(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
空気供給機と、
前記燃料電池に連設され、前記空気供給機から供給された空気が流れる空気通路と、
前記燃料電池よりも上流の空気通路から分岐して燃料電池よりも下流の空気通路に合流し、前記空気供給機で供給された空気の一部が燃料電池を迂回するように流れるブリード通路と、
前記ブリード通路に設けられ、ブリード通路を流れる空気量を調整するブリード弁と、
一定量の空気が供給されるように前記空気供給機を制御する空気供給機制御部と、
前記燃料電池の湿潤度を下げる必要があるか否かを判定する湿潤低下判定部と、
燃料電池の湿潤度を下げる必要があるときに、前記ブリード弁の開度を小さくするブリード量制御部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記ブリード弁の現在の開度がゼロであるか否かを判定する開度判定部をさらに含み、
前記ブリード量制御部は、燃料電池の湿潤度を下げる必要があって、ブリード弁の現在の開度がゼロで無いときに、前記ブリード弁の開度を小さくする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記湿潤低下判定部は、高周波インピーダンスが所定値よりも小さいとき、起動後であって所定時間が経過していないとき、暖機運転後であって所定時間が経過していないとき、アイドルストップからの復帰後であって所定時間が経過していないとき、運転停止しているときの少なくともいずれかひとつの条件が成立しているときに、燃料電池の湿潤度を下げる必要があると判定する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の湿潤度を上げる必要があるか否かを判定する湿潤上昇判定部をさらに含み、
前記ブリード量制御部は、燃料電池の湿潤度を上げる必要があるときに、前記ブリード弁の開度を大きくする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記湿潤上昇判定部は、高周波インピーダンスが所定値よりも大きいとき、起動後であって所定時間が経過したとき、暖機運転後であって所定時間が経過したとき、アイドルストップからの復帰後であって所定時間が経過したときの少なくともいずれかひとつの条件が成立しているときに、燃料電池の湿潤度を上げる必要があると判定する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池よりも下流の空気通路に設けられ、空気の圧力を調整する調圧弁と、
前記ブリード量制御部がブリード弁の開度を小さくするのに応じて、前記調圧弁の開度を大きくする調圧弁制御部と、
をさらに含む燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記ブリード量制御部は、前記調圧弁制御部が前記調圧弁の開度を大きくしても、空気の圧力が所定圧を越えるときには、前記ブリード弁の開度を固定する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記空気供給機制御部は、前記ブリード弁を通過する空気量が所定値よりも小さいときに、空気が増量されるように前記空気供給機を制御する、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記空気供給機制御部は、空気が増量されており、燃料電池の湿潤度を上げる必要があるときには、空気が減量されるように前記空気供給機を制御する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記ブリード量制御部は、前記空気供給機が供給する空気量が所定量よりも小さくなったときには、ブリード弁の開度を大きくする、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記空気供給機制御部は、燃料電池の湿潤度を下げる必要があるときに、空気が増量されるように前記空気供給機を制御する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の湿潤度を下げる必要があるときに、燃料電池の冷却水の温度を上昇させる水温調整部をさらに含む、
燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池と、空気供給機と、前記燃料電池に連設され、前記空気供給機から供給された空気が流れる空気通路と、前記燃料電池よりも上流の空気通路から分岐して燃料電池よりも下流の空気通路に合流し、前記空気供給機で供給された空気の一部が燃料電池を迂回するように流れるブリード通路と、前記ブリード通路に設けられ、ブリード通路を流れる空気量を調整するブリード弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
一定量の空気が供給されるように前記空気供給機を制御する空気供給機制御工程と、
前記燃料電池の湿潤度を下げる必要があるか否かを判定する湿潤低下判定工程と、
燃料電池の湿潤度を下げる必要があるときに、前記ブリード弁の開度を小さくするブリード量制御工程と、
を含む燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２０１０−１１４０３９Ａには、燃料電池よりも上流の空気通路から分岐して燃料電池よりも下流の空気通路に合流するブリード通路を備え、空気コンプレッサーから供給された空気の一部をブリードするシステムが開示されている。このシステムでは、燃料電池に流れる空気を減量するときに、空気コンプレッサーの回転速度を下げる。しかしながら、空気コンプレッサーの回転速度は、急激には下がらないので、余剰の空気をブリード通路に逃がすことで、燃料電池の過乾燥を防止している。
【発明の概要】
【０００３】
