JP6809401B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関するものである。
燃料電池スタックの単セルのアノードガス流路は、発電によって生成された液水によって閉塞する可能性がある。燃料電池システムの停止時にアノードガス流路が液水によって閉塞してしまうことを抑制するために、掃気運転が実行される。特許文献１の燃料電池システムは、アノードガスを掃気ガスとして掃気運転を行い、アノード排ガス導出流路に滞留する液水を単セル外部に排出することによって、アノード排ガス導出流路の閉塞を抑制する。
特開２０１４−１９７４８１号公報
しかしながら、燃料電池システムの停止時に常に大量のアノードガスを用いて掃気運転を行うと、アノードガスの燃費が低下してしまう。そのため、アノードガスの供給量を可能な限り少なくしたいという要望がある。また、本発明の発明者は、燃料電池システムの停止時だけでなく、通常運転時や低負荷運転時においても、アノードガス流路に液水による閉塞が発生する恐れがあり、単セルがアノードガス欠乏状態となって劣化する問題があることを見出した。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードガス流路が形成された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノードガス供給口を介して前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、前記アノードガス供給口と前記アノードガス供給部との間に設けられ、アノードガス供給圧力を測定する圧力センサと、前記燃料電池スタックの電流を測定する電流センサと、前記アノードガス供給部のアノードガス供給量を制御することによって前記アノードガス供給圧力を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、少なくとも一つの単セルの前記アノードガス流路で液水による閉塞の発生が予測されるか否かを示す閉塞予測条件が成立した場合に、前記燃料電池スタックの電流と前記アノードガス供給量から算出されるアノードガスのストイキ比を予め定めた値とするための第１圧力を算出するとともに、前記アノードガス流路の液水による閉塞を解消するための第２圧力と前記第１圧力とを比較し、前記第１圧力と前記第２圧力のうちで値が高い一方を選択圧力として、前記アノードガス供給圧力が前記選択圧力となるように前記アノードガス供給量を制御する。
この形態の燃料電池システムによれば、第１圧力と第２圧力のうちの高い方を用いてアノードガス供給量を制御するので、常にこれらよりも十分高い圧力となるように大量のアノードガスを供給する場合に比べて、アノードガスの供給を抑制できる。また、燃料電池システムの運転状況に関わらず、閉塞予測条件が成立した場合にアノードガス供給量を調整するので、単セルのアノードガス流路に滞留した液水を単セル外に排出してアノードガス流路の閉塞を解消でき、単セルの劣化を抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池システムの起動と停止を指示するためのシステムスイッチと、前記複数の単セルのセル電圧を検出するセルモニタと、を備える。前記閉塞予測条件は、前記システムスイッチにより前記燃料電池システムを停止させる指示がなされた場合、若しくは、前記燃料電池システムの運転中に前記セルモニタが負電圧を検出した場合に、成立したものと判断されるものとしてもよい。
燃料電池システムを停止させる指示がなされた場合又はセルモニタが負電圧を検出した場合は、単セルのアノードガス流路で液水による閉塞が発生する可能性が高い。この形態の燃料電池システムによれば、この場合に制御部がアノードガス供給量を調整するので、単セルのアノードガス流路に滞留した液水を単セル外に排出してアノードガス流路の閉塞を解消でき、単セルの劣化を抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記アノードガスのストイキ比の前記予め定めた値は、１．２以上１．３以下の範囲であるものとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックへのアノードガスの供給が十分に確保でき、単セルがアノードガス欠乏状態にならず単セルの劣化を抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記アノードガス供給部は、アノードガスタンクから前記アノードガス供給口にアノードガスを供給するインジェクタと、前記燃料電池スタックのアノードガス排出口から排出されたアノードガスを前記アノードガス供給口に還流させるアノードガス還流管と、前記アノードガス還流管に設けられたアノードガス循環ポンプと、を有する。