WO2012035974A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012035974A1
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cell system
target
cell stack
cathode gas
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文雄 各務
隆宏 藤井
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • This invention relates to a fuel cell system.
  • the fuel cell stack generates a power generation reaction when cathode gas and anode gas are supplied to the front and back of the electrolyte membrane. If the electrolyte membrane is in a moderately wet state, the fuel cell stack efficiently generates a power. However, the electrolyte membrane falls into an overdried state depending on the outside air state and operating conditions. Therefore, in JP-2002-352827-A, the wet state is detected based on the impedance of the fuel cell stack. When overdrying is determined, the cathode gas flow rate is lowered. By doing in this way, it is prevented that an electrolyte membrane will be in an overdried state.
  • the fuel cell system is equipped with a humidifier for keeping the electrolyte membrane in an appropriate wet state.
  • a humidifier for keeping the electrolyte membrane in an appropriate wet state.
  • the humidifier it is desirable that the humidifier be removed or miniaturized to simplify or miniaturize the system.
  • the inventors of the present invention have found that in such a fuel cell system, when the supply amount of the cathode gas is reduced, excess generated water is not discharged and a flooding state is likely to occur. That is, the inventors have found a new problem that in such a fuel cell system, when the flow rate of the cathode gas is reduced as in JP-2002-352827-A, the fuel cell system falls into an excessively wet state (flooding state). It is.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent a flooding state even in a low load operation such as an idling operation in a fuel cell stack that operates in a drier state than before. That is.
  • a wetness detection unit that detects the wetness of the fuel cell stack, a target SR setting unit that sets a target SR of the fuel cell stack based on the wetness, and a fuel based on the load
  • a minimum SR setting unit that sets a minimum SR necessary for preventing flooding of the battery stack.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 2A is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.
  • FIG. 2B is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.
  • FIG. 3 is a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a map for setting a minimum SR and an operation target SR for preventing flooding.
  • FIG. 5A is a timing chart when the control logic of the present embodiment is executed when the load is medium to high and the wetness is slightly wet.
  • FIG. 5A is a timing chart when the control logic of the present embodiment is executed when the load is medium to high and the wetness is slightly wet.
  • FIG. 5A is a timing chart when the control logic of the present embodiment is executed when the load is medium to high and the wet
  • FIG. 5B is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed when the load is low and the wetness is dry.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the correlation between the supply gas pressure and the supply gas flow velocity.
  • FIG. 8 is a view showing a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 9 is a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a timing chart when the control logic of the third embodiment is executed.
  • FIG. 11 is a view showing a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a timing chart when the control logic of the fourth embodiment is executed.
  • FIG. 14 is a diagram showing a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the fifth embodiment.
  • FIG. 16 is a timing chart when the control logic of the fifth embodiment is executed.
  • FIG. 17 is a control flowchart executed by the controller (control unit) of the sixth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 18 is a timing chart when the control logic of the sixth embodiment is executed.
  • FIG. 19 is a diagram showing a control flowchart executed by the controller (control unit) of the seventh embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 20 is a timing chart when the control logic of the seventh embodiment is executed.
  • FIG. 21 is a control flowchart executed by the controller (control unit) of the eighth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • FIG. 22 is a timing chart when the control logic of the eighth embodiment is executed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. First, an example of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to FIG.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a cathode gas line 20, an anode gas line 30, a cooling water circulation line 40, and a control unit 90.
  • the fuel cell stack 10 is supplied with cathode gas and anode gas to generate electric power.
  • the fuel cell stack 10 includes a load current sensor 11 and a stack impedance sensor 12.
  • the load current sensor 11 detects the load current of the fuel cell stack 10.
  • the stack impedance sensor 12 detects the impedance of the fuel cell stack 10.
  • the cathode gas line 20 includes a cathode gas supply line 21 and a cathode gas discharge line 22.
  • the cathode gas supply line 21 is provided with an air supply compressor 211 for supplying air (cathode gas) to the fuel cell stack 10.
  • the air pumped by the air supply compressor 211 flows through the cathode gas supply line 21 and is supplied to the fuel cell stack 10.
  • the cathode gas discharged from the fuel cell stack 10 flows through the cathode gas discharge line 22.
  • the anode gas line 30 includes an anode gas supply line 31 and an anode gas circulation line 32.
  • the anode gas supply line 31 is provided with an anode tank 311 and an anode gas pressure control valve 312.
  • the anode tank 311 is a sealed container that stores anode gas (hydrogen).
  • the anode gas pressure control valve 312 adjusts the pressure of the anode gas supplied to the anode gas circulation line 32 according to the opening degree.
  • an anode gas circulation pump 321 is provided in the anode gas circulation line 32.
  • the anode gas discharged from the fuel cell stack 10 is supplied again to the fuel cell stack 10 by the anode gas circulation pump 321.
  • the cooling water circulation line 40 includes a cooling water circulation pump 41 and a radiator 42.
  • the cooling water circulation pump 41 pumps the cooling water flowing through the cooling water circulation line 40.
  • the radiator 42 radiates the heat of the cooling water discharged from the fuel cell stack 10 and prevents the cooling water from overheating.
  • the radiated (cooled) cooling water is sent again to the fuel cell stack 10 by the cooling water circulation pump 41.
  • the control unit 90 receives signals from the load current sensor 11 and the stack impedance sensor 12, and controls the operations of the air supply compressor 211, the anode gas pressure control valve 312, the anode gas circulation pump 321, and the cooling water circulation pump 41. Specific contents will be described later.
  • FIGS. 2A and 2B are schematic diagrams for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack 10 is supplied with the reaction gas (cathode gas O2 and anode gas H2) to generate electric power.
  • the fuel cell stack 10 is configured by stacking hundreds of membrane electrode assemblies (MEBs) each having a cathode electrode catalyst layer and an anode electrode catalyst layer formed on both surfaces of an electrolyte membrane.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the following reaction proceeds according to the load in the cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer to generate power.
  • the electrolyte membrane is in a moderately wet state, the above reaction is performed efficiently.
  • a large amount of reaction gas (cathode gas O2, anode gas H2) is supplied according to the load. This increases the power generation reaction.
  • a large amount of water is generated by the reaction of the chemical formula (1-1). This moisture humidifies the MEA. Excess water is discharged to the outside of the fuel cell stack 10 together with the cathode gas.
  • the present inventors have come up with a method for forcibly discharging the generated water remaining in the fuel cell stack 10 by temporarily increasing the flow rate of the cathode gas to a flow rate that can prevent flooding. If the cathode gas flow rate is temporarily increased in this way, excess generated water is discharged without causing a significant change in the wet state of the fuel cell stack (electrolyte membrane).
  • the present invention is also applied to such a scene.
  • FIG. 3 is a diagram showing a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the present embodiment.
  • step S11 the controller detects the load current based on the signal from the load current sensor 11.
  • step S12 the controller sets a minimum SR for preventing flooding based on the detected load current. Specifically, the controller obtains the minimum SR by applying the load current to a preset map (an example is shown in FIG. 4).
