JP4899285B2

JP4899285B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4899285B2
Application number: JP2003324491A
Authority: JP
Inventors: 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP2005093218A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、カソード極へ空気などの酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、水素ガスが供給されるアノード極と、空気などの酸素剤ガスが供給されるカソード極と、カソード極へ酸素剤ガスを供給する酸素剤ガス供給装置（空気供給装置など）を有し、カソード極の酸素とアノード極の水素とを電気化学的に反応させて発電する。

燃料電池システムの燃費性能を向上させるためには、空気供給装置の消費電力を低減する必要がある。即ち、供給する空気流量をぎりぎりまで減らして空気ストイキ比をぎりぎりまで低減して運転する必要がある。したがって、燃料電池に接続される負荷を過渡的に増加させた場合、燃料電池が使用する酸素量が過渡的に増加して空気流量が不足するおそれがある。具体的には、燃料電池内部のわずかな状態変化によって突然電圧が異常低下するか或いは各セル電圧のバラツキが大きくなり発電電圧が不安定となり、燃料電池の運転を継続できなくなるおそれがある。燃料電池内部のわずかな状態変化はセンサなどによって検出ができないため、発電電圧が不安定になるかどうかを事前に検出することができず、空気ストイキ比を増加するタイミングが遅れてしまう。

このように、燃料電池の燃費性能を向上させるためには、空気ストイキ比を低減するとともに発電電圧を安定させる必要がある。

従来、発電電圧が不安定になるかどうかを検出する方法として、空気ストイキ比を運転限界まで下げた時の電圧の変動によって異常を判定する方法がある（例えば、特許文献１等を参照）。特許文献１では、空気ストイキ比を下げた状態は燃料電池のカソード極の酸素濃度が低下した状態であり、この時不具合のあるセルあるいは酸素分布の悪いセルの電圧低下が増幅されて顕著に現れるという作用を利用している。
特開平８−７９１１号公報

しかし、燃費性能向上のためには通常空気ストイキ比は運転ぎりぎりに設定して運転する。この場合、上記の特許文献１の方法では発電電圧が不安定になるか否かを検出することができない。この結果、発電電圧が異常低下するか或いは各セル電圧のバラツキが大きくなり運転を継続できなくなる不具合が発生するおそれがある。

本発明の特徴は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給装置と、燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、燃料電池本体が発電する電圧を検出する電圧検出手段とを有する燃料電池システムであって、酸素濃度過渡低減手段が燃料電池本体のカソード極での酸素濃度を過渡的に薄くして、電圧変動量検出手段が酸素濃度を過渡的に薄くした時の電圧変動量を検出し、電圧安定維持判断手段が電圧変動量検出手段の出力に基づいて現在の酸素利用率が燃料電池本体の電圧を安定に維持するのに適正か否かを判断することを要旨とする。

本発明によれば、空気ストイキ比をぎりぎりまで低減している場合に発電電圧が不安定になるか否かを早く検出できる燃料電池システムを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、原料ガスである水素含有ガスが供給されるアノード極と、原料ガスである酸素含有ガスが供給されるカソード極とを有し、カソード極の酸素とアノード極の水素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体４と、燃料電池本体４に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給装置（水素供給タンク）２と、水素供給タンク２が供給する水素含有ガスの圧力を調節する水素圧力レギュレータ３と、燃料電池本体４のアノード極出口から排出された未使用の水素含有ガスをアノード極入口へ戻して再利用する為の水素循環路に配置された水素循環ポンプ５と、燃料電池本体４に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置（空気供給装置）１と、燃料電池本体４に接続され、燃料電池本体４によって発電した電力を消費する負荷装置９と、燃料電池本体４が発電する電圧を検出する電圧検出手段（電圧センサ）６と、燃料電池本体４から負荷装置９へ流れる電流量を検出する電流検出手段（電流センサ）７と、燃料電池本体４を構成する複数の燃料電池セル（以後、「セル」という）のそれぞれの電圧を検出するセル電圧センサ８と、カソード極の圧力を調節する空気調圧弁１０と、水素循環系に蓄積した窒素を放出するためのパージ調弁１１と、燃料電池システム全体の動作を制御する制御手段１２とを有する。

