JP7208121B2 - 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。

従来、特許文献１に記載されるような燃料電池システムが知られている。
上記の燃料電池システムは、燃料電池と、アノードガス供給路としての燃料ガス供給流路と、アノードオフガス排出路としての燃料ガス系排出流路と、アノードガス循環路としての燃料ガス循環流路と、カソードガス供給路としての酸化ガス供給流路と、カソードオフガス排出路としての酸化ガス系排出流路と、冷却回路とを有している。燃料電池は、アノード極と、カソード極と、電解質膜とを有している。燃料ガス供給流路は、アノード極に接続され、水素が流動する。燃料ガス系排出流路は、アノード極から排出されるアノードオフガスとしての水素オフガスが流動する。燃料ガス循環流路は、気液分離器を介して燃料ガス系排出流路と接続されており、且つ燃料ガス供給流路に接続されている。燃料ガス循環流路には、水素循環ポンプとして水素ポンプが設けられている。燃料ガス循環流路には、気液分離器により分離された水素が流動しており、当該水素は水素ポンプにより燃料ガス供給流路に戻されている。酸化ガス供給流路は、カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動する。酸化ガス系排出流路は、カソード極から排出されるカソードオフガスとしての空気オフガスが流動する。冷却回路は、燃料電池を冷却するための冷却水経路を有している。冷却水経路には、冷却水を冷却するためのラジエータ等が設けられている。また、燃料電池システムは、燃料電池の動作を制御する制御装置を備えている。制御装置は、燃料ガス供給流路、燃料ガス系排出流路、及び燃料ガス循環流路に設けられ、燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータや酸化ガス供給流路及び酸化ガス系排出流路に設けられ、燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータを動作させることで燃料電池の動作を制御している。なお、水素用アクチュエータは、例えば燃料ガス供給流路に設けられている燃料ガス供給弁や上記の水素ポンプ等を含んでいる。また、酸素用アクチュエータは、例えば酸化ガス供給流路に設けられているエアコンプレッサ等を含んでいる。燃料電池は、アノード極に水素が供給され、カソード極に酸素を含む空気が供給されると、アノード極での触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このとき、燃料電池では、水素と酸素とが反応することで水が生成される。制御装置は、水素供給開始前に水素ポンプを駆動させることでアノード極での水素をほぼ均一化させている。

特開２００８－１９８４０６号公報

ところで、燃料電池システムの停止中に燃料電池の温度が低下したことによる結露やカソード極に存在する酸素及び窒素がアノード極に侵入した場合、アノード極に存在する水素が酸素と反応して消滅し、アノード極は部分的に水素欠の状態になる。その状態で燃料電池システムを起動させると部分的に水素欠となる部分に負電圧が発生するため、燃料電池が劣化する。そのため、燃料電池システムの起動時において、上記の水素ポンプを駆動させることでアノード極での水素を均一化させた後にカソード極に酸素を含む空気を供給させることが好ましい。しかし、酸化ガス供給流路や酸化ガス系排出流路等と燃料電池との間をシールするシール部材の劣化により燃料電池システムの停止中に燃料電池に透過する酸素量が増える場合がある。この場合、燃料電池システムの停止中に燃料電池内に存在する水素が酸素と反応して消滅し、さらに燃料電池内の窒素量が多いため、燃料電池システムの起動時において水素ポンプを駆動させたとしても燃料電池の隅々まで水素が行き届かず部分的に水素欠となる部分が発生する虞がある。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、起動時における燃料電池の劣化をより好適に抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決する燃料電池システムは、アノード極とカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素と前記カソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する燃料電池と、前記アノード極に接続され、水素が流動するアノードガス供給路と、アノードオフガスが流動するアノードオフガス排出路と、前記アノードオフガス排出路と気液分離器を介して接続され、前記気液分離器により分離された水素を前記アノードガス供給路に戻すアノードガス循環路と、前記カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動するカソードガス供給路と、カソードオフガスが流動するカソードオフガス排出路と、前記アノードガス循環路に設けられる水素循環ポンプを含むとともに前記アノードガス供給路及び前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータと、前記カソードガス供給路及び前記カソードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータと、前記燃料電池を冷却する冷却回路と、前記水素用アクチュエータ及び前記酸素用アクチュエータの動作を制御することにより前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池システムの起動時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態において前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給するとともに前記水素循環ポンプを動作させることで前記燃料電池の内部で水素を規定時間に亘って循環させる水素循環制御と、前記燃料電池システムの停止時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態で前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給する水素供給制御と、前記水素供給制御の直後に前記冷却回路の温度である第１温度、前記カソードオフガス排出路における空気の圧力であるカソード圧力、前記アノードガス供給路における水素の圧力である第１アノード圧力、及び前記アノード極の水素濃度を取得する第１データ取得制御と、前記第１データ取得制御を実施した次の前記燃料電池システムの起動時に前記冷却回路の温度である第２温度、及び前記アノードガス供給路における水素の圧力である第２アノード圧力を取得する第２データ取得制御と、前記第１データ取得制御を実施した次の前記燃料電池システムの起動時に前記第１データ取得制御及び前記第２データ取得制御により取得した前記第１温度、前記カソード圧力、前記第１アノード圧力、前記水素濃度、及び前記第２温度により前記燃料電池システムの起動時における前記アノード極にて推定される水素の圧力である推定アノード圧力を演算する推定アノード圧力演算制御と、を実施し、前記第２アノード圧力が前記推定アノード圧力よりも大きい場合、前記燃料電池システムの起動時に実施する前記水素循環制御の前記規定時間を長くする。

