(57)【要約】【課題】移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、低負荷運転制御時の出力応答性を確保するとともに、クロスリークを効果的に抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス給排気部と、酸化剤ガス給排気部と、冷却媒体循環部と、制御部と、を備える。この燃料電池システムは、電気自動車に動力源として搭載される。制御部は、低負荷運転制御時あって、電気自動車のブレーキがオフ状態であるときに、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力が第１の圧力となるように、燃料ガス給排気部を制御することを含む第１の運転制御モードを実行し、第１の運転制御モードの実行中であって、電気自動車のブレーキがオン状態に変化したときに、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力が第１の圧力よりも低い第２の圧力となるように、燃料ガス給排気部を制御する第２の運転制御モードに移行する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に搭載される燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードが形成され、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記アノードへの前記燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、
前記燃料電池のカソードへの前記酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池に対する要求出力が所定値以下である低負荷運転制御時であって、前記移動体のブレーキがオフ状態であるときに、前記アノードにおける前記燃料ガスの圧力が第１の圧力となるように、前記燃料ガス給排気部を制御することを含む第１の運転制御モードを実行し、該第１の運転制御モードの実行中であって、前記ブレーキがオン状態に変化したときに、前記アノードにおける前記燃料ガスの圧力が前記第１の圧力よりも低い第２の圧力となるように、前記燃料ガス給排気部を制御する第２の運転制御モードに移行する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記第２の運転制御モードの実行中であって、前記ブレーキがオフ状態に変化したときに、前記第１の運転制御モードに移行する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料ガス給排気部の制御として、前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が発電に伴って発熱した熱を利用して暖房を行う暖房装置を備え、
前記第１の運転制御モードは、さらに、前記燃料電池内の湿度が第１の湿度となるように、前記酸化剤給排気部を制御することを含み、
前記制御部は、前記第１の運転制御モードを実行中であって、前記暖房装置が停止中である場合に、前記燃料電池内の湿度が前記第１の湿度よりも低い第２の湿度となるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス給排気部は、前記カソードオフガスの排気圧力を調節する圧力調節弁を備え、
前記制御部は、前記酸化剤ガス給排気部の制御として、前記圧力調節弁の開度を増大させることによって、前記燃料電池内の湿度を低下させる、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または５記載の燃料電池システムであって、
前記第１の運転制御モードは、さらに、前記燃料電池の温度が第１の温度となるように、前記冷却媒体循環部を制御することを含み、
前記制御部は、前記第１の運転制御モードを実行中であって、前記暖房装置が動作中である場合に、前記燃料電池の出力と、前記暖房に要する前記熱を前記燃料電池が発熱するために必要な最低必要出力との比較を行い、前記燃料電池の出力が、前記最低必要出力よりも高い場合に、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記比較の結果、前記燃料電池の出力が、前記最低必要出力よりも高い場合に、さらに、前記燃料電池内の湿度が前記第１の湿度よりも低い第３の湿度となるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項８】
移動体に搭載される燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードが形成され、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記アノードへの前記燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、
前記燃料電池のカソードへの前記酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、を備え、
前記制御方法は、
前記燃料電池に対する要求出力が所定値以下である低負荷運転制御時であって、前記移動体のブレーキがオフ状態であるときに、前記アノードにおける前記燃料ガスの圧力が第１の圧力となるように、前記燃料ガス給排気部を制御することを含む第１の運転制御モードを実行する工程と、
