(57)【要約】【課題】燃料電池の飽和含水状態を維持する新たな手法を提供する。【解決手段】外気温センサ４２によって検出される外気温Ｔ1が、外気の高温状態を判定する外気温判定値Ｔhigh以下の場合、目標冷媒温度Ｔtargetを、発電動作中の燃料電池スタック１の冷却要求に応じて予め決定されている基準値Ｔintに設定する。一方、外気温センサ４２によって検出される外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhighよりも大きい場合、目標冷媒温度Ｔtargetを基準値Ｔintよりも小さい値に設定する。【選択図】図１
2007234452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池との間で循環させられる冷媒の温度を調整することにより、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記燃料電池に流入する前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
外気温を検出する外気温検出手段と、
前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒の温度が、目標冷媒温度に近づくように前記冷却手段を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記外気温検出手段によって検出される外気温が、外気の高温状態を判定する外気温判定値以下の場合、前記目標冷媒温度を、発電動作中の前記燃料電池の冷却要求に応じて予め決定されている基準値に設定し、前記外気温検出手段によって検出される外気温が前記外気温判定値よりも大きい場合、前記目標冷媒温度を前記基準値よりも小さい値に設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記外気温検出手段によって検出される外気温が前記外気温判定値よりも大きい場合、前記目標冷媒温度を、前記検出される外気温と前記外気温判定値との差に応じて、前記基準値より減少させた値に設定することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池から電力が供給されて動作するとともに、車両を駆動する電動モータと、
前記燃料電池から電力が供給されて動作するとともに、前記車両の室内の温度を調節する空調手段と、
前記空調手段および前記電動モータと、前記燃料電池との間に接続されて、電力の充放電を行う二次電池と、
前記電動モータと、前記空調手段と、前記燃料電池を動作させる補機とが使用する電力である車両使用電力を算出する算出手段と、
前記車両の速度を検出する車速検出手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記車速検出手段によって検出される車両の速度が車両の停止状態を判定する判定速度以下、かつ、前記空調手段が冷房状態である場合、前記燃料電池が発電する電力の目標値である目標発電量を、前記算出手段によって算出された車両使用電力よりも小さい値に設定することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記車両使用電力に対して不足する電力を前記二次電池からの出力によって補うことを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記二次電池の充電状態が、充電状態の低下を判定する判定値よりも小さい場合、前記燃料電池の目標発電量を、前記算出手段によって算出された車両使用電力に、前記二次電池に充電可能な電力の最大値である最大充電量を加算した値に設定することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記二次電池の充電状態が、二次電池の充電状態の低下を判定する判定値よりも小さくなった場合、前記空調手段が使用する電力を制限することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒の温度が、当該冷媒の温度の上限を判定する冷媒温度上限値よりも大きい場合、前記空調手段が使用する電力を制限することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
【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】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。この類の燃料電池のうち、固体高分子型の燃料電池では、プロトン導電性電解質としての機能を確保すべく、燃料電池に水を供給して固体高分子膜を飽和含水状態に維持する必要がある。そのため、燃料電池に供給するガスを加湿装置によって加湿することにより、固体高分子膜を含水させるための水を確保している。
【０００３】
また、燃料電池には、発電にともない温度が上昇した燃料電池を冷却するための冷却系が備えられており、この冷却系は、一般に、燃料電池と冷却手段（例えば、ラジエータ）との間で冷媒（例えば、冷却液）を循環させる構成となっている。この冷却系では、冷媒温度の管理目標値である目標冷媒温度を、発電動作中の燃料電池の冷却要求に応じて予め設定されている基準値に設定した上で、冷媒の温度がこの目標冷媒温度以下となるように制御される。
