(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを積層したセルスタックを備えた燃料電池の制御装置において、
少なくとも前記セルスタックの入口あるいは出口における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段の出力に基づいて、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の理論的な電圧値に基づく基準電圧を演算する基準電圧演算手段と、
燃料電池のセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段と、
該セル電圧検出手段の出力および前記基準電圧演算手段の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段と、
該水づまり状態判定手段の判定結果に基づいてセルに溜まった水を排出するための水パージ制御を行うパージ制御手段と、
を備え、
前記基準電圧演算手段は、セル群の基準電圧値を演算する際に、水パージ制御を行った直後の所定期間のセル電圧検出値に基づいた学習値によって理論電圧値を補正して演算することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
複数のセルを積層したセルスタックを備えた燃料電池の制御装置において、
少なくとも前記セルスタックの入口あるいは出口における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段の出力に基づいて、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の理論的な電圧値に基づく基準電圧を演算する基準電圧演算手段と、
燃料電池のセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段と、
該セル電圧検出手段の出力および前記基準電圧演算手段の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段と、
該水づまり状態判定手段の判定結果に基づいてセルに溜まった水を排出するための水パージ制御を行うパージ制御手段と、
を備え、
前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいた前記パラメータの演算値に、より大きな重みを掛け、このパラメータの大きさによって水づまり状態を判定することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項３】
複数のセルを積層したセルスタックを備えた燃料電池の制御装置において、
少なくとも前記セルスタックの入口あるいは出口における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段の出力に基づいて、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の理論的な電圧値に基づく基準電圧を演算する基準電圧演算手段と、
燃料電池のセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段と、
該セル電圧検出手段の出力および前記基準電圧演算手段の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段と、
該水づまり状態判定手段の判定結果に基づいてセルに溜まった水を排出するための水パージ制御を行うパージ制御手段と、
を備え、
前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、このパラメータの大きさによって水づまり状態を判定し、
前記パラメータは、セル群の基準電圧値とセル電圧検出手段で検出したセル群の実電圧値との差の自乗平均値であることを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項４】
前記基準電圧演算手段は、セル群の基準電圧値を演算する際に、水パージ制御を行った直後の所定期間のセル電圧検出値に基づいた学習値によって理論電圧値を補正して演算することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項５】
前記水づまり状態判定手段は、燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいた前記パラメータの演算値に、より大きな重みを掛けて水づまりを判定することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項６】
前記パラメータは、セル群の基準電圧値とセル電圧検出手段で検出したセル群の実電圧値との差の自乗平均値であることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項７】
前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいた前記パラメータの演算値に、より大きな重みを掛けて水づまりを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項８】
