JP4984435B2 - 燃料電池システムおよび制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて、燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムに関し、詳しくは燃料電池内の反応ガスを均一化する技術に関する。

燃料電池に反応ガスを供給して発電を行う燃料電池システムでは、燃料電池を構成する一のセル面内において反応ガスの偏りが生じ、セル面内の一部分で反応ガスが不足する場合がある。例えば、水素ガスと酸素ガスとを反応ガスとする場合、酸素ガスを含有する空気を燃料電池に供給すると、空気に含まれる窒素などの不純物が水素極側に漏れ出して溜まり、水素極側で水素の偏在が生じることがある。こうした反応ガスの偏在は、燃料電池システムの性能を低下させてしまうため、かかる現象を抑制する技術が種々検討されている。

例えば、特許文献１には、水素ガスを循環させるポンプを循環装置として設け、水素ガスを循環することで燃料電池に供給される水素ガスの見かけの流量を増やし、流速を上げる燃料電池システムが開示されている。こうした技術によれば、燃料電池内において漏れ出した不純物を、水素ガスの循環によって水素ガスの流路全体に均一化することができるとされている。すなわち、循環装置により水素ガスの流量を調整することで、水素ガスの偏在を低減することができるとされている。

特開２００２−２１６８１２号公報 特開２００３−３１７７６９号公報 特開２００１−９３５４５号公報 特開平８−１６７４２１号公報

一般に燃料電池システムでは、燃料電池での反応ガスの消費量に応じて反応ガスの供給流量が変化する。例えば、負荷が小さい場合には、燃料電池での反応ガスの消費量が減り、それに伴って燃料電池に供給される新たな反応ガスの量も減少する。したがって、供給流量の低減により燃料電池内を流れる反応ガスが少ないときに、上記の反応ガスの偏在が生じている場合には、その反応ガスを平均的に分布させることを循環装置に頼らざるを得ない。

しかしながら、循環装置としてポンプを使用する場合には、その性能によって小流量の吐出が困難な場合がある。こうした場合には、水素ガスの偏在を低減して効率の良い運転を行なうために、過剰な流量を循環せざるを得ないという問題があった。つまり、燃料電池による発電がほとんど必要でないため、新たな反応ガスの供給はなされないが、反応ガスの偏在を解消するため、ポンプを駆動して大流量の反応ガスを循環し続けていた。その結果、ポンプの駆動にエネルギを多量に消費してしまっていた。

また、循環装置としてエジェクタを使用する場合には、その構造上、新たな反応ガスの供給流路上に所定以上の反応ガスを流さなければ循環を行なうことができない。よって、かかる循環装置の場合には、反応ガスの循環により反応ガスの偏在を解消することが困難であった。いずれの循環装置による場合にも、反応ガスの偏在を適切に解消することが困難であった。

本発明は、反応ガスがセル面内で偏在するといった問題を踏まえて、反応ガスを適切に均一化する燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、燃料電池に反応ガスを供給し、該燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段を用いて前記反応ガスの圧力を、前記要求負荷に対応する発電に必要な分圧として予め設定された要求分圧に制御する圧力制御手段と、前記要求分圧が所定値より低い場合に、前記圧力調整手段を用いて前記反応ガスの圧力を当該要求分圧よりも高い圧力に制御する高圧力制御手段とを備えることを要旨としている。

また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に反応ガスを供給し、該燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの圧力を、前記要求負荷に対応する発電に必要な分圧として予め設定された要求分圧に制御しつつ、前記要求分圧が所定値より低い場合には、前記反応ガスの圧力を当該要求分圧よりも高い圧力に制御することを要旨としている。

本発明の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、要求分圧が所定値よりも低い場合に、発電に必要な予め設定された要求分圧よりも高い分圧に、反応ガスの圧力を制御する。すなわち、圧力を上げることで、反応ガスの拡散を促進する。したがって、燃料電池内の反応ガスの偏在を抑制し、反応ガスの分布を均一化して燃料電池システムの性能を向上することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、前記要求分圧が所定値より低い場合とは、前記燃料電池の起動時であるものとしても良い。

