JP5354461B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムの運転制御の最適化に関する。

固体高分子電解質型燃料電池においては、膜含水量が減少すると当該電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して膜抵抗が増大し、出力電圧が低下し、性能低下に至る。このような現象は、特に、外気温が高い環境下で燃料電池システムを高出力運転したような場合、ラジエータの冷却能力が不足し、燃料電池から十分に放熱することができなくなる結果、当該燃料電池にてドライアップ（燃料電池の電解質膜の含水量が不十分になること）が生じることによって引き起こされる。特に、燃料電池システムの冷却水が限界水温に到達するなど高温になればなるほどドライアップが生じる蓋然性が高くなるため、このような事態を抑制する必要がある。

従来、燃料電池のこのようなドライアップを回避するための技術として種々のものが提案されている。例示すれば、燃料電池における水収支（燃料電池における水分の出入り、またはその量のバランス）が所定値以下の場合には当該燃料電池の出力を制限し、ユーザに通知するもの（例えば特許文献１参照）、水収支が所定値以下の場合にアノード出力を低下させるもの（例えば特許文献２参照）、燃料電池の高温時にドライアップが生じていると推定し、カソード圧力を増加させるもの（例えば特許文献３参照）、燃料電池の高温時、当該燃料電池を搭載した車両（燃料電池車両）の空調を制限し、ドライアップを抑制するもの（例えば特許文献４参照）、等がある。

特開２００８−１４６９７１号公報 特開２００８−１０３１３７号公報 特開２００８−１３０４７１号公報 特開２００７−２３４４５２号公報

しかしながら、上述のようにドライアップ対策が施されている燃料電池システムにおいても、特に高温環境下ではなおドライアップが生じることがある。

そこで、本発明は、特に高温環境下での燃料電池においてドライアップが生じるという事態を抑制しうる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。例えば上述した特許文献１の場合には、最低必要出力を確保可能なときにカソード圧力を上昇させて膜含水量の回復を図っている（図５（Ｄ）参照）。しかし、カソード圧力を上昇させようとすればエアコンプレッサの補機動力損が増加する（補機動力損の消費電力を確保する必要が生じる）ため、最低必要出力の値が小さくなってしまう点で問題である。

また、特許文献２の場合、燃料電池の含水量が低下した際に、アノード圧力のみ下げることにより、補機動力損を増加させずに膜含水量の回復を図っている（図５参照）。しかし、必要な含水量の増加量がアノード圧力低下のみでは確保しきれず、含水量が十分に回復しないような場合に、膜含水量を回復させるための他の手段を持たないことから、当該燃料電池システムを搭載した車両が走行できなくなるといった問題が生じうる。

特許文献３の場合、水温に応じてカソード圧力を上昇させて膜含水量の回復を図っていることから（図５参照）、このようにカソード圧力を上昇させる際の補機動力損の増加が避けられない。

さらに、空調制限ありの燃料電池車両を常温環境下で運転している場合でも、水温の上昇、過度の運転、エアコン使用時のヒータ動力損の影響などにより、ドライアップが生じる可能性がある。

また、燃料電池のドライアップを回避するため、水素と酸素の反応による生成水が多くなるように電流値を増加させる電流制御手段を利用するという技術もある。しかし、電流値を増加させる手段は冷却性能が確保されている場合には有効であるが、冷却能力が限られる場合においては電流値増加が水温増加につながることから実施が難しいことがある。特に、車両では、意匠上の影響、走行抵抗などの理由などで搭載可能領域が制限され、十分なサイズのラジエータを搭載することができず、最大負荷時の水温を燃料電池の限界水温以下に設定することが難しい。このため、電流値増加手段を有効に利用することは実際には難しい場合がある。

以上のように、高温環境下で水温が上昇すると燃料電池にドライアップが生じる可能性があるため、このような事態を回避すべく運転条件に何らかの制限を設ける必要がある。このような背景の下、本発明者は、燃料電池の運転条件に必要な制限を設けながら運転方法を最適化することについて検討を重ね、課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくものであり、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池における発電要求に応じて反応ガスの供給状態の変更を行う制御部であって、燃料電池における水収支が所定値以下となった場合に、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の優先順位でこれらの処理を行い、当該燃料電池の出力を制限した後に水収支を回復させる制御部、をさらに有するというものである。

