WO2015049964A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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聖 星
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • the oxygen partial pressure required to generate the required power is secured based on the power required to drive the vehicle during normal operation after the fuel cell is warmed up.
  • the cathode gas pressure supplied to the fuel cell is set so that the cathode compressor can be driven.
  • the cathode pressure in the fuel cell is set to a higher warm-up pressure than during normal operation, enabling power consumption of the cathode compressor, one of the auxiliary equipment. I try to be as big as possible. As a result, the power generated by the fuel cell is increased to promote warm-up of the fuel cell.
  • the IV characteristics of the fuel cell are poor, and there is a case where it is not possible to supply the power necessary for driving the vehicle. Therefore, the IV characteristic during warm-up is estimated, and the vehicle travel permission is issued when the estimated IV characteristic becomes the IV characteristic required for traveling of the vehicle.
  • the IV characteristic is worse during warm-up than during normal operation after warm-up, the power generated by the fuel cell is limited more than during normal operation. Therefore, when a driving permission is issued during warm-up and an acceleration request is generated by the driver, the drive motor must be driven with limited generated power.
  • the power consumption of the cathode compressor may have to be reduced.
  • the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell is decreased from the high pressure for warm-up to the pressure set during the normal operation described above to reduce the power consumption of the cathode compressor, the following is performed: It turns out that a problem arises.
  • the pressure on the cathode side in the fuel cell is reduced from the warm-up pressure to the pressure set during normal operation during warm-up after the travel permission has been issued, the oxygen content on the cathode side will be reduced. It has been found that the IV characteristic of the fuel cell is deteriorated due to the pressure drop, and as a result, the current IV characteristic is worse than the IV characteristic when the travel permission is given, and the vehicle may be disturbed.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and provides a fuel cell system capable of suppressing deterioration of IV characteristics when a travel permission is issued during warm-up and an acceleration request is made. With the goal.
  • a fuel cell system that generates power by supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell.
  • the fuel cell system secures the partial pressure of oxygen in the fuel cell according to the power generated by the fuel cell, and the auxiliary gas and drive motor driven by the power generated by the fuel cell and the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell.
  • Pressure control means for controlling to a normal target pressure, and during the warm-up of the fuel cell, the warm-up to control the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell to a predetermined warm-up acceleration target pressure higher than the normal target pressure
  • an hour pressure control means When there is a drive motor drive request during warm-up of the fuel cell, the warm-up pressure control means sets the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell between the normal target pressure and the warm-up acceleration target pressure. Control to warm-up target pressure.
  • the cathode gas pressure supplied to the fuel cell is set to the normal target pressure set during normal operation and the warm-up is promoted.
  • a warm-up target pressure between the warm-up promotion target pressure and the warm-up promotion target pressure it is possible to suppress a pressure drop when there is a drive request for the drive motor during warm-up of the fuel cell, and thus it is possible to suppress deterioration of IV characteristics.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the stack temperature and the IV characteristics of the fuel cell stack.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating cathode pressure control according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a map for calculating the pressure correction value based on the stack temperature and the HFR.
  • FIG. 5 is a table for calculating the drive request maximum cathode pressure based on the surplus power that can be output.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the cathode pressure control according to the 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 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, a power system 4, and a controller 5.
  • the fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of fuel cells, and receives the supply of anode gas and cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle.
  • the fuel cell stack 1 includes an anode electrode side output terminal 1a and a cathode electrode side output terminal 1b as terminals for taking out electric power.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode gas supply passage 21, a cathode gas discharge passage 22, a filter 23, an air flow sensor 24, a cathode compressor 25, a cathode pressure sensor 26, and a water recovery device (Water Recovery ⁇ Device; (Hereinafter referred to as “WRD”) 27 and a cathode pressure regulating valve 28.
  • 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 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.
  • the cathode off gas is a mixed gas of the cathode gas and water vapor generated by the electrode reaction.
  • the filter 23 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 21.
  • the air flow sensor 24 is provided in the cathode gas supply passage 21 upstream from the cathode compressor 25.
  • the air flow sensor 24 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the cathode compressor 25 and finally supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode compressor 25 is provided in the cathode gas supply passage 21.
  • the cathode compressor 25 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 cathode pressure sensor 26 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the cathode compressor 25 and the WRD 27.
  • the cathode pressure sensor 26 detects the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “cathode pressure”).
  • the WRD 27 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 28 is provided in the cathode gas discharge passage 22 downstream of the WRD 27.
  • the cathode pressure regulating valve 28 is controlled to be opened and closed by the controller 5 and adjusts the cathode pressure supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode pressure is basically controlled to a desired pressure (target cathode pressure) by adjusting the rotational speed of the cathode compressor 25 and the opening of the cathode pressure regulating valve 28.
  • 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 hydrogen 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 hydrogen 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 hydrogen tank 31 to the fuel cell stack 1.
  • the anode gas supply passage 32 has one end connected to the high pressure hydrogen 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 33 is controlled to be opened and closed by the controller 5 and adjusts 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 34 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 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 hydrogen that has not been used for the electrode reaction, the hydrogen concentration in the exhaust gas is determined in advance by mixing with the cathode off gas and discharging it to the outside of the fuel cell system 100. It is made to become below the predetermined concentration.
  • 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 5 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 power system 4 includes a current sensor 41, a voltage sensor 42, a drive motor 43, an inverter 44, a battery 45, and a DC / DC converter 46.
  • the current sensor 41 detects a current (hereinafter referred to as “output current”) taken from the fuel cell stack 1.
  • the voltage sensor 42 detects an inter-terminal voltage (hereinafter referred to as “output voltage”) between the anode electrode side output terminal 1a and the cathode electrode side output terminal 1b. It should be noted that the voltage for each cell of the fuel cell constituting the fuel cell stack 1 may be detected, or the voltage may be detected for every plurality of cells.
  • the drive motor 43 is a three-phase AC synchronous motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor and a stator coil is wound around a stator.
  • the drive motor 43 functions as an electric motor that rotates by receiving power supplied from the fuel cell stack 1 and the battery 45, and power generation that generates electromotive force at both ends of the stator coil during deceleration of the vehicle in which the rotor is rotated by external force. Function as a machine.
  • the inverter 44 is composed of a plurality of semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • the semiconductor switch of the inverter 44 is controlled to be opened / closed by the controller 5, whereby DC power is converted into AC power or AC power is converted into DC power.
  • the inverter 44 converts the combined DC power of the generated power of the fuel cell stack 1 and the output power of the battery 45 into three-phase AC power and supplies it to the drive motor 43.
  • the drive motor 43 functions as a generator, the regenerative power (three-phase AC power) of the drive motor 43 is converted into DC power and supplied to the battery 45.
  • the battery 45 charges the surplus power generated by the fuel cell stack 1 (output current ⁇ output voltage) and the regenerative power of the drive motor 43.
