JP5429341B2 - 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。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、発電反応にともない生成水が精製されることから、これを外部に排出する処理を行っている。

例えば、特許文献１には、燃料電池の燃料極側の生成水を排出する手法が開示されている。具体的には、燃料電池の発電動作により燃料極側に生成水が溜まると、燃料電池の燃料極側の上流の水素供給弁と、燃料極側の下流の排水弁とを閉じる。この状態において、燃料電池の発電を行い、燃料電池内および燃料電池に連通した容器が減圧状態になった後、供給弁を開いて減圧状態の燃料電池内に水素を噴入する。これにより、燃料電池の燃料極側の生成水を容器に押し出して排出する。

特開２００７−１４９６３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、生成水の排出時、燃料電池の内部に圧力変動が生じる。そのため、燃料電池や燃料ガスの供給する系の部品にストレスが生じ、システムの劣化を招く可能性がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池や燃料ガスを供給する系の部品に生じるストレスを抑制し、システムの劣化を抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池の燃料極における圧力を所定の圧力変動幅で変動させながら燃料ガスを供給する。このとき、圧力変動幅は、要求負荷が高い場合の圧力変動幅が要求負荷が低い場合の圧力変動幅より大きくなるように設定される。

本発明によれば、圧力変動幅が、要求負荷が高い場合の圧力変動幅が要求負荷が低い場合の圧力変動幅より大きくなるように設定されるので、要求負荷の変化に応じて圧力増減を抑制することができる。これにより、燃料電池や燃料ガスの供給系の部品にかかるストレスを緩和することができ、システムの劣化を抑制することができる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 燃料極における圧力増減の推移を示す説明図 第１の保持時間Ｔｐ１の説明図 第２の保持時間Ｔｐ２の説明図 保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２と負荷との説明図 保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２と負荷との説明図 負荷電流と上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との説明図 燃料電池スタック１における燃料極側の容積Ｒｓと容積部１２の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図 上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２の説明図 圧力下降速度の説明図

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。

燃料電池システムは、燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池スタック１を主体に構成されている。燃料電池スタック１を構成する個々の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を、一対のセパレータで挟持して構成される。燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル毎に、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。

燃料電池スタック１には、燃料電池セルの積層方向に延在する一対の内部流路（マニホールド）が、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれに対応して構成されている。燃料ガス側に対応する一対のマニホールドのうち、一方のマニホールドである供給用マニホールドは、個々の燃料電池セルが備えるガス用流路（セル流路）を介して燃料極の反応面に燃料ガスをそれぞれ供給し、他方のマニホールドである排出用マニホールドは、当該セル流路から排出されたガス（以下「燃料極オフガス」という）がそれぞれ流入する。同様に、酸化剤ガスに対応する一対の内部流路（マニホールド）のうち、一方のマニホールドである供給用マニホールドは、個々の燃料電池セルが備えるガス用流路（セル流路）を介して酸化剤極の反応面に酸化剤ガスをそれぞれ供給し、他方のマニホールドである排出用マニホールドは、当該ガス流路から排出されたガス（以下「酸化剤極オフガス」という）が流入する。

ここで、本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。また、本明細書では、「燃料電池セル」、「燃料極」または「酸化剤極」という用語を、単一の燃料電池セル、またはその燃料極または酸化剤極を指す場合のみに用いるだけでなく、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルのすべて、または、その燃料極または酸化剤極のすべてを総称する場合にも用いることとする。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とをさらに有している。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路（燃料極入口流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素供給流路Ｌ１は、一方の端部が燃料タンク１０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１の燃料ガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。この水素供給流路Ｌ１において、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図示せず）が設けられており、このタンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力、すなわち、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。燃料タンク１０、水素供給流路Ｌ１およびこの水素供給流路Ｌ１に設けられた水素調圧バルブ１１によって、燃料電池スタック１の燃料極へ水素を供給する水素供給手段が構成される。

