(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単な構成で、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させる。【解決手段】燃料電池システム１０であって、燃料電池１００と、前記燃料電池に空気を供給するエアポンプ２２０と、前記燃料電池の電圧を取得する電圧測定部４１０と、前記エアポンプの駆動を制御して前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する制御部５００と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記空気の流量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断し、その後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させることにより、前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する。【選択図】図１
2011210405.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、
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するエアポンプと、
前記燃料電池の電圧を取得する電圧測定部と、
前記エアポンプの駆動を制御して前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記空気の流量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断し、その後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させることにより、前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、さらに、
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、
前記フラッディングが発生する直前の状態の状態におけるインピーダンスを目標インピーダンス値として記憶し、
その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも大きくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を減少させ、その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも小さくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を増大させる、燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池の起動時に、燃料電池に空気を供給する工程と、
（ｂ）前記燃料電池に供給する空気の量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断する工程と、
（ｃ）フラッディング状態が発生した後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させる工程と、
（ｄ）前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように、燃料電池に供給する空気の流量を制御する工程と、
を備える、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】
本発明は、燃料電池システムにおける空気の供給の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、形状やセンサのバラツキ等を考慮し、各負荷において、エアストイキ比を大きくすることで燃料電池を安定的に運転させている。ここで、乾燥しやすい特定セルの交流インピーダンスを計測し、計測された該特定セルの交流インピーダンスに基づいて当該燃料電池スタックの平均的な含水量を推定し、平均的な含水量に基づいて前記燃料電池の平均的な含水量を適正範囲に維持する含水量制御手段を備える燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムでは、エアコンプレッサの小さなコンパートメントへの収納性、消費電力、耐久性を考慮して、空気の流量を少なくすることが望まれている。しかし、空気流量を過度に少なくすると、フラッディングが発生して、発電能力が低下するという問題が生じる。