JP7414445B2 - 燃料電池システムおよび制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび制御装置に関する。

近年、燃料電池を種々の装置の電力源として利用する技術の開発が進められている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。そして、燃料電池セルにおいて、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、空気）が供給されることによって発電が行われる。

燃料電池の発電中には、水素ガスと空気との電気化学反応が行われることによって、水が生成される。このように生成された水が燃料電池内に残存して、燃料電池内のガス流路（具体的には、空気が流通する空気流路または水素ガスが流通する水素ガス流路）に水が詰まり、ガスの流れが阻害されてしまう場合がある。このような燃料電池の状態をフラッディング状態と呼ぶ。燃料電池がフラッディング状態となっている場合には、ガスの流れが阻害されることにより燃料電池の電圧が低下してしまうので、燃料電池の掃気（つまり、燃料電池内のガス流路に一時的にガスを流すことにより当該ガス流路内の水を除去する処理）が行われる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００８－０５３０８６号公報

ところで、燃料電池のフラッディング状態が適切に検知されない場合、燃料電池の掃気が不必要に行われることが考えられる。例えば、燃料電池内の空気流路の空気による掃気が不必要に行われた場合、電解質膜が乾燥し、発電効率が低下してしまう。また、例えば、燃料電池内の水素ガス流路の水素ガスによる掃気が不必要に行われた場合、水素ガスが不必要に排出され、エネルギー効率が低下してしまう。ゆえに、燃料電池のフラッディング状態を適切に検知することが望ましいと考えられる。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池のフラッディング状態を適切に検知することが可能な燃料電池システムおよび制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池内のガス流路におけるガスの流れを制御する制御装置と、を備え、ガス流路は、空気が流通する空気流路および水素ガスが流通する水素ガス流路を含み、制御装置は、燃料電池の発電時に、燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路に設けられる背圧調整弁の開度を一時的に上昇させることによって、空気流路における空気の流速を一時的に上昇させ、かつ、背圧調整弁より上流側での空気の圧力を一時的に低下させることにより空気流路内の酸素の分圧を一時的に低下させる流速上昇制御を行う制御部と、流速上昇制御時の燃料電池の電圧の挙動に基づいて、燃料電池がフラッディング状態であるか否かを判定する判定部と、を有する。

判定部は、流速上昇制御時に燃料電池の電圧が上昇する場合、燃料電池がフラッディング状態であると判定してもよい。

制御部は、燃料電池がフラッディング状態であると判定された場合、空気流路における空気の流速を流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる制御を行ってもよい。

制御部は、燃料電池がフラッディング状態であると判定された場合、水素ガス流路における水素ガスの流速を一時的に上昇させる制御をさらに行ってもよい。

制御部は、背圧調整弁の動作に加えて、燃料電池に供給される空気が流通する空気供給路に設けられるコンプレッサの動作を制御することにより、空気流路における空気の流速を制御してもよい。
制御部は、燃料電池がフラッディング状態となっている場合、流速上昇制御において、空気流路における空気の流速を一時的に上昇させることにより、空気流路に残存している水の一部を空気の流れにより除去することによって、燃料電池の電圧を上昇させ、燃料電池がフラッディング状態となっていない場合、流速上昇制御において、背圧調整弁より上流側での空気の圧力を一時的に低下させることにより、空気流路内の酸素の分圧を一時的に低下させることによって、燃料電池の電圧を低下させてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、燃料電池の発電時に、燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路に設けられる背圧調整弁の開度を一時的に上昇させることによって、燃料電池内の空気流路における空気の流速を一時的に上昇させ、かつ、背圧調整弁より上流側での空気の圧力を一時的に低下させることにより空気流路内の酸素の分圧を一時的に低下させる流速上昇制御を行う制御部と、流速上昇制御時の燃料電池の電圧の挙動に基づいて、燃料電池がフラッディング状態であるか否かを判定する判定部と、を備える。

