JP2007280844A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノード供給流路に大きな脈動を発生させ、アノード極に溜まった生成水を効率良く除去して循環ブロアの騒音を低減することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池２のアノード極へアノード供給流路５を通じて燃料ガスを供給し、アノード極から排出されたガスをアノード循環流路８によってアノード供給流路５へ循環させており、アノード極へ供給されるガスの圧力を調節するアノード調圧弁６と、アノード循環流路８内のガスを循環させる循環ブロア１０とを備え、循環ブロア１０の回転数変動とアノード調圧弁６の開度変動とを同期させてアノード供給流路５に大きな脈動を発生させてアノード極に溜まった生成水を取り除くことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池のアノード極から排出されるガスを循環ブロアによってアノード供給流路へ循環させる燃料電池システムに係り、特に循環ブロアの回転数の上昇を抑えることで騒音を低減しながらアノード極に溜まった生成水を除去する燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池システムは、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。

従来の燃料電池システムでは、セル電圧センサによって検出された燃料電池スタックのセル電圧を、コントロールユニットが読み込んでセル電圧を判定し、このセル電圧の判定結果により水素循環ポンプによる水素循環量の増加を行うか、あるいはパージ弁を開いて水素循環路内部のガスを系外へ放出するか制御していた。このような制御を行うことによって、燃料電池スタックのセル電圧が低下した場合でも燃費性能の低下を抑制しつつセル電圧を回復させることができるようにしていた。

このような制御を実施する燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００５−１００８２７号公報（特許文献１）が開示されている。
特開２００５−１００８２７号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、水素循環流量を増加させるために、水素循環ポンプの回転数を増加させているので、燃料電池システムが低負荷の状態のときにこのような制御を行うと、騒音が非常に大きくなってしまうという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード極へアノード供給流路を通じて燃料ガスを供給し、前記アノード極から排出されたガスをアノード循環流路によって前記アノード供給流路へ循環させる燃料電池システムにおいて、前記アノード極へ供給されるガスの圧力を調節するアノード調圧弁と、前記アノード循環流路内のガスを循環させる循環ブロアと、前記循環ブロアの回転数変動と前記アノード調圧弁の開度変動とを同期させて前記アノード極に溜まった生成水を取り除く生成水除去処理を実施する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、循環ブロアの回転数変動とアノード調圧弁の開度変動とを同期させるので、アノード供給流路に大きな脈動を発生させることができ、これによって循環ブロアの回転数を上昇させなくてもアノード極に溜まった生成水を効率良く除去できるとともに、循環ブロアによる騒音を低減することも可能となる。また、循環ブロアの回転数を低減できることにより、消費電力を節約することも可能となる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本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１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池システム１の各部を制御するコントローラ（制御手段）３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から燃料電池２のアノード極へ水素ガスを供給するアノード供給流路５と、アノード供給流路５を通じて供給される水素ガスの圧力を調節するアノード調圧弁６と、燃料電池２のアノード極に供給される水素ガスの圧力を検出するアノード圧力センサ（アノード圧力検出手段）７と、燃料電池２のアノード極で消費されなかった水素ガスを再循環させるアノード循環流路８と、アノード極から排出されたガスから水を分離する水セパレータ９と、燃料循環流路８内のガスを循環させる循環ブロア１０と、燃料電池２における反応で使用されない不純物を燃料循環流路８から排出するパージ流路１１と、パージ流路１１に設置されて不純物の排出を制御するパージ弁１２と、外部から吸入した空気を加圧して送出する空気圧縮機２１と、空気圧縮機２１へ吸入される空気の流量を計測するエアフロメータ２２と、空気圧縮機２１から燃料電池２のカソードへ空気を供給するカソード供給流路２３と、カソードに供給される空気に湿度を与える加湿器２４と、燃料電池２のカソードに供給される空気の圧力を検出するカソード圧力センサ２５と、カソードから排出されたガスを外部へ排気するカソードオフガス流路２６と、燃料電池２のカソードにおける空気の圧力を調節する空気調圧弁２７と、燃料電池２で発電された発電電流を検出する発電電流センサ（発電電流検出手段）２８とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池２ではアノード極に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード極（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード極（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
また、燃料電池２にはアノード供給流路５が接続されており、水素タンク４からアノード供給流路５、アノード調圧弁６を通じてアノード極に水素ガスが供給されている。燃料電池２で消費されなかった余剰の水素ガスは燃料電池２の生成水と共に水セパレータ９に送られ、水を分離した後にアノード循環流路８の途中に設けられた循環ブロア１０で加圧され、アノード供給流路５へ戻される。アノード調圧弁６の開度は、燃料電池システム１の負荷に応じて必要な圧力となるようにアノード圧力センサ７の出力に基づいてコントローラ３によりフィードバック制御されている。また、循環ブロア１０の回転数もコントローラ３により燃料電池システム１の負荷に応じて制御されている。

