WO2016035465A1

WO2016035465A1 - 燃料電池システム及びその制御方法

Info

Publication number: WO2016035465A1
Application number: PCT/JP2015/070733
Authority: WO
Inventors: 周也川原; 茂樹長谷川; 慶大山上
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2016-03-10
Also published as: JP2016054056A; DE112015004029T5

Abstract

　燃料電池スタック（１０）と、燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路（３０）の入口に連結された水素ガス供給路（３１）と、水素ガス供給路内に配置され、燃料電池スタックに水素ガスをあらかじめ定められたインターバルでもって間欠的に供給する水素ガス供給弁（３５）であって、インターバルを維持しつつ供給流量及び供給時間を変更可能な水素ガス供給弁と、を備える。燃料電池スタックに発電不良が発生しているか否かを判別する。燃料電池スタックに発電不良が発生していると判別されたときに、供給流量を大きく設定すると共に供給時間を短く設定し、それにより、燃料電池スタックへの燃料ガス供給量をほぼ維持しつつ燃料ガス通路の入口と燃料ガス通路の出口との間の差圧を増大させる差圧増大制御を行う。

Description

燃料電池システム及びその制御方法

　本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関する。

　水素と酸素との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される水素の流量を制御する水素供給制御器と、を備え、燃料電池スタックにフラッディングが発生していると判別されたときに、燃料電池スタックに供給される水素の流量をあらかじめ定められた量だけ増大する、燃料電池システムが公知である（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、フラッディングが発生していないと判別されたときには、要求発電量に相当する流量でもって水素が燃料電池スタックに供給される。また、特許文献１の図１では、燃料電池スタック内に形成された水素通路の出口が大気に連通されている。

特開２００４－１５２５３２号公報特開２００１－１４８２５３号公報

　しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、フラッディングが発生していると判別されたときに、過剰の水素が燃料電池スタックに供給される。しかしながら、この過剰の水素は燃料電池スタックを通過して、すなわち発電に寄与することなく、燃料電池スタックから排出されてしまう。すなわち、水素を有効に利用することができない。したがって、水素を有効に利用しつつ、燃料電池スタックの性能を確実に回復することが可能な新たな手法が求められている。

　本発明の一観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生するように構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスをあらかじめ定められたインターバルでもって間欠的に供給するように構成された燃料ガス供給弁であって、前記インターバルを維持しつつ供給流量及び供給時間を変更可能な燃料ガス供給弁と、前記燃料電池スタックに発電不良が発生しているか否かを判別し、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していないと判別されたときに、前記供給流量をベース供給流量に設定すると共に前記供給時間をベース供給時間に設定する通常制御を行い、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していると判別されたときに、前記供給流量を前記ベース供給流量よりも大きく設定すると共に前記供給時間を前記ベース供給時間よりも短く設定し、それにより、前記燃料電池スタックへの燃料ガス供給量をほぼ維持しつつ前記燃料ガス通路の入口と前記燃料ガス通路の出口との間の差圧を増大させる差圧増大制御を行うように構成された、制御器と、を備えた、燃料電池システムが提供される。

　本発明の別の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスをあらかじめ定められたインターバルでもって間欠的に供給する燃料ガス供給弁であって、前記インターバルを維持しつつ供給流量及び供給時間を変更可能な燃料ガス供給弁と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックに発電不良が発生しているか否かを制御器により判別し、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していないと判別されたときに、前記供給流量をベース供給流量に設定すると共に前記供給時間をベース供給時間に設定する通常制御を前記制御器により行い、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していると判別されたときに、前記供給流量を前記ベース供給流量よりも大きく設定すると共に前記供給時間を前記ベース供給時間よりも短く設定し、それにより、前記燃料電池スタックへの燃料ガス供給量をほぼ維持しつつ前記燃料ガス通路の入口と前記燃料ガス通路の出口との間の差圧を増大させる差圧増大制御を前記制御器により行う、燃料電池システムの制御方法が提供される。

　燃料ガスを有効に利用しつつ、燃料電池スタックの発電能力を確実に回復させることができる。

燃料電池システムの全体図である。水素ガス供給弁の動作を説明するタイムチャートである。水素ガス供給弁の一例を示す図である。水素ガス供給弁の水素ガス供給流量を示すタイムチャートである。ベースデューティ比ＤＲｂのマップを示す図である。通常制御を説明するタイムチャートである。差圧増大制御を説明するタイムチャートである。本発明による第１実施例を説明するタイムチャートである。本発明による第１実施例の水素ガス供給制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。本発明による第２実施例を説明するタイムチャートである。本発明による第２実施例の水素ガス供給制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。本発明による第３実施例を説明するタイムチャートである。本発明による第３実施例の水素ガス供給制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。入口圧力抑制制御を説明するタイムチャートである。入口圧力抑制制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。

　図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向ＬＳに沿って互いに積層された複数の燃料電池単セル１０ａを備える。各燃料電池単セル１０ａは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。

