WO2013105590A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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fuel cell
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internal resistance
cathode gas
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要介 冨田
池添　圭吾
文雄 各務
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Nissan Motor Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • JP 2006-286436A includes a conventional fuel cell system that controls the wet state of an electrolyte membrane to a desired wet state by controlling the flow rate and pressure of cathode gas supplied to the fuel cell.
  • the voltage drop occurs when the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell becomes smaller than the flow rate required to make the output power of the fuel cell the target output power. Needs to be made larger than necessary, so that the power consumption of the cathode compressor increases and the fuel consumption deteriorates.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of accurately estimating the cathode gas flow rate.
  • a cathode gas supply unit that supplies a cathode gas to a fuel cell
  • a cathode pressure detection unit that detects the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell
  • a fuel cell that detects the temperature of the fuel cell
  • a temperature detection unit an internal resistance detection unit that detects internal resistance of the fuel cell
  • a target cathode flow rate calculation unit that calculates a target cathode flow rate that needs to be supplied to the fuel cell based on the operating state of the fuel cell system
  • Cathode gas supply based on the cathode flow rate estimation unit that estimates the cathode gas flow rate according to the cathode gas pressure, the fuel cell temperature, and the internal resistance of the fuel cell, and the target cathode flow rate and the estimated cathode gas flow rate
  • a cathode flow rate control unit for controlling the unit.
  • FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the cathode flow rate necessary for maintaining the internal resistance of the fuel cell stack at a certain value in accordance with the stack inlet humidity RHc of the cathode gas.
  • FIG. 3 is a diagram showing the cathode flow rate when the cathode pressure, the stack temperature, and the atmospheric humidity each show a certain value according to the stack inlet humidity RHc of the cathode gas.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a method for estimating the cathode flow rate based on the cathode pressure, the stack temperature, and the internal resistance.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the wetting control of the electrolyte membrane when the actual internal resistance is larger than the target internal resistance.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the wetting control of the electrolyte membrane when the actual internal resistance is larger than the target internal resistance.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the wet state of the electrolyte membrane and the internal resistance.
  • FIG. 8 is a map for estimating the cathode flow rate based on the rotational speed of the cathode compressor and the differential pressure across the cathode compressor.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the wetting control of the electrolyte membrane when the actual internal resistance is smaller than the target internal resistance.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the wetting control of the electrolyte membrane when the actual internal resistance is smaller than the target internal resistance.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining control for controlling the wetting of the electrolyte membrane according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart for explaining the electrolyte membrane wetting control process.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating control of the cathode compressor according to the second embodiment of the present invention.
  • an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • Anode electrode 2H 2 ⁇ 4H + + 4e ⁇ (1)
  • Cathode electrode 4H + + 4e ⁇ + O 2 ⁇ 2H 2 O (2)
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, an anode gas supply / discharge device 2, a cathode gas supply / discharge device 3, a stack cooling device 4, and a controller 5.
  • the fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of fuel cells.
  • the fuel cell stack 1 generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and a motor (not shown) required to drive the generated electric power. Supplied to various electrical components such as
  • the anode gas supply / discharge device 2 includes a high pressure tank 21, an anode gas supply passage 22, an anode pressure regulating valve 23, an anode gas discharge passage 24, an anode gas recirculation passage 25, a recycle compressor 26, a discharge valve 27, Is provided.
  • the high-pressure tank 21 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high-pressure state.
  • the anode gas supply passage 22 is a passage through which the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows. One end of the anode gas supply passage 22 is connected to the high-pressure tank 21 and the other end is connected to the anode gas inlet hole 11 of the fuel cell stack 1.
  • the anode pressure regulating valve 23 is provided in the anode gas supply passage 22.
  • the anode pressure regulating valve 23 is controlled to be opened and closed by the controller 5 and adjusts the pressure of the anode gas flowing out from the high-pressure tank 21 to the anode gas supply passage 22 to a desired pressure.
  • the anode gas discharge passage 24 is a passage through which the anode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the anode gas discharge passage 24 is connected to the anode gas outlet hole 12 of the fuel cell stack 11 and the other end is an open end.
  • the anode off gas is a mixed gas of excess anode gas that has not been used in the electrode reaction and an inert gas such as nitrogen that has leaked from the cathode side.
  • the anode gas recirculation passage 25 is a passage for returning the anode off gas discharged to the anode gas discharge passage 24 to the anode gas supply passage 22.
  • One end of the anode gas recirculation passage 25 is connected to the anode gas discharge passage 24 upstream of the discharge valve 27, and the other end is connected to the anode gas supply passage 22 downstream of the anode pressure regulating valve 23.
  • the recycle compressor 26 is provided in the anode gas recirculation passage 25.
  • the recycle compressor 26 returns the anode off gas discharged to the anode gas discharge passage 24 to the anode gas supply passage 22.
  • the exhaust valve 27 is provided in the anode gas discharge passage 24 on the downstream side of the connection portion between the anode gas discharge passage 24 and the anode gas recirculation passage 25.
  • the discharge valve 27 is controlled to be opened and closed by the controller 5, and discharges anode off gas and condensed water to the outside of the fuel cell system 100.
  • the cathode gas supply / discharge device 3 includes a cathode gas supply passage 31, a cathode gas discharge passage 32, a filter 33, a cathode compressor 34, an air flow sensor 35, and a water recovery device (Water ⁇ Recovery Device; hereinafter referred to as “WRD”). ) 36, a cathode pressure regulating valve 37, a first pressure sensor 38, and a second pressure sensor 39.
  • a cathode gas supply passage 31 includes a cathode gas supply passage 31, a cathode gas discharge passage 32, a filter 33, a cathode compressor 34, an air flow sensor 35, and a water recovery device (Water ⁇ Recovery Device; hereinafter referred to as “WRD”).
  • WDD Water ⁇ Recovery Device
  • the cathode gas supply passage 31 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows.
  • the cathode gas supply passage 31 has one end connected to the filter 33 and the other end connected to the cathode gas inlet hole 13 of the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas discharge passage 32 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas discharge passage 32 is connected to the cathode gas outlet hole 14 of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end.
  • the cathode off gas is a mixed gas of the cathode gas and water vapor generated by the electrode reaction.
  • the filter 33 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 31.
  • the cathode compressor 34 is provided in the cathode gas supply passage 31.
  • the cathode compressor 34 takes air (outside air) as cathode gas into the cathode gas supply passage 31 through the filter 33 and supplies the air to the fuel cell stack 1.
  • the air flow sensor 35 is provided in the cathode gas supply passage 31 downstream of the cathode compressor 34.
  • the air flow sensor 35 detects the flow rate of the cathode gas flowing through the cathode gas supply passage 31 (hereinafter referred to as “cathode flow rate”).
  • the WRD 36 is a device that collects moisture in the cathode off-gas and humidifies the cathode gas with the collected moisture, and includes a humidifying unit 361 and a dehumidifying unit 362.
  • the humidification unit 361 is provided in the cathode gas supply passage 31 downstream of the air flow sensor 35.
  • the humidification unit 361 humidifies the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the dehumidifying part 362 is provided in the cathode gas discharge passage 32.
