JP2013182688A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止再始動運転の実行条件を適切に設定しないと、発電運転の停止中に、カソード触媒が劣化する。
【解決手段】制御弁を周期的に開閉することによって、制御弁よりも下流のアノードガスの圧力を周期的に増減圧させるとともに、燃料電池に対する発電の停止指令に基づいて燃料電池の発電運転を停止し、所定の運転再開条件が成立すると、燃料電池へのアノードガスの供給と共に燃料電池の発電運転を再開する燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電領域内で局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度を求め、求めたアノードガス濃度に応じて、燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の発電能力が低い状態である場合には、燃料電池の発電運転の停止時間が短くなるように制御する技術が知られている（特許文献１参照）。特許文献１には、燃料電池スタックのアノードの窒素濃度が高い（アノードの水素濃度が低い）ときには、再始動時に発電しにくい状態になることから、発電運転停止中にカソードからの窒素のクロスリークによって、さらに窒素濃度が高くなるのを抑制するため、停止時のスタック上下流の不純物濃度に基づいて、不純物濃度が高いときには、運転停止時間を短く設定することが開示されている。また、再停止禁止時間が長くなるように設定することも開示されている。

特開２００６−２７８２７６号公報

現在、本願発明者らは、特許文献１に開示された循環システムとは異なる、アノード非循環システムを開発している。アノード非循環システムでは、脈動によって運転中の不純物（窒素や水）をアノードオフガス側に設けられるバッファタンクへ押し込むことを行っている。当該システムにおいてシステム停止が実行されると、次のような課題が生じることが知見された。

システム停止中にカソード側からクロスリークする酸素によりアノード側の水素が消費されると、バッファタンクの圧力に比してスタック内の圧力が低くなり、バッファタンク内の不純物含有ガスがスタック内に徐々に逆流してくる。これにより、循環系システムに比して、システム停止中に発電領域内に、局所的に不純物濃度が高くなる箇所が存在する可能性がある。従って、供給するアノードガスやアノードから排出されるオフガスの中の不純物濃度に基づいて、発電運転の停止時間や再停止禁止時間を設定すると、発電運転を停止させるべきでないときに停止させてしまう場合がある。

そこで、本発明は、バッファタンクを備えた非循環型システムを供え、脈動運転を実施する燃料電池システムにおいて、燃料電池の最適な停止期間（若しくは、再停止禁止期間）を設定することを目的とする。

本発明による燃料電池システムは、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、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部とを備え、制御弁よりも下流のアノードガスの圧力が周期的に増減するように制御弁を制御し、燃料電池に対する発電停止指令に基づいて制御弁を閉止してアノードガスの供給と燃料電池の発電運転を停止し、所定の運転再開条件が成立すると、燃料電池へのアノードガスの供給と共に、発電運転を再開する。この燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電領域内で局所的にアノードガス濃度が低くなる位置のアノードガス濃度を求め、所定の運転再開条件として、求めたアノードガス濃度に応じて、燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定する。

本発明によれば、燃料電池の発電停止指令後に、運転の停止によりバッファタンクからの不純物混合ガスが発電領域に逆流し、それに起因して、局所的に不純物濃度が高くなってきても、燃料電池の発電領域内で局所的にアノードガス濃度が低くなる位置の濃度を推定しているので、その位置の不純物濃度が高くなり過ぎる前に発電を再開できるので、停止再始動運転の実行条件を適切に設定でき、発電停止中のカソード触媒劣化を抑制できる。

