(57)【要約】【課題】氷点下始動時におけるポンピング水素の発生を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池と、前記燃料電池の発電を制御する制御部と、前記燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させるとき、前記エアコンプレッサを駆動して前記燃料電池の水を排出させる掃気処理を実行し、前記掃気処理を実行した後、前記燃料電池の発電を実行して前記燃料電池の含水量を増加させ、その後、前記燃料電池の発電を停止させる。【選択図】図５
2020140811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数のセルを有する燃料電池と、
前記燃料電池の発電を制御する制御部と、
前記燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させるとき、
前記エアコンプレッサを駆動して前記燃料電池の水を排出させる掃気処理を実行し、
前記掃気処理を実行した後、前記燃料電池の発電を実行して前記燃料電池の含水量を増加させ、
その後、前記燃料電池の発電を停止させる、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムが氷点下になると、燃料電池中の水が凍結し、燃料電池中のガス流路を閉塞する場合がある。そのため、外気温が氷点下になる可能性がある状況において燃料電池システムを停止する場合には、燃料電池の含水量を減少させる掃気処理が行われる。特許文献１には、燃料電池システムの運転停止時に、最初に大流量の空気を流し、その後、小流量の空気を長時間流すことで燃料電池を乾燥させる掃気処理を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８６６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムを氷点下で始動する場合、例えば暖機運転が行われる。この暖機運転では、例えば、空気の供給量を下げて、燃料電池の発電電圧を下げることが行われる。一般に、燃料電池は、複数のセルを有しており、掃気処理によりセルの含水量が少なくなると、各セルの圧力損失は、製造時の圧力損失となり、セル間の圧力損失のバラツキが大きくなる。かかる場合、空気の供給量を下げる暖機運転を行うと、圧力損失の大きなセルでは、空気の欠乏を起因として所謂ポンピング水素が発生し、排ガス中の水素濃度が増加するおそれがある。ここで、ポンピング水素とは、アノードで生じた水素イオンが電解質膜を通ってカソードに移動し、カソードで、空気欠乏により酸素ではなく電子と反応して生じる水素である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池と、前記燃料電池の発電を制御する制御部と、前記燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させるとき、前記エアコンプレッサを駆動して前記燃料電池の水を排出させる掃気処理を実行し、前記掃気処理を実行した後、前記燃料電池の発電を実行して前記燃料電池の含水量を増加させ、その後、前記燃料電池の発電を停止させる。この形態によれば、制御部は、燃料電池の発電を停止させるときに、掃気処理により、燃料電池中の含水量を一旦低下させ、その後、発電により含水量を増加させる。その結果、セル間の圧力損失のバラツキを抑制して、氷点下始動時におけるポンピング水素の発生を抑制できる。
【０００７】
上記形態において、前記制御部は、前記燃料電池の発電を実行して前記燃料電池の含水量を増加させた後の含水量が第１の判定値以上のときに、前記燃料電池の発電を停止させてもよい。この形態によれば、発電後の含水量を適切な値にできるため、燃料電池システムの起動時におけるポンピング水素の発生をより抑制できる。
【０００８】
上記形態において、前記制御部は、前記掃気処理を実行中に、前記燃料電池の含水量が第２の判定値以下となったときに、前記掃気処理を停止してもよい。燃料電池は、複数のセルを有している。この形態によれば、燃料電池の含水量を第２の判定値以下となったときに掃気処理を停止することで、発電後の各セルの含水量のバラツキを少なくできるため、燃料電池システムの起動時におけるポンピング水素の発生をより抑制できる。
【０００９】
上記形態において、前記制御部は、前記掃気処理を実行する前の前記燃料電池の含水量が第３の判定値以上のときに、前記掃気処理を実行し、第３の判定値以上未満のとき、前記掃気処理を実行せず前記燃料電池システムを停止してもよい。この形態によれば、含水量が第３の判定値未満で、掃気処理やその後の発電が不要な場合には、エネルギーの消費を抑えることができる。
【００１０】
上記形態において、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置を備え、前記制御部は、前記燃料電池の含水量を、前記インピーダンスを用いて判断しても良い。また、前記制御部は、前記インピーダンスを用いて、前記発電の停止、前記掃気処理の終了、前記掃気処理を実行するか否か、を判断してもよい。含水量は、燃料電池のインピーダンスを用いて容易に取得可能であり、また、含水量と燃料電池のインピーダンスは１対１に対応するので、含水量の代わりに、発電の停止、掃気処理の終了、掃気処理を実行するか否か、をインピーダンスで判断できる。