  • the dehumidifying unit 362 dehumidifies the cathode off gas flowing through the cathode gas discharge passage 32 and supplies the recovered water vapor to the humidifying unit 361.
  • the cathode pressure regulating valve 37 is provided in the cathode gas discharge passage 32 downstream of the dehumidifying part 362 of the WRD 36.
  • the cathode pressure regulating valve 37 is controlled to be opened and closed by the controller 5 and adjusts the pressure of the cathode gas (cathode pressure) supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.
  • the first pressure sensor 38 is provided in the cathode supply passage 31 upstream of the cathode compressor 34, and detects the pressure of the cathode gas.
  • the second pressure sensor 39 is provided in the cathode gas supply passage 31 downstream of the humidifying part 361 of the WRD 36.
  • the pressure sensor 39 detects the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “cathode pressure”).
  • the stack cooling device 4 is a device that cools the fuel cell stack 1 and maintains the fuel cell stack 1 at a temperature suitable for power generation.
  • the stack cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a radiator 42, a bypass passage 43, a three-way valve 44, a cooling water circulation pump 45, and a water temperature sensor 46.
  • the cooling water circulation passage 41 is a passage through which cooling water for cooling the fuel cell stack 11 circulates.
  • the radiator 42 is provided in the cooling water circulation passage 41.
  • the radiator 42 cools the cooling water discharged from the fuel cell stack 1.
  • the bypass passage 43 has one end connected to the cooling water circulation passage 41 and the other end connected to the three-way valve 44 so that the cooling water can be circulated by bypassing the radiator 42.
  • the three-way valve 44 is provided in the cooling water circulation passage 41 on the downstream side of the radiator 42.
  • the three-way valve 44 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the temperature of the cooling water is relatively high, the cooling water circulation path is such that the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 is supplied again to the fuel cell stack 1 via the radiator 42. Switch. On the contrary, when the temperature of the cooling water is relatively low, the cooling water discharged from the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 flows through the bypass passage 43 without passing through the radiator 42 and is again returned to the fuel cell stack 1. The cooling water circulation path is switched so as to be supplied.
  • the cooling water circulation pump 45 is provided in the cooling water circulation passage 41 on the downstream side of the three-way valve 44 and circulates the cooling water.
  • the water temperature sensor 46 is provided in the cooling water circulation passage 41 on the upstream side of the radiator 42.
  • the water temperature sensor 46 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “stack temperature”).
  • the controller 5 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • the controller 5 includes a current sensor 51 that detects the output current of the fuel cell stack 1, and the fuel cell stack 1 Signals from various sensors necessary for controlling the fuel cell system 100 such as a voltage sensor 52 for detecting the output voltage of the engine and an accelerator stroke sensor 53 for detecting the depression amount of the accelerator pedal are input.
  • the controller 5 calculates electric power (hereinafter referred to as “required output power”) necessary for driving the vehicle based on detection signals of these various sensors.
  • the controller 5 sets the cathode flow rate, the cathode flow rate, and the cathode flow rate so that the electrolyte membrane of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is appropriately humidified.
  • the internal moisture content of the fuel cell stack 1 is controlled by controlling the pressure and the stack temperature.
  • the wet state of the electrolyte membrane is known to correlate with the internal high frequency resistance (HFR) of the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “internal resistance”).
  • HFR high frequency resistance
  • internal resistance increases and the output voltage of the fuel cell stack 1 decreases.
  • the controller 5 controls the internal water content of the fuel cell stack 1 by controlling the cathode flow rate, the cathode pressure, and the stack temperature so that the internal resistance of the fuel cell stack 1 becomes a predetermined target internal resistance. is doing.
  • the cathode compressor 34 in order to improve the fuel consumption of the fuel cell system 100, it is desirable to operate the cathode compressor 34 at a low speed by reducing the cathode flow rate as much as possible.
  • the cathode flow rate it is necessary that at least the output power of the fuel cell stack 1 is not lower than the minimum required flow rate (hereinafter referred to as “minimum cathode flow rate”) in order to obtain the required output power. Therefore, when the internal resistance of the fuel cell stack 1 is converged to the target internal resistance, the cathode pressure and the stack temperature must be controlled after the cathode flow rate is lowered to the minimum cathode flow rate.
  • the cathode flow rate detection accuracy by the air flow sensor 35 tends to decrease as the cathode flow rate decreases, when the cathode flow rate is lowered to the lowest cathode flow rate, the cathode flow rate can actually be lowered to the lowest cathode flow rate. There wasn't. That is, there is a problem that the cathode flow rate can be lowered only to a flow rate with a sufficient margin added to the minimum cathode flow rate, and the fuel consumption deteriorates.
  • the cathode flow rate is accurately estimated, and the cathode compressor 34 is controlled so that the estimated cathode flow rate does not fall below the minimum cathode flow rate, and the cathode resistance is set to the target internal resistance as necessary. Control pressure and stack temperature.
  • FIG. 2 is a diagram showing the cathode flow rate required to maintain the internal resistance of the fuel cell stack 1 at a certain value according to the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • the cathode flow rate required to maintain the internal resistance at a certain value increases as the stack inlet humidity of the cathode gas increases. Further, when the stack inlet humidity of the cathode gas is the same, the required cathode flow rate is increased when the internal resistance is maintained at a high value.
  • the electrolyte membrane gets wet as the stack inlet humidity of the cathode gas increases, and in order to maintain the internal resistance at a constant value, the cathode flow rate is correspondingly increased as the stack inlet humidity increases. This is because the electrolyte membrane needs to be increased and dried.
  • FIG. 3 is a diagram showing the cathode flow rate when the cathode pressure, the stack temperature, and the atmospheric humidity each show a certain value according to the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • the lower the cathode flow rate the higher the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • the higher the cathode pressure, the lower the stack temperature, and the higher the atmospheric humidity the higher the stack inlet humidity of the cathode gas. That is, as the parameters of the cathode pressure, the stack temperature, and the atmospheric humidity change in the direction of increasing the internal moisture content of the fuel cell stack 1, the stack inlet humidity of the cathode gas increases.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method for estimating the cathode flow rate based on the cathode pressure, the stack temperature, and the internal resistance.
  • each of the cathode pressure, the stack temperature, and the internal resistance is detected, but the atmospheric humidity is not detected.
  • a solid line A1 shown in FIG. 4 can be drawn by obtaining the relationship of FIG.
  • a solid line A1 is a line indicating the cathode flow rate estimated from the detected current internal resistance (hereinafter referred to as “real internal resistance”) according to the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • the solid line B1 is a line showing the cathode flow rate estimated from the detected cathode pressure and the stack temperature when the atmospheric humidity is assumed to be 0% according to the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • a solid line B2 indicates a cathode flow rate estimated from the detected cathode pressure and the stack temperature when the atmospheric humidity is assumed to be 100% in accordance with the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • the actual cathode flow rate (hereinafter referred to as “actual cathode flow rate”) is at least the cathode flow rate (hereinafter referred to as “actual cathode flow rate lower limit value”) at the intersection C1 between the solid line A1 and the solid line B1, and the solid line A1 and the solid line B2.
