JP2011018461A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させることである。
【解決手段】燃料電池システムは、勾配センサ６０またはナビゲーションシステム７４と、燃料電池ＥＣＵ２４とを備える。燃料電池ＥＣＵ２４は、一定条件が成立した場合に、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させる等を行う間欠運転発電停止条件成立と判定する判定手段と、実行手段と、禁止手段とを含む。実行手段は、車両が登坂路で停止または走行中ではなく、かつ、判定手段により間欠運転発電停止条件成立と判定された場合に、間欠運転発電停止を実行させる。禁止手段は、車両が登坂路で停止または走行中であることと、判定手段により間欠運転発電停止条件成立不成立と判定されることとの一方または両方が成立した場合に、間欠運転発電停止を禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の発電運転を制御する制御部とを備え、車両に搭載して使用される燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、例えば電解質膜の両側に存在するアノード側電極およびカソード側電極を有する膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層した燃料電池セル積層体により構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板、エンドプレート等で狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。

このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電気化学反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成される。

このような燃料電池は、車両に搭載して、車両の駆動源である走行用モータの動力源として燃料電池を使用する、燃料電池車も考えられている。また、このような車両搭載用の燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の要求発電量と二次電池等の蓄電部の充電量とに関する一定条件が成立した場合に、燃料電池の発電運転を停止させるとともに、要求発電量に対応する電力を蓄電部により負荷に供給させ、一定条件が不成立となった場合に、燃料電池の発電運転を再開させる間欠運転と呼ばれる運転を行うことが考えられている。この場合、一定条件が成立すると、燃料電池発電停止状態に移行する。このため、燃料電池が過度に発電されることを有効に防止でき、省エネルギ化を図りやすい。

特許文献１には、アクセル踏み込み量や勾配を検出し、これらの検出値から燃料電池への負荷が増加することを予測して、燃料ガスを供給する調圧弁の出力側の圧力を制御することで、負荷の増加により生成水がアノード側に浸出し始める前に燃料ガス圧を増加させ、生成水を電解質膜内へ押し込むことにより、生成水の燃料室内への浸出を抑制する燃料電池システムが記載されている。

また、特許文献２には、燃料電池システムの制御ユニットは、システム要求電力が徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位で一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補うように制御する燃料電池システムが記載されている。また、特許文献２に記載された燃料電池システムでは、発電電力の変化量を制限する最大継続時間を表す継続閾値が設定され、制御手段は継続閾値の範囲内で燃料電池による発電電力の変化量の制限を継続し、制御手段は、移動体が走行する道路状態を検出し、検出結果に応じて継続閾値を変更するとされている。

また、特許文献３に、車両に搭載されるものであって、燃料電池と、燃料電池により充電される蓄電手段たる二次電池と、二次電池の充電量に応じて燃料電池を間欠的に運転する制御を行う発電制御手段たる制御装置とを備える燃料電池システムにおいて、制御装置が、高負荷での走行が継続されることを判定した際に、二次電池の充電量にかかわらず発電するように燃料電池を制御することが記載されている。

特開２００８−２５１４８９号公報 特開２００７−５０３８号公報 特開２００５−４４５３１号公報

上記のように、燃料電池を搭載する燃料電池車において、燃料電池の間欠運転を行う構成を採用した場合、制御部で車両が登坂路停止中または登坂路走行中である場合に発電が停止されると、登坂路での十分な走行性能を有効に確保できない可能性がある。例えば、燃料電池車が登坂路で停止した状態では、アクセル踏み量の検出値等から求められる要求発電量が間欠運転の発電停止に対応する閾値以下になる可能性があり、発電停止状態に移行することが考えられる。この場合、運転者がアクセルペダルを踏み込むことにより車両の走行を再開しようとする場合に、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ等の補機が正常に駆動するまでに遅れが生じたり、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料供給に遅れが生じ、燃料電池の要求電力を確保するまでに遅れが生じる可能性がある。

