WO2013187514A1 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
WO2013187514A1
WO2013187514A1 PCT/JP2013/066505 JP2013066505W WO2013187514A1 WO 2013187514 A1 WO2013187514 A1 WO 2013187514A1 JP 2013066505 W JP2013066505 W JP 2013066505W WO 2013187514 A1 WO2013187514 A1 WO 2013187514A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow rate
supply flow
fuel cell
compressor
stack
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/066505
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
要介 冨田
隼人 筑後
Original Assignee
日産自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日産自動車株式会社 filed Critical 日産自動車株式会社
Priority to JP2014521438A priority Critical patent/JP5796680B2/ja
Priority to CA2876576A priority patent/CA2876576C/en
Priority to US14/407,272 priority patent/US10581096B2/en
Priority to CN201380031574.9A priority patent/CN104380510B/zh
Priority to EP13805021.6A priority patent/EP2863463B1/en
Publication of WO2013187514A1 publication Critical patent/WO2013187514A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04529—Humidity; Ambient humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619—Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/0485—Humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01M8/04432—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • 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.
  • JP2009-123550A discloses a conventional fuel cell system that discharges an amount of air unnecessary for the fuel cell stack to the cathode gas discharge passage through the bypass passage among the cathode gas discharged from the compressor. ing.
  • a pressure higher than the atmospheric pressure is set upstream of the bypass passage because it is equal to the pressure in the fuel cell stack.
  • the downstream of the bypass passage is a cathode gas discharge passage, which corresponds to atmospheric pressure.
  • the bypass valve provided in the bypass passage, the bypass flow rate can be earned by this differential pressure.For example, when the pressure of the fuel cell stack has to be reduced for thermal protection of the compressor, etc. Even if the bypass valve is fully opened, there is a possibility that an amount of air unnecessary for the fuel cell stack cannot flow through the bypass passage.
  • the compressor only flows a flow rate required for surge avoidance etc., and does not consider the flow rate required by the fuel cell stack. Therefore, air that cannot flow into the bypass passage is supplied to the fuel cell stack, and there is a possibility that the managed wet state shifts to the dry side.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and aims to suppress the supply of air unnecessary for the fuel cell stack even when the bypass valve has a predetermined opening or more. To do.
  • a compressor that supplies cathode gas, a bypass passage that bypasses the fuel cell stack and discharges part of the cathode gas discharged from the compressor to the cathode gas discharge passage, and a bypass passage
  • a bypass valve that adjusts the flow rate of the cathode gas that flows through the bypass passage, and a target fuel cell supply flow rate calculation unit that calculates a target value of the cathode gas flow rate supplied to the fuel cell stack in response to a request of the fuel cell stack;
  • the flow rate of cathode gas supplied from the compressor to the fuel cell stack based on the target fuel cell supply flow rate, and the compressor supply flow rate control unit that controls the cathode gas flow rate supplied by the compressor according to the operating state of the fuel cell system Control the bypass valve to achieve the target fuel cell supply flow rate
  • Compressor supply flow rate that limits the cathode gas flow rate supplied by the compressor when the bypass valve and the bypass valve have a predetermined opening and the cathode gas flow rate supplied to the fuel cell stack
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the dilution request compressor supply flow rate and the power generation request stack supply flow rate according to the load of the fuel cell stack.
  • FIG. 3 shows a control block of the cathode system according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a basic bypass flow rate calculation map when fully opened.
  • FIG. 5 is a flow rate correction value calculation table.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of controlling the cathode system according to the present embodiment.
  • FIG. 7 shows a control block of a cathode system according to a comparative example.
  • an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • Anode electrode 2H 2 ⁇ 4H + + 4e ⁇ (1)
  • Cathode electrode 4H + + 4e ⁇ + O 2 ⁇ 2H 2 O (2)
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
  • a fuel cell When a fuel cell is used as a power source for automobiles, it requires a large amount of power, so it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, a cathode gas supply / discharge device 2, an anode gas supply / discharge device 3, and a controller 4.
  • the fuel cell stack 1 is formed by stacking several hundred fuel cells, and receives the supply of anode gas and cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 supplies the cathode gas to the fuel cell stack 1 and discharges the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the outside air.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode gas supply passage 20, a filter 21, a cathode compressor 22, a cathode gas discharge passage 23, a cathode pressure regulating valve 24, a bypass passage 25, a bypass valve 26, and a first flow rate.
  • a sensor 27, a second flow rate sensor 28, a pressure sensor 29, and a temperature sensor 30 are provided.
  • the cathode gas supply passage 20 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows.
  • the cathode gas supply passage 20 has one end connected to the filter 21 and the other end connected to the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the filter 21 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 20.
  • the cathode compressor 22 is provided in the cathode gas supply passage 20.
  • the cathode compressor 22 takes air (outside air) as cathode gas into the cathode gas supply passage 20 via the filter 21 and supplies the air to the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas discharge passage 23 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas discharge passage 23 is connected to the cathode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end.
  • the cathode pressure regulating valve 24 is provided in the cathode gas discharge passage 23.
  • the cathode pressure regulating valve 24 is controlled to be opened and closed by the controller 4 to adjust the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.
  • the bypass passage 25 is a passage provided so that a part of the cathode gas discharged from the cathode compressor 22 can be directly discharged to the cathode gas discharge passage 23 without going through the fuel cell stack 1 as necessary. It is.
  • the bypass passage 25 has one end connected to the cathode gas supply passage 21 downstream from the cathode compressor 23 and the other end connected to the cathode gas discharge passage 24 downstream from the cathode pressure regulating valve 24.
  • bypass valve 26 is provided in the bypass passage 25.
  • the bypass valve 26 is controlled to be opened and closed by the controller 4 to adjust the flow rate of the cathode gas flowing through the bypass passage 25 (hereinafter referred to as “bypass flow rate”).
  • the first flow rate sensor 27 is provided in the cathode gas supply passage 20 upstream of the cathode compressor 23.
  • the first flow rate sensor 27 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the compressor 23 (hereinafter referred to as “compressor supply flow rate”).
  • the second flow rate sensor 28 is provided in the cathode gas supply passage 20 downstream of the connection portion with the bypass passage 26, that is, in the cathode supply passage 20 near the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the second flow rate sensor 28 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack supply flow rate”).
  • the pressure sensor 29 is provided in the cathode gas supply passage 20 downstream of the connection portion with the bypass passage 26, that is, in the cathode supply passage 20 near the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the pressure sensor 29 detects the inlet pressure of the fuel cell stack (hereinafter referred to as “stack inlet pressure”).
  • the temperature sensor 30 is provided in the cathode gas supply passage 20 near the discharge side of the cathode compressor 23.
  • the temperature sensor 30 detects the temperature of the cathode gas discharged from the cathode compressor 23 (hereinafter referred to as “discharge temperature”).
  • the anode gas supply / discharge device 3 supplies anode gas to the fuel cell stack 1 and discharges anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the cathode gas discharge passage 23.
  • the anode gas supply / discharge device 3 includes a high-pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, an anode pressure regulating valve 33, an anode gas discharge passage 34, and a purge valve 35.
  • the high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 in a high pressure state.
  • the anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1.
  • the anode gas supply passage 32 has one end connected to the high pressure tank 31 and the other end connected to the anode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the anode pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32.
  • the anode pressure regulating valve 34 is controlled to be opened and closed by the controller 4 to adjust the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.
  • the anode gas discharge passage 34 is a passage through which the anode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows.
  • the anode gas discharge passage 35 has one end connected to the anode gas outlet hole of the fuel cell stack 1 and the other end connected to the cathode gas discharge passage 23.
  • the anode off-gas discharged to the cathode gas discharge passage 23 through the anode gas discharge passage 34 is mixed with the cathode off-gas and the cathode gas flowing through the bypass passage 26 in the cathode gas discharge passage 23 to be external to the fuel cell system 100.
