(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスまたは燃料ガスが導入されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の状態に関する所定の条件が満たされた場合、前記燃料電池に要求される出力の増加を予測する出力予測部と、
前記要求される出力の増加が前記出力予測部により予測されたとき、前記要求される出力が増加する前に、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力の増加制御を開始する圧力制御部とを備え、
前記圧力制御部は、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力が、前記要求される出力の増加タイミングから所定時間内に前記要求される出力に応じた目標値に達するように前記要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、前記増加制御を開始する燃料電池システム。
【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】
昨今、燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が登場するなど、燃料電池の開発が進んでいる。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。
【０００３】
燃料電池は、水素極であるアノード電極、酸素極であるカソード電極、及び両電極に挟まれた電解質膜などから構成される膜電極接合体（MEA : Membrane Electrode Assembly）を備える。アノード電極側の水素流路内の圧力とカソード電極側の酸素流路内の圧力は、燃料電池に要求される出力に応じて制御される。
【０００４】
燃料電池に関し、例えば特許文献１には、電解質膜の劣化を避けるために、水素流路内の圧力と酸素流路内の圧力の差（以下、「極間差圧」と表記）を低減する点が記載されている。また、例えば特許文献２には、燃料電池に要求される負荷の増加が予測された場合、負荷が増加する以前に、燃料ガス室に供給されるガス圧を増減させる点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６７９３７号公報
【特許文献２】特開２００８−２５１４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電解質膜は、極間差圧により撓む。このため、燃料電池に要求される出力（以下、「要求出力」と表記）が急激に増加したとき、水素流路内または酸素流路内の圧力も急激に増加し、電解質膜には、撓みによる大きなストレスが生ずる。
【０００７】
したがって、電解質膜には、ストレスによる耐久性の低下という問題が存在する。これを回避するために、仮に圧力の増加速度を低下させても、燃料電池から要求出力が得られるまでの所要時間が増加するので、出力の応答性が低下してしまう。なお、このような問題は、ＦＣＶに用いられる燃料電池に限定されず、他の用途に用いられる燃料電池についても存在する。
【０００８】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜の耐久性が改善された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書に記載の燃料電池システムは、酸化ガスまたは燃料ガスが導入されることにより電流を出力する燃料電池と、前記燃料電池の状態に関する所定の条件が満たされた場合、前記燃料電池に要求される出力の増加を予測する出力予測部と、前記要求される出力の増加が前記出力予測部により予測されたとき、前記要求される出力が増加する前に、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力の増加制御を開始する圧力制御部とを備え、前記圧力制御部は、前記酸化ガスまたは前記燃料ガスの圧力が、前記要求される出力の増加タイミングから所定時間内に前記要求される出力に応じた目標値に達するように前記要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、前記増加制御を開始する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜の耐久性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】燃料電池セルの断面図である。
【図３】燃料電池の出力電流に対する圧力の目標値の関係を示すグラフである。
【図４】燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池の停止時の開回路電圧の変化の一例を示すグラフである。
【図６】圧力の増加制御の一例を示す図である。
【図７】燃料電池システムの動作の他例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】
【００１２】
図１は、燃料電池システム１の一例を示す構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータＭに電力を供給する。
【００１３】
