JP2016110835A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガス非循環の燃料電池システムにおいて、燃料ガスが燃料電池スタック外に排出されるのを抑制しつつ、カソード極の劣化を確実に抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１０で発電を開始すべきときに、コンプレッサ４４による空気供給を停止しパージ制御弁３８を閉弁したまま、水素ガス供給器３５から初期供給流量でもって水素ガス供給を開始して水素ガス通路３０内の圧力であるアノード圧力を上昇させる。次いで、アノード圧力が設定圧力に達したときに、パージ制御弁３８を一時的に開弁し、次いで燃料電池スタックへの空気供給を開始して燃料電池スタック１０において発電を開始する。初期供給流量は、アノード圧力の上昇速度があらかじめ定められた設定上昇速度よりも高くなるように設定される。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

水素ガスと空気との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路と、水素ガス通路内に配置されたアノード極と、燃料電池スタック内に形成された空気通路と、空気通路内に配置されたカソード極と、水素ガス通路の入口に連結された水素ガス供給器と、を備えた燃料電池システムであって、水素ガス通路の出口に連結された気液分離器と、気液分離器のガス出口と水素ガス供給器とを互いに連結する水素ガス戻し管と、水素ガス戻し管内に配置された水素ガス戻しポンプと、を更に備えた、水素ガス循環の燃料電池システムが公知である。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックから流出した水素ガスが水素ガス供給器に戻される。

一方、水素ガス通路の出口に連結されたパージ管と、パージ管内に配置されたパージ制御弁と、更に備えた、水素ガス循環の燃料電池システムも公知である（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、水素ガス通路の出口が水素ガス供給器から分離され、したがって燃料電池スタックから流出した水素ガスが水素ガス供給器に戻されない。このようにすると、水素ガス戻し管及び水素ガス戻しポンプが不要となるので、構成が簡素化され、コストが低減される。

特開２０１０−１２９４８３号公報

ところで、燃料電池スタックでの発電が停止された直後は、水素ガス通路内に水素ガスが残存しており、空気通路内に空気が残存している。この水素ガス通路内の水素ガスは徐々に電解質膜を透過して空気通路内に流入し、空気通路内の酸素ガスと反応し、したがって水素ガス通路内の水素ガス及び空気通路内の酸素ガスが徐々に消費される。その結果、空気通路において、酸素ガス分圧が次第に低下し、窒素ガス分圧が次第に上昇する。次いで、空気通路内の窒素ガスは徐々に電解質膜を透過して水素ガス通路内に流入する。その結果、水素ガス通路に、窒素ガス分圧が過度に高く水素ガス分圧が過度に低い部分、すなわち水素欠乏部分が形成される。このため、水素ガス通路内において、水素ガス分圧が比較的高い部分と水素欠乏部分とが互いに隣接して形成されることになる。言い換えると、水素ガス通路内の水素ガス分圧が過度に不均一になる。この状態で空気通路内への空気が供給され発電が再開されると、水素欠乏部分のアノード極部分と、電解質膜を挟んで水素欠乏部分と反対側のカソード極部分との間に異常電位が発生してカソード極部分が劣化するおそれがある。カソード極が劣化すると、燃料電池スタック１０の発電性能が低下し、この発電性能低下は回復することができない。

上述した水素ガス循環の燃料電池システムでは、燃料電池スタックでの発電を開始すべきときに、水素ガス供給器から水素ガス通路に水素ガスを供給しつつ水素ガス戻しポンプを作動させ、それにより水素ガス通路内のガスを水素ガスで置換することで、水素ガス通路内の水素ガス分圧を均一にすることができ、したがってカソード極の劣化を抑制することが可能である。しかしながら、水素ガス非循環の燃料電池システムでは、このような水素ガス分圧の均一化を行うことができない。この点、パージ制御弁を開弁状態に維持しながら水素ガス通路内に水素ガス供給すれば、水素ガス循環の燃料電池システムでも、水素ガス通路内の水素ガス分圧を均一にすることができると考えられる。しかしながら、このようにすると、多量の水素ガスが発電に利用されることなく燃料電池スタック外に排出されるおそれがある。

本発明の一観点によれば、燃料ガス非循環の燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給流量を変更可能に構成された燃料ガス供給器と、前記燃料ガス通路の出口に連結されたパージ管と、前記パージ管内に配置されたパージ制御弁と、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給器と、前記燃料電池スタックで発電を開始すべきときに、前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの供給を停止し前記パージ制御弁を閉弁したまま、前記燃料ガス供給器から初期供給流量でもって前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を開始して前記燃料ガス通路内の圧力であるアノード圧力を上昇させ、次いで前記アノード圧力があらかじめ定められた設定圧力に達したときに、あらかじめ定められた初期パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁し、次いで前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給を開始して前記燃料電池スタックにおいて発電を開始するように構成された制御器と、を備え、前記初期供給流量は、前記アノード圧力の上昇速度があらかじめ定められた設定上昇速度よりも高くなるように設定される、燃料電池システムが提供される。