本実施形態において、燃料電池スタック１は、燃料ガス排出用マニホールドの外部へ通じる出口側が基本的に閉塞されている。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタック１からの燃料極オフガスの排出が制限されている、いわゆる、閉塞系を採用するシステム（非循環型燃料電池システムともいう）である。ただし、これは厳密な意味での閉塞を指すものではなく、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物を燃料極から排出するために、燃料ガス用の排出用マニホールドの出口側を例外的に開放する排出システムが設けられている。具体的には、燃料ガス排出用マニホールドの出口側には、燃料極オフガス流路（排出流路）Ｌ２が接続されている。燃料極オフガス流路Ｌ２は、他方の端部が、後述する酸化剤極オフガス流路Ｌ６に接続されている。

燃料極オフガス流路Ｌ２には、所定容量、例えば、燃料電池スタック１を構成する全燃料電池セルに関する燃料極側の容積と同程度もしくは８割程度の容積を空間として備える容積部（容積手段）１２が設けられている。この容積部１２は、燃料極側から流入する燃料極オフガスを一次的に蓄えるバッファとして機能する。容積部１２の鉛直方向の下部には、一方の端部が開放された排水流路Ｌ３が接続されており、この排水流路Ｌ３には、排水バルブ１３が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガスに含まれる液水は容積部１２の下部にたまり、排水バルブ１３の開閉状態を制御することにより、排出することができる。また、燃料極オフガス流路Ｌ２には、容積部１２よりも下流側にパージバルブ（開閉手段）１４が設けられている。容積部１２へと流入した燃料極オフガス、具体的には、不純物（主として、窒素などの不活性ガス）および未反応な水素を含むガスは、パージバルブ１４の開閉状態を制御することにより、排出することができる。

一方、空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。空気供給流路Ｌ５は、一方の端部がコンプレッサ２０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１における酸化剤ガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。また、空気供給流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気を加湿するための加湿装置２１が設けられている。

燃料電池スタック１における酸化剤ガス排出用マニホールドの出口側には、酸化剤極オフガス流路Ｌ６が接続されている。燃料電池スタック１における酸化剤極からの酸化剤極オフガスは、酸化剤極オフガス流路Ｌ６を介して外部に排出される。この酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、上述した加湿装置２１が設けられており、発電により生成された水分の除湿が行われる（この除湿した水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、酸化剤極オフガス流路Ｌ６には、加湿装置２１により下流側に、空気調圧バルブ２２が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力、すなわち、燃料電池スタック１の酸化剤極における空気圧力は、空気調圧バルブ２２の開度を制御することによって調整することができる。

また、燃料電池システムには、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置３０が備えられている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置３０を介して、例えば、車両駆動用の電動モータ（図示せず）や燃料電池スタック１の発電動作に必要な種々の補機に供給される。また、出力取出装置３０において発電された電力は、二次電池（図示せず）にも供給されている。この二次電池は、システムの起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１から供給される電力の不足を補うために備えられている。

制御部（制御手段）４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、制御部４０は、水素調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、出力取出装置３０といった種々の要素を制御し、燃料電池スタック１の発電動作を行う。

制御部４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。本実施形態では、水素圧力センサ４１と、空気圧力センサ４２と、スタック温度センサ４３とが挙げられる。水素圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を検出する。空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する。スタック温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度を検出する。

制御部４０は、以下に示す形態で燃料電池システムを制御する。制御部４０は、燃料電池スタック１に空気および水素を供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。この場合、制御部４０は、燃料電池スタック１へと供給される空気および水素の圧力が、所定の運転圧力となるように空気および水素を供給する。この運転圧力は、例えば、燃料電池スタック１による発電電力に拘わらず一定の基準値、あるいは、燃料電池スタック１による発電電力に応じた可変値として設定される。

本実施形態において、制御部４０は、酸化剤極への空気供給については、所定の運転圧力にしたがって圧力制御を行う。これに対して、制御部４０は、燃料極の水素供給については、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との範囲内において圧力の増加および減少を行う制御パターンにしたがって水素の供給および停止を制御する。そして、制御部４０は、制御パターンにしたがった動作を繰り返すことにより、図２に示すように、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力を周期的に変動させながら、燃料極へ水素を供給する。

