JP6186956B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池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に関する。

従来の燃料電池システムとして、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を昇降圧させるものがある（特許文献１参照）。

特開２００５−２４３４７６号公報

現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池内のカソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧による電解質膜の劣化を回避するために、カソードガス圧力とアノードガス圧力とを互いに制御している。

この燃料電池システムには、燃料電池内の湿潤度を維持するために、燃料電池の発電に伴う水蒸気を、燃料電池から排出されたカソードオフガスと、燃料電池に供給されるカソードガスとの間で交換する加湿器が設けられている。

加湿器の入口付近にはカソードガスの圧力を検出するセンサが設けられており、このセンサで検出した圧力値から加湿器で生じる圧力損失の最大値を減算して、燃料電池入口のカソードガス圧力を推定している。圧力推定に用いられる加湿器の圧力損失については、加湿器に流入するカソードガスの流量から求めることも可能であるが、カソードガスの流量センサの故障に伴う誤動作の危険性などを考慮して運転中に取り得る圧力損失の最大値を用いている。

しかしながら、実際には、加湿器に流入するカソードガスの流量が少なくなるほど、加湿器での実際の圧力損失は小さくなるので、実際の値と圧力損失の最大値との誤差は大きくなる。そのため、燃料電池入口のカソードガス圧力の推定値が、大気圧よりも低くなるという現実的に起こり得ない結果となる場合がある。

このような場合であっても、必要以上に低く推定されたカソードガス圧力とアノードガス圧力との推定差圧が電解質膜の許容圧力を超えるか否かが診断され、推定差圧が許容圧力を超えると判断された場合には、許容差圧を超えないように、例えばアノードガス圧力が低く制限される。このため、アノードガス圧力は、要求電力によって設定された圧力値よりも下げられ、燃料電池の発電電力が低下してしまう。

このように、加湿器の圧力損失を考慮することでカソードガス圧力が必要以上に低く推定される場合があり、この場合には燃料電池内のカソードガス圧力とアノードガス圧力の差圧が必要以上に大きく見積もられてしまう。このため、差圧診断の結果によっては、燃料電池の運転を必要以上に制限してしまうことが懸念される。

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、カソードガス圧力の推定誤差に起因する燃料電池の運転制限を解消する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムである。この燃料電池システムは、カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の上流に設けられ、カソードガスの圧力を検出するガス圧検出器と、前記ガス圧検出器で検出される圧力から前記加湿器の圧力損失を減算した値を燃料電池内のカソードガスの圧力として推定する推定部と、前記燃料電池内のカソードガスの圧力とアノードガスの圧力との差圧が燃料電池保護のための許容閾値を超えるか否かを判断する診断部と、を含み、前記診断部は、前記推定部で推定された値が大気圧よりも低いと判断した場合には、前記燃料電池内のカソードガスの圧力を前記大気圧に設定することを特徴とする。

この態様によれば、診断部は、加湿器の圧力損失を考慮したカソードガス圧力の推定値が大気圧よりも低くなる場合に、カソードガスの圧力を推定値から大気圧の検出値に変更する。そして診断部は、変更後のカソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧が許容閾値を超えるか否かの差圧診断を実行する。

これにより、現実的には起こり得ないカソードガス圧力の推定値に基づいて差圧診断が行われることを回避できるので、差圧診断の結果、必要以上にカソードガスやアノードガスの圧力を制限するようなことを防ぐことができる。

したがって、カソードガス圧力の推定誤差に起因する運転制限を解消することができる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、燃料電池システムの監視部を示すブロック図である。 図３は、極間差圧の推定手法を示す図である。 図４は、極間差圧の診断方法を示すフローチャートである。 図５は、アノードガス制御部の構成を示すブロック図である。 図６は、アノードガス差圧制御部の構成を示すブロック図である。

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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１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、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百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。

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、カソードコンプレッサ２４と、インタークーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、カソード調圧弁２７と、エアフローセンサ４１と、温度センサ４２と、カソード圧力センサ４３と、を備える。

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。

カソードコンプレッサ２４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２４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。

インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。

ＷＲＤ２６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２７は、ＷＲＤ２６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２７は、コントローラ４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ガスの圧力を所望の圧力に調節する。

エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４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４１は、カソードコンプレッサ２４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（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。

温度センサ４２は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ４２は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。

カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。具体的にはカソード圧力センサ４３は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６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４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の圧力（以下「ＷＲＤ入口カソード圧力」という。）を検出する。

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、アノード圧力センサ４４と、を備える。

高圧タンク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４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。

アノード圧力センサ４４は、アノード調圧弁３３と燃料電池スタック１のアノードガス入口孔との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。アノード圧力センサ４４は、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔における圧力（以下「スタック入口アノード圧力」という。）を検出する。

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。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素等の不活性ガスと、水蒸気と、の混合ガスである。

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。

また、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アノードガス（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。これにより、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４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。

コントローラ４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４には、エアフローセンサ４１、温度センサ４２、カソード圧力センサ４３、アノード圧力センサ４４の他にも、大気圧を検出する大気圧センサ４５などの各種センサからの信号が入力される。大気圧センサ４５は、例えば車室内に設けられる。また各種センサとしては、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」）を検出するアクセルストロークセンサがある。

コントローラ４は、これら各種センサの検出信号や各種電気部品の作動状態等に基づいて、カソードコンプレッサ２４、カソード調圧弁２７、アノード調圧弁３３や、パージ弁３５などを制御する。

図２は、コントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

コントローラ４は、監視部２００及びシステム制御部３００を備える。

監視部２００は、燃料電池システム１００の状態、例えばアノードガス及びカソードガスの圧力状態や燃料電池スタック１の電圧状態などを監視する。

監視部２００は、燃料電池スタック１の電解質膜に過大な応力が加わると電解質膜が劣化して発電性能が低下してしまうので、燃料電池スタック１内のカソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧（以下「極間差圧」という。）を監視する。

監視部２００は、スタック入口圧力推定部２１０と、ＷＲＤ圧損保持部２１１と、極間差圧診断部２２０を備える。

ＷＲＤ圧損保持部２１１には、ＷＲＤ圧力損失が予め保持されている。ＷＲＤ圧力損失とは、ＷＲＤ２６のカソードガス入口端とカソードガス出口端との間で生じる圧力損失の最大値のことである。なお、ＷＲＤ圧力損失は、ＷＲＤ２６に流入するカソードガスの流量から求めることも可能であるが、流量センサの故障に伴う誤動作の危険性などを考慮して燃料電池スタック１の運転中に採り得る圧力損失の最大値が用いられる。

スタック入口圧力推定部２１０は、カソード圧力センサ４３の検出値とＷＲＤ圧損保持部２１１のＷＲＤ圧力損失とを用いて燃料電池スタック１の入口を流れるカソードガスの圧力（以下「スタック入口カソード圧力」という）を推定する。

本実施形態では、スタック入口圧力推定部２１０は、カソード圧力センサ４３からＷＲＤ入口カソード圧力を取得し、そのＷＲＤ入口カソード圧からＷＲＤ圧力損失を減算した値を、スタック入口カソード圧力の推定値として極間差圧診断部２２０に出力する。

極間差圧診断部２２０は、燃料電池スタック１内の電解質膜に生じるアノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧が許容閾値を超えるか否かを診断する。許容閾値は、過大な極間差圧から電解質膜を保護するための閾値である。極間差圧診断部２２０は、アノード圧力センサ４４の検出値と、スタック入口圧力推定部２１０で推定された推定値とに基づいて診断する。

システム制御部３００は、燃料電池システム１００を制御する。システム制御部３００は、例えば、アノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧が許容閾値を超えていると診断された場合には、極間差圧と許容閾値との差に基づいてアノードガスの圧力又はカソードガスの圧力を制御する。

このような燃料電池システムにおいて、ＷＲＤ２６に流入するカソードガスの流量が少なくなるほど、ＷＲＤ２６の圧力損失は小さくなるので、実際の圧力損失値とＷＲＤ圧損保持部２１１の最大値との誤差は大きくなる。その結果、図３に示すように、スタック入口カソード圧力が、非現実的な圧力値に推定される場合がある。

