(57)【要約】【課題】燃料電池の乾燥状態を正確に判定できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、燃料電池の出力値を検出する出力センサと、電力増加要求に基づいて出力指令値を設定する電力増加要求受理部と、出力センサで検出される出力値、及び電力増加要求受理部で設定される出力指令値を把握して燃料電池の運転状態を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、出力指令値と出力値との差分の積算値が所定値を超えた場合に、燃料電池が乾燥状態にあると判定し、燃料電池を湿潤化させる湿潤化モードで燃料電池の運転状態を制御することを特徴とする。【選択図】図９
2014007097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の出力値を検出する出力センサと、
電力増加要求に基づいて出力指令値を設定する電力増加要求受理部と、
前記出力センサで検出される前記出力値、及び前記電力増加要求受理部で設定される前記出力指令値を把握して前記燃料電池の運転状態を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記出力指令値と前記出力値との差分が所定値を超えた場合に、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定し、前記燃料電池を湿潤化させる湿潤化モードで前記燃料電池の運転状態を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記出力指令値と前記出力値との差分の積算値が前記所定値を超えた場合に、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記湿潤化モードは、第１湿潤化モード、及び第２湿潤化モードを有し、
前記制御装置は、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、前記電力増加要求が継続している場合、前記第１湿潤化モードを選択し、
前記燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、前記電力増加要求が終了している場合、前記第２湿潤化モードを選択することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１湿潤化モードは、
前記燃料電池に供給される供給ガスを加湿する加湿器による加湿量増加、供給ガス圧力の増加、供給ガス利用率の増加、前記燃料電池内に冷媒を供給する冷媒手段による冷媒流量の増加、及び前記冷媒手段による冷媒温度の低下のうち、少なくとも何れか一つの処理を実施することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２湿潤化モードは、
前記燃料電池に供給される供給ガスを加湿する加湿器による加湿量増加、前記燃料電池を通過した前記供給ガスを前記燃料電池へ循環させる供給ガス循環量増加、前記燃料電池内に冷媒を供給する冷媒手段による冷媒流量の増加、及び前記冷媒手段による冷媒温度の低下のうち、少なくとも何れか一つの処理を実施することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
蓄電装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、前記電力増加要求が継続している場合、前記第１湿潤化モードを実施するとともに、前記燃料電池からの取出し電流の制限を行い、前記蓄電装置からの出力を増加させることを特徴とする請求項３から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を起こして発電するようになっている。なお、この発電に伴って燃料電池内では水分が生成される。
【０００３】
上述した燃料電池では、電解質膜が過剰に乾燥した状態（ドライアップ状態）になると、燃料電池の発電性能が低下し、ひいては電解質膜の劣化に繋がるという問題がある。そのため、所望の発電性能を発揮させるためには、電解質膜を常に湿潤な状態に維持する必要がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、カソードガス供給量を一時的に増加させて燃料電池の発電電力を増加させた後、燃料電池の各セル電圧のうち最小セル電圧が、最大セル電圧に基づいて設定される所定の判定値を下回った場合に乾燥状態にあると判定する構成が記載されている。
また、特許文献２には、平均セル電圧と最小セル電圧との差がセル電圧差判定値以上であって、かつスタック電流密度とアノード出口電流密度との差が電流密度差判定値以上である場合に、乾燥状態にあると判定し、カソードガスの供給量を低下させる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６５５４８６号公報
【特許文献２】特開２００８−４１６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の燃料電池システムにあっては、単位セル（電解質膜）が乾燥状態にあり燃料電池の発電性能が低下しているにも関わらず、燃料電池車両の加速等により電力増加要求があった場合には、電力増加要求に基づいて高負荷条件で電流を出力しようとする。そのため、燃費や発電効率の悪化に繋がるという問題がある。
また、各単位セルのうち、特定の単位セルが乾燥状態にある場合、その特性の単位セルのみが乾燥状態にあることは考え難く、各単位セルのうち全単位セルが乾燥状態にあるものと考えられる。そのため、最大セル電圧や平均セル電圧自体が通常走行時に比べて低下する。
