JP4457942B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

従来より、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池内部の水分が不足すると、電解質膜が乾燥し内部抵抗が増加するため燃料電池の出力が低下する。よって、燃料電池を高効率に運転するためには、燃料電池内部の水分不足を防止し、電解質膜の湿潤状態を常に保つ必要がある。

例えば、電気自動車に搭載される燃料電池システムでは、登坂等で高負荷走行が連続している場合、自己発熱により燃料電池が高温となり水分が蒸発しやすい状態となるが、高負荷のため燃料電池の空気極側では大量の生成水が発生し、電解質膜の湿潤を保つことができる。

しかしながら、登坂終了直後等には燃料電池への出力要求量が急低下し、燃料電池の発電量が急激に減少する。発電量の減少に伴い生成水の量は減少するが、燃料電池が高温のままで水分の蒸発量は減少しないため、電解質膜の乾燥（ドライアップ）が発生しやすいという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、高負荷状態での連続運転から急激に低負荷状態に移行した場合に、電解質膜の乾燥を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（５０）と、出力要求値に基づいて、燃料電池（１０）の出力を調整する出力調整手段（２１、３２、５０）と、燃料電池（１０）の出力を検出する出力検出手段（１３、１４、５０）と、単位時間当たりの出力要求値の低下率を検出する出力要求値低下率検出手段（５０）とを備え、出力調整手段（２１、３２、５０）は、所定時点において燃料電池（１０）の出力が所定時間以上所定出力を超えている場合に、出力要求値の低下率が所定値を超えたときに、燃料電池（１０）の出力を出力要求値の低下率より低い低下率にて出力要求値まで低下させ、燃料電池（１０）は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生するセル（１００）を有しており、セル（１００）内における乾燥しやすい部位の局所電流値を測定する局所電流測定手段（６０）を備え、出力調整手段（２１、３２、５０）は、燃料電池（１０）の出力の低下率を、局所電流値に応じて変化させることを特徴としている。

このように、高負荷での連続運転の後に燃料電池（１０）の出力要求値が急低下した、すなわち、急激に低負荷に移行した際に、出力を出力要求値に同期させず、所定の低下率で徐々に低下させることで、発電量を急激に減少させないようにすることができる。燃料電池（１０）の発電量と生成水の量は比例関係にあるため、燃料電池（１０）の出力要求値が急低下した場合でも、生成水が急激に減少することはなく、電解質膜の乾燥を防止することが可能となる。また、セル（１００）内の局所電流値を測定することで、セル（１００）内の水分状態を推定することが可能となる。さらに、セル（１００）内の乾燥しやすい部位の局所電流値から推定された水分状態に応じて燃料電池（１０）の出力を変化させることで、電解質膜の乾燥をより確実に防止することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明のように、出力調整手段（２１、３２、５０）は、燃料電池（１０）の出力が３分間以上３０ｋＷを超えている場合に、燃料電池（１０）の出力が所定時間以上所定出力を超えていると判定することができる。

また、請求項３に記載の発明のように、出力調整手段（２１、３２、５０）は、所定時点から１０秒以内で設定される所定時間経過後における出力要求値が、所定時点における出力要求値の１／２以下になったときに、出力要求値の低下率が所定値を越えたと判定することができる。

また、請求項４に記載のように、燃料電池（１０）は、車両の走行用駆動源として用いられ、運転者によるアクセルの操作量に応じて出力が変化するように構成されており、アクセルの操作量を検出するアクセル操作量検出手段（１２）を備え、出力要求値低下率検出手段（５０）は、出力要求値の低下率をアクセル操作量検出手段（１２）にて検出したアクセルの操作量の変化から推定することができる。

また、請求項５に記載の発明では、燃料電池（１０）は、車両の走行用駆動源として用いられ、車両勾配を検出する車両勾配検出手段を備え、出力検出手段（５０）は、車両勾配検出手段にて検出した車両勾配から燃料電池（１０）の出力を推定し、出力要求値低下率検出手段（５０）は、車両勾配検出手段にて検出した車両勾配の変化から出力要求値の低下率を推定することを特徴としている。

登坂等で車両勾配が所定値以上の状態が連続した後、坂の頂上等で車両勾配が急激に低下する場合、燃料電池（１０）は、高負荷運転が連続した後、急激に低負荷に移行することになる。よって、車両勾配が急激に低下した場合に、燃料電池（１０）の出力を出力要求値に同期させず、所定の低下率で徐々に低下させることで、発電量を急激に減少させないようにすることができ、請求項１と同様の効果を得ることが可能となる。

