JPWO2013129241A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

アノードガスおよびカソードガスを燃料電池に供給して負荷に応じて発電する燃料電池システムにおいて、周期的に増減する燃料電池内の目標アノードガス圧力を設定し、目標アノードガス圧力を増加させる所定期間前から、目標アノードガス圧力に基づいて燃料電池内のアノードガス圧力を調圧する調圧弁に待機電流を流す。

Description

本発明は、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁の待機電流を制御する技術に関する。
従来、アノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給通路に設けられた調圧弁を周期的に開閉することによって、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減させる脈動運転を行う技術が知られている（ＪＰ２００８−９７９６６Ａ参照）。
ここで、燃料電池に供給するアノードガスの応答性向上のためには、調圧弁に待機電流を流し続けることが好ましいが、待機電流を流し続けると、その分消費電流が多くなってしまう。ＪＰ２００８−９７９６６Ａには、調圧弁に流す待機電流についての記載は全くない。
本発明は、調圧弁を周期的に開閉することによってアノードガス圧力を周期的に増減させる燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給するアノードガスの応答性を向上させつつ、調圧弁に流す待機電流に起因する消費電流の増加を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
一実施形態における燃料電池システムは、周期的に増減する燃料電池内の目標アノードガス圧力を設定し、目標アノードガス圧力を増加させる所定期間前から、目標アノードガス圧力に基づいて燃料電池内のアノードガス圧力を調圧する調圧弁に待機電流を流す。
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図１Ａは、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図であって、燃料電池の斜視図である。 図１Ｂは、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図であって、図１Ａの燃料電池の１Ｂ−１Ｂ断面図である。 図２は、第１の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、燃料電池システムの運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。 図４は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。 図５は、アノード圧の目標値の詳細な算出方法を示すフローチャートである。 図６は、燃料電池スタックの目標電流（目標出力）と脈動上限目標値および脈動下限目標値との関係を示す図である。 図７は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のタイムチャートを示す図である。 図８は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。 図９は、燃料電池スタックの出力電流とアノード圧との関係の一例を示す図である。 図１０は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。 図１１は、第４の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。 図１２は、第４の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のタイムチャートを示す図である。 図１３は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御の別のフローチャートである。
−第１の実施形態−
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
式（１）及び式（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
図１Ａおよび図１Ｂは、第１の実施形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。図１Ａは、燃料電池１０の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池の１Ｂ−１Ｂ断面図である。
燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側に、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側に、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。
アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。
このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
図２は、第１の実施形態におけるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。
燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。
燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。
高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。
調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。コントローラ４は、調圧弁３３に供給する電流の量を制御することによって、調圧弁３３の開度を制御する。
圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。
アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がバッファタンク３６の上部に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスとの混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。
パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が一定以下となるように調節する。これは、バッファタンク３６内のアノードガス濃度が高くなり過ぎると、バッファタンク３６からパージ通路３７を通って外気へ排出されるアノードガス量が多くなり、無駄となるからである。
コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
コントローラ４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４３などの、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号が入力される。
コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク３６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク３６内のアノードガス濃度を一定以下に保つ。
アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。
そこで、本実施形態では調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
図３（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態（燃料電池スタックの負荷）に基づいて燃料電池スタック２の目標出力を算出し、目標出力に応じたアノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３を開く。この状態のとき、アノードガスは、高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。
時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、上述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。
時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を全閉とする。
ここで、アノードガスの圧力の目標値の増加に応じて、アノードガスの圧力を下限値から上限値へと増加させる際の応答性向上のためには、調圧弁３３が全閉の時にも、調圧弁３３に待機電流を流すことが好ましい。ただし、調圧弁３３の全閉時に常に待機電流を流すと、消費電流が多くなってしまう。
従って、第１の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧の昇圧開始の所定時間前から待機電流を流すようにして、アノードガス供給の応答性を向上させつつ、消費電力を抑制する。なお、待機電流とは、調圧弁３３を開かない全閉の状態で流れる電流のことである。
図４は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。
ステップＳ１０では、アノード圧の目標値を算出する。アノード圧の目標値の詳細な算出方法を図５に示すフローチャートを用いて説明する。
図５に示すフローチャートのステップＳ１１では、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転制御時の脈動上限目標値および脈動下限目標値を生成する。
図６は、燃料電池スタック２の目標電流（目標出力）と脈動上限目標値および脈動下限目標値との関係を示す図である。コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて燃料電池スタック２の目標電流（目標出力）を算出し、算出した目標電流（目標出力）と、図６に示す目標電流と脈動目標値との関係のマップとに基づいて、脈動上限目標値および脈動下限目標値を生成する。
図５のステップＳ１２では、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧より低いか否かを判定する。アノード圧の目標値の初期値は、例えば、脈動上限目標値とする。アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧より低いと判定すると、ステップＳ１３に進み、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧以上であると判定すると、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１３では、アノード圧の目標値を脈動下限目標値とする。
一方、ステップＳ１４では、アノード圧の目標値を脈動上限目標値とする。
図４に示すフローチャートのステップＳ２０では、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、ステップＳ１０で算出されたアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であるか否かを判定する。圧力センサ３４によって検出されたアノード圧とアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であると判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、差圧が所定値より大きいと判定すると、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、ステップＳ２０で算出されたアノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧よりも高いか否かを判定する。アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧よりも高いと判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧以下であると判定すると、ステップＳ５０に進み、待機電流を零とする。
図７は、第１の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のタイムチャートを示す図である。図７では、上から順に、アノード圧の時間変化、待機電流の時間変化、調圧弁３３に供給する電流の時間変化をそれぞれ示している。
図７に示す例では、アノード圧の目標値が上限値と下限値とで周期的に交互に切り替わるように制御されており、アノード圧の目標値に追従すべく、実際のアノード圧が変化している。点線で示されているアノード圧（従来例）は、アノード圧の目標値が下限値の場合、すなわち、調圧弁３３を全閉としている場合に、待機電流を零とした場合の例である。
