JP4844352B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、上記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記燃料極側の圧力を調圧するガス調圧弁と、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、上記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、上記燃料極の水詰まりの発生を判定する判定手段と、上記判定手段によって水詰まりと判定された場合、上記パージ弁を閉状態から開状態に制御した後に、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも段階的に上昇させるように上記ガス調圧弁を制御するコントロールユニットとを備える。

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、上記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、上記燃料極側の圧力を調圧するガス調圧弁と、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、上記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、上記燃料極の水詰まりの発生を判定する判定手段と、上記判定手段によって水詰まりと判定された場合、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも高い所定圧力値まで上昇させるように上記ガス調圧弁を制御した後に上記パージ弁を周期的に閉状態から開状態に制御するコントロールユニットとを備える。

請求項３に係る燃料電池システムの制御装置では、上記ガス供給手段は、上記燃料電池に燃料ガスと共に酸化剤ガスを供給し、上記判定手段によって水詰まりと判定された場合に、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも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に係る燃料電池システムの制御装置によれば、パージ弁を閉状態から開状態に制御した後に、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも段階的に上昇させるように上記ガス調圧弁を制御するので、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。また、料電池システムの制御装置によれば、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。

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。また、燃料電池システムの制御装置によれば、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。

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。

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。

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。

［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。

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１ａ、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｌ１内の水素ガス圧力を検出する水素ガス圧力センサ１３、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１３、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１６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。

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。

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。

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。

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。

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。

すなわち、図２（ｂ）に示すように時刻ｔ１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Ｌ１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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｓ４）、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）。

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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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１８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。

［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。

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Ｓ１２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。

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Ｓ１１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。

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。

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１７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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

「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。

すなわち、図７に示すように、ステップＳ５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。

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。

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。

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。

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。

「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。

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ｔ１３、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。

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。

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。

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。

「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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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

Claims (3)

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、
   上記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   上記燃料極側の圧力を調圧するガス調圧弁と、
   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、
   上記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、
   上記燃料極の水詰まりの発生を判定する判定手段と、
   上記判定手段によって水詰まりと判定された場合、上記パージ弁を閉状態から開状態に制御した後に、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも段階的に上昇させるように上記ガス調圧弁を制御するコントロールユニットと
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
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、
   上記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   上記燃料極側の圧力を調圧するガス調圧弁と、
   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、
   上記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、
   上記燃料極の水詰まりの発生を判定する判定手段と、
   上記判定手段によって水詰まりと判定された場合、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも高い所定圧力値まで上昇させるように上記ガス調圧弁を制御した後に上記パージ弁を周期的に閉状態から開状態に制御するコントロールユニットと を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
3. 上記ガス供給手段は、上記燃料電池に燃料ガスと共に酸化剤ガスを供給し、
   上記判定手段によって水詰まりと判定された場合に、上記燃料電池に要求される発電電力を発電させるために必要な燃料ガス圧力よりも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又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。