燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
【課題】酸化剤極への酸化剤ガスと希釈ガスとに対する各々の要求流量を精度よく供給する。
【解決手段】コンプレッサ１０が設けられたメイン供給流路Ｌ１から分岐して燃料電池スタック１ａの酸化剤極に空気を供給するＦＣ供給流路Ｌ２およびその下流側を含む燃料電池ラインと、メイン供給流路Ｌ１から分岐してスタックケース１ｂ内に空気を供給するケース供給流路Ｌ３およびその下流側を含む希釈ラインとを有している。ケース供給流路Ｌ３には、この流路における空気の流量を検出する第２の流量センサ３１が設けられている。制御部３０は、第２の流量センサ３１の検出結果に基づいて、ケース供給流路Ｌ３における二方弁１４を制御する。この場合、希釈ラインは、圧力損失が燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されている。
【解決手段】コンプレッサ１０が設けられたメイン供給流路Ｌ１から分岐して燃料電池スタック１ａの酸化剤極に空気を供給するＦＣ供給流路Ｌ２およびその下流側を含む燃料電池ラインと、メイン供給流路Ｌ１から分岐してスタックケース１ｂ内に空気を供給するケース供給流路Ｌ３およびその下流側を含む希釈ラインとを有している。ケース供給流路Ｌ３には、この流路における空気の流量を検出する第２の流量センサ３１が設けられている。制御部３０は、第２の流量センサ３１の検出結果に基づいて、ケース供給流路Ｌ３における二方弁１４を制御する。この場合、希釈ラインは、圧力損失が燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、燃料電池から燃料ガスが漏洩する虞があるため、燃料電池をケースで収容する工夫がなされている（例えば、特許文献１参照）。そして、このケースに対し、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの一部を希釈ガスとして分岐供給することにより、ケース内の燃料ガスを希釈する。ケース内のガスは、排出流路を介して、燃料電池の酸化剤極からの排出ガスと混合させた上で、外部に排出される。この手法では、燃料電池から漏出する燃料ガスの量は、燃料電池の発電量（発電電流）と相関があるとの知得に基づいて、燃料電池の発電量が大きくなる程、希釈ガスの流量を増量させている。
【特許文献１】特開２００４−２６５７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池ではシール部材や電解質膜を透過する燃料ガスが存在するため、漏洩する燃料ガスの量が必ずしも燃料電池の発電量に対応しないこともある。そのため、従来の手法によれば、燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスと希釈ガスとに対して、それぞれの要求流量を満たすように、酸化剤ガスを供給することが困難となる可能性がある。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化剤極への酸化剤ガスと希釈ガスとに対する各々の要求流量を精度よく供給することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するために、本発明は、酸化剤ガス供給手段が設けられたメイン供給流路から分岐してこのメイン供給流路からの酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給する第１の供給流路およびその下流側を含む燃料電池ラインと、メイン供給流路から分岐してこのメイン供給流路からの酸化剤ガスを収容ケース内に供給する第２の供給流路およびその下流側を含む希釈ラインとを有している。第２の供給流路には、この流路における酸化剤ガスの流量を検出する第１の流量検出手段が設けられている。制御部は、第１の流量検出手段の検出結果に基づいて、第２の供給流路における酸化剤ガスの流量を調整する流量調整手段を制御する。この場合、希釈ラインは、圧力損失が燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池への酸化剤ガスの流量および収容ケースへの酸化剤ガスの流量をバランスよく制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【０００８】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１ａと、スタックケース（収容ケース）１ｂとで構成される燃料電池ユニット１を備えている。燃料電池スタック１ａは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される。この燃料電池スタック１ａは、個々の燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、個々の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【０００９】
スタックケース１ｂは、燃料電池スタック１ａを収容するケースであり、燃料電池スタック１ａのシール部材や電解質膜を透過して漏出する水素の外部放出を抑制する機能を担っている。スタックケース１ｂは、後述するように、主として燃料電池スタック１ａの酸化剤極へと空気を供給する系統である燃料電池ラインと、主としてスタックケース１ｂ内に空気を供給して漏出した燃料ガスを希釈する系統である希釈ラインとの比較において、希釈ラインの圧力損失が、燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように、その容積が設定されている。この関係は、燃料電池システムの運転条件に拘わらず成立している。ただし、車両への搭載性を考慮して、圧力損失と小型化との両立を図るように、その容積を設定することが好ましい。
【００１０】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１ａに空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１ａに水素を供給するための水素系とが備えられている。
【００１１】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ１０によって取り込まれると、これが加圧されて、メイン供給流路Ｌ１を介して後段の要素へと供給される。メイン供給流路Ｌ１において、コンプレッサ１０の下流側には、コンプレッサ１０によって加圧された空気を冷却するアフタークーラー１１が設けられており、また、コンプレッサ１０の上流側には、大気中に含まれるダストを除去するフィルター１２が設けられている。メイン供給流路Ｌ１は、アフタークーラー１１の後段に設けられた分岐部１３を介して、ＦＣ供給流路（第１の供給流路）Ｌ２と、ケース供給流路（第２の供給流路）Ｌ３とに分岐している。
【００１２】
ＦＣ供給流路Ｌ２は、メイン供給流路Ｌ１からの空気を燃料電池スタック１ａの酸化剤極に供給する。ＦＣ供給流路Ｌ２には加湿装置１５が設けられており、メイン供給流路Ｌ１からの空気は、加湿装置１５において燃料電池スタック１ａの反応に適した湿度まで加湿される。
【００１３】
これに対して、ケース供給流路Ｌ３は、メイン供給流路Ｌ１からの酸化剤ガスをスタックケース１ｂ内に供給する。このケース供給流路Ｌ３には、当該流路Ｌ３を通過する空気の流量、すなわち、ＦＣ供給流路Ｌ２とケース供給流路Ｌ３との流量配分を調整する二方弁（流量調整手段）１４が設けられている。以下、メイン供給流路Ｌ１からＦＣ供給流路Ｌ２へ分岐した空気と区別するため、説明の便宜上、メイン供給流路Ｌ１からケース供給流路Ｌ３へ分岐した空気を希釈空気という。
【００１４】
酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、ＦＣ排出流路Ｌ４を介して外部に排出される。このＦＣ排出流路Ｌ４は、燃料電池スタック１ａの下流において、上述した加湿装置１５を経由して配設されている。この加湿装置１５において、酸化剤極からの排出ガスと、コンプレッサ１０側からの空気との間で水分の交換が行われことにより、燃料電池スタック１ａに供給される空気に対する加湿が行われる。ＦＣ排出流路Ｌ４において、加湿装置１５の下流には、燃料電池スタック１ａの酸化剤極へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ１８が設けられている。また、ＦＣ排出流路Ｌ４において、空気調圧バルブ１８の下流には、消音機能を備える第１のマフラー１６および第２のマフラー１７がそれぞれ設けられている。
【００１５】
スタックケース１ｂには、ケース排出流路Ｌ５が接続されている。このケース排出流路Ｌ５は、他方の端部が、第１の混合部１９を介してＦＣ排出流路Ｌ４に接続されており、スタックケース１ｂ内のガスは、第１の混合部１９において、酸化剤極からの排出ガスと混合されて外部に排出される。また、ケース供給流路Ｌ３には、スタックケース１ｂの前段から分岐して、第２の混合部２０を介してＦＣ排出流路Ｌ４に接続するケースバイパス流路Ｌ６が設けられている。したがって、ケース供給流路Ｌ３を流れる希釈ガスの一部は、スタックケース１ｂへと流れず、ケースバイパス流路Ｌ６へと流れ、第２の混合部２０において、酸化剤極からの排出ガスと混合されて外部に排出される。このケースバイパス流路Ｌ６には、この流路へと分岐する希釈ガスの流量を絞るために、オリフィス２１が配設されている。なお、第１および第２の混合部１９，２０は、ＦＣ排出流路Ｌ４において、第１のマフラー１６と第２のマフラー１７との間に配置されており、また、第２の混合部２０は、第１の混合部１９よりも上流側に配置されている。
