(57)【要約】【課題】  燃料電池の長期に亘る高負荷運転の際の発電能力低下を高い実効性で抑制する。【解決手段】  燃料電池搭載車両は、その駆動用のモーターの要求電力に基づいた燃料電池の発電制御を行うものの、セル温度と電解質膜の乾燥状態とを対応付け、セル温度が電解質膜の乾燥の進んだ第１温度αを超えると、カソードにおける生成水の生成量が増すよう、燃料電池の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に期間ｔにおいて推移させる一時的電流増量制御を、間欠的に繰り返す。【選択図】  図３
2012111046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで対向するアノードとカソードに燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御する負荷対応発電制御を行う発電制御部とを備え、
該発電制御部は、
前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返す
燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電制御部は、前記生成水非増量制御として前記負荷対応発電制御を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電制御部は、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを所定期間の周期Ｔで交互に繰り返す請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電制御部は、前記生成水増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて前記カソードにおける生成水の生成量を増やし、前記生成水非増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を前記生成水増量制御に対して低電流域と高電圧域となる側に推移させて、前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた前記燃料電池に固有の等価パワー特性線を発電パワーごとに記憶し、
前記発電制御部は、前記負荷対応発電制御を行うに当たり、前記要求電力に符合した前記発電パワーの前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御し、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移についても、等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する
燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電制御部は、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移を、前記要求電力に符合した前記発電パワーより低発電パワーの側の前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備え、
前記発電制御部は、
前記生成水増量制御に伴う前記電流増と前記低電圧化とを起こす側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分と、前記生成水非増量制御に伴う前記低電流域と前記高電圧域となる側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分とが等しくなるように、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを交互に繰り返す
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備え、
前記発電制御部は、
前記生成水増量制御の実行可否を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて判定する
燃料電池システム。
【請求項９】
前記発電制御部は、前記２次電池の蓄電容量が所定容量を超える際に、前記生成水増量制御の実行が可能と判定する請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記発電制御部は、
前記燃料電池の発電運転状態を前記電流増と低電圧とを起こす側に推移させる推移状態を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて決定し、該決定した推移状態にて前記生成水増量制御を実行する
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記発電制御部は、
前記生成水増量制御を繰り返し実行した後に、前記負荷の要求電力が消失すると前記生成水増量制御を停止し、
前記要求電力の消失後に改めて前記負荷の要求電力があるまでの負荷消失期間において、前記生成水増量制御を所定期間に亘って間欠的に繰り返す
燃料電池システム。
【請求項１２】
前記発電制御部は、前記負荷消失期間における前記生成水増量制御を、前記燃料電池の発電性能が前記電解質膜の乾燥により低下すると想定される状態下において実行する請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記発電制御部は、前記負荷消失期間における前記生成水増量制御を、前記燃料電池について検出した燃料電池温度が前記要求電力の消失の際の温度から所定の温度まで低下すると実行する請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記発電制御部は、前記生成水増量制御を繰り返すに当たり、前記酸素含有ガスの供給量を間欠的に低減する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムとこれを搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを搭載した車両は、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードには酸素含有ガスを供給して発電させ、その電力を駆動力とする。こうした燃料電池の発電は、燃料ガス、例えば水素ガスの水素と、酸素含有ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応に伴うことから、カソードにて水を生成する。そして、燃料電池の電解質膜は、通常、適宜な湿潤状態にある際にそのプロトン導電性が好適となるので、カソードにて生成された生成水を電解質膜の湿潤に用いる手法が種々提案されている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９２５２号公報
【特許文献２】特開２００４−４７４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これら特許文献で提案された手法では、電解質膜の乾燥を抑制するために生成水の生成を増やすものの、電解質膜の乾燥を招きやすい高負荷運転で燃料電池を運転する場合には、以下に説明するような改善が要望されるようになった。【０００５】
燃料電池の高負荷運転が短期間であれば、その間に生成水の生成量を増やすよう、上記特許文献のように低電圧側への運転状態のシフトや空気の供給低減を行っても、この高負荷運転期間や当該期間の終了後の運転に特段の支障はない。ところが、例えば、燃料電池システムを搭載した車両にあっては、長距離に亘る登坂走行のように長期に亘る高負荷運転が必要とされることが多々ある。そうすると、低電圧側への運転状態シフトや空気供給の低減も長くなるので、発電能力が低下し、負荷から要求される電力を燃料電池の発電電力で賄えないような事態が起き得る。また、生成水の生成量も長期に亘る高負荷運転の期間において継続して増えることから、カソードの側のガス拡散層の細孔の生成水による閉塞が進んでガス（空気）の拡散供給にも支障が起き、結果的に発電能力が低下し得る。なお、燃料電池を電気機器の電力源とした発電装置としての燃料電池システムにあっても、高負荷運転が長期に亘る場合があることから、上記した事態は、燃料電池システムを搭載した車両に特有のものではない。【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の長期に亘る高負荷運転の際の発電能力低下を高い実効性で抑制することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した目的の少なくとも一部を達成するためになされ、以下の適用例として構成できる。【０００８】
[適用例１：燃料電池システム]
燃料電池システムであって、
プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで対向するアノードとカソードに燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御する負荷対応発電制御を行う発電制御部とを備え、