  • the cathode flow rate at the intersection C2 (hereinafter referred to as “the actual cathode flow rate upper limit value”).
  • the cathode compressor 34 is controlled so that the lower limit value of the actual cathode flow rate does not fall below the minimum cathode flow rate, at least the actual cathode flow rate does not fall below the minimum cathode flow rate.
  • the lower limit value of the actual cathode flow rate is basically set as the estimated value of the cathode flow rate, and the internal resistance is adjusted as necessary while controlling the cathode compressor 34 so that the lower limit value of the actual cathode flow rate does not fall below the minimum cathode flow rate.
  • the cathode pressure and the stack temperature are controlled to achieve the target internal resistance.
  • FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams for explaining the wetting control of the electrolyte membrane when the actual internal resistance is larger than the target internal resistance.
  • a solid line A2 indicates a cathode flow rate necessary for maintaining the internal resistance at the target internal resistance in accordance with the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • the solid line A1 is a line showing the cathode flow rate estimated from the detected current internal resistance (hereinafter referred to as “actual internal resistance”) in accordance with the stack inlet humidity of the cathode gas, as in FIG. .
  • the solid line B1 shows the cathode flow rate estimated from the detected cathode pressure and the stack temperature when the atmospheric humidity is assumed to be 0%, according to the stack inlet humidity of the cathode gas. is there.
  • target cathode flow rate lower limit the cathode flow rate at the intersection C3 between the solid line A2 and the solid line B1 is equal to or higher than the minimum cathode flow rate.
  • the actual internal resistance can be converged to the target internal resistance by controlling the cathode compressor 34 such that the cathode flow rate is reduced by the difference between the actual cathode flow rate lower limit value and the target cathode flow rate lower limit value.
  • the cathode flow rate when the target cathode flow rate lower limit value is smaller than the minimum cathode flow rate, the cathode flow rate cannot be reduced to the target cathode flow rate lower limit value, and can only be reduced to the minimum cathode flow rate. . This is because if the cathode flow rate is decreased to the target cathode flow rate lower limit value when the target cathode flow rate lower limit value is smaller than the minimum cathode flow rate, the output power becomes lower than the required output power.
  • the cathode compressor 34 after controlling the cathode compressor 34 so that the sword flow rate is decreased by the difference between the actual cathode flow rate lower limit value and the minimum cathode flow rate, one or both of the cathode pressure and the stack temperature are controlled.
  • the internal resistance is converged to the target internal resistance.
  • the solid line B1 is moved to the solid line B1 ', and the internal resistance is converged to the target internal resistance.
  • the solid line B1 ' is a line at which the cathode flow rate at the intersection C4 with the solid line A2 is the lowest cathode flow rate.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the wet state of the electrolyte membrane and the internal resistance.
  • the internal resistance of the fuel cell stack 1 varies depending on the wet state of the electrolyte membrane, and becomes higher as the electrolyte membrane is dried.
  • the electrolyte membrane has a low degree of wetness, that is, when the electrolyte membrane is relatively dry, the change width of the internal resistance that changes in response to the change in the wet state of the electrolyte membrane becomes large.
  • the electrolyte membrane is highly wet, that is, when the electrolyte membrane is relatively wet, the change width of the internal resistance when the wet state of the electrolyte membrane changes is small.
  • the cathode flow rate is estimated based on the cathode pressure, the stack temperature, and the actual internal resistance when the electrolyte membrane is relatively wet and the actual internal resistance is small, the estimation accuracy may be reduced.
  • the cathode flow rate is exceptionally referred to the map of FIG. 8 based on the rotational speed of the cathode compressor 34 and the differential pressure across the cathode compressor 34. Is estimated.
  • FIG. 8 is a map for estimating the cathode flow rate based on the rotational speed of the cathode compressor 34 and the differential pressure across the cathode compressor 34.
  • FIG. 9 and FIG. 10 are diagrams for explaining the wetting control of the electrolyte membrane when the actual internal resistance is smaller than the target internal resistance.
  • the solid line A2 is a line indicating the cathode flow rate necessary for maintaining the internal resistance at the target internal resistance in accordance with the stack inlet humidity of the cathode gas, as in FIG. Similarly to FIG. 4, when the atmospheric humidity is assumed to be 0%, the cathode flow rate estimated from the detected cathode pressure and the stack temperature is a line corresponding to the stack inlet humidity of the cathode gas.
  • an estimated value of the cathode flow rate (hereinafter referred to as an estimated value based on the minimum cathode flow rate, the rotational speed of the cathode compressor 34, and the differential pressure across the cathode 34).
  • the cathode compressor 34 is controlled such that the cathode flow rate is increased by the difference between the “cathode flow rate estimated value”. Thereafter, the cathode pressure is increased or the stack temperature is lowered to move the solid line B1 to the solid line B1 ', thereby converging the internal resistance to the target internal resistance.
  • the cathode compressor 34 is set so that the cathode flow rate increases by the difference between the minimum cathode flow rate and the estimated cathode flow rate. Control. Thereafter, by lowering the cathode pressure or raising the stack temperature, the solid line B1 is moved to the solid line B1 ', and the internal resistance is converged to the target internal resistance.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining the wetting control of the electrolyte membrane according to the present embodiment.
  • step S1 the controller 5 reads the detection signals of various sensors and detects the operating state of the fuel cell system 100.
  • step S2 the controller 5 calculates the required output power based on the operating state of the fuel cell system 100.
  • step S3 the controller 5 calculates the minimum cathode flow rate based on the required output power.
  • the minimum cathode flow rate decreases as the required output power decreases.
  • step S4 the controller 5 detects the actual internal resistance of the fuel cell stack 1.
  • a DC / DC converter (not shown) is controlled to superimpose an alternating current on the output current of the fuel cell stack 1, and the voltage value of the fuel cell stack 11 at that time is detected by a voltage sensor. . Then, the voltage amplitude of the superimposed alternating current is calculated based on the voltage value, and the internal resistance of the fuel cell is calculated by dividing the voltage amplitude by the current amplitude of the superimposed alternating current.
  • step S5 the controller 5 calculates the actual cathode flow rate lower limit value based on the cathode pressure, the stack temperature, and the actual internal resistance.
  • step S6 the controller 5 calculates a target cathode flow rate lower limit value based on the cathode pressure, the stack temperature, and a predetermined target internal resistance set in advance.
  • step S7 the controller 5 determines whether the actual internal resistance is equal to the target internal resistance. Specifically, if the absolute value of the difference between the actual internal resistance and the target internal resistance is within a predetermined value, it is determined that the actual internal resistance and the target internal resistance are equal. If the actual internal resistance is equal to the target internal resistance, the controller 5 ends the current process. On the other hand, if the actual internal resistance is not equal to the target internal resistance, the process of step S8 is performed.
  • step S8 the controller 5 performs a wetness control process for the electrolyte membrane. Details of the electrolyte membrane wetting control process will be described later with reference to FIG.
  • FIG. 12 is a flowchart for explaining the electrolyte membrane wetting control process.
  • step S81 the controller 5 determines whether or not the actual internal resistance is larger than the target internal resistance. If the actual internal resistance is greater than the target internal resistance, the controller 5 performs the process of step S82. On the other hand, if the actual internal resistance is smaller than the target internal resistance, the process of step S86 is performed.