  • the anode off gas contains surplus anode gas (hydrogen) that has not been used in the electrode reaction, it is mixed with the cathode off gas and the cathode gas and discharged outside the fuel cell system 100 in this way.
  • the hydrogen concentration in the exhaust gas is set to a predetermined concentration or less.
  • the purge valve 35 is provided in the anode gas discharge passage 34.
  • the purge valve 35 is controlled to be opened and closed by the controller 4 and controls the flow rate of the anode off gas discharged from the anode gas discharge passage 34 to the cathode gas discharge passage 23.
  • the controller 4 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • CPU central processing unit
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • I / O interface input / output interface
  • the controller 4 receives signals from various sensors such as an atmospheric pressure sensor 41 that detects atmospheric pressure.
  • the controller 4 requests the hydrogen concentration in the exhaust gas discharged to the outside of the fuel cell system 100 to be a predetermined concentration or less (hereinafter referred to as “dilution request”), a drive motor, and the like.
  • the two requests namely, a request to generate electric power (hereinafter referred to as “required output power”) required by each electric component of the fuel cell system 100 (hereinafter referred to as “required output power”) by the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “power generation request”) simultaneously.
  • the cathode compressor 22 and the bypass valve 26 are feedback-controlled so as to satisfy.
  • FIG. 2 shows a compressor supply flow rate (hereinafter referred to as “dilution-required compressor supply flow rate”) necessary for setting the hydrogen concentration of the exhaust gas discharged outside the fuel cell system 100 to a predetermined concentration or less, and the required output power.
  • the power generation request stack supply flow rate is larger than the dilution request compressor supply.
  • the cathode compressor 22 is feedback-controlled by simply using the target compressor supply flow rate as the power generation request stack supply flow rate, the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 becomes the power generation request stack supply flow rate.
  • the stack 1 can generate the required generated power.
  • the anode off gas flowing from the anode gas discharge passage 34 to the cathode gas discharge passage 23 can be diluted with the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1, so that the hydrogen concentration of the exhaust gas can be reduced to a predetermined concentration or less.
  • the dilution request compressor supply flow rate is larger than the power generation request stack supply flow rate.
  • the cathode compressor 22 is simply feedback controlled using the target compressor supply flow rate as the power generation request stack supply flow rate, the fuel cell stack 1 can generate the required generated power, but the cathode discharged from the fuel cell stack 1. Even if the anode off gas flowing from the anode gas discharge passage 34 to the cathode gas discharge passage 23 is diluted by the off gas, the hydrogen concentration of the exhaust gas cannot be reduced below a predetermined concentration.
  • the cathode compressor 22 is feedback-controlled using the target compressor supply flow rate as the dilution request compressor supply flow rate, and the fuel cell stack 1 generates the required generated power. Therefore, the cathode compressor 22 must supply more cathode gas than the cathode gas flow rate (power generation required stack supply flow rate) necessary for this. Then, excess cathode gas unnecessary for power generation is supplied to the fuel cell stack 1, so that the electrolyte membrane of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is dried and the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 is reduced. There is a risk.
  • the stack supply flow rate is set to the power generation request stack supply while the cathode compressor 22 is feedback controlled using the target compressor supply flow rate as the dilution request compressor supply flow rate.
  • the bypass valve 26 needs to be feedback-controlled so that the flow rate becomes equal, and surplus cathode gas unnecessary for power generation needs to flow through the bypass passage 25. That is, it is necessary to open the bypass valve 26 so that the bypass flow rate becomes a flow rate obtained by subtracting the power generation request stack supply flow rate from the dilution request compressor supply flow rate (dilution request compressor supply flow rate-power generation request stack supply flow rate).
  • FIG. 7 shows a cathode system control block according to a comparative example.
  • the control block of the cathode system according to the comparative example includes a wet required stack supply flow rate calculation unit 101, a target stack supply flow rate setting unit 102, a stack required compressor supply flow rate calculation unit 103, a target compressor supply flow rate setting unit 104, and a cathode compressor.
  • the control part 105, the target bypass valve opening degree calculation part 106, and the bypass valve control part 107 are provided.
  • the wet demand stack supply flow rate calculation unit 101 receives the actual impedance of the fuel cell stack 1 calculated by the AC impedance method and a target impedance that is predetermined according to the load of the fuel cell stack 1.
  • the wet demand stack supply flow rate calculation unit 101 sets the stack supply flow rate necessary for setting the actual impedance to the target impedance as the ultimate wet demand stack supply flow rate, and supplies the stack toward the set ultimate wet demand stack supply flow rate.
  • a target value for changing the flow rate with a predetermined transient response is calculated as the wet demand stack supply flow rate.
  • the ultimate required wet stack supply flow rate is, in other words, the required stack supply flow rate for controlling the wetness (water content) of the electrolyte membrane to the optimal wetness (required wetness) according to the load of the fuel cell stack 1. It is.
  • the target stack supply flow rate setting unit 102 receives a power generation request stack supply flow rate and a wet request stack supply flow rate that are predetermined according to the load of the fuel cell stack 1.
  • the target stack supply flow rate setting unit 102 sets the larger of the power generation request stack flow rate and the wet request stack supply flow rate as the target stack supply flow rate.
  • the target stack supply flow rate setting unit 102 sets the optimum stack supply flow rate according to the load of the fuel cell stack 1 as the target stack supply flow rate.
  • the stack required compressor supply flow rate calculation unit 103 receives the stack supply flow rate detected by the second flow rate sensor 28 (hereinafter referred to as “actual stack supply flow rate”) and the target stack supply flow rate.
  • the stack required compressor supply flow rate calculation unit 103 calculates a target value of the compressor supply flow rate for changing the actual stack supply flow rate toward the target stack supply flow rate with a predetermined transient response as the stack required compressor supply flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 104 receives a dilution request compressor supply flow rate determined according to the load of the fuel cell stack 1 and a stack request compressor supply flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 104 sets the larger one of the dilution request compressor supply flow rate and the stack request compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate.
  • the cathode compressor control unit 105 receives the compressor supply flow rate (hereinafter referred to as “actual compressor supply flow rate”) detected by the first flow rate sensor 27 and the target compressor supply flow rate.
  • the cathode compressor control unit 105 controls the cathode compressor 22 so that the actual compressor supply flow rate becomes the target compressor supply flow rate.
  • the actual stack supply flow rate and the target stack supply flow rate are input to the target bypass valve opening calculation unit 106.
  • the target bypass valve opening calculation unit 106 calculates the target bypass valve opening based on the difference between the actual stack supply flow rate and the target stack supply flow rate (actual stack supply flow rate ⁇ target stack supply flow rate).
  • the target bypass valve opening is an opening of the bypass valve 26 that is necessary for flowing the difference amount to the bypass passage 25 when the actual stack supply flow rate is larger than the target stack supply flow rate. Therefore, the target bypass valve opening increases as the difference amount increases, and becomes zero (fully closed) when the difference amount is zero or less.
  • the actual opening of the bypass valve 26 and the target bypass valve opening are input to the bypass valve control unit 107.
  • the bypass valve control unit 107 controls the opening degree of the bypass valve 26 to the target bypass valve opening degree.
  • the stack required compressor supply flow rate calculation unit 103 wets the stack supply flow rate.
  • the compressor supply flow rate required to obtain the required stack supply flow rate is calculated as the stack required compressor supply flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 104 selects the stack required compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate.
  • the cathode compressor 22 is feedback-controlled so that the compressor supply flow rate becomes the stack required compressor supply flow rate.
  • the bypass valve 26 is controlled to be fully closed by feedback control.
  • the actual impedance is controlled to the target impedance.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 104 selects the dilution request compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate.