【００１１】
上記形態において、前記燃料電池の温度を測定する温度センサを備え、前記制御部は、前記燃料電池の温度を用いて、前記掃気処理を実行するか否かを判断しても良い。燃料電池の温度が低い場合には、燃料電池システムの起動時におけるポンピング水素が発生するおそれがあるため、かかる場合に掃気処理を実行すれば、ポンピング水素の発生を抑制できる。
【００１２】
上記形態において、前記燃料電池の圧力損失を測定することが可能な圧力センサを備え、前記制御部は、前記燃料電池の圧力損失を用いて、前記掃気処理を実行するか否かを判断しても良い。燃料電池の圧力損失が大きい場合には、燃料電池システムの起動時におけるポンピング水素が発生するおそれがあるため、かかる場合に掃気処理を実行すれば、ポンピング水素の発生を抑制できる。
【００１３】
上記形態において、前記燃料電池の傾きを取得する傾きセンサを備え、前記制御部は、前記燃料電池の傾きが判定値以上の場合に、前記掃気処理を実行し、判定値未満の場合には、掃気処理を実行せず、燃料電池システムを停止するようにしてもよい。
【００１４】
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの停止時における制御方法等、燃料電池システムを搭載した車両、等種々の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】車両に搭載される燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の含水量と圧力損失の関係を示すグラフである。
【図３】暖機運転時における燃料電池の含水量と、ポンピング水素との関係を示すグラフである。
【図４】エアストイキ比と、発生するポンピング水素の濃度との関係を示す説明図である。
【図５】制御部が実行する第１の制御を示すフローチャートである。
【図６】燃料電池システムの停止指示を受けてから、次回の燃料電池システムの始動までのタイムチャートである。
【図７】本実施形態におけるセルの圧力損失を示す説明図である。
【図８】比較例におけるセルの圧力損失を示す説明図である。
【図９】制御部が実行する第２の制御を示すフローチャートである。
【図１０】インピーダンスを用いて含水量を測定できる理由を示す説明図である。
【図１１】燃料電池の含水量と、インピーダンスの関係を示すグラフである。
【図１２】制御部が実行する第３の制御を示すフローチャートである。
【図１３】制御部が実行する第４の制御を示すフローチャートである。
【図１４】燃料電池の含水量と、その含水量を第２の判定値とするまでの掃気処理時間との関係を示すグラフである。
【図１５】制御部が実行する第５の制御を示すフローチャートである。
【図１６】制御部が実行する第６の制御を示すフローチャートである。
【図１７】燃料電池の温度と、含水量を第２の判定値とするまでの掃気処理時間との関係を示すグラフである。
【図１８】制御部が実行する第７の制御を示すフローチャートである。
【図１９】燃料電池圧力損失と、含水量を第２の判定値とするまでの掃気処理時間との関係を示すグラフである。
【図２０】制御部が実行する第８の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、車両に搭載される燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、エア系回路３０と、燃料ガス系回路４０と、冷却系回路６０と、高電圧系回路７０と、制御部８０と、を備える。燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用い、酸化剤ガスとして、空気中の酸素を用いる。エア系回路３０は、燃料電池１０に空気中の酸素を供給し、排出する回路である。燃料ガス系回路４０は、燃料電池１０に水素を供給し、排出する回路である。燃料電池１０では、水素と酸素との反応により、電気エネルギーの他、熱が生じる。冷却系回路６０は、燃料電池１０の熱を冷却する。高電圧系回路７０は、燃料電池１０が発生させた電気エネルギーを用いて、車両を駆動する回路である。制御部８０は、エア系回路３０と、燃料ガス系回路４０と、冷却系回路６０と、高電圧系回路７０と、を制御する。
【００１７】
エア系回路３０は、エア供給管３１と、エアクリーナ３２と、エアコンプレッサ３３と、加湿器３４と、スタック入口バルブ３５と、エア排出管３６と、スタック出口バルブ３７と、２つの圧力センサ３８、３９を備える。エア供給管３１は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口に接続されており、大気中の空気を燃料電池１０に供給するための管である。エアクリーナ３２は、空気をエア供給管３１に取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ３３は、大気中の空気を燃料電池１０に供給する。加湿器３４は、燃料電池１０から排出された酸化剤排ガス中の水分を用いて、燃料電池１０に供給される空気を加湿する。スタック入口バルブ３５は、燃料電池１０への空気の供給をオン・オフする弁である。エア排出管３６は、燃料電池１０から排出された酸化剤排ガスを大気に放出するための管である。スタック出口バルブ３７は、燃料電池１０からの酸化剤排ガスの排出量を制御し、背圧を調整するための弁である。圧力センサ３８は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口の直前に設けられ、燃料電池１０に供給される空気の圧力を測定する。圧力センサ３９は、燃料電池１０の酸化剤ガス出口の直後に設けられ、燃料電池１０から排出される酸化剤排ガスの圧力を測定する。制御部８０は、圧力センサ３８、３９で測定された圧力の差から、燃料電池１０の圧力損失を取得することが可能である。エア排出管３６には、消音器が設けられていても良い。
