(57)【要約】【課題】  運転者に違和感を生じさせることなく空気流量を制御可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  酸化剤ガスの燃料電池バイパス通路を備えた燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス流量制御手段１０２により、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が加速状態を判定したときには、前回の空気流量目標値と現在の空気流量目標値とを比較し、現在の空気流量目標値の方が小さい場合には、前回の空気流量目標値を現在の空気流量目標値として空気流量を制御する。【選択図】    図１
2006164626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記供給された酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス通路と、
前記燃料電池バイパス通路の連通または非連通を切り替え可能なバイパス切替手段と、
当該燃料電池システムが搭載された移動体の加速状態または減速状態を判定する加減速判定手段と、
前記燃料電池の電流要求から求まる酸化剤ガス流量と、それ以外の要求から求まる酸化剤ガス流量とで切り替えて前記燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量の目標値を設定し、前記加減速判定手段が加速状態または減速状態を判定したときには、前記酸化剤ガス流量目標値を補正して前記酸化剤ガス流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス流量制御手段は、前記加減速判定手段が加速状態を判定したときには、前回の酸化剤ガス流量目標値と現在の酸化剤ガス流量目標値とを比較し、現在の酸化剤ガス流量目標値の方が小さい場合には、前回の酸化剤ガス流量目標値を現在の酸化剤ガス流量目標値とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス流量制御手段は、前記加減速判定手段が加速状態または減速状態を判定したときには、前記酸化剤ガス流量目標値が所定値以下にならないように補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定値は、前記燃料電池バイパス通路を連通させたときの最大酸化剤ガス流量であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤ガス流量制御手段は、前記酸化剤ガス流量目標値の補正を、設定された酸化剤ガス流量の目標値と、出力要求から求まる酸化剤ガス流量目標値との補間により行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤ガス流量制御手段は、前記補正した酸化剤ガス流量目標値を、設定された酸化剤ガス流量の目標値から、出力要求から求まる酸化剤ガス流量目標値への一次遅れより生成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガス流量制御手段は、前記加減速判定手段が減速状態を判定したときには、前回の酸化剤ガス流量目標値と現在の酸化剤ガス流量目標値を比較し、現在の酸化剤ガス流量目標値の方が大きい場合には、前回の酸化剤ガス流量目標値を現在の酸化剤ガス流量目標値とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記加減速判定手段が行う加速状態または減速状態の判定は、出力要求値と現在の出力との差の絶対値が所定値以上であること、および該出力要求値と現在の出力との差の正負に基づき行われることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記供給された酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス通路と、
前記燃料電池バイパス通路の連通または非連通を切り替え可能なバイパス切替手段と、
当該燃料電池システムが搭載された移動体の定常運転状態を判定する定常判定手段と、
前記定常判定手段により定常運転状態と判定されているときには、前記燃料電池の電流要求から求まる酸化剤ガス流量と、それ以外の要求から求まる酸化剤ガス流量とで切り替えて、前記燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量の目標値を設定し、前記定常判定手段により定常運転状態以外と判定されているときには、前記燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量に段差を生じない酸化剤ガス流量目標値を設定して前記酸化剤ガス流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池バイパス切替手段は、低負荷側で前記燃料電池バイパス通路を連通させ、高負荷側で前記燃料電池バイパス通路を非連通とすることを特徴とする請求項１〜請求項９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、水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける酸化剤ガスの流量制御を改良した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスを電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
ところで、このような燃料電池を備える燃料電池システムの酸化剤ガス（空気）の流量制御において、燃料電池の要求から求まる空気流量と、少なくともそれ以外の１つ以上の要求から求まる空気流量（例えば、水素パージ希釈流量等）が存在する燃料電池システムでは、燃料電池の要求する空気流量を必ず確保することが必要であるが、他の要求からの空気流量が、該燃料電池の要求する空気流量よりも多くなることがあり、この場合には、固体高分子膜からの水の持ち出し割合が増加し、固体高分子膜の乾燥により導電性が悪化すると考えられる。つまり、このような状況に陥ると燃料電池の性能が低下してしまうのである。
【０００４】
これを防止するため、燃料電池の要求から求まる空気流量よりも、それ以外の要求から求まる空気流量の方が多い場合においては、空気（酸化剤ガス）が燃料電池をバイパスする通路を設け、その燃料電池バイパス通路を用いて、それぞれの要求を満たすことが考えられる。このような燃料電池バイパス通路については、例えば、特開平６−１１１８４０号公報に開示された「燃料電池」がある。この従来例の燃料電池のバイパス方法では、酸化剤ガス側の燃料電池圧力と、燃料ガス側の圧力を監視し、その圧力が過大になると判定された場合には、圧力の高い側のバイパスラインに設けられたストップバルブを開放して、圧力を低下させる制御を行うことで、燃料電池の破損を防止すると共に、酸化剤ガスや燃料ガスを外部に排出しないで、下流側の改質ガス不足や可燃ガスの外部放出を防止する技術である。
【特許文献１】特開平６−１１１８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、圧力の観点でのバイパス制御を実施しているため、燃料電池バイパス通路を連通している際には、燃料電池の要求している空気流量が一時的に減少し、燃料電池の出力が減少することが考えられる。この従来技術を自動車に適用した場合には、燃料電池バイパス通路を連通している際に、アクセルを踏んでいるにも関わらず出力が低下するため、運転者に違和感を生じる可能性が考えられる。また、燃料電池バイパス通路を閉じて非連通とした瞬間には燃料電池の出力が向上するため、逆の観点で運転者が違和感を生じる可能性が考えられる。
