JP6028347B2

JP6028347B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6028347B2
Application number: JP2012056137A
Authority: JP
Inventors: 市川　靖; 靖市川; 牧野　眞一; 眞一牧野; 下井　亮一; 亮一下井; 晋前嶋; 隼人筑後
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: JP2013191370A; US9444111B2; US20140080025A1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、アノードオフガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードオフ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（特許文献１参照）。この燃料電池システムは、アノードオフガス排出通路に排出された未使用のアノードオフガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードオフ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。

特表２００７−５１７３６９号公報

しかしながら、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させてアノード系の圧力を周期的に変動させると、燃料電池内の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）に繰り返し荷重がかかる。

本発明は、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる燃料電池システムにおいて、燃料電池の条件に応じて、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を小さくする技術を提供することを目的とする。

本発明によ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制御弁と、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を備え、制御弁を周期的に開閉することによって、制御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、燃料電池に対する要求出力に応じて、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を設定する。この燃料電池システムにおいて、アノード流路内の液水量を求め、アノード流路内の液水量が少なくなると、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくする。

本発明によれば、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる制御を行う燃料電池システムにおいて、アノード流路内の液水量が少なくなる状況下では、燃料電池内の部材に繰り返し荷重がかかるのを抑制することができる。

図１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。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は、脈動運転時におけるアノード圧の増減圧差Δｐと、システムに要求される負荷の大きさとの関係を示すΔｐ−負荷線の基準線と、液水が少ない場合のΔｐ−負荷線をそれぞれ示す図である。図５は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。図６は、冷却水の温度と燃料電池スタックの温度との関係の一例を示す図である。図７は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部抵抗に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。図８は、アノード圧の時間変化および燃料電池スタックの内部抵抗Ｒの時間変化を示す図である。図９は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度Ｔとアノード圧の増減圧差Δｐとの関係を示す図である。図１０は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部抵抗Ｒとアノード圧の増減圧差Δｐとの関係を示す図である。図１１は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。図１２は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部抵抗に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。

−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)
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。

図１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１（Ａ）は、燃料電池１０の斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池のＢ−Ｂ断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

燃料電池スタック２のアノードには、高圧のアノードガス（水素）を貯蔵した高圧タンク３１から、アノードガス供給配管３２（燃料ガス供給流路）を介してアノードガスが供給される。高圧タンク３１の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成してもよい。

アノードガス供給配管３２には、アノードガスの供給量を調整するために、圧力調整弁３３が配置されている。圧力調整弁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。

圧力センサ３４は、圧力調整弁３３よりも下流のアノードガス供給配管３２に設けられる。圧力センサ３４は、圧力調整弁３３よりも下流のアノードガス供給配管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。

アノードガス排気配管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。アノードガス排気配管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。）、および燃料電池スタック２の内部で凝縮した液水が排出される。

バッファタンク３６は、アノードガス排気配管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。

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。

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。

燃料電池スタック２のカソードには、コンプレッサ１５から供給管１６を介してカソードガス（空気）が供給される。コンプレッサに代えて、ブロア等の空気供給手段を用いることができる。圧力センサ１４は、供給管１６に設けられ、カソードガスの圧力を検出する。燃料電池スタック２のカソードから排出されたカソードガスは、排出管１７を介して大気中に放出される。排出管１７には、背圧（カソードガス流路の圧力）を調整するため調圧バルブ１８が配置されている。

燃料電池スタック２には、さらにラジエータ４３から冷却水配管４２を介して冷却水が供給される。燃料電池スタック２で発生した熱を取り込んで温度上昇した冷却水は、冷却水配管４２を介してラジエータ４３に送られて冷やされた後、再び燃料電池スタック２の内部に循環される。冷却水配管４２には、水循環のための冷却水ポンプ４１が配置されている。温度センサ６は、燃料電池スタック２で発生した熱を取り込んで温度上昇した冷却水の温度を検出する。

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。

コントローラ４には、圧力センサ３４によって検出されるアノード圧、圧力センサ１４によって検出されるカソード圧、電圧センサ５によって検出される燃料電池スタック２の電圧、温度センサ６によって検出される冷却水の温度など、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。

コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて圧力調整弁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。

コントローラ４はまた、アノード流路内の液水量を求め、アノード流路内の液水量が少なくなると、後述する脈動運転時のアノード圧の増減圧差を小さくする。

アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、圧力調整弁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。

そこで、本実施形態では、圧力調整弁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。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。

