JP7347315B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムの技術に関する。
従来、燃料電池システムにおいて、カソードへの酸化剤ガスの供給量を通常発電時よりも低くして暖機運転を行う技術が知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００８－２６９８１３号公報
従来の技術では、暖機運転時において燃料電池スタックの動作点を変更する際に、電流変化量および電圧変化量の少なくとも一つに制限を設定している。しかしながら、燃料電池スタックの目標電流値と目標電圧値とで定まる目標動作点に移行するまでの遷移期間において、燃料電池セルのカソードにおいて酸化剤ガスが不足してポンピング水素が発生する場合が生じ得る。燃料電池セルにおいてポンピング水素が発生した場合、ポンピング水素によってカソードの触媒表面への酸化剤ガスの供給が十分に行われないために、以降においてもポンピング水素が発生する可能性が高くなる。カソードにおいてポンピング水素が発生した場合、カソードから排出されたガス中の水素濃度が高くなる場合がある。なお、ポンピング水素とは、暖機運転時にカソードの酸素の不足によって、カソードにおいて、アノードから伝導された水素イオンと電子とが再結合することによって生成される水素である。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、積層された複数の燃料電池セルであって、アノードとカソードとをそれぞれ有する複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの電圧を計測するための電圧センサと、前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系と、前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系と、前記燃料電池システムに関する温度を計測する温度センサと、前記電圧センサが計測した計測電圧値を用いて前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムを始動する際に、前記温度センサの計測値が予め定めた温度以下である場合には、前記燃料電池スタックの電流掃引を開始する前に、前記酸化剤ガス供給系を動作させて前記カソードに前記酸化剤ガスを供給することで、前記燃料電池スタックの電圧を予め定めた電圧条件を満たすまで上昇させ、前記計測電圧値が前記電圧条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックからの電流掃引を開始して、前記燃料電池スタックを昇温させる暖機運転を実行し、前記制御部は、前記暖機運転を実行する際には、前記電流掃引を開始してから前記暖機運転における目標電圧値と目標電流値とで定まる目標動作点に至るまでの遷移期間において、前記計測電圧値が電圧指令値より低い値である制御開始電圧値になった場合に、電流指令値を一定に維持する待機制御を実行し、前記待機制御の実行中において、前記計測電圧値が前記電圧指令値以上の値である許可電圧値になった場合に、前記電流指令値の変更を許可することで待機制御を終了する。
この形態によれば、計測電圧値が予め定めた電圧条件を満たした後に電流掃引を行うことで、燃料電池のカソードに酸素を十分に存在させた後に暖機運転を行うことができる。これにより、暖機運転中にカソードにおける酸素が欠乏してポンピング水素が発生する可能性を低減できる。しかもこの形態によれば、遷移期間において、計測電圧値が電圧指令値より低い値である制御開始電圧値になった場合に、待機制御を実行する。計測電圧値が電圧指令値よりも低い値になった場合、カソードに酸素が十分に存在していない。よって、この場合において、電流指令値を一定に維持して計測電圧値が電圧指令値以上の値である許可電圧値となるまで電流指令値を一定に維持することで、カソードの酸素が不足することを抑制できる。これにより、ポンピング水素の発生をより抑制できる。
（２）上記形態において、前記制御部は、前記遷移期間のうち、前記計測電圧値が予め定めた切替電圧値となった時点から前記目標動作点に到達する時点までの切替後期間では、前記目標電流値まで予め定めた割合で前記電流指令値を上昇させる通常電流制御を実行し、前記遷移期間のうち、前記計測電圧値が前記切替電圧値に至るまでの切替前期間では、前記燃料電池スタックの要求発電電力と前記計測電圧値とを用いて前記電流指令値を設定し、設定した前記電流指令値となるように前記電流掃引を行う実電圧制御を実行し、前記通常電流制御を実行している場合において、前記計測電圧値が前記制御開始電圧値になった場合に、前記通常電流制御を中断して前記待機制御を実行し、前記計測電圧値が前記許可電圧値になった場合に、前記電流指令値の変更を許可することで前記待機制御を終了して前記通常電流制御を再開してもよい。
この形態によれば、切替前期間においては、実電圧制御が実行されるので、ポンピング水素の発生を抑制しつつ、要求発電電力と、実際の発電電力とのずれが大きくなることを抑制できる。これにより、二次電池の充放電量が許容量を超える可能性を低減できる。また、切替後期間においては、通常電流制御が実行されるので、過度な電流掃引が実行されることを抑制できる。またこの形態によれば、通常電流制御を実行している場合において、計測電圧値が制御開始電圧値になった場合に、待機制御が実行されることで、カソードの酸素が不足することを抑制できるので、ポンピング水素の発生を抑制できる。
（３）上記形態において、さらに、前記燃料電池スタックによって発電された電力を充放電する二次電池を有し、前記制御部は、前記遷移期間の少なくとも一部において、前記燃料電池スタックの電圧値と電流値とで定まる動作点を移行させる場合に、前記動作点が前記燃料電池スタックの要求発電電力と同じ発電電力を示す前記燃料電池スタックの等パワーライン上となるように、前記電圧指令値と前記電流指令値とを設定してもよい。
