JP5935839B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料ガスと酸素含有の酸化剤ガスの供給を受けて発電し、その発電電力を外部の負荷に出力する。こうした燃料電池システムでは、通常、外部の負荷が要求する要求電力に対応したガス量で上記の燃料ガスと酸化剤ガス、例えば水素ガスと空気が供給される。燃料電池の発電は、プロトン伝導性を有する電解質膜を介した水素ガス中の水素と空気中の酸素の電気化学的な反応に基づいており、電解質膜は適宜な湿潤状態でプロトン伝導性を発揮し、出力は安定する。このため、電解質膜が過乾燥であったり過湿潤であると出力が安定しないので、電解質膜の過乾燥や過湿潤を抑制することが望ましい。ところで、要求される負荷は、一律とは限らず、例えば燃料電池システムを搭載した車両では、アクセルの急踏込に伴う負荷の急増やアクセルの戻しに伴う負荷の低減が往々にして繰り返される。こうした負荷変動の過渡において、電解質膜の過乾燥や過湿潤を上記した負荷低減の過渡期においても抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１等）。

特開２０１２−１０９１８２号公報

上記した特許文献では、負荷低減の過渡期における電解質膜の過乾燥や過湿潤を抑制するに当たり、燃料電池スタックの温度調整に用いる冷媒温度を、電解質膜の過乾燥や過湿潤の検知に伴って制御している。しかしながら、負荷変動の過渡期では、負荷変動に応じたガス供給制御に伴う出力変動もなされていることから、冷媒の温度制御だけでは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制に限界がある。こうしたことから、負荷変動過渡期における電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性を高めることが要請されるに到った。

本発明は、上記した課題を踏まえ、負荷変動過渡期における電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性を高め得る新たな手法を提供することを目的とする。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づいた前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給制御を経て、負荷への出力を制御する出力制御部と、前記燃料電池スタックを含む循環経路を有し、該循環経路での冷媒循環により前記燃料電池スタックの温度調整を行う冷媒循環制御部と、前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備える。そして、冷媒循環制御部は、前記負荷変動判断部が負荷変動の増大過渡の状況にあると判断し、前記湿潤判断部が過湿潤の状態にあると判断すると、前記出力制御部による前記負荷要求に基づいた出力の増加タイミングに対して、前記冷媒の循環流量の増加タイミングを遅延側にずらす。

この形態の燃料電池システムは、要求負荷に増大を来した負荷の増大過渡の状況において燃料電池スタックの湿潤状態が過湿潤であると、負荷の増大要求に基づいたガス供給制御を実行して発電電力を負荷に出力するものの、燃料電池スタックの温度調整に関与する冷媒の循環流量の増加タイミングを出力の増加タイミングに対して遅延することで、冷媒循環を負荷の増大変動前の状態に維持する。よって、次の利点がある。燃料電池スタックの湿潤状態が過湿潤な状態から適正の側に推移させるには、水分持ち去りの増大が有益であり、負荷要求の増大に基づいたガス供給制御は、反応ガスの供給増大であることから、水分持ち去りに寄与する。こうした状況において、仮に冷媒の循環流量の増加を出力増加と並行実行すると、出力増加時点からの冷媒循環流量の増加により燃料電池スタックの温度は低下するので、供給されるガスについても温度低下を来し、ガスに含まれ得る飽和水蒸気量は低下する。よって、負荷要求の増大に基づいたガス供給制御による水分の持ち去り効率を低減させかねない。しかしながら、上記形態の燃料電池システムにでは、冷媒循環を負荷の増大変動前の状態を維持することで、燃料電池スタックの温度低下を抑制するので、ガス中の飽和水蒸気量の低下をさほど招かない。こうしたことから、上記形態の燃料電池システムによれば、負荷要求の増大に基づいたガス制御による水分の持ち去り効率を維持、もしくは水分の持ち去り効率の低減を抑制でき、燃料電池スタックの湿潤状態を過湿潤な状態から適正の側に推移させることが可能となる。

（２）他の形態による燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づいた前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給制御を経て、負荷への出力を制御する出力制御部と、前記燃料電池スタックを含む循環経路を有し、該循環経路での冷媒循環により前記燃料電池スタックの温度調整を行う冷媒循環制御部と、前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備える。そして、冷媒循環制御部は、前記負荷変動判断部が負荷変動の低減過渡の状況にあると判断し、前記湿潤判断部が過乾燥の状態にあると判断すると、前記出力制御部による前記負荷要求に基づいた出力の低下タイミングに対して、前記冷媒の循環流量の低減タイミングを遅延側にずらす。

