(57)【要約】【課題】燃料電池スタックのカソード触媒の溶出を抑制しつつ負電圧を解消する燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、前記出力電流を段階的に低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システム。【選択図】図３
2020202133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、
前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、
前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、前記出力電流を段階的に低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、
前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、
前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、前記出力電流を増減させながら低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、
前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、
前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置と、
前記コンバータ及び調整装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、カソードストイキ比が１．０未満となるように前記カソードガスの流量を制限して、前記出力電流を低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置により制御されて前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置を備え、
前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、カソードストイキ比が１．０未満となるように前記カソードガスの流量を制限して、前記電流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。
【請求項５】
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流を連続的に低下させる、請求項３の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記カソードガスの流量をゼロに制御することにより、前記カソードストイキ比を１．０未満に制御する、請求項３乃至５の何れかの燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置は、前記電流低下処理では、前記出力電流を一定値に維持している期間は前記出力電流を低下させている期間よりも長い、請求項１の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流をゼロにまで低下させる、請求項１乃至７の何れかの燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御装置により制御されて前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置を備え、
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流をゼロにまで低下させ、前記電流低下処理の完了後、前記出力電流をゼロに維持したまま前記カソードガスの流量を制御して前記燃料電池スタックの開放電圧を目標範囲内に制御する、請求項１又は２の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流をゼロにまで低下させ、前記電流低下処理の完了後、前記出力電流をゼロに維持したまま前記カソードガスの流量を制御して前記燃料電池スタックの開放電圧を目標範囲内に制御する、請求項３乃至６の何れかの燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックの一部の単セルに燃料ガスが十分に供給されない状態が継続すると、その単セルの電圧が負電圧となって発電性能が低下する場合がある。例えば特許文献１では、燃料電池スタックの出力電流を低下させることにより、負電圧を解消する技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２０１４０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
負電圧を解消するために出力電流を低下させた場合、負電圧の単セルのカソード触媒を担持するカーボン担体が酸化し、カソード触媒が溶出して発電性能が低下する可能性がある。特に、出力電流の低下が連続的に行われると、このようなカーボン担体の酸化が促進されると考えられる。
【０００５】
そこで、燃料電池スタックのカソード触媒の溶出を抑制しつつ負電圧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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、前記出力電流を段階的に低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システムによって達成できる。
【０００７】
また、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、前記出力電流を増減させながら低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システムによっても達成できる。
【０００８】
