(57)【要約】【課題】負荷変動が大きなシステムにおいても、フラッディングに起因する燃料電池の電圧低下を抑制する。【解決手段】コントロールユニット４０は、スタック電流が要求出力の増加に応じて変化するとともに要求出力（すなわち、増加後の要求出力）に対応する値において定常状態となった場合に、スタック電圧が参照スタック電圧Ｖstよりも小さく、かつ、スタック電圧のその後の推移が参照スタック電圧Ｖstに収束すると判定したことを条件に、燃料電池スタック１内に存在する液水を排出する制御を行う。【選択図】図１
2010123430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
燃料電池に対して要求される要求出力に基づいて、電流および電圧のうちいずれか一方のパラメータを制御パラメータとして用いて燃料電池の出力を制御し、当該出力を負荷に供給する出力制御手段と、
前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記制御パラメータが前記要求出力の増加に応じて変化するとともに当該要求出力と対応する値において定常状態となった場合に、他方のパラメータが前記定常状態の制御パラメータと対応して取り得る基準値よりも小さく、かつ、前記他方のパラメータのその後の推移が前記基準値に収束すると判定したことを条件に、前記燃料電池内に存在する液水を排出する制御を行う液水制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池からの出力を蓄電するとともに、前記負荷に出力を供給し得る蓄電手段をさらに有し、
前記出力制御手段は、前記要求出力が増加した場合には、前記負荷への出力供給元を前記燃料電池から前記蓄電手段に切り替えることにより、前記要求出力に対応する出力を前記蓄電手段から負荷に供給するとともに、前記要求出力に基づいて燃料電池の出力を制御して当該出力を前記蓄電手段に供給し、
前記液水制御手段は、前記負荷への出力供給元が前記燃料電池から前記蓄電手段に切り替えられた後に、前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池からの出力を蓄電するとともに、前記負荷に出力を供給し得る蓄電手段をさらに有し、
前記出力制御手段は、前記要求出力が増加していない場合に、前記負荷への出力供給元を前記燃料電池から前記蓄電手段に切り替えることにより、前記要求出力に対応する出力を前記蓄電手段から負荷に供給するとともに、前記制御パラメータを用いて前記燃料電池の出力を増加させて当該出力を前記蓄電手段に供給し、
前記液水制御手段は、前記燃料電池の出力を増加させた後に、前記判定を行うことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池に対して要求される要求出力に基づいて、電流および電圧のうちいずれか一方のパラメータを制御パラメータとして用いて燃料電池の出力を制御し、
前記制御パラメータが前記要求出力の増加に応じて変化するとともに当該要求出力に対応する値において定常状態となった場合に、他方のパラメータが前記定常状態の制御パラメータに対応して取り得る基準値よりも小さく、かつ、前記他方のパラメータのその後の推移が前記基準値に収束すると判定したことを条件に、乾燥状態に起因するフラッディングの発生を判定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を主体に構成されるが、その含水状態によって発電性能が左右される。そのため、効率的な発電を行うためには、燃料電池の含水状態を判定することが重要となっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池の電気的な抵抗を時系列的に測定し、これら測定値のばらつきに関する所定のパラメータ値を算出することにより、電解質膜の湿潤状態を判断する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−２５２８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、燃料電池の負荷が定常状態であることを前提として、抵抗のばらつきから、水分過多（フラッディング）を判断しており、負荷が過渡的に変動するような場合には、判定を行うことが困難となる。そのため、フラッディングにともなう燃料電池の電圧低下を抑制することができず、要求出力に応じた燃料電池出力を得ることができないという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷変動が大きなシステムにおいても、フラッディングに起因する燃料電池の電圧低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、負荷変動にともない増加した要求出力に対応する値において制御パラメータ（電流および電圧のうちの一方のパラメータ）が定常状態となった場合に、他方のパラメータが定常状態の制御パラメータに対応して取り得る基準値よりも小さく、かつ、この他方のパラメータのその後の推移が基準値に収束すると判定したことを条件に、燃料電池内に存在する液水を排出する制御を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、要求出力の増加に対応する電圧または電流の推移より、ドライ起因のフラッティングの発生状況を監視している。そのため、要求出力が変化するようなシーンであっても、ドライ起因のフラッティングが発生した場合には、フラッディングの要因となる液水を有効に排出することができる。その結果、フラッディングに起因する燃料電池の電圧の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【０００９】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セル２を積層して構成され、個々の燃料電池セル２は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成される。この燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セル２において、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とをさらに有している。