【０００４】
ところで、冷媒の温度を予め固定された目標冷媒温度に保つような制御では、外気温が高い場合には、冷媒の温度が目標冷媒温度を上回ってしまうこともあり、この状況では、固体高分子膜を飽和含水状態に維持することが困難となる可能性がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示された手法によれば、加湿装置によって飽和含水状態を維持することができないと判断した場合には、目標冷媒温度が基準値よりも低い温度に設定される。
【特許文献１】特開２００４−１８５９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に開示された手法によれば、固体高分子膜を飽和含水状態に維持することができる。このような手法も有効であるものの、飽和含水状態を維持することが困難となるシーンが予め分かっている場合には、このようなシーンに先行して事前に飽和含水状態を維持するような制御を行っておくことも有効である。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、燃料電池の飽和含水状態を維持する新たな手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、冷却手段と、外気温検出手段と、冷媒温度検出手段と、制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する。冷却手段は、燃料電池との間で循環させられる冷媒の温度を調整することにより、燃料電池を冷却する。外気温検出手段は、外気温を検出し、冷媒温度検出手段は、燃料電池に流入する冷媒の温度を検出する。制御手段は、冷媒温度検出手段によって検出される冷媒の温度が、目標冷媒温度に近づくように冷却手段を制御する。この場合、制御手段は、外気温検出手段によって検出される外気温が、外気の高温状態を判定する外気温判定値以下の場合、目標冷媒温度を、発電動作中の燃料電池の冷却要求に応じて予め決定されている基準値に設定し、外気温検出手段によって検出される外気温が外気温判定値よりも大きい場合、目標冷媒温度を基準値よりも小さい値に設定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、外気温検出手段によって検出される外気温が外気温判定値よりも大きい場合、目標冷媒温度を基準値よりも小さい値に設定することにより、飽和含水状態を維持することが困難となるシーンに先行して、飽和含水状態が維持されやすい状態に燃料電池の状態を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。この燃料電池システムは、例えば、車両に搭載されて、その電源として機能する。
【００１１】
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素を用いるケースについて説明する。
【００１２】
この燃料電池スタック１を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。
【００１３】
水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵された状態から、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧バルブ１１は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部４０によってその開度が制御される。
【００１４】
燃料電池スタック１の燃料極側からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路（循環流路）Ｌ2へと排出される。この水素循環流路Ｌ2は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ1に接続されており、水素循環流路Ｌ2には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極側からの排出ガスは、燃料極の水素の供給側へと循環され、燃料電池スタック１における反応効率の向上を図ることができる。水素循環ポンプ１２の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御部４０によって制御される。
【００１５】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、水素系内のガスを排出する水素排出流路Ｌ3が設けられている。この水素排出流路Ｌ3には、パージバルブ１５が設けられており、このパージバルブ１５の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ2を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージバルブ１５は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部４０によって制御される。パージバルブ１５は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。