【００１８】
燃料ガス系回路４０は、燃料ガス供給管４１と、燃料ガスタンク４２と、主止弁４３と、調圧弁４４と、インジェクタ４５と、燃料排ガス排出管４６と、気液分離器４７と、排気排水弁４８と、還流管４９と、還流ポンプ５０と、を備える。燃料ガス供給管４１は、燃料ガスタンク４２と、燃料電池１０の燃料ガス入口とを接続する管である。燃料ガスタンク４２は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する。主止弁４３は、燃料ガスタンク４２からの水素の供給をオン・オフする弁である。調圧弁４４は、燃料ガスタンク４２から供給された水素の圧力を低下させる弁である。インジェクタ４５は、水素を燃料電池１０に向けて噴射する装置である。燃料排ガス排出管４６は、燃料電池１０から排出された燃料排ガスを大気に放出するための管である。燃料排ガス排出管４６には、気液分離器４７と、排気排水弁４８が設けられている。気液分離器４７は、燃料排ガス中の気体成分と液体成分とを分離する。排気排水弁４８は、気液分離器４７中の液体成分や、気体成分の排出をオン・オフする。還流管４９は、気液分離器４７と燃料ガス供給管４１のインジェクタ４５の下流とを接続する管である。燃料排ガス中には、未反応の水素が含まれているため、還流管４９を用いて燃料ガス供給管４１に還流し、再利用する。還流ポンプ５０は、燃料ガス供給管４１から気液分離器４７に水素が逆流しないようにする。本実施形態では、エア系回路３０のエア排出管３６と、燃料ガス系回路４０の燃料排ガス排出管４６とは、接続されておらず、酸化剤排ガスと燃料排ガスは、別個に大気に放出されるが、エア系回路３０のエア排出管３６と、燃料ガス系回路４０の燃料排ガス排出管４６とを接続し、酸化剤排ガスと燃料排ガスとを混合して排出しても良い。制御部８０が排気排水弁４８を開けて燃料排ガスを排出するときに、未反応の水素が含まれる場合がある。エア排出管３６と、燃料排ガス排出管４６とを接続し、酸化剤排ガスと燃料排ガスとを混合して排出すれば、燃料排ガス中の未反応の水素を希釈できる。
【００１９】
冷却系回路６０は、冷媒供給管６１と、冷媒排出管６２と、バイパス管６３と、ラジエータ６４と、冷媒ポンプ６５と、三方弁６６と、を備える。冷媒供給管６１は、冷媒を燃料電池１０に供給するための管である。本実施形態では、冷媒として、水を用いている。冷媒排出管６２は、燃料電池１０から冷媒が排出される管である。冷媒排出管６２は、三方弁６６の入口に接続されている。三方弁６６の２つの出口は、それぞれバイパス管６３と、ラジエータ６４とに接続されている。三方弁６６は、燃料電池１０から排出された冷媒を、バイパス管６３と、ラジエータ６４とに分流する。バイパス管６３の下流と、ラジエータ６４下流と、は接続されており、冷媒ポンプ６５に接続されている。冷媒ポンプ６５の出口は、冷媒供給管６１に接続されている。三方弁６６によってラジエータ６４に流された冷媒は冷却されるが、バイパス管６３に流された冷媒は冷却されない。従って、バイパス管６３と、ラジエータ６４とに分流された冷媒の量の比により、燃料電池１０に供給される冷媒の温度を制御できる。
【００２０】
高電圧系回路７０は、燃料電池昇圧コンバータ（ＦＤＣ）７１と、バッテリコンバータ（ＢＤＣ）７２と、バッテリ（ＢＡＴ）７３と、インバータ（ＩＮＶ）７４と、駆動モータ７５と、補機類７６と、を備える。燃料電池昇圧コンバータ７１は、燃料電池１０に接続されており、燃料電池１０から入力された電圧を昇圧して、高電圧配線７７に出力する。なお、燃料電池１０の出力電圧を昇圧しない場合には、燃料電池昇圧コンバータ７１は、省略可能である。高電圧配線７７には、バッテリコンバータ７２を介して、バッテリ７３が接続されている。バッテリコンバータ７２は、高電圧配線７７から入力された高電圧を降圧して、バッテリ７３に出力する機能と、バッテリ７３から入力された電圧を昇圧して高電圧配線７７に出力する機能と、を有する双方向のＤＣ−ＤＣコンバータである。高電圧配線７７には、インバータ７４が接続されている。インバータ７４は、入力された直流電圧を三相交流電圧に変換して出力する。インバータ７４の出力には、三相交流で駆動する駆動モータ７５が接続されている。駆動モータ７５は、車両の車輪９０を駆動する。インバータ７４は、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回生する回生機能を有していても良い。回生された電力は、バッテリ７３に充電される。高電圧配線７７には、さらに、補機類７６が接続されている。補機類７６は、車両を動作させる様々な機器であり、例えば、上述したエアコンプレッサ３３や還流ポンプ５０、冷媒ポンプ６５を駆動するためのインバータが含まれる。補機類７６には、車両の空調装置、ウインカ、ヘッドライト、ワイパー、アクセサリー等が含まれていても良い。
【００２１】