この形態の燃料電池システムは、要求負荷に低減を来した負荷の低減過渡の状況において燃料電池スタックの湿潤状態が過乾燥であると、負荷の低減要求に基づいたガス供給制御を実行して負荷に発電電力を出力するものの、前記燃料電池スタックの温度調整に関与する前記冷媒の循環流量の低減タイミングを出力の低減タイミングに対して遅延することで、冷媒循環を負荷の低減変動前の状態に維持する。よって、次の利点がある。燃料電池スタックの湿潤状態が過乾燥な状態から適正の側に推移させるには、水分持ち去りを抑制することが有益であり、負荷要求の低減に基づいたガス供給制御は、反応ガスの供給低減であることから、水分持ち去りの抑制に寄与する。こうした状況において、仮に冷媒の循環流量の低減を出力低下と並行実行すると、出力低下時点からの冷媒循環流量の低減により燃料電池スタックの温度低下は緩慢となり、供給されるガスについても温度が高いままとなってガスに含まれ得る飽和水蒸気量は大きいままとなり得る。よって、負荷要求の低減に基づいたガス供給制御による水分の持ち去りの抑制効率を低減させかねない。しかしながら、上記形態の燃料電池システムにでは、冷媒循環を負荷の低減変動前の状態を維持することで、燃料電池スタックの温度低下を維持もしくは促進するので、ガス中の飽和水蒸気量を小さくできる。こうしたことから、上記形態の燃料電池システムによれば、負荷要求の低減に基づいたガス制御による水分の持ち去りの抑制効率を維持、もしくは水分の持ち去りの抑制効率を低減させないようにでき、燃料電池スタックの湿潤状態を過乾燥な状態から適正の側に推移させることが可能となる。

本発明は、燃料電池スタックの運転方法や、燃料電池システムを搭載してその発電電力を駆動力として用いる車両、燃料電池システムを設置して燃料電池スタックを発電源とする定置式の発電システムとしても適用できる。

本発明の実施形態としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。 要求負荷の変動過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御のうち要求負荷の増大過渡の状況下での制御手順を示すフローチャートである。 要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復処理の内容を説明する説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復処理で得られる過湿潤適正化の様子を概略的に示す説明図である。 要求負荷の低減過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御の制御手順を示すフローチャートである。 要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復処理の内容を説明する説明図である。 要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復処理で得られる過乾燥適正化の様子を概略的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。

図示するように、この燃料電池搭載車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。この燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、ラジエータ１５０およびファン１５２を含む冷却系１６０と、２次電池１７２と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４とを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００の発電電力、或いは２次電池１７２の充電電力を、前輪駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に出力する。

燃料電池スタック１００は、電池セルを備え、この電池セルは、図１の拡大模式図に示すように、電解質膜１０１の両側にアノード１０２とカソード１０３の両電極を備える。アノード１０２とカソード１０３は、電解質膜１０１の両膜面に接合され電解質膜１０１と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、電池セルは、上記のＭＥＡを両側から挟持するアノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とを備え（図１参照）、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。

電解質膜１０１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示す。アノード１０２およびカソード１０３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。

燃料電池スタック１００は、上記した電池セルを積層して構成されたスタック構造とされ、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に位置する。そして、燃料電池スタック１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を各電池セルユニットにて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池スタック１００の発電状態は電流センサー１０６にて計測され、その計測結果は電流センサー１０６から後述の制御装置２００に出力される。この場合、電池セルユニットの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池スタック１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための放出経路１２３を備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の開閉バルブ１２４の経路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、水素ガスタンク１１０の水素ガスを燃料電池スタック１００（詳しくは、各電池セルのアノード１０２）に供給する。この際、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２７にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池スタック１００のアノードに供給する。また、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５での減圧程度を変えることで、種々のガス圧力で水素ガスを燃料電池スタック１００のアノードに供給する。燃料電池スタック１００に水素ガスを供給する際の水素ガス流量とガス圧力は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池スタック１００に求められる負荷に応じたものとなる。そして、本実施形態の燃料電池スタック１００では、制御装置２００による減圧バルブ１２５での減圧調整と水素供給機器１２６での流量調整とにより、水素ガス供給の際の水素ガスのガス流量とガス圧力とを個別に調整可能とされている。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した放出経路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。

