JP6911716B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
燃料電池システムにおいて、生成された水によるガス流路の閉塞（いわゆるフラッディング）が発生すると、単セルの電圧値（以下、「セル電圧」という）が低下することが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、最低セル電圧が予め定めた値を下回ると、カソードガスの供給量を増加してフラッディングを解消することによって、セル電圧を回復させる。
特開２０１２−２２７００８号公報
ところで、燃料電池スタックへの電力出力要求がない場合は、カソードガスの供給流量を低下させたり、供給自体を停止したりすることが一般的である。カソードガスの供給流量を低下させた状態において、アノードガスのカソード側への透過（いわゆるクロスリーク）が発生すると、セル電圧が低下する。本願の発明者らは、燃料電池スタックへの電力出力要求がなくなりカソードガスの供給流量を低下させた直後の期間にクロスリークが発生すると、カソード側のガス圧力が低下してしまい、これに伴ってセル電圧が急速に低下する場合があるという問題を見出した。この場合、クロスリークの検知後にカソードガスの供給流量を増加させても、セル電圧の回復が間に合わず、セルが劣化する電圧まで急激に低下するおそれがある。そのため、セル電圧が過度に低下することを抑制できる技術が望まれる。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と、前記アノードガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がゼロである場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記カソードガス供給部による前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を増大させることによって前記平均セル電圧を、予め定めた前記目標電圧よりも高い電圧まで上昇させるカソードガス供給制御を実行する。前記制御部は、前記カソードガス供給制御において、前記単セルにおけるアノード極からカソード極へ前記アノードガスが透過するクロスリークが発生しやすいことを示す予め定められた条件が成立する場合に、前記目標電圧を、前記条件が成立しない場合の前記目標電圧である基準目標電圧よりも高く設定する。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の単セルを有する燃料電池スタックと；前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と；前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給部と；前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と；前記アノードガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がゼロである場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記カソードガス供給部による前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を増大させることによって前記平均セル電圧を上昇させるカソードガス供給制御を実行する。前記制御部は、前記カソードガス供給制御において、前記単セルにおけるアノード極からカソード極へ前記アノードガスが透過するクロスリークが発生しやすいことを示す予め定められた条件が成立する場合に、前記目標電圧を、前記条件が成立しない場合の前記目標電圧である基準目標電圧よりも高く設定する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、クロスリーク発生条件が成立した場合に目標電圧を高く設定してカソードガス供給制御を実行するので、カソードガスの供給流量の増大タイミングが早まり、セル電圧が過度に低下することを抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいては、更に、前記燃料電池スタックのアノードガス圧力を測定する圧力測定部を備え；前記条件は、前記アノードガス圧力が予め定められた閾値圧力より高いことを含んでもよい。この形態の燃料電池システムによれば、クロスリークが発生しやすい状態をより容易に検知することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいては、前記アノードガス圧力が高い場合に、前記アノードガス圧力が低い場合よりも前記目標電圧を高く設定してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、セル電圧が過度に低下することをより効果的に抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいては、前記条件は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がゼロに低下する直前における電力出力要求値が予め定めた閾値電力以上であったことを含んでもよい。この形態の燃料電池システムによれば、クロスリークが発生しやすい状態をより容易に検知することができる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。
燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 カソードガス供給制御の手順の一例を表わすフローチャートである。 目標電圧決定処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 アノードガス圧力と平均セル電圧とカソードガス指示流量との関係を示す図。 第２実施形態における目標電圧決定処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 他の実施形態におけるアノードガス圧力と目標電圧との関係を示すグラフ。 他の実施形態におけるアノードガス圧力と目標電圧との関係を示すグラフ。 他の実施形態におけるアノードガス圧力と目標電圧との関係を示すグラフ。 他の実施形態におけるアノードガス圧力と目標電圧との関係を示すグラフ。
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、インピーダンス測定部８３と、電圧検出部８４と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード極（図示せず）とカソード極（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。
制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２１は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述するカソードガス供給制御を実現する。
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、エアコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、圧力計３５と、分流弁３６と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。
エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。エアコンプレッサ３３は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３４は、エアコンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。圧力計３５は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口の圧力（以下「カソードガス圧力」という）を測定し、制御部２０に送信する。分流弁３６は、エアコンプレッサ３３とカソードオフガス配管４１との間に設けられており、燃料電池スタック１０とカソードオフガス配管４１への空気の流量を調節する。
カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、圧力計５６と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。以下では、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、で構成される流路のことを、循環流路６６ともいう。循環流路６６は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。
アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５、および圧力計５６は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。
第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの流量を制御する。圧力計５６は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口の圧力を測定し、制御部２０に送信する。なお、圧力計５６を燃料電池スタック１０のアノードガス出口側に設けてもよい。その場合、上述した圧力計３５も燃料電池スタック１０のカソードガス出口側に設けることが好ましい。これらいずれの場合も、圧力計５６で測定される圧力を「アノードガス圧力」と呼ぶことができる。圧力計５６は、圧力測定部ともいう。
アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器６２とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２へと誘導する。
気液分離器６２は、循環流路６６のアノードオフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、循環流路６６内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。
排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６３は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６３によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。
循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、温度計７７と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。
冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の流量を調節する。温度計７７は、冷媒排出管７２に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を測定する。温度計７７で測定される温度は、燃料電池スタック１０の温度とほぼ等しい。
