JP7156085B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池システム、および燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料電池が発電を継続する過程において、燃料電池のカソードが備える触媒上に、発電に伴って酸化被膜が形成されて、発電性能が低下する場合がある。このように低下した発電性能を回復させるために、燃料電池の電圧を、触媒上の酸化被膜が還元される還元電圧にまで引き下げて、酸化被膜を除去する処理（リフレッシュ処理）を実行する方法が知られている。特許文献１には、燃料電池システムにおける負荷要求が小さく燃料電池からの発電指令値がゼロに設定されている運転状態（いわゆる間欠運転）から、負荷要求に応じた電力を燃料電池が発電する運転状態（いわゆる通常運転）に移行する際に、リフレッシュ処理を実行する構成が開示されている。
国際公開第２０１３／１２８６１０号
しかしながら、間欠運転から通常運転に移行する際にリフレッシュ処理を実行すると、リフレッシュ処理時の燃料電池の電圧が、所望の適切な還元電圧から外れてばらつく場合があるという新たな問題点を、本願発明者等は見出した。リフレッシュ処理時の燃料電池の電圧が所望の還元電圧よりも低くなると、触媒が過剰に還元される可能性がある。そのため、リフレッシュ処理時の燃料電池の電圧のばらつきを抑え、リフレッシュ処理時の燃料電池の電圧を、所望の還元電圧により近づける技術が望まれていた。
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
（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、複数の単セルが積層されており、酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとの供給を受けて負荷に対して電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記燃料電池システムの運転状態を制御する制御部と、前記燃料電池内の酸素量を判定する判定部と、を備える。前記制御部は、前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超えるときには、前記要求電力に応じた電力を前記燃料電池が発電する通常運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、前記要求電力が前記基準値以下となるときには、前記通常運転モードにおいて前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記酸化ガス供給部によって前記燃料電池に供給させる間欠運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、前記間欠運転モードから前記通常運転モードに移行する際に、前記間欠運転モードが終了したタイミングで前記燃料電池から電流を掃引して、前記燃料電池の電圧を還元電圧に低下させるリフレッシュ処理を実行し、前記タイミングで前記判定部が判定した前記酸素量が少ないほど、前記リフレッシュ処理の開始時に前記燃料電池から掃引する電流を、より少ない値に設定する。
この形態の燃料電池システムによれば、リフレッシュ処理の実行時に、燃料電池の電圧が所望の還元電圧から外れてばらつくことを抑えることができる。そのため、リフレッシュ処理時の電圧が低すぎて触媒が過剰に還元されることを、抑えることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記タイミングにおける前記燃料電池の電圧が低いほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが通常有する電圧センサを用いて、燃料電池内の酸素量を判定することができるため、酸素量を取得するために特別なセンサをさらに設ける必要がなく、システム構成の複雑化を抑えることができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記タイミングにおける、前記燃料電池を構成する前記複数の単セルの各々の電圧のうちの最大値と最小値との差が大きいほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが通常有する電圧センサを用いて燃料電池内の酸素量を判定することができるため、酸素量を取得するために特別なセンサをさらに設ける必要がなく、システム構成の複雑化を抑えることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記タイミングにおける、前記燃料電池を構成する前記複数の単セルの各々の電圧のうちの最小値が小さいほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定することとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが通常有する電圧センサを用いて燃料電池内の酸素量を判定することができるため、酸素量を取得するために特別なセンサをさらに設ける必要がなく、システム構成の複雑化を抑えることができる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを駆動用電源として搭載する移動体、燃料電池のカソードの酸化被膜除去方法、燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法、このような制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
燃料電池車両の概略構成を表わすブロック図である。 リフレッシュ処理ルーチンを表わすフローチャートである。 リフレッシュ処理を行なう前後の様子を表わす説明図である。 燃料電池のＩＶ特性と酸化ガスの流量との関係を示す説明図である。 比較例におけるリフレッシュ処理の前後の様子を表わす説明図である。
Ａ．第１実施形態：