燃料電池システム１は、制御装置１０と、エアコンプレッサ１１と、入口側空気圧センサ１４と、出口側空気圧センサ１３と、水素タンク１６と、燃料ガス調圧弁１７と、燃料ガス圧センサ１９と、パージ弁２２と、燃料電池２３とを備える。燃料電池システム１は、さらに、インピーダンス計測部２４と、電圧センサＶと、温度センサＴと、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５と、ＤＣ−ＡＣインバータ２６と、再循環ポンプ２９とを備える。
【００１４】
制御装置１０は、燃料電池システム１の動作を制御する。制御装置１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。制御装置１０内のプロセッサは、プログラムを読み込むと、機能として、圧力制御部１００及び出力予測部１０１が形成され、制御装置１０内のメモリには、目標値情報１０２が格納される。圧力制御部１００、出力予測部１０１、及び目標値情報１０２については後述する。なお、制御装置１０は、プログラムで動作するものに限定されず、ハードウェアのみで動作するものであってもよい。
【００１５】
制御装置１０は、各種の指令や制御処理に従って制御信号Ｓ１〜Ｓ３をエアコンプレッサ１１、パージ弁２２、及び燃料ガス調圧弁１７にそれぞれ出力する。また、制御装置１０には、入口側空気圧センサ１４が計測した圧力Ｐａ、出口側空気圧センサ１３が計測した圧力Ｐａ’、燃料ガス圧センサ１９が計測した圧力Ｐｂ、温度センサＴが計測した温度Ｔｗ、電圧センサＶが検出した電圧値Ｅ、及びインピーダンス計測部２４が計測したインピーダンス値Ｚが入力される。
【００１６】
制御装置１０には、さらに、走行距離計測部４０が計測した車両の走行距離ＤＩＳ、車速センサ４１が検出した車両の速度Ｖｘ、シフトレバーセンサ４２が検出したシフトレバーの位置ＬＰ、ブレーキセンサ４３が検出したブレーキの開度ＢＫ、及びアクセルセンサ４４が検出したアクセルの開度ＡＣが入力される。また、制御装置１０には、目的地までの経路を車両の運転者に示すナビゲーション装置４５から経路情報ＮＶが入力される。
【００１７】
燃料電池２３には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路１８と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路２１とが接続されている。燃料ガス供給路１８には、水素タンク１６、燃料ガス調圧弁１７、及び燃料ガス圧センサ１９が、この順に接続されている。
【００１８】
水素タンク１６は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１６から燃料ガス調圧弁１７及び燃料ガス圧センサ１９を経由して燃料電池２３のアノード側に導入される。
【００１９】
水素ガスは、燃料ガス調圧弁１７を通過することで圧力が調整される。燃料ガス調圧弁１７は、制御装置１０からの制御信号Ｓ３に基づいて弁の開度を調整することで、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力を調整する。
【００２０】
燃料ガス圧センサ１９は、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力Ｐｂを計測する。燃料ガス圧センサ１９は、計測した圧力Ｐｂを制御装置１０に通知する。
【００２１】
燃料電池２３から排出された水素ガス（つまりオフガス）は、燃料ガス排出路２１に導かれる。燃料ガス排出路２１の途中には、パージ弁２２が設けられている。
【００２２】
パージ弁２２は、制御装置１０からの制御信号Ｓ２に従って開閉される。パージ弁２２は、燃料電池２３内から水素ガスを掃気する場合に開放される。
【００２３】
燃料ガス排出路２１からは、再循環経路２０が分岐している。分岐した再循環経路２０は、燃料ガス供給路１８に接続されている。再循環経路２０には再循環ポンプ２９が設けられており、再循環ポンプ２９は、燃料ガス排出路２１に排出された水素ガスを、再循環経路２０を経由して燃料ガス供給路１８に導く。再循環経路２０から燃料ガス供給路１８に導かれた水素ガスは、燃料ガス圧センサ１９を経由して再び燃料電池２３に導入される。
【００２４】
また、燃料電池２３には、空気を供給するための空気供給路１２と、発電に使用した空気を排出するための空気排出路１５とが接続されている。空気供給路１２には、エアコンプレッサ１１及び入口側空気圧センサ１４が接続されている。
【００２５】
エアコンプレッサ１１は、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ２）を含む空気を取り込んで燃料電池２３に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。エアコンプレッサ１１は、制御装置１０からの制御信号Ｓ１に従って空気を燃料電池２３のカソード側に導入する。このため、空気の圧力は、制御信号Ｓ１に基づいて制御される。
【００２６】
燃料電池２３から排出された空気は、空気排出路１５に導かれる。空気排出路１５には、出口側空気圧センサ１３が接続されている。
【００２７】
出口側空気圧センサ１３は、燃料電池２３から排出される空気の圧力Ｐａ’を計測する。出口側空気圧センサ１３は、計測した圧力Ｐａ’を制御装置１０に通知する。
【００２８】
