JP5783324B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有するものである。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。

この燃料電池システムを電力源として搭載する燃料電池車両では、発電効率のよい高出力領域では、燃料電池スタックを発電させて、燃料電池スタックと二次電池の両方又は燃料電池スタックのみからトラクションモーターに電力を供給する一方、発電効率の悪い低出力領域では、燃料電池スタックの発電を一時休止し、二次電池のみからトラクションモーターに電力を供給する運転制御を行っている。このように、燃料電池システムの発電効率の低い低負荷領域において、燃料電池スタックの運転を一時休止することを間欠運転と称する。燃料電池システムの発電効率が低下する低負荷領域では、間欠運転を実施することで、燃料電池スタックをエネルギー変換効率の高い範囲内で運転させることが可能となり、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。

更に、このような間欠運転を行う燃料電池システムについて、燃料電池スタックへの要求負荷が所定値以下である場合に、間欠運転を実施するものが知られている。その燃料電池システムは、間欠運転を実施することで発電休止状態に移行した燃料電池スタックのセル電圧が所定値を下回ったときに、エアコンプレッサーを駆動させて、燃料電池スタックに酸素ガスを供給し、燃料電池スタックのカソード極における酸素不足を解消してセル電圧を回復させ、発電要求に対する応答遅れを改善するものである。

ところで、上述した間欠運転では、燃料電池スタックへの反応ガス供給を停止するとともに、燃料電池スタックの出力端子に並列接続するＤＣ／ＤＣコンバーターの指令電圧を開放端電圧に設定して、燃料電池スタックの出力端子電圧を開放端電圧（ＯＣＶ）より小さい高電位回避電圧に制御していた。燃料電池スタックの出力端子電圧を開放端電圧より小さい高電位回避電圧に維持することで、間欠運転中に燃料電池スタックから流出する電流を制御できる。

従来の間欠運転では、燃料電池スタックの出力端子電圧を高電位回避電圧以下に維持しつつ出力応答性能を確保するために、出力端子電圧が閾値以下になるとエアコンプレッサーを駆動してエアを大量に送気するエアブロー制御を行っていた。しかしながら、このエアブロー制御を行うと、出力端子電圧が上昇して開放端電圧（ＯＣＶ）を超えてしまうため、ＤＣ／ＤＣコンバーターを駆動して燃料電池スタックに発電を行わせて電圧上昇を抑制する必要があった。この発電は、出力端子電圧を高電位回避電圧以下に維持するためのものであるから、燃料電池システム全体の効率からみれば、行わないようにすることがより好ましいものである。そこで、間欠運転時に高電位回避制御を行うことができるとともに、燃料電池スタックにおける無用な発電を抑制することができる燃料電池システムが下記特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備えている。制御手段は、間欠運転時において、燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限電圧以下であって下限電圧以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて、酸化剤ガスを少量且つ連続的に供給するように制御するものである。

特開２０１０?２４４９３７号公報

ところで、燃料電池システムの簡素化、低コスト化の過程で、高温・無加湿対応が必要になり電解質膜が薄膜傾向にある。また、外部からの水分補給が無くなったため、自己発電による加湿の必要性が増大している。このようにより正確な水分管理を要求される燃料電池システムにおいては、間欠運転中の燃料電池スタックの乾燥や濡れ過ぎが、間欠運転から通常運転に復帰後の出力確保の阻害要因となりうる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの乾燥や濡れ過ぎを抑制し、燃料電池スタックの耐久性を確保できる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを有する単セルを複数有する燃料電池スタックと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、単セルの乾湿状態を検知する状態検知手段と、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を燃料電池スタックに行わせると共に、状態検知手段の検知結果に基づいて前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を備える。制御手段は、要求電力が所定値以下であって燃料電池スタックにおける発電を抑制する間欠運転時において、燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限電圧以下であって下限電圧以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて酸化剤ガスを供給すると共に、単セルが湿潤状態であると判断した場合には、酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給し、単セルが乾燥状態であると判断した場合には、酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を多く且つ短時間供給するように制御する出力確保モードを実行可能なように構成されている。