【００１６】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって加圧され、空気供給流路Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ4には、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ5を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ5には、空気調圧バルブ２１が設けられている。空気調圧バルブ２１は、燃料電池スタック１へ供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２０の駆動量（回転数）とともに制御部４０によって制御される。
【００１７】
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷媒（例えば、冷却水）が循環する冷媒流路Ｌ6を有しており、この冷媒流路Ｌ6には、流路内を流れる冷媒を蓄えるリザーバタンク３０が設けられているとともに、冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ３１が設けられている。また、冷媒流路Ｌ6には、ラジエータ３２と、このラジエータ３２を送風する冷却ファン３３が設けられている。冷媒流路Ｌ6の冷媒は、ラジエータ３２によって冷却される。冷却された冷媒は、冷媒循環ポンプ３１を動作させることにより、燃料電池スタック１へと供給される。冷媒流路Ｌ6は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷媒は、冷媒流路Ｌ6を経由して、ラジエータ３２へと流れる。
【００１８】
また、この冷媒流路Ｌ6には、燃料電池スタック１から排出される冷媒を、ラジエータ３２を経由せずに燃料電池スタック１へと循環させるバイパス流路Ｌ7が設けられている。このバイパス流路Ｌ7と冷媒流路Ｌ6との接続部位には、三方弁３４が設けられており、この三方弁３４により、冷媒の流路をラジエータ３２方向とバイパス流路Ｌ7とで切り替えたり、或いは、ラジエータ３２方向とバイパス流路Ｌ7とにそれぞれ分流したりすることができる。この三方弁３４による流路の切り替えは、冷媒の温度が、燃料電池スタック１を冷却する冷媒の温度に関する管理目標値である目標冷媒温度となるように、冷却ファン３３の駆動量（回転数）および冷媒循環ポンプ３１の駆動量（回転数）とともに、制御部４０によって制御される。
【００１９】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出装置２が接続されている。出力取出装置２は、制御部４０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電力）を取り出す。出力取出装置２によって取り出された電力は、車両を駆動する電動モータ３や、コンプレッサ２０や水素循環ポンプ１２といった燃料電池システムを動作させる各種の補機に供給される。
【００２０】
空調装置（空調手段）４は、車両の室内の温度を制御する周知のシステムであり、例えば、ヒートポンプ式の冷暖房装置を用いることができる。この空調装置４は、冷房モードにおいて、コンプレッサから圧送される冷媒を車室外のコンデンサで放熱し、空調ダクト内に設置したエバポレータの上流で冷媒を膨張させてエバポレータで吸熱する、一方、暖房モードにおいて、コンプレッサから圧送される冷媒を空調ダクト内のコンデンサで放熱する。この空調装置４は、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１から供給される電力によって動作しており、図示しない空調装置４用のコントローラによって車室内の温度制御を行う。空調装置４に関する車室外のコンデンサは、燃料電池システムの冷却系におけるラジエータ３２の近傍に配置されて、冷却ファン３３によって送風される。
【００２１】
制御部４０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。制御部４０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、例えば、水素の圧力・流量制御、空気の圧力・流量制御、および、冷媒の温度制御に関する演算を行う。そして、制御部４０は、この演算によって算出された制御量に応じた制御信号を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧バルブ１１の開度、空気調圧バルブ２１の開度、水素循環ポンプ１２の回転数、コンプレッサ２０の回転数、三方弁３４の開度、冷媒循環ポンプ３１および冷却ファン３３の回転数などを制御する。また、本実施形態との関係において、制御部４０は、冷媒に関する温度の管理目標値である目標冷媒温度を可変に設定する。
【００２２】
制御部４０には、センサ４１，４２を含む各種センサからの信号が入力されている。冷媒温度センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される冷媒の温度、具体的には、燃料電池スタック１の入口付近における冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段である。外気温センサ４２は、外気の温度（以下「外気温」という）を検出する外気温検出手段である。