従来の構成では、カソード圧力の増加、アノード圧力の低減などにより電解質膜の含水量（燃料電池の水収支）の回復を図っているものの、例えばカソード圧力を増加させた場合、含水量は増加するが動力損が多くなるため出力制限の割合が多くなるし、アノード圧力の低減を行った場合には、動力損の増加は少ないが含水量の増加の割合が少ないため、短時間に含水量を回復することが難しい。この点、本発明においては、出力制限の割合が少ない順に各時点で最適な方法を選択し、含水量（水収支）をより短時間で回復させるようにしている。つまり、本発明にかかる燃料電池システムは、システム中の制御部により、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加というように出力制限の割合が少ない順に当該燃料電池の出力を制限することとし、これにより、高温環境下でドライアップが生じるという事態を効果的に抑制し、含水量を回復させる。

すなわち、燃料電池の含水量が低下した場合に、エアストイキ比を低減させ、場合によってはさらにアノード圧力を低減させることにより、補機等の電力消費装置による消費電力を低減させ、例えば燃料電池車両であれば当該車両で必要な電力を低減させることができる。また、これでも電解質膜の含水量が回復しなければ続いてアノード循環量を増加させる。

さらに、本発明では、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の各処理によっても水収支が回復基調にないと判断した場合に、カソード圧力増加処理をさらに行う。

また、本発明にかかる燃料電池システムは、空調システムを備えており、水収支が所定値以下となった場合に空調システムの動力を低減させるというものである。このような燃料電池システムは、空調出力を制限しうるものとして例えば燃料電池車両などに好適である。

水収支が所定値以下となった場合に出力制限をする際、当該出力制限が行われていることをユーザに通知することが好ましい。これによれば、燃料電池車両のドライバ等のユーザが抱きうる違和感や不安感を解消することができる。

さらに、本発明にかかる制御方法は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、を有する燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池における水収支が所定値以下となった場合に、反応ガスの供給状態を変更し、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の優先順位でこれらの処理を行い、当該燃料電池の出力を制限した後に水収支を回復させる、というものである。

本発明によれば、当該燃料電池の運転の最適化を図りつつ、高温環境下で燃料電池においてドライアップが生じるという事態を抑制することができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの構成図である。 分(min)当たり含水量増加量を横軸、燃料電池の出力制限値（当該時点で出力可能な値を示すしきい値）を縦軸にとって両者の関係を表すグラフである。 分(min)当たり含水量増加量を横軸、バッテリ補完電力量を縦軸にとって両者の関係を表すグラフである。 水収支の時間経過の一例を示すグラフである。 （Ａ）カソードストイキ比と水収支の関係、（Ｂ）アノード圧力と水収支の関係、（Ｃ）アノード循環量と水収支の関係、（Ｄ）カソード圧力と水収支の関係を示すグラフである。 燃料電池の出力を制限することにより水収支を回復させる場合の処理の一例を示すフローチャートである。 エアコン（空調システム）の動力の制限方法の一例を示すフローチャートである。 エアコン（空調システム）からの要求で水温を上昇させる場合における水収支の制御例を示すフローチャートである。 水収支がマイナスのときにレッドゾーンを指針する水温メータを示す図である。 水収支がマイナスのときにレッドゾーンの最大値以上の領域を指針する水温メータを示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

本実施形態の燃料電池システムは、特に図示していないが、燃料電池本体（ＦＣ）、該燃料電池の電流を計測する電流検出手段（電流計など）、高電圧バッテリ、バッテリ昇圧コンバータ、駆動モータ、リレー（燃料電池とバッテリ昇圧コンバータおよび駆動モータを接続するもの）、バッテリリレー（高電圧バッテリとバッテリ昇圧コンバータとを接続するリレー）、駆動モータを駆動するインバータなどを備えた構成となっている。この燃料電池システムは、燃料電池と高電圧バッテリとの電力でインバータによりモータを駆動する燃料電池ハイブリッドシステムである。

燃料電池システムは例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして適用可能なものであるが特にこれに限られることなく、この他、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても利用することが可能である。以下において説明する本発明の各実施形態では、当該燃料電池システムを搭載した燃料電池車両において本発明を適用した例を示す。なお、各図においては、燃料電池を「ＦＣ」、高電圧バッテリを「ＢＡＴ」と表す場合がある。