【００１１】
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。
【００１２】
個々の燃料極から排出される排出ガス（未反応の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といったガス循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極からの排出ガスが、水素循環流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１の水素の供給側へと循環させられる。
【００１３】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極側から燃料極側に透過するため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、この流路Ｌ２を流れる排出ガス（循環ガス）を外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開き量を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される循環ガス量、すなわち、窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。
【００１４】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、コンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、加圧された空気は、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ４には、アフタークーラー２１、加湿装置２２が設けられており、コンプレッサ２０から供給される空気は、燃料電池スタック１での反応に適した温度に冷却されるとともに、また、燃料電池スタック１での反応に適した湿度に加湿される。
【００１５】
個々の酸化剤極から排出される排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５は、上述した加湿装置２２を経由して配設されており、これにより、加湿装置２２では、酸化剤極からの排出ガスと、コンプレッサ２０からの空気との間で水分の交換が行われ、コンプレッサ２０からの空気に対する加湿が行われる。また、空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２３が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力は、空気調圧バルブ２３の開度を制御することによって調整することができる。
【００１６】
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水（熱媒体）が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ６を有しており、この冷却流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、冷却流路Ｌ６内の冷却水が循環する。また、冷却流路Ｌ６には、ラジエータ３１と、このラジエータ３１を送風するファン３２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック１には、車両を駆動する電動モータ３がインバータ（図示せず）を介して接続されており、燃料電池スタック１からの電流は、インバータを介して電動モータ３へ供給される。燃料電池スタック１は、出力取出装置４が接続されるとともに、この出力取出装置４を介してバッテリ（蓄電手段）５が接続される。また、燃料電池スタック１からの電力は、出力取出装置４を介してバッテリ（蓄電手段）５に供給される。
【００１８】
出力取出装置４は、燃料電池スタック１からの電流を電圧変換してバッテリ５側に出力する。本実施形態において、出力取出装置４は、電流を双方向に流す双方向性のコンバータであり、バッテリ５からの電流を電圧変換して電動モータ３側に出力することもできる。
【００１９】
バッテリ５は、電力を充電可能であるとともに、この充電した電力を放電可能な蓄電手段であり、次に示すような機能を担っている。まず、バッテリ５は、燃料電池スタック１に必要な出力を供給する。また、燃料電池スタック１に対して要求される出力（要求電力）に対して、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータ３に供給する。さらに、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータ３の回生電力を蓄電する。
【００２０】
コントロールユニット４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。コントロールユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１３、コンプレッサ２０、アフタークーラー２１、空気調圧バルブ２３、冷却水循環ポンプ３０、ファン３２、出力取出装置４といった種々の要素を制御する。
【００２１】
