(57)【要約】【課題】  たとえ発電状態が急変化する状況下にあっても水素ストイキ比を確保し、燃料電池スタックの劣化を抑制すると共に、運転者に違和感を与えてしまうことを防止することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１は、車両が急加速された場合に必要となる過渡電力量を求め、実際に急加速されたときには過渡電力量に応じた発電を燃料電池スタック１０にて行えるように、急加速される前からガス循環流量を予め高めの待機流量にしておく。【選択図】      図１
2006309977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され、発生させた電力を車両の駆動源となる駆動モータに供給する燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノードから排出されたガスを循環させて再度前記燃料電池スタックのアノードに送り込むガス循環手段と、
前記ガス循環手段により循環させられるガスの流量を制御する制御手段と、
車両の速度を検出する車速検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記車速検出手段により検出された車両速度に応じて、車両が加速されたと仮定したときに駆動モータの駆動に必要とされる過渡電力量を求め、この過渡電力量に基づいて、前記ガス循環手段により循環させられるガスの循環流量を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記車速検出手段により検出された車両速度に応じて、車両がフル加速されたと仮定したときに駆動モータの駆動に必要とされる電力量を過渡電力量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】
前記制御手段は、車両が加速された場合に加速開始から所定時間以内に前記燃料電池スタックの発電量が過渡電力量に到達するように前記過渡電力量よりも低い待機電力量を求め、求めた待機電力量分の発電が行えるように前記ガス循環手段により循環させられるガスの流量を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定時間は、車両の加速開始から前記駆動モータの回転数が加速指示に基づく所望の回転数に最短で到達するまでの駆動モータ応答時間に相当す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】
アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記アクセル開度検出手段により検出されたアクセル開度に基づいて求められる前記駆動モータの要求電力量と、前記待機電力量とのうち、高い方に応じて前記ガス循環手段により循環させられるガス循環流量を制御す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６】
車両前後方向について路面の傾斜を検出する傾斜検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、車両が傾斜を上っていく方向に、前記傾斜検出手段により検出された傾斜が大きくなるに従って前記過渡電力量が大きくなるように補正する
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
運転者の車両操作を検出する車両操作検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記車両操作検出手段により検出された車両操作から前記過渡電力量に基づいてガス循環流量を制御するか否かを判断し、前記過渡電力量に基づいてガス循環流量を制御する必要がないと判断できるときには、前記過渡電力量に基づくガスの循環流量の制御を禁止する
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記ガス循環手段により循環させられるガスの窒素濃度、前記ガス循環手段により循環させられるガスの温度、及び前記ガス循環手段によるガス循環流量の最大増大率の少なくとも１つに応じて、前記ガス循環手段の駆動を制御することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか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。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池スタックのアノードから排出されるオフガスを再度アノードに流し込むための燃料ガス循環配管に窒素濃度検出手段を備え、検出した窒素濃度に応じて燃料ガス循環配管上に設けられる循環ポンプの循環流量を調整することで、燃料電池の水素ストイキ比を落とさないで発電を行う燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３２７３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは定常的な発電が要求される状況下において水素ストイキ比を確保することは可能であっても、車両走行状態のように要求される電力量が刻々と変化する車両用の燃料電池システムの場合では、要求される電力量が急激に変化することが多く、水素ストイキ比を確保することができなくなることがある。そして、水素ストイキ比を確保できなくなった場合、燃料電池スタックの劣化を招いてしまう。すなわち、一般的に燃料電池システムを搭載した自動車では、アクセル開度に応じて要求電力量を生成していることから、急加速時などには水素ガスの循環遅れが生じ、水素ストイキ比を確保できずに電力を取り出すこととなり、燃料電池スタックの劣化を招いてしまう。
【０００４】
他方、燃料電池スタックの劣化を防止するために、水素ガスの循環遅れにあわせて電力を取り出すこととすると、車両の加速性能が低下してしまうこととなり、運転者に違和感を与えてしまう。