空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池スタック１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０での流量調整とその下流の圧力調整バルブ１４５での圧力調整を経た上で、燃料電池スタック１００（詳しくは、各電池セルのカソード１０３）に、通常は酸素供給経路１４１を経て供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池スタック１００に求められる負荷に応じた供給量となる。そして、本実施形態の燃料電池スタック１００では、制御装置２００によるコンプレッサ１３０での流量調整と圧力調整バルブ１４５での圧力調整とにより、空気供給の際の空気のガス流量とガス圧力とを個別に調整可能とされている。なお、排出流量調整バルブ１４３は、制御装置２００による流量調整を経て、カソード側の背圧についてもこれを調整する。

冷却系１６０は、ラジエータ１５０から燃料電池スタック１００への冷却媒体の循環を図る循環経路１６１と、バイパス経路１６２と、経路合流点の三方流量調整弁１６３と、循環ポンプ１６４と、温度センサー１６６を備える。そして、この冷却系１６０は、ラジエータ１５０にて熱交換した冷却媒体を循環経路１６１を経て燃料電池スタック１００の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池スタック１００を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ１６４の駆動量、即ち冷却媒体の循環供給量や、三方流量調整弁１６３による調整流量は、温度センサー１６６の検出温度たる燃料電池温度（セル温度）や電流センサー１０６の検出した発電状態に基づいて、制御装置２００にて定められる。

２次電池１７２は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４を介して燃料電池スタック１００に接続されており、燃料電池スタック１００とは別の電力源として機能し、モーター１７０等に供給する電力源として燃料電池スタック１００と併用される。本実施例では、燃料電池スタック１００をアクセル１８０の踏込に応じた発電状態下で運転制御（通常制御）することを前提とするので、燃料電池スタック１００の運転停止状態において、２次電池１７２は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１７２としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、容量検出センサー１７６が接続され、当該センサーは、２次電池１７２の充電状態を検出し、その検出充電量（電池容量）を制御装置２００に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４は、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４は、燃料電池スタック１００の発電電力および２次電池１７２の蓄電電力の引出とモーター１７０への電圧印加とを、制御装置２００の制御下で行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。

制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力（要求負荷）を求め、その要求電力が燃料電池スタック１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１７２の充電電力、もしくはこの両者で賄うよう、燃料電池スタック１００を発電制御して当該スタックからの発電電力の出力を制御しつつ、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０への要求負荷を燃料電池スタック１００の発電で得る場合には、制御装置２００は、その要求負荷に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量（ガス流量）やガス圧力を制御（通常制御）する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４を制御する。

この他、制御装置２００は、車速センサー１８２の検出した車速や、外気温センサー１８４の検出した外気温、水素ガス供給系１２０において流量センサー１２８が検出した水素ガス流量、空気供給系１４０において流量センサー１４７の検出したエアー流量、容量検出センサー１７６が検出した２次電池１７２の電池容量（以下、ＳＯＣ）等を、上記した制御を行う上での制御パラメータとして入力する。

次に、上記した構成を有する燃料電池搭載車両２０の制御装置２００が要求負荷変動の過渡状況において行う燃料電池スタック１００の発電制御について説明する。要求負荷変動の過渡状況は、要求負荷の増大過渡の状況と低減過渡の状況に分けられるので、まず、要求負荷の増大過渡の状況下での制御について説明する。図２は要求負荷の変動過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御のうち要求負荷の増大過渡の状況下での制御手順を示すフローチャートである。要求負荷の低減過渡の状況下での制御については、図５以降の図を用いて後述する。

制御装置２００は、燃料電池システム３０が起動すると、ドライバーからの燃料電池搭載車両２０に対する駆動要求（要求負荷）に基づいて燃料電池スタック１００を発電制御する通常運転制御を、通常、常時実行している。この際の燃料電池搭載車両２０に対するドライバーからの駆動要求は、ドライバーによるアクセル１８０の踏込操作量やその踏込速度等から要求電力Ｐｔ（要求負荷）として取得される。そして、この要求電力Ｐｔが得られるよう、制御装置２００は、既述したように水素ガスおよび空気のガス流量・ガス圧力を、燃料電池のＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性等を参照して算出し、その算出したガス流量・ガス圧力で、水素ガスおよび空気を燃料電池スタック１００に供給する。こうした通常の発電制御を行いつつ、制御装置２００は、図２に示す要求負荷の変動過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御を繰り返し実行する。この図２の発電制御では、まず、制御装置２００は、アクセル１８０（図１参照）の踏込操作量やその踏込速度等の踏込操作状況を図示しないアクセルセンサーから読み取り、そのセンサー出力に基づいて、要求負荷を取得し（ステップＳ１００）、冷却水温度、換言すれば燃料電池スタック１００のセル温度についても、温度センサー１６６（図１参照）から取得する（ステップＳ１１０）。