また、請求項６に記載の発明のように、出力検出手段（５０）は、車両勾配が登り勾配３％を超えている場合に、燃料電池（１０）の出力が所定出力を超えていると推定し、出力要求値低下率検出手段（５０）は、所定時点から１０秒以内で設定される所定時間経過後における車両勾配が登り勾配１％以下になったときに、出力要求値の低下率が所定値を超えたと推定することができる。

また、請求項７に記載の発明では、燃料電池（１０）は、車両の走行用駆動源として用いられ、道路勾配を予め検出する道路勾配検出手段を備え、出力検出手段（５０）は、道路勾配検出手段にて検出した道路勾配から燃料電池（１０）の出力を推定し、出力要求値低下率検出手段（５０）は、道路勾配検出手段にて検出した道路勾配の変化から出力要求値の低下率を推定することを特徴としている。

登坂等で道路勾配が所定値以上の状態が連続した後、坂の頂上等で道路勾配が急激に低下する場合、燃料電池（１０）は、高負荷運転が連続した後、急激に低負荷に移行することになる。よって、道路勾配が急激に低下した場合に、燃料電池（１０）の出力を出力要求値に同期させず、所定の低下率で徐々に低下させることで、発電量を急激に減少させないようにすることができ、請求項１と同様の効果を得ることが可能となる。

このとき、出力調整手段（２１、３２、５０）は、アクセルの操作量から出力要求値の低下率を推定する場合よりも早く燃料電池（１０）の出力を低下させることができるため、より確実に電解質膜の乾燥を防止することが可能となる。

また、請求項８に記載の発明のように、出力検出手段（５０）は、道路勾配が登り勾配３％を超えている場合に、燃料電池（１０）の出力が所定出力を超えていると推定し、出力要求値低下率検出手段（５０）は、所定時点から１０秒以内で設定される所定時間経過後における道路勾配が登り勾配１％以下になったときに、出力要求値の低下率が所定値を超えたと推定することができる。

また、請求項９に記載の発明では、燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（１１）を備え、燃料電池（１０）の出力が出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を２次電池（１１）に蓄積させることを特徴としている。

このように、余剰分の電力を２次電池（１１）に蓄積させることで、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

また、請求項１０に記載の発明では、燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（２１）を備え、燃料電池（１０）の出力が出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を酸化剤ガス供給手段（２１）の動力として消費させること特徴としている。

このように、余剰分の電力を酸化剤ガス供給手段（２１）の動力として消費させることで、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図８に基づいて説明する。本第１実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。図１は、本第１実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。この燃料電池１０は、２次電池１１、車両走行用のモータジェネレータ（図示せず）等の電気機器に電力を供給するように構成されている。また、運転者のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出してアクセル開度信号を出力するアクセル開度センサ１２が設けられている。なお、アクセル開度センサ１２が、本発明のアクセル操作量検出手段に相当している。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出する電圧センサ１３と出力電流値を検出する電流センサ１４が設けられている。電圧センサ１３および電流センサ１４は、それぞれのセンサ信号を後述する燃料電池制御部５０に出力する。なお、本第１実施形態の電圧センサ１３および電流センサ１４は、燃料電池制御部５０とともに、本発明の出力検出手段に相当している。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素循環流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素循環流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３と、燃料電池１０から排出される窒素や水蒸気を含む未反応水素を外部に排出する排気バルブ３４が設けられている。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４６が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却水循環経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。冷却水循環経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるバイパス経路４４が設けられている。冷却水循環経路４０とバイパス経路４４との合流点には、ラジエータ４３に流れる冷却水とバイパス経路４４に流れる冷却水の流量比を調整する流量調整弁４５が設けられている。冷却水循環経路４０におけるラジエータ４３の上流側には、燃料電池１０の出口側の冷却水温度を検出するための温度センサ４６が設けられている。