本発明では、燃料電池スタックの電圧低下速度が、単セルを構成するアノードの濡れ状態を表すことを利用している。アノードが濡れるとアノード及びカソードを構成する高分子膜が緩み、クロスリークが発生しやすくなる。そこで、単セルが湿潤状態であると判断した場合には、酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給することで湿潤状態から乾燥状態へと遷移させ、単セルが乾燥状態であると判断した場合には、酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を多く且つ短時間供給することで乾燥状態から湿潤状態へと遷移させている。

また本発明に係る燃料電池システムでは、状態検知手段は、酸素欠乏により出力端子電圧が上限電圧から下限電圧へ向かう電圧低下速度を測定することで単セルの乾湿状態を検知するものであって、制御手段は、電圧低下速度が上限閾値速度以上の場合には単セルが湿潤状態であると判断し、電圧低下速度が下限閾値速度以下の場合には単セルが乾燥状態であると判断することも好ましい。

上述したクロスリークが進むとカソード側の酸素が消費されるため、電圧低下速度が高まることになる。従って、電圧低下速度が高まり過ぎればアノードが濡れ過ぎていることを示し、電圧低下速度が低くなり過ぎればアノードが乾き過ぎていることを示すことになる。そこでこの好ましい態様では、電圧低下速度が上限閾値速度よりも速くなった場合には、アノードの濡れが進行しているものと判断し、酸化剤ガスを単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給することで高分子膜を乾かすものとしている。

また本発明に係る燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給手段はエアコンプレッサーを有しており、制御手段は、単セルが湿潤状態にある場合はエアコンプレッサーの惰性回転を長く取り、単セルが乾燥状態にある場合はエアコンプレッサーを強制的に停止することも好ましい。

この好ましい態様では、エアコンプレッサーの回転態様を変化させることで、単セルに送り込む酸化剤ガスの流量を変化させているので、単セルの湿潤状態にあわせた適切なガス流を形成することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、制御手段は、間欠運転後における燃料電池スタックの発生出力と、電圧低下速度との関係を学習し、電圧低下速度の閾値速度を変更することも好ましい。

この好ましい態様では、運転中の発生出力と電圧低下速度との関係を学習して閾値速度を変更するので、燃料電池スタックの経時変化に対応した閾値速度の設定が容易なものとなる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、制御手段は、出力確保モードの実行開始後において電圧低下速度の遷移を監視し、電圧低下速度が上昇しない場合は上限電圧を下方修正することも好ましい。

この好ましい態様では、電圧低下速度が上昇しない場合に上限電圧を下方修正することで、燃料電池スタックを湿潤状態にすることができる。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを有する単セルを複数有する燃料電池スタックと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備える。制御手段は、要求電力が所定値以下であって燃料電池スタックにおける発電を抑制する間欠運転時において、燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限閾値以下であって下限閾値以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて酸化剤ガスを供給するものであって、酸素欠乏により上限電圧から下限電圧へ向かう電圧低下速度を測定し、電圧低下速度が上限閾値速度以上になった場合には酸化剤ガスを単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給し、電圧低下速度が下限閾値速度以下になった場合には酸化剤ガスを単位時間あたりの流量が多く且つ短時間供給する。

本発明では、燃料電池スタックの電圧低下速度が、単セルを構成するアノードの濡れ状態を表すことを利用している。アノードが濡れるとアノード及びカソードを構成する高分子膜が緩み、クロスリークが発生しやすくなる。クロスリークが進むとカソード側の酸素が消費されるため、電圧低下速度が高まることになる。従って、電圧低下速度が高まり過ぎればアノードが濡れ過ぎていることを示し、電圧低下速度が低くなり過ぎればアノードが乾き過ぎていることを示すことになる。そこで本発明では、電圧低下速度が上限閾値速度よりも速くなった場合には、アノードの濡れが進行しているものと判断し、酸化剤ガスを単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給することで高分子膜を乾かすものとしている。一方、電圧低下速度が下限閾値速度よりも遅くなった場合には、アノードの乾きが進行しているものと判断し、酸化剤ガスを単位時間あたりの流量を多く且つ短時間供給することで高分子膜の濡れを促進するものとしている。

