燃料電池システム
【課題】フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、燃費の悪化を抑制する。
【解決手段】燃料電池スタック１０と、アノードガス通路２０と、カソードガス通路３０と、コントローラ４０とを備え、反応ガスを燃料電池１０に供給して発電する燃料電池システム１は、燃料電池１０の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する目標反応ガス流量算出手段を備える。
【解決手段】燃料電池スタック１０と、アノードガス通路２０と、カソードガス通路３０と、コントローラ４０とを備え、反応ガスを燃料電池１０に供給して発電する燃料電池システム１は、燃料電池１０の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する目標反応ガス流量算出手段を備える。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、発電電流と反応ガス流量との関係をマップとして備え、そのマップに基づいて反応ガス流量を調整し、フラッディングを未然に防止していた（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９０８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、一義的に定められたマップによって反応ガス流量を調整していた。そのため、燃料電池の経時変化によってフラッディングの発生条件が変化してしまうとフラッディングの発生を抑制できないという問題点があった。また、このような問題点に対応するには予め反応ガス流量を過度に多く設定しておく必要があり燃費が悪化するという問題点があった。
【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、フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、燃費の悪化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。本発明は、反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、燃料電池の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の経時変化に応じてフラッディングを抑制できる最適な目標反応ガス流量を燃料電池スタックに供給できる。そのため、フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、過度に大量の反応ガスを供給することもないので燃費の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】単セルの断面の一部を示す図である。
【図３】発電時間と限界ＳＲとの関係を示した図である。
【図４】第１実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図５】第１実施形態による目標カソードガス流量の算出方法について説明するフローチャートである。
【図６】発電量と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図７】発電回数と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図８】第４実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図９】第５実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図１０】第６実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１１】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１２】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１３】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。
【００１４】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス通路２０と、カソードガス通路３０と、コントローラ４０と、を備える。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、アノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）の両面にセパレータを配置させた単セルを、複数積層して構成される。単セルの詳細については、図２を参照して後述する。
【００１６】
アノードガス通路２０は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口孔１０ａ及びアノードガス出口孔１０ｂに接続される。アノードガス通路２０は、燃料電池スタック１０の上流側に燃料タンク２１と調圧弁２２とを備え、燃料電池スタック１０の下流側に循環ポンプ２３とパージ弁２４とを備える。
【００１７】
燃料タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガス（水素）を高圧状態で貯蔵する。
【００１８】
調圧弁２２は、燃料タンク１１の圧力を適当な圧力に減圧調整する。
【００１９】
循環ポンプ２３は、アノードガスを循環させる。循環ポンプ２３の下流には循環流路２５が設けられて、燃料電池スタック１０から排出された未反応の反応ガスを再度燃料電池スタック１０に供給する。
【００２０】
パージ弁２４は、アノードガス通路２０中に存在する窒素などの不純ガスや液水を系外へパージする。
【００２１】
カソードガス通路３０は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口孔１０ｃ及びカソードガス出口孔１０ｄに接続される。カソードガス通路３０は、燃料電池スタック１０の上流側に、コンプレッサ３１を備え、燃料電池スタック１０の下流側に、圧力調整弁３２を備える。
【００２２】
コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０にカソードガス（空気）を圧送して供給する。
【００２３】
圧力調整弁３２は、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの供給圧を調整する。
【００２４】
コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４０には、燃料電池スタック１０の運転状態を検出する種々のセンサからの信号が入力される。例えば、燃料電池スタック１０を構成する全ての単セル１１の電圧を検出する電圧センサ４１からの信号が入力される。コントローラ４０は、これらの入力信号に基づいてコンプレッサ３１などを制御し、燃料電池スタック１０に供給する反応ガス、すなわちカソードガス及びアノードガスの流量を制御する。
【００２５】
