WO2014103547A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

　燃料電池システムは、燃料電池スタックの要求に基づいて算出されるスタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池システムの要求に基づいて算出されるシステム要求コンプレッサ供給流量と、の大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定し、その目標コンプレッサ供給流量に応じてコンプレッサを制御する。また燃料電池システムは、スタック供給流量と燃料電池スタックに供給すべき目標スタック供給流量とに基づいて、バイパス弁を制御する。そして燃料電池システムは、システム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設定されて、スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなったときに、バイパス弁を固定し、又はバイパス弁の駆動を制限する。

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。

　ＪＰ２００９－１２３５５０Ａには、従来の燃料電池システムとして、カソードコンプレッサから吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタックの発電に不要な分をバイパス通路に流してカソードガス排出通路に排出するものが記載されている。これにより、この従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量（スタック供給流量）を発電要求に応じて設定される目標スタック供給流量に制御している。

　前述した従来の燃料電池システムは、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、スタック供給流量と目標スタック供給流量とに基づいて、バイパス通路に設けられたバイパス弁の開度を制御していた。

　このような制御を実施する燃料電池システムでは、特にバイパス弁の開度分解能が粗い場合などに、スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができずに、目標スタック供給流量付近でバイパス弁の開閉が繰り返されてしまうことがある。そうすると、バイパス弁がステッピングモータのような場合には異音が生じることが懸念される。このようなバイパス弁の開閉を防止する方法としては、スタック供給流量が目標スタック供給流量付近となったときに、バイパス弁を固定することが挙げられる。

　しかしながら、スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きい状態でバイパス弁を固定してしまうと、発電に必要な流量以上のカソードガスが燃料電池スタックに供給されることとなり電解質膜を乾燥させてしまうという問題点がある。

　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、バイパス弁の開閉が繰り返されるのを抑制しつつ、電解質膜の乾燥も抑制することを目的とする。

　本発明のある態様によれば、燃料電池スタックにカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、カソードガス供給通路に設けられたコンプレッサと、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排出するためのバイパス通路と、バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するためのバイパス弁と、燃料電池スタックに供給されるスタック供給流量を検出するためのスタック供給流量検出手段と、を備える燃料電池システムが提供される。

　この燃料電池システムは、燃料電池スタックの要求に基づいて算出されるスタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池システムの要求に基づいて算出されるシステム要求コンプレッサ供給流量と、の大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定し、その目標コンプレッサ供給流量に応じてコンプレッサを制御する。また、燃料電池システムは、スタック供給流量と燃料電池スタックに供給すべき目標スタック供給流量とに基づいて、バイパス弁を制御する。

　そして、燃料電池システムは、システム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設定されて、スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなったときに、バイパス弁を固定し、又はバイパス弁の駆動を制限する。

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到達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、コントローラがバイパス弁固定信号出力部で実施する制御内容について説明するフローチャートである。 図５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６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。 図７は、比較例によるカソード系の制御の動作を示すタイムチャートである。 図８は、比較例によるカソード系の制御において、バイパス弁を開いたら実スタック供給流量が目標スタック供給流量を下回る状態になった場合にバイパス弁の駆動を禁止させたときの動作を示すタイムチャートである。

　以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。

　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４１と、第２流量センサ４２と、圧力センサ４３と、温度センサ４４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ク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、その開度が単位開度ごとに段階的に変化する開閉弁であって、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４１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４１は、コンプレッサ２３に供給（吸入）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４２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４２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４３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４３は、燃料電池スタック１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４４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４４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「吸気温度」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３３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３４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４１や第２流量センサ４２、圧力センサ４３、温度センサ４４の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）４５や、大気圧を検出する大気圧センサ４６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、車両駆動用の走行モータ（図示せず）の要求電力やカソードコンプレッサ２４等の補機の要求電力、バッテリ（図示せず）の充放電要求に基づいて、燃料電池スタック１に接続される電気負荷が要求する電力（以下「要求発電電力」という。）を算出する。