本発明によれば、燃料電池スタックの乾燥や濡れ過ぎを抑制し、燃料電池スタックの耐久性を確保できる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムの運転状態を説明するためのタイミングチャートである。 維持すべき電圧低下速度と間欠明け出力との関係を示すグラフである。 間欠中の空気投入量と間欠中の電圧低下速度との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。

燃料電池システムＦＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、駆動系ＨＶＳと、冷却系ＣＳと、を備えている。

酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。駆動系ＨＶＳは、駆動モーターＤＭａに電力を供給して駆動する系であって、ハイブリッドシステムを構成する系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。駆動モーターＤＭａは、車輪９２，９２を駆動するモーターである。

燃料電池系ＦＣＳについて説明する。燃料電池系ＦＣＳが含む燃料電池ＦＣは、多数のセルＣＥ（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （３）

更に、燃料電池系ＦＣＳは、燃料電池ＦＣと燃料ガス供給系ＦＳＳとを繋ぐ領域に、水素ポンプＨＰａと、排気排水弁ＥＶｃと、を有している。

燃料電池ＦＣに供給された燃料ガスは、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に寄与し、オフガスとして燃料電池ＦＣから排出される。燃料電池ＦＣから排出された燃料オフガスは、一部は水素ポンプＨＰａによって還流され、燃料ガス供給系ＦＳＳから供給される燃料ガスと共に燃料電池ＦＣに再供給される。また、燃料オフガスの一部は排気排水弁ＥＶｃの作動によって、燃料オフガス流路ＦＳ２を通って、酸化オフガスと共に排出される。

排気排水弁ＥＶｃは、コントローラーＥＣＵからの指令によって作動することにより、循環流路内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁ＥＶｃの開弁により、循環流路内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁ＥＶｃを介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ２を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図１に明示せず）によって希釈されマフラー（図１に明示せず）に供給される。

続いて、燃料ガス供給系ＦＳＳについて説明する。燃料ガス供給系ＦＳＳは、高圧水素タンクＦＳ１と、電磁弁ＤＶａとを有している。

高圧水素タンクＦＳ１は、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。

電磁弁ＤＶａは、燃料ガスの燃料電池ＦＣに対する供給圧力を調整しつつ、燃料ガスの燃料電池ＦＣへの供給・停止を調整する弁である。燃料ガスは、電磁弁ＤＶａにより、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。

続いて、酸化ガス供給系ＡＳＳについて説明する。酸化ガス供給系ＡＳＳは、エアコンプレッサー６２と、ＦＣ入口三方弁ＴＶａと、統合弁ＤＶｂとを備えている。酸化ガス供給系ＡＳＳは、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスとしての空気が流れる酸化ガス流路ＡＳ１と、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス流路ＡＳ２とを有している。

エアコンプレッサー６２と、ＦＣ入口三方弁ＴＶａとは、酸化ガス流路ＡＳ１の入口側から燃料電池ＦＣに向かって順に配置されている。統合弁ＤＶｂは、酸化オフガス流路ＡＳ２に配置されている。統合弁ＤＶｂは、背圧調整弁として機能する。

ＦＣ入口三方弁ＴＶａは、酸化ガス流路ＡＳ１を燃料電池ＦＣ側に流す空気と、酸化ガス流路ＡＳ１と酸化オフガス流路ＡＳ２とを繋ぐバイパス流路６９へ流す空気とを調整するための弁である。燃料電池ＦＣ側に多くの空気が必要とされる場合は、燃料電池ＦＣ側に多くの空気を流すように開度を調整し、燃料電池ＦＣ側に多くの空気が必要とされない場合は、バイパス流路６９側へ多くの空気を流すように開度を調整する。燃料電池ＦＣと統合弁ＤＶｂとの間には、圧力センサＰｔが設けられている。