本実施形態では、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になると、調圧弁３３に待機電流を流す。図７では、アノード圧の目標値に追従すべく、実際のアノード圧が低下している途中の時刻ｔ１１において、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値と一致して、待機電流を流している。以後、時刻ｔ１３において、アノード圧の目標値が下限値となるまでの間は、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下となっているので、待機電流は流れ続けている。そして、アノード圧の目標値が上限値から下限値へと変化した時刻ｔ１３において、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値より高くなるため、待機電流は零となる。
調圧弁の全閉時に待機電流を常に零とする従来の制御の場合、時刻ｔ１２において、アノード圧の目標値が下限値から上限値へと変化すると、調圧弁３３に供給する電流量を零から増やしていく。この場合、図７に示すように、アノード圧の目標値に対して、実際のアノード圧の追従が遅れる。
これに対して、本実施形態では、アノード圧の目標値が下限値から上限値へと変わる少し前、具体的には、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になると、待機電流を流すので、アノード圧の昇圧時の追従性を向上させることができる。また、アノード圧の目標値を上限値から下限値へと低下させてから、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になるまでの間は、待機電流を零とするので、調圧弁３３の全閉時に待機電流を常に流す場合と比べて、消費電力を低減することができる。
なお、図４に示すフローチャートでは、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になると、待機電流を流すようにしたが、アノード圧の下限目標値に対する、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧の割合（検出アノード圧／アノード圧の下限目標値）が所定の割合以下になると、待機電流を流すようにしてもよい。燃料電池スタック２の高出力領域では、アノード圧の脈動運転制御時における脈動幅が変動するので、アノード圧の下限目標値に対する、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧の割合に基づいて、待機電流を流すタイミングを判定する方がより適切なタイミングで待機電流を流すことができる。
以上、第１の実施形態における燃料電池システムによれば、アノードガスの圧力を周期的に増減圧させる脈動運転制御時に、アノードガスの圧力の目標値を増加させる所定期間前から調圧弁３３に待機電流を流すので、昇圧時におけるアノード圧の応答性を向上させることができる。また、調圧弁３３の全閉時に常に待機電流を流し続ける場合に比べて、消費電流を抑制することができる。
特に、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になると、調圧弁３３に待機電流を流すので、昇圧時におけるアノード圧の応答性向上と、待機電流に起因する消費電流の低減を考慮した適切なタイミングで待機電流を流すことができる。
また、脈動運転制御時におけるアノード圧の下限目標値に対するアノード圧の割合が所定の割合以下になると、調圧弁３３に待機電流を流す方法によれば、昇圧時におけるアノード圧の応答性向上と、待機電流に起因する消費電流の低減を考慮した適切なタイミングで待機電流を流すことができる。特に、アノード圧の脈動幅が一定ではない高出力領域において、より適切なタイミングで待機電流を流すことができる。
なお、燃料電池の出力が所定出力以下であって、脈動運転制御時におけるアノードガスの圧力の下限目標値が所定範囲内にある場合に、図４に示す制御を行うようにしてもよい。すなわち、アノードガス圧力の下限目標値があまり変化しない安定した状態であれば、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の下限目標値との差圧に基づいて、待機電流を流すタイミングを適確に判断することができるので、より適切なタイミングで待機電流を流すことができる。
−第２の実施形態−
第２の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧の昇圧時における目標アノード圧に対する実際のアノード圧の応答遅れに基づいて、待機電流を流すタイミングを判定する閾値を変更する。
図８は、第２の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。ステップＳ１００から始まる処理は、コントローラ４によって行われる。
ステップＳ１００では、燃料電池スタック２の出力が所定出力以下であるか否かを判定する。燃料電池スタック２の出力が所定出力より大きいと判定するとステップＳ１００に戻り、所定出力以下であると判定すると、ステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０では、アノード圧の脈動制御時において、昇圧過程であるか否かを判定する。降圧過程であると判定するとステップＳ１００に戻り、昇圧過程であると判定すると、ステップＳ１２０に進む。
ステップＳ１２０では、アノード圧の目標値と、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧との差圧が所定値以下であるか否かを判定する。差圧が所定値以下であると判定すると、ステップＳ１３０に進み、差圧が所定値より高いと判定すると、ステップＳ１４０に進む。
ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０の判定で用いる所定値を小さくする。これにより、所定値を小さくする前と比べて、待機電流を流すタイミングを遅くすることができるので、消費電力を低減することができる。
一方、ステップＳ１４０では、アノード圧の昇圧時の目標アノード圧に対する実際のアノード圧の応答遅れが大きくなったと判断して、ステップＳ１２０で用いる所定値を前回の所定値、すなわち、小さくする前の所定値に戻す。これにより、待機電流を流すタイミングを早くすることができるので、アノード圧の昇圧時における目標アノード圧に対する実際のアノード圧の応答性を向上させることができる。
図９は、燃料電池スタック２の出力電流とアノード圧との関係の一例を示す図である。図９に示すように、燃料電池スタック２の出力電流が少ない領域では、出力電流の大きさに関係なく、アノード圧の脈動上限圧および脈動下限圧は一定（所定範囲内）である。燃料電池スタック２の出力電流が少ない領域とは、例えば、燃料電池車のアイドル運転時や低速走行時である。
本実施形態では、アノード圧の脈動上限圧および脈動下限圧が一定である領域、すなわち、燃料電池スタック２の出力が所定出力以下である領域において、待機電流を流すタイミングを判定する際に用いる所定値を補正する。アノード圧の脈動上限圧および脈動下限圧が一定である安定した状態で、目標アノード圧に対する実アノード圧の追従性を判定するので、所定値を補正するタイミングを正確に判断することができ、所定値を効果的に補正することができる。