【００２３】
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて、制御部４０によって実行される目標冷媒温度の可変制御を説明する。図２は、本発明の第１の実施形態にかかる目標冷媒温度の可変制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の間隔毎に呼び出され、制御部４０によって実行される。まず、ステップ１において、外気温センサ４２の検出値、すなわち、外気温Ｔ1が読み込まれる。
【００２４】
ステップ２において、外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhighよりも大きいか否かが判定される。この外気温判定値Ｔhighは、目標冷媒温度Ｔtarget（具体的には、後述する基準値Ｔint）に従って冷媒の温度制御をしているにも拘わらず、冷媒の温度が目標冷媒温度Ｔtargetを上回ってしまうような、外気の高温状態を判定するための閾値であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。このステップ２において否定判定された場合、すなわち、外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhigh以下の場合には（Ｔ1≦Ｔhigh）、ステップ３に進む。一方、ステップ２において肯定判定された場合、すなわち、外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhighよりも大きい場合には（Ｔ1＞Ｔhigh）、ステップ４に進む。
【００２５】
ステップ３において、目標冷媒温度Ｔtargetが、目標冷媒温度の基準値Ｔintに設定される。基準値Ｔintは、冷媒の管理目標値として予め設定されている基準の値（固定値）であり、発電動作中の燃料電池スタック１の冷却要求に応じて決定されている。例えば、この基準値Ｔintとしては、一般的に使用される環境（外気温等）を基礎として、燃料電池スタック１が飽和含水状態を維持できるような冷媒の温度が、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。
【００２６】
ステップ４において、冷媒温度変化量ΔＴが算出される。図３は、外気温Ｔ1と目標冷媒温度Ｔtargetとの関係を示す説明図である。本実施形態では、外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhighよりも大きいことを条件に、制御部４０は、外気温Ｔ1と外気温判定値Ｔhighとの差に応じて、基準値Ｔintよりも減少させた値に目標冷媒温度Ｔtargetを設定する。そのため、制御部４０には、目標冷媒温度Ｔtargetが外気温Ｔ1に応じた最適値となるように、図３に示すような、外気温Ｔ1と、基準値Ｔintからの減少量（冷媒温度変化量）ΔＴとの対応関係を示すテーブルまたは計算式が内部データとして保持されている。このステップ４では、内部データを参照した上で、現在の外気温Ｔ1に対応する冷媒温度変化量ΔＴが特定される。そして、ステップ５において、目標冷媒温度Ｔtargetが、基準値Ｔintから冷媒温度変化量ΔＴを減少した値に設定される。
【００２７】
以上の手順に従って、目標冷媒温度Ｔtargetが設定されると、制御部４０は、冷媒温度センサ４１によって検出される冷媒の温度を参照した上で、検出される冷媒の温度が目標冷媒温度Ｔtargetに近づくように、三方弁３４の開度制御、冷却ファン３３の回転数制御および冷媒循環ポンプ３１の回転数制御の少なくとも一つを行う。
【００２８】
このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、冷却手段と、外気温センサ４２と、冷媒温度センサ４１と、制御手段とを主体に構成されている。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する。冷却手段は、燃料電池スタック１との間で循環させられる冷媒の温度を調整することにより、燃料電池スタック１を冷却する手段であり、本実施形態では、冷媒循環ポンプ３１、ラジエータ３２、冷却ファン３３および三方弁３４がこれに該当する。外気温センサ４２は、外気温Ｔ1を検出するセンサであり、冷媒温度センサ４１は、燃料電池スタック１に流入する冷媒温度を検出するセンサである。制御手段は、冷媒温度センサ４１によって検出される冷媒温度が、目標冷媒温度Ｔtargetに近づくように冷却手段を制御する手段であり、本実施形態では、制御部４０がその機能を担っている。ここで、制御部４０（制御手段）は、外気温センサ４２によって検出される外気温Ｔ1が、外気の高温状態を判定する外気温判定値Ｔhigh以下の場合、目標冷媒温度Ｔtargetを、発電動作中の燃料電池スタック１の冷却要求に応じて予め設定されている基準値Ｔintに設定し、外気温センサ４２によって検出される外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhighよりも大きい場合、目標冷媒温度Ｔtargetを基準目標温度（基準値Ｔint）よりも小さい値に設定する。
【００２９】
