特許 6035797 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6035797

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20161121BHJP

   H01M 8/04119 20160101ALI20161121BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20161121BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20161121BHJP

   H01M 8/06 20160101ALI20161121BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 A

   H01M8/04 K

   H01M8/10

   H01M8/04 Z

   H01M8/06 W

【請求項の数】9

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-59252(P2012-59252)

(22)【出願日】2012年3月15日

(65)【公開番号】特開2013-196778(P2013-196778A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2015年2月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100120178

【弁理士】

【氏名又は名称】三田 康成

(72)【発明者】

【氏名】前嶋 晋

(72)【発明者】

【氏名】池添 圭吾

(72)【発明者】

【氏名】市川 靖

(72)【発明者】

【氏名】藤井 隆宏

(72)【発明者】

【氏名】下井 亮一

(72)【発明者】

【氏名】西山 太二

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 裕介

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２７７８３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１０４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−３４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／００４７８０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８，８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷に応じて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノードにアノードガスを供給するための供給通路に配置された圧力調整弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のアノードガス圧力が脈動するように前記圧力調整弁を制御するアノード圧力制御部を備え、
前記アノード圧力制御部は、
前記燃料電池のアノードガス上限圧力と下限圧力とを設定すると共に、当該上下限圧で前記アノードガス圧力が脈動するように前記圧力調整弁を制御し、
前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態が低いときに比して高いときは前記上限圧力及び前記下限圧力を下げることで前記脈動の中心圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池の電解質膜の内部抵抗を検知する内部抵抗検知部を備え、
電解質膜の湿潤状態を前記内部抵抗に基づいて検知すること特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池の電解質膜のセル電圧を検知するセル電圧検知部を備え、
電解質膜の湿潤状態を前記セル電圧に基づいて検知すること特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード圧力制御部は、アノードガスの脈動運転の下限圧力を下げている場合に、液水を排出する運転が不要になったときには、下げている下限圧力を戻すこと特徴とする燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード圧力制御部は、アノードガスの脈動運転の下限圧力を下げても、液水を排出できなければ、アノードガスの脈動運転の下限圧力をさらに下げること特徴とする燃料電池システム。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード圧力制御部は、前記燃料電池スタックのセル電圧が基準値よりも小さいときに、脈動の中心圧力を低下させること特徴とする燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード圧力制御部は、所定時間ごとに、脈動の中心圧力を低下させること特徴とする燃料電池システム。

【請求項8】

請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池からの不純物を含むアノードオフガスを排出するための排出流路にパージ弁を備え、
前記アノード圧力制御部は、前記パージ弁によるパージ量を通常よりも増やして、アノードガスの脈動運転の下限圧力を下げること特徴とする燃料電池システム。

【請求項9】

請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出されたアノードガスを蓄えるバッファータンクを備え、
前記アノード圧力制御部は、前記バッファータンクの水素濃度が高いほど、下限圧力の下げ幅を拡大すること特徴とする燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、高圧のアノードガスの供給／停止が繰り返されてアノードガスの圧力が脈動する燃料電池システムを開示する。

【0003】

また関連する文献公知発明が特許文献２，３にも記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２００７−５１７３６９号公報

【特許文献2】特開２００７−１４９６３０号公報

【特許文献3】特開２００８−９７９６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に示されているような燃料電池システムでは、単に脈動を行うだけであるため、アノード側の発電領域内の液水量が増えて、排水を促進したい場合にそのままの脈動を継続しても排水が不十分なことによって、発電領域での燃料ガス供給が不足して発電不良となる可能性がある。

【0006】

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、脈動運転を継続している状況で、発電反応で生成される生成水によって、電解質膜の湿潤状態が高くなった（ウェット）としても、アノード側の発電領域内の排水を促進できる燃料電池システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

【0008】

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、負荷に応じて発電する燃料電池と、当該燃料電池のアノードにアノードガスを供給するための供給通路に配置された圧力調整弁と、を備えた燃料電池システムである。そして、燃料電池のアノードガス圧力が脈動するように圧力調整弁を制御するアノード圧力制御部を備えている。ここで、アノード圧力制御部は、燃料電池のアノードガス上限圧力と下限圧力とを設定すると共に、当該上下限圧でアノードガス圧力が脈動するように圧力調整弁を制御する。そして、燃料電池の電解質膜の湿潤状態が低いときに比して高いときは上限圧力及び下限圧力を下げることで脈動の中心圧力を低下させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

