JP2006032136A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池への出力要求値が急低下した場合に、ガス拡散層に水分が滞留して燃料電池の発電効率が低下することを抑制する。
【解決手段】 燃料電池１０と、燃料電池１０に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段４０と、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤供給量調整手段２１、４０と、燃料電池１０への燃料ガスの供給量を調整する燃料供給量調整手段２４、２５、４０と、冷却手段３０〜３３による燃料電池１０の冷却量を調整する冷却量調整手段３１、３３、４０とを設ける。冷却量調整手段３１、３３、４０は、出力要求値が急低下する場合に、燃料電池１０の冷却量を出力要求値に対応して低下させる。酸化剤供給量調整手段２１、４０あるいは燃料供給量調整手段２４、２５、４０は、出力要求値が急低下する場合に、酸化剤ガスの供給量あるいは燃料ガスの供給量の低下を遅延させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、特に要求される発電出力が頻繁に変更される車両用燃料電池システムに好適である。

例えば、電気自動車に搭載される燃料電池システムでは、車両の走行パターンに応じて燃料電池の発電電力を変更させる必要がある。具体的には、燃料電池システムの制御装置により、車両走行に必要な出力要求値を発電するために必要な水素量および酸素量を算出し、燃料電池に供給されるガス流量が必要流量になるように、水素供給装置および空気供給装置に指令が出力され、ガス流量制御が行わる。

また、燃料電池システムには、燃料電池を冷却するために冷却水等を用いた冷却系が設けられている。燃料電池は出力の変化に伴って発熱量が変化するため、冷却系による燃料電池の冷却量は、燃料電池の出力変化に伴って変化させる必要がある。

しかしながら、水素供給量、空気供給量、冷却量等の各パラメータを電力要求量に同期して変化させる構成では、登坂終了直後や急加速直後のように出力要求量が急低下する場合、直前の発電で燃料電池の空気極側で発生した水がＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極複合体）のガス拡散層に滞留するフラッディングが生じる。空気極側で発生した水は、電解質膜を透過して水素極側のガス拡散層にも滞留する。この結果、ガス拡散層が水で覆われ反応ガスの拡散が阻害され、燃料電池の発電効率が低下するという問題が生じる。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池への出力要求値が急低下した場合に、ガス拡散層に水分が滞留して燃料電池の発電効率が低下することを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（４０）と、出力要求値に基づいて燃料電池（１０）への酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤供給量調整手段（２１、４０）と、出力要求値に基づいて燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調整する燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）と、出力要求値に基づいて燃料電池（１０）を冷却する冷却手段（３０〜３３）による冷却量を調整する冷却量調整手段（３１、３３、４０）とを備え、
冷却量調整手段（３１、３３、４０）は、所定時点における出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、所定時点で燃料電池（１０）の冷却量を出力要求値に対応して低下させ、酸化剤供給量調整手段（２１、４０）および燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点における出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、酸化剤ガスの供給量および燃料ガスの供給量の双方を所定時点から所定時間経過後に出力要求値に対応して低下させることを特徴としている。

このように、燃料電池（１０）の出力要求値が急低下した後、燃料ガス供給量および酸化剤ガス供給量を所定時間だけ供給量が過剰な状態で供給することで、余剰の燃料ガスおよび酸化剤ガスによるガス流れで燃料電池（１０）内部に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池（１０）の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池（１０）の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。

また、所定時間、燃料ガスと酸化剤ガスが出力要求値に対して過剰に供給される。この所定時間に発電量を低下させずに維持することにより、燃料電池（１０）は冷却量に対して発電による発熱量が大きくなり、燃料電池（１０）内部の温度が一時的に上昇する。この結果、燃料電池（１０）内部における飽和水蒸気分圧を上昇させ、燃料電池（１０）内部の水分蒸発を促進することができる。

