(57)【要約】燃料電池パワープラントは燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力が上限圧力に達するとアノードガス供給機構２０によるアノードガスの供給を停止し、アノードガスの圧力が下限圧力まで下がると、アノードガス供給機構２０によるアノードガスの供給を再開する。燃料電池スタック１への水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしているかどうかをセンサ５２−５４が検出し、水素供給量が不足する場合には、コントローラ５１が下限圧力を増圧補正することで、燃料電池スタック１内にフラッディングが生じた場合の燃料電池スタック１の発電電力の低下を抑制する。
2011004780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を用いて発電を行う燃料電池スタック（１）の発電電力を目標発電電力に基づき制御する燃料電池パワープラントの運転制御装置において：
水素を含むアノードガスを燃料電池スタック（１）に供給するアノードガス供給機構（２０）と；
燃料電池スタック（１）の発電状態を検出するセンサ（５２−５４）と；
次のようにプログラムされたプログラマブルコントローラ（５１）：
燃料電池スタック（１）内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構（２０）を制御し（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ４０５，Ｓ４０６，Ｓ４１０，Ｓ４１１）；
燃料電池スタック（１）の発電状態から燃料電池スタック（１）への水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしているかどうかを判定し（Ｓ１）；
水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する（Ｓ４，Ｓ４０２，Ｓ４０２３）；
とを備える燃料電池パワープラントのための制御装置。
【請求項２】
コントローラ（５１）はアノードガスの供給量の不足度合いが高いほど下限圧力の増圧補正量を大きく設定するよう（Ｓ４０２，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
発電状態を検出するセンサ（５２−５４）は燃料電池スタック（１）の負荷電流を検出する電流計（５２）を含み、コントローラ（５１）は負荷電流が大きいほど下限圧力の増圧補正量を大きく設定するよう（Ｓ４０２，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
コントローラ（５１）は水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、上限圧力を増圧補正するよう（Ｓ４０７，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項１から３のいずれかに記載の制御装置。
【請求項５】
コントローラ（５１）は、水素供給量の不足度合いが大きいほど上限圧力の増圧補正量を大きく設定するよう（Ｓ４０７，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項４に記載の制御装置。
【請求項６】
発電状態を検出するセンサ（５２−５４）は燃料電池スタック（１）の負荷電流を検出する電流計（５２）を含み、コントローラ（５１）は負荷電流が大きいほど上限圧力の増圧補正量を大きく設定するようう（Ｓ４０７，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
コントローラ（５１）は水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、上限圧力の増圧補正量を下限圧力の増圧補正量より大きく設定するよう（Ｓ４０７，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項４から６のいずれかに記載の制御装置。
【請求項８】
コントローラ（５１）は上限圧力を増圧補正した後に、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量に達した場合には、上限圧力を減圧補正するよう（Ｓ４０７，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項４から７のいずれかに記載の制御装置。
【請求項９】
燃料電池パワープラントは燃料電池スタック（１）にカソードガスを供給するカソードガス供給機構（１０）と、燃料電池スタック１内のカソードガス圧力を検出する圧力センサ（５６）とをさらに備え、コントローラ（５１）は上限圧力をカソードガス圧力に所定圧力を加算した圧力で制限するよう（Ｓ４２１２）、さらにプログラムされた、請求項１から８のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１０】
コントローラ（５１）はアノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧が所定圧力以内となるようにカソードガス圧力を増圧補正するよう（Ｓ４３１，Ｓ４３１４）、さらにプログラムされた、請求項１から９のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１１】
コントローラ（５１）は水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない状態でアノードガス圧力を上限圧力へと増圧する際に燃料電池スタック（１）を通過するアノードガスの流速が、アノードガスの供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしている状態で燃料電池スタック（１）を通過するアノードガスの流速を上回るように、アノードガス圧力の増圧速度を増加させるよう（Ｓ４０６，Ｓ４１０）、さらにプログラムされた、請求項１から１０のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１２】
コントローラ（５１）は下限圧力を増圧補正した後に、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量に達した場合には、下限圧力を減圧補正するよう（Ｓ４０２，Ｓ４０２３）、さらにプログラムされた、請求項１から１１のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１３】
コントローラ（５１）は下限圧力を所定期間に渡って増圧補正しても、水素供給量が目標発電電力に必要な量に達しない場合には、アノードガスの増圧補正以外の電力回復処理を行うよう（Ｓ３，Ｓ５）、さらにプログラムされた、請求項１から１２のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１４】
アノードガス供給機構（２０）は燃料電池スタック（１）に供給されたアノードガスを燃料電池スタック（１）から回収して貯留する一方、燃料電池スタック（１）内のアノードガス圧力の低下に応じて、貯留したアノードガスを燃料電池スタック（１）へ再供給するバッファタンク（２３）を備えた、請求項１３に記載の制御装置。
【請求項１５】
アノードガスの圧力制御以外の電力回復処理は、バッファタンク（２３）が貯留したアノードガスのパージングを含む、請求項１４に記載の制御装置。
【請求項１６】
アノードガスの圧力制御以外の電力回復処理は、燃料電池スタック（１）の負荷電流の低下を含む、請求項１３に記載の制御装置。
【請求項１７】
燃料電池スタック（１）の発電状態を検出するセンサ（５２−５４）は、燃料電池スタック（１）のスタック電圧を検出する電圧計（５３）、燃料電池スタック（１）の負荷電流を検出する電流計（５２）、及び燃料電池スタック（１）に供給されるアノードガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ（５４）の少なくともひとつで構成される、請求項１から１６のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１８】
水素を用いて発電を行う燃料電池スタック（１）を用いて目標発電電力に基づき発電運転を行う燃料電池パワープラントの制御装置において：
水素を含むアノードガスを燃料電池スタック（１）に供給する手段（２０）と；
燃料電池スタック（１）への水素供給量が目標発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定する手段と（５１，５２−５４，Ｓ１）；
燃料電池スタック（１）内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構（２０）を制御する手段と（５１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ４０５，Ｓ４０６，Ｓ４１０，Ｓ４１１）；
水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する手段と（５１，Ｓ４，Ｓ４０２，Ｓ４０２３）；
を備える燃料電池パワープラントの制御装置。
【請求項１９】
水素を用いて発電を行う燃料電池スタック（１）を用いて目標発電電力に基づき発電運転を行う燃料電池パワープラントの制御方法において：
水素を含むアノードガスを燃料電池スタック（１）に供給し；
燃料電池スタック（１）への水素供給量が目標発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定し（Ｓ１）；
燃料電池スタック（１）内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構（２０）を制御し（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ４０５，Ｓ４０６，Ｓ４１０，Ｓ４１１）；
水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する（Ｓ４，Ｓ４０２，Ｓ４０２３）；
燃料電池パワープラントの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池パワープラントの運転制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本国特許庁が２００７年に発行したＪＰ２００７−４８４７９Ａは、アノードガスの圧力脈動運転を行う燃料電池パワープラントの運転制御装置を開示している。圧力脈動運転とは、燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力が上限圧力に達したらアノードガスの供給を停止し、その後、アノードガスの圧力が下限圧力まで下がったら、再びアノードガスの供給を開始することで、燃料電池スタック内の圧力を上限圧力と下限圧力の間で脈動させる運転方式をいう。この従来技術によれば、圧力脈動運転中の圧力低下に伴って生じる圧力勾配で燃料電池スタック内の生成水の排出が促進される。
【発明の概要】
【０００３】
発明者らの研究によれば、アノードガスの圧力脈動は、燃料電池スタック内のフラッディングが発電能力に及ぼす悪影響を助長する可能性がある。すなわち、燃料電池スタック内に生成水によるフラッディングが生じている状態でアノードガスの下限圧力に向けて減圧が行われると、アノードが利用できるアノードガスが一層少なくなる。結果として、目標電力の発電に必要な量のアノードガスが得られずに発電電力が低下することがある。
この発明の目的は、したがって、フラッディングが生じた場合でも、燃料電池スタックの発電電力を速やかに回復可能な燃料電池スタックの圧力脈動運転制御を実現することである。
以上の目的を達成するために、この発明は、水素を用いて発電を行う燃料電池スタックの発電電力を目標発電電力に基づき制御する燃料電池パワープラントの運転制御装置において、水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給するアノードガス供給機構と、燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしているかどうかを検出するセンサと、プログラマブルコントローラと、を備えている。
プログラマブルコントローラは、燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御し、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する、ようプログラムされる。
この発明はまた、上記燃料電池パワープラントの運転制御方法において、水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定し、燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御し、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正している。
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
ＦＩＧ．１はこの発明を適用する燃料電池パワープラントの概略構成図である。
ＦＩＧＳ．２Ａ−２Ｃはアノードデッドエンド型燃料電池スタックの通常運転について説明するタイミングチャートである。
ＦＩＧ．３はこの発明によるコントローラが実行する反応ガス圧力制御ルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．４はコントローラが実行する回復モードサブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．５はコントローラが実行する回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．６はコントローラが実行する回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．７はコントローラが格納する回復モード下限アノードガス圧力及び回復モード上限アノードガス圧力のマップの特性を示すダイアグラムである。
ＦＩＧ．８Ａと８Ｂはコントローラが実行する反応ガス圧力制御の結果を説明するタイミングチャートである。
ＦＩＧ．９はこの発明の第２の実施形態によるコントローラが実行する回復モードサブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．１０はこの発明の第２の実施形態によるコントローラが実行する回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．１１はこの発明の第２の実施形態によるコントローラが実行する反応ガス圧力制御の結果を説明するタイミングチャートである。
ＦＩＧ．１２はこの発明の第３の実施形態によるコントローラが実行する回復モードサブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．１３はこの発明の第３実施形態によるコントローラが実行するカソードガス圧力制御サブルーチンを説明するフローチャートである。
ＦＩＧ．１４はこの発明の第３実施形態によるコントローラが実行する反応ガス圧力制御の結果を説明するタイミングチャートである。