本発明によれば、燃料電池のフラッディング状態を適切に検知することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る制御装置が行うフラッディング判定に関する処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池がフラッディング状態となっていないときにフラッディング判定が行われた場合における各種状態量の推移の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池がフラッディング状態となっているときにフラッディング判定が行われた場合における各種状態量の推移の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<燃料電池システムの構成>
まず、図１および図２を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。なお、図１では、白抜きの矢印Ａ１により空気の流れが示されており、ハッチングが付された矢印Ａ２により水素ガスの流れが示されている。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、例えば、車両に搭載され、その場合、燃料電池１０は車両の駆動用モータの電力源として利用され得る。燃料電池システム１が車両に搭載される場合、燃料電池１０は、例えば、車両のエンジンルーム内または車室の下方等に配置される。なお、本発明に係る燃料電池システムは、車両以外の他の装置に搭載されてもよく、例えば、船舶等の車両以外の移動体に搭載されてもよく、建物における発電システムとして利用される定置式のものであってもよい。

具体的には、燃料電池システム１は、図１に示されるように、燃料電池１０と、空気供給路２１と、空気排出路２２と、コンプレッサ３１と、背圧調整弁３２と、水素ガス供給路４１と、水素ガス排出路４２と、水素タンク５１と、排出弁５２と、電圧センサ６１と、制御装置１００とを備える。

なお、以下で説明するように、背圧調整弁３２は、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速を調整する調整装置として用いられる。なお、後述するように、コンプレッサ３１も、このような調整装置として用いられ得る。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素ガス）と酸化ガス（具体的には、空気）とを反応させることにより発電する電池である。具体的には、燃料電池１０は、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、各燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。

燃料電池１０には、ガスが流通するガス流路として、空気が流通する空気流路１２および水素ガスが流通する水素ガス流路１４が形成されている。空気流路１２の一端には空気供給路２１が接続されており、空気流路１２の他端には空気排出路２２が接続されている。なお、燃料電池１０内において、空気流路１２は、各燃料電池セルを通過するように分岐している。また、水素ガス流路１４の一端には水素ガス供給路４１が接続されており、水素ガス流路１４の他端には水素ガス排出路４２が接続されている。なお、燃料電池１０内において、水素ガス流路１４は、各燃料電池セルを通過するように分岐している。

空気供給路２１は、燃料電池１０に供給される空気が流通する流路である。空気供給路２１には、コンプレッサ３１が設けられている。コンプレッサ３１は、空気を圧縮して吸引する。コンプレッサ３１により吸引された空気は、空気供給路２１を介して燃料電池１０内の空気流路１２に供給される。なお、空気供給路２１は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

空気排出路２２は、燃料電池１０から排出される空気が流通する流路である。燃料電池１０内の空気流路１２を通った空気は、空気排出路２２を通って排出される。なお、空気排出路２２は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

空気排出路２２には、背圧調整弁３２が設けられている。背圧調整弁３２は、当該背圧調整弁３２より上流側（具体的には、空気排出路２２における背圧調整弁３２より上流側、燃料電池１０内の空気流路１２および空気供給路２１）での空気の圧力を調整する機能を有する。具体的には、背圧調整弁３２の開度が調整されることによって、背圧調整弁３２を通過する空気の流量が調整されることにより、背圧調整弁３２より上流側での空気の圧力が調整される。

水素ガス供給路４１は、燃料電池１０に供給される水素ガスが流通する流路である。水素ガス供給路４１には、水素供給源としての水素タンク５１が設けられている。水素タンク５１から水素ガス供給路４１に送られた水素ガスは、水素ガス供給路４１を介して燃料電池１０内の水素ガス流路１４に供給される。なお、水素ガス供給路４１は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

水素ガス排出路４２は、燃料電池１０から排出される水素ガスが流通する流路である。水素ガス排出路４２には、排出弁５２が設けられている。排出弁５２が開状態となっているときに、排出弁５２より上流側（つまり、水素ガス流路１４側）の水素ガスが、水素ガス排出路４２を通って排出される。なお、水素ガス排出路４２は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

排出弁５２は、水素ガスを排出する（具体的には、水素ガスとともに排出弁５２より上流側の水を排出する）弁である。排出弁５２は、水素ガス排出路４２内の流体の流れを断接する機能を有する。排出弁５２が開状態のときには、水素ガス排出路４２内で排出弁５２を介して流体が流通可能な状態となり、排出弁５２が閉状態のときには、水素ガス排出路４２内で排出弁５２により流体の流通が遮断された状態となる。ゆえに、排出弁５２を開放することによって、排出弁５２より上流側の水（つまり、燃料電池１０により生成された水）を水素ガスとともに排出弁５２を介して排出することができる。排出弁５２は、基本的には閉状態となっており、水素ガスの排出を行う時に適宜開状態となる。詳細には、水素ガス排出路４２における排出弁５２より上流側には、例えば、気液分離器（図示省略）が設けられており、当該気液分離器において水素ガスから分離された水が水素ガスとともに排出弁５２を介して排出されるようになっている。