　燃料電池単セル１０ａのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

　また、各燃料電池単セル１０ａ内には、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス流通路３０ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気流通路４０ａとがそれぞれ形成され、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１０ａ同士間には燃料電池単セル１０ａに冷却水を供給するための冷却水流通路５０ａが形成される。複数の燃料電池単セル１０ａの水素ガス流通路３０ａ、空気流通路４０ａ、及び冷却水流通路５０ａをそれぞれ並列に接続することにより、燃料電池スタック１０内に水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０の入口及び出口はそれぞれ、燃料電池スタック１０の積層方向ＬＳ一端に配置される。

　図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス流通路３０ａの入口及び出口と、空気流通路４０ａの出口及び入口がそれぞれ隣接配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ逆向きになっている。すなわち、燃料電池スタック１０は向流式の燃料電池スタックから構成される。図示しない別の実施例では、水素ガス流通路３０ａの入口及び出口と、空気流通路４０ａの入口及び出口がそれぞれ隣接配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ同じ向きになっている。この場合、燃料電池スタック１０は並流式の燃料電池スタックから構成される。

　水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給路３１が連結され、水素ガス供給路３１は水素ガス源、例えば水素タンク３２に連結される。水素ガス供給路３１内には上流側から順に、電磁式の遮断弁３３と、水素ガス供給路３１内の圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための電磁式の水素ガス供給弁３５と、が配置される。一方、水素ガス通路３０の出口にはパージ通路３６が連結される。パージ通路３６内には上流側から順に、バッファタンク３７と、電磁式のパージ制御弁３８とが配置される。遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁されると、水素ガス源３２内の水素ガスが水素ガス供給路３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはパージ通路３６を介してバッファタンク３７内に流入し、バッファタンク３７内に蓄積される。パージ制御弁３８は通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁３８が開弁されるとバッファタンク３７内のアノードオフガスが大気に排出される。

　図１に示される燃料電池システムＡでは、パージ通路３６の出口は大気に連通されている。すなわち、水素ガス通路３０の出口は水素ガス供給路３１に連通されず、したがって水素ガス供給路３１から分離されている。このことは、水素ガス通路３０の出口から流出するアノードオフガスが水素ガス供給路３１に戻されない、ということを意味している。図示しない別の実施例では、水素ガス通路３０の出口が水素ガス戻し通路を介して例えばレギュレータ３４と水素ガス供給弁３５との間の水素ガス供給路３１に連結される。水素ガス戻し通路内には上流側から順に、気液分離器と、気液分離器により分離された水素ガスを水素ガス供給路３１に送り込む水素ガス戻しポンプと、が配置される。この場合、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス戻し通路を介して水素ガス供給路３１に戻される。その結果、水素ガス源３２からの水素ガスと水素ガス戻し通路からの水素ガスとの混合体が水素ガス供給弁３５から燃料電池スタック１０に供給される。この図示しない別の実施例との比較において、図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス戻し通路、水素ガス戻しポンプ等が省略されているということになる。その結果、図１に示される燃料電池システムＡでは、構成が簡素化され、コストが低減され、水素ガス戻し通路等のための空間を必要としない。

　また、空気通路４０の入口には空気供給路４１が連結され、空気供給路４１は空気源、例えば大気４２に連結される。空気供給路４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス通路４６が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給路４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路４６内に流入する。カソードオフガス通路４６内にはカソードオフガス通路４６内を流れるカソードオフガスの量を制御する電磁式のカソードオフガス制御弁４７が配置される。

　更に図１を参照すると、冷却水通路５０の入口には冷却水供給路５１の一端が連結され、冷却水供給路５１の出口には冷却水供給路５１の他端が連結される。冷却水供給路５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給路５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給路５１とはラジエータバイパス通路５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路５４の出口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給路５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給路５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス通路５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

　電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する電圧計１６及び電流計１７と、水素ガス通路３０内の水素ガス濃度を検出する濃度センサ１８とが燃料電池スタック１０に設けられる。濃度センサ１８は例えば、水素ガス通路３０の入口及び出口から最も離れた位置にある燃料電池単セル１０ａ内の水素ガス流通路３０ａに設けられる。また、水素ガス通路３０の入口に隣接する水素ガス供給路３１には水素ガス通路３０の入口における圧力を検出する圧力センサ１９ｉが取り付けられ、水素ガス通路３０の出口に隣接するパージ通路３６には水素ガス通路３０の出口における圧力を検出する圧力センサ１９ｏが取り付けられる。電圧計１６、電流計１７、濃度センサ１８、及び圧力センサ１９ｉ，１９ｏの出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５にそれぞれ入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガス供給弁３５、パージ制御弁３８、コンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。