以下では、図２を参照して、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１について詳しく説明する。
【００２６】
図２は、単セル１１の断面の一部を示す図である。
【００２７】
単セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１２の表裏両面にそれぞれセパレータ１００が配置されて構成される。
【００２８】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３と、アノード電極１４と、カソード電極１５とを備える。ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３の一方の面にアノード電極１４を有し、他方の面にカソード電極１５を有する。
【００２９】
固体高分子電解質膜１３は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。固体高分子電解質膜１３は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００３０】
アノード電極１４は、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。
【００３１】
触媒層１６は、固体高分子電解質膜１３と接する。触媒層１６は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００３２】
ガス拡散層１７は、触媒層１６の外側（電解質膜１３の反対側）に設けられ、セパレータ１００と接する。ガス拡散層１７は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。なお、以下では特に、セパレータ１００のリブ（隔壁）１１２に直接接するガス拡散層１７を「リブ下ガス拡散層１７ａ」という。これに対して、セパレータ１００のガス流路１１１に接するガス拡散層１７を「流路下ガス拡散層１７ｂ」という。
【００３３】
カソード電極１５もアノード電極１４と同様に、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。
【００３４】
セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する。セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する側にアノード電極１４及びカソード電極１５に反応ガスを供給するための複数のガス流路１１１を有する。ガス流路１１１は、ガス拡散層１７と直接接するリブ１１２の間に形成される流路である。
【００３５】
次に、本実施形態による燃料電池スタック１０の作用について、図１及び図２を参照して説明する。
【００３６】
図１及び図２に示すように、アノードガスは、アノードガス入口孔１０ａからアノード電極側のセパレータ（図２左側のセパレータ）１００に形成されたガス流路１１１に流れ込む。アノードガスはガス流路１１１を流れながらガス拡散層１７を通って触媒層１６と接する。これにより、アノード電極１４では、上記した式（１）の反応が生じる。ガス流路１１１を流れ、反応に利用されなかった余剰のアノードガスは、アノードガス出口孔１０ｂから外部へ排出される。
【００３７】
一方、カソードガスは、カソードガス入口孔１０ｃからカソード電極側のセパレータ（図２右側のセパレータ）１００に形成されたガス流路１１１に流れ込む。カソードガスは、ガス流路１１１を流れながらガス拡散層１７を通って触媒層１６と接する。これにより、カソード電極１５では、カソードガスと、式（１）の反応で生じたプロトンＨ+、電子ｅ-とから、式（２）の反応が生じる。
【００３８】
カソード反応によって生じた水は、反応に利用されなかった余剰のカソードガスとともにガス流路１１１を流れてカソードガス出口孔１０ｄから外部へ排出される。そのため、ガス流路後半になるほどカソードガス中の水分濃度が増加する。また、ガス拡散層内の水分濃度も増加する。
【００３９】
そうすると、運転条件等によっては、結露した生成水がカソードガス出口孔１０ｄの付近のガス流路１１１を塞ぎ、水詰まりが発生することがある。これにより、ガス流路１１１を流れるカソードガスの流れが阻害されて、カソード電極１５へのカソードガスの供給量が不十分となる。その結果、ガス拡散性の低下によって濃度過電圧が上昇するフラッディングという現象が起きて発電効率が低下する。
【００４０】
また、カソード反応で発生した水は、ＭＥＡ１２を通じて、アノード電極側のセパレータ１００に形成されたガス流路１１１にも拡散していくので、アノード側でもフラッディングが起きて発電効率が低下するおそれがある。
【００４１】
したがって、単セル１の発電効率を向上させるためには、フラッディングが発生しないようにカソードガス及びアノードガスの一方又は双方の流量を制御して、単セル１の発電反応で生じる水を速やかに燃料電池スタック１０の外部へ排出する必要がある。
【００４２】
そのため、従来例ではフラッディングが発生しないように、予め定められた発電電流と反応ガス流量との関係を示したマップに従い反応ガス流量を制御していた。しかしながら、発明者等の鋭意研究により、フラッディングの発生条件は、燃料電池スタック１０の経時変化に応じて変化することがわかった。
【００４３】
そこで本実施形態では、以下のように反応ガス流量を制御してフラッディングの発生を抑制する。なお、以下では反応ガスとしてカソードガスを例に説明するが、もちろんアノードガスでも構わないし、双方でも構わない。
【００４４】
図３は、発電時間と限界ストイキレシオ（以下「限界ＳＲ」という）との関係を示した図である。
【００４５】
なお、ここでいう発電時間とは、初期状態からこれまでの総発電時間のことをいい、初期状態とはいわゆる新品状態（出荷時、車載時、燃料電池スタック１０の組み立て時）のこという。
【００４６】
また、限界ＳＲとは、アクセルペダルの踏み込み量や補機作動状況などの運転状態に応じて定まる理論的に反応に必要なカソードガス流量（以下「基本カソードガス流量」という）と、フラッディングの発生を抑制するために最低限必要なカソードガス流量と、の比である。限界ＳＲが大きいときほど、基本カソードガス流量に対してフラッディングの発生を抑制するために必要最低限のカソードガス流量が多くなる。
【００４７】
図３に示すように、限界ＳＲは、発電時間が所定時間に達するまでは１より大きく、また、発電時間が増加するにつれて減少する。そして、発電時間が所定時間に達した後は一定となる。なお、本実施形態及び以下の各実施形態では、限界ＳＲが一定となったときの値を１としているが、これは理想状態での一例であり、実際には１よりもやや大きい値で一定となる。
【００４８】
このように、フラッディングを抑制するために最低限必要なカソードガス流量は、発電時間の増加とともに減少する。これは、燃料電池スタック１０の組み立て初期には、セパレータ１００のリブ１１２とガス拡散層１７との接触状態が排水性の観点から最適な状態ではなく、発電回数の増加とともに接触状態が改善されるためと考えられる。
【００４９】