燃料電池２３は、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成される。燃料電池２３は、燃料ガスである水素ガスが供給されるアノード電極（燃料極）と、空気が供給されるカソード電極（空気極）とを備える。水素及び酸素は、化学反応することにより水と電気を生成する。このように、燃料電池２３は、水素及び酸素が導入されることにより発電し、車両を駆動するモータＭに電流を出力する。
【００２９】
また、燃料電池２３には、燃料電池２３を冷却する冷却水（冷媒）を、図示しない冷却装置から供給するための冷却水供給路３０と、燃料電池２３内で冷却に使用された冷却水を排出するための冷却水排出路３１とが接続されている。冷却水供給路３０及び冷却水排出路３１は、冷却水を循環させる循環経路を構成する。
【００３０】
冷却水排出路３１には、燃料電池２３から排出された冷却水の温度Ｔｗを検出する温度センサＴが設けられている。温度センサＴは、検出した温度Ｔｗを制御装置１０に通知する。
【００３１】
電圧センサＶは、燃料電池２３のセルから出力された電圧値Ｅを計測する。電圧センサＶは、計測した電圧値Ｅを制御装置１０に通知する。
【００３２】
インピーダンス計測部２４は、燃料電池２３に電流を流しておき、電流値を変動させたときの電圧値との関係から、燃料電池２３のインピーダンスＺを計測する。インピーダンス計測部２４は、計測したインピーダンスＺを制御装置１０に通知する。
【００３３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２５は、例えば昇降圧チョッパ回路を含み、燃料電池２３の出力電圧を変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２５は、昇降圧チョッパ回路内に設けられたＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの複数のスイッチング素子をオンオフ制御することにより電圧を変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２５の出力電流は、ＤＣ−ＡＣインバータ２６に入力される。
【００３４】
ＤＣ−ＡＣインバータ２６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５の出力電流を直流から三相交流に変換する。ＤＣ−ＡＣインバータ２６は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式に基づいてスイッチング素子がオンオフ制御することで電流を変換する。ＤＣ−ＡＣインバータ２６の出力電流はモータＭに出力される。
【００３５】
次に、燃料電池２３を構成する燃料電池セルについて説明する。図２は、燃料電池セルの断面図である。
【００３６】
燃料電池セル２３ａは、カソード側セパレータ３０ａ、アノード側セパレータ３０ｂ、フレーム３８、カソード側ガス拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）３１ａ、アノード側ガス拡散層（GDL）３１ｂ、及びＭＥＡ３５を備える。ＭＥＡ３５は、アノード電極３３ｂ、カソード電極３３ａ、及びアノード電極３３ｂとカソード電極３３ａに挟まれた電解質膜３４を有する。
【００３７】
カソード側ＧＤＬ３１ａ、ＭＥＡ３５、及びアノード側ＧＤＬ３１ｂは、この順に積層され、カソード側及びアノード側セパレータ３０ａ，３０ｂに挟まれている。カソード側セパレータ３０ａには、空気が流れる流路Ｒａが平行に形成されており、アノード側セパレータ３０ｂには、水素ガスが流れる流路Ｒｂが平行に形成されている。空気の流路Ｒａは、空気供給路１２及び空気排出路１５に連通し、水素ガスの流路Ｒｂは、燃料ガス供給路１８及び燃料ガス排出路２１に連通する。
【００３８】
ＧＤＬ３１ａ，３１ｂは、例えば炭素繊維などで形成され、流路Ｒａ，Ｒｂから空気及び水素ガスをそれぞれ取り込んで、ＭＥＡ３５に対して均一に拡散させる。アノード側のＧＤＬ３１ｂの端部は、フレーム３８に達しているが、カソード側のＧＤＬ３１ａの端部は、フレーム３８に達していない。すなわち、カソード側のＧＤＬ３１ａの幅は、アノード側のＧＤＬ３１ｂの幅より短い。このため、ＭＥＡ３５の端部３５ａは、アノード側のＧＤＬ３１ｂに当接し、カソード側のＧＤＬ３１ａに当接していないので、ＭＥＡ３５がカソード側及びアノード側セパレータ３０ａ，３０ｂに挟持されず、カソード側の流路Ｒａに露出している。
【００３９】
ＭＥＡ３５では、カソード電極３３ａに空気中の酸素が供給され、及びアノード電極３３ｂに水素が供給されることにより、水素及び酸素の化学反応が行われる。このとき、水素イオンは、電解質膜３４を通過してアノード電極３３ｂ側からカソード電極３３ａ側に移動する。このため、アノード電極３３ｂでは、水素イオンが酸素イオンと結合することにより、水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
【００４０】
また、フレーム３８は、例えば樹脂などの絶縁物により形成されており、カソード側ＧＤＬ３１ａ、ＭＥＡ３５、及びアノード側ＧＤＬ３１ｂを囲むように設けられている。フレーム３８は、カソード側セパレータ３０ａ及びアノード側セパレータ３０ｂに挟まれており、積層方向においてＭＥＡ３５及びＧＤＬ３１ａ，３１ｂと同じ高さ位置に設けられている。
