(57)【要約】【課題】ガス導入通路を小径化することなく水分凝縮能力を高めることができる燃料電池システムの圧力検出装置を提供する。【解決手段】燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を下限圧力と上限圧力との間で周期的に増減させる燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置において、燃料電池の発電負荷が低発電負荷であるか否かを判定する発電負荷判定手段Ｓ１０１と、燃料ガス圧力が下限圧力に達した後に下限保持期間を経過するまで燃料ガス圧力を下限圧力に保持するとともに、燃料ガス圧力が上限圧力に達した後に上限保持期間を経過するまで燃料ガス圧力を上限圧力に保持する燃料ガス圧力制御手段Ｓ１０２、Ｓ１０３と、低発電負荷時には下限保持期間を上限保持期間よりも長く設定し、高発電負荷時には上限保持期間を下限保持期間よりも長く設定する保持期間設定手段Ｓ１０２、Ｓ１０３と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を下限圧力と上限圧力との間で周期的に増減させる燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置において、
前記燃料電池の発電負荷が低発電負荷であるか否かを判定する発電負荷判定手段と、
燃料ガス圧力が下限圧力に達した後に下限保持期間を経過するまで燃料ガス圧力を下限圧力に保持するとともに、燃料ガス圧力が上限圧力に達した後に上限保持期間を経過するまで燃料ガス圧力を上限圧力に保持する燃料ガス圧力制御手段と、
低発電負荷時には前記下限保持期間を前記上限保持期間よりも長く設定し、高発電負荷時には前記上限保持期間を前記下限保持期間よりも長く設定する保持期間設定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【請求項２】
前記保持期間設定手段は、低発電負荷時には、発電負荷が低下するほど前記下限保持期間を長く設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【請求項３】
前記保持期間設定手段は、低発電負荷時には、前記上限保持期間をゼロに設定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【請求項４】
前記保持期間設定手段は、高発電負荷時には、発電負荷が増加するほど前記上限保持期間を長く設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【請求項５】
前記保持期間設定手段は、高発電負荷時には、前記下限保持期間をゼロに設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【請求項６】
前記保持期間設定手段は、前記下限保持期間が下限側許容時間を超えた場合には下限側許容時間を前記下限保持期間として採用し、前記上限保持期間が上限側許容時間を超えた場合には上限側許容時間を前記上限保持期間として採用する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【請求項７】
前記保持期間設定手段は、発電負荷が増加するほど前記下限側許容時間及び前記上限側許容時間を短く設定する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに供給される燃料ガスの圧力を制御する圧力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池スタックの発電中に燃料ガスの圧力を周期的に増減させることで、単位セルに不純物が蓄積するのを抑えて、燃料電池スタックの発電性能の悪化を抑制する燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９７９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムでは、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの圧力が高くなるほど、燃料電池スタックにおける発電量が増加する。一方で、燃料ガスの圧力が高くなると、燃料極から酸化剤極へ透過する燃料ガス量やパージ弁を介して外部に排出される燃料ガス量が増加する。したがって、燃料ガスの圧力に応じて、燃料ガスのエネルギー変換効率が変化することになる。燃料ガスのエネルギー変換効率は、燃料電池スタックに供給される燃料ガス量に対する燃料電池スタックでの発電量の比で表わされる。そして、本件発明者らの研究によって、燃料ガスのエネルギー変換効率が最大となる燃料ガス圧力は、燃料電池スタックの発電負荷に応じて変化することが明らかになった。
【０００５】
