JP5522309B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

ＪＰ２００２−３５２８２７Ａに記載の従来の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転状態に応じて電解質膜の湿潤状態を制御することを開示している。

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、電解質膜の湿潤状態を制御するときに、電解質膜の湿潤状態の過渡特性を考慮していなかった。そのため、燃料電池システムの運転状態が変化する過渡運転時に、目標とする電解質膜の湿潤状態との差が大きくなって、過渡的に反応ガスの流量などが大きく変化し、燃費及び音振性能が悪化するという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、過渡運転時における燃費又は音振性能の悪化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のある態様によれば、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、燃料電池システムの運転状態に基づいて、その燃料電池システムの定常運転時における電解質膜の目標湿潤状態を、定常時目標湿潤状態として設定する定常時目標湿潤状態設定手段と、燃料電池システムの運転状態が変化する過渡運転時には、電解質膜の湿潤状態が、過渡運転に入る前に検出された湿潤状態から定常時目標湿潤状態へと徐々に変化するように過渡時目標湿潤状態を設定する過渡時目標湿潤状態設定手段と、を備える燃料電池システムが提供される。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、電解質膜の湿潤状態と燃料電池スタックの内部抵抗との関係を示した図である。 図３は、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を、燃料電池スタックの出力に応じて示した図である。 図４は、第１実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。 図５は、図２と同様に、電解質膜の湿潤状態と、燃料電池スタックの内部抵抗と、の関係を示した図である。 図６は、遅れ処理の前に変換処理を行った場合と、遅れ処理の後に変換処理を行った場合と、の違いを示した図である。 図７は、本実施形態による電解質膜の湿潤状態制御の効果について説明する図である。 図８は、第２実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。 図９は、第３実施形態による目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を、燃料電池スタックの出力に応じて示した図である。 図１０は、第３実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。 図１１Ａは、第３実施形態による過渡目標内部抵抗設定部において使用される電解質膜の湿潤状態に基づいて燃料電池スタックの内部抵抗を算出するテーブルである。 図１１Ｂは、第３実施形態による過渡目標内部抵抗設定部において使用される電解質膜の湿潤状態に基づいて燃料電池スタックの内部抵抗を算出するテーブルである。 図１２は、第４実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。 図１３は、燃料電池スタックの出力に基づいて、空気過剰率の上限及び下限を設定する場合の設定例の一例を示した図である。 図１４は、第４実施形態による電解質膜の湿潤状態制御の効果について説明する図である。 図１５は、燃料電池スタックの出力に基づいて、カソードガス圧力の上限及び下限を設定する場合の設定例の一例を示した図である。 図１６は、燃料電池システムの過渡運転時に発生する問題点について説明する図である。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

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１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、冷却装置４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５と、バッテリ６と、電気負荷７と、コントローラ８と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力を発電する。

アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２４と、循環ポンプ２５と、アノードガス排出通路２６と、アノードガス還流通路２７と、パージ弁２８と、を備える。

高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路であり、一端が高圧タンク２１に接続され、他端が燃料電池スタック１に接続される。

減圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。減圧弁２３は、コントローラ８によって開度が制御されて、高圧タンク２１からアノードガス供給通路２２に流れ出したアノードガスの圧力を所定の圧力まで減圧する。

エゼクタ２４は、減圧弁２３よりも下流のアノードガス供給通路２２に設けられる。エゼクタ２４には、アノードガス排出通路２６に排出された未反応の水素を含むアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻すためのアノードガス還流通路２７が接続される。エゼクタ２４は、高圧タンク２１から供給されたアノードガスと、アノードガス還流通路２７を流れて戻ってきたアノードオフガスと、を混合させて、燃料電池スタック１に供給する。

循環ポンプ２５は、エゼクタ２４よりも下流のアノードガス供給通路２２に設けられる。循環ポンプ２５は、アノードガス排出通路２６に排出されたアノードオフガスが、アノードガス還流通路２７を流れてアノードガス供給通路２２に戻ってくるように、コントローラ８によって回転速度が制御される。

アノードガス排出通路２６は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路であり、一端が燃料電池スタック１に接続される。