制御手段１２は、カソード極での酸素濃度を過渡的に薄くする酸素濃度過渡低減手段１３と、酸素濃度過渡低減手段１３によって酸素濃度を過渡的に薄くした時の電圧変動量を検出する電圧変動量検出手段１４と、電圧変動量検出手段１４の出力に基づいて現在の酸素利用率が燃料電池本体４の電圧を安定に維持するのに適正か否かを判断する電圧安定維持判断手段１５とを有する。電圧センサ６、電流センサ７及びセル電圧センサ８は、制御手段１２へ電圧／電流値をそれぞれ転送し、制御手段１２は、制御信号ＣＴＲを介して、空気供給装置１、負荷装置９及び空気調圧弁１０を含む燃料電池システムの各構成要素の動作を制御する。

燃料電池本体４のアノード極に供給した水素のうち一部は発電に使用しないでアノード極の出口から排出される。この排出水素をアノード極の入口に戻して再利用する。以後、アノード極の入口に戻して再利用する水素を「循環水素」と記す。アノード極には、供給水素タンク２から供給される水素と循環水素とが混合された水素ガスが供給される。循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素供給タンク２の乾燥した水素と混合してアノード極に供給する水素を加湿する。アノード極には、水素供給タンクを出た水素と循環水素の混合水素が供給され、燃料電池本体４の固体高分子膜は十分に加湿される。また、循環水素を循環させるために水素循環ポンプ５を使用している。

実施の形態では空気供給装置１としてコンプレッサを使用する。負荷装置９としてインバータを燃料電池本体４に接続し、インバータでエネルギー変換して駆動モータへ電力を供給する。燃料電池システムを車両に適用した場合には、駆動モータは車両走行の動力として使う。また、負荷装置９に発電量を設定して燃料電池本体４のから負荷電流を取り出す。制御手段１２は、通常のコンピュータシステムの中央処理装置（ＣＰＵ）及び周辺インターフェイスからなる。

車両用の燃料電池本体４として固体高分子タイプのものを使用する。固体高分子タイプの燃料電池本体４は、アノード極とカソード極の間に配置された固体高分子膜を有し、固体高分子膜は水素イオン伝導体として機能する。燃料電池本体４では、アノード極で水素を水素イオンと電子にする反応が起き、カソード極で酸素ガスと水素イオンと電子から水を生成する反応が起きる。この時、水素イオンは固体高分子膜をカソード極に向かって移動する。固体高分子膜上を水素イオンが移動するためには、固体高分子膜が水分を含んでいる必要がある。固体高分子膜を加湿して湿らせておくために、燃料電池へ供給する水素を加湿してアノード極に供給する。水素を加湿する為には、燃料電池本体で未使用の水素ガスを燃料電池本体へ再循環して再利用する水素循環形式を用いる。具体的には、燃料電池本体外部に接続した負荷で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素をアノード極へ供給し、カソード極の出口から排出された未使用の排水素（循環水素）を再度、アノード極の入口へ戻して再利用する。したがって、燃料電池のアノード極を通過する水素流量は、発電に必要な水素量に加えて、循環する水素量が余分に通過する。

また、発電に必要な水素量よりも余分な水素量をアノード極に供給することにより、燃料電池の総てのセルで発電を高率的に行うことができる。発電に必要な水素量のみだけを供給すると、アノード極の出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなり発電効率が落ちる。同様のことが燃料電池のカソード極についても言える。したがって、発電に必要な酸素量のみを供給するのではなく、少し余分に酸素を供給することで、燃料電池の総てのセルで発電を高率的に行うことができる。

発電に使用する酸素量／水素量に対する実際に供給される酸素量／水素量の割合を、酸素ストイキ比／水素ストイキ比と呼ぶ。発電に使用する水素又は酸素のみを供給すると水素ストイキ比又は酸素ストイキ比はそれぞれ１であるが、通常は上記理由により１以上である。

負荷を過渡的に増加すると燃料電池の反応に必要な水素量も過渡的に増加する。水素は水素供給タンク２から供給されるため供給遅れが生じる。同様にして、燃料電池の反応に必要な酸素量も過渡的に増加する。酸素は空気供給装置１より供給され、空気は水素に比べて質量が大きいため、供給遅れは水素の場合よりも著しくなる。このため、過渡的に負荷が増加した時には空気が不足する可能性が高い。