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。

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。

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圧力調整弁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。

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように圧力調整弁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。

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。

時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に圧力調整弁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、圧力調整弁３３を全閉とする。

上述したように、アノード圧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では、ＭＥＡ１１に繰り返し荷重がかかる。特に、本実施形態では、ＭＥＡ１１は、アノードガス供給配管３２やアノードガス排気配管３５と連結されているディフューザーと接続されており、脈動運転時に、ＭＥＡ１１とディフューザーとの接続部に応力が発生する。ＭＥＡ１１、特にＭＥＡ１１とディフューザーとの接続部に発生する応力を緩和するためには、脈動運転時のアノード圧の増減圧差が小さい方が好ましい。

第１の実施形態における燃料電池システムでは、アノード流路内の液水量が少ないほど、アノード圧の増減圧差を小さくする。

図４は、脈動運転時におけるアノード圧の増減圧差Δｐと、システムに要求される負荷（以下、要求負荷と呼ぶ）の大きさとの関係を示すΔｐ−負荷線の基準線と、液水が少ない場合のΔｐ−負荷線をそれぞれ示す図である。Δｐ−負荷線の基準線は、予め設定しておく。図４に示すように、脈動運転時におけるアノード圧の増減圧差Δｐは、要求負荷が大きいほど大きくなるように設定する。また、要求負荷が同じでも、アノード流路内の液水量が少ない場合、例えば、液水量が所定量以下の場合に、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。

コントローラ４は、アノード流路内の液水量を求める。以下では、燃料電池スタック２の温度に基づいてアノード流路内の液水の量を推定する例と、燃料電池スタック２の内部抵抗（インピーダンス）に基づいてアノード流路内の液水の量を推定する例について説明する。ただし、アノード流路内の液水量を推定する方法は、これらの方法に限定されることはない。

図５は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２の温度に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする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。また、ステップＳ１０の処理を開始する時点では、アノード圧の増減圧差Δｐは基準値（図４の基準のΔｐ−負荷線）に設定されているものとする。

ステップＳ１０では、温度センサ６によって検出された冷却水の温度を取得する。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で取得した冷却水の温度に基づいて、燃料電池スタック２の温度Ｔを推定する。

図６は、冷却水の温度と燃料電池スタック２の温度との関係の一例を示す図である。コントローラ４は、図６に示すような関係のマップを有しており、このマップと、ステップＳ１０で取得した冷却水の温度とに基づいて、燃料電池スタック２の温度Ｔを求める。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０で推定した燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する。アノード流路内の液水量は、燃料電池スタック２の温度が高くなると少なくなる。ここでは、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上の場合に、アノード流路内の液水量が所定量以下であると推定する。燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ未満であれば、アノード流路内の液水量が所定量より多いと判定して、アノード圧の増減圧差Δｐを変更せずに、ステップＳ１０に戻る。一方、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上であれば、アノード流路内の液水量が所定量以下であると判定して、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。例えば、アノード圧を周期的に増減圧させる際の上限値を小さくすることによって、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。

ステップＳ５０では、小さくしたアノード圧の増減圧差Δｐが目標増減圧差（図４の液水が少ない場合のΔｐ−負荷線）に到達したか否かを判定する。アノード圧の増減圧差Δｐが目標増減圧差に到達していないと判定すると、ステップＳ４０に戻り、増減圧差Δｐをさらに小さくする。一方、アノード圧の増減圧差Δｐが目標増減圧差に到達したと判定すると、フローチャートの処理を終了する。

なお、フローチャートは省略するが、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくした後、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ未満になると、アノード流路内の液水量が所定量より多くなったと判断して、アノード圧の増減圧差Δｐを基準値（図４の基準のΔｐ−負荷線）に戻す。

図７は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２の内部抵抗に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。図５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から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。

ステップＳ１００では、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒを求める。内部抵抗Ｒは、例えば、図示しないインピーダンス測定装置を設けて測定してもよいし、既知の方法を用いて算出するようにしてもよい。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で求めた内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上であるか否かを判定する。アノード流路内の液水量は、燃料電池スタック２の内部抵抗が高くなると少なくなる。ここでは、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ未満であれば、アノード流路内の液水量が所定量より多いと判定して、アノード圧の増減圧差Δｐを変更せずに、ステップＳ１００に戻る。一方、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上であれば、アノード流路内の液水量が所定量以下であると判定して、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。

