JP6258379B2 - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関し、一層詳細には、電解質膜を適切な湿潤状態に保つための燃料電池システムの制御方法に関する。

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体がセパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成される。発電セルは、通常、所定の数で積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。

燃料電池は、アノード電極に供給された燃料ガス（例えば、水素ガス）と、カソード電極に供給された酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）とが電気化学反応を起こすことによって発電する。この際、アノード電極ではプロトンが生成し、該プロトンが電解質膜内を伝導してカソード電極に移動する。一方、カソード電極では、プロトン、電子、酸化剤ガス中の酸素によって水が生成する。

プロトン伝導を生じさせるには、電解質膜を湿潤状態とする必要がある。このため、例えば、特許文献１に記載されるように酸化剤ガス供給流路に加湿器が設けられる。この加湿器に通されて湿分が付与された酸化剤ガスと、前記生成水とで電解質膜が湿潤状態を維持するようにしている。なお、酸化剤ガス供給流路からは、加湿器を迂回するバイパス流路が分岐する。

しかしながら、例えば、燃料電池の出力電流が小さいときには上記の電気化学反応が促進されなくなるので、生成水の量が少なくなる。従って、電解質膜が乾燥する傾向となる。このような状態となると、燃料電池のインピーダンスが上昇する。逆に、電解質膜に十分な湿分が付与されるとインピーダンスが低下する。

そこで、燃料電池システムでは、インピーダンスの測定値から、電解質膜が乾燥傾向であるか湿潤傾向であるかを判断する構成が採用されている。例えば、特許文献２には、燃料電池のインピーダンスに基づいてカソード電極が濡れすぎているか否かを判断し、濡れすぎと判断したときには、前記バイパス流路を介して酸化剤ガスをカソード電極に供給することが提案されている。

特開２００５−１９０８４３号公報 特開平７−２３５３２４号公報

特許文献２には、上記のようにカソード電極が濡れすぎたときに如何なる制御を行うかについての記載はあるものの、電解質膜が過度に乾燥する傾向や濡れすぎとなる傾向にあるときに如何なる制御をすべきかについての提案は何らなされていない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、電解質膜が過度の乾燥状態又は湿潤状態となることを防止して適切な湿潤状態に維持することが可能な燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、燃料ガス供給流路を介して前記アノード電極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給流路を介して前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
回転駆動手段を含み、前記回転駆動手段が回転することに伴って前記酸化剤ガス供給流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、
前記酸化剤ガス供給機構から供給された前記酸化剤ガスに湿分を付与するための加湿器と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐して前記加湿器を迂回するバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられて該バイパス流路を閉塞又は開放するためのバイパス流路弁と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンス測定値を用いて前記バイパス流路弁に対するフィードバック制御を行うフィードバック制御手段と、
前記インピーダンス測定値を用いずに前記バイパス流路弁に対するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御手段と、
所定の条件が満たされたときにフィードバック制御とフィードフォワード制御とを切り替える切替手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め設定された上限値に到達しているときにはフィードフォワード制御によって前記バイパス流路弁を予め設定された所定の開度まで閉止する方向に動作させる一方、下限値に到達しているときにはフィードフォワード制御によって前記バイパス流路弁を予め設定された所定の開度まで開放する方向に動作させることで、インピーダンスを前記下限値から前記上限値の間とすることを特徴とする。

バイパス流路を流通する酸化剤ガスには湿分が付与されないため、カソード電極には、加湿器を通過して湿分が付与された湿潤酸化剤ガスと、バイパス流路を通過した乾燥酸化剤ガスとの混合ガスが供給される。従って、バイパス流路に設けられたバイパス流路弁の開度を、インピーダンスに応じてフィードバック制御にて調整することで、湿度が適切に調整された混合ガスを供給することが可能となっている。

本発明においては、インピーダンスが下限値又は上限値に到達している状況となったとき、このバイバス流路弁をフィードフォワード制御に切り換える。すなわち、固体高分子電解質膜が乾燥する（インピーダンスが上昇する）傾向にあるときにはバイバス流路弁を強制的に所定開度の閉状態として乾燥酸化剤ガスの供給量を低減する。これに対し、固体高分子電解質膜に過度の湿分が付与される（インピーダンスが低下する）傾向にあるときには、バイバス流路弁を強制的に所定開度の開状態として乾燥酸化剤ガスの供給量を増加する。