【０００６】
また、別の観点から考えると、理想的な空気流量は、燃料電池バイパス通路が閉じている時は燃料電池の要求する空気流量と一致させ、燃料電池バイパス通路の制御弁を開いた時は燃料電池の要求する空気流量は一定のままとして、燃料電池バイパス通路の流量分を増量することになるので、その合計の空気流量を供給する必要が生じる。したがって、例えば減速過渡状態の場合には、燃料電池バイパス通路の制御弁が開となる負荷で、空気流量が一時的に増量され、また加速過渡状態の場合にも同様に、加速途中で一時的に空気流量が減少するため、空気流量に段差が生じることになる。その結果、運転者が違和感を生じるという可能性が考えられる。
【０００７】
さらに、このような空気流量の段差の発生を防止するために、燃料電池バイパス通路の制御弁を連続可変弁として、連続的な弁の駆動制御を行うことが考えられるが、連続可変弁はコストが高く、また制御も複雑になるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、酸化剤ガスの燃料電池バイパス通路を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の電流要求から求まる酸化剤ガス流量と、それ以外の要求から求まる酸化剤ガス流量とで切り替えて、燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量を制御するに際して、運転者に違和感を生じさせることなく空気流量を制御可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記供給された酸化剤ガスが前記燃料電池をバイパスする燃料電池バイパス通路と、前記燃料電池バイパス通路の連通または非連通を切り替え可能なバイパス切替手段と、当該燃料電池システムが搭載された移動体の加速状態または減速状態を判定する加減速判定手段と、前記燃料電池の電流要求から求まる酸化剤ガス流量と、それ以外の要求から求まる酸化剤ガス流量とで切り替えて前記燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量の目標値を設定し、前記加減速判定手段が加速状態または減速状態を判定したときには、前記酸化剤ガス流量目標値を補正して前記酸化剤ガス流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムでは、酸化剤ガスの燃料電池バイパス通路を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の電流要求から求まる酸化剤ガス流量と、それ以外の要求から求まる酸化剤ガス流量とで切り替えて、燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量を制御するに際して、加速状態または減速状態が判定されたときには、酸化剤ガス流量目標値を補正して酸化剤ガス流量を制御するので、空気流量の急激な変化を緩和でき、運転者が感じる違和感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】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。
【００１３】
また、水素供給系として、水素タンク４、圧力制御弁５、水素供給流路６、エゼクタ７、圧力センサ８、水素循環流路９、水素排気流路１０およびパージ弁１１を備え、空気供給系として、コンプレッサ１２、空気供給流路１３、フィルタ１４、空気排気流路１５、圧力制御弁１６、圧力センサ１９、燃料電池バイパス通路２０およびバルブ２１を備え、冷却機構として、冷却液循環流路３３、冷却液ポンプ３４、ラジエータ３５、バイパス流路３６、サーモスタット三方切替弁３７、リザーバタンク３８、イオンフィルタ３９、導電率センサ４０および温度センサ４１，４２を備えている。
【００１４】
また、燃料電池スタック１にはセル電圧センサ２および温度センサ３が付設されており、空気供給系には加湿手段として、加湿器１７、水分凝縮装置１８、水タンク２２、水循環流路２３，２６、バルブ２４、ポンプ２５、導電率センサ２８、加湿水回収流路２９、圧力センサ３０、圧力制御弁３１、水位センサ３２および温湿度センサ２７が付加されている。さらに、本実施例の燃料電池システムは、水素供給系、空気供給系、冷却機構および加湿手段の各種センサや他の各種センサ１１０からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却機構および加湿手段の各構成要素の制御を行うコントロールユニット１００を備えた構成である。
【００１５】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１６】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１７】
燃料電池スタック１の各発電セルの電圧は、セル電圧モニタ（電池電圧検出手段）２によってモニタリングされており、その情報が燃料電池システム全体の動作制御を司るコントロールユニット１００に送られている。また、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ３が設置されており、その出力がコントロールユニット１００に送られている。コントロールユニット１００は、これらセル電圧モニタ２からの情報や温度センサ３からの出力により、燃料電池スタック１の発電状態や温度状態を監視している。
【００１８】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極や酸化剤極に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。
【００１９】
水素供給系は、例えば、水素タンク４、圧力制御弁５、水素供給流路６、エゼクタ７を備える。そして、水素供給源である水素タンク４から供給される水素が、圧力制御弁５で減圧され、水素供給流路６およびエゼクタ７を通って燃料電池スタック１の燃料極に送り込まれるようになっている。燃料電池スタック１の燃料極圧力は圧力センサ８によって検出され、コントロールユニット１００が圧力センサ８の検出値をフィードバックして圧力制御弁５の動作を制御することで、燃料電池スタック１の燃料極圧力が所望の圧力に保たれる。
【００２０】
燃料電池スタック１では、供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素）は、新たに水素タンク４から供給されて水素供給流路６を流れる水素とエゼクタ７にて混合されて、再度燃料電池スタック１の燃料極に供給される。このため、燃料電池スタック１の燃料極出口側には水素循環流路９が接続されており、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素が水素循環流路９を通ってエゼクタ７に環流されるようになっている。エゼクタ７は、水素供給流路６を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素循環流路９を流れる水素を循環させる。
【００２１】
また、燃料電池スタック１の燃料極出口側には、水素循環流路９から分岐するようにして、燃料電池スタック１の燃料極からの水素を空気排出流路１５の圧力制御弁１６の下流へ導入するための水素排気流路１０が接続されており、この水素排気流路１０の水素循環流路９との分岐位置の下流側にパージ弁１１が設けられている。このパージ弁１１は、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素の流路を切り替える機能を有するものであり、水素パージを行う際に開放されて、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素が、水素排気流路１０を介して空気排出流路１５の圧力制御弁１６下流へ導入される。この導入部には図示せぬ水素拡散器により、水素系からパージされた水素は空気系内に希釈されて外部に排出される。