したがって、上述した特許文献１，２のように、セル電圧に基づいて乾燥状態を判定する場合、燃料電池の乾燥状態を正確に判定することができない虞がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、燃料電池の乾燥状態を正確に判定し、対応できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池の出力値（例えば、実施形態におけるＳＴＫ出力値Ｐ１）を検出する出力センサ（例えば、実施形態における出力センサ７）と、電力増加要求に基づいて出力指令値（例えば、実施形態における出力指令値Ｐ１ＣＭＤ）を設定する電力増加要求受理部（例えば、実施形態における電力増加要求受理部６１）と、前記出力センサで検出される前記出力値、及び前記電力増加要求受理部で設定される前記出力指令値を把握して前記燃料電池の運転状態を制御する制御装置（例えば、実施形態における制御装置６２）と、を備え、前記制御装置は、前記出力指令値と前記出力値との差分（例えば、実施形態における乖離度Δ）が所定値（例えば、実施形態における所定値ＰＳＬ）を超えた場合に、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定し、前記燃料電池を湿潤化させる湿潤化モードで前記燃料電池の運転状態を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載した発明では、前記制御装置は、前記出力指令値と前記出力値との差分の積算値（例えば、実施形態における積算値ＰＳ）が前記所定値を超えた場合に、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明では、前記湿潤化モードは、第１湿潤化モード（例えば、実施形態における加速時湿潤化モード）、及び第２湿潤化モード（例えば、実施形態における非加速時湿潤化モード）を有し、前記制御装置は、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、前記電力増加要求が継続している場合、前記第１湿潤化モードを選択し、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、前記電力増加要求が終了している場合、前記第２湿潤化モードを選択することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載した発明では、前記第１湿潤化モードは、前記燃料電池に供給される供給ガス（例えば、実施形態におけるカソードガス）を加湿する加湿器（例えば、実施形態における加湿器３４）による加湿量増加、供給ガス圧力（例えば、実施形態におけるカソードガス目標圧力ＰＡＲＥＱ）の増加、供給ガス利用率（例えば、実施形態における酸化剤利用率）の増加、前記燃料電池内に冷媒を供給する冷媒手段（例えば、実施形態における冷媒手段５）による冷媒流量（例えば、実施形態における冷媒流量ＱＷ）の増加、及び前記冷媒手段による冷媒温度（例えば、実施形態における冷媒温度ＴＷ）の低下のうち、少なくとも何れか一つの処理を実施することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載した発明では、前記第２湿潤化モードは、前記燃料電池に供給される供給ガスを加湿する加湿器による加湿量増加、前記燃料電池を通過した前記供給ガスを前記燃料電池へ循環させる供給ガス循環量増加、前記燃料電池内に冷媒を供給する冷媒手段による冷媒流量の増加、及び前記冷媒手段による冷媒温度の低下のうち、少なくとも何れか一つの処理を実施することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載した発明では、蓄電装置（例えば、実施形態におけるバッテリ１１）を備え、前記制御装置は、前記燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、前記電力増加要求が継続している場合、前記第１湿潤化モードを実施するとともに、前記燃料電池からの取出し電流の制限を行い、前記蓄電装置からの出力を増加させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載した発明によれば、出力値と出力指令値との差分に基づいて燃料電池の乾燥状態を判定することで、従来のように出力値同士（例えば、セル電圧と最大セル電圧等）の差分に基づいて乾燥状態を判定する場合に比べて、燃料電池の乾燥による影響を正確に把握できる。したがって、燃料電池の乾燥状態を正確に判定して、その後の湿潤化モードにより燃料電池の乾燥状態を解消できる。これにより、電解質膜の劣化や燃費や発電性能の悪化等を抑制できる。
また、例えばインピーダンス等に基づいて乾燥状態を判定する場合に比べて、燃料電池の乾燥状態を簡単に把握できるため、システム構成や制御を簡素化でき、低コスト化を図ることができる。
【００１５】
請求項２に記載した発明によれば、出力指令値と出力値との差分の積算値に基づいて燃料電池の乾燥状態を判定することで、燃料電池が乾燥状態にあるか否かをより正確に判定することができ、制御の信頼性を確保できる。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、電力増加要求が現在もあるか否かによって最適な湿潤化モードを選択できるので、燃料電池の乾燥状態を効率的に解消させることができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明によれば、燃料電池に供給される供給水分量を増加させたり、燃料電池から排出される排出水分量を低下させたりできるので、燃料電池内での水分量を増加させ、燃料電池の乾燥状態を効率的に解消させることができる。
