JP2019036464A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水素欠乏状態の解消後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻す。【解決手段】アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池1と、燃料電池1と電気的に接続される電気負荷部50と、燃料電池1と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器52と、を備える燃料電池システム100制御装置200が、燃料電池1に供給される水素量が発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態となっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、水素欠乏状態となっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、回路遮断器52によって燃料電池1と電気負荷部50との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は燃料電池システムの制御装置に関する。
特許文献1には、水素酸化反応を促進させる例えば白金等の触媒に加えて、水の電気分解を促進させる触媒(水電解触媒)をアノード電極に含ませた燃料電池が開示されている。
特表2003−508877号公報
燃料電池のアノード電極に水電解触媒を含ませることで、燃料電池に供給される水素量が発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になったときに、アノード電極中のカーボンが酸化腐食するのを抑制できる。しかしながら、燃料電池のアノード電極に水電解触媒を含ませた場合であっても、水素欠乏状態になると燃料電池の電圧が低下して負電圧となる。その結果、アノード電極中の白金触媒白金の表面に酸化被膜が形成されてしまい、水素欠乏状態が解消された後も燃料電池の電圧が正常な電圧値に戻るまでに時間がかかるという問題点がある。
本発明はこのような問題に着目してなされたものであり、水素欠乏状態となって燃料電池の電圧が低下した場合において、その水素欠乏状態が解消された後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池と、燃料電池と電気的に接続される電気負荷部と、燃料電池と電気負荷部との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器と、を備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御装置が提供される。燃料電池システムの制御装置は、燃料電池に供給される水素量が、発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、水素欠乏状態になっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、回路遮断器によって燃料電池と電気負荷部との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、を備えるように構成される。
本発明のこの態様によれば、水素欠乏状態になって燃料電池の電圧が低下した場合において、その水素欠乏状態が解消された後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことができる。
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図2は、本発明の第1実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図3は、本発明の第1実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図4は、本発明の第2実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図5は、初期水温に基づいて凍結解消判定時間を算出するためのテーブルである。 図6は、本発明の第2実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図7は、本発明の第3実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図8は、本発明の第3実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図9は、本発明の第4実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図10は、本発明の第4実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システム100及び燃料電池システム100を制御する電子制御ユニット200の概略構成図である。
燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10に対してアノードガス(燃料ガス)としての水素の給排を行うための水素給排装置20と、燃料電池スタック10に対してカソードガス(酸化剤ガス)としての空気の給排を行うための空気給排装置30と、燃料電池スタック10を冷却する冷却水を循環させるための冷却水循環装置40と、燃料電池スタック10の出力端子に電気的に接続される電気負荷部50と、を備える。
燃料電池スタック10は、複数の燃料電池単セル(以下「単セル」という。)1を積層方向に沿って互いに積層し、各単セル1を電気的に直列に接続したものである。各単セル1は、MEA(Membrane Electrode Assembly)1aを備える。
MEA1aは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜(以下「電解質膜」という。)の一方の表面にアノード電極を形成し、他方の表面にカソード電極を形成してそれらを一体化したものである。燃料電池スタック10で発電が行われているときは、アノード電極及びカソード電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 : 2H→4H+4e …(1)
カソード電極 : 4H+4e+O →2HO …(2)
アノード電極及びカソード電極は、多孔質のカーボン素材に触媒を担持させた触媒層をそれぞれ備えており、各触媒層には水素と酸素との電気化学反応((1)式の水素酸化反応と(2)式の酸素還元反応)を促進させるための触媒として白金が含まれている。なお、MEA1aの両外側に、さらにアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を備えていてもよい。
また本実施形態では、アノード電極の触媒層に、単セル1に対する水素の供給量が不足したときに水電解反応を促進させるための触媒(以下「水電解触媒」という。)をさらに含ませている。水電解触媒としては、例えば酸化ルテニウムや酸化イリジウムなどが挙げられる。本実施形態において、アノード電極の触媒層に水電解触媒を含ませている理由については後述する。
各単セル1内には、アノード電極に水素を供給するための水素流通路2aと、カソード電極に空気を供給するための空気流通路3aと、が形成される。また、隣接する2つの単セル同士間に、冷却水を供給するための冷却水流通路4aが形成される。
各単セル1の水素流通路2a、空気流通路3a及び冷却水流通路4aは、それぞれ燃料電池スタック10内で並列に接続されており、これにより、燃料電池スタック10内に水素通路2、空気通路3及び冷却水通路4が形成される。
本実施形態では、水素通路2の入口及び出口は、それぞれ燃料電池スタック10の積層方向一端側(図中右側)に設けられ、空気通路3及び冷却水通路4の入口及び出口は、それぞれ燃料電池スタック10の積層方向他端側(図中左側)に設けられているが、この形態に限られるものではない。また本実施形態では、単セル1内で水素及び空気の流れる向きが逆向きとなるように、水素通路2及び空気通路3にそれぞれ水素及び空気を供給しているが、同じ向きとなるように水素及び空気を供給しても良い。また、本実施形態では、単セル1内で冷却水の流れる向きを水素の流れる向きと同じ向きとしているが、逆向きとしても良い。
