(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
反応ガス供給源から送り出された前記反応ガスを前記燃料電池に供給するガス流路と、
前記反応ガスを残留させるガス残留部と、
前記燃料電池への前記反応ガスの供給量を制御し、前記燃料電池を発電制御する発電制御部とを備え、
前記ガス残留部は、
前記燃料電池に供給された余剰の前記反応ガスを外部に排出する排出管から分岐して前記ガス流路に合流する循環流路を備え、該循環流路に前記反応ガスを残留させて、該残留した前記反応ガスを前記反応ガス供給源からの反応ガス送り出しと合わせて前記ガス流路とは別系統で前記燃料電池に供給可能とされ、
前記発電制御部は、
前記燃料電池の発電状況が発電電流の増加勾配が所定の閾値を超える電流急増状況下での前記燃料電池への前記反応ガスの供給を、前記ガス流路と前記ガス残留部の前記循環流路とを併用して行うものとし、前記電流急増状況下での前記反応ガスの供給量を、前記増加勾配が前記閾値に達しない場合の前記反応ガスの供給量より大きくして、前記発電制御を行う
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を搭載し、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムとこれを搭載した車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを構成する燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両膜面に電極を配置した膜電極接合体を備える。そして、燃料電池は、この膜電極接合体のアノードに燃料ガスを、カソードに酸素含有ガスの供給を受けて発電し、その発電電力を外部の負荷に出力する。こうした燃料システムでは、通常、外部の負荷が要求する要求電力に対応したガス量で上記の燃料ガスと酸素含有ガスが供給される。ところで、要求電力は燃料電池での発電電力の範囲内、或いは、２次電池併用の場合は電池の蓄電電力と燃料電池発電電力の総和の範囲内に収まっていることが、電池運転の上から望ましいものの、要求電力が増大側に推移する事態も起き得る。こうした事態に対処すべく、要求電力の増大が起きると、燃料ガスや酸素含有ガスといった反応ガスのガス供給源を供給量増大側に駆動制御して、ガス供給量を増大させる手法が提案されている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４７８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
反応ガスのガス供給源の供給量増大側へ駆動は、多くの場合、それ以前より高圧のガス供給をもたらすため、燃料電池に供給される反応ガスのガス圧は高圧側に変動する。そして、要求電力が短期間において急増大すると、薄膜様の電解質膜に掛かるガス圧も急上昇することになる。こうした要求電力の急増大が短時間に繰り返されるほど、電解質膜に掛かるガス圧が頻繁に高低変動することになる。電解質膜に掛かるガス圧変動は、電解質膜の劣化を招きかねないことから、ガス圧変動を抑制することが望ましい。
【０００５】
また、ガス供給源が供給量増大指令を受けて供給量を増大する場合、ガス供給源での供給量増大は速やかになされるものの、反応ガスは、その増大された供給量で燃料電池に即座に到達することはなく、供給量が増大された反応ガスが燃料電池に実際に到達するまでには、所定の時間が必要となる。燃料電池への反応ガスの到達の遅れは、発電電力の出力の応答性に影響し、こうした遅れが大きいほど応答性は低下する。なお、ガス供給源と燃料電池とを近接配置すれば、反応ガスの到達の遅れを小さくして応答性の低下を抑制できるものの、燃料電池システムの車両等への搭載或いはシステムの固定設置の環境等によっては、近接配置が制約されることから、他の手法による応答性の低下の抑制が要請されるに到った。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、短期間での要求電力の増大が起きた際のガス供給の圧力変動を抑制した上で出力の応答性の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
反応ガス供給源から送り出された前記反応ガスを前記燃料電池に供給するガス流路と、
前記反応ガスを残留させるガス残留部と、
前記燃料電池への前記反応ガスの供給量を制御し、前記燃料電池を発電制御する発電制御部とを備え、
前記ガス残留部は、
前記燃料電池に供給された余剰の前記反応ガスを外部に排出する排出管から分岐して前記ガス流路に合流する循環流路を備え、該循環経路に前記反応ガスを残留させて、該残留した前記反応ガスを前記反応ガス供給源からの反応ガス送り出しと合わせて前記ガス流路とは別系統で前記燃料電池に供給可能とされ、
前記発電制御部は、
前記燃料電池の発電状況が発電電流の増加勾配が所定の閾値を超える電流急増状況下での前記燃料電池への前記反応ガスの供給を、前記ガス流路と前記ガス残留部の前記循環流路とを併用して行うものとし、前記電流急増状況下での前記反応ガスの供給量を、前記増加勾配が前記閾値に達しない場合の前記反応ガスの供給量より大きくして、前記発電制御を行う。
【０００８】
[適用例１：燃料電池システム]
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
反応ガス供給源から送り出された前記反応ガスを前記燃料電池に供給するガス流路と、
前記反応ガスを残留させるガス残留部と、
前記燃料電池への前記反応ガスの供給量を制御し、前記燃料電池を発電制御する発電制御部とを備え、
該発電制御部は、
前記燃料電池の発電状況が発電電流の増加勾配が所定の閾値を超える電流急増状況下での前記燃料電池への前記反応ガスの供給を、前記ガス残留部を用いて行うものとし、前記電流急増状況下での前記反応ガスの供給量を、前記増加勾配が前記閾値に達しない場合の前記反応ガスの供給量より大きくして、前記発電制御を行う