具体的には、制御部４０は、燃料極の水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達しており、燃料極内に発電を行うための十分な水素濃度が確保されていることを前提に、水素調圧バルブ１１を最小開度に制御し、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させる。制御部４０は、出力取出装置３０を介して燃料電池スタック１から、システムに要求される要求負荷（以下、単に負荷ともいう）に対応した負荷電流の取り出しを継続すると、発電反応により水素が消費されるので、燃料極の水素の圧力が低下する。つぎに、制御部４０は、燃料極の水素圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、水素調圧バルブ１１を最大開度に制御し、燃料電池スタック１へ水素の供給を再開させる。これにより、燃料極における水素の圧力が増加する。そして、制御部４０は、水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達（復帰）したことを条件に、水素調圧バルブ１１を最小開度に制御することにより、水素の供給を再度停止させる。このような一連の処理を１サイクルの制御パターンとして繰り返すことで、制御部４０は、水素の圧力を周期的に変動させながら、燃料電池スタック１の燃料極へ水素を供給する。

ここで、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、例えば、規定の運転圧力をベースに、上限側の圧力および下限側の圧力がそれぞれ設定されている。燃料電池スタック１の燃料極の水素圧力は、水素圧力センサ４１の検出値を参照することにより、モニタリング可能である。また、圧力増加を行う場合には、水素調圧バルブ１１よりも上流側の水素圧力を十分に高くしておき、圧力の増加速度を極力速めることが望ましい。例えば、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１までの圧力増加の期間を０．１〜０．５秒程度に設定するといった如くである。一方、上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２まで達する時間は１秒から１０秒程度であるが、上限圧力Ｐ１、下限圧力Ｐ２および燃料電池スタック１から取り出す電流値、すなわち、水素消費速度に依存する。

このような周期的な圧力増減をともなう水素供給制御において、本実施形態の特徴の一つとして、制御パターンは、燃料極の圧力を上限圧力Ｐ１または下限圧力Ｐ２において保持する保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２を設定することができる。制御部４０は、これらの第１および第２の保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２として、ゼロから所定値までの範囲において任意に設定することができる。

第１の保持時間Ｔｐ１は、図３に示すように、燃料極の圧力を上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２へと低下させる第１の過程の実行前に、燃料極の圧力を上限圧力Ｐ１において保持する時間である。具体的には、制御部４０は、燃料極の圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最大開度Ｏ１に制御することにより、燃料電池スタック１へ水素の供給を再開させて、燃料極の圧力を増加させる。制御部４０は、燃料極の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最大開度Ｏ１から所定開度まで減少させて、燃料極の圧力を上限圧力Ｐ１に保持する。そして、制御部４０は、燃料極の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングから、第１の保持時間Ｔｐ１が経過したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最小開度Ｏ２に制御することにより、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させる。

これに対して、第２の保持時間Ｔｐ２は、図４に示すように、燃料極の圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと増加させる第２の過程の実行前に、燃料極の圧力を下限圧力Ｐ２において保持する時間である。具体的には、制御部４０は、燃料極の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最小開度Ｏ２に制御して、燃料電池スタック１への水素の供給を停止させる。制御部４０は、燃料極の水素圧力が下限圧力Ｐ２まで低下したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最小開度Ｏ２から所定開度まで増加させて、燃料極の圧力を下限圧力Ｐ２に保持する。そして、制御部４０は、燃料極の圧力が下限圧力Ｐ２に到達したタイミングから、第２の保持時間Ｔｐ２が経過したことを条件に、水素調圧バルブ１１の開度Ｏｔを最大開度Ｏ１に制御することにより、燃料電池スタック１へ水素の供給を再開させて、燃料極の圧力を増加させる。

図５は、負荷と、各保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２との対応関係を示す説明図である。例えば、システムの運転シーンとして低負荷（例えば、定格負荷電流に対して１／３程度以下までの負荷電流の取り出し状態）の場合、第１および第２の保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２はゼロに設定されている。そして、中負荷（例えば、定格負荷電流に対して１／３程度よりも大きく２／３程度よりも小さい範囲の負荷電流の取り出し状態）の場合、第１の保持時間Ｔｐ１は、ゼロに設定されており、第２の保持時間Ｔｐ２は、ゼロを始点として、負荷が高くなる程、値が増加するように設定されている。また、高負荷（例えば、定格負荷電流に対して２／３程度以上の負荷電流の取り出し状態）の場合、第１の保持時間Ｔｐ１は、ゼロを始点として、負荷が高くなる程、値が増加するように設定されており、第２の保持時間Ｔｐ２は一定値に設定されている。このように、制御部４０は、第１および第２の保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２を、負荷状態に応じて決定することができる。換言すれば、燃料極の圧力を上限圧力Ｐ１において保持させるか、それとも下限圧力Ｐ２において保持させるかという点を、負荷に応じて選択することができる。