該発電制御部は、
前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返す
ことを要旨とする。【０００９】
上記構成の燃料電池システムは、外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御することで、その要求電力に対応した負荷対応発電制御を行う。そして、上記構成の燃料電池システムは、この負荷対応発電制御を行うものの、前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行い、当該増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返す。つまり、燃料電池の高負荷運転が長期に亘る場合であっても、生成水の生成量が増すような燃料電池の運転状態は、その間に継続することはなく、間欠的でしか現れない。このため、間欠的とはいえ増量した生成水を電解質膜の乾燥抑制に資することができる。この生成水増量制御に続く生成水非増量制御を実行して、その増量が抑制されたとはいえ、得られた生成水についても、これを電解質膜の乾燥抑制に資することができる。【００１０】
ところで、燃料電池の高負荷運転が長期に亘るような場合は、外部の負荷の要求電力が高負荷である故に、当該要求電力に基づいた負荷対応発電制御の間において電解質膜の乾燥が起きて発電性能の低下が危惧される。しかしながら、上記構成の燃料電池システムによれば、既述したように能力低下状況下における生成水増量制御による間欠的とはいえ増量した生成水（増量生成水）と、生成水非増量制御でその増量が抑制されたとはいえ得られた生成水とで、電解質膜の乾燥を抑制して、発電性能の回復が可能となる。しかも、生成水非増量制御の際の生成水は、間欠的になされる生成水増量制御の間において生成されるに過ぎないと共に、生成水非増量制御に続く生成水非増量制御の際の生成水は、その増量が生成水非増量制御より抑制されていることから、ガス拡散供給のための細孔の生成水による閉塞についても、これをある程度抑制できる。これらの結果、上記構成を有する燃料電池システムによれば、燃料電池の高負荷運転が長期に亘っても、電解質膜の乾燥抑制と生成水による細孔閉塞の抑制とを通して、発電能力の低下を高い実効性で抑制できる。【００１１】
また、生成水の生成量が増えるほど水素と酸素の電気化学反応は活発に進行し、この反応は発熱反応であることから、電解質膜は、生成水増量に伴い反応熱により暖められ昇温する。ところが、上記構成を有する燃料電池システムによれば、生成水の増量を来す生成水増量制御を既述したように間欠的にしか行わないので、生成水増量に伴う反応熱による電解質膜の昇温を抑制できる。しかも、生成水増量制御に続く生成水非増量制御では生成水の生成量の増量を抑制することから、電解質膜の昇温を抑制できる。よって、上記構成を有する燃料電池システムによれば、電解質膜の昇温抑制の点からも、発電能力の低下抑制に寄与できる。【００１２】
この場合、燃料電池の発電性能の低下は電解質膜の乾燥により起きえ、電解質膜の乾燥の状況は燃料電池の温度に依存する。このため、燃料電池の温度を検出し、その検出した燃料電池温度が所定の温度（第１温度）に達すると、電解質膜の乾燥により燃料電池の発電性能が低下し得ると推定もしくは判定できる。こうすれば、温度検出とその対比という簡単な手法で、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御の交互繰り返しと、これによる既述した発電能力の低下抑制を図ることができ、簡便である。なお、電解質膜の乾燥による発電性能低下推移の推定や判定は、燃料電池温度に限らず、電解質膜の乾燥状態が反映した燃料電池特性、例えば、内部抵抗の推移や、電極でのガス供給の際の圧力損失の推移等により、下すことも可能である。また、燃料電池の発電性能低下は、電解質膜の乾燥の状況のみならず、電池抵抗値の変化、出力変化、もしくは燃料電池の電流電圧特性の変化として観察し得る。よって、電池抵抗値、電池出力或いは電流電圧特性を測定ないしは推定等して、燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況への推移を捉えるようにすることもできる。【００１３】
上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記生成水非増量制御として前記負荷対応発電制御を実行するようにすることができる。こうすれば、生成水増量制御がなされていない間には、外部の負荷の要求電力に基づいた発電制御（負荷対応発電制御）により電力不足を抑制できる。【００１４】
また、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを所定期間の周期Ｔで交互に繰り返すようにでき、こうすれば簡便である。【００１５】
また、前記発電制御部については、前記生成水増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて前記カソードにおける生成水の生成量を増やし、前記生成水非増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を前記生成水増量制御に対して低電流域と高電圧域となる側に推移させて、前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制するものとできる。こうすれば、電流増と低電圧化とにより、電気化学反応が活性化し、より確実に生成水の生成量を増量させることができ、簡便となる。【００１６】
このような電流電圧の推移を起こす制御については、以下のような態様とすることができる。例えば、前記燃料電池の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた前記燃料電池に固有の等価パワー特性線を発電パワーごとに記憶した上で、前記負荷対応発電制御を行うに当たっては、前記要求電力に符合した前記発電パワーの前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する。そして、前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移についても、等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御するようにできる。この場合、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移を、前記要求電力に符合した前記発電パワーより低発電パワーの側の前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御するようにできる。こうすれば、燃料電池の発電運転が負荷対応発電制御の際の等価パワー特性線とこれより低発電パワーの等価パワー特性線とにおいて推移するとしても、推移対象の両等価パワー特性線の上の電流電圧にて燃料電池は発電運転するので、出力の安定化を図ることができる。また、上記の発電運転の推移を起こす際には、燃料電池自体での制御で済み、当該制御に他の電力源、例えば、電力の充電と放電が可能な２次電池からの電力供給を考慮した上での発電運転制御の必要がなく、簡便となる。【００１７】
また、電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備えた上で、前記生成水増量制御に伴う前記電流増と前記低電圧化とを起こす側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分と、前記生成水非増量制御に伴う前記低電流域と前記高電圧域となる側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分とが等しくなるように、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを交互に繰り返すようにできる。こうすれば、２次電池にて電力不足分を補充するようにしても、その不足分補充のための２次電池からの電力供給に変動を来さないようにできるので、２次電池の電力消費を抑制できる。【００１８】
また、電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備えるようにした上で、前記生成水増量制御の実行可否を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて判定するようにできる。こうすれば、生成水増量制御の実行回数を２次電池の蓄電状態に基づいて調整したりできるほか、２次電池の併用により要求電力に対する不足を抑制できる。そして、前記２次電池の蓄電容量が所定容量を超える際に、前記生成水増量制御の実行が可能と判定するようにすれば、２次電池の併用による要求電力に対する電力不足をより確実に抑制できる。【００１９】