燃料電池制御部（ＦＣ−ＥＣＵ）５０は、燃料電池システムにおける各種制御を行うものである。燃料電池制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有する一般的なマイクロコンピュータを用いることができる。燃料電池制御部５０は、本発明の出力要求値取得手段、出力要求値低下率検出手段に相当し、アクセル開度センサ１２からアクセル開度信号が入力され、このアクセル開度に基づいて燃料電池１０に対する出力要求値（要求発電量）を演算するように構成されている。また、燃料電池制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、水素調圧弁３２、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４２、流量調整弁４５等に対して、作動指示信号（制御信号）を出力するようになっている。なお、空気ポンプ２１、水素調圧弁３２および燃料電池制御部５０が、本発明の出力調整手段に相当している。

燃料電池制御部５０は、燃料電池１０の出力要求値の変化に対応して、燃料電池１０の出力を調整する。具体的には、燃料電池制御部５０は、運転者の操作するアクセル開度から燃料電池１０への出力要求値を演算し、燃料電池１０が出力要求値を出力するための必要空気供給量および必要水素供給量を演算する。必要空気供給量および必要水素供給量は、燃料電池１０が出力要求値を発電するために必要なガス供給量であり、一義的に算出することができる値である。燃料電池制御部５０は、必要空気供給量に応じて空気ポンプ２１の回転数を調整し、必要水素供給量に応じて水素調圧弁３２の開度を調整して、高圧水素タンク３１の水素供給量との空気供給量を調整する。これにより、燃料電池１０の発電量を出力要求値と一致させることができる。

図２は本第１実施形態における電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図、図３は図２の燃料電池１０の側面図である。

図３に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

図３に実線で示すように、空気側セパレータ１１０には、空気を流すための空気流路Ａが形成されており、空気流路Ａを介して酸素が各セル１００に対して並列に供給される。また、図３に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ１２０には、水素を流すための水素流路Ｂが形成されており、水素流路Ｂを介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。

図２に示すように、積層されたセル１００の両端には端子板１１が配置されている。図２中の斜線で示すように、ある２つのセル１００間に局所電流測定装置６０が配置されている。

図４は電流測定装置６０の斜視図であり、図５は図４の電流測定装置６０の要部の正面図である。図４に示すように、電流測定装置６０は板状部材６００を備えている。板状部材６００には、空気入口側通路６００ａ、空気出口側通路６００ｂ、水素入口側通路６００ｃ、水素出口側通路６００ｄが形成されている。

図４、図５に示すように、板状部材６００の紙面右上には、ロの字状の溝６０１によって囲まれた直方体の柱状部６０２が形成され、この柱状部６０２の端部は隣り合うセル１００に接触するようになっている。なお、図４、図５に示す例では溝６０１をロの字状とし、柱状部６０２を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝６０１を円状、柱状部６０２を円柱状のような他の形状にすることもできる。

図５に示すように、溝６０１には、柱状部６０２を囲むようにして鉄心６０３が配置され、鉄心６０３の両端部間に磁気センサとしてのホール素子６０４が配置されている。鉄心６０３とホール素子６０４は、局所電流センサを構成している。なお、鉄心６０３とホール素子６０４とが、本発明の局所電流測定手段に相当している。また、磁気センサとしてホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらに、シャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。

上記構成において、セル１００における柱状部６０２に対向する部位から放電される局所電流が柱状部６０２に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部６０２の周囲に発生する。ホール素子６０４は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。したがって、鉄心６０３部の磁界の強さをホール素子６０４にて測定することにより、柱状部６０２を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。

図６は、図３の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。図６に示すように、空気側セパレータ１１０は、空気流路Ａに接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。

上述の図４で示した電流測定装置６０の柱状部６０２は、空気入口部１１１の近傍（図６において符号Ｃで示す領域）に対応する部位に設けられており、図５で示した局所電流センサ６０３、６０４は空気入口部１１１近傍Ｃ（以下、空気入口部分Ｃという）における局所電流を測定できるように構成されている。なお、空気入口部分Ｃが、本発明の乾燥しやすい部位に相当している。

次に、本第１実施形態の燃料電池システムの出力制御について図７および図８に基づいて説明する。図７は本第１実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、図８は本第１実施形態における出力制御が行われた際の時間と燃料電池１０の出力の関係を示す特性図である。

まず、燃料電池１０の冷却水温度が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１００）。この結果、燃料電池１０の冷却水温度が所定値以下である場合は（Ｓ１００：ＮＯ）、燃料電池１０内の温度が所定値以下の低温であると診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、燃料電池１０の冷却水温度が所定値以上である場合は（Ｓ１００：ＹＥＳ）、燃料電池１０内の温度が所定値以上の高温であると診断し、所定時間以上高温状態が連続しているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、「所定時間」は、例えば３分間とすることができる。この結果、所定時間以上高温状態が連続していない場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。

