JP6972941B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
特許文献１では、燃料電池スタックの出力を停止している状態において、迅速に燃料電池スタックへの出力要求に対応できないことを回避するため、出力停止時においても、空気コンプレッサによってカソードガスを間欠的に供給することにより、単セルの電圧値（以下、「セル電圧」という）を一定値以上に保つ方法が示されている。
特開２０１２−８９５２３号公報
しかし、特許文献１に記載の方法では、空気コンプレッサのイナーシャが大きいため、燃料電池スタックへのカソードガスの供給と供給の停止とを短い周期で行うことができず、セル電圧の変動量が大きくなるという課題があった。
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。
本発明の第１の形態は、燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへカソードガスを供給する流路であるカソードガス供給流路と、前記燃料電池スタックからカソードガスを排出する流路であるカソードガス排出流路と、前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックへカソードガスを送り出すターボコンプレッサと、前記カソードガス供給流路に設けられた入口弁と、前記ターボコンプレッサと前記入口弁とを含む前記燃料電池システムの構成部品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の出力要求がない場合に、前記ターボコンプレッサを駆動させた状態において、前記入口弁の開閉を交互に切り替えるカソードガス流量変更制御を行う。
（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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへカソードガスを供給する流路であるカソードガス供給流路と、前記燃料電池スタックからカソードガスを排出する流路であるカソードガス排出流路と、前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックへカソードガスを送り出すターボコンプレッサと、前記カソードガス供給流路または前記カソードガス排出流路に設けられた弁と、前記ターボコンプレッサと前記弁とを含む前記燃料電池システムの構成部品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の出力要求がない場合に、前記ターボコンプレッサを駆動させた状態において、前記弁の開閉を交互に切り替えるカソードガス流量変更制御を行う。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックへのカソードガスの供給と供給の停止とを短い周期で行うことができるため、電池スタックの電圧の変動量を小さくすることができる。また、この形態の燃料電池システムによれば、ターボコンプレッサを用いており、閉弁時にターボコンプレッサと弁との間の圧力が上昇することによってターボコンプレッサが供給するカソードガスの供給量が低減するため、ルーツ式などの容積圧縮型のコンプレッサに比べて、ターボコンプレッサと弁との間の圧力が過度に上昇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、前記燃料電池スタックへの電力の出力要求がない場合における前記ターボコンプレッサが送り出すカソードガスの流量は、前記燃料電池スタックへの電力の出力要求がある場合における流量よりも小さくてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックへの電力の出力要求がない場合におけるターボコンプレッサが送り出すカソードガスの流量と燃料電池スタックへの電力の出力要求がある場合における流量とを同じとした場合に比べて、燃費が向上する。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記弁は、前記カソードガス供給流路の前記ターボコンプレッサよりも下流側または前記カソードガス排出流路に設けられており、前記ターボコンプレッサは、前記カソードガスを送り出す回転体を収容する回転体収容部と、前記回転体を駆動するモータを収容し、一部が油により満たされているモータ収容部と、前記回転体収容部から前記モータ収容部へ前記油が染み出すことを封止するメカニカルシールと、を備えてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、メカニカルシールを備えるため、高速回転を実現可能であるとともに、弁が閉まっているときに、モータ収容部の圧力に対して、回転体収容部内の圧力が相対的に上昇することにより、モータ収容部から回転体収容部への油の染み出しを抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部を備え、前記制御部は、前記電圧が予め定められた目標電圧よりも小さい場合に、前記弁を制御することにより前記電圧を上昇させ、前記電圧が前記目標電圧よりも大きい場合に、前記弁を制御することにより前記電圧を低下させてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、電圧を上昇させるときの目標電圧と、電圧を低下させるときの目標電圧とを異なる値とした場合よりも、制御を簡素化できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部を備え、前記弁は、前記カソードガス供給流路に設けられており、前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力の出力要求がゼロになったことに応じて前記ターボコンプレッサを駆動させた状態で前記弁を閉める旨の指示をした後、予め定められた時間が経過するまでの間に、（ｉ）前記電圧が、予め定められた検査電圧よりも小さくならない場合、前記弁が故障していると判定し、（ｉｉ）前記電圧が前記検査電圧よりも小さくなった場合、前記弁は正常であると判定し、その後、前記カソードガス流量変更制御を行ってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、カソードガス供給流路に設けられた弁の故障を判定できる。
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、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。
本発明の一実施形態である燃料電池システムを示す概略図。 ターボコンプレッサを示す概略断面図。 制御部によって実行されるカソードガス流量変更制御のフローチャート。 カソードガス流量変更制御を表すタイミングチャート。 第２実施形態におけるカソードガス間欠制御のフローチャート。 故障判定処理のフローチャート。 ＦＣ電圧と入口弁の故障との関係を説明する図。 第３実施形態におけるカソードガス流量変更制御のフローチャート。
Ａ．第１実施形態
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０を示す概略図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載される。本実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、制御部２０と、エアフローメータ３２と、ターボコンプレッサ３４と、カソードガス流路６０と、アノードガス流路８０と、を備える。
燃料電池スタック１００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１００は、複数の単セル（図示せず）が積層されて構成されている。アノードガスは、図示しないアノードガスタンクから供給され、アノードガス流路８０を通って燃料電池スタック１００のアノード１００ａに供給され、電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかったアノードガスは、オフガスとして燃料電池スタック１００の外部へ排出される。一方、カソードガスは、カソードガス流路６０を通って燃料電池スタック１００のカソード１００ｃに供給され、電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった酸素は、オフガスとして燃料電池スタック１００の外部へ放出される。
カソードガス流路６０は、燃料電池スタック１００に対してカソードガスの供給及び排出を行う流路である。カソードガス流路６０は、燃料電池スタック１００へカソードガスを供給するカソードガス供給流路６２と、燃料電池スタック１００からカソードガスを排出するカソードガス排出流路６４と、カソードガス供給流路６２とカソードガス排出流路６４とを連通するバイパス流路６６と、を備える。
カソードガス供給流路６２には、上流側から順に、エアフローメータ３２と、ターボコンプレッサ３４と、圧力計４４とが設けられている。エアフローメータ３２は、カソードガス供給流路６２に取り込んだカソードガスの流量を測定する機器である。圧力計４４は、ターボコンプレッサ３４の下流側の圧力を測定する圧力計である。本実施形態では、圧力計４４は、バイパス流路６６と連結する部分より上流側であって、ターボコンプレッサ３４よりも下流側に設けられているが、燃料電池スタック１００の下流側であって、バイパス流路６６と連結する部分よりも上流側のカソードガス排出流路６４に設けられていてもよい。
ターボコンプレッサ３４は、燃料電池スタック１００へカソードガスを送り出すターボ式のコンプレッサである。ターボエアコンプレッサの特徴としては、カソードガスを送り出す流量を広範囲に変更できる点が挙げられる。
図２は、ターボコンプレッサ３４を示す概略断面図である。ターボコンプレッサ３４は、シャフト１２０と、シャフト１２０に取り付けられた回転体１６０と、回転体１６０を収容する回転体収容部１７０と、回転体１６０を駆動するモータ１９０と、モータ１９０を収容するモータ収容部１５０とを備える。本実施形態において、回転体１６０としてインペラを用いるが、例えば、ギアを用いてもよい。また、本実施形態において、モータ１９０は、ソレノイド１１０と、ロータ１３０と、マグネット１４０とを備える。