前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、このパラメータの大きさによって水づまり状態を判定し、
前記パラメータは、セル群の基準電圧値とセル電圧検出手段で検出したセル群の実電圧値との差の自乗平均値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックの水づまりを検出して水パージを制御する燃料電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池では、水素と酸素が反応した結果生じる生成水や、燃料ガスと酸化剤ガスに含まれる水蒸気が凝縮することにより生じる液水がセル内に滞留してしまうことがある。この場合、水が滞留したセルではガスの流れが阻害され、十分な水素、酸素が供給できず、セル電圧が低下してしまい、その結果出力が低下してしまうことになる。したがって、このような水の滞留（セルの水づまり）が生じた場合は、ガス流量を増加させて溜まった水を排出する「パージ」という作業を速やかに行い、燃料電池の各セル内を掃気して出力を回復する必要がある。
【０００３】
従来の燃料電池スタックのセルの水づまりを検出して水パージを制御する技術として、特開平７−０２２０４７号公報、特開平９−２４５８２６号公報がある。前者の技術は、単セルに参照電極を設け、この参照電極を用いてアノードとカソードの単極電位を検出し、負荷変化に対するアノード、カソード双極の電位変化のパターンによりアノード、カソードどちらの極で水づまりを生じているかを推定し、水づまりを生じている極の反応体の流量を増加させるとともに加湿を停止させることで水づまりを解消する、というものである。
【０００４】
また、後者の技術は、単セルまたは複数個の単セルからなるセルブロックの電圧の経時変化のパターンを燃料電池の種々の運転条件の場合に分けてあらかじめ記憶装置に記憶させておき、単セル毎またはセルブロック毎の電圧の経時変化のパターンを測定し、得られた電圧の経時変化のパターンと記憶装置に記憶させたパターンとを比較して運転条件を判定し、水づまり、膜乾燥、酸化剤ガスの供給不足などの判定結果に応じて加湿量、ガス流量などを制御する、というものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−０２２０４７号公報記載の技術は、一つあるいは複数のセルに参照電極を設け、参照電極に対するセルのアノード、カソードの単極電位から水づまりを推定する構成であるため、燃料電池の運転状態が変化した場合の単極電位の変化が各セルの理論的に出力可能な電圧が変化したものなのか、水づまりによって変化したものなのかの判別が難しく、さまざまな運転状態で精度良く水づまりを検出することができない、という問題点があった。
【０００６】
また、特開平９−２４５８２６号公報記載の技術は、単セル毎またはセルブロック毎の電圧の経時変化のパターンを検出し、その検出値をあらかじめ記憶装置に記憶させたパターンと比較して運転条件を判定する構成であるため、長い時間での経年変化によりそもそもの燃料電池の特性が劣化してきた場合に、その経年変化による特性変化と水づまり等による特性の経時変化を分離することができないため、水づまり等の運転条件の判定精度が低下する、という問題点があった。
【０００７】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、運転状態に係らず精度良く燃料電池の水づまりを検出することができる燃料電池の制御装置を提供することである。
【０００８】
また本発明の目的は、経年変化による燃料電池の発電特性の変化があっても精度良く水づまりを検出することができる燃料電池の制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載に発明は、複数のセルを積層したセルスタックを備えた燃料電池の制御装置において、少なくとも前記セルスタックの入口あるいは出口における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の出力に基づいて、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の理論的な電圧値に基づく基準電圧を演算する基準電圧演算手段と、燃料電池のセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段と、該セル電圧検出手段の出力および前記基準電圧演算手段の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段と、該水づまり状態判定手段の判定結果に基づいてセルに溜まった水を排出するための水パージ制御を行うパージ制御手段と、を備え、前記基準電圧演算手段は、セル群の基準電圧値を演算する際に、水パージ制御を行った直後の所定期間のセル電圧検出値に基づいた学習値によって理論電圧値を補正して演算することを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項２記載に発明は、複数のセルを積層したセルスタックを備えた燃料電池の制御装置において、少なくとも前記セルスタックの入口あるいは出口における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の出力に基づいて、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の理論的な電圧値に基づく基準電圧を演算する基準電圧演算手段と、燃料電池のセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段と、該セル電圧検出手段の出力および前記基準電圧演算手段の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段と、該水づまり状態判定手段の判定結果に基づいてセルに溜まった水を排出するための水パージ制御を行うパージ制御手段と、を備え、前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいた前記パラメータの演算値に、より大きな重みを掛け、このパラメータの大きさによって水づまり状態を判定することを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項３記載に発明は、複数のセルを積層したセルスタックを備えた燃料電池の制御装置において、少なくとも前記セルスタックの入口あるいは出口における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の出力に基づいて、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の理論的な電圧値に基づく基準電圧を演算する基準電圧演算手段と、燃料電池のセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段と、該セル電圧検出手段の出力および前記基準電圧演算手段の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段と、該水づまり状態判定手段の判定結果に基づいてセルに溜まった水を排出するための水パージ制御を行うパージ制御手段と、を備え、前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、このパラメータの大きさによって水づまり状態を判定し、前記パラメータは、セル群の基準電圧値とセル電圧検出手段で検出したセル群の実電圧値との差の自乗平均値であることを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項４記載に発明は、請求項２または請求項３に記載の燃料電池の制御装置において、前記基準電圧演算手段は、セル群の基準電圧値を演算する際に、水パージ制御を行った直後の所定期間のセル電圧検出値に基づいた学習値によって理論電圧値を補正して演算することを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項５記載に発明は、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置において、前記水づまり状態判定手段は、燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいた前記パラメータの演算値に、より大きな重みを掛けて水づまりを判定することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項６記載に発明は、請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置において、前記パラメータは、セル群の基準電圧値とセル電圧検出手段で検出したセル群の実電圧値との差の自乗平均値であることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項７記載に発明は、請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいた前記パラメータの演算値に、より大きな重みを掛けて水づまりを判定することを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項８記載に発明は、請求項１に記載の燃料電池の制御装置において、前記水づまり状態判定手段は、前記基準電圧演算手段で演算したセル群の理論電圧値と、セル電圧検出手段で検出したセル群の電圧値とから、セル電圧の理論値からの変移の大きさを表わすパラメータを演算し、このパラメータの大きさによって水づまり状態を判定し、前記パラメータは、セル群の基準電圧値とセル電圧検出手段で検出したセル群の実電圧値との差の自乗平均値であることを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、経年変化により燃料電池の電圧値が理論電圧値からずれてきた場合でも、精度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２２】