燃料電池１０と高電圧系回路７０との間には、燃料電池１０の出力電流を測定する電流センサ２１と、燃料電池１０の出力電圧を測定する電圧センサ２２とが設けられている。また、燃料電池昇圧コンバータ７１には、燃料電池１０のインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置２３が接続されている。なお、燃料電池昇圧コンバータ７１が省略されている場合には、インピーダンス測定装置２３は、高電圧配線７７に接続されていてもよい。燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を測定するための温度センサ２４が設けられている。なお、冷媒排出管６２から排出される冷媒の温度と燃料電池１０の温度は、ほぼ等しいと考えられる。そのため、温度センサ２４を冷媒排出管６２に設けてもよい。すなわち、燃料電池１０の温度を直接測定するのではなく、冷媒の温度を経由して間接的に測定するようにしても良い。燃料電池１０には、燃料電池１０の鉛直方向に対する傾きを検出する傾きセンサ２５が取り付けられている。
【００２２】
図２は、燃料電池１０の含水量と圧力損失の関係を示すグラフである。燃料電池１０は、水素と酸素との反応により生じた水が含まれている。この水が増加すると、圧力損失が大きくなり、燃料電池１０の各セルのガス流路が閉塞し、燃料電池１０の出力が低下する。また、氷点下では、この水が凍結し、燃料電池１０の各セルのガス流路をより閉塞させる。燃料電池１０を氷点下で始動しようとする場合、急速暖機運転を行うが、このとき、ポンピング水素が発生する場合がある。一般に、燃料電池のカソードでは、以下の式（１）に示す反応により、水が生じる。
２Ｈ＋  ＋  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−  ⇒  Ｈ２Ｏ  …（１）
Ｈ＋は、電解質膜を通ってアノードからカソードに移動してきた水素イオンである。
制御部８０は、燃料電池システム１００を氷点下で始動する場合、燃料電池１０に供給する空気を減少させて燃料電池１０の出力電圧を低下させる暖機運転を実行する。一方、燃料電池中の含水量が少ない場合、各セル間の圧力損失のバラツキが大きくなる。この場合、圧力損失の大きなセルでは、空気（酸素）の供給量が少なくなるため、以下の式（２）に示す反応により、カソードに水素が生じる。この水素をポンピング水素と呼ぶ。
２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ⇒  Ｈ２…（２）
そのため、燃料電池１０の各セルのガス流路の閉塞及びポンピング水素の発生の抑制のためには、燃料電池１０の含水量を適切に制御することが求められる。
【００２３】
図３は、暖機運転時における燃料電池の含水量と、ポンピング水素との関係を示すグラフである。暖機運転で、燃料電池１０に供給される空気の量が少ない場合、含水量が多くなると、ポンピング水素の量は少なくなり、含水量が多くなると、ポンピング水素の量が多くなる。これは、含水量が少ないと、各セル間の圧力損失のバラツキが大きくなり、その結果、エアストイキ比のバラツキが大きくなり、エアストイキ比の低いセルでポンピング水素が発生するからである。
【００２４】
図４は、エアストイキ比と、発生するポンピング水素の濃度との関係を示す説明図である。ここで、エアストイキ比は、電解質膜を通ってアノードからカソードに移動してきた水素イオンを完全に消費できる空気の量Ａ１に対する供給された空気の量Ａ２、すなわち、Ａ２／Ａ１である。ポンピング水素の量は、エアストイキ比が、１よりも少し大きな値よりも少なくなると発生する。エアストイキ比が１の場合、カソードにおける酸素の分布状態によっては、水素イオンが、酸素と接触しない場合があり、上記式（２）の反応が生じる。そのため、エアストイキ比を１よりも少し大きな値よりも大きくすれば、水素イオンが、酸素と接触し、上記式（１）の反応を生じさせ、ポンピング水素の発生を抑制できる。
【００２５】
一般に燃料電池１０は、複数のセルを有しており、各セルの圧力損失が異なる為、エアストイキ比には、バラツキがある。各セルのエアストイキ比のバラツキが小さい場合には、どのセルにおいても、式（１）の反応により、ポンピング水素は発生しない。一方、各セルのエアストイキ比のバラツキが大きい場合には、空気の供給量を減少させた場合、エアストイキ比の小さなセルが生じる。このセルにおいては、式（２）の反応により、ポンピング水素が発生する。
【００２６】
・第１の制御：
図５は、制御部８０が実行する第１の制御を示すフローチャートである。第１の制御は、制御部８０が燃料電池システム１００を停止するとき、燃料電池１０に空気を供給することで、燃料電池１０の各セルから水を減少させ、その後、燃料電池１０を発電させることで水を増加させ、適切な含水量にするものである。
【００２７】
