WO2014148151A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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fuel cell
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要介 冨田
隼人 筑後
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日産自動車株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
  • JP 2010-270725A describes a conventional fuel cell system that includes an intercooler that cools the cathode gas discharged from the cathode compressor and an intercooler fan that sends cooling air to the intercooler.
  • those equipped with an intercooler fan can control the heat dissipation of the intercooler by the intercooler fan, and thereby can protect the downstream parts of the intercooler with heat resistance.
  • the present invention has been made paying attention to such a problem, and an object thereof is to achieve heat-resistant protection of the intercooler downstream component by a method different from the heat-resistant protection of the intercooler downstream component by the intercooler fan.
  • a fuel cell system that generates electricity by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell.
  • the fuel cell system includes a compressor that supplies a cathode gas to the fuel cell, an intercooler that is provided downstream of the compressor and cools the cathode gas discharged from the compressor, and a pressure regulating valve that adjusts the downstream pressure of the intercooler.
  • Intercooler downstream temperature detecting means for detecting the downstream temperature of the intercooler
  • first target pressure calculating means for calculating the first target pressure of the intercooler downstream pressure according to the target output of the fuel cell
  • the intercooler downstream A second target pressure calculating means for calculating a second target pressure of the intercooler downstream pressure according to the temperature, and a target for setting the smaller one of the first target pressure and the second target pressure as the target pressure of the intercooler downstream pressure
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a control block diagram for explaining the control of the cathode system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a map for calculating the stack required WRD inlet pressure based on the target output current of the fuel cell stack and the atmospheric pressure.
  • FIG. 4 is a table for calculating the stack required supply flow rate based on the target output current of the fuel cell stack.
  • FIG. 5 is a map for calculating the stack supply limit flow rate based on the WRD inlet limit pressure and the atmospheric pressure.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of controlling the cathode system according to one embodiment of the present invention.
  • 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 a first 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 is referred to as a cathode gas supply passage 21, a cathode gas discharge passage 22, a filter 23, a cathode compressor 24, an intercooler 25, and a water recovery device (hereinafter referred to as "WRD").
  • WRD water recovery device
  • the cathode gas supply passage 21 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows.
  • the cathode gas supply passage 21 has one end connected to the filter 23 and the other end connected to the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas discharge passage 22 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 22 is connected to the cathode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end.
  • Cathode off-gas is a mixed gas of water vapor generated by cathode gas and electrode reaction.
  • the filter 23 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 21.
  • the cathode compressor 24 is provided in the cathode gas supply passage 21.
  • the cathode compressor 24 takes air (outside air) as cathode gas through the filter 23 into the cathode gas supply passage 21 and supplies it to the fuel cell stack 1.
  • the intercooler 25 is provided in the cathode gas supply passage 21 downstream from the cathode compressor 24.
  • the intercooler 25 cools the cathode gas discharged from the cathode compressor 24.
  • the WRD 26 is connected to each of the cathode gas supply passage 21 and the cathode gas discharge passage 22, collects moisture in the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 22, and cathode that flows through the cathode gas supply passage 21 with the collected moisture. Humidify the gas.
  • the cathode pressure regulating valve 27 is provided in the cathode gas discharge passage 22 downstream of the WRD 26.
  • the cathode pressure regulating valve 27 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 11 to a desired pressure.
  • the air flow sensor 41 is provided in the cathode gas supply passage 21 upstream of the cathode compressor 24.
  • the air flow sensor 41 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the cathode compressor 24 and finally supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack supply flow rate”).
  • the temperature sensor 42 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the intercooler 25 and the WRD 26.
  • the temperature sensor 42 detects the temperature on the cathode gas inlet side of the WRD 26 (hereinafter referred to as “WRD inlet temperature”).
  • the pressure sensor 43 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the intercooler 25 and the WRD 26.
  • the pressure sensor 43 detects the pressure on the cathode gas inlet side of the WRD 26 (hereinafter referred to as “WRD inlet pressure”).
  • 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 22.
  • 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 22.
  • the anode off gas is a mixed gas of excess anode gas that has not been used in the electrode reaction, an inert gas such as nitrogen leaking from the cathode side, and water vapor.
  • the anode off gas discharged to the cathode gas discharge passage 22 via the anode gas discharge passage 34 is mixed with the cathode off gas in the cathode gas discharge passage 22 and discharged to the outside of the fuel cell system 100. Since the anode off gas contains surplus anode gas (hydrogen) that has not been used for the electrode reaction, the anode off gas is mixed with the cathode off gas and discharged outside the fuel cell system 100, whereby hydrogen in the exhaust gas is discharged.
  • the density is set to be equal to or lower than a predetermined density.
  • 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 22.
  • 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).
  • the controller 4 includes a current sensor 44 that detects a current (output current) extracted from the fuel cell stack 1, and an output voltage of the fuel cell stack 1.
  • An accelerator stroke sensor 46 for detecting the amount of depression of the accelerator pedal hereinafter referred to as “accelerator operation amount”
  • a temperature of cooling water for cooling the fuel cell stack 1 hereinafter referred to as “cooling water temperature”.
  • Signals from various sensors such as a water temperature sensor 47 that detects atmospheric pressure and an atmospheric pressure sensor 48 that detects atmospheric pressure are input.
  • the controller 4 calculates a target value (hereinafter referred to as “target output current”) of the current taken out from the fuel cell stack 1 based on detection signals of these various sensors, operating states of various electrical components, and the like. That is, the controller 4 calculates the target output current based on the load applied to the fuel cell stack 1.
  • target output current a target value of the current taken out from the fuel cell stack 1 based on detection signals of these various sensors, operating states of various electrical components, and the like. That is, the controller 4 calculates the target output current based on the load applied to the fuel cell stack 1.
