WO2009096223A1 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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WO2009096223A1
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fuel
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Ayako Kawase
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
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    • H01M8/0494—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
  • the fuel gas supply to the fuel cell is interrupted, so the fuel supply flow path for supplying the fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell
  • the gas pressure inside becomes lower than the gas pressure during normal operation.
  • Patent Document 1 if the conventional technique as described in Patent Document 1 is adopted to perform rapid acceleration from intermittent operation, even if the supply flow rate of the fuel gas from the fuel supply source is increased, There is a possibility that the fuel gas is not sufficiently supplied to the fuel cell itself until the gas pressure returns to the gas pressure during normal operation. When such a situation occurs, the stoichiometric ratio after the return from the intermittent operation to the normal operation is lowered, and there is a possibility that the stability of the power generation state of the fuel cell cannot be ensured.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of stabilizing the power generation state of the fuel cell in a transition period from a power generation stop state such as intermittent operation to a normal operation. To do.
  • a fuel cell system includes a fuel supply source and a fuel cell, supplies fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell, generates power, and stops generating power in the fuel cell.
  • a fuel cell system comprising output limiting means for limiting the output of the fuel cell after the transition from the power generation state to the power generation state, wherein the output restriction means is fuel supplied from the fuel supply source after the transition from the power generation stop state to the power generation state.
  • the fuel cell after the transition from the power generation stop state to the power generation state by reducing the flow rate of the fuel gas used for returning the pressure of the fuel gas in the power generation stop state to the fuel gas pressure in the power generation state from the total gas flow rate.
  • the flow rate of the fuel gas that is actually supplied is calculated, and the output of the fuel cell is limited with the output current value corresponding to the calculated flow rate as the upper limit. .
  • a control method for a fuel cell system includes a fuel supply source and a fuel cell, and supplies fuel gas from the fuel supply source to the fuel cell to generate power, and from a power generation stop state of the fuel cell.
  • a fuel cell system control method for limiting the output of a fuel cell after transition to a power generation state, wherein power generation is stopped from the total flow of fuel gas supplied from a fuel supply source after transition from the power generation stop state to the power generation state.
  • the fuel cell is actually supplied by subtracting the flow rate used to restore the gas pressure from the total supply flow rate of the fuel gas after the transition from the power generation stop state to the power generation state.
  • the flow rate is calculated, and the output of the fuel cell can be limited with the output current value corresponding to the calculated flow rate as the upper limit. Therefore, the amount of gas consumed in the fuel cell after the transition from the power generation stop state to the power generation state can be limited to suppress a decrease in the stoichiometric ratio, so that the power generation state of the fuel cell can be stabilized.
  • the “power generation stop state” means a state in which power generation by the fuel cell is stopped (for example, an operation stop mode in which the operation of the fuel cell is completely stopped, or power generation of the fuel cell is temporarily stopped at a low load, etc. (Intermittent operation mode) means “power generation state” means a state in which the fuel cell continuously generates power (normal operation mode).
  • the “stoichiometric ratio” means the surplus ratio of the amount of gas supplied to the fuel cell with respect to the amount of gas consumed in the fuel cell.
  • a fuel cell system capable of stabilizing the power generation state of the fuel cell in a transition period from a power generation stop state such as intermittent operation to normal operation.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), and air as oxidizing gas to the fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 is formed 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 a cathode electrode (air electrode) on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, an anode electrode (fuel electrode) on the other surface, and further has a cathode electrode and an anode electrode.
  • a pair of separators are provided so as to be sandwiched from both sides.
  • 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 current sensor 2a and a voltage sensor 2b that detect current and voltage (output current and output voltage) during power generation.
  • a current sensor 2a and a voltage sensor 2b that detect current and voltage (output current and output voltage) during power generation.
  • various types of fuel cells 2 such as a phosphoric acid type and a molten carbonate type can be adopted as the fuel cell 2.
  • the oxidizing gas piping system 3 includes an air compressor 31, an oxidizing gas supply path 32, a humidification module 33, a cathode offgas flow path 34, a diluter 35, a motor M ⁇ b> 1 that drives the air compressor 31, and the like.
