JP7294238B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池への電力出力要求がない場合に燃料電池の発電を休止し、エアコンプレッサを間欠的に駆動することにより、発電を休止した燃料電池の開放電圧を所定の目標電圧に維持させる間欠運転が行われる場合がある（例えば特許文献１参照）。
特開２０１９－０７９７５７号公報
開放電圧が目標電圧を越えて過度に上昇すると、電圧を低下させるために燃料電池は余分な発電を行う必要があり、これに伴って燃料ガスの消費量が増大する恐れがある。
本発明は、燃料電池の開放電圧が過度に上昇することを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサが設けられた上流供給管と、前記上流供給管と前記燃料電池に接続された下流供給管と、前記燃料電池に接続され前記燃料電池から酸化剤ガスが排出される上流排出管と、前記上流排出管に接続された下流排出管と、一端が前記上流供給管と前記下流供給管が接続した第１接続部位に接続し、他端が前記上流排出管と前記下流排出管が接続した第２接続部位に接続されたバイパス管と、酸化剤ガスが前記上流供給管及び下流供給管から前記燃料電池に供給されて前記上流排出管及び下流排出管から排出される供給状態と、酸化剤ガスが前記上流供給管から前記バイパス管を通過して前記下流排出管から排出されると共に酸化剤ガスが前記下流供給管及び上流排出管の一方を通過することが規制されるバイパス状態と、に切り替え可能な弁機構と、前記燃料電池の発電状態と前記エアコンプレッサと前記弁機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、発電休止状態での前記燃料電池の電圧である開放電圧を取得する電圧取得部と、前記燃料電池への電力出力要求がない場合に、前記燃料電池を前記発電休止状態に制御し前記弁機構により前記供給状態に制御して且つ前記エアコンプレッサを間欠的に駆動することにより、前記開放電圧を目標電圧に維持する間欠運転を実行する間欠運転実行部と、前記発電休止状態で前記弁機構により前記バイパス状態に制御し且つ前記エアコンプレッサの駆動を停止することにより、前記開放電圧の低下を促す開放電圧低下処理を実行する低下処理実行部と、を有し、前記間欠運転実行部は、前記開放電圧低下処理の実行中に前記間欠運転の実行条件が成立した場合に前記間欠運転を実行し、前記実行条件は、前記開放電圧が電圧閾値以下であることを含み、前記制御装置は、前記燃料電池へ流れる酸化剤ガスの流量に相関する流量相関値を取得する流量取得部を備え、前記実行条件は、前記流量相関値が流量閾値以下であることを含む、燃料電池システムによって達成できる。
また、上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサが設けられた上流供給管と、前記上流供給管と前記燃料電池に接続された下流供給管と、前記燃料電池に接続され前記燃料電池から酸化剤ガスが排出される排出管と、一端が前記上流供給管と前記下流供給管が接続した接続部位に接続し、他端が外気に晒されたバイパス管と、酸化剤ガスが前記上流供給管及び下流供給管から前記燃料電池に供給されて前記排出管から排出される供給状態と、酸化剤ガスが前記上流供給管を通過して前記バイパス管から排出されると共に酸化剤ガスが前記下流供給管及び排出管の一方を通過することが規制されるバイパス状態と、に切り替え可能な弁機構と、前記燃料電池の発電状態と前記エアコンプレッサと前記弁機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、発電休止状態での前記燃料電池の電圧である開放電圧を取得する電圧取得部と、前記燃料電池への電力出力要求がない場合に、前記燃料電池を前記発電休止状態に制御し前記弁機構により前記供給状態に制御して且つ前記エアコンプレッサを間欠的に駆動することにより、前記開放電圧を目標電圧に維持する間欠運転を実行する間欠運転実行部と、前記発電休止状態で前記弁機構により前記バイパス状態に制御し且つ前記エアコンプレッサの駆動を停止することにより、前記開放電圧の低下を促す開放電圧低下処理を実行する低下処理実行部と、を有し、前記間欠運転実行部は、前記開放電圧低下処理の実行中に前記間欠運転の実行条件が成立した場合に前記間欠運転を実行し、前記実行条件は、前記開放電圧が電圧閾値以下であることを含み、前記制御装置は、前記燃料電池へ流れる酸化剤ガスの流量に相関する流量相関値を取得する流量取得部を備え、前記実行条件は、前記流量相関値が流量閾値以下であることを含む、燃料電池システムによっても達成できる。
前記低下処理実行部は、前記電力出力要求がない場合であって前記間欠運転を開始する前に、前記開放電圧低下処理を実行してもよい。
前記低下処理実行部は、前記間欠運転の実行中に前記開放電圧が前記目標電圧よりも大きい上限電圧以上となった場合に、前記開放電圧低下処理を実行してもよい。
前記実行条件は、前記開放電圧が前記電圧閾値以下であり前記流量相関値が前記流量閾値よりも大きく前記開放電圧が前記電圧閾値よりも小さい下限電圧以下であることを含んでもよい。
前記実行条件は、前記開放電圧が前記電圧閾値以下であり前記流量相関値が前記流量閾値よりも大きく前記開放電圧の低下速度が速度閾値以上であることを含んでもよい。