【００４１】
アノード側の流路Ｒｂ内の圧力Ｐｂとカソード側の流路Ｒａ内の圧力Ｐａは、燃料電池２３に要求される出力に応じて制御される。このとき、水素ガスの圧力Ｐｂは、空気の圧力Ｐａより大きいため、電解質膜３４は、極間差圧（Ｐｂ−Ｐａ）により撓む。とりわけ、ＭＥＡ３５の端部３５ａは、アノード側のＧＤＬ３１ｂに当接し、カソード側のＧＤＬ３１ａに当接していないので、ＭＥＡ３５がＧＤＬ３１ａ，３１ｂにより挟持されず、点線で示されるように、他部分より大きく撓んでしまう。
【００４２】
したがって、燃料電池２３に要求される出力が急激に増加したとき、仮に流路Ｒａ内または流路Ｒｂ内の圧力Ｐａ，Ｐｂも急激に増加すると、電解質膜３４には、撓みによる大きなストレスが生ずるため、耐久性が低下してしまう。耐久性の低下の程度は、発電状態に応じて変動する燃料電池セル２３ａの湿度により影響される。すなわち、湿度が高いほど、電解質膜３４の耐久性は低下しやすい。また、電解質膜３４が経年劣化などの要因で厚みが減少している場合も、耐久性が低下しやすい。
【００４３】
そこで、実施例に係る燃料電池システム１は、燃料電池２３に要求される出力の増加が予測されたとき、要求出力が増加する前に、低い増加速度で空気または水素ガスの圧力の増加制御を開始する。これにより、電解質膜３４に生ずるストレスが低減されるため、電解質膜３４の耐久性が改善される。以下に、圧力制御の詳細を述べる。
【００４４】
再び図１を参照すると、制御装置１０の圧力制御部１００は、燃料電池２３に要求される出力に応じて水素ガスの圧力Ｐｂと空気の圧力Ｐａを制御する。ここで、要求出力は、例えば、車両の速度Ｖｘ、シフトレバーの位置ＬＰ、ブレーキの開度ＢＫ、及びアクセルの開度ＡＣなどから決定される。
【００４５】
より具体的には、圧力制御部１００は、水素ガスの圧力Ｐｂと空気の圧力Ｐａを要求出力に応じた目標値となるように、エアコンプレッサ１１及び燃料ガス調圧弁１７の制御信号Ｓ１，Ｓ３を生成する。このとき、圧力制御部１００は、目標値情報１０２を参照することにより圧力Ｐａ，Ｐｂの目標値を決定する。
【００４６】
図３は、燃料電池２３の出力電流に対する圧力Ｐａ，Ｐｂの目標値の関係を示すグラフである。図３において、横軸は、出力電流、つまり燃料電池２３に要求される出力を示し、縦軸は、圧力Ｐａの目標値Ｐａ＿ｒｑと圧力Ｐｂの目標値Ｐｂ＿ｒｑを示す。
【００４７】
また、Ｉｍａｘは、出力電流の最大値を示し、Ｐａ０，Ｐｂ０は、出力電流の最大値Ｉｍａｘの半分の値（Ｉｍａｘ／２）の場合の圧力Ｐａ，Ｐｂの目標値を示す。また、Ｉ１〜Ｉ４は、設計で決定される電流値を示す。
【００４８】
目標値Ｐａ＿ｒｑは、出力電流がＩ２〜Ｉ４の範囲内であるとき、出力電流に比例し、出力電流がＩ２より小さいとき、またはＩ４より大きいとき、一定である。また、目標値Ｐｂ＿ｒｑは、出力電流がＩ１〜Ｉ３の範囲内であるとき、出力電流に比例し、出力電流がＩ１より小さいとき、またはＩ３より大きいとき、一定である。なお、Ｉ１〜Ｉ４は、Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ４の関係を有する。
【００４９】
目標値情報１０２は、例えば、上記の出力電流と目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑの関係がマッピングされたテーブルとして保持される。
【００５０】
また、図１に示された出力予測部１０１は、燃料電池２３の状態に関する所定の条件が満たされた場合、燃料電池２３に要求される出力の増加を予測する。燃料電池２３の状態に関する所定の条件としては、後述するように、電解質膜３４の厚みの条件及び湿度条件が挙げられるが、これに限定されない。また、要求出力の予測手段としては、例えば、車両の速度Ｖｘ、シフトレバーの位置ＬＰ、及びブレーキの開度ＢＫに関する所定条件の成否を判定することが挙げられるが、これに限定されず、後述するように種々の方法が存在する。
【００５１】
圧力制御部１００は、要求出力の増加が出力予測部１０１により予測されたとき、要求出力が増加する前に、空気の圧力Ｐａまたは水素ガスの圧力Ｐｂの増加制御を開始する。このとき、圧力制御部１００は、後述するように、空気の圧力Ｐａまたは水素ガスの圧力Ｐｂが、要求出力の増加タイミングから所定時間内に要求出力に応じた目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように要求出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、増加制御を開始する。以下に、圧力制御部１００及び出力予測部１０１の動作の詳細を述べる。
【００５２】
図４は、燃料電池システム１の動作の一例を示すフローチャートである。本動作は、例えば一定の時間周期で実行される。
【００５３】
まず、出力予測部１０１は、電解質膜３４の厚み（以下、「膜厚」と表記）が減少した可能性の有無を判定する（ステップＳｔ１）。本処理において、出力予測部１０１は、例えば、走行距離計測部４０により計測された走行距離ＤＩＳが所定の閾値を超えた場合、膜厚の減少の可能性が有ると判定することができる。また、出力予測部１０１は、走行距離ＤＩＳに代えて、走行時間が所定の閾値を超えた場合に膜厚の減少の可能性が有ると判定してもよい。
【００５４】