すらわち、ガス拡散層１７の内部で結露した生成水のうち、流路下ガス拡散層１７ｂの生成水は、ガス流路１１１を通過する反応ガスによってガス流路１１１へと持ち出される。一方で、リブ下ガス拡散層１７ａの生成水は、セパレータ１００のリブ１１２との表面張力等によってガス流路１１１へと持ち出される。そして、燃料電池スタック１０の組み立て初期には、セパレータ１００とガス拡散層１７との接触状態が排水性の観点から最適な状態ではないために、リブ下ガス拡散層１７ａからの生成水の持ち出しが阻害されやすい。そのため、フラッディングが発生しやすい状態となり、限界ＳＲが大きくなるものと考えられる。
【００５０】
そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電時間とともに減少していくのに合わせて目標ストイキレシオ（以下「目標ＳＲ」という）を減少させる。ここで目標ＳＲとは、基本カソードガス流量と、実際に燃料電池スタック１０に供給するカソードガス流量（以下「目標カソードガス流量」という）と、の比である。目標ＳＲが大きいときほど、基本カソードガス流量に対して目標カソードガス流量が多くなる。
【００５１】
図４は、発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００５２】
図４に示すように、目標ＳＲは限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定される。これにより、確実にフラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施できる。また、必要以上にカソードガスを供給しないので、コンプレッサの消費電力を抑えることができるので燃費の向上を図ることができる。
【００５３】
図５は、本実施形態による目標カソードガス流量の算出方法について説明するフローチャートである。コントローラ４０は、本ルーチンを燃料電池スタック１０の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００５４】
ステップＳ１において、コントローラ４０は、予め実験等によって定められたマップを参照して運転状態に応じて目標発電電流を算出する。燃料電池スタック１０の負荷がおきいときほど目標発電電流は大きくなる。
【００５５】
ステップＳ２において、コントローラ４０は、予め実験等によって定められたテーブルを参照して目標発電電流に基づいて基本カソードガス流量を算出する。目標発電電流が大きいときほど基本カソードガス流量も大きくなる。
【００５６】
ステップＳ３において、コントローラ４０は、図４のテーブルを参照して燃料電池の経時変化に基づいて目標ＳＲを算出する。具体的には発電時間に基づいて目標ＳＲを算出する。
【００５７】
ステップＳ４において、コントローラ４０は、基本カソードガス流量に目標ＳＲを乗じて目標カソードガス流量を算出する。
【００５８】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の経時変化、すなわち発電時間の増加に応じて限界ＳＲが減少していくのに合わせて目標ＳＲを変更させ、かつ、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるようにした。そして、運転状態に応じて基本カソードガス流量を算出し、その基本カソードガス流量に目標ＳＲを乗じて目標カソードガス流量を算出することとした。
【００５９】
これにより、実際に燃料電池スタック１０に供給するカソードガス流量（目標カソードガス流量）が、必ず運転状態に応じて定まる理論的に反応に必要なカソードガス流量（基本カソードガス流量）及びフラッディングの発生を抑制するために最低限必要なカソードガス流量よりも大きくなる。
【００６０】
そのため、確実にフラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施できる。また、必要以上にカソードガスを供給しないので、コンプレッサの消費電力を抑えることができるので燃費の向上を図ることができる。
【００６１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、発電量に応じて目標ＳＲを変更させていく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００６２】
図６は、発電量と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。なお、ここでいう発電量とは、初期状態からこれまでの総発電量のことをいうものとする。
【００６３】
図６に示すように、限界ＳＲは、発電量が所定量に達するまでは１より大きく、また、発電量が増加するにつれて減少する。そして、発電量が所定量に達した後は一定となる。
【００６４】
そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電量とともに減少していくのに合わせて目標ＳＲを減少させる。そして、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、発電回数に応じて目標ＳＲを変更させていく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００６６】
図７は、発電回数と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。なお、ここでいう発電回数とは、初期状態からこれまでの総発電回数のことをいうものとする。
【００６７】
図７に示すように、限界ＳＲは、発電回数が所定回数に達するまでは１より大きく、また、発電回数が増加するにつれて減少する。そして、発電回数が所定回数に達した後は一定となる。
【００６８】
そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電回数とともに減少していくのに合わせて目標ＳＲを減少させる。そして、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、発電時間（発電量、発電回数でもよい）が所定時間に達するまでは目標ＳＲを一律に高ＳＲに設定し、所定時間に達した後は一律に低ＳＲに設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００７０】
図８は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００７１】
図８に示すように、本実施形態では発電時間が所定時間に達するまでは目標ＳＲを一律に高ＳＲに設定し、所定時間に達した後は一律に低ＳＲに設定する。
【００７２】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、目標ＳＲをステップ的に２段階に切り替えるだけなので、発電時間に応じて連続的に目標ＳＲを変化させる場合と比べてカソードガス流量の制御が容易となる。
【００７３】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、フラッディングを検出したときには目標ＳＲを増加させる点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００７４】
図９は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００７５】
