JP2004119139A

JP2004119139A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2004119139A
Application number: JP2002279618A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Hashigaya; 橋ヶ谷　浩昭
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: JP4010217B2

Abstract

【課題】フラッディングの発生を未然に防ぎ、燃料電池スタックから取り出す電力の変動を解消する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスの供給により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、車両の運転状態に応じて設定された燃料電池スタックの電気出力目標値が前回設定した電気出力目標値から低下した場合に、酸化ガス状態量の目標値、例えば空気流量の目標値を補正する。これにより、燃料電池スタック内の水分が凝縮されずに水蒸気のまま外部に運び出されると共に、溢れた水分も同時に押し流されて、フラッディングの発生が未然に防止される。
【選択図】　　　図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、フラッディングと称される燃料電池スタック内での水溢れを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池システムが注目を浴びている。燃料電池システムは、発電セルが多段に積層されてなる燃料電池スタックに対して、燃料となる水素ガス或いは水素リッチな改質ガス及び酸化ガス（空気）を供給して、電気化学反応を生じさせ、化学エネルギを電気エネルギに変換するシステムである。なかでも、各発電セルの電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池システムは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
以上のような固体高分子電解質型の燃料電池システムにおいて、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能すると共に、水素と酸素とを分離する機能も有することになる。このため、固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。したがって、固体高分子電解質型の燃料電池システムでは、外部から水分を供給して積極的に固体高分子膜を加湿する必要があり、例えば燃料電池スタックに供給される酸化ガスを加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。
【０００４】
ただし、運転条件等によっては、加湿された酸化ガスに含まれる水分の一部が凝縮して水滴となったり、更には空気極において生ずる生成水が残留して液滴となり、これらが電極表面に付着して、燃料電池スタック内での水溢れ（いわゆるフラッディング）を引き起こす場合がある。フラッディングは、電極表面に付着した水滴によって電極へのガスの拡散が阻害される現象であり、電圧低下や出力低下の原因となる。
【０００５】
このようなフラッディングを解消する方法としては、燃料電池スタックの出力電圧、内部抵抗、酸化ガスの排ガス湿度の少なくともいずれか１つを検出し、検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合にフラッディングと判断して、酸化ガスの流量或いは圧力を増加させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
更に、排ガス流量や排ガス圧力、排ガス温度、出力電流に基づいて燃料電池スタックの内部の水含有状態を求め、水含有状態からフラッディングと判定されたときには燃料電池スタックの圧縮応力が小さくなるように、また、水含有状態からドライアップ状態と判定されたときには燃料電池スタックの圧縮応力が大きくなるように、圧縮応力調節機構を駆動する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２記載の方法では、圧縮応力を調節することにより、燃料電池スタック内部における水の移動スペースを調節し、燃料電池スタックの内部の水含有状態を適正な状態としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１６７４２１号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−３１９６７３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１，２にて開示される技術は、いずれも燃料電池の運転状態からフラッディングが発生していることを検出し、燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量や湿度、或いは燃料電池スタックに加える圧縮応力を変化させるものであり、燃料電池スタックから取り出す電力の変動を抑え切れないという不都合がある。
【００１０】
