(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、燃料ガス供給流路を介して前記アノード電極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給流路を介して前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
回転駆動手段を含み、前記回転駆動手段が回転することに伴って前記酸化剤ガス供給流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、
前記カソード電極内の圧力を調整する圧力調整弁と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の要求空気流量に応じて前記回転駆動手段の回転数を制御することで前記酸化剤ガスの前記カソード電極への供給流量を調整する第１流量制御と、
前記回転駆動手段の回転数が最低となり、前記酸化剤ガス供給機構が前記酸化剤ガスを最低供給流量で供給する一方、前記カソード電極における要求酸化剤ガス流量が前記最低供給流量を下回るとき、前記回転駆動手段の回転数を最低に維持しながら、前記圧力調整弁の開度を調節することで前記酸化剤ガスの前記カソード電極への供給流量を調整する第２流量制御と、
を行い、
前記第１流量制御と前記第２流量制御とを切り替える際は、一方の流量制御を停止するとともに、前記圧力調整弁を、その開度が予め設定された所定の開度となるまで一定の動作速度で動作させ、その後、他方の流量制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の制御方法において、前記圧力調整弁が予め設定された所定の開度となった後、前記要求酸化剤ガス流量と、前記酸化剤ガスの前記カソード電極への供給流量とに基づくフィードバック制御を行って前記圧力調整弁の開度を調節することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の制御方法において、前記燃料電池の要求出力の変化率が予め設定された変化率よりも大きく上昇したとき、前記圧力調整弁による前記流量制御を終了するとともに、前記回転駆動手段の回転数を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３記載の制御方法において、前記流量制御を終了した前記圧力調整弁を、開度が予め設定された所定の開度となるまで一定の動作速度で動作させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項４記載の制御方法において、前記動作速度を、前記要求出力の変化率が大きいときには大きく設定する一方、変化率が小さいときには小さく設定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の制御方法において、前記回転駆動手段の回転数が最低となり、前記酸化剤ガス供給機構が前記酸化剤ガスを最低供給流量で供給する一方、前記カソード電極における要求酸化剤ガス流量が前記最低供給流量を下回るとともに、前記カソード電極の内圧と前記アノード電極との内圧の差が所定の閾値よりも大きいときには、前記圧力調整弁の開度を調整しないことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御方法に関し、一層詳細には、カソード電極を通過する酸化剤ガスを制御する燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体がセパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成される。発電セルは、通常、所定の数で積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。
【０００３】
燃料電池を運転するに際しては、アノード電極（例えば、水素ガス）に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給される。このため、燃料電池には、燃料ガスタンク、燃料ガスポンプ、燃料ガス供給流路、酸化剤ガスポンプ、燃料ガス排出（循環）流路、加湿器、酸化剤ガス供給流路、酸化剤ガス排出流路等が設けられる。これにより、燃料電池システムが構築されている。
【０００４】
酸化剤ガスとしては、豊富に存在し且つ入手が容易であることから、大気を圧縮した圧縮空気が広汎に採用されている。この場合、酸化剤ガスポンプ（空気ポンプ）は、大気を圧縮してカソード電極に送気する役割を担う。圧縮空気の供給圧力、換言すれば、カソード電極の内圧は、特許文献１に記載されるように、酸化剤ガス排出流路に設けられた調圧弁の開度を調節することで制御される。
【０００５】
ここで、空気ポンプは、モータが回転することで大気の圧縮及び送気を行う。すなわち、モータの回転数が大きくなるほど、大きな空気流量で圧縮空気を送気することが可能となる。換言すれば、モータが最低回転数となったときには空気流量が最低となる。このときの空気流量が、最低供給流量である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１９６２３１号公報（特に段落［００１６］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池の負荷が低い場合には、該燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が低減される。このとき、燃料電池が要求する空気流量（要求空気流量）が最低供給流量を下回るような場合であっても、実際には、最低供給流量で圧縮空気を供給せざるを得ない。モータの回転数を最低回転数よりも小さくすることはできないからである。
