JP2003173807A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池中に滞留した水の排水効率を向上さ
せる。 【解決手段】 コントロールユニットにより燃料電池ス
タックを発電させているときに（ステップＳ１）、燃料
電池スタックのセル電圧をセル電圧センサにより監視し
（ステップＳ２）、セル電圧が所定値よりも小さいと判
定した場合に（ステップＳ３）、燃料ガス圧力を上昇さ
せるように水素ガス供給調圧弁を制御した後に（ステッ
プＳ４）、パージ用開閉弁を閉状態から開状態にする制
御をする（ステップＳ５）。これにより、水素ガス圧力
の動圧を発生させてアノード極側の水井は移出をする。
そして、燃料電池スタックのセル電圧が所定値よりも大
きいと判定した場合に（ステップＳ６）、パージ用開閉
弁６を開状態から閉状態にする制御する（ステップＳ
７）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車等の
駆動源として用いられ、燃料ガスとして水素ガス、酸化
剤ガスとして空気が供給されて発電をし、水素循環路に
パージ動作を行うためのパージ弁を有する燃料電池シス
テムを制御する燃料電池システムの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池システムとしては、例え
ば特開平７−２３５３２４号公報に開示されたものが知
られている。この燃料電池システムは、燃料電池スタッ
クを運転することにより燃料電池スタック内に水が滞留
したことを検出すると、燃料電池スタックのカソード側
ガス流量を増加させて、酸素ガスの動圧により滞留水を
吹き飛ばす動作をしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の燃料
電池システムでは、燃料ガスタンクから燃料電池スタッ
クに供給する燃料ガス圧力を調整するに際して、燃料ガ
スを燃料電池スタックに供給しながら燃料ガス圧力を調
整しているために、燃費が良好ではない。これに対し、
従来より、燃料電池スタックの燃料ガス出口から排出さ
れる残存燃料ガスを燃料電池スタックの燃料ガス入口に
循環させる燃料ガス循環流路を有する燃料電池システム
が提案されている。

【０００４】このような燃料電池システムでは、燃料電
池スタック内の滞留水を排出する技術をアノード極側に
も適用して滞留水の排出効率を向上させることが考えら
れる。しかし、燃料ガス循環流路に循環ポンプを有しな
い場合には、燃料電池スタックの燃料ガス消費量が変化
しないと、燃料ガス圧力を高くしても燃料ガス供給量を
増加させることは不可能である。すなわち、燃料ガス圧
を燃料電池スタックの運転状況に合わせて一定に保った
状態で、燃料ガス供給量を燃料電池スタックで消費した
燃料ガス量以上とすることは不可能であり、アノード極
側の水詰まり発生時には容易に燃料ガス流量を上昇させ
ることはできない。

【０００５】これに対し、水詰まりの発生を検出した場
合には、パージ弁を開状態にし、燃料ガス供給流量を燃
料電池スタックで消費した燃料ガス量とパージ弁からの
排出ガス量との合計とする。これにより、燃料電池シス
テムでは、パージ弁からの排出ガス量分を増加させて燃
料ガスを燃料電池スタックに供給することができ、アノ
ード極側での燃料ガス供給流量を増大させていた。しか
し、燃料ガスを外部に放出することによる燃費の低下を
招いてしまう。

【０００６】また、燃料電池スタック内の滞留水の除去
手法として、燃料ガス圧力を低下させることにより燃料
電池スタックの電力出力を低下させてセル電圧を回復す
る手法があるが、一時的に意図した電力出力を得られな
い期間が発生するという問題点がある。特に、二次電池
を搭載していない燃料電池システムでは、この問題が重
要となる。

【０００７】そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて
提案されたものであり、燃料電池中に滞留した水の排水
効率を向上させることができる燃料電池システムの制御
装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る燃料電池
システムの制御装置は、電解質膜を酸化剤極と燃料極と
により挟んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記
酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料
極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記
燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給
手段と、上記燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス入口と
を挿通する燃料循環路と、この燃料循環路に設けられ、
上記燃料循環路内の気体の一部を外部に放出するパージ
弁とを有する燃料電池システムを制御するものである。

【０００９】この燃料電池システムの制御装置は、上記
燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定した場
合に、燃料ガス圧力を上昇させるように上記ガス供給手
段を制御した後に上記パージ弁を閉状態から開状態にす
る制御をし、上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも大
きいと判定した場合に上記パージ弁を開状態から閉状態
にする制御をする。

【００１０】請求項２に係る燃料電池システムの制御装
置は、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成
されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極側に酸化
剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが
供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に酸化剤
ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記燃料
電池の燃料ガス出口と燃料ガス入口とを挿通する燃料循
環路と、この燃料循環路に設けられ、上記燃料循環路内
の気体の一部を外部に放出するパージ弁とを有する燃料
電池システムを制御するものである。

【００１１】この燃料電池システムの制御装置は、上記
燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定した場
合に、上記パージ弁を周期的に開閉制御し、上記燃料電
池のセル電圧が所定値よりも大きいと判定した場合に上
記パージ弁を閉状態にする制御をする。

【００１２】請求項３に係る燃料電池システムの制御装
置は、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成
されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極側に酸化
剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが
供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に酸化剤
ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記燃料
電池の燃料ガス出口と燃料ガス入口とを挿通する燃料循
環路と、この燃料循環路に設けられ、上記燃料循環路内
の気体の一部を外部に放出するパージ弁とを有する燃料
電池システムを制御するものである。