本発明の別の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給流量を変更可能に構成された燃料ガス供給器と、前記燃料ガス通路の出口に連結されたパージ管と、前記パージ管内に配置されたパージ制御弁と、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給器と、を備えた燃料ガス非循環の燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックで発電を開始すべきときに、前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの供給を停止し前記パージ制御弁を閉弁したまま、前記燃料ガス供給器から初期供給流量でもって前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を開始して前記燃料ガス通路内の圧力であるアノード圧力を上昇させ、次いで前記アノード圧力があらかじめ定められた設定圧力に達したときに、あらかじめ定められた初期パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁し、次いで前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給を開始して前記燃料電池スタックにおいて発電を開始し、前記初期供給流量は、前記アノード圧力の上昇速度があらかじめ定められた設定上昇速度よりも高くなるように設定される、燃料電池システムの制御方法が提供される。

水素ガス非循環の燃料電池システムにおいて、燃料ガスが燃料電池スタック外に排出されるのを抑制しつつ、カソード極の劣化を確実に抑制することができる。

燃料電池システムの全体図である。 燃料電池スタックの模式図である。 水素ガス供給器の概略図である。 使用される水素ガス供給弁の数Ｎｉｎｊと水素ガス供給流量ｑＨＧとの関係を示す線図である。 本発明による実施例を説明するタイムチャートである。 本発明による実施例を説明する図２と同様の模式図である。 本発明による実施例を説明する図２と同様の模式図である。 本発明による実施例を説明する図２と同様の模式図である。 発電開始制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。 初期供給流量ｑＨＧ０のマップを示す図である。 初期パージガス量ＱＰＧ０のマップを示す図である。 初期水素ガス分圧ｐＨＧ０のマップを示す図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向ＬＳに沿って互いに積層された複数の燃料電池単セル１０ａを備える。各燃料電池単セル１０ａは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。

燃料電池単セル１０ａのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、積層方向ＬＳに関し最も外側のアノード極及びカソード極は燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、各燃料電池単セル１０ａ内には、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス流通路３０ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気流通路４０ａとがそれぞれ形成され、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１０ａ同士間には燃料電池単セル１０ａに冷却水を供給するための冷却水流通路（図示しない）が形成される。複数の燃料電池単セル１０ａの水素ガス流通路３０ａ、空気流通路４０ａ、及び冷却水流通路をそれぞれ並列に接続することにより、燃料電池スタック１０内に水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路（図示しない）がそれぞれ形成される。図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路の入口及び出口はそれぞれ、燃料電池スタック１０の積層方向ＬＳ一端に配置される。

図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス流通路３０ａの入口及び空気流通路４０ａの出口が積層方向ＬＳ方向に延びる燃料電池スタック１０の中心軸線の一側に配置され、水素ガス流通路３０ａの出口及び空気流通路４０ａの入口が中心軸線の他側に配置される。したがって、水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ逆向きになっている。すなわち、燃料電池スタック１０は向流の燃料電池スタックから構成される。図示しない別の実施例では、水素ガス流通路３０ａの入口及び空気流通路４０ａの入口が中心軸線の一側に配置され、水素ガス流通路３０ａの出口及び空気流通路４０ａの出口が中心軸線の他側に配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ同じ向きになっている。すなわち、図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０は並流の燃料電池スタックから構成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源、例えば水素タンク３２に連結される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、電磁式の遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の圧力を調整するレギュレータ３４と、水素タンク３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガス供給器３５と、が配置される。一方、水素ガス通路３０の出口にはバッファタンク３６を介してパージ管３７が連結される。パージ管３７内には電磁式のパージ制御弁３８が配置される。遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはバッファタンク３６内に流入し、バッファタンク３６内に蓄積される。パージ制御弁３８は通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁３８が開弁されると、バッファタンク３６内のアノードオフガスがパージ管３７を介して大気に排出され、すなわちパージ処理が行われる。