【００２２】
上述したように、水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がると供に、循環ガスの平均密度が増加し、エゼクタでの水素循環流量が低下するので、このような場合には、パージ弁１１を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路８から系外に排出する。
【００２３】
一方、空気供給系は、外気を吸入して燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を圧送するためのコンプレッサ１２および空気供給流路１３を備え、コンプレッサ１２によって空気供給流路１３内に空気が送り込まれて、燃料電池スタック１の酸化剤極へと供給されるようになっている。空気供給流路１３には、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサ１２から排出されるオイル等をトラップするフィルタ１４が設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極には、このフィルタ１４で清浄化された空気が供給されることになる。
【００２４】
また、燃料電池スタック１の酸化剤極出口側には、当該燃料電池スタック１から空気を排出するための空気排気流路１５が接続されており、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素および空気中の他の成分は、空気排気流路１５を通して系外に排出されるようになっている。また、空気排気流路１５には圧力制御弁１６が設けられており、燃料電池スタック１の空気極圧力は圧力センサ１９によって検出され、コントロールユニット１００が圧力センサ１９の検出値をフィードバックして圧力制御弁１６の動作を制御することで、燃料電池スタック１の燃料極圧力が所望の圧力に保たれる。
【００２５】
また、空気供給経路１３から燃料電池スタック１をバイパスし、圧力制御弁１６の下流の配管に合流する燃料電池バイパス通路２０が設けられており、燃料電池バイパス通路２０を連通または非連通に切替可能なバルブ２１が燃料電池バイパス通路２０に設けられ、コントロールユニット１００により制御される。
【００２６】
さらに、空気供給系には、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給する空気を加湿するための加湿手段が設けられている。この加湿手段は、空気供給流路１３の中途部に設けられる加湿器１７と、空気排気流路１５の圧力制御弁１６の上流位置に設けられ燃料電池スタック１で生成した水分を回収する水分凝縮装置１８、回収された回収水を収容する水タンク２２、加湿水を循環供給する水循環流路２３、水循環流路２３に設けられるバルブ２４およびポンプ２５とから構成されている。
【００２７】
加湿手段のポンプ２５はコントロールユニット１００によって動作制御され、水タンク２２に収容された水を、水循環流路２６を介して加湿器１７に圧送している。加湿器１７としては、例えば膜加湿器が用いられ、ポンプ２５により圧送された水で、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気を加湿している。燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の加湿状態は、酸化剤極入口側に設けられた温湿度センサ２７によって検出され、コントロールユニット１００に送られる。そして、コントロールユニット１００は、酸化剤極への空気供給によって燃料電池スタック１の運転に必要な加湿量が得られるように、温湿度センサ２６の検出値に基づいてポンプ２５の動作を制御する。なお、このポンプ２５によって加湿器１７に送られる加湿水の導電率は、導電率センサ２８によって検出されて、コントロールユニット１００に送られる。
【００２８】
加湿器１７内の余分な水は、加湿水回収流路２９を経由して水タンク２２に戻される。加湿水回収流路２９中には、圧力センサ３０および圧力制御弁３１が設けられており、コントロールユニット１００が圧力センサ３０の検出値に応じて圧力制御弁３１の動作を制御することで、ポンプ２５から当該圧力制御弁３１までの間の圧力が空気系の圧力に連動して制御される。さらに、水タンク２２には水位センサ３２が設けられており、コントロールユニット１００が、この水位センサ３２の検出値から水タンク２２内の水の過不足を判定して、運転者に告知できるようになっている。
【００２９】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液循環流路３３および冷却液ポンプ３４を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック１を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【００３０】
冷却機構の冷却液循環流路３３中には、ラジエータ３５が設けられている。ラジエータ３５は、コントロールユニット１００によって動作制御される図示しないラジエータファンにより、ラジエータ出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。また、ラジエータ３５と並列にバイパス流路３６が設けられると共に、分岐部分にサーモスタット三方切り替え弁３７が設けられており、冷却液の温度に応じてこの三方切り替え弁３７が動作することで冷却液の流路が切り替えられる。なお、三方切り替え弁３７が冷却液の流路を切り替える温度は、例えば５０℃に設定される。
【００３１】
温度調整された冷却液が通る冷却液循環流路３３には、リザーバタンク３８が設けられており、冷却液の熱膨張、収縮分の吸収および冷却液の補給等に使用される。リザーバタンク３８の上部は大気開放されており、リザーバ機能を有している。また、リザーバタンク３８の前段には、各種異物に加えてイオン等を除去するイオンフィルタ３９が設置されており、温度調整された冷却液がこのイオンフィルタ３９を通過することで、導電率の低下が図られる。なお、この冷却液の導電率は、導電率センサ４０によって検出されて、コントロールユニット１００に送られる。
【００３２】
また、燃料電池スタック１の冷却液入口および冷却液出口には、それぞれ温度センサ４１，４２が設置されており、燃料電池スタック１に入る前の冷却液温度が温度センサ４１により検出され、燃料電池スタック１から出た直後の冷却液温度が温度センサ４２により検出される。これら温度センサ４１，４２の検出値はコントロールユニット１００に送られ、燃料電池スタック１に設置された温度センサ３の検出値と共に、燃料電池スタック１の冷却制御に用いられる。
【００３３】
コントロールユニット１００は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、外気温を検出するための図示しない外気温センサや、燃料電池スタック１に接続されたセル電圧モニタ２および温度センサ３等の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００３４】