例えば、図４は、従来から考えられている燃料電池システムにおいて、燃料電池の間欠運転を行う場合に、車両が登坂路で停止中から発進を行う場合の、アクセル踏み量、発電運転状態、エアコンプレッサの回転数及び燃料電池の発電電力の時間経過の１例を示す図である。図４に示すように、燃料電池の間欠運転中で発電停止が実行されている場合に、時間ｔ１で、アクセルペダルの踏み量である「アクセル踏み量」を零からｘ％の開度に変化させると、エアコンプレッサの回転数の指令値が急に立ちあがっても、実回転数は徐々にしか上昇しない。また、図示は省略するが、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源から燃料電池への燃料の遅れも発生する可能性がある。このため、燃料電池の発電電力は徐々にしか所望値まで上昇せず、発進時での走行用モータのトルク不足が発生して、ドライバビリティが悪化する可能性がないとはいえない。例えば、登坂路で発進しようとしても車両のずり下がりを有効に防止できない可能性がある。このため、登坂路での十分な走行性能を有効に確保できない可能性がある。このように、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させる面から改良の余地がある。

また、燃料電池を最低発電量で発電する場合にエアコンプレッサを回転し続けると、燃料電池内からの水分の持ち出し量が多くなり、燃料電池を構成する電解質膜が過度に乾燥して、燃料電池の出力が低下する可能性がある。この面からも、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させる面から改良の余地がある。

これに対して、特許文献２に記載された燃料電池システムの場合、上記のように、発電電力の変化量を制限する最大継続時間を表す継続閾値が設定され、制御手段は継続閾値の範囲内で燃料電池による発電電力の変化量の制限を継続し、制御手段は、移動体が走行する道路状態を検出し、検出結果に応じて継続閾値を変更するとされている。ただし、この場合、燃料電池を搭載した車両が登坂路に位置する場合でも発電が停止される可能性がないとはいえない。このため、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させる面から改良の余地がある。

また、特許文献３に記載の燃料電池システムでは、高負荷での走行が継続されると判定した際に、燃料電池を発電するように制御するとされているが、その判定には、アクセル状態検知器が検知したアクセルペダルの操作量及び車速検出器により検知される車速に基づき行うとされているため、車両が登坂路に停止中に再発進する場合に判定に遅れが生じる可能性がないとはいえない。また、車両が登坂路に進入する前に判定することもできない。このため、登坂路での十分な走行性能を確保する面からまだ改良の余地がある。また、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池に要求される負荷が増大することを勾配センサが検出した勾配により予測した場合に、燃料ガス室に供給される燃料ガス圧を増大するとされている。ただし、これは負荷の増大により燃料室内の水が停留することを抑制しようとするもので、登坂路での十分な走行性能を有効に確保する等、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させることを考慮したものではない。

本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させることを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の発電運転を制御する制御部とを備え、車両に搭載して使用される燃料電池システムであって、勾配センサまたはナビゲーションシステムを含み、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを検出する車両状態検出手段と、蓄電部の充電量を検出する充電量検出手段と、を備え、制御部は、燃料電池の要求発電量を取得する取得手段と、燃料電池の要求発電量が閾値発電量以下で、かつ、蓄電部の充電量が閾値充電量以上である場合に、燃料電池の発電運転を停止させるとともに、要求発電量に対応する電力を蓄電部により負荷に供給させる間欠運転発電停止条件成立と判定する判定手段と、車両が登坂路で停止または走行中ではなく、かつ、判定手段により間欠運転発電停止条件成立と判定された場合に、間欠運転発電停止を実行させる実行手段と、車両が登坂路で停止または走行中であることと、判定手段により間欠運転発電停止条件成立不成立と判定されることとの一方または両方が成立した場合に、間欠運転発電停止を禁止する禁止手段とを含むことを特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の要求発電量が閾値発電量以下で、かつ、蓄電部の充電量が閾値充電量以上である場合に、燃料電池の発電運転を停止させるとともに、要求発電量に対応する電力を蓄電部により負荷に供給させる間欠運転発電停止を行う構成において、車両が登坂路で停止または走行中である場合には、間欠運転発電停止が禁止されるので、車両の登坂路での発進や、登坂路での走行中に発電量が不足して、車両の駆動力が不足することがない。また、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを、勾配センサまたはナビゲーションシステム等により検出するので、アクセルペダルの操作量や車速に基づいて、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを検出する場合と異なり、検出に遅れが生じることを少なくして、運転者の加速の意思に沿う車両の駆動力をより有効に確保できる。このため、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給し、燃料電池から反応後の酸化ガスを排出する酸化ガス流路を備え、制御部は、燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に酸化ガス流路内のガス圧を上昇させるガス圧上昇手段を含む。