【０００５】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、たとえ要求される電力量が急激に変化する状況下にあっても水素ストイキ比を確保し、燃料電池スタックの劣化を抑制すると共に、運転者に違和感を与えてしまうことを防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、車両に搭載され、発生させた電力を車両の駆動源となる駆動モータに供給するものであって、燃料電池スタックと、ガス循環手段と、制御手段と、車速検出手段とを備えている。燃料電池スタックは燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものであり、ガス循環手段は燃料電池スタックのアノードから排出されたガスを循環させて再度燃料電池スタックのアノードに送り込むものである。制御手段はガス循環手段により循環させられるガスの流量を制御するものであり、車速検出手段は車両の速度を検出するものである。また、上記制御手段は、車両が加速されたと仮定したときに駆動モータの駆動に必要とされる過渡電力量を求める。この過渡電力量は車速検出手段により検出された車両速度に応じて求められる。そして、制御手段は、この過渡電力量に基づいて、ガス循環手段により循環させられるガスの循環流量を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、車両が加速されたと仮定したときに駆動モータの駆動に必要とされる過渡電力量を、車両速度に応じて求めることとしている。ここで、車両加速時には駆動モータで必要とされる電力量が増加することとなる。特に、燃料電池スタックのアイドル運転中に急加速を行った場合など、駆動モータの駆動に必要とされる電力量（過渡電力量）が急激に上昇し、燃料電池スタックにて過渡電力量分の発電が行えるだけのガスを循環させることができず、水素ストイキ比を確保することができなくなることがある。制御手段は、このように増加する電力量である過渡電力量を求める。
【０００８】
そして、過渡電力量に基づいてガスの循環流量を制御することとしている。上記の如く、急加速時には水素ストイキ比を確保することができなくなることがある。しかし、過渡電力（量）に基づいてガスの循環流量を制御していれば、急加速時においても水素ストイキ比を確保することが可能となる。例えば、過渡電力量に応じた発電を行えるようにガスの循環流量を予め高めにしておくなどの制御をすることで、水素ストイキ比を確保することができる。また、水素ストイキ比を確保できるため、車両の加速性能が低下してしまうことを防止できる。
【０００９】
従って、たとえ要求される電力量が急激に変化する状況下にあっても水素ストイキ比を確保し、燃料電池スタックの劣化を抑制すると共に、運転者に違和感を与えてしまうことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、車両に搭載され、発生させた電力を車両の駆動源となる駆動モータに供給するものである。この燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０とを備えている。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスの供給を受けるアノード１１と、酸化剤ガスの供給を受けるカソード１２とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では例えば燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素（空気）が用いられる。この燃料電池スタック１０のアノード１１は、燃料ガス供給系２０から水素ガスの供給を受け、燃料ガス排出系３０からアノードオフガスを排出するようになっている。
【００１３】
燃料ガス供給系２０は、水素供給装置２１と、水素供給配管２２と、水素遮断弁と２３と、水素圧力調整弁２４とからなっている。水素供給装置２１は、燃料電池スタック１０のアノード１１に燃料ガスを供給する供給源となるものである。水素供給配管２２は水素供給装置２１と燃料電池スタック１０のアノード１１とを接続し、水素供給装置２１からの水素を燃料電池スタック１０のアノード１１まで導くものである。水素遮断弁２３は、水素供給配管２２に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして水素供給装置２１からの水素を燃料電池スタック１０のアノード１１に流し込んだり遮断したりするものである。水素圧力調整弁２４は、水素遮断弁２３からアノード１１に至るまでの水素供給配管２２に設けられ、水素遮断弁２３を介して燃料電池スタック１０のアノード１１に供給される水素の供給量を制御できるようになっている。
【００１４】
燃料ガス排出系３０は、水素排出配管３１と、パージ弁３２とを備えている。水素排出配管３１は、燃料電池スタック１０のアノード１１と外部とを接続し、アノードオフガスを外部に導くものである。開閉弁３２は、水素排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてアノードオフガスの排出を制御するものである。
【００１５】
ガス循環系４０は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを再利用するためのものであって、循環配管４１と循環装置（ガス循環手段）４２とを備えている。循環配管４１は、一端がアノード１１と開閉弁３２との間の水素排出配管３１に接続され、他端が水素圧力調整弁２４とアノード１１との間の水素供給配管２２に接続されており、アノード１１から排出されたオフガスをアノード１１の下流から上流に循環させるものである。循環装置４２は、循環配管４１に設けられており、燃料電池スタック１０のアノード１１から排出されたガスを循環させて再度アノード１１に送り込む循環源となるものである。
【００１６】
また、燃料電池スタック１０のカソード１２は、酸化剤ガス供給系５０から酸化剤ガスの供給を受け、酸化剤ガス排出系６０からカソードオフガスを排出するようになっている。酸化剤ガス供給系５０は、空気供給装置５１と、フィルタ５２と、空気供給配管５３と、冷却器５４と、加湿装置５５とからなっている。
【００１７】