起動時に、反応ガスの圧力を要求分圧よりも高い圧力に制御することで、燃料電池における発電前に、反応ガスの偏在を低減し、過不足なく反応ガスを供給した状態にしておくことができる。その結果、効率よく発電を行なうことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させる循環手段と、前記要求分圧が所定値より低い場合における該要求分圧よりも高い圧力への制御と共に、前記循環手段による前記水素ガスの循環を行なう循環制御手段とを備えるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、要求分圧よりも高い圧力に制御することで水素ガスの偏在を低減すると共に、循環装置を駆動して水素ガスを循環することでも水素ガスの偏在を低減することができる。したがって、反応ガスの分布の均一化に効果を奏する。

上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させる循環ポンプを備え、前記高圧力制御手段は、前記循環ポンプによる最低循環量よりも、前記燃料電池における適切な発電に必要な循環量が少ない場合に、前記循環ポンプの駆動に代えて、前記反応ガスの圧力を前記要求分圧よりも高い圧力に制御するものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、水素ガスの偏在の低減のために循環ポンプによって水素ガスを循環する代わりに、圧力を上げて水素ガスの拡散により偏在を低減する。したがって、循環ポンプの駆動に必要となる動力を低減することができ、エネルギ効率の良い燃料電池システムを構築することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させるエジェクタを備え、前記高圧力制御手段は、前記エジェクタによる循環量よりも、前記燃料電池における適切な発電に必要な循環量が多い場合に、前記反応ガスの圧力を前記要求分圧よりも高い圧力に制御するものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、燃料電池内の水素ガスの消費が進まない場合に水素ガスの循環が困難となるエジェクタであっても、圧力を上げることで水素ガスの偏在を低減することができる。

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．水素偏在の低減の概念：
Ａ−３．低負荷時の高圧力処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．起動時の高圧力処理：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００は、図示するように、車両９０に搭載されており、反応ガスである水素ガスと酸素ガスとの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池１０、水素ガスを貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に酸素ガスを含む空気を供給するブロワ３０、燃料電池１０によって発電された電気により充電される二次電池４０、燃料電池１０によって発電された電力によって車軸５５を駆動するモータ５０、車両９０や燃料電池システム１００を全般的に制御する制御コンピュータ４００等を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続された二次電池４０やモータ５０等の負荷機器（以下、単に負荷と呼ぶ）に供給される。こうした負荷に電力を供給する回路上には、電圧計１１０，電流計１２０，負荷との接続用のスイッチ１３１，１３２等が備えられている。

なお、モータ５０は、図示しないインバータを介して電源ラインに接続されており、制御コンピュータ４００は、このインバータの動作（スイッチング周波数およびデューティ）を制御することにより、モータ５０を駆動し、結果的に車両９０の出力を制御している。

ブロワ３０は、燃料電池１０のカソードに空気を供給するための装置である。ブロワ３０は、空気供給流路３４を介して燃料電池１０のカソードに接続されている。電気化学反応に供された後の空気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、カソードオフガス流路３６を通じて外部に排出される。

水素タンク２０には、数十ＭＰａの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵される。この水素タンク２０は、水素供給流路２４を通じて燃料電池１０のアノードに接続されている。水素供給流路２４の流路中には、水素タンク２０から近い順に、開閉弁２００と、調圧弁２１０と、可変調圧弁２２０とが設けられている。開閉弁２００が制御コンピュータ４００による制御によって開弁状態になると、水素タンク２０から水素供給流路２４を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。

水素タンク２０から水素供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、調圧弁２１０によって調圧され、４００Ｋ〜２ＭＰａ程度の中圧状態に減圧される。こうして調圧された水素ガスは、更に、可変調圧弁２２０により調圧され、１００Ｋ〜２５０ＫＰａ程度の低圧状態まで減圧される。そして、この低圧状態の水素ガスが、燃料電池１０のアノードへ供給される。特に、可変調圧弁２２０は、制御コンピュータ４００の指令を受けて、所定開度に弁を開き、アノード側の圧力を調整している。