また、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記複数の単セルのうち少なくとも一つのセル電圧を検出する検出部と、前記燃料電池スタックの出力電流を調整するコンバータと、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置と、前記コンバータ及び調整装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、カソードストイキ比が１．０未満となるように前記カソードガスの流量を制限して、前記出力電流を低下させる電流低下処理を実行する、燃料電池システムによっても達成できる。
【０００９】
前記制御装置により制御されて前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置を備え、前記制御装置は、前記検出部により検出されたセル電圧が負電圧の場合には、カソードストイキ比が１．０未満となるように前記カソードガスの流量を制限して、前記電流低下処理を実行してもよい。
【００１０】
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流を連続的に低下させてもよい。
【００１１】
前記制御装置は、前記カソードガスの流量をゼロに制御することにより、前記カソードストイキ比を１．０未満に制御してもよい。
【００１２】
前記制御装置は、前記電流低下処理では、前記出力電流を一定値に維持している期間は前記出力電流を低下させている期間よりも長くてもよい。
【００１３】
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流をゼロにまで低下させてもよい。
【００１４】
前記制御装置により制御されて前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置を備え、前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流をゼロにまで低下させ、前記電流低下処理の完了後、前記出力電流をゼロに維持したまま前記カソードガスの流量を制御して前記燃料電池スタックの開放電圧を目標範囲内に制御してもよい。
【００１５】
前記制御装置は、前記電流低下処理では前記出力電流をゼロにまで低下させ、前記電流低下処理の完了後、前記出力電流をゼロに維持したまま前記カソードガスの流量を制御して前記燃料電池スタックの開放電圧を目標範囲内に制御してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
燃料電池スタックのカソード触媒の溶出を抑制しつつ負電圧を解消する燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、正常発電状態の単セルのアノード電位及びカソード電位と、セル電圧が負電圧である単セルのアノード電位及びカソード電位とを示した図である。
【図３】図３は、第１実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。
【図４】図４は、第１実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。
【図５】図５は、負電圧セルのアノード電位及びカソード電位と、負電圧セルに水素ポンピングが生じた状態でのアノード電位及びカソード電位とを示している。
【図６】図６は、第２実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。
【図７】図７は、第２実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。
【図８】図８は、第３実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。
【図９】図９は、第３実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。
【図１０】図１０は、第４実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。
【図１１】図１１は、第４実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［燃料電池システムの構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４、セルモニタ７、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８、カソードガス供給系１０、アノードガス供給系２０、及び電力制御系３０を含む。尚、燃料電池システム１は、ＦＣ４に冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。また、車両には、走行用のモータ５０や、車輪５、アクセル開度センサ６を備えている。ＦＣ４は、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する燃料電池であり、固体高分子電解質型の単セルを複数積層して構成されている。
【００１９】
カソードガス供給系１０は、カソードガスとして酸素を含む空気をＦＣ４に供給し、供給管１１、排出管１２、バイパス管１３、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、インタークーラ１６、及び背圧弁１７を含む。供給管１１は、ＦＣ４のカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２は、ＦＣ４のカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３は供給管１１及び排出管１２を連通している。バイパス弁１５は、供給管１１とバイパス管１３との接続部分に設けられている。バイパス弁１５は供給管１１とバイパス管１３との連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及びインタークーラ１６は、供給管１１上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７は、排出管１２上であって、排出管１２とバイパス管１３との接続部分よりも上流側に配置されている。エアコンプレッサ１４は、カソードガスとして酸素を含む空気を、供給管１１を介してＦＣ４に供給する。ＦＣ４に供給されたカソードガスは、排出管１２を介して排出される。