JP2016091833A

JP2016091833A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2016091833A
Application number: JP2014225638A
Authority: JP
Inventors: 敦雄飯尾; Atsuo Iio
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: CN105591128B; CN105591128A; US9722261B2; EP3018745B8; EP3018745B1; EP3018745A1; CA2903641C; KR20160053775A; KR101840519B1; JP6168028B2; CA2903641A1; US20160126566A1

Abstract

【課題】ターボコンプレッサの消費電力量を少なく維持すると共にターボコンプレッサのサージングを阻止しつつ、燃料電池スタックのドライアップを確実に解消する。
【解決手段】燃料電池スタック１０にドライアップが生じていると判別されたときには回復制御を行う。回復制御では、カソード圧力が上昇カソード圧力になるようにカソード圧力制御弁４７が制御され、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量が増大空気流量に設定され、燃料電池スタックに供給される空気流量が要求空気流量に維持されるようにバイパス制御弁４１ｂが制御される。更に、ドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサの消費電力量を最小にする上昇カソード圧力及び増大空気流量の組み合わせが燃料電池スタックの要求空気流量に基づいて設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを供給するためのターボコンプレッサと、ターボコンプレッサ下流の酸化剤ガス供給管から分岐したバイパス管と、ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量及びバイパス管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するバイパス制御弁と、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、カソードオフガス通路内に配置され、酸化剤ガス通路内の圧力であるカソード圧力を制御するためのカソード圧力制御弁と、を備えた燃料電池システムが公知である。

一般に、ターボコンプレッサの圧力比及び酸化剤ガス吐出量により定まるターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、圧力比が低くかつ酸化剤ガス吐出量が多い側にターボコンプレッサにサージングが生じない非サージ領域が区画されると共に、圧力比が高くかつ酸化剤ガス吐出量が少ない側にターボコンプレッサにサージングが生じうるサージ領域が区画されている。すなわち、サージ領域内に属する動作点でもってターボコンプレッサを作動させると、ターボコンプレッサにサージングが生じるおそれがある。

そこで、ターボコンプレッサの要求動作点がサージ領域内に属するときには、ターボコンプレッサの動作点が非サージ領域内に属するように、ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量を燃料電池スタックの要求酸化剤ガス量よりも過剰分だけ多い増大酸化剤ガス量に設定し、ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち過剰分がバイパス管内に流れ込むことにより燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が要求酸化剤ガス量に維持されるようにバイパス制御弁を制御する、燃料電池システムが公知である（例えば特許文献１参照）。このようにすると、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が要求酸化剤ガス量に維持されつつ、ターボコンプレッサにサージングが生ずるのが阻止される。

一方、燃料電池スタックにドライアップが生じているか否かを判別し、燃料電池スタックにドライアップが生じていると判別されたときに、カソード圧力が上昇カソード圧力まで上昇されるようにカソード圧力制御弁の開度を小さくする、燃料電池システムも公知である。カソード圧力が上昇されると、酸化剤ガス通路内で凝縮する水分量が多くなる。また、カソード圧力を上昇させるためにカソード圧力制御弁の開度が小さくされると、燃料電池スタック内の酸化剤ガス通路から流出するカソードオフガス量が少なくなるので、カソードオフガスに同伴されて燃料電池スタック外に流出する水分量が減少する。その結果、酸化剤ガス通路の湿潤度合いが高められ、ドライアップが解消される。この場合、上昇カソード圧が高ければ高いほど、ドライアップを解消するのに必要な時間が短くなる。

特開２００９−１２３５５０号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムにおいても、ドライアップを解消するためにカソード圧力を上昇させる上述の技術を用いることが可能である。ところが、カソード圧力が高められると、ターボコンプレッサの圧力比も高められる。したがって、ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量を燃料電池スタックの要求酸化剤ガス量に維持したままカソード圧力が高められると、ターボコンプレッサの動作点がサージ領域内に移行するおそれがある。この点、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、ターボコンプレッサの動作点が非サージ領域内に属するように、ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量ないし過剰分が設定されると考えられる。すなわち、ドライアップが解消されるようにカソード圧力が上昇カソード圧力まで上昇され、ターボコンプレッサの動作点が非サージ領域内に属するようにターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量が増大酸化剤ガス量まで増大される。

