JP2016009518A - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ターボ式ポンプを採用した場合であっても、燃料電池がドライアップ状態となるのを防止できる燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池２と、ターボ式ポンプ１０と、酸化剤ガス供給流路４２と、酸化剤オフガス排出流路４６と、酸化剤ガス供給流路４２と、分岐流路４８と、分岐弁５２と、燃料電池２の発電電力を制御する制御装置６と、を備えた燃料電池システム１の運転方法であって、制御装置６は、ターボ式ポンプ１０により供給可能な酸化剤ガスの最低通流量に対応した所定発電電力以下の極低発電電力が要求される極低発電モードにおいて、ターボ式ポンプ１０および分岐弁５２を制御して燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムの運転方法に関するものである。
燃料電池は、アノードに燃料ガスとして水素が供給され、カソードに酸化剤ガスとして空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを循環させるアノード側流路と、酸化剤ガスを循環させるカソード側流路と、を備えている。カソード側流路には、酸化剤オフガスの水素を希釈したり、カソード側流路の圧力を調節したりするために、バイパス流路（分岐流路）を設けることがある（例えば特許文献１および２参照）。
ところで、燃料電池の電解質膜が過度に乾燥した状態（以下、「ドライアップ状態」という。）になると、燃料電池の発電性能が低下し、ひいては、電解質膜の劣化に繋がることが知られている。したがって、燃料電池システムは、燃料電池の発電量に対応してカソード側流路内を通流する酸化剤ガスの通流量を適切に制御することで、ドライアップ状態とならないようにしている。
また、燃料電池システムには、カソード側流路に、酸化剤ガスを循環させるためのポンプが設けられている。ポンプとしては、いわゆるリショルム式ポンプやターボ式ポンプ等、種々の形式のポンプが採用される。リショルム式ポンプの場合、燃料電池の発電量に対応して、カソード側流路内を通流する酸化剤ガスの通流量を容易に制御することができるとされている。
特開２００４−１７２０２７号公報 特開平６−１１１８４０号公報
ターボ式ポンプは、回転時の静粛性やコスト等で優れているが、最低回転数が所定値に制限される。このため、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムは、リショルム式ポンプを採用した燃料電池システムと比較して、特に低電力を起こす場合等、ポンプの低回転時において酸化剤ガスの通流量を所定通流量以下に制御するのが困難である。すなわち、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムでは、特に低電力の発生時において、燃料電池に対して過剰に酸化剤ガスが流入し、ドライアップ状態となるおそれがあった。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みたものであって、ターボ式ポンプを採用した場合であっても、燃料電池がドライアップ状態となるのを防止できる燃料電池システムの運転方法の提供を課題とする。
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池（例えば、後述の実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池に対して前記酸化剤ガスを供給するターボ式ポンプ（例えば、後述の実施形態におけるターボ式ポンプ１０）と、前記ターボ式ポンプにより前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路（例えば、後述の実施形態における酸化剤ガス供給流路４２）と、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路（例えば、後述の実施形態における酸化剤オフガス排出流路４６）と、前記酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤オフガス排出流路とを接続する分岐流路（例えば、後述の実施形態における分岐流路４８）と、前記分岐流路を通流する前記酸化剤ガスの通流量を調節可能な分岐弁（例えば、後述の実施形態における分岐弁５２）と、前記燃料電池の発電電力を制御する制御部（例えば、後述の実施形態における制御装置６）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述の実施形態における燃料電池システム１）の運転方法であって、前記制御部は、前記ターボ式ポンプにより供給可能な前記酸化剤ガスの最低通流量に対応した所定発電電力（例えば、後述の実施形態における所定発電電流Ｉａ）以下の極低発電電力が要求される極低発電モードにおいて、前記ターボ式ポンプおよび前記分岐弁を制御して前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴としている。
本発明によれば、制御部は、極低発電モードにおいて、ターボ式ポンプおよび分岐弁を制御して燃料電池に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、例えば分岐弁を開放するように制御し、分岐流路に酸化剤ガスを通流させることにより、燃料電池に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できる。また、バッテリ等の蓄電手段や補機等により蓄電や電力消費等が可能な場合には、例えば分岐弁を閉塞するように制御し、酸化剤ガスの最低通流量に対応した所定発電電力を燃料電池に起こさせるとともに、所定発電電力と要求される極低発電電力との差分の電力（すなわち余剰電力）を蓄電や消費等することができる。したがって、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、前記ターボ式ポンプの回転数を最低回転数にするとともに、前記分岐弁を制御することにより、前記燃料電池に前記極低発電電力を起こさせることを特徴としている。
本発明によれば、ターボ式ポンプの回転数を最低回転数にするとともに、分岐弁を制御することにより、燃料電池に極低発電電力を起こさせるので、燃料電池に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できる。したがって、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池の運転方法は、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の発電電力が蓄電される蓄電手段（例えば、後述の実施形態における高圧バッテリ１１）を備え、前記制御部は、前記極低発電モードにおいて前記蓄電手段が蓄電可能な場合には、前記ターボ式ポンプの回転数を最低回転数にするとともに、前記分岐弁により前記分岐流路を閉鎖して前記燃料電池に前記所定発電電力を起こさせ、前記所定発電電力の一部を前記蓄電手段に蓄電させることを特徴としている。
本発明によれば、燃料電池に所定発電電力を起こさせ、所定発電電力の一部（すなわち余剰電力）を蓄電手段に蓄電させるので、生成水により燃料電池の電解質膜を湿潤状態とすることができる。したがって、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池の運転方法は、前記燃料電池システムは、前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段（例えば、後述の実施形態におけるバッテリ容量検出部１２）を備え、前記制御部は、前記蓄電量に対応して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴としている。
本発明によれば、制御部が蓄電量に対応して、燃料電池に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、余剰電力を蓄電手段に適切に蓄電させることができる。したがって、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池がドライアップ状態となるのを確実に防止できる。
また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池の運転方法は、前記酸化剤オフガス排出流路には、前記酸化剤オフガスの通流量を調節するとともに、前記燃料電池の内部圧力を調節可能な圧力調節弁（例えば、後述の実施形態における圧力調節弁５０）が設けられ、前記圧力調節弁は、前記酸化剤オフガス排出流路と前記分岐流路との接続部分よりも、前記酸化剤オフガスの通流方向における上流側に配置され、前記制御部は、前記分岐弁および前記圧力調節弁の少なくともいずれか一方を制御して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴としている。
本発明によれば、分岐弁および圧力調節弁の少なくともいずれか一方を制御して、燃料電池に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、分岐弁のみを制御する場合と比較して、燃料電池に供給される酸化剤ガスの通流量をより精度よく調節できる。したがって、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池がドライアップ状態となるのを確実に防止できる。
また、圧力調節弁は、酸化剤オフガス排出流路と分岐流路との接続部分よりも、酸化剤オフガスの通流方向における上流側に配置されているので、圧力調節弁の開度を絞った場合であっても、酸化剤ガスが分岐流路を通流することにより、酸化剤ガス供給流路および酸化剤オフガス排出流路の圧力が上昇するのを抑制できる。したがって、ターボ式ポンプがいわゆるサージ状態となるのを防止して、安定して駆動することができる。
また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池の運転方法は、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段（例えば、後述の実施形態における乾燥状態検出部１５）を備え、前記制御部は、前記乾燥状態に対応して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴としている。
本発明によれば、燃料電池システムが乾燥状態検出手段を備え、制御部は、乾燥状態に対応して、燃料電池に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、燃料電池がドライアップ状態となるのを確実に防止できる。
本発明によれば、制御部は、極低発電モードにおいて、ターボ式ポンプおよび分岐弁を制御して燃料電池に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、例えば分岐弁を開放するように制御し、分岐流路に酸化剤ガスを通流させることにより、燃料電池に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できる。また、バッテリ等の蓄電手段や補機等により蓄電や電力消費等が可能な場合には、例えば分岐弁を閉塞するように制御し、酸化剤ガスの最低通流量に対応した所定発電電力を燃料電池に起こさせるとともに、所定発電電力と要求される極低発電電力との差分の電力（すなわち余剰電力）を蓄電や消費等することができる。したがって、ターボ式ポンプを採用した燃料電池システムにおいて、燃料電池がドライアップ状態となるのを防止できる。