このように本実施形態において、制御部４０は、要求負荷が高い場合（負荷電流が大きい場合）、それが低い場合と比べ、制御パターンの一回の実行期間における水素の供給量を増加させている。高負荷といった運転シーンでは、水素の消費量が多い傾向となる。そのため、水素の供給を賄うために、一回の制御パターンに対応する圧力増減の実行回数が増加する可能性がある。しかしながら、本実施形態によれば、制御パターンの一回の実行期間における水素の供給量を増加させているので、単位時間あたりの圧力増減の実行回数の増加を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック１や水素系の部品にかかるストレスを緩和することができるので、システムの劣化を抑制することができる。

また、本実施形態において、制御パターンは、第１の過程の実行前に燃料極の圧力を上限圧力Ｐ１において保持する第１の保持時間Ｔｐ１、または第２の過程の実行前に燃料極の圧力を下限圧力Ｐ２において保持する第２の保持時間Ｔｐ２を設定可能となっている。そして、制御部４０は、要求負荷が高い程、第１の保持時間Ｔｐ１または第２の保持時間Ｔｐ２を長く設定する。要求負荷が高くなると、水素の消費量が増えるため、第１の過程における圧力下降速度が速くなるものの、本実施形態によれば、要求負荷が大きい程、第１の保持時間Ｔｐ１または第２の保持時間Ｔｐ２が長く設定される。これにより、燃料極の圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミングから、燃料極の圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと復帰させるタイミングまでの期間の長く設定することができる。すなわち、保持時間Ｔｐ１，Ｔｐ２により、制御パターンの一回の実行期間が長くなるので、単位時間あたりの圧力増減の実行回数の増加を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック１や水素系の部品にかかるストレスを緩和することができるので、システムの劣化を抑制することができる。

とくに、制御部４０は、要求負荷が高い程、第１の保持時間Ｔｐ１を長く設定することが好ましい。要求負荷が増大すると、燃料極における水素分圧を確保することが困難となる可能性がある。そのため、上限圧力Ｐ１における第１の保持時間Ｔｐ１を長く設定することにより、要求負荷が高い状態であっても水素分圧が確保されやすくなるという効果を奏する。

また、本実施形態では、要求負荷が低負荷から中負荷の領域において要求負荷が高くなる程、第２の保持時間Ｔｐ２を長く設定する。低負荷から中負荷では、燃料極に液水が溜まりやすい傾向にある。下限圧力Ｐ２における第２の保持時間Ｔｐ２を長く設定することで、液水の排出処理の実行精度を高めることができる。さらに、制御部４０は、要求負荷が中負荷から高負荷の領域において要求負荷が高くなる程、第１の保持時間Ｔｐ１を長く設定することが好ましい。要求負荷が増大すると、燃料極における水素分圧を確保することが困難となる可能性がある。そのため、上限圧力Ｐ１における第１の保持時間Ｔｐ１を長く設定することにより、要求負荷が高い状態であっても水素分圧が確保されやすくなるという効果を奏する。

なお、図６に示すように、起動直後といった燃料極内の窒素などの不純物濃度が高いシーン程、上限圧力Ｐ１を保持する第１の保持時間Ｐ１を長く設定することで、水素分圧を確保してもよい。このとき、停止してから起動するまでの時間が長い程、燃料極内の不活性ガス濃度は高くなる。そのため、停止期間を計測したり、起動時の燃料極内の窒素濃度を計測したりすることで上限圧力を保持する時間を可変にしてもよい。

さらに、低負荷時などに、燃料電池スタック１の発電を一時的に停止し、２次電池の電力で走行するアイドルストップを採用するシステムでは、アイドルストップから復帰した直後も燃料極内の窒素濃度は高い状況にある。そこで、このようなシーンでも第１の保持時間Ｐ１を長く設定してもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。なお、燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同じであるため、説明は省略する。本実施形態では、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２の設定方法について説明する。