  • the electric power charged in the battery 45 is supplied to auxiliary equipment such as a cathode compressor 25 and a cooling water heater (not shown) for heating the cooling water and the drive motor 43 as necessary.
  • the DC / DC converter 46 is a bidirectional voltage converter that raises and lowers the output voltage of the fuel cell stack 1. By controlling the output voltage of the fuel cell stack 1 by the DC / DC converter 46, the output current of the fuel cell stack 1, and thus the generated power, is controlled.
  • the controller 5 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 5 includes a rotation speed for detecting the rotation speed of the accelerator stroke sensor 51 and the cathode compressor 25 for detecting the amount of depression of the accelerator pedal (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”).
  • a plurality of sensors 52 detect a temperature of cooling water flowing into the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “inlet water temperature”) and a temperature of cooling water discharged from the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “outlet water temperature”).
  • Various signals for detecting the operation state of the fuel cell system 100 such as the water temperature sensor 53 and the SOC sensor 54 for detecting the charge amount of the battery 45 are input.
  • the average temperature of the inlet water temperature and the outlet water temperature is the temperature of the fuel cell stack (hereinafter referred to as “stack temperature”).
  • the controller 5 calculates the target generated power of the fuel cell stack 1 and consequently the target output current based on the input signals from these various sensors, the operating status of the drive motor 43 and the auxiliary machines, and the like.
  • the target value of the cathode pressure during the normal operation (hereinafter referred to as “normal target cathode pressure”) based on the target output current.
  • the cathode compressor 25 is controlled so that the cathode pressure becomes the normal target cathode pressure.
  • the normal target cathode pressure is the cathode pressure required to ensure the oxygen partial pressure necessary for the electrode reaction in the cathode electrode of each fuel cell when the target output current is taken out from the fuel cell stack 1 after the warm-up is completed. It is.
  • the controller 5 basically sets the target value of the cathode pressure to a predetermined warming acceleration target cathode pressure higher than the normal target cathode pressure, and the cathode pressure is warmed up.
  • the cathode compressor 25 is controlled to achieve the machine acceleration target cathode pressure.
  • the warm-up promotion target cathode pressure is set to the highest possible pressure while taking into account the noise generated by driving the cathode compressor 25 and the deterioration of sound vibration performance due to vibration.
  • the power consumption of the cathode compressor 25, which is one of the auxiliary machines, is made larger than that during normal operation, and the generated power of the fuel cell stack 1 is increased, thereby promoting the warm-up of the fuel cell stack 1 by self-heating. I am letting.
  • the warming up of the fuel cell stack 1 is promoted by increasing the power consumption of the cathode compressor 25 and the cooling water heater (not shown) as much as possible. Yes.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the stack temperature and the IV characteristics of the fuel cell stack 1.
  • the IV characteristics indicated by the solid line indicate that the fuel cell stack 1 has been warmed up, that is, during normal operation. IV characteristics (hereinafter referred to as “reference IV characteristics”).
  • the fuel cell stack is increased when the required power of the drive motor 43 increases and the output current of the fuel cell stack 1 increases during traveling.
  • the output voltage of 1 may be lower than the minimum voltage.
  • the minimum voltage is a voltage value set by the operation-guaranteed minimum voltage or performance-guaranteed minimum voltage specific to the component connected to the fuel cell stack 1, and if the output voltage of the fuel cell stack 1 falls below this value. The voltage value at which the drive motor 43 cannot be driven.
  • the controller 5 estimates the IV characteristic of the fuel cell stack 1 that changes from moment to moment while the fuel cell stack 1 is warmed up after the fuel cell system 100 is activated.
  • the vehicle is allowed to run when the output voltage of the fuel cell stack 1 has an IV characteristic that does not fall below the minimum voltage even when driven.
  • FIG. 2 it is confirmed that the output voltage when the output current of the fuel cell stack 1 becomes the travel permission current has an IV characteristic that does not fall below the minimum voltage, and the travel permission of the vehicle is issued. Yes.
  • the IV characteristic is estimated based on the output voltage detected while changing the output current of the fuel cell stack 1 as in the prior art, but the estimation method is not limited to this.
  • the upper limit (hereinafter referred to as “maximum generated power”) of the generated power of the fuel cell stack 1 is smaller than during normal operation. Become.
  • the drive motor 43 when a driving permission is issued during warm-up and a driver requests acceleration, the drive motor 43 must be driven in a state where the maximum generated power is smaller than that during normal operation.
  • drive motor required power the power required by the drive motor 43 (hereinafter referred to as “drive motor required power”) is supplied to the drive motor 43 in order to ensure drivability within the limited generated power.
  • the target value of the cathode pressure during warm-up may have to be lower than the warm-up acceleration target cathode pressure.
  • the IV characteristics of the fuel cell stack 1 may vary depending not only on the stack temperature but also on the cathode pressure, and the influence is particularly great during warm-up when power generation is unstable. Specifically, even when the stack temperature is the same, the higher the cathode pressure, the higher the oxygen partial pressure in the cathode electrode, and the IV characteristics tend to improve.
  • the travel permission is issued in a state where the cathode pressure is controlled to the warm-up acceleration target cathode pressure. Therefore, during the warm-up period after travel permission is issued, for example, if the cathode pressure is lowered from the warm-up promotion target cathode pressure to the normal target cathode pressure and the cathode pressure is lowered too much, the oxygen partial pressure in the cathode electrode is reduced. As a result, the IV characteristics deteriorate, and as a result, the current IV characteristics may be worse than the IV characteristics when the travel permission is given. As a result, the output voltage of the fuel cell stack 1 may fall below the minimum voltage due to the drive of the drive motor 43.
  • the cathode pressure control according to this embodiment will be described.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating cathode pressure control according to the present embodiment.
  • the following normal target cathode pressure calculation unit 101, first warm-up target cathode pressure calculation unit 102, drive request maximum cathode pressure calculation unit 105, second warm-up target cathode pressure calculation unit 106, and target cathode pressure setting unit 107 are described below. Is constructed by, for example, hardware such as the CPU of the controller 5 and a predetermined program recorded in the ROM or the like.
  • the target output current is input to the normal target cathode pressure calculation unit 101.
  • the normal target cathode pressure calculation unit 101 calculates a normal target cathode pressure based on the target output current. Usually, the target cathode pressure is higher when the target output current is larger than when the target output current is small.
  • the first warm-up target cathode pressure calculation unit 102 includes an internal high-frequency resistance (High ⁇ Frequency Resistance; the correlation between the normal target cathode pressure, the stack temperature, and the wetness (moisture content) of the electrolyte membrane; (Hereinafter referred to as “HFR”). What is necessary is just to calculate HFR by the well-known alternating current impedance method, for example.
  • First warm-up target cathode pressure calculation unit 102 first calculates a pressure correction value based on the stack temperature and HFR with reference to the map of FIG. Then, the first warm-up target cathode pressure is calculated by adding the pressure correction value to the normal target cathode pressure.
