(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燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、
前記バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁と、
前記調圧弁を周期的に開閉することによって、前記調圧弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御手段と、
前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時において、前記脈動運転の減圧期間中は、増圧期間中よりもパージ流量が増量するように前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間の途中で前記パージ弁が開くように、前記パージ弁の開閉を制御する、
燃料電池システム。
【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、前記脈動運転の減圧期間中のパージ流量が略一定となるように、前記パージ弁の開閉を制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間の経過に応じて、前記パージ流量が増加するように、前記パージ弁の開閉を制御する、
燃料電池システム。
【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、
前記脈動運転制御手段は、前記燃料電池の要求出力が大きい程、前記脈動運転の脈動周期を短くし、
前記パージ弁制御手段は、前記燃料電池の要求出力が所定出力より大きい場合には、増減圧の周期に応じた前記パージ弁の開閉制御は行わない、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁制御手段は、前記脈動運転の減圧期間が終了しても前記パージ弁を開いたままとし、増圧期間の途中で前記パージ弁を閉じる、
燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、前記バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁とを備え、アノードガスおよびカソードガスを前記燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムの制御方法であって、
前記調圧弁を周期的に開閉することによって、前記調圧弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させる工程と、
前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時において、前記脈動運転の減圧期間中は、増圧期間中よりもパージ流量が増量するように前記パージ弁を制御する工程と、
を備える燃料電池システムの制御方法。
【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で、リサイクルタンクに蓄えた未使用のアノードガスを燃料電池スタックに逆流させて再利用している。
【発明の概要】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、アノードガスの圧力を周期的に増減させる脈動運転の減圧時に、燃料電池内部でアノードガス濃度が低下し、アノードガス濃度の低下度合いによっては、発電効率が低下することがわかった。
【０００４】
本発明は、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転の減圧時に、燃料電池内部のアノードガス濃度の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。
【０００５】
一実施形態における燃料電池システムは、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、バッファ部に蓄えられたアノードオフガスを排出する量を制御するパージ弁と、調圧弁を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御手段とを備える。この燃料電池システムにおいて、脈動運転の減圧時は、増圧時よりもパージ流量が増量するようにパージ弁を制御する。
【０００６】
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】
【０００７】
【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、一般的なパージ制御のフローチャートである。
【図６】図６は、燃料電池スタックの温度および湿度と、窒素の透過量との関係を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁の開閉制御のフローチャートである。
【図８】図８は、第１の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。
【図９】図９は、第２の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、第３の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、第４の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、第５の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁の開閉制御のフローチャートである。
【図１３】図１３は、負荷と脈動周期との関係、および、パージ弁の開閉を脈動周期に同期させるか否かを示す図である。
【図１４】図１４は、第６の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
−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)
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
ここで、脈動運転の降圧時には、アノードガス流路１２１内に残されたアノードガスが消費されるので、バッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなると、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。そうすると、アノードガス流路１２１をバッファタンク３６側に流れるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスとの合流部において、アノードガス濃度が低下して最小となる。特に、アノードガス濃度が最小となる位置のアノードガス濃度は、脈動運転の昇圧する直前に最も低くなる。
【００５０】
従って、本実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転の降圧時にパージ弁３８を開くことにより、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へのアノードオフガスの逆流を防いで、アノードガス濃度の低下を抑制する。
【００５１】
