JP5076293B2

JP5076293B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5076293B2
Application number: JP2005245891A
Authority: JP
Inventors: 一秀島田; 育宏谷口; 伸孝高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2007059319A

Description

本発明は、燃料電池システムの起動時におけるガス供給圧力を改善した燃料電池システムに関する。

燃料電池車は、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、または炭化水素系（メタノールなど）燃料を改質し、そこから供給される水素と酸素を含む大気を燃料電池に送り込んで電気化学反応させ、得られた電力を駆動力にする車両であり、電気エネルギーへの変換効率の高さとクリーンさにおいて注目されている。

この燃料電池車の実用化への課題の一つとして、燃料電池の起動停止を繰り返すことによる燃料電池の出力特性の低下が挙げられる。

燃料電池は起動時に水素を供給すると、システム停止中に混入してくる空気（酸素）と水素がアノード極内で混在してしまうことで電気化学反応が起こり、燃料電池を構成する触媒の腐食を生じさせてしまう。

このような不具合を回避するために、従来では例えば以下に示す文献（特許文献１参照）に記載された技術が知られている。この技術は、燃料電池の起動時に供給する水素の供給圧力を起動後の通常運転時に比べて高く設定し、圧力の高い水素ガスでアノード極に残留している空気（酸素）を短時間で燃料電池外に排出し、先に触れた燃料電池の出力特性の低下を抑制しようというものである。
特開２００４−１３９９８４

しかしながら、上記文献に記載された燃料電池の起動方法では、燃料電池を構成する電解質膜の膜間差圧を抑制するために、カソード極側に空気も同時に供給する必要があった。水素と空気を同時に高圧で供給すると、過渡的に燃料電池の出力電圧が上昇して、燃料電池が許容する最大電圧を超えてしまい、性能の低下を招くという問題がある。

したがって、燃料電池の発電電圧が過電圧とならないための対策が必要となる。この対策としては、燃料電池から電流を取り出して電圧の上昇を抑えるという方法がある。しかし、この方法では、燃料電池の起動時においては燃料電池セルごとの電圧が安定しておらず、無理に電流を取り出すことで燃料電池を劣化させる要因となりえる。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池の劣化を招くことなく、燃料電池の出力特性の低下を抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、出力特性推定手段は、燃料ガスならびに酸化剤ガスのガス圧力と出力特性が低下していない燃料電池の発電電圧との関係を表す基準特性（圧力−電圧基準特性）に基づいて、燃料ガス圧力検出手段ならびに酸化剤ガス圧力検出手段で検出されたガス圧力に対応した基準特性の発電電圧を算出し、算出した発電電圧と電圧検出手段で検出された発電電圧との比もしくは差として設定される出力低下率を学習する出力特性学習手段を備え、出力特性学習手段で学習した出力低下率と燃料電池で許容される最大電圧とに基づいて、出力特性推定手段で推定された燃料電池の発電電圧が燃料電池で許容される最大電圧となる反応ガスの起動時目標ガス圧力を設定し、燃料電池システムの起動時に設定した起動時目標ガス圧力で前記燃料電池に反応ガスを供給制御することを特徴とする。
また、本発明の課題を解決する手段は、出力特性推定手段は、出力特性が低下していない燃料電池の出力電流と発電電圧との関係を表す基準特性（電流−電圧基準特性）に基づいて、電流検出手段で検出された出力電流に対応した基準特性の発電電圧を算出し、算出した発電電圧と電圧検出手段で検出された発電電圧との比もしくは差として設定される出力低下率を学習する出力特性学習手段を備え、出力特性学習手段で学習した出力低下率と燃料電池で許容される最大電圧とに基づいて、出力特性推定手段で推定された燃料電池の発電電圧が燃料電池で許容される最大電圧となる反応ガスの起動時目標ガス圧力を設定し、燃料電池システムの起動時に設定した起動時目標ガス圧力で前記燃料電池に反応ガスを供給制御することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池システムの許容する最大電圧を実現する起動時目標ガス圧力を燃料電池の出力特性に応じて最適に設定することができるので、燃料電池の触媒が腐食することによる出力低下を抑止することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、カソード極１０１ａに空気、アノード極１０１ｂに水素、冷却水流路１０１ｃに冷却水を供給して発電を行う燃料電池１０１、この燃料電池１０１に供給される空気の流量を制御するコンプレッサ１０２、燃料電池１０１に供給される空気の圧力を制御するスロットル１０３、水素タンク（図示せず）から燃料電池１０１に供給される水素の流量を制御する可変バルブ１０４を備えている。