電圧センサ６１は、燃料電池１０の各燃料電池セルの電圧を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。

制御装置１００は、燃料電池システム１における各装置の動作を制御する。それにより、制御装置１００は、燃料電池１０内のガス流路におけるガスの流れを制御することができる。

例えば、制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含む。

また、制御装置１００は、燃料電池システム１における各装置と通信を行う。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。例えば、制御装置１００は、コンプレッサ３１、背圧調整弁３２、排出弁５２および電圧センサ６１と通信を行う。

なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により少なくとも部分的に分割されてもよく、複数の機能が１つの制御装置によって実現されてもよい。制御装置１００が有する機能が複数の制御装置により少なくとも部分的に分割される場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

図２は、制御装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。

制御装置１００は、例えば、図２に示されるように、取得部１１０と、処理部１２０とを有する。

取得部１１０は、処理部１２０が行う処理において用いられる各種情報を取得する。また、取得部１１０は、取得した情報を処理部１２０へ出力する。例えば、取得部１１０は、電圧センサ６１と通信することによって、電圧センサ６１から出力される検出結果を取得する。

処理部１２０は、取得部１１０により取得された情報を用いて各種処理を実行する。

処理部１２０は、例えば、判定部１２１と、制御部１２２とを備える。

判定部１２１は、各種判定を行い、判定結果を制御部１２２に出力する。判定部１２１による判定結果は、制御部１２２が行う制御に利用される。

制御部１２２は、コンプレッサ３１、背圧調整弁３２および排出弁５２の動作を制御する。それにより、燃料電池１０内のガス流路におけるガスの流れを制御する。例えば、制御部１２２は、背圧調整弁３２の動作を制御する（具体的には、背圧調整弁３２の開度を制御する）ことによって、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速を制御する。

ここで、制御装置１００では、判定部１２１および制御部１２２が協調して、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かの判定（以下、フラッディング判定とも呼ぶ）を行う。フラッディング状態は、発電により生成された水が燃料電池１０内のガス流路（つまり、空気流路１２または水素ガス流路１４）内に残存して、当該ガス流路に水が詰まり、ガスの流れが阻害されている状態を意味する。例えば、燃料電池１０の温度が低下して発電により生成された水が蒸発しにくくなることに起因して、燃料電池１０がフラッディング状態となる。

具体的には、制御装置１００では、燃料電池１０の発電時に、制御部１２２は、燃料電池１０内のガス流路におけるガスの流速（以下で説明する例では、空気流路１２における空気の流速）を一時的に上昇させる流速上昇制御を行い、判定部１２１は、当該流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいて、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定する。それにより、燃料電池１０のフラッディング状態を適切に検知することが可能となる。このような、制御装置１００により行われるフラッディング判定に関する処理の詳細については、後述する。

<制御装置の動作>
続いて、図３～図５を参照して、本発明の実施形態に係る制御装置１００の動作について説明する。

図３は、制御装置１００が行うフラッディング判定に関する処理の流れの一例を示すフローチャートである。図３に示される制御フローは、具体的には、燃料電池１０の発電時において繰り返し実行される。

図３に示される制御フローが開始されると、まず、ステップＳ５０１において、判定部１２１は、フラッディング判定の実行条件が満たされたか否かを判定する。フラッディング判定の実行条件が満たされたと判定された場合（ステップＳ５０１／ＹＥＳ）、ステップＳ５０２に進む。一方、フラッディング判定の実行条件が満たされていないと判定された場合（ステップＳ５０１／ＮＯ）、ステップＳ５０１の判定処理が繰り返される。

例えば、フラッディング判定の実行条件は、前回のフラッディング判定処理（つまり、ステップＳ５０３の判定処理）が行われた時点から予め設定された時間が経過したとの条件であってもよい。

また、例えば、フラッディング判定の実行条件は、燃料電池１０の電圧が基準電圧を下回ったとの条件であってもよい。基準電圧は、燃料電池１０がフラッディング状態になっている可能性が比較的高くなる程度に燃料電池１０の電圧が低くなっているか否かを判断し得る値に設定される。なお、燃料電池１０の電圧は、各燃料電池セルの電圧の合計値に相当し、例えば、電圧センサ６１の検出結果を用いて特定され得る。なお、ステップＳ５０１の判定は、各燃料電池セルの電圧の合計値を用いて行われる他に、各燃料電池セルの電圧自体を用いて行われてもよい。