このようにして２次電池を併用するに当たり、前記燃料電池の運転状態を前記電流増と低電圧とを起こす側に推移させる推移状態を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて決定し、該決定した推移状態にて前記生成水増量制御を実行するようにできる。こうすれば、２次電池の併用に伴う上記の利点に加え、生成水増量をもたらす生成水増量制御を２次電池の蓄電状態に基づいてきめ細かく実行でき、電解質膜の乾燥抑制とこれに伴う発電性能の回復が可能となる。【００２０】
また、前記生成水増量制御を間欠的に繰り返し実行した後に、前記負荷の要求電力が消失すると前記生成水増量制御を停止し、前記要求電力の消失後に改めて前記負荷の要求電力があるまでの負荷消失期間において、前記生成水増量制御を所定期間に亘って間欠的に繰り返すようにできる。こうすれば、次の利点がある。【００２１】
負荷の要求電力が消失すると、生成水増量制御のみならず、通常、外部の負荷の要求電力に基づいた燃料電池の発電制御（負荷対応発電制御）も停止する。ところが、こうした制御停止は、生成水増量制御を間欠的に繰り返し実行した後のものであることから、高負荷運転が継続した後の状態下でなされることがある。この高負荷運転の継続中は、生成水増量制御により既述したように生成水増量を経て電解質膜の乾燥が抑制されていたものの、高負荷運転から要求電力の消失状態に推移後においても、燃料電池は或る程度の高温度となっていると予想され、この燃料電池温度にて電解質膜の乾燥が進むことが危惧される。ところが、上記の態様では、前記要求電力の消失後に改めて前記負荷の要求電力があるまでの負荷消失期間において、前記生成水増量制御を所定期間に亘って間欠的に繰り返すので、燃料電池温度による電解質膜の乾燥を抑制できる。この結果、負荷消失期間の経過後、即ち改めて負荷の要求電力がなされた際には、電解質膜の乾燥が抑制されている分だけ発電性能が回復しているので、この改めての要求電力に基づいて特段の支障なく燃料電池を発電制御できる。よって、上記態様の燃料電池システムが車両に搭載されていれば、当該車両の操作者にアクセル操作に対するレスポンスに違和感がなくなり、ドライバビリティーを高めることができる。【００２２】
この場合、前記負荷消失期間における前記生成水増量制御を、前記燃料電池の発電性能が前記電解質膜の乾燥により低下すると想定される状態下において実行するようにできる。例えば、前記燃料電池について検出した燃料電池温度が前記要求電力の消失の際の温度から所定の温度まで低下すると実行するようにできる。【００２３】
この他、前記発電制御部を、前記生成水増量制御を間欠的に繰り返すに当たり、前記酸素含有ガスの供給量を間欠的に低減するものとできる。酸素含有ガスの供給量低減により生成水の生成水量は低減するものの、ガスによる生成水の持ち去り量が少なくなるので、生成水の残存を図ることができる。そして、ガス供給量当たりの生成水量については、これを増量させることができることから、電解質膜の乾燥抑制を図り得る。また、結果敏江、生成水量の絶対値は増加しなくても乾燥抑制の効果が得られることは勿論である。そして、この態様では、酸素含有ガスの供給量低減により、燃料ガスの消費量が低減するので、電解質膜の乾燥抑制を図った上で、燃費向上も可能となる。【００２４】
[適用例２：燃料電池システム搭載車両]
上記したいずれかの燃料電池システムを搭載した車両であって、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる
ことを要旨とする。【００２５】
こうした車両であっても、燃料電池の高負荷運転が長期に亘っても、その際の発電能力の低下を高い実効性で抑制できることから、長期の高負荷運転を伴う長距離の登坂走行等の際の走行性能についてもこれを高めることができる。【００２６】
本発明は、燃料電池の運転方法や、燃料電池システムを設置して燃料電池を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
【図２】電流増量制御の実行の様子を示すフローチャートである。
【図３】電流増量制御の内容を説明する説明図である。
【図４】セル温度に対する燃料電池１００の内部抵抗値推移とアノード圧力損失推移および発電電圧推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。
【図５】第２実施例における電流増量制御の実行の様子を示すフローチャートである。
【図６】２次電池１７２の最大出力と電池温度との関係を電池容量（ＳＯＣ）ごとに示す説明図である。
【図７】一時的電流増量制御の可否を下す際に参照されるマップの様子を示す説明図である。
【図８】一時的電流増量制御における電流増と低電圧化の推移状態をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図である。
【図９】一時的電流増量制御における周期Ｔと最低電圧をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図である。
【図１０】第３実施例における電流増量制御の実行の様子を模式的に示す説明図である。
【図１１】セル温度に対する燃料電池１００の出力推移とアノード圧損推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。
【図１２】第４実施例における生成水増量制御の実行の様子を示す説明図である。
【図１３】燃料電池１００の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた燃料電池固有の等価パワー特性線（ＩＶ特性線）を概略的に示す説明図である。
【図１４】一時的電流増量制御における電流電圧推移を等価パワー特性線間での推移の有無に分けて示す説明図である。
【図１５】図２における処理を等価パワー特性線の読み込みと関連付けて示すフローチャートである。
【図１６】一時的電流増量制御において採用可能な出力対処の様子を説明する説明図である。
【図１７】一時的電流増量制御とこれに続く制御（生成水の増量を抑制する制御）を交互に繰り返す際の電圧の高低推移の様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
【００２９】
図示するように、この燃料電池搭載車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。この燃料電池システム３０は、燃料電池１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、ラジエータ１５０およびファン１５２を含む冷却系１６０と、２次電池１７２と、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４とを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池１００の発電電力、或いは２次電池１７２の充電電力を、前輪駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に供給する。
【００３０】
燃料電池１００は、図１の拡大模式図に示すように。電解質膜１０１の両側にアノード１０２とカソード１０３の両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える電池セルを積層して構成され、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に位置する。この電池セルは、電極形成済みの電解質膜１０１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とを備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。この両ガス拡散層の外側には、それぞれガスセパレーターが位置し、このガスセパレーターは、該当するガス拡散層に対して水素を含有する燃料ガス、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を供給すると共に、電池セルからの集電の機能も果たす。
【００３１】
電解質膜１０１は、固体高分子材料、例えば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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード１０２およびカソード１０３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。
【００３２】
燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を上記した各電池セルにて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池１００の発電状態は電流センサー１０６にて計測され、その計測結果は電流センサー１０６から後述の制御装置２００に出力される。
【００３３】
