(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスおよびカソードガスを供給し、外部負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を制御するパージ弁とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁として、アノードオフガスを外気に排出する第１のパージ通路に設けられた第１のパージ弁と、前記第１のパージ通路から分岐し、カソードガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路と接続されている第２のパージ通路に設けられた第２のパージ弁とを備え、
燃料電池内のアノードガス圧力を、負荷が低いときより負荷が高いときの方が高くなると共に、所定の負荷において周期的に増減圧するように前記調圧弁を制御する脈動運転制御手段と、
前記燃料電池の出力を目標出力に向けて減少させる過渡運転である下げ過渡運転の時に前記第２のパージ弁を開くことにより、下げ過渡運転の時に使用する前記パージ弁の開口面積を他の運転の時よりも大きくするパージ弁制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２のパージ弁は、前記第１のパージ弁よりも開口面積が大きく、
前記パージ弁制御手段は、前記下げ過渡運転ではない時には前記第１のパージ弁を開閉するように制御し、前記下げ過渡運転時には、前記第２のパージ弁を開くように制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記下げ過渡運転ではない時には前記第１のパージ弁を開閉するように制御し、前記下げ過渡運転時には、前記第１のパージ弁および前記第２のパージ弁を開くように制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
アノードガス圧力の降下量を算出するアノードガス圧力降下量算出手段をさらに備え、
前記パージ弁制御手段は、前記下げ過渡運転時において、前記アノードガス圧力の降下量が所定量以上の場合に、前記パージ弁の開口面積を、前記下げ過渡運転ではない時における前記パージ弁の開口面積よりも大きくする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２のパージ弁と、前記カソードガス供給通路との間に、前記第２のパージ弁から前記カソードガス供給通路の方向にのみガスを流すことができる逆止弁を設けた、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
アノードガス圧力を検出するアノードガス圧力検出手段と、
カソードガス圧力を検出するカソードガス圧力検出手段と、
をさらに備え、
前記パージ弁制御手段は、前記アノードガス圧力が前記カソードガス圧力より低い場合には、前記下げ過渡運転時であっても、前記第２のパージ弁の開放を禁止する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部をさらに備える、
燃料電池システム。
【請求項８】
アノードガスおよびカソードガスを供給し、外部負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を制御するパージ弁とを備えた燃料電池システムの制御方法において、
前記パージ弁には、アノードオフガスを外気に排出する第１のパージ通路に設けられた第１のパージ弁と、前記第１のパージ通路から分岐し、カソードガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路と接続されている第２のパージ通路に設けられた第２のパージ弁とが含まれ、
前記燃料電池内のアノードガス圧力を、負荷が低いときより負荷が高いときの方が高くなると共に、所定の負荷において周期的に増減圧するように前記調圧弁を制御する工程と、
前記燃料電池の出力を目標出力に向けて減少させる過渡運転である下げ過渡運転の時に前記第２のパージ弁を開くことにより、下げ過渡運転の時に使用する前記パージ弁の開口面積を他の運転の時よりも大きくする工程と、
を備える燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とリサイクルタンク（バッファタンク）とを設けた燃料電池システムが知られている（ＪＰ２００７−５１７３６９Ａ参照）。この燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、常閉ソレノイドバルブ及び常開ソレノイドバルブを周期的に開閉することを開示している。
【発明の概要】
【０００３】
一般的に、燃料電池のアノード圧力は、負荷に応じて高くする必要がある。この前提で、ドライバ等により高負荷運転から低負荷運転への移行が要求されると、アノードオフガス非循環型の燃料電池システムにおいて次のような不都合が生じる可能性がある。
【０００４】
高負荷状態から低負荷状態に移行する場合、アノード圧力を負荷に応じた圧力まで低下させる必要がある。このとき、アノードガス系の圧力は、負荷に応じた発電のためアノードガスの消費によって低下するのだが、スタックの発電領域内のアノードガスの消費により発電領域の圧力が低下する。これに伴い、相対的に圧力が高いバッファタンクから不純物を含んだアノードガスが発電領域に逆流し、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分かった。その点では、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可能性がある。
【０００５】
この場合、バッファタンク後に設けられてアノードオフガスを大気へ排出するためのパージ弁の開度を大きくして大量にパージすることで不純物を含んだアノードガスの逆流を抑制したい。しかしながら、コストを考慮したオン・オフバルブの場合、上記課題解決のためにパージ弁開度を大きくしてしまうと、定常的に脈動運転を行っているときのパージ量が大きすぎてアノードオフガスを捨てすぎてしまう懸念があることを本願発明者らは知見した。
【０００６】
そこで、本発明は、高負荷運転から低負荷運転への移行が要求される下げ過渡時に、オン・オフバルブであっても、バッファタンクからの不純物を含んだアノードガスの逆流による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技術を提供することを目的とする。