  • SR is an abbreviation for “Stoichiometric Ratio”, and is the ratio of the supply gas amount to the reaction gas amount (supply gas amount / reaction gas amount). That is, the state of SR1 means that the gas is supplied by the amount of the reactive gas, and all the supplied gases react. The state of SR2 means that a gas twice the amount of the reaction gas is supplied, half of the supplied gas reacts, and the other half of the gas is discharged unreacted.
  • the load current is almost proportional to the amount of reaction gas. Accordingly, the supply gas amount V is proportional to a value obtained by multiplying the load current I by SR. Therefore, the following formula is established.
  • step S13 the controller detects the wet state of the fuel cell stack 10. Specifically, the controller detects the impedance of the fuel cell stack 10 based on the signal of the stack impedance sensor 12. The lower the impedance, the higher the wet state, that is, the wet taste. The higher the impedance, the lower the wet state. That is, it is dry.
  • step S14 the controller sets the operation target SR based on the load current and the wet state. Specifically, the controller obtains the operation target SR by applying the load current and the wet state (impedance) to a preset map (an example is shown in FIG. 4).
  • the fuel cell stack according to the present embodiment is operated in a wet state lower than the conventional one (that is, a drier state than the conventional one). Therefore, if it is moist, an operation target SR is set so that the electrolyte membrane is further dried. That is, if the load is the same, a larger SR is set so that the amount of supply gas is larger in the case of the wet taste than in the case of the dry taste. In this way, excess gas is increased, so that the generated water is easily discharged to the outside of the fuel cell stack, and the electrolyte membrane is easily dried.
  • step S15 the controller determines whether or not the operation target SR is below the minimum SR. If the controller does not fall below, the process proceeds to step S16. If the controller is below, the process proceeds to step S17.
  • step S16 the controller controls the operation so that the actual SR becomes the operation target SR. Specifically, the controller controls the air supply compressor 211 to adjust the flow rate of the cathode gas (air).
  • step S17 after the actual SR becomes the operation target SR, the controller controls the operation so that the actual SR temporarily increases at a constant cycle. If the load is almost constant, SR is proportional to the cathode gas flow rate. Specifically, the controller controls the air supply compressor 211 to temporarily increase the flow rate of the cathode gas (air) at a constant cycle.
  • FIG. 5A is a timing chart when the control logic of the present embodiment is executed when the load is medium to high and the wetness is moist.
  • FIG. 5B is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed when the load is low and the wetness is dry. Note that step numbers are given in parentheses so that the correspondence with the flowchart is easy to understand.
  • the load current is detected (step S11), and the lowest SR is set based on the load current (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR is set based on the load current and the wet state (step S14). At this time, when the load is medium to high and the wetness level is moist, the operation target SR exceeds the minimum SR (No in step S15), so the air supply compressor 211 is controlled to become the operation target SR. Thus, the flow rate of the cathode gas (air) is adjusted.
  • the load current is detected (step S11), and the lowest SR is set based on the load current (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR is set based on the load current and the wet state (step S14). At this time, when the load is low and the wetness is dry, the operation target SR is below the minimum SR. That is, since the load is low, the flow rate of the cathode gas (air) is reduced, and it is difficult for the produced water to be discharged due to the influence, so that the operation target SR is below the minimum SR.
  • step S15 when the operation target SR falls below the minimum SR (Yes in step S15), the air supply compressor 211 is controlled so that the actual SR temporarily increases at a constant cycle after the actual SR becomes the operation target SR. The As a result, the flow rate of the cathode gas (air) temporarily increases at a constant cycle (step S17).
  • the generated water remaining in the fuel cell stack 10 is forcibly discharged, and flooding is prevented.
  • the flow rate of the cathode gas (air) does not continue to increase, but temporarily increases at a constant cycle and returns to the original state again. Therefore, excess generated water is discharged without causing a significant change in the wet state of the fuel cell stack (electrolyte membrane).
  • the flow rate of the cathode gas (air) can be easily adjusted by controlling the air supply compressor 211.
  • an accurate target SR is set based on the impedance and load.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • a cathode gas pressure control valve 221 is provided in the cathode gas discharge line 22.
  • the cathode gas pressure control valve 221 adjusts the pressure of the cathode gas discharged from the fuel cell stack 10.
  • FIG. 7 is a diagram showing the correlation between the supply gas pressure and the supply gas flow velocity.
  • the air supply compressor 211 is controlled to adjust the flow rate of the cathode gas (air), but the cathode gas pressure control valve 221 is controlled to adjust the flow rate of the cathode gas (air). May be.
  • FIG. 8 is a view showing a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • the coolant circulation line 40 is provided with a fuel cell stack coolant outlet temperature sensor 43.
  • the fuel cell stack cooling water outlet temperature sensor 43 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 10.
  • the target temperature of the cooling water also decreases.
  • the actual temperature of the cooling water does not drop as rapidly as the load, but continues to be higher than the target temperature.
  • generated water tends to evaporate. Therefore, even if the load is reduced, the fuel cell stack is likely to be overdried if the SR is immediately changed to the SR corresponding to the load. Therefore, in such a case, SR is not changed all at once, but is temporarily set to an intermediate value. However, this time, flooding is likely to occur. Therefore, in such a case, the flow rate of the cathode gas (air) is increased at a constant cycle. As a result, the generated water remaining in the fuel cell stack 10 is forcibly discharged, and flooding is prevented. Specific contents will be described below.
  • FIG. 9 is a diagram showing a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the present embodiment.
  • step S11 to step S14 and step S15 to step S17 are the same as those in the first embodiment, the details are omitted.
  • step S31 the controller sets the target cooling water temperature based on the load current. Specifically, the controller obtains the target cooling water temperature by applying a load current to a map set in advance.
  • step S32 the controller detects the coolant temperature based on the signal from the fuel cell stack coolant outlet temperature sensor 43.
  • step S33 the controller determines whether or not the detected cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature. If the controller is not high, the process proceeds to step S15. If the controller is high, the process proceeds to step S34.
  • step S34 the controller sets the operation target SR when the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature.
  • FIG. 10 is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed.
  • the load current is A until time t31. At this time, it is as follows.
  • the load current A is detected (step S11), and based on the load current A, the lowest SR for preventing flooding in the load A is set (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR at the load A is set based on the load current and the wet state (step S14). Further, based on the load current A, the target cooling water temperature is set (step S31), the cooling water temperature is detected (step S32), and it is determined whether the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature (step S33). ). The cooling water temperature matches the target cooling water temperature until time t31. Therefore, the process proceeds to step S15. Since the operation target SR at the load A exceeds the minimum SR at the load A (No in step S15), the operation is controlled to become the operation target SR.
  • Load current B is detected (step S11), and based on the load current B, the minimum SR for preventing flooding in the load B is set (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR for the load B is set based on the load current and the wet state (step S14). Further, based on the load current B, the target cooling water temperature is set (step S31), the cooling water temperature is detected (step S32), and it is determined whether the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature (step S33). ). From time t31 to time t32, the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature.