  • the controller 4 sets the WRD inlet pressure and the stack supply flow rate to appropriate target values so that the oxygen partial pressure in the fuel cell stack does not fall below a predetermined oxygen partial pressure. To control. This is because when the oxygen partial pressure becomes lower than the predetermined oxygen partial pressure, the oxygen necessary for power generation becomes insufficient, and the IV characteristics (current / voltage characteristics) of the fuel cell stack 1 deteriorate, and the target output from the fuel cell stack 1 is reduced. This is because if the current is taken out, the output voltage of the fuel cell stack 1 may be lower than the minimum output voltage necessary for driving the drive motor of the vehicle.
  • the oxygen consumption also increases. Therefore, in order to ensure the oxygen partial pressure, it is necessary to increase the target values of the WRD inlet pressure and the stack supply flow rate. There is. Therefore, when the high load operation continues, the temperature of the cathode gas discharged from the cathode compressor 24 increases. The cathode gas discharged from the cathode compressor 24 is cooled by the intercooler 25. However, when the intercooler fan is not provided, the heat radiation amount of the intercooler 25 cannot be controlled.
  • the intercooler 25 cannot sufficiently cool the cathode gas, and the hot cathode gas flows into the downstream parts of the intercooler 25 such as the WRD 26 and the fuel cell stack 1, and the downstream of the intercooler 25. There is a risk that the heat-resistant protection of parts cannot be achieved.
  • the WRD inlet pressure and the stack supply flow rate are limited in accordance with the downstream temperature of the intercooler 25, that is, the WRD inlet temperature, and heat resistance protection of the downstream components of the intercooler 25 is achieved.
  • the WRD inlet pressure and the stack supply flow rate are limited, the output current of the fuel cell stack 1 is further limited as necessary so that the oxygen partial pressure can be secured.
  • FIG. 2 is a control block diagram for explaining the control of the cathode system according to the present embodiment.
  • the control block of the cathode system includes a stack required WRD inlet pressure calculation unit 51, a WRD inlet limit pressure calculation unit 52, a target WRD inlet pressure setting unit 53, a stack required supply flow rate calculation unit 54, and a stack supply.
  • a limit flow rate calculation unit 55, a target stack supply flow rate setting unit 56, a feedback control unit 57, and a limit current calculation unit 58 are provided.
  • the stack required WRD inlet pressure calculation unit 51 refers to the map of FIG. 3 and calculates the stack required WRD inlet pressure based on the target output current of the fuel cell stack 1 and the atmospheric pressure.
  • the stack required WRD inlet pressure is a WRD inlet pressure necessary for securing the oxygen partial pressure in the fuel cell stack when the target output current is taken out from the fuel cell stack 1.
  • the WRD inlet limit pressure calculation unit 52 is configured so that the downstream components of the intercooler 25 such as the WRD 26 and the fuel cell stack 1 are equal to or higher than the respective heat resistance temperatures.
  • the upper limit value of the WRD inlet pressure (hereinafter referred to as “WRD inlet limit pressure”) is calculated.
  • the allowable maximum WRD inlet temperature is an allowable maximum value of the WRD inlet temperature set from the viewpoint of heat-resistant protection of components downstream of the intercooler 25, and is a value determined in advance by experiments or the like.
  • the WRD inlet limit pressure calculation unit 52 calculates the allowable maximum WRD inlet pressure as the WRD inlet limit pressure when the WRD inlet temperature is lower than the allowable maximum WRD inlet temperature.
  • the allowable maximum WRD inlet pressure is an allowable maximum value of the WRD inlet pressure set from the viewpoint of pressure resistance protection of the downstream part of the intercooler 25, and is a value determined in advance by experiments or the like.
  • the WRD inlet limiting pressure calculation unit 52 calculates a pressure lower than the allowable maximum WRD inlet pressure as the WRD inlet limiting pressure. Specifically, the WRD inlet limit pressure is calculated based on the difference between the WRD inlet temperature and the allowable maximum WRD inlet temperature. That is, the WRD inlet limit pressure calculation unit 52 calculates the WRD inlet pressure that can converge the WRD inlet temperature to the allowable maximum WRD inlet temperature when the WRD inlet temperature becomes equal to or higher than the allowable maximum WRD inlet temperature. Calculate as
  • the target WRD inlet pressure setting unit 53 sets the smaller of the stack required WRD inlet pressure and the WRD inlet limit pressure as the target WRD inlet pressure.
  • the allowable maximum WRD inlet pressure is set as the WRD inlet limiting pressure, so that the stack required WRD inlet pressure is smaller than the WRD inlet limiting pressure. Therefore, the target WRD inlet pressure setting unit 53 sets the stack required WRD inlet pressure as the target WRD inlet pressure when the WRD inlet temperature is equal to or lower than the allowable maximum WRD inlet temperature.
  • the target WRD inlet pressure setting unit 53 sets the WRD inlet restriction pressure as the target WRD inlet pressure.
  • the stack required supply flow rate calculation unit 54 refers to the table of FIG. 4 and calculates the stack required supply flow rate based on the target output current of the fuel cell stack 1.
  • the stack required supply flow rate is a stack supply flow rate necessary for securing the oxygen partial pressure in the fuel cell stack when the target output current is extracted from the fuel cell stack 1.
  • the stack supply limit flow rate calculation unit 55 refers to the map of FIG. 5 and calculates the stack supply limit flow rate based on the WRD inlet limit pressure and the atmospheric pressure.
  • the stack supply limit flow rate is an upper limit value of the stack supply flow rate necessary to prevent the WRD inlet pressure from becoming higher than the WRD inlet limit pressure when the cathode pressure regulating valve 27 is fully opened.
