(57)【要約】【課題】水素欠乏によるＭＥＡ(電解質膜)の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードガスに混入する不純物をパージする燃料電池システムにおいて、要求負荷の変動に応じて反応ガスの圧力を設定する圧力設定部(ステップＳ１１)と、燃料電池スタックの反応流路に窒素澱み点が残存するか否かを判定する澱み点判定部(ステップＳ１５)と、窒素澱み点が残存する状態で要求負荷が低下したときには、反応ガスの圧力を下げることを禁止して運転する運転制御部(Ｓ１４，Ｓ１６)と、を含む。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスに混入する不純物をパージする燃料電池システムにおいて、
要求負荷の変動に応じて反応ガスの圧力を設定する圧力設定部と、
燃料電池スタックの反応流路に窒素澱み点が残存するか否かを判定する澱み点判定部と、
窒素澱み点が残存する状態で要求負荷が低下したときには、反応ガスの圧力を下げることを禁止して運転する運転制御部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記運転制御部は、反応ガスの圧力を下げることを禁止した後に、窒素澱み点が残存しなくなったときには、反応ガスの圧力を下げることを許可して運転する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記澱み点判定部は、窒素澱み点の排出に要する時間が経過したか否かによって、窒素澱み点が残存するか否かを判定する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
窒素澱み点が残存する状態で要求負荷が下がったときに、圧力を下げた後の水素濃度を推定する濃度推定部をさらに含み、
前記運転制御部は、推定された水素濃度が基準値よりも大きいときには、窒素澱み点が残存する状態で要求負荷が低下しても、反応ガスの圧力を下げることを禁止せずに運転する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、高圧のアノードガスの供給／停止が繰り返されてアノードガスの圧力が脈動する燃料電池システムを開示する。このような燃料電池システムでは、高圧のアノードガスが供給されれば、発電反応が生じアノードガスが消費される。続いて、アノードガスの供給が停止されれば、反応流路に残留するアノードガスが発電反応に消費される。そして再び高圧のアノードガスが供給されて、発電反応によってアノードガスが消費される。このようなことが繰り返されることで、アノードガスが無駄なく効率的に利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
要求負荷の変動に応じてアノードガスの圧力を調整する場合に、要求負荷が上がったときには、圧力調整弁の開度や開弁時間を大きくすることで、水素タンクから高圧の水素が供給されて、アノードガスの圧力が迅速に上昇する。したがって上げ過渡運転の時間は短い。ところが要求負荷が下がったときには、圧力調整弁を閉じた状態で発電反応によって水素が消費されるのを待たなければならない。したがって、アノードガスの圧力を下げるときの過渡運転(下げ過渡運転)の時間は、上げ過渡運転の時間に比べて長い。この下げ過渡運転において、バッファータンクの窒素が逆流してＭＥＡのアノードガスの反応流路に残存する可能性がある。このような状態で、再び下げ過渡運転すると、水素が欠乏する事態が生じて、ＭＥＡ(電解質膜)の劣化が促進されるおそれがある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、水素欠乏によるＭＥＡ(電解質膜)の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、アノードガスに混入する不純物をパージする。そして、要求負荷の変動に応じて反応ガスの圧力を設定する圧力設定部と、燃料電池スタックの反応流路に窒素澱み点が残存するか否かを判定する澱み点判定部と、窒素澱み点が残存する状態で要求負荷が低下したときには、反応ガスの圧力を下げることを禁止して運転する運転制御部と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この態様によれば、窒素澱み点が残存する状態で要求負荷が低下したときには、反応ガスの圧力を下げることを禁止して運転するので、水素欠乏によるＭＥＡ(電解質膜)の劣化を防止することができる。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックを説明する図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックに供給する反応ガスの圧力を模式的に示す図である。
【図５】図５は、窒素澱み点が生じるメカニズムについて説明する図である。
【図６】図６は、図４の低負荷運転中のＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。
【図７】図７は、図４の高負荷運転中のＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。
【図８】図８は、本実施形態が解決しようとする課題について説明する図である。
【図９】図９は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図１０】図１０は、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存するか否かを判定するルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、圧力低下ΔＰと窒素澱み点の出口からの距離との相関の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【図１３】図１３は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図１４】図１４は、圧力低下ΔＰと現在の水素濃度Ｃ１との相関の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、要求負荷に応じて圧力を下げた後の水素濃度Ｃ２を求めるためのマップの一例を示す図である。