また、燃料ガスと酸化剤ガスを過剰に供給したことによる燃料電池の発熱が、燃料電池（１０）内部に伝導するためには若干の時間が必要となる。

そこで、請求項２に記載の発明では、酸化剤供給量調整手段（２１、４０）は、所定時点から第１の所定時間経過後に酸化剤ガスの供給量を出力要求値に対応して低下させ、燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、第１の所定時間より長い第２の所定時間経過後に燃料ガスの供給量を出力要求値に対応して低下させ、この第１の所定時間に発電量を低下させずに維持することを特徴としている。これにより、第１の所定時間が経過してから第２の所定時間が経過するまでの間に燃料電池（１０）内部に蓄積した熱を利用して、過剰に供給される酸化剤ガスで燃料電池（１０）の酸化剤極側通路を無駄なく乾燥させることができる。

さらに、請求項３に記載の発明では、燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点から第１の所定時間経過後に燃料ガスの供給量を出力要求値に対応して低下させ、酸化剤供給量調整手段（２１、４０）は、第１の所定時間より長い第２の所定時間経過後に酸化剤ガスの供給量を出力要求値に対応して低下させ、この第１の所定時間に発電量を低下させずに維持することを特徴としている。これにより、第１の所定時間が経過してから第２の所定時間が経過するまでの間に燃料電池（１０）内部に蓄積した熱を利用して、過剰に供給される燃料ガスで燃料電池（１０）の燃料極側通路を無駄なく乾燥させることができる。

また、請求項４に記載の発明では、冷却量調整手段（３１、３３、４０）は、所定時点における出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、所定時点で燃料電池（１０）の冷却量を出力要求値に対応して低下させ、酸化剤供給量調整手段（２１、４０）および燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点における出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、酸化剤ガスの供給量あるいは燃料ガスの供給量のいずれか一方を、所定時点で出力要求値に対応して低下させ、他方を所定時点から所定時間経過後に出力要求値に対応して低下させることを特徴としている。

このように、燃料電池（１０）の出力要求値が急低下した後、燃料ガス供給量および酸化剤ガス供給量のいずれか一方を所定時間だけ供給量が過剰な状態で供給することで、余剰の燃料ガスあるいは酸化剤によるガス流れで燃料電池（１０）内部に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池（１０）の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池（１０）の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。酸化剤ガスのみを所定時間だけ供給量が過剰な状態で供給する場合には、燃料ガスの消費量を抑えることができる。

また、請求項５に記載の発明では、酸化剤供給量調整手段（２１、４０）および燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点における出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、酸化剤ガスの供給量あるいは燃料ガスの供給量のいずれか一方を、所定時点で出力要求値に対応して低下させ、他方を所定時点で増大させるとともに所定時点から所定時間経過後に出力要求値に対応して低下させることを特徴としている。このように、燃料ガス供給量あるいは酸化ガス供給量のいずれか一方の供給量の低下を遅延させる際に、ガス供給量を一時的に増大させることで、燃料電池（１０）内部の乾燥を促進させ、より短時間で乾燥させることができる。

また、請求項６に記載の発明では、冷却手段（３０〜３３）は、燃料電池（１０）に熱媒体を循環させるポンプ（３１）と、熱媒体を介して燃料電池（１０）の熱を外部に放出する放熱器（３２）と、放熱器（３２）に送風する送風ファン（３３）とを備えており、冷却量調整手段は、ポンプ（３１）による熱媒体の循環量の調整、あるいはファン（３３）による送風量の調整のいずれか一方を行うことで燃料電池（１０）の冷却量を調整することを特徴としている。これにより、ポンプ（３１）による熱媒体の循環量の調整のみを行う場合には、送風ファン（３３）の消費電力を低減でき、送風ファン（３３）の送風量調整のみを行う場合には、ポンプ（３１）の消費電力を低減できる。