この態様によれば、湿潤状態がウェットな場合に、脈動の中心圧力を下げるようにした。このように、中心圧力を下げれば、ガス密度が相対的に低下するので同じ脈動幅であってもアノードガスの流速が上がるので、液水を排水しやすくなる。

【0010】

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。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す図である。

【図2】図２は、燃料電池スタックを説明する図である。

【図3】図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。

【図4】図４は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

【図5】図５は、要求出力(要求負荷)からセル電圧閾値を求めるマップの一例を示す図である。

【図6】図６は、反応ガスの脈動運転の目標上限圧力及び目標下限圧力を設定するマップの一例を示す図である。

【図7】図７は、水素濃度から排水運転用の目標圧力の下げ幅を求めるマップの一例を示す図である。

【図8】図８は、脈動供給ルーチンを示すフローチャートである。

【図9】図９は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

【図10】図１０は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

【図11】図１１は、第１実施形態の変形例を示す図である。

【図12】図１２は、燃料電池システムの第２実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

【図13】図１３は、第２実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

【図14】図１４は、第３実施形態における、湿潤度から圧力下げ頻度を求めるマップの一例を示す図である。

【図15】図１５は、第３実施形態が実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の概要を示す図である。

【0013】

燃料電池システムは、燃料電池スタック１００と、水素タンク２００と、圧力調整弁３００と、バッファータンク４００と、パージ弁５００と、コントローラー６００と、を含む。

【0014】

燃料電池スタック１００は、反応ガス(アノードガスＨ₂、カソードガスＯ₂)が供給されて発電する。詳細は後述する。

【0015】

水素タンク２００は、アノードガスＨ₂を高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクである。水素タンク２００は、アノードラインの最上流に設けられる。

【0016】

圧力調整弁３００は、水素タンク２００の下流に設けられる。圧力調整弁３００は、水素タンク２００から新たにアノードラインに供給するアノードガスＨ₂の圧力を調整する。アノードガスＨ₂の圧力は、圧力調整弁３００の開度によって調整される。

【0017】

バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００の下流に設けられる。バッファータンク４００は、燃料電池スタック１００から排出されたアノードガスＨ₂を蓄える。

【0018】

パージ弁５００は、バッファータンク４００の下流に設けられる。後述するように、燃料電池スタックでは、カソード流路に空気(酸素)が供給されるとともに、アノード流路に水素が供給される。この結果、電解質膜で発電反応が生じる。このとき、カソード流路に供給された空気の一部が電解質膜を透過してアノード流路に漏れることがある。この場合、空気中の窒素Ｎ₂は、反応することなく、バッファータンク４００に溜まる。このような窒素Ｎ₂が、燃料電池スタックのアノード流路に逆流しては、水素分圧が下がってしまって、発電反応が阻害される。そこで適時、パージ弁５００が開かれて、アノードガスＨ₂とともに窒素Ｎ₂がパージされる。

【0019】

コントローラー６００は、アノードラインに設けられた圧力センサー７１や燃料電池スタック１００に設けられた電流電圧センサー７２などの信号に基づいて圧力調整弁３００の作動を制御する。具体的な制御内容は後述される。

【0020】

図２は、燃料電池スタックを説明する図であり、図２(Ａ)は外観斜視図、図２(Ｂ)は発電セルの構造を示す分解図である。

【0021】

図２(Ａ)に示されるように、燃料電池スタック１００は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。

【0022】

発電セル１０は、燃料電池の単位発電セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述される。

【0023】

集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、正極端子２１１及び負極端子２１２を備える。燃料電池スタック１００は、正極端子２１１及び負極端子２１２によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ^-が取り出されて出力する。

【0024】

絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。

【0025】

エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。

【0026】

一方のエンドプレート４０(図２(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口４１ａと、アノード排出口４１ｂと、カソード供給口４２ａと、カソード排出口４２ｂと、冷却水供給口４３ａと、冷却水排出口４３ｂとが設けられている。本実施形態では、アノード供給口４１ａ、冷却水供給口４３ａ及びカソード排出口４２ｂは図中右側に設けられている。またカソード供給口４２ａ、冷却水排出口４３ｂ及びアノード排出口４１ｂは図中左側に設けられている。

