(57)【要約】【課題】電解質膜の含水量が低下した場合に、電解質膜の含水量の回復を図りつつ、燃料電池の発電状態を確保する。【解決手段】燃料電池システムは、酸化ガス流路と、酸化ガス供給部を含む燃料電池補機と、燃料電池から負荷および燃料電池補機への電力供給を制御する出力制御部と、含水量判定部と、酸化ガス圧制御部と、酸化ガス圧上昇判断部とを備える。酸化ガス圧上昇判断部は、含水量判定部によって含水量が低下した状態であると判定されたときに、燃料電池補機の消費電力を確保した上で、燃料電池からの出力を過大にすることなく負荷に対する電力供給が可能であれば、酸化ガス圧を上昇可能であると判断する。酸化ガス圧制御部は、酸化ガス圧上昇判断部によって酸化ガス圧を上昇可能であると判断されたときに、酸化ガス圧を上昇させる。【選択図】図３
2008146971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備え、負荷に対して電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池内部に形成され、前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路と、
前記燃料電池から電力供給を受けて、前記燃料電池による発電を行なうために駆動される補機であって、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部を含む燃料電池補機と、
前記燃料電池から前記負荷および前記燃料電池補機への電力供給を制御する出力制御部と、
前記電解質膜における含水量を判定する含水量判定部と、
前記酸化ガス流路の内部圧力である酸化ガス圧を調節する酸化ガス圧制御部と、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池からの出力を過大にすることなく前記負荷に対する電力供給が可能であれば、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断する酸化ガス圧上昇判断部と、
を備え、
前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させる
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、
前記酸化ガス圧上昇判断部は、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池の現在の発電可能量の範囲内で、前記負荷に供給する最低限の電力として予め設定した最低必要出力を確保可能であるときに、前記酸化ガス圧を上昇可能と判断する
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部が、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断したときに、前記出力制御部は、
前記燃料電池の現在の発電可能量と、前記酸化ガス圧を上昇させた場合の前記燃料電池補機の消費電力と、の差である許容消費電力が、負荷要求に対応する電力以上である場合には、前記負荷に供給する電力を、前記負荷要求に対応する値に設定し、
前記許容消費電力が、前記負荷要求に対応する電力よりも小さい場合には、前記負荷に供給する電力を、前記許容消費電力に設定する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇不能であると判断されたときには、前記酸化ガス圧制御部による前記酸化ガス圧の上昇を行なうことなく、前記出力制御部は、前記燃料電池の発電量を、現在の発電可能量よりも低く設定する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧を上昇させる際に、前記酸化ガス圧を徐々に上昇させる
燃料電池システム。
【請求項６】
電気エネルギを駆動エネルギとして用いる移動体であって、
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池システムを駆動用電源として搭載する移動体。
【請求項７】
電気エネルギを駆動エネルギとして用いる移動体であって、
請求項２または３記載の燃料電池システムを駆動用電源として搭載し、
前記最低必要出力は、前記移動体の移動に要する最低限の出力である
移動体。
【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これを搭載する移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池では、電解質膜の含水量が減少すると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して膜抵抗が増大し、その結果、出力電圧が低下して電池性能が低下する。このような不都合を抑制するために、電解質膜の含水量減少時における対策としては、カソード側におけるガス圧力を、より高める制御を行なう構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
燃料電池では、電気化学反応に伴ってカソードで水が生じるため、燃料電池から外部へと排出される水分のほとんどは、カソードオフガスと共に水蒸気として排出される。上記のようにカソード側におけるガス圧力を高めれば、カソード側流路において水が水蒸気ではなく液水として存在し易くなり、カソードオフガスと共に水蒸気として排出される水の量を抑えることができる。また、カソード側のガス流路の出口部においてカソード側のガス圧力を調節する背圧弁を設けて、カソード側におけるガス圧力を高める際に、この背圧弁を閉じ方向に制御する場合には、燃料電池からの水蒸気の排出量を物理的に抑制して、電解質膜の乾燥を抑えることができる。さらに、アノード側に対してカソード側のガス圧を相対的に高めることで、水が生成されるカソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動が促進され、結果的に電解質膜の含水量を増加させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１７５８２１号公報
【特許文献２】特開２００６−１００１５２号公報
【特許文献３】特開２００５−３０４１７９号公報
【特許文献４】特開２００２−４２８３９号公報
【特許文献５】ＷＯ２００４／０９３２３０
【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、カソード側へのガス供給は、通常、ポンプやエアコンプレッサ等の補機を用いて空気を加圧供給することによって行なわれるため、カソード側のガス圧力を高めると、ポンプ等の消費電力、すなわち、補機損が増大することになる。このように、補機で消費される電力が増大すると、燃料電池が発電すべき電力量が増大して、膜含水量が減少している燃料電池において、不測の電圧降下などの不都合が生じる場合がある。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の含水量が低下した場合に、電解質膜の含水量の回復を図りつつ、燃料電池の発電状態を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備え、負荷に対して電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池内部に形成され、前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路と、