ステップＳ５０では、小さくしたアノード圧の増減圧差Δｐが目標増減圧差に到達したか否かを判定し、目標増減圧差に到達していないと判定すると、ステップＳ４０に戻り、目標増減圧差に到達したと判定すると、フローチャートの処理を終了する。

なお、フローチャートは省略するが、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくした後、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ未満になると、アノード流路内の液水量が所定量より多くなったと判断して、アノード圧の増減圧差Δｐを基準値（図６の基準のΔｐ−負荷線）に戻す。

図８は、アノード圧の時間変化および燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒの時間変化を示す図である。図８に示す例では、時刻Ｔ１において、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上になったので、脈動運転時のアノード圧の上限値を小さくすることによって、アノード圧の増減圧差ΔｐをΔｐ１からΔｐ２へと小さくしている。

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、燃料電池に対する要求出力に応じて、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を設定する燃料電池システムであって、アノード流路内の液水量を求め、アノード流路内の液水量が少なくなると、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくする。アノード流路内の液水量が少ない状況下では、液水を排出させるために増減圧差を大きくする必要がないため、増減圧差を小さくすることによって、ＭＥＡ１１に繰り返し荷重がかかるのを抑制することができる。すなわち、アノード流路内の液水量が少なくなるような高温条件下で増減圧差を小さくすることによって、高温条件下ではＭＥＡ１１等の部材の強度が弱くなるような状況でも、ＭＥＡ１１等の耐久性の悪化を抑制することができる。

特に、第１の実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池の温度が高いほどアノード流路内の液水量が少ないと推定する。すなわち、燃料電池の温度が高くなると、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくするので、高温時にＭＥＡ１１等の部材の強度が弱くなっても、ＭＥＡ１１に繰り返し荷重がかかるのを抑制して、ＭＥＡ１１等の耐久性の悪化を抑制することができる。

また、燃料電池のインピーダンスが高いほどアノード流路内の液水量が少ないと推定することもできる。すなわち、燃料電池のインピーダンスが高くなると、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくするので、ＭＥＡ１１に繰り返し荷重がかかるのを抑制して、ＭＥＡ１１等の耐久性の悪化を抑制することができる。

−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、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上、または、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上になると、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくした。すなわち、燃料電池スタック２の温度Ｔまたは燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒに応じて、アノード圧の増減圧差Δｐを切り替えた（図４参照）。すなわち、同じ要求負荷に対して、燃料電池スタック２の温度Ｔまたは燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒに応じて、２種類のアノード圧の増減圧差Δｐのうちのいずれか一方を選択して設定した。

第２の実施形態における燃料電池システムでは、アノード流路内の液水量が少なくなるほど増減圧差を小さくする。アノード流路内の液水量を燃料電池スタック２の温度Ｔに基づいて推定する場合には、燃料電池スタック２の温度Ｔが高くなるほど、また、アノード流路内の液水量を燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒに基づいて推定する場合には、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが大きくなるほど、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。

図９は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２の温度Ｔとアノード圧の増減圧差Δｐとの関係を示す図である。図９に示すように、燃料電池スタック２の温度Ｔが高くなるほど、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。

図１０は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒとアノード圧の増減圧差Δｐとの関係を示す図である。図１０に示すように、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが大きくなるほど、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。

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、アノード流路内の液水量が少なくなるほど増減圧差を小さくする。アノード流路内の液水量が少ない状況下では、液水を排出させるために増減圧差を大きくする必要がないため、液水量に応じて、増減圧差を効果的に小さくすることができる。

−第３の実施形態−
第１の実施形態では、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上になった場合、または、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上になった場合に、アノード流路内の液水量が所定量以下になったと推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくした。しかしながら、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上になった場合、または、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上になった場合、燃料電池スタック２の発電領域内におけるアノード流路内の液水の量は所定量以下になっていても、発電領域外のエリアに液水が残っている可能性がある。また、燃料電池スタック２の外部に排出されても、アノードガス排気配管３５内またはバッファタンク３６内に液水が残っている可能性もある。この状態で、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくすると、発電領域内のアノード流路に液水が戻ってくる可能性がある。

従って、第３の実施形態における燃料電池システムでは、アノード流路内の液水量が所定量以下になってから所定時間経過後に、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。具体的には、アノード流路内の液水量を燃料電池スタック２の温度Ｔに基づいて推定する場合には、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上になってから所定時間経過後に、また、アノード流路内の液水量を燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒに基づいて推定する場合には、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上になってから所定時間経過後に、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする。所定時間は、例えば、液水が燃料電池スタック２の外部に排出されたと推定できる時間に設定してもよいし、アノードガス排気配管３５を介してバッファタンク３６に流入した液水がバッファタンク３６から排出されたと推定できる時間に設定してもよい。