  • the air compressor 31 is driven by the driving force of the motor M ⁇ b> 1 that operates according to the control command of the control device 6, and oxygen (oxidizing gas) taken from outside air through an air filter (not shown) is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 2.
  • the oxidizing gas supply path 32 is a gas flow path for guiding oxygen supplied from the air compressor 31 to the cathode electrode of the fuel cell 2.
  • Cathode off-gas is discharged from the cathode electrode of the fuel cell 2. This cathode off gas is in a highly moist state because it contains moisture generated by the cell reaction of the fuel cell 2.
  • the humidification module 33 exchanges moisture between the low wet state oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply path 32 and the high wet state cathode off gas flowing through the cathode off gas flow path 34, and is supplied to the fuel cell 2.
  • the cathode off-gas channel 34 is a gas channel for exhausting the cathode off-gas outside the system, and an air pressure regulating valve A1 is disposed in the vicinity of the cathode electrode outlet of the gas channel.
  • the back pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 is regulated by the air pressure regulating valve A1.
  • the diluter 35 dilutes the hydrogen gas discharge concentration so that it falls within a preset concentration range (such as a range determined based on environmental standards).
  • the diluter 35 communicates with the downstream side of the cathode offgas channel 34 and the downstream side of the anode offgas channel 44 described later, and the hydrogen offgas and the oxygen offgas are mixed and diluted and exhausted outside the system.
  • the fuel gas piping system 4 includes a fuel supply source 41, a fuel gas supply path 42, a fuel gas circulation path 43, an anode off-gas flow path 44, a hydrogen circulation pump 45, a check valve 46, and a motor for driving the hydrogen circulation pump 45. M2 etc.
  • the fuel supply source 41 is means for supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the fuel cell 2 and is constituted by, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage tank.
  • the fuel gas supply path 42 is a gas flow path for guiding the fuel gas discharged from the fuel gas supply source 41 to the anode electrode of the fuel cell 2, and the gas flow path includes a tank valve H1, hydrogen gas from upstream to downstream. Valves such as a supply valve H2 and an FC inlet valve H3 are provided.
  • the tank valve H1, the hydrogen supply valve H2, and the FC inlet valve H3 are shut valves for supplying (or shutting off) the fuel gas to the fuel cell 2, and are constituted by, for example, electromagnetic valves.
  • the fuel gas circulation path 43 is a return gas flow path for recirculating unreacted fuel gas to the fuel cell 2.
  • the gas flow path includes an FC outlet valve H4, a hydrogen circulation pump 45, and a check valve from upstream to downstream. 46 are respectively arranged.
  • the low-pressure unreacted fuel gas discharged from the fuel cell 2 is moderately pressurized by the hydrogen circulation pump 45 driven by the driving force of the motor M ⁇ b> 2 that operates according to the control command of the control device 6, and is supplied to the fuel gas supply path 42. Led.
  • the backflow of the fuel gas from the fuel gas supply path 42 to the fuel gas circulation path 43 is suppressed by the check valve 46.
  • the anode off gas passage 44 is a gas passage for exhausting the anode off gas including the hydrogen off gas discharged from the fuel cell 2 to the outside of the system, and a purge valve H5 is disposed in the gas passage.
  • the power system 5 includes a high voltage DC / DC converter 51, a battery 52, a traction inverter 53, an auxiliary inverter 54, a traction motor M3, an auxiliary motor M4, and the like.
  • the high-voltage DC / DC converter 51 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 52 and outputs it to the traction inverter 53 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor M3. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 52.
  • the charge / discharge of the battery 52 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 51. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 51.
  • the battery 52 is a chargeable / dischargeable secondary battery, and is composed of various types of secondary batteries (for example, a nickel metal hydride battery).
  • the battery 52 can be charged with surplus power or supplementarily supplied with power by control of a battery computer (not shown). Part of the direct-current power generated by the fuel cell 2 is stepped up and down by the high-voltage DC / DC converter 51 and charged in the battery 52.
  • a chargeable / dischargeable battery for example, a capacitor
  • the secondary battery may be employed.