　また、コントローラ４は、スタック要求及び希釈要求（システム要求）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。本実施形態でいうスタック要求とは、要求発電電力を発電するにあたって、酸素分圧の確保や電解質膜の湿潤状態等を考慮し、最適な状態で燃料電池スタック１を発電させるという要求である。希釈要求とは、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である。

　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、要求発電電力を発電するために必要な酸素分圧を確保するためのスタック供給流量（以下「到達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（＝要求発電電力）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、到達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。

　したがって、中負荷領域では、スタック供給流量を到達発電要求スタック供給流量にするためのコンプレッサ供給流量の目標値（以下「スタック要求コンプレッサ供給流量」という。）を、単純に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到達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、到達発電要求スタック供給流量よりも大きくなる。

　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（到達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によって供給する必要がある。しかしながら、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。そのため、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、スタック要求コンプレッサ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、バイパス弁２６を開い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（＝スタック供給流量を到達発電要求スタック供給流量に向けて制御するときのスタック供給流量の目標値）を引いた目標バイパス流量となるように、バイパス弁２６を開く必要がある。

　ところが、本実施形態では、バイパス弁２６の開度を、単位開度ごとに段階的に大きくしていくことしかできない。そのため、バイパス流量を目標バイパス流量に一致させることができない場合がある。そうすると、バイパス流量を目標バイパス流量に一致させるために、バイパス弁２６の開閉が繰り返されてバイパス流量が目標バイパス流量を跨いで上下する場合がある。その結果、バイバス弁２６の開閉による圧力変動に連動してコンプレッサ供給流量が上下に変動してカソードコンプレッサに回転変動が生じ、カソードコンプレッサから異音が発生するおそれがあるという問題点が知見された。

　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、まず図６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する。そして、次に図７を参照して、比較例によるカソード系の制御においてこのような問題が生じてしまう原因について説明する。

　図６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、発電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、バイパス弁制御部１０６と、を備える。

　発電要求スタック供給流量算出部１０１には、燃料電池スタックの実発電電力と、燃料電池スタック１の負荷に応じて設定される要求発電電力と、が入力される。発電要求スタック供給流量算出部１０１は、実発電電力を要求発電電力にするために必要なスタック供給流量を到達発電要求スタック供給流量として設定し、その設定した到達発電要求スタック供給流量に向けてスタック供給流量を変化させる際の目標値を、発電要求スタック供給流量として算出する。この発電要求スタック供給流量は、換言すれば、燃料電池スタック１で要求発電電力を発電したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量の目標値である。

　目標スタック供給流量設定部１０２には、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。ここで湿潤要求スタック供給流量は、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４２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、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に基づいて、実スタック供給流量を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。具体的には、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に比例する成分と、目標スタック流量と実スタック流量との偏差を時間積分した成分と、に応じたＰＩ制御を実施して、スタック要求コンプレッサ供給流量を算出する。このように、スタック要求コンプレッサ供給流量は、発電要求や湿潤要求などの燃料電池スタック１の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量である。つまり、スタック要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池スタック１の要求に基づいて算出されるコンプレッサ供給流量の目標値である。

　なお、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３では、操作量としてのスタック要求コンプレッサ供給流量が下限値に飽和したときは、過剰な積分演算による振動（いわゆるワインドアップ現象）を防止するため、スタック要求コンプレッサ供給流量が下限値よりも大きくなる積分演算のみを実施し、スタック要求コンプレッサ供給流量が下限値よりも小さくなる積分演算を停止するＰＩ制御が実施される。

　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。なお、希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池スタック１の要求ではなく、排出ガス中の水素濃度を所定濃度以下にするという燃料電池システム１００の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量の目標値である。つまり、希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池システム１００の要求に基づいて算出されるコンプレッサ供給流量の目標値である。

　このように、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４では、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が、目標コンプレッサ供給流量として設定される。したがって、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設定されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３からすれば、操作量としてのスタック要求コンプレッサ供給流量が下限値（ここでは希釈要求コンプレッサ供給流量）に飽和した状態と等価となる。

　そのため、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設定されているときは、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くなる積分演算は停止されることになる。

