JP2020140931A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】間欠運転から要求対応運転への移行時にセル電圧が負電圧や過大電圧となることを抑制し、セル劣化を抑制する。【解決手段】間欠運転を終了して要求対応運転に移行させる際に、（ａ）酸化剤ガス必要量の酸化剤ガスが実際に燃料電池スタックに供給されるようになるまでの間に、燃料ガス供給部によって、燃料ガス必要量よりも多い燃料ガスを燃料電池スタックに供給させるとともに循環させた後、燃料ガス必要量の燃料ガスを燃料電池スタックに供給させるとともに循環させ、（ｂ）（ａ）において、電圧測定部によって測定される各セルのセル電圧のうちの最も高い電圧値のセル電圧が、予め定めた上限電圧以下を維持するという条件を満すように、要求発電量の指令値よりも増加させた指令値で発電を制御し、その後、要求発電量の指令値で発電を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池を有する燃料電池システムの開発が進んでいる。燃料電池システムは、燃料電池におけ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得ることができる。燃料電池システムは、例えば、動力を発生する駆動用モータで走行する車両に電力を供給する電源装置として利用が可能である。なお、以下では、燃料ガスおよび酸化剤ガスを単に「反応ガス」とも呼ぶ。

特許文献１には、いわゆる燃料電池自動車と呼ばれる車両に搭載される燃料電池システムの例が開示されている。この燃料電池システムでは、例えば停車中のように、燃料電池の発電を一時的に停止させているときに、燃料電池を構成する各セルのセル電圧の低下を抑制するために、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が行なわれている。また、供給された酸化剤ガスによって発生するカソード側の触媒の劣化を抑制するために、燃料ガスの供給が先に行なわれてアノードガス流路内の燃料ガス濃度の均一化が図られた後で酸化剤ガスの供給が行なわれている。

特開２０１３−１０９９４７号公報

しかし、上記燃料電池システムにおいて、一時的な発電停止状態とする運転や、予め定めた電圧範囲で各セルのセル電圧を維持する電圧維持状態とするように発電させる運転（「間欠運転」あるいは「間欠発電」とも呼ぶ）を終了して、付与発電要求に応じた要求発電量で発電させる要求対応運転（「通常運転」あるいは「通常発電」とも呼ぶ）へ移行するときに、同様に、燃料ガスを先に供給した後、酸化剤ガスを供給したとしても、以下の問題がある。

燃料電池のセルにおける燃料ガスが流通するアノード側の水詰まりや燃料ガスの各セルへの分配のばらつき等により、一部のセルで燃料不足（いわゆる燃料欠）が生じると、そのセルのアノード側の電位が高くなってセル転極現象が起こって、アノードの触媒の劣化が発生する。また、カソード側に存在する水分に偏りがあると、これによってセル電圧の低下や各セルのセル電圧にばらつきが発生する。また、酸化剤ガスの各セルへの分配のばらつきにより、一部のセルで酸化剤ガスの供給過剰が生じ、そのセルのセル電圧が酸化還元電位を超えて上昇すると、カソードの触媒の劣化が発生する。これらの問題が発生すると、燃料電池の性能劣化を招くことになる。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の燃料電池のセルが積層された燃料電池スタックと、燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、複数の前記セルの電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料ガス供給部と前記酸化剤ガス供給部と前記電圧測定部とを制御して、前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、予め定めた電圧範囲で各セルのセル電圧を維持する電圧維持状態とするように発電させる間欠運転、および、付与発電要求に応じた要求発電量で発電させる要求対応運転を制御し、前記要求対応運転は、前記燃料ガス供給部によって、前記要求発電量に対応する燃料ガス必要量の前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに対して供給させるとともに循環させ、かつ、前記酸化剤ガス供給部によって、前記要求発電量に対応する酸化剤ガス必要量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに対して供給させて発電させる運転であり、前記間欠運転を終了して前記要求対応運転に移行させる際に、（ａ）前記酸化剤ガス必要量の前記酸化剤ガスが実際に前記燃料電池スタックに供給されるようになるまでの間に、前記燃料ガス供給部によって、前記燃料ガス必要量よりも多い前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給させるとともに循環させた後、前記燃料ガス必要量の前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給させるとともに循環させ、（ｂ）前記（ａ）において、前記電圧測定部によって測定される各セルのセル電圧のうちの最も高い電圧値のセル電圧が、予め定めた上限電圧以下を維持するという条件を満すように、前記要求発電量の指令値よりも増加させた指令値で発電を制御し、その後、前記要求発電量の指令値で発電を制御する。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス必要量よりも多い燃料ガスを燃料電池スタックに供給および循環させることで、いずれかのセルにおいて燃料ガスが欠乏となることを抑制することができ、燃料ガスの欠乏によって発生するアノードの触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、燃料ガス必要量よりも多い燃料ガスを燃料電池スタックに供給および循環させることで、アノード側に偏在する液水を吹き飛ばすとともに、カソード側に偏在する液水をカソード側からアノード側に引き抜いて、カソード側の水詰まりやカソード側の水分の偏りを抑制することが可能となる。これにより、各セルのセル電圧のばらつきを抑制することが可能である。また、各セルのセル電圧のうちの最も高い電圧値のセル電圧が、予め定めた上限電圧以下を維持するように、実際の発電量の指令値を変化させて発電させるので、セル電圧が酸化還元電位を超えて上昇することを抑制することができ、カソードの触媒の劣化を抑制することが可能となる。
本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法、この制御方法を実現するためのコンピュータプログラム、このプログラムを記憶する記憶媒体等の形態で実現することができる。