しかしながら、ドライアップを解消するのに必要な上昇カソード圧力と、ターボコンプレッサの動作点を非サージ領域内に維持するのに必要な増大酸化剤ガス量との組み合わせは複数存在する。したがって、これら複数の組み合わせのなかから最適な組み合わせを決定する必要がある。特許文献１はこの点について開示も示唆すらもしていない。

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを供給するためのターボコンプレッサと、前記ターボコンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐したバイパス管と、前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量及び前記バイパス管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するバイパス制御弁と、前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路内の圧力であるカソード圧力を制御するためのカソード圧力制御弁と、前記燃料電池スタックにドライアップが生じているか否かを判別する判別器と、前記燃料電池スタックにドライアップが生じていないと判別されたときには通常制御を行い、前記燃料電池スタックにドライアップが生じていると判別されたときには前記ドライアップを解消するための回復制御を行う、制御器と、を備え、前記ターボコンプレッサの圧力比及び酸化剤ガス吐出量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、圧力比が低くかつ酸化剤ガス吐出量が多い側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じない非サージ領域が区画されると共に、圧力比が高くかつ酸化剤ガス吐出量が少ない側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じうるサージ領域が区画されており、前記通常制御において、前記カソード圧力があらかじめ定められたベースカソード圧力になるように前記カソード圧力制御弁が制御され、前記ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量が前記燃料電池スタックの要求酸化剤ガス量に設定され、更に、前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスの全量が前記燃料電池スタックに供給されることにより前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が前記要求酸化剤ガス量になるように前記バイパス制御弁が制御され、前記ベースカソード圧力及び前記要求酸化剤ガス量のもとでの前記ターボコンプレッサの動作点が前記非サージ領域内に属しており、前記回復制御において、前記カソード圧力が前記ベースカソード圧力よりも高い上昇カソード圧力になるように前記カソード圧力制御弁が制御され、前記ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量が前記燃料電池スタックの要求酸化剤ガス量よりも過剰分だけ多い増大酸化剤ガス量に設定され、更に、前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち前記過剰分が前記バイパス管内に流れ込むことにより前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が前記要求酸化剤ガス量に維持されるように前記バイパス制御弁が制御され、前記上昇カソード圧力及び前記要求酸化剤ガス量のもとでの前記ターボコンプレッサの動作点が前記サージ領域内に属すると共に、前記上昇カソード圧力及び前記増大酸化剤ガス量のもとでの前記ターボコンプレッサの動作点が前記非サージ領域内に属しており、前記回復制御において更に、前記ドライアップを解消するのに必要な前記ターボコンプレッサの消費電力量を最小にする前記上昇カソード圧力及び前記増大酸化剤ガス量の組み合わせが前記燃料電池スタックの前記要求酸化剤ガス量に基づいて設定される、燃料電池システムが提供される。

ターボコンプレッサの消費電力量を少なく維持すると共にターボコンプレッサのサージングを阻止しつつ、燃料電池スタックのドライアップを確実に解消することができる。

燃料電池システムの全体図である。ターボコンプレッサのサージ領域及び非サージ領域を説明する線図である。回復制御を説明する線図である。本発明による実施例を説明するタイムチャートである。複数の組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）を説明する線図である。組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）のマップを示す図である。システム制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。通常制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。回復制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の別の実施例のマップを示す図である。組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の更に別の実施例のマップを示す図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向ＬＳに沿って互いに積層された複数の燃料電池単セル１０ａを備える。各燃料電池単セル１０ａは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。

燃料電池単セル１０ａのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、積層方向ＬＳに関し最も外側のアノード極及びカソード極は燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、各燃料電池単セル１０ａ内には、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス流通路３０ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気流通路４０ａとがそれぞれ形成され、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１０ａ同士間には燃料電池単セル１０ａに冷却水を供給するための冷却水流通路（図示しない）が形成される。複数の燃料電池単セル１０ａの水素ガス流通路３０ａ、空気流通路４０ａ、及び冷却水流通路をそれぞれ並列に接続することにより、燃料電池スタック１０内に水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路（図示しない）がそれぞれ形成される。図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路の入口及び出口はそれぞれ、燃料電池スタック１０の積層方向ＬＳ一端に配置される。