ＦＩＧ．１５はこの発明による圧力脈動運転制御のバリエーションを説明するダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図面のＦＩＧ．１を参照すると、燃料電池パワープラントは、アノードとカソードを備える燃料電池スタック１と、酸素を含むカソードガスを燃料電池スタック１のカソードに供給し、カソード排ガスを燃料電池スタック１から排出させるカソードライン１０と、燃料電池スタック１のアノードに水素を主成分とするアノードガスを供給し、アノードガスを燃料電池スタック１から排出させるアノードライン２０と、を備える。
燃料電池パワープラントは、いわゆるアノードデッドエンド型の公知のパワープラントであり、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力を上昇させる増圧行程と、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力を低下させる減圧行程とを交互に繰り返す。この操作は、アノードガスに圧力脈動を生じさせる。燃料電池スタック１から排出されたアノードガスが減圧行程でアノードに再供給されるので、アノードガスの外部への排出を極力抑えることができる。
燃料電池パワープラントにおいては、燃料電池スタック１のカソードの窒素濃度がアノードの窒素濃度より高いと、窒素ガスがカソードから電解質膜を介してアノードへと透過する。アノードへ透過した窒素ガスは、アノードデッドエンド型燃料電池スタックではアノードガス通路の下流に滞留して燃料電池スタック１の発電を阻害する可能性がある。アノードガスの圧力脈動はアノードガス通路の下流に滞留する窒素ガスを燃料電池スタック１の外側へ排出するうえでも好ましい。窒素ガスが燃料電池スタック１から排出されると、アノードガスの総ガス量／水素ガス量の比を理論比（ＳＲ）へと近づけることができる。アノードガスの圧力を高圧に維持しているだけではこうした効果は得られない。
アノードガスの圧力脈動を可能にするために、アノードライン２０は、高圧の水素タンク２１、アノードガス供給路２０１、水素調圧弁２２、アノードガス排出路２０２、バッファタンク２３、排水路２０３、排水弁２４、パージ通路２０４、及びパージ弁２５を備える。。
水素タンク２１はアノードガス供給路２０１の上流端に配置される。
水素調圧弁２２は、水素タンク２１と燃料電池スタック１を接続するアノードガス供給路２０１に配置される。水素調圧弁２２は、水素タンク２１から供給されたアノードガスの圧力を調整し、圧力良性後のアノードガスを燃料電池スタック１に供給する。
アノードガス排出路２０２は燃料電池スタック１とバッファタンク２３を接続する。バッファタンク２３の容積は、燃料電池スタック１のアノードガス通路の体積と同じあるいはその８割程度とする。バッファタンク２３は、燃料電池スタック１から排出されたアノードガスを蓄える。燃料電池スタック１から排出されたアノードガスには、カソードで生成され、カソードからアノードへと電解質膜を透過してきた水分が含まれる。バッファタンク２３は、この水分をアノードガスから分離する。アノードガスにはまた、アノードガス通路の下流に滞留する窒素ガスが圧力脈動により混入する。バッファタンク２３は窒素ガスを分離する機能をも有する。
排水路２０３はバッファタンク２３の底面に接続される。排水弁２４は排水路２０３の途中に配置される。排水弁２４は、アノードガスから分離してバッファタンク２３に溜まった液水をバッファタンク２３の外側へ排出する。
パージ通路２０４はバッファタンク２３の頂面に接続される。パージ弁２５はパージ通路２０４の途中に配置される。パージ弁２５はバッファタンク２３の上部に溜まった窒素などの不活性ガスをパージ通路２０４を介してパージ通路１０４にパージする。パージ弁２５は連続的あるいは断続的に開度を変化させることで、パージ流量を調整する。
カソードライン１０は、カソードガス通路１０１、コンプレッサ１１、加湿器１２、カソードガス供給路１０２、及びカソードガス排出路１０３を備える。
コンプレッサ１１はカソードガス通路１０１の上流端に配置される。コンプレッサ１１は空気を圧縮して加湿器１２に供給する。
加湿器１２は、カソードガス通路１０１を介してコンプレッサ１１に接続される。加湿器１２にはさらにカソードガス供給路１０２、カソードガス排出路１０３、及び前述のパージ通路１０４が接続される。
加湿器１２は、コンプレッサ１１からカソードガス通路１０１を介して送られる圧縮空気を、燃料電池スタック１からカソードガス排出路１０３を介して排出されたカソード排ガスの含有水分を用いて加湿する。加湿された圧縮空気はカソードガスとして、カソードガス供給路１０２を介して燃料電池スタック１のカソードに供給される。カソードガスは燃料電池スタック１のカソードにおいて、電解質膜を透過した水素イオンと反応して水を生成する。したがって、反応後のカソード排ガスには多量の水分が含まれる。圧縮空気を加湿したカソード排ガスはパージ通路１０４から大気中に放出される。
以上のように構成された燃料電池パワープラント、とともに用いるこの発明の運転制御装置は、燃料電池スタック１の負荷電流Ｉを検出する電流計５２、燃料電池スタック１のスタック電圧Ｖを検出する電圧計５３、燃料電池スタック１内のアノードガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ５４、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａを検出する圧力センサ５５、及びプログラマブルなコントローラ５１を備える。センサ５２−５５の各検出値は信号回路を介してコントローラ５１に入力される。
コントローラ５１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。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
コントローラ５１はセンサ５２−５４のいずれか一つまたは複数の検出信号に基づき、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給量が燃料電池スタック１の目標とする発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定する。具体的には、電流計５２の検出する負荷電流Ｉが所定電流以上の場合、またはスタック電圧Ｖが所定電圧以上の場合、または燃料電池スタック１内のアノードガスの水素濃度が所定濃度以上の場合に、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給量が燃料電池スタック１の目標とする発電電力に必要な量を満たしていると判定する。いずれのケースにも該当しない場合には、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給量が燃料電池スタック１の目標とする発電電力に必要な量を満たしていないと判定する。
コントローラ５１は以上の判定の結果に応じて、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力制御を行う。具体的には水素調圧弁２２、排水弁２４、パージ弁２５の開度または開閉を制御する。さらに、コントローラ５１はコンプレッサ１１の運転制御により燃料電池スタック１内のカソードガスの圧力を制御する。
ＦＩＧＳ．２Ａ−２Ｃを参照して、燃料電池スタック１の通常運転について説明する。
燃料電池スタック１の発電運転において、ＦＩＧ．２Ａに示すように水素調圧弁２２を所定開度に開くと、水素タンク２１からアノードガス供給路２０１を通って供給されるアノードガスにより燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力がＦＩＧ．２Ｂに示すように上昇する。アノードガスに含まれる水素の一部は燃料電池スタック１で消費され、残りのアノードガスはアノードガス排出路２０２を通ってＦＩＧ．２Ｃに示すようにバッファタンク２３へと流入する。以下の説明ではアノードガス排出路２０２のこのアノードガスの流れを順流と称する。
燃料電池スタック１を通過したアノードガスは燃料電池スタック１のカソードからアノードへ透過した生成水や窒素などの不純物を含む。バッファタンク２３へ流入したアノードガス中の不純物のうち生成水はバッファタンク２３で凝縮し、液水となってバッファタンク２３の下部に溜まる。窒素及び未反応のアノードガスはバッファタンク２３の上部に溜まる。バッファタンク２３は、このような不純物を溜めるために十分な容積を備える。
バッファタンク２３内の生成水の蓄積量が増加した場合には、コントローラ５１が排水弁２４を開いて生成水を排水路２０３を介してバッファタンク２３の外へ排出する。バッファタンク２３内の窒素の蓄積量が増加した場合には、コントローラ５１がパージ弁２５を開いて窒素をバージ通路２０４を介してバッファタンク２３の外へ排出する。
上昇するアノードガスの圧力はＦＩＧ．２Ｂに示すように時刻ｔ１に上限圧力Ｐｍａｘに到達する。コントローラ５１はアノードガスの圧力が上限圧力Ｐｍａｘに達すると、ＦＩＧ．２Ａに示すように水素調圧弁２２を全閉し、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止する。燃料電池スタック１の発電運転によりアノードでアノードガスが消費される結果、ＦＩＧ．２Ｂに示すように時刻ｔ１以降はアノードガス圧力Ｐａが低下する。燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａが低下すると、バッファタンク２３からアノードガス排出路２０２を通ってＦＩＧ．２Ｃに示すように燃料電池スタック１へとアノードガスが流入する。以下の説明ではアノードガス排出路２０２のこのアノードガスの流れを逆流と称する。
水素調圧弁２２の全閉により、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａが時刻ｔ２に下限圧力Ｐｍｉｎまで低下すると、コントローラ５１はＦＩＧ．２Ａに示すように水素調圧弁２２を再び所定開度へと開き、水素タンク２１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を再開する。この操作により、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａは再び上昇し、燃料電池スタック１から排出されたアノードガスがアノードガス排出路２０２を通ってＦＩＧ．２Ｃに示すようにバッファタンク２３へと流入する。
時刻ｔ３に至ると、燃料電池スタック１のアノードガス圧力Ｐａは再び上限圧力Ｐｍａｘに到達する。コントローラ５１は水素調圧弁２２を再び全閉し、水素タンク２１から燃料電池スタック１へのアノードガス供給を停止する。以後、燃料電池スタック１の発電運転に応じてアノードガス中の水素が消費されるのに伴い、ＦＩＧ．２Ｂに示すように燃料電池スタック１中のアノードガス圧力Ｐａは低下する。圧力低下に伴いバッファタンク２３に貯留されたアノードガスがアノードガス排出路２０２を逆流してＦＩＧ．２Ｃに示すように燃料電池スタック１に流入する。
このようにして、コントローラ５１は水素調圧弁２２の開閉操作により、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａの増圧と減圧を繰り返す脈動運転を行う。燃料電池スタック１から排出されたアノードガスは順流としてバッファタンク２３に流入した後、逆流として再び燃料電池スタック１へと供給される。したがって、アノードガスはその中に含まれる窒素や生成水を除いて、燃料電池スタック１とバッファタンク２３とを循環し、外部には排出されない。以上のプロセスにより燃料電池パワープラントのアノードデッドエンド運転が実行される。
ところで、発明者らの研究によれば、燃料電池スタック１内に生成水によるフラッディングが生じた状態で、アノードガスの増圧と減圧を繰り返すと減圧時に目標電力を発電するのに必要な量のアノードガスがアノードに供給されなくなり、燃料電池スタック１の発電電力の低下を招くことがある。
コントローラ５１はフラッディング状態での圧力脈動運転による燃料電池スタック１の発電電力の低下を防止すべく、水素調圧弁２２の開閉操作により反応ガス圧力を次のように制御する。
ＦＩＧ．３を参照して、コントローラ５１がこのために実行する反応ガス圧力制御ルーチンを説明する。このルーチンは燃料電池パワープラントの運転中に一定時間間隔、例えば１０ミリ秒ごと、に繰り返し実行される。
ステップＳ１においてコントローラ５１は、燃料電池スタック１が目標とする発電電力を生み出すための電気化学反応に必要な量の水素が供給されているか否かを判定する。具体的には、電流計５２が検出する燃料電池スタック１の負荷電流Ｉ、電圧計５３が検出するスタック電圧Ｖ、水素濃度センサ５４が検出するアノードガスの水素濃度をそれぞれ所定値と比較し、所定値に満たない場合に、目標とする発電電力を生み出すための電気化学反応に必要な量の水素が供給されていないと判定する。
判定はこれらのセンサ５２−５４のいずれかひとつの出力に基づき行っても良く、あるいは複数のセンサの出力をそれぞれ所定値と比較して行っても良い。後者の場合はさらに、いずれかのセンサの出力が所定値を下回る場合にアノードガス量が不足していると判断しても良いし、すべてのセンサの出力がそれぞれの所定値を下回る場合にアノードガス量が不足していると判断しても良い。
負荷電流Ｉを計測する代わりに、複数の電流計を用いて燃料電池スタック１内の複数区間の各発電電流を計測し、これらの電流分布に基づき、アノードガス量が不足しているかどうかを判定することも可能である。スタック電圧Ｖを計測する代わりに燃料電池スタック１を構成する各セルの電圧を個別に計測し、各セルの電圧の平均値あるいは最小値に基づきアノードガス量が不足しているかどうかを判定することも可能である。さらに、特定セルの電圧を計測してアノードガス量が不足しているかどうかを判定することも可能である。
ステップＳ１において水素供給量が不足していないと判定した場合には、コントローラ５１はステップＳ２で通常モードのアノードガス圧力脈動運転制御を行う。具体的には、ＦＩＧＳ．２Ａ−２Ｃに示すようにアノードガス圧力Ｐａが上限圧力Ｐｍａｘと下限圧力Ｐｍｉｎの間で脈動するように水素調圧弁２２の開閉操作を制御する。この操作は従来行われていた制御と同等であるので説明を省略する。
ステップＳ１において水素供給量が不足していると判定した場合には、コントローラ５１はステップＳ３−Ｓ５において、アノードガス圧力Ｐａの回復制御を行う。
ステップＳ３においてコントローラ５１は、回復制御を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。
ステップＳ３の判定が否定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４でＦＩＧ．４に示す回復モードサブルーチンを実行する。ステップＳ３の判定が肯定的な場合には、コントローラ５１はステップへで回復不可処理を行う。
ここで、回復不可処理とは回復モードサブルーチンの実行を所定時間に渡って続けてもアノードガス量の不足が解消しない場合の処理を意味する。具体的には、コントローラ５１はパージ弁２５の開弁操作または燃料電池スタック１の負荷電圧の低下処理を行う。パージ弁２５を開弁すると、アノードガスの水素濃度が上昇し、結果として各セルの電圧が上昇する。燃料電池スタック１の負荷電圧を下げると、アノードガスの必要量が減少するので、結果として各セルの電圧が上昇する。
ステップＳ２，Ｓ４，またはＳ５の処理の後、コントローラ５１はルーチンを終了する。