また、請求項７に記載の発明のように、出力要求値の低下率が所定値を超える場合とは、所定時点から３０秒以内で設定される所定時間経過後における出力要求値が、所定時点における出力要求値の１／２以下になる場合とすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０、空気供給装置２１、水素供給装置２３、冷却系３０〜３３、制御装置（ＥＣＵ）４０等を備えている。

本実施形態の燃料電池（ＦＣスタック）１０は、固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。図２にセルの構造を示す。各セルは、図２に示すように、電解質膜１が一対の電極２、３で挟まれた構成となっている。電解質膜１および電極２、３としては、例えば、固体高分子膜１の両面に電極（水素極２、酸素極３）が接合されたＭＥＡ（Membrane Electrode assembly）が用いられている。電極２、３は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極２は酸素が供給される酸素極（カソード）として構成され、他方の電極３は水素が供給される水素極（アノード）として構成されている。電解質膜１および電極２、３は、例えば、水素や酸素といった反応ガスの供給通路を兼ねているセパレータ４、５によって狭持されている。

燃料電池１０では、電極２、３に水素と酸素が供給されると、以下の水素と酸素の電気化学反応（起電反応）が起こり、電気エネルギが発生する。なお、水素と酸素がそれぞれ本発明の燃料ガスと酸化剤ガスに相当し、水素極と酸素極が燃料極と酸化剤極に相当している。

水素極（アノード）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
酸素極（カソード）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全体 Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０は、図示しないインバータを介して走行用モータ（負荷）１１に電力を供給するように構成されている。さらに燃料電池１０は、図示しない２次電池や補機類等の電気機器に電力を供給する。

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０が設けられている。空気経路２０には空気供給装置２１より空気が供給される。空気供給装置２１としては、エアコンプレッサを用いることができる。コンプレッサ２１の回転数を変動させることで、燃料電池１０への空気供給量（酸素供給量）を調整することができる。コンプレッサ２１は制御装置４０からの制御信号に基づいて作動するように構成されており、コンプレッサ２１、制御装置４０が本発明の酸化剤供給量調整手段に相当している。

燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極側に水素を供給するための水素経路２２が設けられている。水素経路２２には水素供給装置２３より水素が供給される。水素供給装置２３としては例えば高圧水素タンクもしくは、水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。水素経路２２には、シャットバルブ２４および水素レギュレータ２５が設けられている。燃料電池１０に水素を供給する際には、シャットバルブ２４を開き、水素レギュレータ２５によって所望の圧力にした水素を燃料電池１０に供給する。水素レギュレータ２５の開度を調整することで、燃料電池１０への水素供給量を調整することができる。シャットバルブ２４と水素レギュレータ２５は制御装置４０からの制御信号に基づいて作動するように構成されており、シャットバルブ２４、水素レギュレータ２５、制御装置４０が本発明の燃料供給量調整手段に相当している。

燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。固体高分子型燃料電池では、膜の耐熱温度や効率の点から８０℃前後で運転する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却するための冷却系３０〜３３が設けられている。

冷却系３０〜３３は、燃料電池１０に熱媒体としての冷却水を循環させる冷却水経路（熱媒体経路）３０、冷却水を圧送するウォータポンプ３１、冷却水の放熱を行うラジエータ（放熱器）３２等から構成されている。冷却水としては、エチレングリコールと水の混合溶液を用いることができる。

ウォータポンプ３１を作動させることで、冷却水経路３０を介して燃料電池１０に冷却水を循環させることができる。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ３２で系外に排出される。ラジエータ３２には送風ファン３３が設けられており、送風ファン３３を回転させることでラジエータ３２に送風し、ラジエータ３２より熱を外気に放出させることができる。ウォータポンプ３１と送風ファン３３は制御装置４０からの制御信号に基づいて作動するように構成されており、ウォータポンプ３１、送風ファン３３、制御装置４０が本発明の冷却量調整手段に相当している。