水素給排装置20は、水素供給管21と、水素源としての高圧水素タンク22と、水素供給制御部23と、アノードオフガス管24と、気液分離器25と、水素戻し管26と、水素循環ポンプ27と、パージ管28と、パージ制御弁29と、を備える。
水素供給管21は、水素通路2に供給する水素が流れる配管であって、一端が高圧水素タンク22に連結され、他端が水素通路2の入口に連結される。
高圧水素タンク22は、水素供給管21を介して水素通路2に供給するための水素を貯蔵する。
水素供給制御部23は、主止弁231と、レギュレータ232と、インジェクタ233と、を備える。
主止弁231は、電子制御ユニット200によって開閉される電磁弁であり、水素供給管21に設けられる。主止弁231が開かれると、高圧水素タンク22から水素供給管21に水素が流出する。主止弁231が閉じられると、高圧水素タンク22からの水素の流出が停止される。
レギュレータ232は、主止弁231よりも下流の水素供給管21に設けられる。レギュレータ232は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット200によって制御される。レギュレータ232の開度を制御することで、レギュレータ232よりも下流側の水素の圧力、すなわちインジェクタ233から噴射される水素の圧力が制御される。
インジェクタ233は、レギュレータ232よりも下流の水素供給管21に設けられる。インジェクタ233は、例えばニードル弁であり、電子制御ユニット200によって開閉制御される。インジェクタ233の開弁時間を制御することで、インジェクタ233から噴射される水素の流量が制御される。
このように、水素供給制御部23によって、高圧水素タンク22から水素通路2への水素の供給が制御される。すなわち、水素供給制御部23によって、所望の圧力及び流量に制御された水素が水素通路2に供給される。
インジェクタ233よりも下流の水素供給管21には、アノード圧力センサ211が設けられる。アノード圧力センサ211は、水素通路2内の水素の圧力(以下「アノード圧力」という。)を代表する値として、インジェクタ233よりも下流の水素供給管21内の水素の圧力を検出する。
アノードオフガス管24は、水素通路2から流出してきたアノードオフガスが流れる配管であって、一端が水素通路2の出口に連結され、他端が気液分離器25のガス流入口25aに連結される。アノードオフガスは、各単セル1内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素や、空気流通路3aからMEA1aを介して水素流通路2aに透過してきた窒素等の不活性ガス及び水分(液水や水蒸気)を含むガスである。
気液分離器25は、ガス流入口25aと、ガス流出口25bと、液水流出口25cと、を備える。気液分離器25は、ガス流入口25aから内部に流入してきたアノードオフガスから水を分離する。そして気液分離器25は、分離した水を液水流出口25cからパージ管28に排出すると共に、水が分離された水素を含むアノードオフガスをガス流出口25bから水素戻し管26に排出する。
水素戻し管26は、一端が気液分離器25のガス流出口25bに連結され、他端が水素供給制御部23よりも下流の水素供給管21に連結される配管であって、気液分離器25のガス流出口25bから排出されたアノードオフガスが流れる。
水素循環ポンプ27は、水素戻し管26に設けられる。水素循環ポンプ27は、アノードオフガス中に含まれる水素、すなわち各単セル1内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素を水素供給管21に戻して循環させるためのポンプである。水素循環ポンプ27は、気液分離器25のガス流出口25bから排出されたアノードオフガスを加圧して水素供給管21に圧送する。
パージ管28は、一端が気液分離器25の液水流出口25cに連結され、他端が大気に開口している配管である。
パージ制御弁29は、電子制御ユニット200によって開閉される電磁弁であり、パージ管28に設けられる。パージ制御弁29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29が開弁されると、気液分離器25内で分離された水が、パージ管28を介して燃料電池システム100の外部に排出される。
このように本実施形態による燃料電池システム100は、水素通路2から流出したアノードオフガスを水素供給管21に戻して循環させる水素循環式の燃料電池システムであるが、水素通路2から流出したアノードオフガスを水素供給管21に戻さない水素非循環式の燃料電池システムとしても良い。
空気給排装置30は、空気供給管31と、エアクリーナ32と、コンプレッサ33と、インタークーラ34と、カソードオフガス管35と、加湿器36と、カソード圧力制御弁37と、を備える。
空気供給管31は、空気通路3に供給する空気が流れる配管であって、一端がエアクリーナ32に連結され、他端が空気通路3の入口に連結される。
エアクリーナ32は、空気供給管31に吸入される空気中の異物を取り除く。エアクリーナ32は、酸素源32aとなる大気中に配置される。すなわち、酸素源32aはエアクリーナを介して空気供給管31と連通している。
コンプレッサ33は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、空気供給管31に設けられる。コンプレッサ33は、エアクリーナ32を介して空気供給管31に吸入した空気を圧縮して吐出する。
インタークーラ34は、コンプレッサ33よりも下流の空気供給管31に設けられ、コンプレッサ33から吐出された空気を例えば走行風や冷却水などで冷却する。
カソードオフガス管35は、空気通路3の出口から流出したカソードオフガスが流れる配管であって、一端が空気通路3の出口に連結され、他端が大気に開口している。カソードオフガスは、各単セル1内で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素や、窒素等の不活性ガス、電気化学反応によって生じた水分(液水や水蒸気)を含むガスである。
加湿器36は、空気供給管31及びカソードオフガス管35のそれぞれに接続されており、カソードオフガス管35を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分で空気供給管31を流れる空気を加湿する。
カソード圧力制御弁37は、加湿器36よりも下流のカソードオフガス管35に設けられる。カソード圧力制御弁37は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット200によって制御される。カソード圧力制御弁37の開度を制御することで、空気通路3内の圧力であるカソード圧力が制御される。
加湿器36よりも上流のカソードオフガス管35には、カソード圧力センサ212が設けられる。カソード圧力センサ212は、空気通路3内の圧力(カソード圧力)を代表する値として、カソード圧力制御弁37よりも上流のカソードオフガス管35内の圧力を検出する。
冷却水循環装置40は、冷却水循環配管41と、冷却水ポンプ42と、ラジエータ43と、ラジエータバイパス管44と、ラジエータバイパス制御弁45と、を備える。
冷却水循環配管41は、燃料電池スタック10を冷却するための冷却水を循環させる配管であって、一端が冷却水通路4の入口に接続され、他端が冷却水通路4の出口に接続される。以下では、冷却水通路4の出口側を冷却水循環配管41の上流と定義し、冷却水通路4の入口側を冷却水循環配管41の下流と定義して説明する。
冷却水ポンプ42は、冷却水循環配管41の上流側に設けられ、冷却水を循環させる。
冷却水ポンプ42よりも上流の冷却水循環配管41、すなわち冷却水通路4の出口付近の冷却水循環配管41には、水温センサ213が設けられる。水温センサ213は、燃料電池スタック10の温度を代表する値として、冷却水通路4から冷却水循環配管41に流出した冷却水の温度を検出する。この水温センサ213で検出された冷却水の温度が予め定められた目標温度(例えば60℃)となるように、冷却水ポンプ42が電子制御ユニット200からの制御信号に基づいて制御される。
ラジエータ43は、冷却水ポンプ42よりも下流の冷却水循環配管41に設けられ、冷却水通路4の出口から流出した冷却水を、例えば走行風やラジエータファン46によって吸い込んだ空気によって冷却する。