第２アノード圧力が推定アノード圧力よりも大きい場合とは、例えば燃料電池システムの停止中にカソードガス供給路及びカソードオフガス排出路と燃料電池との間から酸素を含む空気が侵入し、水素供給制御したときに燃料電池のアノード極に供給された水素が足りなかったことを示している。この状態で燃料電池システムの起動時に制御装置が水素循環制御を規定時間に亘って実施したとしても、アノード極で部分的に水素欠の状態が発生する虞がある。

その点、これによれば、第２アノード圧力が推定アノード圧力よりも大きい場合に水素循環制御を実施する規定時間を長くしている。よって、燃料電池の内部で水素を循環させる時間が長くなるため、燃料電池のアノード極において水素を均一化させやすくなる。したがって、燃料電池の内部において水素欠となる部分を少なくすることができ、ひいては燃料電池システムの起動時における燃料電池の劣化を好適に抑制できる。

この発明によれば、燃料電池システムの起動時における燃料電池の劣化をより好適に抑制できる。

燃料電池システムの概略図。 燃料電池システムの制御フロー図。 燃料電池システムの制御フロー図。

以下、燃料電池システムを具体化した実施形態を図１～図３にしたがって説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池車に適用されるものである。燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、複数の燃料電池セルをスタック化したものである。燃料電池セルとは、例えば固体分子型燃料電池である。燃料電池１０は、アノード極と、カソード極と、電解質膜とを有している。燃料電池１０は、アノード極に供給される水素とカソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する。より具体的には、燃料電池１０は、アノード極に水素が供給され、カソード極に酸素を含む空気が供給されると、アノード極での触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電する。このとき、燃料電池１０では、水素と酸素とが反応することで水が生成される。

燃料電池システム１は、アノードガス供給路Ｌｓｈと、アノードオフガス排出路Ｌｅｈと、アノードガス循環路Ｌｃｈと、カソードガス供給路Ｌｓｏと、カソードオフガス排出路Ｌｅｏとを有している。アノードガス供給路Ｌｓｈは、燃料電池１０のアノード極に接続されている。アノードガス供給路Ｌｓｈは、水素タンク９１に接続されている。アノードガス供給路Ｌｓｈには、水素タンク９１に貯留されている水素が流動する。アノードオフガス排出路Ｌｅｈには、燃料電池１０で水素と酸素とを反応させたときのアノードオフガスが流動する。アノードオフガスは、燃料電池１０で未反応の水素と、水素と酸素とが反応したときの水が主に含まれている。アノードガス循環路Ｌｃｈは、アノードオフガス排出路Ｌｅｈと気液分離器９２を介して接続されている。気液分離器９２は、アノードオフガスに含まれる水素と水とを分離する機能を有している。アノードガス循環路Ｌｃｈは、アノードガス供給路Ｌｓｈに接続されている。そのため、アノードガス循環路Ｌｃｈは、気液分離器９２により分離された水素をアノードガス供給路Ｌｓｈに戻すために設けられている。カソードガス供給路Ｌｓｏは、燃料電池１０のカソード極に接続されている。カソードガス供給路Ｌｓｏには、大気中の酸素を含む空気が流動する。カソードオフガス排出路Ｌｅｏには、燃料電池１０で水素と酸素とを反応させたときのカソードオフガスが流動する。カソードオフガスは、燃料電池１０で未反応の酸素を含む空気と、水素と酸素とが反応したときの水が主に含まれている。アノードオフガス排出路Ｌｅｈ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏは、希釈器９３に接続されている。希釈器９３は、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈する機能を有している。希釈器９３は、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈した混合排出ガスＥｇを大気中に排出する。希釈器９３は、燃料電池１０で未反応の水素の濃度を薄くして大気中に排出させる目的で設けられている。希釈器９３には、貯水タンク９４が接続されている。貯水タンク９４は、アノードオフガス及びカソードオフガスに含まれる水を貯留する機能を有している。なお、アノードガス供給路Ｌｓｈ、アノードオフガス排出路Ｌｅｈ、カソードガス供給路Ｌｓｏ、及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池１０との間には、図示しないシール部材が介在されており、燃料電池１０の内部への空気の侵入を防止している。