前記制御部は、前記アノードガスのストイキ比が前記予め定めた値となるように、前記インジェクタの吐出流量と前記アノードガス循環ポンプの回転数の少なくとも一方を調整するものとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、アノードガスのストイキ比が予め定めた値となるように調整されるので、必要なアノードガス量が単セルに供給されて単セルの劣化を抑制できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第２圧力は、前記システムスイッチにより前記燃料電池システムを停止させる指示がなされた後、前記燃料電池システムを停止する前に実行される停止モード運転において低下するアノードガス供給圧力と、前記アノードガス流路に滞留した液水を排出可能な圧力増分とを加算した値であるものとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、第２圧力が選択圧力とされた場合には、アノードガス流路に滞留した液水を確実に排出でき、単セルの劣化を抑制できる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの排水方法、燃料電池車両等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 単セルのアノード側セパレータの概略構成を示す説明図。 液水閉塞解消制御を示すフローチャート。 液水閉塞解消制御を行う際のアノードガス循環ポンプ回転数とアノードガス供給圧力とＦＣ電流とセル電圧の時間変化を例示する図。 液水閉塞解消制御を行う際のアノードガス循環ポンプ回転数とアノードガス供給圧力とＦＣ電流とセル電圧の時間変化を例示する他の図。
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、アノードガス供給循環系５０と、カソードガス供給排出系３０と、冷却媒体循環系７０と、制御部８０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」と称する）９１と、セルモニタ９５と、を備える。
燃料電池スタック２０は、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３と、複数の単セル２４と、集電板２３と、絶縁板２２と、エンドプレート２１とが、この順に積層されている。単セル２４は、図示しない膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード及びカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。また、燃料電池スタック２０は、アノードガス供給口２５とアノードガス排出口２６とを有する。アノードガス供給口２５には、アノードガス合流管２５ｄが接続されている。
アノードガス供給循環系５０は、燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５を介して燃料電池スタック２０にアノードガスを供給するアノードガス供給部として機能する。アノードガス供給循環系５０におけるアノードガスの供給は、アノードガス貯蔵容器からの供給と、アノードガス還流による供給とを含む。図１の例では、アノードガスとして水素が採用されている。アノードガス供給循環系５０は、アノードガスタンク４０と、シャットバルブ４１と、アノードガス供給管６０と、レギュレータ５１と、インジェクタ５４と、アノードガス還流管６１と、アノードガス循環ポンプ５５と、気液分離器５６と、シャットバルブ５７と、排気排水管５８と、を備える。
アノードガスタンク４０は、数十ＭＰａの高圧水素ガスの貯蔵容器である。アノードガス供給管６０は、アノードガスタンク４０とアノードガス合流管２５ｄの一端ＣＬとの間に接続され、アノードガスタンク４０からの水素を燃料電池スタック２０に供給する。アノードガス供給管６０には、アノードガスタンク４０側から、シャットバルブ４１と、レギュレータ５１と、インジェクタ５４とがこの順に設けられている。レギュレータ５１は、水素の圧力を調整する。インジェクタ５４は、アノードガス合流管２５ｄを通じてアノードガスタンク４０からの水素を燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５に供給する。