図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス流通路３０ａの入口及び空気流通路４０ａの出口が積層方向軸線ＬＳの一側に配置され、水素ガス流通路３０ａの出口及び空気流通路４０ａの入口が積層方向軸線ＬＳの他側に配置される。したがって、水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ逆向きになっている。すなわち、燃料電池スタック１０は向流式の燃料電池スタックから構成される。図示しない別の実施例では、水素ガス流通路３０ａの入口及び出口と、空気流通路４０ａの入口及び出口がそれぞれ隣接配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ同じ向きになっている。すなわち、図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０は並流式の燃料電池スタックから構成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源、例えば水素タンク３２に連結される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、電磁式の遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガス供給器３５と、が配置される。図１に示される燃料電池システムＡでは水素ガス供給器３５は電磁式の水素ガス供給弁から構成される。この水素ガス供給弁はニードル弁を備えており、したがって水素ガスは水素ガス供給弁から間欠的に供給される。一方、水素ガス通路３０の出口にはバッファタンク３６を介してパージ管３７が連結される。パージ管３７内には電磁式のパージ制御弁３８が配置される。遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはバッファタンク３６内に流入し、バッファタンク３６内に蓄積される。パージ制御弁３８は通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁３８が開弁されると、バッファタンク３６内のアノードオフガスがパージ管３７を介して大気に排出され、すなわちパージ処理が行われる。

図１に示される燃料電池システムＡでは、パージ管３７の出口は大気に連通されている。すなわち、水素ガス通路３０の出口は水素ガス供給管３１に連通されず、したがって水素ガス供給管３１から分離されている。このことは、水素ガス通路３０の出口から流出するアノードオフガスが水素ガス供給管３１に戻されない、ということを意味している。言い換えると、図１に示される燃料電池システムＡは水素ガス非循環式である。図示しない別の実施例では、水素ガス通路３０の出口が水素ガス戻し管を介して例えばレギュレータ３４と水素ガス供給弁３５との間の水素ガス供給管３１に連結される。水素ガス戻し管内には上流側から順に、気液分離器と、気液分離器により分離された水素ガスを水素ガス供給管３１に送り込む水素ガス戻しポンプと、が配置される。この場合、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス戻し管を介して水素ガス供給管３１に戻される。その結果、水素ガス源３２からの水素ガスと水素ガス戻し管からの水素ガスとの混合体が水素ガス供給弁３５から燃料電池スタック１０に供給される。すなわち、図示しない別の実施例では、燃料電池システムＡは水素ガス循環式である。この図示しない別の実施例との比較において、図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス戻し管、水素ガス戻しポンプ等が省略されているということになる。その結果、図１に示される燃料電池システムＡでは、構成が簡素化され、コストが低減され、水素ガス戻し管等のための空間を必要としない。

また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源、例えば大気４２に連結される。空気供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。ターボコンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内には上流側から順に、空気通路４０内の圧力であるカソード圧力を制御するための電磁式のカソード圧力制御弁４７と、希釈器４８とが配置される。この希釈器４８には上述したパージ管３７が連結される。その結果、パージ管３７からのパージガス中の水素ガスがカソードオフガスによって希釈される。図１に示される燃料電池システムＡでは更に、インタークーラ４５下流の空気供給管４１から分岐してカソード圧力制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に到るバイパス管４１ａと、ターボコンプレッサ４４から吐出された空気のうち燃料電池スタック１０に供給される空気の量及びバイパス管４１ａ内へ流れ込む空気の量を制御するバイパス制御弁４１ｂとが設けられる。

上述した燃料電池スタック１０内の冷却水通路の入口には冷却水供給管（図示しない）の一端が連結され、冷却水通路の出口には冷却水供給管の他端が連結される。冷却水供給管内には冷却水を圧送する冷却水ポンプと、ラジエータとが配置される。冷却水ポンプが駆動されると、冷却水ポンプから吐出された冷却水は冷却水供給管を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路内に流入し、次いで冷却水通路を通って冷却水供給管内に流入し、ラジエータを介して冷却水ポンプに戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する電圧計１６ｖ及び電流計１６ｉが設けられる。また、ターボコンプレッサ４４とバイパス制御弁４１ｂとの間の空気供給管４１にはターボコンプレッサ４４からの空気吐出流量ｑＡＴＣを検出する流量センサ７０が設けられ、バイパス管４１ａにはバイパス管４１ａ内に送り込まれた空気流量を検出する流量センサ７１が設けられる。更に、カソード圧力制御弁４７上流のカソードオフガス管４６にはカソード圧力を検出するための圧力センサ７２が設けられる。更に、燃料電池スタック１０の温度を検出するための温度センサ７３と、燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出するインピーダンスセンサ７４とが設けられる。電圧計１６ｖ、電流計１６ｉ、流量センサ７０，７１、圧力センサ７２、温度センサ７３及びインピーダンスセンサ７４の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５にそれぞれ入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガス供給弁３５、パージ制御弁３８、バイパス制御弁４１ｂ、ターボコンプレッサ４４、及びカソード圧力制御弁４７に電気的に接続される。