この形態によれば、遷移期間において動作点を移行させる場合に、等パワーライン上となるように、電圧指令値と電流指令値とを設定するので、要求発電電力からの燃料電池スタックの発電電力の変動を抑制できる。これにより、燃料電池スタックの発電電力の変動を抑制することで、二次電池の充放電量を一定の範囲内に制御できる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、上記の燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムの制御方法、制御方法をコンピューターに実行させるためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した非一過性の記録媒体などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を説明するための図。 燃料電池システムの詳細構成を説明するための図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概念図。 制御装置の内部ブロック図。 二次電池の温度特性を示す図。 燃料電池システムの始動処理を示すフローチャート。 動作点移行処理を示すフローチャート。 燃料電池スタックの電圧と電流の関係を示す第１の図。 燃料電池スタックの電圧と電流の関係を示す第２の図。 第２実施形態に燃料電池システム１０の始動処理を示すフローチャート。
Ａ．第１実施形態：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を説明するための図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両１２に搭載され、燃料電池車両１２の駆動用モータを駆動させるための発電装置として用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１６と、燃料ガス給排系５０と、酸化剤ガス給排系３０と、冷媒循環系７０とを備える。
燃料電池スタック１１６は、複数の燃料電池セル１１と、一対のエンドターミナル１１０，１２０とを備える。複数の燃料電池セル１１はそれぞれ、板状であり、厚み方向である積層方向ＳＤに積層されている。燃料電池セル１１は、反応ガスとしての酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給を受けて酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。本実施形態では、酸化剤ガスは酸素を含む空気であり、燃料ガスは水素である。燃料電池セル１１は、単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池セル１１は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータとを備える。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、電解質膜の他方の面に配置されたカソードとを有する。各燃料電池セル１１の外周端部には、反応ガスや発電部を通過した反応オフガスを流通させるためのマニホールドＭｆａを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。マニホールドＭｆａは、各燃料電池セル１１の発電部に分岐接続されている。また、各燃料電池セル１１の外周端部には、冷媒を流通させるためのマニホールドＭｆｂを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。
一対のエンドターミナル１１０，１２０は、複数の燃料電池セル１１の積層方向ＳＤにおける両端部に配置されている。具体的には、第１エンドターミナル１１０は燃料電池スタック１１６の一方の端部に位置し、第２エンドターミナル１２０は燃料電池スタック１１６の一方の端部とは反対側の他方の端部に位置する。第１エンドターミナル１１０には、マニホールドＭｆａやマニホールドＭｆｂを形成するための貫通孔である開口部１１５が形成されている。一方で、第２エンドターミナル１２０には、マニホールドＭｆａやマニホールドＭｆｂを形成するための貫通孔である開口部１１５は形成されていない。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒とは、燃料電池スタック１１６のうち積層方向ＳＤの一方側からのみ供給されたり排出されたりする。複数の燃料電池セル１１のうち、他方の端部側に位置する燃料電池セル１１を複数の端部側燃料電池セル１１ｅとも呼ぶ。本実施形態では、複数の端部側燃料電池セル１１ｅは、最も他方の端部に位置する燃料電池セル１１を含む。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給機能と、燃料ガス排出機能と、燃料ガス循環機能とを有する。燃料ガス供給機能は、燃料電池セル１１のアノードに燃料ガスを供給する機能である。燃料ガス排出機能は、燃料電池セル１１のアノードから排出される燃料ガス（「燃料オフガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。燃料ガス循環機能は、燃料ガスを燃料電池システム１０内において循環させる機能である。
酸化剤ガス給排系３０は、燃料電池セル１１のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機能と、燃料電池セル１１のカソードから排出される酸化剤ガス（「酸化剤オフガス」ともいう。）を外部に排出する酸化剤ガス排出機能と、供給される酸化剤ガスを燃料電池セル１１を介することなく外部に配置するバイパス機能と、備える。
冷媒循環系７０は、燃料電池スタック１１６に冷媒を循環させて、燃料電池スタック１１６の温度を調節する。冷媒としては、例えば、エチレングリコールなどの不凍液や、水などの液体が用いられる。
図２は、燃料電池システム１０の詳細構成を説明するための図である。図２では、燃料電池スタック１１６に供給されたり、燃料電池スタック１１６から排出されたりする燃料ガスや酸化剤ガスや冷媒の向きは矢印で記載している。燃料電池システム１０は、上述の燃料電池スタック１１６、酸化剤ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、冷媒循環系７０に加え、制御装置６０を有する。制御装置６０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。制御装置６０の詳細は後述する。