一方、所定時間以上高温状態が連続している場合は（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の出力が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、「所定値」は、一定速度で平坦地を走行するような通常運転時における燃料電池１０の出力より高い出力値であり、例えば３０ｋＷとすることができる。この結果、燃料電池１０の出力が所定値以下である場合は（Ｓ１２０：ＮＯ）、低負荷状態であると診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、燃料電池１０の出力が所定値以上である場合は（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、高負荷状態であると診断し、アクセル開度が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この結果、アクセル開度が所定値を上回っている場合は（Ｓ１３０：ＮＯ）、高負荷状態が継続されていると診断し、ステップＳ１３０に戻る。

一方、アクセル開度が所定値以下である場合は（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、急激に低負荷状態に移行した、すなわち、出力要求値の低下率が所定値を超えたと診断し、図８に示すように、燃料電池１０の出力を段階的に低下させる（ステップＳ１４０）。「出力要求値の低下率が所定値を超えた」場合とは、出力要求値が急低下したか否かの判定を行う所定時点の出力要求値Ｐ０に対して、所定時点から所定時間後における出力要求値Ｐ１が１／２以下となる場合である。所定時間は、１０秒以内で設定することができる。

また、ステップＳ１４０において、出力要求値力Ｐ０に対して燃料電池１０からの出力が余剰する。この余剰分の電力は、２次電池１１に蓄積（充電）される。

次に、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１５０）。この結果、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上でない場合は（Ｓ１５０：ＮＯ）、セル１００内の水分が不足しており、電解質膜が乾燥していると診断し、燃料電池１０の出力を保持する（ステップＳ１６０）。これにより、燃料電池１０の空気極側に生成水を発生させ、電解質膜を湿潤させることができる。

そして、再び、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１７０）。この結果、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上でない場合は（Ｓ１７０：ＮＯ）、セル１００内の水分不足が改善されておらず、電解質膜が乾燥していると診断し、燃料電池１０の出力を上昇させる（ステップＳ１８０）。これにより、燃料電池１０の空気極側に生成水をより多く発生させて、電解質膜をより確実に湿潤させることができる。そして、ステップＳ１７０に戻り、再びセル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上か否かを判定する。

一方、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上である場合は（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、セル１００内の水分不足が改善され、電解質膜の湿潤が保たれていると診断し、ステップＳ１４０に戻り、再び燃料電池１０の出力を段階的に低下させる。

また、ステップＳ１５０において、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上である場合は（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、セル１００内が乾燥しておらず、電解質膜の湿潤が保たれていると診断し、燃料電池１０の出力が要求出力と同一になったか否かを判定する（ステップＳ１９０）。この結果、燃料電池１０の出力が要求出力と同一になっていない場合は（Ｓ１９０：ＮＯ）、ステップＳ１４０に戻り、再び燃料電池１０の出力を段階的に低下させる。

一方、燃料電池１０の出力が要求出力と同一になった場合は（Ｓ１９０：ＹＥＳ）、本制御を中止する。

以上の出力制御では、燃料電池１０が高負荷での連続運転から急激に低負荷に移行した、すなわち、出力要求値が急低下した場合に、燃料電池１０の出力を出力要求値に同期させず、段階的に低下させる。これにより、発電量を急激に減少させないため、生成水が急激に減少せず、電解質膜の湿潤状態を保つことができる。したがって、高負荷での連続運転から急激に低負荷に移行した場合に、電解質膜の乾燥を抑制することが可能となる。

さらに、セル１００内の乾燥しやすい部位（空気入口部分Ｃ）の局所電流値から推定された水分状態に応じて燃料電池１０の出力を変化させることで、電解質膜の乾燥をより確実に防止することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

上記第１実施形態では、燃料電池１０の出力が所定出力を超えている場合に出力要求値の低下率が所定値を超えたときに、燃料電池１０の出力の低下を遅らせる制御を行ったが、本第２実施形態では、車両勾配から燃料電池１０の出力を推定する。車両の登り勾配が大きいと燃料電池１０の出力は高くなり、登り勾配が小さいと出力が低くなる。したがって、燃料電池１０の出力は車両勾配と相関関係があるため、出力検出手段としての燃料電池制御部５０は、車両勾配から出力を推定することができ、出力要求値低下率検出手段としての燃料電池制御部５０は、車両勾配の変化から出力要求値の低下率を推定することができる。

