JP4405243B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池に対する前記水素含有ガスおよび前記酸素含有ガスの供給を調整する供給調整部と、前記燃料電池からの排気ガスの排出を調整する排出調整部とを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。

ところで、このような燃料電池では、起動直後における温度が十分に上昇しておらず、あるいは、発電状態が長時間継続されることで不純物が蓄積したり、アノード電極面を水が覆い、反応ガスが十分に供給されないことにより、発電電圧の低下する事態が生じる。従って、燃料電池の寿命を維持しつつ、効率的な発電状態を維持するため、燃料ガスや酸化剤ガスの流量および圧力を適切に制御して供給するとともに、水を含む排気ガスを適切なタイミングで外部に排出する必要がある。

そこで、特許文献１に開示された従来技術では、燃料電池による発電電圧を検出し、この発電電圧が基準電圧以下になったとき、アノード電極から水や排気ガスを外部に排出する制御を行っている。

特開２００２−９３４３８号公報（段落［００２５］〜［００２７］）

しかしながら、発電電圧の低下が検出されたときには、水や不純物の蓄積により、既に燃料電池の発電能力が低下しているため、このままの状態で発電を継続すると、燃料電池の寿命が縮まり、あるいは、電圧の回復遅延に伴い、取り出せる電流が制限されるといった事態の生じるおそれがある。

一方、発電電圧を速やかに回復させるため、排気ガス等を迅速に排出させたり、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を増大させることが考えられる。

しかしながら、排気ガス等の排出量を増大させると、排出に伴って濃度の高い水素ガスが外部に排出されるおそれがあり、また、燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を増大させると、燃費が低下してしまうおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の長寿命化を図ることができるとともに、燃費を向上させ、安定した運転状態を維持することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、カソード電極に酸素含有ガスとしてエアを供給するエア供給手段と、該エア供給手段によるエアのカソード電極への供給圧力との圧力比に基づいて、アノード電極に供給する水素含有ガスの供給圧力を調整するレギュレータとを有し、さらに、基準電流以上の発電電流が基準時間以上継続して出力されているか否かを監視して作動状態を判定し、該作動状態に基づいて安定モードと不安定モードとを切り替えて、そのモードに応じて制御パラメータを設定し、燃料電池に対する供給ガスの供給制御および／または排気ガスの排出制御を行うことにより、発電電圧の低下を惹起することなく、最適な運転状態で燃料電池の動作を継続させることができる。

請求項２記載の発明では、さらに、前記作動状態判定部は、前記不安定モード中に、前記基準電流より大きな第１基準電流以上の前記発電電流が前記基準時間より短い第１基準時間以上継続し且つ最低セル電圧が基準電圧よりも大きい場合、安定状態と判定して前記安定モードに切り替える一方、前記不安定モード中に、前記第１基準電流以下の前記発電電流の出力状態であるか、または前記第１基準電流以上の前記発電電流の出力状態が前記第１基準時間以上継続していない場合に不安定状態と判定して前記不安定モードを維持設定し、前記第１制御パラメータに基づいて前記供給制御部および／または前記排出制御部を制御する一方、前記不安定モードに設定されたとき、前記発電電流に応じた不安定時に対する第２制御パラメータを設定し、前記第２制御パラメータに基づいて前記供給制御部および前記排出制御部を制御することにより、燃料電池を速やかに安定状態に移行させる。

また、請求項３記載の発明では、燃料電池の発電電流および前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状況に基づき水素含有ガスの流量である制御パラメータを算出し、この制御パラメータに従って供給調整部が水素含有ガスを調整してアノード電極に供給することにより、所望の状態で燃料電池を動作させることができる。

また、請求項４記載の本発明では、水素含有ガスの流量を制御する供給調整部を、アノード電極のガス供給口とガス排気口とを連結する循環ループに配設し、ガス排気口から排出された水素含有ガスを所望の流量に調整してガス供給口に供給すると共に、前記不安定モード時には、前記循環ループにおける前記水素含有ガスの流量を前記安定モード時よりも増量することにより、燃料電池の作動状態が最適化される。

また、請求項５記載の発明では、発電電流と前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状況とから、排気ガスの外部への排出および外部への排出禁止を制御するパージパラメータを算出し、このパージパラメータに基づいて排気ガスの排出制御を行うことにより、排出される排気ガス中の水素ガス濃度を制御しつつ、所望の状態で燃料電池を動作させることができる。

さらに、請求項６記載の発明では、目標発電電流と前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状況とから、目標流量および目標圧力を算出して供給ガスを燃料電池に供給することにより、発電電圧を低下させることなく、所望の発電電流を得ることができる。

さらにまた、請求項７記載の発明では、発電電流または目標発電電流に加えて燃料電池の温度を検出し、発電電流または目標発電電流と燃料電池の温度とに基づいて制御パラメータを算出し、燃料電池を動作させることにより、燃料電池をより適切な状態で動作させることができる。

また、請求項８記載の発明では、燃料電池の温度を検出し、その温度に応じて基準電流および基準時間を設定することにより、燃料電池の作動状態を一層正確に判定することができる。

さらに、請求項９記載の発明では、燃料電池の温度を検出し、その温度に応じて制御パラメータと基準電流と基準時間とを設定し、これらに基づいて燃料電池の作動状態を判定することにより、判定精度をさらに向上させることができる。

本発明によれば、燃料電池の作動状態を発電電流によって判定し、その判定結果に基づいて運転条件の設定を行うことにより、燃料電池の発電効率の低下を事前に回避して長寿命化を図ることができる。また、作動状態を高精度に判定して燃料電池に供給ガスを適切に供給するとともに、排気ガスを適切に排出するため、燃費を向上させることができる一方、水素ガスの濃度を所定濃度以下に抑制して外部に排出することができる。