インタークーラ１６は、ＦＣ４に供給されるカソードガスを冷却する。背圧弁１７は、ＦＣ４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、及び背圧弁１７の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。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、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量を調整できる。また、ＥＣＵ３は、バイパス弁１５及び背圧弁１７の開度を制御することにより、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量及びバイバスされるカソードガスの流量を調整することができる。カソードガス供給系１０は、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量を調整する調整装置の一例である。
【００２０】
アノードガス供給系２０は、アノードガスとして水素ガスをＦＣ４に供給し、タンク２０Ｔ、供給管２１、排出管２２、循環管２３、タンク弁２４、調圧弁２５、インジェクタ（以下、ＩＮＪと称する）２６、気液分離器２７、排水弁２８、及び水素循環ポンプ（以下、ＨＰと称する）２９を含む。タンク２０ＴとＦＣ４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２０Ｔには、アノードガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２は、ＦＣ４のアノード出口マニホールドに接続されている。循環管２３は、気液分離器２７と供給管２１とを連通している。タンク弁２４、調圧弁２５、及びＩＮＪ２６は、供給管２１の上流側から順に配置されている。タンク弁２４が開いた状態で、調圧弁２５の開度が調整され、ＩＮＪ２６がアノードガスを噴射する。これにより、ＦＣ４にアノードガスが供給される。排出管２２には、気液分離器２７及び排水弁２８が、上流側から順に配置されている。気液分離器２７は、ＦＣ４から排出されたアノードガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７に貯留された水は、排水弁２８が開くことにより、排出管２２を介して燃料電池システム１の外部へと排出される。循環管２３は、アノードガスをＦＣ４へ還流させるため配管であり、上流側の端部が気液分離器２７に接続され、ＨＰ２９が配置されている。ＦＣ４から排出されたアノードガスは、ＨＰ２９によって適度に加圧され、供給管２１へ導かれる。タンク弁２４、調圧弁２５、ＩＮＪ２６、排水弁２８、及びＨＰ２９の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。
【００２１】
電力制御系３０は、ＦＣ４の放電及びＢＡＴ８の充放電を制御する。電力制御系３０は、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４、モータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９を含む。ＦＤＣ３２は、ＥＣＵ３から送信される要求電流値に基づきＦＣ４による出力電流を制御すると共に、ＦＣ４からの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８やＡＩＮＶ３９に出力する。ＢＤＣ３４は、ＢＡＴ８からの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８やＡＩＮＶ３９に出力する。ＦＣ４の発電電力は、ＢＡＴ８に充電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。また、モータ５０は、車両の減速時や降坂時には、車輪５から入力される運動エネルギーに基づいて発電する発電機として機能する。ＦＣ４及びＢＡＴ８の電力は、ＡＩＮＶ３９を介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、ＦＣ４用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、背圧弁１７、タンク弁２４、調圧弁２５、ＩＮＪ２６、排水弁２８、ＨＰ２９を含む。車両用の補機は、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。
【００２２】
ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、背圧弁１７、タンク弁２４、調圧弁２５、ＩＮＪ２６、排水弁２８、ＨＰ２９、ＦＤＣ３２、及びＢＤＣ３４が電気的に接続されている。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６の検出値や上述した車両用の補機及びＦＣ４用の補機の駆動状態、ＢＡＴ８の蓄電電力等に基づいて、ＦＣ４への要求出力を算出し、この要求出力に基づいてＦＣ４への要求電流値を算出する。また、ＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力に応じてエアコンプレッサ１４やＩＮＪ２６を制御してＦＣ４に供給されるカソードガス及びアノードガスの流量を制御しつつ、ＦＣ４の要求電流値に基づいてＦＤＣ３２を制御することによりＦＣ４の出力電流を制御する。また、ＥＣＵ３は、後述する負電圧解消制御を実行する制御装置の一例である。セルモニタ７は、ＦＣ４の各単セルの電圧を検出し、ＥＣＵ３は、各単セルのセル電圧の何れかが負電圧であるか否かを判定する。
【００２３】
［負電圧］
図２は、正常発電状態の単セルのアノード電位及びカソード電位と、セル電圧が負電圧である単セルのアノード電位及びカソード電位とを示した図である。正常発電状態での単セルでは、アノード側では以下の式（１）の反応が生じ、カソード側では以下の式（２）の反応が生じており、カソード電位はアノード電位よりも高い状態にある。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（１）