アノードガス還流通路２７は、一端がアノードガス排出通路２６に接続され、他端がアノードガス供給通路２２に設けられたエゼクタ２４に接続される。

パージ弁２８は、アノードガス排出通路２６とアノードガス還流通路２７との接続部よりも下流のアノードガス排出通路２６に設けられる。パージ弁２８は、コントローラ８によって必要に応じて開閉され、アノードオフガスを外気へ排出する。

カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、コンプレッサ３２と、流量センサ３３と、圧力センサ３４と、カソードガス排出通路３５と、調圧弁３６と、を備える。

カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路であり、一端が燃料電池スタック１に接続される。

コンプレッサ３２は、カソードガス供給通路３１に設けられ、吸い込んだ空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。

流量センサ３３は、コンプレッサ３２のよりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。流量センサ３３は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量を検出する。

圧力センサ３４は、コンプレッサ３２のよりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３４は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの圧力を検出する。

カソードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスが流れる通路であり、一端が燃料電池スタック１に接続される。

調圧弁３６は、カソードガス排出通路３５に設けられる。調圧弁３６は、コントローラ８によって開度が制御され、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力を調節する。

冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、バイパス通路４４と、三方弁４５と、温度センサ４６と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が流れる通路である。

冷却水循環ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ラジエータ４３は、冷却水循環通路４１に設けられて、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４５に接続される。

三方弁４５は、冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁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、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４３を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４３を介さずにバイパス通路４４を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

温度センサ４６は、冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水循環通路４１を流れる冷却水の温度を検出する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、燃料電池スタック１に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、燃料電池スタック１の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに、入力電圧を任意の出力電圧に変換する。

バッテリ６は、例えばリチウムイオン二次電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び電気負荷７と電気的に接続される。

電気負荷７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５及びバッテリ６と電気的に接続され、電力を消費する。電気負荷７としては、例えば車両を駆動するためのモータなどがある。

コントローラ８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ８には、前述した流量センサ３３、圧力センサ３４及び温度センサ４６の他にも、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ８１や燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ８２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ８３、バッテリ６の充電量を検出するＳＯＣセンサ８４などの、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号が入力される。コントローラ８は、これらの入力信号に基づいて燃料電池スタック１の目標出力を算出し、燃料電池スタック１に供給するアノードガス及びカソードガスの流量を制御する。

また、コントローラ８は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池の電解質膜の膜中の水分量を調節し、電解質膜の湿潤状態が燃料電池スタック１の出力に応じた最適な状態となるように燃料電池システム１００を制御する。

図２は、電解質膜の湿潤状態と、燃料電池スタック１の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）（以下「内部抵抗」という。）と、の関係を示した図である。本実施形態では、電解質膜の湿潤状態を電解質膜の濡れ具合によって０から１の範囲で数値化して表しており、電解質膜が完全に乾燥した状態のときを１としている。

図２に示すように、電解質膜の湿潤状態は、燃料電池スタック１の内部抵抗と相関関係にあることが知られており、電解質膜の膜中の水分量が少なく、電解質膜が乾いた状態のときほど燃料電池スタック１の内部抵抗が高くなる。したがって、燃料電池スタック１の内部抵抗を検出することで、間接的に燃料電池の電解質膜の湿潤状態を把握することができる。

そこで本実施形態では、交流インピーダンス法によって燃料電池スタック１の内部抵抗を演算により検出する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５８を制御して燃料電池スタック１の出力電流に交流電流を重畳し、そのときの燃料電池スタック１の電圧値を電圧センサ８２によって検出する。そして、その電圧値に基づいて重畳した交流電流の電圧振幅を演算し、その電圧振幅を重畳した交流電流の電流振幅で割ることで燃料電池の内部抵抗を演算する。

そして、内部抵抗が、目標出力で燃料電池システム１００を定常運転する場合に要求される内部抵抗（以下「目標とする内部抵抗」という。）の範囲内に収まるように、電解質膜の膜中の水分量を調節する。

目標とする内部抵抗の範囲は、換言すれば、目標出力で燃料電池システム１００を定常運転する場合に要求される電解質膜の湿潤状態（以下「目標とする電解質膜の湿潤状態」という。）の範囲である。したがって、燃料電池スタック１の目標出力に基づいて目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を設定すれば、湿潤状態と内部抵抗の相関関係から、その目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲に基づいて、目標とする内部抵抗の範囲を設定することができる。