　上述の水素ガス供給弁３５は水素ガスを燃料電池スタック１０にあらかじめ定められた一定のインターバルでもって間欠的に供給する。すなわち、図２に示されるように、水素ガス供給弁３５はインターバルＩＮＴごとに開弁時間ｄｔＯＰにわたり開弁されて水素ガスを供給し、次いで閉弁時間ｄｔＣＬ（＝ＩＮＴ－ｄｔＯＰ）にわたり閉弁されて水素ガス供給を停止する。この場合、インターバルＩＮＴに対する開弁時間ｄｔＯＰの比であるデューティ比ＤＲ（＝ｄｔＯＰ／ＩＮＴ，０≦ＤＲ≦１）が変更されると、水素ガス供給弁３５から燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量が変更される。具体的には、デューティ比ＤＲが小さくなると開弁時間ｄｔＯＰ（＝ＩＮＴ・ＤＲ）が短くなって水素ガス供給弁３５から供給される水素ガス量が少なくなり、デューティ比ＤＲが大きくなると開弁時間ｄｔＯＰが長くなって水素ガス供給弁３５からの水素ガス量が多くなる。このように、開弁時間ｄｔＯＰは水素ガスの供給時間又は供給量を表している。なお、パージ制御弁３８は上述したように繰り返し開弁される。このパージ制御弁３８の開弁インターバルは水素ガス供給弁３５のインターバルＩＮＴよりもかなり長く設定されている。

　図３は、図１に示される水素ガス供給弁３５の一例を示している。図３に示される例では、水素ガス供給弁３５は水素ガス供給路３１内に互いに並列に配置された複数、例えば３つの電磁式インジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを備える。これらインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは同一である。また、図３に示される例では、水素ガスを供給するのに用いられるインジェクタの数が変更可能になっている。すなわち、インジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか１つを用いて水素ガスを供給することもできるし、インジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか２つを用いて水素ガスを供給することもできるし、インジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのすべてを用いて水素ガスを供給することもできる。なお、水素ガスを供給するのにインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうち２つ又は３つが用いられる場合には、これらインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの開弁及び閉弁動作は互いにが同期される。図示しない別の実施例では、水素ガス供給弁３５は、例えば流路面積を変更することにより供給流量を変更可能な単一のインジェクタから構成される。

　図４は、同一のデューティ比ＤＲにおいて、すなわち同一の開弁時間ｄｔＯＰにおいて、水素ガス供給弁３５から供給される水素ガス供給流量ｑＨ（例えばＮＬ／ｍｉｎ）を示している。図４において、曲線ｑＨ１は水素ガスを供給するのにインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか１つが用いられた場合の水素ガス供給流量を、曲線ｑＨ２は水素ガスを供給するのにインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか２つが用いられた場合の水素ガス供給流量を、曲線ｑＨ３は水素ガスを供給するのにインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのすべてが用いられた場合の水素ガス供給流量を、それぞれ示している。図４に示されるように、インジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか２つが用いられたときの水素ガス供給流量ｑＨ２はインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか１つが用いられたときの水素ガス供給流量ｑＨ１のほぼ２倍であり、インジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのすべてが用いられたときの水素ガス供給流量ｑＨ３は水素ガス供給流量ｑＨ１のほぼ３倍である。

　したがって、図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス供給弁３５が、燃料電池スタック１０に水素ガスをあらかじめ定められたインターバルＩＮＴでもって間欠的に供給するように構成された水素ガス供給弁であって、インターバルＩＮＴを維持しつつ供給流量ｑＨ及び供給時間ｄｔＯＰを変更可能な水素ガス供給弁から構成されているということになる。

　燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が作動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池スタック１０において電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電力が発生される。この発生された電力はモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電力は蓄電器１４に蓄えられる。

　上述したように、燃料電池スタック１０で上述の電気化学反応が起こると、燃料電池スタック１０のカソード極において水が発生する。この水の一部は空気通路４０内の空気流れにより空気通路４０内を進行し、したがって膜電極接合体２０のカソード極側の部分に水分が付与される。すなわち、カソード極部分の湿潤度合いが高められる。また、水の一部は空気通路４０内を更に進行し、空気通路４０の出口近傍に滞留する。空気通路４０の出口近傍に滞留している水の一部は次いで、膜電極接合体２０を透過し、水素ガス通路３０に移動する。図１に示される燃料電池スタック１０は上述したように、向流式の燃料電池スタックから構成される。このため、空気通路４０からの水は水素ガス通路３０の入口近傍に到る。水素ガス通路３０の入口近傍に移動した水は次いで、水素ガス通路３０内の水素ガス流れにより水素ガス通路３０内を進行し、したがって膜電極接合体２０のアノード極側の部分に水分が付与される。すなわち、アノード極側部分の湿潤度合いも高められる。更に、水の一部は水素ガス通路３０内を更に進行し、水素ガス通路３０の出口近傍に滞留する。更に、水素ガス通路３０の出口近傍に滞留している水の一部は膜電極接合体２０を透過し、空気通路４０の入口近傍に移動し、次いで空気通路４０内を進行する。このように、向流式の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの外部から水を追加することなく、膜電極接合体２０全体の湿潤度合いが高く維持される。