燃料電池システム１は、電磁バルブ２１と、インジェクタ２２と、水素循環ポンプ２３と、排気排水バルブ２４とを備えている。電磁バルブ２１は、アノードガス供給路Ｌｓｈに設けられている。電磁バルブ２１は、アノードガス供給路Ｌｓｈを開閉させる機能を有している。インジェクタ２２は、アノードガス供給路Ｌｓｈにおける電磁バルブ２１よりも燃料電池１０寄りに設けられている。インジェクタ２２は、電磁バルブ２１を通過した水素を圧縮させた状態で燃料電池１０のアノード極に供給する機能を有している。水素循環ポンプ２３は、アノードガス循環路Ｌｃｈに設けられている。水素循環ポンプ２３は、アノードオフガス排出路Ｌｅｈに流れるアノードオフガスを、気液分離器９２を介してアノードガス循環路Ｌｃｈに引き込む機能を有している。水素循環ポンプ２３は、アノードガス循環路Ｌｃｈに引き込んだ水素をアノードガス供給路Ｌｓｈに戻している。排気排水バルブ２４は、アノードオフガス排出路Ｌｅｈに設けられている。排気排水バルブ２４は、アノードオフガス排出路Ｌｅｈを開閉させる機能を有している。電磁バルブ２１及び排気排水バルブ２４は、いわゆる電磁弁である。電磁バルブ２１及び排気排水バルブ２４は、ソレノイドが励磁されることで内部の弁体が動作することでアノードガス供給路Ｌｓｈ及びアノードオフガス排出路Ｌｅｈを開状態にする。電磁バルブ２１及び排気排水バルブ２４は、ソレノイドが励磁されずに弁体の動作が停止している状態では定常的にアノードガス供給路Ｌｓｈ及びアノードオフガス排出路Ｌｅｈを閉状態にしている。このように、電磁バルブ２１、インジェクタ２２、水素循環ポンプ２３、及び排気排水バルブ２４は燃料電池１０に水素を給排する水素用アクチュエータ２０をなしている。

燃料電池システム１は、エアコンプレッサ４１と、エアシャットバルブ４２と、エア調圧バルブ４３とを備えている。エアコンプレッサ４１は、カソードガス供給路Ｌｓｏに設けられている。エアコンプレッサ４１は、大気中の酸素を含む空気を圧縮させた状態で燃料電池１０に供給する機能を有している。エアシャットバルブ４２は、カソードガス供給路Ｌｓｏにおけるエアコンプレッサ４１よりも燃料電池１０寄りに設けられている。エアシャットバルブ４２は、カソードガス供給路Ｌｓｏを開閉させる機能を有している。エア調圧バルブ４３は、カソードオフガス排出路Ｌｅｏに設けられている。エア調圧バルブ４３は、カソードオフガス排出路Ｌｅｏを開閉させる機能を有している。エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３は、いわゆる電磁弁である。そのため、エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３は、ソレノイドが励磁されることで内部の弁体が動作することでカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏを開状態にする。エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３は、ソレノイドが励磁されずに弁体の動作が停止している状態では定常的にカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏを閉状態にしている。このように、エアコンプレッサ４１、エアシャットバルブ４２、及びエア調圧バルブ４３は燃料電池１０に空気を給排する酸素用アクチュエータ４０をなしている。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を冷却する冷却回路３０を備えている。冷却回路３０は、燃料電池１０に冷却水を循環させるための冷却水循環路Ｌｃを有している。冷却水循環路Ｌｃは、燃料電池１０に両端を接続することで閉回路をなしている。冷却回路３０は、冷却水循環ポンプ３１と、ラジエータ３２と、インタークーラ３３とを有している。冷却水循環ポンプ３１、ラジエータ３２、及びインタークーラ３３は、冷却水循環路Ｌｃに設けられている。冷却水循環ポンプ３１は、冷却水循環路Ｌｃにおいて冷却水を循環させる動力を発生させる機能を有している。冷却水循環路Ｌｃを循環する冷却水は、燃料電池１０で発生する熱を吸熱する。ラジエータ３２は、燃料電池１０で発生する熱を吸熱した冷却水を冷却する機能を有している。インタークーラ３３は、カソードガス供給路Ｌｓｏに接続されている。カソードガス供給路Ｌｓｏを流動する酸素を含む空気は、エアコンプレッサ４１により圧縮されるため温度が高い状態となっている。そのため、インタークーラ３３は、カソードガス供給路Ｌｓｏに流動する空気を冷却する機能を有している。