モータ収容部１５０は、油１５５により一部が満たされており、本実施形態では、潤滑油により一部が満たされている。モータ収容部１５０内の潤滑油は、図示しないポンプによって、モータ収容部１５０内を循環している。また、ターボコンプレッサ３４は、モータ収容部１５０から回転体収容部１７０へ潤滑油が染み出すことを封止するメカニカルシール１８０を備える。
メカニカルシール１８０は、固定環１８２と回転環１８４とを備える。固定環１８２は、モータ収容部１５０に固定されている。回転環１８４はシャフト１２０に固定されている。シャフト１２０が回転する際、回転環１８４は回転するが、固定環１８２は回転しない。このため、シャフト１２０が回転する際、固定環１８２と回転環１８４との間にミクロン単位の隙間を保持しながら、固定環１８２と回転環１８４とが摺り合う。これにより、シャフト１２０の高速回転を実現しつつ、モータ収容部１５０に含まれる潤滑油が固定環１８２と回転環１８４との間から回転体収容部１７０へ漏れ出すことを抑制する。
図１に示すように、カソードガス流路６０には、複数の弁が設けられている。本明細書において、「弁」とは、流路の断面積を変更するものを言う。本実施形態では、カソードガス流路６０には、入口弁３６と、調圧弁３７と、バイパス弁３８とが設けられている。調圧弁３７は、燃料電池スタック１００の下流側におけるカソードガスの圧力を調整する弁である。調圧弁３７は、カソードガス排出流路６４に設けられており、バイパス流路６６と連結する部分よりも上流側であって、燃料電池スタック１００よりも下流側に設けられている。バイパス弁３８は、バイパス流路６６を通るカソードガスの量を調整する弁であり、バイパス流路６６に設けられている。
入口弁３６は、燃料電池スタック１００へ入るカソードガスの量を調整する弁である。入口弁３６は、カソードガス供給流路６２に設けられており、かつ、燃料電池スタック１００とターボコンプレッサ３４の間に設けられている。本実施形態では、入口弁３６は、バイパス流路６６と連結する部分よりカソードガス供給流路６２の下流側であって、燃料電池スタック１００よりも上流側に設けられている。
燃料電池スタック１００によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介して二次電池９２に蓄電される。燃料電池スタック１００とＤＣ／ＤＣコンバータ９０と二次電池９２とを含む電源回路には、図示しない種々の負荷が接続されている。燃料電池スタック１００および二次電池９２は、ターボコンプレッサ３４や各種弁にも、電力が供給可能である。
電圧検出部９１は、燃料電池スタック１００の電圧（以下、「ＦＣ電圧」とも呼ぶ）を検出する部材である。本実施形態では、ＦＣ電圧として、平均セル電圧を用いる。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック１００の両端電圧を単セルの数で除算した値である。なお、ＦＣ電圧として、燃料電池スタック１００の両端電圧を用いてもよく、最低セル電圧を用いてもよく、最高セル電圧を用いてもよい。しかし、後述する出力要求ゼロ運転モード時において、時間とともに単セルごとのセル電圧のばらつきが大きくなる傾向があるため、ＦＣ電圧として、燃料電池スタック１００の両端電圧もしくは平均セル電圧を用いることが好ましい。
制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した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、ターボコンプレッサ３４と入口弁３６とを含む燃料電池システム１０内の構成部品の起動及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１０を含む装置全体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み込み量やブレーキペダルの踏み込み量、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１０による発電の制御を行うとともに、後述するカソードガス流量変更制御を実現する。
ＥＣＵ２１は、燃料電池スタック１００の運転モードを、通常運転モードや出力要求ゼロ運転モード等に切り替える。通常運転モードとは、ＥＣＵ２１から燃料電池システム１０が発電要求を受け、燃料電池システム１０が要求電力に応じた運転を行なうモードである。出力要求ゼロ運転モードとは、ＥＣＵ２１から燃料電池システム１０への要求電力が予め定められた値以下であり、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がないモードである。ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１０の運転モードを、例えば、燃料電池システム１０を搭載する車両の停止時や、低速走行時などの低負荷運転時に、通常運転モードから出力要求ゼロ運転モードへ切り替える。出力要求ゼロ運転モードでは、ＥＣＵ２１は、二次電池から電力を供給させる。出力要求ゼロ運転モードでは、制御部２０は、燃料電池スタック１００の電圧が予め定められた範囲内になる程度に、燃料電池スタック１００へ酸素を供給させる。本実施形態では、制御部２０は、出力要求ゼロ運転モードにおいて、燃料電池システム１０の各部を制御して、後述のカソードガス流量変更制御を行う。