前記制御装置は、前記エアコンプレッサの回転数を取得する回転数取得部を備え、前記実行条件は、前記開放電圧が前記電圧閾値以下であって前記流量相関値が前記流量閾値よりも大きいが前記回転数が回転数閾値以下となったことを含んでもよい。
本発明によれば、燃料電池の開放電圧が過度に上昇することを抑制できる燃料電池システムを提供できる。
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、間欠運転時でのＦＣスタックの開放電圧の推移を示したタイミングチャートである。 図３は、ＥＣＵにより実行される間欠運転開始前に実行される開放電圧低下処理の一例を示したフローチャートである。 図４は、間欠運転開始前に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの第１例である。 図５は、間欠運転開始前に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの第２例である。 図６は、間欠運転開始前に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの第３例である。 図７は、ＥＣＵにより実行される間欠運転中での開放電圧低下処理の一例を示したフローチャートである。 図８は、間欠運転中に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの一例である。 図９は、変形例である燃料電池システムの概略構成図である。
［燃料電池システム１の概略構成］
図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載されるが、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３、ＦＣスタック４、酸化剤ガス供給系１０、燃料ガス供給系２０を含む。
ＦＣスタック４は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックである。ＦＣスタック４は、固体高分子電解質型の単セルが複数積層されている。単セルは、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金又は白金－コバルト合金など）が担持されている。各単セルには、反応ガスや冷却水を流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、各単セルに設けられたガス流路を介して、各単セルの発電領域に供給される。また、ＦＣスタック４には電圧を検出するための電圧センサＶｓが設けられている。
酸化剤ガス供給系１０は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をＦＣスタック４に供給し、上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂ、上流排出管１２ａ及び下流排出管１２ｂ、バイパス管１３、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及び調圧弁１７を含む。上流供給管１１ａはエアコンプレッサ１４に接続された上流供給管の一例である。下流供給管１１ｂは、上流供給管１１ａとＦＣスタック４のカソード入口マニホールドに接続されている。上流排出管１２ａは、ＦＣスタック４のカソード出口マニホールドに接続されている。下流排出管１２ｂは、上流排出管１２ａに接続されている。バイパス管１３は、上流供給管１１ａと下流供給管１１ｂの接続部位Ｐ１と、上流排出管１２ａと下流排出管１２ｂの接続部位Ｐ２とを接続している。
バイパス弁１５は、バイパス管１３上に設けられており、バイパス管１３を開閉する。調圧弁１７は、上流排出管１２ａ上に設けられている。バイパス弁１５を閉じ調圧弁１７を開くことにより、酸化剤ガスが上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂからＦＣスタック４に供給されて上流排出管１２ａ及び下流排出管１２ｂから排出される供給状態となる。この供給状態ではバイパス弁１５が閉じられているため、上流供給管１１ａを流れる酸化剤ガスの全てがＦＣスタック４に供給される。また、バイパス弁１５が開き調圧弁１７が閉じられることにより、酸化剤ガスが上流供給管１１ａからバイパス管１３を通過して下流排出管１２ｂから排出されると共に酸化剤ガスが上流排出管１２ａを通過することが規制されるバイパス状態となる。このバイパス状態では、バイパス弁１５が開いて調圧弁１７が閉じられているため、ＦＣスタック４へ供給される酸化剤ガスの流量は抑制されている。このようにバイパス弁１５及び調圧弁１７は、供給状態又はバイパス状態に切り替え可能な弁機構の一例である。
エアコンプレッサ１４は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を、上流供給管１１ａの一端から吸入して下流側の他端に向けて吐出する。上記の供給状態でエアコンプレッサ１４が駆動することにより、ＦＣスタック４に十分な量の酸化剤ガスを供給できる。調圧弁１７は、上記の供給状態でその開度が制御されることにより、ＦＣスタック４のカソード側の背圧を調整する。エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及び調圧弁１７の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。エアコンプレッサ１４は、ターボ式である。ＥＣＵ３は、エアコンプレッサ１４の回転速度を制御することにより、ＦＣスタック４に供給される酸化剤ガスの流量を調整できる。また、ＥＣＵ３は、バイパス弁１５及び調圧弁１７の開度を制御することにより、ＦＣスタック４に供給される酸化剤ガスの流量及びバイバスされる酸化剤ガスの流量を調整することができる。