【０００８】
このような状況下では、要求空気流量よりも過剰の流量で圧縮空気がカソード電極に供給されることになる。圧縮空気は電解質膜にも接触するので、該電解質膜が乾燥し、このことに起因してプロトン伝導度が低下する懸念がある。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、固体高分子電解質膜が乾燥したり、このことによってプロトン伝導度が低下したりすることを回避することが可能な燃料電池スタックの制御方法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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極との間で挟持する電解質膜・電極構造体を備えるとともに、燃料ガス供給流路を介して前記アノード電極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給流路を介して前記カソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
回転駆動手段を含み、前記回転駆動手段が回転することに伴って前記酸化剤ガス供給流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、
前記カソード電極内の圧力を調整する圧力調整弁と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の要求空気流量に応じて前記回転駆動手段の回転数を制御することで前記酸化剤ガスの前記カソード電極への供給流量を調整する第１流量制御と、
前記回転駆動手段の回転数が最低となり、前記酸化剤ガス供給機構が前記酸化剤ガスを最低供給流量で供給する一方、前記カソード電極における要求酸化剤ガス流量が前記最低供給流量を下回るとき、前記回転駆動手段の回転数を最低に維持しながら、前記圧力調整弁の開度を調節することで前記酸化剤ガスの前記カソード電極への供給流量を調整する第２流量制御と、
を行うことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明においては、要求酸化剤ガス流量が、酸化剤ガス供給機構を構成する回転駆動手段の最低回転数に応じて定まる最低供給流量を下回るときには、前記回転駆動手段を最低回転数に維持した（酸化剤ガスの供給流量を最低供給流量に維持した）状態で、圧力調整弁によって酸化剤ガスの流量制御を行う。例えば、圧力調整弁の開度を小さくすることにより、カソード電極に供給される酸化剤ガスの実際の供給流量を、前記最低供給流量よりも小さくすることができる。
【００１２】
従って、過剰の酸化剤ガスがカソード電極に供給されることが回避される。このため、固体高分子電解質膜が乾燥することが防止されるので、該固体高分子電解質膜のプロトン伝導度が低下する懸念を払拭し得る。
【００１３】
なお、前記第１流量制御と前記第２流量制御とを切り替える際は、一方の流量制御を停止するとともに、圧力調整弁を、その開度が予め設定された所定の開度となるまでは一定の動作速度で動作させる。これにより、例えば、開度が急激に小さくなることが回避される。この場合には、酸化剤ガスの供給流量が急激に減少することが回避されるので、カソードオフガスによるパージができなくなることや、アノードオフガス中の水素濃度が増加することを防止することができる。
【００１４】
動作速度は、要求出力（要求電流）の変化率が大きいときには大きく設定し、一方、変化率が小さいときには小さく設定することが好ましい。これにより、変化率が大きいときに十分な応答速度を得ることが可能となるとともに、変化率が小さいときに過剰の酸化剤ガスが供給されることを回避することができる。
【００１５】
圧力調整弁が予め設定された所定の開度となった後は、要求酸化剤ガス流量と、酸化剤ガスのカソード電極への供給流量とに基づいてフィードバック制御を行うことで、圧力調整弁の開度を調節することが好ましい。供給流量は、酸化剤ガス供給機構を構成する回転駆動手段の回転数を調節することでも制御することは可能であるが、圧力調整弁の開度を調節する方が、一層精緻な制御が可能となる。すなわち、この場合、酸化剤ガスの供給流量を精度よく制御することができる。
【００１６】
圧力調整弁による流量制御を終了するタイミングは、例えば、燃料電池の要求出力の変化率が予め設定された変化率よりも大きく上昇したときとすればよい。この場合、要求酸化剤ガス流量が、この時点でカソード電極に供給されている酸化剤ガスの流量以上であるので、圧力調整弁をカソード電極の内圧制御に戻し且つ回転駆動手段の回転数を上昇させて最低供給流量以上としても差し支えないからである。なお、要求出力の変化率は要求電流の変化率でもあるから、要求電流の変化率で判断することも可能である。
【００１７】
流量制御を終了した圧力調整弁は、開度が予め設定された所定の開度となるまで一定の動作速度で動作させることが好ましい。この場合、燃料電池の出力が速やかに要求出力まで上昇する。すなわち、十分な応答速度が得られる。
【００１８】
以上において、前記流量制御を行うに先んじ、カソード電極の内圧とアノード電極との内圧の差（極間差圧）が所定の閾値よりも大きいときには、前記圧力調整弁の開度を調整しないこと、換言すれば、流量制御を行わないことが好ましい。これにより固体高分子電解質膜に作用する圧力の均衡が保たれるので、該固体高分子電解質膜が破損することを回避することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、要求酸化剤ガス流量が、酸化剤ガス供給機構の最低供給流量を下回るときには、圧力調整弁の開度を調節することによって酸化剤ガスの流量制御を行うようにしているので、カソード電極に供給される酸化剤ガスの実際の供給流量を、前記最低供給流量よりも小さくすることができる。