図３は、制御部２０によって実行されるカソードガス流量変更制御のフローチャートである。制御部２０は、出力要求ゼロ運転モードが開始されると、カソードガス流量変更制御を開始する。また、制御部２０は、出力要求ゼロ運転モードの停止指示、より具体的には、ＥＣＵ２１から燃料電池スタック１００への出力要求がされると、図３の制御を終了する。カソードガス流量変更制御中において、制御部２０は、アノードガスの供給を停止するとともに、ターボコンプレッサ３４を駆動した状態としつつ、調圧弁３７を開いた状態とし、バイパス弁３８を閉じた状態とする。
燃料電池スタック１００への電力の出力要求がない場合におけるターボコンプレッサ３４により送り出されるカソードガスの流量は、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がある場合における流量よりも小さくすることが好ましい。このようにすることにより、ＦＣ電圧が急激に上昇することを緩和できる。ここで、カソードガスの流量は、エアフローメータ３２により測定可能である。
本実施形態では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がない場合においてターボコンプレッサ３４により送り出されるカソードガスの流量は、０．５ＮＬ／ｍｉｎ以上３０ＮＬ／ｍｉｎ以下であり、好ましくは、３ＮＬ／ｍｉｎ以上１４ＮＬ／ｍｉｎ以下である。一方、本実施形態では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がある場合における流量は、１５０ＮＬ／ｍｉｎ以上５０００ＮＬ／ｍｉｎ以下である。なお、１ＮＬ／ｍｉｎは、基準状態（圧力：０．１０１３ＭＰａ、温度０℃、湿度０％）のカソードガスが毎分１Ｌ流れることを意味する。
本実施形態では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がない場合においてターボコンプレッサ３４により送り出されるカソードガスの流量は、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がある場合における流量の最大流量の１％以下である。このようにすることにより、ＦＣ電圧が急激に上昇することを効果的に緩和できるため、燃料電池スタック１００の耐久性が向上する。
カソードガス流量変更制御が開始された場合、まず、制御部２０は、入口弁３６を閉める（工程Ｓ１１０）。ここで、「入口弁３６を閉める」とは、後述する工程Ｓ１３０において入口弁３６が開いている状態よりも開口度を小さくすることを示す。本実施形態では、制御部２０は、入口弁３６によりカソードガス供給流路６２を完全に遮断するが、これに限られず、後述する工程Ｓ１３０において入口弁３６が開いている状態よりも開口度を小さくしていればよい。ここで、「開口度」とは、弁体部の開口面積を弁体部の最大開口面積で除した割合（％）をいう。
次に、制御部２０は、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１より小さいか否かを判断する（工程Ｓ１２０）。本実施形態では、目標電圧Ｖ１は、燃料電池スタック１００の劣化を抑制しつつ、出力応答性を確保可能な電圧であり、予め実験やシミュレーションにより求められた電圧である。本実施形態では、制御部２０は、目標電圧Ｖ１を予め記憶している。ＦＣ電圧は、電圧検出部９１により検出される。
ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１以上であると制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１２０：ＮＯ）、フローは、工程Ｓ１２０に戻る。一方、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１より小さいと制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１２０：ＹＥＳ）、制御部２０は、入口弁３６を開けることにより、燃料電池スタック１００へカソードガスの供給を行う（工程Ｓ１３０）。ここで、「入口弁３６を開ける」とは、工程Ｓ１１０において入口弁３６が閉じている状態よりも開口度を大きくすることを示す。本実施形態では、制御部２０は、工程Ｓ１３０において入口弁３６の弁体部の開口面積を最大とするが、これに限られず、工程Ｓ１１０において入口弁３６が閉じている状態よりも開口度を大きくしていればよい。ここで、カソードガス流量変更制御中において、制御部２０が入口弁３６を開けた状態とすることにより燃料電池スタック１００へカソードガスを供給する期間を「供給期間Ｐ１」と呼ぶ。一方、カソードガス流量変更制御中において、制御部２０が入口弁３６を閉じた状態とすることにより燃料電池スタック１００へカソードガスの供給を停止する期間を「停止期間Ｐ２」と呼ぶ。
