燃料電池の湿潤状態制御装置
【課題】燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる燃料電池の湿潤状態制御装置を提供する。
【解決手段】湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御する圧力制御部B101と、燃料電池の湿潤状態を調整する場合にカソード実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソード流量を用いて冷却水温を制御する水温制御部B102と、燃料電池の湿潤状態を調整する場合にカソード実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソード流量を制御する流量制御部B103と、を含む。
【解決手段】湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御する圧力制御部B101と、燃料電池の湿潤状態を調整する場合にカソード実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソード流量を用いて冷却水温を制御する水温制御部B102と、燃料電池の湿潤状態を調整する場合にカソード実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソード流量を制御する流量制御部B103と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の湿潤状態を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を効率よく発電させるには、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要である。すなわち、電解質膜の湿潤状態が高すぎればフラッディングが生じたり零下起動に備えて停止時のパージ動作が必要になる。また電解質膜の湿潤状態が低すぎれば燃料電池スタックの電圧が落ち込んで出力が大きく低下するおそれがある。そこで特許文献１では、電解質膜を適度な湿潤状態に維持するカソードガス圧力及びカソードガス流量となるように調圧弁やカソードコンプレッサーを制御していた。特に燃費を考慮して湿潤側に制御する場合は、カソードコンプレッサーの消費電力を下げるために回転速度を先に低下させ、その後、調圧弁を開いて圧力を上げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１５４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
湿潤度を制御するパラメーターとしては冷却水温もある。しかしながら、前述した手法では、湿潤調整するために、冷却水温を制御していなかった。そのため過渡時の湿潤制御において、燃費を改善する余地のあることが本件発明者らによって知見された。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、冷却水の制御を含めて燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる燃料電池の湿潤状態制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の燃料電池の湿潤状態制御装置は、燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置である。そして、前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量を用いて冷却水の温度を制御し、前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの流量を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の湿潤状態を調整するときに、湿潤状態を下げるときには、可能な限りコンプレッサーの回転速度の上昇が抑制されることとなる。また湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサーの回転速度を下げることとなる。このようになるので、コンプレッサーの消費電力が抑えられるため、燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図３】図３は、目標湿潤状態が下がるときのコントローラの湿潤状態制御にかか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、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、目標湿潤状態が上がる場合に上記制御ロジックが実行されたときの問題点を説明する図である。
【図６】図６は、目標湿潤状態が上がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図７】図７は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力する温度について説明する図である。
【図８】図８は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図９】図９は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の第２実施形態のコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図１０】図１０は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図１１】図１１は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
【００１２】
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用する基本的なシステムについて説明する。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、適温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。そこで燃料電池スタック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。
【００１４】
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、カソード調圧弁２２と、が設けられる。
【００１５】
コンプレッサー２１は、カソードガスＯ2、すなわち空気を燃料電池スタック１０に供給する。コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０に設けられる。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。
【００１６】
カソード調圧弁２２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２２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２２の開度によって調整される。
【００１７】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量は、カソード流量センサー２０１で検出される。このカソード流量センサー２０１は、コンプレッサー２１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。
【００１８】
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燃料電池スタック１０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、カソード流量センサー２０１の下流に位置する。
【００１９】
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、アノード再循環ライン３００が並設される。アノード再循環ライン３００は、燃料電池スタック１０よりも下流のアノードライン３０から分岐し、燃料電池スタック１０よりも上流のアノードライン３０に合流する。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、エゼクター３３と、アノードポンプ３４と、パージ弁３５と、が設けられる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
エゼクター３３は、アノード調圧弁３２よりも下流に設けられる。エゼクター３３は、アノード再循環ライン３００がアノードライン３０に合流する部分に位置する。このエゼクター３３で、アノード再循環ライン３００を流れたアノードガスＨ2が、ボンベ３１から新たに供給されたアノードガスＨ2に混合される。
【００２３】
アノードポンプ３４は、エゼクター３３の下流に位置する。アノードポンプ３４は、エゼクター３３を流れたアノードガスＨ2を燃料電池スタック１０に送る。
【００２４】
パージ弁３５は、燃料電池スタック１０の下流であって、さらにアノード再循環ライン３００の分岐部分の下流のアノードライン３０に設けられる。パージ弁３５が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
【００２５】
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、アノードポンプ３４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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード流量センサー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２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
【００３２】
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。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を介してバッテリー１２や負荷１３に供給される。
【００３３】
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００３４】