上記構成によれば、間欠運転発電停止が禁止され、要求発電量が低い状態で、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ等酸化ガス供給部が駆動され、燃料電池が乾燥する傾向となる場合でも、酸化ガス流路内のガス圧が上昇するため、酸化ガス供給部の駆動による燃料電池内での水の持ち去りを抑制できる。このため、燃料電池の過度の乾燥による発電量の低下を防止できる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、酸化ガス流路の燃料電池よりもガス下流側の流路の開度を調整可能な開度調整弁を備え、ガス圧上昇手段は、燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に開度調整弁を制御して、流路の開度を小さくする。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の発電運転を制御する制御部とを備え、車両に搭載して使用される燃料電池システムであって、燃料電池に酸化ガスを供給し、燃料電池から反応後の酸化ガスを排出する酸化ガス流路を備え、制御部は、燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に酸化ガス流路内のガス圧を上昇させるガス圧上昇手段を含むことを特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内が乾燥する傾向となる場合でも、酸化ガス流路内のガス圧が上昇するため、酸化ガス供給部の駆動による燃料電池内での水の持ち去りを抑制できる。このため、燃料電池の乾燥による発電量の低下を防止できる。このため、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させることができる。例えば、燃料電池の発電停止が禁止され、要求発電量が低い状態で、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ等酸化ガス供給部が駆動され、燃料電池が乾燥する傾向となる場合でも、酸化ガス流路内のガス圧が上昇するため、酸化ガス供給部の駆動による燃料電池内での水の持ち去りを抑制できる。このため、燃料電池の過度の乾燥による発電量の低下を防止できる。なお、特許文献１には、燃料電池に要求される負荷が増大することを勾配センサが検出した勾配により予測した場合に、燃料ガス室に供給される燃料ガス圧を増大する構成を備えるが、この構成の目的は水が燃料ガス室内に停留することを抑制するもので、その目的も手段も本発明に係る構成の場合とは異なる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、酸化ガス流路の燃料電池よりもガス下流側の流路の開度を調整可能な開度調整弁を備え、ガス圧上昇手段は、燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に開度調整弁を制御して、流路の開度を小さくする。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池を搭載した車両の走行性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。 図１の制御部の構成を詳しく示す図である。 図１の燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電運転を制御する方法を示すフローチャートである。 従来から考えられている燃料電池システムにおいて、燃料電池の間欠運転を行う場合に、車両が登坂路で停止中から発進を行う場合の、アクセル踏み量、発電運転状態、エアコンプレッサの回転数及び燃料電池の発電電力の時間経過の１例を示す図である。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図８は、本発明の実施の形態を示している。

［燃料電池システムの構成］
図１は、本実施の形態の略構成図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。例えば、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。

各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。

酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けている。酸化ガス供給流路１４のガスの上流部に、酸化ガス供給源であるエアコンプレッサ１６を設けており、エアコンプレッサ１６で加圧した空気を、加湿器２０で加湿するようにしている。エアコンプレッサ１６は図示しないモータにより駆動させる。そして、加湿した空気を、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の酸化ガス内部流路に供給するようにしている。

燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の反応済み酸化ガスである、空気オフガスは、燃料電池スタック１２から反応済み酸化ガス排出流路１８を通じて排出され、加湿器２０を通過した後、図示しない希釈器を通じて排出される。また、反応済み酸化ガス排出流路１８の加湿器２０よりもガス上流側に、流路の開度を調整可能な開度調整弁である調圧弁２２を設けている。調圧弁２２は、電磁弁であり、制御部である燃料電池ＥＣＵ（ＦＣ−ＥＣＵ）２４により開閉及び開度が制御される。酸化ガス供給流路１４と反応済み酸化ガス排出流路１８とにより、酸化ガス流路２５を構成している。また、反応済み酸化ガス排出流路１８の調圧弁２２よりもガス上流側に、ガス圧であるエア圧を検出する圧力センサ２６を設けている。圧力センサ２６の検出値は燃料電池ＥＣＵ２４に入力される。なお、圧力センサ２６は、酸化ガス供給流路１４の例えば、図１の点Ｑ位置に設けることもできる。