一方、燃料電池２にはカソード供給流路２３が接続されており、空気は外気から吸い込まれ、カソード供給流路２３の途中に設けられた空気圧縮機２１で圧縮されて燃料電池２に供給された後、余剰の空気はカソードオフガス流路２６を通り、空気調圧弁２７を通過して排出される。空気圧縮機２１の回転数は燃料電池システム１の負荷に応じて必要な空気流量を供給できるように、エアフロメータ２２の出力に基づいてコントローラ３によりフィードバック制御されている。また、空気調圧弁２７はカソードの空気圧力が必要とされる圧力となるようにカソード圧力センサ２５の出力に基づいてコントローラ３によりフィードバック制御されている。

コントローラ３は、図１に示す各種センサ（及び図示しない各種センサ）からの出力に基づいて燃料電池システム１を制御しており、特にアノード圧力センサ７、カソード圧力センサ２５、発電電流センサ２８からの出力信号を受信し、アノード調圧弁６、循環ブロア１０、パージ弁１１、空気圧縮機２１、空気調圧弁２７を制御して燃料電池２のアノード極に溜まった生成水を取り除くための生成水除去処理を実施している。このコントローラ３は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータにより構成することができる。ただし、コントローラ３を複数のマイクロコンピュータにより構成することも可能であり、後述するような燃料電池システム１の制御の他にも複数の制御を実行する装置として構成してもよい。

上記のように構成された燃料電池システム１では、低負荷時にアノード極を流れるガスの流速が低いため、生成水等が大量に燃料電池２のアノード流路に溜まり、燃料電池２の出力が低下してしまう。また、燃料電池システム１が急激な負荷上昇した場合には、アノード極におけるガス流量の増加に伴い、燃料電池２のアノード流路から大量の生成水が溢れ、この生成水が循環ブロア１０に流入し、循環ブロア１０が出力低下を引き起こしてしまう恐れがある。

そこで、以下に示す生成水除去処理を実施してこのような問題が生じないようにしている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による生成水除去処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まずコントローラ３がアイドル条件（例えば、車両がアクセルオフ状態で発電している状態）を検知すると、アノード調圧弁６をアイドル運転時の発電に必要となる水素ガスの圧力に対応した開度に保ち、循環ブロア１０をアイドル運転の回転数Ｒ１に設定するとともに（Ｓ１０１）、アノード調圧弁６の開度デューティー比Ｄをアイドル時の開度Ｄ１に設定する（Ｓ１０２）。

次にコントローラ３は、変動回数Ｎを１にセットし（Ｓ１０３）、時間カウントｔをｔ＝０に初期化して（Ｓ１０４）カウントを開始する。そして、Ｎ＝１であるか否かを判定し（Ｓ１０５）、Ｎ＝１である場合にはｔ０＝Ｆ／４としてｔ０を変動周期Ｆの１／４に設定し（Ｓ１０６）、Ｎ＝１でない場合にはｔ０＝０に設定する（Ｓ１０７）。ここで、変動周期Ｆは、アノード供給流路５及びアノード循環流路８からなる系において、燃料電池２のアノード極で水飛ばしが可能な脈動を得るために必要な周波数となるように設定されており、予め実験的に求めて設定されたものである。

次にコントローラ３は、目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１＋Ｒ２に設定して循環ブロア１０に回転指令を与え、回転数を上昇させる（Ｓ１０８）。ここでＲ１はアイドル時におけるアノードガス循環量を供給するために必要となる循環ブロア１０の回転数、Ｒ２は回転数の振幅であり、回転数を中央値Ｒ１に対して振幅Ｒ２だけ上昇させる制御を実施する。

そしてコントローラ３は、循環ブロア１０の回転数Ｒを読み込んで（Ｓ１０９）、回転数Ｒが中央値Ｒ１より大きいか否かを判定し（Ｓ１１０）、回転数Ｒが中央値Ｒ１より大きければアノード調圧弁６のデューティー比Ｄをアイドル時の設定値Ｄ１に対して開度振幅Ｄ２だけ開き側に設定する（Ｓ１１１）。ここで、循環ブロア１０の回転数Ｒの振幅Ｒ２及びアノード調圧弁６のデューティー比Ｄの開度振幅Ｄ２は、アノード供給流路５及びアノード循環流路８からなる系において、水飛ばしが十分に行え、なお且つ燃料電池２内部の電解質膜がカソード側との差圧によって破損しないような圧力振幅が得られる値の組み合わせとなっている。