図１は、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。 図２は、第１の実施形態におけ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、燃料電池システムの運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。 図４は、下げ過渡運転時に調圧弁を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。 図５は、アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明するための図である。 図６は、第１の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタックの停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。 図７は、アノード圧降下量と、下げ過渡前バッファ濃度とに基づいて、推定流路内最低アノードガス濃度を算出するマップである。 図８は、推定流路内最低アノードガス濃度と、再始動時における燃料電池スタックの許容出力低下量と、燃料電池スタックの発電運転の停止時間との関係を示すマップの一例である。 図９は、推定流路内最低アノードガス濃度と、燃料スタックの運転停止中のカソード触媒層の許容劣化量と、燃料電池スタックの発電運転の停止時間との関係を示すマップの一例である。 図１０は、第２の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタックの停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。 図１１は、推定流路内最低アノードガス濃度とバッテリアシスト量との関係を示すマップの一例である。 図１２は、第３の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタックの停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。 図１３は、推定流路内最低アノードガス濃度と、再停止禁止時間との関係を示すマップの一例である。 図１４は、第４の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタックの停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。 図１５は、アノード圧力降下量と、再始動時における燃料電池スタックの許容出力低下量と、燃料電池スタックの発電運転の停止時間との関係を示すマップの一例である。 図１６は、アノード圧力降下量と、燃料スタックの運転停止中のカソード触媒層の許容劣化量と、燃料電池スタックの発電運転の停止時間との関係を示すマップの一例である。 図１７は、第５の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタックの停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。 図１８は、アノード圧力降下量とバッテリアシスト量との関係を示すマップの一例である。 図１９は、第６の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタックの停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。 図２０は、アノード圧力降下量と、再停止禁止時間との関係を示すマップの一例である。

−第１の実施形態−
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)
式（１）及び式（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１は、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。図１（Ａ）は、燃料電池１０の斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池のＢ−Ｂ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やカーボンペーパーで形成される。

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ても良いし、互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。また、直交するように流しても良い。

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、第１の実施形態におけ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。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。

燃料電池スタック２のアノードには、高圧のアノードガス（水素）を貯蔵した高圧タンク３１から、アノードガス供給配管３２（燃料ガス供給流路）を介してアノードガスが供給される。高圧タンク３１の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成してもよい。

アノードガス供給配管３２には、アノードガスの供給量を調整するために、圧力調整弁３３が配置されている。圧力調整弁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、圧力調整弁３３よりも下流のアノードガス供給配管３２に設けられる。圧力センサ３４は、圧力調整弁３３よりも下流のアノードガス供給配管３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、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。

アノードガス排気配管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。アノードガス排気配管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へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスとの混合ガス（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、アノードガス排気配管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、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が一定範囲内となるように調節する。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高くなり過ぎると、バッファタンク３６からパージ通路３７を通って外気へ排出されるアノードガス量が多くなり、無駄となるからである。一方、濃度が低くなり過ぎると燃料が欠乏して発電不能になったり、触媒が劣化するからである。

燃料電池スタック２のカソードには、コンプレッサ１５から供給管１６を介してカソードガス（空気）が供給される。コンプレッサに代えて、ブロア等の空気供給手段を用いることができる。圧力センサ１４は、供給管１６に設けられ、カソードガスの圧力を検出する。燃料電池スタック２のカソードから排出されたカソードガスは、排出管１７を介して大気中に放出される。排出管１７には、背圧（カソードガス流路の圧力）を調整するため調圧バルブ１８が配置されている。

燃料電池スタック２には、さらにラジエータ４３から冷却水配管４２を介して冷却水が供給される。燃料電池スタック２で発生した熱を取り込んで温度上昇した冷却水は、冷却水配管４２を介してラジエータ４３に送られて冷やされた後、再び燃料電池スタック２の内部に循環される。冷却水配管４２には、水循環のための冷却水ポンプ４１が配置されている。

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、圧力センサ３４によって検出されるアノード圧、圧力センサ１４によって検出されるカソード圧、電圧センサ５によって検出される燃料電池スタック２の電圧など、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。

コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて圧力調整弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減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、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を一定範囲内に保つ。

コントローラ４はまた、燃料電池スタック２に対する発電運転の停止指令に基づいて燃料電池スタック２の発電運転を停止し、停止後に発電運転の再開指令があると、燃料電池スタック２の発電運転を再開する。

さらに、コントローラ４は、後述するように、燃料電池スタック２の発電領域内で局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度を求め、求めたアノードガス濃度に応じて、燃料電池スタック２の発電運転の停止処理への移行可否を決定する。

アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、圧力調整弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、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され続けてしまうので無駄となる。

