JP2017195132A

JP2017195132A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2017195132A
Application number: JP2016085872A
Authority: JP
Inventors: 洋輔垣見; Yosuke Kakimi
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: JP6629132B2

Abstract

【課題】発電セルの劣化を防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムでは、間欠運転の際、電圧センサＢ１・・・Ｂｎによって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下である場合、ＥＣＵ８０が、エアコンプレッサ３０を稼働させて燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１で空気を供給した後、燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１よりも多い第２所定流量Ａ２で空気を一定時間供給する。また、最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下であって、１つのセル電圧に基づいて定まる最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶが、基準電圧差ΔＶｓを超えた場合、ＥＣＵ８０は、第２所定流量Ａ２の値としてそれよりも多い第３所定流量Ａ３を設定する。【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、一般的に、燃料電池スタックと、水素ガスを供給可能な水素タンクと、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサとを備えている。このうち、燃料電池スタックは、固体高分子電解質をアノード極（水素極）とカソード極（空気極）とで挟み込んで形成される発電セルが複数積層された構成を有しており、各発電セルのアノード極には水素ガスが供給され、カソード極には空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スタックの発電が行われる。

従来、燃料電池システムが車両に搭載される場合、その燃料電池システムの燃費を向上させるため、車両のアイドリング時や低速走行時等の低負荷運転時に燃料電池スタックへの空気の供給を中止して発電を停止させ、バッテリからの電力供給によって車両の要求電力を賄う「間欠運転」と呼ばれる運転方法が行われている。

特許文献１の燃料電池システムでは、ＥＣＵは、燃料電池システムの間欠運転の際に、電圧センサによって検出されるセル電圧Ｖｃが所定の閾値電圧Ｖ’を下回ると、エアコンプレッサを稼働させて燃料電池スタックに第１所定流量で空気を供給し、セル電圧Ｖｃが所定の目標電圧Ｖ”に到達すると、燃料電池スタックに第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する。
ここで、第１所定流量は、空気供給手段が供給可能な最低流量である。また、第２所定流量は、燃料電池システムを最低出力状態で運転する際に必要な流量である。また、空気供給手段によって第１所定流量で供給される空気量と第２所定流量で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック内の各発電セルのアノードの容積の総和よりも多い。

この特許文献１の燃料システムによれば、燃料電池システムの間欠運転時に、燃料電池スタックの各セル電圧を可及的に均一に保ちながら、各セル電圧が最高許容電圧を超過することを防止することができる。

特開２０１４−２３５８８９号公報

特許文献１の燃料電池システムでは、間欠運転中に、発電セルのカソード極を形成するカソード面内で水が生成され、それにより発電セルの一部に局所的に空気供給不足が発生する場合があった。その場合、極端な電圧低下により発電セルが劣化するという問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、発電セルの劣化を防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、複数の発電セルを積層して構成され、各発電セルはアノード極とカソード極を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段と、燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、燃料電池スタックの複数の発電セルの各セル電圧を検出する電圧検出手段とを備え、燃料電池システムの間欠運転の際に、電圧検出手段によって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧が所定の閾値電圧以下である場合に、空気供給手段を稼働させて燃料電池スタックに第１所定流量で空気を供給した後、燃料電池スタックに第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する制御手段を有する燃料電池システムであって、制御手段は、電圧検出手段で検出される各セル電圧のうち最低セル電圧が前記所定の閾値電圧以下であって、電圧検出手段によって検出される１つ又は複数のセル電圧に基づいて定まる比較電圧と最低セル電圧との電圧差が、基準電圧差を超えた場合、第２所定流量の値として、該第２所定流量よりも多い第３所定流量を設定することとしている。

前記比較電圧は、最高セル電圧であってもよい。

前記比較電圧は、前記複数のセル電圧に基づいて算出される平均セル電圧である請求項１に記載の燃料電池システム。

この発明に係る燃料電池システムによれば、発電セルの劣化を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両に搭載される燃料電池システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりがない場合を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりの発生とカソード極での水詰まりが解消された様子を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態２に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりの発生とカソード極での水詰まりが解消された様子を示すタイミングチャートである。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成を図１に示す。なお、以降の説明では、燃料電池システム１００は、フォークリフト等の荷役装置を有する産業車両に搭載されるものとして説明する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素ガスを供給可能な水素タンク２０と、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサ３０とを備えている。燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質をアノード極（水素極）とカソード極（空気極）とで挟み込んで形成される発電セルが複数積層された構成を有しており、各発電セルのアノード極には水素ガスが供給され、カソード極には空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スック１０の発電が行われる。