  • the cathode compressor 22 is feedback-controlled so that the compressor supply flow rate becomes the dilution request compressor supply flow rate.
  • the bypass valve 26 is gradually opened by feedback control so that the actual stack supply flow rate becomes the target stack supply flow rate.
  • the bypass valve 26 is fully opened, the actual stack supply flow rate cannot be made the target stack supply flow rate, and the actual stack supply flow rate becomes larger than the target stack supply flow rate. If this state continues, the electrolyte membrane dries and the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 decreases, so that the actual stack supply flow rate becomes the target stack supply flow rate, that is, the actual impedance becomes the target impedance. I want to reduce the compressor supply flow rate.
  • the stack required compressor supply flow rate calculation unit 103 tries to control the stack required compressor supply flow rate in a decreasing direction.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 104 sets the larger one of the dilution request compressor supply flow rate and the stack request compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate. Therefore, if the stack demand compressor supply flow rate is controlled to decrease when the dilution request compressor supply flow rate is selected as the target compressor supply flow rate, the dilution request compressor supply flow rate will continue to be selected as the target compressor supply flow rate. End up.
  • the cathode system control is configured to reduce the compressor supply flow rate so that the actual stack supply flow rate becomes the target stack supply flow rate.
  • FIG. 3 shows a control block of the cathode system according to this embodiment.
  • the same reference numerals are used for the same functions as those of the cathode control block according to the comparative example, and repeated description is appropriately omitted.
  • the control block of the cathode system includes a wet request stack supply flow rate calculation unit 101, a target stack supply flow rate setting unit 102, a stack request compressor supply flow rate calculation unit 103, a cathode compressor control unit 105, and a target bypass valve opening calculation unit.
  • the provisional target compressor supply flow rate setting unit 111 receives the dilution request compressor supply flow rate and the stack request compressor supply flow rate.
  • the provisional target compressor supply flow rate setting unit 111 sets the larger one of the dilution request compressor supply flow rate and the stack request compressor supply flow rate as the provisional target compressor supply flow rate.
  • the fully opened estimated bypass flow rate calculation unit 112 is an estimated value of the bypass flow rate (hereinafter, “fully opened estimated bypass flow rate” when the opening degree of the bypass valve 26 is assumed to be fully opened in the current operation state of the fuel cell system 100. Is calculated).
  • the fully opened estimated bypass flow rate calculation unit 112 includes a fully opened basic bypass flow rate calculation unit 1121, a flow rate correction value calculation unit 1122, and a multiplication unit 1123.
  • the full-open basic bypass flow rate calculation unit 1121 receives the stack inlet pressure and the atmospheric pressure.
  • the fully open basic bypass flow rate calculation unit 1121 refers to the fully open basic bypass flow rate calculation map shown in FIG. 4 and calculates the fully open basic bypass flow rate based on the stack inlet pressure and the atmospheric pressure.
  • the full-open basic bypass flow rate is such that the differential pressure across the bypass valve 26 increases as the stack inlet pressure (gauge pressure), that is, the pressure upstream of the bypass valve 26 increases. It grows because it grows. Further, if the stack inlet pressure (gauge pressure) is constant, the stack pressure increases as the atmospheric pressure increases.
  • the discharge temperature is input to the flow rate correction value calculation unit 1122.
  • the flow rate correction value calculation unit 1122 calculates a correction value based on the discharge temperature with reference to the flow rate correction value calculation table shown in FIG. As shown in the flow rate correction value calculation table of FIG. 5, the flow rate correction value decreases as the discharge temperature decreases.
  • the multiplication unit 1123 receives the fully opened basic bypass flow rate and the flow rate correction value.
  • the multiplier 1123 outputs the product of the fully opened basic bypass flow rate and the flow rate correction value as the fully opened estimated bypass flow rate.
  • the compressor limit flow rate calculation unit 113 receives the wet request stack supply flow rate and the fully opened estimated bypass flow rate.
  • the compressor limit flow rate calculation unit 113 calculates the compressor limit flow rate by adding the wet request stack supply flow rate and the fully opened estimated bypass flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 114 receives the temporary target compressor supply flow rate and the compressor limit flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 114 sets the smaller one of the temporary target compressor supply flow rate and the compressor limit flow rate as the target compressor supply flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 114 takes into consideration the operation state of the entire fuel cell system such as a dilution request, a power generation request, and a wetting request, and sets an optimal compressor supply flow rate according to the operating state of the fuel cell system. Set as the target compressor supply flow rate.
  • the compressor supply flow rate is reduced so that the actual stack supply flow rate becomes the target stack supply flow rate when the bypass valve 26 is fully opened for the following reason. Can do.
  • the stack request calculated by the stack request compressor supply flow rate calculation unit 103 is obtained.
  • the compressor supply flow rate becomes smaller.
  • the provisional target compressor supply flow rate setting unit 111 selects the dilution request compressor supply flow rate as the provisional target compressor supply flow rate.
  • the wet request stack supply flow rate calculation unit 101 calculates a stack supply flow rate at which the actual impedance becomes the target impedance as the wet request stack supply flow rate. Therefore, the wet requested stack supply flow rate is smaller than the actual stack supply flow rate when the bypass valve 26 is fully opened.
  • a sum of the wet request stack supply flow rate and the estimated bypass flow rate when fully opened is input to the target compressor supply flow rate setting unit 114 as a compressor limit flow rate.
  • the compressor limit flow rate input to the target compressor supply flow rate setting unit 114 when the bypass valve 26 is fully opened is the sum of the wet request stack supply flow rate and the estimated bypass flow rate when fully opened.
  • the dilution request compressor supply flow rate input to the target compressor supply flow rate setting unit 114 as the provisional target compressor supply flow rate is considered to be the sum of the actual stack supply flow rate (> wet request stack supply flow rate) and the fully opened estimated bypass flow rate. Can do.
  • the compressor limit flow rate input to the target compressor supply flow rate setting unit 114 when the bypass valve 26 is fully opened is the dilution request compressor supply input to the target compressor supply flow rate setting unit 114 as the temporary target compressor supply flow rate. It becomes smaller than the flow rate.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 114 sets the compressor limit flow rate as the target compressor supply flow rate.
  • the cathode compressor 22 is feedback-controlled so that the actual stack supply flow rate becomes the wet supply stack supply flow rate, so that the increased actual impedance becomes the target impedance. Can converge toward. Therefore, since it can suppress that the actual stack supply flow rate becomes larger than the target stack supply flow rate, it is possible to suppress the drying of the electrolyte membrane and suppress the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 from decreasing.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of controlling the cathode system according to the present embodiment.
  • the control operation of the cathode system according to the comparative example is indicated by a thin solid line as necessary.
  • the provisional target compressor supply flow rate setting unit 111 sets the dilution request compressor supply flow rate as the temporary target compressor supply flow rate, and the target compressor supply flow rate setting unit 114 sets the provisional target compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate. It is assumed that it is set.
  • stack the pressure on the discharge side of the cathode compressor 22
  • Inlet pressure the pressure on the discharge side of the cathode compressor 22
  • the bypass valve 26 is gradually opened in conjunction with the decrease of the stack inlet pressure in order to maintain the bypass flow rate (FIGS. 6D and 6E).
  • the bypass flow rate gradually decreases with the decrease of the stack inlet pressure (FIGS. 6D and 6E), and the actual stack supply flow rate is the target. It becomes larger than the stack supply flow rate (here, the wet request stack supply flow rate) (FIG. 6C). As a result, the actual impedance becomes larger than the target impedance (FIG. 6A).
  • the stack required compressor supply flow rate calculation unit 103 tries to control the stack required compressor supply flow rate so that the actual stack supply flow rate becomes the target stack supply flow rate. To do.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 104 selects the larger one of the dilution request compressor supply flow rate and the stack request compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate. Therefore, when the stack required compressor supply flow rate decreases, the target compressor supply flow rate setting unit 104 continues to select the dilution request compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate (FIG. 6B).