【００１６】
一方、水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、燃料タンクといった水素供給手段から、水素供給流路Ｌ７を介して燃料電池スタック１ａの燃料極に供給される。燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１ａから水素排出流路Ｌ８に排出される。
【００１７】
制御部（制御手段）３０は、システム全体を制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１ａの運転状態を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部３０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、例えば、コンプレッサ１０の回転数、二方弁１４の開度、空気調圧バルブ１８の開度を制御する。また、制御部３０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。
【００１８】
第１の流量センサ（第２の流量検出手段）３１は、メイン供給流路Ｌ１においてコンプレッサ１０よりも上流側に配置されており、コンプレッサ１０によって供給される空気の流量（以下「メイン空気流量」）を検出する。第２の流量センサ（第１の流量検出手段）３２は、ケース供給流路Ｌ３において二方弁１４とスタックケース１ｂとの間に配置されており、ケース供給流路Ｌ３を流れる希釈空気の流量（以下「希釈空気流量」という）を検出する。空気圧力センサ３３は、ＦＣ供給流路Ｌ２において加湿装置１５よりも下流側に配置されており、燃料電池スタック１ａの酸化剤極に供給される空気の圧力（以下「空気圧力」という）を検出する。電圧センサ３４は、燃料電池スタック１ａにおいて、個々の発電セルの電圧（以下「セル電圧」という）を検出する。
【００１９】
このような構成の燃料電池システムにおいて、以下、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法について説明する。ここで、図２は、燃料電池スタック１ａの発電量（発電電流）と、この発電量に応じた各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐの要求値との関係を示す説明図である。同図において、Ｌｔはメイン空気流量を示し、ＬｃはＦＣ供給流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１ａの酸化剤極へ供給される空気流量を示し、Ｌｐは希釈空気流量を示す。燃料電池スタック１ａの発電量と、各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐとの対応関係は、発電量に応じた各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐの最適値を、実験やシミュレーションを通じて求めることにより、取得することができる。
【００２０】
燃料電池スタック１ａに用いられているシール材や電解質膜を透過してスタックケース１ｂ内に漏出した水素を希釈するために、スタックケース１ｂ内に希釈空気を供給する必要がある。同図から分かるように、この希釈空気は、発電量（すなわち、発電電流）が小さい状態でも供給する必要があり、その流量Ｌｐは、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも大きくなる関係となっている。そして、発電量が大きくなるにつれ、燃料電池スタック１ａ側への空気流量Ｌｃは増加し、希釈空気流路Ｌｃは減少する傾向となり、ある基準発電量を境に、空気流量Ｌｃ，Ｌｐの大小関係が逆転する。そして、発電量がさらに大きくなると、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃは発電量の増加に応じてさらに増加し、希釈空気流量Ｌｐはさらに減少を続けて所定の値へと収束する傾向となる。なお、メイン空気流量Ｌｔは、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃと、希釈空気流路Ｌｐとの和となる。
【００２１】
本実施形態において、制御部３０は、燃料電池スタック１ａの発電量が大きくなる程、希釈空気流量Ｌｐが小さくなるように制御を行うとともに、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃが大きくなるように制御を行う。この場合、希釈空気流量Ｌｐおよび燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃは、基準発電量よりも発電量が小さい場合には、希釈空気流量Ｌｐが燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも大きくなっており、基準発電量よりも発電量が大きい場合には、希釈空気流量Ｌｐが燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも小さくなっている。ここで、基準発電量は、発電量およびこれに対応して要求される希釈空気流量Ｌｐの関係と、発電量およびこれに対応する燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃの関係とを実験やシミュレーションを通じて求め、各空気流量Ｌｐ，Ｌｃが交差する際の発電量として求めることができる。
【００２２】
本実施形態において、希釈空気流量Ｌｐおよび燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃは、二方弁１４の開度を制御することにより設定することができる。そこで、制御部３０は、燃料電池スタック１ａにおける発電量に基づいて、二方弁１４の開度を制御する。この際、制御部３０は、第１の流量センサ３１によって検出されるメイン空気流量と、第２の流量センサ３２によって検出される希釈空気流量とを参照する。そして、燃料電池スタック１ａへの空気流量を、第１の流量センサ３１において検出されるメイン空気流量から第２の流量センサ３２において検出される希釈空気流量を減算することにより求める。制御部３０は、このようにして検出された各流量を参照し、発電量に対応した要求流量となるように、二方弁１４を制御する。
【００２３】
このように本実施形態において、空気系は、メイン供給流路Ｌ１の後段が、燃料電池ラインと、希釈ラインとに分岐している。燃料電池ラインは、ＦＣ供給流路Ｌ２およびその下流側、すなわち、燃料電池スタック１ａ内の空気流路、ＦＣ排出流路Ｌ４を主体に構成されている。一方、希釈系ラインは、ケース供給流路Ｌ３およびその下流側、すなわち、スタックケース１ｂ、ケース排出流路Ｌ５を主体に構成されている。
【００２４】
希釈ラインの圧力損失が燃料電池ラインの圧力損失よりも高い場合には、燃料電池スタック１ａの酸化剤側へ要求される空気流量を供給しつつ、スタックケース１ｂ側へ要求される空気流量を供給することが困難となる。しかしながら、本実施形態によれば、スタックケース１ｂの容量によって、希釈ラインの圧力損失が、燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されている。そのため、基準発電量まで、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも希釈空気流量Ｌｐを大きく制御することも可能となる。また、基準発電量より大きい場合は、希釈空気流量Ｌｐよりも燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃを大きく制御することが可能となる。これにより、全ての発電条件を通じて、燃料電池スタック１ａへの空気流量および希釈空気流量をバランスよく制御することが可能となる。
【００２５】
また、燃料電池スタック１ａの発電量が小さい場合、燃料電池スタック１ａ下流の空気調圧バルブ１８は、酸化剤極における空気圧力が低くなるよう開度が大きく設定されている（開いた状態）。しかしながら、希釈ラインの圧力損失が、燃料電池ラインの圧力損失よりも低いため、コンプレッサ１０からの空気は、希釈ラインに向かって多く流れる。その希釈ラインに向かう空気を、ケース供給流路Ｌ３に設けた二方弁１４によって、希釈ラインと燃料電池ラインとに分配することができる。これにより、燃料電池スタック１ａへの空気流量および希釈空気流量の制御に関する精度の向上を図ることができる。また、第２の流量センサ３２によって検出される希釈空気流量を参照することにより、さらに精度よく空気流量の制御を行うことができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、二方弁１４により希釈空気流量が制御される。二方弁１４は、弁全体の大きさに対して、流路断面積を大きく設定することができるので、弁の位置ばらつきによる流量ばらつきの影響を小さくすることができる。これにより、ＦＣ供給流路Ｌ２とケース供給流路Ｌ３との流量配分を精度よく制御することができる。