加湿器２０は、燃料電池スタック１２から反応済み酸化ガス排出流路１８に排出された空気に含まれる水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、空気を加湿する役目を果たす。

一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために、燃料ガス供給流路２８を設けている。燃料ガス供給流路２８のガス上流部に、高圧水素タンクや、改質反応により水素を生成する改質装置等の図示しない水素ガス供給源を設けている。水素ガス供給源から燃料ガス供給流路２８に供給された水素ガスは、燃料制御弁３０を介して燃料電池スタック１２のアノード側電極側の燃料ガス内部流路に供給される。そして、燃料電池スタック１２で電気化学反応に供された後の反応済み水素ガスは、反応済み燃料ガス排出流路３２に排出された後、循環路３４を通じて、再度燃料電池スタック１２に戻される。なお、反応済み水素ガスには、未反応の水素が含まれる場合がある。

循環路３４に水素ポンプ３６を設けており、水素ポンプ３６で昇圧した反応済み水素ガスを、水素ガス供給源から供給された水素ガスと合流させてから、燃料電池スタック１２に再度送り込む。水素ポンプ３６は図示しないモータにより駆動する。

また、循環路３４と反応済み燃料ガス排出流路３２との接続部に図示しない気液分離器を設けている。また、気液分離器に接続した排気排水流路３８の途中に、燃料電池ＥＣＵ２４により制御されるパージ弁４０を設けている。パージ弁４０の開放により、反応済み燃料ガス排出流路３２の上流側から、不純物（窒素、水等）を含むガスを排出させることができる。燃料ガス供給流路２８と反応済み燃料ガス排出流路３２とにより、燃料ガス流路４１を構成している。

また、燃料電池スタック１２から電力を取り出すために外部回路４２を接続している。外部回路４２は、負荷である走行用モータ４４と、インバータ４６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８と、蓄電部であり二次電池であるバッテリ５０とを含む。すなわち、燃料電池スタック１２に、インバータ４６を介して走行用モータ４４を接続している。なお、燃料電池スタック１２やバッテリ５０は、エアコンプレッサ１６等の燃料電池スタック１２を発電するための補機にも接続可能としている。走行用モータ４４は、例えば三相モータであり、車両の車輪を駆動するための駆動軸（図示せず）の駆動源として設けている。また、燃料電池スタック１２にＤＣ／ＤＣコンバータ４８を介してバッテリ５０を接続している。バッテリ５０は、例えばニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ等である。バッテリに代えてキャパシタを用いることもできる。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、バッテリ５０から入力された直流電圧を調整して走行用モータ４４側に供給したり、燃料電池スタック１２や走行用モータ４４から入力された直流電圧を調整してバッテリ５０側に出力する機能を有する。また、外部回路４２に燃料電池スタック１２のインピーダンスを検出するための電流センサ５２を設けている。電流センサ５２の検出値は、燃料電池ＥＣＵ２４に入力される。

燃料電池ＥＣＵ２４は、燃料電池スタック１２の発電運転を制御するもので、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。図１、図２に示すように、燃料電池ＥＣＵ２４は、アクセルペダルの操作量（踏み量）を検出するアクセルセンサ５４や、車速を検出する車速センサ（図示せず）等からの信号や、エアコンプレッサ１６等の補機の動作状態を表す信号に基づいて、システム要求電力を算出し、すなわち取得し、システム要求電力の、燃料電池スタック１２とバッテリ５０との分担量を決定する取得手段５６と、取得手段５６で得られた燃料電池スタック１２の要求発電量を発電するように燃料電池スタック１２を発電運転すべくエアコンプレッサ１６、燃料制御弁３０、水素ポンプ３６等の補機の駆動を制御する発電制御手段５８とを含む。すなわち、取得手段５６は、燃料電池スタック１２の要求発電量を算出する。なお、取得手段５６は、燃料電池ＥＣＵ２４とは別の制御部で算出した要求発電量を取得することもできる。