次にコントローラ３は、時間ｔを読み込んで（Ｓ１１２）ｔ＝ｔ＋ｔ０に設定し（Ｓ１１３）、時間ｔ＋ｔ０がＦ／２を経過しているか否かを判定する（Ｓ１１４）。ここで、Ｆ／２を経過していない場合にはステップＳ１０８に戻って上述した処理を実施し、Ｆ／２を経過している場合には循環ブロア１０の目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１−Ｒ２に設定して回転指令を与え、循環ブロア１０の回転数を下降させる（Ｓ１１５）。

そしてコントローラ３は、循環ブロア１０の回転数Ｒを読み込んで（Ｓ１１６）回転数Ｒが中央値Ｒ１より大きいか否かを判定し（Ｓ１１７）、回転数Ｒが中央値Ｒ１以下になっている場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄをアイドル時の設定値Ｄ１に対して開度振幅Ｄ２だけ閉じ側に設定する（Ｓ１１８）。

次にコントローラ３は、時間ｔが変動周期Ｆを経過したか否かを判定し（Ｓ１１９）、変動周期Ｆを経過していない場合にはステップＳ１１５に戻って上述した処理を実施し、変動周期Ｆを経過している場合には変動回数ＮをＮ＝Ｎ＋１に設定する（Ｓ１２０）。

そしてコントローラ３は、アイドルスイッチがオフになっているか否かを判定し（Ｓ１２１）、オフになっていない場合にはステップＳ１０４に戻って上述した処理を繰り返し実施し、オフになっている場合には本実施形態の燃料電池システム１による生成水除去処理を終了する。ただし、上述した生成水除去処理の実施中においてアイドルスイッチがオフになった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

次に、上述した本実施形態の燃料電池システム１による生成水除去処理の作用を説明する。上述したように本実施形態の生成水除去処理では、循環ブロア１０の回転数Ｒを変動させて燃料電池２の入口圧力が高くなるように制御するとともに、アノード調圧弁６の開度Ｄも変動させて燃料電池２の入口圧力が高くなるように制御している。従って、両者の圧力変化を同期させることによって、アノード供給流路５に大きな脈動を発生させることができ、循環ブロア１０の回転数を低い回転数で変動させたとしても、燃料電池２のアノード極に溜まった生成水を効果的に排出することができる。

また、循環ブロア１０の回転数を定格付近まで上昇させる必要が無いので、燃料電池システム１のアイドル運転時のような低負荷運転域（例えば、燃料電池内の流量が低い状態や、ある一定の閾値以下の負荷で運転している状態）においても騒音を低減することが可能となる。

即ち、循環ブロア１０とアノード調圧弁６の両方で脈動を起こしているので、循環ブロア１０のみで同じ脈動を起こそうとした場合に比べて回転数を低く抑えることができ、水素を必要以上に外部に放出する必要がなく、効率の良い運転を実現することができる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、循環ブロア１０の回転数変動とアノード調圧弁６の開度変動とを同期させているので、アノード供給流路５に大きな脈動を発生させることができ、これによって循環ブロア１０の回転数を上昇させなくてもアノード極に溜まった生成水を効率良く除去できるとともに、循環ブロア１０による騒音を低減することも可能となる。また、循環ブロア１０の回転数を低減できることにより、消費電力を節約することも可能となる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、循環ブロア１０の回転数を所定の周期で変動させ、循環ブロア１０の回転数の変動に同期させてアノード調圧弁６の開度を変動させるので、上述したようにアノード極に溜まった生成水を効率良く除去できるとともに、循環ブロア１０による騒音を低減することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

第１の実施形態では、循環ブロア１０の回転数変動にアノード調圧弁６の開度変動を同期させていたのに対して、本実施形態の生成水除去処理では、アノード調圧弁６の開度変動に循環ブロア１０の回転数変動を同期させるようにしたことが異なっている。

図３に示すように、本実施形態の生成水除去処理におけるステップＳ２０１〜Ｓ２０７は、図１のステップＳ１０１〜Ｓ１０７と同一なので説明は省略する。

ステップＳ２０８において、コントローラ３はアノード調圧弁６のデューティー比Ｄをアイドル時の設定値Ｄ１に対して開度振幅Ｄ２だけ開き側に設定し（Ｓ２０８）、目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１＋Ｒ２に設定して循環ブロア１０に回転指令を与え、回転数を上昇させる（Ｓ２０９）。

