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JP5136415B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された単位セルを複数積層したスタック構造を有している。そして、アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。
このような燃料電池においては、システムの負荷要求に応じて、必要な量のアノードガスおよびカソードガスが供給される。従来、例えば、日本特開２００４−２５３２０８号公報には、燃料電池に供給されるカソードガスのガス流量および圧力を制御するシステムが開示されている。このシステムによれば、常にカソードガスの圧力が適切になるように制御し、必要なカソードガスの流量を確実に確保することができる。
日本特開２００４−２５３２０８号公報 日本特開平７−２３５３２４号公報 日本特開２００４−３４２４７３号公報 日本特開２００２−３０５０１７号公報 日本特開平８−４５５２５号公報
ところで、燃料電池において発電反応が行われると、反応ガス中の水素と酸素が反応して水が生成される。特に、発電反応が活発に行われる燃料電池の高負荷時においては、かかる生成水が多量に生成される。多量の生成水が燃料電池内部に滞留すると、反応ガスの流路が閉塞し発電効率が低下するおそれがある。このため、生成された水分は主にカソードオフガスと共に燃料電池外部へ排出される仕組みになっている。
しかしながら、システムからの出力低減要求により発電反応が急激に抑制されると、供給される反応ガスの流量が減量されるため、高負荷時に生成された多量の生成水が低負荷移行後に効率よく排出されない事態が生じる。このため、燃料電池内部に多量の生成水が滞留し、発電効率を低下させる要因となる可能性があった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池への負荷低減要求に基づいて、反応ガスの圧力を制御することにより、燃料電池内部の水分を効果的に排出することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記カソードから排気されたカソードオフガスが流通するためのカソードオフガス流路と、
前記カソードオフガス流路に配置され、前記カソードの圧力を調整するための圧力調整装置と、
前記燃料電池への出力低減要求に基づいて、前記カソードの圧力を所定の目標圧力値に減圧する場合に、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように前記圧力調整装置を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、
前記燃料電池への要求出力が、所定時間に所定の高出力値から所定の低出力値に変化した場合に、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように前記圧力調整装置を制御することを特徴とする。
また、第３の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池が搭載された車両において、
前記制御手段は、
前記車両の加速操作部材の操作量が、所定時間に所定の高加速操作量から所定の低加速操作量に変化した場合に、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように前記圧力調整装置を制御することを特徴とする。
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記圧力調整装置は調圧弁であり、
前記制御手段は、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように、前記調圧弁の開度を所定期間大きくすることを特徴とする。
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記制御手段は、前記調圧弁を所定期間全開に開弁することを特徴とする。
また、第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記制御手段を実行した後の所定期間は、前記制御手段の実行を禁止する禁止手段を更に備えることを特徴とする。
また、第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンスが所定値より大きい場合に、前記制御手段の実行を禁止する第２禁止手段と、
を更に備えることを特徴とする。
また、第８の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池への出力要求に基づいて、前記カソードへのカソードガス供給量を制御する流量制御手段と、
前記カソードから排気されたカソードオフガスが流通するためのカソードオフガス流路と、
前記カソードオフガス流路に配置された弁と、
前記燃料電池への出力低減要求に基づいて、前記カソードガス供給量を減量する場合に、前記流量制御手段によるカソードガス供給量の減量に先立って、前記弁の開度を所定期間大きくする制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第９の発明は、第８の発明において、
前記流量制御手段は、
前記カソードガスを供給するための流路に配置されたコンプレッサを含み、