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成の適用例１の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給するに当たり、ガス流路とガス残留部とを用いる。ガス流路は、反応ガス供給源から送り出された反応ガスを燃料電池に供給し、ガス残留部は、反応ガスを残留させる。そして、上記の適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池への反応ガスの供給量を制御して燃料電池を発電制御するものの、燃料電池の発電状況が発電電流の増加勾配が所定の閾値を超える電流急増状況下、即ち短期間での要求電力の増大が起きた状況下では、燃料電池への反応ガスの供給をガス残留部を用いて行うことで、ガス残留部が既に残留させていた反応ガスを燃料電池に供給する。その上で、ガス残留部を用いた電流急増状況下での反応ガスの供給量を、増加勾配がこの閾値に達しない場合の反応ガスの供給量より大きくする。このため、この電流急増状況下でのガス供給量増大は、反応ガス供給源の供給量増大駆動を伴わないばかりか、反応ガス供給源と燃料電池の配置関係の影響を受けない。よって、次の利点がある。
【００１０】
まず第１に、反応ガス供給源の供給量増大駆動を伴わないでガス供給量を増大できるので、短期間での要求電力の増大が起きる電流急増状況下であっても、燃料電池へのガス供給の際のガス圧変動を抑制できる。加えて、反応ガス供給源の供給量増大駆動に伴う余剰のガス供給がない。余剰のガス供給は燃費の悪化を招くが、上記構成の燃料電池システムでは、反応ガス供給源の供給量増大駆動に伴う余剰のガス供給を行わないので、燃費の悪化を抑制することもできる。また、反応ガス供給源と燃料電池の配置とは無関係にガス供給量を速やかに増大できるので、短期間での要求電力の増大が起きる電流急増状況下での燃料電池出力の応答性の低下を抑制できる。
【００１１】
上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記ガス残留部を、前記反応ガスを残留させて、該残留した前記反応ガスを前記反応ガス供給源からの反応ガス送り出しと合わせて前記ガス流路とは別系統で前記燃料電池に供給可能な流路とできる。こうすれば、ガス流路とは別系統の流路に残留した反応ガスを反応ガス供給源からの反応ガス送り出しと合わせて燃料電池に供給することで、電流急増状況下での燃料電池への反応ガスの実際の供給量を、ガス流路とは別系統の流路としてのガス残留部が残留させていたガス量だけ速やかに増やすことができる。そして、こうしたガス供給量の増大をガス流路と別系統の流路設置で図ることができ、簡便である。
【００１２】
この場合、前記ガス残留部を、前記ガス流路から分岐して該ガス流路をバイパスするパイパス流路とした上で、該バイパス流路の流路容積を前記バイパスされた間の前記ガス流路の流路軌跡の流路容積より大きくして、前記反応ガス供給源から送り出された前記反応ガスを前記バイパス流路に残留させるようにできる。前記発電制御部については、これを、前記電流増加状況下において、前記ガス流路から前記バイパス流路に切り換えて前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を図るものとできる。こうすれば、流路切換という簡便な手法で、電流急増状況下での燃料電池への速やかなガス供給量増大等の上記した効果を奏することができる。
【００１３】
また、前記ガス残留部を、前記ガス流路から分岐して該ガス流路をバイパスするパイパス流路とした上で、前記反応ガス供給源から送り出された前記反応ガスを前記バイパス流路に残留させるようにできる。前記発電制御部については、これを、前記電流増加状況下において、前記ガス流路と前記バイパス流路とを併用して前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を図るものとできる。こうすれば、バイパス流路の併用という簡便な手法で、電流急増状況下での燃料電池への速やかなガス供給量増大等の上記した効果を奏することができる。
【００１４】
この他、前記ガス残留部を、前記燃料電池に供給された余剰の前記反応ガスを外部に排出する排出管から分岐して前記ガス流路に合流する循環流路とした上で、前記発電制御部については、これを、前記電流増加状況下において、前記ガス流路と前記循環流路とを併用して前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を図るものとできる。こうすれば、循環流路の併用という簡便な手法で、電流急増状況下での燃料電池への速やかなガス供給量増大等の上記した効果を奏することができる。
【００１５】
[適用例２：燃料電池システム搭載車両]
上記したいずれかの燃料電池システムを搭載した車両であって、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる
ことを要旨とする。
【００１６】
こうした適用例２の車両によれば、ドライバーのアクセル操作が短時間に急変して短期間での要求電力が増大する電流急増状況下であっても、燃料電池へのガス供給の際のガス圧変動をもたらさない、もしくは当該変動を極小さくできる。加えて、反応ガス供給源の供給量増大駆動に伴う余剰のガス供給がないので、適用例２の車両によれば、燃費の悪化を抑制できる。また、反応ガス供給源と燃料電池の配置とは無関係にガス供給量を速やかに増大できるので、適用例２の車両によれば、短期間での要求電力の増大が起きる電流急増状況下での燃料電池出力の応答性の低下を抑制して、ドライバビリティーの向上を図ることができるほか、車両における機器レイアウトの汎用性を高めることができる。
【００１７】
本発明は、燃料電池の運転方法や、燃料電池システムを設置して燃料電池を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
【図２】空気供給量増大制御を実行する際の制御手順を示すフローチャートである。
【図３】通常運転の実行時における燃料電池システム３０の出力制御を説明するための説明図である。
【図４】第２実施例の燃料電池搭載車両２０Ａを概略的に平面視して示す説明図である。
【図５】第２実施例における空気供給量増大制御を実行する際の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】第３実施例の燃料電池搭載車両２０Ｂを概略的に平面視して示す説明図である。
