(57)【要約】【課題】燃料電池の発電性能を向上する【解決手段】燃料電池システムは、圧縮された酸化剤ガスを燃料電池のカソード極に供給する酸化剤ガス供給部と；カソード極に沿って流れる酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧制御部とを備える。このガス圧制御部は、酸化剤ガスの圧力の変化に対する燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、検出されたガス圧感度に基づいて、酸化剤ガスの圧力と燃料電池の出力との対応関係を特定し、燃料電池に要求される要求出力を取得し、要求出力を対応関係に照らし合わせることで、要求出力に対応する酸化剤ガスの圧力を目標ガス圧として算出し、カソード極に流れる酸化剤ガスの圧力を目標ガス圧に制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧制御部と
を備え、
前記ガス圧制御部は、
前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、
前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を特定し、
前記特定した対応関係に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力を制御する、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、
前記対応関係に基づく酸化剤ガスの圧力の制御は、
前記燃料電池に要求される要求出力を取得し、
前記要求出力を前記対応関係に照らし合わせることで、前記要求出力に対応する前記酸化剤ガスの圧力を目標ガス圧として算出し、
前記酸化剤ガスの圧力を前記目標ガス圧に制御することである、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス圧感度の個々の値に前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係をそれぞれ対応づけたテーブルデータを記憶する記憶部を備え、
前記ガス圧制御部による、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係の特定は、前記検出されたガス圧感度に対応する前記対応関係を前記テーブルデータの中から選択して行う、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソード極出口側から排出される前記酸化剤ガスの圧力を調整する背圧調整弁を備え、
前記ガス圧制御部は、
前記背圧制御弁の開度を調整することによって、前記酸化剤ガスの圧力の制御を行う、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス圧感度の検出と、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係の特定とを、前記酸化剤ガスの圧力の増大が開始されるタイミングで実行する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス圧感度の検出と、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係の特定とを、前記燃料電池の負荷が高負荷動作点へ移動を開始するタイミングで実行する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係として、第１の対応関係と、前記第１の対応関係よりも酸化剤ガスの圧力が増大側に傾いた第２の対応関係との２種類を有し、
前記燃料電池の備える電極触媒に含まれる白金の利用率が低下する所定の運転状態に前記燃料電池がない時に前記第１の対応関係を選択し、前記燃料電池が前記所定の運転状態にある時に前記第２の対応関係を選択して、前記対応関係の特定を行う、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記所定の運転状態は、前記燃料電池のフラッディング状態である、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記所定の運転状態は、前記燃料電池のアイドリング状態である、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス圧制御部により算出された、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を、前記燃料電池システムの電源オフ後にも継続して記憶する不揮発性メモリを備え、
所定の期間において、前記ガス圧制御部による前記酸化剤ガスの圧力の制御を、前記不揮発性メモリに記憶された前記対応関係に基づいて行う、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記ガス圧制御部により算出された、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係から求められる前記ガス圧感度と、前記ガス圧感度の対応する前記出力の絶対値とを、実際の酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力から導かれるカソード背圧感度および絶対値と比較することによって、前記燃料電池にフラッディングが発生していることを判定するフラッディング判定部を備える、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記フラッディング判定部は、
前記フラッディングが発生していると判定されたときに、前記フラッディングを回避するための処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項２から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
バッテリと、
前記バッテリが良好でない状態で、前記ガス圧制御部による前記酸化剤ガスの圧力の制御がなされるとき、前記酸化剤ガスの圧力が前記目標ガス圧に達するよりも早いタイミングで、前記燃料電池の出力が前記要求出力に達するように、前記酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御部と
を備える、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
前記バッテリの蓄電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出部をさらに備え、
前記バッテリが良好でない状態は、前記検出されたＳＯＣが所定の適正範囲から外れた状態である、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項２から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が良好でない状態で、前記ガス圧制御部による前記酸化剤ガスの圧力の制御がなされるとき、前記酸化剤ガスの圧力が前記目標ガス圧に達するよりも早いタイミングで、前記燃料電池の出力が前記要求出力に達するように、前記酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御部を備える、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が良好でない状態は、前記燃料電池のフラッディング状態である、燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧制御部と、
前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記カソード極の白金表面積を推定する白金表面積推定部と
を備える、燃料電池システム。
【請求項１８】
燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記酸化剤ガスの圧力を制御する工程を備え、
前記工程は、
前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、
前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を特定し、
前記特定した対応関係に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力を制御する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記酸化剤ガスの圧力を制御する工程と、
前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記カソード極の白金表面積を推定する工程と
を備える、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、燃料電池を備える燃料電池システムと、燃料電池システムの制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の発電量の変更に伴って、カソード入口側の空気流量を要求発電量に応じた目標空気流量に制御するとともに、カソード入口側の空気圧を制御する燃料電池システムが知られている（特許文献１）。カソード入口側の空気圧の制御は、カソード出口側に設けられた背圧制御弁の開度を調整することにより行われる（特許文献１および特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４２８３９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２９１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、電極触媒である白金の表面積が燃料電池の使用に伴って減少した結果、燃料電池の発電量が低下した場合の制御については、十分に考慮されていなかった。このために、特許文献１に示すような制御を行っても、高い発電性能を得ることができないという課題があった。また、要求発電量を確保することが困難であるという課題があった。さらに、空気圧の制御の応答性が低いという課題があった。そのほか、燃料電池システムを車両に搭載したときのドライバビリティの向上や、燃料電池システムについての小型化、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、圧縮された酸化剤ガスを前記燃料電池のカソード極に供給する酸化剤ガス供給部と；前記カソード極に沿って流れる酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧制御部とを備える。このガス圧制御部は、前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を特定し、前記特定した対応関係に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力を制御する。
【０００７】
この形態の燃料電池システムによれば、カソード極の電極触媒である白金の表面積が燃料電池の使用に伴って減少して燃料電池の出力が低下するような場合にも、ガス圧感度を考慮した酸化剤ガスの圧力制御が可能となることから、要求出力を確保することの確実性を高めることができる。したがって、この形態の燃料電池システムによれば、高い発電性能を得ることができる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記対応関係に基づく酸化剤ガスの圧力の制御は、前記燃料電池に要求される要求出力を取得し、前記要求出力を前記対応関係に照らし合わせることで、前記要求出力に対応する前記酸化剤ガスの圧力を目標ガス圧として算出し、前記酸化剤ガスの圧力を前記目標ガス圧に制御することである構成としてもよい。この構成によれば、酸化剤ガスの圧力制御が容易となり、より高い発電性能を得ることができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス圧感度の個々の値に前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係をそれぞれ対応づけたテーブルデータを記憶する記憶部を備え、前記ガス圧制御部による、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係の特定は、前記検出されたガス圧感度に対応する前記対応関係を前記テーブルデータの中から選択して行う構成としていてもよい。この構成によれば、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を素早く特定することができる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のカソード極出口側から排出される前記酸化剤ガスの圧力を調整する背圧調整弁を備え、前記ガス圧制御部は、前記背圧制御弁の開度を調整することによって、前記酸化剤ガスの圧力の制御を行う構成としていてもよい。この構成によれば、カソード極出口側から排出される酸化剤ガスの圧力（背圧）が制御されることで、酸化剤ガスの制御を応答性よく行うことができる。