【００２７】
また、本実施形態において、メイン空気流量を検出する第１の流量センサ３１は、メイン供給流路Ｌ１においてコンプレッサ１０よりも上流に設けられている。そのため、コンプレッサ１０単体の性能ばらつきや性能低下の影響を受けにくい構成となるので、メイン空気流量を精度よく特定することができる。これにより、流量制御精度の向上を図ることができる。
【００２８】
また、希釈空気流量を検出する第２の流量センサ３２は、ケース供給流路Ｌ３において、二方弁１４よりも下流側に設けられている。このように、希釈空気流量を検出するセンサを備えることにより、希釈空気流量を直接検出することができるので、その値を精度よく検出することができる。これにより、流量制御精度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本実施形態では、メイン空気流量から希釈空気流量を減算することにより、燃料電池スタック１ａの酸化剤極に供給される空気流量が演算される。ＦＣ供給流路Ｌ２に流量センサを設けて流量を検出した場合には、圧力変動幅が大きいため、センサの使用環境が厳しく、故障等の虞がある。しかしながら、本実施形態によれば、メイン空気流量と希釈空気流量との演算によって、それを求めることができるので、センサ等を使用した場合の不都合を解消することができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、ケース供給流路Ｌ３に二方弁１４を備える構成であるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、燃料電池システムは、二方弁１４に代えて、希釈空気流量を調整する流量調整装置２２を備える構成であってもよい。ここで、流量調整装置２２としては、弁回転方式、ソレノイド方式、可変オリフィス方式など種々のタイプを採用することができる。
【００３１】
また、燃料電池スタック１ａからの排出ガスは、第１および第２のマフラー１６，１７のみを備えるＦＣ排出流路Ｌ４を介して外部に排出する構成であってもよい。ただし、本実施形態に示すように、ケース排出流路Ｌ５をＦＣ排出流路Ｌ４に合流させることにより、希釈ラインに要求される希釈空気流量を低減させることができる。そのため、燃料電池システムの効率の向上を図ることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３および図４は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池スタック１ａの湿潤状態に応じて、酸化剤極に対する空気供給を制御する点にある。なお、燃料電池システムの構成は、第１の実施形態と同じであるため、共通する構成については符号を引用してその詳細な説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
【００３３】
図３は、ドライアウトに対応した燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部３０によって実行される。
【００３４】
まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、電圧センサ３４から読み込んだセル電圧と、発電量に応じて設定される目標セル電圧とが比較される。
【００３５】
ステップ１１（Ｓ１１）において、ドライアウトか否か、すなわち、燃料電池スタック１ａの湿潤状態が湿潤不足であるか否かが判断される。ドライアウトか否かの判断は、セル電圧の挙動に基づいて、行うことができる。なお、ドライアウトの判断の手法については、特開２００７−２６５９５６号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。このステップ１１において肯定判定された場合には、ステップ１２（Ｓ１２）に進む。一方、ステップ１１において否定判定された場合には、本ルーチンを抜ける。
【００３６】
ステップ１２において、燃料電池スタック１ａにおける酸化剤極および燃料極の間の膜間差圧を考慮して、燃料極における水素圧力との比較から、燃料極における空気圧力を増加することができるか否かが判断される。ステップ１２において肯定判定された場合には、ステップ１３に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合には、後述するステップ１６（Ｓ１６）に進む。
【００３７】
ステップ１３において、制御部３０は、燃料電池スタック１ａからの水の持ち出しを抑制すべく、空気調圧バルブ１８を制御して、燃料電池スタック１ａの酸化剤極における空気圧力を増加させる。
【００３８】
ステップ１４において、酸化剤極への空気流量の減少が必要であるか否かが判断される。燃料電池スタック１ａがまだ湿潤不足である場合には、空気流量を減少させて、燃料電池スタック１ａからの水の持ち出しを抑制する必要がある。空気流量の減少が必要であるか否かの判断は、ステップ１１の処理と同様に、ドライアウトか否かを判断することにより行うことができる。このステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、まだドライアウト傾向にある場合には、ステップ１５（Ｓ１５）に進む。一方、ステップ１４において否定判定された場合、すなわち、ドライアウト傾向ではない場合には、本ルーチンを抜ける。
【００３９】
ステップ１５において、制御部３０は、コンプレッサ１０の回転数を下げるとともに、ケース供給流路Ｌ３に設けた二方弁１４にて、燃料電池スタック１ａへの空気流量を減少させる。この場合、スタックケース１ｂ側への希釈空気流量は、発電量に応じた流量に維持されたままとなる。
【００４０】
これに対して、ステップ１６において、酸化剤極への空気流量の減少が可能であるか否かが判断される。このステップ１６において肯定判定された場合には、上述したステップ１５に進む。一方、ステップ１６において否定判定された場合には、ステップ１７（Ｓ１７）に進み、燃料電池スタック１ａの発電量を制限する（ステップ１７）。
【００４１】
これに対して、図４は、フラッディングに対応した燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部３０によって実行される。
【００４２】
まず、ステップ２０（Ｓ２０）において、電圧センサ３４から読み込んだセル電圧と、発電量に応じて設定される目標セル電圧とが比較される。
【００４３】
ステップ２１（Ｓ２１）において、フラッディングか否か、すなわち、燃料電池スタック１ａの湿潤状態が湿潤過多であるか否かが判断される。フラッディングか否かの判断は、セル電圧の挙動に基づいて、行うことができる。なお、フラッディングの判断の手法については、特開２００７−２６５９５６号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。このステップ２１において肯定判定された場合には、ステップ２２（Ｓ２２）に進む。一方、ステップ２１において否定判定された場合には、本ルーチンを抜ける。
【００４４】
ステップ２２において、酸化剤極への空気流量の減少が可能であるか否かが判断される。このステップ２２において肯定判定された場合には、ステップ２３に進む。一方、ステップ２２において否定判定された場合には、ステップ２５（Ｓ２５）に進み、燃料電池スタック１ａの発電量を制限する（ステップ２５）。
【００４５】
ステップ２３において、制御部３０は、コンプレッサ１０の回転数を増加させ、ステップ２４（Ｓ２４）において、ケース供給流路Ｌ３に設けた二方弁１４にて、燃料電池スタック１ａへの空気流量を増加させる。この場合、スタックケース１ｂ側への希釈空気流量は、発電量に応じた流量に維持されたままとなる。
【００４６】
このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、燃料電池スタック１ａへの空気流量と、希釈空気流量との分配を精度よく行うことができるので、ドライアウトまたはフラッディングによる出力低下から迅速に回復することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、温度センサからの検出値を参照して制御を行うことにある。なお、第１の実施形態と共通する構成については符号を引用してその詳細な説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
【００４８】
本実施形態において、制御部３０は、第１の温度センサ（第１の温度検出手段）３５および第２の温度センサ（第１の温度検出手段）３６からのセンサ信号が入力されている。ここで、第１の温度センサ３５は、ケース供給流路Ｌ３において二方弁１４よりも下流で、ケースバイパス流路Ｌ６よりも上流に設けられており、希釈空気の温度を検出する。第２の温度センサ３６は、外気温度を検出する。
【００４９】
制御部３０は、第１の流量センサ３１から読み込まれたメイン流量を、この流量センサ３１よりも上流側に配置された部品の圧力損失と、大気圧と、第２の温度センサから読み込まれた外気温度とによって補正する（第２の補正処理）。制御部３０は、それ以後の演算では、補正されたメイン流量を用いる。また、制御部３０は、第２の流量センサ３２から読み込まれた希釈空気流量を、第２の流量センサ３２よりも下流側に配置された部品の圧力損失と、大気圧と、第１の温度センサ３５から読み込まれた希釈空気の温度とにより補正する（第１の補正処理）。制御部３０は、それ以後の演算では、補正された希釈流量を用いる。