【0027】

テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１００は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット(奥にあるため図示されない)が螺合する。テンションロッド５０とナットとが燃料電池スタック１００を積層方向に締め付ける。

【0028】

アノード供給口４１ａにアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。図１では、高圧ガスタンクが使用される。また、カソード供給口４２ａに供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

【0029】

図２(Ｂ)に示されるように、発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、アノードセパレーター(アノードバイポーラープレート)１２ａ及びカソードセパレーター(カソードバイポーラープレート)１２ｂが配置される構造である。

【0030】

ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２が形成される。この電極触媒層１１２の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３が形成される。

【0031】

電極触媒層１１２は、たとえば白金が担持されたカーボンブラック粒子で形成される。

【0032】

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。

【0033】

アノード供給口４１ａから供給されたアノードガスは、このＧＤＬ１１３ａを流れてアノード電極触媒層１１２(１１２ａ)と反応し、アノード排出口４１ｂから排出される。

【0034】

カソード供給口４２ａから供給されたカソードガスは、このＧＤＬ１１３ｂを流れてカソード電極触媒層１１２(１１２ｂ)と反応し、カソード排出口４２ｂから排出される。

【0035】

アノードセパレーター１２ａは、ＧＤＬ１１３ａ及びシール１４ａを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の裏面)に重ねられる。カソードセパレーター１２ｂは、ＧＤＬ１１３ｂ及びシール１４ｂを介してＭＥＡ１１の片面(図２(Ｂ)の表面)に重ねられる。シール１４(１４ａ，１４ｂ)は、たとえばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム(ethylene propylene diene monomer；ＥＰＤＭ)、フッ素ゴムなどのゴム状弾性材である。アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂは、たとえばステンレスなどの金属製のセパレーター基体がプレス成型されて、一方の面に反応ガス流路が形成され、その反対面に反応ガス流路と交互に並ぶように冷却水流路が形成される。図２(Ｂ)に示すようにアノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂが重ねられて、冷却水流路が形成される。

【0036】

ＭＥＡ１１、アノードセパレーター１２ａ及びカソードセパレーター１２ｂには、それぞれ孔４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが形成されており、これらが重ねられて、アノード供給口(アノード供給マニホールド)４１ａ、アノード排出口(アノード排出マニホールド)４１ｂ、カソード供給口(カソード供給マニホールド)４２ａ、カソード排出口(カソード排出マニホールド)４２ｂ、冷却水供給口(冷却水供給マニホールド)４３ａ及び冷却水排出口(冷却水排出マニホールド)４３ｂが形成される。

【0037】

図３は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。

【0038】

上述のように、燃料電池スタック１００は、反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されて発電する。燃料電池スタック１００は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図３(Ａ)に示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。

【0039】

各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が負荷に応じて進行して、発電する。

【0040】

【数1】

【0041】

図３(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ₂)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-1)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ₂)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。

【0042】

上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。電解質膜中の水分が多すぎれば、余剰の水分が反応ガス流路に溢れてしまって、ガスの流れが阻害される。

【0043】

カソード流路は大気に開放される。そのため、カソード流路の水分は、カソードガスとともに大気に排出される。しかしながら、アノード流路には、上述の通り、パージ弁５００が設けられている。通常は、パージ弁５００が閉弁された状態で、高圧のアノードガスの供給／停止が繰り返される。したがってアノード流路の水分は、排出されにくい。

【0044】

そこでアノード流路の水分を排出するために、パージ弁５００を開弁してパージしてアノードガスの流れを促進することも考えられる。しかしながら、パージすると、未反応のアノードガスＨ₂も排出されてしまう。したがって、パージは、少ないほうが好ましい。

【0045】

そこで発明者らは、以下のように制御することに想到した。

【0046】

図４は、燃料電池システムの第１実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。

【0047】

ステップＳ１１においてコントローラーは、排水運転中であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１４へ処理を移行する。