  • step S82 the controller 5 determines whether or not the target cathode flow rate lower limit is equal to or higher than the minimum cathode flow rate. If the target cathode flow rate lower limit is equal to or greater than the minimum cathode flow rate, the controller 5 performs the process of step S83. On the other hand, if the target cathode flow rate lower limit is smaller than the minimum cathode flow rate, the process of step S84 is performed.
  • step S83 the controller 5 controls the cathode compressor 34 so that the cathode flow rate is reduced by the difference amount between the actual cathode flow rate lower limit value and the target cathode flow rate lower limit value. As a result, the internal resistance is converged to the target internal resistance (see FIG. 5).
  • step S84 the controller 5 controls the cathode compressor 34 so that the cathode flow rate is reduced by the difference between the actual cathode flow rate lower limit value and the minimum cathode flow rate (see FIG. 6).
  • step S85 the controller 5 controls one or both of the cathode pressure and the stack temperature so that the internal resistance becomes the target internal resistance. Specifically, the cathode pressure is increased when the cathode pressure is controlled, and the stack temperature is decreased when the stack temperature is controlled. Thereby, the internal resistance is converged to the target internal resistance (see FIG. 6).
  • step S86 the controller 5 refers to the map of FIG. 9 and calculates a cathode flow rate estimated value based on the rotational speed of the cathode compressor 34 and the differential pressure across the cathode compressor 34.
  • step S87 the controller 5 controls the cathode compressor 34 so that the cathode flow rate is increased by the difference between the minimum cathode flow rate and the estimated cathode flow rate (see FIGS. 8 and 9).
  • step S88 the controller 5 determines whether or not the minimum cathode flow rate is larger than the target cathode flow rate lower limit value. If the minimum cathode flow rate is larger than the target cathode flow rate lower limit value, the controller 5 performs the process of step S89. On the other hand, if the minimum cathode gas flow rate is smaller than the target cathode flow rate, the process of step S90 is performed.
  • step S89 the controller 5 controls one or both of the cathode pressure and the stack temperature so that the internal resistance becomes the target internal resistance. Specifically, the cathode pressure is increased when the cathode pressure is controlled, and the stack temperature is decreased when the stack temperature is controlled (see FIG. 8).
  • step S90 the controller 5 controls one or both of the cathode pressure and the stack temperature so that the internal resistance becomes the target internal resistance. Specifically, the cathode pressure is lowered when controlling the cathode pressure, and the stack temperature is raised when controlling the stack temperature (see FIG. 9).
  • the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 When control is performed so that the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 does not fall below the minimum cathode flow rate, the cathode flow rate is only increased up to a flow rate obtained by adding a sufficient margin to the minimum cathode flow rate due to the detection accuracy of the air flow sensor 35. I could n’t lower it.
  • the current cathode flow rate that takes the lowest value that is, the actual cathode flow rate lower limit value is calculated. Is the estimated value of the cathode flow rate.
  • the cathode flow rate can be accurately estimated, so that the cathode flow rate is closer to the minimum cathode flow rate than when the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 is controlled so as not to fall below the minimum cathode flow rate. Can be lowered. Therefore, since the cathode compressor 34 can be operated at a low rotation, the fuel consumption of the fuel cell system 100 can be improved.
  • the internal resistance is reduced as necessary while controlling the cathode compressor 34 so that the lower limit value of the actual cathode flow rate does not fall below the minimum cathode flow rate determined according to the operation state of the fuel cell system 100.
  • the cathode pressure and stack temperature were controlled to achieve the target internal resistance.
  • the wet state of the electrolyte membrane can be maintained in an optimum state, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 can be improved.
  • the internal resistance of the fuel cell stack 1 is larger than a predetermined value, there is a risk that the estimation accuracy when the cathode flow rate is estimated based on the cathode pressure, the stack temperature, and the internal resistance may be reduced. Is to estimate the cathode flow rate based on the rotational speed of the cathode compressor 34 and the differential pressure across it.
  • the estimation accuracy of the cathode flow rate can be maintained, so that the cathode flow rate can be reliably prevented from falling below the minimum cathode flow rate, and the cathode compressor 34 can be operated at a low rotation speed.
  • the fuel efficiency of the battery system 100 can be improved.
  • the cathode compressor 34 is feedback-controlled using the estimated cathode flow rate instead of the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35.
  • the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those in the first embodiment described above, and repeated descriptions are omitted as appropriate.
  • the cathode flow rate detection accuracy by the air flow sensor 35 tends to decrease as the cathode flow rate decreases.
  • the cathode compressor 34 is fed back using the estimated cathode flow rate in a region where the accuracy of cathode flow rate detection by the air flow sensor 35 decreases, that is, in a region where the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 is less than a predetermined amount. Control.
  • the estimated cathode flow rate and the target value of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “target cathode flow rate”).
  • Feedback control of the cathode compressor 34 is performed so that the estimated cathode flow rate becomes the target cathode flow rate.
  • the cathode flow rate detected by the airflow sensor 35 is equal to or larger than a predetermined amount, the cathode flow rate is detected so that the detected cathode flow rate becomes the target cathode flow rate based on the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 and the target cathode flow rate.
  • the compressor 34 is feedback-controlled.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating the control of the cathode compressor 34 according to the present embodiment.
  • step S21 the controller 5 calculates a target cathode flow rate based on the operating state of the fuel cell system 100.
  • the target cathode flow rate is a flow rate that can prevent flooding while satisfying the target output power.
  • step S22 the controller 5 sets the actual cathode flow rate lower limit calculated based on the cathode pressure, the stack temperature, and the actual internal resistance as the estimated value of the cathode flow rate.
  • step S23 the controller 5 determines whether or not the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 is less than a predetermined amount. If the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 is less than the predetermined amount, the controller 5 performs the process of step S24. On the other hand, if the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 is greater than or equal to a predetermined amount, the process of step S25 is performed.
  • step S24 the controller 5 feedback-controls the cathode compressor 34 based on the estimated value of the cathode flow rate and the target cathode flow rate so that the estimated value of the cathode flow rate becomes the target cathode flow rate.
  • step S25 the controller 5 feedback-controls the cathode compressor 34 based on the cathode flow rate and the target cathode flow rate detected by the air flow sensor 35 so that the detected cathode flow rate becomes the target cathode flow rate.
  • the cathode compressor 34 is set to the target cathode flow rate using the estimated cathode flow rate with higher accuracy instead of the cathode flow rate detected by the air flow sensor 35.
  • the cathode compressor 34 can be operated at a low speed, and the fuel cell system 100 fuel efficiency can be improved.
  • the estimation accuracy when the cathode flow rate is estimated based on the cathode pressure, the stack temperature, and the actual internal resistance when the actual internal resistance is relatively small, the estimation accuracy may be reduced.
  • the cathode flow rate was estimated according to the operating state of the cathode compressor 34.