（Ａ－１）燃料電池システムの概略：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池車両２０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。燃料電池システム３０と、燃料電池車両２０の駆動モータ１７０との間は、配線１７８によって接続されており、配線１７８を介して、燃料電池システム３０と駆動モータ１７０との間で電力がやり取りされる。
燃料電池システム３０は、燃料電池１００と、水素タンク１１０を含む燃料ガス供給部１２０と、コンプレッサ１３０を含む酸化ガス供給部１４０と、２次電池１７２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４と、制御部２００と、を備える。なお、燃料電池システム３０は、燃料電池１００を冷却するための冷媒を燃料電池１００内に流通させる図示しない冷媒循環部を、さらに備えている。燃料電池システム３０では、燃料電池１００および２次電池１７２の各々が単独で、あるいは、燃料電池１００および２次電池１７２の双方から同時に、駆動モータ１７０を含む負荷に対して電力を供給可能となっている。
燃料電池１００は、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側に酸素が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。燃料電池１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４および配線１７８を介して、駆動モータ１７０を含む負荷に接続されている。燃料電池１００の出力電流は、電流センサ１０１によって検出され、燃料電池１００の出力電圧は、電圧センサ１０２によって検出される。また、燃料電池１００を構成する各単セルの電圧は、セルモニタ１０６によって検出される。電流センサ１０１、電圧センサ１０２、およびセルモニタ１０６の検出信号は、制御部２００に出力される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、制御部２００の制御信号を受けて、燃料電池１００の出力状態を変更する機能を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池１００から上記負荷に向けて電流および電圧を取り出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４におけるスイッチング制御によって、燃料電池１００から取り出す電流および電圧を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池１００が発電した電力を駆動モータ１７０等の負荷に供給する際に、燃料電池１００の出力電圧を、上記負荷で利用可能な電圧に昇圧する。
燃料ガス供給部１２０が備える水素タンク１１０は、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する装置である。具体的には、例えば、高圧の水素ガスを貯蔵するタンク、あるいは、水素吸蔵合金を内部に備えて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとすることができる。燃料ガス供給部１２０は、水素タンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給流路１２１と、アノードオフガスを水素供給流路１２１に循環させる循環流路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための水素放出流路１２３と、を備える。燃料ガス供給部１２０において、水素タンク１１０に貯蔵された水素ガスは、水素供給流路１２１の開閉バルブ１２４および減圧バルブ１２５を経て、減圧バルブ１２５の下流のインジェクタ１２６から、燃料電池１００のアノード側流路に供給される。循環流路１２２を循環する水素の圧力は、循環ポンプ１２７によって調節される。インジェクタ１２６および循環ポンプ１２７の駆動量は、燃料電池１００の目標発電量に応じて制御部２００によって調節される。
なお、循環流路１２２を流れる水素ガスの一部は、循環流路１２２から分岐した水素放出流路１２３に設けられて開閉状態が制御される開閉バルブ１２９を経由して、大気放出される。これにより、循環流路１２２内を循環する水素ガス中の水素以外の不純物（水蒸気や窒素など）を流路外に排出することができ、燃料電池１００に供給される水素ガス中の不純物濃度の上昇を抑制することができる。上記した開閉バルブ１２９の開閉のタイミングは、制御部２００によって調節される。
酸化ガス供給部１４０は、酸素を含有する酸化ガス（本実施形態では空気）を燃料電池１００に供給する。酸化ガス供給部１４０は、コンプレッサ１３０の他に、空気流路１４１および空気放出流路１４２を備える。空気流路１４１により、コンプレッサ１３０が取り込んだ空気が、燃料電池１００内のカソード側流路に供給される。空気流路１４１には、流量センサ１４７が設けられており、流量センサ１４７は、空気流路１４１を介して取り込まれる空気の総流量を検出する。燃料電池１００から排出されるカソードオフガスは、空気放出流路１４２を介して大気放出される。空気放出流路１４２には、既述した水素放出流路１２３が接続されており、水素放出流路１２３を介して放出される水素は、大気放出に先立って、空気放出流路１４２を流れる空気によって希釈される。コンプレッサ１３０の駆動量は、制御部２００によって調節される。
２次電池１７２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４を介して配線１７８に接続しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４とは、配線１７８に対して並列に接続されている。２次電池１７２としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池など、種々の蓄電装置を採用することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、２次電池１７２の充放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御部２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充放電を制御する。この他、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、出力側の目標電圧を制御部２００の制御下で設定することにより、２次電池１７２の蓄電電力の引出と駆動モータ１７０への電圧印加とを行い、電力引出状態と駆動モータ１７０にかかる電圧レベルを可変に調整する。
