JP6137315B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
ＪＰ２０１２−００３９５７Ａには、従来の燃料電池システムとして、コンプレッサ及び調圧弁を制御して、カソードガスの流量及び圧力を目標値に制御するものが開示されている。
現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソードガスの流量及び圧力のそれぞれを、調圧弁を使用せずに目標値に制御することを検討している。具体的には、カソードガスの目標圧力に基づいてコンプレッサの供給流量を制御することで、圧力を目標圧力に制御する。そして、圧力を目標圧力に制御するためにコンプレッサが余分に供給した燃料電池にとって不要な流量分を、燃料電池のバイパス通路に流すようにすることを検討している。
また、このような燃料電池システムにおいて、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施することを検討している。脈動運転を実施する場合、燃料電池内のアノード電極側とカソード電極側との電解質膜間の差圧（以下「膜間差圧」という。）が、アノードガスの圧力が脈動することで変動する。この膜間差圧が過大になると、電解質膜に想定外の応力が加わり、燃料電池を劣化させる要因となる。
したがって、燃料電池の要求に応じて設定されたカソードガスの目標圧力が、アノードガスの圧力から許容膜間差圧を引いた膜保護のための下限圧力を下回る場合には、この膜保護のための下限圧力を目標圧力としてコンプレッサを制御することが望ましい。
しかしながら、この膜保護のための下限圧力は、アノードガスの圧力に基づき算出されるものなので、アノードガスの圧力脈動に連動して脈動（増減）する。
このように脈動する膜保護のための下限圧力をカソードガスの目標圧力としてコンプレッサを制御すると、目標圧力の脈動に伴ってコンプレッサの供給流量が周期的に増減してしまい、コンプレッサからうねり音等の異音が生じるおそれがある。
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、カソードガスの目標圧力に基づいてコンプレッサの供給流量を制御する燃料電池システムにおいて、コンプレッサから異音が発生するのを抑制することを目的とする。
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、燃料電池システムの運転状態に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部と、燃料電池の要求に基づいてカソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定部と、燃料電池内のアノードガスの圧力に応じて燃料電池内の差圧を許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定部と、第１目標圧力と第２目標圧力とに基づいてコンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、を備える。第２目標圧力設定部は、アノードガスの圧力を脈動させるときの脈動時上限目標圧力に基づいて第２目標圧力を設定する。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス供給制御について説明するフローチャートである。 図３は、目標出力電流に基づいて、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を算出するテーブルである。 図４は、本発明の第１実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。 図５は、本発明の第１実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。 図６は、本発明の第２実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。 図７は、本発明の第２実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。 図８は、本発明の他の実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（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）とによって挟み、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。
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の概略図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。
燃料電池スタック１は、数百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、車両の駆動に必要な電力を発電する。
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガス（空気）を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、カソードコンプレッサ２４と、インタークーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、オリフィス２７と、バイパス通路２８と、バイパス弁２９と、第１エアフローセンサ４１と、第２エアフローセンサ４２と、カソード圧力センサ４３と、温度センサ４４と、を備える。
カソードガス供給通路２１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る。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。
ＷＲＤ２６は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
オリフィス２７は、ＷＲＤ２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。オリフィス２７は、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガスの流量を制限する。
バイパス通路２８は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２２に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２８は、一端がカソードコンプレッサ２４とインタークーラ２５との間のカソードガス供給通路２１に接続され、他端がオリフィス２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。