また、燃料電池システムは、燃料電池１０１の入口水素圧力を検出する燃料電池入口水素圧力センサ１０５、燃料電池１０１の入口空気圧力を検出する燃料電池入口空気圧力センサ１０６、燃料電池１０１の出口の水素湿度を検出する燃料電池出口水素湿度センサ１０７、燃料電池１０１の出口の水素濃度を検出する燃料電池出口水素濃度センサ１０８、燃料電池１０１の出口の冷却水温度を検出する燃料電池出口冷却水温度センサ１０９、燃料電池１０１の発電電圧を検出する燃料電池電圧センサ１１１を備えている。

また、燃料電池システムは、燃料電池１０１から電流を取り出す電流取り出し装置１１０（パワーマネージャー）、燃料電池１０１の目標発電電流ならびにシステムの起動／停止を指示するためのイグニッションスイッチ（図示せず）、ならびにコントローラ１１２を備えている。

コントローラ１１２は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ１１２は、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、コンプレッサ１０２、スロットル１０３、可変バルブ１０４ならびに電流取り出し装置１１０を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明するシステム起動時の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

このような構成において、燃料電池１０１は、アノード極に燃料ガスの水素が、カソード極に酸化剤ガスの空気が供給され、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。

（化１）
アノード（水素）極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード（酸素）極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
アノード極への水素供給は水素タンク（図示せず）から可変バルブ１０４を介して流量調整されてなされる。アノード極の水素圧力は、コントローラ１１２より可変バルブ１０４を駆動制御することによって制御される。水素圧力を一定に制御することによって、燃料電池１０１が消費した分だけの水素が水素タンクから供給されて補われる。

一方、カソード極への空気は、コンプレッサ１０２により圧縮されて加湿された後供給され、カソード極の空気圧はスロットル１０３の弁開度に基づいて制御される。カソード極の空気圧は、コントローラ１１２でスロットル１０３を駆動制御することによって制御される。

燃料電池１０１に供給される空気の空気圧、ならびに水素の水素圧は、発電効率や発電により生成される水分の収支を考慮して設定されるとともに、燃料電池１０１の電解質膜やセパレータに歪みを生じないように予め設定された所定の差圧となるように、コントローラ１１２の制御の下に管理される。

電流取り出し装置１１０は、燃料電池１０１の発電で得られた電流を燃料電池１０１から取り出し制御し、取り出した出力を外部負荷装置１１３となる例えば車両を駆動するモータに供給する。

図２は図１に示すコントローラ１１２の構成を示す図である。

図２において、コントローラ１１２は、燃料電池１０１に反応ガスを供給制御するガス供給制御手段２００を備えている。ガス供給制御手段２００は、燃料電池出力特性推定部２０１、起動時目標ガス圧力演算部２０５、起動時目標ガス圧力補正演算部２０６、通常時目標ガス圧力演算部２１０、学習時目標ガス圧力演算部２１１、状態判定部２１２、ガス供給手段２１３ならびに選択手段２１５を備えて構成されている。

燃料電池出力特性推定部２０１は、燃料電池入口水素圧力センサ１０５と燃料電池入口空気圧力センサ１０６と燃料電池電圧センサ１１１の出力に基づいて、燃料電池１０１に供給される反応ガスの圧力に対する燃料電池１０１の発電電圧の特性を推定する。

起動時目標ガス圧力演算部２０５は、燃料電池出力特性推定部２０１の出力に基づいて、燃料電池システムが許容する最大電圧となる起動時目標ガス圧力を演算する。

起動時目標ガス圧力補正演算部２０６は、燃料電池出口水素湿度センサ１０７、燃料電池出口水素濃度センサ１０８、燃料電池出口冷却水温度センサ１０９ならびに燃料電池電圧センサ１１１の各出力に基づいて、起動時目標ガス圧力演算部２０５で演算した起動時目標ガス圧力を補正する。

通常時目標ガス圧力演算部２１０は、目標発電電流に基づいて、通常（運転）時用の目標ガス圧力を演算する。学習時目標ガス圧力演算部２１１は、燃料電池出力特性推定部２０１で学習を行うための停止時用の目標ガス圧力を演算する。状態判定部２１２は、イグニッションスイッチのオン／オフと目標発電電流に基づいて、燃料電池システムの起動時、通常運転時、停止時のいずれの状態であるかを判定し、判定結果を学習時目標ガス圧力演算部２１１ならびにガス供給手段２１３に出力する。