図１は、本実施形態における燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両１００に搭載できる。ただし、燃料電池システム１は、車両１００以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源、さらには携帯型燃料電池システムにも適用可能である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム１の運転を統括制御する制御装置７と、を備える。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型燃料電池で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、プロトン導電性を有する固体高分子膜を電解質層に備えており、電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有する。供給路１１は、酸化ガス流路２ａを介して排出路１２に連通する。酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

供給路１１には、エアクリーナ１３を介して外気を取り込むコンプレッサ１４と、が設けられる。また、この供給路１１には、コンプレッサ１４により燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５が必要に応じて設けられる。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２の空気極側の背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６によって調整される。背圧調整弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられる。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有する。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられる。

冷媒配管系（冷却機構）５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有する。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有する。温度センサ４７が検出する冷媒温度（燃料電池の関連温度）は、燃料電池２の内部温度（以下、ＦＣ温度という。）を反映する。なお、温度センサ４７は、冷媒温度の代わりに（あるいは加えて）、燃料電池周辺の部品温度（燃料電池の関連温度）や燃料電池周辺の外気温度（燃料電池の関連温度）を検出するようにしても良い。また、燃料電池の冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ（蓄電器）６２は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ６２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転の制御及び後述する暖機運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

タイマー７０、電圧センサ７２及び電流センサ７３は、制御装置７に接続される。タイマー７０は、燃料電池システム１の運転を制御するために必要な各種の時間を計測する。電圧センサ７２は、燃料電池２の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出する。具体的には、電圧センサ７２は、燃料電池２の多数の単セルの個々が発電する電圧（以下、「セル電圧」という。）を検出する。これにより、燃料電池２の各単セルの状態が把握される。電流センサ７３は、燃料電池２の出力電流（ＦＣ電流）を検出する。

制御装置７は、各種の圧力センサＰ１や温度センサ４６、４７、並びに車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなど、各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、背圧調整弁１６など）に制御信号を出力する。また、制御装置７は、所定のタイミングで燃料電池２の水分状態の診断等を行い、診断結果に基づき燃料電池２の水分制御を行う。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１においては、制御装置７により、燃料電池２における水収支が所定値以下となった場合に、所定の優先順位で当該燃料電池２の出力を制限し、電解質膜の含水量を回復させることとしている。詳細な手順は以下に示すが、ここでは、燃料電池２の温度を一定値以下にするため、当該燃料電池２の出力に制限を設けつつ、燃料電池２のスタックが乾かない運転を行うために補機動力損の最も少なくなる運転を優先して行い、スタックの発熱量が少なくなるようにしながら所定の出力（想定されるセル電圧）を確保する。以下、膜含水量を回復させる出力制限技術について説明する（図２等参照）。

ここで、まず、燃料電池２の水収支とは、当該燃料電池２における水分の出入りまたはその量のバランスのことをいう。当該燃料電池２の電解質膜の含水量が増えれば（または減れば）すなわちこれが水収支の増加（または減少）となる。水収支の管理（燃料電池２の水分管理）の方法には種々のものがあり、一般的には、燃料ガス（水素ガス）に水分を含ませることにより外部から水分を送る方法、当該燃料電池２内で生成する水分を利用する方法、燃料電池２内を多湿に保って管理する内部管理法などがある。本実施形態では、燃料電池２における水収支が所定値以下となった場合に、制御装置７により、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加、カソード圧力増加の優先順位で当該燃料電池２の出力を制限することとしている。

一般に、燃料電池２においては、電気化学反応に伴ってカソードで水が生成されることから、当該燃料電池２から外部へと排出される水分のうちの多くは、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される水分である。このため、カソード側におけるガス圧力を高めると、カソード側流路（供給路１１、排出路１２）において水が水蒸気ではなく液水として存在しやすくなり、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される水分の量が抑えられることから、燃料電池２の水収支を増加させることができる（図５（Ｄ）参照）。また、カソード側のガス圧力をアノード側に対して相対的に高めれば、水が生成されるカソード側からアノード側へと向かう電解質膜内での水の移動が促進され、電解質膜の含水量（水収支）を増加させることができる。一方、アノード側におけるガス圧力を高めると、これとは逆にカソード側流路（供給路１１、排出路１２）において水が液水として存在し難くなり、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される水分の量が増える結果、燃料電池２の水収支が低下する（図５（Ｂ）参照）。