また、図１に示すように、燃料電池システム１０は、車両の水平面に対する傾き量を検出する車両状態検出手段である、勾配センサ（Ｇセンサ等）６０と、バッテリ５０の充電量（ＳＯＣ）を検出する充電量検出手段であるバッテリＥＣＵ６２とを備える。すなわち勾配センサ６０は、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを検出する。例えば、勾配センサ６０の検出値が所定値以上であれば、車両が閾値以上の勾配を有する登坂路に位置すると判定される。

バッテリＥＣＵ６２は、制御部であり、例えばバッテリ５０に入出力される電流等からバッテリ５０の充電量を検出する。また、図２に示すように、燃料電池ＥＣＵ２４は、発電停止条件判定手段６４と、発電停止実行手段６６と、発電停止禁止手段６８と、乾燥判定手段７０と、ガス圧上昇手段７２とを含む。

発電停止条件判定手段６４は、燃料電池スタック１２の要求発電量が予め設定した閾値発電量以下で、かつ、バッテリ５０の充電量が予め設定した閾値充電量以上である場合に、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させるとともに、要求発電量に対応する電力をバッテリ５０により負荷に供給させる間欠運転発電停止の条件成立であると判定し、それ以外の場合を間欠運転発電停止条件不成立と判定する。

また、発電停止実行手段６６は、勾配センサ６０の検出値から車両が登坂路で停止または走行中ではないと判定され、かつ、発電停止条件判定手段６４により間欠運転発電停止条件成立と判定された場合に、間欠運転発電停止を実行させる。この場合には、常に燃料電池スタック１２の発電運転が停止される。要求発電量に対応する電力は、バッテリ５０から走行用モータ４４等の負荷に供給する。

また、発電停止禁止手段６８は、勾配センサ６０の検出値から車両が登坂路で停止または走行中であると判定されることと、発電停止条件判定手段６４により間欠運転発電停止条件成立不成立と判定されることとの、一方または両方が成立した場合に、間欠運転発電停止を禁止する。この場合には、常に燃料電池スタック１２が発電運転され続けるため、要求発電量が低いまたは零の場合でも、エアコンプレッサ１６等、発電のための補機が停止しないだけの最低発電量以上で燃料電池スタック１２に発電させる。例えば、車両が走行停止して要求発電量が零である場合には、エアコンプレッサ１６を通常運転時よりも低い回転数である、下限回転数で駆動できるように最低発電量で発電する、いわゆるアイドル運転を行う。

また、乾燥判定手段７０は、燃料電池スタック１２を構成する電解質膜が予め設定した所定基準よりも乾燥しているか否かを判定する。例えば、電流センサ５２の検出値から燃料電池スタック１２のインピーダンスを取得し、インピーダンスが予め設定した所定値よりも低い場合には、燃料電池スタック１２が所定基準よりも乾燥していないと判定し、逆に、インピーダンスが所定値以上である場合には、燃料電池スタック１２が所定基準よりも乾燥していると判定する。なお、燃料電池スタック１２の乾燥判定は、インピーダンスの比較以外の方法で行うこともできる。

また、ガス圧上昇手段７２は、乾燥判定手段７０の判定により、燃料電池スタック１２を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に、酸化ガス流路２５内のガス圧であるエア圧を上昇させる。より具体的には、ガス圧上昇手段７２は、乾燥判定手段７０の判定により、燃料電池スタック１２を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に、調圧弁２２を制御して、調圧弁２２の流路の開度を小さくすることにより、酸化ガス流路２５のエア圧を通常時よりも、予め設定した所定エア圧に上昇させる。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施の形態の燃料電池システムを用いて、燃料電池スタック１２の発電運転を制御する方法を説明する。なお、以下の説明では、図１、図２と同一の要素には同一の符号を付して説明する。まず、図３のステップＳ１において、燃料電池ＥＣＵ２４は、勾配センサ６０の検出値により車両が閾値以上の勾配を有する登坂路で停止中または走行中であるか否かを判定し、車両が登坂路停止中または登坂路走行中でないと判定（Ｎｏ判定）されると、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、燃料電池ＥＣＵ２４により間欠運転発電停止条件が成立か不成立かが判定され、成立と判定（Ｙｅｓ判定）されると、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、発電停止実行手段６６により、燃料電池スタック１２に間欠運転発電停止を実行させ、燃料電池スタック１２の発電を停止し、要求発電量に対応する電力をバッテリ５０により負荷に供給させる。