バイパス弁２９は、バイパス通路２８に設けられる。バイパス弁２９は、コントローラ４によって開閉制御されて、バイパス通路２８を流れるカソードガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を調節する。
第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４に供給されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ供給流量」という。）を検出する。
第２エアフローセンサ４２は、バイパス通路２８との接続部より下流のカソードガス供給通路に設けられる。第２エアフローセンサ４２は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。スタック供給流量は、コンプレッサ供給流量からバイパス流量を引いた流量となる。
カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側近傍のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側近傍のカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。
温度センサ４４は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ４４は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、アノード圧力センサ４５と、を備える。
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガス（水素）を高圧状態に保って貯蔵する。
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
アノードガス排出通路３４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る。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスが含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ４によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を調節する。
アノード圧力センサ４５は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。
コントローラ４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４には、前述した第１エアフローセンサ４１等の他にも、燃料電池スタック１から取り出される電流（出力電流）を検出する電流センサ４６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４７、アクセルペダルの踏込み量（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４８、バッテリ充電量を検出するＳＯＣセンサ４９などの各種センサからの信号が入力される。コントローラ４は、これら各種センサからの信号に基づいて、燃料電池システム１００の運転状態を検出する。
そして、コントローラ４は、アノード圧力が脈動するように燃料電池スタック１に対するアノードガスの供給を制御すると共に、カソード圧力が目標に一致するようにカソードガスの供給を制御する。以下、コントローラ４によって実施されるこのアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御について説明する。
図２は、本実施形態によるアノードガス供給制御について説明するフローチャートである。
ステップＳ１において、コントローラ４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の目標出力電流を算出する。具体的には、車両の駆動力を発生する駆動モータ（図示せず）及びカソードコンプレッサ２４等の補機の要求電力やバッテリの充放電要求に基づいて燃料電池スタック１の目標出力電力を算出し、目標出力電力に基づいて、燃料電池スタック１のＩＶ特性から目標出力電流を算出する。
ステップＳ２において、コントローラ４は、図３のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を算出する。図３のテーブルに示すように、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力は、それぞれ目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。また、脈動幅も同様に、目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。
ステップＳ３において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも高いか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ４の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時上限目標圧力未満であれば、ステップＳ５の処理を行う。
ステップＳ４において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動時下限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時下限目標圧力となるように、アノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁３３の開度は全閉となり、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック１内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。
ステップＳ５において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下か否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ６の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時下限目標圧力よりも高ければ、ステップＳ７の処理を行う。
ステップＳ６において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動時上限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時上限目標圧力となるように、アノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力が上昇する。