次に、図１に示す燃料電池システムの具体的な動作の一例を図２乃至図５を参照して説明する。

（イ）先ずＳ１０段階において、燃料電池本体４から取り出す負荷の応答を選択する。即ち、空気供給の応答よりも早い応答で負荷を取り出して、過渡的に酸素濃度の薄い状態を作る。具体的には、酸素濃度過渡低減手段１３は、空気供給装置１からカソード極へ空気が到達するまでの応答よりも早い応答で燃料電池本体４から取り出す負荷を増加することにより、燃料電池本体４のカソード極での酸素濃度を過渡的に薄くする。なお、空気供給応答は予め行っている実験データから知ることができる。負荷取り出し応答が速すぎると過渡的な電圧低下が下限値を下回る場合があるので、高負荷になるほど負荷取り出し応答を遅くするようにする。

（ロ）Ｓ２０段階において、電圧変動量検出手段１４は、酸素濃度を過渡的に薄くした時、即ち図３（ａ）に示すように過渡的に負荷を取り出した時の電圧低下量（電圧差）２１を電圧センサ６を介して測定する。具体的には、電圧変動量検出手段１４は、図３（ｂ）に示すように酸素濃度過渡低減手段１３によって過渡的に酸素濃度を薄くして燃料電池本体４の電圧が低下して最低電圧２０となった時の電圧を測定し、負荷を取り出す前の電圧２２を記憶し、最低電圧２１となった時の電圧と負荷を取り出す前の電圧２２との差（電圧差２１）を検出する。

（ハ）Ｓ３０段階において、電圧変動量検出手段１４は、酸素濃度過渡低減手段１３により過渡的に酸素濃度を薄くした直後、即ち図４（ａ）に示すように過渡的に負荷を取り出して電圧が低下して最低電圧２０まで到達した直後の各セル電圧をセル電圧センサ８を介して測定し、図４（ｂ）に示すようにセル電圧センサ８の出力に基づいて各セル電圧のバラツキ２４を検出する。

（ニ）Ｓ４０段階において、Ｓ２０段階で測定した電圧低下量（電圧差）２１が所定下限値を下回ったか否かを判定する。電圧低下量（電圧差）２１が所定下限値より小さい場合（Ｓ４０段階でＹＥＳ）、Ｓ５０段階へ進む。電圧低下量（電圧差）２１が所定下限値以上である場合（Ｓ４０段階でＮＯ）、Ｓ９０段階へ進む。なお、所定下限値は運転限界下限値よりも高めに設定した値である。

（ホ）Ｓ５０段階において、Ｓ３０段階で測定した各セル電圧のバラツキ２４が所定限界量以内であるか否かを判定する。各セル電圧のバラツキ２４が所定限界量以内である場合（Ｓ５０段階でＹＥＳ）、Ｓ６０段階へ進む。各セル電圧のバラツキ２４が所定限界量を越えている場合（Ｓ５０段階でＮＯ）、Ｓ９０段階へ進む。なお、所定限界量は運転限界バラツキ値よりも小さめに設定した値である。

（へ）Ｓ４０段階でＮＯの場合、電圧低下量（電圧差）２１が運転限界下限値より大きいが所定下限値を下回ったという状態は空気不足以外の何らかの要因で電圧が低下と判断する。また、Ｓ５０段階でＮＯの場合、運転限界バラツキ値より小さいが所定限界量を上回ったという状態は空気不足以外の何らかの要因で各セル電圧のバラツキが増大したと判断する。もっとも良く起こる要因として燃料電池セルの空気チャネルに生成水が滞留してチャネルを塞いでしまうという現象が起きる。本実施例ではこの現象をまず解消するために滞留している水を飛ばすようにしている。そこで、Ｓ９０段階では、水飛ばしパージを連続して所定回数実行したかどうかを判定する。連続して所定回数実行して電圧が回復しない場合（Ｓ９０段階でＹＥＳ）には、異常であると判断してＳ１１０段階で「異常警報」を発する。