ガス供給手段２１３は、入力された目標ガス圧力を実現するための調圧制御を行いながら、水素と空気を燃料電池１０１に供給する。選択手段２１５は、状態判定部２１２で得られた判定結果に基づいて、通常時目標ガス圧力演算部２１０で演算された目標ガス圧力、起動時目標ガス圧力補正演算部２０６で補正された起動時目標ガス圧力、または学習時目標ガス圧力演算部２１１で演算された目標ガス圧力を選択し、選択した目標ガス圧力をガス供給手段２１３に与える。

なお、本実施例１では簡易のため、水素と空気の目標ガス圧力を同一のものとして説明する。

図３はコントローラ１１２で行われるシステム起動時目標ガス圧力を演算する処理手順を示すフローチャートである。この処理は反応ガスを供給する前に一度だけ実施する。

図３において、先ずガス圧力と発電電圧との関係を学習した例えば図４に示すような学習結果に基づいて、ガス圧力に対する発電電圧の特性から燃料電池１０１が許容する予め設定された最大電圧Ｖｍａｘを用いて起動時目標ガス圧力Ｐｓを演算する（ステップＳ３０１）。なお、ガス圧力と発電電圧との関係の学習方法については後述する。

続いて、燃料電池出口冷却水温度センサ１０９の燃料電池温度Ｔ、燃料電池出口水素濃度センサ１０８のアノード極水素濃度Ｃ、燃料電池出口水素湿度センサ１０７のアノード極湿度Ｈを読み込む（ステップＳ３０２）。その後、図５に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定した燃料電池温度に対する起動時目標ガス圧力補正係数ｋｔの特性に基づいて、検出された燃料電池温度Ｔを用いて燃料電池温度による起動時目標ガス圧力補正係数ｋｔを求める（ステップＳ３０３）。

なお、図５に示す特性はある一定のガス圧力Ｐを燃料電池１０１に供給している際に燃料電池１０１の冷却水温度を変化させて得られる発電電圧の関係から求める。また、補正係数ｋｔは、先の学習時の冷却水温度と条件を合わせるために、冷却水温度が学習時に設定する目標冷却水温度Ｔｌと一致しているときの補正係数が１となるようにする。

次に、図６に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定した起動時燃料電池アノード極湿度に対する起動時目標ガス圧力補正係数ｋｈの特性に基づいて、検出されたアノード極湿度Ｈを用いてアノード極湿度による燃料電池起動時目標ガス圧力補正係数ｋｈを求める（ステップＳ３０４）。

なお、図６に示す特性は一定のガス圧力Ｐを起動時目標ガス圧力として供給したときに、アノード極湿度の違いによって得られる発電電圧の関係から求める。このとき、温度変化と起動時のアノード極水素濃度による影響を受けないように燃料電池１０１の温度と起動時アノード極水素濃度は一定になるようにして行う。また、条件を合わせるために学習時に設定するアノード極水素湿度Ｈｌと一致しているときの補正係数が１となるようにする。

次に、図７に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定した起動時燃料電池アノード極水素濃度に対する起動時目標ガス圧力補正係数ｋｃの特性に基づいて、検出されたアノード極水素濃度Ｃを用いてアノード極水素濃度による燃料電池起動時目標ガス圧力補正係数ｋｃを求める（ステップＳ３０５）。

なお、図７に示す特性は一定のガス圧力Ｐを起動時目標ガス圧力として供給したときに、アノード極水素濃度の違いによって得られる発電電圧の関係から求める。このとき、温度変化と起動時のアノード極湿度による影響を受けないように燃料電池１０１の温度と起動時アノード極湿度は一定になるようにして行う。また、条件を合わせるために学習時に設定するアノード水素濃度Ｃｌと一致しているときの補正係数が１となるようにする。

最後に、起動時目標ガス圧Ｐｓに燃料電池温度による起動時目標ガス圧力補正係数ｋｔと、燃料電池アノード極湿度による起動時目標ガス圧力補正係数ｋｈと、燃料電池アノード極水素濃度による起動時目標ガス圧力補正係数ｋｃをかけあわせて、起動時目標ガス補正圧力Ｐｋを演算する（ステップＳ３０６）。