図１において、コントロールユニット（制御手段）１００は、構成要素として加減速判定手段１０１および酸化剤ガス流量制御手段１０２を備えているが、これらはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、加減速判定手段１０１は、当該燃料電池システムが搭載された移動体（車両）の加速状態または減速状態を判定し、酸化剤ガス流量制御手段１０２は、燃料電池の電流要求から求まる酸化剤ガス流量（空気流量）と、それ以外の要求から求まる酸化剤ガス流量（空気流量）とで切り替えて燃料電池に供給すべき酸化剤ガス流量（空気流量）の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときには、空気流量目標値を補正して空気流量を制御する。
【００３５】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、当該燃料電池システムを燃料電池車両の駆動動力源として用いた場合を例にして、図２および図３を参照しながら簡単に説明する。ここで、図２は燃料電池スタック１の運転負荷と運転圧力の関係を説明する説明図であり、図３は燃料電池スタック１運転時の負荷に対する燃料電池スタック１の電圧特性を説明する説明図である。
【００３６】
燃料電池システムの運転時においては、運転者の操作によるアクセル開度に応じた出力（電力）に相応な水素量および空気量に応じて、燃料電池スタック１の燃料極側には圧力制御弁５により圧力調整された水素の供給が行われると共に、燃料電池スタック１の酸化剤極側にはコンプレッサ１２により空気の供給が行われる。また、加湿器１７により、コンプレッサ１２からの空気が加湿された状態で燃料電池スタック１の酸化剤極へと導かれる。このとき、運転圧力については、図２に示すように運転負荷に応じて設定されるようになっており、低負荷運転では低く、高負荷運転では高く設定されている。
【００３７】
燃料電池システムの運転に際しては、温湿度センサ２７で燃料電池スタック１の酸化剤極入口の温度および湿度が監視されており、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の加湿量が万一不足するような場合には、運転圧力を上昇補正することで、加湿不足にならないように補正制御する。
【００３８】
また、冷却液ポンプ３４は、燃料電池スタック１の発熱量に応じた流量の冷却液を燃料電池スタック１に流通すべく流量を調整し、燃料電池スタック１の温度センサ３により検出される燃料電池スタック１の温度、或いは、冷却機構の温度センサ４１，４２により検出された冷却液温度から推定される燃料電池スタック１の温度に応じて流量が補正されている。このとき、燃料電池スタック１の温度が低温である場合には、冷却液がラジエータ３５を通過させずにバイパス流路３６を通過するように、サーモスタット三方切り替え弁３７が切り替えられる。ラジエータ３５の出口温度は、燃料電池スタック１の温度（温度センサ３の検出値または温度センサ４１，４２の検出値）に応じて、図示しないラジエータファンの回転数を制御することにより、略一定温度を保つように制御されている。
【００３９】
運転中には、空気供給系において、水分凝縮装置１８により燃料電池スタック１から排出された空気中の水分が凝縮回収され、水循環流路２３を通して水タンク２２へと導かれて加湿水として貯蔵される。
【００４０】
また、水素供給系において、燃料電池スタック１の燃料極から排出された水素は水素循環流路９およびエゼクタ７により循環されているが、運転に伴って燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の透過等により窒素等の不純物の濃度が次第に増加したり、水が詰まったりしてセル電圧低下を引き起こすため、セル電圧モニタ２によってセル電圧を監視し、あるセルの電圧が、セル電圧の平均値に対して所定値（例えば０．２Ｖ）以上電圧が低下した場合、或いは、平均セル電圧が所定幅（例えば０．１Ｖ）以上低下した場合に、パージ弁１１を開弁させて水素循環流路６内および燃料電池スタック１内の水素と共に不純物を外部に排出することで、セル電圧を回復させる。
【００４１】
ここで、平均セル電圧の低下を検出する方法としては、図３に示すように、運転時の負荷に対する燃料電池スタック１の電圧特性（Ｉ-Ｖ特性）をテーブルデータとしてコントロールユニット１００内に格納しておき、燃料電池スタック１の運転負荷に応じた、ある温度でのあるべき平均セル電圧を求め、燃料電池スタック１の温度によるセル電圧変化を補正して、あるべき平均セル電圧を求め、その値と実際の運転中に検出される平均セル電圧とを比較することで判定が可能である。さらに、長期的な燃料電池スタック１の劣化を考慮し、比較的長い周期でのセル電圧低下については、学習により補正することによって、燃料電池スタック１が次第に劣化して平均セル電圧が低下した場合でも以上のような判定が可能となる。
【００４２】
以上のような通常運転時の動作により、運転者のアクセル操作に応じた出力が燃料電池システムから取り出され、図示しない車両駆動用モータにより車両が駆動されることになる。
【００４３】
次に、以上概略説明した本実施例の燃料電池システムにおいて、本発明の特徴である加減速動作について、図４，図５および図６を参照して説明する。ここで、図４は、本実施例の燃料電池システムにおいて、通常運転時に実施される空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図５は本実施例の動作を説明するタイムチャートである。図５においては、（ａ）はアクセル開度、（ｂ）はアクセル開度から求まる要求出力、（ｃ）は現在の運転負荷である実出力、（ｄ）は要求出力から実出力を減算した減算値、（ｅ）は減算値に基づく加減速判定手段１０１の加速判定、（ｆ）は要求出力に応じた目標空気流量、（ｇ）は実際の空気流量、（ｈ）はバイパス弁（バルブ２１）の開閉状態のそれぞれについて、時間的推移を表している。また、図６は運転負荷に対する空気流量設定を説明する説明図である。
【００４４】
本実施例の燃料電池システムにおける加減速時の空気流量制御動作の特徴的な点は、加減速判定手段１０１が加速状態を判定したときには、前回の空気流量目標値と現在の空気流量目標値とを比較し、現在の空気流量目標値の方が小さい場合には、前回の空気流量目標値を現在の空気流量目標値とすることにある。
【００４５】
以下、図４のフローチャートに沿って説明する。まず、コントロールユニット１００は、アクセルペダルセンサ等（各種センサ１１０）からアクセル開度を読み込み、また、コントロールユニット１００内で前回までに演算され、実際に出力されている運転負荷を読み込む（ステップＳ１０１）。次に、加減速判定手段１０１により加減速の演算を行う（ステップＳ１０２）。ここでは、ステップＳ１０１で読み込んだアクセル開度に基づき求まる要求出力から現在の運転負荷である実出力を減算して、その減算値を求め（図５において、図５（ｂ）−図５（ｃ）の演算を行って図５（ｄ）が求まる）、またその正負が判別可能なデータとして記憶される。
【００４６】
次に、ステップＳ１０１で読み込んだアクセル開度から求まる要求出力に応じた空気流量を演算して求め、今回の空気流量目標値として記憶する（ステップＳ１０３）。ここでは、図５に示すように、所定の運転負荷以上の領域では、空気流量は燃料電池スタック１が要求する空気流量により求まり、またこの時、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１は閉弁状態となる。他方、所定の運転負荷以下の領域では、空気流量は水素の希釈要求により求まり、またこの時、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１は開弁状態となる。例えば、所定の運転負荷未満で燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１を開弁しなかった場合には、燃料電池スタック１内には必要以上の空気流量が流れてしまうため、固体高分子膜が乾燥し、燃料電池の出力が低下してしまう。このため所定の運転負荷以下では、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１を開弁し、燃料電池スタック１を通過する余剰の空気量を減少させて、上記のような不具合を発生さないように構成されている。