  • the first warm-up target cathode pressure is a lower limit value of the cathode pressure necessary to prevent the IV characteristic from falling below at least the IV characteristic when the travel permission is issued.
  • the stack temperature is lower than during normal operation and it is difficult to take out liquid water from the fuel cell stack 1, so that the amount of liquid water present in the fuel cell stack 1 is greater than during normal operation. For this reason, if the cathode pressure is controlled to the normal target cathode pressure during warm-up, there is a risk that oxygen will not sufficiently reach the cathode electrode due to the influence of liquid water and the IV characteristics will deteriorate.
  • the first warm-up target cathode pressure is set as the lower limit value of the cathode pressure during warm-up, and such deterioration of the IV characteristics is suppressed. Therefore, as shown in the map of FIG. 4, the pressure correction value is set to be larger when the stack temperature and HFR are lower than when the stack temperature and HFR are high. This is because when the stack temperature and HFR are low, the amount of liquid water in the cathode electrode increases, so unless the cathode pressure is increased to increase the oxygen partial pressure in the cathode electrode, This is because the electrode is not sufficiently distributed.
  • the first warm-up target cathode pressure and a fixed value are input to the first switch unit 103.
  • the first switch unit 103 outputs the first warm-up target cathode pressure when the stack temperature is lower than a predetermined warm-up completion temperature (for example, 60 ° C.).
  • a predetermined warm-up completion temperature for example, 60 ° C.
  • a fixed value is output. This fixed value is usually lower than the minimum value of the target cathode pressure, and is set to 0 in this embodiment.
  • the warm-up acceleration target cathode pressure and a fixed value are input to the second switch unit 104.
  • the second switch unit 104 outputs the warm-up acceleration target cathode pressure when the stack temperature is lower than the warm-up completion temperature.
  • a fixed value is output. This fixed value is also a value lower than the minimum value of the normal target cathode pressure, and is set to 0 in this embodiment.
  • the drive request maximum cathode pressure calculation unit 105 receives the maximum generated power of the fuel cell stack 1 at the present time and the drive motor request power that varies depending on the accelerator operation amount.
  • the maximum generated power during warm-up is calculated according to the stack temperature. Specifically, the maximum generated power increases as the stack temperature increases.
  • the drive request maximum cathode pressure calculation unit 105 first subtracts the drive motor request power from the maximum generated power to calculate the surplus power of the fuel cell stack 1 that can be output (hereinafter referred to as “output surplus power”). Then, referring to the table of FIG. 5, the drive request maximum cathode pressure is calculated based on the surplus power that can be output.
  • the drive required maximum cathode pressure is the maximum value that can be set as the target value of the cathode pressure when the cathode compressor 25 is driven with surplus power that can be output. Therefore, as shown in the table of FIG. 5, when the surplus power that can be output exceeds a predetermined value, the drive required maximum cathode pressure is set in advance from the viewpoint of the breakdown voltage of each component of the cathode system including the fuel cell stack 1. Is set to the maximum value of the cathode pressure.
  • the second warm-up target cathode pressure calculation unit 106 receives the output value (warm-up acceleration target cathode pressure or fixed value) from the second switch unit 104 and the drive request maximum cathode pressure.
  • the second warm-up target cathode pressure calculation unit 106 calculates the smaller one of these two input values as the second warm-up target cathode pressure.
  • the target cathode pressure setting unit 107 receives the normal target cathode pressure, the first warm-up target cathode pressure, and the second warm-up target cathode pressure.
  • the target cathode pressure setting unit 107 sets the largest one of these three input values as the target cathode pressure. Then, the cathode compressor 25 (and the cathode pressure regulating valve 28) are controlled so that the cathode pressure becomes the target cathode pressure.
  • the target cathode pressure setting unit 107 receives a fixed value 0 as the first warm-up target cathode pressure and the second warm-up target cathode pressure. Is done. Therefore, during normal operation after the warm-up of the fuel cell stack 1 is completed, the normal target cathode pressure is set as the target cathode pressure.
  • the larger of the first warm-up target cathode pressure and the second warm-up target cathode pressure is set as the target cathode pressure.
  • FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the cathode pressure control according to the present embodiment.
  • the warm-up operation is performed until time t5 when the stack temperature reaches the warm-up completion temperature (FIG. 6B).
  • the warm-up acceleration target cathode pressure (second warm-up target cathode pressure) is set as the target cathode pressure in order to promote the warm-up of the fuel cell stack 1 (see FIG. 6 (D)).
  • the IV characteristics of the fuel cell stack 1 gradually recover toward the reference IV characteristics, and the maximum generated power gradually increases accordingly (FIG. 6 (A)).
  • the warm-up acceleration target cathode pressure (second warm-up target cathode pressure) is continuously set as the target cathode pressure until time t3 when the acceleration request by the driver is generated (FIG. 6D). ).
  • an acceleration request is generated by the driver and drive motor power demand is generated (FIG. 6A).
  • the drive demand maximum cathode pressure is also lowered accordingly (FIG. 6D). )).
  • the drive request maximum cathode pressure is lower than the warm-up promotion target cathode pressure, and the drive request maximum cathode pressure is set as the second warm-up target cathode pressure.
  • the first warm-up target cathode pressure is greater than the drive-requested maximum cathode pressure (second warm-up target cathode pressure).
  • the target cathode pressure is set as the target cathode pressure (FIG. 6D). Note that the insufficient electric power when the target cathode pressure is set to a pressure higher than the drive required maximum cathode pressure is supplemented by the electric power of the battery 45.
  • the cathode pressure is controlled so as not to fall below the first warm-up target cathode pressure. Thereby, it is possible to prevent the IV characteristic from being lower than at least the IV characteristic when the travel permission is given.
  • the drive request maximum cathode pressure increases as the surplus power that can be output increases.
  • the warm-up promotion target cathode pressure becomes higher than the drive request maximum cathode pressure again, and the warm-up promotion target cathode pressure is set as the second warm-up target cathode pressure (FIG. 6D).
  • the first warm-up target cathode pressure decreases as the target output current decreases.
  • the warm-up promotion target cathode pressure (second warm-up target cathode pressure) becomes higher than the first warm-up target cathode pressure, and the warm-up promotion target cathode pressure is set as the target cathode pressure (FIG. 6 ( D)).
  • the warm-up operation is terminated and the normal operation is performed, and the normal target cathode pressure is set as the target cathode pressure (FIG. 6 (D)).
  • the fuel cell system 100 supplies the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack 1 as a fuel cell to generate power, and the auxiliary machine and drive driven by the generated power of the fuel cell 1 A motor 43 is provided.
  • the fuel cell system 100 sets the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a normal target pressure (for ensuring an oxygen partial pressure in the fuel cell stack 1 in accordance with the generated power of the fuel cell stack 1).