入口弁３６を開いた（工程Ｓ１３０）後、制御部２０は、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１以上であるか否かを判断する（工程Ｓ１４０）。ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１より小さいと制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１４０：ＮＯ）、フローは、工程Ｓ１４０に戻る。一方、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１以上であると制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１４０：ＹＥＳ）、フローは工程Ｓ１１０に戻り、制御部２０は、入口弁３６を閉める。制御部２０は、出力要求ゼロ運転モードが終了するまで、上述の一連の処理を繰り返す。
図４は、カソードガス流量変更制御を表すタイミングチャートである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は、上から順に、ＦＣ電圧の変化と、入口弁３６の開閉の状態とを示す。図４には、カソードガス流量変更制御の一部の期間が示されている。
本実施形態では、時間ｔ０から時間ｔ１において、制御部２０は、入口弁３６を閉じた状態とすることにより、燃料電池スタック１００へのカソードガスの供給を停止している。
その後、時間ｔ１から時間ｔ２において、ＦＣ電圧は目標電圧Ｖ１より小さくなっているため、制御部２０は、入口弁３６を開けた状態とすることにより、燃料電池スタック１００へカソードガスを供給している。ここで、時間ｔ１から時間ｔ２までの期間は、制御部２０が入口弁３６を開けた状態とすることにより燃料電池スタック１００へカソードガスを供給する供給期間Ｐ１である。
その後、時間ｔ２から時間ｔ３までの期間は、ＦＣ電圧は目標電圧Ｖ１以上であるため、制御部２０は、入口弁３６を閉じた状態とすることにより、燃料電池スタック１００へのカソードガスの供給を停止している。つまり、時間ｔ２から時間ｔ３までの期間は、制御部２０が入口弁３６を閉じた状態とすることにより燃料電池スタック１００へカソードガスの供給を停止する停止期間Ｐ２である。
同様に、時間ｔ３から時間ｔ４までの期間は供給期間Ｐ１であり、時間ｔ４から時間ｔ５までの期間は停止期間Ｐ２である。本実施形態では、供給期間Ｐ１と停止期間Ｐ２とを一回ずつ備える一周期が、２秒以上５秒以下である。
上述のように、燃料電池スタック１００への出力要求がない期間において、制御部２０は、供給期間Ｐ１と停止期間Ｐ２とを交互に切り替える。つまり、燃料電池スタック１００への出力要求がない期間において、制御部２０は、入口弁３６の開閉を交互に切り替える。このようにすることにより、ＦＣ電圧を、０Ｖより大きく、燃料電池スタック１００の発電時の開回路電圧より小さく制御することができる。この結果として、ＦＣ電圧が高くなりすぎることによって燃料電池スタック１００内の触媒が劣化することを抑制できるとともに、出力要求があった場合に迅速に対応することができる。
また、図４に示すように、本実施形態では、供給期間Ｐ１は停止期間Ｐ２よりも長いが、供給期間Ｐ１は停止期間Ｐ２と同じでもよく、供給期間Ｐ１は停止期間Ｐ２よりも短くてもよい。また、図４に示される状態となる前に、供給期間Ｐ１よりも長い停止期間Ｐ２があってもよい。つまり、最初の供給期間Ｐ１が開始される前に、供給期間Ｐ１よりも長い停止期間Ｐ２があってもよい。
本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がない場合に、ターボコンプレッサ３４を駆動させた状態において、入口弁３６の開閉を交互に切り替える。このため、燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１００へのカソードガスの供給と供給の停止とを短い周期で行うことができるため、ＦＣ電圧の振れ幅を小さくすることができる。また、ターボコンプレッサ３４ではなくルーツ式などの容積圧縮型のコンプレッサを用いる場合、入口弁３６を閉めたとしても、コンプレッサが供給するカソードガスの流量は落ちないため、入口弁３６の閉弁時に入口弁３６とコンプレッサとの間の圧力が異常に上昇し、この結果、カソードガス供給流路６２を損傷する虞がある。一方、本実施形態の燃料電池システム１０では、ターボコンプレッサ３４を用いている。このため、入口弁３６の閉弁時にターボコンプレッサ３４と入口弁３６との間の圧力が上昇することによってターボコンプレッサ３４が供給するカソードガスの供給量が低減するため、ルーツ式などの容積圧縮型のコンプレッサに比べて、ターボコンプレッサ３４と入口弁３６との間の圧力が過度に上昇することを抑制できる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がない場合におけるカソードガスの流量の調整を入口弁３６の開閉により行う。このため、燃料電池システム１０によれば、ターボコンプレッサ３４によりカソードガスの流量の調整を行う場合と比較して、カソードガスの流量の調整を迅速に行うことができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０では、供給期間Ｐ１においてターボコンプレッサ３４により送り出されるカソードガスの流量は、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がある場合における流量よりも小さい。このため、供給期間Ｐ１においてターボコンプレッサ３４により送り出されるカソードガスの流量と燃料電池スタック１００への電力の出力要求がある場合における流量とを同じとした場合よりも、燃費を向上できる。なお、供給期間Ｐ１においてターボコンプレッサ３４により送り出されるカソードガスの流量は、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がある場合における流量よりも大きくてもよく、同じでもよい。