　ところで、種々の理由により燃料電池スタック１０の発電能力が低下する発電不良が燃料電池スタック１０に発生するおそれがある。そこで、図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０に発電不良が発生しているか否かが判別され、燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別されたときには後述する差圧増大制御が行なわれ、それにより燃料電池スタック１０の発電能力を回復させるようにしている。一方、燃料電池スタック１０に発電不良が発生していないと判別されたときには通常制御が行なわれる。次に、まず通常制御について説明する。

　通常制御では、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するのに水素ガス供給弁３５のインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうちいずれか１つが用いられると共に、デューティ比ＤＲがベースデューティ比ＤＲｂに設定される。ベースデューティ比ＤＲｂは例えばアクセルペダルの踏み込み量に応じて定まる要求発電量ＲＥＰの関数として、図５に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。

　図６には、通常制御時における水素ガス供給弁３５からの水素ガス供給流量ｑＨの変化が示されており、図６においてＳは水素ガス供給弁３５の１回の開閉弁動作により行われる水素ガス供給作用をそれぞれ示している。通常制御では図６に示されるように、各水素ガス供給作用Ｓにおいて、水素ガスは水素ガス供給流量ｑＨｎでもって水素ガス供給時間ｄｔＳｎにわたり供給される。通常制御では水素ガスを供給するのに１つのインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃが用いられるので、水素ガス供給流量ｑＨｎは図４を参照して説明した上述した水素ガス供給流量ｑＨ１に一致する。一方、水素ガス供給時間ｄｔＳｎは、上述したベースデューティ比ＤＲｂに対応するベース開弁時間ｄｔＯＰｂ（＝ＩＮＴ・ＤＲｂ）にほぼ一致する。

　更に図６に示されるように、水素ガス供給作用Ｓが開始されると、水素ガス通路３０の入口における圧力、すなわち入口圧力ＰＨｉが上昇し、水素ガス通路３０の出口における圧力、すなわち出口圧力ＰＨｏも上昇する。次いで、水素ガス供給作用Ｓが停止されると、燃料電池スタック１０で水素ガスが消費されるのに伴い、入口圧力ＰＨｉ及び出口圧力ＰＨｏが次第に低下する。このように入口圧力ＰＨｉ及び出口圧力ＰＨｏはそれぞれ振動する。なお、図６において、ＰＨｉＭは入口圧力ＰＨｉのピーク値を表している。ここで、水素ガス供給作用Ｓが開始されたときに入口圧力ＰＨｉは出口圧力ＰＨｏよりも急激に上昇し、したがって入口圧力ＰＨｉと出口圧力ＰＨｏとの間に差圧ＰＤ（＝ＰＨｉ－ＰＨｏ）が発生している。

　これに対し、差圧増大制御では、図７に示されるように、各水素ガス供給作用Ｓにおいて、水素ガスは水素ガス供給流量ｑＨｘでもって水素ガス供給時間ｄｔＳｘにわたり供給される。この場合の水素ガス供給流量ｑＨｘは通常制御における水素ガス供給流量ｑＨｎよりも大きく設定されており、水素ガス供給時間ｄｔＳｘは通常制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｎよりも短く設定されている。

　具体的には、差圧増大制御において、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するのに複数、例えば３つのインジェクタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃが用いられる。その結果、差圧増大制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｘは図４を参照して説明した上述した水素ガス供給流量ｑＨ３に一致する。ここで、通常制御における水素ガス供給流量ｑＨｎに対する差圧増大制御における水素ガス供給流量ｑＨｘの比を流量増大率ＩＲと称すると、流量増大率ＩＲはほぼ３に設定されるということになる。

　一方、差圧増大制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｘは通常制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｎを上述の流量増大率ＩＲでもって割り算することにより求められる（ｄｔＳｘ＝ｄｔＳｎ／ＩＲ）。すなわち、流量増大率ＩＲが３の場合には、差圧増大制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｘは通常制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｎの３分の１に設定される。このようにすると、１回の水素ガス供給作用Ｓにより燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量が通常制御時と差圧増大制御時とで一定に維持される。なお、差圧増大制御におけるデューティ比ＤＲｘはベースデューティ比ＤＲｂを流量増大率ＩＲでもって割り算することにより求められる（ＤＲｘ＝ＤＲｂ／ＩＲ）。

　更に図７に示されるように、差圧増大制御では、水素ガス供給作用Ｓが開始されると、入口圧力ＰＨｉが急激に上昇する。この場合、差圧増大制御における入口圧力ＰＨｉの上昇速度が通常制御における入口圧力ＰＨｉの上昇速度よりも高くなる。その結果、差圧増大制御における差圧ＰＤが通常制御における差圧ＰＤよりも大きくなる。なお、図６及び図７に示される例では、差圧増大制御における入口圧力ＰＨｉのピーク値ＰＨｉＭは通常制御におけるピーク値ＰＨｉＭにほぼ等しくなっている。