そこで、本実施形態では、圧力調整弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行う。脈動運転を行うことで、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。

図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。

図３（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態（燃料電池スタックの負荷）に基づいて燃料電池スタック２の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。

具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで圧力調整弁３３を開く。この状態のとき、アノードガスは、高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。

時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように圧力調整弁３３を全閉とし、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。そうすると、上述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック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でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に圧力調整弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、圧力調整弁３３を全閉とする。

ここで、このような脈動運転を実施する場合、燃料電池システム１の運転状態が変化するとき、具体的には、燃料電池スタック２の目標出力が減少して、燃料電池スタック２の出力を目標出力に向けて減少させる過渡運転時（以下、下げ過渡運転時と呼ぶ）に、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生することがわかった。以下、この点について図４及び図５を参照して説明する。

図４は、下げ過渡運転時に調圧弁３３を全閉にしてアノード圧を下限圧まで低下させた場合のアノード圧の変化を示すタイムチャートである。

時刻ｔ１１で、例えばアクセル操作量が減少して燃料電池スタック２の目標出力が低下すると、図４（Ａ）に示すように、低下した目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限圧が設定される。高出力時は消費する燃料の量が多いため、低出力時に比較してアノード圧を高く設定するのが一般的である。

このとき、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１１で圧力調整弁３３を全閉にしてアノード圧を下限値まで低下させると（時刻ｔ１２）、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。この理由について、図５を参照して説明する。

図５は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明するための図である。図５（Ａ）は、下げ過渡運転時に圧力調整弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示す図である。図５（Ｂ）は、下げ過渡運転時に圧力調整弁３３を全閉にしたときの、アノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を時間の経過に応じて示した図である。

図５（Ａ）に示すように、圧力調整弁３３が全閉にされると、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスは、慣性でバッファタンク３６側へと流れる。そして、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側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。

そうすると、アノードガス流路１２１をバッファタンク３６側に流れるアノードガスと、バッファタンク３６側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速がゼロとなる淀み点が発生する。

アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、上述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図５（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。以下の説明において、この淀み点におけるアノードガス濃度のことを、必要に応じて「流路内最低アノードガス濃度」という。

このように、下げ過渡運転後は、アノードガス流路１２１の内部に淀み点が存在する状態となり、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する。

第１の実施形態における燃料電池システムでは、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを推定し、推定した流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎ（以下、推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎとも呼ぶ）に応じて、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する。燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件には、燃料電池スタック２の発電運転停止中の制御条件および再始動後の制御条件が含まれる。

図６は、第１の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。

ステップＳ１０では、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを推定する。流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎの推定方法を、図７を用いて説明する。

図７は、アノード圧降下量ΔＰａと、下げ過渡前バッファ濃度Ｃｂｕｆｆ＿ｐｒｅと、に基づいて、推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを算出するマップである。アノード圧降下量ΔＰａは、下げ過渡運転に入る直前のアノード圧と、現在のアノード圧との差圧である。また、下げ過渡前バッファ濃度Ｃｂｕｆｆ＿ｐｒｅは、下げ過渡運転に入る直前のバッファタンク３６内のアノードガスの濃度であり、図示しないセンサにより検出する。

図６に示すように、下げ過渡運転中における推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎは、アノード圧降下量ΔＰａが大きくなるほど、また、下げ過渡前バッファ濃度Ｃｂｕｆｆ＿ｐｒｅが低いほど低くなる。

コントローラ４は、アノード圧降下量ΔＰａおよび下げ過渡前バッファ濃度Ｃｂｕｆｆ＿ｐｒｅを求め、求めたアノード圧降下量ΔＰａおよび下げ過渡前バッファ濃度Ｃｂｕｆｆ＿ｐｒｅと、図７に示すマップとに基づいて、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを推定する。