さらに、出力予測部１０１は、燃料電池２３の起動時または停止時の開回路電圧（OCV: Open Circuit Voltage）に基づいて、膜厚の減少の可能性の有無を判定することもできる。ここで、開回路電圧は、電圧センサＶにより検出された電圧値Ｅから得られる。
【００５５】
より具体的には、出力予測部１０１は、起動時または停止時の開回路電圧が所定の電圧値より小さい場合、膜厚の減少の可能性が有ると判定することができる。あるいは、出力予測部１０１は、停止時の開回路電圧の降下速度に基づいて判定することも可能である。
【００５６】
図５は、燃料電池２３の停止時の開回路電圧の変化の一例を示すグラフである。図５において、横軸は、燃料電池２３が停止してから経過した時刻を示し、縦軸は、開回路電圧（ＯＣＶ）を示す。
【００５７】
開回路電圧は、膜厚が正常である場合、実線で示されるように緩やかに減少するが、膜厚が減少している場合、点線で示されるように急激に減少する。したがって、出力予測部１０１は、開回路電圧の減少速度を検出することにより、膜厚の減少の可能性の有無を判定できる。
【００５８】
再び図４を参照すると、膜厚の減少の可能性が無い場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、圧力制御部１００は、燃料電池２３の現在の運転状態を維持する（ステップＳｔ５）。また、出力予測部１０１は、膜厚の減少の可能性が有る場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、電解質膜３４が高湿度の環境下にあるか否かを判定する（ステップＳｔ２）。
【００５９】
本処理において、出力予測部１０１は、例えば、温度センサＴにより検出された冷却水の温度Ｔｗが所定値より低い場合、電解質膜３４が高湿度の環境下にあると判定することができる。また、出力予測部１０１は、インピーダンス計測部２４により計測されたインピーダンスＺが所定値より低い場合、電解質膜３４が高湿度の環境下にあると判定することもできる。
【００６０】
また、カソード電極３３ａでは、上述したように、酸素と水素の化学反応により水が生成される。生成された水は、流路Ｒａを流れる空気により燃料電池２３の外部へ排出される。このため、流路Ｒａの入口の圧力Ｐａと流路Ｒａの出口の圧力Ｐａ’の差分（Ｐａ−Ｐａ’）が大きいほど、流路Ｒａに残留する水の量は多いと推定できる。
【００６１】
したがって、出力予測部１０１は、この差分（Ｐａ−Ｐａ’）が所定値より大きい場合、電解質膜３４が高湿度の環境下にあると判定できる。なお、電解質膜３４の湿度に関する判定手段は、上記の方法に限定されず、他のロジックに基づく方法を採用することもできる。
【００６２】
再び図４を参照すると、電解質膜３４が高湿度の環境下にはないと判定した場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、圧力制御部１００は、燃料電池２３の現在の運転状態を維持する（ステップＳｔ５）。また、出力予測部１０１は、電解質膜３４が高湿度の環境下にあると判定した場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、要求出力の増加の有無を予測する（ステップＳｔ３）。
【００６３】
このように、出力予測部１０１は、燃料電池２３に関する条件、より詳しくは電解質膜３４に関する条件（ステップＳｔ１，Ｓｔ２参照）が満たされた場合、要求出力の増加を予測する。
【００６４】
出力予測部１０１は、例えば、車両の運転状態に基づいて要求出力の増加を予測できる。例を挙げると、車速センサ４１により検出された速度Ｖｘが所定値以下であり、シフトレバーセンサ４２により検出されたシフトレバーの位置ＬＰが「Ｄ」（ドライブ）であり、ブレーキセンサ４３により検出されたブレーキの開度ＢＫが０に変化した場合、次の運転操作では、車両が加速されることが予測される。
【００６５】
したがって、出力予測部１０１は、速度Ｖｘ、シフトレバーの位置ＬＰ、及びブレーキの開度ＢＫが上記の条件を満たす場合、要求出力が増加すると予測できる。また、出力予測部１０１は、ナビゲーション装置４５から入力される経路情報ＮＶから、要求出力の増加を予測してもよい。この場合、例えば、経路情報ＮＶから、車両が、平坦な道から上り坂に差し掛かることが検出されたとき、次の運転操作では、車両が加速されることが予測されるため、要求出力の増加が予測される。
【００６６】
さらに、出力予測部１０１は、高度道路交通システム（ITS: Intelligent Transport System）から得られる交通情報に基づいて要求出力の増加を予測してもよい。例えば、交通情報から、交通信号の色が赤から青に変化することが予め検出されたとき、次の運転操作では、車両が加速されることが予測されるため、要求出力の増加が予測される。また、交通情報から、前方の車両との車間距離（ミリ波レーダなどにより測定）が所定値以上になったことが検出されたとき、次の運転操作では、車両が加速されることが予測されるため、要求出力の増加が予測される。
【００６７】
このように、出力予測部１０１は、各種の方法を用いて、要求出力の増加を予測することができる。
【００６８】