特許文献１に記載の燃料ガス圧力制御装置では、燃料ガスのエネルギー変換効率を考慮せずに燃料ガス圧力を制御するので、燃料電池スタックの発電負荷によってはエネルギー変換効率が低下し、燃料ガスを無駄に使用する可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料ガスのエネルギー変換効率を向上させることができる燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００８】
本発明は、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を下限圧力と上限圧力との間で周期的に増減させる燃料電池システムの燃料ガス圧力制御装置である。燃料ガス圧力制御装置は、燃料電池の発電負荷が低発電負荷であるか否かを判定する発電負荷判定手段と、燃料ガス圧力が下限圧力に達した後に下限保持期間を経過するまで燃料ガス圧力を下限圧力に保持するとともに、燃料ガス圧力が上限圧力に達した後に上限保持期間を経過するまで燃料ガス圧力を上限圧力に保持する燃料ガス圧力制御手段と、下限保持期間及び上限保持期間を設定する保持期間設定手段と、を備える。そして、保持期間設定手段は、低発電負荷時には下限保持期間を上限保持期間よりも長く設定し、高発電負荷時には上限保持期間を下限保持期間よりも長く設定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低発電負荷時には上限保持期間よりも長い下限保持期間を設定し、高発電負荷時には下限保持期間よりも長い上限保持期間を設定して、燃料ガス圧力制御を実施するので、周期的に増減する燃料ガス圧力の１周期分の平均圧力を最大効率圧力に近づけることができ、燃料電池の発電負荷によらず燃料ガスのエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】水素圧力と水素のエネルギー変換効率との関係について説明する図である。
【図３】水素圧力制御について説明する図である。
【図４】コントローラが実行する水素圧力制御について説明するフローチャートである。
【図５】発電負荷領域の判定の仕方を説明する図である。
【図６】下限保持期間及び上限保持期間を示す図である。
【図７】低発電負荷時水素圧力制御を説明するタイミングチャートである。
【図８】高発電負荷時水素圧力制御を説明するタイミングチャートである。
【図９】第２実施形態の燃料電池システムにおける下限保持期間及び上限保持期間について説明する図である。
【図１０】従来の燃料電池システムにおける水素圧力制御について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、車両に搭載される燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素供給機構２０と、水素オフガス排出機構３０と、空気供給機構４０と、空気オフガス排出機構５０と、出力取出部６０と、コントローラ７０とを備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とによって発電する単位セルを複数積層して構成される。燃料電池スタック１０は、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００１５】
水素供給機構２０は、燃料電池スタック１０に水素を供給する手段であって、水素供給通路２１と、高圧水素タンク２２と、水素調圧弁２３とを備える。
【００１６】
水素供給通路２１は、燃料電池スタック１０に供給する水素を流す通路である。水素供給通路２１の一端は高圧水素タンク２２に接続し、他端は燃料電池スタック１０の水素供給マニホールドに接続する。
【００１７】
高圧水素タンク２２は、水素供給通路２１の上流側に設けられる。高圧水素タンク２２は、燃料電池スタック１０に供給される水素を高圧状態で貯蔵する。
【００１８】
水素調圧弁２３は、高圧水素タンク２２と燃料電池スタック１０との間の水素供給通路２１に設けられる。水素調圧弁２３は、高圧水素タンク２２から燃料電池スタック１０に供給される水素の流量を調整する。この水素調圧弁２３の開度を制御することによって、燃料電池スタック１０の単位セルの燃料極における水素の圧力を調整することができる。
【００１９】
本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の水素オフガス排出マニホールド側が閉塞される閉塞系システムである。ただし、窒素等の不活性ガスや水分等の不純物を含む水素オフガスを燃料電池スタック１０内から排出するため、燃料電池システム１００の運転状況に応じて、水素オフガス排出機構３０を介して水素オフガスを外部に排出する。
【００２０】