【００２０】
このために過剰の酸化剤ガスがカソード電極に供給されることが回避されるので、固体高分子電解質膜が乾燥することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】本実施の形態に係る制御方法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】
【００２２】
以下、本発明に係る燃料電池システムの制御方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
先ず、燃料電池システムにつき、その概略構成説明図である図１を参照して説明する。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。
【００２４】
燃料電池スタック１２は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とを備える。本実施の形態では、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして圧縮空気を用いる。燃料電池システム１０は、さらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。
【００２５】
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が図１中の矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層されて構成される。ここで、発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持したものである。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属又はカーボンからなる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２としては、上記のようなフッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を採用することもできる。
【００２７】
第１セパレータ２８には、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８が設けられる。一方、第２セパレータ３０には、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０が設けられる。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が形成される。
【００２８】
燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。この中の水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。同様に、水素ガス出口４４ｂも各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。
【００２９】
同様に、空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。
【００３０】
さらに、冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。
【００３１】
燃料ガス供給装置１４は、高圧水素ガスを貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５１（燃料ガス供給流路）を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに接続される。水素ガス供給路５１は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。
【００３２】
水素ガス供給路５１には、インジェクタ５４とエゼクタ５６が直列に設けられる。エゼクタ５６内が負圧になることで、水素循環流路６６からの水素が吸引される。
【００３３】
燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２（アノードオフガス排出路）が接続される。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである排出水素ガス（アノードオフガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。
【００３４】
水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が設けられる。前記気液分離器６４の下流からは水素循環流路６６が分岐し、この水素循環流路６６の下流側が前記エゼクタ５６に接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスを、水素循環流路６６及びエゼクタ５６を介して水素ガス供給路５１に循環させる。
【００３５】
水素ガス排出路６２は、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。燃料ガス供給装置１４は、アノード流路の水素ガス圧力を検出するために、例えば、水素ガス供給路５１に水素ガス入口４４ａの近傍に位置して圧力センサ７７を備え、該圧力センサ７７の検出信号が制御部２２に送られる。
【００３６】
酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給路（酸化剤ガス供給流路）８０に配設された、酸化剤ガス供給機構としてのエアポンプ７８を備える。このエアポンプ７８は、大気（空気）を圧縮して供給するべく、回転駆動手段であるモータを内蔵する圧縮機として構成される。すなわち、エアポンプ７８は、モータが回転することに伴って大気を圧縮し、これにより得た圧縮空気を空気供給路８０から燃料電池スタック１２に供給する。
【００３７】
なお、上記したような構成のエアポンプ７８は公知であるため、詳細な説明は省略する。
【００３８】
空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置するとともに燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに接続され、その間に供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４が介装される。空気供給路８０には、加湿器８４を迂回するバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、開閉弁８８が設けられる。
【００３９】
燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路（カソードオフガス排出路）９０が接続される。空気排出路９０は、少なくとも一部がカソード電極３６で使用された圧縮空気である排出圧縮空気（カソードオフガス）を、燃料電池スタック１２から排出する。
【００４０】
酸化剤ガス供給装置１６には、カソード流路の圧縮空気の圧力を検出するための圧力センサ９１が、例えば、空気排出路９０における空気出口４６ｂの近傍に設けられる。該圧力センサ９１によって検出された圧力は、検出信号として制御部２２に送られる。
【００４１】
空気排出路９０の下流には前記加湿器８４が配設されており、このため、加湿器８４は、エアポンプ７８から供給された圧縮空気とカソードオフガスとの間で水分及び熱を交換する。さらに、空気排出路９０において、加湿器８４の下流側には排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続されて合流しており、これにより希釈部を構成している。
【００４２】
背圧弁９２は、前記カソード流路に供給される圧縮空気の圧力を制御するために設けられる圧力調整弁である。すなわち、カソード電極３６の内圧は、背圧弁９２によって調節される。
【００４３】
空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、空気側バイパス流路９４の両端が連通する。空気側バイパス流路９４には、前記空気側バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。
【００４４】
冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。
【００４５】
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の制御方法につき、該燃料電池システム１０の動作との関係で説明する。
【００４６】
このように構成される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。以下においては、この場合を例示する。
【００４７】
燃料電池車両の運転が開始される際、イグニッションがＯＮとされることに伴って燃料電池スタック１２が起動される。このとき、制御部２２は、燃料ガス供給装置１４からアノード流路に水素ガスを供給するべく、インジェクタ５４を開放する指令信号を発する。これにより、水素タンク５０から水素ガス供給路５１に供給された所定量の水素ガスが、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通過して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。
【００４８】
水素ガスは、さらに、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動する。これにより、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に水素ガスが供給される。
【００４９】
その一方で、制御部２２は、酸化剤ガス供給装置１６から圧縮空気を供給するべく、エアポンプ７８を付勢する指令信号を発する。これに伴い、エアポンプ７８の回転作用下に大気が圧縮され、空気供給路８０に圧縮空気として送気する。この圧縮空気は、加湿器８４を通過する際に加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。圧縮空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入された後、前記空気流路４０に沿って移動することによって電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。
【００５０】
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される圧縮空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。加湿器８４にて圧縮空気に付与された湿分の一部は、カソード電極３６から固体高分子電解質膜３２に浸透し、アノード電極３４に到達する。
【００５１】
また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。
【００５２】
アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、アノードオフガスとして水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。この際、アノードオフガスは、上記のようにしてアノード電極３４に到達した湿分（水分）を同伴する。すなわち、気液分離器６４に導入されるアノードオフガスは、水分を含んだ湿潤ガスである。
【００５３】
気液分離器６４において、アノードオフガス中の水分の大部分が分離される。液分（水）は、ドレイン弁７６が開放されることによって排水流路７４から排出される。一方、水分が分離されたアノードオフガスは、若干残留したミストを含んだ状態で、水素ポンプ６８の作用下に、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入される。アノードオフガスは、さらに、水素循環流路６６からエゼクタ５６に吸引され、インジェクタ５４を通過した新たな水素ガスに合流して水素ガス供給路５１からアノード流路に供給される。このように、アノードオフガスは燃料電池スタック１２に循環供給される。
【００５４】
なお、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。
【００５５】
同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された圧縮空気は、カソードオフガスとして空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。カソードオフガスは、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな圧縮空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整されて希釈部に排出される。
【００５６】
以上のようにして燃料電池スタック１２の定常運転が行われている間、カソード流路の圧力が圧力センサ９１で検出され、その結果が信号として制御部２２に送られる。この信号を受けた制御部２２は、カソード流路の圧力（カソード電極３６の内圧）が所定の範囲内となるように背圧弁９２の開度を調節する。なお、定常運転の最中では、カソード流路の圧力が略一定に保たれるような制御が行われる。
【００５７】
同時に、アノード流路の圧力も圧力センサ７７によって検出される。勿論、この検出結果も制御部２２に送られる。制御部２２は、アノード流路内の圧力とカソード流路内の圧力との差が所定の範囲内であるか否かを判断する。
【００５８】
燃料電池車両が、例えば、アイドル状態とされるとき、燃料電池スタック１２の負荷、換言すれば、要求出力が小さくなる。この場合、燃料電池スタック１２の要求空気流量（要求酸化剤ガス流量）も小さい。そこで、制御部２２は、空気供給路８０への圧縮空気の供給量を低減する。具体的には、エアポンプ７８に対して「モータの回転数を低減する」との指令信号を発する。この信号を受け、モータの回転数が低減する。
【００５９】
例えば、アイドル状態が長時間継続されるときには、要求空気流量が最低となる。このとき、制御部２２の制御作用下にモータの回転数が最低となり、エアポンプ７８からの圧縮空気の供給流量も最低となる。すなわち、このときの供給流量は、最低供給流量である。
【００６０】
ここで、エアポンプ７８は、モータの回転数に応じて供給可能流量が予め設定されている。このため、要求空気流量が非常に小さいときには、圧縮空気の供給流量を最低供給流量としたときであってもなお、最低供給流量が要求空気流量を上回る（要求空気流量が最低供給流量を下回る）事態が想定される。仮にこのような事態が発生した場合、要求空気流量よりも過剰の流量で圧縮空気がカソード電極３６に供給されるので、固体高分子電解質膜３２が乾燥する懸念がある。
【００６１】
これを回避するべく、本実施の形態では、制御部２２が所定の制御を行う。この制御につき、図２を参照して説明する。
【００６２】
要求空気流量が最低供給流量を下回るようになったとき（ステップＳ１の「ＹＥＳ」）、制御部２２は、ステップＳ２において、圧力センサ７７、９１の検出信号に基づき、アノード流路内の圧力（アノード電極３４の内圧）と、カソード流路内の圧力（カソード電極３６の内圧）との差圧、すなわち、いわゆる極間差圧を求める。
【００６３】
極間差圧が予め設定した所定の範囲を超えるときには、制御部２２は、背圧弁９２を操作することなくステップＳ１に戻る。これにより、極間差圧が過度に大きくなることに起因して固体高分子電解質膜３２が破損することが回避される。
【００６４】
一方、極間差圧が所定の範囲内であるときにはステップＳ３に進み、制御部２２の制御作用下に背圧弁９２の開度が調節される。例えば、背圧弁９２の開度が小さくなったときには、圧縮空気がカソード流路を流通し難くなる。すなわち、この段階では、背圧弁９２によって圧縮空気の流量調整がなされる。
【００６５】
要するに、要求空気流量が最低供給流量を下回るようになったときには、背圧弁９２の開度が適宜調節され、これにより、カソード流路内の圧縮空気の流量が調整される。過剰量の圧縮空気がカソード電極３６に供給されることを回避するべく、通常は、背圧弁９２の開度を小さくする制御がなされる。なお、エアポンプ７８の回転数は、最低回転数に維持される。このため、エアポンプ７８からの圧縮空気の供給流量が増加することが回避される。
【００６６】
ここで、背圧弁９２は、予め設定された所定の開度（設定開度）まで一定の動作速度で絞られる。すなわち、所定の開度となるまでは、要求空気流量に見合った供給流量とするための背圧弁９２の開度調節制御（例えば、フィードバック制御）は行われない。このため、背圧弁９２が急激に絞られることが回避される。これにより、上記のパージができなくなることや、アノードオフガス中の水素濃度が増加することを防止することができる。
