JP4982977B2

JP4982977B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4982977B2
Application number: JP2005194926A
Authority: JP
Inventors: 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-07-04
Also published as: JP2007012548A

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギー効率運転を可能とする燃料電池技術が注目されている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスと空気等の酸化剤ガスが電解質・電極触媒複合体に供給されるのに応じて電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。中でも、電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易である上に高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用の駆動動力源としての用途が期待されている。

ところで、上記のような燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜が破損することを防ぐために、燃料ガスと酸化剤ガスの差圧を制御する必要がある。このような背景から、従来の燃料電池システムは、加速時等の過渡運転時、燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサの流量制御が良好な運転条件に限定して燃料電池を運転することにより、酸化剤ガスの圧力を精度良く制御するようにしている（特許文献１を参照）。
特開２００４−１７８９９０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムによれば、コンプレッサの流量特性が時間によって変化する等の問題が発生した場合、酸化剤ガス圧力の制御の応答性が変化し、燃料電池の出力電圧が変化することがある。特に、燃料電池が車両の駆動動力源として利用されている場合には、車両加速時に酸化剤ガス圧力の上昇が遅れ、燃料電池の出力電圧が大幅に低下することによって、燃料電池が劣化したり、燃料電池の出力電圧がその他関係部品の動作電圧を下回ることによって車両の動作が不安定になることがある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、酸化剤ガス圧力の制御異常によって燃料電池の出力電圧が異常低下することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池が過渡運転状態にあると判定された場合、酸化剤ガスの圧力が上昇するのに応じて、酸化剤ガスの圧力目標値と酸化剤ガスの圧力値の差分値、差分値の積分値、差分値の積分値の移動平均値、ならびに差分値の変化率のいずれか１つに応じて燃料電池の電流出力を制限する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、酸化剤ガス圧力の制御異常が生じた際に燃料電池の出力電圧が異常低下することを防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１乃至第６の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図１に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１備える。なお、燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された電解質膜を備え、この実施形態では、電解質膜は、高エネルギー密度化，低コスト化，及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン（プロトン）伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。また、以下では、燃料電池スタック１の温度を所定温度範囲内に保つための冷却機構の構成についての説明及び図示は省略する。

〔燃料極〕Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク２及び圧力制御弁３を備え、水素タンク２から供給される水素の圧力を圧力制御弁３によって燃料電池スタック１の運転状態に適した圧力に調整した後、水素供給流路４を介して燃料電池スタック１の燃料極に水素を供給する。なお、燃料極に供給される水素の圧力は、圧力センサ１８により検出された水素圧力をフィードバックして圧力制御弁３を駆動することによって制御される。

燃料極で未使用の水素は、水素循環流路５及びエゼクタ６を介して燃料極の上流側へ循環される。水素循環流路５及びエゼクタ６を設けることにより、燃料極で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。なお、水素循環流路５及びエゼクタ６を介して燃料極に戻る水素の循環流路には、酸化剤極側からリークした空気中の窒素等の不純物ガス、或いは過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。

このため、燃料極の出口側には、水素排出流路７とこれを開閉するパージ弁８が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁８を短時間開き、不純物ガスや液水を系外へ排出するパージを行う。これにより、燃料極を含む水素の循環流路内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、外気を吸入して空気を圧送するコンプレッサ９と、マイクロダストや硫黄分，コンプレッサ９から排出されるオイル等をトラップするフィルタ１０、後述する凝縮器１３から供給される水分を利用して空気を加湿する膜加湿器等の加湿器１１とを備え、コンプレッサ９から圧送された空気はフィルタ１０によって清浄化された後に加湿器１１により加湿され、加湿された空気は空気供給流路１２を介して燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される。

また、燃料電池スタック１の酸化剤極出口側には、酸化剤極から排出された空気内に含まれる水分を凝縮して加湿器１１に供給する凝縮器１３と、凝縮器１３から排出された空気を圧力調整した後に空気排出流路１４を介して系外に排出する圧力制御弁１５が設けられている。なお、酸化剤極に供給される空気の圧力は、圧力センサ１９により検出された空気圧力をフィードバックして圧力制御弁１５を駆動することによって制御される。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、車両のアクセル開度を検出する開度センサ（図示せず）と、システムの外気温を検出する外気温センサ（図示せず）と、燃料電池スタック１を構成する燃料電池の電圧（セル電圧）を検出するセル電圧センサ１６と、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ１７と、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を検出する圧力センサ１８と、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する圧力センサ１９と、空気排出流路１４中の水素濃度を検出する水素センサ２０と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ２１とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ２１は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成され、ＣＰＵがプログラムＲＯＭ内に記憶された制御プログラムを実行することにより各種機能を実現する。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ２１が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この出力制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について説明する。

