WO2009011456A1 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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WO2009011456A1
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power
predetermined threshold
power generation
reaction gas
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Shigeto Kajiwara
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
  • the fuel cell system is provided with a reaction gas supply device (for example, an air conditioner that supplies air as an oxidizing gas) for supplying a reaction gas to the fuel cell.
  • a reaction gas supply device for example, an air conditioner that supplies air as an oxidizing gas
  • this is based on a predetermined current command value. Electric power was generated by controlling the reaction gas supply device and supplying the reaction gas to the fuel cell.
  • the current command value is a water balance zero current value (in the fuel cell In a low-current power generation region where the water balance is less than zero), a certain amount of reaction gas is supplied to the fuel cell due to mechanical limitations of the reaction gas supply device, and the fuel cell is excessive. There was a risk of becoming dry.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system that generates electricity by driving a reaction gas supply device such as an air compressor to supply a reaction gas to the fuel cell, an excess of the fuel cell is provided.
  • the purpose is to control drying.
  • a fuel cell system includes a fuel cell, a reactive gas supply device, and a power storage device that supplies electric power to various devices when the fuel cell is in a power generation suspended state.
  • a fuel cell system for generating power by driving a reaction gas supply device based on a predetermined current command value and supplying a reaction gas to the fuel cell, wherein the water content of the fuel cell is less than a predetermined threshold value
  • the amount of power stored in the power storage device is equal to or greater than a predetermined threshold value, it is determined whether the current command value is less than the water balance zero current value, and if a positive determination is obtained, the fuel cell A control device that shifts the power generation state to the power generation suspended state is provided.
  • a control method includes: a fuel cell; a reactive gas supply device; and a power storage device that supplies power to various devices when the fuel cell is in a power generation suspended state.
  • a method for controlling a fuel cell system that generates power by driving a reaction gas supply device to supply a reaction gas to a fuel cell, wherein the water content of the fuel cell is less than a predetermined threshold value, and A first step for determining whether the current command value is less than the water balance zero current value when the amount of electricity stored in the device is equal to or greater than a predetermined threshold value, and a positive determination is obtained in the first step.
  • the fuel cell is dried (the water content is less than the predetermined threshold value), the charge amount of the power storage device is relatively large (greater than the predetermined threshold value), and the current command value When is low (below the water balance zero current value), the power generation state of the fuel cell can be shifted to the power generation suspended state. Therefore, even if the flow rate of the reaction gas supplied from the reaction gas supply device cannot be set below the predetermined lower limit flow rate due to mechanical restrictions, the reaction gas is supplied under conditions that allow the fuel cell to dry. The system can be stopped automatically, and the supply of reaction gas to the fuel cell can be temporarily stopped. As a result, overdrying of the fuel cell can be suppressed.
  • Power generation state means a state in which the fuel cell continuously generates power
  • power generation temporarily stopped state means a state in which power generation by the fuel cell is temporarily stopped.
  • the current command value is set to a water balance zero current value or more.
  • a control device that maintains the power generation state of the fuel cell in a state can be employed.
  • the current command value is set to a water balance zero current.
  • a third step of maintaining the power generation state of the fuel cell in a state set to be equal to or greater than the value can be provided.
  • the current command value is The power generation state of the fuel cell can be maintained with the water balance set to zero current value or more. Therefore, over-drying of the fuel cell can be suppressed and charging of the power storage device can be realized.
  • an air compressor that supplies an oxidizing gas to the fuel cell can be employed as the reaction gas supply device.
  • a reaction gas supply device such as an air compressor to supply a reaction gas to the fuel cell
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a map showing the relationship between the current value of the fuel cell and the flow rate of air supplied from the air compressor.
  • Figure 3 is a map showing the relationship between the current value of the fuel cell and the water balance in the fuel cell.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidized gas and fuel gas), and an oxidizing gas in the fuel cell 2.
  • a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidized gas and fuel gas), and an oxidizing gas in the fuel cell 2.
  • an oxidizing gas piping system 3 that supplies air
  • a hydrogen gas piping system 4 that supplies hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell 2
  • a power system 5 that charges and discharges system power
  • the fuel cell 2 is composed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked.
  • the unit cell of the fuel cell 2 has an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of air electrodes and a fuel electrode sandwiched from both sides. It has a separator.
  • the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator, and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply.
  • the fuel cell 2 is provided with a moisture content sensor 2 a that detects the amount of moisture (moisture content) contained in the electrolyte constituting the unit cell. Information on the water content detected by the water content sensor 2 a is input to the control device 6 and used for power generation control in the fuel cell 2.
  • the oxidizing gas piping system 3 has an air supply flow path 11 1 through which oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 flows, and an exhaust flow path 12 through which oxidizing off gas discharged from the fuel cell 2 flows.
  • the air supply channel 11 is provided with an air compressor 14 that takes in the oxidizing gas via the filter 13 and a humidifier 15 that humidifies the oxidizing gas fed by the air compressor 14.