図３は、ＷＲＤ２６に流量するカソードガスの流量が少ないときの極間差圧を示す図である。

図３には、アノード圧力センサ４４で検出されたスタック入口アノード圧力と、カソード圧力センサ４３で検出されたＷＲＤ入口カソード圧力と、大気圧センサ４５で検出された大気圧とが示されている。

そして、センサ誤差を考慮したアノードガス圧力Ｐａ_ｇｓとカソードガス圧力の推定値Ｐｃ_ｇｓとの推定差圧が破線で示され、実差圧が実線で示されている。

アノードガス圧力Ｐａ_ｇｓは、アノード圧力センサ４４で検出されたスタック入口アノード圧力にアノード圧力センサ４４の誤差Ｅｒ３を加算した値である。

カソードガス圧力Ｐｃ_ｇｓは、カソード圧力センサ４３で検出されたＷＲＤ入口カソード圧力Ｐｃ_ｗｒｄにカソード圧力センサ４３の誤差Ｅｒ１を減算した圧力値から、ＷＲＤ圧力損失の最大値を減算した値である。

図３では、ＷＲＤ２６に流入するカソードガスの流量が少なくＷＲＤ２６の圧力損失が小さい状況であり、ＷＲＤ圧力損失の最大値と実際の値との誤差が大きいため、カソードガス圧力の推定値Ｐｃ_ｇｓが大気圧よりも低く見積もられている。しかしながら、カソードガス供給通路２１は外気と連通しているため、カソードガス圧力が大気圧よりも低くなることは、現実的に起こり得ない。

このような場合であっても、現実的に起こり得ないカソードガス圧力の推定値Ｐｃ_ｇｓとアノードガス圧力Ｐａ_ｇｓとの推定差圧が許容閾値を超えるか否かが診断される。そして、推定差圧が許容閾値を超えると判断された場合には、許容閾値を超えないように例えばアノードガス圧力が低く制限されてしまう。

そこで本発明では、大気圧センサ４５を利用して、スタック入口カソード圧力の推定値が大気圧よりも低い場合には、スタック入口カソード圧力の推定値を大気圧に変更してから差圧診断を行う。

図４は、本発明の第１実施形態における極間差圧の診断方法を示すフォローチャートである。

まず、ステップＳ９０１において極間差圧診断部２２０は、アノード圧力センサ４４からスタック入口アノード圧力Ｐａｇを取得する。

ステップＳ９０２においてスタック入口圧力推定部２１０は、カソード圧力センサ４３からＷＲＤ入口カソード圧力Ｐｃｇ_ｗｒｄを取得する。

そしてステップＳ９０３においてスタック入口圧力推定部２１０は、ＷＲＤ圧損保持部２１１からＷＲＤ圧力損失を取得し、ＷＲＤ入口カソード圧力Ｐｃｇ_ｗｒｄからＷＲＤ圧力損失を減算した値をスタック入口カソード圧力Ｐｃｇとして推定する。

また、ステップＳ９０４において極間差圧診断部２２０は、大気圧センサ４５から大気圧の検出値Ｐａｉｒを取得する。

そしてステップＳ９０５において極間差圧診断部２２０は、スタック入口カソード圧力Ｐｃｇが大気圧Ｐａｉｒ以上か否かを判断する。極間差圧診断部２２０は、スタック入口カソード圧力Ｐｃｇが大気圧Ｐａｉｒの値以上である場合には、スタック入口カソード圧力Ｐｃｇを燃料電池スタック１内のカソードガス圧力として設定する。

その後ステップＳ９０６において極間差圧診断部２２０は、スタック入口アノード圧力Ｐａｇからスタック入口カソード圧力Ｐｃｇを減算した値を極間差圧Ｐｄに設定する。

そしてステップＳ９０７において極間差圧診断部２２０は、予め定められた許容差圧にカソード圧力センサ４３の誤差Ｅｒ_ｃｇを加算した値を許容閾値Ｔｈに設定する。許容差圧は、電解質膜で許容できる応力によって定められる値である。許容差圧の値は、例えば、実験データに基づいて決定される。