一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタックの発電制御処理を示すフローチャートである。 比較形態としての間欠運転終了時の動作の一例について示す説明図である。 実施形態における間欠運転終了時の動作の一例について示す説明図である。 実施形態における燃料ガス供給による効果について示す説明図である。 実施形態における発電量の制御による効果を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、一実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、不図示の車両（以下、「燃料電池車両」とも呼ぶ）に搭載され、車両の動力を発生するトラクションモータ２０や後述のエアコンプレッサ３２０等の補機に電力を供給するためのシステムとして機能する。トラクションモータ２０は、例えば、三相交流モータであり、電動機または発電機として機能し得る。トラクションモータ２０は、後述する電源回路５００を介して燃料電池スタック１００および二次電池５５０から供給される電力により燃料電池車両を駆動する。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、アノード側ガス供給排出機構２００と、カソード側ガス供給排出機構３００と、燃料電池循環冷却機構４００と、電源回路５００と、二次電池５５０と、制御部７００とを備える。

燃料電池スタック１００は、固体高分子型燃料電池であり、複数の発電体としての単セル１１０が積層されたセルスタックを有する。各単セル１１０は固体高分子電解質膜を挟んで設けられる膜電極接合体のアノード側触媒電極層に供給される燃料ガスと、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により電力を発生する。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル１１０において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池スタック１００の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させるためのマニホールド（図示省略）が積層方向に沿って形成されている。燃料電池スタック１００は、セルスタックの両端を挟む一対の電極板１１１を備えている。一対の電極板１１１は、燃料電池スタック１００における総合電極として機能する。

アノード側ガス供給排出機構２００は、「燃料ガス供給部」に相当し、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給、燃料電池スタック１００からのアノードオフガスの排出、および、アノードオフガス中の燃料ガスの燃料電池スタック１００への循環供給を行なう。

アノード側ガス供給排出機構２００は、タンク２１０と、遮断弁２２０と、調圧弁２２１と、インジェクタ２２２と、気液分離器２５０と、循環用ポンプ２４０と、パージ弁２６０と、燃料ガス供給流路２３１と、第１アノードオフガス排出流路２３２と、ガス循環路２３３と、第２アノードオフガス排出流路２６２と、第１圧力センサ２７１と、第２圧力センサ２７２と、第３圧力センサ２７３と、を備える。

タンク２１０は、燃料ガスとして高圧の水素ガスを貯蔵している。タンク２１０は、燃料ガス供給流路２３１を介して燃料電池スタック１００に燃料ガスを供給する。遮断弁２２０は、タンク２１０における燃料ガスの供給口近傍に配置され、タンク２１０からの燃料ガスの供給の実行と停止とを切り替える。調圧弁２２１は、燃料ガス供給流路２３１において遮断弁２２０の下流側且つインジェクタ２２２の上流側に配置されている。調圧弁２２１は、自身の上流側圧力（「一次圧」とも呼ぶ）を、予め設定されている自身の下流側圧力（「二次圧」とも呼ぶ）に調整する。インジェクタ２２２は、燃料ガス供給流路２３１において調圧弁２２１の下流側に配置され、燃料電池スタック１００に燃料ガスを噴射する。このとき、インジェクタ２２２における燃料ガスの噴射周期および噴射デューティ（噴射周期の一周期あたりに水素ガスを噴射する時間の割合）が調整されることにより、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給量及び圧力が調整される。なお、第１圧力センサ２７１は上記一次圧を測定し、第２圧力センサ２７２は二次圧を測定し、第３圧力センサ２７３はインジェクタ２２２の下流側圧力を測定する。

気液分離器２５０は、第１アノードオフガス排出流路２３２に配置され、燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスに含まれる液体を分離して第２アノードオフガス排出流路２６２に排出するとともに、液体が分離された後のアノードオフガスをガス循環路２３３に排出する。また、気液分離器２５０は、アノードオフガスから分離された液体を貯留し、パージ弁２６０が開いた場合には、貯留された液体を第２アノードオフガス排出流路２６２に排出する。アノードオフガスに含まれる液体とは、例えば、各単セル１１０における電気化学反応によりカソード側にて生じた生成水であって電解質膜を介してアノード側に透過した生成水が該当する。液体が分離された後のアノードオフガスには、各単セル１１０における電気化学反応で用いられなかった水素ガス、および、各単セル１１０において固体高分子膜を介してカソード側からアノード側へと透過した窒素ガスが含まれ得る。

循環用ポンプ２４０は、ガス循環路２３３に配置され、気液分離器２５０から排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給流路２３１に送出する。パージ弁２６０は、第２アノードオフガス排出流路２６２に配置され、開弁されることにより、気液分離器２５０によって分離された液体を第２アノードオフガス排出流路２６２へと排出する。このとき、一部のアノードオフガスもパージ弁２６０を介して第２アノードオフガス排出流路２６２へと排出される。