すなわち、従来の技術では、フラッディングが検出されてから、言い換えると燃料電池スタックのセル電圧が不安定になってからフラッディングへの対応を行うことになるので、燃料電池スタックから取り出す電力には必然的に変動が生じてしまう。したがって、例えば前記変動が車両挙動に影響を与えないように大容量のバッテリを搭載する必要が生じたり、酸化ガスの流量を変化させるためのコンプレッサが不自然な駆動音を発したりという不具合が生ずる。また、特許文献２記載の技術では、圧縮応力を変化させるための手段を追加する必要があり、装置構成が複雑なものとなる。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の有する不都合を解消することを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、燃料電池スタックから取り出す電力の変動無しにフラッディングの発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。また、本発明は、新たなデバイス等を付加する必要がなく、装置構成を複雑なものとすることなくフラッディングを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給により発電する燃料電池スタックを備え、車両の運転状態に応じて前記燃料電池スタックの電気出力目標値が設定される燃料電池システムであり、設定された電気出力目標値に応じて前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス状態量の目標値を設定する共に、電気出力目標値の低下時には、設定された前記酸化ガス状態量の目標値を補正することを特徴とするものである。
【００１３】
すなわち、従来技術では、上述したようにフラッディングを検出してから酸化ガスの流量等を変更し、余分な水を外部に運び出すようにしているのに対して、本発明は、電気出力目標値の低下時に酸化ガス状態量の目標値を補正することで、フラッディングの発生を未然に防止するようにしたものである。
【００１４】
ここで、酸化ガス状態量とは、例えば、酸化ガス流量、酸化ガス圧力、酸化ガス温度、酸化ガス加湿量等をいい、燃料電池スタックの電気出力目標値が低下する際に、例えば所定の遅れを持たせて酸化ガスの流量を低下させるような補正を行う。或いは、燃料電池スタックの電気出力目標値が低下する際に、酸化ガスの圧力を素早く低下させるような補正を行う。これにより、燃料電池スタック内部で生じる生成水や加湿された酸化ガスに含まれる水分等に由来した液滴が、燃料電池スタックからの排ガス（排空気）によって効率的に排出されることになる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタック内部の余分な水分（液滴）を燃料電池スタックからの排ガスによって効率的に排出することができるので、燃料電池スタックから取り出す電力に変動を生じさせることなく、フラッディングの発生を未然に防止することができる。また、本発明は、新たなデバイス等を付加することなく、現有のシステム構成に合わせて、例えばコントローラを動作させるプログラムの変更のみで実現できるので、装置構成の複雑化やコストの増大を招くこともない。更に、電気出力目標値の変化量に応じて、酸化ガス状態量の補正に必要な各種パラメータ（例えば遅れ時定数等）を予め算出しておくことで、コントローラで複雑な演算処理を行うことなく、フラッディング防止の効果を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
本実施形態は、燃料電池スタックの電気出力目標値が低下したときに、この電気出力目標値に応じて設定された酸化ガス流量の目標値を補正して、酸化ガス流量を低下させるタイミングに遅れを持たせることで、フラッディングの発生を未然に防止するようにした例である。
【００１８】
本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を図１に示す。この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系、酸化ガスである空気を供給する空気供給系、及び燃料電池スタック１を冷却するための冷却機構を備えている。
【００１９】
燃料電池スタック１には、電力制御装置２が接続されている。そして、この電力制御装置２の制御によって、燃料電池スタック１から車両の運転状態に応じた電力が取り出されるようになっている。また、この電力制御装置２はコントローラ３に接続されており、電力制御装置２からの情報に基づいて、コントローラ３が燃料供給系や空気供給系、冷却機構を制御するようになっている。
【００２０】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素ガスが供給される燃料極１ａと酸化ガスである空気が供給される空気極１ｂとが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされてなる発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。燃料極１ａでは、供給された水素ガスが水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極にそれぞれ移動する。空気極１ｂでは、供給された空気中の酸素と燃料極１ａからの水素イオン及び電子が反応して水が生成される。この生成水は、外部に排出される。