以上のようにバイパス流路弁の開度を調節することにより、インピーダンスが速やかに適切範囲に戻される。このため、固体高分子電解質膜が過度の乾燥状態又は湿潤状態となることが回避されるので、該固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態に維持することができる。フィードフォワード制御を受けたバイパス流路弁は、例えば、全閉又は全開にされる。

インピーダンスが大きくバイパス流路弁を閉止する方向に動作させるときには、同時に、酸化剤ガスの供給量を低減することが好ましい。一方、インピーダンスが小さくバイパス流路弁を開放する方向に動作させるときには、同時に、酸化剤ガスの供給量を増加することが好ましい。これにより、比較的短時間でインピーダンスを適切範囲に戻すことが可能となるからである。なお、酸化剤ガスの供給量の低減又は増加は、例えば、酸化剤ガス供給機構を構成する回転駆動手段の回転数を調節することで行うことができる。

この場合、回転駆動手段の回転数が大きい程バイパス流路弁の動作速度を小さくすることが好ましい。また、バイパス流路弁の動作開始前の開度が大きい程、該バイパス流路弁の動作速度を大きくすることが好ましい。さらに、燃料電池システムが車両に搭載される場合には、車両の速度が大きい程、バイパス流路弁の動作速度を大きくすることが好ましい。

いずれの場合においても、気流音を認め難くなる。換言すれば、気流音の影響を小さくすることができる。しかも、インピーダンスの応答速度も大きくなる。

フィードフォワード制御は、インピーダンスが大きい場合には下限値に到達したときに、小さい場合には上限値に到達したときに終了するようにしてもよいが、下限値から上限値の間で目標値を設定し、当該目標値に到達したときに終了するようにしてもよい。これにより、固体高分子電解質膜を適切な湿度に維持するためのフィードバック制御に比較的短時間で戻すことができる。

燃料電池がアイドル発電を維持した状態であるときに、燃料電池が所定の温度に到達し且つインピーダンスが上限値に到達した場合には、上記のバイパス流路弁に対するフィードフォワード制御を行うことが好ましい。これにより乾燥酸化剤ガスの供給量が調整されるので、固体高分子電解質膜が過度に乾燥することを確実に防止することができる。

本発明によれば、インピーダンスが下限値又は上限値に到達している状況となったとき、加湿器を迂回するバイバス流路に設けたバイパス流路弁をフィードフォワード制御に切り換えて開度調整するようにしている。すなわち、インピーダンスが上昇する（固体高分子電解質膜が乾燥する）傾向にあるときにはバイバス流路弁を所定開度の閉状態として乾燥酸化剤ガスの供給量を低減する。一方、インピーダンスが低下する（固体高分子電解質膜に過度の湿分が付与される）傾向にあるときには、バイバス流路弁を所定開度の開状態として乾燥酸化剤ガスの供給量を増加する。

以上により、インピーダンスが速やかに適切範囲に戻される。その結果、固体高分子電解質膜が過度の乾燥状態又は湿潤状態となることが回避され、該固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態に維持することができる。従って、プロトン伝導が維持されるので、燃料電池が良好な発電特性を示す。

本発明の実施の形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。 固体高分子電解質膜が乾燥する傾向にあるときの、ＢＰ開度調整弁（バイパス流路弁）の開度と圧縮空気の供給量を、インピーダンスの変化に応じて如何に変化させるかを示したタイムチャートである。 固体高分子電解質膜に過度に湿分が付与される傾向にあるときの、ＢＰ開度調整弁の開度と圧縮空気の供給量を、インピーダンスの変化に応じて如何に変化させるかを示したタイムチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システムの制御方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態では、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載されるものを例示する。

先ず、燃料電池システムにつき、その概略構成説明図である図１を参照して説明する。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。

燃料電池スタック１２は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とを備える。本実施の形態では、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして圧縮空気を用いる。燃料電池システム１０は、さらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０（蓄電池）と、システム制御装置である制御部２２と、インピーダンス測定部２３とを備える。