図８はコントローラ１１２で行われるシステム起動時の処理手順を示すフローチャートである。この処理は例えば１０ｍｓ毎に繰り返し行われる。

図８において、先ず、起動時目標ガス補正圧力Ｐｋを達成する水素と空気をガス供給手段２１３によって実現する（ステップＳ８０１）。続いて、燃料電池１０１に反応ガスの供給を開始してからの経過時間をコントローラ１１２で計測し、経過時間が予め設定された所定時間ｔｖに達しているか否かを判別し（ステップＳ８０２）、達していない場合には処理を終了する一方、達している場合には、燃料電池電圧センサ１１１から燃料電池１０１の発電電圧Ｖを読み込む（ステップＳ８０３）。

その後、図９に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定したガス供給から所定時間経過後の発電電圧に対する起動時目標ガス圧力補正係数の特性に基づいて、検出された発電電圧Ｖを用いて発電電圧による燃料電池起動時目標ガス圧力補正係数ｋｖを求め、この燃料電池起動時目標ガス圧力補正係数ｋｖと先の起動時目標ガス補正圧力Ｐｋとを掛け合わせて起動時目標ガス補正圧力Ｐｋを補正する（ステップＳ８０４）。

なお、図９に示す特性は一定のガス圧力Ｐを起動時目標ガス圧力として供給したときに、ガス供給から所定時間ｔｖが経過したときの発電電圧の違いによって例えば図１０に示すような最終的に到達する発電電圧定常値の関係をあらかじめ実験や机上検討から求める。このとき、温度変化と起動時のアノード極湿度と起動時のアノード極水素濃度による影響を受けないように燃料電池１０１の温度と起動時アノード極湿度と起動時アノード極水素濃度は一定になるようにして行う。また、所定時間ｔｖは最終的に到達する発電電圧の定常値の違いが判別できる、できるだけ短い時間を設定する。

この起動時の処理は、燃料電池１０１の電圧が安定するに足る所定時間ｔｓだけ継続させ、所定時間ｔｓが経過すると、目標ガス圧力として通常時目標ガス圧力演算部２１０の演算で得られた通常時目標ガス圧力を選択手段２１５で選択してガス供給手段２１３に与える。また、選択手段２１５による目標ガス圧力の切り替えと同時に、電力取り出し装置１１０による燃料電池１０１からの電力取り出しを開始する。

次に、本実施例１の効果ならびに学習方法について説明する。

図１１は燃料電池１０１に供給する反応ガスのガス圧力と燃料電池１０１の発電電圧との関係を示す図である。図１１において、燃料電池１０１における出力特性の低下を抑制することを考慮すると、発電電圧は燃料電池システムが許容できる最大電圧以内であって、なるべく高い圧力の反応ガスを起動時に供給することが望ましい。つまり、図１１（ｂ）に示すように燃料電池システムの許容する最大電圧をＶ１ｍａｘとするならば、同図（ａ）に示すようにそのＶ１ｍａｘを実現するガス圧力Ｐ１ｍａｘを与えることが最善ということとなる。

しかしながら、燃料電池１０１は使いつづけていくうちに徐々に出力が低下し、同じガス圧力Ｐ１ｍａｘを与えても、Ｖ１ｍａｘを実現することはできず、Ｖ２ｍａｘ（＜Ｖ１ｍａｘ）のように発電電圧が低下してしまうことになる。このため、Ｖ１ｍａｘを達成するためには、Ｐ１ｍａｘよりも高いＰ２ｍａｘにガス圧力をさらに上げて起動することで、出力低下の抑止効果をさらに高めることができる。

本実施例１では、燃料電池システムの前回の運転を行った停止時に燃料電池１０１のガス圧力と発電電圧との関係を学習し、その学習結果を次回の起動時の目標ガス圧力の演算に用いることで、常に発電電圧Ｖ１ｍａｘを達成する最大のガス圧力で反応ガスを供給することができる。

ガス圧力と発電電圧との関係の学習は、燃料電池車両のイグニッションスイッチが切られて燃料電池システムの運転停止が指示された後に、例えば図１２（ａ）に示すように目標ガス圧力を単調増加させ、そのときに得られる燃料電池入口水素圧力センサ１０５または燃料電池入口空気圧力センサ１０６の検出結果と、燃料電池電圧センサ１１１の検出結果を収集して学習し、学習結果を記憶する。ガス圧力の単調増加は、燃料電池発電電圧が最大電圧Ｖｍａｘになったところで終了する。

このように、燃料電池システムの停止時にガス圧力と発電電圧との関係を学習することは、燃料電池１０１は電流を取り出すことで発電電圧が低下する特性があるためであり、起動時と同じく電流を取り出さない停止時にはその影響を排除することができるので、停止時に行うのが好ましい。