コントロールユニット４０には、システムの状態を検出するために、電圧センサ（電圧検出手段）４１および電流センサ（電流検出手段）４２が設けられている。電圧センサ４１は、燃料電池スタック１の電圧（以下「スタック電圧」という）を検出するセンサであり、電流センサ４２は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「スタック電流」という）を検出するセンサである。
【００２２】
本実施形態との関係において、コントロールユニット４０は、燃料電池に対して要求される要求出力に基づいて、スタック電流を制御パラメータとして用いて燃料電池スタック１の出力（以下「スタック出力」という）を制御し、出力を負荷である電動モータ３に供給する（出力制御手段）。また、コントロールユニット４０は、以下の状態を判定したことを条件に、燃料電池内に存在する液水を排出する制御を行う（液水制御手段）。前提として、例えば、要求出力が現在の値ＡからＢ（Ｂ＞Ａ）へと増加した状況を考える。このような状況下において、制御部４０が判定する状態は、スタック電流が要求出力の増加に応じて変化するとともに要求出力（値Ｂ）に対応する値において定常状態となった場合に、スタック電圧が基準値（この定常状態のスタック電流に対応して取り得るスタック電圧（後述する参照スタック電圧））よりも小さく、かつ、スタック電圧のその後の推移が基準値に収束することである。
【００２３】
図２は、第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントロールユニット４０によって実行される。コントロールユニット４０は、かかる処理を実行する前提として、電圧センサ４１からスタック電圧、電流センサ４２からスタック電流を所定の周期で取得し、これらの推移をモニタリングしている。
【００２４】
まず、ステップ１（Ｓ１）において、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１に対して要求される要求出力が過渡的に増加したか否かを判断する。ドライバーがアクセルペダルを急激に踏み込んだといったように、燃料電池スタック１に対して要求される要求出力が増加すると、スタック出力が増加するため、これに対応してスタック電流が増加する。そこで、コントロールユニット４０は、要求出力の過渡的な増加に対応して、スタック電流が過渡的に増加したか否かを判断する。本実施形態では、例えば、電流密度で０．１Ａ/cm2/sec以上の電流増加があった場合に、要求出力が過渡的に増加したと判断する。
【００２５】
このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、要求出力が過渡的に増加した場合には、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、要求出力が過渡的に増加していない場合には、所定時間後に再度ステップ１の判断を行う。
【００２６】
図３は、電圧の推移を示す説明図である。ステップ２において、コントロールユニット４０は、フラッディングが発生しているか否かを判断する。燃料電池スタック１、具体的には、酸化剤極における触媒層またはガス拡散層（ＧＤＬ）では、反応ガス（水素および空気）の反応により水が生成され、この生成水量が多い場合には、フラッディングと呼ばれる現象が生じる。フラディングが発生しているか否かの判定は、スタック電圧の推移に基づいて行われる。
【００２７】
上述したように、要求出力の増加に対応してスタック電流が増加する。燃料電池スタック１の電流−電圧特性によれば、スタック電流が過渡的に増加した場合には、これに対応してスタック電圧は低下する傾向を示す。そして、スタック電流が要求出力（増加後の要求出力）を満たすスタック電流に到達した後は、スタック電流は定常状態（ほぼ一定値）となる。要求出力を満たす電流は、燃料電池スタック１の電流−電圧特性から演算することができる。ここで、要求出力を満たすスタック電流に対応するスタック電圧を参照スタック電圧Ｖstと定義する。なお、本明細書において、スタック電流が一定とは、厳密な意味での一定を指すのみではなく、一定の時間範囲内においてほぼ一定の状態で推移することも含むこととする。
【００２８】
ところで、フラッディングが発生している場合には、スタック電圧は、参照スタック電圧Ｖstよりも低下する。そこで、コントロールユニット４０は、スタック電流が過渡的に増加したタイミングＴtr以降のスタック電圧の推移に基づいて、スタック電圧が、参照スタック電圧Ｖstよりも低下しているか否かを判断する。これにより、フラッディングが発生しているか否かを判断する。このステップ２において肯定判定された場合、すなわち、スタック電圧が参照スタック電圧Ｖstよりも低下している場合には、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、スタック電圧が参照スタック電圧Ｖstをよりも低下していない場合には、後述するステップ７（Ｓ７）に進む。
【００２９】
ステップ３において、コントロールユニット４０は、現在発生しているフラッディングが、ドライ起因のフラッディングであるか否かを判断する。ここで、ドライ起因のフラッディングは、燃料電池スタック１の乾燥状態を要因として生じるフラッディングのことである。具体的には、燃料電池スタック１の乾燥条件時、電解質膜の水移動性が低く、ガス拡散層の排水性が低い場合には、スタック出力の変動にともなって増加したプロトン随伴水（水素イオンとともに移動する水分子）と生成水とが、電解質膜側およびガス拡散層側への移動が制限されることにより、酸化剤極側の触媒層（またはガス拡散層）で瞬間的に溢れ、酸素拡散を阻害するためにフラッディングが発生する。
【００３０】