  • the target stack supply flow rate setting unit 56 sets the smaller one of the stack required supply flow rate and the stack supply limit flow rate as the target stack supply flow rate.
  • the WRD inlet limit pressure is set as the target WRD inlet pressure
  • the cathode pressure regulating valve 27 is opened to lower the WRD inlet pressure
  • the opening degree of the cathode pressure regulating valve 27 is fully opened.
  • the stack required supply flow rate is basically set as the target stack supply flow rate.
  • the feedback control unit 57 receives the actual WRD inlet pressure detected by the pressure sensor 43, the target WRD inlet pressure, the actual stack supply flow rate and the target stack supply flow rate detected by the air flow sensor 41.
  • the feedback control unit 57 includes a target value of the torque of the cathode compressor 24 for converging the actual WRD inlet pressure to the target WRD inlet pressure, and a cathode pressure regulating valve 27 for converging the actual stack supply flow rate to the target stack supply flow rate. Calculate the target value of the opening.
  • the limit current calculation unit 58 is based on the actual WRD inlet pressure and the actual stack supply flow rate, and the maximum value of the output current (hereinafter referred to as “limit current”) that can ensure the oxygen partial pressure in the fuel cell stack. ) Is calculated. That is, the limiting current is the maximum value of the output current that can ensure the oxygen partial pressure in the fuel cell stack with the current WRD inlet pressure and the stack supply flow rate.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of controlling the cathode system according to the present embodiment.
  • the stack required WRD inlet pressure is set as the target WRD inlet pressure. Further, since the stack required supply flow rate is also lower than the stack supply limit flow rate (FIG. 6C), the stack required supply flow rate is set as the target stack supply flow rate.
  • the cathode compressor 24 and the cathode pressure regulating valve 27 are controlled so that the WRD inlet pressure becomes the stack required WRD inlet pressure and the stack supply flow rate becomes the stack required supply flow rate. Specifically, the WRD inlet pressure and the stack supply flow rate are increased by increasing the torque of the cathode compressor 24 while keeping the opening of the cathode pressure regulating valve 27 fully closed, and the respective values are set to target values (that is, the stack request). WRD inlet pressure and stack required supply flow rate).
  • the WRD inlet restriction In the pressure calculation unit 52 a WRD inlet limit pressure corresponding to a difference between the WRD inlet temperature and the allowable maximum WRD inlet temperature is calculated.
  • the WRD inlet restriction pressure becomes lower than the stack required WRD inlet pressure, so the WRD inlet restriction pressure is set as the target WRD inlet pressure, and the WRD inlet pressure is restricted to the WRD inlet restriction pressure.
  • the stack supply limit flow rate also decreases as the WRD inlet limit pressure becomes lower than the allowable maximum WRD inlet pressure at time t2, but the stack required supply flow rate is still the stack supply limit flow rate until time t3. Therefore, the target stack supply flow rate is maintained at the stack supply flow rate (FIG. 6C).
  • the cathode compressor 24 and the cathode pressure regulating valve 27 are controlled so that the WRD inlet pressure becomes the WRD inlet limit pressure and the stack supply flow rate becomes the stack required supply flow rate. .
  • the stack supply flow rate is increased by increasing the torque of the cathode compressor 24, and the stack supply flow rate is controlled to the stack required supply flow rate.
  • the WRD inlet pressure is controlled to the WRD inlet limit pressure by increasing the opening of the cathode pressure regulating valve 27 as the stack supply flow rate increases.
  • the WRD inlet temperature can be controlled to the allowable maximum WRD inlet temperature, the heat-resistant protection of the downstream components of the intercooler 25 can be achieved.
  • the stack supply limit flow rate is set as the target stack supply flow rate, and the stack supply flow rate becomes the stack supply limit flow rate. Limited.
  • the cathode compressor 24 and the cathode pressure regulating valve 27 are controlled so that the WRD inlet pressure becomes the WRD inlet limit pressure and the stack supply flow rate becomes the stack supply limit flow rate. Specifically, with the cathode pressure regulating valve 27 fully opened, the torque of the cathode compressor 24 is made constant to limit the stack supply flow rate to the stack supply limit flow rate.
  • the stack supply flow rate is further restricted, so that the current actual WRD inlet pressure and actual stack supply flow rate (that is, WRD inlet restriction pressure and stack supply restriction flow rate) are The limiting current that can ensure the oxygen partial pressure in the fuel cell stack is smaller than the target output current. Therefore, after time t3, the output current of the fuel cell stack 1 is limited to the limit current.
  • the oxygen partial pressure may fall below the minimum oxygen partial pressure when the target output current increases.
  • the output current according to the limited WRD inlet pressure and the stack supply flow rate as in the present embodiment, it is possible to suppress the oxygen partial pressure in the fuel cell stack from falling below the minimum oxygen partial pressure.
  • the fuel cell system 100 includes a cathode compressor 24 that supplies a cathode gas to the fuel cell stack 1 and an intercooler that is provided downstream of the cathode compressor 24 and cools the cathode gas discharged from the cathode compressor 24.
  • the cooler 25, the cathode pressure regulation valve 27 which adjusts the downstream pressure (WRD inlet pressure) of the intercooler 25, and the controller 4 are provided.
  • the controller 4 detects the downstream temperature (WRD inlet temperature) of the intercooler 25, calculates the first target pressure (stack required WRD inlet pressure) of the intercooler downstream pressure according to the target output of the fuel cell stack 1, A second target pressure (WRD inlet limit pressure) of the intercooler downstream pressure is calculated according to the cooler downstream temperature.
  • the controller 4 sets the smaller one of the first target pressure and the second target pressure as the target pressure of the intercooler downstream pressure, and controls the cathode compressor 24 and the cathode pressure regulating valve 27 according to the target pressure to control the intercooler downstream pressure. Is controlled to the target pressure.
