JP2007005171A

JP2007005171A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007005171A
Application number: JP2005184929A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamaguchi; 浩一山口; Keigo Ikezoe; 圭吾池添
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP4816878B2

Abstract

【課題】フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０とコントローラ８０とを備えている。コントローラ８０は負荷の要求に応じて電気出力目標値を設定し、この電気出力目標値に応じて燃料電池１０に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給制御を行う。また、コントローラ８０は、電気出力目標値の低下時に直ちに酸化剤極の圧力を低下させず、所定時間経過後に急激に圧力を低下させる。これにより、単なるガス流量を増大させる場合よりも、凝縮された水分を一気に排出することとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の酸化剤極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（例えば特許文献１参照）。

燃料極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
酸化剤極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
燃料極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や、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が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、及び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、及びガソリンなどが考えられる。酸化剤極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

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による発電ができなくなってしまう。従って、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剤ガスを加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。

ただし、運転条件等によっては、加湿された酸化剤ガスに含まれる水分の一部が凝縮して液滴となったり、酸化剤極において生ずる生成水が残留して液滴となったりして液滴が電極表面に付着し、燃料電池内での水溢れ（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。

このようなフラッディングを解消する方法としては、燃料電池の出力電圧、内部抵抗、及び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ものが知られている（例えば特許文献２参照）。
特開平８−１０６９１４号公報特許第３５８４５１１号公報

しかしながら、上記特許文献に開示される技術は、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、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量や湿度を変化させるものであり、燃料電池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。すなわち、従来の技術では、フラッディングが発生して燃料電池の運転状態に変化が及んだことによりフラッディングを検出するため、検出時においては燃料電池のセル電圧が不安定になっており、この段階で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。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動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にある。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、負荷の要求に応じて燃料電池の電気出力目標値を設定し、設定した電気出力目標値に応じて酸化剤ガスの供給制御を行う制御手段とを備えている。また、制御手段は、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする圧力補正制御を行う。

本発明によれば、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させることとしている。ここで、電気出力目標値が低下すると、発電量が少なくなり、発熱量も減る。このため、電気出力目標値が低下すると、酸化剤極内のガス温度が低下し、燃料電池内で余剰水分が凝縮することとなる。すなわち、本発明では、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させることで、酸化剤極の圧力低下を所定時間待機し、この待機中に酸化剤極の圧力が高いままで余剰水分を凝縮させることとしている。

また、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度によりも速くすることとしている。このため、電気出力目標値の低下から所定時間経過した後に、比較的速い速度で酸化剤極の圧力を低下させることとなる。このような圧力低下により酸化剤極内のガスが一気に排出されることとなる。ここで、圧力低下を利用したガスの排出を行うと、単純に酸化剤ガスの流量を多くする場合よりも効率的な水分の排出を行うことができる。このため、本発明のように、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くすることで、所定時間圧力を低下させずに凝縮された水分を一気に外部に持ち出すことが可能となる。

このように、水分を凝縮させたうえで水分を一気に外部に持ち出すことが可能となり、フラッディングの発生自体を未然に防止することとなる。従って、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一又は同様の要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０とを備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスの供給を受ける燃料極と、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料電池１０は電解質膜を備えている。電解質膜は燃料極と酸化剤極とを隔てるように設けられている。ここで、本実施形態では燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。

燃料ガス供給系２０は、燃料電池１０に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、高圧水素ボンベ２１と、水素ガス供給配管２２と、水素調圧弁２３とを有している。高圧水素ボンベ２１は、燃料電池１０の燃料極に供給する水素を蓄えておくものである。水素ガス供給配管２２は高圧水素ボンベ２１と燃料電池１０の燃料極とを接続し、高圧水素ボンベ２１からの水素ガスを燃料電池１０の燃料極まで導く流路となるものである。水素調圧弁２３は、水素ガス供給配管２２に設けられ、高圧水素ボンベ２１から燃料電池１０の燃料極に供給される水素の供給量を制御できるようになっている。

燃料ガス排出系３０は、水素ガス排出配管３１からなっている。水素ガス排出配管３１は、燃料電池１０の燃料極と外部とを接続し、燃料極オフガスを外部に導くための流路となるものである。また、燃料ガス排出系３０は、水素ガス排出弁（図示せず）を備えている。水素ガス排出弁は、水素ガス排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極オフガスの排出を制御するものである。