第１の手法として、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、負荷電流に応じて設定することができる。制御部４０は、車両の速度、ドライバーのアクセル操作量、さらには二次電池に関する情報に基づいて、システムに要求される要求負荷として、燃料電池スタック１の目標発電電力を決定する。制御部４０は、目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流値である負荷電流を演算する。

図７は、負荷電流Ｃｔと、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２との対応関係を示す説明図である。燃料電池スタック１から負荷電流Ｃｔを取り出すために必要な反応ガスを供給するための運転圧力Ｐsaは、燃料電池スタック１、水素系および空気系などのシステムの特性を考慮することにより、実験やシミュレーションを通じて定義することができる。酸化剤極へ空気を供給する場合には、この運転圧力Ｐsaが目標運転圧力として設定される。図７に示すように、制御部４０は、負荷電流Ｃｔが大きくなるほど、運転圧力Ｐsaを高く設定する。

これに対して、燃料極へ水素を供給する場合には、運転圧力Ｐsaをベースに、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２がそれぞれ設定されている。ここで、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、負荷電流Ｃｔが大きいほど、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧、すなわち、ガス供給時の圧力変動幅（圧力増減幅ともいう）が大きくなるような関係に設定されている。また、負荷電流Ｃｔの増加に対する下限圧力Ｐ２の増加率は、図７に示すように、負荷電流Ｃｔが大きい場合の増加率が、負荷電流Ｃｔが小さい場合の増加率より大きくなるように設定される。

かかる構成によれば、圧力変動幅が、要求負荷が高い場合の圧力変動幅が要求負荷が低い場合の圧力変動幅より大きくなるように設定されるので、要求負荷の変化に応じて圧力増減を抑制することができる。これにより、システムの劣化を抑制することができる。

第２の手法として、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、燃料電池スタック１の発電の安定性を考慮して設定してもよい。低負荷の場合、すなわち、負荷電流が小さい場合は、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧が相対的に小さくなるように、例えば、５０ｋＰａ程度に設定する。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的な水素濃度は、４０％程度となる。これに対して、高負荷の場合、すなわち、負荷電流が大きい場合、ガス圧力を大きくしたほうが発電効率が高くなることから、酸化剤極側および燃料極側とも全体的に供給圧力（運転圧力）を上げる。また、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧は、１００ｋＰａ程度に設定されている。この場合、個々の燃料電池セルにおける平均的な水素濃度は、７５％程度で運転が行われる。

周期的な圧力増減を行う本実施形態において、燃料電池スタック１の内部（燃料極）の雰囲気は、下限圧力Ｐ２のタイミングにおいて水素濃度が低い状態にあり、上限圧力Ｐ１のタイミングおいて水素濃度が高い状態になる。すなわち、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１まで圧力を増加させることにより、高水素濃度のガスが燃料極へ導入され、これにより、低水素濃度のガスが燃料電池スタック１から容積部１２へ押し込まれる。また、高水素濃度のガスにより燃料極内のガスが攪拌されることとなる。

図８は、燃料電池スタック１における燃料極側の容積Ｒｓと容積部１２の容積Ｒｔとを模式的に示す説明図である。例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）とし、下限圧力Ｐ２を１５０ｋＰａ（絶対圧）とした場合、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との圧力比Ｐ１／Ｐ２は概ね１．３３となる。この場合、同図（ａ）に示すように、下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１への圧力増加により、燃料系の容積（具体的には、燃料電池スタック１および容積部１２の容積）のうち１／４程度、つまり燃料電池スタック１の５割地点まで新たな水素が流入することとなる（以下、この状態を水素交換率０．５と表現する(同図（ｂ）参照)）。

低負荷の場合は水素の消費速度が遅いため、概ねこの程度の水素交換率において燃料電池スタック１の発電が可能となる。このシーンにおいて、例えば、時間平均された燃料極オフガス中の水素濃度は、約４０％である。これに対して、高負荷の場合には、燃料電池スタック１の燃料極全体が新たな水素で置き換わる程の圧力比Ｐ１／Ｐ２（例えば、２以上）、つまり水素交換率が１程度となることが望ましい。排出される水素濃度を低く抑えたいものの、水素消費速度が速いため、発電を安定的に行うためにはある一定以上の水素濃度が必要となる（例えば、約７５％以上が必要となる）。