　したがって、包括的に表現すると、通常制御では、供給流量をベース供給流量に設定すると共に供給時間をベース供給時間に設定し、差圧増大制御では、供給流量をベース供給流量よりも大きく設定すると共に供給時間をベース供給時間よりも短く設定し、それにより、燃料電池スタック１０への燃料ガス供給量をほぼ維持しつつ差圧を増大させている、ということになる。

　ところで、燃料電池スタック１０で上述の電気化学反応が起こると、燃料電池スタック１０のカソード極において水が発生する。この水の一部は膜電極接合体２０を通過してアノード極ないし水素ガス通路３０に到る。ところが、アノード極ないし水素ガス通路３０に過度に多量の水が液体の形で存在すると、この過度に多量の液水によってアノード極が覆われ、水素ガスがアノード極に到達しにくくなり、したがって燃料電池スタック１０の発電性能が低下する。すなわち、フラッディングが発生する。

　そこで本発明による第１実施例では、燃料電池スタック１０にフラッディングが発生しているか否かが判別され、燃料電池スタック１０にフラッディングが生じていると判別されたときに燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別される。燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別されると、上述したように差圧増大制御が行われる。差圧増大制御が行なわれると、増大された差圧ＰＤにより、燃料電池スタック１０の水素ガス通路３０内を流通する水素ガスの流速が急激に高められる。その結果、水素ガス通路３０内の液水が良好に燃料電池スタック１０外に排出される。したがって、フラッディングが確実に解消される。この場合、上述したように、１回の水素ガス供給作用Ｓにより燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量は維持されており、したがってフラッディングを解消するために水素ガスが過剰に供給されない。すなわち、水素ガスが有効に利用されつつフラッディングが確実に解消される。

　すなわち、図８に示されるように、時間ｔａ１においてフラッディングが発生していると判別されると、差圧増大制御が開始される。次いで、時間ｔａ２においてフラッディングが解消したと判別されると、差圧増大制御が終了され、通常制御が再開される。

　フラッディングが発生していないときには、燃料電池スタック１０の出力電圧は出力電流に応じて定まる設定電圧にほぼ一致し、フラッディングが発生すると、燃料電池スタック１０の電気抵抗値がほとんど変動することなく燃料電池スタック１０の出力電圧が設定電圧から低下する。本発明による第１実施例では、燃料電池スタック１０の出力電圧があらかじめ定められたしきい電圧よりも低くかつ燃料電池スタック１０の電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値を越えていないときに燃料電池スタック１０にフラッディングが発生していると判別され、燃料電池スタック１０の出力電圧がしきい電圧よりも高いか、又は、燃料電池スタック１０の出力電圧がしきい電圧よりも低くても燃料電池スタック１０の電気抵抗値がしきい抵抗値を越えているときに燃料電池スタック１０にフラッディングが発生していないと判別される。なお、燃料電池スタック１０の電気抵抗値は燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流から算出される。あるいは、燃料電池スタック１０のインピーダンスが測定され、インピーダンスが電気抵抗値の代わりに用いられる。

　図９は本発明による第１実施例の水素ガス供給制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図９を参照すると、ステップ１００では図５のマップからベースデューティ比ＤＲｂが算出される。続くステップ１０１では、フラグＸがセットされているか否かが判別される。このフラグＸは差圧増大制御を実行すべきとき、すなわち通常制御を停止すべきときにセットされ（Ｘ＝１）、差圧増大制御を停止すべきとき、すなわち通常制御を実行すべきときにリセットされる（Ｘ＝０）。フラグＸがリセットされているときにはステップ１０２に進み、フラッディングが発生しているか否かが判別される。フラッディングが発生していないと判別されたときにはステップ１０３に進み、フラグＸがリセットされ続ける（Ｘ＝０）。続くステップ１０４では差圧増大制御が停止され続け、通常制御が実行され続ける。これに対し、フラッディングが発生していると判別されたときにはステップ１０２からステップ１０５に進み、フラグＸがセットされる（Ｘ＝１）。続くステップ１０６では通常制御が停止され、差圧増大制御が実行される。

　フラグＸがセットされたときにはステップ１０１からステップ１０７に進み、フラッディングが解消したか否かが判別される。フラッディングが解消していないと判別されたときにはステップ１０５に進み、フラグＸがセットされ続ける（Ｘ＝１）。続くステップ１０６では差圧増大制御が実行され続け、通常制御が停止され続ける。これに対し、フラッディングが解消したと判別されたときにはステップ１０７からステップ１０３に進み、フラグＸがリセットされる（Ｘ＝０）。続くステップ１０４では差圧増大制御が停止され、通常制御が実行される。

　次に、本発明による第２実施例を説明する。水素ガス通路３０内において窒素ガス濃度又は水蒸気濃度が過度に高くなると、水素ガス濃度が過度に低下し、したがって燃料電池スタック１０の発電性能が低下する。すなわち、水素ガス欠乏状態が発生する。