本実施例１では、説明を理解しやすくするために水素の起動時目標ガス圧力と空気の起動時目標ガス圧力を同一のものとしたが、上記学習時に水素圧力と空気圧力のそれぞれに応じた発電電圧の特性を取得すれば、水素と空気とでそれぞれ別々の目標ガス圧力を与えることが可能となる。

本実施例１での上記学習は、燃料電池システムの停止時に行ったが、車両のアイドルストップ中などシステムの通常運転中において電流を取り出さないようなシーンがあれば、そのときに実施してもよい。

また、燃料電池１０１の出力特性の低下は急激には起こらないため、停止時の学習は毎回行わずに数回に一度の割合で実施してもよい。

本実施例１では、水素濃度を検出する手段として水素濃度センサを用いたが、あらかじめ実験や机上検討で燃料電池システムを停止していた時間に対する水素濃度の特性を取得し、この特性に基づいてシステムを停止していた時間に応じて演算して求めるようにしてもよい。同様に、可変バルブ１０４を駆動制御する際の消費電流に対する水素濃度の特性を予め実験や机上検討から求め、この特性に基づいて可変バルブ１０４の消費電流に応じて演算してもよい。

また、燃料電池システムの水素流通系に燃料電池１０１から排出された水素オフガスを燃料電池１０１に戻す水素循環手段を備えたシステムでは、水素循環手段の駆動トルクに対する水素濃度の特性を予め実験や机上検討から求め、この特性に基づいて水素循環手段の駆動トルクに応じて演算してもよい。

以上は、これ以後の実施例２、実施例３でも同様である。

本実施例１で示した上記学習は、図１２で示したように目標ガス圧力を単調増加させて、その時の発電電圧を学習させていたが、目標ガス圧力を離散的に何点か取得し、その間を補間、推定する手法を採用してもよい。あるいは、本実施例１で示すような厳密な学習を行わなくても、発電電圧が起動回数によってどの程度低下するのかをあらかじめ実験などで取得し、燃料電池システムの起動回数の計測と記憶を行う燃料電池システム起動回数計測手段を備え、この起動回数計測手段で計測された燃料電池システムの起動回数によって起動時目標ガス圧力を決定するようにしてもよい。

このように、実施例１においては、燃料電池システムの許容する最大電圧を実現する起動時目標ガス圧力を燃料電池１０１の出力特性に応じて最適に設定することができるので、燃料電池１０１の触媒が腐食することによる出力低下を抑止することができる。

事前に行った学習結果を起動時目標ガス圧力の演算に用いることで、反応ガスを燃料電池１０１に供給する前に起動時目標ガス圧力を決定することができる。

燃料電池１０１の発電電圧に大きく影響を及ぼすガス圧力と発電電圧との特性を学習することで、最大電圧を超えない起動時目標ガス圧力を高精度に決定することができる。

燃料電池システムの起動時と同じく電流を取り出さない場面で学習することで、電流を取り出してしまうことによる燃料電池１０１の発電電圧低下を考慮しなくてよい。

燃料電池１０１の出力特性低下はシステム停止中にアノード極に混入してくる空気（酸素）と、システムを起動したときに供給した水素が混在することで発生するので、システムの起動回数を計測することで簡単に燃料電池１０１の出力特性低下を推定することができる。

燃料電池１０１の発電電圧に影響を与える水素ガス濃度を起動時目標ガス圧力を補正する演算に用いることで、より正確な起動時目標ガス圧力を設定することができる。燃料電池１０１の発電電圧に影響を与える燃料電池１０１の温度を起動時目標ガス圧力を補正する演算に用いることで、より正確な起動時目標ガス圧力を設定することができる。燃料電池１０１の発電電圧に影響を与える燃料電池１０１の湿度を起動時目標ガス圧力を補正する演算に用いることで、より正確な起動時目標ガス圧力を設定することができる。

アノード極内の水素ガス濃度を、少なくとも燃料電池システムの停止していた時間、あるいは起動開始時の水素ガス系循環手段の駆動トルク、あるいは起動開始時の水素ガス供給手段としての可変バルブ１０４の消費電流に基づいて推定して求めることで、簡単な演算で精度良く水素ガス濃度を推定することが可能となる。

燃料電池１０１に反応ガスを供給してから予想よりも高い発電電圧の特性が得られる場合には、供給している反応ガスの圧力を補正することで、燃料電池１０１の許容する発電電圧を超えることが回避される。