なお、燃料電池の温度を検出し、その温度に基づいて作動状態を判定することにより、判定精度をさらに向上させ、それによって燃料電池を一層効率的に動作させることができる。

図１は、本実施形態の燃料電池システム１０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。

燃料電池システム１０は、燃料ガス（アノードガス）である水素ガスＨ₂と酸化剤ガス（カソードガス）であるエアとが供給されることで電気エネルギを生成する燃料電池スタック１２（燃料電池）と、燃料電池スタック１２に供給する燃料ガス、酸化剤ガスの制御を行うとともに、燃料電池スタック１２から排出される水を含む排気ガスの制御を行う制御装置１４（制御部）とから基本的に構成される。

燃料電池スタック１２は、水素ガスＨ₂が供給されるアノード電極と、エアが供給されるカソード電極とを電解質膜を介して結合してなる多数のセル１６を直列に接続して構成される。この場合、燃料電池スタック１２には、冷却水を循環供給することで発電による発熱温度の上昇を抑制し、燃料電池スタック１２を最適な温度範囲に保持するための冷却部１７が接続される。

燃料電池スタック１２に供給される冷却水の温度θ_Wは、冷却部１７に接続された冷却水温度検出部１９によって検出される。また、アノード電極に供給される水素ガスＨ₂の温度θ_Aは、アノードガス温度検出部２１によって検出される。さらに、カソード電極に供給されるエアーの温度θ_Cは、カソードガス温度検出部２３によって検出される。

燃料電池スタック１２のアノード電極のガス供給口には、水素タンク１８からの水素ガスＨ₂がレギュレータ２０により所定圧力に調整されて供給される。また、燃料電池スタック１２のカソード電極のガス供給口には、エアがコンプレッサ２２により圧縮されて供給される。この場合、コンプレッサ２２から出力されるエアは、レギュレータ２０に供給されており、このエアの圧力によって水素ガスＨ₂との圧力比が調整される。コンプレッサ２２の上流には、カソード電極に供給するエアの流量を検出する流量検出部２４が接続される。

燃料電池スタック１２のアノード電極のガス排出口には、パージバルブ２６を介して水素希釈ボックス２８が接続される。このガス排出口からは、燃料電池スタック１２において発電に寄与しなかった水素ガスＨ₂、発電によって生成されカソード電極から電解質膜を介して浸透した水、エア中に含まれ電解質膜を介して浸透した窒素ガス等が排気ガスとして排出される。パージバルブ２６は、オン／オフバルブによって構成され、前記排気ガスを必要に応じて水素希釈ボックス２８に排出する。

なお、アノード電極のガス排出口は、ポンプ２９を介してガス供給口に接続されており、発電に寄与しないで排出された水素ガスＨ₂を再度燃料電池スタック１２に供給する循環ループを構成する。

燃料電池スタック１２のカソード電極のガス排出口には、圧力制御バルブ３０を介して水素希釈ボックス２８が接続される。このガス排出口からは、発電によって生成された水が排出されるとともに、ガス供給口から供給されたエアの一部が排気ガスとして排出される。圧力制御バルブ３０は、排気ガスの圧力を調整することにより、燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力を制御する。

水素希釈ボックス２８は、パージバルブ２６を介してアノード電極から排出される水素ガスＨ₂を含む排気ガスを、圧力制御バルブ３０を介してカソード電極から排出されるエアを含む排気ガスにより希釈して外部に排出する。

制御装置１４は、燃料電池スタック１２による目標発電電流を設定する目標発電電流設定部３２と、目標発電電流を得るための目標エア流量（目標流量）を算出する目標エア流量算出部３４（目標値算出部）と、目標発電電流を得るための最適な目標エア圧力（目標圧力）を算出する目標エア圧力算出部３６（目標値算出部）と、燃料電池スタック１２を構成する各セル１６によって生成される電流および電圧を検出する発電電流／電圧検出部４４と、ポンプ２９による水素ガスＨ₂の流量を算出するポンプ流量算出部５０（水素含有ガス流量算出部）と、パージバルブ２６による水素ガスＨ₂の排出制御を行うためのパージパラメータを算出するパージパラメータ算出部４６と、燃料電池スタック１２の作動状態が安定モードであるか不安定モードであるかを判定し、切り替えを行うモード判定切替部４５（作動状態判定部）とを備える。

目標エア流量算出部３４は、目標発電電流設定部３２からの目標発電電流ＩＦＣ_OBと、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水の温度θ_Wと、モード判定切替部４５からのモード切替信号とに基づいて目標エア流量Ｑ_O2を算出する。算出された目標エア流量Ｑ_O2は、エア流量調整部４０に供給される。エア流量調整部４０は、コンプレッサ２２に接続されており、流量検出部２４によって検出されたエア流量と、目標エア流量算出部３４から供給される目標エア流量Ｑ_O2とに従ってコンプレッサ２２を調整する。

目標エア圧力算出部３６は、目標発電電流設定部３２からの目標発電電流ＩＦＣ_OBと、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水の温度θ_Wと、モード判定切替部４５からのモード切替信号とに基づいて目標エア圧力Ｐ_O2を算出する。算出された目標エア圧力Ｐ_O2は、圧力制御バルブ調整部４２に供給される。圧力制御バルブ調整部４２は、圧力制御バルブ３０に接続されており、目標エア圧力Ｐ_O2に従って圧力制御バルブ３０の調整を行うことにより、燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力を調整する。