水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための放出経路１２３を備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の開閉バルブ１２４の経路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、水素ガスタンク１１０の水素ガスを燃料電池１００（詳しくは、各電池セルのアノード１０２）に供給する。この際、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２７にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池１００のアノードに供給する。水素ガス供給量は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した放出経路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを大気放出する。
【００３４】
空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０にて流量調整した上で燃料電池１００（詳しくは、各電池ルのカソード１０３）に供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、排出流量調整バルブ１４３は、流量調整を経て、カソード側の背圧についてもこれを調整する。
【００３５】
また、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１と放出経路１４２とを、加湿装置１４５を経由するように備える。この加湿装置１４５は、気液分離機器として構成され、カソードオフガスから水を分離し、その分離した水を排出流量調整バルブ１４３を通過する空気に水蒸気として混入する。
【００３６】
冷却系１６０は、ラジエータ１５０から燃料電池１００への冷却媒体の循環を図る循環経路１６１と、バイパス経路１６２と、経路合流点の三方流量調整弁１６３と、循環ポンプ１６４と、温度センサー１６６を備える。そして、この冷却系１６０は、ラジエータ１５０にて熱交換した冷却媒体を循環経路１６１を経て燃料電池１００の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池１００を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ１６４の駆動量、即ち冷却媒体の循環供給量や、三方流量調整弁１６３による調整流量は、温度センサー１６６の検出温度たる燃料電池温度（セル温度）や電流センサー１０６の検出した発電状態に基づいて、制御装置２００にて定められる。
【００３７】
２次電池１７２は、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００とは別の電力源として機能し、モーター１７０等に供給する電力源として燃料電池１００と併用される。本実施例では、後述するように燃料電池１００をアクセル１８０の踏込に応じた発電状態下で運転制御（通常制御）することを前提とするので、燃料電池１００の運転停止状態において、２次電池１７２は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１７２としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、容量検出センサー１７６が接続され、当該センサーは、２次電池１７２の充電状態を検出し、その検出充電量（電池容量）を制御装置２００に出力する。
【００３８】
ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４は、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４は、燃料電池１００の発電電力および２次電池１７２の蓄電電力の引出とモーター１７０への電圧印加とを、制御装置２００の制御下で行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００３９】
制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力が燃料電池１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１７２の充電電力、もしくはこの両者で賄うよう、燃料電池１００を発電制御しつつ、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０の要求電力を燃料電池１００の発電で得る場合には、その要求電力に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量を制御（通常制御）する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４を制御する。この他、制御装置２００は、車速センサー１８２の検出した車速や、外気温センサー１８４の検出した外気温、水素ガス供給系１２０において流量センサー１２８が検出した水素ガス流量、空気供給系１４０において流量センサー１４７の検出したエアー流量、容量検出センサー１７６が検出した２次電池１７２の電池容量（以下、ＳＯＣ）等を、上記した制御を行う上での制御パラメータとして入力する。この制御装置２００は、既述した適用例１の燃料電池システムもしくは適用例２の車両における外部の負荷の要求電力に基づいた発電運転制御（負荷対応発電制御）、生成水増量制御などを担う。
【００４０】
次に、上記した構成を有する燃料電池搭載車両２０の制御装置２００が電解質膜乾燥抑制に関して行う処理について説明する。本実施例では、燃料電池１００の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて生成水増量を図る。図２は電流増量制御の実行の様子を示すフローチャート、図３は電流増量制御の内容を説明する説明図、図４はセル温度に対する燃料電池１００の内部抵抗値推移とアノード圧力損失推移および発電電圧推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。
【００４１】
図２に示すように、制御装置２００は、まず、燃料電池１００の下流に位置する温度センサー１６６をスキャンして燃料電池１００のセル温度を読み込む（ステップＳ１００）。セル温度は、燃料電池１００の電解質膜１０１の温度を反映していることから、読み込んだセル温度から電解質膜１０１の乾燥の進み具合を推し量ることができ、この推し量った膜乾燥の進み具合から、燃料電池１００の発電性能が電解質膜１０１の乾燥により低下し得る状況下であるか否かの判断も可能となる。次いで、読み込んだセル温度が所定の第１温度αを超えるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この第１温度αは、電解質膜１０１の乾燥が或る程度進んだために、膜乾燥の抑制、延いては、膜乾燥による燃料電池１００の発電性能の低下の抑制を図るべきであることを定める温度であって、燃料電池１００の発電特性の温度依存性や電池セルのスペック等を勘案して予め定められている。例えば、図４に示すように、燃料電池１００のアノード圧損は、後述の一時的電流増量制御を行わないままであると、図中に白抜きの四角でプロットしたように、或る温度を境に低下する。これは、電解質膜１０１の乾燥が進んでアノードガス中の水分が減少して、圧損が小さくなるためである。よって、このアノード圧損が下がる温度を第１温度αとでき、本実施例では、そのように第１温度αを設定した。この他、内部抵抗にあっても、後述の一時的電流増量制御を行わないままであると、図４に図中に白抜きの四角でプロットしたように、或る温度を境に上昇に転ずるので、その変曲を起こす当たりの温度を、第１温度αと設定するようにすることもできる。
【００４２】
ステップＳ１１０で否定判定すると、セル温度は第１温度α以下であるために電解質膜１０１の乾燥抑制を考慮する必要はないとして、制御装置２００は、燃料電池１００の通常制御を実行する（ステップＳ１２０）。この通常制御では、制御装置２００は、既述したように、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力に見合うガス量で水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給制御を行いつつ燃料電池１００を発電制御し、その発電電力をモーター１７０に電力を供給する。この際、モーター１７０の要求電力が小さい場合には、制御装置２００は、燃料電池１００に代えて２次電池１７２の充電電力をモーター１７０に供給することもできる。モーター１７０の要求電力が大きいと、燃料電池１００と２次電池１７２の両者の電力で要求電力を賄うよう、燃料電池１００を発電制御しつつ、モーター１７０に電力を供給するようにすることもできる。図３では、セル温度が第１温度αに達する間において、アクセル１８０の操作状態は一定であるとして燃料電池１００を定電圧・定電量での通常制御に処する様子が示されているが、この間においてアクセル１８０の操作状態が変化していれば、その変化に応じて通常制御の際の電圧・電流は調整される。
【００４３】
