(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電後の燃料ガスの流量を迅速に最適化する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料ガスおよび酸化ガスを燃料として発電を行う燃料電池２０およびシステムの制御を行う制御部８０とを備える。制御部８０は、燃料電池２０による発電が開始されることに対応して、発電開始直後の所定期間における燃料電池２０の開放電圧の立ち上がり速度を算出し、算出された開放電圧の立ち上がり速度に基づいて、循環ポンプ５５のポンプ回転数およびレギュレータ４５の吐出圧を調整することで、燃料電池２０に供給する燃料ガスの量を調整する。【選択図】図２
2008257932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池による発電が開始されることに対応して、発電開始直後の所定期間における前記燃料電池の開放電圧の立ち上がり速度を算出し、算出された開放電圧の立ち上がり速度に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料ガスの量を調整する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
算出された開放電圧の立ち上がり速度が所定の基準速度範囲より大きい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガスの量を低減し
算出された開放電圧の立ち上がり速度が所定の基準速度範囲より小さい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガスの量を増加する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを循環路を介して燃料極に循環させる循環ポンプのポンプ回転数を調整することで、燃料ガスの量を調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整するレギュレータの吐出圧を調整することで、燃料ガスの量を調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を備え、水素貯蔵装置から供給された水素と酸素を含む大気とを燃料電池に送り込み反応させて発電を行う。このような燃料電池システムは、例えば、車両に搭載され、燃料電池から取り出された電気エネルギーで電動機を動作させ、この電動機で駆動輪を駆動して車両を走行させる。
【０００３】
燃料電池の発電中には、燃料極と酸化剤極にそれぞれ燃料ガス（例えば水素）と酸化ガス（例えば空気）との反応ガスが供給されているが、燃料電池の停止時には反応ガスの供給を停止する。燃料ガスの供給が停止された燃料極内は、酸化剤極からの空気のクロスオーバーや燃料電池外部からの大気の進入により、停止後ある時間を経過した後に空気に置換される。
【０００４】
ところが、燃料ガスが空気に置換される量は、停止期間や温度などにより変動する。つまり、燃料電池システムを再起動する際の燃料極における燃料ガスの濃度は、停止期間や温度などにより変動する。したがって、燃料電池システムを起動する際に、所定の圧力で燃料ガスを燃料電池に供給した場合であっても、燃料極における燃料ガスの流量は変動する。
【０００５】
特許文献１には、燃料電池システムの起動時発電前に、燃料ガスの供給量を調整する調整弁の開度と、燃料ガスの圧力とに基づいて燃料ガスの濃度を推定して、推定された燃料ガスの濃度に基づいて、調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−７９８９１号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４４６５号公報
【特許文献３】特開２００３−４５４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、燃料電池システムの起動時発電前に、調整弁の開度と燃料ガスの圧力とに基づいて燃料ガスの濃度を推定して、その推定結果に基づいて燃料ガスの流量を制御している。
【０００８】
しかしながら、特許文献１のように、燃料電池システムの起動時発電前に行われる燃料ガスの濃度の推定が必ずしも精度よく行われるとは限らない。
【０００９】
本発明は、燃料電池システムの起動時発電前に行われる燃料ガスの流量制御がたとえ最適でなかったとしても、燃料電池システムの発電後の燃料ガスの流量を迅速に最適化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池による発電が開始されることに対応して、発電開始直後の所定期間における前記燃料電池の開放電圧の立ち上がり速度を算出し、算出された開放電圧の立ち上がり速度に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料ガスの量を調整する制御部と、を備えることを特徴する。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記制御部は、算出された開放電圧の立ち上がり速度が所定の基準速度範囲より大きい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガスの量を低減し算出された開放電圧の立ち上がり速度が所定の基準速度範囲より小さい場合には、前記燃料電池に供給する燃料ガスの量を増加することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記制御部は、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを循環路を介して燃料極に循環させる循環ポンプのポンプ回転数を調整することで、燃料ガスの量を調整することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記制御部は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整するレギュレータの吐出圧を調整することで、燃料ガスの量を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電開始直後の所定期間における燃料電池の開放電圧の立ち上がり速度に基づいて、燃料電池に供給する燃料ガスの量を調整することで、燃料電池の発電開始直後における燃料ガスの濃度のばらつきにより生じる燃料電池の発電量のばらつきを抑制し、燃料電池の電池性能の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と称する）について、以下図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態における燃料電池システムは、モータ（電動機）で駆動する車両に電源として搭載される。燃料電池システムは、ユーザがイグニションスイッチをオンすると起動し、ユーザによるアクセルの操作量に応じた発電を行う。車両は、燃料電池システムから供給される電力によって走行することができる。