【００１８】
請求項５に記載した発明によれば、燃料電池に供給される供給水分量を増加させたり、燃料電池から排出される排出水分量を低下させたりできるので、燃料電池内での水分量を増加させ、燃料電池の乾燥状態を効率的に解消させることができる。
特に、第２湿潤化モードでは、電力増加要求が既に終了しており、供給ガスの供給手段（例えば、エアポンプ）を制御して、供給ガスの圧力や供給ガス利用率を調整することは難しい。これに対して、本発明の構成では、供給ガスを燃料電池へ循環させる供給ガス循環量を増加させることで、供給手段から供給される供給ガスを調整することなく、燃料電池への供給水分量を増加させることができる。
【００１９】
請求項６に記載した発明によれば、燃料電池が乾燥状態にあると判定された後、電力増加要求が継続している場合であっても、電解質膜の劣化や燃費や発電性能の悪化等を抑制した上で、電力増加要求に応じた電力を速やかに供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】実施形態に係るＥＣＵのブロック図である。
【図３】時間Ｔに対する出力指令値Ｐ１ＣＭＤ及びＳＴＫ出力値Ｐ１の関係を示すグラフである。
【図４】燃料電池の発電電流ＩＦＣと、カソードガス目標圧力ＰＡＲＥＱと、の相関を示すマップである。
【図５】燃料電池の発電電流ＩＦＣと、流量指令値ＧＡＲＥＱと、の相関を示すマップである。
【図６】燃料電池の発電電流ＩＦＣと、冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、の相関を示すマップである。
【図７】燃料電池の発電電流ＩＦＣと、冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、の相関を示すマップである。
【図８】燃料電池の発電電流ＩＦＣと、ＥＧＲポンプの回転数指令値ＮＥＧＲＲＥＱと、の相関を示すマップである。
【図９】燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という。また。図中ではＳＴＫと略す。）と、燃料電池２にカソードガスである空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノードガスである水素を供給するためのアノードガス供給手段４と、燃料電池２内に冷媒を流通させて燃料電池２を冷却する冷媒手段５と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（制御装置）６（図２参照）と、を主に備えている。
【００２２】
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子型の電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体（ＭＥＡ）が形成され、このＭＥＡの両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素が、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）により発生した水素イオンが電解質膜を透過してカソードに移動する。そして、カソードに移動した水素イオンが、カソードで酸素と電気化学反応（Ｈ２＋Ｏ２／２→Ｈ２Ｏ）を行い発電する。
【００２３】
燃料電池２は、バッテリ（蓄電装置）１１に接続され、燃料電池２で発電した電気をバッテリ１１に充電可能となっている。燃料電池２とバッテリ１１は、燃料電池車両の駆動モータ１２等の外部負荷に放電可能に接続されている。
【００２４】
なお、本実施形態の燃料電池システム１には、燃料電池２から出力されるＳＴＫ出力値Ｐ１を検出する出力センサ７が設置されている。また、本実施形態の燃料電池システム１には、燃料電池２から出力される発電電流ＩＦＣを検出する電流センサ（不図示）や、燃料電池２内の圧力（例えば、カソードガス圧力ＰＡ）を検出する圧力センサ（不図示）等の各種センサが設置され、各センサ（例えば、出力センサ７）の検出結果に応じた電気信号がＥＣＵ６に向けて出力される。
【００２５】
（カソードガス供給手段）
カソードガス供給手段３は、燃料電池２のカソードに向けてカソードガスが流通するカソードガス供給流路３１を備えている。カソードガス供給流路３１の上流側には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのエアポンプ３２がインテイクマニホールド３３を介して接続されている。また、インテイクマニホールド３３には、図示しないエアフローセンサが設置されており、エアポンプ３２によって外部から取り込まれるカソードガス流量Ｑｃを検出し、検出結果の信号を例えばＥＣＵ６に向けて出力する。カソードガス流量Ｑｃは、ＥＣＵ６からエアポンプ３２に出力される流量指令値ＧＡＲＥＱに基づいて制御される。
【００２６】
また、カソードガス供給流路３１のうちエアポンプ３２よりも下流側は、加湿器３４及びカソードガス供給封止弁３５に順に接続され、燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソード流路３６に接続されている。カソード流路３６の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電や凝縮によって燃料電池２で生成された水が流通するカソードオフガス排出流路３７が接続されている。
