JP2014082082A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】要求出力低下時の燃料電池スタックの内部水分量を適切に制御する。
【解決手段】アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システム１００であって、燃料電池１の目標内部水分量と実水分量とに基づいて、燃料電池１の内部水分量に影響を与えるパラメータを制御する定常時内部水分量制御手段（Ｓ５）と、燃料電池２の要求出力が低下するときは、定常時内部水分量制御手段により設定される燃料電池２の内部水分量に影響を与えるパラメータを、燃料電池２の内部水分量が増加するように補正する要求出力低下時補正手段（Ｓ３１，Ｓ３２）と、を備え、要求出力低下時補正手段が、燃料電池１の要求出力の低下量が小さい場合は、大きいときに比して燃料電池１の内部水分量の補正増加量を小さくする。
【選択図】図６

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの要求出力が低下したときに、燃料電池スタックの内部水分量が増加するように燃料電池システムを制御していた。これにより、燃料電池スタックの要求出力が低下したときに、燃料電池スタックの温度が高いことに起因する電解質膜の過乾燥を抑制していた（特許文献１参照）。

特開２００６−２８６４３６号公報

しかしながら、燃料電池スタックの要求出力の低下幅が小さいときに燃料電池スタックの内部水分量が増加するように燃料電池システムを制御すると、燃料電池スタック内部水分量が過剰になることがわかった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池スタックの要求出力が低下したときの燃料電池スタックの内部水分量を適切に制御することを目的とする。

本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、燃料電池の目標内部水分量と実水分量とに基づいて、前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを制御する定常時内部水分量制御手段と、燃料電池の要求出力が低下するときは、定常時内部水分量制御手段により設定される燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを、燃料電池の内部水分量が増加するように補正する要求出力低下時補正手段と、を備える。そして、その要求出力低下時補正手段が、燃料電池の要求出力の低下量が小さい場合は、大きいときに比して燃料電池の内部水分量の補正増加量を小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の要求出力の低下幅が小さいとき、すなわち燃料電池の温度低下幅が小さいときは、大きいときに比して要求出力低下時補正手段による内部水分量が増加するための補正量を小さくすることとした。これにより、燃料電池の要求出力が低下したときの燃料電池の内部水分量を適切に制御することができる。

本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 燃料電池スタックの要求出力電力が低下したときのスタック冷却水温の変化の様子を示した図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの内部水分量制御について説明するフローチャートである。 スタック冷却水温変動幅に基づいて、要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を算出するためのテーブルである。 スタック冷却水温変動幅とスタック流入冷却水温とに基づいて、要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を算出するための各マップである。 本発明の第３実施形態による燃料電池スタックの内部水分量制御について説明するフローチャートである。 燃料電池スタックの要求出力電力が低下したときの様子を示した図である。 燃料電池スタックの要求出力電力が低下したときの様子を示した図である。

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。

（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）とによって挟み、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。

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。

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。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、車両を駆動するために必要なモータ（図示せず）などの各種の電装部品に供給する。

アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、アノードガス排出通路２４と、アノードガス還流通路２５と、リサイクルコンプレッサ２６と、排出弁２７と、を備える。

高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路であって、一端が高圧タンク２１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔１１に接続される。

アノード調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２３は、コントローラ５によって開閉制御され、高圧タンク２１からアノードガス供給通路２２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが流れる通路であって、一端が燃料電池スタック１１のアノードガス出口孔１２に接続され、他端が開口端となっている。アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素などの不活性ガスと、の混合ガスである。

アノードガス還流通路２５は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻すための通路である。アノードガス還流通路２５は、一端が排出弁２７よりも上流側のアノードガス排出通路２４に接続され、他端がアノード調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に接続される。

リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス還流通路２５に設けられる。リサイクルコンプレッサ２６は、アノードガス排出通路２４に排出されたアノードオフガスを、アノードガス供給通路２２に戻す。

排出弁２７は、アノードガス排出通路２４とアノードガス還流通路２５との接続部よりも下流側のアノードガス排出通路２４に設けられる。排出弁２７は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードオフガスや凝縮水を燃料電池システム１００の外部へ排出する。

カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、カソードコンプレッサ３４と、エアフローセンサ３５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）３６と、ＷＲＤバイパス通路３７と、加湿制御弁と３８、圧力センサ３９と、カソード調圧弁４０と、を備える。

カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、一端がフィルタ３３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔１３に接続される。

カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔１４に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

フィルタ３３は、カソードガス供給通路３１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ３４は、カソードガス供給通路３１に設けられる。カソードコンプレッサ３４は、フィルタ３３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路３１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

エアフローセンサ３５は、カソードコンプレッサ３４よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。エアフローセンサ３５は、カソードガス供給通路３１を流れるカソードガスの流量（以下「カソード流量」という。）を検出する。

ＷＲＤ３６は、カソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガスを加湿する装置であって、加湿部３６１と除湿部３６２とを備える。

加湿部３６１は、エアフローセンサ３５よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。加湿部３６１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスを加湿する。

除湿部３６２は、カソードガス排出通路３２に設けられる。除湿部３６２は、カソードガス排出通路３２を流れるカソードオフガスを除湿し、回収した水蒸気を加湿部３６１に供給する。

ＷＲＤバイパス通路３７は、ＷＲＤ３６の加湿部３６１を迂回するように、カソードガス供給通路３１に接続される。

加湿制御弁３８は、ＷＲＤバイパス通路３７に設けられる。加湿制御弁３８は、コントローラ５によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの湿度（以下「カソード湿度」という。）を所望の湿度に調節する。

圧力センサ３９は、ＷＲＤ３６の加湿部３６１よりも下流のカソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ３９は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧」という。）を検出する。

カソード調圧弁４０は、ＷＲＤ３６の除湿部３６２よりも下流のカソードガス排出通路３２に設けられる。カソード調圧弁４０は、コントローラ５によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（カソード圧）を所望の圧力に調節する。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、冷却水循環ポンプ４５と、第１水温センサ４６と、第２水温センサ４７と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

冷却水循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

第１水温センサ４６は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４６は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。本実施形態では、スタック出口水温を燃料電池スタック１の温度として代用する。

第２水温センサ４７は、ラジエータ４６よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４７は、ラジエータで冷却されて燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。

コントローラ５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５には、前述したエアフローセンサ３５、圧力センサ３７、第１水温センサ４６及び第２水温センサ４７の他にも、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ５１や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ５２、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルストロークセンサ５３、外気温を検出する外気温センサ５４などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。

コントローラ５は、各種センサの検出信号に基づいて、車両を駆動するために必要な電力（以下「要求出力電力」という。）を算出し、カソード流量が少なくとも燃料電池スタック１の出力電力を要求出力電力にするために必要な流量を下回らないように、カソード流量を制御する。

また、コントローラ５は、燃料電池スタック１を効率良く発電させるために、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池の電解質膜が適度に加湿された所定の湿潤状態となるように、燃料電池スタック１の内部水分量を制御する。

ここで、電解質膜の湿潤状態は、燃料電池スタック１の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）（以下「内部抵抗」という。）と相関関係にあることが知られており、燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、アノードガス及びカソードガスの拡散が阻害され、出力電圧が低下する。

燃料電池スタック１の内部水分量は、電極反応によって発生する生成水量と、水蒸気となってカソードオフガスと共に燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量と、に応じて変化する。電極反応によって発生する生成水量は、燃料電池スタック１の出力電力が低いときほど少なくなる。水蒸気となって燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量は、カソード流量、カソード圧、カソード湿度及びスタック出口水温に応じて変化する。

具体的には、カソード流量が少なくなるほど、カソードオフガスと共に排出される水蒸気も少なくなるので、燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量は少なくなる。カソード圧が高くなるほど、また、スタック出口水温が低くなるほど、水蒸気となる生成水の割合が少なくなるので、燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量は少なくなる。カソード湿度が低くなるほど、もともとカソードガスに含まれる水蒸気が少なくなるので、燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量は少なくなる。

したがってコントローラ５は、燃料電池スタック１の内部抵抗が所定の内部抵抗となるように、基本的に要求出力電力に応じてカソード流量、カソード圧、カソード湿度及びスタック出口水温を制御して、電解質膜を適度に加湿された所定の湿潤状態に制御している。