次いで、制御装置２００は、取得した要求負荷の推移から、現状の負荷の要求状況が負荷増減の過渡の状況にあるか否かを判断し（ステップＳ１２０）、ここで、負荷増減の過渡状況に無いと判断すると、要求負荷増大状況下フラグＦｕｗと要求負荷低減状況下フラグＦｄｄを共にリセットして、一旦処理を終了する。よって、この場合は、図２の制御の影響を受けること無く、通常の発電制御がなされる。要求負荷増大状況下フラグＦｕｗは、現状の負荷要求が増大の過渡であって、更に燃料電池スタック１００における電解質膜１０１の湿潤状態が過湿潤であるとセットされる。要求負荷低減状況下フラグＦｄｄは、現状の負荷要求が低減の過渡であって、更に燃料電池スタック１００における電解質膜１０１の湿潤状態が過乾燥であるとセットされる。これらフラグのセット状況については後述する。

負荷変動の過渡の状況は、負荷増大の過渡状況或いは負荷低減の過渡状況のいずれかであることから、制御装置２００は、ステップＳ１２０で負荷の増減変動の状況にあると判断すると、負荷過渡の種別に応じて、図２のステップＳ１３０以降の処理、或いは後述する図５のステップＳ１５０以降の処理を行う。ステップＳ１２０で負荷増大の過渡状況であると判断すると、制御装置２００は、要求負荷増大状況下フラグＦｕｗがセット状態にあるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。この要求負荷増大状況下フラグＦｕｗは、現状の負荷要求が増大の過渡であって、更に燃料電池スタック１００における電解質膜１０１の湿潤状態が過湿潤であると後述のステップＳ１４２にてセットされるものである。よって、ステップＳ１２０で負荷の増大過渡であると最初に判断した場合は、要求負荷増大状況下フラグＦｕｗは未だセットされていないので、ステップＳ１３０では否定判断される。このステップＳ１３０での否定判断に続き、制御装置２００は、温度センサー１６６から取得済みの冷却水温度を基準温度αと対比する（ステップＳ１４１）。冷却水温度は、燃料電池スタック１００の温度、即ちＭＥＡ（図１参照）における電解質膜１０１の温度と相関があるので、ステップＳ１４１では、ＭＥＡの温度が基準温度αと対比されることになる。本実施形態では、この基準温度αを、燃料電池スタック１００の暖気前の温度であってＭＥＡが適正な湿潤状態にある場合を想定したＭＥＡ適正温度（例えば８０℃）より低い温度とし、ＭＥＡが過湿潤にある時に発現しがちな温度（例えば４０℃）とした。よって、ステップＳ１４１で肯定判断すると、冷却水温度が低い故にＭＥＡの過湿潤が起き得ていると想定されることから、ステップＳ１２０での負荷の増大過渡の判断と相まって、要求負荷増大状況下フラグＦｕｗに値１をセットする（ステップＳ１４２）。よって、この要求負荷増大状況下フラグＦｕｗのセット以降にあっては、燃料電池スタック１００は、負荷要求が増大の過渡であって、更に電解質膜１０１の湿潤状態が過湿潤であることになるので、制御装置２００は、過湿潤の適正化を図るべく、後述のステップＳ１４３に移行する。

一方、ステップＳ１４１で否定判断すると、燃料電池スタック１００は、負荷要求が増大の過渡であるとはいえ、電解質膜１０１の湿潤状態は過湿潤ではないので、過湿潤の適正化は無用であるとして、一旦処理を終了する。

過湿潤の適正化を図るためのステップＳ１４３では、制御装置２００は、要求負荷の増大に対応したガスの増量供給制御を行った上で、電流センサー１０６（図１参照）から得たセンサー出力にて燃料電池スタック１００の発電運転状況を監視し、その監視結果から発電電力をモーター１７０に出力する。この電力出力は、要求負荷の増大に対応する都合上、出力増加となる。一方、制御装置２００は、要求負荷の増大に伴いセル温度の上昇が予想されるが、冷却系１６０における冷却水の循環流量、即ちセル冷却のために燃料電池スタック１００を通過する冷却水流量については、これを維持して、一旦処理を終了する。