ＦＩＧ．４を参照して、コントローラ５１がステップＳ４で実行する回復モードサブルーチンを説明する。
ステップＳ４０１で、コントローラ５１は燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａが減圧中であるかどうかを判定する。ステップＳ４０１の判定が肯定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４０２−Ｓ４０６の処理を行う。ステップＳ４０１の判定が否定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４０７−Ｓ４１１の処理を行う。
ステップＳ４０２において、コントローラ５１はＦＩＧ．５に示す回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンを実行することで、回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎを設定する。
ＦＩＧ．５を参照すると、ステップＳ４０２１で、コントローラ５１は電流計５２の出力信号により燃料電池スタック１の負荷電流Ｉを検出する。
ステップＳ４０２２で、コントローラ５１は電圧計５３の出力信号によりスタック電圧Ｖを検出する。
ステップＳ４０２３で、コントローラ５１はあらかじめＲＯＭに格納されたＦＩＧ．７に示す特性のマップを参照して、燃料電池スタック１の負荷電流Ｉとスタック電圧Ｖから回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎを求める。ここで、回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎは通常モードの圧力脈動運転に適用される下限圧力Ｐｍｉｎより高くなるようにあらかじめマップが設定される。
ステップＳ４０２３の処理の後、コントローラ５１は回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
再びＦＩＧ．４を参照すると、回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎを設定した後、コントローラ５１はステップＳ４０３で圧力センサ５５の出力信号から、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａを検出する。
次のステップＳ４０４で、コントローラ５１はアノードガス圧力ＰａがステップＳ４０２で設定した回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎより高いかどうかを判定する。。
ステップＳ４０４の判定が肯定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４０５でアノードガス圧力を減圧する。具体的には、コントローラ５１は水素調圧弁２２を閉鎖するか、あるいは閉鎖状態を維持する。水素調圧弁２２が閉鎖されていると、燃料電池スタック１における水素の消費によりアノードガス圧力は一定量ずつ低下する。
ステップＳ４０４の判定が否定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４０６でアノードガス圧力を増圧する。具体的には、コントローラ５１は水素調圧弁２２を前述の所定開度へと開く。この処理により、高圧の水素タンク２１から燃料電池スタック１へのアノードガス供給量が増加し、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａが上昇する。
ステップＳ４０５またはステップＳ４０６の処理の後コントローラ５１は回復モードサブルーチンを終了する。
一方、ステップＳ４０７では、コントローラ５１はＦＩＧ．６に示す回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを実行することで、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを設定する。
ＦＩＧ．６を参照すると、ステップＳ４０７１でコントローラ５１は電流計５２の出力信号により燃料電池スタック１の負荷電流を検出する。
ステップＳ４０７２で、コントローラ５１は電圧計５３の出力信号によりスタック電圧Ｖを検出する。
ステップＳ４０７３で、コントローラ５１はあらかじめＲＯＭに格納されたＦＩＧ．７に示す特性のマップを参照して、燃料電池スタック１の負荷電流Ｉとスタック電圧Ｖから回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを求める。ここで、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘは通常モードの圧力脈動運転に適用される上限圧力Ｐｍａｘより高くなるようにあらかじめマップが設定される。
ステップＳ４０７３の処理の後、コントローラ５１は回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
再びＦＩＧ．４を参照すると、回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを設定した後、コントローラ５１はステップＳ４０８で圧力センサ５５の出力信号から、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力Ｐａを検出する。
次のステップＳ４０９で、コントローラ５１はアノードガス圧力ＰａがステップＳ４０７で設定した回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘより低いかどうかを判定する。
ステップＳ４０９の判定が肯定的な場合は、コントローラ５１はステップＳ４１０でアノードガス圧力を増圧する。増圧のための具体的な処理内容はステップＳ４０６と同一である。
ステップＳ４０９の判定が否定的な場合は、コントローラ５１はステップＳ４１１でアノードガス圧力を減圧する。減圧のための具体的な処理内容はステップＳ４０５と同一である。
ステップＳ４１０またはステップＳ４１１の処理の後、コントローラ５１は回復モードサブルーチンを終了する。
コントローラ５１のＲＯＭにあらかじめ格納されるＦＩＧ．７に示す特性の回復モード下限アノードガス圧力及び回復モード上限アノードガス圧力のマップは、実験やシミュレーションを通じて、種々の燃料電池スタックにおいて負荷電流Ｉとスタック電圧Ｖごとに、発電電力をさらに低下させない圧力脈動の下限圧力と上限圧力を予め求めておくことで作成される。
ＦＩＧ．７を参照すると、このマップは回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに関しては、アノードガス量の不足度合が大きいほど、すなわちスタック電圧Ｖの低下度合が大きいほど、回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに大きな値を与える。また燃料電池スタック１の負荷電流Ｉが大きいほど、回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに大きな値を与える。
一方、回復モード上限アノードガス圧力Ｐｍａｘに関しては、アノードガス量の不足度合が大きいほど、すなわちスタック電圧Ｖの低下度合が大きいほど、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに大きな値を与える。またまた燃料電池スタック１の負荷電流Ｉが大きいほど、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに大きな値を与える。
好ましくは、同一のアノードガス量の不足度合に対して、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘと通常モードにおける上限圧力Ｐｍａｘとの差圧が、回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎと通常モードにおける下限圧力Ｐｍｉｎとの差圧に等しいかより大きくなるようにマップの特性を設定する。マップの特性をこのように設定することで、回復モードにおける圧力脈動の中心値が通常モードの圧力脈動の中心値に対してより増圧方向に変化するので、低下した発電電力の回復をより強力に促進することができる。
コントローラ５１が実行する以上の反応ガス圧力制御により、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力はＦＩＧＳ．８Ａと８Ｂに示すように変化する。
これらのタイミングチャートにおいて、時刻ｔ１３までは燃料電池スタック１はＦＩＧ．８Ｂに示すように目標とする発電電力を維持している。この状態ではステップＳ１の判定が肯定的となるため、コントローラ５１はステップＳ２において通常モードのアノードガス圧力脈動運転制御を行う。
その結果、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力はＦＩＧ．８Ａに示す通常モードの上限圧力Ｐｍａｘと下限圧力Ｐｍｉｎの間で脈動する。
ＦＩＧ．８Ｂに示すように、時刻ｔ１３を境にスタック電圧Ｖが低下すると、ステップＳ１の判定が否定的に転じ、コントローラ５１はステップＳ３とＳ４でアノードガス圧力の回復制御処理を行う。時刻ｔ１３においては、ＦＩＧ．８Ａに示すようにアノードガス圧力の減圧操作が行われている。したがって、ステップＳ４で実行される回復モードサブルーチンにおいては、ＦＩＧ．４のステップＳ４０１の判定が肯定的となる。
コントローラ５１はステップＳ４０２において、ＦＩＧ．５の回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎを設定する。コントローラ５１はルーチン実行ごとにステップＳ４０４の判定を行い、判定が肯定的である限りＦＩＧ．４のステップＳ４０５の減圧処理を繰り返す。その結果、アノードガス圧力Ｐａが回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに達するまで、アノードガス圧力Ｐａは低下を続ける。回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎは通常モードの下限圧力Ｐｍｉｎより高く設定されているので、回復モードの圧力脈動においてアノードガス圧力Ｐａは通常モードほど低下しない。この制御はしたがって発電電力の低下を抑制する作用をもたらす。
時刻ｔ１４でアノードガス圧力Ｐａが回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎまで低下すると、次のルーチン実行においては、ステップＳ４０４の判定が否定的に転じ、コントローラ５１はステップＳ４０６においてアノードガス圧力Ｐａを増圧する。以後のルーチン実行においてはステップＳ４０１の判定が否定的となり、コントローラ５１は以後はステップＳ４０７で設定される回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに基づき、Ｓ４０８−Ｓ４１０でアノードガス圧力Ｐａの増圧処理を行う。その結果、アノードガス圧力Ｐａが回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに達するまで、アノードガス圧力Ｐａは上昇を続ける。回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘは通常モードの上限圧力Ｐｍａｘより高く設定されているので、回復モードの圧力脈動においてアノードガス圧力Ｐａは通常モードより上昇する。この制御はしたがって発電電力の回復を促進する作用をもたらす。
時刻ｔ１５に、アノードガス圧力Ｐａが回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに達すると、ＦＩＧ．４のステップＳ４０９の判定が否定的に転じ、コントローラ５１はステップＳ４１１でアノードガス圧力Ｐａを減圧する。以後のルーチン実行においてはステップＳ４０１の判定が肯定的となり、コントローラ５１は以後はステップＳ４０２で設定される回復モード加減アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに基づきステップＳ４０３−Ｓ４０５でアノードガス圧力Ｐａの減圧処理を行う。
時刻ｔ１６で、アノードガス圧力Ｐａが回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに達すると、コントローラ５１は再びステップＳ４０７で回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを設定し、ステップＳ４０８−Ｓ４１０でアノードガス圧力Ｐａの増圧処理を行う。
このようにして、コントローラ５１はＦＩＧ．３のルーチン及びＦＩＧＳ．４−６のサブルーチンの実行により、回復モードのアノードガス圧力脈動運転制御を続ける。
時刻ｔ１７でスタック電圧Ｖが所定電圧へと回復すると、ステップＳ１の判定が肯定的に転じる。以後、コントローラ５１は通常モードのアノードガス圧力脈動運転制御を行う。
アノードガスの供給量が目標とする発電電力に対して不足している場合には、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力を高めに維持しつつ、脈動運転を行うことで、目標とする発電電力に必要な量のアノードガスを供給できる。したがって、この運転制御装置によれば、燃料電池スタック１内にフラッディングが生じている状態で圧力脈動運転を行った場合でも、燃料電池スタック１の発電電力の低下が起りにくくなる。
燃料電池スタック１内の生成水の排水性能は、アノードガス流速と昇圧時間の積に依存すると考えられる。この運転制御装置によれば、回復モードにおける上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを通常モードの上限圧力Ｐｍａｘより高く設定するので、回復モード中の燃料電池スタック１内のアノードガス流速が高いレベルに維持され、好ましい排水性能を保持することがてきる。
燃料電池スタック１に供給されるアノードガス量の不足度合が大きいほど、燃料電池スタック１の負荷電流Ｉとスタック電圧Ｖは大きく低下する。ＦＩＧ．７に示す特性のマップは、負荷電流Ｉとスタック電圧Ｖが低いほど、すなわちアノードガス量の不足度合が大きいほど、回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎと回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘにそれぞれ大きな値を与える。この運転制御装置はアノードガス量の不足度合に応じて圧力脈動範囲を上昇させるので、最小の圧力上昇量により、発電状況の悪化を防止することができる。
この運転制御装置はまた、アノードガス量の不足が解消されると、燃料電池パワープラントを通常モードの圧力脈動運転に復帰させるので、必要最小限のアノードガス圧力の上昇操作により発電状況の維持あるいは悪化の防止を図ることができる。
この運転制御装置によれば、回復モードによる圧力脈動運転を所定時間継続してもスタック電圧Ｖが所定電圧に復帰しない場合には、パージ弁２５の開弁操作または燃料電池スタック１の負荷電圧の低下処理からなる回復不可処理を行う。したがって、アノードガス圧力の制御のみでは発電状況の悪化を阻止できない場合でも、他の手段により発電状況の悪化を阻止することが可能である。