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給系３０Ａと、酸化剤ガス排出系３０Ｂとを備える。酸化剤ガス供給系３０Ａは、燃料電池スタック１１６のカソードに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給系３０Ａは、酸化剤ガス供給路３０２と、温度センサとしての外気温センサ３８と、エアクリーナ３１と、コンプレッサ３３と、モータ３４と、インタークーラ３５と、第１調圧弁３６と、を有する。
酸化剤ガス供給路３０２は、燃料電池スタック１１６の上流側に配置され、外部と燃料電池スタック１１６のカソードとを連通させる管である。外気温センサ３８は、燃料電池システム１０に関する温度を計測する。具体的には、外気温センサ３８は、エアクリーナ３１に取り込まれる酸化剤ガスである空気の温度、すなわち環境温度である外気温を計測する。外気温センサ３８の計測結果は制御装置６０に送信される。エアクリーナ３１は、酸化剤ガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも上流側に設けられ、燃料電池スタック１１６に供給される酸化剤ガス中の異物を除去する。コンプレッサ３３は、燃料電池スタック１１６よりも上流側の酸化剤ガス供給路３０２に設けられ、制御装置６０からの指示に応じて圧縮した空気をカソードに向けて吐出する。コンプレッサ３３は、制御装置６０からの指示に応じて動作するモータ３４によって駆動される。インタークーラ３５は、酸化剤ガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも下流側に設けられている。インタークーラ３５は、コンプレッサ３３によって圧縮されて高温となった酸化剤ガスを冷却する。第１調圧弁３６は、電磁弁や電動弁である。第１調圧弁３６は、制御装置６０によって開度が調整されることで、酸化剤ガス供給路３０２から燃料電池スタック１１６に向かう酸化剤ガスの流量を調整する。
酸化剤ガス排出系３０Ｂは、カソードを流通した酸化剤ガスを外部に排出する。酸化剤ガス排出系３０Ｂは、酸化剤ガス排出路３０８と、バイパス路３０６と、第２調圧弁３７と、第３調圧弁３９とを有する。酸化剤ガス排出路３０８は、燃料電池スタック１１６のカソードから排出された酸化剤ガス（「酸化剤オフガス」とも呼ぶ。）や、バイパス路３０６を流通した酸化剤ガスを外部に排出するための管である。第２調圧弁３７は、電磁弁や電動弁である。第２調圧弁３７は、制御装置６０によって開度が調整されることで燃料電池スタック１１６のカソード側流路の背圧を調整する。第２調圧弁３７は、酸化剤ガス排出路３０８のうちでバイパス路３０６が接続された地点よりも上流側に配置されている。酸化剤ガス排出路３０８の下流側端部にはマフラー３１０が配置されている。
第３調圧弁３９は、バイパス路３０６に配置されている。第３調圧弁３９は、電磁弁や電動弁である。第３調圧弁３９は、制御装置６０によって開度が調整されることでバイパス路３０６を流通する酸化剤ガスの流量を調整する。バイパス路３０６は、燃料電池スタック１１６を経由することなく、酸化剤ガス供給路３０２と酸化剤ガス排出路３０８とを接続する管である。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給系５０Ａと、燃料ガス循環系５０Ｂと、燃料ガス排出系５０Ｃとを備える。
燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池スタック１１６のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、燃料ガスタンク５１と、燃料ガス供給路５０１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクター５４と、圧力センサ５９と、を備える。燃料ガスタンク５１は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。燃料ガス供給路５０１は、燃料ガスタンク５１と燃料電池スタック１１６とに接続され、燃料ガスタンク５１から燃料電池スタック１１６に向かう燃料ガスが流通する管である。開閉弁５２は、開弁状態において燃料ガスタンク５１の燃料ガスを下流側へと流通させる。レギュレータ５３は、制御装置６０の制御によって、インジェクター５４よりも上流側における燃料ガスの圧力を調整する。インジェクター５４は、燃料ガス供給路５０１のうち、後述する燃料ガス循環路５０２の合流地点よりも上流側に配置されている。インジェクター５４は、制御部６２によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック１１６に供給される燃料ガス供給量を調整する。圧力センサ５９は、燃料ガス供給路５０１のうちでインジェクター５４よりも下流側の内部圧力（燃料ガスの供給圧力）を計測する。計測結果は制御装置６０に送信される。
燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池スタック１１６から排出される燃料ガス（「燃料オフガス」とも呼ぶ。）を再び燃料ガス供給路５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料ガス循環路５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、モータ５６とを有する。燃料ガス循環路５０２は、燃料電池スタック１１６と燃料ガス供給路５０１とに接続され、燃料ガス供給路５０１に向かう燃料オフガスが流通する管である。気液分離器５７は、燃料ガス循環路５０２に設けられ、液水混じりのアノードオフガスから液水を分離する。循環ポンプ５５は、モータ５６を駆動させることで燃料ガス循環路５０２内のアノードオフガスを燃料ガス供給路５０１に向かって循環させる。
燃料ガス排出系５０Ｃは、アノードオフガスや燃料電池スタック１１６の発電によって生じた液水を外部へ排出する。燃料ガス排出系５０Ｃは、排気排水路５０４と排気排水弁５８と、を有する。排気排水路５０４は、液水を排出する気液分離器５７の排出口と、外部とを連通する管である。
排気排水弁５８は、排気排水路５０４に配置され、排気排水路５０４を開閉する。排気排水弁５８には、例えば、ダイヤフラム弁が用いられる。燃料電池システム１０の通常運転時では、制御装置６０は、予め定めたタイミングで排気排水弁５８に対して開弁指示を行う。