【００４７】
次に、ステップＳ１０２の加減速の演算結果（の絶対値）が所定値を越えているか否か、および、該演算結果データの符号が正か負かについて判定する（ステップＳ１０４）。ここで、演算結果（の絶対値）が所定値を超えており、且つ符号が正の場合には、加速状態と判定されてステップＳ１０５に進み、それ以外の場合には加速状態ではないと判定され、ステップＳ１０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。図５（ｅ）に示すように、図５（ｄ）の減算値が破線で示す所定値を超えている期間、加速状態と判定される。
【００４８】
次に、ステップＳ１０３で求めた今回の空気流量目標値が、記憶されていた前回の空気流量目標値未満か否かを判定する（ステップＳ１０５）。ここで、今回の空気流量目標値が前回の空気流量目標値未満の場合には、ステップＳ１０６に進み、今回の空気流量目標値が前回の空気流量目標値以上の場合には、ステップＳ１０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。
【００４９】
次に、前回の空気流量目標値と今回の空気流量目標値とを比較して、今回の空気流量目標値の方が小さかった場合には、前回の空気流量目標値を今回の空気流量目標値として再設定する（ステップＳ１０６）。つまり、前回の目標空気流量よりも今回目標とする空気流量が下回ることが無いように、前回と同じ値を目標空気流量に設定している。
【００５０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、酸化剤ガス流量制御手段１０２において、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が加速状態を判定したときには、前回の空気流量目標値と現在の空気流量目標値とを比較し、現在の空気流量目標値の方が小さい場合には、前回の空気流量目標値を現在の空気流量目標値として空気流量を制御する。
【００５１】
図５（ｈ）に示すように、加速状態のあるタイミングで燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１が閉弁状態に切り替えられると、従来は図５（ｇ）のＰ１および該Ｐ１を拡大したＰ１Ｌの破線に示すように、一時的に空気流量が減少するために空気流量に段差が生じて、運転者に違和感を与えていたが、本実施例では、加速状態と判定されたときには、前回の目標空気流量よりも今回目標とする空気流量が下回ることが無いように空気流量目標値が設定されるので、図５（ｇ）のＰ１および該Ｐ１を拡大したＰ１Ｌの実線に示すように、空気流量の減少を防止して空気流量の急激な変化を緩和することができ、加速状態において運転者が感じる違和感を効果的に抑制することができる。
【００５２】
また、本実施例の燃料電池システムでは、加減速判定手段１０１が行う加速状態の判定は、出力要求値と現在の出力との差（の絶対値）が所定値以上であること、および該出力要求値と現在の出力との差の正負に基づき行われることとしたので、正確に加減速を判断可能である。また、燃料電池バイパス切替手段である燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１は、低負荷側で燃料電池バイパス通路２０を連通させ、高負荷側で燃料電池バイパス通路２０を非連通にするので、加速時に空気流量が減量する場合に上述の効果を発揮できる構成となっている。
【実施例２】
【００５３】
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて、図７および図８を参照して説明する。本実施例の構成は、実施例１と同様に図１に示すものであり、各構成要素の基本動作は実施例１において既に説明済みであるので省略する。図７は、本実施例の燃料電池システムにおいて、通常運転の加減速時に実施される空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図８は本実施例の動作を説明するタイムチャートである。図８においては、図５と同様に、（ａ）はアクセル開度、（ｂ）はアクセル開度から求まる要求出力、（ｃ）は現在の運転負荷である実出力、（ｄ）は要求出力から実出力を減算した減算値、（ｅ）は減算値に基づく加減速判定手段１０１の加速判定、（ｆ）は要求出力に応じた目標空気流量、（ｇ）は実際の空気流量、（ｈ）はバイパス弁（バルブ２１）の開閉状態のそれぞれについて、時間的推移を表している。
【００５４】
本実施例の燃料電池システムにおける加減速時の空気流量制御動作の特徴的な点は、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときには、空気流量目標値が所定値（例えば、燃料電池バイパス通路２０を連通させたときの最大空気流量）以下にならないように補正することにある。
【００５５】
以下、図７のフローチャートに沿って説明する。まず、コントロールユニット１００は、アクセルペダルセンサ等（各種センサ１１０）からアクセル開度を読み込み、また、コントロールユニット１００内で前回までに演算され、実際に出力されている運転負荷を読み込む（ステップＳ２０１）。次に、加減速判定手段１０１により加減速の演算を行う（ステップＳ２０２）。ここでは、ステップＳ２０１で読み込んだアクセル開度に基づき求まる要求出力から現在の運転負荷である実出力を減算して、その減算値を求め（図８において、図８（ｂ）−図８（ｃ）の演算を行って図８（ｄ）が求まる）、またその正負が判別可能なデータとして記憶される。
【００５６】
次に、ステップＳ２０１で読み込んだアクセル開度から求まる要求出力に応じた空気流量を演算して求め、今回の空気流量目標値として記憶する（ステップＳ２０３）。
【００５７】
次に、ステップＳ２０２の加減速の演算結果の絶対値が所定値を越えているか否か、および、該演算結果データの符号が正か負かについて判定する（ステップＳ２０４）。ここで、演算結果の絶対値が所定値を超えており、且つ符号が正または負の場合には、それぞれ加速状態または減速状態と判定されてステップＳ２０５に進み、それ以外の場合には加速状態または減速状態ではないと判定され、ステップＳ２０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。図８（ｅ）に示すように、図８（ｄ）の減算値が正であるときに破線で示す所定値を超えている期間は加速状態と判定され、減算値が負であるときに破線で示す所定値を下回る期間は減速状態と判定される。
【００５８】
次に、ステップＳ２０３で求めた今回の空気流量目標値が、目標空気流量所定値（例えば、燃料電池バイパス通路２０を連通させたときの最大空気流量）未満であるか否かを比較する（ステップＳ２０５）。ここで、今回の空気流量目標値が目標空気流量所定値未満の場合には、ステップＳ２０６に進み、今回の空気流量目標値が目標空気流量所定値以上の場合には、ステップＳ２０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。
【００５９】
次に、目標空気流量所定値と今回の空気流量目標値とを比較して、今回の空気流量目標値の方が小さかったので、目標空気流量所定値を今回の空気流量目標値として再設定する（ステップＳ２０６）。つまり、目標空気流量所定値よりも今回目標とする空気流量が下回ることが無いように、目標空気流量所定値を目標空気流量に設定している。