ステップＳ１００は、制御部８０は、燃料電池システム１００の停止指示を受けると、ステップＳ１１０に移行する。燃料電池システム１００の停止指示は、例えば、車両の運転者がキーをオフにすることで行われる。ステップＳ１１０では、制御部８０は、燃料電池１０の発電を停止させる。制御部８０は、例えば、燃料電池１０への水素の供給を停止することで、燃料電池１０の発電を停止させてもよい。ステップＳ１２０では、制御部８０は、エアコンプレッサ３３を用いて燃料電池１０に空気を供給し、燃料電池１０中の水を排出する掃気処理を実行する。このエアコンプレッサ３３を駆動するための電力は、例えば、バッテリ７３から供給される。この掃気処理における空気の流量は、例えば、燃料電池１０を最大負荷で運転するときの空気の流量の１／５程度であり、燃料電池１０を定常運転するときの空気の量とほぼ同じである。この流量とするのは、ＮＶ（Ｎｏｉｓｅ，Ｖｉｂｒａｔｉｏn）を低減するためである。ステップＳ１３０では、制御部８０は、燃料電池１０に水素と空気を供給して、燃料電池１０に発電させる。各セルで生じる生成水の量は、電流量に比例する。一般に、燃料電池１０の各セルは、直列に接続されており、各セルに流れる電流量は同じである。従って、発電により生じる生成水の量は、どのセルにおいても同じである。なお、このステップＳ１３０前のステップＳ１２０ではエアコンプレッサ３３を用いて燃料電池１０に空気が供給されている。そのため、ステップＳ１３０が実行される場合には、燃料電池１０のカソードは、空気で満たされている。その結果、ステップＳ１３０では、上述した式（２）の反応が起こり難い。従って、ポンピング水素が発生し難い。ステップＳ１４０では、制御部８０は、燃料電池１０への水素や空気の供給を停止して、燃料電池システム１００を停止する。
【００２８】
図６は、燃料電池システム１００の停止指示を受けてから、次回の燃料電池システム１００の始動までのタイムチャートである。ステップＳ１１０のタイミングで燃料電池の発電状態がオフになり、冷媒の温度が下がり始める。ステップＳ１２０の掃気処理が行われると、燃料電池１０中の含水量が減少していく。ステップＳ１３０では、発電により、冷媒温度が上昇し、含水量も増加する。増加後の含水量をＷｔとする。ステップＳ１４０で燃料電池システム１００が停止されると、冷媒の温度が下がり始める。次回の燃料電池システム１００の始動までに冷媒の温度が０℃以下となると、冷媒は凍結する。次回の燃料電池システム１００の始動の時、氷点下の場合には、空気の供給量を下げて暖機運転が実行される。なお、一部のセルでポンピング水素が生じる場合がある。
【００２９】
図６の破線は、比較例を示す。比較例では、ステップＳ１３０の発電を行わず、ステップＳ１２０の掃気処理により、燃料電池１０中の含水量をＷｔまで減らす制御である。かかる場合、次回の燃料電池システム１００の始動の時、実線で示す本実施形態よりもポンピング水素の発生量が多い。
【００３０】
図７は、本実施形態におけるセルの圧力損失を示す説明図である。燃料電池１０には、複数のセルが含まれ、その圧力損失には、バラツキがある。圧力損失は、各セルの製造に起因するセル起因の圧力損失と、セル中の水に起因する水起因の圧力損失の和である。本実施形態では、ステップＳ１２０の掃気処理を実行した後は、セル中の水が排出され、圧力損失は、セル起因の圧力損失のみとなる。その後、ステップＳ１３０の発電でセルの水が増加する。この水の増加量ΔＷは、上述したようにセルを流れた電流量に比例するので、高圧損セルも、低圧損セルも、ほぼ同じである。その結果、水起因の圧力損失を含めた圧力損失のバラツキは、比較的少ない。すなわち、ステップＳ１２０の掃気処理後と、ステップＳ１３０の発電後では、高圧損セルと、低圧損セルの圧力損失の差分は変わらないが、比が変わる。すなわち、ステップＳ１２０の掃気処理後の高圧損セルと、低圧損セルの圧力損失の比に比べ、ステップＳ１３０の発電後における高圧損セルと、低圧損セルの圧力損失の比は小さい。ステップＳ１２０の掃気処理後では、同じ量の空気が供給された場合、低圧損セルに多くの空気が流れるため、高圧損セルでは、空気欠乏になり易い。そのため、上述した式（２）により、ポンピング水素が発生しやすい。一方、ステップＳ１３０の発電後では、高圧損セルにも、低圧損セルほどではないが、比較的多くの空気が供給される。その結果、式（２）の反応が起こり難く、ポンピング水素を発生し難くできる。
【００３１】
図８は、比較例におけるセルの圧力損失を示す説明図である。掃気処理が行われる前の状態は、図７に示す場合と同じである。掃気処理を実行した後の各セルの水の含水量は、セル起因の圧力損失が大きいほど多い。その結果、水起因の圧力損失を含めた圧力損失のバラツキは、本実施形態のステップＳ１３０の発電後における圧力損失のバラツキに比べて大きい。従って、次回の燃料電池システム１００の始動の時、氷点下の場合であって、空気の供給量を下げて暖機運転が実行された場合、水起因の圧力損失を含めた圧力損失が大きなセルでポンピング水素が発生し易い。
【００３２】
以上、本実施形態の第１の制御によれば、制御部８０は、燃料電池１０の発電を停止させるとき、エアコンプレッサ３３を駆動して燃料電池１０の水を排出させる掃気処理を実行し、掃気処理を実行した後、燃料電池１０の発電を実行して燃料電池の含水量を増加させ、その後、燃料電池１０の発電を停止させる。そのため、燃料電池のセル間の圧力損失のバラツキを低減できる。すなわち、氷点下の始動時に空気の供給量を下げて暖機運転を実行した場合、ポンピング水素が発生する可能性のある圧力損失の大きなセルを少なくできる。その結果、氷点下の始動時に空気の供給量を下げて暖機運転を実行した場合、ポンピング水素の発生量を少なくし、あるいはポンピング水素の発生を抑制できる。
【００３３】
また、燃料電池１０の含水量を増加させてから減少させる、あるいは単に減少させる場合、セル間のバラツキを考慮すると、適切な含水量に制御することは難しい。これに対し、第１制御によれば、燃料電池１０の含水量を先に減少させ、その後増加させるので、燃料電池システム１００の停止時における燃料電池１０の含水量を適切、且つ容易に制御できる。