［出力制御処理］
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、コントローラ２１が、開度センサ等の各種センサの検出結果を読み込む。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、コントローラ２１が、アクセル開度から求まる要求出力（電流）と現在の出力（電流）の差分値を算出し、差分値が所定値以上であるか否かを判別することにより過渡運転状態であるか否かを判別する。そして、判別の結果、差分値が所定値以上でない場合、コントローラ２１は、燃料電池スタック１は過渡運転状態にはないと判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻し、以下の通常の運転動作を実行することにより運転者のアクセル操作に応じた出力を車両に供給する。

具体的には、通常動作時、コントローラ２１は、要求出力に基づいて燃料電池スタック１に供給すべき水素量及び空気量を算出し、算出結果に基づいて水素及び空気を圧力制御して燃料電池スタック１に供給する。なお、水素及び空気の圧力は図３に示すように運転負荷（要求出力）に比例して大きくなるように制御される。また、コントローラ２１は、セル電圧センサ１６によりセル電圧を検出し、セル電圧が平均セル電圧値から所定値（例えば０．２［Ｖ］）以上低下した場合、又は平均セル電圧が所定幅（例えば０．１［Ｖ］）以上低下した場合には、パージ弁８を開放して水素循環流路５内及び燃料電池スタック１内の水素と共に不純物を系外に排出することにより、セル電圧を回復させる。

なお、一般的なセル電圧の低下は、図４に示すような運転負荷と平均セル電圧の関係を示すテーブルデータを予め記憶しておき、このテーブルデータを参照して現在の運転負荷に対応する平均セル電圧を算出し、算出された平均セル電圧を現在の温度に従って補正し、補正された平均セル電圧をセル電圧センサ１６により検出されたセル電圧と比較することにより判定することができる。一方、燃料電池スタック１の劣化等による比較的長周期なセル電圧の低下は、上記テーブルデータから求められる平均セル電圧を学習処理によって補正することにより判定することができる。

一方、上記ステップＳ２の処理において、差分値が所定値以上であると判別された場合、コントローラ２１は、燃料電池スタック１は過渡運転状態にあると判断し、制御処理をステップＳ３の処理に進める。ステップＳ３の処理では、コントローラ２１は、圧力センサ１９によって燃料電池スタック１に供給されている空気の圧力を検出し、図５に示すような空気圧力とスタック電流の関係を示すテーブルデータを参照して、実際の空気圧力に応じたスタック電流値（出力電流値）を算出し、算出されたスタック電流値で発電するように燃料電池スタック１の出力電流を制限する。具体的には、目標電流はアクセル開度に応じて決まり、空気の目標圧力は目標電流に応じて決まるが、実際の空気圧力は、図６（ａ）に示す時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ２の間のように、目標圧力に対して遅れを有することがある。そして、この時に燃料電池スタック１の出力電流を目標電流に近づけていくと、燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下してしまう。

従って、実際の空気圧力が目標圧力に対して遅れを有する場合、コントローラ２１は、燃料電池スタック１は過渡運転状態にあると判定し、過渡運転状態においては図５に示すテーブルデータから求められるスタック電流値で発電するように燃料電池スタック１の出力電流を制限する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、燃料電池スタック１に実際に供給されている空気の圧力に応じて燃料電池スタック１の出力電流を制限するので、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、空気の圧力が上昇する過渡運転状態において燃料電池スタック１の出力を制限することとしたが、これは、通常運転動作中に空気の圧力が乱れた時に燃料電池スタック１の出力電流を変化させた場合には、運転者に違和感を与える可能性があるためである。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ２１が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図７に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について説明する。

［出力制御処理］
図７に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ１１の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップＳ１１，Ｓ１２の処理は上記ステップＳ１，２の処理と同じであるので、以下ではステップＳ１３の処理から説明を始める。

ステップＳ１３の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１が過渡運転状態にあると判断し、圧力センサ１９によって燃料電池スタック１に供給されている空気の圧力を検出する。そして、コントローラ１２は、目標電流に応じた目標運転圧力値と圧力センサ１９により検出された圧力値の差分値を算出する。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ１４の処理に進む。

ステップＳ１４の処理では、コントローラ２１が、図８に示すような差分値とスタック電流制限値の関係を示すテーブルデータを参照してステップＳ１３の処理により算出された差分値に対応するスタック電流制限値を算出し、目標電流値から算出されたスタック電流制限値を減算した値を発電するように燃料電池スタック１の出力電流を制限する。これにより、ステップＳ１４の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ１１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、燃料電池スタック１に実際に供給されている空気の圧力と目標運転圧力値の差に応じて燃料電池スタック１の出力電流を制限するので、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。