その一方、ステップＳ１１０で肯定判定すると、セル温度が第１温度αを超えていることから、電解質膜１０１の乾燥が進んで乾燥抑制が必要であるとして、制御装置２００は、燃料電池１００を電流増量制御に処する（ステップＳ１３０）。この電流増量制御は、図３に示すように、当該制御に移行した時点、即ちセル温度が第１温度αに達した時点から、所定時間の周期Ｔで繰り返し実行され、その制御内容は、燃料電池１００の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に期間ｔにおいて推移させる制御（以下、一時的電流増量制御と称する）と、この期間ｔの後に既述した通常制御とを繰り返すものとなる。この場合、セル温度が第１温度αに達する間において既述したようにアクセル１８０の操作状態が変化していれば、セル温度が第１温度αに達した時点での通常制御による電圧・電流が、期間ｔにおいて電流増と低電圧化に推移するようになる。こうした一時的電流増量制御の実行期間においても、制御装置２００は、既述したように２次電池１７２を併用して、要求電力を賄う。なお、上記した一時的電流増量制御は、セル温度が第１温度αを超える温度まで上昇してからこの第１温度αまで低下すると、ステップＳ１１０の肯定判定を経て、終了する。つまり、燃料電池１００の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させる一時的電流増量制御と、要求負荷に基づいた通常制御とは、セル温度が第１温度αを超えて電解質膜１０１の乾燥が進み、この膜乾燥により燃料電池１００の発電能力が低下し得る状況下において、交互に繰り返されることになる。
【００４４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池搭載車両２０は、２次電池１７２の要求電力に基づいて燃料電池１００を通常制御しつつ、セル温度と電解質膜１０１の乾燥状態とを対応付け、セル温度が第１温度αを超えていれば（ステップＳ１１０の肯定判定）、電解質膜１０１の乾燥が進んだために、膜乾燥の抑制、延いては、膜乾燥による燃料電池１００の発電性能の低下の抑制が必要であるとして、電流増量制御を周期Ｔで繰り返し実行し、燃料電池１００の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に期間ｔにおいて推移させる一時的電流増量制御を、間欠的に繰り返す。このように電流増と低電圧化とを起こす一時的電流増量制御は、電流増と低電圧化とにより、単位時間当たりの水素ガス消費を増やして電気化学反応を活性化させるので、カソード１０３での生成水の生成量を増量させる。つまり、本実施例の燃料電池搭載車両２０は、生成水増量をもたらす一時的電流増量制御を、セル温度が第１温度αを超えて電解質膜１０１の乾燥が進む高負荷運転の際に間欠的に繰り返すことで、この間欠的な一時的電流増量制御による生成水の生成量増量を間欠的にもたらす。このため、電解質膜１０１の乾燥を招きがちな高負荷運転が長期に亘る場合であっても、生成水の生成量が増すような燃料電池１００の運転状態は、その間に継続することはなく、間欠的でしか現れない。このため、間欠的とはいえ増量した生成水を電解質膜１０１の乾燥抑制に資することができる。しかも、期間ｔにおける一時的電流増量制御に続く（Ｔ−ｔ）の期間の通常制御では、燃料電池１００の運転状態を図３に示すように一時的電流増量制御の場合よりも低電流域と高電圧域となる側に推移させているので、その際の生成水増量を一時的電流増量制御に比して抑制する。そして、その増量が抑制されたとはいえ、一時的電流増量制御に続く通常制御で得られた生成水についても、これを電解質膜１０１の乾燥抑制に資することができる。また、カソード１０３における生成水の生成量は、間欠的に期間ｔでなされる一時的電流増量制御により増えるに過ぎないと共に、一時的電流増量制御に続く通常制御に伴う生成水は、その増量が一時的電流増量制御より抑制されていることから、ガス拡散供給のためのアノード側ガス拡散層１０４やカソード側ガス拡散層１０５の細孔の生成水による閉塞についても、これをある程度抑制できる。
【００４５】
しかも、期間ｔでの一時的電流増量制御とモーター１７０への要求電力に基づいた通常制御とを周期Ｔで交互に繰り返すので、モーター１７０の要求電力に対する電力不足を抑制できる。そして、このモーター１７０の要求電力が高負荷である故に、当該要求電力に基づいた通常制御（ステップＳ１２０）の間において電解質膜１０１の乾燥が起きて燃料電池１００の発電能力が低下しても、当該通常制御に続く一時的電流増量制御（図３参照）により増量した生成水と一時的電流増量制御に続く通常制御に伴う生成水とにより、電解質膜１０１の乾燥を抑制して、燃料電池１００の発電性能の回復を図ることができる。これらの結果、本実施例の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０によれば、燃料電池１００の高負荷運転が長期に亘っても、その際の発電能力を高い実効性で維持、もしくはその低下を抑制できると共に、発電能力の回復についてもこれを図ることができる。
【００４６】
また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、セル温度と電解質膜１０１の乾燥状態とを対応付け、セル温度が第１温度αを超えていれば（ステップＳ１１０の肯定判定）、電解質膜１０１の乾燥が所定の状態（第１乾燥状態）に推移しているので、電解質膜１０１の乾燥により燃料電池１００の発電能力が低下していると推定できる。よって、セル温度が第１温度αを超えていると、電解質膜１０１の乾燥の抑制、延いては、膜乾燥による燃料電池１００の発電性能の低下の抑制の上から既述した一時的電流増量制御（ステップＳ１３０）が必要であるとして、当該制御を実行した。このため、燃料電池１００のセル温度検出とその対比という簡単な手法で、電解質膜１０１の乾燥抑制と発電性能の低下抑制を図るようにでき、簡便である。
【００４７】
また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、膜乾燥の抑制と発電性能の低下抑制を図るに当たって、一時的電流増量制御とこれに続く通常制御とにおいて、図３に示すように電流電圧の高低推移を起こせば足りる。よって、燃料電池運転に関与するシステム補器の制御、例えば２次電池１７２の充放電制御や加湿装置１４５の加湿制御等については、これらを膜乾燥抑制に関連付けて制御する必要がなく、簡便となる。
【００４８】
また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、燃料電池１００のアノード１０２とカソード１０３とを、白金やその合金の触媒をカーボン粒子等の担体に担持させて形成した。白金とその合金の触媒は、高温環境下ではその劣化が起きやすいものの、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、既述したようにセル温度が第１温度αを超えると生成水量を増量させ、この生成水で触媒を冷やすことができる。また、生成水により触媒に吸着した不純物を洗い流すことができる。よって、触媒の劣化についてもこれを抑制することで、燃料電池１００の発電能力の維持やその低下抑制、能力回復に寄与できる。
【００４９】
上記した膜乾燥の抑制に伴う利点を、図を用いて説明する。ステップＳ１３０の一時的電流増量制御を行わないままであると、図４に白抜きの四角でプロットしたように、セル温度が第１温度αから上昇するに従って、アノード圧損は低下する。これに対し、ステップＳ１３０の一時的電流増量制御を行えば、図４に白抜きの円でプロットしたように、セル温度が第１温度αから上昇しても、アノード圧損は或る程度維持される。このことは、白抜きの四角プロットでは、電解質膜１０１の乾燥が進んでアノードガス中の水分が減少して、圧損が小さくなるのに対し、白抜きの円プロットでは、ステップＳ１３０の一時的電流増量制御により生成水量が増量したため、アノードガス中の水分量の減少が進まず、電解質膜１０１の乾き始めが遅れていることを意味する。つまり、本実施例の燃料電池搭載車両２０によれば、電解質膜１０１の乾燥を遅らせることができることになる。
【００５０】
また、内部抵抗値については、ステップＳ１３０の一時的電流増量制御を行うことで、図４に白抜きの円でプロットしたように、セル温度が第１温度αから上昇しても抵抗値の上昇を抑制できる。内部抵抗の上昇は、発電能力の低下をもたらすので、本実施例の燃料電池搭載車両２０によれば、燃料電池１００の能力低下を抑制できることになり、これは、電圧低下の程度も小さくして性能回復にも寄与できることを意味する。
【００５１】
また、上記した一時的電流増量制御において生成水の生成量が増えると、これに伴い水素と酸素の電気化学反応（発熱反応）は活発に進行し、電解質膜１０１は、一時的電流増量制御による生成水増量に伴い反応熱により暖められ昇温する。ところが、本実施例の燃料電池システム３０によれば、生成水の増量を来す一時的電流増量制御を既述したように周期Ｔごとに間欠的にしか行わないので、生成水増量に伴う反応熱による電解質膜１０１の昇温を抑制できる。しかも、この一時的電流増量制御に続く通常制御では生成水の生成量の増量を抑制することから、反応熱を控えることができ、電解質膜１０１の昇温を抑制できる。よって、本実施例の燃料電池システム３０によれば、反応熱による電解質膜１０１の昇温抑制の点からも、燃料電池１００の発電能力の低下抑制に寄与できる。