ところで、燃料電池は、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されて、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。電解質膜の湿潤度が過大であるときには、積極的に乾燥させて湿潤度を下げたい。しかしながら、ＪＰ２０１０−１１４０３９Ａでは、燃料電池の過乾燥の防止を目的にしており、すなわち乾燥させないようにするものである。また空気コンプレッサーの回転速度を調整しては、空気コンプレッサーの作動音が変動し、乗員が耳障りに感じて違和感を覚えることがある。
【０００４】
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、乗員に違和感を覚えさせることなく、燃料電池の湿潤度を下げることができる燃料電池システムを提供することである。
【０００５】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池と、空気供給機と、前記燃料電池に連設され、前記空気供給機から供給された空気が流れる空気通路と、前記燃料電池よりも上流の空気通路から分岐して燃料電池よりも下流の空気通路に合流し、前記空気供給機で供給された空気の一部が燃料電池を迂回するように流れるブリード通路と、前記ブリード通路に設けられ、ブリード通路を流れる空気量を調整するブリード弁と、を含む。そして、一定量の空気が供給されるように前記空気供給機を制御する空気供給機制御部と、前記燃料電池の湿潤度を下げる必要があるか否かを判定する湿潤低下判定部と、燃料電池の湿潤度を下げる必要があるときに、前記ブリード弁の開度を小さくするブリード量制御部と、をさらに含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明による燃料電池システムの基本的な構成を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図３】図３は、ブリード量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【図４】図４は、発電要求及び乾燥湿潤要求から燃料電池スタックへ供給する空気量を演算するためのマップの一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態による制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイムチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図７】図７は、第３実施形態による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図８】図８は、第３実施形態による制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイムチャートである。
【図９】図９は、第４実施形態による制御が実行されたときの作動を説明するタイムチャートである。
【図１０】図１０は、第５実施形態による制御機能をブロック図として表したものである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの基本的な構成を示す図である。
【０００９】
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池システムの基本的な構成について説明する。
【００１０】
燃料電池スタック１０は、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。そのようにするために、燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。なお燃料電池スタック１０の発電電流は、電流センサー１０１で検出される。燃料電池スタック１０の発電電圧は、電圧センサー１０２で検出される。
【００１１】
カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスＯ2が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、ＷＲＤ(Water Recovery Device)２２と、カソード調圧弁２３と、が設けられる。またカソードライン２０には、ブリードライン２００が並設される。ブリードライン２００は、コンプレッサー２１よりも下流であってＷＲＤ２２よりも上流から分岐して、カソード調圧弁２３よりも下流に合流する。このような構成になっているので、コンプレッサー２１で送風された空気の一部がブリードライン２００に流れて、燃料電池スタック１０を迂回する。ブリードライン２００には、ブリード弁２１０が設けられる。
【００１２】
コンプレッサー２１は、本実施形態では、たとえば遠心式のターボコンプレッサーである。コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０やＷＲＤ２２よりも上流のカソードライン２０に配置される。コンプレッサー２１は、モーターＭによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。
【００１３】
ＷＲＤ２２は、燃料電池スタック１０に導入される空気を加湿する。ＷＲＤ２２は、加湿対象となるガスが流れる被加湿部と、加湿源となる水含有ガスが流れる加湿部と、を含む。被加湿部には、コンプレッサー２１によって導入された空気が流れる。加湿部には、燃料電池スタック１０を通流して水を含有しているガスが流れる。
【００１４】
カソード調圧弁２３は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２３は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力を調整する。カソードガスＯ2の圧力は、カソード調圧弁２３の開度によって調整される。