【００１１】
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス圧感度の検出と、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係の特定とを、前記酸化剤ガスの圧力の増大が開始されるタイミングで実行する構成としていてもよい。この構成によれば、燃料電池の出力を高める要求があったときに、応答性よく要求出力を得ることができる。
【００１２】
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス圧感度の検出と、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係の特定とを、前記燃料電池の負荷が高負荷動作点へ移動を開始するタイミングで実行する構成としていてもよい。この構成によれば、高負荷要求があったときに、高負荷要求に対応した出力を応答性よく得ることができる。
【００１３】
（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係として、第１の対応関係と、前記第１の対応関係よりも酸化剤ガスの圧力が増大側に傾いた第２の対応関係との２種類を有し、前記燃料電池の備える電極触媒に含まれる白金の利用率が低下する運転状態に前記燃料電池がない時に前記第１の対応関係を選択し、前記燃料電池が前記運転状態にある時に前記第２の対応関係を選択して、前記対応関係の特定を行う構成としていてもよい。この構成によれば、白金利用率が低下する運転状態にある場合にも、要求出力をより確実に得ることができる。
【００１４】
（８）上記（７）の形態の燃料電池システムにおいて、  前記所定の運転状態は、前記燃料電池のフラッディング状態である構成としていてもよい。この構成によれば、燃料電池がフラッディング状態にあるときにも、要求出力をより確実に確保することができる。
【００１５】
（９）上記（７）の形態の燃料電池システムにおいて、  前記所定の運転状態は、前記燃料電池のアイドリング状態である構成としていてもよい。この構成によれば、燃料電池がアイドリング状態にあるときにも、要求出力をより確実に確保することができる。
【００１６】
（１０）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス圧制御部により算出された、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を、前記燃料電池システムの電源オフ後にも継続して記憶する不揮発性メモリを備え、所定の期間において、前記ガス圧制御部による前記酸化剤ガスの圧力の制御を、前記不揮発性メモリに記憶された前記対応関係に基づいて行う構成としてもよい。この構成によれば、処理の応答性を高めることができる。
【００１７】
（１１）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記ガス圧制御部により算出された、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係から求められる前記ガス圧感度と、前記ガス圧感度の対応する前記出力の絶対値とを、実際の酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力から導かれるカソード背圧感度および絶対値と比較することによって、前記燃料電池にフラッディングが発生していることを判定するフラッディング判定部を備える構成としてもよい。この構成によれば、高い精度でフラッディングの発生を検出することができる。
【００１８】
（１２）上記（１１）の形態の燃料電池システムにおいて、前記フラッディング判定部は、前記フラッディングが発生していると判定されたときに、前記フラッディングを回避するための処理を実行する構成としてもよい。この構成によれば、フラッディングを回避して発電性能をより向上することができる。
【００１９】
（１３）上記（２）の形態の燃料電池システムにおいて、さらに、バッテリと、前記バッテリが良好でない状態で、前記ガス圧制御部による前記酸化剤ガスの圧力の制御がなされるとき、前記酸化剤ガスの圧力が前記目標ガス圧に達するよりも早いタイミングで、前記燃料電池の出力が前記要求出力に達するように、前記酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御部とを備える構成としてもよい。この構成によれば、前記燃料電池の出力が前記早いタイミングで要求出力に達することによって増加する電力分を、前記バッテリの状態を改善するに必要となる電力分に割り当てることができることから、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことができる。
【００２０】
（１４）上記（１３）の形態の燃料電池システムにおいて、前記バッテリの蓄電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出部をさらに備え、前記バッテリが良好でない状態は、前記検出されたＳＯＣが所定の適正範囲から外れた状態である構成としてもよい。この構成によれば、バッテリのＳＯＣが適正範囲から外れた場合に、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことが可能となる。
【００２１】
（１５）前記（２）の形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池が良好でない状態で、前記ガス圧制御部による前記酸化剤ガスの圧力の制御がなされるとき、前記酸化剤ガスの圧力が前記目標ガス圧に達するよりも早いタイミングで、前記燃料電池の出力が前記要求出力に達するように、前記酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御部を備える構成としてもよい。この構成によれば、前記燃料電池の出力が前記早いタイミングで要求出力に達することによって増加する電力分を、前記燃料電池の状態を改善するに必要となる電力分に割り当てることができることから、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことができる。
【００２２】
（１６）前記（１５）の形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が良好でない状態は、前記燃料電池のフラッディング状態である構成としてもよい。この構成によれば、燃料電池のフラッディング状態となった場合に、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことが可能となる。
【００２３】
（１７）本発明の他の形態によれば、燃料電池を備える燃料電池システムがさらに提供される。この燃料電池システムは、前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と；前記酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧制御部と；前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記カソード極の白金表面積を推定する白金表面積推定部とを備える。この形態の燃料電池システムによれば、カソード極の白金表面積を精度良く推定することができる。
【００２４】
（１８）本発明の他の形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とを備える燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムの制御方法は、前記酸化剤ガスの圧力を制御する工程を備える。この工程は、前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し；前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料電池の出力との対応関係を特定し；前記特定した対応関係に基づいて、前記酸化剤ガスの圧力を制御する。この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、前記（１）の形態の燃料電池システムと同様に、要求出力を確保することの確実性が高まり、高い発電性能を得ることができる。
【００２５】
（１９）本発明の他の形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部とを備える燃料電池システムの制御方法がさらに提供される。この燃料電池システムの制御方法は、前記酸化剤ガスの圧力を制御する工程と；前記酸化剤ガスの圧力の変化に対する前記燃料電池の出力の変化の割合をガス圧感度として検出し、前記検出されたガス圧感度に基づいて、前記カソード極の白金表面積を推定する工程とを備える。この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、前記（１７）の形態の燃料電池システムと同様に、カソード極の白金表面積を精度良く推定することができる。
【００２６】
本発明は、上記形態のほか、種々の形態にて実現され得る。例えば、本発明の燃料電池システムを搭載する車両、本発明の燃料電池システムの制御方法が備える工程に対応した機能をコンピュータに実現させるためのコンピュータプログラム等として実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】制御ユニットで実行されるカソード背圧制御処理を示すフローチャートである。
【図３】カソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。
【図４】第２実施形態におけるカソード背圧制御処理を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態のためのカソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。
【図６】第２実施形態の変形例におけるカソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。
【図７】第３実施形態における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。
【図８】第３実施形態のためのカソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。
【図９】第４実施形態における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。
【図１０】第４実施形態の第２変形例における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。
【図１１】第６実施形態における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。
【図１２】第７実施形態における湿度制御処理を示すフローチャートである。
【図１３】カソード背圧−出力特性曲線がフラッディングの有無によってどのように変化するかを条件毎に示す説明図である。
【図１４】第８実施形態におけるトータル制御処理を示すフローチャートである。
【図１５】カソード背圧制御処理の実行時におけるカソード背圧とカソード流量との対応関係を示すグラフである。
【図１６】カソード背圧とカソード流量と燃料電池の出力の変化を示すタイミングチャートである。
【図１７】第９実施形態におけるトータル制御処理を示すフローチャートである。
【図１８】第１０実施形態におけるトータル制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、本発明の実施形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．システム全体の構成：