燃料電池スタック１０を起動すべきとき、すなわち燃料電池スタック１０での発電すべきときには遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池スタック１０において電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。

図２には、ターボコンプレッサ４４の圧力比ＰＲ及び空気吐出流量ｑＡＴＣにより定まるターボコンプレッサ４４の動作点が属しうる領域に画定されるサージ領域ＳＲ及び非サージＮＳＲ領域が示される。ここで、ターボコンプレッサ４４の圧力比ＰＲはターボコンプレッサ４４の入口における圧力に対するターボコンプレッサ４４の出口における圧力の比である。ターボコンプレッサ４４の入口における圧力は大気圧と考えることができ、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力は燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力、すなわちカソード圧力と考えることができる。したがって、圧力比ＰＲはカソード圧力に応じて定まることになる。図２に示されるように、サージ領域ＳＲは圧力比ＰＲが高くかつ空気吐出流量ｑＡＴＣが少ない側に画定され、非サージ領域ＮＳＲは圧力比ＰＲが低くかつ空気吐出流量ｑＡＴＣが多い側に画定される。ターボコンプレッサ４４の動作点がサージ領域ＳＲ内に属すると、ターボコンプレッサ４４から実際に吐出される空気流量ｑＡＴＣ及びターボコンプレッサ４４の出口における圧力がそれぞれ大きく振動する、いわゆるサージングがターボコンプレッサ４４に発生しうる。これに対し、ターボコンプレッサ４４の動作点が非サージ領域ＮＳＲ内に属するときには、ターボコンプレッサ４４にサージングが生じない。

なお、サージ領域ＳＲと非サージ領域ＮＳＲとの境界を限界圧力比ＰＲＬと称すると、限界圧力比ＰＲＬはターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＴＣが多くなるにつれて高くなり、圧力比ＰＲが限界圧力比ＰＲＬよりも高い動作点領域にサージ領域ＳＲが画定され、圧力比ＰＲが限界圧力比ＰＲＬ以下の動作点領域に非サージ領域ＮＳＲが画定される、という見方もできる。

ところで、燃料電池スタック１０、特に膜電極接合体２０の湿潤度合いが過度に低くなると、プロトン導電性が低下し膜抵抗又は触媒層抵抗が増加することにより燃料電池スタック１０の発電性能が低下する、いわゆるドライアップが発生する。

そこで本発明による実施例では、燃料電池スタック１０にドライアップが発生しているか否かが判別され、燃料電池スタック１０にドライアップが生じていないと判別されたときには通常制御が行われ、燃料電池スタック１０にドライアップが生じていると判別されたときにはドライアップを解消するための回復制御が行われる。その結果、燃料電池スタック１０の発電性能が高く維持される。

次に、まず通常制御について説明する。通常制御では、カソード圧力ＰＣがあらかじめ定められたベースカソード圧力ＰＣＢになるようにカソード圧力制御弁４７が制御される。また、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＴＣが燃料電池スタック１０の要求空気流量ｑＡＲＳに設定される。ここで、要求空気流量ｑＡＲＳは燃料電池スタック１０の負荷、すなわち燃料電池スタック１０で発生すべき電力の量に応じて設定される。更に、ターボコンプレッサ４４から吐出された空気の全量が燃料電池スタック１０に供給されることにより燃料電池スタック１０に供給される空気流量が要求空気流量ｑＡＲＳになるようにバイパス制御弁４１ｂが制御される。すなわち、バイパス管４１ａ内に送り込まれる空気流量ｑＡＢがゼロに設定される。この場合、ベースカソード圧力ＰＣＢ及び要求空気流量ｑＡＲＳのもとでのターボコンプレッサ４４の動作点は非サージ領域ＮＳＲ内に属している。