  • step S34 the operation target SR when the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature is set. Since the operation target SR is lower than the minimum SR at the load B (Yes in step S15), the operation is controlled so that the actual SR increases at a constant cycle after the actual SR becomes the operation target SR (step S17). ). As a result, the generated water remaining in the fuel cell stack 10 is forcibly discharged, and flooding is prevented.
  • the cooling water temperature matches the target cooling water temperature. At this time, it is as follows.
  • Step S11 Load current B is detected (step S11), and based on the load current B, the minimum SR for preventing flooding in the load B is set (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR for the load B is set based on the load current and the wet state (step S14). Further, based on the load current B, the target cooling water temperature is set (step S31), the cooling water temperature is detected (step S32), and it is determined whether the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature (step S33). ). Since the cooling water temperature matches the target cooling water temperature after time t32, the process proceeds to step S15. Since the operation target SR at the load B exceeds the minimum SR at the load B (No in step S15), the operation is controlled to become the operation target SR.
  • the target temperature of the cooling water also decreases.
  • the temperature of the cooling water does not drop as rapidly as the load, a state where the temperature is higher than the target temperature continues to some extent. In such a state, generated water tends to evaporate. Therefore, even if the load is reduced, the fuel cell stack is likely to be overdried if the SR is immediately changed to the SR corresponding to the load. Therefore, in such a case, the SR is not changed all at once, but is temporarily set to a value lower than the SR corresponding to the load (in this embodiment, an intermediate value between the SR due to the load A and the SR due to the load B). However, this time, flooding is likely to occur. Therefore, in this embodiment, the cathode gas (air) flow rate is increased at a constant period in such a case. As a result, the generated water remaining in the fuel cell stack 10 is forcibly discharged, and flooding is prevented.
  • FIG. 11 is a view showing a fourth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • an external air pressure sensor 212 is provided in the cathode gas supply line 21.
  • the outside air pressure sensor 212 detects the pressure of outside air supplied to the fuel cell stack 10.
  • FIG. 12 is a view showing a control flowchart executed by the controller (control unit) of the fuel cell system according to the present embodiment.
  • Steps S11 to S14 and Steps S15 to S17 are the same as those in the first embodiment, the details are omitted.
  • step S41 the controller detects the outside air pressure based on the signal from the outside air pressure sensor 212.
  • step S42 the controller determines whether or not the detected outside air pressure is lower than the operation mode change pressure threshold. If the controller is not low, the process proceeds to step S15. If the controller is low, the process proceeds to step S43.
  • step S43 the controller sets the operation target SR when the outside air pressure is lower than the pressure threshold.
  • FIG. 13 is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed.
  • the outside air pressure is lower than the operation mode change pressure threshold. At this time, it is as follows.
  • the load current is detected (step S11), and the lowest SR is set based on the load current (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR is set based on the load current and the wet state (step S14). Further, the outside air pressure is detected (step S41), and it is determined whether or not the outside air pressure is lower than the operation mode change pressure threshold (step S42). Until the time t41, since the outside air pressure is lower than the operation mode change pressure threshold, the process proceeds to step S43, and the operation target SR when the outside air pressure is lower than the pressure threshold is set.
  • Step S17 Since this operation target SR is lower than the lowest SR (Yes in Step S15), after the actual SR becomes the operation target SR, the operation is controlled so that the actual SR increases at a constant cycle (Step S17). By doing so, the generated water remaining in the fuel cell stack 10 can be forcibly discharged, and flooding can be prevented.
  • the load current is detected (step S11), and the lowest SR is set based on the load current (step S12). Further, the wet state (impedance) of the fuel cell stack 10 is detected (step S13), and the operation target SR is set based on the load current and the wet state (step S14). Further, the outside air pressure is detected (step S41), and it is determined whether or not the outside air pressure is lower than the operation mode change pressure threshold (step S42). Since the outside air pressure is higher than the operation mode change pressure threshold after time t41, the process proceeds to step S15. Since the operation target SR exceeds the minimum SR (No in step S15), the operation is controlled to become the operation target SR.
  • FIG. 14 is a diagram showing a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • an outside air humidity sensor 213 is provided in the cathode gas supply line 21.
  • the outside air humidity sensor 213 detects the humidity of the outside air supplied to the fuel cell stack 10.
  • an outside air pressure sensor 212 is used, whereas in this embodiment, an outside air humidity sensor 213 is used.
  • FIG. 15 shows a control flowchart in this case. That is, the controller detects the outside air humidity based on the signal from the outside air humidity sensor 213 (step S51), determines whether or not the detected outside air humidity is lower than the operation mode change humidity threshold (step S52). An operation target SR when the outside air humidity is lower than the humidity threshold is set (step S53).
  • FIG. 16 shows a timing chart in this case. That is, until the time t51, the outside air humidity is lower than the operation mode change humidity threshold. At this time, the actual SR is increased at a constant cycle. In this case, the same effect as described above can be obtained.
  • FIG. 17 is a control flowchart executed by the controller (control unit) of the sixth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • steps S11 to S16 are the same as those in the first embodiment, the details are omitted.
  • step S170 the controller obtains the difference between the lowest SR and the operation target SR.
  • step S171 the controller controls the operation with a longer cycle as the difference is smaller.
  • FIG. 18 is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed.
  • the operation target SR is below the minimum SR. At this time, the greater the difference between the lowest SR and the operation target SR, the shorter the cycle. The smaller the difference, the longer the period.
  • the generated water tends to remain as the difference between the lowest SR and the operation target SR increases. Therefore, if the period is shorter as the difference is larger as in the present embodiment, the number of increase / decrease increases. As a result, the generated water is reliably drained, and stable power generation is more effectively maintained. In addition, the smaller the difference, the smaller the number of increases / decreases if the period is longer. As a result, the number of times required for discharging the generated water can be reduced, and the energy required for discharging can be suppressed to a minimum, so that the operation efficiency is good.
  • FIG. 19 is a diagram showing a control flowchart executed by the controller (control unit) of the seventh embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • step S11 to step S16 and step S170 are the same as in the sixth embodiment, details are omitted.
  • step S172 the controller shortens the temporary increase time in one cycle as the difference is smaller.
  • FIG. 20 is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed.
  • the operation target SR is below the minimum SR.
  • the larger the difference between the lowest SR and the operation target SR the longer the temporary increase time in one cycle.
  • the smaller the difference the shorter the temporary increase time in one cycle.
  • the generated water tends to remain as the difference between the lowest SR and the operation target SR increases. Therefore, as in this embodiment, the longer the temporary increase time in one cycle, the longer the operating time for discharging the generated water to the outside as the difference increases. As a result, the generated water is reliably drained, and stable power generation is more effectively maintained. Also, when the difference is small, the temporary increase time in one cycle is short, so that the energy required for discharge is minimized and the operation efficiency is good.