図３は、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を、燃料電池スタック１の出力に応じて示した図である。以下では、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲の上限を「目標上限湿潤状態」といい、下限を「目標下限湿潤状態」という。

図３に示すように、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲は、燃料電池スタック１の出力に応じて変化し、燃料電池スタック１の出力が増大するほど目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態が低下する。したがって、燃料電池スタック１の出力が増大するほど、電解質膜の膜中の水分量が増加するように燃料電池システム１００を制御する必要がある。

電解質膜の膜中の水分量を調節する方法としては、カソードガスの流量や圧力、冷却水の温度などを制御する方法がある。本実施形態ではカソードガスの流量を制御することで、電解質膜の膜中の水分量を調節する。カソードガスの流量を増やすほど、電解質膜の膜中の水分量は減少し、電解質膜が乾いた状態となる。

したがって、燃料電池システム１００の過渡運転時、すなわちアクセル操作量などが変化して目標出力が変化したときは、燃料電池スタック１の出力が目標出力となるように、また、電解質膜の湿潤状態が目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲内に収まるように、カソードガスの流量を制御する必要がある。

しかしながら、電解質膜の湿潤状態の過渡特性と、燃料電池スタック１の出力の過渡特性と、には相違があり、電解質膜の湿潤状態は、スタック出力よりも遅れて緩やかに変化する。そのため、単純に燃料電池スタック１の目標出力に基づいて目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を設定し、その目標とする電解質膜の湿潤状態に基づいて目標とする内部抵抗の範囲を設定してしまうと、燃料電池システム１００の過渡運転時に過剰なカソードガスが供給され、燃費及び音振性能の一方又は双方が悪化することがわかった。以下、この燃料電池システム１００の過渡運転時に発生する問題点について図１６を参照する。

図１６は、燃料電池システム１００の過渡運転時に発生する問題点について説明する図である。図１６（Ａ）は空気過剰率（＝供給酸素量／消費酸素量）を示し、図１６（Ｂ）は燃料電池スタック１の内部抵抗を示す。

時刻ｔ１で、燃料電池システム１００の運転状態が変化し、燃料電池スタック１の目標出力が低下したとする。

図１６（Ａ）に示すように、時刻ｔ１で低下した目標出力を出力することができ、かつ、内部抵抗を、その目標出力で燃料電池システム１００を定常運転する場合に要求される内部抵抗の範囲（目標とする内部抵抗の範囲）に収めることのできる空気過剰率は、時刻ｔ２以降に示す第１空気過剰率である。

ここで、燃料電池スタック１の目標出力がステップ的に変化する場合を考える。この場合、時刻ｔ１でステップ的に変化した燃料電池スタックの目標出力に基づいて最終的に目標とする内部抵抗の範囲を設定してしまうと、図１６（Ｂ）に示すように、目標とする内部抵抗の範囲もステップ的に変化することになる。

しかしながら、前述したように、電解質膜の湿潤状態の過渡特性と、燃料電池スタック１の出力の過渡特性と、には相違があり、電解質膜の湿潤状態は、スタック出力よりも遅れて緩やかに変化する。そのため、このように燃料電池スタック１の目標出力の変化にあわせて目標とする内部抵抗の範囲をステップ的に変化させてしまうと、図１６（Ｂ）に示すように、過渡的に内部抵抗と目標とする内部抵抗との差が大きくなってしまう。

そのため、内部抵抗と目標とする内部抵抗との差を小さくするようにフィードバック制御が働くので、過剰なカソードガスが供給されることになり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの区間で、空気過剰率が第１空気過剰率よりも大きくなってしまう。よって、燃費及び音振性能の一方又は双方が悪化するのである。

そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の過渡運転時には、電解質膜の湿潤状態の過渡特性に合致するようにカソードガスの流量を制御する。つまり、目標とする内部抵抗の範囲をステップ的に変化させずにその変化率を制限し、過渡運転時における実際の電解質膜の湿潤状態の変化に対応するように、目標とする内部抵抗の範囲を変化させる。これにより、目標出力で定常運転する場合に必要なカソードガス流量以上のカソードガスが供給されるのを抑制できるので、過渡運転時における燃費及び音振性能の一方又は双方の悪化を抑制できる。以下、この本実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明する。

