JP2005093185A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 有害環境下でも燃料電池の出力低下を抑制した電池運転を可能とする。
【解決手段】 燃料電池車両が有害走行区間に接近すると、ナビゲーションシステムを利用して車両の位置情報を取得する（ステップＳ１１）。車両と有害走行区間との距離Ｄが閾値距離Ｄ１以内に接近したならば（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、第１の運転モード（通常運転モード）から第２の運転モード（高温運転モード）に変更する（ステップＳ１３）。電池温度の目標温度Ｔ１を通常温度よりも上昇した値に設定し（ステップＳ１４）、冷却水温度又は燃料ガス温度を上昇させる（ステップＳ１５）。電池温度Ｔが目標温度Ｔ１に達したならば（ステップＳ１６；ＹＥＳ）、電池温度を一定に保持して終了する。
【選択図】 図６

Description

本発明は燃料ガスと空気を反応ガスとして電力発電を行う燃料電池の運転技術に関し、特に、カソード極に供給される空気に含まれる有害物質による燃料電池の出力低下を抑制するための改良技術に関する。

燃料電池車両は、燃料が有している化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池システムをオンボード発電機として搭載しており、車上で発電した電力をモータに供給して運動エネルギーに変換し、走行推進力を得ている。燃料電池は電解質を挟んで一対の電極（アノード極、カソード極）を配置した構成を備えており、アノード極に燃料ガスを供給し、カソード極に空気を供給することによって、このとき生じる電気化学反応を利用して電極間から電気エネルギーを取り出している。アノード極とカソード極のそれぞれは、白金触媒を担持した触媒層と、その表面に形成された多孔質のガス拡散層を積層した二層構造となっており、電池反応の触媒作用をこの白金触媒が担っている。

ところで、燃料電池車両は車外から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池のカソード極に供給しているが、大気中に一酸化炭素（ＣＯ）が含まれていると、白金触媒が被毒し、触媒活性を失うことが知られている。このような有害物質は一酸化炭素に限られるものではなく、例えば、窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯ_ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ）、有機溶剤蒸気などの炭化水素ガス（ＨＣ）なども燃料電池の出力低下を招くことが確認されている。このような有害物質は、大気汚染ガスが滞留しやすいトンネル内、地下駐車場、工業地域、幹線道路、ビル街、工事現場付近などの大気に多く含まれていることから、特開２００２−１４２３０５号公報では、トンネルなどの有害走行環境を事前に検知して二次電池の充電量を予め増加させておき、有害環境を走行する際には、燃料電池の運転を停止し、二次電池から供給される電力で走行する技術が開示されている。
特開２００２−１４２３０５号公報

しかし、このような構成では、有害環境走行時に燃料電池に対して発電要求があった場合に燃料電池を運転すると、有害物質の影響で燃料電池の出力が低下してしまう問題が生じる。また、有害環境の走行区間が長い場合は、二次電池の電力で長距離を走行することになるため、二次電池の負荷が過大になり、現実的ではない。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、有害環境下でも出力低下を抑制した運転を可能とする燃料電池システム及び燃料電池車両を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、大気に含まれる空気を燃料電池のカソード極に供給する空気供給手段と、燃料電池の周辺環境におけるカソード極に反応する有害物質の濃度を検出する検出手段と、有害物質のカソード極に対する反応速度を制御する制御手段と、を備え、制御手段は検出手段が検出した有害物質濃度に基づいてカソード極に対する有害物質の反応速度を変化させる。かかる構成とすることで、有害環境下でも燃料電池の出力低下を抑制した連続的運転が可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいて、上述の制御手段は検出手段が検出した有害物質濃度が高い程、燃料電池の運転温度が高温になるように運転制御することにより、カソード極に対する有害物の反応速度を低下させる。電池温度を高温にすることで、有害物質のカソード電極に対する反応速度を低下させることができる。

本発明の燃料電池車両は、燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池を搭載した燃料電池車両であって、大気に含まれる空気を燃料電池のカソード極に供給する空気供給手段と、燃料電池の周辺環境におけるカソード極に反応する有害物質の濃度を予測する予測手段と、有害物質のカソード極に対する反応速度を制御する制御手段と、を備え、制御手段は予測手段が予測した有害物質濃度に基づいてカソード極に対する有害物質の反応速度を変化させる。予測手段が予測した有害物質濃度に基づいてカソード極に対する有害物質の反応速度を変化させることで、燃料電池の制御遅れを回避し、有害走行区間を車両走行する場合でも燃料電池の出力低下を抑制した連続的運転が可能となる。