燃料電池システム１は、温度センサ６１と、アノード圧力センサ６２と、カソード圧力センサ６３とを備えている。温度センサ６１は、冷却回路３０の冷却水循環路Ｌｃに設けられている。温度センサ６１は、冷却回路３０の冷却水の温度を検出する。冷却回路３０の冷却水の温度は、燃料電池１０の温度と同義である。アノード圧力センサ６２は、アノードガス供給路Ｌｓｈにおけるインジェクタ２２よりも燃料電池１０寄りに設けられている。アノード圧力センサ６２は、アノードガス供給路Ｌｓｈにおける水素の圧力を検出する。アノード圧力センサ６２により検出される水素の圧力は、燃料電池１０のアノード極での水素の分圧と同義である。カソード圧力センサ６３は、カソードオフガス排出路Ｌｅｏにおける空気の圧力を検出している。カソード圧力センサ６３により検出される空気の圧力は、燃料電池１０のカソード極での空気の分圧と同義である。

燃料電池システム１は、水素用アクチュエータ２０及び酸素用アクチュエータ４０の動作を制御することにより燃料電池１０の動作を制御する制御装置５０を備えている。なお、制御装置５０は、図示しないメモリに保存されたプログラムをＣＰＵにより実施することで水素用アクチュエータ２０及び酸素用アクチュエータ４０の動作を制御するものである。

以下、燃料電池システム１の動作について燃料電池システム１の制御フローを参照しながら説明する。なお、燃料電池システム１の制御フローについて説明するにあたり、先に燃料電池システム１の基本的な制御フローについて説明する。

図２に示すように、制御装置５０は、燃料電池システム１の起動時に、水素循環制御を実施する（ステップＳ１０１）。制御装置５０は、水素循環制御において酸素用アクチュエータ４０を停止させた状態で水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給する。制御装置５０は、燃料電池１０のアノード極に水素を供給するとともに水素循環ポンプ２３を動作させることで燃料電池１０の内部で水素を規定時間に亘って循環させる。

制御装置５０は、燃料電池システム１が起動してから規定時間に亘ってエアコンプレッサ４１、エアシャットバルブ４２、及びエア調圧バルブ４３を停止させた状態に維持する。すなわち、制御装置５０は、燃料電池システム１が起動してから規定時間に亘って燃料電池１０に対して空気を給排させない。そして、制御装置５０は、燃料電池システム１が起動してから規定時間に亘って、電磁バルブ２１を開状態に維持するとともにインジェクタ２２によって水素を圧縮させた状態で燃料電池１０のアノード極に供給する。これにより、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の温度が低下したことによる結露やカソード極からアノード極に侵入した酸素及び窒素をアノードオフガス排出路Ｌｅｈに向けて流動させることができる。このとき、排気排水バルブ２４が開状態に維持されていることから、アノードオフガス排出路Ｌｅｈに向けて流動したアノードオフガスを、気液分離器９２を介して希釈器９３に流動させることができる。また、水素循環ポンプ２３が動作しているため、気液分離器９２により分離された水素はアノードガス供給路Ｌｓｈに戻される。なお、規定時間とは、燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠となる部分がなくなるように電磁バルブ２１、インジェクタ２２、及び水素循環ポンプ２３を動作させる時間を示している。ここで、燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積は、燃料電池システム１の個体毎にばらつきがあるため、規定時間の長さもばらつきが生じる虞がある。その点、上記の規定時間は、燃料電池システム１の起動時にアノード極にどの程度の酸素や水が残存しているかを実験的に確認した上で、燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積がばらついたとしても燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠となる部分がないように設定されている。

制御装置５０は、水素循環制御を実施した後（ステップＳ１０１の後）に酸素用アクチュエータ４０を動作させることで燃料電池１０のカソード極に酸素を含む空気を供給するとともに水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０を動作させる発電制御を実施する（ステップＳ１０２）。

制御装置５０は、水素循環制御を実施しているときと同様に水素用アクチュエータ２０の動作を継続させつつ、酸素用アクチュエータ４０を動作させる。すなわち、制御装置５０は、エアシャットバルブ４２及びエア調圧バルブ４３を開状態に維持し、エアコンプレッサ４１を動作させる。これにより、燃料電池１０のアノード極に水素が、カソード極に酸素を含む空気が供給されることにより燃料電池１０にて発電が開始される。