ステップＳ２０では、燃料電池スタック２の発電停止要求があったか否かを判定する。例えば、アイドルストップ機能を有する車両がアイドルストップすると、燃料電池スタック２の発電停止要求が出される。燃料電池スタック２の発電停止要求がないと判定するとステップＳ１０に戻り、発電停止要求があったと判定すると、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ１０で推定した流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを設定する。以下では、推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、次回の燃料電池スタック２の発電運転の再開時に、燃料電池スタック２の出力が低下する量のシステム許容量とに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを設定する方法と、推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、燃料電池スタック２の発電運転の停止中に、カソード触媒が劣化する量の許容量に基づいて、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを設定する方法についてそれぞれ説明する。

図８は、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、発電運転の再開時に燃料電池スタック２の出力が低下する量のシステム許容量と、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓとの関係を示すマップの一例である。図８に示すように、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎが低いほど、また、発電運転再開時における燃料電池スタック２の許容出力低下量が小さいほど、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを短くする。

発電運転再開時における燃料電池スタック２の許容出力低下量は、例えば、発電運転再開時における車速に基づいて決定することができる。すなわち、車速が高いほど、発電運転再開時における燃料電池スタック２の許容出力低下量は小さくなり、逆に車速が低いほど、発電運転再開時における燃料電池スタック２の許容出力低下量は大きくなる。

図９は、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、燃料電池スタック２の発電運転停止中のカソード触媒の許容劣化量と、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓとの関係を示すマップの一例である。図９に示すように、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎが低いほど、また、燃料電池スタック２の発電運転停止中におけるカソード触媒の許容劣化量が少ないほど、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを短くする。なお、燃料電池スタック２の発電運転停止中におけるカソード触媒層の許容劣化量は、例えば、燃料電池スタック２の運転目標時間から決定することができる。

図６に示すフローチャートのステップＳ４０では、燃料電池スタック２の発電運転を停止させる。なお、発電運転を停止させると、停止時間の計測を開始する。

ステップＳ５０では、発電運転の停止時間がステップＳ３０で設定した停止時間ｔｓを経過したか否かを判定する。発電運転の停止時間が停止時間ｔｓを経過していないと判定すると、そのまま待機し、停止時間ｔｓを経過したと判定すると、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、燃料電池スタック２の発電運転を再開させる。

以上、第１の実施形態における燃料電池によれば、アノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電領域内で局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度を求め、求めたアノードガス濃度に応じて、燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定する。これにより、アノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、発電領域内で局所的に低くなっているアノードガス濃度を考慮して、燃料電池の停止再始動運転の実行条件を適切に設定することができる。従って、発電運転停止中におけるカソード触媒の劣化を抑制することができ、また、運転再開後の出力応答性の低下を防ぐことができる。なお、触媒の劣化は、発電運転停止中にカソードからアノードにクロスリークしてくるカソードガスによって水素フロントが形成されることによって生じる。具体的には、カソード内で、電気触媒としての白金を担持しているカーボンが電気化学反応によって生成された水と反応することで二酸化炭素に変化してしまい、カーボンに担持されていた白金が溶出して触媒機能が低下してしまう。

特に、局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度が低いほど、燃料電池の発電運転の停止時間を短く設定するので、発電運転停止中におけるカソード触媒の劣化を抑制することができ、また、運転再開後の出力応答性の低下を防ぐことができる。

−第２の実施形態−
負荷に電力を供給する電力供給源として、燃料電池スタック２の他にバッテリ（二次電池）を搭載した車両が知られている。この車両において、停止状態にある燃料電池の発電運転の再始動時に、バッテリ２の出力を燃料電池スタック２の出力の補助として用いることにより、出力応答性を向上させることができる。

第２の実施形態における燃料電池システムでは、推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎに応じて、燃料電池の発電運転の再始動時に燃料電池の出力を補助するバッテリの出力量を大きくする。

図１０は、第２の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。

ステップＳ２０の判定を肯定した後に進むステップＳ１００では、ステップＳ１０で推定した流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎに基づいて、停止状態における燃料電池スタック２の発電運転再開時のバッテリアシスト量Ｂａを設定する。