ステップＳ７において、コントローラ４は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。
ここで、このような脈動運転を実施する場合、各燃料電池のアノード電極側とカソード電極側との電解質膜間の膜間差圧が、アノード圧力が脈動することで変動する。この膜間差圧が過大になると、電解質膜に想定外の応力が加わって電解質膜の機械的強度を低下させるおそれがあり、燃料電池を劣化させる要因となる。
このような燃料電池の劣化を抑制する方法として、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定された目標カソード圧力が、アノード圧力から所定の許容膜間差圧を引いた膜保護のための下限圧力を下回る場合には、この下限圧力を目標カソード圧力として設定することが考えられる。
しかしながら、この方法では、膜保護のための下限圧力が、脈動するアノード圧力に基づき算出されることになるので、下限圧力も脈動することになる。
そうすると、下限圧力が目標カソード圧力として設定されたときは、目標カソード圧力が脈動することになる。その結果、目標カソード圧力に応じて制御されるカソードコンプレッサ２４の回転速度が、目標カソード圧力の脈動に伴って周期的に増減してしまい、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するおそれがある。
そこで本実施形態では、このように目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動するときは、目標カソード圧力の脈動を制限した圧力を制限目標カソード圧力として設定し、この制限目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することとした。具体的には、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力を制限目標カソード圧力として設定することとした。
脈動時上限目標圧力は、目標出力電流の変動がなければ目標出力電流に応じた所定値に固定されるので、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力も、ある所定値に固定されることになる。そのため、目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動するときは、この所定値に保持された膜間差圧制限要求目標圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することで、カソードコンプレッサ２４の回転速度の脈動を抑制することができる。以下、この本実施形態によるカソードガス供給制御について説明する。
図４は、本実施形態によるカソードガスの供給制御について説明するブロック図である。
酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部１０１には、目標出力電流が入力される。酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部１０１は、目標出力電流に基づいて、酸素分圧確保要求スタック供給流量を算出する。この酸素分圧確保要求スタック供給流量は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量の目標値である。酸素分圧確保要求スタック供給流量は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが多くなる。
湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２には、例えば交流インピーダンス法によって算出された燃料電池スタック１のインピーダンスと、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて予め定められた目標インピーダンスと、が入力される。湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのスタック供給流量の目標値を、湿潤度制御要求スタック供給流量として算出する。この湿潤度制御要求スタック供給流量は、換言すれば、電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なスタック供給流量である。
目標スタック供給流量算出部１０３には、酸素分圧確保要求スタック供給流量と、湿潤度制御要求スタック供給流量と、が入力される。目標スタック供給流量算出部１０３は、これらの２つのうち、大きい方を目標スタック供給流量として算出する。
目標バイパス弁開度算出部１０４には、スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、が入力される。目標バイパス弁開度算出部１０４は、スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのバイパス弁２９の開度を、目標バイパス弁開度として算出する。
バイパス弁制御部１０５には、目標バイパス開度が入力される。バイパス弁制御部１０５は、バイパス弁２９の開度を目標バイパス弁開度に制御する。なお、バイパス弁制御部１０５にバイパス弁２９の実開度を入力し、その実開度と目標バイパス弁開度に基づいてバイパス弁２９の開度を制御するようにしても良い。
酸素分圧確保要求目標圧力算出部１０６には、目標出力電流が入力される。酸素分圧確保要求目標圧力算出部１０６は、目標出力電流に基づいて、酸素分圧確保要求目標圧力を算出する。この酸素分圧確保要求目標圧力は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なカソード圧力の目標値である。酸素分圧確保要求目標圧力は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが高くなる。
湿潤度制御要求目標圧力算出部１０７には、燃料電池スタック１のインピーダンスと、目標インピーダンスと、が入力される。湿潤度制御要求目標圧力算出部１０７は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのカソード圧力の目標値を、湿潤度制御要求目標圧力として算出する。この湿潤度制御要求目標圧力は、電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なカソード圧力である。
下限圧力算出部１０８には、アノード圧力と、許容膜間差圧と、が入力される。下限圧力算出部１０８は、アノード圧力から許容膜間差圧を引いた値を、カソードガスの下限圧力（膜保護要求目標圧力）として算出する。下限圧力は、電解質膜保護のために守るべき必要のあるカソード圧力の下限値であって、アノード圧力が脈動する場合には、アノード圧力の脈動に合わせて脈動する。なお、許容膜間差圧は、膜間差圧として許容できる最大値（以下「許容最大膜間差圧」という。）を上限として、適宜設定すれば良い所定値である。
