(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
制御部と、
前記燃料電池に対する前記燃料ガスの給排を行なう燃料ガス給排部と、
前記燃料電池に対する前記酸化剤ガスの給排を行なう酸化剤ガス給排部と、
前記燃料電池に対する冷却液の循環を行なう冷却部と、
を備え、
前記制御部は、
（ａ）前記冷却液の温度が定常温度となるように制御されている定常制御状態から逸脱した高温の状態へ変化する上昇過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が上昇する第１の期間において、前記燃料電池へ供給する酸化剤ガスの圧力の目標値を、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値よりも高い値とする酸化剤ガス圧力増加処理を行う上昇過渡制御処理を実行し、
（ｂ）前記酸化剤ガスの圧力の目標値が、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値に設定されている状態において、前記燃料電池への出力電流の出力要求が減少して、前記冷却液の温度が前記定常制御状態から逸脱した高温の状態から前記定常温度の状態へ向けて変化する下降過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が前記定常温度へ戻るまでの間の第２の期間において、（ｂ１）前記酸化剤ガス圧力増加処理と、（ｂ２）前記燃料電池の出力電流の目標値を、前記燃料電池への出力電流の出力要求の減少に応じて設定される前記燃料電池の出力電流の目標値よりも高い値とする出力増加処理と、の少なくとも一方を実行する下降過渡制御処理を実行する、
ことを特徴と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、
前記制御部は、前記下降過渡制御処理において、前記酸化剤ガス圧力増加処理および前記出力増加処理の両方を実行することを特徴とす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、
前記冷却液の上昇過渡は、ｉ）前記冷却液の温度が上昇閾値温度を跨いで上昇すること、あるいは、ｉｉ）前記燃料電池への出力要求が上昇閾値出力以上となること、のいずれかに基づいて判断され、
前記冷却液の下降過渡は、ｉｉｉ）前記冷却液の温度が下降閾値温度を跨いで下降すること、あるいは、ｉｖ）前記燃料電池への出力要求が下降閾値出力以下となることのいずれかに基づいて判断される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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、
前記第１の期間は、前記上昇過渡の状態にあると判断された時点から前記冷却液の温度が上昇終了閾値温度まで上昇した時点までの期間であり、
前記第２の期間は、前記下降過渡の状態にあると判断された時点から前記冷却液の温度が下降終了閾値温度まで下降した時点までの期間である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスと冷却液の供給を制御して発電する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記冷却液の温度が定常温度となるように制御されている定常制御状態から逸脱した高温の状態へ変化する上昇過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が上昇する第１の期間において、前記燃料電池へ供給する酸化剤ガスの圧力の目標値を、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値よりも高い値とする酸化剤ガス圧力増加処理を行う上昇過渡制御処理を実行する工程と、
（ｂ）前記酸化剤ガスの圧力の目標値が、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値に設定されている状態において、前記燃料電池への出力電流の出力要求が減少して、前記冷却液の温度が前記定常制御状態から逸脱した高温の状態から前記定常温度の状態へ向けて変化する下降過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が前記定常温度へ戻るまでの間の第２の期間において、（ｂ１）前記酸化剤ガス圧力増加処理と、（ｂ２）前記燃料電池の出力電流の目標値を、前記燃料電池への出力電流の出力要求の減少に応じて設定される前記燃料電池の出力電流の目標値よりも高い値とする出力増加処理と、の少なくとも一方を実行する下降過渡制御処理を実行する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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】
特許文献１には、燃料電池が過渡運転状態にあると判定された場合、酸化剤ガスの圧力目標値を通常運転時の圧力目標値より高くする制御を行い、空気の供給系統に異常が生じた場合に燃料電池の出力電圧が異常低下することを防止する燃料電池システムが開示されている。特許文献２には、負荷が減少する下げ過渡の場合に、検出した燃料電池の乾湿状態が過湿潤又は過乾燥の状態の際には、その状態を解消するようにカソードガスの流量若しくは圧力の減少速度を、検出した状態に応じて制御してカソードガスによる水の持ち去り量を制御し、燃料電池の乾湿状態を十分にコントロールする燃料電池システムが開示されている。特許文献３には、運転状態が変化する過渡運転時には、設定された過渡時目標湿潤状態に基づいて、電解質膜の湿潤状態が過渡運転に入る前に検出された湿潤状態から定常時目標湿潤状態へと徐々に変化するようにして、過渡的に反応ガスの流量などが大きく変化し、燃料又は音振性能の悪化を抑制する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−００４１３８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０９１８２号公報