ポンプ流量算出部５０は、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水の温度θ_Wと、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣと、モード判定切替部４５からのモード切替信号とに基づいてポンプ流量Ｑ_H2を算出する。算出されたポンプ流量Ｑ_H2は、ポンプ流量調整部４３に供給される。ポンプ流量調整部４３は、ポンプ２９を調整し、燃料電池スタック１２の排出口から排出された水素ガスＨ₂の流量を調整して燃料電池スタック１２の供給口に供給する。

パージパラメータ算出部４６は、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水の温度θ_Wと、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣと、モード判定切替部４５からのモード切替信号とに基づき、パージバルブ２６を開いている時間である排気ガスの排出時間（パージ時間）と、パージバルブ２６を閉じている時間である排出禁止時間（パージインターバル時間）とを算出する。

モード判定切替部４５は、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水の温度θ_W、アノードガス温度検出部２１によって検出された水素ガスＨ₂の温度θ_Aおよびカソードガス温度検出部２３によって検出されたエアの温度θ_Cと、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣおよび最低セル電圧Ｖｃｍｉｎとに基づき、燃料電池スタック１２が安定状態で動作しているか（安定モード）、不安定状態で動作しているか（不安定モード）を判定し、その判定結果をモード切替信号としてポンプ流量調整部４３、目標エア圧力算出部３６、パージパラメータ算出部４６およびポンプ流量算出部５０に出力する。

なお、エア流量調整部４０およびコンプレッサ２２、圧力制御バルブ調整部４２、圧力制御バルブ３０、ポンプ流量調整部４３およびポンプ２９は、燃料電池スタック１２に対するエアおよび水素ガスＨ₂の供給を調整する供給調整部を構成する。また、パージバルブ調整部４８およびパージバルブ２６は、燃料電池スタック１２から排出される水を含む排気ガスの排出を調整する排出調整部を構成する。

本実施形態の燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について図２〜図４に示すフローチャートに従って説明する。

先ず、制御装置１４では、燃料電池スタック１２による発電動作の開始に先立ち、モード判定切替部４５に対して、不安定モードが設定される（ステップＳ１）。すなわち、発電の開始当初においては、燃料電池スタック１２の温度が最適な発電温度まで上昇しておらず、また、それ以前の状態が必ず運転停止状態であるため、その間に結露によって水がアノード系内に溜まったり、運転時は均等に分布していた水分が停止状態で特定の場所に集まったりすることにより、水が燃料電池スタック１２の一部に集中し、発電が不安定となるため、デフォルトとして不安定モードが設定される。

次に、目標発電電流設定部３２において目標発電電流ＩＦＣ_OBが設定され（ステップＳ２）、冷却水温度検出部１９が冷却部１７により制御される燃料電池スタック１２の冷却水温度θ_Wを検出する（ステップＳ３）。

目標エア流量算出部３４は、モード判定切替部４５からのモード切替信号と、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wと、目標発電電流設定部３２からの目標発電電流ＩＦＣ_OBとに基づき、図５に示す目標発電電流−目標エア流量マップを用いて、目標発電電流ＩＦＣ_OBを得ることのできる目標エア流量Ｑ_O2を算出する（ステップＳ４）。

ここで、図５に示す目標発電電流−目標エア流量マップは、燃料電池スタック１２の動作が安定モードにあるときには、実線で示すマップが参照され、不安定モードにあるときには、発電効率が低い状態にあると考えられるため、増量された目標エア流量Ｑ_O2を供給して発電を積極的に行うことのできる点線で示すマップが参照される。なお、冷却水温度θ_Wが高ければ、少ないエア供給量および水素供給量で効率的に発電することができるため、目標発電電流−目標エア流量マップは、冷却水温度θ_W１、θ_W２、θ_W３（θ_W１＜θ_W２＜θ_W３）に応じて参照される。

この場合、モード切替信号は、ステップＳ１において不安定モードに設定されており、図５において点線で示す目標発電電流−目標エア流量マップが参照されて目標エア流量Ｑ_O2が算出される。

また、目標エア圧力算出部３６は、モード判定切替部４５からのモード切替信号と、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wと、目標発電電流設定部３２によって設定された目標発電電流ＩＦＣ_OBとに基づき、図６に示す目標発電電流−目標エア圧力マップを用いて、目標発電電流ＩＦＣ_OBを得ることのできる目標エア圧力Ｐ_O2を算出する（ステップＳ５）。

図６に示す目標発電電流−目標エア圧力マップは、燃料電池スタック１２の動作が安定モードにあるときには、実線で示すマップが参照され、不安定モードにあるときには、発電効率が低い状態にあると考えられるため、目標エア圧力Ｐ_O2を高く設定することのできる点線で示すマップが参照される。なお、冷却水温度θ_Wが高ければ、少ないエア供給量および少ない水素供給量で効率的に発電することができるため、目標発電電流−目標エア圧力マップは、冷却水温度θ_W１、θ_W２、θ_W３（θ_W１＜θ_W２＜θ_W３）に応じて参照される。

この場合、モード切替信号は、ステップＳ１において不安定モードに設定されており、図６において点線で示す目標発電電流−目標エア圧力マップが参照されて目標エア圧力Ｐ_O2が算出される。

次に、エア流量調整部４０は、目標エア流量算出部３４から供給された目標エア流量Ｑ_O2と、流量検出部２４によって検出したエア流量とに従ってコンプレッサ２２を制御し、また、圧力制御バルブ調整部４２は、目標エア圧力算出部３６から供給された目標エア圧力Ｐ_O2に従って圧力制御バルブ３０を制御する（ステップＳ６）。