【図７】第４実施例の燃料電池搭載車両２０Ｃを概略的に平面視して示す説明図である。
【図８】燃料電池１００の発電電流の急増加をもたらす事象の有無により燃料電池１００への一時的な空気供給増大を図る手順を示すフロートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
【００２０】
図示するように、この燃料電池搭載車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。この燃料電池システム３０は、燃料電池１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、ラジエータ１５０およびファン１５２を含む冷却系１６０と、２次電池１７２と、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４とを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池１００の発電電力、或いは２次電池１７２の充電電力を、前輪駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に供給する。
【００２１】
燃料電池１００は、図１の拡大模式図に示すように、電解質膜１０１の両側にアノード１０２とカソード１０３の両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える電池セルを積層して構成され、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に位置する。この電池セルは、電極形成済みの電解質膜１０１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とを備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。この両ガス拡散層の外側には、それぞれガスセパレーターが位置し、このガスセパレーターは、該当するガス拡散層に対して水素を含有する燃料ガス、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を供給すると共に、電池セルからの集電の機能も果たす。
【００２２】
電解質膜１０１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード１０２およびカソード１０３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。
【００２３】
燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を上記した各電池セルにて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池１００の発電状態は電流センサー１０６にて計測され、その計測結果は電流センサー１０６から後述の制御装置２００に出力される。
【００２４】
水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための放出経路１２３を備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の開閉バルブ１２４の経路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、水素ガスタンク１１０の水素ガスを燃料電池１００（詳しくは、各電池セルのアノード１０２）に供給する。この際、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２７にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池１００のアノードに供給する。水素ガス供給量は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した放出経路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。
【００２５】
空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０にて流量調整した上で燃料電池１００（詳しくは、各電池ルのカソード１０３）に、通常は酸素供給経路１４１を経て供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、排出流量調整バルブ１４３は、流量調整を経て、カソード側の背圧についてもこれを調整する。
【００２６】
また、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１と放出経路１４２とを、加湿装置１４５を経由するように備える。この加湿装置１４５は、燃料電池１００からのカソードオフガスに含まれる水分を用いて酸素供給経路１４１の空気を加湿する。例えば、装置内部にガス供給流路とガス排出流路とを備え、この二つの流路間に加湿膜を配置した上で、ガス排出流路を通過するカソードオフガスの水分を流路間の加湿膜を介してガス供給流路のガス（空気）に移動させて、当該ガスを加湿する。
【００２７】
この他、空気供給系１４０は、加湿装置１４５を経由する酸素供給経路１４１の配管経路をバイパスするバイパス流路１４８を備え、当該流路と酸素供給経路１４１の合流箇所に、切換制御弁１４９を有する。切換制御弁１４９は、燃料電池１００へのガス供給を図る流路を、酸素供給経路１４１とバイパス流路１４８のいずれか一方に切り換えると共に、バイパス流路１４８に流路切換をした際には、バイパス流路１４８がその流路に残留させた空気をコンプレッサ１３０からの供給空気と合わせて下流に流す構成の制御弁であり、後述の制御装置２００の制御を受けて上記した流路切換を行う。例えば、噴出する流体に周囲の流体を引き込んで噴射するいわゆるジェットノズル機構を切換制御弁１４９に組み込むことで、この切換制御弁１４９は、バイパス流路１４８への流路切換の際には、バイパス流路１４８に残留された空気をコンプレッサ１３０からの供給空気の流れに引き込んで、残留空気と供給空気を下流の燃料電池１００に供給する。