再び図４を参照すると、要求出力の増加が予測されない場合（ステップＳｔ３のＮｏ）、圧力制御部１００は、燃料電池２３の現在の運転状態を維持する（ステップＳｔ５）。また、要求出力の増加が予測された場合（ステップＳｔ３のＹｅｓ）、圧力制御部１００は、要求出力が増加する前に、空気の圧力Ｐａまたは水素ガスの圧力Ｐｂの増加制御を開始する（ステップＳｔ４）。このようにして、燃料電池システム１は動作する。
【００６９】
図６には、圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御の一例が示されている。図６において、横軸は、時刻を示し、縦軸は、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂを示す。また、実線は、上記のステップＳｔ４における圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御の一例を示し、破線は、比較例として、上記のステップＳｔ５の運転状態における圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御の一例を示す。以下の説明では、まず、ステップＳｔ４の圧力増加制御について述べ、次に、比較例の圧力増加制御内容について述べる。
【００７０】
Ｔ１は、出力予測部１０１から要求出力の増加の予測の通知を受けた時刻を示し、Ｔ２は、実際に要求出力が増加した時刻、つまり要求出力の増加タイミングを示す。Ｔ３は、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂが、要求出力、つまり要求される出力電流に応じた目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達する時刻を示す。なお、本例では、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂの両方を制御する場合を挙げるが、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂの一方を制御する場合でも、以下の内容と同様の効果が得られる。
【００７１】
圧力制御部１００は、実線で示されるように、時刻Ｔ１において、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始する。このとき、圧力制御部１００は、目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑを、例えば、図３に示されたＰａ０，Ｐｂ０として増加制御する。
【００７２】
また、圧力制御部１００は、時刻Ｔ２から所定時間Δｔの経過後（時刻Ｔ３＝Ｔ２＋Δｔ）に圧力Ｐａ，Ｐｂが目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように、圧力Ｐａ，Ｐｂの増加速度を増加させる。ここで、増加速度とは、単位時間当たりの圧力ＰＡ，Ｐｂの増加量を指す。なお、圧力制御部１００は、時刻Ｔ２において、アクセルセンサ４４により検出されたアクセルの開度ＡＣに基づいて、実際に要求出力が増加したことを判断する。
【００７３】
これにより、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂは、時刻Ｔ３において、目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達する。なお、圧力Ｐａ，Ｐｂの目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑへの到達タイミングは、時刻Ｔ２から所定時間Δｔが経過する前であってもよい。
【００７４】
一方、比較例（破線参照）において、圧力制御部１００は、出力予測部１０１による要求出力の増加の予測を伴わずに圧力増加制御を行う。このため、圧力制御部１００は、時刻Ｔ２において要求出力が増加したと判断すると、圧力Ｐａ，Ｐｂが、時刻Ｔ２から所定時間Δｔの経過後に目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように圧力Ｐａ，Ｐｂの空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始する。
【００７５】
比較例でも、空気及び水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂは、時刻Ｔ３において、目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達する。しかし、比較例では、実際の要求出力の増加タイミングである時刻Ｔ２に圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御が開始されるため、圧力Ｐａ，Ｐｂを増加制御する時間が、多くとも所定時間Δｔしかない。
【００７６】
これに対し、ステップＳｔ４の圧力増加制御（実線参照）において、圧力制御部１００は、要求出力の増加が出力予測部１０１により予測されたとき、つまり時刻Ｔ１（＜Ｔ２）に圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始するため、圧力Ｐａ，Ｐｂを増加制御する時間を、比較例より多く確保できる。このとき、圧力Ｐａ，Ｐｂを増加制御する時間は、時刻Ｔ１，Ｔ２の差分であるＴ２−Ｔ１と所定時間Δｔの合計（Ｔ２−Ｔ１＋Δｔ）となる。
【００７７】