【００３４】
・第２の制御：
図９は、制御部８０が実行する第２の制御を示すフローチャートである。図９に示す第２の制御は、図５に示す第１の制御と比較すると、ステップＳ１３２、Ｓ１３４を備える点が異なる。以下、説明していないステップのみ説明する。後述する他の制御についても同様に説明していないステップのみ説明する。ステップＳ１３２では、制御部８０は、ステップＳ１３０の燃料電池１０の発電を実行した後の燃料電池１０の含水量Ｗ１を取得する。含水量Ｗ１は、例えば、燃料電池１０に流した電流から生成水の量を算出して求めることができる。また、含水量Ｗ１は、インピーダンス測定装置２３を用いて燃料電池１０のインピーダンスを測定し、このインピーダンスから求めることができる。インピーダンスを測定するときの周波数は、例えば２０Ｈｚである。ステップＳ１３４では、制御部８０は、含水量Ｗ１が第１の判定値Ｗｊ１以上か否かを判断し、以上の場合には、ステップＳ１４０に移行し、未満の場合には、ステップＳ１３０に戻る。第１の判定値Ｗｊ１は、燃料電池１０のセルの圧力損失のバラツキを考慮し、ポンピング水素の発生量が所定の値以下となる含水量の値である。
【００３５】
図１０は、インピーダンスを用いて含水量を測定できる理由を示す説明図である。燃料電池１０のセル１１は、電解質膜１２と、アノード側電解質１３と、カソード側電解質１４と、アノード側触媒１５と、カソード側触媒１６と、を備える。電解質膜１２は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜により形成されている。アノード側電解質１３とカソード側電解質１４は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマを含むアイオノマにより形成されている。アノード側触媒１５と、カソード側触媒１６は、それぞれ、カーボン粒子などの触媒担持粒子に、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を担持してなる触媒である。等価回路では、アノード側電解質１３は、キャパシタＣａと拡散抵抗Ｚａにより表され、カソード側電解質１４は、キャパシタＣｃと拡散抵抗Ｚｃにより表され、電解質膜１２は、プロトン移動抵抗Ｒｍで表される。
【００３６】
燃料電池１０では、水素と酸素が反応するためには、水素がアノード側触媒１５でプロトンと電子に電離し、プロトンが電解質膜１２を通ってカソード側に移動し、カソード側触媒１６で電子及び酸素と反応する必要がある。セル１１中の含水量が減少すると、電解質膜１２が乾燥し、水とともに移動するプロトンが移動し難くなり、電解質膜１２のプロトン移動抵抗Ｒｍが増加する。燃料電池１０のインピーダンスを計測すると、キャパシタＣａ、Ｃｃのインピーダンスは、ほぼゼロになり、プロトン移動抵抗Ｒｍのみがインピーダンスとして計測される。したがって、制御部８０は、燃料電池１０のインピーダンスを計測することで、セル１１の含水量を取得し、燃料電池１０中の含水量を取得できる。
【００３７】
図１１は、燃料電池１０の含水量と、インピーダンスの関係を示すグラフである。燃料電池１０の含水量とインピーダンスとは、１対１に対応しているので、インピーダンスから燃料電池１０の含水量を求めることができる。
【００３８】
以上、第２の制御によれば、同様に、第１の制御の効果を有する。また、制御部８０は、含水量Ｗ１が第１の判定値Ｗｊ１以上となるまで燃料電池１０を運転して含水量を増加させるので、水起因の圧力損失を精度良く制御できる。その結果、圧力損失のバラツキをより少なくでき、ポンピング水素の発生を抑制できる。
【００３９】
なお、第２の制御では、制御部８０は、ステップＳ１３２で含水量を求め、ステップＳ１３４で含水量を判断し、ステップＳ１４０に移行しているが、インピーダンスの値でステップＳ１４０に移行するか否かを判断してもよい。すなわち、インピーダンスが判定値以下になった場合には、ステップＳ１４０に移行してもよい。また、ステップＳ１３０で流した電流の積算値が判定値以上となった場合にステップＳ１４０に移行してもよい。これらは、含水量を判断することと等価だからである。さらに、制御部８０は、圧力センサ３８、３９を用いて燃料電池１０のカソードの圧力損失を求め、圧力損失を用いて、含水量を判断してもよい。すなわち、インピーダンスや電流の積算値を用いて、含水量を間接的に判断していると言える。すなわち、含水量は、直接判断してもよく、他のパラメータで間接的に判断してもよい。後述する他の制御でも同じである。
【００４０】
・第３の制御：
図１２は、制御部８０が実行する第３の制御を示すフローチャートである。図１２に示す第３の制御は、図９に示す第２の制御と比較すると、ステップＳ１２２とステップＳ１２４が追加されている点が異なる。ステップＳ１２２では、制御部８０は、ステップＳ１２０の燃料電池１０の掃気処理を実行した後の燃料電池１０の含水量Ｗ２を取得する。含水量Ｗ２は、例えば、インピーダンス測定装置２３を用いて燃料電池１０のインピーダンスを測定し、このインピーダンスから求めることができる。ステップＳ１２４では、制御部８０は、含水量Ｗ２が第２の判定値Ｗｊ２以下か否かを判断し、以下の場合には、ステップＳ１３０に移行し、越える場合には、ステップＳ１２０に戻る。第２の判定値Ｗｊ２は、燃料電池１０のセル１１間の含水量のバラツキを考慮し、含水量が最も多いセルでも、次回の氷点下始動時において、凍結による出力の低下や閉塞の影響が発生しない含水量の値である。なお、第２の判定値Ｗｊ２は、第１の判定値Ｗｊ１よりも小さな値である。また、含水量が最も多いセル１１は、通常、セル起因の圧力損失が最も大きなセルである。