次に、回復制御について説明する。回復制御では、カソード圧力ＰＣがベースカソード圧力ＰＣＢよりも高い上昇カソード圧力ＰＣＩになるようにカソード圧力制御弁４７の開度が小さくされる。また、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＴＣが燃料電池スタック１０の要求空気流量ｑＡＲＳよりも過剰分ｑＡＥＸだけ多い増大空気流量ｑＡＩに設定される。更に、ターボコンプレッサ４４から吐出された空気のうち過剰分ｑＡＥＸがバイパス管４１ａ内に流れ込むことにより燃料電池スタック１０に供給される空気流量が要求空気流量ｑＡＲＳに維持されるようにバイパス制御弁４１ｂが制御される。すなわち、バイパス管４１ａ内に送り込まれる空気流量ｑＡＢが過剰分ｑＡＥＸに設定される。この場合、上昇カソード圧力ＰＣＩ及び要求空気流量ｑＡＲＳのもとでのターボコンプレッサ４４の動作点はサージ領域ＳＲ内に属しており、上昇カソード圧力ＰＣＩ及び増大空気流量ｑＡＩのもとでのターボコンプレッサ４４の動作点は非サージ領域ＮＳＲ内に属している。

すなわち、カソード圧力ＰＣがベースカソード圧力ＰＣＢであるときのターボコンプレッサ４４の圧力比ＰＲをベース圧力比ＰＲＢと称すると、通常制御時におけるターボコンプレッサ４４の動作点は図３において点Ｘで示される。また、カソード圧力ＰＣが上昇カソード圧力ＰＣＩであるときのターボコンプレッサ４４の圧力比ＰＲを上昇圧力比ＰＲＩと称すると、上昇カソード圧力ＰＣＩ及び要求空気流量ｑＡＲＳのもとでのターボコンプレッサ４４の動作点は図３において点Ｙで示される。更に、上昇カソード圧力ＰＣＩ及び増大空気流量ｑＡＩのもとでのターボコンプレッサ４４の動作点、すなわち回復制御時におけるターボコンプレッサ４４の動作点は図３においてＺで示される。

回復制御において、カソード圧力ＰＣが上昇されると、空気通路４０内で凝縮する水分量が多くなる。また、カソード圧力ＰＣを上昇させるためにカソード圧力制御弁４７の開度が小さくされると、空気通路４０から流出するカソードオフガス量が少なくなるので、カソードオフガスに同伴されて燃料電池スタック１０外に流出する水分量が減少する。その結果、空気通路４０ないし燃料電池スタック１０の湿潤度合いが高められ、ドライアップが解消される。言い換えると、ドライアップが解消されるように、カソード圧力ＰＣが上昇カソード圧力ＰＣＩまで上昇される。

ところが、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＴＣが要求空気流量ｑＡＲＳに維持されたままカソード圧力ＰＣが上昇されると、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｙがサージ領域ＳＲ内に属することになる。そこで、本発明による実施例の回復制御では、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｚが非サージ領域ＮＳＲ内に属するように、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＴＣが増大空気流量ｑＡＩまで増大される。したがって、ターボコンプレッサ４４の動作点が非サージ領域ＮＳＲ内に維持される。

なお、本発明による実施例では、図３に示されるように、回復制御時におけるターボコンプレッサ４４の動作点Ｚが限界圧力比ＰＲＬ上にあるように増大空気流量ｑＡＩないし過剰分ｑＡＥＸが設定される。言い換えると、増大空気流量ｑＡＩないし過剰分ｑＡＥＸは、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｚが非サージ領域ＮＳＲ内に属するようにするための最小量に設定されている。

燃料電池スタック１０の湿潤度合いが低くなるにつれて燃料電池スタック１０のインピーダンスは高くなる。本発明による実施例では、燃料電池スタック１０のインピーダンスがあらかじめ定められた上限値以下のときにドライアップが発生していないと判別され、燃料電池スタック１０のインピーダンスが上限値を越えるとドライアップが発生していると判別される。また、回復制御中に燃料電池スタック１０のインピーダンスが上限値よりも低く設定された設定値よりも高いときにはドライアップが未だ解消されていないと判別され、燃料電池スタック１０のインピーダンスが設定値まで低下したときにドライアップが解消したと判別される。

