JP6693384B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に供給される空気を冷媒によって冷却する燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムは、たとえば水素ガスと空気とを化学反応させて発電を行う燃料電池を備えている。そして発電に必要な空気は、コンプレッサで加圧して燃料電池に供給している。圧縮による発熱が空気を高温にし、燃料電池にとっては高すぎる温度となるため、コンプレッサの下流で燃料電池との間に圧縮後の空気を冷却している。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、空気を圧縮する空気圧縮装置と、この空気圧縮装置で圧縮された空気を冷媒で冷却する空気冷却装置とを備えている。そして空気圧縮装置と空気冷却装置とに供給される冷媒の流量を流量可変バルブで調整制御し、冷媒の流量を制御することで冷却される空気の温度を制御している。

特開２００６−１０７９０号公報

前述の特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に流入する空気の温度および空気圧縮装置を冷却する冷媒の温度などで冷媒流量を制御している。しかし燃料電池は、発電状態によって要求される温度などが変化する。したがって単純に冷媒の温度を管理しても、燃料電池の性能を充分に発揮することができない。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電性能を高めるために、燃料電池の乾き度を考慮して冷媒の温度および流量を制御する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、燃料電池（１１）によって発電する燃料電池システムであって、冷媒を燃料電池に供給して、燃料電池を冷却する冷却部（１６）と、燃料電池の電解質膜の乾き度合いを検出する検出部（１７）と、冷媒の温度を検出する温度検出部（４５，４６）と、
冷却部を制御する制御部（１７）と、を含み、制御部は、検出部（１７）によって検出された乾き度が、所定の第１乾き度以上となると、冷却部（１６）を駆動して燃料電池（１１）を冷却するように制御し、検出部によって検出された乾き度が、第１乾き度よりも低い第２乾き度以下となるまで冷却を継続するように冷却部を制御し、冷媒の温度が所定の第１温度以上であり、かつ燃料電池の発電量が所定の第１発電量以下となると、冷却部を駆動して燃料電池を冷却するように制御し、冷媒の温度が第１温度よりも低い第２温度以下となり、かつ乾き度が第２乾き度以下となるか、または燃料電池の発電量が第１発電量以上となるまで冷却を継続するように冷却部を制御する燃料電池システムである。

このような本発明に従えば、制御部は電解質膜の乾き度に応じて冷却部を制御する。具体的には、制御部は、乾き度が第１乾き度以上となると冷却部を駆動し、第２乾き度以下となるまで冷却を継続するように冷却部を制御する。これによって乾き度が高くなって電解質膜が乾燥状態になると、乾燥状態を解消するために冷却部が駆動される。そして電解質膜の乾き度が第２乾き度以下となる湿潤状態となるまで、冷却部の駆動が維持される。単に冷媒の温度および燃料電池の温度などでは電解質膜の乾き度の状態がわからないが、乾き度を検出して乾き度に応じて冷却するので、電解質膜が乾燥することを防ぐことができる。これによって燃料電池の発電性能が電解質膜の乾き度によって低下することを抑制することができる。したがって燃料電池の発電性能を高めることができる。

なお、前述の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一例である。

第１実施形態の燃料電池システムを示す図。 冷却制御を示すフローチャート。 冷却制御を示すタイミングチャート。 第２実施形態の冷却制御を示すフローチャート。 冷却制御を示すタイミングチャート。 第３実施形態の冷却制御を示すフローチャート。 冷却制御を示すタイミングチャート。 第４実施形態の冷却制御を示すフローチャート。 冷却制御を示すタイミングチャート。 第５実施形態の燃料電池システムを示す図。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態を用いて説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図３を用いて説明する。燃料電池システム１０は、たとえば車両に搭載されて、燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ）を実現する。燃料電池ハイブリッド車は、走行用モータを走行用駆動源とし、走行用モータに対する電力供給手段として燃料電池１１を備える。燃料電池１１は、ＦＣスタック１１ともいう。燃料電池ハイブリッド車では、走行用モータがＦＣスタック１１および車載のバッテリの両方から電力が供給されて駆動する。燃料電池システム１０は、ＦＣスタック１１、カソードガス供給部１２、カソードガス排出部１３、アノードガス供給部１４、アノードガス排出部１５および冷却回路１６を備える。

ＦＣスタック１１は、反応ガスとしてアノードガスである水素とカソードガスである空気との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。ＦＣスタック１１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１１のセルを複数有している。各セルは、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータとを有する。