【００１５】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量は、コンプレッサー流量センサー２０１で検出される。このコンプレッサー流量センサー２０１は、コンプレッサー２１よりも上流のカソードライン２０に設けられる。なお、カソードライン２０の開口端にカソードガスＯ2中の異物を取り除くフィルターを設けて、フィルターとコンプレッサー２１との間にコンプレッサー流量センサー２０１を設けるようにしてもよい。
【００１６】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力は、カソード圧力センサー２０２で検出される。このカソード圧力センサー２０２は、コンプレッサー２１よりも下流であってＷＲＤ２２よりも上流に設けられる。さらに図１では、カソード圧力センサー２０２は、コンプレッサー流量センサー２０１の下流に位置する。
【００１７】
ブリード弁２１０は、ブリードライン２００に設けられる。ブリード弁２１０は、ブリードライン２００を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、ブリード弁２１０の開度によって調整される。ブリードライン２００を流れるカソードガスＯ2の流量は、ブリード流量センサー２０３で検出される。
【００１８】
アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ2が流れる。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、パージ弁３３と、が設けられる。
【００１９】
ボンベ３１には、アノードガスＨ2が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。
【００２０】
アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスＨ2の圧力を調整する。アノードガスＨ2の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。
【００２１】
パージ弁３３は、燃料電池スタック１０の下流に設けられる。パージ弁３３が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
【００２２】
アノードライン３０を流れるアノードガスＨ2の圧力は、アノード圧力センサー３０１で検出される。このアノード圧力センサー３０１は、アノード調圧弁３２よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
【００２３】
冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流から分岐し、ラジエーター４１よりも下流に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。
【００２４】
ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。
【００２５】
三方弁４２は、バイパスライン４００の合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
【００２６】
ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。
【００２７】
冷却水循環ライン４０を流れる冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出される。この水温センサー４０１は、バイパスライン４００が分岐する部分よりも上流に設けられる。
【００２８】
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、コンプレッサー流量センサー２０１、カソード圧力センサー２０２、アノード圧力センサー３０１、水温センサー４０１の信号を入力する。そして、信号を出力して、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２３、ブリード弁２１０、アノード調圧弁３２、パージ弁３３、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
【００２９】
このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されることで、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されて、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１を介して走行モーター１２、バッテリー１３、負荷１４に供給される。
【００３０】
ところで、燃料電池スタック１０は、湿潤状態が、過大(すなわち過湿潤)又は過少(すなわち過乾燥)では、発電効率が悪い。そのような状態を回避するために、コンプレッサー２１の回転速度を調整しては、コンプレッサー２１の作動音が変動し、乗員が耳障りに感じて違和感を覚えることがある。
【００３１】
そこで本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が変動しないようにしつつ燃料電池スタック１０の湿潤状態を調整する。
【００３２】
以下では具体的な手法について説明する。
【００３３】
図２は、第１実施形態による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。
【００３４】
ステップＳ１１においてコントローラーは、一定量の空気が供給されるようにコンプレッサー２１を制御する。
【００３５】
ステップＳ１２においてコントローラーは、ブリード量が増量中であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１３へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１５へ処理を移行する。
【００３６】