ラジエータバイパス管44は、ラジエータ43を経由させずに冷却水を循環させることができるように設けられた配管であって、一端が冷却水ポンプ42とラジエータ43との間の冷却水循環配管41に接続され、他端がラジエータバイパス制御弁45に接続される。
ラジエータバイパス制御弁45は、例えば電子制御式の三方弁であり、ラジエータ43よりも下流の冷却水循環配管41に設けられる。ラジエータバイパス制御弁45は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、冷却水通路4から冷却水循環配管41に流出した冷却水が、ラジエータ43を経由して再び冷却水通路4に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が基準温度以下のときは、冷却水通路4から冷却水循環配管41に流出した冷却水が、ラジエータ43を経由せずにラジエータバイパス管44を流れて直接冷却水通路4に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。
電気負荷部50は、第1コンバータ51と、回路遮断器52と、バッテリ53と、第2コンバータ54と、モータジェネレータ55と、インバータ56と、を備える。
電気負荷部50と燃料電池スタック10の出力端子との接続ライン57には、燃料電池スタック10から取り出される電流(以下「スタック電流」という。)を検出するための電流センサ214と、燃料電池スタック10の出力端子の端子間電圧(以下「スタック電圧」という。)を検出するための電圧センサ215と、が設けられる。この電流センサ214で検出されたスタック電流が、燃料電池スタック10の負荷に相当する。
第1コンバータ51は、一次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のDC/DCコンバータであり、一次側端子が回路遮断器52を介して燃料電池スタック10の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ56の直流側端子に接続される。第1コンバータ51は、電子制御ユニット200からの制御信号に基づいて一次側の端子間電圧となるスタック電圧を昇降圧させ、スタック電圧を燃料電池システム100の運転状態に応じて設定される目標スタック電圧に制御する。
回路遮断器52は、電子制御ユニット200によって開閉され、燃料電池スタック10と電気負荷部50とを電気的、物理的に接続又は遮断する。
バッテリ53は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ53には、燃料電池スタック10の余剰電力及びモータジェネレータ55の回生電力が充電される。バッテリ53に充電された電力は、必要に応じてモータジェネレータ55やコンプレッサ33等の燃料電池システム100が備える各制御部品を駆動するために使用される。
第2コンバータ54は、例えば二次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のDC/DCコンバータであり、一次側端子がバッテリ53の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ56の直流側端子に接続される。第2コンバータ54は、電子制御ユニット200からの制御信号に基づいて二次側の端子間電圧となるインバータ56の入力電圧を昇降圧させ、入力電圧を燃料電池システム100の運転状態に応じて設定される目標入力電圧に制御する。
モータジェネレータ55は、例えば三相の永久磁石型同期モータであり、燃料電池システム100が搭載される車両の動力を発生させるモータとしての機能と、車両の減速時に発電するジュネレータとしての機能と、を備える。モータジェネレータ55は、インバータ56の交流側端子に接続され、燃料電池スタック10の発電電力及びバッテリ53の電力によって駆動される。
インバータ56は、電子制御ユニット200からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット200からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路を備える。インバータ56の直流側端子は第1コンバータ51及び第2コンバータ54の二次側端子に接続され、インバータ56の交流側端子はモータジェネレータ55の入出力端子に接続される。インバータ56は、モータジェネレータ55をモータとして機能させるときは、燃料電池スタック10の燃料電池電流及びバッテリ53のバッテリ電流の合成直流電流を交流電流(本実施形態では三相交流電流)に変換してモータジェネレータ55に供給する。一方でインバータ56は、モータジェネレータ55をジュネレータとして機能させるときは、モータジェネレータ55からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ53等に供給する。
電子制御ユニット200は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス201によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)202、RAM(ランダムアクセスメモリ)203、CPU(マイクロプロセッサ)204、入力ポート205及び出力ポート206を備える。
入力ポート205には、前述したアノード圧力センサ211やカソード圧力センサ212、水温センサ213、電流センサ214、電圧センサ215などの出力信号が、対応する各AD変換器207を介して入力される。また、入力ポート205には、燃料電池システム100の起動及び停止を判断するためのスタートスイッチ220からの出力信号が入力される。
出力ポート206には、対応する駆動回路208を介して水素供給制御部23(主止弁231、レギュレータ232及びインジェクタ233)やパージ制御弁29、コンプレッサ33、カソード圧力制御弁37、冷却水ポンプ42、ラジエータバイパス制御弁45、第1コンバータ51、回路遮断器52、第2コンバータ54、モータジェネレータ55、インバータ56などの各制御部品が電気的に接続される。
このように、入力ポート205には燃料電池システム100を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力されており、電子制御ユニット200は、入力ポート205に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート206から出力する。
ここで、燃料電池システム100を車両に搭載するような場合には、外気温度が0[℃]を下回るような低温環境下で燃料電池システム100が起動されるときがある。燃料電池システム100の運転中は、前述した(2)式の酸素還元反応によってカソード電極側で生成水が生じるため、この生成水の一部が燃料電池システム100の運転中にカソード電極側からアノード電極側に透過し、燃料電池システム100の停止後もアノード電極側の水素流通路2aに残留する場合がある。
また本実施形態のような水素循環式の燃料電池システム100の場合には、気液分離器25によってアノードオフガス中の水分を分離しているものの、完全には水分を分離しきれないこともある。そのため、水素通路2、ひいては水素流通路2aに供給される水素に水分が含まれている場合があり、水素中に含まれる水分が水素流通路2aに残留する場合がある。またこれ以外にも、何らかの要因で水素流通路2aに水が混入し、燃料電池システム100の停止後も混入した水が水素流通路2aに残留していることも考えられる。
そのため、低温環境下においては、水素流通路2aに残留している水(以下「残留水」という。)が、燃料電池システム100の停止中に凍結するおそれがある。燃料電池システム100の起動時において、このような残留水の凍結が、例えば櫛歯部(各単セル1を積層したときに形成される水素マニホールド(水素通路2)から各単セル1のアノード電極に水素を分配する部分)などの水素流通路2aで生じていると、凍結が生じている単セル1への水素供給が阻害されることになる。
このように、少なくとも一部の単セル1への水素供給が阻害されている状態で燃料電池システム100が運転されると、水素供給が阻害されている単セル1は、発電のために必要な水素量が不足する水素欠乏状態、すなわち、燃料電池スタック10の負荷に応じて設定される、発電するために必要な水素量に対して、供給される水素量が不足する状態となる。
