(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時における急激な水素濃度変化を抑える。【解決手段】燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段から供給された水素が流れる前記燃料電池の燃料極を含む水素流路と、少なくとも前記燃料電池が起動されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定する推定手段と、前記燃料電池が起動された場合に、前記推定手段による推定水素濃度が前記燃料電池の起動時における水素濃度変化の許容量を超えないように前記水素供給手段による水素供給量を制御する制御手段とを含む燃料電池システムである。【選択図】図２
2009059556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段から供給された水素が流れる、前記燃料電池の燃料極を含む水素流路と、
少なくとも前記燃料電池が起動されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定する推定手段と、
前記燃料電池が起動された場合に、前記推定手段による推定水素濃度が前記燃料電池の起動時における水素濃度変化の許容量を超えないように前記水素供給手段による水素供給量を制御する制御手段と
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記水素供給量を徐々に増加させる
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段から供給された水素が流れる、前記燃料電池の燃料極を含む水素流路と、
前記燃料電池の停止時に、前記水素流路に対して水素パージ用のガスを供給するガス供給手段と、
少なくとも前記ガスの供給が開始されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定する推定手段と、
前記燃料電池が停止された場合に、前記推定手段による推定水素濃度が前記燃料電池の停止時における水素濃度変化の許容量を超えないように前記ガス供給手段によるガス供給量を制御する制御手段と
を含む燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ガス供給量を徐々に減少させる
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段から供給された水素が流れる、前記燃料電池の燃料極を含む水素流路とを有する燃料電池システムに関して、前記燃料電池の起動時における水素供給量の制御処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
少なくとも前記燃料電池が起動されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定するステップと、
記憶装置に予め格納されている前記燃料電池の起動時における水素濃度変化の許容量データに基づき、推定水素濃度が許容量を超えないように前記水素供給手段による水素供給量を制御するステップと
をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項６】
燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段から供給された水素が流れる前記燃料電池の燃料極を含む水素流路と、前記燃料電池の停止時に、前記水素流路に対して水素パージ用のガスを供給するガス供給手段とを含む燃料電池システムに関して、前記燃料電池の停止時における前記ガスの供給量の制御処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
少なくとも前記ガスの供給が開始されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定するステップと、
前記燃料電池が停止された場合に、記憶装置に予め格納されている前記燃料電池の停止時における水素濃度変化の許容量データに基づき、推定水素濃度が許容量を超えないよう
に前記ガス供給手段によるガス供給量を制御するステップと
をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池の停止時に燃料電池内部の掃気を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