  • a normal target cathode pressure calculation unit 101 and a target cathode pressure setting unit 107 are provided as pressure control means for controlling to a normal target cathode pressure.
  • the fuel cell system 100 sets the cathode gas pressure supplied to the fuel cell stack 1 to a predetermined warming acceleration target pressure (second warming target cathode) higher than the normal target pressure.
  • the first warm-up target cathode pressure calculation unit 102, the first switch unit 103, the second switch unit 104, the drive request maximum cathode pressure calculation unit 105, and the second warm-up target A cathode pressure calculation unit 106 and a target cathode pressure setting unit 107 are provided.
  • the warm-up pressure control means sets the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 to the normal target pressure.
  • the warm-up target pressure first warm-up target cathode pressure
  • the cathode pressure is basically controlled to a predetermined warm-up acceleration target cathode pressure.
  • the power consumption of the cathode compressor 25 is made larger than that during normal operation, and the generated power of the fuel cell stack 1 is increased, thereby promoting warm-up of the fuel cell stack 1 by self-heating.
  • the drive motor 43 since the maximum generated power is lower during warm-up than during normal operation, when the drive permission is issued during warm-up and the drive motor 43 is requested to drive, the drive motor 43 is supplied with the required drive motor power. It is necessary to ensure operation performance by supplying. For this reason, it may be necessary to lower the power consumption of the cathode compressor 25 by setting the cathode pressure lower than the warm-up promotion target cathode pressure.
  • the stack temperature is lower than during normal operation, and it is difficult to take out liquid water from the fuel cell stack 1, so that the amount of liquid water present in the fuel cell stack 1 is greater than during normal operation. . Therefore, for example, if the cathode pressure is lowered from the warm-up promotion target cathode pressure to the normal target cathode pressure and the cathode pressure is lowered too much, oxygen does not reach the cathode electrode sufficiently due to the influence of liquid water, and the IV characteristics deteriorate. There is a fear. Then, the current IV characteristic is worse than the IV characteristic when the travel permission is given, and if the drive motor required power is supplied to the drive motor 43, the output voltage of the fuel cell stack 1 may be lower than the minimum voltage.
  • the cathode pressure is controlled to a pressure between the warm-up acceleration target cathode pressure and the normal target cathode pressure.
  • the warm-up pressure control means adds a correction value (pressure correction value) to the normal target pressure to calculate a warm-up target pressure (first warm-up target cathode pressure).
  • a correction value pressure correction value
  • a first warm-up target cathode pressure calculation unit 102 is provided as a means, and the correction value is increased as the amount of water in the fuel cell stack 1 increases.
  • the first warm-up target cathode pressure is obtained by adding a pressure correction value to the normal target cathode pressure as described above.
  • the pressure correction value is calculated based on the stack temperature and HFR, and increases as the amount of liquid water in the fuel cell stack 1 during warm-up increases. Therefore, when there is a drive request for the drive motor 43 during warm-up, the cathode pressure is controlled to the first warm-up target cathode pressure so that the amount of liquid water is larger than during normal operation.
  • oxygen can be supplied to the cathode electrode. Therefore, it is possible to reliably suppress the deterioration of the IV characteristics.
  • the first warm-up target cathode pressure calculation unit 102 serving as the warm-up target pressure calculation unit has a higher water content in the fuel cell stack 1 as the temperature of the fuel cell stack 1 is lower. to decide.
  • the first warm-up target cathode pressure calculation unit 102 determines that the moisture content in the fuel cell stack 1 is larger as the HFR of the fuel cell stack 1 is lower.
  • the pressure correction value is increased when the amount of water is large as described above, if it is determined that the amount of liquid water in the cathode electrode is large when the stack temperature and HFR are low, the pressure is also increased. Since the correction value is increased, the cathode pressure can be increased more accurately to increase the oxygen partial pressure in the cathode electrode. As a result, oxygen can be sufficiently distributed to the cathode electrode even under the influence of liquid water. be able to.
  • the fuel cell system 100 is a means for calculating the maximum generated power of the fuel cell stack 1 during warm-up based on the temperature of the fuel cell stack 1, the maximum generated power and the required power of the drive motor 43. Based on the above, the means for calculating surplus power (outputtable surplus power) of the fuel cell stack 1 that can be supplied to other than the drive motor 43, and the drive motor is driven during warm-up based on the surplus power that can be output.
  • a drive request maximum cathode pressure calculation unit 105 is provided as means for calculating the maximum target pressure of the cathode gas that can sometimes be set (drive request maximum cathode pressure).
  • the warm-up time pressure control means 107 controls the cathode gas pressure supplied to the fuel cell stack 1 to the drive request maximum cathode pressure when the drive request maximum cathode pressure is larger than the first warm-up target cathode pressure. . Thereby, during warm-up, the power consumption of the cathode compressor 25 can be maximized while driving the drive motor 43 with the power generated by the fuel cell stack 1. Therefore, warming up of the fuel cell stack 1 due to self-heating can be promoted.
  • cathode pressure regulating valve 28 may be replaced with a throttle portion such as an orifice.
  • a buffer tank as a space for storing the anode off gas may be provided in the anode gas discharge passage 34, or the internal manifold of the fuel cell stack 1 may be used as a space instead of the buffer tank.
  • the internal manifold is a space inside the fuel cell stack 1 where the anode off-gas that has finished flowing through the anode gas flow path in the fuel cell is collected, and the anode off-gas passes through the manifold and the anode gas discharge passage 34. Is discharged.