制御装置５０は、発電制御を実施しているとき（ステップＳ１０２）に燃料電池システム１が停止処理を実施する必要があるか否かを判断している（ステップＳ１０３）。具体的には、制御装置５０は、例えば燃料電池システム１が適用される燃料電池車のスタートボタンからの信号に基づき燃料電池システム１を停止させるか否かを判断している。制御装置５０は、燃料電池システム１の停止させない場合（ステップＳ１０３でＮＯ）、発電制御（ステップＳ１０２）を継続する。制御装置５０は、燃料電池システム１を停止させる場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、酸素用アクチュエータ４０を停止させる（ステップＳ１０４）。燃料電池システム１において、酸素用アクチュエータ４０が停止すると、燃料電池１０に対して酸素を含む空気が供給されなくなる。よって、燃料電池１０における発電が停止する。

制御装置５０は、燃料電池システム１の停止時（ステップＳ１０４）に、酸素用アクチュエータ４０を停止させた状態で水素用アクチュエータ２０を動作させることで燃料電池１０のアノード極に水素を供給する水素供給制御を実施する（ステップＳ１０５）。燃料電池システム１の停止時に酸素用アクチュエータ４０を停止させているが、燃料電池１０の内部に酸素が残ってしてしまう虞がある。残存した酸素は、燃料電池１０の劣化に寄与するため、燃料電池１０に残存している酸素を水素と反応させて水に変換する必要がある。そこで、上記の水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に水素を供給している。ここで、水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に供給する水素量は、発電制御後に燃料電池１０の内部にどの程度の酸素が残存しているかを実験的に確認した上で、燃料電池１０のアノード極及びカソード極の容積がばらついたとしても燃料電池１０の内部に酸素が残存しないように設定されている。また、水素供給制御により燃料電池１０のアノード極に供給する水素量は、次回の燃料電池システム１の起動時に希釈器９３を介して大気中に排出される混合排出ガスＥｇに含まれる水素が４％を超えないように設定されている。当該数値は、燃料電池システム１を燃料電池車に適用する場合に法的に定められた数値である。

燃料電池システム１の基本的な制御フローは、上記したステップＳ１０１からステップＳ１０５であり、ステップＳ１０５の終了後、燃料電池システム１が停止する。ところで、カソードガス供給路Ｌｓｏやカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池１０との間をシールするシール部材が劣化し、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の内部に透過する酸素量が増える場合がある。また、例えばアノードガス供給路Ｌｓｈやアノードオフガス排出路Ｌｅｈと燃料電池１０との間のシール部材の劣化、エアシャットバルブ４２やエア調圧バルブ４３の弁体の劣化により燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の内部に透過する酸素量が増える場合がある。この場合、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０内に存在する水素が酸素と反応して消滅し、さらに燃料電池１０内の窒素量が多いため、燃料電池システム１の起動時において水素循環制御により規定時間に亘って水素循環ポンプ２３を動作させ燃料電池１０の内部に水素を循環させたとしても燃料電池１０の隅々まで水素が行き届かず部分的に水素欠となる部分が発生する虞がある。

その点、本実施形態では、燃料電池システム１の起動時における燃料電池１０の劣化を抑制できるように、及び燃料電池システム１の停止中における燃料電池１０の劣化を抑制できるように構成されている。以下、その構成について説明する。

図２に示すように、制御装置５０は、水素供給制御の直後に第１データ取得制御を実施する（ステップＳ１０６）。制御装置５０は、第１データ取得制御において第１温度Ｔ１、カソード圧力Ｐｏ、第１アノード圧力Ｐｈ１、及び水素濃度Ｈｄを取得する。第１温度Ｔ１は、水素供給制御の直後の冷却回路３０の冷却水の温度である。カソード圧力Ｐｏは、水素供給制御の直後のカソードオフガス排出路Ｌｅｏにおける空気の圧力である。第１アノード圧力Ｐｈ１は、水素供給制御の直後のアノードガス供給路Ｌｓｈにおける水素の圧力である。水素濃度Ｈｄは、水素供給制御の直後の燃料電池１０のアノード極における水素の濃度である。

制御装置５０は、温度センサ６１で検出される第１温度Ｔ１を取得する。制御装置５０は、アノード圧力センサ６２で検出される第１アノード圧力Ｐｈ１を取得する。制御装置５０は、カソード圧力センサ６３で検出されるカソード圧力Ｐｏを取得する。水素濃度Ｈｄは、水素供給制御にて燃料電池１０のアノード極に供給される水素量によって推定されるパラメータである。すなわち、水素濃度Ｈｄは、燃料電池システム１の停止時に燃料電池１０に酸素が残存しないように、且つ次回の燃料電池システム１の起動時に希釈器９３から排出される混合排出ガスＥｇに含まれる水素が４％を超えないように燃料電池１０に水素を供給した後の燃料電池１０のアノード極における水素の濃度を実験的に確認することで得られる。そのため、制御装置５０は、図示しないメモリに水素濃度Ｈｄを記憶しておき、第１データ取得制御時にメモリから水素濃度Ｈｄを取得する。なお、本実施形態では、第１データ取得制御を実施した後、燃料電池システム１は停止する。