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ…（２）
【００２４】
ここで、例えば氷点下の環境でＦＣ４が停止している間に、ＦＣ４内のアノード流路が残留水の凍結によって閉塞される場合がある。このような状態でＦＣ４を始動させると、一部の単セルにアノードガスが十分に供給されずにアノードガスが欠乏した状態となり、一部の単セルのアノード電位が上昇して、単セルのセル電圧が負電圧となる場合がある。単セルのセル電圧が負電圧であると、以下のような問題が生じることが考えられる。
【００２５】
図２に示すように、負電圧の単セルでは、水素不足に起因して、式（１）の反応により得られるプロトン量が減少する。このため、以下の式（３）に示すように、プロトン量の減少を補償するように、アノード触媒を担持するカーボン担体と水とが反応してカーボン担体が酸化して、プロトンが発生する。
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−…（３）
カーボン担体が酸化すると、アノード触媒が溶出したり粒径が増大して、負電圧である単セルの発電性能が低下する恐れがある。このように、セル電圧が負電圧のまま放置すると、単セルの発電性能が低下する。
【００２６】
ここで、ＦＣ４の各単セルのアノード触媒層には、白金触媒以外に、水の分解反応を促進する触媒が添加されている。この触媒は、例えば酸化イリジウムや酸化ルテニウムである。このため、以下の式（４）に示すように、水の分解反応が促進されてプロトンが発生し、上述の式（３）で示したカーボン担体の酸化が抑制されている。
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−…（４）
尚、セル電圧が負電圧である単セルのカソード側では以下の式（５）のような反応が生じる。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ…（５）
【００２７】
上記のように、アノード触媒層に添加された水分解促進触媒により、負電圧に起因するアノード触媒の溶出等は抑制できるが、負電圧自体を解消する必要がある。負電圧の解消は、ＦＣ４の出力電流を徐々に低下させることにより実現できる。負電圧を解消するためにＦＣ４の出力電流が低下している過程では、負電圧の単セルのカソード電位は上昇する。この過程において、以下の式（６）及び（７）のように、負電圧の単セルのカソード触媒を担持するカーボン担体が酸化する。これによりカソード触媒が溶出して発電性能が低下する可能性がある。
Ｐｔ＋Ｈ２Ｏ→ＰｔＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−…（６）
２ＰｔＯ＋Ｃ／Ｐｔ→３Ｐｔ＋ＣＯ２…（７）
特に、負電圧を解消するためにＦＣ４の出力電流をゼロにまで低下させる場合には、負電圧である単セルのカソード電位は０Ｖ前後又は更に低い状態から、例えば１．０Ｖ近くの開放電圧にまで増大する。このように負電圧の単セルのカソード電位の上昇が継続すると、式（６）及び式（７）の反応が活性した状態で継続し、カソード触媒のカーボン担体の酸化量が増大して、カソード触媒が溶出する可能性がある。また、このようなカソード電位の上昇速度が速いほど、式（６）及び式（７）の反応は促進されると考えられる。即ち、出力電流の低下が連続的に行われ、且つ出力電流の低下速度が速いほど、このような反応が促進されると考えられる。
【００２８】
第１実施例では、何れかの単セルの電圧が負電圧である場合に、ＦＣ４の出力電流を段階的に低下させることで、負電圧を解消する。出力電流を段階的に低下させることにより、負電圧の単セルのカソード触媒のカーボン担体の酸化量の増大を抑制して、カソード触媒の溶出を抑制できる。尚、これ以降の説明において、セル電圧が負電圧である単セルを「負電圧セル」と称する。また、説明の便宜上、セル電圧が負電圧であったが以下に説明する負電圧解消制御により負電圧が解消された状態にある単セルについても、「負電圧セル」と称する。
【００２９】
［第１実施例の負電圧解消制御］
図３は、第１実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。上述したように第１実施例の負電圧解消制御では、ＦＣ４の出力電流を段階的に低下させる電流低下処理が実行される。図３には、負電圧セルのセル電圧、ＦＣ４の出力電流、ＦＣ４のカソード流路内で発生するＣＯ２の発生量（ｐｐｍ）の変化を示している。尚、図３には、出力電流を連続的に低下させる比較例についても記載しており、第１実施例に関する値については実線で示し、比較例に関する値については点線で示している。
【００３０】
比較例では、時刻ｔ０から時刻ｔｘ１まで、出力電流を一定の速度でゼロにまで連続的に低下させている。比較例の場合、出力電流が低下している期間において、ＣＯ２の発生量は時間経過に伴って常に増大する。このように出力電流がゼロとなるまで常にＣＯ２の発生量が増大し続け、ＣＯ２の合計発生量が増大してカソード触媒の溶出量が多くなる可能性がある。尚、比較例では、詳しくは後述するが、第１実施例と同様に出力電流がゼロに制御された後、時刻ｔｘ２で負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＨとなった場合には、再発電待機処理が実行される。
【００３１】
第１実施例では、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで出力電流を低下させ、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは出力電流を一定値に維持する。その後の時刻ｔ２から時刻ｔ３まで再び出力電流を低下させ、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで出力電流を一定値に維持する。時刻ｔ４から出力電流を再び低下させ、時刻ｔ５で負電圧セルのセル電圧が後述する閾値ＶＬとなると、出力電流はゼロに制御される。出力電流が低下している期間では、比較例と同様にＣＯ２の発生量は時間経過に伴って増大するが、ＣＯ２の発生量が過多になる前に、出力電流が一定値に維持される。出力電流が一定値に維持されると、カソード側の電位は変化しないため上述した式（６）及び式（７）の反応が抑制され、ＣＯ２の発生量は略ゼロにまで低下する。
【００３２】
