JP6052282B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００５−２４３４７６Ａには、従来の燃料電池システムとして、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムが開示されている。この従来の燃料電池システムは、アノードガスの圧力を昇降圧させる脈動運転を実施し、昇圧時には燃料電池に対して必要流量よりも多くのアノードガスを供給することで、燃料電池内に滞留する不純物を燃料電池外に排出し、燃料電池の出力性能の低下を抑制していた。

現在、発明者らは、目標圧力として高い圧力、低い圧力を繰り返し設定し、その圧力となるように調圧弁によるアノードガス圧力のフィードバック制御を実施することによって、アノードガスの脈動制御を行うことを検討している。

一方で、この脈動に対しては、２つの種類の上限圧力が設定される。一つは、例えばスタック内の水をバッファタンク等に押し込むために、スタックの性能要求を確保するための脈動の上限圧力である。もう一つは、電解質膜の機械的強度を考慮する等、耐久性を確保するための脈動の上限圧力である。

耐久性を考慮した上限圧力を超えてしまうと製品寿命を短くする可能性があるので、たとえば、必ず目標上限圧力を超えないように、常に、上限圧力より低い目標圧力をフィードバック制御の目標値として与えることが考えられる。

しかしながら、常に、上限圧力より低い目標圧力を設定していると、性能要求を確保するための脈動の上限圧力が設定されている場合には、目標圧力が低く設定されているために十分な脈動振幅を与えられず、水の排出が不十分になる可能性がある。

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、設定される脈動の上限圧力に応じて、最適な目標圧力フィードバック制御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、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を検出する圧力検出部と、アノードガスの目標圧力として、目標上限圧と目標下限圧とを周期的に繰り返し設定する目標圧力設定部と、圧力検出部によって検出したアノードガスの圧力と、目標圧力と、に基づいて、制御弁をフィードバック制御してアノードガスの圧力を制御する圧力制御部と、燃料電池の耐久性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値と、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値と、のうち、小さいものをアノードガスの上限圧として設定する上限圧設定部と、を備える燃料電池システムが提供される。そして、目標圧力設定部が、アノードガスの上限圧として、燃料電池の耐久性能に基づいて設定されたアノードガスの上限値が選択されたときは、その上限値よりも小さい値を目標上限圧として設定し、燃料電池の出力性能に基づいて設定されたアノードガスの上限値が選択されたときは、その上限値よりも大きい圧力を目標上限圧として設定する、ことを特徴とする。

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１Ａは、本発明の第１実施形態による燃料電池の概略斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａの燃料電池１０のＩＢ−ＩＢ断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、本発明の第１実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。 図４は、アノード圧の下限圧算出処理について説明するフローチャートである。 図５は、目標出力電流に基づいて、発電要求下限値を算出するテーブルである。 図６は、アノード圧の上限圧算出処理について説明するフローチャートである。 図７は、目標出力電流に基づいて、圧力上昇値を算出するテーブルである。 図８は、制御目標下限圧算出処理について説明するフローチャートである。 図９は、制御目標上限圧算出処理について説明するフローチャートである。 図１０は、脈動運転処理について説明するフローチャートである。 図１１は、アノード圧の昇圧処理について説明するフローチャートである。 図１２は、目標出力電流に基づいて、昇圧変化率を算出するテーブルである。 図１３は、アノード圧の降圧処理について説明するフローチャートである。 図１４は、本発明の第１実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。 図１５は、本発明の第１実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。 図１６は、下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定したことによる効果を説明する図である。 図１７は、本発明の第２実施形態による昇圧処理について説明するフローチャートである。 図１８は、本発明の第２実施形態による降圧処理について説明するフローチャートである。 図１９は、本発明の第２実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。

（第１実施形態）
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）とで挟み、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）及び（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１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１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１Ａは、燃料電池１０の概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池１０のＩＢ−ＩＢ断面図である。

燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１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、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極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、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極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、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池１０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１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタック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を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック２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発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。

燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。

アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、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２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から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。

圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２の圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出した圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。

アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がバッファタンク３６の上部に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、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を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。

パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、アノード系内のアノードガス濃度が所定濃度となるように調節する。所定濃度の設定値が低すぎると、電極反応に使用されるアノードガスが不足するので、発電効率が低下する。一方で、所定濃度の設定値が高すぎると、パージ通路３７を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。したがって、所定濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に設定される。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３８の開度を大きくするほどバッファタンク３６内の不活性ガスの濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。

コントローラ４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４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ４２、燃料電池スタックに供給するカソードガスの圧力（以下「カソード圧」という。）を検出する圧力センサ４３、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４４、バッテリ充電率を検出するＳＯＣセンサ４５などの燃料電池システム１の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。

また、コントローラ４は、各種センサの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に昇降圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク３６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、アノード系内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。

脈動運転では、アノード圧の目標圧力として、上限圧力及び下限圧力とを繰り返し設定し、設定された圧力となるように調圧弁によるフィードバック制御を行うことで、上限圧力と下限圧力との間でアノード圧を周期的に昇降圧させて脈動させる。

脈動運転を行うことで、アノード圧の昇圧時にアノードガス流路１２１内の液水を周期的にアノードガス流路１２１外へ排出することができるので、燃料電池スタックの排水性能、ひいては出力性能を向上させることができる。

図３は、本実施形態による脈動運転制御について説明する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４は、各種センサの検出信号を読み込み、燃料電池システムの運転状態を検出する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて、燃料電池スタックの目標出力電流を算出する。

ステップＳ３において、コントローラ４は、アノード圧の下限圧算出処理を実施する。下限圧算出処理の詳細については、図４を参照して後述する。

ステップＳ４において、コントローラ４は、アノード圧の上限圧算出処理を実施する。上限圧算出処理の詳細については、図６を参照して後述する。

ステップＳ５において、コントローラ４は、アノード圧を下限圧に制御する際に目標とすべき下限圧（以下「制御目標下限圧」という。）の算出処理を実施する。制御目標下限圧算出処理の詳細については、図８を参照して後述する。

ステップＳ６において、コントローラ４は、アノード圧を上限圧に制御する際に目標とすべき上限圧（以下「制御目標上限圧」という。）の算出処理を実施する。制御目標上限圧算出処理の詳細については、図９を参照して後述する。

ステップＳ７において、コントローラ４は、脈動運転処理を実施する。脈動運転処理の詳細については、図１０を参照して後述する。

図４は、アノード圧の下限圧算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、コントローラ４は、カソード圧から所定値γを減じることで、膜劣化防止下限値を算出する。膜劣化防止下限値は、電解質膜１１１の耐久性を確保するという観点から設定されるアノード圧の下限値であって、カソード圧（カソードガス流路１３１の圧力）とアノード圧（アノードガス流路１２１の圧力）との圧力差が過大となって電解質膜１１１が劣化するのを防止するために必要なカソード圧の下限値である。

ステップＳ３２において、コントローラ４は、図５のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、その目標出力電流を出力するために最低限必要なアノード圧の下限値（以下「発電要求下限値」という。）を算出する。つまり、発電要求下限値は、燃料電池スタック２の出力性能を確保するという観点から設定されるアノード圧の下限値である。

ステップＳ３３において、コントローラ４は、膜劣化防止下限値及び発電要求下限値のうち、大きいほうをアノード圧の下限圧として設定する。なお、膜劣化防止下限値及び発電要求下限値が等しい場合は、膜劣化防止下限値をアノード圧の下限圧として設定する。

図６は、アノード圧の上限圧算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ４１において、コントローラ４は、アノード圧の許容最大上限値を設定する。許容最大上限値は、電解質膜１１１の耐久性を確保するという観点から設定されるアノード圧の上限値であって、アノード圧が過大となって電解質膜１１１が劣化するのを防止するために必要なアノード圧の上限値である。許容最大上限値は、燃料電池スタック２の仕様に応じて定まるものであって、予め実験等によって定められた所定値である。アノード圧が許容最大上限値を超えた状態で燃料電池システム１を運転すると、電解質膜１１１が劣化するおそれがある。

ステップＳ４２において、コントローラ４は、カソード圧に所定値γを加えることで、膜劣化防止上限値を算出する。膜劣化防止上限値は、電解質膜１１１の耐久性を確保するという観点から設定されるアノード圧の上限値であって、カソード圧とアノード圧との圧力差が過大となって、電解質膜１１１が劣化するのを防止するために必要なアノード圧の上限値である。