【００１３】この燃料電池システムの制御装置は、上記
燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定した場
合に、燃料ガス圧力を上昇させるように上記ガス供給手
段を制御した後に上記パージ弁を周期的に開閉制御し、
上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも大きいと判定し
た場合に上記パージ弁を閉状態にする制御をする。

【００１４】請求項４に係る燃料電池システムの制御装
置では、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電
池システムの制御装置であって、上記燃料電池のセル電
圧が所定値よりも小さいと判定した場合に少なくとも一
のパージ弁を開状態にする制御をし、前記一のパージ弁
を開状態にしてから所定期間経過後において上記燃料電
池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定した場合に他
のパージ弁を開状態にする制御をし、上記燃料電池のセ
ル電圧が所定値よりも大きいと判定した場合に開状態と
したパージ弁を閉状態にする制御をすることを特徴とす
る。

【００１５】請求項５に係る燃料電池システムの制御装
置では、請求項１又は請求項３に記載の燃料電池システ
ムの制御装置であって、上記燃料電池のセル電圧が所定
値よりも小さいと判定した場合に、燃料ガス圧力を段階
的に上昇させるように上記ガス供給手段を制御すること
を特徴とする。

【００１６】請求項６に係る燃料電池システムの制御装
置では、請求項１、請求項３又は請求項５に記載の燃料
電池システムの制御装置であって、上記燃料電池のセル
電圧が所定値よりも小さいと判定した場合に、燃料ガス
圧力を上昇させると共に、上記酸化剤極における酸化剤
ガス流量を保持するように上記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする。

【００１７】

【発明の効果】請求項１に係る燃料電池システムの制御
装置によれば、燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さ
い場合に、燃料ガス圧力を上昇させるようにガス供給手
段を制御した後にパージ弁を閉状態から開状態にする制
御をするので、パージ弁を開状態にした直後の燃料ガス
圧力の動圧を大きくすることができる。したがって、こ
の燃料電池システムの制御装置によれば、パージ弁を開
状態にする期間を短縮することができ、パージ弁を開状
態にすることによる燃料ガス排出量を少なくすることが
でき、排水効率を向上させることができる。

【００１８】請求項２に係る燃料電池システムの制御装
置によれば、燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さい
場合に、パージ弁を周期的に開閉制御するので、燃料ガ
ス圧力の変動回数を多くすることができる。したがっ
て、この燃料電池システムの制御装置によれば、燃料ガ
ス圧力の動圧発生回数を多くすることができ、排水効率
をより向上させることができる。

【００１９】請求項３に係る燃料電池システムの制御装
置によれば、燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さい
場合に、燃料ガス圧力を上昇させるようにガス供給手段
を制御した後にパージ弁を周期的に開閉制御するので、
燃料ガス圧力を上昇させることによる動圧の増加と、周
期的にパージ弁を開閉制御することによる動圧発生回数
の増加との相乗作用を発揮させることができ、パージ弁
からの総水素ガス排出量が少なくても効率的に排水をす
ることができる。

【００２０】請求項４に係る燃料電池システムの制御装
置によれば、燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さい
場合に少なくとも一のパージ弁を開状態にする制御を
し、一のパージ弁を開状態にしてから所定期間経過後に
おいて燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定
した場合に他のパージ弁を開状態にする制御をするの
で、更に燃料循環流路内の総ガス排出流量を増加するこ
とができ、更に動圧を増加させることができる。

【００２１】請求項５に係る燃料電池システムの制御装
置によれば、燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さい
場合に燃料ガス圧力を段階的に上昇させるので、更に動
圧を増加させることができ、排水効率をより向上させる
ことができる。

【００２２】請求項６に係る燃料電池システムの制御装
置によれば、燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さい
場合に、燃料ガス圧力を上昇させると共に酸化剤極にお
ける酸化剤ガス流量を保持するので、燃料ガス圧力を上
昇させると共に酸化剤ガス圧力を上昇させることにより
酸化剤ガス流量が減少する場合であっても、酸化剤ガス
流速が減って排水効率が低下することを防止することが
でき、排水効率を維持することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２４】本発明は、例えば図１に示すように構成さ
れた第１実施形態に係る燃料電池システム、及び図５に
示すように構成された第２実施形態に係る燃料電池シス
テムに適用される。

【００２５】［第１実施形態に係る燃料電池システムの
構成］第１実施形態に係る燃料電池システムに備えられ
る燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤
極（カソード極）と燃料極（アノード極）とにより挟ん
で構成されたセル構造体が、セパレータを介して複数積
層されてなるスタック構造となっている。また、この燃
料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる
酸化剤ガス流路、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路、
冷却水を通過させる冷却水流路が設けられている。そし
て、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガ
スとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃
料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃
料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれ
のイオンが移動して接触して発電する。

【００２６】この燃料電池システムは、水素を貯蔵して
いる水素タンク２、水素ガス供給調圧弁３、水素循環装
置４及び加湿器５が水素ガス供給流路Ｌ１で挿通されて
燃料電池スタック１の水素ガス入口１ａに接続し、燃料
電池スタック１の水素ガス出口１ｂ、水素ガス入口１
ａ、パージ用開閉弁６が水素ガス循環流路Ｌ２で挿通さ
れてなる水素ガス系を備える。