【００５２】
生成水の増量を来す一時的電流増量制御とこれに続く通常制御との繰り返しを定める周期Ｔは、実験的、或いは燃料電池１００の熱容量等の熱的なスペック等に応じて決定できる。例えば、周期Ｔとその間における期間ｔとを種々変化させつつ燃料電池１００のセル温度推移を測定し、電解質膜１０１の乾燥による燃料電池１００の発電能力の低下が起きた場合の能力回復が達成できた周期Ｔや期間ｔを定める。そして、こうした手法で定めた範囲において周期Ｔや期間ｔを採択すればよい。
【００５３】
また、燃料電池搭載車両２０は、種々の環境を走行することから、燃料電池システム３０の置かれる環境に応じて周期Ｔを定めることができる。例えば、環境湿度が高ければ、湿度成分（水蒸気）により電解質膜１０１の乾燥を抑制できるので、周期Ｔを長くして一時的電流増量制御の実行頻度を少なくできる。この他、環境温度が低ければ、一時的電流増量制御の際の低電圧化の程度を大きくしても良い。こうすれば、一時的電流増量制御に伴う反応熱による電解質膜１０１の昇温が進むものの、低環境温度による燃料電池１００、延いては電解質膜１０１の冷却が進むため、特段の支障はない。
【００５４】
次に、他の実施例について説明する。図５は第２実施例における電流増量制御の実行の様子を示すフローチャート、図６は２次電池１７２の最大出力と電池温度との関係を電池容量（ＳＯＣ）ごとに示す説明図、図７は一時的電流増量制御の可否を下す際に参照されるマップの様子を示す説明図である。この第２実施例は、２次電池１７２のＳＯＣを一時的電流増量制御の実行に当たり考慮した点に特徴がある。
【００５５】
この実施例では、図５に示すように、制御装置２００は、まず、外気温センサー１８４と容量検出センサー１７６をスキャンして、２次電池１７２の電池温度とＳＯＣを読み込む（ステップＳ２００）。この場合、２次電池１７２に温度センサーを装着して、当該センサーから電池温度を直接読み込むようにすることもできる。２次電池１７２は、放電と蓄電の結果として、図６に示すように種々のＳＯＣを取り得るものの、低温域或いは高温域の電池温度では、各ＳＯＣごとに最大出力が低下する特性を有する。その一方、図６に点線で示す必要出力、即ちモーター１７０の要求電力は、アクセル１８０の操作状態によって上下するので、この要求電力を２次電池１７２のＳＯＣで賄えない場合がある。例えば、図６における最下段とその上段のＳＯＣでは、図６の必要出力を電池温度の全領域において賄えないのに対し、最上段とその下段のＳＯＣでは、図６の必要出力を限られた電池温度領域において賄うことができる。このように２次電池１７２のＳＯＣ賄えない電力には、燃料電池１００の発電電力で充当できるものの、燃料電池１００を電解質膜１０１の乾燥を招くような運転状態としてまで、燃料電池１００の発電電力を充当することは、更なる電解質膜１０１の乾燥や発電能力低下を招くことから望ましくない。よって、本実施例では、図６に示した２次電池１７２の温度特性を考慮して、図７に示すように、燃料電池１００の上記した一時的電流増量制御の実行可否を、２次電池１７２のＳＯＣと電池温度に関連付けて規定した。そして、センサースキャンに続くステップＳ２１０では、図７のマップを参照しつつ、ステップＳ２００で読み込んだ電池温度とＳＯＣとに基づいて、一時的電流増量制御の実行可否を判定する。
【００５６】
このステップＳ２１０で既述した一時的電流増量制御の実行不可と否定判定すれば、後述の通常制御の実行に移行し、一時的電流増量制御の実行が可能と肯定判定すれば、続くステップＳ２２０によるセル温度読込、その後の温度対比（ステップＳ２３０）を行う。そして、制御装置２００は、既述した実施例のステップＳ１１０と同様、セル温度と第１温度αとの対比に応じて、燃料電池１００の既述した通常制御（ステップＳ２４０）、或いは既述した一時的電流増量制御（ステップＳ２５０）を実行する。この際の通常制御と一時的電流増量制御にあっても、モーター１７０の要求電力に応じて、２次電池１７２を併用できる。図８は一時的電流増量制御における電流増と低電圧化の推移状態をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図、図９は一時的電流増量制御における周期Ｔと最低電圧をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図である。
【００５７】
セル温度が第１温度αを超えているために行う一時的電流増量制御では、その制御状態が２次電池１７２のＳＯＣにより次のように定められる。電流増量制御では、既述したように、一時的電流増量制御を間欠的に繰り返すことで、結果的にこの一時的電流増量制御と通常制御とを交互に繰り返し実行される。そして、その際の一時的電流増量制御の期間ｔ１と通常制御の期間ｔ２、および低電圧化推移の際の最低電圧Ｖminは、図９に示すように、２次電池１７２のＳＯＣで規定される。この場合、一時的電流増量制御の期間ｔ１は、２次電池１７２のＳＯＣが大きくなるほど段階的に増量し、通常制御の期間ｔ２と低電圧化推移の際の最低電圧Ｖminは、これとは逆に段階的に低減する。このことは、２次電池１７２のＳＯＣが大きければ、そのＳＯＣでモーター１７０の要求電力の殆どを賄えるので、燃料電池１００については、電解質膜１０１の乾燥抑制に寄与する電圧低下の程度を大きく、且つ、一時的電流増量制御の期間ｔ１を長くして、生成水量をより増量させて、電解質膜１０１の乾燥抑制の実効性を高めることを意味する。従って、この実施例の燃料電池搭載車両２０では、先の実施例と同様の一時的電流増量制御を行うことで、燃料電池１００の高負荷運転が長期に亘る場合の発電能力の維持や低下抑制の実効性をより高めることができる。しかも、２次電池１７２のＳＯＣに応じた一時的電流増量制御の実行可否、およびその制御状態の決定により、２次電池１７２の併用に伴う要求電力の充足に加え、生成水増量をもたらす一時的電流増量制御をきめ細かく実行して増量程度を可変できるので、電解質膜１０１の乾燥抑制とこれに伴う発電性能の回復に大きく寄与できる。
【００５８】
図１０は第３実施例における電流増量制御の実行の様子を模式的に示す説明図、図１１はセル温度に対する燃料電池１００の出力推移とアノード圧損推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。この第３実施例は、負荷要求が消失した場合に電流増量制御を実行する点に特徴がある。
【００５９】
図１０に示すように長い登坂走行の際には、燃料電池１００（図１参照）は高負荷運転が継続され、セル温度は徐々に上昇する。この場合、上記した第１或いは第２実施例で説明した一時的電流増量制御を行わないとすると、図１１に示すように、セル温度が第１温度αになると既述したようにアノード圧損が低下する。この際の電池出力については、図１１に白抜き四角でプロットして示すように、セル温度が第１温度αより高い第２温度βまではそれほどの低下は見られないものの、セル温度がこの第２温度βを超えると急激に低下する。そして、登坂が終了してからの下り坂走行では、通常、燃料電池１００は、例えばアクセル操作のオフを契機に発電運転を停止する。この運転停止により、セル温度は低下するものの、アクセルオン時に予想される電池出力は、図１１に白抜き四角でプロットして示すように、低出力で推移したままとなる。これは、登坂走行の際の高負荷運転により上昇したセル温度は登坂走行後においても或る程度の期間に亘って高いままなので、登坂走行後においても電解質膜１０１の乾燥が進んでしまい、発電能力が低下するためと考えられる。
【００６０】
こうした現象を踏まえ、第３実施例では、次のように燃料電池１００を運転制御する。まず、登坂過程では、既述した第１、第２実施例と同様の一時的電流増量制御を行う。このため、登坂過程での電解質膜１０１の乾燥抑制により、セル温度が第２温度βを超えても、図１１に白抜き円でプロットして示すように、一時的電流増量制御を行わない場合に比べて高い電池出力を維持できる。そして、登坂走行後の下り坂走行では、既述したようにアクセル操作のオフを契機に燃料電池１００の発電運転を停止するものの、セル温度が第２温度βまで低下すると、既述した第１、第２実施例と同様の一時的電流増量制御（ステップＳ１３０、Ｓ２５０）を所定期間に亘って実行する。このため、電解質膜１０１の乾燥が抑制されて発電能力の回復を図ることができ、この様子は、図１１に白抜き円のプロットで示されている。この場合、下り坂走行が終わってアクセル操作がなされれば、その際には既に電解質膜１０１の乾燥が抑制されているので、そのアクセル操作に基づいて燃料電池１００を特段の支障なく発電制御できる。よって、この第３実施例の燃料電池搭載車両２０によれば、アクセル操作に対するレスポンスの違和感を低減できるので、ドライバビリティーの向上を図ることができる。
【００６１】