なお、図８に示すフローチャートでは、所定値を効果的に補正するため、燃料電池スタック２の出力が所定出力以下である場合に、所定値を補正するものとして説明した。しかし、燃料電池スタック２の出力が所定出力より大きい場合であっても、所定値を補正するようにしてもよい。
以上、第２の実施形態における燃料電池システムによれば、アノードガスの圧力の目標値とアノードガスの圧力との偏差に基づいて、所定値を補正するので、目標値に対するアノード圧の追従性に基づいて、待機電流を流すタイミングを適切に設定することができる。特に、燃料電池の出力が所定出力以下の場合に、所定値の補正を行うので、アノード圧の脈動上限圧および脈動下限圧が一定である安定した状態で、精度良く所定値の補正を行うことができる。
なお、アノード圧の下限目標値に対する、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧の割合（検出アノード圧／アノード圧の下限目標値）が所定の割合以下になると、待機電流を流す制御を行う場合も、同様の補正を行うことができる。すなわち、アノードガスの圧力の目標値とアノードガスの圧力との偏差が所定値以下であれば、所定の割合を小さくし、偏差が所定値より大きければ、所定の割合を前回の値、すなわち、小さくする前の値に戻す。
−第３の実施形態−
第３の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧の昇圧時の目標アノード圧に対する実際のアノード圧の応答遅れに基づいて、待機電流の大きさを変更する。
図１０は、第３の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。図８に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。図１０に示すフローチャートの処理もコントローラ４によって行われる。
ステップＳ１２０において、アノード圧の目標値と、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧との差圧が所定値以下であると判定すると、ステップＳ２１０に進み、所定値より高いと判定すると、ステップＳ２２０に進む。
ステップＳ２１０では、待機電流の大きさを小さくする。すなわち、アノード圧の昇圧時における目標アノード圧に対する実際のアノード圧の追従性が良いため、待機電流の大きさを小さくすることにより、消費電力を低減する。
一方、ステップＳ２２０では、アノード圧の昇圧時の目標アノード圧に対する実際のアノード圧の応答遅れが大きくなったと判断して、待機電流の大きさを前回の大きさ、すなわち、小さくする前の大きさに戻す（大きくする）。これにより、アノード圧の昇圧時における目標アノード圧に対する実際のアノード圧の応答性を向上させることができる。
本実施形態では、アノード圧の脈動上限圧および脈動下限圧が一定である領域、すなわち、燃料電池スタック２の出力が所定出力以下である領域において、待機電流の大きさを補正する。アノード圧の脈動上限圧および脈動下限圧が一定である安定した状態で、目標アノード圧に対する実アノード圧の追従性を判定するので、待機電流の大きさを補正するタイミングを正確に判断することができ、待機電流の大きさの補正を効果的に行うことができる。
なお、図１０に示すフローチャートでは、待機電流の大きさを効果的に補正するため、燃料電池スタック２の出力が所定出力以下である場合に、待機電流の大きさを補正するものとして説明した。しかし、燃料電池スタック２の出力が所定出力より大きい場合であっても、待機電流の大きさを補正するようにしてもよい。
以上、第３の実施形態における燃料電池システムによれば、アノードガスの圧力の目標値とアノードガスの圧力との偏差に基づいて、待機電流の大きさを補正するので、より適切な大きさの待機電流を流すことができる。
なお、アノード圧の下限目標値に対する、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧の割合（検出アノード圧／アノード圧の下限目標値）が所定の割合以下になると、待機電流を流す制御を行う場合も、同様の補正を行うことができる。すなわち、アノードガスの圧力の目標値とアノードガスの圧力との偏差が所定値以下であれば、待機電流を小さくし、偏差が所定値より大きければ、待機電流を前回の値、すなわち、小さくする前の値に戻す。
−第４の実施形態−
第１の実施形態における燃料電池システムでは、アノード圧の目標値を上限値と下限値とで交互に繰り返す脈動制御時に、アノード圧の目標値が上限値から下限値になると、待機電流を零とし、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になると、待機電流を流すようにした。第４の実施形態における燃料電池システムでは、待機電流が零で、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になる前に、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じると、待機電流を流す。
図１１は、第４の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートである。図４に示すフローチャートの処理と同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付して詳しい説明は省略する。図１１に示すフローチャートの処理もコントローラ４によって行われる。
ステップＳ３０の判定を否定すると、ステップＳ３００に進む。ステップＳ３００では、燃料電池スタック２の出力増加指令があるか否かを判定する。例えば、燃料電池車のアクセルが所定開度以上踏み込まれると、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じる。燃料電池スタック２の出力増加指令があると判定すると、ステップＳ４０に進み、待機電流を流す。一方、燃料電池スタック２の出力増加指令がない場合には、ステップＳ５０に進み、待機電流を零とする。
図１２は、第４の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のタイムチャートを示す図である。図１２では、上から順に、燃料電池車のアクセル開度の時間変化、アノード圧の時間変化、待機電流の時間変化、調圧弁３３に供給する電流の時間変化をそれぞれ示している。
図１２に示す例でも、アノード圧の目標値が上限値と下限値とで交互に切り替わるように制御されており、アノード圧の目標値に追従すべく、実際のアノード圧が変化している。ただし、アノード圧の目標値のうち、降圧時の目標値は、上限値から下限値へと矩形パルス状に変化させるが、昇圧時の目標値は、下限値から上限値へと徐々に大きくする。
