JP2015076246A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内のアノードガス流路における排水性を確保する。【解決手段】アノードガス及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、燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転手段と、燃料電池システムの運転状態に応じて、脈動幅を小さく制限する制限手段と、制限手段によって脈動幅が小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施するものがある（特許文献１参照）。

特開２００５−２４３４７６号公報

脈動運転を実施する燃料電池システムにおいて、燃料電池内のアノードガス流路における排水性を確保するには、脈動運転時の脈動幅と、脈動運転時にアノードガスの圧力を昇圧させるときの昇圧変化率とを、適切に設定する必要がある。

そこで、現在開発中の燃料電池システムでは、脈動幅を、基本的に燃料電池の要求発電量に応じて設定していた。また、昇圧変化率を、この燃料電池の要求発電量に応じて設定された脈動幅でアノードガスを昇圧させたときに、生成水を排出するために必要なガス流速を確保できる変化率に設定していた。

しかしながら、燃料電池システムの運転状態によっては、脈動幅が制限されて、燃料電池の要求発電量に応じて設定された脈動幅より狭くしなければならないことがある。

そうすると、脈動幅が制限されたにもかかわらず、燃料電池の要求発電量に応じて設定された脈動幅に応じた昇圧変化率でアノードガスを昇圧させていたのでは、十分な排水性を確保できなくなるおそれがある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの運転状態に応じて脈動幅が制限された場合であっても、燃料電池内のアノード側における排水性を確保することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転手段と、燃料電池システムの運転状態に応じて、脈動幅を小さく制限する制限手段と、制限手段によって脈動幅が小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大補正する補正手段と、を備える燃料電池システムが提供される。

この態様によれば、燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅が、燃料電池システムの運転状態に応じて小さく制限されたときは、昇圧変化率が増大補正されるので、制限された脈動幅に応じた適切な昇圧変化率でアノードガスの圧力を昇圧させることができる。したがって、燃料電池内のアノード側における排水性を確保することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池の概略斜視図である。 図１の燃料電池のII−II断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の一実施形態によるアノード圧力制御部の詳細構成を示すブロック図である。 水素分圧下限値演算部の詳細構成を示すブロック図である。 昇圧変化率演算部の詳細構成を示すブロック図である。 脈動制御部の詳細構成を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるアノード圧力制御部の動作について説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

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）とによって挟み、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)

この（１）（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及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

燃料電池１０は、ＭＥＡ１１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、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、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、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池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、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１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１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１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、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ２６の検出値を検出カソード圧という。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁２８を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。以下では、このアノード圧力センサ３４の検出値を「検出アノード圧力」という。

アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がバッファタンク３６に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード電極側からアノード電極側へと透過してきた窒素や水分（生成水や水蒸気）などを含む不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれているときに、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。

パージ通路３７は、一端が第１アノードガス排出通路３５に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

アノードガス排出通路３５を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端が燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が所定温度よりも低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「入口水温」という。）を検出する。

出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「出口水温」という。）を検出する。

電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。

走行モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、走行モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ５３に供給する。一方で、走行モータ５３を発電機として機能させるときは、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。

コントローラ６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６には、前述したエアフローセンサ２４等の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ６１や、外気温を検出する外気温センサ６２などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。

コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。

そしてコントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ５３や補機類に必要な電力を供給する。またコントローラ６は、目標出力電流に応じて燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量及び圧力を制御する。具体的には、目標出力電流が高くなるほど、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量及び圧力を大きくする。

また、コントローラ６は、燃料電池システムの１００の起動時の外気温と、起動からの燃料電池システムの運転状態（例えば出口水温等）と、に基づいて、バッファタンク３６内の温度（以下「バッファタンク温度」という。）を推定することで検出する。なお、バッファタンク３６に直接温度センサを設けてバッファタンク温度を検出しても良い。

また、コントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度（含水率）が発電に適した湿潤度になるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。具体的には、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係にある燃料電池スタック１の内部インピーダンス（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）を、例えば交流インピーダンス法等によって算出し、ＨＦＲが目標値となるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。

また、コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード圧力を周期的に昇降圧させる脈動運転を行う。脈動運転では、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力及び脈動下限圧力の範囲内でアノード圧力を周期的に昇降圧させて、アノード圧力を脈動させる。このような脈動運転を行うことで、アノード圧力の昇圧時にアノードガス流路１２１の液水をアノードガス排出通路３５へ排出し、アノードガス流路１２１における排水性を確保している。