（ト）水飛ばしパージを連続して所定回数実行していない場合（Ｓ９０段階でＮＯの場合）は、Ｓ１００段階に進み、燃料電池セルの空気チャネルに滞留している水を飛ばす水とばしパージを行う。本実施例では水飛ばしパージは、カソード極の出入口の圧力差を増加して行う。カソード極圧力制御弁（空気調圧弁）１０を操作してカソード極の圧力を高くした後、一気にカソード極圧力制御弁の開度を大きくして圧力を開放する。このとき一気に空気が燃料電池のカソード極を通過して水を引きつれて出てくる。次に、Ｓ１０５段階において、水飛ばしパージを連続して所定回続いたかを数える変数をカウントアップする。

なお、上記水飛ばしパージのためのカウンタのリセットについては、Ｓ９５において、電圧低下量が所定値以下で、かつ各セル電圧のバラツキが所定限界量以内、即ち水飛ばしパージ操作が不要になった条件の下で実施する。

（チ）次に、Ｓ６０段階において、電圧安定維持判断手段１５は、現在の酸素利用率は過渡時の燃料電池電圧を安定に維持するのに不適正であると判断して過渡時の酸素利用率を低下する（過渡時酸素利用率補正手段）。具体的には、過渡的に負荷を取り出して電圧が低下して最低電圧となった時の電圧と、負荷を取り出す前の電圧の差に応じて過渡時の空気流量を増加補正する。図３（ｃ）に示すように、電圧の差２１が大きくなるほど過渡時の空気流量が増加するように補正する。さらに具体的には、過渡時酸素利用率補正手段は、目標発電量と目標酸素利用率に基づいて目標空気流量を算出し（目標空気流量算出手段）、目標空気流量算出手段により算出した目標空気量に対して図５に示すように進み遅れ補償フィルタを適用し、進み遅れ補償フィルタのパラメータを変更して酸素利用率を補正する。図５に示すように、進み補償量（ａ／ｃ）を大きくすることで過渡時の空気流量を増加させることができる。

目標空気流量は目標負荷電流と、予めＲＯＭに記憶してある空気利用率から以下のようにして求める。なお、「係数」はファラデー定数と[NL/min]へ単位変換の係数を掛けた値:0.0348である。ファラデー定数とは、素電荷ｅを持つ粒子の１モルの集りが持つ電荷であり、Ｆ＝Ｎｅ（Ｎはアボガドロ定数）である。

目標負荷電流[A] = 目標負荷[kW]÷現在の電圧[V]
必要酸素量[NL/min] = 係数×目標負荷電流[A]×セル枚数
目標空気流量 [NL/min] = 必要酸素量×空気利用率/0.21
（リ）Ｓ７０段階において、電圧安定維持判断手段１５は、現在の酸素利用率は定常時の燃料電池電圧を安定に維持するのに不適正であると判断して定常時の酸素利用率を低下する（定常時酸素利用率補正手段）。具体的には、過渡的に負荷を取り出して電圧が低下して最低電圧まで到達した直後の各セル電圧のバラツキに応じて定常時の空気流量を増加補正する。図４（ｃ）に示すように、バラツキ２４が大きくなるほど定常時の空気流量が増加するように補正する。更に具体的には、定常時酸素利用率補正手段は、目標発電量と目標酸素利用率に基づいて目標空気流量を算出し（目標空気流量算出手段）、目標空気流量算出手段により算出した目標空気量に対して図５に示すように進み遅れ補償フィルタを適用し、進み遅れ補償フィルタのパラメータを変更して酸素利用率を補正する。図５に示すように、定常補償量（ｂ／ｄ）を大きくすることで定常時の空気流量を増加させることができる。

また、図５に示すように、進み遅れ補償フィルタの遅れ補償量（ｃ）を調整することにより、進み作用で過渡時の空気流量が増加した後、定常値に落ち着くまでの時間を調整することができ、長い時間かけて定常値に落ち着かせて酸素利用率が低い状態を長くすることができる。過渡負荷変動頻度が速い場合などには、長い時間かけて定常値に落ち着かせて酸素利用率が低い状態を長くすることができ、過渡時の電圧低下を低減するようにできる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、酸素濃度過渡低減手段１３が過渡的に酸素濃度の薄い状態を作り、電圧変動量検出手段１４が酸素濃度が薄くなった状態での電圧変動量を計測し、電圧安定維持判断１５が現在の酸素利用率が燃料電池電圧を安定に維持するのに適正かを、電圧が不安定になる前に事前に判断することができる。酸素濃度が薄い状態にすることは酸素分布の悪いセルの電圧低下を増幅する作用があるので、酸素濃度が薄い状態における電圧変動を測定することで潜在的な電圧不安定要因を事前に判断することができる。