【００５０】
このように本実施形態によれば、補正を行うことにより、燃料電池スタック１ａの酸化剤極への空気の流量と、希釈空気の流量とをそれぞれ高精度に計測することができる。これにより、流量制御を精度よく行うことができる。
【００５１】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、第２の流量センサのレイアウトである。なお、第１の実施形態と共通する構成については符号を引用してその詳細な説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
【００５２】
本実施形態において、第２の流量センサ３２は、ケース供給流路Ｌ３において分岐部１３よりも下流側で、二方弁１４よりも上流側に配置されている。
【００５３】
制御部３０は、第２の流量センサ３２から希釈空気流量を、また、第１の流量センサ３１において検出されるメイン空気流量から第２の流量センサ３２において検出される希釈空気流量を減算することにより、燃料電池スタック１ａへの空気流量を求めることができる。
【００５４】
かかる構成であっても、第１の実施形態と同様に、その作用・効果を奏することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】燃料電池スタック１ａの発電量（発電電流）と、この発電量に応じた各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐの要求値を示す説明図
【図３】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図
【図４】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート
【図５】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート
【図６】第３の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図７】第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００５７】
Ｌ１ メイン供給流路
Ｌ２ ＦＣ供給流路
Ｌ３ ケース供給流路
Ｌ３ 流路
Ｌ４ ＦＣ排出流路
Ｌ５ ケース排出流路
Ｌ６ ケースバイパス流路
Ｌ７ 水素供給流路
Ｌ８ 水素排出流路
１ 燃料電池ユニット
１ａ 燃料電池スタック
１ｂ スタックケース
１０ コンプレッサ
１１ アフタークーラー
１２ フィルター
１３ 分岐部
１４ 二方弁
１５ 加湿装置
１６ 第１のマフラー
１７ 第２のマフラー
１８ 空気調圧バルブ
１９ 第１の混合部
２０ 第２の混合部
２１ オリフィス
２２ 流量調整装置
３０ 制御部
３１ 流量センサ
３１ 第１の流量センサ
３２ 第２の流量センサ
３３ 空気圧力センサ
３４ 電圧センサ
３５ 第１の温度センサ
３６ 第２の温度センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、燃料電池から燃料ガスが漏洩する虞があるため、燃料電池をケースで収容する工夫がなされている（例えば、特許文献１参照）。そして、このケースに対し、燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの一部を希釈ガスとして分岐供給することにより、ケース内の燃料ガスを希釈する。ケース内のガスは、排出流路を介して、燃料電池の酸化剤極からの排出ガスと混合させた上で、外部に排出される。この手法では、燃料電池から漏出する燃料ガスの量は、燃料電池の発電量（発電電流）と相関があるとの知得に基づいて、燃料電池の発電量が大きくなる程、希釈ガスの流量を増量させている。
【特許文献１】特開２００４−２６５７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池ではシール部材や電解質膜を透過する燃料ガスが存在するため、漏洩する燃料ガスの量が必ずしも燃料電池の発電量に対応しないこともある。そのため、従来の手法によれば、燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスと希釈ガスとに対して、それぞれの要求流量を満たすように、酸化剤ガスを供給することが困難となる可能性がある。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化剤極への酸化剤ガスと希釈ガスとに対する各々の要求流量を精度よく供給することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するために、本発明は、酸化剤ガス供給手段が設けられたメイン供給流路から分岐してこのメイン供給流路からの酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給する第１の供給流路およびその下流側を含む燃料電池ラインと、メイン供給流路から分岐してこのメイン供給流路からの酸化剤ガスを収容ケース内に供給する第２の供給流路およびその下流側を含む希釈ラインとを有している。第２の供給流路には、この流路における酸化剤ガスの流量を検出する第１の流量検出手段が設けられている。制御部は、第１の流量検出手段の検出結果に基づいて、第２の供給流路における酸化剤ガスの流量を調整する流量調整手段を制御する。この場合、希釈ラインは、圧力損失が燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池への酸化剤ガスの流量および収容ケースへの酸化剤ガスの流量をバランスよく制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【０００８】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１ａと、スタックケース（収容ケース）１ｂとで構成される燃料電池ユニット１を備えている。燃料電池スタック１ａは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される。この燃料電池スタック１ａは、個々の燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、個々の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【０００９】
スタックケース１ｂは、燃料電池スタック１ａを収容するケースであり、燃料電池スタック１ａのシール部材や電解質膜を透過して漏出する水素の外部放出を抑制する機能を担っている。スタックケース１ｂは、後述するように、主として燃料電池スタック１ａの酸化剤極へと空気を供給する系統である燃料電池ラインと、主としてスタックケース１ｂ内に空気を供給して漏出した燃料ガスを希釈する系統である希釈ラインとの比較において、希釈ラインの圧力損失が、燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように、その容積が設定されている。この関係は、燃料電池システムの運転条件に拘わらず成立している。ただし、車両への搭載性を考慮して、圧力損失と小型化との両立を図るように、その容積を設定することが好ましい。
【００１０】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１ａに空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１ａに水素を供給するための水素系とが備えられている。
【００１１】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ１０によって取り込まれると、これが加圧されて、メイン供給流路Ｌ１を介して後段の要素へと供給される。メイン供給流路Ｌ１において、コンプレッサ１０の下流側には、コンプレッサ１０によって加圧された空気を冷却するアフタークーラー１１が設けられており、また、コンプレッサ１０の上流側には、大気中に含まれるダストを除去するフィルター１２が設けられている。メイン供給流路Ｌ１は、アフタークーラー１１の後段に設けられた分岐部１３を介して、ＦＣ供給流路（第１の供給流路）Ｌ２と、ケース供給流路（第２の供給流路）Ｌ３とに分岐している。
【００１２】
ＦＣ供給流路Ｌ２は、メイン供給流路Ｌ１からの空気を燃料電池スタック１ａの酸化剤極に供給する。ＦＣ供給流路Ｌ２には加湿装置１５が設けられており、メイン供給流路Ｌ１からの空気は、加湿装置１５において燃料電池スタック１ａの反応に適した湿度まで加湿される。
【００１３】
これに対して、ケース供給流路Ｌ３は、メイン供給流路Ｌ１からの酸化剤ガスをスタックケース１ｂ内に供給する。このケース供給流路Ｌ３には、当該流路Ｌ３を通過する空気の流量、すなわち、ＦＣ供給流路Ｌ２とケース供給流路Ｌ３との流量配分を調整する二方弁（流量調整手段）１４が設けられている。以下、メイン供給流路Ｌ１からＦＣ供給流路Ｌ２へ分岐した空気と区別するため、説明の便宜上、メイン供給流路Ｌ１からケース供給流路Ｌ３へ分岐した空気を希釈空気という。