ここで、上記した如く、燃料極は、水素調圧弁２３を介して高圧水素ボンベ２１から水素ガスの供給を受け、水素ガス排出弁の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、燃料極は、水素調圧弁２３と水素ガス排出弁とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、水素調圧弁２３を開けると高圧水素ボンベ２１から水素ガスが供給され、このときに水素ガス排出弁を閉じていると、燃料極の圧力を高めることができる。また、水素ガス排出弁を開けている場合、燃料極内のガスが排出されて燃料極の圧力を低くすることができる。

また、燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給系４０と、酸化剤ガス排出系５０と、冷媒循環系６０とを備えている。酸化剤ガス供給系４０は、燃料電池１０の酸化剤極に酸化剤ガスである酸素（空気）を供給するためのものであって、コンプレッサ４１と、空気供給配管４２とからなっている。コンプレッサ４１は、空気を圧縮して燃料電池１０に送り込むものである。空気供給配管４２は、コンプレッサ４１と燃料電池１０の酸化剤極とを接続するものであり、コンプレッサ４１により圧送される空気を燃料電池１０の酸化剤極に導くものである。

酸化剤ガス排出系５０は、燃料電池１０の酸化剤極内のガスを排出するものであり、空気排出配管５１と、空気調圧弁５２とを備えている。空気排出配管５１は、燃料電池１０の酸化剤極と外部とを接続し、酸化剤オフガスを外部に導くものである。空気調圧弁５２は、空気排出配管５１に設けられ、開度を調整することにより酸化剤極からのガスの排出量を制御するものである。

ここで、上記した如く、酸化剤極は、コンプレッサ４１から空気の供給を受け、空気調圧弁５２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、酸化剤極は、コンプレッサ４１と空気調圧弁５２とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、空気調圧弁５２を閉じてコンプレッサ４１から空気を供給した場合、酸化剤極の圧力を高めることができる。また、空気調圧弁５２を開けている場合、酸化剤極の圧力を低くすることができる。

冷媒循環系６０は、燃料電池１０の温度が高温となり過ぎないように冷却液により燃料電池１０の温度を抑制するためのものであり、冷却液循環経路６１と、ラジエータ６２と、冷却液ポンプ６３とを備えている。

冷却液循環経路６１は、冷媒循環系６０において冷却液を循環させる流路となるものであり、燃料電池１０から排出された冷却液は冷却液ポンプ６３及びラジエータ６２の順に通過して再度燃料電池１０に流入するようになっている。ラジエータ６２は、冷却液を冷却するためのものであり、ラジエータファンからの送風により熱交換が促進されるようになっている。冷却液ポンプ６３は、冷媒循環系６０において冷却液を循環させる循環源となるものである。

また、燃料電池システム１は、電力制御装置７０及びコントローラ８０を備えている。電力制御装置７０は、燃料電池１０にて発電された電力を取りだし、負荷に供給するものである。また、電力制御装置７０は、コントローラ８０に接続されており、負荷に必要とされる発電量の情報をコントローラ８０に送信するようになっている。

コントローラ８０は、負荷の要求に応じて燃料電池１０の電気出力目標値を設定するものである。例えば燃料電池システム１が車両の動力源として搭載されている場合、コントローラ８０は、車両の運転状況に応じて燃料電池１０の電気出力目標値を設定することとなり、例えば車両の加速においては車速センサやアクセルセンサからの信号に基づいて電気出力目標値を高く設定する。

また、コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じて燃料電池システム１の各部を制御するものである。具体的にコントローラ８０は、水素調圧弁２３及び空気調圧弁５２の開度、並びに、コンプレッサ４１及び冷却液ポンプ６３の回転数などを制御する。これにより、コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスの供給制御、並びに、冷却液の循環制御を行うこととなる。

ここで、空気の供給制御についてさらに詳しく説明する。コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じた空気状態の目標値を設定する。ここで、空気状態の目標値とは、供給すべき空気流量の目標値、酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）、供給する空気の温度の目標値及び供給する空気の加湿目標値などをいう。このうち、供給すべき空気流量の目標値、酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）について詳細に説明する。

図２及び図３は、コントローラ８０により設定される空気状態の目標値の説明図であり、図２は空気流量の目標値を示し、図３は酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）を示している。図２及び図３に示すように、空気流量目標値及び空気圧力目標値は電気出力目標値の増加に伴って大きくなっている。コントローラ８０は、電気出力目標値を設定すると、設定した電気出力目標値に応じて図２及び図３に示すマップに従って、空気流量目標値及び空気圧力目標値を設定し、この目標値に応じた空気流量及び空気圧力となるように、コンプレッサ４１の回転数及び空気調圧弁５２の開度を調整する。