制御装置４０は、燃料電池システムにおける各種制御を行うものである。制御装置４０は、例えば、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有する一般的なマイクロコンピュータを用いることができる。制御装置４０は、本発明の出力要求値取得手段に相当し、図示しないアクセルの開度信号が入力され、このアクセル開度に基づいて燃料電池１０に対する出力要求値（要求発電量）を演算するように構成されている。また、制御装置４０は、空気供給装置２１、シャットバルブ２４、レギュレータ２５、ウォータポンプ３１、送風ファン３３等に対して、作動指示信号（制御信号）を出力するようになっている。

制御装置４０は、燃料電池１０の出力要求値の変化に対応して、燃料電池１０への空気供給量と水素供給量を調整する。具体的には、制御装置４０は、ユーザの操作するアクセル開度から燃料電池１０への出力要求値を演算し、燃料電池１０が出力要求値を出力するための必要空気供給量および必要水素供給量を演算する。必要空気供給量および必要水素供給量は、燃料電池１０が出力要求値を発電するために必要なガス供給量であり、一義的に算出することができる値である。制御装置４０は、必要空気供給量に応じて空気供給装置２１の回転数を調整し、必要水素供給量に応じてレギュレータ２５の開度を調整して、水素供給装置２３の水素供給量との空気供給量を調整する。これにより、燃料電池１０の発電量を出力要求値とすることができる。

また、制御装置４０は、燃料電池１０の出力要求値の変化に対応して、ウォータポンプ３１の回転数、送風ファン３３の回転数を制御する。具体的には、燃料電池１０は、発電量の増大に伴って発熱量が増大し、発電量の減少に伴って発熱量が減少する。そこで、ウォータポンプ３１の回転数あるいは送風ファン３３の回転数の少なくとも一方を調整することで、燃料電池１０の冷却量を調整する。ウォータポンプ３１の回転数を調整することで、冷却水の循環量を調整することができ、これにより燃料電池１０の冷却量を調整することができる。また、送風ファン３３の回転数を調整することで、ラジエータ３２への送風量を調整することができ、これによりラジエータ３２の放熱量を調整し、燃料電池１０の冷却量を調整することができる。

次に、本第１実施形態の燃料電池システムのフラッディング防止制御について図３に基づいて説明する。図３は、本第１実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。

制御装置４０は、燃料電池１０の出力要求値が急低下する場合、すなわち燃料電池１０の出力要求値の低下率が所定値を超える場合にフラッディング防止制御を行う。「出力要求値の低下率が所定値を超える場合」とは、出力要求値の急低下したか否かの判定を行う所定時点の出力要求値Ｐ０に対して、所定時点から所定時間後における出力要求値Ｐ１が１／２以下となる場合である。所定時間は３０秒以内で設定することができる。

制御装置４０は図３における所定時点において、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。冷却量の低下は、ウォータポンプ回転数とファン回転数をともに低下させることで行う。このとき、水素供給量と空気供給量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、そのまま変化させない。

第１の所定時間ｔ１経過後に水素供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要水素供給量に低下させる。このとき、空気供給量はそのまま変化させない。そして、第１の所定時間ｔ１より長い第２の所定時間ｔ２経過後、空気供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要空気供給量に低下させる。

以上のフラッディング防止制御では、冷却系３０〜３３による燃料電池１０の冷却量を燃料電池１０の出力要求値の急低下に同期させて低下させた後、第１の所定時間ｔ１だけ水素供給量の低下を遅らせ、第２の所定時間ｔ２だけ空気供給量の低下を遅らせている。

このように、燃料電池１０の出力要求値が急低下した後、第１の所定時間ｔ１だけ供給量が過剰な状態で水素を供給することで、余剰の水素によるガス流れで燃料電池１０内部の水素極側通路に滞留した水を押し出すことができる。同様に、燃料電池１０の出力要求値が急低下した後、第２の所定時間ｔ２だけ供給量が過剰な状態で空気を供給することで、余剰の空気によるガス流れで燃料電池１０内部の空気極側通路に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池１０の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池１０の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。