燃料電池システムの起動開始トリガ信号を生成するイグニッションスイッチがオン（生成）されてから所定時間の経過後までを燃料電池システムの起動時として設定することで、アノード極の空気を水素で置換している間、通常運転時に比べて高い圧力となる起動時目標ガス圧力で反応ガスを供給して燃料電池１０１の出力特性低下を抑止することができる。

図１３は本発明の実施例２に係るガス供給制御手段１３０１の構成を示す図である。図１３に示すガス供給制御手段１３０１は、先の図２に示すガス供給制御手段２００に比べて、学習時目標ガス圧力演算部２１１が削除され、通常時目標ガス圧力演算部２１０で得られた目標ガス圧力、または起動時目標ガス圧力補正演算部２０６で得られた起動時目標ガス補正圧力を選択手段１３０２で選択する。

図１４は本実施例２における起動時目標ガス圧力を演算する処理手順を示すフローチャートである。図１４に示すフローチャートでは、図３に示すフローチャートに比べて起動時目標ガス圧力の演算方法が異なっているので、図３のステップＳ３０１がステップＳ１４０１に置き換わっている。

先ず、予め実験や机上検討から得られた図１５に示すような燃料電池１０１の出力低下率とガス圧力に対する発電電圧の特性に基づいて、後述する手法で行われた学習により得られた出力低下率Ｄと燃料電池１０１の許容する最大電圧Ｖｍａｘを用いて起動時目標ガス圧力Ｐｓを演算する（ステップＳ１４０１）。その後の起動時の制御は図３に示す先の実施例１と同様である。

図１６は本実施例２における学習演算の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システムが停止状態に移行し、燃料電池１０１から発電電流の取り出しがなくなってから一度だけ実施する。

図１６において、先ずガス圧力Ｐｅを燃料電池入口水素圧力センサ１０５から読み込み、そのときの燃料電池１０１の発電電圧Ｖｅを燃料電池電圧センサ１１１から読み込む（ステップＳ１６０１）。続いて、図１７に示すようなあらかじめ実験や机上検討によって得られた、出力特性の低下が生じていない燃料電池１０１のガス圧力に対する発電電圧の基準特性（圧力−電圧基準特性）に基づいて、検出されたガス圧力Ｐｅを用いて基準発電電圧Ｖｅｎを演算する（ステップＳ１６０２）。その後、以下の式を用いて出力低下率Ｄを求め、学習する（ステップＳ１６０３）。

（数１）
Ｄ＝Ｖｅ／Ｖｅｎ
なお、本実施例２では、出力低下率の学習はシステム停止時に一度だけ実施するようにしているが、起動時に学習を行って次回の起動時の目標ガス圧力を演算する方法や、アイドルストップ中など通常運転中において電流を取り出さないようなシーンなどで学習を行ってもよい。また、本実施例２では、出力低下率を検出された発電電圧と基準発電電圧との比によって求めたが、両者の差として求めるようにしてもよい。これは以降の実施例３においても同様である。

このように、上記実施例２においては、先の実施例１と同様な効果を得ることができることに加えて、出力特性の低下が生じていないガス圧力に対する発電電圧の基準特性（圧力−電圧基準特性）に基づいて、供給しているガスの圧力を用いて基準特性での発電電圧と実発電電圧とを比較することで、燃料電池１０１の出力低下率を把握することができる。この出力低下率を学習することで、起動時目標ガス圧力を決定することができる。これにより、学習を行いたい時に、わざわざガス圧力を操作しなくても、その時のガス圧力で燃料電池１０１の出力低下率を演算することができる。

図１８は本発明の実施例３に係るガス供給制御手段１８０１の構成を示す図である。図１８に示すガス供給制御手段１８０１は、先の図１３に示すガス供給制御手段１３０１に比べて、燃料電池入口水素圧力センサ１０５、燃料電池入口空気圧力センサ１０６、燃料電池電圧センサ１１１の各検出結果を入力とする燃料電池出力特性推定部２０１に代えて、目標発電電流と燃料電池電圧センサ１１１の検出結果を入力として出力特性を推定する燃料電池出力特性推定部１８０２を備えている。

図１９は本実施例３における起動時目標ガス圧力を演算する処理手順を示すフローチャートである。

図１９は本実施例３における起動時目標ガス圧力を演算する処理手順を示すフローチャートである。図１９に示すフローチャートでは、図３に示すフローチャートに比べて起動時の目標ガス圧力の演算方法が異なっているので、図３のステップＳ３０１がステップＳ１９０１に置き換わっている。