ドライ起因のフラッディングが発生している場合、スタック電圧は、以下に示す通りに推移する傾向がある。図４は、スタック電流およびスタック電圧の推移を示す説明図である。同図において、Ｌｃは、スタック電流の推移を示す。一方、Ｌｖ１は、ドライ起因のフラッディングが発生していないケースでのスタック電圧の推移を示し、Ｌｖ２，Ｌｖ３は、ドライ起因のフラッディングが発生しているケースでのスタック電圧の推移を示す。上述したように、フラッディングが発生している場合には、スタック電流の増加に応じてスタック電圧が参照スタック電圧Ｖstよりも低下する。また、このフラッディングがドライ起因のフラッディングである場合には、スタック電流が一定になった後には、スタック電圧が上昇し、その後一定の値を推移する。具体的には、参照スタック電圧Ｖstに収束する。なお、本明細書において、スタック電圧が一定とは、厳密な意味での一定を指すのみではなく、一定の時間範囲内においてほぼ一定の状態で推移することも含むこととする。
【００３１】
そこで、コントロールユニット４０は、参照スタック電圧Ｖstよりも低下したスタック電圧が、その後の推移において、参照電圧Ｖstに収束する傾向にあるか否かを判断する。具体的には、まず、コントロールユニット４０は、電圧低下幅ΔＶが、参照スタック電圧Ｖstの１％以上の値となっているか否かを判断する。ここで、図３に示すように、電圧低下幅ΔＶは、参照スタック電圧Ｖstと、スタック電流の増加に伴い低下したスタック電圧の最小値Ｖlowとの差である。そして、コントロールユニット４０は、コントロールユニット４０は、スタック電圧が、参照スタック電圧Ｖstに収束したか否かを判断する。なお、図４に示すＬｖ２，Ｌｖ３に示すように、ドライ起因のフラッディング傾向が強いほど、電圧低下幅ΔＶは大きくなる。
【００３２】
このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、ドライ起因のフラッディングが発生している場合には、ステップ４に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、ドライ起因のフラッディングが発生していない場合には、ステップ５（Ｓ５）に進む。
【００３３】
ステップ４において、要因フラグＦが「１」にセットされる。この要因フラグＦは、フラッディングの要因が反映されるフラグであり、初期的には「０」にセットされている。要因フラグＦとして「１」がセットされるケースとしては、ドライ起因のフラッディングが発生しているときである。一方、ステップ５において、要因フラグＦが「２」にセットされる。要因フラグＦとして「２」がセットされているケースとしては、ドライ起因のフラッディング以外のフラッディングが発生している場合である。
【００３４】
ステップ６（Ｓ６）において、コントロールユニット４０は、フラッディングを抑制すべく、燃料電池スタック１の運転状態を変更する。この処理では、要因フラグＦが参照される。まず、要因フラグＦが「１」にセットされている場合、すなわち、ドライ起因のフラッディングが生じている場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の運転条件よりも増加させるように、運転条件を変更する。燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度を現在の運転条件よりも増加させる手法としては、例えば、アフタークーラー２１から排出される空気の温度を現在の運転条件よりも低下させたり、冷却水の温度を現在の運転条件よりも低下させる等により燃料電池スタック１の入口側の空気温度を低下させたりするといった如くである。一方、水素の相対湿度を現在の運転条件よりも増加させる手法としては、冷却水温度を現在の運転条件よりも低下させる等により燃料電池スタック１の入口の水素温度を低下させるといった如くである。
【００３５】
これに対して、要因フラグＦが「２」にセットされている場合、すなわち、ドライ起因ではないフラッディング、一般的には、ウェット起因のフラッディングが発生しているケースである。ここで、ウェット起因のフラッディングは、燃料電池スタック１の湿潤状態を要因として生じるフラッディングのことである。具体的には、燃料電池スタック１の湿潤条件時、ガス拡散層の排水性が低い場合には、負荷変動にともなって増加したプロトン随伴水と生成水とが、ガス拡散層側への移動が制限されることにより、酸化剤極側の触媒層（またはガス拡散層）で瞬間的に溢れ、酸素拡散を阻害するためにフラッディングが発生する。なお、ウェットに起因するフラッディングは、過渡時に限らず定常でも発生する。
【００３６】
ウェット起因のフラッディングが生じている場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の相対湿度および水素の相対湿度を現在の運転条件よりも減少させるように、運転条件を変更する。空気の相対湿度を現在の運転条件よりも減少させる手法としては、例えば、アフタークーラー２１から排出される温度を現在の運転条件よりも増加させたり、冷却水の温度を現在の運転条件よりも増加させる等により燃料電池スタック１の入口側の空気温度を増加させたりするといった如くである。また、加湿装置２２をバイパスする流路を設け、アフタークーラー２１から排出される空気をそのまま燃料電池スタック１へ供給してもよい。一方、水素の相対湿度を現在の運転条件よりも減少させる手法としては、冷却水の温度を現在の運転条件よりも増加させる等により燃料電池スタック１の入口側の水素温度を増加させるといった如くである。
【００３７】
なお、フラッディングであるがその要因が判別できない場合には、燃料電池スタック１に供給される空気の流量を現在の運転条件よりも増加させるように、運転条件を変更する。空気の流量を増加させる手法としては、例えば、コンプレッサ２０の回転数を増加させるといった如くである。
【００３８】