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。なお、燃料電池スタック１０とＤＣ／ＤＣコンバータ８０との間には、燃料電池スタック１０の電流を測定する電流計８５が設けられている。
電圧検出部８４は、燃料電池スタック１０の電圧を検出する。本実施形態において電圧検出部８４は、燃料電池スタック１０の電圧から平均セル電圧を算出する。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック１０の両端電圧を単セル１１の数で除算した値である。
電流計８５は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。インピーダンス測定部８３は、電圧検出部８４および電流計８５を用いて、燃料電池スタック１０の交流インピーダンス測定を実行し、制御部２０に測定値を送信する。
燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、上述したエアコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。
図２は、本実施形態における、カソードガス供給制御の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００が通常運転から出力要求ゼロ運転に移行したときに開始される。「出力要求ゼロ運転」とは、ＥＣＵ２１から燃料電池スタック１０への電力出力要求がゼロのときの燃料電池システム１００の運転態様である。「出力要求ゼロ運転」を「間欠運転」とも呼ぶ。出力要求ゼロ運転中は、単セル１１の電圧が開回路電圧となるのを避けるために小さな電流を燃料電池スタック１０から発生させてもよい。なお、出力要求ゼロ運転では、各機器の電力は２次電池等の他の電源（図示せず）から供給される。また、燃料電池スタック１０で発電した電力をモータ等の負荷８２の駆動に使用せず、２次電池等へ充電する場合も「出力要求ゼロ運転」に含まれる。出力要求ゼロ運転では、燃費向上のために、可能な限り補機類を停止する。特に、エアコンプレッサ３３は消費電力が大きいため、出力要求ゼロ運転中は可能な限り停止させることが好ましい。
制御部２０は、出力要求ゼロ運転を開始すると、図２に示すカソードガス供給制御を開始する。また、制御部２０は、出力要求ゼロ運転の停止指示、より具体的には、ＥＣＵ２１から燃料電池スタック１０への電力要求がゼロでなくなると、図２の制御を終了する。
制御部２０は、ステップＳ１００で、燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給流量を減少する。本実施形態では、エアコンプレッサ３３を停止してカソードガスの供給を停止する。より具体的には、エアコンプレッサ３３が燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの供給流量をゼロに設定する。このように、エアコンプレッサ３３を停止させれば、燃費が向上する点で好ましい。燃費を向上させる観点からは、アノードガスの供給流量もゼロに設定することが好ましい。なお、燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給を停止せずに、供給流量を低下させる方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、エアコンプレッサ３３の運転状態を維持したまま、分流弁３６の開度を調整することによって燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給流量を減少させてもよい。
次に、制御部２０は、ステップＳ１１０で、平均セル電圧の目標電圧Ｖｍを決定する。この処理を目標電圧決定処理という。目標電圧Ｖｍは、０Ｖより高くすることが好ましく、０．６Ｖ以上０．８５Ｖ以下の値とすることが更に好ましい。目標電圧決定処理の詳細については後述する。
続いて、制御部２０は、ステップＳ１２０で、平均セル電圧Ｖｆｃを取得し、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低いか否か判定する。平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低い場合、制御部２０は、ステップＳ１３０に進み、燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給流量を増大する。本実施形態では、エアコンプレッサ３３の運転を開始してカソードガスの供給を再開する。この時のカソードガスの供給流量は、予め実験的に定められた流量であり、任意に定めることができる。また、燃料電池スタック１０の状態とカソードガス流量との関係が定義されたマップや関数に基づき、ステップＳ１３０におけるカソードガスの供給流量を定めるようにしてもよい。一方、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍ以上の場合、制御部２０はステップＳ１００の処理に戻る。つまり、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍを下回るまではカソードガスの供給を減少または停止した状態を維持する。なお、ステップＳ１１０は、図２の手順を最初に実行するときにのみ実行するようにしてもよい。