【図１６】図１６は、第２実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【図１７】図１７は、第２実施形態の制御フローチャートが実行されたときのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す図である。
【００１２】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１００と、水素タンク２００と、圧力調整弁３００と、バッファータンク４００と、パージ弁５００と、コントローラー６００と、を含む。
【００１３】
燃料電池スタック１００は、反応ガス(アノードガスＨ2、カソードガスＯ2)が供給されて発電する。詳細は後述する。
【００１４】
水素タンク２００は、アノードガスＨ2を高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクである。水素タンク２００は、アノードラインの最上流に設けられる。
【００１５】
圧力調整弁３００は、水素タンク２００の下流に設けられる。圧力調整弁３００は、水素タンク２００から新たにアノードラインに供給するアノードガスＨ2の圧力を調整する。アノードガスＨ2の圧力は、圧力調整弁３００の開度によって調整される。
【００１６】
バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００の下流に設けられる。バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００から排出されたアノードガスＨ2を蓄える。また燃料電池スタックのカソード流路を流れる空気の一部(特に窒素Ｎ2)が電解質膜を透過してアノード流路に到達する。この窒素Ｎ2もアノードガスＨ2とともに燃料電池スタック１００から排出され、バッファータンク４００に蓄えられる。
【００１７】
パージ弁５００は、バッファータンク４００の下流に設けられる。パージ弁５００が開くと、窒素Ｎ2がアノードガスＨ2とともにバッファータンク４００からパージされる。
【００１８】
コントローラー６００は、アノードラインに設けられた圧力センサー７１や燃料電池スタック１００に設けられた電流電圧センサー７２などの信号に基づいて圧力調整弁３００の作動を制御する。具体的な制御内容は後述される。
【００１９】
図２は、燃料電池スタックを説明する図であり、図２(Ａ)は外観斜視図、図２(Ｂ)は発電セルの構造を示す分解図である。
【００２０】
図２(Ａ)に示されるように、燃料電池スタック１００は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。
【００２１】
発電セル１０は、燃料電池の単位発電セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。
【００２２】
集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、正極端子２１１及び負極端子２１２を備える。燃料電池スタック１００は、正極端子２１１及び負極端子２１２によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ-が取り出されて出力する。
【００２３】
絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。
【００２４】
エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。
【００２５】
一方のエンドプレート４０(図２(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口４１ａ、冷却水供給口４３ａ及びカソード排出口４２ｂは図中右側に設けられている。またカソード供給口４２ａ、冷却水排出口４３ｂ及びアノード排出口４１ｂは図中左側に設けられている。
【００２６】
テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１００は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１００を積層方向に締め付ける。
【００２７】
アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。図１では、高圧ガスタンクが使用される。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００２８】
図２(Ｂ)に示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。
【００２９】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。
【００３０】
電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。
【００３１】
ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。
【００３２】
アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。
【００３３】
カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。
【００３４】
アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応流路が形成され、その反対面に反応流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図２(Ｂ)に示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。
【００３５】
ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)４１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)４１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)４２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)４２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)４３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)４３ｂが形成される。