アノードガス還流管６１は、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６から排出されたアノードガスをアノードガス供給口２５に還流させるための配管である。アノードガス還流管６１は、一端が燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６に接続され、他端がアノードガス合流管２５ｄの一端ＣＬに接続されている。すなわち、アノードガス供給管６０から供給された水素とアノードガス還流管６１から供給された水素がアノードガス合流管２５ｄで合流して、燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５に供給される。
アノードガス還流管６１には、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６側から、気液分離器５６と、アノードガス循環ポンプ５５とがこの順に設けられている。気液分離器５６は、燃料電池スタック２０のアノードガス排出口２６から排出された気体と液体を分離する。アノードガス排出口２６から排出された気体は、主に、発電に利用されなかった水素と、各単セル２４のカソード側からアノード側に透過した窒素と、発電により生成された水蒸気である。アノードガス排出口２６から排出された液体は、主に、発電により生成された液水である。気液分離器５６は、これらの気体と液体のうちの窒素と液水を分離して、シャットバルブ５７と排気排水管５８を介して外部に排出する。気液分離器５６に残った水素と水蒸気は、アノードガスとしてアノードガス循環ポンプ５５によってアノードガス還流管６１に還流される。なお、燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５とアノードガス供給循環系５０との間、すなわち、アノードガス合流管２５ｄには、アノードガス供給圧力を測定する圧力センサ５２が配置されている。
カソードガス供給排出系３０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池スタック２０へのカソードガスの供給及びカソードガスの排出を行う。図１の例では、カソードガスとして空気が採用されている。カソードガス供給排出系３０は、カソードガス供給管３２と、コンプレッサ３１と、三方弁３３と、バイパス管３８と、調圧弁３６と、カソードガス排出管３９とを備える。
カソードガス供給管３２は、燃料電池スタック２０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック２０に供給する。カソードガス供給管３２には、空気の入口側から、外気温度センサ３５と、エアフローメータ３４と、コンプレッサ３１と、三方弁３３とがこの順に設けられている。外気温度センサ３５は、取り込む前の空気の温度を測定する。エアフローメータ３４は、取り込んだ空気の量を測定する。コンプレッサ３１は、取り組んだ空気を圧縮する。三方弁３３は、バイパス管３８と接続され、燃料電池スタック２０とバイパス管３８への空気の流量を調節する。バイパス管３８は、カソードガス排出管３９と接続されている。
カソードガス排出管３９は、上流側の端部が燃料電池スタック２０に接続されており、その途中がバイパス管３８と、アノードガス供給循環系５０の排気排水管５８とに接続されている。カソードガス排出管３９は、燃料電池スタック２０から排出されたカソード排ガスと、バイパス管３８に分流された空気と、排気排水管５８から排出された窒素と液水とを外部に排出する。また、カソードガス排出管３９には、調圧弁３６が設けられている。調圧弁３６は、カソードガス排出管３９とバイパス管３８との接続部位よりも燃料電池スタック２０側に位置する。調圧弁３６は、燃料電池スタック２０に供給された空気の圧力を調整する。
冷却媒体循環系７０は、制御部８０の制御に従って燃料電池スタック２０を冷却する。冷却媒体循環系７０は、冷媒供給管７４と、冷媒排出管７３と、ラジエータ７１と、バイパス管７７と、三方弁７５と、冷媒ポンプ７２と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ７２は、冷媒供給管７４に設けられており、冷媒を燃料電池スタック２０に供給する。三方弁７５は、ラジエータ７１とバイパス管７７への冷媒の流量を調節する。