【００１７】
図１において、燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス供給装置４２、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、及び制御部８０を備える。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。制御部８０はイグニションスイッチ８２を介してユーザからのシステム起動信号やシステム停止信号を受信し、これらの信号に応じてシステムの起動および停止を制御する。また、制御部８０はアクセルセンサ８４によって検出されたアクセス開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように燃料ガス供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整する。
【００１８】
図２は、燃料電池システム１０の配管系統を中心とするシステム構成を示す図である。図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系統と、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系統と、冷却水により燃料電池２０を冷却もしくは暖機するための冷却水供給系統とを備える。
【００１９】
燃料電池２０は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである酸素との電気化学反応によって発電するセルを積層することで構成される。各セルは電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置して構成される。本実施形態では、例えばナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを例に説明するが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２０】
燃料電池システム１０の冷却水供給系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエタ３３、ラジエタ３３へ流入する冷却水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させるポンプ３５などが設けられる。バルブ３４は、燃料電池２０を冷却する場合には、制御部８０の制御に基づいてラジエタ３３へ流入する冷却水量を増加させ、ラジエタ３３によって冷却された冷却水を燃料電池２０に供給する。一方、バルブ３４は、燃料電池２０を暖機する場合には、制御部８０の制御に基づいて、ラジエタ３３へ流入する冷却水量を減少させ、ラジエタ３３による冷却が抑制された冷却水を燃料電池２０に供給する。
【００２１】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードから排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に循環させるための循環流路５１が配管される。
【００２２】
燃料ガス流路４１には、高圧水素タンク４０からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池２０の燃料ガス供給口を開閉する遮断弁４６などが設置される。
【００２３】
循環流路５１には、燃料オフガスを排出する遮断弁５２、モータによって駆動される循環ポンプ５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流することを防止する逆流阻止弁５６などが設置される。循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づいてアノードを通過する際に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で高圧水素タンク４０から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２４】
循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐配管される。排気流路６１には排気弁６３が設置されており、排気弁６３の開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入して燃料電池の電圧の低下を防止する。
【００２５】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードから排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管される。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだ空気に含まれる粉塵等を除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５などから構成され、圧縮空気を酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置される。また、酸化ガス供給装置７３の下流に配置された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードの背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、例えば気液分離器やマフラなどを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。
【００２６】
また、酸化ガス流路７１には、加湿器７６をバイパスするバイパス流路７８が配管される。バイパス流路７８を介して乾燥した空気を燃料電池２０に供給することで、燃料電池２０の内部の流路などに残っている水分を除去することができる。
【００２７】