次に、図２を参照して、発明者らの技術思想について説明する。
【００３５】
上述のように、燃料電池スタック１０は、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は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。なお図２(Ａ)は１枚のＭＥＡを示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例が示されている。
【００３６】
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。
【００３７】
【数１】
【００３８】
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１−１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。
【００３９】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。
【００４０】
そこで、本件発明者らは、カソードガスＯ2の流量及び圧力並びに燃料電池スタック１の温度に着目した。
【００４１】
すなわち、カソードガスＯ2の流量を増やせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の流量を減らせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４２】
カソードガスＯ2の圧力が減るのは、カソード調圧弁２２の開度が大きくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を大きくしてカソードガスＯ2の圧力を下げれば、カソードガスＯ2が排出されやすくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の圧力が増えるのは、カソード調圧弁２２の開度が小さくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を小さくしてカソードガスＯ2の圧力を上げれば、カソードガスＯ2が排出されにくくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４３】
燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、燃料電池スタック１の温度が低くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が減る。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４４】
発明者らは、このような知見を得た。さらにカソードガスＯ2の流量を増やすためにコンプレッサー２１の回転速度を上げると、消費電力が増大して燃費が悪化する。そこでできる限りコンプレッサー２１の回転速度を低く抑えることが望ましい。発明者らは、このような着想に基づいて本発明を完成するに至った。以下では具体的な内容を説明する。
【００４５】
図３は、目標湿潤状態が下がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【００４６】
なお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。
【００４７】
湿潤状態制御装置は、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御して、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を制御する。具体的には、湿潤状態制御装置は、目標圧力演算ブロックＢ１０１と、目標温度演算ブロックＢ１０２と、目標流量演算ブロックＢ１０３と、を含む。
【００４８】
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を減少させて乾燥させるときには、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。
【００４９】
なお目標排水量ＱH2O_out[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(2)によって求まる。ここでＮＬは、Normal Liter、すなわち標準状態でのリットルを示す。
【００５０】
【数２】
【００５１】
なお燃料電池内部での生成水量ＱH2O_in[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(3)によって求まる。
【００５２】
【数３】
【００５３】
目標水収支Ｑnet_water[ＮＬ／ｍｉｎ]は、燃料電池の運転状態（負荷状態）に応じて決められた電解質膜の目標湿潤状態を実現するように設定される。
【００５４】
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、このようにして求められた目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(4-1)(4-2)によって、目標圧力Ｐtargetを求める。
【００５５】
【数４】
【００５６】
ここで最低スタック温度Ｔｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、燃料電池スタック１の温度を低くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いスタック温度である。同様に、最低カソード流量Ｑｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのカソード流量である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、カソード流量を減らす。なおカソード流量は、低すぎると供給量不足による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると音振性能が悪化するおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード流量とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード流量である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。
【００５７】
またＰsat_minは、最低スタック温度Ｔminに対する飽和水蒸気圧であり、アントワンの式に基づいて上式(4-2)が求められる。
【００５８】
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を減少させて乾燥させるときには、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。
【００５９】
目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(5-1)(5-2)によって求める。なお式(5-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
【００６０】
【数５】
【００６１】
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。なお本実施形態では、圧力Ｐsensは、カソード圧力センサー２０２で検出されたが、予め実験によって燃料電池スタックの圧力損失を求めておいて、それに基づいて推定してもよい。
【００６２】
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。
【００６３】
目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(6-1)(6-2)によって求める。
【００６４】
【数６】
【００６５】
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensにおける飽和水蒸気圧である。
【００６６】
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。
【００６７】
図４は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【００６８】
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が下がるときに、湿潤制御装置は以下のように作動する。
【００６９】
時刻ｔ１１で、目標湿潤状態が下がると、湿潤制御装置が作動を開始する。
【００７０】
目標圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、設定される。目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。
【００７１】
目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標圧力Ｐtargetが下がる。そして、この目標圧力Ｐtargetが実現されるように、カソード調圧弁２２が制御される。するとカソード圧力がほとんど応答遅れなく低下する。
【００７２】
目標圧力Ｐtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ１２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード流量Ｑmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード圧力のセンサー検出値Ｐsensがフィードバックされる。このためカソード圧力だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード流量が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード流量で補完される。
【００７３】
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ１３で、目標カソード流量Ｑtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード流量が決められるので、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード流量で補完されることとなる。