車両勾配を検出するためには、車両に搭載されている加速度センサを用いる。加速度センサの検出信号が重力加速度成分に応じた値を示していることから、この検出信号に基づいて車両勾配を検出する。

本第２実施形態の燃料電池システムの出力制御について、図９に基づいて説明する。図９は、本第２実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、第１実施形態におけるステップＳ１２０およびＳ１３０が変更されている。

ステップＳ１１０がＹＥＳの場合、車両勾配が所定勾配以上か否かを判定する（ステップＳ１２０Ａ）。ここで、「所定勾配」とは、例えば登り勾配３％とすることができる。この結果、車両勾配が所定勾配以下である場合は（Ｓ１２０Ａ：ＮＯ）、低負荷状態であると診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、車両勾配が所定勾配以上である場合は（Ｓ１２０Ａ：ＹＥＳ）、高負荷状態であると診断し、車両勾配の低下率が所定値以下か否かを判定する。（ステップＳ１３０Ａ）。ここで、「車両勾配の低下率が所定値以上」とは、所定時点から所定時間後における車両勾配が、登り勾配１％以下となる場合である。所定時間は、１０秒以内で設定することができる。この結果、車両勾配の低下率が所定値以下である場合は（Ｓ１３０Ａ：ＮＯ）、高負荷状態が継続されていると診断し、ステップＳ１３０Ａに戻る。

一方、車両勾配の低下率が所定値以上である場合は（Ｓ１３０Ａ：ＹＥＳ）、急激に低負荷状態に移行したと診断し、ステップＳ１４０以下の処理を行う。

以上の出力制御によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１０に基づいて説明する。上記第２実施形態では、車両勾配から燃料電池１０の出力を推定したが、本第３実施形態においては、出力検出手段としての燃料電池制御部５０が道路勾配から燃料電池１０の出力を推定し、出力要求値低下率検出手段としての燃料電池制御部５０が道路勾配の変化から出力要求値の低下率を推定する。上記第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

道路勾配を検出するためには、車両に搭載されている車両用ナビゲーション装置を用いる。車両用ナビゲーション装置に予め記憶されている道路勾配に関する地形情報に基づいて、道路勾配を検出する。

本第３実施形態の燃料電池システムの出力制御について、図１０に基づいて説明する。図１０は、本第３実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、第２実施形態におけるステップＳ１２０ＡおよびＳ１３０Ａが変更されている。

ステップＳ１１０がＹＥＳの場合、道路勾配が所定勾配以上か否かを判定する（ステップＳ１２０Ｂ）。ここで、「所定勾配」とは、例えば登り勾配３％とすることができる。この結果、道路勾配が所定勾配以下である場合は（Ｓ１２０Ｂ：ＮＯ）、低負荷状態であると診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、道路勾配が所定勾配以上である場合は（Ｓ１２０Ｂ：ＹＥＳ）、高負荷状態であると診断し、道路勾配の低下率が所定値以下か否かを判定する。（ステップＳ１３０Ｂ）。ここで、「道路勾配の低下率が所定値以上」とは、所定時点から所定時間後における道路勾配が、登り勾配１％以下となる場合である。所定時間は、１０秒以内で設定することができる。この結果、道路勾配の低下率が所定値以下である場合は（Ｓ１３０Ｂ：ＮＯ）、高負荷状態が継続されていると診断し、ステップＳ１３０Ｂに戻る。

一方、道路勾配の低下率が所定値以上である場合は（Ｓ１３０Ｂ：ＹＥＳ）、急激に低負荷状態に移行したと診断し、ステップＳ１４０以下の処理を行う。

以上の出力制御によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。さらに、アクセル開度から出力要求値の低下率を推定する場合よりも早く出力制御を行うことができるため、より確実に電解質膜の乾燥を防止することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１１〜１３に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、電解質膜抵抗からセル１００内の水分状態を検出する点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本第４実施形態では、交流インピーダンス法により電解質膜抵抗を測定することで、燃料電池の水分量を検出するようになっている。図１１および図１２に基づいて、交流インピーダンス法による電解質膜抵抗の測定方法について説明する。