  • the traction inverter 53 and the auxiliary inverter 54 are pulse width modulation type PWM inverters, and convert DC power output from the fuel cell 2 or the battery 52 into three-phase AC power in accordance with a given control command, thereby obtaining a traction motor.
  • the traction motor M3 is a motor for driving the wheels 7L and 7R.
  • the traction motor M3 is provided with a rotation speed detection sensor 5a for detecting the rotation speed.
  • the auxiliary motor M4 is a motor for driving various auxiliary machines, and is a generic term for the motor M1 that drives the air compressor 31, the motor M2 that drives the hydrogen circulation pump 45, and the like.
  • the control device 6 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and controls each part of the system in an integrated manner based on the input sensor signals. Specifically, the control device 6 calculates the required output power of the fuel cell 2 based on each sensor signal sent from the rotational speed detection sensor 5a, the accelerator pedal sensor 6a that detects the accelerator pedal opening degree, and the like. Then, the control device 6 controls the output voltage and output current of the fuel cell 2 so as to generate output power corresponding to the required output power. The control device 6 controls the traction motor M3 and the auxiliary motor M4 by controlling the output pulse widths of the traction inverter 53 and the auxiliary inverter 54, and the like.
  • the control device 6 switches between the normal operation mode and the intermittent operation mode.
  • the normal operation mode means an operation mode in which the fuel cell 2 continuously generates power for supplying power to a load device such as the traction motor M3.
  • the intermittent operation mode for example, the power generation of the fuel cell 2 is temporarily stopped during low load operation such as idling, low speed traveling, regenerative braking, etc., and power is supplied from the battery 52 to the load device.
  • the battery 2 means an operation mode in which hydrogen gas and air that can maintain an open-circuit voltage are intermittently supplied.
  • the normal operation mode corresponds to the power generation state in the present invention
  • the intermittent operation mode corresponds to the power generation stop state in the present invention.
  • control device 6 limits the output of the fuel cell 2 after the operation mode of the fuel cell 2 returns (shifts) from the intermittent operation mode to the normal operation mode. Specifically, the control device 6 determines the hydrogen gas pressure in the intermittent operation mode from the total flow rate of the hydrogen gas supplied from the fuel supply source 41 after returning from the intermittent operation mode to the normal operation mode. By reducing the flow rate of the hydrogen gas used for returning to the gas pressure, the flow rate of the hydrogen gas actually supplied to the fuel cell 2 after returning from the intermittent operation mode to the normal operation mode is calculated. Then, the control device 6 limits the output of the fuel cell 2 with the output current value corresponding to the calculated flow rate as an upper limit. That is, the control device 6 functions as output limiting means in the present invention.
  • the control device 6 performs control for realizing the normal operation mode after startup (normal operation control process: S1).
  • the control device 6 calculates the required output power of the fuel cell 2 based on each sensor signal sent from the rotation speed detection sensor 5a, the accelerator pedal sensor 6a, etc., and this calculated output request An output current command value and an output voltage command value corresponding to the power are calculated.
  • the control device 6 calculates the output current command value I 1 and the output voltage command value V 1 based on the IV characteristic map shown in FIG. 3 and the calculated output request power P 1 .
  • the control unit 6, by adjusting the amount of gas supplied to the fuel cell 2 by using the various valves and the air compressor 31, the output current of the fuel cell 2 detected by the current sensor 2a to the output current command value I 1 performs control to approximate, by using the high-voltage DC / DC converter 51 performs a control to bring the output voltage of the fuel cell 2 detected by the voltage sensor 2b to the output voltage command value V 1.
  • the upper limit of the output current command value before entering the intermittent operation mode is I MAX .
  • the control device 6 determines whether or not a condition (operation switching condition) for switching the operation mode of the fuel cell 2 from the normal operation mode to the intermittent operation mode is satisfied (intermittent operation start determination step: S2). .
  • the operation switching condition for example, it is possible to adopt that the change over time in the required power amount or the power generation amount is less than a predetermined threshold.
  • the control device 6 switches the operation mode of the fuel cell 2 from the normal operation mode to the intermittent operation mode (intermittent operation control step). : S3).