コンプレッサ２２が目標エア流量Ｑ_O2に従って制御されることにより、所定量のエアが流量検出部２４を介して燃料電池スタック１２のカソード電極に供給される。また、圧力制御バルブ３０が目標エア圧力Ｐ_O2に従って制御されることにより、燃料電池スタック１２に供給されるエアの圧力が調整される。

コンプレッサ２２から出力されたエアの一部は、レギュレータ２０に所定の圧力で供給される。従って、水素タンク１８から出力された水素ガスＨ₂は、エアとの圧力比がレギュレータ２０により調整され、燃料電池スタック１２のアノード電極に供給される。この結果、カソード電極に供給されたエアに含まれる酸素ガスと、アノード電極に供給された水素ガスＨ₂とが反応し、電気エネルギが生成される（ステップＳ７）。

燃料電池スタック１２による発電が開始されると、アノード電極からは、反応に寄与しなかった水素ガスＨ₂が排出される。この水素ガスＨ₂は、後述するように、ポンプ流量調整部４３により流量が調整されたポンプ２９によってアノード電極のガス供給口に循環されることで発電に再利用される。また、燃料電池スタック１２のカソード電極からは、反応によって生成された水が排出されるとともに、エアに含まれる窒素ガスや反応に寄与しなかった酸素ガスが排出される。なお、カソード電極で生成された水や排出ガスの一部は、セル１６を構成する電解質膜を透過してアノード電極のガス排出口からも排出される。

ここで、燃料電池システム１０では、安定した発電状態を維持するため、燃料電池スタック１２の温度である冷却水温度θ_W、アノード電極に供給される水素ガスＨ₂の温度であるアノードガス温度θ_A、カソード電極に供給されるエアの温度であるカソードガス温度θ_C、発電電流ＩＦＣ、セル１６の最低セル電圧Ｖｃｍｉｎを監視し、供給するエアや水素ガスＨ₂の流量および圧力を制御するとともに、生成された水や反応に寄与しない窒素ガス、余分なエア等を外部に排出する処理が行われる。

そこで、モード判定切替部４５は、図３に示すフローチャートに従って燃料電池スタック１２の発電状態が安定状態にあるか否かを判定し、その判定結果をモード切替信号として出力する（ステップＳ８）。

例えば、発電開始当初、燃料電池スタック１２の発電状態は、ステップＳ１において不安定モードに設定されている（ステップＳ１１）。モード判定切替部４５は、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wが基準温度θ_W0よりも低い場合（ステップＳ１２）、または、アノードガス温度検出部２１によって検出されたアノードガス温度θ_Aが基準温度θ_A0よりも低い場合（ステップＳ１３）、あるいは、カソードガス温度検出部２３によって検出されたカソードガス温度θ_Cが基準温度θ_C0よりも低い場合（ステップＳ１４）、燃料電池スタック１２の発電状態が不安定であると判断し、不安定モードを維持設定する（ステップＳ１５）。

なお、冷却水温度θ_W、アノードガス温度θ_Aおよびカソードガス温度θ_Cが、一定時間以上、基準温度θ_W0、θ_A0またはθ_C0よりも低い状態が継続することを条件とすることで、ノイズの影響を受けることなく燃料電池スタック１２の発電状態を高精度に判定することができる。

一方、燃料電池スタック１２自体の発熱や環境温度の上昇により、θ_W≧θ_W0、θ_A≧θ_A0、且つ、θ_C≧θ_C0となったとき、モード判定切替部４５は、発電電流／電圧検出部４４によって検出された燃料電池スタック１２の発電電流ＩＦＣが基準電流ｉ１以上であるか否かを判定し（ステップＳ１６）、基準電流ｉ１以上の電流が出力されていない場合、基準時間ＴＭ１をタイマ時間ｔｍ１に設定する（ステップＳ１７）。そして、燃料電池スタック１２の発電状態として、不安定モードを維持設定する（ステップＳ１５）。

発電電流／電圧検出部４４によって検出された燃料電池スタック１２の発電電流ＩＦＣが基準電流ｉ１以上であると判定された場合には（ステップＳ１６）、ステップＳ１７で設定したタイマ時間ｔｍ１が０になっているか否かを判定する（ステップＳ１８）。判定の結果、タイマ時間ｔｍ１が０になっていないとき、ステップＳ１８での前回の判定時刻からステップＳ１８での現在の判定時刻までの時間ΔＴ１をタイマ時間ｔｍ１から減算した後（ステップＳ１９）、基準電流ｉ１以上の発電電流ＩＦＣが基準時間ＴＭ１以上継続していないため、不安定モードを維持設定する（ステップＳ１５）。

発電電流／電圧検出部４４によって検出された燃料電池スタック１２の発電電流ＩＦＣが基準電流ｉ１以上であると判定され（ステップＳ１６）、且つ、タイマ時間ｔｍ１＝０になったとき（ステップＳ１８）、基準電流ｉ１（第１所定電流）以上の発電電流ＩＦＣが基準時間ＴＭ１（第１基準時間）以上継続していることになる。

そこで、モード判定切替部４５は、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣに基づき、図７に示す発電電流−基準電圧マップを用いて基準電圧Ｖ１を算出する（ステップＳ２０）。次いで、発電電流／電圧検出部４４によって検出された各セル１６の最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが基準電圧Ｖ１よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ２１）、基準電圧Ｖ１以下の場合には不安定モードを維持設定する（ステップＳ１５）。また、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが基準電圧Ｖ１よりも大きいと判定された場合には（ステップＳ２１）、燃料電池スタック１２の発電状態が安定状態に移行したものとして、安定モードを設定する（ステップＳ２２）。