  • the oxidizing off-gas flowing through the exhaust flow path 1 2 passes through the back pressure regulating valve 16 and is used for moisture exchange in the humidifier 15, and then merges with the hydrogen off-gas in a diluter (not shown). It is exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas.
  • the air compressor 14 corresponds to an embodiment of the reaction gas supply device in the present invention.
  • the control device 6 controls the air compressor 14 based on a predetermined current command value, thereby adjusting the flow rate of air supplied to the fuel cell 2 (air flow rate).
  • a predetermined current command value thereby adjusting the flow rate of air supplied to the fuel cell 2 (air flow rate).
  • the air flow rate supplied from the air compressor 14 to the fuel cell 2 cannot be set below a predetermined lower limit flow rate Qu as shown in FIG. It ’s a sea urchin.
  • the current command value drops and is supplied from the air compressor 14
  • the air flow rate reaches the lower limit flow rate Qu
  • the water balance in the fuel cell 2 becomes zero or negative as shown in Fig. 3, so if such low current power generation continues for a long time, the fuel cell 2 will dry out. Will progress.
  • the maximum value of the current value ⁇ flow rate supplied from the air compressor 1 4 is the lower limit flow rate Qu
  • the water balance of the fuel cell 2 is the current value becomes zero (water balance zero current value 1 0).
  • the hydrogen gas piping system 4 includes a hydrogen supply source 21, a hydrogen supply flow path 2 2 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 21 to the fuel cell 2 flows, and a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2 ( A recirculation flow path 2 3 for returning the fuel off-gas) to the confluence A 1 of the hydrogen supply flow path 2 2, and a hydrogen pump 2 4 for pumping the hydrogen off-gas in the recirculation flow path 2 3 to the hydrogen supply flow path 2 2 And an exhaust drainage channel 25 branched and connected to the circulation channel 23.
  • the hydrogen supply source 21 is composed of, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to be able to store hydrogen gas at a predetermined pressure (for example, 35 MPa or 70 MPa).
  • a reformer that generates hydrogen-rich reformed gas from hydrocarbon fuel, a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high pressure state, and a hydrogen supply source 2 1 May be configured.
  • a tank having a hydrogen storage alloy can be used as the hydrogen supply source 21.
  • the hydrogen supply flow path 2 2 includes a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen supply source 21, a regulator 2 7 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and hydrogen to the fuel cell 2. And an electromagnetically driven on-off valve 28 that adjusts the gas supply pressure and flow rate, and the like.
  • a shutoff valve 26 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen supply source 21, a regulator 2 7 that adjusts the pressure of the hydrogen gas, and hydrogen to the fuel cell 2.
  • an electromagnetically driven on-off valve 28 that adjusts the gas supply pressure and flow rate, and the like.
  • An exhaust / drain channel 25 is connected to the circulation channel 23 via a gas / liquid separator 30 and an exhaust / drain valve 31.
  • the gas-liquid separator 30 collects moisture from the hydrogen off gas.
  • the exhaust drain valve 3 1 is operated according to a command from the control device 6 so that the water collected by the gas-liquid separator 30 and the hydrogen off-gas (fuel off-gas) containing impurities in the circulation passage 23 And are discharged (purged) to the outside.
  • the hydrogen off-gas discharged through the exhaust / drain valve 31 and the exhaust / drain channel 25 is combined with the oxidizing off-gas (air) in the exhaust channel 12 and diluted in a diluter (not shown).
  • the circulation flow path 23 is provided with a hydrogen pump 24 that pressurizes the hydrogen off gas in the circulation flow path 23 and sends it to the hydrogen supply flow path 22 side.
  • the hydrogen pump 24 circulates and supplies hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 2 by driving a motor (not shown).
  • the power system 5 includes a high-voltage DC / DC converter 61, a battery 62, a traction inverter 63, a traction motor 64, and various auxiliary inverters not shown.
  • the high voltage DCZD C converter 6 1 is a DC voltage converter that adjusts the DC voltage input from the battery 6 2 and outputs it to the traction inverter 6 3 side, and the fuel cell 2 or traction motor 6 4 It has the function of adjusting the DC voltage input from and outputting it to the battery 62.
  • These functions of the high-voltage D C ZD C converter 61 make it possible to charge and discharge the battery 62. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DCZDC converter 61.
  • the battery 62 is for charging surplus power and supplying power to the traction motor 64 and the auxiliary device under the control of a battery computer (not shown).
  • Battery 62 provides power assist (power supply to various devices) during sudden acceleration and intermittent operation mode.
  • the intermittent operation mode means that the power generation of the fuel cell 10 is temporarily suspended during low load operation such as idling, low speed running, regenerative braking, etc. This means an operation mode in which power is supplied from the battery 62 to a load device such as the traction motor 64, and the fuel cell 10 is intermittently supplied with hydrogen gas and air that can maintain the open-circuit voltage. .