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Abstract

　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させる燃料電池システムであって、燃料電池の発電電力によって駆動される補機及び駆動モータと、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、燃料電池の発電電力に応じてその燃料電池内で酸素分圧を確保するための通常目標圧力に制御する圧力制御手段５と、燃料電池の暖機中は、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を通常目標圧力よりも高い所定の暖機促進目標圧力に制御する暖機時圧力制御手段と、を備え、暖機時圧力制御手段は、燃料電池の暖機中に駆動モータの駆動要求があったときは、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、通常目標圧力と暖機促進目標圧力との間の暖機目標圧力に制御する。

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。
　従来の燃料電池システムとして、燃料電池の出力電流を変化させながら検出した出力電圧に基づいて、燃料電池のＩＶ特性（電流電圧特性）を推定するものがある（ＪＰ２０００－３５７５２６Ａ参照）。
　現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池の暖機後の通常運転中は、車両を走行させるために要求される電力に基づいて、その要求電力を発電するために必要な酸素分圧が確保できるように燃料電池に供給するカソードガスの圧力を設定し、カソードコンプレッサを駆動している。
　一方で、燃料電池の暖機中は、燃料電池内のカソード側の圧力を通常運転時よりも高い暖機時用の圧力に設定し、補機の一つであるカソードコンプレッサの消費電力が可能な限り大きくなるようにしている。これにより、燃料電池の発電電力を増大させて燃料電池の暖機を促進させている。
　また、暖機初期は燃料電池のＩＶ特性が悪く、車両の走行に必要な電力を供給できない場合がある。そのため、暖機中のＩＶ特性を推定し、推定したＩＶ特性が車両の走行に必要とされるＩＶ特性になった時点で車両の走行許可を出すようにしている。
　ここで、暖機中は、暖機後の通常運転時よりもＩＶ特性が悪いので、通常運転時よりも燃料電池の発電電力が制限される。そのため、暖機中に走行許可が出されてドライバによる加速要求が生じたときは、制限された発電電力で駆動モータを駆動しなければならなくなる。
　したがって、制限された発電電力の中で、運転性を確保するために駆動モータに対して要求電力を供給しようとすると、カソードコンプレッサの消費電力を低くしなければならない場合がある。このとき、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、暖機時用の高い圧力から前述した通常運転時に設定される圧力まで低下させてカソードコンプレッサの消費電力を低くしようとすると、以下のような問題が生じることがわかった。
　すなわち、走行許可が出された後の暖機中に、燃料電池内のカソード側の圧力を暖機時用圧力から通常運転時に設定される圧力まで低下させてしまうと、カソード側での酸素分圧低下によって燃料電池のＩＶ特性が悪化し、その結果、現在のＩＶ特性が走行許可を出したときのＩＶ特性よりも悪化して車両の走行に支障をきたすおそれがあることがわかった。
　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、暖機中に走行許可が出されて加速要求があった場合のＩＶ特性の悪化を抑制できる燃料電池システムを提供す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させる燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池の発電電力によって駆動される補機及び駆動モータと、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、燃料電池の発電電力に応じてその燃料電池内で酸素分圧を確保するための通常目標圧力に制御する圧力制御手段と、燃料電池の暖機中は、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を通常目標圧力よりも高い所定の暖機促進目標圧力に制御する暖機時圧力制御手段と、を備える。暖機時圧力制御手段は、燃料電池の暖機中に駆動モータの駆動要求があったときは、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、通常目標圧力と暖機促進目標圧力との間の暖機目標圧力に制御する。
　この態様によれば、燃料電池の暖機中に駆動モータの駆動要求があったときは、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、通常運転時に設定される通常目標圧力と、暖機を促進するための暖機促進目標圧力と、の間の暖機目標圧力に制御する。これにより、燃料電池の暖機中に駆動モータの駆動要求があったときの圧力低下を抑えることができるので、ＩＶ特性の悪化を抑制することができる。
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、スタック温度と、燃料電池スタックのＩＶ特性と、の関係を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態によるカソード圧力制御について説明するブロック図である。 図４は、スタック温度とＨＦＲとに基づいて圧力補正値を算出するマップである。 図５は、出力可能余剰電力に基づいて、駆動要求最大カソード圧力を算出するテーブルである。 図６は、本発明の一実施形態によるカソード圧力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、電力系４と、コントローラ５と、を備える。
　燃料電池スタック１は、複数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。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。
　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、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。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と、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。
　エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５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２４は、カソードコンプレッサ２５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を検出する。
　カソードコンプレッサ２５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２５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。
　カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。
　ＷＲＤ２７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２８は、ＷＲＤ２７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２８は、コントローラ５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圧力を調節する。なお、本実施形態では、基本的にカソードコンプレッサ２５の回転速度及びカソード調圧弁２８の開度を調整することで、カソード圧力を所望の圧力（目標カソード圧力）に制御している。
　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、高圧水素タンク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。
　高圧水素タンク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、高圧水素タンク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、一端が高圧水素タンク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５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２２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５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。
　電力系４は、電流センサ４１と、電圧センサ４２と、駆動モータ４３と、インバータ４４と、バッテリ４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備える。