【００２１】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、上述したように、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、この燃料電池スタック１には、固体高分子電解質を加湿するための水分が供給されるようになっている。
【００２２】
燃料供給系は、水素調圧バルブ４、エゼクタ５、水素供給配管６、水素循環配管７、水素ガス加湿装置８を有する。そして、この燃料供給系は、図示しない水素供給源（例えば高圧水素タンク等）から供給される水素ガスを、水素調圧バルブ４及びエゼクタ５を通して水素供給配管６へと送り、水素ガス加湿装置８において加湿した後、燃料電池スタック１の燃料極１ａに供給するようになっている。水素ガス加湿装置８には、図示しない加湿用純水経路が設けられており、純水の流量や温度等によって水素ガスの加湿量が制御される。
【００２３】
燃料電池スタック１では供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、残った水素ガス（燃料電池スタック１から排出される排水素ガス）は、水素循環配管７を通ってエゼクタ５により循環され、水素供給源から新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック１の燃料極１ａに供給される。なお、燃料電池スタック１の出口側には、水素パージバルブ９及び水素パージ配管１０が設けられている。これら水素パージバルブ９及び水素パージ配管１０は、水素ガスを循環させることで水素循環配管７内に蓄積された不純物や窒素等を除去するためのものである。すなわち、水素ガスを循環させるようにすると、水素循環配管７内に不純物や窒素等が蓄積し、水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率が低下する場合がある。これら水素パージバルブ９や水素パージ配管１０を設けることで、水素循環配管７内から不純物や窒素等を除去することができ、燃料電池スタック１の効率低下を抑制することができる。
【００２４】
また、この燃料供給系においては、水素供給配管６の中途部に燃料極圧力センサ１１が設けられており、燃料電池スタック１の燃料極１ａの圧力がこれによってモニタリングされている。そして、この燃料極圧力センサ１１からの情報に基づいて、コントローラ３が水素調圧バルブ４を制御するようになっている。
【００２５】
一方、空気供給系は、空気を送り込むコンプレッサ１２、空気流量センサ１３、空気加湿装置１４、空気供給配管１５、空気極調圧バルブ１６を有している。そして、この空気供給系は、コンプレッサ１２からの空気を、空気流量センサ１３及び空気加湿装置１４を通して空気供給配管１５へと送り、燃料電池スタック１の空気極１ｂに供給するようになっている。空気加湿装置１４には、図示しない加湿用純水経路が設けられており、純水の流量や温度等によって空気の加湿量が制御される。燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池スタック１から空気極調圧バルブ１６を介して排出される。
【００２６】
この空気供給系においても、空気供給配管１５の中途部には空気極圧力センサ１７が設けられており、燃料電池スタック１の空気極１ｂの圧力がこれによってモニタリングされている。そして、この空気極圧力センサ１７からの情報に基づいて、コントローラ３が空気極調圧バルブ１６を制御するようになっている。
【００２７】
固体高分子電解質を用いた燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃前後と比較的低いため、過熱時には冷却することが必要である。そこで、この燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１を冷却する冷却機構が設けられている。この冷却機構は、冷媒としての冷却水を循環させる冷却水循環配管１８を有し、循環する冷却水によって燃料電池スタック１を冷却することで、燃料電池スタック１を最適な温度に維持する。
【００２８】
冷却水の循環経路にはラジエータ１９が設けられている。また、このラジエータ１９と並列にバイパス配管２０が設けられており、冷却水バイパス流量制御弁２１を制御することにより、バイパス配管２０を流れる冷却水の流量が制御されるようになっている。
【００２９】
このような冷却機構では、燃料電池スタック１で発生した熱は、冷却水循環配管１８を流れる冷却水によって持ち去られ、ラジエータ１９で外部に放出される。冷却水は、冷却水ポンプ２２によって冷却水循環配管１８内を循環される。ここで、冷却水循環配管１８の燃料電池スタック１からの出口側中途部には、冷却水温度センサ２３が設けられており、この冷却水温度センサ２３によって冷却水の温度が測定される。そして、この冷却水温度センサ２３からの検出温度に基づいて、コントローラ３が冷却水バイパス流量制御弁２１を制御する。すなわち、冷却水温度が低すぎる場合には、冷却水バイパス流量制御弁２１を制御してバイパス配管２０を流れる冷却水を増加させ、温度低下を防止する。一方、冷却水温度が高すぎる場合には、冷却水バイパス流量制御弁２１を制御してバイパス配管２０を流れる冷却水を減少させ、温度上昇を防止する。
【００３０】
以上、本発明を適用した燃料電池システムの基本的な構成を説明したが、次に、このような燃料電池システムにおいて特徴的な部分であるコントローラ３の構成及び機能について、詳細に説明する。