そしてコントローラ３は、時間ｔを読み込んで（Ｓ２１０）ｔ＝ｔ＋ｔ０に設定し（Ｓ２１１）、時間ｔがＦ／２を経過しているか否かを判定する（Ｓ２１２）。ここで、Ｆ／２を経過していない場合にはステップＳ２０８に戻って上述した処理を実施し、Ｆ／２を経過している場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄをアイドル時の設定値Ｄ１に対して開度振幅Ｄ２だけ閉じ側に設定し（Ｓ２１３）、循環ブロア１０の目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１−Ｒ２に設定して回転指令を与え、循環ブロア１０の回転数を下降させる（Ｓ２１４）。

次にコントローラ３は、時間ｔが変動周期Ｆを経過したか否かを判定し（Ｓ２１５）、変動周期Ｆを経過していない場合にはステップＳ２１３に戻って上述した処理を実施し、変動周期Ｆを経過している場合には変動回数ＮをＮ＝Ｎ＋１に設定する（Ｓ２１６）。そして、アイドルスイッチがオフになっているか否かを判定し（Ｓ２１７）、オフになっていない場合にはステップＳ２０４に戻って上述した処理を繰り返し実施し、オフになっている場合には本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。

ただし、上述した生成水除去処理の実施中においてアイドルスイッチがオフになった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、アノード調圧弁６の開度を所定の周期で変動させ、アノード調圧弁６の開度の変動に同期させて循環ブロア１０の回転数を変動させるので、循環ブロア１０の応答速度よりもアノード調圧弁６の応答性のほうが良いことを利用して、より正確に変動周期Ｆを制御することが可能となる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、アノード圧力センサ７で検出されたアノード圧力に基づいてアノード調圧弁６の開度変動を制御するようにしたことが第１の実施形態と異なっている。

図４に示すように、本実施形態の生成水除去処理におけるステップＳ３０１〜Ｓ３０７は、図１のステップＳ１０１〜Ｓ１０７と同一なので説明は省略する。

ステップＳ３０８において、コントローラ３は目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１＋Ｒ２に設定して循環ブロア１０に回転指令を与え、回転数を上昇させる（Ｓ３０８）。

そしてコントローラ３は、時間ｔを読み込んで（Ｓ３０９）ｔ＝ｔ＋ｔ０に設定し（Ｓ３１０）、時間ｔにおける目標圧力Ｐｔ（ｔ）を読み込む（Ｓ３１１）。

ここで、目標圧力Ｐｔ（ｔ）は、図５（ａ）に示すように変動周期Ｆ、中央値Ｐ１、片側振幅Ｐ２で変動する圧力の時間関数であり、図５（ｂ）に示す時間と振幅との関係を示したテーブルがコントローラ３に格納されている。また、片側振幅Ｐ２は水排出効果が得られるように５ｋＰａ以上であり、燃料電池２の電解質膜の破損を防止するために１０ｋＰａ以下に設定されている。

こうして目標圧力Ｐｔ（ｔ）を取得したら、次にコントローラ３は、アノード圧力センサ７で検出されるアノード圧力Ｐを読み込み（Ｓ３１２）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（ｔ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ３１３）。そして、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（ｔ）よりも大きい場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを減少させ（Ｓ３１４）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（ｔ）以下となる場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを増加させて（Ｓ３１５）、時間ｔがＦ／２を経過しているか否かを判定する（Ｓ３１６）。ここで、Ｆ／２を経過していない場合にはステップＳ３０８に戻って上述した処理を実施し、Ｆ／２を経過している場合には目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１−Ｒ２に設定して循環ブロア１０に回転指令を与え、回転数を下降させて（Ｓ３１７）、時間ｔにおける目標圧力Ｐｔ（ｔ）を読み込む（Ｓ３１８）。

そしてコントローラ３は、アノード圧力センサ７で検出されるアノード圧力Ｐを読み込み（Ｓ３１９）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（ｔ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ３２０）。ここで、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（ｔ）よりも大きい場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを減少させ（Ｓ３２１）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（ｔ）以下となる場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを増加させて（Ｓ３２２）、時間ｔがＦを経過しているか否かを判定する（Ｓ３２３）。

そしてコントローラ３は、時間ｔが変動周期Ｆを経過していない場合にはステップＳ３１７に戻って上述した処理を実施し、変動周期Ｆを経過している場合には変動回数ＮをＮ＝Ｎ＋１に設定して（Ｓ３２４）、アイドルスイッチがオフになっているか否かを判定する（Ｓ３２５）。ここで、アイドルスイッチがオフになっていない場合にはステップＳ３０４に戻って上述した処理を繰り返し実施し、オフになっている場合には本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。ただし、上述した生成水除去処理の実施中においてアイドルスイッチがオフになった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