また、第１の所定時間ｔ１の間、燃料電池１０の出力要求値に対して水素と空気（酸素）が過剰に供給される。この所定時間ｔ１の間に発電量を低下させずに維持することで、燃料電池１０は冷却量に対して発電による発熱量が大きくなり、燃料電池１０内部の温度が一時的に上昇する。この結果、燃料電池１０内部における飽和水蒸気分圧を上昇させ、燃料電池１０内部の水分蒸発を促進することができる。

さらに、上述した第１の所定時間ｔ１における発電時の熱が燃料電池１０内部に伝導するためには若干の時間が必要となる。そこで、本実施形態のように、水素供給量の低下を遅延させる第１の所定時間ｔ１より空気供給量の低下を遅延させる第２の所定時間ｔ２を長くすることで、ｔ２−ｔ１の間に燃料電池１０内部に蓄積した熱を利用して、過剰に供給される空気で燃料電池１０の空気極側通路を無駄なく乾燥させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較してフラッディング防止制御の内容が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、本第２実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。制御装置４０は図４に示すように、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。このとき、水素供給量と空気供給量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、そのまま変化させない。

第１の所定時間ｔ１経過後に空気供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要空気供給量に低下させる。このとき、空気供給量はそのまま変化させない。そして、第１の所定時間ｔ１より長い第２の所定時間ｔ２経過後、水素供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要水素供給量に低下させる。

この本第２実施形態の構成によっても、燃料電池１０の出力要求値が急低下した後、第２の所定時間ｔ２だけ供給量が過剰な状態で水素を供給し、第１の所定時間ｔ１だけ供給量が過剰な状態で空気を供給することで、余剰の水素および空気によるガス流れで燃料電池１０内部に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池１０の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池１０の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。

また、第１の所定時間ｔ１の間、燃料電池１０の出力要求値に対して水素と空気（酸素）が過剰に供給されるので、燃料電池１０内部の温度が一時的に上昇し、これにより燃料電池１０内部における飽和水蒸気分圧を上昇させ、燃料電池１０内部の水分蒸発を促進することができる。さらに、本第２実施形態のように、空気供給量の低下を遅延させる第１の所定時間ｔ１より水素供給量の低下を遅延させる第２の所定時間ｔ２を長くすることで、ｔ２−ｔ１の間に燃料電池１０内部に蓄積した熱を利用して、過剰に供給される水素で燃料電池１０の水素極側通路を無駄なく乾燥させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較してフラッディング防止制御の内容が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、本第３実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。御装置４０は図５に示すように、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。このとき、水素供給量と空気供給量と発電量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、そのまま変化させない。そして、所定時間ｔ１経過後に空気供給量および水素供給量および発電量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要空気供給量に低下させる。

この本第３実施形態の構成によっても、燃料電池１０の出力要求値が急低下した後、所定時間ｔ１だけ供給量が過剰な状態で水素と空気を供給することで、余剰の水素および空気によるガス流れで燃料電池１０内部に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池１０の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池１０の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。

また、所定時間ｔ１の間、燃料電池１０の出力要求値に対して水素と空気（酸素）が過剰に供給され、さらに所定時間ｔ１の間に発電量を低下させずに維持するので、冷却量が不足するために燃料電池１０内部の温度が一時的に上昇し、これにより燃料電池１０内部における飽和水蒸気分圧を上昇させ、燃料電池１０内部の水分蒸発を促進することができる。さらに、本第３実施形態のように、空気供給量と水素供給量の低下を同じ所定時間ｔ１だけ遅延させることで、燃料電池１０内部に蓄積した熱を利用して、過剰に供給される水素と空気で燃料電池１０の水素極側通路および空気極側通路を無駄なく乾燥させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図６に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態に比較してフラッディング防止制御の内容が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図６は、本第４実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。制御装置４０は図６に示すように、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。さらに燃料電池１０の出力要求値に同期させて水素供給量を低下させる。このとき、空気供給量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、そのまま変化させない。そして、所定時間ｔ１経過後に空気供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要空気供給量に低下させる。