降圧時の時刻ｔ２１において、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値と一致すると、待機電流を流している。以後、時刻ｔ２２において、アノード圧の目標値が上限値から下限値と変化するまでは、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下となっているので、待機電流を流し続けている。また、アノード圧の目標値が上限値から下限値へと変化した時刻ｔ２２において、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値より高くなるため、待機電流は零となる。
図１２に示す例では、時刻ｔ２３において、零であったアクセル開度が大きくなり、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じるので、待機電流を流している。すなわち、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になっていないが、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じたことにより、調圧弁３３に待機電流を流している。
アノード圧の目標値は、アクセル開度が大きくなって、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じてから大きくなるので、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じてから、アノード圧の目標値が大きくなるまでにはタイムラグが生じる。特に、本実施形態のように、昇圧時のアノード圧の目標値を徐々に大きくする制御システムでは、タイムラグが大きくなる。しかしながら、本実施形態では、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、アノード圧の目標値との差圧が所定値以下になっていなくても、燃料電池スタック２の出力増加指令が生じたことにより、調圧弁３３に待機電流を流すので、燃料電池スタック２の出力応答性を向上させることができる。
以上、第４の実施形態における燃料電池システムによれば、アノードガスの圧力の目標値を増加させる所定期間前であっても、燃料電池スタック２の出力増加指令があると、調圧弁３３に待機電流を流すので、燃料電池スタック２の出力応答性を向上させることができる。
なお、燃料電池スタック２の出力増加指令の一例として、燃料電池車のアクセルが所定開度以上踏み込まれた場合を挙げたが、ブレーキが離された場合や、シフトレバーがＰ（パーキング）またはＮ（ニュートラル）の状態から、Ｄ（ドライブ）やＲ（リバース）にシフトした場合等でもよい。
本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、各実施形態で説明した制御は、適宜他の実施形態の制御と組み合わせることができる。
第１の実施形態における燃料電池システムにおいて行われる待機電流制御のフローチャートを図４に示したが、図１３に示すフローチャートの制御でも同様の効果を得ることができる。図１３に示すフローチャートのうち、図４に示すフローチャートと同一の処理を行うステップについては、同一の符号を付している。以下で、図１３に示すフローチャートの制御を簡単に説明する。
ステップＳ１０に続くステップＳ４００では、アノード圧の目標値が脈動上限目標値であるか否かを判定する。アノード圧の目標値が脈動上限目標値であると判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、アノード圧の目標値が脈動上限目標値ではないと判定すると、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、ステップＳ１０で算出されたアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であるか否かを判定する。圧力センサ３４によって検出されたアノード圧とアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であると判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、差圧が所定値より大きいと判定すると、ステップＳ５０に進み、待機電流を零とする。
なお、燃料電池システムを車両に搭載した例を挙げて説明したが、車両以外の様々なものに適用することもできる。
本願は、２０１２年２月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−４１７６６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００９】
する。
［００４９］
図６は、燃料電池スタック２の目標電流（目標出力）と脈動上限目標値および脈動下限目標値との関係を示す図である。コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて燃料電池スタック２の目標電流（目標出力）を算出し、算出した目標電流（目標出力）と、図６に示す目標電流と脈動目標値との関係のマップとに基づいて、脈動上限目標値および脈動下限目標値を生成する。
［００５０］
図５のステップＳ１２では、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧より低いか否かを判定する。アノード圧の目標値の初期値は、例えば、脈動上限目標値とする。アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧より低いと判定すると、ステップＳ１３に進み、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧以上であると判定すると、ステップＳ１４に進む。
［００５１］
ステップＳ１３では、アノード圧の目標値を脈動下限目標値とする。
［００５２］
一方、ステップＳ１４では、アノード圧の目標値を脈動上限目標値とする。
［００５３］
図４に示すフローチャートのステップＳ２０では、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、ステップＳ１０で算出されたアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であるか否かを判定する。圧力センサ３４によって検出されたアノード圧とアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であると判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、差圧が所定値より大きいと判定すると、ステップＳ３０に進む。
［００５４］
ステップＳ３０では、ステップＳ１０で算出されたアノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧よりも高いか否かを判定する。アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧よりも高いと判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧以下であると判定すると、ステップＳ５０に進み、待機電流を零とする。