【特許文献３】国際公開第２０１２／１１７９３７号パンフレット
【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、特許文献１では、過渡運転後の運転状況に応じて、セルの湿度状態がさらに悪化する可能性がある。例えば、燃料電池の適切な湿潤状態よりも湿潤（Ｗｅｔ）側にある状態で要求出力が低下する場合には、セルの湿潤状態が過湿潤状態となる可能がある。また、乾燥（Ｄｒｙ）側にある状態で要求出力が増加する場合には、セルの湿潤状態が過乾燥状態となる可能性がある。従って、過渡運転後の運転状況に応じて燃料電池の可能出力が制限され、要求出力を燃料電池が出力できない可能性がある、という課題があった。また、特許文献２では、上記したように、検出した状態に応じて制御してカソードガスによる水の持ち去り量を制御し、燃料電池の乾湿状態をコントロールすることが可能である。そして、特許文献３では、上記したように、運転状態が変化する過渡運転時には、設定された過渡時目標湿潤状態に基づいて、電解質膜の湿潤状態が過渡運転に入る前に検出された湿潤状態から定常時目標湿潤状態へと徐々に変化するようにしている。これによれば、特許文献２の場合と同様に、燃料電池の乾湿状態をコントロールすることが可能である。しかしながら、特許文献２，３における燃料電池の乾湿状態をコントロールは複雑であるため、簡易、簡便な手法による実現も望まれていた。
【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。
本発明の一形態は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムである。この燃料電池システムは、制御部と；前記燃料電池に対する前記燃料ガスの給排を行なう燃料ガス給排部と；前記燃料電池に対する前記酸化剤ガスの給排を行なう酸化剤ガス給排部と；前記燃料電池に対する冷却液の循環を行なう冷却部と；を備える。前記制御部は、（ａ）前記冷却液の温度が定常温度となるように制御されている定常制御状態から逸脱した高温の状態へ変化する上昇過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が上昇する第１の期間において、前記燃料電池へ供給する酸化剤ガスの圧力の目標値を、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値よりも高い値とする酸化剤ガス圧力増加処理を行う上昇過渡制御処理を実行する。（ｂ）前記酸化剤ガスの圧力の目標値が、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値に設定されている状態において、前記燃料電池への出力電流の出力要求が減少して、前記冷却液の温度が前記定常制御状態から逸脱した高温の状態から前記定常温度の状態へ向けて変化する下降過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が前記定常温度へ戻るまでの間の第２の期間において、（ｂ１）前記酸化剤ガス圧力増加処理と、（ｂ２）前記燃料電池の出力電流の目標値を、前記燃料電池への出力電流の出力要求の減少に応じて設定される前記燃料電池の出力電流の目標値よりも高い値とする出力増加処理と、の少なくとも一方を実行する下降過渡制御処理を実行する。
この形態の燃料電池システムでは、冷却液の温度の上昇過渡の状態における第１の期間において酸化剤ガスの圧力を高めることにより、燃料電池内を流れる酸化剤ガスの体積流量を抑制して燃料電池内部からの水の持ち去り量を抑制することが可能となる。これにより、上昇過渡の状態において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制することができる。また、冷却液の温度の下降過渡の状態における第２の期間において、酸化剤ガスの圧力の目標値が、定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値に設定されている状態の酸化剤ガスの圧力から、それよりも高い値の酸化剤ガスの圧力とすることによって、燃料電池内部からの水の持ち去り量を抑制することが可能となる。これにより、下降過渡の状態において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制することができる。また、冷却液の温度の下降過渡の状態における第２の期間において、燃料電池の出力電流の目標値を、燃料電池への出力電流の出力要求の減少に応じて設定される燃料電池の出力電流の目標値よりも高い値とすることにより、発電により生成される水を増加させることができるので燃料電池が乾燥状態となることを抑制することができる。従って、この形態の燃料電池システムでは、上昇過渡の状態及び下降過渡の状態において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制し、その後の運転において、燃料電池の可能な出力が制限されて要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。