図１に示される燃料電池システムＡでは、パージ管３７の出口は大気に連通されている。すなわち、水素ガス通路３０の出口は水素ガス供給管３１に連通されず、したがって水素ガス供給管３１から分離されている。このことは、水素ガス通路３０の出口から流出する、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス供給管３１に戻されない、ということを意味している。言い換えると、図１に示される燃料電池システムＡは水素ガス非循環の燃料電池システムである。図示しない別の実施例では、水素ガス通路３０の出口が水素ガス戻し管を介して例えばレギュレータ３４と水素ガス供給弁３５との間の水素ガス供給管３１に連結される。水素ガス戻し管内には上流側から順に、気液分離器と、気液分離器により分離された水素ガスを水素ガス供給管３１に送り込む水素ガス戻しポンプと、が配置される。この場合、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス戻し管を介して水素ガス供給管３１に戻される。その結果、水素ガス源３２からの水素ガスと水素ガス戻し管からの水素ガスとの混合体が水素ガス供給弁３５から燃料電池スタック１０に供給される。すなわち、図示しない別の実施例では、燃料電池システムＡは水素ガス循環の燃料電池システムである。この図示しない別の実施例との比較において、図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス戻し管、水素ガス戻しポンプ等が省略されているということになる。その結果、図１に示される燃料電池システムＡでは、構成が簡素化され、コストが低減され、水素ガス戻し管等のための空間を必要としない。

また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源、例えば大気４２に連結される。空気供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器４４と、空気供給器４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。図１に示される実施例では、空気供給器４４はコンプレッサ、特に遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内には上流側から順に、空気通路４０内の圧力であるカソード圧力を制御するための電磁式のカソード圧力制御弁４７と、希釈器４８とが配置される。この希釈器４８には上述したパージ管３７が連結される。その結果、パージ管３７からのパージガス中の水素ガスがカソードオフガスによって希釈される。図１に示される燃料電池システムＡでは更に、インタークーラ４５下流の空気供給管４１から分岐してカソード圧力制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に到るバイパス管４１ａと、コンプレッサ４４から吐出された空気のうち燃料電池スタック１０に供給される空気の量及びバイパス管４１ａ内へ流れ込む空気の量を制御するバイパス制御弁４１ｂとが設けられる。

上述した燃料電池スタック１０内の冷却水通路の入口には冷却水供給管（図示しない）の一端が連結され、冷却水通路の出口には冷却水供給管の他端が連結される。冷却水供給管内には冷却水を圧送する冷却水ポンプと、ラジエータとが配置される。冷却水ポンプが駆動されると、冷却水ポンプから吐出された冷却水は冷却水供給管を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路内に流入し、次いで冷却水通路を通って冷却水供給管内に流入し、ラジエータを介して冷却水ポンプに戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する電圧計１６ｖ及び電流計１６ｉが設けられる。また、水素ガス通路３０には水素ガス通路３０内の圧力であるアノード圧力を検出するための圧力センサ１７が取り付けられる。電圧計１６ｖ、電流計１６ｉ、及び圧力センサ１７の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５にそれぞれ入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガス供給弁３５、パージ制御弁３８、バイパス制御弁４１ｂ、コンプレッサ４４、及びカソード圧力制御弁４７に電気的に接続される。

図２は燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０を模式的に表している。図２を参照すると、水素ガス通路３０は積層方向ＬＳにそれぞれ延びる水素ガス流入マニホルド３０ｂｉ及び水素ガス流出マニホルド３０ｂｏを備える。上述の水素ガス流通路３０ａは積層方向ＬＳを横切って水素ガス流入マニホルド３０ｂｉから水素ガス流出マニホルド３０ｂｏまで延びる。水素ガス流入マニホルド３０ｂｉの一端３０ｉは水素ガス通路３０の入口を形成し、上述の水素ガス供給管３１に連結される。一方、水素ガス流出マニホルド３０ｂｏの一端３０ｏは水素ガス通路３０の出口を形成し、上述のバッファタンク３６に連結される。

図３は水素ガス供給器３５の一例を示している。図３に示される例では、水素ガス供給器３５は水素ガス供給管３１内に互いに並列に配置された複数、例えば３つの電磁式水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを備える。これら水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃは同一である。また、水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃはそれぞれ、ニードル弁を備え、水素ガスを間欠的に供給する。この場合、水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃの開弁時間を制御することにより、水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃから供給される水素ガス量が制御される。

更に、図３に示される例では、水素ガスを供給するのに用いられる水素ガス供給弁３５の数が変更可能になっており、それにより水素ガス供給器３５からの水素ガス供給流量が変更可能になっている。すなわち、水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか１つを用いて水素ガスを供給することもできるし、水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか２つを用いて水素ガスを供給することもできるし、水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのすべてを用いて水素ガスを供給することもできる。なお、水素ガスを供給するのに水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうち２つ又は３つが用いられる場合には、これら水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃの開弁及び閉弁動作は互いにが同期される。図示しない別の実施例では、水素ガス供給弁３５は、例えば流路面積を変更することにより供給流量を変更可能な単一の水素ガス供給弁から構成される。