  • the intercooler downstream pressure is Limited to 2 target pressures. That is, when the WRD inlet limit pressure set according to the WRD inlet temperature becomes smaller than the stack required WRD inlet pressure set according to the target output current of the fuel cell stack 1, the WRD inlet pressure is changed to the WRD inlet. Limited to the limiting pressure.
  • the intercooler downstream pressure to the second target pressure, it is possible to suppress an increase in the intercooler downstream temperature, and thus it is possible to protect the intercooler downstream components from heat. That is, even if the WRD inlet temperature rises for some reason, the rise can be suppressed and heat resistance protection of the downstream components of the intercooler 25 can be achieved.
  • the controller 4 of the fuel cell system 100 calculates the first target flow rate (stack required supply flow rate) of the cathode gas supplied to the fuel cell stick 1 based on the target output of the fuel cell stack 1, Based on the two target pressures (WRD inlet limit pressure), a second target flow rate (stack supply limit flow rate) of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 is calculated. Then, the controller 4 sets the smaller one of the first target flow rate and the second target flow rate as the target flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1, and controls the cathode compressor 24 and the cathode pressure regulating valve 27 according to the target flow rate.
  • the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 is controlled to the target flow rate.
  • the controller 4 sets the second target flow rate to a value smaller than the first target flow rate calculated based on the target output of the fuel cell stack 1 when the cathode pressure regulating valve 27 is fully opened.
  • the stack required supply flow rate increases as the target output current of the fuel cell stack 1 increases.
  • the cathode pressure regulating valve 27 is opened until it is fully opened, and the WRD inlet pressure cannot be restricted by the opening degree control of the cathode pressure regulating valve 27, and the WRD inlet temperature may increase.
  • the stack supply limit flow rate is calculated according to the WRD inlet limit pressure, and when the cathode pressure regulating valve 27 is fully opened, the stack supply flow rate becomes the stack supply limit flow rate even if the stack required supply flow rate increases. It was made to be restricted.
  • the stack supply flow rate is further limited to the stack supply limit flow rate, and an increase in the WRD inlet temperature can be suppressed. Can be planned.
  • the controller 4 of the fuel cell system 100 detects the downstream pressure (WRD inlet pressure) of the intercooler 25 and detects the flow rate of the cathode gas (stack supply flow rate) supplied to the fuel cell stack 1. . Then, the controller 4 calculates the output upper limit value of the fuel cell stack 1 based on the detected intercooler downstream pressure and the cathode gas flow rate.
  • the minimum oxygen partial pressure may not be secured when the target output current of the fuel cell stack 1 is large.
  • the output current is limited according to the limited WRD inlet pressure and the stack supply flow rate. Therefore, it can suppress that the oxygen partial pressure in a fuel cell stack falls below the minimum oxygen partial pressure.
  • the fuel cell system 100 includes a cathode compressor 24 that supplies cathode gas to the fuel cell stack 1, and an intercooler that is provided downstream of the cathode compressor 24 and cools the cathode gas discharged from the cathode compressor 24. 25, a cathode pressure regulating valve 27 that adjusts the downstream pressure (WRD inlet pressure) of the intercooler 25, and the controller 4.
  • the controller 4 detects the downstream temperature of the intercooler 25 and controls the cathode compressor 24 and the cathode pressure regulating valve 27 based on the target output of the fuel cell stack 1 to control the intercooler downstream pressure. And the controller 4 restrict
  • the stack supply limit flow rate may be corrected according to the temperature in the fuel cell stack. Specifically, the stack supply restriction flow rate is corrected so as to decrease as the coolant temperature representing the temperature in the fuel cell stack increases. This is because the higher the temperature in the fuel cell stack, the higher the water vapor partial pressure in the fuel cell stack and the lower the oxygen partial pressure.
  • the stack supply restriction flow rate becomes smaller as the cooling water temperature becomes higher, the output current is restricted early when the water vapor partial pressure in the fuel cell stack is high, so the oxygen partial pressure in the fuel cell stack Can be more reliably suppressed below the minimum oxygen partial pressure.