制御部２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成される。制御部２００は、燃料ガス供給部１２０や酸化供給部１４０が備える既述したセンサの他、アクセル開度センサ１８０、シフトポジションセンサ、車速センサ、および外気温センサ等、種々のセンサから検出信号を取得して、燃料電池車両２０に係る種々の制御を行なう。例えば、制御部２００は、アクセル開度センサ１８０の検出信号等に基づいて、駆動モータ１７０に要求される要求出力の大きさを求め、要求出力に応じた電力が燃料電池１００と２次電池１７２との少なくとも一方から得られるように、各部に駆動信号を出力する。具体的には、燃料電池１００から電力を得る場合には、所望の電力が燃料電池１００から得られるように、燃料ガス供給部１２０や酸化供給部１４０からのガス供給量を制御する。また、制御部２００は、燃料電池１００と２次電池１７２のうちの少なくとも一方から駆動モータ１７０等の負荷に対して所望の電力が供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、１７４を制御する。
なお、図１では、制御部２００によって、燃料電池車両２０全体を制御することとなっているが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池システム３０を制御する制御部や、燃料電池車両２０の走行に係る制御部や、走行に関わらない車両補機の制御を行なう制御部など、複数の制御部を備えることとし、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしてもよい。
（Ａ－２）運転モードとリフレッシュ処理：
本実施形態の燃料電池車両２０では、燃料電池システム３０の稼働中に、通常運転モードと間欠運転モードとを含む複数の運転モードが切り換えられる。通常運転モードとは、燃料電池システム３０に対する負荷からの要求電力が、予め定めた基準値を超える場合に選択される運転モードであって、駆動モータ１７０を含む負荷の要求電力に応じた電力を燃料電池１００が発電する運転モードである。通常運転モードにおいて、負荷の要求電力の少なくとも一部は、２次電池１７２が出力してもよい。間欠運転モードとは、燃料電池システム３０に対する負荷からの要求電力が、予め設定した基準値以下となる場合に選択される運転モードである。本実施形態では、間欠運転モードにおいては、通常運転モードにおいて燃料電池１００に供給される酸素量よりも少ない酸素量であって、燃料電池１００の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、酸化ガス供給部１４０によって燃料電池１００に供給させる。本実施形態では、間欠運転モードにおける燃料電池１００の出力電流はゼロになる。本実施形態では、駆動モータ１７０の要求電力がゼロであるとき（例えば、アクセルオフ時）に、間欠運転モードとなる。
本実施形態の燃料電池システム３０では、間欠運転モードから通常運転モードに移行する際に、間欠運転モードが終了したタイミングで、燃料電池１００の発電開始と共に、リフレッシュ処理を実行する。リフレッシュ処理とは、燃料電池１００から電流を掃引して、燃料電池１００の出力電圧を、燃料電池１００を構成する各単セルのカソード上に形成された酸化被膜が還元される還元電圧に、低下させる処理である。燃料電池１００の出力電圧が酸化電圧になるとき（カソードが酸化電位になるとき）には、カソードが備える触媒上に酸化被膜が形成される。また、燃料電池１００の出力電圧が還元電圧になるとき（カソードが還元電位になるとき）には、上記酸化被膜が還元されることにより酸化被膜がカソード上から除去される。カソード上に酸化被膜が形成されると、触媒の有効面積が減少して、発電性能が低下し得る。そのため、本実施形態の燃料電池システム３０では、燃料電池１００から電流を掃引して燃料電池の出力電圧を強制的に低下させて、カソード上の酸化被膜を除去するリフレッシュ処理を行なう。
図２は、制御部２００のＣＰＵにおいて実行されるリフレッシュ処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム３０が起動された後、使用者によるシステム停止の指示が入力されるまで、燃料電池システム３０の稼働中に繰り返し実行される。
図３は、本実施形態の燃料電池システム３０において、リフレッシュ処理を行なう前後における、燃料電池１００の出力電流（燃料電池１００の総電流であり、ＦＣ電流とも呼ぶ）と、燃料電池１００の電圧（燃料電池１００の総電圧であり、ＦＣ電圧とも呼ぶ）と、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量（エア流量とも呼ぶ）と、の関係を表わす説明図である。図３では、横軸は時間を示している。本実施形態では、既述したように、間欠運転モードから通常運転モードに移行する際に、間欠運転モードが終了したタイミングでリフレッシュ処理を実行する。そして、間欠運転モードの終了時における燃料電池１００内の酸素量（以下、残留酸素量とも呼ぶ）に応じて、リフレッシュ処理の開始時に燃料電池１００から掃引する電流値を変更している。以下では、図２および図３を用いて、燃料電池システム３０で実行されるリフレッシュ処理について説明する。
図２のリフレッシュ処理ルーチンが開始されると、制御部２００は、燃料電池システム３０の運転状態が、間欠運転モードであるか否かを判断する（ステップＳ１００）。燃料電池システム３０の運転状態が、間欠運転モードではない場合には（ステップＳ１００：ＮＯ）、制御部２００は、本ルーチンを終了する。