また、酸素濃度過渡低減手段１３は、空気供給装置１から燃料電池本体４のカソード極へ空気が到達するまでの応答よりも早い応答で燃料電池本体４から負荷を取り出すことができ、過渡的に酸素濃度が薄い状態を作ることができる。

更に、電圧変動量検出手段１４は、過渡的に負荷を取り出した時点の最低電圧と負荷を取り出す前の電圧の差から電圧変動量を測定することができる。この電圧変動量により過渡的な空気流量が適当かどうかを知ることができる。

更に、電圧変動量検出手段１４は、過渡的に負荷を取り出して電圧が低下して最低電圧まで到達した直後の各セル電圧のバラツキを検出することができる。この電圧バラツキにより定常的な空気流量が適当かどうかを知ることができる。

更に、過渡時酸素利用率補正手段が過渡時のみの酸素利用率を低減するようにすることで、過渡時の酸素不足を防止して発電電圧が下限以下になることを防止することができる。過渡時の電圧低下が大きいため過渡時の酸素利用率を満たそうとすると定常時には余分になる場合がある。しかし、過渡時酸素利用率補正手段が過渡時のみの酸素利用率を低減することで、このような無駄を防止して燃費を向上することができる。

更に、定常時酸素利用率補正手段が定常時のみの酸素利用率を低減するようにすることで、酸素不足を防止して発電電圧を安定にすることができる。定常時の酸素利用率を満たそうとすると燃費を向上することができるが、過渡時には不足となる場合がある。しかし、定常時酸素利用率補正手段が定常時のみの酸素利用率を低減するようにすることで、このような不具合を防止することができる。

更に、電圧変動量検出手段１４は、電圧変動量検出手段１４の出力が所定の限界値を逸脱する場合に、酸素含有ガスの流量を増加するか或いはカソード極の入口と出口の圧力差を増加するかの手段によりカソード極内での酸素含有ガスの流速を早くしてカソード極に滞留している水を吹き飛ばして外部に放出する誤検出防止手段を有する。このことにより、カソード極に滞留している水を吹き飛ばして外部に放出することができ、カソード極に滞留している水に起因する電圧変動量を除去したあと、もう一度酸素濃度を薄くした状態にして電圧変動量を検出することができ、誤検出を防止することができる。

更に、進み遅れ補償フィルタのパラメータを変更して酸素利用率を補正することにより、過渡時或いは定常時の酸素利用率のみを低下することができる。目標空気量に進み遅れ補償フィルタを適用して進み補償を調節することにより過渡時のみの空気流量を増加して定常時の空気流量は変更しないように作用することができる。同様にして、定常補償を調節することにより定常時のみの空気流量を増加して過渡時の空気流量は変更しないように作用することができる。

更に、進み遅れ補償フィルタの遅れ補償を調整することにより、進み作用で過渡時の空気流量が増加した後、定常値に落ち着くまでの時間を調整することができ、長い時間かけて定常値に落ち着かせて酸素利用率が低い状態を長くすることができる、あるいは短い時間かけて定常値に落ち着かせて酸素利用率が低い状態を短くすることができる。過渡負荷変動頻度が速い場合などには、長い時間かけて定常値に落ち着かせて酸素利用率が低い状態を長くすることができ、過渡時の電圧低下を低減するようにできる。

（変形例）
図１に示した実施の形態に係る燃料電池システムの動作の他の例を図６乃至図８を参照して説明する。

（イ）先ずＳ１０段階において、図２と同様にして燃料電池本体４から取り出す負荷の応答を選択する。

（ロ）ＳＳ１５段階において、目標最低電圧と目標定常電圧を作成する。具体的には、図７（ａ）に示すように酸素利用率をパラメータとする燃料電池本体４の電流電圧特性関数（Ｉ−Ｖ特性関数）を用意する。そして、要求電力から目標負荷電流を算出する。酸素利用率をパラメータとする図７（ａ）に示す燃料電池の電流電圧特性に目標負荷電流を入力して目標最低電圧及び目標定常電圧を算出する。なお、要求電力はアクセル開度から算出する。ここでは実験で予め求めた要求電力とアクセル開度を関連つける関数を作成し、これを参照する。図７（ａ）のＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃は、図７（ｂ）のＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃に対応し、図７（ｂ）は、過渡的な負荷による電圧の軌跡（時間応答）を示している。目標負荷電流は、次式から求める。