【００６７】
背圧弁９２が所定の開度となった後、ステップＳ４に進み、制御部２２がフィードバック（ＦＢ）制御を開始する。すなわち、制御部２２は、カソード流路に流通する圧縮空気の流量、換言すれば、供給流量を検出し、要求空気流量と比較する。そして、両流量の差分に応じ、背圧弁９２の開度を調節する。例えば、要求空気流量が供給流量よりも大きいときには背圧弁９２の開度を若干大きくする。これに対し、要求空気流量が供給流量よりも小さいときには背圧弁９２の開度を若干小さくする。
【００６８】
このようにして背圧弁９２の開度を調節することにより、カソード流路内の圧縮空気の流量を適宜調整することが可能となる。従って、圧縮空気の流量を調整するべくエアポンプ７８のモータの回転数を変更する必要がない。背圧弁９２の開度調節は、モータの回転数変更よりも精緻に行うことができるので、この場合、圧縮空気の流量を精度よく調整することができるという利点がある。
【００６９】
以上のようにして、カソード流路内の圧縮空気を、要求空気流量に対応する流量に調節することができる。従って、要求空気流量がエアポンプ７８の最低供給流量を下回る事態が生じたとしても、要求空気流量よりも過剰の圧縮空気がカソード電極３６に供給されることや、このことに起因して固体高分子電解質膜３２が乾燥する懸念が払拭される。
【００７０】
制御部２２は、燃料電池スタック１２の要求出力が上昇したか否かを判断している（ステップＳ５）。そして、要求出力が上昇しないときには、背圧弁９２に対する上記のＦＢ制御が継続して行われる。一方、燃料電池車両のアクセルが踏み込まれたこと等によって燃料電池の要求出力が所定の変化率以上で大きくなったときには、ステップＳ６に進む。
【００７１】
この場合、要求空気流量は、カソード流路内の圧縮空気の供給流量よりも大きい。従って、制御部２２は、背圧弁９２に対するＦＢ制御を解除する。その結果、背圧弁９２による圧縮空気の流量調整が終了するとともに、背圧弁９２の開度が大きくなる。
【００７２】
この際、背圧弁９２は、所定の開度、例えば、全開となるまで一定の動作速度で開く。すなわち、所定の開度となるまでは、カソード流路内の圧力に応じた背圧弁９２の開度調節制御（ＦＢ制御）は行われない。このため、アクセルが踏み込まれてから燃料電池車両が加速を開始するに至るまでの応答速度が速くなる。
【００７３】
背圧弁９２の動作速度は、要求出力の変化率に応じて設定される。例えば、アクセルの踏み込み量が小さいときには、要求出力の変化率も小さい。この場合、背圧弁９２の動作速度は小さく設定される。これにより、背圧弁９２が急激に開いて未反応の圧縮空気が空気排出路９０に多量に排出されることを回避することができる。
【００７４】
これに対し、アクセルの踏み込み量が大きく要求出力の変化率が大きいときには、背圧弁９２の動作速度は大きく設定される。これにより、要求空気流量に対応する量で圧縮空気が供給されるようになるので、燃料電池車両が十分な応答速度を示す。
【００７５】
制御部２２は、以上のようにして背圧弁９２による圧縮空気の流量制御を終了する一方で、エアポンプ７８のモータの回転数を上昇させる（ステップＳ７）。従って、圧縮空気の供給流量が要求空気流量に見合うまで増加し、カソード電極３６に供給される。圧縮空気の供給流量が要求空気流量に対応すると、定常運転に戻る。
【００７６】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００７７】
例えば、圧力センサ７７、９１の設置箇所は、水素ガス入口４４ａ、空気出口４６ｂの各近傍に限定されるものではなく、アノード電極３４、カソード電極３６の各内圧を検出し得る箇所であれば如何なる場所であってもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０…燃料電池システム                  １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置                  １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置                  ２２…制御部
２４…発電セル                          ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…セパレータ                  ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード電極                      ３６…カソード電極
３８…水素ガス流路                      ４０…空気流路
５０…水素タンク                        ５１…水素ガス供給路
５４…インジェクタ                      ５６…エゼクタ
６２…水素ガス排出路                    ６６…水素循環流路
６８…水素ポンプ                        ７７、９１…圧力センサ
７８…エアポンプ                        ８０…空気供給路
８４…加湿器                            ９０…空気排出路
９２…背圧弁                            ９４…空気側バイパス流路
９６…ＢＰ流量調整弁
【図１】
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【図２】
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