このため、ステップＳｔ４において、圧力制御部１００は、時刻Ｔ１において、比較例における増加速度（符号Ｌａ’，Ｌｂ’ が示す直線の傾きを参照）より低い増加速度（符号Ｌａ１，Ｌｂ１が示す直線の傾きを参照）で、圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始することができる。すなわち、圧力制御部１００は、圧力Ｐａ，Ｐｂが、時刻Ｔ２から所定時間Δｔ内に要求出力に応じた目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように要求出力の増加後に増加制御を開始する場合（つまり比較例）より低い増加速度で、増加制御を開始する。
【００７８】
また、ステップＳｔ４において、圧力制御部１００は、時刻Ｔ２以降も、比較例における増加速度より低い増加速度（符号Ｌａ２，Ｌｂ２が示す直線の傾きを参照）で、圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を行うことができる。すなわち、圧力制御部１００は、要求出力の増加後も、圧力Ｐａ，Ｐｂが、時刻Ｔ２から所定時間Δｔ内に要求出力に応じた目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように要求出力の増加後に増加制御を開始する場合（つまり比較例）より低い増加速度で、圧力Ｐａ，Ｐｂが目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するまで増加制御を継続する。
【００７９】
したがって、ステップＳｔ４において、圧力制御部１００は、燃料電池２３に要求される出力が急激に増加する場合でも、流路Ｒａ内または流路Ｒｂ内の圧力Ｐａ，Ｐｂを緩やかに増加させることができる。
【００８０】
ここで、出力予測部１０１は、電解質膜３４の膜厚が減少したと判定した場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、かつ、電解質膜３４が高湿度の環境下にあると判定した場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）に要求出力の増加の予測処理（ステップＳｔ３）を行う。つまり、出力予測部１０１は、燃料電池２３の状態に関する上記の条件が満たされた場合、要求出力の増加を予測する。
【００８１】
一方、出力予測部１０１は、燃料電池２３の状態に関する上記の条件が満たされない場合（ステップＳｔ１，Ｓｔ２のＮｏ）、要求出力の増加の予測処理を行わない。この場合、圧力制御部１００は、比較例として示された圧力増加制御を行う。
【００８２】
したがって、圧力制御部１００は、電解質膜３４が要求出力の増加の影響を受けやすい状態である場合だけ、要求出力の増加に先立って圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を行う（ステップＳｔ４）。つまり、圧力制御部１００は、燃料電池２３の状態に応じて、圧力Ｐａ，Ｐｂを緩やかに増加させることができる。このため、電解質膜３４に生ずるストレスが抑制されることで、電解質膜３４の耐久性が改善される。さらに、燃料電池システム１は、燃料電池２３の出力及び燃費に対する背反が最小となるように動作することができる。
【００８３】
また、圧力制御部１００は、要求出力の増加が出力予測部１０１により予測されたとき、要求出力が増加する前に、圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始するため、増加速度が比較例の場合より低くても、要求出力の増加タイミング（時刻Ｔ２）から所定時間Δｔ内で圧力Ｐａ，Ｐｂが目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに到達するように圧力Ｐａ，Ｐｂを制御できる。これにより、燃料電池２３の出力の応答性が維持される。
【００８４】
このように、実施例の燃料電池システムは、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜３４の耐久性を改善できる。
【００８５】
次に、図４のステップＳｔ１〜Ｓｔ３の各判定処理を、より具体的にした場合の動作について説明する。図７は、この場合の燃料電池システム１の動作例を示すフローチャートである。なお、図７において、図４と共通する処理については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８６】
まず、出力予測部１０１は、燃料電池２３の起動時の開回路電圧（ＯＣＶ）を所定の電圧値αと比較する（ステップＳｔ１’）。これにより、電解質膜３４の膜厚の減少の可能性の有無が判定される。なお、開回路電圧は、上述したように、電圧センサＶにより検出された電圧値Ｅから得られる。また、所定の電圧値αは、例えば０．９（Ｖ）であるが、これに限定されない。
【００８７】
開回路電圧が所定の電圧値α以上である場合（ステップＳｔ１’のＮｏ）、圧力制御部１００は、燃料電池２３の現在の運転状態を維持する（ステップＳｔ５）。また、開回路電圧が所定の電圧値αより小さい場合（ステップＳｔ１’のＹｅｓ）、出力予測部１０１は、温度センサＴにより検出された冷却水の温度Ｔｗを所定値βと比較する（ステップＳｔ２’）。これにより、電解質膜３４が高湿度の環境下にあるか否かが判定される。なお、所定値βは、例えば５０（℃）であるが、これに限定されない。