前記第１の運転制御モードの実行中であって、前記ブレーキがオン状態に変化したときに、前記アノードにおける前記燃料ガスの圧力が前記第１の圧力よりも低い第２の圧力となるように、前記燃料ガス給排気部を制御する第２の運転制御モードに移行する工程と、
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体に搭載される燃料電池システム、および、この燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アノードに供給された燃料ガス（例えば、水素）とカソードに供給された酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、近年では、この燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池によって発電された電力を動力源とする電気自動車（燃料電池自動車）等の移動体にも搭載される。
【０００３】
移動体に搭載される燃料電池システムでは、移動体のアクセルやブレーキの操作に応じて、燃料電池に対する要求出力が頻繁に変化する。そして、このような燃料電池システムでは、エネルギ効率を向上させたり、要求出力の変化（増大）に対する出力応答性を向上させたりするために、一般に、燃料電池に対する要求出力に応じて、燃料電池システムの運転制御が切り換えられることが多い。例えば、燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求出力が比較的高い場合の運転制御（高負荷運転制御、あるいは、通常運転制御）と、燃料電池に対する要求出力が比較的低い場合の運転制御（低負荷運転制御）との間で運転制御モードを切り換える間欠運転が行われる。
【０００４】
ところで、燃料電池では、アノードに供給された燃料ガスが、アノード側から電解質膜を透過して、カソード側に移動するクロスリーク（クロスオーバーとも言う）が発生することが知られている。そして、このクロスリークは、燃料電池の燃費の悪化や、発電性能の低下を招く。そこで、従来、燃料電池におけるクロスリークを抑制するための種々の技術が提案されている（下記特許文献参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０２８３６号公報
【特許文献２】特開２００９−１１７２５１号公報
【特許文献３】特開２００８−１５３０３２号公報
【特許文献４】特開２００７−５９３４８号公報
【特許文献５】特開２００５−３３９８４５号公報
【特許文献６】特開２００５−２５１４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献に記載された技術では、燃料電池に対する要求出力が比較的低い低負荷運転制御時のクロスリークの抑制について、さらなる改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、低負荷運転制御時の出力応答性を確保するとともに、クロスリークを効果的に抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
移動体に搭載される燃料電池システムであって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードが形成され、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記アノードへの前記燃料ガスの供給、および、前記アノードから排出されるアノードオフガスの排気を行う燃料ガス給排気部と、
前記燃料電池のカソードへの前記酸化剤ガスの供給、および、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排気を行う酸化剤ガス給排気部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池に対する要求出力が所定値以下である低負荷運転制御時であって、前記移動体のブレーキがオフ状態であるときに、前記アノードにおける前記燃料ガスの圧力が第１の圧力となるように、前記燃料ガス給排気部を制御することを含む第１の運転制御モードを実行し、該第１の運転制御モードの実行中であって、前記ブレーキがオン状態に変化したときに、前記アノードにおける前記燃料ガスの圧力が前記第１の圧力よりも低い第２の圧力となるように、前記燃料ガス給排気部を制御する第２の運転制御モードに移行する、
燃料電池システム。
【００１０】
一般に、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力が低いほど、クロスリークの量（クロスリーク量）は、少なくなる。一方、燃料電池システムの低負荷運転制御中に、常に燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力を低下させると、燃料電池に対する要求出力が急激に増大した場合の出力応答性が悪化する。このため、従来、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力は、上記出力応答性を考慮して、比較的高い値に維持されていた。
【００１１】
適用例１の燃料電池システムでは、低負荷運転制御時であって、移動体のブレーキがオフ状態であるときに、上記第１の運転モードを実行し、この第１の運転モードを実行中であって、ブレーキがオン状態に変化したときに、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力を低下させる。こうすることによって、クロスリーク量を低減することができる。移動体のブレーキがオン状態である期間は、一般に、移動体のアクセルがオン状態とされる可能性は低く、燃料電池に対する要求出力が急激に増大する可能性も低い。したがって、適用例１の燃料電池システムによって、低負荷運転制御時の出力応答性を確保するとともに、クロスリークを抑制することができる。なお、適用例１の燃料電池システムにおいて、「第１の圧力」は、予め定められた固定値であってもよいし、所定の範囲内で変動する変動値であってもよい。