  • the compressor supply flow rate remains the dilution request compressor supply flow rate.
  • the stack supply flow rate cannot be the target stack supply flow rate, and the actual impedance continues to be larger than the target impedance.
  • the target compressor supply flow rate setting unit 114 sets the compressor limit flow rate as the target compressor supply flow rate (time t3, FIG. 6). (B)).
  • the compressor limit flow rate is the sum of the wet requested stack supply flow rate and the estimated bypass flow rate when fully open, so the actual stack supply flow rate can be controlled to the wet required stack supply flow rate, and the actual impedance can be controlled to the target impedance. Yes (FIG. 6A). As a result, the drying of the electrolyte membrane can be suppressed, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 can be suppressed from decreasing.
  • the purge valve 35 is closed. By controlling, it is only necessary to prevent the hydrogen concentration of the exhaust gas from exceeding a predetermined concentration.
  • one of the power generation request stack supply flow rate and the wet request stack supply flow rate is calculated as the target stack supply flow rate according to the load of the fuel cell stack, and the stack supply flow rate is equal to the target stack supply flow rate.
  • the bypass valve 26 is feedback-controlled.
  • one of the stack required compressor supply flow rate and the dilution required stack supply flow rate is calculated as the provisional target compressor supply flow rate according to the operating state of the fuel cell system. If the bypass valve 26 is fully opened when the dilution request stack supply flow rate is selected as the temporary target compressor supply flow rate, the cathode compressor 22 uses a flow rate smaller than the temporary target compressor supply flow rate as the target compressor supply flow rate. It was decided to perform feedback control. Specifically, the sum of the estimated bypass flow rate when fully opened and the wet requested stack supply flow rate are used as the compressor limit flow rate, and the smaller of the provisional target compressor supply flow rate and the compressor limit flow rate is set as the target compressor supply flow rate. It was decided to perform feedback control.
  • the cathode compressor 22 and the bypass valve 26 can be feedback-controlled so that the actual stack supply flow rate becomes the target stack supply flow rate while satisfying the dilution request.
  • the cathode compressor 22 can be feedback controlled so that the actual stack supply flow rate becomes the wet supply stack supply flow rate. it can. Therefore, since it can suppress that the actual stack supply flow rate becomes larger than the target stack supply flow rate, it is possible to suppress the drying of the electrolyte membrane and suppress the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 from decreasing.
  • the bypass valve even when the bypass valve reaches a predetermined opening degree (for example, fully open) for some reason, it is possible to prevent the cathode gas unnecessary for power generation from being supplied to the fuel cell. Therefore, drying of the electrolyte membrane can be suppressed.
  • a predetermined opening degree for example, fully open
  • the power generation request stack supply flow rate and the wet request stack supply flow rate are input to the target stack supply flow rate calculation unit 102.
  • these stack supply flow rates may be input, and these maximum values may be set as the target stack supply flow rate.
  • the dilution request compressor supply flow rate and the stack request compressor supply flow rate are input to the provisional target compressor supply flow rate calculation unit 111.
  • compressor supply for preventing surging of the cathode compressor 22 is provided.
  • the flow rate may be input, and these maximum values may be used as the provisional target compressor supply flow rate.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

　燃料電池システムは、燃料電池スタックの要求に応じて、燃料電池スタックに供給するカソードガス流量の目標値を算出し、燃料電池システムの運転状態に応じて、コンプレッサが供給するカソードガス流量を制御し、目標燃料電池供給流量に基づいて、コンプレッサから燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量が、目標燃料電池供給流量となるように、バイパス弁を制御し、バイパス弁が所定開度であって、燃料電池スタックへ供給されるカソードガス流量が目標燃料電池供給流量以上のときに、コンプレッサが供給するカソードガス流量を制限する。

Description

燃料電池システム
　本発明は燃料電池システムに関する。
　燃料電池スタックへカソードガスを供給するためにコンプレッサを用いた場合、コンプレッサのサージ回避等のために、燃料電池スタックに供給すべき空気量より大きな流量をコンプレッサが供給しなければならないことがある。しかしながら、燃料電池スタックにとっては発電や湿潤管理のために必要な空気量以外は不要である。そのため、ＪＰ２００９－１２３５５０Ａには、従来の燃料電池システムとして、コンプレッサから吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタックにとって不要な空気量をバイパス通路を介してカソードガス排出通路に排出するものが開示されている。
　しかしながら、前述した従来の燃料電池システムの場合、次のような不都合を生じる可能性が発明者によって知見された。
　通常、バイパス通路の上流は、燃料電池スタック内の圧力と等しいため大気圧より高い圧力が設定されている。一方で、バイパス通路の下流はカソードガスの排出通路であって大気圧相当である。
　したがって、バイパス通路に設けられるバイパスバルブを開くことで、この差圧によってバイパス流量を稼ぐことができるが、例えば、コンプレッサの熱保護等のために燃料電池スタックの圧力を落とさなければならない場合など、バイパスバルブを全開にしてもバイパス通路に燃料電池スタックにとって不要な空気量を流すことができない可能性がある。
　このとき、コンプレッサは、サージ回避等のために必要な流量を流すだけで、燃料電池スタックが要求する流量を考慮していない。従って、バイパス通路に流せない分の空気は、燃料電池スタックに供給されることになり、管理している湿潤状態が乾燥側へずれてしまうといった不都合が生じる可能性がある。
　本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、バイパス弁が所定の開度以上となっても、燃料電池スタックにとって不要な空気が供給されることを抑制することを目的とする。
　本発明のある態様によれば、カソードガスを供給するコンプレッサと、コンプレッサから吐出されたカソードガスの一部を、燃料電池スタックをバイパスさせてカソードガス排出通路に排出するバイパス通路と、バイパス通路に設けられ、バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するバイパス弁と、燃料電池スタックの要求に応じて、燃料電池スタックに供給するカソードガス流量の目標値を算出する目標燃料電池供給流量算出部と、燃料電池システムの運転状態に応じて、コンプレッサが供給するカソードガス流量を制御するコンプレッサ供給流量制御部と、目標燃料電池供給流量に基づいて、コンプレッサから燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量が、目標燃料電池供給流量となるように、バイパス弁を制御するバイパス弁制御部と、バイパス弁が所定開度であって、燃料電池スタックへ供給されるカソードガス流量が目標燃料電池供給流量以上のときに、コンプレッサが供給するカソードガス流量を制限するコンプレッサ供給流量制限部と、を備え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、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、希釈要求コンプレッサ供給流量と発電要求スタック供給流量との関係を燃料電池スタックの負荷に応じて示した図である。 図３は、本実施形態によるカソード系の制御ブロックを示したものである。 図４は、全開時基本バイパス流量算出マップである。 図５は、流量補正値算出テーブルである。 図６は、本実施形態によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。 図７は、比較例によるカソード系の制御ブロックを示したものである。
　燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
　　　アノード電極　：　　２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-         　　…(１)
　　　カソード電極　：　　４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
　この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
　燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
　図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
　燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。
　燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。
　カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２０と、フィルタ２１と、カソードコンプレッサ２２と、カソードガス排出通路２３と、カソード調圧弁２４と、バイパス通路２５と、バイパス弁２６と、第１流量センサ２７と、第２流量センサ２８と、圧力センサ２９と、温度センサ３０と、を備える。
　カソードガス供給通路２０は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２０は、一端がフィルタ２１に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
　フィルタ２１は、カソードガス供給通路２０に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
　カソードコンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２０に設けられる。カソードコンプレッサ２２は、フィルタ２１を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２０に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
　カソードガス排出通路２３は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２３は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。
　カソード調圧弁２４は、カソードガス排出通路２３に設けられる。カソード調圧弁２４は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
　バイパス通路２５は、カソードコンプレッサ２２から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタッ１を経由させずに直接カソードガス排出通路２３に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２５は、一端がカソードコンプレッサ２３よりも下流のカソードガス供給通路２１に接続され、他端がカソード調圧弁２４よりも下流のカソードガス排出通路２４に接続される。
　バイパス弁２６は、バイパス通路２５に設けられる。バイパス弁２６は、コントローラ４によって開閉制御されて、バイパス通路２５を流れるカソードガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を調節する。
　第１流量センサ２７は、カソードコンプレッサ２３よりも上流のカソードガス供給通路２０に設けられる。第１流量センサ２７は、コンプレッサ２３に供給されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ供給流量」という。）を検出する。
　第２流量センサ２８は、バイパス通路２６との接続部よりも下流のカソードガス供給通路２０、すなわち、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔近傍のカソード供給通路２０に設けられる。第２流量センサ２８は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。
　圧力センサ２９は、バイパス通路２６との接続部よりも下流のカソードガス供給通路２０、すなわち、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔近傍のカソード供給通路２０に設けられる。圧力センサ２９は、燃料電池スタックの入口圧（以下「スタック入口圧」という。）を検出する。
　温度センサ３０は、カソードコンプレッサ２３の吐出側近傍のカソードガス供給通路２０に設けられる。温度センサ３０は、カソードコンプレッサ２３から吐出されたカソードガスの温度（以下「吐出温度」という。）を検出する。
　アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２３に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
　高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
　アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
　アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３４は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
　アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２３に接続される。
　アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２３に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２３内でカソードオフガス及びバイパス通路２６を流れてきたカソードガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガス（水素）が含まれているので、このようにカソードオフガス及びカソードガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
　パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ４によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２３に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
　コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４には、前述した第１流量センサ２７や第２流量センサ２８、圧力センサ２９、温度センサ３０の他にも、大気圧を検出する大気圧センサ４１などの各種センサからの信号が入力される。
　コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガス中の水素濃度を所定濃度以下にするという要求（以下「希釈要求」という。）と、駆動モータなどの燃料電池システム１００の各電気部品が要求する電力（以下「要求出力電力」という。）を燃料電池スタック１で発電するという要求（以下「発電要求」という。）と、の２つの要求を同時に満足するように、カソードコンプレッサ２２及びバイパス弁２６をフィードバック制御する。
　図２は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、所定濃度以下にするために必要なコンプレッサ供給流量（以下「希釈要求コンプレッサ供給流量」という。）と、要求出力電力を発電するために必要なスタック供給流量（以下「発電要求スタック供給流量」という。）と、の関係を、燃料電池スタック１の負荷（＝要求出力電力）に応じて示した図である。
　図２に示すように、中高負荷領域では、発電要求スタック供給流量のほうが、希釈要求コンプレッサ供給よりも大きくなる。
　この場合は、単純に目標コンプレッサ供給流量を発電要求スタック供給流量としてカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御すれば、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が発電要求スタック供給流量となるので、燃料電池スタック１で要求発電電力を発電することができる。そして、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスによって、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２３に流れてきたアノードオフガスを希釈して、排出ガスの水素濃度を所定濃度以下にすることができる。
　一方で、図２に示すように、低負荷領域では、希釈要求コンプレッサ供給流量のほうが、発電要求スタック供給流量よりも大きくなる。
　この場合に、単純に目標コンプレッサ供給流量を発電要求スタック供給流量としてカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御すると、燃料電池スタック１では要求発電電力を発電することができるが、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスによってアノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２３に流れてきたアノードオフガスを希釈しても、排出ガスの水素濃度を所定濃度以下にすることができない。
　したがって、低負荷領域で排出ガスの水素濃度を所定濃度以下にするためには、目標コンプレッサ供給流量を希釈要求コンプレッサ供給流量としてカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御し、燃料電池スタック１で要求発電電力を発電するために必要なカソードガス流量（発電要求スタック供給流量）よりも多くのカソードガスをカソードコンプレッサ２２によって供給しなければならない。そうすると、発電に不要な余剰のカソードガスが燃料電池スタック１に供給されることになるので、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池の電解質膜が乾燥して燃料電池スタック１の発電効率が低下するおそれがある。
　そのため、発電要求スタック供給流量よりも希釈要求コンプレッサ供給流量のほうが大きくなったときは、目標コンプレッサ供給流量を希釈要求コンプレッサ供給流量としてカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御しつつ、スタック供給流量が発電要求スタック供給流量となるようにバイパス弁２６をフィードバック制御して、発電に不要な余剰のカソードガスをバイパス通路２５に流す必要がある。つまり、バイパス流量が、希釈要求コンプレッサ供給流量から発電要求スタック供給流量を引いた流量（希釈要求コンプレッサ供給流量－発電要求スタック供給流量）となるように、バイパス弁２６を開く必要がある。
　ここで、このようなフィードバック制御によってカソードコンプレッサ２２及びバイパス弁２６を制御しようとすると、バイパス弁２６が全開まで開かれたときに燃料電池スタック１の発電効率が低下するという問題が生じることがわかった。以下では、本発明の理解を容易にするために、本実施形態によるカソード系の制御について説明する前に、図７を参照して比較例によるカソード系の制御について説明し、バイパス弁２６が全開まで開かれたときの問題点について説明する。
　図７は、比較例によるカソード系の制御ブロックを示したものである。
　比較例によるカソード系の制御ブロックは、湿潤要求スタック供給流量算出部１０１と、目標スタック供給流量設定部１０２と、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３と、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４と、カソードコンプレッサ制御部１０５と、目標バイパス弁開度算出部１０６と、バイパス弁制御部１０７と、を備える。
　湿潤要求スタック供給流量算出部１０１には、交流インピーダンス法によって算出された燃料電池スタック１の実インピーダンスと、燃料電池スタック１の負荷に応じて予め定められた目標インピーダンスと、が入力される。