前記燃料電池への出力要求に基づいて、前記コンプレッサを制御することを特徴とする。
第１の発明によれば、燃料電池の出力が高出力から低出力へ移行する際に、カソードの出口圧力を一時的に低下させることができる。燃料電池の出力が急激に低下するとカソード圧力が所定の目標圧力に減圧されるため、高出力時に生成された水分が燃料電池内部に滞留しやすい。このため、本発明によれば、かかる場合にカソードの出口圧力を目標圧力よりも低下させることにより、カソードの内部圧力と出口圧力との間に差圧を発生させることができ、効果的に燃料電池内部の余剰水分を外部に排出することができる。
第２の発明によれば、燃料電池への要求出力が、所定期間に所定の高出力値から低出力値へ変化した場合に、燃料電池内部に余剰な水分が滞留すると推定し、カソードの出口圧力を低下させる。このため、本発明によれば、燃料電池の出力の変化に基づいて、精度よく燃料電池内部の余剰水分の滞留状態を推定し、かかる水分を効果的に排出するための処理を行うことができる。
第３の発明によれば、燃料電池が搭載された車両において、かかる車両の加速操作部材の操作量が、所定期間に所定の高加速要求から低加速要求に変化した場合に、燃料電池内部に余剰な水分が滞留すると推定し、カソードの出口圧力を低下させる。このため、本発明によれば、車両の加速操作部材の操作量の変化に基づいて、精度よく燃料電池内部の余剰水分の滞留状態を推定し、かかる水分を効果的に排出するための処理を行うことができる。
第４の発明によれば、カソードオフガスを外部空間へ排気するためのカソードオフガス流路には、調圧弁が配置されている。このため、本発明によれば、当該調圧弁の開度を制御することにより、効率よくカソードの出口圧力を制御することができる。
第５の発明によれば、カソードの出口圧力を低下させるために、調圧弁が全開に開弁される。調圧弁が開弁されると、カソードオフガス流路が外部空間と連通する。このため、本発明によれば、効率よくカソードの出口圧力を大気圧に低下させることができる。
第６の発明によれば、燃料電池の出力低減要求に基づいて、カソード圧力の制御が行われた場合において、当該制御の実行後の所定時間は、当該制御の再実行が禁止される。カソード圧力の制御が行われている期間は、一時的にカソード圧力が通常の制御値から外れた値となる。このため、本発明によれば、当該カソード圧力の制御が頻繁に行われることを抑制し、カソード圧力のハンチングを効果的に抑制することができる。
第７の発明によれば、燃料電池のインピーダンスが検出され、かかるインピーダンス値が所定値より大きい場合には、燃料電池内に排出すべき余剰水分が滞留していないと判断することができる。このため、本発明によれば、余剰水分が滞留していない状態を効率よく判断し、カソード圧力の制御を禁止するため、カソード圧力が不必要にハンチングすることを効果的に抑制することができる。
燃料電池の出力が高出力から低出力へ移行すると、カソードガスの供給量が減量されるため、高出力時に生成された水分が燃料電池内部に滞留しやすい。第８の発明によれば、カソードガスの供給量を減量する処理に先立って、カソードオフガス流路に配置された弁の開度が所定期間大きくされる。このため、本発明によれば、カソード圧力の低下に先立ってカソード出口圧力を低下させることができるので、燃料電池内部の余剰水分を効果的に外部に排出することができる。
第９の発明によれば、コンプレッサを駆動制御することにより、カソードに供給されるカソードガス流量を制御することができる。
本発明の実施形態１の燃料電池システム構成を説明するための模式図である。 ＦＣ出力に対応するカソード圧力を規定するマップである。 燃料電池への負荷要求の変化に対する燃料電池の各種状態の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃料電池スタック
１２ カソードガス流路
１４ カソードオフガス流路
１６ コンプレッサ
１８ 調圧弁
２０ 圧力センサ
３０ 直流コンバータ
３２ 負荷装置
３４ 蓄電装置
４０ 制御部
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性を有する電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。
燃料電池スタック１０には、カソードガスを供給するためのカソードガス流路１２と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路１４が接続されている。カソードガス流路１２にはコンプレッサ１６が配置されている。コンプレッサ１６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路１２を介して燃料電池スタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路１４には、調圧弁１８が配置されている。調圧弁１８は、燃料電池スタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。また、調圧弁１８の上流には、圧力センサ２０が配置されており、カソードガスの圧力を検知することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路１４に排気される。
