JP2015109137A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のアノードの発電量域に発生する液水を排水できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して、負荷に応じて発電する燃料電池１００と、当該燃料電池へ燃料ガスを供給するための供給通路に圧力調整弁３００と、当該燃料電池からの不純物を含むアノードオフガスを排出するための排出流路にパージ弁５００とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの燃料ガス圧力を脈動させると共に、所定の昇圧速度となるように圧力調整弁を制御する脈動運転制御部６００を備え、脈動運転制御部６００は、燃料電池の発電量域の湿潤状態が低いときに比して、湿潤状態が高いときは所定の昇圧速度を高くする。【選択図】図７

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１は、高圧のアノードガスの供給／停止が繰り返されてアノードガスの圧力が脈動する燃料電池システムを開示する。そして、特許文献１では、第１の圧力幅ΔＰ１で圧力変動を行う第１の圧力変動パターンと、第２の圧力幅ΔＰ２で圧力変動を行う第２の圧力変動パターンと、を、周期的に変更する。

特開２０１０−１２３５０１号公報

特許文献１では、排水のために脈動の幅を大きくするのだが、本件発明者らは、脈動の昇圧速度が排水性に影響を与えることを知見した。

そこで、本発明の目的は、特許文献１とは異なる手法にて、燃料電池のアノードの発電量域に発生する液水を排水できる燃料電池システムを提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して、負荷に応じて発電する燃料電池と、当該燃料電池へ燃料ガスを供給するための供給通路に圧力調整弁と、当該燃料電池からの不純物を含むアノードオフガスを排出するための排出流路にパージ弁とを備えた燃料電池システムである。そして、前記燃料電池スタックの燃料ガス圧力を脈動させると共に、所定の昇圧速度となるように前記圧力調整弁を制御する脈動運転制御部を備え、前記脈動運転制御部は、前記燃料電池の発電量域の湿潤状態が低いときに比して、湿潤状態が高いときは前記所定の昇圧速度を高くする。

この態様によれば、燃料ガス圧力の昇圧速度を湿潤状態が低いときに比して高いときに高く設定することで、アノード供給マニホールドを流れるアノードガスの流速を上げることができ、アノード流路に残留した液水が排出される。本発明を適用すれば、排水のために特許文献１の脈動幅の増大を抑制できるので電解質膜への応力を低減できる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す図である。 図２は、燃料電池スタックを説明する図である。 図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 図４は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。 図５は、燃料電池スタックの湿潤度と昇圧速度との相関図である。 図６は、アノードガスの供給流量と昇圧速度との相関図である。 図７は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。 図８は、排水運転中に上限圧又は下限圧を変更する場合のタイミングチャートである。 図９は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態のパージ弁の作動を説明する図である。 図１０は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態の燃料ガス圧力の変動を説明する図である。 図１１は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態の燃料ガス圧力の変動を説明する図である。 図１２は、燃料電池スタックの湿潤度と昇圧速度との相関図である。 図１３は、パージ弁の作動を説明する図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す図である。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１００と、水素タンク２００と、圧力調整弁３００と、バッファータンク４００と、パージ弁５００と、コントローラー６００と、を含む。

燃料電池スタック１００は、反応ガス(アノードガスＨ₂、カソードガスＯ₂)が供給されて発電する。詳細は後述される。

水素タンク２００は、アノードガスＨ₂を高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクである。水素タンク２００は、アノードラインの最上流に設けられる。

圧力調整弁３００は、水素タンク２００の下流に設けられる。圧力調整弁３００は、水素タンク２００から新たにアノードラインに供給するアノードガスＨ₂の圧力を調整する。アノードガスＨ₂の圧力は、圧力調整弁３００の開度によって調整される。

バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００の下流に設けられる。バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００から排出されたアノードガスＨ₂を蓄える。

パージ弁５００は、バッファータンク４００の下流に設けられる。パージ弁５００が開くと、アノードガスＨ₂がバッファータンク４００からパージされる。

コントローラー６００は、アノードラインに設けられた圧力センサー７１や燃料電池スタック１００に設けられた電流電圧センサー７２などの信号に基づいて圧力調整弁３００やパージ弁５００の作動を制御する。具体的な制御内容は後述される。

図２は、燃料電池スタックを説明する図であり、図２(Ａ)は外観斜視図、図２(Ｂ)は発電セルの構造を示す分解図である。

図２(Ａ)に示されるように、燃料電池スタック１００は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。

発電セル１０は、燃料電池の単位発電セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。

集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、正極端子２１１及び負極端子２１２を備える。燃料電池スタック１００は、正極端子２１１及び負極端子２１２によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ^-が取り出されて出力する。

絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。

エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。

一方のエンドプレート４０(図２(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口４１ａ、冷却水供給口４３ａ及びカソード排出口４２ｂは図中右側に設けられている。またカソード供給口４２ａ、冷却水排出口４３ｂ及びアノード排出口４１ｂは図中左側に設けられている。

テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１００は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１００を積層方向に締め付ける。

アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。図１では、高圧ガスタンクが使用される。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

図２(Ｂ)に示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。

電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。

アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。

カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。

アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図２(Ｂ)に示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。

ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)４１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)４１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)４２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)４２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)４３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)４３ｂが形成される。

図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。

上述のように、燃料電池スタック１００は、反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されて発電する。燃料電池スタック１００は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図３(Ａ)に示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。

各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。

図３(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ₂)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-1)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ₂)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。

上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。電解質膜中の水分が多すぎれば、余剰の水分が反応ガス流路に溢れてしまって、ガスの流れが阻害される。このような場合には上記反応が促進されない。したがって電解質膜が適度な湿潤状態であることで、効率よく発電される。

そこで発明者らは、以下のように制御することに想到した。

図４は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。

ステップＳ１においてコントローラーは、排水運転中であるか否かを判定する。なお排水運転は、後述のステップＳ３で実行される。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ４へ処理を移行する。

ステップＳ２においてコントローラーは、排水運転が必要であるか否かを判定する。具体的には、発電セルの電圧を検出して、その電圧が閾値よりも小さければ、排水運転が必要であると判定すればよい。また、たとえば電解質膜の湿潤度が基準値よりも大きければ排水運転が必要であると判定してもよい。電解質膜の湿潤度は、電解質膜のインピーダンス(内部抵抗)によって変化する。すなわち電解質膜の湿潤度が小さいほど(電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど)、インピーダンスは大きくなる。電解質膜の湿潤度が大きいほど(電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど)、インピーダンスは小さくなる。そこで、この特性を利用して、たとえば燃料電池スタックの発電電流を例えば１ｋＨｚの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして１ｋＨｚの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することでインピーダンスを求める。そしてこのインピーダンスに基づいて電解質膜の湿潤度を得ることができる。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ３へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ６へ処理を移行する。

ステップＳ３においてコントローラーは、排水運転を設定する。具体的にはたとえば図５に示されるようなマップを予め実験等を通じて用意しておく。そしてそのマップに電解質膜の湿潤度を適用して、燃料ガス圧力を脈動供給するときの昇圧速度を、通常運転するときに比べて、大きく設定する。なお昇圧速度は、図６に示されるように、供給流量と相関がある。そこで昇圧速度を上げるには、圧力調整弁３００の開度を大きくして供給流量を増やせばよい。

ステップＳ４においてコントローラーは、排水運転が不要であるか否かを判定する。具体的には、たとえば電解質膜の湿潤度が基準値よりも小さければ排水運転が必要であると判定すればよい。なおこの基準値は、排水運転が必要であることを判定する基準値と同じであっても異なってもよい。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ５へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ６へ処理を移行する。

ステップＳ５においてコントローラーは、通常運転を設定する。具体的にはたとえば図５に示されるようなマップに電解質膜の湿潤度を適用して、燃料ガス圧力を脈動供給するときの昇圧速度を、排水運転するときに比べて、小さく設定する。

ステップＳ６においてコントローラーは、現在圧力が上昇中であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ７へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ９へ処理を移行する。

ステップＳ７においてコントローラーは、現在の圧力が目標上限圧力よりも小であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であれば一旦処理を抜け、判定結果が肯であればステップＳ８へ処理を移行する。

ステップＳ８においてコントローラーは、反応ガスの供給を停止する。

ステップＳ９においてコントローラーは、現在の圧力が目標下限圧力よりも大であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であれば一旦処理を抜け、判定結果が肯であればステップＳ１０へ処理を移行する。

ステップＳ１０においてコントローラーは、反応ガスの供給を開始する。

図７は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

なお上述のフローチャートとの対応が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号にＳを付して併記する。

以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。

図７では、時刻ｔ１４の以前はセル電圧が閾値よりも大きく排水運転が不要である。そこでまず時刻ｔ１１までは、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ６→Ｓ７の処理が繰り返される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が上昇する。