図３に示すように、制御装置５０は、第１データ取得制御を実施した次の燃料電池システム１の起動時に第２データ取得制御を実施する（ステップＳ１０７）。制御装置５０は、第２データ取得制御において、第２温度Ｔ２及び第２アノード圧力Ｐｈ２を取得する。第２温度Ｔ２は、第１データ取得制御を実施した次の燃料電池システム１の起動時における冷却回路３０の冷却水の温度である。第２アノード圧力Ｐｈ２は、第１データ取得制御を実施した次の燃料電池システム１の起動時におけるアノードガス供給路Ｌｓｈにおける水素の圧力である。

制御装置５０は、温度センサ６１で検出される第２温度Ｔ２を取得する。制御装置５０は、アノード圧力センサ６２で検出される第２アノード圧力Ｐｈ２を取得する。
制御装置５０は、第１データ取得制御を実施した次の燃料電池システム１の起動時に推定アノード圧力演算制御を実施する（ステップＳ１０８）。制御装置５０は、推定アノード圧力演算制御において、第１温度Ｔ１、カソード圧力Ｐｏ、第１アノード圧力Ｐｈ１、水素濃度Ｈｄ、及び第２温度Ｔ２により推定アノード圧力Ｐｃａｌを演算する。推定アノード圧力Ｐｃａｌは、第１データ取得制御を実施した次の燃料電池システム１の起動時におけるアノード極にて推定される水素の圧力である。

制御装置５０は、ステップＳ１０８の後に第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きいか否かを判断している（ステップＳ１０９）。制御装置５０は、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きくないと判断した場合（ステップＳ１０９でＮＯ）、図２に示す制御フローと同様にステップＳ１０１～ステップＳ１０６までを実施する。

制御装置５０は、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌより大きいと判断した場合（ステップＳ１０９でＹＥＳ）、燃料電池システム１の起動時に実施する水素循環制御の規定時間を長くする（ステップＳ１１０）。第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きい場合とは、例えば燃料電池システム１の停止中にカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池１０との間から酸素を含む空気が侵入し、水素供給制御したときに燃料電池のアノード極に供給された水素が足りなかったことを示している。そのため、燃料電池システム１の基本的な制御フローにおいて、規定時間に亘って水素循環制御を実施したとしても燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠となる状態が解消されない虞がある。よって、ステップＳ１１０において、制御装置５０は、水素循環制御の規定時間を長くする。ここで、規定時間を長くするにあたり、燃料電池システム１の基本的な制御フローにおける規定時間に対して定数を足し合わせることで規定時間を長くする。ここで、当該定数は、燃料電池システム１において第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きくなるときの燃料電池１０のアノード極における水素濃度と水素循環ポンプ２３の流量とにより計算された燃料電池１０のアノード極における水素欠の部分がなくなるまでの時間と、燃料電池システム１の基本的な制御フローにおける規定時間との差分である。制御装置５０は、規定時間に定数を足し合わせた新たな規定時間を図示しないメモリに記憶し、ステップＳ１１０以降に実施される水素循環制御（ステップＳ１０１）にて新たな規定時間に基づき水素循環制御を実施する。なお、上記したように燃料電池システム１の個体毎に燃料電池１０のアノード極とカソード極との容積にばらつきがある。そのため、上記の定数は、燃料電池システム１の個体毎における燃料電池のアノード極及びカソード極の容積のばらつきを吸収できるように設定されている。

また、制御装置５０は、ステップＳ１１０の後に次回の水素供給制御の水素の供給量を増加させる（ステップＳ１１１）。すなわち、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きい場合、推定アノード圧力演算制御を実施した次の燃料電池システム１の停止時における水素供給制御は、推定アノード圧力演算制御を実施する直前の水素供給制御のときよりも燃料電池１０のアノード極に供給する水素を多くする。水素供給制御において燃料電池１０のアノード極に供給する水素を多くするとは、水素用アクチュエータ２０の動作時間を長くすることにより燃料電池１０のアノード極における水素の圧力を上昇させることと同義である。よって、ステップＳ１１１において、推定アノード圧力演算制御を実施した次の燃料電池システム１の停止時における水素供給制御は、推定アノード圧力演算制御を実施する直前の水素供給制御のときよりも水素用アクチュエータ２０の動作時間を延長することで燃料電池１０のアノード極に供給する水素量を増加させ、且つ燃料電池１０のアノード極における水素の圧力を向上させる。ここで、水素供給制御において水素用アクチュエータ２０の動作時間の延長分は、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きくなるときに燃料電池１０のアノード極においてどの程度水素が足りていないかを確認し、燃料電池１０の内部に侵入した酸素を全て水に変換するために必要な水素用アクチュエータ２０の動作時間を実験的に計算することで求められる。制御装置５０は、水素用アクチュエータ２０の動作時間の延長分を図示しないメモリに記憶し、ステップＳ１１１以降に実施される水素供給制御（ステップＳ１０５）において当該延長分だけ長く水素用アクチュエータ２０の動作を長くする。