冷媒循環系７０は、冷媒循環路７９と、冷媒循環ポンプ７４と、モータ７５と、ラジエータ７２と、ラジエータファン７１と、スタック温度センサ７３とを備える。
冷媒循環路７９は、冷媒供給路７９Ａと、冷媒排出路７９Ｂとを有する。冷媒供給路７９Ａは、燃料電池スタック１１６に冷媒を供給するための管である。冷媒排出路７９Ｂは、燃料電池スタック１１６から冷媒を排出するための管である。冷媒循環ポンプ７４は、モータ７５の駆動によって冷媒供給路７９Ａの冷媒を燃料電池スタック１１６へ送り出す。ラジエータ７２は、ラジエータファン７１によって風が送られて放熱することで、内部を流通する冷媒を冷却する。スタック温度センサ７３は、燃料電池システム１０に関する温度を計測する。具体的には、スタック温度センサ７３は、冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度を計測する。冷媒の温度の計測結果は、制御装置６０に送信される。制御装置６０は、スタック温度センサ７３の計測温度を、燃料電池スタック１１６の温度として燃料電池システム１０の動作を制御する。なお、冷媒循環系７０は、冷媒を加熱するためのヒータを備えていてもよい。また、外気温センサ３８に代えて、スタック温度センサ７３を、課題を解決するための手段に記載の温度センサとしてもよい。
図３は、燃料電池システム１０の電気的構成を示す概念図である。燃料電池システム１０は、ＦＤＣ９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、電圧センサ９１と、電流センサ９２とを備える。
電圧センサ９１は、燃料電池スタック１１６の電圧を計測するために用いられる。電圧センサ９１は、燃料電池スタック１１６の全ての燃料電池セル１１それぞれと接続されており、全ての燃料電池セル１１それぞれを対象に電圧を計測する。電圧センサ９１は、その計測結果を制御装置６０に送信する。電圧センサ９１によって計測された全ての燃料電池セル１１の計測電圧を合計することで燃料電池スタック１１６の総電圧が計測される。なお、燃料電池システム１０は、電圧センサ９１に代えて、燃料電池スタック１１６の両端の電圧を計測する電圧センサを有していてもよい。この場合、計測された両端の電圧値が、燃料電池スタック１１６の総電圧となる。電流センサ９２は、燃料電池スタック１１６による出力電流値を計測し、制御装置６０に送信する。
ＦＤＣ９５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路である。ＦＤＣ９５は、制御装置６０から送信される電圧指令値に基づき、燃料電池スタック１１６の出力電圧を制御する。また、ＦＤＣ９５は、制御装置６０から送信される電流指令値に基づき、燃料電池スタック１１６による出力電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池スタック１１６による出力電流の目標値となる値であり、制御装置６０によって設定される。制御装置６０は、例えば、燃料電池スタック１１６の要求発電電力を用いて要求電流値を算出することで電流指令値を生成する。
ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック１１６と駆動用モータなどの負荷２５５とに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック１１６から出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２５５に供給する。
燃料電池システム１０は、さらに、二次電池９６と、ＢＤＣ９７とを備える。二次電池９６は、例えば、リチウムイオン電池で構成され、補助電源として機能する。また二次電池９６は、負荷２５５への電力の供給と、燃料電池スタック１１６によって生じる電力や回生電力の充電とを行う。すなわち、二次電池９６は、燃料電池スタック１１６によって発電された電力を充放電するために用いられる。
ＢＤＣ９７は、ＦＤＣ９５と共にＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路であり、制御部としての制御装置６０の指示に応じて二次電池９６の充放電を制御する。ＢＤＣ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、制御装置６０に送信する。
図４は、制御装置６０の内部ブロック図である。制御装置６０は、ＲＡＭやＲＯＭによって構成された記憶部６８と、制御部６２とを備える。制御部６２は、例えば、電圧センサ９１が計測した計測電圧値Ｖｔを用いて燃料電池システム１０の動作を制御する。
記憶部６８には、制御部６２が実行する各種プログラムが記憶されている。制御部６２は、記憶部６８の各種プログラムを実行することで、動作制御部６４と、電圧条件判定部６６として機能する。動作制御部６４は、計測電圧値Ｖｔなどに応じて燃料電池システム１０の動作を制御する。電圧条件判定部６６は、燃料電池システム１０のスタートスイッチがＯＮとなり、燃料電池システム１０が始動する際に、低効率運転によって燃料電池スタック１１６を急速に昇温させる暖機運転を実行する場合に機能する。暖機運転は、例えば、外気温センサ３８の計測値が氷点下である場合に実行される。暖機運転は、燃料電池スタック１１６の温度が、定常状態として予め定められた目標温度（例えば、６５℃）に達するように、燃料電池スタック１１６の発熱を利用して燃料電池スタック１１６を昇温させる運転状態を指す。暖機運転では、燃料電池スタック１１６に供給される酸化剤ガスのストイキ比は、定常状態におけるストイキ比よりも小さく設定され、酸素濃度過電圧を増大させることにより、燃料電池スタック１１６の発電損失が増大されている。酸化剤ガスのストイキ比とは、要求発電電力を発電するために必要な酸素量の最低量に対する、実際に供給した酸素量の比を意味する。本実施形態では、暖機運転における酸化剤ガスのストイキ比は１．０程度である。電圧条件判定部６６は、燃料電池スタック１１６からの電流の取り出しである電流掃引を開始して暖機運転を実行するための予め定めた電圧条件を満たすかどうかを判定する。この詳細は後述する。