Ａ−２．カソード背圧制御処理：
Ａ−３．作用、効果：
Ｂ．第２実施形態：
Ｃ．第３実施形態：
Ｄ．第４実施形態：
Ｅ．第５実施形態：
Ｆ．第６実施形態：
Ｇ．第７実施形態：
Ｈ．第８実施形態：
Ｉ．第９実施形態：
Ｊ．第１０実施形態：
Ｋ．変形例：
【００２９】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．システム全体の構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この実施形態は、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する燃料電池（ＦＣ）２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池２０に供給する酸化剤ガス配管系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する燃料ガス配管系４０と、システムの電力を充放電する電力系５０と、システム全体を統括制御する制御ユニット６０などを備えている。
【００３０】
燃料電池２０は、固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２０の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、カソード極とアノード極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有している。そして、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２０は電力を発生する。
【００３１】
燃料電池２０には、発電中の電流（出力電流）を検出する電流センサ２ａと、電圧を検出する電圧センサ２ｂと、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃとが取り付けられている。
【００３２】
酸化剤ガス配管系３０は、エアコンプレッサ３１と、酸化剤ガス供給路３２と、加湿モジュール３３と、カソードオフガス流路３４と、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１などを有している。
【００３３】
エアコンプレッサ３１は、制御ユニット６０の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池２０のカソード極に供給する。モータＭ１には、モータＭ１の回転数（所定時間あたりの回転数であり、正確には回転速度である。以下、同じ）を検出する回転数検出センサ３ａが取り付けられている。酸化剤ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２０のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２０のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス流路３４を介して排出される。カソードオフガスには、燃料電池２０の電池反応に供したあとの酸素のオフガスが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池２０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００３４】
加湿モジュール３３は、酸化剤ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近には背圧調整弁Ａ１が配設されている。燃料電池２０から排出される酸化剤ガスの圧力（以下、「カソード背圧」と呼ぶ）は背圧調整弁Ａ１によって調圧される。カソードオフガス流路３４における燃料電池２０と背圧調整弁Ａ１の間には、カソード背圧を検出する圧力センサ３ｂが取り付けられている。
【００３５】
燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給路４２と、燃料ガス循環路４３と、アノードオフガス流路４４と、水素循環ポンプ４５と、逆止弁４６と、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２などを有している。
【００３６】
燃料ガス供給源４１は、燃料電池２０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給するもので、例えば、高圧水素タンクや水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２およびＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。
【００３７】
燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２０へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６がそれぞれ配設されている。燃料電池２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御ユニット６０の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００３８】
電力系５０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４などを備えている。
【００３９】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２０またはトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能とを有している。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２０の出力電圧が制御される。
【００４０】
バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池、例えばニッケル水素バッテリなどを用いることができる。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり、補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。なお、バッテリ５２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを採用することもできる。
【００４１】
トラクションインバータ５３および補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２０またはバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３および補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７１、７２を駆動するためのモータ（車両駆動用モータ）であり、負荷動力源の一実施形態である。トラクションモータＭ３には、その回転数を検出する回転数検出センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２などを総称したものである。
【００４２】
制御ユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成されており、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御ユニット６０は、アクセルペダル８０の回動を検出するアクセルペダルセンサ８１、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検出センサ３ａ、５ｂなどから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２０に要求される要求発電量（以下、「要求出力」とも呼ぶ）を算出する。
【００４３】
そして、制御ユニット６０は、この要求出力を発生させるように、燃料電池２０の出力電圧および出力電流を制御する。また制御ユニット６０は、トラクションインバータ５３および補機インバータ５４の出力パルスなどを制御して、トラクションモータＭ３および補機モータＭ４を制御する。
【００４４】
燃料電池２０においては、経年的な使用時間の増加に伴って、白金表面積が減少して出力電圧が低下する。すなわち、カソード触媒層における白金の表面積が燃料電池２０の使用時間の経過に伴って低下すると、燃料電池２０に要求する出力電力が得られなくなる。このため、制御ユニット６０は、白金表面積を推定して、その推定結果に応じて背圧調整弁Ａ１を制御することで、要求する出力電力が得られるようにしている。この制御処理（カソード背圧制御処理）が本発明に関わるものであり、要求出力取得部６１、ガス圧感度検出部６２、対応関係算出部６３、目標ガス圧算出部６４、およびガス圧変更部６５としての機能により実現される。各部６１〜６５の詳細については後述する。カソード背圧制御処理について次に詳述する。
【００４５】
Ａ−２．カソード背圧制御処理：
図２は、制御ユニット６０で実行されるカソード背圧制御処理を示すフローチャートである。このカソード背圧制御処理は、所定時間（例えば、１００ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。処理が開始されると、制御ユニット６０は、まず、カソード背圧の増大が開始されるタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。運転者によってアクセルペダル８０が踏み込まれて負荷要求があると、図示しない制御処理によりエアコンプレッサ３１の酸化剤ガスの供給量が増大されて、カソード背圧が増大する。ステップＳ１１０では、そのカソード背圧の増大が開始されるタイミングであるか否かの判定を行う。
【００４６】
ステップＳ１１０で、カソード背圧の増大が開始されるタイミングであると判定された場合には、制御ユニット６０は、ステップＳ１２０に処理を進めて、圧力センサ３ｂからカソード背圧Ｐを取得する処理を行う。次いで、制御ユニット６０は、ステップＳ１１０によって取得したカソード背圧Ｐから前回このカソード背圧制御処理を実行した際に取得したカソード背圧を減算することで、前回からのカソード背圧の変化量ΔＰを算出する（ステップＳ１３０）。
【００４７】
続いて、制御ユニット６０は、燃料電池２０の出力Ｗを取得する（ステップＳ１４０）。詳しくは、電流センサ２ａから電流を、電圧センサ２ｂから電圧をそれぞれ取得し、電流と電圧を乗算することで、前記出力Ｗとしての出力電力を求める。次いで、その取得した出力Ｗから前回このカソード背圧制御処理を実行した際に取得した出力を減算することで、前回からの出力の変化量ΔＷを算出する（ステップＳ１５０）。
【００４８】
続いて、制御ユニット６０は、出力の変化量ΔＷをカソード背圧の変化量ΔＰで割って、その商をカソード背圧感度Ｓとして記憶する（ステップＳ１６０）。すなわち、カソード背圧感度ＳはΔＰに対するΔＷの割合であり、ＲＡＭに記憶される。その後、制御ユニット６０は、カソード背圧感度Ｓに基づいてカソード背圧−出力特性曲線を推定する処理を行う（ステップＳ１７０）。
【００４９】
図３は、カソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。このグラフに示すように、横軸にカソード背圧Ｐを、縦軸に燃料電池２０の出力Ｗをとって、カソード背圧Ｐに対応する出力Ｗをマッピングすると、例えばカーブＣ１で示すカソード背圧−出力特性曲線が得られる。カーブＣ１および後述するカーブＣ２、Ｃ３は、予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めることができる。カーブＣ１によれば、カソード背圧Ｐが大きくなるに連れて出力Ｗは大きくなり、出力Ｗは一旦、ピーク値をとって、その後、カソード背圧Ｐの増加と共に小さくなる。
【００５０】
カーブＣ１は、カソード極の白金表面積が最大の場合、すなわち電極触媒に形態変化がない初期動作時の場合のものである。燃料電池の使用時間が経過して、白金表面積が減少すると、カーブＣ１からカーブＣ２にカソード背圧−出力特性曲線は低下する。カーブＣ２は、カーブＣ１と比べて全域において低くなっているが、カソード背圧Ｐが小さいほど、カーブＣ１に対する出力Ｗの差分が大きくなっている。すなわち、カーブＣ２の立ち上がり期間における傾きｋ２（＝ΔＷ２／ΔＰ１）はカーブＣ１の立ち上がり期間における傾きｋ１（＝ΔＷ１／ΔＰ１）に比べて大きくなっている。