また、燃料電池スタック１０には、図示しないアノードガスを供給するためのアノードガス流路と、アノードオフガス流路が接続されている。アノードガス流路の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等)に接続されている。アノードガスは、アノードガス流路を介して燃料電池スタック１０に供給された後、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路に排気される。
また、燃料電池スタック１０の電極は、直流コンバータ３０および負荷装置３２に接続されている。直流コンバータ３０は、燃料電池スタック１０の出力（以下、「ＦＣ出力」とも称す）を電圧制御により制御することができる。また、直流コンバータ３０は、蓄電装置３４を備えている。蓄電装置３４はキャパシタ、バッテリ等で構成され、燃料電池スタック１０の発電反応により生じた電流を蓄電することができる。
また、本実施の形態の燃料電池システムは、制御部４０を備えている。制御部４０は、負荷装置３２の出力要求に基づいて、直流コンバータ３０の制御、および燃料電池スタック１０の発電制御を総括して行う。
［実施の形態１の動作］
次に、図１を参照して、本実施の形態の動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システムにおいては、図１に示すとおり、負荷装置３２の要求出力信号が制御部４０へ供給される。要求出力は、例えば、当該燃料電池システムが搭載された車両においてはアクセル開度などに基づいて特定される。制御部４０は、当該要求出力信号に基づいて、燃料電池スタック１０の発電制御を行う。
燃料電池スタック１０において発電が行われる場合、水素を含むアノードガスが燃料電池セルのアノードに供給され、酸素を含む空気が燃料電池セルのカソードに供給される。燃料電池セルに水素と酸素とが供給されると、アノード付近では次式（１）、およびカソード付近では次式（２）に示す電気化学反応（発電反応）が起きる。
（アノード） ：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・（１）
（カソード） ：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ ・・・（２）
上記（１）式に示すとおり、アノードに供給された水素（Ｈ２）は、アノードの触媒作用によってプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分離される。プロトンは電解質膜内部をカソードに向かって移動し、電子は直流コンバータ３０、蓄電装置３４、或いは負荷装置３２などの外部負荷を通ってカソードに向かって移動する。そして、上記（２）式に示すとおり、カソードに供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２）、負荷を通った電子、及び電解質膜内部を移動したプロトンは、カソードの触媒作用によって水分子（Ｈ２Ｏ）を生成する。燃料電池スタック１０では、このような一連の反応が行われ、空気、及び水素が連続的に供給されることによって発電を行い、負荷で電力が取り出される。
また、制御部４０は、かかる発電反応に必要なアノードガスおよびカソードガスの供給量を制御する。ここで、カソードガスは、コンプレッサ１６を駆動制御することにより所望の流量が燃料電池スタック１０に供給される。また、カソードガスの圧力は、発電効率などを考慮して、ＦＣ出力に応じた最適なカソードガスの圧力がマップにより規定されている。図２は、ＦＣ出力に対するカソード圧力を規定したマップの一例である。図２によれば、ＦＣ出力が低出力の領域ではカソード圧力は一定の低圧値に制御され、その他の領域では、ＦＣ出力が大きくなるにつれカソード圧力も大きくなるように制御される。制御部４０は、圧力センサ２０により検知されるカソードガスの圧力が、かかるマップに従い特定された圧力値となるように、コンプレッサ１６および調圧弁１８を駆動制御する。
直流コンバータ３０は、制御部４０から供給される信号に基づいて、負荷装置３２の要求する電流が負荷装置３２に出力されるように制御を行う。ここで、燃料電池スタック１０は、スタックの耐久性、或いは制御上の要因などにより、急激に出力を変化させることができない。このため、直流コンバータ３０には蓄電装置３４が接続されている。蓄電装置３４には、燃料電池スタック１０において発電された電流が蓄電されている。そして、急な高負荷要求時などの電流が不足する場合に、蓄電装置３４に蓄電されていた電流が併用して使用される。
［実施の形態１の特徴的動作］
次に、図３を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。上述したとおり、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、負荷装置３２の負荷要求に基づいて、燃料電池スタック１０の発電制御が行われる。ここで、負荷装置３２から高負荷要求があった場合、燃料電池スタック１０では上式（２）に示す発電反応が活発に行われるため、カソードにおいて多量の水が生成される。この生成水がスタック内部のカソード付近に多量に滞留すると、カソードガスの流路を閉塞し発電効率を低下させる原因となる。このため、これらの生成水は、排出されるカソードオフガスと共に効率よく燃料電池スタック１０の外部に排出されることとしている。