ステップＳ１３においてコントローラーは、燃料電池スタック１０を乾燥させる必要があるか否かを判定する。具体的には、たとえば、高周波インピーダンスが基準値よりも小さいときに燃料電池スタック１０を乾燥させる必要があると判定する。インピーダンスは、電解質膜の湿潤度に相関している。電解質膜の湿潤度が大きいほど(すなわち電解質膜が湿潤しているほど)、インピーダンスが小さい。そこで高周波インピーダンスに基づいて、燃料電池スタック１０を乾燥させる必要があるか否かを判定できる。なお基準値は、予め実験を通じて設定しておけばよい。また起動時(零下起動時やアイドルストップからの復帰運転時も含む)や暖機運転時には、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が多めに供給されて水が生成されやすい。しかしながらこのような運転時には、燃料電池スタック１０の温度が変動する。インピーダンスは、温度の影響を受けやすいので、温度が変動するときには、インピーダンスでは正確な判断ができないおそれがある。そこで、このような運転時には、基準時間が経過するまでは、燃料電池スタック１０を乾燥させる必要があると判定してもよい。この場合の基準時間も、予め実験を通じて設定しておけばよい。このようにすることで、乾燥させるべきタイミングを正確に判定することができる。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１４へ処理を移行し、判定結果が否であれば一旦処理を抜ける。
【００３７】
ステップＳ１４においてコントローラーは、ブリード弁２１０の開度を小さくしてブリード量を減らす。なお具体的なブリード量の設定方法は、後述される。
【００３８】
ステップＳ１５においてコントローラーは、燃料電池スタック１０を湿潤させる必要があるか否かを判定する。具体的には、たとえば、高周波インピーダンスが基準値よりも大きいときに燃料電池スタック１０を湿潤させる必要があると判定する。また起動時(零下起動時やアイドルストップからの復帰運転時も含む)や暖機運転時から基準時間よりも長い時間が経過したときには、燃料電池スタック１０を湿潤させる必要があると判定してもよい。これらの基準値や基準時間は、予め実験を通じて設定しておけばよい。このようにすることで、湿潤させるべきタイミングを正確に判定することができる。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ１６へ処理を移行し、判定結果が否であれば一旦処理を抜ける。
【００３９】
ステップＳ１６においてコントローラーは、ブリード弁２１０の開度を大きくしてブリード量を増やす。なお具体的なブリード量の設定方法は、後述される。
【００４０】
図３は、ブリード量を演算する機能をブロック図として表したものである。
なお以下のブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。
【００４１】
ブロックＢ１０１は、発電要求及び乾燥湿潤要求に基づいて燃料電池スタック１０へ供給する空気量を演算する。具体的には、たとえば図４に示すマップに発電要求及び乾燥湿潤要求を適用して求める。
【００４２】
ブロックＢ１０２は、ブロックＢ１０１で演算された空気量、サージ空気量、希釈要求空気量及びコンプレッサーの最低空気量の中から、最大値を出力する。
【００４３】
コンプレッサー２１は、供給流量が過小になると、サージするおそれがある。サージ空気量とは、そのような事態を生じさせないようにするためのコンプレッサー２１の最低流量である。またパージ弁３３が開いて、アノードガスＨ2がパージされる。このパージされたアノードガスＨ2を十分に希釈するのに必要な空気量が希釈要求空気量である。さらにコンプレッサーの最低流量とは、コンプレッサー２１(モーターＭ)の仕様などから定まる最低流量である。
【００４４】
ブロックＢ１０３は、ブロックＢ１０２から出力された空気量からブロックＢ１０１で演算された空気量を減算することで、ブリード空気量を求める。これによってコンプレッサー２１が供給する空気量から、燃料電池スタック１０に供給すべき空気量を減算することで、余剰のブリードすべき空気量が求まる。
【００４５】
図５は、第１実施形態による制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイムチャートである。
【００４６】
時刻０では、ブリード量を増量中である(図５(Ｂ))。これによって燃料電池スタックへの流入量が減量され(図５(Ｂ))、燃料電池の湿潤度が上昇し、インピーダンスが下がる(図５(Ａ))。この状態では、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３が繰り返し処理される。
【００４７】
時刻ｔ１１で、インピーダンスが基準値を下回ったら(図５(Ａ))、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４が処理される。これによってブリード量が減量される(図５(Ｂ))。次サイクル以降は、ステップＳ１２→Ｓ１５が処理される。これによって、燃料電池スタックへの流入量が増量され(図５(Ｂ))、燃料電池の湿潤度が下降し、インピーダンスが上がる(図５(Ａ))。
【００４８】
時刻ｔ１２で、インピーダンスが基準値を上回ったら(図５(Ａ))、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１５→Ｓ１６が処理される。これによってブリード量が増量される(図５(Ｂ))。次サイクル以降は、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３が処理される。これによって、燃料電池スタックへの流入量が減量され(図５(Ｂ))、燃料電池の湿潤度が上昇し、インピーダンスが下がる(図５(Ａ))。
【００４９】
以上が繰り返される。
【００５０】