【００５１】
カーブＣ３は、カーブＣ２と比べてさらに白金表面積が減少した場合のものである。カーブＣ３の立ち上がり期間における傾きｋ３（＝ΔＷ３／ΔＰ１）は、カーブＣ２の立ち上がり期間における傾きｋ２に比べて大きくなる。「立ち上がり期間」とは、出力Ｗがピーク値の所定比率（例えば、９０［％］）に達するまでの所定の期間であり、この期間における傾きは、カーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３毎にほぼ一定の値ｋ１、ｋ２、ｋ３をとる。以上のことから、カソード背圧−出力特性曲線は、白金表面積の大小（大きさの程度）に応じてその形状が変化し、その形状は、傾きｋ１、ｋ２、ｋ３に応じて決まることがわかる。傾きｋ１、ｋ２、ｋ３は、特性曲線（カーブ）の立ち上がり期間における出力の変化量ΔＷをカソード背圧の変化量ΔＰで割った値であり、ステップＳ１６０によって求められるカソード背圧感度Ｓに相当する。
【００５２】
本実施形態では、カソード背圧の増大が開始されるタイミングをステップＳ１１０によって検出し、そのタイミングが前記立ち上がり期間に含まれるとして、そのタイミングでもってカソード背圧感度Ｓを求める処理をステップＳ１６０によって行う。次いで、そのカソード背圧感度Ｓに基づいてカソード背圧−出力特性曲線を推定する処理をステップＳ１７０によって行う。詳しくは、制御ユニット６０のＲＯＭには、複数の傾きの値のそれぞれ毎にカソード背圧−出力特性曲線をそれぞれ対応づけたテーブルデータが予め記憶されており、制御ユニット６０のＣＰＵは、ステップＳ１６０で求められたカソード背圧感度Ｓに対応する傾きの値を前記テーブルデータの中から選択して、その傾きの値に対応したカソード背圧−出力特性曲線を前記テーブルデータの中から抽出することによって、カソード背圧−出力特性曲線の推定を行う。なお、テーブルデータに含まれるカソード背圧−出力特性曲線の数は図３に例示した３つに限る必要はなく、より多い数とすることが好ましい。また、テーブルデータに含まれるカソード背圧−出力特性曲線の数を特定の数として、隣接する特性曲線の間は補間計算によって得られる特性曲線とすることもできる。
【００５３】
図２に戻って、ステップＳ１７０の実行後、制御ユニット６０は、燃料電池２０に要求される要求出力ＴＷを取得する（ステップＳ１８０）。要求出力ＴＷは、先に説明した要求発電量に対応し、前述したように、アクセルペダルセンサ８１、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検出センサ３ａ、５ｂなどから送出される各センサ信号に基づいて算出されたものである。
【００５４】
続いて、制御ユニット６０は、ステップＳ１８０によって得られたカソード背圧−出力特性曲線を参照して、ステップＳ１４０で取得した要求出力ＴＷに対応する目標カソード背圧ＴＰを算出する（ステップＳ１９０）。例えば、白金表面積が少し減少して、ステップＳ１７０によって得られたカソード背圧−出力特性曲線が図３におけるカーブＣ２であるとすると、カーブＣ２上においてステップＳ１４０で求めた要求出力ＴＷに対応するカソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰ（図中のＴＰ１）として求められることになる。例えば、白金表面積が大きく減少して、ステップＳ１７０によって得られたカソード背圧−出力特性曲線が図３におけるカーブＣ３であるとすると、カーブＣ３上においてステップＳ１４０で求めた要求出力ＴＷに対応するカソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰ（図中のＴＰ２）として求められることになる。
【００５５】
ステップＳ１９０の実行後、制御ユニット６０は、背圧調整弁Ａ１の開度を調整して、カソード背圧ＰをステップＳ１９０で求められた目標カソード背圧ＴＰに制御する（ステップＳ１９２）。ステップＳ１９２の実行後、「リターン」に抜けてカソード背圧制御処理を一旦終了する。
【００５６】
一方、ステップＳ１１０でカソード背圧の増大が開始されるタイミングでないと判定された場合には、制御ユニット６０は、カソード背圧−出力特性曲線が取得済であるか否かの判定を行う（ステップＳ１９４）。ここで、取得済であると判定されると、制御ユニット６０は、ステップＳ１８０に処理を進めて、前回までのカソード背圧制御処理で得られたカソード背圧−出力特性曲線と、今回のカソード背圧制御処理の実行時に得られた要求出力ＴＷとを用いて、前述したようにして目標カソード背圧ＴＰを算出し、カソード背圧Ｐを目標カソード背圧ＴＰに制御する。
【００５７】
ステップＳ１９４でカソード背圧−出力特性曲線が取得済でないと判定された場合には、「リターン」に抜けてカソード背圧制御処理を一旦終了する。
【００５８】
以上のように構成されたカソード背圧制御処理におけるステップＳ１８０の処理が要求出力取得部６１（図１）に対応し、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の処理がガス圧感度検出部６２（図１）に対応し、ステップＳ１７０の処理が対応関係算出部６３（図１）に対応し、ステップＳ１９０の処理が目標ガス圧算出部６４に対応し、ステップＳ１９２の処理がガス圧変更部６５に対応する。
【００５９】
Ａ−３．作用、効果：
以上のように構成された第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、カソード背圧の増大が開始されるタイミングで、カソード背圧感度Ｓが求められ、そのカソード背圧感度Ｓに基づいてカソード背圧−出力特性曲線が求められる。その後、動作の時々で、要求出力ＴＷが取得され、その要求出力ＴＷを前記求められたカソード背圧−出力特性曲線に照らし合わせることで、要求出力ＴＷに対応するカソード背圧が目標カソード背圧ＴＰとして算出され、その目標カソード背圧ＴＰにカソード背圧Ｐが制御される。カソード背圧−出力特性曲線は、前述したようにカソード極の白金表面積の大小（大きさの程度）に応じて決まるもので、白金表面積が減少していないときは勿論のこと、白金表面積が燃料電池の使用に伴って減少して燃料電池２０の出力が低下するような場合にも、要求出力ＴＷを確保するのに必要なカソード背圧を指し示す。このために、この第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。また、この燃料電池システム１０によれば、酸化剤ガスの圧力としてカソード背圧が制御されることで、酸化剤ガスの制御を応答性よく行うことができる。
【００６０】
Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態におけるカソード背圧制御処理を示すフローチャートである。第２実施形態における燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１０と比較して、制御ユニットで実行されるカソード背圧制御処理だけが相違する。第２実施形態におけるハードウェア構成は、第１実施形態と同一であることから、各構成要素については同一の符合を付して、以下の説明を行う。
【００６１】
図４に示すカソード背圧制御処理は、第１実施形態の図２で示したカソード背圧制御処理と比べて、図２のステップＳ１１０の処理が図４のステップＳ２１０の処理に入れ替わっている点が相違し、残余のステップＳ１２０〜Ｓ１９４の処理は同一である。制御ユニット６０は、処理が開始されると、高負荷動作点への移動が開始されるタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。詳しくは、運転者によってアクセルペダル８０が強く踏み込まれて、燃料電池２０の負荷が高負荷動作点へ移動するような高負荷要求があった場合に、その高負荷動作点へ移動が開始されるタイミングであるか否かを判定する。ここで、「高負荷動作点」とは、燃料電池の電流密度が例えば１［Ａ／ｃｍ2］以上といった高負荷で動作する状態をいう。ステップＳ２１０で高負荷動作点へ移動が開始されるタイミングであると判定された場合にはステップＳ２２０に処理を進め、その移動が開始されるタイミングでないと判定された場合にはステップＳ１９４に処理を進める。
【００６２】
図５は、第２実施形態のためのカソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。第２実施形態の燃料電池システムによれば、図示するように、ある点Ｘ１で、高負荷動作点Ｘ２への移動の要求である高負荷要求を受けた場合に、その高負荷動作点Ｘ２へ移動が開始されるタイミングで、カーブの傾きｋ２であるカソード背圧感度Ｓが求められ、そのカソード背圧感度Ｓに基づいてカソード背圧−出力特性曲線が求められることになる。そして、そのカソード背圧−出力特性曲線を用いて、要求出力ＴＷに対応するカソード背圧が目標カソード背圧ＴＰとして算出され、その目標カソード背圧ＴＰにカソード背圧Ｐが制御されることになる。
【００６３】
したがって、第２実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。また、次の効果も奏する。一般に、カソード背圧−出力特性曲線は、負荷が小さい場合に立ち上がり時の傾きは白金表面積の大きさによって顕著に変化しないことがあるが、この第２実施形態の燃料電池システムによれば、カソード背圧感度Ｓを、燃料電池２０の負荷が高負荷動作点へ移動を開始するタイミングで算出するようにしていることから、立ち上がり時の傾きが顕著となって、カソード背圧感度Ｓの検出が容易となる。このために、カソード背圧−出力特性曲線の精度が向上することから、発電性能をより向上することができる。
【００６４】
なお、第２実施形態では、燃料電池２０の負荷が高負荷動作点へ移動を開始するタイミングでカソード背圧感度Ｓを求める構成としたが、これに変わる第２実施形態の変形例として、燃料電池２０の負荷が低負荷動作点へ移動を開始するタイミングでカソード背圧感度Ｓを求める構成としてもよい。ここで、「低負荷動作点」とは、燃料電池の電流密度が例えば０．１［Ａ／ｃｍ2］以下といった低負荷で動作する状態をいう。
【００６５】
図６は、第２実施形態の変形例におけるカソード背圧−出力特性曲線を示すグラフである。この変形例の燃料電池システムによれば、図示するように、ある点Ｘ３で、低負荷動作点Ｘ４への移動の要求である低負荷要求を受けた場合に、その低負荷動作点Ｘ４へ移動が開始されるタイミングで、カーブの傾きｋであるカソード背圧感度Ｓが求められ、そのカソード背圧感度Ｓに基づいてカソード背圧−出力特性曲線が求められることになる。そして、そのカソード背圧−出力特性曲線を用いて、要求出力ＴＷに対応するカソード背圧が目標カソード背圧ＴＰとして算出され、その目標カソード背圧ＴＰにカソード背圧Ｐが制御されることになる。
【００６６】
したがって、この変形例の燃料電池システムによれば、第１実施形態および第２実施形態の燃料電池システムと同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。また、第２実施形態の燃料電池システムと同様に、カソード背圧−出力特性曲線の精度が高く、発電性能をより向上することができる。
【００６７】
Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態における燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１０と比較して、同一のハードウェア構成を備え、異なるのは制御ユニットで実行されるカソード背圧制御処理だけである。第３実施形態におけるカソード背圧制御処理は、図２に示した第１実施形態におけるカソード背圧制御処理とほぼ同一の構成を備え、異なるのはステップＳ１７０の処理の内容だけである。すなわち、第３実施形態におけるカソード背圧制御処理では、図２のステップＳ１１０〜Ｓ１６０、Ｓ１８０〜Ｓ１９４の処理をそのまま実行し、ステップＳ１７０の処理だけが、後述する特性曲線推定処理に替わる。なお、第３実施形態におけるハードウェア構成は、第１実施形態と同一であることから、各構成要素については同一の符合を付して、以下の説明を行う。
【００６８】
図７は、第３実施形態における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。この特性曲線推定処理は、制御ユニット６０によって、図２に示したカソード背圧制御処理においてステップＳ１７０の処理に替えて実行される。図７に示すように、処理が開始されると、制御ユニット６０は、まず、インピーダンスＲを取得する（ステップＳ３１０）。インピーダンスＲは、電圧センサ２ｂによって検出された電圧を電流センサ２ａで検出された電流で割ることによって得る。