図３は、負荷装置３２の負荷要求が高負荷から低負荷へ急変動した場合の、燃料電池スタック１０の各種状態を示すタイミングチャートである。図３（Ａ）は、負荷装置３２の負荷要求に基づいて、要求ＦＣ出力が一定の高出力値から一定の低出力値へ急激に移行した状態を示している。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す要求ＦＣ出力に対するＦＣ出力の変動を示す図である。上述したとおり、ＦＣ出力を急激に変化させることはシステム上困難である。このため、図３（Ｂ）に示すとおり、ＦＣ出力は、高出力運転から低出力運転へ多少の過渡期間を経て推移するように制御される。尚、上述したとおり、かかる期間においては、出力不足時には蓄電装置３４に蓄電された電力が併用して使用され、或いは出力余剰時には蓄電装置３４に充電等され、負荷要求に対応することとしている。
ここで、燃料電池スタック１０の低出力運転では発電反応が抑制されるため、供給されるカソードガス量も発電量に応じて減量される。このため、高出力運転から低出力運転へ移行する過渡時においては、高出力運転時に生成された多量の水分が、効率よく外部へ排出されないおそれがある。このような状況は、例えば、６０ＫＷ以上の高出力状態から、２０ＫＷ以下の低出力状態へ移行した場合などに起こり得る。
そこで、本実施の形態においては、燃料電池スタック１０の過渡運転時にカソードガスの圧力を変化させる。図３（Ｃ）および（Ｄ）は、要求ＦＣ出力の変化に対する調圧弁１８の開度、およびカソードガス圧力の変化を示すタイミングチャートである。図３（Ｃ）に示すとおり、高出力運転から低出力運転への過渡時に調圧弁１８を一時的に全開に開弁制御することとする。図３（Ｄ）は、調圧弁１８を開弁することにより、カソードオフガス流路１４が一時的に大気開放状態となり、圧力が大気圧まで低下する様子を示している。これにより、燃料電池スタック内部のカソード圧力とカソード出口の圧力との間に差圧が生じ、カソード付近に滞留していた水分が、カソードオフガスと共にカソードオフガス流路１４に排出される。尚、開弁時間は、その後の発電反応に支障が出ない範囲内（例えば、数百ミリ秒程度）で設定される。
このように、過渡運転時に調圧弁１８を一時的に開弁することで、燃料電池内部に滞留する生成水を効果的に排出することができる。これにより、かかる生成水がカソードガス流路に閉塞することを抑制し、発電効率を効果的に高めることが可能となる。
［実施の形態１における具体的処理］
図４は、この発明の実施の形態１において、燃料電池システムがカソードに滞留する生成水を排出するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図４のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図４に示すルーチンでは、先ず、ＦＣ出力が所定の高出力閾値ＰＨ以上か否かが判断される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、検出された燃料電池スタック１０の電流値に基づいてＦＣ出力値が算出され、かかるＦＣ出力値と高出力閾値ＰＨとの大小関係が比較される。高出力閾値ＰＨは、発電反応により生成水が十分に発生している出力値（例えば、６０〜９０ＫＷの値）が設定される。
上記ステップ１００において、ＦＣ出力≧高出力閾値ＰＨの成立が認められた場合には、次に、ＦＣ高出力後カウンタ値がゼロにリセットされる（ステップ１０２）。ここで、ＦＣ高出力後カウンタ値は、後述する本ルーチンの最後のステップ１１０にて積算されるカウンタ値であり、上記ステップ１００が成立した後の本ルーチンの実行回数を判断する値である。したがって、当該カウンタ値、および本サイクルの実行周期から、ＦＣ出力が高出力閾値ＰＨに達した後にＦＣ出力の低下に要する時間を判断することが可能となる。
上記ステップ１０２の後、或いは上記ステップ１００にてＦＣ出力≧高出力閾値ＰＨの成立が認められない場合には、次に、ＦＣ出力が所定の低出力閾値ＰＬ以下か否かが判断される（ステップ１０４）。低出力閾値ＰＬは、発電反応により生成された水を十分に排出することができない出力値（例えば、０〜２０ＫＷの値）が設定される。
上記ステップ１０４において、ＦＣ出力≦低出力閾値ＰＬの成立が認められた場合には、次に、ＦＣ高出力後カウンタ値が所定の閾値Ａよりも小さいか否かが判断される（ステップ１０６）。上述したとおり、急なＦＣ出力の低下に伴いカソードガス流量が急に減量された場合に限り、発電反応により生成される水分を十分に排出することができない状況となる。このため、ＦＣ高出力後カウンタ値を閾値Ａと比較することにより、ＦＣ出力が高出力閾値ＰＨ以上の値から低出力閾値ＰＬ以下の値になった場合において、燃料電池スタック１０の内部に排出すべき生成水が滞留しているか否かを判断することが可能となる。尚、閾値Ａは、高出力閾値ＰＨおよび低出力閾値ＰＬとの関係から特定される。
上記ステップ１０６においてＦＣ高出力後カウンタ値＜閾値Ａの成立が認められた場合には、次に、カソードガスの調圧弁１８が開弁制御される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、調圧弁１８が全開に制御され、カソードオフガス流路１４が大気に開放される。開弁時間は、その後の発電反応に支障が無いように、比較的短い時間（例えば、１秒以下の所定値）が設定される。この開弁制御により、カソードの出口圧力が一時的に燃料電池スタック１０の内部のカソード付近よりも極低圧となるため、燃料電池スタック１０の内部のカソードオフガスと共に生成水を多量に排出することができる。尚、所定時間の開弁制御の後は、ＦＣ出力に応じたカソードガス圧力値に制御される。