このように、出力電流を段階的に低下させることにより、比較例の場合よりもＣＯ２の合計発生量が抑制しつつ負電圧を解消することができ、カソード触媒の溶出を抑制することができる。また、出力電流はゼロにまで低下されるため、アノード側での上述した式（３）の反応が更に抑制され、負電圧セルのセル電圧の上昇を促進させることができる。
【００３３】
また、図３に示すように、出力電流が一定値に維持される時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、及び時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間、のそれぞれは、出力電流が低下している時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間、及び時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間のそれぞれよりも長いことが好ましい。出力電流を一定値に維持される期間が長く確保することにより、セル電圧が一定値に維持される期間も長く確保され、その後に出力電流を低下させている際に上述した式（６）及び式（７）の反応を抑制でき、ＣＯ２の発生量を抑制できるからである。
【００３４】
また、第１実施例では、時刻ｔ５で出力電流がゼロに制御されると、ＦＣ４に供給が継続されているカソードガス及びアノードガスとにより、負電圧セルの開放電圧は上昇する。時刻ｔ６で負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＨとなると、詳しくは後述する再発電待機処理が実行され、負電圧セルのセル電圧は所定の目標範囲内に維持されるように、ＦＣ４へ供給されるカソードガス及びアノードガスの流量が調整される。再発電待機処理については詳しくは後述する。尚、図３では、閾値ＶＬをゼロより大きい値として示しているがこれに限定されない。閾値ＶＬについては詳しくは後述する。
【００３５】
図４は、第１実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ３は、セルモニタ７の検出結果に基づいて、何れかの単セルの電圧が負電圧であることを検出したか否かを判定する（ステップＳ１）。例えば、何れかの単セルの電圧が−０．１Ｖ以下である場合には、その単セルのセル電圧は負電圧であると判定される。ステップＳ１でＮｏの場合、本制御は終了する。
【００３６】
何れかの単セルの電圧が負電圧である場合（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、上述したようにＦＣ４の出力電流を段階的に低下させる電流低下処理が実行される（ステップＳ２）。具体的には、ＥＣＵ３は、ＦＤＣ３２を制御してＦＣ４の出力電流を段階的に低下させる。ここで電流低下処理は、ドライバーにより操作されるアクセル開度等によらずに実行される。負電圧を早期に解消するためである。尚、第１実施例での出力電流低下処理の実行中でのＦＣ４に供給されるカソードガス及びアノードガスの流量は、通常運転状態と同様に、ＦＣ４の出力に対応するように制御される。
【００３７】
次に、ＥＣＵ３は、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＬ以上になったか否かを判定する（ステップＳ３）。閾値ＶＬは、出力電流を低下させることによって、負電圧セルのセル電圧が、問題となる電圧ではなくなったとみなすことができる値である。閾値ＶＬは、例えば−０．１Ｖより大きく０．１Ｖ未満の間の任意の値である。
【００３８】
ＥＣＵ３は、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＬ以上になるまで待機し、閾値ＶＬ以上になると（ステップＳ３でＹｅｓ）、負電圧は解消されたものとして、ＦＣ４の出力電流をゼロに制御する（ステップＳ４）。即ち、ＦＣ４の発電が休止される。尚、出力電流をゼロに制御する方法は、ＦＣ４から掃引される電流値がゼロとなるようにＦＤＣ３２を制御することにより実現してもよいし、ＦＤＣ３２に設けられている、ＦＣ４と補機との接続状態を切り替えるスイッチを制御することによってＦＣ４と補機とを遮断することにより実現してもよい。尚、ＥＣＵ３は、ＢＡＴ８の出力に基づいて、ＦＣ４の発電の休止後もＦＣ４にカソードガス及びアノードガスを継続的に供給し又は、一定の時間間隔を空けて断続的に供給する。
【００３９】
次に、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＨ以上になったか否かを判定する（ステップＳ５）。閾値ＶＨは、負電圧セルのセル電圧が、他の正常である単セルと同様にまで十分に回復したとみなすことができる値である。閾値ＶＨは、１．０Ｖ以下の値であり、例えば０．４Ｖ〜０．７Ｖの間の任意の値であるがこれに限定されない。
【００４０】
ＥＣＵ３は、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＨ以上になるまで待機し、閾値ＶＨ以上になると（ステップＳ５でＹｅｓ）、ＥＣＵ３は再発電待機処理を実行する（ステップＳ６）。具体的には、発電休止状態にあるＦＣ４の開放電圧を、主にＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量を増減制御することによって、所定の目標範囲内に維持する処理であり、この処理は間欠運転とも称される。再発電待機処理が実行されると、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量は開放電圧が低下する程度に制御され、開放電圧が目標範囲の下限値を下回ると、カソードガスの流量は開放電圧が増大する程度に一時的に増大される。開放電圧が目標範囲の上限値を上回ると、再びカソードガスの流量は開放電圧が低下する程度に制御される。再発電待機処理の実行中に、ＦＣ４への要求出力が所定値以上となると、ＥＣＵ３はＦＣ４の発電を再開する。
【００４１】