　つまり、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設定されているときは、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よりも小さいとき（スタック要求コンプレッサ流量を大きくする必要があるとき）のみ目標スタック流量と実スタック流量との偏差の時間積分が実施される。そして、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いとき（スタック要求コンプレッサ流量を小さくする必要があるとき）は、目標スタック流量と実スタック流量との偏差の時間積分が停止される。

　カソードコンプレッサ制御部１０５には、第１流量センサ４１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となるように、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量との偏差に基づいて、カソードコンプレッサ２２に対する制御信号を出力する。具体的には、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量との偏差に比例する成分と、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量との偏差を時間積分した成分と、に応じたＰＩ制御を実施してカソードコンプレッサ２２に対する制御信号を出力する。

　バイパス弁制御部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。バイパス弁制御部１０６は、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に基づいて、バイパス弁２６の駆動信号を出力する。具体的には、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に比例する成分と、目標スタック流量と実スタック流量との偏差を時間積分した成分と、に応じたＰＩ制御を実施してバイパス弁操作量を算出し、このバイパス弁操作量が所定量を超えたときにバイパス弁２６の駆動信号を出力する。

　ここで、前述したように、本実施形態では、バイパス弁２６の開度を、単位開度ごとに段階的に大きくさせることしかできない。そのため、比較例によるカソード系の制御では、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設定されたときに、バイパス流量を目標バイパス流量に一致させることができず、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができない場合がある。この場合に生じる前述した問題点について、図７を参照して説明する。

　図７は、バイパス流量を目標バイパス流量に一致させることができない場合に生じる問題点について説明する図であり、比較例によるカソード系の制御の動作を示すタイムチャートである。

　時刻ｔ１で、例えばアクセル操作量が減少して要求発電電力が低下し、到達発電要求スタック供給流量が低下すると、到達発電要求スタック供給流量に向かって目標スタック供給流量（発電要求スタック供給流量）が低下していく（図７（Ａ））。その結果、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ので、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も低下していく（図７（Ｂ））。なお、ここでは、発電要求スタック供給流量が湿潤要求スタック供給流量よりも大きいことを前提に説明している。

　時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、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いので、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設定される（図７（Ｂ））。その結果、実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応答性の良いカソードコンプレッサが制御されるので、実スタック供給流量が目標スタック供給流量にほぼ追従するように低下する（図７（Ａ））。

　時刻ｔ２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を下回ると、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設定され、実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が制御される（図７（Ｂ））。その結果、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に追従して低下せずに一定となる（図７（Ａ））。そして、時刻ｔ２以降も目標スタック供給流量は低下しているため、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも徐々に大きくなり、目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差が徐々に拡大していく（図７（Ｂ））。

　このように目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差が拡大していくと、バイパス弁制御部１０６のＰＩ制御によって算出されるバイパス弁操作量が徐々に大きくなっていく。なお、以下の説明において特に区別する必要があるときは、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いときに算出されるバイパス弁操作量のことを「開き側バイパス弁操作量」といい、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さいときに算出されるバイパス弁操作量のことを「閉じ側バイパス弁操作量」という。

　時刻ｔ３で、開き側バイパス弁操作量が所定量を超えると、バイパス弁２６の駆動信号が出力され、バイパス弁２６が単位開度だけ開かれる（図７（Ｃ））。その結果、燃料電池スタック１に供給されていた余剰のカソードガスがバイパス通路２５に流れ、実スタック供給流量が目標スタック供給流量まで減少し（図７（Ａ））、バイパス流量が目標バイパス流量まで増加する（図７（Ｄ））。

　しかしながら、時刻ｔ３以降も、目標スタック供給流量は低下しているので、再び実スタック供給流量が徐々に目標スタック供給流量よりも大きくなっていき（図７（Ａ））、時刻ｔ４でバイパス弁２６がさらに単位開度だけ開かれる（図７（Ｃ））。その結果、再び実スタック供給流量が目標スタック供給流量まで減少し（図７（Ａ））、バイパス流量が目標バイパス流量まで増加する（図７（Ｄ））。