電解質膜は、乾燥度合いが湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。本実施形態でいう乾燥度合いとは、湿潤状態か乾燥状態かの何れかとして決定される指標である。湿潤状態とは、良好なプロトン伝導性を示し、ＦＣスタック１１の運転として支障がない状態のことである。乾燥状態とは、湿潤状態ではない状態、つまり、プロトン伝導性が良好でなく、ＦＣスタック１１の運転として支障がある状態のことである。電極は、カーボンによって構成される。電極と電解質膜との界面には、発電反応を促進させるための白金触媒が担持されている。反応ガスは、各セルに設けられたガス流路を介して、各セルの発電領域に供給される。

ＦＣスタック１１には、燃料電池用ＥＣＵ１７が内蔵されている。燃料電池用ＥＣＵ１７は、燃料電池システム１０の各部を制御する制御部である。燃料電池用ＥＣＵ１７は、記憶媒体に記憶されているプログラムを実行し、各部を制御する。燃料電池用ＥＣＵ１７は、少なくともひとつの演算処理装置（ＣＰＵ）と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体とを有する。燃料電池用ＥＣＵ１７は、たとえばコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって実現される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムおよびデータを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって実現される。

カソードガス供給部１２は、カソードガス配管２１と、エアコンプレッサ２２と、エアフローメータ２３と、温度計測部２４と、圧力計測部２５と、インタークーラ２６と、三方弁２７とを備える。カソードガス配管２１は、ＦＣスタック１１のカソード側に接続された管路である。エアコンプレッサ２２は、圧縮機であって、カソードガス配管２１を介してＦＣスタック１１と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとしてＦＣスタック１１に供給する。

エアフローメータ２３は、エアコンプレッサ２２の上流側において、エアコンプレッサ２２が取り込む外気の量を計測し、ＦＣスタック１１に送信する。燃料電池用ＥＣＵ１７は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ２２を駆動することにより、ＦＣスタック１１に対する空気の供給量を制御する。

インタークーラ２６は、熱交換部であって、エアコンプレッサ２２の下流側にて、冷却回路１６を流れる冷媒とカソードガス配管２１内を流れる空気とを熱交換して、ＦＣスタック１１に供給される空気を冷却する。圧力計測部２５および温度計測部２４は、インタークーラ２６の下流側に設けられている。圧力計測部２５は、カソードガスの圧力を計測し、その計測値を燃料電池用ＥＣＵ１７に送信する。温度計測部２４は、カソードガスの温度を計測し、その計測値を燃料電池用ＥＣＵ１７に送信する。

三方弁２７は、圧力計測部２５および温度計測部２４の下流側に設けられている。また三方弁２７は、連通配管２８によって、カソードガス排出部１３のカソード排ガス配管２９に接続される。三方弁２７は、通常はカソードガス配管２１の上流側と下流側とを連通して、空気をＦＣスタック１１に供給する。三方弁２７は、燃料電池システム１０に異常がある場合には、ＦＣスタック１１に空気を供給せずに、連通配管２８によってＦＣスタック１１を迂回してカソード排ガス配管２９に空気を排出する。

カソードガス排出部１３は、カソード排ガス配管２９および調圧弁３０を備える。カソード排ガス配管２９は、ＦＣスタック１１のカソード側に接続された配管であり、ＦＣスタック１１を通過したカソード排ガスを燃料電池システム１０の外部へと排出する。調圧弁３０は、カソード排ガス配管２９におけるカソード排ガスの圧力を調整する。燃料電池用ＥＣＵ１７は、圧力計測部２５の計測値に基づいて調圧弁３０の開度を調整する。また前述のように連通配管２８は、カソード排ガス配管２９の調圧弁３０の下流側に接続されている。

アノードガス供給部１４は、アノードガス配管３１と、図示しない水素タンクとを備える。水素タンクは、アノードガス配管３１を介してＦＣスタック１１に接続されており、水素タンク内に充填された水素をＦＣスタック１１に供給する。

アノードガス排出部１５は、アノード排ガス配管３２と、図示せずしない気液分離部とを備える。アノード排ガス配管３２は、ＦＣスタック１１のアノード側の出口と気液分離部とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった水素および窒素などの未反応ガスを含むアノード排ガスを気液分離部へと誘導する。気液分離部は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス供給部１４へと誘導し、水分については外部へと排出する。

次に、冷却回路１６に関して説明する。燃料電池ハイブリッド車は、図１に示すように、ＦＣスタック１１を冷却する冷却部として機能する冷却回路１６を有する。冷却回路１６は、冷媒である冷却水がＦＣスタック１１から流出してＦＣスタック１１へ戻るように、冷却水をＦＣスタック１１の外部にて循環させる冷媒回路である。冷却回路１６は、ＦＣスタック１１の冷却水流出口１１ａと冷却水流入口１１ｂとを繋いでいる。また冷却回路１６には、ＦＣスタック１１に供給される空気が通過する管路に設けられるインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２６と接続する接続通路４１を有する。

