ２３において、調圧弁３３を再び全閉とする。これにより、アノード圧は再び低下していく。
　時刻ｔ２４において、アノード圧が目標最終下限圧まで低下すると、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転を開始する。
　このように、アノード圧を目標最終下限圧まで低下させる際に、一気に目標最終下限圧まで低下させずに、目標最終下限圧より高い目標中間下限圧に所定期間保持した後、目標最終下限圧に低下させる。これにより、アノードガス流路内で局所的にアノードガス濃度が低くなることに起因して発電効率が低下すること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、負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる燃料電池システムにおいて、負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限する。これにより、オフガス側に存在する不純物濃度の高いアノードガスの逆流を抑制できるので、燃料電池スタックのアノードガス流路内でのアノードガス濃度の低下を抑制することができる。特に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力でアノードガス圧力を制限している間に、窒素を含むアノードオフガスを排出するパージを行うことによって、局所的にアノードガス濃度が低い領域が燃料電池スタック２の発電領域の外部に押し出されるので、燃料電池スタック２の発電領域内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック２の発電効率の低下を抑制することができる。
　また、バッファタンク３６内のアノードガスの濃度に基づいて、アノードガス圧力を制限する際の圧力を設定するので、より適切に燃料電池スタック２の発電領域内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
　さらに、アノードガスの圧力が負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力まで低下すると、所定時間、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ので、アノードガスの供給を再開して安定した発電を行うことにより、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。
　また、バッファタンク３６内のアノードガスの濃度に基づいて、所定時間を決定するので、より適切に燃料電池スタック２の発電領域内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、アノード圧を目標最終下限圧よりも高い目標中間下限圧まで低下させて脈動運転を行う場合のアノード圧の脈動幅は一定とした。第２の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧を目標中間下限圧まで低下させて脈動運転を行う場合のアノード圧の脈動幅を最初は小さくし、時間の経過とともに徐々に大きくなるように制御する。
　図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムによってアノード圧制御が行われた場合のアノード圧の時間変化の一例を示す図である。ただし、図１１では、アノード圧を目標最終下限圧まで低下させる前に、目標中間下限圧まで低下させて脈動運転を行うところまでを示し、目標最終下限圧まで低下させる部分は省略している。
　図１１に示すように、下げ過渡運転が開始されると、アノード圧を目標中間下限圧まで低下させる。アノード圧が目標中間下限圧まで低下すると、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転を開始するが、図１１に示すように、最初は脈動幅を小さくし、その後徐々に脈動幅を大きくしていく。図１１では、第２の実施形態におけるアノード圧の時間変化を実線で示し、第１の実施形態におけるアノード圧の時間変化を点線で示している。
　上述したように、下げ過渡運転時には、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、局所的にアノードガス濃度が低くなる箇所ができる。本実施形態のように、アノード圧を目標中間下限圧まで低下させてから脈動運転を開始する際に、最初は脈動幅を小さくすることにより、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量を少なくすることができるので、脈動運転中にアノードガス濃度が低下するのをより抑制することができる。
　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、アノードガスの圧力が第１の目標圧力よりも高い第２の目標圧力まで低下してから脈動運転を行う際に、脈動運転の開始時におけるアノードガスの増減圧幅を、脈動運転の終了時におけるアノードガスの増減圧幅よりも小さくする。これにより、脈動運転中に、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量を少なくすることができるので、アノードガス濃度の低下をより抑制することができる。
　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。
　また、本発明は、バッファタンクを備えた非循環型燃料電池システムを例に挙げて説明したが、循環型燃料電池システムであっても、脈動制御を行うとともに、低負荷ではアノード圧が低圧、高負荷ではアノード圧が高圧に設定されるものであれば、本発明を同様に適用することができる。そして、循環型燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの発電要求が高負荷から低負荷へと変化した場合、つまり、下げ過渡となった場合に、アノード圧は、負荷に応じて設定される圧力よりも高い圧力に制限されることになる。このとき、脈動運転によって不純物濃度が高くなったオフガス側のアノードガスがスタック内のアノード流路に流れ込むことが抑制できるので、脈動制御を行う循環型燃料電池システムでも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
　本願は、２０１２年２月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－０４３８７９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 (6)

  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、
    　負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる脈動運転制御手段と、
    　前記負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力で前記アノードガス圧力を制限するアノードガス圧力制限手段と、
    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、
    　前記バッファ部内のアノードガスの濃度を求めるアノードガス濃度取得手段をさらに備え、
    　前記アノードガス圧力制限手段は、前記バッファ部内のアノードガスの濃度に基づいて、前記アノードガス圧力を制限する際の圧力を設定する、
    燃料電池システム。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記脈動運転制御手段は、アノードガスの圧力が前記負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力まで低下すると、所定時間、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。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記バッファ部内のアノードガスの濃度を求めるアノードガス濃度取得手段と、
    　前記バッファ部内のアノードガスの濃度に基づいて、前記所定時間を決定する所定時間決定手段と、
    をさらに備える燃料電池システム。
  5. 　請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記脈動運転制御手段は、前記アノードガスの圧力が前記負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力まで低下してから前記脈動運転を行う際に、前記脈動運転の開始時における前記アノードガスの増減圧幅を、前記脈動運転の終了時における前記アノードガスの増減圧幅よりも小さくする、
    燃料電池システム。
  6. 　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の制御方法であって、
    　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工程と、
    　負荷が大きくなるほどアノードガス圧力が大きくなるとともに、同負荷においてアノードガス圧力を脈動させる工程と、
    　前記負荷が低下する際に、負荷に応じたアノードガス圧力よりも高い圧力で前記アノードガス圧力を制限する工程と、
    を備える燃料電池システムの制御方法。
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