【００１２】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記第２の運転制御モードの実行中であって、前記ブレーキがオフ状態に変化したときに、前記第１の運転制御モードに移行する、
燃料電池システム。
【００１３】
移動体のブレーキがオン状態であるときに、オフ状態に変化すると、次に、移動体のアクセルがオン状態とされて、燃料電池に対する要求出力が急激に増大する可能性が高い。
【００１４】
適用例２の燃料電池システムでは、上記第２の運転モードの実行中に、移動体のブレーキがオフ状態に変化したときに、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力を増大させる。こうすることによって、移動体のアクセルがオン状態とされて、燃料電池に対する要求出力が急激に増大した場合の出力応答性を確保することができる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料ガス給排気部の制御として、前記アノードへの前記燃料ガスの供給量を制御する、
燃料電池システム。
【００１６】
適用例３の燃料電池システムによって、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力を容易に制御することができる。なお、上記制御部は、上記燃料ガス給排気部の制御として、燃料電池のアノードからのアノードオフガスの排気量を制御して、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの圧力を制御するようにしてもよい。
【００１７】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が発電に伴って発熱した熱を利用して暖房を行う暖房装置を備え、
前記第１の運転制御モードは、さらに、前記燃料電池内の湿度が第１の湿度となるように、前記酸化剤給排気部を制御することを含み、
前記制御部は、前記第１の運転制御モードを実行中であって、前記暖房装置が停止中である場合に、前記燃料電池内の湿度が前記第１の湿度よりも低い第２の湿度となるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００１８】
適用例４の燃料電池システムは、上記暖房装置を備えるので、この暖房装置が動作中に、クロスリーク量を低減するために、燃料電池内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させると、燃料電池の出力が低下して、燃料電池の発熱も低下する。このため、上記暖房装置が暖房を行うために必要な熱が、燃料電池から得られなくなる場合がある。
【００１９】
適用例４の燃料電池システムでは、上記暖房装置を備えていても、この暖房装置が停止中である場合には、暖房装置は、燃料電池からの熱を必要としないので、燃料電池の発熱の低下を考慮せずに、燃料電池内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させることによって、クロスリーク量を低減することができる。なお、適用例４の燃料電池システムにおいて、「第１の湿度」は、予め定められた固定値であってもよいし、所定の範囲内で変動する変動値であってもよい。
【００２０】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス給排気部は、前記カソードオフガスの排気圧力を調節する圧力調節弁を備え、
前記制御部は、前記酸化剤ガス給排気部の制御として、前記圧力調節弁の開度を増大させることによって、前記燃料電池内の湿度を低下させる、
燃料電池システム。
【００２１】
適用例５の燃料電池システムでは、上記圧力調節弁の開度を増大させることによって、燃料電池内の掃気量を増大させることができる。この結果、燃料電池内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させることができる。なお、上記酸化剤ガス給排気部が、酸化剤ガスを加湿するための加湿器を備える場合には、加湿器の機能を停止させることによって、燃料電池内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させるようにしてもよい。また、上記酸化剤ガス給排気部による酸化剤ガスの供給量を増大させることによって、燃料電池内の掃気量を増大させるようにしてもよい。
【００２２】
［適用例６］
適用例４または５記載の燃料電池システムであって、
前記第１の運転制御モードは、さらに、前記燃料電池の温度が第１の温度となるように、前記冷却媒体循環部を制御することを含み、
前記制御部は、前記第１の運転制御モードを実行中であって、前記暖房装置が動作中である場合に、前記燃料電池の出力と、前記暖房に要する前記熱を前記燃料電池が発熱するために必要な最低必要出力との比較を行い、前記燃料電池の出力が、前記最低必要出力よりも高い場合に、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【００２３】