  • FIG. 21 is a control flowchart executed by the controller (control unit) of the eighth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • step S11 to step S16 and step S170 are the same as in the sixth embodiment, details are omitted.
  • step S173 the controller controls the operation such that the smaller the difference is, the smaller the increase amount (amplitude) of SR in one cycle.
  • FIG. 22 is a timing chart when the control logic of this embodiment is executed.
  • the operation target SR is below the minimum SR.
  • the larger the difference between the lowest SR and the operation target SR the larger the SR increase (amplitude) in one cycle.
  • the smaller the difference the smaller the SR increase (amplitude) in one cycle.
  • the wetness is detected by impedance, but the voltage of each cell may be detected and detected based on the cell voltage.
  • the degree of wetness may be detected based on the total voltage of the fuel cell stack. Further, the wetness may be detected based on a gas outlet dew point detected by a dew point meter provided at the cathode gas outlet. Furthermore, the degree of wetness may be detected based on the liquid water discharge speed or the liquid water discharge amount at the gas outlet.
  • the cathode gas flowing on one side of the electrolyte membrane and the anode gas flowing on the opposite side flow in the opposite direction.
  • the cathode gas flowing on one surface of the electrolyte membrane and the anode gas flowing on the opposite surface may flow in the same direction.

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Abstract

　燃料電池システムは、燃料電池スタックの湿潤度を検出する湿潤度検出部と、湿潤度に基づいて燃料電池スタックの目標ＳＲを設定する目標ＳＲ設定部と、負荷に基づいて燃料電池スタックのフラッディングを防止するために必要な最低ＳＲを設定する最低ＳＲ設定部と、目標ＳＲが最低ＳＲを下回るときには、実ＳＲが、最低ＳＲを一時的に上回るように制御するＳＲ制御部と、を含む。

Description

燃料電池システム
　この発明は、燃料電池システムに関する。
　燃料電池スタックは、電解質膜の表裏にカソードガス及びアノードガスが供給されると発電反応を生じる。電解質膜が適度な湿潤状態であれば、燃料電池スタックが効率よく発電反応する。しかしながら外気状態や運転条件によっては電解質膜が過乾燥状態に陥る。そこでＪＰ－２００２－３５２８２７－Ａでは、燃料電池スタックのインピーダンスに基づいて湿潤状態が検知される。そして過乾燥が判定されたら、カソードガスの流量が下げられる。このようにすることで、電解質膜が過乾燥状態になることが防止される。
　ところで燃料電池システムには、電解質膜を適度な湿潤状態に保つための加湿器が備えられる。しかしながら、システムを簡素化したり小型化するために、加湿器が除去又は小型化されることが望まれる。
　本件発明者らは、このような燃料電池システムにおいて、カソードガスの供給量が少なくなると余剰の生成水が排出されずフラッディング状態になりやすいことを知見した。すなわち発明者らは、このような燃料電池システムにおいて、ＪＰ－２００２－３５２８２７－Ａのようにカソードガスの流量が下げられると、却って過湿潤状態(フラッディング状態)に陥るという新たな課題を発見したのである。
　本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、従来よりも乾燥気味の状態で運転する燃料電池スタックにおいて、アイドル運転のような低負荷運転した場合であっても、フラッディング状態になることを防止できる燃料電池システムを提供することである。
　本発明のある態様によれば、燃料電池スタックの湿潤度を検出する湿潤度検出部と、前記湿潤度に基づいて燃料電池スタックの目標ＳＲを設定する目標ＳＲ設定部と、負荷に基づいて燃料電池スタックのフラッディングを防止するために必要な最低ＳＲを設定する最低ＳＲ設定部と、を備える。そして前記目標ＳＲが前記最低ＳＲを下回るときには、実ＳＲが、前記最低ＳＲを一時的に上回るように制御するＳＲ制御部を有する燃料電池システムが提供される。
　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１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。 図２Ａは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 図２Ｂは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 図３は、第１実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図４は、フラッディングを防止するための最低ＳＲ及び運転目標ＳＲを設定するためのマップの一例を示す図である。 図５Ａは、中～高負荷であって湿潤度が湿潤気味の場合に、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図５Ｂは、低負荷であって湿潤度が乾燥気味の場合に、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図６は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。 図７は、供給ガス圧力と供給ガス流速との相関を示す図である。 図８は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。 図９は、第３実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図１０は、第３実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図１１は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。 図１２は、第４実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図１３は、第４実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図１４は、本発明による燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。 図１５は、第５実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図１６は、第５実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図１７は、本発明による燃料電池システムの第６実施形態のコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図１８は、第６実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図１９は、本発明による燃料電池システムの第７実施形態のコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図２０は、第７実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。 図２１は、本発明による燃料電池システムの第８実施形態のコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。 図２２は、第８実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。