【００７４】
このようにすることで、目標湿潤状態が下がるときは、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【００７５】
図５は、目標湿潤状態が上がる場合に上記制御ロジックが実行されたときの問題点を説明する図である。
【００７６】
目標湿潤状態が下がるときは、上述のようにすることで、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【００７７】
しかしながら、目標湿潤状態が上がるときに、上述のようにしては、湿潤状態を目標通りには制御できないことが、発明者によって知見された。すなわち、目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、目標湿潤状態が上がるときには、変動しにくい。
【００７８】
そのため図５に示されるように、時刻ｔ２１で、目標湿潤状態が上がると、まず目標カソード流量Ｑtargetが下がりはじめる。
【００７９】
目標カソード流量Ｑtargetの変動だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ２２で、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。温度は応答性が悪く、圧力よりも変動しにくい。逆に言えば、圧力が温度よりも先に変動してしまって温度を補完することができなくなる。そのため温度が目標から乖離することとなって、この結果、湿潤状態を目標通りには制御できないのである。
【００８０】
図６は、目標湿潤状態が上がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【００８１】
図６に示されているように、目標湿潤状態が上がるときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。
【００８２】
この演算値について具体的に説明する。
【００８３】
本実施形態では、冷却水温度を操作する操作量に着目し、この操作量に応じて目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力する温度を演算するようにした。
【００８４】
冷却水温度を操作する操作量とは、たとえば、ウォーターポンプ４３の回転速度である。
【００８５】
ウォーターポンプ４３の回転速度が小さいほど、冷却水の流量が少ないので、燃料電池スタック１の温度が高くなる。燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態が低下して乾燥する。
【００８６】
逆に、電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとするほど、ウォーターポンプ４３の回転速度が小さくなる。電解質膜の湿潤状態を上昇させようとするほど、ウォーターポンプ４３の回転速度が大きくなる。
【００８７】
したがって、ウォーターポンプ４３の回転速度が小さいほど、電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとしている。ウォーターポンプ４３の回転速度が最小であれば、電解質膜の湿潤状態を大幅に低下させようとしている。そこで、このときには、上述の目標湿潤状態が下がったときの制御として示したように、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)を用いる。
【００８８】
一方、ウォーターポンプ４３の回転速度が大きいほど、電解質膜の湿潤状態を上昇させて湿潤させようとしている。ウォーターポンプ４３の回転速度が最大であれば、電解質膜の湿潤状態を大幅に上昇させようとしている。そこで、このときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。なおこの温度は、定常的には水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに一致することとなる。
【００８９】
そして、その間は、ウォーターポンプ４３の回転速度に応じて、温度を演算する。具体的には、次式(7)に基づいて、温度Ｔcoolantを演算する。
【００９０】
【数７】
【００９１】
このようにして演算された温度を図示すると図７のようになる。すなわち電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとするときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)を用いる。電解質膜の湿潤状態を上昇させて湿潤させようとするときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。
【００９２】
なお図７に示されるように、上式(7)では、最低スタック温度Ｔminと水温Ｔsensとを直線で結んで、その間を按分して温度Ｔcoolantを演算している。しかしながら、このような手法に限られない。直線ではなく、最低スタック温度Ｔminと水温Ｔsensとを指数関数のように下に凸の曲線で結ばれる関係にしたり、ｌｏｇ関数のように上に凸の曲線で結ばれる関係にしてもよい。そのような関係をあらかじめ設定しておけばよい。そして、これらの曲線に基づいて温度Ｔcoolantを演算してもよい。
【００９３】
図８は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【００９４】
このようにすれば、目標圧力演算ブロックＢ１０１には、常に、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりも低い温度が入力されることとなる。そのため、目標圧力演算ブロックＢ１０１で演算された圧力では、目標湿潤状態を達成できない。そのため、目標温度演算ブロックＢ１０２で演算された温度で、目標湿潤状態が達成されるようになり、その温度を補完するように、圧力が変動することとなる。
【００９５】
このようにすれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量が下がってコンプレッサー２１の回転速度が下がる。次に目標冷却水温が下がって三方弁４２が制御される。そして最後に目標圧力が上がってカソード調圧弁２２が閉じられる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
【００９６】
また目標湿潤状態が下がるか上がるかで、目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力される温度が急激に切り替わることがないので、制御が不安定になることを回避できる。
【００９７】
（第２実施形態）
図９は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の第２実施形態のコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。図９(Ａ)は目標湿潤状態が上がるときであり、図９(Ｂ)は目標湿潤状態が下がるときである。
【００９８】
本実施形態の湿潤状態制御装置は、目標流量演算ブロックＢ２０１と、目標温度演算ブロックＢ２０２と、目標圧力演算ブロックＢ２０３と、を含む。
【００９９】
目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが減る、すなわち湿潤状態を増大させて湿潤させるときには、図９(Ａ)に示されるように、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(8-1)(8-2)によって求める。
【０１００】
【数８】
【０１０１】
ここで最高スタック温度Ｔｍａｘとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、燃料電池スタック１の温度を高くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も高いスタック温度である。同様に、最低カソード圧力Ｐｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、カソード圧力を減らす。なおカソード圧力は、低すぎると圧力不足による性能悪化が生じるおそれがある。その一方で、高すぎるとコンプレッサーで実現できないおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード圧力である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。
【０１０２】
また目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を低下させて乾燥させるときには、図９(Ｂ)に示されるように、目標排水量ＱH2O_outと、スタック温度(最高スタック温度Ｔmax)に基づいて演算され、最高スタック温度Ｔmaxよりは低いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは高い温度(演算値)と、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。この演算値は、第１実施形態と同様に、ウォーターポンプ４３の回転速度(冷却水温度を操作する操作量)を考慮して求める。
【０１０３】
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標カソード流量Ｑtargetを求める。
【０１０４】
目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(9-1)(9-2)によって求める。なお式(9-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
【０１０５】
【数９】
【０１０６】
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。
【０１０７】
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。
【０１０８】
目標圧力演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(10-1)(10-2)によって、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