以下では、間欠運転モードについて、さらに詳しく説明する。既述したように、本実施形態では、間欠運転モードにおける燃料電池１００の出力電流はゼロになる。このとき、燃料電池１００と、駆動モータ１７０等の負荷との間の電気的な接続が遮断される。図３に示すように、間欠運転モードにおいては、燃料電池１００の電圧は、電圧Ｖａと、電圧Ｖａよりも低い電圧Ｖｂとの間に維持される。一般に、燃料電池１００が発電状態から停止状態になるとき、すなわち、発電のために十分な（過剰な）水素と酸素とが燃料電池１００に供給される状態で、燃料電池１００と負荷との接続を遮断して出力電流を０にするときには、燃料電池１００は、極めて高い開回路電圧（以下、通常運転モードのＯＣＶとも呼ぶ）を示す。このことは、燃料電池１００のカソードの電極電位が非常に高くなることを示し、このような状態においては、電極触媒の劣化および電池性能の低下が引き起こされる可能性がある。そこで、本実施形態では、燃料電池１００の性能低下を抑えるために、発電停止を伴う間欠運転モードにおいては、カソード側流路に供給する酸素量を制御することによって、間欠運転モードの開回路電圧（以下、間欠運転モードのＯＣＶとも呼ぶ）を、通常運転モードのＯＣＶよりも低い上記した所望の範囲（電圧Ｖａから電圧Ｖｃの間）に抑えている。
本実施形態では、間欠運転モードであっても、循環ポンプ１２７の駆動が継続されて、アノード側流路においては充分量の水素が確保されている。このように、アノード側流路に水素が存在する状態で燃料電池１００の発電および酸化ガスの供給を停止すると、各単セルにおいて、アノード側流路からカソード側流路へと電解質膜を介して水素が透過し、透過した水素の酸化反応がカソードで進行する。その結果、電解質膜を透過した水素の酸化反応により、カソード側流路内の酸素が消費され、間欠運転モードのＯＣＶが低下する。図３に示すように、本実施形態では、間欠運転モードのＯＣＶが下限値である電圧Ｖｃを下回らないように酸化ガスの供給が断続的に行なわれ、供給される酸化ガスの流量は、間欠運転モードのＯＣＶが上限値である電圧Ｖａを上回らないように抑えられる。図３では、一例として、ＦＣ電圧が電圧Ｖｃに低下した時間ｔ１および時間ｔ２において、一定時間、一定量の空気を供給する様子が示されている。
間欠運転モードのＯＣＶの上限値である電圧Ｖａと、下限値である電圧Ｖｃとは、適宜設定すればよい。例えば、間欠運転モードのＯＣＶの上限値である電圧Ｖａは、高電位に起因する電極触媒の劣化（溶出）を抑える観点からは、平均セル電圧に換算して、０．９Ｖ以下となるように定めることが望ましく、０．８５Ｖ以下とすることがより望ましく、０．８Ｖ以下とすることがさらに望ましい。また、カソードの電極触媒を過剰に還元状態にしないために、各セル電圧がいずれも０Ｖに低下しないことが望ましい。したがって、間欠運転モードのＯＣＶの下限値である電圧Ｖｃは、平均セル電圧に換算して、０．１Ｖ以上とすることが望ましく、０．２Ｖ以上とすることがさらに望ましい。また、間欠運転モードから通常運転モードに移行して発電を開始するときの応答性を確保するためには、間欠運転モードにおけるＦＣ電圧は高い方が望ましい。そのため、上記応答性の確保の観点からは、間欠運転モードのＯＣＶの下限値である電圧Ｖｃは、平均セル電圧に換算して、例えば０．６Ｖ以上とすることが望ましく、０．７Ｖ以上とすることがさらに望ましい。
上記説明では、間欠運転モードにおいて断続的に酸化ガスを供給することとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、常に微量の酸化ガスを燃料電池１００に供給してもよい。既述したように、発電停止時にはアノード側流路からカソード側流路に水素が透過して、カソード側流路内の酸素が消費されるため、例えば、このような透過水素に起因する酸素の消費量に相当する極めて少ない量の酸化ガスを、継続的に燃料電池１００に供給することとしてもよい。この場合には、間欠運転モードのＯＣＶが上記上限値Ｖａと下限値Ｖｃとの間の範囲から外れないように、電圧センサ１０２の検出値を用いたフィードバック制御を行なうことにより、燃料電池１００に供給する酸化ガス量を、さらに調節すればよい。このように、間欠運転モードは、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量が、通常運転モードにくらべて大きく抑えられた運転モードであるといえる。
燃料電池１００に供給する酸化ガス量は、コンプレッサ１３０の駆動量と、分流弁１４４の開弁状態と、背圧弁１４３の開度と、によって定まる。本実施形態では、間欠運転モードにおいては、これらのうち、コンプレッサ１３０の駆動量および分流弁１４４の開弁状態を固定しつつ、背圧弁１４３の開度を変更することにより、間欠運転モードのＯＣＶが上記範囲となるように制御している。
図２に戻り、燃料電池システム３０の運転状態が間欠運転モードである場合には（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、制御部２００は、通常運転モードに変更するための指示入力がなされたか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０においては、例えば、アクセル開度センサ１８０がアクセルの踏み込みを検知したときに、通常運転モード開始の指示が入力されたと判断することができる。制御部２００は、通常運転モードに変更するための指示入力がなされたと判断するまで、ステップＳ１１０の判断を繰り返す。
ステップＳ１１０において、通常運転モードに変更するための指示入力がなされたと判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部２００は、燃料電池１００における残留酸素量、すなわち、間欠運転モードの終了時において燃料電池１００の内部に残留する酸素量である、残留酸素量を判定する（ステップＳ１２０）。本実施形態では、制御部２００は、間欠運転モードの終了時における燃料電池１００の電圧、すなわち、間欠運転モードが終了して燃料電池１００が発電を開始する直前の電圧が低いほど、燃料電池１００における残留酸素量が少ないと判定する。既述したように、間欠運転モードにおいては、電解質膜を透過した水素との反応によってカソード側流路内の酸素が消費されることにより、燃料電池１００の電圧が低下するためである。ステップＳ１２０において制御部２００は、燃料電池１００内の酸素量を判定する判定部として機能する。