また、カソード（ＣＡ）におけるエアストイキ比が低減すると、カソードオフガスとともに水蒸気として排出される水分の量が増える結果、燃料電池２の水収支が低下する（図５（Ａ）参照）。一方で、アノード（ＡＮ）におけるガス循環量が増加すると、燃料電池２の水収支が増加する（図５（Ｃ）参照）。

ここで、出力制限により水収支を回復させる場合の処理の一例を以下に示す（図６参照）。本実施形態では、燃料電池スタックの乾燥状態に応じて各種補機を調整し、発熱と水収支を制御する。すなわち、まず、燃料電池システム１の運転時、制御装置７によって常時水収支を計算する（ステップＳＰ１）。ここで、算出した水収支が０を超えているか（プラスの状態か）を判断し（ステップＳＰ２）、０を超えていれば出力制限処理ルーチンを終了し、運転が継続していれば再び水収支計算を行う。一方、水収支がマイナスになっていれば（図４参照）、本実施形態では、カソード（ＣＡ）におけるエアストイキ比の変更（低減）、アノード（ＡＮ）の燃料ガス圧力の変更（低減）、アノード（ＡＮ）のガス循環量増加をこの順に実施する（ステップＳＰ２にてＮＯ、ステップＳＰ３）。

なお、エアストイキ比低減の後、カソード（ＣＡ）圧力を増加させる処理を行い、その後にアノードガス圧力低減、アノードガス循環量増加の処理を行うこともできる。ただし、カソード圧力の体積流量増加の方法としてのカソード圧力増加処理は補機動力の増加および発熱量の増加に繋がりやすいので、本実施形態では、以下に示すように他の３つの手段を優先し（ステップＳＰ３）、それでも膜含水量が回復基調となれなければカソード圧力増加を後段（ステップＳＰ５）にて行うこととしている。

ところで、水収支は、燃料電池スタックから持ち去られる水分量（持ち去り量）をカソードエア量、アノード排気量、温度（水温）に基づき算出し、この持ち去り量から、発電量に基づき算出される生成水量を差し引くことによって求めることができる。例えばカソードエアによる水分持去り量は、飽和水蒸気以下のマップに基づき計算を行うことによって算出することができる。燃料電池システム１の制御装置７は、この水収支が０以下（マイナス）になった場合には０以上（プラス）に転じるように各種制御を行う。なお、これとは別に、カソード出口に露点計を設けて計測を行い水収支を算出するといった手段を採用することもできる。

ここで、分(min)当たり含水量増加量を横軸、出力制限値（当該時点で出力可能な値を示すしきい値）を縦軸にとって両者の関係を表示し、さらに燃料電池システム１に要求される電力（ただし、燃料電池２の出力制限が設定されていない状態）を一定値として破線で表示して説明する（図２参照）。図中における各○印は動作点であり、当該時点において燃料電池２が出力可能な値を示しており、当該動作点と破線との間隔（図中の矢印参照）が、バッテリ６２により補完する必要がある出力の大きさとなる。例えば、車両のエアコンプレッサやエアコンディショナー等の補機を稼動（動作）させればこれらに要する動力のぶんが余計に消費されることになり（補機動力損）、車両走行のための出力が低下してしまうから、この補機動力損の分の消費電力を確保する必要が生じる。

このように、一般に、燃料電池２の出力制限値は水温（当該燃料電池２の冷却水温度）に応じて決まることから、燃料電池２の冷却性能が変わらないとすれば、燃料電池２の発熱量は上述の動作点により決定する。したがって、補機動力損が低減すれば燃料電池２の出力制限値は増加する（制限が緩和される）ことになり、逆に、補機動力損が増加すれば燃料電池２の出力制限値は低下する（さらに制限される）ことになる（図２参照）。