【0048】

ステップＳ１２においてコントローラーは、排水運転が必要であるか否かを判定する。具体的には、たとえば図５に示されるようなマップを予め実験等を通じて用意しておく。そしてそのマップに要求負荷を適用して、セル電圧の閾値を求める。そして、その閾値よりも、セル電圧が低ければ、排水運転が必要であると判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１３へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１６へ処理を移行する。

【0049】

なお燃料電池スタックの電解質膜の湿潤度によって、排水運転が必要であるか否かを判定してもよい。すなわち、燃料電池スタックの電解質膜の湿潤度が高い場合に(すなわち電解質膜中の水分が多い場合に)、排水運転が必要であると判定する。電解質膜の湿潤度は、電解質膜のインピーダンス(内部抵抗)から把握できる。すなわち電解質膜の湿潤度が小さいほど(電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど)、インピーダンスは大きくなる。電解質膜の湿潤度が大きいほど(電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど)、インピーダンスは小さくなる。この特性を利用して、たとえば燃料電池スタックの発電電流を例えば１ｋＨｚの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして１ｋＨｚの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することでインピーダンスを求める。そしてこのインピーダンスに基づいて電解質膜の湿潤度を得ることができる。このようにして求められた湿潤度が基準湿潤度よりも大きければ、排水運転が必要であると判定してもよい。

【0050】

ステップＳ１３においてコントローラーは、排水運転用のアノード脈動の目標上限圧力及び目標下限圧力を設定する。具体的な内容は後述する。

【0051】

ステップＳ１４においてコントローラーは、排水運転が不要か否かを判定する。具体的には、ステップＳ１２とは反対の判定を行えばよい。なお判定のための閾値は、ステップ１２の排水運転が必要であることを判定する閾値と同一の閾値を用いても、図５に復帰閾値と示されるように、異なる閾値を用いてもよい。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１５へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１６へ処理を移行する。

【0052】

ステップＳ１５においてコントローラーは、通常運転用のアノード脈動の目標上限圧力及び目標下限圧力を設定する。具体的には、たとえば図６に示されるようなマップを予め実験等を通じて用意しておく。そしてそのマップに目標要求負荷を適用して、通常運転用のアノード脈動の目標上限圧力及び目標下限圧力を設定する。

【0053】

なおステップＳ１３で設定される排水運転用の目標上限圧力及び目標下限圧力は、たとえば図７に示されるようなマップに、バッファータンク４００の水素濃度が適用されて求められた下げ幅だけ、通常運転用の目標上限圧力及び目標下限圧力を下げることで求めればよい。

【0054】

なお図７から明らかなように下げ幅は、バッファータンク４００の水素濃度が高いほど大きい。水素濃度は、たとえば水素センサーで検出すればよい。また、通常は、高負荷運転であれば水素濃度は９０％を越える高い濃度になる。その一方で、低負荷運転であれば、水素濃度は８０％の濃度になる。したがって運転負荷に応じて水素濃度を推定してもよい。さらにパージ直後は水素濃度が高くなるので、パージしてからの経過時間も考慮して水素濃度を推定するとよい。

【0055】

ステップＳ１６においてコントローラーは、アノードガスを脈動供給する。具体的な内容は後述する。

【0056】

図８は、脈動供給ルーチンを示すフローチャートである。

【0057】

ステップＳ１６１においてコントローラーは、現在圧力が上昇中であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１６２へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１６４へ処理を移行する。

【0058】

ステップＳ１６２においてコントローラーは、現在の圧力が目標上限圧力よりも小であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であれば一旦処理を抜け、判定結果が否であればステップＳ１６３へ処理を移行する。

【0059】

ステップＳ１６３においてコントローラーは、アノードガスの供給を停止する。

【0060】

ステップＳ１６４においてコントローラーは、現在の圧力が目標下限圧力よりも大であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であれば一旦処理を抜け、判定結果が否であればステップＳ１６５へ処理を移行する。

【0061】

ステップＳ１６５においてコントローラーは、アノードガスの供給を開始する。

【0062】

図９及び図１０は、第１実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

【0063】

なお上述のフローチャートとの対応が分かりやすくするために、フローチャートのステップ番号も併記する。

【0064】

以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。

【0065】

図９では、時刻ｔ１１の以前に、目標要求負荷に基づいて脈動運転の目標下限圧力Ｐ１１及び目標上限圧力Ｐ１２が設定されている。

【0066】

時刻ｔ１１以後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６２の処理が繰り返される。この結果、図９に示されるように、アノード圧が上昇する。