【００１４】
酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、ＦＣ排出流路Ｌ４を介して外部に排出される。このＦＣ排出流路Ｌ４は、燃料電池スタック１ａの下流において、上述した加湿装置１５を経由して配設されている。この加湿装置１５において、酸化剤極からの排出ガスと、コンプレッサ１０側からの空気との間で水分の交換が行われことにより、燃料電池スタック１ａに供給される空気に対する加湿が行われる。ＦＣ排出流路Ｌ４において、加湿装置１５の下流には、燃料電池スタック１ａの酸化剤極へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ１８が設けられている。また、ＦＣ排出流路Ｌ４において、空気調圧バルブ１８の下流には、消音機能を備える第１のマフラー１６および第２のマフラー１７がそれぞれ設けられている。
【００１５】
スタックケース１ｂには、ケース排出流路Ｌ５が接続されている。このケース排出流路Ｌ５は、他方の端部が、第１の混合部１９を介してＦＣ排出流路Ｌ４に接続されており、スタックケース１ｂ内のガスは、第１の混合部１９において、酸化剤極からの排出ガスと混合されて外部に排出される。また、ケース供給流路Ｌ３には、スタックケース１ｂの前段から分岐して、第２の混合部２０を介してＦＣ排出流路Ｌ４に接続するケースバイパス流路Ｌ６が設けられている。したがって、ケース供給流路Ｌ３を流れる希釈ガスの一部は、スタックケース１ｂへと流れず、ケースバイパス流路Ｌ６へと流れ、第２の混合部２０において、酸化剤極からの排出ガスと混合されて外部に排出される。このケースバイパス流路Ｌ６には、この流路へと分岐する希釈ガスの流量を絞るために、オリフィス２１が配設されている。なお、第１および第２の混合部１９，２０は、ＦＣ排出流路Ｌ４において、第１のマフラー１６と第２のマフラー１７との間に配置されており、また、第２の混合部２０は、第１の混合部１９よりも上流側に配置されている。
【００１６】
一方、水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、燃料タンクといった水素供給手段から、水素供給流路Ｌ７を介して燃料電池スタック１ａの燃料極に供給される。燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１ａから水素排出流路Ｌ８に排出される。
【００１７】
制御部（制御手段）３０は、システム全体を制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１ａの運転状態を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部３０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、例えば、コンプレッサ１０の回転数、二方弁１４の開度、空気調圧バルブ１８の開度を制御する。また、制御部３０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。
【００１８】
第１の流量センサ（第２の流量検出手段）３１は、メイン供給流路Ｌ１においてコンプレッサ１０よりも上流側に配置されており、コンプレッサ１０によって供給される空気の流量（以下「メイン空気流量」）を検出する。第２の流量センサ（第１の流量検出手段）３２は、ケース供給流路Ｌ３において二方弁１４とスタックケース１ｂとの間に配置されており、ケース供給流路Ｌ３を流れる希釈空気の流量（以下「希釈空気流量」という）を検出する。空気圧力センサ３３は、ＦＣ供給流路Ｌ２において加湿装置１５よりも下流側に配置されており、燃料電池スタック１ａの酸化剤極に供給される空気の圧力（以下「空気圧力」という）を検出する。電圧センサ３４は、燃料電池スタック１ａにおいて、個々の発電セルの電圧（以下「セル電圧」という）を検出する。
【００１９】
このような構成の燃料電池システムにおいて、以下、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法について説明する。ここで、図２は、燃料電池スタック１ａの発電量（発電電流）と、この発電量に応じた各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐの要求値との関係を示す説明図である。同図において、Ｌｔはメイン空気流量を示し、ＬｃはＦＣ供給流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１ａの酸化剤極へ供給される空気流量を示し、Ｌｐは希釈空気流量を示す。燃料電池スタック１ａの発電量と、各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐとの対応関係は、発電量に応じた各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐの最適値を、実験やシミュレーションを通じて求めることにより、取得することができる。
【００２０】
燃料電池スタック１ａに用いられているシール材や電解質膜を透過してスタックケース１ｂ内に漏出した水素を希釈するために、スタックケース１ｂ内に希釈空気を供給する必要がある。同図から分かるように、この希釈空気は、発電量（すなわち、発電電流）が小さい状態でも供給する必要があり、その流量Ｌｐは、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも大きくなる関係となっている。そして、発電量が大きくなるにつれ、燃料電池スタック１ａ側への空気流量Ｌｃは増加し、希釈空気流路Ｌｃは減少する傾向となり、ある基準発電量を境に、空気流量Ｌｃ，Ｌｐの大小関係が逆転する。そして、発電量がさらに大きくなると、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃは発電量の増加に応じてさらに増加し、希釈空気流量Ｌｐはさらに減少を続けて所定の値へと収束する傾向となる。なお、メイン空気流量Ｌｔは、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃと、希釈空気流路Ｌｐとの和となる。
【００２１】
本実施形態において、制御部３０は、燃料電池スタック１ａの発電量が大きくなる程、希釈空気流量Ｌｐが小さくなるように制御を行うとともに、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃが大きくなるように制御を行う。この場合、希釈空気流量Ｌｐおよび燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃは、基準発電量よりも発電量が小さい場合には、希釈空気流量Ｌｐが燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも大きくなっており、基準発電量よりも発電量が大きい場合には、希釈空気流量Ｌｐが燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも小さくなっている。ここで、基準発電量は、発電量およびこれに対応して要求される希釈空気流量Ｌｐの関係と、発電量およびこれに対応する燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃの関係とを実験やシミュレーションを通じて求め、各空気流量Ｌｐ，Ｌｃが交差する際の発電量として求めることができる。
【００２２】
本実施形態において、希釈空気流量Ｌｐおよび燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃは、二方弁１４の開度を制御することにより設定することができる。そこで、制御部３０は、燃料電池スタック１ａにおける発電量に基づいて、二方弁１４の開度を制御する。この際、制御部３０は、第１の流量センサ３１によって検出されるメイン空気流量と、第２の流量センサ３２によって検出される希釈空気流量とを参照する。そして、燃料電池スタック１ａへの空気流量を、第１の流量センサ３１において検出されるメイン空気流量から第２の流量センサ３２において検出される希釈空気流量を減算することにより求める。制御部３０は、このようにして検出された各流量を参照し、発電量に対応した要求流量となるように、二方弁１４を制御する。
【００２３】
このように本実施形態において、空気系は、メイン供給流路Ｌ１の後段が、燃料電池ラインと、希釈ラインとに分岐している。燃料電池ラインは、ＦＣ供給流路Ｌ２およびその下流側、すなわち、燃料電池スタック１ａ内の空気流路、ＦＣ排出流路Ｌ４を主体に構成されている。一方、希釈系ラインは、ケース供給流路Ｌ３およびその下流側、すなわち、スタックケース１ｂ、ケース排出流路Ｌ５を主体に構成されている。
【００２４】