ここで一例を挙げて説明すると、当初、含水量増加量と出力制限しきい値とが図２中の動作点（ａ）の状態にあったとした場合、上述のようにステップＳＰ３においてエアストイキ比を低減させることにより、補機（コンプレッサ１４）の電力消費量を低減させることができる。例えば、当該時点での燃料電池２に対する出力要求電力（出力制限がある状態での要求電力）がＷ₁であり、動作点（ａ）での出力制限値がこのＷ₁を下回っている場合、エアストイキ比を低減させて動作点を（ａ）から（ｂ）へと移動させ、補機動力損の分、出力制限値を増加させて出力要求電力Ｗ₁と同等またはこれ以上とすることができる。なお、カソード（ＣＡ）のエアストイキ比低減は、低減に伴う燃料電池スタックの電圧低下を伴わない範囲で行うことが好ましい。

また、本実施形態では、アノード（ＡＮ）圧力の変更（低減）も行う（ステップＳＰ３）。この処理に従い、動作点は（ｂ）から（ｃ）へと移動する。アノード圧力を低減すれば、ポンプ２４等の補機の電力消費量を低減させ、燃料電池２の出力制限値をこの補機動力損の分さらに増加させることができる。なお、アノード圧力低減は、アノード循環系内の水素濃度が所定の値以上となる範囲内で行うようにする。また、アノード圧力低減は、パージ弁（排気排水弁）３３により排気した場合にカソード背圧による逆流が生じない程度の圧力の範囲内で行うようにする。さらに、アノード圧力低減は、水素濃度低下によるセル電圧低下が発生しない程度の圧力範囲内で行うようにする。

以上のように、燃料電池２の出力制限を考慮し、まずは補機動力損の分だけ当該出力制限値を増加させる（制限を緩和させる）本実施形態においては、この動作点（ｃ）における出力制限値が極大値（または最大値）となり（図２参照）、バッテリ６２により補完する必要がある出力の大きさは極小値（または最小値）となる（図３参照）。

続いて、本実施形態では、アノード（ＡＮ）循環量の変更（増加）を行う（図２参照）。アノード循環量を増加させると、動作点が（ｃ）から（ｄ）へと移動し、これに伴い水収支が増加するが（図５（Ｃ）参照）、ポンプ２４等の補機の電力消費量が増えることから出力制限値は低下する。なお、アノード循環量を増加させることは動力損に繋がるので、上述した２つの処理（カソードのエアストイキ比低減、アノード圧力低減）を経て出力制限値が極大値（最大値）となった後でこのような循環量増加処理を行うことが好ましい。アノード循環量を増加させる処理は、カソード圧力を増加させる処理に比べると水収支などの変化の感度が小さい。また、これまで説明した各種処理を行って運転状況を変更する際、セル電圧が想定値より低くなっている場合には変更後の運転によりスタックが乾燥するように作用するので、ガス流量を増加し、セル電圧が増加する方向に運転することが好ましい。

ここで、本実施形態では、この時点での水収支が０を超えているか（プラスの状態か）を判断し（ステップＳＰ４）、０を超えていれば（ステップＳＰ４にてＹＥＳ）、ステップＳＰ９の処理を行う（図６参照）。一方、０を超えていなければ（ステップＳＰ４にてＮＯ）、さらにカソード（ＣＡ）圧力を増加させる処理を行う（ステップＳＰ５）。

ステップＳＰ５にてカソード（ＣＡ）圧力を増加させると、動作点が（ｄ）から（ｅ）へと移動し、これに伴い水収支が増加するが（図５（Ｄ）参照）、コンプレッサ１４等の補機の電力消費量が増えることから出力制限値は低下する。

その後、本実施形態では再び水収支が０を超えているか（プラスの状態か）を判断し（ステップＳＰ６）、０を超えていれば（ステップＳＰ６にてＹＥＳ）、ステップＳＰ９の処理を行う。一方、この時点でもなお０を超えていなければ（ステップＳＰ６にてＮＯ）、燃料電池２の出力を制限し、水収支が０を超えるまで（プラスとなるまで）ドライアップを抑制して膜含水量の回復を図る（ステップＳＰ７、ステップＳＰ８）。水収支が０を超えれば（ステップＳＰ８にてＹＥＳ）、ステップＳＰ９の処理を行う。