ステップ７において、コントロールユニット４０は、ステップ６において変更された運転条件にしたがって、あるいは、従前の処理サイクルにおいて設定されている運転条件にしたがって、燃料電池スタック１の発電制御を行う。
【００３９】
このように本実施形態において、コントロールユニット４０は、要求出力に基づいて燃料電池の出力を制御し、出力を負荷である電動モータ３に供給する。ここで、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１の制御方法として、電流制御、すなわち、スタック電流を制御パラメータとして用いて燃料電池スタック１の出力を制御する。つぎに、コントロールユニット４０は、スタック電流が要求出力の増加に応じて変化するとともに要求出力（すなわち、増加後の要求出力）に対応する値において定常状態となった場合に、スタック電圧が参照スタック電圧Ｖstよりも小さく、かつ、スタック電圧のその後の推移が参照スタック電圧Ｖstに収束すると判定したことを条件に、燃料電池スタック１内に存在する液水を排出する制御を行う。
【００４０】
かかる構成によれば、要求出力の増加に対応して、ドライ起因のフラッティングの発生状況をスタック電圧の推移より監視している。そのため、要求出力が変化するようなシーンであっても、ドライ起因のフラッティングの発生を有効に判定することができる。そして、ドライ起因のフラッティングの発生を判定した場合には、運転条件を変更することにより、燃料電池スタック１内に存在する、フラッディングの要因となる液水を有効に排出することができる。これにより、フラッディングの発生が抑制されるため、スタック電圧の低下を抑制することができる。例えば、運転条件を変更することにより、スタック電圧は、Ｌｖ３からＬｖ２へ、そして、Ｌｖ２からＬｖ１において示すような傾向にシフトする。これにより、要求出力に対応したスタック出力を得ることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、スタック電圧の推移より判定を行っているので、他の検出手段などを別途追加することなく、燃料電池スタック１の運転に必要な既存の構成で上記の手法を実現することができる。
【００４２】
なお、上記の実施形態において、「１％」は例示的な値であり燃料電池スタック１の特性等に応じて任意に設定することがことができる。また、過剰にフラッディング判定が行われてしまうといった事態を抑制するために、例えば、「２％」または「５％」といったような値を判定値として用いてもよい。
【００４３】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。図６は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を実行した際の、要求出力（Ｌｃ）、スタック出力Ｌｓおよびバッテリ５からの出力Ｌｂの推移を示す説明図である。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、バッテリ５からの出力を併用しつつ、ドライ起因のフラッディングを判定することである。なお、第２の実施形態において、燃料電池システムのシステム構成は、第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。また、図５に示すフローチャートにおいて、ステップ１０（Ｓ１０）、ステップ１２（Ｓ１２）〜ステップ１６（Ｓ１６）およびステップ１９（Ｓ１９）については、第１の実施形態に示すステップ１、ステップ２〜６およびステップ７の処理とそれぞれ対応しており、以下、相違点を中心に説明を行う。
【００４４】
具体的には、ステップ１１（Ｓ１１）において、コントロールユニット４０は、電動モータ３への出力供給元を変更する。具体的には、コントロールユニット４０は、車両側、すなわち、電動モータ３への出力供給を燃料電池スタック１からではなく、バッテリ５から行うように制御する。また、コントロールユニット４０は、バッテリ５から出力供給を行っている間であっても、現在の要求出力に基づいてスタック出力を制御し、この発電状態において、ステップ１２以降の処理を行う。ここで、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１の発電で得られた出力をバッテリ５へと充電するように制御を行う。
【００４５】
ステップ１６に続くステップ１７（Ｓ１７）において、コントロールユニット４０は、スタック出力を車両からの要求出力に変更する。そして、ステップ１８（Ｓ１８）において、コントロールユニット４０は、車両側、すなわち、電動モータ３への出力供給をバッテリ５からではなく、燃料電池スタック１から行うように制御する。
【００４６】
このように本実施形態によれば、上述した第１の実施形態に示す効果を奏するとともに、要求出力をバッテリ５からの出力に切り替えることにより、変則的な要求出力の変動などに拘わらず、燃料電池スタック１のフラッディング判定を実施することができる。また、判定にともなって得られた出力をバッテリ５に出力するこにより、出力を無駄にすることなく再利用することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。図８は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を実行した際の、要求出力Ｌｃ、スタック出力Ｌｓおよびバッテリ５からの出力Ｌｂの推移を示す説明図である。第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、バッテリ５からの出力を併用しつつ、ドライ起因のフラッディングを判定することである。なお、第３の実施形態において、燃料電池システムのシステム構成は、第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。また、同図に示すようフローチャートにおいて、ステップ２３（Ｓ２３）〜ステップ２７（Ｓ２７）およびステップ３０（Ｓ３０）については、第１の実施形態に示すステップ２〜６およびステップ７の処理とそれぞれ対応しており、以下、相違点を中心に説明を行う。