（第１実施形態）
　図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。はじめに図１を参照して、本発明による燃料電池システムの一例について説明する。
　燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、カソードガスライン２０と、アノードガスライン３０と、冷却水循環ライン４０と、コントロールユニット９０と、を備える。
　燃料電池スタック１０は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。燃料電池スタック１０は、負荷電流センサー１１と、スタックインピーダンスセンサー１２と、を含む。負荷電流センサー１１は、燃料電池スタック１０の負荷電流を検出する。スタックインピーダンスセンサー１２は、燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出する。
　カソードガスライン２０は、カソードガス供給ライン２１と、カソードガス排出ライン２２と、を含む。
　カソードガス供給ライン２１には、燃料電池スタック１０に空気(カソードガス)を供給するための空気供給コンプレッサー２１１が設けられる。空気供給コンプレッサー２１１によって圧送された空気は、カソードガス供給ライン２１を流れて燃料電池スタック１０に供給される。
　カソードガス排出ライン２２には、燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスが流れる。
　アノードガスライン３０は、アノードガス供給ライン３１と、アノードガス循環ライン３２と、を含む。
　アノードガス供給ライン３１には、アノードタンク３１１と、アノードガス圧力制御弁３１２と、が設けられる。アノードタンク３１１は、アノードガス(水素)を収容する密閉容器である。アノードガス圧力制御弁３１２は、開度に応じてアノードガス循環ライン３２に供給するアノードガスの圧力を調整する。
　アノードガス循環ライン３２には、アノードガス循環ポンプ３２１が設けられる。燃料電池スタック１０から排出されたアノードガスは、アノードガス循環ポンプ３２１によって再び燃料電池スタック１０に供給される。
　冷却水循環ライン４０は、冷却水循環ポンプ４１と、ラジエーター４２と、を含む。冷却水循環ポンプ４１は、冷却水循環ライン４０を流れる冷却水を圧送する。ラジエーター４２は、燃料電池スタック１０から排出された冷却水の熱を放熱し、冷却水の過熱を防止する。放熱(冷却)された冷却水は、冷却水循環ポンプ４１によって再び燃料電池スタック１０に送られる。
　コントロールユニット９０は、負荷電流センサー１１及びスタックインピーダンスセンサー１２の信号を受信し、空気供給コンプレッサー２１１、アノードガス圧力制御弁３１２、アノードガス循環ポンプ３２１、冷却水循環ポンプ４１の動作を制御する。具体的な内容は後述される。
　図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
　上述のように、燃料電池スタック１０は、反応ガス(カソードガスＯ２、アノードガスＨ２)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において、以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　図２Ｂに示すように、反応ガス(カソードガスＯ２)がカソード流路を流れるにつれて化学式(１－１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。そしてカソード流路の下流側では相対湿度が高くなって、カソード側とアノード側との間に湿度差が生じる。そしてこの湿度差によって生成水の一部が逆拡散してアノード上流側が加湿される。余剰の生成水は、カソードガスとともに燃料電池スタック１０の外部へ排出される。アノード上流側を加湿した水分は、さらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ２)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿する。
　電解質膜が適度な湿潤状態であれば、上記反応が効率よく行われる。負荷が大きいときには、負荷に応じて多量の反応ガス(カソードガスＯ２、アノードガスＨ２)が供給される。これによって発電反応が大きくなる。そして化学式(１－１)の反応によって多量の水分が生成される。この水分がＭＥＡを加湿する。余剰の水分は、カソードガスとともに燃料電池スタック１０の外部へ排出される。
　しかしながらＪＰ－２００２－３５２８２７－Ａに記載された燃料電池スタックでは、カソードガスの流量が下げられることに起因して余剰の生成水が排出されにくくなり、燃料電池スタック１０がフラッディング状態になりやすいことが、本件発明者らによって知見された。
　そこで本件発明者らは、フラッディングを防止可能な流量までカソードガスの流量を一時的に上げることで、燃料電池スタック１０に残留する生成水を強制的に排出する手法に想到した。このようにカソードガスの流量が一時的に上げられれば、燃料電池スタック(電解質膜)の湿潤状態に大きな変化は生じさせることなく、余剰の生成水が排出される。
　またカソードガスの流量を下げる状態はアイドル運転のような低負荷運転時にも発生するので、本発明はそのようなシーンにも適用される。
　以下では具体的な内容を説明する。
　図３は、本実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。
　ステップＳ１１においてコントローラーは、負荷電流センサー１１の信号に基づいて負荷電流を検出する。
　ステップＳ１２においてコントローラーは、検出した負荷電流に基づいて、フラッディングを防止するための最低ＳＲを設定する。具体的にはコントローラーは、あらかじめ設定されたマップ(一例を図４に示す)に負荷電流を適用して最低ＳＲを求める。
　なおＳＲとは、「Stoichiometric Ratio」の略称であり、反応ガス量に対する供給ガス量の比(供給ガス量／反応ガス量)である。すなわちＳＲ１の状態とは、反応ガス量だけガスを供給することを意味し、供給したすべてのガスが反応する。ＳＲ２の状態とは、反応ガス量の２倍のガスを供給することを意味し、供給したガスのうち半分のガスが反応し、残りの半分のガスは未反応のまま排出される。
　また負荷電流は反応ガス量にほぼ比例する。したがって供給ガス量Ｖは、負荷電流ＩにＳＲを乗じた値に比例する。ゆえに次の数式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお上述のように、アイドル運転のような低負荷運転時に、カソードガスの供給量が少ないことに起因して、余剰の生成水が排出されずに燃料電池スタック１０に残留する状態(フラッディング状態)になりやすいことが、本件発明者らによって知見された。そのため低負荷運転時には、高負荷時よりもＳＲが大きくなるようにカソードガスが供給される。このようにすれば反応しない余剰のガスが増えて、その余剰のガスによって生成水が排出される。なお低負荷では負荷電流Ｉが小さいので、ＳＲが大きくても供給ガス量自体は、高負荷時に比較して小さい。
　ステップＳ１３においてコントローラーは、燃料電池スタック１０の湿潤状態を検出する。具体的には、コントローラーは、スタックインピーダンスセンサー１２の信号に基づいて、燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出する。インピーダンスが低いほど湿潤状態が高い、すなわち湿潤気味である。インピーダンスが高いほど湿潤状態が低い。すなわち乾燥気味である。
　ステップＳ１４においてコントローラーは、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、運転目標ＳＲを設定する。具体的にはコントローラーは、あらかじめ設定されたマップ(一例を図４に示す)に負荷電流及び湿潤状態(インピーダンス)を適用して運転目標ＳＲを求める。
　なお本実施形態の燃料電池スタックは、従来よりも低い湿潤状態(すなわち従来よりも乾燥気味の状態)で運転する。そこで湿潤気味であれば、電解質膜がより乾燥するような運転目標ＳＲが設定される。すなわち負荷が同じであれば、湿潤気味であるほうが、乾燥気味であるときに比べて、供給ガス量が多くなるように、大きなＳＲが設定される。このようにすれば余剰のガスが増えるので、生成水が燃料電池スタックの外部に排出されやすくなり、電解質膜が乾燥しやすくなる。
　ステップＳ１５においてコントローラーは、運転目標ＳＲが、最低ＳＲを下回るか否かを判定する。コントローラーは、下回らなければステップＳ１６へ処理を移行し、下回ればステップＳ１７へ処理を移行する。
　ステップＳ１６においてコントローラーは、実ＳＲが運転目標ＳＲになるように、運転を制御する。具体的には、コントローラーは、空気供給コンプレッサー２１１を制御して、カソードガス(空気)の流量を調整する。