水素欠乏状態となっている単セル1のアノード電極では、前述した(1)式の水素酸化反応によって水素イオン(プロトン)を生成することができなくなる。そのため、水素欠乏状態となっている単セル1のアノード電極では、アノード電極中に含まれるカーボンを利用して、以下の(3)式に示すカーボン酸化反応が支配的となって水素イオンの生成が行われるようになり、各電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 : C+2HO→CO+4H+4e …(3)
カソード電極 : 4H+4e+O →2HO …(2)
このようにアノード電極でカーボン酸化反応が生じると、アノード電極中のカーボンが酸化腐食するため、水素欠乏状態となっている単セル1の性能を低下させることになる。
そこで本実施形態では、水素欠乏状態となっている単セル1のアノード電極でのカーボン酸化反応を抑制するために、アノード電極に水電解触媒を含ませている。アノード電極に水電解触媒が含まれていると、水素欠乏状態となったときに、電解質膜中の水を利用して、カーボン酸化反応に替えて以下の(4)式に示す水電解反応が支配的となって水素イオンの生成が行われるようになり、各電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 : 2HO→O+4H+4e …(4)
カソード電極 : 4H+4e+O →2HO …(2)
そのため、アノード電極に水電解触媒を含ませることで、仮に水素欠乏状態となったとしても、カーボンが酸化腐食するのを抑制することができる。
ところで、アノード電極で(1)式に示す水素酸化反応が生じているときのアノード電極の電位(標準電極電位)は、概ね0[V]であり、カソード電極で(2)式に示す酸素還元反応が生じているときのカソード電極の電位(概ね0.6[V]〜0.8[V]程度)よりも低くなる。
しかしながら、アノード電極で(3)式に示すカーボン酸化反応が生じているときや、(4)式に示す水電解反応が生じているときは、アノード電極の電位が前述したカソード電極の電位よりも高くなる傾向にある。すなわち、水素欠乏状態となっている単セル1のセル電圧(カソード電極の電位−アノード電極の電位)は、水電解触媒の有無にかかわらず負電圧となる傾向にある。
アノード電極中の白金触媒は、ある電位(概ね0.6[V]程度)以上の電位にさらされると、酸化して表面に酸化被膜が形成され始め、高電位になるほど被膜率が増加する。
したがって、水素欠乏状態となっている単セル1が存在する状況で燃料電池システム100が運転されると、当該単セル1のセル電圧が負電圧となり、水電解触媒の有無にかかわらず、アノード電極中の白金触媒の表面に酸化被膜が形成されることになる。なお、水電解反応が生じているときのアノード電極の電位は、カーボン酸化反応が生じているときのアノード電極の電位よりは低くなるため、アノード電極に水電解触媒を含ませることで、白金触媒の表面に形成される酸化被膜の被膜率自体は下げることができる。
アノード電極中の白金触媒の表面に形成された酸化被膜は、水素欠乏状態が解消されて水素流通路2aに水素が供給されるようになると、すなわち水素雰囲気下(還元雰囲気下)に置かれると、水素によって還元されて除去される。
しかしながら、白金触媒が一旦酸化被膜に覆われると、白金触媒の活性が失われるため、水素欠乏状態が解消された後も、アノード電極において水素酸化反応が起こりにくくなり、水素酸化反応だけでは水素イオンを十分に生成することができなくなる。そのため、水素欠乏状態が解消された後も、不足する水素イオンを補うために、アノード電極中に水電解触媒が含まれていない場合にはカーボン酸化反応が起こり、水電解触媒が含まれている場合には基本的に水電解反応が起こる。
したがって、水素欠乏状態が解消された後も、アノード電極が高電位の状態が続いて酸化被膜が形成されやすい状態が続くので、水素による酸化被膜の還元に時間がかかる。また水素酸化反応も起こっており、酸化被膜の還元に必要な水素が水素酸化反応によって消費されている状態となっているので、このことによっても水素による酸化被膜の還元に時間がかかる。
このように、アノード電極に水電解触媒を含ませたとしても、水素欠乏状態となっている単セル1が存在する状況で燃料電池システム100が運転されると、当該単セル1のセル電圧が負電圧となって、アノード電極中の白金触媒の表面に酸化被膜が形成されることになる。そして、セル電圧が負電圧になって白金触媒が一旦酸化被膜に覆われると、水素欠乏状態が解消された後も、セル電圧が負電圧の状態がしばらくの間続き、セル電圧が負電圧から正常な電圧値に戻るまでに時間がかかることになる。
そこで、セル電圧が負電圧となった場合には、出力制限を実施して一時的に目標発電電力をゼロにし、燃料電池スタック10による発電を停止することが考えられる。このような出力制限を実施することで、単セル1内での発電が行われなくなり、アノード電極で水素酸化反応、及び水電解反応が起こらなくなるので、水素雰囲気下で迅速に水素による酸化被膜の還元を実施することができるとも考えられる。
しかしながら、このような出力制限を実施しても、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続が、回路遮断器52によって物理的に遮断されていない場合、実際には接続ライン57を介して燃料電池スタック10から電気負荷部50に微小な暗電流が流れることがある。すなわち出力制限を実施したとしても、単セル1内で水素酸化反応が生じてしまい、酸化被膜の還元に必要な水素が水素酸化反応によって消費される状態となってしまう。その結果、水素による酸化被膜の還元が迅速に進まず、セル電圧が負電圧から正常な電圧値に戻るまでに時間がかかるおそれがある。
そこで本実施形態では、水素欠乏状態であるか否かを判定すると共に、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定し、水素欠乏状態が解消したと判定したときには、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を、回路遮断器52によって物理的に一時的に遮断することとした。
このように、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を回路遮断器52によって物理的に遮断することで、単セル1内での発電が行われなくなり、かつ接続ライン57を介して暗電流が流れることもないので、水素雰囲気下で迅速に水素による酸化被膜の還元を実施することができる。そのため、セル電圧が負電圧から正常な電圧値に戻るまでの時間を短縮させることができる。以下、この本実施形態による電圧回復制御について説明する。
図2は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを燃料電池システム100の運転中に所定の演算周期Δt[ms]で繰り返し実行する。
ステップS1において、電子制御ユニット200は、水温センサ213によって検出された冷却水温Twを読み込む。
ステップS2において、電子制御ユニット200は、フラグF1が0に設定されているか否かを判定する。フラグF1は、後述するステップS3で水素欠乏状態と判定されたときに1に設定され、後述するステップS6で水素欠乏状態が解消したと判定されたときに0に戻されるフラグであって、初期値は0に設定される。
ステップS3において、電子制御ユニット200は、水素欠乏状態となっている単セル1が存在するか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット200は、冷却水温Twが、所定の凍結判定水温Tw1(例えば0[℃])未満であれば、水素欠乏状態となっている単セル1が存在すると判定してステップS4の処理に進む。これは、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1未満であれば、残留水の凍結によって少なくとも一部の単セル1への水素供給が阻害されていると判定できるためである。一方で電子制御ユニット200は、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1以上であれば、残留水の凍結に起因して水素欠乏状態となっている単セル1はないと判定して今回の処理を終了する。
ステップS4において、電子制御ユニット200は、フラグF1を1に設定する。