燃料ガス供給流路２３１は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない燃料ガス供給用のマニホールドと連通している。燃料ガス供給流路２３１には、インジェクタ２２２から燃料ガスが供給され、また、循環用ポンプ２４０からアノードオフガスが供給される。循環用ポンプ２４０から供給されるアノードオフガスは主として各単セル１１０で用いられずに排出された水素ガスを含み、この水素ガスを燃料ガス供給流路２３１に戻して、燃料電池スタック１００に循環供給することにより、燃費の向上が図られる。第１アノードオフガス排出流路２３２は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しないアノードオフガス排出用のマニホールドと連通しており、このマニホールドから燃料電池スタック１００の外部へと排出されるアノードオフガスを、気液分離器２５０へと送出する。第２アノードオフガス排出流路２６２の一端は、パージ弁２６０に接続され、他端は、後述のカソードオフガス排出流路３３１に接続されている。第２アノードオフガス排出流路２６２は、パージ弁２６０が開いたときに気液分離器２５０から排出される液水およびアノードオフガスを、カソードオフガス排出流路３３１に供給する。後述するように、カソードオフガス排出流路３３１は、主として空気からなるカソードオフガスを排出するため、第２アノードオフガス排出流路２６２から排出され、水素ガスを含んだアノードオフガスは、カソードオフガスにより希釈されて外部へと排出される。

カソード側ガス供給排出機構３００は、「酸化剤ガス供給部」に相当し、燃料電池スタック１００への酸化剤ガスの供給および燃料電池スタック１００からのカソードオフガスの排出を行なう。カソード側ガス供給排出機構３００は、酸化剤ガス供給部分３９１と、カソードオフガス排出部分３９２とを備える。

酸化剤ガス供給部分３９１は、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する。酸化剤ガス供給部分３９１は、酸化剤ガス供給流路３３０と、温度センサ３０５と、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、カソードバイパス流路３３３と、エア分流弁３４０とを備える。

酸化剤ガス供給流路３３０は、大気から取り込まれる酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない酸化剤ガス供給マニホールドへと導く。温度センサ３０５は、酸化剤ガス供給部分３９１へと取り込まれる空気の温度を測定する、すなわち、外気温を測定する。エアクリーナ３１０は、酸化剤ガス供給流路３３０に配置され、自身の内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、酸化剤ガス供給流路３３０に配置され、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮して下流側へと供給する。カソードバイパス流路３３３は、酸化剤ガス供給流路３３０におけるエアコンプレッサ３２０の下流かつ燃料電池スタック１００の上流において、酸化剤ガス供給流路３３０と接続されている。カソードバイパス流路３３３は、エア分流弁３４０の開度に応じてエアコンプレッサ３２０から供給される圧縮空気の少なくとも一部を、後述のカソードオフガス排出流路３３１へと導く。エア分流弁３４０は、酸化剤ガス供給流路３３０とカソードバイパス流路３３３との接続箇所に配置されている。エア分流弁３４０は、エアコンプレッサ３２０から供給されるエア流量のうち、燃料電池スタック１００へと供給される流量と、カソードバイパス流路３３３へと供給される流量とを調整する。

カソードオフガス排出部分３９２は、カソードオフガス排出流路３３１と、カソード背圧弁３５０と、マフラ３６０とを備える。

カソードオフガス排出流路３３１は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しないカソードオフガス排出マニホールドと接続され、このマニホールドから排出されるカソードオフガスおよび液水を、外部へと導く。カソード背圧弁３５０は、カソードオフガス排出流路３３１と上述のカソードバイパス流路３３３との接続箇所の上流に配置されている。カソード背圧弁３５０は、開度を調整することにより、燃料電池スタック１００のカソード側の背圧を調整する。マフラ３６０は、カソードオフガス排出流路３３１における第２アノードオフガス排出流路２６２との接続箇所の下流側に配置されている。マフラ３６０は、混合ガスの排出音を低減させる。

燃料電池循環冷却機構４００は、燃料電池スタック１００を介して冷却媒体を循環させることにより燃料電池スタック１００の温度を調整する。本実施形態では、冷却媒体として不凍液を用いるものとするが、不凍液に代えて、純水等の任意の媒体を利用することもできる。燃料電池循環冷却機構４００は、ラジエータ４１０と、温度センサ４２０と、冷却媒体排出流路４４２と、冷却媒体供給流路４４１と、冷却媒体バイパス流路４４３と、冷却媒体分流弁４４４と、循環用ポンプ４３０とを備える。

ラジエータ４１０は、冷却媒体排出流路４４２と冷却媒体供給流路４４１とに接続されており、冷却媒体排出流路４４２から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給流路４４１へと排出する。温度センサ４２０は、冷却媒体排出流路４４２における燃料電池スタック１００との接続箇所の近傍に配置され、冷却媒体排出流路４４２を流れる冷却媒体の温度を測定する。温度センサ４２０により測定された温度は、燃料電池スタック１００の温度として扱われてもよい。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない冷却媒体排出用のマニホールドと接続されている。また、冷却媒体排出流路４４２は、冷却媒体分流弁４４４を介して冷却媒体バイパス流路４４３に接続されている。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体を、ラジエータ４１０または冷却媒体バイパス流路４４３へと導く。冷却媒体供給流路４４１の一端は、ラジエータ４１０に接続されている。冷却媒体供給流路４４１の他端は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない冷却媒体供給用のマニホールドに接続されている。冷却媒体バイパス流路４４３の一端は、冷却媒体分流弁４４４に接続され、他端は冷却媒体供給流路４４１に接続されている。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体の少なくとも一部は、冷却媒体分流弁４４４の開度に応じて冷却媒体バイパス流路４４３へと導かれる。冷却媒体分流弁４４４は、燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体のうち、ラジエータ４１０へと供給される流量と、冷却媒体バイパス流路４４３へと供給される流量とを調整する。循環用ポンプ４３０は、冷却媒体供給流路４４１における冷却媒体分流弁４４４との接続箇所の下流に設置されている。循環用ポンプ４３０は、ラジエータ４１０、冷却媒体供給流路４４１、燃料電池スタック１００内部の冷却媒体流路、および冷却媒体排出流路４４２により形成される冷却媒体循環流路における冷却媒体の流量を調整する。