燃料電池１０のアノード側の出口には、アノードオフガス流路２６が接続され、この流路上には気液分離器６０が配置されている。アノードオフガス中には、電解質膜を介してカソード側から透過してくる水分が含まれる場合がある。気液分離器６０は、アノードオフガス中に含まれるこうした水分を分離して取り除く。

気液分離器６０には、水素循環流路２８とパージ弁２４０とが接続されている。アノードオフガス中には、水分以外にも、燃料電池１０による発電に供しきれなかった水素ガスが残存している場合がある。こうした水素ガスを水素循環流路２８を介して、再度、水素供給流路２４に供給することで、効率的に水素ガスを利用することができる。

水素供給流路２４と水素循環流路２８の接合部には、水素ガスを循環させるための循環装置７０が設けられている。本実施例では、循環ポンプを循環装置７０として採用し、所定量のアノードオフガスを再度、燃料電池１０に供給している。循環装置７０としては、循環ポンプに代えてエジェクタを用いるものとしても良い。

パージ弁２４０は、制御コンピュータ４００による制御によって定期的に開弁される。アノードオフガスには、前述したように水分やカソードから電解質膜を介して透過する空気中の窒素等の不純物が含まれるため、これらを、定期的に外部に排出するためである。なお、制御コンピュータ４００は、アノードオフガス中の不純物の濃度を測定もしくは燃料電池の発電量等から推定して、パージ弁２４０を開弁するものとしてもよい。

水素供給流路２４には、流路を流れる水素ガスの圧力を検出する３つの圧力センサ３１０，３３０，３４０が備えられている。第１の圧力センサ３１０は、開閉弁２００と調圧弁２１０との間に設けられ、水素タンクから放出される水素ガスの圧力Ｐ０を検出する。第２の圧力センサ３３０は、可変調圧弁２２０と循環装置７０との間に設けられ、循環装置７０に入力する水素ガスの圧力Ｐ１を検出する。第３の圧力センサ３４０は、循環装置７０と燃料電池１０との間に設けられ、燃料電池１０に流入する水素ガスの圧力Ｐ２を検出する。また、アノードオフガス流路２６には、圧力センサ３５０が設けられ、アノードオフガスの圧力Ｐ３を検出している。

各圧力センサ３１０，３３０，３４０，３５０は、制御コンピュータ４００に接続されており、所定タイミングにおける各部分の圧力Ｐ０〜Ｐ３を検出し、これを制御コンピュータ４００に出力している。

制御コンピュータ４００は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，入出力ポート等を備えている。ＲＯＭには、後述する圧力制御処理を行うためのプログラムや、車両９０や燃料電池システム１００の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭに展開して実行する。入出力ポートには、可変調圧弁２２０，圧力センサ３１０，３３０，３４０，３５０や、開閉弁２００，パージ弁２４０，ブロワ３０，電流計１２０，電圧計１１０，イグニションスイッチ等が接続されている。制御コンピュータ４００は、こうした各種センサやアクチュエータなどと接続し、燃料電池１０に要求される発電量を適切に出力するよう、燃料電池システム１００全体を制御している。

こうした構成の燃料電池システム１００において、燃料電池１０の起動後、制御コンピュータ４００は、出力要求を受けて、スイッチ１３１，１３２をＯＦＦ状態（開放電圧ＯＣＶの状態）からＯＮ状態とする。燃料電池１０のセル内では、接続された負荷による電力の消費に伴い反応ガスが消費される。制御コンピュータ４００は、消費された反応ガスを補うため、可変調圧弁２２０の開度を増大する。開度の増大により、燃料電池１０の水素ガスの圧力は上昇し、セル面内に水素ガスが十分に行き亘る。