本実施の形態では、制御部２２に、インピーダンスに関する所定の下限値及び上限値を予め設定して記憶させている。制御部２２は、インピーダンス測定部２３から取得したインピーダンスが、下限値又は上限値のいずれに到達したか否かを判断する。なお、制御部２２には、後述するフィードフォワード制御を終了するときの閾値である下方目標値及び上方目標値も記憶されている。これら下方目標値及び上方目標値はいずれも、下限値と上限値の間の値である。

図１では、理解を容易にするべく制御部２２とインピーダンス測定部２３を個別に示しているが、実際には、インピーダンス測定部２３は制御部２２の一部を構成する。該インピーダンス測定部２３は、後述するように、燃料電池スタック１２（発電セル２４）のインピーダンス値に基づいて固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向であるか湿潤する傾向であるかを判断する。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が図１中の矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層されて構成される。ここで、発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持したものである。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属又はカーボンからなる。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２としては、上記のようなフッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を採用することもできる。

第１セパレータ２８には、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８が設けられる。一方、第２セパレータ３０には、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０が設けられる。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が形成される。

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。この中の水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。同様に、水素ガス出口４４ｂも各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

同様に、空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

さらに、冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素ガスを貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５１（燃料ガス供給流路）を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに接続される。水素ガス供給路５１は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。

水素ガス供給路５１には、インジェクタ５４とエゼクタ５６が直列に設けられる。エゼクタ５６内が負圧になることで、水素循環流路６６から水素ガスが吸引される。

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２（アノードオフガス配管）が接続される。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである排出水素ガス（アノードオフガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。

水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が設けられる。前記気液分離器６４の下流からは水素循環流路６６が分岐し、この水素循環流路６６の下流側が前記エゼクタ５６に接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスを、水素循環流路６６及びエゼクタ５６を介して水素ガス供給路５１に循環させる。

水素ガス排出路６２は、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給路７８（酸化剤ガス供給流路）に配設された、酸化剤ガス供給機構としてのエアポンプ８０を備える。このエアポンプ８０は、大気（空気）を圧縮して供給するべく、回転駆動手段であるモータを内蔵する圧縮機として構成される。すなわち、エアポンプ８０は、モータが回転することに伴って大気を圧縮し、これにより得た圧縮空気を空気供給路７８から燃料電池スタック１２に供給する。

なお、上記したような構成のエアポンプ８０は公知であるため、詳細な説明は省略する。

空気供給路７８は、エアポンプ８０の下流側で燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに接続され、その間に供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４が介装される。空気供給路７８からは、加湿器８４を迂回するバイパス供給路８６（バイパス流路）が分岐する。勿論、バイパス供給路８６は、加湿器８４の下流側で空気供給路７８に合流する。

バイパス供給路８６には、バイパス流路弁としてのＢＰ開度調整弁８８が設けられる。このＢＰ開度調整弁８８は、制御部２２に電気的に接続されている。すなわち、ＢＰ開度調整弁８８は、制御部２２の制御指令を受けて所定の開度となるまで動作する。結局、ＢＰ開度調整弁８８の開度は、制御部２２によって調節される。

燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路（カソードオフガス排出路）９０が接続される。空気排出路９０は、少なくとも一部がカソード電極３６で使用された圧縮空気である排出圧縮空気（カソードオフガス）を、燃料電池スタック１２から排出する。

空気排出路９０の下流には前記加湿器８４が配設されており、このため、加湿器８４は、エアポンプ８０から供給された圧縮空気とカソードオフガスとの間で水分及び熱を交換する。さらに、空気排出路９０において、加湿器８４の下流側には排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続されて合流しており、これにより希釈部を構成している。

背圧弁９２は、前記カソード流路に供給される圧縮空気の圧力を制御するために設けられる圧力調整弁である。すなわち、カソード電極３６の内圧は、背圧弁９２によって調節される。

空気供給路７８と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。

また、空気供給路７８と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路７８に循環させる。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。冷却媒体排出路１０８には、冷却媒体出口温度を検出するための温度センサ１１０が配設される。

次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の制御方法につき、該燃料電池システム１０の動作との関係で説明する。

燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両の運転が開始される際、イグニッションがＯＮとされることに伴って燃料電池スタック１２が起動される。このとき、制御部２２は、燃料ガス供給装置１４からアノード流路に水素ガスを供給するべく、インジェクタ５４を開放する指令信号を発する。これにより、水素タンク５０から水素ガス供給路５１に供給された所定量の水素ガスが、水素ガス供給路５１のインジェクタ５４及びエゼクタ５６を通過して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。

水素ガスは、さらに、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動する。これにより、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に水素ガスが供給される。

その一方で、制御部２２は、酸化剤ガス供給装置１６から圧縮空気を供給するべく、エアポンプ８０を付勢する指令信号を発する。これに伴い、エアポンプ８０の回転作用下に大気が圧縮され、空気供給路７８に圧縮空気として送気する。この圧縮空気は、加湿器８４を通過する際に加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。圧縮空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入された後、前記空気流路４０に沿って移動することによって電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される圧縮空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。加湿器８４にて圧縮空気に付与された湿分の一部は、カソード電極３６から固体高分子電解質膜３２に浸透し、アノード電極３４に到達する。

このとき、ＢＰ開度調整弁８８は必要に応じて開閉する。図２には、所定の開度で開いた場合を示している。この場合、エアポンプ８０から供給された圧縮空気の一部がバイパス供給路８６に分配される。バイパス供給路８６は加湿器８４を迂回しているので、バイパス供給路８６を通過する圧縮空気には湿分が付与されていない。すなわち、このとき、カソード電極３６には、湿分が付与された湿潤圧縮空気と、湿分が付与されていない乾燥圧縮空気との混合空気が供給される。

ＢＰ開度調整弁８８の開度を調整することで、乾燥圧縮空気の流量が調節される。これにより、混合空気の湿度が調整される。従って、カソード電極３６には、湿度が適切に調整された圧縮空気が供給される。

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。

アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、アノードオフガスとして水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。この際、アノードオフガスは、上記のようにしてアノード電極３４に到達した湿分（水分）を同伴する。すなわち、気液分離器６４に導入されるアノードオフガスは、水分を含んだ湿潤ガスである。

気液分離器６４において、アノードオフガス中の水分の大部分が分離される。液分（水）は、ドレイン弁７６が開放されることによって排水流路７４から排出される。一方、水分が分離されたアノードオフガスは、若干残留したミストを含んだ状態で、水素ポンプ６８の作用下に、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入される。アノードオフガスは、さらに、水素循環流路６６からエゼクタ５６に吸引され、インジェクタ５４を通過した新たな水素ガスに合流して水素ガス供給路５１からアノード流路に供給される。このように、アノードオフガスは燃料電池スタック１２に循環供給される。

なお、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。

同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された圧縮空気は、カソードオフガスとして空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。カソードオフガスは、加湿器８４を通って空気供給路７８から供給される新たな圧縮空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整されて希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出されたカソードオフガスは、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８から空気供給路７８に供給される。この場合、カソードオフガスも燃料電池スタック１２に循環供給される。

以上のようにして燃料電池スタック１２の運転が行われている間、該燃料電池スタック１２、一層具体的には発電セル２４のインピーダンスがインピーダンス測定部２３により測定される。制御部２２は、インピーダンスに関する情報を常時取得している。

燃料電池スタック１２の負荷が小さいときには、燃料電池スタック１２への要求出力電流が小さい。この場合、電極における電気化学反応が促進されないので、生成水の量が少ない。この分だけ固体高分子電解質膜３２に湿分が付与されなくなるので、プロトン伝導が低減する。その結果、図２中のｔ０〜ｔ１間に示すように、燃料電池スタック１２（発電セル２４）のインピーダンスが上昇する。インピーダンスが上昇傾向にあることから、ｔ１において上限値に到達する。

制御部２２は、インピーダンス測定部２３から取得したインピーダンスと、予め記憶された上限値（又は下限値）とを対比している。上記の場合、上昇傾向にあるインピーダンスは、ｔ１において上限値に到達する。

このとき、制御部２２は、ＢＰ開度調整弁８８に対してフィードフォワード制御を行い、ＢＰ開度調整弁８８を所定の開度まで絞る。本実施の形態では、ＢＰ開度調整弁８８を全閉としている。これによりバイパス供給路８６が閉塞されるので、エアポンプ８０から供給された圧縮空気の全量が加湿器８４に導入される。すなわち、カソード電極３６には、湿潤圧縮空気のみが供給される。