膜間差圧制限要求目標圧力算出部１０９には、脈動時上限目標圧力と、許容膜間差圧と、が入力される。膜間差圧制限要求目標圧力算出部１０９は、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた値を、膜間差圧制限要求目標圧力として算出する。
目標カソード圧力算出部１１０には、酸素分圧確保要求目標圧力と、湿潤度制御要求目標圧力と、下限圧力（膜保護要求目標圧力）と、が入力される。目標カソード圧力算出部１１０は、これら３つの入力値のうち、最も大きいものを、目標カソード圧力として算出する。このように本実施形態による目標カソード圧力算出部１１０は、酸素分圧確保要求、湿潤度制御要求及び膜保護要求といった燃料電池スタック１の要求に基づいて最適なものが設定される。
制限目標カソード圧力算出部１１１には、目標カソード圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、が入力される。制限目標カソード圧力は、これら２つの入力値のうち、大きいほうを制限目標カソード圧力として算出する。
スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１１２には、カソード圧力及び制限目標カソード圧力が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１１２は、カソード圧力と制限目標カソード圧力との偏差に基づいて、カソード圧力を制限目標カソード圧力にするためのコンプレッサ供給流量の目標値を、スタック要求コンプレッサ供給流量として算出する。スタック要求コンプレッサ供給流量は、換言すれば、酸素分圧確保要求や湿潤度制御要求などの燃料電池スタック１の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量である。
目標コンプレッサ供給流量算出部１１３には、スタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて定められる希釈要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量は、これら２つの入力値のうち、大きい方を目標コンプレッサ供給流量として算出する。なお、希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、所定濃度以下にするために必要なコンプレッサ供給流量である。本実施形態では、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが希釈要求コンプレッサ供給流量を多くしているが、目標出力電流にかかわらず一定値としても構わない。
カソードコンプレッサ制御部１１４には、コンプレッサ供給流量と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部１１４は、コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量との偏差に基づいてカソードコンプレッサ２４に対するトルク指令値を算出し、このトルク指令値に応じてカソードコンプレッサ２４を制御する。
このように本実施形態では、制限目標カソード圧力に基づいて目標コンプレッサ供給流量（スタック要求コンプレッサ供給流量）を算出し、コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４を制御することで、カソード圧力を制限目標カソード圧力に制御する。すなわち本実施形態では、目標カソード圧力と膜間差圧制限要求目標圧力とに基づいて、カソードコンプレッサ２４を最終的に制御している。
そして、コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４を制御した結果、スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも多くなったときは、スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにバイパス弁２９を制御する。すなわち、カソードコンプレッサ２４が燃料電池スタック１に対して要求よりも多いカソードガスを供給しているときは、燃料電池スタック１にとって不要な流量分を、バイパス弁２９を開くことでバイパス通路２８に流すようにしている。
図５は、本実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。
まず、アノードガス供給制御の動作について説明する。
このタイムチャートでは、時刻ｔ１の時点で、目標出力電流に基づいて算出された脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間でアノード圧力を脈動させる脈動運転がすでに実施されている（図５（Ａ））。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの区間は、目標出力電流が一定なので（図５（Ｂ））、時刻ｔ１の時点における脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間でアノード圧を脈動させる脈動運転が継続して実施される（図５（Ａ））。
時刻ｔ５で、例えばアクセル操作量が減少したことによって目標出力電流が低下すると（図５（Ｂ））、目標出力電流の低下に応じて脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力もそれぞれ低下する（図５（Ａ））。
これにより、低下した脈動時下限目標圧力となるようにアノード圧力を制御すべく、アノード調圧弁３３の開度が全閉にされ、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電によって燃料電池スタック１内のアノードガスが徐々に消費されていき、アノード圧力が低下していく（図５（Ａ））。このように、目標出力電流が低下する下げ過渡時のアノード圧力の低下速度は、発電によるアノードガスの消費速度に依存するため、下げ過渡時は一時的に脈動上限目標圧力よりもアノード圧力のほうが高くなる場合がある（図５（Ａ））。
次に、カソードガス供給制御の動作について説明する。なお、このタイムチャートでは、湿潤度制御要求目標圧力が酸素分圧確保要求圧力よりも高く、また、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量より多い状態を想定している。