セルモニタ９５は、複数の単セル２４のセル電圧を検出する機能を有する。図１の例では、セルモニタ９５は、制御部８０の制御に応じて、２つの単セル２４を１つのチャネルとし、チャネル単位で各チャネルにおける２つのセル電圧の合計電圧を検出する。なお、各チャネルの単セル２４の数は、１つとしてもよく、あるいは、３つ以上としてもよい。１チャネル当たりの単セル２４の数がＮ個（Ｎは２以上の整数）の場合には、そのうちの（Ｎ−１）個の単セル２４のセル電圧が平均セル電圧であると仮定して、残りの１個の単セル２４のセル電圧を推定することができる。平均セル電圧は、スタック電圧センサ９３によって測定される燃料電池スタック２０の両端電圧を単セル２４の数で割った値である。こうして推定されたセル電圧も、「セルモニタ９５で検出されるセル電圧」に相当する。なお、通常の場合には、Ｎ個の単セル２４のうちで負電圧となるのは１個のみなので、（Ｎ−１）個の単セル２４が平均セル電圧に等しいという仮定を利用しても実用上の問題はほとんどない。
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部８０の制御に応じて燃料電池スタック２０から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ９１に供給する。ＰＣＵ９１は、インバータを内蔵し、制御部８０の制御に応じて負荷に電力を供給する。また、ＰＣＵ９１は、制御部８０の制御により燃料電池スタック２０の電流を調整する。なお、燃料電池スタック２０とＤＣ／ＤＣコンバータ９０との間には、燃料電池スタック２０の電流を測定する電流センサ９２が設けられている。
制御部８０は、ＣＰＵとＲＡＭと不揮発性メモリとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部８０は、システムスイッチ２００の指示（ＯＮ操作及びＯＦＦ操作）に応じて、燃料電池システム１０内の各機器の起動及び停止を制御するための信号を出力する。システムスイッチ２００は、例えば車両のイグニッションスイッチ又はパワースイッチに相当する。また、制御部８０は、発電要求を受けて、燃料電池システム１０の各部を制御して燃料電池スタック２０を発電させる。なお、制御部８０は、アノードガス供給循環系５０のアノードガス供給量、すなわち、インジェクタ５４及びアノードガス循環ポンプ５５のアノードガス供給量を制御することによって、アノードガス供給圧力を制御する。
図２は、燃料電池スタック２０（図１）の単セル２４のアノード側のセパレータ１００を膜電極接合体側から見た概略構成を示す説明図である。図２において、Ｘ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直上向き方向であり、Ｙ方向は単セル２４の積層方向である。セパレータ１００の長手方向の一端縁部には、アノードガス入口マニホールド孔１１０と、冷却媒体出口マニホールド孔１６０と、カソードガス入口マニホールド孔１３０と、が上から下へと順に並んで設けられている。これに対して、セパレータ１００の他端縁部には、カソードガス出口マニホールド孔１４０と、冷却媒体入口マニホールド孔１５０と、アノードガス出口マニホールド孔１２０と、が上から下へと順に並んで設けられている。なお、アノードガス入口マニホールド孔１１０及びアノードガス出口マニホールド孔１２０はそれぞれ、図１に示す燃料電池スタック２０のアノードガス供給口２５とアノードガス排出口２６に連通している。
セパレータ１００の中央部分には、複数の筋状のアノードガス流路１０５が形成されている。アノードガス流路１０５は、アノードガス入口マニホールド孔１１０と連通するアノードガス導入部１１１と、アノードガス出口マニホールド孔１２０と連通するアノードガス導出部１２１とを有する。図２の例では、アノードガス流路１０５はサーペンタイン流路であり、等間隔で配置された複数の溝状の区分流路１０５ｐが蛇行するように形成されている。また、アノードガス導入部１１１及びアノードガス導出部１２１は、くし歯の形状を有する。
アノードガス入口マニホールド孔１１０に供給された水素は、アノードガス導入部１１１を通過して区分流路１０５ｐに流れ込む。区分流路１０５ｐに流れ込んだ水素は、蛇行しながら流れて、アノードガス導出部１２１を通過してアノードガス出口マニホールド孔１２０に流れる。ここで、アノードガス入口マニホールド孔１１０に供給された水素に、発電によって生成した液水や、アノードガス循環ポンプ５５（図１）に滞留した結露水等が含まれている場合には、アノードガス流路１０５、特にアノードガス導入部１１１が、これらの液水によって閉塞する恐れがある。