希釈ラインの圧力損失が燃料電池ラインの圧力損失よりも高い場合には、燃料電池スタック１ａの酸化剤側へ要求される空気流量を供給しつつ、スタックケース１ｂ側へ要求される空気流量を供給することが困難となる。しかしながら、本実施形態によれば、スタックケース１ｂの容量によって、希釈ラインの圧力損失が、燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されている。そのため、基準発電量まで、燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃよりも希釈空気流量Ｌｐを大きく制御することも可能となる。また、基準発電量より大きい場合は、希釈空気流量Ｌｐよりも燃料電池スタック１ａへの空気流量Ｌｃを大きく制御することが可能となる。これにより、全ての発電条件を通じて、燃料電池スタック１ａへの空気流量および希釈空気流量をバランスよく制御することが可能となる。
【００２５】
また、燃料電池スタック１ａの発電量が小さい場合、燃料電池スタック１ａ下流の空気調圧バルブ１８は、酸化剤極における空気圧力が低くなるよう開度が大きく設定されている（開いた状態）。しかしながら、希釈ラインの圧力損失が、燃料電池ラインの圧力損失よりも低いため、コンプレッサ１０からの空気は、希釈ラインに向かって多く流れる。その希釈ラインに向かう空気を、ケース供給流路Ｌ３に設けた二方弁１４によって、希釈ラインと燃料電池ラインとに分配することができる。これにより、燃料電池スタック１ａへの空気流量および希釈空気流量の制御に関する精度の向上を図ることができる。また、第２の流量センサ３２によって検出される希釈空気流量を参照することにより、さらに精度よく空気流量の制御を行うことができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、二方弁１４により希釈空気流量が制御される。二方弁１４は、弁全体の大きさに対して、流路断面積を大きく設定することができるので、弁の位置ばらつきによる流量ばらつきの影響を小さくすることができる。これにより、ＦＣ供給流路Ｌ２とケース供給流路Ｌ３との流量配分を精度よく制御することができる。
【００２７】
また、本実施形態において、メイン空気流量を検出する第１の流量センサ３１は、メイン供給流路Ｌ１においてコンプレッサ１０よりも上流に設けられている。そのため、コンプレッサ１０単体の性能ばらつきや性能低下の影響を受けにくい構成となるので、メイン空気流量を精度よく特定することができる。これにより、流量制御精度の向上を図ることができる。
【００２８】
また、希釈空気流量を検出する第２の流量センサ３２は、ケース供給流路Ｌ３において、二方弁１４よりも下流側に設けられている。このように、希釈空気流量を検出するセンサを備えることにより、希釈空気流量を直接検出することができるので、その値を精度よく検出することができる。これにより、流量制御精度の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本実施形態では、メイン空気流量から希釈空気流量を減算することにより、燃料電池スタック１ａの酸化剤極に供給される空気流量が演算される。ＦＣ供給流路Ｌ２に流量センサを設けて流量を検出した場合には、圧力変動幅が大きいため、センサの使用環境が厳しく、故障等の虞がある。しかしながら、本実施形態によれば、メイン空気流量と希釈空気流量との演算によって、それを求めることができるので、センサ等を使用した場合の不都合を解消することができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、ケース供給流路Ｌ３に二方弁１４を備える構成であるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、燃料電池システムは、二方弁１４に代えて、希釈空気流量を調整する流量調整装置２２を備える構成であってもよい。ここで、流量調整装置２２としては、弁回転方式、ソレノイド方式、可変オリフィス方式など種々のタイプを採用することができる。
【００３１】
また、燃料電池スタック１ａからの排出ガスは、第１および第２のマフラー１６，１７のみを備えるＦＣ排出流路Ｌ４を介して外部に排出する構成であってもよい。ただし、本実施形態に示すように、ケース排出流路Ｌ５をＦＣ排出流路Ｌ４に合流させることにより、希釈ラインに要求される希釈空気流量を低減させることができる。そのため、燃料電池システムの効率の向上を図ることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図３および図４は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池スタック１ａの湿潤状態に応じて、酸化剤極に対する空気供給を制御する点にある。なお、燃料電池システムの構成は、第１の実施形態と同じであるため、共通する構成については符号を引用してその詳細な説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
【００３３】
図３は、ドライアウトに対応した燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部３０によって実行される。
【００３４】
まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、電圧センサ３４から読み込んだセル電圧と、発電量に応じて設定される目標セル電圧とが比較される。
【００３５】
ステップ１１（Ｓ１１）において、ドライアウトか否か、すなわち、燃料電池スタック１ａの湿潤状態が湿潤不足であるか否かが判断される。ドライアウトか否かの判断は、セル電圧の挙動に基づいて、行うことができる。なお、ドライアウトの判断の手法については、特開２００７−２６５９５６号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。このステップ１１において肯定判定された場合には、ステップ１２（Ｓ１２）に進む。一方、ステップ１１において否定判定された場合には、本ルーチンを抜ける。
【００３６】
ステップ１２において、燃料電池スタック１ａにおける酸化剤極および燃料極の間の膜間差圧を考慮して、燃料極における水素圧力との比較から、燃料極における空気圧力を増加することができるか否かが判断される。ステップ１２において肯定判定された場合には、ステップ１３に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合には、後述するステップ１６（Ｓ１６）に進む。
【００３７】
ステップ１３において、制御部３０は、燃料電池スタック１ａからの水の持ち出しを抑制すべく、空気調圧バルブ１８を制御して、燃料電池スタック１ａの酸化剤極における空気圧力を増加させる。
【００３８】
ステップ１４において、酸化剤極への空気流量の減少が必要であるか否かが判断される。燃料電池スタック１ａがまだ湿潤不足である場合には、空気流量を減少させて、燃料電池スタック１ａからの水の持ち出しを抑制する必要がある。空気流量の減少が必要であるか否かの判断は、ステップ１１の処理と同様に、ドライアウトか否かを判断することにより行うことができる。このステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、まだドライアウト傾向にある場合には、ステップ１５（Ｓ１５）に進む。一方、ステップ１４において否定判定された場合、すなわち、ドライアウト傾向ではない場合には、本ルーチンを抜ける。
【００３９】
ステップ１５において、制御部３０は、コンプレッサ１０の回転数を下げるとともに、ケース供給流路Ｌ３に設けた二方弁１４にて、燃料電池スタック１ａへの空気流量を減少させる。この場合、スタックケース１ｂ側への希釈空気流量は、発電量に応じた流量に維持されたままとなる。
【００４０】
これに対して、ステップ１６において、酸化剤極への空気流量の減少が可能であるか否かが判断される。このステップ１６において肯定判定された場合には、上述したステップ１５に進む。一方、ステップ１６において否定判定された場合には、ステップ１７（Ｓ１７）に進み、燃料電池スタック１ａの発電量を制限する（ステップ１７）。
【００４１】
これに対して、図４は、フラッディングに対応した燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部３０によって実行される。
【００４２】
まず、ステップ２０（Ｓ２０）において、電圧センサ３４から読み込んだセル電圧と、発電量に応じて設定される目標セル電圧とが比較される。
【００４３】
ステップ２１（Ｓ２１）において、フラッディングか否か、すなわち、燃料電池スタック１ａの湿潤状態が湿潤過多であるか否かが判断される。フラッディングか否かの判断は、セル電圧の挙動に基づいて、行うことができる。なお、フラッディングの判断の手法については、特開２００７−２６５９５６号公報に開示されているので必要ならば参照されたい。このステップ２１において肯定判定された場合には、ステップ２２（Ｓ２２）に進む。一方、ステップ２１において否定判定された場合には、本ルーチンを抜ける。
【００４４】
ステップ２２において、酸化剤極への空気流量の減少が可能であるか否かが判断される。このステップ２２において肯定判定された場合には、ステップ２３に進む。一方、ステップ２２において否定判定された場合には、ステップ２５（Ｓ２５）に進み、燃料電池スタック１ａの発電量を制限する（ステップ２５）。
【００４５】
ステップ２３において、制御部３０は、コンプレッサ１０の回転数を増加させ、ステップ２４（Ｓ２４）において、ケース供給流路Ｌ３に設けた二方弁１４にて、燃料電池スタック１ａへの空気流量を増加させる。この場合、スタックケース１ｂ側への希釈空気流量は、発電量に応じた流量に維持されたままとなる。