ここで、脈動運転によって排水性を確保するためには、脈動運転時の脈動幅とアノード圧力の昇圧変化率（昇圧速度）とを適切に設定する必要がある。

アノードガス流路１２１内の液水量は、燃料電池スタック１の目標出力電流が高くなるほど多くなる傾向にある。そのため、基本的に燃料電池スタック１の目標出力電流が高くなるほど脈動幅が大きくなるように設定していた。そして、アノード圧力の昇圧変化率を、目標出力電流に応じて設定した脈動幅でアノード圧力を昇圧させたときに、アノードガス流路１２１の液水を排出するために必要なガス流速を確保できる変化率に設定していた。

しかしながら、燃料電池システム１００の運転状態によっては、種々の制限によって、目標出力電流に応じて設定される脈動上限圧力や脈動下限圧力までアノード圧力を上げることや下げることができない場合がある。つまり、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限される場合がある。

脈動幅が小さく制限されたにもかかわらず、アノード圧力の昇圧変化率を、目標出力電流に応じて設定した脈動幅で排水性を確保できる昇圧変化率のままに設定していては、排水性を確保できなくなるおそれがある。

そこで本実施形態では、脈動幅が、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大する方向に補正してアノード圧力の昇圧速度を速めることとした。これにより、脈動幅が小さく制限された場合であっても、アノードガス流路１２１の排水性を確保することした。

図４は、本実施形態によるアノード圧力制御部７の詳細構成を示すブロック図である。

アノード圧力制御部７は、脈動下限圧力演算部７１と、脈動上限圧力演算部７２と、昇圧変化率演算部７３と、脈動制御部７４と、を備える。

脈動下限圧力演算部７１には、検出カソード圧力、大気圧、ＨＦＲ、入口水温及び出口水温が入力される。脈動下限圧力演算部７１は、これらの入力値に基づいて、脈動運転時における下限側のアノード圧力の目標値（以下「脈動下限圧力」という。）を算出する。以下、脈動下限圧力演算部７１について詳しく説明する。

脈動下限圧力演算部７１は、水素分圧下限値演算部７１１と、脈動下限圧力設定部７１２と、を備える。

水素分圧下限値演算部７１１は、アノードガス流路１２１内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧力の下限値（以下「水素分圧下限値」という。）を演算する。

アノードガス流路１２１には、ＭＥＡ１１を介してカソードガス流路１３１から窒素や水分（液水や水蒸気）等の不純物が透過してくる。この不純物の透過量は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど多くなる。また、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど飽和水蒸気量も多くなる。そのため、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、アノードガス流路１２１内における不純物ガスの分圧が相対的に高くなり、水素分圧が相対的に低くなってしまう。水素分圧が低くなりすぎると、アノード電極１１２の発電領域における水素濃度が低下してしまう。この状態で発電が継続されると、燃料電池１０が劣化するおそれがある。

そこで本実施形態では、アノードガス流路１２１内の水素分圧を確保するために必要なアノード圧力の下限値として、水素分圧下限値を演算し、水素分圧下限値よりもアノード圧力が低下しないようにしている。

図５は、水素分圧下限値演算部７１１の詳細構成を示すブロック図である。

水素分圧下限値演算部７１１は、基本下限値演算部７１１１と、補正係数演算部７１１２と、水素分圧下限値算出部７１１３と、を備える。

基本下限値演算部７１１１には、入口水温と出口水温とが入力される。基本下限値演算部７１１１は、図５に示したマップを参照し、入口水温と出口水温とに基づいて、基本下限値を演算する。図５のマップ示すように、基本下限値は、入口水温が高くなるほど、また出口水温が高くなるほど大きくなる。つまり、基本下限値は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど大きくなる。これは前述した通り、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、アノードガス流路１２１内の水素分圧が相対的に低下するためである。

補正係数演算部７１１２には、ＨＦＲが入力される。補正係数演算部７１１２は、図５のテーブルを参照し、ＨＦＲに基づいて、補正係数を演算する。図５のテーブルに示すように、補正係数は、ＨＦＲが小さいときのほうが大きくなる。これは、ＨＦＲが小さいときほど、電解質膜１１１の含水率が高く、アノードガス１２１流路内の水分量が多いと考えられるからである。