また、図２及び図３と同様に、コントローラ８０は、設定した電気出力目標値に応じて水素ガス状態の目標値を設定する。ここで、水素ガス状態の目標値は、空気状態の目標値と同様である。このうち、供給すべき水素ガスの圧力目標値について詳細に説明する。

図４は、コントローラ８０により設定される水素ガス状態の目標値の説明図であり、水素ガス圧力の目標値を示している。図４に示すように水素圧力目標値は電気出力目標値の増加に伴って大きくなっている。コントローラ８０は、電気出力目標値を設定すると、設定した電気出力目標値に応じて図４に示すマップに従って、水素ガス圧力目標値を設定し、この目標値に応じて水素ガス圧力となるように、水素調圧弁２３の開度及び不図示の水素ガス排出弁を制御する。

これにより、燃料電池システム１は、負荷が要求する出力に応じた発電を行うことができる。ところが、一般的な燃料電池システムでは電気出力目標値の低下時にフラッディングによる電力変動を招く可能性が高まる。すなわち、一般的な燃料電池システムでは、電気出力目標値の低下にあわせて発電量が低下するため燃料電池１０の温度も低下し、酸化剤極内のガスの飽和水蒸気圧が減少する。このため、酸化剤極内では、水分が凝縮してフラッディングが発生する。この場合において、従来の燃料電池システムでは酸化剤極に供給する空気流量を増加させることが行われるが、空気流量を増加させたとしても水分の除去が不充分となることがあり、結果としてフラッディングによる電力変動を招く。

そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１では、以下の動作を行う。図５は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すタイミングチャートである。図５に示すように、電気出力目標値が時刻ｔ０に減少し始め、時刻ｔ１において減少が終了し、その後一定値を保つとする。この場合、コントローラ８０は、電気出力目標値の減少にあわせて空気流量を減少させる。すなわち、コントローラ８０は時刻ｔ０において空気流量を減少させ、時刻ｔ１において空気流量の減少終了させ、その後空気流量を一定に保つ。

一方、コントローラ８０は、空気圧力については電気出力目標値の減少にあわせて減少させず、圧力補正制御を行う。ここで、圧力補正制御とは、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、前記電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする制御をいう。

具体的に図５を参照して説明すると、コントローラ８０は電気出力目標値が低下を開始した時点から所定時間Δｔの経過後に酸化剤極の圧力を低下させる。すなわち、コントローラ８０は、低下開始時刻ｔ０に所定時間Δｔを加えた時刻ｔ２に酸化剤極に圧力を低下させ始める。なお、時刻ｔ０〜時刻ｔ２においては、空気流量が低下していることから圧力を一定に保つために空気調圧弁５２の開度は小さくされることとなる。

また、コントローラ８０は、圧力を低下させるにあたり、圧力を低下させるときの低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする。ここで、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度とは、この図３に示したマップに基づいて圧力を低下させたときの低下速度であり、圧力補正制御中において所定時間経過後には、このマップに沿うことなくより速くに圧力が低下させられることとなる。

これにより、燃料電池１０内では２段階の現象が生じる。まず、時刻ｔ０〜時刻ｔ２においては、一般的な燃料電池システムと同様に発熱量の低下から余剰水分が凝縮を開始する。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、従来の燃料電池システムと異なり、圧力が高い状態のまま余剰水分が凝縮されている。次に、時刻ｔ２以降において、圧力が急激に低下させられる。ここで、空気圧力を急激に低下させると（空気調圧弁５２が一気に開かれると）圧力差の関係から酸化剤極内のガスを一気に排出することとなる。この圧力の急激な低下を利用したガスの排出では単純に酸化剤ガスの流量を多くさせた場合よりも水分の排出量を多くすることができ、結果としてフラッディングを未然に防止することとなる。

なお、コントローラ８０は、上記所定時間Δｔを、低下前の電気出力目標値、低下後の電気出力目標値、低下前後の電気出力目標値の変化量、及び外気温度のうち少なくとも１つから決定する。図６〜図９は、所定時間Δｔを示す説明図であり、図６は所定時間Δｔと低下前の電気出力目標値との相関を示し、図７は所定時間Δｔと低下後の電気出力目標値との相関を示している。また、図８は、所定時間Δｔと低下前後の電気出力目標値の変化量との相関を示し、図９は、所定時間Δｔと外気温度との相関を示している。

まず、図８に示すように、低下前後の電気出力目標値の変化量が大きくなるほど、所定時間Δｔは長くなっている。ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１では、余剰水分を凝縮し、その後圧力差を利用して一気に余剰水分を排出することから、圧力を低下させるまでに余剰水分が凝縮し終えていることが望ましい。このため、低下前後の電気出力目標値の変化量が大きい場合、凝縮される水分量が多くなることから、所定時間Δｔは長くなっている。コントローラ８０は、この関係を利用して所定時間Δｔを求めることとなる。