ＦＩＧＳ．９−１１を参照して、コントローラ５１が実行する回復モードサブルーチンと回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンに関するこの発明の第２の実施形態を説明する。
この実施形態においては、回復モードにおける圧力脈動運転において、アノードガス圧力がカソードガス圧力に対して過大にならないように、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに制限を設ける点が第１の実施形態と異なる。そのために、この実施形態による運転制御装置は、ＦＩＧ．１に示すようにカソードガス圧力Ｐｃを検出する圧力センサ５６をさらに備える。
ＦＩＧ．９に示されるこの実施形態による回復モードサブルーチンは、第１の実施形態のＦＩＧ．４の回復モードサブルーチンに対応し、ＦＩＧ．３の反応ガス圧力制御ルーチンのステップＳ４において実行される。
ＦＩＧ．１０に示されるこの実施形態による回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンは、第１の実施形態のＦＩＧ．６の回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンに対応し。ＦＩＧ．９の回復モードサブルーチンのステップＳ４２１で実行される。
ＦＩＧＳ．９と１０に関する以下の説明では、第１の実施形態と同一の処理を行うステップについては同一のステップ番号を付して説明を省略する。
ＦＩＧ．９を参照して、この実施形態による回復モードサブルーチンを説明する。
コントローラ５１はステップＳ４０１で燃料電池スタック１内のアノードガス圧力が減圧中であるかどうかを判定し、判定が否定的な場合には、ステップＳ４２１で、ＦＩＧ．１０に示す回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを設定する。
ＦＩＧ．１０を参照すると、コントローラ５１は第１の実施形態と同様にステップＳ４０７１−Ｓ４０７３の処理を行った後、ステップＳ４２１１で回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘと圧力センサ５６が検出するカソードガス圧力Ｐｃとの差圧が許容差圧ΔＰ０を上回るかどうかを判定する。許容差圧ΔＰ０は、実験やシミュレーションにより、燃料電池スタック１の耐久性を著しく低下させない値にあらかじめ設定される。許容差圧ΔＰ０の一般的な値は５０‐２００キロパスカル（ｋＰａ）である。
ステップＳ４２１１の判定が肯定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４２１２で、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘがカソードガス圧力Ｐｃに許容差圧ΔＰ０を加えた値に再設定する。ステップＳ４２１２の処理の後、コントローラ５１は回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
一方、ステップＳ４２１１の判定が否定的な場合には、コントローラ５１は回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに制限を加えることなく、回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
再びＦＩＧ．９を参照すると、ステップＳ４０９でコントローラ５１は第１の実施形態と同様に、アノードガス圧力Ｐａが回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘより低いかどうかを判定する。ただし、ここで用いるアノードガス圧力Ｐａが回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘは上述のようにカソードガス圧力Ｐｃに許容差圧ΔＰ０を加えた値で制限された値である。
ステップＳ４０９の判定が肯定的な場合には、コントローラ５１は第１の実施形態と同様に、ステップＳ４１０でアノードガス圧力を増圧した後、回復モードサブルーチンを終了する。
ステップＳ４０９の判定が否定的な場合は、コントローラ５１はステップＳ４２２で、アノードガス圧力Ｐａの減圧条件が成立するかどうかを判定する。アノードガス圧力Ｐａの減圧条件は、例えばステップＳ４０９の判定が肯定的から否定的に転じてからの所要時間が所定時間に達したかどうかで判定する。」
ステップＳ４２２の判定が否定的な場合、すなわちステップＳ４０９の判定が肯定的から否定的に転じてからの所要時間が所定時間に達していない場合には、コントローラ５１はステップＳ４２３でアノードガス圧力Ｐａをそのまま維持する。
ステップＳ４２２の判定が肯定的な場合、すなわちステップＳ４０９の判定が肯定的から否定的に転じてからの所要時間が所定時間に達している場合には、コントローラ５１はステップＳ４１１でアノードガス圧力Ｐａを減圧する。
ステップＳ４２３またはステップＳ４１１の処理の後、コントローラ５１は回復モードサブルーチンを終了する。
ＦＩＧ．１１を参照すると、以上の制御の結果、回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘが第１の実施形態よりも低く抑えられる一方、時刻ｔ２４−ｔ２６の期間、及び時刻ｔ２７−ｔ２８の期間では、アノードガス圧力Ｐａは回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに維持される。
この実施形態によれば、アノードとカソードのガス圧力差Ｐａ‐Ｐｃが許容差圧ΔＰ０を超えないように回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに制限を加える一方、アノードガス圧力Ｐａが回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘした場合も、ただちにアノードガス圧力Ｐａの減圧を行わずに、所定期間に渡ってアノードガス圧力Ｐａを回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに維持する。
アノードガスとカソードガスの圧力差を許容差圧ΔＰ０以内に保持することで、過大な圧力差により燃料電池スタック１の耐久性が損なわれるのを防止できる。また、許容差圧ΔＰ０の範囲内で回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘを所定期間に渡って持続することで、発電状況の維持ないしは悪化からの回復に必要なアノードガス量も確保できる。
ＦＩＧＳ．１２−１４を参照して、この発明の第３の実施形態を説明する。
第１及び第２の実施形態において、コントローラ５１はアノードガス圧力のみを制御しているが、この実施形態では、コントローラ５１がアノードガス圧力とともにカソードガス圧力を制御する。
ＦＩＧ．１２に示されるこの実施形態による回復モードサブルーチンは、第１の実施形態のＦＩＧ．４に示す回復モードサブルーチンに対応し、ＦＩＧ．３の反応ガス圧力制御ルーチンのステップＳ４において実行される。この実施形態による回復モードサブルーチンには、他の実施形態に存在しないステップＳ４３１が設けられる．
ＦＩＧ．１２を参照すると、ステップＳ４０１−Ｓ４１１の処理は、第１の実施形態と同一である。コントローラ５１はステップＳ４０５、Ｓ４０６、Ｓ４１０、及びＳ４１１のいずれかの処理の後に、ステップＳ４３１においてＦＩＧ．１３に示すカソードガス圧力制御サブルーチンを実行する。
ＦＩＧ．１３を参照すると、ステップＳ４３１１でコントローラ５１は、回復モード下限カソードガス圧力Ｐｃ０を、アノードガス圧力Ｐａから許容差圧ΔＰ０を減算して設定する。許容差圧ΔＰ０は第２の実施形態で用いた許容差圧ΔＰ０に等しい。
ステップＳ４３１２においてコントローラ５１は、圧力センサ５６の出力信号からカソードガス圧力Ｐｃを検出する。
ステップＳ４３１３において、コントローラ５１はカソードガス圧力Ｐｃが回復モード下限カソードガス圧力Ｐｃ０より低いかどうかを判定する。
ステップＳ４３１３の判定が肯定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４３１４においてコンプレッサ１１の運転制御によりカソードガス圧力Ｐｃの増圧処理を行う。ステップＳ４３１４の処理の後コントローラ５１はカソードガス圧力制御サブルーチンを終了する。
一方、ステップＳ４３１３の判定が否定的な場合には、コントローラ５１はステップＳ４３１５で、カソード圧力Ｐｃが通常モードのカソード圧力に等しいかどうかを判定する。カソード圧力Ｐｃが通常モードのカソード圧力に等しい場合には、コントローラ５１はカソード圧力Ｐｃに処理を加えることなくカソードガス圧力制御サブルーチンを終了する。
カソード圧力Ｐｃが通常モードのカソード圧力に等しくない場合には、コントローラ５１はステップＳ４３１６においてカソード圧力Ｐｃを減圧する。ステップＳ４３１６の処理の後、コントローラ５１はカソードガス圧力制御サブルーチンを終了する。カソードガス圧力制御サブルーチンの終了に伴って、ＦＩＧ．１２の回復モードサブルーチンも終了する。
ＦＩＧ．１４を参照すると、以上の制御により、通常モードの圧力脈動運転において、時刻ｔ３２以降の減圧行程でアノードガス量が不足すると、コントローラ５１はＦＩＧ．３のステップＳ４でＦＩＧ．１２の回復モードサブルーチンを実行する。回復モードサブルーチンにおいてはステップＳ４０５でアノードガス圧力Ｐａの減圧処理が行われ、アノードガス圧力Ｐａは時刻ｔ３３で回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに達する。アノードガス圧力Ｐａの減圧中は、回復モード下限カソードガス圧力Ｐｃ０も低下するため、カソード圧力Ｐｃが回復モード下限カソードガス圧力Ｐｃ０より低くなることはない。したがって、回復モードサブルーチンのステップＳ４３１で実行されるＦＩＧ．１３のカソード圧力制御サブルーチンではカソード圧力Ｐｃの増圧は行われない。
時刻ｔ３３でアノードガス圧力Ｐａが回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに達した後は、コントローラ５１はＦＩＧ．１２の回復モードサブルーチンのステップＳ４１０とステップＳ４１０でコンプレッサ１１の運転制御によりアノードガス圧力の増圧処理を行う。その結果、アノードガス圧力Ｐａは上昇する。
アノードガス圧力Ｐａの上昇に伴い、ＦＩＧ．１３のカソードガス圧力制御サブルーチンのステップＳ４３１１で設定される回復モード下限カソードガス圧力Ｐｃ０も上昇する。その結果、時刻ｔ３４でカソード圧力Ｐｃが回復モード下限カソードガス圧力Ｐｃ０を下回り、コントローラ５１はステップＳ４３１４でカソード圧力Ｐｃの増圧処理を行う。このようにして、時刻ｔ３４以降はアノード圧力Ｐａとともにカソード圧力Ｐｃも上昇する。
時刻ｔ３５において、アノードガス圧力Ｐａは回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘに到達する。コントローラ５１は以後、ＦｉＧ．１２の回復モードサブルーチンのステップＳ４１１とＳ４０６でアノードガス圧力Ｐａの減圧処理を行う。また、ＦＩＧ．１３のステップＳ４３１６でコンプレッサ１１の運転制御によりカソードガス圧力Ｐｃの減圧処理を行う。以後、アノードガス圧力Ｐａとカソードガス圧力Ｐｃは差圧ΔＰ０を保ったまま低下する。
時刻ｔ３６において、カソードガス圧力Ｐｃが通常モードにおけるカソード圧力まで低下すると、ステップＳ４３１６の判定が肯定的に転じるため、以後のカソード圧力Ｐｃの減圧処理は停止され、カソード圧力Ｐｃは通常モードにおけるカソード圧力に維持される。一方、アノードガス圧力Ｐａについては時刻ｔ３７で回復モード下限アノードガス圧力Ｐａｍｉｎに達するまで減圧処理が続けられる。
時刻ｔ３７以降も時刻ｔ３３から時刻ｔ３７に至る回復モードの脈動運転制御が繰り返される。時刻ｔ４０以降にスタック電圧Ｖが所定電圧へと回復すると、ＦＩＧ．３の反応ガス圧力制御ルーチンのステップＳ１の判定が否定的から肯定的に転じる。この変化に応じて、コントローラ５１は圧力脈動運転制御を回復モードから通常モードへと切り替え、以後はステップＳ２で通常モード時の圧力脈動運転制御が行われる。
この実施形態によれば、アノードガス圧力Ｐａの上昇に応じて、アノードガス圧力Ｐａとカソードガス圧力Ｐｃの差圧が許容差圧ΔＰ０を上回らないようにカソードガス圧力Ｐｃの増圧処理が行われる。したがって、過大な圧力差により燃料電池スタック１の耐久性が損なわれるのを防止できる。また、アノードガス圧力Ｐａの回復モード上限アノードガス圧力Ｐａｍａｘへの上昇を妨げないので、発電状況の維持ないしは悪化からの回復に必要なアノードガス量も確保できる。
以上の説明に関して２００９年７月７日を出願日とする日本国における特願２００９−１６０５２８号、の内容をここに引用により合体する。
以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
例えば、上記のいずれの実施形態に関しても、ＦＩＧ．１５に示すように、回復モードでアノードガス圧力Ｐａを増圧する際に、燃料電池スタック１を通過するアノードガスの流速が通常モード時の流速を上回るように、アノードガス圧力の上昇速度を上げることも好ましい。具体的にはステップＳ４０６とＳ４１０で行われるアノードガス圧力Ｐａの増圧処理に適用する水素調圧弁２２の所定開度をより大きな値に設定する。
アノードガス圧力Ｐａの上昇速度を高くなると、圧力脈動のインターバルが短くなり、スタック電圧Ｖが所定電圧へと回復した後に回復モードから通常モードへの切り替えが行われるまでの時間が短縮される。したがって、回復モードにおける圧力脈動運転を短い時間で終了させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０００６】
以上のように、この発明による燃料電池パワープラントの制御装置及び制御方法は車両用の燃料電池パワープラントへの適用において好ましい効果をもたらすが、適用対象はこれに留まらない。
この発明の実施例が包含する排他的性質あるいは特長は以下のようにクレームされる。
【図１】
2011004780.tif 000003
【図２】
2011004780.tif 000004
【図３】
2011004780.tif 000005
【図４】
2011004780.tif 000006
【図５】
2011004780.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2011004780.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011004780.tif 000013
【図１２】
2011004780.tif 000014
【図１３】
2011004780.tif 000015
【図１４】
2011004780.tif 000016
【図１５】
2011004780.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月10日(2012.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を用いて発電を行う燃料電池スタックの発電電力を目標発電電力に基づき制御する燃料電池パワープラントの運転制御装置において：
水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給するアノードガス供給機構と；