図１１は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２の温度に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。図５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Ｓ３０において、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上であると判定すると、ステップＳ２００に進む。ステップＳ２００では、燃料電池スタック２の温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上になってから、所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していないと判定するとステップＳ２００で待機し、所定時間が経過したと判定すると、ステップＳ４０に進む。

図１２は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック２の内部抵抗に基づいてアノード流路内の液水の量を推定して、アノード圧の増減圧差Δｐを小さくする制御のフローチャートである。

ステップＳ１１０において、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上であると判定すると、ステップＳ３００に進む。ステップＳ３００では、燃料電池スタック２の内部抵抗Ｒが所定抵抗Ｒｔｈ以上になってから、所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間が経過していないと判定するとステップＳ３００で待機し、所定時間が経過したと判定すると、ステップＳ４０に進む。

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、アノード流路内の液水量が所定量以下になってから所定時間経過後に、燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくする。これにより、燃料電池スタック２の温度等からは検知できない液水が燃料電池スタック２内、または、アノードガス排気配管３５内やバッファタンク３６内に残留した状態で増減圧差を小さくしてしまうことによって、発電領域内のアノード流路に液水が戻ってくるのを防ぐことができる。

本発明は、上述した第１〜第３の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。

上述した各実施形態では、燃料電池スタック２の温度または燃料電池スタック２の内部抵抗（インピーダンス）に基づいて、アノード流路内の液水の量を推定したが、アノード流路内の液水量を検出するためのセンサを設けて、アノード流路内の液水量を直接検出するようにしてもよい。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
４…コントローラ（脈動運転制御手段、増減圧差設定手段、液水量取得手段、インピーダンス取得手段）
６…温度センサ（温度取得手段）
３３…圧力調整弁（制御弁）
３６…バッファタンク（バッファ部）

Claims

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制御弁と、
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、
前記制御弁を周期的に開閉することによって、前記制御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、
前記燃料電池に対する要求出力に応じて、前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を設定する増減圧差設定手段と、
アノード流路内の液水量を求める液水量取得手段と、
前記燃料電池の温度を求める温度取得手段と、
を備え、
前記増減圧差設定手段は、前記アノード流路内の液水量が少なくなると、前記燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくし、
前記液水量取得手段は、前記燃料電池の温度が高いほど前記アノード流路内の液水量が少ないと推定する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
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制御弁と、
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、
前記制御弁を周期的に開閉することによって、前記制御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、
前記燃料電池に対する要求出力に応じて、前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を設定する増減圧差設定手段と、
アノード流路内の液水量を求める液水量取得手段と、
前記燃料電池のインピーダンスを求めるインピーダンス取得手段と、を備え、
前記増減圧差設定手段は、前記アノード流路内の液水量が少なくなると、前記燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくし、
前記液水量取得手段は、前記燃料電池のインピーダンスが高いほど前記アノード流路内の液水量が少ないと推定する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記増減圧差設定手段は、前記アノード流路内の液水量が少なくなるほど前記増減圧差を小さくする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
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、
前記増減圧差設定手段は、前記アノード流路内の液水量が所定量以下になってから所定時間経過後に、前記増減圧差を小さくする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
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制御弁と、
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、
前記制御弁を周期的に開閉することによって、前記制御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、
前記燃料電池に対する要求出力に応じて、前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を設定する増減圧差設定手段と、
アノード流路内の液水量を求める液水量取得手段と、
を備え、
前記増減圧差設定手段は、前記アノード流路内の液水量が少なくなると、前記燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくし、前記アノード流路内の液水量が少なくなるほど前記増減圧差を小さくする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
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制御弁と、
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、
前記制御弁を周期的に開閉することによって、前記制御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、
前記燃料電池に対する要求出力に応じて、前記アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる際の増減圧差を設定する増減圧差設定手段と、
アノード流路内の液水量を求める液水量取得手段と、
を備え、
前記増減圧差設定手段は、前記アノード流路内の液水量が少なくなると、前記燃料電池に対する要求出力に応じて設定する増減圧差を小さくし、前記アノード流路内の液水量が所定量以下になってから所定時間経過後に、前記増減圧差を小さくする、
ことを特徴とする燃料電池システム。