【００６９】
次いで、制御ユニット６０は、取得されたインピーダンスＲが第１所定値Ｒ１から第２所定値Ｒ２までの範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ３１５）。第１所定値Ｒ１は予め定められた正の値であり、第２所定値Ｒ２は予め定められた、第１所定値Ｒ１より大きな正の値である。インピーダンスＲは燃料電池２０の内部の湿度状態を示し、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１から第２所定値Ｒ２までの範囲（以下、「適正範囲」と呼ぶ）内にあるときに燃料電池２０の湿度状態が適正であることを示し、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１を下回るときはフラッディングの状態にあることを、インピーダンスＲが第２所定値Ｒ２を上回るときは燃料電池２０がドライアップの状態にあることを示す。
【００７０】
ステップＳ３１５でインピーダンスＲが適正範囲内であると判定されたときには、正常用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定する（ステップＳ３２０）。「正常用テーブルデータ」は第１実施形態におけるステップＳ１７０で用いたテーブルデータと同じものであり、ステップＳ３２０による推定結果は第１実施形態におけるステップＳ１７０と同じものとなる。
【００７１】
一方、ステップＳ３１５でインピーダンスＲが適正範囲外、すなわち、燃料電池２０がフラッディングまたはドライアップの状態にあると判定されたときには、補正用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定する（ステップＳ３３０）。
【００７２】
「正常用テーブルデータ」は図３で示したカソード背圧−出力特性曲線を抽出するためのものであるが、これに対して、「補正用テーブルデータ」は図８で示したカソード背圧−出力特性曲線を抽出するためのものである。図８中のカーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、正常用テーブルデータが示すカソード背圧−出力特性曲線である。これに対して、補正用テーブルデータによって示されるカソード背圧−出力特性曲線は、図８中の破線で示したカーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′である。カーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′はカーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３に対して出力が少しだけ下がった曲線であり、その差分はカソード背圧Ｐが小さいほど大きい。すなわち、カーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′は、カーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３に比べて白金表面積が減少する側に補正されたものである。カーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′は、予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めることができる。
【００７３】
このため、図中の要求出力ＴＷを得るには、カーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′ともにカーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３よりも大きなカソード背圧Ｐが必要となる。例えば、ＴＰ１に対してＴＰ１′が必要となり、ＴＰ２に対してＴＰ２′が必要となる。すなわち、補正用テーブルデータは、正常用テーブルデータに比べて、要求出力が得られるカソード背圧の大きさが増大側に補正されたデータとなっている。その補正分は、燃料電池の白金表面積の減少分に対応したものである。
【００７４】
図７に戻って、ステップＳ３２０またはステップＳ３３０の実行後、「リターン」に抜けて特性曲線推定処理を一旦終了する。
【００７５】
以上のように構成された第３実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。また、次の効果も奏する。燃料電池の出力は、正確には有効白金表面積に比例する。「有効白金表面積」は、運転状態によって運転の時々で変化する白金利用率と、使用時間によって徐々に減少する白金表面積との積によって求まる。白金利用率を決定する要因としては、酸化被膜の状態とフラッディングの状態とがある。燃料電池２０はフラッディング状態となった場合に、水分によって白金利用率が低下して出力が低下するが、この第３実施形態では、補正用テーブルデータを用いることで、その出力の低下分をカソード背圧の増大によって補正することができることから、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まる。また、燃料電池２０はドライアップ状態となった場合にも、カソード背圧−出力特性曲線がドライアップ時と同様に低下するが、この場合にも補正用テーブルデータを用いることで、その出力の低下分をカソード背圧の増大によって補正することができ、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まる。したがって、発電性能をより向上することができる。
【００７６】
なお、第３実施形態では、インピーダンスＲに基づいて燃料電池２０の内部の湿度状態を判定していたが、これに変わる第３実施形態の第１変形例として、露点計を燃料電池に設けて、露点計の計測結果に基づいて湿度状態を判定する構成としてもよい。この第１変形例によれば、燃料電池の湿度状態をより高精度に判定することができる。
【００７７】
また、第３実施形態のステップＳ３１５では、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１以上であることと、第２所定値Ｒ２以下であることの論理積をとる判定を行っていたが、これに変わる第３実施形態の第２変形例として、インピーダンスＲが第２所定値Ｒ２より大きいことだけを判定する構成としてもよい。この構成によれば、燃料電池２０がフラッディング状態となった場合に、補正用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定することができる。また、第３実施形態の第３変形例として、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１より小さいことだけを判定する構成としてもよい。この構成によれば、燃料電池２０がドライアップ状態となった場合に、補正用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定することができる。なお、第３実施形態では、フラッディング状態となった場合とドライアップ状態となった場合とで同一の補正用テーブルデータを用いていたが、これに換えて、正常用テーブルデータによって決まるカソード背圧−出力特性曲線に対する差分が異なる個別の補正用テーブルデータを用いる構成としてもよい。
【００７８】
また、第３実施形態では、インピーダンスＲに基づいて、燃料電池２０がドライアップ状態にあるか、フラッディング状態にあるかを判定していたが、これに変わる第３実施形態の第４変形例として、温度センサ２ｃによって検出された燃料電池２０の温度に基づいて、燃料電池２０がドライアップ状態にあるか、フラッディング状態にあるかを判定する構成としてもよい。この第４変形例によれば、第３実施形態と同様の効果を奏する。
【００７９】
さらに、前記第３実施形態および各変形例は、第１実施形態におけるステップＳ１７０を図７の処理に変える構成であるが、これに変わる第３実施形態の第５変形例として、第２実施形態におけるステップＳ１７０（図４）を図７の処理に替える構成とすることもできる。この第５変形例によれば、第２実施形態と同様の効果を奏し、その上で、燃料電池２０がフラッディング状態やドライアップ状態となった場合にも、要求出力ＴＷを確保することの確実性を高めることができる。
【００８０】
Ｄ．第４実施形態：
第４実施形態における燃料電池システムは、第３実施形態の燃料電池システム１０と比較して、制御ユニットで実行される特性曲線推定処理が相違するだけで、その他のソフトウェアの構成、およびハードウェアの構成は同一である。第４実施形態におけるハードウェア構成は、第３実施形態、すなわち第１実施形態と同一であることから、各構成要素については第１実施形態と同一の符合を付して、以下の説明を行う。
【００８１】
図９は、第４実施形態における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。この特性曲線推定処理は、制御ユニット６０によって、図２に示したカソード背圧制御処理においてステップＳ１７０の処理に替えて実行される。図９に示すように、処理が開始されると、燃料電池２０がアイドリング状態にあるか否かを判定する（ステップＳ４１０）。アイドリング状態とは、開回路（ＯＣ：Open Circuit）状態と負荷の大きさが近似しているアイドリング負荷を受ける状態である。本実施形態では、電圧センサ２ｂによって検出された電圧が所定電圧を上回る状態が所定時間以上継続したか否かによって、アイドリング状態であるか否かを判定する。ここで、アイドリング状態でないと判定されると、正常用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定する（ステップＳ４２０）。このステップＳ４２０の処理は図７のステップＳ３２０の処理と同一であり、正常用テーブルデータの値も同一である。
【００８２】
一方、ステップＳ４１０で、アイドリング状態であると判定された場合には、補正用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定する（ステップＳ４３０）。このステップＳ４３０の処理は図７のステップＳ３３０の処理とほぼ同一であり、図８で示すように、正常用テーブルデータのカーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３よりも出力が下がったカーブを示す補正用テーブルデータを用いて、その推定を行う。図８に示すカーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′はフラッディング状態やドライアップ状態に対応したものであるため、このカーブＣ１′、Ｃ２′、Ｃ３′の形だけがステップＳ４３０では相違する。すなわち、補正用テーブルデータは、アイドリング状態に合わせたもので、図７のステップＳ３２０で用いたものと相違する値となっている。ただし、補正用テーブルデータは、前述したように、正常用テーブルデータのカーブＣ１、Ｃ２、Ｃ３よりも出力が下がったカーブを示すものである。
【００８３】
以上のように構成された第４実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。また、次の効果も奏する。アイドリング状態では、高電圧で発電した状態が続くことから、白金の酸化皮膜量が増大側で一定量に落ち着き、白金の利用率が下がることになる。この第４実施形態では、補正用テーブルデータを用いることで、白金利用率が低下したことによる出力の低下分をカソード背圧の増大によって補正することができ、これにより、要求出力ＴＷをより確実に確保することができる。したがって、発電性能をより向上することができる。
【００８４】
なお、前記第４実施形態は、第１実施形態におけるステップＳ１７０を図７の処理に変える構成であるが、これに変わる第４実施形態の第１変形例として、第２実施形態におけるステップＳ１７０（図４）を図９の処理に変える構成とすることもできる。この第１変形例によれば、第２実施形態と同様の効果を奏し、その上で、アイドリング運転時にも、要求出力をより確実に確保することができる効果を奏する。
【００８５】