停止状態の燃料電池内の残留水素が電極の触媒や電解質膜を劣化させるおそれがあるため、燃料電池の停止時には、燃料極(アノード)を含む水素流路に空気を供給するともに水素流路からの水素の排出(パージ)を行い、水素濃度の低減を図っている。また、燃料電池の起動時には、短時間で燃料電池が安定的な運転を行うように、燃料極に対して水素を大流量で供給することが考えられる。
【０００３】
しかしながら、燃料電池の停止時に水素濃度を急激に低下させたり、燃料電池の起動時に水素濃度を急激に上昇させたりすると、燃料電池内の水素濃度分布が一様でなくなり、これを起因として燃料電池の電極(燃料極)上で異常電位が発生し、触媒や電解質膜の劣化を引き起こし、燃料電池の性能低下を招来するおそれがあった。
【０００４】
従来、燃料電池システムの起動時に水素供給と同時に水素循環ポンプを駆動し水素循環流路内部の残留空気で水素を希釈化する一方で、燃料電池の電力を吸収して燃料電池の出力電圧を所定範囲に制御して、アノードに供給される水素濃度が徐々に上昇するように制御を行う燃料電池システムがある(例えば、特許文献１参照)。
【特許文献１】特開２００５−１６６４２４号公報
【特許文献２】特開２００６−２４３９０号公報
【特許文献３】特開２００５−３０２６４８号公報
【特許文献４】特開２００６−８６１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池の起動時や停止時における水素濃度の急激な変化を抑えて燃料電池の劣化を抑え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、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。すなわち、本発明の第１の態様は、燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段から供給された水素が流れる、前記燃料電池の燃料極を含む水素流路と、
少なくとも前記燃料電池が起動されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定する推定手段と、
前記燃料電池が起動された場合に、前記推定手段による推定水素濃度が前記燃料電池の起動時における水素濃度変化の許容量を超えないように前記水素供給手段による水素供給量を制御する制御手段と
を含む燃料電池システムである。
【０００７】
第１の態様において、制御手段は水素供給量を徐々に増加させるように構成することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様は、燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段から供給された水素が流れる前記燃料電池の燃料極を含む水素流路と
、
前記燃料電池の停止時に、前記水素流路に対して水素パージ用のガスを供給するガス供給手段と、
少なくとも前記ガスの供給が開始されてから一定期間、前記水素流路中の水素濃度を継続的に推定する推定手段と、
前記燃料電池が停止された場合に、前記推定手段による推定水素濃度が前記燃料電池の停止時における水素濃度変化の許容量を超えないように前記ガス供給手段によるガス供給量を制御する制御手段と
を含む燃料電池システムである。
【０００９】
前記第２の態様において、前記制御手段は、前記ガス供給量を徐々に減少させるように構成することができる。
【００１０】
また、本発明は、第１及び第２の態様と同様の特徴を有する水素濃度制御方法の発明、或いは、第１の態様における燃料電池システムの起動時における水素供給量の制御処理をコンピュータに実行させるプログラムの発明、或いは、第２の態様における燃料電池システムの停止時における水素パージ用のガス供給量の制御処理をコンピュータに実行させるプログラムの発明、或いはこれらのプログラムを記録した記録媒体の発明として特定することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の起動時や停止時において水素濃度の急激な変化を抑えて燃料電池の劣化を抑えることができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１３】
〈燃料電池システムの構成〉
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構成例を示す図である。図１において、燃料電池１は、例えば高分子電解質膜型燃料電池(ＰＥＦＣ)であり、複数のセルが積層されてなるセルスタック構造を有する(但し、図１では単セルを模式的に図示)。セルは、電解質膜２の両側に燃料極(アノード)３及び空気極(カソード)４を配置してなる電解質膜・電極接合体(ＭＥＡ)の両側を燃料極側セパレータ５と酸化剤極側セパレータ６とで挟んでなる。