図９（ａ）に示すように、空気圧力が正常時と比較して低下し、圧力上昇が遅れた場合、燃料電池スタック１の出力電圧は図９（ｃ）に示すような挙動を示す。すなわち、空気圧力は図９（ｂ）に示す時刻Ｔ＝Ｔ３において正常値と同じ値まで復帰するが、この時、燃料電池スタック１の出力電圧は正常値より低い値になっている。このことから、燃料電池スタック１の運転圧力の履歴はその後の出力電圧の挙動に影響を与えることがわかる。

そこで、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムは、コントローラ２１が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図１０に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について説明する。なお、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有する。

［出力制御処理］
図１０に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ２１の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップＳ２１，Ｓ２２の処理は上記ステップＳ１，２の処理と同じであるので、以下ではステップＳ２３の処理から説明を始める。

ステップＳ２３の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１が過渡運転状態にあると判断し、圧力センサ１９によって燃料電池スタック１に供給されている空気の圧力を検出する。そして、コントローラ１２は、目標電流に応じた目標運転圧力値と圧力センサ１９により検出された圧力値の差分値を算出し、差分値を積分した値をメモリに格納する。これにより、ステップＳ２３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ２４の処理に進む。

ステップＳ２４の処理では、コントローラ２１が、図１１に示すような積分値とスタック電流制限値の関係を示すテーブルデータを参照してステップＳ２３の処理により算出された積分値に対応するスタック電流制限値を算出し、目標電流値から算出されたスタック電流制限値を減算した値を発電するように燃料電池スタック１の出力電流を制限する。これにより、ステップＳ２４の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ２１の処理に戻る。

ステップＳ２５の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にないと判断し、メモリに記憶されてる積分値をクリアする。これにより、ステップＳ２５の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ２１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、燃料電池スタック１に実際に供給されている空気の圧力と目標運転圧力値の差の積分値に応じて燃料電池スタック１の出力電流を制限するので、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。

本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ２１が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図１２に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について説明する。

［出力制御処理］
図１２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ３１の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップＳ３１，Ｓ３２の処理は上記ステップＳ１，２の処理と同じであるので、以下ではステップＳ３３の処理から説明を始める。

ステップＳ３３の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にあると判断し、圧力センサ１９によって燃料電池スタック１に供給されている空気の圧力を検出する。そして、コントローラ１２は、目標電流に応じた目標運転圧力値と圧力センサ１９により検出された圧力値の差分値を算出し、差分値を積分した値の移動平均値をメモリに格納する。これにより、ステップＳ３３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ３４の処理に進む。

ステップＳ３４の処理では、コントローラ２１が、図１３に示すような移動平均値とスタック電流制限値の関係を示すテーブルデータを参照してステップＳ３３の処理により算出された移動平均値に対応するスタック電流制限値を算出し、目標電流値から算出されたスタック電流制限値を減算した値を発電するように燃料電池スタック１の出力電流を制限する。これにより、ステップＳ３４の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ３１の処理に戻る。

ステップＳ３５の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にないと判断し、メモリに記憶されてる移動平均値をクリアする。これにより、ステップＳ３５の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ３１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、燃料電池スタック１に実際に供給されている空気の圧力と目標運転圧力値の差の積分値の移動平均値に応じて燃料電池スタック１の出力電流を制限し、積分値の増加割合が増えた場合に電流制限値を多くすると共に、燃料電池スタックの圧力の履歴まで考慮しているので、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。

本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ２１が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図１４に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について説明する。

［出力制御処理］
図１４に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ４１の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップＳ４１，Ｓ４２の処理は上記ステップＳ１，２の処理と同じであるので、以下ではステップＳ４３の処理から説明を始める。

ステップＳ４３の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にあると判断し、圧力センサ１９によって燃料電池スタック１に供給されている空気の圧力を検出する。そして、コントローラ１２は、目標電流に応じた目標運転圧力値と圧力センサ１９により検出された圧力値の差分値を算出し、差分値の変化率をメモリに格納する。これにより、ステップＳ４３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ４４の処理に進む。

ステップＳ４４の処理では、コントローラ２１が、図１５に示すような変化率とスタック電流制限値の関係を示すテーブルデータを参照してステップＳ４３の処理により算出された変化率に対応するスタック電流制限値を算出し、目標電流値から算出されたスタック電流制限値を減算した値を発電するように燃料電池スタック１の出力電流を制限する。これにより、ステップＳ４４の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ４１の処理に戻る。