【００６０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、酸化剤ガス流量制御手段１０２において、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときには、目標空気流量所定値（例えば、燃料電池バイパス通路２０を連通させたときの最大空気流量）と現在の空気流量目標値とを比較し、現在の空気流量目標値の方が小さい場合には、目標空気流量所定値を現在の空気流量目標値として空気流量を制御するので、比較的簡単な制御により空気流量供給手段の急激な変化を緩和でき、運転者が感じる違和感を抑制できる。また特に、目標空気流量所定値を、燃料電池バイパス通路２０を連通させたときの最大空気流量とした場合には、燃料電池スタック１以外の要求から求まる空気流量を下回ることがない空気流量設定が可能となる。
【００６１】
図８（ｈ）に示すように、加速状態のあるタイミングで燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１が閉弁状態に切り替えられると、従来は図８（ｇ）のＰ２ａおよび該Ｐ２ａを拡大したＰ２ａＬの破線に示すように、一時的に空気流量が減少するために空気流量に段差が生じて、運転者に違和感を与えていたが、本実施例では、加速状態と判定されたときには、目標空気流量所定値よりも今回目標とする空気流量が下回ることが無いように空気流量目標値が設定されるので、図８（ｇ）のＰ２ａおよび該Ｐ２ａを拡大したＰ２ａＬの実線に示すように、空気流量の減少を防止して空気流量の急激な変化を緩和することができ、加速状態において運転者が感じる違和感を効果的に抑制することができる。また、減速状態においても同様に、図８（ｇ）のＰ２ｂおよび該Ｐ２ｂを拡大したＰ２ｂＬの実線に示すように、空気流量の急激な変化を緩和することができ、減速状態において運転者が感じる違和感を効果的に抑制することができる。
【００６２】
また、本実施例の燃料電池システムでは、加減速判定手段１０１が行う加速状態または減速状態の判定は、出力要求値と現在の出力との差の絶対値が所定値以上であること、および該出力要求値と現在の出力との差の正負に基づき行われることとしたので、正確に加減速を判断可能である。また、燃料電池バイパス切替手段である燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１は、低負荷側で燃料電池バイパス通路２０を連通させ、高負荷側で燃料電池バイパス通路２０を非連通にするので、加速時に空気流量が減量したり、減速時に空気流量が増量したりする場合に、上述の効果を発揮できる構成となっている。
【実施例３】
【００６３】
次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて、図９および図１０を参照して説明する。本実施例の構成は、実施例１と同様に図１に示すものであり、各構成要素の基本動作は実施例１において既に説明済みであるので省略する。図９は、本実施例の燃料電池システムにおいて、通常運転の加減速時に実施される空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図１０は本実施例の動作を説明するタイムチャートである。図１０の各項目については図５と同様である。
【００６４】
本実施例の燃料電池システムにおける加減速時の空気流量制御動作の特徴的な点は、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときに、空気流量目標値の補正を、設定された空気流量の目標値と、出力要求から求まる空気流量目標値との補間によって行うことにある。
【００６５】
以下、図９のフローチャートに沿って説明する。アクセル開度および実際に出力されている運転負荷の読み込み（ステップＳ３０１）、加減速演算（ステップＳ３０２）、並びに今回の空気流量目標値の演算（ステップＳ３０３）については、実施例２と同等であるので説明を省略する。
【００６６】
次に、ステップＳ３０２の加減速の演算結果の絶対値が所定値を越えているか否か、および、該演算結果データの符号が正であるか否かについて判定する（ステップＳ３０４）。ここで、演算結果の絶対値が所定値を超えており、且つ符号が正の場合には、加速状態と判定されてステップＳ３０５に進み、それ以外の場合には加速状態ではないと判定されてステップＳ３０７に進む。
【００６７】
次に、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１の切り替え指令が出されたか否かの判定を行う（ステップＳ３０５）。燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１の切り替え指令が出された場合には、目標空気流量は、図６に示したように段差を持った設定に切替られるが、ステップＳ３０５では、目標空気流量が段差を生じるタイミングであるか否かを判定していることになる。切り替え指令が出されている場合にはステップＳ３０６に進み、切り替え指令が出されていない場合には、ステップＳ３０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。
【００６８】
次に、切り替え指令が出されている場合には、設定された空気流量の目標値と、出力要求から求まる空気流量目標値との補間により空気流量目標値を補正する（ステップＳ３０６）。つまり、前回の目標空気流量値と、ステップＳ３０３で求めた今回の仮目標流量とを、直線補間により目標流量を設定する。この時、目標流量の傾きについては、制御系の持つレイトリミッター（時間に対する制御値の変化量を制限している）により決定される。目標流量は今回の値のみでなく、その後までを上記補間により求めるため、その目標値はコントロールユニット１００に記憶され、次回以降の目標値として参照される。尚、次回以降の演算時にアクセル開度の変化量が所定値以上の場合には、運転者の要求が変化したと判断して、上記記憶された目標値はキャンセルされ、通常の演算値を使用する。
【００６９】
また、ステップＳ３０４で加速状態ではないと判定された場合には、ステップＳ３０２の加減速の演算結果の絶対値が所定値を越えているか否か、および、該演算結果データの符号が負かであるか否かについて判定する（ステップＳ３０７）。ここで、演算結果の絶対値が所定値を超えており、且つ符号が負の場合には、減速状態と判定されてステップＳ３０５に進み、それ以外の場合には加速状態でも減速状態でもないと判定され、ステップＳ３０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。
【００７０】
次に、減速状態であると判定された場合には、減速時の空気流量目標値を補正する（ステップＳ３０８）。つまり、現在の目標負荷に相当した空気流量から、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１を開弁した場合の最大流量の値に向けた補間計算により、空気流量目標値が設定される。この計算結果はコントロールユニット１００に記憶され、次回以降の目標値として参照される。尚、次回以降の演算時にアクセル開度の変化量が所定値以上の場合には、運転者の要求が変化したと判断して、上記記憶された目標値はキャンセルされ、通常の演算値を使用する。
【００７１】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、酸化剤ガス流量制御手段１０２において、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときには、設定された空気流量の目標値と、出力要求から求まる空気流量目標値との補間によって空気流量目標値の補正を行うので、空気流量供給手段の急激な変化を緩和でき、運転者が感じる違和感を抑制できる。
【００７２】