上流供給管１１ａのエアコンプレッサ１４よりも上流には流量センサＱｓが設けられている。流量センサＱｓは、上流供給管１１ａを通過する酸化剤ガスの流量を検出するエアフロメータである。エアコンプレッサ１４には、エアコンプレッサ１４の回転数を検出する回転数センサＲｓが設けられている。
燃料ガス供給系２０は、燃料ガスとして水素ガスをＦＣスタック４に供給し、タンクＴ、供給管２１、排出管２２、循環管２３、水素インジェクタ２６、排出弁２８、及び水素ポンプ２９を含む。タンクＴとＦＣスタック４のアノード入口マニホールドは、供給管２１により接続されている。
タンクＴには、燃料ガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２は、一端がＦＣスタック４のアノード出口マニホールドに接続され、他端は酸化剤ガス供給系１０の下流排出管１２ｂに接続されているが、これに限定されず、他端は調圧弁１７よりも下流側での上流排出管１２ａに接続されていてもよい。循環管２３は、排出管２２と供給管２１とを連通している。排出弁２８は、排出管２２と循環管２３との接続部位に設けられている。水素インジェクタ２６、排出弁２８、及び水素ポンプ２９の動作はＥＣＵ３により制御される。水素インジェクタ２６が燃料ガスを噴射することにより、ＦＣスタック４に燃料ガスが供給される。排出弁２８が開くことにより、排出管２２及び下流排出管１２ｂを介して燃料電池システム１の外部へ液水が排出される。水素ポンプ２９は、循環管２３に設けられている。ＦＣスタック４から排出された燃料ガスは、水素ポンプ２９によって適度に加圧され、供給管２１へ導かれる。
ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、ＦＣスタック４への要求出力に応じて、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、調圧弁１７、水素インジェクタ２６、水素ポンプ２９等を制御して、ＦＣスタック４に供給される酸化剤ガスの流量及び燃料ガスの流量を制御するとともに、ＦＣスタック４の出力電力を制御する。ＥＣＵ３には、電圧センサＶｓ、流量センサＱｓ、及び回転数センサＲｓが電気的に接続されている。ＥＣＵ３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭにより、電圧センサＶｓにより検出されたＦＣスタック４の電圧を取得する電圧取得部、流量センサＱｓにより検出された流量を取得する流量取得部、回転数センサＲｓにより検出された回転数を取得する回転数取得部、間欠運転を実行する間欠運転実行部、及び開放電圧低下処理を実行する低下処理実行部を機能的に実現する。詳しくは後述する。
尚、燃料電池システム１は、ＦＣスタック４の発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータやインバータを用いて制御する電力制御系や、ＦＣスタック４をラジエータとの間で循環させる冷却水により冷却する冷却系が設けられている。
［間欠運転］
次に、ＥＣＵ３が実行する間欠運転について説明する。ＥＣＵ３は、ＦＣスタック４への電力出力要求がない場合には、ＦＣスタック４の発電を一時的に休止して、バイパス弁１５が閉じ調圧弁１７が開いたバイパス状態でＦＣスタック４の開放電圧を所定の目標電圧ｖ１に維持するようにエアコンプレッサ１４の駆動を制御する。ＦＣスタック４への電力出力要求がない場合とは、例えば車両が停車中であって、車両用の補機も停止している場合である。ＦＣスタック４の発電の休止は、ＥＣＵ３が目標電流値をゼロに設定してＦＣスタック４から掃引される電流値をゼロとなるように、ＦＣスタック４に取り付けられた不図示のＤＣ／ＤＣコンバータを制御すること、又はＤＣ／ＤＣコンバータ内部に設けられたスイッチによりＦＣスタック４と負荷装置との電気的な接続を遮断することにより実現される。
図２は、間欠運転時でのＦＣスタック４の開放電圧の推移を示したタイミングチャートである。間欠運転では、エアコンプレッサ１４が間欠的に駆動される。図２には、正常時での開放電圧Ｖと、異常時での開放電圧Ｖｘ及びＶｙを示している。最初に正常時について説明する。正常時での開放電圧Ｖは、時刻ｔ１で目標電圧ｖ１以下となると、ＥＣＵ３はエアコンプレッサ１４を駆動してＦＣスタック４に酸化剤ガスを供給する。これにより開放電圧Ｖは上昇し始める。時刻ｔ２で開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１を超えると、ＥＣＵ４はエアコンプレッサ１４の駆動を停止する。エアコンプレッサ１４の駆動が停止されると、開放電圧Ｖは徐々に低下する。これは、アノード極側からカソード極側に透過した水素が酸素と反応して水が生成され、これによりカソード極側で酸素濃度が低下することに起因する。開放電圧Ｖが低下して再び目標電圧ｖ１以下となった場合には、ＥＣＵ３はエアコンプレッサ１４を再度駆動してＦＣスタック４に酸化剤ガスを供給する。このようにして、開放電圧Ｖを目標電圧ｖ１周辺に維持させることができる。尚、間欠運転中では、アノードガスは、ＦＣスタック４内に十分に充填された状態でその供給が停止されている。