上記ステップ１０８の処理の後、或いは、上記ステップ１０４または１０６において条件成立が認められなかった場合には、上述したＦＣ高出力後カウンタ値が積算され（ステップ１１０）、本ルーチンは終了される。
以上、説明したとおり、図４に示すルーチンによれば、ＦＣ出力が所定の高出力閾値ＰＨから所定の低出力閾値ＰＬに所定時間内に変化した場合に、調圧弁１８が開弁制御され、カソードオフガス流路１４が大気開放される。これにより、燃料電池スタック１０内に滞留する生成水を効果的に外部に排出することができ、フラッディングの発生を抑制することが可能となる。
ところで、上述した実施の形態１においては、ＦＣ出力の過渡時に調圧弁１８を全開に制御してカソードガスの圧力を大気圧に低下させ、燃料電池スタック１０内の生成水を効率よく排出することとしているが、カソードガス圧力の制御手法はこれに限られない。すなわち、カソードの出口圧力を一時的に所定の制御値（目標圧力値）よりも低下させ、生成水を効率よく排出することができるのであれば、調圧弁１８の開弁制御は全開でなくてもよい。また、調圧弁１８に代えて他の圧力調整装置を使用することとしてもよい。
また、上述した実施の形態１においては、燃料電池スタック１０の電流値に基づいて算出されたＦＣ出力が、所定の高出力値から所定の低出力値に所定時間内に変化した場合に、燃料電池スタック１０のカソード付近に生成水が多量に滞留してしまう状態になったと判断することとしているが、かかる状態の判断はこれに限られない。すなわち、例えば、当該燃料電池システムを搭載した車両においては、検出されたアクセル（加速操作部材）の操作量の変化（例えば、アクセル開度が８０％から５０％に所定時間内に低下した場合）からＦＣ出力の変化を推定し、カソード付近の生成水の滞留状態を判断することとしてもよい。
また、上述した実施の形態１においては、ＦＣ出力が所定の高出力から所定の低出力に移行する過渡運転時、すなわち、カソード圧力を減らす制御が実行されている期間に調圧弁１８を一時的に全開に開弁制御することとしているが、カソード圧力を減らす制御および調圧弁１８の開弁制御の実行タイミングはこれに限られない。すなわち、カソード圧力を減らす制御が実行される前に調圧弁１８の開度を大きくすることとすれば、カソード圧力とカソード出口圧力との間の差圧を大きくすることができる。
より具体的には、カソード圧力を減らす制御は、コンプレッサ１６の回転数を低下させてカソードガスの供給量を減量するとともに、調圧弁１８の開度を制御して所望の圧力に調圧することで行われる。したがって、コンプレッサ１６によるカソードガス供給量を減らす制御に先立って調圧弁の開度を一時的に大きくして流路抵抗を減らすことで、排水性能を効果的に向上させることができる。尚、当該変形例としての制御は上述した実施の形態１におけるカソード圧力の制御と組み合わせて実行することとしてもよいし、また、単独でカソードガス供給量の制御のみを実行することとしてもよい。何れの場合においても、カソード圧力とカソード出口圧力との間の差圧を大きくすることができるので、排水性能を効果的に向上させることができる。
また、上述した変形例においては、コンプレッサ１６を駆動制御することによりカソードガスの供給量を制御することとしているが、カソードガス供給量を制御する構成は特にこれに限定されず、他の公知のシステムを利用することとしてもよい。また、調圧弁１８は、カソード出口圧力を低下させることができるのであれば、調圧機能を有しない開閉弁などの種々の弁を使用することができる。
尚、上述した実施の形態１においては、調圧弁１８が前記第１の発明における「圧力調整装置」に相当していると共に、制御部４０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第１乃至３、および５の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、調圧弁１８が前記第８の発明における「弁」に相当していると共に、制御部４０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第８の発明における「制御手段」が実現されている。
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
実施の形態２は、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御部４０に後述する図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
上述した実施の形態１においては、ＦＣ出力の変化に基づいて、燃料電池スタック１０のカソード付近に滞留する生成水の状態を推定することとしている。そして、調圧弁１８を駆動制御することによりカソードの出口圧力が制御され、スタック内部に滞留する生成水を効果的に排出することができる。
ところで、上記実施の形態１の制御においては、調圧弁１８が全開に制御され、カソードの圧力が一時的に大気圧まで低下する。そして、生成水の排出処理が終了すると、再び調圧弁１８を駆動制御し規定の圧力に制御される。このため、かかる制御が頻繁に行われると、カソードの圧力が安定せずハンチングし、発電効率が低下する可能性がある。