【００１４】
燃料極３は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスのような水素を含む燃料ガスが燃料供給系により燃料極３に供給される。燃料極３に供給された燃料ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化反応により水素がプロトン(水素
イオン)と電子とに分離される。水素イオンは電解質膜２を通って空気極４に移動し、電
子は図示しない外部回路を通って空気極４に移動する。
【００１５】
一方、空気極４は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極４に供給される。空気極４に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、電解質膜２を通って空気極４に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極４に到達した電子とによる還元反応により水が生成される。このような燃料極３における酸化反応と酸化剤極４における還元反応(電気化学反応)の際に外部回路を通る電子が燃料電池１を構成するセルスタックの両端子間に接続される負荷に対する電力として使用される。
【００１６】
また、燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料供給系は、次のように構成されている。すなわち、燃料ガスとしての高圧水素ガスを貯留した燃料タンク８と燃料電池１の燃料入口との間には、配管９、水素供給弁１０(水素供給手段)、配管１１からなる水素の供給流路が設けられている。これによって、燃料タンク８から、水素供給弁１０で流量が調整された燃料ガスが配管１１を通って燃料電池１に供給される。
【００１７】
また、燃料排出系は次のように構成されている。すなわち、燃料入口を通過した燃料ガスは、燃料極３を通過した後、燃料電池１に設けられた燃料出口から燃料オフガス(アノ
ードオフガス)として配管１３へ排出される。配管１３は水素排気弁(水素パージ弁)１４
に接続されている。配管１３の中間部からは分岐管１５が分岐しており、分岐管１５は水素循環ポンプ１６の入口に接続されている。水素循環ポンプ１６の出口は、配管１７を介して配管１１に設けられた合流部１２に接続されている。
【００１８】
これによって、水素循環ポンプ１６が駆動されると、燃料電池１から配管１３に排出される燃料オフガスは、配管１５、水素循環ポンプ１６、配管１７を通って配管１１に合流し、再び燃料電池１に導入される。すなわち、燃料ガス(燃料オフガス)は、燃料電池１と水素循環ポンプ１６との間に設けられた循環路(燃料電池１→配管１３→分岐管１５→水
素循環ポンプ１６→配管１７→配管１１→燃料電池１)を循環するように構成されている
。以下、水素供給弁１０と水素排気弁１４との間に存する燃料電池１の燃料極３を含む水素流路を「アノード系」と称する。
【００１９】
燃料電池１の運転時には、燃料極３と空気極４との圧力差等により、空気極４での反応により生成された水(水蒸気)や、酸化剤ガス(空気)中の窒素のような不純物ガスが電解質膜２を通って燃料極３に到達する。このような水や不純物ガスはアノード系の水素濃度を低下させ、燃料電池１の効率的な運転を阻害する。このため、水素排気弁１４が必要に応じて開かれ、燃料オフガスが水素排気弁１４から排出(パージ)される。
【００２０】
水素排気弁１４から排出される燃料オフガスは、配管１８を流れ、酸化剤排出系を構成する配管２４を流れる酸化剤オフガスと合流する。配管２４を流れるオフガスは、図示しない希釈器を通過して希釈化され、最終的に大気中に排出される。
【００２１】
また、燃料電池１に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系は、配管２１と、配管２１に接続されたエアコンプレッサ(エアポンプ)２２と、エアポンプ２２と燃料電池１に設けられた酸化剤入口とを接続する配管２３とを有している。エアポンプ２２の駆動によって、配管２３に吐出された空気(酸化剤ガス)は、燃料電池１の酸化剤入口から空気極４に供給される。酸化剤排出系として、配管２４が燃料電池１の酸化剤出口に接続されており、空気極４を通過した空気は、酸化剤オフガスとして配管２４に排出される。
【００２２】