ステップＳ５０１でＹＥＳと判定された場合、ステップＳ５０２において、制御部１２２は、流速上昇制御を実行する。流速上昇制御は、上述したように、燃料電池１０内のガス流路におけるガスの流速を一時的に上昇させる制御である。

具体的には、制御部１２２は、流速上昇制御において、背圧調整弁３２の開度を一時的に上昇させる。それにより、背圧調整弁３２を通過する空気の流量の上昇に伴って燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速が一時的に上昇する。また、流速上昇制御時には、背圧調整弁３２を通過する空気の流量の上昇に伴って背圧調整弁３２より上流側での空気の圧力が一時的に低下する。

次に、ステップＳ５０３において、判定部１２１は、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定する。燃料電池１０がフラッディング状態であると判定された場合（ステップＳ５０３／ＹＥＳ）、ステップＳ５０４に進む。一方、燃料電池１０がフラッディング状態ではないと判定された場合（ステップＳ５０３／ＮＯ）、図３に示される制御フローは終了する。

ここで、判定部１２１は、流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいて、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定する。具体的には、判定部１２１は、流速上昇制御時に燃料電池１０の電圧が上昇する場合、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定する。つまり、流速上昇制御時に燃料電池１０の電圧が低下する場合には、燃料電池１０がフラッディング状態ではないと判定される。

上述したように、流速上昇制御時には、背圧調整弁３２より上流側での空気の圧力が一時的に低下する。それにより、燃料電池１０がフラッディング状態となっていない場合（つまり、発電により生成された水が燃料電池１０内に残存していない場合）、流速上昇制御時に、空気流路１２内の酸素の分圧が低下するため、燃料電池１０の電圧が低下する。その後、背圧調整弁３２の開度が流速上昇制御前の開度に戻ることにより、背圧調整弁３２より上流側での空気の圧力が上昇することに伴って、空気流路１２内の酸素の分圧が上昇するため、燃料電池１０の電圧が上昇する。

一方、燃料電池１０がフラッディング状態となっている場合、流速上昇制御時に、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速が一時的に上昇することによって、燃料電池１０内の空気流路１２に残存している水の一部が空気の流れにより除去される。それにより、空気流路１２における空気の流れが円滑化されることによって、燃料電池１０の電圧が上昇する。その後、発電により水が生成されて燃料電池１０内の空気流路１２に残存している水の量が流速上昇制御前の量に戻ることに伴って、燃料電池１０の電圧が低下する。

上記のように、流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動は、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かに応じて異なる。ゆえに、流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいて、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定することによって、燃料電池１０のフラッディング状態を適切に検知することができる。

燃料電池１０において、空気流路１２では、水素ガス流路１４と比較して、発電により生成された水が残存しやすい。ゆえに、燃料電池１０のフラッディング状態をより適切に検知する観点では、上記のように、流速上昇制御において空気流路１２における空気の流速を一時的に上昇させ、このような流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいて、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定することが好ましい。

ステップＳ５０３でＹＥＳと判定された場合、ステップＳ５０４において、制御部１２２は、カソード掃気制御を実行する。カソード掃気制御は、燃料電池１０内の空気流路１２を空気により掃気するための制御であり、空気流路１２における空気の流速をステップＳ５０２で行われる流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる制御である。

具体的には、制御部１２２は、カソード掃気制御において、背圧調整弁３２の開度を流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる。それにより、背圧調整弁３２を通過する空気の流量が流速上昇制御よりも大きな上昇量で上昇し、それに伴って燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速が流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇する。

上記のカソード掃気制御を行うことによって、フラッディング状態となっている燃料電池１０内の空気流路１２に残存している水を空気の流れにより除去することができるので、フラッディング状態を解消することができる。ゆえに、低下していた燃料電池１０の電圧を回復させることができる。

次に、ステップＳ５０５において、制御部１２２は、アノード掃気制御を実行し、図３に示される制御フローは終了する。アノード掃気制御は、燃料電池１０内の水素ガス流路１４を水素ガスにより掃気するための制御であり、水素ガス流路１４における水素ガスの流速を一時的に上昇させる制御である。