図２は、負荷と水素ガスの圧力との関係を示す説明図である。図中の圧力Ｐは、燃料電池の水素ガスの圧力を示している。図示するように、燃料電池に接続される負荷が増大すると、燃料電池に供給する水素ガスの圧力（入口圧力）を増大する必要がある。つまり、負荷の増大により電気化学反応に必要となる水素分子の量が増大し、これをセル面内に供給するために必要な水素ガスの圧力（これを分圧と呼ぶ）が増大することとなる。なお、図示する直線の傾きは、電解質膜の許容値等を考慮して、負荷に応じたアノード側で必要とされる分圧（要求分圧）として決定される。

制御コンピュータ４００は、こうした負荷と要求分圧との設定値（マップ）を予め記憶しており、マップに基づいて可変調圧弁２２０の開度を調整し、圧力の制御を行なっている。以下、こうした負荷に応じた圧力の制御を、通常の圧力制御と呼ぶこととする。なお、ここではカソード側については図示を省略するが、カソード側もアノード側と同様に負荷に応じた要求分圧のマップを備えており、通常の圧力制御が行なわれている。

本実施例では、こうした通常の圧力制御に加え、要求分圧が所定値よりも低い場合に、要求分圧よりも高い圧力を付加する高圧力処理を行なう。この高圧力処理は、要求分圧が所定値よりも低い場合として、低負荷時や燃料電池の運転起動時に実行され、高い圧力の付与により水素ガスの偏在を低減する処理である。まず、以下に圧力による水素の偏在の低減の原理について説明する。

Ａ−２．水素偏在の低減の概念：
燃料電池は、その運転により発生する水分や、供給される空気中の窒素などが、電解質膜を介して漏れ出すことがあり、例えば、セル面内のアノード側では水素ガスと共に不純物が混在した状態となることがある。こうした不純物の中でも窒素は重いため、セル面内の特定の場所に集まり易く、セル面内全体では水素ガスが存在する場所と、不足する場所とが生じている。特に、通常の発電運転時に比べ、運転の起動時や負荷が低い場合にはセル面内を流れる水素ガスの流量が低下し、こうした水素の偏在が生じ易い。

本実施例では、こうした水素の偏在が生じたセル面内に、新たな水素ガスを導入すると共に、水素ガスの圧力を、必要とされる分圧よりも高い所定範囲に上昇する。すなわち、純度の高い新たな水素ガスを燃料電池スタックの入口に供給し、圧力を上げることで燃料電池の内部であるセル面内に導入する。セル面内では、圧力を上げた新たな水素の導入によって、次式に基づく水素の拡散速度Ｊが上昇することとなる。なお、次式において、Ｊは拡散速度を、Ｄは拡散係数を、dc／dyは濃度勾配（ｃ：拡散原子の濃度、ｙ：拡散方向の隔たり）を、それぞれ示している。

新たな水素ガスを導入すると、セル面内では濃度勾配dc／dyが大きくなり、拡散速度Ｊも大きくなる。こうして水素ガスの濃度の高い所から低い所への拡散が促進し、水素ガスの濃度が均一化していく。その結果、セル面内での水素ガスの偏在を低減することができる。以下、こうした原理を用いた高圧力処理について説明する。

Ａ−３．低負荷時の高圧力処理：
図３は、上述した制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する高圧力処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池１０内の水素ガスの偏在を低減する処理であり、燃料電池１０に接続される負荷が低い場合に実行される処理である。したがって、この処理が実行される前提として、開閉弁２００は開弁され、水素タンク２０からの所定圧力の水素ガスと、ブロワ３０からの空気が共に燃料電池１０に供給されているものとする。

この処理が実行されると、発電要求を受けた制御コンピュータ４００は、燃料電池１０を負荷に接続する（ステップＳ３００）。具体的には、スイッチ１３１，１３２をＯＮ状態とし、モータ５０などの負荷と燃料電池１０とを接続する。こうして所定の負荷に接続されることで、燃料電池内では電気化学反応が生じる。

続いて、制御コンピュータ４００は、接続された負荷を検出する（ステップＳ３１０）。具体的には、電流計１２０による検出値を入力し、Ｉ−Ｖ特性図から負荷を演算している。