本発明の燃料電池車両において、上述の制御手段は予測手段が有害物質濃度の低下を予測した場合に、濃度低下前の有害物質濃度に対応する反応速度から濃度低下後の有害物質濃度に対応する反応速度への移行時期を遅らせるのが望ましい。このように構成すれば、予測手段が有害物質濃度の低下を予測したにも関わらず、有害物質濃度が実際には低下しなかった場合でも、カソード電極に対する有害物質の反応をできるだけ抑制できる。

本発明の燃料電池車両において、上述の制御手段は予測手段が予測した有害物質濃度が高い程、燃料電池の運転温度が高温になるように運転制御することにより、カソード極に対する有害物の反応速度を低下させる。電池温度を高温にすることで、有害物質のカソード電極に対する反応速度を低下させることができる。

本発明の燃料電池車両は、燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電手段と、燃料電池又は蓄電手段のうち少なくとも何れか一方から車両に搭載された電気負荷に電力を供給する手段を備え、制御手段は蓄電手段の充電量に基づいて燃料電池の運転状態を制御することが好ましい。燃料電池と蓄電手段を協調制御することで、燃料電池の運転効率を向上できる。車両に搭載される電気負荷としては、車両走行用モータ、車載補機などが好適である。

本発明の燃料電池車両において、制御手段は運転者の要求に基づいて燃料電池の運転状態を制御するのが好ましい。かかる構成とすることで、燃料電池車両が有害走行区間を走行している最中でも運転者の意思に基づいた燃料電池の運転制御が可能である。

本発明によれば、検出手段が検出した有害物質濃度に基づいてカソード極に対する有害物質の反応速度を変化させることにより、有害環境下でも燃料電池の出力低下を抑制した連続的運転が可能となる。また、予測手段が予測した有害物質濃度に基づいてカソード極に対する有害物質の反応速度を変化させることで、燃料電池の制御遅れを回避し、有害走行区間を車両走行する場合でも燃料電池の出力低下を抑制した連続的運転が可能となる。

［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両に搭載されるオンボード発電機としての燃料電池システムの主要構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１０は、主に、燃料ガスと空気（エア）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池１４と、大気から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１４のカソード極に供給するエアコンプレッサ（空気供給手段）１２と、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池１４のアノード極に供給する改質器１３と、改質器１３に原燃料を供給する燃料供給装置１１と、システム全体の運転制御を行う制御部４０を備えて構成されている。

燃料供給装置１１には、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₅）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）、エタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）、アセトン（ＣＨ₃Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ₃）、ジメチルエーテル（ＣＨ₃ＯＣＨ₃）、ガソリン、軽油、天然ガスなどの原燃料と、水蒸気改質に用いられる改質水が貯溜されており、改質器１３へ供給される原燃料と改質水の混合比率は改質器１３における触媒改質反応を十分に進行させるために必要な比率になるように制御部４０によって制御される。

制御部３０は、燃料電池システムの運転状態に対応して、始動性に優れた部分酸化改質(Partial oxidation reforming)と、改質効率に優れた水蒸気改質(Steam reforming)と、両者を組み合わせたオートサーマル改質(Autothermal reforming)を適宜使い分けて運転制御する。改質器１３に供給された原燃料は蒸気化されて原燃料ガスとなった後、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒、Ｚｎ−Ｃｒ系触媒などの改質触媒の触媒作用で水素リッチな燃料ガスに改質される。原燃料としてメタノールを用いて水蒸気改質を行うと、下記の（１）式に示すメタノール分解反応と、（２）式に示す一酸化炭素のシフト反応が同時に進行し、全体としては（３）式に示す改質反応が生じる。さらに、エアコンプレッサ１２が吸入した圧縮空気を改質器１３に導入すると、（１）式〜（３）式の水蒸気改質反応に加えて、（４）式の部分酸化改質反応が進行する。

ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂−９０．０ｋＪ/ｍｏｌ …（１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．５ｋＪ/ｍｏｌ …（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂−４９．５ｋＪ/ｍｏｌ …（３）
ＣＨ₃ＯＨ＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂＋１８９．５ｋＪ/ｍｏｌ …（４）