時刻ｔ１の時点では、湿潤度制御要求目標圧力が下限圧力よりも大きいので（図５（Ｃ））、湿潤度制御要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される（図５（Ｄ））。また、この目標カソード圧力としての湿潤度制御要求目標圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、を比較すると、湿潤度制御要求目標圧力の方が大きいので、湿潤度制御要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定される（図５（Ｅ））。
そして、この制限目標カソード圧力に応じてスタック要求コンプレッサ供給流量が算出される。このタイムチャートでは、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量よりも多い状態を想定している。したがって、この制限目標カソード圧に応じて算出されたスタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定され、この目標コンプレッサ供給流量に基づいてカソードコンプレッサ２４が制御される。
その結果、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、一定値に保持された湿潤度制御要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定されているので、カソードコンプレッサ２４の回転速度も一定となる（図５（Ｆ））。
時刻ｔ２で、例えば発電による生成水等の影響で電解質膜の湿潤度が変化し、湿潤度制御要求目標圧力が低下すると、（図５（Ｃ））これに合わせて目標カソード圧力及び制限目標カソード圧力も同様に低下する（図５（Ｄ）（Ｅ））。
時刻ｔ３で、目標カソード圧力（湿潤度制御要求目標圧力）が膜間差圧制限要求目標圧力よりも小さくなると（図５（Ｄ））、膜間差圧制限要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定される（図５（Ｅ））。
時刻ｔ４で、湿潤度制御要求目標圧力よりも下限圧力が大きくなると、下限圧力が目標カソード圧力として設定され、アノード圧力の脈動に伴って目標カソード圧力も脈動する状態となる（図５（Ｃ）（Ｄ））。このような脈動する目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御してしまうと、カソードコンプレッサ２４の回転速度が目標カソード圧力の脈動に伴って周期的に増減してしまい、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するおそれがある。
そこで本実施形態では、目標カソード圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、の大きい方を制限目標カソード圧力として設定し、この制限目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することとしている。
そのため、時刻ｔ３以降は、時刻ｔ４以降で目標カソード圧力が脈動する状態になっても、一定値に保持された制限目標カソード圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されることになる。したがって、時刻ｔ３以降も、カソードコンプレッサ２４の回転速度は一定に維持され、カソードコンプレッサ２４の回転速度が周期的に増減することがないので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図５（Ｆ））。
時刻ｔ５で、燃料電池スタック１の目標出力電流が低下したことによって、アノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも大きくなると（図５（Ａ））、膜間差圧制限要求目標圧力が、目標カソード圧力として設定されている下限圧力よりも小さくなる（図５（Ｃ）（Ｄ））。その結果、下限圧力が制限目標カソード圧力として設定される（図５（Ｅ））。
このように、目標出力電流が低下する下げ過渡時は、一時的にアノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも大きくなる場合があり、膜間差圧制限要求目標圧力が下限圧力を下回る場合がある。この場合、下限圧力よりも小さい膜間差圧制限要求目標圧力を制限目標カソード圧力としてカソードコンプレッサ２４を制御してしまうと、膜間差圧が許容膜間差圧を超えてしまうおそれがある。
そこで本実施形態では、下げ過渡時に膜間差圧制限要求目標圧力が下限圧力を下回る場合を考慮して、膜間差圧制限要求目標圧力と、目標カソード圧力と、の大きい方を制限目標カソード圧力として設定することとしている。
これにより、下限圧力が膜間差圧制限要求目標圧力よりも高くなったときは、下限圧力が制限目標カソード圧力として設定されるので、膜間差圧が許容膜間差圧を超えるのを抑制することができる。
時刻ｔ６で、アノード圧力が脈動時上限目標圧力まで低下すると（図５（Ａ））、再び膜間差圧制限要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定される。これにより、時刻ｔ６以降も、一定値に保持された制限目標カソード圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図５（Ｆ））。
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するためのカソードコンプレッサ２４と、脈動運転部、第１目標圧力設定部、第２目標圧力設定部及びコンプレッサ制御部としてのコントローラ４と、を備える。脈動運転部は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる。第１目標圧力設定部は、酸素分圧確保要求、湿潤度制御要求及び膜保護要求といった燃料電池スタック１の要求に基づいてカソードガスの第１目標圧力（目標カソード圧力）を設定する。第２目標圧力設定部は、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力に応じて燃料電池スタック１内の差圧を許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）を、アノードガスの圧力を脈動させるときの脈動時上限目標圧力に基づいて設定する。コンプレッサ制御部は、第１目標圧力と第２目標圧力とに基づいてカソードコンプレッサ２４を制御する。
脈動時上限目標圧力は、目標出力電流の変動がなければ目標出力電流に応じた所定値に固定されるので、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力も、ある所定値に固定されることになる。