負荷を検出後、制御コンピュータ４００は、検出された負荷が低負荷であるか否かを判断する（ステップＳ３２０）。本実施例では、予め所定範囲の負荷を低負荷領域として設定し、検出された負荷がこの領域に該当するか否かを判断している。

低負荷領域とは、循環装置７０の性能により決定される領域であり、循環ポンプの場合には、水素の偏在を解消するために必要とされる循環量（必要循環量）よりも、循環ポンプの最低循環量が大きい場合の領域である。すなわち、循環ポンプの性能上、必要循環量に適した量の循環が制御できない領域（過剰に水素ガスを循環してしまう領域）となる。こうした循環ポンプの循環量を燃料電池１０の入口の水素ガスの圧力に換算し、開放電圧ＯＣＶから換算した圧力までの範囲を、低負荷領域として設定している。なお、低負荷領域以外の領域を高負荷領域と呼ぶこととする。

ステップＳ３２０で、検出された負荷が低負荷ではない（Ｎｏ）と判断された場合には、一連の処理を終了し、通常の圧力制御に移行する。すなわち、燃料電池１０に与えられている負荷が高負荷領域に該当するため、水素ガスの圧力Ｐ２を負荷に応じた必要な分圧値に設定する通常の圧力制御を実行することとなる。

他方、ステップＳ３２０で、検出された負荷が低負荷である（Ｙｅｓ）と判断された場合には、負荷に応じた目標圧力値Ｐ２ｍを設定する（ステップＳ３３０）。図示するように、低負荷領域における目標圧力値Ｐ２ｍは、破線で示した要求分圧よりも高い値となるように設定されている。開放電圧ＯＣＶ時から、負荷が増大するのに伴って徐々に目標圧力値Ｐ２ｍは低減し、低負荷領域の最大値（高負荷領域との境目）で、通常の圧力制御の線図と交わるように目標圧力値Ｐ２ｍは設定されている。こうした目標圧力値Ｐ２ｍは通常の圧力制御と同様、マップとして記憶しており、制御コンピュータ４００は、負荷に応じて目標圧力値Ｐ２ｍを読み出している。

こうして設定した目標値に圧力を調整するため、制御コンピュータ４００は可変調圧弁２２０に開度調整の指令信号を出力する（ステップＳ３４０）。この指令信号を受けた可変調圧弁２２０は、指令信号に基づく開度調整を実行し、水素ガスの圧力を要求分圧よりも高い圧力に設定する。

開度調整の後、制御コンピュータ４００は、調整された水素ガスの圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ３５０）。具体的には、圧力センサ３４０によって検出された燃料電池１０の水素ガスの圧力Ｐ２を入力している。

続いて、制御コンピュータ４００は、検出した圧力Ｐ２が目標値の範囲内に制御されたか否かを判断する（ステップＳ３６０）。ここでは検出した圧力Ｐ２と目標圧力値Ｐ２ｍとを比較することで、目標値に設定されたか否かを判断している。なお、実際には目標圧力値Ｐ２ｍには所定の誤差範囲が設定されているため、その範囲に検出した圧力Ｐ２が収まることで目標値に設定されたと判断される。

ステップＳ３６０で、目標値の範囲内でない（Ｎｏ）と判断した場合には、目標値までの差分を求め、ステップＳ３４０に戻って、再度、可変調圧弁２２０の開度調整の指令を出力する。他方、ステップＳ３６０で、目標値の範囲内である（Ｙｅｓ）と判断した場合には、ステップＳ３１０に戻り、再度負荷を検出し、一連の処理を繰り返す。こうして、要求負荷が低負荷である場合には、この高圧力処理が繰り返し実行される。

以上の第１実施例の高圧力処理によれば、低負荷時に、水素ガスの圧力を、電気化学反応に必要とされる水素分圧よりも高い圧力に設定する。したがって、水素の拡散が促進され、セル面内での水素の偏在を低減することができる。