  • the minimum cathode flow rate is corrected to be higher, and the cathode flow rate is estimated based on the cathode pressure, stack temperature, and actual internal resistance regardless of the size of the actual internal resistance. good. By doing so, even if the estimation accuracy of the cathode flow rate is somewhat deteriorated, it is possible to suppress the actual cathode flow rate from being lower than the minimum cathode flow rate, and as a result, it is possible to prevent the power generation efficiency from being deteriorated.
  • the cathode flow rate is estimated based on the cathode pressure, the stack temperature, and the actual internal resistance, assuming that the atmospheric humidity is 0%.
  • the estimated cathode flow rate may be corrected according to the detected value of the humidity sensor. Specifically, correction may be made so that the estimated cathode flow rate increases as the atmospheric humidity increases. Thereby, the cathode flow rate can be estimated with higher accuracy.
  • the wetting control of the electrolyte membrane may be performed only in a region where the detection accuracy of the airflow sensor 35 is low.

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Abstract

　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は、燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を検出するカソード圧検出部と、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部と、燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出部と、燃料電池システムの運転状態に基づいて、燃料電池に供給する必要のある目標カソード流量を算出する目標カソード流量算出手段と、カソードガスの圧力、燃料電池の温度及び燃料電池の内部抵抗に応じて、カソードガスの流量を推定するカソード流量推定手段と、目標カソード流量と推定したカソードガスの流量とに基づいて、カソードガス供給部を制御するカソード流量制御部と、を備える。

Description

燃料電池システム
　本発明は燃料電池システムに関する。
　ＪＰ２００６－２８６４３６Ａには、従来の燃料電池システムとして、燃料電池に供給するカソードガスの流量や圧力を制御することで、電解質膜の湿潤状態を所望の湿潤状態に制御するものがある。
　燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電力が目標出力電力となるように、また、フラッディングを防止するために、燃料電池に供給するカソードガスの流量を要求に応じて精度良く制御する必要がある。しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、カソードガスの流量を検出するエアフローセンサのばらつきによって、カソードガスの流量を制御する際の精度が悪く、カソードガスの流量を目標値に精度良く制御できなかった。
　そうすると、例えば、燃料電池に供給されるカソードガスの流量が、燃料電池の出力電力を目標出力電力にするために必要な流量よりも少なくなると電圧落ちが生じるため、安全のために流量の目標値を必要以上に大きくする必要があるので、カソードコンプレッサの消費電力が増加して燃費が悪化する。
　また、燃料電池に供給されるカソードガスの流量が、フラッデジングを防止するために必要な流量よりも少なくなったときも電圧落ちが生じるため、上記の同様の理由によって燃費が悪化する。
　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、カソードガス流量を精度良く推定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
　本発明のある態様によれば、燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を検出するカソード圧検出部と、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部と、燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出部と、燃料電池システムの運転状態に基づいて、燃料電池に供給する必要のある目標カソード流量を算出する目標カソード流量算出部と、カソードガスの圧力、燃料電池の温度及び燃料電池の内部抵抗に応じて、カソードガスの流量を推定するカソード流量推定部と、目標カソード流量と推定したカソードガスの流量とに基づいて、カソードガス供給部を制御するカソード流量制御部と、を備える燃料電池システムが提供される。
　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１は、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。 図２は、燃料電池スタックの内部抵抗をある一定の値に維持するために必要なカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度ＲＨｃに応じて示した図である。 図３は、カソード圧、スタック温度及び大気湿度のそれぞれがある一定の値を示しているときのカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度ＲＨｃに応じて示した図である。 図４は、カソード圧、スタック温度及び内部抵抗に基づいて、カソード流量を推定する方法について説明する図である。 図５は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも大きいときの電解質膜の湿潤制御について説明する図である。 図６は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも大きいときの電解質膜の湿潤制御について説明する図である。 図７は、電解質膜の湿潤状態と内部抵抗との関係を示した図である。 図８は、カソードコンプレッサの回転速度とカソードコンプレッサの前後差圧とに基づいてカソード流量を推定するマップである。 図９は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも小さいときの電解質膜の湿潤制御について説明する図である。 図１０は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも小さいときの電解質膜の湿潤制御について説明する図である。 図１１は、本発明の第１実施形態による電解質膜の湿潤制御制御について説明するフローチャートである。 図１２は、電解質膜の湿潤制御処理について説明するフローチャートである。 図１３は、本発明の第２実施形態によるカソードコンプレッサの制御について説明するフローチャートである。
　（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、本発明の一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、カソード調圧弁３７と、第１圧力センサ３８と、第２圧力センサ３９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。
　カソード調圧弁３７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３７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。
　第１圧力センサ３８は、カソードコンプレッサ３４よりも上流のカソード供給通路３１に設けられ、カソードガスの圧力を検出する。
　第２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。
　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、水温センサ４６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。
　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。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「スタック温度」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、第１圧力センサ３８、第２圧力センサ３９及び水温センサ４６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、これら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、カソード流量、カソード圧及びスタック温度を制御して燃料電池スタック１の内部水分量を制御する。