【０１０９】
【数１０】
【０１１０】
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに対する飽和水蒸気圧であり、式(10-2)は、アントワンの式に基づいて求められる。
【０１１１】
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
【０１１２】
図１０は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【０１１３】
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が上がるときに、湿潤制御装置は以下のように作動する。
【０１１４】
時刻ｔ３１で、目標湿潤状態が上がると、湿潤制御装置が作動を開始する。
【０１１５】
目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、実流量Ｑsensと、に基づいて設定される。目標カソード圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。
【０１１６】
目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標流量Ｑtargetが下がる。そして、この目標流量Ｑtargetが実現されるように、コンプレッサー２１が制御される。するとカソード流量がほとんど応答遅れなく低下する。
【０１１７】
目標流量Ｑtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ３２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード圧力Ｐmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード流量のセンサー検出値Ｑsensがフィードバックされる。このためカソード流量だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード圧力が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード圧力で補完される。
【０１１８】
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ３３で、目標カソード圧力Ｐtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード圧力が決められるので、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード圧力で補完されることとなる。
【０１１９】
このようにすれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
【０１２０】
図１１は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【０１２１】
目標湿潤状態が上がるときは、上述のようにすることで、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【０１２２】
しかしながら、目標湿潤状態が下がるときに、上述のようにしては、湿潤状態を目標通りには制御できない。すなわち、目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、目標湿潤状態が下がるときには、変動しにくい。
【０１２３】
目標カソード圧力Ｐtargetの変動だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ４２で、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。温度は応答性が悪く、流量よりも変動しにくい。逆に言えば、流量が温度よりも先に変動してしまって温度を補完することができなくなる。そのため温度が目標から乖離することとなって、この結果、湿潤状態を目標通りには制御できない。
【０１２４】
これに対して本実施形態では、目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を低下させて乾燥させるときには、スタック温度(最高スタック温度Ｔmax)に基づいて演算され、最高スタック温度Ｔmaxよりは低いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは高い温度(演算値)を用いるようにした。
【０１２５】
このようにすれば、目標流量演算ブロックＢ２０１には、常に、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりも高い温度が入力されることとなる。そのため、目標流量演算ブロックＢ２０１で演算された流量では、目標湿潤状態を達成できない。そのため、目標温度演算ブロックＢ２０２で演算された温度で、目標湿潤状態が達成されるようになり、その温度を補完するように、流量が変動することとなる。
【０１２６】
このようにすることで、目標湿潤状態が下がるときは、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【０１２７】
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。
【０１２８】
たとえば、第２実施形態において、冷却水温度を操作する操作量としては、ウォーターポンプ４３の回転速度を例示したが、これには限られない。三方弁４２の開度や、クーリングファン４１０の回転速度であってもよい。
【０１２９】
また第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、冷却水温度を操作する操作量を考慮して温度Ｔcoolantを演算してもよい。
【０１３０】
さらに上記各実施形態は、その他にも適宜組み合わせ可能である。
【０１３１】
また燃料電池の湿潤状態とは、燃料電池の水収支（たとえば「水収支=生成される水−排出される水」で定義される）であってもよいし、燃料電池の電解質膜の抵抗であってもよいし、その他の燃料電池の湿潤状態を表すものであってもよい。
【０１３２】
さらに冷却水の温度に代えて、燃料電池自体の温度や、空気の温度を用いてもよい。
【０１３３】
さらにまた上記各実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１では、目標圧力Ｐtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ１０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標流量演算ブロックＢ２０１では、目標流量Ｑtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ２０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。このように限界値(最大値、最小値)を用いれば、最も効果が大きい。しかしながら、最大値よりも小さめ、最小値よりも大きめのものを使用してもよい。このようにしても相応の効果は得られる。
【符号の説明】
【０１３４】
１０ 燃料電池スタック
２０ カソードライン
２１ コンプレッサー
２２ カソード調圧弁
２０１ カソード流量センサー
２０２ カソード圧力センサー
３０ アノードライン
４０ 冷却水循環ライン
４００ バイパスライン
４１ ラジエーター
４２ 三方弁
４３ ウォーターポンプ
４０１ 水温センサー
Ｂ１０１ 目標圧力演算ブロック
Ｂ１０２ 目標温度演算ブロック
Ｂ１０３ 目標流量演算ブロック
Ｂ２０１ 目標流量演算ブロック
Ｂ２０２ 目標温度演算ブロック
Ｂ２０３ 目標圧力演算ブロック
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の湿潤状態を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を効率よく発電させるには、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要である。すなわち、電解質膜の湿潤状態が高すぎればフラッディングが生じたり零下起動に備えて停止時のパージ動作が必要になる。また電解質膜の湿潤状態が低すぎれば燃料電池スタックの電圧が落ち込んで出力が大きく低下するおそれがある。そこで特許文献１では、電解質膜を適度な湿潤状態に維持するカソードガス圧力及びカソードガス流量となるように調圧弁やカソードコンプレッサーを制御していた。特に燃費を考慮して湿潤側に制御する場合は、カソードコンプレッサーの消費電力を下げるために回転速度を先に低下させ、その後、調圧弁を開いて圧力を上げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１５４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
湿潤度を制御するパラメーターとしては冷却水温もある。しかしながら、前述した手法では、湿潤調整するために、冷却水温を制御していなかった。そのため過渡時の湿潤制御において、燃費を改善する余地のあることが本件発明者らによって知見された。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、冷却水の制御を含めて燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる燃料電池の湿潤状態制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の燃料電池の湿潤状態制御装置は、燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置である。そして、前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量を用いて冷却水の温度を制御し、前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの流量を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の湿潤状態を調整するときに、湿潤状態を下げるときには、可能な限りコンプレッサーの回転速度の上昇が抑制されることとなる。また湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサーの回転速度を下げることとなる。このようになるので、コンプレッサーの消費電力が抑えられるため、燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図３】図３は、目標湿潤状態が下がるときのコントローラの湿潤状態制御にかか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、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、目標湿潤状態が上がる場合に上記制御ロジックが実行されたときの問題点を説明する図である。