適用例６の燃料電池システムによって、上記暖房装置による暖房に要する熱を確保しつつ、燃料電池の運転温度、すなわち、電解質膜の温度を低下させることによって、クロスリーク量を低減することができる。なお、適用例６の燃料電池システムにおいて、「第１の温度」は、予め定められた固定値であってもよいし、所定の範囲内で変動する変動値であってもよい。また、適用例６の燃料電池システムにおいて、「第２の温度」は、上記暖房装置が暖房を行うために必要な熱が燃料電池から得られる範囲内で設定される。
【００２４】
［適用例７］
適用例６記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記比較の結果、前記燃料電池の出力が、前記最低必要出力よりも高い場合に、さらに、前記燃料電池内の湿度が前記第１の湿度よりも低い第３の湿度となるように、前記酸化剤ガス給排気部を制御する、
燃料電池システム。
【００２５】
適用例７の燃料電池システムによって、上記暖房装置による暖房に要する熱を確保しつつ、燃料電池の運転温度、すなわち、電解質膜の温度を低下させるとともに、燃料電池内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させることによって、クロスリーク量を低減することができる。なお、適用例７の燃料電池システムにおいて、「第３の温度」は、上記暖房装置が暖房を行うために必要な熱が料電池から得られる範囲内で設定される。また、「第３の温度」は、「第２の温度」と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００２６】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとして構成の他、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを搭載した移動体の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２７】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池スタック１０内の湿度とクロスリーク量との関係、および、燃料電池スタック１０の温度とクロスリーク量との関係を示す説明図である。
【図３】低負荷運転制御の開始時、および、低負荷運転制御中の各種運転条件とクロスリーク量との関係を示す説明図である。
【図４】燃料電池システム１００の低負荷運転制御の流れ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】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、いわゆる電気自動車に、動力源として搭載される。
【００３０】
燃料電池システム１００において、燃料電池（ＦＣ）スタック１０は、水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード（水素極）、および、カソード（酸素極）を形成することによって構成されている（図示省略）。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を利用するものとした。
【００３１】
燃料電池スタック１０のアノードには、水素供給配管２３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いるものとしてもよい。
【００３２】
水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２等によって圧力、および、供給量が調整されて、燃料電池スタック１０の各アノードに供給される。なお、水素供給配管２３には、水素供給配管２３内の圧力を検出するための圧力センサ２９が配設されている。
【００３３】
そして、アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、アノードオフガス排出配管２４に排出される。アノードオフガス排出配管２４に排出された発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環配管２５を介して、水素供給配管２３に再循環させることができる。なお、アノードオフガスの圧力は、燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費された結果、比較的低い状態となっている。このため、循環配管２５には、アノードオフガスの再循環時に、アノードオフガスを加圧するための水素循環ポンプ２６が配設されている。アノードオフガス排出配管２４には、配管２７が分岐して接続されており、この配管２７には、パージ弁２８が配設されている。このパージ弁２８が閉じられている間は、発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環配管２５を介して、再び燃料電池スタック１０に循環される。こうすることによって、水素を有効利用することができる。
【００３４】
アノードオフガスの再循環中、水素は発電で消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソード側からアノード側に電解質膜を介して透過した窒素などは、消費されずに残留するため、アノードオフガス中の不純物の濃度は、徐々に増大する。このとき、パージ弁２８が開弁されると、アノードオフガスは、配管２７，４０を介して、後述するカソードオフガスとともに、燃料電池システム１００の外部に排出される。こうすることによって、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減することができる。
【００３５】
水素タンク２０と、シャットバルブ２１と、レギュレータ２２と、水素供給配管２３と、アノードオフガス排出配管２４と、循環配管２５と、水素循環ポンプ２６と、配管２７と、パージ弁２８と、圧力センサ２９と、配管４０とは、［発明を解決するための手段］における燃料ガス給排気部に相当する。