　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、燃料電池スタック１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スタック１の出力電圧が低下する。一方、燃料電池スタック１の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池スタック１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。したがって、コントローラ５は、燃料電池スタック１の内部抵抗が予め定められた所定の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温度を制御して燃料電池スタック１の内部水分量を制御している。
　ここで、燃料電池システム１００の燃費を向上させるためには、できるだけカソード流量を少なくしてカソードコンプレッサ３４を低回転で運転させることが望ましい。
　しかしながら、カソード流量に関しては、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最低限必要な流量（以下「最低カソード流量」という。）を下回らないようにする必要がある。したがって、燃料電池スタック１の内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させるときに、カソード流量を最低カソード流量まで下げた後、カソード圧やスタック温度を制御しなければならない状況になることがある。
　ところが、エアフローセンサ３５によるカソード流量の検出精度は、カソード流量が少なくなるほど低下する傾向にあるため、カソード流量を最低カソード流量まで下げるときに、実際にはカソード流量を最低カソード流量まで下げることができなかった。つまり、最低カソード流量に対して十分にマージンを加えた流量までしかカソード流量を下げることができず、燃費が悪化するという問題点があった。
　そこで本実施形態では、カソード流量を精度良く推定し、推定したカソード流量が最低カソード流量を下回らないようにカソードコンプレッサ３４を制御しつつ、必要に応じて内部抵抗を目標内部抵抗にするためにカソード圧及びスタック温度を制御する。
　以下では、図２から図４を参照して、本実施形態によるカソード流量の推定方法について説明する。
　図２は、燃料電池スタック１の内部抵抗をある一定の値に維持するために必要なカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した図である。
　図２に示すように、内部抵抗をある一定の値に維持するために必要なカソード流量は、カソードガスのスタック入口湿度が高くなるほど多くなる。また、カソードガスのスタック入口湿度が同じ場合は、内部抵抗を高い値に維持するときのほうが必要なカソード流量が多くなる。
　これは、カソードガスのスタック入口湿度が高くなるほど電解質膜を湿らせることになるためであり、内部抵抗を一定の値に維持するためには、スタック入口湿度が高くになるにつれてその分カソード流量を増加させて電解質膜を乾燥させる必要があるためである。
　図３は、カソード圧、スタック温度及び大気湿度のそれぞれがある一定の値を示しているときのカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した図である。
　図３に示すように、カソード流量が少なくなるほど、カソードガスのスタック入口湿度は高くなる。また、カソード流量が同じ場合は、カソード圧が高いときほど、スタック温度が低いときほど、また、大気湿度が高いときほど、カソードガスのスタック入口湿度は高くなる。つまり、カソード圧、スタック温度及び大気湿度の各パラメータが燃料電池スタック１の内部水分量を増加させる方向に変化するほど、カソードガスのスタック入口湿度は高くなる。
　これは、カソードオフガス中の水分によって燃料電池スタック１に供給するカソードガスを加湿するというＷＲＤ３６の特性によるものである。
　図４は、カソード圧、スタック温度及び内部抵抗に基づいて、カソード流量を推定する方法について説明する図である。
　本実施形態では、カソード圧、スタック温度及び内部抵抗のそれぞれを検出しているが、大気湿度については検出していない。
　ここで、内部抵抗が分かれば、予め実験等で前述した図２の関係を求めておくことで、図４に示す実線Ａ１を描くことができる。実線Ａ１は、検出した現在の内部抵抗（以下「実内部抵抗」という。）から推定されるカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。
　また、カソード圧及びスタック温度が分かれば、大気湿度が分からなくても、予め実験等で前述した図３の関係を求めておくことで、図４に示す大気湿度が０％と仮定したときの実線Ｂ１と、大気湿度が１００％と仮定したときの実線Ｂ２と、を描くことができる。
　実線Ｂ１は、大気湿度が０％と仮定したときに、検出したカソード圧とスタック温度とから推定されるカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。実線Ｂ２は、大気湿度が１００％と仮定したときに、検出したカソード圧とスタック温度とから推定されるカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。
　そうすると、実際のカソード流量（以下「実カソード流量」という。）は、少なくとも実線Ａ１と実線Ｂ１との交点Ｃ１におけるカソード流量（以下「実カソード流量下限値」という。）と、実線Ａ１と実線Ｂ２との交点Ｃ２におけるカソード流量（以下「実カソード流量上限値」という。）と、の間にあると推定することができる。
　したがって、実カソード流量下限値が最低カソード流量を下回らないようにカソードコンプレッサ３４を制御すれば、少なくとも実カソード流量が最低カソード流量を下回ることはない。
　そこで本実施形態では、基本的に実カソード流量下限値をカソード流量の推定値とし、実カソード流量下限値が最低カソード流量を下回らないようにカソードコンプレッサ３４を制御しつつ、必要に応じて内部抵抗を目標内部抵抗にするためにカソード圧及びスタック温度を制御する。
　次に、図５から図９を参照して、内部抵抗を目標内部抵抗にする電解質膜の湿潤制御について説明する。
　図５及び図６は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも大きいときの電解質膜の湿潤制御について説明する図である。
　図５及び図６において、実線Ａ２は、内部抵抗を目標内部抵抗に維持するために必要なカソード流量をカソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。なお、実線Ａ１は、図４と同様に、検出した現在の内部抵抗（以下「実内部抵抗」という。）から推定されるカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。実線Ｂ１は、図４と同様に、大気湿度が０％と仮定したときに、検出したカソード圧とスタック温度とから推定されるカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。
　図５に示すように、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも高く、実線Ａ２と実線Ｂ１との交点Ｃ３におけるカソード流量（以下「目標カソード流量下限値」という。）が最低カソード流量以上のときは、実カソード流量下限値と目標カソード流量下限値との差分量だけカソード流量が減少するようにカソードコンプレッサ３４を制御することで、実内部抵抗を目標内部抵抗に収束させることができる。
　しかしながら、図６に示すように、目標カソード流量下限値が最低カソード流量よりも小さいときは、カソード流量を目標カソード流量下限値まで減少させることができず、最低カソード流量までしか減少させることができない。目標カソード流量下限値が最低カソード流量よりも小さいときにカソード流量を目標カソード流量下限値まで減少させると、出力電力が要求出力電力を下回ってしまうからである。
　そこでこのような場合には、実カソード流量下限値と最低カソード流量との差分量だけソード流量が減少するようにカソードコンプレッサ３４を制御した後、カソード圧及びスタック温度の一方又は双方を制御することで、内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させる。具体的には、カソード圧を高くし、又はスタック温度を下げることで実線Ｂ１を実線Ｂ１’まで移動させ、内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させる。実線Ｂ１’は、実線Ａ２との交点Ｃ４におけるカソード流量が最低カソード流量となる線である。
　続いて、図７から図１０を参照して、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも小さいときの電解質膜の湿潤制御について説明する。
　図７は、電解質膜の湿潤状態と内部抵抗との関係を示した図である。
　図７に示すように、燃料電池スタック１の内部抵抗は、電解質膜の湿潤状態によって変化し、電解質膜が乾いた状態のときほど高くなる。そして、電解質膜の湿潤度が低いとき、すなわち電解質膜が相対的に乾燥しているときのほうが、電解質膜の湿潤状態の変化に対応して変化する内部抵抗の変化幅が大きくなる。逆に、電解質膜の湿潤度が高い場合、すなわち電解質膜が相対的に湿っている場合は、電解質膜の湿潤状態が変化したときの内部抵抗の変化幅が小さくなる。
　そのため、電解質膜が相対的に湿っていて、実内部抵抗が小さいときにカソード圧、スタック温度及び実内部抵抗に基づいてカソード流量を推定すると、その推定精度が低下するおそれがある。
　そこで本実施形態では、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも小さいときは、例外的に図８のマップを参照し、カソードコンプレッサ３４の回転速度とカソードコンプレッサ３４の前後差圧とに基づいてカソード流量を推定する。