燃料電池スタックの発電状態を検出するセンサと；
次のようにプログラムされたプログラマブルコントローラ：
燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御し；
燃料電池スタックの発電状態から燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしているかどうかを判定し；
水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する；
とを備える燃料電池パワープラントのための制御装置。
【請求項２】
コントローラはアノードガスの供給量の不足度合いが高いほど下限圧力の増圧補正量を大きく設定するよう、さらにプログラムされた、請求項1に記載の制御装置。
【請求項３】
発電状態を検出するセンサは燃料電池スタックの負荷電流を検出する電流計を含み、コントローラは負荷電流が大きいほど下限圧力の増圧補正量を大きく設定するよう、さらにプログラムされた、請求項1または2に記載の制御装置。
【請求項４】
コントローラは水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、上限圧力を増圧補正するよう、さらにプログラムされた、請求項1から3のいずれかに記載の制御装置。
【請求項５】
コントローラは、水素供給量の不足度合いが大きいほど上限圧力の増圧補正量を大きく設定するよう、さらにプログラムされた、請求項4に記載の制御装置。
【請求項６】
発電状態を検出するセンサは燃料電池スタックの負荷電流を検出する電流計を含み、コントローラは負荷電流が大きいほど上限圧力の増圧補正量を大きく設定するようう、さらにプログラムされた、請求項5に記載の制御装置。
【請求項７】
コントローラは水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、上限圧力の増圧補正量を下限圧力の増圧補正量より大きく設定するよう、さらにプログラムされた、請求項4から6のいずれかに記載の制御装置。
【請求項８】
コントローラは上限圧力を増圧補正した後に、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量に達した場合には、上限圧力を減圧補正するよう、さらにプログラムされた、請求項4から7のいずれかに記載の制御装置。
【請求項９】
燃料電池パワープラントは燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給機構と、燃料電池スタック1内のカソードガス圧力を検出する圧力センサとをさらに備え、コントローラは上限圧力をカソードガス圧力に所定圧力を加算した圧力で制限するよう、さらにプログラムされた、請求項1から8のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１０】
コントローラはアノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧が所定圧力以内となるようにカソードガス圧力を増圧補正するよう、さらにプログラムされた、請求項1から9のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１１】
コントローラは水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない状態でアノードガス圧力を上限圧力へと増圧する際に燃料電池スタックを通過するアノードガスの流速が、アノードガスの供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしている状態で燃料電池スタックを通過するアノードガスの流速を上回るように、アノードガス圧力の増圧速度を増加させるよう、さらにプログラムされた、請求項1から10のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１２】
コントローラは下限圧力を増圧補正した後に、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量に達した場合には、下限圧力を減圧補正するよう、さらにプログラムされた、請求項1から11のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１３】
コントローラは下限圧力を所定期間に渡って増圧補正しても、水素供給量が目標発電電力に必要な量に達しない場合には、アノードガスの増圧補正以外の電力回復処理を行うよう（S3,S5)、さらにプログラムされた、請求項1から12のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１４】
アノードガス供給機構は燃料電池スタックに供給されたアノードガスを燃料電池スタックから回収して貯留する一方、燃料電池スタック内のアノードガス圧力の低下に応じて、貯留したアノードガスを燃料電池スタックへ再供給するバッファタンクを備えた、請求項13に記載の制御装置。
【請求項１５】
アノードガスの圧力制御以外の電力回復処理は、バッファタンクが貯留したアノードガスのパージングを含む、請求項14に記載の制御装置。
【請求項１６】
アノードガスの圧力制御以外の電力回復処理は、燃料電池スタックの負荷電流の低下を含む、請求項13に記載の制御装置。
【請求項１７】
燃料電池スタックの発電状態を検出するセンサは、燃料電池スタックのスタック電圧を検出する電圧計、燃料電池スタックの負荷電流を検出する電流計、及び燃料電池スタックに供給されるアノードガスの水素濃度を検出する水素濃度センサの少なくともひとつで構成される、請求項1から16のいずれかに記載の制御装置。
【請求項１８】
水素を用いて発電を行う燃料電池スタックを用いて目標発電電力に基づき発電運転を行う燃料電池パワープラントの制御装置において：
水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給する手段と；
燃料電池スタックの運転状態を検出する手段と；
燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御する手段と；
燃料電池スタックの発電状態から燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定する手段と；
水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する手段と；
を備える燃料電池パワープラントの制御装置。
【請求項１９】
水素を用いて発電を行う燃料電池スタックを用いて目標発電電力に基づき発電運転を行う燃料電池パワープラントの制御方法において：
水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給し；
燃料電池スタックの運転状態を検出し；
燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御し；
燃料電池スタックの発電状態から燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定し；
水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する；
燃料電池パワープラントの制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池パワープラントの運転制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本国特許庁が 2007 年に発行した JP2007-48479A は、アノードガスの圧力脈動運転を行う燃料電池パワープラントの運転制御装置を開示している。圧力脈動運転とは、燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力が上限圧力に達したらアノードガスの供給を停止し、その後、アノードガスの圧力が下限圧力まで下がったら、再びアノードガスの供給を開始することで、燃料電池スタック内の圧力を上限圧力と下限圧力の間で脈動させる運転方式をいう。この従来技術によれば、圧力脈動運転中の圧力低下に伴って生じる圧力勾配で燃料電池スタック内の生成水の排出が促進される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者らの研究によれば、アノードガスの圧力脈動は、燃料電池スタック内のフラッディングが発電能力に及ぼす悪影響を助長する可能性がある。すなわち、燃料電池スタック内に生成水によるフラッディングが生じている状態でアノードガスの下限圧力に向けて減圧が行われると、アノードが利用できるアノードガスが一層少なくなる。結果として、目標電力の発電に必要な量のアノードガスが得られずに発電電力が低下することがある。
【０００４】
この発明の目的は、したがって、フラッディングが生じた場合でも、燃料電池スタックの発電電力を速やかに回復可能な燃料電池スタックの圧力脈動運転制御を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の目的を達成するために、この発明は、水素を用いて発電を行う燃料電池スタックの発電電力を目標発電電力に基づき制御する燃料電池パワープラントの運転制御装置において、水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給するアノードガス供給機構と、燃料電池スタックの発電状態を検出するセンサを検出するセンサと、プログラマブルコントローラと、を備えている。
【０００６】
プログラマブルコントローラは、燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御し、燃料電池スタックの発電状態から燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしているかどうかを判定し、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正する、ようプログラムされる。
【０００７】
この発明はまた、上記燃料電池パワープラントの運転制御方法において、水素を含むアノードガスを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックの発電状態を検出し、燃料電池スタック内のアノードガス圧力が上限圧力と下限圧力との間で脈動するようアノードガス供給機構を制御し、燃料電池スタックの発電状態から燃料電池スタックへの水素供給量が目標発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定し、水素供給量が目標発電電力の発電に必要な量を満たしていない場合に、下限圧力を増圧補正している。
【０００８】
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以下の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
FIG. 1 はこの発明を適用する燃料電池パワープラントの概略構成図である。
FIGS. 2A-2C はアノードデッドエンド型燃料電池スタックの通常運転について説明するタイミングチャートである。
FIG. 3 はこの発明によるコントローラが実行する反応ガス圧力制御ルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 4 はコントローラが実行する回復モードサブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 5 はコントローラが実行する回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 6 はコントローラが実行する回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 7 はコントローラが格納する回復モード下限アノードガス圧力及び回復モード上限アノードガス圧力のマップの特性を示すダイアグラムである。
FIG. 8A と 8B はコントローラが実行する反応ガス圧力制御の結果を説明するタイミングチャートである。
FIG. 9 はこの発明の第 2 の実施形態によるコントローラが実行する回復モードサブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 10 はこの発明の第 2 の実施形態によるコントローラが実行する回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 11 はこの発明の第 2 の実施形態によるコントローラが実行する反応ガス圧力制御の結果を説明するタイミングチャートである。
FIG. 12 はこの発明の第 3 の実施形態によるコントローラが実行する回復モードサブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 13 はこの発明の第 3 実施形態によるコントローラが実行するカソードガス圧力制御サブルーチンを説明するフローチャートである。
FIG. 14 はこの発明の第 3 実施形態によるコントローラが実行する反応ガス圧力制御の結果を説明するタイミングチャートである。
FIG. 15 はこの発明による圧力脈動運転制御のバリエーションを説明するダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面の FIG. 1 を参照すると、燃料電池パワープラントは、アノードとカソードを備える燃料電池スタック 1 と、酸素を含むカソードガスを燃料電池スタック 1 のカソードに供給し、カソード排ガスを燃料電池スタック 1 から排出させるカソードライン 10 と、燃料電池スタック 1 のアノードに水素を主成分とするアノードガスを供給し、アノードガスを燃料電池スタック 1 から排出させるアノードライン 20 と、を備える。
【００１１】
燃料電池パワープラントは、いわゆるアノードデッドエンド型の公知のパワープラントであり、燃料電池スタック 1 内のアノードガスの圧力を上昇させる増圧行程と、燃料電池スタック 1 内のアノードガスの圧力を低下させる減圧行程とを交互に繰り返す。この操作は、アノードガスに圧力脈動を生じさせる。燃料電池スタック 1 から排出されたアノードガスが減圧行程でアノードに再供給されるので、アノードガスの外部への排出を極力抑えることができる。
【００１２】
燃料電池パワープラントにおいては、燃料電池スタック 1 のカソードの窒素濃度がアノードの窒素濃度より高いと、窒素ガスがカソードから電解質膜を介してアノードへと透過する。アノードへ透過した窒素ガスは、アノードデッドエンド型燃料電池スタックではアノードガス通路の下流に滞留して燃料電池スタック 1 の発電を阻害する可能性がある。アノードガスの圧力脈動はアノードガス通路の下流に滞留する窒素ガスを燃料電池スタック 1 の外側へ排出するうえでも好ましい。窒素ガスが燃料電池スタック 1 から排出されると、アノードガスの総ガス量 / 水素ガス量の比を理論比 (SR) へと近づけることができる。アノードガスの圧力を高圧に維持しているだけではこうした効果は得られない。
【００１３】
アノードガスの圧力脈動を可能にするために、アノードライン 20 は、高圧の水素タンク 21、アノードガス供給路 201、水素調圧弁 22 、アノードガス排出路 202、バッファタンク 23 、排水路 203、排水弁 24 、パージ通路 204、及びパージ弁 25 を備える。。