すなわち、図４に示されるように、燃料電池スタック１０のインピーダンスＲＳが上限値ＲＳＵよりも低いときには、回復制御は行なわれず、すなわち通常制御が行われる。時間ｔ１においてインピーダンスＲＳが上限値ＲＳＵを越えると、通常制御が停止され、回復制御が開始される。回復制御が行われると、燃料電池スタック１０の湿潤度合いが増大され、したがってインピーダンスＲＳが低下する。次いで、時間ｔ２においてインピーダンスＲＳがあらかじめ定められた設定値ＲＳＸ（＜ＲＳＵ）に達すると、回復制御が終了され、通常制御が再開される。

図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０の出力電圧があらかじめ定められたしきい電圧よりも低くかつ燃料電池スタック１０のインピーダンスＲＳが上限値を越えているときに燃料電池スタック１０にドライアップが発生していると判別され、燃料電池スタック１０の出力電圧がしきい電圧よりも高いか、又は、燃料電池スタック１０の出力電圧がしきい電圧よりも低くても燃料電池スタック１０のインピーダンスが上限値を越えていないときに燃料電池スタック１０にドライアップが発生していないと判別される。

上述したように、回復制御では、ドライアップが解消されるようにカソード圧力ＰＣが上昇カソード圧力ＰＣＩまで上昇され、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｚが非サージ領域ＮＳＲ内に属するようにターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＴＣが増大空気流量ｑＡＩまで増大される。言い換えると、回復制御が行われるときには、ドライアップを解消するのに必要な上昇カソード圧力ＰＣＩと、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｚを非サージ領域ＮＳＲ内に維持するのに必要な増大空気流量ｑＡＩの組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）が決定される。ところが、一つの要求空気流量ｑＡＲＳに対して、回復制御のための組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）は複数存在する。すなわち、カソード圧力ＰＣがＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３であるときのターボコンプレッサ４４の圧力比ＰＲをそれぞれＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３とすると、図５には、要求空気流量がｑＡＲＳであるときに組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）がそれぞれ（ＰＣＩ１，ｑＡＩ１），（ＰＣＩ２，ｑＡＩ２），（ＰＣＩ３，ｑＡＩ３）に設定されたときのターボコンプレッサ４４の動作点がそれぞれＺ１，Ｚ２，Ｚ３で示されている。したがって、これら複数の組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）のなかから最適な組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）を決定する必要がある。

この点、例えば、回復制御を完了するのに必要な、すなわちドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサ４４の消費電力量を低減するために、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）を低い上昇カソード圧力ＰＣＩ及び少ない増大空気流量ｑＡＩの組み合わせに決定することが考えられる。ところが、上昇カソード圧力ＰＣＩが低くなると、ドライアップを解消するのに要する時間が長くなる。また、空気吐出流量が少ないときには空気吐出流量が多いときに比べて、ターボコンプレッサ４４の効率は低くなる。したがって、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）を低い上昇カソード圧力ＰＣＩ及び少ない増大空気流量ｑＡＩの組み合わせに決定すればターボコンプレッサ４４の消費電力量を低減できるとは、単純には言えないのである。同様に、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）を高い上昇カソード圧力ＰＣＩ及び多い増大空気流量ｑＡＩの組み合わせに決定しても、ターボコンプレッサ４４の消費電力量が増大するとは限らない。

そこで本発明による実施例では、回復制御のための複数の組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）のうち、ドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサ４４の消費電力量を最小にする組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）があらかじめ実験により求められ、要求空気流量ｑＡＲＳの関数として図６に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。その上で、回復制御を行うべきときには、図６のマップを用い、要求空気流量ｑＡＲＳに基づいて組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）が決定される。その結果、ターボコンプレッサ４４の消費電力量を最小にし、サージングを阻止しつつ、ドライアップを解消することができる。このような考え方は従来の燃料電池システムには存在していない。

なお、カソードオフガス管４６と空気供給管４１とを、水分を透過可能な膜を介して連通し、それにより、空気供給管４１内を流れる空気をカソードオフガスにより加湿するようにする、いわゆる加湿式の燃料電池システムも知られている。これに対し、図１に示される燃料電池システムＡでは、空気供給管４１内を流れる空気はカソードオフガスにより加湿されない。すなわち、図１に示される燃料電池システムＡは非加湿式の燃料電池システムである。非加湿式の燃料電池システムでは、加湿式の燃料電池システムに比べて、ドライアップが生じやすい場合もある。しかしながら、本発明による実施例では、上述した回復制御によりドライアップが速やかに解消される。