そこで、本実施の形態２においては、生成水の排出制御を実行した後の一定時間は、かかる制御の再実行を禁止する。これにより、カソード圧力のハンチングによる発電効率の低下を効果的に抑制することが可能となる。
［実施の形態２における具体的処理］
図５は、この発明の実施の形態２において、燃料電池システムがカソードに滞留する生成水を排出するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図５のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図５に示すルーチンでは、先ず、ＦＣ出力が所定の高出力閾値ＰＨ以上か否かが判断される（ステップ２００）。そして、ＦＣ出力≧高出力閾値ＰＨの成立が認められた場合には、次に、ＦＣ高出力後カウンタ値がゼロにリセットされる（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。
上記ステップ２０２の後、或いは上記ステップ２００にてＦＣ出力≧高出力閾値ＰＨの成立が認めらなかった場合には、次に、ＦＣ出力が所定の低出力閾値ＰＬ以下か否かが判断される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１０４と同様の処理が実行される。
上記ステップ２０４において、ＦＣ出力≦低出力閾値ＰＬの成立が認められた場合には、次に、実施済カウンタ値が所定の閾値Ｂよりも大きいか否かが判断される（ステップ２０６）。ここで、実施済カウンタ値は、後述する本ルーチンの最後のステップ２１４にて積算されるカウンタ値であり、後述するステップ２１０の調圧弁１８の制御が実行された後の本ルーチンの実行回数を判断する値である。したがって、当該カウンタ値、および本サイクルの実行周期から、燃料電池システムが調圧弁１８の全開制御を実行した後の経過時間を判断することが可能となる。
上記ステップ２０６において、実施済カウンタ値＞閾値Ｂの成立が認められた場合には、前回の調圧弁全開制御の実行から所定時間を経過していると判断することができる。このため、次のステップに移行し、ＦＣ高出力後カウンタ値が所定の閾値Ａよりも小さいか否かが判断される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１０６と同様の処理が実行される。
上記ステップ２０８においてＦＣ高出力後カウンタ値＜閾値Ａの成立が認められた場合には、次に、カソードガスの調圧弁が全開に制御される（ステップ２１０）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１０６と同様の処理が実行されると共に、実施済カウンタ値がゼロにリセットされる処理が実行される。
上記ステップ２１０の処理の後、或いは、上記ステップ２０４、２０６、または２０８において条件成立が認められなかった場合には、上述したＦＣ高出力後カウンタ値が積算される処理（ステップ２１２）、および上述した実施済カウンタ値が積算される処理（ステップ２１４）が実行され、本ルーチンは終了される。
以上、説明したとおり、図５に示すルーチンによれば、ＦＣ出力が所定の高出力閾値ＰＨから所定の低出力閾値ＰＬに所定時間内に変化し、調圧弁１８が開弁制御された場合に、その後の一定期間の調圧弁１８の開弁制御が禁止される。これにより、調圧弁の開弁制御が頻繁に行われることによる、カソード圧力のハンチングを抑制することができ、燃料電池スタック１０の発電効率低下を抑制することができる。
ところで、上述した実施の形態２においては、ＦＣ出力の過渡時に調圧弁１８を全開に制御してカソードガスの圧力を大気圧に低下させ、燃料電池スタック１０内の生成水を効率よく排出することとしているが、カソードガス圧力の制御手法はこれに限られない。すなわち、カソードの出口圧力を一時的に所定の制御値よりも低下させ、生成水を効率よく排出することができるのであれば、調圧弁１８の開弁制御は全開でなくてもよい。また、調圧弁１８に代えて他の圧力調整装置を使用することとしてもよい。
また、上述した実施の形態２においては、燃料電池スタック１０の電流値に基づいて算出されたＦＣ出力が、所定の高出力値から所定の低出力値に所定時間内に変化した場合に、燃料電池スタック１０のカソード付近に生成水が多量に滞留してしまう状態になったと判断することとしているが、かかる状態の判断はこれに限られない。すなわち、例えば、当該燃料電池システムを搭載した車両においては、検出されたアクセル操作量の変化（例えば、アクセル開度が８０％から５０％に所定時間内に低下した場合）からＦＣ出力の変化を推定し、カソード付近の生成水の滞留状態を判断することとしてもよい。
尚、上述した実施の形態２においては、調圧弁１８が前記第１の発明における「圧力調整装置」に相当していると共に、制御部４０が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第１乃至３、および５の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態２においては、制御部４０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第６の発明における「禁止手段」が実現されている。
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
実施の形態３は、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御部４０に後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