また、図６及び図７に示すように、低下前の電気出力目標値が大きい場合、及び低下後の電気出力目標値が小さい場合も同様に、凝縮される余剰水分の量が多くなる。このため、コントローラ８０は、低下前の電気出力目標値が大きいほど所定時間Δｔを大きくする。また、低下後の電気出力目標値が小さいほど所定時間Δｔを小さくすることとなる。さらに、図９に示すように、外気温度が低い場合も凝縮される水分量が多くなることから、余剰水分が凝縮され終えるまでの時間が長くなる傾向にある。このため、コントローラ８０は、外気温度が低いほど所定時間Δｔを大きくすることとなる。

このように、コントローラ８０は所定時間Δｔを求める。これにより、適切に余剰水分の凝縮を行うことができる。なお、上記所定時間Δｔは、凝縮を適切に行い得る時間であるが、あまりに長すぎると凝縮された余剰水分により電力変動が生じてしまうため、できるだけ短いことが望ましい。

また、図５には示していないが、コントローラ８０は、圧力補正制御中に燃料極の圧力が酸化剤極の圧力と略一致するように制御することが望ましい。これにより、酸化剤極のみの圧力調整を行って燃料極との圧力差が生じることがなく、電解質膜に不要な応力を掛けることなく、耐久性の低下を防止することができる。

さらに、圧力低下させるときの時間はできるだけ短いことが望ましく、具体的には１０秒以下程度であることが望ましい。これにより、単なるガス流量の増大では除去し難いガス拡散層表面などのスタック内の水分を一層確実に除去することができる。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させることとしている。ここで、電気出力目標値が低下すると、発電量が少なくなり、発熱量も減る。このため、電気出力目標値が低下すると、酸化剤極内のガス温度が低下し、燃料電池１０内で余剰水分が凝縮することとなる。すなわち、本実施形態では、電気出力目標値が低下した時点から所定時間Δｔ経過後に酸化剤極の圧力を低下させることで、酸化剤極の圧力低下を所定時間Δｔ待機し、この待機中に酸化剤極の圧力が高いままで余剰水分を凝縮させることとしている。

また、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度によりも速くすることとしている。このため、電気出力目標値の低下から所定時間経過した後に、比較的速い速度で酸化剤極の圧力を低下させることとなる。このような圧力低下により酸化剤極内のガスが一気に排出されることとなる。ここで、圧力低下を利用したガスの排出を行うと、単純に空気流量を多くする場合よりも効率的な水分の排出を行うことができる。このため、本実施形態のように、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くすることで、所定時間圧力を低下させずに凝縮された水分を一気に外部に持ち出すことが可能となる。

また、低下前の電気出力目標値、低下後の電気出力目標値、低下前後の電気出力目標値の変化量、及び外気温度のうち少なくとも１つから所定時間を決定することとしている。ここで、低下前後の電気出力目標値の変化量が大きい場合、凝縮される水分量が多くなることから、余剰水分が凝縮され終えるまでの時間が長くなる傾向にある。また、低下前の電気出力目標値が大きい場合、及び低下後の電気出力目標値が小さい場合も同様である。さらに、外気温度が低い場合も凝縮される水分量が多くなることから、余剰水分が凝縮され終えるまでの時間が長くなる傾向にある。本実施形態では、一度余剰水分を凝縮することが前提であるため、上記要因に応じて余剰水分が凝縮され終えるまで圧力の低下をさせずにしておく必要がある。従って、上記要因のうち少なくとも１つから所定時間を決定することで、適切に余剰水分の凝縮を行うことができる。

また、圧力補正制御中に燃料極の圧力が酸化剤極の圧力と略一致するように制御する。このため、酸化剤極のみの圧力調整を行って燃料極との圧力差が生じることがなく、電解質膜に不要な応力を掛けることなく、耐久性の低下を防止することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図１０は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の構成図である。図１０に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、新たに周囲の外気温度を検出する外気温度センサ（外気温度検出手段）９０を備えている。他の構成は第１実施形態と同様である。

また、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、特定の条件が成立する場合、圧力補正制御を実行しないこととなっている。具体的に説明すると、コントローラ８０は、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。

ここで、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、すなわち低下前の電気出力目標値が小さい場合、発電により生成される水の量が少ない。このため、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合に、電気出力目標値が低下してもフラッディングの可能性が少ない。従って、コントローラ８０は、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合に圧力補正制御を行わないこととしている。これにより、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ４１などの消費電力の増大を防止することができる。