【０００７】
一実施形態における燃料電池システムは、アノードガスの圧力を制御する調圧弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出量を制御するパージ弁とを備える。この燃料電池システムにおいて、パージ弁は、開口面積を少なくとも２段階で変更可能に構成される。そして、燃料電池内のアノードガス圧力を、負荷が低いときより負荷が高いときの方が高くなると共に、所定の負荷において周期的に増減圧するように調圧弁を制御する脈動運転制御手段と、燃料電池の出力を目標出力に向けて減少させる過渡運転である下げ過渡運転の時に使用するパージ弁の開口面積を他の運転の時よりも大きくするパージ弁制御手段とを備える。
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】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】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】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】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】図４は、脈動運転制御のフローチャートである。
【図５】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】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】図７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下げ過渡運転時のパージ弁の開閉制御のフローチャートである。
【図８】図８は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁の開閉、パージ弁の開閉、アノード圧、負荷の時間変化を示すタイムチャートの一例である。
【図９】図９は、下げ過渡運転中に、パージ弁も同時に開く制御を行う場合のタイムチャートの一例である。
【図１０】図１０は、第２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下げ過渡運転時のパージ弁の開閉制御のフローチャートである。
【図１１】図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁の開閉、パージ弁の開閉、アノード圧、負荷の時間変化を示すタイムチャートの一例である。
【図１２】図１２は、第３の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１３】図１３は、第３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下げ過渡運転時のパージ弁の開閉制御のフローチャートである。
【図１４】図１４は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁の開閉、パージ弁の開閉、ガス圧、負荷の時間変化を示すタイムチャートの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
−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)
【００１１】
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。
【００１２】
図１Ａおよび図１Ｂは、第１の実施形態における燃料電池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Ｂ−Ｂ断面図である。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、パージ通路３９と、パージ弁４０とを備える。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
本実施形態における燃料電池システムでは、バッファタンク３６に、パージ通路３７とともに、パージ通路３９が接続されている。パージ通路３９には、パージ弁４０が設けられている。パージ弁４０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。特に、本実施形態では、パージ弁４０の開口面積は、パージ弁３８の開口面積よりも大きいものとする。
【００３６】
パージ弁４０の他端は、逆止弁４６を介して、カソードガス供給通路４５に接続されている。すなわち、パージ弁４０を介して排出されるアノードオフガスは、カソードガス供給通路４５に戻されることによって、アノードオフガス中のアノードガスを燃料電池スタック２内部の触媒上でカソードガスと反応させて消費させることができる。これにより、アノードオフガスを外気へ排出する構成と比べて、アノードガスが外気へと排出されるのを抑制することができる。
【００３７】
また、パージ弁４０と、カソードガス供給通路４５との間には、カソードガス供給通路４５からパージ弁４０の方向へのガスの流入を防ぐための逆止弁４６が設けられている。すなわち、逆止弁４６は、バッファタンク３６からパージ弁４０を介してカソードガス供給通路４５の方向にのみ、ガスを流す機能を有している。これにより、カソードガスがカソードガス供給通路４５からパージ弁４０の方向に逆流することによってバッファタンク３６内のアノードガス濃度が低下し、セル電圧が不安定になることを防ぐことができる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
従って、本実施形態における燃料電池システムでは、下げ過渡運転時には、開口面積がパージ弁３８よりも大きいパージ弁４０を開くことによって、バッファタンク３６から燃料電池スタック２へのアノードオフガスの逆流を抑制し、燃料電池スタック２内のアノードガス濃度の低下を抑制する。
【００６４】
図７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下げ過渡運転時のパージ弁の開閉制御のフローチャートである。ステップＳ１００から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。