電源回路５００は、燃料電池スタック１００と二次電池５５０とのうちの少なくとも一方からトラクションモータ２０やエアコンプレッサ３２０等の補機類に電力を供給する。また、電源回路５００は、燃料電池スタック１００の電流（以下、「ＦＣ電流」と呼ぶ）を調整する。また、電源回路５００は、二次電池５５０への充電を制御する。電源回路５００は、燃料電池制御用コンバータ５３０と、インバータ５２０と、二次電池制御用コンバータ５６０と、電流測定部５７０と、セルモニタ５８０とを備える。

燃料電池制御用コンバータ５３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック１００の出力電圧を昇圧する。また、燃料電池制御用コンバータ５３０は、内蔵されているスイッチング素子のスイッチング周波数を制御部７００からの指示に従って調整することにより、ＦＣ電流を調整する。二次電池制御用コンバータ５６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次電池５５０の出力電圧を昇圧する。また、二次電池制御用コンバータ５６０は、トラクションモータ２０の回生電力と燃料電池スタック１００の出力電力とのうちの少なくとも一方を降圧して二次電池５５０に供給する。インバータ５２０は、燃料電池スタック１００および二次電池５５０にそれぞれ電気的に接続されており、燃料電池スタック１００および二次電池５５０から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。変換された交流電圧は、トラクションモータ２０に供給される。また、インバータ５２０は、トラクションモータ２０から出力される回生電力の交流電圧を直流電圧に変換して二次電池制御用コンバータ５６０に出力する。電流測定部５７０は、燃料電池スタック１００の電極板１１１と燃料電池制御用コンバータ５３０とを接続する配線に流れるＦＣ電流を測定する。セルモニタ５８０は、「電圧測定部」に相当し、各単セル１１０の電圧（「セル電圧」とも呼ぶ）を測定し、燃料電池スタック１００の電圧（「スタック電圧」とも呼ぶ）を測定する。

二次電池５５０は、リチウムイオン電池により構成され、燃料電池スタック１００と共に燃料電池システム１０における電力供給源として機能する。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池などの他の任意の種類の電池により構成されてもよい。

制御部７００は、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、およびＲＡＭ（Ｒａｍｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えるコンピュータとして構成されている。マイクロプロセッサは、予めＲＯＭに記憶されている制御用プログラムを、ＲＡＭを利用しながら実行することにより、燃料電池スタック１００による発電を制御する機能部、二次電池５５０の充放電等を制御する機能部等として動作し、燃料電池システム１０全体を制御する機能部として動作する。制御部７００は、上述の遮断弁２２０、圧力センサ２７１〜２７３、循環用ポンプ２４０、パージ弁２６０、エアコンプレッサ３２０、エア分流弁３４０、カソード背圧弁３５０、モータ冷却分流弁３７０、循環用ポンプ４３０、冷却媒体分流弁４４４、インバータ５２０、燃料電池制御用コンバータ５３０、二次電池制御用コンバータ５６０にそれぞれ電気的に接続され、これらを制御する。また、制御部７００は、上述の圧力センサ２７１〜２７３、温度センサ３０５、電流測定部５７０、セルモニタ５８０にそれぞれ電気的に接続され、これらセンサの測定値を取得する。

図２は、制御部７００によって実行される燃料電池スタック１００の発電制御処理を示すフローチャートである。この発電制御処理は、不図示のスタートスイッチがオンとなって燃料電池システムの起動が指示されることにより開始され、スタートスイッチがオフとなって終了が指示（ステップＳ１２４）されることにより終了される。

制御部７００は、まず、間欠運転の開始が指示されるまで（ステップＳ１０４：ＮＯ）、通常発電の処理を実行する（ステップＳ１０２）。「通常発電」は、車両の運転者による不図示のアクセルの踏み込み量から決定される発電要求（「付与発電要求」とも呼ぶ）に応じた発電量で燃料電池スタック１００の発電を行なう運転（「通常運転」とも呼ぶ）である。また、通常運転は、「要求対応運転」に相当する。間欠運転は、例えば、停車中のように、付与発電要求がない状態において、予め定めた電圧範囲で各セルのセル電圧を維持する電圧維持状態とするための発電を行なう運転であり、「間欠発電」とも呼ぶ。

制御部７００は、間欠運転の開始が指示された場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、間欠運転の終了が指示されるまで（ステップＳ１０８：ＮＯ）、間欠発電の処理を実行する（ステップＳ１０６）。