冷却回路１６には、ラジエータ４２、ロータリバルブ４３および燃料電池用ポンプ４４が設けられる。また冷却回路１６には、ラジエータ４２の下流側における冷却回路１６の冷却水の温度を検出する第１温度センサ４５が設けられている。さらにまた冷却回路１６には、ＦＣスタック１１の下流側における冷却回路１６の冷却水の温度を検出する第２温度センサ４６が設けられている。第１温度センサ４５および第２温度センサ４６は、温度検出部であって、検出した温度情報を燃料電池用ＥＣＵ１７に送信する。

ＦＣスタック１１は、走行に必要な電力をまかなうものであり、発電時に発生する熱量は、内燃機関並みである。したがってＦＣスタック１１を冷却するためラジエータ４２を搭載している。ラジエータ４２は、冷却回路１６に設けられ、冷却水の熱を外気との熱交換により外部へ放出する放熱部として機能する。したがってラジエータ４２は、ＦＣスタック１１によって温度上昇した冷却水を冷却する放熱用熱交換器である。ラジエータ４２は、たとえばグリルの後方となるエンジンルーム内の前方に配設されている。ラジエータ４２には、図示しない送風ファンが設けられている。ラジエータ４２は、この送風ファンによって供給される冷却用空気によって、冷却水を冷却するようになっている。

冷却回路１６には、ラジエータ４２をバイパスして冷却水を流通するバイパス通路４７が設けられている。すなわち、バイパス通路４７は、ラジエータ４２よりも冷却液流れ上流側の分岐点４８で冷却回路１６から分岐するとともにラジエータ４２よりも冷却液流れ下流側の合流点４９で冷却回路１６に合流するように設けられている。

ロータリバルブ４３は、冷却回路１６からバイパス通路４７が分岐する分岐点４８に設けられ、ラジエータ４２を通過する冷却水とバイパス通路４７を通過する冷却水との流量比率を調節する弁装置である。ロータリバルブ４３は、内部のバルブによって、ラジエータ４２側を開きバイパス通路４７側を閉じて水がラジエータ４２を流通する場合と、バイパス通路４７側を開きラジエータ４２側を閉じて水がバイパス通路４７を流通する場合とに切替える。

燃料電池用ポンプ４４は、冷却回路１６のうち冷却回路１６へのバイパス通路４７の合流点４９よりも冷却水流れ下流側に配設されている。すなわち燃料電池用ポンプ４４は、冷却回路１６へのバイパス通路４７の合流点４９よりも下流側、かつ、ＦＣスタック１１よりも上流側に配設されている。燃料電池用ポンプ４４は、冷却水を圧送し、冷却水を冷却回路１６に循環させるためのポンプである。燃料電池用ポンプ４４は、例えば、ポンプハウジング内でインペラを回転させるポンプ装置とすることができる。

ＦＣスタック１１には、燃料電池用ＥＣＵ１７が内蔵されている。燃料電池用ＥＣＵ１７は、ＦＣスタック１１、ロータリバルブ４３および燃料電池用ポンプ４４を制御する制御部である。燃料電池用ＥＣＵ１７は、ＦＣスタック１１が出力するＦＣスタック１１の発熱量もしくは発熱量に関連する物理量、たとえば発電量に関する情報や、第２温度センサ４６が出力する温度情報が入力される。燃料電池用ＥＣＵ１７は、これらの入力情報に基づいてロータリバルブ４３や燃料電池用ポンプ４４などを制御する。

燃料電池用ＥＣＵ１７は、ＦＣスタック１１のインピーダンスを演算する演算部としても機能する。燃料電池用ＥＣＵ１７は、ＦＣスタック１１のインピーダンスを交流法によって計測する。ＦＣスタック１１のインピーダンスは、ＦＣスタック１１の内部に存在する水分量に応じて変化する。インピーダンスの値が所定の値よりも高いと、電解質膜が乾燥状態と判断することができる。

次に、ＦＣスタック１１の冷却制御に関して図２および図３を用いて説明する。図２に示す冷却制御は、車両のイグニッションがオンの状態において、燃料電池用ＥＣＵ１７が実行する。

ステップＳ１１では、各センサから情報を取得し、ステップＳ１２に移る。入力される情報として、たとえば冷却水温度、冷却水の流量、空気温度、空気の流量、ならびにＦＣスタック１１の電流値および電圧値である。