【００４８】
本実施形態において、コントロールユニット４０は、図７に示す一連の処理を、要求出力が増大していないシーンにおいて行う。具体的には、まず、ステップ２０（Ｓ２０）において、コントロールユニット４０は、車両への出力供給元を変更する。具体的には、コントロールユニット４０は、車両側、すなわち、電動モータ３への出力供給を燃料電池スタック１からではなく、バッテリ５から行うように制御する。
【００４９】
ステップ２１（Ｓ２１）において、コントロールユニット４０は、スタック出力を増大させる。この場合、スタック出力は、極めて短時間に増大させることが好ましい。例えば、電流密度の増加速度で、０．１Ａ/cm2/sec程度で行うといった如くである。そして、コントロールユニット４０は、この発電状態において、ステップ２３以降の処理を行う。ここで、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１の発電で得られた出力をバッテリ５へと充電するように制御を行う。
【００５０】
ステップ２７に続くステップ２８（Ｓ２８）において、コントロールユニット４０は、スタック出力を要求出力に変更する。そして、ステップ２９（Ｓ２９）において、コントロールユニット４０は、車両側、すなわち、電動モータ３への出力供給をバッテリ５からではなく、燃料電池スタック１から行うように制御する。
【００５１】
このように本実施形態によれば、上述した第１の実施形態に示す効果を奏するとともに、要求出力をバッテリ５からの出力に切り替えることにより、要求出力が増加していないシーンであっても、燃料電池スタック１のフラッディング判定を実施することができる。また、判定にともなって得られた出力をバッテリ５に出力するこにより、出力を無駄にすることなく再利用することができる。
【００５２】
なお、上述した各実施形態では、燃料電池スタック１の制御方法として、スタック電流を制御パラメータとして用いて燃料電池スタック１の出力を制御するものである。しかしながら、電圧制御、いわゆる、スタック電圧を制御パラメータとして用いて燃料電池スタック１の出力を制御しする場合であっても、同様に本手法を適用することができる。
【００５３】
電圧制御では、要求出力の増加に対応してスタック電圧が低下する。燃料電池スタック１の電流−電圧特性によれば、スタック電圧が過渡的に増加した場合には、これに対応してスタック電流は低下する傾向を示す。そして、スタック電圧が要求出力（増加後の要求出力）を満たすスタック電流に到達した後は、スタック電圧は定常状態（ほぼ一定値）となる。要求出力を満たす電圧は、燃料電池スタック１の電流−電圧特性から演算することができる。ここで、要求出力を満たすスタック電圧に対応するスタック電流を参照スタック電流と定義する。
【００５４】
フラッディングが発生している場合には、スタック電圧の低下に応じたスタック電流の増加速度が遅くなり、結果として、参照スタック電流よりも小さな値となる。また、このフラッディングがドライ起因のフラッディングである場合には、スタック電圧が一定になった後には、スタック電流が徐々に増加し、その後一定の値を推移する。具体的には、参照スタック電流に収束する。
【００５５】
そこで、電圧制御のケースでは、コントロールユニット４０は、要求出力に基づいて燃料電池の出力を制御し、出力を負荷である電動モータ３に供給する。つぎに、コントロールユニット４０は、スタック電圧が要求出力の増加に応じて変化するとともに要求出力（すなわち、増加後の要求出力）に対応する値において定常状態となった場合に、スタック電流が参照スタック電流よりも小さく、かつ、スタック電圧のその後の推移が参照スタック電流に収束すると判定したことを条件に、燃料電池スタック１内に存在する液水を排出する制御を行うといった如くである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の処理手順を示すフローチャート
【図３】電圧の推移を示す説明図
【図４】スタック電流およびスタック電圧の推移を示す説明図
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の処理手順を示すフローチャート
【図６】第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を実行した際の、要求出力（Ｌｃ）、スタック出力Ｌｓおよびバッテリ５からの出力Ｌｂの推移を示す説明図
【図７】第３の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の処理手順を示すフローチャート
【図８】第３の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を実行した際の、要求出力（Ｌｃ）、スタック出力Ｌｓおよびバッテリ５からの出力Ｌｂの推移を示す説明図
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池セル
３…電動モータ
４…出力取出装置
５…バッテリ
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…水素循環ポンプ
１３…パージバルブ
２０…コンプレッサ
２１…アフタークーラー
２２…加湿装置
２３…空気調圧バルブ
３０…冷却水循環ポンプ
３１…ラジエータ
３２…ファン
４０…コントロールユニット
４１…電圧センサ
４２…電流センサ
【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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