【００４６】
このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、燃料電池スタック１ａへの空気流量と、希釈空気流量との分配を精度よく行うことができるので、ドライアウトまたはフラッディングによる出力低下から迅速に回復することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、温度センサからの検出値を参照して制御を行うことにある。なお、第１の実施形態と共通する構成については符号を引用してその詳細な説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
【００４８】
本実施形態において、制御部３０は、第１の温度センサ（第１の温度検出手段）３５および第２の温度センサ（第１の温度検出手段）３６からのセンサ信号が入力されている。ここで、第１の温度センサ３５は、ケース供給流路Ｌ３において二方弁１４よりも下流で、ケースバイパス流路Ｌ６よりも上流に設けられており、希釈空気の温度を検出する。第２の温度センサ３６は、外気温度を検出する。
【００４９】
制御部３０は、第１の流量センサ３１から読み込まれたメイン流量を、この流量センサ３１よりも上流側に配置された部品の圧力損失と、大気圧と、第２の温度センサから読み込まれた外気温度とによって補正する（第２の補正処理）。制御部３０は、それ以後の演算では、補正されたメイン流量を用いる。また、制御部３０は、第２の流量センサ３２から読み込まれた希釈空気流量を、第２の流量センサ３２よりも下流側に配置された部品の圧力損失と、大気圧と、第１の温度センサ３５から読み込まれた希釈空気の温度とにより補正する（第１の補正処理）。制御部３０は、それ以後の演算では、補正された希釈流量を用いる。
【００５０】
このように本実施形態によれば、補正を行うことにより、燃料電池スタック１ａの酸化剤極への空気の流量と、希釈空気の流量とをそれぞれ高精度に計測することができる。これにより、流量制御を精度よく行うことができる。
【００５１】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、第２の流量センサのレイアウトである。なお、第１の実施形態と共通する構成については符号を引用してその詳細な説明は省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
【００５２】
本実施形態において、第２の流量センサ３２は、ケース供給流路Ｌ３において分岐部１３よりも下流側で、二方弁１４よりも上流側に配置されている。
【００５３】
制御部３０は、第２の流量センサ３２から希釈空気流量を、また、第１の流量センサ３１において検出されるメイン空気流量から第２の流量センサ３２において検出される希釈空気流量を減算することにより、燃料電池スタック１ａへの空気流量を求めることができる。
【００５４】
かかる構成であっても、第１の実施形態と同様に、その作用・効果を奏することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】燃料電池スタック１ａの発電量（発電電流）と、この発電量に応じた各空気流量Ｌｔ，Ｌｃ，Ｌｐの要求値を示す説明図
【図３】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図
【図４】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート
【図５】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート
【図６】第３の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図７】第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００５７】
Ｌ１ メイン供給流路
Ｌ２ ＦＣ供給流路
Ｌ３ ケース供給流路
Ｌ３ 流路
Ｌ４ ＦＣ排出流路
Ｌ５ ケース排出流路
Ｌ６ ケースバイパス流路
Ｌ７ 水素供給流路
Ｌ８ 水素排出流路
１ 燃料電池ユニット
１ａ 燃料電池スタック
１ｂ スタックケース
１０ コンプレッサ
１１ アフタークーラー
１２ フィルター
１３ 分岐部
１４ 二方弁
１５ 加湿装置
１６ 第１のマフラー
１７ 第２のマフラー
１８ 空気調圧バルブ
１９ 第１の混合部
２０ 第２の混合部
２１ オリフィス
２２ 流量調整装置
３０ 制御部
３１ 流量センサ
３１ 第１の流量センサ
３２ 第２の流量センサ
３３ 空気圧力センサ
３４ 電圧センサ
３５ 第１の温度センサ
３６ 第２の温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を収容する収容ケースと、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段が設けられたメイン供給流路と、
前記メイン供給流路から分岐して当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給する第１の供給流路および当該第１の供給流路の下流側を含む燃料電池ラインと、
前記メイン供給流路から分岐して当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記収容ケース内に供給する第２の供給流路および当該第２の供給流路の下流側を含む希釈ラインと、
前記第２の供給流路に設けられ、当該流路における酸化剤ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記第２の供給流路に設けられ、当該流路における酸化剤ガスの流量を検出する第１の流量検出手段と、
前記第１の流量検出手段の検出結果に基づいて、前記流量調整手段を制御する制御手段とを有し、
前記希釈ラインは、圧力損失が前記燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の流量検出手段は、前記第２の供給流路において、前記流量調整手段よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記メイン供給流路において前記酸化剤ガス供給手段よりも上流側に設けられており、当該酸化剤ガス供給手段によって供給される酸化剤ガスの流量を検出する第２の流量検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記第２の流量検出手段の検出結果から前記第１の流量検出手段の検出結果を減算することにより、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を演算することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１の流量検出手段よりも下流側における圧力損失と大気圧とに基づいて、前記第１の流量検出手段の検出結果を補正する第１の補正処理を行うとともに、前記第２の流量検出手段よりも上流側における圧力損失と大気圧とに基づいて、前記第２の流量検出手段の検出結果を補正する第２の補正処理を行うことを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の供給流路に設けられ、当該流路における酸化剤ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、
前記酸化剤ガス供給手段によって取り込まれる酸化剤ガスの温度を第２の温度検出手段とをさらに有し、
前記制御手段は、さらに前記第１の温度検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の補正処理を行うとともに、さらに前記第２の温度検出手段の検出結果に基づいて、前記第２の補正処理を行うことを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の湿潤状態が湿潤不足であると判断した場合、前記流量調整手段により、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を減少させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池の湿潤状態が湿潤不足であると判断した場合、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を増加させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池の湿潤状態が湿潤過多であると判断した場合、前記酸化剤ガス供給手段により、酸化剤ガスの供給流量を増加させるとともに、前記流量調整手段により、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電量の増加に応じて、前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量を増加させるとともに、前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量を減少させるように、前記流量調整手段を制御しており、