また、第４実施形態の第２変形例として、第４実施形態の第１変形例におけるステップＳ４１０の処理を、図１０に示すように、燃料電池２０が間欠運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ５１０）構成に換えてもよい。燃料電池２０に対する反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）の供給、停止を間欠的に繰り返す間欠運転状態では、低電圧の状態が続くことから、白金の酸化皮膜量が低下側で一定量に落ち着き、白金利用率が１００％近くに上昇することになる。このため、ステップＳ５１０で間欠運転状態にあると判定されると、図９のステップＳ４２０と同様に、正常用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定する。一方、ステップＳ５１０で、間欠運転状態にないと判定された場合には、図９のステップＳ４３０と同様に、補正用テーブルデータを用いてカソード背圧−出力特性曲線を推定する。これにより、要求出力ＴＷをより確実に確保することができる。
【００８６】
Ｅ．第５実施形態：
前記第１ないし第４実施形態における燃料電池システムでは、所定のタイミングで、カソード背圧感度Ｓの検出からカソード背圧−出力特性曲線の推定までを行って、その後、カソード背圧−出力特性曲線を参照して、要求出力ＴＷに対応する目標カソード背圧ＴＰを算出する構成としたが、前記推定したカソード背圧−出力特性曲線は、１日とか１週間とか等の所定期間において継続して利用する構成とすることができる。これが第５実施形態における燃料電池システムである。例えば、第１実施形態に対して第５実施形態を適用させる場合には、図２のステップＳ１７０でカソード背圧−出力特性曲線が最初に得られたときに、その推定されたカソード背圧−出力特性曲線を、燃料電池システムの電源オフ後にも記憶内容を維持する不揮発性メモリ、例えばＥＰＲＯＭに記憶させ、前記所定期間の間は、カソード背圧制御処理は、図２のステップＳ１８０ないしＳ１９２だけを実行する構成とする。すなわち、ステップＳ１９０では、ＥＰＲＯＭに記憶したカソード背圧−出力特性曲線を用いて目標カソード背圧ＴＰの算出を行う。所定期間経過後には、図２のステップＳ１１０ないしＳ１９４を実行するようにして、カソード背圧−出力特性曲線の更新を行い、次の所定期間においてはその更新されたカソード背圧−出力特性曲線を用いるようにする。
【００８７】
カソード背圧感度Ｓに基づいて求められるカソード背圧−出力特性曲線は、前述したように白金表面積に応じて決まるもので、一般的には、数日のうちに大きく変動することはない。したがって、第５実施形態における燃料電池システムであっても、目標カソード背圧ＴＰを精度良く算出することができ、しかも、カソード背圧−出力特性曲線の算出を所定期間に一度行うだけで済むことから、処理の応答性を高めるという効果を奏する。なお、この第５実施形態の構成は、第１実施形態に対してだけでなく、第２実施形態ないし第４実施形態のいずれにも適用することができる。
【００８８】
Ｆ．第６実施形態：
次に、第６実施形態について説明する。第６実施形態におけるハードウェア構成は第１実施形態と同一であり、各構成要素については、第１実施形態と同一の符合を付して、以下の説明を行う。第１実施形態では、カソード背圧−出力特性曲線の推定を、テーブルデータに複数のカソード背圧−出力特性曲線を予め用意し、カソード背圧感度Ｓに基づき一つのカソード背圧−出力特性曲線を選択することによって行っていた。これに対して、この第６実施形態では、電流密度を求める数式を利用してカソード背圧−出力特性曲線の推定行うようにした。ここでは、まず、燃料電池２０で発生する電流密度を考えてみる。電流密度は、以下の式（１）に従って求めることができる。
【００８９】
ｉ＝ＡPtｉO（1−θ）（ＰO2／Ｐref )ｅｘｐ（−αＦη／ＲＴ）  …（１）
ただし、「ｉ」は電流密度、「ＡPt」はカソード白金表面積、「ｉO」はカソード交換電流密度、「θ」は酸化皮膜率、「ＰO2」は必要酸素分圧、「Ｐref」は基準酸素濃度、「α」は電荷移動係数、「Ｆ」はファラデー定数、「η」はカソード過電圧、「Ｒ」は気体定数、「Ｔ」は燃料電池温度である。
【００９０】
式（１）において、カソード白金表面積ＡPtの値は、第１実施形態によって求めたカソード背圧感度Ｓから推定して得ることができる。第１実施形態で説明したように、カソード背圧−出力特性曲線は、白金表面積に応じてその形状が変化し、その形状は、カソード背圧感度Ｓから推定されている。したがって、カソード背圧−出力特性曲線の推定は、カソード白金表面積を推定することと等価である。カソード交換電流密度ｉOの値は、燃料電池の設計段階で決まる一定値である。
【００９１】
酸化皮膜率θは未知の値である。（１−θ）は白金利用率を示すものである。白金利用率は、厳密に言えば、先に説明したように、酸化皮膜の状態とフラッディングの状態によって決まるが、この第６実施形態では、フラッディングはないものとして、（１−θ）が白金利用率を示すものとしている。その上で、白金利用率（１−θ）が既知でない場合には、リフレッシュ処理を実行するようにして、酸化皮膜を無くして（酸化皮膜率θ＝０）、白金利用率（１−θ）を既知の値としている。
【００９２】
必要酸素分圧ＰO2の値は、圧力センサ３ｂにより検出されたカソード背圧Ｐに所定の酸素割合（例えば０．２１）を掛けて得ることができる。基準酸素濃度Ｐrefの値は、基準状態の酸素濃度であり、慣例的に１００［kpa-abs］が用いられる。なお、［kpa-abs］は、絶対圧力を表す単位である。電荷移動係数α、ファラデー定数Ｆ、気体定数Ｔの各値は、一定値である。カソード過電圧ηの値は、開放電圧（ＯＣＶ）から実際の電圧を引いた値である。「実際の電圧」は、電圧センサ２ｂにより得られ、単セルの電圧である。燃料電池温度Ｔは、温度センサ２ｃにより得られる。
【００９３】
図１１は、第６実施形態における特性曲線推定処理を示すフローチャートである。第６実施形態では、図２に示した第１実施形態のカソード背圧制御処理とほぼ同一の処理を実行しており、図２のステップＳ１７０の処理に替えて、この特性曲線推定処理が実行される。すなわち、ステップＳ１７０以外については、第１実施形態のカソード背圧制御処理と同一である。
【００９４】
図１１に示すように、処理が開始されると、制御ユニット６０は、まず、温度センサ２ｃから燃料電池温度Ｔを取得する（ステップＳ６１０）。次いで、続いて、制御ユニット６０は、電圧センサ２ｂからセル電圧Ｖを取得し、ＯＣＶからセル電圧Ｖを引くことにより、カソード過電圧ηを求める（ステップＳ６２０）。続いて、制御ユニット６０は、図２のステップＳ１６０により求めたカソード背圧感度Ｓに基づいて、カソード白金表面積ＡPtを求める（ステップＳ６３０）。前述したように、カソード背圧感度Ｓからカソード白金表面積ＡPの算出が可能である。
【００９５】
その後、制御ユニット６０は、白金利用率が既知か否かを判定する（ステップＳ６４０）。前述したように、アイドリング（ＯＣ回避）運転後のような低電圧（高電圧）で発電をした後であれば、白金の酸化皮膜量が一定量（多め）に落ち着くため、θはほぼ値０となり、白金利用率は既知である。また、間欠運転（電圧自然降下）後のような、ある一定の電圧範囲（低電圧）で発電をした後であれば、白金皮膜量が一定量（少なめ）に落ち着くため、θは例えば値０．５となり、白金利用率は既知である。このため、ステップＳ６４０では、前述した低電圧（高電圧）での発電後、または一定の電圧範囲（低電圧）での発電後であるか否かを判定することで、白金利用率が既知か否かを判定する。
【００９６】
ステップＳ６４０で、白金利用率が既知でないと判定されると、制御ユニット６０は、ステップＳ６５０に処理を進めて、リフレッシュ処理を実行し、その後、図２のカソード背圧制御を最初から実行する。リフレッシュ処理は、カソード触媒層の白金酸化皮膜を除去するもので、具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって燃料電池２０のセル電圧を、回復目標電圧として予め設定された閾値まで下げ、その後、コンバータ指令電圧をその閾値に維持して酸化剤ガスをブローして酸素利用率を１００％以上とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧降下を解除する。このようにすることで、燃料電池２０のセル電圧が還元領域まで下げられ、Ｐｔ触媒の表面の酸化皮膜が還元されて取り除かれる。なお、酸化剤ガスのブローは、背圧調整弁Ａ１を全開にし、エアコンプレッサ３１のモータＭ１の回転数を最大にすることによって行う。
【００９７】
一方、ステップＳ６４０で、白金利用率が既知であると判定されると、制御ユニット６０は、上記の式（１）を用いて、カソード背圧−出力特性曲線を推定する（ステップＳ６６０）。式（１）において、変数は、前述したように、カソード白金表面積ＡPt、酸化皮膜率θ、必要酸素分圧ＰO2、カソード過電圧η、および燃料電池温度Ｔであり、これらのうちの必要酸素分圧ＰO2を除く変数はステップＳ６１０からステップＳ６５０までで求まることになる。したがって、制御ユニット６０は、ステップＳ６１０からステップＳ６５０までで求まった各変数を式（１）に代入することで、必要酸素分圧ＰO2と電流密度ｉとの対応関係を求める。その後、その対応関係から、必要酸素分圧ＰO2をカソード背圧Ｐに換算し、電流密度ｉを出力Ｗに換算して、カソード背圧−出力特性曲線を求める。ステップＳ６６０の実行後、「リターン」に抜けて特性曲線推定処理を一旦終了する。
【００９８】
したがって、第６実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。また、第６実施形態の燃料電池システムによれば、数式によってカソード背圧−出力特性曲線を求める構成としていることから、複数のカソード背圧−出力特性曲線をマッピングしたテーブルデータをメモリに予め用意する必要がなく、このため、メモリ資源の節約を図ることができる。
【００９９】
なお、前記第６実施形態は、第１実施形態におけるステップＳ１７０を図１１の処理に変える構成であるが、これに変わる第６実施形態の変形例として、第２実施形態におけるステップＳ１７０（図４）を図１１の処理に変える構成とすることもできる。この変形例によれば、第２実施形態と同様の効果を奏し、その上で、メモリ資源の節約を図ることができる。
【０１００】
Ｇ．第７実施形態：
第７実施形態における燃料電池システムは、第６実施形態の燃料電池システム１０と比較して、同一のハードウェア構成を備え、制御ユニットで実行されるカソード背圧制御処理（図２、図１１）についても同一である。第７実施形態における燃料電池システムは、第６実施形態の燃料電池システム１０と比較して、ソフトウェアとして、湿度制御処理をさらに備えることが相違する。なお、この第７実施形態のハードウェア構成は第１実施形態とも同一であることから、各構成要素については、第１実施形態と同一の符合を付して、以下の説明を行う。
【０１０１】
図１２は、第７実施形態における湿度制御処理を示すフローチャートである。この湿度制御処理は、カソード背圧制御処理（図２、図１１）において、ステップＳ１９２でカソード背圧Ｐを目標カソード背圧ＴＰに制御する処理が実行された後に実行開始される。制御ユニット６０は、処理が開始されると、まず、圧力センサ３ｂからカソード背圧Ｐを取得する処理を行う（ステップＳ７１０）。次いで、制御ユニット６０は、燃料電池２０の実際の出力Ｗを取得する（ステップＳ７２０）。詳しくは、電流センサ２ａから電流を、電圧センサ２ｂから電圧をそれぞれ取得し、電流と電圧を乗算することで、前記出力Ｗとしての出力電力を求める。
【０１０２】
次いで、制御ユニット６０は、ステップＳ７１０およびＳ７２０で取得した実際のカソード背圧Ｐと出力Ｗから導かれるカソード背圧感度および絶対値と、図２のカソード背圧制御処理によって推定された（詳しくは、図１１のステップＳ７６０で求められた）カソード背圧−出力特性曲線から求められるカソード背圧感度Ｓおよび絶対値とを比較して、カソード背圧感度、絶対値共に一致するか否かを判定する（ステップＳ７３０）。ここで、「一致」とは、完全に同じ値となる場合は勿論のこと、ある許容範囲内の差を持つ場合も一致しているものとする。カソード背圧感度というのは、先に説明したように、カソード背圧Ｐに対する燃料電池の出力Ｗの変化を示す特性曲線における所定のタイミング（＝カソード背圧の増大が開始されたタイミング）の傾きである。絶対値とは、その特性曲線の出力Ｗの前記所定のタイミングでの絶対値である。
【０１０３】
ステップＳ７３０で一致すると判定された場合には、「リターン」に抜けてカソード背圧制御処理を一旦終了する。一方、ステップＳ７３０で一致しない、すなわち、カソード背圧感度と絶対値のうちの少なくとも一つが一致しないと判定された場合には、燃料電池２０にフラッディングが発生したものとして、フラッディング回避処理を行う（ステップＳ７４０）。
【０１０４】