水素分圧下限値算出部７１１３は、基本下限値に補正係数を掛けたゲージ水素分圧下限値に、大気圧を足して絶対圧に変換したものを、水素分圧下限値として算出する。

再び図４に戻って脈動下限圧力演算部７１の脈動下限圧力設定部７１２について説明する。

脈動下限圧力設定部７１２には、検出カソード圧力と、水素分圧下限値と、が入力される。脈動下限圧力設定部７１２は、これら２つの入力値のうち、大きい方を脈動下限圧力として設定する。脈動下限圧力設定部７１２は、通常は検出カソード圧力を脈動下限圧力として設定する。そして、燃料電池システム１００の運転状態に応じて水素分圧下限値が増加し、検出カソード圧力よりも大きくなったときは、水素分圧下限値を脈動下限圧力として設定し、水素分圧を確保する。

脈動上限圧力演算部７２には、大気圧と、検出カソード圧力と、目標出力電流と、ＨＦＲと、が入力される。脈動上限圧力演算部７２は、これらの入力値に基づいて、脈動運転時における上限側のアノード圧力の目標値（以下「脈動上限圧力」という。）を演算する。以下、脈動上限圧力演算部７２について詳しく説明する。

脈動上限圧力演算部７２は、システム上限値算出部７２１と、膜保護上限値算出部７２２と、脈動幅演算部７２３と、基本脈動上限圧力演算部７２４と、脈動上限圧力設定部７２５と、を備える。

システム上限値算出部７２１には、大気圧が入力される。システム上限値算出部７２１は、大気圧に所定のシステム耐圧を足したものを、燃料電池システム１００の耐久性を確保するために必要なアノード圧力の上限値（以下「システム上限値」という。）として算出する。システム耐圧は、燃料電池スタック１やアノードガス供給通路３２等の耐圧性能に応じて定まる所定値である。つまりシステム上限値は、燃料電池スタック１やアノードガス供給通路３２等に耐圧性能を超える圧力がかからないようにするための、アノード圧力の上限側の制限値である。

膜保護上限値算出部７２２には、検出カソード圧力が入力される。膜保護上限値算出部７２２は、検出カソード圧力に所定の許容膜間差圧を足したものを、電解質膜１１１の耐久性を確保するために必要なアノード圧力の上限値（以下「膜保護上限値」という。）として算出する。膜保護上限値は、燃料電池スタック１内におけるアノード側とカソード側との差圧が、電解質膜１１１を劣化させるような過大な値とならないようにするための、アノード圧力の上限側の制限値である。

脈動幅演算部７２３には、目標出力電流と、ＨＦＲと、が入力される。脈動幅演算部７２３は、図４に示したマップを参照し、目標出力電流とＨＦＲとに基づいて、脈動幅を演算する。図４のマップに示すように、脈動幅は、目標出力電流が高くなるほど、また、ＨＦＲが小さくなるほど大きくなる。つまり、燃料電池スタック１内の水分量が多くなるほど、大きくなる。

基本脈動上限圧力演算部７２４には、脈動幅と、脈動下限圧力と、が入力される。基本脈動上限圧力演算部７２４は、脈動幅に脈動下限圧力を足したものを、基本脈動上限圧力として算出する。

脈動上限圧力設定部７２５には、システム上限値、膜保護上限値及び基本脈動上限圧力が入力される。脈動上限圧力設定部７２５は、これら３つの入力値のうち、最も小さいものを脈動上限圧力として設定する。脈動上限圧力設定部７２５は、通常は基本脈動上限圧力を脈動上限圧力として設定する。そして、基本脈動上限圧力がシステム上限値又は膜保護上限値よりも大きくなったときは、システム上限値又は膜保護上限値を脈動上限圧力として設定する。

このように、システム上限値又は膜保護上限値が脈動上限圧力として設定されたときは、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限されることになる。

昇圧変化率演算部７３には、脈動上限圧力、脈動下限圧力、バッファタンク温度、入口水温及び出口水温が入力される。昇圧変化率演算部７３は、これらの入力値に基づいて、脈動運転時にアノード圧力を昇圧させるときの昇圧変化率（昇圧速度）を演算する。以下、図６を参照して、昇圧変化率演算部７３について詳しく説明する。