図４は、本実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。

目標出力算出部１１０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力を算出する。基本的に、アクセル操作量が大きいときほど、燃料電池スタック１の目標出力は大きくなる。

定常目標湿潤状態設定部１２０は、目標出力に基づいて、その目標出力で燃料電池システム１００を定常運転する場合に要求される電解質膜の湿潤状態の範囲、すなわち目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を設定する。具体的には、目標出力に基づいて、図３を参照して目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態を算出し、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を設定する。

遅れ処理部１３０は、電解質膜の湿潤状態の変化を、電解質膜の湿潤状態の過渡特性に合致させるために、目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態に遅れ処理を施す。遅れ処理とは、入力に含まれる高い周波数成分を抑制することで単位時間当たりの変化率を制限して出力する処理であり、一次遅れ処理や二次遅れ処理などのことをいう。遅れ処理の内容は、電解質膜の湿潤状態の過渡特性に合致するものであれば、特に限られるものではない。以下では、この遅れ処理部１３０で遅れ処理を施した目標上限湿潤状態のことを「遅れ目標上限湿潤状態」といい、目標下限目標下限湿潤状態のことを「遅れ目標下限湿潤状態」という。

ここで、電解質膜の湿潤状態の過渡特性は、電解質膜を乾かせる方向に制御する場合と、湿らせる方向に制御する場合とで異なる。これは、電解質膜の膜中の水分量の変化速度が、水分量を増加させる場合（電解質膜を湿らせる場合）と、減少させる場合（電解質膜を乾かせる場合）と、で異なるためである。簡単に言えば、電解質膜を湿らせるよりも乾かせるほうが、時間がかかる。
また、内部抵抗のフィードバック制御によって、電解質膜の湿潤状態を相対的に乾燥側で制御しようとする場合には、電解質膜の膜中の水分量が減少する側に制御するときに制御がオーバーシュートして目標の湿潤状態よりも乾燥側（ドライ側）になると電解質膜の劣化につながる。これは、目標の湿潤状態よりも湿潤側（ウェット側）にオーバーシュートするよりも深刻である。

したがって、電解質膜の膜中の水分量を減少させるときのほうが、増加させるときよりも、電解質膜の湿潤状態を目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲内に収めるまでに時間がかかる。そして、オーバーシュートを考慮してより乾燥側への収束時間を遅くしたほうが良い。

そこで、遅れ処理部１３０では、このような電解質膜の湿潤状態の過渡特性にあわせて、電解質膜の膜中の水分量を減少させる場合の遅れ時間を、増加させる場合の遅れ時間よりも長くする。ここで、遅れ時間を長くするとは、遅れ処理として一次遅れ処理を行う場合には、一次遅れの時定数を大きくすることを意味し、単位時間当たりの変化率がより小さくなるように処理することを意味する。これにより、電解質膜の湿潤状態を、その過渡特性に合致するように精度良く変化させることができる。

過渡目標内部抵抗設定部１４０は、遅れ目標上限湿潤状態及び遅れ目標下限湿潤状態に基づいて、図２を参照して燃料電池システム１００の過渡運転時における内部抵抗の目標上限値（以下「過渡目標上限内部抵抗」という。）及び目標下限値（以下「過渡目標下限内部抵抗」という。）を算出する。つまり、過渡目標内部抵抗設定部１４０は、遅れ目標上限湿潤状態及び遅れ目標下限湿潤状態を、過渡目標上限内部抵抗及び過渡目標下限内部抵抗に変換する。

操作量制御部１５０は、内部抵抗が、過渡目標上限内部抵抗と過渡目標下限内部抵抗との間に収まるように、カソードガスの流量を制御する。

以下では、遅れ処理部１３０の後に過渡目標内部抵抗設定部１４０を設けた理由、つまり遅れ処理の後に変換処理を行う理由について、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、図２と同様に、電解質膜の湿潤状態と、燃料電池スタック１の内部抵抗と、の関係を示した図である。図６は、遅れ処理の前に変換処理を行った場合と、遅れ処理の後に変換処理を行った場合と、の違いを示した図である。