先に説明したように、白金利用率は、酸化皮膜の状態とフラッディングの状態によって決まり、第６実施形態ではフラッディングがないものとしてカソード背圧制御処理を行っていた。これに対して、この第７実施形態では、フラッディングがないものとすることはせず、カソード背圧制御処理によって推定されたカソード背圧−出力特性曲線についてのカソード背圧感度Ｓと絶対値に対して、実際のカソード背圧Ｐと出力Ｗから導かれるカソード背圧感度と絶対値がずれを生じた場合に、フラッディングが発生したと判断し、そのフラッディングを回避する処理を行うようにした。すなわち、ステップＳＳ７３０で一致しないと判定された場合に、フラッディング回避処理を行う。
【０１０５】
ステップＳ７４０によるフラッディング回避処理は、加湿モジュール３３による加湿量を通常の条件よりも減少させるものである。なお、フラッディング回避処理は、この構成に限る必要はなく、例えば、燃料電池２０の内部温度を上昇させる等、他の方法によるものとしてもよい。前記内部温度の上昇は、具体的には、燃料電池の内部を流れる冷媒が流通する冷媒流路が、冷却ファンを併設したラジエータを経由する場合には、冷却ファンを停止させることで行う。
【０１０６】
これまでに説明してきたように、燃料電池の出力は、有効白金表面積に比例し、有効白金表面積は白金利用率と白金表面積とによって決まる。そこで、白金利用率と白金表面積の大きさがそれぞれ変わったときに、カソード背圧−出力特性曲線がフラッディングの有無によってどのように変化するかを次に説明する。
【０１０７】
図１３は、カソード背圧−出力特性曲線がフラッディングの有無によってどのように変化するかを条件毎に示す説明図である。条件としては、白金利用率を高い場合と低い場合とに分け、白金有効面積が大きい場合と小さい場合とに分け、それぞれの組み合わせを示した。
【０１０８】
白金利用率が高くて、白金有効面積が大きい場合には、図１３（ａ）に示すように、カソード背圧感度（傾き）はフラッディングがないとき（実線）とフラッディングがあるとき（破線）とで変わらないが、絶対値はフラッディングがないときに比べてフラッディングがあるときの方が小さい。白金利用率が高くて、白金有効面積が小さい場合には、図１３（ｂ）に示すように、カソード背圧感度（傾き）、絶対値共に、フラッディングがないときに比べてフラッディングがあるときの方が小さい。白金利用率が低くて、白金有効面積が大きい場合には、図１３（ｃ）に示すように、カソード背圧感度（傾き）、絶対値共に、フラッディングがないときに比べてフラッディングがあるときの方が小さい。白金利用率が低くて、白金有効面積が小さい場合には、図１３（ｄ）に示すように、絶対値はフラッディングがないとき（実線）とフラッディングがあるとき（破線）とでそれほど変わらないが、カソード背圧感度（傾き）はフラッディングがないときに比べてフラッディングがあるときの方が小さい。
【０１０９】
したがって、白金利用率と白金表面積の大きさがそれぞれ変わったいずれの場合においても、カソード背圧感度（傾き）と絶対値の両方を比較することで、その両方のうちの少なくとも一方で、フラッディングの有無を判定することできることがわかる。
【０１１０】
以上のように構成された第７実施形態の燃料電池システムによれば、第６実施形態の燃料電池システムと同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。さらに、この第７実施形態の燃料電池システムによれば、フラッディングが発生した場合にも、フラッディングを回避することで対応することができることから、発電性能をより向上することができるという効果を奏する。
【０１１１】
なお、前記第７実施形態は、第６実施形態と同様に、第１実施形態におけるステップＳ１７０を図１１の処理に変える構成であるが、これに変わる第７実施形態の変形例として、第２実施形態におけるステップＳ１７０（図４）を図１１の処理に変える構成とすることもできる。この変形例によれば、第２実施形態と同様の効果を奏し、その上で、モリ資源の節約とともに、フラッディングを回避して発電性能をより向上することができるという効果を奏する。
【０１１２】
また、前記第７実施形態では、カソード背圧−出力特性曲線を数式によって求める構成としたが、これに換えて、第１実施形態と同様に、複数のカソード背圧−出力特性曲線をマッピングしたテーブルデータをメモリに予め用意して、それらからカソード背圧感度Ｓに基づいて所望のカソード背圧−出力特性曲線を選択する構成、すなわち、本来の図２のステップＳ１７０の構成としてもよい。この構成によっても、フラッディングを回避して発電性能をより向上することができるという効果を奏する。
【０１１３】
Ｈ．第８実施形態：
第８実施形態における燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１０と比較して、同一のハードウェア構成を備える。なお、ハードウェアの各構成要素については、第１実施形態と同一の符合を付して、以下の説明を行う。この第８実施形態では、１回のアクセルワークで、燃料電池の出力確保と同時にバッテリ５２の状態の改善とを同時に行う。こうしたトータルの制御を制御ユニット６０で行うようにしている。
【０１１４】
図１４は、第８実施形態におけるトータル制御処理を示すフローチャートである。このトータル制御処理は、制御ユニット６０により所定時間毎に繰り返し実行される。図示するように、処理が開始されると、制御ユニット６０は、燃料電池２０とバッテリ５２の状態をそれぞれ検知し推定する処理を行う（ステップＳ８１０）。例えば、燃料電池２０のインピーダンス値から水分量を推定して、ドライアップの状態かフラッディングの状態かを判定することによって、燃料電池２０の状態を検知する。例えば、始動時の電圧測定からバッテリ５２の劣化状態を判定することによって、バッテリ５２の状態を検知する。
【０１１５】
次いで、制御ユニット６０は、ステップＳ８１０で推定された燃料電池２０とバッテリ５２の状態とに基づいて、バッテリの蓄電状態（ＳＯＣ）の適正範囲を決定する（ステップＳ８２０）。「ＳＯＣ」は、バッテリにどの程度の電力が残存しているかを示す指標であり、ここでは、バッテリ５２に残存している電気量を、バッテリを満充電したときに蓄えられる電気量で除した値として定義される。なお、残存容量として定義する構成に換えて、充電可能量として定義する構成としてもよい。「適正範囲」は、バッテリ５２を効率的に使用可能な範囲であり、バッテリ５２の状態は勿論のこと、燃料電池２０の状態によって変わる。燃料電池２０の内部状態が悪いほど、適正範囲は高めに設定される。
【０１１６】
続いて、制御ユニット６０は、バッテリ５２のＳＯＣを読み込む処理を行う（ステップＳ８３０）。詳しくは、バッテリ電流センサ（図示せず）によって検出されたバッテリ５２の充放電電流に基づいてＳＯＣを算出する。その後、制御ユニット６０は、ステップＳ８３０で得られたＳＯＣが、ステップＳ８２０で得られた適正範囲内か否かを判定する（ステップＳ８４０）。ステップＳ８４０でＳＯＣは適正範囲内でないと判定されると、ＳＯＣを適正範囲内に移行させるに必要なバッテリ５２の充放電量を決定する（ステップＳ８５０）。
【０１１７】
ステップＳ８５０の実行後、制御ユニット６０は、燃料電池２０に要求される要求出力ＴＷが、ステップＳ８５０で決定したバッテリ充放電量だけ嵩上げされた（増加された）大きさとなる、カソード背圧およびカソード流量の変化を決定する（ステップＳ８６０）。「カソード流量」とは、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスの流量である。
【０１１８】
図１５は、カソード背圧制御処理の実行時におけるカソード背圧Ｐとカソード流量Ｌとの対応関係を示すグラフである。アクセルペダル８０が踏まれて、ポイントＸａからポイントＸｂに運転状態を移行する場合、第１実施形態のカソード背圧制御処理によれば、図中の矢印αに沿ってその移行がなされる。これに対して、この第８実施形態によれば、図中の矢印βに沿ってその移行がなされるようにする。すなわち、カソード背圧Ｐの増加量に対するカソード流量Ｌの増加割合が、矢印βに示すように、矢印αで示される第１実施形態の場合よりも大きくなるように制御する。
【０１１９】
図１６は、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌと燃料電池２０の出力Ｗの変化を示すタイミングチャートである。時間ｔ１でアクセルペダル８０が踏まれ、時間ｔ２で燃料電池２０の出力Ｗが要求出力ＴＷに達したものとする。時間ｔ１のタイミングが図１５のポイントＸａに当たり、時間ｔ２のタイミングが図１５のポイントＸｂに当たる。図中の破線が第１実施形態における変化を示すものであり、図中の実線が第８実施形態における変化を示すものである。
【０１２０】
図示するように、時間ｔ１から時間ｔ２までの過渡期間において、第１実施形態におけるカソード背圧Ｐの変化は時間経過と共に暫時上昇するが、第８実施形態におけるカソード背圧Ｐの変化は、第１実施形態に比べて、その上昇が遅れている。但し、要求出力ＴＷを達成するのに必要な目標カソード背圧ＴＰに達する時間ｔ２は、第１実施形態の場合も第８実施形態の場合も同じである。これに対して、第８実施形態におけるカソード流量Ｌの変化は、第１実施形態に比べて、その上昇が早く、要求出力ＴＷを達成するのに必要な目標カソード流量ＴＬに達するタイミングは、時間ｔ３となり、第１実施形態の場合の目標カソード流量ＴＬに達する時間ｔ２よりも早くなっている。
【０１２１】
第８実施形態における出力Ｗの変化は、図示の通りとなり、燃料電池２０の出力Ｗが要求出力ＴＷに達するタイミングは、時間ｔ４となり、第１実施形態の場合の時間ｔ２よりも早くなっている。すなわち、出力Ｗが要求出力ＴＷに達するタイミングは、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達する時間ｔ２よりも早くなっている。図中のハッチの部分は、出力Ｗが要求出力ＴＷに達するタイミングが早くなったことにより、第１実施形態に比べて増加する電力量Ｗａｄｄである。この増加電力量Ｗａｄｄが、ステップＳ８５０によって求められたバッテリ充放電量と一致するように規定される。すなわち、図１４のステップＳ８６０では、図１５および図１６に示した変化を取り得るように、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌの変化の形態（変化速度・遅れ時間）が決定される。
【０１２２】
ステップＳ８６０の実行後、制御ユニット６０は、カソード背圧制御処理を実行する（ステップＳ８７０）とともに、カソード流量制御処理を実行する（ステップＳ８８０）。カソード背圧制御処理およびカソード流量制御処理は、ステップＳ８６０で決定された変化形態に従うように、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌを制御する。カソード背圧制御処理は、第１実施形態と同一の処理ルーチンによって実現される。なお、第１実施形態のカソード背圧制御処理に換えて、第２実施形態のカソード背圧制御処理によって実現される構成とすることもできる。カソード流量制御処理では、エアコンプレッサ３１のモータＭ１の回転数を変化させることによって、カソード流量を制御する。図示では、ステップＳ８７０の実行後、ステップＳ８８０が実行されるように記載したが、これは図示の都合であり、実際は、ステップＳ８７０とステップＳ８８０とは並列に実行される。
【０１２３】
ステップＳ８７０およびステップＳ８８０の実行後、「リターン」に抜けて、このトータル制御処理を一旦終了する。一方、ステップＳ８４０でＳＯＣは適正範囲内であると判定されると、ステップＳ８５０およびＳ８６０を実行することなく、ステップＳ８７０に処理を進め、カソード背圧制御処理およびカソード流量制御処理を実行する。
【０１２４】
以上のように構成された第８実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。さらに、第８実施形態の燃料電池システムによれば、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達するよりも早いタイミングで燃料電池の出力Ｗが要求出力ＴＷに達することから、前述した増加電力量Ｗａｄｄだけ電力量を余剰とすることができ、この余剰分を用いてバッテリ充放電量が補填される。したがって、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことができるという効果を奏する。
【０１２５】
なお、第８実施形態では、ＳＯＣが適正範囲から外れた状態をバッテリが良好でない状態としたが、これに限る必要はなく、他の状態からバッテリが良好でない状態を検出する構成としてもよい。要は、バッテリが良好でない状態となったときに、その状態を改善するために必要となる電力分を補うように、カソード流量Ｌを早いタイミング増加させればよい。