しかしながら、要求出力電力に応じてカソード流量やカソード圧を制御すると、要求出力電力が低下した後の過渡時におきて、以下のような問題点が生じることが分かった。

図２は、例えばアクセルペダルが戻されて、燃料電池スタック１の要求出力電力が低下したときのスタック出口水温の変化の様子を示した図である。

図２に示すように、時刻ｔ１で要求出力電力が低下すると、スタック出口水温は、要求出力電力が低下する前（以下「負荷変動前」という。）の定常状態におけるスタック出口水温Ｔ１から要求出力電力が低下した後（以下「負荷変動後」という。）の定常状態におけるスタック出口水温Ｔ２へと徐々に変化する。

このとき、電解質膜を適度に加湿された所定の湿潤状態に制御するために、カソード流量やカソード圧なども同時に制御される。しかしながら、カソード流量やカソード圧の変化速度に比べて、スタック出口水温の変化速度は遅い。

要求出力電力の低下幅が大きい場合は、負荷変動前の定常状態におけるスタック出口水温Ｔ１と、負荷変動後の定常状態におけるスタック出口水温Ｔ２と、の差分（以下「スタック出口水温変動幅」という。）ΔＴ１が大きくなる。そうすると、スタック出口水温が負荷変動前の定常状態におけるスタック出口水温Ｔ１から負荷変動後の定常状態におけるスタック出口水温Ｔ２になるまでの間を過渡状態とすると、過渡状態の時間が長くなる。

したがって、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が大きい場合には、カソード流量やカソード圧が負荷変動後の最適値に制御されているにも関わらず、スタック出口水温のみが負荷変動後の最適値に対して一時的に高い状態が続くことになる。その結果、水蒸気となってカソードオフガスと共に燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量が一時的に多くなって燃料電池スタック１の内部水分量が減少し、一時的に燃料電池スタック１の内部が過乾燥状態となる。

一方で、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が小さい場合には、要求出力電力の低下によって電極反応によって発生する生成水量が減少するものの、カソード流量も低下するために、水蒸気となってカソードオフガスと共に燃料電池スタック１の外部に排出される生成水量が少なくなる。その結果、負荷変動前に燃料電池スタック１内の残留していた水分が排出されにくくなって、燃料電池スタック１の内部水分量が増加し、一時的に燃料電池スタック１の内部が過湿潤状態となる。

そこで本実施形態では、要求出力電力が低下した後の過渡状態のときは、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に応じて、カソード流量、カソード圧、カソード湿度及びスタック出口水温を制御することとした。以下、この本実施形態による燃料電池スタック１の内部水分量制御について説明する。

図３は、本実施形態による燃料電池スタック１の内部水分量制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ５は、第１水温センサ４６で検出したスタック出口水温など、各種センサの検出信号を読み込み、燃料電池システム１００の運転状態を検出する。

ステップＳ２において、コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、要求出力電力を算出する。

ステップＳ３において、コントローラ５は、要求出力電力が低下したか否かを判定する。具体的には、今回算出した要求出力電力（以下「要求出力電力今回値」という。）が、前回算出した要求出力電力（以下「要求出力電力前回値」という。）よりも小さいか否かを判定する。コントローラ５は、要求出力電力が低下していなければステップＳ４の処理を行う。一方で、要求出力電力が低下していればステップＳ６の処理を行う。

ステップＳ４において、コントローラ５は、要求出力電力低下後の過渡状態か否かを判定する。具体的には、過渡状態判定フラグが１に設定されているか否かを判定する。コントローラ５は、要求出力電力低下後の過渡状態であると判定したときはステップＳ１０の処理を行い、そうでなければステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ５において、コントローラ５は、カソード流量等を通常制御によって調整する。具体的には、燃料電池スタック１の実内部抵抗と目標内部抵抗とに基づいて、実内部抵抗が目標内部抵抗となるようにカソード流量、カソード圧及びスタック出口水温をフィードバック制御する。カソード流量及びカソード圧力は、カソードコンプレッサ３４及びカソード調圧弁４０を制御することで調整される。また、スタック出口水温は、冷却水循環ポンプ４５を制御することで調整される。