図１１は、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎとバッテリアシスト量Ｂａとの関係を示すマップの一例である。予め、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、発電運転再開時の燃料電池スタック２の出力低下量との関係を実験等により求めておき、発電運転再開時の燃料電池スタック２の出力低下量をバッテリアシスト量Ｂａとして設定する。流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、発電運転再開時の燃料電池スタック２の出力低下量との関係に基づいて、図１１に示すように、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎが低いほど、バッテリアシスト量Ｂａを大きくする。なお、バッテリアシスト量Ｂａを、発電運転再開時の燃料電池スタック２の出力低下量と異なる値に設定するようにしてもよい。

図１０に示すフローチャートのステップＳ１１０では、燃料電池スタック２の発電開始要求があったか否かを判定する。発電開始要求がないと判定するとステップＳ１１０で待機し、発電要求があったと判定すると、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、燃料電池スタック２の発電運転を再開するとともに、ステップＳ１００で設定したバッテリアシスト量Ｂａをバッテリから負荷に供給する。すなわち、発電運転再開時に燃料電池スタック２の出力が低下する量を、バッテリからのバッテリアシスト量Ｂａで補うことにより、システム全体としての出力応答性の低下を抑制する。

以上、第２の実施形態における燃料電池システムによれば、局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度が低いほど、燃料電池の発電運転再開時に、バッテリからのバッテリアシスト量を大きくするので、システム全体としての出力応答性の低下を抑制することができる。

−第３の実施形態−
図１２は、第３の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。

ステップＳ２０の判定を肯定した後に進むステップＳ２００では、ステップＳ１０で推定した流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転を再開した後、発電運転を再度停止するまでの再停止禁止時間ｔｐを設定する。

図１３は、推定流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、再停止禁止時間ｔｐとの関係を示すマップの一例である。

車両がアイドルストップとなり、燃料電池スタック２の発電運転が停止すると、カソードからアノードへとクロスリークする窒素や酸素の影響で、流路内最低アノードガスは低下する。このような状況でアイドルストップ（燃料電池スタック２の発電運転の停止）を繰り返すと、流路内最低アノードガスはどんどん低下していく。このため、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎと、アイドルストップから復帰（燃料電池スタック２の発電運転を再開）した後に、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを所定濃度まで上昇させるために必要な時間との関係を実験等により予め求めておく。そして、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを所定濃度まで上昇させるために必要な時間を、燃料電池スタック２の発電運転を再度停止するまでの再停止禁止時間ｔｐとする。これにより、燃料電池スタック２の発電運転の停止を繰り返し行うことで、流路内最低アノードガスＣｍｉｎが低下し続けることを防ぐことができる。

図１２に示すフローチャートのステップＳ６０の後に進むステップＳ２１０では、ステップＳ２００で設定した再停止禁止時間ｔｐを経過したか否かを判定する。再停止禁止時間ｔｐを経過していないと判定すると、ステップＳ６０で待機し、再停止禁止時間ｔｐを経過したと判定すると、ステップＳ１０に戻る。これにより、再停止禁止時間ｔｐが経過しなければ、燃料電池スタック２が発電運転を停止することはできない。

以上、第３の実施形態における燃料電池システムによれば、局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度が低いほど、燃料電池の発電運転を再開したのちに再度発電運転を停止するまでの再停止禁止時間を長く設定する。これにより、発電運転の停止中にアノードガス濃度が低下し続けるのを防ぐことができるので、発電運転停止中におけるカソード触媒の劣化を抑制することができ、また、運転再開後の出力応答性の低下を防ぐことができる。

−第４の実施形態−
図１４は、第４の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。図６に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。

ステップＳ２０では、燃料電池スタック２の発電運転の停止要求があったか否かを判定する。停止要求がなければステップＳ２０に戻り、停止要求があったと判定すると、ステップＳ３１０に進む。

ステップＳ３１０では、直前のアノード圧降下量ΔＰａを算出する。直前のアノード圧降下量ΔＰａとは、下げ過渡運転に入る直前のアノード圧と、現在のアノード圧との差圧である。

ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０で算出したアノード圧降下量ΔＰａに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを設定する。以下では、アノード圧降下量ΔＰａと、次回の燃料電池スタック２の発電運転の再開時に、燃料電池スタック２の出力が低下する量のシステム許容量とに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを算出する方法と、アノード圧降下量ΔＰａと、燃料電池スタック２の発電運転の停止中に、カソード触媒が劣化する量の許容量とに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを算出する方法について説明する。