ステップＳＰ９では、燃料電池２の出力が所定値となっているかどうか（燃料電池２のセル電圧が想定値を超えているかどうか）の判断を行う。セル電圧が想定値を超えていれば（ステップＳＰ９にてＹＥＳ）、一連の処理ルーチンを終了する。一方、セル電圧が想定値を超えていなければ（ステップＳＰ９にてＮＯ）、ステップＳＰ３に戻りカソードストイキ比変更（低減）等の処理を再び行う。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１においては、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加（以上、ステップＳＰ３）、さらにはカソード圧力増加（ステップＳＰ５）の順番で膜含水量の回復を図ることで、燃料電池２の出力制限値の低下を避けつつ水収支を管理することが可能となっている。例えば、アノード圧力低減のみ行うとすれば、出力の制限幅は少ないものの水収支の増加量が少ないため膜含水量の回復に時間がかかることになるが、各種処理を適宜行う本実施形態によれば膜含水量回復に要する時間をより短縮させることが可能である。また、水収支の増加量が多くなるようにこれら処理のすべてを行うとすれば、その分、より多くの出力制限が実施されることとなるが、本実施形態では補機動力損が少ない処理から順に行うことにより、スタックの発熱量が少なくなるようにしながら所定の出力（想定されるセル電圧）を確保するという、いわば運転の最適化を図ることができる。

なお、本実施形態では、バッテリ６２で補うことが可能な電力量はバッテリＳＯＣ（バッテリ残存電力量、あるいはバッテリ蓄電状態）から判定し、不足している膜含水量に対して短時間で補うことが可能な含水量増加量を選択することとしている。すなわち、下記数式１が成立する条件、つまり、バッテリ６２で補うことが可能な時間（左辺）が、膜含水量回復までの時間（右辺）を上回っているという条件下にて、当該膜含水量が回復するまでの時間が最短になるものを適宜選択する。ただし、バッテリ６２のＳＯＣが最低になり燃料電池車両の走行性能に影響がでるおそれがある場合には、出力制限による影響が少ない条件（図２中に示す出力制限値が大きくなる条件）を適宜選択することが好ましい。

［数１］
（バッテリ残存電力量）／（バッテリ補完電力量／分）＞（不足含水量）／（含水量増加量／分）

以上の説明では分(min)当たりのバッテリ補完電力量および含水量増加量を例示したが、これは単位時間当たり量の例示にすぎず、時間の単位が適宜変更可能であることはいうまでもない。

続いて、エアコン（エアコンディショナー、図７等ではＡＣと示す）の動力の制限方法について説明する。

燃料電池車両に搭載されているエアコンシステム８１およびエアコン補助熱交換器８２を常温（あるいは低温）環境下で連携動作させながら当該車両の運転を行っている場合、水温の上昇、過度の運転、エアコン連携によるヒータの影響などにより、燃料電池２にてドライアップが生じる可能性がある。そこで、本実施形態では、特に外部加湿レス（外部装置によって加湿されることがない構成）の場合でもドライアップが生じるのを回避するべく、各種条件に応じてエアコンの動作要求に応じた制御を実施する（図７、図８参照）。

まず、燃料電池システム１の運転時、制御装置７によって常時水収支を計算（ステップＳＰ１１）、エアコンで例えば暖房または除湿を行っているときに燃料電池スタックの乾燥状態を検出した場合、つまり、水収支がマイナスになっている場合は（ステップＳＰ１２でＮＯ）、エアコンシステム８１ヘの動力低減要求を行い、エアコン側へ熱連携を行い燃料電池２の冷却水温を低下させる（ステップＳＰ１３）。エアコン側への熱連携は、例えばエアコン補助熱交換８２を使って熱をエアコン側へと放出させることによって行うことができる。また、これでもなお燃料電池スタックの乾燥状態を検出した場合には、エアコンの動作モードが冷房であればエアコンの動力を低減させることで燃料電池２の動力損を低減させ、ドライアップが生じるのを回避する。以上の手法によってもドライアップが回避できない場合（ステップＳＰ１４にてＮＯ）、水収支は回復したがセル電圧が想定値を超えていない場合（ステップＳＰ１６にてＮＯ）には、上述した燃料電池２の出力制限処理（図６参照）を行う（ステップＳＰ１５）。一方、以上の手法によりドライアップを回避できた場合には、上述した燃料電池２の出力制限処理（図６参照）を省略することが可能となる。

また、エアコン連携時、エアコンシステム８１からの要求で水温（冷却水の温度）を上昇させる場合においては（ステップＳＰ２１）、水温が上昇した場合でも燃料電池２の水収支がプラスとなるように水収支の制御を行い、当該制御開始前と同等の水収支になるように制御後に水温を上昇させ、ドライアップを回避することが好ましい（ステップＳＰ２２〜２５）。