空気供給装置５１は、例えばコンプレッサにより構成され、フィルタ５２を介して塵や埃が除去された空気を圧縮して燃料電池スタック１０のカソード１２に送り込むものである。空気供給配管５３は、空気供給装置５１と燃料電池スタック１０のカソード１２とを接続するものであり、空気供給装置５１により圧送される空気を燃料電池スタック１０のカソード１２に導くものである。冷却器５４は、空気供給装置５１と燃料電池スタック１０のカソード１２との間の空気供給配管５３に設けられ、空気供給装置５１から圧送される空気が燃料電池スタック１０での反応に適した温度となるまで空気を冷却するものである。加湿装置５５は、冷却器５４と燃料電池スタック１０のカソード１２との間の空気供給配管５３に設けられ、燃料電池スタック１０の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池スタック１０に供給する空気を加湿するものである。
【００１８】
酸化剤ガス排出系６０は、空気排出配管６１と、空気圧力調整弁６２とを備えている。空気排出配管６１は、燃料電池スタック１０のカソード１２と外部とを接続し、カソードオフガスを外部に導くものである。空気圧力調整弁６２は、空気排出配管６１に設けられ、カソードオフガスの排出量を制御するものである。なお、空気排出配管６１上には加湿装置５５が配置されている。このため、カソード１２から排出されるオフガスは、まず加湿装置５５に流入した後に外部に排出されることとなる。ここで、加湿装置５５による加湿ではカソード１２からのオフガスに含まれる水分が利用され、空気供給装置５１からの空気はオフガスの水分によって加湿されることとなる。このため、加湿装置５５は、オフガスの水分を利用する構成、例えば排空気中の水分をポリイミドのような水分透過性が高い材料で出来た膜を介して、カソード１２に供給する空気に移動させる機能を有している。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、上記構成に加えて、アノード側圧力センサ７１と、カソード側圧力センサ７２と、流量センサ７３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４と、車両モータインバータ７５と、駆動モータ７６と、二次電池７７と、充電状態検出器７８と、コンプレッサモータインバータ７９とを備えている。
【００２０】
アノード側圧力センサ７１はアノード１１の圧力を検出するものであり、アノード１１の入口近傍に設けられている。また、カソード側圧力センサ７２はカソード１２の圧力を検出するものであり、カソード１２の入口近傍に設けられている。流量センサ７３は、フィルタ５２と空気供給装置５１との間に設けられ、空気供給装置５１が取り込む空気量を検出するものである。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ７４は、燃料電池スタック１０の出力を調整するものであり、燃料電池スタック１０からの電力は、車両モータインバータ７５を介して車両の駆動源となる駆動モータ７６に供給される。また、駆動モータ７６にて消費されない余剰電力は、二次電池７７に供給され、燃料電池スタック１０の発電電力が少ないときには二次電池７７から駆動モータ７６に電力が供給されるようになっている。この二次電池７７には、該電池の充電状態を検出する充電状態検出器７８が接続されている。また、燃料電池スタック１０からの電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４を介してコンプレッサモータインバータ７９を介して空気供給装置５１に供給されるようになっている。また、図示を省略するが、燃料電池スタック１０からの電力は、上記の他に、循環装置４２や車内機器などにも供給されるようになっている。
【００２２】
さらに、上記燃料電池システム１は、アクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）８１、加速度センサ８２、車速センサ８３、フットブレーキセンサ８４、窒素濃度センサ８５及びＥＣＵ（制御手段、傾斜検出手段、車両操作検出手段）９０を備えている。
【００２３】
アクセル開度センサ８１は、車両のアクセル開度を検出するものであり、加速度センサ８２は、車両前後方向の加速度を検出するものであり、車速センサ８３は、車両の速度を検出するものである。また、フットブレーキセンサ８４は、ブレーキペダルの操作量を検出するものであり、窒素濃度センサ８５は、燃料電池スタック１０のアノード１１内の窒素濃度を検出するものである。
【００２４】
ＥＣＵ９０は、センサ７１〜７３，７８，８１〜８５からの信号に基づいて、各種弁２３，２４，３２，６２の制御や、アクチュエータ１００などを制御するものである。また、ＥＣＵ９０は、センサ７１〜７３，７８，８１〜８５からの信号に基づいて、アノード１１に供給する水素供給流量及びカソード１２に供給する空気供給流量を制御するようになっている。
【００２５】
具体的にＥＣＵ９０は、アノード１１に供給すべき水素流量と水素圧力調整弁２４の開度との相関を示すテーブルを記憶しており、供給すべき水素量が決定すると該テーブルを参照して、水素圧力調整弁２４の開度を決定して開度信号を送信する。これにより、ＥＣＵ９０は適切な水素流量を供給することとなる。なお、ＥＣＵ９０は開度信号を送信するのに代えてデューティ信号や、水素圧力調整弁２４を駆動するための供給電流の信号を送信するようにしてもよい。
【００２６】
また、ＥＣＵ９０は、カソード１２に供給すべき空気流量と空気供給装置５１の回転数との相関を示すテーブルを記憶しており、供給すべき空気量が決定すると該テーブルを参照して、空気供給装置５１の回転数を決定して回転数指令信号を送信する。これにより、ＥＣＵ９０は適切な空気流量を供給することとなる。なお、ＥＣＵ９０は回転数指令信号を送信するのに代えてトルク信号や、空気供給装置５１を駆動するための供給電流の信号を送信するようにしてもよい。また、供給すべき空気流量と空気供給装置５１の回転数との相関を示すテーブルは予め実験により、燃料電池スタック１０に供給される冷却水の温度や、空気自体の温度ごとに複数作成しておくことが望ましい。また、テーブルを複数作成することに代えて冷却水の温度や空気自体の温度に応じてテーブルの各数値等を補正する補正係数を算出できるようにしてもよい。
【００２７】