【０００９】
する。
［００４９］
図６は、燃料電池スタック２の目標電流（目標出力）と脈動上限目標値および脈動下限目標値との関係を示す図である。コントローラ４は、燃料電池システム１の運転状態に基づいて燃料電池スタック２の目標電流（目標出力）を算出し、算出した目標電流（目標出力）と、図６に示す目標電流と脈動目標値との関係のマップとに基づいて、脈動上限目標値および脈動下限目標値を生成する。
［００５０］
図５のステップＳ１２では、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧より低いか否かを判定する。アノード圧の目標値の初期値は、例えば、脈動上限目標値とする。アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧より低いと判定すると、ステップＳ１３に進み、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧以上であると判定すると、ステップＳ１４に進む。
［００５１］
ステップＳ１３では、アノード圧の目標値を脈動下限目標値とする。
［００５２］
一方、ステップＳ１４では、アノード圧の目標値を脈動上限目標値とする。
［００５３］
図４に示すフローチャートのステップＳ２０では、圧力センサ３４によって検出されたアノード圧と、ステップＳ１０で算出されたアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であるか否かを判定する。圧力センサ３４によって検出されたアノード圧とアノード圧の目標値との差圧が所定値以下であると判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、差圧が所定値より大きいと判定すると、ステップＳ３０に進む。
［００５４］
ステップＳ３０では、ステップＳ１０で算出されたアノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧よりも高いか否かを判定する。アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧よりも高いと判定すると、ステップＳ４０に進み、調圧弁３３に待機電流を流す。一方、アノード圧の目標値が圧力センサ３４によって検出されたアノード圧以下であると判定すると、ステップＳ５０に進み、待機電流を零とする。

Claims (11)

  1. アノードガスおよびカソードガスを燃料電池に供給して負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
    周期的に増減する燃料電池内の目標アノードガス圧力を設定する目標アノードガス圧力設定手段と、
    前記目標アノードガス圧力に基づいて燃料電池内のアノードガス圧力を調圧する調圧弁を制御するアノードガス圧力制御手段とを備え、
    前記アノードガス圧力制御手段は、前記調圧弁に流れる電流を制御することで調圧弁の開度を制御すると共に、前記目標アノードガス圧力を増加させる所定期間前から調圧弁に待機電流を流す待機電流制御手段を備え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において、
    前記アノードガス圧力を検出するアノードガス圧力検出手段をさらに備え、
    前記待機電流制御手段は、前記アノードガス圧力と、前記目標アノードガス圧力との差圧が所定値以下になると、前記調圧弁に待機電流を流す、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記アノードガス圧力を検出するアノードガス圧力検出手段をさらに備え、
    前記待機電流制御手段は、周期的に増減する目標アノードガス圧力の下限値に対する前記アノードガス圧力の割合が所定の割合以下になると、前記調圧弁に待機電流を流す、
    燃料電池システム。
  4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記目標アノードガス圧力と前記アノードガス圧力との偏差に基づいて、前記所定値を補正する補正手段をさらに備える、
    燃料電池システム。
  5. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記目標アノードガス圧力と前記アノードガス圧力との偏差に基づいて、前記所定の割合を補正する補正手段をさらに備える、
    燃料電池システム。
  6. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記目標アノードガス圧力と前記アノードガス圧力との偏差に基づいて、前記調圧弁に流す待機電流の大きさを補正する補正手段をさらに備える、
    燃料電池システム。
  7. 請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記補正手段は、前記燃料電池の出力が所定出力以下の場合に、前記補正を行う、
    燃料電池システム。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記待機電流制御手段は、前記目標アノードガス圧力が、周期的に増減する目標アノードガス圧力の下限値になると、前記調圧弁に流す待機電流を零とする、
    燃料電池システム。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記待機電流制御手段は、前記目標アノードガス圧力を増加させる所定期間前であっても、前記燃料電池の出力増加指令があると、前記調圧弁に待機電流を流す、
    燃料電池システム。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記待機電流制御手段は、前記燃料電池の出力が所定出力以下であって、周期的に増減する目標アノードガス圧力の下限値が所定範囲内にある場合に、前記調圧弁に待機電流を流す制御を行う、
    燃料電池システム。
  11. アノードガスおよびカソードガスを燃料電池に供給して負荷に応じて発電する燃料電池システムの制御方法であって、
    周期的に増減する燃料電池内の目標アノードガス圧力を設定する工程と、
    前記目標アノードガス圧力に基づいて燃料電池内のアノードガス圧力を調圧する調圧弁を制御する工程とを備え、
    前記調圧弁を制御する工程では、前記調圧弁に流れる電流を制御することで調圧弁の開度を制御すると共に、前記目標アノードガス圧力を増加させる所定期間前から調圧弁に待機電流を流す燃料電池システムの制御方法。
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