【図６】図６は、目標湿潤状態が上がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図７】図７は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力する温度について説明する図である。
【図８】図８は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図９】図９は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の第２実施形態のコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図１０】図１０は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図１１】図１１は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
【００１２】
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用する基本的なシステムについて説明する。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、適温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。そこで燃料電池スタック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。
【００１４】
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、カソード調圧弁２２と、が設けられる。
【００１５】
コンプレッサー２１は、カソードガスＯ2、すなわち空気を燃料電池スタック１０に供給する。コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０に設けられる。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。
【００１６】
カソード調圧弁２２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２２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２２の開度によって調整される。
【００１７】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量は、カソード流量センサー２０１で検出される。このカソード流量センサー２０１は、コンプレッサー２１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。
【００１８】
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燃料電池スタック１０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、カソード流量センサー２０１の下流に位置する。
【００１９】
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、アノード再循環ライン３００が並設される。アノード再循環ライン３００は、燃料電池スタック１０よりも下流のアノードライン３０から分岐し、燃料電池スタック１０よりも上流のアノードライン３０に合流する。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、エゼクター３３と、アノードポンプ３４と、パージ弁３５と、が設けられる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
エゼクター３３は、アノード調圧弁３２よりも下流に設けられる。エゼクター３３は、アノード再循環ライン３００がアノードライン３０に合流する部分に位置する。このエゼクター３３で、アノード再循環ライン３００を流れたアノードガスＨ2が、ボンベ３１から新たに供給されたアノードガスＨ2に混合される。
【００２３】
アノードポンプ３４は、エゼクター３３の下流に位置する。アノードポンプ３４は、エゼクター３３を流れたアノードガスＨ2を燃料電池スタック１０に送る。
【００２４】
パージ弁３５は、燃料電池スタック１０の下流であって、さらにアノード再循環ライン３００の分岐部分の下流のアノードライン３０に設けられる。パージ弁３５が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
【００２５】
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、アノードポンプ３４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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード流量センサー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２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
【００３２】
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。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を介してバッテリー１２や負荷１３に供給される。
【００３３】
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００３４】
次に、図２を参照して、発明者らの技術思想について説明する。
【００３５】
上述のように、燃料電池スタック１０は、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は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。なお図２(Ａ)は１枚のＭＥＡを示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例が示されている。
【００３６】
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。
【００３７】
【数１】
【００３８】
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１−１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。
【００３９】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。
【００４０】
そこで、本件発明者らは、カソードガスＯ2の流量及び圧力並びに燃料電池スタック１の温度に着目した。
【００４１】
すなわち、カソードガスＯ2の流量を増やせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の流量を減らせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４２】
カソードガスＯ2の圧力が減るのは、カソード調圧弁２２の開度が大きくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を大きくしてカソードガスＯ2の圧力を下げれば、カソードガスＯ2が排出されやすくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の圧力が増えるのは、カソード調圧弁２２の開度が小さくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を小さくしてカソードガスＯ2の圧力を上げれば、カソードガスＯ2が排出されにくくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４３】
燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、燃料電池スタック１の温度が低くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が減る。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４４】
発明者らは、このような知見を得た。さらにカソードガスＯ2の流量を増やすためにコンプレッサー２１の回転速度を上げると、消費電力が増大して燃費が悪化する。そこでできる限りコンプレッサー２１の回転速度を低く抑えることが望ましい。発明者らは、このような着想に基づいて本発明を完成するに至った。以下では具体的な内容を説明する。
【００４５】
図３は、目標湿潤状態が下がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【００４６】
なお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。
【００４７】
湿潤状態制御装置は、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御して、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を制御する。具体的には、湿潤状態制御装置は、目標圧力演算ブロックＢ１０１と、目標温度演算ブロックＢ１０２と、目標流量演算ブロックＢ１０３と、を含む。
【００４８】
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を減少させて乾燥させるときには、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。