したがって、目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動する状態になったとしても、膜間差圧制限要求目標圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することで、目標カソード圧力の脈動に伴ってカソードコンプレッサ２４の回転速度が周期的に増減してしまうのを抑制できる。よって、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる。
また、目標出力電流が低下する下げ過渡時以外は、アノード圧力は脈動時上限目標圧力以下に制御される。そのため、本実施形態のように脈動時上限目標圧力を基準にカソード圧力の下限を制限することで、脈動運転中に膜間差圧が許容膜間差圧よりも大きくなるのを抑制できる。よって、電解質膜の機械的強度の低下を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
また本実施形態によれば、下げ過渡時に一時的に下限圧力が膜間差圧制限要求目標圧力よりも高くなる場合を考慮して、目標カソード圧力（第１目標圧力）と、膜間差圧制限要求目標圧力（第２目標圧力）と、の大きい方を制限目標カソード圧力として設定してカソードコンプレッサ２４を制御するようにした。
これにより、下限圧力が目標カソード圧力として設定されている場合に目標出力電流が低下したときは、下限圧力が制限目標カソード圧力として設定されるので、膜間差圧が許容膜間差圧を超えるの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、カソードガス供給制御の内容が第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６は、本実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。
本実施形態は、脈動時上限目標圧力とアノード圧力との大きい方を選択する選択部１１７を設け、この選択部１１７から出力された圧力から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として目標カソード圧力算出部１１０に入力する点で、第１実施形態と相違する。
図７は、本実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。
上記のように制御ブロックを構成することで、本実施形態では、酸素分圧確保要求圧力、湿潤度制御要求目標圧力及び膜間差圧制限要求目標圧力のうち、最も大きいものが目標カソード圧力として算出され、その目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４が制御される。
したがって、図７に示す通り、時刻ｔ３から目標出力電流が低下する時刻ｔ５までは、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される（図７（Ｃ）（Ｄ））。そのため、一定値に保持された目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図７（Ｆ））。
そして、下げ過渡中の時刻ｔ５から時刻ｔ６までは、アノード圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される（図７（Ｃ）（Ｄ））。そのため、下げ過渡時に膜間差圧が許容膜間差圧を超えるのを抑制することができる。
また、時刻ｔ６以降は、再び脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される。そのため、再び一定値に保持された目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図７（Ｆ））。
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するためのカソードコンプレッサ２４と、脈動運転部、第１目標圧力設定部、第２目標圧力設定部及びコンプレッサ制御部としてのコントローラ４と、を備える。脈動運転部は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる。第１目標圧力設定部は、酸素分圧確保要求及び湿潤度制御要求といった燃料電池スタック１の要求に基づいてカソードガスの第１目標圧力（目標カソード圧力）を設定する。第２目標圧力設定部は、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力に応じて燃料電池スタック１内の差圧を許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）を、アノードガスの圧力を脈動させるときの脈動時上限目標圧力に基づいて設定する。コンプレッサ制御部は、第１目標圧力と第２目標圧力とに基づいてカソードコンプレッサ２４を制御する。
本実施形態による第２目標圧力設定部は、膜間差圧制限要求目標圧力がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動しないように、脈動時上限目標圧力とアノード圧力との大きい方から許容膜間差圧を引いた圧力を、膜間差圧制限要求目標圧力として設定する。
これにより、下げ過渡時以外は、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた圧力が膜間差圧制限要求目標圧力となるので、膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定されたときは、一定値に保持された目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することができる。よって、第１実施形態と同様の効果が得られ、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる。
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２実施形態では、脈動時上限目標圧力とアノード圧力との大きい方から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として目標カソード圧力算出部１１０に入力していた。これに対し、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を、目標出力電流に応じて変化させずに、予め定めた固定値としてアノード圧力を脈動させる場合は、図８に示すようにカソードガス供給制御の制御ブロックを構成しても良い。
すなわち、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を予め定めた固定値とする場合は、目標出力電流が低下しても、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力は変化しないので、脈動時上限目標圧力がアノード圧力よりも低くなることがない。そのため、図８に示すように、膜間差圧制限要求目標圧力算出部１０９において、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として算出し、目標カソード圧力算出部１１０に入力しても良い。