この第３実施例において一時的電流増量制御を開始する第２温度βは、図１１に示すように、アノード圧損推移の変曲点に該当すると共に、電池出力の急激な低下を起こす温度であることから、セル温度が第２温度βを超えると、電解質膜１０１は乾燥過多となっていると想定される。よって、この第２温度βを超える温度にて一時的電流増量制御を行うと、乾燥過多の電解質膜１０１の乾燥抑制のために一時的電流増量制御の継続が長くなってしまう。よって、第３実施例では、セル温度が第２温度βまで低下した時点で、乾燥抑制のための一時的電流増量制御を行うこととした。
【００６２】
図１２は第４実施例における生成水増量制御の実行の様子を示す説明図である。この第４実施例は、生成水増量をエアー供給量低減を介して行う点に特徴がある。図示するように、この実施例では、先の実施例が行っていた一時的電流増量制御に代わり、期間ｔでのエアー供給量低減を周期Ｔごとに間欠的に繰り返す。エアー流量の低減は、カソード１０３における生成水量を低減させるものの、余剰エアーによる生成水の持ち去り量を少なくし、生成水の残存を図ることができる。そして、この第４実施例では、エアー供給量当たりの生成水量を増量させることができるので、先の実施例と同様、電解質膜１０１の乾燥を抑制できる。しかも、この実施例では、エアー供給量低減により、水素ガスの消費についてもこれを低減するので、電解質膜１０１の乾燥抑制を図った上で、燃費向上を図ることができる。
【００６３】
次に、燃料電池１００に固有の特性を利用した第５実施例について説明する。図１３は燃料電池１００の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた燃料電池固有の等価パワー特性線（ＩＶ特性線）を概略的に示す説明図、図１４は一時的電流増量制御における電流電圧推移を等価パワー特性線間での推移の有無に分けて示す説明図、図１５は図２における処理を等価パワー特性線の読み込みと関連付けて示すフローチャートである。
【００６４】
燃料電池搭載車両２０（図１参照）は、燃料電池１００を発電運転制御するに当たり、図１３の各等価パワー特性線に対応するマップを制御装置２００のＲＯＭやメモリ機器に記憶して備える。そして、この第５実施例では、図１５に示すように既述した電流増量制御を行うに当たり、モーター１７０等から要求されている要求電力に符合した等価パワー特性線を読み込む（ステップＳ１２０）。そして、ステップＳ１１０の否定判定に続くステップＳ１２０の通常制御では、読み込んだ等価パワー特性線（例えば、図１３における等価パワー特性線ＰＴｂ）の上の電流電圧にて燃料電池１００を運転することで、負荷要求に基づいて燃料電池１００を発電運転する。
【００６５】
その一方、ステップＳ１１０の肯定判定、即ち既述したように膜乾燥により発電能力の低下が起き得ると、ステップＳ１３０の電流増量制御における期間ｔの一時的電流増量制御を次のようにして行う。まず、図１３〜図１４において白抜き円は、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂの上において期間ｔの一時的電流増量制御に適った電流電圧推移をもたらす制御の様子を示す。詳述すると、ステップＳ１２０にて行った通常制御での運転ポイントＰｎの電流電圧を、電流増と低電圧化とを起こす側の運転ポイントＰｎ１に推移させ、期間ｔにおいてこの運転ポイントＰｎ１にて燃料電池１００を運転する。その後、電流増と低電圧化とを起こす前の運転ポイントＰｎに電流電圧を推移させる。この制御は、要求電力に符合した等価パワー特性線の上における電流電圧推移であることから、常時等価パワーの制御となる。
【００６６】
一方、塗り潰し円は、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂとこれより低発電パワーの側の等価パワー特性線ＰＴａとの間における電流電圧推移を加味して一時的電流増量制御に適った電流電圧推移をもたらす制御の様子を示す。詳述すると、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａを読み込んだ上で（ステップＳ１３０）、ステップＳ１２０にて行った通常制御での運転ポイントＰｎの電流電圧を、等価パワー特性線ＰＴｂより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａの上の運転ポイントであって、更に電流増と低電圧化とを起こす側の運転ポイントＰｎ２に推移させ、期間ｔにおいてこの運転ポイントＰｎ２にて燃料電池１００を運転する。その後、電流増と低電圧化とを起こす前の運転ポイントＰｎに電流電圧を推移させる。運転ポイントＰｎから運転ポイントＰｎ２までの推移については、運転ポイントＰｎから直接、運転ポイントＰｎ２に推移できるほか、運転ポイントＰｎ１を経て運転ポイントＰｎ２に推移するようにすることもできる。この場合の制御は、異なる発電パワーの等価パワー特性線の間の電流電圧推移を起こすものの、推移前後で見れば、図１４に実線で示すようにほぼ平均した発電パワーとなるので、平均等価パワーの制御となる。
【００６７】
上記した常時等価パワー制御と平均等価パワー制御の両制御とも、セル温度の上昇を経て膜乾燥により発電能力の低下が起き得ると（ステップＳ１３０の肯定判定）、ステップＳ１２０にて行った通常制御での運転ポイントＰｎの電流電圧を、電流増と低電圧化とを起こす側に推移させているので、既述した膜乾燥の抑制、延いては発電能力の低下の抑制を図ることができる。また、上記の両制御とも、燃料電池１００を当該電池に固有の等価パワー特性線の上の電流電圧にて発電運転できるので、出力の安定化を図ることができる。加えて、上記の両制御とも、一時的電流増量制御に適った電流電圧推移を起こす際に当たり、燃料電池１００自体での電流電圧制御で済み、当該制御に他の電力源である２次電池１７２からの電力供給を考慮した上での発電運転制御の必要がなく、簡便となる。
【００６８】
等価パワー特性線ＰＴｂとこれより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａの間の電流電圧推移を起こす平均等価パワー制御では、期間ｔの一時的電流増量制御での電流増と低電圧化とを顕著とする。よって、既述した膜乾燥の抑制や生成水による触媒冷却、吸着不純物除去等が進むので、期間ｔの一時的電流増量制御に続く制御（通常制御）の際には、発電性能の回復が見込まれ、この回復分は、図１４では電圧の上昇として示されている。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、セル温度と電解質膜１０１の乾燥状態とを対応付け、セル温度が第１温度αを超えると電解質膜１０１の乾燥抑制が必要であるとしたが、これに限られるものではない。つまり、セル温度の他、電解質膜１０１の乾燥状態が反映した燃料電池特性を用いることができる。例えば、アノード圧損或いは内部抵抗の推移を検出して、電解質膜１０１の乾燥が起きることで現れる現象、即ち、図４に白抜き四角のプロットで示したようなアノード圧損の低下や内部抵抗の上昇が起きると、電解質膜１０１の乾燥が進んで燃料電池１００の発電性能が低下し得る状況下であるために、膜乾燥や能力低下の抑制が必要であるとしてステップＳ１３０の電流増量制御（一時的電流増量制御）を行うようにすることもできる。
【００７０】
この場合、燃料電池１００の発電性能低下は、電解質膜１０１の乾燥の状況のみならず、上記したアノード圧損や内部抵抗の推移の他、燃料電池１００の出力変化やその電流電圧特性の変化として観察し得る。よって、燃料電池１００の電池出力或いは電流電圧特性を測定（実測）ないしは所定の理論計算に基づいた推定を行って、燃料電池１００の発電性能が低下し得る能力低下状況への推移を捉えるようにして、既述した一時的電流増量制御とこれに続く通常制御とを繰り返すようにすることもできる。より詳述すると、燃料電池１００の電池出力や電流電圧特性が予め定めた閾値から出力低下或いは特性劣化の側に推移すると、燃料電池１００の発電性能が低下し得る能力低下状況下に推移したとして、既述した一時的電流増量制御とこれに続く通常制御とを交互に繰り返す。そして、燃料電池１００の電池出力や電流電圧特性が上記した閾値に復帰すれば、一時的電流増量制御を停止すればよい。
【００７１】
図１３や図１４で説明した等価パワー特性線に則った一時的電流増量制御において、次のような出力対処を採ることができる。図１６は一時的電流増量制御において採用可能な出力対処の様子を説明する説明図である。この図１６は、一時的電流増量制御とこれに続く通常制御との繰り返しを、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂと等価パワー特性線ＰＴａとの間における電流電圧推移を加味して行う平均等価パワー制御とした場合の発電電力の出力状況を示している。そして、この図１６では、等価パワー特性線ＰＴｂから等価パワー特性線ＰＴａへの電流電圧推移（Ｐｎ→Ｐｎ２：一時的電流増量制御）を経た電流増と低電圧化による出力の負荷要求出力との差分と、等価パワー特性線ＰＴａから等価パワー特性線ＰＴｂへの電流電圧推移（Ｐｎ２→Ｐｎ：通常制御）を経た低電流化と高電圧化による出力の負荷要求出力との差分とが等しくなるようにされている。こうするには、運転ポイントＰｎと運転ポイントＰｎ２の間の電流電圧の隔たりを考慮して、周期Ｔに占める期間ｔを定めればよく、要求負荷に応じて予めマップ化することが可能である。つまり、要求負荷が定まれば、これに符合する等価パワー特性線（例えば、等価パワー特性線ＰＴｂ）とこれより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａが定まり、両特性線図に乗っている上記の各運転ポイントも定まるので、これに応じてマップ化できる。