一方、燃料電池スタック１２の発電状態が安定モードに移行している場合（ステップＳ１１）、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣを基準電流ｉ２（ｉ１＞ｉ２）と比較し、発電電流ＩＦＣが基準電流ｉ２よりも大きいとき（ステップＳ２３）、基準時間ＴＭ２（ＴＭ１＜ＴＭ２）をタイマ時間ｔｍ２に設定する（ステップＳ２４）。

次に、モード判定切替部４５は、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣに基づき、図７に示す発電電流−基準電圧マップを用いて基準電圧Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）を算出する（ステップＳ２５）。次いで、発電電流／電圧検出部４４によって検出された各セル１６の最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが基準電圧Ｖ２よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ２６）、基準電圧Ｖ２より大きい状態が所定時間以上継続している場合には安定モードを維持設定する（ステップＳ２２）。また、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが基準電圧Ｖ２以下となる時間が所定時間以上継続されている場合には（ステップＳ２６）、燃料電池スタック１２の発電状態が不安定状態に移行したものとして、不安定モードを設定する（ステップＳ２７）。

発電電流／電圧検出部４４によって検出された燃料電池スタック１２の発電電流ＩＦＣが所定電流ｉ２以下であると判定された場合には（ステップＳ２３）、ステップＳ２４で設定したタイマ時間ｔｍ２が０になっているか否かを判定する（ステップＳ２８）。判定の結果、タイマ時間ｔｍ２が０になっていないとき、ステップＳ２８の前回の判定時刻からステップＳ２８の現在の判定時刻までの時間ΔＴ２をタイマ時間ｔｍ２から減算した後（ステップＳ２９）、発電電流ＩＦＣに対応した基準電圧Ｖ２を算出して最低セル電圧Ｖｃｍｉｎと比較し（ステップＳ２５、Ｓ２６）、基準電圧Ｖ２以下の状態が所定時間以上継続していない場合には安定モードを維持設定し（ステップＳ２２）、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎが基準電圧Ｖ２以上となる時間が所定時間以上継続されている場合には、燃料電池スタック１２の発電状態が不安定状態に移行したものとして、不安定モードを設定する（ステップＳ２７）。

なお、発電状態を判定する基準電流ｉ１、ｉ２および基準時間ＴＭ１、ＴＭ２は、ｉ１＞ｉ２およびＴＭ１＜ＴＭ２の関係に設定されている。すなわち、燃料電池スタック１２が不安定モードに設定されている場合には、判定基準である下限の基準電流ｉ１を高く設定する一方、基準電流ｉ１よりも高い発電電流ＩＦＣが継続する下限の基準時間ＴＭ１を短く設定することにより、燃料電池スタック１２を安定モードでの運転に切り替える判定基準を厳しくして、燃料電池スタック１２の長寿命化を図ることができる。また、燃料電池スタック１２が安定モードに設定されている場合には、下限の基準電流ｉ２を低く設定する一方、基準電流ｉ２よりも低い発電電流ＩＦＣが継続する下限の基準時間ＴＭ２を長く設定することにより、燃料電池スタック１２を不安定モードでの運転に切り替える判定基準を緩くして、燃費を向上させるとともに、外部に排出される水素ガスＨ₂の濃度の上昇の抑制を図ることができる。

次に、目標エア流量算出部３４、目標エア圧力算出部３６、パージパラメータ算出部４６およびポンプ流量算出部５０は、図４に示すフローチャートに従い、モード判定切替部４５による判定の結果得られたモード切替信号に基づき、エア流量調整部４０、圧力制御バルブ調整部４２、パージバルブ調整部４８およびポンプ流量調整部４３の運転条件を設定する（ステップＳ９）。

先ず、燃料電池スタック１２の発電状態が安定モードに設定されている場合について説明する（ステップＳ４１）。

ポンプ流量算出部５０は、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣと、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却部１７による燃料電池スタック１２の冷却水温度θ_Wとに基づき、図８に示す発電電流−ポンプ流量マップを用いて、必要なポンプ流量Ｑ_H2を算出し、ポンプ流量調整部４３に供給する（ステップＳ４２）。この場合、燃料電池スタック１２の動作が安定モードであるため、実線で示す発電電流−ポンプ流量マップを用いてポンプ流量Ｑ_H2（第１制御パラメータ）が算出される。

例えば、冷却水温度θ_Wをθ_W１＜θ_W２＜θ_W３とした場合、冷却水温度θ_Wが高ければ、発電効率が高いと考えられるため、少ないポンプ流量Ｑ_H2がポンプ流量調整部４３に設定される。また、冷却水温度θ_Wが低い場合には、発電効率が低いと考えられるため、多めのポンプ流量Ｑ_H2がポンプ流量調整部４３に設定される。

また、パージパラメータ算出部４６は、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣと、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wとに基づき、図９に示す発電電流−パージ時間マップと、図１０に示す発電電流−パージインターバル時間マップとを用いて、パージバルブ２６を開放しているパージ時間Ｔ_ONと、パージバルブ２６を閉塞しているパージインターバル時間Ｔ_OFFとを算出し、パージバルブ調整部４８に供給する（ステップＳ４３、Ｓ４４）。この場合、燃料電池スタック１２の動作が安定モードであるため、実線で示す発電電流−パージ時間マップと、実線で示す発電電流−パージインターバル時間マップとを用いて、パージ時間Ｔ_ON（第１制御パラメータ）およびパージインターバル時間Ｔ_OFF（第１制御パラメータ）が算出される。