【００２８】
切換制御弁１４９は、酸素供給経路１４１を燃料電池１００に繋げる弁切換位置をデフォルト弁位置とするよう構成され、制御装置２００による制御を受けた場合に、バイパス流路１４８を燃料電池１００に繋げる弁切換位置とする。このため、バイパス流路１４８は、切換制御弁１４９が上記したデフォルト弁位置を取る期間、即ち後述するように燃料電池１００が通常運転制御されている期間において、その流路軌跡に亘って空気を残留させる。本実施例では、バイパス流路１４８は、当該流路にてバイパスされた酸素供給経路１４１の流路軌跡（被バイパス流路軌跡）より長いことから、酸素供給経路１４１の被バイパス流路軌跡の流路容積より大きな流路容積を備える。この場合、バイパス流路１４８の経路径を大きくしたり、図において波線で示すように中空容器をバッファー１４８ｂとして備えるようにしたりして、バイパス流路１４８の流路容積を、酸素供給経路１４１の被バイパス流路軌跡の流路容積に比してより一層大きくすることもできる。こうしたバイパス流路１４８の流路容積は、燃料電池１００に供給可能な空気量（残留空気量）を規定することから、後述する空気増量供給時に必要な量の空気を残留できるよう、実験等により予め定めることができる。具体的には、バイパス流路１４８のバイパス流路長や流路径の調整、バッファー１４８ｂの内容積等の調整により、バイパス流路１４８での残留空気量を種々定めることができる。
【００２９】
冷却系１６０は、ラジエータ１５０から燃料電池１００への冷却媒体の循環を図る循環経路１６１と、バイパス経路１６２と、経路合流点の三方流量調整弁１６３と、循環ポンプ１６４と、温度センサー１６６を備える。そして、この冷却系１６０は、ラジエータ１５０にて熱交換した冷却媒体を循環経路１６１を経て燃料電池１００の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池１００を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ１６４の駆動量、即ち冷却媒体の循環供給量や、三方流量調整弁１６３による調整流量は、温度センサー１６６の検出温度たる燃料電池温度（セル温度）や電流センサー１０６の検出した発電状態に基づいて、制御装置２００にて定められる。
【００３０】
２次電池１７２は、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００とは別の電力源として機能し、モーター１７０等に供給する電力源として燃料電池１００と併用される。本実施例では、後述するように燃料電池１００をアクセル１８０の踏込に応じた発電状態下で運転制御（通常制御）することを前提とするので、燃料電池１００の運転停止状態において、２次電池１７２は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１７２としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、容量検出センサー１７６が接続され、当該センサーは、２次電池１７２の充電状態を検出し、その検出充電量（電池容量）を制御装置２００に出力する。
【００３１】
ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４は、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４は、燃料電池１００の発電電力および２次電池１７２の蓄電電力の引出とモーター１７０への電圧印加とを、制御装置２００の制御下で行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００３２】
制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力が燃料電池１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１７２の充電電力、もしくはこの両者で賄うよう、燃料電池１００を発電制御しつつ、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０の要求電力を燃料電池１００の発電で得る場合には、その要求電力に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量を制御（通常制御）する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４を制御する。この他、制御装置２００は、車速センサー１８２の検出した車速や、外気温センサー１８４の検出した外気温、水素ガス供給系１２０において流量センサー１２８が検出した水素ガス流量、空気供給系１４０において流量センサー１４７の検出したエアー流量、容量検出センサー１７６が検出した２次電池１７２の電池容量（以下、ＳＯＣ）等を、上記した制御を行う上での制御パラメータとして入力する。この制御装置２００は、既述した適用１の燃料電池システムにおける発電制御などを担う。
【００３３】
次に、上記した構成を有する燃料電池搭載車両２０の制御装置２００がガス供給量増大に関して行う処理について説明する。本実施例では、モーター１７０への要求電力が短時間で急増した場合のガス供給量増大を流路切換を介して行う。図２は空気供給量増大制御を実行する際の制御手順を示すフローチャートである。制御装置２００は、燃料電池システム３０が起動すると、ドライバーからの燃料電池搭載車両２０に対する駆動要求に基づいて燃料電池１００を発電制御する通常運転の実行を開始する（ステップＳ１００）。図３は通常運転の実行時における燃料電池システム３０の出力制御を説明するための説明図である。この図３には、燃料電池１００のＩ−Ｖ特性を示すグラフＧI-Vと、Ｉ−Ｐ特性を示すグラフＧI-Pとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧（Ｖ）と電力（Ｐ）とし、横軸を電流（Ｉ）として示してある。通常、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、電流の増加に従って下降する横Ｓ字状の曲線グラフとして表される。また、燃料電池のＩ−Ｐ特性は、上に凸の曲線グラフとして表される。