Abstract

　燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、コンプレッサの下流に設けられ、コンプレッサから吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、インタークーラの下流圧力を調節する調圧弁と、コントローラと、を備える。コントローラは、燃料電池の目標出力に応じてインタークーラ下流圧力の第１目標圧力を算出し、インタークーラ下流温度に応じてインタークーラ下流圧力の第２目標圧力を算出する。そしてコントローラは、第１目標圧力及び第２目標圧力の小さいほうをインタークーラ下流圧力の目標圧力として設定し、目標圧力に応じてコンプレッサ及び調圧弁を制御してインタークーラ下流圧力を目標圧力に制御する。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
　本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
　ＪＰ２０１０－２７０７２５Ａ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を冷却するインタークーラと、インタークーラに冷却用空気を送るインタークーラファンと、を備えるシステムが記載されている。
　前述した従来の燃料電池システムのように、インタークーラファンを備えるものは、インタークーラファンによってインタークーラの放熱量を制御することで、インタークーラの下流部品の耐熱保護を図ることができる。
　しかしながら、現在開発中の燃料電池システムでは、コスト削減のためにインタークーラファンを取り外すことを考えている。そうすると、インタークーラの放熱量を制御することができなくなるので、インタークーラの下流部品の耐熱保護を図ることができなくなる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、インタークーラファンによるインタークーラ下流部品の耐熱保護とは異なる方法によって、インタークーラ下流部品の耐熱保護を図ることを目的とする。
　本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、コンプレッサの下流に設けられ、コンプレッサから吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、インタークーラの下流圧力を調節する調圧弁と、インタークーラの下流温度を検出するインタークーラ下流温度検出手段と、燃料電池の目標出力に応じて、インタークーラ下流圧力の第１目標圧力を算出する第１目標圧力算出手段と、インタークーラ下流温度に応じて、インタークーラ下流圧力の第２目標圧力を算出する第２目標圧力算出手段と、第１目標圧力及び第２目標圧力の小さいほうを、インタークーラ下流圧力の目標圧力として設定する目標圧力設定手段と、目標圧力に応じてコンプレッサ及び調圧弁を制御し、インタークーラ下流圧力を目標圧力に制御する圧力制御手段と、を備えることを特徴とする。
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、本発明の一実施形態によるカソード系の制御について説明する制御ブロック図である。 図３は、燃料電池スタックの目標出力電流と大気圧とに基づいて、スタック要求ＷＲＤ入口圧力を算出するマップである。 図４は、燃料電池スタックの目標出力電流に基づいて、スタック要求供給流量を算出するテーブルである。 図５は、ＷＲＤ入口制限圧力と大気圧と基づいて、スタック供給制限流量を算出するマップである。 図６は、本発明の一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。
　以下、図面等を参照して本発明の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、本発明の第１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２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、カソードコンプレッサ２４と、インタークーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、カソード調圧弁２７と、エアフローセンサ４１と、温度センサ４２と、圧力センサ４３と、を備える。
　カソードガス供給通路２１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２１は、一端がフィルタ２３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。
　カソードガス排出通路２２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２２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。カソードオフガスは、カソードガスと電極反応によって生じた水蒸気の混合ガスである。
　フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１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２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２３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２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
　インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。
　ＷＲＤ２６は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
　カソード調圧弁２７は、ＷＲＤ２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２７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１１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。
　エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４に供給されて、最終的に燃料電池スタック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。
　温度センサ４２は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ４２は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。
　圧力センサ４３は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の圧力（以下「ＷＲＤ入口圧力」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２２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２２に接続される。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素等の不活性ガスと、水蒸気と、の混合ガスである。
　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２２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２２内でカソードオフ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、カソードオフ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２２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、前述したエアフローセンサ４１や温度センサ４２、圧力センサ４３の他にも、燃料電池スタック１から取り出される電流（出力電流）を検出する電流センサ４４や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ４５、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」）を検出するアクセルストロークセンサ４６、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する水温センサ４７、大気圧を検出する大気圧センサ４８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、これら各種センサの検出信号や各種電気部品の作動状態等に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標出力電流」という。）を算出する。すなわちコントローラ４は、燃料電池スタック１にかかる負荷に基づいて目標出力電流を算出する。