図１１は、セル１００の等価回路を示している。図１１の等価回路におけるＲ１は電解質膜の抵抗に相当し、Ｒ２は反応抵抗に相当している。図１１の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。

図１２は、図１１の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合のセル１００のインピーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスは、図１２におけるＲ１となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図１２に示すような半円を描く。

これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、セル１００の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。

上述のようにＲ１は電解質膜抵抗に相当するため、Ｒ１が第１の所定値を超えている場合には電解質膜の水分量が不足していると判断することができ、Ｒ１が第１の所定値を下回っている場合には電解質膜の水分量が適正であると判断することができる。

次に、本第４実施形態の燃料電池システムの出力制御について、図１３に基づいて説明する。図１３は、本第４実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、第１実施形態におけるステップＳ１５０およびＳ１７０が変更されている。

まず、ステップＳ１４０の後、電解質膜抵抗が所定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１５０Ａ）。この結果、電解質膜抵抗が所定値を下回っている場合は（Ｓ１５０Ａ：ＹＥＳ）、電解質膜の水分量が適正であると診断し、ステップＳ１９０以下の処理を行う。

一方、電解質膜抵抗が所定値を超えている場合は（Ｓ１５０Ａ：ＮＯ）、電解質膜の水分量が不足していると診断し、燃料電池１０の出力を保持する（ステップＳ１６０）。これにより、燃料電池１０の空気極側に生成水を発生させ、電解質膜を湿潤させることができる。

そして、再び、電解質膜抵抗が所定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ１７０Ａ）。この結果、電解質膜抵抗が所定値を超えている場合は（Ｓ１７０Ａ：ＮＯ）、電解質膜の水分量不足が改善されていないと診断し、燃料電池１０の出力を上昇させる（ステップＳ１８０）。これにより、燃料電池１０の空気極側に生成水をより多く発生させて、電解質膜をより確実に湿潤させることができる。

一方、電解質膜抵抗が所定値を下回っている場合は（Ｓ１７０Ａ：ＹＥＳ）、電解質膜の水分量が適正であると診断し、ステップＳ１４０に戻る。

以上の出力制御によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１４および図１５に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本第５実施形態の燃料電池システムの出力制御について図１４および図１５に基づいて説明する。図１４は本第５実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、図１５は本第５実施形態における出力制御が行われた際の時間と燃料電池１０の出力の関係を示す特性図である。本第５実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ１４０が変更されている。

ステップＳ１３０がＹＥＳの場合、図１４に示すように、燃料電池１０の出力を連続的に低下させる（ステップＳ１４０Ａ）。そして、セル１００の空気入口部分Ｃの局所電流値が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ１５０）。

以上の出力制御では、高負荷の連続運転から急激に低負荷に移行した場合に、燃料電池１０の出力を出力要求値に同期させず、連続的に低下させる。これにより、発電量を急激に減少させないため、生成水が急激に減少せず、電解質膜の湿潤状態を保つことができる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態において、燃料電池１０の出力を段階的もしくは連続的に低下させる際に、燃料電池１０の電解質膜の水分状態に応じて出力の低下率を変化させていたが、冷却水温度に応じて変化させてもよい。

また、上記各実施形態において、出力要求値力Ｐ０に対して燃料電池１０からの出力が余剰した場合、余剰分の電力は２次電池１１に蓄積（充電）されていたが、空気ポンプ２１の動力として消費させてもよい。

第１実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 第１実施形態における電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図である。 図２の燃料電池１０の側面図である。 第１実施形態における電流測定装置６０の斜視図である。 図４の電流測定装置６０の要部の正面図である。 図３の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。 第１実施形態における燃料電池１０の出力制御を示すフローチャートである。 第１実施形態における出力制御が行われた際の時間と燃料電池１０の出力の関係を示す特性図である。 第２実施形態における燃料電池１０の出力制御を示すフローチャートである。 第３実施形態における燃料電池１０の出力制御を示すフローチャートである。 第４実施形態のセル１００の等価回路を示す回路図である。 図１１の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合のセル１００のインピーダンスを複素平面上に表示した特性図である。 第４実施形態における燃料電池１０の出力制御を示すフローチャートである。 第５実施形態における燃料電池１０の出力制御を示すフローチャートである。 第５実施形態における出力制御が行われた際の時間と燃料電池１０の出力の関係を示す特性図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…２次電池、１２…アクセル開度センサ（アクセル操作量検出手段）、１３…電圧センサ（出力検出手段）、１４…電流センサ（出力検出手段）、２１…空気ポンプ（出力調整手段、酸化剤ガス供給手段）、３２…水素調圧弁（出力調整手段）、５０…燃料電池制御部（出力要求値取得手段、出力調整手段）、６０…局所電流測定手段、１００…セル。