制御装置５０は、ステップＳ１１０及びステップＳ１１１の後に燃料電池システム１の基本的な制御フローであるステップＳ１０１～ステップＳ１０５と、ステップＳ１０６とを実施する。上記したようにステップＳ１０９により第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きい場合、ステップＳ１１０及びステップＳ１１１にしたがってステップＳ１０１及びステップＳ１０５を実施する。そして、制御装置５０は、上記した制御フローを周期的に繰り返し実施する。

本実施形態の効果について説明する。
（１）本実施形態では、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きい場合に水素循環制御を実施する規定時間を長くしている。よって、燃料電池１０の内部で水素を循環させる時間が長くなるため、燃料電池１０のアノード極において水素を均一化させやすくなる。したがって、燃料電池１０の内部において水素欠となる部分を少なくすることができ、ひいては燃料電池システム１の起動時における燃料電池１０の劣化を好適に抑制できる。

（２）本実施形態では、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きい場合、推定アノード圧力演算制御を実施した次の燃料電池システム１の停止時における水素供給制御では、推定アノード圧力演算制御を実施する直前の水素供給制御のときよりも燃料電池１０のアノード極に供給する水素を多くしている。したがって、燃料電池システム１の停止中における燃料電池１０の劣化をより好適に抑制できる。

（３）燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠の状態で燃料電池システム１を起動させた場合、燃料電池１０の水素欠の部分で負電圧が発生してしまう。そのため、本実施形態では説明していないが、負電圧が発生した場合には燃料電池１０で発電される電力の出力を制限、もしくは燃料電池システム１を停止させる制御を実施する。

その点、本実施形態では、燃料電池１０のアノード極において部分的に水素欠の状態となることを抑制しているため、燃料電池１０で発電される電力の出力を制限させる、もしくは燃料電池システム１を停止させることを抑制できる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施できる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。
〇 例えばカソードガス供給路Ｌｓｏ及びカソードオフガス排出路Ｌｅｏと燃料電池１０との間のシール部材の劣化により、当該シール部材から燃料電池１０の内部に透過する酸素量が増える状況は、燃料電池システム１をある程度放置した状態にすることで発生する。その点を鑑みると、本実施形態の推定アノード圧力Ｐｃａｌは、燃料電池１０のアノード極とカソード極とが互いに平衡状態となり、且つ冷却回路３０の冷却水の温度が落ち着いたときの燃料電池１０のアノード極における水素の圧力とすることが好ましい。燃料電池１０のアノード極とカソード極とが互いに平衡状態となる状態となるまでには、例えば燃料電池システム１が停止してから数時間程度必要である。冷却回路３０の冷却水の温度が落ち着くまでには、例えば燃料電池システム１が停止してから１０時間程度必要である。すなわち、本実施形態の効果は、燃料電池システム１が少なくとも１０時間程度放置された場合に特に効果を発揮する。なお、１０時間という数値は一例であり、燃料電池システム１のサイズや製品仕様によって適宜変更される。

〇 規定時間を長くするにあたり、燃料電池システム１の基本的な制御フローにおける規定時間に定数を足し合わせていたが、これに限らない。例えば、燃料電池システム１の基本的なフローにおける規定時間に対して一定の係数を乗じることで規定時間を長くしてもよい。なお、一定の係数は、例えば燃料電池システム１において第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きくなるときの燃料電池１０のアノード極における水素濃度と水素循環ポンプ２３の流量とにより計算された燃料電池１０のアノード極における水素欠の部分がなくなるまでの時間を実験的に複数回計測し、燃料電池システム１の基本的な制御フローにおける規定時間からどの程度の割合で時間が増加しているかを考慮して設定されてもよい。

〇 また、規定時間を長くするのにあたり、定数を足し合わせることに限らず、第２アノード圧力Ｐｈ２と推定アノード圧力Ｐｃａｌとの差分に応じて変化する変数を足し合わせてもよい。このように変更する場合、例えば第２アノード圧力Ｐｈ２と推定アノード圧力Ｐｃａｌとの差分と、規定時間に足し合わせる変数との相関を予めマップ等にまとめて保存しておき、推定アノード圧力演算制御が実施された後に上記の差分をマップに参照することで上記変数を演算してもよい。