具体的には、制御部１２２は、アノード掃気制御において、排出弁５２を一時的に開状態にする。それにより、水素ガス排出路４２内で排出弁５２を介して水素ガスが流通可能となり水素ガスの排出が行われることに伴って燃料電池１０内の水素ガス流路１４における水素ガスの流速が一時的に上昇する。なお、上述したように、排出弁５２は、基本的には閉状態となっている。

上述したように、燃料電池１０において、空気流路１２では、水素ガス流路１４と比較して、発電により生成された水が残存しやすい。ここで、空気流路１２において水が残存している場合には、空気流路１２から水素ガス流路１４に燃料電池セルの膜電極接合体を介して水が移動することがある。ゆえに、上記のアノード掃気制御を行うことによって、水素ガス流路１４に残存している水を水素ガスの流れにより除去することができるので、フラッディング状態をより適切に解消することができる。よって、低下していた燃料電池１０の電圧をより適切に回復させることができる。

ここで、図４および図５を参照して、図３に示される制御フローが制御装置１００により実行される場合の燃料電池１０の発電時における各状態量の推移の例について説明する。

図４は、燃料電池１０がフラッディング状態となっていないときにフラッディング判定が行われた場合における各種状態量の推移の一例を示す図である。図５は、燃料電池１０がフラッディング状態となっているときにフラッディング判定が行われた場合における各種状態量の推移の一例を示す図である。図４および図５では、状態量として、カソード側背圧（つまり、背圧調整弁３２より上流側での空気の圧力）と、電池電圧（つまり、燃料電池１０の電圧）と、背圧調整弁３２の開度と、空気流速（つまり、空気流路１２における空気の流速）の推移が示されている。なお、図４および図５は、縦軸を各状態量の値を示す軸とし、横軸を時間軸として示されている。

まず、図４を参照して、燃料電池１０がフラッディング状態となっていないときの各種状態量の推移の例について説明する。

図４に示される例では、時刻ｔ１１より前において、燃料電池１０の電圧が正常時（つまり、燃料電池１０がフラッディング状態となっていないとき）の電圧Ｖ０となっている。そして、時刻ｔ１１において、フラッディング判定の実行条件が満たされ、流速上昇制御が実行される。それにより、時刻ｔ１１において、背圧調整弁３２の開度が一時的に上昇し、空気流速が一時的に上昇する。また、空気流速の上昇に伴って、カソード側背圧が低下する。なお、図４に示される例では、流速上昇制御での背圧調整弁３２の開度の上昇量が上昇量ΔＡ１となっており、流速上昇制御での空気流速の上昇量が上昇量ΔＵ１となっている。

ここで、図４に示される例では、時刻ｔ１１において、カソード側背圧が一時的に低下することに伴って、燃料電池１０の電圧が電圧Ｖ０から低下する。ゆえに、判定部１２１は、燃料電池１０がフラッディング状態ではないと判定する。そして、カソード側背圧が上昇して時刻ｔ１１より前の圧力まで回復し、それに伴い燃料電池１０の電圧が上昇して電圧Ｖ０まで回復する。

その後、フラッディング判定の実行条件が再度満たされた時刻ｔ１２において、上記と同様に、流速上昇制御が実行され、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かの判定が行われる。

続いて、図５を参照して、燃料電池１０がフラッディング状態となっているときの各種状態量の推移の例について説明する。

図５に示される例では、時刻ｔ２１より前において、燃料電池１０の電圧が正常時の電圧Ｖ０よりも低くなっている。そして、時刻ｔ２１において、フラッディング判定の実行条件が満たされ、流速上昇制御が実行される。それにより、時刻ｔ２１において、背圧調整弁３２の開度が一時的に上昇し、空気流速が一時的に上昇する。また、空気流速の上昇に伴って、カソード側背圧が低下する。なお、図５に示される例では、図４に示される例と同様に、流速上昇制御での背圧調整弁３２の開度の上昇量が上昇量ΔＡ１となっており、流速上昇制御での空気流速の上昇量が上昇量ΔＵ１となっている。

ここで、図５に示される例では、時刻ｔ２１において、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速が一時的に上昇することに伴って、空気流路１２に残存している水の一部が空気の流れにより除去され、燃料電池１０の電圧が上昇する。ゆえに、判定部１２１は、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定する。そして、カソード側背圧が上昇して時刻ｔ２１より前の圧力まで回復した後の時刻ｔ２２において、カソード掃気制御が実行される。