  • the intermittent operation mode corresponds to the generation pause state in the present invention.
  • the battery 62 for example, a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery can be used.
  • a SOC sensor 6 2 a that detects the state of charge (SOC) of the battery 62 is provided. Information relating to the amount of charge of the battery 62 detected by the SOC sensor 6 2 a is input to the control device 6 and used for power generation control of the fuel cell system 1.
  • the traction inverter 63 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 64.
  • Traction motor 64 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of a vehicle in which fuel cell system 1 is mounted.
  • the auxiliary inverter is an electric motor control unit that controls the driving of each motor, and converts the direct current into three-phase alternating current and supplies it to each motor.
  • the auxiliary inverter is, for example, a pulse width modulation type PWM inverter, which converts a DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 62 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the control device 6. Control the rotational torque generated by each motor.
  • the control device 6 detects the amount of operation of an acceleration operation member (accelerator, etc.) provided in the vehicle, and provides control information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a load device such as a traction motor 64). In response, the operation of various devices in the system is controlled.
  • the load device is an auxiliary device required to operate the fuel cell 2 (for example, a motor for the air compressor 14 and the hydrogen pump 24), and is involved in the running of the vehicle. It is a collective term for power consumption devices including actuators used in various devices (transmissions, wheel control devices, steering devices, suspension devices, etc.), air conditioners (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, etc.
  • the control device 6 is configured by a computer system not shown.
  • a computer system includes a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, display, and the like.
  • Various control programs recorded in the ROM are read and executed by the CPU, and various controls are performed. Operation is realized.
  • the control device 6 calculates a current command value (target current value) of the fuel cell 2 based on an accelerator operation amount detected by an accelerator sensor (not shown). Then, the control device 6 drives and controls the air conditioner pressure 14 and the on-off valve 28 based on the calculated current command value, so that the reaction gas supplied to the fuel cell 2 (air and oxidization gas and Adjust the flow rate of hydrogen gas as fuel gas. Thereby, the control device 6 generates power according to the required power generation amount from the load device.
  • the operation mode in which the fuel cell 2 continuously generates power for supplying power to the load device is referred to as a normal operation mode.
  • the normal operation mode corresponds to the power generation state in the present invention.
  • control device 6 has a water content of the fuel cell 2 detected using the water content sensor 2a that is less than a predetermined threshold value, and a stored amount of the battery 6 2 detected using the SOC sensor 6 2a.
  • the current command value is the water balance zero current value I when it is less than the predetermined threshold.
  • the control device 6 detects that the water content of the fuel cell 2 detected using the water content sensor 2a is less than a predetermined threshold value, and that the storage amount of the battery 6 2 detected using the SOC sensor 6 2a is When the value is equal to or greater than a predetermined threshold, it is determined whether or not the current command value is less than the water balance zero current value. Then, the control device 6, when the current command value is determined to be below the water balance zero current value I Q, the operation mode of the fuel cell 2 shifts from the normal operation mode to the intermittent operation mode. As a result, Since the supply of air to the fuel cell 2 by driving the compressor 14 can be temporarily stopped, overdrying of the fuel cell 2 can be suppressed.
  • the control device 6 of the fuel cell system 1 determines whether or not the water content of the fuel cell 2 detected using the water content sensor 2 a is less than a predetermined threshold (water content determination step: S 1 ) When a positive determination is obtained, it is determined whether or not the storage amount of the battery 62 detected using the 300 sensor 6 2 3 is less than a predetermined threshold (storage amount determination step: S 2). State The control device 6, the storage amount determining step S 2, when the storage amount of the battery 6 2 is determined to be less than a predetermined threshold, which sets the current command value to the water balance zero or more current I Q To maintain the normal operation mode (power generation adjustment process: S 3).
  • the current determination step S4 corresponds to the first step in the present invention
  • the intermittent ON step S5 corresponds to the second step in the present invention
  • the power generation amount adjusting step S3 corresponds to the third step in the present invention.
  • the fuel cell 2 is dried (the water content is less than the predetermined threshold value), and the charge amount of the battery 6 2 is relatively large (greater than the predetermined threshold value). and a current instruction value (which is below the water balance zero current value 1 0) low when the operation mode of the fuel cell 2 can be shifted to the intermittent operation mode from the normal operation mode. Therefore, even in a system in which the air flow rate supplied from the air compressor 14 cannot be set below the predetermined lower limit flow rate due to mechanical restrictions, the air compressor 1 is used under conditions that allow the fuel cell 2 to dry. 4 can be automatically stopped, and the supply of air to the fuel cell 2 can be temporarily stopped. As a result, overdrying of the fuel cell 2 can be suppressed.
  • the fuel cell 2 is dry (the water content is less than the predetermined threshold value), and the charge amount of the battery 6 2 is small (less than the predetermined threshold value).
  • the normal operation mode of the fuel cell 2 can be maintained with the current command value set to a water balance zero current value of 10 or more. Accordingly, overdrying of the fuel cell 2 can be suppressed, and charging of the battery 6 2 can be realized.