制御部７００は、間欠運転の終了が指示された場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、以下で説明する間欠運転終了時移行処理（ステップＳ１１０〜Ｓ１２０）を実行後、通常発電の処理に戻す(ステップＳ１２２）。

まず、制御部７００は、燃料ガスの十分な供給および燃料ガスの循環が完了するまで（ステップＳ１１２：ＮＯ）、燃料ガス欠防止制御及び燃料ガス循環制御を実行する（ステップＳ１１０）。具体的には、制御部７００は、アノード側ガス供給排出機構２００によって燃料電池スタック１００へ供給される燃料ガスの量を、付与発電要求に応じた要求発電量に対応する燃料ガス必要量よりも多い量として、燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給させるとともに、循環させる。

燃料ガスの十分な供給および燃料ガスの循環が完了した場合には（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、制御部７００は以下の処理を実行する。すなわち、各セルのセル電圧のうち最大値（「最大セル電圧」とも呼ぶ）が予め定めた上限電圧Ｖｃｕ以下となるまでの間（ステップＳ１１８：ＮＯ）、及び、酸化剤ガスの供給量が要求値に到達するまでの間（ステップＳ１２０：ＮＯ）、低ストイキ比状態での酸化剤ガスの供給による発電を実行し(ステップＳ１１４）、要求発電量よりも発電量を増加させる（ステップＳ１１６）。なお、酸化剤ガスの供給は、カソード側ガス供給排出機構３００のエアコンプレッサ３２０等の駆動を制御することによって実行される。また、各セルのセル電圧は、セルモニタ５８０(図１参照）によって取得される。また、酸化剤ガスの供給量の要求値は、付与発電要求に応じた要求発電量に対応する酸化剤ガス必要量に相当する。より具体的には、制御部７００は、ステップＳ１１６において、最大セル電圧が上昇して酸化還元電圧ＯＲＰに近づく場合には、発電量を増加するように指令値を大きくし、最終的には、上限電圧Ｖｃｕ以下のセル電圧および電流となるように制御する。

酸化剤ガスの供給量が要求値に到達した場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御部７００は、上記の間欠運転終了時移行処理（ステップＳ１１０〜Ｓ１２０）から通常発電の処理に戻す(ステップＳ１２２）。そして、制御部７００は、終了が指示されるまでの間（ステップＳ１２４：ＮＯ）、ステップＳ１０２〜Ｓ１２２の処理を繰り返す。

以上のように、燃料電池スタック１００の発電制御処理において、間欠運転の終了時に間欠運転終了時移行処理を実行することにより、以下で説明する効果を得ることができる。

図３は、比較形態としての間欠運転終了時の動作の一例について示す説明図である。図３は、不図示の付与発電要求が発生して、タイミングＴｉｎｔで間欠運転が実行状態（ＯＮ状態）から終了状態（ＯＦＦ状態）となったときを示している。このとき、アノード側ガス供給排出機構２００によって燃料電池スタック１００へ供給される燃料ガスは、間欠運転時の燃料ガス必要量ｈｒｑ１の供給量から、付与発電要求に応じた要求発電量Ｐ２に対応する燃料ガス必要量ｈｒｑ２の供給がアノード側ガス供給排出機構２００によって開始され、酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２の供給がカソード側ガス供給排出機構３００によって開始される。但し、アノード側ガス供給排出機構２００による燃料ガス供給の応答は速く、燃料ガス供給量は高速に変化して燃料ガス必要量ｈｒｑ２となる。これに対して、カソード側ガス供給排出機構３００による酸化剤ガス供給の応答は、エアコンプレッサ３２０による応答の遅れに起因して非常に遅く、酸化剤ガス供給量は低速に変化し酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２となる状態を例としている。図３の例では、酸化剤ガスの要求値である酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２に到達するタイミングは、タイミングＴｉｎｔから大きく遅れたタイミングＴａｅとなっている。酸化剤ガスの供給遅延は、燃料ガスの供給遅延の１０倍〜１５倍程度大きい状態で示されている。発電量は、要求発電量Ｐ２に対応して設定される指令値に対して、酸化剤ガスの供給量の応答に依存して、タイミングＴｉｎｔにおける発電量Ｐ１（「要求発電量Ｐ１」とも呼ぶ）から要求発電量Ｐ２に対応する発電量（「発電量Ｐ２」とも呼ぶ）まで遷移する。なお、比較形態の動作では、間欠運転および間欠運転終了時移行過程（以下、単に「移行過程」とも呼ぶ）において、循環用ポンプ２４０による燃料ガスの循環は行なわれていない。

間欠運転中における各セルのセル電圧は、触媒の劣化を抑制するために、予め定めた電圧範囲（例えば、下限電圧Ｖｃｌｉ〜上限電圧Ｖｃｕ）に維持されている（以下、この状態を「電圧維持状態」とも呼ぶ）。間欠運転では、各セルのセル電圧を電圧維持状態とするための発電が実行されていれば良い。そこで、通常運転の場合に比べて燃料消費を抑制して発電を行なうように、間欠運転における燃料ガス必要量ｈｒｑ１および酸化剤ガス必要量Ａｒｑ１は、通常運転における燃料ガス必要量ｈｒｑ２および酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２に比べて低く抑えられている。このように、低供給量の燃料ガスおよび酸化剤ガスの場合、各セルに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの量は、各セルの配置位置や各セルの流路の圧損等によって、ばらつきが発生しやすい。このため、各セルのセル電圧は、図３において複数の細い実線で示すように、下限電圧Ｖｃｌｉ〜上限電圧Ｖｃｕの範囲内でばらつく。なお、太い実線は、平均セル電圧Ｖｃｍを示す。