この本第４実施形態の構成では、燃料電池１０の出力要求値が急低下した後、所定時間ｔ１だけ供給量が過剰な状態で空気を供給することで、余剰の空気によるガス流れで燃料電池１０内部の空気極側通路に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池１０の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池１０の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。また、本第４実施形態では、水素供給量の低下を遅延させないので、水素の消費量を抑えることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図７に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第４実施形態に比較して、空気供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要空気供給量に低下させる前に増大させる点が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、本第５実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。本第５実施形態では図７に示すように、制御装置４０は、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。さらに燃料電池１０の出力要求値に同期させて水素供給量を低下させる。このとき、空気供給量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、逆に所定量増大させる。そして、所定時間ｔ１経過後に増大させた空気供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要空気供給量に低下させる。

この本第５実施形態の構成においても、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本第５実施形態のように所定時間ｔ１だけ空気供給量を増大させることで、燃料電池１０の空気極側通路の乾燥を促進させ、より短時間で乾燥させることができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図８に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第４実施形態に比較して、空気供給量に代えて、水素供給量の低下のみを遅延させる点が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図８は、本第６実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。本第６実施形態では図８に示すように、制御装置４０は、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。さらに燃料電池１０の出力要求値に同期させて空気供給量を低下させる。このとき、水素供給量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、そのまま変化させない。そして、所定時間ｔ１経過後に水素供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要水素供給量に低下させる。

この本第４実施形態の構成では、燃料電池１０の出力要求値が急低下した後、所定時間ｔ１だけ供給量が過剰な状態で水素を供給することで、余剰の水素によるガス流れで燃料電池１０内部の水素極側通路に滞留した水を押し出すことができる。これにより、ガス拡散層に水分が滞留することを抑制でき、燃料電池１０の出力要求値が急低下した場合に、燃料電池１０の発電効率が低下することを抑制することが可能となる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図９に基づいて説明する。本第７実施形態は、上記第６実施形態に比較して、水素供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要水素供給量に低下させる前に増大させる点が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図９は、本第７実施形態のフラッディング防止制御の内容を示すタイミングチャートである。本第７実施形態では図９に示すように、制御装置４０は、燃料電池１０の出力が急低下する場合と判定した場合に、燃料電池１０の出力要求値に同期させて燃料電池１０の冷却量を低下させる。さらに燃料電池１０の出力要求値に同期させて空気供給量を低下させる。このとき、水素供給量は燃料電池１０の出力要求値に同期させず、逆に所定量増大させる。そして、所定時間ｔ１経過後に水素供給量を燃料電池１０の出力要求値に対応する必要水素供給量に低下させる。

この本第７実施形態の構成においても、上記第６実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本第７実施形態のように所定時間ｔ１だけ水素供給量を増大させることで、燃料電池１０の水素極側通路の乾燥を促進させ、より短時間で乾燥させることができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、燃料電池１０の冷却量の調整は、ウォータポンプ３１の回転数調整による冷却水流量の調整と、送風ファン３３の回転数調整による送風量の調整の双方で行ったが、ウォータポンプ３１の回転数調整あるいは送風ファン３３の回転数調整の一方のみを行うことで燃料電池１０の冷却量の調整を行ってもよい。ウォータポンプ３１の回転数調整のみを行う場合には、送風ファン３３の消費電力を低減でき、送風ファン３３の回転数調整のみを行う場合には、ウォータポンプ３１の消費電力を低減できる。