図６は、昇圧変化率演算部７３の詳細構成を示すブロック図である。

昇圧変化率演算部７３は、基準昇圧変化率演算部７３１と、補正値演算部７３２と、温度補正係数演算部７３３と、昇圧変化率算出部７３４と、を備える。

基準昇圧変化率演算部７３１には、脈動上限圧力が入力される。基準昇圧変化率演算部７３１では、まず所定の排水要求体積流量に所定の変換係数を掛けて、大気圧下においてアノードガスの供給流量を排水要求体積流量にするために必要な昇圧変化率を算出する。

排水要求体積流量は、目標出力電流に応じて設定される脈動幅で脈動運転を実施した場合において、アノードガス流路１２１の排水性確保に必要なガス流速を得るために燃料電池スタック１に最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量である。本実施形態で、この排水要求体積流量を、予め実験等によって定めた所定値としているが、目標出力電流が高くなるほど大きくなるようにしても良い。また変換係数も、予め実験等に予め定めた所定値としている。

この排水要求体積流量に変換係数を掛けて求まる昇圧変化率は、大気圧下において、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量が排水要求体積流量となるガス流速を得るための変化率である。ガス流速は、アノード圧力が高くなるほど低下するため、排水要求体積流量となるガス流速を得るためには、圧力が高くなるほど昇圧変化率も高くする必要がある。そのため、本実施形態では、排水要求体積流量に変換係数を掛けて求まる昇圧変化率に、脈動上限圧力を基準圧力（大気圧）で割った圧力補正係数を掛けたものを、基準昇圧変化率とする。

補正値演算部７３２には、脈動上限圧力と、脈動下限圧力と、脈動幅と、が入力される。補正値演算部７３２は、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも、実際の脈動幅が小さく制限されることになったときに、基準昇圧変化率を増大させるための補正値（以下「昇圧変化率補正値」という。）を演算する。

そのために、補正値演算部７３２ではまず、脈動上限圧力から脈動下限圧力を引いて、脈動運転時の実際の脈動幅を算出する。そして、目標出力電流に応じて設定される脈動幅（＝脈動幅演算部７２３で演算された脈動幅）から実際の脈動幅を引いて、脈動幅不足代を算出する。そして、図６のテーブルを参照し、この脈動幅不足代に基づいて、昇圧変化率補正値を算出する。図６のテーブルに示すように、脈動幅不足代が大きくなるほど、排水性が厳しくなるので、昇圧変化率補正値は大きくなる。

温度補正係数演算部７３３には、バッファタンク温度と、入口水温と、出口水温と、が入力される。脈動運転時の昇圧時には、アノードガス流路１２１に新しいアノードガスを供給し、アノードガス流路１２１内に残留するアノードオフガスをバッファタンク３６に押し込むことになる。

このとき、バッファタンク温度が高いほどバッファタンク３６内のアノードオフガスの体積が増加するので、燃料電池スタック１の温度と比較してバッファタンク温度が高いときは、アノードガス流路１２１内に残留するアノードオフガスをバッファタンク３６に押し込み難くなる。逆に、燃料電池スタック１の温度と比較してバッファタンク温度が低いときは、アノードガス流路１２１内に残留するアノードオフガスをバッファタンク３６に押し込み易くなる。

そのため、本実施形態では、バッファタンク温度を、平均水温算出部７３３１で算出した入口水温と出口水温との平均水温で除算した値（以下「温度比」という。）に予め実験等で定めた所定の定数を掛けたものを、温度補正係数として演算する。

昇圧変化率算出部７３４には、基準昇圧変化率と、昇圧変化率補正値と、温度補正係数と、が入力される。昇圧変化率算出部７３４は、基準昇圧変化率に昇圧変化率補正値を足したものに、温度補正係数を掛けて、昇圧変化率を算出する。

再び図４に戻って脈動制御部７４について説明する。

脈動制御部７４には、検出アノード圧力と、脈動上限圧力と、脈動下限圧力と、昇圧変化率と、が入力される。脈動制御部７４は、これらの入力値に基づいて、図７のフローチャートに従ってアノード調圧弁３３を制御し、アノード圧力を脈動させる。

図７は、脈動制御部７４の詳細構成を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ６は、アノード圧力が脈動上限圧力以上か否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が脈動上限圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ２の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動上限圧力未満であれば、ステップＳ３の処理を行う。