【0067】

時刻ｔ１２でアノード圧が目標上限圧力Ｐ１２に達したら、ステップＳ１６２→Ｓ１６３が処理される。この結果、図９に示されるように、アノード圧が下降に転じる。

【0068】

時刻ｔ１２以後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６４の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図９に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

【0069】

時刻ｔ１３でアノード圧が目標下限圧力Ｐ１１に達したら、ステップＳ１６４→Ｓ１６５が処理される。この結果、図９に示されるように、アノード圧が上昇に転じる。

【0070】

同様の制御が時刻ｔ１４まで繰り返される。

【0071】

時刻ｔ１４でセル電圧が閾値を下回ったら、ステップＳ１２→Ｓ１３が処理されて、排水運転用のアノード脈動の目標上限圧力Ｐ２２及び目標下限圧力Ｐ２１が設定される。そしてこの目標上限圧力Ｐ２２及び目標下限圧力Ｐ２１になるように、アノードガスが脈動供給される。

【0072】

時刻ｔ１４以後は、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６４の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図９に示されるように、アノード圧が下降し続ける。またパージ量が通常よりも多くなるようにパージ弁５００を制御することで、アノード圧が迅速に低下する。またバッファータンク４００から窒素Ｎ₂が逆流することを確実に防止できる。

【0073】

時刻ｔ１５でアノード圧が目標下限圧力Ｐ２１に達したら、ステップＳ１６４→Ｓ１６５が処理される。この結果、図９に示されるように、アノード圧が上昇に転じる。

【0074】

時刻ｔ１５以後は、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６２の処理が繰り返される。この結果、図９に示されるように、アノード圧が上昇する。

【0075】

時刻ｔ１６でアノード圧が目標上限圧力Ｐ２２に達したら、ステップＳ１６２→Ｓ１６３が処理される。この結果、図９に示されるように、アノード圧が下降に転じる。

【0076】

時刻ｔ１６以後は、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６４の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図９に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

【0077】

以後、同様の制御が繰り返される。

【0078】

図１０の時刻ｔ２１でセル電圧が閾値を上回ったら、ステップＳ１４→Ｓ１５が処理されて、通常運転用のアノード脈動の目標上限圧力Ｐ１２及び目標下限圧力Ｐ１１が設定される。そしてこの目標上限圧力Ｐ１２及び目標下限圧力Ｐ１１になるように、アノードガスが脈動供給される。

【0079】

時刻ｔ２１以後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６２の処理が繰り返される。この結果、図１０に示されるように、アノード圧が上昇する。

【0080】

時刻ｔ２２でアノード圧が目標上限圧力Ｐ１２に達したら、ステップＳ１６２→Ｓ１６３が処理される。この結果、図１０に示されるように、アノード圧が下降に転じる。

【0081】

時刻ｔ２２以後は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６４の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図１０に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

【0082】

時刻ｔ２３でアノード圧が目標下限圧力Ｐ１１に達したら、ステップＳ１６４→Ｓ１６５が処理される。この結果、図１０に示されるように、アノード圧が上昇に転じる。

【0083】

以後、同様の制御が繰り返される。

【0084】

本実施形態の燃料電池システムは、アノードガスを脈動供給する燃料電池システムである。そして、本実施形態では、アノード流路から水分を除去する必要があるときには、脈動圧を下げるようにした。アノードガスの供給圧力が低いほうが、同じ脈動振幅であっても体積流量が多くなる。したがって供給圧力が低いほうが、アノードガスを脈動供給したときにアノードガスの流速が上がる。この結果、排水しやすくなるのである。