【００２７】水素ガス供給調圧弁３及びパージ用開閉弁
６は、図示しないアクチュエータと接続され、コントロ
ールユニット１７からの制御信号に従ってアクチュエー
タが駆動することで開閉動作や開度が制御される。パー
ジ用開閉弁６は、コントロールユニット１７からの制御
信号に従って開閉制御され、開状態にされることで、燃
料ガス循環流路Ｌ２中及び燃料電池スタック１内の水素
ガスを外部に排出する。

【００２８】この燃料電池システムでは、燃料電池スタ
ック１を運転するに際して、コントロールユニット１７
により水素タンク２に高圧状態で貯蔵された水素を水素
ガス供給調圧弁３により調圧し、水素ガス供給流路Ｌ１
を介して水素循環装置４に供給する。これにより燃料電
池スタック１のアノード極側における水素ガス圧力を調
整する。水素循環装置４は、水素ガス供給調圧弁３から
の水素ガスと水素ガス循環流路Ｌ２を介して供給される
水素ガスとを加湿器５に供給する。加湿器５は、内部に
半透膜を有し、半透膜を介して純水と水素ガスとを隣接
させることにより、水分子を半透膜を介して通過させて
水素ガスの加湿をして燃料電池スタック１に供給する。

【００２９】また、この燃料電池システムは、コンプレ
ッサ７が空気供給流路Ｌ３に挿通され燃料電池スタック
１の空気入口１ｃに接続し、燃料電池スタック１の空気
出口１ｄ、空気調圧弁８が空気排出流路Ｌ４に挿通され
てなる酸化剤ガス系を備える。コンプレッサ７は、コン
トロールユニット１７からの制御信号に従ってその回転
数が制御されて駆動し、燃料電池スタック１に空気流量
を調整して供給する。また、空気調圧弁８は、コントロ
ールユニット１７からの制御信号に従って動作し、その
開度が調整される。

【００３０】この燃料電池システムでは、燃料電池スタ
ック１を運転するに際して、コントロールユニット１７
によりコンプレッサ７を駆動して空気を加湿器５に供給
する。加湿器５では、水素ガスと同様に空気を加湿して
燃料電池スタック１に供給する。このとき、燃料電池シ
ステムでは、コントロールユニット１７により空気調圧
弁８の開度を調整することで、燃料電池スタック１内、
空気供給流路Ｌ３及び空気排出流路Ｌ４での空気圧力の
調整をする。

【００３１】更に、この燃料電池システムは、水タンク
９、水ポンプ１０、ラジエータ１１、燃料電池スタック
１、加湿器５が水循環流路Ｌ５で挿通されてなる水循環
系を有する。また、この燃料電池システムにおける水循
環系は、ラジエータ１１を通過する水を冷却するラジエ
ータファン１２を備える。

【００３２】このような燃料電池システムでは、水タン
ク９内の水を、水ポンプ１０によりラジエータ１１に供
給してラジエータファン１２の駆動量を制御することで
水温度を制御し、燃料電池スタック１に供給することに
より、燃料電池スタック１を冷却して温度調整をする。
そして、燃料電池スタック１を冷却した水は、加湿器５
に供給され、加湿器５での加湿に一部が使用されて再度
水タンク９に蓄積される。

【００３３】更にまた、この燃料電池システムは、加湿
器５と燃料電池スタック１との間の水素ガス供給流路Ｌ
１内の水素ガス圧力を検出する水素ガス圧力センサ１
３、加湿器５と燃料電池スタック１との間の空気供給流
路Ｌ３の空気圧力を検出する空気圧力センサ１４、コン
プレッサ７に取り込まれる空気流量を検出する空気流量
センサ１５を備える。これらの水素ガス圧力センサ１
３、空気圧力センサ１４、空気流量センサ１５は、図１
に示すように配設されることにより、燃料電池スタック
１内の水素ガス圧力、空気圧力、空気流量を検出する。
更にまた、燃料電池システムは、燃料電池スタック１を
構成する各セルのセル電圧を検出するセル電圧センサ１
６を備える。これらのセンサは、その検出値をセンサ信
号としてコントロールユニット１７に出力する。

【００３４】コントロールユニット１７は、上述したよ
うに構成された各部を制御する。コントロールユニット
１７は、外部からの燃料電池スタック１を駆動開始する
命令が入力されると、燃料電池スタック１に水素ガスを
供給するように水素ガス供給調圧弁３を制御すると共
に、燃料電池スタック１に空気を供給するようにコンプ
レッサ７及び空気調圧弁８を制御する。更に、コントロ
ールユニット１７は、水ポンプ１０及びラジエータファ
ン１２に制御信号を出力して燃料電池スタック１及び加
湿器５中に水を循環させる。これにより、コントロール
ユニット１７は、燃料電池スタック１を発電開始させ
る。

【００３５】また、コントロールユニット１７は、外部
からアクセル開度などを示す信号に従った燃料電池スタ
ック１の発電電力量を認識し、必要な水素ガス圧力及び
空気圧力等の運転条件を認識する。そして、コントロー
ルユニット１７は、運転条件を実現するように、水素ガ
ス圧力の調整をするように水素ガス供給調圧弁３を制御
し、空気圧力の調整をするようにコンプレッサ７及び空
気調圧弁８を制御し、燃料電池スタック１の温度調整を
するように水ポンプ１０及びラジエータファン１２を制
御する。ここで、コントロールユニット１７は、水素ガ
ス圧力センサ１３、空気圧力センサ１４、空気流量セン
サ１５からのセンサ信号を参照することで、水素ガス圧
力と空気圧力とをほぼ同じ圧力値とする。