【００３６】
図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００３７】
上述のように、燃料電池スタック１００は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１００は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図３(Ａ)に示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。
【００３８】
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。
【００３９】
【数１】
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【００４０】
図３(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-1)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。
【００４１】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。電解質膜中の水分が少なく電解質膜の湿潤度が小さすぎれば上記反応が促進されない。反対に、電解質膜中の水分が多すぎれば、余剰の水分が反応流路に溢れてしまって、ガスの流れが阻害される。このような場合も上記反応が促進されない。したがって電解質膜が適度な湿潤状態であることで、効率よく発電される。
【００４２】
図４は、燃料電池スタックに供給する反応ガスの圧力を模式的に示す図である。
【００４３】
この燃料電池スタック１００は、要求負荷の変動に応じて反応ガス(アノードガス、カソードガス)の圧力が設定される。そして、圧力調整弁３００が開閉されて、高圧のアノードガスの供給／停止が繰り返されることで、アノードガスが脈動供給される。
【００４４】
図４に示されるように、要求負荷が小さいときには、反応ガス(アノードガス、カソードガス)の圧力が低く設定されてアノードガスが脈動供給される。要求負荷が大きくなれば、反応ガス(アノードガス、カソードガス)の圧力が高く設定されてアノードガスが脈動供給される。
【００４５】
アノードガスの圧力を上げるときには、圧力調整弁３００の開度や開弁時間を大きくすればよい。このようにすれば、水素タンク２００から高圧の水素が供給され、アノードガスの圧力を迅速に上げることができる。したがって、上げ過渡運転の時間は短い。
【００４６】
しかしながら、アノードガスの圧力を下げるときには、圧力調整弁３００を閉じた状態で上式(1-2)の反応によってアノードガスＨ2が消費されるのを待たなければならない。したがって、アノードガスの圧力を下げるときの過渡運転(下げ過渡運転)の時間は、上げ過渡運転の時間に比べて長い。そして下げ過渡運転では、圧力調整弁３００が閉じられているので、アノードガスの圧力は脈動しない。また下げ過渡運転の時間が長いので、燃料電池スタックのＭＥＡの反応流路に窒素が澱む場所(窒素澱み点)が生じる。窒素が澱んでいれば、その場所のアノードガス濃度が他よりも低くなる。このような窒素澱み点は、低負荷運転や高負荷運転でも生じていると考えられるが、圧力調整弁３００が閉じられている時間が短いので、問題にはならない。
【００４７】
この窒素澱み点については、以下で説明される。
【００４８】
図５は窒素澱み点が生じるメカニズムについて説明する図であり、図５(Ａ)はＭＥＡの反応流路の断面を示し、図５(Ｂ)はＭＥＡの反応流路の位置におけるアノードガス濃度の時間変化を示す。
【００４９】
圧力調整弁３００が全閉されても、ＭＥＡのアノード流路のアノードガスは、図５(Ａ)の右向き矢印に示されるように、水素(アノードガス)の消費による圧力差によって、バッファータンク側へ流れる。アノードガスが消費されると、アノード流路の圧力がバッファータンクの圧力よりも低くなる。この結果、バッファータンクからアノード流路へ逆流するガスが発生する。バッファータンクには、水素Ｈ2ととも窒素Ｎ2も蓄えられているので、水素Ｈ2ととも窒素Ｎ2が逆流する。
【００５０】
窒素Ｎ2は、式(1-1)(1-2)に示された触媒反応では、反応しないので、消費されない。そのため速度０点の近傍には、時間の経過とともに窒素Ｎ2が滞留することとなる。この結果、図５(Ｂ)に示されるように、時間の経過とともにアノードガスＨ2の濃度が下がる。
【００５１】
図６は、図４の低負荷運転中のＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図であり、図６(Ａ)は脈動圧が上限圧に達した状態を示し、図６(Ｂ)は脈動圧が下限圧に達した状態を示す。
【００５２】
脈動圧が上限圧に達したときには、アノード流路は、上流から下流まで水素で充たされる。バッファータンクには、窒素も存在する。そのため、バッファータンクの水素濃度は、アノード流路の水素濃度よりも低い。
【００５３】
脈動圧が下がって下限圧に達したときは、上述のように窒素澱み点が存在するので、アノード下流付近では、水素濃度が下がる。
【００５４】
図７は、図４の高負荷運転中のＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図であり、図７(Ａ)は脈動圧が上限圧に達した状態を示し、図７(Ｂ)は脈動圧が下限圧に達した状態を示す。
【００５５】
高負荷運転においても、低負荷運転と同様に、脈動圧が上限圧に達したときには、アノード流路は、上流から下流まで水素で充たされる。
【００５６】
脈動圧が下がって下限圧に達したときは、上述のように窒素澱み点が存在するので、アノード下流付近では、水素濃度が下がる。
【００５７】
なお高負荷運転のときのほうが、低負荷運転のときに比べて、窒素澱み点がアノード流路の奥の位置に存在する。
【００５８】
図８は、本実施形態が解決しようとする課題について説明する図である。図８(Ａ)は、下げ過渡運転を終了した状態でのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。図８(Ｂ)は、図８(Ａ)の状態の後に、中負荷運転になってアノードガスの圧力が上がって脈動圧が上限圧に達した状態でのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。図８(Ｃ)は、図８(Ｂ)の状態の後に、下げ過渡運転したときのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。