本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 ターボ式ポンプの特性を示すグラフである。 第一実施形態に係る燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。 第一実施形態に係る燃料電池システムの分岐弁および圧力調節弁の開閉と酸化剤ガスの通流量との関係を示す概略図である。 第二実施形態に係る燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。 第三実施形態に係る燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。 他の実施形態に係る燃料電池システムの分岐弁の開閉と酸化剤ガスの通流量との関係を示す概略図である。
以下に、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。
以下では、まず燃料電池システムの概略構成について説明したあと、燃料電池システムの運転方法について説明する。
図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。
図１に示すように、第一実施形態の燃料電池システム１は、例えば不図示の燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池２と、ターボ式ポンプ１０と、燃料電池２のアノード２ａに燃料ガスである水素を供給するためのアノード側流路３と、燃料電池２のカソード２ｂに酸化剤ガスである空気を供給するためのカソード側流路４と、燃料電池２で発生させた電力が充電（蓄電）される高圧バッテリ１１（請求項の「蓄電手段」に相当。）と、これら各構成部品を統括的に制御する制御装置６（請求項の「制御部」に相当。）と、を主に備えている。
燃料電池２は、セルを複数積層して構成されている。セルは、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という。）２ｃをアノード２ａとカソード２ｂとで挟み込むことで形成される。なお、図示の都合上、図１では一つのセルのみ示す。燃料電池２には、アノード２ａに燃料ガスとして水素が供給され、カソード２ｂに酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される。これにより、燃料電池２は、アノード２ａで発生した水素イオンが電解質膜２ｃを通過してカソード２ｂまで移動し、カソード２ｂで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
燃料電池２は、不図示のコンタクタや電圧調整器（ＶＣＵ）等を介して、高圧バッテリ１１と接続されている。高圧バッテリ１１は、燃料電池２で発生した電力を充電（蓄電）可能となっている。燃料電池２および高圧バッテリ１１は、燃料電池車両の電動モータや不図示の補機類等の外部負荷と電気的に接続されており、電力消費可能となっている。
アノード側流路３は、アノード２ａに供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路３２と、アノード２ａから排出される燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路３６と、を有する。燃料ガス供給流路３２は、水素供給タンク３１に接続されている。
燃料ガス供給流路３２には、不図示の遮断弁やインジェクタ、エゼクタ等が接続されている。燃料ガス供給流路３２は、燃料電池２内においてアノード２ａに面する燃料ガス通流路３５の入口に接続されている。
燃料オフガス排出流路３６は、燃料ガス通流路３５の出口に接続されている。燃料オフガス排出流路３６は、燃料電池２で発電に供された燃料オフガスや、発電および凝縮によって燃料電池２で生成された水（以下、「生成水」という。）等が通流される。燃料オフガス排出流路３６には、不図示のキャッチタンクが設けられている。キャッチタンクは、燃料オフガス排出流路３６内を通流する液体の水を捕捉する。
カソード側流路４は、カソード２ｂに供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路４２と、カソード２ｂから排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路４６と、酸化剤ガス供給流路４２と酸化剤オフガス排出流路４６とを接続する分岐流路４８とより形成されている。
酸化剤ガス供給流路４２における酸化剤ガスの通流方向の上流側には、不図示のインテークマニホールドと、後述のターボ式ポンプ１０とが、酸化剤ガスの通流方向の上流側から下流側に向かって順に設けられている。酸化剤ガス供給流路４２は、燃料電池２内においてカソード２ｂに面する酸化剤ガス通流路４５の入口に接続されている。
酸化剤ガス供給流路４２には、ターボ式ポンプ１０よりも酸化剤ガスの通流方向の下流側に、加湿器４４が設けられている。加湿器４４は、中空糸膜等の水分透過膜を備え、燃料電池２で発電に供されて湿潤になった酸化剤オフガスを加湿用ガスとして用い、ターボ式ポンプ１０から送出される酸化剤ガスを加湿する。