請求項２の発明によれば、比較的水の凝縮量が多く水が溜まりやすい燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいたパラメータ演算値により大きな重みを掛けることができ、感度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２３】
請求項３の発明によれば、簡単な演算で精度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２４】
請求項４の発明によれば、請求項２または請求項３の発明の効果に加えて、経年変化により燃料電池の電圧値が理論電圧値からずれてきた場合でも、精度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２５】
請求項５の発明によれば、請求項２ないし請求項４の発明の効果に加えて、比較的水の凝縮量が多く水が溜まりやすい燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいたパラメータ演算値により大きな重みを掛けることができ、感度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２６】
請求項６の発明によれば、請求項２ないし請求項５の発明の効果に加えて、簡単な演算で精度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２７】
請求項７の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、比較的水の凝縮量が多く水が溜まりやすい燃料電池スタックの冷却水入口側に近いセルのセル電圧検出値に基づいたパラメータ演算値により大きな重みを掛けることができ、感度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００２８】
請求項８の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、簡単な演算で精度良く水づまりを検出することができるという効果がある。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。実施形態の説明の前に、本発明の基本概念を説明する。燃料電池のセルの電圧が低下する要因としては、空気極での酸素分圧の低下や水素極での水素分圧の低下もあるが、これらの分圧の低下がセル全体の電圧低下として現れるのに対して、セルの水づまりによる影響は特定のセルあるいはセル群の電圧低下、すなわちセル電圧のばらつきとして現れる傾向がある。したがって、水づまりが生じていない時のセル群の基準電圧からの実電圧のばらつきの大きさを演算すれば、水づまりを正確に検出することができ、その結果、不要な水パージを抑制するとともに、水パージが必要な場合に水パージを確実に実行することができる。
【００３３】
また、セル群の基準電圧は経年変化により理論電圧からずれていることがあるが、水パージ制御を実行した直後の水づまりの無い状態でのセル群の実電圧値から経年変化によるずれを学習し基準電圧の演算に反映させれば、経年変化にかかわらず水づまりを精度良く検出し、水パージ制御を確実に実行することができる。
【００３４】
図１は、本発明に係る燃料電池の制御装置の基本構成を示す構成図である。同図において、燃料電池の制御装置は、少なくとも燃料電池入口あるいは出口における燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力を検出する運転状態検出手段１０１と、単セルあるいは複数個の単セルからなるセル群の実電圧を検出するセル電圧検出手段１０２と、運転状態検出手段１０１、セル電圧検出手段１０２及び後述する１０５の出力に基づいてセル群の基準電圧を演算する基準電圧演算手段１０３と、セル電圧検出手段１０２および基準電圧演算手段１０３の出力に基づいてセルの水づまり状態を判定する水づまり状態判定手段１０４と、水づまり状態判定手段１０４の判定結果出力に基づいてパージ制御を行うパージ制御手段１０５とを備えている。
【００３５】
図２は、この発明に係る燃料電池の制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示すシステム構成図であり、特に限定されないが電気自動車に好適な燃料電池システムである。
【００３６】
図２に示すように、本発明が適用される燃料電池システムは、図示しない燃料極及び空気極を有し燃料ガスである水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック（燃料電池本体）２０１と、水素及び空気を加湿する加湿器２０２と、外部から取り入れた空気を圧縮して加湿器２０２へ送るコンプレッサ２０３と、高圧水素の流量を制御する可変バルブ２０４と、空気の圧力及び流量を制御するスロットル２０５と、水素を外部に排気するパージ弁２０６と、加湿器２０２へ純水を供給する純水ポンプ２０７と、燃料電池入口の空気圧力を検出する圧力センサ２０８と、燃料電池入口の水素圧力を検出する圧力センサ２０９と、セル電圧検出電極２１１ａ、２１１ｂ、…、２１１ｚと、燃料電池を制御するコントローラ２１０とを備えている。
【００３７】