  • the normal operation mode when the fuel cell is dry and the battery charge is small, the normal operation mode is maintained with the current command value set to “water balance zero current value I.”.
  • the normal operation mode is maintained with the current command value set to ⁇ the current value at the maximum efficiency point of the fuel cell system ''. You can also. In this way, overdrying of the fuel cell can be more reliably suppressed.
  • a water content sensor that detects the water content of the fuel cell is employed.
  • the configuration of the water content sensor and the water content threshold determination method are not particularly limited. For example, when a resistance sensor that detects the resistance value (impedance) of a fuel cell is provided and the resistance value detected by this resistance sensor increases and exceeds a predetermined threshold value, the water content of the fuel cell is less than the predetermined threshold value. It is possible to adopt a configuration (method) for determining that the product has been established.
  • the fuel cell system according to the present invention can be mounted on a fuel cell vehicle as shown in the above embodiment, and can also be mounted on various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. It is. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

Abstract

燃料電池と、反応ガス供給装置と、燃料電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、を備え、所定の電流指令値に基づいて反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムである。かかる燃料電池システムは、燃料電池の含水量が所定の閾値未満でありかつ蓄電装置の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、電流指令値が水収支零電流値未満であるか否かを判定し、肯定的な判定が得られた場合に燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させる制御装置を備える。

Description

明細書 燃料電池システム及びその制御方法 技術分野
本発明は、 燃料電池システム及びその制御方法に関する。 背景技術
従来より、 反応ガス （燃料ガス及び酸化ガス） の供給を受けて発電を行う 燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。 燃料電池システム で発電を行うと、 電気化学反応により、燃料電池の内部で水分が生成される。 氷点下等の低温環境下では、 燃料電池内に水分が滞留した状態で燃料電池を 停止して放置すると、 水分の凍結により次回始動時の始動性能が低下する場 合がある。 このため、 現在においては、 燃料電池内の水分量を低下させるた めの技術が種々提案されている。
一方、 燃料電池において効率良く発電を行うためには、 燃料電池を構成す る電解質膜の湿潤状態を維持する必要がある。 このため、 近年においては、 燃料電池の含水量制御が必要な状況で燃料電池の発電を強制的に継続させる ことにより、燃料電池の湿潤状態を維持する技術が提案されている（例えば、 特開 2 0 0 5— 2 6 0 5 4号公報参照） 。 発明の開示
ところで、 燃料電池システムには、 燃料電池に反応ガスを供給するための 反応ガス供給装置 （例えば、 酸化ガスとしての空気を供給するエアコンプレ ッサ） が設けられている。 従来は、 所定の電流指令値に基づいてこのような 反応ガス供給装置を駆動制御して燃料電池に反応ガスを供給することにより、 発電を行っていた。
し力、し、 前記した特開 2 0 0 5 - 2 6 0 5 4号公報に記載されたような従 来の燃料電池システムにおいては、 電流指令値が水収支零電流値 （燃料電池 内の水収支が零になるときの電流値） を下回るような低電流発電領域におい て、 反応ガス供給装置の機械的な制約により一定量の反応ガスが燃料電池に 供給されてしまい、 燃料電池が過乾燥状態となるおそれがあつた。
本発明は、 かかる事情に鑑みてなされたものであり、 エアコンプレッサ等 の反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発 電を行う燃料電池システムにおいて、 燃料電池の過乾燥を抑制することを目 的とする。 、