【００５９】
図４に示されるように、下げ過渡運転の時間は長い。そのため、図８(Ａ)に示されるように、窒素澱み点は、図７(Ｂ)に示される高負荷運転中の脈動圧が下限圧に達した状態における位置よりも、さらに奥の位置に存在する。
【００６０】
このような状態の後に、中負荷運転になってアノードガスの圧力が上がって脈動圧が上限圧に達しても、図８(Ｂ)に示されるように、窒素澱み点がバッファータンクまで排出されることなく、アノード流路内に残存してしまう。
【００６１】
このような状態で、下げ過渡運転すると、窒素澱み点がアノード流路の奥に押し込まれるとともに、その窒素澱み点にさらに窒素が澱むこととなって水素が欠乏する事態が生じる。このようになっては、ＭＥＡ(電解質膜)の劣化が促進されてしまう。
【００６２】
このような課題を解決するために、発明者らは、以下のように制御することに想到した。
【００６３】
図９は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。
【００６４】
ステップＳ１１においてコントローラーは、要求負荷に応じて目標圧力を設定する。なお要求負荷は、たとえばドライバーによるアクセルペダル踏み込み量などから得られる。また要求負荷が大きいほど、目標圧力も大きい傾向になる。具体的には、あらかじめ実験等を通じて相関をマップに設定しておき、そのマップに要求負荷を適用して目標圧力を設定すればよい。
【００６５】
ステップＳ１２においてコントローラーは、現在、圧力下げを禁止して運転中であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１３へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１５へ処理を移行する。
【００６６】
ステップＳ１３においてコントローラーは、要求負荷(目標圧力)が上がったか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１４へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１５へ処理を移行する。
【００６７】
ステップＳ１４においてコントローラーは、何ら禁止することなく要求負荷に応じた目標圧力で運転する。
【００６８】
ステップＳ１５においてコントローラーは、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存するか否かを判定する。なお具体的な判断手法については、後述する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１３へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１６へ処理を移行する。
【００６９】
ステップＳ１６においてコントローラーは、圧力下げを禁止して運転する。
【００７０】
図１０は、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存するか否かを判定するルーチンを示すフローチャートである。
【００７１】
ステップＳ１５１においてコントローラーは、窒素澱み点の排出に必要な時間が演算されているか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１５２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１５６へ処理を移行する。
【００７２】
ステップＳ１５２においてコントローラーは、窒素澱み点の出口からの距離を演算する。窒素澱み点の出口からの距離は、圧力低下(ΔＰ)が大きいほど、大きい傾向にある。また、同じ圧力低下(ΔＰ)でも初期圧力が小さいほど、大きい傾向にある(図１１)。そこで、このような関係をあらかじめ実験等を通じてマップに設定しておき、そのマップに基づいて、窒素澱み点の出口からの距離を演算すればよい。
【００７３】
ステップＳ１５３においてコントローラーは、パージ弁を開いてパージしたときに窒素澱み点が移動する速度を演算する。窒素澱み点の移動速度は、パージ弁の開度が大きいほど、速い傾向にある。また、パージ弁の開度時間が長いほど、速い傾向にある。また、運転圧力が高いほど、速い傾向にある。そこで、このような関係をあらかじめ実験等を通じてマップに設定しておき、そのマップに基づいて、窒素澱み点の移動速度を演算すればよい。
【００７４】
ステップＳ１５４においてコントローラーは、圧力を脈動させることによって窒素澱み点が移動する速度を演算する。窒素澱み点の移動速度は、脈動振幅が大きいほど、速い傾向にある。また、脈動周期が短いほど、速い傾向にある。そこで、このような関係をあらかじめ実験等を通じてマップに設定しておき、そのマップに基づいて、窒素澱み点の移動速度を演算すればよい。
【００７５】
ステップＳ１５５においてコントローラーは、窒素澱み点の排出に必要な時間を演算する。具体的には、ステップＳ１５２で求めた窒素澱み点の出口からの距離、ステップＳ１５３及びステップＳ１５４で求めた窒素澱み点の移動速度を勘案して、窒素澱み点の排出に必要な時間を演算する。
【００７６】
ステップＳ１５６においてコントローラーは、窒素澱み点の排出に必要な時間が経過したか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１５７へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１５８へ処理を移行する。
【００７７】
ステップＳ１５７においてコントローラーは、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存していると判定する。
【００７８】
ステップＳ１５８においてコントローラーは、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路から排出されたと判定する。
【００７９】
以上のフローチャートが実行されると、窒素澱み点の排出に必要な時間が演算されていなければ、ステップＳ１５１→Ｓ１５２→Ｓ１５３→Ｓ１５４→Ｓ１５５が処理されて、窒素澱み点の排出に必要な時間が演算される。
【００８０】