　電流センサ４１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。
　電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。なお、燃料電池スタック１を構成する燃料電池のセル１枚ごとの電圧を検出できるようにしても良いし、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。
　駆動モータ４３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ４３は、燃料電池スタック１及びバッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
　インバータ４４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４４の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４４は、駆動モータ４３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ４３に供給する。一方で、駆動モータ４３を発電機として機能させるときは、駆動モータ４３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４５に供給する。
　バッテリ４５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び駆動モータ４３の回生電力を充電する。バッテリ４５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５や冷却水を加熱する冷却水ヒータ（図示せず）などの補機類及び駆動モータ４３に供給される。
　ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
　コントローラ５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５には、前述したエアフローセンサ２４などの他にも、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。）を検出するアクセルストロークセンサ５１やカソードコンプレッサ２５の回転速度を検出する回転速度センサ５２、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「入口水温」という。）や燃料電池スタック１から排出される冷却水の温度（以下「出口水温」という。）を検出する複数の水温センサ５３、バッテリ４５の充電量を検出するＳＯＣセンサ５４などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種の信号が入力される。なお、本実施形態では、入口水温と出口水温との平均温度を燃料電池スタックの温度（以下「スタック温度」という。）としている。
　コントローラ５は、これら各種センサからの入力信号や、駆動モータ４３及び補機類の作動状況等に基づいて、燃料電池スタック１の目標発電電力、ひいては目標出力電流を算出する。
　そしてコントローラ５は、燃料電池スタック１の暖機が完了した後の通常運転中であれば、目標出力電流に基づいて通常運転中のカソード圧力の目標値（以下「通常目標カソード圧力」という。）を算出し、カソード圧力が通常目標カソード圧力となるようにカソードコンプレッサ２５を制御する。通常目標カソード圧力は、暖機完了後の燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、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カソード圧力である。
　一方でコントローラ５は、燃料電池スタック１の暖機中であれば、基本的にカソード圧力の目標値を通常目標カソード圧力よりも高い所定の暖機促進目標カソード圧力に設定し、カソード圧力が暖機促進目標カソード圧力となるようにカソードコンプレッサ２５を制御する。暖機促進目標カソード圧力は、カソードコンプレッサ２５を駆動することで生じる騒音や振動による音振性能の悪化を考慮しつつ、可能な限り高い圧力に設定される。
　これにより、補機の一つであるカソードコンプレッサ２５の消費電力を通常運転中よりも大きくし、燃料電池スタック１の発電電力を増大させることで、自己発熱によって燃料電池スタック１の暖機を促進させている。
　このように、燃料電池スタック１の暖機中は、カソードコンプレッサ２５や冷却水ヒータ（図示せず）等の消費電力を可能な限り大きくすることで、燃料電池スタック１の暖機を促進させている。
　また図２に示すように、燃料電池スタック１のＩＶ特性はスタック温度（入口水温と出口水温の平均温度）に応じて変化し、スタック温度が低いときほど、同じ電流値の出力電流を燃料電池スタック１から取り出したときの出力電圧は低くなる。すなわち、スタック温度が低いときほど、燃料電池スタック１の発電効率は低下する。図２は、スタック温度と、燃料電池スタック１のＩＶ特性と、の関係を示す図であり、実線で示したＩＶ特性が、燃料電池スタック１の暖機が完了した後、すなわち通常運転中のＩＶ特性（以下「基準ＩＶ特性」という。）である。
　燃料電池スタック１の発電効率が低下した状態で車両の走行を許可してしまうと、走行時に駆動モータ４３の要求電力が大きくなって燃料電池スタック１の出力電流が増加したときに、燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回るおそれがある。ここで最低電圧は、燃料電池スタック１に接続される部品固有の動作保証最低電圧や性能保証最低電圧によって設定される電圧値であって、燃料電池スタック１の出力電圧がこれを下回ってしまうと、駆動モータ４３を駆動することができなくなる電圧値である。
　そのためコントローラ５は、燃料電池システム１００の起動後は、燃料電池スタック１を暖機しつつ、時々刻々と変化する燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定し、推定したＩＶ特性が、駆動モータ４３を駆動しても燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回ることのないＩＶ特性になった時点で車両の走行許可を出すようにしている。図２で言えば、燃料電池スタック１の出力電流が走行許可電流になったときの出力電圧が、最低電圧を下回らないＩＶ特性になったことを確認して車両の走行許可を出すようにしている。なお、本実施形態では、従来と同様に燃料電池スタック１の出力電流を変化させながら検出した出力電圧に基づいてＩＶ特性を推定しているが、推定方法としてはこれに限られるものではない。
　ここで、燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準ＩＶ特性まで回復していない暖機中は、通常運転中よりも燃料電池スタック１の発電電力の上限（以下「最大発電電力」という。）が小さくなる。
　そのため、暖機中に走行許可が出されてドライバによる加速要求が生じたときは、最大発電電力が通常運転中よりも小さい状態で駆動モータ４３を駆動しなければならなくなる。その結果、限られた発電電力の中で運転性を確保するために駆動モータ４３に対して駆動モータ４３が要求する電力（以下「駆動モータ要求電力」という。）を供給しようとすると、暖機促進のために大きくしていたカソードコンプレッサ２５の消費電力を小さくしなければならない場合がある。つまり、暖機中のカソード圧力の目標値を、暖機促進目標カソード圧力よりも低くしなければならない場合がある。
　この場合、暖機中のカソード圧力を、目標出力電流に見合った圧力、すなわち通常目標カソード圧力まで低下させてしまうことが考えられるが、このようにすると以下のような問題が生じることがわかった。
　燃料電池スタック１のＩＶ特性は、スタック温度以外にもカソード圧力によっても変化する場合があり、特に発電が不安定な暖機中はその影響が大きい。具体的には、スタック温度が同じでも、カソード圧力が高いほうが、カソード電極内の酸素分圧が高くなるので、ＩＶ特性が良くなる傾向にある。
　ここで走行許可は、カソード圧力を暖機促進目標カソード圧力に制御した状態で出される。そのため、走行許可が出された後の暖機中に、例えばカソード圧力を暖機促進目標カソード圧力から通常目標カソード圧力まで低下させ、カソード圧力を下げすぎてしまうと、カソード電極内の酸素分圧の低下によってＩＶ特性が悪化し、その結果、現在のＩＶ特性が走行許可を出したときのＩＶ特性よりも悪化するおそれがある。そうすると、駆動モータ４３の駆動によって燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回るおそれがある。
　そこで本実施形態では、暖機中に走行許可が出されて加速要求があった場合のＩＶ特性の悪化を抑制する。具体的には、暖機中に走行許可が出されて加速要求があった場合に、少なくともＩＶ特性が走行許可を出したときのＩＶ特性を下回らないように、カソード圧力を制御する。以下、この本実施形態によるカソード圧力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圧力制御について説明するブロック図である。なお、下記の通常目標カソード圧力算出部１０１、第１暖機目標カソード圧力算出部１０２、駆動要求最大カソード圧力算出部１０５、第２暖機目標カソード圧力算出部１０６、及び目標カソード圧力設定部１０７は、例えばコントローラ５のＣＰＵ等のハードウェア及びＲＯＭ等に記録された所定のプログラムにより構築される。