しかしながら、図２に示すように、間欠運転開始直後から開放電圧Ｖｘが目標電圧ｖ１を超えて過度に上昇したり、間欠運転実行中において開放電圧Ｖｙが大きくなりすぎる場合がある。間欠運転開始直後での開放電圧Ｖｘの上昇の原因は、ＦＣスタック４が発電状態から発電停止状態となるとＦＣスタック４の電圧（開放電圧）が上昇するが、この際に上流供給管１１ａ内や下流供給管１１ｂ内に残留していた酸化剤ガスがＦＣスタック４に供給され、更に開放電圧が上昇することが原因と考えられる。間欠運転中での開放電圧Ｖｙの上昇は、例えば間欠運転中に外気風が上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂ内に流入して必要以上にＦＣスタック４に酸化剤ガスが供給されることが考えられる。
本実施例のＥＣＵ３は、このような開放電圧の過度な上昇を抑制するための開放電圧低下処理を実行する。最初に、間欠運転開始直後での開放電圧の上昇を抑制するために、間欠運転開始前に実行される開放電圧低下処理について説明する。
［間欠運転開始前の開放電圧低下処理］
図３は、ＥＣＵ３により実行される間欠運転開始前に実行される開放電圧低下処理の一例を示したフローチャートである。本制御は繰り返し実行される。尚、本フローチャートの説明において、電圧センサＶｓにより検出されるＦＣスタック４の開放電圧を、開放電圧Ｖと称して説明する。最初に、ＦＣスタック４への電力出力要求があるか否かが判定される（ステップＳ１）。ステップＳ１でＹｅｓの場合、本制御は終了する。即ち、ＦＣスタック４の発電が継続され、間欠運転は開始されない場合である。ステップＳ１でＮｏの場合、即ち、ＦＣスタック４への電力出力要求がない場合には、ＦＣスタック４は発電休止状態に制御される（ステップＳ２）。
次に、エアコンプレッサ１４の駆動が停止され、調圧弁１７が閉じられバイパス弁１５が開かれたバイパス状態で、開放電圧低下処理が開始される（ステップＳ３）。エアコンプレッサ１４の駆動が停止されることにより、ＦＣスタック４への酸化剤ガスの供給が抑制される。また、上述したようにバイパス状態に制御されるため、上流供給管１１ａ内や下流供給管１１ｂ内に残留していた酸化剤ガスは、バイパス管１３及び下流排出管１２ｂから外部へ排出されることが促進される。このようにして、開放電圧Ｖの低下が促進され、開放電圧Ｖが過度に上昇することが抑制される。ステップＳ３の処理は、低下処理実行部が実行する処理の一例である。
次に、開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下となったか否かが判定される（ステップＳ４）。ステップＳ４でＮｏの場合、本制御は一旦終了して再度ステップＳ１以降の処理が実行される。即ち、開放電圧低下処理による開放電圧Ｖの低下は未だ不十分であるとして、開放電圧低下処理が継続される。ここで、ステップＳ４での目標電圧ｖ１は、電圧閾値の一例であり、これに限定されず、目標電圧ｖ１の代わりに目標電圧ｖ１よりも低い電圧閾値を用いてもよい。
ステップＳ４でＹｅｓの場合には、流量センサＱｓにより検出された上流供給管１１ａを通過する酸化剤ガスの流量Ｑが所定の流量閾値ｑ以下か否かが判定される（ステップＳ５）。上流供給管１１ａを通過する酸化剤ガスの流量Ｑの一部は、下流供給管１１ｂを介してＦＣスタック４に供給され、原則的には流量Ｑが大きいほどＦＣスタック４へ流れる酸化剤ガスの流量も大きい。このため、流量ＱはＦＣスタック４へ流れる酸化剤ガスの流量に相関する流量相関値の一例である。尚、流量Ｑは、上流供給管１１ａの上流端からエアコンプレッサ１４側である下流側に向かう値が正の値として検出され、流量閾値ｑも正の値として設定されている。流量閾値ｑは、開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下の場合に、間欠運転を開始しても開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれが少ないことを示す酸化剤ガスの流量に設定されている。流量閾値ｑは予め定められた固定値であってもよいし、所定のパラメータに基づいて定められる可変値であってもよい。
ステップＳ５でＹｅｓの場合、開放電圧Ｖも酸化剤ガスの流量Ｑも十分に低下しており開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれがないものとみなされて、調圧弁１７を開きバイパス弁１５を閉じた供給状態で、エアコンプレッサ１４を駆動して、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。ステップＳ８の処理は、間欠運転実行部が実行する処理の一例である。