  • the intermittent operation control step S ⁇ b> 3 the control device 6 temporarily stops the power generation of the fuel cell 2, supplies power from the battery 52 to the load device, and can maintain an open-ended voltage in the fuel cell 2. Hydrogen gas and air are supplied intermittently.
  • control device 6 determines whether or not the intermittent operation time has elapsed (intermittent operation end determination step: S4), and when determining that the intermittent operation time has elapsed, ends the intermittent operation mode. Return to the normal operation mode (normal operation resumption process: S5).
  • the control device 6 limits the output of the fuel cell 2 with the output current value I lim corresponding to the calculated flow rate Q FC as the upper limit of the output current command value.
  • the output current value I lim corresponding to the flow rate Q FC of the hydrogen gas actually supplied to the fuel cell 2 after returning from the intermittent operation mode to the normal operation mode is set to the intermittent operation mode as shown in FIGS. 3 and 4C. It becomes a value smaller than the upper limit I MAX of the output current command value before entering.
  • the control device 6 determines the output current command value I 2 ( ⁇ I lim ) and the output voltage command value V based on, for example, the output required power P 2 and the IV characteristic map shown in FIG. 2 is calculated. Then, the control unit 6, by adjusting the air supply amount to the fuel cell 2 by using the various valves and the air compressor 31, the output current of the fuel cell 2 detected by the current sensor 2a to the output current command value I 2 performs control to approximate, by using the high-voltage DC / DC converter 51 performs a control to bring the output voltage of the fuel cell 2 detected by the voltage sensor 2b to the output voltage command value V 2.
  • the output limiting step S6 in the present embodiment includes the flow rate calculating step and the output limiting step in the present invention.
  • the flow rate used to restore the gas pressure from the total supply flow rate of hydrogen gas after returning from the intermittent operation mode to the normal operation mode pressure return flow rate.
  • the flow rate actually supplied to the fuel cell 2 can be calculated, and the output of the fuel cell 2 can be limited with the output current value corresponding to the calculated flow rate as the upper limit. Therefore, it is possible to stabilize the power generation state of the fuel cell 2 by suppressing a decrease in the stoichiometric ratio after returning from the intermittent operation mode to the normal operation mode.
  • the present invention is applied in the transition period from the intermittent operation mode in which the power generation of the fuel cell 2 is temporarily stopped at a low load or the like to the normal operation mode.
  • the present invention can also be applied to a transition period from an operation stop mode (power generation stop state) in which operation 2 is completely stopped to a normal operation mode.
  • the fuel cell system according to the present invention can be mounted on a fuel cell vehicle, and can also be mounted on various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. is there. 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.).
  • 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a flowchart for explaining a control method of the fuel cell system shown in FIG. 1.
  • 4 is an IV characteristic map of the fuel cell system shown in FIG. 1. It is a time chart which shows ON / OFF of the intermittent operation mode of the fuel cell system shown in FIG. It is a time chart which shows the time history of the hydrogen gas supply flow rate of the fuel cell system shown in FIG. It is a time chart which shows the time history of the output electric current command value (upper limit) of the fuel cell system shown in FIG.