酸化剤オフガス排出流路４６は、酸化剤ガス通流路４５の出口に接続されている。酸化剤オフガス排出流路４６は、燃料電池２で発電に供された酸化剤オフガスや、生成水等が通流される。酸化剤オフガス排出流路４６には、圧力調節弁５０が設けられている。
圧力調節弁５０は、加湿器４４と後述の分岐流路４８との間に設けられている。圧力調節弁５０は、制御装置６の制御によって、酸化剤オフガス排出流路４６を通流するカソードオフガスの通流量を制御するとともに、燃料電池２の内部圧力を調節する。本実施形態の圧力調節弁５０は、制御装置６によって、所望の開度となるように制御される。
分岐流路４８は、酸化剤ガス供給流路４２と酸化剤オフガス排出流路４６とを接続する。分岐流路４８は、酸化剤ガス供給流路４２におけるターボ式ポンプ１０よりも下流側の部分から分岐されて、酸化剤オフガス排出流路４６における圧力調節弁５０よりも下流側の部分に接続される。
分岐流路４８には、分岐弁５２が設けられている。分岐弁５２は、制御装置６の制御によって、分岐流路４８を通流するカソードオフガスの通流量を調節する。本実施形態の分岐弁５２は、制御装置６によって、全閉および全開のいずれかの状態に制御される。
ターボ式ポンプ１０は、ケーシング内でブレードを回転させることにより、酸化剤ガスである空気を送り出し、燃料電池２に供給している。
ターボ式ポンプ１０は、いわゆる非容積型のポンプである。ターボ式ポンプ１０は、例えばリショルム式ポンプ等の容積型のポンプと比べて、回転時の静粛性やコスト等で優れている。
図２は、横軸を酸化剤ガスの通流量（ｍ３／ｓ）とし、縦軸をターボ式ポンプ１０の圧力比Ｐとしたときの、各回転数におけるターボ式ポンプ１０の特性を示すグラフである。なお、圧力比Ｐは、ターボ式ポンプ１０の入口における酸化剤ガスの圧力をＰｉとし、ターボ式ポンプ１０の出口における酸化剤ガスの圧力をＰｏとしたとき、Ｐ＝Ｐｏ／Ｐｉで算出される。
図２に示すように、ターボ式ポンプ１０は、例えば２００００ｒｐｍから８００００ｒｐｍ程度の回転数で使用される。ターボ式ポンプ１０は、通流量を低下させるためにターボ式ポンプ１０の出口の圧力Ｐｏを上昇させると、サージ状態となる特性を有している。ここで、サージ状態とは、低通流量の領域において激しい圧力変動と騒音をともない、安定した駆動ができない状態をいう。ターボ式ポンプ１０は、サージ状態とならないように、所定回転数（例えば２００００ｒｐｍ）以上の回転数で駆動される。すなわち、ターボ式ポンプ１０は、最低回転数が所定値に制限されるという特性を有している。
制御装置６は、不図示のイグニッションスイッチから入力したオン／オフ信号等に基づいて、燃料電池システム１の起動／停止を制御する。また、制御装置６は、燃料電池２の出力制御等、その制御内容に応じて、ターボ式ポンプ１０や圧力調節弁５０、分岐弁５２、不図示のインジェクタ、エゼクタ等を制御する。
制御装置６の内部には、バッテリ容量検出部１２（請求項の「蓄電量検出手段」に相当。）が設けられている。バッテリ容量検出部１２は、高圧バッテリ１１の近傍に設けられた不図示の電圧センサや電流センサ等と電気的に接続されている。バッテリ容量検出部１２は、電圧センサや電流センサの測定値から高圧バッテリ１１の充放電量を算出して、高圧バッテリ１１の容量（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）を検出する。
また、制御装置６の内部には、乾燥状態検出部１５（請求項の「乾燥状態検出手段」に相当。）が設けられている。乾燥状態検出部１５は、燃料電池２と接続されており、燃料電池２の電解質膜２ｃが乾燥状態（以下「ドライアップ状態」という。）にあるか否かを検出する。乾燥状態検出部１５は、例えば電解質膜２ｃに所定値の交流電流を通流させ、そのときの電圧挙動から電解質膜２ｃのインピーダンスを算出する。制御装置６は、乾燥状態検出部１５により算出された電解質膜２ｃのインピーダンスの大きさにより、燃料電池２がドライアップ状態にあるか否かを判定する。
（燃料電池システムの運転方法）
図３は、第一実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法のフローチャートである。
続いて、上述のように構成された燃料電池システム１の運転方法について説明する。なお、以下の説明における各構成部品の符号については、図１を参照されたい。
本実施形態の燃料電池システム１の運転方法では、ターボ式ポンプ１０の最低回転数時に供給可能な酸化剤ガスの最低通流量（以下、「酸化剤ガスの最低通流量Ｑｓ」という。）に対応した所定発電電流Ｉａ（請求項の「所定発電電力」に相当。）以下の極低発電電流（請求項の「極低発電電力」に相当。）が要求される極低発電モードにおいて、ターボ式ポンプ１０、圧力調節弁５０および分岐弁５２を制御して、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する制御を行う。
図３に示すように、燃料電池システム１の運転方法では、まず、要求発電電流判定工程Ｓ１１を行う。要求発電電流判定工程Ｓ１１では、燃料電池システム１に要求される発電電流Ｉｂ（以下、「要求発電電流Ｉｂ」という。）が、所定発電電流Ｉａ以下であるか否かを判定する。
要求発電電流判定工程Ｓ１１で「ＹＥＳ」と判定した場合には、極低発電モード制御Ｓ１３を行う。
極低発電モード制御Ｓ１３では、制御装置６がターボ式ポンプ１０、分岐弁５２および圧力調節弁５０を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。
図４は、第一実施形態に係る燃料電池システム１の分岐弁５２および圧力調節弁５０の開閉と酸化剤ガスの通流量との関係を示す概略図である。
図３の極低発電モード制御Ｓ１３では、制御装置６が分岐弁５２を全開にするとともに、ターボ式ポンプ１０および圧力調節弁５０を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。