　ステップＳ１７においてコントローラーは、実ＳＲが運転目標ＳＲになった後、実ＳＲが一定周期で一時的に増加するように、運転を制御する。負荷がほぼ一定であれば、ＳＲはカソードガス流量に比例する。具体的には、コントローラーは、空気供給コンプレッサー２１１を制御して、カソードガス(空気)の流量を一定周期で一時的に増加させる。
　図５Ａは、中～高負荷であって湿潤度が湿潤気味の場合に、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。図５Ｂは、低負荷であって湿潤度が乾燥気味の場合に、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。なおフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、括弧内にはステップ番号が付される。
　中～高負荷であって湿潤度が湿潤気味の場合は、負荷電流が検出され(ステップＳ１１)、その負荷電流に基づいて、最低ＳＲが設定される(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)が検出され(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、運転目標ＳＲが設定される(ステップＳ１４)。このとき、中～高負荷であって湿潤度が湿潤気味の場合は、運転目標ＳＲが最低ＳＲを上回るので(ステップＳ１５でＮｏ)、運転目標ＳＲになるように、空気供給コンプレッサー２１１が制御されて、カソードガス(空気)の流量が調整される。
　低負荷であって湿潤度が乾燥気味の場合は、負荷電流が検出され(ステップＳ１１)、その負荷電流に基づいて、最低ＳＲが設定される(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)が検出され(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、運転目標ＳＲが設定される(ステップＳ１４)。このとき、低負荷であって湿潤度が乾燥気味の場合は、運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回る。すなわち低負荷なのでカソードガス(空気)の流量が少なくなり、その影響で生成水が排出されにくくなるので、運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回った状態となる。そこで運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回ったときには(ステップＳ１５でＹｅｓ)、実ＳＲが運転目標ＳＲになった後、実ＳＲが一定周期で一時的に増加するように、空気供給コンプレッサー２１１が制御される。この結果、カソードガス(空気)の流量が一定周期で一時的に増加する(ステップＳ１７)。
　この結果、燃料電池スタック１０に残留する生成水が強制的に排出され、フラッディングが防止される。なおカソードガス(空気)の流量は、増加し続けるのではなく、一定周期で一時的に増加し再び元の状態に戻る。したがって、燃料電池スタック(電解質膜)の湿潤状態に大きな変化が生じることなく、余剰の生成水が排出される。
　また空気供給コンプレッサー２１１が制御されることで、カソードガス(空気)の流量が簡易に調整される。
　さらにインピーダンス及び負荷に基づいて、正確な目標ＳＲが設定される。
　（第２実施形態）
　図６は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
　なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号が付されて重複する説明が適宜省略される。
　本実施形態では、カソードガス排出ライン２２に、カソードガス圧力制御弁２２１が設けられる。カソードガス圧力制御弁２２１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスの圧力を調整する。
　図７は、供給ガス圧力と供給ガス流速との相関を示す図である。
　カソードガス圧力制御弁２２１が開かれてガスの圧力が下げられると、ガスの流速が上がる。すなわちガスの流量が上がる。カソードガス圧力制御弁２２１が絞られてガスの圧力が上げられると、ガスの流速が下がる。すなわちガスの流量が下がる。したがって、第１実施形態では、空気供給コンプレッサー２１１が制御されて、カソードガス(空気)の流量が調整されたが、カソードガス圧力制御弁２２１が制御されて、カソードガス(空気)の流量が調整されてもよい。
　このようにしても第１実施形態と同様の効果が得られる。
　（第３実施形態）
　図８は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。
　本実施形態では、冷却水循環ライン４０に、燃料電池スタック冷却水出口温度センサー４３が設けられる。燃料電池スタック冷却水出口温度センサー４３は、燃料電池スタック１０から排出された冷却水の温度を検出する。
　ここで本実施形態の基本的なコンセプトを説明する。
　たとえば登坂走行後の降坂走行のように、長時間の高負荷走行後に急激に負荷が下がるときは、冷却水の目標温度も下がる。しかしながら、冷却水の実際の温度は、負荷のように急激には下がらず、目標温度よりも高温な状態が続く。このような状態では、生成水が蒸発しやすい。したがって、負荷が小さくなったからといって、その負荷に応じたＳＲに直ちに変更しては、燃料電池スタックが過乾燥に陥りやすくなる。そこでこのようなときには、ＳＲが一気に変更されるのではなく、一旦中間値にされる。しかしながら、今度は逆にフラッディングが発生しやすくなる。そこでこのようなときには、カソードガス(空気)の流量が一定周期で増加されるようにした。この結果、燃料電池スタック１０に残留する生成水が強制的に排出されて、フラッディングが防止される。具体的な内容は以下に説明される。
　図９は、本実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。
　ステップＳ１１からステップＳ１４まで及びステップＳ１５からステップＳ１７までは、第１実施形態と同様であるので、詳細は省略される。
　ステップＳ３１においてコントローラーは、負荷電流に基づいて、目標冷却水温が設定される。具体的には、コントローラーは、あらかじめ設定されたマップに負荷電流を適用して目標冷却水温を求める。
　ステップＳ３２においてコントローラーは、燃料電池スタック冷却水出口温度センサー４３の信号に基づいて冷却水温を検出する。
　ステップＳ３３においてコントローラーは、検出した冷却水温が目標冷却水温よりも高いか否かを判定する。コントローラーは、高くなければステップＳ１５へ処理を移行し、高ければステップＳ３４へ処理を移行する。
　ステップＳ３４においてコントローラーは、冷却水温が目標冷却水温よりも高温時の運転目標ＳＲを設定する。
　図１０は、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。
　時刻ｔ３１までは負荷電流がＡである。このときは以下のようになる。
　負荷電流Ａが検出され(ステップＳ１１)、その負荷電流Ａに基づいて、負荷Ａにおいてフラッディングを防止するための最低ＳＲが設定される(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)が検出され(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、負荷Ａでの運転目標ＳＲが設定される(ステップＳ１４)。さらに負荷電流Ａに基づいて、目標冷却水温が設定されるとともに(ステップＳ３１)、冷却水温が検出され(ステップＳ３２)、冷却水温が目標冷却水温よりも高いか否かが判定される(ステップＳ３３)。時刻ｔ３１までは冷却水温が目標冷却水温に一致している。そこで、処理がステップＳ１５へ移行される。そして負荷Ａでの運転目標ＳＲが、負荷Ａでの最低ＳＲを上回るので(ステップＳ１５でＮｏ)、運転目標ＳＲになるように運転が制御される。
　時刻ｔ３１以降は負荷電流がＢに下がる。このときは以下のようになる。
　負荷電流Ｂが検出され(ステップＳ１１)、その負荷電流Ｂに基づいて、負荷Ｂにおいてフラッディングを防止するための最低ＳＲが設定される(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)が検出され(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、負荷Ｂでの運転目標ＳＲが設定される(ステップＳ１４)。さらに負荷電流Ｂに基づいて、目標冷却水温が設定されるとともに(ステップＳ３１)、冷却水温が検出され(ステップＳ３２)、冷却水温が目標冷却水温よりも高いか否かが判定される(ステップＳ３３)。時刻ｔ３１から時刻ｔ３２までは冷却水温が目標冷却水温よりも高い。そこで処理がステップＳ３４へ移行されて、冷却水温が目標冷却水温よりも高温時の運転目標ＳＲが設定される。この運転目標ＳＲが負荷Ｂでの最低ＳＲを下回るので(ステップＳ１５でＹｅｓ)、実ＳＲが運転目標ＳＲになった後、実ＳＲが一定周期で増加するように運転が制御される(ステップＳ１７)。この結果、燃料電池スタック１０に残留する生成水が強制的に排出され、フラッディングが防止される。
　時刻ｔ３２以降は冷却水温が目標冷却水温に一致する。このときは以下のようになる。