図４は、水素ガス供給に用いられる水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃの数Ｎｉｎｊと、水素ガス供給器３５から供給される水素ガス供給流量ｑＨＧ（例えばＮＬ／ｍｉｎ）との関係を示している。図４において、ｑＨＧ１は水素ガスを供給するのに水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか１つが用いられた場合の水素ガス供給流量を、ｑＨＧ２は水素ガスを供給するのに水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか２つが用いられた場合の水素ガス供給流量を、ｑＨＧ３は水素ガスを供給するのに水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃのすべてが用いられた場合の水素ガス供給流量を、それぞれ示している。図４に示されるように、水素ガス供給流量ｑＨＧ２は水素ガス供給流量ｑＨＧ１のほぼ２倍であり、水素ガス供給流量ｑＨＧ３は水素ガス供給流量ｑＨＧ１のほぼ３倍である。

燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３が開弁され、水素ガス供給器３５が作動され、それにより水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が駆動され、コンプレッサ４４からの空気の全量が燃料電池スタック１０に送られるスタック位置にバイパス制御弁４１ｂの弁位置が制御され、それにより空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池スタック１０において電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。なお、燃料電池スタック１０での発電中には、燃料電池スタック１０の要求発電量に応じて定まるベース供給流量でもって水素ガス供給器３５から水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、燃料電池スタック１０での発電中には、燃料電池スタック１０での発電中にはカソード圧力制御弁４７は開弁される。

一方、燃料電池スタック１０での発電を停止すべきときには、遮断弁３３が閉弁され、水素ガス供給器３５が停止され、したがって燃料電池スタック１０への水素ガスの供給が停止される。また、コンプレッサ４４が停止され、コンプレッサ４４からの空気の全量がバイパス管４１ａに送られるスタック位置にバイパス制御弁４１ｂの弁位置が制御され、それにより燃料電池スタック１０への空気の供給が停止される。また、カソード圧力制御弁４７が閉弁される。なお、このときパージ制御弁３８は閉弁されている。

さて、冒頭で説明したように、水素ガス通路３０内の水素ガス分圧が過度に不均一になっている状態で燃料電池スタック１０での発電が再開されると、カソード極が劣化するおそれがある。

そこで本発明による実施例では、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときに、コンプレッサ４４による燃料電池スタック１０への空気の供給を停止しパージ制御弁３８を閉弁したまま、水素ガス供給器３５から初期供給流量でもって燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を開始してアノード圧力を上昇させ、次いでアノード圧力があらかじめ定められた設定圧力に達したときに、あらかじめ定められた初期パージガス量だけパージされるようにパージ制御弁３８を一時的に開弁し、次いでコンプレッサ４４による燃料電池スタック１０への空気の供給を開始して燃料電池スタック１０において発電を開始するようにしている。

すなわち、図５において、燃料電池スタック１０での発電が停止されている時間ｔ０では、アノード圧力ＰＡは低くなっている。また、水素ガス供給器３５からの水素ガス供給流量ｑＨＧはゼロであり、したがって燃料電池スタック１０への水素ガス供給は停止されている。更に、パージ制御弁３８は閉弁されている。また、コンプレッサ４４からの空気供給流量ｑＡＣはゼロであり、バイパス制御弁４１ｂの弁位置はバイパス位置に制御されており、したがって燃料電池スタック１０への空気供給は停止されている。更に、カソード圧力制御弁４７は閉弁されており、燃料電池スタック１０の出力電圧ＶＳはゼロになっている。この場合、図６に示されるように、水素ガス通路３０内は水素ガス分圧が過度に不均一な既存ガスＧＥＸで満たされている。

次いで、図５に示される時間ｔ１において燃料電池スタック１０での発電を開始すべき信号が発せられると、水素ガス供給器３５が作動されて燃料電池スタック１０への水素ガス供給が開始される。また、このときパージ制御弁３８は閉弁されたままである。その結果、アノード圧力ＰＡが上昇速度ｖＰＡでもって上昇する。一方、時間ｔ１において、コンプレッサ４４が作動され、空気供給流量ｑＡＣが増大する。しかしながら、バイパス制御弁４１ｂの弁位置はバイパス位置に保持されており、したがって燃料電池スタック１０への空気供給は停止され続ける。その結果、燃料電池スタック１０での発電は停止され続ける。

この場合、水素ガスは水素ガス供給器３５から初期供給流量ｑＨＧ０でもって供給される。この初期供給流量ｑＨＧ０は、アノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡがあらかじめ定められた設定上昇速度以上になるように設定されており、かつ、上述したベース供給流量ｑＨＧＢよりも多く設定されている。本発明による実施例では、初期供給流量ｑＨＧ０は３つの水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを用いて得られる水素ガス供給流量ｑＨＧ３に設定され、ベース供給流量ｑＨＧＢは１つの水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを用いて得られる水素ガス供給流量ｑＨＧ１に設定される。その結果、アノード圧力ＰＡが急激に上昇する。