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Abstract

【課題】間欠運転等の発電停止状態から通常運転への過渡期において燃料電池の発電状態を安定させることができる燃料電池システムを提供する。 【解決手段】燃料供給源から燃料電池へと燃料ガスを供給して発電を行うとともに、燃料電池の発電停止状態から発電状態への移行後における燃料電池の出力を制限する出力制限手段を備える燃料電池システムである。出力制限手段は、発電停止状態から発電状態への移行後に燃料供給源から供給される燃料ガスの全流量から、発電停止状態における燃料ガスの圧力を発電状態における燃料ガスの圧力に復帰させるために用いられる燃料ガスの流量を減じることにより、発電停止状態から発電状態への移行後に燃料電池に実際に供給される燃料ガスの流量を算出し、この算出した流量に対応した出力電流値を上限として燃料電池の出力を制限する。

Description

燃料電池システム及びその制御方法
　本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
　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。また、現在においては、燃料電池に加えて蓄電池等の二次電池を備え、低負荷時等に燃料電池の発電を一時的に停止させる運転（間欠運転）を行い、負荷の増加時等に通常運転に復帰して発電を再開させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３－３０３６０５号公報
　ところで、燃料電池の発電を一時的に停止させる間欠運転時においては、燃料電池への燃料ガス供給が遮断されるため、燃料供給源から燃料電池へと燃料ガスを供給するための燃料供給流路内におけるガス圧力が、通常運転時におけるガス圧力よりも低下する。
　このため、前記特許文献１に記載したような従来の技術を採用して間欠運転から急加速を行おうとすると、燃料供給源からの燃料ガスの供給流量を増大させても、燃料供給流路内のガス圧力が通常運転時のガス圧力に復帰するまでの間は燃料電池自体に燃料ガスが充分に供給されない、という事態が発生し得る。このような事態が発生すると、間欠運転から通常運転への復帰後におけるストイキ比が低下して、燃料電池の発電状態の安定性が確保できないおそれがあった。
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、間欠運転等の発電停止状態から通常運転への過渡期において燃料電池の発電状態を安定させることができる燃料電池システムを提供すること目的とする。
　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、燃料供給源及び燃料電池を備え、燃料供給源から燃料電池へと燃料ガスを供給して発電を行うとともに、燃料電池の発電停止状態から発電状態への移行後における燃料電池の出力を制限する出力制限手段を備える燃料電池システムであって、出力制限手段は、発電停止状態から発電状態への移行後に燃料供給源から供給される燃料ガスの全流量から、発電停止状態における燃料ガスの圧力を発電状態における燃料ガスの圧力に復帰させるために用いられる燃料ガスの流量を減じることにより、発電停止状態から発電状態への移行後に燃料電池に実際に供給される燃料ガスの流量を算出し、この算出した流量に対応した出力電流値を上限として燃料電池の出力を制限するものである。
　また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料供給源及び燃料電池を備え、燃料供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを供給して発電を行うとともに、燃料電池の発電停止状態から発電状態への移行後における燃料電池の出力を制限する燃料電池システムの制御方法であって、発電停止状態から発電状態への移行後に燃料供給源から供給される燃料ガスの全流量から、発電停止状態における燃料ガスの圧力を発電状態における燃料ガスの圧力に復帰させるために用いられる燃料ガスの流量を減じることにより、発電停止状態から発電状態への移行後に燃料電池に実際に供給される燃料ガスの流量を算出する流量算出工程と、流量算出工程で算出した流量に対応した出力電流値を上限として燃料電池の出力を制限する出力制限工程と、を備えるものである。
　かかる構成及び方法を採用すると、発電停止状態から発電状態への移行後における燃料ガスの全供給流量から、ガス圧力を復帰させるために用いられる流量を減じることにより、燃料電池に実際に供給される流量を算出し、この算出した流量に対応した出力電流値を上限として燃料電池の出力を制限することができる。従って、発電停止状態から発電状態への移行後における燃料電池での消費ガス量を制限してストイキ比の低下を抑制することができるので、燃料電池の発電状態を安定させることができる。
　なお、「発電停止状態」とは、燃料電池による発電を停止した状態（例えば、燃料電池の運転を完全に停止させる運転停止モードや、低負荷時等に燃料電池の発電を一時的に停止させる間欠運転モード）を意味し、「発電状態」とは、燃料電池が継続的に発電を行っている状態（通常運転モード）を意味する。また、「ストイキ比」とは、燃料電池での消費ガス量に対する燃料電池への供給ガス量の余剰比を意味する。
　本発明によれば、間欠運転等の発電停止状態から通常運転への過渡期において燃料電池の発電状態を安定させることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
　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こととする。
　まず、図１を用いて、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。
　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、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