部分酸化改質は発熱反応であるため、システム暖機時には発熱反応を伴う部分酸化改質を中心に行いつつ、暖機完了後には負荷追従性に優れたオートサーマル改質を行うのが望ましい。改質器１３の内部温度は電気触媒加熱ヒータなどの加熱作用によって、改質反応に適度な温度範囲に保たれている。メタノール改質を行う場合、水蒸気改質では２００℃〜３００℃、部分酸化改質では４００℃〜６００℃、オートサーマル改質では２００℃〜６００℃の温度範囲が好適である。水素リッチガスに改質された燃料ガスは、改質器１３内部に充填されたＣＯ選択酸化触媒による選択酸化反応によって、ＣＯ濃度が低減され、燃料電池１４に供給される。燃料電池１４における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中のＣＯ濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。

燃料電池１４のアノード極には改質器１３で生成された燃料ガスが供給されて（５）式の酸化反応が生じるとともに、カソード極にはエアコンプレッサ１２によって圧縮された空気が供給されて（６）式の還元反応が生じる。燃料電池１４全体としては（７）式の起電反応が生じる。燃料電池１４としては、固体高分子電解質型の燃料電池が望ましい。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。固体高分子電解質型の燃料電池を用いる場合は、電池反応を良好に促進させるために燃料ガスと酸化ガスを適度に加湿することが望ましい。もとより、固体高分子電解質型燃料電池に限らず、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池なども利用できる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（５）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（６）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（７）

燃料が有する化学エネルギーは上述の起電反応によって１００％の効率で電気エネルギーに変換されるものではなく、一部は熱エネルギーとなって外部に放出される。燃料電池１４の温度を適度に保つための冷却装置として、燃料電池１４内部を循環する冷却水を空冷するためのラジエータ２２が設置されている。ラジエータ２２には冷却ファン２２ａが備え付けられており、冷却能力を調整できるように構成されている。冷却水路２３にはラジエータ２２と熱交換装置２１が設置されており、燃料電池１４から排出された冷却水はラジエータ２２の冷却作用によって降温され、熱交換装置２１を経由して再び燃料電池１４へ還流する。この熱交換装置２１は冷却水と燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスの温度を調整するためのガス温度調整装置である。冷却水路２３にはラジエータ２２を迂回するためのバイパス水路２４と、熱交換装置２１を迂回するためのバイパス水路２５が設けられている。それぞれのバイパス水路２４，２５の上流端には流量調整弁２６，２７が設置されており、これらのバイパス水路２４，２５を流れる冷却水の水量を調整できるように構成されている。冷却水の温度調整はラジエータ２２の冷却能力や、バイパス水路２４を流れる水量を加減することで調整できる。また、燃料ガスの温度調整は熱交換装置２１の冷却能力、即ち、バイパス水路２５を流れる水量を加減することで調整できる。燃料電池１４の温度調整は冷却水温度と燃料ガス温度の何れか一方、又は両者を調整することによって行われる。

パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１５は、インバータとＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力制御装置である。燃料電池１４が発電した電力はパワーコントロールユニット１５によって交流電力（三相交流）に変換されて車両走行用のモータ（三相同期モータ）１６に供給される。モータ１６としては、車載スペースを考慮すると、トランスミッションや差動ギヤを要しないインホイールモータが好適である。燃料電池１４が発電した余剰電力はパワーコントロールユニット１５によって低電圧にダウンコンバートされ、二次電池１７に充電される。この二次電池１７はブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。

燃料電池システム１０には運転状態を検出するための各種センサ類として、大気中のＣＯ濃度を検出するためにエアコンプレッサ１２の吸気部１２ａ付近に設置されたＣＯセンサ（有害物質検出手段）３１と、燃料電池１４の温度を検出する温度センサ３２と、二次電池１７の充電量を算出するためのＳＯＣ（State Of Charge）センサ（充電量算出手段）３３と、アクセル開度を検出するアクセルセンサ３４と、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキセンサ３５と、車速を検出する車速センサ３６等が設置されている。さらに、これらのセンサ類の他に、車両位置を検出するためのナビゲーションシステム３７が設置されている。