図５に示すように、電解質膜の膜中の水分量が少ないときと多いときとを比較すると、膜中の水分量が同じ量だけ増加しても、内部抵抗の変化量は異なってくる。具体的には、電解質膜の膜中の水分量が少ない状態（電解質膜が乾いた状態）から膜中の水分量を増やしたときのほうが、電解質膜の膜中の水分量が多い状態（電解質膜が湿った状態）から膜中の水分量を増やしたときよりも、内部抵抗の変化量が大きくなる。

このように、電解質膜の湿潤状態と内部抵抗との間には、電解質膜の湿潤状態の変化に対して、内部抵抗が非線形な特性で変化する関係が成り立つ。

そのため、図６に実線で示すように、遅れ処理の後に変換処理を行った場合は、時刻ｔ１で電解質膜の膜中の水分量が多い状態から膜中の水分量を減少させるときに、このような非線形の特性を再現できる。つまり、最初は内部抵抗の変化を小さくし、膜中の水分量の減少に伴って、徐々に内部抵抗の変化を大きくすることができる。

一方で、遅れ処理の前に変換処理を行った場合は、例えば遅れ処理の内容が一次遅れ処理であれば、図６に破線で示すように、単純な一次遅れ処理となって、このような非線形の特性を再現することができない。

時刻ｔ２で、電解質膜の膜中の水分量が少ない状態から膜中の水分量を増大させる場合も、遅れ処理の後に変換処理を行ったときは、最初は内部抵抗の変化を大きくし、膜中の水分量の増大に伴って、徐々に内部抵抗の変化を小さくすることができる。

これにより、電解質膜の湿潤状態の変化を、電解質膜の湿潤状態の過渡特性に精度良く合致させることができる。

図７は、本実施形態による電解質膜の湿潤状態制御の効果について説明する図である。図７（Ａ）は空気過剰率を示し、図７（Ｂ）は燃料電池スタック１の内部抵抗を示す。

時刻ｔ１で、アクセル操作量が減少し、燃料電池スタック１の目標出力が低下すると、目標出力の変化に応じて目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲が変化し、図７（Ｂ）に破線で示すように、目標とする内部抵抗の範囲が変化する。

このとき、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態が燃料電池スタック１の出力よりも遅れて変化することを考慮して、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲の上限及び下限である目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態に対して遅れ処理を施す。

そして、電解質膜の湿潤状態の変化に対して内部抵抗が非線形な特性で変化することを考慮して、遅れ目標上限湿潤状態及び遅れ目標下限湿潤状態に基づいて、図５（Ｂ）に実線で示すように過渡目標上限内部抵抗と過渡目標下限内部抵抗を算出する。

これにより、燃料電池システム１００の過渡運転時において、電解質膜の湿潤状態の過渡特性に合致した内部抵抗の目標範囲を設定することができる。

そのため、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの区間で、空気過剰率が過大に第１空気過剰率よりも大きくなるのを防止することができ、過剰にカソードガスを供給するのを防止することができる。よって、燃料電池システム１００の過渡運転時の燃費及び音振性能の一方又は双方を向上させることができる。

ここで、図７（Ｂ）において、破線で囲った部分については、内部抵抗が、目標とする内部抵抗の範囲内から外れているため問題になるとも考えられる。

しかしながら、目標出力が低下する場合、過渡的に燃料電池スタック１の温度が高い状態となっているため、電解質膜の膜中の水分量は、目標出力で燃料電池システム１００を定常運転する場合に要求される膜中の水分量に対してやや多い状態となっていることが好ましい。つまり、目標出力が低下する場合、過渡的には、目標出力で燃料電池システム１００を定常運転する場合に要求される内部抵抗よりも低い値となっているほうが好ましい。