水素タンク２０と燃料電池スタック１０との間の水素供給管２１の途中には、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの流量を調整するためのインジェクタ等から構成される流量調整弁２２と、水素還流管２３に接続されるエゼクタ２４とが設けられており、水素還流管２３の途中には電動ポンプ２５が設けられている。

水素タンク２０から水素供給管２１を経由して燃料電池スタック１０に供給される水素ガスは、燃料電池スタック１０内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく水素還流管２３に排出された水素ガスは、電動ポンプ２５の作用によってエゼクタ２４に導かれ、再び燃料電池スタック１０に供給される。

一方、エアコンプレッサ３０から空気供給管３１を経由して燃料電池スタック１０に供給される空気は、燃料電池スタック１０内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく空気排気管３２に排出された空気は、図示しない排気経路を経由して外気に放出される。

また、燃料電池スタック１０の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力には、キャパシタ５０と車両負荷６０が接続されている。燃料電池スタック１０から出力される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０によって所定の電圧まで降圧された後、荷役モータや走行モータ等によって構成される車両負荷６０に供給される。その際、燃料電池スタック１０の発電電力が車両負荷６０の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ５０に充電され、発電電力が要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ５０から車両負荷６０に供給される。

さらに、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セルの各電圧、すなわち各セル電圧を検出する電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎが取り付けられており、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎの出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０に入力される。なお、ここでｎは２以上の自然数であり、燃料電池スタック１０を構成する発電セルの個数を示している。

ＥＣＵ８０は、マイクロコンピュータによって構成されている。ＥＣＵ８０は、流量調整弁２２の開閉と電動ポンプ２５の回転数を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの流量を調整すると共に、エアコンプレッサ３０の吐出流量を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を調整し、これらにより燃料電池スタック１０の発電電力を制御する。
また、ＥＣＵ８０は、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎから入力された燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セルの各セル電圧のうち最高値のセル電圧、すなわち最高セル電圧Ｖｍａｘと、最低値のセル電圧、すなわち最低セル電圧Ｖｍｉｎとを特定する。そしてＥＣＵ８０は、最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差ΔＶを算出する。
なお、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１００の間欠運転の際、最低セル電圧Ｖｍｉｎと、最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差ΔＶとに基づいて、エアコンプレッサ３０の動作を制御する。

次に、この実施の形態に係る燃料電池システム１００における間欠運転の際の動作について説明する。燃料電池システム１００の間欠運転の際には、エアコンプレッサ３０は通常は停止状態であり、燃料電池スタック１０への空気の供給は中止されている。一方、流量調整弁２２は通常は閉状態であり、水素の圧力が低下すると開状態となり、また電動ポンプ２５も低回転で駆動されており、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給は微量ながら継続されている。このような状況において、ＥＣＵ８０は、空気の供給においては、図２の制御フローに示される処理を所定の時間間隔で実行する。

図２の制御フローを参照すると、まずステップＳ１において、ＥＣＵ８０は、最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下であるか否かを判断する。ここで、所定の閾値電圧Ｖ’は、燃料電池スタック１０を構成する各発電セルが性能劣化を起こすことなく使用可能な最低セル電圧Ｖｘ、つまり最低許容電圧Ｖｘよりも僅かに高くされた電圧Ｖ’である。