ここで、燃料電池の故障を抑制するためには、固体高分子膜の飽和含水状態が維持されないような状態、所謂、ドライアウトと呼ばれる現象が生じる限界温度以下となるように燃料電池スタックを冷却系によって冷却する必要がある。しかしながら、車両の一時停止といったような燃料電池スタックのアイドル運転状態では、燃料電池スタックの出力が小さいため、ドライアウトの限界温度が発電時のそれと比べて低くなる。特に、夏場のように外気温が高い状況では、空調装置による冷房の使用等も重なって（例えば、ラジエータ３２近傍の熱量増加）、冷媒の温度が目標冷媒温度よりも上昇し易くなり、燃料電池スタックがドライアウトの限界温度を超えてしまう虞がある。そのため、従来では、冷媒の温度上昇に起因して燃料電池スタックの温度がドライアウトの限界温度に到達することを抑制すべく、外気温が高い状況であっても、空調装置の使用を制限することで、冷媒の温度が上昇することを抑制する必要があった。
【００３０】
これに対して、本実施形態によれば、外気温が高い状況、すなわち、ドライアウトが生じやすい状況では、目標冷媒温度が通常時のそれ（基準値Ｔint）よりも低い温度に設定される。そのため、例えば、燃料電池スタック１のアイドル状態のように、ドライアウトの限界温度が低くなるようなシーン、すなわち、飽和含水状態を維持することが困難となるシーンであっても、冷媒の温度が基準値よりも低い温度に設定されているので、ドライアウトの限界温度に到達し難くなる。すなわち、飽和含水状態を維持することが困難となるシーンに先行して、飽和含水状態が維持されやすい状態に燃料電池スタック１の状態を制御することができる。これにより、ドライアウトの発生を抑制することができる。また、ドライアウトの発生を抑制することができるので、空調装置４の使用制限を抑制することができ、夏場の車内環境の悪化を抑制することができる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、外気温センサ４２によって検出される外気温Ｔ1が外気温判定値Ｔhighよりも大きい場合、目標冷媒温度Ｔtargetを、検出される外気温Ｔ1と外気温判定値Ｔhighとの差に応じて、基準値Ｔintより減少させた値に設定する。これにより、外気温Ｔ1が高い程、目標冷媒温度Ｔtargetが低い温度に設定されるので、ドライアウトを効果的に抑制することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池スタック１が発電する電力の目標値である目標発電量を制限することにある。なお、第１の実施形態と同一の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
第２の実施形態において、燃料電池システムは、二次電池５をさらに有している。二次電池５は、電動モータ３や空調装置４と並列に出力取出装置２に接続されており、出力取出装置２によって取り出された電力は、必要に応じて、二次電池５に充電される。一方、二次電池５に充電された電力は、燃料電池スタック１からの電力に不足が生じた際に、電動モータ３、補機等に供給される。二次電池５の充電状態（ＳＯＣ：state of charge）は、制御部４０によってモニタリングされている。
【００３４】
また、燃料電池システムの制御部４０は、空調装置４のコントローラと通信することにより、冷房モードや暖房モードといった現在の動作モードを含む各種の情報を取得することができる。さらに、制御部４０には、車速センサ４３からの検出信号が入力されている。この車速センサ４３は、燃料電池システムが搭載された車両の速度を検出するセンサである。
【００３５】
図５は、第２の実施形態にかかる目標冷媒温度の可変制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の間隔毎に呼び出され、制御部４０によって実行される。まず、ステップ１からステップ５までの処理については、第１の実施形態におけるそれと同じであるため、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
ステップ５に続くステップ６において、制御部４０は、目標冷媒温度Ｔtargetが基準値Ｔintから変更されていることを示す冷媒温度可変制御フラグＦtmpを「１」に設定した上で、ステップ８に進む。一方、ステップ３に続くステップ７において、制御部４０は、冷媒温度可変制御フラグＦtmpを「０」に設定した上で、ステップ８に進む。そして、ステップ８において、発電量制御が行われる。
【００３７】
図６は、第２の実施形態にかかる発電量制御の詳細な手順を示すフローチャートである。まず、ステップ１０において、車両で使用する電力（以下「車両使用電力」という）Ｐnowが算出される。この車両使用電力Ｐnowは、内部データとして保持されているマップや計算式等に従って算出される。車両使用電力Ｐnowとしては、ドライバーのアクセルペダル操作に応じて車両を駆動するために車両側から要求される電動モータ３の要求電力、この電動モータの要求電力を燃料電池スタック１が発電するために必要な補機の消費電力、および、空調装置４の消費電力等が挙げられる。電動モータ３の要求電力は、車速及びドライバーのアクセルペダル操作量と相関があるため、車速及びドライバーのアクセルペダル操作量の関数として特定することができる。また、補機の消費電力は、電動モータ３への要求電力と、これを燃料電池スタック１が発電するために必要な補機の消費電力との関係を、実験やシミュレーションを通じ予め取得することにより、電動モータ３への要求電力に基づいて特定することができる。また、空調装置４の消費電力は、空調装置４をコントロールするコントローラから取得することができる。