【００３１】
コントローラ３は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等がバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有しており、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用して、ＲＯＭに格納された動作制御プログラムを実行することによって、図２に示すように、目標空気流量設定部（酸化ガス状態量設定手段）３１、目標空気圧力設定部３２、目標水素圧力設定部３３、コンプレッサ回転数及び空気極調圧バルブ開度制御部（酸化ガス状態量制御手段）３４、水素調圧バルブ開度制御部３５、時定数設定部３６、目標空気流量修正部（酸化ガス状態量補正手段）３７としての各機能が実現されるようになっている。
【００３２】
目標空気流量設定部３１は、車両の運転状態に応じて設定された燃料電池スタック１の電気出力目標値、例えば燃料電池スタック１から取り出す電力目標値に応じて、燃料電池スタック１に供給する空気（酸化ガス）流量の目標値を算出するものである。燃料電池スタック１に供給する空気の最適な流量は、図３に示すように、燃料電池スタック１から取り出すべき電力目標値に応じて変化するものである。目標空気流量設定部３１は、アクセルセンサや車速センサ等からの情報に基づいて燃料電池スタック１から取り出すべき電力目標値が設定されると、例えば図３に示すようなテーブルを参照して、設定された電力目標値に対応した空気流量の目標値を算出する。
【００３３】
目標空気圧力設定部３２は、燃料電池スタック１から取り出す電力目標値に応じて、燃料電池スタック１に供給する空気圧力の目標値を算出するものである。燃料電池スタック１に供給する空気の最適な圧力も、図４に示すように、燃料電池スタック１から取り出すべき電力目標値に応じて変化するものである。目標空気圧力設定部３２は、燃料電池スタック１から取り出すべき電力目標値が設定されると、図４に示すようなテーブルを参照して、設定された電力目標値に対応した空気圧力の目標値を算出する。
【００３４】
目標水素圧力設定部３３は、燃料電池スタック１から取り出す電力目標値に応じて、燃料電池スタック１に供給する水素圧力の目標値を算出するものである。燃料電池スタック１に供給する水素ガスの最適な圧力も、図５に示すように、燃料電池スタック１から取り出すべき電力目標値に応じて変化するものである。目標水素圧力設定部３３は、燃料電池スタック１から取り出すべき電力目標値が設定されると、図５に示すようなテーブルを参照して、設定された電力目標値に対応した水素圧力の目標値を算出する。
【００３５】
コンプレッサ回転数及び空気極調圧バルブ開度制御部３４は、空気極圧力センサ１７からの出力信号と空気流量センサ１３からの出力信号、目標空気流量設定部３１により算出された空気流量の目標値、及び目標空気圧力設定部３２により算出された空気圧力の目標値に基づいて、コンプレッサ１２の制御量と空気極調圧バルブ１６の制御量とを算出し出力する。このとき、コンプレッサ回転数及び空気極調圧バルブ開度制御部３４は、目標空気流量設定部３１により算出された空気流量の目標値が目標空気流量修正部３７で補正された場合には、この補正された目標値を用いてコンプレッサ１２の制御量と空気極調圧バルブ１６の制御量とを算出し出力する。
【００３６】
水素調圧バルブ開度制御部３５は、燃料極圧力センサ１１からの出力信号と、目標水素圧力設定部３３により算出された水素圧力の目標値とに基づいて、水素調圧バルブ４への制御量を算出し出力する。
【００３７】
なお、コンプレッサ回転数及び空気極調圧バルブ開度制御部３４と水素調圧バルブ開度制御部３５では、いわゆるＰＩ制御方式により、下記（１−１）式〜（１−３）式により、コンプレッサ制御量Ｕｃｏｍｐ、空気極調圧バルブ制御量ＵＰ＿ＡＩＲ、水素調圧バルブ制御量ＵＰ＿Ｈ２の算出を行う。
【００３８】
【数１】

以上により、本実施形態の燃料電池システムでは、車両の運転状態に応じて燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が変化するたびに、燃料電池スタック１に供給する空気流量の目標値や空気圧力の目標値、水素圧力の目標値をこれに合わせて変更し、常に最適な運転状態が得られるようにする。ただし、燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が低下する際には、燃料電池スタック１に供給する空気流量を直ちに低下させるとフラッディングの原因となるので、コントローラ３に上述した時定数設定部３６及び空気流量修正部３７としての機能を実現させて、空気流量の目標値を補正するようにしている。
【００３９】
燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が低下した際に即座に空気流量を低下してはならない理由としては、大きく分けて、以下の２点が挙げられる。
【００４０】
（１）発電により生じた生成水等が燃料電池スタック１内を通過し排出されるまでに所定の時間を要すること。
【００４１】
（２）燃料電池スタック１の発熱量が減少し、その結果、排出される空気の温度が低下して飽和水蒸気圧が低下し、燃料電池スタック１内部で水の凝縮が起こること。
【００４２】