その後、制御部２００は、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量を取得する（ステップＳ１３０）。通常運転モードに変更するための指示入力がなされると、間欠運転モードの終了時に燃料電池１００に対する酸化ガスの供給が行なわれていない場合であっても、コンプレッサ１３０が駆動されて、酸化ガスの供給が開始される。燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量は、例えば、流量センサ１４７の検出値とすることができる。あるいは、燃料電池１００に供給される酸化ガス流量は、コンプレッサ１３０の駆動量から求めることとしてもよい。あるいは、リフレッシュ処理の開始直後は酸化ガスの供給量が少ないため、酸化ガスの供給量の初期値として予め定めた値を制御部２００に記憶しておき、ステップＳ１３０では、上記記憶した初期値を取得してもよい。
そして、制御部２００は、ステップＳ１３０で取得した酸化ガスの流量と、ステップＳ１２０で判定した残留酸素量とを用いて、リフレッシュ処理の開始時に燃料電池１００から掃引する電流値を設定する（ステップＳ１４０）。
図４は、燃料電池１００のＩＶ特性（電流－電圧特性）と、燃料電池１００に供給される酸化ガス（空気）の流量との関係を示す説明図である。以下では、図３および図４を用いて、ステップＳ１４０において設定される、リフレッシュ処理の開始時に燃料電池１００から掃引する電流値について説明する。図４において、横軸は燃料電池１００の出力電流を示し、縦軸は燃料電池１００の出力電圧を示す。図４では、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量が異なる３つの場合における燃料電池１００のＩＶ特性を表わす３つのグラフＣ１～Ｃ３を示している。グラフＣ１は、供給される酸化ガス流量が最も少ない場合を示し、グラフＣ３は、供給される酸化ガス流量が最も多い場合を示す。なお、図４のＩＶ特性は、燃料電池１００に供給される燃料ガスの流量が、酸化ガスの流量に対して過剰である場合を示す。
図４に示すように、燃料電池１００においては、供給される酸化ガスの流量が少ないほど、出力電流の増加に対する出力電圧の低下の程度は大きくなる。そのため、リフレッシュ処理時において、還元電圧である所望のリフレッシュ電圧ＶＲを実現するために燃料電池１００から掃引すべき電流値は、供給される酸化ガスの流量が少ないほど、小さくなることが理解される。図４では、酸化ガスの流量がより少ないグラフＣ１では、リフレッシュ電圧ＶＲを実現するための電流値がＩ１であり、酸化ガスの流量がより多いグラフＣ３では、リフレッシュ電圧ＶＲを実現するための電流値が、Ｉ１よりも大きな値であるＩ２であることが示されている。本実施形態のステップＳ１４０では、ステップＳ１３０で取得した酸化ガスの流量と、図４に示すＩＶ特性とを用いて、所望のリフレッシュ電圧ＶＲを実現するために燃料電池１００から掃引すべき電流値を設定する。このとき、ステップＳ１２０で判定した残留酸素量が少ないほど、燃料電池１００から掃引すべき電流を、より少なく設定する。
図３では、間欠運転モードが終了するタイミングが、時間ｔ３で表わされており、時間ｔ３における燃料電池１００の電圧が、ポイント（ａ）として示すように、間欠運転モードにおける電圧の上限値である電圧Ｖａとなっている様子が示されている。このとき、ステップＳ１２０では、燃料電池１００の残留酸素量は、最大値であると判定される。そして、ステップＳ１４０では、リフレッシュ処理の開始時に掃引する電流値として、ステップＳ１３０で取得した酸化ガスの流量に対して、最も大きい値である電流ＩＲａが設定される。このような電流値で掃引してリフレッシュ処理を行なったときの、燃料電池１００の出力電流および出力電圧を、図３では破線で示している。
これに対して、間欠運転モードが終了するタイミングである時間ｔ３において、燃料電池１００の電圧が、ポイント（ｃ）として示すように、間欠運転モードにおける電圧の下限値である電圧Ｖｃとなっている場合には、ステップＳ１２０では、燃料電池１００の残留酸素量は、最小値であると判定される。そして、ステップＳ１４０では、リフレッシュ処理の開始時に掃引する電流値として、ステップＳ１３０で取得した酸化ガスの流量に対して、最も小さい値である電流ＩＲｃが設定される。時間ｔ３における燃料電池１００の電圧が電圧Ｖｃである場合にリフレッシュ処理を行なったときの、燃料電池１００の出力電流および出力電圧を、図３では一点鎖線で示している。
また、間欠運転モードが終了するタイミングである時間ｔ３において、燃料電池１００の電圧が、ポイント（ｂ）として示すように、間欠運転モードにおける電圧の上限値（Ｖａ）と下限値（Ｖｃ）との間の電圧Ｖｂとなっている場合には、ステップＳ１２０では、燃料電池１００の残留酸素量は、上記した最大値と最小値との間の値であると判定される。そして、ステップＳ１４０では、リフレッシュ処理の開始時に掃引する電流値として、ステップＳ１３０で取得した酸化ガスの流量に対して、上記した最も大きい値と最も小さい値との中間の値である電流ＩＲｂが設定される。時間ｔ３における燃料電池１００の電圧が電圧Ｖｂである場合にリフレッシュ処理を行なったときの、燃料電池１００の出力電流および出力電圧を、図３では実線で示している。
間欠運転モードから通常運転モードへの移行時とは、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量が増加し始めて燃料電池１００の発電が開始されるときであり、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量は、目標発電量に対して過剰量の反応ガスが供給される通常運転モードに比べて少ない。図３では、通常運転の指示入力後にエア流量が急激に増加する様子を、矢印によって示している。このように供給される酸化ガスの流量が比較的少ない結果、間欠運転モードから通常運転モードへの移行時に燃料電池１００から電流を掃引したときのＦＣ電圧は、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量に加えて、さらに、リフレッシュ処理の開始時に燃料電池１００内に存在している残留酸素量の影響を受けることになる。
本実施形態では、燃料電池１００に供給する酸化ガス流量、および、間欠運転モードの終了時におけるＦＣ電圧と、所望のリフレッシュ電圧ＶＲを実現するための電流値と、の対応関係を示すマップを、予め制御部２００内の記憶部に記憶している。そして、ステップＳ１４０では、このマップを参照して、掃引すべき電流値を設定している。上記したマップは、予め実験により求めた値を用いて作成してもよく、あるいは、シミュレーションの結果を用いて作成してもよい。