ステップＳ１２では、ＦＣスタック１１の電流値および電圧値から上記の交流法によりインピーダンスを演算し、ステップＳ１３に移る。ステップＳ１３では、インピーダンスが所定値である第１閾値β１以上であるか否かを判断し、第１閾値β１以上である場合にはステップＳ１４に移り、第１閾値β１以上でない場合には、ステップＳ１８に移る。インピーダンスが第１閾値β１以上の場合は、電解質膜が乾燥状態にある。またここで、インピーダンスが第１閾値β１以上であるか否かは、今回車両のイグニッションをオンにしてから、１度でもインピーダンスが第１閾値β１以上となった場合も含む。換言すると、インピーダンスが第１閾値β１以上に上昇した履歴がある場合には、ステップＳ１４に移る。

ステップＳ１４では、インピーダンスが乾燥状態にあるので、インタークーラ２６によって空気の冷却をより一層強化するように制御し、ステップＳ１５に移る。具体的には、インタークーラ２６に冷却回路１６の冷却水がより多く循環するように、燃料電池用ポンプ４４を制御する。

ステップＳ１５では、ステップＳ１１と同様に、各センサから情報を取得し、ステップＳ１６に移る。ステップＳ１６では、ステップＳ１２と同様に、インピーダンスを演算し、ステップＳ１７に移る。

ステップＳ１７では、インピーダンスが所定値である第２閾値β２以下であるか否かを判断し、第２閾値β２以下である場合にはステップＳ１８に移り、第２閾値β２以下でない場合には、ステップＳ１４に戻り、冷却を継続する。第２閾値β２は、第１閾値β１よりも低い値である。インピーダンスが第２閾値β２以下の場合は、電解質膜が湿潤状態にある。インピーダンスが第２閾値β２以上、第１閾値β１未満の場合は、乾燥状態のおそれがある。

ステップＳ１８では、インタークーラ２６による冷却制御の強化をオフして通常の冷却モードに設定し、ステップＳ１９に移る。ステップＳ１９では、車両の走行が終了したか否かを判断し、走行が終了した場合には、本フローを終了し、走行が終了していない場合には、ステップＳ１１に戻る。したがって走行が終了するまで、ステップＳ１１からの冷却制御が繰り返される。

次に、インピーダンスの変化と冷却制御のオンオフとの関係について、図３のタイミングチャートを用いて説明する。図３を含むタイミングチャートに示す冷却オフ状態とは冷却制御の強化がオフ状態の通常の冷却モードを示し、冷却オン状態とは冷却制御が強化されている状態を示す。図３に示すように、インピーダンスはＦＣスタック１１の乾燥と直接的な相関があるが、冷却水の温度が低下したり、発電量が増減しても、すぐにインピーダンスが低下することはない。したがってＦＣスタック１１の乾燥を抑制して湿潤させるようにインピーダンスに応じてインタークーラ２６の冷却性能を制御する。

具体的には、時刻ｔ１１にてインピーダンスが第１閾値β１以上となると、通常の冷却モードであるオフ状態から冷却制御を強化するオン状態にして、冷却制御を実施する。そして時刻ｔ１２にて、インピーダンスが第２閾値β２以下になるまで、冷却制御の強化を継続する。

以上説明したように本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池用ＥＣＵ１７は電解質膜の乾き度に応じてインタークーラ２６による冷却制御を実施する。乾き度は、電解質膜のインピーダンスによって判断する。具体的には、燃料電池用ＥＣＵ１７は、インピーダンスが第１閾値β１以上となると冷却制御を実施し、第２閾値β２以下となるまで冷却を継続するように制御する。これによって乾き度が高くなって電解質膜が乾燥状態になると、乾燥状態を解消するために冷却制御が実施される。そして第２閾値β２以下となる湿潤状態となるまで、冷却制御の実施が維持される。単に燃料電池１１の温度などでは電解質膜の乾き度の状態がわからないが、インピーダンスによって乾き度を直接検出して乾き度に応じて冷却するので、電解質膜が乾燥することを防ぐことができる。これによってＦＣスタック１１の発電性能が電解質膜の乾き度によって低下することを抑制することができる。したがって燃料電池１１の発電性能を高めることができる。

また本実施形態では、燃料電池システム１０は、冷却回路１６、カソードガス供給部１２およびアノードガス供給部１４を備える。そしてＦＣスタック１１に供給される空気は、冷却回路１６の冷却水を用いて冷却している。これによって冷却回路１６は、ＦＣスタック１１および空気の両方を冷却することができる。したがって空気を冷却するための専用の装置が不要となる。