　図８は、カソードコンプレッサ３４の回転速度とカソードコンプレッサ３４の前後差圧とに基づいてカソード流量を推定するマップである。
　図８に示すように、カソードコンプレッサ３４の回転速度が高くなるほど、また、カソードコンプレッサ３４の前後差圧が大きくなるほど、カソード流量推定値は大きくなる。
　図９及び図１０は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも小さいときの電解質膜の湿潤制御について説明する図である。
　図９及び図１０において、実線Ａ２は図５と同様に、内部抵抗を目標内部抵抗に維持するために必要なカソード流量をカソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である、実線Ｂ１は図４と同様に、大気湿度が０％と仮定したときに、検出したカソード圧とスタック温度とから推定されるカソード流量を、カソードガスのスタック入口湿度に応じて示した線である。
　図９に示すように、最低カソード流量が目標カソード流量下限値よりも大きいときは、最低カソード流量と、カソードコンプレッサ３４の回転速度と前後差圧とに基づいて推定したカソード流量の推定値（以下「カソード流量推定値」という。）と、の差分量だけカソード流量が増加するように、カソードコンプレッサ３４を制御する。その後、カソード圧を高くし、又はスタック温度を下げることで実線Ｂ１を実線Ｂ１’まで移動させ、内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させる。
　一方、図１０に示すように、最低カソード流量が目標カソード流量下限値よりも小さいときは、最低カソード流量と、カソード流量推定値と、の差分量だけカソード流量が増加するようにカソードコンプレッサ３４を制御する。その後、カソード圧を低くし、又はスタック温度を上げることで実線Ｂ１を実線Ｂ１’まで移動させ、内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させる。
　以下、本実施形態による電解質膜の湿潤制御について説明する。
　図１１は、本実施形態による電解質膜の湿潤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、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の運転状態に基づいて、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、要求出力電力に基づいて、最低カソード流量を算出する。最低カソード流量は、要求出力電力が小さくなるほど少なくなる。
　ステップＳ４において、コントローラ５は、燃料電池スタック１の実内部抵抗を検出する。具体的には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）などを制御して燃料電池スタック１の出力電流に交流電流を重畳し、そのときの燃料電池スタック１１の電圧値を電圧センサによって検出する。そして、その電圧値に基づいて重畳した交流電流の電圧振幅を演算し、その電圧振幅を重畳した交流電流の電流振幅で割ることで燃料電池の内部抵抗を演算する。
　ステップＳ５において、コントローラ５は、カソード圧、スタック温度及び実内部抵抗に基づいて、実カソード流量下限値を算出する。
　ステップＳ６において、コントローラ５は、カソード圧、スタック温度及び予め設定されている所定の目標内部抵抗に基づいて、目標カソード流量下限値を算出する。
　ステップＳ７において、コントローラ５は、実内部抵抗と目標内部抵抗とが等しいかを判定する。具体的には、実内部抵抗と目標内部抵抗との差分の絶対値が所定値以内であれば、実内部抵抗と目標内部抵抗とが等しいと判定する。コントローラ５は、実内部抵抗と目標内部抵抗とが等しければ、今回の処理を終了する。一方で、実内部抵抗と目標内部抵抗とが等しくなければ、ステップＳ８の処理を行う。
　ステップＳ８において、コントローラ５は、電解質膜の湿潤制御処理を実施する。電解質膜の湿潤制御処理の詳細については、図１２を参照して後述する。
　図１２は、電解質膜の湿潤制御処理について説明するフローチャートである。
　ステップＳ８１において、コントローラ５は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも大きいか否かを判定する。コントローラ５は、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも大きければステップＳ８２の処理を行う。一方で、実内部抵抗が目標内部抵抗よりも小さければステップＳ８６の処理を行う。
　ステップＳ８２において、コントローラ５は、目標カソード流量下限値が最低カソード流量以上か否かを判定する。コントローラ５は、目標カソード流量下限値が最低カソード流量以上であれば、ステップＳ８３の処理を行う。一方で、目標カソード流量下限値が最低カソード流量より小さければ、ステップＳ８４の処理を行う。
　ステップＳ８３において、コントローラ５は、実カソード流量下限値と目標カソード流量下限値との差分量だけカソード流量が減少するように、カソードコンプレッサ３４を制御する。これにより、内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させる（図５参照）。
　ステップＳ８４において、コントローラ５は、実カソード流量下限値と最低カソード流量との差分量だけカソード流量が減少するように、カソードコンプレッサ３４を制御する（図６参照）。
　ステップＳ８５において、コントローラ５は、内部抵抗が目標内部抵抗となるように、カソード圧及びスタック温度の一方又は双方を制御する。具体的には、カソード圧を制御する場合にはカソード圧を高くし、スタック温度を制御するときはスタック温度を低くする。これにより、内部抵抗を目標内部抵抗へと収束させる（図６参照）。
　ステップＳ８６において、コントローラ５は、図９のマップを参照し、カソードコンプレッサ３４の回転速度と、カソードコンプレッサ３４の前後差圧と、に基づいてカソード流量推定値を算出する。
　ステップＳ８７において、コントローラ５は、最低カソード流量とカソード流量推定値との差分量だけカソード流量が増加するように、カソードコンプレッサ３４を制御する（図８及び図９参照）。
　ステップＳ８８において、コントローラ５は、最低カソード流量が目標カソード流量下限値よりも大きいか否かを判定する。コントローラ５は、最低カソード流量が目標カソード流量下限値よりも大きければ、ステップＳ８９の処理を行う。一方で、最低カソードガス流量が目標カソード流量よりも小さければ、ステップＳ９０の処理を行う。
　ステップＳ８９において、コントローラ５は、内部抵抗が目標内部抵抗となるように、カソード圧及びスタック温度の一方又は双方を制御する。具体的には、カソード圧を制御する場合にはカソード圧を高くし、スタック温度を制御するときはスタック温度を低くする（図８参照）。
　ステップＳ９０において、コントローラ５は、内部抵抗が目標内部抵抗となるように、カソード圧及びスタック温度の一方又は双方を制御する。具体的には、カソード圧を制御する場合にはカソード圧を低くし、スタック温度を制御するときはスタック温度を高くする（図９参照）。
　以下、本実施形態による作用効果について説明する。
　エアフローセンサ３５で検出したカソード流量が最低カソード流量を下回らないように制御する場合には、エアフローセンサ３５の検出精度の影響で最低カソード流量に対して十分なマージンを加えた流量までしかカソード流量を下げることができなかった。
　これに対して本実施形態によれば、カソード圧、スタック温度及び内部抵抗に基づいて、現在のカソード流量として考えられる流量のうち最低値を取るもの、すなわち実カソード流量下限値を算出し、それをカソード流量の推定値とすることとした。
　これにより、カソード流量を精度良く推定することができるので、エアフローセンサ３５で検出したカソード流量が最低カソード流量を下回らないように制御する場合と比較して、カソード流量をより最低カソード流量に近いところまで下げることができる。よって、カソードコンプレッサ３４を低回転で運転させることができるので、燃料電池システム１００の燃費を向上させることができる。
　また、本実施形態によれば、実カソード流量下限値が、燃料電池システム１００の運転状態に応じて定まる最低カソード流量を下回らないようにカソードコンプレッサ３４を制御しつつ、必要に応じて内部抵抗を目標内部抵抗にするためにカソード圧及びスタック温度を制御することとした。
　これにより、電解質膜の湿潤状態を最適な状態に維持することができるので、燃料電池システム１００の発電効率を向上させることができる。
　また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の内部抵抗が所定値よりも大きく、カソード圧、スタック温度及び内部抵抗に基づいてカソード流量を推定したときの推定精度が低下するおそれがあるときは、カソードコンプレッサ３４の回転速度と前後差圧とに基づいてカソード流量を推定することとした。
　これにより、カソード流量の推定精度を維持することができるので、確実にカソード流量が最低カソード流量を下回らないようにすることができると共に、カソードコンプレッサ３４を低回転で運転させることができるので、燃料電池システム１００の燃費を向上させることができる。
　（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、エアフローセンサ３５の検出精度が低い領域では、エアフローセンサ３５で検出したカソード流量ではなく、推定したカソード流量を用いてカソードコンプレッサ３４をフィードバック制御する。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。
　前述したように、エアフローセンサ３５によるカソード流量の検出精度は、カソード流量が少なくなるほど低下する傾向にある。
　そこで本実施形態では、エアフローセンサ３５によるカソード流量の検出精度が低下する領域、すなわち、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量が所定量未満の領域では、推定したカソード流量を用いてカソードコンプレッサ３４をフィードバック制御する。