ステップＳ４３において、コントローラ４は、図７のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、アノードガス流路１２１内での水詰まり（フラッディング）を防止するために必要な圧力上昇値を算出する。

ステップＳ４４において、コントローラ４は、下限圧算出処理で算出された下限圧に、ステップＳ４３で算出した圧力上昇値を加えて、フラッディング防止上限値を算出する。フラッディング防止上限値は、燃料電池スタックの出力性能を確保するという観点から設定されるアノード圧の上限値である。

ステップＳ４５において、コントローラ４は、許容最大上限値、膜劣化防止上限値及びフラッディング防止上限値のうち、最も小さいものをアノード圧の上限圧として設定する。

なお、膜劣化防止上限値よりも残りの２つが小さく、許容最大上限値とフラッディング防止上限値とが等しい場合には、許容最大上限値をアノード圧の上限圧として設定する。同様に、許容最大上限値よりも残りの２つが小さく、膜劣化防止上限値とフラッディング防止上限値とが等しい場合には、膜劣化防止上限値をアノード圧の上限圧として設定する。フラッディング防止上限値よりも残りの２つが小さく、許容最大上限値と膜劣化防止上限値とが等しい場合には、いずれをアノード圧の上限圧として設定しても良い。

図８は、制御目標下限圧算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ５１において、コントローラ４は、膜劣化防止下限値が下限圧として設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、膜劣化防止下限値が下限圧として設定されていればステップＳ５２の処理を行う。一方で、発電要求下限値が下限圧として設定されていればステップＳ５４の処理を行う。

ステップＳ５２において、コントローラ４は、下限側耐久性優先フラグを１に設定する。下限側耐久性優先フラグは、膜劣化防止下限値が下限圧として設定されているときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。

下限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、換言すれば、電解質膜１１１、ひいては燃料電池スタック２の耐久性を確保するという要求に基づいて下限圧が設定されているときである。したがって、アノード圧が下限圧を下回るのは望ましくない。そこで本実施形態では、下限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、下限圧に所定値β１を加えたものを制御目標下限圧とし、アノード圧が下限圧を下回るのを抑制する。

ステップＳ５３において、コントローラ４は、下限圧に所定値β１を加えたものを制御目標下限圧として設定する。

ステップＳ５４において、コントローラ４は、下限側耐久性優先フラグを０に設定する。

下限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、発電要求下限値が下限圧として設定されているときであり、換言すれば、燃料電池スタック２の出力性能を確保するという要求に基づいて下限圧が設定されているときである。アノードガス流路１２１内の液水を流路外に排出する機能（排水性能）は、上限圧と下限圧との差圧（脈動幅）が大きいときほど高くなる。燃料電池スタック２の排水性能が低下すると、フラッディングが発生しやすくなって燃料電池スタック２の出力性能が低下する。

したがって、発電要求下限値が下限圧として設定されているときは、アノード圧を確実に下限圧まで降圧させ、次の昇圧時にアノードガス流路１２１内の液水を流路外に排出させたい。そこで本実施形態では、下限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、下限圧から所定値β２を減じたもの制御目標下限圧とし、アノード圧を確実に下限圧まで降圧させる。

ステップＳ５５において、コントローラ４は、下限圧から所定値β２を減じたものを制御目標下限圧として設定する。

図９は、制御目標上限圧算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ６１において、コントローラ４は、許容最大上限値及び膜劣化防止上限値のいずれかが上限圧として設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、許容最大上限値及び膜劣化防止上限値のいずれかが上限圧として設定されていればステップＳ６２の処理を行う。一方で、フラッディング防止上限値が上限圧として設定されていればステップＳ６４の処理を行う。

ステップＳ６２において、コントローラ４は、上限側耐久性優先フラグを１に設定する。上限側耐久性優先フラグは、許容最大上限値及び膜劣化防止上限値のいずれかが上限圧として設定されているときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。

上限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、換言すれば、電解質膜１１１、ひいては燃料電池スタック２の耐久性を確保するという要求に基づいて上限圧が設定されているときである。したがって、アノード圧が上限圧を超えるのは望ましくない。そこで本実施形態では、上限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、上限圧から所定値α１だけ減じたものを制御目標上限圧とし、アノード圧が上限圧を超えるのを抑制する。