　そしてコントローラ４は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出しても、燃料電池スタック内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回らないように、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を適切な目標値へと制御する。これは、酸素分圧が所定の酸素分圧よりも低くなると、発電に必要な酸素が不足して燃料電池スタック１のＩＶ特性（電流・電圧特性）が低下し、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出すと、燃料電池スタック１の出力電圧が車両の駆動モータ等を駆動するために必要な最低出力電圧を下回るおそれがあるためである。
　燃料電池スタック１の目標出力電流が相対的に高くなる高負荷運転時には、酸素消費量も多くなるので、酸素分圧を確保するためにはＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の目標値を大きくする必要がある。そのため、高負荷運転が続くと、カソードコンプレッサ２４から吐出されるカソードガスの温度が上昇する。カソードコンプレッサ２４から吐出されるカソードガスは、インタークーラ２５で冷却されることになるが、インタークーラファンを備えない場合には、インタークーラ２５の放熱量を制御することができない。その結果、場合によってはインタークーラ２５によってカソードガスを十分に冷却することができず、ＷＲＤ２６や燃料電池スタック１などのインタークーラ２５の下流部品に高温のカソードガスが流入し、インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図れなくなるおそれがある。
　そこで本実施形態では、インタークーラ２５の下流温度、すなわちＷＲＤ入口温度に応じてＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を制限し、インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図ることとした。そして、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を制限したときは、酸素分圧を確保できるように、必要に応じてさらに燃料電池スタック１の出力電流を制限することとした。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２は、本実施形態によるカソード系の制御について説明する制御ブロック図である。
　本実施形態によるカソード系の制御ブロックは、スタック要求ＷＲＤ入口圧力算出部５１と、ＷＲＤ入口制限圧力算出部５２と、目標ＷＲＤ入口圧力設定部５３と、スタック要求供給流量算出部５４と、スタック供給制限流量算出部５５と、目標スタック供給流量設定部５６と、フィードバック制御部５７と、制限電流算出部５８と、を備える。
　スタック要求ＷＲＤ入口圧力算出部５１は、図３のマップを参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流と、大気圧と、に基づいてスタック要求ＷＲＤ入口圧力を算出する。スタック要求ＷＲＤ入口圧力は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、燃料電池スタック内の酸素分圧を確保するために必要なＷＲＤ入口圧力である。
　ＷＲＤ入口制限圧力算出部５２は、ＷＲＤ入口温度と、所定の許容最大ＷＲＤ入口温度と、に基づいて、ＷＲＤ２６や燃料電池スタック１などのインタークーラ２５の下流部品がそれぞれの耐熱温度以上となるのを防止するためのＷＲＤ入口圧力の上限値（以下「ＷＲＤ入口制限圧力」という。）を算出する。なお、許容最大ＷＲＤ入口温度は、インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護の観点から設定されるＷＲＤ入口温度の許容最大値であって、予め実験等によって定められる値である。
　ＷＲＤ入口制限圧力算出部５２は、ＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度未満のときは、許容最大ＷＲＤ入口圧力をＷＲＤ入口制限圧力として算出する。許容最大ＷＲＤ入口圧力は、インタークーラ２５の下流部品の耐圧保護の観点から設定されるＷＲＤ入口圧力の許容最大値であって、予め実験等によって定められる値である。
　一方、ＷＲＤ入口制限圧力算出部５２は、ＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度以上になったときは、許容最大ＷＲＤ入口圧力よりも低い圧力をＷＲＤ入口制限圧力として算出する。具体的には、ＷＲＤ入口温度と許容最大ＷＲＤ入口温度との差分に基づいてＷＲＤ入口制限圧力を算出する。つまり、ＷＲＤ入口制限圧力算出部５２は、ＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度以上になったときは、ＷＲＤ入口温度を許容最大ＷＲＤ入口温度に収束させることができるＷＲＤ入口圧力をＷＲＤ入口制限圧力として算出する。
　目標ＷＲＤ入口圧力設定部５３は、スタック要求ＷＲＤ入口圧力及びＷＲＤ入口制限圧力の小さいほうを目標ＷＲＤ入口圧力として設定する。ＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度未満のときは、許容最大ＷＲＤ入口圧力がＷＲＤ入口制限圧力として設定されるため、スタック要求ＷＲＤ入口圧力はＷＲＤ入口制限圧力よりも小さくなる。したがって、目標ＷＲＤ入口圧力設定部５３は、ＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度以下のときは、スタック要求ＷＲＤ入口圧力を目標ＷＲＤ入口圧力として設定する。
　一方、ＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度以上になったときは、ＷＲＤ入口制限圧力が許容最大ＷＲＤ入口圧力よりも小さくなるので、ＷＲＤ入口制限圧力がスタック要求ＷＲＤ入口圧力よりも小さくなる場合がある。その場合、目標ＷＲＤ入口圧力設定部５３は、ＷＲＤ入口制限圧力を目標ＷＲＤ入口圧力として設定する。
　スタック要求供給流量算出部５４は、図４のテーブルを参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて、スタック要求供給流量を算出する。スタック要求供給流量は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、燃料電池スタック内の酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量である。
　スタック供給制限流量算出部５５は、図５のマップを参照し、ＷＲＤ入口制限圧力と、大気圧と、に基づいて、スタック供給制限流量を算出する。スタック供給制限流量は、カソード調圧弁２７が全開のときに、ＷＲＤ入口圧力がＷＲＤ入口制限圧力よりも大きくならないようにするために必要なスタック供給流量の上限値である。
　目標スタック供給流量設定部５６は、スタック要求供給流量及びスタック供給制限流量の小さいほうを目標スタック供給流量として設定する。目標スタック供給流量設定部５６は、目標ＷＲＤ入口圧力としてＷＲＤ入口制限圧力が設定されて、ＷＲＤ入口圧力を下げるためにカソード調圧弁２７が開かれ、そのカソード調圧弁２７の開度が全開になったとき以外は、基本的にスタック要求供給流量を目標スタック供給流量として設定する。
　フィードバック制御部５７には、圧力センサ４３で検出した実ＷＲＤ入口圧力、目標ＷＲＤ入口圧力、エアフローセンサ４１で検出した実スタック供給流量及び目標スタック供給流量が入力される。フィードバック制御部５７は、実ＷＲＤ入口圧力を目標ＷＲＤ入口圧力に収束させるためのカソードコンプレッサ２４のトルクの目標値、及び、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に収束させるためのカソード調圧弁２７の開度の目標値を算出する。
　制限電流算出部５８は、実ＷＲＤ入口圧力と、実スタック供給流量と、に基づいて、燃料電池スタック内の酸素分圧を確保することができる出力電流の最大値（以下「制限電流」という。）を算出する。すなわち制限電流は、現在のＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量で燃料電池スタック内の酸素分圧を確保することができる出力電流の最大値である。
　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。