制御部４０はマイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、燃料電池システム１０の運転制御に必要な各種のプログラム及び各種データを記憶したＲＯＭ４２と、ＲＯＭ４２に格納されているプログラムを読み取ってこれを実行するＣＰＵ４１と、ＣＰＵ４１のワークメモリとして機能するＲＡＭ４３と、上述した各種センサ類（アクセルセンサ３４等）から出力されるセンサ信号やナビゲーションシステム３７から出力される車両の位置情報を取得するとともに、燃料供給装置１１、エアコンプレッサ１２、パワーコントロールユニット１５、冷却ファン２２ａ、流量調整弁２６，２７を制御するための制御信号を出力する入出力ポート４４を備えている。

制御部４０はアクセルセンサ３４から出力されるアクセル開度、ブレーキセンサ３５から出力されるブレーキペダル踏み込み量、車速センサ３６から出力される車速などの情報からモータ１６に要求される総発電量を算出し、燃料電池１４と二次電池１７がそれぞれ分担する電力量を定める。制御部４０は、燃料電池１４で所望の発電量を得るために、燃料供給装置１１から改質器１３に供給される原燃料流量と、エアコンプレッサ１２から改質器１３に供給される改質用又は選択酸化用の空気流量と、エアコンプレッサ１２から燃料電池１４のカソード電極に供給される空気流量と、燃料電池１４のアノード電極に供給される燃料ガス流量を調整する。さらに、燃料電池１４を最適な運転ポイントで運転するために、パワーコントロールユニット１５によって燃料電池１４の出力電圧を調整する。燃料電池１４の運転状態に合わせて電池温度が最適になるように冷却系統も作動する。

図２は燃料電池１４の構成単位である単セル５０の分解斜視図である。同図に示すように、単セル５０は、電解質膜５１と、アノード極５２と、カソード極５３と、セパレータ５４，５５から構成されている。アノード極５２及びカソード極５３は電解質膜５１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ５４，５５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極５２及びカソード極５３との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ５４の両面には断面凹状のリブ５４ａ，５４ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ５４ａはアノード極５２に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、燃料ガス流路を形成する。リブ５４ｂは隣接する単セル間で酸化ガス流路を形成する。セパレータ５５の両面には断面凹状のリブ５５ａ，５５ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ５５ａはカソード極５３に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、酸化ガス流路を形成する。リブ５５ｂは隣接する単セル間で燃料ガス流路を形成する。

アノード極５２は多孔質支持層５２ａと水素極触媒層５２ｂから構成されており、カソード極５３は多孔質支持層５３ａと酸素極触媒層５３ｂから構成されている。多孔質支持層５２ａ，５３ａはともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。水素極触媒層５２ｂ及び酸素極触媒層５３ｂは、触媒としての白金、又は白金と他の金属からなる合金が電解質膜５１の表面に塗布されたものである。より具体的には、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜５１上にスクリーン印刷したものである。電解質膜５１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発揮する。電解質膜５１、アノード極５２、及びカソード極５３によって膜・電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。

図３はＣＯ濃度が電池性能に与える影響を評価したグラフであり、それぞれのＣＯ濃度に対して、運転可能な電池温度の限界領域を示している。同図に示すように、電池温度が高い程、運転可能なＣＯ濃度が高くなる傾向がある。これは、触媒としての白金表面に対する一酸化炭素の吸着／離脱の平衡関係は電池温度が高くなる程より離脱する方向へ傾くことから、電池温度が高い程一酸化炭素の吸着量が少なくなり、触媒被毒に起因する燃料電池１４の出力低下は少なくなることを示している。この特性に従い、ＣＯ濃度がＣ１のときには電池温度をＴ１以上で運転すれば、触媒被毒を抑制しつつ、出力低下を回避した連続的な運転が可能になる。同様に、ＣＯ濃度がＣ２のときには電池温度をＴ２以上に昇温して運転すればよいことが解る。このような特性はＣＯ以外の有害物質にも該当するものと考えられることから、本実施形態においては、有害物質が大気中に多く含まれている有害走行区間を走行する場合には、通常運転温度よりも電池温度を高温にして有害物質のカソード電極５３に対する反応速度を低下させた状態で燃料電池１４を運転制御する。