さらに、ＥＣＵ９０は、制御機能（制御手段）、傾斜検出機能（傾斜検出手段）、及び運転操作検出機能（運転操作検出手段）を有している。第１の機能である制御機能は、循環装置４２によるガスの循環流量を制御する機能である。ここで、駆動モータ７６などの駆動に必要となる電力を得るためには、その電力に対応した量の水素を燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する必要がある。このため、制御機能は、駆動モータ７６などの駆動に多くの電力を必要としているときには、循環装置４２により循環させられるガス流量を多くし、単位時間あたりにアノード１１に供給される水素量を多くするようになっている。
【００２８】
詳細に説明すると、ＥＣＵ９０は、循環すべきガス流量と循環装置４２の回転数との相関を示すテーブルを記憶しており、循環すべきガス流量が決定すると該テーブルを参照して、循環装置４２の回転数を決定して回転数指令信号を送信する。これにより、ＥＣＵ９０は適切な流量でガスを循環することとなる。なお、ＥＣＵ９０は回転数指令信号を送信するのに代えてトルク信号や、循環装置４２を駆動するための供給電流の信号を送信するようにしてもよい。また、循環すべきガス流量と循環装置４２の回転数との相関を示すテーブルは予め実験により、循環させるガスの温度、窒素濃度、及びガス密度ごとに複数作成しておくことが望ましい。これにより、循環させるガスの状態を検出して適切なテーブルを参照することが可能となり、一層適切な水素ストイキ比を満足できるからである。また、テーブルを複数作成することに代えて循環させるガスの温度、窒素濃度、及びガス密度に応じてテーブルの各数値等を補正する補正係数を算出できるようにしてもよい。
【００２９】
なお、循環装置４２の回転数を決定するにあたり、ＥＣＵ９０は、ガス循環系４０に取り付けられた窒素濃度センサ８５の信号から窒素濃度及びガス密度を検出する。また、ＥＣＵ９０は、循環させるガスの温度、アノード１１の圧力、パージ弁３２の開放時間、及び燃料電池の膜透過係数よりクロスリーク窒素量を推定して窒素濃度を検出するように構成されていてもよい。ここで、クロスリーク窒素量の推定を行う場合、センサレスとすることができるため、システムを簡素化することができ、センサの誤測定を回避することができる。
【００３０】
第２の機能である傾斜検出機能は、車両前後方向について路面の傾斜を検出する機能である。具体的に傾斜検出機能は、例えばナビゲーションシステムからの情報を取り込み、ナビゲーションシステムから取り込んだ情報に含まれる坂道等の情報から傾斜を検出するようになっている。また、傾斜検出機能は車両に設けられた傾斜センサからの信号を取り込んで、傾斜を検出するようになっていてもよい。また、傾斜検出機能は、傾斜の判定に際し、車両の加減速が影響しないように、加速度センサ８２からの信号を利用して、坂道なのか加減速しているのかを判定するように構成されていてもよい。
【００３１】
また、傾斜検出機能は、傾斜の判定に際し、予めアクセル開度と目標駆動トルクとの相関関係を示すテーブルを記憶しておき、アクセル開度センサ８１の信号から目標トルクを求め、実トルクと目標トルクとの差異から傾斜判定するようにされていてもよい。この場合には、傾斜検出機能はナビゲーションシステムや傾斜センサなしで判定することができる。なお、実トルクと目標トルクとの差異から傾斜判定する場合、傾斜検出機能は、実トルクが目標トルクより小さいときは上り坂走行と判定し、実トルクが目標トルクより大きいときは下り坂を走行していると判定する。さらに、傾斜検出機能は、実トルクと目標トルクの差をみて勾配の大きさを推定することとなる。
【００３２】
第３の機能である運転操作検出機能は、運転者の車両操作を検出する機能である。具体的に運転操作検出機能は、フットブレーキセンサ８４からの信号によりブレーキペダルが所定値以上踏み込まれているか否かを判断する。
【００３３】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を説明する。まず、車両加速時には駆動モータ７６で必要とされる電力量が増加することとなる。特に、燃料電池スタック１０のアイドル運転中に急加速を行った場合など、駆動モータ７６の駆動に必要とされる電力量（以下過渡電力量という）が急激に上昇し、燃料電池スタック１０にて過渡電力量分の発電を行えるだけの流量（以下過渡時流量という）のガスを循環させることができず、水素ストイキ比を確保することができなくなることがある。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、車両が急加速されたときに過渡時流量を確保できるように、急加速される前からガス循環流量を予め高めにしておく。なお、予め高めにしておくときの流量を待機流量と称する。
【００３４】
具体的に燃料電池システム１は以下のように動作する。まず、ＥＣＵ９０は、アクセル開度センサ８１により検出されたアクセル開度の情報と、車速センサ８３により検出された車速の情報とを入力する。次に、ＥＣＵ９０は、アクセル開度の情報から現時点で駆動モータ７６の駆動に必要とされる要求電力量を求める。
【００３５】
また、この一方で、ＥＣＵ９０の制御機能は、車両が加速されたと仮定したときに、将来的に駆動モータ７６の駆動に必要とされる過渡電力量を求める。この際、制御機能は、車速センサ８３により検出された車両速度に応じて過渡電力量を求める。より詳しくは制御機能は、車両速度に応じて、車両がフル加速された（アクセルペダルが最大限に踏み込まれた）と仮定したときに駆動モータ７６の駆動に将来的に必要とされる電力量を過渡電力量として求める。
【００３６】
また、制御機能は、過渡電力量を求める際に、車両が傾斜を上っていく方向に、傾斜検出機能により検出された傾斜が大きくなるに従って過渡電力量が大きくなるように補正する。図２は、フル加速を行った場合に駆動モータ７６の駆動に必要とされる過渡電力量を示す説明図である。なお、図２において縦軸は過渡電力量を示し、横軸は車速を示している。
【００３７】