前記燃料電池から電力供給を受けて、前記燃料電池による発電を行なうために駆動される補機であって、前記酸化ガス流路に対して前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部を含む燃料電池補機と、
前記燃料電池から前記負荷および前記燃料電池補機への電力供給を制御する出力制御部と、
前記電解質膜における含水量を判定する含水量判定部と、
前記酸化ガス流路の内部圧力である酸化ガス圧を調節する酸化ガス圧制御部と、
前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池からの出力を過大にすることなく前記負荷に対する電力供給が可能であれば、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断する酸化ガス圧上昇判断部と、
を備え、
前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断されたときに、前記酸化ガス圧を上昇させることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、電解質膜の含水量が低下したときには、補機が消費する必要な電力を確保した上で、酸化ガス圧を上昇させる。このように、補機が消費する必要な電力を確保しつつ酸化ガス圧を上昇させることで、支障なく酸化ガス圧を上昇させて、膜含水量の回復を図ることができる。さらに、酸化ガス圧を上昇させるための燃料電池補機の消費電力を確保した上で、燃料電池からの出力を過大にすることなく負荷に対する電力供給が可能となっているため、酸化ガス圧を上昇させても、燃料電池が発電すべき電力量が増大しすぎることがない。そのため、膜含水量が減少している燃料電池において、不測の電圧降下などの不都合が生じることがない。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記酸化ガス圧上昇判断部は、前記酸化ガス圧を上昇させるための前記燃料電池補機の消費電力を確保した上で、前記燃料電池の現在の発電可能量の範囲内で、前記負荷に供給する最低限の電力として予め設定した最低必要出力を確保可能であるときに、前記酸化ガス圧を上昇可能と判断することとしても良い。このような構成とすれば、負荷に供給する電力として、最低必要出力を確保することができる。さらに、最低必要出力を確保する際に、燃料電池の発電量を特に制限すること無く、発電に伴って生じる水の量を抑えない発電が可能となる。したがって、発電に伴って生じる生成水を、膜含水量の回復に寄与させることができる。
【００１０】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部が、前記酸化ガス圧を上昇可能であると判断したときに、前記出力制御部は、前記燃料電池の現在の発電可能量と、前記酸化ガス圧を上昇させた場合の前記燃料電池補機の消費電力と、の差である許容消費電力が、負荷要求に対応する電力以上である場合には、前記負荷に供給する電力を、前記負荷要求に対応する値に設定し、前記許容消費電力が、前記負荷要求に対応する電力よりも小さい場合には、前記負荷に供給する電力を、前記許容消費電力に設定することとしても良い。このような構成とすれば、燃料電池補機における消費電力を確保した上で、負荷に供給する電力を、可能な範囲で負荷要求に対応する値に設定することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記含水量判定部によって、前記含水量が低下した状態であると判定されると共に、前記酸化ガス圧上昇判断部によって、前記酸化ガス圧を上昇不能であると判断されたときには、前記酸化ガス圧制御部による前記酸化ガス圧の上昇を行なうことなく、前記出力制御部は、前記燃料電池の発電量を、現在の発電可能量よりも低く設定することとしても良い。このような構成とすれば、膜含水量が低下した燃料電池において、発電量が過大となることがない。そのため、燃料電池における不測の電圧降下などの不都合の発生を抑制することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス圧制御部は、前記酸化ガス圧を上昇させる際に、前記酸化ガス圧を徐々に上昇させることとしても良い。酸化ガス圧を上昇させることによる膜含水量の回復は徐々に進行するものであり、酸化ガス圧を急激に上昇させたからと行って、膜含水量が急激に回復するものではない。また、酸化ガス圧を高くするほど、酸化ガス供給部における消費電力は増加して、システム全体のエネルギ効率は低下する。そのため、酸化ガス圧を徐々に上昇させることで、システム効率の低下の程度を抑えつつ、膜含水量の回復を効率良く図ることができる。
【００１３】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム１０の構成の概略を表わすブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０は、車両（電気自動車１５）に搭載されており、車両の駆動モータの動力源、すなわち、駆動用電源として用いられる。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２は、固体高分子型燃料電池であり、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
【００１５】
水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵される水素ガスは、水素タンク２３に接続する水素供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整（減圧）されて、燃料ガスとして燃料電池２２を構成する各単セルのアノードに供給される。なお、圧力調整弁６２は、図１では単一の弁として記載されているが、水素タンク２３から供給される高圧の水素ガスを、所望の圧力に減圧して燃料電池２２に供給できれば良く、必要な数の圧力調整弁を設ければ良い。
【００１６】
燃料電池２２のアノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び水素供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素は、水素供給路６０の一部とアノード排ガス路６３と燃料電池２２内の流路とから成る流路（以下、循環流路と呼ぶ）内を循環して再度電気化学反応に供される。電気化学反応による消費量に相当する水素は、圧力調整弁６２を介して水素タンク２３から循環流路へと補充され、循環流路内のガス圧は、所定の略一定値に保たれる。循環流路内でアノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路６３には水素ポンプ６５が設けられている。また、水素供給路６０には、圧力調整弁６２の上流側に、シャットバルブ６１が設けられている。このシャットバルブ６１は、燃料電池の発電を停止する際には閉状態へと駆動され、水素タンク２３から燃料電池２２への水素ガス供給を遮断する。
【００１７】