【００６５】
ステップＳ１００では、下げ過渡運転になったか否かを判定する。下げ過渡運転になったか否かは、例えば、電力供給を受ける負荷の減少（燃料電池スタック２の要求出力の減少）に基づいて判定することができる。下げ過渡運転になっていないと判定するとステップＳ１００で待機し、下げ過渡運転になったと判定すると、ステップＳ１１０に進む。
【００６６】
ステップＳ１１０では、パージ弁４０を開く。
【００６７】
ステップＳ１２０では、下げ過渡運転が終了したか否かを判定する。下げ過渡運転が終了していないと判定すると、ステップＳ１２０で待機し、下げ過渡運転が終了したと判定すると、ステップＳ１３０に進む。
【００６８】
ステップＳ１３０では、パージ弁４０を閉じる。
【００６９】
図８は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノード圧、負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートの一例である。下げ過渡運転時以外の通常運転時には、開口面積の小さい方のパージ弁３８を開閉する制御が行われる。時刻ｔ２１において負荷が小さくなると、燃料電池スタック２の目標出力が小さくなるので、目標アノード圧も低下し、実際のアノード圧も低下する。すなわち、時刻ｔ２１に下げ過渡運転に入るので、開口面積が大きい方のパージ弁４０が開かれる。その後、時刻ｔ２２において、下げ過渡運転が終了するので、パージ弁４０が閉じられる。
【００７０】
図８に示す例では、下げ過渡運転中において、開口面積が小さい方のパージ弁３８は閉じられている。ただし、下げ過渡運転中に、パージ弁３８も同時に開くようにしてもよい。
【００７１】
図９は、下げ過渡運転中に、パージ弁３８も同時に開く制御を行う場合のタイムチャートの一例である。図９では、図８と同様に、上から順に、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノードガス圧力、負荷の時間変化をそれぞれ示している。
【００７２】
時刻ｔ３１において、負荷が小さくなり、燃料電池スタック２の目標出力が小さくなると、目標アノード圧の低下に伴い、実際のアノード圧も低下する。すなわち、時刻ｔ３１に下げ過渡運転に入る。この時、パージ弁４０だけではなく、パージ弁３８も同時に開かれる。これにより、下げ過渡運転時にパージ弁３８だけが開かれる制御の場合と比べて、バッファタンク３６から燃料電池スタック２へのアノードオフガスの逆流をより抑制することができるので、燃料電池スタック２内のアノードガス濃度の低下をより抑制することができる。
【００７３】
なお、下げ過渡運転時に、パージ弁４０とともにパージ弁３８も開く制御を行うシステムでは、パージ弁４０の開口面積はパージ弁３８の開口面積と同じでもよいし、小さくてもよい。
【００７４】
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、燃料電池内のアノードガス圧力を、負荷が低いときより負荷が高いときの方が高くなると共に、所定の負荷において周期的に増減圧するように調圧弁３３を制御する脈動運転を行う燃料電池システムにおいて、下げ過渡運転の時に使用するパージ弁の開口面積を他の運転の時よりも大きくする。より具体的には、下げ過渡運転時ではない時にはパージ弁３８を開閉するように制御し、下げ過渡運転時には、開口面積がパージ弁３８よりも大きいパージ弁４０を開くように制御する。これにより、下げ過渡運転時に、バッファタンク３６から燃料電池スタック２へのアノードオフガスの逆流を抑制して、燃料電池スタック２内のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
【００７５】
また、下げ過渡運転時には、パージ弁４０とともにパージ弁３８も開くように制御することにより、バッファタンク３６から燃料電池スタック２へのアノードオフガスの逆流をより抑制することができるので、燃料電池スタック２内のアノードガス濃度の低下をさらに抑制することができる。
【００７６】
また、パージ弁４０の一端は、カソードガスを燃料電池に供給するカソードガス供給通路４５に接続されているので、アノードオフガスをカソードガス供給通路４５に戻すことによって、アノードオフガス中のアノードガスを燃料電池内部の触媒上でカソードガスと反応させて消費させることができる。これにより、アノードオフガスを外気へ排出する構成と比べて、アノードガスが外気へと排出されるのを抑制することができる。
【００７７】
さらに、パージ弁４０と、カソードガス供給通路４５との間には、パージ弁４０からカソードガス供給通路４５の方向にのみガスを流すことができる逆止弁４６が設けられているので、カソードガスがカソードガス供給通路４５からパージ弁４０の方向に逆流することによってバッファタンク３６内のアノードガス濃度が低下して、セル電圧が不安定になることを防ぐことができる。
【００７８】
−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、下げ過渡運転に入ると、開口面積が大きい方のパージ弁４０を開いた。しかしながら、下げ過渡運転に入った最初のうちは、アノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク３６からのアノードオフガスの逆流がほとんどなく、パージ弁４０を開く必要性は低い。
【００７９】
従って、第２の実施形態における燃料電池システムでは、下げ過渡運転中に、アノード圧の降圧量が所定量以上になると、パージ弁４０を開くように制御する。なお、アノード圧の降圧量と比較する所定量は、予め適切な値を設定しておく。
【００８０】
図１０は、第２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下げ過渡運転時のパージ弁の開閉制御のフローチャートである。図７に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
ステップＳ１００で下げ過渡運転になったと判定するとステップＳ２００に進む。
【００８１】