【００３６】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有した酸化剤ガスとして、圧縮空気が供給される。空気は、エアクリーナ３０から吸入され、エアコンプレッサ３２によって圧縮され、空気供給配管３４から燃料電池スタック１０のカソードに供給される。そして、本実施例では、空気供給配管３４には、空気供給配管３４内を流れる空気の温度を検出するための温度センサ３７と、空気供給配管３４内の圧力を検出するための圧力センサ３８とが配設されている。
【００３７】
カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３５に流出する。配管３５には、圧力調節弁３６、および、配管３５内の圧力を検出するための圧力センサ３９が配設されており、この圧力調節弁３６を制御することによって、燃料電池スタック１０内の空気の圧力を制御することができる。配管３５に、さらに、配管３５内を流れるカソードオフガスの湿度を検出するための湿度センサを配設するようにしてもよい。配管３５に流出したカソードオフガスは、配管４０を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００３８】
エアクリーナ３０と、エアコンプレッサ３２と、空気供給配管３４と、配管３５と、圧力調節弁３６と、温度センサ３７と、圧力センサ３８，３９と、配管４０とは、［課題を解決するための手段］における酸化剤ガス給排気部に相当する。
【００３９】
燃料電池スタック１０は、上述した電気化学反応によって発熱する。このため、燃料電池スタック１０の温度を発電に適した温度に維持するために、燃料電池スタック１０には、冷却水も供給される。この冷却水は、ウォータポンプ５１によって、冷却水用の配管５２を流れ、ラジエータ５０によって冷却されて、燃料電池スタック１０に供給される。配管５２には、図示するように、ラジエータ５０を通さずに、冷却水を循環させるためのバイパス配管５３が接続されており、さらに、配管５２とバイパス配管５３との一方の接続部には、三方弁５４が配設されている。三方弁５４を切り換えることによって、ラジエータ５０を通さずに、配管５２、および、バイパス配管５３を介して、冷却水を循環させることも可能である。なお、図示するように、ラジエータ５０の冷却水の流れ方向についての上流側の配管５２、ラジエータ５０と三方弁５４との間の配管５２、ウォータポンプ５１の冷却水の流れ方向についての下流側の配管５２には、それぞれ、温度センサ５５，５６，５７が配設されている。
【００４０】
また、本実施例の燃料電池システム１００は、図示は省略しているが、燃料電池スタック１０が発電に伴って発熱した熱を利用して、電気自動車の暖房を行う暖房装置を備えている。
【００４１】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット６０によって制御される。制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。具体的には、制御ユニット６０は、例えば、電気自動車のブレーキおよびアクセルのオン・オフ状態や、暖房装置の動作状態や、燃料電池スタック１０に対する要求出力や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブや、水素循環ポンプ２６、ウォータポンプ５１や、エアコンプレッサ３２の駆動等、システムの運転を制御する。制御ユニット６０は、本発明における制御部に相当する。
【００４２】
本実施例の燃料電池システム１００は、先に説明したように、電気自動車に搭載されるため、アクセルやブレーキの操作に応じて、燃料電池スタック１０に対する要求出力が頻繁に変化する。このため、本実施例の燃料電池システム１００では、エネルギ効率を向上させたり、要求出力の変化（増大）に対する出力応答性を向上させたりするために、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じて、燃料電池システム１００の運転制御モードを切り換える。本実施例では、燃料電池システム１００の運転制御モードとして、燃料電池スタック１０に対する要求出力が比較的高い場合に実行される通常運転制御と、燃料電池スタック１０に対する要求出力が比較的低い場合に実行される低負荷運転制御とが用意されている。そして、制御ユニット６０は、燃料電池スタック１０に対する要求出力に応じて、適宜、通常運転制御と低負荷運転制御との間で運転制御を切り換える。以下、本発明の特徴部分である低負荷運転制御について説明する。なお、本実施例の低負荷運転制御では、燃料電池スタック１０におけるクロスリークを抑制するための各種制御が行われる。
【００４３】
Ａ２．低負荷運転制御：
ここで、本実施例における低負荷運転制御の流れについて説明する前に、燃料電池スタック１０内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量とクロスリーク量との関係、および、燃料電池スタック１０の温度、すなわち、電解質膜の温度とクロスリーク量との関係について説明する。さらに、低負荷運転制御の開始時、および、低負荷運転制御中の各種運転条件とクロスリーク量との関係について説明する。
【００４４】