窒素澱み点の排出に必要な時間が演算された後は、その時間が経過するまでは、ステップＳ１５１→Ｓ１５６→Ｓ１５７が処理されて、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存していることが判定される。そして、その時間が経過したら、ステップＳ１５１→Ｓ１５６→Ｓ１５８が処理されて、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路から排出されたことが判定される。
【００８１】
図１２は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【００８２】
なお上述のフローチャートとの対応が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号にＳを付して併記する。
【００８３】
以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。
【００８４】
図１２では、時刻ｔ１１以前は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【００８５】
時刻ｔ１１で要求負荷が上がる。このとき、窒素澱み点は、ＭＥＡのアノード流路に残存しない。そこで、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１５→Ｓ１４が処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。そして、その後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【００８６】
時刻ｔ１２で要求負荷が下がる。このときは、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。また、その後も、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【００８７】
時刻ｔ１３で要求負荷が再び上がる。直前まで下げ過渡運転していたので、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存している。そこで、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１５→Ｓ１６が処理されて、圧力下げを禁止して運転する。その後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１５→Ｓ１６が繰り返し処理されて、圧力下げを禁止して運転する。
【００８８】
時刻ｔ１４で要求負荷が再び下がる。しかしながらこの時点では、まだ、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存している。そこで、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１５→Ｓ１６が処理されて、圧力下げを禁止した運転が継続される。その結果、要求負荷は下がったが、圧力は下げられることなく現在の圧力が維持されて運転される。
【００８９】
時刻ｔ１５で、窒素澱み点の排出に必要な時間が経過する。すなわち、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路から排出されたことが判定される。そこで、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１５→Ｓ１４が処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。その結果、圧力が下げられて運転される。その後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、圧力下げが禁止されることなく、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【００９０】
本実施形態によれば、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存しているときには、要求負荷が下がっても、圧力を下げることなく現在の圧力を維持して運転する。このようにしたので、現在残存している窒素澱み点にさらに窒素が澱むことで、水素が欠乏して、ＭＥＡ(電解質膜)の劣化が促進されてしまう事態を防止できるようになった。
【００９１】
そして、その後、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路から排出された場合には、圧力を下げて運転するので、要求負荷に応じた圧力を供給することできる。仮に圧力を下げることなく、運転を継続すれば、燃費が悪化してしまう。しかしながら、本実施形態によれば、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路から排出された場合には、圧力を下げて運転するので、このような事態を防止できる。
【００９２】
また本実施形態では、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存しているか否かを、窒素澱み点の排出に必要な時間を演算し、その時間が経過したか否かによって求めるようにした。このようにしたので、簡易に判定することができる。
【００９３】
（第２実施形態）
窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に実際に残存しても、要求負荷の低下が少なく圧力を下げても水素欠乏に陥らなければ、圧力下げを禁止する必要がない。そこでこの第２実施形態では、圧力を下げたときに、水素欠乏に陥るか否かを推定する。そして、水素欠乏に陥ると推定できるときにのみ圧力下げを禁止し、水素欠乏に陥らないと推定できるときには、圧力下げを禁止しないようにした。
【００９４】
具体的な内容を以下に説明する。
【００９５】
図１３は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【００９６】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００９７】
ステップＳ１１〜Ｓ１６は、第１実施形態と同様なので、説明を省略する。
【００９８】
ステップＳ２１においてコントローラーは、要求負荷(目標圧力)が下がったか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１６へ処理を移行する。
【００９９】