脈動運転の降圧時のパージ弁３８の開閉制御について説明する前に、パージ弁３８の一般的な開閉制御について説明する。
【００５２】
図５は、一般的なパージ制御のフローチャートである。
【００５３】
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。
【００５４】
図６は、燃料電池スタック２の温度および湿度と、窒素の透過量との関係を示す図である。図６に示すように、燃料電池スタック２の温度が高いほど、また、湿度が高いほど、窒素の透過量は多くなる。ここでは、燃料電池スタック２の温度として、温度センサ４２によって検出される温度を用いるとともに、高周波抵抗（ＨＦＲ）に基づいて、湿度を求める。ステップＳ１１０では、燃料電池スタック２の温度および湿度を求め、予め用意した図６に示すような関係のテーブルを参照することによって、窒素の透過量を算出する。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
図７は、本実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁３８の開閉制御のフローチャートである。ステップＳ２１０から始まる処理は、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転制御時に、コントローラ４によって行われる。
【００５９】
ステップＳ２１０では、電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過してくる窒素の透過量を算出する。この処理は、図６のステップＳ１１０の処理と同じである。
【００６０】
ステップＳ２２０では、燃料電池スタック２に対する負荷（燃料電池スタック２の目標出力）を検出する。
【００６１】
ステップＳ２３０では、圧力センサ３４によって、アノード圧を検出する。
【００６２】
ステップＳ２４０では、アノード圧を降圧させる降圧制御中であるか否かを判定する。降圧制御中であると判定すると、ステップＳ２５０に進み、昇圧制御中であると判定すると、ステップＳ２６０に進む。
【００６３】
ステップＳ２５０では、ステップＳ２１０で算出した窒素透過量、ステップＳ２２０で検出した負荷、および、ステップＳ２３０で検出したアノード圧に基づいて、窒素をパージするために必要なパージ弁３８の開度を算出する。すなわち、窒素透過量が多いほど、負荷が大きいほど、アノード圧が高いほど、パージ弁３８の開度が大きくなるようにする。
【００６４】
一方、ステップＳ２６０では、パージ弁３８を閉じる。
【００６５】
図８は、第１の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。パージ弁の開度の時間変化を示す図では、パージ弁の開度を一定とする従来技術の制御結果を点線で示し、本実施形態の制御結果を実線で示している。
【００６６】
図８に示すように、アノード圧を周期的に増減させる脈動運転時の降圧時にのみパージ弁３８を開き、昇圧時にはパージ弁３８を閉じる。これにより、降圧時に、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを防ぐことができるので、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
【００６７】
以上、第１の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファタンク３６を備え、調圧弁３３を周期的に開閉することによって、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転を行う燃料電池システムにおいて、脈動運転の減圧時にパージ弁３８が開くように、増減圧の周期に応じてパージ弁３８の開閉を制御する。これにより、降圧時に、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを防ぐことができるので、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
【００６８】
−第２の実施形態−
第１の実施形態における燃料電池システムでは、脈動運転制御時に、アノード圧の昇圧工程が終了して降圧工程に入ると、パージ弁３８を開くようにした（図８参照）。しかしながら、降圧過程に入った最初のうちは、アノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク３６からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁３８を開く必要性は低い。
【００６９】
従って、第２の実施形態における燃料電池システムでは、降圧工程の途中からパージ弁３８を開くように制御する。
【００７０】
図９は、第２の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ５１に、アノード圧の降圧が開始されるが、降圧の途中の時刻ｔ５２において、パージ弁３８が開かれている。パージ弁３８を開くタイミングは、任意のタイミングに設定することができる。例えば、降圧を開始してから所定時間経過後としてもよいし、アノード圧が所定量降圧した後としてもよい。
【００７１】
以上、第２の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧の途中でパージ弁３８が開くように、パージ弁３８の開閉を制御するので、適切なタイミングでパージ弁３８を開くことにより、アノードガスの無駄な排出を抑制しつつ、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
【００７２】
−第３の実施形態−
第３の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるように、パージ弁３８の開度を制御する。
【００７３】
図１０は、第３の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。アノード圧の低下時にパージ弁３８の開度を一定とすると、降圧につれてパージ流量が減少する。従って、第３の実施形態における燃料電池システムでは、降圧につれてパージ弁３８の開度を大きくすることによって、アノード圧が低下しても、パージ流量が略一定となるようにする。これにより、パージ流量の減少に起因してバッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防ぐことができるので、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
【００７４】
以上、第３の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧期間中のパージ流量が略一定となるように、パージ弁３８の開閉を制御するので、アノード圧の減圧時にパージ流量が減少することに起因してバッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防ぐことができる。これにより、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下をより効果的に抑制することができる。
【００７５】
−第４の実施形態−