本実施例では、循環装置による制御に代えて可変調圧弁による圧力の制御で水素の偏在を低減する。一般に、水素消費量が少ない場合には燃料電池に供給される水素ガスの流量が減少するため、循環装置を駆動して流量を確保し、水素ガスの偏在を低減する制御が行なわれるが、本実施例ではこうした制御を採る必要がない。したがって、循環装置の駆動量を減らして補機損失を低減し、効率よく燃料電池システムを運転することができる。また、燃料電池システムの一般的な運転においては、低負荷領域での発電運転がほとんどである。したがって、低負荷時における循環装置の駆動量の低減は、燃費向上の効果が大きい。

なお、本実施例では、水素ガスの圧力として、右肩下がりの直線により定まる要求分圧よりも高い圧力を設定するものとしたが、要求分圧よりも高い圧力値であれば、どのような圧力を設定するものとしても良い。圧力の上限値の設定に際しては、電解質膜の許容限度を考慮して設定するものとすれば良い。

本実施例では、循環ポンプの場合の低負荷領域について説明したが、循環装置７０がエジェクタの場合における低負荷領域は、必要循環量よりもエジェクタの循環量が小さい場合の領域とすれば良い。エジェクタは、その構造上、水素ガスの供給流速が低下すると循環能力が低下する。特に、低負荷時には燃料電池内での水素ガスの消費が進まず、水素ガスの供給流量、流速が低下する。かかる場合、エジェクタの循環能力不足により、必要循環量を確保できない領域がある。こうしたエジェクタの循環能力では補えない領域を圧力に換算することで、開放電圧ＯＣＶから換算した圧力までの範囲を低負荷領域として設定することができる。

循環装置としてエジェクタを用いる場合に、本実施例における高圧力処理を実行することで、水素ガスの循環が行なえない場合（例えば、開放電圧ＯＣＶ時）における水素の偏在の低減に特に効果を奏する。さらに、高圧力処理によれば、水素ガスの循環には影響されず、水素の偏在を低減することができるため、循環装置を備えないシステムにおいても適切な処理を行なうことができる。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．起動時の高圧力処理：
第１実施例の高圧力処理では、低負荷時に処理を実行するものとしたが、第２実施例では燃料電池による発電開始前の準備処理として高圧力処理を行なう。なお、第２実施例におけるハード構成は、第１実施例と同様であるため説明を省略する。

図４は、第２実施例における燃料電池システムを制御する制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する高圧力処理のフローチャートである。この処理は、運転者によるイグニションスイッチのオン操作後、燃料電池１０による発電開始前に実行される。なお、かかる処理の前提として、初期状態では、開閉弁２００とパージ弁２４０とは閉状態であるものとする。

処理が開始されると、制御コンピュータ４００は、開閉弁２００に開弁指令を出力する（ステップＳ４００）。指令を受けた開閉弁２００が弁を開くことで、水素タンク２０からの高圧の水素ガスが放出され、調圧弁２１０，可変調圧弁２２０により所定の圧力に減圧されて、燃料電池１０のアノードに供給される。なお、この処理とほぼ同時にブロワ３０からの空気の供給も行なわれている。

続いて、制御コンピュータ４００は目標圧力値Ｐ２ｍを設定する（ステップＳ４１０）。なお、ここでは要求分圧よりも高い圧力値が予め設定されており、制御コンピュータ４００はこの設定値を読み取ることで、目標値を設定している。

設定した目標値に圧力を調整するため、制御コンピュータ４００は可変調圧弁２２０に開度調整の指令信号を出力する（ステップＳ４２０）。この指令信号を受けた可変調圧弁２２０は、指令信号に基づく開度調整を実行する。

開度調整の後、制御コンピュータ４００は、調整された水素ガスの圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ４３０）。具体的には、圧力センサ３４０によって検出された燃料電池１０の水素ガスの圧力Ｐ２を入力している。