図７は、本発明による実施例のシステム制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図７を参照すると、ステップ１００では燃料電池スタック１０の要求空気流量ｑＡＲＳが例えばアクセルペダルの踏み込み量に基づいて算出される。続くステップ１０１では燃料電池スタック１０にドライアップが生じているか否かが判別される。燃料電池スタック１０にドライアップが生じていないと判別されたときにはステップ１０２に進み、上述の通常制御を実行するための通常制御ルーチンが実行される。このルーチンは図８に示されている。これに対し、燃料電池スタック１０にドライアップが生じていると判別されたときには次いでステップ１０３に進み、上述の回復制御を実行するための回復制御ルーチンが実行される。このルーチンは図９に示されている。

通常制御ルーチンを示す図８を参照すると、ステップ２００ではカソード圧力ＰＣがベースカソード圧力ＰＣＢになるようにカソード圧力制御弁４７の開度が制御される。続くステップ２０１では空気吐出流量ｑＡＴＣが要求空気流量ｑＡＲＳになるようにターボコンプレッサ４４が制御される。続くステップ２０２ではバイパス管４１ａ内を流れる空気流量ｑＡＢがゼロになるようにバイパス制御弁４１ｂが制御される。

回復制御ルーチンを示す図９を参照すると、ステップ３００では上昇カソード圧力ＰＣＩ及び増大空気流量ｑＡＩが決定される。続くステップ３０１ではカソード圧力ＰＣが上昇カソード圧力ＰＣＩになるようにカソード圧力制御弁４７の開度が制御される。続くステップ３０２では空気吐出流量ｑＡＴＣが増大空気流量ｑＡＩになるようにターボコンプレッサ４４が制御される。続くステップ３０３では過剰分ｑＡＥＸが算出される（ｑＡＥＸ＝ｑＡＩ−ｑＡＲＳ）。続くステップ３０４ではバイパス管４１ａ内を流れる空気流量ｑＡＢが過剰分ｑＡＥＸになるようにバイパス制御弁４１ｂが制御される。続くステップ３０５ではドライアップが解消したか否かが判別される。ドライアップが解消していないと判別されたときにはステップ３００に戻る。ドライアップが解消したと判別されたときには処理サイクルを終了する。

本発明による実施例では、図３を参照して上述したように、増大空気流量ｑＡＩないし過剰分ｑＡＥＸは、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｚが非サージ領域ＮＳＲ内に属するようにするための最小量に設定されている。図示しない別の実施例では、増大空気流量ｑＡＩないし過剰分ｑＡＥＸはこの最小量よりも多い量に設定される。すなわち、例えば、増大空気流量ｑＡＩは上述の最小量よりも一定値又は一定割合だけ多い量に設定される。この場合にも、回復制御のための組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）のうち、ドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサ４４の消費電力量を最小にする組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）が求められる。

次に、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の別の実施例を説明する。ドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサ４４の消費電力量は、燃料電池スタック１０の温度であるスタック温度ＴＳにも依存する。すなわち、例えばスタック温度ＴＳが低いと、空気通路４０内における水分の凝縮が生じやすく、したがってドライアップを解消するのに要する時間が短くなる。

そこで、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の別の実施例では、ドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサ４４の消費電力量を最小にする組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）が要求空気流量ｑＡＲＳ及びスタック温度ＴＳの関数として図１０に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。回復制御を行うべきときには、図１０のマップを用い、要求空気流量ｑＡＲＳ及びスタック温度ＴＳに基づいて組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）が決定される。このようにすると、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）をより適切に決定することができる。

組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の更に別の実施例を説明する。回復制御では、ターボコンプレッサ４４の空気吐出流量ｑＡＩが増大されるので、ターボコンプレッサ４４の騒音及び振動が過度に大きくなるおそれがある。また、バイパス制御弁４１ｂ及びバイパス管４１ａを介して空気が流れるので、このとき過度に大きな風切音が生ずるおそれもある。すなわち、回復制御を行うと、燃料電池システムＡの騒音及び振動が過度に大きくなるおそれがある。