図３は、燃料電池システム１０の液水閉塞解消制御を示すフローチャートである。この制御は、燃料電池システム１０の稼働中に常時実行されている。ステップＳ２１０において、制御部８０は、単セル２４のセパレータ１００のアノードガス流路１０５（図２）で液水による閉塞の発生が予測されるか否かを示す閉塞予測条件が成立したか否かを決定する。ここで、閉塞予測条件は、システムスイッチ２００により燃料電池システム１０を停止させる指示がなされた場合、若しくは、燃料電池システム１０の運転中にセルモニタ９５が負電圧を検出した場合に、成立したものと判断される。燃料電池システム１０を停止させる指示がなされた場合において、システムスイッチ２００をＯＦＦにすると、騒音や振動を低減するためにアノードガス循環ポンプ５５の回転数が減少される。この結果、アノードガスの流量が減少して単セル２４内に液水が滞留し易くなり、液水によるアノードガス流路１０５の閉塞が容易に発生する。また、燃料電池システム１０の運転中にセルモニタ９５が負電圧を検出した場合には、アノードガス流路１０５で液水による閉塞が発生してアノードガスが単セル２４に供給できなくなっている可能性が大きい。なお、以上の場合の他、例えば、燃料電池システム１０が燃料電池スタック２０を昇温させる暖機運転を行った後に停止して再起動して通常運転を行った場合や、外気温が氷点下で通常運転を行った場合にも、閉塞予測条件が成立したものと判断するようにしてもよい。すなわち、これらの２つの場合においては、アノードガスとアノードガス循環ポンプ５５との温度差によってアノードガス循環ポンプ５５内に結露水が生じ易いので、その液水が単セル２４のアノードガス流路１０５に流入して閉塞を起こす可能性が大きい。
ステップＳ２１０において、制御部８０は、閉塞予測条件が成立しなかったと判定された場合には、再度ステップＳ２１０を実行する。一方、閉塞予測条件が成立したと判定された場合には、ステップＳ２２０に移行する。
ステップＳ２２０において、制御部８０は、システムスイッチ２００により燃料電池システム１０を停止させる指示がなされたか否かを判定する。燃料電池システム１０を停止させる指示がなされたと判定された場合には、ステップＳ２３０に移行する。ステップＳ２３０において、制御部８０は、燃料電池システム１０を停止する前に、停止モード運転を開始する。「停止モード運転」とは、燃料電池システム１０の各系統の動作を完全に停止する前の運転を意味する。停止モード運転では、例えば、まず、カソードガス供給排出系３０のコンプレッサ３１を停止させ、アノードガス循環ポンプ５５の回転数を低下させる。また、単セル２４の電圧が開回路電圧（ＯＣＶ）となるのを避けるために小さな電流を燃料電池スタック２０から発生させる。一方、ステップＳ２２０において、燃料電池システム１０を停止させる指示がなされなかったと判定された場合には、ステップＳ２３０を省略し、ステップＳ２４０に移行する。
ステップＳ２４０において、制御部８０は、アノードガスのストイキ比を予め定めた値とするための第１圧力を算出する。ここで、「ストイキ比」とは、理論上発電に必要なアノードガス流量に対する実際のアノードガス流量のことをいう。理論上発電に必要なアノードガス流量、すなわち、ステップＳ２４０の時点で実際に燃料電池スタック２０に消費されるアノードガス流量は、電流センサ９２（図１）によって測定された燃料電池スタック２０の電流値によって算出できる。また、実際のアノードガス流量、すなわち、ステップＳ２４０の時点で燃料電池スタック２０に供給されるアノードガス流量は、インジェクタ５４（図１）によるアノードガスの吐出流量と、アノードガス循環ポンプ５５（図１）の回転数によって算出できる。なお、実際のアノードガス流量の算出は、インジェクタ５４によるアノードガスの吐出流量とアノードガス循環ポンプ５５の回転数の他、気液分離器５６（図１）の排気量と排水量を考慮してもよい。
なお、アノードガスのストイキ比の「予め定めた値」とは、燃料電池スタック２０へのアノードガスの供給が不足にならないようにするためのアノードガスのストイキ比の値であり、１．２以上１．３以下の範囲内の値を採用することが好ましい。また、この予め定めた値は、制御部８０内の不揮発性メモリに格納されている。なお、アノードガスのストイキ比の予め定めた値は、１．３よりも大きい値を採用してもよい。