本実施形態でも、第１実施形態と同様に、発電時間に応じて限界ＳＲに合わせて連続的に目標ＳＲを減少させる。このとき、燃料電池スタック１０には個体差がある一方で、限界ＳＲは実験等によって予め一律に定められたものなので、固体によっては予め定められた限界ＳＲと実際の限界ＳＲとの間でずれが生じる可能性がある。そのため、実際の限界ＳＲが予め定められた限界ＳＲよりも大きい値をとる可能性があり、目標ＳＲが限界ＳＲを下回ってしまう可能性がある。
【００７６】
そこで、本実施形態では、図９に示すように、目標ＳＲが実際の限界ＳＲを下回ったと判断できるとき、すなわちフラッディングが発生していると判定したときは、目標ＳＲを所定値だけ増加させる。そして、増加させた後は、その増加させた目標ＳＲを基準として予め定められた限界ＳＲの傾きに合わせて再び発電時間に応じて目標ＳＲを減少させていく。
【００７７】
なお、フラッディングが発生しているか否かは、以下のようにして判定することができる。すなわち、所定電圧以下となる単セル１１の近傍にある他の単セル１１の電圧が、前記所定電圧より大きい加湿過剰判定電圧より大きければフラッディングが発生していると判定できる。
【００７８】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、フラッディングが発生したときには、目標ＳＲの設定値を補正することができるので、より確実にフラッディングの発生を抑制できる。
【００７９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、所定時間が経過した後に複数回、同一の目標ＳＲでフラッディングが発生したときは、その目標ＳＲ又はその目標ＳＲを所定値だけ増加させた値を最終的な目標ＳＲとして設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００８０】
図１０は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００８１】
本実施形態でも、第１実施形態と同様に、発電時間に応じて限界ＳＲに合わせて連続的に目標ＳＲを減少させる。そして、フラッディングが発生していると判定したときは目標ＳＲを所定値だけ増加させる。このとき、所定時間が経過した後に複数回、同一の目標ＳＲでフラッディングが発生したときは、その目標ＳＲ又はその目標ＳＲを所定値だけ増加させた値を最終的な目標ＳＲとして設定する。
【００８２】
これにより、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、固体ごとに限界ＳＲを把握することができ、その限界ＳＲを目標ＳＲとして設定することができる。そのため、フラッディングの発生を抑制できる必要最低限のカソードガスを供給できるので、より燃費の向上を図ることができる。
【００８３】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００８４】
例えば、上記各実施形態では燃料電池スタック１０の経時変化を表す指標として発電時間、発電量及び発電回数を用いたが、これまでの燃料電池スタック１０の運転時間がわかるものであればこれに限られるものではなく、燃料電池システム１の起動停止回数や発電に伴う潤滑回数、乾燥による収縮回数などを燃料電池スタック１０の経時変化を表す指標として用いても良い。
【００８５】
また、上記各実施形態では燃料電池スタック１０の経時変化に応じてカソードガスの流量を制御してフラッディングの発生を抑制していた。しかしながら、アノードガスの流量を制御してフラッディングの発生を抑制しても良いし、カソードガス及びアノードガスの双方の流量を制御してフラッディングの発生を抑制しても良い。このとき、アノードガス流量の減少幅（目標ＳＲの傾きの大きさ）は、カソードガス流量と同じでも良いし、異ならせても良い。
【００８６】
また、上記第１実施形態から第３実施形態では、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定したが、目標ＳＲと限界ＳＲとを同じにしてもかまわない。
【００８７】
また、発電時間、発電量及び発電回数の全てを考慮して精度良く燃料電池スタック１０の経時変化を求めても良い。
【符号の説明】
【００８８】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
Ｓ１ 目標発電電流算出手段
Ｓ２ 基本反応ガス流量算出手段
Ｓ１〜Ｓ４ 目標反応ガス流量算出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、発電電流と反応ガス流量との関係をマップとして備え、そのマップに基づいて反応ガス流量を調整し、フラッディングを未然に防止していた（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９０８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、一義的に定められたマップによって反応ガス流量を調整していた。そのため、燃料電池の経時変化によってフラッディングの発生条件が変化してしまうとフラッディングの発生を抑制できないという問題点があった。また、このような問題点に対応するには予め反応ガス流量を過度に多く設定しておく必要があり燃費が悪化するという問題点があった。
【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、フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、燃費の悪化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。本発明は、反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、燃料電池の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の経時変化に応じてフラッディングを抑制できる最適な目標反応ガス流量を燃料電池スタックに供給できる。そのため、フラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施しつつ、過度に大量の反応ガスを供給することもないので燃費の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】単セルの断面の一部を示す図である。
【図３】発電時間と限界ＳＲとの関係を示した図である。
【図４】第１実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図５】第１実施形態による目標カソードガス流量の算出方法について説明するフローチャートである。