ステップＳ２において、コントローラ６は、目標アノード圧力を脈動下限圧力に設定する。

ステップＳ３において、コントローラ６は、アノード圧力が脈動下限圧力以下か否かを判定する。コントローラ６は、アノード圧力が脈動下限圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ４の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動下限圧力よりも高ければ、ステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ４において、コントローラ６は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定する。

ステップＳ５において、コントローラ６は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。

ステップＳ６において、コントローラ６は、脈動下限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が脈動下限圧力となるように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁３３の開度は全閉となり、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック１内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。

一方、コントローラ６は、脈動上限圧力が目標アノード圧力として設定されているときは、アノード圧力が、設定した昇圧変化率で脈動上限圧力まで昇圧するように、アノード調圧弁３３をフィードバック制御する。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、設定された昇圧変化率でアノード圧力が上昇する。

図８は、本実施形態によるアノード圧力制御部７の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で燃料電池システム１００が起動されると、入口水温と出口水温の平均水温が暖機完了温度（例えば６０℃）になる時刻ｔ２まで暖機運転が実施される。

時刻ｔ２で暖機運転が終了し、例えばアクセル操作量が増加して目標出力電流が増加すると、目標出力電流に応じて設定される脈動幅も増加する。そして、目標出力電流に応じて設定された脈動幅で脈動運転が実施される。

時刻ｔ３で、目標出力電流の増加による燃料電池スタック１の発熱量に対し、ラジエータ４２の冷却性能が不足して平均水温が増加すると、水素分圧下限値が増加する。これにより、水素分圧下限値が検出カソード圧力よりも大きくなり、脈動下限圧力が通常時（検出カソード圧力が脈動下限圧力として設定されているとき）よりも高くなる。

脈動上限圧力が通常時よりも高くなった結果、脈動下限圧力に脈動幅を足した基本脈動上限圧力も高くなるが、システム上限値及び膜保護上限値よりもまだ小さいので、引き続き目標出力電流に応じて設定された脈動幅で脈動運転が実施される。

時刻ｔ４で、脈動下限圧力に脈動幅を足した基本脈動上限圧力が膜保護上限値に達すると、膜保護上限値が脈動上限圧力として設定される。その結果、脈動幅が、目標出力電流に応じて設定される脈動幅よりも小さく制限された状態で脈動運転が実施される。

そのため、時刻ｔ４以降は、昇圧変化率が脈動幅不足代に応じて増大補正される。そのため、脈動幅が小さく制限された場合であっても、アノードガス流路１２１の排水性を確保することができる。

時刻ｔ５で目標出力電流が低下すると、再び通常通り、目標出力電流に応じて設定された脈動幅で脈動運転が実施される。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、アノードガス流路１２１の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの圧力を脈動させ、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、脈動幅を小さく制限する。そして、脈動幅が小さく制限されたときは、昇圧変化率を増大補正することとした。

このように、アノードガス流路１２１の排水要求に応じて設定された脈動幅が、燃料電池システム１００の運転状態に応じて小さく制限されたときは、昇圧変化率が増大補正されるので、制限された脈動幅に応じた適切な昇圧変化率でアノードガスの圧力を昇圧させることができる。したがって、アノードガス流路１２１における排水性を確保することができる。

そして本実施形態による燃料電池システム１００は、アノードガス流路１２１の排水性確保に必要なガス流速を得るために燃料電池スタック１に最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量に基づいて昇圧変化率を設定する。

アノードガス流路１２１の排水性を確保するには、単純に昇圧変化率を高くすれば良いとも考えられる。しかしながら、昇圧変化率を高くすると、単位時間当たりの脈動回数が増える。単位時間当たりの脈動回数が増えると、アノード調圧弁３３の開閉回数も増加するため、アノード調圧弁３３の劣化が早くなる。また、アノード側とカソード側との間に差圧がつく回数も増加するため、電解質膜１１１の劣化も早くなる。

したがって、本実施形態のように、アノードガス流路１２１の排水性確保に必要なガス流速を得るために燃料電池スタック１に最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量に基づいて昇圧変化率を設定することで、昇圧変化率を最小限に抑えつつ、脈動幅が小さく制限された場合であっても、アノードガス流路１２１における排水性を確保することができる。そのため、アノード調圧弁３３や電解質膜１１１の耐久性の悪化を抑制でき、ひいては燃料電池システム１００の耐久性や信頼性を確保することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、脈動上限圧力と脈動下限圧力との差分、すなわち実際の脈動幅が、アノードガス流路１２１の排水要求に応じて設定された脈動幅よりも小さくなったときに、その差分（脈動幅不足代）に基づいて昇圧変化率を増大補正する。