例えば、冷却水温度θ_Wをθ_W１＜θ_W２＜θ_W３とした場合、冷却水温度θ_Wが高ければ、発電効率が高く、燃料電池スタック１２に少ない量の供給ガスを供給して効率的に発電を行うことができ、排出される水を含む排気ガスの量も少ないと考えられるため、短いパージ時間Ｔ_ONおよび長いパージインターバル時間Ｔ_OFFが設定される。また、冷却水温度θ_Wが低い場合には、発電効率が低く、燃料電池スタック１２に多量の供給ガスを供給する必要があり、従って、多量の水を含む排気ガスも排出されると考えられるため、長いパージ時間Ｔ_ONおよび短いパージインターバル時間Ｔ_OFFが設定される。

さらに、目標エア流量算出部３４および目標エア圧力算出部３６は、ステップＳ４、Ｓ５の場合と同様に、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣと、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wとに基づき、図５の実線で示す目標発電電流−目標エア流量マップと、図６の実線で示す目標発電電流−目標エア圧力マップとを用いて、目標エア流量Ｑ_O2（第１制御パラメータ）および目標エア圧力Ｐ_O2（第１制御パラメータ）を算出する（ステップＳ４５、Ｓ４６）。

次に、前回の運転条件の設定時と今回の運転条件の設定時とで、不安定モードから安定モードへの切り替えがあった場合（ステップＳ４７）、ステップＳ４５で算出した安定モードでの目標エア流量Ｑ_O2STと、後述するステップＳ５０で算出した不安定モードでの目標エア流量Ｑ_O2UNと、エア流量切替時間Δｔとを用いて、エア流量変化レートΔＱ／Δｔを、例えば、
ΔＱ／Δｔ＝Ｆ・（Ｑ_O2ST−Ｑ_O2UN）／Δｔ
として算出する（ステップＳ４８）。なお、Ｆは、不安定モードから安定モードに切り替えられた場合にプラス（＋）に設定され、安定モードから不安定モードに切り替えられた場合にマイナス（−）に設定されるものとする。

以上のようにして安定モードにおける各運転条件が設定された後、その運転条件に従って燃料電池スタック１２による発電が継続される（ステップＳ１０、Ｓ７）。

すなわち、エア流量調整部４０は、コンプレッサ２２を調整し、ステップＳ４５で算出された目標エア流量Ｑ_O2からなるエアを燃料電池スタック１２のカソード電極に供給する。また、圧力制御バルブ調整部４２は、圧力制御バルブ３０を調整し、ステップＳ４６で算出された目標エア圧力Ｐ_O2からなるエアの排出制御を行う。このとき、レギュレータ２０は、圧力制御バルブ３０によって制御されたエアの圧力に従い、水素タンク１８からの水素ガスＨ₂を燃料電池スタック１２のアノード電極に供給する。この結果、燃料電池スタック１２において酸素ガスと水素ガスＨ₂とが反応し、電気エネルギが生成される。

なお、前回の運転条件の設定時と今回の運転条件の設定時とで、不安定モードから安定モードへの切り替えがあった場合には、目標エア流量Ｑ_O2が大きく変動する可能性がある。そこで、エア流量調整部４０は、ステップＳ４８で算出されたエア流量変化レートΔＱ／Δｔに従ってコンプレッサ２２を駆動し、不安定モードでの目標エア流量Ｑ_O2UNから安定モードでの目標エア流量Ｑ_O2STへと徐々に流量の切り替えを行う（図１１参照）。これにより、流量の急激な変動による違和感を抑制することができる。

燃料電池スタック１２の動作に伴い、燃料電池スタック１２のカソード電極からは、エアの一部および反応によって生成された水が排出される。また、アノード電極からは、反応に寄与しなかった水素ガスＨ₂や、電解質膜を介してカソード側から浸透した水や窒素ガスが排出される。このうち、反応に寄与しなかった水素ガスＨ₂は、循環ループを介してポンプ２９により燃料電池スタック１２に戻されることで再利用される。この場合、ポンプ流量調整部４３は、ポンプ２９を調整し、ステップＳ４２で算出されポンプ流量算出部５０から供給されるポンプ流量Ｑ_H2によって水素ガスＨ₂の供給制御を行う。

一方、パージバルブ調整部４８は、ステップＳ４３およびＳ４４で算出されたパージ時間Ｔ_ONおよびパージインターバル時間Ｔ_OFFに従ってパージバルブ２６をＯＮ／ＯＦＦ制御し、燃料電池スタック１２から水素ガスＨ₂を含む排気ガスを外部に排出する。

この場合、燃料電池スタック１２のカソード電極から排出されたエアを主体とする排気ガスは、圧力制御バルブ３０を介して水素希釈ボックス２８に供給される。また、燃料電池スタック１２のアノード電極から排出された水素ガスＨ₂を含む排気ガスは、パージバルブ２６が開放されているパージ時間Ｔ_ONの間、水素希釈ボックス２８に供給され、カソード電極からの排気ガスによって水素ガスＨ₂の濃度が希釈されて外部に排出される。パージ時間Ｔ_ONが経過後、パージバルブ２６はパージインターバル時間Ｔ_OFFだけ閉塞される。そして、アノード電極から排出された水素ガスＨ₂を含む排気ガスがポンプ２９によって供給側に戻され、発電が継続される。

次に、燃料電池スタック１２の発電状態が不安定モードに設定された場合について説明する（ステップＳ４１）。

ポンプ流量算出部５０は、図８の点線で示す発電電流−ポンプ流量マップを用いて、必要なポンプ流量Ｑ_H2を算出し（第２制御パラメータ）、ポンプ流量調整部４３に供給する（ステップＳ４９）。この場合、ポンプ流量Ｑ_H2は、安定モードが設定されている場合よりも増量されるため、より多くの水素ガスＨ₂が燃料電池スタック１２に供給され、これによって発電電流の増大が期待され、発電電圧が低下する事態に至ることなく、燃料電池スタック１２の動作が不安定状態から安定状態に移行することになる。