【００４９】
なお目標排水量ＱH2O_out[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(2)によって求まる。ここでＮＬは、Normal Liter、すなわち標準状態でのリットルを示す。
【００５０】
【数２】
【００５１】
なお燃料電池内部での生成水量ＱH2O_in[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(3)によって求まる。
【００５２】
【数３】
【００５３】
目標水収支Ｑnet_water[ＮＬ／ｍｉｎ]は、燃料電池の運転状態（負荷状態）に応じて決められた電解質膜の目標湿潤状態を実現するように設定される。
【００５４】
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、このようにして求められた目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(4-1)(4-2)によって、目標圧力Ｐtargetを求める。
【００５５】
【数４】
【００５６】
ここで最低スタック温度Ｔｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、燃料電池スタック１の温度を低くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いスタック温度である。同様に、最低カソード流量Ｑｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのカソード流量である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、カソード流量を減らす。なおカソード流量は、低すぎると供給量不足による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると音振性能が悪化するおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード流量とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード流量である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。
【００５７】
またＰsat_minは、最低スタック温度Ｔminに対する飽和水蒸気圧であり、アントワンの式に基づいて上式(4-2)が求められる。
【００５８】
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を減少させて乾燥させるときには、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。
【００５９】
目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(5-1)(5-2)によって求める。なお式(5-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
【００６０】
【数５】
【００６１】
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。なお本実施形態では、圧力Ｐsensは、カソード圧力センサー２０２で検出されたが、予め実験によって燃料電池スタックの圧力損失を求めておいて、それに基づいて推定してもよい。
【００６２】
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。
【００６３】
目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(6-1)(6-2)によって求める。
【００６４】
【数６】
【００６５】
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensにおける飽和水蒸気圧である。
【００６６】
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。
【００６７】
図４は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【００６８】
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が下がるときに、湿潤制御装置は以下のように作動する。
【００６９】
時刻ｔ１１で、目標湿潤状態が下がると、湿潤制御装置が作動を開始する。
【００７０】
目標圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、設定される。目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。
【００７１】
目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標圧力Ｐtargetが下がる。そして、この目標圧力Ｐtargetが実現されるように、カソード調圧弁２２が制御される。するとカソード圧力がほとんど応答遅れなく低下する。
【００７２】
目標圧力Ｐtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ１２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード流量Ｑmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード圧力のセンサー検出値Ｐsensがフィードバックされる。このためカソード圧力だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード流量が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード流量で補完される。
【００７３】
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ１３で、目標カソード流量Ｑtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード流量が決められるので、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード流量で補完されることとなる。
【００７４】
このようにすることで、目標湿潤状態が下がるときは、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【００７５】
図５は、目標湿潤状態が上がる場合に上記制御ロジックが実行されたときの問題点を説明する図である。
【００７６】
目標湿潤状態が下がるときは、上述のようにすることで、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【００７７】
しかしながら、目標湿潤状態が上がるときに、上述のようにしては、湿潤状態を目標通りには制御できないことが、発明者によって知見された。すなわち、目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、目標湿潤状態が上がるときには、変動しにくい。
【００７８】
そのため図５に示されるように、時刻ｔ２１で、目標湿潤状態が上がると、まず目標カソード流量Ｑtargetが下がりはじめる。
【００７９】
目標カソード流量Ｑtargetの変動だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ２２で、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。温度は応答性が悪く、圧力よりも変動しにくい。逆に言えば、圧力が温度よりも先に変動してしまって温度を補完することができなくなる。そのため温度が目標から乖離することとなって、この結果、湿潤状態を目標通りには制御できないのである。
【００８０】
図６は、目標湿潤状態が上がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【００８１】
図６に示されているように、目標湿潤状態が上がるときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。
【００８２】
この演算値について具体的に説明する。
【００８３】
本実施形態では、冷却水温度を操作する操作量に着目し、この操作量に応じて目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力する温度を演算するようにした。
【００８４】
冷却水温度を操作する操作量とは、たとえば、ウォーターポンプ４３の回転速度である。
【００８５】
ウォーターポンプ４３の回転速度が小さいほど、冷却水の流量が少ないので、燃料電池スタック１の温度が高くなる。燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態が低下して乾燥する。
【００８６】
逆に、電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとするほど、ウォーターポンプ４３の回転速度が小さくなる。電解質膜の湿潤状態を上昇させようとするほど、ウォーターポンプ４３の回転速度が大きくなる。
【００８７】
したがって、ウォーターポンプ４３の回転速度が小さいほど、電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとしている。ウォーターポンプ４３の回転速度が最小であれば、電解質膜の湿潤状態を大幅に低下させようとしている。そこで、このときには、上述の目標湿潤状態が下がったときの制御として示したように、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)を用いる。
【００８８】
一方、ウォーターポンプ４３の回転速度が大きいほど、電解質膜の湿潤状態を上昇させて湿潤させようとしている。ウォーターポンプ４３の回転速度が最大であれば、電解質膜の湿潤状態を大幅に上昇させようとしている。そこで、このときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。なおこの温度は、定常的には水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに一致することとなる。