配管２３は、空気パージ弁(空気供給弁：ガス供給手段)２５を介して配管１１の合流部１２に接続されている。空気パージ弁２５は、燃料電池１の停止時に開状態にされる。空気パージ弁２５が開かれると、エアポンプ２２からの空気の一部が水素パージ用のガス(
パージガス)として配管１１に導入される。配管１１に導入された空気は、燃料極３を通
って燃料極３内の水素を押し出すようにして燃料電池１外に排出する。また、燃料電池１から配管１３に排出された空気は、水素循環ポンプ１６の駆動によって燃料ガスの循環路を循環するように制御される。また、水素排気弁１４が開かれ、燃料オフガスの一部が水素排気弁１４から排出される。このようにして、アノード内の水素濃度が低下される。これにより、停止状態の燃料電池１内における残留水素の濃度分布によって異常電位が発生し、触媒や電解質膜の劣化を引き起こすことが抑止される。
【００２３】
また、燃料電池１の起動時には、燃料電池１が正常な運転(発電)を行うべく、水素供給
弁１０から燃料ガス(水素)が燃料極３へ導入される。このように、燃料電池１の起動時及び停止時には、燃料電池１(特に燃料極３)内のガスの入れ替え(置換)が行われる。燃料電池１が車両に搭載されるものである場合、燃料電池１の起動／停止は頻繁に起こり、その都度ガスの入れ替えが行われる。
【００２４】
しかしながら、燃料電池１の起動時や停止時において、燃料極３への水素供給や空気供給が急激に行われ、燃料極３の水素濃度が急激に変化すると、これを要因の一つとして燃料極３上に電位分布(異常電位)が発生し、触媒や電解質膜２の劣化を引き起こすおそれがあった。
【００２５】
このため、実施形態における燃料電池システムでは、燃料極３での水素濃度が急激に変化しないように、燃料電池１の起動時における水素供給流量、及び燃料電池１の停止時における空気供給流量を制御(調整)する。
【００２６】
燃料電池システムは、水素供給弁１０、水素排気弁１４、水素循環ポンプ１６、エアポンプ２２、空気パージ弁２５等の動作を制御するＥＣＵ((Electronic Control Unit：コ
ンピュータ)３０を備えている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)のようなプロセッサ，プロセッサにより実行されるプログラムやプログラムの実行に際して使用されるデータを記憶したメモリ(記憶装置３１)、入出力インタフェース(Ｉ／Ｏ)等から構成されている。
【００２７】
ＥＣＵ３０は、プロセッサによるプログラムの実行によって、水素供給弁１０やエアポンプ２２等の制御対象の動作を制御し、燃料電池１の発電制御を行う。また、ＥＣＵ３０は、プログラムの実行によって、燃料電池１の起動時には、少なくとも起動開始から一定期間、アノード系の水素濃度推定を継続して行い、水素濃度推定値に応じて水素供給弁１０からの水素供給量(水素流量)を調整し、燃料極３に水素濃度の急激な変化が起こるのを抑止する。さらに、ＥＣＵ３０は、プログラムの実行によって、燃料電池１が停止される場合に、少なくとも空気パージ弁２５からの空気供給が開始されてから一定期間、アノード系の水素濃度推定を継続して行い、空気パージ弁２５からの空気供給量(空気流量)を調整することで、燃料極３に水素濃度の急激な変化が生じるのを抑止する。ＥＣＵ３０は、推定手段及び制御手段として機能する。
【００２８】
〈起動時の動作例〉
燃料電池１の起動時における動作例について説明する。図２は、ＥＣＵ３０による燃料電池１の起動制御例を示すフローチャートである。図３は、燃料電池１の起動時における水素置換例を示すタイミングチャートである。
【００２９】
図２に示す処理は、例えば、ＥＣＵ３０が外部からの燃料電池１の起動命令を受け取ることによって開始される。ＥＣＵ３０は、処理を開始すると、最初に、水素循環ポンプ１６の流量を最大に設定し、制御信号を与えて水素循環ポンプ１６を駆動させる(ＯＰ０１)。また、ＥＣＵ３０は、エアポンプ２２に制御信号を与え、空気極４に対する酸化剤ガスの供給を開始する。
【００３０】
次に、ＥＣＵ３０は、燃料極３(アノード系)の水素濃度を推定する(ＯＰ０２)。水素濃度推定処理は、以下のようにして行われる。すなわち、ＥＣＵ３０は、水素濃度推定値(
推定水素濃度(ｔ))を、以下の式(１)を用いて演算する。
【００３１】
推定水素濃度(ｔ)＝
∫供給水素流量(ｔ)ｄｔ−∫(推定水素濃度(ｔ)×排気流量(ｔ))ｄｔ／ガス流量
・・・(１)
但し、式(１)は、燃料電池１の停止時に、空気による水素パージ(空気パージ)が実施されていることを想定している。ここに、排気流量(ｔ)は、時間あたりの水素排気弁１４(ア