【００７２】
図１に示す通り、燃料電池搭載車両２０は、電力の充電と放電が可能な２次電池１７２をモーター１７０等に供給する電力源として燃料電池１００と併用可能に備え、２次電池１７２は、燃料電池１００の出力不足の際にこれを補充するよう、通常は制御される。ところが、上記したように、電流増と低電圧化による出力低下分と、低電流化と高電圧化による出力回復分とを既述したように等しくすれば、燃料電池１００の出力不足が見かけ上起きないようにできる。このため、出力分補充のための２次電池１７２の電力供給が不要となる、または、電力供給に変動を来さないようにできるので、２次電池１７２の電力消費を抑制できる。なお、一時的電流増量制御とこれに続く通常制御との繰り返しを、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂの上において電流電圧推移させる常時等価パワー制御では、そもそも燃料電池１００の出力は一定なので、出力分補充のための２次電池１７２の電力供給が不要となる、または、電力供給に変動を来さず、２次電池１７２の電力消費を抑制できる。
【００７３】
また、上記の実施例では、既述した期間ｔの一時的電流増量制御に続いて通常制御を（Ｔ−ｔ）の期間において実行したが、期間ｔの一時的電流増量制御に続く制御については、これを、この一時的電流増量制御よりも生成水の生成量の増量を抑制する制御とすればよく、通常制御に限らない。
【００７４】
また、上記の実施例において電圧の高低推移を起こすに当たり、次のように変形することができる。図１７は一時的電流増量制御とこれに続く制御（生成水の増量を抑制する制御）を交互に繰り返す際の電圧の高低推移の様子を示す説明図である。この図１７に示すように、一時的電流増量制御に伴って低電圧化を図る際、および一時的電流増量制御とこれに続く制御に伴って高電圧化を図る際、電圧を漸増もしくは漸減するよう推移させる。こうすれば、一時的電流増量制御とこれに続く制御（生成水の増量を抑制する制御）を交互に繰り返す際の電流の急変、いわゆるスパイク電流を抑制できるので、電解質膜１０１の損傷回避等に対して有益となる。
【００７５】
また、上記の実施例では、セル温度が第１温度αを超えた後にこの第１温度αまで低下する期間において、既述した周期Ｔで一時的電流増量制御と通常制御とを交互に繰り返したが、セル温度が第１温度αを超えてから所定の期間に亘って周期Ｔで一時的電流増量制御と通常制御とを交互に繰り返すようにすることもできる。なお、電池抵抗値、電池出力或いは電流電圧特性を測定ないしは推定等して、燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況への推移を捉えるようにした場合も、同様である。
【符号の説明】
【００７６】
２０…燃料電池搭載車両
２２…車体
３０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０１…電解質膜
１０２…アノード
１０３…カソード
１０４…アノード側ガス拡散層
１０５…カソード側ガス拡散層
１０６…電流センサー
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…循環経路
１２３…放出経路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…流量センサー
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給経路
１４２…放出経路
１４３…排出流量調整バルブ
１４５…加湿装置
１４７…流量センサー
１５０…ラジエータ
１５２…ファン
１６０…冷却系
１６１…循環経路
１６２…バイパス経路
１６３…三方流量調整弁
１６４…循環ポンプ
１６６…温度センサー
１７０…モーター
１７２…２次電池
１７６…容量検出センサー
１８０…アクセル
１８２…車速センサー
１８４…外気温センサー
２００…制御装置
１７４…ＤＣ−ＤＣコンバーター
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年3月19日(2014.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで対向するアノードとカソードに燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御する負荷対応発電制御を行う発電制御部と、
前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能で、電力の充電と放電が可能な２次電池と備え、
前記発電制御部は、
前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返し、
前記生成水増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて前記カソードにおける生成水の生成量を増やし、前記生成水非増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を前記生成水増量制御に対して低電流域と高電圧域となる側に推移させて、前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制すると共に、
中温域の電池温度で低閾値容量となり低温域の電池温度では前記中温域より低温となるほどの前記低閾値容量より高い閾値容量となり高温域の電池温度では前記中温域より高温となるほど前記低閾値容量より高い閾値容量となる所定の閾値容量と前記２次電池の蓄電容量とを対比し、前記２次電池の蓄電容量が前記所定の閾値容量を超えると、前記生成水増量制御の実行が可能と判定する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記発電制御部は、
前記燃料電池の発電運転状態を前記電流増と低電圧とを起こす側に推移させる推移状態を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて決定し、該決定した推移状態にて前記生成水増量制御を実行する
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記発電制御部は、
前記２次電池の蓄電容量が大きくなるにつれて前記生成水増量制御の実行期間が段階的に長くなるように前記推移状態を決定する
燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電制御部は、前記生成水非増量制御として前記負荷対応発電制御を実行する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記発電制御部は、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを所定期間の周期Ｔで交互に繰り返す請求項項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた前記燃料電池に固有の等価パワー特性線を発電パワーごとに記憶し、
前記発電制御部は、前記負荷対応発電制御を行うに当たり、前記要求電力に符合した前記発電パワーの前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御し、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移についても、等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する
燃料電池システム。
【請求項７】
前記発電制御部は、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移を、前記要求電力に符合した前記発電パワーより低発電パワーの側の前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記発電制御部は、
前記生成水増量制御に伴う前記電流増と前記低電圧化とを起こす側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分と、前記生成水非増量制御に伴う前記低電流域と前記高電圧域となる側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分とが等しくなるように、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを交互に繰り返す
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる車両。
【国際調査報告】
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