したがって、本実施形態のように、内部抵抗が、目標とする内部抵抗の範囲内から外れていても問題とはならず、逆にその方が好ましい。

以上説明した本実施形態によれば、電解質膜の湿潤状態が燃料電池スタック１の出力よりも遅れて変化することを考慮して、電解質膜の湿潤状態の変化率を制限することとした。

具体的には、目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態に対して遅れ処理を施すこととした。そして、燃料電池スタック１の目標出力が、電解質を乾かせる方向に変化した場合の遅れ時間を、電解質膜を湿らせる方向に変化した場合の遅れ時間よりも長くすることした。

これにより、電解質膜の湿潤状態の過渡特性に合致するように、電解質膜の湿潤状態を調節することが可能な操作量（カソードガスの流量や圧力、冷却水温度）を制御することができる。そのため、燃料電池システム１００の過渡運転時に、過渡的にそれらの操作量が激しく変動するのを抑制できる。よって、過渡運転時における燃費及び音振性能の一方又は双方の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態の変化に対して内部抵抗が非線形な特性で変化することを考慮して、遅れ目標上限湿潤状態及び遅れ目標下限湿潤状態に基づいて、過渡目標上限内部抵抗及び過渡目標下限内部抵抗を算出することとした。

これにより、電解質膜の膜中の水分量が多い状態から膜中の水分量を減少させるときは、膜中の水分量の減少に伴って徐々に電解質膜の湿潤状態の変化が大きくなるように、電解質膜の湿潤状態を調節することが可能な操作量を制御することができる。

一方、電解質膜の膜中の水分量が少ない状態から膜中の水分量を増大させるときは、膜中の水分量の増大に伴って徐々に電解質膜の湿潤状態の変化が小さくなるように、電解質膜の湿潤状態を調節することが可能な操作量を制御することができる。

そのため、電解質膜の湿潤状態を、より精度良く電解質膜の湿潤状態の過渡特性に合致するように変化させることができる。そのため、燃料電池システム１００の過渡運転時に、過渡的にそれらの操作量が激しく変動するのを抑制できる。よって、過渡運転時における燃費及び音振性能の一方又は双方の悪化を抑制することができる。

（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、遅れ処理と変換処理を同時に行う点で第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。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図８は、本発明の第２実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。

湿潤状態判定部２６０は、検出した内部抵抗に基づいて、図２を参照して現在の電解質膜の湿潤状態を判定する。

操作量制御部２５０は、湿潤状態判定部２１０で判定した電解質膜の湿潤状態が、遅れ処理を施された目標上限湿潤状態と目標下限湿潤状態との間に収まるように、カソードガスの流量を制御する。

このように、第１実施形態では、電解質膜の湿潤状態を内部抵抗に変換していたが、それとは逆に内部抵抗を電解質膜の湿潤状態に変換しても良い。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるともに、遅れ処理と変換処理を同時に行うことができる。

（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、電解質膜の湿潤状態の制御の処理を簡略化した点で第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９は、本実施形態による目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲を、燃料電池スタック１の出力に応じて示した図である。

第１実施形態では、図３に示すように、目標とする電解質膜の湿潤状態が、燃料電池スタック１の出力に応じて非線形に変化することを前提としていた。しかしながら、図９に示すように、目標とする電解質膜の湿潤状態が、燃料電池スタック１の出力に応じて線形に変化する場合もある。

この場合は、第１実施形態の電解質膜の湿潤状態制御において、定常目標湿潤状態設定部１２０を省略することができる。以下、この点について説明する。

図１０は、本発明の第３実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。

目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲が、燃料電池スタック１の出力に応じて線形に変化する場合、図９を参照して目標出力に基づいて算出される目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態は、目標出力にそれぞれ所定の係数ｋ１、ｋ２を乗じたものに過ぎず、以下の式（３）及び式（４）が成り立つ。

目標上限湿潤状態＝ｋ１×目標出力 ・・・（３）
目標下限湿潤状態＝ｋ２×目標出力 ・・・（４）

したがって、遅れ処理部１３０に目標出力を直接入力した場合は、目標上限湿潤状態及び目標下限湿潤状態に、それぞれ１／ｋ１、１／ｋ２を乗じたものを入力したのと同じことになる。その結果、遅れ処理から出力されるのは、遅れ目標上限湿潤状態及び遅れ目標下限湿潤状態に、それぞれ１／ｋ１、１／ｋ２を乗じたものとなる。