従来の技術では、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させることは困難であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、簡単な構成で、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するエアポンプと、前記燃料電池の電圧を取得する電圧測定部と、前記エアポンプの駆動を制御して前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記空気の流量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断し、その後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させることにより、前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように前記燃料電池に供給する空気の流量を制御する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で、容易にフラッディングの発生を検知し、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、さらに、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、前記フラッディングが発生する直前の状態の状態におけるインピーダンスを目標インピーダンス値として記憶し、その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも大きくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を減少させ、その後に測定されたインピーダンスが、前記目標インピーダンス値よりも小さくなったときは、前記燃料電池に供給する空気の量を増大させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、インピーダンスをパラメータとして、容易に、空気の流量を少なくして、燃料電池をフラッディング直前の状態で動作させるように制御することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）燃料電池の起動時に、燃料電池に空気を供給する工程と、（ｂ）前記燃料電池に供給する空気の量を徐々に減少させて、前記燃料電池の電圧が、予め定められた時間以上、予め定められた電圧以下に下がった場合に、前記フラッディング状態が発生したと判断する工程と、（ｃ）フラッディング状態が発生した後、前記空気の流量をフラッディング状態が発生する直前の流量に増加させる工程と、（ｄ）前記フラッディングが発生する直前の状態が維持されるように、燃料電池に供給する空気の流量を制御する工程と、を備える、燃料電池システムの制御方法。
【００１０】
本発明は、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制御方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施例の燃料電池システムを示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの起動時の動作フローチャートである。
【図３】インピーダンス測定の測定方法及び測定結果の一例を示す説明図である。
【図４】燃料電池のセルの含水量とインピーダンスの関係を示す説明図である。
【図５】再起動後の燃料電池システムの動作フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本実施例の燃料電池システムを示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、酸化ガス供給管２００と、酸化ガス排気管２５０と、燃料ガス供給管３００と、燃料ガス排気管３５０と、セルモニタ４１０、インピーダンス測定器４２０と、ＥＣＵ５００（Electronic Control Unit）と、大気圧計４０１と、を備える。燃料電池１００は、複数の単セル（図示せず）を含んでいる。各単セルには、セルモニタ４１０が接続されており、各単セルの電圧及び電流をモニタすることが可能である。一部の単セルには、インピーダンス測定器４２０が接続されており、当該単セルのインピーダンスを測定することが可能である。インピーダンスを測定する単セルは、例えば、両端に配置されている単セルであってもよい。両端に配置された単セルは、他の単セルに比べて、フラッディングやドライアップが生じやすい。大気圧計４０１は、大気の圧力を取得するものであり、酸化ガス供給管２００と接続されていなくてもよい。
【００１３】
酸化ガス供給管２００は、燃料電池１００に接続されている。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。酸化ガス供給管２００には、エアクリーナー２１０と、エアポンプ２２０と、インタークーラー２３０と、フィルター２３５と、エアフローメーター２０１〜２０３が設けられている。エアクリーナー２１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。エアポンプ２２０は、空気を圧縮して燃料電池１００に供給する。インタークーラー２３０は、圧縮により熱くなった空気を冷却する。インタークーラー２３０及びエアポンプ２２０のモーター２２１は、ＦＣ冷却システムにより冷却されている。フィルター２３５は、エアクリーナー２１０により除去できなかった細かな塵や埃を除去する。エアフローメーター２０１〜２０３は、空気の流量を測定する。