図１５は、アノード圧降下量ΔＰａと、発電運転再開時における燃料電池スタック２の許容出力低下量と、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓとの関係を示すマップの一例である。図１５に示すように、アノード圧降下量ΔＰａが大きいほど、また、発電運転再開時における燃料電池スタック２の許容出力低下量が小さいほど、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを短くする。

図１６は、アノード圧降下量ΔＰａと、燃料スタック２の発電運転停止中におけるカソード触媒の許容劣化量と、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓとの関係を示すマップの一例である。図１６に示すように、アノード圧降下量ΔＰａが大きいほど、また、燃料スタック２の発電運転停止中におけるカソード触媒の許容劣化量が小さいほど、燃料電池スタック２の発電運転の停止時間ｔｓを短くする。

以上、第４の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池の発電運転を停止させる直前のアノード系内の圧力降下量を求め、アノード系内の圧力降下量に応じて、燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定する。これにより、アノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、発電領域内で局所的に低くなっているアノードガス濃度を考慮（推定）して、燃料電池の停止再始動運転の実行条件を適切に設定することができる。従って、発電運転停止中におけるカソード触媒の劣化を抑制することができ、また、運転再開後の出力応答性の低下を防ぐことができる。

−第５の実施形態−
図１７は、第５の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。図１０、図１４に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。

ステップＳ２０で燃料電池スタック２の発電運転の停止要求があったと判定すると、ステップＳ３１０に進み、直前のアノード圧降下量ΔＰａを算出する。

ステップＳ４００では、ステップＳ３１０で算出したアノード圧降下量ΔＰａに基づいて、停止状態における燃料電池スタック２の発電運転再開時のバッテリアシスト量Ｂａを設定する。

図１８は、アノード圧降下量ΔＰａとバッテリアシスト量Ｂａとの関係を示すマップの一例である。予め、アノード圧降下量ΔＰａと、停止状態における燃料電池スタック２の発電運転再開時の出力低下量との関係を実験等により求めておき、発電運転再開時の燃料電池スタック２の出力低下量をバッテリアシスト量Ｂａとして設定する。図１８に示すように、アノード圧降下量ΔＰａが小さいほど、バッテリアシスト量Ｂａを小さくする。

以上、第５の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池の発電運転を停止させる直前のアノード系内の圧力降下量を求め、求めたアノード系内の圧力降下量が大きいほど、燃料電池の発電運転再開時におけるバッテリアシスト量を大きくするので、システム全体としての出力応答性の低下を抑制することができる。

−第６の実施形態−
図１９は、第６の実施形態における燃料電池システムによって行われる、燃料電池スタック２の停止・再始動運転の実行条件を設定する処理を示すフローチャートである。図１２、図１４に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して、詳しい説明は省略する。

ステップＳ２０で燃料電池スタック２の発電運転の停止要求があったと判定すると、ステップＳ３１０に進み、直前のアノード圧降下量ΔＰａを算出する。

ステップＳ５００では、ステップＳ３１０で算出したアノード圧降下量ΔＰａに基づいて、燃料電池スタック２の発電運転を再開した後、発電運転を再度停止するまでの再停止禁止時間ｔｐを設定する。

図２０は、アノード圧降下量ΔＰａと、再停止禁止時間ｔｐとの関係を示すマップの一例である。

車両がアイドルストップとなり、燃料電池スタック２の発電運転が停止すると、カソードからアノードへとクロスリークする窒素や酸素の影響で、流路内最低アノードガスは低下する。このような状況でアイドルストップ（燃料電池スタック２の発電運転の停止）を繰り返すと、流路内最低アノードガスはどんどん低下していく。このため、アノード圧降下量ΔＰａと、アイドルストップから復帰（燃料電池スタック２の発電運転を再開）した後に、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを所定濃度まで上昇させるために必要な時間との関係を実験等により予め求めておく。そして、流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎを所定濃度まで上昇させるために必要な時間を、燃料電池スタック２の発電運転を再度停止するまでの再停止禁止時間ｔｐとする。これにより、燃料電池スタック２の発電運転の停止を繰り返し行うことで、流路内最低アノードガスＣｍｉｎが低下し続けることを防ぐことができる。