ＥＣＵ９０は図２に示すような過渡電力量テーブルを記憶しており、制御機能はこのテーブルを参照することで過渡電力量を求める。すなわち、制御機能は、検出された車両速度をテーブルに当てはめることで、車両がフル加速された場合に駆動モータ７６の駆動に必要とされる過渡電力量を求める。さらに、制御機能は、勾配が上り方向に大きくなると過渡電力量が大きくなるように補正する（図２中の勾配＋α°参照）。一方、制御機能は、勾配が下り方向に大きくなると過渡電力量が小さくなるように補正する（図２中の勾配−β°参照）。
【００３８】
このようなテーブルをもとに過渡電力量を得た後、制御機能は、過渡電力量から待機電力量を求める。この際、制御機能は、車両が加速されたと仮定したときに、加速開始から所定時間以内に燃料電池スタック１０の発電量が過渡電力量となるように過渡電力量よりも低い電力量を、待機電力量として求める。次に、制御機能は、現時点で駆動モータ７６の駆動に必要とされる要求電力量と、車両のフル加速時に駆動モータ７６に必要とされる過渡電力量から求められた待機電力量とのうち、高い方を選択する。そして、制御機能は、これらのうち高い方の電力量に基づいて、循環装置４２によるガスの循環流量を制御する。ガス循環流量を制御するにあたり、制御機能は、まず水素ストイキ比を求める。
【００３９】
図３は、水素ストイキ比を求める処理の説明図であり、（ａ）はＩ−Ｖ特性を示し、（ｂ）は水素ストイキ比と電流との関係を示している。なお、図３（ａ）において縦軸は電圧を示し、横軸は電流を示している。また、図３（ｂ）において縦軸は水素ストイキ比を示し、横軸は電流を示している。
【００４０】
まず、制御機能は、燃料電池スタック１０の温度を検出する。ここで、燃料電池システム１は燃料電池スタック１０の入口付近及び出口付近にそれぞれ２つの冷却水温度センサ（図示せず）を備え、制御機能は、これらにより検出された温度の平均値を上記燃料電池スタック１０の温度とする。また、制御機能は、入口又は出口いずれか一方の温度を、上記燃料電池スタック１０の温度としてもよい。また、制御機能は、冷却水温度に限らず、空気温度から、上記燃料電池スタック１０の温度を求めるようにしてもよい。
【００４１】
次に、制御機能は、燃料電池スタック１０の温度に基づいて、図３（ａ）に示すテーブルから適切なＩ−Ｖ特性を決定する。そして、制御機能は、要求電力量と待機電力量とのうち高い方の電力量を、決定したＩ−Ｖ特性に当てはめ、電流値を求める。
【００４２】
次いで、制御機能は、求めた電流値に基づいて、図３（ｂ）に示すテーブルから水素ストイキ比を決定する。そして、制御機能は、水素ストイキ比に基づいて、循環装置４２のガスの循環流量を決定する。
【００４３】
次に、制御機能は、上記の演算により求められたガス循環流量から、循環装置４２の回転数を決定する。このとき、制御機能は、循環装置４２により循環させられるガスの窒素濃度や温度、及び循環装置４２によるガス循環流量の最大増大率に応じて、循環装置４２の駆動（回転数）を制御する。
【００４４】
ここで、循環させられるガスの窒素濃度が高いと、そのガス中の水素濃度が低くなるため、多くのガスを循環させる必要がある。よって、循環装置４２の回転数を多くする必要がある。また、循環するガスの温度が高いとガス中の水蒸気量が増えて水素濃度が低くなるため、多くのガスを循環させるべく、循環装置４２の回転数を多くする必要がある。さらに、ガス循環流量の最大増大率が小さいものであると、過渡時流量との関係から、前もってガス循環流量を大きくしておく必要がある。従って、循環装置４２の回転数を多くしておく必要がある。
【００４５】
図４は、演算により求められたガス循環流量と、循環装置４２の回転数との相関を示す説明図である。ＥＣＵ９０は、図４に示すようなテーブルを記憶しており、演算により求められたガス循環流量をテーブルに当てはめることで循環装置４２の回転数を求める。
【００４６】
その後、ＥＣＵ９０は、求めた回転数に応じた回転数指令信号を循環装置４２に送信する。これにより、循環装置４２は信号に応じた回転数で回転して、適切な量のガスを循環させることとなる。ここで、待機電力量と要求電力量とのうち、待機電力量の方が高いと判断されていた場合、循環装置４２により循環させられるガスの流量は待機流量となり、後に急加速があったとしても素早く過渡時流量まで上昇することができることとなる。従って、水素ストイキ比が不足して燃料電池スタック１０が劣化してしまうことを防止できることとなる。
【００４７】
次に、従来の燃料電池システムを搭載した車両で急加速された場合と、本実施形態の燃料電池システム１を搭載した車両で急加速された場合との相違を説明する。図５は、従来の燃料電池システムを搭載した車両で急加速されたときの様子を示す説明図である。
【００４８】
まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、時刻０にて車速「０」の段階からアクセル開度を全開とした場合（実線）、駆動モータ７６により要求される電力量は車速にあわせてＩｄｌｅからゆっくりと上昇していく（図５（ｃ））。このため、駆動モータ７６により要求される電力量に応じて図５（ｄ）に示す如くゆっくりとガスの循環流量をＦ１から上昇させれば、水素ストイキ比は確保されることとなる。このように、車速「０」から急加速する場合、水素ストイキ比は確保される。しかし、以下の場合には水素ストイキ比が確保されず、燃料電池スタック１０の劣化を招いてしまう。
【００４９】
まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において車速Ｖ１の状態で運転者はアクセルペダルを操作していないとする（一点鎖線）。そして、この状態から運転者がアクセル開度を全開とした場合、駆動モータ７６により要求される電力量は、図５（ｃ）に示す如く急激にＷ１まで上昇する。しかし、時刻ｔ１においてアクセル開度が「０」であったため、ガスの循環流量はＦ１に留まっており、循環装置４２の性能上、急激にガスの循環流量をＦ２まで増大させることはできず、水素ストイキ比は確保できなくなる。すなわち、時刻ｔ１から循環装置４２によりガス循環流量を増大させていき、駆動モータ７６に要求される電力量に応じたガスの循環流量Ｆ３に到達する時刻ｔ３までは水素ストイキ比を確保できず、図５（ｄ）に示すような水素ストイキ比の不足領域Ａが存在してしまうこととなる。このため、従来の燃料電池システム１では燃料電池スタック１０の劣化を招いてしまう。
【００５０】