【００３６】更に、コントロールユニット１７は、燃料
電池スタック１を運転しているときに、セル電圧センサ
１６からのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の
セル電圧を監視し、燃料電池スタック１のアノード極及
びカソード極の水詰まりによるセル電圧低下を検出す
る。

【００３７】具体的には、コントロールユニット１７
は、検出したセル電圧と予め設定された許容下限値とを
比較する。コントロールユニット１７は、検出したセル
電圧が許容下限値以下であるか否かを判定し、検出した
セル電圧が許容下限値より小さい場合に、燃料電池スタ
ック１内に滞留している水による各セルの発電能力の低
下が発生して水排出が必要と判定し、パージ用開閉弁６
の動作を制御する水排出処理をする。

【００３８】ここで、燃料電池スタック１に水素ガスを
供給しているときに、パージ用開閉弁６を閉状態から開
状態、又は開状態から閉状態に動作させることにより、
図２に示すように、水素ガス圧力センサ１３にて検出さ
れる水素ガス圧力（燃料電池スタック１内の水素ガス圧
力）が変化する動圧が発生する。この動圧は、パージ用
開閉弁６を開閉動作させることにより、水素ガス供給流
路Ｌ１内及び燃料電池スタック１のアノード極で水素ガ
ス流速が変化することにより発生する。

【００３９】すなわち、図２（ｂ）に示すように時刻ｔ
１にてパージ用開閉弁６を閉状態から開状態とすると、
水素ガス供給流路Ｌ１内での水素ガス流速が一時的に上
昇して、図２（ａ）に示すように水素ガス圧力が一時的
に低下する。そして、時刻ｔ１〜時刻ｔ２（パージ期
間）の間、パージ用開閉弁６を開状態とすると次第に水
素ガス流速が低下することにより、次第に水素ガス圧力
が元の圧力値に戻る。更に、時刻ｔ２にてパージ用開閉
弁６を開状態から閉状態とすると、水素ガス供給流路Ｌ
１内での水素ガス流速が一時的に低下し、水素ガス圧力
が一時的に上昇する。

【００４０】コントロールユニット１７は、このような
パージ用開閉弁６の動作に応じた水素ガス圧力の動圧を
利用して水排出処理をする。なお、この水排出処理を行
うときのコントロールユニット１７の詳細な処理内容に
ついては後述する。

【００４１】また、このコントロールユニット１７は、
水排出処理を行うときに、パージ用開閉弁６の開閉状態
を制御する前に、水素ガス圧力を燃料電池スタック１の
運転条件やセル電圧低下代等により設定された所定圧力
値まで上昇させるように水素ガス供給調圧弁３を制御す
る。

【００４２】［第１実施形態に係る燃料電池システムの
動作］つぎに、上述した第１実施形態に係る燃料電池シ
ステムの動作について図３のフローチャートを参照して
説明する。

【００４３】このフローチャートによれば、先ず、コン
トロールユニット１７により、燃料電池スタック１を発
電させる発電電力量を示す信号を入力し、目標とする運
転条件にて水素ガス圧力を調整している状態において、
例えば所定期間毎にステップＳ１以降の水排出処理を行
う。なお、この状態において、パージ用開閉弁６は、閉
状態となっている。

【００４４】先ず、ステップＳ１において、コントロー
ルユニット１７により、現在の水素ガス供給圧力を水素
ガス圧力センサ１３からのセンサ信号により検出し、水
素ガス圧力を基準水素ガス圧力にしてステップＳ２に処
理を進める。

【００４５】ステップＳ２において、コントロールユニ
ット１７により、ステップＳ１で基準水素ガス圧力とし
ている状態におけるセル電圧をセル電圧センサ１６から
のセンサ信号により検出して、ステップＳ３に処理を進
める。

【００４６】ステップＳ３において、コントロールユニ
ット１７により、ステップＳ２で検出したセル電圧が許
容下限値よりも小さいか否かを判定する。この許容下限
値は、燃料電池スタック１に水詰まりが発生してセル電
圧が低下したときの電圧値が予め設定されている。ま
た、この許容下限値は、燃料電池スタック１に要求され
る発電電力に応じて可変させても良い。

【００４７】コントロールユニット１７により、セル電
圧が許容下限値よりも小さいと判定したときには、アノ
ード極にて水詰まりが発生していると判定して処理をス
テップＳ４に進め、小さくないと判定したときにはアノ
ード極にて水詰まりによるセル電圧低下が発生していな
いと判定してステップＳ１に処理を戻す。

【００４８】ステップＳ４において、コントロールユニ
ット１７により、水素ガス圧力を所定圧力値まで上昇さ
せるように水素ガス供給調圧弁３を制御する。すなわ
ち、コントロールユニット１７により、燃料電池スタッ
ク１に供給する水素ガス圧力を、ステップＳ１での基準
水素ガス圧力と、所定圧力値まで上昇させるために増加
させる圧力分のパージ補正圧力との圧力和とする制御を
する。ここで、所定圧力値は、燃料電池スタック１の運
転条件や、ステップＳ２で検出したセル電圧に応じたセ
ル電圧低下代等により設定されている。

【００４９】ステップＳ４の動作によって水素ガス圧力
が所定圧力値となったことを水素ガス圧力センサ１３か
らのセンサ信号から検出すると、ステップＳ５に処理を
進め、コントロールユニット１７により、パージ用開閉
弁６を閉状態から開状態にするように制御して、ステッ
プＳ６に処理を進める。