そこで本実施形態では、過渡目標内部抵抗設定部３４０において、図１１Ａに示すように、横軸の湿潤状態に１／ｋ１に乗じたものに基づいて、遅れ目標上限湿潤状態を過渡目標上限内部抵抗に変換する。図１１Ａにおいては、電解質膜が完全に乾燥した状態のときが１／ｋ１となる。また、図１１Ｂに示すように、横軸の湿潤状態に１／ｋ２に乗じたものに基づいて、遅れ目標下限湿潤状態を過渡目標下限内部抵抗に変換する。図１１Ｂにおいては、電解質膜が完全に乾燥した状態のときが１／ｋ２となる。

これにより、遅れ処理部１３０に目標出力を直接入力した場合であっても、問題なく過渡目標上限内部抵抗及び過渡目標上限内部抵抗を算出することができる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、第１実施形態と比較して、処理内容を簡略化することができる。

（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、カソードガスの流量を直接制御する点で第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１２は、本発明の第４実施形態による電解質膜の湿潤状態制御について説明するブロック図である。

目標操作量算出部４７０は、電解質膜の湿潤状態を、目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲内に収めるために必要なカソードガス流量の目標値（以下「目標カソードガス流量」という。）を算出する。

遅れ処理部４３０は、目標カソードガス流量に対して遅れ処理を施して、遅れ目標カソードガス流量を算出する。

上下限値設定部４８０は、燃料電池スタック１の出力に基づいて、目標カソードガス流量の上限値及び下限値を設定する。具体的には、以下のようにして設定する。

図１３は、燃料電池スタック１の出力に基づいて、空気過剰率の上限及び下限を設定する場合の設定例の一例を示した図である。

上下限値設定部４８０では、図１３を参照して燃料電池スタック１の出力に基づき空気過剰率の上限及び下限を設定する。そして、設定した空気過剰率の上限及び下限に基づいて、目標カソードガス流量の上限値及び下限値を設定する。図１３において、空気過剰率の上限は、燃費や音振性能を考慮して設定される。空気過剰率の下限は、フラッディングの発生しないように設定される。

操作量制御部４５０では遅れ目標カソードガス操作量に基づいて、カソードガス流量を制御する。このとき、遅れ目標カソードガス流量が上限値を超えていれば、上限値を超えないようにカソードガス流量が制御される。一方、遅れ目標カソードガス流量が下限値を下回っていれば、下限値を下回らないようにカソードガス流量が制御される。

図１４は、本実施形態による電解質膜の湿潤状態の制御の効果について説明する図である。図１４（Ａ）は空気過剰率を示し、図１４（Ｂ）は燃料電池スタック１の内部抵抗を示す。

図１４（Ａ）に示すように、本実施形態では、電解質膜の過渡特性に合わせて直接的にカソードガスの流量が制御される。これにより、図１４（Ｂ）に示すように、燃料電池システム１００の過渡運転時において、内部抵抗と目標とする内部抵抗との差が大きくなっても、過剰にカソードガスが供給されることもなく、燃費及び音振性能の一方又は双方の悪化を抑制できる。

以上説明した本実施形態によれば、電解質膜の湿潤状態を目標とする電解質膜の湿潤状態の範囲内に向けて制御するときに、カソードガス流量の変化に直接制限を加えることができる。そのため、カソードガスの流量の過剰供給を確実に防ぐことができるので、燃費及び音振性能の一方又は双方の悪化を抑制できる。

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。

例えば、第４実施形態では、カソードガスの流量を直接制御したが、カソードガスの圧力又は冷却水の温度を制御するようにしても良い。

カソードガスの圧力を制御する場合は、図１５を参照してカソードガスの圧力の上限及び下限を設定することができる。図１５において、カソードガスの圧力の上限は、部品耐圧や燃費を考慮して設定される。カソードガスの圧力の下限は、圧力損失の過大とならないように、また、燃料電池スタック１の出力効率が低下しないように設定される。

冷却水の温度を制御する場合は、燃料電池システム１００の出力に応じて上限及び下限を変えることはしないが、上限については燃料電池の劣化（温度が高くなるほど触媒や電解質膜が劣化したすい）を考慮して設定される。下限については、燃料電池スタック１の出力（温度が下がると効率が低下する）を考慮して設定される。