ステップＳ５でＮｏの場合には、回転数センサＲｓにより検出されるエアコンプレッサ１４の回転数Ｒが所定の回転数閾値ｒ以下であるか否かが判定される（ステップＳ６）。回転数閾値ｒは、開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下であるが流量Ｑは流量閾値ｑよりも大きい場合に、間欠運転を開始しても開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれが少ないことを示すエアコンプレッサ１４の回転数に設定されている。回転数閾値ｒも固定値であってもよいし可変値であってもよい。ステップＳ６でＹｅｓの場合、流量Ｑは十分には低下していないが開放電圧Ｖや回転数Ｒは十分に低下しており、開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれは少ないとみなされて、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。
ステップＳ６でＮｏの場合には、開放電圧Ｖが、目標電圧ｖ１よりも小さい下限電圧ｖ２以下であるか否かが判定される（ステップＳ７）。下限電圧ｖ２は、流量Ｑは流量閾値ｑよりも大きく回転数Ｒは回転数閾値ｒよりも大きい場合に、間欠運転を開始しても開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれが少ないことを示す電圧に設定されている。ステップＳ７でＹｅｓの場合、流量Ｑや回転数Ｒは十分に低下していないが開放電圧Ｖはより低下しており、開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれは少ないとみなされて、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。ステップＳ７でＮｏの場合には、ステップＳ４でＮｏの場合と同様に、本制御が一旦終了して再度ステップＳ１以降の処理が実行される。以上のように、ステップＳ４～Ｓ７の処理は、間欠運転を実行するための実行条件に相当する。
次に、上述した制御について、複数のタイミングチャートを例として用いて説明する。図４は、間欠運転開始前に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの第１例である。図４に示すように、時刻ｔ１で発電が休止されて開放電圧低下処理が実行されると（ステップＳ２及びＳ３）、開放電圧Ｖは徐々に低下する。時刻ｔ２で開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下となり（ステップＳ４でＹｅｓ）、時刻ｔ３で流量Ｑが流量閾値ｑ以下となると（ステップＳ５でＹｅｓ）、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。
ここで、ステップＳ５の処理を実行せずに、時刻ｔ２で間欠運転を開始すると、上流供給管１１ａに残留していた酸化剤ガスとエアコンプレッサ１４の駆動により外部から導入された酸化剤ガスとがＦＣスタック４に供給されることにより流量Ｑｚが増大し、開放電圧Ｖｚのように過度に上昇する可能性がある。開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下になることのみならず、流量Ｑが流量閾値ｑ以下となることについても間欠運転開始の条件とすることにより、このような問題の発生を抑制できる。
図５は、間欠運転開始前に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの第２例である。時刻ｔ１で発電が休止されて開放電圧低下処理が実行され（ステップＳ２及びＳ３）、時刻ｔ２で開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下となり（ステップＳ４でＹｅｓ）、流量Ｑが流量閾値ｑよりも大きい場合であっても（ステップＳ５でＮｏ）、時刻ｔ３でエアコンプレッサ１４の回転数Ｒが回転数閾値ｒ以下となると（ステップＳ６でＹｅｓ）、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。
ここで、図５に示す流量Ｑｘ１のように流量Ｑｘ１が流量閾値ｑよりも大きいことのみをもってして間欠運転が開始されないとすると、回転数Ｒｘ１も開放電圧Ｖｘ１も更に低下し続ける。これにより、ＦＣスタック４の発電性能が低下する可能性がある。このように流量Ｑｘ１が流量閾値ｑ以下とならない原因は、例えば外気から上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂに導入される空気量が多い場合や、流量センサＱｓの検出精度に誤差がある場合が考えられる。本実施例では流量Ｑが流量閾値ｑよりも大きくても、回転数Ｒが回転数閾値ｒ以下となった場合には間欠運転を開始することにより、上記のような問題の発生を抑制できる。
図６は、間欠運転開始前に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの第３例である。時刻ｔ１で発電が休止されて開放電圧低下処理が実行されると（ステップＳ２及びＳ３）、時刻ｔ２で開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下となり（ステップＳ４でＹｅｓ）、時刻ｔ３で流量Ｑが流量閾値ｑよりも大きく（ステップＳ５でＮｏ）且つ回転数Ｒが回転数閾値ｒよりも大きい場合であっても（ステップＳ６でＮｏ）、開放電圧Ｖが下限電圧ｖ２以下となれば（ステップＳ７でＹｅｓ）、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。