一方、ステップＳ９０５でスタック入口カソード圧力Ｐｃｇが大気圧Ｐａｉｒよりも低い場合には、極間差圧診断部２２０は、大気圧Ｐａｉｒを燃料電池スタック１内のカソードガス圧力として設定する。

その後ステップＳ９１０において極間差圧診断部２２０は、スタック入口アノード圧力Ｐａｇから大気圧Ｐａｉｒを減算した値を極間差圧Ｐｄに設定する。

そしてステップＳ９１１において極間差圧診断部２２０は、許容差圧に大気圧センサ４５の誤差Ｅｒ_ａｉｒを加算した値を許容閾値Ｔｈに設定する。本実施形態では、大気圧センサ４５の誤差Ｅｒ_ａｉｒは、カソード圧力センサ４３の誤差Ｅｒ_ｃｇよりも小さい。なお、大気圧センサ４５は、カソード圧力センサ４３よりも検出可能なレンジが狭い検出器である。一般的に検出レンジが狭い検出器ほど、検出誤差は小さくなる。

ステップＳ９０８において極間差圧診断部２２０は、極間差圧Ｐｄが許容閾値Ｔｈを超えるか否かを判断する。

そしてステップＳ９０９において極間差圧診断部２２０は、極間差圧Ｐｄが許容閾値Ｔｈを超える場合には、システム制御部３００に異常指令を出力する。システム制御部３００は、異常指令を受けると、アノードガス圧力を低下させる。

一方、ステップＳ９１２において極間差圧診断部２２０は、極間差圧Ｐｄが許容閾値Ｔｈ未満である場合には、システム制御部３００に正常指令を出力する。ステップＳ９０９又はステップＳ９１２の処理後、診断方法の一連のステップＳ９０１からステップＳ９１２までの処理が終了する。

本発明の第１実施形態によれば、極間差圧診断部２２０は、ＷＲＤ２６の圧力損失の最大値を用いてスタック入口カソード圧力を推定した結果、その推定値が大気圧よりも低くなる場合には、カソードガス圧力を推定値から大気圧の検出値に変更する。そして極間差圧診断部２２０は、変更後のカソードガス圧力とアノードガス圧力との極間差圧が許容閾値を超えるか否かの差圧診断を実行する。

これにより、極間差圧診断部２２０は、大気圧よりも低いスタック入口カソード圧力の推定値に基づいて差圧診断を実行することを回避できる。したがって、差圧診断の結果、現実的に起こり得ない推定値に基づいて極間差圧が過大に見積もられ、必要以上にカソードガスやアノードガスの圧力が制限されるようなことを防ぐことができる。

したがって、燃料電池スタック１内のカソードガス圧力の推定誤差に起因する運転制限を解消することができる。

また、差圧診断に用いられる許容閾値には、圧力センサの検出誤差が加味されている。図３に示すように、大気圧センサ４５の検出誤差Ｅｒ１は、スタック入口カソード圧力の推定に使用されるカソード圧力センサ４３の検出誤差Ｅｒ２よりも小さい。

そこで本実施形態では、極間差圧診断部２２０は、スタック入口カソード圧力の推定値を大気圧に変更した場合には、許容閾値に加算されるセンサ誤差を、カソード圧力センサ４３の誤差から大気圧センサ４５の誤差に切り替える。

大気圧センサ４５の検出誤差は、カソード圧力センサ４３の検出誤差よりも小さいため、許容閾値に加算するセンサ誤差を大気圧センサ４５の検出誤差に切り替えることによって、極間差圧の診断誤差を小さくすることができる。

また、本実施形態では極間差圧診断部２２０は、スタック入口圧力推定部２１０で推定された推定値が大気圧よりも低い場合において大気圧とスタック入口アノード圧力との差圧が許容閾値を超えるときには、異常指令を出力する。そしてシステム制御部３００は、異常指令を受けると、許容閾値を超えないようにアノードガスの圧力を制限する。