次に、出力制限を行う場合のユーザヘの通知方法について説明する。

上述したように、燃料電池２の水収支がマイナスとなっているとき等に出力制限を行う場合は、出力制限が行われていることをユーザ（特にドライバ）が認識できるように通知することが好ましい。このような情報を適宜通知して認識してもらうことにより、燃料電池車両のドライバといったユーザが抱きうる違和感や不安感を解消し、当該システムをより安心して利用してもらうことができる。

この場合の通知方法としては種々のものを採用することができ、例示すれば、水収支がマイナスのときに水温メータ８３のレッドゾーンを指針することを挙げることができる（図９参照）。あるいは、水収支マイナス時に水温メータ８３のレッドゾーンの最大値以上の領域を指針する（水温が最高温度に到達しても指針されない領域を指針する）ことにより、出力制限状態であることをより明確に通知することも好ましい（図１０参照）。もちろん、水収支がマイナスである等の燃料電池スタックの状態を、インストルメントパネルやフロントガラス等のその他の表示器を使って、あるいはブザー等の警告音を使ってユーザに通知することとしてもよい。簡単に例示すれば、乾燥度合に応じて音を徐々に変化させたり音楽を変えたりすること、出力の制限値を表示すること、アクセルに対する出力マップを変更すること（アクセル１００％での出力を制限された出力の最大値にすること）、生暖かい風を出すなどエアコンの効きを悪くしてユーザに感知させること、シートやハンドルを振動させてユーザに感知させること、等の手段を採用することができる。

なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態ではカソードストイキ比変更（低減）、アノード圧力変更（低減）、アノード循環量変更（増加）の各処理をステップＳＰ３において実施する態様を示したが（図６参照）、もちろんこれは好適な態様の一例に過ぎず、このほか、それぞれの処理を独立したステップにて実施し、水収支が０を超えているかどうかの判断をステップ毎に行うようにしても構わない。

また、上述した実施形態では、水収支がプラスかマイナスか、つまり水収支０を基準として出力制限の判断を行ったが、これ以外、つまり０以外の値を基準として出力制限の判断を行うようにしてもよい。

本発明によれば、燃料電池の開放電圧と高電圧バッテリの開放電圧とが近い場合にも、当該燃料電池のリレー溶着の状態を検出することができる。よって、本発明は、そのような要求のある燃料電池や燃料電池システムにおいて広く利用することができる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系（ガス配管系）、４…燃料ガス配管系（ガス配管系）、７…制御装置（制御部）、８１…エアコンシステム（空調システム）、８３…水温メータ（出力制限が行われていることをユーザに通知する装置）

Claims (5)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、を有しており、電力消費装置に対して電力を供給する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池における発電要求に応じて前記反応ガスの供給状態の変更を行うとともに、前記電力消費装置のうち、当該燃料電池の電解質膜の水収支回復に関連する所定の電力消費装置における動力損の消費電力を出力増によって確保することを命令する制御部であって、前記燃料電池における水収支が所定値以下となった場合に、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の各処理を、前記所定の電力消費装置における動力損が少なくなる優先順位に従いこの記載順で実施し、発熱量が少なくなるように当該燃料電池の出力を制限して前記水収支を回復させる制御部、をさらに有する燃料電池システム。
2. 前記エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の各処理によっても前記水収支が回復基調にないと判断した場合に、カソード圧力増加処理をさらに行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 空調システムを備えており、前記水収支が所定値以下となった場合に前記空調システムの動力を低減させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水収支が所定値以下となった場合に出力制限をする際、当該出力制限が行われていることをユーザに通知する装置を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、を有しており、電力消費装置に対して電力を供給する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池における水収支が所定値以下となった場合に、前記反応ガスの供給状態を変更し、エアストイキ比低減、アノード圧力低減、アノード循環量増加の各処理を、前記電力消費装置のうち、当該燃料電池の電解質膜の水収支回復に関連する所定の電力消費装置における動力損が少なくなる優先順位に従いこの記載順で実施し、発熱量が少なくなるように当該燃料電池の出力を制限して前記水収支を回復させる、燃料電池の制御方法。

Images