さらに、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水の一部は、燃料電池２２の電解質膜を介してアノード側へと移動し、燃料ガス中に気化する。気液分離器２７は、このようなアノード排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて、アノード排ガスから水蒸気を除去する装置である。気液分離器２７には、バルブ２７ａが設けられており、このバルブ２７ａを開状態とすることで、気液分離器２７内で凝縮された水が、バルブ２７ａに接続する排ガス排出路６４を介して外部に排出される。なお、所定のタイミングでバルブ２７ａを開状態にすることで、凝縮水と共にアノード排ガスの一部も外部に排出しており、これにより、循環流路の不純物濃度（電解質膜を介してアノード側に移動した、酸化ガスである空気中の窒素等の濃度）の上昇を抑えている。
【００１８】
ここで、排ガス排出路６４は、排ガス排出路６４よりも断面積が大きい容器である希釈器２６に接続されている。この希釈器２６は、アノード排ガスを外部に排出する際に、排出に先立って、アノード排ガス中の水素をカソード排ガスによって希釈するために設けられている。
【００１９】
エアコンプレッサ２４は、エアクリーナ２８を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、酸化ガス供給路６７を介して酸化ガスとして燃料電池２２のカソードに供給する。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。ここで、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８は、加湿モジュール２５を経由している。加湿モジュール２５では、水蒸気透過性を有する膜によって酸化ガス供給路６７とカソード排ガス路６８とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路６８には、燃料電池２２との接続部の近傍に、燃料電池２２内の酸化ガスの流路におけるガス圧を調節するための背圧弁５０と、燃料電池２２内の酸化ガスの流路におけるガス圧を検出する圧力センサ５１と、が設けられている。本実施例の燃料電池２２では、エアコンプレッサ２４によって、発電量に対して大過剰である所定の流量の空気が供給されると共に、背圧弁５０の開度によって、燃料電池２２内の酸化ガス流路における酸化ガス圧が所定の値に調節されている。また、カソード排ガス路６８は、カソード排ガスを外部に導くのに先立って、既述した希釈器２６を経由しており、カソード排ガスは、希釈器２６において、排ガス排出路６４を介して流入するアノード排ガスと混合されてこれを希釈し、その後、外部に排出される。
【００２０】
また、燃料電池２２は、その内部に、冷媒が循環する冷媒流路を備えている（図示せず）。燃料電池２２内部に形成される冷媒流路と、図示しないラジエータとの間で冷媒を循環させることによって、燃料電池２２の内部温度は、所定の温度範囲に保たれる。ここで、上記冷媒流路における燃料電池２２からの出口部近傍には、燃料電池２２の内部温度を検出するための温度センサとして、冷媒の出口温度を検出する温度センサ５２が設けられている。なお、燃料電池２２の内部温度を検出する温度センサとしては、冷媒の出口温度を検出するセンサ以外のセンサを設けても良く、例えば、燃料電池２２の温度を直接検出する熱電対としても良い。
【００２１】
さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ７４と、ＣＰＵ７４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ７５と、同じくＣＰＵ７４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ７６と、各種の信号を入出力する入出力ポート７８等を備える。この制御部７０は、燃料電池システム１０に設けた各種センサ（例えば、温度センサ５２や圧力センサ５１）の検出信号や、燃料電池２２に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム１０が備えるエアコンプレッサ２４、水素ポンプ６５、バルブ２７ａ、あるいは背圧弁５０など、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００２２】
図２は、駆動用電源として燃料電池システム１０を搭載する電気自動車１５の構成の概略を表わすブロック図である。なお、図２では、燃料電池２２に係る電気的な接続状態を中心に表わしており、燃料電池２２におけるガスの給排に関わる流路等の記載は省略している。電気自動車１５は、燃料電池２２から電力を供給される負荷として、駆動インバータ３０を介して燃料電池システム１０に接続される駆動モータ３２と、補機４０とを備えている。これらの負荷と燃料電池２２との間には、配線４８が設けられており、この配線４８を介して、燃料電池２２と負荷との間で電力がやり取りされる。ここで、燃料電池２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介して上記配線４８に接続されている。
【００２３】
ここで、補機４０は、エアコンプレッサ２４や水素ポンプ６５、あるいは既述した冷媒流路に冷媒を循環させる冷却水ポンプなど、燃料電池２２が発電する際に駆動する必要のある燃料電池補機が含まれているため、図２では、燃料電池システム１０に含まれるものとして記載している。なお、補機４０のうち、駆動電圧がより低いバルブ類は、図示しない降圧ＤＣ／ＤＣコンバータによって降圧された電力が供給される。さらに、補機４０としては、燃料電池補機に含まれるものの他に、例えば電気自動車１５が備える空調装置（エアコン）やカーナビゲーションシステムといった車両補機が含まれる。
【００２４】
駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えており、駆動インバータ３０を介して燃料電池システム１０から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記駆動モータ３２の各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、出力側の目標電圧値を設定することによって、燃料電池２２からの出力電圧を調節して燃料電池２２の発電量を制御する。
【００２６】
なお、制御部７０は、燃料電池システム１０が備えるものとして説明したが、本実施例の電気自動車１５では、制御部７０によって車両全体の制御が行なわれている。したがって、制御部７０は、補機４０やＤＣ／ＤＣコンバータ４２の他、駆動インバータ３０に対しても駆動信号を出力する。
【００２７】
Ｂ．膜含水量低下時における制御：
本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池が備える電解質膜の含水量が低下して電池性能が低下しつつあるときには、燃料電池システム１０からの最低限の出力、すなわち、最低限の車両出力は確保しつつ、カソードに供給する酸化ガス圧を上昇させる制御を行なうことを特徴としている。図３は、燃料電池システム１０が備える制御部７０のＣＰＵ７４において実行される膜含水量減少時処理ルーチンを表わすフローチャートであり、図４は、上記制御に関わる各部を表わす機能ブロック図である。図３に示す膜含水量減少時処理ルーチンは、燃料電池２２の発電中に所定の間隔で繰り返し実行される。
【００２８】
本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ７４は、電解質膜の含水量が減少しているか否かを判定する（ステップＳ１００）。本実施例では、ステップＳ１００における膜含水量に係る判定は、電解質膜の膜抵抗に基づいて行なっている。