　時刻ｔ５で、発電要求スタック供給流量が到達発電要求スタック供給流量まで低下して目標スタック供給流量が一定になると、その後は目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差は一定となる（図７（Ａ））。時刻ｔ５の時点では、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設定され、かつ、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い状態となっているので、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３のＰＩ制御では、偏差の時間積分の演算が停止されている。そのため、時刻ｔ５で目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差が一定になったことに伴って、スタック要求コンプレッサ供給流量は一定となる（図７（Ｂ））。

　一方、バイパス弁制御部１０６のＰＩ制御では、偏差の時間積分の演算は実施されるので、バイパス弁制御部１０６のＰＩ制御によって算出される開き側バイパス弁操作量は、時刻ｔ５以降も大きくなっていく。

　時刻ｔ６で、開き側バイパス弁操作量が所定量を超えると、バイパス弁２６の駆動信号が出力されてバイパス弁２６がさらに単位開度だけ開かれるが（図７（Ｃ））、今度は実スタック供給流量を目標スタック供給流量に制御することができず（バイパス流量を目標バイパス流量に制御することができず）、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなる（図７（Ａ））。その結果、バイパス弁制御部１０６のＰＩ制御によって、今度は閉じ側バイパス弁操作量が徐々に大きくなっていく。

　また、時刻ｔ６でバイパス弁２６が単位開度だけ開かれ、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さい状態になると、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３のＰＩ制御で偏差の時間積分の演算が再開される。そのため、スタック要求コンプレッサ供給流量が増加する（図７（Ｂ））。

　時刻ｔ７で閉じ側バイパス弁操作量が所定量を超えると、バイパス弁２６の駆動信号が出力されて、今度はバイパス弁２６が単位開度だけ閉じられ（図７（Ｃ））、再び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（図７（Ａ））。

　また、時刻ｔ７でバイパス弁２６が単位開度だけ閉じられると、再び実スタック供給が目標スタック供給流量よりも大きい状態になるので、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３では、偏差の時間積分の演算が停止され、スタック要求コンプレッサ供給流量は一定となる（図７（Ｂ））。そして、時刻ｔ８でバイパス弁２６が単位開度だけ開かれて実スタック供給が目標スタック供給流量よりも小さい状態になると、再び偏差の時間積分の演算が実施されて、スタック要求コンプレッサ供給流量が増加する（図７（Ｂ））。

　このように、時刻ｔ６以降は、バイパス弁２６の開閉が繰り返され、スタック要求コンプレッサ供給流量が徐々に増加していくことになる。

　そして、時刻ｔ９でバイパス弁２６が単位開度だけ開かれると、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなるので（図７（Ａ））、スタック供給コンプレッサ供給流量が増加する（図７（Ｂ））。その結果、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くなり（図７（Ｂ））、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設定され、実コンプレッサ供給流量が増大する（図７（Ｂ））。

　時刻ｔ１０で、バイパス弁２６が単位開度だけ閉じられると、その分実スタック供給流量が増加する。その結果、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り（図７（Ａ））、今度はスタック要求コンプレッサ供給流量が低下する（図７（Ｂ））。

　そして、時刻ｔ１１で、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求スタック要求コンプレッサ流量まで低下すると（図７（Ｂ））、実コンプレッサ供給流量が希釈要求スタック要求コンプレッサとなるようにカソードコンプレッサが制御され、実コンプレッサ供給流量が一定となる（図７（Ｂ））。時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の間は、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いので（図７（Ａ））、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３での偏差の時間積分の演算は停止される。したがって、スタック要求コンプレッサ供給流量も希釈要求コンプレッサ供給流量のまま一定となる（図７（Ｂ））。

　そして、時刻ｔ１２でバイパス弁２６が単位開度だけ開かれると（図７（Ｃ））、再び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くなり（図７（Ｂ））、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設定され、実コンプレッサ供給流量が増大する（図７（Ａ））。

　このように、バイパス弁２６の開閉が繰り返されることで、最終的に時刻ｔ９以降のように実コンプレッサ供給流量が上下に変動してしまい、カソードコンプレッサ２２の回転変動が生じてカソードコンプレッサ２２から異音が生じるのである。