ステップＳ１３０でカソードガスの供給流量を増大した後、制御部２０は、ステップＳ１４０で、平均セル電圧Ｖｆｃを再度取得して、その平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより高いか否か判定する。平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより高い場合、制御部２０は、ステップＳ１００の処理に戻り、燃料電池スタック１０へのカソードガスの供給流量を減少する。本実施形態では、エアコンプレッサ３３を停止してカソードガスの供給を停止する。一方、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍ以下の場合、制御部２０はステップＳ１４０の処理に戻り、カソードガスの供給を続ける。このように、ステップＳ１３０、Ｓ１４０では、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍを超えるまでカソードガスの供給流量を一時的に増大する。
なお、ステップＳ１４０で使用する目標電圧Ｖｍとして、ステップＳ１２０で使用する目標電圧Ｖｍよりも高い値を使用してもよい。ただし、両者を同じ値にすれば、制御がより容易になる点で好ましい。また、ステップＳ１３０とステップＳ１４０との間において、再度目標電圧決定処理を行ってもよい。
上述した図２の手順では、平均セル電圧Ｖｆｃを用いてステップＳ１２０、Ｓ１４０の判断を行っているが、この代わりに、燃料電池スタック１０の両端電圧を用いてステップＳ１２０、Ｓ１４０の判断を行ってもよい。上述したように、平均セル電圧Ｖｆｃは、燃料電池スタック１０の両端電圧を単セル１１の枚数で除した値なので、燃料電池スタック１０の両端電圧を用いた判断も、平均セル電圧Ｖｆｃを用いた判断と等価である。
図３は、目標電圧決定処理の手順の一例を表わすフローチャートである。まず、制御部２０は、ステップＳ２００で、単セル１１におけるアノード極からカソード極へアノードガスが透過するクロスリークが発生しやすい状況である条件（以下、「クロスリーク発生条件」という）が成立したか否かを判断する。クロスリーク発生条件としては、例えば、以下のいずれかを採用することが可能である。
＜クロスリーク発生条件１＞
アノードガス圧力が予め定めた閾値圧力よりも高いこと
＜クロスリーク発生条件２＞
出力要求ゼロ運転を開始する直前における燃料電池システム１００への電力出力要求値が予め定めた閾値電力以上であったこと
＜クロスリーク発生条件３＞
燃料電池スタック１０の温度が予め定めた閾値温度よりも高いこと
＜クロスリーク発生条件４＞
燃料電池スタック１０の単セル１１の電解質膜の相対湿度が予め定めた閾値湿度よりも高いこと
＜クロスリーク発生条件５＞
アノードガス圧力とカソードガス圧力との差が予め定めた閾値よりも高いこと
上記のクロスリーク発生条件１が成立している場合には、各単セル１１において、アノード側のガス圧力が高いので、クロスリークが発生しやすい傾向にある。また、アノードガス圧力が高い状態で平均セル電圧Ｖｆｃが低下すると、その低下の傾きが大きくなる傾向にあるので、アノードガス圧力が高い状態をクロスリーク発生条件として利用すれば、セル電圧が過度に低下する状態であるか否かを正しく判定出来るという利点がある。なお、閾値圧力は、予め実験的に定めることが可能である。閾値圧力としては、例えば、１３０ｋＰａ〜１６０ｋＰの値を使用できる。
上記のクロスリーク発生条件２が成立している場合には、比較的大きな電力を出力するために、比較的大量のアノードガスが燃料電池スタック１０に供給されている状態である。従って、この場合には、各単セル１１のアノード極側のガス圧力が高くなり、クロスリークが発生しやすい傾向にあるので、アノードガス圧力による判断を行うことなく、電力出力要求値のみで判断を行うことができる。また、電力出力要求値が高い状態で平均セル電圧Ｖｆｃが低下すると、その低下の傾きが大きくなる傾向にあるので、電力出力要求値が高い状態をクロスリーク発生条件として利用すれば、セル電圧が過度に低下する状態であるか否かを正しく判定出来るという利点がある。なお、閾値電力は、予め実験的に定めることが可能である。閾値電力としては、例えば、１枚の単セル１１あたり１０Ｗ〜２０Ｗの値を使用できる。
上記のクロスリーク発生条件３が成立している場合には、各単セル１１において、温度が高いので、分子の振動が速くなるため、クロスリークが発生しやすい傾向にある。なお、閾値温度は、予め実験的に定めることが可能である。閾値温度としては、例えば、７０℃〜９０℃の値を使用できる。
上記のクロスリーク発生条件４が成立している場合には、各単セル１１において、電解質膜の相対湿度が高いので、電解質膜に含まれる水分量が多くなり、電解質膜の水にアノードガスが溶けやすくなるため、クロスリークが発生しやすい傾向にある。電解質膜の相対湿度は、交流インピーダンスより推定することができる。交流インピーダンスは、単セル１１の電解質膜の抵抗値に相当し、電解質膜の含水量と相関する。具体的には、電解質膜の含水量が少ないほど、すなわち、電解質膜の相対湿度が低いほど、インピーダンス値は大きくなる。また、これとは反対に、電解質膜の含水量が多いほど、すなわち、電解質膜の相対湿度が高いほど、インピーダンス値は小さくなる。なお、閾値湿度は、予め実験的に定めることが可能である。閾値湿度としては、例えば、６０％〜７０％の値を使用できる。
上記のクロスリーク発生条件５が成立している場合には、アノード極側とカソード極側のアノードガス分圧の差も大きいので、クロスリークが発生しやすい傾向にある。なお、閾値は、予め実験的に定めることが可能である。閾値としては、例えば、２０ｋＰａ〜３０ｋＰａの値を使用できる。
また、上記の条件を適宜組み合わせてクロスリーク発生条件とすることもできる。本実施形態では、上述したクロスリーク発生条件１を使用する。