本実施形態によれば、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０から分岐して燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に合流するブリードライン２００に空気流量を調整するブリード弁２１０が設けられる。そして一定量の空気が供給されるようにコンプレッサー２１を制御しておき、燃料電池の湿潤度を下げる必要があるときに、ブリード弁２１０の開度を小さくする。このようにコンプレッサー２１が供給する空気量を一定のまま、ブリード量を調整することで、燃料電池の湿潤状態を制御できる。すなわち、コンプレッサー２１の消費電力を変化させることなく燃料電池に供給する空気流量を増減させることができる。コンプレッサー２１の回転速度を上げることによっても燃料電池の湿潤度を低下させて乾燥させることもできるが、そのようにしてはコンプレッサー２１が消費する電力が増えるので、燃費が悪化する。これに対して本実施形態によれば、コンプレッサー２１の回転速度が一定なので、燃費を悪化させることなく乾燥状態にすることができる。またコンプレッサー２１の回転速度が増減しないので、コンプレッサー２１の作動音が変動しないため、乗員違和感を覚えさせることがない。したがって、本実施形態によれば、乗員に違和感を覚えさせることなく、燃料電池の湿潤度を下げることができる。
【００５１】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートである。なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００５２】
本実施形態では、ブリードを行っている運転中に(すなわちブリード弁の開度がゼロでない運転中に)、制御を実行する。具体的にはコントローラーは、ステップＳ２１において、ブリードを行っている運転中であるか否かを判定し、判定結果が肯であればステップＳ１２へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１５へ処理を移行する。湿潤させる必要があるときは、現在ブリードしていなくても、ブリード量を増やすことができるので、このように処理する。
【００５３】
なおブリードを行っている運転シーンとは、希釈要求空気量が、燃料電池スタック１０へ供給する空気量よりも多いシーン、サージを回避のためにコンプレッサー２１が空気量を増量しているシーン、コンプレッサーの本体の要求によって最低流量が決まっていて、その最低流量が燃料電池スタック１０へ供給する空気量よりも多いシーン、コンプレッサー２１が空気量を意図的に増量しているシーンなどがある。
【００５４】
本実施形態によれば、このようなシーンで制御を実行するので、使用されずに排出される空気を有効利用できるのである。
【００５５】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【００５６】
燃料電池スタック１０の湿潤度を下げるべく(乾燥させるべく)、ブリード量を減らして、燃料電池スタックへの流入量を増量しても、カソード圧が高くなると、その効果も低減してしまう。すなわちカソード圧が高くなることは、むしろ湿潤度が高くなるように作用する空である。そこで本実施形態では、カソード圧の上昇を防止すべくカソード調圧弁２３の開度を大きくする。そしてカソード調圧弁２３が全開になっても、さらに燃料電池スタックへの流入量が増量されるときには、ブリード弁２１０の開度を固定してブリード量を固定するようにした。具体的には以下のように制御する。なお第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００５７】
ステップＳ３１においてコントローラーは、カソード圧が基準圧を越えるか否かを判定する。この基準圧は、たとえば、コンプレッサー２１がサージすることを防止するために要求される圧力や、電解質膜の表裏面における反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)の許容差圧を維持するために要求される圧力である。この基準圧は、予め実験を通じて設定しておけばよい。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ３３へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ１４へ処理を移行する。
【００５８】
ステップＳ３２においてコントローラーは、カソード調圧弁２３の開度を大きくする。
【００５９】
ステップＳ３３においてコントローラーは、ブリード弁２１０の開度を固定する。
【００６０】
ステップＳ３４においてコントローラーは、カソード調圧弁２３の開度を小さくする。
【００６１】
図８は、第３実施形態による制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイムチャートである。
【００６２】
時刻０では、燃料電池スタック１０の湿潤度を下げるべく(乾燥させるべく)、ブリード量を減らして、燃料電池スタックへの流入量を増量している(図８(Ａ))。この状態では、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ３１→Ｓ１４→Ｓ３２が繰り返し処理される。この結果、カソード調圧弁２３の開度が大きくされて(図８(Ｃ))、カソード圧が一定に維持される(図８(Ｂ))。
【００６３】
時刻ｔ３１で、カソード調圧弁２３が全開になる(図８(Ｃ))。それでも、燃料電池スタック１０の湿潤度を下げる(乾燥させる)という要求があれば、ステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ３１→Ｓ１４→Ｓ３２が繰り返し処理される。この結果、ブリード量がさらに減らされて、燃料電池スタックへの流入量が増量される(図８(Ａ))。なおカソード調圧弁２３は全開であるので、時刻ｔ３１以降は、開度が一定である(図８(Ｃ))。
【００６４】
時刻ｔ３２で、カソード圧が基準圧を越える(図８(Ｂ))。そこでステップＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ３１→Ｓ３３が処理される。これによって、ブリード量が固定されることとなる(図８(Ｂ))。