その他、本発明は、以下の形態としても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、燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電す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、制御部と；前記燃料電池に対する前記燃料ガスの給排を行なう燃料ガス給排部と；前記燃料電池に対する前記酸化剤ガスの給排を行なう酸化剤ガス給排部と；前記燃料電池に対する冷却液の循環を行なう冷却部と；を備える。前記制御部は、（ａ）前記冷却液の温度が定常温度となるように制御されている定常制御状態から逸脱した高温の状態へ変化する上昇過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が上昇する第１の期間において、前記燃料電池へ供給する酸化剤ガスの圧力の目標値を、前記定常制御状態における運転状態に応じた運転目標値よりも高い値とする酸化剤ガス圧力増加処理を行う上昇過渡制御処理；（ｂ）前記冷却液の温度が前記定常制御状態から逸脱した高温の状態から前記定常温度の状態へ向けて変化する下降過渡の状態にあると判断した場合に、前記冷却液の温度が前記定常温度へ戻るまでの間の第２の期間において、（ｂ１）前記酸化剤ガス圧力増加処理と、（ｂ２）前記燃料電池の出力の目標値を、要求出力に応じた目標値よりも高い値とする出力増加処理と、の少なくとも一方を実行する下降過渡制御処理；のうちの少なくとも一方を実行することを特徴とする。この形態の燃料電池システムでは、冷却液の温度の上昇過渡の状態における第１の期間において酸化剤ガスの圧力を高めることにより、燃料電池内を流れる酸化剤ガスの体積流量を抑制して燃料電池内部からの水の持ち去り量を抑制することが可能となる。これにより、上昇過渡の状態において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制することができる。また、冷却液の温度の下降過渡の状態における第２の期間において酸化剤ガスの圧力を高めることにより燃料電池内部からの水の持ち去り量を抑制することが可能となり、下降過渡の状態において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制することができる。また、冷却液の温度の下降過渡の状態における第２の期間において、燃料電池の出力の目標値を、要求出力に応じた目標値よりも高い値とすることにより、発電により生成される水を増加させることができるので燃料電池が乾燥状態となることを抑制することができる。従って、この形態の燃料電池システムでは、上昇過渡の状態あるいは下降過渡の状態において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制し、その後の運転において、燃料電池の可能な出力が制限されて要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記上昇過渡制御処理および前記下降過渡制御処理の両方を実行するようにしてもよい。この形態の燃料電池システムでは、上昇過渡および下降過渡において燃料電池の湿潤状態が適切な状態ではなくなる（乾燥状態となる）ことを抑制し、その後の運転において、燃料電池の可能な出力が制限されて要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。
【０００８】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記下降過渡制御処理において、前記酸化剤ガス圧力増加処理および前記出力増加処理の両方を実行するようにしてもよい。この形態の燃料電池システムでは、下降過渡の状態において、酸化剤ガスの圧力を高めて水の持ち去り量を抑制させるとともに、出力目標値を高めて生成水を増加させることにより、乾燥抑制効果をより高めることができる。
【０００９】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記冷却液の上昇過渡は、ｉ）前記冷却液の温度が上昇閾値温度を跨いで上昇すること、あるいは、ｉｉ）前記燃料電池への出力要求が上昇閾値出力以上となること、のいずれかに基づいて判断され、前記冷却液の下降過渡は、ｉｉｉ）前記冷却液の温度が下降閾値温度を跨いで下降すること、あるいは、ｉｖ）前記燃料電池への出力要求が下降閾値出力以下となることのいずれかに基づいて判断されるようにしてもよい。このようにすれば、冷却液の上昇過渡を容易に判断することができ、冷却液の下降過渡を容易に判断することができる。
【００１０】
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第１の期間は、前記上昇過渡の状態にあると判断された時点から前記冷却液の温度が上昇終了閾値温度まで上昇した時点までの期間であり、前記第２の期間は、前記下降過渡の状態にあると判断された時点から前記冷却液の温度が下降終了閾値温度まで下降した時点までの期間であるようにしてもよい。このようにすれば、第１の期間および第２の期間を容易に求めることができる。
【００１１】
本発明は、燃料電池システムだけでなく、燃料電池システムの制御方法等の種々の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの構成例を概略的に示す説明図である。
【図２】第１実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御の手順について示す説明図である。
【図３】図２に示した冷却液の温度の状態に応じて実行するカソードガスの圧力制御の例について示す説明図である。
【図４】第２実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じた燃料電池の出力制御の手順について示す説明図である。
【図５】図４に示した冷却液の温度の状態に応じて実行される燃料電池の出力制御の例について示す説明図である。
【図６】第３実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御の手順について示す説明図である。
【図７】第４実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御の手順について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システムの構成例を概略的に示す説明図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する燃料電池システムを例に示している。
【００１４】
燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、冷却系７０と、セル電圧計側部８０と、出力電圧計測部９０と、出力電流計測部９２と、を備える。カソードガス供給系３０およびカソードガス排出系４０が本発明の酸化剤ガス給排部に相当し、アノードガス供給系５０およびアノードガス排出系６０が本発明の燃料ガス給排部に相当し、冷却系７０が本発明の冷却部に相当する。
【００１５】
燃料電池１０は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化剤ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有している。積層された複数のセル１１の両端にはターミナルプレート１２が設けられている。
【００１６】
セル１１は、図示は省略するが、基本的に、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」あるいは単に「アノード」とも呼ぶ）と、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」あるいは単に「カソード」とも呼ぶ）とで構成される。ＭＥＡとセパレータとの間には、アノード側およびカソード側に、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられている。また、セパレータとガス拡散層に接する面には、アノードガスやカソードガスのガスを流す溝状のガス流路が形成されている。ただし、セパレータとガス拡散層との間に、ガス流路部が別途設けられる場合もある。なお、電解質膜とアノード側のセパレータとの間に形成された各構成要素を纏めて「アノード」と呼ぶ場合もある。また、電解質膜とカソード側のセパレータとの間に形成された各構成要素を纏めて「カソード」と呼ぶ場合もある。
【００１７】
制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、燃料電池１０の後述する各計測部や各スイッチ等から送られてくる信号の示す情報に基づいて、後述する各系３０〜７０に含まれる各種装置、例えば、開閉弁や調圧弁、レギュレーター、コンプレッサー、ラジエーター等を制御し、出力要求に応じた電力を燃料電池１０に発電させる。
【００１８】
カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアーコンプレッサー３２と、エアーフローメーター３３と、開閉弁３４と、圧力計測部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の入口に接続された配管である。
【００１９】
エアーコンプレッサー３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。エアーフローメーター３３は、エアーコンプレッサー３２の上流側において、エアーコンプレッサー３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。また、圧力計測部３５は、例えば、圧力センサーを用いて構成され、燃料電池１０に供給される空気の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、これらの計測値に基づいて、エアーコンプレッサー３２および後述するカソードガス排出系４０の調圧弁４３を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量および圧力を制御する。開閉弁３４は、エアーコンプレッサー３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアーコンプレッサー３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
【００２０】
カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の出口に接続された配管である。カソード排ガス（燃料電池から排出される酸化剤ガスの排ガスであり、「酸化剤排ガス」とも呼ぶ）は、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００２１】
調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、例えば、圧力センサーを用いて構成され、調圧弁（「背圧調整弁」とも呼ぶ）４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力（「カソード背圧」とも呼ぶ）を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。上記したように、制御部２０によって、カソードガス供給系３０の圧力計測部３５およびカソードガス排出系４０の圧力計測部４４の計測値に基づいて燃料電池１０に供給される空気（カソードガス，酸化剤ガス）の圧力が制御される。
【００２２】
アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。
【００２３】
開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、運転制御部２１からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。
【００２４】
水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、例えば、圧力センサーを用いて構成され、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。
【００２５】
アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、開閉弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口接続された配管である。発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスは、アノード排ガス配管６１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００２６】