本実施形態においては、先ず、（１）の問題に対応するため、電力目標値の低下に応じて空気流量を低下させる際に、遅延時間（いわば無駄時間）Δｔを設ける。図６は、低下後の電力目標値と必要な無駄時間Δｔとの関係を示すものである。時定数設定部３６は、図６に示すようなテーブルを参照して、低下後の電力目標値に基づいて無駄時間Δｔを設定する。
【００４３】
また、本実施形態においては、（２）の問題を対応するために、空気流量の低下に遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲを設定する。この遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲは、電力目標値の変化量、すなわち、この電力目標値の変化に応じた温度低下から予測される水残留量に合わせて設定する必要がある。図７は、電力目標値の変化量と設定すべき遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲとの関係を示すものである。時定数設定部３６は、図７に示すようなテーブルを参照して、電力目標値の変化量に基づいて、空気流量を低下させる際の遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲを設定する。
【００４４】
目標空気流量修正部３７は、時定数設定部３６で算出された無駄時間Δｔと遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲとを用い、下記（１−４）式に示す演算を行い、目標空気流量設定部３１で算出された空気流量の目標値を補正する。
【００４５】
【数２】

なお、上記（１−４）式において、ｓはラプラス演算子、ｔＱＡＩＲは補正した空気流量の目標値、ｔＱＡＩＲ＿１（Δｔ）は目標空気流量設定部３１でΔｔ秒前に設定された空気流量の目標値である。
【００４６】
燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が低下したときのコントローラ３による処理の流れの一例を図８に示す。先ず、燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が設定されると（ステップＳ１）、目標空気流量設定部３１により、この電力目標値に応じた空気流量の目標値が設定される（ステップＳ２）。次いで、前回設定された電力目標値（低下前の電力目標値）が読み込まれて（ステップＳ３）、この前回設定された電力目標値と新たに設定された電力目標値とが比較され、これらの電力目標値の差、すなわち低下前と低下後との電力目標値の変化量が所定値以上であるかどうかが判断される（ステップＳ４）。
【００４７】
その結果、電力目標値の変化が所定値以上の低下であれば、時定数設定部３６により遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲや無駄時間Δｔが設定され（ステップＳ５）、これら遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲや無駄時間Δｔに基づいて、目標空気流量修正部３７により、目標空気流量設定部３１で設定された空気流量の目標値が補正される（ステップＳ６）。一方、低下前と低下後との電力目標値の変化量が僅かである場合には、空気流量目標値の補正は行われない。
【００４８】
そして、空気流量の目標値が補正されない場合は目標空気流量設定部３１で設定された空気流量の目標値、空気流量の目標値が補正された場合は目標空気流量修正部３７で補正された空気流量の目標値に基づき、コンプレッサ回転数及び空気極調圧バルブ開度制御部３４により、コンプレッサ１２の制御量が算出され、所望の流量の空気が燃料電池スタック１に供給される（ステップＳ７）。
【００４９】
なお、前回設定された電力目標値（低下前の電力目標値）が大きい場合には、燃料電池スタック１内に残留する水の量が多いと予想されるので、それに応じて遅れ時定数を変化させるようにしてもよい。また、燃料電池スタック１の温度に応じて遅れ時定数を変化させるようにしてもよい。
【００５０】
燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が低下したときに空気流量の目標値に補正を加えた場合（第１の実施形態）の空気流量の変化の様子を、補正を加えない場合（従来例）と対比させて図９に示す。この図９に示すように、従来例では電力目標値が低下すると直ちに空気流量が低下されている。これに対して、本実施形態では、空気流量の低下に無駄時間Δｔや遅れ時定数τＱ＿ＡＩＲが設定され、空気流量が低下するタイミングが遅らされていると共に、徐々に低下するように設定されている。
【００５１】
空気流量が以上のように変化した場合に、燃料電池スタック１内部に残留する残留水の量が変化する様子を図１０に示す。この図１０から、従来例のように空気流量を直ちに低下させた場合には、電力目標値を低下させた直後に残留水が急激に増加していることがわかる。これに対して、本実施形態のように空気流量の目標値に補正を加え、電力目標値の低下に遅れて徐々に空気流量が低下するように設定することで、残留水の変化が緩やかになっている。これは、空気流量の目標値に補正を加えることで、電力目標値を低下させた直後にその電力目標を実現する空気量を超える空気が流れ、余分な水分が凝縮されずに水蒸気のまま燃料電池スタック１内から外部に運び出されると共に、溢れた水分も同時に押し流されて燃料電池スタック１から排出されるためと考えられる。
【００５２】