ステップＳ１において、ＥＣＵ８０が、最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下であると判断した場合、ステップＳ２において、ＥＣＵ８０は、最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差ΔＶを算出し、ΔＶが基準電圧差ΔＶｓを超えたか否かを判断する。ＥＣＵ８０はこのステップＳ２でΔＶが基準電圧差ΔＶｓを超えていないと判断した場合には、カソード極での水詰まりがないと判定する。
ここで、水詰まりとは、間欠運転中にカソード面内で生成された水が内部に留まっている（吹き飛ばされていない）状態をいう。なお、水詰まりがあると、発電セルの一部に局所的な空気供給不足が発生し、極端な電圧低下により発電セルが劣化する可能性があるので、水詰まりはないか、あるいは解消されるのが好ましい。
なお、基準電圧差ΔＶｓは、実験等による水詰まりによるセルの電圧低下の状況や発電セルの劣化の状況に基いて予め設定される。
次に、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３において、エアコンプレッサ３０を仕様上許される最低吐出流量、すなわち供給可能な最低流量で駆動する。この最低吐出流量は、第１所定流量Ａ１である。

続いて、ＥＣＵ８０は、ステップＳ４において第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われたか否かを判断し、一定時間行われていないと判断した場合は、エアコンプレッサ３０の駆動による第１所定流量Ａ１での空気供給を継続する。

また、このステップＳ４において、ＥＣＵ８０は、第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われたと判断した場合には、その後、ＥＣＵ８０は、ステップＳ５において、エアコンプレッサ３０の吐出流量を調整することによって、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を第２所定流量Ａ２まで増加させ、この第２所定流量Ａ２で空気を一定時間供給する。
ここで、第２所定流量Ａ２は、燃料電池システム１００を最低出力状態で運転する際に必要な空気流量に設定されており、第１所定流量Ａ１よりも多い流量に設定されている。
また、この実施の形態１の燃料電池システム１００においては、ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、ステップＳ５において第２所定流量Ａ２で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック１０内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。
次に、ＥＣＵ８０は、ステップＳ６においてエアコンプレッサ３０の駆動を停止する。

また、ステップＳ１において、ＥＣＵ８０は最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下ではないと判断した場合、カソード極での水詰まりはないと判定し、リターンに移行する。

また、ステップＳ２において、ＥＣＵ８０は、最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差ΔＶが基準電圧差ΔＶｓを超えたと判断した場合には、カソード極での水詰まりがあると判定し、ステップＳ７において、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量についてステップＳ５における第２所定流量Ａ２の値として、第２所定流量Ａ２より多い第３所定流量Ａ３を設定する。
ここで第３所定流量Ａ３は、燃料電池スタック１０のカソード極での水詰まりの水を吹き飛ばすのに十分な流量である。
なお、第３所定流量Ａ３は、カソード極の空気の流路の形状等によって変更されうるものであり、実験等によって予め設定される。
次に、ステップＳ３において、ＥＣＵ８０は、エアコンプレッサ３０を仕様上許される最低吐出流量、すなわち供給可能な最低流量で駆動する。この最低吐出流量は、第１所定流量Ａ１である。

また、このステップＳ４において、ＥＣＵ８０は、第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われたと判断した場合には、その後、ＥＣＵ８０は、ステップＳ５において、エアコンプレッサ３０の吐出流量を調整することによって、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を、設定した第３所定流量Ａ３まで増加させ、第３所定流量Ａ３で空気を一定時間供給する。

また、この実施の形態１の燃料電池システム１００においては、ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、ステップＳ７で設定された第３所定流量Ａ３で供給されるステップＳ５での空気量との総量は、燃料電池スタック１０内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。
また、実施の形態１の燃料電池システム１００においては、ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、ステップＳ７において設定された第３所定流量Ａ３で供給されるステップＳ５での空気量との総量は、上記ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、ステップＳ５において第２所定流量Ａ２で供給される空気量との総量と等しくされている。
次に、ＥＣＵ８０はステップＳ６においてエアコンプレッサ３０の駆動を停止する。

次に、カソード極での水詰まりがない場合について説明する。
図３は、実施の形態１に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりがない場合を示すタイミングチャートである。
図３（ｂ）のタイミングチャートでは、時刻Ｔ１から時刻Ｔ７に至るまで、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎの各電圧値が一致している。
なお、平均セル電圧とは、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎで検出される複数の各発電セルの電圧、すなわち複数のセル電圧に基づいて算出される平均値の電圧である。
図３（ｂ）の時刻Ｔ１ではエアコンプレッサ３０の駆動は停止されており、そのため、燃料電池スタック１０内での発電は停止されている。その結果、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとがともに同じ電圧値で下降している。