説明の便宜上、本明細書では、通常運転時の運転モードを「第１の運転モード」と称し、有害物質のカソード電極５３に対する反応速度が通常運転時の有害物質のカソード電極５３に対する反応速度よりも低くなるように燃料電池１４を運転する運転モードを「第２の運転モード」と称する。ここで、「通常運転」とは、大気中に有害物質が含まれていないか、又は電池性能に悪影響を与えない程度の小濃度の環境で燃料電池１４を運転する場合における運転状態をいうものとする。第２の運転モードでは通常運転よりも電池温度を高温にして運転するが、第２の運転モードにおける好適な電池温度は有害物質濃度によって異なり、特定の温度範囲に限定されるものではない。例えば、複数の有害走行区間を走行する場合において、それぞれの有害走行区間の有害物質濃度が異なる場合には、それぞれの有害走行区間の有害物質濃度に適した電池温度で運転制御することにより、カソード極５３に対する有害物質の反応速度を制御することも可能である。さらには、同一の有害走行区間内において有害物質濃度に分布がある場合には、走行距離に応じて連続的に変化する有害物質濃度に対応して電池温度を連続的に変化させて電池運転を制御することも可能である。

図４は燃料電池１４の運転モードを切り替えるタイミングを説明するための図である。燃料電池車両７０には上述したナビゲーションシステム３７が搭載されており、ＧＰＳ衛星９１からのＧＰＳ信号を受信することにより車両の位置情報を取得することができる。ナビゲーションシステム３７には、有害走行区間の座標データが予めマップデータ３７ａとして登録されている（図１参照）。有害走行区間とは、燃料電池１４を運転する上で有害となる物質が大気中に含まれている環境をいい、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯ_ｘ）、硫黄酸化物（ＳＯ）、炭化水素ガス（ＨＣ）、オイル等の不純物などが大気中に多く含まれているトンネル内、地下駐車場、工業地域、幹線道路、ビル街、工事現場などが該当する。同図に示すように、ここではトンネル８０が有害走行区間として予め登録されており、マップデータ３７ａにはトンネル８０の入口８１と出口８２の座標データが予め登録されている。燃料電池車両７０は一定時間毎に自車の位置情報を取得し、マップデータ３７ａに登録された有害走行区間の座標データと照合することにより、自車が有害走行区間外を走行していると判定した場合は第１の運転モードで燃料電池１４を運転制御し、自車が有害走行区間内を走行していると判定した場合は第２の運転モードに遷移して燃料電池１４を運転制御する。このように、有害走行区間の座標データを記憶したナビゲーションシステム３７は有害物質濃度を予測する予測手段として機能する。

但し、燃料電池１４の運転モードを第１の運転モードから第２の運転モードに切り替えても、電池温度は急激には変化せず、時間的な遅れが生じる。この遅延時間は電池温度の温度差に依存するから、第２の運転モードにおける電池温度を有害物質濃度に対応して調整する場合は、有害走行区間の有害物質濃度が高い程、遅延時間はより長くなる。電池温度が十分に昇温しない状態で有害走行区間を走行すると、触媒被毒による出力低下を招くため、第１の運転モードから第２の運転モードに切り替えるタイミングとして、有害走行区間のある程度手前の位置が望ましい。本明細書では、第１の運転モードから第２の運転モードに切り替える目安となる距離を「閾値距離Ｄ１」と称する。閾値距離Ｄ１の値としては、燃料電池車両７０の車速、電池温度制御の遅延時間、有害走行区間の有害物質濃度などを考慮して、制御遅れが生じない程度の必要かつ十分な値が好ましい。図５は有害走行区間の有害物質濃度を一定としたときの車速Ｖに対する閾値距離Ｄ１のマップデータである。有害物質濃度が高くなる程、マップデータの直線の勾配は大きくなる。

さらに、トンネル８０などの有害走行区間の周辺は換気が悪く、有害物質が滞留しやすいため、第２の運転モードから第１の運転モードに切り替えるタイミングとして、有害走行区間からある程度の距離だけ走行した位置が望ましい。本明細書では、第２の運転モードから第１の運転モードに切り替える目安となる距離を「閾値距離Ｄ２」と称する。閾値距離Ｄ２の値として、有害走行区間の有害物質濃度や、換気の良否などを考慮して、第２の運転モードから第１の運転モードに切り替えて走行しても燃料電池１４の運転に支障がない程度の距離が望ましい。