本実施形態の燃料電池システム１０では、ターボコンプレッサ３４にメカニカルシール１８０を用いているため、ターボコンプレッサ３４の回転体１６０の高速回転を実現可能である。また、一般に、内燃機関の上流側にメカニカルシール１８０を用いる場合、メカニカルシール１８０から油が漏れ出したとしても、この油は内燃機関において燃焼するため問題とならない。一方、燃料電池スタック１００の上流側にメカニカルシール１８０を設ける場合、メカニカルシールから油が漏れ出した油は、燃料電池スタック１００の性能を低下させる虞がある。しかし、本実施形態の燃料電池システム１０では、入口弁３６は、カソードガス流路６０のターボコンプレッサ３４よりも下流側に設けられており、入口弁３６が閉まっているときに、ターボコンプレッサ３４のモータ収容部１５０に対して、ターボコンプレッサ３４の回転体収容部１７０内の圧力が相対的に上昇する。この結果として、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、モータ収容部１５０から回転体収容部１７０への油の染み出しを抑制できる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０では、供給期間Ｐ１は、停止期間Ｐ２よりも長い。このため、燃料電池スタック１００内の水蒸気や水の流動性が向上するため、燃料電池システム１０内の環境を良好に保つことができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１０では、制御部２０は、燃料電池スタック１００の電圧が予め定められた目標電圧Ｖ１よりも小さい場合に、入口弁３６を制御することによりＦＣ電圧を上昇させ、燃料電池スタック１００の電圧が目標電圧Ｖ１よりも大きい場合に、入口弁３６を制御することによりＦＣ電圧を低下させる。なお、工程Ｓ１２０における目標電圧Ｖ１と工程Ｓ１４０における目標電圧Ｖ１とを異なる値に設定してもよい。しかし、本実施形態のように、工程Ｓ１２０における目標電圧Ｖ１と工程Ｓ１４０における目標電圧Ｖ１とを同じとすることにより、制御を簡素化できる。
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間欠制御のフローチャートである。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、工程Ｓ１０５と工程Ｓ２００とを備える点で異なるが、その他は同じである。
第２実施形態では、入口弁３６を閉めた後（工程Ｓ１１０）、制御部２０は、入口弁３６を閉める動作が今回のカソードガス間欠制御で初めてか否か判断する。入口弁３６を閉める動作が今回のカソードガス間欠制御で初めての場合（工程Ｓ１０５：ＹＥＳ）、制御部２０は、故障判定処理（工程Ｓ２００）を行う。一方、入口弁３６を閉める動作が今回のカソードガス間欠制御で初めてではない場合（工程Ｓ１０５：ＮＯ）、フローは、工程Ｓ１２０に進む。
図６は、故障判定処理（工程Ｓ２００）のフローチャートである。この処理において、制御部２０は、入口弁３６を閉める旨の指示をした後、予め定められた時間Ｔが経過するまでの間に、ＦＣ電圧が、予め定められた検査電圧Ｖｈよりも小さくなったか否かを判断する（工程Ｓ２１０）。本実施形態では、検査電圧Ｖｈは、燃料電池スタック１００への出力要求がある場合における最低電圧より低く、目標電圧Ｖ１より高い電圧である。検査電圧Ｖｈは、例えば、燃料電池スタック１００への出力要求がある場合における最低電圧と、目標電圧Ｖ１との平均電圧であり、予め実験やシミュレーションにより求められた電圧である。時間Ｔは、例えば、入口弁３６が正常に閉じた場合に、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１まで低下すると予想される時間である。本実施形態では、制御部２０は、予め検査電圧Ｖｈ及び時間Ｔを記憶している。
時間Ｔが経過するまでにＦＣ電圧が、予め定められた検査電圧Ｖｈよりも小さくなった場合（工程Ｓ２１０：ＹＥＳ）、制御部２０は、入口弁３６が正常であると判定し（工程Ｓ２２０）、故障判定処理を終了する。
一方、時間Ｔ経過までにＦＣ電圧が、予め定められた検査電圧Ｖｈよりも小さくならなかった場合（工程Ｓ２１０：ＮＯ）、制御部２０は、入口弁３６が故障（開固着）していると判定して（工程Ｓ２３０）、その旨を図示しない出力装置による音声や表示などによってユーザへ通知し（工程Ｓ２４０）、故障判定処理を終了する。なお、ユーザへの通知に代えて、例えば、再度、入口弁３６を閉める処理を再度行ってもよい。本実施形態では、故障判定処理が終わった後、フローは工程Ｓ１２０（図５参照）に戻る。しかし、制御部２０により入口弁３６が故障していると判定された場合、故障判定処理が終わるとともに、カソードガス流量変更制御を終了してもよく、入口弁３６の変わりに、ターボコンプレッサ３４によってカソードガス流量を変更する制御を行ってもよい。