ステップＳ６３において、コントローラ４は、上限圧から所定値α１を減じたものを制御目標上限圧として設定する。本実施形態では、所定値α１を所定値β１よりも大きい値としている。その理由については図１４を参照して後述する。

ステップＳ６４において、コントローラ４は、上限側耐久性優先フラグを０に設定する。

上限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、フラッディング防止上限値が上限圧として設定されているときであり、換言すれば、フラッディングを防止して燃料電池スタック２の出力性能（排水性能）を確保するという要求に基づいて上限圧が設定されているときである。したがって、このような場合は、アノード圧が上限圧まで上がりきらないほうが問題で、アノード圧を確実に上限圧まで昇圧させたい。そこで本実施形態では、耐久性フラグが０に設定されているときは、上限圧に所定値α２を加えたもの制御目標上限圧とし、アノード圧を確実に上限圧まで昇圧させる。

ステップＳ６５において、コントローラ４は、上限圧に所定値α２を加えたものを制御目標上限圧として設定する。本実施形態では、所定値α２を所定値β２よりも小さい値としている。その理由については図１５を参照して後述する。

図１０は、脈動運転処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ７１において、コントローラ４は、降圧中フラグが１に設定されているか否かを判定する。降圧中フラグは、アノード圧の降圧処理中に１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。

ステップＳ７２において、コントローラ４は、アノード圧の昇圧処理を実施する。昇圧処理の詳細については、図１１を参照して後述する。

ステップＳ７３において、コントローラ４は、アノード圧の降圧処理を実施する。降圧処理の詳細については、図１３を参照して後述する。

図１１は、アノード圧の昇圧処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ７２１において、コントローラ４は、図１２のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、アノード圧を昇圧させるときの昇圧変化率（目標アノード圧の傾き）を算出する。昇圧変化率が大きいときほど、アノード圧の昇圧速度が早くなる。

図１２のテーブルに示すように、目標出力電流が大きいときほど、昇圧変化率を大きくしたのは、目標出力電流が大きいときほど、カソード側からアノード側に透過してくる水分量が多くなるためである。

ステップＳ７２２において、コントローラ４は、上限側耐久性優先フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、上限側耐久性優先フラグが１に設定されていればステップＳ７２３の処理を行う。一方で、上限側耐久性優先フラグが０に設定されていればステップＳ７２７の処理を行う。

ステップＳ７２３において、コントローラ４は、制御目標下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定し、アノード圧が目標アノード圧に追従するように調圧弁の開度を調節する。

ステップＳ７２４において、コントローラ４は、アノード圧が制御目標上限圧以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が制御目標上限圧未満であれば今回の処理を終了する。一方で、アノード圧が制御目標上限圧以上であれば昇圧処理を終了すべくステップＳ７２５の処理を行う。

このように、上限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、アノード圧が上限圧よりも低い制御目標上限圧になったときに昇圧処理を終了することで、アノード圧が上限圧を超えるのを抑制することができる。

ステップＳ７２５において、コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標下限圧まで低下させて、昇圧処理を終了する。目標アノード圧を制御目標下限圧まで低下させることで、コントローラ４は、基本的に調圧弁を全閉に制御する。

ステップＳ７２６において、コントローラ４は、降圧中フラグを１に設定する。降圧中フラグの初期値は０に設定される。

ステップＳ７２７において、コントローラ４は、下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定し、アノード圧が目標アノード圧に追従するように調圧弁の開度を調節する。

ステップＳ７２８において、コントローラ４は、アノード圧が上限圧以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が上限圧未満であれば今回の処理を終了する。一方で、アノード圧が上限圧以上であれば昇圧処理を終了すべくステップＳ７２９の処理を行う。

このように、上限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、制御目標上限圧を上限圧よりも高い値に設定しておくことで、確実にアノード圧を上限圧まで昇圧させることができる。また、アノード圧が上限圧になったときに昇圧処理を終了させることで、無駄にアノードガスを供給してアノード圧を昇圧させることがない。よって、燃料電池スタック２の出力性能（排水性能）を確保しつつ、燃費の悪化を抑制することができる。

ステップＳ７２９において、コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標下限圧まで低下させて、昇圧処理を終了する。目標アノード圧を制御目標下限圧まで低下させることで、コントローラ４は、基本的に調圧弁を全閉に制御する。