図１と図２の対応関係は以下の通りである。図１の運転状態検出手段１０１は、図２の空気圧力を検出する圧力センサ２０８及び水素圧力を検出する圧力センサ２０９に相当し、図１のセル電圧検出手段１０２は、セル電圧検出電極２１１ａ、２１１ｂ、…、２１１ｚに相当する。図１の基準電圧演算手段１０３、水づまり状態判定手段１０４、及びパージ制御手段１０５は、コントローラ２１０に相当する。
【００３８】
コンプレッサ２０３は空気を圧縮して加湿器２０２へ送り、加湿器２０２では純水ポンプ２０７で供給された純水で空気を加湿し、加湿された空気が燃料電池スタック２０１へ送り込まれる。高圧水素は可変バルブ２０４で流量が制御されて加湿器２０２へ送られ、加湿器２０２では空気と同様に純水ポンプ２０７で供給された純水で水素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック２０１へ送り込まれる。燃料電池スタック２０１では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流（電力）を車両等の外部システムへ供給する。燃料電池スタック２０１で反応に使用した残りの空気は、スロットル２０５で圧力制御が行われた後、大気へ排出される。
【００３９】
また、反応に使用した残りの水素は燃料電池スタック２０１から排出されるが、加湿器２０２の上流へ還流されて発電に再利用する。いま、燃料電池入口の空気圧力を検出する圧力センサ２０８と水素圧力を検出する圧力センサ２０９を備え、これらの信号は燃料電池のセル群のセル電圧とともにコントローラ２１０へ読み込まれる。コントローラ２１０では、読み込んだ値からセルの水づまりの状況を判定し、水づまりが生じていると判定した場合には、空気側のスロットル２０５と水素のパージ弁２０６を開弁し、燃料電池内部に溜まった水を外部に排出し、燃料電池の出力が回復するように制御を行う。
【００４０】
図３は、セル番号をｉとしたときの各セルの（ａ）基準電圧値（＝理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ））と（ｂ）正常時、（ｃ）水づまり時の実セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ｉ）の変化の様子を示す図である。燃料電池のセル番号ｉの理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ）は、「電気化学概論」（松田・岩倉共著、丸善株式会社）、「新しい電気化学」（電気化学会編、培風館）等記載の「ネルンストの式」、「分極（活性分極、濃度分極）」、「限界電流密度」などの記載に基づいて、酸素分圧（Ｂo2）、水素分圧（Ｂh2）、取出し電流（Ｉｃ）、スタック温度（Ｔfc）から（１）式に示す理論式によって算出することができる。
【００４１】
【数１】
0003882513.tif 000002
ここで、Ｋ１からＫ５は定数、Ｉh2,LはＢh2、Ｔfcから決まる水素限界電流密度、Ｉo2,LはＢo2、Ｔfcから決まる酸素限界電流密度である。
【００４２】
また、分圧Ｂh2，Ｂo2は、図５でスタック温度から決まる水蒸気分圧と、スタック入口の空気圧力Ｐo2、水素圧力Ｐh2と空気中の酸素濃度から求めることができる。燃料電池内の各セルでの圧力は内部の配管の圧損により出口側に近づくに従い徐々に低下するため、この圧損特性を事前に調べておけば、理論式から求めた各セル毎の理論電圧値は、図３（ａ）のようになる。ここで、各セル電圧の基準値からのばらつきの大きさを示すパラメータを次の（２）式によって求めるものとする。
【００４３】
【数２】
0003882513.tif 000003
いま、図３（ｂ）に示すように各セルの実電圧値が基準電圧値とほぼ一致していれば（２）式のパラメータ値は小さくなり、水づまりは生じていない、と判断できるが、図３（ｃ）のように検出されれば理論電圧値から大きくずれたセルがあるため、（２）式のパラメータ値が大きくなり水づまりを生じていると判断することができる。
【００４４】
図４には、各セルの（ａ）理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ）と、（ｂ）経年変化による特性ずれを学習値で補正した基準電圧値Ｖｅｓｔ（ｉ）、（ｃ）正常時、（ｄ）水づまり時の実セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ｉ）の様子を示す。図３の場合と同様に、スタック入口空気圧力Ｐo2、水素圧力Ｐh2、スタック温度Ｔfc、取出し電流Ｉｃ、圧損特性から（１）式を用いてまず各セルの理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ）を演算する（図４（ａ））。
【００４５】
また、水パージを行った直後には各セルの実電圧値Ｖｃｅｌｌ（ｉ）に基づき、次の（３）式
【数３】
0003882513.tif 000004
を用いて経年変化に対する補正係数の学習を行い、その学習値を用いて基準電圧値Ｖｅｓｔ（ｉ）を次の（４）式
【数４】
Ｖｅｓｔ（ｉ）＝ｋ（ｉ，ｐ）・Ｖｅｓｔ０（ｉ）      …（４）
を用いて演算する。ここで、
ｋ（ｉ，ｐ）：セルｉのＰ回目の水パージ後の学習値