【００４１】
以上、第３の制御によれば、同様に、第１の制御や第２の制御による効果を有する。また、制御部８０は、ステップＳ１２０の掃気処理において、燃料電池１０の含水量を第２の判定値Ｗｊ２以下まで減少させる。このとき、セル１１の含水量は、セル起因の圧力損失が最も大きなセルの含水量以下となる。その後、Ｓ１３０の発電で、含水量を第１の判定値Ｗｊ１以上に増加させる。したがって、ステップＳ１４０を行う時点における、水起因の圧力損失を含めた圧力損失のバラツキを更に少なくできる。その結果、ポンピング水素の発生を抑制できる。
【００４２】
・第４の制御：
図１３は、制御部８０が実行する第４の制御を示すフローチャートである。図１３に示す第４の制御は、図９に示す第２の制御と比較すると、ステップＳ１０２とステップＳ１１４が追加されている点が異なる。制御部８０は、ステップＳ１００の燃料電池システム１００の停止指示を受けると、ステップＳ１０２で、燃料電池１０の含水量Ｗ３を取得する。この含水量Ｗ３は、掃気処理を実行する前の燃料電池１０の含水量である。ステップＳ１１４では、制御部８０は、含水量Ｗ３が第３の判定値Ｗｊ３以上か否かを判断し、以上の場合には、ステップＳ１２０に移行し、未満の場合には、ステップＳ１４０に移行する。第３の判定値Ｗｊ３は、これ以上含水量が多いと、次回の氷点下始動時において、凍結によって出力が低下し、目標の出力が出ない含水量の値である。第３の判定値Ｗｊ３は、第１の判定値Ｗｊ１よりも大きい値である。第１の判定値Ｗｊ１、第２の判定値Ｗｊ２、第３の判定値Ｗｊ２の間には、以下の式（３）の関係がある。
Ｗｊ２＜Ｗｊ１＜Ｗｊ３  …（３）
【００４３】
図１４は、燃料電池１０の含水量Ｗ３と、その含水量を第２の判定値Ｗｊ２とするまでの掃気処理時間との関係を示すグラフである。図１４から分かるように、含水量が多ければ、含水量を第２の判定値Ｗｊ２とするまでの掃気処理時間も長くなる。制御部８０は、例えば、このグラフを用いることにより、掃気処理前の含水量Ｗ３から、掃気処理時間を求め、ステップＳ１２０の掃気処理を実行できる。
【００４４】
以上、第４の制御によれば、同様に、第１の制御や第２の制御による効果を有する。制御部８０は、含水量Ｗ３が第３の判定値Ｗｊ３未満の場合には、制御部８０は、ステップＳ１２０の掃気処理や、ステップＳ１３０の発電による含水量の増加を行わない。そのため、含水量Ｗ３が第３の判定値Ｗｊ３未満で、掃気処理やその後の発電が不要な場合には、エネルギーの消費を抑えることができる。
【００４５】
・第５の制御：
図１５は、制御部８０が実行する第５の制御を示すフローチャートである。第５の制御は、第２の制御、第３の制御、第４の制御で行われている含水量の取得と判断のステップを全て実行する制御である。各ステップの処理については、第１の制御から第４の制御で説明しているので、説明を省略する。
【００４６】
第５の制御によれば、同様に、第１の制御から第４の制御で説明した効果を有する。また、第５の実施形態によれば、燃料電池システム１００の停止指示を受けた時、掃気処理後、発電による含水量を増加させた後の全ての段階で含水量を求めて制御するので、より正確な含水量の制御ができ、圧力損失のバラツキを更に少なくできる。その結果、ポンピング水素の発生をより抑制できる。
【００４７】
・第６の制御：
図１６は、制御部８０が実行する第６の制御を示すフローチャートである。図５に示す第１実施形態のフローチャートと比較すると、ステップＳ１０６とステップＳ１１６が追加されている点が異なる。ステップＳ１０６では、制御部８０は、燃料電池１０の温度Ｔｃを取得する。制御部８０は、燃料電池１０の温度Ｔｃを、燃料電池１０に取り付けられた温度センサ２４を用いて直接取得しても良く、冷媒の温度を経由して間接的に測定するようにしても良い。ステップＳ１１６では、制御部８０は、燃料電池１０の温度Ｔｃが第４の判定値Ｔｊ４以下か否かを判断し、以下の場合には、ステップＳ１２０に移行し、越える場合には、ステップＳ１４０に移行する。すなわち、制御部８０は、燃料電池１０の温度Ｔｃが第４の判定値Ｔｊ４以下の場合には、掃気処理を実行し、越える場合には、燃料電池システム１００を停止させる。
【００４８】
燃料電池１０の温度Ｔｃが低い場合には、飽和水蒸気量が低くなるため、燃料電池１０内の水蒸気が少なく、液水が多い状態となり、圧力損失が増加する。その結果、氷点下の始動時に、空気の供給量が少なくなり、ポンピング水素が発生するおそれがある。そのため、燃料電池１０の温度Ｔｃが低い場合には、制御部８０は、掃気処理を実行する。
【００４９】
図１７は、燃料電池１０の温度Ｔｃと、含水量を第２の判定値Ｗｊ２とするまでの掃気処理時間との関係を示すグラフである。図１７から分かるように、燃料電池１０の温度Ｔｃが低ければ、含水量を第２の判定値Ｗｊ２とするまでの掃気処理時間も長くなる。制御部８０は、例えば、このグラフを用いることにより、燃料電池１０の温度Ｔｃから、掃気処理時間を求め、ステップＳ１２０の掃気処理を実行できる。
【００５０】