また、パージパラメータ算出部４６は、図９および図１０の点線で示す発電電流−パージ時間マップおよび発電電流−パージインターバル時間マップを用いて、必要なパージ時間Ｔ_ON（第２制御パラメータ）およびパージインターバル時間Ｔ_OFF（第２制御パラメータ）を算出し、パージバルブ調整部４８に供給する（ステップＳ５０、Ｓ５１）。例えば、図１２に示すように、安定モードにおける発電電流ＩＦＣ_STが、不安定モードにおいて発電電流ＩＦＣ_UN（ＩＦＣ_UN＜ＩＦＣ_ST）になると、燃料電池スタック１２内に反応によって生成された水が大量に溜まっている可能性があり、それによって発電効率が低下し、発電電圧も低下するおそれがある。そこで、不安定モードにおけるパージバルブ２６の開放時間であるパージ時間Ｔ_ONUNを安定モードでのパージ時間Ｔ_ONSTよりも長めに設定することにより、水をできるだけ外部に排出可能な状態とする。同様に、不安定モードにおけるパージバルブ２６の閉塞時間であるパージインターバル時間Ｔ_OFFUNは、安定モードでのパージインターバル時間Ｔ_OFFSTよりも短めに設定する。これにより、発電電流の増大が期待され、燃料電池スタック１２の動作が不安定状態から安定状態に移行することになる。

目標エア流量算出部３４および目標エア圧力算出部３６は、図５および図６の点線で示す目標発電電流−目標エア流量マップおよび目標発電電流−目標エア圧力マップを用いて、必要な目標エア流量Ｑ_O2（第２制御パラメータ）および目標エア圧力Ｐ_O2（第２制御パラメータ）を算出する（ステップＳ５２、Ｓ５３）。

さらに、安定モードから不安定モードへの切り替えがあった場合（ステップＳ４７）、前述した場合と同様にしてエア流量変化レートΔＱ／Δｔを算出する（ステップＳ４８）。

以上のようにして不安定モードにおける各運転条件が設定された後、その運転条件に従って燃料電池スタック１２による発電が継続される（ステップＳ１０、Ｓ７）。この場合、燃料電池スタック１２に供給されるエアおよび水素ガスＨ₂の流量が増大することで反応が促進され、発電電流が増大して燃料電池スタック１２の動作が不安定状態から安定状態に移行することが期待される。

なお、安定モードから不安定モードへの切り替えがあった場合、エア流量調整部４０は、ステップＳ４８で算出されたエア流量変化レートΔＱ／Δｔに従ってコンプレッサ２２を駆動し、安定モードでの目標エア流量Ｑ_O2STから不安定モードでの目標エア流量Ｑ_O2UNへと徐々に流量の切り替えを行う（図１１参照）。これにより、流量の急激な変動によるノイズの発生を抑制することができる。

ところで、上述した実施形態では、基準電流ｉ１および基準時間ＴＭ１を固定値として設定し、燃料電池スタック１２の作動状態を判定しているが（ステップＳ１６〜Ｓ１９）、図１３のフローチャートに示すように、これらのパラメータを冷却水温度θ_Wに従って設定するようにしてもよい。

すなわち、燃料電池スタック１２の発電状態が不安定モードに設定されている場合（ステップＳ１１）、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wに基づき、図１４に示す冷却水温度−基準電流マップを用いて基準電流ｉ１を算出する（ステップＳ６１）。この場合、基準電流ｉ１は、冷却水温度θ_Wが高ければ、燃料電池スタック１２が安定しているものと考えられるため、小さい値に設定されている。

また、冷却水温度検出部１９によって検出された冷却水温度θ_Wに基づき、図１５に示す冷却水温度−基準電流マップを用いて基準時間ＴＭ１を算出する（ステップＳ６２）。この場合、基準時間ＴＭ１は、冷却水温度θ_Wが高ければ、燃料電池スタック１２が安定しているものと考えられるため、短い時間に設定されている。

次いで、冷却水温度θ_Wに応じて設定された基準電流ｉ１および基準時間ＴＭ１と、発電電流／電圧検出部４４によって検出された発電電流ＩＦＣとを用いて、図３に示すステップＳ１６〜Ｓ１９の処理を行うことにより、燃料電池スタック１２の作動状態を判定し、不安定モードまたは安定モードの設定を行う（ステップＳ１５、Ｓ２２）。

この場合、モード判定のためのパラメータである基準電流ｉ１および基準時間ＴＭ１を冷却水温度θ_Wに応じて設定することができるため、モード判定精度をさらに向上させることができる。

一方、燃料電池スタック１２の発電状態が安定モードに設定されている場合（ステップＳ１１）、図３に示すステップＳ２３〜Ｓ２６、Ｓ２８、Ｓ２９の処理を行うことにより、燃料電池スタック１２の作動状態を判定し、不安定モードまたは安定モードの設定を行う（ステップＳ２２、Ｓ２７）。