時刻ｔ１１でアノード圧が目標上限圧力に達したら、ステップＳ７→Ｓ８が処理される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が下降に転じる。

時刻ｔ１１以後は、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ６→Ｓ９の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図７に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

時刻ｔ１２でアノード圧が目標下限圧力に達したら、ステップＳ９→Ｓ１０が処理される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が上昇に転じる。

同様の制御が時刻ｔ１４まで繰り返される。

時刻ｔ１４でセル電圧が閾値よりも小さくなって排水運転が必要になる。そこで、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３が処理されて排水運転用の昇圧速度が設定される。そして次サイクル以降は、ステップＳ１→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ７の処理が繰り返される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が上昇する。

時刻ｔ１５でアノード圧が目標上限圧力に達したら、ステップＳ７→Ｓ８が処理される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が下降に転じる。

時刻ｔ１５以後は、ステップＳ１→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ９の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図７に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

時刻ｔ１６でアノード圧が目標下限圧力に達したら、ステップＳ９→Ｓ１０が処理される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が上昇に転じる。

同様の制御が時刻ｔ１７まで繰り返される。

時刻ｔ１７でセル電圧が閾値よりも大きくなって排水運転が不要になる。そこで、ステップＳ１→Ｓ４→Ｓ５が処理されて通常運転用の昇圧速度が設定される。そして次サイクル以降は、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ６→Ｓ７の処理が繰り返される。この結果、図７に示されるように、アノード圧が上昇する。

上述のように、本実施形態では、発電セルの電圧が閾値よりも小さくなって排水運転が必要であると判定されたときには、燃料ガス圧力を脈動供給するときの昇圧速度が、通常運転するときに比べて、大きく設定される。昇圧速度が大きくなると、アノード供給マニホールドを流れるアノードガスの流速が急激に速くなり、アノード流路に残留した液水が排出されることとなる。これによって水素分圧が確保され発電性能が安定する。またセル内に燃料が欠乏することで生ずる劣化も防止できる。またセル電圧が回復したら、昇圧速度が元に戻されるので、これによってもセル内の水素分圧が確保され発電性能が安定する。

また本実施形態では、セル電圧に基づいて排水運転が必要か否かを判定するので、正確に判定できる。

また、本実施形態で説明した調圧弁の制御を以下の通りの制御としても良い。

燃料電池の供給負荷（電流）に応じて設定される上限圧力と下限圧力をマップから読み出す。上限圧力と下限圧力は、いずれも負荷が大きいほど、大きくなる。それと共に、負荷が大きくなるほど上限圧力と下限圧力との差圧も大きくなる。

このようなマップにより、低負荷よりも高負荷側のアノード圧力が高くなると共に、低負荷での脈動幅に比して、高負荷での脈動幅が大きくなる。

そして、脈動制御部は、昇圧させる場合は、上限圧力を目標値として、燃料電池スタックのアノード入口に設けられる圧力センサの値を参照して、調圧弁による圧力フィードバック制御を行う。

フィードバック制御により実圧力が目標圧力付近になると、脈動制御部は下限圧力を目標圧力として、再びフィードバック制御を行う。

この制御を繰り返すことで、調圧弁による上下限圧力での脈動運転を行う。

そして、特に昇圧速度については、燃料電池の発電量域（電解質膜）の湿潤状態が高いほど、昇圧速度が高くなるように設定しても良い。

具体的には、上記フィードバック制御において、下限圧力から上限圧力へと目標圧力を切り替える際に、湿潤状態に応じた昇圧速度の目標圧力を設定しても良い。また、下限圧力から上限圧力へと目標圧力をステップ的に切り替える一方、実際のアノード圧力の昇圧速度が湿潤状態に応じた速度となるように、フィードバック制御のゲインを設定しても良い。

なお図８(Ａ)に示されるように、昇圧速度を上げるのにあわせて下限圧を下げてもよい。下限圧が低いところから昇圧するので、昇圧速度が同じでも、ガスの流速は速くなりやすい。したがって、このようにすればアノード流路に残留した液水の排出性能がさらに向上する。

また図８(Ｂ)に示されるように、昇圧速度を上げるのにあわせて上限圧を上げてもよい。このようにすれば、圧力がさらに上がるので、昇圧速度が同じでも、ガスの流速は速くなりやすい。したがって、このようにしてもアノード流路に残留した液水の排出性能が向上する。

（第２実施形態）
図９は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態のパージ弁の作動を説明する図である。