カソードオフガス排出流路３７は、カソードガス出口封止弁３８、加湿器３４、及びＣＰＣＶ（カソード圧力制御バルブ）３９に順に接続された後、希釈ＢＯＸ３０に接続されている。
【００２７】
エアポンプ３２によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路３１を通過した後、燃料電池２のカソード流路３６に供給される。そして、カソード流路３６において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３７に排出される。カソードオフガス排出流路３７に排出されたカソードオフガスは、希釈ＢＯＸ３０を通過した後、車外へと排気される。
【００２８】
各封止弁３５，３８は電磁駆動式の封止弁であり、各封止弁３５，３８間、すなわちカソード流路３６内にカソードガスを封止できるように構成されている。
加湿器３４は、中空糸膜等の水分透過膜を備え、燃料電池２で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスを加湿用ガスとして用い、エアポンプ３２から送出されるカソードガスを加湿する。これにより、燃料電池２に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。
【００２９】
カソードガス供給流路３１には、加湿器３４を迂回する加湿器バイパス流路７１が加湿器バイパスバルブ７２を介して接続されている。また、カソードガス供給流路３１における加湿器３４の上流側には、燃料電池バイパス流路７４が分岐して設けられている。この燃料電池バイパス流路７４は、燃料電池バイパスバルブ７３を介して、カソードオフガス排出流路３７におけるＣＰＣＶ３９の下流側に接続されている。
【００３０】
カソードオフガス排出流路３７におけるカソードガス出口封止弁３８の上流側には、カソードガス循環流路７５が分岐して設けられている。カソードガス循環流路７５は、ＥＧＲポンプ７６を介してカソードガス供給流路３１におけるカソードガス供給封止弁３５の下流側に接続されている。
ＥＧＲポンプ７６は、燃料電池２のカソード流路３６から排出されたカソードオフガスの一部を循環させ、エアポンプ３２から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池２のカソードに再び供給する。
【００３１】
（アノードガス供給手段）
アノードガス供給手段４は、アノードガスが充填された水素供給タンク４１を備えている。水素供給タンク４１には、燃料電池２にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路４２が接続されている。アノードガス供給流路４２は、上流側から順に遮断弁４３、燃料インジェクタ４４、エゼクタ７７が接続され、燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノード流路４５に接続されている。
【００３２】
燃料インジェクタ４４は、ＥＣＵ６からの出力信号により駆動が制御され、アノードガスがアノードガス供給流路４２へ所定の周期で間欠的に供給されて、目標圧力制御で動かされている。これにより、燃料電池２のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、燃料インジェクタ４４から供給されたアノードガスは、エゼクタ７７を通ってアノード流路４５に供給される。
【００３３】
アノード流路４５の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路４６が接続されている。アノードオフガス排出流路４６は、電磁駆動式のパージ弁４７を介して希釈ＢＯＸ３０に接続されている。希釈ＢＯＸ３０は、アノードオフガス排出流路４６から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出流路４８が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出流路４８から車外に排出される。なお、希釈ＢＯＸ３０には、アノードオフガス排出流路４６から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
【００３４】
また、アノードオフガス排出流路４６におけるパージ弁４７の上流側には、アノードオフガス循環流路４９が分岐して設けられている。アノードオフガス循環流路４９は、循環ポンプ４０を介してアノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４４の下流側に接続されている。
循環ポンプ４０は、燃料電池２のアノード流路４５から排出されたアノードオフガスの一部を循環させ、水素供給タンク４１から供給されたアノードガスに混合して、燃料電池２のアノードに再び供給する。
【００３５】
また、アノードガス供給流路４２とアノードオフガス排出流路４６との間には、上述したエゼクタ７７に接続されるエゼクタ循環流路７８が設けられており、循環ポンプ４０の未作動時等（例えば、通常走行時等）において、燃料電池２から排出されたアノードオフガスが循環して、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。
【００３６】
冷媒手段５は、燃料電池２内に冷媒を流通させる冷媒流路５１と、冷媒を冷却するラジエータ５２と、ラジエータ５２から排出された冷媒を冷媒流路５１に向けて流通させる冷媒供給流路５３と、冷媒流路５１から排出された冷媒をラジエータ５２に向けて流通させる冷媒排出流路５４と、を備えている。また、冷媒供給流路５３には、燃料電池２とラジエータ５２との間で冷媒を循環させるウォータポンプ（ＷＰ）５５が設けられている。