図６は、本実施形態の燃料電池システム１を搭載した車両で急加速されたときの様子を示す説明図である。まず、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において車速Ｖ１の状態で運転者がアクセル開度を全開としたとすると、駆動モータ７６により要求される電力量は、図６（ｃ）に示す如く急激にＷ１まで上昇する。このため、上記の如く、水素ストイキ比の不足領域Ａが存在してしまうと考えられるが、本実施形態において、制御機能は、フル加速したと仮定したときに駆動モータ７６に必要とされる過渡電力量を求め、過渡電力量から待機電力量を求める。そして、制御機能は、ガスの循環流量を、待機電力量分だけ発電できる待機流量としておく（図６（ｄ）の時刻ｔ１以前）。このため、実際にフル加速されたとしても、過渡時流量まで素早く到達させることができ、水素ストイキ比の不足が生じないようになっている。
【００５１】
特に本実施形態において、制御機能は、車両の加速開始から駆動モータ７６の回転数が加速指示に基づく所望の回転数に最短で到達するまでの駆動モータ応答時間で、ガスの循環流量を過渡時流量まで到達させている。すなわち、車両の加速指示があった場合、駆動モータ７６は加速できるように回転数が増大することとなり、これにより、燃料電池スタック１０へ要求する電力量が増大することとなる。ところが、駆動モータ７６の回転数は瞬時に増大するわけでなく、その増大率には限界がある。故に、駆動モータ７６の回転数が加速後の回転数に最短で到達するまでの駆動モータ応答時間が存在することとなる。
【００５２】
具体的に図６と対応させて説明すると、車両の加速開始は時刻ｔ１である。また、加速指示に基づく駆動モータ７６の回転数とは、駆動モータ７６にＷ１の電力が供給されたときの回転数である。すなわち、時刻ｔ１の時点における駆動モータ７６の回転数から、駆動モータ７６にＷ１の電力が供給されたときの回転数まで最短で到達するまでの時間が駆動モータ応答時間（＝ｔ２−ｔ１）となる。
【００５３】
ここで、駆動モータ応答時間よりも短い時間で、ガス循環流量を過渡時流量に到達させるとすると、駆動モータ７６の回転数が加速後の回転数に到達するまえにガス循環流量が目標に達することとなり、循環装置４２の消費電力が大きくなってしまう。従って、駆動モータ応答時間でガスの循環流量を過渡時流量まで到達させることで、ガス循環流量の増加と駆動モータ７６の回転数増大率とを調和させ、消費電力を少なくすることとなる。
【００５４】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細を示すフローチャートを説明する。図７は、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細を示すメインフローチャートである。なお、図７に示す処理は、燃料電池システム１が搭載される車両のイグニッションスイッチがオフされるまで繰り返されるものとする。
【００５５】
まず、図７に示すように、ＥＣＵ９０は、アクセル開度センサ８１により検出されたアクセル開度の情報と、車速センサ８３により検出された車速の情報とを読み込む（ＳＴ１）。次に、ＥＣＵ９０は、アクセル開度の情報から現時点で駆動モータ７６の駆動に必要とされる要求電力量を求める（ＳＴ２）。
【００５６】
次いで、ＥＣＵ９０の制御機能は、過渡電力量演算判定処理を実行する（ＳＴ３）。この処理において、車両操作検出機能は、運転者による車両操作を検出する。そして、制御機能は、検出された車両操作から過渡電力量を求める必要があるか否かを判定する。すなわち、急加速の可能性がない場合には過渡電力量を求める必要がないため、制御機能は急加速の可能性などを判断して、過渡電力量を求める必要があるか否かを判定する。これにより、過渡電力量を求める必要がないと判断できるときには、ステップＳＴ４において過渡電力量に基づくガスの循環流量の制御を禁止する。すなわち、制御機能は、ステップＳＴ４において過渡電力量を演算するか否かを判断し（ＳＴ４）、ステップＳＴ３にて過渡電力量を演算しないと判断されていた場合には（ＳＴ４：ＮＯ）、過渡電力量の演算を省略して処理をステップＳＴ８に進める。
【００５７】
他方、ステップＳＴ３にて過渡電力量を演算すると判断されていた場合には（ＳＴ４：ＹＥＳ）、制御機能は、過渡電力量を演算する（ＳＴ５）。この際、制御機能は、車速センサ８３により検出された車両速度を、図２を参照して説明したテーブルに当てはめて過渡電力量を求める。また、制御機能は、勾配が上り方向に大きくなると過渡電力量が大きくなるように補正し、勾配が下り方向に大きくなると過渡電力量が小さくなるように補正する。
【００５８】
次に、制御機能は、過渡電力量から待機電力量を求める（ＳＴ６）。このとき、制御機能は、車両が加速されたと仮定したときに、加速開始から所定時間以内に燃料電池スタック１０の発電量が過渡電力量となるような待機電力量を求める。すなわち、図６（ｄ）を参照して説明したように、素早く過渡時流量とすることができる待機流量を循環させたときの燃料電池スタック１０の発電量を待機電力量として求める。
【００５９】
その後、制御機能は、要求電力量と待機電力量とのうち高い方を選択する（ＳＴ７）。次に、制御機能は、これらのうち高い方の電力量に基づいて、ガスの循環流量を演算する（ＳＴ８）。このとき、制御機能は、図３を参照して説明したように水素ストイキ比を求め、水素ストイキ比から循環装置４２により循環させられるガスの流量を決定する。
【００６０】
次いで、制御機能は、演算により求められたガス循環流量から、循環装置４２の回転数を決定する（ＳＴ９）。このとき、制御機能は、図４を参照して説明したテーブルを用いると共に、循環装置４２により循環させられるガスの窒素濃度や温度、及び循環装置４２によるガス循環流量の最大増大率に応じて、循環装置４２の駆動（回転数）を決定する。
【００６１】
その後、ＥＣＵ９０は、求めた回転数に応じた回転数指令信号を循環装置４２に送信する（ＳＴ１０）。その後、処理は終了する。これにより、待機電力量と要求電力量とのうち待機電力量の方が高いと判断されていた場合、循環装置４２により循環させられるガスの流量は待機流量となり、後に急加速があったとしても素早く過渡時流量まで上昇することとなる。
【００６２】