以上のように、本実施形態では、燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が低下したときに、燃料電池スタック１内部に残留する水の量を減少させることができる。したがって、本実施形態によれば、フラッディングを未然に抑制することが可能である。
【００５３】
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、空気（酸化ガス）流量の低下を遅らせることで燃料電池スタックから持ち出す水の量を増加させているが、本実施形態では、それに加えて、空気（酸化ガス）の圧力を素速く低下させることで燃料電池スタックから持ち出し得る水の量を増加させている。すなわち、空気の圧力を低下させれば、単位体積当たり含水できる水分量が増加することにより凝縮水が減り、水分は水蒸気のまま燃料スタックから持ち出されることになる。
【００５４】
本実施形態における燃料電池システムの構成は、上述した第１の実施形態において図１に示したものと同一であるので、ここではその説明は省略する。図１１に本実施形態におけるコントローラ３の構成を示す。コントローラ３の構成も、上述した第１の実施形態において図２に示したものとほぼ同じであるが、第２の時定数設定部３８と目標空気圧力修正部（酸化ガス状態量補正手段）３９とが追加されている点のみ、図２に示したものとは異なっている。
【００５５】
第２の時定数設定部３８は、空気圧力の低下に進み時定数ＧＱ＿ＡＩＲ＿Ｂを設定するものである。燃料電池スタック１から取り出す電力目標値の変化量と設定すべき進み時定数ＧＱ＿ＡＩＲ＿Ｂとの関係を図１２に示す。第２の時定数設定部３８は、図１２に示すようなテーブルを参照して、低下前と低下後との電力目標値の変化量に基づいて、空気圧力を低下させる際の進み時定数ＧＱ＿ＡＩＲ＿Ｂを設定する。
【００５６】
目標空気圧力修正部３９は、第２の時定数設定部３８で設定された進み時定数ＧＱ＿ＡＩＲ＿Ｂを用いて、下記（２−１）式に示す演算を行い、目標空気圧力設定部３２で算出された空気圧力の目標値を補正する。
【００５７】
【数３】

なお、上記（２−１）式において、ｓはラプラス演算子、ｔＰＡＩＲは補正した空気圧力の目標値、ｔＰＡＩＲ＿１は目標空気圧力設定部３２で算出された空気圧力の目標値、ａ，ｂは任意の定数である。
【００５８】
燃料電池スタック１から取り出す電力目標値が低下したときに空気圧力の目標値に補正を加えた場合（第２の実施形態）の空気圧力の変化の様子を、補正を加えない場合（従来例）と対比させて図１３に示す。この図１３に示すように、従来例では電力目標値の低下に合わせて単純に空気圧力が低下されている。これに対して、本実施形態では、空気圧力の低下に進み時定数ＧＱ＿ＡＩＲ＿Ｂが設定され、電力目標値が低下されると同時に空気圧力が急激に低下するように設定されている。
【００５９】
空気圧力が以上のように変化した場合に、燃料電池スタック１内部に残留する残留水の量が変化する様子を図１４に示す。この図１４から、従来例のように空気圧力を単純に低下させた場合には、電力目標値を低下させた直後に残留水が急激に増加していることがわかる。これに対して、本実施形態のように空気圧力の目標値に補正を加え、電力目標値の低下時に空気圧力が急激に低下するように設定することで、残留水の変化が緩やかになっている。これは、空気圧力の目標値に補正を加えることで単位体積当たり含水できる水分量が増加することにより凝縮水が減り、水分が水蒸気のまま燃料スタック１から速やかに持ち出された結果と考えられる。
【００６０】
以上のように、本実施形態においても、燃料電池スタック１から取り出される電力目標値が低下したときに、燃料電池スタック１内部に残留する水の量を減少させることができ、フラッディングを未然に抑制することができる。
【００６１】
なお、上述した何れの実施形態においても、燃料電池スタック１の電気出力目標値として、燃料電池スタック１から取り出す電力目標値（ｉ×Ｖ）に応じて空気（酸化ガス）の状態量（流量や圧力）を設定しているが、燃料電池スタック１から取り出す電流（ｉ）の目標値に応じて酸化ガス状態量を設定することも可能である。また、補正する酸化ガス状態量としては、上述したような空気の流量や圧力に限らず、空気の温度や空気の加湿量であってもよく、これらのうちから複数を組み合わせて補正することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの全体構成を概略的に示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるコントローラに実現される各機能を示す機能ブロック図である。
【図３】燃料電池スタックから取り出す電力目標値と最適な空気流量との関係を示す特性図である。
【図４】燃料電池スタックから取り出す電力目標値と最適な空気圧力との関係を示す特性図である。
【図５】燃料電池スタックから取り出す電力目標値と最適な水素圧力との関係を示す特性図である。
【図６】燃料電池スタックから取り出す電力目標値と必要な無駄時間との関係を示す特性図である。
【図７】燃料電池スタックから取り出す電力目標値の変化量と最適な遅れ時定数との関係を示す特性図である。
【図８】電力目標値が低下した場合における処理手順を示すフローチャートである。
【図９】第１の実施形態における空気流量の変化を従来例と比較して示す図である。
【図１０】燃料電池スタック内に残留する残留水の量の変化を示す図である。
【図１１】第２の実施形態におけるコントローラに実現される各機能を示す機能ブロック図である。