また本実施形態では、ＦＣスタック１１自身を冷却するとともに、ＦＣスタック１１に流入して高温時にＦＣスタック１１の乾燥を促進する空気を冷却することができるので、ＦＣスタック１１の乾燥を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図４および図５を用いて説明する。本実施形態では、インピーダンスだけでなく、ＦＣスタック１１の温度も考慮して、冷却制御を実施する点に特徴を有する。

本実施形態のＦＣスタック１１の冷却制御に関して説明する。図４に示す冷却制御は、車両のイグニッションがオンの状態において、燃料電池用ＥＣＵ１７が実行する。

ステップＳ２１では、各センサから情報を取得し、ステップＳ２２に移る。ステップＳ２２では、ＦＣスタック１１のインピーダンスを演算し、ステップＳ２３に移る。

ステップＳ２３では、ＦＣスタック１１の温度が所定値の第１温度α１以上であり、かつインピーダンスが第２閾値β２以上であるか否かを判断し、条件を満たす場合にはステップＳ２４に移り、条件を満たさない場合には、ステップＳ２８に移る。ＦＣスタック１１が第１温度α１以上の場合は、ＦＣスタック１１は急激に乾燥するおそれがある。

またここで、インピーダンスが第２閾値β２以上であるか否かは、今回車両のイグニッションをオンにしてから、１度でもインピーダンスが第２閾値β２以上となった場合も含む。ＦＣスタック１１の温度の判断についても同様である。

ステップＳ２４では、インピーダンスが乾燥状態または乾燥状態になるおそれがあるので、インタークーラ２６によって空気の冷却を強化するように制御し、ステップＳ２５に移る。

ステップＳ２５では、ステップＳ２１と同様に、各センサから情報を取得し、ステップＳ２６に移る。ステップＳ２６では、ステップＳ２２と同様に、インピーダンスを演算し、ステップＳ２７に移る。

ステップＳ２７では、ＦＣスタック１１の温度が所定値である第２温度α２以下であり、かつインピーダンスが第２閾値β２以下であるか否かを判断し、条件を満たす場合にはステップＳ２８に移り、条件を満たさない場合には、ステップＳ２４に戻る。これによって条件を満たさない場合には、冷却強化を継続する。第２温度α２は、第１温度α１よりも低い値である。ＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下であり、インピーダンスが第２閾値β２以下の場合は、電解質膜が湿潤状態にある。

ステップＳ２８では、インタークーラ２６による冷却制御を通常の冷却モードに設定し、ステップＳ２９に移る。ステップＳ２９では、車両の走行が終了したか否かを判断し、走行が終了した場合には、本フローを終了し、走行が終了していない場合には、ステップＳ２１に戻る。したがって走行が終了するまで、ステップＳ２１からの冷却制御が繰り返される。

次に、冷却制御強化のオンオフのタイミングについて、図５のタイミングチャートを用いて説明する。インピーダンスはＦＣスタック１１の乾燥と直接的な相関があるが、ＦＣスタック１１の冷却水の所定温度以上に上昇すると、ＦＣスタック１１は急激に乾燥する傾向にある。またすでに乾燥状態であるが、インピーダンスには遅れて現れてくる。そのため、温度上昇履歴があり、インピーダンスが所定値以上であれば、温度低下かつインピーダンス低下まで、ＦＣスタック１１の乾燥を抑制して湿潤させるようにインタークーラ２６の冷却性能を強化制御する。

具体的には、時刻ｔ２１にてＦＣスタック１１の温度が第１温度α１以上となり、さらに時間が経過して時刻ｔ２２にてインピーダンスが第２閾値β２以上となると、冷却制御の強化をオンして、冷却制御を実施する。

時間が経過して、時刻ｔ２３になるとＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下となる。しかしインピーダンスは、第２閾値β２以上であるので、冷却制御の強化を継続する。そして時刻ｔ２４にて、インピーダンスが第２閾値β２以下になると冷却制御の強化を終了する。

このように本実施形態では、ＦＣスタック１１の温度も考慮して、冷却制御を実施している。これによってＦＣスタック１１の発電性能が電解質膜の乾き度によって低下することをさらに抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図６および図７を用いて説明する。本実施形態では、インピーダンスおよびＦＣスタック１１の温度だけでなく、さらに発電量も考慮して、冷却制御を実施する点に特徴を有する。