このため、図７に示されるように、水素ガス供給器３５から供給された水素ガスＧＨが水素ガス流入マニホルド３０ｂｉを介し水素ガス流通路３０ａ内に一気に流入する。このとき、水素ガスＧＨは既存ガスＧＥＸ内への拡散が抑制されつつ水素ガス通路３０内を進行し、したがって既存ガスＧＥＸが水素ガスＧＨにより水素ガス流出マニホルド３０ｂｏ及びバッファタンク３６内に押し出される。言い換えると、水素ガスＧＨが既存ガスＧＥＸ内に拡散するのが抑制されるようにアノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが設定される。すなわち、上述の設定上昇速度は、水素ガスＧＨが既存ガスＧＥＸ内に拡散するのを抑制可能な最小のアノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡであり、燃料電池スタック１０で発電を開始すべきときの上昇速度ｖＰＡはこの設定上昇速度以上に設定されるということになる。

初期供給流量ｑＨＧ０が多くなるにつれてアノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが高くなる。したがって、アノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが上述した設定上昇速度になる水素ガス供給流量ｑＨＧを設定供給流量と称すると、設定供給流量は、水素ガスＧＨが既存ガスＧＥＸ内に拡散するのを抑制可能な最小の水素ガス供給流量ｑＨＧであり、初期供給流量ｑＨＧ０はこの設定供給流量以上に設定されるということになる。更に、初期供給流量ｑＨＧ０に設定される水素ガス供給流量ｑＨＧ３は設定供給流量以上であり、ベース供給流量ｑＨＧＢに設定される水素ガス供給流量ｑＨＧ１は設定供給流量よりも少ないということになる。

次いで、図５に示される時間ｔ２においてアノード圧力ＰＡがあらかじめ定められた設定圧力ＰＡＸに達すると、すなわち水素ガス通路３０内の水素ガス分圧を高レベルで均一にするのに十分な水素ガス分圧が得られると、パージ制御弁３８が開弁される。その結果、図８に示されるように、水素ガス通路３０内及びバッファタンク３６内の既存ガスＧＥＸがパージ管３７内に排出され、水素ガス通路３０内が水素ガスＧＨで満たされる。すなわち、燃料電池スタック１０内の既存ガスＧＥＸが水素ガスＧＨにより置換され、水素ガス通路３０内の水素ガス分圧が高レベルで均一にされる。

次いで、図５に示される時間ｔ３においてあらかじめ定められたパージ時間ΔｔＰＧが経過すると、パージ制御弁３８が閉弁される。本発明による実施例では、このパージ時間ΔＰＧは、上述した初期パージガス量だけパージされるのに必要な時間である。本発明による実施例では、初期パージガス量は水素ガス通路３０の容積にほぼ等しいガス量である。このようにすると、既存ガスＧＥＸが水素ガス通路３０内に残存するのを抑制し、しかも発電に利用されることなく水素ガス通路３０から排出される水素ガスの量を低減することができる。

次いで、時間ｔ４においてあらかじめ定められた時間ΔｔＣＰが経過すると、カソード圧力制御弁４７が開弁される。次いで、時間ｔ５においてあらかじめ定められた時間ΔｔＢＰが経過するとバイパス制御弁４１ｂの弁位置がスタック位置に切り換えられる。その結果、燃料電池スタック１０への空気の供給が開始される。したがって、燃料電池スタック１０での発電が開始され、燃料電池スタック１０の出力電圧ＶＳが次第に上昇する。このとき、水素ガス通路３０内の水素ガス分圧は高レベルで均一化されており、したがってカソード極が劣化するのが抑制されている。次いで、時間ｔ６において出力電圧ＶＳがあらかじめ定められた目標電圧ＶＳＴに達すると、水素ガス供給流量ｑＨＧがベース供給流量ｑＨＧＢに切り換えられる。すなわち、通常制御が開始される。

なお、図５に示される例では、アノード圧力ＰＡが設定圧力ＰＡＸに達した後も水素ガス供給が継続される。図示しない別の実施例では、時間ｔ２においてアノード圧力ＰＡが設定圧力ＰＡＸに達すると、水素ガス供給が停止され、次いで時間ｔ６において水素ガス供給が再開される。また、図８に示される例では、水素ガス流出マニホルド３０ｂｏ内も水素ガスＧＨで満たされるように水素ガスＧＨが供給される。しかしながら、膜電極接合体２０に対面する水素ガス流通路３０ａ内において水素ガス分圧が高レベルで均一になれば十分であり、水素ガス流出マニホルド３０ｂｏ内を水素ガスＧＨで満たす必要はない。