　ここで、バイパス弁２６の開閉の繰り返しを防止する方法としては、例えば実スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差が所定量以下の状態、すなわち、バイパス弁２６を開いたら実スタック供給流量が目標スタック供給流量を下回る状態のときは、バイパス弁２６の駆動を禁止してバイパス弁２６を固定する方法が考えられる。

　しかしながら、このような方法では、バイパス弁２６の開閉の繰り返しを防止することはできるものの、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができないという問題点がある。以下、図８を参照してこの問題点について説明する。

　図８は、比較例によるカソード系の制御において、バイパス弁２６を開いたら実スタック供給流量が目標スタック供給流量を下回る状態になった場合にバイパス弁２６の駆動を禁止させたときの動作を示すタイムチャートである。

　図８に示すように、時刻ｔ４以降は、実スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差が所定量以下の状態、すなわち、バイパス弁２６を開いたら実スタック供給流量が目標スタック供給流量を下回る状態である。したがって、時刻ｔ４以降においてバイパス弁２６の駆動を禁止すると、時刻ｔ５以降は、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標スタック供給流量として設定された状態、かつ、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い状態で、目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差が一定となる。

　そうすると、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３のＰＩ制御において、目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差の時間積分の演算は停止されることになるので、時刻ｔ５以降はスタック要求コンプレッサ供給流量が一定となってしまう（図８（Ｂ））。そのため、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標スタック供給流量として設定され続けてしまうので、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができなくなる。

　このように、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができないと、各燃料電池の電解質膜の過乾燥状態又は過湿潤状態になってしまい、発電効率が低下してしまう。

　そこで本実施形態では、このようなバイパス弁２６の開閉の繰り返しを防止しつつ、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができるように、バイパス弁２６の駆動を禁止（バイパス弁２６を固定）するタイミングをさらに細かく設定することした。以下、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、バイパス弁固定信号出力部１０７をさらに備える。

　バイパス弁固定信号出力部１０７には、実スタック供給流量、目標スタック供給流量、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が入力される。バイパス弁固定信号出力部１０７は、これらの入力信号に基づいて、バイパス弁２６の駆動を禁止してバイパス弁２６を現在位置に固定するためのバイパス弁固定信号を出力する。バイパス弁固定信号は、バイパス弁制御部１０６に入力される。

　図４は、コントローラ４がバイパス弁固定信号出力部１０７で実施する制御内容について説明するフローチャートである。

　ステップＳ１において、コントローラ４は、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設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、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設定されていれば、ステップＳ３の処理を行う。一方で、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設定されていれば、ステップＳ２の処理を行う。

　ステップＳ２において、コントローラ４は、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内にあるか否かを判定する。バイパス弁固定範囲は、目標スタック供給流量を上限とし、目標スタック供給流量から所定値を減算した流量（以下、「固定範囲下限流量」という。）を下限とする範囲内である。コントローラ４は、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内にあれば、ステップＳ３の処理を行う。一方で、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内になければ、ステップＳ４の処理を行う。

　ステップＳ３において、コントローラ４は、バイパス弁固定信号をＯＮにする。

　ステップＳ４において、コントローラ４は、バイパス弁固定信号をＯＦＦにする。

　図５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。

　時刻ｔ２までは、スタック要求コンプレッサ供給流量の方が希釈要求コンプレッサ供給流量よりも大きいため（図５（Ｂ））、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設定される。そのため、バイパス弁固定信号はＯＮとなる（Ｓ１でＹｅｓ，Ｓ３；図５（Ｅ））。

　そして、時刻ｔ２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を下回り、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設定されると、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内にあるか否かが判定される（Ｓ１でＮｏ，Ｓ２）。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設定されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量以上のカソードガスが燃料電池スタックに供給されることになるため、実スタック供給流量が徐々に目標スタック供給流量よりも大きくなる（図５（Ａ））。そのため、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲外となってバイパス弁固定信号がＯＦＦとなり（Ｓ２でＮｏ，Ｓ４；図５（Ａ）（Ｅ））、比較例のときと同様に、時刻ｔ３、時刻ｔ４、時刻ｔ６で、段階的にバイパス弁２６が単位開度ずつ開かれる（図５（Ｃ））。