【００３４】
制御装置２００は、燃料電池１００についてのＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を表す情報を、燃料電池１００の制御用情報として予め記憶している。なお、燃料電池１００のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性は、燃料電池１００の運転温度など、その運転条件に応じて変化するため、制御装置２００は、それらの運転条件ごとの制御用情報を有していることが好ましい。
【００３５】
制御装置２００は、燃料電池１００のＩ−Ｐ特性に基づいて、要求電力Ｐｔに対して燃料電池１００が出力すべき目標電流Ｉｔを取得する。そして、制御装置２００は、燃料電池１００のＩ−Ｖ特性に基づいて、目標電流Ｉｔを出力するための燃料電池１００の目標電圧Ｖｔを取得する。制御装置２００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター１７４に燃料電池１００の電圧を目標電圧Ｖｔに設定させることにより、燃料電池１００および２次電池１７２に要求電力Ｐｔを出力させる。こうした取得した目標電流Ｉｔや目標電圧Ｖｔが得られるよう、制御装置２００は、水素および空気のガス供給量を算出して、図１における水素ガス供給系１２０の開閉バルブ１２４や循環ポンプ１２７、および空気供給系１４０のコンプレッサ１３０、切換制御弁１４９等を駆動制御する。この場合、ステップＳ１００の通常制御では、切換制御弁１４９は、既述したデフォルト弁位置にあって酸素供給経路１４１を燃料電池１００に繋げるので、通常制御の期間にあっては、空気は、酸素供給経路１４１を経て燃料電池１００に供給されることになる。
【００３６】
制御装置２００は、通常運転の実行中に、所定の周期で、電流センサー１０６をスキャンして燃料電池１００の発電電流の増加勾配を算出し、或いは、アクセル１８０の踏込操作量増加の様子に基づいた発電電流の増加勾配を予測算出し、その算出した発電電流の増加勾配が所定の閾値αを超えたか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この閾値αは、通常運転にある燃料電池１００において、何らかの原因で燃料電池１００の発電電流が短時間の内に急増加することが有り得ると想定した場合のその想定上限での電流増加勾配値、或いは、ドライバーのアクセル１８０の急踏込に伴う短時間の内の要求電力の急増とこれに合致した電流急増とが有り得ると想定した場合のその想定上限での電流増加勾配値とされている。よって、ステップＳ１１０にて肯定判定した場合には、燃料電池１００の発電状況が発電電流が短時間で急増する電流急増状況下に推移すると想定でき、この場合には、続くステップＳ１２０に移行する。一方、ステップＳ１１０にて否定判定すれば、通常運転の制御（ステップＳ１００）を引き続き実行する。この通常運転では、上記したようにその都度都度の目標電流Ｉｔや目標電圧Ｖｔが得られるよう、制御装置２００にて、水素および空気の供給量を算出した上で、その供給量で水素および空気の供給がなされるよう水素ガス供給系１２０の開閉バルブ１２４や循環ポンプ１２７、空気供給系１４０のコンプレッサ１３０が駆動制御される。
【００３７】
ステップＳ１１０での肯定判定に続くステップＳ１２０では、制御装置２００は、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移した時点での通常運転の制御パラメータを保持して通常運転を継続する。具体的には、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移した時点での水素および空気のガス供給量に対応した水素供給機器１２６やコンプレッサ１３０の制御パラメータが保持されるので、燃料電池１００には、その水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０とから、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移する以前のガス供給量で水素および空気の供給が継続される。つまり、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移しても、こうした推移以前の発電状況に対応したガス量の水素と空気の供給が継続されるよう、水素ガス供給系１２０の開閉バルブ１２４や循環ポンプ１２７、空気供給系１４０のコンプレッサ１３０が駆動制御される。
【００３８】
続くステップＳ１３０では、制御装置２００は、切換制御弁１４９を駆動制御して、この切換制御弁１４９にて、バイパス流路１４８を燃料電池１００に繋げ、酸素供給経路１４１については、切換制御弁１４９にて流路を閉じる。この弁切換は、所定の時間ｔだけ継続されることになる。これにより、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移すると、その時点から時間ｔにおいては、燃料電池１００には、バイパス流路１４８がそれ以前に流路に残留させていた空気とコンプレッサ１３０の駆動に伴って送り出される空気とがバイパス流路１４８を経て供給されることになる。この場合の時間ｔは、電流増加勾配の程度が大きいほど長くなり、燃料電池１００の性能評価や性能試験の際の実験にて予め定めておくことができる。或いは、電流増加勾配の程度とその勾配程度に応じた時間ｔとを予め対応付けてマップ状に制御装置２００のメモリーに記憶しておき、ステップＳ１１０で求めた電流増加勾配程度に応じて読み出すようにすることができる。
【００３９】