【００１４】
燃料ガス供給管３００は、燃料電池１００に接続されている。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いる。酸化ガス供給管２００には、水素タンク３１０と、圧力調整弁３１１が接続されている。圧力調整弁３１１は、燃料電池１００に供給される水素の圧力を調整する。
【００１５】
酸化ガス排気管２５０は、燃料電池１００に接続されている。酸化ガス排気管２５０には、希釈器２６０と、マフラー２７０と、調圧弁２８０と、シャット弁２８１と、圧力計４０２と、が設けられている。酸化ガス排気管２５０は、バイパス管２９０により酸化ガス供給管２００と接続されている。バイパス管２９０には、バイパス弁２９１が設けられている。燃料ガス排気管３５０は、燃料電池１００及び希釈器２６０に接続されている。燃料ガス排気管３５０には、排気排水弁３８１が設けられている。
【００１６】
希釈器２６０は、燃料電池１００から排出される燃料排ガスと、燃料電池１００から排出される酸化排ガスとを混合し、燃料排ガスの濃度を薄める。マフラー２７０は、排ガスが排出される際の排気音を減少する。調圧弁２８０は、燃料電池に供給される酸化ガスの圧力を調整する。シャット弁２８１は、燃料電池１００が動作しているときは開状態であり、燃料電池１００が停止状態のときは閉状態となる。バイパス弁２９１は過剰な酸化ガスを、燃料電池１００を通さずに酸化ガス排気管２５０に流すときに用いられる。
【００１７】
図２は、燃料電池システムの起動時の動作フローチャートである。ステップＳ２００では、ＥＣＵ５００は、予め定められた流量の空気を燃料電池１００に供給する。この予め定められた空気の流量は、この空気の量で燃料電池１００を運転させたときに、燃料電池１００がフラッディングやドライアップを起こさない流量であれば、どんな流量であってもよい。たとえば、この予め定められた空気の量は、燃料電池の設計時において定めることが可能である。
【００１８】
ステップＳ２１０では、ＥＣＵ５００は、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定する。図３は、インピーダンス測定の測定方法及び測定結果の一例を示す説明図である。図３（Ａ）は、燃料電池のインピーダンスの測定方法を示す説明図である。インピーダンス測定器４２０は、燃料電池１００から引く電圧を周波数ｆで微少振幅（Ｖ±ΔＶ）させ、そのときの燃料電池１００に流れる電流Iを測定する。電流Iは、電圧の微小変化と同様に、微少振幅する（I±ΔI）。インピーダンス測定器４２０は周波数を変えて同様に電圧を印可し、電流を測定する。次に、ＥＣＵ５００は、周波数、電圧、電流をパラメータとして高速フーリエ変換を用い、インピーダンスＺを計算する。図３（Ｂ）は、インピーダンスＺの計算結果の一例を示す。インピーダンスＺは、実数成分と虚数成分を有している。また、インピーダンスＺの値は、周波数により変わる。本実施例では、そのうちの目標周波数における実数成分Ｒを用いる。以下、この実数成分Ｒを「インピーダンスＲ」とも呼ぶ。なお、目標周波数は、あらかじめ実験により求めておく。
【００１９】
図４は、燃料電池のセルの含水量とインピーダンスの関係を示す説明図である。このグラフは、例えば、燃料電池１００の設計パラメータあるいは、実験により、予め求めておくことができる。図２のステップＳ２２０では、ＥＣＵ５００は、ステップＳ２１０で求めたインピーダンスに基づいて、図４のグラフ上の点Ｒ３を定める。この点Ｒ３の位置は、燃料電池１００に対して、フラッディングもドライアップも起こさない位置である。
【００２０】
図２のステップＳ２３０では、ＥＣＵ５００は、燃料電池１００に流す空気の量を減少していく。燃料電池１００に流す空気の量を減少すると、空気により持ち去られる水の量が少なくなるので、燃料電池１００のセルの含水量は多くなる。すなわち、図４のグラフにそって、右下の方向に移動する。なお、空気の流量は、段階的に減少させることが好ましい。急激に空気の量を減少させると、燃料電池１００の動作が急激に変動する恐れがあるからである。また、空気の流量が少ないほど、エアポンプ２２０での消費電力が少ないので、燃料電池システム１０の燃費が良い。ステップＳ２４０では、ＥＣＵ５００は、各段階において、空気の量、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定する。
【００２１】
ステップＳ２５０では、ＥＣＵ５００は、燃料電池１００がフラッディング状態になったか、否かを判断する。フラッディング状態では、酸化ガスが電解質膜に到達しにくくなるため、単セルの起電力は大きく低下する。したがって、ＥＣＵ５００は、単セルの電圧を測定し、単セルの電圧が予め定められた値を一定時間以上下回ったときに、フラッディング状態が発生したと判断することができる。燃料電池１００がフラッディング状態になっていない場合には、ＥＣＵ５００は、処理をステップＳ２３０に移行し、さらに空気の流量を少なくする。一方、燃料電池１００がフラッディング状態になった場合には、ＥＣＵ５００は、処理をステップＳ２６０に移行する。
【００２２】