ステップＳ２５０において、制御部８０は、ステップＳ２４０で算出された第１圧力を、アノードガス流路１０５の液水による閉塞を解消するための第２圧力と比較する。ここで、燃料電池システム１０がステップＳ２３０を実行した場合に、第２圧力は、システムスイッチ２００により燃料電池システム１０を停止させる指示がなされた後に停止モード運転において低下するアノードガス供給圧力と、アノードガス流路１０５に滞留した液水を排出可能な圧力増分とを加算した値を採用することができる。停止モード運転においては、アノードガス循環ポンプ５５の騒音や振動を低減するためにその回転数を低下させるので、これに伴ってアノードガス供給圧力が低下する。低下後のアノードガス供給圧力は、例えば、１６０ｋＰａ以上１９０ｋＰａ以下の値となる。アノードガス流路１０５に滞留した液水を排出可能な圧力増分は、アノードガス流路１０５の断面積や、予想される液水の量等によって算出することができる。液水を確実に排出するために、圧力増分の下限値は、３３ｋＰａとすることが好ましい。また、燃料電池システム１０の再起動時のアノードガス排出濃度が過度に高くならないように、圧力増分の上限値は、６０ｋＰａとすることが好ましい。なお、第２圧力は、上述したアノードガス供給圧力と圧力増分との加算値として算出する必要はなく、実験的または経験的に予め決定するようにしてもよい。
ステップＳ２６０において、制御部８０は、第１圧力と第２圧力のうちで値が高い一方を選択圧力として採用する。ステップＳ２７０において、制御部８０は、アノードガス供給圧力が選択圧力となるように、アノードガス供給循環系５０によるアノードガス供給量を調整する。こうすれば、単セル２４のアノードガス流路１０５に滞留した液水が単セル２４外に排出されるので、液水による閉塞を解消できる。
ステップＳ２８０において、制御部８０は、ステップＳ２７０のアノードガス供給量調整が終了したか否かを判定する。ここで、終了条件は、例えば、ステップＳ２３０の停止モード運転を行った場合、単セル２４のセル電圧が終了電圧値以下に降下することが挙げられる。この終了電圧値は、セル電圧が十分に低下しており、その後に電流をゼロとしても単セル２４を劣化させることがないと判断できる値である。終了電圧値は、例えば０．８０Ｖ以上０．９０Ｖ以下の値が採用される。アノードガス供給量調整が終了していないと判定された場合は、ステップＳ２７０に戻る。一方、アノードガス供給量調整が終了したと判定された場合は、ステップＳ２９０に移行し、液水閉塞解消制御を終了する。また、ステップＳ２３０で停止モード運転が開始されていた場合には、停止モード運転も終了して、燃料電池システム１０のすべての系統の運転を停止する。
図４は、液水閉塞解消制御を行う際のアノードガス循環ポンプ５５の回転数と、アノードガス供給圧力と、燃料電池スタック２０の電流と、セル電圧の時間変化を例示する図であり、図３のステップＳ２６０において制御部８０が第２圧力Ｐ２を選択圧力とした場合の図である。
時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間は、燃料電池システム１０は、通常運転を実行する。本明細書において、「通常運転」とは、反応ガスが十分に供給されており、燃料電池システム１０が運転良好の状態であることを意味する。
時刻ｔ１では、システムスイッチ２００により燃料電池システム１０を停止するための指示がなされる。この例では、燃料電池システム１０を停止させる指示がなされると、閉塞予測条件が成立すると判断される（図３、Ｓ２１０〜Ｓ２２０）。従って、燃料電池システム１０は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に、停止モード運転（図３、Ｓ２３０）を実行し、燃料電池スタック２０に小さな電流を発生させる。このとき、アノードガス循環ポンプ５５の回転数は、騒音や振動を低減するために減少される。アノードガス循環ポンプ５５の回転数が減少すると、アノードガスの供給量が圧力Ｐ０まで減少するので、アノードガスのストイキ比を確保するための第１圧力Ｐ１が算出される（図３、Ｓ２４０）。図４の例では、第１圧力Ｐ１が、液水による閉塞を解消するための第２圧力Ｐ２よりも小さいので、アノードガス供給圧力は、第２圧力Ｐ２に調整される（図３、Ｓ２５０〜Ｓ２７０）。こうすれば、単セル２４のアノードガス流路１０５に滞留した液水が単セル２４外に排出されるので、液水による閉塞を解消できる。なお、時刻ｔ１では、カソードガス供給排出系３０のコンプレッサ３１が停止されるので、単セル２４のセル電圧は徐々に下降する。