このステップＳ１４３を経た以降の新たな本ルーチンでは、既述したように要求負荷の取得（ステップＳ１００）、冷却水温度の取得（ステップＳ１１０）に続き、負荷増減の過渡判断（ステップＳ１２０）がなされる。そして、その後のステップＳ１３０では、先の本ルーチンのステップＳ１４２での要求負荷増大状況下フラグＦｕｗのセットを受けて肯定判断される。そうすると、制御装置２００は、改めて冷却水温度を基準温度αと対比する（ステップＳ１４４）。この温度対比は、要求負荷の増大に伴うガス増量制御およびその出力増加を経た後に、冷却水温度がどの程度、基準温度αから上昇しているのかを判断するためのものである。本実施例では、この上昇程度α０を、１５℃程度とし、ステップＳ１４４では、燃料電池スタック１００のセル温度が、暖機運転を図る際に見られるセル温度（＝５５℃＝α＋α０）に達したか否かを判断することになる。このステップＳ１４４で否定判断すると、制御装置２００は、ステップＳ１４３に移行して、要求負荷の増大に対応したガスの増量供給制御とこれに伴う出力増加を行い、冷却水の循環流量についてはこれを維持して、一旦処理を終了する。つまり、要求負荷増大状況下フラグＦｕｗがセットされた以降は、冷却水温度が暖機運転セル温度（＝５５℃＝α＋α０）に達する間において、要求負荷の増大に対応した出力増加と冷却水の循環流量の維持とが継続されることになる。

冷却水温度が暖機運転セル温度（＝５５℃＝α＋α０）に達して、ステップＳ１４４にて肯定判断すると、制御装置２００は、モーター１７０への電力の出力増加については、要求負荷の増大に対応して継続し、冷却水の循環流量については、暖機運転セル温度を維持できるような循環流量となるよう、冷却水流量を増加制御して（ステップＳ１４５）、一旦処理を終了する。図３は要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復処理の内容を説明する説明図、図４は要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復処理で得られる過湿潤適正化の様子を概略的に示す説明図である。

図３は、ある時刻（以下、開始時刻ｔｓ）において要求負荷が急増し、所定時間経過後の時刻（以下、終了時刻ｔｍ）までの負荷要求の増大過渡状況下における発電電力の出力推移および冷却水の流量推移を示している。この図３に示すように、開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の増大過渡状況下において、冷却水温度が基準温度αより低い（ステップＳ１４１：肯定判断）ために過湿潤であるので、既述したステップＳ１４３の処理により、燃料電池スタック１００の発電電力は、開始時刻ｔｓから増加出力される。これに対し、冷却水流量の増加制御は、モーター１７０への電力の出力増加タイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、冷却水温度が暖機運転セル温度（＝５５℃＝α＋α０）に達するまでの期間に亘って遅延したタイミング（遅延時刻ｔａ）でなされることになる。

ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移には、カソード１０３での生成水の水分持ち去りの増大や、アノード１０２に拡散した拡散水の持ち去りの増大が有益である。そして、負荷要求の増大に基づいたガス供給制御は、反応ガスの供給増大であることから、水分持ち去りに寄与する。その一方、カソード１０３およびアノード１０２を通過するガスに含まれ得る水分量は、ガスの飽和水蒸気量に依存し、ガス温度、即ちセル温度が低いほど、少なくなる。本実施形態の燃料電池スタック１００では、負荷要求の増大過渡状況下においてＭＥＡが過湿潤であると、開始時刻ｔｓから遅延時刻ｔａまでの間において、冷却水の流量増大を遅延するので、この遅延期間においては、冷却水によるセル温度の低下、延いてはガス温度の低下を抑制する。これにより、燃料電池スタック１００のＭＥＡでは、ガス中の飽和水蒸気量の低下をさほど招かない状態で、水分持ち去りの増大に有益な反応ガスの増大供給とこれに伴う出力増加がなされることになる。