図５は、二次電池９６の温度特性を示す図である。リチウムイオン電池などの二次電池は、氷点下、特に－２０℃（摂氏）以下になると、急激に充放電可能な電力の幅が狭くなる。これにより、燃料電池スタック１１６の発電電力が要求発電電力よりも超過したり、不足したりした場合に、二次電池９６に超過分の電力を充電したり、不足分の電力を二次電池９６から放電したりすることが困難となる場合が生じ得る。よって、外気温センサ３８の計測値が氷点下、特に－２０℃以下の場合には、燃料電池スタック１１６の発電電力を要求発電電力から大きく乖離しないように、燃料電池システム１０が制御されることが好ましい。
図６は、燃料電池システム１０の始動処理を示すフローチャートである。図７は、動作点移行処理を示すフローチャートである。図８は、始動処理の開始から目標動作点Ｐｇに至るまでの燃料電池スタック１１６の電圧（総電圧）と電流の関係を示す第１の図である。図９は、始動処理の開始から目標動作点Ｐｇに至るまでの燃料電池スタック１１６の電圧（総電圧）と電流の関係を示す第２の図である。なお、図８に示す点線の曲線は、燃料電池スタック１１６のある要求発電電力（例えば、目標動作点Ｐｇにおける要求発電電力）と同じ発電電力を示す動作点を結ぶ等パワーラインＰＬである。図６に示す始動処理は、燃料電池システム１０のスタートスイッチがＯＮになったことをトリガーに開始される。
図６に示すように、制御部６２は暖機要求があるかどうかを判定する（ステップＳ１０）。本実施形態では、制御部６２は、外気温センサ３８の計測値が予め定めた温度以下である場合に、暖機要求があると判定する。予め定めた温度は、例えば氷点であってもよく、氷点よりも低い温度であってもよい。制御部６２は、暖機要求がないと判定した場合には（ステップＳ１０；Ｎｏ）、始動処理を終了する。始動処理を終了した以降においては、制御部６２は、例えば、負荷２５５からの要求に応じて燃料電池スタック１１６を発電させる通常発電処理を実行する。
一方で、動作制御部６４は、暖機要求があると判定した場合には（ステップＳ１０：Ｙｓｓ）、電流掃引を開始して暖機運転を実行する前に、酸化剤ガス供給系３０Ａを含む酸化剤ガス給排系３０を制御して、各燃料電池セル１１のカソードに酸素を含む酸化剤ガスの供給を開始する（ステップＳ２０）。これにより、燃料電池スタック１１６の電圧を予め定めた電圧条件を満たすまで上昇させる。また、制御部６２は、ステップＳ２０において、燃料ガス給排系５０を制御して、各燃料電池セル１１のアノードに予め定めた流量の燃料ガスの供給を開始する。また、制御部６２は、ステップＳ２０において、冷媒循環系７０の動作を制御して冷媒の循環を開始する。
予め定めた電圧条件は、暖機運転が実行された場合に、各燃料電池セル１１のアノードからカソードに伝導した水素イオンが、カソードに存在する酸素と結合することで、カソードでの水素の再結合を抑制できる条件に設定される。つまり、予め定めた電圧条件は、カソードに伝導した水素イオンと結合できるだけの酸素が十分に存在すると判定できる電圧条件に設定される。本実施形態では、予め定めた電圧条件は、燃料電池スタック１１６の総電圧値によって規定されており、電圧センサ９１の総電圧値を表す計測電圧値（総計測電圧値）Ｖｔが予め定めた基準電圧値Ｖｓを超えたという条件である。基準電圧値Ｖｓは、例えば、Ｖｃ×Ｌｎである。Ｖｃは、１つの燃料電池セル１１のセル基準電圧値であり、Ｌｎは燃料電池セル１１の積層枚数である。Ｖｃは、燃料電池セル１１のカソードに酸素が十分に供給されたと判定できる値、例えば、０．８８Ｖ以上に設定される。なお、Ｖｃの上限は、燃料電池セル１１の触媒層が劣化することを抑制できる程度の値である。本実施形態では、Ｖｃは０．８８Ｖに設定されている。
ステップＳ２０の次に、電圧条件判定部６６は、電圧センサ９１の計測電圧値Ｖｔが、基準電圧値Ｖｓを超えたか否かを判定する（ステップＳ３０）。計測電圧値Ｖｔが基準電圧値Ｖｓ以下の場合には（ステップＳ３０：Ｎｏ）、動作制御部６４はステップＳ２０の処理を中止することなく継続する。一方で、計測電圧値Ｖｔが基準電圧値Ｖｓを越えた場合には（ステップＳ３０：Ｙｅｓ）、動作制御部６４は、燃料電池スタック１１６からの電流掃引を許可し（ステップＳ４０）、動作点移行処理が開始される（ステップＳ５０）。つまり、電流掃引が許可されることで、ステップＳ５０の動作点移行処理における電流掃引を開始する。
動作点移行処理は、暖機運転の一部の処理である。図８の矢印の向きで示すように、動作点移行処理は、電流掃引を開始してから、燃料電池スタック１１６の目標電圧値Ｖｇと目標電流値Ｉｇとで定まる目標動作点Ｐｇに至るまでの期間（遷移期間）に実行される処理である。制御部６２は、遷移期間の少なくとも一部において、燃料電池スタック１１６の電圧値と電流値とで定まる動作点を移行させる場合に、動作点が燃料電池スタック１１６の要求発電電力と同じ発電電力を示す等パワーラインＰＬ上となるように、電圧指令値と電流指令値とを設定する。本実施形態では、遷移期間のうちで計測電圧値Ｖｔが切替電圧値Ｖｓｗとなった以降では、動作点を移行させる場合に、等パワーラインＰＬ上となるように、電圧指令値と電流指令値とが設定される。なお他の実施形態では、遷移期間の全部において、動作点を移行させる場合に、等パワーラインＰＬ上となるように、電圧指令値と電流指令値とが設定されてもよい。動作点移行処理後には、目標動作点Ｐｇにおいて、予め定めた目標温度になるまで暖機運転が実行される。
ステップＳ５０の動作点移行処理の詳細を説明する前に、図９を用いてステップＳ４０の電流掃引許可までの処理内容を説明する。時刻ｔ０において暖機要求があると判定されて、各燃料電池セル１１のカソードへの酸化剤ガスの供給が開始される。酸化剤ガスがカソードに供給されると、燃料電池スタック１１６の総電圧が上昇する。本実施形態では、時刻ｔ１において燃料電池スタック１１６の総電圧が基準電圧値Ｖｓを越える。これにより、時刻ｔ１から動作点移行処理が実行される。図８に示すように、動作点移行処理は、電流掃引を開始してから目標動作点Ｐｇに至るまでに実行される処理である。動作点移行処理を含む暖機運転制御では、燃料電池スタック１１６の要求発電電力が大きく変動することを抑制するために、コンプレッサ３３（図２）の回転数は予め定めた目標回転数に到達後は一定に維持することが好ましい。よって、暖機運転制御では、コンプレッサ３３が目標回転数に到達した後において、カソードへの酸化剤ガスの供給流量を変化させる場合には、第２調圧弁３７の開度や第３調圧弁３９の開度を調整することで調整される。なお、本実施形態における暖機運転制御では、第１調圧弁３６は全開に維持される。