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、 反応ガス供給装置と、 燃料電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に 電力を供給する蓄電装置と、 を備え、 所定の電流指令値に基づいて反応ガス 供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃 料電池システムであって、燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、 蓄電装置の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、 電流指令値が水収支零電 流値未満であるか否かを判定し、 肯定的な判定が得られた場合に燃料電池の 発電状態を発電一時停止状態に移行させる制御装置を備えるものである。 また、 本発明に係る制御方法は、 燃料電池と、 反応ガス供給装置と、 燃料 電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、 を備え、 所定の電流指令値に基づいて反応ガス供給装置を駆動して燃料電池 に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムの制御方法で あって、 燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、 かつ、 蓄電装置の蓄電 量が所定の閾値以上である場合に、 電流指令値が水収支零電流値未満である か否かを判定する第一の工程と、 この第一の工程において肯定的な判定が得 られた場合に、 燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させる第二の 工程と、 を備えるものである。
かかる構成及び方法によれば、 燃料電池が乾燥し （含水量が所定の閾値未 満であり） 、 蓄電装置の充電量が比較的多く （所定の閾値以上であり） 、 か つ、 電流指令値が低い （水収支零電流値未満である） 場合に、 燃料電池の発 電状態を発電一時停止状態に移行させることができる。 従って、 機械的な制 約により反応ガス供給装置から供給される反応ガスの流量を所定の下限流量 以下に設定することができない場合においても、 燃料電池が乾燥するような 条件の下で反応ガス供給装置を自動的に停止させ、 燃料電池への反応ガスの 供給を一時的に停止することができる。 この結果、 燃料電池の過乾燥を抑制 することができる。 なお、 「発電状態」 とは、 燃料電池が継続的に発電を行 つている状態を意味し、 「発電一時停止状態」 とは、 燃料電池による発電を 一時的に停止した状態を意味する。
前記燃料電池システムにおいて、 燃料電池の含水量が所定の閾値未満であ り、 かつ、 蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、 電流指令値を 水収支零電流値以上に設定した状態で燃料電池の発電状態を維持する制御装 置を採用することができる。
また、 前記燃料電池システムの制御方法において、 燃料電池の含水量が所 定の閾値未満であり、 かつ、 蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合 に、 電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で燃料電池の発電状態 を維持する第三の工程を備えることができる。
かかる構成及び方法を採用すると、 燃料電池が乾燥し （含水量が所定の閾 値未満であり） 、 かつ、 蓄電装置の充電量が少ない （所定の閾値未満である） 場合に、 電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で燃料電池の発電 状態を維持することができる。 従って、 燃料電池の過乾燥を抑制するととも に、 蓄電装置の充電を実現させることができる。 また、 前記燃料電池システムにおいて、 燃料電池に酸化ガスを供給するェ アコンプレッサを反応ガス供給装置として採用することができる。
本発明によれば、 エアコンプレッサ等の反応ガス供給装置を駆動して燃料 電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムにおいて、 燃料電池の過乾燥を抑制することが可能となる。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
図 2は、 燃料電池の電流値とエアコンプレッサから供給されるエア流量と の関係を示すマップである。
図 3は、 燃料電池の電流値と燃料電池内の水収支との関係を示すマップで ある。
図 4は、 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフロ 一チヤ一トである。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して、 本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1につ いて説明する。 本実施形態においては、 本発明を燃料電池車両の車載発電シ ステムに適用した例について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム 1は、図 1に示すように、反応ガス（酸 化ガス及び燃料ガス） の供給を受けて電力を発生する燃料電池 2と、 燃料電 池 2に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系 3と、 燃料電池 2に 燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系 4と、 システムの電力 を充放電する電力系 5と、 システム全体を統合制御する制御装置 6と、 を備 えている。 燃料電池 2は、 例えは:固体高分子電解質型で構成され、 多数の単電池を積 層したスタック構造を備えている。 燃料電池 2の単電池は、 イオン交換膜か らなる電解質の一方の面に空気極を有し、 他方の面に燃料極を有し、 さらに 空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。 一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、 他方のセパレータ の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、 このガス供給により燃料電池 2は電 力を発生する。 燃料電池 2には、 単電池を構成する電解質に含まれる水分の 量 （含水量） を検出する含水量センサ 2 aが取り付けられている。 含水量セ ンサ 2 aで検出された含水量に係る情報は制御装置 6に入力され、 燃料電池 2内の発電制御に用いられる。