ステップS5において、電子制御ユニット200は、燃料電池スタック10の暖機を促進させるための急速暖機運転を実施する。本実施形態では電子制御ユニット200は、空気通路3に供給される空気流量が、燃料電池スタック10の負荷に応じて設定される目標空気流量よりも所定量だけ少なくなるように、カソードコンプレッサ33を制御する。これにより、燃料電池スタック10のIV特性が悪化し、IV特性が悪化した分だけ熱損失が増加するため、燃料電池スタック10の暖機を促進することができる。
ステップS6において、電子制御ユニット200は、水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット200は、冷却水温Twが、凍結判定水温Tw1よりも高い所定の凍結解消水温Tw2(例えば10[℃])以上であれば、水素欠乏状態が解消したと判定する。これは、冷却水温Twが凍結解消水温Tw2以上であれば、残留水の凍結が解消されて、各単セル1への水素供給が正常に行われていると判定できるためである。電子制御ユニット200は、冷却水温Twが凍結解消水温Tw2以上であればステップS7の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、冷却水温Twが凍結解消水温Tw2未満であれば今回の処理を終了する。
ステップS7において、電子制御ユニット200は、フラグF1を0に戻す。
ステップS8において、電子制御ユニット200は、回路遮断器52を所定の遮断時間tsだけ開き、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を回路遮断器52によって物理的に一時的に遮断する。
このように、水素欠乏状態が解消された後に、回路遮断器52によって燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に遮断することで、アノード電極における水素酸化反応を完全に停止させつつ、アノード電極を水素雰囲気下に置くことができる。そのため、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に遮断している間に、白金触媒の表面に形成された酸化被膜を水素によって迅速に還元することができる。
発明者らの実験結果によれば、電気的な接続を物理的に遮断せずに前述した出力制限を実施して負電圧となっている単セル1の電圧回復を試みた結果、100秒程度を要していた。これに対して本実施形態による電圧回復制御を実施すれば、遮断時間tsの間に単セル1のセル電圧を正常な電圧値(概ね0.8[V])に戻すことができることを確認している。
なお遮断時間tsの下限値は概ね1[msec]程度であり、本実施形態では遮断時間tsを1[sec]としている。一方で遮断時間tsの上限値は特に限定されるものではないが、遮断中は燃料電池スタック10による電力供給ができなくなるので、バッテリ53によって電力供給可能な時間の範囲内であることが望ましく、例えば30分以内、好ましくは1分以内、さらに好ましくは3秒以内であることが望ましい。
図3は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。
時刻t1で燃料電池システム100が起動され、燃料電池システム100の運転が開始される。このとき、図3に示す例では、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1未満となっており、一部の単セル1が水素欠乏状態になっている。その結果、時刻t1以降の燃料電池システム100の運転中は、セル電圧が負電圧となって、水素欠乏状態となっている単セル1のアノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成される。
時刻t2で、冷却水温Twが凍結解消水温Tw2以上になると、水素欠乏状態が解消したと判定されて、回路遮断器52が所定の遮断時間tsだけ開かれ、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。
以上説明した本実施形態によれば、アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池(単セル1又は燃料電池スタック10)と、燃料電池と電気的に接続される電気負荷部50と、燃料電池と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器52と、を備える燃料電池システム100の電子制御ユニット200(制御装置)が、燃料電池に供給される水素量が、発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、水素欠乏状態になっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、回路遮断器52によって燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、を備えるように構成される。
このように、水素欠乏状態が解消された後に回路遮断器52によって燃料電池と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に遮断することで、燃料電池のアノード電極における水素酸化反応を完全に停止させつつ、アノード電極を水素雰囲気下に置くことができる。そのため、燃料電池と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に遮断している間に、白金触媒の表面に形成された酸化被膜を水素によって迅速に還元することができる。したがって、水素欠乏状態の解消後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことができる。
また本実施形態によれば、水素欠乏判定部は、燃料電池の温度を代表する冷却水温Tw(代表温度)が、燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度Tw1未満のときに、水素欠乏状態になっていると判定するように構成される。そして水素欠乏解消判定部は、冷却水温Tw(代表温度)が凍結判定温度Tw1よりも高い所定の凍結解消判定温度Tw2以上になったときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。
これにより、残留水の凍結に起因する水素欠乏状態の発生及び解消を精度良く判定することができる。
(第2実施形態)
次に本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、水素欠乏状態が解消したか否かを、水素欠乏状態と判定されてからの経過時間teに基づいて判定する点で、第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
図4は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを燃料電池システム100の運転中に所定の演算周期Δt[ms]で繰り返し実行する。図4において、ステップS1からステップS5、及びステップS8は、第1実施形態と同様の処理を実施しているので、ここでは説明を省略する。
ステップS21において、電子制御ユニット200は、水素欠乏状態と判定されてからの経過時間teを算出する。本実施形態では電子制御ユニット200は、経過時間teの前回値に本ルーチンの演算周期Δtを加算したものを、経過時間teとして算出する。経過時間teの初期値はゼロである。
なお本実施形態では、このように水素欠乏状態と判定されてからの時間を経過時間teとしているが、これに替えて燃料電池システム100を起動してからの時間、又は燃料電池システム100の起動後に燃料電池スタック10によって発電を開始してからの時間を経過時間teとしても良い。
ステップS22において、電子制御ユニット200は、ステップS3で水素欠乏状態と判定したときの冷却水温Twを、初期水温Tw0として記憶する。
ステップS23において、電子制御ユニット200は、予め実験等によって作成された図5のテーブルを参照し、初期水温Tw0に基づいて、水素欠乏状態が解消されるまでの時間、すなわち残留水の凍結が解消されるまでの時間(以下「凍結解消判定時間」という。)te1を算出する。図5のテーブルは、基本的に初期水温Tw0が高いときに比べて低いときのほうが、凍結解消判定時間te1が長くなるように設定されており、本実施形態では初期水温Tw0が低いときほど凍結解消判定時間te1が長くなるように設定されている。