ステップＳ７３０において、コントローラ４は、降圧中フラグを１に設定する。

図１３は、アノード圧の降圧処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ７３１において、コントローラ４は、下限側耐久性優先フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、下限側耐久性優先フラグが１に設定されていればステップＳ７３２の処理を行う、一方で、下限側耐久性優先フラグが０に設定されていればステップＳ７３４の処理を行う。

ステップＳ７３２において、コントローラ４は、アノード圧が制御目標下限圧以下になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が制御目標下限圧よりも高ければ今回の処理を終了する。一方で、アノード圧が制御目標下限圧以下であれば降圧処理を終了すべくステップＳ７３３の処理を行う。

ステップＳ７３３において、コントローラ４は、降圧中フラグを０に設定する。

このように、下限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、アノード圧が下限圧よりも高い制御目標下限圧になったときに降圧処理を終了することで、アノード圧が下限圧を下回るのを抑制することができる。

ステップＳ７３４において、コントローラ４は、アノード圧が下限圧以下になったか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧が下限圧よりも高ければ今回の処理を終了する。一方で、アノード圧が下限値以下であれば降圧処理を終了すべくステップＳ７３５の処理を行う。

このように、下限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、制御目標下限圧を下限圧よりも低い値に設定しておくことで、アノード圧が下限圧まで降圧しないことを抑制できる。

ステップＳ７３５において、コントローラ４は、降圧中フラグを０に設定する。

次に、図１４及び図１５を参照して、本実施形態による脈動運転制御の作用効果を説明する。

図１４は、本実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。図１４は、膜劣化防止上限値が上限圧として設定され、膜劣化防止下限値が下限圧として設定されているとき、すなわち、上限側耐久性優先フラグ及び下限側耐久性優先フラグがそれぞれ１に設定されているときのタイムチャートである。図１４において、破線は目標アノード圧であり、実線がアノード圧である。

図１４に示すように、膜劣化防止上限値が上限圧として設定されているので、上限圧よりも所定値α１だけ低い値が制御目標上限圧として設定される。

そして、時刻ｔ１から時刻ｔ２に示すように、制御目標下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧（破線）が設定され、アノード圧（実線）が目標アノード圧に追従するように調圧弁３３の開度が調節される。

このように、燃料電池スタック２の耐久性を確保するという要求に基づいて上限圧が設定されているときは、上限圧よりも低い値を制御目標上限圧に設定することで、アノード圧が上限圧を超えるのを抑制することができる。これにより、燃料電池スタック２の耐久性を向上させることができる。

時刻ｔ２で、アノード圧が制御目標上限圧になると、コントローラ４は昇圧処理を終了し、降圧処理に入る。降圧処理に入ると、コントローラ４は調圧弁３３を全閉にすることで、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。

これにより、時刻ｔ２から時刻ｔ３に示すように、前述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック２内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。

また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。

時刻ｔ３でアノード圧が制御目標下限圧になると、コントローラ４は降圧処理を終了し、再び昇圧処理に入る。

このように、燃料電池スタック２の耐久性を確保するという要求に基づいて下限圧が設定されているときは、下限圧よりも高い値を制御目標下限圧に設定することで、アノード圧が下限圧を下回るのを抑制できる。これにより、燃料電池スタック２の耐久性を向上させることができる。

また本実施形態では、所定値α１を所定値β１よりも大きい値としている。これによって、以下の効果を得ることができる。

本実施形態のような脈動運転を実施する場合、アノード圧の昇圧速度は、アノード圧の降圧速度よりも速くなる。これは、アノード圧を昇圧させるには、調圧弁３３を開いて高圧タンクから高圧のアノードガスを供給すれば良いので、調圧弁３３の開度を調整することで応答性良くアノード圧を昇圧させることができるが、アノード圧を降圧させるには、燃料電池スタック２の内部でアノードガスが消費されるのを待つ以外にないためである。

したがって、所定値α１の値が小さいと、アノード圧が応答性良く昇圧することに伴い、アノード圧が制御目標上限圧を超えて上限圧まで達してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、上限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、所定値α１を所定値β１よりも大きくしたのである。