酸化ガス配管系 3は、 燃料電池 2に供給される酸化ガスが流れる空気供給 流路 1 1と、 燃料電池 2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路 1 2 と、 を有している。 空気供給流路 1 1には、 フィルタ 1 3を介して酸化ガス を取り込むエアコンプレッサ 1 4と、 エアコンプレッサ 1 4により圧送され る酸化ガスを加湿する加湿器 1 5と、 が設けられている。 排気流路 1 2を流 れる酸化オフガスは、 背圧調整弁 1 6を通って加湿器 1 5で水分交換に供さ れた後、 図示していない希釈器において水素オフガスと合流して水素オフガ スを希釈し、 最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。 エア コンプレッサ 1 4は、 本発明における反応ガス供給装置の一実施形態に相当 するものである。
本実施形態においては、 制御装置 6が、 所定の電流指令値に基づいてエア コンプレッサ 1 4を駆動制御することにより、 燃料電池 2に供給される空気 の流量 （エア流量） を調整する。 この際、 エアコンプレッサ 1 4の機械的な 制約により、 図 2に示すように、 エアコンプレッサ 1 4から燃料電池 2へと 供給されるエア流量を所定の下限流量 Qu以下に設定することはできないよ うになつている。 電流指令値が低下してエアコンプレッサ 1 4から供給され るエア流量が下限流量 Quに到達すると、図 3に示すように燃料電池 2内の水 収支は零ないし負となるため、 このような低電流発電が長時間続くと、 燃料 電池 2の乾燥が進行することとなる。 なお、 エアコンプレッサ 1 4から供給 される ァ流量が下限流量 Quとなる電流値の最大値は、燃料電池 2の水収支 が零となる電流値 （水収支零電流値 1 0) である。
水素ガス配管系 4は、 水素供給源 2 1と、 水素供給源 2 1から燃料電池 2 に供給される水素ガスが流れる水素供給流路 2 2と、 燃料電池 2から排出さ れた水素オフガス （燃料オフガス） を水素供給流路 2 2の合流点 A 1に戻す ための循環流路 2 3と、 循環流路 2 3内の水素オフガスを水素供給流路 2 2 に圧送する水素ポンプ 2 4と、 循環流路 2 3に分岐接続された排気排水流路 2 5と、 を有している。
水素供給源 2 1は、 例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、 所 定圧力 （例えば 3 5 M P a又は 7 0 M P a ) の水素ガスを貯留可能に構成さ れている。 なお、 炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改 質器と、 この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガス タンクと、 から水素供給源 2 1を構成してもよい。 また、 水素吸蔵合金を有 するタンクを水素供給源 2 1として採用することもできる。
水素供給流路 2 2には、 水素供給源 2 1からの水素ガスの供給を遮断又は 許容する遮断弁 2 6と、 水素ガスの圧力を調整するレギユレータ 2 7と、 燃 料電池 2への水素ガスの供給圧力 ·流量等を調整する電磁駆動式の開閉弁 2 8と、 が設けられている。 遮断弁 2 6を開くと、 水素供給源 2 1から水素供 給流路 2 2に水素ガスが流出する。 水素ガスは、 レギユレータ 2 7や開閉弁 2 8により最終的に例えば 2 0 0 k P a程度まで減圧されて、 燃料電池 2に 供給される。 遮断弁 2 6及び開閉弁 2 8の動作は制御装置 6により制御され る。 循環流路 2 3には、 気液分離器 3 0及び排気排水弁 3 1を介して、 排気排 水流路 2 5が接続されている。 気液分離器 3 0は、 水素オフガスから水分を 回収するものである。 排気排水弁 3 1は、 制御装置 6からの指令によって作 動することにより、 気液分離器 3 0で回収した水分と、 循環流路 2 3内の不 純物を含む水素オフガス （燃料オフガス） と、 を外部に排出 （パージ） する。 排気排水弁 3 1及び排気排水流路 2 5を介して排出される水素オフガスは、 図示していない希釈器において排気流路 1 2内の酸化オフガス （空気） と合 流して希釈される。 また、 循環流路 2 3には、 循環流路 2 3内の水素オフガ スを加圧して水素供給流路 2 2側へ送り出す水素ポンプ 2 4が設けられてい る。 水素ポンプ 2 4は、 図示していないモータの駆動により、 循環系内の水 素ガスを燃料電池 2に循環供給する。
電力系 5は、 高圧 D C/D Cコンバータ 6 1 、 ノくッテリ 6 2、 トラクショ ンインバータ 6 3、 トラクシヨンモータ 6 4、 図示していない各種の補機ィ ンバータ等を備えている。 高圧 D CZD Cコンバータ 6 1は、 直流の電圧変 換器であり、 バッテリ 6 2から入力された直流電圧を調整してトラクシヨン ィンバータ 6 3側に出力する機能と、 燃料電池 2又はトラクションモータ 6 4から入力された直流電圧を調整してバッテリ 6 2に出力する機能と、 を有 する。 高圧 D C ZD Cコンバータ 6 1のこれらの機能により、 ノく ッテリ 6 2 の充放電が実現される。 また、 高圧 D CZD Cコンバータ 6 1により、 燃料 電池 2の出力電圧が制御される。
ノくッテリ 6 2は、 図示していないバッテリコンピュータの制御により、 余 剰電力の充電やトラクションモータ 6 4及び補機装置への電力供給を行うも のであり、 本発明における蓄電装置の一実施形態である。 バッテリ 6 2は、 急加速時や間欠運転モードにおける電力アシスト （各種機器への電力供給） を行う。 なお、 間欠運転モードとは、 例えばアイ ドリング時、 低速走行時、 回生制動時等のような低負荷運転時に燃料電池 1 0の発電を一時的に休止し、 バッテリ 6 2からトラクションモータ 6 4等の負荷装置への電力供給を行い、 燃料電池 1 0には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を 間欠的に行う運転モードを意味する。 間欠運転モードは、 本発明における発 電一時停止状態に相当する。 バッテリ 6 2としては、 例えば、 ニッケル水素 電池やリチウムイオン電池を採用することができる。