　燃料電池２は、例えば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カソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極及びアノード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、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂが取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。
　酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
　エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
　加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。
　燃料ガス配管系４は、燃料供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
　燃料供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
　燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
　電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
　高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３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Ｍ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
　バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリ等）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
　トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ａが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。
　制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、回転数検知センサ５ａやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
　また、制御装置６は、通常運転モードと間欠運転モードとの切り換えを行う。通常運転モードとは、トラクションモータＭ３等の負荷装置への電力供給のために燃料電池２が発電を継続的に行う運転モードを意味する。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２の発電を一時的に休止し、バッテリ５２から負荷装置への電力供給を行い、燃料電池２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。通常運転モードは本発明における発電状態に相当し、間欠運転モードは本発明における発電停止状態に相当する。
　また、制御装置６は、燃料電池２の運転モードが間欠運転モードから通常運転モードへと復帰（移行）した後における燃料電池２の出力を制限する。具体的には、制御装置６は、間欠運転モードから通常運転モードへの復帰後に燃料供給源４１から供給される水素ガスの全流量から、間欠運転モードにおける水素ガスの圧力を通常運転モードにおける水素ガスの圧力に復帰させるために用いられる水素ガスの流量を減じることにより、間欠運転モードから通常運転モードへの復帰後に燃料電池２に実際に供給される水素ガスの流量を算出する。そして、制御装置６は、算出した流量に対応した出力電流値を上限として燃料電池２の出力を制限する。すなわち、制御装置６は、本発明における出力制限手段として機能するものである。
　次に、図２のフローチャート、図３のマップ及び図４Ａ～図４Ｃのタイムチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。
　まず、制御装置６は、起動後に通常運転モードを実現させるための制御を行う(通常運転制御工程：Ｓ１)。通常運転制御工程Ｓ１において、制御装置６は、回転数検知センサ５ａやアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出し、この算出した出力要求電力に対応する出力電流指令値及び出力電圧指令値を算出する。例えば、制御装置６は、図３に示したＩＶ特性マップと、算出した出力要求電力Ｐ１と、に基づいて、出力電流指令値Ｉ１及び出力電圧指令値Ｖ１を算出する。そして、制御装置６は、各種弁やエアコンプレッサ３１を用いて燃料電池２へのガス供給量を調整することにより、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の出力電流を出力電流指令値Ｉ１に近付ける制御を行うとともに、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を用いることにより、電圧センサ２ｂで検出した燃料電池２の出力電圧を出力電圧指令値Ｖ１に近付ける制御を行う。なお、本実施形態においては、間欠運転モードに入る前の出力電流指令値の上限をＩＭＡＸとする。
　次いで、制御装置６は、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切り換えるための条件（運転切替条件）が充足されるか否かを判定する（間欠運転開始判定工程：Ｓ２）。運転切替条件としては、例えば、要求電力量や発電量の経時変化が所定の閾値未満となること等を採用することができる。そして、制御装置６は、間欠運転開始判定工程Ｓ２において運転切替条件が充足されるものと判定した場合に、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へと切り替える（間欠運転制御工程：Ｓ３）。間欠運転制御工程Ｓ３において、制御装置６は、燃料電池２の発電を一時的に停止させ、バッテリ５２から負荷装置への電力供給を行い、燃料電池２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。
　次いで、制御装置６は、間欠運転時間が経過したか否かを判定し（間欠運転終了判定工程：Ｓ４）、間欠運転時間が経過したものと判定した場合には、間欠運転モードを終了して通常運転モードへ復帰する（通常運転再開工程：Ｓ５）。