このようなケースにおいて、水素濃度を調整するために、パージバルブ１４により燃料極オフガス流路Ｌ２を開放する。これにより、パージバルブ１４から、周期的な圧力増減による水素の供給を妨げない程度の微小流量を連続的あるいは間欠的に排出させる。パージバルブ１４より排出されるガスは微小流量のため、カソード側の排気により希釈され安全に系外へ排出される。パージバルブ１４の開放は、燃料極から不純物（窒素や水蒸気）を排出するために行うものであるが、燃料極には水素も混在している。そのため、水素の排出を抑制して、不純物を有効に排出することが好ましい。

そこで、本実施形態では、水素供給において、その圧力を下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと増加させる過程（第２の過程）に対応して、パージバルブ１４を開状態に制御し、これを開放する（パージ処理）。具体的には、制御部４０は、燃料電池スタック１の燃料極の圧力をモニタリングし、これが下限圧力Ｐ２に到達したタイミングに対応してパージバルブ１４を開状態に制御し、また、これが上限圧力Ｐ１に到達したタイミングに対応してパージバルブ１４を閉状態に制御する（基本制御パターン）。これにより、低水素濃度のガスが燃料電池スタック１から容積部１２に押し込まれ、かつ、高濃度水素がパージバルブ１４に到達する前に、容積部１２から低水素濃度のガスがパージバルブ１４を介して排出される。これにより、効率よく多くの不純物を排出することが可能となる。

ただし、パージバルブ１４の開閉制御は、この基本制御パターンに限定されず、少なくとも下限圧力Ｐ２から上限圧力Ｐ１へと圧力を増加させる過程を含むように、パージバルブ１４が開状態に制御されていれば足りる。そのため、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングは、水素圧力が上限圧力Ｐ１に到達したタイミング（以下、「基準閉タイミング」という）よりも遅延したタイミングに修正することもできる。例えば、高濃度水素と低濃度水素の境目は、拡散速度を考えた場合、短時間の範囲なら一定の面として判別できる。そこで、水素の供給時、燃料電池スタック１および容積部１２において、どのくらいの時間でどの位置まで境界面（いわゆる、水素フロント）が到達するかを、実験やシミュレーションを通じて予測しておく。そして、この境界面がパージバルブ１４に到達するまで、パージバルブ１４を閉状態に制御するタイミングを基準閉タイミングよりも遅らせることができる。

また、パージ処理は、制御パターンの実行毎、具体的には、圧力増加過程（第２の過程）毎に、これらの全てに対応して行う必要はない。例えば、燃料極における水素濃度がある判定閾値以下となったことを条件に、その後の圧力増加過程に対応してパージバルブ１４を開放すればよい。

また、発電反応を阻害する要因として液水も考えられるので、これも併せて排出してもよい。ただし、不活性ガスの存在に比べ、液水が影響するまでの時間は長いため、周期的な圧力増減の毎回ではなく、複数回に１回、あるいは一定時間毎に、この液水排出のための処理を実行することが好ましい。液水は、燃料電池スタック１内から除去されればよいので、これを燃料電池スタック１から容積部１２へと排出することを考える。この場合、流速を上げる必要があるので、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との差圧を１００ｋＰａ程度とすることが好ましい。

また、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２は、これまで述べてきたような要求負荷により可変とする手法に加えて、以下のような付加的な手法を加味した設定を行うことが考えられる。まず、第１の付加的な手法としては、燃料電池セルにおける酸化剤極と燃料極との許容極間差圧に応じて上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定してもよい。

また、第２の付加的な手法としては、燃料極内に蓄積される不活性ガスを排出するためのパージ処理を行うシステムでは、パージを確実に行うための最低圧力を確保するように、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を制限してもよい。

さらに、第３の付加的な手法としては、燃料極内の窒素濃度が高い程、上限圧力Ｐ１を大きな値に設定し、燃料極内の液水滞留量または液水生成量が多いと予測される状態では下限圧力Ｐ２を小さな値に設定する。これにより、実際に液水が溜まったと判断したときに、大きな圧力差が確保されているので、液水の排出を確実に行うことができる。