図９は、上述した発電開始制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときに１回だけ実行される。
図９を参照すると、ステップ１００では初期供給流量ｑＨＧ０でもって水素ガス供給器３５が作動される。すなわち、燃料電池スタック１０への水素ガス供給が開始される。続くステップ１０１ではコンプレッサ４４が作動される。続くステップ１０２ではアノード圧力ＰＡが設定圧力ＰＡＸ以上か否かが判別される。ＰＡ＜ＰＡＸのときはステップ１０２に戻る。ＰＡ≧ＰＡＸのときにはステップ１０３に進み、パージ処理が行われる。すなわち、パージ制御弁３８がパージ時間ΔｔＰＧにわたり開弁される。続くステップ１０４では、パージ制御弁３８が閉弁されてから上述の時間ΔＣＰが経過した後に、カソード圧力制御弁４７が開弁される。続くステップ１０５では、カソード圧力制御弁４７が開弁されてから上述の時間ΔＢＰが経過した後に、バイパス制御弁４１ｂの弁位置がスタック位置に切り換えられる。すなわち、燃料電池スタック１０への空気供給が開始され、燃料電池スタック１０での発電が開始される。続くステップ１０６では、燃料電池スタック１０の出力電圧ＶＳが目標電圧ＶＳＴに達したときに、水素ガス供給流量ｑＨＧがベース供給流量ｑＨＧＢまで減少される。

図示しない実施例では、水素ガス供給器３５は単一の水素ガス供給弁を備えており、水素ガス供給流量を変更するために、レギュレータ３４により水素ガス供給器３５上流の水素ガス圧力が変更される。

次に、初期供給流量ｑＨＧ０の別の実施例を説明する。
上述した本発明による実施例では、水素ガスＧＨを水素ガス通路３０内に供給したときに水素ガスＧＨが既存ガスＧＥＸ内に拡散するのが抑制されるように、初期供給流量ｑＨＧ０が多く設定される。一方、燃料電池スタック１０での発電が停止されてからの経過時間が長くなるにつれて既存ガスＧＥＸ中の水素ガス濃度、すなわち水素ガス通路３０内の水素ガス分圧は低下する。言い換えると、燃料電池スタック１０での発電が停止された直後は、水素ガス分圧は高いままである。このような場合には、水素ガスＧＨが既存ガスＧＥＸ内に拡散してもさほど問題とならない。

そこで初期供給流量ｑＨＧ０の別の実施例では、まず、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときの水素ガス通路３０内の水素ガス分圧である初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が求められる。次いで、あらかじめ定められた目標水素ガス分圧ｐＨＧＴに対する初期水素ガス分圧ｐＨＧ０の差ΔｐＨＧが算出される（ΔｐＨＧ＝ｐＨＧＴ−ｐＨＧ０）。次いで、差ΔｐＨＧが大きいときには差ΔｐＨＧが小さいときに比べて多くなるように初期供給流量ｑＨＧ０が設定される。

すなわち、図１０に示されるように、差ΔｐＨＧが第１のしきい値ΔｐＨＧＸ１以下のときには初期供給流量ｑＨＧ０は、１つの水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを用いて得られる水素ガス供給流量ｑＨＧ１に設定される。差ΔｐＨＧが第１のしきい値ΔｐＨＧＸ１よりも大きく第２のしきい値ΔｐＨＧＸ２（＞ΔｐＨＧＸ１）以下のときには初期供給流量ｑＨＧ０は、２つの水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを用いて得られる水素ガス供給流量ｑＨＧ２に設定される。差ΔｐＨＧが第２のしきい値ΔｐＨＧＸ１よりも大きいときには初期供給流量ｑＨＧ０は、３つの水素ガス供給弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃを用いて得られる水素ガス供給流量ｑＨＧ３に設定される。

したがって、概念的に表現すると、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が求められ、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０に基づいて初期供給流量ｑＨＧ０が設定されるということになる。

なお、上述したように、水素ガス供給流量ｑＨＧ１は設定供給流量よりも少なく、水素ガス供給流量ｑＨＧ１が初期供給流量ｑＨＧ０に設定されたときのアノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡは設定上昇速度よりも低い。そうすると、図１０に示される例では、差ΔｐＨＧが第１のしきい値ΔｐＨＧＸ１よりも大きいときには、アノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが設定上昇速度以上になるように初期供給流量ｑＨＧ０が設定され、差ΔｐＨＧが第１のしきい値ΔｐＨＧＸ１以下のときには、アノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが設定上昇速度よりも低くなるように初期供給流量ｑＨＧ０が設定されるということになる。