図１０（ｈ）に示すように、加速状態のあるタイミングで燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１が閉弁状態に切り替えられると、図１０（ｇ）のＰ３ａおよび該Ｐ３ａを拡大したＰ３ａＬの実線に示すように空気流量の急激な変化を緩和することができ、また、減速状態においても同様に、図１０（ｇ）のＰ３ｂおよび該Ｐ３ｂを拡大したＰ３ｂＬの実線に示すように、空気流量の急激な変化を緩和することができ、加速状態または減速状態において運転者が感じる違和感を効果的に抑制することができる。
【実施例４】
【００７３】
次に、本発明の実施例４に係る燃料電池システムについて、図１１および図１２を参照して説明する。本実施例の構成は、実施例１と同様に図１に示すものであり、各構成要素の基本動作は実施例１において既に説明済みであるので省略する。図１１は、本実施例の燃料電池システムにおいて、通常運転の加減速時に実施される空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図１２は本実施例の動作を説明するタイムチャートである。図１２の各項目については図５と同様である。
【００７４】
本実施例の燃料電池システムにおける加減速時の空気流量制御動作の特徴的な点は、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときに、補正した空気流量目標値を、設定された空気流量の目標値から、出力要求から求まる空気流量目標値への一次遅れより生成することにある。
【００７５】
以下、図１１のフローチャートに沿って説明する。アクセル開度および実際に出力されている運転負荷の読み込み（ステップＳ４０１）、加減速演算（ステップＳ４０２）、並びに今回の空気流量目標値の演算（ステップＳ４０３）については、実施例２と同等であり、加速状態の判定（ステップＳ４０４）、バイパス弁の切替要求が出たか否かの判定（ステップＳ４０５）並びに減速状態の判定（ステップＳ４０７）については、実施例３と同等であるので説明を省略する。
【００７６】
ステップＳ４０４で加速状態と判定され、ステップＳ４０５で切り替え指令が出されている場合には、補正した空気流量目標値を、設定された空気流量の目標値から、出力要求から求まる空気流量目標値への一次遅れより生成する（ステップＳ４０６）。ここでは、前回の目標空気流量値と、ステップＳ４０３で求めた今回の空気流量目標値とを、１次遅れにより目標流量を設定する。１次遅れとは、一般的に、ＫＬを定数ゲイン、ＴＬを時定数とするときのステップ応答の出力Ｙとして、Ｙ＝ＫＬ（１−ＥＸＰ（−ｔ／ＴＬ））で与えられる。
【００７７】
また、ステップＳ４０７で減速状態であると判定された場合には、減速時の空気流量目標値を補正する（ステップＳ４０８）。つまり、現在の目標負荷に相当した空気流量から、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１を開弁した場合の最大流量の値に向けた１次遅れ計算により、目標空気流量が設定される。
【００７８】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、酸化剤ガス流量制御手段１０２において、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が加速状態または減速状態を判定したときには、補正した空気流量目標値を、設定された空気流量の目標値から、出力要求から求まる空気流量目標値への一次遅れより生成するので、空気流量供給手段の急激な変化を緩和でき、運転者が感じる違和感を抑制できる。
【００７９】
図１２（ｈ）に示すように、加速状態のあるタイミングで燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１が閉弁状態に切り替えられると、図１２（ｇ）のＰ４ａおよび該Ｐ４ａを拡大したＰ４ａＬの実線に示すように空気流量の急激な変化（減量）を緩和することができ、また、減速状態においても同様に、図１２（ｇ）のＰ４ｂおよび該Ｐ４ｂを拡大したＰ４ｂＬの実線に示すように、空気流量の急激な変化（増量）を緩和することができ、加速状態または減速状態において運転者が感じる違和感を効果的に抑制することができる。
【００８０】
また、本実施例では、１次遅れで目標空気流量を生成しているので、実施例３と対比して、現在の目標値より後の目標値をコントロールユニット１００に記憶する必要がなく、滑らかに目標値を生成することが可能になり、加速時または減速時の違和感を効果的に抑制することができる。
【実施例５】
【００８１】
次に、本発明の実施例５に係る燃料電池システムについて、図１３および図１４を参照して説明する。本実施例の構成は、実施例１と同様に図１に示すものであり、各構成要素の基本動作は実施例１において既に説明済みであるので省略する。図１３は、本実施例の燃料電池システムにおいて、通常運転の減速時に実施される空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図１３は本実施例の動作を説明するタイムチャートである。図１３の各項目については図５と同様である。
【００８２】
本実施例の燃料電池システムにおける減速時の空気流量制御動作の特徴的な点は、加減速判定手段１０１が減速状態を判定したときに、前回の空気流量目標値と現在の空気流量目標値を比較し、現在の空気流量目標値の方が大きい場合には、前回の空気流量目標値を現在の空気流量目標値とすることにある。
【００８３】
以下、図１３のフローチャートに沿って説明する。アクセル開度および実際に出力されている運転負荷の読み込み（ステップＳ５０１）、加減速演算（ステップＳ５０２）、並びに今回の空気流量目標値の演算（ステップＳ５０３）については、実施例１と同等であるので説明を省略する。
【００８４】
次に、ステップＳ５０２の加減速の演算結果の絶対値が所定値を越えているか否か、および、該演算結果データの符号が正か負かについて判定する（ステップＳ５０４）。ここで、演算結果の絶対値が所定値を超えており、且つ符号が負の場合には、減速状態と判定されてステップＳ５０５に進み、それ以外の場合には減速状態ではないと判定され、ステップＳ５０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。
【００８５】
次に、ステップＳ５０３で求めた今回の空気流量目標値が、記憶されていた前回の空気流量目標値を超えているか否かを判定する（ステップＳ５０５）。ここで、今回の空気流量目標値が前回の空気流量目標値を超えている場合には、ステップＳ５０６に進み、今回の空気流量目標値が前回の空気流量目標値以下の場合には、ステップＳ５０３で求めた結果を今回の空気流量目標値として終了する。
【００８６】
次に、前回の空気流量目標値と今回の空気流量目標値とを比較して、今回の空気流量目標値の方が大きかった場合には、前回の空気流量目標値を今回の空気流量目標値として再設定する（ステップＳ５０６）。つまり、前回の目標空気流量よりも今回目標とする空気流量が上回ることが無いように、前回と同じ値を目標空気流量に設定している。
【００８７】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、酸化剤ガス流量制御手段１０２において、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、加減速判定手段１０１が減速状態を判定したときには、前回の空気流量目標値と現在の空気流量目標値とを比較し、現在の空気流量目標値の方が大きい場合には、前回の空気流量目標値を現在の空気流量目標値として空気流量を制御する。
【００８８】