ステップＳ２００では、アノード圧の降圧量が所定量以上であるか否かを判定する。アノード圧の降圧量が所定量未満であると判定するとステップＳ１００に戻り、所定量以上であると判定すると、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０以後の処理は、図７に示すフローチャートの処理と同じである。
【００８２】
図１１は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、アノードガス圧力、負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートの一例である。時刻ｔ４１において、負荷が小さくなると、目標アノード圧も低下して、下げ過渡運転になる。この後、時刻ｔ４２において、アノード圧の降圧量が所定量以上となるので、時刻ｔ４２においてパージ弁４０を開く。これにより、下げ過渡運転に入った時刻ｔ４１から、アノード圧の降下量が所定量以上となる時刻ｔ４２までの間は、パージ弁４０が閉じられたままであるので、この間にバッファタンク３６からアノードガスが排出されるのを防ぐことができる。
【００８３】
なお、下げ過渡運転中に、アノード圧の降圧量が所定量以上になると、パージ弁４０だけではなく、パージ弁３８も同時に開けるようにしてもよい。
【００８４】
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、下げ過渡運転時において、アノードガスの圧力の降下量が所定量以上の場合に、パージ弁の開口面積を、下げ過渡運転ではない時におけるパージ弁の開口面積よりも大きくするので、バッファタンク３６からアノードガスが無駄に排出されるのを防ぐことができる。
【００８５】
−第３の実施形態−
図１２は、第３の実施形態における燃料電池システム１Ａの概略構成図である。図２に示す燃料電池システム１の構成と異なるのは、パージ弁４０とカソードガス供給通路４５との間に設けられていた逆止弁４６が省かれている点と、カソードガス供給通路４５にカソードガスの圧力（以下「カソード圧」という）を検出するための圧力センサ４７が設けられている点である。
【００８６】
逆止弁４６が省かれているため、第３の実施形態における燃料電池システム１Ａでは、アノード圧がカソード圧より低い場合には、パージ弁４０の開放を禁止して、カソードガス供給通路４５からバッファタンク３６にカソードガスが逆流することを防ぐ。
【００８７】
図１３は、第３の実施形態における燃料電池システム１Ａによって行われる下げ過渡運転時のパージ弁の開閉制御のフローチャートである。図７に示すフローチャートと同じ処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
ステップＳ１００で下げ過渡運転になったと判定するとステップＳ３００に進む。
【００８８】
ステップＳ３００では、圧力センサ３４で検出されるアノード圧が圧力センサ４７で検出されるカソード圧以上であるか否かを判定する。アノード圧がカソード圧より低いと判定するとステップＳ１３０に進み、パージ弁４０を閉じる。一方、アノード圧がカソード圧以上であると判定すると、ステップＳ１１０に進む。
【００８９】
ステップＳ１１０に続くステップＳ１２０において、下げ過渡運転が終了していないと判定するとステップＳ３００に戻り、下げ過渡運転が終了したと判定すると、ステップＳ１３０に進む。
【００９０】
図１４は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、パージ弁３８の開閉、パージ弁４０の開閉、ガス圧、負荷の時間変化をそれぞれ示すタイムチャートの一例である。ガス圧のうち、アノード圧を点線で示し、カソード圧を実線で示している。
【００９１】
時刻ｔ５１において、負荷が小さくなると、目標アノード圧も低下して、下げ過渡運転になる。この時、アノード圧はカソード圧以上であるため、パージ弁４０を開く。
【００９２】
この後、時刻ｔ５２においてアノード圧がカソード圧より低くなると、下げ過渡運転の途中であるが、パージ弁４０を閉じる。これにより、カソードガス供給通路４５からバッファタンク３６にカソードガスが逆流することを防ぐことができる。
【００９３】
以上、第３の実施形態における燃料電池システムによれば、アノードガスの圧力がカソードガスの圧力より低い場合には、下げ過渡運転時であっても、パージ弁４０の開放を禁止するので、カソードガス供給通路４５からバッファタンク３６にカソードガスが逆流することを防ぐことができる。
【００９４】
本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、第１〜第３の実施形態では、下げ過渡運転時に、通常制御時に開閉するパージ弁３８よりも開口面積の大きいパージ弁４０を開くことによって、バッファタンク３６から燃料電池スタック２へのアノードオフガスの逆流を抑制した。しかし、パージ弁３８とは別のパージ弁４０を設けずに、開口面積が可変のパージ弁を１つだけ設ける構成でも同様の効果を得ることができる。すなわち、開口面積を少なくとも二水準に可変にするパージ弁を１つ設け、下げ過渡運転以外の通常運転時には、小さい開口面積でパージ弁を開き、下げ過渡運転時には大きい開口面積でパージ弁を開くようにすればよい。
【００９５】
なお、各実施形態で説明した制御内容は、適宜組み合わせることができる。また、上述した実施形態はバッファタンク及び非循環系で記述されているが、イジェクタなどを用いて循環させるシステムにおいても、下げ過渡時（圧力降下時）に逆流する問題は生じる為、本技術を採用することにより同様の効果が得られる。この場合、循環流路、若しくは貯水タンクの発電領域外の容積部がバッファ部に相当する。
【００９６】
本願は、２０１２年３月１３日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−０５６３５０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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005915730.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005915730.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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