この点を概念的に表現すると、初期供給流量ｑＨＧ０は、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０があらかじめ定められた第１の設定分圧よりも低いときにはアノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが設定上昇速度よりも高くなるように設定され、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が第１の設定分圧よりも高いときにはアノード圧力ＰＡの上昇速度ｖＰＡが設定上昇速度よりも低くなるように設定される、ということになる。

このようにすると、必要なときにのみ初期供給流量ｑＨＧ０が増大され、水素ガス供給弁３５ａ、３５ｂ，３５ｃを駆動するためのエネルギを低減することができる。また、水素ガス供給弁３５ａ、３５ｂ，３５ｃの駆動回数を減らすことができ、水素ガス供給弁３５ａ、３５ｂ，３５ｃの耐久性が高められる。

なお、このような初期供給流量ｑＨＧ０の算出は例えば図９のルーチンのステップ１００で行われる。

次に、初期パージガス量の別の実施例を説明する。
上述したように、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときに、初期パージガス量だけパージされるように、パージ制御弁３８が一時的に開弁される。この場合、既存ガスＧＥＸ中の水素ガス濃度、すなわち初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が高いときには、初期パージガス量を少なくし、燃料電池スタック１０から排出される水素ガス量を低減する必要がある。

そこで初期パージガス量の別の実施例では、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０に基づいて初期パージガス量が設定される。すなわち、図１１に示されるように、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０がしきい分圧ｐＨＧ０Ｙ以上のときには、初期パージガス量ＱＰＧ０はゼロに設定される。すなわち、図５を参照して説明したパージ時間ΔｔＰＧがゼロに設定される。したがって、パージ制御弁３８が開弁されることなく、燃料電池スタック１０への空気供給が開始される。すなわち、この場合には水素ガス通路３０から既存ガスＧＥＸが排出されない。これに対し、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０がしきい分圧ｐＨＧ０Ｙよりも低いときには、初期パージガス量ＱＰＧ０はゼロよりも多い量に設定される。具体的には、初期パージガス量ＱＰＧ０は初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が高くなるにつれて少なくなる。その結果、パージ制御弁３８が一時的に開弁された後に、燃料電池スタック１０への空気供給が開始される。

なお、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときに水素ガス通路３０内に多量の液水が存在すると、この液水によってアノード極が覆われ、それにより水素ガスがアノード極に到達するのが困難になるおそれがある。そこで図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときに水素ガス通路３０内に存在している液水量である初期液水量が求められ、初期液水量に基づいて初期パージガス量ＱＰＧ０が算出される。この場合の初期パージガス量ＱＰＧ０は初期液水量が多くなるにつれて多くなる。図示しない更に別の実施例では、上述した初期水素ガス分圧ｐＨＧ０に基づく初期パージガス量ＱＰＧ０と、初期液水量に基づく初期パージガス量ＱＰＧ０とのうち多い方が初期パージガス量ＱＰＧ０に設定される。

なお、このような初期パージガス量ＱＰＧ０の算出は例えば図９のルーチンのステップ１０３で行われる。

初期水素ガス分圧ｐＨＧ０は例えば次のようにして求めることができる。すなわち、一例では、燃料電池スタック１０での発電を開始すべきときに、水素ガス通路３０内の全圧であるアノード圧力ＰＡと、水素ガス通路３０内の水素ガス濃度とがそれぞれセンサにより検出され、これら全圧及び水素ガス濃度から初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が算出される。一方、初期水素ガス分圧ｐＨＧ０は、図１２に示されるように、燃料電池スタック１０での発電が停止されてからの経過時間ｔＳＴＰが長くなるにつれて低くなる。そこで、別の例では、図１２に示されるマップがあらかじめ実験により求められてＲＯＭ６２内に記憶され、経過時間ｔＳＴＰが計測され、このマップを用いて初期水素ガス分圧ｐＨＧ０が推定される。

Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
３０ 水素ガス通路
３５ 水素ガス供給器
３７ パージ管
３８ パージ制御弁
４０ 空気通路
４４ コンプレッサ

Claims (14)