ステップＳ１４０で電流値を設定した後、制御部２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４を駆動して、ステップＳ１４０で設定した電流値にて燃料電池１００から電流を掃引してリフレッシュ処理を行ない（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。
図３では、時間ｔ４まで、上記した電流を掃引してリフレッシュ処理を実行する様子を示している。通常運転モードに変更するための指示入力がなされた後には、負荷からの要求電力に応じた目標電力を燃料電池１００が発電可能となるように、コンプレッサ１３０が駆動される。駆動直後にはコンプレッサの駆動量は少ないが、次第に増加し、やがて、目標電力に応じた目標駆動量に達する。図３では、リフレッシュ処理を行なわない場合であって、次第に増加するエア流量に応じて燃料電池１００の発電を行なって、燃料電池１００の出力電流が増加すると共に出力電圧が低下する様子が、二点鎖線で示されている。リフレッシュ処理が終了して、強制的な電流の掃引が停止された後には、負荷からの要求電力に応じた発電を行なうための、通常運転モードとしての制御が行なわれる。図３では、リフレッシュ処理が終了して通常運転モードとしての制御が開始されるタイミングを、時間ｔ５として示している。通常運転モードを開始する指示の後、燃料電池１００の発電量では負荷からの要求電力に対して不足する場合には、不足分の電力は、２次電池１７２から供給される。
なお、図３では、リフレッシュ処理が終了する時間ｔ４まで、リフレッシュ処理時に掃引する電流値として、リフレッシュ処理の開始時にステップＳ１４０で設定した電流値が維持される様子を示したが、異なる構成としてもよい。図４を用いて説明したように、所望の電圧を実現するために掃引すべき電流値は、酸化ガスの流量の影響を受ける。そのため、リフレッシュ処理の開始後、酸化ガスの流量の増加に応じて、掃引する電流値を増加させることとしてもよい。また、例えば、リフレッシュ処理の開始後、残留酸素量が燃料電池１００の出力電圧に与える影響が次第に小さくなる場合には、掃引する電流値を、ステップＳ１２０の残留酸素量に関わらず、供給される酸化ガスの流量に応じて定まる特定の値へと、次第に近づけることとしてもよい。このように、リフレッシュ処理の開始後は、燃料電池１００の出力電圧が所望のリフレッシュ電圧ＶＲに維持されるように、掃引する電流値を、ステップＳ１４０で設定した値から、必要に応じて適宜修正してもよい。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム３０によれば、リフレッシュ処理の実行時に、ＦＣ電圧が所望のリフレッシュ電圧ＶＲから外れてばらつくことを抑えることができる。そのため、リフレッシュ処理時の出力電圧が低すぎて電極の触媒が過剰に還元されることを、抑えることができる。触媒の過剰な還元を抑えることにより、電極の劣化を抑制可能となり、燃料電池１００の耐久性を向上させることができる。さらに本実施形態では、リフレッシュ処理の実行時に、ＦＣ電圧が所望のリフレッシュ電圧ＶＲから外れてばらつくことを抑えることができるため、リフレッシュ処理時の出力電圧が高すぎて発電性能の回復が不十分になることを、抑えることができる。発電性能を十分に回復できることにより、燃料電池車両２０における燃費あるいは航続距離を、向上させることができる。さらに、本実施形態では、間欠運転モードの終了時における燃料電池１００の電圧を用いて残留酸素量を判断しているため、残留酸素量を取得するために特別なセンサを設ける必要がなく、システム構成の複雑化を抑えることができる。
図５は、比較例の燃料電池システムにおいて、リフレッシュ処理を行なう前後における、ＦＣ電流と、ＦＣ電圧と、エア流量と、の関係を、図３と同様にして示す説明図である。図５に示す比較例では、図４を用いて説明したように、燃料電池に供給する酸化ガスの流量のみを考慮して、残留酸素量を考慮することなく電流値を設定して、リフレッシュ処理を行なった様子を示す。このような場合には、間欠運転モードの終了時における残留酸素量に応じて、リフレッシュ処理時のＦＣ電圧がばらつくことになる。すなわち、間欠運転モードが終了する時間ｔ３における燃料電池の電圧が、ポイント（ａ）として示す上限値電圧Ｖａである場合には、リフレッシュ処理時のＦＣ電圧は、所望のリフレッシュ電圧ＶＲよりも高い電圧ＶＲａになる。そして、時間ｔ３における燃料電池の電圧が、ポイント（ｃ）として示す下限値電圧Ｖｃである場合には、リフレッシュ処理時のＦＣ電圧は、所望のリフレッシュ電圧ＶＲよりも低い電圧ＶＲｃになる。本実施形態によれば、残留酸素量が少ないほど、リフレッシュ処理の開始時に燃料電池から掃引する電流を、より少なく設定するため、上記のようなリフレッシュ処理時のＦＣ電圧のばらつきを抑えて、ＦＣ電圧を所望のリフレッシュ電圧ＶＲに近づけることができる。
なお、本実施形態によれば、間欠運転モードから通常運転モードに移行する際に、間欠運転モードが終了したタイミングで、リフレッシュ処理を実行している。仮に、通常運転モードにおいてリフレッシュ処理を実行する場合には、リフレッシュ処理を行なうことにより燃料電池１００の出力電圧が低下するため、通常運転モードにおいて負荷要求に対する応答性が低下する等の不都合が発生する可能性がある。本実施形態のように上記タイミングでリフレッシュ処理を実行することで、応答性の低下等の不都合の発生を抑えることができる。また、通常運転モードにおいてリフレッシュ処理を実行する場合には、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量が比較的多いため、図４から理解されるように、ＦＣ電圧を還元電圧に低下させるためには、より多くの電流を掃引して、リフレッシュ処理時の発電量をより多くする必要がある。本実施形態のように上記タイミングでリフレッシュ処理を実行する場合には、リフレッシュ処理時に掃引する電流値を抑え、リフレッシュ処理時の発電に伴う水素消費量を抑えることができる。