図２は、燃料電池スタック１０内の湿度とクロスリーク量との関係、および、燃料電池スタック１０の温度とクロスリーク量との関係を示す説明図である。図２から分かるように、燃料電池スタック１０内の湿度が低いほど、すなわち、電解質膜の含水量が少ないほど、クロスリーク量は減少する。また、燃料電池スタック１０の温度が低いほど、すなわち、電解質膜の温度が低いほど、クロスリーク量が減少する。また、後述するように、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力が低いほど、クロスリーク量が減少する。本実施例では、上述した電解質膜の特性を利用して、低負荷運転制御時のクロスリーク量の低減を図る。
【００４５】
図３は、低負荷運転制御の開始時、および、低負荷運転制御中の各種運転条件とクロスリーク量との関係を示す説明図である。なお、本実施例では、低負荷運転制御の開始時には、電気自動車のブレーキは、オフ状態であるものとする。
【００４６】
図３（ａ）に示すように、低負荷運転制御の開始時には、目標水素系圧力Ｐｈ、すなわち、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力は、比較的高い圧力Ｐｈｓに設定される。これは、例えば、電気自動車のアクセルがオフ状態からオン状態になって、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大した場合の出力応答性を確保するためである。その後、後述する条件が満たされると、目標水素系圧力Ｐｈは、圧力Ｐｈｃ（＜圧力Ｐｈｓ）に下げられ、クロスリーク量が低減される。なお、図示は省略しているが、圧力Ｐｈｃは、低負荷運転制御時に、燃料電池スタック１０から最低限の出力Ｐｍｉｎが出力される範囲内で設定される。
【００４７】
また、図３（ｂ）に示したように、低負荷運転制御の開始時には、燃料電池スタック１０内の湿度（ＦＣ内湿度）Ｈは、燃料電池スタック１０から比較的大きい出力Ｐｔｈ１が出力される湿度Ｈｓに設定される。これも、例えば、電気自動車のアクセルがオフ状態からオン状態になって、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大した場合の出力応答性を確保するためである。その後、後述する条件が満たされると、燃料電池スタック１０内の湿度Ｈは、湿度Ｈｃ（＜湿度Ｈｓ）に下げられ、クロスリーク量が低減される。なお、湿度Ｈｃは、低負荷運転制御時に、燃料電池スタック１０から最低限の出力Ｐｍｉｎが出力される範囲内で設定される。
【００４８】
また、図３（ｃ）に示したように、低負荷運転制御開始時には、燃料電池スタック１０の目標運転温度（ＦＣ目標運転温度）Ｔは、燃料電池スタック１０から比較的大きな出力Ｐｔｈ１が出力される温度Ｔｓに設定される。これも、例えば、電気自動車のアクセルがオフ状態からオン状態になって、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大した場合の出力応答性を確保するためである。その後、後述する条件が満たされると、燃料電池スタック１０の目標運転温度Ｔは、温度Ｔｃ（＜温度Ｔｓ）に下げられ、クロスリーク量が低減される。なお、温度Ｔｃの設定方法については、後述する。
【００４９】
図４は、燃料電池システム１００の低負荷運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが比較的低い所定値以下である場合に、制御ユニット６０のＣＰＵが実行する処理である。
【００５０】
低負荷運転制御が開始時には、ＣＰＵは、第１の運転制御を実行する（ステップＳ１００）。この第１の運転制御は、図３を用いて説明したように、目標水素系圧力Ｐｈを圧力Ｐｈｓに設定し、燃料電池スタック１０内の湿度Ｈを湿度Ｈｓに設定し、燃料電池スタック１０の目標運転温度Ｔを温度Ｔｓに設定して、各部の制御を行う運転制御である。
【００５１】
そして、ＣＰＵは、電気自動車のブレーキがオン状態に変化したかオフ状態のままであるかの判断を行う（ステップＳ１１０）。電気自動車のブレーキがオン状態に変化した場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、目標水素系圧力Ｐｈを圧力Ｐｈｃに下げ（ステップＳ１２０）、圧力センサ２９の出力を参照しつつ、燃料電池スタック１０への水素の供給量を減少させることによって、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力を低下させる。
【００５２】
図３に示したように、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力が低いほど、クロスリーク量は、少なくなる。一方、燃料電池システム１００の低負荷運転制御中に、常に燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力を低下させると、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大した場合の出力応答性が悪化する。本実施例の低負荷運転制御では、電気自動車のブレーキがオフ状態であるときに、ブレーキがオン状態に変化した場合に、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力を低下させる。こうすることによって、クロスリーク量を低減することができる。電気自動車のブレーキがオン状態である期間は、一般に、電気自動車のアクセルがオン状態とされる可能性は低く、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大する可能性も低い。したがって、上述したステップＳ１１０、および、ステップＳ１２０の処理によって、低負荷運転制御時の出力応答性を確保するとともに、クロスリークを抑制することができる。
【００５３】