また、第４の付加的な手法としては、燃料電池スタック１内の液水の滞留量が多いと推定されるようなシーンでは、図９に示すように、上限圧力Ｐ１と下限圧力Ｐ２との圧力比（Ｐ１／Ｐ２）を一時的に大きな値（Ｐ１ｗ／Ｐ２ｗ）となるように、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。燃料極内の液水を排出するために必要な圧力幅ΔＰ２は、例えば、１００ｋＰａ以上であり、燃料極内の不活性ガスを排出するための圧力幅ΔＰ１は、例えば、５０ｋＰａ以上である。このように両者の圧力幅が異なるため、液水排出の観点から上記の如く、上限圧力Ｐ１および下限圧力Ｐ２を設定する。

ここで、上記の手法のように上限圧力Ｐ１を高く設定した場合、低負荷領域では、水素消費速度が少ないため、上限圧力Ｐ１から下限圧力Ｐ２へと圧力が低下する速度が遅くなる。この場合、下限圧力Ｐ２へと到達するまでに時間を要するため、上限圧力Ｐ１へと圧力増加させる第２の過程が暫く実行できなくなる虞がある。

そこで、図１０に示すように、低負荷時に上限圧力Ｐ１を高い値（例えば、圧力Ｐ１ｗ）に設定した場合、制御部４０は、燃料電池スタック１から取り出す電流を一時的に増加させて、圧力下降速度を速めてもよい。例えば、電流を増加させない場合には、上限圧力Ｐ１ｗから下限圧力Ｐ２に低下するまでに要する時間が、時間Ｔｍ２であるのに対して、電流を増加させることにより、上限圧力Ｐ１ｗから下限圧力Ｐ２に低下するまでに要する時間が、時間Ｔｍ２よりも短い時間Ｔｍ３となるといった如くである。これにより、不活性ガス排出のための圧力増減の制御や、次回の液水排出のための圧力増減の制御への干渉を抑制することができる。

なお、燃料電池スタック１の電圧が低下しているシーンなど、燃料電池スタック１から取り出す電流を一時的に増加することにより、発電状態が不安定になるおそれがある場合や、取り出した電流を蓄える２次電池の充電レベルが高い場合は、取り出し電流を増加させる手法に代えて、別の方法で圧力下降速度を速めてもよい。

圧力下降速度を速める別の方法としては、例えば、パージバルブ１４から排出される燃料極オフガスの流量を増加させることである。また、燃料極の容積を拡大することで、圧力下降速度を速めてもよい。燃料極の容積を拡大する方法としては、燃料極における液水の管理レベルを下げ、燃料極内の液水を排出することが挙げられる。

なお、燃料極内に滞留する液水量を推定する手法としては、液水生成量が負荷電流に概ねに比例するという特性に基づいて、負荷電流の積算で推定することが考えられる。また、従前に行った液水排出タイミングからの経過時間で推定してもよい。また、燃料電池セルの電圧を計測し、電圧が異常に低下したことで液水の滞留量が多いと推定してもよい。また、液水滞留量を推定する際には、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度で補正してもよい。なぜならば、同じ負荷電流であっても、冷却水温度が低い程、多く液水が滞留するからである。同様に、圧力脈動回数やカソードの空気量で補正することも可能である。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。第１の実施形態では、燃料電池スタック１において負荷電流に対応した発電を行う通常運転時の処理を述べたが、本実施形態では、システムの起動時およびシステムの停止時の処理についてそれぞれ説明する。なお、燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同じであるため、重複する説明は省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

まず、起動処理について説明する。システム停止後、燃料電池スタック１が直ぐに起動されることなく暫く放置された場合、燃料極内には、低水素濃度のガスが充満している。このような状況において燃料電池システムを起動する場合には、この低水素濃度のガスを燃料電池スタック１の燃料極から排出させるため、高水素濃度のガスを燃料タンク１０から所定の起動時上限圧力で瞬間的に供給し、燃料極におけるガス圧力を昇圧する。この際、パージバルブ１４も開状態へと制御する。これにより、低水素濃度のガスと、高水素濃度のガスとの境界面である、水素フロントの通過を速めることができるとともに、水素フロントを燃料極から押し出すことができる。