また、コントローラ８０は、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。ここで、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、すなわち低下後の電気出力目標値が大きい場合、低下後であっても発電量は高く、燃料電池の温度があまり低下しないことから凝縮水の量も少なくなる。故に、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合にはフラッディングの可能性が少ないとい言える。従って、コントローラ８０は、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合に圧力補正制御を行わず、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ４１などの消費電力の増大を防止することとしている。

さらに、コントローラ８０は、外気温度センサ９０により検出された外気温度が所定温度を超える場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値が低下した時点から酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。ここで、外気温度が所定温度を超える場合、外気温度が所定温度以下の場合よりも、燃料電池１０の温度があまり低下しないことから凝縮される水の量が少なくなる。このため、外気温度が所定温度を超える場合にはフラッディングの可能性が少ない。従って、コントローラ８０は、外気温度が所定温度を超える場合に圧力補正制御を行わないことで、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ４１などの消費電力の増大を防止することとしている。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、フラッディングの発生を未然に防止し、フラッディングによる電力変動を抑制することができる。また、適切に余剰水分の凝縮を行うことができる。また、電解質膜に不要な応力を掛けることなく、耐久性の低下を防止することができる。

さらに、第２実施形態によれば、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、及び、外気温度が所定温度未満を超える場合、圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とする。

ここで、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、すなわち低下前の電気出力目標値が小さい場合、発電により生成される水の量が少ない。また、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、すなわち低下後の電気出力目標値が大きい場合、低下後であっても発電量は高く、燃料電池の温度があまり低下しないことから凝縮水の量も少なくなる。また、外気温度が所定温度を超える場合、外気温度が所定温度以下の場合よりも、燃料電池の温度があまり低下しないことから凝縮される水の量が少なくなる。このため、これらの場合に、電気出力目標値が低下してもフラッディングの可能性が少ないと言える。従って、これらの場合に圧力補正制御を行わないことで、圧力補正制御の際に動作させるコンプレッサ等消費電力の増大を防止することができ、システムの効率を向上させることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。コントローラにより設定される空気状態の目標値の説明図であり、空気流量の目標値を示している。コントローラにより設定される空気状態の目標値の説明図であり、酸化剤極の圧力の目標値（空気圧力）を示している。コントローラにより設定される水素ガス状態の目標値の説明図であり、水素ガス圧力の目標値を示している。本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイミングチャートである。所定時間を示す説明図であり、所定時間と低下前の電気出力目標値との相関を示している。所定時間を示す説明図であり、所定時間と低下後の電気出力目標値との相関を示している。所定時間を示す説明図であり、所定時間と低下前後の電気出力目標値の変化量との相関を示している。所定時間を示す説明図であり、所定時間と外気温度との相関を示している。第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１，２…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…燃料ガス供給系
２１…高圧水素ボンベ
２２…水素ガス供給配管
２３…水素調圧弁
３０…燃料ガス排出系
３１…水素ガス排出配管
４０…酸化剤ガス供給系
４１…コンプレッサ
４２…空気供給配管
５０…酸化剤ガス排出系
５１…空気排出配管
５２…空気調圧弁
６０…冷媒循環系
６１…冷却液循環経路
６２…ラジエータ
６３…冷却液ポンプ
７０…電力制御装置
８０…コントローラ（制御手段）
９０…外気温度センサ（外気温度検出手段）

Claims

燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
負荷の要求に応じて前記燃料電池の電気出力目標値を設定し、設定した電気出力目標値に応じて酸化剤ガスの供給制御を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、電気出力目標値が低下した場合、電気出力目標値が低下した時点から所定時間経過後に酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を、前記電気出力目標値の低下にあわせた低下速度よりも速くする圧力補正制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、低下前の電気出力目標値、低下後の電気出力目標値、低下前後の電気出力目標値の変化量、及び外気温度のうち少なくとも１つから前記所定時間を決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、圧力補正制御中に燃料極の圧力が酸化剤極の圧力と略一致するように、燃料極の圧力を制御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。
前記制御手段は、低下前の電気出力目標値が第１所定値未満である場合、前記圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、低下後の電気出力目標値が第２所定値を超える場合、前記圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
周囲の外気温度を検出する外気温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記外気温度検出手段により検出された外気温度が所定温度を超える場合、前記圧力補正制御を行わず、電気出力目標値の低下にあわせて酸化剤極の圧力を低下させ、圧力を低下させるときの圧力低下速度を電気出力目標値の低下にあわせた速度とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。