上記のように、各セルにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量がばらついた状態、および、セル電圧がばらついた状態から、タイミングＴｉｎｔで間欠運転を終了した場合、タイミングＴａｅまでの移行過程において、燃料電池スタック１００の各単セル１１０のセル電には、以下のような問題が発生する場合がある。

移行過程において燃料ガス必要量ｈｒｑ２の燃料ガスを供給するだけでは、燃料電池スタック１００の単セル１１０（図１参照）においてアノード側の水詰まりや燃料ガスの各単セル１１０への分配のばらつき等により、一部のセルで燃料不足（いわゆる燃料欠）が生じる場合がある。この燃料欠が発生したセルでは、図３に示すように、アノード側の電位が高くなってセル電圧が低下し、セル転極現象が起こってセル電圧が負電圧となる場合がある。このようなセルでは、アノードの触媒の劣化が発生する。

また、移行過程において、各セルにおいて電解質膜のカソード側に水分の分布に偏りが発生していると、電解質膜のプロトン伝導性の低下やばらつきが発生し、セル電圧の低下やセル電圧のばらつきが発生する。

また、間欠運転終了のタイミングＴｉｎｔにおけるセル電圧は、図３に示すように、大きくばらつき、上限電圧Ｖｃｕに近い高電圧から下限電圧Ｖｃｌｉに近い低電圧まで存在する場合がある。また、移行過程において供給される酸化剤ガスの各セルへの分配ばらつきによって、一部のセル、特に、酸化剤ガス供給口側のセルで酸化剤ガスの供給過剰（供給が早い、あるいは、多い）が生じる可能性がある。そして、供給過剰が生じたセルの間欠終了時のセル電圧が上限電圧Ｖｃｕに近い高い電圧であった場合、図２に示すように、そのセル電圧は、上昇して酸化還元電圧ＯＲＰ（本例では、０．８５Ｖ）を超えた過電圧まで上昇した後、発電量の増加に伴って低下して、上限電圧Ｖｃｕ以下となる。すなわち、セル電圧が酸化還元電位をまたいで変化する可能性がある。このようにセル電圧が変化するセルでは、カソードの触媒の劣化が発生する。

以上説明した比較形態における移行過程での問題を解決するため、本実施形態では、上記した間欠運転終了時移行処理（図２参照）によって、燃料ガスの供給、酸化剤ガスの供給、発電量、および、セル電圧が、以下で説明するように制御される。図４は、実施形態における間欠運転終了時の移行動作の一例について示す説明図である。図４において、タイミングＴｉｎｔまでの間欠運転の状態は、図３の比較形態と同様である。また、タイミングＴｉｎｔ以降の移行過程において、燃料ガス必要量ｈｒｑ２、酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２、発電要求量Ｐ２、および、酸化剤ガスの供給量が酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２となるタイミングＴａｅまでの状態も、比較形態と同様である。比較形態との違いは、以下で説明するように、燃料ガスの供給動作および発電量の制御動作である。

燃料ガスの供給としては、図４に示すように、燃料ガス必要量ｈｒｑ２よりも多い量で供給を行なうとともに、循環用ポンプ２４０の駆動による燃料ガスの循環を行った後、タイミングＴｈｅ（＜Ｔａｅ）までに燃料ガス必要量ｈｒｑ２へ戻すように燃料ガスの供給を行なうとともに、燃料ガスの循環を行なう（図２のステップＳ１１０参照）。

図５は、実施形態における燃料ガス供給による効果について示す説明図である。上記のように、燃料ガス必要量ｈｒｑ２よりも多い量で燃料ガスの供給および循環を行なうことにより、各セルのアノード側には、燃料ガス必要量ｈｒｑ２よりも多い量の燃料ガスが流通する。これにより、上記した燃料欠によって、セル電圧が低下して負電圧となり、アノードの触媒の劣化が発生すること、を抑制することができる。また、図５に示すように、アノード側を流通する燃料ガスがアノード側に滞留する水分を持ち去るだけでなく、カソード側に偏って滞留するする水分を膜電極接合体（ＭＥＡと呼ばれる）の電解質膜を介してアノード側に引き抜いて持ち去ることができる。これにより、カソードおよびアノードの水分の偏りを抑制して、電解質膜のプロトン伝導性の低下やばらつきを抑制し、セル電圧の低下やセル電圧のばらつきを抑制することができる。なお、燃料ガス必要量ｈｒｑ２よりも多くする量や多くしている時間、燃料ガス必要量ｈｒｑ２へ戻す時間や戻し方等の燃料ガス供給の条件は、燃料ガス必要量ｈｒｑ２の大きさや、各セルの特性等の種々の条件に依存して異なるため、あらかじめ実験等によって設定してくことができる。