また、図４のフローチャートでは、アノード圧力に基づいてアノード調圧弁６の開度を変動させるように制御していたが、アノード圧力に基づいて循環ブロア１０の回転数を変動させるように制御してもよい。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、アノード圧力センサ７で検出されたアノード圧力に基づいてアノード調圧弁６の開度変動あるいは循環ブロア１０の回転数変動を制御するので、アノード供給流路５の圧力変動を予め設定した圧力変動となるようにフィードバック制御することができ、これによってより確実に生成水の排出効果が得られるとともに、燃料電池２の電解質膜が破損することを確実に防止できる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、発電電流センサ２８によって検出された燃料電池２の発電電流値が所定のしきい値以下のときに生成水除去処理を実施するようにしたことが、第１〜第３の実施形態と異なっている。

燃料電池２のアノード極に生成水が溜まる条件は、燃料電池２の発電電流が所定のしきい値以下となる低負荷運転のときである。従って、アイドル時だけでなく定格負荷以下となる低負荷運転のときにも生成水除去処理を実施することによって、より確実にアノード極から生成水を排水することが可能となる。

次に、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。図６に示すように、まずコントローラ３は、発電電流センサ２８で検出された燃料電池２の発電電流Ｉを読み込み（Ｓ４０１）、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより小さいか否かを判定する（Ｓ４０２）。

ここで、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈ以上のときにはステップＳ４０１に戻って繰り返し発電電流Ｉの読み込みを行い、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより小さくなると、上述した第１〜第３の実施形態で説明した生成水除去処理を実行する（Ｓ４０３）。

そしてコントローラ３は、生成水除去処理を実行したら、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きいか否かを判定し（Ｓ４０４）、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈ以下のときにはステップＳ４０３に戻って生成水除去処理を繰り返し行う。一方、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きくなると、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。ただし、上述した生成水除去処理の実施中において発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きくなった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、発電電流センサ２８によって検出された発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈ以下のときに生成水除去処理を実施するので、アイドル時だけでなく低負荷運転時にもアノード極に溜まった生成水を除去することができる。

＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態を図７に基づいて説明する。図７は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２の発電電流Iに基づいて生成水の時間積分値を求め、この生成水の時間積分値が所定のしきい値より大きくなったときに生成水除去処理を実施するようにしたことが、第４の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を図７のフローチャートに基づいて説明する。図７に示すように、まずコントローラ３は、発電電流センサ２８で検出された燃料電池２の発電電流Ｉを読み込み（Ｓ５０１）、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより小さいか否かを判定する（Ｓ５０２）。

ここで、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈ以上のときにはステップＳ５０１に戻って繰り返し発電電流Ｉの読み込みを行い、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより小さくなると、予め設定されているテーブルに基づいて発電電流Ｉから水排出量Ｗを求める（Ｓ５０３）。

そしてコントローラ３は、この水排出量Ｗの時間積分値Ｓｗを算出し（Ｓ５０４）、この時間積分値Ｓｗが所定のしきい値Ｓｗｔｈより大きいか否かを判定する（Ｓ５０５）。このしきい値Ｓｗｔｈは燃料電池２のアノード流路に生成水が溜まったとしても問題のない量を予め実験などにより求めて設定しておく。

ここで、時間積分値Ｓｗが所定のしきい値Ｓｗｔｈ以下のときにはステップＳ５０３に戻って上述した処理を実施し、時間積分値Ｓｗが所定のしきい値Ｓｗｔｈより大きいときには上述した第１〜第３の実施形態で説明した生成水除去処理を実行する（Ｓ５０６）。この生成水除去処理を実行したら、変動回数Ｎが所定回数Ｎｔｈよりも多いか否かを判定し（Ｓ５０７）、変動回数Ｎが所定回数Ｎｔｈ以下のときにはステップＳ５０６に戻って生成水除去処理を繰り返し実行する。また、変動回数Ｎが所定回数Ｎｔｈより多いときには本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。ただし、上述した生成水除去処理の実施中において発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きくなった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２の発電電流Ｉに基づいて生成水の時間積分値Ｓｗを求め、この生成水の時間積分値Ｓｗが所定のしきい値Ｓｗｔｈより大きくなったときに生成水除去処理を実施するので、生成水をしきい値Ｓｗｔｈまで溜めることにより生成水の排出回数を低減することができ、これによって循環ブロア１０の騒音をさらに低減することが可能となる。

＜第６の実施形態＞
次に、本発明の第６の実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２の発電電流Ｉに基づいて、アノード調圧弁６の開度変動周期Ｆ、あるいは循環ブロア１０の回転数変動周期Ｆを変化させるようにしたことが第３の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を図８のフローチャートに基づいて説明する。図８に示すように、まずコントローラ３は、発電電流センサ２８で検出された燃料電池２の発電電流Ｉを読み込み（Ｓ６０１）、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより小さいか否かを判定する（Ｓ６０２）。