1. 燃料ガス非循環の燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給流量を変更可能に構成された燃料ガス供給器と、
   前記燃料ガス通路の出口に連結されたパージ管と、
   前記パージ管内に配置されたパージ制御弁と、
   前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給器と、
   前記燃料電池スタックで発電を開始すべきときに、前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの供給を停止し前記パージ制御弁を閉弁したまま、前記燃料ガス供給器から初期供給流量でもって前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を開始して前記燃料ガス通路内の圧力であるアノード圧力を上昇させ、次いで前記アノード圧力があらかじめ定められた設定圧力に達したときに、あらかじめ定められた初期パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁し、次いで前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給を開始して前記燃料電池スタックにおいて発電を開始するように構成された制御器と、
   を備え、
   前記初期供給流量は、前記アノード圧力の上昇速度があらかじめ定められた設定上昇速度よりも高くなるように設定される、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの発電中には前記燃料ガス供給器の前記供給流量がベース供給流量に設定され、前記初期供給流量は前記ベース供給流量よりも多く設定される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックで発電を開始すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス分圧である初期燃料ガス分圧が求められ、前記初期燃料ガス分圧に基づいて前記初期供給流量が設定される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記初期供給流量は、前記初期燃料ガス分圧があらかじめ定められた第１の設定分圧よりも低いときには前記アノード圧力の上昇速度が前記設定上昇速度よりも高くなるように設定され、前記初期燃料ガス分圧が前記第１の設定分圧よりも高いときには前記アノード圧力の上昇速度が前記設定上昇速度よりも低くなるように設定される、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記初期燃料ガス分圧に基づいて前記初期パージガス量が設定される、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記初期燃料ガス分圧があらかじめ定められた第２の設定分圧よりも低いときには前記初期パージガス量がゼロよりも多い量に設定され、それにより前記パージ制御弁が一時的に開弁された後に前記酸化剤ガス供給器による酸化剤ガスガスの供給が開始され、前記初期燃料ガス分圧が前記第２の設定分圧よりも高いときには前記初期パージガス量がゼロに設定され、それにより前記パージ制御弁が開弁されることなく前記酸化剤ガス供給器による酸化剤ガスの供給が開始される、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料ガス供給器が互いに並列に配置された複数の燃料ガス供給弁を備え、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給に用いられる前記燃料ガス供給弁の数を変更することにより前記供給流量が変更される、請求項１から６までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給流量を変更可能に構成された燃料ガス供給器と、
   前記燃料ガス通路の出口に連結されたパージ管と、
   前記パージ管内に配置されたパージ制御弁と、
   前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給器と、
   を備えた燃料ガス非循環の燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池スタックで発電を開始すべきときに、前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの前記酸化剤ガスの供給を停止し前記パージ制御弁を閉弁したまま、前記燃料ガス供給器から初期供給流量でもって前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を開始して前記燃料ガス通路内の圧力であるアノード圧力を上昇させ、
   次いで前記アノード圧力があらかじめ定められた設定圧力に達したときに、あらかじめ定められた初期パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁し、
   次いで前記酸化剤ガス供給器による前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給を開始して前記燃料電池スタックにおいて発電を開始し、
   前記初期供給流量は、前記アノード圧力の上昇速度があらかじめ定められた設定上昇速度よりも高くなるように設定される、
   燃料電池システムの制御方法。
9. 前記燃料電池スタックの発電中には前記燃料ガス供給器の前記供給流量がベース供給流量に設定され、前記初期供給流量は前記ベース供給流量よりも多く設定される、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
10. 前記燃料電池スタックで発電を開始すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス分圧である初期燃料ガス分圧が求められ、前記初期燃料ガス分圧に基づいて前記初期供給流量が設定される、請求項８又は９に記載の燃料電池システムの制御方法。
11. 前記初期供給流量は、前記初期燃料ガス分圧があらかじめ定められた第１の設定分圧よりも低いときには前記アノード圧力の上昇速度が前記設定上昇速度よりも高くなるように設定され、前記初期燃料ガス分圧が前記第１の設定分圧よりも高いときには前記アノード圧力の上昇速度が前記設定上昇速度よりも低くなるように設定される、請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
12. 前記初期燃料ガス分圧に基づいて前記初期パージガス量が設定される、請求項１０又は１１に記載の燃料電池システムの制御方法。
13. 前記初期燃料ガス分圧があらかじめ定められた第２の設定分圧よりも低いときには前記初期パージガス量がゼロよりも多い量に設定され、それにより前記パージ制御弁が一時的に開弁された後に前記酸化剤ガス供給器による酸化剤ガスガスの供給が開始され、前記初期燃料ガス分圧が前記第２の設定分圧よりも高いときには前記初期パージガス量がゼロに設定され、それにより前記パージ制御弁が開弁されることなく前記酸化剤ガス供給器による酸化剤ガスの供給が開始される、請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
14. 前記燃料ガス供給器が互いに並列に配置された複数の燃料ガス供給弁を備えており、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給に用いられる前記燃料ガス供給弁の数を変更することにより前記供給流量が変更される、請求項８から１３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。

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