Claims (10)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に対する出力要求値を取得する出力要求値取得手段（５０）と、
   前記出力要求値に基づいて、前記燃料電池（１０）の出力を調整する出力調整手段（２１、３２、５０）と、
   前記燃料電池（１０）の出力を検出する出力検出手段（１３、１４、５０）と、
   単位時間当たりの前記出力要求値の低下率を検出する出力要求値低下率検出手段（５０）とを備え、
   前記出力調整手段（２１、３２、５０）は、所定時点において前記燃料電池（１０）の出力が所定時間以上所定出力を超えている場合に、前記出力要求値の低下率が所定値を超えたときに、前記燃料電池（１０）の出力を前記出力要求値の低下率より低い低下率にて前記出力要求値まで低下させ、
   前記燃料電池（１０）は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生するセル（１００）を有しており、
   前記セル（１００）内における乾燥しやすい部位の局所電流値を測定する局所電流測定手段（６０）を備え、
   前記出力調整手段（２１、３２、５０）は、前記燃料電池（１０）の出力の低下率を、前記局所電流値に応じて変化させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記出力調整手段（２１、３２、５０）は、前記燃料電池（１０）の出力が３分間以上３０ｋＷを超えている場合に、前記燃料電池（１０）の出力が所定時間以上所定出力を超えていると判定す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. 前記出力調整手段（２１、３２、５０）は、前記所定時点から１０秒以内で設定される所定時間経過後における前記出力要求値が、前記所定時点における前記出力要求値の１／２以下になったときに、前記出力要求値の低下率が所定値を越えたと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池（１０）は、車両の走行用駆動源として用いられ、運転者によるアクセルの操作量に応じて出力が変化するように構成されており、
   前記アクセルの操作量を検出するアクセル操作量検出手段（１２）を備え、
   前記出力要求値低下率検出手段（５０）は、前記出力要求値の低下率を、前記アクセル操作量検出手段（１２）にて検出した前記アクセルの操作量の変化から推定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池（１０）は、車両の走行用駆動源として用いられ、
   車両勾配を検出する車両勾配検出手段を備え、
   前記出力検出手段（５０）は、前記車両勾配検出手段にて検出した車両勾配から前記燃料電池（１０）の出力を推定し、前記出力要求値低下率検出手段（５０）は、前記車両勾配検出手段にて検出した前記車両勾配の変化から前記出力要求値の低下率を推定す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。
6. 前記出力検出手段（５０）は、前記車両勾配が登り勾配３％を超えている場合に、前記燃料電池（１０）の出力が所定出力を超えていると推定し、前記出力要求値低下率検出手段（５０）は、前記所定時点から１０秒以内で設定される所定時間経過後における前記車両勾配が登り勾配１％以下になったときに、前記出力要求値の低下率が所定値を超えたと推定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池（１０）は、車両の走行用駆動源として用いられ、
   道路勾配を予め検出する道路勾配検出手段を備え、
   前記出力検出手段（５０）は、前記道路勾配検出手段にて検出した道路勾配から前記燃料電池（１０）の出力を推定し、前記出力要求値低下率検出手段（５０）は、前記道路勾配検出手段にて検出した前記道路勾配の変化から前記出力要求値の低下率を推定す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。
8. 前記出力検出手段（５０）は、前記道路勾配が登り勾配３％を超えている場合に、前記燃料電池（１０）の出力が所定出力を超えていると推定し、前記出力要求値低下率検出手段（５０）は、前記所定時点から１０秒以内で設定される所定時間経過後における前記道路勾配が登り勾配１％以下になったときに、前記出力要求値の低下率が所定値を超えたと推定することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（１１）を備え、
   前記燃料電池（１０）の出力が前記出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を前記２次電池（１１）に蓄積させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（２１）を備え、
    前記燃料電池（１０）の出力が前記出力要求値を超える場合には、余剰分の電力を前記酸化剤ガス供給手段（２１）の動力として消費させること特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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