α          ：学習値更新の移動平均係数（０＜α＜１）
Ｎ          ：一度の学習に用いるデータ数
である。
【００４６】
経年変化があった場合、各セルでの基準電圧値は理論電圧値からずれることがあるが、（３）式の学習値で理論電圧値を補正することで、図４（ｂ）のような基準電圧値を求めることができる。つぎに（４）式で求めた基準電圧値Ｖｅｓｔ（ｉ）と各セルの実電圧値Ｖｃｅｌｌ（ｉ）から（２）式を用いてセル電圧のばらつきの度合いを示すパラメータを演算する。図４（ｃ）に示すように各セルの実電圧値が基準電圧値とほぼ一致していれば（２）式のパラメータ値は小さくなり、水づまりは生じていない、と判断できるが、図４（ｄ）のように検出されれば理論電圧値から大きくずれたセルがあるため、（２）式のパラメータ値が大きくなり水づまりを生じていると判断することができる。
【００４７】
また、ここでは単セルの電圧に基づいた検出について説明したが、これは複数個の単セルからなるセル群の電圧を用いても同様に検出することが可能である。
【００４８】
〔第１実施形態〕
次に、図１、図２に構成を示した第１実施形態の動作を、図７，図８，図１０，図１３のフローチャートを参照して詳細に説明する。
図７が全体の動作を示すゼネラルフローチャートであり、図２のコントローラ２１０によって、所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００４９】
ステップ（以下、ステップをＳと略す）７０１，Ｓ７０２では燃料電池スタック入口の空気圧力Ｐａｉｒ０、水素圧力Ｐｈ２０を検出し、Ｓ７０３ではいま燃料電池から取出されている電流値Ｉｃを検出する。Ｓ７０４では、検出した値に基づいて各セル（ｉ＝１〜Ｎｃｅｌｌ）の基準電圧値Ｖｅｓｔ(i)を演算し、Ｓ７０５では各セルの実電圧値Ｖｃｅｌｌ（ｉ）を検出する。Ｓ７０６では基準電圧値と実電圧値に基づいて水づまりを表わすパラメータを演算し、Ｓ７０７では、演算したパラメータに応じて水パージ制御を実行して、終了する。
【００５０】
図８は、図７のＳ７０４における基準電圧値Ｖｅｓｔ(i)演算の手続きの内容を示す。
【００５１】
Ｓ８０１では、検出した燃料電池スタック入口の空気圧力Ｐａｉｒ０と空気極の圧損特性から、各セルでの空気圧力Ｐａｉｒ（ｉ）を推定する。ここで、圧損特性は現物の特性を事前に実験で調べておき、図６（ａ）に示すような流量（あるいは出力）とセル番号から圧力低下率が求まるマップで与えるものとする。Ｓ８０２では、検出した燃料電池スタック入口の水素圧力Ｐh20と水素極の圧損特性から、各セルでの水素圧力Ｐh2（ｉ）を推定する。水素の圧損特性は空気の場合と同様に図６（ｂ）で与えるものとする。Ｓ８０３では燃料電池スタックの温度Ｔfcを検出し、Ｓ８０４では温度と図５の水蒸気分圧特性から水蒸気分圧Ｂｖａｐｏｒを演算する。Ｓ８０５では、各セルでの空気圧力推定値Ｐo2（ｉ）、水蒸気分圧Ｂｖａｐｏｒ、空気中の酸素濃度Ｒo2から各セルでの酸素分圧Ｂo2（ｉ）を演算する。Ｓ８０６では、各セルでの水素圧力推定値Ｐh2（ｉ）、水蒸気分圧Ｂｖａｐｏｒから各セルでの水素分圧Ｂh2（ｉ）を演算する。Ｓ８０７では、（１）式に基づいて各セルでの理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ）を演算し、Ｓ８０８では各セルでの基準電圧値Ｖｅｓｔ（ｉ）に理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ）を代入し終了する。
【００５２】
図１０には、図７のＳ７０６における水づまりパラメータ演算の手続きの内容を示す。
Ｓ１００１では、図７のＳ７０４で演算した各セルの基準電圧Ｖｅｓｔ（ｉ）を読み込み、Ｓ１００２では、図７のＳ７０５で演算した各セルの実電圧Ｖｃｅｌｌ（ｉ）を読み込む。Ｓ１００３では（２）式を用いて、水づまりを表わすパラメータＸを演算し、終了する。
【００５３】
図１３には、図７のＳ７０７における水パージ制御実行の手続きの内容を示す。
Ｓ１３０１では、パージ実行中を表わすフラグＰＦｌａｇの値を判断する。Ｓ１３０１でパージ実行中ではない（ＰＦｌａｇ＝０）と判断した場合にはＳ１３０２へ進み、パラメータＸが水づまりを判定するしきい値Ｘｐｕｒｇｅより大きいかどうかを判断する。Ｓ１３０２で水づまり（Ｘ＞Ｘｐｕｒｇｅ）と判断したら、Ｓ１３０３で空気スロットルを全開にし、Ｓ１３０４で水素パージ弁を全開にし、Ｓ１３０５でＰＦｌａｇ＝１とし、Ｓ１３０６でｃｏｕｎｔｅｒ＝０とし、終了する。また、Ｓ１３０２で、水づまりでない（Ｘ≦Ｘｐｕｒｇｅ）と判断した場合はそのまま終了する。Ｓ１３０１でパージ実行中である（ＰＦｌａｇ＝１）と判断したら、Ｓ１３０７でｃｏｕｎｔｅｒに１を足し、Ｓ１３０８へ進む。Ｓ１３０８では、ｃｏｕｎｔｅｒがパージ実行の時間Ｔｐｕｒｇｅより大きいかどうか判断し、大きい場合はＳ１３０９で全開にしてあった空気スロットルを通常制御にもどし、Ｓ１３１０で水素パージ弁を全開し、Ｓ１３１１でパージ実行中を表わすフラグＰＦｌａｇ＝０とし、終了する。また、Ｓ１３０８でｃｏｕｎｔｅｒがパージ実行の時間Ｔｐｕｒｇｅより大きいと判断されなかった時は、そのまま終了する。
【００５４】
〔第２実施形態〕