極低発電モード制御Ｓ１３において、例えば、燃料電池２に要求される酸化剤ガスの通流量Ｑｎが所定値Ｑｒ以下の場合（０＜Ｑｎ≦Ｑｒ）には、分岐弁５２を全開状態にしつつターボ式ポンプ１０の回転数が最低回転数（例えば２００００ｒｐｍ）となるように制御するとともに、圧力調節弁５０の開度を調節することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。このとき、図４に示すように、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量は、圧力調節弁５０の開度に対応して変化する。
また、極低発電モード制御Ｓ１３において、例えば、燃料電池２に要求される酸化剤ガスの通流量Ｑｎが所定値Ｑｒよりも大きく、酸化剤ガスの最低通流量Ｑｓよりも小さい場合（Ｑｒ＜Ｑｎ＜Ｑｓ）には、分岐弁５２を全開状態にするとともに、ターボ式ポンプ１０の回転数を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。なお、圧力調節弁５０の開度は、任意に調節される。このように、極低発電モード制御Ｓ１３では、燃料電池システム１の要求発電量に応じて、常に燃料電池２内における酸化剤ガスの通流量を調節することにより、燃料電池２がドライアップ状態となるのを防止している。
以上で、極低発電モード制御Ｓ１３が終了し、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法のフローが終了する。
また、図３に示すように、要求発電電流判定工程Ｓ１１で「ＮＯ」と判定した場合には、分岐弁５２を全閉状態として通常運転を行う（Ｓ１５）。このとき、燃料電池２は、燃料電池システム１に要求される要求発電電流Ｉｂを発生させる。なお、通常運転において、圧力調節弁５０の開度は任意に調節される。以上で、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法のフローが終了する。
（第一実施形態の効果）
第一実施形態によれば、制御装置６は、極低発電モードにおいて、ターボ式ポンプ１０、分岐弁５２および圧力調節弁５０を制御して燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、分岐弁５２を開放するように制御し、分岐流路４８に酸化剤ガスを通流させることにより、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できる。したがって、ターボ式ポンプ１０を採用した燃料電池システム１において、燃料電池２がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、ターボ式ポンプ１０の回転数を最低回転数にするとともに、分岐弁５２を制御することにより、燃料電池２に極低発電電力を起こさせるので、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できる。したがって、ターボ式ポンプ１０を採用した燃料電池システム１において、燃料電池２がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、分岐弁５２および圧力調節弁５０を制御して、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、分岐弁５２のみを制御する場合と比較して、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量をより精度よく調節できる。したがって、ターボ式ポンプ１０を採用した燃料電池システム１において、燃料電池２がドライアップ状態となるのを確実に防止できる。
また、圧力調節弁５０は、酸化剤オフガス排出流路４６と分岐流路４８との接続部分よりも、酸化剤オフガスの通流方向における上流側に配置されているので、圧力調節弁５０の開度を絞った場合であっても、酸化剤ガスが分岐流路４８を通流することにより、酸化剤ガス供給流路４２および酸化剤オフガス排出流路４６を含むカソード側流路４の圧力が上昇するのを抑制できる。したがって、ターボ式ポンプ１０がいわゆるサージ状態となるのを防止して、安定して駆動することができる。
（第二実施形態）
続いて、第二実施形態について説明する。
図５は、第二実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法におけるフローチャートである。
上述の第一実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法では、高圧バッテリ１１に充電することなく極低発電モード制御Ｓ１３を行っていた（図３参照）。
これに対して、図５に示すように、第二実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法では、制御装置６がターボ式ポンプ１０、分岐弁５２および圧力調節弁５０を制御するのに加えて、高圧バッテリ１１に充電することにより極低発電モード制御Ｓ１３を行う点で、第一実施形態とは異なっている。なお、以下では、第一実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。
要求発電電流判定工程Ｓ１１で「ＹＥＳ」と判定した場合には、極低発電モード制御Ｓ１３を行う。
極低発電モード制御Ｓ１３では、まず、充電可否判定工程Ｓ１３Ａを行う。充電可否判定工程Ｓ１３Ａでは、制御装置６は、バッテリ容量検出部１２により高圧バッテリ１１の容量を検出するとともに、高圧バッテリ１１に充電可能か否かの判定を行う。