図３のステップＳ２００において、クロスリーク発生条件成立が不成立の場合、制御部２０はステップＳ２１０に進み、目標電圧Ｖｍを基準目標電圧Ｖｒｅｆに決定する。基準目標電圧Ｖｒｅｆは、出力要求によって出力要求ゼロ運転から通常運転に復帰する際に応答遅れがない電圧として、予め実験的に定めることができる。一方、クロスリーク発生条件が成立した場合、制御部２０は、ステップＳ２１５に進み、目標電圧Ｖｍを基準目標電圧Ｖｒｅｆよりも高い値Ｖｕｐに決定する。
図４は、カソードガス供給制御におけるアノードガス圧力と平均セル電圧Ｖｆｃとカソードガス指示流量との関係の一例を示したタイミングチャートである。上段のグラフはアノードガス圧力の変化を示しており、中段のグラフは、平均セル電圧Ｖｆｃと目標電圧Ｖｍの変化を示している。下段のグラフはカソードガスの供給流量の指示流量（以下、「カソードガス指示流量」という）の変化を示している。図４に示すように、制御部２０は、タイミングｔ０において、通常運転から出力要求ゼロ運転に切替える。図４の例では、燃料電池スタック１０の発電を停止し、カソードガス指示流量をゼロにしている。カソードガス指示流量がゼロになると、エアコンプレッサ３３は運転を停止する。
図４の上段のグラフに示すように、アノードガスのクロスリークによってアノードガス圧力は出力要求ゼロ運転に切り替わったタイミングｔ０より徐々に低下し、タイミングｔ２において、クロスリーク発生条件の成否の閾値圧力Ｐｔまで低下している。
図４の中段のグラフに示すように、燃料電池システム１００が通常運転から出力要求ゼロ運転に切り替わり、クロスリークの発生しやすい状況の場合、平均セル電圧Ｖｆｃが急速に低下する。平均セル電圧Ｖｆｃが過度に低下すると、単セル１１の性能が劣化する原因となる。そのため、図４の例では、上述したように、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍよりも低下したタイミングｔ１において、制御部２０がエアコンプレッサ３３により燃料電池スタック１０にカソードガスの供給を再開する。カソードガスの供給を制御することによって、より具体的には、目標電圧Ｖｍを基準目標電圧Ｖｒｅｆより高い値Ｖｕｐに設定することでカソードガスの供給を開始するタイミングｔ１が早まることによって、平均セル電圧Ｖｆｃが過度に低下する事を抑制できる。
図４の下側のグラフに示すように、タイミングｔ０からタイミングｔ１の期間はカソードガスの供給を停止しているため、指示エア流量はゼロに設定されている。制御部２０は、タイミングｔ１において、図２のステップＳ１３０を実行（図４の例ではカソードガス供給を再開）し、制御周期毎にステップＳ１００〜ステップＳ１４０の制御を実行する。この結果、カソードガスの供給流量が間欠的に増大する。また、タイミングｔ２以降は、クロスリーク発生条件が不成立となるので、図２のステップＳ１１０において、目標電圧Ｖｍが、基準目標電圧Ｖｒｅｆに設定されて、カソードガスの間欠的な供給流量増大制御が実行される。なお、図４の例では、クロスリーク発生条件が不成立となったタイミングｔ２以降のカソードガス指示流量を、クロスリーク発生条件が成立しているタイミングｔ１からｔ２の期間におけるカソードガス指示流量Ｑ１よりも小さくしているが、これに限らず、任意に定めることができる。
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、クロスリーク発生条件が成立した場合に目標電圧Ｖｍをクロスリーク発生条件が成立しない場合より高く設定して、平均セル電圧Ｖｆｃを上昇させるカソードガス供給制御を実行する。そのため、カソードガスの供給流量の増大タイミングが早まり、セル電圧が過度に低下することを抑制できる。
また、クロスリークの発生条件を、アノードガス圧力が予め定められた閾値圧力よりも高いこととしているため、クロスリークの発生をより容易に検知することができる。
Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるカソードガス供給制御の手順の一例を表わすフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。また、第２実施形態のカソードガス供給制御は、液水滞留が発生していた場合に液水パージ処理を行う点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。液水パージ処理とは、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池スタック１０に残留する水分や、燃料電池システム１００の配管・バルブ等に付着している水分を低減させるための掃気処理である。
前述した第１実施形態において、制御部２０は、ステップＳ１４０において平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低いと判定した後に、ステップＳ１３０の処理に戻り、カソードガスの供給を続けている。第２実施形態では、制御部２０は、ステップＳ１４０において平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低いと判定した後に、ステップＳ１５０、Ｓ１６０に従って、必要に応じて液水パージ処理を行う。