【図６】発電量と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図７】発電回数と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図８】第４実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図９】第５実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【図１０】第６実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１１】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１２】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１３】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。
【００１４】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス通路２０と、カソードガス通路３０と、コントローラ４０と、を備える。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、アノード電極とカソード電極とを備えた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）の両面にセパレータを配置させた単セルを、複数積層して構成される。単セルの詳細については、図２を参照して後述する。
【００１６】
アノードガス通路２０は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口孔１０ａ及びアノードガス出口孔１０ｂに接続される。アノードガス通路２０は、燃料電池スタック１０の上流側に燃料タンク２１と調圧弁２２とを備え、燃料電池スタック１０の下流側に循環ポンプ２３とパージ弁２４とを備える。
【００１７】
燃料タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガス（水素）を高圧状態で貯蔵する。
【００１８】
調圧弁２２は、燃料タンク１１の圧力を適当な圧力に減圧調整する。
【００１９】
循環ポンプ２３は、アノードガスを循環させる。循環ポンプ２３の下流には循環流路２５が設けられて、燃料電池スタック１０から排出された未反応の反応ガスを再度燃料電池スタック１０に供給する。
【００２０】
パージ弁２４は、アノードガス通路２０中に存在する窒素などの不純ガスや液水を系外へパージする。
【００２１】
カソードガス通路３０は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口孔１０ｃ及びカソードガス出口孔１０ｄに接続される。カソードガス通路３０は、燃料電池スタック１０の上流側に、コンプレッサ３１を備え、燃料電池スタック１０の下流側に、圧力調整弁３２を備える。
【００２２】
コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０にカソードガス（空気）を圧送して供給する。
【００２３】
圧力調整弁３２は、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの供給圧を調整する。
【００２４】
コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４０には、燃料電池スタック１０の運転状態を検出する種々のセンサからの信号が入力される。例えば、燃料電池スタック１０を構成する全ての単セル１１の電圧を検出する電圧センサ４１からの信号が入力される。コントローラ４０は、これらの入力信号に基づいてコンプレッサ３１などを制御し、燃料電池スタック１０に供給する反応ガス、すなわちカソードガス及びアノードガスの流量を制御する。
【００２５】
以下では、図２を参照して、燃料電池スタック１０を構成する単セル１１について詳しく説明する。
【００２６】
図２は、単セル１１の断面の一部を示す図である。
【００２７】
単セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１２の表裏両面にそれぞれセパレータ１００が配置されて構成される。
【００２８】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３と、アノード電極１４と、カソード電極１５とを備える。ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１３の一方の面にアノード電極１４を有し、他方の面にカソード電極１５を有する。
【００２９】
固体高分子電解質膜１３は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。固体高分子電解質膜１３は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００３０】
アノード電極１４は、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。
【００３１】
触媒層１６は、固体高分子電解質膜１３と接する。触媒層１６は、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００３２】
ガス拡散層１７は、触媒層１６の外側（電解質膜１３の反対側）に設けられ、セパレータ１００と接する。ガス拡散層１７は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。なお、以下では特に、セパレータ１００のリブ（隔壁）１１２に直接接するガス拡散層１７を「リブ下ガス拡散層１７ａ」という。これに対して、セパレータ１００のガス流路１１１に接するガス拡散層１７を「流路下ガス拡散層１７ｂ」という。
【００３３】
カソード電極１５もアノード電極１４と同様に、触媒層１６とガス拡散層１７とを備える。
【００３４】
セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する。セパレータ１００は、ガス拡散層１７と接する側にアノード電極１４及びカソード電極１５に反応ガスを供給するための複数のガス流路１１１を有する。ガス流路１１１は、ガス拡散層１７と直接接するリブ１１２の間に形成される流路である。
【００３５】
次に、本実施形態による燃料電池スタック１０の作用について、図１及び図２を参照して説明する。
【００３６】
図１及び図２に示すように、アノードガスは、アノードガス入口孔１０ａからアノード電極側のセパレータ（図２左側のセパレータ）１００に形成されたガス流路１１１に流れ込む。アノードガスはガス流路１１１を流れながらガス拡散層１７を通って触媒層１６と接する。これにより、アノード電極１４では、上記した式（１）の反応が生じる。ガス流路１１１を流れ、反応に利用されなかった余剰のアノードガスは、アノードガス出口孔１０ｂから外部へ排出される。
【００３７】
一方、カソードガスは、カソードガス入口孔１０ｃからカソード電極側のセパレータ（図２右側のセパレータ）１００に形成されたガス流路１１１に流れ込む。カソードガスは、ガス流路１１１を流れながらガス拡散層１７を通って触媒層１６と接する。これにより、カソード電極１５では、カソードガスと、式（１）の反応で生じたプロトンＨ+、電子ｅ-とから、式（２）の反応が生じる。
【００３８】