図７は、ＦＣ電圧と入口弁３６の故障との関係を説明する図である。図７において、縦軸はＦＣ電圧を示し、横軸は時間を示す。なお、一般に、入口弁３６は、通常運転モードにおいて常に開いた状態となっている。このため、入口弁３６が開いた状態で固着する虞がある。
本実施形態では、通常運転モードから出力要求ゼロ運転モードに切り替わった後、制御部２０が入口弁３６を閉める旨の指示を与える。この指示により、入口弁３６が正常である場合、入口弁３６は閉まるため、図７の線Ｌ１に示されるように、入口弁３６を閉める制御をした時間ｔ１０から、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１となる時間ｔ１１までの時間Ｔの間において、ＦＣ電圧は時間とともに低下していく。この結果、制御部２０が入口弁３６を閉じる旨の指示をした後、時間Ｔが経過するまでに、ＦＣ電圧は検査電圧Ｖｈより小さくなる。
一方、入口弁３６が開いた状態において固着している場合、つまり、入口弁３６が故障している場合、制御部２０が入口弁３６を閉める旨の指示を与えても、入口弁３６が閉まらない。このため、入口弁３６を閉める制御をした時間ｔ１０から時間Ｔが経過するまでの間に、図７の線Ｌ２に示されるようにＦＣ電圧は下がらず、時間Ｔが経過するまでの間に、ＦＣ電圧は検査電圧Ｖｈより小さくならない。
第２実施形態では、入口弁３６の開閉を交互に切り替えるカソードガス間欠制御の前に、故障判定制御を行う。つまり、第２実施形態では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がゼロになったことに応じてターボコンプレッサ３４を駆動させた状態で入口弁３６を閉める旨の指示をした後に、故障判定制御を行う。このようにすることにより、入口弁３６の故障を判定できる。
Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態におけるカソードガス流量変更制御のフローチャートである。第３実施形態は、第１実施形態と比較して、工程Ｓ１５０と工程Ｓ１６０とを備える点で異なるが、その他は同じである。
第３実施形態では、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖ１より小さいと制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１４０：ＮＯ）、制御部２０は、ＦＣ電圧が下限電圧Ｖ２より小さいか否かを判断する（工程Ｓ１５０）。下限電圧Ｖ２は、例えば、燃料電池スタック１００内の触媒の酸化反応と還元反応とが切り替わる電圧であり、予め実験やシミュレーションにより求められた電圧である。本実施形態では、制御部２０は、予め下限電圧Ｖ２を記憶している。本実施形態では、下限電圧Ｖ２は目標電圧Ｖ１よりも小さい。
ＦＣ電圧が下限電圧Ｖ２以上であると制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１５０：ＮＯ）、フローは、工程Ｓ１４０に戻る。一方、ＦＣ電圧が下限電圧Ｖ２より小さいと制御部２０が判断した場合（工程Ｓ１５０：ＹＥＳ）、制御部２０は、パージ処理を行う（工程Ｓ１６０）。パージ処理（工程Ｓ１６０）の後、フローは、工程Ｓ１１０に戻る。ここで、パージ処理とは、燃料電池スタック１００内のカソードガス流路６０に存在する水を低減させる処理である。本実施形態では、ターボコンプレッサ３４により供給期間Ｐ１において送り出されるカソードガスの流量の１０倍以上の流量のカソードガスが、ターボコンプレッサ３４により燃料電池スタック１００へ供給される。本実施形態では、パージ処理が数秒間行われる。
第３実施形態によれば、パージ処理を行うことにより、燃料電池スタック１００内のカソードガス流路６０に存在する水に起因するＦＣ電圧の低下を回復させることができる。
Ｄ．他の実施形態
上述の実施形態では、燃料電池スタック１００への電力の出力要求がない場合に、ターボコンプレッサ３４を駆動させた状態において、入口弁３６の開閉を交互に切り替える。しかし、これに限られず、入口弁３６の開閉に代えて、調圧弁３７の開閉を行ってもよい。このような形態としても、燃料電池スタック１００へのカソードガスの供給と供給の停止とを短い周期で行うことができるため、ＦＣ電圧の振れ幅を小さくすることができる。しかし、入口弁３６の開閉を行うほうが、調圧弁３７の開閉を行うよりも、燃料電池スタック１００へのカソードガスの流量の調整を迅速に行うことができるため、好ましい。なお、入口弁３６の開閉に代えて、調圧弁３７の開閉を行う場合、調圧弁３７を閉めることによりＦＣ電圧が上昇し、調圧弁３７を開けることによりＦＣ電圧が低下する。
上述の実施形態では、出力要求ゼロ運転モード中において、燃料電池スタック１００から電流を発生させないが、これに限られず、例えば、小さな電流を燃料電池スタック１００から発生させてもよい。このような場合についても、出力要求ゼロ運転モードに含まれる。