　そこで本発明による第２実施例では、燃料電池スタック１０に水素ガス欠乏状態が発生しているか否かが判別され、燃料電池スタック１０に水素ガス欠乏状態が生じていると判別されたときに燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別され、差圧増大制御が行われる。その結果、水素ガス通路３０内を流通する水素ガスの流速が急激に高められるので、水素ガス通路３０から窒素ガス及び水蒸気が良好に排出されると共に、水素ガスが水素ガス通路３０全体に広く供給される。したがって、この実施例でも、水素ガスが有効に利用されつつ、水素ガス欠乏状態が確実に解消される。

　すなわち、図１０に示されるように、時間ｔｂ１において水素ガス欠乏状態が発生していると判別されると、差圧増大制御が開始される。次いで、時間ｔｂ２において水素ガス欠乏状態が解消したと判別されると、差圧増大制御が終了され、通常制御が再開される。

　本発明による第２実施例では、濃度センサ１８により検出される水素ガス濃度があらかじめ定められた設定濃度よりも低いときに燃料電池スタック１０に水素ガス欠乏状態が発生していると判別され、水素ガス濃度が設定濃度よりも高いときに燃料電池スタック１０に水素ガス欠乏状態が発生していないと判別される。

　図１１は本発明による第２実施例の水素ガス供給制御を実行するルーチンを示している。図９に示されるルーチンとの相違点を説明すると、ステップ１０１においてフラグＸがリセットされているときにはステップ１０２ａに進み、水素ガス欠乏状態が発生しているか否かが判別される。水素ガス欠乏状態が発生していないと判別されたときにはステップ１０３に進み、水素ガス欠乏状態が発生していると判別されたときにはステップ１０５に進む。一方、ステップ１０１においてフラグＸがセットされているときにはステップ１０７ａに進み、水素ガス欠乏状態が解消したか否かが判別される。水素ガス欠乏状態が解消していないと判別されたときにはステップ１０５に進み、水素ガス欠乏状態が解消したと判別されたときにはステップ１０３に進む。

　次に、本発明による第３実施例を説明する。膜電極接合体２０の湿潤度合いが過度に低くなると、燃料電池スタック１０の発電性能が低下する。すなわち、ドライアップが発生する。

　そこで本発明による第３実施例では、燃料電池スタック１０にドライアップが発生しているか否かが判別され、燃料電池スタック１０にドライアップが生じていると判別されたときに燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別される。燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別されると、本発明による第３実施例ではまず、燃料電池スタック１０内の湿潤度合いを高める湿潤化制御が行なわれる。その結果、湿潤化制御により燃料電池スタック１０内、例えば水素ガス通路３０内の水分量が増大される。次いで、差圧増大制御が行われる。その結果、水素ガス通路３０内を流通する水素ガスの流速が急激に高められるので、水素ガス通路３０内の水分が水素ガス通路３０内に広く搬送される。したがって、この実施例でも、水素ガスが有効に利用されつつ、ドライアップが確実に解消される。

　すなわち、図１２に示されるように、時間ｔｃ１においてドライアップが発生していると判別されると、まず湿潤化制御が開始される。次いで、湿潤化制御が例えば一定時間にわたり行なわれると、時間ｔｃ２において湿潤化制御が終了されると共に、差圧増大制御が開始される。次いで、時間ｔｃ３においてドライアップが解消したと判別されると、差圧増大制御が終了され、通常制御が再開される。

　ドライアップが発生していないときには、燃料電池スタック１０の出力電圧は出力電流に応じて定まる設定電圧にほぼ一致し、ドライアップが発生すると、燃料電池スタック１０の電気抵抗値が増大すると共に燃料電池スタック１０の出力電圧が設定電圧から低下する。本発明による第３実施例では、燃料電池スタック１０の出力電圧があらかじめ定められたしきい電圧よりも低くかつ燃料電池スタック１０の電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値を越えているときに燃料電池スタック１０にドライアップが発生していると判別され、燃料電池スタック１０の出力電圧がしきい電圧よりも高いか、又は、燃料電池スタック１０の出力電圧がしきい電圧よりも低くても燃料電池スタック１０の電気抵抗値がしきい抵抗値を越えていないときに燃料電池スタック１０にドライアップが発生していないと判別される。あるいは、燃料電池スタック１０の出力電圧に関わらず燃料電池スタック１０の電気抵抗値があらかじめ定められたしきい抵抗値を越えているときに燃料電池スタック１０にドライアップが発生していると判別され、燃料電池スタック１０の出力電圧に関わらず燃料電池スタック１０の電気抵抗値がしきい抵抗値を越えていないときに燃料電池スタック１０にドライアップが発生していないと判別される。なお、燃料電池スタック１０の電気抵抗値は燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流から算出される。あるいは、燃料電池スタック１０のインピーダンスが測定され、インピーダンスが電気抵抗値の代わりに用いられる。

　また、本発明による第３実施例では、湿潤化制御を行うために、コンプレッサ４４から酸化剤ガス供給器から燃料電池スタック１０に供給される空気量を減少する空気減量制御と、カソードオフガス制御弁４７の開度を低減する開度低減制御との一方又は両方が行われる。空気減量制御又は開度低減制御が行なわれると、空気通路４０から流出するカソードオフガス量が減少され、したがってカソードオフガスと共に空気通路４０から流出する水分量が減少される。したがって、空気通路４０の湿潤度合いが高められる。