【００２９】
ここで、燃料電池における内部抵抗としては、燃料電池の構成部材間における接触抵抗に起因するものと、燃料電池の各構成部材そのものが有する抵抗とがある。これら個々の抵抗を検出することは困難であるが、これらの抵抗の内、燃料電池の発電中に燃料電池の発電条件に応じて大きく変化し得るのは、含水量が変化することで値が変動する電解質膜の抵抗、すなわち膜抵抗である。そして、この膜抵抗は、電解質膜の含水量が低下して、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって値が上昇する。そのため、本実施例のステップＳ１００においては、電解質膜の含水量の低下に起因する膜抵抗の増大を、燃料電池２２の内部抵抗の増加として検出している。
【００３０】
燃料電池の内部抵抗は、交流インピーダンス法により求めた。すなわち、燃料電池２２に対して、比較的周波数の高い（例えば１０ｋＨｚ）微弱な交流定電流を印加し、出力電圧から、フィルタ（コンデンサ）を用いて上記交流電流に起因する交流成分を分離して、交流成分の電圧値である交流インピーダンスを、内部抵抗として求めた。ステップＳ１００では、上記のように求めた燃料電池の内部抵抗の値が所定の基準値以上になったときに、電解質膜の含水量が低下した状態であると判定している。このように、ステップＳ１００の処理を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、電解質膜における含水量を判定する図４に示す含水量判定部８０として機能する。
【００３１】
なお、ステップＳ１００において、内部抵抗に基づいて膜含水量を判定する際には、単一の基準値を設定しておくのではなく、さらに温度の影響を考慮して、燃料電池の温度によって、判定の基準となる値を変更しても良い。ステップＳ１００における膜含水量の判定は、電解質膜の含水量が低下して電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって、通常の発電制御を行なうことが困難となる程度に電池性能が低下しつつあるか否かを判定するものである。しかしながら、膜含水量が低下することによって、どの程度電池性能が低下するかは、燃料電池の温度の影響を受ける。燃料電池の温度が高い場合には、例えば、電解質膜のプロトン伝導性が上昇したり、電極が備える触媒の活性が上昇するため、内部抵抗の値が同じであっても、燃料電池の温度が高いほど電池性能が向上する。そのため、上記判定に用いる抵抗値の基準値は、燃料電池温度が高いほど、高い値を設定することができる。そこで、燃料電池の温度に応じた内部抵抗の基準値を予め設定し、マップとして制御部７０内に記憶することとしても良い。なお、この場合には、ステップＳ１００において、燃料電池の温度として、既述した温度センサ５２の検出信号を取得すればよい。
【００３２】
ステップＳ１００において、電解質膜の含水量が減少した状態であると判定されると、ＣＰＵ７４は、燃料電池システム１０からの最低必要出力、すなわち、電気自動車１５における最低必要出力を設定する（ステップＳ１１０）。ここで、最低必要出力とは、電解質膜の含水量が低下して燃料電池システム１０から駆動モータ３２への出力を制限する制御を行なう際にも、車両に確保すべき最低限の出力として設定される値である。このような最低必要出力は、例えば、走行中の車両において、突然に出力制限を行なう場合において、安全性を担保可能となる走行を実現するために駆動モータ３２において確保すべきエネルギ量として設定される。追い越し加速を伴うような通常走行を車両が行なうために必要な出力が４０ｋＷであり、車両を退避場所へと移動させるための徐行運転を行なうために必要な出力が２０ｋＷである場合には、最低必要出力は、例えば３０ｋＷに設定することができる。ステップＳ１１０で設定するこのような最低必要出力は、予め定めて制御部７０内に記憶しておけばよい。
【００３３】
次に、ＣＰＵ７４は、酸化ガスを供給するエアコンプレッサ２４における消費電力として許容できる最大量（エア系最大許容補機損）を算出する（ステップＳ１２０）。「エア系最大許容補機損」は、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」から、ステップＳ１１０で設定した「最低必要出力」と、「エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力」とを減じることによって求めることができる。このようにして、エア系最大許容補機損、すなわち、燃料電池２２からの出力を最大としたときに、車両が最低必要出力を出力する場合であっても、エアコンプレッサ２４のために確保することができるエネルギ量を求めることができる。
【００３４】
ここで、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」とは、現在の燃料電池２２の特性に基づいて求められる燃料電池２２からの出力電力の最大値をいう。一般に、燃料電池は、運転条件ごとに、出力電流値に応じて出力電圧値が一義的に定まる性質を有しており、出力電流値と出力電圧値との間には、一定の関係が成立する。このような、出力電流−出力電圧特性（出力特性）の一例を、図５（Ａ）に示す。また、このときの出力電流と出力電力との間の関係を、図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）に示すように、出力電流が大きくなるに従って出力電圧は次第に低下するため、図５（Ｂ）に示すように、出力電流と出力電圧との積として表わされる燃料電池からの出力電力は、運転条件毎に所定の最大値を示す。図５の出力特性を示す燃料電池では、出力電流がＩA、出力電圧がＶAのときに、出力電力が最大値ＷAになる。このような出力特性に影響する運転条件としては、例えば、燃料電池に供給されるガス量や、運転温度、あるいは電解質膜の含水量を挙げることができる。本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池２２に供給されるガス量は過剰量であるため、制御部７０は、燃料電池２２に関するその他の運転条件、例えば運転温度や膜含水量の異なる種々の運転条件のそれぞれについて、図５に示すような出力特性を記憶している。さらに、制御部７０は、上記種々の運転条件のそれぞれについて、出力電力の最大値を記憶している。燃料電池システム１０は、燃料電池２２の出力電流および出力電圧を検出するための図示しない電流センサおよび電圧センサを備えている。そのため、これらのセンサが検出した出力電流および出力電圧に基づいて、現在の燃料電池２２が、記憶した複数の出力特性のいずれに該当するものであるか（現在の運転ポイントが、図５（Ａ）のような出力特性のグラフのうちのいずれのグラフ上に位置するか）を知ることができる。上記したように、各々の出力特性毎に出力電力の最大値が記憶されているため、いずれの出力特性に該当するかが分かれば、現在の出力特性に対応する出力電力の最大値、すなわち、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」を知ることができる。
【００３５】