　通常目標カソード圧力算出部１０１には、目標出力電流が入力される。通常目標カソード圧力算出部１０１は、目標出力電流に基づいて、通常目標カソード圧力を算出する。通常目標カソード圧力は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが高くなる。
　第１暖機目標カソード圧力算出部１０２には、通常目標カソード圧力と、スタック温度と、電解質膜の湿潤度（含水率）と相関関係にある燃料電池スタック１の内部高周波抵抗（High Frequency Resistance；以下「ＨＦＲ」という。）と、が入力される。ＨＦＲは、例えば公知の交流インピーダンス法によって算出すれば良い。
　第１暖機目標カソード圧力算出部１０２は、まず図４のマップを参照し、スタック温度とＨＦＲとに基づいて圧力補正値を算出する。そして、次に通常目標カソード圧力に圧力補正値を加算して第１暖機目標カソード圧力を算出する。第１暖機目標カソード圧力は、ＩＶ特性が少なくとも走行許可を出したときのＩＶ特性を下回らないようにするために必要なカソード圧力の下限値である。
　暖機中はスタック温度が通常運転中よりも低く、燃料電池スタック１内から液水を持ち出し難い状態なので、通常運転中よりも燃料電池スタック１内に存在する液水の量が多くなる。そのため、暖機中にカソード圧力を通常目標カソード圧力に制御してしまうと、液水の影響によって酸素がカソード電極まで十分に行き渡らずにＩＶ特性が悪化するおそれがある。
　そこで本実施形態では、暖機中のカソード圧力の下限値として第１暖機目標カソード圧力を設定し、このようなＩＶ特性の悪化を抑制している。そのため、図４のマップに示すように、スタック温度及びＨＦＲが高いときよりも低いときのほうが、圧力補正値が大きくなるように設定される。これは、スタック温度及びＨＦＲが低いときのほうが、カソード電極内の液水量が多くなるので、カソード圧力を高くしてカソード電極内の酸素分圧を高くしないと、液水の影響によって酸素がカソード電極まで十分に行き渡らないためである。
　第１スイッチ部１０３には、第１暖機目標カソード圧力と、固定値と、が入力される。第１スイッチ部１０３は、スタック温度が所定の暖機完了温度（例えば６０℃）未満のときは、第１暖機目標カソード圧力を出力する。一方で、スタック温度が暖機完了温度以上のときは、固定値を出力する。この固定値は、通常目標カソード圧力の最小値よりも低い値であり、本実施形態では０に設定している。
　第２スイッチ部１０４には、暖機促進目標カソード圧力と、固定値と、が入力される。第２スイッチ部１０４は、スタック温度が暖機完了温度未満のときは、暖機促進目標カソード圧力を出力する。一方で、スタック温度が暖機完了温度以上のときは、固定値を出力する。この固定値も、通常目標カソード圧力の最小値よりも低い値であり、本実施形態では０に設定している。
　駆動要求最大カソード圧力算出部１０５には、現時点における燃料電池スタック１の最大発電電力と、アクセル操作量に応じて変動する駆動モータ要求電力と、が入力される。本実施形態では、暖機中における最大発電電力をスタック温度に応じて算出している。具体的には、スタック温度が高くなるほど最大発電電力が大きくなるようにしている。
　駆動要求最大カソード圧力算出部１０５は、まず最大発電電力から駆動モータ要求電力を減算して、出力可能な燃料電池スタック１の余剰電力（以下「出力可能余剰電力」という。）を算出する。そして次に、図５のテーブルを参照し、出力可能余剰電力に基づいて、駆動要求最大カソード圧力を算出する。
　駆動要求最大カソード圧力は、出力可能余剰電力でカソードコンプレッサ２５を駆動することを考えた場合に、カソード圧力の目標値として設定することが可能な最大値である。そのため、駆動要求最大カソード圧力は、図５のテーブルに示すように、出力可能余剰電力が所定値以上になったときは、燃料電池スタック１を含むカソード系の各部品の耐圧の観点から予め設定されるカソード圧力の最大値に設定される。
　第２暖機目標カソード圧力算出部１０６には、第２スイッチ部１０４からの出力値（暖機促進目標カソード圧力又は固定値）と、駆動要求最大カソード圧力と、が入力される。第２暖機目標カソード圧力算出部１０６は、これらの２つの入力値のうち、小さいほうを第２暖機目標カソード圧力として算出する。
　目標カソード圧力設定部１０７には、通常目標カソード圧力と、第１暖機目標カソード圧力と、第２暖機目標カソード圧力と、が入力される。目標カソード圧力設定部１０７は、これらの３つの入力値のうち、最も大きいものを目標カソード圧力として設定する。そして、カソード圧力がこの目標カソード圧力となるよう、カソードコンプレッサ２５（及びカソード調圧弁２８）が制御される。
　燃料電池スタック１の暖機が完了した後の通常運転中であれば、目標カソード圧力設定部１０７には、第１暖機目標カソード圧力及び第２暖機目標カソード圧力としてそれぞれ固定値０が入力される。そのため、燃料電池スタック１の暖機が完了した後の通常運転中は、通常目標カソード圧力が目標カソード圧力として設定される。
　一方、暖機中は、第１暖機目標カソード圧力及び第２暖機目標カソード圧力の大きい方が目標カソード圧力として設定される。
　図６は、本実施形態によるカソード圧力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で燃料電池システム１００が起動されると、スタック温度が暖機完了温度になる時刻ｔ５までは暖機運転が実施される（図６（Ｂ））。そして走行許可が出る前の暖機初期は、燃料電池スタック１の暖機を促進するために、暖機促進目標カソード圧力（第２暖機目標カソード圧力）が目標カソード圧力として設定される（図６（Ｄ））。
　暖機運転を実施することで、燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準ＩＶ特性に向けて徐々に回復していき、それにしたがって最大発電電力も徐々に増加していく（図６（Ａ））。
　時刻ｔ２で、燃料電池スタック１のＩＶ特性が、駆動モータ４３を駆動しても燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回ることのないＩＶ特性になると、走行許可が出される。走行許可が出された後も、ドライバによる加速要求が生じる時刻ｔ３までは、引き続き暖機促進目標カソード圧力（第２暖機目標カソード圧力）が目標カソード圧力として設定される（図６（Ｄ））。
　時刻ｔ３で、ドライバによる加速要求が生じて駆動モータ要求電力が発生し（図６（Ａ））、出力余剰可能電力が低下すると、それに応じて駆動要求最大カソード圧力も低下する（図６（Ｄ））。その結果、暖機促進目標カソード圧力よりも駆動要求最大カソード圧力のほうが低くなり、駆動要求最大カソード圧力が第２暖機目標カソード圧力として設定される。
　一方で、ドライバによる加速要求が生じて駆動モータ要求電力が発生すると、その分目標出力電流が増加するので、第１暖機目標カソード圧力が増加する（図６（Ｄ））。
　ここで、時刻ｔ３からドライバによる加速要求がなくなる時刻ｔ４までは、第１暖機目標カソード圧力のほうが駆動要求最大カソード圧力（第２暖機目標カソード圧力）よりも大きくなるので、第１暖機目標カソード圧力が目標カソード圧力として設定される（図６（Ｄ））。なお、目標カソード圧力を駆動要求最大カソード圧力よりも高い圧力に設定した場合の不足分の電力は、バッテリ４５の電力で補う。
　このように、暖機中に駆動モータ４３の駆動要求があったときは、第１暖機目標カソード圧力を下回らないようにカソード圧力を制御する。これにより、ＩＶ特性が少なくとも走行許可を出したときのＩＶ特性を下回らないようにするができる。
　時刻ｔ４で、ドライバによる加速要求がなくなると、駆動要求最大カソード圧力は、出力可能余剰電力の増加に応じて高くなる。その結果、再び暖機促進目標カソード圧力が駆動要求最大カソード圧力よりも高くなって、暖機促進目標カソード圧力が第２暖機目標カソード圧力として設定される（図６（Ｄ））。
　一方で、第１暖機目標カソード圧力は、目標出力電流の低下に応じて低下する。その結果、暖機促進目標カソード圧力（第２暖機目標カソード圧力）が第１暖機目標カソード圧力よりも高くなって、暖機促進目標カソード圧力が目標カソード圧力として設定される（図６（Ｄ））。
　時刻ｔ５で、スタック温度が暖機完了温度になると、暖機運転を終了して通常運転が実施され、通常目標カソード圧力が目標カソード圧力として設定される（図６（Ｄ））。
　以上説明した本実施形態に係る燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池としての燃料電池スタック１に供給して発電を行い、燃料電池１の発電電力によって駆動される補機及び駆動モータ４３を備える。また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力を、燃料電池スタック１の発電電力に応じてその燃料電池スタック１内で酸素分圧を確保するための通常目標圧力（通常目標カソード圧力）に制御する圧力制御手段として、通常目標カソード圧力算出部１０１、及び目標カソード圧力設定部１０７を備える。さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の暖機中は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力を通常目標圧力よりも高い所定の暖機促進目標圧力（第２暖機目標カソード圧力）に制御する暖機時圧力制御手段として、第１暖機目標カソード圧力算出部１０２、第１スイッチ部１０３、第２スイッチ部１０４、駆動要求最大カソード圧力算出部１０５、第２暖機目標カソード圧力算出部１０６、及び目標カソード圧力設定部１０７を備える。