ノード系)から排出される燃料オフガスの流量を示し、供給水素流量(ｔ)は、時間あたり
の水素供給弁１０から供給される(アノード系に供給される)燃料ガス(水素)の流量を示す。さらに、ガス総量は、アノード系全体のガス量を示す。
【００３２】
起動制御開始時におけるガス総量及び推定水素濃度の初期値は、例えば、予め定めた値を記憶装置３１に格納しておき、ＥＣＵ３０が各値を記憶装置３１から読み出して利用する構成を適用することができる。
【００３３】
推定水素濃度の初期値は、例えば、空気による水素パージ処理(空気パージ：後述)を完了させる水素濃度の目標値を基準として定めることができる。例えば、空気パージによりアノード系が空気で満たされる場合には、推定水素濃度の初期値は空気中の水素濃度、或いはこれよりやや高めの濃度を適用することができる。或いは、実験や試験を経て求めた空気パージ処理完了後の燃料極３における水素濃度の推移を考慮して定めた初期値を利用することもできる。或いは、空気パージ中の燃料電池１の起動に応じて、空気パージ中の推定水素濃度(ｔ)を初期値として適用することもできる。最初のＯＰ０２では、ＥＣＵ３０は、推定水素濃度の初期値を得る。
【００３４】
次に、ＥＣＵ３０は、ＯＰ０２で求めた推定水素濃度の値に基づき、水素供給弁１０の流量を設定するとともに(ＯＰ０３)、水素排気弁１４の流量を設定する(ＯＰ０４)。これらの流量は、以下のようにして決定される。
【００３５】
すなわち、セル内の平均圧力を一定と仮定するとともに、排気流量と供給水素量とが等しいと仮定したときの許容水素濃度変化をαと規定し、以下の式(２)が満たされるような供給水素流量となるように、ＥＣＵ３０は、水素供給弁１０及び水素排気弁１４の開度(
開閉動作)を制御する。
【００３６】
供給水素流量(ｔ)≦α／１−α・ｔ×ガス総量  ・・・(２)
ここに、許容水素濃度変化αは、図３に示すように、燃料極３(アノード系)の水素濃度と時間とから決まる水素濃度変化の許容量(水素濃度分布の発生が生じない水素濃度変化)を示す直線グラフ(マップ)として規定することができる。許容水素濃度変化αは、起動開始時を起点とし、時間経過に従って比例的に増加する直線グラフとして規定することができる。許容水素濃度変化αのグラフ(勾配)は、実験や試験を通じて予め求められ、ＥＣＵ３０の記憶装置３１に予め格納される。
【００３７】
ＥＣＵ３０は、ＯＰ０２で求めた推定水素濃度(ｔ)に応じて、推定水素濃度(ｔ)の変化が許容水素濃度変化αを超えないように(図３においては、許容水素濃度変化αの直線よ
りも右側の領域で水素濃度が変化するように)、水素供給弁１０及び水素排気弁１４の開
度(即ち、供給水素流量及び排気流量)を決定する。
【００３８】
次に、ＥＣＵ３０は、推定水素濃度(ｔ)が起動条件に到達したか否かを判定する(ＯＰ
０５)。ＥＣＵ３０の記憶装置３１には、起動処理の完了判定閾値となる水素濃度値が予
め格納されており、ＥＣＵ３０は、ＯＰ０２で求めた推定水素濃度が完了判定閾値以上になったか否かを判定する。このとき、推定水素濃度が完了判定閾値未満である場合(ＯＰ
０５：ＮＯ)には、処理がＯＰ０２に戻される。
【００３９】
これに対し、推定水素濃度が完了判定閾値以上の場合(ＯＰ０５：ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３０は、セル電圧が起動基準電圧を上回ったか否かを判定する(ＯＰ０６)。ここに、ＥＣＵ３０は、燃料電池１の出力端子間に接続された電圧センサ(図示せず)の出力を受け取る
ように構成されており、この電圧センサ出力から求まるセル電圧と記憶装置３１に予め格納されている起動基準電圧値とを比較する。
【００４０】
セル電圧が起動基準電圧以下の場合(ＯＰ０６：ＮＯ)には、処理がＯＰ０２に戻される。これに対し、セル電圧が起動基準電圧を上回る場合(ＯＰ０６：ＮＯ)には、ＥＣＵ３０は、水素循環ポンプ１６の流量を燃料電池１の通常運転時の状態に調整する(ＯＰ０７)。このようにして、起動処理が完了し、その後は、ＥＣＵ３０は、通常の燃料電池１の運転制御を行う。
【００４１】
なお、２巡目以降のＯＰ０２では、前回のＯＰ０２で求めた推定水素濃度と、ＯＰ０３で決定された水素供給弁１０の流量(供給水素流量)と、ＯＰ０４で決定された水素排気弁１４の流量(排気流量)とに基づいて推定水素濃度(ｔ)が式(１)に基づき演算される(求め
られる)。
【００４２】
上述したような燃料電池１の起動処理では、図３のタイミングチャート例に示すように、水素濃度が許容水素濃度変化αを超えない範囲で、例えば水素供給弁１０の流量(水素