図８は、図７に示した過渡電力量演算判定処理（ＳＴ３）の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、ＥＣＵ９０の制御機能は、フットブレーキセンサ８４からブレーキペダルの操作量を読み込む（ＳＴ１１）。次いで、制御機能は、ブレーキペダルの操作量が所定量以上か否かを判断する（ＳＴ１２）。
【００６３】
ここで、ブレーキペダルの操作量が所定量以上であると判断した場合（ＳＴ１２：ＹＥＳ）、制御機能は過渡電力量を演算しないと判断し（ＳＴ１３）、処理は図７のステップＳＴ４に移行する。すなわち、制御機能は、ブレーキペダルの操作量が所定量以上である場合、減速中であり加速は考えられないため、過渡電力量を演算しないと判断する。
【００６４】
一方、ブレーキペダルの操作量が所定量以上でないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、制御機能は、車速が所定値以下であるか否かを判断する（ＳＴ１４）。車速が所定値以下であると判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、制御機能は過渡電力量を演算しないと判断し（ＳＴ１３）、処理は図７のステップＳＴ４に移行する。すなわち、制御機能は、車速が所定値以下である場合、図５に示したように急加速しても水素ストイキ比が不足することとならないため、過渡電力量を演算しないと判断する。
【００６５】
また、車速が所定値以上でないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、制御機能は、充電状態検出器７８から二次電池７７の充電量を検出する（ＳＴ１５）。そして、制御機能は、二次電池７７の充電量が所定量以下か否かを判断する（ＳＴ１６）。二次電池７７の充電量が所定量以下であると判断した場合（ＳＴ１６：ＹＥＳ）、制御機能は、過渡電力量を演算しないと判断し（ＳＴ１３）、処理は図７のステップＳＴ４に移行する。ここで、過渡電力量に基づくガスの循環流量制御を行うと、駆動モータ７６による要求以上にガスを循環させるため、消費電力が大きくなってしまう。このため、制御機能は、二次電池７７の充電量が所定量以下である場合には、消費電力が大きくなる制御を回避するために、過渡電力量を演算しないと判断する。
【００６６】
一方、二次電池７７の充電量が所定量以下でないと判断した場合（ＳＴ１６：ＮＯ）、制御機能は、過渡電力量を演算すると判断し（ＳＴ１７）、処理は図７のステップＳＴ４に移行する。すなわち、制御機能は、ステップＳＴ１２において急加速の可能性があると判断され、ステップＳＴ１４において急加速時に水素ストイキ比の不足が予測され、且つステップＳＴ１６において本システム１が多少の消費電力の増加に耐えるようになっていることから、過渡電力量を演算すると判断することとなる。そして、上記した如く、待機電力量が求められ、急加速時に水素ストイキ比が不足しないように、ガスの循環流量が待機流量とされる。
【００６７】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、車両が加速されたと仮定したときに駆動モータ７６の駆動に必要とされる過渡電力量を、車両速度に応じて求めることとしている。ここで、車両加速時には駆動モータ７６で必要とされる電力量が増加することとなる。特に、燃料電池スタック１０のアイドル運転中に急加速を行った場合など、駆動モータ７６の駆動に必要とされる電力量（過渡電力量）が急激に上昇し、燃料電池スタック１０にて過渡電力量分の発電が行えるだけのガスを循環させることができず、水素ストイキ比を確保することができなくなることがある。制御機能は、このように増加する電力量である過渡電力量を求める。
【００６８】
そして、過渡電力量に基づいてガスの循環流量を制御することとしている。上記の如く、急加速時には水素ストイキ比を確保することができなくなることがある。しかし、過渡電力（量）に基づいてガスの循環流量を制御していれば、急加速時においても水素ストイキ比を確保することが可能となる。例えば、過渡電力量に応じた発電を行えるようにガスの循環流量を予め高めにしておくなどの制御をすることで、水素ストイキ比を確保することができる。また、水素ストイキ比を確保できるため、車両の加速性能が低下してしまうことを防止できる。
【００６９】
従って、たとえ要求される電力量が急激に変化する状況下にあっても水素ストイキ比を確保し、燃料電池スタック１０の劣化を抑制すると共に、運転者に違和感を与えてしまうことを防止することができる。
【００７０】
また、車両がフル加速されたと仮定したときに駆動モータ７６の駆動に必要とされる電力量を過渡電力量とする。ここで、運転者がフル加速した場合、駆動モータ７６の駆動に必要とされる電力量が最大限に増大することとなるため、このような最大限に増加する電力量を過渡電力量としておくことで、確実に水素ストイキ比を確保して燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができる。
【００７１】
また、車両が加速されたと仮定したときに、加速開始から所定時間以内に燃料電池スタック１０の発電量が過渡電力量となるように過渡電力量よりも低い待機電力量を求めておく。そして、求めた待機電力量分の発電が行えるように循環装置４２により循環させられるガスの流量を制御することとしている。このため、車両の加速が行われるまではガス循環流量を、過渡時流量よりも小さい待機流量に留めておくことができ、加速が行われるまでに循環装置４２により消費される電力量を少なくすることができる。
【００７２】
また、所定時間は、車両の加速指示があってから駆動モータ７６の回転数が加速後の回転数に最短で到達するまでの駆動モータ応答時間に相当することとしている。すなわち、車両の加速指示があった場合、駆動モータ７６は加速できるように回転数が増大することとなり、これにより、燃料電池スタック１０の発電量が増大することとなる。ところが、駆動モータ７６の回転数は瞬時に増大するわけでなく、その増大量には限界がある。故に、駆動モータ７６の回転数が加速後の回転数に最短で到達するまでの駆動モータ応答時間が存在することとなる。ここで、駆動モータ応答時間よりも短い時間で、ガス循環流量を過渡電力量分の発電を行える流量に到達させるとすると、駆動モータ７６の回転数が加速後の回転数に到達するまえにガス循環流量が目標に達することとなり、消費電力が大きくなってしまう。従って、駆動モータ応答時間を所定時間とすることで、ガス循環流量の増加と駆動モータ７６の回転数増大とを調和させ、消費電力を少なくすることができる。