上述の実施形態では、カソードガス供給流路６２のターボコンプレッサ３４よりも下流側に入口弁３６が設けられており、カソードガス排出流路６４に調圧弁３７が設けられている。しかし、これに限られず、例えば、弁が、カソードガス供給流路６２のターボコンプレッサ３４よりも上流側に設けられていてもよい。
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、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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…燃料電池システム
２０…制御部
２１…ＥＣＵ
３２…エアフローメータ
３４…ターボコンプレッサ
３６…入口弁
３７…調圧弁
３８…バイパス弁
４４…圧力計
６０…カソードガス流路
６２…カソードガス供給流路
６４…カソードガス排出流路
６６…バイパス流路
８０…アノードガス流路
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…電圧検出部
９２…二次電池
１００…燃料電池スタック
１００ａ…アノード
１００ｃ…カソード
１１０…ソレノイド
１２０…シャフト
１３０…ロータ
１４０…マグネット
１５０…モータ収容部
１５５…油
１６０…回転体
１７０…回転体収容部
１８０…メカニカルシール
１８２…固定環
１８４…回転環
１９０…モータ
Ｌ１…線
Ｌ２…線
Ｐ１…供給期間
Ｐ２…停止期間
Ｔ…時間
Ｖ１…目標電圧
Ｖ２…下限電圧
Ｖｈ…検査電圧

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックへカソードガスを供給する流路であるカソードガス供給流路と、
    前記燃料電池スタックからカソードガスを排出する流路であるカソードガス排出流路と、
    前記カソードガス供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックへカソードガスを送り出すターボコンプレッサと、
    前記カソードガス供給流路に設けられた入口弁と、
    前記ターボコンプレッサと前記入口弁とを含む前記燃料電池システムの構成部品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の出力要求がない場合に、前記ターボコンプレッサを駆動させた状態において、前記入口弁の開閉を交互に切り替えるカソードガス流量変更制御を行う、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、
    前記燃料電池スタックへの電力の出力要求がない場合における前記ターボコンプレッサが送り出すカソードガスの流量は、前記燃料電池スタックへの電力の出力要求がある場合における流量よりも小さい、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記入口弁は、前記カソードガス供給流路の前記ターボコンプレッサよりも下流側に設けられており、
    前記ターボコンプレッサは、
    前記カソードガスを送り出す回転体を収容する回転体収容部と、
    前記回転体を駆動するモータを収容し、一部が油により満たされているモータ収容部と、
    前記回転体収容部から前記モータ収容部へ前記油が染み出すことを封止するメカニカルシールと、を備える、燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部を備え、
    前記制御部は、前記電圧が予め定められた目標電圧よりも小さい場合に、前記入口弁を制御することにより前記電圧を上昇させ、前記電圧が前記目標電圧よりも大きい場合に、前記入口弁を制御することにより前記電圧を低下させる、燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部を備え、
    前記入口弁は、前記カソードガス供給流路に設けられており、
    前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力の出力要求がゼロになったことに応じて前記ターボコンプレッサを駆動させた状態で前記入口弁を閉める旨の指示をした後、予め定められた時間が経過するまでの間に、
    （ｉ）前記電圧が、予め定められた検査電圧よりも小さくならない場合、前記入口弁が故障していると判定し、
    （ｉｉ）前記電圧が前記検査電圧よりも小さくなった場合、前記入口弁は正常であると判定し、その後、前記カソードガス流量変更制御を行う、燃料電池システム。
  6. 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへカソードガスを送り出すターボコンプレッサと、前記燃料電池スタックのカソードガス供給流路に設けられた入口弁と、を備え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の出力要求がない場合に、前記ターボコンプレッサを駆動させた状態において、前記入口弁の開閉を交互に切り替えるカソードガス流量変更制御を行う、燃料電池システムの制御方法。
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