要求電力[W]÷現在の燃料電池電圧
（ハ）ＳＳ２０段階において、過渡的に負荷を取り出した時の最低電圧を測定する。そして、過渡的に負荷を取り出して電圧が低下して最低電圧となった時の電圧と、ＳＳ１５段階で求めた目標最低電圧を比較して最低電圧の差を検出する。ＳＳ３０段階において、過渡的に負荷を取り出して電圧が低下して最低電圧まで到達した直後の電圧を測定し、ＳＳ１５段階で求めた目標定常電圧を比較して定常電圧の差を検出する。

（ニ）ＳＳ４０段階において、ＳＳ２０で測定した最低電圧の差が所定下限値を下回ったかどうかを判定する。最低電圧の差が所定下限値を下回った場合（ＳＳ４０段階でＮＯ）、Ｓ９０段階に進む。ＳＳ５０段階において、ＳＳ３０で測定した定常電圧の差が所定下限値を下回ったかどうかを判定する。定常電圧の差が所定下限値を下回った場合（ＳＳ５０段階でＮＯ）、Ｓ９０段階に進む。

（ホ）Ｓ９０段階では、水飛ばしパージを連続して所定回数実行したかどうかを判定する。連続して所定回数実行して電圧が回復しない場合（Ｓ９０段階でＹＥＳ）には、異常であると判断してＳ１１０段階で「異常警報」を発する。水飛ばしパージを連続して所定回数実行していない場合（Ｓ９０段階でＮＯ）、Ｓ１００段階において、燃料電池セルの空気チャネルに滞留している水を飛ばす水とばしパージを継続して行う。次に、Ｓ１０５段階において、水飛ばしパージを連続して所定回続いたかを数える変数をカウントアップする。上記カウンタのリセット方法については、図２の場合と同様Ｓ９５において実行される。

（へ）次に、ＳＳ６０段階において、ＳＳ２０で測定した最低電圧の差に応じて過渡時の空気流量を増加補正する。図８（ａ）に示すように、最低電圧と目標最低電圧との差が大きくなるほど過渡時の空気流量が増加する。ＳＳ７０段階において、ＳＳ３０で測定した定常電圧の差に応じて定常時の空気流量を増加補正する。図８（ｂ）に示すように、定常電圧と目標定常電圧との差が大きくなるほど定常時の空気流量が増加する。

以上説明したように、酸素利用率をパラメータとする燃料電池本体の電流電圧特性関数に目標負荷電流を入力して目標最低電圧を算出し、目標最低電圧と最低電圧との差を検出することにより、所望の理想電圧（過渡変化時の最低電圧）と現在の過渡変化時の燃料電池最低電圧との電圧変動量を検出することができる。この電圧変動量により過渡的な空気流量が適当かどうかを知ることができる。また空気利用率が高い要因による電圧変動かそれ以外の要因による電圧変動かどうかを区別することができる。