本願は、２０１１年３月１日に日本国特許庁に出願された特願２０１１−０４３８６２号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (11)

1. 反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、
   燃料電池システムの運転状態に基づいて、その燃料電池システムの定常運転時における前記電解質膜の目標湿潤状態を、定常時目標湿潤状態として設定する定常時目標湿潤状態設定手段と、
   前記燃料電池システムの運転状態が変化する過渡運転時には、前記電解質膜の湿潤状態が、過渡運転に入る前に検出された湿潤状態から前記定常時目標湿潤状態へと徐々に変化するように過渡時目標湿潤状態を設定する過渡時目標湿潤状態設定手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記過渡時目標湿潤状態設定手段は、
   前記燃料電池システムの過渡運転時における燃費及び音振の一方又は双方を考慮して、前記過渡時目標湿潤状態を設定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記過渡時目標湿潤状態設定手段は、
   前記電解質膜の定常時目標湿潤状態に対してその変化率を制限する処理を施して前記過渡時目標湿潤状態を設定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記過渡時目標湿潤状態設定手段は、
   前記定常時目標湿潤状態に対して遅れ処理を施して、前記過渡時目標湿潤状態の変化率を制限する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記過渡時目標湿潤状態設定手段は、
   前記電解質膜を乾かせる方向に湿潤状態を制御するときの前記過渡時目標湿潤状態の変化率を、前記電解質膜を湿らせる方向に湿潤状態を制御するときよりも小さくする、
   請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムの定常運転時には前記定常時目標湿潤状態を目標湿潤状態として設定し、前記燃料電池システムの過渡運転時には前記過渡時目標湿潤状態を目標湿潤状態として設定し、その設定した目標湿潤状態と電解質膜の湿潤状態とに基づいて電解質膜の湿潤状態を制御する湿潤状態制御手段を備える、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記湿潤状態制御手段は、
   前記設定した目標湿潤状態に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を調節することが可能な操作量の目標値である目標操作量を算出する目標操作量算出手段と、
   燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記目標操作量の上限値及び下限値を設定する上下限値設定手段と、
   前記目標操作量の上限値及び下限値の範囲内に収まるように、前記操作量を制御する操作量制御手段と、
   を備える請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記湿潤状態検出手段は、
   前記燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段を備え、
   前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態と前記燃料電池の内部抵抗との相関関係から、前記内部抵抗検出手段によって検出した前記燃料電池の内部抵抗に基づいて前記電解質膜の湿潤状態を検出する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記湿潤状態検出手段は、前記電解質膜の湿潤状態として前記燃料電池の内部抵抗を検出し、
   前記過渡時目標湿潤状態設定手段は、前記電解質膜の定常時目標湿潤状態に対してその変化率を制限する処理を施して過渡時目標湿潤状態を設定し、
   前記電解質膜の湿潤状態と前記燃料電池の内部抵抗との相関関係から、前記過渡時目標湿潤状態に基づいて過渡時内部抵抗を設定する過渡時内部抵抗設定手段と、
   前記燃料電池の内部抵抗が前記過渡時内部抵抗となるように、前記電解質膜の湿潤状態を調節することが可能な操作量を制御する操作量制御手段と、
   をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記相関関係は、前記電解質膜の湿潤状態の変化に対して前記内部抵抗が非線形な特性で変化する関係である、
    請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池システム。
11. 反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、
    燃料電池システムの運転状態に基づいて、その燃料電池システムの定常運転時における前記電解質膜の目標湿潤状態を設定する目標湿潤状態設定手段と、
    前記電解質膜の目標湿潤状態に基づいて、前記電解質膜の湿潤状態を調節することが可能な操作量の目標値である目標操作量を算出する目標操作量算出手段と、
    前記燃料電池システムの運転状態が変化する過渡運転時には、前記目標操作量に対してその変化率を制限する処理を施して過渡時目標操作量を算出し、その過渡時目標操作量となるように、前記操作量を制御する操作量制御手段と、
    を備える燃料電池システム。

Images