発電量としては、図４に示すように、比較形態の場合と同様に、発電要求量Ｐ２に対応して設定される指令値に対して、酸化剤ガスの供給量の応答に依存して、タイミングＴｉｎｔにおける発電量Ｐ１から発電要求量Ｐ２に対応する発電量へ向けて遷移する（図２のステップＳ１１４〜Ｓ１２０参照）。但し、その過程において、制御部７００は、セルモニタ５８０（図１参照）によって各セルのセル電圧をモニタし、最も高い電圧のセル電圧が酸化還元電圧ＯＲＰ以下を保つように、発電量を制御する（図２のステップＳ１１４〜Ｓ１２０参照）。例えば、図４に示すように、最も高い電圧のセル電圧が上昇して酸化還元電圧ＯＲＰに近づく場合には、制御部７００は、発電量を増加するように指令値を大きくし、最終的には、発電要求量Ｐ２に対応する上限電圧Ｖｃｕ以下のセル電圧および電流となるように制御する。

図６は、実施形態における発電量の制御による効果を示す説明図である。通常運転では、酸化剤ガス必要量Ａｒｑ２に対応する標準ストイキ比Ｓｔ２において、一点鎖線の矢印で示したように、発電要求の電流量に対応する発電量としての電流量およびセル電圧の動作点で発電が行なわれる。なお、図６には、代表して３種類の電流ＩＣ，ＩＢ（＞ＩＣ），ＩＡ（＞ＩＢ）について、酸化剤ガス供給量とセル電圧との関係が例として示されている。例えば、標準ストイキ比Ｓｔ２で電流ＩＣの動作点Ｐｃ２におけるセル電圧は、非常に高く、酸化還元電圧ＯＲＰに近い高電圧状態にある。この動作点Ｐｃ２において、上述したように、酸化剤ガスの過剰供給が発生すると、セル電圧は、破線矢印で示したように酸化還元電圧ＯＲＰを容易にまたいで変化しやすくなる。これに対して、標準ストイキ比Ｓｔ２よりも低い値の低ストイキ比Ｓｔ３で電流ＩＣの動作点Ｐｃ３におけるセル電圧は低くなるので、酸化剤ガスの過剰供給が発生したとしても、セル電圧が酸化還元電圧ＯＲＰをまたいで変化する可能性は低い。従って、上述したように、間欠運転の状態において電圧が酸化還元電圧ＯＲＰに近い高電圧のセル電圧を有するセルにおいて、カソードの触媒層の劣化が発生しやすくなる。

また、図６に示すように、発電要求の電流量が大きくなるほど、同一の電流量でストイキ比が低くなる場合と同様に、セル電圧が低くなるので、電流量、すなわち、発電量を増加させることにより、セル電圧が酸化還元電圧ＯＲＰをまたいで変化する可能性を低減することが可能である。

そこで、図４に示したように、実施形態では、最大セル電圧が上限電圧Ｖｃｕより大きい場合において、最大セル電圧が上昇して酸化還元電圧ＯＲＰに近づく場合には、要求発電量Ｐ２に対して発電量をより大きく増加させるように指令値を大きくして発電を実行させる。また、最大セル電圧が上限電圧Ｖｃｕより大きい場合において、最大セル電圧が下降して酸化還元電圧ＯＲＰから離れる場合には、要求発電量Ｐ２に対して増加させる発電量を減少させるように指令値を小さくして発電を実行させる。これにより、セル電圧が酸化還元電圧ＯＲＰ以下を維持するように動作させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、間欠運転を終了して通常運転に移行する場合において、燃料ガス必要量よりも多い燃料ガスを燃料電池スタックに供給および循環させる。これにより、いずれかのセルにおいて燃料ガスが欠乏となることを抑制することができ、燃料ガスの欠乏によって発生するアノードの触媒の劣化を抑制することが可能となる。また、燃料ガス必要量よりも多い燃料ガスを燃料電池スタックに供給および循環させることで、アノード側に偏在する液水を吹き飛ばすとともに、カソード側に偏在する液水をカソード側からアノード側に引き抜いて、カソード側の水詰まりやカソード側の水分の偏りを抑制することが可能となる。これにより、各セルのセル電圧のばらつきを抑制することが可能である。また、各セルのセル電圧のうちの最も高い電圧値のセル電圧が、酸化還元電圧ＯＲＰ以下を維持するように、実際の発電量の指令値を変化させて発電させるので、セル電圧が酸化還元電位を超えて上昇することを抑制することができ、カソードの触媒の劣化を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態において、酸化還元電圧ＯＲＰが、「最も高い電圧値のセル電圧が、予め定めた上限電圧以下を維持するように、実際の発電量の指令値を変化して発電を制御する」ための「予め定めた上限電圧」に相当する。但し、これに限定されるものではなく、「予め定めた上限電圧」として、上記した上限電圧Ｖｃｕと酸化還元電圧ＯＲＰの間の電圧を用いるようにしてもよい。

Ｂ．他の実施形態：
（１）上記実施形態の発電制御処理（図２参照）では、燃料ガスの十分な供給および燃料ガスの循環が完了後（ステップＳ１１２）、低ストイキ比状態での酸化剤ガスの供給による発電を実行(ステップＳ１１４）するものとして示した。しかしながら、図３，図４において説明したように、カソード側ガス供給排出機構３００による酸化剤ガス供給の応答が、エアコンプレッサ３２０による応答の遅れに起因して非常に遅く、酸化剤ガス供給量は低速に変化する場合には、燃料ガスの循環供給の開始に連続あるいは並行して、低ストイキ比状態での酸化剤ガスの供給による発電の実行(ステップＳ１１４）を開始してもよい。このようにすれば、通常運転への移行時間を短縮し、効率の悪い状態での発電時間の低減を図ることができる。