ここで、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈ以上のときにはステップＳ６０１に戻って繰り返し発電電流Ｉの読み込みを行い、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより小さくなると、循環ブロア１０をアイドル運転の回転数Ｒ１に設定するとともに（Ｓ６０３）、アノード調圧弁６の開度デューティー比Ｄをアイドル時の開度Ｄ１に設定する（Ｓ６０４）。

次にコントローラ３は、変動回数Ｎを１にセットし（Ｓ６０５）、発電電流センサ２８で検出された燃料電池２の発電電流Ｉを読み込んで（Ｓ６０６）、予め設定されているテーブルから発電電流Iに対応する変動周期Ｆを読み込む（Ｓ６０７）。そして、時間カウントｔをｔ＝０に初期化して（Ｓ６０８）カウントを開始し、Ｎ＝１であるか否かを判定する（Ｓ６０９）。ここで、Ｎ＝１である場合にはｔ０＝Ｆ／４としてｔ０を変動周期Ｆの１／４に設定し（Ｓ６１０）、Ｎ＝１でない場合にはｔ０＝０に設定する（Ｓ６１１）。

次にコントローラ３は、目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１＋Ｒ２に設定して循環ブロア１０に回転指令を与え、回転数を上昇させ（Ｓ６１２）、時間ｔを読み込んで（Ｓ６１３）ｔ＝ｔ＋ｔ０に設定し（Ｓ６１４）、時間ｔにおけるアノード極の目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）をマップから読み込む（Ｓ６１５）。

ここで、目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）は、変動周期Ｆと時間ｔの関数として予めマップに記録され、コントローラ３に格納されている。

こうして目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）を取得したら、次にアノード圧力センサ７で検出されるアノード圧力Ｐを読み込み（Ｓ６１６）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ６１７）。そして、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）よりも大きい場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを減少させ（Ｓ６１８）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）以下となる場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを増加させて（Ｓ６１９）時間ｔがＦ／２を経過しているか否かを判定する（Ｓ６２０）。ここで、Ｆ／２を経過していない場合にはステップＳ６１２に戻って上述した処理を実施し、Ｆ／２を経過している場合には目標回転数ＲｔをＲｔ＝Ｒ１−Ｒ２に設定して循環ブロア１０に回転指令を与え、回転数を下降させて（Ｓ６２１）時間ｔにおける目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）をマップから読み込む（Ｓ６２２）。

そしてコントローラ３は、アノード圧力センサ７で検出されるアノード圧力Ｐを読み込み（Ｓ６２３）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ６２４）。ここで、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）よりも大きい場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを減少させ（Ｓ６２５）、アノード圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ（Ｆ、ｔ）以下となる場合にはアノード調圧弁６のデューティー比Ｄを増加させて（Ｓ６２６）時間ｔがＦを経過しているか否かを判定する（Ｓ６２７）。

そしてコントローラ３は、時間ｔが変動周期Ｆを経過していない場合にはステップＳ６２１に戻って上述した処理を実施し、変動周期Ｆを経過している場合には変動回数ＮをＮ＝Ｎ＋１に設定して（Ｓ６２８）発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きいか否かを判定し（Ｓ６２９）、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈ以下のときにはステップＳ６０６に戻って上述した処理を繰り返し実施する。一方、発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きくなると、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。ただし、上述した生成水除去処理の実施中において発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きくなった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

また、図８のフローチャートでは、循環ブロア１０の回転数変動周期Ｆを変化させる場合を一例として示したが、アノード調圧弁６の開度変動周期Ｆを変化させるように制御してもよい。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２の発電電流Ｉに基づいて、アノード調圧弁６の開度を変動させる周期Ｆ、あるいは循環ブロア１０の回転数を変動させる周期Ｆを変化させるので、アノード極で生成水の発生が少なくなる運転領域において循環ブロア１０の変動回数を減らすことができ、これによって消費電力を減らすことができるとともに、騒音を低減することもできる。

＜第７の実施形態＞
次に、本発明の第７の実施形態を図９に基づいて説明する。図９は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２の発電電流Ｉに基づいてアノード極における目標圧力を設定するようにしたことが第６の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を図９のフローチャートに基づいて説明する。ただし、図９のフローチャートは図８に示した第６の実施形態のフローチャートとほぼ同様になるので、相違点のみを詳しく説明する。

図９に示すように、本実施形態の生成水除去処理におけるステップＳ７０１〜Ｓ７０６は、図８のステップＳ６０１〜Ｓ６０６と同一なので説明は省略する。また、本実施形態のステップＳ７０７〜Ｓ７１３は、図８のステップＳ６０８〜Ｓ６１４と同一なので説明は省略する。