充電可否判定工程Ｓ１３Ａで「ＮＯ」と判定した場合には、第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃを行う。第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃでは、制御装置６がターボ式ポンプ１０、分岐弁５２および圧力調節弁５０を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃは、第一実施形態における極低発電モード制御Ｓ１３（図３参照）と同様であるため、詳細な説明を省略する。
これに対して、充電可否判定工程Ｓ１３Ａで「ＹＥＳ」と判定した場合には、高圧バッテリ１１が充電可能であるとして、第二極低発電モード制御Ｓ１３Ｅを行う。第二極低発電モード制御Ｓ１３Ｅでは、制御装置６は、例えば分岐弁５２により分岐流路４８を閉鎖するとともに、ターボ式ポンプ１０の回転数および圧力調節弁５０の開度を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。このとき、燃料電池２には、所定発電電流Ｉａを発生させるのに必要な酸化剤ガスが供給される。また、制御装置６は、燃料電池２に所定発電電流Ｉａを発生させるとともに、所定発電電流Ｉａと、要求される極低発電電流（すなわち要求発電電流Ｉｂ）との差分に相当する電力を、余剰電力として高圧バッテリ１１に充電する。このように、燃料電池システム１は、燃料電池２が発生させた余剰電力を高圧バッテリ１１に充電することにより、燃料電池システム１全体として要求発電電流Ｉｂを発生させることができる。以上で、極低発電モード制御Ｓ１３が終了し、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法のフローが終了する。
（第二実施形態の効果）
第二実施形態によれば、ターボ式ポンプ１０の回転数を最低回転数にするとともに、分岐弁５２を制御することにより分岐流路４８を閉鎖して燃料電池２に所定発電電流Ｉａを発生させ、所定発電電流Ｉａの一部（すなわち余剰電力）を高圧バッテリ１１に充電するので、生成水により燃料電池２の電解質膜２ｃを湿潤状態とすることができる。したがって、ターボ式ポンプ１０を採用した燃料電池システム１において、燃料電池２がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、燃料電池システム１がバッテリ容量検出部１２を備え、制御装置６が充電量に対応して、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、余剰電力を高圧バッテリ１１に適切に充電することができる。したがって、ターボ式ポンプ１０を採用した燃料電池システム１において、燃料電池２がドライアップ状態となるのを確実に防止できる。
（第三実施形態）
続いて、第三実施形態について説明する。
図６は、第三実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法におけるフローチャートである。
上述の各実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法では、燃料電池２がドライアップ状態であるか否かを検出することなく極低発電モード制御Ｓ１３を行っていた（図３および図５参照）。
これに対して、図６に示すように、第三実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法では、極低発電モード制御Ｓ１３において、燃料電池２がドライアップ状態であるか否かを検出する点で、各実施形態とは異なっている。なお、以下では、第一実施形態または第二実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。
要求発電電流判定工程Ｓ１１で「ＹＥＳ」と判定した場合には、極低発電モード制御Ｓ１３を行う。極低発電モード制御Ｓ１３では、まず、充電可否判定工程Ｓ１３Ａを行う。
充電可否判定工程Ｓ１３Ａで「ＮＯ」と判定した場合には、ドライアップ状態判定工程Ｓ１３Ｂを行う。ドライアップ状態判定工程Ｓ１３Ｂでは、制御装置６は、乾燥状態検出部１５により、燃料電池２における電解質膜２ｃのインピーダンスを検出する。制御装置６は、電解質膜２ｃのインピーダンスが所定値以上である場合に燃料電池２がドライアップ状態であると判定する。
ドライアップ状態判定工程Ｓ１３Ｂで「ＹＥＳ」と判定した場合には、燃料電池２がドライアップ状態であるとして、第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃを行う。第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃでは、制御装置６がターボ式ポンプ１０、分岐弁５２および圧力調節弁５０を制御することにより燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。本実施形態の第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃは、第一実施形態における極低発電モード制御Ｓ１３（図３参照）および第二実施形態における第一極低発電モード制御Ｓ１３Ｃ（図５参照）と同様であるため、詳細な説明を省略する。このとき、燃料電池２は、燃料電池システム１に要求される要求発電電流Ｉｂを発生させる。以上で、極低発電モード制御Ｓ１３が終了し、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法のフローが終了する。