このように、発電休止状態にあるＦＣ４の開放電圧を目標範囲に維持することにより、ＦＣ４にカソード側の酸素濃度を発電再開に適した濃度に維持することができ、発電再開時でのＦＣ４の出力の応答性の低下が抑制される。上記の開放電圧の目標範囲は、例えば０．６Ｖ〜０．８Ｖであるがこれに限定されない。尚、アノードガスの供給は、発電再開時に水素欠乏状態とならないように、ＦＣ４の開放電圧に関わらずに所定の時間間隔を空けて断続的に供給される。尚、上記の負電圧解消制御が実行されるとＦＣ４の発電は一時的に休止した状態となるが、出力電力の不足分は、ＢＡＴ８の出力により補われる。
【００４２】
第１実施例での「出力電流を段階的に低下させる」とは、出力電流を低下させた後に、出力電流を所定期間一定値に維持し、その後に再び出力電流を低下させることである。このように、出力電流が一定値に維持される期間を少なくとも一回介在させて、出力電流を低下させる。出力電流の低下は、一定速度で低下させてもよいし、速度を変化させて低下させてもよい。また、出力電流の低下速度を徐々に小さくして出力電流を所定期間一定値に維持し、その後に出力電流の低下速度を徐々に大きくすることにより、出力電流を段階的に低下させてもよい。出力電流を低下させている期間は、常に同じ期間であることに限定されない。同様に、出力電流を一定値に維持している期間は、常に同じ期間であることに限定されない。出力電流がゼロに近づくほど、１回の出力電流を低下させる期間での出力電流の低下量を徐々に小さくなるように設定してもよい。また、このような出力電流を低下させている期間や、一定値に維持している期間等は、ＦＣ４への要求出力に対する実際の出力の不足分を考慮して制御してもよい。
【００４３】
［第２実施例］
第２実施例での負電圧解消制御では、上述した比較例と同様に出力電流を一定速度で低下させるが、この電流低下処理の開始前に、カソードストイキ比を１．０未満となるようにカソードガスの流量が制限される。「ストイキ比」は、要求される発電量に基づく理論上の反応ガス量に対する、実際に供給される反応ガス量の比を示す。例えば、暖機運転等の低効率運転状態を除いた通常運転状態では、カソードストイキ比及びアノードストイキ比はそれぞれ１．５が維持されるようにカソードガス及びアノードガスの流量が制御され、高い効率で発電がなされている。
【００４４】
このように電流低下処理の開始前に、カソードストイキ比を１．０未満となるように制御することにより、負電圧セルを含め、複数の単セルのカソード側で酸素濃度が低下し、上述した式（５）の反応が抑制され以下の式（８）のような水素ポンピングが生じる。
２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２…（８）
水素ポンピングとは、アノード側で生成されたプロトンが電解質膜を通過してカソード側で水素が生成される反応である。このようにカソード側で、プロトンが２電子還元されて水素生成反応が生じることにより、アノード電位は低下して、カソード電位は上昇し、電位差は小さくなる。図５は、負電圧セルのアノード電位及びカソード電位と、負電圧セルに水素ポンピングが生じた状態でのアノード電位及びカソード電位とを示している。また、カソード側で式（８）の反応が促進されることにより、上述した式（６）の反応が抑制され、これにより式（７）の反応も抑制される。このため、水素ポンピングによりセル電圧が上昇しても、カソード側からのＣＯ２の発生量は抑制される。
【００４５】
図６は、第２実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。図６には、図３と同様に比較例に関する値については点線で示しており、第２実施例に関する値については実線で示している。第２実施例では、ＦＣ４に供給されるカソードガスの流量をゼロに制御することにより、カソードストイキ比を１．０未満となるように制御する。具体的には、時刻ｔ０でＦＣ４に供給されるカソードガスの流量をゼロに制御される。これにより、水素ポンピングが生じて負電圧セルのセル電圧は上昇し始める。このセル電圧が上昇している期間では、上述したようにＣＯ２の発生は抑制される。次に、時刻ｔ１ａでカソードガスの流量をゼロに維持したまま、出力電流を一定速度で連続的に低下させる。時刻ｔ２ａで負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＬ以上となると、負電圧は解消されたものとみなして、出力電流はゼロに制御される。
【００４６】
時刻ｔ２ａで出力電流がゼロに制御されると、ＦＣ４の開放電圧が増大し、負電圧セルのセル電圧も増大する。また、時刻ｔ２ａでカソードガスの供給が再開され、ＦＣ４の開放電圧は更に増大し、負電圧セルのセル電圧も更に増大する。時刻ｔ３ａでセル電圧が閾値ＶＨ以上となると、再発電待機処理が実行される。
【００４７】
第２実施例では、時刻ｔ０から時刻ｔ１ａまでは出力電流は一定値に維持されるが、その期間において水素ポンピングにより負電圧セルのセル電圧は上昇し、その後に出力電流がゼロとなるまで連続的に低下する。このため、第１実施例よりも早期に、負電圧セルのセル電圧を閾値ＶＬにまで上昇させることができ、早期に負電圧を解消することができる。また、水素ポンピングを利用して負電圧を解消することにより、比較例よりもＣＯ２の合計発生量を抑制できる。
【００４８】
ここで、図６に示すように、水素ポンピングによるセル電圧の上昇速度は、出力電流の低下によるセル電圧の上昇速度よりも大きい。換言すれば、このような関係が成立するように、カソードガスの流量を制限し且つ出力電流の低下速度を制御することが好ましい。上述したように式（６）及び式（７）の反応は抑制され式（８）の反応が促進されるため、水素ポンピングによるセル電圧の上昇速度が速くても、ＣＯ２の発生量は比較的抑制できる。これに対して、出力電流の低下によるセル電圧の上昇に伴うＣＯ２の発生量は、出力電流の低下速度が遅いほど抑制できると考えられる。このため、水素ポンピングによるセル電圧の上昇速度は速い方が、負電圧を早期に解消する観点からは好ましく、出力電流の低下速度は遅い方が、ＣＯ２の発生量を抑制する観点からは好ましいからである。
【００４９】
図７は、第２実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。第２実施例の負電圧解消制御について、第１実施例と同様の処理についてはその説明を省略する。ステップＳ１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３はＦＣ４へのカソードガスの流量をゼロに制御する（ステップＳ１ａ）。具体的には、ＥＣＵ３は、エアコンプレッサ１４の駆動を停止する。尚、ステップＳ１ａによりカソードガスの流量がゼロに制御された後であっても、所謂水素欠乏が発生しないように、アノードガスの流量はアノードガスのストイキ比が十分に高い状態となるように制御される。