ステップＳ６において、コントローラ５は、過渡状態判定フラグを１に設定する。

ステップＳ７において、コントローラ５は、要求出力電力今回値に基づいて、推定スタック出口水温Ｔ２を算出する。推定スタック出口水温Ｔ２は、負荷変動後の定常状態におけるスタック出口水温のことであり、定常状態における出力電力とスタック出口水温との関係を予め実験等によって求めておき、マップとしてコントローラ５に記憶させておくことで、要求出力電力今回値に基づいて算出することができる。

ステップＳ８において、コントローラ５は、スタック出口水温の前回値Ｔ１と、推定スタック出口水温Ｔ２と、の差分、すなわちスタック出口水温変動幅ΔＴ１を算出する。スタック出口水温の前回値Ｔ２は、負荷変動前の定常状態におけるスタック出口水温のことである。

ステップＳ９において、コントローラ５は、図４の各テーブルを参照し、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及びスタック出口水温を制御する。図４については後述する。

ステップＳ１０において、コントローラ５は、スタック出口水温の今回値Ｔ３と、推定スタック出口水温Ｔ２と、の差分ΔＴ２を算出する。

ステップＳ１１において、コントローラ５は、スタック出口水温の今回値Ｔ３と推定スタック出口水温Ｔ２との差分ΔＴ２が、過渡状態終了判定値以下になったか否かを判定する。コントローラ５は、スタック出口水温の今回値Ｔ３と推定スタック出口水温Ｔ２との差分ΔＴ２が過渡状態終了判定値以下になっていれば、ステップＳ１２の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。過渡状態終了判定値は、カソード流量やカソード圧の応答速度等を考慮して予め定められる値である。

ステップＳ１２において、過渡状態判定フラグを０に設定し、過渡状態が終了したと判定する。

図４は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を算出するためのテーブルである。

図４（Ａ）は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、カソード流量を算出するテーブルである。

図４（Ａ）に示すように、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が所定の乾湿判定値より小さいときは、燃料電池スタック１の過湿潤を抑制するために、カソード流量を負荷変動後の定常時に設定される流量よりも多くする。一方で、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より大きいときは、燃料電池スタック１の過乾燥を抑制するために、カソード流量を負荷変動後の定常時に設定される流量よりも少なくする。乾湿判定値は、予め実験等によって定められる値である。

図４（Ｂ）は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、カソード圧を算出するテーブルである。

図４（Ｂ）に示すように、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より小さいときは、燃料電池スタック１の過湿潤を抑制するために、カソード圧を負荷変動後の定常時に設定される圧力よりも低くする。一方で、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より大きいときは、燃料電池スタック１の過乾燥を抑制するために、カソード圧を負荷変動後の定常時に設定される圧力よりも少なくする。

図４（Ｃ）は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、カソード湿度を算出するテーブルである。

図４（Ｃ）に示すように、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より小さいときは、燃料電池スタック１の過湿潤を抑制するために、カソード湿度を負荷変動後の定常時に設定される湿度よりも低くする。一方で、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より大きいときは、燃料電池スタック１の過乾燥を抑制するために、カソード湿度を負荷変動後の定常時に設定される湿度よりも少なくする。

図４（Ｄ）は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、冷却水流量を算出するテーブルである。

図４（Ｄ）に示すように、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より小さいときは、燃料電池スタック１の過湿潤を抑制するために、冷却水流量を負荷変動後の定常時に設定される流量よりも少なくする。一方で、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾湿判定値より大きいときは、燃料電池スタック１の過乾燥を抑制するために、冷却水流量を負荷変動後の定常時に設定される流量よりも多くする。

以上説明した本実施形態によれば、要求出力電力が低下した後の過渡状態のときは、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に応じてカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を制御することとした。

具体的には、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が所定の乾湿判定値よりも大きいときは、燃料電池スタックの過乾燥を抑制するために、負荷変動後の定常時よりも燃料電池スタック１の内部水分量が増加するようにカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を制御することとした。

一方で、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が所定の乾湿判定値以下のときは、燃料電池スタックの過湿潤を抑制するために、負荷変動後の定常時よりも燃料電池スタック１の内部水分量が低下するようにカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を制御することとした。

これにより、要求出力電力が低下した後の過渡状態における燃料電池スタック１の内部水分量を最適な状態に保つことができるので、燃料電池スタック１内部の過乾燥及び過湿潤を抑制することができる。