水素オフガス排出機構３０は、燃料電池スタック１０内の水素オフガスを外部に排出する手段であって、水素オフガス排出通路３１と、貯蔵タンク３２と、排水弁３３と、パージ弁３４とを備える。
【００２１】
水素オフガス排出通路３１は、燃料電池スタック１０からの水素オフガスを流す通路である。水素オフガス排出通路３１の一端は燃料電池スタック１０の水素オフガス排出マニホールドに接続し、他端は空気オフガス排出通路５１の途中に接続する。
【００２２】
貯蔵タンク３２は、水素オフガス排出通路３１に設けられ、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを一時的に蓄えるバッファとして機能する。貯蔵タンク３２の容積は、燃料電池スタック１０の全単位セルの燃料極側通路容積と同じ〜８割の容積となるように設定される。
【００２３】
貯蔵タンク３２の鉛直方向下部には、貯蔵タンク３２の底部に溜まった水を外部に流す排水通路が設けられる。排水通路には排水弁３３が設置され、この排水弁３３を開弁することによって水を外部に排出することができる。
【００２４】
パージ弁３４は、貯蔵タンク３２よりも下流側の水素オフガス排出通路３１に設けられる。パージ弁３４は、空気オフガス排出通路５１に排出される水素オフガスの流量を調整する。
【００２５】
空気供給機構４０は、燃料電池スタック１０に空気を供給する手段であって、空気供給通路４１と、コンプレッサ４２と、加湿器４３とを備える。
【００２６】
空気供給通路４１は、燃料電池スタック１０に供給する空気を流す通路である。空気供給通路４１の一端は空気取り入れ口を形成し、他端は燃料電池スタック１０の空気供給マニホールドに接続する。
【００２７】
コンプレッサ４２は、空気供給通路４１の上流側に設けられる。コンプレッサ４２は、空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。
【００２８】
加湿器４３は、コンプレッサ４２よりも下流側の空気供給通路４１に設けられる加湿部４３Ａと、空気オフガス排出通路５１に設けられる除湿部４３Ｂとを備える。加湿部４３Ａは、コンプレッサ４２によって加圧された空気を加湿し、単位セルの電解質膜の湿潤状態を発電に適した湿潤状態に維持する。除湿部４３Ｂは、燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスを除湿する。
【００２９】
空気オフガス排出機構５０は、燃料電池スタック１０内の空気オフガスを外部に排出する手段であって、空気オフガス排出通路５１と、空気調圧弁５２とを備える。
【００３０】
空気オフガス排出通路５１は、燃料電池スタック１０からの空気オフガスを流す通路である。空気オフガス排出通路５１の一端は燃料電池スタック１０の空気オフガス排出マニホールドに接続し、他端は外部に開口する。空気オフガス排出通路５１には加湿器４３の除湿部４３Ｂが設けられ、除湿部４３Ｂにおいて空気オフガスを除湿する。除湿部４３Ｂで回収された水分は、加湿部４３Ａに供給される。
【００３１】
空気調圧弁５２は、加湿器４３の除湿部４３Ｂよりも下流側の空気オフガス排出通路５１に設けられる。空気調圧弁５２は、燃料電池スタック１０から排出される空気オフガスの流量を調整する。この空気調圧弁５２の開度を制御することによって、燃料電池スタック１０の単位セルの酸化剤極における空気の圧力を調整することができる。
【００３２】
上記した燃料電池スタック１０において発電された電力は、燃料電池スタック１０に設けられた出力取出部６０を介して取り出される。出力取出部６０から取り出された電力は、図示しない車両駆動用の電動モータや二次電池等に供給される。二次電池は燃料電池システム１００の起動時や過渡応答時等に、燃料電池スタック１０から供給される電力の不足を補うために設けられる。
【００３３】
コントローラ７０は、燃料電池システム１００を制御する装置であって、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。
【００３４】
コントローラ７０には、燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力を検出する水素圧力センサ７１や燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力を検出する空気圧力センサ７２、燃料電池スタック１０の温度を検出する温度センサ７３からの信号が入力する。コントローラ７０は、これらの入力信号に基づいて、水素調圧弁２３や排水弁３３、パージ弁３４、空気調圧弁５２のそれぞれの開度を制御するとともに、コンプレッサ４２の動作を制御する。
【００３５】