時刻ｔ２では、単セル２４のセル電圧が終了電圧値Ｖｔｈ以下に降下し、液水閉塞解消制御が終了する（図３、Ｓ２８０〜Ｓ２９０）。時刻ｔ２以降は、燃料電池システム１０のアノードガス供給循環系５０が完全に停止する。
図５は、液水閉塞解消制御を行う際のアノードガス循環ポンプ５５の回転数と、アノードガス供給圧力と、燃料電池スタック２０の電流と、セル電圧の時間変化を例示する他の図であり、図３のステップＳ２６０において制御部８０が第１圧力Ｐ１を選択圧力とした場合の図である。図５は、燃料電池システム１０を搭載した車両が渋滞に遭遇した場合を想定して、当該燃料電池車両が低速走行、加速走行、等速走行をこの順で行ったときの燃料電池システム１０の運転状態を描いている。
時刻ｔ０からｔ１までの間は、燃料電池車両は低速（例えば１０ｋｍ／ｈ）で走行するので、燃料電池システム１０は低負荷運転を実行する。なお、低負荷運転においても、アノードガスとカソードガスのそれぞれのストイキ比が適切な範囲の値（例えば１．２以上１．３以下）となるようにアノードガス供給循環系５０とカソードガス供給排出系３０を動作させることが好ましい。
燃料電池システム１０が低負荷運転を実行すると、低負荷に応じてアノードガスとカソードガスが低流量となるので、単セル２４内に多量の液水が滞留してアノードガス流路１０５が閉塞してしまう。この結果、単セル２４がアノードガス欠乏となり、時刻ｔ１でセル負電圧が検出される。図５の例では、これと同時に、燃料電池車両が加速走行を行い、燃料電池スタック２０の電流の増加に応じて、アノードガス循環ポンプ５５の回転数が増加し、アノードガス供給圧力も増加する。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、燃料電池システム１０は通常運転を実行する。
図５の例では、燃料電池システム１０の運転中にセル負電圧を検出すると、閉塞予測条件が成立すると判断される（図３、Ｓ２１０〜Ｓ２２０）。従って、アノードガスのストイキ比を確保するための第１圧力Ｐ１が算出される（図３、Ｓ２４０）。図５の例では、第１圧力Ｐ１が、液水による閉塞を解消するための第２圧力Ｐ２よりも大きいので、アノードガス供給圧力は、第１圧力Ｐ１に調整される（図３、Ｓ２５０〜Ｓ２７０）。具体的には、制御部８０は、アノードガスのストイキ比が予め定めた値となるように、インジェクタ５４の吐出流量とアノードガス循環ポンプ５５の回転数の少なくとも一方を調整し、アノードガス供給圧力を第１圧力Ｐ１に調整する。こうすれば、単セル２４のアノードガス流路１０５に滞留した液水が単セル２４外に排出されるので、液水による閉塞を解消できる。
時刻ｔ２では、燃料電池車両は、加速走行を終了し、等速走行を実行する。これに応じて、燃料電池スタック２０の電流が減少し、アノードガス循環ポンプ５５の回転数及びアノードガス供給圧力も減少する。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池スタック２０の電流が加速電流Ｉ１よりも小さくなることを終了条件とし、液水閉塞解消制御を終了する（図３、Ｓ２８０〜Ｓ２９０）。なお、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、燃料電池システム１０は通常運転を実行する。
以上説明したように、本発明の一実施形態では、燃料電池システム１０の制御部８０が第１圧力と第２圧力のうちの高い方を用いてアノードガス供給量を制御するので、常にこれらよりも十分高い圧力となるように大量のアノードガスを供給する場合に比べて、アノードガスの供給を抑制できる。また、燃料電池システム１０の停止時や低負荷運転時において、制御部８０はアノードガス供給圧力が選択圧力となるようにアノードガス供給量を調整するので、単セル２４のアノードガス流路１０５に滞留した液水を単セル２４外に排出してアノードガス流路１０５の閉塞を解消でき、単セル２４の劣化を抑制できる。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…単セル
２５…アノードガス供給口
２５ｄ…アノードガス合流管
２６…アノードガス排出口
３０…カソードガス供給排出系
３１…コンプレッサ
３２…カソードガス供給管
３３…三方弁
３４…エアフローメータ
３５…外気温度センサ
３６…調圧弁
３８…バイパス管
３９…カソードガス排出管
４０…アノードガスタンク
４１…シャットバルブ
５０…アノードガス供給循環系