図１４（ｈ）に示すように、減速状態のあるタイミングで燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１が開弁状態に切り替えられると、従来は図１４（ｇ）のＰ５ｂおよび該Ｐ５ｂを拡大したＰ５ｂＬの破線に示すように、一時的に空気流量が増量するために空気流量に段差が生じて、運転者に違和感を与えていたが、本実施例では、減速状態と判定されたときには、前回の目標空気流量よりも今回目標とする空気流量が上回ることが無いように空気流量目標値が設定されるので、図１４（ｇ）のＰ５ｂおよび該Ｐ５ｂを拡大したＰ５ｂＬの実線に示すように、空気流量の増量を防止して空気流量の急激な変化を緩和することができ、減速状態において運転者が感じる違和感を効果的に抑制することができる。尚、本実施例は、燃料電池スタック１の要求する空気流量以外の、空気流量として一時的に減少しても問題ない空気調圧弁の応答遅れ防止等の場合に使用可能である。
【実施例６】
【００８９】
次に、本発明の実施例６に係る燃料電池システムについて、図１５および図１６を参照して説明する。本実施例の構成は、実施例１と同様に図１に示すものであり、各構成要素の基本動作は実施例１において既に説明済みであるので省略する。図１５は、本実施例の燃料電池システムにおいて、実施される空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図１６は本実施例の動作を説明するタイムチャートである。図１６の各項目については図５と同様である。
【００９０】
但し、実施例６では、図１において、コントロールユニット１００内の加減速判定手段１０１は定常判定手段１０１として機能する。ここで、定常判定手段１０１は、当該燃料電池システムが搭載された移動体（車両）の定常運転状態を判定し、また、酸化剤ガス流量制御手段１０２は、定常判定手段１０１により定常運転状態と判定されているときには、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて、燃料電池に供給すべき空気流量の目標値を設定し、定常判定手段１０１により定常運転状態以外と判定されているときには、燃料電池に供給すべき空気流量に段差を生じない空気流量目標値を設定して空気流量を制御する。
【００９１】
以下、図１５のフローチャートに沿って説明する。アクセル開度および実際に出力されている運転負荷の読み込み（ステップＳ６０１）、加減速演算（ステップＳ６０２）、並びに今回の空気流量目標値の演算（ステップＳ６０３）については、実施例２と同等であるので説明を省略する。
【００９２】
次に、定常運転状態か否かを判定する（ステップＳ６０４）。ここでは、ステップＳ６０２の加減速演算の結果である減算値の絶対値が所定値未満であるときに定常状態と判定する。定常状態である場合にはステップＳ６０５に進み、それ以外の場合にはステップＳ６０６に進む。
【００９３】
定常状態である場合には、定常用空気流量を求める（ステップＳ６０５）。ここでの定常用空気流量とは、燃料電池の電流要求から求まる空気流量と、それ以外の要求から求まる空気流量とで切り替えて設定される空気流量目標値であり、ステップＳ６０３で求められたものである。
【００９４】
また、定常状態以外である場合には、定常以外用空気流量を求める（ステップＳ６０６）。ここでの定常以外用空気流量とは、図１６（ｇ）のＰ６ａおよび該Ｐ６ａを拡大したＰ６ａＬ並びにＰ６ｂおよび該Ｐ６ｂを拡大したＰ６ｂＬの実線に示すように、燃料電池バイパス通路２０のバルブ２１の開閉があっても、空気流量に段差を生じないように設定される空気流量である。
【００９５】
尚、図１６（ｇ）のＰ６ａおよび該Ｐ６ａを拡大したＰ６ａＬ並びにＰ６ｂおよび該Ｐ６ｂを拡大したＰ６ｂＬにおいて、破線は定常用空気流量の設定による実空気流量の推移であるが、空気流量に段差を生じている期間は定常状態以外と判定されるので、実空気流量に段差が生じることはない。
【００９６】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、定常運転以外の場合においては運転者に違和感を生じない空気流量設定とし、定常運転の場合においては燃料電池、もしくはそれ以外の要求を満たす流量に設定されるため、過渡を含む通常運転時には運転者に違和感を与えることなく、また定常運転時のように長時間にわたり、真の要求空気流量と制御される空気流量とが乖離する場合には、真の要求空気量に相当する空気流量に切り替えるため、違和感がなく、また燃料電池の固体高分子膜の乾燥等のシステム不具合を生じない空気流量設定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池スタック１の運転負荷と運転圧力の関係を説明する説明図である。
【図３】燃料電池スタック１運転時の負荷に対する燃料電池スタック１の電圧特性を説明する説明図である。
【図４】実施例１の燃料電池システムにおける空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図５】実施例１の動作を説明するタイムチャートである。
【図６】運転負荷に対する空気流量設定を説明する説明図である。
【図７】実施例２の燃料電池システムにおける空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図８】実施例２の動作を説明するタイムチャートである。
【図９】実施例３の燃料電池システムにおける空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１０】実施例３の動作を説明するタイムチャートである。
【図１１】実施例４の燃料電池システムにおける空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１２】実施例４の動作を説明するタイムチャートである。
【図１３】実施例５の燃料電池システムにおける空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１４】実施例５の動作を説明するタイムチャートである。
【図１５】実施例６の燃料電池システムにおける空気流量制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１６】実施例６の動作を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１    燃料電池スタック
２    セル電圧センサ
３    温度センサ
４    水素タンク
５，１６，３１    圧力制御弁
６    水素供給流路
７    エゼクタ
８，１９，３０    圧力センサ
９    水素循環流路
１０    水素排気流路
１１    パージ弁
１２    コンプレッサ
１３    空気供給流路
１４    フィルタ
１５    空気排気流路
１７    加湿器
１８    水分凝縮装置
２０    燃料電池バイパス通路
２１    バルブ（バイパス切替手段）
２２    水タンク
２３，２６    水循環流路
２４    バルブ
２５    ポンプ
２７    温湿度センサ
２８，４０    導電率センサ
２９    加湿水回収流路
３２    水位センサ
３３    冷却液循環流路
３４    冷却液ポンプ
３５    ラジエータ
３６    バイパス流路
３７    サーモスタット三方切替弁
３８    リザーバタンク
３９    イオンフィルタ
４１，４２    温度センサ
１００    コントロールユニット（制御手段）
１０１    加減速判定手段（定常判定手段）
１０２    酸化剤ガス流量制御手段
１１０    各種センサ
【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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【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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