冷媒排出流路５４には、ラジエータ５２をバイパスして冷媒供給流路５３に冷却水を供給するラジエータバイパス流路５６が接続されている。ラジエータバイパス流路５６における冷媒供給流路５３との接続部分には、ラジエータ５２とラジエータバイパス流路５６との間で冷媒の流通経路を選択する可変サーモ５７が設けられている。
【００３７】
冷媒流路５１を流通する冷媒は、燃料電池２との熱交換によって暖められた後、冷媒排出流路５４を通り、ウォータポンプ５５によってラジエータ５２に向けて送出される。そして、冷媒はラジエータ５２において放熱された後、冷媒供給流路５３を通って再び燃料電池２に供給される。また、燃料電池２の温度を上昇させたいときには、可変サーモ５７により冷媒をラジエータバイパス流路５６に流通させ、ラジエータ５２をバイパスすることにより、ラジエータ５２からの放熱を禁止する。
【００３８】
（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
ＥＣＵ６は、電力増加要求受理部６１と、制御装置６２と、を主に備えている。
電力増加要求受理部６１は、燃料電池車両の電力増加要求（加速要求）を受理するとともに、電力増加要求に基づいて燃料電池車両に搭載された駆動モータ１２等の外部負荷へ供給される出力指令値Ｐ１ＣＭＤを算出する。そして、算出された出力指令値Ｐ１ＣＭＤに基づいて電流指令値ＩＦＣＣＭＤが算出され、算出された電流指令値ＩＦＣＣＭＤに基づいて供給ガス（アノードガス、及びカソードガス）が所望の目標値（圧力や流量等）で燃料電池２に供給される。
【００３９】
また、電力増加要求受理部６１は、燃料電池車両の電力増加要求が所定の状態を超えたか否かを判定する加速判定手段６３を備えている。具体的に、加速判定手段６３は、例えば以下に示す条件のうち、少なくとも１つが満たされた場合に電力増加要求が所定の状態を超えたと判定する。
（１）燃料電池２から駆動モータ１２等へ供給される発電電流指令値ＩＦＣＣＭＤが、第１閾値ＩＦＣＣＭＤ１よりも大きいとき（ＩＦＣＣＭＤ＞ＩＦＣＣＭＤ１）。
（２）発電電流指令値ＩＦＣＣＭＤの単位時間当たりの変化幅ＩＦＣＣＭＤＤが第２閾値ＩＦＣＣＭＤＤ１よりも大きいとき（ＩＦＣＣＭＤＤ＞ＩＦＣＣＭＤＤ１）。
（３）アクセル開度ＡＣが第３閾値ＡＣ１よりも大きいとき（ＡＣ＞ＡＣ１）。
【００４０】
制御装置６２は、乾燥判定手段６４、湿潤化モード選択手段６５、湿潤化モード実行手段６６、ＢＡＴアシスト手段６７、及び有効性判定手段６８を主に備えている。
【００４１】
図３は、時間Ｔに対する出力指令値Ｐ１ＣＭＤ及びＳＴＫ出力値Ｐ１の関係を示すグラフである。なお、図３では、出力指令値Ｐ１ＣＭＤを実線で、ＳＴＫ出力値Ｐ１を破線で示している。
乾燥判定手段６４は、上述した加速判定手段６３により電力増加要求が所定の状態を超えたと判定された場合、燃料電池２（電解質膜）が乾燥状態にあるか否かを判定する。具体的に、乾燥判定手段６４は、図３に示すように、上述した電力増加要求受理部６１で算出された出力指令値Ｐ１ＣＭＤと、出力センサ７により検出されたＳＴＫ出力値Ｐ１と、の差分（以下、乖離度Δという）の積算値ＰＳが所定値ＰＳＬを超えた場合に、燃料電池２が乾燥状態にあると判定する（ＰＳ＞ＰＳＬ）。本実施形態の乖離度Δの積算値ＰＳは、出力指令値Ｐ１ＣＭＤとＳＴＫ出力値Ｐ１との差分を、電力増加要求から現在まで時間積分した値である。
【００４２】
湿潤化モード選択手段６５は、電力増加要求が所定の状態を超えた時点からの電力増加要求継続時間Ｔ１（加速継続時間）に基づいて、加速時湿潤化モード（第１湿潤化モード）と、非加速時湿潤化モード（第２湿潤化モード）と、を選択する。具体的に、湿潤化モード選択手段６５には、電力増加要求継続時間Ｔ１に関する閾値ｔが記憶されており、電力増加要求継続時間Ｔ１が閾値ｔを超えた場合（Ｔ１＞ｔ）、未だ電力増加要求が継続していると判定して、加速時湿潤化モードを選択する。一方、電力増加要求継続時間Ｔ１が閾値ｔ以下の場合には（Ｔ１≦ｔ）、湿潤化モード選択手段６５は、電力増加要求が終了（減速または定常状態）していると判定して、非加速時湿潤化モードを選択する。
【００４３】
湿潤化モード実行手段６６は、上述した湿潤化モード選択手段６５で選択された湿潤化モードを実行する。
具体的に、加速時湿潤化モードは、例えば以下に示す（１）〜（５）の方法で行うことができる。
【００４４】
（１）カソードガス目標圧力ＰＡＲＥＱを通常発電時に比べて増加させる。具体的には、カソードガス目標圧力ＰＡＲＥＱを圧力増加指令値ＰＡＲＥＱＵＰに設定し、この圧力増加指令値ＰＡＲＥＱＵＰに基づいて、例えばＣＰＣＶ３９の開度を調整する。これにより、燃料電池２のカソードでの水の滞留が促進され、カソード側から排出される排出水分量を低下できるので、燃料電池２内での水分量（加湿量）を増加できる。
なお、カソードガス目標圧力ＰＡＲＥＱは、発電電流ＩＦＣとの相関を示すマップに基づいて設定する（図４参照）。図４に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど、カソードガス目標圧力ＰＡＲＥＱが大きくなるように設定されている。
【００４５】
（２）カソードストイキ（燃料電池２への供給量／理論空気消費量）を通常発電時に比べて低下させる（酸化剤利用率（供給ガス利用率）を増加させる）。具体的に、カソードストイキを低下させるには、エアポンプ３２の流量指令値ＧＡＲＥＱを、通常発電時よりも少ない流量減量指令値ＧＡＲＥＱＤＯＷＮに設定する等して、カソードガス流量Ｑｃを低下させる。すなわち、カソードガス流量Ｑｃが低下することで、燃料電池２から排出される排出水分量が低下するため、燃料電池２内での水分量を増加できる。