さらに、制御部２２は、エアポンプ８０に対してフィードフォワード制御を行い、「モータの回転数を低減する」との指令信号を発する。この信号を受けたエアポンプ８０がモータの回転数を低減するため、圧縮空気の供給量が低減する。

ＢＰ開度調整弁８８の開度を変更するときには、気流音が発生することを防止すべく、動作速度を設定することが好ましい。具体的には、動作前の開度が大きい程、動作速度を大きくする。例えば、動作前の開度が弁の回転角で５０°であるときに３０°まで絞る場合と、３０°であるときに１０°まで絞る場合では、両者とも２０°の開度変更であるが、前者の場合の動作速度を後者に比して大きくする。

このように、動作前の開度（回転角）に応じて開度変更時の動作速度を変更することにより、ＢＰ開度調整弁８８の開閉動作に伴う気流音を低減することができる。また、インピーダンスが低減する応答速度が大きくなるので、燃料電池車両の挙動に影響が及ぶことが防止される。このため、運転者が違和感を覚えることが回避される。

上記の制御が行われた結果、カソード電極３６には、湿潤圧縮空気が比較的少量で供給される。このため、固体高分子電解質膜３２に湿分が付与される。その結果、該固体高分子電解質膜３２のプロトン伝導が向上するので、図２中のｔ１〜ｔ２に示すようにインピーダンスが低下する。インピーダンスは、ｔ２において、上方目標値に到達する。

制御部２２は、この状態に至ると、固体高分子電解質膜３２に十分な湿分が付与されたと判断する。すなわち、フィードフォワード制御を終了し、フィードバック制御に戻る。このように、本実施の形態では、インピーダンスが上限値から下限値まで低下するまで待機し、その際にフィードフォワード制御を終了するのではなく、上限値から下限値まで低下する途中でフィードフォワード制御を終了するようにしている。このため、固体高分子電解質膜３２を適切な湿度に維持するためのフィードバック制御を早期に実施することができる。

なお、フィードフォワード制御を終了しても直ちにインピーダンスが一定となることはなく、図２中のｔ２〜ｔ３に示すように若干緩やかに低下する。フィードバック情報が蓄積されていない段階では、ＢＰ開度調整弁８８の開度は一定である。

一方、制御部２２は、エアポンプ８０に対して「モータの回転数を増加する」との指令信号を発する。この信号を受けたエアポンプ８０ではモータの回転数が増加し、圧縮空気の供給量が増加する。

制御部２２は、その後、インピーダンスが上方目標値で略一定となるようにフィードバック制御を継続する。すなわち、上記と同様に、図２中のｔ３〜ｔ４間でＢＰ開度調整弁８８の開度を調整して乾燥圧縮空気の流量を調節し、カソード電極３６に供給される混合空気の湿度を調整する。これにより、固体高分子電解質膜３２が適切な湿度に維持される。

このような制御を行った後にインピーダンスが上昇（図２中のｔ４〜ｔ５間）して上限値に到達したとき（ｔ５）には、上記の制御を再実施すればよい。

ところで、特に燃料電池車両、ひいては燃料電池スタック１２が、例えば、長時間アイドル発電状態にあるときには、該燃料電池スタック１２から取り出される出力電流が最低である状態が維持される。このときにも、インピーダンスが上昇する場合があり得る。電気化学反応が促進されなくなるので、生成水の量が低減するからである。

そこで、この場合、燃料電池スタック１２が所定の温度に到達し、且つインピーダンスが前記上限値に到達したときに、制御部２２の制御作用下に、ＢＰ開度調整弁８８及びエアポンプ８０に対するフィードフォワード制御を行う。以降は上記と同様にして固体高分子電解質膜３２が適切な湿度に維持される。

これに対し、運転者が燃料電池車両を加速する際には、燃料電池スタック１２への要求出力電流が上昇する。これに対応するべく、制御部２２の作用下にエアポンプ８０のモータの回転数が上昇され、カソード電極３６への圧縮空気の供給量が増加する。また、電極における電気化学反応が促進され、その結果、生成水の量が増加する。