また、ドライアップ状態判定工程Ｓ１３Ｂで「ＮＯ」と判定した場合には、燃料電池２がドライアップ状態ではないとして、通常運転を行う（Ｓ１３Ｄ）。本実施形態の通常運転Ｓ１３Ｄは、第一実施形態および第二実施形態における通常運転Ｓ１５（図３および図５参照）と同様のため、詳細な説明を省略する。このとき、燃料電池２は、燃料電池システム１に要求される要求発電電流Ｉｂを発生させる。
以上で、極低発電モード制御Ｓ１３が終了し、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法のフローが終了する。なお、通常運転Ｓ１３Ｄでの要求発電電流Ｉｂは、酸化剤ガスの最低通流量Ｑｓに対応した所定発電電流Ｉａ以下となっている。このため、通常運転Ｓ１３Ｄにおいて、例えばターボ式ポンプ１０の回転数が最低回転数（例えば２００００ｒｐｍ）となるように制御しつつ酸化剤ガスの最低通流量Ｑｓを供給し続けると、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入し、燃料電池２がドライアップ状態となってしまうおそれがある。そこで、極低発電モード制御Ｓ１３が終了した後、上記運転方法のフローを繰り返すことにより、燃料電池２がドライアップ状態となるのを確実に防止している。
これに対して、充電可否判定工程Ｓ１３Ａで「ＹＥＳ」と判定した場合には、高圧バッテリ１１が充電可能であるとして、第二極低発電モード制御Ｓ１３Ｅを行う。第二極低発電モード制御Ｓ１３Ｅは、第二実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。燃料電池システム１は、燃料電池２が起こした余剰電力を高圧バッテリ１１に充電することにより、燃料電池システム１全体として要求発電電流Ｉｂを発生させる。以上で、極低発電モード制御Ｓ１３が終了し、本実施形態における燃料電池システム１の運転方法のフローが終了する。
（第三実施形態の効果）
第三実施形態によれば、燃料電池システム１が乾燥状態検出部１５を備え、制御装置６は、燃料電池２の乾燥状態に対応して、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節するので、燃料電池２がドライアップ状態となるのを確実に防止できる。
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
各実施形態に係る燃料電池システム１は、蓄電手段として高圧バッテリ１１を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えばキャパシタ等を採用してもよい。
また、各実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車両に搭載されている場合を例に説明をしたが、本発明の燃料電池システム１の制御方法の適用は、燃料電池システム１が燃料電池車両に搭載されている場合に限られない。
各実施形態に係る燃料電池システム１は、圧力調節弁５０が、酸化剤オフガス排出流路４６における加湿器４４と分岐流路４８との間であって、酸化剤オフガス排出流路４６と分岐流路４８との接続部分よりも酸化剤オフガスの通流方向における上流側に配置されていた。これに対して、圧力調節弁５０は、酸化剤オフガス排出流路４６と分岐流路４８との接続部分よりも酸化剤オフガスの通流方向における下流側に配置されていてもよい。
各実施形態に係る燃料電池システム１は、分岐流路４８に酸化剤ガスを通流させるために分岐弁５２を備えていたが、いわゆるインジェクタを備えていてもよい。この場合、インジェクタの開度指令時間（Ｔｉ値）を制御し、分岐流路４８を通流する酸化剤ガスの通流量を調節することにより、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できる。したがって、燃料電池２がドライアップ状態となるのを防止できる。
各実施形態に係る燃料電池システム１は、極低発電モードにおいて、圧力調節弁５０および分岐弁５２を制御することにより、分岐流路４８を通流する酸化剤ガスの通流量を調節して、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止していた。これに対して、圧力調節弁５０および分岐弁５２の少なくともいずれか一方を制御することにより、分岐流路４８を通流する酸化剤ガスの通流量を調節して、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止してもよい。
第三実施形態に係る燃料電池システム１は、乾燥状態検出部１５が燃料電池２のインピーダンスを測定することにより燃料電池２の乾燥検知を行っていたが、燃料電池２の乾燥状態を検知する手段はこれに限定されない。例えば、燃料電池２の発熱状態や、燃料電池車両の走行履歴、燃料電池２の発電量、燃料電池２の電圧等の各情報、または各情報の組み合わせにより燃料電池２の乾燥検知を行ってもよい。
図７は、他の実施形態に係る燃料電池システム１の分岐弁５２の開閉と酸化剤ガスの通流量との関係を示す概略図である。
上述の各実施形態に係る燃料電池システム１は、酸化剤オフガス排出流路４６における加湿器４４と分岐流路４８との間に、圧力調節弁５０を備えていた。これに対して、燃料電池システム１は、圧力調節弁５０を備えていなくてもよい。なお、圧力調節弁５０を備えていない場合、分岐弁５２は、開度を所望に制御可能な可変バルブとなっている。
極低発電モード制御Ｓ１３では、制御装置６が分岐弁５２の開度を調節にするとともに、ターボ式ポンプ１０を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。例えば、図７に示すように、分岐弁５２の開度を大きくすることにより、分岐流路４８における酸化剤ガスの通流量を増加させるとともに、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの量を減少させる。したがって、他の実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２に対して過剰に酸化剤ガスが流入するのを防止できるので、燃料電池２がドライアップ状態となるのを防止できる。