本実施形態のＦＣスタック１１の冷却制御に関して説明する。図６に示す冷却制御は、車両のイグニッションがオンの状態において、燃料電池用ＥＣＵ１７が実行する。

ステップＳ３１では、各センサから情報を取得し、ステップＳ３２に移る。ステップＳ３２では、ＦＣスタック１１の温度が第１温度α１以上であり、かつＦＣスタック１１の発電量が所定の閾発電量γ以下であるか否かを判断し、条件を満たす場合にはステップＳ３３に移り、条件を満たさない場合には、ステップＳ３７に移る。ＦＣスタック１１の発電量が閾発電量γ以下の場合には、発電による生成水の量が少ないので、第１温度α１以上の場合はＦＣスタック１１が乾燥するおそれがある。

ステップＳ３３では、インピーダンスが乾燥状態または乾燥状態になるおそれがあるので、インタークーラ２６によって空気の冷却を強化するように制御し、ステップＳ３４に移る。

ステップＳ３４では、ステップＳ３１と同様に、各センサから情報を取得し、ステップＳ３５に移る。ステップＳ３５では、インピーダンスを演算し、ステップＳ３６に移る。

ステップＳ３６では、ＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下であり、かつインピーダンスが第２閾値β２以下であるか、または発電量が閾発電量γ以上であるか否かを判断し、条件を満たす場合にはステップＳ３７に移り、条件を満たさない場合には、ステップＳ３３に戻り、冷却強化を継続する。ＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下であり、インピーダンスが第２閾値β２以下の場合は、電解質膜が湿潤状態にある。またＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下であり、発電量が閾発電量γ以上の場合も、電解質膜が湿潤状態にある。

ステップＳ３７では、インタークーラ２６による冷却制御の強化をオフし通常の冷却モードに設定し、ステップＳ３８に移る。ステップＳ３８では、車両の走行が終了したか否かを判断し、走行が終了した場合には、本フローを終了し、走行が終了していない場合には、ステップＳ３１に戻る。したがって走行が終了するまで、ステップＳ３１からの冷却制御が繰り返される。

次に、冷却制御のオンオフのタイミングについて、図７のタイミングチャートを用いて説明する。インピーダンスはＦＣスタック１１の乾燥と直接的な相関があるが、ＦＣスタック１１の冷却水の所定温度以上に上昇すると、ＦＣスタック１１は急激に乾燥する傾向にあり、またすでに乾燥状態であるが、インピーダンスには遅れて現れてくる。加えて、発電量が少なく、生成水ができにくいために、生成水が少ないときは湿潤することはできず、乾燥が進行する。即ち、乾燥から湿潤状態にすることが困難となる。そのため、温度上昇履歴があり、発電量が所定値以下の場合、温度低下、かつ発電量が増加、またはインピーダンス低下まで、ＦＣスタック１１の乾燥を抑制して湿潤させるようにインタークーラ２６の冷却性能を強化制御する。

具体的には、時刻ｔ３１にてＦＣスタック１１の温度が第１温度α１以上となり、さらに時間が経過して時刻ｔ３２にて発電量が閾発電量γ以下となると、冷却制御の強化をオンして、冷却制御の強化を実施する。

時間が経過して、時刻ｔ３３になるとＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下となる。しかしインピーダンスは、第２閾値β２以上であり、発電量も閾発電量γ以下であるので、冷却制御の強化を継続する。そして時刻ｔ３４にて、発電量が閾発電量γ以上になると冷却制御の強化を終了する。

このように本実施形態では、発電量も考慮して、冷却制御を実施している。これによってＦＣスタック１１の発電性能が電解質膜の乾き度によって低下することをさらに抑制することができる。

また本実施形態では、ＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下かつ発電量が閾発電量γ以上になった場合には、冷却制御の強化を停止しているが、このような制御に限るものではない。たとえばＦＣスタック１１の温度が第１温度α１以上かつ発電量が閾発電量γ以下になったときの水収支の悪化分を積算し、ＦＣスタック１１の温度が第２温度α２以下かつ発電量が閾発電量γ以上になっても冷却制御の強化をオフにしない。そして冷却制御の強化は、水収支が悪化分を積算してインピーダンスが遅れて上昇することがないタイミングまで継続する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に関して、図８および図９を用いて説明する。本実施形態では、インピーダンスが高く乾燥度合いが高い場合には、強制的に発電して生成水によって乾燥を抑制する点に特徴を有する。

本実施形態のＦＣスタック１１の発電制御に関して説明する。図８に示す発電制御は、車両のイグニッションがオンの状態において、燃料電池用ＥＣＵ１７によって短時間に繰り返し実行される。