ここで、燃料電池スタック１２の出力電流を検出する電流センサの測定範囲が広く、一方、インピーダンス測定部２３が、出力電流が所定の値を超えるとインピーダンスを検出し得ない場合、すなわち、インピーダンスが測定不能な範囲となっている場合がある（図３中のｔ０’〜ｔ１’間）。このときには生成水の量が増加して固体高分子電解質膜３２に湿分が付与されるので、ＢＰ開度調整弁８８の開度や、エアポンプ８０のモータの回転数を制御する必要は特にない。

これに対し、要求出力電流が低下した後も生成水が多量に生成すると、固体高分子電解質膜３２が過度の湿潤状態となるので、いわゆるフラッディング現象を招く懸念がある。制御部２２は、この懸念を払拭するための制御を行う。

すなわち、図３中のｔ１’の時点で要求出力電流が低下したと仮定した場合、制御部２２は、固体高分子電解質膜３２に乾燥圧縮空気を供給する。具体的には、ＢＰ開度調整弁８８に対してフィードフォワード制御を行い、ＢＰ開度調整弁８８を所定の開度まで開く。本実施の形態では、ＢＰ開度調整弁８８を全開としている。これによりバイパス供給路８６が開放されるので、エアポンプ８０から供給された圧縮空気の略半量がバイパス供給路８６に分配される。すなわち、カソード電極３６には、湿度が低減した混合空気が供給される。

さらに、制御部２２は、エアポンプ８０に対してフィードフォワード制御を行い、「モータの回転数を増加する」との指令信号を発する。この結果として、圧縮空気の供給量が増加する。上記と同様の理由から、ＢＰ開度調整弁８８が所定開度の開放状態から全開とされるまでの動作量が大きい程、該ＢＰ開度調整弁８８の動作速度を大きくすることが好ましい。

上記の制御が行われることにより、カソード電極３６には、低湿度の圧縮空気が比較的多量に供給される。このため、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向となる。この場合、図３中のｔ１’〜ｔ２’に示すようにインピーダンスが上昇する。インピーダンスは、ｔ２’において、下方目標値に到達する。

制御部２２は、この状態に至ると、固体高分子電解質膜３２に過度な湿分が付与される状況が解消されたと判断する。すなわち、フィードフォワード制御を終了し、フィードバック制御に戻る。このように、本実施の形態では、インピーダンスが下限値から上限値まで上昇するまで待機し、その際にフィードフォワード制御を終了するのではなく、下限値から上限値まで上昇する途中でフィードフォワード制御を終了するようにしている。このため、固体高分子電解質膜３２を適切な湿度に維持するためのフィードバック制御を早期に実施することができる。

この場合も、フィードフォワード制御を終了しても直ちにインピーダンスが一定となることはなく、図３中のｔ２’〜ｔ３’に示すように若干緩やかに上昇する。フィードバック情報が蓄積されていない段階では、ＢＰ開度調整弁８８の開度は一定である。

一方、制御部２２は、エアポンプ８０に対して「モータの回転数を低減する」との指令信号を発する。これに伴い、圧縮空気の供給量が低減する。

制御部２２は、その後、インピーダンスが下方目標値で略一定となるようにフィードバック制御を継続する。すなわち、上記と同様に、図３中のｔ３’〜ｔ４’間でＢＰ開度調整弁８８の開度を調整して乾燥圧縮空気の流量を調節し、カソード電極３６に供給される混合空気の湿度を調整する。これにより、固体高分子電解質膜３２が適切な湿度に維持される。

燃料電池スタック１２に大きな出力電流が再度要求されてインピーダンスが低下（図３中のｔ４’〜ｔ５’間）した後に要求出力電流が低下したときには、上記の制御を再実施すればよい。

上記の固体高分子電解質膜３２に湿分を付与する制御、又は固体高分子電解質膜３２を乾燥する傾向とする制御を行うに際しては、燃料電池車両の速度が大きい程、又は、エアポンプ８０の回転数が小さい程、ＢＰ開度調整弁８８の動作速度を大きくすることが好ましい。これにより、ＢＰ開度調整弁８８の動作に伴う気流音の影響を小さくすることができる。前者の場合には燃料電池車両の路面走行音（いわゆるロードノイズ）が大きく、後者の場合にはバイパス供給路８６内の圧損の変動が小さいからである。