また、本実施形態では、 ノくッテリ 6 2の充電量（S O C： State of Charge) を検出する S O Cセンサ 6 2 aが設けられている。 S O Cセンサ 6 2 aで検 出されたバッテリ 6 2の充電量に係る情報は、 制御装置 6に入力され、 燃料 電池システム 1の発電制御に用いられる。
トラクシヨンインバータ 6 3は、 直流電流を三相交流に変換し、 トラクシ ヨンモータ 6 4に供給する。 トラクシヨンモータ 6 4は、 例えば三相交流モ ータであり、 燃料電池システム 1が搭載される車両の主動力源を構成する。 補機インバータは、 各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、 直流電 流を三相交流に変換して各モータに供給する。 補機インバータは、 例えばパ ルス幅変調方式の P WMインバータであり、 制御装置 6からの制御指令に従 つて燃料電池 2又はバッテリ 6 2から出力される直流電圧を三相交流電圧に 変換して、 各モータで発生する回転トルクを制御する。
制御装置 6は、 車両に設けられた加速操作部材 （アクセル等） の操作量を 検出し、 加速要求値 （例えばトラクシヨンモータ 6 4等の負荷装置からの要 求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。 なお、 負荷装置とは、 トラクシヨンモータ 6 4のほかに、 燃料電池 2を作動 させるために必要な補機装置 （例えばエアコンプレッサ 1 4や水素ポンプ 2 4のモータ等） 、 車両の走行に関与する各種装置 （変速機、 車輪制御装置、 操舵装置、 懸架装置等） で使用されるァクチユエータ、 乗員空間の空調装置 (エアコン） 、 照明、 オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものであ る。 制御装置 6は、 図示していないコンピュータシステムによって構成されて いる。 かかるコンピュータシステムは、 C P U、 R OM, R AM, H D D , 入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、 R OMに記 録された各種制御プログラムを C P Uが読み込んで実行することにより、 各 種制御動作が実現されるようになっている。
具体的には、 制御装置 6は、 図示していないアクセルセンサで検出したァ クセル操作量に基づいて、 燃料電池 2の電流指令値 （目標電流値） を算出す る。 そして、 制御装置 6は、 算出した電流指令値に基づいてエアコンプレツ サ 1 4や開閉弁 2 8を駆動制御することにより、 燃料電池 2に供給される反 応ガス （酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガス） の流量を調 整する。 これにより、 制御装置 6は、 負荷装置からの要求発電量に応じた発 電を行う。 このように燃料電池 2が負荷装置への電力供給のために発電を継 続的に行う運転モードを通常運転モードと称することとする。 通常運転モー ドは、 本発明における発電状態に相当する。
また、 制御装置 6は、 含水量センサ 2 aを用いて検出した燃料電池 2の含 水量が所定の閾値未満であり、 かつ、 S O Cセンサ 6 2 aを用いて検出した バッテリ 6 2の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、 電流指令値を水収支 零電流値 I。 （図 2及び図 3 ) 以上に設定した状態で通常運転モードを維持す る。 これにより、 燃料電池 2の過乾燥を抑制することができる。
一方、 制御装置 6は、 含水量センサ 2 aを用いて検出した燃料電池 2の含 水量が所定の閾値未満であり、 かつ、 S O Cセンサ 6 2 aを用いて検出した バッテリ 6 2の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、 電流指令値が水収支 零電流値 未満であるか否かを判定する。 そして、 制御装置 6は、 電流指令 値が水収支零電流値 I Q未満であると判定した場合に、燃料電池 2の運転モー ドを通常運転モードから間欠運転モードに移行させる。 これにより、 ェアコ ンプレッサ 1 4の駆動による燃料電池 2への空気の供給を一時的に停止させ ることができるので、 燃料電池 2の過乾燥を抑制することができる。
続いて、 図 4のフローチャートを用いて、 燃料電池システム 1の制御方法 について説明する。
燃料電池システム 1の通常運転モードにおいては、 水素供給源 2 1から水 素ガスが水素供給流路 2 2を介して燃料電池 2の燃料極に供給されるととも に、 加湿調整された空気が空気供給流路 1 1を介して燃料電池 2の酸化極に 供給されることにより、 発電が行われる。 この際、 燃料電池 2から引き出す べき電力 （発電要求量） が制御装置 6で演算され、 その発電要求量に応じた 量の水素ガス及び空気が燃料電池 2内に供給されるようになっている。 本実 施形態においては、 このような通常運転モードにおける燃料電池 2の過乾燥 を抑制する。
まず、 燃料電池システム 1の制御装置 6は、 含水量センサ 2 aを用いて検 出した燃料電池 2の含水量が所定の閾値未満であるか否かを判定し （含水量 判定工程： S 1 ) 、 肯定的な判定が得られた場合に、 3 0〇センサ6 2 3を 用いて検出したバッテリ 6 2の蓄電量が所定の閾値未満であるか否かを判定 する （蓄電量判定工程： S 2 ) 。 そして、 制御装置 6は、 蓄電量判定工程 S 2において、 バッテリ 6 2の蓄電量が所定の閾値未満であると判定した場合 に、電流指令値を水収支零電流値 I Q以上に設定した状態で通常運転モードを 維持する （発電量調整工程： S 3 ) 。