続いて、駆動系ＨＶＳについて説明する。駆動系ＨＶＳは、燃料電池昇圧部と、パワーコントロールユニットと、二次電池ＢＴａと、を備える。燃料電池昇圧部は、燃料電池昇圧コンバーター（出力供給部）と、リレーとを有している。燃料電池昇圧コンバーターは、燃料電池ＦＣが発電した直流電力を昇圧してパワーコントロールユニットに供給する。この昇圧コンバーターによる電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。

パワーコントロールユニットは、バッテリー昇圧コンバーターと、トラクションインバーターと、を有している。燃料電池昇圧コンバーターから供給された電力は、バッテリー昇圧コンバーター及びトラクションインバーターに供給される。

バッテリー昇圧コンバーターは、二次電池ＢＴａから供給される直流電力を昇圧してトラクションインバーターに出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、回生制動により駆動モーターＤＭａが回収した回生電力を降圧して二次電池ＢＴａに充電する機能を有する。

二次電池ＢＴａは、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池ＢＴａとしては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。二次電池ＢＴａには、充電率を測定するＳＯＣセンサＴｇが設けられている。

トラクションインバーターは、駆動モーターＤＭａに繋がれている。トラクションインバーターは、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバーターである。トラクションインバーターは、コントローラーＥＣＵからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又は二次電池ＢＴａから出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、駆動モーターＤＭａの回転トルクを制御する。駆動モーターＤＭａは、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

続いて、冷却系ＣＳについて説明する。冷却系ＣＳは、メインラジエーターＲＭａと、ウォーターポンプＷＰａとを有している。

メインラジエーターＲＭａには、メインラジエーターファンが設けられている。メインラジエーターＲＭａは、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。

ウォーターポンプＷＰａは、冷却液を燃料電池ＦＣとメインラジエーターＲＭａとの間で循環させるためのポンプである。ウォーターポンプＷＰａが作動することで、冷却液はメインラジエーターＲＭａから燃料電池ＦＣへと冷却液往路を通って流れる。

この燃料電池システムＦＳは統合的な制御手段としてのコントローラーＥＣＵ（出力供給部）を備えている。コントローラーＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラーＥＣＵは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＳの運転を開始する。その後、コントローラーＥＣＵは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣと二次電池ＢＴａとのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御するとともに、ＦＣ昇圧部ＦＤＣを制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。

コントローラーＥＣＵは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバーターに出力し、駆動モーターＤＭａの出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラーＥＣＵは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。

本実施形態の燃料電池システムＦＳでは、コントローラーＥＣＵが要求電力と所定値Ｘとの比較を行い、間欠運転とすべきか通常運転とすべきか決定する。所定値Ｘは燃料電池システムＦＳの発電効率が悪化しないように定められる閾値である。この比較の結果、要求電力が所定値Ｘ以下の場合、間欠運転モードが設定され、要求電力が所定値Ｘを上回った場合には通常運転モードが設定される。

間欠運転モードとは、燃料電池システムＦＳによる発電を停止し、二次電池ＢＴａのみによって駆動モーターＤＭａを駆動するモードである。通常運転モードとは、燃料電池システムＦＳによって発電を行い、その電力を用いて駆動モーターＤＭａを駆動するモードである。なお、通常運転モードにおいては、二次電池ＢＴａを併用しても構わない。

間欠運転モードにおいて、コントローラーＥＣＵは図２に示すような制御を行っている。コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣの出力端子電圧をモニタしている。通常運転モードにおいて燃料電池ＦＣの出力端子電圧は、高電位回避電圧である上限電圧Ｖ_Ｕに張り付くように制御される。間欠運転モードに切り替わると、制御燃料電池ＦＣの出力端子電圧は、高電位回避電圧である上限電圧Ｖ_Ｕから徐々に低下を始める。その際の下方に向かう電圧の傾きを電圧低下速度として計測する。

コントローラーＥＣＵは、電圧低下速度が閾値速度よりも早くなった場合には、酸化剤ガスである空気の単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給するため、図２中の実線で示すような挙動をするようにエアコンプレッサー６２の惰性回転を長く取るような制御を行う。このような制御を行うと、燃料電池ＦＣのセル内が乾燥し、電圧低下速度が低下する。具体的には、回生ブレーキ等を使わずに、エアコンプレッサー６２の制動制御を実行することで、回生ブレーキ等を使った場合に比較してエアコンプレッサー６２が惰性で回転する時間が長くなる。