開閉弁６６は、アノード排ガス配管６１に設けられており、運転制御部２１からの指令に応じて開閉する。アノードガス排出系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、例えば、圧力センサーを用いて構成され、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。
【００２７】
冷却系７０は、ラジエーター７１と、冷却液を燃料電池１０に供給する冷媒供給配管７２と、燃料電池１０から排出される冷却液をラジエーター７１に戻す冷媒排出配管７３と、冷媒供給配管７２の冷却液の温度を計測する温度計側部７４と、冷媒排出配管７３の冷却液の温度を計測する温度計測部７５とを備える。ラジエーター７１は、冷媒供給配管７２を介して燃料電池１０への冷却液の供給と、冷媒排出配管７３を介して燃料電池１０から排出される冷却液も受け取りとを行ない、冷却液を循環させることにより、燃料電池１０の冷却を実行する。冷却液としは、水、不凍液等を用いることができる。なお、冷媒供給配管７２の冷却液の温度は温度計側部７４によって計測され、冷媒排出配管７３の冷却液の温度は温度計測部７５によって計測され、これらの計測値は制御部２０へ送信される。なお、温度計側部７４，７５は、例えば、温度センサーを用いて構成される。制御部２０は、受け取った計測値に基づいて、ラジエーター７１の動作を制御して冷却液の流量を調整することによって、燃料電池１０から排出される冷却液の温度があらかじめ設定した温度（以下、「定常温度」と呼ぶ）の状態を維持するように制御し、燃料電池１０が定常温度以下で動作するように制御する。
【００２８】
セル電圧計側部８０は、燃料電池１０の各セル１１に接続されており、各セル１１のアノードとカソード間に発生するセル電圧を計測することができる。セル電圧計側部８０は、計測値を制御部２０に送信する。出力電圧計測部９０は、燃料電池１０の正極側のターミナルプレート１２に接続された正極端子（＋）と負極側のターミナルプレート１２に接続された負極端子（−）との間に発生する出力電圧を計測し、その計測値を制御部２０へ送信する。出力電流計測部９２は、正極端子（＋）に流れる出力電流を計測し、その計測値を制御部２０へ送信する。
【００２９】
図示や説明は省略するが、燃料電池１０の出力端子には、補機回路、駆動回路等の種々の負荷装置や二次電池が接続されている。
【００３０】
以上説明したように、燃料電池システム１００は、基本的には、制御部２０による各系３０〜７０の制御によって負荷装置を駆動するために必要とする電力を発電するとともに、余った電力を二次電池に充電するように動作する。なお、制御部２０による各系３０〜７０の制御は、制御部２０とは別に設けられた各系３０〜７０の動作を実際に制御する別の制御部が制御部２０からの指示あるいは制御部２０と協働して行う場合もある。以下、この基本的な発電運転を「基本運転」あるいは「通常運転」とも呼ぶ。そして、本実施形態は、この基本運転において出力要求に応じて設定されるカソードガス（酸化剤ガス）の圧力の運転目標値を、以下で説明するように、冷却液の温度の状態に応じて変化させる、具体的には、冷却液の温度の上昇過渡の期間において増加させることを特徴としている。
【００３１】
図２は、第１実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御の手順について示す説明図である。図３は、図２に示した冷却液の温度の状態に応じて実行するカソードガスの圧力制御の例について示す説明図である。なお、この制御動作は、制御部２２（図１参照）が基本運転の制御に並行して実行する。
【００３２】
まず、ステップＳ１１０において冷却液の温度Ｔｃが取得される。この冷却液の温度Ｔｃとしては、冷媒排出配管７３の温度計測部７５によって計測された温度が用いられる。冷媒排出配管７３を流れる冷却液は、燃料電池１０の各セル１０を冷却したものであるので、取得した冷却液の温度Ｔｃは、燃料電池１０の各セル１０の平均的なセル温度として扱うことができる。
【００３３】
ここで、上記したように、冷却系７０のラジエーター７１の冷却液の流量等が制御されて、燃料電池１０から排出される冷却液の温度が定常温度Ｔｔ［℃］となるように制御され（図３（Ａ）参照）、燃料電池１０のセル温度が定常温度Ｔｔとなるように制御される。なお、このように冷却液の温度が定常温度Ｔｔ［℃］となるように制御されている状態を以下では「定常制御状態」とも呼ぶ。燃料電池１０への出力要求が増加して燃料電池１０の各セル１１の発熱による温度上昇を冷却液による冷却では吸収しきれなくなると、定常制御状態から逸脱して冷却液の温度Ｔｃは上昇していき、最終的には、動作最高温度Ｔｍａｘ［℃］で、最大流量の冷却液での冷却と燃料電池１０の各セル１１の発熱とが平衡した状態となる。
【００３４】
図２のステップＳ１２０において冷却液の温度が上昇過度状態であるか否か判断される。具体的には、あらかじめ設定した上昇閾値温度Ｔα［℃］を跨いで上昇する場合に（図３（Ａ）参照）、上昇過渡と判断される。上昇閾値温度ＴαはＴα＞Ｔｔを満たす温度であり、冷却液の温度の制御状態が定常制御状態から逸脱して上昇過渡状態と判断できる温度として実験的に決定された温度である。
【００３５】
上昇過渡でない場合には、ステップＳ１４０ａにおいてカソード背圧の制御が通常制御の状態とされる。具体的には、通常運転において設定されるカソードガスの圧力の運転目標値（以下、「通常カソード圧力目標値」とも呼ぶ）に対応するカソード背圧（ＣＡ背圧）の値（以下、「通常カソード背圧値」とも呼ぶ）となるように調圧弁４３の制御が実行される（図３（Ａ）参照）。
【００３６】
上昇過渡の場合には、ステップＳ１３０において、取得した冷却液の温度Ｔｃが、あらかじめ設定した上昇終了閾値温度Ｔβ［℃］まで上昇したか否か判断される。上昇終了閾値温度ＴβはＴα＜Ｔβ＜ｔｍａｘを満たす温度であり、後述する効果が得られる温度として実験的に決定された温度である。