　上述したように図１に示される燃料電池スタック１０は向流式であるので、空気通路４０の湿潤度合いが高められると、空気通路４０から膜電極接合体２０を透過して水素ガス通路３０、特に水素ガス通路３０の入口近傍に移動する水の量が増大される。この増量された水がその後に行われる差圧増大制御により水素ガス通路３０全体に広く供給される。その結果、ドライアップが良好に解消される。

　図１３は本発明による第３実施例の水素ガス供給制御を実行するルーチンを示している。図９に示されるルーチンとの相違点を説明すると、ステップ１０１においてフラグＸがリセットされているときにはステップ１０２ｂに進み、ドライアップが発生しているか否かが判別される。ドライアップが発生していないと判別されたときにはステップ１０３に進み、ドライアップが発生していると判別されたときにはステップ１０８に進む。ステップ１０８では湿潤化制御が実行される。次いでステップ１０５に進む。一方、ステップ１０１においてフラグＸがセットされているときにはステップ１０７ｂに進み、ドライアップが解消したか否かが判別される。ドライアップが解消していないと判別されたときにはステップ１０５に進み、ドライアップが解消したと判別されたときにはステップ１０３に進む。

　なお、図１３に示されるルーチンでは、ドライアップが解消していないと判別されたときにはステップ１０７ｂからステップ１０５に進み、このとき湿潤化制御が行われない。図示しない別の実施例では、ドライアップが解消していないと判別されたときにはステップ１０７ｂからステップ１０８に進み、湿潤化制御が再度行われた後に、差圧増大制御が再度行われる。

　また、図示しない別の実施例では、上述した本発明による第１実施例から第３実施例のうち少なくとも２つが同時に行われる。

　したがって、包括的に表現すると、燃料電池スタック１０にフラッディング又は燃料ガス欠乏状態が生じているか否かが判別され、燃料電池スタック１０にフラッディング又は燃料ガス欠乏状態が生じていると判別されたときに、燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別される、ということになる。また、燃料電池スタック１０が向流式の燃料電池スタックから構成されており、燃料電池スタック１０にドライアップが生じているか否が判別され、燃料電池スタック１０にドライアップが生じていると判別されたときに、燃料電池スタック１０に発電不良が発生していると判別される、ということにもなる。

　ところで、膜電極接合体２０には、水素ガス通路３０内の圧力と空気通路４０内の圧力との差圧である通路間差圧に応じた力が作用する。一方、差圧増大制御が行なわれると、入口圧力ＰＨｉが急激に上昇し、入口圧力ＰＨｉのピーク値ＰＨｉＭが過度に高くなるおそれがある。ところが、ピーク値ＰＨｉＭが過度に高くなると、上述した通路間差圧が過度に大きくなり、したがって膜電極接合体２０に過度に大きな力が作用する。その結果、膜電極接合体２０が破損するおそれがある。

　そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、差圧増大制御時において水素ガス供給弁３５による水素ガス供給作用中に入口圧力ＰＨｉが許容上限ＵＬを越えたときには、水素ガス供給弁３５による水素ガス供給作用が中止される。その結果、入口圧力ＰＨｉが更に上昇するのが阻止され、したがって入口圧力ＰＨｉが抑制される。したがって、膜電極接合体２０に過度に大きな力が作用するのが阻止される。

　すなわち、図１４に示されるように、差圧増大制御時の時間ｔｄ１において水素ガス供給弁３５が開弁されると、すなわち水素ガス供給作用が開始されると、入口圧力ＰＨｉが上昇し始める。次いで、時間ｔｄ２において、入口圧力ＰＨｉが許容上限ＵＬを越えると、水素ガス供給弁３５が閉弁される、すなわち水素ガス供給作用が中止される。なお、図１４においてｄｔＯＰｘは、差圧増大制御における水素ガス供給時間ｄｔＳｘに対応する水素ガス供給弁３５の開弁時間を表している。すなわち、水素ガス供給作用中に入口圧力ＰＨｉが許容上限ＵＬを越えなければ、水素ガス供給作用は時間ｔｄ３まで継続されていたのである。そうすると、入口圧力ＰＨｉが許容上限ＵＬを越えたときには水素ガス供給時間ないし水素ガス供給弁３５の開弁時間が短縮されるという見方もできる。

　図１５は上述した入口圧力抑制制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図１５を参照すると、ステップ２００ではフラグＸがセットされているか否かが判別される。フラグＸがセットされているとき、すなわち差圧増大制御を実行すべきときには次いでステップ２０１に進み、水素ガス供給弁３５が開弁しているか否かが判別される。水素ガス供給弁３５が開弁しているときには次いでステップ２０２に進み、入口圧力ＰＨｉが上限値ＵＬよりも高いか否かが判別される。ＰＨｉ＞ＵＬのときには次いでステップ２０３に進み、水素ガス供給弁３５が閉弁され、したがって水素ガス供給弁３５による水素ガス供給作用が中止される。ステップ２００においてフラグＸがリセットされているとき、すなわち差圧増大制御が停止されているとき、ステップ２０１において水素ガス供給弁３５が閉弁しているとき、又は、ステップ２０２においてＰＨｉ≦ＵＬのときには処理サイクルを終了する。この場合、水素ガス供給弁３５による水素ガス供給作用は中止されない。