【００３８】
ステップ１１において、第１判定条件が成立しているか否かが判定される。第１判定条件は、燃料電池スタック１の目標発電量Ｐtargetを、ステップ１０において算出された車両使用電力Ｐnowよりも制限した値に設定するか否かを判定するための条件であり、この第１判定条件が成立した場合に、車両使用電力Ｐnowが制限される。制御部４０は、以下に示す第１から第３の条件のすべてが成立している場合に、第１判定条件が成立との判断を行う。第１の条件としては、冷媒温度可変制御フラグＦtmpが「１」であることであり、第２の条件としては、車速センサ４３によって検出される車速が車速判定値（判定速度）以下であることであり、第３の条件としては、空調装置４が冷房モードで動作している、すなわち、空調装置４が冷房状態であることである。ここで、車速判定値は、車両が停止していることを判定するための閾値であり、例えば、車速０km/hに設定される。なお、車速センサ４３の検出値に含まれる誤差等を考慮して、ある程度のマージンを持たせた値に設定してもよい。
【００３９】
このステップ１１において否定判定された場合、すなわち、第１判定条件が成立しない場合には、ステップ１２に進む。そして、ステップ１２において、燃料電池スタック１の目標発電量Ｐtargetが、ステップ１０において算出された車両使用電力Ｐnowに設定される。一方、ステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、第１判定条件が成立している場合には、ステップ１３に進む。
【００４０】
ステップ１３において、第２判定条件が成立しているか否かが判定される。制御部４０は、以下に示す第１の条件および第２の条件を具備している場合に、判定条件成立との判断を行う。第１の条件としては、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ低下判定値以上であることが挙げられる。このＳＯＣ低下判定値は、二次電池５のＳＯＣの低下を判定する値である。例えば、ＳＯＣ低下判定値は、燃料電池スタック１の目標発電量Ｐtargetが制限された際に、車両使用電力Ｐnowに対する不足分を補うために、二次電池５からの電力の持ち出しがあった場合であっても、この持ち出しに十分対応できる程度のＳＯＣの最低値が、予め実験やシミュレーションを通じて設定されている。また、第２の条件としては、二次電池５への充電が行われている場合に「１」にセットされる充電フラグＦchargeが「０」であることが挙げられる。
【００４１】
ステップ１３において肯定判定された場合、すなわち、第２判定条件が成立する場合には、ステップ１４に進む。一方、ステップ１３において否定判定された場合、すなわち、第２判定条件が成立しない場合には、ステップ１５に進む。
【００４２】
ステップ１４において、目標発電量Ｐtargetが制限発電量Ｐlimitに設定される。具体的には、冷媒の温度が目標冷媒温度Ｔtarget（＝Ｔint−ΔＴ）を上回らないように、目標発電量Ｐtargetが車両使用電力Ｐnowから所定量だけ制限した値に設定される。この場合、冷却系の冷却にともなう燃料電池スタック１の放熱量と、発電にともなう燃料電池スタック１の発熱量との関係に基づいて、目標冷媒温度Ｔtargetを維持できるような発電量上限値を、実験やシミュレーションを通じて予め取得しておく。そして、目標冷媒温度Ｔtargetと発電量上限値との関係を規定したテーブルまたは計算式を内部データとして保持しておく。このステップ１４では、内部データを参照した上で、現在の目標冷媒温度Ｔtargetに基づいて、発電量上限値、或いは、この発電量上限値よりも小さな値を制限発電量Ｐlimitに決定した上で、これを目標発電量Ｐtargetとして設定する。
【００４３】
ステップ１４において目標発電量Ｐtargetが制限発電量Ｐlimitに設定されると、それ以降は、車両使用電力Ｐnowに比して燃料電池スタック１の発電電力は小さくなる。この場合、車両使用電力Ｐnowに対する電力の不足分は、二次電池５から補われる。
【００４４】
ステップ１５において、ステップ１０において算出された車両使用電力Ｐnowに、二次電池５に充電可能な電力の最大値である最大充電量ΔＰ1を加算した値（Ｐnow ＋ ΔＰ1）が目標発電量Ｐtargetとして設定される。二次電池５の最大充電量ΔＰ1は、二次電池５の特性に起因するため、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。
【００４５】
そして、ステップ１６において、充電フラグＦchargeが「１」にセットされる。この充電フラグＦchargeが「１」にセットされている間は、燃料電池スタック１からの発電電力は、出力取出装置２を介して車両使用電力Ｐnowとして電動モータ３、補機および空調装置４に対して供給されて消費されるとともに、最大充電量ΔＰ1に相当する電力が二次電池５に対して供給されて充電される。
【００４６】