（２）上記実施形態の発電制御処理では、上限電圧Ｖｃｕを超えている間、低ストイキ比状態での酸化剤ガスの供給による発電の実行(ステップＳ１１４）および要求発電量より発電量を増加させる発電の実行（ステップＳ１１６）を行なっているが、これに限定されるものではない。例えば、移行過程において、最大セル電圧が上限電圧Ｖｃｕを越えることなく上限電圧Ｖｃｕ以下を維持している場合においては、発電量を増加するのではなく、発電量を維持あるいは減少させるようにしてよい。このようにすれば、効率の悪い状態での発電時間の低減を図ることができる。

（３）上記実施形態の発電制御処理では、セル電圧を取得して、セル電圧に応じた発電量を制御している（ステップＳ１１６）が、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガスの流量とセル電圧の関係が既知である場合には、セル電圧をモニタすることなく、酸化剤ガスの流量とセル電圧の関係に基づいて発電量を制御するようにしてもよい。このようにすれば、システム構成の簡素化や制御の簡素化を図ることができる。

（４）上記実施形態の発電制御処理では、酸化剤ガスの供給量が要求値に到達した場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、間欠運転終了時移行処理（ステップＳ１１０〜Ｓ１２０）から通常発電の処理に戻している(ステップＳ１２２）。しかしながら、これに加えて、酸化剤ガスの供給の各セルへの分配のばらつきが収束してセル電圧のばらつきが収束した状態、あるいは、最大セル電圧が上限電圧Ｖｃｕ以下を維持する状態となった場合に、通常発電の処理（ステップＳ１２２）に戻すようにしてもよい。このようにすれば、通常運転への移行時間を短縮し、効率の悪い状態での発電時間の低減を図ることができる。

（５）上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置（例えば、駆動モータ）の動力源とする種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。

（６）上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、制御部７００の少なくとも一部の機能を、集積回路、ディスクリート回路、またはそれらの回路を組み合わせたモジュールにより実現してもよい。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（「コンピュータプログラム」とも呼ぶ）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、２０…トラクションモータ、１００…燃料電池スタック、１１０…単セル、１１１…電極板、２００…アノード側ガス供給排出機構、２１０…タンク、２２０…遮断弁、２２１…調圧弁、２２２…インジェクタ、２３１…燃料ガス供給流路、２３２…第１アノードオフガス排出流路、２３３…ガス循環路、２４０…循環用ポンプ、２５０…気液分離器、２６０…パージ弁、２６２…第２アノードオフガス排出流路、２７１…第１圧力センサ、２７２…第２圧力センサ、２７３…第３圧力センサ、３００…カソード側ガス供給排出機構、３０５…温度センサ、３１０…エアクリーナ、３２０…エアコンプレッサ、３３０…酸化剤ガス供給流路、３３１…カソードオフガス排出流路、３３３…カソードバイパス流路、３４０…エア分流弁、３５０…カソード背圧弁、３６０…マフラ、３９１…酸化剤ガス供給部分、３９２…カソードオフガス排出部分、４００…燃料電池循環冷却機構、４１０…ラジエータ、４２０…温度センサ、４３０…循環用ポンプ、４４１…冷却媒体供給流路、４４２…冷却媒体排出流路、４４３…冷却媒体バイパス流路、４４４…冷却媒体分流弁、５００…電源回路、５２０…インバータ、５３０…燃料電池制御用コンバータ、５５０…二次電池、５６０…二次電池制御用コンバータ、５７０…電流測定部、５８０…セルモニタ、７００…制御部

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池のセルが積層された燃料電池スタックと、
   燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給部と、
   前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   複数の前記セルの電圧を測定する電圧測定部と、
   前記燃料ガス供給部と前記酸化剤ガス供給部と前記電圧測定部とを制御して、前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   予め定めた電圧範囲で各セルのセル電圧を維持する電圧維持状態とするように発電させる間欠運転、および、付与発電要求に応じた要求発電量で発電させる要求対応運転を制御し、
   前記要求対応運転は、前記燃料ガス供給部によって、前記要求発電量に対応する燃料ガス必要量の前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに対して供給させるとともに循環させ、かつ、前記酸化剤ガス供給部によって、前記要求発電量に対応する酸化剤ガス必要量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに対して供給させて発電させる運転であり、
   前記間欠運転を終了して前記要求対応運転に移行させる際に、
   （ａ）前記酸化剤ガス必要量の前記酸化剤ガスが実際に前記燃料電池スタックに供給されるようになるまでの間に、前記燃料ガス供給部によって、前記燃料ガス必要量よりも多い前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給させるとともに循環させた後、前記燃料ガス必要量の前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給させるとともに循環させ、
   （ｂ）前記（ａ）において、前記電圧測定部によって測定される各セルのセル電圧のうちの最も高い電圧値のセル電圧が、予め定めた上限電圧以下を維持するという条件を満すように、前記要求発電量の指令値よりも増加させた指令値で発電を制御し、その後、前記要求発電量の指令値で発電を制御する、
   燃料電池システム。

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