ステップＳ１４０で、平均セル電圧Ｖｆｃを再度取得して、その平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍ以下の場合、制御部２０はステップＳ１５０に進み、ステップＳ１４０で取得した平均セル電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｌｏｗより低いか否か判定する。下限電圧Ｖｌｏｗとは、燃料電池スタック１０で液水滞留が発生していると判断する電圧値（例えば、単セル１１の触媒の酸化還元の切り替わる電圧値）として、予め実験的に定めることができる。下限電圧Ｖｌｏｗは、例えば、０．４Ｖ以上０．７Ｖ以下の値であり、ステップＳ１４０における目標電圧Ｖｍより低い値に設定される。平均セル電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｌｏｗより低い場合、制御部２０は、ステップＳ１６０の処理に進み、液水パージ処理を行う。一方、平均セル電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｌｏｗ以上の場合、制御部２０はステップＳ１４０の処理に戻り、カソードガスの供給を続ける。
ステップＳ１６０で液水パージ処理を行った後、制御部２０は、ステップＳ１００の処理に戻る。本実施形態において、液水パージ処理では、制御部２０が、カソードガス供給部３０を制御して、燃料電池スタック１０に過剰にカソードガスを投入する。例えば、通常の電圧維持に必要な流量、より具体的には図４に示す、クロスリーク発生条件が不成立となったタイミングｔ２以降のカソードガス指示流量の１０倍以上で数秒間カソードガスを投入することが好ましい。
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、液水滞留が発生していた場合にパージ処理を行う。そのため、セル電圧が過度に低下することを抑制できる。
Ｃ．他の実施形態：
以下で説明する他の実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。また、他の実施形態のカソードガス供給制御は、目標電圧決定処理におけるアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。
図６は、他の実施形態における目標電圧決定処理で用いるアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示すグラフである。この例では、クロスリーク発生条件が成立する閾値圧力Ｐｔ以上の場合において、アノードガス圧力が高いほど、出力要求ゼロ運転に切り替わった直後の平均セル電圧Ｖｆｃの低下の傾きが急になるため、アノードガス圧力が高いほど目標電圧Ｖｍを大きく設定する。なお、本実施形態ではアノードガス圧力に応じて三段階に目標電圧Ｖｍを設定したが、異なる設定としてもよい。この形態の燃料電池システム１００によれば、アノードガス圧力の増大に従って目標電圧Ｖｍを増大して設定するため、セル電圧が過度に低下することをより効果的に抑制できる。
図７は、更に他の実施形態における目標電圧決定処理で用いるアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示すグラフである。この例は、アノードガス圧力が高いほど目標電圧Ｖｍを大きく設定する点は図６と共通しているが、両者の関係が連続的な曲線で表示されている。この形態においても、アノードガス圧力の増大に従って目標電圧Ｖｍを増大して設定するため、セル電圧が過度に低下することをより効果的に抑制できる。
図８は、更に他の実施形態における目標電圧決定処理で用いるアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示すグラフである。この例は、アノードガス圧力が高いほど目標電圧Ｖｍを大きく設定する点は図６と共通しているが、燃料電池スタック１０の温度に応じてアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を決定する。グラフＧ１ａは燃料電池スタック１０の温度が高い場合のアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示したグラフであり、グラフＧ１ｂは燃料電池スタック１０の温度が低い場合のアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示したグラフである。燃料電池スタック１０の温度の高低の判断温度は、予め実験的に定められた温度であり、任意に定めることができる。グラフＧ１ａとグラフＧ１ｂとを比較すると、グラフＧ１ｂの方がグラフＧ１ａより目標電圧Ｖｍが低くなっている。このように、燃料電池スタック１０の温度が高い場合には、低い場合よりも目標電圧Ｖｍが高く設定される。なお、グラフＧ１ａとＧ１ｂは、アノードガス圧力が閾値圧力Ｐｔ以下の場合では互いに等しくなっていてもよい。この形態においても、クロスリーク発生条件が成立している範囲では、アノードガス圧力の増大に従って目標電圧Ｖｍを増大して設定するため、セル電圧が過度に低下することをより効果的に抑制できる。
図９は、更に他の実施形態における目標電圧決定処理で用いるアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示すグラフである。この例は、燃料電池スタック１０の温度に応じてアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を決定し、アノードガス圧力が高いほど目標電圧Ｖｍを大きく設定する点は図８と共通しているが、燃料電池スタック１０の温度によっても目標電圧Ｖｍの値が変わる閾値が設定されている。グラフＧ２ａは燃料電池スタック１０の温度が高い場合のアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示したグラフであり、グラフＧ２ｂは燃料電池スタック１０の温度が低い場合のアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係を示したグラフである。グラフＧ２ａとグラフＧ２ｂとを比較すると、グラフＧ２ｂの方がグラフＧ２ａより目標電圧Ｖｍの値が変わる閾値となるアノードガス圧力が大きくなっている。例えば、クロスリーク発生条件の閾値となるアノードガス圧力は、グラフＧ２ａではＰｔ１であり、グラフＧ２ｂではＰｔ１より高いＰｔ２となっている。また、目標電圧Ｖｍが低くなっている。この形態においても、クロスリーク発生条件が成立している範囲において、アノードガス圧力の増大に従って目標電圧Ｖｍを増大して設定するため、セル電圧が過度に低下することをより効果的に抑制できる。