【００８９】
そして、その間は、ウォーターポンプ４３の回転速度に応じて、温度を演算する。具体的には、次式(7)に基づいて、温度Ｔcoolantを演算する。
【００９０】
【数７】
【００９１】
このようにして演算された温度を図示すると図７のようになる。すなわち電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとするときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)を用いる。電解質膜の湿潤状態を上昇させて湿潤させようとするときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。
【００９２】
なお図７に示されるように、上式(7)では、最低スタック温度Ｔminと水温Ｔsensとを直線で結んで、その間を按分して温度Ｔcoolantを演算している。しかしながら、このような手法に限られない。直線ではなく、最低スタック温度Ｔminと水温Ｔsensとを指数関数のように下に凸の曲線で結ばれる関係にしたり、ｌｏｇ関数のように上に凸の曲線で結ばれる関係にしてもよい。そのような関係をあらかじめ設定しておけばよい。そして、これらの曲線に基づいて温度Ｔcoolantを演算してもよい。
【００９３】
図８は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【００９４】
このようにすれば、目標圧力演算ブロックＢ１０１には、常に、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりも低い温度が入力されることとなる。そのため、目標圧力演算ブロックＢ１０１で演算された圧力では、目標湿潤状態を達成できない。そのため、目標温度演算ブロックＢ１０２で演算された温度で、目標湿潤状態が達成されるようになり、その温度を補完するように、圧力が変動することとなる。
【００９５】
このようにすれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量が下がってコンプレッサー２１の回転速度が下がる。次に目標冷却水温が下がって三方弁４２が制御される。そして最後に目標圧力が上がってカソード調圧弁２２が閉じられる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
【００９６】
また目標湿潤状態が下がるか上がるかで、目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力される温度が急激に切り替わることがないので、制御が不安定になることを回避できる。
【００９７】
（第２実施形態）
図９は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の第２実施形態のコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。図９(Ａ)は目標湿潤状態が上がるときであり、図９(Ｂ)は目標湿潤状態が下がるときである。
【００９８】
本実施形態の湿潤状態制御装置は、目標流量演算ブロックＢ２０１と、目標温度演算ブロックＢ２０２と、目標圧力演算ブロックＢ２０３と、を含む。
【００９９】
目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが減る、すなわち湿潤状態を増大させて湿潤させるときには、図９(Ａ)に示されるように、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(8-1)(8-2)によって求める。
【０１００】
【数８】
【０１０１】
ここで最高スタック温度Ｔｍａｘとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、燃料電池スタック１の温度を高くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も高いスタック温度である。同様に、最低カソード圧力Ｐｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、カソード圧力を減らす。なおカソード圧力は、低すぎると圧力不足による性能悪化が生じるおそれがある。その一方で、高すぎるとコンプレッサーで実現できないおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード圧力である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。
【０１０２】
また目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を低下させて乾燥させるときには、図９(Ｂ)に示されるように、目標排水量ＱH2O_outと、スタック温度(最高スタック温度Ｔmax)に基づいて演算され、最高スタック温度Ｔmaxよりは低いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは高い温度(演算値)と、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。この演算値は、第１実施形態と同様に、ウォーターポンプ４３の回転速度(冷却水温度を操作する操作量)を考慮して求める。
【０１０３】
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標カソード流量Ｑtargetを求める。
【０１０４】
目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(9-1)(9-2)によって求める。なお式(9-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
【０１０５】
【数９】
【０１０６】
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。
【０１０７】
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。
【０１０８】
目標圧力演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(10-1)(10-2)によって、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
【０１０９】
【数１０】
【０１１０】
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに対する飽和水蒸気圧であり、式(10-2)は、アントワンの式に基づいて求められる。
【０１１１】
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
【０１１２】
図１０は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【０１１３】
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が上がるときに、湿潤制御装置は以下のように作動する。
【０１１４】
時刻ｔ３１で、目標湿潤状態が上がると、湿潤制御装置が作動を開始する。
【０１１５】
目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、実流量Ｑsensと、に基づいて設定される。目標カソード圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。
【０１１６】
目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標流量Ｑtargetが下がる。そして、この目標流量Ｑtargetが実現されるように、コンプレッサー２１が制御される。するとカソード流量がほとんど応答遅れなく低下する。
【０１１７】
目標流量Ｑtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ３２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード圧力Ｐmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード流量のセンサー検出値Ｑsensがフィードバックされる。このためカソード流量だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード圧力が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード圧力で補完される。
【０１１８】
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ３３で、目標カソード圧力Ｐtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード圧力が決められるので、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード圧力で補完されることとなる。
【０１１９】
このようにすれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
【０１２０】
図１１は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【０１２１】
目標湿潤状態が上がるときは、上述のようにすることで、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【０１２２】
しかしながら、目標湿潤状態が下がるときに、上述のようにしては、湿潤状態を目標通りには制御できない。すなわち、目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、目標湿潤状態が下がるときには、変動しにくい。
【０１２３】
目標カソード圧力Ｐtargetの変動だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ４２で、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。温度は応答性が悪く、流量よりも変動しにくい。逆に言えば、流量が温度よりも先に変動してしまって温度を補完することができなくなる。そのため温度が目標から乖離することとなって、この結果、湿潤状態を目標通りには制御できない。