ステップＳ７１４において、コントローラ３は燃料電池２の発電電流Ｉと時間ｔとに基づいて燃料電池２のアノード極の目標圧力Ｐｔ（Ｉ、ｔ）をマップから読み込む。このマップは予め実験などによって求められたもので、コントローラ３に格納されている。燃料電池２で生じる生成水の量は発電電流Ｉに応じて決まるので、発電電流Ｉに基づいてアノード極の目標圧力Ｐｔ（Ｉ、ｔ）を設定することにより、アノード極に溜まった生成水を確実に排出することができる。また、アノード極で生成水の発生が少なくなる運転領域では、循環ブロア１０の負担を減らすことができるので、消費電力を減らすことができるとともに、騒音を低減することもできる。

この後、ステップＳ７１５〜Ｓ７２０は、図８のステップＳ６１６〜Ｓ６２１と同一の処理が実施され、ステップＳ７２１では、燃料電池２の発電電流Ｉと時間ｔとに基づいて燃料電池２のアノード極の目標圧力Ｐｔ（Ｉ、ｔ）をマップから読み込む。

そして、ステップＳ７２２〜Ｓ７２８は、図８のステップＳ６２３〜Ｓ６２９と同一の処理が実施され、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。ただし、上述した生成水除去処理の実施中において発電電流Ｉが所定のしきい値Ｉｔｈより大きくなった場合には、常時割り込みを許可してアノード調圧弁６及び循環ブロア１０の通常時における制御が優先して実行される。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池２の発電電流Ｉに基づいて、アノード極における目標圧力Ｐｔ（Ｉ、ｔ）を設定するので、アノード極に溜まった生成水を確実に排出することができる。また、アノード極で生成水の発生が少なくなる運転領域では、循環ブロア１０の負担を減らすことができるので、消費電力を減らすことができるとともに、騒音を低減することもできる（請求項８の効果）。

＜第８の実施形態＞
次に、本発明の第８の実施形態を図１０に基づいて説明する。図１０は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、アノード調圧弁６の開度変動、あるいは循環ブロア１０の回転数変動に同期させてパージ弁１２を開閉するようにしたことが第７の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を図１０のフローチャートに基づいて説明する。ただし、図１０のフローチャートは図９に示した第７の実施形態のフローチャートとほぼ同様なので、相違点のみを詳しく説明する。

図１０に示すように、本実施形態の生成水除去処理では、ステップＳ８０５とＳ８２０でパージ弁１２を閉じる制御を実施し、ステップＳ８２８でパージ弁１２を開放する制御を実施するようにしたことが、図９に示した第７の実施形態のフローチャートとの相違点である。

すなわちコントローラ３は、アノード極の圧力を上昇させるステップＳ８１２〜Ｓ８１９の処理を実行する際にはパージ弁１２を閉じてアノード極の圧力がさらに上昇するような制御を行い、アノード極の圧力を低下させるステップＳ８２２〜Ｓ８２７の処理を実行する際にはパージ弁１２を開放してアノード極の圧力がさらに低下するように制御を行う。

また、図１０のフローチャートでは、循環ブロア１０の回転数変動に同期させてパージ弁１２を開閉する場合を一例として示したが、アノード調圧弁６の開度変動に同期させてパージ弁１２を開閉するように制御してもよい。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、アノード調圧弁６の開度変動、あるいは循環ブロア１０の回転数変動に同期させてパージ弁１２を開閉するので、循環ブロア１０とアノード調圧弁６だけでアノード極に脈動を発生させた場合よりもより大きな脈動を発生させることができる。これによって燃料電池２のアノード極に溜まった生成水を確実に排出できるとともに、循環ブロア１０の負担を軽くできることにより、騒音をさらに低減することが可能となる。

＜第９の実施形態＞
次に、本発明の第９の実施形態を図１１に基づいて説明する。図１１は、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、アノード調圧弁６の開度変動、あるいは循環ブロア１０の回転数変動に同期させて空気調圧弁２７の開度を変動させるようにしたことが第７の実施形態と異なっている。

次に、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を図１１のフローチャートに基づいて説明する。図１１に示すように、本実施形態の生成水除去処理におけるステップＳ９０１〜Ｓ９１８は、図９のステップＳ７０１〜Ｓ７１８と同一なので説明は省略する。

ステップＳ９１９において、コントローラ３は、カソード目標圧力ＰｃｔをＰｃｔ＝Ｐｔ（Ｉ、ｔ）に設定し、カソード圧力センサ２５によって検出されたカソード圧力Ｐｃを読み込んで（Ｓ９２０）カソード圧力Ｐｃがカソード目標圧力Ｐｃｔより大きくなっているか否かを判定する（Ｓ９２１）。