供給量)が徐々に増加するように、ＥＣＵ３０が水素供給量(水素濃度変化)を制御する。
これによって、燃料極３(アノード系)における水素濃度の急激な変化が抑えられ、燃料極３で異常電位が生じて燃料電池１(触媒や電解質膜２など)が劣化することを抑止することができる。
【００４３】
ＥＣＵ３０による水素濃度推定処理は、少なくとも燃料電池１が起動されてから一定期間継続して行われる。図３に示す例では、水素濃度推定処理は、燃料電池１の起動開始時から起動完了時の間、継続的に行われる。但し、起動開始前、起動完了後の水素濃度推定処理の実行は妨げられない。
【００４４】
〈停止時の動作例〉
燃料電池１の停止時におけるアノード系の水素パージの動作例について説明する。図４は、ＥＣＵ３０による燃料電池１の停止時における水素パージ制御例を示すフローチャートである。図５は、燃料電池１の停止時におけるアノード系の空気置換例を示すタイミングチャートである。
【００４５】
図５に示す処理は、例えば、ＥＣＵ３０が外部からの燃料電池１の停止命令(パージ開
始命令)を受け取ることによって開始される。ＥＣＵ３０は、処理を開始すると、最初に
、水素循環ポンプ１６の流量を最大に設定する(ＯＰ１１)。また、ＥＣＵ３０は、水素供給弁１０を閉弁し、エアポンプ２２の吐出量を所定値に設定する。
【００４６】
次に、ＥＣＵ３０は、燃料極３(アノード系)の水素濃度を推定する(ＯＰ１２)。水素濃度推定処理は、以下のようにして行われる。すなわち、ＥＣＵ３０は、推定水素濃度(ｔ)を、以下の式(３)を用いて演算する。
【００４７】
推定水素濃度(ｔ)＝
初期濃度−｛∫(推定水素濃度(ｔ)×排気流量(ｔ))ｄｔ／ガス流量｝・・・(３)
但し、式(３)は、燃料電池１の運転時の水素濃度を、燃料電池１の停止時(パージ開始時)における水素濃度(初期濃度)とする。
【００４８】
運転時における水素濃度の推定方法は、既存の様々な手法を適用することができる。例えば、水素供給流量、水素排気量、燃料電池１の温度、燃料極３と空気極４との圧力差、電解質膜２の含水率、燃料電池１の出力電流を用いて運転時の推定水素濃度を算出することができる。
【００４９】
或いは、特開２００５−３０２６４８号公報に開示される構成を適用することもできる。すなわち、水素循環ポンプ１６として例えばスクロール型圧縮機を適用し、水素循環ポンプ１６を駆動させるモータ電流値を電流センサ(図示せず)で検出する。ＥＣＵ３０の記憶装置３１には、モータ電流値と水素濃度との関係を示すマップ(グラフ)を予め格納し、ＥＣＵ３０は、燃料電池１の運転時に、電流センサ出力からモータ電流値を求め、モータ電流値に対応する水素濃度をマップから求めて推定水素濃度(初期濃度)として決定する。
【００５０】
或いは、特開２００６−８６１１７号公報に開示される構成を適用することもできる。すなわち、水素循環ポンプ１６の入口側(配管１５)と出口側(配管１７)とに第１及び第２の圧力センサ(図示せず)を設け、ＥＣＵ３０が第１及び第２の圧力センサ出力を受け取って水素循環ポンプ１６の駆動による燃料オフガスの圧力差を求める一方、水素循環ポンプ１６の回転数を求める。ＥＣＵ３０の記憶装置３１には、昇圧量(圧力差及び回転数)と水素濃度との関係を示すマップ(グラフ)が予め格納され、ＥＣＵ３０は、圧力差及び回転数に応じた水素濃度をマップから求め、推定水素濃度(初期濃度)として決定する。
【００５１】
例えば、運転時の水素濃度は、燃料電池１の運転中に随時求められ、ＥＣＵ３０が停止命令を受け取ったときの水素濃度を初期濃度として適用することができる。また、式(３)において、排気流量(ｔ)は、時間あたりの水素排気弁１４(アノード系)から排出される燃料オフガスの流量を示し、ガス総量は、アノード系全体のガス量を示す。
【００５２】
最初のＯＰ１２では、ＥＣＵ３０は、運転時の水素濃度を推定水素濃度として得る。
【００５３】
次に、ＥＣＵ３０は、ＯＰ１２で求めた推定水素濃度の値に基づき、空気パージ弁２５の流量を設定するとともに(ＯＰ１３)、水素排気弁１４の流量を設定する(ＯＰ１４)。これらの流量は、以下のようにして決定される。
【００５４】
すなわち、セル内の平均圧力を一定と仮定するとともに、排気流量と空気パージ弁２５からの流量(空気パージ流量)とが等しいと仮定したときの許容水素濃度変化をβと規定し、以下の式(４)が満たされるような空気パージ流量となるように、ＥＣＵ３０は、水素供給弁１０及び水素排気弁１４の開度(開閉動作)を制御する。
【００５５】
空気パージ流量(ｔ)≦β／初期濃度−β・ｔ×ガス総量  ・・・(４)