【００５０】ステップＳ６において、コントロールユニ
ット１７により、パージ用開閉弁６を開状態とした後の
セル電圧を検出して、セル電圧が許容下限値よりも小さ
いか否かを判定することにより、水詰まりが解消したか
否かを判定する。コントロールユニット１７により、セ
ル電圧が許容下限値よりも小さく水詰まりが解消してい
ないと判定したときにはステップＳ８に処理を進める。
一方、セル電圧が許容下限値よりも大きく水詰まりが解
消したと判定したときはステップＳ７に処理を進め、パ
ージ用開閉弁６を閉状態にしてステップＳ１に処理を戻
す。

【００５１】ステップＳ８において、コントロールユニ
ット１７により、ステップＳ５においてパージ用開閉弁
６を開状態にした時刻からの経過時間であるパージ弁開
時間と設定時間とを比較し、パージ弁開時間が設定時間
よりも長いか否かを判定する。この設定時間は、水詰ま
りによる燃料電池スタック１の機能低下を抑制するため
に設定された時間である。

【００５２】コントロールユニット１７により、パージ
弁開時間が設定時間よりも長いと判定したときには、ス
テップＳ９に処理を進め、燃料電池スタック１の機能低
下を抑制するために、燃料電池スタック１の発電を停止
させるように水素ガス供給調圧弁３を閉状態にすると共
に、コンプレッサ７の動作を停止させる制御をする。一
方、パージ弁開時間が設定時間よりも長くないと判定し
たときにはステップＳ６に処理を戻す。

【００５３】このような動作を行う燃料電池システムに
よるセル電圧、水素ガス供給流量、水素ガス圧力、パー
ジ用開閉弁６の開閉状態の変化を図４に示す。

【００５４】コントロールユニット１７は、セル電圧が
低下し、時刻Ａにてセル電圧が許容下限値より小さくな
ったことを検出すると（図４（ａ）、ステップＳ３）、
所定圧力値とするように水素ガス供給調圧弁３を制御す
る。

【００５５】そして、時刻Ｂにおいて水素ガス圧力を上
昇させて所定圧力値とすると（図４（ｃ）、ステップＳ
４）、パージ用開閉弁６を開状態にする（図４（ｄ）、
ステップＳ５）。このとき、ステップＳ１での基準水素
ガス圧力よりも水素ガス圧力を上昇させているために、
更に時刻Ｂから時刻Ｃに亘って水素ガス圧力が低下する
動圧が発生し（図４（ｃ））、これにより、時刻Ｂから
時刻Ｃに亘って水素ガス供給流量が増加し（図４
（ｂ））、アノード極内での水素ガス流速が上昇する。
このように動作することにより、アノード極に滞留した
水を吹き飛ばしやすくする。この結果、時刻Ｂ以降から
セル電圧を上昇させ、セル電圧が許容下限値よりも大き
くなったことを検出すると、時刻Ｄにてパージ用開閉弁
６を閉状態にする（図４（ｄ）、ステップＳ７）。

【００５６】なお、図４に示す一例において、時刻Ｂ〜
時刻Ｃの水素ガス圧力低下分は、パージ用開閉弁６を開
状態にした時点にて水素ガスの供給量が不足になるため
に発生する。また、時刻Ｄ以降の水素ガス圧力上昇分
は、パージ用開閉弁６を閉状態するのに要する期間に対
する水素ガス供給調圧弁３が所定圧力値から通常の圧力
値に戻すのに要する期間の遅れにより発生する。

【００５７】なお、カソード極側の加湿された空気中の
水蒸気の凝縮、及び生成水による水詰まりを解消するた
めには例えば、コンプレッサ７の流量を上昇させること
で空気の動圧を発生させる。

【００５８】［第１実施形態に係る燃料電池システムの
効果］以上、詳細に説明したように、第１実施形態に係
る燃料電池システムによれば、加湿器５により加湿した
水素ガス中の水蒸気の凝縮によって燃料電池スタック１
のアノード極において発生する水詰まりを解消する。

【００５９】また、この第１実施形態に係る燃料電池シ
ステムでは、パージ用開閉弁６を開状態にした直後の動
圧を大きくするために、水素ガス圧力を所定圧力値まで
上昇させた後にパージ用開閉弁６を開状態にするので、
動圧を増加させて水素ガス流速を上昇させることがで
き、アノード極での排水を効率的に行うことができる。
すなわち、この燃料電池システムによれば、燃料電池ス
タック１に要求される発電電力によって水素ガス圧力の
調整を行って単にパージ用開閉弁６を開状態にする動作
と比較して、パージ用開閉弁６を開状態にした直後の動
圧を大きくすることができる。

【００６０】したがって、この燃料電池システムによれ
ば、パージ用開閉弁６を開状態にしている期間を短縮す
ることができるので、パージ用開閉弁６を開状態にする
ことによる水素ガス排出量を少なくすることができ、効
率的にアノード極側の排水を行うことができる。このよ
うに、燃料電池システムによれば、効率的に排水を行う
ことにより、水素ガスの燃費向上を実現できると共に、
排水時間の短縮をするための空気圧力及び水素ガス圧力
の低下、発電出力低下、発電による生成ガス低減を行う
必要なく、発電出力に影響を与えることなく発電出力を
維持したまま排水効率を向上させることができる。

【００６１】［第２実施形態に係る燃料電池システムの
構成］つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムに
ついて図５を参照して説明する。なお、上述した第１実
施形態に係る燃料電池システムと同じ部分については同
一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