ステップＳ４１では、各センサから情報を取得し、ステップＳ４２に移る。ステップＳ４２では、ＦＣスタック１１のインピーダンスを演算し、ステップＳ４３に移る。

ステップＳ４３では、インピーダンスが第３閾値β３以上であるか否かを判断し、条件を満たす場合にはステップＳ４４に移り、条件を満たさない場合には、本フローを終了する。第３閾値β３は、第１閾値β１よりも大きい値に設定される。インピーダンスが第３閾値β３以上の場合であると、乾燥の度合いが高いと判断される。

ステップＳ４４では、インピーダンスが乾燥状態であるので、ＦＣスタック１１が強制発電するように制御し、ステップＳ４５に移る。強制発電では、たとえば許容できる最大の電力量で発電するように制御される。

ステップＳ４５では、ステップＳ４１と同様に、各センサから情報を取得し、ステップＳ４６に移る。ステップＳ４６では、ステップＳ４２と同様に、インピーダンスを演算し、ステップＳ４７に移る。

ステップＳ４７では、インピーダンスが第３閾値β３以下であるか否かを判断し、条件を満たす場合にはステップＳ４８に移り、条件を満たさない場合には、ステップＳ４４に戻り、強制発電を継続する。

ステップＳ４８では、インピーダンスが第３閾値β３以下に下がったので、強制発電を終了し、本フローを終了する。

このような発電制御は、前述の第１実施形態から第３実施形態の冷却制御と並行して実施される。

次に、強制発電制御のタイミングについて、図９のタイミングチャートを用いて説明する。時刻ｔ４１にてインピーダンスが第３閾値β３以上となると、強制発電制御をオンして、発電量を許容できる電力量となるように制御する。

強制発電による生成水で乾燥度合いが低下し、時刻ｔ４２になるとインピーダンスが第３閾値β３以下となる。したがって時刻ｔ４２にて、強制発電を終了する。

このように本実施形態では、生成水によって乾燥度合いを下げて湿潤させるために、強制的に発電している。これによってＦＣスタック１１の乾燥度合いを進行することを抑制することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に関して、図１０を用いて説明する。本実施形態では、インタークーラ２６は、冷却回路１６ではなく、サブ冷却回路５１に設けられている点に特徴を有する。

具体的には、空気冷却部５０は、カソードガス配管２１を通過する空気を冷却する。空気冷却部５０は、サブ冷却回路５１、インタークーラ２６、サブラジエータ５２、サブポンプ５３、および第３温度センサ５４を含んで構成される。

サブ冷却回路５１には、インタークーラ２６、サブラジエータ５２、サブポンプ５３が設けられる。またサブ冷却回路５１には、サブラジエータ５２の下流側におけるサブ冷却回路５１の冷却水の温度を検出する第３温度センサ５４が設けられている。第３温度センサ５４は、検出した温度情報を燃料電池用ＥＣＵ１７に送信する。

サブポンプ５３は、サブ冷却回路５１のうちサブラジエータ５２の下流側に配設されている。サブポンプ５３は、冷却水を圧送し、冷却水をサブ冷却回路５１に循環させるためのポンプである。サブラジエータ５２は、サブ冷却回路５１に設けられ、冷却水の熱を外気との熱交換により外部へ放出するサブ放熱部として機能する。インタークーラ２６は、サブ冷媒回路を流れる冷却水とカソードガス配管２１を流れる空気とを熱交換するサブ吸熱部として機能する。

このようにインタークーラ２６を流れる冷却水は、ＦＣスタック１１の冷却回路１６には流れない。したがって冷却回路１６は、ＦＣスタック１１の温度だけ着目して冷却制御を実施することができる。またサブ冷却回路５１は、空気温度を独自に制御することができる。

またサブ冷却回路５１の制御は、インタークーラ２６に流れる空気温度で判断するのではなく、ＦＣスタック１１の温度の履歴と、インピーダンスで判断してインタークーラ２６に流れる流量と温度を制御してもよい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の各実施形態では、第１乾き度は第１閾値β１に対応し、第２乾き度は第２閾値β２に対応し、第３乾き度は第３閾値β３に対応する。また第１発電量は、閾発電量γに対応する。

前述の第１実施形態では、ＦＣスタック１１は、固体高分子形燃料電池であったが、ＦＣスタック１１の種類はこれに限定されるものではなく、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等であってもかまわない。

前述の第１実施形態では、冷却部は冷却回路１６によって実現されているが、冷却回路１６に限るものではなく、他の冷却装置によって実現してもよい。

前述の第１実施形態では、インピーダンスがＦＣスタック１１の乾燥の度合いを示す指標であったが、乾燥度合いを示す指標はインピーダンスに限るものではない。電解質膜の乾き度合いを検出する検出部として、たとえばインピーダンスが正しく計測できない低負荷、すなわち低電流では、別の方法で乾き度を推定してもよい。たとえばＦＣスタック１１の温度、空気圧力、空気温度および電流から生成水量と空気による水持出しで水の収支を演算して乾き度合いを推定してもよい。