図７に示すように、動作制御部６４は、遷移期間のうち計測電圧値Ｖｔが切替電圧値Ｖｓｗに至るまでの切替前期間では、実電圧制御を実行する（ステップＳ５２）。実電圧制御では、動作制御部６４は、燃料電池スタック１１６の要求発電電力と、燃料電池スタック１１６の実電圧である電圧センサ９１の計測電圧値Ｖｔとを用いて電流指令値を設定する。具体的には、動作制御部６４は、要求発電電力を計測電圧値Ｖｔで除することによって電流指令値を算出することで設定する。実電圧制御では、動作制御部６４は、算出した電流指令値となるようにＦＤＣ９５を制御して電流掃引を行う。
電圧条件判定部６６は、ステップＳ５２の実電圧制御を開始した後に、計測電圧値Ｖｔが予め定めた切替電圧値Ｖｓｗに到達したか否かを判定する（ステップＳ５４）。計測電圧値Ｖｔが切替電圧値ＶｓｗになるまではステップＳ５２が実行される。計測電圧値Ｖｔが切替電圧値Ｖｓｗとなった場合、動作制御部６４は通常電流制御と待機制御とのいずれか一方の制御を実行する（ステップＳ５６）。すなわち、遷移期間のうち、計測電圧値Ｖｔが切替電圧値Ｖｓｗとなった時点から目標動作点Ｐｇに到達する時点までの切替後期間では、通常電流制御と待機制御とのいずれか一方の制御が実行される。
待機制御は、切替後期間において一定の条件を満たした場合に通常電流制御を中断して実行される。切替電圧値Ｖｓｗは、目標電圧値Ｖｇに予め定めた加算電圧値Ｖａｄを加えた値に設定される。加算電圧値Ｖａｄは、過度な電流掃引が生じた場合でも目標電圧値Ｖｇを下回らない程度の値に設定することが好ましい。本実施形態では、加算電圧値Ｖａｄは６６Ｖに設定されている。
通常電流制御では、制御部６２は、目標電流値Ｉｇまで予め定めた割合で電流指令値を上昇させる。制御部６２は、計測電圧値Ｖｔが電圧指令値よりも低い値である制御開始電圧値Ｖｃｓになった場合に、通常電流制御を中断して待機制御を実行する。待機制御では、制御部６２は、制御開始電圧値Ｖｃｓになった時点の電流指令値を保持することで、電流指令値を一定に維持する。これにより、制御部６２は、燃料電池スタック１１６の電圧を上昇させ、計測電圧値Ｖｔが電圧指令値以上の値である許可電圧値になった場合に、電流指令値の変更を許可することで待機制御を終了する。なお、制御開始電圧値Ｖｃｓは、計測電圧値Ｖｔが電圧指令値を下回った直後に待機制御が実行されるように設定されていてもよいし、計測電圧値Ｖｔの精度を考慮して電圧指令値よりも予め定めた値（例えば５Ｖ）だけ低く設定されていてもよい。また、許可電圧値Ｖｐは、電圧指令値と同じ値であってもよいし、計測電圧値Ｖｔの精度を考慮して電圧指令値よりも一定値（例えば５Ｖ）だけ高い値であってもよい。待機制御では、制御部６２は、図２に示す第２調圧弁３７や第３調圧弁３９の開度を調整することで燃料電池スタック１１６へ供給する酸化剤ガスの流量を増大させてもよい。これにより、燃料電池スタック１１６の電圧をより効率的に上昇させることができる。制御部６２は、待機制御の実行中において電流指令値の変更を許可することで、通常電流制御を再開できる。
図９に示すように、時刻ｔ３において計測電圧値Ｖｔが電圧指令値である目標電圧値Ｖｇより低い値である制御開始電圧値Ｖｃｓになったとする。なお、時刻ｔ３では、電流センサ９２（図３）の計測電流値Ｉｔは目標電流値Ｉｇに到達していない。この場合、時刻ｔ３において計測電圧値Ｖｔが制御開始電圧値Ｖｃｓになったので、制御部６２は通常電流制御を中断して待機制御を実行する。つまり、制御部６２は、時刻ｔ３における電流指令値を保持することで、電流指令値を一定値Ｉａに維持する。
時刻ｔ４において計測電圧値Ｖｔが電圧指令値である目標電圧値Ｖｇ以上の値である許可電圧値Ｖｐに到達したため、制御部６２は、待機制御を終了して通常電流制御を再開する。これにより、通常電流制御によって予め定めた割合で電流指令値が目標動作点Ｐｇに向かって再び上昇する。また、時刻ｔ５～時刻ｔ６の期間や時刻ｔ７～時刻ｔ８の期間でも同様に、待機制御が実行される。
図７に示すように、制御部６２は、燃料電池スタック１１６の動作点（計測電流値Ｉｔ、計測電圧値Ｖｔ）が、目標動作点Ｐｇに到達したか否かを判定する（ステップＳ５８）。動作点が目標動作点Ｐｇに到達するまで、制御部６２は通常電流制御と待機制御とのいずれか一方の制御を実行する。一方で、動作点が目標動作点Ｐｇに到達した場合には、制御部６２は、動作点移行処理を終了する。図９に示す例では、時刻ｔ９において、動作点が目標動作点Ｐｇに到達する。動作点移行処理が終了した後には、制御部６２は、燃料電池スタック１１６が目標温度に到達するまで、目標動作点Ｐｇにおいて暖機運転を実行する。制御部６２は、スタック温度センサ７３（図２）の計測値を、燃料電池スタック１１６の温度として目標温度に到達したか否かを判定する。
上記第１実施形態によれば、計測電圧値Ｖｔが予め定めた電圧条件を満たした後に電流掃引を行うことで、燃料電池スタック１１６のカソードに酸素を十分に存在させた後に暖機運転を行うことができる。これにより、暖機運転中にカソードにおける酸素が欠乏してポンピング水素が発生する可能性を低減できる。ポンピング水素が発生する可能性を低減することで、酸化剤ガス排出路３０８を介して外部に水素が放出されることを抑制できる。加えて、この形態によれば、制御部６２は、遷移期間において、計測電圧値Ｖｔが電圧指令値より低い値である制御開始電圧値Ｖｃｓになった場合に、待機制御を実行する。計測電圧値Ｖｔが電圧指令値よりも低い値になった場合、カソードに酸素が十分に存在していない。よって、この場合において、制御部６２は、電流指令値を一定に維持して計測電圧値Ｖｔが電圧指令値以上の値である許可電圧値Ｖｐとなるとなるまで電流指令値を一定に維持することで、カソードの酸素が不足することを抑制できる。これにより、ポンピング水素の発生をより抑制できる。
また上記第１実施形態によれば、切替前期間においては、実電圧制御が実行されるので、ポンピング水素の発生を抑制しつつ、要求発電電力と、実際の発電電力とのずれが大きくなることを抑制できる。これにより、二次電池９６の充放電量が許容量を超える可能性を低減できる。また、切替後期間においては、通常電流制御が実行されるので、過度な電流掃引が実行されることを抑制できる。またこの形態によれば、通常電流制御を実行している場合において、計測電圧値Ｖｔが制御開始電圧値Ｖｃｓになった場合に、待機制御が実行されることで、カソードの酸素が不足することを抑制できるので、ポンピング水素の発生を抑制できる。