ステップS24において、電子制御ユニット200は、水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット200は、経過時間teが凍結解消判定時間te1以上であれば水素欠乏状態が解消したと判定する。電子制御ユニット200は、経過時間teが凍結解消判定時間te1以上であればステップS7の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、経過時間teが凍結解消判定時間te1未満であれば今回の処理を終了する。
ステップS25において、電子制御ユニット200は、フラグF1を0に戻すと共に、経過時間teを初期値のゼロに戻す。
図6は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。
時刻t1で燃料電池システム100が起動され、燃料電池システム100の運転が開始される。このとき、図6に示す例では、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1未満となっており、一部の単セル1が水素欠乏状態になっている。その結果、時刻t1以降の燃料電池システム100の運転中は、セル電圧が負電圧となって、水素欠乏状態となっている単セル1のアノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成される。そして本実施形態では、時刻t1で冷却水温Twが凍結判定水温Tw1未満となっているため、時刻t1における冷却水温Twが初期水温Tw0として記憶され、初期水温Tw0に基づいて凍結解消判定時間te1が設定される。
時刻t2で、経過時間teが凍結解消判定時間te1以上になると、水素欠乏状態が解消したと判定されて、回路遮断器52が所定の遮断時間tsだけ開かれ、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。
以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット200の水素欠乏解消判定部は、水素欠乏状態と判定されてからの経過時間teが、水素欠乏状態と判定されたときの冷却水温(すなわち初期水温Tw0)に基づいて設定される凍結解消判定時間te1以上となったときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。そして水素欠乏解消判定部は、水素欠乏状態と判定されたときの冷却水温(すなわち初期水温Tw0)が高いときに比べて低いときの方が、凍結解消判定時間te1を長くするように構成される。
これにより、第1実施形態と同様の効果が得られると共に、残留水の凍結に起因して発生した水素欠乏状態の解消を、初期水温Tw0に基づいて精度良く判定することができる。
(第3実施形態)
次に本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、水素欠乏状態が解消したか否かを、燃料電池スタック10の内部インピーダンス(HFR;High Frequency Resistance)Zに基づいて判定する点で、第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
図7は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを燃料電池システム100の運転中に所定の演算周期Δt[ms]で繰り返し実行する。図5において、ステップS1からステップS5、ステップS7及びステップS8は、第1実施形態と同様の処理を実施しているので、ここでは説明を省略する。
ステップS31において、電子制御ユニット200は、本ルーチンとは別途に燃料電池システム100の運転中に随時算出している燃料電池スタック10の内部インピーダンスZを読み込む。内部インピーダンスZは、電解質膜の湿潤度と相関関係にあることが知られており、電解質膜の湿潤度が一定の湿潤度以下になると(すなわち電解質膜中の水分量が一定以下になると)、内部インピーダンスZが増加する傾向になる。
なお内部インピーダンスZの算出方法は特に限られるものではなく、公知の種々の手法(例えば交流インピーダンス法)を使用して算出すればよい。またこれ以外にも、内部インピーダンスZの計測装置を別途に設け、実際に内部インピーダンスZを計測するようにしてもよい。なお、内部インピーダンスZは、燃料電池スタック10全体について算出する場合に限られず、燃料電池スタック10内の各単セル1の内部インピーダンスを算出する構成とし、単セル1の内部インピーダンスのうちの少なくとも1つに基づいて、電解質膜の湿潤度を取得してもよい。例えば、燃料電池の単セル1のうち、予め凍結しやすい部位がわかっている場合には、凍結しやすい単セル1の内部インピーダンスを算出し、これに基づいて電解質膜の湿潤度を取得してもよい。
ステップS32において、電子制御ユニット200は、水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット200は、内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上であれば、水素欠乏状態が解消したと判定する。すなわち電子制御ユニット200は、電解質膜の湿潤度が一定以下となって、内部インピーダンスZが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加し始めたときに、水素欠乏状態が解消されたと判定する。
以下、内部インピーダンスの微分値(dZ/dt)が所定値X以上であれば、水素欠乏状態が解消したと判定できる理由について説明する。
前述したように、水素欠乏状態となっている単セル1が存在する状況で燃料電池システム100を運転したときに、アノード電極に水電解触媒が含まれていると、当該単セル1のアノード電極では、電解質膜中の水を利用して、(4)式に示す水電解反応が支配的となって水素イオンの生成が行われるようになる。その結果、セル電圧が負電圧となってアノード電極中の白金触媒の表面に酸化被膜が形成されることなる。
白金触媒が一旦酸化被膜に覆われると、白金触媒の活性が失われるため、水素欠乏状態が解消された後も、アノード電極において(1)式に示す水素酸化反応が起こりにくくなり、水素酸化反応だけでは水素イオンを十分に生成することができなくなる。そのため、水素欠乏状態が解消された後も、不足する水素イオンを補うために、アノード電極に水電解触媒が含まれている場合には水電解反応が起こる。
すなわち、水素欠乏状態で燃料電池システム100の運転が行われ、アノード電極の白金触媒の表面に一旦酸化被膜が形成されると、水素欠乏状態が解消された後もアノード電極で引き続き水電解反応が起こる。水電解反応では電解質膜中の水が使用されるため、水電解反応が続くと徐々に電解質膜が乾燥していき、電解質膜の湿潤度が一定以下になると、概ね或る一定値に維持されていた内部インピーダンスZが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加し始めることになる。
このとき、例えば凍結によって水素欠乏状態となっていた場合、その水素欠乏状態が解消されるまでの時間、すなわち凍結が解消されるまでの時間は、水素欠乏状態となって水電解反応が継続して行われることによって電解質膜の湿潤度が一定以下になるまでの時間、すなわち内部インピーダンスZが或る一定の傾き以上の傾きで増加に転じるまでの時間よりも十分に短い。
そのため、水素欠乏状態であると判定された後に、内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上となった場合には、その水素欠乏状態は解消されていると判定することができる。
図8は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。
時刻t1で燃料電池システム100が起動され、燃料電池システム100の運転が開始される。このとき、図8に示す例では、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1未満となっており、一部の単セル1が水素欠乏状態になっている。その結果、時刻t1以降の燃料電池システム100の運転中は、セル電圧が負電圧となって、水素欠乏状態となっている単セル1のアノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成される。