一方、 制御装置 6は、 蓄電量判定工程 S 2において、 バッテリ 6 2の蓄電 量が所定の閾値以上であると判定した場合に、 電流指令値が水収支零電流値 1 0未満であるか否かを判定する （電流判定工程： S 4 ) 。 そして、 制御装置 6は、電流判定工程 S 4において電流指令値が水収支零電流値 I Q未満である と判定した場合に、 燃料電池 2の運転モードを通常運転モードから間欠運転 モードに移行させる （間欠〇N工程： S 5 ) 。 これに対し、 制御装置 6は、 電流判定工程 S 4において電流指令値が水収支零電流値 I Q以上であると判 定した場合に、燃料電池 2の運転モードを通常運転モードのまま維持する（間 欠 O F F工程： S 6 ) 。
なお、 電流判定工程 S 4は、 本発明における第一の工程に相当し、 間欠 O N工程 S 5は、 本発明における第二の工程に相当する。 また、 発電量調整ェ 程 S 3は、 本発明における第三の工程に相当する。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、 燃料電池 2 が乾燥し （含水量が所定の閾値未満であり） 、 バッテリ 6 2の充電量が比較 的多く （所定の閾値以上であり） 、 かつ、 電流指令値が低い （水収支零電流 値 1 0未満である）場合に、燃料電池 2の運転モードを通常運転モードから間 欠運転モードへと移行させることができる。 従って、 機械的な制約によりェ アコンプレッサ 1 4から供給されるエア流量を所定の下限流量以下に設定す ることができないシステムにおいても、 燃料電池 2が乾燥するような条件の 下でエアコンプレッサ 1 4を自動的に停止させ、 燃料電池 2への空気の供給 を一時的に停止することができる。 この結果、 燃料電池 2の過乾燥を抑制す ることができる。
また、 以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、 燃料 電池 2が乾燥し （含水量が所定の閾値未満であり） 、 かつ、 バッテリ 6 2の 充電量が少ない （所定の閾値未満である） 場合に、 電流指令値を水収支零電 流値 1 0以上に設定した状態で燃料電池 2の通常運転モードを維持すること ができる。 従って、 燃料電池 2の過乾燥を抑制するとともに、 バッテリ 6 2 の充電を実現させることができる。
なお、 以上の実施形態においては、 燃料電池が乾燥しかつバッテリの充電 量が少ない場合に、 電流指令値を 「水収支零電流値 I。以上」 に設定した状態 で通常運転モードを維持した例を示したが、 電流指令値を 「燃料電池システ ムの最大効率点における電流値」 に設定した状態で通常運転モードを維持す ることもできる。 このようにすると、 燃料電池の過乾燥をより確実に抑制す ることができる。
また、 以上の実施形態においては、 燃料電池の含水量を検出する含水量セ ンサを採用しているが、 含水量センサの構成や含水量の閾値判定方法につい ては特に限られるものではない。 例えば、 燃料電池の抵抗値 （インピーダン ス） を検出する抵抗センサを設け、 この抵抗センサで検出した抵抗値が増大 して所定の閾値を超えた場合に、 燃料電池の含水量が所定の閾値未満となつ たものと判定する構成 （方法） を採用することができる。 産業上の利用可能性
本発明に係る燃料電池システムは、 以上の実施形態に示すように、 燃料電 池車両に搭載可能であり、また、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、 船舶、 航空機等） にも搭載可能である。 また、 本発明に係る燃料電池システ ムを、 建物 （住宅、 ビル等） 用の発電設備として用いられる定置用発電シス テムに適用してもよい。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料電池と、 反応ガス供給装置と、 前記燃料電池が発電一時停止状態 にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、 を備え、 所定の電流指 令値に基づいて前記反応ガス供給装置を駆動して前記燃料電池に反応ガスを 供給することにより発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、 かつ、 前記蓄電装置の蓄 電量が所定の閾値以上である場合に、 前記電流指令値が水収支零電流値未満 であるか否かを判定し、 肯定的な判定が得られた場合に前記燃料電池の発電 状態を発電一時停止状態に移行させる制御装置を備える、
燃料電池システム。
2 . 前記制御装置は、 前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、 か つ、 前記蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、 前記電流指令値 を水収支零電流値以上に設定した状態で前記燃料電池の発電状態を維持する ものである、
請求項 1に記載の燃料電池システム。
3 . 前記反応ガス供給装置は、 前記燃料電池に酸化ガスを供給するェアコ ンプレッサである、
請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。
4 . 燃料電池と、 反応ガス供給装置と、 前記燃料電池が発電一時停止状態 にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、 を備え、 所定の電流指 令値に基づいて前記反応ガス供給装置を駆動して前記燃料電池に反応ガスを 供給することにより発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、 前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、 かつ、 前記蓄電装置の蓄 電量が所定の閾値以上である場合に、 前記電流指令値が水収支零電流値未満 であるか否かを判定する第一の工程と、 前記第一の工程において肯定的な判定が得られた場合に、 前記燃料電池の 発電状態を発電一時停止状態に移行させる第二の工程と、 を備える、 燃料電池システムの制御方法。
5 . 前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、 かつ、 前記蓄電装置 の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、 前記電流指令値を水収支零電流値 以上に設定した状態で前記燃料電池の発電状態を維持する第三の工程を備え る、
請求項 4に記載の燃料電池システムの制御方法。
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