なお、流量指令値ＧＡＲＥＱは、発電電流ＩＦＣとの相関を示すマップに基づいて設定する（図５参照）。図５に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど、流量指令値ＧＡＲＥＱが大きくなるように設定されている。
【００４６】
（３）加湿器バイパスバルブ７２を全閉して、エアポンプ３２から送出されるカソードガスが全て加湿器３４を通過するように設定する。これにより、燃料電池２のカソード側に供給される供給水分量を増加して、燃料電池２内での水分量を増加できる。
【００４７】
（４）冷媒流路５１（燃料電池２）に流入させる冷媒流量ＱＷ（スタック入口冷媒流量）を、通常発電時よりも増加させる。冷媒流量ＱＷを増加させることで、結露等によって水が燃料電池２内に滞留し易くなるので、供給ガスとともに水蒸気として排出される排出水分量を低下させ、燃料電池２内での水分量を増加できる。
なお、冷媒流量ＱＷは、冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、発電電流ＩＦＣと、の相関を示すマップに基づいて設定する（図６参照）。図６に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱが増加するように設定されている。そして、設定された冷媒流量指令値ＱＷＳＴＫＩＮＲＥＱに基づいて、ウォータポンプ５５の回転数を制御することで、冷媒流量ＱＷを調整する。
【００４８】
（５）冷媒流路５１（燃料電池２）に流入させる冷媒温度ＴＷ（スタック入口冷媒温度）を、通常発電時よりも低下させる。冷媒温度ＴＷを低下させることで、結露等によって水が燃料電池２内に滞留し易くなるので、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される排出水分量を低下させ、燃料電池２内での水分量を増加できる。
冷媒温度ＴＷは、冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、発電電流ＩＦＣと、の相関を示すマップに基づいて設定する（図７参照）。図７に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど、冷媒温度ＴＷが低下するように設定されている。そして、設定された冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱに基づいて、可変サーモ５７の開度指令を変更することで、冷媒手段５を流通する冷媒のうち、ラジエータバイパス流路５６を流通する冷媒バイパス量を通常発電時に比べて低下させ、冷媒温度ＴＷを調整する。なお、図７中破線は、通常発電時における冷媒温度指令値ＴＷＳＴＫＩＮＲＥＱと、発電電流ＩＦＣと、の相関（ベース値）を示している。
【００４９】
また、非加速時湿潤化モードは、例えば以下に示す（１）〜（４）の方法で行うことができる。
（１）ＥＧＲポンプ７６を回転させ、燃料電池２で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスを燃料電池２に再度供給する。これにより、燃料電池２のカソード側に供給される供給水分量を増加して、燃料電池２内での水分量を増加できる。
なお、ＥＧＲポンプ７６の回転数指令値ＮＥＧＲＲＥＱは、発電電流ＩＦＣとの相関を示すマップに基づいて設定する（図８参照）。具体的に、図８に示すマップは、発電電流ＩＦＣが大きいほど回転数指令値ＮＥＧＲＲＥＱが増加するように設定されている。これは、発電電流ＩＦＣが大きい方が、カソード差圧（カソードの入口−出口間での差圧）が大きくなり、ＥＧＲポンプ７６の回転数ＮＥＧＲを増加させる必要があるためである。
（２）上述した加速時湿潤化モード（３）と同様に、加湿器バイパスバルブ７２を全閉して、エアポンプ３２から送出されるカソードガスが全て加湿器３４を通過するように設定する。
（３）上述した加速時湿潤化モード（４）と同様に、冷媒流路５１（燃料電池２）に流入させる冷媒流量ＱＷを、通常発電時よりも増加させる。
（４）上述した加速時湿潤化モード（５）と同様に、冷媒流路５１（燃料電池２）に流入させる冷媒温度ＴＷを、通常発電時よりも低下させる。
【００５０】
ＢＡＴアシスト手段６７は、上述した湿潤化モード選択手段６５が加速時湿潤化モードを選択した場合に、燃料電池２から出力される電流指令値ＩＦＣＣＭＤを制限（制限電流値ＩＦＣＬＭＴＤＲＹ）した上で、バッテリ１１から供給されるＢＡＴ出力値Ｐ２を増加させる。すなわち、バッテリ１１によるアシストを行い、燃料電池２とバッテリ１１とにより出力指令値Ｐ１ＣＭＤを賄う。
【００５１】
有効性判定手段６８には、各湿潤化モードが有効であるか否か、すなわち湿潤化モード選択手段６５により湿潤化モードを選択した時点の燃料電池車両の状態（加速または非加速）が現在も継続されているか否かを判定する。具体的に、有効性判定手段６８には、加速時閾値ＩＦＣＬ１と非加速時閾値ＩＦＣＬ２とが記憶されている。そして、有効性判定手段６８は、これら加速時閾値ＩＦＣＬ１と非加速時閾値ＩＦＣＬ２と、燃料電池２から出力される発電電流ＩＦＣと、の比較により各湿潤化モードの有効性を判定する。なお、加速時閾値ＩＦＣＬ１は、非加速時閾値ＩＦＣＬ２よりも大きくなっている（ＩＦＣＬ１＞ＩＦＣＬ２）。
【００５２】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。図９は、燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