【００５０】
次に、ＥＣＵ３は、負電圧セルのセル電圧が所定値以上上昇したか否かを判定する（ステップＳ１ａ１）。即ち、水素ポンピングにより、負電圧セルのセル電圧が所定値以上上昇したか否かが判定される。尚、この所定値は、水素ポンピングが発生した場合に想定されるセル電圧の上昇量に基づいて定められた値であり、予め実験により取得されている。
【００５１】
ＥＣＵ３は、ＦＣ４へ供給されるカソードガスの流量をゼロに制御した状態で、負電圧セルのセル電圧が所定値以上上昇するまで待機し、所定値以上上昇すると（ステップＳ１ａ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ３はＦＣ４の出力電流を低下させる（ステップＳ２ａ）。
【００５２】
次に、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＬ以上となり（ステップＳ３でＹｅｓ）、出力電流がゼロに制御されると（ステップＳ４）、ＥＣＵ３は、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＭ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４ａ）。閾値ＶＭは、上述した閾値ＶＬより大きく閾値ＶＨよりは小さい値であり、カソードガスの流量をゼロに制御され且つ出力電流もゼロに制御された状態で、水素ポンピングと出力電流の低下との双方の効果により、負電圧が解消されたとみなすことができる値である。
【００５３】
ＥＣＵ３は、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＭ以上になるまで待機し、閾値ＶＭ以上になると（ステップＳ４ａでＹｅｓ）、ＦＣ４へのカソードガスの供給を再開する（ステップＳ４ａ１）。具体的にはＥＣＵ３は、ＢＡＴ８の出力に基づいてエアコンプレッサ１４を再起動する。再起動後のエアコンプレッサ１４の回転速度は、ＦＣ４の開放電圧が上昇する程度に設定されていることが好ましい。その後に、負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＨ以上になると（ステップＳ５でＹｅｓ）、再発電待機処理が実行される（ステップＳ６）。
【００５４】
第２実施例では、ステップＳ１ａにおいてカソードガスの流量をゼロに制御したがこれに限定されず、カソードストイキ比が１．０未満に維持されるように、エアコンプレッサ１４の回転速度を調整することにより、カソードストイキ比が１．０未満に維持されるようにカソードガスをＦＣ４に継続的に供給してもよい。これによっても、カソード側の酸素濃度は低下し、水素ポンピングにより負電圧セルのセル電圧を上昇させることができる。
【００５５】
尚、カソードガスの流量をゼロに制御した状態で、出力電流の低下が長期間にわたって行われると、水素ポンピングによりカソード側で多くの水素が生成され、ＦＣ４のカソード流路内の水素濃度が上昇する。このため、カソードガスの供給を再開した際に、水素濃度の高いガスが外部へと排出される。一方、出力電流の低下速度が速いと、ＣＯ２の発生量が増大する。このため、これらを比較考慮して出力電流の低下速度を定めることが望ましい。
【００５６】
出力電流を低下させている期間において、カソードストイキ比が１．０未満を維持しているのであれば、カソードガスの流量は一定値であることに限定されず、例えば、低下している出力電流値に応じてカソードガスの流量も徐々に低下させてもよい。
【００５７】
第２実施例の電流低下処理において、出力電流を一定速度で連続的に低下させる例を示したが、これに限定されず、出力電流の低下速度が変化するようにして連続的に低下させてもよい。
【００５８】
第２実施例では、ステップＳ１ａ及びＳ４ａ１の処理について、エアコンプレッサ１４を停止、起動することにより実現したが、これに限定されない。例えば、エアコンプレッサ１４の駆動を継続した状態で、バイパス弁１５及び背圧弁１７の開度を制御することにより、ＦＣ４にカソードガスが供給されずにＦＣ４を迂回させてもよい。この状態は、背圧弁１７は排出管１２を全閉にし、バイパス弁１５は供給管１１のバイパス弁１５よりも上流側と下流側とを遮断しつつ、バイパス弁１５よりも上流側の供給管１１とバイパス管１３とを連通することにより実現できる。但し、この場合、ステップＳ４でＦＣ４の発電は休止されるため、エアコンプレッサ１４の駆動はＢＡＴ８の出力に基づくことになるが、ＢＡＴ８の充電電力の消費を抑制する観点からは、エアコンプレッサ１４を停止することによりカソードガスの流量をゼロに制御することが好ましい。
【００５９】
第２実施例では、カソードガスの流量を制限してから水素ポンピングによるセル電圧の上昇を確認してから（ステップＳ１ａ１）、出力電流を低下させるが、これに限定されず、このような確認をすることなく、出力電流の低下を開始してもよい。
【００６０】
［第３実施例］
第３実施例の負電圧解消制御では、カソードストイキ比を１．０未満に制御して、ＦＣ４の出力電流を段階的に低下させる。図８は、第３実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。図８には、図３と同様に比較例に関する値については点線で示しており、第３実施例に関する値については実線で示している。
【００６１】
第３実施例では、時刻ｔ０でＦＣ４に供給されるカソードガスの流量がゼロに制御され、即ち、カソードストイキ比はゼロに制御される。時刻ｔ１ａで出力電流を低下させ、時刻ｔ２ｂで出力電流を一定値に維持する。時刻ｔ３ｂで出力電流の低下が開始され、時刻ｔ４ｂで負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＬ以上となると、出力電流はゼロに制御される。出力電流がゼロに制御されると負電圧セルのセル電圧は上昇して閾値ＶＭ以上となり、カソードガスの供給が再開される。これにより、負電圧セルのセル電圧は上昇し始め時刻ｔ５ｂで閾値ＶＨ以上となって再発電待機処理が実行される。第３実施例では、水素ポンピングを利用しつつ出力電流を段階的に低下させるため、ＣＯ２の合計発生量を比較例や第１及び第２実施例よりも抑制しながら負電圧を解消できる。