これにより、アノード圧が上限圧を超えるのを確実に抑制できるので、燃料電池スタック２の耐久性の低下をより一層抑制することができる。

図１５は、本実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。図１５は、フラッディング防止上限値が上限圧として設定され、発電要求下限値が下限圧として設定されているとき、すなわち、上限側耐久性優先フラグ及び下限側耐久性優先フラグがそれぞれ０に設定されているときのタイムチャートである。図１５において、破線は目標アノード圧であり、実線がアノード圧である。

図１５に示すように、フラッディング防止上限値が上限圧として設定されているので、上限圧よりも所定値α２だけ高い値が制御目標上限圧として設定される。

そして、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２に示すように、下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧（破線）が設定され、アノード圧（実線）が目標アノード圧に追従するように調圧弁３３の開度が調節される。

このように、フラッディングを防止して燃料電池スタック２の出力性能（排水性能）を確保するという要求に基づいて上限圧が設定されているときは、制御目標上限圧を上限圧よりも高い値に設定することで、アノード圧を確実に上限圧まで昇圧させることができる。つまり、制御に定常偏差が発生してアノード圧が制御目標上限圧まで上がりきらないような状況になったとしても、制御目標上限圧が上限圧よりも高い値に設定されているので、アノード圧を確実に上限圧まで昇圧させることができる。これにより、燃料電池スタック２の出力性能（排水性能）を確保することができる。

また、制御目標上限圧を上限圧よりも高い値に設定しているが、アノード圧が上限圧になったときに昇圧処理を終了させるので、無駄にアノードガスを供給してアノード圧を昇圧させることがない。よって、燃費の悪化を抑制することができる。

時刻ｔ１２でアノード圧が上限値になると、コントローラ４は昇圧処理を終了し、降圧処理に入る。降圧処理に入ると、コントローラ４は調圧弁３３を全閉にすることで、高圧タンクから燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。

時刻ｔ１３でアノード圧が下限圧になると、コントローラ４は降圧処理を終了し、再び昇圧処理に入る。

このとき、発電要求下限値が下限圧として設定されているので、下限圧よりも所定値β２だけ低い値が制御目標下限圧として設定される。これにより、アノード圧を確実に下限圧まで降圧させることができる。その結果、次の昇圧時における脈動幅（上限圧と下限圧との差圧）を確保できるので、アノードガス流路１２１内の液水を流路外に排出させることができる。よって、燃料電池スタック２の出力性能（排水性能）を向上させることができる。

また本実施形態では、所定値α２を所定値β２よりも小さい値としている。これによって、以下の効果を得ることができる。

前述したように、本実施形態のような脈動運転を実施する場合、アノード圧の昇圧速度は、アノード圧の降圧速度よりも速くなる。

したがって、上限側耐久性優先フラグが０に設定されているときに、所定値α２の値が大きいと、アノード圧が応答性良く昇圧することに伴い、アノード圧が上限圧を過大に超えてしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、上限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、所定値α２を所定値β２よりも小さくしたのである。

これにより、アノード圧が上限圧を超えるのを抑制できるので、無駄にアノードガスを供給してアノード圧を昇圧させることがない。よって、燃費の悪化を抑制することができる。

また本実施形態では、降圧処理を終了して再び昇圧処理に入るときに、制御目標下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定するのではなく、下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定している。これによって、以下の効果を得ることができる。

図１６は、下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定したことによる効果を説明する図である。

図１６に一点鎖線で示すように、制御目標下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定すると、アノード圧が下限圧まで低下した後も、しばらくは目標アノード圧が下限圧よりも低い値となる。そのため、アノード圧が下限圧まで低下した後も、アノード圧を目標アノード圧に追従させるために調圧弁３３が全閉に制御されたままとなる。その結果、アノード圧が下限圧よりも低下し、アンダーシュートが発生する。

発電要求下限値が下限圧として設定されているときに、このようなアンダーシュートが発生してアノード圧が下限圧よりも低下すると、燃料電池スタック２の出力電流が目標出力電流よりも低くなるおそれがある。

これに対し、降圧処理から昇圧処理に移行したときに、本実施形態のように下限圧から制御目標上限圧に向けて所望の昇圧変化率でアノード圧が昇圧するように目標アノード圧を設定することで、このようなアンダーシュートの発生を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック２の出力電流が目標出力電流よりも低くなるのを抑制でき、結果として燃料電池スタック２の出力性能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、アノード圧を一定時間保持する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、アノードガス供給通路３２に設けられた圧力センサ３４で検出した圧力（アノード圧）を、燃料電池スタック２内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力として代用している。