しかも、このようにすることでインピーダンスが増減する応答速度が大きくなる。従って、燃料電池車両の挙動に影響が及ぶことが防止されて運転者が違和感を覚えることが回避される。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、燃料電池スタック１２のインピーダンスが測定可能な状況下では、インピーダンスが下限値に到達した時点でＢＰ開度調整弁８８やエアポンプ８０に対してフィードフォワード制御を行うようにしてもよい。

また、ＢＰ開度調整弁８８に対してフィードフォワード制御を行う際、ＢＰ開度調整弁８８を全開又は全閉とすることは必須ではなく、必要に応じた開度に設定すればよい。

さらに、上方目標値と下方目標値は同一値であってもよい。

さらにまた、圧縮空気の流量を増減することに代替し、圧縮空気の圧力を増減する制御を行うようにしてもよい。この場合には、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向にあるときには圧力を上昇させ、濡れすぎる傾向にあるときには圧力を低減させる。

又は、冷却媒体の流量を増減するようにしてもよい。この場合、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向にあるときには流量を上昇させ、濡れすぎる傾向にあるときには流量を低減させる。

又は、燃料電池車両に搭載されるラジエータ用ファンの回転数を調節するようにしてもよい。すなわち、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向にあるときには回転数を上昇させ、濡れすぎる傾向にあるときには回転数を低減させればよい。

そして、燃料電池システム１０は、車載用に特に限定されるものではなく、定置用であってもよい。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２２…制御部
２３…インピーダンス測定部 ２４…発電セル
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８…水素ガス流路
４０…空気流路 ５０…水素タンク
５１…水素ガス供給路 ５４…インジェクタ
５６…エゼクタ ６２…水素ガス排出路
６６…水素循環流路 ６８…水素ポンプ
７８…空気供給路 ８０…エアポンプ
８４…加湿器 ８６…バイパス供給路
８８…ＢＰ開度調整弁 ９０…空気排出路
９２…背圧弁 ９４…バイパス流路
９６…ＢＰ流量調整弁

Claims (7)

1. 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、燃料ガス供給流路を介して前記アノード電極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給流路を介して前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   回転駆動手段を含み、前記回転駆動手段が回転することに伴って前記酸化剤ガス供給流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、
   前記酸化剤ガス供給機構から供給された前記酸化剤ガスに湿分を付与するための加湿器と、
   前記酸化剤ガス供給流路から分岐して前記加湿器を迂回するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられて該バイパス流路を閉塞又は開放するためのバイパス流路弁と、
   前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンス測定値を用いて前記バイパス流路弁に対するフィードバック制御を行うフィードバック制御手段と、
   前記インピーダンス測定値を用いずに前記バイパス流路弁に対するフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御手段と、
   所定の条件が満たされたときにフィードバック制御とフィードフォワード制御とを切り替える切替手段と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが予め設定された上限値に到達しているときにはフィードフォワード制御によって前記バイパス流路弁を予め設定された所定の開度まで閉止する方向に動作させる一方、下限値に到達しているときにはフィードフォワード制御によって前記バイパス流路弁を予め設定された所定の開度まで開放する方向に動作させることで、インピーダンスを前記下限値から前記上限値の間とすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１記載の制御方法において前記バイパス流路弁が閉塞する方向に動作するときには前記酸化剤ガスの供給量を低減させる一方、開放する方向に動作するときには前記酸化剤ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項２記載の制御方法において、前記回転駆動手段の回転数が大きい程、前記バイパス流路弁の動作速度を小さくすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御方法において、前記バイパス流路弁の動作開始前の開度が大きい程、該バイパス流路弁の動作速度を大きくすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池システムが車両に搭載されるとともに、前記車両の速度が大きい程、前記バイパス流路弁の動作速度を大きくすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御方法において、インピーダンスが、前記下限値から前記上限値の間の所定の目標値に到達したときに前記バイパス流路弁に対するフィードフォワード制御を終了することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池がアイドル発電を維持した状態で所定の温度に到達し、且つインピーダンスが前記上限値に到達したときに前記バイパス流路弁に対するフィードフォワード制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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