【００３７】
冷却液の温度Ｔｃが上昇終了閾値温度Ｔβまで上昇していない場合、すなわち、Ｔα＜Ｔｃ＜Ｔβの場合には、ステップＳ１４０ｂにおいて、カソード背圧の制御が増加制御の状態とされる。具体的には、カソードガスの圧力値が通常カソード圧力目標値よりも高い値に対応した通常カソード背圧値よりも高いカソード背圧の値となるように調圧弁４３の制御が実行される（図３（Ａ）参照）。これに対して、冷却液の温度Ｔｃが上昇終了閾値温度Ｔβ以上に上昇した場合、すなわち、Ｔｃ≧Ｔβの場合には、ステップＳ１４０ａにおいてカソード背圧の制御が通常制御の状態とされる。なお、通常カソード圧力目標値よりも高いカソードガスの圧力値、および、これに対応する通常カソード背圧値よりも高いカソード背圧の値は、後述する効果が得られる値として実験的に決定された値である。
【００３８】
そして、ステップＳ１５０において燃料電池システムの運転が終了と判断されるまで、ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０ａあるいはステップＳ１１０〜ステップＳ１４０ｂの処理が繰り返し実行される。
【００３９】
以上の処理が実行されることによって、冷却液の温度Ｔｃが上昇閾値温度Ｔαを超えて上昇過渡の状態であると判断されてから上昇終了閾値温度Ｔβに到達するまでの期間（第１の期間）において、カソード背圧の値が通常カソード背圧値よりも高いカソード背圧の値とされ、カソードガスの圧力が通常カソード圧力目標値よりも高い値とされる。なお、図３（Ａ）に示した比較例は、冷却液の温度Ｔｃが上昇過渡の状態であると判断されてから上昇終了閾値温度Ｔβに到達するまでの期間においても、カソード背圧の値が通常運転における通常カソード背圧値とされている場合を示している。
【００４０】
カソード背圧を通常カソード背圧値よりも高い値としてカソードガスの圧力を高めた場合、燃料電池１０の各セル１１のカソードで生成される水の面内循環を促進することにより各セル１１の乾燥を遅延させることができる。また、燃料電池１０の各セル１１を通過するカソードガスの体積流量が低減されることになるため、各セル１１のカソード内に存在する水のカソードガスによる持ち去りを抑制することにより各セル１１の乾燥を抑制することができる。この結果、上昇過渡後の高温状態（図３の例では、動作最高温度Ｔｍａｘの状態）におけるセル電圧を、比較例の場合に比べて高い電圧の特性を示すように改善することを、簡易、簡便な手法によって実現することができ、過渡運転後の運転状況に応じて燃料電池の可能出力が制限され、出力要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。なお、図３（Ｂ）に示したセル電圧は、セル電圧計側部８０により、あるいは、出力電圧計測部９０による計測値をセル数で除算することにより計測される。
【００４１】
なお、上昇閾値温度Ｔαや、上昇終了閾値温度Ｔβ、常カソード圧力目標値よりも高いカソードガスの圧力値、通常カソード背圧値よりも高いカソード背圧の値、上昇閾値出力等は、上述したように、燃料電池１０の各セル１１のカソードで生成される水の面内循環を促進することにより各セル１１の乾燥を遅延させる効果、および、各セル１１のカソード内に存在する水のカソードガスによる持ち去りを抑制することにより各セル１１の乾燥を抑制する効果が得られるように設定された値である。
【００４２】
以上の説明からわかるように、本実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御処理が、本発明の酸化剤ガス圧力増加処理を行なう上昇過渡制御処理に相当する。
【００４３】
Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態は、基本運転において出力要求に応じて設定される燃料電池の出力の目標値を、以下で説明するように、冷却液の温度の状態に応じて変化させる、具体的には、冷却液の温度の下降過渡の期間において増加させることを特徴としている。なお、本実施形態における燃料電池システムの構成は、上記特徴を実行する制御部の動作が異なる点を除いて第１実施形態の燃料電池システム１００（図１参照）と同じであるので、本実施形態における燃料電池システムも第１実施形態と同じ燃料電池システム１００であるものとする。
【００４４】
図４は、第２実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じた燃料電池の出力制御の手順について示す説明図である。図５は、図４に示した冷却液の温度の状態に応じて実行される燃料電池の出力制御の例について示す説明図である。なお、この制御動作は、制御部２２（図１参照）が基本運転の制御に並行して実行する。
【００４５】
まず、ステップＳ２１０において、図２のステップＳ１１０と同様に冷却液の温度Ｔｃが取得される。そして、ステップＳ２２０において冷却液の温度が下降過渡状態であるか否か判断される。
【００４６】
ここで、冷却液の温度は、第１実施形態で説明したように定常制御状態から逸脱して上昇過渡状態となった後、平衡状態となった動作最高温度Ｔｍａｘとなる。平衡状態となって動作する。そして、燃料電池１０の各セル１１の発熱を冷却液による冷却で吸収可能な程度以下に、アクセル開度、すなわち、出力要求が減少すると、冷却液の温度は定常温度Ｔｔへ向けて下降過渡の状態となる。そこで、例えば、燃料電池１０からの出力電流の電流密度を出力要求に対応するパラメータとして利用し、あらかじめ設定した下降閾値出力としての電流密度Ｉｄ［Ａ／ｃｍ２］を跨いで下降する場合(下降閾値出力よりも小さくなる場合)に、下降過渡と判断されるようにすればよい。この下降閾値出力としての電流密度Ｉｄも下降過渡と判断できる電流密度として実験的に決定される。本例では、最大出力電流の電流密度Ｉｍａｘに対して、電流密度Ｉｄは（０．３・Ｉｍａｘ）に設定されるものとする。
【００４７】