エアコンプレッサ２４を除く補機とは、既述した補機４０のうちの、エアコンプレッサ２４以外のものを指す。具体的には、水素ポンプ６５や却水ポンプ等の燃料電池補機、あるいは、車両補機である空調装置（エアコン）やカーナビゲーションシステムを挙げることができる。エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力を求めるには、例えば、補機における駆動量と消費電力との間に一定の関係がある場合には、上記した各補機毎に、駆動量と消費電力との関係を予めマップとして記憶しておけば良い。そして、各補機に出力されている駆動信号（例えば、冷却水ポンプの場合には設定された目標回転数）や各補機の駆動量の実測値（例えば、水素ポンプの場合には流量計により検出した水素流量）と、上記マップと、に基づいて各補機の消費電力を求め、求めた各補機の消費電力を合計すればよい。これにより、「エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力」を求めることができる。
【００３６】
上記のようにして、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」と「エアコンプレッサ２４を除く補機における現在の消費電力」とを求めることにより、ステップＳ１２０において、「エア系最大許容補機損」を算出することができる。このような「エア系最大許容補機損」は、燃料電池２２における発電量を最大にして、燃料電池２２からの出力電力によって、車両の最低必要出力と、エアコンプレッサ２４以外の補機における消費電力とを賄った場合に、エアコンプレッサ２４に供給することができる残余の電力がどれだけあるか、を表わすものである。
【００３７】
エア系最大許容補機損を算出すると、ＣＰＵ７４は、上記したエア系最大許容補機損に基づいて、燃料電池２２内部に形成された酸化ガス流路の内部圧力である酸化ガス圧を上昇可能であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。具体的には、ステップＳ１２０で算出したエア系最大許容補機損と、エアコンプレッサ２４における現在の消費電力とを比較して、エア系最大許容補機損がエアコンプレッサ２４における現在の消費電力以上である場合には、酸化ガス圧を上昇可能と判断する。エアコンプレッサ２４における現在の消費電力は、例えば、エアコンプレッサ２４に対して電力供給する配線に電流計および電圧計を設けておき、両者の検出値を積算することにより算出可能である。このように、ステップＳ１３０の処理を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、酸化ガス圧を上昇可能であるか否かを判断する図４に示す酸化ガス圧上昇判断部８１として機能する。
【００３８】
ステップＳ１３０において酸化ガス圧を上昇可能と判断すると、次に、ＣＰＵ７４は、目標酸化ガス圧を上昇させる（ステップＳ１４０）。既述したように、本実施例の燃料電池システム１０では、エアコンプレッサ２４によって所定流量の酸化ガスが燃料電池２２に対して供給されると共に、背圧弁５０の開度を所定の開度にすることによって、酸化ガス流路における酸化ガス圧が一定値に保たれている。そのため本実施例では、上記背圧弁５０の開度を調節することによって、酸化ガス圧を上昇させる制御を行なっている。ステップＳ１４０において行なわれる目標酸化ガス圧を上昇させるための制御は、具体的には、酸化ガス圧が、現在設定されている酸化ガス圧よりも例えば５ｋＰａ高くなるように、背圧弁５０の開度の目標値を大きく設定することによって行なわれる。
【００３９】
ここで、酸化ガス圧を上昇させるために背圧弁５０の開度を変更する量は、酸化ガス圧の上昇前の酸化ガス圧と、酸化ガス圧の変更量とによって定まる。本実施例では、酸化ガス圧が取り得る値の範囲にわたって、その酸化ガス圧からさらに５ｋＰａだけ酸化ガス圧を上昇させるための背圧弁５０の開度を、マップとして予め制御部７０内に記憶している。ステップＳ１４０では、ＣＰＵ７４は、さらに圧力センサ５１の検出値を取得して、得られた酸化ガス圧の検出値に基づいて上記マップを参照して、酸化ガス圧を５ｋＰａ上昇させるための背圧弁５０開度の目標値を得る。
【００４０】
その後、ＣＰＵ７４は、ステップＳ１４０で設定した目標酸化ガス圧となるように背圧弁５０を駆動する酸化ガス圧上昇制御を行なうと共に、駆動モータ３２への出力が制限される車両出力制限制御を行なって（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１５０の酸化ガス圧上昇制御としては、背圧弁５０の開度が、ステップＳ１４０で設定した値となるように背圧弁５０に対して駆動信号を出力する制御を行なう。なお、本実施例の酸化ガス圧上昇制御では、ＣＰＵ７４は、ステップＳ１５０において背圧弁５０に対して駆動信号を出力した後に、さらに圧力センサ５１の検出信号を取得して、背圧弁５０を駆動した後の実際の酸化ガス圧を検出している。そして、検出した酸化ガス圧と、ステップＳ１４０で設定した目標酸化ガス圧との間にずれがある場合には、フィードバック制御を行なって、酸化ガス圧が目標値と一致するように、背圧弁５０の開度を修正している。このように、ステップＳ１４０の処理、および、ステップＳ１５０の酸化ガス圧上昇制御を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、酸化ガス圧を調節する図４に示す酸化ガス圧制御部８２として機能する。
【００４１】
また、ステップＳ１５０の車両出力制限制御としては、駆動モータ３２に対して、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」から、「エアコンプレッサ２４を含む全ての補機における消費電力」を減じて得られる電力量である「許容消費電力」を最大量として、負荷要求に基づいて電力供給の制御が行なわれる。ここで、車両の駆動モータ３２における負荷要求は、車両の現在の車速とアクセル開度とに基づいて算出される。このようにして算出される負荷要求が、上記許容消費電力以下である場合には、ＣＰＵ７４は、駆動インバータ３０を介して駆動モータ３２に対して、負荷要求に応じたトルク指令値を出力する。このとき、燃料電池２２は、「エアコンプレッサ２４を含む全ての補機における消費電力」と、「負荷要求」とを加えた電力量を発電すれば良い。そのため、ＣＰＵ７４は、図５に示すような現在の出力特性において、上記電力量が出力電力となるときの出力電圧を、目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対して出力する。上記のような制御を行なう場合には、車両性能（車両の加速性能）は、膜含水量が低下しておらず負荷要求に応じた加速を行なうことができる通常運転時と同じになる。ただし、酸化ガス圧を上昇させている場合には、エアコンプレッサ２４における回転数（酸化ガス流量）は変化していなくても、酸化ガス圧が上昇することによって、エアコンプレッサ２４における消費電力は増加する。そのため、したがって、燃料電池システム１０は、負荷要求に応じた加速を行なうものの、補機における消費電力が通常運転時よりも多く、システム全体としての効率が低下する「低効率運転」を行なうことになる。
【００４２】
また、ステップＳ１５０の車両出力制限制御を行なう際に、既述した負荷要求が、許容消費電力を上回る場合には、駆動モータ３２に供給される電力は、許容消費電力に制限される。具体的には、ＣＰＵ７４は、駆動モータ３２に対するトルク指令値を、負荷要求に基づく値ではなく、駆動モータ３２の消費電力が許容消費電力となる値に変更して、駆動モータ３２の制御を行なう。このとき燃料電池２２は、「現在の燃料電池２２が出し得る最大出力」を発電すればよい。そのため、ＣＰＵ７４は、図５に示すような現在の出力特性において、出力電力が最大となるときの出力電圧を、目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対して出力する。上記のような制御を行なう場合には、燃料電池システム１０は、負荷要求を満たすことなく、駆動モータ３２における消費電力が許容消費電力となる「制限運転」を行なうことになる。このように制限運転を行なう場合であっても、駆動モータ３２が消費できる電力量として、最低必要出力は確保されているため、車両は、ステップＳ１１０で設定した最低必要出力に応じた走行を行なうことができる。このように、ステップＳ１５０で、車両出力制限制御を実行する際には、制御部７０のＣＰＵ７４は、燃料電池から負荷および燃料電池補機への電力供給を制御する図４に示す出力制御部８３として機能する。