【０１２４】
これに対して本実施形態では、目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を低下させて乾燥させるときには、スタック温度(最高スタック温度Ｔmax)に基づいて演算され、最高スタック温度Ｔmaxよりは低いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは高い温度(演算値)を用いるようにした。
【０１２５】
このようにすれば、目標流量演算ブロックＢ２０１には、常に、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりも高い温度が入力されることとなる。そのため、目標流量演算ブロックＢ２０１で演算された流量では、目標湿潤状態を達成できない。そのため、目標温度演算ブロックＢ２０２で演算された温度で、目標湿潤状態が達成されるようになり、その温度を補完するように、流量が変動することとなる。
【０１２６】
このようにすることで、目標湿潤状態が下がるときは、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【０１２７】
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。
【０１２８】
たとえば、第２実施形態において、冷却水温度を操作する操作量としては、ウォーターポンプ４３の回転速度を例示したが、これには限られない。三方弁４２の開度や、クーリングファン４１０の回転速度であってもよい。
【０１２９】
また第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、冷却水温度を操作する操作量を考慮して温度Ｔcoolantを演算してもよい。
【０１３０】
さらに上記各実施形態は、その他にも適宜組み合わせ可能である。
【０１３１】
また燃料電池の湿潤状態とは、燃料電池の水収支（たとえば「水収支=生成される水−排出される水」で定義される）であってもよいし、燃料電池の電解質膜の抵抗であってもよいし、その他の燃料電池の湿潤状態を表すものであってもよい。
【０１３２】
さらに冷却水の温度に代えて、燃料電池自体の温度や、空気の温度を用いてもよい。
【０１３３】
さらにまた上記各実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１では、目標圧力Ｐtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ１０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標流量演算ブロックＢ２０１では、目標流量Ｑtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ２０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。このように限界値(最大値、最小値)を用いれば、最も効果が大きい。しかしながら、最大値よりも小さめ、最小値よりも大きめのものを使用してもよい。このようにしても相応の効果は得られる。
【符号の説明】
【０１３４】
１０ 燃料電池スタック
２０ カソードライン
２１ コンプレッサー
２２ カソード調圧弁
２０１ カソード流量センサー
２０２ カソード圧力センサー
３０ アノードライン
４０ 冷却水循環ライン
４００ バイパスライン
４１ ラジエーター
４２ 三方弁
４３ ウォーターポンプ
４０１ 水温センサー
Ｂ１０１ 目標圧力演算ブロック
Ｂ１０２ 目標温度演算ブロック
Ｂ１０３ 目標流量演算ブロック
Ｂ２０１ 目標流量演算ブロック
Ｂ２０２ 目標温度演算ブロック
Ｂ２０３ 目標圧力演算ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、
を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置であって、
前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、
前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量を用いて冷却水の温度を制御し、
前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記冷却水の実温度に基づくとは、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度及び冷却水の実温度の間であって冷却水温度を操作する操作量に応じて演算される演算値を用いることである、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い流量であり、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項４】
燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、
燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、
を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置であって、
前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力及び燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの流量を制御し、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの流量を制御し、
前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実流量及び燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力を用いて冷却水の温度を制御し、
前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実流量及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記冷却水の実温度に基づくとは、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度及び冷却水の実温度の間であって冷却水温度を操作する操作量に応じて演算される演算値を用いることである、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い圧力であり、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も高い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項１】
燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、
を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置であって、
前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、
前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量を用いて冷却水の温度を制御し、
前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記冷却水の実温度に基づくとは、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度及び冷却水の実温度の間であって冷却水温度を操作する操作量に応じて演算される演算値を用いることである、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い流量であり、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項４】
燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、
燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、
を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置であって、
前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力及び燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの流量を制御し、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの流量を制御し、
前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実流量及び燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力を用いて冷却水の温度を制御し、
前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実流量及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記冷却水の実温度に基づくとは、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度及び冷却水の実温度の間であって冷却水温度を操作する操作量に応じて演算される演算値を用いることである、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い圧力であり、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も高い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３０３４６（Ｐ２０１３−３０３４６Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５３２２（Ｐ２０１１−１６５３２２）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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