これに対して、ステップＳ１で、燃料電池ＥＣＵ２４が、勾配センサ６０の検出値により車両が閾値以上の勾配を有する登坂路停止中または走行中であると判定（Ｙｅｓ判定）した場合と、ステップＳ２で、燃料電池ＥＣＵ２４により間欠運転発電停止条件が不成立と判定（Ｎｏ判定）された場合との、一方または両方が成立した場合には、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、発電停止禁止手段６８により、燃料電池スタック１２の間欠運転発電停止を禁止して、燃料電池スタック１２を常に発電させる。また、ステップＳ５では、燃料電池スタック１２を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥しているか否かを判定し、乾燥していると判定（Ｙｅｓ判定）された場合には、ステップＳ６で、調圧弁を制御することにより、酸化ガス流路２５内のエア圧を、通常時よりも高めに設定する。例えば、車両が登坂路に停止中でアイドル運転が実行される等により、エアコンプレッサ１６が下限回転数で回転され続けられることにより、燃料電池スタック１２内を流れる空気流量が過度に高くなり、燃料電池スタック１２内の生成水が下流側に持ち去られる等により、燃料電池スタック１２内が乾燥する傾向となる場合がある。本実施の形態によれば、この場合でも、エア圧が高めになることで燃料電池スタック１２内の水蒸気の圧力も高くなり、水の持ち去り量を少なくできる。このため、燃料電池スタック１２内の必要部分の水分を確保しやすくできる。

これに対して、ステップＳ５で、燃料電池スタック１２を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していないと判定（Ｎｏ判定）された場合には、ステップＳ７で、調圧弁２２を通常状態に制御することにより、酸化ガス流路２５内のエア圧を、通常時のエア圧とする。

上記の燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１２の要求発電量が閾値発電量以下で、かつ、バッテリ５０の充電量が閾値充電量以上である場合に、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させるとともに、要求発電量に対応する電力をバッテリ５０により負荷に供給させる間欠運転発電停止を行う構成において、車両が登坂路で停止または走行中である場合には、間欠運転発電停止が禁止される。このため、車両の登坂路での発進や、登坂路での走行中に発電量が不足して、車両の駆動力が不足することがない。また、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを、勾配センサ６０により検出するので、アクセルペダルの操作量や車速に基づいて、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを検出する場合と異なり、検出に遅れが生じることを少なくして、運転者の加速の意思に沿う車両の駆動力をより有効に確保できる。このため、燃料電池スタック１２を搭載した車両の走行性能を向上させることができる。

また、燃料電池スタック１２に酸化ガスを供給し、燃料電池スタック１２から反応後の酸化ガスを排出する酸化ガス流路２５を備え、燃料電池ＥＣＵ２４は、燃料電池スタック１２を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に酸化ガス流路２５内のエア圧を上昇させるガス圧上昇手段７２を含む。このため、間欠運転発電停止が禁止され、要求発電量が低い状態でも、エアコンプレッサ１６が駆動されることにより、燃料電池スタック１２が乾燥する傾向となる場合でも、酸化ガス流路２５内のエア圧が上昇するため、エアコンプレッサ１６の駆動による燃料電池スタック１２内での水の持ち去りを抑制できる。したがって、燃料電池スタック１２の過度の乾燥による発電量の低下を防止できる。

また、エア圧が上昇することでエアコンプレッサ１６の負荷が増大するため、エアコンプレッサ１６の消費電力が高くなり、要求発電量の上昇により燃料電池スタック１２での発電量を高くできる。このため、燃料電池スタック１２内での生成水がさらに増える結果となる。この結果、燃料電池スタック１２の過度の乾燥による発電量の低下をより有効に防止できる。

なお、本実施の形態では、燃料電池ＥＣＵ２４が、乾燥判定手段７０とガス圧上昇手段７２とを備え、図３のステップＳからＳ７で示した工程を行うように構成しているが、燃料電池ＥＣＵ２４が、乾燥判定手段７０とガス圧上昇手段７２とを備えず、図３のステップＳからＳ７で示した工程を省略することもできる。