また、間欠運転モードでは、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量がゼロ、あるいは、極めて少なくなっている。そのため、仮に、間欠運転モードにおいてリフレッシュ処理を実行する場合には、リフレッシュ処理のために酸化ガスを供給する特別な制御が必要になる、あるいは、リフレッシュ処理後に通常運転モードに移行する場合の応答性が悪くなる等の不都合が生じ得る。本実施形態のように上記タイミングでリフレッシュ処理を実行することにより、このような不都合の発生を抑えることができる。
Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、間欠運転モードの終了時における燃料電池１００の電圧が低いほど、ステップ１２０において燃料電池１００の残留酸素量が少ないと判定しているが、異なる構成としてもよい。例えば、間欠運転モードの終了時における、燃料電池１００を構成する複数の単セルの各々の電圧のうちの最大値と最小値との差が大きいほど、残留酸素量が少ないと判定してもよい。燃料電池１００を構成する各々の単セルの電圧は、図１に示したセルモニタ１０６によって検出される。
残留酸素量が少ないとき、すなわち、燃料電池１００内に存在する酸化ガス量が少ないときほど、単セル間での酸化ガスの分配ばらつきが大きくなり易く、単セルごとの残留酸素量の差が大きくなる。また、間欠運転モードの終了時において、内部に存在する酸化ガス量が多い単セルほど、単セルの電圧が高くなり、内部に存在する酸化ガス量が少ない単セルほど、単セルの電圧が低くなる。そのため、燃料電池１００における残留酸素量が少ないほど、燃料電池１００を構成する複数の単セルの各々の電圧のうちの最大値と最小値との差が大きくなり、上記の判定方法が採用可能となる。
第２実施形態では、燃料電池１００に供給する酸化ガス流量、および、間欠運転モードの終了時における単セルの電圧の最大値と最小値との差と、所望のリフレッシュ電圧ＶＲを実現するための電流値と、の対応関係を示すマップを、予め制御部２００の記憶部内に記憶しておけばよい。そして、ステップＳ１４０では、このマップを参照して、掃引すべき電流値を設定すればよい。この場合にも、第１実施形態と同様の効果が得られる。
Ｃ．第３実施形態：
燃料電池１００における残留酸素量を判定する他の方法として、間欠運転モードの終了時における、燃料電池１００を構成する複数の単セルの各々の電圧のうちの最小値が小さいほど、残留酸素量が少ないと判定してもよい。第１実施形態で説明したように、残留酸素量が少ないほど、間欠運転モードの終了時におけるＦＣ電圧が低くなる。また、第２実施形態で説明したように、残留酸素量が少ないほど、単セルの電圧のばらつきが大きくなる。そのため、単セルの電圧の最小値が小さいほど、残留酸素量が少ないと判定することができる。
Ｄ．第４実施形態：
燃料電池１００における残留酸素量を判定する他の方法として、燃料電池１００のカソード側流路内の酸素分圧を検出可能となる酸素濃度センサを、燃料電池１００に設けることとしてもよい。このような構成とすれば、残留酸素量を、直接的に検出して判定することが可能になる。
Ｅ．他の実施形態：
（Ｅ１）上記各実施形態では、間欠運転モードにおいて、燃料電池１００の発電を停止しているが、異なる構成としてもよい。すなわち、負荷からの要求電力が、予め設定した基準値以下となる低負荷状態のときに、燃料電池１００の出力電圧を、電極触媒の劣化を抑制可能な範囲に維持しつつ、燃料電池１００の微小な発電を行なうこととしてもよい。このように、間欠運転モードにおいて燃料電池１００の発電を行なう場合であっても、間欠運転モード時に残留酸素量が変動する場合には、各実施形態と同様に、間欠運転モードの終了時における残留酸素量を用いてリフレッシュ処理の開始時に掃引する電流値を設定すればよい。これにより、リフレッシュ処理時の出力電圧のばらつきを抑えて、所望のリフレッシュ電圧ＶＲに近づける同様の効果が得られる。
（Ｅ２）上記各実施形態では、燃料電池システム３０を車両の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。例えば、車両以外の移動体の駆動用電源としてもよく、また、燃料電池システムを、定置型電源として用いても良い。
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。
２０…燃料電池車両、２２…車体、３０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１０１…電流センサ、１０２…電圧センサ、１０４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０６…セルモニタ、１１０…水素タンク、１２０…燃料ガス供給部、１２１…水素供給流路、１２２…循環流路、１２３…水素放出流路、１２４…開閉バルブ、１２５…減圧バルブ、１２６…インジェクタ、１２７…循環ポンプ、１２９…開閉バルブ、１３０…コンプレッサ、１４０…酸化ガス供給部、１４１…空気流路、１４２…空気放出流路、１４３…背圧弁、１４４…分流弁、１４７…流量センサ、１７０…駆動モータ、１７２…２次電池、１７４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１７８…配線、１８０…アクセル開度センサ、２００…制御部

Claims (4)

  1. 燃料電池システムであって、
    複数の単セルが積層されており、酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとの供給を受けて負荷に対して電力を供給する燃料電池と、
    前記燃料電池に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
    前記燃料電池システムの運転状態を制御する制御部と、
    前記燃料電池内の酸素量を判定する判定部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超えるときには、前記要求電力に応じた電力を前記燃料電池が発電する通常運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記要求電力が前記基準値以下となるときには、前記通常運転モードにおいて前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記酸化ガス供給部によって前記燃料電池に供給させる間欠運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記間欠運転モードから前記通常運転モードに移行する際に、前記間欠運転モードが終了したタイミングで前記燃料電池から電流を掃引して、前記燃料電池の電圧を還元電圧に低下させるリフレッシュ処理を実行し、