上記した流路切換を時間ｔだけ継続すると、制御装置２００は、再度、切換制御弁１４９を駆動制御して、この切換制御弁１４９を既述したデフォルト弁位置に復帰させ（ステップＳ１４０）、酸素供給経路１４１を燃料電池１００に繋がるよう復帰すると共に、バイパス流路１４８の流路を閉じる。その後は、ステップＳ１００に移行して、既述した通常運転を継続する。この場合、ステップＳ１４０での弁切換により、バイパス流路１４８は、その流路末端で閉塞されることから、その後にコンプレッサ１３０から供給された空気が流路に留まり、その留まった空気が、次回の電流勾配増大時に供給される残留空気となる。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０は、燃料電池１００の通常運転の際には、ドライバーのアクセル１８０の操作に対応した要求電力Ｐｔに対して燃料電池１００が出力すべき目標電流Ｉｔと目標電圧Ｖｔを取得し、これに応じたガス供給量で水素および空気を供給する。その一方、何らかの原因で、或いはドライバーのアクセル１８０の急踏込等によって、燃料電池１００の発電状況が発電電流が短時間で急増する電流急増状況下に推移すると（ステップＳ１１０：肯定判定）、それ以前の通常運転でのガス供給量で水素および空気を燃料電池１００に供給しつつ（ステップＳ１２０）、空気にあっては、切換制御弁１４９にて流路を切り換えて、バイパス流路１４８から燃料電池１００に供給する（ステップＳ１３０）。このため、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移すると、その時点から時間ｔにおいて、燃料電池１００には、バイパス流路１４８がそれ以前に流路に残留させていた空気とコンプレッサ１３０の駆動に伴って送り出される空気とがバイパス流路１４８を経て供給されることになり、燃料電池１００への空気供給量は、バイパス流路１４８での残留空気量の分だけ増大する。そして、この供給量増大をもたらすバイパス流路１４８は、酸素供給経路１４１をバイパスするだけであって、酸素供給経路１４１のように加湿装置１４５を経由していないことから、空気供給の際の圧力損失が、酸素供給経路１４１を経由する酸素供給経路１４１より小さい。よって、バイパス流路１４８を用いることでの空気の供給量増大はより速やかとなる。
【００４１】
本実施例の燃料電池システム３０は、こうした空気の供給量増大を図るに当たり、空気供給源であるコンプレッサ１３０については、供給量増大のために駆動することはない。しかも、コンプレッサ１３０と燃料電池１００の配置関係の影響を受けることなく、燃料電池１００への空気供給量を増大させる。この結果、本実施例の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０によれば、コンプレッサ１３０の供給量増大駆動を伴わないで空気供給量を増大できるので、短期間での要求電力の増大が起きる電流急増状況下であっても、燃料電池１００への空気供給の際の圧力変動をもたらさない、もしくは当該変動を小さくできる。これにより、燃料電池１００を構成するＭＥＡの電解質膜１０１の耐久性向上、延いては燃料電池１００の長寿命化を図ることができる。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、コンプレッサ１３０を供給量増大のために駆動させないようにして、余剰の空気供給を招かないので、燃費の悪化を抑制できる。加えて、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、コンプレッサ１３０と燃料電池１００の配置とは無関係に空気供給量を速やかに増大できるので、短期間での要求電力の増大が起きる電流急増状況下での燃料電池出力の応答性の低下を抑制して、ドライバビリティーの向上を図ることができるほか、車両における機器レイアウトの汎用性を高めることができる。
【００４３】
この他、上記したように空気供給量の増大をもたらすバイパス流路１４８には、酸素供給経路１４１との合流箇所の切換制御弁１４９を介して、燃料電池１００の通常運転の際に予め空気を残留させる。よって、バイパス流路１４８での空気残留が簡便であるほか、バイパス流路１４８に空気残留をもたらすだけのための配管構成や機器構成が不要となるので、構成を簡略化できる。
【００４４】
また、バイパス流路１４８については、その経路長、或いは経路径の拡張、バッファー１４８ｂの配設等により、簡便に、酸素供給経路１４１の被バイパス流路軌跡の流路容積より大きな流路容積とできる。そして、このように大きな流路容積を有するバイパス流路１４８に流路を切り換えるという簡便な手法で、既述したように燃料電池１００への速やかな空気供給量増大等の上記した効果を奏することができる。
【００４５】
次に、他の実施例について説明する。図４は第２実施例の燃料電池搭載車両２０Ａを概略的に平面視して示す説明図、図５は第２実施例における空気供給量増大制御を実行する際の制御手順を示すフローチャートである。この第２実施例は、燃料電池１００への空気供給量の増大を排出空気の循環路を用いて行う点に特徴がある。
【００４６】
この実施例の燃料電池搭載車両２０Ａは、図４に示すように、図１の燃料電池搭載車両２０とほぼ同じ構成を備え、その有する燃料電池システム３０Ａは、燃料電池１００からカソードオフガスを大気放出する放出経路１４２に空気循環路１９０を備える。この空気循環路１９０は、排出流量調整バルブ１４３の上流側で放出経路１４２から分岐して酸素供給経路１４１に合流し、この合流箇所の近傍に開閉バルブ１９２を有する。開閉バルブ１９２は、空気循環路１９０の流路を閉塞するバルブ位置をデフォルトバルブ位置とするよう構成され、制御装置２００による制御を受けた場合に、空気循環路１９０の流路を開放する。このため、空気循環路１９０は、開閉バルブ１９２が上記したデフォルトバルブ位置を取る期間（燃料電池１００の通常運転期間）において、燃料電池１００の出口箇所から酸素供給経路１４１との合流箇所までの流路に、空気、詳しくは未消費の酸素を含む空気を残留させる。
【００４７】
この燃料電池搭載車両２０Ａにおける空気供給量増大制御では、図５に示すように、ドライバーからの燃料電池搭載車両２０Ａに対する駆動要求に基づいた既述した通常運転を実行し（ステップＳ２００）、所定の周期で、既述したように発電電流の増加勾配が所定の閾値αを超えたか否かを判定する（ステップＳ２１０）。ステップＳ２１０での肯定判定に続くステップＳ２２０では、制御装置２００は、既述したように、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移した時点での通常運転を継続して、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移する以前の発電状況に対応したガス量の水素と空気の供給が継続されるよう、水素ガス供給系１２０の開閉バルブ１２４や循環ポンプ１２７、空気供給系１４０のコンプレッサ１３０を駆動制御する。