続いて、制御コンピュータ４００は、検出した圧力Ｐ２が目標値の範囲内に制御されたか否かを判断する（ステップＳ４４０）。ここでは検出した圧力Ｐ２と目標圧力Ｐ２ｍとを比較することで、目標値に設定されたか否かを判断している。なお、目標圧力値Ｐ２ｍに所定の誤差範囲が設定されているのは第１実施例と同様である。

ステップＳ４４０で、目標値の範囲内でない（Ｎｏ）と判断した場合には、目標値までの差分を求め、ステップＳ４２０に戻って、可変調圧弁２２０の開度調整を行なう。

他方、ステップＳ４２０で、目標値の範囲内である（Ｙｅｓ）と判断した場合には、所定時間が経過しているか否かを判断する（ステップＳ４５０）。制御コンピュータ４００は、処理の開始と共に内部のタイマにより、経過時間をカウントしている。この高圧力処理を実行する時間は予め動作環境等の種々の要因により設定されており、制御コンピュータ４００は、現在のカウント値と設定値とを比較することで所定時間の経過を判断している。

ステップＳ４５０で、所定時間が経過していない（Ｎｏ）と判断された場合には、所定時間の経過まで処理を継続し、ステップＳ４５０で所定時間が経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、一連の処理を終了する。こうして発電開始前の準備を整え、通常の圧力制御に移行し、要求負荷に応じた圧力制御が実行される。

図５は、起動時の高圧力処理における圧力と経過時間との関係を示す説明図である。図中の横軸は経過時間を、縦軸は燃料電池１０の水素ガスの圧力Ｐ２を、それぞれ示している。また、図中の破線は、通常の圧力制御において発電開始前（開放電圧ＯＣＶ時）に設定されるべき水素ガスの分圧値（要求分圧）を示している。図示するように、起動時の高圧力処理が実行されると、圧力Ｐ２は徐々に上昇し、要求分圧よりも高い圧力に設定される。所定時間が経過すると、水素ガスの圧力Ｐ２は、要求分圧に設定される。

こうした第２実施例における起動時の高圧力処理を実行することで、発電前に水素の偏在を低減しておくことができ、負荷への接続後には効率よく発電を行なうことができる。

なお、循環装置７０がエジェクタである場合には、可変調圧弁２２０による圧力の上昇制御により、水素ガスの流量が増加するため燃料電池１０内の流路の圧力損失も増加する。したがって、圧力センサ３３０による検出圧力Ｐ１と、圧力センサ３５０による検出圧力Ｐ３との差圧が増大し、結果的に、エジェクタの循環性能が向上することとなる。つまり、高圧力処理によって、エジェクタの水素の循環も効率化され、相乗効果により水素ガスの偏在を低減することができる。

Ｃ．変形例：
本実施例では、高圧力処理により水素ガスの偏在を低減するものとしたが、循環ポンプなど、循環量を制御可能な循環装置を備えたシステムであれば、高圧力処理と共に、水素ガスの循環量を増加する制御を行なうものとしても良い。こうすることで、圧力による偏在の低減に加えて、水素ガスの循環による偏在の低減を行なうことができ効果的となる。

また、高圧力処理における圧力上昇に加えて、圧力を下降させることで水素ガスの流速を上げる制御を行なうものとしても良い。例えば、図６（ａ）に示すように、可変調圧弁２２０の調圧により、水素ガスの圧力Ｐ２を脈動させる。こうすることで、圧力上昇時には水素ガスが均一化され、圧力下降時には燃料電池内のガス流路の流速を増加させることができる。流速の間欠的な上昇により、特に、電気化学反応により生じる生成水を排除し、より一層水素ガスの攪拌、均一化に効果を奏する。