また上記第１実施形態によれば、制御部６２は、遷移期間において動作点を移行させる場合に、等パワーラインＰＬ上となるように、電圧指令値と電流指令値とを設定するので、要求発電電力に対して燃料電池スタック１１６の実際の発電電力が乖離することを抑制できる。これにより、二次電池９６の充放電量を一定の範囲内に制御できるので、二次電池９６の充放電量が許容量を超える可能性を低減できる。
Ｂ．第２実施形態：
図１０は、第２実施形態に燃料電池システム１０の始動処理を示すフローチャートである。上記第１実施形態の始動処理（図６）との違いは、ステップＳ３０ａである。その他のステップについては第１実施形態と第２実施形態とで同様のステップであるため、同一符号を付すと共に説明を省略する。第２実施形態では、電流掃引が許可される予め定めた電圧条件は、端部側燃料電池セル１１ｅの計測電圧値が予め定めた端部側基準電圧値を越えたという条件である。
ステップＳ２０の次に、電圧条件判定部６６は、電圧センサ９１によって計測された端部側燃料電池セル１１ｅの計測電圧値が、予め定めた端部側基準電圧値Ｖｃｅを超えたか否かを判定する（ステップＳ３０ａ）。端部側基準電圧値Ｖｃｅは、端部側燃料電池セル１１ｅのカソードに酸素が十分に供給されたと判定できる値、例えば、０．８Ｖに設定されている。ここで、複数の端部側燃料電池セル１１ｅの各計測電圧値を用いてステップＳ３０ａの判定が行われる場合、制御部６２は、例えば、複数の端部側燃料電池セル１１ｅのうちの予め定めたセル数の各計測電圧値が、それぞれ端部側基準電圧値Ｖｃｅを越えたか否かを判定する。
上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の構成を有する点において同様の効果を奏する。例えば、端部側燃料電池セル１１ｅの計測電圧値が予め定めた電圧条件を満たした後に電流掃引を行うことで、燃料電池スタック１１６のカソードに酸素を十分に存在させた後に暖機運転を行うことができる。これにより、暖機運転中にカソードにおける酸素が欠乏してポンピング水素が発生する可能性を低減できる。ポンピング水素が発生する可能性を低減することで、酸化剤ガス排出路３０８を介して外部に水素が放出されることを抑制できる。また、燃料電池スタック１１６の積層方向ＳＤの長さが長くなって、酸化剤ガスが他方の端部側に到達するのに相当の時間がかかるような場合でも、他方の端部側の端部側燃料電池セル１１ｅに位置する電圧値が予め定めた電圧条件を満たすかどうかを判定することで、ポンピング水素の発生をより抑制できる。つまり、燃料電池スタック１１６の他方の端部側が、一方の端部側よりも酸化剤ガスの到達が遅れることで、酸化剤ガス供給による電圧上昇が一方の端部側よりも他方の端部側の方が遅くなった場合でも。電圧上昇が遅い端部側燃料電池セル１１ｅの計測電圧値が予め定めた電圧条件を満たすかどうかを判定することで、ポンピング水素の発生をより抑制できる。
Ｃ．他の実施形態：
Ｃ－１．第１の他の実施形態：
上記第１実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１６の一方の端部側からのみ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を供給したり排出したりしていたが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１６の一方の端部側から燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を供給し、他方の端部側から燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を排出してもよい。
Ｃ－２．第２の他の実施形態：
制御部６２は、上記第１実施形態では燃料電池スタック１１６の総電圧値が電圧条件を満たした場合に電流掃引を開始し、上記第２実施形態では端部側燃料電池セル１１ｅの電圧値が電圧条件を満たす場合に電流掃引を開始していたが限定されるものではない。例えばは、燃料電池スタック１１６の一方側に位置する燃料電池セル１１や、中央に位置する燃料電池セル１１の電圧値が電圧条件を満たした場合に、電流掃引を開始してもよい。
Ｃ－３．第３の他の実施形態：
上記各実施形態では、制御部６２は、遷移期間において、実電圧制御や通常電流制御を実行していたが、これに限定されるものではない。例えば、制御部６２は、遷移期間において、待機制御に加え、実電圧制御と通常電流制御のいずれか一方の制御のみを実行してもよいし他の制御を実行してもよい。また、例えば、遷移期間において、電流指令値を一時的に下げる制御が行われてもよい。
Ｃ－４．第４の他の実施形態：
上記各実施形態では、図６のステップＳ１０では、制御部６２は、外気温センサ３８の計測値が予め定めた温度以下である場合に、暖気要求があると判定していたが、これに限定されるものではない。例えば、制御部６２は、スタック温度センサ７３の計測値が予め定めた温度以下である場合に、暖気要求があると判定してもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池セル、１１ｅ…端部側燃料電池セル、１２…燃料電池車両、３０…酸化剤ガス給排系、３０Ａ…酸化剤ガス供給系、３０Ｂ…酸化剤ガス排出系、３１…エアクリーナ、３３…コンプレッサ、３４…モータ、３５…インタークーラ、３６…第１調圧弁、３７…第２調圧弁、３８…外気温センサ、３９…第３調圧弁、５０…燃料ガス給排系、５０Ａ…燃料ガス供給系、５０Ｂ…燃料ガス循環系、５０Ｃ…燃料ガス排出系、５１…燃料ガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクター、５５…循環ポンプ、５６…モータ、５７…気液分離器、５８…排気排水弁、５９…圧力センサ、６０…制御装置、６２…制御部、６４…動作制御部、６６…電圧条件判定部、６８…記憶部、７０…冷媒循環系、７１…ラジエータファン、７２…ラジエータ、７３…スタック温度センサ、７４…冷媒循環ポンプ、７５…モータ、７９…冷媒循環路、７９Ａ…冷媒供給路、７９Ｂ…冷媒排出路、９１…電圧センサ、９２…電流センサ、９６…二次電池、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、１１０…第１エンドターミナル、１１５…開口部、１１６…燃料電池スタック、１２０…第２エンドターミナル、２５５…負荷、３０２…酸化剤ガス供給路、３０６…バイパス路、３０８…酸化剤ガス排出路、３１０…マフラー、５０１…燃料ガス供給路、５０２…燃料ガス循環路、５０４…排気排水路、Ｉａ…一定値、Ｉｇ…目標電流値、Ｉｔ…計測電流値、Ｍｆａ…マニホールド、Ｍｆｂ…マニホールド、ＰＬ…等パワーライン、Ｐｇ…目標動作点、ＳＤ…積層方向、Ｖｃｅ…端部側基準電圧値、Ｖｃｓ…制御開始電圧値、Ｖｇ…目標電圧値、Ｖｐ…許可電圧値、Ｖａｄ…加算電圧値、Ｖｓ…基準電圧値、Ｖｓｗ…切替電圧値、Ｖｔ…計測電圧値