【００６２】図５に示す第２実施形態に係る燃料電池シ
ステムは、水素ガス循環流路Ｌ２に第１パージ用開閉弁
１８，第２パージ用開閉弁１９を設けた点で、第１実施
形態に係る燃料電池システムとは異なる。

【００６３】このような燃料電池システムにおいて、コ
ントロールユニット１７は、第１実施形態と同様に、セ
ル電圧センサ１６からのセンサ信号により燃料電池スタ
ック１のセル電圧低下を検出し、第１パージ用開閉弁１
８及び／又は第２パージ用開閉弁１９を開状態にする水
排出処理を行う。

【００６４】［第２実施形態に係る燃料電池システムの
動作］つぎに、上述した第２実施形態に係る燃料電池シ
ステムの動作について図６のフローチャートを参照して
説明する。

【００６５】図６によれば、ステップＳ４の処理の次の
ステップＳ１１において、コントロールユニット１７に
より、第１パージ用開閉弁１８のみを開状態にする制御
をする。そして、ステップＳ６において、セル電圧が許
容下限値よりも大きくなったと判定したら、ステップＳ
１２において第１パージ用開閉弁１８を閉状態にして処
理を終了する。

【００６６】ステップＳ６においてセル電圧が許容下限
値よりも小さいと判定したときにはステップＳ８に処理
を進め、コントロールユニット１７により、ステップＳ
１１にて第１パージ用開閉弁１８を開状態にした時刻か
らの経過時間であるパージ開時間が第１設定時間よりも
大きいか否かを判定して、パージ開時間が第１設定時間
より長くなったと判定したらステップＳ１３に処理を進
める。

【００６７】ステップＳ１３において、コントロールユ
ニット１７により、第２パージ用開閉弁１９を開状態に
するように制御する。これにより、第１パージ用開閉弁
１８及び第２パージ用開閉弁１９の双方を開状態にし、
第１パージ用開閉弁１８及び第２パージ用開閉弁１９か
ら水素ガス循環流路Ｌ２内のガスを排出する状態とす
る。

【００６８】ステップＳ１４において、コントロールユ
ニット１７により、第１パージ用開閉弁１８及び第２パ
ージ用開閉弁１９を開状態にしたことによりセル電圧が
許容下限値よりも小さくなったか否かを判定する。セル
電圧が許容下限値よりも小さくないと判定したときには
ステップＳ１５に処理を進め、コントロールユニット１
７により第２パージ用開閉弁１９を閉状態にし、更にス
テップＳ１２にて第１パージ用開閉弁１８を閉状態にす
る。

【００６９】一方、セル電圧が許容下限値よりも小さい
と判定したときにはステップＳ１６に処理を進め、ステ
ップＳ１３にて第２パージ用開閉弁１９を開状態にした
時刻からのパージ開時間が第２設定時間より長くなった
か否かを判定する。パージ開時間が第２設定時間よりも
長くなったときにはステップＳ９に処理を進め、長くな
いときにはステップＳ１４に処理を戻して第１パージ用
開閉弁１８及び第２パージ用開閉弁１９の双方を開状態
にしている状態を保持する。

【００７０】なお、第１設定時間及び第２設定時間は、
その和が第１実施形態における設定時間となるように設
定しても良く、第１実施形態における設定時間を等分し
た時間としても良い。

【００７１】［第２実施形態に係る燃料電池システムの
効果］以上、詳細に説明したように、第２実施形態に係
る燃料電池システムによれば、ステップＳ１１にて第１
パージ用開閉弁１８を開状態にしてもセル電圧が許容下
限値よりも大きくならない場合には、ステップＳ１３に
て第２パージ用開閉弁１９をも開状態にするので、第１
実施形態と比較して、更に水素ガス循環流路Ｌ２内の総
ガス排出流量を増加することができ、更に動圧を増加さ
せることができる。したがって、この燃料電池システム
によれば、セル電圧が許容下限値にまで回復するのにあ
る程度の期間を要する場合に短時間で水排出を行うこと
ができ、効果的に水排出を行うことができる。

【００７２】なお、以下に説明する燃料電池システムで
は、２つの第１パージ用開閉弁１８，第２パージ用開閉
弁１９を設けた場合について説明したが、これに限るも
のではなく、更に多くのパージ用開閉弁を設けても同様
の効果を得ることができるのは勿論である。

【００７３】［燃料電池システムの他の動作例］つぎ
に、上述した第１実施形態に係る燃料電池システム、第
２実施形態に係る燃料電池システムにおける他の動作例
として、第１動作例、第２動作例、第３動作例について
説明する。なお、以下に説明する動作例では、第１実施
形態にて使用した符号を付することによりその詳細な説
明を省略するが、第２実施形態に係る燃料電池システム
であっても適用可能である。

【００７４】「第１動作例」第１動作例では、パージ用
開閉弁６を開状態にしてもセル電圧が回復しない場合に
おいて、水素ガス圧力を段階的に上昇させる動作を行
う。

【００７５】すなわち、図７に示すように、ステップＳ
５において、パージ用開閉弁６を開状態にしても、セル
電圧が所定下限値よりも小さく（ステップＳ６）、且つ
パージ用開閉弁６を開状態にした時刻からの経過時間が
設定時間よりも短いときに（ステップＳ８）、ステップ
Ｓ２１の処理に移行する。