制御部８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム１０の各部動作の制御を実行する。制御部８０は、各流路に配置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態（例えば、電力負荷）に応じて各モータを駆動して循環ポンプ５５とエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、更に、各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整などを行う。また、制御部８０は、燃料電池２０の開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を測定する電圧センサ９０から燃料電池２０のＯＣＶを取得し、取得したＯＣＶに基づいて後述する燃料ガスの供給量の最適化処理を実行する。
【００２８】
このように構成された燃料電池システム１０において、燃料電池の発電開始の際のアノードにおける燃料ガスの濃度は、燃料電池の発電停止期間や周囲温度などにより変動する。発電開始時の燃料ガスの濃度が高すぎると、燃料電池で発生する電力が消費しきれずに燃料電池を構成するセルが高電位となり、電池性能に悪影響を与えるおそれがある。また、発電開始時の燃料ガスの濃度が低すぎると、水素が各セルになかなか行き渡らずに、水素が各セルに供給されるまでに時間がかかり、電池性能に悪影響を与えるおそれがある。
【００２９】
図３は、燃料電池の発電開始直後のＯＣＶの時間的な変化を示す図である。図３に示すように、燃料ガスの濃度が高いほど、ＯＣＶの立ち上がりが急激となる。つまり、燃料ガスの立ち上がり速度が速いほど、燃料ガスの濃度が高いことを意味する。この点を考慮して、本実施形態では、上記のように構成された燃料電池システム１０において、発電直後の燃料ガスの濃度を、燃料電池２０のＯＣＶの立ち上がり速度に基づいて判別し、ＯＣＶの立ち上がり速度に基づいて、燃料ガスの供給量を迅速に最適化する。
【００３０】
図４は、制御部８０が、燃料電池の発電開始直後に行う燃料ガスの供給量の最適化処理についての手順を示すフローチャートである。
【００３１】
図４において、制御部８０は、燃料ガス供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整し、発電を開始する（Ｓ１００）。さらに、制御部８０は、発電が開始されたことに対応して、電圧センサ９０から燃料電池２０のＯＣＶを取得して、発電開始直後の所定期間におけるＯＣＶの立ち上がり速度ΔＶ／Δｔを算出する（Ｓ１０２）。なお、Δｔは所定期間を示し、ΔＶは、所定期間におけるＯＣＶの変化量を示す。次いで、制御部８０は、ΔＶ／Δｔに基づいて、循環ポンプ５５のポンプ回転数およびレギュレータ４５の吐出圧を決定し（Ｓ１０４）、決定されたポンプ回転数および吐出圧に基づいて、循環ポンプ５５およびレギュレータ４５を制御する（Ｓ１０６）。
【００３２】
制御部８０は、例えば、図５Ａや図５Ｂに示すマップを参照して、算出されたΔＶ／Δｔに対応する循環ポンプ５５のポンプ回転数およびレギュレータ４５の吐出圧を決定する。
【００３３】
図５Ａ、図５Ｂに示すように、ＯＣＶの立ち上がり速度が初期値として設定されている基準速度より速い場合には、燃料ガスの濃度が基準よりも高いと判断して、制御部８０は、循環ポンプ５５のポンプ回転数およびレギュレータ４５の吐出圧を基準速度時よりも下げる。つまり、起動時発電前に設定されたポンプ回転数および吐出圧よりも下げる。これにより、燃料電池２０の発電量を抑制することができる。よって、例えば、燃料電池の発電量が大きすぎることによる電池性能の低下を抑制することができる。
【００３４】
また、ＯＣＶの立ち上がり速度が初期値として設定されている基準速度より遅い場合には、燃料ガスの濃度が基準よりも低いと判断して、制御部８０は、循環ポンプ５５のポンプ回転数およびレギュレータ４５の吐出圧を基準速度時よりも上げる。つまり、起動時発電前に設定されたポンプ回転数および吐出圧よりも上げる。これにより、要求発電量に必要な燃料ガスが不足し、燃料電池２０の発電量が不足することによる電池性能の低下を抑制することができる。
【００３５】
なお、図５Ａ、図５Ｂに示すようなマップは、実験や机上検討等により予め求めておき、制御部８０がアクセス可能なメモリに登録しておけばよい。
【００３６】
以上、本実施形態によれば、燃料電池の発電開始直後のＯＣＶの立ち上がり速度に基づいて、アノードにおける燃料ガスの濃度を推定し、その推定結果に基づいて、燃料ガスの流量を調整する。これにより、燃料電池の発電開始直後における燃料ガスの濃度のばらつきにより生じる燃料電池２０の発電量のばらつきを抑制し、燃料電池２０の電池性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態における燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成を示す図である。
【図３】燃料電池の発電開始直後のＯＣＶの時間的な変化について説明するための図である。
【図４】制御部が燃料電池の発電開始直後に行う燃料ガスの供給量の最適化処理についての手順を示すフローチャートである。
【図５Ａ】制御部がＯＣＶの立ち上がり速度に基づいて循環ポンプのポンプ回転数を求める際に参照するマップの一例を示す図である。
【図５Ｂ】制御部がＯＣＶの立ち上がり速度に基づいてレギュレータの吐出圧を求める際に参照するマップの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３１  冷却路、３３  ラジエタ、３４  バルブ、３５  ポンプ、４０  高圧水素タンク、４１  燃料ガス流路、４２  燃料ガス供給装置、４３  遮断弁、４４  圧力センサ、４５  レギュレータ、４６  遮断弁、５１  循環流路、５２  遮断弁、５５  循環ポンプ、５６  逆流阻止弁、６１  排気流路、６２  希釈器、６３  排気弁、７１  酸化ガス流路、７２  カソードオフガス流路、７３  酸化ガス供給装置、７４  エアフィルタ、７５  エアコンプレッサ、７６  加湿器、７７  圧力調整弁、７８  バイパス流路、８０  制御部、８２  アクセルセンサ、８４  外気温センサ、９０  電圧センサ、Ｐ  圧力センサ、Ｔ  温度センサ。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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