図９に示すように、ステップＳ１において、電力増加要求受理部６１は、燃料電池車両の電力増加要求が所定の状態を超えたか否かを判定する（加速判定）。具体的に、電力増加要求受理部６１は、以下に示す条件（１）〜（３）のうち、少なくとも１つが満たされた場合に、電力増加要求が所定の状態を超えたと判定する。
（１）燃料電池２から駆動モータ１２等へ供給される発電電流指令値ＩＦＣＣＭＤが、第１閾値ＩＦＣＣＭＤ１よりも大きいとき（ＩＦＣＣＭＤ＞ＩＦＣＣＭＤ１）。
（２）発電電流指令値ＩＦＣＣＭＤの単位時間当たりの変化幅ＩＦＣＣＭＤＤが第２閾値ＩＦＣＣＭＤＤ１よりも大きいとき（ＩＦＣＣＭＤＤ＞ＩＦＣＣＭＤＤ１）。
（３）アクセル開度ＡＣが第３閾値ＡＣ１よりも大きいとき（ＡＣ＞ＡＣ１）。
【００５３】
ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合（上述した条件（１）〜（３）が全て満たされない場合（閾値以下であった場合））、電力増加要求受理部６１は電力増加要求が所定の状態を超えていないと判定する。この場合、電力増加要求受理部６１により算出される出力指令値Ｐ１ＣＭＤに基づいて電流指令値ＩＦＣＣＭＤが算出され、算出された電流指令値ＩＦＣＣＭＤに基づいて供給ガスが所望の目標値で燃料電池２に供給される。また、ステップＳ１の判定は、電力増加要求を受理するたびに行う。
【００５４】
一方、ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（上述した条件（１）〜（３）のうち何れかの条件を満たした場合（何れかが閾値より大きい場合））、電力増加要求受理部６１は電力増加要求が所定の状態を超えたと判定してステップＳ２に進む。
【００５５】
ステップＳ２において、乾燥判定手段６４は、燃料電池２が乾燥状態にあるか否かを判定する。具体的に、乾燥判定手段６４は、上述した乖離度Δの積算値ＰＳが所定値ＰＳＬよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ２における判定結果が「ＮＯ」の場合（ＰＳ≦ＰＳＬの場合）、燃料電池２は乾燥していない（湿潤な状態）と判定してステップＳ３に進む。この場合には、ステップＳ３において、通常の発電モード（例えば、通常加速モード）を実行する。すなわち、電力増加要求受理部６１で受理された電力増加要求に基づいて燃料電池２を制御し、本フローを終了する。
一方、ステップＳ２における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＰＳ＞ＰＳＬの場合）、燃料電池２が乾燥状態にあると判定してステップＳ４に進む。
【００５６】
ステップＳ４において、湿潤化モード選択手段６５は、電力増加要求継続時間Ｔ１が閾値ｔを超えたか否かを判定する。
ステップＳ４における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔ１＞ｔの場合）、燃料電池車両が現在も加速中であると判定してステップＳ５に進む。
一方、ステップＳ４における判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔ１≦ｔの場合）、燃料電池車両が既に減速中、または定常状態であると判定してステップＳ６に進む。
【００５７】
ステップＳ５では、湿潤化モード実行手段６６により加速時湿潤化モードを実施する。具体的には、上述した加速時湿潤化モード（１）〜（５）のうち、少なくとも何れかの方法により燃料電池２内の水分量を増加させる。
また、ステップＳ５では、燃料電池２から出力される電流指令値ＩＦＣＣＭＤを制限電流値ＩＦＣＬＭＴＤＲＹに制限した上で、バッテリ１１から出力されるＢＡＴ出力値Ｐ２を増加させ、バッテリ１１によるアシストを行う。
【００５８】
次に、ステップＳ７において、加速時湿潤化モードが有効であるか否かを判定する。具体的に、有効性判定手段６８は、発電電流ＩＦＣが加速時閾値ＩＦＣＬ１よりも大きいか否かを判定する。
【００５９】
ステップＳ７の判定結果が「ＮＯ」の場合（ＩＦＣ≦ＩＦＣＬ１の場合）、既に電力増加要求が終了、若しくは所望のＳＴＫ出力値Ｐ１が出力されている等と判定して、本フローを終了する。
ステップＳ７の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＩＦＣ＞ＩＦＣＬ１の場合）、燃料電池車両の加速が現在も継続され、上述した加速時湿潤化モードが燃料電池２の乾燥対策に有効であると判定して、ステップＳ８に進む。
【００６０】
ステップＳ８において、加速時湿潤化モードの開始から所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。
そして、ステップＳ８における判定結果が「ＮＯ」の場合（所定時間Ｔ２が経過していない場合）には、ステップＳ７に戻る。
ステップＳ８における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（所定時間Ｔ２が経過した場合）には、燃料電池２の乾燥状態が解消されたと判定して、本フローを終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ６では、湿潤化モード実行手段６６により非加速時湿潤化モードを実行する。具体的には、上述した非加速時湿潤化モード（１）〜（４）のうち、少なくとも何れかの方法により燃料電池２内の水分量を増加させる。
【００６２】
次に、ステップＳ９において、非加速時湿潤化モードが有効であるか否かを判定する。具体的に、有効性判定手段６８は、発電電流ＩＦＣが非加速時閾値ＩＦＣＬ２よりも小さいか否かを判定する。
ステップＳ９の判定結果が「ＮＯ」の場合（ＩＦＣ≧ＩＦＣＬ２の場合）、非加速時湿潤化モード中に再び電力増加要求があった場合等、ＳＴＫ出力値Ｐ１が増加したと判定して本フローを終了する。
ステップＳ９の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＩＦＣ＜ＩＦＣＬ２の場合）、燃料電池車両の非加速が現在も継続され、上述した非加速時湿潤化モードが燃料電池２の乾燥対策に有効であると判定して、ステップＳ１０に進む。
【００６３】
ステップＳ１０において、上述したステップＳ８と同様に、非加速時湿潤化モードの開始から所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。
そして、ステップＳ１０における判定結果が「ＮＯ」の場合（所定時間Ｔ２が経過していない場合）には、ステップＳ９に戻る。
ステップＳ１０における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（所定時間Ｔ２が経過した場合）には、燃料電池２の乾燥状態が解消されたと判定して、本フローを終了する。
【００６４】
このように、本実施形態では、出力指令値Ｐ１ＣＭＤと出力値Ｐ１との差分が所定値ＰＳＬを超えた場合に、燃料電池２が乾燥状態にあると判定し、燃料電池２を湿潤化させる湿潤化モードで燃料電池２の運転状態を制御する構成とした。
この構成によれば、出力値Ｐ１と出力指令値Ｐ１ＣＭＤとの乖離度Δに基づいて燃料電池２の乾燥状態を判定することで、従来のように出力値同士（例えば、セル電圧と最大セル電圧等）の差分に基づいて乾燥状態を判定する場合に比べて、燃料電池２の乾燥による影響を正確に把握できる。したがって、燃料電池２の乾燥状態を正確に判定して、その後の湿潤化モードにより燃料電池２の乾燥状態を解消できる。これにより、電解質膜の劣化や燃費や発電性能の悪化等を抑制できる。
また、例えばインピーダンス等に基づいて乾燥状態を判定する場合に比べて、燃料電池２の乾燥状態を簡単に把握できるため、システム構成や制御を簡素化でき、低コスト化を図ることができる。
【００６５】
特に、出力指令値Ｐ１ＣＭＤと出力値Ｐ１との差分の積算値ＰＳに基づいて燃料電池２の乾燥状態を判定することで、燃料電池２が乾燥状態にあるか否かをより正確に判定することができ、制御の信頼性を確保できる。
【００６６】
また、電力増加要求が所定の状態を超えた時点からの電力増加要求継続時間Ｔ１に基づいて、加速時湿潤化モードと、非加速時湿潤化モードと、を選択することで、電力増加要求が現在もあるか否かによって最適な湿潤化モードを選択できるので、燃料電池２の乾燥状態を効率的に解消させることができる。
【００６７】
ところで、上述した加速時湿潤化モードでは、（１），（２）のようにエアポンプ３２やＣＰＣＶ３９等を制御してカソードオフガスとともに燃料電池２から排出される排出水分量を低下させる方法を採用した。これに対して、非加速時湿潤化モードでは、燃料電池２に供給されるカソードガスが少なくなるので、加速時湿潤化モード（１）、（２）による制御が難しい。
そこで、本実施形態では、ＥＧＲポンプ７６を回転させて、カソードオフガスの循環量を増加させることで、燃料電池２のカソード側に供給される供給水分量を増加して、燃料電池２内での水分量を増加できる。その結果、エアポンプ３２を調整することなく、燃料電池２への供給水分量を増加させることができる。
【００６８】
また、本実施形態では、燃料電池２が乾燥状態にあると判定された後、電力増加要求が継続している場合に、燃料電池２から出力される電流指令値ＩＦＣＣＭＤを制限電流値ＩＦＣＬＭＴＤＲＹに制限した上で、バッテリ１１によるアシストを行うことで、電解質膜の劣化や燃費や発電性能の悪化等を抑制した上で、電力増加要求に応じた電力を速やかに供給できる。
【００６９】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、出力指令値Ｐ１ＣＭＤと出力値Ｐ１との差分の積算値ＰＳに基づいて燃料電池２の乾燥状態を判定する構成について説明したが、これに限らず、出力指令値Ｐ１ＣＭＤの積算値と出力値Ｐ１の積算値との差分に基づいて乾燥状態を判定しても構わない。また、単に出力指令値Ｐ１ＣＭＤと出力値Ｐ１の差分（乖離度Δ）に基づいて乾燥状態を判定しても構わない。
また、総電圧と総電圧の指令値との差分に基づいて乾燥状態を判定しても構わない。
【００７０】
さらに、ステップＳ７，９における有効性判定手段６８による判定の閾値（加速時閾値ＩＦＣＬ１、及び非加速時閾値ＩＦＣＬ２）は異なる値であっても、同値であっても構わない。
また、ステップＳ８，１０における各湿潤化モードの終了判定（所定時間Ｔ２）は、各湿潤化モード間で異なる値であっても、同値であっても構わない。
【００７１】
また、上述した実施形態では、燃料供給手段として燃料インジェクタ４４を用いる構成について説明したが、これに限らず、レギュレータ等を用いても構わない。
【００７２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池スタック（燃料電池）  ５…冷媒手段  ６…ＥＣＵ（制御装置）  ７…出力センサ  １１…バッテリ（蓄電装置）  ３４…加湿器  ６１…電力増加要求受理部  
【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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