　負荷電流Ｂが検出され(ステップＳ１１)、その負荷電流Ｂに基づいて、負荷Ｂにおいてフラッディングを防止するための最低ＳＲが設定される(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)が検出され(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、負荷Ｂでの運転目標ＳＲが設定される(ステップＳ１４)。さらに負荷電流Ｂに基づいて、目標冷却水温が設定されるとともに(ステップＳ３１)、冷却水温が検出され(ステップＳ３２)、冷却水温が目標冷却水温よりも高いか否かが判定される(ステップＳ３３)。時刻ｔ３２以降は冷却水温が目標冷却水温に一致しているので、処理がステップＳ１５へ移行される。そして負荷Ｂでの運転目標ＳＲが、負荷Ｂでの最低ＳＲを上回るので(ステップＳ１５でＮｏ)、運転目標ＳＲになるように運転が制御される。
　以上説明したように、長時間の高負荷走行後に急激に負荷が下がるときは、冷却水の目標温度も下がる。しかしながら、冷却水の温度は、負荷のように急激には下がらないので、目標温度よりも高温な状態がある程度続く。このような状態では、生成水が蒸発しやすい。したがって、負荷が小さくなったからといって、その負荷に応じたＳＲに直ちに変更しては、燃料電池スタックが過乾燥に陥りやすくなる。そこでこのようなときには、ＳＲが一気に変更されるのではなく、一旦、負荷に応じたＳＲよりの低い値(本実施形態では負荷ＡによるＳＲと負荷ＢによるＳＲとの中間値)にされる。しかしながら、今度は逆にフラッディングが発生しやすくなる。そこで本実施形態では、このようなときに、カソードガス(空気)の流量が一定周期で増加される。この結果、燃料電池スタック１０に残留する生成水が強制的に排出されて、フラッディングが防止される。
　（第４実施形態）
　図１１は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
　本実施形態では、カソードガス供給ライン２１に、外気圧力センサー２１２が設けられる。外気圧力センサー２１２は、燃料電池スタック１０に供給される外気の圧力を検出する。
　ここで本実施形態の基本的なコンセプトを説明する。
　燃料電池スタック１０に供給される外気の圧力が低い場合は(たとえば高地走行が想定される)、そうでない場合に比較して、カソードガスが持ち出せる水分量が多くなる。このため同じ湿潤度を目標にすると、大気圧での運転よりも低いＳＲで運転することになってＳＲが小さくなる。そのためカソードガスが流れても生成水が排出されにくくなる。すると、フラッディングが発生しやすくなる。そこでこのようなときには、カソードガス(空気)を一定周期で増加させるようにしたのである。このようにすることで、燃料電池スタック１０に残留する生成水を強制的に排出することができ、フラッディングを防止できるのである。具体的な内容を以下に説明する。
　図１２は、本実施形態による燃料電池システムのコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。
　ステップＳ１１からステップＳ１４まで及びステップＳ１５からステップＳ１７までは、第１実施形態と同様であるので、詳細を省略する。
　ステップＳ４１においてコントローラーは、外気圧力センサー２１２の信号に基づいて外気圧力を検出する。
　ステップＳ４２においてコントローラーは、検出した外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも低いか否かを判定する。コントローラーは、低くなければステップＳ１５へ処理を移行し、低ければステップＳ４３へ処理を移行する。
　ステップＳ４３においてコントローラーは、外気圧力が圧力閾値よりも低いときの運転目標ＳＲを設定する。
　図１３は、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。
　時刻ｔ４１までは外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも低い。このときは以下のようになる。
　負荷電流を検出し(ステップＳ１１)、その負荷電流に基づいて、最低ＳＲを設定する(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)を検出し(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、運転目標ＳＲを設定する(ステップＳ１４)。さらに外気圧力を検出し(ステップＳ４１)、外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも低いか否かを判定する(ステップＳ４２)。時刻ｔ４１までは外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも低いので、ステップＳ４３へ進んで、外気圧力が圧力閾値よりも低いときの運転目標ＳＲを設定する。この運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回るので(ステップＳ１５でＹｅｓ)、実ＳＲが運転目標ＳＲになった後、実ＳＲが一定周期で増加するように運転を制御する(ステップＳ１７)。このようにすることで、燃料電池スタック１０に残留する生成水を強制的に排出することができ、フラッディングを防止できる。
　外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも高い時刻ｔ４１以降は以下のようになる。
　負荷電流が検出され(ステップＳ１１)、その負荷電流に基づいて、最低ＳＲが設定される(ステップＳ１２)。また燃料電池スタック１０の湿潤状態(インピーダンス)が検出され(ステップＳ１３)、負荷電流及び湿潤状態に基づいて、運転目標ＳＲが設定される(ステップＳ１４)。さらに外気圧力が検出され(ステップＳ４１)、外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも低いか否かが判定される(ステップＳ４２)。時刻ｔ４１以降は外気圧力が運転モード変更圧力閾値よりも高いので、処理がステップＳ１５へ移行される。そして運転目標ＳＲが、最低ＳＲを上回るので(ステップＳ１５でＮｏ)、運転目標ＳＲになるように運転が制御される。
　以上説明されたように、燃料電池スタック１０に供給される外気の圧力が低い場合は、そうでない場合に比較して、カソードガスが持ち出せる水分量が多くなる。このため同じ湿潤度を目標にすると、大気圧での運転よりも低いＳＲで運転することになってＳＲが小さくなる。そのためカソードガスが流れても生成水が排出されにくく、フラッディングが発生しやすい。そこでこのようなときには、カソードガス(空気)が一定周期で増加される。この結果、燃料電池スタック１０に残留する生成水が強制的に排出されて、フラッディングが防止される。
　（第５実施形態）
　図１４は、本発明による燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。
　本実施形態では、カソードガス供給ライン２１に、外気湿度センサー２１３が設けられる。外気湿度センサー２１３は、燃料電池スタック１０に供給される外気の湿度を検出する。第４実施形態では外気圧力センサー２１２が使用されるのに対して、本実施形態では外気湿度センサー２１３が使用される。
　この場合の制御フローチャートが図１５に示される。すなわち、コントローラーは、外気湿度センサー２１３の信号に基づいて外気湿度を検出し(ステップＳ５１)、検出した外気湿度が運転モード変更湿度閾値よりも低いか否かを判定し(ステップＳ５２)、低ければ外気湿度が湿度閾値よりも低いときの運転目標ＳＲを設定する(ステップＳ５３)。
　この場合のタイミングチャートが図１６に示される。すなわち時刻ｔ５１までは外気湿度が運転モード変更湿度閾値よりも低い。このときは実ＳＲが一定周期で増加される。この場合も、前述と同様の効果が得られる。
　（第６実施形態）
　図１７は、本発明による燃料電池システムの第６実施形態のコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。
　ステップＳ１１からステップＳ１６までは、第１実施形態と同様であるので、詳細は省略される。
　ステップＳ１７０においてコントローラーは、最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差を求める。
　ステップＳ１７１においてコントローラーは、差が小さいほど、長い周期で運転を制御する。
　図１８は、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。
　時刻ｔ６１までは、運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回っている。このときは、最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差が大きいほど、周期が短い。その差が小さいほど、周期が長い。
　最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差が大きいほど、生成水が残留しやすい。そこで本実施形態のように差が大きいほど周期が短ければ、増減回数が増える。この結果、生成水が確実に排水されて、より効果的に安定的な発電が維持される。また差が小さいほど周期が長ければ増減回数が減る。この結果、生成水排出に必要な分だけの回数に抑えられ、排出に要するエネルギーが最低限に抑えられるので、運転効率がよい。