【００８８】
温度Ｔｗが所定値β以上である場合（ステップＳｔ２’のＮｏ）、圧力制御部１００は、燃料電池２３の現在の運転状態を維持する（ステップＳｔ５）。また、出力予測部１０１は、温度Ｔｗが所定値βより小さい場合（ステップＳｔ２’のＹｅｓ）、車速センサ４１により検出された速度Ｖｘ、シフトレバーセンサ４２により検出されたシフトレバーの位置ＬＰ、及びブレーキセンサ４３により検出されたブレーキの開度ＢＫが所定の条件を満たすか否かを判定する（ステップＳｔ３’）。
【００８９】
Ｖｘ＜γ   ・・・（１）
ＬＰ＝「Ｄ」（ドライブ） ・・・（２）
ＢＫ＝０   ・・・（３）
【００９０】
より具体的には、出力予測部１０１は、上記の式（１）〜（３）の成否を判定する。なお、式（１）の所定値γは、例えば５（ｋｍ／ｈ）であるが、これに限定されない。上記の式（１）〜（３）の全てが成立する場合、上述したように、次の運転操作では、車両が加速されることが予測される。
【００９１】
上記の式（１）〜（３）の少なくとも１つが成立しない場合（ステップＳｔ３’のＮｏ）、圧力制御部１００は、燃料電池２３の現在の運転状態を維持する（ステップＳｔ５）。また、上記の式（１）〜（３）の全てが成立する場合（ステップＳｔ３’のＹｅｓ）、つまり要求出力の増加が予測される場合、圧力制御部１００は、上述したように、圧力増加制御を開始する（ステップＳｔ４）。このようにして、燃料電池システム１は動作する。
【００９２】
これまで述べたように、実施例に係る燃料電池システム１は、燃料電池２３と、出力予測部１０１と、圧力制御部１００とを備える。燃料電池２３は、空気または水素ガスが導入されることにより電流を出力する。出力予測部１０１は、燃料電池２３の状態に関する所定の条件が満たされた場合、燃料電池２３に要求される出力の増加を予測する。
【００９３】
圧力制御部１００は、要求される出力の増加が出力予測部１０１により予測されたとき、要求される出力が増加する前に、空気または水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始する。圧力制御部１００は、空気または水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂが、要求される出力の増加タイミングＴ２から所定時間Δｔ内に要求される出力に応じた目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように、要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、増加制御を開始する。
【００９４】
上記の構成によると、圧力制御部１００は、要求される出力の増加が出力予測部１０１により予測されたとき、要求される出力が増加する前に圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始する。このため、圧力制御部１００は、要求される出力の増加後に圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始する場合より、圧力Ｐａ，Ｐｂを増加制御する時間を多く確保できる。
【００９５】
そして、圧力制御部１００は、空気または水素ガスの圧力Ｐａ，Ｐｂが、要求される出力の増加タイミングＴ２から所定時間Δｔ内に要求される出力に応じた目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに達するように、要求される出力の増加後に増加制御を開始する場合より低い増加速度で、増加制御を開始する。したがって、圧力制御部１００は、燃料電池２３に要求される出力が急激に増加する場合でも、燃料電池２３の状態に応じて、圧力Ｐａ，Ｐｂを緩やかに増加させることができる。このため、燃料電池２３の電解質膜３４に生ずるストレスが抑制されることで、電解質膜３４の耐久性が改善される。
【００９６】
また、圧力制御部１００は、要求される出力の増加が出力予測部１０１により予測されたとき、要求出力が増加する前に、圧力Ｐａ，Ｐｂの増加制御を開始する。このため、圧力制御部１００は、増加速度が低くても、要求される出力の増加タイミングから所定時間Δｔ内に圧力Ｐａ，Ｐｂが目標値Ｐａ＿ｒｑ，Ｐｂ＿ｒｑに到達するように圧力Ｐａ，Ｐｂを制御できる。これにより、燃料電池２３の出力の応答性が維持される。
【００９７】
よって、実施例の燃料電池システム１は、出力の応答性を低下させることなく、電解質膜３４の耐久性を改善できる。
【００９８】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１      燃料電池システム
１０      制御装置
１１      エアコンプレッサ
１７      燃料ガス調圧弁
２３      燃料電池
３４      電解質膜
１００     圧力制御部
１０１     出力予測部
【図１】
0006269520.tif 000002
【図２】
0006269520.tif 000003
【図３】
0006269520.tif 000004
【図４】
0006269520.tif 000005
【図５】
0006269520.tif 000006
【図６】
0006269520.tif 000007
【図７】
0006269520.tif 000008