また、実施形態に係る燃料電池システム１と、図７に示す他の実施形態に係る燃料電池システム１とを組み合わせ、圧力調節弁５０および分岐弁５２がともに可変バルブである構成としてもよい。極低発電モード制御Ｓ１３において、例えば、燃料電池２に要求される酸化剤ガスの通流量Ｑｎが所定値Ｑｒ以下の場合（Ｑｎ≦Ｑｒ）には、分岐弁５２を全開状態にしつつターボ式ポンプ１０の回転数が最低回転数（例えば２００００ｒｐｍ）となるように制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。また、極低発電モード制御Ｓ１３において、例えば、燃料電池２に要求される酸化剤ガスの通流量Ｑｎが所定値Ｑｒよりも大きく、酸化剤ガスの最低通流量Ｑｓよりも小さい場合（Ｑｒ＜Ｑｎ＜Ｑｓ）には、分岐弁５２の開度を調節にするとともに、ターボ式ポンプ１０の回転数を制御することにより、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの通流量を調節する。なお、このとき、圧力調節弁５０の開度は、任意に調節される。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
６ 制御装置（制御部）
１０ ターボ式ポンプ
１１ 高圧バッテリ（蓄電手段）
１２ バッテリ容量検出部（蓄電量検出手段）
１５ 乾燥状態検出部（乾燥状態検出手段）
４２ 酸化剤ガス供給流路
４６ 酸化剤オフガス排出流路
４８ 分岐流路
５０ 圧力調節弁
５２ 分岐弁
Ｉａ 所定発電電流（所定発電電力）

Claims (6)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に対して前記酸化剤ガスを供給するターボ式ポンプと、
    前記ターボ式ポンプにより前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
    前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
    前記酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤オフガス排出流路とを接続する分岐流路と、
    前記分岐流路を通流する前記酸化剤ガスの通流量を調節可能な分岐弁と、
    前記燃料電池の発電電力を制御する制御部と、
    を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    前記制御部は、前記ターボ式ポンプにより供給可能な前記酸化剤ガスの最低通流量に対応した所定発電電力以下の極低発電電力が要求される極低発電モードにおいて、前記ターボ式ポンプおよび前記分岐弁を制御して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  2. 前記制御部は、前記ターボ式ポンプの回転数を最低回転数にするとともに、前記分岐弁を制御することにより、前記燃料電池に前記極低発電電力を起こ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の運転方法。
  3. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池の発電電力が蓄電される蓄電手段を備え、
    前記制御部は、前記極低発電モードにおいて前記蓄電手段が蓄電可能な場合には、前記ターボ式ポンプの回転数を最低回転数にするとともに、前記分岐弁により前記分岐流路を閉鎖して前記燃料電池に前記所定発電電力を起こさせ、前記所定発電電力の一部を前記蓄電手段に蓄電させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  4. 前記燃料電池システムは、前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を備え、
    前記制御部は、前記蓄電量に対応して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法。
  5. 前記酸化剤オフガス排出流路には、前記酸化剤オフガスの通流量を調節するとともに、前記燃料電池の内部圧力を調節可能な圧力調節弁が設けられ、
    前記圧力調節弁は、前記酸化剤オフガス排出流路と前記分岐流路との接続部分よりも、前記酸化剤オフガスの通流方向における上流側に配置され、
    前記制御部は、前記分岐弁および前記圧力調節弁の少なくともいずれか一方を制御して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システムの運転方法。
  6. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池の乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段を備え、
    前記制御部は、前記乾燥状態に対応して、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの通流量を調節することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
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