　（第７実施形態）
　図１９は、本発明による燃料電池システムの第７実施形態のコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。
　ステップＳ１１からステップＳ１６まで及びステップＳ１７０は、第６実施形態と同様であるので、詳細は省略される。
　ステップＳ１７２においてコントローラーは、差が小さいほど、一周期における一時的増大時間を短くする。
　図２０は、本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。
　時刻ｔ７１までは、運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回る。このときは、最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差が大きいほど、一周期における一時的増大時間が長い。その差が小さいほど、一周期における一時的増大時間が短い。
　最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差が大きいほど、生成水が残留しやすい。そこで本実施形態のように、差が大きいほど一周期における一時的増大時間が長ければ、生成水を外部に排出する作動時間が長い。この結果、生成水が確実に排水され、より効果的に安定的な発電が維持される。また差が小さいときには一周期における一時的増大時間が短いので、排出に要するエネルギーが最低限に抑えられ、運転効率がよい。
　（第８実施形態）
　図２１は、本発明による燃料電池システムの第８実施形態のコントローラー(コントロールユニット)が実行する制御フローチャートを示す図である。
　ステップＳ１１からステップＳ１６まで及びステップＳ１７０は、第６実施形態と同様であるので、詳細は省略される。
　ステップＳ１７３においてコントローラーは、差が小さいほど一周期におけるＳＲの増大量(振幅)が小さくなるように運転を制御する。
　図２２は本実施形態の制御ロジックを実行したときのタイミングチャートである。
　時刻ｔ８１までは、運転目標ＳＲが最低ＳＲを下回る。このときは、最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差が大きいほど一周期におけるＳＲの増大量(振幅)が大きい。その差が小さいほど一周期におけるＳＲの増大量(振幅)が小さい。
　最低ＳＲと運転目標ＳＲとの差が大きいほど、生成水が残留しやすい状態である。そこで本実施形態のように差が大きいほど一周期におけるＳＲの増大量(振幅)が大きければ、生成水を外部に排出する動圧が大きくなる。この結果、生成水が確実に排水されて、より効果的に安定的な発電が維持される。また差が小さいときには一周期におけるＳＲの増大量(振幅)が小さいので、排出に要するエネルギーが最低限に抑えられ、運転効率がよい。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　上記実施形態においては、湿潤度は、インピーダンスによって検出されるとしたが、各セルの電圧が検出されて、そのセル電圧に基づいて検出されてもよい。また湿潤度は、燃料電池スタックの総電圧に基づいて検出されてもよい。さらに湿潤度は、カソードガスの出口に設けられた露点計で検出されたガス出口露点に基づいて検出されてもよい。さらにまた湿潤度は、ガス出口の液水排出速度や液水排出量などに基づいて検出されてもよい。
　さらに上記実施形態においては、電解質膜の片面に流れるカソードガスと反対面に流れるアノードガスとは、逆方向に流れる場合が例示された。しかしながら、電解質膜の片面に流れるカソードガスと反対面に流れるアノードガスとが、同方向に流れてもよい。
　そして、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
　本願は、２０１０年９月１７日に日本国特許庁に出願された特願２０１０－２０９０６２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。

Claims (12)

  1. 　燃料電池スタック(１０)の湿潤度を検出する湿潤度検出部(Ｓ１３)と、
    　前記湿潤度に基づいて、燃料電池スタック(１０)の目標ＳＲを設定する目標ＳＲ設定部(Ｓ１４，Ｓ３４，Ｓ４３，Ｓ５３)と、
    　負荷に基づいて、燃料電池スタック(１０)のフラッディングを防止するために必要な最低ＳＲを設定する最低ＳＲ設定部(Ｓ１２)と、
    　前記目標ＳＲが前記最低ＳＲを下回るときには、実ＳＲが、前記最低ＳＲを一時的に上回るように制御するＳＲ制御部(Ｓ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２，Ｓ１７３)と、
    を含む燃料電池システム。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記ＳＲ制御部(Ｓ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２，Ｓ１７３)は、実ＳＲが、前記最低ＳＲを一時的に上回るように、前記燃料電池スタック(１０)にカソードガスを供給するカソードガス供給ライン(２１)に設けられるコンプレッサー(２１１)を制御する、
    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ＳＲ制御部(Ｓ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２，Ｓ１７３)は、実ＳＲが、前記最低ＳＲを一時的に上回るように、前記燃料電池スタック(１０)から排出されるカソードガスのカソードガス排出ライン(２２)に設けられるカソードガス圧力制御弁(２２１)を制御する、
    燃料電池システム。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記湿潤度検出部(Ｓ１３)は、燃料電池スタック(１０)のインピーダンスに基づいて、燃料電池スタック(１０)の湿潤度を検出し、
    　前記目標ＳＲ設定部(Ｓ１４)は、前記インピーダンス及び負荷に基づいて目標ＳＲを設定する、
    燃料電池システム。
  5. 　請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記目標ＳＲ設定部(Ｓ３４)は、冷却水温が、負荷に基づいて設定された目標冷却水温よりも高いときには、冷却水温及び負荷に基づいて目標ＳＲを設定する、
    燃料電池システム。
  6. 　請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記目標ＳＲ設定部(Ｓ４３)は、外気圧力が、運転モード変更圧力閾値よりも低いときには、外気圧力が圧力閾値よりも低圧のときの目標ＳＲを設定する、
    燃料電池システム。
  7. 　請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記目標ＳＲ設定部(Ｓ５３)は、外気湿度が、運転モード変更湿度閾値よりも低いときには、外気湿度が湿度閾値よりも低湿度のときの目標ＳＲを設定する、
    燃料電池システム。
  8. 　請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記ＳＲ制御部(Ｓ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２，Ｓ１７３)は、前記目標ＳＲと前記最低ＳＲとの差に基づいて前記実ＳＲの周期的な変動を制御する、
    燃料電池システム。
  9. 　請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記ＳＲ制御部(Ｓ１７１)は、前記目標ＳＲと前記最低ＳＲとの差が大きいほど前記実ＳＲの増大周期を短くし、差が小さいほど前記実ＳＲの増大周期を長くする、
    燃料電池システム。
  10. 　請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記ＳＲ制御部(Ｓ１７２)は、前記目標ＳＲと前記最低ＳＲとの差が大きいほど一周期における一時的増大時間を長くし、差が小さいほど一周期における一時的増大時間を短くする、
    燃料電池システム。
  11. 　請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    　前記ＳＲ制御部(Ｓ１７３)は、前記目標ＳＲと前記最低ＳＲとの差が大きいほど一周期における実ＳＲの増大量を大きくし、差が小さいほど一周期における実ＳＲの増大量を小さくする、
    燃料電池システム。
  12. 　燃料電池スタック(１０)の湿潤度をカソードガスの流量によって制御する燃料電池システムにおいて、
    　前記湿潤度に応じたカソードガスの流量が所定流量以下では、カソードガスの流量を変動させる制御部(Ｓ１７，Ｓ１７１，Ｓ１７２，Ｓ１７３)を含む、
    燃料電池システム。
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