上記第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。 図１の燃料電池の概念図である。 第１実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。 第２実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。 第３実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。 第４実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。 第５実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。 第６実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。 第７実施形態のフラッディング防止制御を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、２１…空気供給装置、２３…水素供給装置、２４…シャットバルブ、２５…レギュレータ、３１…ウォータポンプ、３２…ラジエータ（放熱器）、３３…送風ファン、４０…制御装置。

Claims (7)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（４０）と、
   前記出力要求値に基づいて前記燃料電池（１０）への酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤供給量調整手段（２１、４０）と、
   前記出力要求値に基づいて前記燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調整する燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）と、
   前記出力要求値に基づいて前記燃料電池（１０）を冷却する冷却手段（３０〜３３）による冷却量を調整する冷却量調整手段（３１、３３、４０）とを備え、
   前記冷却量調整手段（３１、３３、４０）は、所定時点における前記出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、前記所定時点で燃料電池（１０）の冷却量を前記出力要求値に対応して低下させ、
   前記酸化剤供給量調整手段（２１、４０）および前記燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点における前記出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、前記酸化剤ガスの供給量および前記燃料ガスの供給量の双方を前記所定時点から所定時間経過後に前記出力要求値に対応して低下させることを特徴とする燃料電池システム
2. 前記酸化剤供給量調整手段（２１、４０）は、前記所定時点から第１の所定時間経過後に前記酸化剤ガスの供給量を前記出力要求値に対応して低下させ、前記燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、前記第１の所定時間より長い第２の所定時間経過後に前記燃料ガスの供給量を前記出力要求値に対応して低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、前記所定時点から第１の所定時間経過後に前記燃料ガスの供給量を前記出力要求値に対応して低下させ、前記酸化剤供給量調整手段（２１、４０）は、前記第１の所定時間より長い第２の所定時間経過後に前記酸化剤ガスの供給量を前記出力要求値に対応して低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（４０）と、
   前記出力要求値に基づいて前記燃料電池（１０）への酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤供給量調整手段（２１、４０）と、
   前記出力要求値に基づいて前記燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調整する燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）と、
   前記出力要求値に基づいて前記燃料電池（１０）を冷却する冷却手段（３０〜３３）による冷却量を調整する冷却量調整手段（３１、３３、４０）とを備え、
   前記冷却量調整手段（３１、３３、４０）は、所定時点における前記出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、前記所定時点で燃料電池（１０）の冷却量を前記出力要求値に対応して低下させ、
   前記酸化剤供給量調整手段（２１、４０）および前記燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点における前記出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、前記酸化剤ガスの供給量あるいは前記燃料ガスの供給量のいずれか一方を、前記所定時点で前記出力要求値に対応して低下させ、他方を前記所定時点から所定時間経過後に前記出力要求値に対応して低下させることを特徴とする燃料電池システム
5. 前記酸化剤供給量調整手段（２１、４０）および前記燃料供給量調整手段（２４、２５、４０）は、所定時点における前記出力要求値の低下率が所定値を超える場合に、前記酸化剤ガスの供給量あるいは前記燃料ガスの供給量のいずれか一方を、前記所定時点で前記出力要求値に対応して低下させ、他方を前記所定時点で増大させるとともに前記所定時点から所定時間経過後に前記出力要求値に対応して低下させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム
6. 前記冷却手段（３０〜３３）は、前記燃料電池（１０）に熱媒体を循環させるポンプ（３１）と、前記熱媒体を介して前記燃料電池（１０）の熱を外部に放出する放熱器（３２）と、前記放熱器（３２）に送風する送風ファン（３３）とを備えており、
   前記冷却量調整手段は、前記ポンプ（３１）による前記熱媒体の循環量の調整、あるいは前記ファン（３３）による送風量の調整のいずれか一方を行うことで前記燃料電池（１０）の冷却量を調整することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記出力要求値の低下率が所定値を超える場合とは、前記所定時点から３０秒以内で設定される所定時間経過後における前記出力要求値が、前記所定時点における前記出力要求値の１／２以下になる場合であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
   

Images