以上、第６の制御によれば、燃料電池１０の温度Ｔｃが低い場合には、制御部８０は、掃気処理を実行するため、氷点下の始動時にポンピング水素の発生を抑制できる。
【００５１】
・第７の制御：
図１８は、制御部８０が実行する第７の制御を示すフローチャートである。図５に示す第１実施形態のフローチャートと比較すると、ステップＳ１０８とステップＳ１１８が追加されている点が異なる。ステップＳ１０８では、制御部８０は、燃料電池１０の圧力損失ΔＰを取得する。制御部８０は、圧力センサ３８、３９で測定した圧力の差を用いて、燃料電池１０の圧力損失ΔＰを算出できる。ステップＳ１１８では、制御部８０は、燃料電池１０の圧力損失ΔＰが第５の判定値Ｐｊ５以上か否かを判断し、以上の場合には、ステップＳ１２０に移行し、未満の場合には、ステップＳ１４０に移行する。すなわち、制御部８０は、燃料電池１０の圧力損失ΔＰが第５の判定値Ｐｊ５以上の場合には、掃気処理を実行し、未満の場合には、燃料電池システム１００を停止させる。
【００５２】
燃料電池１０圧力損失ΔＰが大きい場合には、氷点下の始動時に、空気の供給量が少なくなり、ポンピング水素が発生するおそれがある。そのため、燃料電池１０圧力損失ΔＰが大きい場合には、制御部８０は、掃気処理を実行する。
【００５３】
図１９は、燃料電池１０の圧力損失ΔＰと、含水量を第２の判定値Ｗｊ２とするまでの掃気処理時間との関係を示すグラフである。図１９から分かるように、燃料電池１０圧力損失Δが大きければ、含水量を第２の判定値Ｗｊ２とするまでの掃気処理時間も長くなる。制御部８０は、例えば、このグラフを用いることにより、燃料電池１０圧力損失ΔＰから、掃気処理時間を求め、ステップＳ１２０の掃気処理を実行できる。
【００５４】
以上、第７の制御によれば、燃料電池１０圧力損失ΔＰが大きい場合には、制御部８０は、掃気処理を実行するため、氷点下の始動時にポンピング水素の発生を抑制できる。
【００５５】
・第８の制御：
図２０は、制御部８０が実行する第８の制御を示すフローチャートである。図５に示す第１実施形態のフローチャートと比較すると、ステップＳ１０９とステップＳ１１９が追加されている点が異なる。ステップＳ１０９では、制御部８０は、傾きセンサ２５を用いて、燃料電池１０の傾きＳを取得する。ステップＳ１１９では、制御部８０は、燃料電池１０の傾きＳが第６の判定値Ｓｊ６以上か否かを判断し、以上の場合には、ステップＳ１２０に移行し、未満の場合には、ステップＳ１４０に移行する。すなわち、制御部８０は、燃料電池１０の傾きＳが第６の判定値Ｓｊ６以上の場合には、掃気処理を実行し、未満の場合には、燃料電池システム１００を停止させる。
【００５６】
燃料電池システム１００が車両に搭載される場合、車両の停止状態によっては、燃料電池１０が重力方向に対して傾き、一部のセルの液水が増加し、一部のセルの圧力損失が増大し、ポンピング水素が発生するおそれがある。そのため、燃料電池１０が重力方向に対して一定以上傾いている場合には、制御部８０は、掃気処理を実行する。その結果、ポンピング水素が発生を抑制できる。
【００５７】
本発明は、上述の実施形態や他の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池    １１…セル    １２…電解質膜    １３…アノード側電解質    １４…カソード側電解質    １５…アノード側触媒    １６…カソード側触媒    ２１…電流センサ    ２２…電圧センサ    ２３…インピーダンス測定装置    ２４…温度センサ    ２５…傾きセンサ    ３０…エア系回路    ３１…エア供給管    ３２…エアクリーナ    ３３…エアコンプレッサ    ３４…加湿器    ３５…スタック入口バルブ    ３６…エア排出管    ３７…スタック出口バルブ    ３８…圧力センサ    ３９…圧力センサ    ４０…燃料ガス系回路    ４１…燃料ガス供給管    ４２…燃料ガスタンク    ４３…主止弁    ４４…調圧弁    ４５…インジェクタ    ４６…燃料排ガス排出管    ４７…気液分離器    ４８…排気排水弁    ４９…還流管    ５０…還流ポンプ    ６０…冷却系回路    ６１…冷媒供給管    ６２…冷媒排出管    ６３…バイパス管    ６４…ラジエータ    ６５…冷媒ポンプ    ６６…三方弁    ７０…高電圧系回路    ７１…燃料電池昇圧コンバータ    ７２…バッテリコンバータ    ７３…バッテリ    ７４…インバータ    ７５…駆動モータ    ７６…補機類    ７７…高電圧配線    ８０…制御部
９０…車輪    １００…燃料電池システム
【図１】
2020140811.tif 000003
【図２】
2020140811.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2020140811.tif 000016
【図１５】
2020140811.tif 000017
【図１６】
2020140811.tif 000018
【図１７】
2020140811.tif 000019
【図１８】
2020140811.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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