時刻ｔ２２において、カソード掃気制御が実行されることにより、図５に示されるように、背圧調整弁３２の開度が流速上昇制御における上昇量ΔＡ１よりも大きな上昇量ΔＡ２で一時的に上昇する。そして、空気流速が流速上昇制御における上昇量ΔＵ１よりも大きな上昇量ΔＵ２で一時的に上昇する。それにより、フラッディング状態となっている燃料電池１０内の空気流路１２に残存している水が空気の流れにより除去され、フラッディング状態が解消される。なお、図５では、アノード側の状態量（例えば、水素ガス流路１４における水素ガスの流速等）の図示は省略されているが、詳細には、時刻ｔ２２において、カソード掃気制御に加えてアノード掃気制御が行われる。

時刻ｔ２２の後、カソード掃気制御によって低下したカソード側背圧が上昇して時刻ｔ２２より前の圧力まで回復し、それに伴い燃料電池１０の電圧が上昇して電圧Ｖ０まで回復する。

その後、フラッディング判定の実行条件が再度満たされた時刻ｔ２３において、上記と同様に、流速上昇制御が実行され、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かの判定が行われる。なお、図５では、時刻ｔ２３において、フラッディング状態が解消されており、燃料電池１０の電圧が低下している例が示されている。

なお、上記では、流速上昇制御において空気流路１２における空気の流速を一時的に上昇させる例を説明したが、制御部１２２は、流速上昇制御において、水素ガス流路１４における水素ガスの流速を一時的に上昇させてもよい。さらに、この場合において、制御部１２２は、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定された場合、水素ガス流路１４における水素ガスの流速を流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる制御を行ってもよい。なお、水素ガス流路１４における水素ガスの流速の制御は、例えば、
水素ガスを水素ガス流路１４に向けて送出するポンプの流量制御による方法、排出弁５２の開閉制御による方法、水素ガス排出路４２に背圧調整弁を設け、当該背圧調整弁の動作の制御による方法等により実現することができる。また、制御部１２２は、流速上昇制御において、空気流路１２における空気の流速と水素ガス流路１４における水素ガスの流速の双方を一時的に上昇させてもよい。

また、上記では、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速を調整する調整装置として背圧調整弁３２が用いられる例を説明したが、調整装置として、背圧調整弁３２に替えて、または背圧調整弁３２とともに、コンプレッサ３１が用いられてもよい。コンプレッサ３１の動作を制御することによっても、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速を制御することができる。例えば、制御部１２２は、コンプレッサ３１の動作を制御することによって、空気流路１２に供給される空気の圧力を一時的に上昇させることにより、上記流速上昇制御またはカソード掃気制御を行ってもよい。

<燃料電池システムの効果>
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００の制御部１２２は、燃料電池１０の発電時に、燃料電池１０内のガス流路におけるガスの流速を一時的に上昇させる流速上昇制御を行う。また、制御装置１００の判定部１２１は、流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいて、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定する。それにより、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かに応じて流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動が異なる点に着目して、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを適切に判定することができる。ゆえに、燃料電池１０のフラッディング状態を適切に検知することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、判定部１２１は、流速上昇制御時に燃料電池１０の電圧が上昇する場合、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定することが好ましい。それにより、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かの判定を、流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいてより適切に行うことができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部１２２は、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定された場合、流速上昇制御での流速の制御の対象となるガス流路におけるガスの流速を流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる制御（例えば、上述したカソード掃気制御）を行うことが好ましい。それにより、フラッディング状態となっている燃料電池１０内のガス流路に残存している水を空気の流れにより除去することができるので、フラッディング状態を解消することができる。ゆえに、低下していた燃料電池１０の電圧を回復させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部１２２は、流速上昇制御において、燃料電池１０内の空気流路１２における空気の流速を一時的に上昇させ、判定部１２１は、当該流速上昇制御時の燃料電池１０の電圧の挙動に基づいて、燃料電池１０がフラッディング状態であるか否かを判定することが好ましい。上述したように、燃料電池１０において、空気流路１２では、水素ガス流路１４と比較して、発電により生成された水が残存しやすい。ゆえに、空気流路１２における空気の流速を流速上昇制御での流速の制御の対象とすることによって、燃料電池１０のフラッディング状態をより適切に検知することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部１２２は、燃料電池１０がフラッディング状態であると判定された場合、流速上昇制御での流速の制御の対象となる空気流路１２における空気の流速を流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる制御（つまり、上述したカソード掃気制御）と、水素ガス流路１４における水素ガスの流速を一時的に上昇させる制御（つまり、上述したアノード掃気制御）とを行うことが好ましい。それにより、水素ガス流路１４に残存している水を水素ガスの流れにより除去することができるので、フラッディング状態をより適切に解消することができる。ゆえに、低下していた燃料電池１０の電圧をより適切に回復させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部１２２は、燃料電池１０から排出されるガスが流通するガス排出路に設けられる背圧調整弁（例えば、上述した空気排出路２２に設けられる背圧調整弁３２）の動作を制御することにより、ガス流路におけるガスの流速を制御することが好ましい。それにより、ガス排出路に設けられる背圧調整弁を有効に利用して、燃料電池１０内のガス流路におけるガスの流速の制御を適切に実現することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部１２２は、燃料電池１０に供給される空気が流通する空気供給路２１に設けられるコンプレッサ３１の動作を制御することにより、空気流路１２における空気の流速を制御することが好ましい。それにより、空気供給路２１に設けられるコンプレッサ３１を有効に利用して、空気流路１２における空気の流速の制御を適切に実現することができる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、図１を参照して、燃料電池システム１の構成について説明したが、本発明に係る燃料電池システムの構成は、このような例に限定されず、例えば、図１に示される燃料電池システム１に対して一部の構成要素を削除、追加または変更したものであってもよい。