このように、アノードガス流路１２１の排水要求に応じて設定された脈動幅に対する不足分の脈動幅（脈動幅不足代）に基づいて昇圧変化率を補正することで、確実にアノードガス流路１２１における排水性を確保することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、脈動幅不足代（差分）に基づいて増大補正した昇圧変化率を、さらにバッファタンク温度と燃料電池スタック１の温度との温度比に応じて補正する。具体的には、バッファタンク温度が高くなるほど、また、燃料電池スタック１の温度が低くなるほど、昇圧変化率が大きくなるように補正する。

バッファタンク温度が高いほどバッファタンク３６内のアノードオフガスの体積が増加するので、燃料電池スタック１の温度と比較してバッファタンク温度が高いときは、アノードガス流路１２１内に残留するアノードオフガスをバッファタンク３６に押し込み難くなる。逆に、燃料電池スタック１の温度と比較してバッファタンク温度が低いときは、アノードガス流路１２１内に残留するアノードオフガスをバッファタンク３６に押し込み易くなる。

したがって、本実施形態のように、バッファタンク温度と燃料電池スタック１の温度との温度比に応じて昇圧変化率をさらに補正することで、より確実にアノードガス流路１２１における排水性を確保することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、アノードガスの圧力が、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力に電解質膜１１１を保護するための所定の許容膜間差圧を加えた膜保護上限値、及び、燃料電池システム１００の耐圧保護を図るためのシステム上限値を超えないようにしている。

そのため、燃料電池システム１００の耐久性を確保することができる。

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。

上記実施形態では、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて脈動幅を変動させていたが、一定としても良い。

また、上記実施形態では、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンク３６を設けていた。しかしながら、このようなバッファタンク３６を設けずに、例えば、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンク３６の代わりの空間としても良い。ここでいう内部マニホールドとは、アノードガス流路１２１を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路３５へと排出される。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
６ コントローラ（脈動運転手段、補正手段、バッファ部の温度を推定する手段
）
３６ バッファタンク（バッファ部）
４７ 入口水温センサ（燃料電池の温度を検出する手段）
４８ 出口水温センサ（燃料電池の温度を検出する手段）
１００ 燃料電池システム
１１１ 電解質膜

Claims (6)

1. アノードガス及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、
   前記燃料電池のアノード側の排水要求に応じて設定された脈動幅と昇圧変化率で、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転手段と、
   前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記脈動幅を小さく制限する制限手段と、
   前記制限手段によって前記脈動幅が小さく制限されたときは、前記昇圧変化率を増大補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記脈動運転手段は、
   前記燃料電池の負荷に基づいて、前記脈動幅を設定し、
   前記燃料電池のアノード側の排水性確保に必要なガス流速を得るために前記燃料電池スタックに最低限供給しなければならないアノードガスの供給流量に基づいて、前記昇圧変化率を設定する、
   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. 前記制限手段は、
   前記燃料電池内の水素分圧を確保するためのアノードガスの圧力下限値と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力と、の大きいほうを脈動下限圧力として設定し、
   前記脈動幅と前記脈動下限圧力と基づいて算出される基本脈動上限圧力と、燃料電池システムの運転状態に応じて算出されるアノードガスの圧力上限値と、の小さいほうを脈動上限圧力として設定する手段であり、
   前記補正手段は、
   前記脈動上限圧力と前記脈動下限圧力との差分が前記脈動幅よりも小さくなったときに、その差分に基づいて前記昇圧変化率を増大補正する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 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、
   前記バッファ部の温度を検出するバッファ温度検出手段と、
   前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
   を備え、
   前記補正手段は、
   前記差分に基づいて増大補正した前記昇圧変化率を、さらに前記バッファ部の温度と前記燃料電池の温度との温度比に応じて補正する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記補正手段は、
   前記バッファ部の温度が高くなるほど、また、前記燃料電池の温度が低くなるほど、前記昇圧変化率が大きくなるように前記昇圧変化率を補正する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記アノードガスの圧力上限値は、
   前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力に前記燃料電池の電解質膜を保護するための所定値を加えた圧力と、前記燃料電池の耐圧保護を図るための所定圧力と、の小さいほうである、
   ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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