また、上記の各実施形態において、膜間差圧制限要求目標圧力の算出に使用する脈動時上限目標圧力は、脈動時上限目標圧力よりも少し小さい値も含まれ、そのような場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
さらに、上記の第１実施形態では、制限目標カソード圧力算出部１１１において、目標カソード圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、の大きいほうを制限目標カソード圧力として算出していたが、目標カソード圧力を膜間差圧制限要求目標圧力で補正するようにしても良い。同様に第２実施形態において、酸素分圧確保要求圧力及び湿潤度制御要求目標圧力を、膜間差圧制限要求目標圧力で補正するようにしても良い。すなわち、第１目標圧力を第２目標圧力で補正する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
本願は、２０１３年７月１１日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−１４５６７０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 (7)

  1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
    前記燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、
    前記燃料電池システムの運転状態に基づいて設定される脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間で、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部と、
    前記燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定部と、
    前記燃料電池内のアノードガスの圧力に応じて前記燃料電池内の差圧を許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定部と、
    第１目標圧力と第２目標圧力とに基づいてコンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、
    を備え、
    前記第２目標圧力設定部は、
    前記脈動時上限目標圧力から前記許容差圧を引いた圧力を、前記第２目標圧力として設定する、
    燃料電池システム。
  2. 前記コンプレッサ制御部は、
    前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の大きい方の圧力に基づいて前記コンプレッサを制御する、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第２目標圧力設定部は、
    前記脈動時上限目標圧力及びアノードガスの実圧力の大きい方の圧力から前記許容差圧を引いた圧力を、前記第２目標圧力として設定する、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第１目標圧力設定部は、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池内の酸素分圧を所定以上に保持するために必要な酸素分圧確保要求圧力を算出し、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の目標湿潤度を算出し、
    前記目標湿潤度に基づいて、前記電解質膜の湿潤度を前記目標湿潤度に制御するために必要な湿潤度制御要求圧力を算出し、
    前記燃料電池の負荷に基づいて制御されるアノードガスの実圧力から、前記許容差圧を引いた膜保護要求圧力を算出し、
    前記酸素分圧確保要求圧力、前記湿潤度制御要求圧力及び膜保護要求圧力に基づいて、前記第１目標圧力を設定する、
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１目標圧力設定部は、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池内の酸素分圧を所定以上に保持するために必要な酸素分圧確保要求圧力を算出し、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の目標湿潤度を算出し、
    前記目標湿潤度に基づいて、前記電解質膜の湿潤度を前記目標湿潤度に制御するために必要な湿潤度制御要求圧力を算出し、
    前記酸素分圧確保要求圧力と前記湿潤度制御要求圧力とに基づいて、前記第１目標圧力を設定する、
    請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記脈動運転部は、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、アノードガスの圧力を脈動させるときの前記脈動時上限目標圧力及び前記脈動時下限目標圧力を算出し、前記燃料電池の負荷が低いときに比して、高いときほど当該脈動時上限目標圧力及び当該脈動時下限目標圧力を高くする、
    請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  7. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムの運転状態に基づいて設定される脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間で、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転工程と、
    前記燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定工程と、
    前記燃料電池内のアノードガスの圧力に応じて前記燃料電池内の差圧を許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定工程と、
    第１目標圧力と第２目標圧力とに基づいて、前記燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサを制御するコンプレッサ制御工程と、
    を備え、
    前記第２目標圧力設定工程は、
    前記脈動時上限目標圧力から前記許容差圧を引いた圧力を、前記第２目標圧力として設定する、
    燃料電池システムの制御方法。
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