ここに、許容水素濃度変化βは、図５に示すように、燃料極３(アノード系)の水素濃度と時間とから決まる水素濃度変化の許容量(水素濃度分布の発生が生じない水素濃度変化)を示す直線グラフ(マップ)として規定することができる。許容水素濃度変化βは、例えばパージ開始時を起点とし、時間経過に従って比例的に減少する直線グラフとして規定することができる。許容水素濃度変化βのグラフ(勾配)は、実験や試験を通じて予め求められ、ＥＣＵ３０の記憶装置３１に予め格納される。
【００５６】
ＥＣＵ３０は、ＯＰ１２で求めた推定水素濃度(ｔ)に応じて、推定水素濃度(ｔ)の変化が許容水素濃度変化βを下回らないように(図５においては、許容水素濃度変化βの直線
よりも右側の領域で水素濃度が変化するように)、空気パージ弁２５及び水素排気弁１４
の開度(即ち、空気パージ流量及び排気流量)を決定する。
【００５７】
次に、ＥＣＵ３０は、推定水素濃度(ｔ)がパージ終了条件に到達したか否かを判定する(ＯＰ１５)。ＥＣＵ３０の記憶装置３１には、パージ処理の完了判定閾値となる水素濃度値が予め格納されており、ＥＣＵ３０は、ＯＰ１２で求めた推定水素濃度が完了判定閾値未満になったか否かを判定する。このとき、推定水素濃度が完了判定閾値以上である場合(ＯＰ１５：ＮＯ)には、処理がＯＰ１２に戻される。
【００５８】
これに対し、推定水素濃度が完了判定閾値未満の場合(ＯＰ０５：ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３０は、水素循環ポンプ１６を停止し、エアポンプ２２を停止する(ＯＰ１６)。このようにして、パージ処理が完了する。
【００５９】
なお、２巡目以降のＯＰ１２では、前回のＯＰ１２で求めた推定水素濃度と、Ｓ１４で決定された水素排気弁１４の流量(排気流量)とに基づいて推定水素濃度(ｔ)が式(３)に基づき演算される(求められる)。
【００６０】
上述したような燃料電池１の空気パージ処理では、図５のタイミングチャート例に示すように、水素濃度が許容水素濃度変化βを超えない範囲で、例えば空気パージ弁２５の流量(空気パージ流量)が徐々に増加するように、ＥＣＵ３０が空気(パージガス)供給量(水
素濃度変化)を制御する。これによって、燃料極３(アノード系)における水素濃度の急激
な変化が抑えられ、燃料極３で異常電位が生じて燃料電池１(触媒や電解質膜２)が劣化することを抑止することができる。
【００６１】
ＥＣＵ３０による水素濃度推定処理は、燃料電池１が停止される場合に、少なくともパージ開始から一定期間、継続して行われる。図５に示す例では、燃料電池停止時(パージ
開始時)からパージ完了時までの間、継続的に水素濃度推定が行われる。但し、パージ開
始前、パージ完了後の水素濃度推定処理の実行は妨げられない。例えば、燃料電池１の停止からパージ開始までに或る程度の時間が設けられている場合において、水素濃度推定開始時点を燃料電池１の停止時としても良い。
【００６２】
なお、実施形態に係る燃料電池システムは、上述した起動時における水素供給量制御と、停止時における空気供給量制御との一方を行うものであっても良い。双方を行うことは本発明の必須要件ではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、ＥＣＵによる燃料電池の起動制御例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、燃料電池の起動時における水素置換例を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、ＥＣＵによる燃料電池の停止時における空気パージ制御例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、燃料電池の停止時におけるパージガス(空気)置換例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・燃料電池
２・・・電解質膜
３・・・燃料極(アノード)
４・・・空気極(カソード)
５・・・燃料極側セパレータ
６・・・空気極側セパレータ
８・・・高圧水素タンク
９,１１,１３,１７,１８,２１,２４・・・配管
１０・・・水素供給弁
１２・・・合流部
１４・・・水素排気弁(パージ弁)
１５・・・分岐管
１６・・・水素循環ポンプ
２２・・・エアコンプレッサ(エアポンプ)
２５・・・空気パージ弁(空気供給弁)
３０・・・ＥＣＵ
３１・・・記憶装置(メモリ)
【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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