また、時刻Ｔ２では、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとがさらに下降し、最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下となっているが、最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとの差ΔＶが基準電圧差ΔＶｓを超えていないため、カソード極での水詰まりはないと判定される。
また、時刻Ｔ２で、エアコンプレッサ３０が駆動され燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１が供給される。すると、水素タンク２０から供給される水素とエアコンプレッサ３０から供給される空気中の酸素との化学反応によって燃料電池スタック１０内で発電が行われ、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとがともに同じ電圧値で上昇していく。

第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われるまでの間、エアコンプレッサ３０の駆動による第１所定流量Ａ１での空気供給は継続される。この間、上述したように平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとがともに同じ電圧値で上昇していくが、空気はエアコンプレッサ３０の最低吐出流量で穏やかに供給されるため、平均セル電圧Ｖａが急激に上昇して最高許容電圧Ｖｙを超えてしまうことはない。
なお、第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われた場合、平均セル電圧Ｖａは、電圧Ｖ”に到達する。電圧Ｖ”とは、燃料電池スタック１０のセル電圧が各発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最大電圧（最大許容電圧：Ｖｙ）よりも僅かに低く設定された電圧である。
また、第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われた後である時刻Ｔ３では、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量が第２所定流量Ａ２まで増加され、この第２所定流量Ａ２で空気が一定時間供給される。
その後、時刻Ｔ４ではエアコンプレッサ３０の駆動が停止され、これにより第２所定流量Ａ２の供給が停止されると、時刻Ｔ４からＴ５で示すように、燃料電池スタック１０内での発電は停止され、これにより平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎは、同じ電圧値で下降する。

また、この実施の形態１の燃料電池システム１００においては、ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、ステップＳ５において第２所定流量Ａ２で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック１０内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。そのため、図３（ｂ）の時刻Ｔ２〜Ｔ４の間に燃料電池スタック１０内の空気は完全に入れ替えられる。
また、時刻Ｔ４から時刻Ｔ７で行われる動作は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までに行われた動作と同じであるので、説明を省略する。

次に、カソード極での水詰まりがある場合について説明する。
図４は、この発明の実施の形態１に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりの発生とカソード極での水詰まりが解消された様子を示すタイミングチャートである。
時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１４で示す動作は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの動作と同じであるので、説明を省略する。
図４（ｂ）のタイミングチャートで示すように、時刻Ｔ１１から符号Ｃの時点までは、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとが一致しており、符号Ｃの時点で、カソード極での水詰まりが発生している。この水詰まりが発生した時点から、平均セル電圧Ｖａ、最低セル電圧Ｖｍｉｎおよび最高セル電圧Ｖｍａｘは、互いの間に電圧差が生じた状態で下降し続けている。

平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎが、さらに互いの間に電圧差が生じた状態で下降した時刻Ｔ１５では、最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下であって、最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとの差が基準電圧差ΔＶｓを超えているため、カソード極での水詰まりがあると判定され、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量である第２所定流量Ａ２の値として、第３所定流量Ａ３を設定する。
次に、時刻Ｔ１５でエアコンプレッサ３０が駆動されて燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１が供給される。すると、水素タンク２０から供給される水素とエアコンプレッサ３０から供給される空気中の酸素との化学反応によって燃料電池スタック１０内で発電が行われ、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとがともに上昇していく。

第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われるまでの間、エアコンプレッサ３０の駆動による第１所定流量Ａ１での空気供給が継続される。この間、上述したように平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎとがともに上昇していくが、空気はエアコンプレッサ３０の最低吐出流量で穏やかに供給されるため、平均セル電圧Ｖａが急激に上昇して最高許容電圧Ｖｙを超えてしまうことはない。なお、第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われた場合、平均セル電圧Ｖａは、電圧Ｖ”に到達する。
第１所定流量Ａ１での空気供給が一定時間行われた後である時刻Ｔ１６では、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量が、設定した第３所定流量Ａ３まで増加され、第３所定流量Ａ３で空気が一定時間供給される。第３所定流量Ａ３は、燃料電池スタック１０のカソード極での水詰まりの水を吹き飛ばすのに十分な流量である。これにより、燃料電池スタック１０内のカソード極に溜まっている水が吹き飛ばされて、カソード極での水詰まりが解消される。また、この水詰まりが解消されると、発電セルの一部に局所的な空気供給不足が発生することが防止されるので、極端な電圧低下が防止され、これにより発電セルが劣化することが防止される。