【００４８】
続くステップＳ２３０では、制御装置２００は、開閉バルブ１９２を開弁制御して、この開閉バルブ１９２にて、空気循環路１９０の流路を開放し、当該循環路を酸素供給経路１４１を介して燃料電池１００に繋げる。この開弁制御は、所定の時間ｔだけ継続されることになる。これにより、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移すると、燃料電池１００への空気供給には、空気循環路１９０が酸素供給経路１４１と併用され、その時点から時間ｔにおいては、燃料電池１００には、空気循環路１９０がそれ以前に流路に残留させていた空気とコンプレッサ１３０の駆動に伴って送り出される空気とが酸素供給経路１４１を経て供給されることになる。
【００４９】
上記した流路切換を時間ｔだけ継続すると、制御装置２００は、開閉バルブ１９２を閉弁制御して、この開閉バルブ１９２を既述したデフォルトバルブ位置に復帰させ（ステップＳ２４０）、空気循環路１９０を閉塞して、流路を酸素供給経路１４１だけに復帰させる。その後は、ステップＳ２００に移行して、既述した通常運転を継続する。
【００５０】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム３０Ａを搭載した燃料電池搭載車両２０Ａにあっても、何らかの原因で、或いはドライバーのアクセル１８０の急踏込等によって、燃料電池１００の発電状況が発電電流が短時間で急増する電流急増状況下に推移すると（ステップＳ２１０：肯定判定）、それ以前の通常運転でのガス供給量で水素および空気を燃料電池１００に供給しつつ（ステップＳ２２０）、空気にあっては、開閉バルブ１９２にて空気循環路１９０を開放して当該循環路を併用して、酸素供給経路１４１から燃料電池１００に供給する（ステップＳ２３０）。このため、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移すると、その時点から時間ｔにおいて、燃料電池１００には、空気循環路１９０がそれ以前に流路に残留させていた空気とコンプレッサ１３０の駆動に伴って送り出される空気とが酸素供給経路１４１を経て供給されることになり、燃料電池１００への空気供給量は、空気循環路１９０での残留空気量の分だけ増大する。
【００５１】
本実施例の燃料電池システム３０Ａは、こうした空気の供給量増大を図るに当たり、空気供給源であるコンプレッサ１３０については、供給量増大のために駆動することはない。しかも、コンプレッサ１３０と燃料電池１００の配置関係の影響を受けることなく、燃料電池１００への空気供給量を増大させる。この結果、第２実施例の燃料電池システム３０Ａを搭載した燃料電池搭載車両２０Ａによっても、圧力変動の抑制、応答性の低下抑制等、既述した種々の効果を奏することができる。
【００５２】
また、既存の放出経路１４２に空気循環路１９０と開閉バルブ１９２を設けてバルブ制御をすれば足りるので、簡便である。この場合、空気循環路１９０にあっても、流路径を拡張することで、残留空気量を増やすことができる。
【００５３】
図６は第３実施例の燃料電池搭載車両２０Ｂを概略的に平面視して示す説明図である。この第３実施例は、燃料電池１００への空気供給量の増大をバイパス流路１４８を併用して行う点に特徴がある。
【００５４】
この実施例の燃料電池搭載車両２０Ｂは、図６に示すように、図１の燃料電池搭載車両２０とほぼ同じ構成を備え、その有する燃料電池システム３０Ｂは、酸素供給経路１４１をバイパスするバイパス流路１４８の合流箇所近傍に開閉バルブ１９４を備える。この開閉バルブ１９４は、バイパス流路１４８の流路を閉塞するバルブ位置をデフォルトバルブ位置とするよう構成され、制御装置２００による制御を受けた場合に、バイパス流路１４８の流路を開放する。このため、バイパス流路１４８は、開閉バルブ１９４が上記したデフォルトバルブ位置を取る期間（燃料電池１００の通常運転期間）において、その流路に空気を残留させる。
【００５５】
この燃料電池搭載車両２０Ｂにおける空気供給量増大制御は、図５に示した制御手順と同じであり、ドライバーからの燃料電池搭載車両２０Ａに対する駆動要求に基づいた通常運転（ステップＳ２００）、発電電流の増加勾配判定（ステップＳ２１０）、通常運転の保持（ステップＳ２２０）を行い、続くステップＳ２３０では、開閉バルブ１９４の開弁制御を経てバイパス流路１４８の流路を開放し、当該流路を酸素供給経路１４１を介して燃料電池１００に繋げ、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下での燃料電池１００への空気供給を、酸素供給経路１４１とバイパス流路１４８とを併用して行う。こうしても、燃料電池１００には、バイパス流路１４８がそれ以前に流路に残留させていた空気とコンプレッサ１３０の駆動に伴って送り出される空気とが酸素供給経路１４１を経て供給されることになる。
【００５６】
従って、第３実施例の燃料電池システム３０Ｂを搭載した燃料電池搭載車両２０Ｂにあっても、開閉バルブ１９４にてバイパス流路１４８を空気供給に併用することで、燃料電池１００への空気供給量を増大できるので、圧力変動の抑制、応答性の低下抑制等、既述した種々の効果を奏することができる。
【００５７】
図７は第４実施例の燃料電池搭載車両２０Ｃを概略的に平面視して示す説明図である。この第４実施例は、燃料電池１００への空気供給量の増大を酸素供給経路１４１に流路切換を図って行う点に特徴がある。
【００５８】
この実施例の燃料電池搭載車両２０Ｃは、図７に示すように、図１の燃料電池搭載車両２０とほぼ同じ構成を備え、その有する燃料電池システム３０Ｃは、酸素供給経路１４１を、加湿装置１４５の経由経路においてその経路長が長い流路とし、燃料電池１００の通常運転の際の燃料電池１００への空気供給を、切換制御弁１４９の流路切換制御を経て、バイパス流路１４８にて行う。そして、既述した燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下での燃料電池１００への空気供給を（図２：ステップＳ１３０）、上記したように経路長が長いためにバイパス流路１４８より流路容積の大きい酸素供給経路１４１に切り換えて行う。こうしても、燃料電池１００には、流路容積がバイパス流路１４８より大きくて酸素供給経路１４１の流路に残留済みの空気とコンプレッサ１３０の駆動に伴って送り出される空気とが酸素供給経路１４１を経て供給されることになる。