先ず、予め実験や机上検討から得られた図１５に示すような燃料電池１０１の出力低下率とガス圧力に対する発電電圧の特性に基づいて、後述する手法で行われた学習により得られた出力低下率Ｄと燃料電池１０１の許容する最大電圧Ｖｍａｘを用いて起動時目標ガス圧力Ｐｓを演算する（ステップＳ１９０１）。その後の起動時の制御は図３に示す先の実施例１と同様である。

図２０は本実施例３における学習演算の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システムが通常の運転状態に移行し、燃料電池１０１から目標発電電流の取り出しが行われた後一度だけ実施する。

図２０において、先ず目標発電電流Ｉｔにおける燃料電池１０１の発電電圧Ｖｔを燃料電池電圧センサ１１１から読み込む（ステップＳ２００１）。その後、先の図１７に示すようなあらかじめ実験や机上検討によって得られた、性能の劣化が生じていない燃料電池１０１の取り出し電流に対する発電電圧の特性（Ｉ−Ｖ特性）に基づいて、目標発電電流Ｉｔを用いて基準発電電圧Ｖｔｎを演算する（ステップＳ２００２）。続いて、以下の式を用いて出力低下率Ｄを求め、学習する（ステップＳ２００３）。

（数２）
Ｄ＝Ｖｔ／Ｖｔｎ
なお、本実施例３では目標発電電流を用いて燃料電池１０１の出力低下率Ｄを求めたが、燃料電池から取り出される電流を検出する手段を備え、その手段で検出された取り出し電流（出力電流）を用いるようにしてもよい。

このように、上記実施例３においては、先の実施例１と同様な効果を得ることができることに加えて、出力特性の低下が生じていない出力電流に対する発電電圧の基準特性（電流−電圧基準特性）に基づいて、取り出している電流を用いて基準特性での発電電圧と実発電電圧とを比較することで、燃料電池１０１の出力低下率を把握することができる。この出力低下率を学習することで、起動時目標ガス圧力を決定することができる。この学習は、電流を取り出しながら行うことができるので、燃料電池システムの運転中に行うことができ、学習する機会を増やすことができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。実施例１に係るガス供給制御手段の構成を示す図である。実施例１に係る起動時目標ガス圧力補正圧力の演算手順を示すフローチャートである。ガス圧力と発電電圧との関係を示す図である。燃料電池温度と目標ガス圧力補正係数との関係を示す図である。アノード極湿度と目標ガス圧力補正係数との関係を示す図である。アノード極水素濃度と目標ガス圧力補正係数との関係を示す図である。燃料電池システムの起動時の動作手順を示すフローチャートである。ガス供給後所定時間経過後の発電電圧と目標ガス圧力補正係数との関係を示す図である。発電電圧のガス供給後の時間変化を示す図である。燃料電池の経時変化におけるガス圧力と発電電圧との関係を示す図である。実施例１に係る学習時のガス圧力と発電電圧との関係を示す図である。実施例２に係るガス供給制御手段の構成を示す図である。実施例２に係る起動時目標ガス圧力補正圧力の演算手順を示すフローチャートである。ガス圧力と発電電圧と出力低下率との関係を示す図である。実施例２に係る燃料電池の出力低下率の演算手順を示すフローチャートである。出力低下が生じていない燃料電池におけるガス圧力と発電電圧との関係を示す図である。実施例３に係るガス供給制御手段の構成を示す図である。実施例３に係る起動時目標ガス圧力補正圧力の演算手順を示すフローチャートである。実施例３に係る燃料電池の出力低下率の演算手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１…燃料電池
１０１ａ…カソード極
１０１ｂ…アノード極
１０１ｃ…冷却水流路
１０２…コンプレッサ
１０３…スロットル
１０４…可変バルブ
１０５…燃料電池入口水素圧力センサ
１０６…燃料電池入口空気圧力センサ
１０７…燃料電池出口水素湿度センサ
１０８…燃料電池出口水素濃度センサ
１０９…燃料電池出口冷却水温度センサ
１１０…電流取り出し装置
１１１…燃料電池電圧センサ
１１２…コントローラ
１１３…外部負荷装置
２００，１３０１，１８０１…ガス供給制御手段
２０１，１８０２…燃料電池出力特性推定部
２０５…起動時目標ガス圧力演算部
２０６…起動時目標ガス圧力補正演算部
２１０…通常時目標ガス圧力演算部
２１１…学習時目標ガス圧力演算部
２１２…状態判定部
２１３…ガス供給手段
２１５，１３０２…選択手段