ここで、カソード圧力Ｐｃがカソード目標圧力Ｐｃｔより大きくなっているときには空気調圧弁２７の開度を開くように制御し（Ｓ９２２）、カソード圧力Ｐｃがカソード目標圧力Ｐｃｔ以下のときには空気調圧弁２７の開度を閉じるように制御する（Ｓ９２３）。

この後、ステップＳ９２４〜Ｓ９３０の処理を実施するが、図９のステップＳ７１９〜Ｓ７２５と同一なので説明は省略する。

そしてコントローラ３は、ステップＳ９３１において、カソード目標圧力ＰｃｔをＰｃｔ＝Ｐｔ（Ｉ、ｔ）に設定し、カソード圧力センサ２５によって検出されたカソード圧力Ｐｃを読み込んで（Ｓ９３２）カソード圧力Ｐｃがカソード目標圧力Ｐｃｔより大きくなっているか否かを判定する（Ｓ９３３）。

ここで、カソード圧力Ｐｃがカソード目標圧力Ｐｃｔより大きくなっているときには空気調圧弁２７の開度を閉じるように制御し（Ｓ９３４）、カソード圧力Ｐｃがカソード目標圧力Ｐｃｔ以下のときには空気調圧弁２７の開度を開放するように制御する（Ｓ９３５）。

そしてコントローラ３は、ステップＳ９３６〜Ｓ９３８は、図９のステップＳ７２６〜Ｓ７２８と同一の処理が実施され、本実施形態の燃料電池システムによる生成水除去処理を終了する。ただし、図１１のフローチャートでは、循環ブロア１０の回転数変動に同期させて空気調圧弁２７の開度を制御する場合を一例として示したが、アノード調圧弁６の開度変動に同期させて空気調圧弁２７の開度を制御するようにしてもよい。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、アノード調圧弁６の開度変動、あるいは循環ブロア１０の回転数変動に同期させて空気調圧弁２７の開度を変動させるので、アノード流路とカソード流路との間の差圧を小さくすることができ、これによって燃料電池２の電解質膜が破損することを防止できる。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の第１の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。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 アノード極における目標圧力の時間変化を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池システムによる生成水除去処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コントローラ（制御手段）
４ 水素タンク
５ アノード供給流路
６ アノード調圧弁
７ アノード圧力センサ（アノード圧力検出手段）
８ アノード循環流路
９ 水セパレータ
１０ 循環ブロア
１１ パージ流路
１２ パージ弁
２１ 空気圧縮機
２２ エアフロメータ
２３ カソード供給流路
２４ 加湿器
２５ カソード圧力センサ
２６ カソードオフガス流路
２７ 空気調圧弁
２８ 発電電流センサ（発電電流検出手段）

Claims (10)

1. 燃料電池のアノード極へアノード供給流路を通じて燃料ガスを供給し、前記アノード極から排出されたガスをアノード循環流路によって前記アノード供給流路へ循環させる燃料電池システムにおいて、
   前記アノード極へ供給されるガスの圧力を調節するアノード調圧弁と、
   前記アノード循環流路内のガスを循環させる循環ブロアと、
   前記循環ブロアの回転数変動と前記アノード調圧弁の開度変動とを同期させて前記アノード極に溜まった生成水を取り除く生成水除去処理を実施する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記循環ブロアの回転数を所定の周期で変動させ、前記循環ブロアの回転数の変動に同期させて前記アノード調圧弁の開度を変動させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記アノード調圧弁の開度を所定の周期で変動させ、前記アノード調圧弁の開度の変動に同期させて前記循環ブロアの回転数を変動させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池のアノード極の圧力を検出するアノード圧力検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記アノード圧力検出手段で検出されたアノード圧力に基づいて前記アノード調圧弁の開度変動あるいは前記循環ブロアの回転数変動を制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記発電電流検出手段によって検出された発電電流が所定のしきい値以下のときに前記生成水除去処理を実施することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流に基づいて前記生成水の時間積分値を求め、この生成水の時間積分値が所定のしきい値より大きくなったときに前記生成水除去処理を実施することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流に基づいて、前記アノード調圧弁の開度を変動させる周期、あるいは前記循環ブロアの回転数を変動させる周期を変化させることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流に基づいて、前記生成水除去処理を実施する際の前記アノード極における目標圧力を設定することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記アノード循環流路から外部へガスを排出するパージ弁をさらに備え、
   前記制御手段は、前記アノード調圧弁の開度変動、あるいは前記循環ブロアの回転数変動に同期させて前記パージ弁を開閉することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池のカソード極の圧力を調節する空気調圧弁をさらに備え、
    前記制御手段は、前記アノード調圧弁の開度変動、あるいは前記循環ブロアの回転数変動に同期させて前記空気調圧弁の開度を変動させることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images