このように、カソードガス圧力を大気圧に変更することで推定差圧が小さくなり実差圧に近づき、この状態でアノードガス又はカソードガスの圧力が制限されるので、過剰な差圧制限を緩和することができる。

なお、第１実施形態では、スタック入口カソード圧力の推定値が大気圧よりも低い場合に大気圧に変更する例について説明したが、このような推定誤差の補正処理は、システム制御部３００を構成するアノードガス制御部の差圧制御にも適用することができる。そこで、アノードガス制御部の差圧制御への適用例について第２実施形態で説明する。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態におけるアノードガス制御部３１０の構成例を示す図である。

アノードガス制御部３１０は、燃料電池スタック１内に滞留する窒素や水蒸気などの不純物を押し出すために、アノード調圧弁３３を制御してアノードガスの圧力を脈動させる。本実施形態では、アノードガスの脈動下限圧力は、極間差圧を極力低くする目的で、カソードガスの圧力を基準に設定される。

アノードガス制御部３１０は、過大圧防止上限値演算部３２１と、アノードガス差圧制御部４００と、目標脈動幅演算部３２３と、目標上限圧力算出部３２４と、脈動上限圧力設定部３２５と、脈動波形演算部３２６と、を備える。

過大圧防止上限値演算部３２１は、アノードガスの過大圧力を防止するための過大アノード圧防止上限値を演算し、演算結果を脈動上限圧力設定部３２５に出力する。過大アノード圧防止上限値は、例えば、過大圧防止上限値演算部３２１に予め記憶されており、燃料電池スタック１内のアノードガス流路の耐久性を考慮して決められる。

アノードガス差圧制御部４００は、電解質膜への過大な極間差圧を防止するために、極間差圧が許容閾値を超えないようにアノードガスの圧力を制御する。本実施形態では、アノードガス差圧制御部４００は、ＷＲＤ入口カソード圧力及び大気圧の検出値を用いて、過大差圧防止上限値を演算する。アノードガス差圧制御部４００は、その過大差圧防止上限値を脈動上限圧力設定部３２５に出力する。アノードガス差圧制御部４００の詳細構成については、図６を参照して後述する。

目標脈動幅演算部３２３は、燃料電池スタック１から取り出される発電電流の目標値（以下「目標電流」という。）に基づいて、不純物の排出性確保のための脈動幅の目標値を演算する。目標脈動幅演算部３２３は、目標電流が大きくなるほど、脈動幅の目標値を大きくする。

なお、目標電流は、燃料電池スタック１に接続される駆動モータなどの負荷に基づいて設定される。例えば、アクセル操作量が大きくなるほど、駆動モータに必要な要求電力が大きくなるため、目標電流は大きな値に設定される。また、目標電流は、燃料電池システム１００に設けられた各種センサの検出信号や各種電気部品の作動状態などによっても調整される。

本実施形態では、目標脈動幅演算部３２３には、発電電流と脈動幅とが互いに対応付けられた脈動幅マップが予め記憶されている。そして目標脈動幅演算部３２３は、目標電流を受け付けると、脈動幅マップを参照して目標電流に対応付けられた脈動幅の目標値を目標上限圧力算出部３２４に出力する。

目標上限圧力算出部３２４は、目標上限圧力算出部３２４から脈動幅の目標値を取得すると共に、脈動下限圧力信号線３２７から目標カソード圧力を取得する。目標カソード圧力は、燃料電池スタック１の発電に必要なカソードガス圧力の目標値であり、目標電流に基づいて設定される。

目標上限圧力算出部３２４は、目標カソード圧力に脈動幅の目標値を加算し、その加算した値を目標上限圧力として脈動上限圧力設定部３２５に出力する。

脈動上限圧力設定部３２５は、過大アノード圧防止上限値と、過大差圧防止上限値と、目標上限圧力の算出値とのうち最も小さな値を選択し、その選択した値を脈動上限圧力として脈動波形演算部３２６に設定する。

例えば、過大アノード圧防止上限値よりも過大差圧防止上限値の方が小さい状況で、目標電流の上昇に伴い目標上限圧力が過大差圧防止上限値を超えると、脈動上限圧力設定部３２５は、脈動上限圧力を過大差圧防止上限値に制限する。