　上述したように、燃料電池スタック１０は複数の燃料電池単セル１０ａから構成される。したがって、燃料電池単セル１０ａの少なくとも１つに発電不良が発生していると判別されたときに、燃料電池スタック１０に発電不良が発生しているとみなすことができる。

　Ａ　　燃料電池システム
　１０　　燃料電池スタック
　１９ｉ，１９ｏ　　圧力センサ
　３０　　水素ガス通路
　３１　　水素ガス供給路
　３５　　水素ガス供給弁
　３６　　パージ通路

Claims

　燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生するように構成された燃料電池スタックと、
　前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給路と、
　前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスをあらかじめ定められたインターバルでもって間欠的に供給するように構成された燃料ガス供給弁であって、前記インターバルを維持しつつ供給流量及び供給時間を変更可能な燃料ガス供給弁と、
　前記燃料電池スタックに発電不良が発生しているか否かを判別し、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していないと判別されたときに、前記供給流量をベース供給流量に設定すると共に前記供給時間をベース供給時間に設定する通常制御を行い、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していると判別されたときに、前記供給流量を前記ベース供給流量よりも大きく設定すると共に前記供給時間を前記ベース供給時間よりも短く設定し、それにより、前記燃料電池スタックへの燃料ガス供給量をほぼ維持しつつ前記燃料ガス通路の入口と前記燃料ガス通路の出口との間の差圧を増大させる差圧増大制御を行うように構成された、制御器と、
を備えた、燃料電池システム。
　前記制御器は、前記燃料電池スタックにフラッディング又は燃料ガス欠乏状態が生じているか否かを判別し、前記燃料電池スタックにフラッディング又は燃料ガス欠乏状態が生じていると判別したときに、前記燃料電池スタックに前記発電不良が発生していると判別するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記燃料電池スタックが向流式の燃料電池スタックから構成されており、前記制御器は、前記燃料電池スタックにドライアップが生じているか否かを判別し、前記燃料電池スタックにドライアップが生じていると判別したときに、前記燃料電池スタックに前記発電不良が発生していると判別するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記制御器は、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していると判別されたときに、まず前記燃料電池スタック内の湿潤度合いを高める湿潤化制御を行い、次いで前記差圧増大制御を行うように構成されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
　前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するように構成された酸化剤ガス供給器と、前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、前記カソードオフガス通路内に配置されたカソードオフガス制御弁と、を備え、前記制御器は、前記湿潤化制御を行うために、前記酸化剤ガス供給器から前記燃料電池スタックへの酸化剤ガス供給量を減少する酸化剤ガス減量制御と、前記カソードオフガス制御弁の開度を低減する開度低減制御との一方又は両方を行うように構成されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
　前記制御器は、前記差圧増大制御時において前記燃料ガス供給弁による前記燃料ガスの供給作用中に前記燃料ガス通路の入口の圧力が許容上限を越えたときには、前記燃料ガス供給弁による前記燃料ガスの供給作用を中止するように構成されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
　前記燃料ガス供給弁が前記燃料ガス供給路内に並列に配置された複数のインジェクタを備え、前記供給流量を増大すべきときには前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給するのに用いられる前記インジェクタの数が増大される、請求項１から６までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
　前記燃料ガス通路の出口が前記燃料ガス供給路から分離されている、請求項１から７までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
　前記燃料ガス供給弁は前記インターバルごとに開弁時間にわたり開弁されて燃料ガスを供給し、次いで閉弁時間にわたり閉弁されて燃料ガス供給を停止するように構成されている、請求項１から８までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
　燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生するように構成された燃料電池スタックと、
　前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給路と、
　前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスをあらかじめ定められたインターバルでもって間欠的に供給するように構成された燃料ガス供給弁であって、前記インターバルを維持しつつ供給流量及び供給時間を変更可能な燃料ガス供給弁と、
を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
　前記燃料電池スタックに発電不良が発生しているか否かを制御器により判別し、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していないと判別されたときに、前記供給流量をベース供給流量に設定すると共に前記供給時間をベース供給時間に設定する通常制御を前記制御器により行い、前記燃料電池スタックに発電不良が発生していると判別されたときに、前記供給流量を前記ベース供給流量よりも大きく設定すると共に前記供給時間を前記ベース供給時間よりも短く設定し、それにより、前記燃料電池スタックへの燃料ガス供給量をほぼ維持しつつ前記燃料ガス通路の入口と前記燃料ガス通路の出口との間の差圧を増大させる差圧増大制御を前記制御器により行う、
燃料電池システムの制御方法。