【0085】

なお、脈動圧のうち、特に下限圧力を下げれば、アノードガスの流速が上がり、排水しやすくなる。したがって、排水運転用の目標圧力として、図１１(Ａ)に示されるように、目標上限圧力Ｐ１２を変更することなく、その一方で目標下限圧力Ｐ２１は、目標下限圧力Ｐ１１よりも小さくなるように設定してもよい。また図１１(Ｂ)や図１１(Ｃ)に示されるように、目標下限圧力Ｐ２１は、目標下限圧力Ｐ１１よりも小さくなるように設定する一方で、目標上限圧力Ｐ２３は、目標上限圧力Ｐ１２よりも大きくなるようにを設定してもよい。これらのようにしても、排水効果が得られる。

【0086】

また本実施形態では、アノードガスの脈動運転の下限圧力を下げている場合に、液水を排出する運転が不要になったときには、下げている下限圧力を戻す。脈動圧を下げれば、出力も低下するが、この第１実施形態では、液水を排出する運転が不要になったときには、下げている下限圧力を戻すので、出力の低下もできる限り小さい範囲にとどめることができる。

【0087】

さらに排水運転が必要であるか否かを、セル電圧に基づいて判定すれば、簡易に判定できる。また電解質膜の湿潤度(インピーダンス)に基づいて判定すれば、精度よく判定できる。

【0088】

さらにまた排水運転に移行するときに、パージ量が通常よりも多くなるようにパージ弁５００を制御することで、アノード圧が迅速に低下する。またバッファータンク４００から窒素Ｎ₂が逆流することを確実に防止できる。

【0089】

また本実施形態では、水素濃度に応じて排水運転の目標圧力を設定するようにした。そして水素濃度が高いほど、排水運転の圧力が低くなるように設定する。水素濃度が高ければ、排水運転の圧力を下げても、バッファータンク４００から窒素Ｎ₂が逆流しにくい。したがって、排水運転の圧力を低くできるのである。そして、排水運転の目標圧力を低く設定することで、アノードガスを脈動供給したときにアノードガスの流速が上がりやすくなり、排水しやすくなるのである。

【0090】

（第２実施形態）
図１２は、燃料電池システムの第２実施形態のコントローラーが実行する制御フローチャートである。

【0091】

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

【0092】

図１に示されたような燃料電池システムでは、酸素Ｏ₂とともに空気中の窒素Ｎ₂も電解質膜を透過して、アノード流路に移動する可能性がある。この窒素Ｎ₂は、バッファータンク４００に溜まる。このような場合に、脈動圧を大幅に下げてしまうと、窒素Ｎ₂が燃料電池スタックのアノード流路に逆流する可能性がある。窒素Ｎ₂がアノード流路に逆流しては、水素分圧が下がってしまって、発電反応が阻害される。

【0093】

そこで、この第２実施形態では、排水運転が必要であれば、脈動圧を少し下げて様子を見る。このようにしても、液水が排水されないときには、さらに追加排水運転を実行するようにした。具体的な内容を以下に説明する。

【0094】

ステップＳ１１〜Ｓ１６は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

【0095】

ステップＳ２１においてコントローラーは、追加排水運転中であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１６へ処理を移行する。

【0096】

ステップＳ２２においてコントローラーは、追加排水運転が必要であるか否かを判定する。なおこの判定は、排水運転を開始してから所定時間が経過しても液水が排出できていないときに追加排水運転が必要であると判定すればよい。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ２３へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１６へ処理を移行する。

【0097】

ステップＳ２３においてコントローラーは、追加排水運転用のアノード脈動の目標上限圧力及び目標下限圧力を設定する。

【0098】

図１３は、第２実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。

【0099】

以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。

【0100】

時刻ｔ１６までは、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

【0101】

なお第１実施形態では、時刻ｔ１４から排水運転を実行したら、セル電圧が回復した。しかしながら、この第２実施形態では、時刻ｔ１４から排水運転を実行しても、セル電圧が回復しない。そこで、時刻ｔ３１で、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３が実行されて、追加排水運転用のアノード脈動の目標上限圧力Ｐ４２及び目標下限圧力Ｐ４１が設定される。

【0102】

時刻ｔ３１以後は、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ２１→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６４の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図１３に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

【0103】

時刻ｔ３２でアノード圧が目標下限圧力Ｐ４１に達したら、ステップＳ１６４→Ｓ１６５が処理される。この結果、図１３に示されるように、アノード圧が上昇に転じる。

【0104】

時刻ｔ３２以後は、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ２１→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６２の処理が繰り返される。この結果、図１３に示されるように、アノード圧が上昇する。