また、本実施の形態において、燃料電池システム１０は、車両状態検出手段であるナビゲーションシステム７４（図１）を備える構成とし、ナビゲーションシステム７４により車両が閾値以上の勾配を有する登坂路停止中または走行中であるか否かを判定することもできる。ナビゲーションシステム７４は、車両に搭載されるもので、ＧＰＳ受信機等により検知される位置情報と、予め記憶部に記憶させた道路情報とを対応づけすることで、車両の現在位置を検出し、車両が閾値以上の勾配を有する登坂路停止中または走行中であるか否かを検出する。車両状態検出手段としては、上記のように勾配センサ６０だけを使用してもよく、また、勾配センサ６０とナビゲーションシステム７４とを用いることで精度を向上させてもよく、また、ナビゲーションシステム７４だけを使用してもよい。その他の構成及び作用は、上記の本実施の形態と同様である。

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池スタック、１４ 酸化ガス供給流路、１６ エアコンプレッサ、１８ 反応済み酸化ガス排出流路、２０ 加湿器、２２ 調圧弁、２４ 燃料電池ＥＣＵ、２５ 酸化ガス流路、２６ 圧力センサ、２８ 燃料ガス供給流路、３０ 燃料制御弁、３２ 反応済身燃料ガス排出流路、３４ 循環路、３６ 水素ポンプ、３８ 排気排水流路、４０ パージ弁、４１ 燃料ガス流路、４２ 外部回路、４４ 走行用モータ、４６ インバータ、４８ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０ バッテリ、５２ 電流センサ、５４ アクセルセンサ、５６ 取得手段、５８ 発電制御手段、６０ 勾配センサ、６２ バッテリＥＣＵ、６４ 発電停止条件判定手段、６６ 発電停止実行手段、６８ 発電停止禁止手段、７０ 乾燥判定手段、７２ ガス圧上昇手段、７４ ナビゲーションシステム。

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   燃料電池の発電運転を制御する制御部とを備え、
   車両に搭載して使用される燃料電池システムであって、
   勾配センサまたはナビゲーションシステムを含み、車両が登坂路で停止または走行中であるか否かを検出する車両状態検出手段と、
   蓄電部の充電量を検出する充電量検出手段と、を備え、
   制御部は、
   燃料電池の要求発電量を取得する取得手段と、
   燃料電池の要求発電量が閾値発電量以下で、かつ、蓄電部の充電量が閾値充電量以上である場合に、燃料電池の発電運転を停止させるとともに、要求発電量に対応する電力を蓄電部により負荷に供給させる間欠運転発電停止条件成立と判定する判定手段と、
   車両が登坂路で停止または走行中ではなく、かつ、判定手段により間欠運転発電停止条件成立と判定された場合に、間欠運転発電停止を実行させる実行手段と、
   車両が登坂路で停止または走行中であることと、判定手段により間欠運転発電停止条件成立不成立と判定されることとの一方または両方が成立した場合に、間欠運転発電停止を禁止する禁止手段とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池に酸化ガスを供給し、燃料電池から反応後の酸化ガスを排出する酸化ガス流路を備え、
   制御部は、
   燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に酸化ガス流路内のガス圧を上昇させるガス圧上昇手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   酸化ガス流路の燃料電池よりもガス下流側の流路の開度を調整可能な開度調整弁を備え、
   ガス圧上昇手段は、
   燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に開度調整弁を制御して、流路の開度を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   燃料電池の発電運転を制御する制御部とを備え、
   車両に搭載して使用される燃料電池システムであって、
   燃料電池に酸化ガスを供給し、燃料電池から反応後の酸化ガスを排出する酸化ガス流路を備え、
   制御部は、
   燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に酸化ガス流路内のガス圧を上昇させるガス圧上昇手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   酸化ガス流路の燃料電池よりもガス下流側の流路の開度を調整可能な開度調整弁を備え、
   ガス圧上昇手段は、
   燃料電池を構成する電解質膜が所定基準よりも乾燥していると判定された場合に開度調整弁を制御して、流路の開度を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。

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