第２の実施形態を、図７，図９，図１０，図１３のフローチャートに示す。図７，図１０，図１３は第１の実施形態と同様なので、図９についてのみ説明する。
【００５５】
図９には、図７のＳ７０４における基準電圧（Ｖｅｓｔ（ｉ））演算の手続きの内容を示す。Ｓ９０１からＳ９０７は、図８のＳ８０１から８０７と同様なので省略する。Ｓ９０８では、パージ制御実行後の所定時間のデータに基づき（３）式によって算出した補正係数ｋ（ｉ，ｐ）を読み込み、Ｓ９０９では各セルでの理論電圧値Ｖｅｓｔ０（ｉ）に各セルの補正係数を掛けた値を基準電圧値Ｖｅｓｔ（ｉ）に代入し終了する。
【００５６】
〔第３実施形態〕
第３の実施形態を、図７，図８（あるいは図９）、図１１，図１３のフローチャートに示す。本実施形態は、各セルの温度が計測あるいは推定できる場合の実施形態である。図７，図８，図１３は第１の実施形態と同様なので、図１１についてのみ説明する。
【００５７】
図１１には、図７のＳ７０６における水づまりパラメータ演算の手続きの内容を示す。Ｓ１１０１では、図７のＳ７０４で演算した各セルの基準電圧Ｖｅｓｔ（ｉ）を読み込み、Ｓ１１０２では、図７のＳ７０５で演算した各セルの実電圧Ｖｃｅｌｌ（ｉ）を読み込む。Ｓ１１０３ではセル番号を表わす変数ｉの初期値をｉ＝１に設定し、Ｓ１１０４では各セルの温度Ｔｃｅｌｌ（ｉ）を検出する。Ｓ１１０５では図１４に示すテーブルデータに基づき、セル温度に応じた重み係数Ｗ（ｉ）を演算する。Ｓ１１０６では変数ｉを１増加し、Ｓ１１０７では変数ｉがＮｃｅｌｌより大きいかを判断し、大きくない場合はＳ１１０４へ戻る。この演算をＮｃｅｌｌだけ繰り返し、セル１〜セルＮｃｅｌｌの重み係数Ｗ（ｉ）を演算したら、Ｓ１１０７のループ終了条件が成立し、Ｓ１１０８へ進む。Ｓ１１０８では（２）式に重み係数Ｗ（ｉ）が加わった式を用いて、水づまりを表わすパラメータＸを演算し、終了する。
【００５８】
また、この実施形態では各セルの温度を計測あるいは推定できるので、図８のＳ８０３での燃料電池スタック温度Ｔfcを各セル毎の温度Ｔfc（ｉ）とし、Ｓ８０４で演算する水蒸気分圧ＢｖａｐｏｒもＢｖａｐｏｒ（ｉ）として以降の演算を行うことにより、より精度を上げることができる。
【００５９】
〔第４実施形態〕
第４の実施形態を、図７，図８（あるいは図９）、図１２，図１３のフローチャートに示す。本実施形態も第３の実施形態と同様に各セルの温度が計測あるいは推定できる場合の実施形態である。図７，図８，図１３は第１の実施形態と同様なので、図１２についてのみ説明する。
【００６０】
図１２には、図７のＳ７０６における水づまりパラメータ演算の手続きの内容を示す。図１２において、Ｓ１２０１では、図７のＳ７０４で演算した各セルの基準電圧Ｖｅｓｔ（ｉ）を読み込み、Ｓ１２０２では、図７のＳ７０５で演算した各セルの実電圧Ｖｃｅｌｌ（ｉ）を読み込む。Ｓ１２０３ではセル番号を表わす変数ｉの初期値をｉ＝１とし、Ｓ１２０４では各セルの温度Ｔｃｅｌｌ（ｉ）を検出する。Ｓ１２０５では検出した温度Ｔｃｅｌｌ（ｉ）が所定の温度Ｔｄｅｗよりも低いかどうかを判定する。Ｓ１２０５でセル温度Ｔｃｅｌｌ（ｉ）がＴｄｅｗより低いと判断した場合にはＳ１２０６へ進み、係数Ｓ（ｉ）に１を代入しＳ１２０８へ進む。Ｓ１２０５でセル温度Ｔｃｅｌｌ（ｉ）がＴｄｅｗより低いと判断しなかった場合にはＳ１２０７へ進み、係数Ｓ（ｉ）に０を代入しＳ１２０８へ進む。Ｓ１２０８では変数ｉを１増加し、Ｓ１２０９では変数ｉがＮｃｅｌｌより大きいかを判断し、大きくない場合はＳ１２０４へ戻る。
【００６１】
この演算をＮｃｅｌｌ回だけ繰り返し、セル１〜セルＮｃｅｌｌの係数Ｓ（ｉ）を演算したら、Ｓ１２０９のループ終了条件が成立し、Ｓ１２１０へ進む。Ｓ１２１０では（２）式に係数Ｓ（ｉ）が加わった式を用いて、Ｓ（ｉ）＝１となった低温のセル電圧のみを用いて水づまりを表わすパラメータＸを演算し、終了する。
【００６２】
また、第３の実施形態と同様に、この実施形態では各セルの温度を計測あるいは推定できるので、図８のＳ８０３での燃料電池スタック温度Ｔfcを各セル毎の温度Ｔfc（ｉ）とし、Ｓ８０４で演算する水蒸気分圧ＢｖａｐｏｒもＢｖａｐｏｒ（ｉ）として以降の演算を行うことにより、より精度を上げることができる。
【００６３】
〔第５実施形態〕
第３の実施形態では、各セルの温度が検出でき、各セルの温度に応じた重みを用いて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としたが、燃料電池としては冷却水の入口に近い方のセルがより冷却されて水づまりを生じ易いため、冷却水の入口に近い方のセルに重みを掛けて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としても良い。
【００６４】
即ち、第５実施形態では、例えば、燃料電池スタックのセル番号の小さい方からセル番号の大きい方へ冷却水を流すとすれば、冷却水入口側のセル番号の小さい方のセルの重み係数Ｗ（ｉ）をセル番号の大きい方のセルの重み係数Ｗ（ｉ＋１）より大きくし、Ｗ（ｉ）＞Ｗ（ｉ＋１）となるように設定して、第３実施形態のＳ１１０８で説明した式を計算すればよい。
【００６５】
〔第６実施形態〕