以上、第６の実施形態における燃料電池システムによれば、燃料電池の発電運転を停止させる直前のアノード系内の圧力降下量を求め、求めたアノード系内の圧力降下量が大きいほど、燃料電池の発電運転を再開したのちに再度発電運転を停止するまでの再停止禁止時間を長く設定する。これにより、発電運転の停止中にアノードガス濃度が低下し続けるのを防ぐことができるので、発電運転停止中におけるカソード触媒の劣化を抑制することができ、また、運転再開後の出力応答性の低下を防ぐことができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。例えば、燃料電池システムを車両に搭載した例を挙げて説明したが、車両以外の様々なものに適用することもできる。

流路内最低アノードガス濃度Ｃｍｉｎは、アノード圧降下量ΔＰと、下げ過渡前バッファ濃度Ｃｂｕｆｆ＿ｐｒｅとに基づいて、推定するようにしたが、アノードガス濃度を検出するセンサを複数設けて、最低アノードガス濃度を検出するようにしてもよい。また、実験等によって、アノードガス濃度が最低となる位置を予め求めておいて、その位置にアノードガス濃度を検出するセンサを設けるようにしてもよい。

上述した各実施形態における制御は、適宜組み合わせることができる。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
４…コントローラ（脈動運転制御手段、停止再始動制御手段、アノードガス濃度取得手段、実行条件設定手段）
３３…圧力調整弁
３６…バッファタンク（バッファ部）

Claims (8)

1. アノードガスおよびカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記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、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、
   前記制御弁よりも下流のアノードガスの圧力が周期的に増減するように前記制御弁を制御する脈動運転制御手段とを備えた非循環型アノードシステムにおいて、
   前記燃料電池に対する発電の停止指令に基づいて前記制御弁を閉止して前記アノードガスの供給と燃料電池の発電運転を停止し、所定の運転再開条件が成立すると前記燃料電池へのアノードガスの供給と共に、発電運転を再開する停止再始動制御手段と、
   前記燃料電池の発電領域内で局所的にアノードガス濃度が低くなる位置のアノードガス濃度を求めるアノードガス濃度取得手段と、
   前記所定の運転再開条件として、前記アノードガス濃度取得手段によって求められたアノードガス濃度に応じて、前記燃料電池の停止再始動運転の実行条件を設定する実行条件設定手段と、
   を備えることを特徴と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、
   前記実行条件設定手段は、前記アノードガス濃度取得手段によって求められたアノードガス濃度が低いほど、前記燃料電池の発電を停止させる時間を短く設定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記実行条件設定手段は、前記アノードガス濃度取得手段によって求められたアノードガス濃度が低いほど、前記燃料電池の発電運転の再始動時に前記燃料電池の出力を補助するバッテリの出力量を大きくする、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記実行条件設定手段は、前記アノードガス濃度取得手段によって求められたアノードガス濃度が低いほど、前記燃料電池の発電運転を再開したのちに再度発電運転を停止するまでの再停止禁止時間を長く設定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電運転を停止させる直前のアノード系内の圧力降下量を求めるアノード圧降下量取得手段をさらに備え、
   前記アノードガス濃度取得手段は、前記アノード系内の圧力降下量に基づいて、前記局所的にアノードガス濃度が低くなっている位置のアノードガス濃度を推定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記実行条件設定手段は、前記アノード系内の圧力降下量が大きいほど、前記燃料電池の発電運転を停止させる時間を短く設定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項５または請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記実行条件設定手段は、前記アノード系内の圧力降下量が大きいほど、前記燃料電池の発電運転の再始動時に前記燃料電池の出力を補助するバッテリの出力量を大きくする、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記実行条件設定手段は、前記アノード系内の圧力降下量が大きいほど、前記燃料電池の発電運転を再開したのちに再度発電運転を停止するまでの再停止禁止時間を長く設定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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