こうした圧力の脈動制御は、可変調圧弁２２０に代えて、燃料電池に与える負荷を変動させることで行なうものとしても良い。例えば、図６（ｂ）に示すように、二次電池４０や、ブロワ３０等の補機など、所定負荷への燃料電池１０の接続を調整する。例えば、燃料電池１０に負荷が与えられると、それに応じた電流を出力するため燃料電池１０内では電気化学反応により水素ガスが消費される。この場合、燃料電池１０に供給される圧力Ｐ２は一時的に低下する。続いて、燃料電池１０の負荷を取り除くと、燃料電池１０内では水素ガスの消費が進まないため、燃料電池１０に供給される圧力Ｐ２は一時的に上昇する。こうした負荷変動により、間接的に水素ガスの圧力を脈動させることもできる。なお、この場合には、可変調圧弁２２０の開度は一定値とし水素ガスの供給量は固定され、負荷に応じた調圧は行なわない。

以上、本実施例の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では循環装置を備えるものとしたが、循環装置がないシステムであっても本発明を適用することで、反応ガスの偏在を低減することができる。例えば、水素ガスの循環装置を備えないシステムの場合には、燃料電池のセル面内における水素ガスの入口と反対側に窒素などの不純物が堆積する場合がある。こうした状態において水素ガスの圧力を要求分圧よりも上げることで、全体的に水素濃度を上げて水素不足、水素の偏在を回避することができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 負荷と水素ガスの圧力との関係を示す説明図である。 低負荷時における高圧力処理のフローチャートである。 起動時における高圧力処理のフローチャートである。 起動時の高圧力処理における圧力と経過時間との関係を示す説明図である。 圧力、負荷の変動による制御の説明図である。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...水素タンク
２４...水素供給流路
２６...アノードオフガス流路
２８...水素循環流路
３０...ブロワ
３４...空気供給流路
３６...カソードオフガス流路
４０...二次電池
５０...モータ
５５...車軸
６０...気液分離器
７０...循環装置
９０...車両
１００...燃料電池システム
１１０...電圧計
１２０...電流計
１３１，１３２...スイッチ
２００...開閉弁
２１０...調圧弁
２２０...可変調圧弁
２４０...パージ弁
３１０，３３０，３４０，３５０...圧力センサ
４００...制御コンピュータ

Claims (6)

1. 燃料電池に反応ガスを供給し、該燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給する前記反応ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
   前記圧力調整手段を用いて前記反応ガスの圧力を、前記要求負荷に対応する発電に必要な分圧として予め設定された要求分圧に制御する圧力制御手段と、
   前記燃料電池に負荷が接続された状態において、前記要求分圧が所定値より低い場合に、前記圧力調整手段を用いて前記反応ガスの圧力を当該要求分圧よりも高い圧力に制御する高圧力制御手段と
   を備え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であって、
   前記高圧力制御手段は、前記燃料電池に負荷が接続された状態において、前記要求分圧が所定値より低い場合に加え、前記燃料電池の起動時に、前記要求分圧よりも高い圧力での制御を行なう燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させる循環手段と、
   前記要求分圧が所定値より低い場合における該要求分圧よりも高い圧力への制御と共に、前記循環手段による前記水素ガスの循環を行なう循環制御手段と
   を備える燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させる循環ポンプを備え、
   前記高圧力制御手段は、前記循環ポンプによる最低循環量よりも、前記燃料電池における適切な発電に必要な循環量が少ない場合に、前記循環ポンプの駆動に代えて、前記反応ガスの圧力を前記要求分圧よりも高い圧力に制御する
   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であって、更に、
   前記燃料電池内を流れた前記反応ガスとしての水素ガスを、再度該燃料電池に還流させるエジェクタを備え、
   前記高圧力制御手段は、前記エジェクタによる循環量よりも、前記燃料電池における適切な発電に必要な循環量が多い場合に、前記反応ガスの圧力を前記要求分圧よりも高い圧力に制御する
   燃料電池システム。
6. 燃料電池に反応ガスを供給し、該燃料電池に接続される要求負荷に応じて発電を行なう燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池に供給する前記反応ガスの圧力を、前記要求負荷に対応する発電に必要な分圧として予め設定された要求分圧に制御しつつ、
   前記燃料電池に負荷が接続された状態において、前記要求分圧が所定値より低い場合には、前記反応ガスの圧力を当該要求分圧よりも高い圧力に制御する
   燃料電池システムの制御方法。

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