第４の実施形態では、各セルの温度が検出でき、セルの温度が所定値より低いセルのみのセル電圧に基づいて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としたが、燃料電池としては冷却水の入口に近い方のセルがより冷却されて水づまりを生じ易いため、冷却水の入口に近い方のセル電圧のみに基づいて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としても良い。
【００６６】
即ち、第６実施形態では、燃料電池スタックのセル番号の小さい方からセル番号の大きい方へ冷却水を流すとすれば、セル数をＮｃｅｌｌとしたとき、例えば、ｉ＜（Ｎｃｅｌｌ／３）であるセル番号ｉについてのみ、水づまりパラメータを演算すればよい。
【００６７】
〔第７実施形態〕
第３の実施形態では、各セルの温度が検出でき、各セルの温度に応じた重みを用いて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としたが、燃料電池としては温度が同じで飽和水蒸気圧が同じ場合、セル内のガス圧力が高い方がとけ込める水蒸気流量が低下するため凝縮する水が増加し、水づまりを生じ易いため、第７実施形態として、ガス圧力の高い方のセルに重みを掛けて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としても良い。
【００６８】
〔第８実施形態〕
第４の実施形態では、各セルの温度が検出でき、セルの温度が所定値より低いセルのみのセル電圧に基づいて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としたが、燃料電池としては温度が同じで飽和水蒸気圧が同じ場合、セル内のガス圧力が高い方が溶け込める水蒸気流量が低下するため凝縮する水が増加し、水づまりを生じ易いため、第８実施形態として、ガス圧力の高い方のセル電圧のみに基づいて水づまりを表わすパラメータを演算する構成としても良い。
【００６９】
以上の実施形態では、燃料電池スタック入口の圧力を検出して各セル毎の圧力を推定するものとしてきたが、これは燃料電池スタック出口の圧力を検出する構成としてもよいし、入口、出口両方の圧力を検出する構成としてもよい。
【００７０】
また、以上の実施形態では単セルの電圧に基づいて水づまりを検出するものとしてきたが、これは複数個の単セルからなるセル群の電圧を用いて水づまりを検出する構成としてもよい。
【００７１】
また、空気極のパージは通常制御のスロットルを全開にして行うものとしてきたが、これはスロットルとは別にパージバルブを設ける構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の制御装置の基本構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の制御装置を適用した燃料電池システムのハードウェア構成図である。
【図３】各セルの（ａ）基準電圧と、（ｂ）正常時のセル電圧、（ｃ）水づまり時のセル電圧の関係を表わす図である。
【図４】各セルの（ａ）理論電圧と、（ｂ）学習により算出した基準電圧と、（ｃ）正常時のセル電圧、（ｄ）水づまり時のセル電圧の関係を表わす図である。
【図５】温度に対する飽和水蒸気圧の関係を表わす図である。
【図６】（ａ）セル番号及び空気流量に対するセルの圧力低下率の関係を表わす図、（ｂ）セル番号及び水素流量に対するセルの圧力低下率の関係を表わす図である。
【図７】各実施形態に共通の概略処理を示すゼネラルフローチャートである。
【図８】第１実施形態における基準電圧演算の手続きを表わすフローチャートである。
【図９】第２実施形態における基準電圧演算の手続きを表わすフローチャートである。
【図１０】第１実施形態における水づまりパラメータ演算の手続きを表わすフローチャートである。
【図１１】第２実施形態における水づまりパラメータ演算の手続きを表わすフローチャートである。
【図１２】第４実施形態における水づまりパラメータ演算の手続きを表わすフローチャートである。
【図１３】第１実施形態における水パージ制御の手続きを表わすフローチャートである。
【図１４】セルの温度に対する水づまりパラメータ演算時の重みの関係を表わす図である。
【符号の説明】
１０１  運転状態検出手段
１０２  セル電圧検出手段
１０３  基準電圧演算手段
１０４  水づまり状態判定手段
１０５  パージ制御手段
【図１】
0003882513.tif 000005
【図２】
0003882513.tif 000006
【図３】
0003882513.tif 000007
【図４】
0003882513.tif 000008
【図５】
0003882513.tif 000009
【図６】
0003882513.tif 000010
【図７】
0003882513.tif 000011
【図８】
0003882513.tif 000012
【図９】
0003882513.tif 000013
【図１０】
0003882513.tif 000014
【図１１】
0003882513.tif 000015
【図１２】
0003882513.tif 000016
【図１３】
0003882513.tif 000017
【図１４】
0003882513.tif 000018