下降過渡でない場合には、ステップＳ２４０ａにおいて燃料電池の出力の制御が出力要求に応じた通常制御の状態とされる。具体的には、通常運転において出力要求に対応して設定される出力の目標値（以下、「通常出力目標値」とも呼ぶ）、例えば、出力要求に対応する電流密度の目標値（以下、「通常電流密度目標値」とも呼ぶ）となるようなＩＶ特性に対応する設定値状態での運転制御が実行される（図５（Ａ）参照）。
【００４８】
下降過渡の場合には、ステップＳ２３０において、取得した冷却液の温度Ｔｃが、あらかじめ設定した下降終了閾値温度Ｔγ［℃］まで下降したか否か判断される。下降終了閾値温度ＴγはＴｔ＜Ｔγ＜ｔｍａｘを満たす温度であり、後述する効果が得られる温度として実験的に決定された温度である。
【００４９】
冷却液の温度Ｔｃが下降終了閾値温度Ｔγまで下降していない場合、すなわち、Ｔγ＜Ｔｃ＜Ｔｍａｘの場合には、ステップＳ２４０ｂにおいて、燃料電池の出力の制御が増加制御の状態とされる。具体的には、出力の目標値が通常出力目標値よりも高い値、例えば、通常電流密度目標値よりも高い電流密度の値となるようなＩＶ特性に対応する設定状態での運転制御が実行される（図５（Ａ）参照）。これに対して、冷却液の温度Ｔｃが下降終了閾値温度Ｔγ以下に上昇した場合、すなわち、Ｔｃ≦Ｔγの場合には、ステップＳ２４０ａにおいて燃料電池の出力の制御が出力要求に応じた通常制御の状態とされる。なお、出力の目標値が通常出力目標値よりも高い値、例えば、通常電流密度目標値よりも高い電流密度の値は、後述する効果が得られる値として実験的に決定された値である。
【００５０】
そして、ステップＳ２５０において燃料電池システムの運転が終了と判断されるまで、ステップＳ２１０〜ステップＳ２４０ａあるいはステップＳ２１０〜ステップＳ２４０ｂの処理が繰り返し実行される。
【００５１】
以上の処理が実行されることによって、冷却液の温度Ｔｃが下降過渡の状態であると判断されてから下降終了閾値温度Ｔγに到達するまでの期間（第２の期間）において、出力の目標値が通常出力目標値よりも高い値とされる。なお、図５（Ａ）に示した比較例は、冷却液の温度Ｔｃが下降過渡の状態であると判断されてから下降終了閾値温度Ｔγに到達するまでの期間においても、出力の目標値が通常出力目標値とされている場合を示している。
【００５２】
出力の目標値を通常出力目標値よりも高い値として燃料電池の出力を高めた場合、燃料電池１０の各セル１１のカソードにおいて電気化学反応によって生成される水を増加させることができ、これにより各セル１１の乾燥を抑制することができる。この結果、下降過渡後に高温動作となる運転状態へ移行したとした場合においても、各セル１１のセル電圧を、比較例の場合に比べて高い電圧の特性を示すように改善することを、簡易、簡便な手法によって実現することができ、過渡運転後の運転状況に応じて燃料電池の可能出力が制限され、出力要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。なお、図５は、最大電流密度Ｉｍａｘの最大出力の運転状態へ移行した場合を例として示している。
【００５３】
なお、下降閾値出力としての電流密度Ｉｄや、下降終了閾値温度Ｔγ、下降閾値温度等は、上述したように、燃料電池１０の各セル１１のカソードで生成される水を増加させることにより各セル１１の乾燥を抑制する効果が得られるように設定された値である。
【００５４】
以上の説明からわかるように、本実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じた燃料電池の出力制御処理が、本発明の出力増加処理を行なう下降過渡制御処理に相当する。
【００５５】
Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御の手順について示す説明図である。本実施形態の制御手順は、図６と第１実施形態の図２および第２実施形態の図４とを比較すればわかるように、図４のステップＳ２４０ａの出力通常制御およびステップＳ２４０ｂの出力増加制御を、図３のステップＳ１４０ａと同じカソード背圧通常制御のステップＳ２４０ａＢおよび図３のステップＳ１４０ｂと同じカソード背圧増加制御のステップＳ２４０ｂＢに置き換えられたものである。なお、本実施形態における燃料電池システムの構成も、制御部による制御動作が異なる点を除いて第１実施形態の燃料電池システム１００（図１参照）と同じである。
【００５６】
第２実施形態では、上記したように、冷却液の温度の下降過渡の期間において燃料電池の出力を増加させる制御が行われるのに対して、本実施形態は、冷却液の温度の下降過渡の期間において、第１実施形態の上昇過渡の期間の場合と同様にカソードガスの圧力の運転目標値を増加させることを特徴としている。第１実施形態で説明したように、カソード背圧を通常カソード背圧値よりも高い値としてカソードガスの圧力を高めた場合、燃料電池１０の各セル１１を通過するがソードガスの体積流量が低減されることになる。これにより、燃料電池１０の各セル１１のカソードからの水の持ち去りを抑制することができ、各セル１１の乾燥を抑制することができる。この結果、第２実施形態の場合と同様に、下降過渡後に高温動作となる運転状態へ移行したとした場合においても、各セル１１のセル電圧を改善することを、簡易、簡便な手法によって実現することができ、過渡運転後の運転状況に応じて燃料電池の可能出力が制限され、出力要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。
【００５７】
なお、第２実施形態では、出力要求に応じた通常出力目標値よりも高めた出力の目標値とすることにより発生した余剰電力を、例えば、二次電池で吸収する必要があるため、二次電池の残容量によっては実行できない可能性がある。これに対して本実施形態では余剰電力を発生せず、二次電池の残容量を考慮する必要はない。
【００５８】
以上の説明からわかるように、本実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御処理が、本発明の酸化剤ガス圧力増加処理を行なう下降過渡制御処理に相当する。
【００５９】
Ｄ．第４実施形態：