〇 水素供給制御において水素用アクチュエータ２０の動作時間の延長分は、第２アノード圧力Ｐｈ２が推定アノード圧力Ｐｃａｌよりも大きくなるときに燃料電池１０のアノード極においてどの程度水素が足りていないかを確認し、燃料電池１０の内部に侵入した酸素を全て水に変換するために必要な水素用アクチュエータ２０の動作時間を実験的に計算することで求められていたが、これに限らない。例えば、規定時間の延長分は、例えば第２アノード圧力Ｐｈ２と推定アノード圧力Ｐｃａｌとの差分に応じて変化する変数としてもよい。このように変更する場合、例えば第２アノード圧力Ｐｈ２と推定アノード圧力Ｐｃａｌとの差分と、規定時間の延長分との相関を予めマップ等にまとめて保存しておき、推定アノード圧力演算制御が実施された後に上記の差分をマップに参照することで上記延長分を演算してもよい。

〇 本実施形態において、燃料電池システム１の制御フローにおけるステップＳ１１１を割愛してもよい。このように変更しても、燃料電池システム１の起動時における燃料電池１０の劣化を抑制できる。

〇 燃料電池システム１は、燃料電池車に限らず、フォークリフトや無人搬送車等の産業車両や定置式電源等に適用させてもよい。

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２０…水素用アクチュエータ、２１…電磁バルブ、２２…インジェクタ、２３…水素循環ポンプ、３０…冷却回路、４０…酸素用アクチュエータ、４１…エアコンプレッサ、４２…エアシャットバルブ、４３…エア調圧バルブ、５０…制御装置、９２…気液分離器、Ｌｓｈ…アノードガス供給路、Ｌｅｈ…アノードオフガス排出路、Ｌｃｈ…アノードガス循環路、Ｌｓｏ…カソードガス供給路、Ｌｅｏ…カソードオフガス排出路、Ｔ１…第１温度、Ｔ２…第２温度、Ｈｄ…水素濃度、Ｐｏ…カソード圧力、Ｐｈ１…第１アノード圧力、Ｐｈ２…第２アノード圧力、Ｐｃａｌ…推定アノード圧力。

Claims (1)

1. アノード極とカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素と前記カソード極に供給される酸素を含む空気とにより発電する燃料電池と、
   前記アノード極に接続され、水素が流動するアノードガス供給路と、
   アノードオフガスが流動するアノードオフガス排出路と、
   前記アノードオフガス排出路と気液分離器を介して接続され、前記気液分離器により分離された水素を前記アノードガス供給路に戻すアノードガス循環路と、
   前記カソード極に接続され、酸素を含む空気が流動するカソードガス供給路と、
   カソードオフガスが流動するカソードオフガス排出路と、
   前記アノードガス循環路に設けられる水素循環ポンプを含むとともに前記アノードガス供給路及び前記アノードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に水素を給排する水素用アクチュエータと、
   前記カソードガス供給路及び前記カソードオフガス排出路に設けられ、前記燃料電池に空気を給排する酸素用アクチュエータと、
   前記燃料電池を冷却する冷却回路と、
   前記水素用アクチュエータ及び前記酸素用アクチュエータの動作を制御することにより前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態において前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給するとともに前記水素循環ポンプを動作させることで前記燃料電池の内部で水素を規定時間に亘って循環させる水素循環制御と、
   前記燃料電池システムの停止時に、前記酸素用アクチュエータを停止させた状態で前記水素用アクチュエータを動作させることで前記燃料電池の前記アノード極に水素を供給する水素供給制御と、
   前記水素供給制御の直後に前記冷却回路の温度である第１温度、前記カソードオフガス排出路における空気の圧力であるカソード圧力、前記アノードガス供給路における水素の圧力である第１アノード圧力、及び前記アノード極の水素濃度を取得する第１データ取得制御と、
   前記第１データ取得制御を実施した次の前記燃料電池システムの起動時に前記冷却回路の温度である第２温度、及び前記アノードガス供給路における水素の圧力である第２アノード圧力を取得する第２データ取得制御と、
   前記第１データ取得制御を実施した次の前記燃料電池システムの起動時に前記第１データ取得制御及び前記第２データ取得制御により取得した前記第１温度、前記カソード圧力、前記第１アノード圧力、前記水素濃度、及び前記第２温度により前記燃料電池システムの起動時における前記アノード極にて推定される水素の圧力である推定アノード圧力を演算する推定アノード圧力演算制御と、を実施し、
   前記第２アノード圧力が前記推定アノード圧力よりも大きい場合、前記燃料電池システムの起動時に実施する前記水素循環制御の前記規定時間を長くすることを特徴とする燃料電池システム。

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