　そして、この暖機時圧力制御手段は、燃料電池スタック１の暖機中に駆動モータ４３の駆動要求があったときは、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力を、通常目標圧力と暖機促進目標圧力との間の暖機目標圧力（第１暖機目標カソード圧力）に制御する。
　これよれば、燃料電池スタック１の暖機中は、基本的にカソード圧力を所定の暖機促進目標カソード圧力に制御する。これにより、カソードコンプレッサ２５の消費電力を通常運転中よりも大きくし、燃料電池スタック１の発電電力を増大させることで、自己発熱によって燃料電池スタック１の暖機を促進させる。
　ここで、暖機中は通常運転中よりも最大発電電力が少ないので、暖機中に走行許可が出されて駆動モータ４３の駆動要求があった場合は、駆動モータ４３に駆動モータ要求電力を供給して運転性能を確保する必要がある。そのため、カソード圧力を暖機促進目標カソード圧力よりも低くして、カソードコンプレッサ２５の消費電力を下げなければならない場合がある。
　ところが、暖機中はスタック温度が通常運転中よりも低く、燃料電池スタック１内から液水を持ち出し難い状態なので、通常運転中よりも燃料電池スタック１内に存在する液水の量が多くなる。そのため、例えばカソード圧力を暖機促進目標カソード圧力から通常目標カソード圧力まで低下させ、カソード圧力を下げすぎてしまうと、液水の影響によって酸素がカソード電極まで十分に行き渡らずにＩＶ特性が悪化するおそれがある。そうすると、現在のＩＶ特性が走行許可を出したときのＩＶ特性よりも悪化し、駆動モータ４３に駆動モータ要求電力を供給すると燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回るおそれがある。
　そこで、上述のように、暖機中に駆動モータ４３の駆動要求があった場合は、カソード圧力を、暖機促進目標カソード圧力と通常目標カソード圧力との間の圧力に制御している。これにより、カソード圧力を暖機促進目標カソード圧力から通常目標カソード圧力まで低下させる場合よりもＩＶ特性の悪化を抑制できるので、現在のＩＶ特性が走行許可を出したときのＩＶ特性よりも悪化することを抑制できる。
　特に本実施形態では、上記暖機時圧力制御手段は、通常目標圧力に補正値（圧力補正値）を加えて暖機目標圧力（第１暖機目標カソード圧力）を算出する暖機目標圧力算出手段としての第１暖機目標カソード圧力算出部１０２を備え、燃料電池スタック１内の水分量が多いときほど補正値を大きくする。
　第１暖機目標カソード圧力は、上述のように、通常目標カソード圧力に圧力補正値を加えたものである。圧力補正値は、スタック温度とＨＦＲとに基づいて算出されるものであり、暖機中における燃料電池スタック１内の液水の量が多い場合ほど大きくなる。したがって、暖機中に駆動モータ４３の駆動要求があった場合に、カソード圧力を第１暖機目標カソード圧力に制御することで、通常運転中よりも液水の量が多い暖機中であっても、カソード電極まで酸素を供給することができる。よって、ＩＶ特性の悪化を確実に抑制することができる。
　さらに、本実施の形態では、暖機目標圧力算出手段としての第１暖機目標カソード圧力算出部１０２は、燃料電池スタック１の温度が低いときほど、燃料電池スタック１内の水分量が多いと判断する。また、第１暖機目標カソード圧力算出部１０２は、燃料電池スタック１のＨＦＲが低いときほど、燃料電池スタック１内の水分量が多いと判断する。
　これによれば、上述のように水分量が多いと圧力補正値を大きくすることから、スタック温度及びＨＦＲが低い場合にカソード電極内の液水量が多いと判断されると、これに併せて圧力補正値が大きくなるので、カソード圧力をより的確に上昇させてカソード電極内の酸素分圧を高くすることができ、結果として液水の影響を受けてもなお酸素をカソード電極まで十分に行き渡らせることができる。
　また本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の温度に基づいて、暖機中における燃料電池スタック１の最大発電電力を算出する手段、最大発電電力と駆動モータ４３の要求電力とに基づいて、駆動モータ４３以外に供給可能な燃料電池スタック１の余剰電力（出力可能余剰電力）を算出する手段、及び出力可能余剰電力に基づいて、暖機中に駆動モータを駆動しているときに設定可能なカソードガスの最大目標圧力（駆動要求最大カソード圧力）を算出する手段としての駆動要求最大カソード圧力算出部１０５を備える。
　そして、暖機時圧力制御手段１０７は、駆動要求最大カソード圧力が第１暖機目標カソード圧力よりも大きいときは、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力を駆動要求最大カソード圧力に制御する。これにより、暖機中において、燃料電池スタック１の発電電力で駆動モータ４３を駆動しつつ、カソードコンプレッサ２５の消費電力を最大限大きくすることができる。そのため、自己発熱による燃料電池スタック１の暖機を促進させることができる。
　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、上記実施形態ではカソード調圧弁２８を設けていたが、これオリフィス等の絞り部に置き換えても良い。
　また、上記実施形態において、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンクをアノードガス排出通路３４に設けても良いし、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンクの代わりの空間としても良い。なお、ここでいう内部マニホールドとは、燃料電池内のアノードガス流路を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路３４へと排出される。
　本願は２０１３年１０月１日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－２０６５１３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 (5)

  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させる燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池の発電電力によって駆動される補機及び駆動モータと、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、前記燃料電池の発電電力に応じてその燃料電池内で酸素分圧を確保するための通常目標圧力に制御する圧力制御手段と、
    　前記燃料電池の暖機中は、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を前記通常目標圧力よりも高い所定の暖機促進目標圧力に制御する暖機時圧力制御手段と、
    を備え、
    　前記暖機時圧力制御手段は、
    　　前記燃料電池の暖機中に前記駆動モータの駆動要求があったときは、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を、前記通常目標圧力と前記暖機促進目標圧力との間の暖機目標圧力に制御する、
    燃料電池システム。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    　前記暖機時圧力制御手段は、
    　　前記通常目標圧力に補正値を加えて前記暖機目標圧力を算出する暖機目標圧力算出手段を備え、
    　　前記燃料電池内の水分量が多いときほど前記補正値を大きくする、
    燃料電池システム。
  3. 　請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    　前記暖機時圧力制御手段は、
    　　前記燃料電池の温度が低いときほど、前記燃料電池内の水分量が多いと判断する、
    燃料電池システム。
  4. 　請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    　前記暖機時圧力制御手段は、
    　　前記燃料電池のＨＦＲが低いときほど、前記燃料電池内の水分量が多いと判断する、
    燃料電池システム。
  5. 　請求項２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であって、
    　前記燃料電池の温度に基づいて、暖機中における前記燃料電池の最大発電電力を算出する手段と
    　前記最大発電電力と前記駆動モータの要求電力とに基づいて、前記燃料電池の余剰電力を算出する手段と、
    　前記余剰電力に基づいて、暖機中に駆動モータを駆動しているときに設定可能なカソードガスの最大目標圧力を算出する手段と、
    をさらに備え、
    　前記暖機時圧力制御手段は、
    　　前記最大目標圧力が前記暖機目標圧力よりも大きいときは、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を前記最大目標圧力に制御する、
    燃料電池システム。
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