【図１２】燃料電池スタックから取り出す電力目標値の変化量と最適な進み時定数との関係を示す特性図である。
【図１３】第２の実施形態における空気圧力の変化を従来例と比較して示す図である。
【図１４】燃料電池スタック内に残留する残留水の量の変化を示す図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　電力制御装置
３　コントローラ
４　水素調圧バルブ
１１　燃料極圧力センサ
１２　コンプレッサ
１３　空気流量センサ
１６　空気極調圧バルブ
３１　目標空気流量設定部
３２　目標空気圧力設定部
３３　目標水素圧力設定部
３４　コンプレッサ回転数及び空気極調圧バルブ開度制御部
３５　水素調圧バルブ開度制御部
３６　時定数設定部
３７　目標空気流量修正部
３８　第２の時定数設定部
３９　目標空気圧力修正部

Claims

燃料ガス及び酸化ガスの供給により発電する燃料電池スタックを備え、車両の運転状態に応じて前記燃料電池スタックの電気出力目標値が設定される燃料電池システムにおいて、
設定された電気出力目標値に応じて前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス状態量の目標値を設定すると共に、電気出力目標値の低下時には、設定された前記酸化ガス状態量の目標値を補正することを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガス及び酸化ガスの供給により発電する燃料電池スタックを備え、車両の運転状態に応じて前記燃料電池スタックの電気出力目標値が設定される燃料電池システムにおいて、
設定された電気出力目標値に応じて前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス状態量の目標値を設定する酸化ガス状態量設定手段と、
前記電気出力目標値の低下時に、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス状態量の目標値を補正する酸化ガス状態量補正手段と、
前記酸化ガス状態量設定手段により設定された目標値、又は前記酸化ガス状態量補正手段により補正された目標値に基づき、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの状態量を制御する酸化ガス状態量制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記酸化ガス状態量補正手段は、低下前の電気出力目標値、低下後の電気出力目標値、或いはこれら電気出力目標値の変化量のうちの少なくとも１つに応じて、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス状態量の目標値を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記酸化ガス状態量補正手段は、前記電気出力目標値の変化量が所定値以上である場合に、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス状態量の目標値を補正することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記酸化ガス状態量が酸化ガス流量であり、
前記酸化ガス状態量補正手段は、前記電気出力目標値の変化量に応じた遅れ時定数に基づいて、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス流量の目標値を補正することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
前記酸化ガス状態量補正手段は、前記電気出力目標値の低下時に、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量が低下するタイミングを遅らせるように、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス流量の目標値を補正することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
前記酸化ガス状態量が酸化ガス圧力であり、
前記酸化ガス状態量補正手段は、前記電気出力目標値の変化量に応じた進み時定数に基づいて、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス圧力の目標値を補正することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
前記酸化ガス状態量補正手段は、前記電気出力目標値の低下時に、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの圧力が前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス圧力の目標値よりも低い圧力となるように、前記酸化ガス状態量設定手段により設定された酸化ガス圧力の目標値を補正することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
前記電気出力目標値が前記燃料電池から取り出す電力目標値又は電流目標値であることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。