ステップＳ２６０では、ＥＣＵ５００は、フラッディング状態におけるインピーダンスの値に基づいて図４のグラフ上の点Ｒ２を定める。ステップＳ２７０では、ＥＣＵ５００は、フラッディング状態の空気の流量から予め定められた量ΔＶだけ空気の流量を増大する。この空気の流量は、空気の流量を減少させていくときにおける、フラッディング状態になる直前の空気の流量であってもよい。ＥＣＵ５００は、この流量を記憶する。ステップＳ２８０では、ＥＣＵ５００は、ΔＶだけ空気の流量を増大したときにおける、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定し、記憶する。ステップＳ２９０では、インピーダンスの値に基づいて図４のグラフ上の点Ｒ４を定める。ＥＣＵ５００は、点Ｒ４におけるインピーダンスを目標として、空気の流量を調整する。図４における起動からの動作点は、起動状態（Ａ）からグラフに沿って、右下方向に移動し、フラッディング発生状態（Ｂ）になった後、左上方向に戻り、目標値（Ｃ）に移動する。
【００２３】
図５は、再起動後の燃料電池システムの動作フローチャートである。ステップＳ５００では、ＥＣＵ５００は、図２のステップＳ２７０において記憶した流量の空気を燃料電池１００に供給する。ステップＳ５１０では、ＥＣＵ５００は、単セルの電流、電圧及びインピーダンスを測定する。
【００２４】
ステップＳ５２０では、ＥＣＵ５００は、図５のステップＳ５１０で測定したインピーダンスの値が、目標値（図２のステップＳ２８０で記憶したインピーダンスの値）より大きいか否かを判断する。図５のステップＳ５１０で測定したインピーダンスの値が、目標値よりも予め定められた値以上大きかった場合には、ＥＣＵ５００は、処理を空気の流量を減少する。すなわち、空気の流れにより、水が持ち去られすぎた結果、インピーダンスが高くなったと考えられる。
【００２５】
ステップＳ５４０一方、では、ＥＣＵ５００は、図５のステップＳ５１０で測定したインピーダンスの値が、目標値（図２のステップＳ２８０で記憶したインピーダンスの値）より小さいか否かを判断する。図５のステップＳ５１０で測定したインピーダンスの値が、目標値よりも予め定められた値以上小さかった場合には、ＥＣＵ５００は、処理を空気の流量を増大する。すなわち、空気の流れにより、水が十分に持ち去られなかった結果、インピーダンスが低くなったと考えられる。なお、図５のステップＳ５１０で測定したインピーダンスの値が、目標値に対してほぼ同じである場合には、ＥＣＵ５００は、処理をステップＳ５６０に移行し、空気の流量を同じ流量で維持する。
【００２６】
以上本実施例によれば、簡単な構成で、フラッディング状態よりも少し多い空気の流量になるように、燃料電池に供給する空気の流量を調整できる。また、フラッディング直前のインピーダンスの値を目標値として、インピーダンスを取得し、インピーダンスの値に基づいて空気の流量（エアポンプの動作）を制御するので、制御が簡単である。また、単セルの電圧に基づいて容易にフラッディングの発生を検知することが可能である。
【００２７】
本実施例において、ＥＣＵ５００は、図２に示すフローを、燃料電池システムの起動時に毎回行う必要はなく、一定期間毎、一定起動回数毎に行ってもよい。また、ＥＣＵ５００は、図２に示すフローを、１回の起動時に１回のみ行うのではなく、複数回、実行してもよい。
【００２８】
本実施例では、温度や圧力によるインピーダンス値の変動については説明していないが、予め、温度や圧力によるインピーダンス値の変動をマップ化しておき、このマップによりインピーダンスを補正してもよい。
【００２９】
２回目以降の起動においては、図２のステップＳ２００における空気の流量を、第１回目のフラッディング直前の空気の流量（ステップＳ２７０）を用いてもよい。この場合、起動時において、フラッディング状態である場合があり得るが、かかる場合には、一旦空気の流量を多くして図２のステップＳ２００の空気の流量とし、その後、図２のフローを実行すればよい。すなわち、一旦Ｒ３点の動作を実行させてもよい。
【００３０】
本実施例では、空気の流量をパラメータとして測定しているが、代わりに、エアポンプ２２０の駆動力をパラメータとして用いてもよい。空気の流量は、エアポンプ２２０の駆動力の関数であり、また、ＥＣＵ５００が直接制御できるのは、空気の量ではなく、エアポンプ２２０の駆動力だからである。
【００３１】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３２】
１０……燃料電池システム
１００…燃料電池
２００…酸化ガス供給管
２０１〜２０３…エアフローメーター
２１０…エアクリーナー
２２０…エアポンプ
２２１…モーター
２３０…インタークーラー
２３５…フィルター
２５０…酸化ガス排気管
２６０…希釈器
２７０…マフラー
２８０…調圧弁
２８１…シャット弁
２９０…バイパス管
２９１…バイパス弁
３００…燃料ガス供給管
３１０…水素タンク
３１１…圧力調整弁
３５０…燃料ガス排気管
３８１…排気排水弁
４０１…大気圧計
４０２…圧力計
４１０…セルモニタ
４２０…インピーダンス測定器
５００…ＥＣＵ
【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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