　時刻ｔ１以降は、目標出力電流の増加に伴って（図６（Ｅ））、スタック要求ＷＲＤ入口圧力及びスタック要求供給流量が増加していく（図６（Ｂ）（Ｃ））。
　時刻ｔ２までは、スタック要求ＷＲＤ入口圧力はＷＲＤ入口制限圧力よりも低いため（図６（Ｂ））、スタック要求ＷＲＤ入口圧力が目標ＷＲＤ入口圧力として設定される。また、スタック要求供給流量もスタック供給制限流量よりも低いため（図６（Ｃ））、スタック要求供給流量が目標スタック供給流量として設定される。
　そのため、時刻ｔ２までは、ＷＲＤ入口圧力がスタック要求ＷＲＤ入口圧力となるように、また、スタック供給流量がスタック要求供給流量となるように、カソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７が制御される。具体的には、カソード調圧弁２７の開度を全閉に保ったままカソードコンプレッサ２４のトルクを増加させることで、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を増加させて、それぞれを目標値（すなわちスタック要求ＷＲＤ入口圧力及びスタック要求供給流量）に制御する。
　そして、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の増加に伴って、ＷＲＤ入口温度が上昇していき、時刻ｔ２でＷＲＤ入口温度が許容最大ＷＲＤ入口温度まで上昇すると（図６（Ａ））、ＷＲＤ入口制限圧力算出部５２において、ＷＲＤ入口温度と許容最大ＷＲＤ入口温度との差分に応じたＷＲＤ入口制限圧力が算出される。その結果、時刻ｔ２以降は、ＷＲＤ入口制限圧力がスタック要求ＷＲＤ入口圧力よりも低くなるので、ＷＲＤ入口制限圧力が目標ＷＲＤ入口圧力として設定され、ＷＲＤ入口圧力がＷＲＤ入口制限圧力に制限されることになる（図６（Ｂ））。
　一方、時刻ｔ２でＷＲＤ入口制限圧力が許容最大ＷＲＤ入口圧力よりも低くなったことに伴って、スタック供給制限流量も低下するが、時刻ｔ３までは依然としてスタック要求供給流量の方がスタック供給制限流量よりも低いので、目標スタック供給流量はスタック供給流量のまま維持される（図６（Ｃ））。
　そのため、時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、ＷＲＤ入口圧力がＷＲＤ入口制限圧力となるように、また、スタック供給流量がスタック要求供給流量となるように、カソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７が制御される。具体的には、カソードコンプレッサ２４のトルクを増大させてスタック供給流量を増加させ、スタック供給流量をスタック要求供給流量に制御する。そして、スタック供給流量の増加に併せてカソード調圧弁２７の開度を大きくしていくことで、ＷＲＤ入口圧力をＷＲＤ入口制限圧力に制御する。
　これにより、ＷＲＤ入口温度を許容最大ＷＲＤ入口温度に制御することができるので、インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図ることができる。
　時刻ｔ３で、カソード調圧弁２７が全開まで開かれ、スタック要求供給流量がスタック供給制限流量よりも大きくなると、スタック供給制限流量が目標スタック供給流量として設定され、スタック供給流量がスタック供給制限流量に制限される。
　そのため、時刻ｔ３以降は、ＷＲＤ入口圧力がＷＲＤ入口制限圧力となるように、また、スタック供給流量がスタック供給制限流量となるように、カソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７が制御される。具体的には、カソード調圧弁２７を全開にしたまま、カソードコンプレッサ２４のトルクを一定にしてスタック供給流量をスタック供給制限流量に制限する。
　また、時刻ｔ３で、ＷＲＤ入口圧力に加えてさらにスタック供給流量が制限されたことに伴って、現在の実ＷＲＤ入口圧力及び実スタック供給流量（すなわちＷＲＤ入口制限圧力及びスタック供給制限流量）で、燃料電池スタック内の酸素分圧を確保することできる制限電流が目標出力電流よりも小さくなる。そのため、時刻ｔ３以降は、燃料電池スタック１の出力電流は制限電流に制限されることになる。
　インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図るために、ＷＲＤ入口圧力に加えてさらにスタック供給流量を制限すると、目標出力電流が大きくなった場合に酸素分圧が最低酸素分圧を下回るおそれがあるが、本実施形態のように制限したＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量に応じて出力電流を制限することで、燃料電池スタック内の酸素分圧が最低酸素分圧を下回るのを抑制できる。
　以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソードコンプレッサ２４と、カソードコンプレッサ２４の下流に設けられ、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラ２５と、インタークーラ２５の下流圧力（ＷＲＤ入口圧力）を調節するカソード調圧弁２７と、コントローラ４と、を備える。
　コントローラ４は、インタークーラ２５の下流温度（ＷＲＤ入口温度）を検出し、燃料電池スタック１の目標出力に応じてインタークーラ下流圧力の第１目標圧力（スタック要求ＷＲＤ入口圧力）を算出し、インタークーラ下流温度に応じてインタークーラ下流圧力の第２目標圧力（ＷＲＤ入口制限圧力）を算出する。そしてコントローラ４は、第１目標圧力及び第２目標圧力の小さいほうをインタークーラ下流圧力の目標圧力として設定し、目標圧力に応じてカソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７を制御してインタークーラ下流圧力を目標圧力に制御する。
　これにより、インタークーラ下流温度に応じて設定される第２目標圧力が、燃料電池スタック１の目標出力に応じて設定される第１目標圧力よりも小さくなったときは、インタークーラ下流圧力が第２目標圧力に制限される。すなわち、ＷＲＤ入口温度に応じて設定されるＷＲＤ入口制限圧力が、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて設定されるスタック要求ＷＲＤ入口圧力よりも小さくなったときは、ＷＲＤ入口圧力がＷＲＤ入口制限圧力に制限される。
　このように、インタークーラ下流圧力を第２目標圧力に制限することで、インタークーラ下流温度の上昇を抑えることができるので、インタークーラ下流部品の耐熱保護を図ることができる。すなわち、何らかの原因でＷＲＤ入口温度が上昇したとしても、その上昇を抑制してインタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図ることができる。
　また、本実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ４は、燃料電池スタック１の目標出力に基づいて燃料電池ステック１に供給するカソードガスの第１目標流量（スタック要求供給流量）を算出し、第２目標圧力（ＷＲＤ入口制限圧力）に基づいて燃料電池スタック１に供給するカソードガスの第２目標流量（スタック供給制限流量）を算出する。そしてコントローラ４は、第１目標流量及び第２目標流量の小さいほうを燃料電池スタック１に供給するカソードガスの目標流量として設定し、目標流量に応じてカソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７を制御して燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を目標流量に制御する。このときコントローラ４は、第２目標流量を、カソード調圧弁２７が全開になったときに燃料電池スタック１の目標出力に基づいて算出される第１目標流量よりも小さい値に設定する。
　インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図るためにＷＲＤ入口圧力をＷＲＤ入口制限圧力に制限したときに、燃料電池スタック１の目標出力電流の増加に伴ってスタック要求供給流量が増加していくと、カソード調圧弁２７が全開まで開かれ、カソード調圧弁２７の開度制御ではＷＲＤ入口圧力を制限できなくなり、ＷＲＤ入口温度が増加してしまうおそれがある。
　そこで、ＷＲＤ入口制限圧力に応じてスタック供給制限流量を算出し、カソード調圧弁２７が全開まで開かれたときは、スタック要求供給流量が増加していても、スタック供給流量がスタック供給制限流量に制限されるようにしたのである。
　これにより、カソード調圧弁２７が全開まで開かれた場合には、さらにスタック供給流量がスタック供給制限流量に制限され、ＷＲＤ入口温度の増加を抑制できるので、インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図ることができる。