そこで、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の更に別の実施例では、燃料電池システムＡの騒音及び振動のレベルがあらかじめ定められた許容レベルを越えない範囲内でターボコンプレッサ４４の消費電力量が最小になるように、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）が設定される。その結果、燃料電池システムＡの騒音及び振動を許容レベル以下に維持しつつ、ドライアップを解消するのに必要なターボコンプレッサ４４の消費電力量を可能な限り少なくすることができる。

組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）の更に別の実施例でも、組み合わせ（ＰＣＩ，ｑＡＩ）は要求空気流量ｑＡＲＳ及びスタック温度ＴＳの関数として図１１に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。

なお、上述の許容レベルは、一例では一定値に設定され、別の例では電動車両の走行速度が高くなるにつれて高くなるように設定される。

Ａ燃料電池システム
１０燃料電池スタック
４０空気通路
４１空気供給管
４１ａバイパス管
４１ｂバイパス制御弁
４４ターボコンプレッサ
４６カソードオフガス管
４７カソード圧力制御弁

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを供給するためのターボコンプレッサと、
前記ターボコンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐したバイパス管と、
前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量及び前記バイパス管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するバイパス制御弁と、
前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路内の圧力であるカソード圧力を制御するためのカソード圧力制御弁と、
前記燃料電池スタックにドライアップが生じているか否かを判別する判別器と、
前記燃料電池スタックにドライアップが生じていないと判別されたときには通常制御を行い、前記燃料電池スタックにドライアップが生じていると判別されたときには前記ドライアップを解消するための回復制御を行う、制御器と、
を備え、
前記ターボコンプレッサの圧力比及び酸化剤ガス吐出量により定まる前記ターボコンプレッサの動作点が属しうる領域のうち、圧力比が低くかつ酸化剤ガス吐出量が多い側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じない非サージ領域が区画されると共に、圧力比が高くかつ酸化剤ガス吐出量が少ない側に前記ターボコンプレッサにサージングが生じうるサージ領域が区画されており、
前記通常制御において、前記カソード圧力があらかじめ定められたベースカソード圧力になるように前記カソード圧力制御弁が制御され、前記ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量が前記燃料電池スタックの要求酸化剤ガス量に設定され、更に、前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスの全量が前記燃料電池スタックに供給されることにより前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が前記要求酸化剤ガス量になるように前記バイパス制御弁が制御され、前記ベースカソード圧力及び前記要求酸化剤ガス量のもとでの前記ターボコンプレッサの動作点が前記非サージ領域内に属しており、
前記回復制御において、前記カソード圧力が前記ベースカソード圧力よりも高い上昇カソード圧力になるように前記カソード圧力制御弁が制御され、前記ターボコンプレッサの酸化剤ガス吐出量が前記燃料電池スタックの要求酸化剤ガス量よりも過剰分だけ多い増大酸化剤ガス量に設定され、更に、前記ターボコンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち前記過剰分が前記バイパス管内に流れ込むことにより前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの量が前記要求酸化剤ガス量に維持されるように前記バイパス制御弁が制御され、前記上昇カソード圧力及び前記要求酸化剤ガス量のもとでの前記ターボコンプレッサの動作点が前記サージ領域内に属すると共に、前記上昇カソード圧力及び前記増大酸化剤ガス量のもとでの前記ターボコンプレッサの動作点が前記非サージ領域内に属しており、
前記回復制御において更に、前記ドライアップを解消するのに必要な前記ターボコンプレッサの消費電力量を最小にする前記上昇カソード圧力及び前記増大酸化剤ガス量の組み合わせが前記燃料電池スタックの前記要求酸化剤ガス量に基づいて設定される、
燃料電池システム。
前記回復制御において、前記ターボコンプレッサの消費電力量を最小にする前記上昇カソード圧力及び前記増大酸化剤ガス量の組み合わせが前記燃料電池スタックの前記要求酸化剤ガス量及び温度に基づいて設定される、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記回復制御において、前記燃料電池システムの騒音及び振動のレベルがあらかじめ定められた許容レベルを越えない範囲内で前記ターボコンプレッサの消費電力量が最小になるように、前記組み合わせが設定される、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムが燃料ガス非循環式である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムが酸化剤ガス非加湿式である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。