【0105】

時刻ｔ３３でアノード圧が目標上限圧力Ｐ４２に達したら、ステップＳ１６２→Ｓ１６３が処理される。この結果、図１３に示されるように、アノード圧が下降に転じる。

【0106】

時刻ｔ３３以後は、ステップＳ１１→Ｓ１４→Ｓ２１→Ｓ１６→Ｓ１６１→Ｓ１６４の処理が繰り返される。アノードガスの供給が停止されている間も、発電反応でアノードガスが消費されるので、図１３に示されるように、アノード圧が下降し続ける。

【0107】

脈動圧を一気に大幅に下げてしまうと、バッファータンク４００に溜まっていた窒素Ｎ₂が燃料電池スタックのアノード流路に逆流する可能性がある。

【0108】

しかしながら、この第２実施形態では、排水運転が必要であれば、脈動圧を少し下げて様子を見る。そして、このようにしても、液水が排水されないときには、さらに追加排水運転を実行するようにしたので、バッファータンク４００からの窒素Ｎ₂の逆流を防止できるのである。

【0109】

また脈動圧を下げれば、出力も低下するが、この第２実施形態では、脈動圧を一気に大幅に下げることをしないので、出力の低下もできる限り小さい範囲にとどめることができるのである。

【0110】

なお時刻ｔ１４から時刻ｔ３１までの排水運転では、パージ量が通常よりも多くなるようにパージ弁５００を制御するとよい。このようにすれば、アノード圧を迅速に低下させることができる。また排水運転中に、バッファータンク４００からの窒素Ｎ₂をより確実に除去できるので、その後の追加排水運転において、バッファータンク４００から窒素Ｎ₂が逆流しない。

【0111】

（第３実施形態）
第１実施形態や第２実施形態では、排水運転の要否を、実際のセル電圧に基づいて判定した。これに対して本実施形態では、脈動運転の所定周期ごとに排水運転が必要であると判定してもよい。この周期は運転状態にかかわらず一定にしてもよい。また上述のように、インピーダンスに基づいて電解質膜の湿潤度を推定し、その推定された湿潤度を図１４のマップに適用することで、湿潤度が低ければ圧力を下げる頻度を少なく、すなわち圧力を下げる周期を長くしてもよい。

【0112】

この第３実施形態によれば、図１５に示されるように、脈動運転の所定周期ごとに排水運転が実行される。したがって、実際のセル電圧を検出する必要がないので、システムを簡素化できる。また脈動運転の周期を、電解質膜の湿潤度が高く湿潤気味であるほど長く、湿潤度が低く乾燥気味であるほど短く設定すれば、圧下げ運転(排水運転)を無用に多く実行してしまうことを防止できる。

【0113】

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。

【0114】

たとえば、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

【0115】

また上記説明中の「検出」には、直接検出するのみならず、間接的に検出すなわち他から推定することも含む。

【0116】

さらに、上記実施形態で説明した調圧弁の制御を以下の通りの制御としても良い。

【0117】

燃料電池の供給負荷（電流）に応じて設定される上限圧力と下限圧力をマップから読み出す。上限圧力と下限圧力は、いずれも負荷が大きいほど、大きくなる。それと共に、負荷が大きくなるほど上限圧力と下限圧力との差圧も大きくなる。

【0118】

このようなマップにより、低負荷よりも高負荷側のアノード圧力が高くなると共に、低負荷での脈動幅に比して、高負荷での脈動幅が大きくなる。

【0119】

そして、脈動制御部は、昇圧させる場合は、上限圧力を目標値として、燃料電池スタックのアノード入口に設けられる圧力センサの値を参照して、調圧弁による圧力フィードバック制御を行う。

【0120】

フィードバック制御により実圧力が目標圧力付近になると、脈動制御部は下限圧力を目標圧力として、再びフィードバック制御を行う。

【0121】

この制御を繰り返すことで、調圧弁による上下限圧力での脈動運転を行う。

【符号の説明】

【0122】

１００ 燃料電池スタック
２００ 水素タンク
３００ 圧力調整弁
４００ バッファータンク
５００ パージ弁
６００ アノード圧力制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】