あるいは、目標電流の上昇に伴いスタック入力カソード圧力が上昇し、過大差圧防止上限値が過大アノード圧防止上限値よりも高くなる場合もある。この場合に、目標上限圧力が過大差圧防止上限値を超えると、脈動上限圧力設定部３２５は、脈動上限圧力を過大アノード圧防止上限値に制限する。

脈動波形演算部３２６は、脈動上限圧力設定部３２５から脈動上限圧力を受け付けると共に、目標カソード圧力を脈動下限圧力として受け付ける。また、脈動波形演算部３２６は、アノード圧力センサ４４からスタック入口アノード圧力を取得する。そして脈動波形演算部３２６は、脈動上限圧力及び脈動下限圧力の設定値と、スタック入口アノード圧力の検出値とに基づいて、アノードガス圧力の目標値（以下「目標アノード圧力」という）を演算する。

例えば、脈動波形演算部３２６は、目標アノード圧力を脈動上限圧力に設定し、スタック入口アノード圧力が脈動上限圧力まで上昇することを確認すると、目標アノードガス圧力を脈動下限圧力に切り替える。そして脈動波形演算部３２６は、スタック入口アノード圧が脈動下限圧力まで低下したことを確認した後に、再び目標アノードガス圧力を脈動上限圧力に設定する。このようにして脈動波形演算部３２６は、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脈動させる。

図６は、アノードガス差圧制御部４００の詳細構成を示すブロック図である。

アノードガス差圧制御部４００は、ＷＲＤ圧損保持部４１１と、スタック入口圧力算出部４１２と、カソード圧力切替部４１３と、過大差圧防止上限値算出部４１４と、閾値設定部４２０と、を備える。なお、ＷＲＤ圧損保持部４１１は、図２に示したＷＲＤ圧損保持部２１１と同じものであるため、ここでの説明を省略する。

スタック入口圧力算出部４１２は、カソード圧力センサ４３からＷＲＤ入口カソード圧力の検出値を取得し、その検出値から、ＷＲＤ圧損保持部４１１に保持された圧力損失の最大値を減算する。スタック入口圧力算出部４１２は、その減算した値をスタック入口カソード圧力の推定値としてカソード圧力切替部４１３に出力する。

カソード圧力切替部４１３は、スタック入口圧力算出部４１２からスタック入口カソード圧力の推定値を取得すると共に、大気圧センサ４５から大気圧の検出値を取得する。そしてカソード圧力切替部４１３は、スタック入口カソード圧力の推定値と大気圧の検出値とのうち大きい方の値を選択し、選択した値を燃料電池スタック１内のカソードガス圧力として過大差圧防止上限値算出部４１４に出力する。

例えば、カソード圧力切替部４１３は、スタック入口カソード圧力の推定値が大気圧よりも小さい場合には、選択した大きい方の大気圧をカソードガス圧力として出力する。

また、カソード圧力切替部４１３は、その選択した値がスタック入口カソード圧力の推定値である場合には、センサ切替フラグを「０」に設定し、選択した値が大気圧センサの検出値である場合には、センサ切替フラグを「０」から「１」に切り替える。

閾値設定部４２０は、電解質膜を保護するための許容閾値を過大差圧防止上限値算出部４１４に設定する。

閾値設定部４２０は、許容差圧保持部４２１と、カソード圧力センサ誤差保持部４２２と、大気圧センサ誤差保持部４２３と、センサ誤差切替部４２４と、許容閾値算出部４２５と、を備える。

許容差圧保持部４２１には、カソードガス圧力とアノードガス圧力との許容差圧として、電解質膜で許容できる極間差圧の耐圧上限値が保持されている。

カソード圧力センサ誤差保持部４２２には、カソード圧力センサ４３の検出誤差（センサ誤差）に関する誤差値が保持されている。

カソード圧力センサ４３に関する誤差値としては、例えばアノードガスの脈動制御で使用されるアノード圧力センサ４４の検出誤差とカソード圧力センサ４３の検出誤差との二乗和平均値が用いられる。なお、カソード圧力センサ４３及びアノード圧力センサ４４の各検出誤差と制御誤差との二乗和平均値を用いても良い。これにより、検出誤差及び制御誤差によって電解質膜に過大な差圧が生じることをより確実に防止することができる。