その後、時刻Ｔ１７でエアコンプレッサ３０の駆動が停止され、これにより燃料電池スタック１０への第３所定流量Ａ３の供給が停止されると、燃料電池スタック１０内での発電は停止され、その結果、図４（ｂ）の時刻Ｔ１７以降の領域Ｄで示すように、平均セル電圧Ｖａと最高セル電圧Ｖｍａｘと最低セル電圧Ｖｍｉｎは、同じ電圧値で下降する。

また、この実施の形態１の燃料電池システム１００においては、ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と上記ステップＳ７において設定される第３所定流量Ａ３で供給されるステップＳ５での空気量との総量は、燃料電池スタック１０内の各発電セルのアノード極の容積の総和よりも多くなるように設定されている。これにより、図４（ｂ）の時刻Ｔ１５〜Ｔ１７の間に燃料電池スタック１０内の空気は完全に入れ替えられる。

また実施の形態１の燃料電池システム１００においては、上記ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、上記ステップＳ７において設定される第３所定流量Ａ３で供給されるステップＳ５での空気量との総量は、上記ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、上記ステップＳ５において第２所定流量Ａ２で供給される空気量との総量と等しくされている。

以上説明したように、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の間欠運転の際に、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎによって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下である場合に、ＥＣＵ８０は、エアコンプレッサ３０を稼働させて燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１で空気を供給した後、燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１よりも多い第２所定流量Ａ２で空気を一定時間供給する、燃料電池システムであって、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎで検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下であって、１つのセル電圧に基づいて定まる最高セル電圧Ｖｍａｘと、最低セル電圧との電圧差ΔＶが、基準電圧差ΔＶｓを超えた場合、ＥＣＵ８０は、第２所定流量Ａ２の値として、該第２所定流量Ａ２よりも多い第３所定流量Ａ３を設定することとしたから、カソード極での水詰まりを防止することができ、またそれにより極端な電圧低下が防止されるため、発電セルが劣化することが防止される。

また、実施の形態１の燃料電池システム１００では、上記ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と上記ステップＳ７において第３所定流量Ａ３で設定されるステップＳ５での空気量との総量は、上記ステップＳ３〜Ｓ４において第１所定流量Ａ１で供給される空気量と、上記ステップＳ５において第２所定流量Ａ２で供給される空気量との総量と等しくなるようにされている。そのためカソード極での水詰まり防止のための過剰な空気の供給を削減でき、燃費を向上させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池システム２００では、実施の形態１の燃料電池システム１００についての図２のフローチャートのステップＳ２に替えて、図５で示すように、平均セル電圧Ｖａと最低セル電圧Ｖｍｉｎとの差ΔＶが基準電圧差ΔＶｓを超えたか否かをＥＣＵ１８０が判断するステップＳ１２を設ける。
すなわち、最低セル電圧Ｖｍｉｎとの電圧差ΔＶをとる比較電圧を、最高セル電圧Ｖｍａｘに替えて、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎで検出される複数のセル電圧に基づいて算出される平均値の電圧、すなわち平均セル電圧Ｖａとしている。
ここで、基準電圧差ΔＶｓは、実施の形態１と同様に実験等によって予め設定される。