【００７６】ステップＳ２１においては、コントロール
ユニット１７により、現在燃料電池スタック１に供給し
ている水素ガス圧力を水素ガス圧力センサ１３からのセ
ンサ信号より取得し、現在の水素ガス圧力と予め設定し
た許容上限圧力とを比較する。この許容上限圧力は、例
えば燃料電池スタック１内の空気圧力との関係から、燃
料電池スタック１の機能低下が発生しない程度の圧力値
とするように設定されている。

【００７７】現在の水素ガス圧力が許容上限圧力よりも
大きくないと判定したときには、ステップＳ２２に処理
を進め、燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力
を、所定上昇圧力分（α）だけ高くするように水素ガス
供給調圧弁３を制御してステップＳ６に処理を戻す。こ
れにより、燃料電池スタック１に供給する水素ガス圧力
を、ステップＳ４における基準水素ガス圧力とパージ補
正圧力と所定上昇圧力（α）との圧力和とする。

【００７８】この燃料電池システムでは、パージ用開閉
弁６を開状態にした後に、セル電圧が許容下限値であっ
て、パージ開時間が設定時間よりも短く、更に水素ガス
圧力が許容上限圧力より小さい場合に、ステップＳ６、
ステップＳ８、ステップＳ２１、ステップＳ２２の処理
を繰り返して行うことにより、水素ガス圧力を段階的に
上昇させる。一方、ステップＳ２１において、水素ガス
圧力が許容上限圧力よりも大きくなった場合には、コン
トロールユニット１７によりステップＳ９に処理を進め
て燃料電池スタック１の発電を停止させる制御をする。

【００７９】このような動作を行う燃料電池システムに
よれば、段階的に水素ガス圧力を上昇させることによ
り、更に動圧を増加させることができ、アノード極での
排水をより効率的に行うことができる。

【００８０】「第２動作例」第２動作例では、セル電圧
が許容下限値より小さいと判定してパージ用開閉弁６を
閉状態から開状態にした後に、パージ開時間内において
パージ用開閉弁６を周期的に開閉動作させる。

【００８１】すなわち、図８（ｂ）に示すように、時刻
ｔ１１から時刻ｔ１２までのパージ開時間において、コ
ントロールユニット１７により、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１
３、時刻ｔ１４〜時刻ｔ１５、時刻ｔ１６〜時刻ｔ１２
の期間ではパージ用開閉弁６を開状態にし、時刻ｔ１３
〜時刻ｔ１４、時刻ｔ１５〜時刻ｔ１６の期間ではパー
ジ用開閉弁６を閉状態にすることにより、周期的にパー
ジ用開閉弁６を開状態、閉状態で切換動作させる。この
ようにパージ用開閉弁６を開閉制御する周期は、運転条
件、セル電圧の回復度合い等により決定されてコントロ
ールユニット１７により制御する。

【００８２】このような動作をさせることにより、図８
（ａ）に示すように水素ガス圧力の変動回数を多くする
ことができる。したがって、この燃料電池システムによ
れば、水素ガス圧力の動圧発生回数を多くすることがで
き、アノード極での排水をより効率的に行うことができ
る。

【００８３】また、この燃料電池システムによれば、ス
テップＳ４の処理の後に周期的にパージ用開閉弁６を開
閉制御することにより、動圧を増加させると共に動圧発
生回数を多くする相乗作用を発揮させることができ、パ
ージ開時間におけるパージ用開閉弁６からの総水素ガス
排出量が少なくても効率的に排水をすることができる。

【００８４】なお、この第２動作例では、ステップＳ４
において水素ガス圧力を増加させた後に行う場合につい
て説明したが、水素ガス圧力を増加させずにパージ用開
閉弁６を開閉制御した場合であっても、水素ガス圧力の
動圧発生回数を多くしてアノード極での排水を効率的に
行うことができる。

【００８５】「第３動作例」第３動作例では、ステップ
Ｓ４において、水素ガス圧力を上昇させると共に、空気
圧力も上昇させる動作をすることによりアノード極とカ
ソード極との差圧を規定値以下とし、更にカソード極の
空気圧力を上昇させる前の空気流量を保持するように空
気流量を上昇させる。

【００８６】すなわち、図９に示すように、セル電圧が
低下したことに応じ（図９（ａ））、ステップＳ４にお
いて水素ガス圧力及び水素ガス流量を上昇させると共に
（図９（ｃ）、（ｂ））、空気圧力上昇させることによ
り（図９（ｅ））、空気供給流量を増加させる（図９
（ｆ））。その後、パージ用開閉弁６を開状態にして水
素ガス圧力の動圧を発生させる（図９（ｄ））。このと
き、コントロールユニット１７により、空気圧力センサ
１４からのセンサ信号を参照して空気圧力を上昇させる
ように空気調圧弁８を制御すると共に、空気流量センサ
１５からのセンサ信号を参照しながらコンプレッサ７を
制御することにより空気流量を増加させて、目標とする
空気流量とする。

【００８７】このような動作をさせることにより、燃料
電池スタック１からの発電出力を変化させずに空気圧力
を上昇させた場合の空気流量を一定とすると、空気圧力
が上昇したことにより空気流量が減少し、カソード極で
の空気流速が減って排水効率が低下することを防止する
ことができる。したがって、この燃料電池システムによ
れば、空気圧力を上昇させた場合であっても、空気流速
を保って排水効率を維持することができる。

【００８８】なお、上述の実施の形態は本発明の一例で
ある。このため、本発明は、上述の実施形態に限定され
ることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明
に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に
応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池
システムの構成を示すブロック図である。