カソード反応によって生じた水は、反応に利用されなかった余剰のカソードガスとともにガス流路１１１を流れてカソードガス出口孔１０ｄから外部へ排出される。そのため、ガス流路後半になるほどカソードガス中の水分濃度が増加する。また、ガス拡散層内の水分濃度も増加する。
【００３９】
そうすると、運転条件等によっては、結露した生成水がカソードガス出口孔１０ｄの付近のガス流路１１１を塞ぎ、水詰まりが発生することがある。これにより、ガス流路１１１を流れるカソードガスの流れが阻害されて、カソード電極１５へのカソードガスの供給量が不十分となる。その結果、ガス拡散性の低下によって濃度過電圧が上昇するフラッディングという現象が起きて発電効率が低下する。
【００４０】
また、カソード反応で発生した水は、ＭＥＡ１２を通じて、アノード電極側のセパレータ１００に形成されたガス流路１１１にも拡散していくので、アノード側でもフラッディングが起きて発電効率が低下するおそれがある。
【００４１】
したがって、単セル１の発電効率を向上させるためには、フラッディングが発生しないようにカソードガス及びアノードガスの一方又は双方の流量を制御して、単セル１の発電反応で生じる水を速やかに燃料電池スタック１０の外部へ排出する必要がある。
【００４２】
そのため、従来例ではフラッディングが発生しないように、予め定められた発電電流と反応ガス流量との関係を示したマップに従い反応ガス流量を制御していた。しかしながら、発明者等の鋭意研究により、フラッディングの発生条件は、燃料電池スタック１０の経時変化に応じて変化することがわかった。
【００４３】
そこで本実施形態では、以下のように反応ガス流量を制御してフラッディングの発生を抑制する。なお、以下では反応ガスとしてカソードガスを例に説明するが、もちろんアノードガスでも構わないし、双方でも構わない。
【００４４】
図３は、発電時間と限界ストイキレシオ（以下「限界ＳＲ」という）との関係を示した図である。
【００４５】
なお、ここでいう発電時間とは、初期状態からこれまでの総発電時間のことをいい、初期状態とはいわゆる新品状態（出荷時、車載時、燃料電池スタック１０の組み立て時）のこという。
【００４６】
また、限界ＳＲとは、アクセルペダルの踏み込み量や補機作動状況などの運転状態に応じて定まる理論的に反応に必要なカソードガス流量（以下「基本カソードガス流量」という）と、フラッディングの発生を抑制するために最低限必要なカソードガス流量と、の比である。限界ＳＲが大きいときほど、基本カソードガス流量に対してフラッディングの発生を抑制するために必要最低限のカソードガス流量が多くなる。
【００４７】
図３に示すように、限界ＳＲは、発電時間が所定時間に達するまでは１より大きく、また、発電時間が増加するにつれて減少する。そして、発電時間が所定時間に達した後は一定となる。なお、本実施形態及び以下の各実施形態では、限界ＳＲが一定となったときの値を１としているが、これは理想状態での一例であり、実際には１よりもやや大きい値で一定となる。
【００４８】
このように、フラッディングを抑制するために最低限必要なカソードガス流量は、発電時間の増加とともに減少する。これは、燃料電池スタック１０の組み立て初期には、セパレータ１００のリブ１１２とガス拡散層１７との接触状態が排水性の観点から最適な状態ではなく、発電回数の増加とともに接触状態が改善されるためと考えられる。
【００４９】
すらわち、ガス拡散層１７の内部で結露した生成水のうち、流路下ガス拡散層１７ｂの生成水は、ガス流路１１１を通過する反応ガスによってガス流路１１１へと持ち出される。一方で、リブ下ガス拡散層１７ａの生成水は、セパレータ１００のリブ１１２との表面張力等によってガス流路１１１へと持ち出される。そして、燃料電池スタック１０の組み立て初期には、セパレータ１００とガス拡散層１７との接触状態が排水性の観点から最適な状態ではないために、リブ下ガス拡散層１７ａからの生成水の持ち出しが阻害されやすい。そのため、フラッディングが発生しやすい状態となり、限界ＳＲが大きくなるものと考えられる。
【００５０】
そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電時間とともに減少していくのに合わせて目標ストイキレシオ（以下「目標ＳＲ」という）を減少させる。ここで目標ＳＲとは、基本カソードガス流量と、実際に燃料電池スタック１０に供給するカソードガス流量（以下「目標カソードガス流量」という）と、の比である。目標ＳＲが大きいときほど、基本カソードガス流量に対して目標カソードガス流量が多くなる。
【００５１】
図４は、発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００５２】
図４に示すように、目標ＳＲは限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定される。これにより、確実にフラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施できる。また、必要以上にカソードガスを供給しないので、コンプレッサの消費電力を抑えることができるので燃費の向上を図ることができる。
【００５３】
図５は、本実施形態による目標カソードガス流量の算出方法について説明するフローチャートである。コントローラ４０は、本ルーチンを燃料電池スタック１０の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００５４】
ステップＳ１において、コントローラ４０は、予め実験等によって定められたマップを参照して運転状態に応じて目標発電電流を算出する。燃料電池スタック１０の負荷がおきいときほど目標発電電流は大きくなる。
【００５５】
ステップＳ２において、コントローラ４０は、予め実験等によって定められたテーブルを参照して目標発電電流に基づいて基本カソードガス流量を算出する。目標発電電流が大きいときほど基本カソードガス流量も大きくなる。
【００５６】
ステップＳ３において、コントローラ４０は、図４のテーブルを参照して燃料電池の経時変化に基づいて目標ＳＲを算出する。具体的には発電時間に基づいて目標ＳＲを算出する。
【００５７】
ステップＳ４において、コントローラ４０は、基本カソードガス流量に目標ＳＲを乗じて目標カソードガス流量を算出する。
【００５８】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の経時変化、すなわち発電時間の増加に応じて限界ＳＲが減少していくのに合わせて目標ＳＲを変更させ、かつ、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるようにした。そして、運転状態に応じて基本カソードガス流量を算出し、その基本カソードガス流量に目標ＳＲを乗じて目標カソードガス流量を算出することとした。
【００５９】
これにより、実際に燃料電池スタック１０に供給するカソードガス流量（目標カソードガス流量）が、必ず運転状態に応じて定まる理論的に反応に必要なカソードガス流量（基本カソードガス流量）及びフラッディングの発生を抑制するために最低限必要なカソードガス流量よりも大きくなる。
【００６０】
そのため、確実にフラッディングの発生を抑制して安定した発電を実施できる。また、必要以上にカソードガスを供給しないので、コンプレッサの消費電力を抑えることができるので燃費の向上を図ることができる。