アノードガス流路１２１内のアノードガス濃度は、降圧時間の経過に伴い、加速度的に減少する。従って、第４の実施形態における燃料電池システムでは、降圧時間の経過に伴い、パージ流量を加速度的に増加させることによって、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防いで、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制する。
【００７６】
図１１は、第４の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ流量の時間変化の一例を示す図である。降圧時間の経過に伴い、パージ弁３８の開度を大きくしていくことにより、パージ流量を加速度的に増やしていく。
【００７７】
以上、第４の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧期間の経過に応じてパージ流量が増加するように、パージ弁３８の開閉を制御するので、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを効果的に防いで、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を効果的に抑制することができる。
【００７８】
−第５の実施形態−
燃料電池スタック２に対する負荷が高い状態、すなわち、燃料電池スタック２の要求出力が大きくなると、脈動運転制御時の脈動周期が短くなる。この場合、脈動周期に合わせて、降圧時にパージ弁３８を開き、昇圧時にパージ弁３８を閉じる制御を行うためには、応答性の良い高価なパージ弁を用いる必要がある。
【００７９】
第５の実施形態における燃料電池システムでは、高負荷で燃料電池スタック２の要求出力が大きい場合には、パージ弁３８の開閉を脈動周期に同期させない。
【００８０】
図１２は、第５の実施形態における燃料電池システムによって行われるパージ弁３８の開閉制御のフローチャートである。図７に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
【００８１】
ステップＳ２３０に続くステップＳ３００では、高負荷状態であるか否か、すなわち、燃料電池スタック２の要求出力が大きいか否かを判定する。ここでは、燃料電池スタック２の要求出力が所定出力以上であれば、高負荷状態であると判定する。高負荷状態であると判定すると、ステップＳ３１０に進む。
【００８２】
ステップＳ３１０では、パージ弁３８の開度を決定する。ここでのパージ弁３８の開度は、アノード圧の脈動周期に同期しない値とする。すなわち、昇圧時にパージ弁３８を開くこともあれば、降圧時であっても、パージ弁３８が閉じたままの状態が存在する場合がある。
【００８３】
一方、ステップＳ３００において高負荷状態ではないと判定すると、ステップＳ２４０に進む。ステップＳ２４０〜Ｓ２６０の処理は、図７に示すフローチャートの処理と同じである。なお、ステップ２４０〜Ｓ２６０で行われるパージ弁３８の開閉制御は、第１の実施形態で説明したように、アノード圧の脈動周期に同期した制御である。
【００８４】
図１３は、負荷と脈動周期との関係、および、パージ弁３８の開閉を脈動周期に同期させるか否かを示す図である。図１３に示すように、負荷が高くなるほど、脈動周期は短くなる。また、負荷が高い場合、すなわち、脈動周期が短い場合には、パージ弁３８の開閉を脈動周期に同期させない。
【００８５】
以上、第５の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池の要求出力が所定出力より大きい場合には、増減圧の周期に応じたパージ弁３８の開閉制御は行わないので、応答性の良くないパージ弁を用いても、脈動運転の降圧時に、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。すなわち、高負荷状態で脈動周期が短くなる場合でも、脈動周期に同期させずにパージ弁３８の開閉を行うことにより、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流するのを防いで、燃料電池スタック２内部のアノードガス濃度の低下を抑制することができる。
【００８６】
−第６の実施形態−
第１〜第５の実施形態では、脈動運転の降圧工程が終了して昇圧工程に入ると、未燃焼のアノードガスがバッファタンク３６に入っていくため、高濃度のアノードガスが外気に排出されるのを抑制するために、昇圧工程に入るタイミングで、パージ弁３８を閉じるように制御している。しかしながら、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、未燃焼のアノードガスはバッファタンク３６に入っていかない。また、圧力センサ３４は、燃料電池スタック２の上流側に設けられているため、バッファタンク３６に近い下流側のアノード圧が圧力センサ３４によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じる。従って、昇圧工程に入ってもしばらくの間は、パージ弁３８を閉じずに開いておいても、高濃度のアノードガスが外気に排出される可能性は低く、かつ、バッファタンク３６内にある低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
【００８７】
従って、第６の実施形態における燃料電池システムでは、昇圧工程に入ったタイミングではパージ弁３８を閉じずに開いたままとし、昇圧工程の途中でパージ弁３８を閉じるように制御する。
【００８８】
図１４は、第６の実施形態における燃料電池システムによって、脈動運転制御およびパージ弁開閉制御が行われた場合のアノード圧の時間変化およびパージ弁の開度の時間変化の一例を示す図である。時刻ｔ７１において、脈動運転の降圧工程が終了してもパージ弁３８は閉じずに開いたままとする。そして、昇圧工程の途中の時刻ｔ７２において、パージ弁３８を閉じている。
【００８９】
ここで、降圧工程が終了してから、パージ弁３８を閉じるまでの期間は、圧力センサ３４が設けられている位置や、アノード系内の容積等を考慮して、適切な値に設定しておく。
【００９０】
また、時刻ｔ７３において、脈動運転の昇圧工程が終了してもパージ弁３８は閉じずに、降圧工程の途中の時刻ｔ７４において、パージ弁３８を開いている。これは、バッファタンク３６に近い下流側のアノード圧が圧力センサ３４によって検出されるアノード圧と一致するまでには時間遅れが生じること、および、降圧工程に入ってもしばらくの間はアノードガス濃度の低下が小さいため、バッファタンク３６からのアノードオフガスの逆流が少なく、パージ弁３８を開く必要性が低いからである。
【００９１】
以上、第６の実施形態における燃料電池システムによれば、脈動運転の減圧が終了してもパージ弁３８を開いたままとし、増圧の途中でパージ弁３８を閉じるので、脈動運転の減圧が終了してもしばらくの間は、低濃度のアノードガスを外気に排出することができる。
【００９２】
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。
【００９３】
本願は、２０１２年２月２９日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−０４３９４２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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