なお、上述した実施形態では、燃料電池スタック１２の作動状態が安定状態であるか不安定状態であるかを、発電電流ＩＦＣ、最低セル電圧Ｖｃｍｉｎ、冷却水温度θ_W、アノードガス温度θ_Aおよびカソードガス温度θ_Cに基づいて判定し、その判定結果に従って運転条件を設定するようにしているが、例えば、作動状態を安定状態、準安定状態、不安定状態等のように、３つ以上の状態に分けて判定し、それぞれの判定結果に従って運転条件の設定を行うようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。 図１に示す燃料電池システムにおける制御装置での処理フローチャートである。 図２に示すフローチャートにおけるモード判定切替処理のフローチャートである。 図２に示すフローチャートにおける運転条件設定処理のフローチャートである。 目標発電電流−目標エア流量マップの説明図である。 目標発電電流−目標エア圧力マップの説明図である。 発電電流−基準電圧マップの説明図である。 発電電流−ポンプ流量マップの説明図である。 発電電流−パージ時間マップの説明図である。 発電電流−パージインターバル時間マップの説明図である。 モード切替時におけるエア流量調整処理の説明図である。 発電電流とポンプ流量とパージバルブの開閉状態との関係説明図である。 他の実施形態におけるモード判定切替処理のフローチャートである。 冷却水温度−基準電流マップの説明図である。 冷却水温度−基準時間マップの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…制御装置 １７…冷却部
１８…水素タンク １９…冷却水温度検出部
２０…レギュレータ ２１…アノードガス温度検出部
２２…コンプレッサ ２３…カソードガス温度検出部
２４…流量検出部 ２６…パージバルブ
２８…水素希釈ボックス ３０…圧力制御バルブ
３２…目標発電電流設定部 ３４…目標エア流量算出部
３６…目標エア圧力算出部 ４０…エア流量調整部
４２…圧力制御バルブ調整部 ４３…ポンプ流量調整部
４４…発電電流／電圧検出部 ４５…モード判定切替部
４６…パージパラメータ算出部 ４８…パージバルブ調整部
５０…ポンプ流量算出部

Claims (9)

1. アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池に対する前記水素含有ガスおよび前記酸素含有ガスの供給を調整する供給調整部と、前記燃料電池からの排気ガスの排出を調整する排出調整部とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記カソード電極に前記酸素含有ガスとしてエアを供給するエア供給手段と、
   前記エア供給手段による前記エアの前記カソード電極への供給圧力との圧力比に基づいて、前記アノード電極に供給する水素含有ガスの供給圧力を調整するレギュレータと、
   前記燃料電池から出力される発電電流を検出する発電電流検出部と、
   基準電流以上の前記発電電流が基準時間以上継続して出力されているか否かによって前記燃料電池の作動状態を判定し、且つ、該作動状態に基づいて、安定モードと、該安定モードに対して少なくとも前記エア供給手段による前記エアの供給流量を多くする制御が実施される不安定モードとの切り替えを行う作動状態判定部と、
   前記作動状態判定部により設定された前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状態に応じた制御パラメータを設定し、前記制御パラメータに基づいて前記供給調整部および／または前記排出調整部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記作動状態判定部は、前記安定モード中に、前記基準電流以下の前記発電電流の出力状態が基準時間以上継続した場合に不安定状態と判定し、前記不安定モードへの切り替えを実施することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、
   さらに、前記作動状態判定部は、前記不安定モード中に、前記基準電流より大きな第１基準電流以上の前記発電電流が前記基準時間より短い第１基準時間以上継続し且つ最低セル電圧が基準電圧よりも大きい場合、安定状態と判定して前記安定モードに切り替える一方、前記不安定モード中に、前記第１基準電流以下の前記発電電流の出力状態であるか、または前記第１基準電流以上の前記発電電流の出力状態が前記第１基準時間以上継続していない場合に不安定状態と判定して前記不安定モードを維持設定し、
   前記制御部は、前記安定モードに設定されたとき、前記発電電流に応じた安定時に対する第１制御パラメータを設定し、前記第１制御パラメータに基づいて前記供給制御部および／または前記排出制御部を制御する一方、前記不安定モードに設定されたとき、前記発電電流に応じた不安定時に対する第２制御パラメータを設定し、前記第２制御パラメータに基づいて前記供給制御部および前記排出制御部を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載のシステムにおいて、
   前記制御部は、前記発電電流と、前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状況とに応じて、前記制御パラメータである前記水素含有ガスの流量を算出する水素含有ガス流量算出部を有し、
   前記供給調整部は、算出された前記流量に基づき前記水素含有ガスの供給を調整することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載のシステムにおいて、
   前記供給調整部は、前記燃料電池におけるアノード電極のガス供給口とガス排気口とを連結する循環ループに配設され、前記水素含有ガス流量算出部によって算出された前記流量に基づき、前記ガス排気口から排出された前記水素含有ガスを前記ガス供給口に循環供給すると共に、
   前記不安定モード時には、前記循環ループにおける前記水素含有ガスの流量を前記安定モード時よりも増量することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１記載のシステムにおいて、
   前記制御部は、前記発電電流と、前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状況とに応じて、前記排気ガスの排出を制御する前記制御パラメータであるパージパラメータを算出するパージパラメータ算出部を有し、
   前記排出調整部は、算出された前記パージパラメータに基づき、前記排気ガスの外部への排出および外部への排出禁止を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１記載のシステムにおいて、
   前記制御部は、目標発電電流と、前記安定モードおよび前記不安定モードの設定状況とに応じて、前記制御パラメータである供給ガスの目標流量および目標圧力を算出する目標値算出部を有し、
   前記供給調整部は、算出された前記目標流量および前記目標圧力に基づき前記供給ガスの供給を制御することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステムにおいて、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出部を有し、
   前記制御部は、前記発電電流または目標発電電流と前記温度とに応じて前記制御パラメータを算出することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステムにおいて、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出部を有し、
   前記作動状態判定部は、前記燃料電池の前記温度に応じて設定される前記基準電流および前記基準時間に従って前記燃料電池の作動状態を判定し、前記安定モードと前記不安定モードとの切り替えを行うことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８記載のシステムにおいて、
   前記制御部は、前記発電電流または目標発電電流と前記温度とに応じて前記制御パラメータを算出することを特徴とする燃料電池システム。

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