したがって、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１の圧力が、圧力センサ３４で検出した圧力になるには、短時間ではあるが遅れが生じる可能性がある。そこで本実施形態では、アノード圧が上限圧及び下限圧に達した後、しばらくアノード圧をその上限圧及び下限圧に保持することとした。

図１７は、本実施形態による昇圧処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ２７２１において、コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標上限圧に設定する。

ステップＳ２７２２において、コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標上限圧に設定してから所定時間が経過したか否かを判定する。コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標上限圧に設定してから所定時間が経過していればステップＳ７２５の処理を行い、所定時間が経過していなければステップＳ２７２２の処理に戻る。

ステップＳ２７２３において、コントローラ４は、目標アノード圧を上限圧に設定する。

ステップＳ２７２４において、コントローラ４は、目標アノード圧を上限圧に設定してから所定時間が経過したか否かを判定する。コントローラ４は、目標アノード圧を上限圧に設定してから所定時間が経過していればステップＳ７２９の処理を行い、所定時間が経過していなければステップＳ２７２４の処理に戻る。

図１８は、本実施形態による降圧処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ２７３１において、コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標下限圧に設定する。

ステップＳ２７３２において、コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標下限圧に設定してから所定時間が経過したか否かを判定する。コントローラ４は、目標アノード圧を制御目標下限圧に設定してから所定時間が経過していればステップＳ７３３の処理を行い、所定時間が経過していなければステップＳ２７３２の処理に戻る。

ステップＳ２７３３において、コントローラ４は、目標アノード圧を下限圧に設定する。

ステップＳ２７３４において、コントローラ４は、目標アノード圧を下限圧に設定してから所定時間が経過したか否かを判定する。コントローラ４は、目標アノード圧を下限圧に設定してから所定時間が経過していればステップＳ７３５の処理を行い、所定時間が経過していなければステップＳ２７３４に戻る。

以上説明した本実施形態によれば、上限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、アノード圧が制御目標上限圧に達した後、目標アノード圧を制御目標上限圧に所定時間保持することとした。これにより、アノードガス流路１２１内の圧力を制御目標上限圧まで確実に昇圧させることができる。

また、下限側耐久性優先フラグが１に設定されているときは、アノード圧が制御目標下限圧に達した後、目標アノード圧を制御目標下限圧に所定時間保持することとした。これにより、アノードガス流路１２１内の圧力を制御目標下限圧まで確実に降圧させることができる。

上限側耐久性優先フラグ及び下限側耐久性優先フラグがそれぞれ０に設定されているときの効果は、図１９を参照して説明する。

図１９は、本実施形態による脈動運転制御の動作について説明するタイムチャートである。図１９は、フラッディング防止上限値が上限圧として設定され、発電要求下限値が下限圧として設定されているとき、すなわち、上限側耐久性優先フラグ及び下限側耐久性優先フラグがそれぞれ０に設定されているときのタイムチャートである。図１９において、破線は目標アノード圧であり、実線がアノード圧である。

図１９に示すように、上限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、時刻ｔ２１でアノード圧が上限圧に達した後、目標アノード圧を制御目標上限圧から上限圧に変更し、目標アノード圧を上限圧に所定時間保持することとした。これにより、アノードガス流路１２１内の圧力を上限圧まで確実に昇圧させることができる。

このように、目標アノード圧を制御目標上限圧に所定時間保持するのではなく、目標アノード圧を制御目標上限圧から上限圧に変更した上で、目標アノード圧を上限圧に所定時間保持することで、保持中にアノード圧が上限圧を超えるのを抑制できる。したがって、無駄にアノードガスを供給してアノード圧を昇圧させることがなく、燃費の悪化を抑制することができる。

また、図１９に示すように、下限側耐久性優先フラグが０に設定されているときは、時刻ｔ２２でアノード圧が下限圧に到達した後、目標アノード圧を制御目標下限圧から下限圧に変更し、目標アノード圧を下限圧に所定時間保持することとした。これにより、アノードガス流路１２１内の圧力を下限圧まで確実に降圧させることができる。