また、酸素利用率をパラメータとする燃料電池本体の電流電圧特性関数に目標負荷電流を入力して目標定常電圧を算出し、目標定常電圧と定常電圧との差を検出することにより、所望の理想電圧（定常電圧）と現在の燃料電池定常電圧との電圧変動量を検出することができる。この電圧変動量により定常的な空気流量が適当かどうかを知ることができる。また空気利用率が高い要因による電圧変動かそれ以外の要因による電圧変動かどうかを区別することができる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。図１に示した燃料電池システムの具体的な動作の一例を示すフローチャートである。図３（ａ）は過渡的な負荷による電圧の軌跡（時間応答）を示し、図３（ｂ）は電圧センサを介して測定した電圧の時間変化（電圧差）を示し、図３（ｃ）は電圧差と過渡時の空気流量増加補正量との関係を示すグラフである。図４（ａ）は過渡的な負荷による電圧の軌跡（時間応答）を示し、図４（ｂ）は電圧センサを介して測定した電圧の時間変化（電圧バラツキ）を示し、図４（ｃ）は電圧バラツキと定常時の空気流量増加補正量との関係を示すグラフである。図５（ａ）は進み／遅れ補償フィルタの定義式を示し、図５（ｂ）はステップ関数を入力とした時の進み／遅れ補償フィルタからの出力を示すグラフである。図１に示した燃料電池システムの具体的な動作の他の例を示すフローチャートである。図７（ａ）は酸素利用率をパラメータとする燃料電池本体の電流電圧特性関数（Ｉ−Ｖ特性関数）を示し、図７（ｂ）は過渡的な負荷による電圧の軌跡（時間応答）を示すグラフである。図８（ａ）は目標最低電圧と最低電圧の差と過渡時の空気流量増加補正量との関係を示し、図８（ｂ）は目標定常電圧と定常電圧の差と定常時の空気流量増加補正量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１空気供給装置（酸素含有ガス供給装置）
２水素供給タンク（水素含有ガス供給装置）
３水素圧力レギュレータ
４燃料電池本体
５水素循環ポンプ
６電圧センサ（電圧検出手段）
７電流センサ
８セル電圧センサ
９負荷装置
１０空気調圧弁
１１パージ調圧弁
１２制御手段
１３酸素濃度過渡低減手段
１４電圧変動量検出手段
１５電圧安定維持判断手段
２０最低電圧
２１電圧差
２４バラツキ