Claims (2)

  1. 燃料電池システムであって、
    積層された複数の燃料電池セルであって、アノードとカソードとをそれぞれ有する複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの電圧を計測するための電圧センサと、
    前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系と、
    前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系と、
    前記燃料電池システムに関する温度を計測する温度センサと、
    前記電圧センサが計測した計測電圧値を用いて前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池システムを始動する際に、前記温度センサの計測値が予め定めた温度以下である場合には、
    前記燃料電池スタックの電流掃引を開始する前に、前記酸化剤ガス供給系を動作させて前記カソードに前記酸化剤ガスを供給することで、前記燃料電池スタックの電圧を予め定めた電圧条件を満たすまで上昇させ、
    前記計測電圧値が前記電圧条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックからの電流掃引を開始して、前記燃料電池スタックを昇温させる暖機運転を実行し、
    前記制御部は、前記暖機運転を実行する際には、前記電流掃引を開始してから前記暖機運転における目標電圧値と目標電流値とで定まる目標動作点に至るまでの遷移期間において、前記計測電圧値が電圧指令値より低い値である制御開始電圧値になった場合に、電流指令値を一定に維持する待機制御を実行し、前記待機制御の実行中において、前記計測電圧値が前記電圧指令値以上の値である許可電圧値になった場合に、前記電流指令値の変更を許可することで前記待機制御を終了し、
    前記制御部は、
    前記遷移期間のうち、前記計測電圧値が予め定めた切替電圧値となった時点から前記目標動作点に到達する時点までの切替後期間では、前記目標電流値まで予め定めた割合で前記電流指令値を上昇させる通常電流制御を実行し、
    前記遷移期間のうち、前記計測電圧値が前記切替電圧値に至るまでの切替前期間では、前記燃料電池スタックの要求発電電力と前記計測電圧値とを用いて前記電流指令値を設定し、設定した前記電流指令値となるように前記電流掃引を行う実電圧制御を実行し、
    前記通常電流制御を実行している場合において、前記計測電圧値が前記制御開始電圧値になった場合に、前記通常電流制御を中断して前記待機制御を実行し、前記計測電圧値が前記許可電圧値になった場合に、前記電流指令値の変更を許可することで前記待機制御を終了して前記通常電流制御を再開する、燃料電池システム。
  2. 燃料電池システムであって、
    積層された複数の燃料電池セルであって、アノードとカソードとをそれぞれ有する複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの電圧を計測するための電圧センサと、
    前記カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系と、
    前記アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系と、
    前記燃料電池システムに関する温度を計測する温度センサと、
    前記電圧センサが計測した計測電圧値を用いて前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池システムを始動する際に、前記温度センサの計測値が予め定めた温度以下である場合には、
    前記燃料電池スタックの電流掃引を開始する前に、前記酸化剤ガス供給系を動作させて前記カソードに前記酸化剤ガスを供給することで、前記燃料電池スタックの電圧を予め定めた電圧条件を満たすまで上昇させ、
    前記計測電圧値が前記電圧条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックからの電流掃引を開始して、前記燃料電池スタックを昇温させる暖機運転を実行し、
    前記制御部は、前記暖機運転を実行する際には、前記電流掃引を開始してから前記暖機運転における目標電圧値と目標電流値とで定まる目標動作点に至るまでの遷移期間において、前記計測電圧値が電圧指令値より低い値である制御開始電圧値になった場合に、電流指令値を一定に維持する待機制御を実行し、前記待機制御の実行中において、前記計測電圧値が前記電圧指令値以上の値である許可電圧値になった場合に、前記電流指令値の変更を許可することで前記待機制御を終了し、
    前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池スタックによって発電された電力を充放電する二次電池を有し、
    前記制御部は、前記遷移期間の少なくとも一部において、前記燃料電池スタックの電圧値と電流値とで定まる動作点を移行させる場合に、前記動作点が前記燃料電池スタックの要求発電電力と同じ発電電力を示す前記燃料電池スタックの等パワーライン上となるように、前記電圧指令値と前記電流指令値とを設定する、燃料電池システム。
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