【００１４】
水素タンク 21 はアノードガス供給路 201 の上流端に配置される。
【００１５】
水素調圧弁 22 は、水素タンク 21 と燃料電池スタック 1 を接続するアノードガス供給路 201 に配置される。水素調圧弁 22 は、水素タンク 21 から供給されたアノードガスの圧力を調整し、圧力良性後のアノードガスを燃料電池スタック 1 に供給する。
【００１６】
アノードガス排出路 202 は燃料電池スタック 1 とバッファタンク 23 を接続する。バッファタンク 23 の容積は、燃料電池スタック 1 のアノードガス通路の体積と同じあるいはその 8 割程度とする。バッファタンク 23 は、燃料電池スタック 1 から排出されたアノードガスを蓄える。燃料電池スタック 1 から排出されたアノードガスには、カソードで生成され、カソードからアノードへと電解質膜を透過してきた水分が含まれる。バッファタンク 23 は、この水分をアノードガスから分離する。アノードガスにはまた、アノードガス通路の下流に滞留する窒素ガスが圧力脈動により混入する。バッファタンク 23 は窒素ガスを分離する機能をも有する。
【００１７】
排水路 203 はバッファタンク 23 の底面に接続される。排水弁 24 は排水路 203 の途中に配置される。排水弁 24 は、アノードガスから分離してバッファタンク 23 に溜まった液水をバッファタンク 23 の外側へ排出する。
【００１８】
パージ通路 204 はバッファタンク 23 の頂面に接続される。パージ弁 25 はパージ通路 204 の途中に配置される。パージ弁 25 はバッファタンク 23 の上部に溜まった窒素などの不活性ガスをパージ通路 204 を介してパージ通路 104 にパージする。パージ弁 25 は連続的あるいは断続的に開度を変化させることで、パージ流量を調整する。
【００１９】
カソードライン 10 は、カソードガス通路 101、コンプレッサ 11 、加湿器 12 、カソードガス供給路 102、及びカソードガス排出路 103 を備える。
【００２０】
コンプレッサ 11 はカソードガス通路 101 の上流端に配置される。コンプレッサ 11 は空気を圧縮して加湿器 12 に供給する。
【００２１】
加湿器 12 は、カソードガス通路 101 を介してコンプレッサ 11 に接続される。加湿器 12 にはさらにカソードガス供給路 102、カソードガス排出路 103、及び前述のパージ通路 104 が接続される。
【００２２】
加湿器 12 は、コンプレッサ 11 からカソードガス通路 101 を介して送られる圧縮空気を、燃料電池スタック 1 からカソードガス排出路 103 を介して排出されたカソード排ガスの含有水分を用いて加湿する。加湿された圧縮空気はカソードガスとして、カソードガス供給路 102 を介して燃料電池スタック 1 のカソードに供給される。カソードガスは燃料電池スタック 1 のカソードにおいて、電解質膜を透過した水素イオンと反応して水を生成する。したがって、反応後のカソード排ガスには多量の水分が含まれる。圧縮空気を加湿したカソード排ガスはパージ通路 104 から大気中に放出される。
【００２３】
以上のように構成された燃料電池パワープラント、とともに用いるこの発明の運転制御装置は、燃料電池スタック 1 の負荷電流 I を検出する電流計 52、燃料電池スタック 1 のスタック電圧 V を検出する電圧計 53、燃料電池スタック 1 内のアノードガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ 54、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa を検出する圧力センサ 55、及びプログラマブルなコントローラ 51 を備える。センサ 52-55 の各検出値は信号回路を介してコントローラ 51 に入力される。
【００２４】
コントローラ 51 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。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
【００２５】
コントローラ 51 はセンサ 52-54 のいずれか一つまたは複数の検出信号に基づき、燃料電池スタック 1 へのアノードガスの供給量が燃料電池スタック 1 の目標とする発電電力に必要な量を満たしているかどうかを判定する。具体的には、電流計 52 の検出する負荷電流 I が所定電流以上の場合、またはスタック電圧 V が所定電圧以上の場合、または燃料電池スタック 1 内のアノードガスの水素濃度が所定濃度以上の場合に、燃料電池スタック 1 へのアノードガスの供給量が燃料電池スタック 1 の目標とする発電電力に必要な量を満たしていると判定する。いずれのケースにも該当しない場合には、燃料電池スタック 1 へのアノードガスの供給量が燃料電池スタック 1 の目標とする発電電力に必要な量を満たしていないと判定する。
【００２６】
コントローラ 51 は以上の判定の結果に応じて、燃料電池スタック 1 内のアノードガスの圧力制御を行う。具体的には水素調圧弁 22 、排水弁 24、パージ弁 25 の開度または開閉を制御する。さらに、コントローラ 51 はコンプレッサ 11 の運転制御により燃料電池スタック 1 内のカソードガスの圧力を制御する。
【００２７】
FIGS. 2A-2C を参照して、燃料電池スタック 1 の通常運転について説明する。
【００２８】
_燃料電池スタック 1 の発電運転において、FIG. 2A に示すように水素調圧弁 22 を所定開度に開くと、水素タンク 21 からアノードガス供給路 201 を通って供給されるアノードガスにより燃料電池スタック 1 内のアノードガスの圧力が FIG. 2B に示すように上昇する。アノードガスに含まれる水素の一部は燃料電池スタック 1 で消費され、残りのアノードガスはアノードガス排出路 202 を通って FIG. 2C に示すようにバッファタンク 23 へと流入する。以下の説明ではアノードガス排出路 202 のこのアノードガスの流れを順流と称する。
【００２９】
燃料電池スタック 1 を通過したアノードガスは燃料電池スタック 1 のカソードからアノードへ透過した生成水や窒素などの不純物を含む。バッファタンク 23 へ流入したアノードガス中の不純物のうち生成水はバッファタンク 23 で凝縮し、液水となってバッファタンク 23 の下部に溜まる。窒素及び未反応のアノードガスはバッファタンク 23 の上部に溜まる。バッファタンク 23 は、このような不純物を溜めるために十分な容積を備える。
【００３０】
バッファタンク 23 内の生成水の蓄積量が増加した場合には、コントローラ 51 が排水弁 24 を開いて生成水を排水路 203 を介してバッファタンク 23 の外へ排出する。バッファタンク 23 内の窒素の蓄積量が増加した場合には、コントローラ 51 がパージ弁 25 を開いて窒素をバージ通路 204 を介してバッファタンク 23 の外へ排出する。
【００３１】
上昇するアノードガスの圧力は FIG. 2B に示すように時刻 t1 に上限圧力 Pmax に到達する。コントローラ 51 はアノードガスの圧力が上限圧力 Pmax に達すると、FIG. 2A に示すように水素調圧弁 22 を全閉し、燃料電池スタック 1 へのアノードガスの供給を停止する。燃料電池スタック 1 の発電運転によりアノードでアノードガスが消費される結果、_FIG. 2B に示すように時刻 t1 以降はアノードガス圧力 Pa が低下する。燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa が低下すると、バッファタンク 23 からアノードガス排出路 202 を通って FIG. 2C に示すように燃料電池スタック 1 へとアノードガスが流入する。 以下の説明ではアノードガス排出路 202 のこのアノードガスの流れを逆流と称する。
【００３２】
水素調圧弁 22 の全閉により、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa が時刻 t2 に下限圧力 Pmin まで低下すると、コントローラ 51 は FIG. 2A に示すように水素調圧弁 22 を再び所定開度へと開き、水素タンク 21 から燃料電池スタック 1 へのアノードガスの供給を再開する。この操作により、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa は再び上昇し、燃料電池スタック 1 から排出されたアノードガスがアノードガス排出路 202 を通って FIG. 2C に示すようにバッファタンク 23 へと流入する。
【００３３】
時刻 t3 に至ると、燃料電池スタック 1 のアノードガス圧力 Pa は再び上限圧力 Pmax に到達する。コントローラ 51 は水素調圧弁 22 を再び全閉し、水素タンク 21 から燃料電池スタック 1 へのアノードガス供給を停止する。以後、燃料電池スタック 1 の発電運転に応じてアノードガス中の水素が消費されるのに伴い、FIG. 2B に示すように燃料電池スタック 1 中のアノードガス圧力 Pa は低下する。圧力低下に伴いバッファタンク 23 に貯留されたアノードガスがアノードガス排出路 202 を逆流して FIG. 2C に示すように燃料電池スタック 1 に流入する。
【００３４】
このようにして、コントローラ 51 は水素調圧弁 22 の開閉操作により、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa の増圧と減圧を繰り返す脈動運転を行う。燃料電池スタック 1 から排出されたアノードガスは順流としてバッファタンク 23 に流入した後、逆流として再び燃料電池スタック 1 へと供給される。したがって、アノードガスはその中に含まれる窒素や生成水を除いて、燃料電池スタック 1 とバッファタンク 23 とを循環し、外部には排出されない。以上のプロセスにより燃料電池パワープラントのアノードデッドエンド運転が実行される。
【００３５】
ところで、発明者らの研究によれば、燃料電池スタック 1 内に生成水によるフラッディングが生じた状態で、アノードガスの増圧と減圧を繰り返すと減圧時に目標電力を発電するのに必要な量のアノードガスがアノードに供給されなくなり、燃料電池スタック 1 の発電電力の低下を招くことがある。
【００３６】
コントローラ 51 はフラッディング状態での圧力脈動運転による燃料電池スタック 1 の発電電力の低下を防止すべく、水素調圧弁 22 の開閉操作により反応ガス圧力を次のように制御する。
【００３７】
FIG. 3 を参照して、コントローラ 51 がこのために実行する反応ガス圧力制御ルーチンを説明する。このルーチンは燃料電池パワープラントの運転中に一定時間間隔、例えば 10 ミリ秒ごと、に繰り返し実行される。
【００３８】
ステップ S1 においてコントローラ 51 は、燃料電池スタック 1 が目標とする発電電力を生み出すための電気化学反応に必要な量の水素が供給されているか否かを判定する。具体的には、電流計 52 が検出する燃料電池スタック 1 の負荷電流 I 、電圧計 53 が検出するスタック電圧 V 、水素濃度センサ 54 が検出するアノードガスの水素濃度をそれぞれ所定値と比較し、所定値に満たない場合に、目標とする発電電力を生み出すための電気化学反応に必要な量の水素が供給されていないと判定する。
【００３９】
判定はこれらのセンサ 52-54 のいずれかひとつの出力に基づき行っても良く、あるいは複数のセンサの出力をそれぞれ所定値と比較して行っても良い。後者の場合はさらに、いずれかのセンサの出力が所定値を下回る場合にアノードガス量が不足していると判断しても良いし、すべてのセンサの出力がそれぞれの所定値を下回る場合にアノードガス量が不足していると判断しても良い。
【００４０】
負荷電流 I を計測する代わりに、複数の電流計を用いて燃料電池スタック 1 内の複数区間の各発電電流を計測し、これらの電流分布に基づき、アノードガス量が不足しているかどうかを判定することも可能である。スタック電圧 V を計測する代わりに燃料電池スタック 1 を構成する各セルの電圧を個別に計測し、各セルの電圧の平均値あるいは最小値に基づきアノードガス量が不足しているかどうかを判定することも可能である。さらに、特定セルの電圧を計測してアノードガス量が不足しているかどうかを判定することも可能である。
【００４１】
ステップ S1 において水素供給量が不足していないと判定した場合には、コントローラ 51 はステップ S2 で通常モードのアノードガス圧力脈動運転制御を行う。具体的には、FIGS. 2A-2C に示すようにアノードガス圧力 Pa が上限圧力 Pmax と下限圧力 Pmin の間で脈動するように水素調圧弁 22 の開閉操作を制御する。この操作は従来行われていた制御と同等であるので説明を省略する。
【００４２】
ステップ S1 において水素供給量が不足していると判定した場合には、コントローラ 51 はステップ S3-S5 において、アノードガス圧力 Pa の回復制御を行う。
【００４３】
ステップ S3 においてコントローラ 51 は、回復制御を開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。
【００４４】
ステップ S3 の判定が否定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S4 で FIG. 4 に示す回復モードサブルーチンを実行する。ステップ S3 の判定が肯定的な場合には、コントローラ 51 はステップ へ で回復不可処理を行う。
【００４５】
ここで、回復不可処理とは回復モードサブルーチンの実行を所定時間に渡って続けてもアノードガス量の不足が解消しない場合の処理を意味する。具体的には、コントローラ 51 はパージ弁 25 の開弁操作または燃料電池スタック 1 の負荷電圧の低下処理を行う。パージ弁 25 を開弁すると、アノードガスの水素濃度が上昇し、結果として各セルの電圧が上昇する。燃料電池スタック 1 の負荷電圧を下げると、アノードガスの必要量が減少するので、結果として各セルの電圧が上昇する。
【００４６】
ステップ S2, S4, または S5 の処理の後、コントローラ 51 はルーチンを終了する。
【００４７】
FIG. 4 を参照して、コントローラ 51 がステップ S4 で実行する回復モードサブルーチンを説明する。
【００４８】
ステップ S401 で、コントローラ 51 は燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa が減圧中であるかどうかを判定する。ステップ S401 の判定が肯定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S402-S406 の処理を行う。ステップ S401 の判定が否定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S407-S411 の処理を行う。
【００４９】
ステップ S402 において、コントローラ 51 は FIG. 5 に示す回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンを実行することで、回復モード下限アノードガス圧力 Pamin を設定する。
【００５０】