【００６１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、発電量に応じて目標ＳＲを変更させていく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００６２】
図６は、発電量と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。なお、ここでいう発電量とは、初期状態からこれまでの総発電量のことをいうものとする。
【００６３】
図６に示すように、限界ＳＲは、発電量が所定量に達するまでは１より大きく、また、発電量が増加するにつれて減少する。そして、発電量が所定量に達した後は一定となる。
【００６４】
そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電量とともに減少していくのに合わせて目標ＳＲを減少させる。そして、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、発電回数に応じて目標ＳＲを変更させていく点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００６６】
図７は、発電回数と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。なお、ここでいう発電回数とは、初期状態からこれまでの総発電回数のことをいうものとする。
【００６７】
図７に示すように、限界ＳＲは、発電回数が所定回数に達するまでは１より大きく、また、発電回数が増加するにつれて減少する。そして、発電回数が所定回数に達した後は一定となる。
【００６８】
そこで本実施形態では、この限界ＳＲが発電回数とともに減少していくのに合わせて目標ＳＲを減少させる。そして、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定する。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、発電時間（発電量、発電回数でもよい）が所定時間に達するまでは目標ＳＲを一律に高ＳＲに設定し、所定時間に達した後は一律に低ＳＲに設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００７０】
図８は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００７１】
図８に示すように、本実施形態では発電時間が所定時間に達するまでは目標ＳＲを一律に高ＳＲに設定し、所定時間に達した後は一律に低ＳＲに設定する。
【００７２】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、目標ＳＲをステップ的に２段階に切り替えるだけなので、発電時間に応じて連続的に目標ＳＲを変化させる場合と比べてカソードガス流量の制御が容易となる。
【００７３】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、フラッディングを検出したときには目標ＳＲを増加させる点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００７４】
図９は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００７５】
本実施形態でも、第１実施形態と同様に、発電時間に応じて限界ＳＲに合わせて連続的に目標ＳＲを減少させる。このとき、燃料電池スタック１０には個体差がある一方で、限界ＳＲは実験等によって予め一律に定められたものなので、固体によっては予め定められた限界ＳＲと実際の限界ＳＲとの間でずれが生じる可能性がある。そのため、実際の限界ＳＲが予め定められた限界ＳＲよりも大きい値をとる可能性があり、目標ＳＲが限界ＳＲを下回ってしまう可能性がある。
【００７６】
そこで、本実施形態では、図９に示すように、目標ＳＲが実際の限界ＳＲを下回ったと判断できるとき、すなわちフラッディングが発生していると判定したときは、目標ＳＲを所定値だけ増加させる。そして、増加させた後は、その増加させた目標ＳＲを基準として予め定められた限界ＳＲの傾きに合わせて再び発電時間に応じて目標ＳＲを減少させていく。
【００７７】
なお、フラッディングが発生しているか否かは、以下のようにして判定することができる。すなわち、所定電圧以下となる単セル１１の近傍にある他の単セル１１の電圧が、前記所定電圧より大きい加湿過剰判定電圧より大きければフラッディングが発生していると判定できる。
【００７８】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、フラッディングが発生したときには、目標ＳＲの設定値を補正することができるので、より確実にフラッディングの発生を抑制できる。
【００７９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、所定時間が経過した後に複数回、同一の目標ＳＲでフラッディングが発生したときは、その目標ＳＲ又はその目標ＳＲを所定値だけ増加させた値を最終的な目標ＳＲとして設定する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００８０】
図１０は、本実施形態による発電時間と限界ＳＲ及び目標ＳＲとの関係を示した図である。
【００８１】
本実施形態でも、第１実施形態と同様に、発電時間に応じて限界ＳＲに合わせて連続的に目標ＳＲを減少させる。そして、フラッディングが発生していると判定したときは目標ＳＲを所定値だけ増加させる。このとき、所定時間が経過した後に複数回、同一の目標ＳＲでフラッディングが発生したときは、その目標ＳＲ又はその目標ＳＲを所定値だけ増加させた値を最終的な目標ＳＲとして設定する。
【００８２】
これにより、第１実施形態と同様の効果を得られるほか、固体ごとに限界ＳＲを把握することができ、その限界ＳＲを目標ＳＲとして設定することができる。そのため、フラッディングの発生を抑制できる必要最低限のカソードガスを供給できるので、より燃費の向上を図ることができる。
【００８３】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００８４】
例えば、上記各実施形態では燃料電池スタック１０の経時変化を表す指標として発電時間、発電量及び発電回数を用いたが、これまでの燃料電池スタック１０の運転時間がわかるものであればこれに限られるものではなく、燃料電池システム１の起動停止回数や発電に伴う潤滑回数、乾燥による収縮回数などを燃料電池スタック１０の経時変化を表す指標として用いても良い。
【００８５】
また、上記各実施形態では燃料電池スタック１０の経時変化に応じてカソードガスの流量を制御してフラッディングの発生を抑制していた。しかしながら、アノードガスの流量を制御してフラッディングの発生を抑制しても良いし、カソードガス及びアノードガスの双方の流量を制御してフラッディングの発生を抑制しても良い。このとき、アノードガス流量の減少幅（目標ＳＲの傾きの大きさ）は、カソードガス流量と同じでも良いし、異ならせても良い。
【００８６】