【００４３】
このように、ステップＳ１００で膜含水量が低下していると判定されると共に、ステップＳ１３０で酸化ガス圧を上昇可能と判断されて、酸化ガス圧を上昇させる制御を行なうと、電解質膜の含水量を、次第に回復させることができる。これは、酸化ガス圧を上昇させることで、酸化ガス流路において水が気体ではなく液水として存在し易くなるため、気体の状態で酸化ガスと共に燃料電池２２外に排出される水の量を抑えることができるためである。また、酸化ガス圧を上昇させるために背圧弁５０の開度を小さくしているので、燃料電池２２からの水蒸気の排出量を物理的に抑えることができるためである。さらに、燃料ガス圧に対して酸化ガス圧を相対的に高めることにより、水が生成されるカソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動を促進することができ、結果的に電解質膜の含水量を増加させることができるためである。
【００４４】
ステップＳ１３０において、酸化ガス圧を上昇することができないと判断した場合には、ＣＰＵ７４の出力制御部８３は、燃料電池２２からの出力を制限する制御を行なって（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。酸化ガス圧を上昇させることができない場合とは、膜含水量が低下している状態であって、且つ、補機における消費電力量が既に多く、酸化ガス圧を上昇させつつ補機に対して必要な電力を供給すると、ステップＳ１１０で設定した最低必要出力を駆動モータ３２に供給できなくなる場合である。ステップＳ１６０においては、膜含水量が低下した現在の状態であっても、望ましくない不測の電圧降下を起こすことなく発電を継続できる程度にまで、燃料電池２２の発電量を減少させる。ステップＳ１６０では、このようにして燃料電池２２の発電量を減少させた場合に、補機における消費電力量を発電量から減じた残余の電力として、駆動モータ３２に供給する電力量が決定される。このように燃料電池２２の発電量を制限する場合には、酸化ガス圧の上昇は行なわない。なお、上記のように燃料電池２２の発電量を制限する場合には、発電量の減少に伴って燃料電池２２における発電時の発熱量も減少する。そのため、燃料電池２２の温度が低下することによって、電解質膜からガス中へと気化して燃料電池２２外へと持ち出される水の量が減り、電解質膜の含水量は次第に回復する。
【００４５】
なお、ステップＳ１００において膜含水量が低下した状態であると判断され、通常運転とは異なる制御を行なう場合には、通常運転とは行なう制御を行なっていることを、車両の運転者などに報知することが望ましい。特に、ステップＳ１５０において既述した「制限運転」を行なう場合や、ステップＳ１６０において燃料電池２２からの出力を制限する運転を行なう場合には、負荷要求通りの車両出力が得られず、運転者の意図する加速が行なわれない状態となる。そのため、運転者が走行に違和感を覚える可能性があるため、報知することが望ましい。報知は、たとえば、運転席の近傍に、駆動モータ３２への出力が制限された「制限運転」を行なっていることや、燃料電池からの出力を制限する運転を行なっていることを、認知可能となる表示を行なったり、音声により行なったりすれば良い。
【００４６】
ステップＳ１００において、電解質膜の含水量が低下した状態ではないと判断した場合には、ＣＰＵ７４は、出力制御部８３において通常の制御を行なうこととして（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。通常の制御とは、負荷要求に応じた運転状態となるように、駆動モータ３２を駆動する制御である。具体的には、ＣＰＵ７４は、駆動インバータ３０を介して駆動モータ３２に対して、負荷要求に応じたトルク指令値を出力する。このとき、燃料電池２２は、「エアコンプレッサ２４を含む全ての補機における消費電力」と、「負荷要求」とを加えた電力量を発電すれば良い。そのため、ＣＰＵ７４は、図５に示すような現在の出力特性において、上記電力量が出力電力となるときの出力電圧を、目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２に対して出力する。このとき、酸化ガス圧を上昇させるための特別な制御は行なわない。
【００４７】
このように、図３に示す膜含水量減少時処理ルーチンを繰り返し実行すれば、膜含水量が低下したときには、ステップＳ１３０において酸化ガス圧を上昇可能であると判断される限り、また、エアコンプレッサ２４の能力の限度内において、酸化ガス圧を（実施例では５ｋＰａずつ）上昇させる制御が繰り返し行なわれる。酸化ガス圧を上昇させることによって膜含水量は次第に回復するため、このような制御を繰り返すことで、やがて、ステップＳ１００において膜含水量が低下していないと判断されるようになる。
【００４８】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、電解質膜の含水量が低下したときには、補機が消費する必要な電力と、駆動モータ３２が消費する最低必要出力とを確保した上で、燃料電池２２の発電量は制限することなく、酸化ガス圧を上昇させる。このように、酸化ガス圧を上昇させることで、膜含水量の回復を図ることができる。また、このとき、燃料電池２２の発電量は、現在の発電可能量の範囲内で制限しないため、燃料電池２２内で発電に伴って生じる水の量が抑えられることがない。そのため、このような発電に伴う生成水も、膜含水量の回復に寄与させることができる。
【００４９】
また、本実施例によれば、膜含水量が低下して酸化ガス圧を上昇させる制御を行なう際に、補機が消費する必要な電力を確保した上で、駆動モータ３２が実際に消費する電力量を設定している。このように、補機が消費する必要な電力を確保しつつ酸化ガス圧を上昇させることで、酸化ガス圧に要する電力が不足することなく支障なく酸化ガス圧を上昇させて、膜含水量の回復を図ることができる。また、駆動モータ３２に供給する電力量が、発電可能量の範囲内で設定された燃料電池の発電量のうちの、燃料電池補機の消費電力を確保した残余の電力の範囲内で設定されるため、燃料電池２２における発電量が過大となることがない。そのため、膜含水量が減少している燃料電池２２において、不測の電圧降下などの不都合が生じることがない。
【００５０】
さらに、本実施例では、ステップＳ１３０において酸化ガス圧を上昇可能と判断されたときに、ステップＳ１５０において車両出力制限制御を行なう際には、燃料電池２２の発電可能量と燃料電池補機の消費電力との差である許容消費電力が、負荷要求に対応する電力以上である場合には、駆動モータ３２に供給する電力を、負荷要求に対応する値に設定している。そのため、燃料電池システムが正常に動作し得る範囲で、運転者のアクセル操作などにより指示される負荷要求にできる限り応える車両出力を実現することができる。また、許容消費電力が、負荷要求に対応する電力よりも小さい場合には、駆動モータ３２に供給する電力を、許容消費電力に設定している。そのため、膜含水量の低下に起因する不測の電圧降下などの不都合の発生を抑制することができる。