【００６２】
図９は、第３実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。第３実施例の負電圧解消制御について、第１及び第２実施例と同じ処理についてはその説明を省略する。何れかの単セルの電圧が負電圧である場合に（ステップＳ１でＹｅｓ）、カソードガスの流量がゼロに制御され（ステップＳ１ａ）、負電圧セルのセル電圧が所定値以上上昇したと判定されると（ステップＳ１ａ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ３は、出力電流を段階的に低下させる（ステップＳ２）。その後は、第２実施例でのステップＳ３以降の処理と同様である。
【００６３】
第３実施例の電流低下処理においても、第２実施例と同様に、カソードストイキ比が１．０未満であれば、カソードガスをＦＣ４に継続的に供給してもよい。また、出力電流を低下させている期間において、カソードガスの流量は一定値であることに限定されない。また、ステップＳ１ａ１の処理を実行せずに、出力電流の低下を開始してもよい。
【００６４】
［第４実施例］
第４実施例の電流低下処理では、出力電流を増減させながら低下させる。例えば、出力電流を所定値ΔＡだけ低下させた後に、所定値ΔＡよりも小さい所定値ΔＢだけを増大させ、その後に再び出力電流を所定値ΔＡだけ低下させる。
【００６５】
図１０は、第４実施例の負電圧解消制御の一例を示したタイミングチャートである。第４実施例では、時刻ｔ０から時刻ｔ１まで出力電流を所定値ΔＡだけ低下させ、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは出力電流を所定値ΔＢだけ増大させる。同様に、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで再び出力電流を所定値ΔＡだけ低下させ、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで出力電流を所定値ΔＢだけ増大させる。時刻ｔ４から時刻ｔ５ｃまで出力電流を所定値ΔＡだけ低下させ、時刻ｔ５ｃから時刻ｔ６ｃまで出力電流を所定値ΔＢだけ増大させる。時刻ｔ６ｃから出力電流を低下させて、時刻ｔ７ｃで負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＬ以上となると、出力電流はゼロに制御される。このように、出力電流を増減させながら低下させても、比較例の場合よりもＣＯ２の合計発生量が抑制できる。尚、時刻ｔ８ｃで負電圧セルのセル電圧が閾値ＶＨとなると、再発電待機処理が実行される。
【００６６】
このように出力電流を増減させながら低下させることにより、ＦＣ４の出力電流の低下に伴うＦＣ４の実際の出力の低下を抑制できる。従って、ＦＣ４への要求出力に対するＦＣ４の実際の出力の不足分の増大を抑制できる。これにより、例えばＢＡＴ８の充電残量が比較的少ない場合であっても、ＦＣ４への要求出力に対する実際の出力の不足分をＢＡＴ８で補償することができる。これにより、負電圧を解消する制御を実行しつつ、ＦＣ４の出力の低下を抑制して要求出力を充足させることができる。
【００６７】
図１１は、第４実施例の負電圧解消制御の一例を示したフローチャートである。第４実施例の負電圧解消制御について、第１実施例と同じ処理についてはその説明を省略する。何れかの単セルの電圧が負電圧である場合に（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ３はＦＣ４の出力電流を増減させながら低下させる（ステップＳ２ｃ）。その後の処理は、第１実施例でのステップＳ３以降の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００６８】
尚、出力電流の増大量は、小さい方が好ましい。出力電流の増大量が小さい方が、負電圧セルのセル電圧を閾値ＶＬにまで上昇させるのに要する期間を短くでき、ＣＯ２の合計発生量も抑制できるからである。このため、出力電流の増大量である所定値ΔＢは、出力電流を低下量である所定値ΔＡに対してできるだけ小さい方が好ましく、例えば、（２×ΔＢ）＜ΔＡの関係式が成立するように所定値ΔＡ及びΔＢを定めることが好ましい。更に好ましくは、（３×ΔＢ）＜ΔＡの関係式が成立し、更に好ましくは、（４×ΔＢ）＜ΔＡの関係式が成立するように所定値ΔＡ及びΔＢを定める。
【００６９】
第４実施例においても、カソードストイキ比を１．０未満に低下させて、出力電流を増減させながら低下させてもよい。また、第４実施例の電流低下処理において、出力電流を所定期間だけ一定値に維持した後に増大させてもよい。また、第４実施例の電流低下処理において、出力電流を低下させた後に出力電流を増大させ、その後に出力電流を低下させた後に出力電流を一定値に維持してもよいし、出力電流を低下させた後に出力電流を一定値に維持し、その後に出力電流を低下させた後に出力電流を増大させてもよい。
【００７０】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態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。
【符号の説明】
【００７１】
３  ＥＣＵ（制御装置）
４  燃料電池スタック
７  セルモニタ（検出部）
１０  カソードガス供給系（調整装置）
３２  燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）
【図１】
2020202133.tif 000003
【図２】
2020202133.tif 000004
【図３】
2020202133.tif 000005
【図４】
2020202133.tif 000006
【図５】
2020202133.tif 000007
【図６】
2020202133.tif 000008
【図７】
2020202133.tif 000009
【図８】
2020202133.tif 000010
【図９】
2020202133.tif 000011
【図１０】
2020202133.tif 000012
【図１１】
2020202133.tif 000013