ここで、図６に示すように流量Ｑｘ１が流量閾値ｑよりも大きいことと回転数Ｒｘ１が回転数閾値ｒよりも大きいことのみをもってして間欠運転が開始されないとすると、開放電圧Ｖｘ１は更に低下し続ける。本実施例では流量Ｑが流量閾値ｑよりも大きく回転数Ｒが回転数閾値ｒよりも大きくても、開放電圧Ｖが下限電圧ｖ２以下となった場合には間欠運転を開始することにより、上記のような問題の発生を抑制できる。
図３に示したフローチャートに関して、ステップＳ５では、上流供給管１１ａに設けられた流量センサＱｓにより検出された流量Ｑを用いたが、これに限定されず、下流供給管１１ｂに設けられた流量センサにより検出された流量を用いてもよい。また、流量相関値としてこのような流量センサにより検出された流量を用いる代わりに、ＦＣスタック４へ流れる酸化剤ガスの流量の推定値を用いてもよい。例えば、上流供給管１１ａに設けられた流量センサＱｓにより検出された流量Ｑと、予め実験などにより取得された、調圧弁１７が閉じバイパス弁１５が開いた状態で下流供給管１１ｂとバイパス管１３を流れる酸化剤ガスの流量比とに基づいて、上記の推定値を算出してもよい。
ステップＳ７の代わりに、開放電圧Ｖの低下速度が速度閾値以上であるか否かを判定してもよい。速度閾値は、開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下であり流量Ｑは流量閾値ｑよりも大きく回転数Ｒは回転数閾値ｒよりも大きい場合に、間欠運転を開始しても開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれが少ないことを示す電圧の低下速度に設定されている。本判定でＹｅｓの場合、流量Ｑや回転数Ｒは十分に低下していないが開放電圧Ｖの低下速度が大きく、開放電圧Ｖが過度に上昇するおそれは少ないとみなされて、間欠運転が開始される（ステップＳ８）。本判定でＮｏの場合には、ステップＳ４でＮｏの場合と同様に、本制御が一旦終了して再度ステップＳ１以降の処理が実行される。
ステップＳ５～Ｓ７の何れかでＹｅｓと判定されてから、所定時間経過したことを待って間欠運転を開始してもよい（ステップＳ８）。センサによる検出精度の誤差等を考慮して、開放電圧の過度な上昇を十分に抑制するためである。
ステップＳ５～Ｓ７を採用しなくてもよい。また、ステップＳ５を採用して、ステップＳ６及びＳ７を採用せず、ステップＳ５でＮｏの場合には本制御を終了してもよい。ステップＳ５及びＳ６を採用して、ステップＳ７を採用せず、ステップＳ６でＮｏの場合には本制御を終了してもよい。ステップＳ５及びＳ７を採用し、ステップＳ６を採用せず、ステップＳ５でＮｏの場合にステップＳ７の処理を実行してもよい。
［間欠運転中での開放電圧低下処理］
次に、間欠運転中に実行される開放電圧低下処理について説明する。図７は、ＥＣＵ３により実行される間欠運転中での開放電圧低下処理の一例を示したフローチャートである。本制御は繰り返し実行される。最初に、間欠運転の実行中であるか否かが判定される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１でＮｏの場合には、本制御は終了する。
ステップＳ１１でＹｅｓの場合には、開放電圧Ｖが上限電圧ｖ３以上であるか否かが判定される（ステップＳ１２）。上限電圧ｖ３は、目標電圧ｖ１よりも大きい値であり、開放電圧を強制的に低下させることが望ましい電圧値に設定されている。例えば上限電圧ｖ３は、過度に上昇した開放電圧を低下させるためにＦＣスタック４を発電させるか否かの判別に用いられる電圧閾値よりも、所定のマージン分だけ低い値に設定されていてもよい。ステップＳ１２でＮｏの場合には、間欠運転が継続される（ステップＳ１３）。
ステップＳ１２でＹｅｓの場合、開放電圧Ｖが過度に上昇しているものとみなして、エアコンプレッサ１４の駆動が停止され、調圧弁１７が閉じられバイパス弁１５が開いたバイパス状態で、開放電圧低下処理が開始される（ステップＳ１４）。ステップＳ１４の処理は、低下処理実行部が実行する処理の一例である。
次に、開放電圧低下処理の実行により開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下となったか否かが判定される（ステップＳ１５）。ステップＳ１５での目標電圧ｖ１は、電圧閾値の一例であるが、目標電圧ｖ１の代わりに下限電圧ｖ２を用いてもよいし、目標電圧ｖ１よりも小さいその他の電圧閾値を用いてもよい。ステップＳ１５でＮｏの場合には、再度ステップＳ１４の処理が実行される。
ステップＳ１５でＹｅｓの場合、開放電圧Ｖは十分に低下したものとみなされて、調圧弁１７を開きバイパス弁１５を閉じ、エアコンプレッサ１４を駆動して、間欠運転が再開される（ステップＳ１６）。このようにして、間欠運転の実行中で開放電圧Ｖが過度に上昇した場合においても開放電圧Ｖを低下させることができる。ステップＳ１５の処理は、間欠運転を実行するための実行条件に相当する。
次に、上記の制御について、タイミングチャートを例に説明する。図８は、間欠運転中に開放電圧低下処理が実行される場合のタイミングチャートの一例である。間欠運転中に時刻ｔ１で開放電圧Ｖが上限電圧ｖ３以上となると（ステップＳ１１及びＳ１２でＹｅｓ）、開放電圧低下処理が実行される（ステップＳ１４）。開放電圧Ｖが徐々に低下して時刻ｔ２で開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下となると（ステップＳ１５でＹｅｓ）、再度間欠運転が再開される（ステップＳ１６）。