ステップＳ１２０の後、ＣＰＵは、電気自動車のブレーキがオフ状態に変化したかオン状態のままであるかの判断を行う（ステップＳ１２２）。そして、ブレーキがオフ状態に変化した場合には（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、第１の運転制御に移行する（ステップＳ１２４）。
【００５４】
電気自動車のブレーキがオン状態であるときに、オフ状態に変化すると、次に、電気自動車のアクセルがオン状態とされて、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大する可能性が高い。したがって、上述したステップＳ１２２、および、ステップＳ１２４の処理によって、電気自動車のアクセルがオン状態とされて、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが急激に増大した場合の出力応答性を確保することができる。
【００５５】
ステップＳ１２４の後、ＣＰＵは、アクセルがオン状態に変化したかオフ状態のままであるかの判断を行う（ステップＳ１２６）。そして、アクセルがオン状態に変化した場合には（ステップＳ１２６：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、通常運転制御を行う（ステップＳ２００）。通常運転制御は、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが出力Ｐｔｈ１よりも大きい場合の運転制御である。
【００５６】
ステップＳ１１０において、電気自動車のブレーキがオフ状態のままである場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０に対する要求出力ＰｒがＰｔｈ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。燃料電池スタック１０に対する要求出力ＰｒがＰｔｈ１よりも大きい場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、通常運転制御を行う（ステップＳ２００）。
【００５７】
一方、燃料電池スタック１０に対する要求出力ＰｒがＰｔｈ１以下である場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、暖房装置が動作中であるか停止中であるかの判断を行う（ステップＳ１４０）。暖房装置が停止中である場合には（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０内の湿度を湿度Ｈｃに低下させる（ステップＳ１５０）。本実施例では、圧力調節弁３６の開度を増大させることによって、燃料電池スタック１０内の掃気量を増大させ、燃料電池スタック１０内の湿度を低下させるものとした。
【００５８】
本実施例の燃料電池システム１００は、先に説明したように、燃料電池スタック１０が発電に伴って発熱した熱を利用して、電気自動車の暖房を行う暖房装置を備えるので、この暖房装置が動作中に、クロスリーク量を低減するために、燃料電池スタック１０内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させると、燃料電池スタック１０の出力が低下して、燃料電池スタック１０の発熱も低下する。このため、暖房装置が暖房を行うために必要な熱が、燃料電池から得られなくなる場合がある。一方、暖房装置が停止中である場合には、暖房装置は、燃料電池スタック１０からの熱を必要としない。上述したステップＳ１４０、および、ステップＳ１５０の処理によって、燃料電池スタック１０の発熱の低下を考慮せずに、燃料電池スタック１０内の湿度、すなわち、電解質膜の含水量を低下させることによって、クロスリーク量を低減することができる。ステップＳ１５０の後は、ＣＰＵは、処理をステップＳ１１０に戻す。
【００５９】
ステップＳ１４０において、暖房装置が動作中である場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の出力が出力Ｐｔｈ２よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１６０）。なお、出力Ｐｔｈ２は、暖房装置が暖房に要する熱を燃料電池スタック１０が発熱するために必要な最低必要出力である。この最低必要出力の値は、ＣＰＵによって、例えば、各種パラメータを用いた演算によって、あるいは、各種運転条件ごとの出力Ｐｔｈ２を記録したマップから求められる。
【００６０】
ステップＳ１６０において、燃料電池スタック１０の出力が出力Ｐｔｈ２よりも大きい場合には（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の目標運転温度を温度Ｔｃに下げる（ステップＳ１７０）。そして、ＣＰＵは、温度センサ５５，５６，５７の出力を参照しつつ、ラジエータ５０や、ウォータポンプ５１や、三方弁５４を制御して、燃料電池スタック１０の運転温度を低下させる。なお、燃料電池スタック１０の目標運転温度Ｔｃは、図３に示したように、燃料電池スタック１０から出力Ｐｔｈ１が出力される温度Ｔｓと出力Ｐｔｈ２が出力される温度Ｔｔｈとの間、すなわち、暖房装置が暖房を行うために必要な熱が燃料電池スタック１０から得られる範囲内で設定される。上述したステップＳ１６０、および、ステップＳ１７０の処理によって、暖房装置による暖房に要する熱を確保しつつ、燃料電池スタック１０の運転温度、すなわち、電解質膜の温度を低下させることによって、クロスリーク量を低減することができる。ステップＳ１７０の後は、ＣＰＵは、処理をステップＳ１００に戻す。