　時刻ｔ６でバイパス弁２６が開かれたことによって、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなり、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に入るとバイパス弁固定信号がＯＮとなる（Ｓ２でＹｅｓ，Ｓ３；図５（Ａ）（Ｅ））。これにより、バイパス弁２６の開度が現在位置に固定される。

　また、時刻ｔ２から時刻６までの間は、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設定され、かつ、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い状態となっているので、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３のＰＩ制御では、偏差の時間積分の演算が停止されている。そのため、時刻ｔ５で目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差が一定になったことに伴って、スタック要求コンプレッサ供給流量は一定となる（図５（Ｂ））。そして、時刻ｔ６で実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなったことで、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３でのＰＩ制御で偏差の時間積分の演算が再開され、スタック要求コンプレッサ供給流量が徐々に増加していく（図５（Ｂ））。

　そして、時刻ｔ２１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を上回ると（図５（Ｂ））、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設定される。

　時刻ｔ２１以降も、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さいので（図５（Ａ））、スタック要求コンプレッサ供給流量は増大していき、それに合わせて目標コンプレッサ供給流量も増大していく。これにより、目標コンプレッサ供給流量の増大に合わせて実スタック供給流量も増大していく（図５（Ｂ））。

　その結果、時刻ｔ２２で実スタック供給流量と目標スタック供給流量を一致させることができる。

　以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００の効果について、目標コンプレッサ供給流量としてスタック要求コンプレッサ供給流量が設定され、実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制御されている状態から、燃料電池スタック１の負荷が小さくなり、目標コンプレッサ供給流量として希釈要求コンプレッサ供給流量（システム要求コンプレッサ供給流量）が設定されるシーンを用いて説明する。

　目標コンプレッサ供給流量として希釈要求コンプレッサ供給流量が設定された場合、カソードコンプレッサ２２は燃料電池スタック１に対して発電に必要な流量（目標スタック供給流量）以上のカソードガスを流し始めることになる。そこで、燃料電池スタック１にとって不要な流量分のカソードガスをバイパスさせて実スタック供給流量を目標スタック供給流量に制御するために、実スタック供給流量と目標スタック供給流量とに基づいて、バイパス弁２６の開弁が開始されることになる。

　ここで、バイパス弁２６の開弁は、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い状態から開始されるが、本実施形態では、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなったときに、バイパス弁２６を固定する。そのため、燃料電池スタック１に対して発電に必要な流量（目標スタック供給流量）以上のカソードガスが供給され続けるのを抑制でき、電解質膜を乾燥させてしまうのを抑制できる。

　また、一方で、上記の通りバイパス弁２６を固定した状態では、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に対して不足した状態となって、発電に必要な流量分のカソードガスが燃料電池スタックに供給されずに出力電圧が低下するおそれがある。これに対して本実施形態では、不足分のカソードガスを次のようにカソードコンプレッサ２２を制御することによって補うことができるので、出力電圧の低下を抑制できる。

　すなわち、本実施形態では、燃料電池スタック１の負荷に基づいて目標スタック供給流量を算出し、実スタック供給流量と目標スタック供給流量とに基づいて実スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのスタック要求コンプレッサ供給流量を算出する。そして、スタック要求コンプレッサ供給流量と希釈要求コンプレッサ供給流量との大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定し、その目標コンプレッサ供給流量に応じて前記コンプレッサを制御している。

　そのため、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くなると、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設定され、実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が制御されることになる。このようにして、バイパス弁２６を固定したことによる燃料電池スタック１へのカソードガスの流量不足をカソードコンプレッサ２２が補うことになるので、発電に必要な流量分のカソードガスを燃料電池スタック１に供給することができる。よって、出力電圧が低下するのを抑制できる。

　また、本実施形態では、ワインドアップ現象防止のため、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設定されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３において、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さいとき（スタック要求コンプレッサ流量を大きくする必要があるとき）のみ目標スタック流量と実スタック流量との偏差の時間積分を実施することにしている。そして、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いとき（スタック要求コンプレッサ流量を小さくする必要があるとき）は、目標スタック流量と実スタック流量との偏差の時間積分を停止することにしている。