次に、図２のステップＳ１２０において負荷低減の過渡状況であると判断した場合の制御について説明する。図５は要求負荷の低減過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御の制御手順を示すフローチャートである。制御装置２００は、ステップＳ１２０での要求負荷の低減過渡状況の判断に続き、要求負荷低減状況下フラグＦｄｄがセット状態にあるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。この要求負荷低減状況下フラグＦｄｄは、現状の負荷要求が低減の過渡であって、更に燃料電池スタック１００における電解質膜１０１の湿潤状態が過乾燥であると後述のステップＳ１５２にてセットされるものである。よって、ステップＳ１２０で負荷の低減過渡であると最初に判断した場合は、要求負荷低減状況下フラグＦｄｄは未だセットされていないので、ステップＳ１５０では否定判断される。このステップＳ１５０での否定判断に続き、制御装置２００は、温度センサー１６６から取得済みの冷却水温度を基準温度βと対比する（ステップＳ１５１）。本実施形態では、この基準温度βを、燃料電池スタック１００の暖気温度より高く、ＭＥＡが適正な湿潤状態にある場合を想定したＭＥＡの適正温度の上限温度（例えば８０℃）とした。よって、ステップＳ１５１で肯定判断すると、冷却水温度が高い故にＭＥＡの過乾燥が起き得ていると想定されることから、ステップＳ１２０での負荷の低減過渡の判断と相まって、要求負荷低減状況下フラグＦｄｄに値１をセットする（ステップＳ１５２）。よって、この要求負荷低減状況下フラグＦｄｄのセット以降にあっては、燃料電池スタック１００は、負荷要求が低減の過渡であって、更に電解質膜１０１の湿潤状態が過乾燥であることになるので、制御装置２００は、過乾燥の適正化を図るべく、後述のステップＳ１５３に移行する。

一方、ステップＳ１５１で否定判断すると、燃料電池スタック１００は、負荷要求が低減の過渡であるとはいえ、電解質膜１０１の湿潤状態は過乾燥ではないので、過乾燥の適正化は無用であるとして、一旦処理を終了する。

過乾燥の適正化を図るためのステップＳ１５３では、制御装置２００は、要求負荷の低減に対応したガスの低減供給制御を行った上で、電流センサー１０６（図１参照）から得たセンサー出力にて燃料電池スタック１００の発電運転状況を監視し、その監視結果から発電電力をモーター１７０に出力する。この電力出力は、要求負荷の低減に対応する都合上、出力低下となる。一方、制御装置２００は、要求負荷の低減に伴いセル温度の低下が予想されるが、冷却系１６０における冷却水の循環流量については、これを維持して、一旦処理を終了する。

このステップＳ１５３を経た以降の新たな本ルーチンでは、既述したように要求負荷の取得（ステップＳ１００）、冷却水温度の取得（ステップＳ１１０）に続き、負荷増減の過渡判断（ステップＳ１２０）がなされる。そして、その後のステップＳ１５０では、先の本ルーチンのステップＳ１５２での要求負荷低減状況下フラグＦｄｄのセットを受けて肯定判断される。そうすると、制御装置２００は、改めて冷却水温度を基準温度βと対比する（ステップＳ１５４）。この温度対比は、要求負荷の低減に伴うガス低減制御およびその出力低下を経た後に、冷却水温度が基準温度βまで低下しているのかを判断するためのものである。このステップＳ１５４で否定判断すると、制御装置２００は、ステップＳ１５３に移行して、要求負荷の低減に対応したガスの低減供給制御とこれに伴う出力低下を行い、冷却水の循環流量についてはこれを維持して、一旦処理を終了する。つまり、要求負荷低減状況下フラグＦｄｄがセットされた以降は、基準温度βを超えていた冷却水温度がこの基準温度βまで低下する間において、要求負荷の低減に対応した出力低下と冷却水の循環流量の維持とが継続されることになる。

冷却水温度が基準温度βまで低下して、ステップＳ１５４にて肯定判断すると、制御装置２００は、モーター１７０への電力の出力低下については、要求負荷の低減に対応して継続し、冷却水の循環流量については、基準温度βを維持できるような循環流量となるよう、冷却水流量を低減制御して（ステップＳ１５５）、一旦処理を終了する。図６は要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復処理の内容を説明する説明図、図７は要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復処理で得られる過乾燥適正化の様子を概略的に示す説明図である。

図６は、ある時刻（以下、開始時刻ｔｓ）において要求負荷が急減し、所定時間経過後の終了時刻ｔｍまでの負荷要求の低減過渡状況下における発電電力の出力推移および冷却水の流量推移を示している。この図６に示すように、開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の低減過渡状況下において、冷却水温度が基準温度βより高い（ステップＳ１５１：肯定判断）ために過乾燥であるので、既述したステップＳ１５３の処理により、燃料電池スタック１００の発電電力は、開始時刻ｔｓから低減出力される。これに対し、冷却水流量の低減制御は、モーター１７０への電力の出力低下タイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、冷却水温度が基準温度βまで低下する期間に亘って遅延したタイミング（遅延時刻ｔａ）でなされることになる。

ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移には、カソード１０３での生成水の水分持ち去りの抑制や、アノード１０２に拡散した拡散水の持ち去りの抑制が有益である。そして、負荷要求の低減に基づいたガス供給制御は、反応ガスの供給低減であることから、水分持ち去りの抑制に寄与する。その一方、カソード１０３およびアノード１０２を通過するガスに含まれ得る水分量は、ガスの飽和水蒸気量に依存し、ガス温度、即ちセル温度が高いほど、多くなる。本実施形態の燃料電池スタック１００では、負荷要求の低減過渡状況下においてＭＥＡが過乾燥であると、開始時刻ｔｓから遅延時刻ｔａまでの間において、冷却水の流量低減を遅延するので、この遅延期間においては、冷却水によるセル温度の低下の維持、もしくは低下を促進する。これにより、燃料電池スタック１００のＭＥＡでは、ガス中の飽和水蒸気量を小さくした状態で、水分持ち去りの抑制に有益な反応ガスの低減供給とこれに伴う出力低下がなされることになる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０は、負荷変動の過渡の状況において燃料電池スタック１００の湿潤状態が湿潤適正の状態から逸脱しているかを判断する（ステップＳ１１０）。そして、燃料電池システム３０は、負荷の増大を来した開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の増大過渡状況下において電解質膜１０１の湿潤状態が過湿潤であると（ステップＳ１４１：肯定判断）、燃料電池スタック１００の発電電力を負荷増大に対応して増加出力する。その上で、燃料電池システム３０は、モーター１７０への電力の出力増加タイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、冷却水温度が暖機運転セル温度（＝５５℃＝α＋α０）に上昇するまでの期間に亘って遅延したタイミング（遅延時刻ｔａ）で、冷却水の流量を低減する（図３参照）。こうした負荷要求の増大過渡状況下でなされる要求負荷に応じたガス供給は、反応ガスの供給増大であることから、水分持ち去りに寄与し、電解質膜１０１の過湿潤の湿潤適正推移に有益である。これに対し、カソード１０３およびアノード１０２を通過するガスに含まれ得る水分量は、ガスの飽和水蒸気量に依存するので、電解質膜１０１の過湿潤の湿潤適正推移には、ガスの飽和水蒸気量の低下を来さないようにすることが望ましい。

仮に冷却水の循環流量の増加を出力増加と並行実行すると、開始時刻ｔｓから遅延時刻ｔａまでの間において、燃料電池スタック１００の温度、延いては供給されるガス温度は循環流量増加により低下し、ガスに含まれ得る飽和水蒸気量は低下する。よって、負荷要求の増大に基づいたガス供給制御による水分の持ち去り効率を低減させかねない。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム３０は、負荷要求の増大過渡状況下において電解質膜１０１が過湿潤であると、開始時刻ｔｓから遅延時刻ｔａまでの間において、冷却水の流量増大を遅延するので、この遅延期間においては、冷却水によるセル温度の低下、延いてはガス温度の低下を抑制する。これにより、燃料電池スタック１００のＭＥＡでは、ガス中の飽和水蒸気量の低下をさほど招かない状態で、水分持ち去りの増大に有益な反応ガスの増大供給とこれに伴う出力増加がなされることになる。この結果、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、負荷要求の増大に基づいたガス制御による水分の持ち去り効率を維持、もしくは水分の持ち去り効率の低減を抑制でき、燃料電池スタック１００の湿潤状態を過湿潤な状態から適正の側に推移させながら、負荷要求の増大に対応した出力増加を図ることができる。

本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０は、負荷の低減を来した開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の低減過渡状況下において電解質膜１０１の湿潤状態が過乾燥であると（ステップＳ１５１：肯定判断）、燃料電池スタック１００の発電電力を負荷低減に対応して低下出力する。その上で、燃料電池システム３０は、モーター１７０への電力の出力低下タイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、冷却水温度が基準温度βまで低下する期間に亘って遅延したタイミング（遅延時刻ｔａ）で、冷却水の流量を低減する（図６参照）。こうした負荷要求の低減過渡状況下でなされる要求負荷に応じたガス供給は、反応ガスの供給低減であることから、水分持ち去りの抑制に寄与し、電解質膜１０１の過乾燥の湿潤適正推移に有益である。これに対し、カソード１０３およびアノード１０２を通過するガスに含まれ得る水分量は、ガスの飽和水蒸気量に依存するので、電解質膜１０１の過乾燥の湿潤適正推移には、ガスの飽和水蒸気量の増加を来さないようにすることが望ましい。