また、本実施形態では燃料電池スタック１の過乾燥を抑制する際に、電極反応による生成水量を増大させるために出力電力を一時的に増大させることもないので、不用な電力の発生を抑制することができる。さらに、このように不用な電力を発生させると、その電力をバッテリに充電させる必要があり、バッテリの充電率によっては過乾燥を抑制する制御自体を実施できなくなる。これに対して本実施形態では、バッテリの充電率に関わらず燃料電池スタック１の過乾燥を抑制することができる。

（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。本実施形態は、スタック出口水温に応じて乾湿判定値を補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１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。

燃料電池スタック１に流入する冷却水温（スタック入口水温）が高くなるほど、燃料電池スタック１の内部は乾燥する傾向となる。したがって、スタック入口水温が高くなると、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が第１実施形態で説明した所定の乾湿判定値よりも小さい場合であっても、燃料電池スタック１の内部水分量が減少してしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、スタック入口水温に応じて乾湿判定値を補正することとした。具体的には、スタック入口水温が高くなるほど、乾湿判定値が小さくなるように補正することとした。

図５は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１とスタック入口水温とに基づいて、要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を算出するための各マップである。本実施形態では、第１実施形態で説明した図３のフローチャートのステップＳ８において、このマップを参照して要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を算出する。

図５に示すように、各マップは、スタック入口水温が高くなるほど、乾湿判定値が小さくなるように作成されている。

以上説明した本実施形態によれば、要求出力電力が低下した後の過渡状態における燃料電池スタック１の内部水分量をより最適な状態に保つことができるので、燃料電池スタック１内部の過乾燥及び過湿潤を抑制することができる。

（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。本実施形態は、過渡時におけるカソード流量の制御方法が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図６は、本実施形態による燃料電池スタック１の内部水分量制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、コントローラ５は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値以上か否かを判定する。コントローラは、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値以上であればステップＳ３２の処理を行い、所定値未満であればステップＳ３３の処理を行う。

ステップＳ３２において、コントローラ５は、過乾燥対策を実施する。具体的には、過渡時におけるカソード流量を、ステップＳ５の通常制御によって設定されるカソード流量よりも少なくする。これは、要求出力電力の低下幅が大きく、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値以上になったときに、カソード流量を通常制御によって設定されるカソード流量に制御してしまうと、燃料電池スタック１の温度が高いままであることによる過乾燥が生じるおそれがあるためである。なお、過乾燥対策として、カソード流量のほかにもカソード圧、カソード湿度及びスタック出口水温を制御しても良い。

ステップＳ３３において、コントローラ５は、前述の過乾燥対策を制限する。具体的には、過渡時におけるカソード流量の減少量を、ステップＳ３２の場合よりも少なくする。つまり、このステップでは、過渡時におけるカソード流量を、ステップＳ５の通常制御によって設定されるカソード流量よりは少なくするものの、ステップＳ３２の過乾燥対策によって設定されるカソード流量よりは多くする。これは、要求出力電力の低下幅が小さく、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値未満のときに前述の過乾燥対策をそのまま実施すると、カソード流量が少なくなり過ぎて燃料電池スタック１内の水分が排出されにくくなり、フラッディングが生じるおそれがあるためである。過乾燥対策を制限する場合のカソード流量の減少量は、適合等によって求めれば良く、フラッディングを完全に防止するために、カソード流量を通常制御で設定されるカソード流量よりも多くしても良い。なお、スタップＳ３３において、前述の過乾燥対策を禁止することにしても良い。

図７及び図８は、本実施形態による燃料電池スタック１の内部水分量制御の動作について説明するタイムチャートである。なお、図７は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値以上になっているときの様子を示した図である。図８は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値未満になっているときの様子を示した図である。

図７及び図８に示すように、過渡時においては、カソード流量を定常時よりも少なくするが、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値未満の場合は、スタック出口水温変動幅ΔＴ１が乾燥判定値以上のときと比べて、カソード流量の減少量を少なくする。このようにすることでも、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１の過乾燥及び過湿潤を抑制することができる。