時刻t2で、冷却水温Twの上昇に伴って水素欠乏状態が解消されると、アノード電極が水素雰囲気下に置かれることになるが、アノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成されているため、前述したようにアノード電極では水電解反応が起こる。そのため時刻t2以降も、セル電圧は負電圧のままとなる。
時刻t2で水素欠乏状態が解消された後もアノード電極で引き続き水電解反応が起こることで、時刻t2以降も電解質膜は徐々に乾燥していくことになる。その結果、時刻t3で電解質膜の湿潤度が一定以下になると、内部インピーダンスZが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加する。本実施形態ではこのときに水素欠乏状態が解消したと判定し、回路遮断器52が所定の遮断時間tsだけ開かれ、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。
以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット200の水素欠乏解消判定部は、燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。具体的には水素欠乏解消判定部は、燃料電池スタック10の内部インピーダンスZの微分値が所定値X以上になったときに、燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったと判定するように構成される。
これにより、第1実施形態と同様の効果が得られると共に、残留水の凍結に起因して発生した水素欠乏状態の解消を、燃料電池スタック10の内部インピーダンスZに基づいて判定することができる。なお、上述のように、内部インピーダンスZの微分値に基づいて燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤度を判定する場合に限定されず、例えば内部インピーダンスZの値が所定値X2以上になったときに、燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったと判定するように構成されてもよい。
(第4実施形態)
次に本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル1が存在するおそれがあるか否かをさらに判定する点で、上記の各実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
前述した第1実施形態から第3実施形態では、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1未満であれば、残留水の凍結によって水素欠乏状態となっている単セル1が存在するおそれがあると判定していた。
しかしながら、このような残留水の凍結以外の要因で、単セル1への水素供給が阻害される場合がある。
前述したように電子制御ユニット200は、冷却水温Twが予め定められた目標温度(例えば60[℃])となるように冷却水ポンプ42を制御している。しかしながら、燃料電池システム100の起動後に比較的低負荷で発電が継続して行われている場合などは、冷却水温Twが目標温度まで到達するまでに時間がかかることがある。このように冷却水温Twが目標温度よりも低い状態で発電が行われていると、発電中にカソード電極側からアノード電極側に透過した生成水が蒸発せずに水素流通路2aに滞留し、水素流通路2aで水詰まりが生じる場合がある。その結果、単セル1への水素供給が阻害されることがある。
そこで本実施形態ではさらに、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル1があった場合には、水詰まりを解消した後に、回路遮断器52によって燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を物理的に一時的に遮断することとした。以下、この本実施形態による電圧回復制御について説明する。
図9は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット200は、本ルーチンを燃料電池システム100の運転中に所定の演算周期Δt[ms]で繰り返し実行する。図9において、ステップS1からステップS8は、第1実施形態と同様の処理を実施しているので、ここでは説明を省略する。
ステップS41において、電子制御ユニット200は、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル1が存在するおそれがあるか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット200は、冷却水温Twが、所定の水詰まり判定水温Tw3(例えば50[℃])未満であれば、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル1が存在するおそれがあると判定してステップS42の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、冷却水温Twが水詰まり判定水温Tw3以上であれば今回の処理を終了する。
ステップS42において、電子制御ユニット200は、本ルーチンとは別途に燃料電池システム100の運転中に随時算出している燃料電池スタック10の内部インピーダンスZを読み込む。
ステップS43において、電子制御ユニット200は、内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上であるか否かを判定する。このように、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1以上であって水詰まり判定水温Tw3未満の状況で、内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上となったか否かを判定するのは、以下の理由による。
冷却水温Twが水詰まり判定水温Tw3未満の場合、燃料電池スタック10は通常時よりも低い温度となっているので、電解質膜の湿潤度は基本的に高くなる(すなわち乾いていない)。したがって、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1以上であって水詰まり判定水温Tw3未満の状況で、内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上となった場合は、水詰まりによって少なくとも一部の単セル1が水素欠乏状態となって当該単セル1のアノード電極で継続的に水電解反応が起こって電解質膜が乾燥していき、内部インピーダンスZが増加し始めたと判断することができる。
したがって、電子制御ユニット200は、ステップS43において内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上であれば、ステップS44及びステップS45の処理に進んで水素流量を一時的に増量させて水詰まりを解消する水詰まり解消運転を所定時間だけ実施した後、ステップS8の処理に進んで回路遮断器52を所定の遮断時間tsだけ開き、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続を回路遮断器52によって物理的に一時的に遮断する。
一方で電子制御ユニット200は、ステップS43において内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X未満であれば、今回の処理を終了する。なお、冷却水温Twが凍結判定水温Tw1以上であって水詰まり判定水温Tw3未満のときに必ずしも水詰まりが起こるわけではないので、そもそも水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル1が存在していない場合は、基本的に内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上となることはない。そのため、このような場合には、ステップS43でNOに進むことになる。
ステップS44において、電子制御ユニット200は、水素流量を一時的に増量させて水詰まりを解消する水詰まり解消運転を実施する。