　ところで、間欠運転モードを実現させて燃料電池２の発電を一時的に停止させると、燃料電池２への水素ガス供給が遮断されるため、燃料供給源４１から燃料電池２へと水素ガスを供給するための燃料ガス供給流路４２内における水素ガスの圧力が、通常運転モードにおける圧力よりも低下する。このため、制御装置６は、間欠運転モードから通常運転モードへの復帰の際に、燃料ガス供給流路４２内における水素ガスの圧力を通常運転モードにおける値に復帰させるとともに、燃料電池２の出力を制限する（出力制限工程：Ｓ６）。
　出力制限工程Ｓ６において、制御装置６は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、間欠運転モードから通常運転モードへの復帰後における水素ガスの全供給流量Ｑ０から、水素ガスの圧力を復帰させるために用いられる圧力復帰用流量ＱＰを減じることにより、燃料電池２に実際に供給される水素ガスの流量ＱＦＣを算出する。そして、制御装置６は、算出した流量ＱＦＣに対応した出力電流値Ｉlimを出力電流指令値の上限として、燃料電池２の出力を制限する。間欠運転モードから通常運転モードへの復帰後に燃料電池２に実際に供給される水素ガスの流量ＱＦＣに対応した出力電流値Ｉlimは、図３及び図４Ｃに示すように、間欠運転モードに入る前の出力電流指令値の上限ＩＭＡＸよりも小さい値となる。
　出力制限工程Ｓ６において、制御装置６は、例えば出力要求電力Ｐ２と、図３に示したＩＶ特性マップと、に基づいて、出力電流指令値Ｉ２（＜Ｉlim）及び出力電圧指令値Ｖ２を算出する。そして、制御装置６は、各種弁やエアコンプレッサ３１を用いて燃料電池２へのエア供給量を調整することにより、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の出力電流を出力電流指令値Ｉ２に近付ける制御を行うとともに、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を用いることにより、電圧センサ２ｂで検出した燃料電池２の出力電圧を出力電圧指令値Ｖ２に近付ける制御を行う。本実施形態における出力制限工程Ｓ６は、本発明における流量算出工程及び出力制限工程を含むものである。
　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、間欠運転モードから通常運転モードへの復帰後における水素ガスの全供給流量から、ガス圧力を復帰させるために用いられる流量（圧力復帰用流量）を減じることにより、燃料電池２に実際に供給される流量を算出し、この算出した流量に対応した出力電流値を上限として燃料電池２の出力を制限することができる。従って、間欠運転モードから通常運転モードへの復帰後におけるストイキ比の低下を抑制して、燃料電池２の発電状態を安定させることができる。
　なお、以上の実施形態においては、低負荷時等に燃料電池２の発電を一時的に停止させる間欠運転モードから通常運転モードへの過渡期において本発明を適用した例を示したが、燃料電池２の運転を完全に停止させる運転停止モード（発電停止状態）から通常運転モードへの過渡期に本発明を適用することもできる。
　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。
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１に示した燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した燃料電池システムのＩＶ特性マップである。 図１に示した燃料電池システムの間欠運転モードのＯＮ／ＯＦＦを示すタイムチャートである。 図１に示した燃料電池システムの水素ガス供給流量の時間履歴を示すタイムチャートである。 図１に示した燃料電池システムの出力電流指令値（上限）の時間履歴を示すタイムチャートである。
符号の説明
　１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（出力制限手段）、４１…燃料供給源。

Claims (3)

  1. 　燃料供給源及び燃料電池を備え、前記燃料供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを供給して発電を行うとともに、前記燃料電池の発電停止状態から発電状態への移行後における前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段を備える燃料電池システムであって、
    　前記出力制限手段は、
    　前記発電停止状態から前記発電状態への移行後に前記燃料供給源から供給される燃料ガスの全流量から、前記前記発電停止状態における燃料ガスの圧力を前記発電状態における燃料ガスの圧力に復帰させるために用いられる燃料ガスの流量を減じることにより、前記発電停止状態から前記発電状態への移行後に前記燃料電池に実際に供給される燃料ガスの流量を算出し、この算出した流量に対応した出力電流値を上限として前記燃料電池の出力を制限するものである、
    燃料電池システム。
  2. 　前記出力制限手段は、前記発電停止状態としての運転停止モード又は間欠運転モードから前記発電状態としての通常運転モードへの移行後における前記燃料電池の出力を制限するものである、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　燃料供給源及び燃料電池を備え、前記燃料供給源から前記燃料電池へと燃料ガスを供給して発電を行うとともに、前記燃料電池の発電停止状態から発電状態への移行後における前記燃料電池の出力を制限する燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記発電停止状態から前記発電状態への移行後に前記燃料供給源から供給される燃料ガスの全流量から、前記発電停止状態における燃料ガスの圧力を前記発電状態における燃料ガスの圧力に復帰させるために用いられる燃料ガスの流量を減じることにより、前記発電停止状態から前記発電状態への移行後に前記燃料電池に実際に供給される燃料ガスの流量を算出する流量算出工程と、
    　前記流量算出工程で算出した流量に対応した出力電流値を上限として前記燃料電池の出力を制限する出力制限工程と、
    を備える、
    燃料電池システムの制御方法。
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