また、例えば、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

本発明は、燃料電池システムおよび制御装置に利用できる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１２ 空気流路（ガス流路）
１４ 水素ガス流路（ガス流路）
２１ 空気供給路
２２ 空気排出路
３１ コンプレッサ
３２ 背圧調整弁
４１ 水素ガス供給路
４２ 水素ガス排出路
５１ 水素タンク
５２ 排出弁
６１ 電圧センサ
１００ 制御装置
１１０ 取得部
１２０ 処理部
１２１ 判定部
１２２ 制御部

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池内のガス流路におけるガスの流れを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記ガス流路は、空気が流通する空気流路および水素ガスが流通する水素ガス流路を含み、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路に設けられる背圧調整弁の開度を一時的に上昇させることによって、前記空気流路における空気の流速を一時的に上昇させ、かつ、前記背圧調整弁より上流側での空気の圧力を一時的に低下させることにより前記空気流路内の酸素の分圧を一時的に低下させる流速上昇制御を行う制御部と、
   前記流速上昇制御時の前記燃料電池の電圧の挙動に基づいて、前記燃料電池がフラッディング状態であるか否かを判定する判定部と、
   を有する、
   燃料電池システム。
2. 前記判定部は、前記流速上昇制御時に前記燃料電池の電圧が上昇する場合、前記燃料電池がフラッディング状態であると判定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記燃料電池がフラッディング状態であると判定された場合、前記空気流路における空気の流速を前記流速上昇制御よりも大きな上昇量で一時的に上昇させる制御を行う、
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記燃料電池がフラッディング状態であると判定された場合、前記水素ガス流路における水素ガスの流速を一時的に上昇させる制御をさらに行う、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記背圧調整弁の動作に加えて、前記燃料電池に供給される空気が流通する空気供給路に設けられるコンプレッサの動作を制御することにより、前記空気流路における空気の流速を制御する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、
   前記燃料電池がフラッディング状態となっている場合、前記流速上昇制御において、前記空気流路における空気の流速を一時的に上昇させることにより、前記空気流路に残存している水の一部を空気の流れにより除去することによって、前記燃料電池の電圧を上昇させ、
   前記燃料電池がフラッディング状態となっていない場合、前記流速上昇制御において、前記背圧調整弁より上流側での空気の圧力を一時的に低下させることにより、前記空気流路内の酸素の分圧を一時的に低下させることによって、前記燃料電池の電圧を低下させる、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池の発電時に、前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路に設けられる背圧調整弁の開度を一時的に上昇させることによって、前記燃料電池内の空気流路における空気の流速を一時的に上昇させ、かつ、前記背圧調整弁より上流側での空気の圧力を一時的に低下させることにより前記空気流路内の酸素の分圧を一時的に低下させる流速上昇制御を行う制御部と、
   前記流速上昇制御時の前記燃料電池の電圧の挙動に基づいて、前記燃料電池がフラッディング状態であるか否かを判定する判定部と、
   を備える、
   制御装置。

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