【００５９】
従って、第４実施例の燃料電池システム３０Ｃを搭載した燃料電池搭載車両２０Ｃにあっても、燃料電池１００への空気供給量を増大できるので、圧力変動の抑制、応答性の低下抑制等、既述した種々の効果を奏することができる。
【００６０】
この図７に示す燃料電池搭載車両２０Ｃにおいて、切換制御弁１４９を廃止して、バイパス流路１４８に図６の開閉バルブ１９４を設けるよう、変形することができる。こうした変形例では、燃料電池１００への空気供給量の増大をバイパス流路１４８と酸素供給経路１４１とを併用して行うことができ、既述した種々の効果を奏することができる。
【００６１】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、空気供給系１４０において、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移した際の燃料電池１００への空気供給増大を図ったが、水素ガス供給系１２０においても、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移した際の燃料電池１００への水素供給増大を図るようにすることもできる。
【００６２】
また、バイパス流路１４８やその流路途中のバッファー１４８ｂを、燃料電池システム３０の冷却のための循環経路１６１に近接配置して、燃料電池１００の熱にて加温するようにすることもできる。こうすれば、バイパス流路１４８やバッファー１４８ｂに残留させた空気を、その昇温を経て高圧化できるので、バイパス流路１４８やバッファー１４８ｂの残留空気の燃料電池１００への供給が確実となり、供給量増大も速やかに起き、好ましい。
【００６３】
また、燃料電池搭載車両２０に限らず、据え置き式の発電システムとしての燃料電池システム３０とすることもできる。この他、加湿装置１４５については、これを気液分離機器を備えた構成として、カソードオフガスから水を分離し、その分離した水分を用いて酸素供給経路１４１を通過する空気（供給ガス）を加湿するようにできる。
【００６４】
ところで、燃料電池１００の発電状況が電流急増状況下に推移した際の燃料電池１００への一時的な空気供給増大は、燃料電池１００での発電状況に着目すれば、一時的な燃料電池１００の電圧低下と電流増加、或いは、一時的な生成水増量をもたらし得る。一般的に、高温状態で燃料電池１００の運転が継続すると、燃料電池内部における水分量が不足して、プロトンの移動経路の減少や被毒物質の排出性の低下が起き、結果的に、触媒の表面に酸化被膜が形成されて触媒性能が劣化することが危惧される。こうした場合には、一時的に電圧低下と電流増加を起こして生成水を増量することが有効と考えられる。このため、一時的な燃料電池１００の電圧低下と電流増加、或いは、一時的な生成水増量とに関係する燃料電池１００への一時的な空気供給増大の処理、具体的には図１の構成においてバイパス流路１４８に流路切換を行った処理を、電流急増状況推移への判定に代わり、燃料電池１００の発電電流の急増加をもたらす事象の有無により実行するようにすることもできる。図８は燃料電池１００の発電電流の急増加をもたらす事象の有無により燃料電池１００への一時的な空気供給増大を図る手順を示すフロートである。
【００６５】
図示するように、この手順では、燃料電池１００の通常運転の継続中に、図２における発電電流の増加勾配の判定に代え、燃料電池１００の発電電流の急増加をもたらす事象の有無を判定し、当該事象が起きている場合には、既述した手順で燃料電池１００への空気供給増大を図る。このようにすれば、燃料電池１００の発電電流の急増加をもたらす事象が起きている場合には、燃料電池１００への空気供給増大を経て生成水の生成水量を増加させて、燃料電池１００の生成水による冷却や、燃料電池内部における水分量不足の抑制、プロトンの移動経路の確保、被毒物質の排出性の低下抑制が可能となり、触媒性能の維持も可能となる。
【符号の説明】
【００６６】
２０、２０Ａ〜２０Ｃ…燃料電池搭載車両
２２…車体
３０、３０Ａ〜３０Ｃ…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０１…電解質膜
１０２…アノード
１０３…カソード
１０４…アノード側ガス拡散層
１０５…カソード側ガス拡散層
１０６…電流センサー
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…循環経路
１２３…放出経路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…流量センサー
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給経路
１４２…放出経路
１４３…排出流量調整バルブ
１４５…加湿装置
１４７…流量センサー
１４８…バイパス流路
１４８ｂ…バッファー
１４９…切換制御弁
１５０…ラジエータ
１５２…ファン
１６０…冷却系
１６１…循環経路
１６２…バイパス経路
１６３…三方流量調整弁
１６４…循環ポンプ
１６６…温度センサー
１７０…モーター
１７２…２次電池
１７６…容量検出センサー
１８０…アクセル
１８２…車速センサー
１８４…外気温センサー
１９０…空気循環路
１９２…開閉バルブ
１９４…開閉バルブ
２００…制御装置
１７４…ＤＣ−ＤＣコンバーター
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
【図１】
0005803631.tif 000002
【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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