また、上記第１実施形態から第３実施形態では、目標ＳＲが限界ＳＲよりも少し大きい値をとるように設定したが、目標ＳＲと限界ＳＲとを同じにしてもかまわない。
【００８７】
また、発電時間、発電量及び発電回数の全てを考慮して精度良く燃料電池スタック１０の経時変化を求めても良い。
【符号の説明】
【００８８】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
Ｓ１ 目標発電電流算出手段
Ｓ２ 基本反応ガス流量算出手段
Ｓ１〜Ｓ４ 目標反応ガス流量算出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する目標反応ガス流量算出手段を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
運転状態に応じた目標発電電流を算出する目標発電電流算出手段と、
前記目標発電電流に応じた基本反応ガス流量を算出する基本反応ガス流量算出手段と、を含み、
フラッディングの発生を抑制するように、前記燃料電池の経時変化度合いに応じて前記基本反応ガス流量を増量補正して、その燃料電池に供給する目標反応ガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
前記燃料電池の経時変化度合いが大きくなるほど前記基本反応ガス流量の補正量を減少させる
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記基本反応ガス流量の補正量をステップ状に変化させる
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
フラッディングを検出したときは、前記基本反応ガス流量の補正量を増加させ、増加させた後はその増加させた補正量を再び前記燃料電池の経時変化度合いに応じて減少させる
ことを特徴とする請求項２から４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
フラッディングを検出したときの前記基本反応ガス流量の補正量が複数回同一値だった場合は、それ以降の補正量をその同一値に固定する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
前記燃料電池の経時変化度合に応じて１以上の値をとる目標ストイキレシオを算出する目標ストイキレシオ算出手段を含み、
前記基本反応ガス流量に前記目標ストイキレシオを乗じて前記反応ガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項２から６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記目標反応ガス流量算出手段は、前記燃料電池の総発電回数に基づいてその燃料電池の経時変化度合いを判断する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記目標反応ガス流量算出手段は、前記燃料電池の総発電量に基づいてその燃料電池の経時変化度合いを判断する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記目標反応ガス流量算出手段は、前記燃料電池の総発電時間に基づいてその燃料電池の経時変化度合いを判断する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
反応ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電電流に対してフラッディングが抑制できる目標反応ガス流量を、その燃料電池の経時変化度合に応じて算出する目標反応ガス流量算出手段を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
運転状態に応じた目標発電電流を算出する目標発電電流算出手段と、
前記目標発電電流に応じた基本反応ガス流量を算出する基本反応ガス流量算出手段と、を含み、
フラッディングの発生を抑制するように、前記燃料電池の経時変化度合いに応じて前記基本反応ガス流量を増量補正して、その燃料電池に供給する目標反応ガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
前記燃料電池の経時変化度合いが大きくなるほど前記基本反応ガス流量の補正量を減少させる
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記基本反応ガス流量の補正量をステップ状に変化させる
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
フラッディングを検出したときは、前記基本反応ガス流量の補正量を増加させ、増加させた後はその増加させた補正量を再び前記燃料電池の経時変化度合いに応じて減少させる
ことを特徴とする請求項２から４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
フラッディングを検出したときの前記基本反応ガス流量の補正量が複数回同一値だった場合は、それ以降の補正量をその同一値に固定する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記目標反応ガス流量算出手段は、
前記燃料電池の経時変化度合に応じて１以上の値をとる目標ストイキレシオを算出する目標ストイキレシオ算出手段を含み、
前記基本反応ガス流量に前記目標ストイキレシオを乗じて前記反応ガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項２から６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記目標反応ガス流量算出手段は、前記燃料電池の総発電回数に基づいてその燃料電池の経時変化度合いを判断する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記目標反応ガス流量算出手段は、前記燃料電池の総発電量に基づいてその燃料電池の経時変化度合いを判断する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記目標反応ガス流量算出手段は、前記燃料電池の総発電時間に基づいてその燃料電池の経時変化度合いを判断する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−４４３７６（Ｐ２０１１−４４３７６Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９２８６４（Ｐ２００９−１９２８６４）
【出願日】平成２１年８月２４日（２００９．８．２４）
【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２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２４日（２００９．８．２４）
【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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