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。

例えば上記の各実施形態では、負荷変動後の要求出力電力に基づいて負荷変動後の定常状態におけるスタック出口水温（推定スタック出口水温）を算出していた。

しかしながら、推定スタック出口水温の算出方法はこのような方法に限られるものではなく、要求出力電力と外気温と基づいて算出しても良い。具体的には、要求出力電力が小さいときほど推定スタック冷却水温を小さくする。そして、外気温に応じてスタック入口水温が変化するので、外気温が低いときほど推定スタック冷却水温を小さくする。

また、上記の各実施形態では、負荷変動後の要求出力電力に基づいて負荷変動後の定常状態におけるスタック出口水温（推定スタック出口水温）を算出し、負荷変動前のスタック出口水温から推定スタック出口水温を引くことでスタック出口水温変動幅ΔＴ１を算出していた。そして、スタック出口水温変動幅ΔＴ１に基づいて、要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を制御していた。

しかしながら、このような方法に限られるものではなく、要求出力電力の変動幅に基づいて、要求出力電力が低下した後の過渡時におけるカソード流量、カソード圧、カソード湿度及び冷却水流量を直接制御しても良い。

また、上記の各実施形態では、要求出力電力が低下した後の過渡状態が終了したか否かの判定を、スタック出口水温の今回値と推定スタック出口水温との差分が、過渡状態終了判定値以下になったか否かで判定していた。

しかしながら、過渡状態が終了したか否かの判定は、このような方法に限られるものではなく、例えば、要求出力電力が低下してから所定時間経過後に終了したと判定しても良い。また、所定時間をスタック出口水温変動幅ΔＴ１や要求出力電力の変動幅に応じて変更しても良い。

また、上記の各実施形態では、ＷＲＤバイパス通路３７をカソードガス供給通路３１に設けたが、ＷＲＤ３６の除湿部３６２を迂回するようにカソードガス排出通路３２に設けても良い。

また、第２実施形態では、乾湿判定値をスタック入口水温に基づいて補正していたが、これに限られるものではない。スタック入口水温は、ラジエータによって外気温と同等の温度まで冷却される。したがって、スタック入口水温の代わりに外気温に基づいて乾湿判定値を補正して良い。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１００ 燃料電池システム
Ｓ６ 推定温度算出手段
Ｓ８ 内部水分量制御手段

Claims (9)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の目標内部水分量と実水分量とに基づいて、前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを制御する定常時内部水分量制御手段と、
   前記燃料電池の要求出力が低下するときは、前記定常時内部水分量制御手段により設定される前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを、前記燃料電池の内部水分量が増加するように補正する要求出力低下時補正手段と、
   を備え、
   前記要求出力低下時補正手段は、
   前記燃料電池の要求出力の低下量が小さい場合は、大きいときに比して前記燃料電池の内部水分量の補正増加量を小さくする、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の要求出力が低下したときに、要求出力低下後の定常時における前記燃料電池の推定温度を算出する推定温度算出手段と、
   要求出力低下前の前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の推定温度と、の差分が所定値以下のときは、要求出力低下後の定常時よりも前記燃料電池の内部水分量が低下するように、前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを制御する内部水分量制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記内部水分量制御手段は、
   要求出力低下前の前記燃料電池の温度と、前記燃料電池の推定温度と、の差分が所定値より大きいときは、要求出力低下後の定常時よりも前記燃料電池の内部水分量が増加するように、前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを制御する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記内部水分量制御手段は、
   前記燃料電池に流入する冷却水温が低いときほど、前記所定値を小さくする、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記内部水分量制御手段は、
   外気温が低いときほど、前記所定値を小さくする、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記推定温度算出手段は、
   要求出力が小さいときほど、また、外気温が低いときほど、前記燃料電池の推定温度を低くする、
   ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータは、カソードガスの流量、カソードガスの圧力、カソードガスの湿度及び前記燃料電池の温度の少なくとも１つである、
   ことを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の温度は、前記燃料電池から排出される冷却水の温度である、
   ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の要求出力が低下したときのその要求出力の低下幅が所定値以下のときは、要求出力低下後の定常時よりも前記燃料電池の内部水分量が低下するように、前記燃料電池の内部水分量に影響を与えるパラメータを制御する内部水分量制御手段を備える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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