【００７３】
また、アクセル開度に基づいて求められる駆動モータ７６の要求電力量と待機電力量とのうち、高い方に応じて循環装置４２により循環させられるガスの流量を制御することとしている。このため、低車速で高負荷運転している場合など、アクセル開度に基づいて求められる駆動モータの要求電力量が待機電力量よりも高くなる場合にあっても、水素ストイキ比を確保して燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができる。
【００７４】
また、車両が傾斜を上っていく方向に、傾斜が大きくなるに従って過渡電力量が大きくなるように補正するため、上り坂であれば過渡電力量を大きく補正することとなり、求められた過渡電力量と駆動モータ７６にて実際に必要となる電力量とに乖離が生じて水素ストイキ比が不足することを回避することができる。また、逆に下り坂であれば、過渡電力量を小さく補正することとなり、過渡電力量と駆動モータ７６にて実際に必要となる電力量とに乖離が生じ、ガス循環流量が余分に増大して、無駄に電気量消費することを回避することができる。
【００７５】
また、車両操作を検出して、過渡電力量に基づいたガス循環流量制御の必要性を判断し、過渡電力量に基づいたガス循環流量制御の必要がないときには、過渡電力量に基づくガスの循環流量の制御を禁止することとしている。このため、ブレーキペダルが所定量以上踏み込まれて急加速がない場合などには、過渡電力量に基づいたガス循環流量制御の必要がないと判断され、ガス循環流量が予め大きめにされることがなくなり、余分な電力消費を防止することができる。
【００７６】
また、循環させられるガスの窒素濃度や温度、及び循環可能なガスの最大増大率に応じて循環装置４２の回転数を決定することとしている。ここで、ガスの窒素濃度が高いと水素濃度が低くなり、過渡時流量を大きくしておく必要がある。また、循環するガスの温度が高いとガス中の水蒸気量が増えて水素濃度が低くなるため、過渡時流量を大きくしておく必要がある。さらに、ガス循環流量の最大増大率が小さいものであると、過渡時流量との関係から、前もってガス循環流量を大きくしておく必要がある。このように、循環させられるガスの窒素濃度や温度、及び循環可能なガスの最大増大率に応じて循環装置４２の駆動することで、より正確に水素ストイキ比を確保することができる。
【００７７】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態では、急加速前にガスの循環流量を待機流量としているが、これに限らず、急加速前にガスの循環流量を過渡時流量とするようにしてもよい。
【００７８】
また、本実施形態では、循環させられるガスの窒素濃度や温度、及び循環可能なガスの最大増大率の３つに応じて循環装置４２の回転数を調整することとしているが、これに限らず、上記のうち少なくとも１つに応じて循環装置４２の回転数を決定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】フル加速を行った場合に駆動モータの駆動に必要とされる過渡電力量を示す説明図である。
【図３】水素ストイキ比を求めるための説明図であり、（ａ）はＩ−Ｖ特性を示し、（ｂ）は水素ストイキ比と電流との関係を示している。
【図４】演算により求められたガス循環流量と、循環装置の回転数との相関を示す説明図である。
【図５】従来の燃料電池システムを搭載した車両で急加速されたときの様子を示す説明図であり、（ａ）はアクセル開度と経過時間との相関を示し、（ｂ）は車速と経過時間との相関を示し、（ｃ）は駆動モータ要求出力と経過時間との相関を示し、（ｄ）はガス循環流量と経過時間との相関を示している。
【図６】本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両で急加速されたときの様子を示す説明図であり、（ａ）はアクセル開度と経過時間との相関を示し、（ｂ）は車速と経過時間との相関を示し、（ｃ）は駆動モータ要求出力と経過時間との相関を示し、（ｄ）はガス循環流量と経過時間との相関を示している。
【図７】本実施形態に係る燃料電池システムの詳細を示すメインフローチャートである。
【図８】図７に示した過渡電力量演算判定処理（ＳＴ３）の詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…アノード
１２…カソード
２０…燃料ガス供給系
２１…水素供給装置
２２…水素供給配管
２３…水素遮断弁
２４…水素圧力調整弁
３０…燃料ガス排出系
３１…水素排出配管
３２…パージ弁
３２…開閉弁
４０…ガス循環系
４１…循環配管
４２…循環装置（ガス循環手段）
５０…酸化剤ガス供給系
５１…空気供給装置
５２…フィルタ
５３…空気供給配管
５４…冷却器
５５…加湿装置
６０…酸化剤ガス排出系
６１…空気排出配管
６２…空気圧力調整弁
７１…アノード側圧力センサ
７２…カソード側圧力センサ
７３…流量センサ
７４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
７５…車両モータインバータ
７６…駆動モータ
７７…二次電池
７８…充電状態検出器
７９…コンプレッサモータインバータ
８１…アクセル開度センサ（アクセル開度検出手段）
８２…加速度センサ
８３…車速センサ（車速検出手段）
８４…フットブレーキセンサ
８５…窒素濃度センサ
９０…ＥＣＵ（制御手段、傾斜検出手段、車両操作検出手段）
１００…アクチュエータ
【図１】
2006309977.tif 000003
【図２】
2006309977.tif 000004
【図３】
2006309977.tif 000005
【図４】
2006309977.tif 000006
【図５】
2006309977.tif 000007
【図６】
2006309977.tif 000008
【図７】
2006309977.tif 000009
【図８】
2006309977.tif 000010