ステップＳ２２においてコントローラーは、現在の水素濃度Ｃ１を推定する。具体的には、水素濃度Ｃ１は、圧力調整弁の閉弁時間が長いほど、つまり圧力低下(ΔＰ)が大きいほど、小さい傾向にある。そこで、このような関係をあらかじめ実験等を通じてマップに設定しておき(図１４)、そのマップに基づいて、現在の水素濃度Ｃ１を推定すればよい。
【０１００】
ステップＳ２３においてコントローラーは、現在の水素濃度Ｃ１に基づいて、要求負荷に応じて圧力を下げた後の水素濃度Ｃ２を推定する。具体的には、水素濃度Ｃ２は、水素濃度Ｃ１が小さいほど、小さい傾向にある。また圧力調整弁の閉弁時間が長いほど、小さい傾向にある。そこで、このような関係をあらかじめ実験等を通じてマップに設定しておき(図１５)、そのマップに基づいて、水素濃度Ｃ２を推定すればよい。また、ステップＳ２２で用いたマップの初期値を水素濃度Ｃ１とすることで、水素濃度Ｃ２を推定してもよい。
【０１０１】
ステップＳ２４においてコントローラーは、水素濃度Ｃ２が基準濃度Ｃ０よりも小さいか否かを判定する。なおこの基準濃度Ｃ０は、水素濃度Ｃ２に誤差があったとしても、ＭＥＡのアノード流路において水素欠乏にならないことを判定するための基準値である。このような基準値は、あらかじめ実験等を通じて設定しておけばよい。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１４へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１６へ処理を移行する。
【０１０２】
以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。
【０１０３】
図１６は、第２実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。また図１７は、第２実施形態の制御フローチャートが実行されたときのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す図である。図１７(Ａ)は、下げ過渡運転を終了した状態でのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す。図１７(Ｂ)は、図１７(Ａ)の状態の後に、負荷が上がってアノードガスの圧力が上がって脈動圧が上限圧に達した状態でのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す。図１７(Ｃ)は、図１７(Ｂ)の状態の後に、負荷が下がってアノードガスの圧力が下がった状態でのＭＥＡのアノード流路における水素濃度を模式的に示す。
【０１０４】
図１６では、時刻ｔ２１以前は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【０１０５】
時刻ｔ２１で要求負荷が上がる。このとき、窒素澱み点は、ＭＥＡのアノード流路に残存しない。そこで、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１５→Ｓ１４が処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。そして、その後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【０１０６】
時刻ｔ２２で要求負荷が下がる。このときは、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。また、その後も、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【０１０７】
時刻ｔ２３で要求負荷が再び上がる。なお要求負荷が上がる直前のＭＥＡのアノード流路における水素濃度が図１７(Ａ)に模式的に示される。このように、窒素澱み点は、ＭＥＡのアノード流路に残存している。そして、要求負荷が上がった直後のＭＥＡのアノード流路における水素濃度が図１７(Ｂ)に模式的に示される。このときは、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１５→Ｓ２１→Ｓ２２が処理されて、現在の水素濃度Ｃ１が推定される。そしてステップＳ２３が処理されて水素濃度Ｃ２が推定される。そしてステップＳ２４が処理される。ここでは、水素濃度Ｃ２が基準濃度Ｃ０よりも大きく、ステップＳ２４→Ｓ１４が処理される。その後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【０１０８】
時刻ｔ２４で要求負荷が下がる。このときは、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。また、その後も、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が繰り返し処理されて、要求負荷に応じた目標圧力で運転される。
【０１０９】
この下げ過渡運転が終了した直後のＭＥＡのアノード流路における水素濃度が図１７(Ｃ)に模式的に示される。窒素澱み点において水素濃度Ｃ２が確保されており、水素欠乏に陥らない。このように本実施形態によれば、要求負荷に応じた目標圧力で運転できる。すなわち無用に運転圧力を高く維持することがない。したがって、燃費を悪化させることなく安定して発電できる。
【０１１０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１１１】
たとえば、上記実施形態においては、窒素澱み点がＭＥＡのアノード流路に残存しているか否かを、窒素澱み点の排出に必要な時間を演算し、その時間が経過したか否かによって求めるようにしたが、これには限られない。窒素センサーによって窒素が残存しているか否かを判定してもよい。
【０１１２】
また各演算に使用するマップは、一例に過ぎない。マップに用いる項目は、適切なものを適宜用いればよい。
【０１１３】
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  燃料電池スタック
２００  水素タンク
３００  圧力調整弁
４００  バッファータンク
５００  パージ弁
６００  コントローラー６００
ステップＳ１１  圧力設定部
ステップＳ１４，Ｓ１６  運転制御部
ステップＳ１５  澱み点判定部
ステップＳ２２，Ｓ２３  濃度推定部
【図１】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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