上述した実施の形態１においては、ＦＣ出力の変化に基づいて、燃料電池スタック１０のカソード付近に滞留する生成水の状態を推定することとしている。そして、調圧弁１８を駆動制御することによりカソードの出口圧力が制御され、スタック内部に滞留する生成水を効果的に排出することができる。
ところで、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態は、燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出することによっても判断することができる。より具体的には、インピーダンス値が大きいほど、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態が乾燥していると判断することができる。
そこで、本実施の形態３においては、上述した実施の形態１の条件に加え、燃料電池スタック１０のインピーダンスから電解質膜の湿潤状態を判断し、当該電解質膜が乾燥していると判断できる場合には、調圧弁１８の開弁制御の実行を禁止する。これにより、燃料電池スタック１０内に、排出すべき生成水が無いにもかかわらず、生成水の排出制御を実行することを効果的に抑制することが可能となる。
［実施の形態３における具体的処理］
図６は、この発明の実施の形態３において、燃料電池システムがカソードに滞留する生成水を排出するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図６のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図６に示すルーチンでは、先ず、ＦＣ出力が所定の高出力閾値ＰＨ以上か否かが判断される（ステップ３００）。そして、ＦＣ出力≧高出力閾値ＰＨの成立が認められた場合には、次に、ＦＣ高出力後カウンタ値がゼロにリセットされる（ステップ３０２）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。
上記ステップ３０２の後、或いは上記ステップ３００にてＦＣ出力≧高出力閾値ＰＨの成立が認められない場合には、次に、ＦＣ出力が所定の低出力閾値ＰＬ以下か否かが判断される（ステップ３０４）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１０４と同様の処理が実行される。
上記ステップ３０４において、ＦＣ出力≦低出力閾値ＰＬの成立が認められた場合には、次に、燃料電池スタック１０のインピーダンスが所定の閾値Ｃよりも小さいか否かが判断される（ステップ３０６）。ここでは、具体的には、先ず、燃料電池スタックのインピーダンス値が検出される。次いで、かかるインピーダンス値が所定の閾値Ｃよりも小さいか否かが判断される。尚、閾値Ｃは、燃料電池スタック１０の湿潤状態が外部に生成水を排出すべき程度に達しているか否かを基準に設定される。
上記ステップ３０６において、インピーダンス値＜閾値Ｃの成立が認められた場合には、燃料電池スタック１０の内部に排出すべき生成水が滞留していると判断することができる。このため、次のステップに移行し、ＦＣ高出力後カウンタ値が所定の閾値Ａよりも小さいか否かが判断される（ステップ３０８）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１０６と同様の処理が実行される。
上記ステップ３０８においてＦＣ高出力後カウンタ値＜閾値Ａの成立が認められた場合には、次に、カソードガスの調圧弁が開弁制御される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、図４に示すルーチンのステップ１０６と同様の処理が実行される。
上記ステップ３１０の処理の後、或いは、上記ステップ３０４、３０６、または３０８において条件成立が認められなかった場合には、上述したＦＣ高出力後カウンタ値が積算される処理（ステップ３１２）、および上述した実施済カウンタ値が積算される処理（ステップ３１４）が実行され、本ルーチンは終了される。
以上、説明したとおり、図６に示すルーチンによれば、燃料電池スタック１０のインピーダンス値から、外部に排出すべき生成水が無いと判断された場合に、調圧弁１８の開弁制御が禁止される。これにより、不要な調圧弁の開弁制御を抑制することができ、カソード圧力のハンチングによる燃料電池スタック１０の発電効率低下を抑制することができる。
ところで、上述した実施の形態３においては、ＦＣ出力の過渡時に調圧弁１８を全開に制御してカソードガスの圧力を大気圧に低下させ、燃料電池スタック１０内の生成水を効率よく排出することとしているが、カソードガス圧力の制御手法はこれに限られない。すなわち、カソードの出口圧力を一時的に所定の制御値よりも低下させ、生成水を効率よく排出することができるのであれば、調圧弁１８の開弁制御は全開でなくてもよい。また、調圧弁１８に代えて他の圧力調整装置を使用することとしてもよい。
また、上述した実施の形態３においては、燃料電池スタック１０の電流値に基づいて算出されたＦＣ出力が、所定の高出力値から所定の低出力値に所定時間内に変化した場合に、燃料電池スタック１０のカソード付近に生成水が多量に滞留してしまう状態になったと判断することとしているが、かかる状態の判断はこれに限られない。すなわち、例えば、当該燃料電池システムを搭載した車両においては、検出されたアクセル操作量の変化（例えば、アクセル開度が８０％から５０％に所定時間内に低下した場合）からＦＣ出力の変化を推定し、カソード付近の生成水の滞留状態を判断することとしてもよい。