第１実施形態では、排水運転が必要であると判定されたときには、燃料ガス圧力を脈動供給するときの昇圧速度が大きく設定された。

これに対して本実施形態では、排水運転が必要であると判定されたときには、第１実施形態の制御に加えてパージ弁５００の開弁時間を長くする。

このようにパージ弁５００の開弁時間が長くなれば、アノードガスの流速がさらに速くなるので、アノード流路に残留した液水が一層排出されやすくなる。なおこのように第１実施形態の制御にあわせてパージ弁５００の制御も実行すると、第１実施形態に比較して、昇圧速度は大きくならず通常運転時と同じであることもあり得る。しかしながら、昇圧速度が通常運転と同じでも、通常運転よりもアノードガスの流速が速くなるので、アノード流路に残留した液水の排出性能が向上するのである。

（第３実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態の燃料ガス圧力の変動を説明する図である。

第１実施形態では、発電セルの電圧が閾値よりも小さくなったときに、排水運転が必要であると判定された。

これに対して本実施形態では、一定サイクルごとに排水運転が必要であると判定される。図１０では、３サイクルごとに排水運転を実行する。

このようにすれば、セル電圧を測定することが不要であるので、簡易に実施することができる。

（第４実施形態）
図１１は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態の燃料ガス圧力の変動を説明する図である。

第３実施形態では、一定サイクルごとに排水運転が必要であると判定された。

これに対して本実施形態では、排水運転が必要になる時期よりも短い期間で、排水運転の時期を判定する。図１１では、排水運転が必要になる時期が３サイクルで到来する。そして図１１では、その３サイクルよりも短い２サイクルで排水時期を判定することもあれば、１サイクル(すなわち連続サイクル)で排水時期を判定することもある。

このようにしても、セル電圧を測定することが不要であるので、簡易に実施することができる。

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。

たとえば、第１実施形態では、排水運転が必要か否かによって、燃料ガス圧力を脈動供給するときの昇圧速度を二値的に大きく又は小さく設定する。しかしながらこのような手法には限定されない。たとえば図５に代えて、図１２に示されるようなマップを用いて、スタック湿潤度に応じて昇圧速度を設定してもよい。

また第２実施形態では、排水運転が必要であると判定されたときには、第１実施形態の制御に加えてパージ弁５００の開弁時間を長くした。しかしながらこのような手法には限定されない。たとえば図９に代えて、図１３に示されるようにパージ弁５００の閉弁時間を短くしてもよい。このようにしても、同様の効果を得ることができる。

また上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 燃料電池スタック
２００ 水素タンク(燃料タンク)
３００ 圧力調整弁
４００ バッファータンク
５００ パージ弁
６００ コントローラー(脈動運転制御部)

Claims (6)

1. アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して、負荷に応じて発電する燃料電池と、当該燃料電池へ燃料ガスを供給するための供給通路に圧力調整弁と、当該燃料電池からの不純物を含むアノードオフガスを排出するための排出流路にパージ弁とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの燃料ガス圧力を脈動させると共に、所定の昇圧速度となるように前記圧力調整弁を制御する脈動運転制御部を備え、
   前記脈動運転制御部は、前記燃料電池の発電量域の湿潤状態が低いときに比して、湿潤状態が高いときは前記所定の昇圧速度を高くすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の発電領域内のアノードガス圧力を検出するアノードガス圧力検知部を備え、
   前記脈動運転制御部は、脈動の上限圧力と下限圧力とを設定すると共に、昇圧時は脈動の目標圧力を当該下限圧力から当該上限圧力を目標圧力に切り替え、当該目標圧力と実際のアノードガス圧力値に基づいて前記圧力調整弁をフィードバック制御するものであって、
   前記昇圧速度は、切り替える際の目標圧力を徐々に上限圧力にする、若しくは、フィードバック制御のゲインによって設定されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池電解質膜の抵抗を検知する内部抵抗検知部を備え、
   前記脈動運転制御部は、湿潤状態を判定するため内部抵抗が所定値以下のとき、前記所定の昇圧速度を高くすることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記内部抵抗が所定値以下のとき、前記所定の昇圧速度を高くすると共に、前記パージ弁の開度を内部抵抗が所定値以下のときに設定される開度よりも大きくするパージ調整部をさらに含む、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記脈動運転制御部は、セル電圧が所定値以下のとき、前記所定の昇圧速度を高くすることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記脈動運転制御部は、所定周期ごとに前記所定の昇圧速度を高くすることを特徴とする燃料電池システム。

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