　湿潤要求スタック供給流量算出部１０１は、実インピーダンスを目標インピーダンスにするために必要なスタック供給流量を到達湿潤要求スタック供給流量として設定し、その設定した到達湿潤要求スタック供給流量に向けて、スタック供給流量を所定の過渡応答で変化させる際の目標値を、湿潤要求スタック供給流量として算出する。到達湿潤要求スタック供給流量は、換言すれば電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の負荷に応じた最適な湿潤度（要求湿潤度）に制御するために必要なスタック供給流量である。
　目標スタック供給流量設定部１０２には、燃料電池スタック１の負荷に応じて予め定められた発電要求スタック供給流量と、湿潤要求スタック供給流量と、が入力される。目標スタック供給流量設定部１０２は、発電要求スタック流量と、湿潤要求スタック供給流量と、のうちの大きいほうを目標スタック供給流量として設定する。このように、目標スタック供給流量設定部１０２は、燃料電池スタック１の負荷に応じた最適なスタック供給流量を目標スタック供給流量として設定する。
　スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３には、第２流量センサ２８で検出されたスタック供給流量（以下「実スタック供給流量」という。）と、目標スタック供給流量と、が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３は、実スタック供給流量を所定の過渡応答で目標スタック供給流量に向けて変化させるためのコンプレッサ供給流量の目標値を、スタック要求コンプレッサ供給流量として算出する。
　目標コンプレッサ供給流量設定部１０４には、燃料電池スタック１の負荷に応じて定まる希釈要求コンプレッサ供給流量と、スタック要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量設定部１０４は、希釈要求コンプレッサ供給流量と、スタック要求コンプレッサ供給流量と、のうちの大きいほうを、目標コンプレッサ供給流量として設定する。
　カソードコンプレッサ制御部１０５には、第１流量センサ２７で検出されたコンプレッサ供給流量（以下「実コンプレッサ供給流量」という。）と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部１０５は、実コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量になるように、カソードコンプレッサ２２を制御する。
　目標バイパス弁開度算出部１０６には、実スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、が入力される。目標バイパス弁開度算出部１０６は、実スタック供給流量と目標スタック供給流量との差分量（実スタック供給流量－目標スタック供給流量）に基づいて目標バイパス弁開度を算出する。目標バイパス弁開度は、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも多いときに、その差分量をバイパス通路２５に流すために必要なバイパス弁２６の開度である。したがって、目標バイパス弁開度は、差分量が大きくなるほど大きくなり、差分量がゼロ以下のときはゼロ（全閉）となる。
　バイパス弁制御部１０７には、バイパス弁２６の実開度と、目標バイパス弁開度が入力される。バイパス弁制御部１０７は、バイパス弁２６の開度を目標バイパス弁開度に制御する。
　この比較例によるカソード系の制御では、目標スタック供給流量設定部１０２で目標スタック供給流量として湿潤要求スタック供給流量が選択されていれば、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３において、スタック供給流量を湿潤要求スタック供給流量にするために必要なコンプレッサ供給流量が、スタック要求コンプレッサ供給流量として算出される。
　このとき、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量よりも大きければ、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において、スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として選択される。
　そして、コンプレッサ供給流量がスタック要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２２がフィードバック制御される。
　この場合は、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に収束していくので、フィードバック制御によってバイパス弁２６は全閉に制御されることになる。これにより、実インピーダンスが目標インピーダンスに制御される。
　一方で、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量よりも小さければ、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として選択される。
　そして、コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２２がフィードバック制御される。
　この場合は、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなっていくので、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるように、フィードバック制御によってバイパス弁２６が徐々に開かれることになる。
　このとき、バイパス弁２６が全開まで開かれてしまうと、実スタック供給流量を目標スタック供給流量にすることができず、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなってしまう。この状態が続くと、電解質膜が乾燥して燃料電池スタック１の発電効率が低下してしまうので、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるように、すなわち実インピーダンスが目標インピーダンスとなるように、コンプレッサ供給流量を減少させたい。
　ここで、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなると、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３では、スタック要求コンプレッサ供給流量を減らす方向に制御しようとする。
　しかしながら、比較例によるカソード系の制御では、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において、希釈要求コンプレッサ供給流量及びスタック要求コンプレッサ供給流量の大きいほうを目標コンプレッサ供給流量として設定している。そのため、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として選択されているときに、スタック要求コンプレッサ供給流量を減らす方向に制御してしまうと、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として選択され続けてしまう。
　その結果、バイパス弁２６が全開まで開かれてしまうと、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなる状態が続いてしまい、燃料電池スタック１の発電効率が低下するという問題が生じるのである。
　そこで本実施形態では、バイパス弁２６が全開まで開かれたときは、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにコンプレッサ供給流量を減少させるべく、カソード系の制御を構成することとした。以下、この本実施形態によるカソード系の制御について説明する。
　図３は、本実施形態によるカソード系の制御ブロックを示したものである。なお、本実施形態によるカソード系の制御ブロックにおいて、比較例によるカソード系の制御ブロックと同様の機能を果たす部分は、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
　本実施形態によるカソード系の制御ブロックは、湿潤要求スタック供給流量算出部１０１、目標スタック供給流量設定部１０２、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３、カソードコンプレッサ制御部１０５、目標バイパス弁開度算出部１０６、及び、バイパス弁制御部１０７の他に、暫定目標コンプレッサ供給流量設定部１１１と、全開時推定バイパス流量算出部１１２と、コンプレッサ制限流量算出部１１３と、目標コンプレッサ供給流量設定部１１４と、を備える。
　暫定目標コンプレッサ供給流量設定部１１１には、希釈要求コンプレッサ供給流量と、スタック要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。暫定目標コンプレッサ供給流量設定部１１１は、希釈要求コンプレッサ供給流量と、スタック要求コンプレッサ供給流量と、のうちの大きいほうを、暫定目標コンプレッサ供給流量として設定する。
　全開時推定バイパス流量算出部１１２は、現在の燃料電池システム１００の運転状態で、バイパス弁２６の開度が全開であると仮定したときのバイパス流量の推定値（以下「全開時推定バイパス流量」という。）を算出する。
　全開時推定バイパス流量算出部１１２は、全開時基本バイパス流量算出部１１２１と、流量補正値算出部１１２２と、乗算部１１２３と、を備える。
　全開時基本バイパス流量算出部１１２１には、スタック入口圧と、大気圧と、が入力される。全開時基本バイパス流量算出部１１２１は、図４に示す全開時基本バイパス流量算出マップを参照し、スタック入口圧と大気圧とに基づいて、全開時基本バイパス流量を算出する。図４の全開時基本バイパス流量算出マップに示すように、全開時基本バイパス流量は、スタック入口圧（ゲージ圧）、すなわちバイパス弁２６の上流側の圧力が高くなるほどバイパス弁２６の前後差圧が大きくなるので多くなる。また、スタック入口圧（ゲージ圧）が一定であれば、大気圧が高くなるほど多くなる。
　流量補正値算出部１１２２には、吐出温度が入力される。流量補正値算出部１１２２は、図５に示す流量補正値算出テーブルを参照し、吐出温度に基づいて補正値を算出する。図５の流量補正値算出テーブルに示すように、流量補正値は、吐出温度が低くなるほど小さくなる。
　乗算部１１２３には、全開時基本バイパス流量と、流量補正値と、が入力される。乗算部１１２３は、全開時基本バイパス流量と流量補正値とを掛け合わせたものを、全開時推定バイパス流量として出力する。
　コンプレッサ制限流量算出部１１３には、湿潤要求スタック供給流量と、全開時推定バイパス流量と、が入力される。コンプレッサ制限流量算出部１１３は、湿潤要求スタック供給流量と全開時推定バイパス流量とを足し合わせて、コンプレッサ制限流量を算出する。
　目標コンプレッサ供給流量設定部１１４には、暫定目標コンプレッサ供給流量と、コンプレッサ制限流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量設定部１１４は、暫定目標コンプレッサ供給流量と、コンプレッサ制限流量と、のうちの小さいほうを、目標コンプレッサ供給流量として設定する。このように、目標コンプレッサ供給流量設定部１１４は、希釈要求、発電要求及び湿潤要求等の燃料電池システム全体の運転状態を考慮して、燃料電池システムの運状態に応じた最適なコンプレッサ供給流量を目標コンプレッサ供給流量として設定する。
　この本実施形態によるカソード系の制御によれば、以下の理由によって、バイパス弁２６が全開まで開かれたときに、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにコンプレッサ供給流量を減少させることができる。
　この本実施形態によるカソード系の制御においても、バイパス弁２６が全開まで開かれて、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなると、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３で算出されるスタック要求コンプレッサ供給流量は小さくなっていく。その結果、暫定目標コンプレッサ供給流量設定部１１１では、希釈要求コンプレッサ供給流量が暫定目標コンプレッサ供給流量として選択されることになる。
　また、バイパス弁２６が全開まで開かれて、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなると、電解質膜が乾燥することによって、実インピーダンスが目標インピーダンスよりも増加していく。そうすると、湿潤要求スタック供給流量算出部１０１では、実インピーダンスが目標インピーダンスとなるようなスタック供給流量を湿潤要求スタック供給流量として算出する。したがって、湿潤要求スタック供給流量は、バイパス弁２６が全開まで開かれたときの実スタック供給流量よりも小さい値となる。
　そして、本実施形態では、この湿潤要求スタック供給流量に全開時推定バイパス流量を足し合わせたものを、コンプレッサ制限流量として目標コンプレッサ供給流量設定部１１４に入力する。
　ここで、バイパス弁２６が全開まで開かれたときに目標コンプレッサ供給流量設定部１１４に入力されるコンプレッサ制限流量は、湿潤要求スタック供給流量と全開時推定バイパス流量との和である。一方、暫定目標コンプレッサ供給流量として目標コンプレッサ供給流量設定部１１４に入力される希釈要求コンプレッサ供給流量は、実スタック供給流量（＞湿潤要求スタック供給流量）と全開時推定バイパス流量との和と考えることができる。