上記のように構成される燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力が高くなるほど電流−電圧特性（ＩＶ特性）が向上して、発電量が増加する。一方、燃料電池スタック１０の単位セルの燃料極における水素圧力が高くなると、燃料極から酸化剤極へ透過していく水素が増えるとともに、パージ弁３４が開弁した時に外部へ排出される水素も増えるので、発電に使用されない水素量が増加する。したがって、燃料電池スタック１０に供給される水素量に対する燃料電池スタック１０での発電量の比で表わされる水素のエネルギー変換効率は、図２（Ａ）に示すように水素圧力に応じて変化し、最大効率圧力Ｐ0において最大となる。
【００３６】
このような燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０での発電負荷が増えると燃料電池スタック１０のＩＶ特性が低下するため、水素のエネルギー変換効率は発電負荷に応じて変化する。図２（Ｂ）に示すように、水素のエネルギー変換効率特性線は、発電負荷の増加に伴って低下する傾向にある。また、水素のエネルギー変換効率が最大となる最大効率圧力Ｐ0は、発電負荷が増加するほど高圧力側に推移する。これは、発電負荷が高くなるほど燃料極で消費される水素量が増え、発電に寄与しない水素量が低下するからである。
【００３７】
したがって、燃料電池スタック１０での発電効率を向上させるためには、燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力を、発電負荷に応じて変化する最大効率圧力Ｐ0に近づける必要がある。
【００３８】
ところで、従来の燃料電池システムでは、図１０に示すように、燃料電池スタック運転時に水素の圧力が下限圧力ＰLと上限圧力ＰHとの範囲内において周期的に増減するように水素調圧弁の開度を調整する。より具体的には、従来の燃料電池システムのコントローラは、燃料電池スタックに供給された水素の圧力が上限圧力ＰHに達しており、燃料電池スタック内に十分な水素が確保されている場合に、水素調圧弁を閉弁して燃料電池スタックへの水素の供給を停止する。燃料電池スタックでの発電反応によって水素は消費されるので、燃料電池スタック内の水素の圧力は次第に低下する。そして、コントローラは、水素圧力が下限圧力ＰLまで低下した場合に、水素調圧弁を最大開度に制御して燃料電池スタックに水素を供給し、水素圧力を上限圧力ＰHまで増加させる。
【００３９】
このような処理を繰り返しながら、燃料電池スタックに水素を供給する従来の燃料電池システムでは、水素のエネルギー変換効率を考慮していないので、燃料電池スタックの発電負荷によっては水素のエネルギー変換効率が低下するという問題がある。
【００４０】
そこで、本実施形態の燃料電池システム１００では、水素調圧弁２３によって周期的に増減させる水素圧力において、図３に示すように、水素圧力が下限圧力ＰLに到達した後に水素圧力を下限圧力ＰLに保持する下限保持期間ＴPLを設定したり、水素圧力が上限圧力ＰHに到達した後に水素圧力を上限圧力ＰHに保持する上限保持期間ＴPHを設定したりすることで、発電負荷の変化に起因するエネルギー変換効率の低下を抑制する。
【００４１】
図４を参照して、コントローラ７０が実行する水素圧力制御について説明する。図４は、コントローラ７０が実行する水素圧力制御のメインルーチンを示すフローチャートである。
【００４２】
ステップＳ１０１では、コントローラ７０は、燃料電池スタック１０の発電負荷が低発電負荷領域にあるか否かを判定する。コントローラ７０は、発電負荷が低発電負負荷領域にある場合にはステップＳ１０２の処理を実行し、発電負荷が高発電負荷領域にある場合にはステップＳ１０３の処理を実行する。
【００４３】
図５を参照して、ステップＳ１０１の判定について説明する。
【００４４】
図５において、線Ａは水素圧力の下限圧力ＰLを示し、線Ｂは水素圧力の上限圧力ＰHを示す。下限圧力ＰLは、排水弁３３を介して凝縮水を排水したり、パージ弁３４を介して水素オフガスを排出したりするのに必要となる圧力を確保するため、大気圧以上に設定される。上限圧力ＰHは、燃料電池スタック１０の構成部品の耐久限界圧力以下に設定される。
【００４５】
線Ｃは、上限圧力ＰHと下限圧力ＰLとから算出される中間圧力ＰMを示す。中間圧力ＰMは、上限圧力ＰHと下限圧力ＰLとの和を２で除した値となる。
【００４６】
線Ｄは、発電負荷毎に定まる、水素のエネルギー変換効率が最大となる最大効率圧力Ｐ0を示す。最大効率圧力Ｐ0は、発電負荷が極めて低い領域では大気圧を下回る圧力になり、発電負荷が高い領域では上限圧力ＰHを上回る圧力になる。
【００４７】
図５の線Ｃ及び線Ｄに示すように、最大効率圧力Ｐ0が中間圧力ＰMを下回る発電負荷領域を低発電負荷領域とし、最大効率圧力Ｐ0が中間圧力ＰMを上回る発電負荷領域を高発電負荷領域とする。したがって、コントローラ７０は、現在の発電負荷が発電負荷Ｌ1よりも小さい場合には低発電負荷と判定し、現在の発電負荷が発電負荷Ｌ1よりも大きい場合には高発電負荷と判定する。
【００４８】