　また、本実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ４は、インタークーラ２５の下流圧力（ＷＲＤ入口圧力）を検出し、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（スタック供給流量）を検出する。そしてコントローラ４は、検出したインタークーラ下流圧力及びカソードガス流量に基づいて燃料電池スタック１の出力上限値を算出する。
　インタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図るために、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の双方が制限されると、燃料電池スタック１の目標出力電流が大きいときには最低酸素分圧を確保できないおそれがある。
　そこで本実施形態では、制限したＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量に応じて出力電流を制限することとしたのである。これにより、燃料電池スタック内の酸素分圧が最低酸素分圧を下回るのを抑制できる。
　また、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソードコンプレッサ２４と、カソードコンプレッサ２４の下流に設けられ、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラ２５と、インタークーラ２５の下流圧力（ＷＲＤ入口圧力）を調節するカソード調圧弁２７と、コントローラ４と、を備える。
　コントローラ４は、インタークーラ２５の下流温度を検出し、燃料電池スタック１の目標出力に基づいてカソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７を制御してインタークーラ下流圧力を制御する。そしてコントローラ４は、インタークーラ下流温度が所定温度以上になったときにインタークーラ下流圧力を制限する。
　このようにしても、何らかの原因でＷＲＤ入口温度が上昇したとしても、その上昇を抑制してインタークーラ２５の下流部品の耐熱保護を図ることができる。
　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。
　例えば、燃料電池スタック内の温度に応じてスタック供給制限流量を補正しても良い。具体的には、燃料電池スタック内の温度を代表する冷却水温が高くなるほど、スタック供給制限流量が小さくなるように補正する。これは、燃料電池スタック内の温度が高くなるほど、燃料電池スタック内の水蒸気分圧が高くなり、その分酸素分圧が低下するためである。冷却水温が高くなるほどスタック供給制限流量が小さくなるように補正することで、燃料電池スタック内の水蒸気分圧が高い場合には早期に出力電流が制限されるので、燃料電池スタック内の酸素分圧が最低酸素分圧を下回るのをより確実に抑制できる。
　なお、冷却水温として、燃料電池スタック１の冷却水入口側の水温と出口側の水温の両方を検出しているときは、高いほうの冷却水温に応じて補正するのが望ましい。
　本願は、２０１３年３月２２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－５９８１５号、及び、２０１３年１２月１７日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－２６０５７６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に供給して発電する燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    　前記コンプレッサの下流に設けられ、前記コンプレッサから吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、
    　前記インタークーラの下流圧力を調節する調圧弁と、
    　前記インタークーラの下流温度を検出するインタークーラ下流温度検出手段と、
    　前記燃料電池の目標出力に応じて、インタークーラ下流圧力の第１目標圧力を算出する第１目標圧力算出手段と、
    　インタークーラ下流温度に応じて、インタークーラ下流圧力の第２目標圧力を算出する第２目標圧力算出手段と、
    　前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の小さいほうを、インタークーラ下流圧力の目標圧力として設定する目標圧力設定手段と、
    　前記目標圧力に応じて前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御し、インタークーラ下流圧力を前記目標圧力に制御する圧力制御手段と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 　前記燃料電池の目標出力に基づいて、前記燃料電池に供給するカソードガスの第１目標流量を算出する第１目標流量算出手段と、
    　前記第２目標圧力に基づいて、前記燃料電池に供給するカソードガスの第２目標流量を算出する第２目標流量算出手段と、
    　前記第１目標流量及び前記第２目標流量の小さいほうを、前記燃料電池に供給するカソードガスの目標流量として設定する目標流量設定手段と、
    　前記目標流量に応じて前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御し、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を前記目標流量に制御する流量制御手段と、
    を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記第２目標流量は、
    　　前記調圧弁が全開になったときに前記第１目標流量算出手段で算出される第１目標流量よりも小さい値である、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記インタークーラの下流圧力を検出するインタークーラ下流圧力検出手段と、
    　前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を検出する流量検出手段と、
    　検出したインタークーラ下流圧力及びカソードガス流量に基づいて、前記燃料電池の出力上限値を算出する出力上限値算出手段と、
    を備える請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    　前記コンプレッサの下流に設けられ、前記コンプレッサから吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、
    　前記インタークーラの下流圧力を調節する調圧弁と、
    　前記インタークーラの下流温度を検出するインタークーラ下流温度検出手段と、
    　前記燃料電池の目標出力に基づいて、前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御し、インタークーラ下流圧力を制御する圧力制御手段と、
    　インタークーラ下流温度が所定温度以上になったときに、インタークーラ下流圧力を制限する圧力制限手段と、
    を備える燃料電池システム。
  6. 　アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池と、
    　前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
    　前記コンプレッサの下流に設けられ、前記コンプレッサから吐出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、
    　前記インタークーラの下流圧力を調節する調圧弁と、
    を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記インタークーラの下流温度を検出するインタークーラ下流温度検出工程と、
    　前記燃料電池の目標出力に応じて、インタークーラ下流圧力の第１目標圧力を算出する第１目標圧力算出工程と、
    　インタークーラ下流温度に応じて、インタークーラ下流圧力の第２目標圧力を算出する第２目標圧力算出工程と、
    　前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の小さいほうを、インタークーラ下流圧力の目標圧力として設定する目標圧力設定工程と、
    　前記目標圧力に応じて前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御し、インタークーラ下流圧力を前記目標圧力に制御する圧力制御工程と、
    を備える燃料電池システムの制御方法。
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