大気圧センサ誤差保持部４２３には、大気圧センサ４５の検出誤差に関する誤差値が保持されている。

大気圧センサ４５の検出誤差に関する誤差値としては、カソード圧力センサ４３に関する誤差値と同様に、アノード圧力センサ４４及び大気圧センサ４５の各検出誤差との二乗和平均値を用いても良い。あるいは、アノード圧力センサ４４及び大気圧センサ４５の各検出誤差と制御誤差との二乗和平均値を用いても良い。この場合にも、検出誤差及び制御誤差に伴う電解質膜に対する過大差圧をより確実に防止することができる。

センサ誤差切替部４２４は、センサ切替フラグに基づいて、許容閾値に見込むべきセンサ誤差量を、カソード圧力センサ誤差保持部４２２の誤差値から、大気圧センサ誤差保持部４２３の誤差値に切り替える。

例えば、センサ誤差切替部４２４は、センサ切替フラグが「０」を示す場合には、過大差圧防止上限値の算出にスタック入口カソード圧力の推定値が使用されるため、カソード圧力センサ誤差保持部４２２から誤差値を許容閾値算出部４２５に出力する。

また、センサ誤差切替部４２４は、センサ切替フラグが「１」を示す場合には、過大差圧防止上限値の算出に大気圧が使用されるため、大気圧センサ誤差保持部４２３から誤差値を許容閾値算出部４２５に出力する。

許容閾値算出部４２５は、許容差圧保持部４２１に保持された許容差圧からセンサ誤差値を減算し、その減算した値を許容閾値として過大差圧防止上限値算出部４１４に出力する。

過大差圧防止上限値算出部４１４は、許容閾値にカソード圧力切替部４１３からのカソードガス圧力を加算し、その加算した値をアノードガスの過大差圧防止上限値として脈動上限圧力設定部３２５に出力する。

このようにアノードガス差圧制御部４００では、カソードガス圧力に許容閾値を加算した値（過大差圧防止上限値）を脈動上限圧力設定部３２５に設定することにより、アノードガスの脈動上限圧力が許容閾値を超えないように目標アノードガス圧力が制限される。

そしてカソードガス圧力については、スタック入口カソード圧力の推定値が大気圧よりも低い場合には、カソード圧力切替部４１３によって、カソードガス圧力が大気圧よりも低い値にならないように推定値から大気圧に切り替えられる。これにより、大気圧よりも低い推定値によって過大差圧防止上限値が低く設定されることを回避できるので、過剰に脈動上限圧力を低く設定して脈動運転を制限することを防止できる。

また、許容閾値については、カソードガス圧力が大気圧に設定された場合にセンサ誤差切替部４２４によって、許容閾値に加味されるセンサ誤差量がカソード圧力センサ４３に関する誤差から大気圧センサ４５に関する誤差に切り替えられる。これにより、カソードガス圧力が大気圧に設定されたときに、カソード圧力センサ４３に比べて検出誤差の小さい大気圧センサ４５の誤差が適切に許容閾値に反映されるので、アノードガスの差圧制御の誤差を小さくすることができる。

本実施形態では、アノードガス差圧制御によって脈動上限圧力を制限しているので、センサ誤差が大きくなるほど、制限値である過大差圧防止上限値を低くしなければならないため、許容差圧からセンサ誤差を減算する。

一方、アノードガス差圧制御によって脈動下限圧力を低く制限するような構成では、センサ誤差が大きいほど、脈動下限圧力の下限値を低く制限しなければならない。したがって、カソード圧力切替部４１３によってカソードガス圧力が大気圧に設定されたときには、大気圧センサ４５のセンサ誤差が許容差圧に加算されて許容閾値が算出される。

このように、閾値設定部４２０では、差圧制御によって上限圧力を制限する場合には許容閾値からセンサ誤差が減算され、下限圧力を制限する場合には許容閾値にセンサ誤差が加算される。