尚、上記の例では、ステップＳ１５及びＳ１６に示したように開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下になった場合に間欠運転が再開されるが、これに限定されない。例えば、ステップＳ１５の代わりに、図３に示したように、ステップＳ４～Ｓ７を採用してもよい。
上記実施例では、弁機構としてバイパス管１３に設けられたバイパス弁１５と上流排出管１２ａに設けられた調圧弁１７とを例に説明したがこれに限定されない。例えば、弁機構として調圧弁１７の代わりに下流供給管１１ｂに封止弁を設け、調圧弁１７と同様に間欠運転時に封止弁を開き開放電圧低下処理時に閉じてもよい。また、弁機構として調圧弁１７に加えて下流供給管１１ｂに封止弁が設けられており、間欠運転時には調圧弁１７及び封止弁の双方を開き、開放電圧低下処理時には調圧弁１７及び封止弁の一方のみを閉じてもよい。
また、弁機構として、バイパス弁１５及び調圧弁１７の代わりに、接続部位Ｐ１に三方弁を設け、間欠運転時には上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂが連通してバイパス管１３が遮断されるように三方弁を制御し、開放電圧低下処理時には上流供給管１１ａ、下流供給管１１ｂ、及びバイパス管１３が連通するように三方弁を制御してもよい。また、弁機構としてバイパス弁１５及び調圧弁１７の代わりに、接続部位Ｐ２に三方弁を設け、間欠運転時には上流排出管１２ａ及び下流排出管１２ｂが連通してバイパス管１３が遮断されるように三方弁を制御し、開放電圧低下処理時には上流排出管１２ａ、下流排出管１２ｂ、及びバイパス管１３が連通するように三方弁を制御してもよい。
［変形例］
図９は、変形例である燃料電池システム１ａの概略構成図である。尚、上記実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。酸化剤ガス供給系１０ａは、上述した上流排出管１２ａ及び下流排出管１２ｂとバイパス管１３の代わりに、排出管１２ｃ及びバイパス管１３ａを備えている。バイパス管１３ａは排出管１２ｃとは直接的には接続されていない。即ち、バイパス管１３ａの一端は接続部位Ｐ１に接続されているが、他端は排出管１２ｃには接続されておらずに外気に晒されている。
このため、バイパス弁１５が閉じ調圧弁１７が開いた供給状態では、酸化剤ガスは上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂを介してＦＣスタック４を通過して排出管１２ｃから排出される。バイパス弁１５が開き調圧弁１７が閉じたバイパス状態では、酸化剤ガスが上流供給管１１ａを通過してバイパス管１３ａから排出可能であると共に、酸化剤ガスが排出管１２ｃを通過することが規制される。このような構成においても、図３や図７に示した制御を実施することにより、開放電圧が過度に上昇することを抑制できる。
上記の変形例においても、弁機構として、バイパス弁１５及び調圧弁１７の代わりに、接続部位Ｐ１に三方弁を設け、間欠運転時には上流供給管１１ａ及び下流供給管１１ｂが連通してバイパス管１３ａが遮断されるように三方弁を制御し、開放電圧低下処理時には上流供給管１１ａ、下流供給管１１ｂ、及びバイパス管１３ａが連通するように三方弁を制御してもよい。
［その他］
上述の実施例及び変形例において、供給状態においてバイパス弁１５を全閉した状態を例に説明したが、これに限定されず、ＦＣスタック４に供給される酸化剤ガスの流量に比してバイパス管１３を流れる酸化剤ガスの流量が微少となる程度に、バイパス弁１５を微少量だけ開いていてもよい。
上流供給管１１ａに設けられた流量センサＱｓの代わりに、下流供給管１１ｂ及びバイパス管１３にそれぞれ流量センサを設けて、双方の検出した流量を総合判断してＦＣスタック４へ供給される流量を推定してもよい。
上記説明では、間欠運転時に、開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１以下の場合にエアコンプレッサ１４を駆動し開放電圧Ｖが目標電圧ｖ１より大きい場合にエアコンプレッサ１４を停止させたが、これに限定されない。例えば、開放電圧Ｖが目標下限電圧以下となるとエアコンプレッサ１４を駆動し、開放電圧Ｖが目標下限電圧よりも大きい目標上限電圧以上となるとエアコンプレッサ１４の駆動を停止し、これにより開放電圧Ｖを目標下限電圧と目標上限電圧の間で維持してもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 燃料電池システム
３ ＥＣＵ（制御装置）
４ ＦＣスタック（燃料電池）
１０ 酸化剤ガス供給系
１１ａ 上流供給管
１１ｂ 下流供給管
１２ａ 上流排出管
１２ｂ 下流排出管
１３ バイパス管
１４ エアコンプレッサ
１５ バイパス弁
１７ 調圧弁
Ｖｓ 電圧センサ
Ｑｓ 流量センサ
Ｒｓ 回転数センサ
２０ 燃料ガス供給系

Claims (7)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、
    前記エアコンプレッサが設けられた上流供給管と、
    前記上流供給管と前記燃料電池に接続された下流供給管と、
    前記燃料電池に接続され前記燃料電池から酸化剤ガスが排出される上流排出管と、
    前記上流排出管に接続された下流排出管と、