【００５１】
このような制御を行なう際に、本実施例では、駆動モータ３２が消費できる電力量として最低必要出力が確保されている。具体的には、本実施例では、ステップＳ１１０において、走行中の車両に突然に出力制限を行なう場合であっても安全性を担保可能となる走行を実現するために駆動モータ３２において確保すべきエネルギ量として設定される値を、最低必要出力として設定している。そのため、車両の走行中に突然に膜含水量が低下しても、車両において上記した最低必要出力が確保されているため、安全に走行を続行し、その後、必要な待避行動を取ることができる。
【００５２】
なお、ステップＳ１１０において設定する最低必要出力は、上記のように走行時の安全性を確保するための余裕を持たせた値とすることが望ましいが、少なくとも、車両が移動可能となる最低限の出力以上の値を設定すればよい。これにより、燃料電池における膜含水量が低下して、燃料電池から充分な電力が得られない可能性があるときに、車両を退避させることが可能になる。
【００５３】
なお、実施例では、酸化ガス圧を５ｋＰａずつ上昇させたが、酸化ガス圧の上昇の程度は異なる値としても良い。酸化ガス圧を上昇させることによる膜含水量の回復は、徐々に進行するものであり、また、酸化ガス圧を高くするほど、補機であるエアコンプレッサ２４における消費電力は増加して、システム全体のエネルギ効率は低下する。そのため、酸化ガス圧の上昇は、少しずつ徐々に行なって、システム効率の低下の程度を抑えつつ、膜含水量の回復を図ることができれば良い。
【００５４】
また、図３に示す膜含水量減少時処理ルーチンを実行して、膜含水量低下時に酸化ガス圧を徐々に上昇させる際に、ステップＳ１５０において５ｋＰａずつ酸化ガス圧を上昇させる動作を、毎回は行なわないこととしても良い。例えば、一旦酸化ガス圧を上昇させると、所定の時間が経過するまでは、あるいは、図３の処理を所定回数実行するまでは、更なる酸化ガス圧の上昇は行なわないこととしても良い。ただし、燃料電池においては、酸化ガス圧を高くするほど、膜含水量を回復させる効果を高めることができる。そのため、酸化ガス圧を上昇させる際には、膜含水量の低下の程度に応じて、例えば、実施例のように燃料電池の内部抵抗によって膜含水量を判定する場合には、内部抵抗が大きいほど、酸化ガス圧を上昇させる程度を大きくしても良い。
【００５５】
また、実施例では、燃料電池２２に供給する酸化ガスの流量は、酸化ガス供給部であるエアコンプレッサ２４の回転数を制御することによって所定の値に調節し、酸化ガス圧は、背圧弁５０の開度によって調節しているが、異なる構成としても良い。例えば、背圧弁５０の開度の調節に代えて、あるいは背圧弁５０の開度の調節に加えて、さらに、エアコンプレッサ２４における回転数など、酸化ガス供給部の駆動量を制御することによって、酸化ガス圧を調節しても良い。
【００５６】
実施例のステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で算出したエア系最大許容補機損と、エアコンプレッサ２４における現在の消費電力とを比較して、エア系最大許容補機損がエアコンプレッサ２４における現在の消費電力以上である場合には、酸化ガス圧を上昇可能と判断している。ここで、酸化ガス圧を上昇可能か否かの判断を行なうには、エア系最大許容補機損を、現在のエアコンプレッサ２４における消費電力と比較するのではなく、現在よりも酸化ガス圧を上昇させたときの仮想的なエアコンプレッサ２４における消費電力と比較する方が、厳密には正確であって、このような処理を行なっても良い。これにより、最低必要出力および補機における消費電力を確保する動作の精度を高めることができる。ただし、例えば、ステップＳ１１０で設定する最低必要出力を、余裕をもった大きめの値を設定しておくことにより、現在のエアコンプレッサ２４における消費電力の値を用いる場合にも、酸化ガス圧を上昇可能か否かの判断の精度を充分に確保することができる。
【００５７】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５８】
Ｃ１．変形例１：
実施例では、図３のステップＳ１００において、電解質膜の膜抵抗に基づいて、膜含水量が減少しているか否かを判定しているが、異なる基準に基づいて行なっても良い。
【００５９】
例えば、ステップＳ１００において、燃料電池２２の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。例えば、燃料電池２２の内部温度が、飽和蒸気圧が高くなることにより電解質膜の含水量が減少した状態になると考えられる温度、例えば９０℃以上であるとき、電解質膜の含水量が減少した状態であると判定することができる。このような構成とすれば、冷媒温度など、燃料電池２２の内部温度を反映する温度を検出するという簡便な方法により、電解質膜の含水量低下状態を容易に判断することができる。
【００６０】
Ｃ２．変形例２：
また、アノードに供給される燃料ガスにおける圧損（アノード圧損）に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。すなわち、水素供給路６０およびアノード排ガス路６３のそれぞれに、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサを設け、両者の検出値の差であるアノード圧損を求める。そして、求めたアノード圧損が所定値よりも小さいときには、電解質膜の含水量低下状態と判定することができる。これは、膜含水量が少ないときには、燃料ガスの流路内においても液水が少ない状態となり、液水による酸化ガス流れの阻害が少なくなって圧損が小さくなるためである。ここで、アノード圧損は、燃料ガスの流路内における液水量の影響を受ける他、発電によって消費された水素量に依存する値となる。発電によって消費された水素量は、燃料電池２２の出力電流を検出する電流計を設けて、検出した出力電流の積算値に基づいて算出することができる。燃料電池システム１０の制御部７０においては、燃料電池に供給するガスの加湿状態を変化させつつ、出力電流の積算値（消費した水素量）に応じたアノード圧損を予め測定することによって、膜含水量が低下状態であるか否かを判断するための基準となるアノード圧損を予め定めたものを、マップとして記憶しておけばよい。上記電流計を用いて検出した出力電流の積算値とマップとに基づいてアノード圧損の基準値を求めると共に、この圧損の基準値と、圧力センサによるアノード圧損の検出値とを比較して、検出したアノード圧損が、基準値以下であるときには、電解質膜の含水量が低下状態であると判定できる。このような場合にも、直接に膜抵抗を検出する必要がなく、簡易な方法により、電解質膜の含水量低下状態を判定することができる。
【００６１】
なお、同様に、カソードに供給される酸化ガスにおける圧損（カソード圧損）に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。すなわち、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８のそれぞれに、酸化ガスの圧力を検出する圧力センサを設け、両者の検出値の差であるカソード圧損を求める。そして、求めたカソード圧損が所定値よりも小さいときには、電解質膜の含水量低下状態と判定することができる。ただし、この場合には、酸化ガス圧を上昇させた場合も含めて膜含水量の判定ができるように、膜含水量が低下状態であるか否かを判断するための基準となるカソード圧損のマップを、酸化ガス圧および酸化ガス流量の変化に対応して予め作製して、制御部７０に記憶しておく必要がある。酸化ガス流量は、酸化ガス供給路６７にガス流量計を設けても良く、また、推定値を用いても良い。酸化ガス流量は、例えば、酸化ガスとしてエアコンプレッサ２４によって吸入される空気の圧力と温度、およびエアコンプレッサ２４の回転数に基づいて推定することができる。