ステップS45において、電子制御ユニット200は、水詰まり解消運転を所定時間実施したか否かを判定する。すなわち、水詰まりによる水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。電子制御ユニット200は、水詰まり解消運転が所定時間実施されていればステップS8の処理に進む。一方で電子制御ユニット200は、水詰まり解消運転が所定時間実施されていなければ、水詰まり解消運転を継続する。
図10は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。
時刻t1で、燃料電池システム100の運転中に水詰まりによって水素欠乏状態となると、水素欠乏状態となった単セル1のセル電圧が負電圧となる。図10に示す例では、時刻t1以降、冷却水温Twは水詰まり判定水温Tw3未満となっているので、内部インピーダンスZの微分値(dZ/dt)が所定値X以上となったか否かが継続的に判定される。
時刻t1から時刻t2の間、水詰まりによって水素欠乏状態となった単セル1のアノード電極では、水電解反応が起こって電解質膜が乾燥していく。その結果、時刻t1以降は徐々に電解質膜が乾燥していき、時刻t2で電解質膜の湿潤度が一定以下になると、内部インピーダンスZが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加する。これにより、時刻t2において、冷却水温Twが目標温度よりも低い状態で継続して発電が行われたために水詰まりによって水素欠乏状態となった単セル1が生じたと判定し、水詰まり解消運転を所定時間だけ実施して水詰まりを解消する。
そして水詰まり解消運転を所定時間だけ実施した後の時刻t3で、回路遮断器52が所定の遮断時間tsだけ開かれ、燃料電池スタック10と電気負荷部50との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。
以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット200の水素欠乏判定部は、燃料電池の温度を代表する冷却水温Tw(代表温度)が、燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度Tw1未満のときに、水の凍結に起因して水素欠乏状態になっていると判定する第1判定部と、冷却水温Twが凍結判定温度Tw1以上であって、かつ燃料電池内の水素流通路2aで水詰まりが生じるおそれのある所定の水詰まり判定温度Tw3未満の場合において、燃料電池の内部インピーダンスZの微分値が所定値X以上になったときに、水詰まりに起因して水素欠乏状態になっていると判定する第2判定部と、を備えるように構成される。そして水素欠乏解消判定部は、水詰まりに起因して水素欠乏状態になっていると判定されたときは、燃料電池に供給する水素量を一時的に増量して水詰まりを解消する水詰まり解消運転を所定時間実施したときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。
これにより、第1実施形態と同様の効果が得られると共に、残留水の凍結に起因して発生した水素欠乏状態に加えて、水詰まりに起因して発生した水素欠乏状態の発生及び解消を判定することができる。そのため、水詰まりが原因で水素欠乏状態となって電圧が低下した場合においても、水詰まりによる水素欠乏状態の解消後に水素欠乏状態となっていた単セル1の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
50 電気負荷部
52 回路遮断器
100 燃料電池システム
200 電子制御ユニット(制御装置)

Claims (11)

  1. アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池と、
    前記燃料電池と電気的に接続される電気負荷部と、
    前記燃料電池と前記電気負荷部との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器と、
    を備える燃料電池システムの制御装置であって、
    前記燃料電池に供給される水素量が、発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、
    前記水素欠乏状態となっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、
    前記水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、前記回路遮断器によって前記燃料電池と前記電気負荷部との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、
    を備える燃料電池システムの制御装置。
  2. 前記水素欠乏判定部は、
    前記燃料電池の温度を代表する代表温度が、前記燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度未満のときに、前記水素欠乏状態となっていると判定する、
    請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。
  3. 前記水素欠乏解消判定部は、
    前記代表温度が前記凍結判定温度よりも高い所定の凍結解消判定温度以上になったときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
    請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。
  4. 前記水素欠乏解消判定部は、
    前記水素欠乏状態と判定されてからの経過時間が、前記水素欠乏状態と判定されたときの前記代表温度に基づいて設定される凍結解消判定時間以上となったときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
    請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。
  5. 前記水素欠乏解消判定部は、
    前記水素欠乏状態と判定されたときの前記代表温度が高いときに比べて低いときの方が、前記凍結解消判定時間を長くする、
    請求項4に記載の燃料電池システムの制御装置。
  6. 前記水素欠乏解消判定部は、
    前記燃料電池の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
    請求項2に記載の燃料電池システムの制御装置。
  7. 前記水素欠乏解消判定部は、
    前記燃料電池の内部インピーダンスの微分値が所定値以上になったときに、前記燃料電池の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったと判定する、
    請求項6に記載の燃料電池システムの制御装置。
  8. 前記水素欠乏判定部は、
    前記燃料電池の温度を代表する代表温度が、前記燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度未満のときに、水の凍結に起因して前記水素欠乏状態になっていると判定する第1判定部と、
    前記代表温度が前記凍結判定温度以上であって、かつ前記燃料電池内の水素流通路で水詰まりが生じるおそれのある所定の水詰まり判定温度未満の場合において、前記燃料電池の内部インピーダンスの微分値が所定値以上になったときに、水詰まりに起因して前記水素欠乏状態になっていると判定する第2判定部と、
    を備え、
    前記水素欠乏解消判定部は、
    水詰まりに起因して前記水素欠乏状態になっていると判定されたときは、前記燃料電池に供給する水素量を一時的に増量して水詰まりを解消する水詰まり解消運転を所定時間実施したときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
    請求項1に記載の燃料電池システムの制御装置。
  9. 前記回路遮断器によって前記燃料電池と前記電気負荷部との電気的な接続を一時的に遮断する遮断時間は、1ミリ秒以上30分以下である、
    請求項1から請求項8に記載の燃料電池システムの制御装置。
  10. 前記遮断時間は、1ミリ秒以上1分以下である、
    請求項9に記載の燃料電池システムの制御装置。
  11. 前記遮断時間は、1ミリ秒以上3秒以下である、
    請求項10に記載の燃料電池システムの制御装置。
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