５１…レギュレータ
５２…圧力センサ
５４…インジェクタ
５５…アノードガス循環ポンプ
５６…気液分離器
５７…シャットバルブ
５８…排気排水管
６０…アノードガス供給管
６１…アノードガス還流管
７０…冷却媒体循環系
７１…ラジエータ
７２…冷媒ポンプ
７３…冷媒排出管
７４…冷媒供給管
７５…三方弁
７７…バイパス管
８０…制御部
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
９２…電流センサ
９３…スタック電圧センサ
９５…セルモニタ
１００…セパレータ
１０５…アノードガス流路
１０５ｐ…区分流路
１１０…アノードガス入口マニホールド孔
１１１…アノードガス導入部
１２０…アノードガス出口マニホールド孔
１２１…アノードガス導出部
１３０…カソードガス入口マニホールド孔
１４０…カソードガス出口マニホールド孔
１５０…冷却媒体入口マニホールド孔
１６０…冷却媒体出口マニホールド孔
２００…システムスイッチ
ＣＬ…一端

Claims (5)

  1. 燃料電池システムであって、
    アノードガス流路が形成された複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックのアノードガス供給口を介して前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、
    前記アノードガス供給口と前記アノードガス供給部との間に設けられ、アノードガス供給圧力を測定する圧力センサと、
    前記燃料電池スタックの電流を測定する電流センサと、
    前記アノードガス供給部のアノードガス供給量を制御することによって前記アノードガス供給圧力を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、少なくとも一つの単セルの前記アノードガス流路で液水による閉塞の発生が予測されるか否かを示す閉塞予測条件が成立した場合に、前記燃料電池スタックの電流と前記アノードガス供給量から算出されるアノードガスのストイキ比を予め定めた値とするための第１圧力を算出するとともに、前記アノードガス流路の液水による閉塞を解消するための第２圧力と前記第１圧力とを比較し、前記第１圧力と前記第２圧力のうちで値が高い一方を選択圧力として、前記アノードガス供給圧力が前記選択圧力となるように前記アノードガス供給量を制御する、
    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、更に、
    前記燃料電池システムの起動と停止を指示するためのシステムスイッチと、
    前記複数の単セルのセル電圧を検出するセルモニタと、
    を備え、
    前記閉塞予測条件は、前記システムスイッチにより前記燃料電池システムを停止させる指示がなされた場合、若しくは、前記燃料電池システムの運転中に前記セルモニタが負電圧を検出した場合に、成立したものと判断される、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記アノードガスのストイキ比の前記予め定めた値は、１．２以上１．３以下の範囲である、
    燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記アノードガス供給部は、アノードガスタンクから前記アノードガス供給口にアノードガスを供給するインジェクタと、前記燃料電池スタックのアノードガス排出口から排出されたアノードガスを前記アノードガス供給口に還流させるアノードガス還流管と、前記アノードガス還流管に設けられたアノードガス循環ポンプと、を有し、
    前記制御部は、前記アノードガスのストイキ比が前記予め定めた値となるように、前記インジェクタの吐出流量と前記アノードガス循環ポンプの回転数の少なくとも一方を調整する、
    燃料電池システム。
  5. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記第２圧力は、前記システムスイッチにより前記燃料電池システムを停止させる指示がなされた後、前記燃料電池システムを停止する前に実行される停止モード運転において低下するアノードガス供給圧力と、前記アノードガス流路に滞留した液水を排出可能な圧力増分とを加算した値である、
    燃料電池システム。
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