【００６２】
Ｃ３．変形例３：
あるいは、燃料電池２２に供給する酸化ガスの加湿量や、発電に伴って燃料電池内で生じる生成水量や、排ガス中の水蒸気量（排水量）を算出して、燃料電池２２における水バランスを演算することにより、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。
【００６３】
酸化ガスは、既述したように加湿モジュール２５においてカソード排ガスを用いて加湿されるが、この加湿モジュール２５における加湿効率は、加湿される酸化ガスの圧力や温度、あるいは加湿するカソード排ガスの圧力や湿度に応じて定まる値となる。そのため、酸化ガスの加湿量は、上記した加湿される酸化ガスの圧力や温度、あるいは加湿するカソード排ガスの圧力や湿度等のパラメータに応じて予め求めて、マップとして制御部７０に記憶しておくことができる。そのため、上記パラメータをセンサにより検出すると共に上記マップを参照することによって、酸化ガスの加湿量を求めることができる。
【００６４】
発電に伴って生じる生成水量は、発電量に応じて理論的に算出することができる。そのため、燃料電池システム１０において燃料電池２２からの出力電流を検出する電流計を設けておき、この電流計の検出値に基づいて生成水量を算出すればよい。
【００６５】
カソード排ガス中の水蒸気量は、カソード排ガス路６８において、ガス流量センサ、ガス温度センサ、およびガス圧力センサを設けて、カソード排ガスの流量と温度と圧力とを検出することにより、算出することができる。この場合には、カソード排ガス中の蒸気圧が飽和蒸気圧であるものとして算出することになる。なお、気液分離器２７のバルブ２７ａから排出される水分量は、電解質膜の含水量の変化に応じて変化することが少ないため、このような水分量は、上記排水量を算出する際に無視しているが、これらの水分量をさらに考慮して排水量を算出しても良い。
【００６６】
このようにして酸化ガス加湿量、生成水量および排水量を算出すると、以下の（１）式が成り立つときに、電解質膜の含水量が低下状態であると判定することができる。
【００６７】
（排水量）  ＞  （加湿量＋生成水量）×Ｃ      …（１）
【００６８】
なお、定数Ｃは、膜の含水量がどのくらい低下しても燃料電池が発電することができるのかという燃料電池の性能を表わす値であって、燃料電池毎に定めることができる値である。この定数Ｃは、１を超える値として設定することができる。定数Ｃが１よりも大きい場合には、上記（１）式より、燃料電池の内部の水分量が次第に減少して電解質膜の含水量が低下が進行し続けることになってしまうが、実際には、そのようなことにはならない。これは、上記「排水量」を算出する際に、カソード排ガス中の蒸気圧を飽和蒸気圧であるとして算出しているためである。燃料電池の温度がある程度低い場合には、カソード排ガス中の蒸気圧は飽和蒸気圧となるが、電解質膜が含水量低下状態となるような高温条件下では、カソード排ガスにおける蒸気圧は飽和蒸気圧に達しない。そのため、実際の排水量は、上記のように算出された排水量よりも少なくなるため、上記（１）式における定数Ｃは、１よりも大きな値が設定されることになる。以上のような構成とすれば、直接に膜抵抗を検出する必要がなく、燃料電池システムの制御を行なうために通常設けるセンサである電流計、あるいはカソード排ガスの流量センサや温度センサや圧力センサ等の検出値を用いて、電解質膜の含水量低下状態を容易に判定することができる。
【００６９】
Ｃ４．変形例４：
また、排ガス（カソード排ガスあるいはアノード排ガス）の湿度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。例えば、カソード排ガスの湿度を用いる場合には、カソード排ガス路６８に、ガス露点計およびガス温度センサを設けて、カソード排ガスの湿度を求めればよい。燃料電池においては、温度が比較的低いときには、排ガスにおける水蒸気圧は飽和蒸気圧となっている。しかしながら、燃料電池の温度が上昇して、電解質膜が含水量低下状態となり得るときには、排ガス中の湿度は飽和蒸気圧よりも低下する。そこで、含水量低下状態を判定するための基準となる排ガス湿度を予め定めておき、この基準となる排ガス湿度よりも、検出値に基づいて求めた排ガス湿度が下回るとき、電解質膜が含水量低下状態であると判定することができる。このような場合にも、直接に膜抵抗を検出する必要がなく、簡易な方法により、電解質膜の含水量低下状態を判定することができる。
【００７０】
Ｃ５．変形例５：
また、燃料電池が発電する電力を用いて車両の駆動モータ３２を駆動する燃料電池システム１０において、電源として、さらに２次電池を設けることとしても良い。このように、２次電池を設ける場合には、燃料電池に加えて、さらに２次電池によって、駆動モータ３２や補機に対して電力を供給することが可能になる。また、２次電池を充電するためには、燃料電池を用いたり、あるいは、車両においてブレーキがかけられた際に駆動モータ３２を発電機として動作させて得られる回生電流を用いたりすることができる。このような場合には、２次電池の残存容量（ＳＯＣ）を検出し、２次電池によって補機動力を補えるか否かを考慮した上で、燃料電池の酸化ガス圧を上昇可能か否かの同様の判断を行なえば良い。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施例の燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池システム１０を搭載する車両の概略構成を表わすブロック図である。
【図３】膜含水量減少時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】膜含水量減少時処理の制御に関わる各部を表わす機能ブロック図である。
【図５】出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池システム
１５…電気自動車
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…加湿モジュール
２６…希釈器
２７…気液分離器
２７ａ…バルブ
２８…エアクリーナ
３０…駆動インバータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…補機
４２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４８…配線
５０…背圧弁
５１…圧力センサ
５２…温度センサ
６０…水素供給路
６１…シャットバルブ
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
７４…ＣＰＵ
７５…ＲＯＭ
７６…ＲＡＭ
７８…入出力ポート
【図１】
2008146971.tif 000003
【図２】
2008146971.tif 000004
【図３】
2008146971.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008146971.tif 000007