ステップ１７において、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormalより小さいか否かが判定される。このＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormalは、二次電池５に設定されているＳＯＣの管理目標値である。このステップ１７において肯定判定された場合、すなわち、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormalより小さい場合には（ＳＯＣ＜ＳＯＣnormal）、本ルーチンを抜ける。一方、ステップ１７において否定判定された場合、すなわち、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormal以上の場合には（ＳＯＣ≧ＳＯＣnormal）、ステップ１８に進む。ステップ１８において、充電フラグＦchargeを「０」にセットした上で、本ルーチンを抜ける。
【００４７】
このように本実施形態において、燃料電池システムは、電動モータ３と、空調装置４と、二次電池５と、算出手段と、車速センサ４３とをさらに有している。ここで、電動モータ３は、燃料電池スタック１から電力が供給されて動作するとともに、車両を駆動する。空調装置４は、燃料電池スタック１から電力が供給されて動作するとともに、車両の室内の温度を調節する。二次電池５は、空調装置４および電動モータ３と、燃料電池スタック１との間に接続されて、電力の充放電を行う。算出手段は、電動モータ３と、空調装置４と、燃料電池スタック１を動作させる補機とが使用する電力である車両使用電力Ｐnowを算出するものであり、本実施形態では、制御部４０がその機能を担っている。車速センサ４３は、車両の速度を検出するセンサである。この場合、制御部４０（制御手段）は、車速センサ４３によって検出される車両の速度が車両の停止状態を判定する判定速度以下、かつ、空調装置４が冷房状態である場合、燃料電池スタック１の目標発電量Ｐtargetを、算出された車両使用電力Ｐnowよりも小さい値に設定する。
【００４８】
車両の停止時といったように、燃料電池スタック１のアイドル運転状態では、燃料電池スタック１の出力が小さいため、ドライアウトの限界温度が低くなる。特に、夏場のように外気温が高い状況では、冷房の使用にともない、冷媒の温度が上昇し易い傾向となる。第２の実施形態の構成によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、燃料電池スタック１の目標発電量Ｐtargetを車両使用電力Ｐnowより小さい値に制限することにより、燃料電池スタック１の発熱量を減少させることができる。これにより、冷媒の温度上昇を抑制することができる。そのため、燃料電池スタック１の飽和含水状態を長時間維持することが可能となり、ドライアウトの発生を抑制することができるとともに、空調装置４の使用を制限することもないので、車内環境の悪化を抑制することができる。
【００４９】
また、制御部４０は、車両使用電力Ｐnowに対して不足する電力を二次電池５からの出力によって補う。これにより、システムトータルとしての電力の不足を起こすことなく、燃料電池スタック１の発電量を制限することができる。
【００５０】
また、本実施形態において、制御部４０は、二次電池５の充電状態（ＳＯＣ）が、この充電状態の低下を判定する判定値（ＳＯＣ低下判定値）よりも小さい場合、燃料電池スタック１の目標発電量Ｐtargetを、車両使用電力Ｐnowに、二次電池５に充電可能な電力量の最大値である最大電力量ΔＰ1を加算した値に設定する。これにより、燃料電池スタック１の飽和含水状態を維持しつつ、二次電池５への充電を行うことが可能となる。
【００５１】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第２の実施形態のそれと相違する点は、図６に示す発電量制御の手法である。なお、第２の実施形態と同一の構成については、同一の符号を用いることとし、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
図７は、第３の実施形態にかかる発電量制御の詳細な手順を示すフローチャートである。まず、ステップ２０において、車両使用電力Ｐnowが算出される。この車両使用電力Ｐnowの算出方法は、第２の実施形態と同様に、内部データとして保持されているマップや計算式等に基づいて算出される。ステップ２１において、第２の実施形態と同様に、第１判定条件が成立しているか否かが判定される。ステップ２１において否定判定された場合、すなわち、第１判定条件が成立しない場合には、ステップ２２に進む。ステップ２２において、燃料電池スタック１が発電する電力の目標値である目標発電量Ｐtargetが、ステップ１０において算出された車両使用電力Ｐnowに設定される。一方、ステップ２１において肯定判定された場合、すなわち、第１判定条件が成立している場合には、ステップ２３に進む。
【００５３】
ステップ２３において、第２判定条件が成立しているか否かが判定される。制御部４０は、以下に示す第１から第３の条件のいずれかを具備している場合に、判定条件成立との判断を行う。第１の条件としては、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ低下判定値以上であることが挙げられる。第２の条件としては、冷媒温度センサ４１によって検出される冷媒温度Ｔcが冷媒温度上限値以下であることが挙げられる。ここで、ＳＯＣ低下判定値は、第２の実施形態と同様の値である。冷媒温度上限値は、冷媒の温度状態を判定するための閾値であり、燃料電池スタック１の電解質膜の飽和含水状態を維持できる程度の冷媒温度の上限を規定する上限値が設定されている。また、第３の条件としては、目標発電量Ｐtargetを車両使用電力Ｐnowから制限している場合に「１」に設定される発電量制限フラグＦlimitが「０」であることが挙げられる。