【０１２６】
また、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌの変化の形態は、図１５および図１６に示す形状に限る必要はなく、第１実施形態に比べて増加する電力量Ｗａｄｄが得られる形状であれば、変化速度や遅れ時間が図１５および図１６に示すものと違ってもよい。
【０１２７】
Ｉ．第９実施形態：
第９実施形態における燃料電池システムは、第８実施形態の燃料電池システム１０と比較して、制御ユニットで実行されるトータル制御処理が相違するだけで、その他のソフトウェアの構成、およびハードウェアの構成は同一である。第９実施形態におけるハードウェア構成は、第８実施形態、すなわち第１実施形態と同一であることから、各構成要素については第１実施形態と同一の符合を付して、以下の説明を行う。
【０１２８】
図１７は、第９実施形態におけるトータル制御処理を示すフローチャートである。このトータル制御処理は、制御ユニット６０により所定時間毎に繰り返し実行される。このトータル制御処理は、第８実施形態における図１４のトータル制御処理と比較して、同一のステップＳ８１０、Ｓ８７０およびＳ８８０を備え、図１４でのステップＳ８２０−Ｓ８６０に換えてステップＳ９２０−Ｓ９３０が設けられている点が相違する。制御ユニット６０は、ステップＳ８１０で推定された燃料電池２０の状態に基づいて、燃料電池２０の状態が良好であるか否かを判定する（ステップＳ９２０）。ここで、燃料電池の状態が良好でないと判定されると、燃料電池２０に要求される要求出力ＴＷが、燃料電池２０の状態を改善するために動作させる補機類の動力分だけ嵩上げされた（加算された）大きさとなる、カソード背圧およびカソード流量の変化を決定する（ステップＳ９３０）。ここでは、図１６に示した増加電力量Ｗａｄｄが前記動作させる補機類動力分と一致するように、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌの変化の形態（変化速度・遅れ時間）が決定される。
【０１２９】
ステップＳ９３０の実行後、制御ユニット６０は、カソード背圧制御処理を実行する（ステップＳ８７０）とともに、カソード流量制御処理を実行する（ステップＳ８８０）。カソード背圧制御処理およびカソード流量制御処理は、ステップＳ９３０で決定された変化形態に従うように、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌを制御する。ステップＳ８８０の実行後、「リターン」に抜けて、このトータル制御処理を一旦終了する。一方、ステップＳ９２０で燃料電池の状態が良好であると判定されると、ステップＳ９３０を実行することなく、ステップＳ８７０に処理を進める。
【０１３０】
以上のように構成された第９実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。さらに、第９実施形態の燃料電池システムによれば、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達するよりも早いタイミングで燃料電池の出力Ｗが要求出力ＴＷに達することから、前述した増加電力量Ｗａｄｄだけ電力量を余剰とすることができ、この余剰分を用いて燃料電池２０の状態を改善するために動作させる補機類の動力分が補填される。したがって、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことができるという効果を奏する。
【０１３１】
Ｊ．第１０実施形態：
第１０実施形態における燃料電池システムは、第８実施形態の燃料電池システム１０と比較して、制御ユニットで実行されるトータル制御処理が相違するだけで、その他のソフトウェアの構成、およびハードウェアの構成は同一である。第１０実施形態におけるハードウェア構成は、第８実施形態、すなわち第１実施形態と同一であることから、各構成要素については第１実施形態と同一の符合を付して、以下の説明を行う。
【０１３２】
図１８は、第１０実施形態におけるトータル制御処理を示すフローチャートである。このトータル制御処理は、制御ユニット６０により所定時間毎に繰り返し実行される。図示するように、処理が開始されると、制御ユニット６０は、まず、インピーダンスＲを取得する（ステップＳ１０１０）。インピーダンスＲは、電圧センサ２ｂによって検出された電圧を電流センサ２ａで検出された電流で割ることによって得る。
【０１３３】
次いで、制御ユニット６０は、取得されたインピーダンスＲが第２所定値Ｒ２より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０１０）とともに、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１（＜Ｒ２）より小さいか否かを判定する（ステップＳ１０２０）。第１所定値Ｒ１および第２所定値Ｒ２は、第３実施形態と同一の値である。ステップＳ１０２０およびＳ１０３０で、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１から第２所定値Ｒ２までの適正範囲（Ｒ２≦Ｒ≦Ｒ１）内にあると判定された場合には（Ｓ１０２０，Ｓ１０３０共にＮＯ判定）、ステップＳ８７０に処理を進める。ステップＳ８７０およびＳ８８０は、第８実施形態の図１４と同一であり、カソード背圧制御処理およびカソード流量制御処理を実行する。
【０１３４】
一方、ステップＳ１０３０で、インピーダンスＲが第１所定値Ｒ１より小さいと判定された場合には、水分量は過多（フラッディングの状態）であるとして、制御ユニット６０は、ステップＳ１０４０に処理を進める。ステップＳ１４０では、制御ユニット６０は、第８および第９実施形態と同様に、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達するよりも早いタイミングで、カソード流量Ｌが目標カソード流量ＴＬに達するように、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌの変化の形態（変化速度・遅れ時間）を決定する。こうして、このカソード流量Ｌを先に上げることで得られる増加電力量Ｗａｄｄ（図１６）を、フラッディングの状態を改善するために動作させる補機類の動力分に一致させる。
【０１３５】
一方、ステップＳ１０２０で、インピーダンスＲが第２所定値Ｒ２より大きいと判定された場合には、水分量は過少（ドライアップの状態）であるとして、ステップＳ１０５０に処理を進める。ステップＳ１０５０では、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達するタイミングが、カソード流量Ｌが目標カソード流量ＴＬに達するタイミングより早くなるように、カソード制御方法を決定する。すなわち、カソード背圧Ｐの変化の形態を図１６における「カソード流量Ｌ」の変化の形態と一致させ、カソード流量Ｌの変化の形態を図１６における「カソード背圧Ｐ」の変化の形態と一致させるように、カソード背圧Ｐとカソード流量Ｌの関係を第８実施形態とは反転させる。これにより、カソード流量Ｌが目標カソード流量ＴＬに達するタイミングは時間ｔ２となり、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達するタイミングは時間ｔ２より早い時間ｔ３となる。こうして、このカソード背圧Ｐを先に上げることで得られる増加電力量を、ドライアップの状態を改善するために動作させる補機類の動力分に一致させる。
【０１３６】
ステップＳ１０４０またはステップＳ１０５０の実行後も、ステップＳ１０３０でＮＯ判定された場合と同様に、制御ユニット６０はステップＳ８７０に処理を進める。ステップＳ８７０およびステップＳ８８０を実行することにより、ステップＳ１０４０で決定したカソード背圧Ｐ、カソード流量Ｌの変化形態が実現されることになる。
【０１３７】
以上のように構成された第１０実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、要求出力ＴＷを確保することの確実性が高まり、発電性能を向上することができる。さらに、第１０実施形態の燃料電池システムによれば、カソード背圧Ｐが目標カソード背圧ＴＰに達するよりも早いタイミングで燃料電池の出力Ｗが要求出力ＴＷに達することから、前述した増加電力量Ｗａｄｄだけ電力量を余剰とすることができ、この余剰分を用いてフラッディングの状態を改善するために必要な補機類動力分が補填される。したがって、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことができるという効果を奏する。また、ドライアップ状態の発生時にも、ドライアップ状態の改善とともに、同様に、燃料電池システム全体での電力の需要と供給のバランスを保つことができる。
【０１３８】
なお、第８実施形態から第１０実施形態までの各実施形態は個別なものであるが、これに各実施形態を組み合わせた構成とすることもできる。すなわち、第８実施形態から第１０実施形態までの中から選択した２つの実施形態を組み合わせる構成としてもよいし、３つの実施形態を組み合わせた構成とすることもできる。
【０１３９】
Ｋ．変形例：
なお、この発明は上記第１ないし第１０実施形態やその変形例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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１４０】
・変形例１：
上記各実施形態では、燃料電池２０から排出される酸化剤ガスの圧力（カソード背圧）に基づいて、圧力感度であるカソード背圧感度Ｓを求めていたが、これに換えて、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスの圧力に基づいて圧力感度を求める構成としてもよい。また、燃料電池のセル内の酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力に基づいて圧力感度を求める構成としてもよい。また、酸化剤ガスの供給口と排出口の圧力差に基づいて圧力感度を求める構成としてもよい。
【０１４１】
・変形例２：
上記実施形態では、燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であった。これに対して、固体高分子型以外のタイプの燃料電池としてもよい。
【０１４２】
・変形例３：
上記実施形態では、自動車などの車両に搭載される燃料電池システムであったが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【０１４３】
・変形例４：
前記実施例および各変形例において、ソフトウェアによって実現した機能は、ハードウェア、例えばディスクリートな電子回路によって実現するものとしてもよい。
【０１４４】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
２ａ…電流センサ
２ｂ…電圧センサ
２ｃ…温度センサ
３ａ…回転数検出センサ
３ｂ…圧力センサ
５ｂ…回転数検出センサ
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…酸化剤ガス配管系
３１…エアコンプレッサ
３２…酸化剤ガス供給路
３３…加湿モジュール
３４…カソードオフガス流路
４０…燃料ガス配管系
４１…燃料ガス供給源
４２…燃料ガス供給路
４３…燃料ガス循環路
４４…アノードオフガス流路
４５…水素循環ポンプ
４６…逆止弁
５０…電力系
５２…バッテリ
５３…トラクションインバータ
５４…補機インバータ
６０…制御ユニット
６１…要求出力取得部
６２…ガス圧感度検出部
６３…対応関係算出部
６４…目標ガス圧算出部
６５…ガス圧変更部
７１…車輪
８０…アクセルペダル
８１…アクセルペダルセンサ
５１…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｍ１…モータ
Ｍ２…モータ
Ｍ３…トラクションモータ
Ｍ４…補機モータ
Ａ１…背圧調整弁
Ｈ１…タンクバルブ
Ｈ２…水素供給バルブ
Ｈ３…ＦＣ入口バルブ
Ｈ４…ＦＣ出口バルブ
Ｈ５…パージバルブ
【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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【図１８】
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