図６は燃料電池１４の運転モードを第１の運転モードから第２の運転モードに切り替えて運転制御するときの制御処理ルーチンである。本ルーチンは制御部４０によって実行処理される。本ルーチンは燃料電池車両７０が有害走行区間に接近しているときに実行されるものである。まず、ナビゲーションシステム３７から車両の位置情報を取得する（ステップＳ１１）。次いで、マップデータ３７ａと照合して有害走行区間までの距離Ｄを算出し、車両位置が閾値距離Ｄ１内であるか否か、つまり、Ｄ＜Ｄ１であるか否かが判定される（ステップＳ１２）。Ｄ≧Ｄ１である場合には（ステップＳ１２；ＮＯ）、ステップＳ１１に再帰し、Ｄ＜Ｄ１である場合には（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、第１の運転モードから第２の運転モードに切り替える（ステップＳ１３）。次いで、電池温度の目標温度を通常運転温度よりも上昇した値に設定する（ステップＳ１４）。目標温度としては、有害走行区間の有害物質濃度に対応して好適な温度範囲に設定してもよく、また、有害物質濃度に関係なく予め定められた一定の温度範囲に設定してもよい。目標温度を一定の温度範囲に設定する場合には、平均的な有害物質濃度を想定し、この平均濃度に対応した目標温度を設定するとよい。

電池温度の目標温度を設定したならば、冷却水温度を昇温させるか、又は燃料ガス温度を昇温させて電池温度を昇温させる（ステップＳ１５）。冷却水温度を昇温させるには、（１）冷却ファン２２ａの回転数を下げる、（２）冷却ファン２２ａの駆動時間が短くなるようにＰＷＭ制御する、（３）バイパス水路２４を流れる水量が多くなるように流量調整弁２６を制御するなどの手法がある。また、燃料ガス温度を昇温させるには、（１）バイパス水路２５を流れる水量が多くなるように流量調整弁２７を制御する、（２）冷却水の温度を上げるなどの手法がある。そして、温度センサ３２が検出した電池温度Ｔが目標温度Ｔ１に到達したか否かをチェックし（ステップＳ１６）、電池温度Ｔが目標温度Ｔ１以下である場合には（ステップＳ１６；ＮＯ）、ステップＳ１５に再帰して電池温度を昇温させる。電池温度Ｔが目標温度Ｔ１に達すると（ステップＳ１６；ＹＥＳ）、制御部４０は本ルーチンを終了して、電池温度Ｔを一定に保つ。

図７は燃料電池１４の運転モードを第２の運転モードから第１の運転モードに切り替えて運転制御するときの制御処理ルーチンである。本ルーチンは制御部４０によって実行処理される。本ルーチンは有害走行区間を走行している燃料電池車両７０が区間出口に向って走行しているときに実行されるものである。まず、ナビゲーションシステム３７から車両の位置情報を取得する（ステップＳ２１）。次いで、マップデータ３７ａと照合して燃料電池車両７０が区間出口を通過したか否かがチェックされる（ステップＳ２２）。区間出口を通過してない場合には（ステップＳ２２；ＮＯ）、ステップＳ２１に再帰し、区間出口を通過した場合には（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、区間出口からの走行距離Ｄが閾値距離Ｄ２を越えたか否かがチェックされる（ステップＳ２３）。走行距離Ｄが閾値距離Ｄ２を越えてない場合には（ステップＳ２３；ＮＯ）、ステップＳ２１に再帰し、走行距離Ｄが閾値距離Ｄ２を越えた場合には（ステップＳ２３；ＹＥＳ）、第２の運転モードから第１の運転モードに切り替える（ステップＳ２４）。

次いで、電池温度の目標温度を通常運転温度に下げる（ステップＳ２５）。電池温度の目標温度を設定したならば、冷却水温度を降温させるか、又は燃料ガス温度を降温させて電池温度を降温させる（ステップＳ２６）。冷却水温度を降温させるには、（１）冷却ファン２２ａの回転数を上げる、（２）冷却ファン２２ａの駆動時間が長くなるようにＰＷＭ制御する、（３）バイパス水路２４を流れる水量が少なくなるように流量調整弁２６を制御するなどの手法がある。また、燃料ガス温度を昇温させるには、（１）バイパス水路２５を流れる水量が少なくなるように流量調整弁２７を制御する、（２）冷却水の温度を下げるなどの手法がある。そして、温度センサ３２が検出した電池温度Ｔが目標温度Ｔ２に到達したか否かをチェックし（ステップＳ２７）、電池温度Ｔが目標温度Ｔ２以上である場合には（ステップＳ２７；ＮＯ）、ステップＳ２６に再帰して電池温度を降温させる。電池温度Ｔが目標温度Ｔ２に達すると（ステップＳ２７；ＹＥＳ）、制御部４０は本ルーチンを終了して、電池温度Ｔを一定に保つ。

尚、上述の説明では、燃料電池車両７０が有害走行区間を走行する場合には、燃料電池１４の運転モードを切り替えた上で電池運転を継続していたが、二次電池１７の充電量が車両走行をする上で必要かつ十分にあり、有害走行区間も短い場合には、電池運転を停止して二次電池１７の電力で走行することも可能である。つまり、制御部４０は、有害走行区間を走行する事前段階で、有害走行区間の経路長や二次電池１７の充電量などの情報を予め取得し、電池運転を継続するか又は二次電池１７の電力で走行するかを判断することで、燃料電池１４と二次電池１７の協調制御を行うことができる。さらに、二次電池１７の電力で有害走行区間を走行していた場合でも、緊急事態における運転者のアクセル操作などに備えて、燃料電池１４に発電要求がなされた場合には、電池運転を再開することも可能である。

また、上述の説明では、冷却水温度と燃料ガス温度を調整することで、電池温度を調整する構成を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、燃料電池１４のカソード極５３に供給される空気の温度を調整することで電池温度を調整してもよく、さらには、電気ヒータなどの加熱手段を利用して燃料電池１４を直接に加温してもよい。また、第２の運転モードから第１の運転モードに切り替える目安として、閾値距離Ｄ２を設定したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、ＣＯセンサ３１などの有害物質検出手段からのセンサ信号に基づいて大気中の有害物質濃度を検出し、有害物質濃度が所定の濃度以下になった時点で第２の運転モードから第１の運転モードに切り替えるように構成してもよい。

このように、本実施形態によれば、有害走行区間を走行する場合でも燃料電池１４の運転を停止することなく、電池温度を調整することで有害物質のカソード電極５３に対する反応速度を低下させることができるため、燃料電池１４の出力低下を抑制した連続的な運転を可能にできる。これによって、二次電池１７の負荷を大幅に低減できる。また、ナビゲーションシステム３７を利用して有害走行区間を事前に検出できるため、有害走行区間の手前で第１の運転モードから第２の運転モードへ切り替えることが可能となり、電池温度制御の時間的遅れを回避できる。また、ナビゲーションシステム３７を利用することにより有害走行区間を走行し終えたことを検出できるため、区間出口からの走行距離が閾値距離Ｄ２を越えた時点で第２の運転モードから第１の運転モードへ切り替えることが可能となり、有害走行区間周辺の有害物質による触媒被毒を回避できる。

［発明の実施形態２］
次に、図８を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
同図において、図１と同一符号を付した装置等は同一の装置等を示すものとして詳細な説明を省略する。第２実施形態の基本的な構成は上述の第１実施形態の構成とほぼ同じであり、ナビゲーションシステム３７を無線通信装置３８に置き換えた点が異なっている。この無線通信装置３８は他車に搭載されている無線通信装置、又は道路に沿って設置された道路情報システムなどから有害走行区間の位置情報（区間出入口の座標データなど）を受信し、有害物質濃度を予測する予測手段として機能するものである。このようなシステム構成とすれば、例えば、交通量の増加や工場施設の火災などによって後発的に大気汚染が生じた場合に、大気汚染が生じた地域を有害走行区間として認定し、燃料電池１４の運転制御を柔軟に行うことができる。もとより、上述の第１実施形態で説明したナビゲーションシステム３７と併用して燃料電池１４の運転制御を行ってもよい。

図９は車両間の無線通信を通じて有害走行区間の位置情報をリアルタイムで送受信する状況を示しており、先行車両７１からは電波中継施設９２を介して燃料電池車両７０へ有害走行区間の位置情報が送信されている。先行車両７１にはＣＯセンサ３１などの有害物質検出手段が搭載されており、走行路の有害物質濃度を検出する。有害物質濃度が閾値濃度を超えると、先行車両７１は有害走行区間として認定し、その区間の位置情報を後続の燃料電池車両７０に送信する。図１０は道路情報システム９３から燃料電池車両７０へ有害走行区間の位置情報がリアルタイムで送受信される状況を示している。道路情報システム９３は走行路の各所に点在しており、各地点での交通情報（交通量、渋滞状況、事故情報など）を取得するとともに、必要に応じて有害物質濃度を検出するように構成されている。道路情報システム９３は走行路の所定区間に大気汚染が生じていると判断すると、その区間を有害走行区間として認定し、その区間の位置情報を送信する。もとより、先行車両７１又は道路情報システム９３から送信される有害走行区間の位置情報としては、実施形態１と同様に、有害走行区間として予め登録されている情報であってもよい。

［発明の実施形態３］
次に、図１１を参照して本発明の第３実施形態について説明する。
同図において、図１と同一符号を付した装置等は同一の装置等を示すものとして詳細な説明を省略する。第３実施形態の基本的な構成は上述の第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、上述の改質器１３に替えて水素タンク６１を設置し、この水素タンク６１から燃料電池１４へ燃料ガスを供給する点が主な相違点である。燃料ガス流路には加熱装置６２が設置されており、第２の運転モードで電池運転をする際に、燃料ガス温度を昇温できるように構成されている。加熱装置６２としては、電気ヒータなどの加熱器でもよく、加熱媒体（温水又は高温ガス）と燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスの温度を昇温させる熱交換器でもよい。加熱装置６２は制御部４０によって制御される。本実施形態における基本的な電池運転制御は上述の第１実施形態又は第２実施形態と同様である。

第１実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 燃料電池を構成する単セルの構成図である。 燃料電池の運転可能領域を示すグラフである。 運転モード切り替えタイミングを説明するための図である。 車速Ｖに対する閾値距離Ｄ１のマップデータである。 運転モードの切り替え処理を記述したフローチャートである。 運転モードの切り替え処理を記述したフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 運転モード切り替えタイミングを説明するための図である。 運転モード切り替えタイミングを説明するための図である。 第３実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…エアコンプレッサ １４…燃料電池 ２１…熱交換器 ２２…ラジエータ ２３…冷却水路 ３７…ナビゲーションシステム ３８…無線通信装置 ４０…制御部 ５０…単位セル ５３…カソード電極 ７０…燃料電池車両

Claims (7)

1. 燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   大気に含まれる空気を前記燃料電池のカソード極に供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池の周辺環境におけるカソード極に反応する有害物質の濃度を検出する検出手段と、
   前記有害物質の前記カソード極に対する反応速度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は前記検出手段が検出した有害物質濃度に基づいて前記カソード極に対する前記有害物質の反応速度を変化させる、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記検出手段が検出した有害物質濃度が高い程、前記燃料電池の運転温度が高温になるように運転制御することにより、前記カソード極に対する前記有害物の反応速度を低下させる、燃料電池システム。
3. 燃料ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池を搭載した燃料電池車両であって、
   大気に含まれる空気を前記燃料電池のカソード極に供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池の周辺環境におけるカソード極に反応する有害物質の濃度を予測する予測手段と、
   前記有害物質の前記カソード極に対する反応速度を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は前記予測手段が予測した有害物質濃度に基づいて前記カソード極に対する前記有害物質の反応速度を変化させる、燃料電池車両。
4. 請求項３に記載の燃料電池車両であって、
   前記制御手段は、前記予測手段が有害物質濃度の低下を予測した場合に、濃度低下前の有害物質濃度に対応する反応速度から濃度低下後の有害物質濃度に対応する反応速度への移行時期を遅らせる、燃料電池車両。
5. 請求項３又は請求項４に記載の燃料電池車両であって、
   前記制御手段は、前記予測手段が予測した有害物質濃度が高い程、前記燃料電池の運転温度が高温になるように運転制御することにより、前記カソード極に対する前記有害物の反応速度を低下させる、燃料電池車両。
6. 請求項３乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池車両であって、
   前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記燃料電池又は前記蓄電手段のうち少なくとも何れか一方から車両に搭載された電気負荷に電力を供給する手段を備え、
   前記制御手段は前記蓄電手段の充電量に基づいて前記燃料電池の運転状態を制御する、燃料電池車両。
7. 請求項３乃至請求項６のうち何れか１項に記載の燃料電池車両であって、
   前記制御手段は運転者の要求に基づいて前記燃料電池の運転状態を制御する、燃料電池車両。