燃料電池ＦＣへの空気投入量が同じであっても、瞬間的に大量の空気を投入する方が発電量が大きくなり、生成水量も増える。従って、瞬間的に大量の空気を投入した方が電圧低下速度は増大し、継続的に空気を投入した方が電圧低下速度は減少する。

一方、コントローラーＥＣＵは、電圧低下速度が閾値速度よりも遅くなった場合には、酸化剤ガスである空気の単位時間当たりの流量を多く且つ短時間供給するため、図２中の破線で示すような挙動をするようにエアコンプレッサー６２を強制的に止めるように制御する。具体的には、回生ブレーキ等を使って、エアコンプレッサー６２を強制的に止める。このような制御を行うと、燃料電池ＦＣのセル内が濡れ、電圧低下速度が増加する。

燃料電池ＦＣの出力端子電圧の上限電圧及び下限電圧は、次の負荷要求で十分な出力が出るためのものとして設定される。この場合、予め電圧低下速度と間欠明け出力との相関関係を確認しておき、設計上必要な要求出力分を出せるように設定する。尚、膜劣化などによってガス透過量が増大し電圧低下速度が速くなる場合もあるため、運転しながら間欠後発生出力と電圧低下速度との関係は学習する機能を持つことも好ましい。

また、エアコンプレッサー６２を強制的に停止させても電圧低下速度が速くならない場合は、高電位回避電圧である上限電圧を低下させたり、空気導入量を増大させたりすることが好ましい。また、二次電池ＢＴａのＳＯＣ上昇やＷｉｎ制限などで、余剰電力を抑制する必要がある場合は、間欠運転中の発電量を減少させるようにエアコンプレッサー６２を駆動する。尚、二次電池ＢＴａのＳＯＣが上限の場合は、上述した上限電圧を一時的に引き上げて対応することも好ましい。

上述したような制御を行うことで、間欠運転中における燃料電池ＦＣの電圧低下速度を、図３に示すような維持すべき電圧低下速度の範囲内に収めることができる。図３に示すように、燃料電池ＦＣの電圧低下速度を、維持すべき電圧低下速度の範囲内である下限速度Ｅ_Ｌから上限速度Ｅ_Ｕの間に収めることができ、乾きすぎや濡れすぎを回避することができる。

この維持すべき電圧低下速度は、ＭＥＡの維持すべき湿潤状態と近似している。燃料電池ＦＣは、ＭＥＡが乾燥し過ぎても水素イオン伝導度が悪化し、出力が低下する。また、燃料電池ＦＣは、ＭＥＡが湿潤過ぎれば触媒層内が水分で埋まってしまい、電極触媒にガスが届かなくなり、出力が低下する。このため、間欠明け出力を良好に維持するためには、最適な水分状態を維持する必要がある。

間欠運転中のエアブロー方法は、図４に示すようにその投入量が、下限閾値Ｌａと上限閾値Ｌｂとの間になるように行われる。下限閾値Ｌａは、下限電圧値から上限電圧値に復帰できる限界として定められている。上限閾値Ｌｂは、これ以上空気量を増加させても、エアコンプレッサーＡＣＰの駆動損失が増えるのみであることから定められている。通常は、領域Ａで示すような、下限閾値Ｌａ付近でエアブローする。

尚、燃料電池ＦＣの温度を上昇させるとＭＥＡが乾く方向になり、燃料電池ＦＣの温度を下降させるとＭＥＡが濡れる方向になることから、冷却系ＣＳを操作して、燃料電池ＦＣの温度調整により湿潤状態を制御することも好ましいものである。