【００５４】
ステップ２３において肯定判定された場合、すなわち、第２判定条件が成立する場合には、ステップ２４に進む。そして、ステップ２４において、第２の実施形態と同様に、目標発電量Ｐtargetが制限発電量Ｐlimitに設定される。一方、ステップ２３において否定判定された場合、すなわち、第２判定条件が成立しない場合には、ステップ２５に進む。
【００５５】
ステップ２５において、空調装置４が使用する電力に対する制限値である所定量ΔＰ2を、車両使用電力Ｐnowから減算した値（Ｐnow−ΔＰ2）が目標発電量Ｐtargetとして設定される。そして、ステップ２６において、発電量制限フラグＦlimitが「１」にセットされる。発電量制限フラグＦlimitが「１」にセットされると、それ以降は、空調装置４が使用する電力量が所定量ΔＰ2相当だけ制限される。
【００５６】
ステップ２６に続くステップ２７において、二次電池５のＳＯＣが、ＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormalよりも小さく、かつ、冷媒の温度Ｔcが冷媒温度判定値Ｔcthよりも大きいか否かが判定される。ここで、ＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormalは、第２の実施形態におけるそれと同様の値である。また、冷媒温度判定値Ｔcthは、冷媒の温度状態を判定するための閾値であり、上述の冷媒温度上限値よりも小さな値に設定されている。
【００５７】
このステップ２７において肯定判定された場合、すなわち、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormalよりも小さく、かつ、冷媒温度Ｔcが冷媒温度判定値Tcthよりも大きい場合には（ＳＯＣ＜ＳＯＣnormal かつ Ｔc＞Ｔcth）、本ルーチンを抜ける。一方、ステップ２７において否定判定された場合、すなわち、二次電池５のＳＯＣがＳＯＣ管理判定値ＳＯＣnormal以上、または、冷媒温度Ｔcが冷媒温度判定値Tcth以下の場合には（ＳＯＣ≧ＳＯＣnormal または Ｔc≦Ｔcth）、ステップ２８に進む。ステップ２８において、制御部４０は、発電量制限フラグＦlimitを「０」にセットした上で、本ルーチンを抜ける。
【００５８】
このように、第３の実施形態の構成によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、制御部４０は、二次電池５の充電状態が、この充電状態の低下を判定する判定値（ＳＯＣ低下判定値）よりも小さくなった場合、空調装置４で使用する電力を制限する。これにより、冷媒の温度の上昇を抑制することができるので、燃料電池スタック１の飽和含水状態を維持することが可能となり、ドライアウトの発生を抑制することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態において、制御部４０は、冷媒温度センサ４１によって検出される冷媒の温度が、冷媒温度の上限を判定する冷媒温度上限値よりも大きい場合、空調装置４で使用する電力を制限する。これにより、燃料電池スタック１の飽和含水状態を維持することができるので、ドライアウトの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図
【図２】第１の実施形態にかかる目標冷媒温度の可変制御の手順を示すフローチャート
【図３】外気温と目標冷媒温度との関係を示す説明図
【図４】第２の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図
【図５】第２の実施形態にかかる目標冷媒温度の可変制御の手順を示すフローチャート
【図６】第２の実施形態にかかる発電量制御の詳細な手順を示すフローチャート
【図７】第３の実施形態にかかる発電量制御の詳細な手順を示すフローチャート
【符号の説明】
【００６１】
１        燃料電池スタック
２        出力取出装置
３        電動モータ
４        空調装置
５        二次電池
１０        燃料タンク
１１        水素調圧バルブ
１２        水素循環ポンプ
２０        コンプレッサ
２１        空気調圧バルブ
３０        リザーバタンク
３１        冷媒循環ポンプ
３２        ラジエータ
３３        冷却ファン
３４        三方弁
４０        制御部
４１        冷媒温度センサ
４２        外気温センサ
４３        車速センサ
【図１】
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【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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