この燃料電池システム２００の燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セルの各セル電圧を検出する電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎが取り付けられており、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎの出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１８０に入力される。なお、ここでｎは２以上の自然数であり、燃料電池スタック１０を構成する発電セルの個数を示している。
ＥＣＵ１８０は、図１のＥＣＵ８０に替えて設けられる。このＥＣＵ１８０はマイクロコンピュータによって構成されており、燃料電池システムの間欠運転の際のプログラムが図１のＥＣＵ８０とは異なるだけである。
ＥＣＵ１８０は、Ｂ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎから入力された複数のセル電圧に基づき、それらの平均の電圧値、すなわち平均セル電圧Ｖａを算出する。
また、ＥＣＵ１８０は、入力された燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セルの各セル電圧のうち、最低セル電圧Ｖｍｉｎを特定する。また、ＥＣＵ１８０は、平均セル電圧Ｖａと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差ΔＶを算出する。
ＥＣＵ８０は、燃料電池システムの間欠運転の際、最低セル電圧Ｖｍｉｎと、平均セル電圧Ｖａと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差ΔＶとに基づいてエアコンプレッサ３０の動作を制御する。

この実施の形態２の燃料電池システム２００では、図５のステップＳ１、Ｓ３〜Ｓ７については、上述した実施の形態１の燃料電池システムで説明したとおりである。
図６は、この発明の実施の形態２に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転の際の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートであって、特にカソード極での水詰まりの発生とカソード極での水詰まりが解消された様子を示すタイミングチャートである。図６（ａ）および図６（ｂ）で示す時刻Ｔ２１〜Ｔ２７での動作は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す時刻Ｔ１１〜Ｔ１７で示す動作に対応するので、説明を省略する。
この実施の形態に係る燃料電池システム２００では、燃料電池システム２００の間欠運転の際に、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎによって検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下である場合に、ＥＣＵ１８０はエアコンプレッサ３０を稼働させて燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１で空気を供給した後、燃料電池スタック１０に第１所定流量Ａ１よりも多い第２所定流量Ａ２で空気を一定時間供給する、燃料電池システムであって、電圧センサＢ_１、Ｂ_２、・・・、Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎで検出される各セル電圧のうち最低セル電圧Ｖｍｉｎが所定の閾値電圧Ｖ’以下であって、複数のセル電圧に基づいて定まる平均セル電圧Ｖａと最低セル電圧との電圧差ΔＶが、基準電圧差ΔＶｓを超えた場合、ＥＣＵ１８０は、第２所定流量Ａ２の値として、該第２所定流量Ａ２よりも多い第３所定流量Ａ３を設定することとしたから、カソード極での水詰まりを防止することができ、またそれにより極端な電圧低下が防止されるため、発電セルが劣化することが防止される。

１０燃料電池スタック、２０水素タンク（水素供給手段）、３０エアコンプレッサ（空気供給手段）、８０、１８０ＥＣＵ（制御手段）、１００、２００燃料電池システム、Ａ１第１所定流量、Ａ２第２所定流量、Ａ３第３所定流量、Ｂ_１、Ｂ_２、・・・Ｂ_ｎ−１、Ｂ_ｎ電圧センサ（電圧検出手段）、Ｖａ平均セル電圧（比較電圧）、Ｖｍａｘ最高セル電圧（比較電圧）、Ｖｍｉｎ最低セル電圧、Ｖ’ 所定の閾値電圧、ΔＶ比較電圧と最低セル電圧との電圧差、ΔＶｓ基準電圧差。

Claims

複数の発電セルを積層して構成され、各発電セルはアノード極とカソード極を有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池スタックの複数の発電セルの各セル電圧を検出する電圧検出手段と、
を備え、
前記燃料電池システムの間欠運転の際に、前記電圧検出手段によって検出される前記各セル電圧のうち最低セル電圧が所定の閾値電圧以下である場合に、前記空気供給手段を稼働させて前記燃料電池スタックに第１所定流量で空気を供給した後、前記燃料電池スタックに第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する制御手段を有する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
前記電圧検出手段で検出される前記各セル電圧のうち最低セル電圧が前記所定の閾値電圧以下であって、前記電圧検出手段によって検出される１つ又は複数のセル電圧に基づいて定まる比較電圧と最低セル電圧との電圧差が、基準電圧差を超えた場合、前記第２所定流量の値として、該第２所定流量よりも多い第３所定流量を設定する燃料電池システム。
前記比較電圧は、最高セル電圧である請求項１に記載の燃料電池システム。
前記比較電圧は、前記複数のセル電圧に基づいて算出される平均セル電圧である請求項１に記載の燃料電池システム。