低発電負荷時には、図４のステップＳ１０２において、コントローラ７０は、発電負荷に基づいて下限保持期間ＴPL及び上限保持期間ＴPHを設定し、低発電負荷時水素圧力制御を実施して、処理を終了する。
【００４９】
低発電負荷時における下限保持期間ＴPLは、図６（Ａ）に示すように、発電負荷が低下するほど長くなるように設定される。これに対して、低発電負荷時における上限保持期間ＴPHは、図６（Ｂ）に示すように、発電負荷によらずゼロに設定される。
【００５０】
一方、高発電負荷時には、図４のステップＳ１０３において、コントローラ７０は、発電負荷に基づいて下限保持期間ＴPL及び上限保持期間ＴPHを設定し、高発電負荷時水素圧力制御を実施して、処理を終了する。
【００５１】
高発電負荷時における下限保持期間ＴPLは、図６（Ａ）に示すように発電負荷によらずゼロに設定される。これに対して、低発電負荷時における上限保持期間ＴPHは、図６（Ｂ）に示すように発電負荷が増加するほど長くなるように設定される。
【００５２】
図７及び図８を参照して、低発電負荷時水素圧力制御及び高発電負荷時水素圧力制御の作用効果について説明する。
【００５３】
低発電負荷時には、図７に示すように低発電負荷時水素圧力制御が実施される。低発電負荷時水素圧力制御では、燃料極における水素圧力が上限圧力ＰHに到達した時に、水素調圧弁２３の開度を最小開度ＯMINに制御して、燃料電池スタック１０への水素供給を停止する。燃料電池スタック１０における発電反応によって水素が消費されるので、水素圧力は徐々に低下する。そして、水素圧力が下限圧力ＰLまで低下した時に、水素調圧弁２３の開度を最小開度ＯMINから所定開度まで増加させて、水素圧力を下限圧力ＰLに保持する。そして、下限保持期間ＴPLを経過した時に、水素調圧弁２３の開度を最大開度ＯMAXに制御して、燃料電池スタック１０への水素の供給を再開させて、水素圧力を上限圧力ＰHまで増加させる。
【００５４】
図５の線Ｄに示したように低発電負荷時には最大効率圧力Ｐ0が中間圧力ＰMを下回るが、本実施形態では低発電負荷時に上限保持期間ＴPHよりも長い下限保持期間ＴPLを設定して低発電負荷時水素圧力制御を実施するので、周期的に増減する水素圧力の１周期分の平均圧力ＰAVGを低下させて最大効率圧力Ｐ0に近づけることができる。
【００５５】
これに対して、高発電負荷時には、図８に示すように高発電負荷時水素圧力制御が実施される。高発電負荷時水素圧力制御では、燃料極における水素圧力が下限圧力ＰLに到達した時に、水素調圧弁２３の開度を最大開度ＯMAXに制御し、水素圧力を最大圧力ＰHまで増加させる。燃料極の水素圧力が上限圧力ＰHに到達した後には、水素調圧弁２３の開度を最大開度ＯMAXから所定開度まで減少させて、水素圧力を上限圧力ＰHに保持する。水素圧力が上限圧力ＰHに到達したタイミングから上限保持期間ＴPHを経過した時に、水素調圧弁２３の開度を最小開度ＯMINに制御して燃料電池スタック１０への水素供給を停止させ、水素圧力を再び下限圧力ＰLまで低下させる。
【００５６】
図５の線Ｄに示したように高発電負荷時には最大効率圧力Ｐ0が中間圧力ＰMを上回るが、本実施形態では高発電負荷時に下限保持期間ＴPLよりも長い上限保持期間ＴPHを設定して高発電負荷時水素圧力制御を実施するので、周期的に増減する水素圧力の１周期分の平均圧力ＰAVGを増大させて最大効率圧力Ｐ0に近づけることができる。
【００５７】
以上により、第１実施形態の燃料電池システム１００では下記の効果を得ることができる。
【００５８】
燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力を上限圧力ＰHと下限圧力ＰLとの間で周期的に増減させる燃料電池システムにおいて、低発電負荷時には下限保持期間ＴPLを設定して低発電負荷時水素圧力制御を実施し、高発電負荷時には上限保持期間ＴPHを設定して高発電負荷時水素圧力制御を実施するので、発電負荷が変化しても水素圧力の平均圧力ＰAVGを最大効率圧力Ｐ0に近づけることができる。したがって、燃料電池スタック１０の発電負荷によらず、水素のエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【００５９】
低発電負荷時には、発電負荷が低下するほど下限保持期間ＴPLが長くなるように設定するので、低発電負荷時の水素のエネルギー変換効率をより高めることができる。
【００６０】
高発電負荷時には、発電負荷が増加するほど上限保持期間ＴPHが長くなるように設定するので、高発電負荷時の水素のエネルギー変換効率をより高めることができる。
【００６１】
（第２実施形態）
第２実施形態における燃料電池システム１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、下限保持期間ＴPL及び上限保持期間ＴPHの設定の仕方において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６２】