　したがって、バイパス弁２６が全開まで開かれたときに目標コンプレッサ供給流量設定部１１４に入力されるコンプレッサ制限流量は、暫定目標コンプレッサ供給流量として目標コンプレッサ供給流量設定部１１４に入力される希釈要求コンプレッサ供給流量よりも小さくなる。
　その結果、バイパス弁２６が全開まで開かれたときは、目標コンプレッサ供給流量設定部１１４において、コンプレッサ制限流量が目標コンプレッサ供給流量として設定される。
　これにより、バイパス弁２６が全開まで開かれたときは、実スタック供給流量が湿潤供給スタック供給流量となるようにカソードコンプレッサ２２がフィードバック制御されることになるので、増加した実インピーダンスを目標インピーダンスに向けて収束させることができる。よって、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなる状態が続くのを抑制できるので、電解質膜の乾燥を抑制して燃料電池スタック１の発電効率が低下するのを抑制できる。
　図６は、本実施形態によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。本発明の理解を容易にするため、必要に応じて比較例によるカソード系の制御の動作を細い実線で示した。
　時刻ｔ１では、暫定目標コンプレッサ供給流量設定部１１１において、希釈要求コンプレッサ供給流量が暫定目標コンプレッサ供給流量として設定され、目標コンプレッサ供給流量設定部１１４において、その暫定目標コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されているものとする。
時刻ｔ１で、吐出温度がカソードコンプレッサ２２の耐熱性能等から定まる所定の許容温度以上になると、吐出温度を低下させるためにカソード調圧弁２４が開かれ、カソードコンプレッサ２２の吐出側の圧力（＝スタック入口圧）が低下させられる（図６（Ｆ））。スタック入口圧が低下すると、バイパス弁２６の前後差圧が小さくなるので、バイパス弁２６の開度が同じであればバイパス流量は低下する。そのため、時刻ｔ１でスタック入口圧が低下させられると、バイパス流量を維持するために、スタック入口圧の低下に併せてバイパス弁２６が徐々に開かれる（図６（Ｄ）（Ｅ））。
　時刻ｔ２で、バイパス弁２６が全開まで開かれると、その後はスタック入口圧の低下に併せて徐々にバイパス流量が低下していき（図６（Ｄ）（Ｅ））、実スタック供給流量が目標スタック供給流量（ここでは湿潤要求スタック供給流量）よりも大きくなっていく（図６（Ｃ））。その結果、実インピーダンスが目標インピーダンスよりも大きくなっていく（図６（Ａ））。
　実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなると、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３では、実スタック供給流量が目標スタック供給流量になるように、スタック要求コンプレッサ供給流量を減らす方向に制御しようとする。
　しかしながら、比較例の場合は、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において、希釈要求コンプレッサ供給流量とスタック要求コンプレッサ供給流量の大きいほうを目標コンプレッサ供給流量として選択していた。そのため、スタック要求コンプレッサ供給流量が減少することによって、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として選択され続けてしまう（図６（Ｂ））。
　その結果、比較例の場合は、時刻ｔ２でバイパス弁２６が開かれて実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなっても、コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量のままとなって実スタック供給流量を目標スタック供給流量にすることができず、実インピーダンスが目標インピーダンスよりも大きい状態が続くことになる。
　これ対して本実施形態の場合は、バイパス弁２６が全開まで開かれると、目標コンプレッサ供給流量設定部１１４において、コンプレッサ制限流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されることになる（時刻ｔ３、図６（Ｂ））。
　これにより、コンプレッサ制限流量は湿潤要求スタック供給流量と全開時推定バイパス流量との和なので、実スタック供給流量を湿潤要求スタック供給流量に制御することができ、実インピーダンスを目標インピーダンスに制御することができる（図６（Ａ））。その結果、電解質膜の乾燥を抑制でき、燃料電池スタック１の発電効率が低下するのを抑制することができる。
　なお、このように、希釈要求コンプレッサ供給流量が暫定目標コンプレッサ供給流量として選択されている場合に、最終的な目標コンプレッサ供給流量としてコンプレッサ制限流量が選択されたときは、パージ弁３５を閉じる方向に制御することで、排出ガスの水素濃度が所定濃度以上になるのを防止すれば良い。
　以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタックの負荷に応じて、発電要求スタック供給流量及び湿潤要求スタック供給流量の一方を目標スタック供給流量として算出し、スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにバイパス弁２６をフィードバック制御することとした。
　また、燃料電池システムの運転状態に応じて、スタック要求コンプレッサ供給流量及び希釈要求スタック供給流量の一方を暫定目標コンプレッサ供給流量として算出することとした。そして、暫定目標コンプレッサ供給流量として希釈要求スタック供給流量が選択されている場合にバイパス弁２６が全開になったときは、その暫定目標コンプレッサ供給流量よりも少ない流量を目標コンプレッサ供給流量としてカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御することとした。具体的には、全開時推定バイパス流量と湿潤要求スタック供給流量とを足し合わせたものをコンプレッサ制限流量とし、暫定目標コンプレッサ供給流量とコンプレッサ制限流量の小さいほうを目標コンプレッサ供給流量としてカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御することとした。
　これにより、バイパス弁２６が全開になるまでは、希釈要求を満足しつつ、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにカソードコンプレッサ２２及びバイパス弁２６をフィードバック制御することができる。
　そしてバイパス弁２６が全開になって、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなったときは、実スタック供給流量が湿潤供給スタック供給流量となるようにカソードコンプレッサ２２をフィードバック制御することができる。よって、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなる状態が続くのを抑制できるので、電解質膜の乾燥を抑制して燃料電池スタック１の発電効率が低下するのを抑制できる。
　このように、本実施形態によれば、何らかの理由によりバイパス弁が所定開度（たとえば、全開）になったときであっても、発電に不要なカソードガスが燃料電池に供給されるのを抑制できるので、電解質膜の乾燥を抑制することができる。
　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。
　上記実施形態では、目標スタック供給流量算出部１０２に、発電要求スタック供給流量と湿潤要求スタック供給流量とを入力していたが、これ以外に、燃料電池スタック１の負荷に応じて定まるフラッディング防止用のスタック供給流量を入力し、これらの最大値を目標スタック供給流量としても良い。
　また、上記実施形態では、暫定目標コンプレッサ供給流量算出部１１１に、希釈要求コンプレッサ供給流量とスタック要求コンプレッサ供給流量とを入力していたが、これ以外に、カソードコンプレッサ２２のサージング防止用のコンプレッサ供給流量を入力し、これらの最大値を暫定目標コンプレッサ供給流量としても良い。
　本願は、２０１２年６月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－１３５７２１号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 (6)

  1. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタックに供給して発電する燃料電池システムであって、
    　カソードガスを供給するコンプレッサと、
    　前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの一部を、前記燃料電池スタックをバイパスさせてカソードガス排出通路に排出するバイパス通路と、
    　前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するバイパス弁と、
    　前記燃料電池スタックの要求に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガス流量の目標値を算出する目標燃料電池供給流量算出部と、
    　前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記コンプレッサが供給するカソードガス流量を制御するコンプレッサ供給流量制御部と、
    　目標燃料電池供給流量に基づいて、前記コンプレッサから燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量が、前記目標燃料電池供給流量となるように、バイパス弁を制御するバイパス弁制御部と、
    　前記バイパス弁が所定開度であって、燃料電池スタックへ供給されるカソードガス流量が前記目標燃料電池供給流量以上のときに、前記コンプレッサが供給するカソードガス流量を制限するコンプレッサ供給流量制限部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 　前記コンプレッサ供給流量制限部は、
    　　前記バイパス弁の全開時に前記バイパス通路へ供給できるバイパス可能流量に基づいて、前記コンプレッサが供給するカソードガス流量を制限する、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記燃料電池スタックの電解質膜の湿潤度を要求湿潤度にするために、前記要求湿潤度と実湿潤度とに基づいて前記燃料電池スタックに供給する必要のあるカソードガス流量を算出する湿潤要求燃料電池供給流量算出部と、
    　前記燃料電池スタックの発電要求に基づいて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガス流量を算出する発電要求燃料電池供給流量算出部と、
    を備え、
    　前記目標燃料電池供給流量算出部は、
    　　湿潤要求燃料電池供給流量、及び、発電要求燃料電池供給流量の大きいほうを、前記燃料電池スタックに供給すべきカソードガス流量の目標値とする、
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記コンプレッサ供給流量制御部は、
    　　前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記コンプレッサが供給するカソードガス流量の暫定目標値を算出する暫定目標コンプレッサ供給流量算出部を備え、
    　前記コンプレッサ供給流量制限部は、
    　　前記湿潤要求燃料電池供給流量と前記バイパス可能流量との加算値をコンプレッサ制限流量として算出し、暫定目標コンプレッサ供給流量、及び、前記コンプレッサ制限流量の小さいほうを選択することで、前記コンプレッサが供給するカソードガス流量を制限する、
    請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記コンプレッサ供給流量制御部は、
    　　前記燃料電池システムから外気に排出する排出ガスに応じて、その排出ガスの水素濃度を所定濃度以下に希釈するためのカソードガス流量を希釈要求コンプレッサ供給流量として算出する希釈要求コンプレッサ供給流量算出部を備え、
    　　前記目標燃料電池供給流量、及び、前記希釈要求コンプレッサ供給流量の大きい値に基づいてコンプレッサ供給流量を制御する、
    請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  6. 　前記バイパス可能流量は、
    　　前記バイパス弁の前後差圧に基づいて算出される、
    請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
PCT/JP2013/066505 2012-06-15 2013-06-14 燃料電池システム WO2013187514A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014521438A JP5796680B2 (ja) 2012-06-15 2013-06-14 燃料電池システム