また、上記図８、図９に示す他の実施形態において、燃料電池スタックの温度に応じてアノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係が異なるグラフを用いて目標電圧決定処理を行う代わりに、燃料電池スタック１０の単セル１１の電解質膜の相対湿度に応じて、アノードガス圧力と目標電圧Ｖｍとの関係が異なるグラフを用いて目標電圧決定処理を行ってもよい。より具体的には、燃料電池スタック１０の単セル１１の電解質膜の相対湿度が高い場合には、低い場合よりも目標電圧Ｖｍが高く設定される。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
１０…燃料電池スタック
１１…単セル
２０…制御部
２１…ＥＣＵ
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアフローメータ
３３…エアコンプレッサ
３４…第１開閉弁
３５、５６…圧力計
３６…分流弁
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…アノードガスタンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
６１…アノードオフガス配管
６２…気液分離器
６３…排気排水弁
６４…循環配管
６５…アノードガスポンプ
６６…循環流路
７０…冷却媒体循環部
７１…冷媒供給管
７２…冷媒排出管
７３…ラジエータ
７４…冷媒ポンプ
７５…三方弁
７６…バイパス管
７７…温度計
８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８１…ＰＣＵ
８２…負荷
８３…インピーダンス測定部
８４…電圧検出部
８５…電流計
１００…燃料電池システム

Claims (5)

  1. 燃料電池システムであって、
    複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
    前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と、
    前記アノードガス供給部と前記カソードガス供給部とを制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がゼロである場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記カソードガス供給部による前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を増大させることによって前記平均セル電圧を、予め定めた前記目標電圧よりも高い電圧まで上昇させるカソードガス供給制御を実行し、
    前記制御部は、前記カソードガス供給制御において、前記単セルにおけるアノード極からカソード極へ前記アノードガスが透過するクロスリークが発生しやすいことを示す予め定められた条件が成立する場合に、前記目標電圧を、前記条件が成立しない場合の前記目標電圧である基準目標電圧よりも高く設定する、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    更に、前記燃料電池スタックのアノードガス圧力を測定する圧力測定部を備え、
    前記条件は、前記アノードガス圧力が予め定められた閾値圧力より高いことを含む、燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記カソードガス供給制御において、前記アノードガス圧力が高い場合に、前記アノードガス圧力が低い場合よりも前記目標電圧を高く設定する、燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記条件は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がゼロに低下する直前における電力出力要求値が予め定めた閾値電力以上であったことを含む、燃料電池システム。
  5. 複数の単セルを有する燃料電池スタックを有する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池スタックへの電力出力要求がゼロである場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記燃料電池スタックへのカソードガスの供給を増大させることによって前記平均セル電圧を、予め定めた前記目標電圧よりも高い電圧まで上昇させるカソードガス供給制御を実行する工程を備え、
    前記工程は、前記カソードガス供給制御において、前記燃料電池スタックの前記単セルにおけるアノード極からカソード極へアノードガスが透過するクロスリークが発生しやすいことを示す予め定められた条件が成立する場合に、前記目標電圧を、前記条件が成立しない場合の前記目標電圧である基準目標電圧よりも高く設定する工程を含む、制御方法。
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