ステップＳ４５の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にないと判断し、メモリに記憶されてる変化率をクリアする。これにより、ステップＳ４５の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ４１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、燃料電池スタック１に実際に供給されている空気の圧力と目標運転圧力値の差の変化率に応じて燃料電池スタック１の出力電流を制限し、圧力差が生じた場合にすぐに電流制限を掛けることができるので、応答の速い出力制限が掛けられ、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。

本発明の第６の実施形態となる燃料電池システムは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、コントローラ２１が以下に示す出力制御処理を実行することにより、空気圧力の制御異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が異常低下することを防止する。以下、図１６に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について説明する。

［出力制御処理］
図１６に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ５１の処理に進む。なお、この制御処理は、燃料電池システムが起動した後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。また、この実施形態では、過渡運転状態として車両が加速状態にある場合において出力制御処理が実行されるものとする。また、ステップＳ５１，Ｓ５２の処理は上記ステップＳ１，２の処理と同じであるので、以下ではステップＳ５３の処理から説明を始める。

ステップＳ５３の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にはないと判断し、図１７に示すような目標電流値と通常運転時及び過渡運転時の目標運転圧の関係を示すマップデータから目標電流値に対応する通常運転時の目標運転圧を読み出す。そして、コントローラ２１は、読み出された目標運転圧になるように燃料電池スタック１に供給されるガスの圧力を制御する。これにより、ステップＳ５３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ５１の処理に戻る。

ステップＳ５４の処理では、コントローラ２１が、燃料電池スタック１は過渡運転状態にあると判断し、図１７に示すような目標電流値と通常運転時及び過渡運転時の目標運転圧の関係を示すマップデータから目標電流値に対応する過渡運転時の目標運転圧を読み出す。そして、コントローラ２１は、読み出された目標運転圧になるように燃料電池スタック１に供給されるガスの圧力を制御する。なお、図１７に示すマップデータは、過渡運転時の目標運転圧の方が通常運転時の目標運転圧より高くなるように設定されている。これにより、ステップＳ５４の処理は完了し、この制御処理はステップＳ５１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、過渡運転時、過渡運転時の用の目標運転圧になるように燃料電池スタック１に供給されるガスの圧力を制御するので、この結果、図１８に示すように実圧力の上昇は通常運転時よりも速くなり、応答の速い出力制限が掛けられ、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池スタック１の出力電圧が大幅に低下することはなく、燃料電池システムの運転を安定して継続し、燃料電池システムの実用性を大幅に向上させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。運転負荷に対する運転圧力の関係を示す図である。運転負荷に対する平均セル電圧の関係を示す図である。運転圧力に対するスタック電流の関係を示す図である。時間変化に伴う目標運転圧力と実運転圧力の変化，過渡判定結果，及び目標電流と実電流の変化の様子を示す図である。本発明の第２の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。目標運転圧と実運転圧の差分値に対するスタック電流制限値の関係を示す図である。正常時及び異常時における運転圧力の時間変化，過渡判定結果，スタック電圧の時間変化，及び積分値の時間変化の様子を示す図である。本発明の第３の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。圧力差の積分値に対するスタック電流制限値の関係を示す図である。本発明の第４の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。圧力差の積分値の移動平均値に対するスタック電流制限値の関係を示す図である。本発明の第５の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。圧力差の変化率に対するスタック電流制限値の関係を示す図である。本発明の第６の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。通常運転時及び過渡運転時における目標電流に対する目標運転圧の関係を示す図である。通常運転時及び過渡運転時における運転圧力の時間変化及び過渡判定結果の様子を示す図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：水素タンク
３，１５：圧力制御弁
４：水素供給流路
５：水素循環流路
６：エゼクタ
７：水素排出流路
８：パージ弁
９：コンプレッサ
１０：フィルタ
１１：加湿器
１２：空気供給流路
１３：凝縮器
１４：空気排出流路
１６：セル電圧センサ
１７：温度センサ
１８，１９：圧力センサ
２０：水素センサ
２１：コントローラ

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池システムは車両に搭載され、当該車両が加速状態であるか否かを判別することにより前記燃料電池が過渡運転状態にあるか否かを判定する過渡運転状態判定手段と、
前記過渡運転状態判定手段により前記燃料電池が過渡運転状態にあると判定された場合、前記圧力検出手段により検出される酸化剤ガスの圧力が上昇するのに応じて燃料電池の電流出力を制限する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記酸化剤ガスの圧力目標値と前記圧力検出手段により検出された酸化剤ガスの圧力値の差分値を算出し、当該差分値、当該差分値の積分値、当該差分値の積分値の移動平均値、ならびに当該差分値の変化率のいずれか１つに応じて燃料電池の電流出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。