このように、下限側耐久性優先フラグが０に設定されている場合は、下限側耐久性優先フラグが１に設定されているときのように、目標アノード圧を制御目標下限圧に所定時間保持するのではなく、目標アノード圧を制御目標下限圧から下限圧に変更した上で、目標アノード圧を下限圧に所定時間保持している。これにより、保持中にアノード圧が下限圧を下回るのを抑制できる。よって、燃料電池スタック２の出力電流が目標出力電流よりも低くなるのを抑制でき、結果として燃料電池スタック２の出力性能を向上させることができる。

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。

例えば、上記各実施形態では、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をアノードガス排出通路３５に設けていた。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２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。なお、ここでいう内部マニホールドとは、各セパレータのアノードガス流路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２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。

本願は、２０１２年３月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−５９２６３号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (14)

1. 燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
   前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
   アノードガスの目標圧力として、目標上限圧と目標下限圧とを周期的に繰り返し設定する目標圧力設定部と、
   前記圧力検出手段によって検出したアノードガスの圧力と、前記目標圧力と、に基づいて、前記制御弁をフィードバック制御してアノードガスの圧力を制御する圧力制御部と、
   前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値と、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値と、のうち、小さいものをアノードガスの上限圧として設定する上限圧設定部と、
   を備え、
   前記目標圧力設定部は、
   アノードガスの上限圧として、前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定されたアノードガスの上限値が選択されたときは、その上限値よりも小さい値を目標上限圧として設定し、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されたアノードガスの圧力の上限値が選択されたときは、その上限値よりも大きい圧力を目標上限圧として設定する、燃料電池システム。
2. 前記圧力制御部は、
   アノードガスの上限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されたアノードガスの圧力の上限値が選択された場合は、アノードガスの圧力が上限圧に達したときに、アノードガスの昇圧を終了する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の下限値と、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の下限値と、のうち、大きいものをアノードガスの下限圧として設定する下限圧設定手段を備え、
   前記目標圧力設定部は、
   アノードガスの下限圧として、前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定された下限値が選択されたときは、その下限値よりも大きい値を目標下限圧として設定し、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された下限値が選択されたときは、その下限値よりも小さい値を目標下限圧として設定する、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記圧力制御部は、
   アノードガスの下限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された下限値が選択された場合は、アノードガスの圧力が下限圧に達したときに、アノードガスの降圧を終了する、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. アノードガスの上限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された上限値が選択されたときの目標上限圧とその上限値との差分は、アノードガスの下限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された下限値が選択されたときのその下限値と目標下限圧との差分よりも小さい、
   請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記圧力制御部は、
   前記燃料電池の運転状態に応じて算出される昇圧変化率で、アノードガスの圧力を昇圧させる、
   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。
7. 前記圧力制御部は、
   アノードガスの上限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された上限値が選択され、アノードガスの下限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された下限値が選択されている場合は、アノードガスの圧力を昇圧させるときに、下限圧から目標上限圧に向けて、前記昇圧変化率でアノードガスの圧力を昇圧させる、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記圧力制御部は、
   アノードガスの上限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された上限値が選択された場合は、アノードガスの圧力が上限圧に達したときに、アノードガスの目標圧力を上限圧に所定時間保持してからアノードガスの昇圧を終了する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記圧力制御部は、
   アノードガスの下限圧として、前記燃料電池の出力性能に基づいて設定された下限値が選択された場合は、アノードガスの圧力が下限圧に達したときに、前記アノードガスの目標圧力を目標下限圧に所定時間保持してからアノードガスの降圧を終了する、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値は、前記燃料電池の仕様に応じて定まる前記燃料電池に供給可能なガス圧力の最大値である、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値は、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧の許容最大値に基づき設定される値である、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の上限値は、前記燃料電池内のアノードガス流路に存在する水分をアノードガス流路外に排出するために必要な圧力上昇値に基づき設定される値である、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池の耐久性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の下限値は、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧の許容最大値に基づき設定される値である、
    請求項３に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池の出力性能に基づいて設定されるアノードガスの圧力の下限値は、前記燃料電池の負荷に応じて定まる目標出力を出力可能なアノードガスの圧力の最低値である、
    請求項３に記載の燃料電池システム。

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