【００６１】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、低負荷運転制御時の出力応答性を確保するとともに、クロスリークを抑制することができる。
【００６２】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０が発電に伴って発熱した熱を利用して、電気自動車の暖房を行う暖房装置を備えているものとしたが、第２実施例の燃料電池システムは、上記暖房装置を備えていない。したがって、第２実施例の低負荷運転制御では、図４に示した低負荷運転制御において、ステップＳ１４０、ステップＳ１６０、および、ステップＳ１７０の処理を省略する。そして、第２実施例の低負荷運転制御では、図４のステップＳ１３０において、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが出力Ｐｔｈ１以下である場合に（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１５０の処理を行う。第２実施例の燃料電池システムによっても、低負荷運転制御時の出力応答性を確保するとともに、クロスリークを抑制することができる。
【００６３】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００６４】
Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例、および、第２実施例では、図４のステップＳ１２０において、燃料電池スタック１０への水素の供給量を減少させることによって、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力を低下させるものとしたが、本発明は、これに限られない。配管２７からのアノードオフガスの排出量を増加させることによって、燃料電池スタック１０のアノードにおける水素の圧力を低下させるものとしてもよい。
【００６５】
Ｃ２．変形例２：
上記第１実施例、および、第２実施例では、図４のステップＳ１５０において、圧力調節弁３６の開度を増大させることによって、燃料電池スタック１０内の掃気量を増大させ、燃料電池スタック１０内の湿度を湿度Ｈｃに低下させるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池システム１００が、燃料電池スタック１０のカソードに供給される空気を加湿するための加湿器を備える場合には、加湿器の機能を停止させることによって、燃料電池スタック１０内の湿度を低下させるようにしてもよい。エアコンプレッサ３２による空気の供給量を増大させることによって、燃料電池スタック１０内の掃気量を増大させるようにしてもよい。
【００６６】
Ｃ３．変形例３：
上記第１実施例では、図４のステップＳ１７０において、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の目標運転温度を温度Ｔｃに下げるものとしたが、本発明は、これに限られない。図４のステップＳ１７０において、燃料電池スタック１０の目標運転温度を下げるとともに、燃料電池スタック１０内の湿度を下げるようにしてもよい。
【００６７】
Ｃ４．変形例４：
上記第２実施例では、図４のステップＳ１３０において、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが出力Ｐｔｈ１以下である場合に（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１５０の処理を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。図４のステップＳ１３０において、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが出力Ｐｔｈ１以下である場合に（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１７０の処理を行うものとしてもよい。この場合、燃料電池スタック１０の目標運転温度Ｔｃを設定する際に、燃料電池スタック１０の出力Ｐｔｈ２を考慮する必要はない。また、図４のステップＳ１３０において、燃料電池スタック１０に対する要求出力Ｐｒが出力Ｐｔｈ１以下である場合に（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１５０の処理を行うとともに、ステップＳ１７０の処理を行うものとしてもよい。
【００６８】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池システム１００は、電気自動車に搭載されるものとしたが、本発明は、これに限られない。上記実施例の燃料電池システム１００は、車両、船舶、航空機等の種々の移動体に搭載可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…水素供給配管
２４…アノードオフガス排出配管
２５…循環配管
２６…水素循環ポンプ
２７…配管
２８…パージ弁
２９…圧力センサ
３０…エアクリーナ
３２…エアコンプレッサ
３４…空気供給配管
３５…配管
３６…圧力調節弁
３７…温度センサ
３８，３９…圧力センサ
４０…配管
５０…ラジエータ
５１…ウォータポンプ
５２…配管
５３…バイパス配管
５４…三方弁
５５，５６，５７…温度センサ
６０…制御ユニット
【図１】
2011258497.tif 000003
【図２】
2011258497.tif 000004
【図３】
2011258497.tif 000005
【図４】
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