Claims

水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体が発電する電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池本体から取り出す負荷を増加させることで前記燃料電池本体のカソード極での酸素濃度を過渡的に薄くする酸素濃度過渡低減手段と、
前記酸素濃度過渡低減手段によって前記酸素濃度を過渡的に薄くした時の電圧変動量を検出する電圧変動量検出手段と、
前記電圧変動量検出手段の出力に基づいて現在の酸素利用率が前記燃料電池本体の電圧を安定に維持するのに適正か否かを判断する電圧安定維持判断手段とを有し、
前記電圧変動量検出手段は、
前記負荷を増加させる前の電圧と、前記燃料電池本体から取り出す負荷を増加させて前記酸素濃度を過渡的に薄くした際に前記燃料電池本体の電圧が低下した際の最低電圧との差を検出する手段であって、
前記酸素濃度過渡低減手段により過渡的に酸素濃度を薄くして前記燃料電池本体の電圧が低下して最低電圧となった時の電圧を測定する手段と、
前記負荷を取り出す前の電圧を記憶する手段と、
前記最低電圧となった時の電圧と前記負荷を取り出す前の電圧との差を検出する手段とを有し、
前記電圧安定維持判断手段は、前記電圧変動量検出手段により検出された前記差が所定値を超える場合に、現在の酸素利用率は過渡時の燃料電池電圧を安定に維持するのに不適正であると判断して過渡時の酸素利用率を低下する過渡時酸素利用率補正手段を有すること
を特徴とする燃料電池システム。
水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体が発電する電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池本体のカソード極での酸素濃度を過渡的に薄くする酸素濃度過渡低減手段と、
前記酸素濃度過渡低減手段によって前記酸素濃度を過渡的に薄くした時の電圧変動量を検出する電圧変動量検出手段と、
前記電圧変動量検出手段の出力に基づいて現在の酸素利用率が前記燃料電池本体の電圧を安定に維持するのに適正か否かを判断する電圧安定維持判断手段とを有し、
前記電圧変動量検出手段は、
前記酸素濃度過渡低減手段により過渡的に酸素濃度を薄くした直後の前記燃料電池本体の各セル電圧を測定する手段と、
前記各セル電圧を測定する手段の出力に基づいて前記各セル電圧のバラツキを検出する手段とを有し、
前記電圧安定維持判断手段は、前記電圧変動量検出手段により検出された前記バラツキが所定値を超える場合に、現在の酸素利用率は定常時の燃料電池電圧を安定に維持するのに不適正であると判断して定常時の酸素利用率を低下する定常時酸素利用率補正手段を有すること
を特徴とする燃料電池システム。
水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
前記燃料電池本体が発電する電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池から取り出す負荷を増加させることで前記燃料電池本体のカソード極での酸素濃度を過渡的に薄くする酸素濃度過渡低減手段と、
前記酸素濃度過渡低減手段によって前記酸素濃度を過渡的に薄くした時の電圧変動量を検出する電圧変動量検出手段と、
前記電圧変動量検出手段の出力に基づいて現在の酸素利用率が前記燃料電池本体の電圧を安定に維持するのに適正か否かを判断する電圧安定維持判断手段とを有し、
前記電圧変動量検出手段は、
前記酸素濃度過渡低減手段により過渡的に酸素濃度を薄くして前記燃料電池本体の電圧が低下して最低電圧となった時の電圧を測定する手段と、
前記負荷を取り出す前の電圧を記憶する手段と、
前記最低電圧となった時の電圧と前記負荷を取り出す前の電圧との差を検出する手段と、
前記酸素濃度過渡低減手段により過渡的に酸素濃度を薄くした直後の前記燃料電池本体の各セル電圧を測定する手段と、
前記各セル電圧を測定する手段の出力に基づいて前記各セル電圧のバラツキを検出する手段とを有し、
前記電圧安定維持判断手段は、
前記負荷を増加させる前の電圧と、前記燃料電池本体から取り出す負荷を増加させて前記酸素濃度を過渡的に薄くした際に前記燃料電池本体の電圧が低下した際の最低電圧との差を検出する手段であって、
前記電圧変動量検出手段により検出された前記差が所定値を超える場合に、現在の酸素利用率は過渡時の燃料電池電圧を安定に維持するのに不適正であると判断して過渡時の酸素利用率を低下する過渡時酸素利用率補正手段と、
前記電圧変動量検出手段により検出されたバラツキが所定値を超える場合に、現在の酸素利用率は定常時の燃料電池電圧を安定に維持するのに不適正であると判断して定常時の酸素利用率を低下する定常時酸素利用率補正手段とを有すること
を特徴とする燃料電池システム。
前記酸素濃度過渡低減手段は、前記酸素含有ガス供給装置から前記カソード極へ前記酸素含有ガスが到達するまでの応答よりも早い応答で前記燃料電池本体から取り出す負荷を増加する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
前記電圧変動量検出手段は、
酸素利用率をパラメータとする前記燃料電池本体の電流電圧特性関数を記憶する手段と、
要求電力から目標負荷電流を算出する手段と、
前記目標負荷電流を前記電流電圧特性関数に入力して目標最低電圧を算出する手段と、
前記目標最低電圧と前記最低電圧との差を検出する手段
とを有することを特徴とする請求項１又は請求項３記載の燃料電池システム。
前記電圧変動量検出手段は、
酸素利用率をパラメータとする前記燃料電池本体の電流電圧特性関数を記憶する手段と、
要求電力から目標負荷電流を算出する手段と、
前記目標負荷電流を前記電流電圧特性関数に入力して目標定常電圧を算出する手段と、
前記目標定常電圧と前記最低電圧となった直後の定常電圧との差を検出する手段
とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
前記電圧変動量検出手段は、前記電圧変動量検出手段の出力が所定の限界値を逸脱する場合に、前記酸素含有ガスの流量を増加するか或いは前記カソード極の入口と出口の圧力差を増加するかの手段により前記カソード極内での前記酸素含有ガスの流速を早くして前記カソード極に滞留している水を吹き飛ばして外部に放出する誤検出防止手段を有することを特徴とする請求項１、請求項３又は請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記過渡時酸素利用率補正手段は、
目標発電量と目標酸素利用率に基づいて目標空気流量を算出する目標空気流量算出手段と、
前記目標空気流量算出手段により算出した目標空気量に対して進み遅れ補償フィルタを適用し、前記進み遅れ補償フィルタの進み補償量を大きく変更して過渡時の空気流量を増加させるよう酸素利用率を補正する手段
とを有することを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の燃料電池システム。
前記定常時酸素利用率補正手段は、
目標発電量と目標酸素利用率に基づいて目標空気流量を算出する目標空気流量算出手段と、
前記目標空気流量算出手段により算出した目標空気量に対して進み遅れ補償フィルタを適用し、前記進み遅れ補償フィルタの定常補償量を大きく変更して定常時の空気流量を増加させるよう酸素利用率を補正する手段
とを有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。