　そのため、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い状態でバイパス弁２６の駆動を禁止してしまうと、バイパス弁２６の駆動を禁止したことに伴って実スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差が一定となったときに、偏差の時間積分が停止されて実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができなくなる。

　これに対して、本実施形態では実スタック供給流量が目標スタック供給流量を下回ってからバイパス弁２６の駆動を禁止することで、実スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差が一定になった場合であっても、偏差の時間積分が実施させることができる。そのため、スタック要求コンプレッサ供給流量を増大させて、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができる。したがって、各燃料電池の電解質膜が過乾燥状態や過湿潤状態になってしまうのを抑制できるので、発電効率の低下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。このように、燃料電池スタック１の要求として、前述した発電要求や湿潤要求のほかに、フラッディング防止要求を追加しても良い。

　また、上記実施形態では、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４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、これらの最大値を目標コンプレッサ供給流量としても良い。このサージング防止用のコンプレッサ供給流量は、燃料電池スタック１の要求ではなく、カソードコンプレッサ２２のサージングを防止するという燃料電池システム１００の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量の目標値である。このように、燃料電池システム１００の要求として、前述した希釈要求のほかに、サージング防止要求を追加しても良い。

　また、上記実施形態では、カソードコンプレッサ制御部１０５において、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量とに基づくフィードバック制御を実施していたが、目標コンプレッサ供給流量に基づくフィードフォワード制御を実施しても良い。

　また、上記実施形態では、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設定されて、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さくなったときに、バイパス弁２６を固定していたが、完全に固定するのではなく、そのときにバイパス弁２６の駆動を制限するようにしても良い。

　本願は、２０１２年１２月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－２８７９３４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 (4)

1. 　燃料電池スタックにカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、
   　前記カソードガス供給通路に設けられたコンプレッサと、
   　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排出するためのバイパス通路と、
   　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ためのバイパス弁と、
   を備える燃料電池システムであって、
   　前記燃料電池スタックに供給されるスタック供給流量を検出するためのスタック供給流量検出手段と、
   　前記燃料電池スタックの要求に基づいて算出されるスタック要求コンプレッサ供給流量と、前記燃料電池システムの要求に基づいて算出されるシステム要求コンプレッサ供給流量と、の大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定し、その目標コンプレッサ供給流量に応じて前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御手段と、
   　前記スタック供給流量と前記燃料電池スタックに供給すべき目標スタック供給流量とに基づいて、前記バイパス弁を制御するバイパス弁制御手段と、
   　前記システム要求コンプレッサ供給流量が前記目標コンプレッサ供給流量として設定されて、前記スタック供給流量が前記目標スタック供給流量よりも小さくなったときに、前記バイパス弁を固定し、又は前記バイパス弁の駆動を制限する規制手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 　前記コンプレッサ制御手段は、
   　　前記燃料電池スタックの負荷に基づいて前記目標スタック供給流量を算出し、前記スタック供給流量と前記目標スタック供給流量とに基づいて前記スタック供給流量を前記目標スタック供給流量にするための前記スタック要求コンプレッサ供給流量を算出する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 　前記コンプレッサ制御手段は、
   　　前記システム要求コンプレッサ供給流量が前記目標コンプレッサ供給流量として設定されている場合は、前記スタック供給流量が前記目標スタック供給流量よりも小さいときのみ前記スタック供給流量と前記目標スタック供給流量との偏差の時間積分の演算を行うフィードバック制御を実施して、前記スタック要求コンプレッサ供給流量を算出する、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 　前記バイパス通路を流れてきたカソードガスと、前記燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスと、を流すためのカソードガス排出通路と、
   　前記燃料電池スタックから排出されたアノードガスを、前記カソードガス排出通路に排出するためのアノードガス排出通路と、
   をさらに備え、
   　前記システム要求コンプレッサ供給流量は、前記カソードガス排出通路内の水素濃度を所定値以下にするために必要なコンプレッサ供給流量の目標値である、
   請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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