図７は、第４実施形態において実行される冷却液の温度の状態に応じたカソードガスの圧力制御の手順について示す説明図である。本実施形態の制御手順は、第１実施形態の上昇過渡におけるカソード背圧の増加制御と第３実施形態の下降過渡におけるカソード背圧の増加制御を組み合わせたものである。具体的には、図７と第１実施形態の図２および第３実施形態の図６とを比較すればわかるように、図２のステップＳ１２０とステップＳ１４０ａの間に、図６のステップＳ２２０と同じ下降過渡判断のステップＳ１２４および図６のステップＳ２３０と同じ下降終了閾値Ｔγまで下降したか否かの判断のステップＳ１２８が追加されたものである。なお、本実施形態における燃料電池システムの構成も、制御部による制御動作が異なる点を除いて第１実施形態の燃料電池システム１００（図１参照）と同じである。
【００６０】
ステップＳ１２４で下降過渡と判断され、ステップＳ１２８で冷却液の温度Ｔｃが下降終了閾値温度Ｔγまで下降していないと判断された場合に、ステップＳ１４０ｂカソード背圧の増加制御の状態とされる。
【００６１】
本実施形態は、冷却液の温度の上昇過渡の期間（第１の期間）において、第１実施形態の場合と同様にカソードガスの圧力の運転目標値を増加させるとともに、冷却液の温度の下降過渡の期間（第２の期間）において、第３実施形態の場合と同様にカソードガスの圧力の運転目標値を増加させる。これにより、上昇過渡の期間および下降過渡の期間において、燃料電池１０の各セル１１のカソードからの水の持ち去りを抑制することができ、燃料電池１０の各セル１１の乾燥を抑制することができる。この結果、第１実施形態および第３実施形態の場合と同様に、上昇過渡後の高温動作となる運転状態および下降過渡後に高温動作となる運転状態へ移行したとした場合において、燃料電池１０の各セル１１のセル電圧を改善することを、簡易、簡便な手法によって実現することができ、過渡運転後の運転状況に応じて燃料電池の可能出力が制限され、出力要求に応じた出力が不可となることを抑制することが可能である。
【００６２】
Ｅ．変形例：
（１）上記第１実施形態では、冷却液の上昇過渡の判断を、上昇閾値温度Ｔα［℃］を跨いで上昇するか否かに基づいて行っているが、以下で説明するようにしてもよい。
【００６３】
燃料電池１０の各セル１１の発熱は、アクセル開度、すなわち、出力要求が増加に応じて増加するので、燃料電池１０への出力要求が上昇閾値出力を跨いで上昇する場合（上昇閾値出力よりも大きなる場合）に、上昇過渡と判断するようにしてもよい。例えば、燃料電池１０からの出力電流の電流密度を出力要求に対応するパラメータとして利用し、あらかじめ設定した上昇閾値出力（例えば、最大出力の８割）に対応する電流密度よりも大きくなるか否かに基づいて、上昇過渡状態であるか否かを判断することも可能である。この上昇閾値出力としての電流密度も上昇過渡と判断できる電流密度が実験的に求められる。
【００６４】
（２）上記第２実施形態および第３実施形態では、冷却液の下降過渡の判断を、下降閾値出力としての電流密度Ｉｄを跨いで下降するか否かに基づいて行っている。しかしながら、下降過渡状態となったと判断できる冷却液の温度を下降閾値温度として設定し、冷却液の温度が下降閾値温度を跨いで下降する場合（下降閾値温度よりも低くなる場合）に、下降過渡と判断するようにしてもよい。この下降閾値温度も下降過渡と判断できる冷却液の温度が実験的に求められる。
【００６５】
（３）上記第４実施形態では、第１実施形態と第３実施形態を組み合わせているが、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて、冷却液の温度の上昇過渡の期間（第１の期間）においては、第１実施形態の場合と同様にカソードガスの圧力を増加させるとともに、冷却液の温度の下降過渡の期間（第２の期間）においては、第２実施形態の場合と同様に燃料電池の出力を増加させるようにしてもよい。また、下降過渡の期間において、第２実施形態の燃料電池の出力の増加と第３実施形態のカソードガスの圧力の増加の両方を行なわせるようにしてもよい。
【００６６】
（４）上記実施形態では、燃料電池の動作点における冷却液の温度の変化により過渡状態を判断しているが、燃料電池の動作点におけるカソードガス（酸化剤ガス）の流量の変化やアノードガス（燃料ガス）の流量の変化により過渡状態を判断することも可能である。
【００６７】
（５）上記実施形態では、燃料電池システムは車両に搭載されていたが、燃料電池システムは車両に搭載されていなくとも良く、車両以外の移動体（例えば、列車や船舶等）に搭載されるものとしても良い。また、なお、上記実施形態の燃料電池システムは、移動体以外の施設や建造物に固定的に設置されるものとしても良い。
【００６８】
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、上述の効果の一部また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】
【００６９】
１０…燃料電池
１１…セル
１２…ターミナルプレート
２０…制御部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアーコンプレッサー
３３…エアーフローメーター
３４…開閉弁
３５…圧力計測部
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレーター
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
６７…圧力計測部
７０…冷却系
７１…ラジエーター
７２…冷媒供給配管
７３…冷媒排出配管
７４…温度計側部
７５…温度計側部
８０…セル電圧計側部
９０…出力電圧計測部
９２…出力電流計測部
１００…燃料電池システム
【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】
0005880618.tif 000007
【図７】
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