また、上述した実施の形態３においては、カソードの圧力制御を行うか否かの条件として、燃料電池スタック１０の内部に排出すべき生成水が滞留しているか否かを判断するために、燃料電池スタック１０のインピーダンス値と、実施の形態１に示したＦＣ出力値の変化と、の両面から判断することとしているが、当該制御の実行条件はこれに限られない。すなわち、燃料電池スタック１０のインピーダンス値のみにより生成水の状態を判断し、生成水の排出制御を実行してもよいし、また、実施の形態２に示した制御と組み合わせて実行することとしてもよい。
また、上述した実施の形態３においては、閾値Ａは、ＦＣ出力が高出力閾値ＰＨから低出力閾値ＰＬに変化することにより、燃料電池スタック１０の内部に排出すべき生成水が滞留する場合に、かかる変化に要する時間の閾値として、ＰＨおよびＰＬとの関係から特定されることとしているが、閾値Ａの特定手法はこれに限られない。すなわち、燃料電池スタック１０のインピーダンス値との関係から、閾値Ａを特定することとしてもよい。
尚、上述した実施の形態３においては、調圧弁１８が前記第１の発明における「圧力調整装置」に相当していると共に、制御部４０が、上記ステップ３１０の処理を実行することにより、前記第１乃至３、および５の発明における「制御手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態３においては、制御部４０が、上記ステップ３０６の処理を実行することにより、前記第７の発明における「第２禁止手段」が実現されている。

Claims (9)

  1. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
    前記カソードから排気されたカソードオフガスが流通するためのカソードオフガス流路と、
    前記カソードオフガス流路に配置され、前記カソードの圧力を調整するための圧力調整装置と、
    前記燃料電池への出力低減要求に基づいて、前記カソードの圧力を所定の目標圧力値に減圧する場合に、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように前記圧力調整装置を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、
    前記燃料電池への要求出力が、所定時間に所定の高出力値から所定の低出力値に変化した場合に、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように前記圧力調整装置を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池が搭載された車両において、
    前記制御手段は、
    前記車両の加速操作部材の操作量が、所定時間に所定の高加速操作量から所定の低加速操作量に変化した場合に、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように前記圧力調整装置を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記圧力調整装置は調圧弁であり、
    前記制御手段は、前記カソードの圧力が前記目標圧力値よりも一時的に低下するように、前記調圧弁の開度を所定期間大きくすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御手段は、前記調圧弁を所定期間全開に開弁することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御手段を実行した後の所定期間は、前記制御手段の実行を禁止する禁止手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
    前記インピーダンスが所定値より大きい場合に、前記制御手段の実行を禁止する第２禁止手段と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  8. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池への出力要求に基づいて、前記カソードへのカソードガス供給量を制御する流量制御手段と、
    前記カソードから排気されたカソードオフガスが流通するためのカソードオフガス流路と、
    前記カソードオフガス流路に配置された弁と、
    前記燃料電池への出力低減要求に基づいて、前記カソードガス供給量を減量する場合に、前記流量制御手段によるカソードガス供給量の減量に先立って、前記弁の開度を所定期間大きくする制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  9. 前記流量制御手段は、
    前記カソードガスを供給するための流路に配置されたコンプレッサを含み、
    前記燃料電池への出力要求に基づいて、前記コンプレッサを制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
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