    前記タイミングで前記判定部が判定した前記酸素量が少ないほど、前記リフレッシュ処理の開始時に前記燃料電池から掃引する電流を、より少ない値に設定し、
    前記判定部は、前記タイミングにおける前記燃料電池の電圧が低いほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定する
    燃料電池システム。
  2. 燃料電池システムであって、
    複数の単セルが積層されており、酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとの供給を受けて負荷に対して電力を供給する燃料電池と、
    前記燃料電池に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
    前記燃料電池システムの運転状態を制御する制御部と、
    前記燃料電池内の酸素量を判定する判定部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超えるときには、前記要求電力に応じた電力を前記燃料電池が発電する通常運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記要求電力が前記基準値以下となるときには、前記通常運転モードにおいて前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記酸化ガス供給部によって前記燃料電池に供給させる間欠運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記間欠運転モードから前記通常運転モードに移行する際に、前記間欠運転モードが終了したタイミングで前記燃料電池から電流を掃引して、前記燃料電池の電圧を還元電圧に低下させるリフレッシュ処理を実行し、
    前記タイミングで前記判定部が判定した前記酸素量が少ないほど、前記リフレッシュ処理の開始時に前記燃料電池から掃引する電流を、より少ない値に設定し、
    前記判定部は、前記タイミングにおける、前記燃料電池を構成する前記複数の単セルの各々の電圧のうちの最大値と最小値との差が大きいほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定する
    燃料電池システム。
  3. 燃料電池システムであって、
    複数の単セルが積層されており、酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとの供給を受けて負荷に対して電力を供給する燃料電池と、
    前記燃料電池に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
    前記燃料電池システムの運転状態を制御する制御部と、
    前記燃料電池内の酸素量を判定する判定部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超えるときには、前記要求電力に応じた電力を前記燃料電池が発電する通常運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記要求電力が前記基準値以下となるときには、前記通常運転モードにおいて前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記酸化ガス供給部によって前記燃料電池に供給させる間欠運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記間欠運転モードから前記通常運転モードに移行する際に、前記間欠運転モードが終了したタイミングで前記燃料電池から電流を掃引して、前記燃料電池の電圧を還元電圧に低下させるリフレッシュ処理を実行し、
    前記タイミングで前記判定部が判定した前記酸素量が少ないほど、前記リフレッシュ処理の開始時に前記燃料電池から掃引する電流を、より少ない値に設定し、
    前記判定部は、前記タイミングにおける、前記燃料電池を構成する前記複数の単セルの各々の電圧のうちの最小値が小さいほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定する
    燃料電池システム。
  4. 酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとの供給を受けて負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超えるときには、前記要求電力に応じた電力を前記燃料電池が発電する通常運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記要求電力が前記基準値以下となるときには、前記通常運転モードにおいて前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記燃料電池に供給する間欠運転モードとなるように、前記燃料電池システムの運転状態を制御し、
    前記燃料電池の運転状態が、前記間欠運転モードから前記通常運転モードに移行する際に、
    前記間欠運転モードの終了時における前記燃料電池内の酸素量を判定し、
    前記間欠運転モードが終了したタイミングで前記燃料電池から電流を掃引して、前記燃料電池の電圧を還元電圧に低下させるリフレッシュ処理を実行し、
    前記タイミングに判定した前記酸素量が少ないほど、前記リフレッシュ処理の開始時に前記燃料電池から掃引する電流を、より少ない値に設定し、
    前記タイミングにおける前記燃料電池の電圧が低いほど、前記燃料電池内の酸素量が少ないと判定する
    燃料電池システムの制御方法。
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