FIG. 5 を参照すると、ステップ S4021 で、コントローラ 51 は電流計 52 の出力信号により燃料電池スタック 1 の負荷電流 I を検出する。
【００５１】
ステップ S4022 で、コントローラ 51 は電圧計 53 の出力信号によりスタック電圧 V を検出する。
【００５２】
ステップ S4023 で、コントローラ 51 はあらかじめ ROM に格納された FIG. 7 に示す特性のマップを参照して、燃料電池スタック 1 の負荷電流 I とスタック電圧 V から回復モード下限アノードガス圧力 Pamin を求める。ここで、回復モード下限アノードガス圧力 Pamin は通常モードの圧力脈動運転に適用される下限圧力 Pmin より高くなるようにあらかじめマップが設定される。
【００５３】
ステップ S4023 の処理の後、コントローラ 51 は回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
【００５４】
再び FIG. 4 を参照すると、回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード下限アノードガス圧力 Pamin を設定した後、コントローラ 51 はステップ S403 で圧力センサ 55 の出力信号から、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa を検出する。
【００５５】
次のステップ S404 で、コントローラ 51 はアノードガス圧力 Pa がステップ S402 で設定した回復モード下限アノードガス圧力 Pamin より高いかどうかを判定する。。
【００５６】
ステップ S404 の判定が肯定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S405 でアノードガス圧力を減圧する。具体的には、コントローラ 51 は水素調圧弁 22 を閉鎖するか、あるいは閉鎖状態を維持する。水素調圧弁 22 が閉鎖されていると、燃料電池スタック 1 における水素の消費によりアノードガス圧力は一定量ずつ低下する。
【００５７】
ステップ S404 の判定が否定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S406 でアノードガス圧力を増圧する。具体的には、コントローラ 51 は水素調圧弁 22 を前述の所定開度へと開く。この処理により、高圧の水素タンク 21 から燃料電池スタック 1 へのアノードガス供給量が増加し、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa が上昇する。
【００５８】
ステップ S405 またはステップ S406 の処理の後コントローラ 51 は回復モードサブルーチンを終了する。
【００５９】
一方、ステップ S407 では、コントローラ 51 は FIG. 6 に示す回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを実行することで、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax を設定する。
【００６０】
FIG. 6 を参照すると、ステップ S4071 でコントローラ 51 は電流計 52 の出力信号により燃料電池スタック 1 の負荷電流を検出する。
【００６１】
ステップ S4072 で、コントローラ 51 は電圧計 53 の出力信号によりスタック電圧 V を検出する。
【００６２】
ステップ S4073 で、コントローラ 51 はあらかじめ ROM に格納された FIG. 7 に示す特性のマップを参照して、燃料電池スタック 1 の負荷電流 I とスタック電圧 V から回復モード上限アノードガス圧力 Pamax を求める。ここで、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax は通常モードの圧力脈動運転に適用される上限圧力 Pmax より高くなるようにあらかじめマップが設定される。
【００６３】
ステップ S4073 の処理の後、コントローラ 51 は回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
【００６４】
再び FIG. 4 を参照すると、回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード上限アノードガス圧力 Pamax を設定した後、コントローラ 51 はステップ S408 で圧力センサ 55 の出力信号から、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力 Pa を検出する。
【００６５】
次のステップ S409 で、コントローラ 51 はアノードガス圧力 Pa がステップ S407 で設定した回復モード上限アノードガス圧力 Pamax より低いかどうかを判定する。
【００６６】
ステップ S409 の判定が肯定的な場合は、コントローラ 51 はステップ S410 でアノードガス圧力を増圧する。増圧のための具体的な処理内容はステップ S406 と同一である。
【００６７】
ステップ S409 の判定が否定的な場合は、コントローラ 51 はステップ S411 でアノードガス圧力を減圧する。減圧のための具体的な処理内容はステップ S405 と同一である。
【００６８】
ステップ S410 またはステップ S411 の処理の後、コントローラ 51 は回復モードサブルーチンを終了する。
【００６９】
コントローラ 51 の ROM にあらかじめ格納される FIG. 7 に示す特性の回復モード下限アノードガス圧力及び回復モード上限アノードガス圧力のマップは、実験やシミュレーションを通じて、種々の燃料電池スタックにおいて負荷電流 I とスタック電圧 V ごとに、発電電力をさらに低下させない圧力脈動の下限圧力と上限圧力を予め求めておくことで作成される。
【００７０】
FIG. 7 を参照すると、このマップは回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に関しては、アノードガス量の不足度合が大きいほど、すなわちスタック電圧 V の低下度合が大きいほど、回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に大きな値を与える。また燃料電池スタック 1 の負荷電流 I が大きいほど、回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に大きな値を与える。
【００７１】
一方、回復モード上限アノードガス圧力 Pmax に関しては、アノードガス量の不足度合が大きいほど、すなわちスタック電圧 V の低下度合が大きいほど、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に大きな値を与える。またまた燃料電池スタック 1 の負荷電流 I が大きいほど、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に大きな値を与える。
【００７２】
好ましくは、同一のアノードガス量の不足度合に対して、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax と通常モードにおける上限圧力 Pmax との差圧が、回復モード下限アノードガス圧力 Pamin と通常モードにおける下限圧力 Pmin との差圧に等しいかより大きくなるようにマップの特性を設定する。マップの特性をこのように設定することで、回復モードにおける圧力脈動の中心値が通常モードの圧力脈動の中心値に対してより増圧方向に変化するので、低下した発電電力の回復をより強力に促進することができる。
【００７３】
コントローラ 51 が実行する以上の反応ガス圧力制御により、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力は FIGS. 8A と 8B に示すように変化する。
【００７４】
これらのタイミングチャートにおいて、時刻 t13 までは燃料電池スタック 1 は FIG. 8B に示すように目標とする発電電力を維持している。この状態ではステップ S1 の判定が肯定的となるため、コントローラ 51 はステップ S2 において通常モードのアノードガス圧力脈動運転制御を行う。
【００７５】
その結果、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力は FIG. 8A に示す通常モードの上限圧力 Pmax と下限圧力 Pmin の間で脈動する。
【００７６】
FIG. 8B に示すように、時刻 t13 を境にスタック電圧 V が低下すると、ステップ S1 の判定が否定的に転じ、コントローラ 51 はステップ S3 と S4 でアノードガス圧力の回復制御処理を行う。時刻 t13 においては、FIG. 8A に示すようにアノードガス圧力の減圧操作が行われている。したがって、ステップ S4 で実行される回復モードサブルーチンにおいては、FIG. 4 のステップ S401 の判定が肯定的となる。
【００７７】
コントローラ 51 はステップ S402 において、FIG. 5 の回復モード下限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード下限アノードガス圧力 Pamin を設定する。コントローラ 51 はルーチン実行ごとにステップ S404 の判定を行い、判定が肯定的である限り FIG. 4 のステップ S405 の減圧処理を繰り返す。その結果、アノードガス圧力 Pa が回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に達するまで、アノードガス圧力 Pa は低下を続ける。回復モード下限アノードガス圧力 Pamin は通常モードの下限圧力 Pmin より高く設定されているので、回復モードの圧力脈動においてアノードガス圧力 Pa は通常モードほど低下しない。この制御はしたがって発電電力の低下を抑制する作用をもたらす。
【００７８】
時刻 t14 でアノードガス圧力 Pa が回復モード下限アノードガス圧力 Pamin まで低下すると、次のルーチン実行においては、ステップ S404 の判定が否定的に転じ、コントローラ 51 はステップ S406 においてアノードガス圧力 Pa を増圧する。以後のルーチン実行においてはステップ S401 の判定が否定的となり、コントローラ 51 は以後はステップ S407 で設定される回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に基づき、S408-S410 でアノードガス圧力 Pa の増圧処理を行う。その結果、アノードガス圧力 Pa が回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に達するまで、アノードガス圧力 Pa は上昇を続ける。回復モード上限アノードガス圧力 Pamax は通常モードの上限圧力 Pmax より高く設定されているので、回復モードの圧力脈動においてアノードガス圧力 Pa は通常モードより上昇する。この制御はしたがって発電電力の回復を促進する作用をもたらす。
【００７９】
時刻 t15 に、アノードガス圧力 Pa が回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に達すると、FIG. 4 のステップ S409 の判定が否定的に転じ、コントローラ 51 はステップ S411 でアノードガス圧力 Pa を減圧する。以後のルーチン実行においてはステップ S401 の判定が肯定的となり、コントローラ 51 は以後はステップ S402 で設定される回復モード加減アノードガス圧力 Pamin に基づきステップ S403-S405 でアノードガス圧力 Pa の減圧処理を行う。
【００８０】
時刻 t16 で、アノードガス圧力 Pa が回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に達すると、コントローラ 51 は再びステップ S407 で回復モード上限アノードガス圧力 Pamax を設定し、ステップ S408-S410 でアノードガス圧力 Pa の増圧処理を行う。
【００８１】
このようにして、コントローラ 51 は FIG. 3 のルーチン及び FIGS. 4-6 のサブルーチンの実行により、回復モードのアノードガス圧力脈動運転制御を続ける。
【００８２】
時刻 t17 でスタック電圧 V が所定電圧へと回復すると、ステップ S1 の判定が肯定的に転じる。以後、コントローラ 51 は通常モードのアノードガス圧力脈動運転制御を行う。
【００８３】
アノードガスの供給量が目標とする発電電力に対して不足している場合には、燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力を高めに維持しつつ、脈動運転を行うことで、目標とする発電電力に必要な量のアノードガスを供給できる。したがって、この運転制御装置によれば、燃料電池スタック 1 内にフラッディングが生じている状態で圧力脈動運転を行った場合でも、燃料電池スタック 1 の発電電力の低下が起りにくくなる。
【００８４】
燃料電池スタック 1 内の生成水の排水性能は、アノードガス流速と昇圧時間の積に依存すると考えられる。この運転制御装置によれば、回復モードにおける上限アノードガス圧力 Pamax を通常モードの上限圧力 Pmax より高く設定するので、回復モード中の燃料電池スタック 1 内のアノードガス流速が高いレベルに維持され、好ましい排水性能を保持することがてきる。
【００８５】
燃料電池スタック 1 に供給されるアノードガス量の不足度合が大きいほど、燃料電池スタック 1 の負荷電流 I とスタック電圧 V は大きく低下する。FIG. 7 に示す特性のマップは、負荷電流 I とスタック電圧 V が低いほど、すなわちアノードガス量の不足度合が大きいほど、回復モード下限アノードガス圧力 Pamin と回復モード上限アノードガス圧力 Pamax にそれぞれ大きな値を与える。この運転制御装置はアノードガス量の不足度合に応じて圧力脈動範囲を上昇させるので、最小の圧力上昇量により、発電状況の悪化を防止することができる。
【００８６】
この運転制御装置はまた、アノードガス量の不足が解消されると、燃料電池パワープラントを通常モードの圧力脈動運転に復帰させるので、必要最小限のアノードガス圧力の上昇操作により発電状況の維持あるいは悪化の防止を図ることができる。
【００８７】
この運転制御装置によれば、回復モードによる圧力脈動運転を所定時間継続してもスタック電圧 V が所定電圧に復帰しない場合には、パージ弁 25 の開弁操作または燃料電池スタック 1 の負荷電圧の低下処理からなる回復不可処理を行う。したがって、アノードガス圧力の制御のみでは発電状況の悪化を阻止できない場合でも、他の手段により発電状況の悪化を阻止することが可能である。
【００８８】
FIGS. 9-11 を参照して、コントローラ 51 が実行する回復モードサブルーチンと回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンに関するこの発明の第 2 の実施形態を説明する。
【００８９】