CA2876576A CA2876576C (en) 2012-06-15 2013-06-14 A fuel cell system with oxidant flow rate control
US14/407,272 US10581096B2 (en) 2012-06-15 2013-06-14 Fuel cell system
CN201380031574.9A CN104380510B (zh) 2012-06-15 2013-06-14 燃料电池系统
EP13805021.6A EP2863463B1 (en) 2012-06-15 2013-06-14 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-135721 2012-06-15
JP2012135721 2012-06-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013187514A1 true WO2013187514A1 (ja) 2013-12-19

Family

ID=49758332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/066505 WO2013187514A1 (ja) 2012-06-15 2013-06-14 燃料電池システム

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10581096B2 (ja)
EP (1) EP2863463B1 (ja)
JP (1) JP5796680B2 (ja)
CN (1) CN104380510B (ja)
CA (1) CA2876576C (ja)
WO (1) WO2013187514A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016012480A (ja) * 2014-06-30 2016-01-21 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池車両
EP3018745A1 (en) * 2014-11-05 2016-05-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
EP3185344A4 (en) * 2014-08-20 2017-09-20 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system and fuel cell system control method
WO2017158957A1 (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 日産自動車株式会社 燃料電池システムの湿潤状態制御方法及び湿潤状態制御装置
JP7434399B2 (ja) 2022-03-31 2024-02-20 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014103547A1 (ja) * 2012-12-28 2014-07-03 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2016009518A (ja) * 2014-06-20 2016-01-18 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの運転方法
US10069157B2 (en) * 2015-05-18 2018-09-04 Hyundai Motor Company Fuel cell system having valve module between fuel cell stack and humidifier
JP6330832B2 (ja) * 2016-03-04 2018-05-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
DE102018212420A1 (de) * 2018-07-25 2020-01-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug
US10862143B2 (en) * 2019-01-30 2020-12-08 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Turbo compressor path and rate control
CN113782789B (zh) * 2021-08-31 2022-03-18 金华氢途科技有限公司 一种燃料电池系统阳极压力保护方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003208911A (ja) * 2002-01-11 2003-07-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006164626A (ja) * 2004-12-03 2006-06-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007257956A (ja) * 2006-03-22 2007-10-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009123550A (ja) 2007-11-15 2009-06-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2011222176A (ja) * 2010-04-06 2011-11-04 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
WO2011148426A1 (ja) * 2010-05-27 2011-12-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2012109182A (ja) * 2010-11-19 2012-06-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4498845B2 (ja) * 2004-07-16 2010-07-07 本田技研工業株式会社 燃料電池の排出ガス処理装置
JP5044969B2 (ja) * 2006-04-07 2012-10-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法
JP2008016399A (ja) 2006-07-10 2008-01-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5375077B2 (ja) 2008-12-24 2013-12-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
KR101300897B1 (ko) * 2009-07-30 2013-08-27 도요타지도샤가부시키가이샤 연료 전지 시스템

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003208911A (ja) * 2002-01-11 2003-07-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2006164626A (ja) * 2004-12-03 2006-06-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007257956A (ja) * 2006-03-22 2007-10-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009123550A (ja) 2007-11-15 2009-06-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2011222176A (ja) * 2010-04-06 2011-11-04 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
WO2011148426A1 (ja) * 2010-05-27 2011-12-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2012109182A (ja) * 2010-11-19 2012-06-07 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016012480A (ja) * 2014-06-30 2016-01-21 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池車両
EP3185344A4 (en) * 2014-08-20 2017-09-20 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system and fuel cell system control method
US10141587B2 (en) 2014-08-20 2018-11-27 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system with cathode bypass valve and control method for fuel cell system
EP3018745A1 (en) * 2014-11-05 2016-05-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
CN105591128A (zh) * 2014-11-05 2016-05-18 丰田自动车株式会社 燃料电池系统
WO2017158957A1 (ja) * 2016-03-15 2017-09-21 日産自動車株式会社 燃料電池システムの湿潤状態制御方法及び湿潤状態制御装置
US10305127B2 (en) 2016-03-15 2019-05-28 Nissan Motor Co., Ltd. Wet state control method for fuel cell system and wet state control device for the same
JP7434399B2 (ja) 2022-03-31 2024-02-20 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2013187514A1 (ja) 2016-02-08
CA2876576C (en) 2019-05-14
CA2876576A1 (en) 2013-12-19
CN104380510A (zh) 2015-02-25
US10581096B2 (en) 2020-03-03
US20150162629A1 (en) 2015-06-11
EP2863463B1 (en) 2020-08-05
EP2863463A1 (en) 2015-04-22
JP5796680B2 (ja) 2015-10-21
EP2863463A4 (en) 2015-07-29
CN104380510B (zh) 2016-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5796680B2 (ja) 燃料電池システム
JP5858139B2 (ja) 燃料電池システム
JP6065117B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP5522309B2 (ja) 燃料電池システム
JP6137315B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP5812118B2 (ja) 燃料電池システム
JP6079788B2 (ja) 燃料電池システム
EP2717371B1 (en) Fuel cell system
JP5983862B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP6064623B2 (ja) 燃料電池システム
JP6136185B2 (ja) 燃料電池システム
JP6287010B2 (ja) 燃料電池システム
JP6064622B2 (ja) 燃料電池システム
JP4675605B2 (ja) 燃料電池の酸化剤供給装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13805021

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014521438

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14407272

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2876576

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE