JP2014002948A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の劣化を適切に抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ＥＣＵ５１は、バッテリ４４の充電割合が所定値よりも大きい状態、及び、燃料電池１０が搭載された移動体が停止した状態、のうち少なくともいずれかを検知した場合、コンプレッサ２１を駆動しつつＳＴＫバイパス流路弁２５を開弁することで、ＳＴＫバイパス流路ｃ１，ｃ２を介して希釈器２８にカソードガスを流入させ、循環ポンプ２３を駆動することで、戻り流路ｂ１〜ｂ３を介してカソード流路１１にカソードオフガスを流入させつつ、燃料電池１０の発電電圧が所定値になるように制御し、カソード流路１１を通流するカソードガスの流量を調整することで、燃料電池１０の発電電流を減少させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、その出力インピーダンスにより、発電電流が小さくなるにつれて発電電圧（出力電圧）が高くなる特性を示す。なお、発電電圧が高くなって所定の臨界電圧を超えると、燃料電池を構成する単セルの腐食や性能劣化が起こる可能性が高くなる。したがって、燃料電池への負荷要求が小さい場合、当該負荷要求に応じて発電電流を抑制しつつ、過電圧による単セルの劣化を防止する必要がある。

従来、燃料電池への負荷要求が小さい場合、燃料電池のエアストイキ（反応に供する空気量に対する、供給空気量）を低下させて低効率発電を行っていた。
例えば、特許文献１には、低効率発電を行う際、カソードに発生する水素量を推定し、カソード排出ガスの希釈量を前記ガス量に基づいて調整することが記載されている。
また、特許文献２には、低電力制御を行う際、燃料電池の空気入口に供給する空気の量を低下させるとともに、スイッチを切り替えて燃料電池と補助負荷とを接続することが記載されている。

特許第４８６８２５１号公報 特表２０１２−５０４８４８号公報

特許文献１に記載の技術では、低効率発電を行う際にカソード側でポンピング水素が生じることも考慮して水素量を推定し、当該水素量に基づいてカソード排出ガスの希釈量を調整している。ここで、「ポンピング水素」とは、カソードガスの供給が不足している場合、アノード側から移動してくる水素イオンと電子とが再結合して生成される水素分子を意味している。
しかしながら、ポンピング水素が発生すると、燃料電池のカソード面内で未反応の酸素と水素とが混在した状態になって互いに反応し、単セルを劣化させるという問題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、燃料電池に供給する空気の量を低下させるために、コンプレッサの吐出量を非常に小さくする（例えば、コンプレッサの最低流量以下にする）必要がある。その場合、コンプレッサの吐出量を適切に制御できなくなり、発電が不安定になるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、補助負荷を設置する必要があるため、燃料電池システムの構成が複雑になるとともに、コストがかかるという問題もある。

そこで、本発明は、燃料電池の劣化を適切に抑制できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、移動体に搭載されるとともに、アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記カソード流路の流入口に接続されるカソードガス供給流路と、前記カソード流路の流出口に接続されるカソードオフガス排出流路と、前記カソードガス供給流路と前記カソードオフガス排出流路とに接続され、カソードオフガスが前記カソード流路に戻るように設けられる戻り流路と、前記戻り流路に設けられる循環ポンプと、前記戻り流路との接続箇所よりも下流側の前記カソードオフガス排出流路に設けられる希釈器と、前記カソードガス供給流路を介し、前記カソード流路の流入口に向けてカソードガスを送出するカソードガス送出手段と、前記カソードガス送出手段から送出されるカソードガスが、前記燃料電池をバイパスして前記希釈器に流入するように設けられるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられるバイパス流路弁と、前記燃料電池の負荷に対して放電可能であると共に、前記燃料電池から充電可能なバッテリと、制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記バッテリの充電割合が所定値よりも大きい状態、及び、前記移動体が停止した状態、のうち少なくともいずれかを検知した場合、前記カソードガス送出手段を駆動しつつ前記バイパス流路弁を開弁することで、前記バイパス流路を介して前記希釈器にカソードガスを流入させ、前記循環ポンプを駆動することで、前記戻り流路を介して前記カソード流路にカソードオフガスを流入させつつ、前記燃料電池の発電電圧が所定値になるように制御し、前記カソード流路を通流するカソードガスの流量を調整することで、前記燃料電池の発電電流を前記検知時より減少させることを特徴とする。

かかる構成によれば、バッテリの充電割合が所定値よりも大きい状態、及び、移動体が停止した状態、のうち少なくともいずれかを検知した場合、制御手段は、カソードガス送出手段を駆動しつつバイパス流路弁を開弁する。したがって、カソードガス送出手段によって送出されたカソードガスがバイパス流路を介して希釈器に流入することで、希釈器内のアノードガスを希釈できる。

また、前記状態を検知した場合、制御手段は、循環ポンプを駆動する。したがって、戻り流路を介してカソード流路にカソードオフガスを流入させつつ、燃料電池の発電電圧が所定値になるように制御できる。
さらに、前記状態を検知した場合、制御手段は、カソード流路を通流するカソードガスの流量を調整することで、燃料電池の発電電流を前記検知時よりも減少させる。したがって、余分な電力を消費するための補助負荷を設置することなく、前記状態（バッテリの充電状態や移動体の停止状態）に適切に対応できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が備える複数の単セルの電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記検知後、前記セル電圧検出手段によって検出されるセル電圧の最低値が所定値以下である場合、前記循環ポンプの回転速度を増加させることが好ましい。

かかる構成によれば、セル電圧検出手段によって検出されるセル電圧の最低値が所定値以下である場合、制御手段が循環ポンプの回転速度を増加させる。したがって、カソード流路の差圧を上昇させて排水性を向上させ、セル電圧を回復（上昇）することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記カソードオフガス排出流路において、前記戻り流路との接続箇所と、前記バイパス流路との接続箇所と、の間に設けられる背圧弁を備え、前記制御手段は、前記背圧弁の開度を調整することで、前記カソード流路を通流するカソードガスの流量を調整し、前記燃料電池の発電電流を前記検知時よりも減少させることが好ましい。

かかる構成によれば、背圧弁の開度に応じた流量のカソードガスがカソード流路に供給され、当該カソードガスの流量に応じて電荷が生成される。つまり、背圧弁の開度を調整することで、燃料電池の発電電流を前記検知時よりも減少させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記検知後、前記セル電圧検出手段によって検出されるセル電圧の最高値が所定値以下となるように前記背圧弁の開度を調整することが好ましい。

かかる構成によれば、背圧弁の開度を調整することによって、セル電圧の最高値を所定値以下に抑えることができる。したがって、過電圧による単セルの劣化を防止できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電電圧が所定値になるように制御するとともに、前記燃料電池の発電電流を減少させた後、前記バッテリの充電割合が所定値以下になるか、又は、前記移動体の走行を開始する場合、前記制御手段は、前記バイパス流路弁を閉弁するとともに、前記循環ポンプを停止させることが好ましい。

かかる構成によれば、バッテリの充電割合が所定値以下になるか、又は、移動体の走行を開始する場合、バイパス流路弁を閉弁し、循環ポンプを停止して通常の制御に戻すことができる。

本発明によれば、燃料電池の劣化を適切に抑制できる燃料電池システムを提供できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池システムの通常制御及びＩＶ可変制御を行う際のタイムチャートであり、（ａ）はコンプレッサの回転速度、（ｂ）は背圧弁の開度、（ｃ）循環ポンプのオン／オフ、（ｄ）はＳＴＫバイパス流路弁の開閉状態、（ｅ）はＤＩＬアシスト流路弁の開閉状態を示している。 燃料電池システムの通常制御及びＩＶ可変制御を行う際のタイムチャートであり、（ａ）は遮断弁の開閉状態、（ｂ）はインジェクタのオン／オフ、（ｃ）はコンタクタのオン／オフ、（ｄ）は燃料電池の発電電圧、（ｅ）は燃料電池の発電電流を示している。 燃料電池システムのＩＶ可変制御処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムのＩＶ可変制御処理の流れを示すフローチャートである。 （ａ）は燃料電池の電圧低下幅及びＥＧＲ循環量の時間的変化を示すグラフであり、（ｂ）は燃料電池のセル電圧標準偏差及びＥＧＲ循環量の時間的変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのＩＶ可変制御処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池システムのＩＶ可変制御処理の流れを示すフローチャートである。

本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
以下、燃料電池システムが燃料電池自動車に搭載される場合について説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶、航空機などの移動体にも適用できる。

≪第１実施形態≫
＜燃料電池システムの構成＞
図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対して水素（アノードガス）を供給するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（カソードガス）を供給するカソード系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御するＥＣＵ５１と、を備えている。

（１．燃料電池）
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、膜／電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）を複数積層して構成されている。なお、複数の前記単セルは、電気的に直列で接続されている。
燃料電池１０の各セパレータには、それぞれの膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がカソード流路１１、アノード流路１２として機能している。なお、セパレータには、燃料電池１０を冷却するための冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）を通流させる冷媒流路（図示せず）も形成されている。

燃料電池１０では、アノード流路１２を介して水素が供給されると、（式１）の電極反応が起こり、カソード流路１１を介して酸素を含む空気が供給されると、（式２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）が発生する。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻・・・（式１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（式２）

（２．カソード系）
カソード系は、コンプレッサ２１と、加湿器２２と、循環ポンプ２３と、背圧弁２４と、ＳＴＫ（Stack）バイパス流路弁２５と、オリフィス２６と、ＤＩＬ（Diluter）アシスト流路弁２７と、希釈器２８と、を備えている。

コンプレッサ２１（カソードガス送出手段）は、吸入側が配管ａ１を介して系外（車外）と連通し、吐出側が配管ａ２を介して加湿器２２に接続されている。コンプレッサ２１は、ＥＣＵ５１からの指令に従って内部の羽根車（図示せず）を回転させることにより、系外から空気を吸引・圧縮し、カソードガス供給流路を介しカソード流路１１の流入口に向けて送出するものである。
なお、「カソードガス供給流路」は、配管ａ１〜ａ３を含んで構成され、カソード流路１１の流入口に接続されている。

加湿器２２は、カソード流路１１に向かうカソードガスを加湿するものであり、配管ａ３を介してカソード流路１１の流入口に接続されている。加湿器２２は、配管ａ２を介して流入する低湿潤の空気（カソードガス）と、配管ａ４を介して流入する高湿潤のカソードオフガスとの間で、中空糸膜（図示せず）を介して水分交換を行う。
なお、以下の記載において、「カソードオフガス排出流路」は、配管ａ４〜ａ６を含んで構成され、カソード流路１１の流出口に接続されている。

循環ポンプ２３は、後記するＩＶ可変制御を行う際に駆動されるポンプであり、戻り流路に設置されている。なお、「戻り流路」は、配管ｂ１〜ｂ３を含んで構成され、カソード流路１１から流出したカソードオフガスが、再びカソード流路１１に戻るように設けられている。
そして、循環ポンプ２３が駆動すると、戻り流路、配管ａ３、カソード流路１１、及び配管ａ４を含む「カソード循環流路」を、カソードオフガスが循環する。
なお、循環ポンプ２３の吸入口は、後記する背圧弁２４よりも上流側のカソードオフガス排出流路（配管ａ４）に、配管ｂ１を介して接続されている。また、循環ポンプ２３の吐出口は、配管ｂ２を介して逆止弁Ｃに接続されている。

逆止弁Ｃは、戻り流路（配管ｂ１〜ｂ３）において、配管ｂ２から配管ｂ３に向かうカソードオフガスの流れを許容し、逆向きの流れを許容しないように設置されている。なお、逆止弁Ｃはコンプレッサ２１よりも下流側のカソードガス供給流路（配管ａ３）に、配管ｂ３を介して接続されている。
背圧弁２４は、その開度を調整することによって燃料電池１０のカソード流路１１を通流する空気の流量及び圧力（背圧）を調整するものであり、上流側は配管ａ５を介して加湿器２２に接続され、下流側は配管ａ６を介して希釈器２８に接続されている。

ＳＴＫバイパス流路弁２５（バイパス流路弁）は、例えば、電磁式の開閉弁であり、ＳＴＫバイパス流路（バイパス流路）に設けられている。
ここで、「ＳＴＫバイパス流路」は、配管ｃ１，ｃ２を含んで構成され、コンプレッサ２１から送出されるカソードガスが、燃料電池１０をバイパスして希釈器２８に流入するように設けられている。
なお、配管ｃ１の一端は配管ａ２に接続され、他端はＳＴＫバイパス流路弁２５に接続されている。また、配管ｃ２の一端はＳＴＫバイパス流路弁２５に接続され、他端は配管ａ６に接続されている。
なお、ＳＴＫバイパス流路弁２５は、後記するＩＶ可変制御を実行する際に開弁される。

オリフィス２６は、ＤＩＬアシスト流路に設けられ、コンプレッサ２１から希釈器２８に供給される空気の流量を制限するものである。なお、「ＤＩＬアシスト流路」は、配管ｃ３〜ｃ６を含んで構成される。
ＤＩＬアシスト流路弁２７は、例えば、電磁式の開閉弁であり、オリフィス２６と並列に接続されている。そして、ＤＩＬアシスト流路弁２７が開弁すると、配管ａ２から流入した空気が配管ｃ３，ｃ５に分流し、さらに配管ｃ４，ｃ６から合流して希釈器２８に流入するように設けられている。

希釈器２８は、配管ａ６を介して背圧弁２４に接続され、配管ｄ７を介してパージ弁３５に接続されている。希釈器２８は、パージ弁３５が開いた場合に配管ｄ７を介して流入するアノードオフガスを、配管ａ６などを介して流入するカソードガスで希釈し、配管ｄ８を介して系外に排出する機能を有している。

（２．アノード系）
アノード系は、水素タンク３１と、遮断弁３２と、インジェクタ３３と、エゼクタ３４と、パージ弁３５と、を備えている。

水素タンク３１は、配管ｄ１を介して遮断弁３２に接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。
遮断弁３２は、配管ｄ２を介してインジェクタ３３に接続され、ＥＣＵ５１からの指令によって開かれると、水素タンク３１からの水素がアノード供給流路を介して燃料電池１０のアノード流路１２に供給されるようになっている。
なお、「アノード供給流路」は、配管ｄ１〜ｄ４を含んで構成される。

インジェクタ３３は、配管ｄ３を介してエゼクタ３４に接続され、ＥＣＵ５１からの指令に従って水素を噴射するものである。すなわち、インジェクタ３３は、配管ｄ２を介して供給される水素を、配管ｄ３を介して間欠的に噴射することで、アノード流路１２に水素を供給する。

エゼクタ３４は、配管ｄ４を介してアノード流路１２の流入口に接続され、水素タンク３１から供給される水素をノズル（図示せず）から噴射することによって、ノズルの周囲に負圧を発生させるものである。これによって、アノード流路１２の流出口から排出されるアノードオフガス（未反応の水素を含む）が、配管ｄ５を介して吸引される。

パージ弁３５は、配管ｄ５から分岐する配管ｄ６に接続され、配管ｄ７を介して希釈器２８に接続されている。パージ弁３５は、ＥＣＵ５１からの指令に従って開弁することにより、アノード側に蓄積した不純物（窒素、水分など）を希釈器２８に排出する機能を有している。

＜電力消費系＞
電力消費系は、出力検出器４１と、ＶＣＵ４２と、走行モータ４３と、バッテリ４４と、電圧センサ４５と、を備えている。
出力検出器４１は、電流センサ（図示せず）及び電圧センサ（図示せず）を備え、燃料電池１０の電流値、電圧値をそれぞれ検出してＥＣＵ５１に出力する機能を有している。
ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）は、ＥＣＵ５１からの指令に従って燃料電池１０の発電電力やバッテリ４４の充放電を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電子回路が内蔵されている。
走行モータ４３は、燃料電池１０及び／又はバッテリ４４から供給される電力によって回転する電動モータであり、燃料電池１０が搭載される移動体の動力源となる。

バッテリ４４は、燃料電池１０の負荷（走行モータ４３など）に対して放電可能であるとともに、燃料電池１０から充電可能な二次電池である。バッテリ４４はＶＣＵ４２に接続され、燃料電池１０の余剰発電電力や走行モータ４３からの回生電力を蓄えたり、充電した電力を放電して負荷への電力供給をアシストしたりする。ちなみに、バッテリ４４として、例えば、複数のリチウムイオン型の二次電池を使用することができる。
電圧センサ４５は、バッテリ４４の充電割合（State Of Charge：ＳＯＣ）を検出し、当該充電割合をＥＣＵ５１に出力する機能を有している。
なお、図１では、出力検出器４１とＶＣＵ４２との間に設置され、これらを電気的に接続するコンタクタの図示を省略している。また、図１では、ＶＣＵ４２と走行モータ４３との間に設置され、直流電力を三相交流電力に変換するインバータの図示を省略している。

＜制御系＞
ＥＣＵ５１（Electric Control Unit）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ＥＣＵ５１には、出力検出器４１などを含むセンサ類からの検出信号や、ブレーキ６１の踏み込みを示す信号などが入力される。そして、ＥＣＵ５１は、入力される各信号に応じて各弁の開閉、各ポンプの駆動、ＶＣＵ４２の動作などを制御する。
このＥＣＵ５１が、「制御手段」に相当する。

＜その他＞
ブレーキ６１は、燃料電池１０が搭載された燃料電池車（移動体）のブレーキペダルであり、運転席の足元に配置されている。ブレーキ６１は、運転者による踏み込みを示す信号をＥＣＵ５１に出力するようになっている。
セル電圧モニタ７１（セル電圧検出手段）は、燃料電池１０を構成する複数の単セルごとのセル電圧を検出する機器である。セル電圧モニタ７１は、所定周期でそれぞれの単セルのセル電圧を検出し、最低セル電圧、最高セル電圧、及び平均セル電圧を算出し、ＥＣＵ５１に出力する。

なお、「最低セル電圧」とは各セル電圧のうちの最低値であり、「最高セル電圧」とは各セル電圧のうちの最高値であり、「平均セル電圧」は各セル電圧の平均値である。ちなみに、前記算出には、複数個（例えば、２個）の単セルごとにセル電圧を検出し、最低セル電圧、最高セル電圧、及び平均セル電圧を算出する場合も含まれる。

＜燃料電池システムの動作＞
図２、図３は、燃料電池システムの通常制御及びＩＶ可変制御を行う際のタイムチャートである。
「通常発電」を行う際、ＥＣＵ５１は、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量などに応じてコンプレッサ２１の回転速度ｒ１や背圧弁２４の開度Ｒ１を制御する（図２（ａ）、図２（ｂ）の時刻ｔ１〜ｔ２を参照）。これによって、所定流量の空気が、カソード供給流路（配管ａ１〜ａ３）を介してカソード流路１２に供給される。
なお、「通常発電」とは、循環ポンプ２３を停止し、ＳＴＫバイパス流路弁２５及びＤＩＬアシスト流路弁２７を閉弁した状態で（図２（ｃ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）参照）、要求負荷に応じて発電することを意味している。

また、通常発電を行う際、ＥＣＵ５１は、遮断弁３２を開弁し（図３（ａ）参照）、インジェクタ３３を駆動する（図３（ｂ）参照）。これによって、水素タンク３１から供給される水素が、アノード供給流路（配管ｄ１〜ｄ４）を介してアノード流路１２に流入する。
そうすると、燃料電池１０において水素と酸素とが前記（式１）、（式２）に示す電極反応を起こして電荷が生成され、コンタクタ（図示せず）を介して（図３（ｃ）参照）、要求負荷に応じた発電電圧Ｖ_ｆ及び発電電流Ｉ１が供給される（図３（ｄ）、図３（ｅ）参照）。

図２、図３の時刻ｔ２において、例えばブレーキ６１が踏まれて燃料電池車が停止すると、要求負荷が急激に小さくなる。このとき、ＥＣＵ５１は「ＩＶ可変制御」に移行する。
なお、「ＩＶ可変制御」とは、所定電圧を目標値とした定電圧制御を実行しつつ、発電電流を減少させる制御を意味している。ＩＶ可変制御は、燃料電池車が停止した場合やバッテリ４４のＳＯＣ（充電割合）が所定値より大きい場合に実行される。

時刻ｔ２においてＥＣＵ５１は、コンプレッサ２１を所定回転速度ｒ_ｆで回転させ（図２（ａ）参照）、背圧弁２４を所定開度Ｒ_ｆ（＜Ｒ１）とする（図２（ｂ）参照）。なお、コンプレッサ２１の回転速度ｒ_ｆは、最低流量よりも大きい所定値に設定されている。また、コンプレッサ２１の回転速度ｒ_ｆと、背圧弁２４の開度Ｒ_ｆとは、燃料電池１０の発電電流を通常発電時よりも減少させる値に予め設定されている（図３（ｅ）参照）。
また、ＥＣＵ５１は循環ポンプ２３を駆動し（図２（ｃ）参照）、前記したカソード循環流路内でカソードオフガスを循環させる。これによって、カソード流路１１の排水性が向上し、所定の発電電圧Ｖ_ｆを維持できる（図３（ｄ）参照）。
なお、ＩＶ可変制御の詳細については、後記する。

また、ＥＣＵ５１は、ＳＴＫバイパス流路弁２５を開弁し（図２（ｄ）参照）、コンプレッサ２１から供給される空気を、ＳＴＫバイパス流路（配管ｃ１，ｃ２）を介して希釈器２８に流入させる。これによって、希釈器２８に貯留されている水素を希釈し、配管ｄ８を介して外部に排出できる。
なお、ＩＶ可変制御を実行している際も、ＥＣＵ５１は遮断弁３２を開状態とし（図３（ａ）参照）、インジェクタ３３を駆動させている（図３（ｂ）参照）。

次に、図４、図５のフローチャートを参照し、燃料電池システム１のＩＶ可変制御について説明する。
なお、図４の「ＳＴＡＲＴ」において、燃料電池車（以下、「車両」と記す）のイグニッションスイッチ（図示せず）はＯＮ状態であり、車両は走行又は停止しているものとする。

ステップＳ１０１においてＥＣＵ５１は、車両が走行を停止しているか否かを判定する。例えば、ドライバがブレーキ６１を踏み込んで車速が０になった場合や、シフトレバー（図示せず）がニュートラルに切り替えられた場合、ＥＣＵ５１は車両が走行を停止したと判定する。
車両が走行を停止した場合（Ｓ１０１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０４に進む。一方、車両が走行を停止していない場合（Ｓ１０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２においてＥＣＵ５１は、バッテリ４４のＳＯＣ（充電割合）が上限値に達しているか否かを判定する。なお、当該上限値は予め設定され、記憶手段（図示せず）に格納されている。また、バッテリ４４のＳＯＣは、電圧センサ４５から入力される電圧値に基づいて推定される。
バッテリ４４のＳＯＣが上限値に達している場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０４に進む。つまり、ＥＣＵ５１は、車両が走行を停止している状態、及び、バッテリ４４のＳＯＣが所定値よりも大きい状態、のうち少なくとも一方を検知した場合、ステップＳ１０４に進んでＩＶ可変制御（Ｓ１０４〜Ｓ１１２）を実行する。
一方、車両が走行を停止しておらず（Ｓ１０１→Ｎｏ）、かつ、バッテリ４４のＳＯＣが上限値に達していない場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０３に進み、前記した通常発電を実行する。

ステップＳ１０４においてＥＣＵ５１は、カソードエア流量を流量Ｑ_ｆに設定する。なお、流量Ｑ_ｆは、配管ａ１〜ａ３を介してカソード流路１１に所定流量の空気を供給しつつ、配管ｃ１，ｃ２を介して希釈器２８に所定流量の空気を送出し得るように予め設定され、記憶手段（図示せず）に格納されている。

ステップＳ１０５においてＥＣＵ５１は、背圧弁２４を開度Ｒ_ｆに設定する。なお、開度Ｒ_ｆは、通常発電時と比較して燃料電池１０の発電電流を低下させ、かつ、所定電圧を維持できるように予め設定されている。
ちなみに、ＳＴＫバイパス流路弁２５を開弁した状態で背圧弁２４の開度を変化させると、当該開度に応じてカソード流路１１への空気供給量が変わる。例えば、背圧弁２４の開度を小さくすると、カソード流路１１の背圧が上昇するため、配管ａ２，ａ３を介してカソード流路１１に流入する空気の流量（割合）は小さくなり、配管ｃ１，ｃ２を介して希釈器２８に流入する空気の流量（割合）大きくなる。

ステップＳ１０６においてＥＣＵ５１は、ＳＴＫバイパス流路弁２５を開弁する。これによって、コンプレッサ２１の回転速度（つまり、流量Ｑ_ｆ）と、背圧弁２４の開度Ｒ_ｆとに応じた流量の空気が、配管ｃ１，ｃ２を介して希釈器２８に流入する。したがって、希釈器２８に貯留されている水素を希釈し、さらに希釈器２８から配管ｄ８を介して排出することで、希釈器２８を掃気できる。
次に、ステップＳ１０７においてＥＣＵ５１は、循環ポンプ２３を駆動する。循環ポンプ２３が駆動すると、その回転速度に応じた流量のカソードオフガスが、戻り流路（配管ｂ１〜ｂ３）を介してカソード流路１１に還流する。

仮に、低負荷発電を行う際、循環ポンプ２３を停止した状態で背圧弁２４の開度を小さくすると、背圧によってカソード流路１１に供給される空気の流量が非常に少なくなる。その結果、カソード流路１１内で空気の流れが止まり、電極反応による生成水がカソード流路１１に滞留するため、燃料電池１０のセル電圧が低下して発電が不安定になってしまう。
本実施形態では、ステップＳ１０７において循環ポンプ２３を駆動することで、カソード循環流路（カソード流路１１、配管ａ４，ｂ１〜ｂ３，ａ３）内でカソードオフガスを循環させる。したがって、燃料電池１０の排水性が向上し、セル電圧が回復することで安定した発電を継続できる。

次に、ステップＳ１０８においてＥＣＵ５１は、燃料電池１０の最低セル電圧Ｖ_Ｌが所定値Ｖ１未満であるか否かを判定する。なお、最低セル電圧Ｖ_Ｌは、前記したようにセル電圧モニタ７１からＥＣＵ５１に入力される。また、所定値Ｖ１は、単セルの劣化を抑制し得る値であり、予め記憶手段（図示せず）に格納されている。
最低セル電圧Ｖ_Ｌが所定値Ｖ１未満である場合（Ｓ１０８→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１０に進む。一方、最低セル電圧Ｖ_Ｌが所定値Ｖ１以上である場合（Ｓ１０８→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９においてＥＣＵ５１は、電圧低下幅｜ΔＶ_Ｄ｜が所定値Ｖ２よりも大きいか否かを判定する。ここで、電圧低下幅｜ΔＶ_Ｄ｜とは、平均セル電圧と最低セル電圧との差の絶対値であり、その値が大きいほど燃料電池１０の発電が不安定になっているといえる。
電圧低下幅｜ΔＶ_Ｄ｜が所定値Ｖ２よりも大きい場合（Ｓ１０９→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１０に進む。一方、電圧低下幅｜ΔＶ_Ｄ｜が所定値Ｖ２以下である場合（Ｓ１０９→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はＳ１１１に進む。

ステップＳ１１０においてＥＣＵ５１は、循環ポンプ２３の回転速度を所定値ΔＳ１だけ上昇させる。なお、所定値ΔＳ１（≧０）は予め設定された値であり、記憶手段（図示せず）に格納されている。
ステップＳ１１０において循環ポンプ２３の回転速度を所定値ΔＳ１だけ上昇させた後、ＥＣＵ５１の処理はＳ１０８に戻る。つまり、ＥＣＵ５１は、燃料電池１０の最低セル電圧Ｖ_Ｌが所定値Ｖ１以上であり、かつ、電圧低下幅｜ΔＶ_Ｄ｜が所定値Ｖ２以下となるように、循環ポンプ２３の回転速度を徐々に上昇させる。

次に、ステップＳ１１１おいてＥＣＵ５１は、車両が走行を開始したか否かを判定する。当該判定は、例えば、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量などに基づいて行う。
車両が走行を開始した場合（Ｓ１１１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１１２に進む。一方、車両が走行を開始していない場合（Ｓ１１１→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０８に戻る。
ステップＳ１１２においてＥＣＵ５１は、バッテリ４４のＳＯＣが所定の下限値以下であるか否かを判定する。なお、当該下限値は予め設定され、記憶手段（図示せず）に格納されている。

バッテリ４４のＳＯＣが所定の下限値以下である場合（Ｓ１１２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理は、図５のステップＳ１１３に進む。一方、バッテリ４４のＳＯＣが所定の下限値よりも高い場合（Ｓ１１２→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はステップＳ１０８に戻る。
バッテリ４４のＳＯＣが所定値以下になるか、又は、車両の走行が開始された場合、通常発電を行っても燃料電池１０の発電電力が消費又は充電される。したがって、このような場合、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１１３〜Ｓ１１６の通常発電に移行する。

図５のステップＳ１１３においてＥＣＵ５１は、コンプレッサ２１のカソードエア流量を通常の値に戻し、ステップＳ１１４においてＥＣＵ５１は、背圧弁２４の開度を通常の値に戻す。なお、「通常の値」とは、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量に応じて設定される値である。
ステップＳ１１５においてＥＣＵ５１は、ＳＴＫバイパス流路弁２５を閉弁する。
次に、ステップＳ１１６においてＥＣＵ５１は、循環ポンプ２３を停止する。そうすると、ＳＴＫバイパス流路弁２５（及びＤＩＬアシスト流路弁２７）が閉弁され、所定流量の空気がカソード流路１１に供給される。したがって、燃料電池１０内の生成水は、前記空気に同伴してカソード流路１１から流出する。つまり、燃料電池１０内で生成水が滞留することなく、安定した発電を継続できる。

＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０への負荷要求が小さい状態（つまり、車両が停止した場合）や、バッテリ４４のＳＯＣが所定値よりも大きい状態を検知すると、ＥＣＵ５１がＩＶ可変制御を開始する。すなわち、コンプレッサ２１から所定流量の空気を吐出し、さらに、背圧弁２４の開度に応じてカソード流路１１とＳＴＫバイパス流路とに前記空気を分流させる。したがって、背圧弁２４の開度を適宜設定することで発電電流を減少させ、前記状態に適切に対応できる。また、車両の停止時でも、背圧弁２４によって燃料電池１０に所定の背圧が与えられるため、次回の走行をスムーズに開始できる。
また、バッテリ４４のＳＯＣが高い場合でも、補助負荷を設けてバッテリ４４に吸収できないぶんの電力を消費する必要がない。したがって、燃料電池システム１の構成を簡素化できるとともに、製造コストを削減できる。

また、従来は、燃料電池１０の劣化を防止するために低効率発電を行うことで、発電電流を抑えつつ、燃料電池１０の発電電圧が高くなり過ぎないようにしていた。この場合、燃料電池１０のエアストイキを低下させるためにコンプレッサ２１の吐出流量を非常に小さくする（最低流量以下にする）必要があり、燃料電池１０の発電が不安定になるという問題があった。
これに対して本実施形態では、コンプレッサ２１を所定回転速度ｒ_ｆで駆動することによって、吐出流量を最低流量よりも大きくする。したがって、コンプレッサ２１の駆動を安定させるとともに、燃料電池１０の発電も安定して継続できる。

また、従来の方法では、低効率発電を行って電流及び電圧を抑制する際、コンプレッサ２１の吐出流量が非常に小さくなる。したがって、低効率発電中は燃料電池１０に滞留している生成水を排出できず、フラッディングが生じやすいという問題があった。
これに対して、本実施形態では、循環ポンプ２３を駆動し、カソード循環流路においてカソードオフガスを循環させ、カソード流路１１の生成水をカソードオフガスの流れに同伴して排出する。したがって、燃料電池１０でフラッディングが生じることを防止できる。

また、所定流量のカソードガスが供給されることでカソード流路１１の上流側と下流側の酸素濃度差が小さくなり、前記したポンピング水素が生じることがなくなる。したがって、単セルの劣化を抑制できる。
また、前記したように燃料電池１０の排水性が向上するため、カソード流路１１に存在する酸素が、カソードに坦持された触媒に到達しやすくなる。また、前記定電圧制御の目標値は、燃料電池１０の単セルに高電圧がかからない程度の所定値に設定されているため、単セルの劣化を効果的に抑制できる。

図６（ａ）は、燃料電池の電圧低下幅及びＥＧＲ循環量の時間的変化を示すグラフである。なお、縦軸の電圧低下幅とは、燃料電池１０の平均セル電圧と最低セル電圧との差の絶対値である。また、縦軸のＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）循環量とは、カソード循環流路を循環するカソードオフガスの流量を意味している。また、図６（ａ）の時刻ｔ_Ａにおいて、循環ポンプ２３の駆動を開始している。
図６（ａ）に示すように、循環ポンプ２３の駆動を開始した時刻ｔ_Ａ以後において、電圧低下幅は著しく低下し、それぞれの単セルのセル電圧が安定していることが分かる。これは、前記したように、カソード流路１１に存在する生成水が循環ポンプ２３の駆動によって排出されたためである。

図６（ｂ）は、燃料電池のセル電圧標準偏差及びＥＧＲ循環量の時間的変化を示すグラフである。なお、縦軸のセル電圧標準偏差とは、燃料電池１０の各セル電圧の標準偏差である。また、図６（ｂ）においても、時刻ｔ_Ａから循環ポンプ２３（図１参照）の駆動を開始している。
図６（ｂ）に示すように、循環ポンプ２３の駆動を開始した時刻ｔ_Ａ以後において燃料電池１０の排水性が向上し、セル電圧標準偏差は著しく小さくなり、それぞれの単セルのセル電圧が安定していることが分かる。

また、従来は、低効率発電時にコンプレッサ２１の吐出流量を非常に少なくするため、パージ弁３５を開弁して希釈器２８に水素を排出しつつ、前記低効率発電を継続することができなかった。
これに対して本実施形態では、コンプレッサ２１の回転速度と、背圧弁２４の開度とに応じた所定流量の空気がＳＴＫバイパス流路（配管ｃ１，ｃ２）を介して希釈器２８に送出される。したがって、ＩＶ可変制御を実行している間もパージ処理を実行できるため、燃料電池１０の排水性が向上する。

≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る燃料電池システム１は、第１実施形態と比較してＩＶ可変制御の方法が異なるが、燃料電池システム１の構成などは第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。

＜燃料電池システムの動作＞
図７、図８のフローチャートを参照し、燃料電池システム１のＩＶ可変制御について説明する。本実施形態では、第１実施形態で説明した図２、図３のステップＳ１０１〜Ｓ１１６に、さらにステップＳ２１１〜Ｓ２１４の処理を追加している。したがって、当該追加部分について説明し、第１実施形態と重複するＳ１０１〜Ｓ１１６については説明を省略する。
ステップＳ１０６でＳＴＫバイパス流路弁２５を開弁した後、ＥＣＵ５１はステップＳ２１１においてＤＩＬアシスト流路弁２７を開弁する。
これによって、オリフィス２６で流量が制限されていた空気が、配管ｃ５、ＤＩＬアシスト流路弁２７、及び配管ｃ６を介して希釈器２８に流入する。

ステップＳ１０７で循環ポンプ２３を駆動した後、ステップＳ２１２においてＥＣＵ５１は、発電電流Ｉ_Ｐが所定値Ｉ１よりも大きいか否かを判定する。なお、発電電流Ｉ_Ｐは出力検出器４１で検出され、ＥＣＵ５１に入力される。また、所定値Ｉ１は、通常発電時（Ｓ１０１，Ｓ１０２の検知時）よりも発電電流Ｉが小さくなるように予め設定された値であり、記憶手段（図示せず）に格納されている。
発電電流Ｉ_Ｐが所定値Ｉ１よりも大きい場合（Ｓ２１２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５１の処理はＳ２１３に進む。一方、発電電流Ｉ_Ｐが所定値Ｉ１以下である場合（Ｓ２１２→Ｎｏ）、ＥＣＵ５１の処理はＳ１０８に進む。

ステップＳ２１３においてＥＣＵ５１は、背圧弁２４の開度をΔＲだけ小さくした後、Ｓ２１２の処理に戻る。なお、ΔＲは予め設定された値であり、記憶手段（図示せず）に格納されている。
背圧弁２４の開度を小さくした場合、カソード流路１１の背圧が大きくなる。したがって、コンプレッサ２１から吐出された空気のうち、カソード流路１１に流入するものの割合が小さくなり、それに伴って発電電流Ｉ_Ｐの値も小さくなる。このように、発電電流Ｉ_Ｐが所定値Ｉ１以下となるように背圧弁２４の開度を調整する。
さらに、図８のステップＳ１１５でＳＴＫバイパス流路弁２５を閉弁した後、ステップＳ２１４においてＥＣＵ５１は、ＤＩＬアシスト流路弁２７を閉弁する。

＜効果＞
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、ＩＶ可変制御を行う際、ＳＴＫバイパス流路弁２５に加えてＤＩＬアシスト流路弁２７も開弁する。
したがって、希釈器２８には、ＳＴＫバイパス流路弁２５によって流量が調整された空気が流入するほか、ＤＩＬアシスト流路弁２７を介して空気が流入する。このように、ＤＩＬアシスト流路弁２７を介して希釈器２８に空気が流入することで、希釈器２８内のガスが押し出され、配管ｄ８を介して外部に排出される。したがって、希釈器２８を効果的に掃気できる。

また、発電電流Ｉ_Ｐが所定値Ｉ１よりも大きい場合、背圧弁２４の開度を小さくして背圧を高め、カソード流路１１に流入する空気の流量を減らす。これによって、発電電流Ｉ_Ｐを確実に減少させ、閾値Ｉ１以下に抑えることができる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システム１について前記実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記各実施形態では、背圧弁２４の開度によって電流を制御する（減少させる）場合について説明したが、これに限らない。すなわち、背圧弁２４の開度によって最高セル電圧（及び発電電流）を制御してもよい。
この場合、ＥＣＵ５１は、セル電圧モニタ７１によって検出される最高セル電圧が所定値以下となるように背圧弁２４の開度を調整する。

例えば、最高セル電圧が所定値を超えると、これに対応する単セルが過電圧によって劣化する。したがって、最高セル電圧が所定の閾値を超えた場合、ＥＣＵ５１は、背圧弁２４の開度を所定値ΔＲ１だけ大きくすることでカソード流路１１に流入する空気の流量を増やす。これによって燃料電池１０の排水性を向上させ、単セルごとの電圧の偏りを小さくできる。
ちなみに、背圧弁２４の開度を大きくすると、燃料電池１０に供給される空気の流量が増えるため、発電電流も若干大きくなる。したがって、ＥＣＵ５１は、発電電流を所定値以下に維持し得るように前記所定値ΔＲ１を設定することが好ましい。

また、前記各実施形態では、加湿器２２を、カソード供給流路（配管ａ３）と戻り流路（配管ｂ３）との接続箇所よりも上流側に配置するとともに、カソードオフガス排出流路（配管ａ４）と戻り流路（配管ｂ１）との接続箇所よりも下流側に配置する場合について説明したが、これに限らない。
すなわち、加湿器２２を、カソード供給流路と戻り流路との接続箇所よりも下流側に配置するとともに、カソードオフガス排出流路と戻り流路との接続箇所よりも上流側に配置してもよい。

また、前記各実施形態では、オリフィス２６とＤＩＬアシスト流路弁２７とが並列に接続される場合について説明したが、これに限らない。例えば、オリフィス２６及びＤＩＬアシスト流路弁２７のうち、いずれかを省略してもよい。
また、前記第２実施形態のＩＶ可変制御において、ＤＩＬアシスト流路弁２７の制御（図７のＳ２１１，図８のＳ２１４）と、発電電流に応じた背圧弁Ｉ_Ｐの制御（図７のＳ２１２，Ｓ２１３）と、のうちいずれか一方を実行することとしてもよい。

また、前記各実施形態では、ＩＶ可変制御を開始した直後に循環ポンプ２３を駆動する場合（図２、図７のＳ１０７）について説明したが、これに限らない。すなわち、ＩＶ可変制御の開始時には循環ポンプ２３を停止状態とし、最低セル電圧に応じて循環ポンプ２３の回転速度を徐々に増加することとしてもよい。
この場合、セル電圧に関する条件（図２、図７のＳ１０８，Ｓ１０９）を満足しつつ、循環ポンプ２３の回転速度を最小限に抑えるため、発電電力を効率的に利用できる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ カソード流路
１２ アノード流路
２１ コンプレッサ（カソードガス送出手段）
２３ 循環ポンプ
２４ 背圧弁
２５ ＳＴＫバイパス流路弁（バイパス流路弁）
２８ 希釈器
４１ 出力検出器
４４ バッテリ
５１ ＥＣＵ（制御手段）
７１ セル電圧モニタ（セル電圧検出手段）
ａ１，ａ２，ａ３ 配管（カソードガス供給流路）
ａ４，ａ５，ａ６ 配管（カソードオフガス排出流路）
ｂ１，ｂ２ 配管（戻り流路）
ｃ１，ｃ２ ＳＴＫバイパス流路（バイパス流路）

Claims (5)

1. 移動体に搭載されるとともに、アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記カソード流路の流入口に接続されるカソードガス供給流路と、
   前記カソード流路の流出口に接続されるカソードオフガス排出流路と、
   前記カソードガス供給流路と前記カソードオフガス排出流路とに接続され、カソードオフガスが前記カソード流路に戻るように設けられる戻り流路と、
   前記戻り流路に設けられる循環ポンプと、
   前記戻り流路との接続箇所よりも下流側の前記カソードオフガス排出流路に設けられる希釈器と、
   前記カソードガス供給流路を介し、前記カソード流路の流入口に向けてカソードガスを送出するカソードガス送出手段と、
   前記カソードガス送出手段から送出されるカソードガスが、前記燃料電池をバイパスして前記希釈器に流入するように設けられるバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられるバイパス流路弁と、
   前記燃料電池の負荷に対して放電可能であると共に、前記燃料電池から充電可能なバッテリと、
   制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記バッテリの充電割合が所定値よりも大きい状態、及び、前記移動体が停止した状態、のうち少なくともいずれかを検知した場合、
   前記カソードガス送出手段を駆動しつつ前記バイパス流路弁を開弁することで、前記バイパス流路を介して前記希釈器にカソードガスを流入させ、
   前記循環ポンプを駆動することで、前記戻り流路を介して前記カソード流路にカソードオフガスを流入させつつ、前記燃料電池の発電電圧が所定値になるように制御し、
   前記カソード流路を通流するカソードガスの流量を調整することで、前記燃料電池の発電電流を前記検知時よりも減少させること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池が備える複数の単セルの電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記検知後、前記セル電圧検出手段によって検出されるセル電圧の最低値が所定値以下である場合、
   前記循環ポンプの回転速度を増加させること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記カソードオフガス排出流路において、前記戻り流路との接続箇所と、前記バイパス流路との接続箇所と、の間に設けられる背圧弁を備え、
   前記制御手段は、
   前記背圧弁の開度を調整することで、前記カソード流路を通流するカソードガスの流量を調整し、前記燃料電池の発電電流を前記検知時よりも減少させること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、
   前記検知後、前記セル電圧検出手段によって検出されるセル電圧の最高値が所定値以下となるように前記背圧弁の開度を調整すること
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の発電電圧が所定値になるように制御するとともに、前記燃料電池の発電電流を減少させた後、
   前記バッテリの充電割合が所定値以下になるか、又は、前記移動体の走行を開始する場合、
   前記制御手段は、
   前記バイパス流路弁を閉弁するとともに、前記循環ポンプを停止させること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

Images