つぎに、水素フロントがパージバルブ１４に到達するタイミングよりも前に、水素調圧バルブ１１およびパージバルブ１４を閉状態に制御し、発電を行い、水素を消費させるとにより、燃料極における水素圧力を減圧させる。そして、水素圧力が、所定の起動時下限圧力まで到達したら、再度、所定の起動時上限圧力まで昇圧させる。そして、燃料電池スタック１の燃料極の濃度が所定の平均水素濃度になるまで、このような圧力増減を繰り返し行う。

なお、実際の車両では、このような起動処理を実行している間にも発進してしまう可能性があるが、この場合には、搭載された二次電池からの出力を利用すればよい。

つぎに、停止処理について説明する。停止後の起動のシーンとして、低温環境を想定した場合、停止時に燃料電池スタック１およびバルブ等に液水が存在すると、凍結等により起動不能に陥る可能性がある。そのため、停止時にこの液水を除去するための処理が必要となる。まず、酸化剤極に空気を供給しながら、低負荷の状態で発電を行う。燃料極側は、第１の実施形態と同様に制御パターンにしたがって圧力増減を繰り返し行う。この場合、例えば、上限圧力Ｐ１を２００ｋＰａ（絶対圧）、下限圧力Ｐ２を１０１．３ｋＰａとして、燃料極から液水が排出されるのに十分な値を設定しておく。また、この繰り返す回数は、実験やシミュレーションを通じて、液水を十分に排出できる回数を取得しておき、この回数に基づいて行う。これにより発電を終了させる。

次に、燃料電池スタック１から容積部１２へ排出された液水を排水バルブ１３を開状態に制御して排水する。そして、排水後、直前まで発電していた電力を用いて、ヒータなどの加熱手段を作動させ、パージバルブ１４および排水バルブ１３を加熱し、乾燥させる。 このように本実施形態によれば、停止処理により起動時の起動性を図るとともに、起動時の処理であっても、水素よりも不純物を優先的に排出することができる。

１…燃料電池スタック
２…燃料ガス供給用マニホールド
３…燃料ガス排出用マニホールド
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…容積部
１３…排水バルブ
１４…パージバルブ
１５…気液分離装置
２０…コンプレッサ
２１…加湿装置
２２…空気調圧バルブ
３０…出力取出装置
４０…制御部
Ｌ１…水素供給流路
Ｌ２…燃料極オフガス流路
Ｌ３…排水流路
Ｌ５…空気供給流路
Ｌ６…酸化剤極オフガス流路

Claims (5)

1. 酸化剤極に供給される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池から出力を取り出す出力取出手段と、
   前記出力取出手段を制御することにより、システムに要求される要求負荷に対応した出力を前記燃料電池から取り出すとともに、前記燃料ガス供給手段を制御することにより、前記燃料電池の燃料極における圧力を所定の圧力変動幅で変動させながら前記燃料ガスを供給する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記要求負荷が高い場合の圧力変動幅が前記要求負荷が低い場合の圧力変動幅より大きくなるように、前記圧力変動幅を設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記要求負荷が高いほど、運転圧力を高く設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、運転圧力をベースに前記燃料極の圧力の上限圧力および下限圧力を設定し、前記燃料極の圧力を前記上限圧力と前記下限圧力との間で変動させることにより、前記燃料極の圧力を前記圧力変動幅で変動させることを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
4. 前記要求負荷の増加に対する前記下限圧力の増加率は、前記要求負荷が高い場合の前記増加率が前記要求負荷が低い場合の前記増加率より大きくなるように設定されることを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
5. 酸化剤極に供給される酸化剤ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを負荷に応じて電気化学的に反応させることにより電力を発生するとともに前記燃料極内の燃料ガスを消費する燃料電池と、
   前記燃料極の入口側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料極の出口側に設けられた容積部およびパージ弁と、
   を備えた非循環型燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガスの圧力を負荷の増大に応じて大きくするとともに、前記燃料ガス供給手段を制御することにより、所定負荷における前記燃料極の圧力を所定の圧力増減幅で増減させる圧力増減制御手段を備え、
   前記圧力増減制御手段は、前記負荷が高い場合、該負荷が低い場合に比して前記圧力増減幅を大きくすることを特徴とする燃料電池システム。

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