Claims

反応ガス供給制御手段により供給される反応ガスの燃料ガスと、前記反応ガス供給制御手段により供給される反応ガスの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
出力特性推定手段と、
前記燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、
前記酸化剤ガスの圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出手段と、
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段とを有し、
前記出力特性推定手段は、
燃料ガスならびに酸化剤ガスのガス圧力と出力特性が低下していない前記燃料電池の発電電圧との関係を表す基準特性（圧力−電圧基準特性）に基づいて、前記燃料ガス圧力検出手段ならびに前記酸化剤ガス圧力検出手段で検出されたガス圧力に対応した前記基準特性の発電電圧を算出し、算出した発電電圧と前記電圧検出手段で検出された発電電圧との比もしくは差として設定される出力低下率を学習する出力特性学習手段を備え、
前記反応ガス供給制御手段は、
前記出力特性学習手段で学習した出力低下率と前記燃料電池で許容される最大電圧とに基づいて、前記出力特性推定手段で推定された前記燃料電池の発電電圧が前記燃料電池で許容される最大電圧となる反応ガスの起動時目標ガス圧力を設定し、前記燃料電池システムの起動時に設定した起動時目標ガス圧力で前記燃料電池に反応ガスを供給制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記出力特性学習手段は、
前記燃料電池から電流を取り出していないときに学習を実施する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
反応ガス供給制御手段により供給される反応ガスの燃料ガスと、前記反応ガス供給制御手段により供給される反応ガスの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
出力特性推定手段と、
前記燃料電池から取り出される出力電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段とを有し、
前記出力特性推定手段は、
出力特性が低下していない前記燃料電池の出力電流と発電電圧との関係を表す基準特性（電流−電圧基準特性）に基づいて、前記電流検出手段で検出された出力電流に対応した前記基準特性の発電電圧を算出し、算出した発電電圧と前記電圧検出手段で検出された発電電圧との比もしくは差として設定される出力低下率を学習する出力特性学習手段を備え、
前記反応ガス供給制御手段は、
前記出力特性学習手段で学習した出力低下率と前記燃料電池で許容される最大電圧とに基づいて、前記出力特性推定手段で推定された前記燃料電池の発電電圧が前記燃料電池で許容される最大電圧となる反応ガスの起動時目標ガス圧力を設定し、前記燃料電池システムの起動時に設定した起動時目標ガス圧力で前記燃料電池に反応ガスを供給制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池システムの起動開始時における前記燃料電池のアノード極内の燃料ガス濃度を推定する燃料ガス濃度推定手段
を備え、
前記反応ガス供給制御手段は、
前記燃料ガス濃度推定手段で推定された燃料ガス濃度が高くなるほど前記起動時目標ガス圧力が小さくなるように補正する一方、推定された燃料ガス濃度が低くなるほど前記起動時目標ガス圧力が大きくなるように補正する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス濃度推定手段は、
前記燃料電池システムの運転が停止していた時間、前記燃料電池システムの起動開始時の燃料ガスを循環駆動させる駆動トルク、あるいは前記燃料電池システムの起動開始時の前記反応ガス供給手段の消費電流の少なくとも１つに基づいて推定する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段
を備え、
前記反応ガス供給制御手段は、
前記温度検出手段で検出された温度が高くなるほど前記起動時目標ガス圧力が小さくなるように補正する一方、検出された温度が低くなるほど前記起動時目標ガス圧力が大きくなるように補正する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の湿度を検出する湿度検出手段
を備え、
前記反応ガス供給制御手段は、
前記湿度検出手段で検出された湿度が高くなるほど前記起動時目標ガス圧力が小さくなるように補正する一方、検出された湿度が低くなるほど前記起動時目標ガス圧力が大きくなるように補正する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段
を備え、
前記反応ガス供給制御手段は、
前記燃料電池システムの起動時に反応ガスを供給してから所定時間後に前記電圧検出手段で検出された発電電圧が高いほど前記起動時目標圧力が小さくなるように補正する一方、発電電圧が低いほど前記起動時目標圧力が大きくなるように補正する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムの起動開始を指令する起動開始トリガ信号を生成する生成手段
を備え、
前記燃料電池システムの起動時とは、前記生成手段で起動開始トリガ信号が生成された後所定時間の経過を含む
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。