仮に冷却水の循環流量の低減を出力低下と並行実行すると、開始時刻ｔｓから遅延時刻ｔａまでの間において、燃料電池スタック１００の温度、延いては供給されるガス温度は循環流量低減により低下が進まず、ガスに含まれ得る飽和水蒸気量は大きいままとなり得る。よって、負荷要求の低減に基づいたガス供給制御による水分の持ち去りの抑制効率を低減させかねない。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム３０は、負荷要求の低減過渡状況下において電解質膜１０１が過乾燥であると、開始時刻ｔｓから遅延時刻ｔａまでの間において、冷却水の流量低減を遅延するので、この遅延期間においては、冷却水によるセル温度の低下を維持、もしくは低下を促進する。これにより、燃料電池スタック１００のＭＥＡでは、ガス中の飽和水蒸気量が小さい状態で、水分持ち去りの抑制に有益な反応ガスの低減供給とこれに伴う出力低下がなされることになる。この結果、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、負荷要求の低減に基づいたガス制御による水分の持ち去りの抑制効率を維持、もしくは水分の持ち去りの抑制効率を低減させないようにでき、燃料電池スタック１００の湿潤状態を過乾燥な状態から適正の側に推移させながら、負荷要求の低減に対応した出力低下を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

例えば、図３や図６に示した要求負荷の増大過渡或いは低減化との状況下での冷却水の流量増加或いは流量低減の変更タイミングを、ステップＳ１４４やステップＳ１５４での冷却水温度対比により遅延側にずらしたが、所定の時間の経過を待って、遅延側にずらしてもよい。

上記した各実施形態では、燃料電池スタック１００におけるＭＥＡの電解質膜１０１の湿潤状態を冷却水温度に基づき判断したが、燃料電池スタック１００の抵抗値に基づいて湿潤状態を判断してもよい。この場合には、抵抗値が所定の上限基準抵抗値を超えれば過乾燥と判断し、抵抗値が所定の下限抵抗値を下回れば過湿潤と判断できる。抵抗値に限らず、他の手法にて湿潤状態を判断してもよい。

また、上記した各実施形態において要求負荷の変動過渡を判断するに当たり、２次電池１７２の蓄電電力を考慮して、燃料電池スタック１００に求められる負荷要求の変動過渡を判断するようにしてもよい。

２０…燃料電池搭載車両
２２…車体
３０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０１…電解質膜
１０２…アノード
１０３…カソード
１０４…アノード側ガス拡散層
１０５…カソード側ガス拡散層
１０６…電流センサー
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…循環経路
１２３…放出経路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…流量センサー
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給経路
１４２…放出経路
１４３…排出流量調整バルブ
１４５…圧力調整バルブ
１４７…流量センサー
１５０…ラジエータ
１５２…ファン
１６０…冷却系
１６１…循環経路
１６２…バイパス経路
１６３…三方流量調整弁
１６４…循環ポンプ
１６６…温度センサー
１７０…モーター
１７２…２次電池
１７４…ＤＣ／ＤＣコンバーター
１７６…容量検出センサー
１８０…アクセル
１８２…車速センサー
１８４…外気温センサー
２００…制御装置
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
ｔａ…遅延時刻
ｔｍ…終了時刻
ｔｓ…開始時刻
Ｆｄｄ…要求負荷低減状況下フラグ
Ｆｕｗ…要求負荷増大状況下フラグ

Claims (2)

1. 燃料電池システムであって、
   反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づいた前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給制御を経て、負荷への出力を制御する出力制御部と、
   前記燃料電池スタックを含む循環経路を有し、該循環経路での冷媒循環により前記燃料電池スタックの温度調整を行う冷媒循環制御部と、
   前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、
   前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備え、
   前記冷媒循環制御部は、
   前記負荷変動判断部が負荷変動の増大過渡の状況にあると判断し、前記湿潤判断部が過湿潤の状態にあると判断すると、前記出力制御部により前記負荷要求に基づいて出力を増加させる増加制御タイミングに対して、前記冷媒の循環流量を増加させるタイミングを遅延側にずらす、
   燃料電池システム。
2. 燃料電池システムであって、
   反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づいた前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給制御を経て、負荷への出力を制御する出力制御部と、
   前記燃料電池スタックを含む循環経路を有し、該循環経路での冷媒循環により前記燃料電池スタックの温度調整を行う冷媒循環制御部と、
   前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、
   前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備え、
   前記冷媒循環制御部は、
   前記負荷変動判断部が負荷変動の低減過渡の状況にあると判断し、前記湿潤判断部が過乾燥の状態にあると判断すると、前記出力制御部により前記負荷要求に基づいて出力を低下させる低下制御タイミングに対して、前記冷媒の循環流量を低減させるタイミングを遅延側にずらす、
   燃料電池システム。

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