    一端が前記上流供給管と前記下流供給管が接続した第１接続部位に接続し、他端が前記上流排出管と前記下流排出管が接続した第２接続部位に接続されたバイパス管と、
    酸化剤ガスが前記上流供給管及び下流供給管から前記燃料電池に供給されて前記上流排出管及び下流排出管から排出される供給状態と、酸化剤ガスが前記上流供給管から前記バイパス管を通過して前記下流排出管から排出されると共に酸化剤ガスが前記下流供給管及び上流排出管の一方を通過することが規制されるバイパス状態と、に切り替え可能な弁機構と、
    前記燃料電池の発電状態と前記エアコンプレッサと前記弁機構を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    発電休止状態での前記燃料電池の電圧である開放電圧を取得する電圧取得部と、
    前記燃料電池への電力出力要求がない場合に、前記燃料電池を前記発電休止状態に制御し前記弁機構により前記供給状態に制御して且つ前記エアコンプレッサを間欠的に駆動することにより、前記開放電圧を目標電圧に維持する間欠運転を実行する間欠運転実行部と、
    前記発電休止状態で前記弁機構により前記バイパス状態に制御し且つ前記エアコンプレッサの駆動を停止することにより、前記開放電圧の低下を促す開放電圧低下処理を実行する低下処理実行部と、を有し、
    前記間欠運転実行部は、前記開放電圧低下処理の実行中に前記間欠運転の実行条件が成立した場合に前記間欠運転を実行し、
    前記実行条件は、前記開放電圧が電圧閾値以下であることを含み、
    前記制御装置は、前記燃料電池へ流れる酸化剤ガスの流量に相関する流量相関値を取得する流量取得部を備え、
    前記実行条件は、前記流量相関値が流量閾値以下であることを含む、燃料電池システム。
  2. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、
    前記エアコンプレッサが設けられた上流供給管と、
    前記上流供給管と前記燃料電池に接続された下流供給管と、
    前記燃料電池に接続され前記燃料電池から酸化剤ガスが排出される排出管と、
    一端が前記上流供給管と前記下流供給管が接続した接続部位に接続し、他端が外気に晒されたバイパス管と、
    酸化剤ガスが前記上流供給管及び下流供給管から前記燃料電池に供給されて前記排出管から排出される供給状態と、酸化剤ガスが前記上流供給管を通過して前記バイパス管から排出されると共に酸化剤ガスが前記下流供給管及び排出管の一方を通過することが規制されるバイパス状態と、に切り替え可能な弁機構と、
    前記燃料電池の発電状態と前記エアコンプレッサと前記弁機構を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    発電休止状態での前記燃料電池の電圧である開放電圧を取得する電圧取得部と、
    前記燃料電池への電力出力要求がない場合に、前記燃料電池を前記発電休止状態に制御し前記弁機構により前記供給状態に制御して且つ前記エアコンプレッサを間欠的に駆動することにより、前記開放電圧を目標電圧に維持する間欠運転を実行する間欠運転実行部と、
    前記発電休止状態で前記弁機構により前記バイパス状態に制御し且つ前記エアコンプレッサの駆動を停止することにより、前記開放電圧の低下を促す開放電圧低下処理を実行する低下処理実行部と、を有し、
    前記間欠運転実行部は、前記開放電圧低下処理の実行中に前記間欠運転の実行条件が成立した場合に前記間欠運転を実行し、
    前記実行条件は、前記開放電圧が電圧閾値以下であることを含み、
    前記制御装置は、前記燃料電池へ流れる酸化剤ガスの流量に相関する流量相関値を取得する流量取得部を備え、
    前記実行条件は、前記流量相関値が流量閾値以下であることを含む、燃料電池システム。
  3. 前記低下処理実行部は、前記電力出力要求がない場合であって前記間欠運転を開始する前に、前記開放電圧低下処理を実行する、請求項１又は２の燃料電池システム。
  4. 前記低下処理実行部は、前記間欠運転の実行中に前記開放電圧が前記目標電圧よりも大きい上限電圧以上となった場合に、前記開放電圧低下処理を実行する、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
  5. 前記実行条件は、前記開放電圧が前記電圧閾値以下であり前記流量相関値が前記流量閾値よりも大きく前記開放電圧が前記電圧閾値よりも小さい下限電圧以下であることを含む、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
  6. 前記実行条件は、前記開放電圧が前記電圧閾値以下であり前記流量相関値が前記流量閾値よりも大きく前記開放電圧の低下速度が速度閾値以上であることを含む、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記エアコンプレッサの回転数を取得する回転数取得部を備え、
    前記実行条件は、前記開放電圧が前記電圧閾値以下であって前記流量相関値が前記流量閾値よりも大きいが前記回転数が回転数閾値以下となったことを含む、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
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