　具体的には、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量が所定量未満の領域では、推定したカソード流量と、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの目標値（以下「目標カソード流量」という。）と、に基づいて、推定されるカソード流量が目標カソード流量となるようにカソードコンプレッサ３４をフィードバック制御する。一方で、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量が所定量以上の領域では、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量と目標カソード流量とに基づいて、検出されたカソード流量が目標カソード流量となるようにカソードコンプレッサ３４をフィードバック制御する。
　以下、図１３のフローチャートを参照して、この本実施形態によるカソードコンプレッサ３４の制御を説明する。
　図１３は、本実施形態によるカソードコンプレッサ３４の制御について説明するフローチャートである。
　ステップＳ２１において、コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、目標カソード流量を算出する。目標カソード流量は、目標出力電力を満足しつつ、フラッディングも防止することができる流量である。
　ステップＳ２２において、コントローラ５は、カソード圧、スタック温度及び実内部抵抗に基づいて算出される実カソード流量下限値をカソード流量の推定値とする。
　ステップＳ２３において、コントローラ５は、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量が所定量未満か否かを判定する。コントローラ５は、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量が所定量未満であれば、ステップＳ２４の処理を行う。一方で、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量が所定量以上であれば、ステップＳ２５の処理を行う。
　ステップＳ２４において、コントローラ５は、カソード流量の推定値と目標カソード流量とに基づいて、カソード流量の推定値が目標カソード流量となるようにカソードコンプレッサ３４をフィードバック制御する。
　ステップＳ２５において、コントローラ５は、エアフローセンサ３５によって検出したカソード流量と目標カソード流量とに基づいて、検出されたカソード流量が目標カソード流量となるようにカソードコンプレッサ３４をフィードバック制御する。
　以上説明した本実施形態によれば、エアフローセンサ３５の検出精度が低い領域では、エアフローセンサ３５で検出したカソード流量ではなく、より精度の高い推定したカソード流量を用いてカソードコンプレッサ３４を目標カソード流量に向けてフィードバック制御する。
　これにより、エアフローセンサ３５の検出精度が低い領域において、安全のために目標カソード流量を必要以上に大きくしておく必要がないので、カソードコンプレッサ３４を低回転で運転させることができ、燃料電池システム１００の燃費を向上させることができる。
　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。
　上記の第１実施形態では、実内部抵抗が相対的に小さいときにカソード圧、スタック温度及び実内部抵抗に基づいてカソード流量を推定すると、その推定精度が低下するおそれがあるため、その場合はカソードコンプレッサ３４の運転状態に応じてカソード流量を推定していた。
　しかしながら、実内部抵抗が小さいときほど、最低カソード流量が高くなるように補正して、実内部抵抗の大きさに関わらずカソード圧、スタック温度及び実内部抵抗に基づいてカソード流量を推定しても良い。このようにすることで、多少カソード流量の推定精度が悪化したとしても、実際のカソード流量が最低カソード流量を下回るのを抑制でき、結果として発電効率が悪化するのを防止できる。
　また、上記の第１実施形態では、大気湿度が０％であると仮定して、カソード圧、スタック温度及び実内部抵抗に基づいてカソード流量を推定していた。
　しかしながら、大気湿度を検出する湿度センサを備える場合には、その湿度センサの検出値に応じて、推定したカソード流量を補正しても良い。具体的には、大気湿度が高くなるほど、推定したカソード流量が大きくなるように補正すれば良い。これにより、より精度良くカソード流量を推定することができる。
　また上記の第１実施形態において、エアフローセンサ３５の検出精度が低い領域でのみ電解質膜の湿潤制御を実施しても良い。
　本願は、２０１２年１月１０日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－２２７８号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
 
 

Claims (11)

  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、
    　前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
    　前記燃料電池に供給する前記カソードガスの圧力を検出するカソード圧検出部と、
    　前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部と、
    　前記燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出部と、
    　前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記燃料電池に供給する必要のある目標カソード流量を算出する目標カソード流量算出部と、
    　前記カソードガスの圧力、前記燃料電池の温度及び前記燃料電池の内部抵抗に応じて、前記カソードガスの流量を推定するカソード流量推定部と、
    　前記目標カソード流量と前記推定した前記カソードガスの流量とに基づいて、前記カソードガス供給部を制御するカソード流量制御部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 　前記カソード流量推定部は、
    　　前記燃料電池の内部抵抗が高いときほど、前記カソードガスの流量の推定値を大きくする、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記カソード流量推定部は、
    　　前記カソードガスの圧力が高いときほど、前記カソードガスの流量の推定値を大きくする、
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記カソード流量推定部は、
    　　前記燃料電池の温度が低いときほど、前記カソードガスの流量の推定値を大きくする、
    請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  5. 　前記カソード流量推定部は、
    　　大気湿度が前記燃料電池を使用する外部環境における最低値であると仮定して、前記カソードガスの流量を推定する、
    請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  6. 　大気湿度を検出する大気湿度検出部を備え、
    　前記カソード流量推定部は、
    　　前記カソードガスの圧力、前記燃料電池の温度及び前記燃料電池の内部抵抗に応じて推定したカソードガスの流量の推定値を、前記大気湿度が高いときほど大きくなるように補正する、
    請求項１から請求項４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抵抗を所定の目標内部抵抗に制御する内部抵抗制御部を備え、
    　前記内部抵抗制御部は、
    　　推定した前記カソードガスの流量と前記目標カソード流量とが等しい場合に、前記燃料電池の内部抵抗が前記目標内部抵抗よりも高いときは、前記カソードガスの圧力を高くすることで、前記燃料電池の内部抵抗を所定の目標内部抵抗に制御する、
    請求項１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. 　前記燃料電池の内部抵抗を所定の目標内部抵抗に制御する内部抵抗制御部を備え、
    　前記内部抵抗制御部は、
    　　推定した前記カソードガスの流量と前記目標カソード流量とが等しい場合に、前記燃料電池の内部抵抗が前記目標内部抵抗よりも高いときは、前記燃料電池の温度を低くすることで、前記燃料電池の内部抵抗を所定の目標内部抵抗に制御する、
    請求項１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。
  9. 　前記カソード流量推定部は、
    　　前記燃料電池の内部抵抗が所定値よりも高いときに、前記カソードガスの圧力、前記燃料電池の温度及び前記燃料電池の内部抵抗に応じて、前記カソードガスの流量を推定し、
    　　前記燃料電池の内部抵抗が前記所定値よりも低いときは、前記燃料電池にカソードガスを圧送するコンプレッサの回転速度と前後差圧とに基づいて、前記カソードガスの流量を推定する、
    請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  10. 　前記目標カソード流量算出部は、
    　　前記燃料電池の内部抵抗が高いときほど、前記最低カソード流量が高くなるように補正する、
    請求項１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。
  11. 　前記燃料電池に供給する前記カソードガスの流量を検出するカソード流量検出部を備え、
    　前記カソード流量制御部は、
    　　前記カソードガスの流量が所定量より低いときに、前記目標カソード流量と前記推定した前記カソードガスの流量とに基づいて前記カソードガス供給部を制御する、
    請求項１から請求項１０までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
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