【００６５】
本実施形態によれば、基準圧の設定法によって、コンプレッサー２１がサージすることが防止され、または電解質膜の表裏面における反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)の許容差圧が維持される。またカソード圧がむやみに上昇してしまうことによってコンプレッサー２１の消費電力の浪費を防ぐことができる。
【００６６】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態による制御が実行されたときの作動を説明するタイムチャートである。
【００６７】
燃料電池スタック１０の湿潤度を下げるべく(乾燥させるべく)、ブリード量を減らして、燃料電池スタックへの流入量を増量する。しかしながら、コンプレッサー２１の空気供給量がそもそも低いこともある。そこで、このようなときには、コンプレッサー２１の空気供給量を増やす。そして燃料電池スタックへの流入量を増量させる必要がなくなったら、ブリード弁２１０の開度を大きくするのに優先して、まずコンプレッサー２１の空気供給量を減らすようにした。このようにすることで、コンプレッサー２１の消費電力の浪費を防ぐことができる。具体的には以下のように作動するように燃料電池システムを制御する。
【００６８】
時刻０を過ぎた後、ブリード量を減らして(図９(Ｂ))、燃料電池スタックへの流入量を増量している(図９(Ａ))。
【００６９】
そして燃料電池スタックへの流入量が増えたために、時刻ｔ４１で、ブリード弁２１０が全閉されてブリード量がゼロになり(図９(Ｂ))、不足分を補うために、コンプレッサー２１の空気供給量が増やされる(図９(Ａ))。
【００７０】
空気量を減らす必要が出てきたら、まずコンプレッサー２１の空気供給量が減らされる(図９(Ａ))。
【００７１】
時刻ｔ４２でコンプレッサー２１の空気供給量が定常状態に戻り(図９(Ａ))、その後は再び、ブリード弁２１０の開度を制御することで、ブリード量を調整して(図９(Ｂ))、燃料電池スタックへの流入量を調整する(図９(Ａ))。
【００７２】
本実施形態によれば、このように作動させるので、コンプレッサー２１の消費電力の浪費を防ぐことができる。
【００７３】
（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態による制御機能をブロック図として表したものである。
【００７４】
上述の各実施形態では、燃料電池スタックの湿潤状態を変更したいときに、ブリード弁２１０の開度を制御することで、ブリード量を調整して、燃料電池スタックへの流入量を調整した。
【００７５】
しかしながら、さらに迅速に燃料電池スタックの湿潤度を変更したいことがある。
【００７６】
たとえば燃料電池スタックの湿潤度を迅速に下げて乾燥させたいことがある。このようなときには、コンプレッサー２１による空気供給量を増やし、カソード調圧弁２３を開いてカソード圧を下げ、冷却水温度を上げれば、迅速に燃料電池スタックの湿潤度を下げることができる。そこで本実施形態では、このようにするための具体的な制御内容を説明する。
【００７７】
ブロックＢ２０１は、現在の湿潤度から目標湿潤度を減算する。現在の湿潤度に対して乾燥させる度合が大きいほど、大きな偏差が出力される。
【００７８】
ブロックＢ２０２は、ブロックＢ２０１から出力された偏差を、予め設定されたマップに適用して、コンプレッサー２１の流量増量分を演算する。
【００７９】
ブロックＢ２０３は、ブロックＢ２０２から出力された流量増量分を、コンプレッサー２１の目標供給量に加算して、コンプレッサー２１の目標供給量を補正する。そして、その目標供給量が実現されるように、コンプレッサー２１が制御される。
【００８０】
ブロックＢ２０４は、ブロックＢ２０１から出力された偏差を、予め設定されたマップに適用して、カソード圧の減少分を演算する。
【００８１】
ブロックＢ２０５は、ブロックＢ２０４から出力された圧力減少分を、目標カソード圧に加算して、目標カソード圧を補正する。そして、その目標カソード圧が実現されるように、カソード調圧弁２３が制御される。
【００８２】
ブロックＢ２０６は、ブロックＢ２０１から出力された偏差を、予め設定されたマップに適用して、冷却水の温度上昇分を演算する。
【００８３】
ブロックＢ２０７は、ブロックＢ２０６から出力された温度上昇分を、目標冷却水温に加算して、目標冷却水温を補正する。そして、その目標冷却水温が実現されるように、クーリングファン４１０や三方弁４２が制御される。
【００８４】
本実施形態によれば、このようにすることで、燃料電池スタックの湿潤度を迅速に変更することができる。
【００８５】
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。
【００８６】
たとえば、上記説明においては、ブリードライン２００を流れるカソードガスＯ2の流量は、ブリード流量センサー２０３で検出された。しかしながらこれには限られない。たとえば、ブリードライン２００がカソードライン２０から分岐する場所の上流に流量センサーを設けるとともに、下流にも流量センサーを設ける。そして、２つの流量センサーの検出量の差を、ブリードライン２００に流れるカソードガスＯ2の流量としてもよい。
【００８７】
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【００８８】
本願は、２０１２年１２月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−２８７５１６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【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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