燃料電池スタックの耐久性を確保するためには、触媒劣化の抑制が必須のものであり、高電位回避電圧を維持する必要がある。しかしながら、間欠運転中は駆動モーターＤＭａからの負荷要求がないため、余剰の電力は二次電池ＢＴａに吸収させるか、補機損失により消費することになっていた。しかしながら、二次電池ＢＴａが吸収できる電力には限りがあり、補機を駆動して消費するにしてもその動作音が大きくなりすぎることもあり、消費可能な電力にはやはり限りがあることから、それらで吸収できない場合は高電位回避電圧を上昇させるため、燃料電池スタックの耐久性を犠牲にする必要があった。しかしながら、本実施形態では、高電位回避電圧の上昇頻度を抑制できるため、燃料電池スタックの乾燥や濡れ過ぎを抑制し、燃料電池スタックの耐久性を確保できる。

６２ エアコンプレッサー
６９ バイパス流路
９２，９２ 車輪
ＡＳ１ 酸化ガス流路
ＡＳ２ 酸化オフガス流路
ＡＳＳ 酸化ガス供給系
ＢＴａ 二次電池
ＣＥ セル
ＣＳ 冷却系
ＤＭａ 駆動モーター
ＤＶａ 電磁弁
ＤＶｂ 統合弁
ＥＣＵ コントローラー
ＥＶｃ 排気排水弁
ＦＣ 燃料電池
ＦＣＳ 燃料電池系
ＦＤＣ 昇圧部
ＦＳ 燃料電池システム
ＦＳ１ 高圧水素タンク
ＦＳ２ 燃料オフガス流路
ＦＳＳ 燃料ガス供給系
ＨＰａ 水素ポンプ
ＨＶＳ 駆動系
Ｐｔ 圧力センサ
ＲＭａ メインラジエーター
Ｔｄ 温度センサ
Ｔｆ 温度センサ
Ｔｇ センサ
Ｔｈ 温度センサ
ＴＶａ 入口三方弁
ＷＰａ ウォーターポンプ

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   アノードとカソードとを有する単セルを複数有する燃料電池スタックと、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記単セルの乾湿状態を検知する状態検知手段と、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせると共に、前記状態検知手段の検知結果に基づいて前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   要求電力が所定値以下であって前記燃料電池スタックにおける発電を抑制する間欠運転時において、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限電圧以下であって下限電圧以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて酸化剤ガスを供給すると共に、
   前記単セルが湿潤状態であると判断した場合には、前記酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給し、前記単セルが乾燥状態であると判断した場合には、前記酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を多く且つ短時間供給するように制御する出力確保モードを実行可能なように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記状態検知手段は、酸素欠乏により前記出力端子電圧が前記上限電圧から前記下限電圧へ向かう電圧低下速度を測定することで前記単セルの乾湿状態を検知するものであって、
   前記制御手段は、前記電圧低下速度が下限閾値速度以下の場合には前記単セルが乾燥状態であると判断し、前記電圧低下速度が上限閾値速度以上の場合には前記単セルが湿潤状態であると判断す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. 前記酸化剤ガス供給手段はエアコンプレッサーを有しており、
   前記制御手段は、前記単セルが湿潤状態にある場合は前記エアコンプレッサーの惰性回転を長く取り、前記単セルが乾燥状態にある場合は前記エアコンプレッサーを強制的に停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記間欠運転後における前記燃料電池スタックの発生出力と、前記電圧低下速度との関係を学習し、前記電圧低下速度の前記閾値速度を変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記出力確保モードの実行開始後において前記電圧低下速度の遷移を監視し、前記電圧低下速度が上昇しない場合は前記上限閾値を下方修正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池システムであって、
   アノードとカソードとを有する単セルを複数有する燃料電池スタックと、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、要求電力が所定値以下であって前記燃料電池スタックにおける発電を抑制する間欠運転時において、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限電圧以下であって下限電圧以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて酸化剤ガスを供給するものであって、
   酸素欠乏により前記出力端子電圧が上限電圧から下限電圧へ向かう電圧低下速度を測定し、
   前記電圧低下速度が上限閾値速度以上の場合には前記酸化剤ガスを単位時間当たりの流量を少なく且つ長時間供給し、前記電圧低下速度が下限閾値速度以下の場合には前記酸化剤ガスを単位時間あたりの流量が多く且つ短時間供給することを特徴とする燃料電池システム。

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