燃料電池スタック１０の発電中には、水素の電気化学反応を妨げる水や窒素が酸化剤極から電解質膜を介して燃料極に拡散する。水は電気化学反応によって酸化剤極に生成されたものであり、窒素は酸化剤極の空気に含まれているものである。これら水や窒素は電気化学反応には関与せず、燃料極での水素の電気化学反応を阻害する要因となる。
【００６３】
第１実施形態のように下限保持期間ＴPLや上限保持期間ＴPHを設定して水素圧力制御する場合、下限保持期間ＴPLや上限保持期間ＴPHを長く設定しすぎると、水や窒素を燃料電池スタック１０内から排出するガス流れを十分に生起することができず、水や窒素が燃料極内に蓄積され、燃料電池スタック１０の発電性能が低下する可能性がある。
【００６４】
したがって、水素圧力を下限圧力ＰL又は上限圧力ＰHに保持できる時間には、燃料電池スタック１０の発電性能を低下させないための許容時間が存在することになる。そこで、本実施形態では、許容時間を考慮して下限保持期間ＴPL及び上限保持期間ＴPHを設定し、水素圧力制御を実施する。
【００６５】
図９（Ａ）は、発電負荷に対する下限保持時間ＴPL及び下限側許容時間ＴLPLを示す。また、図９（Ｂ）は、発電負荷に対する上限保持時間ＴPH及び上限側許容時間ＴLPHを示す。
【００６６】
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、下限保持期間ＴPL及び上限保持期間ＴPHには、それぞれ下限側許容時間ＴLPL及び上限側許容時間ＴLPHが設定される。下限側許容時間ＴLPL及び上限側許容時間ＴLPHは、燃料電池スタック１０の発電負荷が増加するほど短くなるように設定される。このように許容時間を設定するのは、高発電負荷時ほど燃料電池スタック１０内での電気化学反応の反応速度は速くなるため、水素の電気化学反応を阻害する水や窒素をより速やかに燃料電池スタック１０から排出できるようにするためである。
【００６７】
低発電負荷時には、下限保持期間ＴPLは図９（Ａ）に示すように発電負荷が低下するほど長くなるように設定され、上限保持期間ＴPHは図９（Ｂ）に示すように発電負荷によらずゼロに設定されて、低発電負荷時水素圧力制御が実施される。ただし、発電負荷が低下すると下限保持期間ＴPLが下限側許容時間ＴLPLを超えるので、この場合には水素を下限圧力ＰLに保持する時間を下限側許容時間ＴLPLに設定して、低発電負荷時水素圧力制御を実施する。
【００６８】
一方、高発電負荷時には、下限保持期間ＴPLは図９（Ａ）に示すように発電負荷によらずゼロに設定され、上限保持期間ＴPHは図９（Ｂ）に示すように発電負荷が増加するほど長くなるように設定されて、高発電負荷時水素圧力制御が実施される。ただし、発電負荷が増加すると上限保持期間ＴPHが上限側許容時間ＴLPHを超えるので、この場合には水素を上限圧力ＰHに保持する時間を上限側許容時間ＴLPHに設定して、高発電負荷時水素圧力制御を実施する。
【００６９】
以上により、第２実施形態の燃料電池システム１００では下記の効果を得ることができる。
【００７０】
本実施形態では、下限保持期間ＴPLが下限側許容時間ＴLPLを超えた場合には水素を下限圧力ＰLに保持する時間を下限側許容時間ＴLPLに設定し、上限保持期間ＴPHが上限側許容時間ＴLPHを超えた場合には水素を上限圧力ＰHに保持する時間を上限側許容時間ＴLPHに設定して水素圧力制御を実施するので、第１実施形態と同様の効果を得られるだけでなく、燃料極内に水や窒素が蓄積されるのを抑えることができ、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００７１】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【符号の説明】
【００７２】
１００  燃料電池システム
１０  燃料電池スタック
２０  水素供給機構
２１  水素供給通路
２２  高圧水素タンク
２３  水素調圧弁
３０  水素オフガス排出機構
３１  水素オフガス排出通路
３２  貯蔵タンク
３４  パージ弁
４０  空気供給機構
５０  空気オフガス排出機構
７０  コントローラ
７１  水素圧力センサ
【図１】
2010277838.tif 000003
【図２】
2010277838.tif 000004
【図３】
2010277838.tif 000005
【図４】
2010277838.tif 000006
【図５】
2010277838.tif 000007
【図６】
2010277838.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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