前述の第１実施形態において、燃料電池用ＥＣＵ１７によって実現されていた機能は、前述のものとは異なるハードウェアおよびソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実現してもよい。燃料電池用ＥＣＵ１７は、たとえば他の制御装置と通信し、他の制御装置が処理の一部または全部を実行してもよい。燃料電池用ＥＣＵ１７が電子回路によって実現される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって実現することができる。

１０…燃料電池システム １１…ＦＣスタック（燃料電池）
１６…冷却回路（冷却部，冷媒回路） １７…燃料電池用ＥＣＵ（検出部，制御部）
２１…カソードガス配管（管路） ２２…エアコンプレッサ（圧縮機）
２３…エアフローメータ ２４…温度計測部 ２５…圧力計測部
２６…インタークーラ（熱交換部，サブ吸熱部） ４２…ラジエータ（放熱部）
４４…燃料電池用ポンプ（ポンプ） ４５…第１温度センサ（温度検出部）
４６…第２温度センサ（温度検出部） ５０…空気冷却部
５１…サブ冷却回路（サブ冷媒回路） ５２…サブラジエータ（サブ放熱部）
５３…サブポンプ ５４…第３温度センサ

Claims (5)

1. 燃料電池（１１）によって発電する燃料電池システムであって、
   冷媒を前記燃料電池に供給して、前記燃料電池を冷却する冷却部（１６）と、
   前記燃料電池の電解質膜の乾き度合いを検出する検出部（１７）と、
   冷媒の温度を検出する温度検出部（４５，４６）と、
   前記冷却部を制御する制御部（１７）と、を含み、
   前記制御部は、
   前記検出部によって検出された乾き度が、所定の第１乾き度以上となると、前記冷却部を駆動して前記燃料電池を冷却するように制御し、
   前記検出部によって検出された乾き度が、前記第１乾き度よりも低い第２乾き度以下となるまで冷却を継続するように前記冷却部を制御し、
   冷媒の温度が所定の第１温度以上であり、かつ前記燃料電池の発電量が所定の第１発電量以下となると、前記冷却部を駆動して前記燃料電池を冷却するように制御し、
   冷媒の温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下となり、かつ前記乾き度が前記第２乾き度以下となるか、または前記燃料電池の発電量が前記第１発電量以上となるまで冷却を継続するように前記冷却部を制御する燃料電池システム。
2. 前記制御部は、
   冷媒の温度が所定の第１温度以上であり、かつ前記乾き度が前記第１乾き度以上となると、前記冷却部を駆動して前記燃料電池を冷却するように制御し、
   冷媒の温度が前記第１温度よりも低い第２温度以下となり、かつ前記乾き度が前記第２乾き度以下となるまで冷却を継続するように前記冷却部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池は、空気と水素とを反応させて発電し、
   前記燃料電池に空気を供給する圧縮機（２２）をさらに含み、
   前記冷却部は、冷媒が循環する冷媒回路（１６）と、冷媒回路内に冷媒を圧送するポンプ（４４）と、冷媒回路を流れる冷媒と外気とを熱交換する放熱部（４２）と、前記圧縮機から前記燃料電池に空気を送る管路（２１）に設けられ、前記管路を通過する空気と冷媒回路内の冷媒とを熱交換する熱交換部（２６）とを含む請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池は、空気と水素とを反応させて発電し、
   前記燃料電池に空気を供給する圧縮機（２２）と、前記圧縮機から前記燃料電池に空気を送る管路（２１）に設けられ、前記管路を通過する空気を冷却する空気冷却部（５０）と、をさらに含み、
   前記冷却部は、冷媒が循環する冷媒回路（１６）と、冷媒回路内に冷媒を圧送するポンプ（４４）と、冷媒回路を流れる冷媒と外気とを熱交換する放熱部（４２）と、を含み、
   前記空気冷却部は、冷媒が循環するサブ冷媒回路（５１）と、前記サブ冷媒回路内に冷媒を圧送するサブポンプ（５３）と、前記サブ冷媒回路を流れる冷媒と外気とを熱交換するサブ放熱部（５２）と、前記サブ冷媒回路を流れる冷媒と前記管路を流れる空気とを熱交換するサブ吸熱部（２６）と、を含む請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記乾き度が所定の前記第１乾き度よりも高い第３乾き度以上となると、前記燃料電池を所定の発電量で発電するように制御する請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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