この実施形態においては、回復モードにおける圧力脈動運転において、アノードガス圧力がカソードガス圧力に対して過大にならないように、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に制限を設ける点が第 1 の実施形態と異なる。そのために、この実施形態による運転制御装置は、FIG. 1 に示すようにカソードガス圧力 Pc を検出する圧力センサ 56 をさらに備える。
【００９０】
FIG. 9 に示されるこの実施形態による回復モードサブルーチンは、第 1 の実施形態の FIG. 4 の回復モードサブルーチンに対応し、FIG. 3 の反応ガス圧力制御ルーチンのステップ S4 において実行される。
【００９１】
FIG. 10 に示されるこの実施形態による回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンは、第 1 の実施形態の FIG. 6 の回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンに対応し。FIG. 9 の回復モードサブルーチンのステップ S421 で実行される。
【００９２】
FIGS. 9 と 10 に関する以下の説明では、第 1 の実施形態と同一の処理を行うステップについては同一のステップ番号を付して説明を省略する。
【００９３】
FIG. 9 を参照して、この実施形態による回復モードサブルーチンを説明する。
【００９４】
コントローラ 51 はステップ S401 で燃料電池スタック 1 内のアノードガス圧力が減圧中であるかどうかを判定し、判定が否定的な場合には、ステップ S421 で、FIG. 10 に示す回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンの実行により回復モード上限アノードガス圧力 Pamax を設定する。
【００９５】
FIG. 10 を参照すると、コントローラ 51 は第 1 の実施形態と同様にステップ S4071-S4073 の処理を行った後、ステップ S4211 で回復モード上限アノードガス圧力 Pamax と圧力センサ 56 が検出するカソードガス圧力 Pc との差圧が許容差圧 ΔP0 を上回るかどうかを判定する。許容差圧 ΔP0 は、実験やシミュレーションにより、燃料電池スタック 1 の耐久性を著しく低下させない値にあらかじめ設定される。許容差圧 ΔP0 の一般的な値は 50 - 200 キロパスカル (kPa) である。
【００９６】
ステップ S4211 の判定が肯定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S4212 で、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax がカソードガス圧力 Pc に許容差圧 ΔP0 を加えた値に再設定する。ステップ S4212 の処理の後、コントローラ 51 は回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
【００９７】
一方、ステップ S4211 の判定が否定的な場合には、コントローラ 51 は回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に制限を加えることなく、回復モード上限アノードガス圧力設定サブルーチンを終了する。
【００９８】
再び FIG. 9 を参照すると、ステップ S409 でコントローラ 51 は第 1 の実施形態と同様に、アノードガス圧力 Pa が回復モード上限アノードガス圧力 Pamax より低いかどうかを判定する。ただし、ここで用いるアノードガス圧力 Pa が回復モード上限アノードガス圧力 Pamax は上述のようにカソードガス圧力 Pc に許容差圧 ΔP0 を加えた値で制限された値である。
【００９９】
ステップ S409 の判定が肯定的な場合には、コントローラ 51 は第 1 の実施形態と同様に、ステップ S410 でアノードガス圧力を増圧した後、回復モードサブルーチンを終了する。
【０１００】
ステップ S409 の判定が否定的な場合は、コントローラ 51 はステップ S422 で、アノードガス圧力 Pa の減圧条件が成立するかどうかを判定する。アノードガス圧力 Pa の減圧条件は、例えばステップ S409 の判定が肯定的から否定的に転じてからの所要時間が所定時間に達したかどうかで判定する。
【０１０１】
ステップ S422 の判定が否定的な場合、すなわちステップ S409 の判定が肯定的から否定的に転じてからの所要時間が所定時間に達していない場合には、コントローラ 51 はステップ S423 でアノードガス圧力 Pa をそのまま維持する。
【０１０２】
ステップ S422 の判定が肯定的な場合、すなわちステップ S409 の判定が肯定的から否定的に転じてからの所要時間が所定時間に達している場合には、コントローラ 51 はステップ S411 でアノードガス圧力 Pa を減圧する。
【０１０３】
ステップ S423 またはステップ S411 の処理の後、コントローラ 51 は回復モードサブルーチンを終了する。
【０１０４】
FIG. 11 を参照すると、以上の制御の結果、回復モード上限アノードガス圧力 Pamax が第 1 の実施形態よりも低く抑えられる一方、時刻 t24-t25 の期間、及び時刻 t27-t28 の期間では、アノードガス圧力 Pa は回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に維持される。
【０１０５】
この実施形態によれば、アノードとカソードのガス圧力差 Pa - Pc が許容差圧 ΔP0 を超えないように回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に制限を加える一方、アノードガス圧力 Pa が回復モード上限アノードガス圧力 Pamax した場合も、ただちにアノードガス圧力 Pa の減圧を行わずに、所定期間に渡ってアノードガス圧力 Pa を回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に維持する。
【０１０６】
アノードガスとカソードガスの圧力差を許容差圧 ΔP0 以内に保持することで、過大な圧力差により燃料電池スタック 1 の耐久性が損なわれるのを防止できる。また、許容差圧 ΔP0 の範囲内で回復モード上限アノードガス圧力 Pamax を所定期間に渡って持続することで、発電状況の維持ないしは悪化からの回復に必要なアノードガス量も確保できる。
【０１０７】
FIGS. 12-14 を参照して、この発明の第 3 の実施形態を説明する。
【０１０８】
第 1 及び第 2 の実施形態において、コントローラ 51 はアノードガス圧力のみを制御しているが、この実施形態では、コントローラ 51 がアノードガス圧力とともにカソードガス圧力を制御する。
【０１０９】
FIG. 12 に示されるこの実施形態による回復モードサブルーチンは、第 1 の実施形態の FIG. 4 に示す回復モードサブルーチンに対応し、FIG. 3 の反応ガス圧力制御ルーチンのステップ S4 において実行される。この実施形態による回復モードサブルーチンには、他の実施形態に存在しないステップ S431 が設けられる .
【０１１０】
FIG. 12 を参照すると、ステップ S401-S411 の処理は、第 1 の実施形態と同一である。コントローラ 51 はステップ S405、S406、S410、及び S411 のいずれかの処理の後に、ステップ S431 において FIG. 13 に示すカソードガス圧力制御サブルーチンを実行する。
【０１１１】
FIG. 13 を参照すると、ステップ S4311 でコントローラ 51 は、回復モード下限カソードガス圧力 Pc0 を、アノードガス圧力 Pa から許容差圧 ΔP0 を減算して設定する。許容差圧 ΔP0 は第 2 の実施形態で用いた許容差圧 ΔP0 に等しい。
【０１１２】
ステップ S4312 においてコントローラ 51 は、圧力センサ 56 の出力信号からカソードガス圧力 Pc を検出する。
【０１１３】
ステップ S4313 において、コントローラ 51 はカソードガス圧力 Pc が回復モード下限カソードガス圧力 Pc0 より低いかどうかを判定する。
【０１１４】
ステップ S4313 の判定が肯定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S4314 においてコンプレッサ 11 の運転制御によりカソードガス圧力 Pc の増圧処理を行う。ステップ S4314 の処理の後コントローラ 51 はカソードガス圧力制御サブルーチンを終了する。
【０１１５】
一方、ステップ S4313 の判定が否定的な場合には、コントローラ 51 はステップ S4315 で、カソード圧力 Pc が通常モードのカソード圧力に等しいかどうかを判定する。カソード圧力 Pc が通常モードのカソード圧力に等しい場合には、コントローラ 51 はカソード圧力 Pc に処理を加えることなくカソードガス圧力制御サブルーチンを終了する。
【０１１６】
カソード圧力 Pc が通常モードのカソード圧力に等しくない場合には、コントローラ 51 はステップ S4316 においてカソード圧力 Pc を減圧する。ステップ S4316 の処理の後、コントローラ 51 はカソードガス圧力制御サブルーチンを終了する。カソードガス圧力制御サブルーチンの終了に伴って、FIG. 12 の回復モードサブルーチンも終了する。
【０１１７】
_FIG. 14 を参照すると、以上の制御により、通常モードの圧力脈動運転において、時刻 t32 以降の減圧行程でアノードガス量が不足すると、コントローラ 51 は FIG. 3 のステップ S4 で FIG. 12 の回復モードサブルーチンを実行する。回復モードサブルーチンにおいてはステップ S405 でアノードガス圧力 Pa の減圧処理が行われ、アノードガス圧力 Pa は時刻 t33 で回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に達する。アノードガス圧力 Pa の減圧中は、回復モード下限カソードガス圧力 Pc0 も低下するため、カソード圧力 Pc が回復モード下限カソードガス圧力 Pc0 より低くなることはない。したがって、回復モードサブルーチンのステップ S431 で実行される FIG. 13 のカソード圧力制御サブルーチンではカソード圧力 Pc の増圧は行われない。
【０１１８】
時刻 t33 でアノードガス圧力 Pa が回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に達した後は、コントローラ 51 は FIG. 12 の回復モードサブルーチンのステップ S410 でコンプレッサ 11 の運転制御によりアノードガス圧力の増圧処理を行う。その結果、アノードガス圧力 Pa は上昇する。
【０１１９】
アノードガス圧力 Pa の上昇に伴い、FIG. 13 のカソードガス圧力制御サブルーチンのステップ S4311 で設定される回復モード下限カソードガス圧力 Pc0 も上昇する。その結果、時刻 t34 でカソード圧力 Pc が回復モード下限カソードガス圧力 Pc0 を下回り、コントローラ 51 はステップ S4314 でカソード圧力 Pc の増圧処理を行う。このようにして、時刻 t34 以降はアノード圧力 Pa とともにカソード圧力 Pc も上昇する。
【０１２０】
時刻 t35 において、アノードガス圧力 Pa は回復モード上限アノードガス圧力 Pamax に到達する。コントローラ 51 は以後、FiG. 12 の回復モードサブルーチンのステップ S411 と S406 でアノードガス圧力 Pa の減圧処理を行う。また、FIG. 13 のステップ S4316 でコンプレッサ 11 の運転制御によりカソードガス圧力 Pc の減圧処理を行う。以後、アノードガス圧力 Pa とカソードガス圧力 Pc は差圧 ΔP0 を保ったまま低下する。
【０１２１】
時刻 t36 において、カソードガス圧力 Pc が通常モードにおけるカソード圧力まで低下すると、ステップ S4315 の判定が肯定的に転じるため、以後のカソード圧力 Pc の減圧処理は停止され、カソード圧力 Pc は通常モードにおけるカソード圧力に維持される。一方、アノードガス圧力 Pa については時刻 t37 で回復モード下限アノードガス圧力 Pamin に達するまで減圧処理が続けられる。
【０１２２】
時刻 t37 以降も時刻 t33 から時刻 t37 に至る回復モードの脈動運転制御が繰り返される。時刻 t40 以降にスタック電圧 V が所定電圧へと回復すると、FIG. 3 の反応ガス圧力制御ルーチンのステップ S1 の判定が否定的から肯定的に転じる。この変化に応じて、コントローラ 51 は圧力脈動運転制御を回復モードから通常モードへと切り替え、以後はステップ S2 で通常モード時の圧力脈動運転制御が行われる。
【０１２３】
この実施形態によれば、アノードガス圧力 Pa の上昇に応じて、アノードガス圧力 Pa とカソードガス圧力 Pc の差圧が許容差圧 ΔP0 を上回らないようにカソードガス圧力 Pc の増圧処理が行われる。したがって、過大な圧力差により燃料電池スタック 1 の耐久性が損なわれるのを防止できる。また、アノードガス圧力 Pa の回復モード上限アノードガス圧力 Pamax への上昇を妨げないので、発電状況の維持ないしは悪化からの回復に必要なアノードガス量も確保できる。
【０１２４】
以上の説明に関して 2009 年 7 月 7 日を出願日とする日本国における特願 2009-160528 号、の内容をここに引用により合体する。
【０１２５】
以上、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
【０１２６】
例えば、上記のいずれの実施形態に関しても、FIG. 15 に示すように、回復モードでアノードガス圧力 Pa を増圧する際に、燃料電池スタック 1 を通過するアノードガスの流速が通常モード時の流速を上回るように、アノードガス圧力の上昇速度を上げることも好ましい。具体的にはステップ S406 と S410 で行われるアノードガス圧力 Pa の増圧処理に適用する水素調圧弁 22 の所定開度をより大きな値に設定する。
【０１２７】
アノードガス圧力 Pa の上昇速度を高くなると、圧力脈動のインターバルが短くなり、スタック電圧 V が所定電圧へと回復した後に回復モードから通常モードへの切り替えが行われるまでの時間が短縮される。したがって、回復モードにおける圧力脈動運転を短い時間で終了させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
以上のように、この発明による燃料電池パワープラントの制御装置及び制御方法は車両用の燃料電池パワープラントへの適用において好ましい効果をもたらすが、適用対象はこれに留まらない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2011004780.tif 000018
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2011004780.tif 000019
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2011004780.tif 000020
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2011004780.tif 000021
【国際調査報告】
2011004780.tif 000022
2011004780.tif 000023