本発明の第２実施形態によれば、アノードガス差圧制御部４００は、スタック入口カソード圧力の推定値が大気圧よりも低い場合には、カソード圧力切替部４１３によって大気圧がカソードガス圧力として設定される。脈動上限圧力設定部３２５は、カソードガス圧力の設定値を脈動下限圧力に設定し、脈動下限圧力の設定値に脈動幅の目標値を加算して目標上限圧力を出力する。

そして脈動上限圧力設定部３２５は、目標上限圧力がアノードガス差圧制御部４００の過大差圧防止上限値を超えたときに、大気圧と目標上限圧力との差圧が許容閾値を超えたと判断し、脈動上限圧力を過大差圧防止上限値に設定する。すなわち、アノードガス差圧制御部４００は、大気圧と目標上限圧力との差圧が許容閾値を超えると判断されたときに、過大差圧防止上限値によって脈動上限圧力を制限する。

このように、カソードガス圧力を推定値から大気圧に変更し、変更後のカソードガス圧力に基づいて脈動上限圧力の差圧制御を実行することにより、アノードガスの脈動幅の制限を抑制することができる。このため、現実的でないカソードガス圧力の推定値によって脈動運転が極端に制限されることを防止することができる。

なお、本実施形態では、システム制御部３００で行われる差圧制御としてアノードガスの圧力を制御する例について説明したが、脈動上限圧力の設定値とカソードガス圧力の設定値との差圧が許容閾値を超えないように、カソードガスの圧力を制御するようにしても良い。このようにカソードガス制御部で差圧制御を実行する場合にも、同様の効果が得られる。

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、本実施形態では、極間差圧を推定するためにスタック入口アノード圧力の検出値を用いたが、目標アノードガス圧力の設定値を用いても良い。

また、本実施形態では、ＷＲＤ２６がカソードガスを加湿する加湿器として用いられたが、加湿器は、加湿の際に圧力損失を伴うものであれば良い。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
２６ ＷＲＤ（加湿器）
４３ カソード圧力センサ（ガス圧検出器）
２１０ スタック入口圧力推定部（推定部）
２２０ 極間差圧診断部（診断部）
３００ システム制御部（差圧制御部）
３２５ 脈動上限圧力設定部（脈動演算部）
４００ アノードガス差圧制御部（差圧制御部）

Claims (4)

1. 燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
   カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを加湿する加湿器と、
   前記加湿器の上流に設けられ、カソードガスの圧力を検出するガス圧検出器と、
   前記ガス圧検出器で検出される圧力から前記加湿器の圧力損失を減算した値を前記燃料電池内のカソードガスの圧力として推定する推定部と、
   前記燃料電池内のカソードガスの圧力とアノードガスの圧力との差圧が燃料電池保護のための許容閾値を超えるか否かを判断する診断部と、を含み、
   前記診断部は、前記推定部で推定された値が大気圧よりも低いと判断した場合には、前記燃料電池内のカソードガスの圧力を前記大気圧に設定する、
   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において、
   前記推定部で推定された値が大気圧よりも低い場合において前記大気圧とアノードガスの圧力との差圧が前記許容閾値を超えるときには、前記燃料電池に供給されるカソードガス又はアノードガスの圧力を制限する差圧制御部をさらに含む
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の外部に設けられ、前記大気圧を検出する気圧検出器を含み、
   前記診断部は、前記大気圧を前記カソードガスの圧力として設定した場合には前記気圧検出器の誤差を許容閾値に加算し、前記推定された値を前記カソードガスの圧力として設定した場合には前記ガス圧検出器の誤差を許容閾値に加算する、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池内のカソードガスの圧力に基づくアノードガスの圧力と、前記燃料電池内の不純物の排出に必要な脈動幅と、に基づいてアノードガスの脈動上限圧力を算出する脈動演算部と、
   前記アノードガスの脈動上限圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が前記許容閾値を超える場合には、前記アノードガスの脈動上限圧力を小さくする差圧制御部と、
   を含む燃料電池システム。

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