【図２】パージ用開閉弁を閉状態から開状態にし、パー
ジ期間後に閉状態にしたときの水素ガス圧力の変化を説
明するための図であり、（ａ）は水素ガス圧力の時間変
化を示し、（ｂ）はパージ用開閉弁の開閉状態の時間変
化を示す。

【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池
システムによる水排出処理の動作手順を示すフローチャ
ートである。

【図４】水排出処理を行ったときにおけるセル電圧、水
素ガス流量、水素ガス圧力、パージ用開閉弁の開閉状態
の関係を示す図であり、（ａ）はセル電圧の時間変化を
示し、（ｂ）は水素ガス流量の時間変化を示し、（ｃ）
は水素ガス圧力の変化を示し、（ｄ）パージ用開閉弁の
開閉状態の時間変化を示す。

【図５】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池
システムの構成を示すブロック図である。

【図６】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池
システムによる水排出処理の動作手順を示すフローチャ
ートである。

【図７】本発明を適用した燃料電池システムの第１動作
例における処理手順を示すフローチャートである。

【図８】本発明を適用した燃料電池システムの第２動作
例を説明するための図であり、（ａ）は水素ガス圧力の
時間変化を示し、（ｂ）はパージ用開閉弁の開閉状態の
時間変化を示す。

【図９】本発明を適用した燃料電池システムの第３動作
例を説明するための図であり、（ａ）はセル電圧の時間
変化を示し、（ｂ）は水素ガス流量の時間変化を示し、
（ｃ）は水素ガス圧力の変化を示し、（ｄ）パージ用開
閉弁の開閉状態の時間変化を示し、（ｅ）は空気圧力の
時間変化を示し、（ｆ）は空気流量の時間変化を示す。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２ 水素タンク ３ 水素ガス供給調圧弁 ４ 水素循環装置 ５ 加湿器 ６ パージ用開閉弁 ７ コンプレッサ ８ 空気調圧弁 ９ 水タンク １０ 水ポンプ １１ ラジエータ １２ ラジエータファン １３ 水素ガス圧力センサ １４ 空気圧力センサ １５ 空気流量センサ １６ セル電圧センサ １７ コントロールユニット Ｌ１ 水素ガス供給流路 Ｌ２ 水素ガス循環流路 Ｌ３ 空気供給流路 Ｌ４ 空気排出流路 Ｌ５ 水循環流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 HH06 HH09 5H027 AA06 BA13 BA19 DD00 KK05 KK22 KK54 MM08 5H115 PA12 PC06 PG04 PI18 PU01 SE06 TI05

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟
   んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極
   側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃
   料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池
   に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   上記燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス入口とを挿通す
   る燃料循環路と、この燃料循環路に設けられ、上記燃料
   循環路内の気体の一部を外部に放出するパージ弁とを有
   する燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制
   御装置において、 上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定し
   た場合に、燃料ガス圧力を上昇させるように上記ガス供
   給手段を制御した後に上記パージ弁を閉状態から開状態
   にする制御をし、上記燃料電池のセル電圧が所定値より
   も大きいと判定した場合に上記パージ弁を開状態から閉
   状態にする制御をすることを特徴とする燃料電池システ
   ムの制御装置。
2. 【請求項２】 電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟
   んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極
   側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃
   料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池
   に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   上記燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス入口とを挿通す
   る燃料循環路と、この燃料循環路に設けられ、上記燃料
   循環路内の気体の一部を外部に放出するパージ弁とを有
   する燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制
   御装置において、 上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定し
   た場合に、上記パージ弁を周期的に開閉制御し、上記燃
   料電池のセル電圧が所定値よりも大きいと判定した場合
   に上記パージ弁を閉状態にする制御をすることを特徴と
   する燃料電池システムの制御装置。
3. 【請求項３】 電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟
   んで構成されたセル構造体を複数積層し、上記酸化剤極
   側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃
   料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池
   に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   上記燃料電池の燃料ガス出口と燃料ガス入口とを挿通す
   る燃料循環路と、この燃料循環路に設けられ、上記燃料
   循環路内の気体の一部を外部に放出するパージ弁とを有
   する燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制
   御装置において、 上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定し
   た場合に、燃料ガス圧力を上昇させるように上記ガス供
   給手段を制御した後に上記パージ弁を周期的に開閉制御
   し、上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも大きいと判
   定した場合に上記パージ弁を閉状態にする制御をするこ
   とを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
4. 【請求項４】 上記燃料電池システムは、上記燃料循環
   路に複数のパージ弁を有し、 上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さいと判定し
   た場合に少なくとも一のパージ弁を開状態にする制御を
   し、前記一のパージ弁を開状態にしてから所定期間経過
   後において上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも小さ
   いと判定した場合に他のパージ弁を開状態にする制御を
   し、上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも大きいと判
   定した場合に開状態としたパージ弁を閉状態にする制御
   することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに
   記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 【請求項５】 上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも
   小さいと判定した場合に、燃料ガス圧力を段階的に上昇
   させるように上記ガス供給手段を制御することを特徴と
   する請求項１又は請求項３に記載の燃料電池システムの
   制御装置。
6. 【請求項６】 上記燃料電池のセル電圧が所定値よりも
   小さいと判定した場合に、燃料ガス圧力を上昇させると
   共に、上記酸化剤極における酸化剤ガス流量を保持する
   ように上記ガス供給手段を制御することを特徴とする請
   求項１、請求項３又は請求項５に記載の燃料電池システ
   ムの制御装置。