前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量と前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量との大小関係は、基準発電量よりも小さな発電量において、前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量が前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量よりも多く、基準発電量よりも大きな発電量において、前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量が前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量よりも少なくなる傾向を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段が設けられたメイン供給流路から分岐するとともに当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記燃料電池を収容する収容ケース内に供給する第２の供給流路に設けられ、当該第２の供給流路における酸化剤ガスの流量を検出し、
前記第２の供給流路における酸化剤ガスの流量に基づいて、前記第２の供給流路に設けられた流量調整手段により、当該第２の供給流路における酸化剤ガスの流量を調整しており、
前記希釈ラインは、前記第２の供給流路および当該第２の供給流路の下流側を含み、当該希釈ラインの圧力損失が、前記メイン供給流路から分岐するとともに当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給する第１の供給流路および当該第１の供給流路の下流側を含む燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されていることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を収容する収容ケースと、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段が設けられたメイン供給流路と、
前記メイン供給流路から分岐して当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給する第１の供給流路および当該第１の供給流路の下流側を含む燃料電池ラインと、
前記メイン供給流路から分岐して当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記収容ケース内に供給する第２の供給流路および当該第２の供給流路の下流側を含む希釈ラインと、
前記第２の供給流路に設けられ、当該流路における酸化剤ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記第２の供給流路に設けられ、当該流路における酸化剤ガスの流量を検出する第１の流量検出手段と、
前記第１の流量検出手段の検出結果に基づいて、前記流量調整手段を制御する制御手段とを有し、
前記希釈ラインは、圧力損失が前記燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の流量検出手段は、前記第２の供給流路において、前記流量調整手段よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記メイン供給流路において前記酸化剤ガス供給手段よりも上流側に設けられており、当該酸化剤ガス供給手段によって供給される酸化剤ガスの流量を検出する第２の流量検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記第２の流量検出手段の検出結果から前記第１の流量検出手段の検出結果を減算することにより、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を演算することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１の流量検出手段よりも下流側における圧力損失と大気圧とに基づいて、前記第１の流量検出手段の検出結果を補正する第１の補正処理を行うとともに、前記第２の流量検出手段よりも上流側における圧力損失と大気圧とに基づいて、前記第２の流量検出手段の検出結果を補正する第２の補正処理を行うことを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２の供給流路に設けられ、当該流路における酸化剤ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、
前記酸化剤ガス供給手段によって取り込まれる酸化剤ガスの温度を第２の温度検出手段とをさらに有し、
前記制御手段は、さらに前記第１の温度検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の補正処理を行うとともに、さらに前記第２の温度検出手段の検出結果に基づいて、前記第２の補正処理を行うことを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の湿潤状態が湿潤不足であると判断した場合、前記流量調整手段により、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を減少させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池の湿潤状態が湿潤不足であると判断した場合、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を増加させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池の湿潤状態が湿潤過多であると判断した場合、前記酸化剤ガス供給手段により、酸化剤ガスの供給流量を増加させるとともに、前記流量調整手段により、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電量の増加に応じて、前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量を増加させるとともに、前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量を減少させるように、前記流量調整手段を制御しており、
前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量と前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量との大小関係は、基準発電量よりも小さな発電量において、前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量が前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量よりも多く、基準発電量よりも大きな発電量において、前記収容ケース内に供給する酸化剤ガスの流量が前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量よりも少なくなる傾向を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段が設けられたメイン供給流路から分岐するとともに当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記燃料電池を収容する収容ケース内に供給する第２の供給流路に設けられ、当該第２の供給流路における酸化剤ガスの流量を検出し、
前記第２の供給流路における酸化剤ガスの流量に基づいて、前記第２の供給流路に設けられた流量調整手段により、当該第２の供給流路における酸化剤ガスの流量を調整しており、
前記希釈ラインは、前記第２の供給流路および当該第２の供給流路の下流側を含み、当該希釈ラインの圧力損失が、前記メイン供給流路から分岐するとともに当該メイン供給流路からの酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給する第１の供給流路および当該第１の供給流路の下流側を含む燃料電池ラインの圧力損失よりも低くなるように設定されていることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１９３７１３（Ｐ２００９−１９３７１３Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０５８３（Ｐ２００８−３０５８３）
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【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２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１２日（２００８．２．１２）
【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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