JP6395113B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池が実用化されている。燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギを電気エネルギに直接変換する発電システムである。燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極（アノード電極及びカソード電極）によって挟持してなる膜−電極アセンブリを有している。各電極は、電気化学反応を促進させる触媒層を有しており、この触媒層は、白金等の金属触媒を担持した触媒担持カーボンや、プロトンや酸素の伝達を担うアイオノマ（高分子電解質）を有している。
このように構成された燃料電池は、乾燥すると発電性能が低下することが知られている。これは、燃料電池の乾燥に起因して過酸化水素の濃度が上昇し、ＯＨラジカルが生成されて各電極の触媒層に含まれるアイオノマや電解質膜中のフッ素成分が分解され、アイオノマのプロトン伝導度の低下や酸素溶解度の低下により過電圧が低下することによるものである。このため、近年においては、燃料電池の乾燥を防止するための技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された燃料電池システムによれば、燃料電池に乾燥が生じ易くなる低負荷域で水素ポンプを作動させてアノードガスを循環させることによりアノード電極の乾燥を防止できる、とされている。
特開２００８−２６２８２４号公報
特許文献１に開示された燃料電池システムは、低負荷域において水素ポンプを作動させることによって燃料電池の乾燥を防止するものであるが、このような燃料電池システムを例えば車両に搭載した場合には、車両の低速走行時に生じる外部音（車両のタイヤのノイズや風切り音等）と比較して水素ポンプの作動音が相対的に大きくなり、搭乗者に違和感を与えてしまうことが懸念される。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、搭乗者に違和感を与えることなく適切なタイミングで乾燥防止運転を実行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。
前記目的を達成するため、本発明に係る第一の燃料電池システムは、燃料電池搭載車両に用いられる燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池内の水分量が所定量以下であるか否かを判定する判定手段と、判定手段で燃料電池内の水分量が所定量以下であると判定された際の車両の速度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池内の水分量を増加させて、燃料電池の乾燥を防止する乾燥防止手段と、を備えるものである。
かかる構成を採用すると、燃料電池内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であり、かつ、燃料電池が搭載された車両の速度が所定の閾値以上である場合にのみ、燃料電池の乾燥を防止することができる。従って、燃料電池の乾燥を防止する際に使用される機器（補機等）の運転音を、車両の走行に起因する音（風切り音等）によってかき消すことができるため、車両の搭乗者に違和感を与えることなく燃料電池の乾燥を防止することができる。
本発明に係る第一の燃料電池システムにおいて、燃料電池内の水分量が所定量以上の状態で測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定し、基準値と現在測定したインピーダンスとの差が所定の閾値以上となった場合に燃料電池内の水分量が所定量以下であると判定する判定手段を採用することができる。
かかる構成を採用すると、燃料電池内の水分量が所定量以上の状態（例えば、前回又は現在のトリップ時における所定の非乾燥発電状態（燃料電池が乾燥しないとされる所定の条件下における発電状態））で測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定し、この基準値と現在測定したインピーダンスとを比較して乾燥判定を行うことができる。すなわち、所定の非乾燥発電状態におけるインピーダンスを基準値として採用し、この基準値を用いて乾燥判定を行うことができるため、燃料電池の経年劣化に伴って基準値が変化した場合においても、正確に乾燥判定を行うことができる。
また、本発明に係る第二の燃料電池システムは、燃料電池搭載車両に用いられる燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池の運転状態が、燃料電池内の水分量が低下して燃料電池の乾燥をもたらす乾燥誘因運転状態であるか否かを判定する運転判定手段と、運転判定手段で燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定された際の車両の速度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池内の水分量を増加させて、燃料電池の乾燥を防止するための乾燥防止運転を実施する乾燥防止手段と、を備えるものである。
かかる構成を採用すると、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態（燃料電池内の水分量が低下して燃料電池の乾燥をもたらす運転状態）であり、かつ、燃料電池が搭載された車両の速度が所定の閾値以上である場合にのみ、乾燥防止運転を実施することができる。従って、乾燥防止運転に使用される機器（補機等）の運転音を、車両の走行に起因する音（風切り音等）によってかき消すことができるため、車両の搭乗者に違和感を与えることなく乾燥防止運転を実行することができる。また、燃料電池の乾燥状態を直接判定する代わりに燃料電池の運転状態を判定し、この運転状態が乾燥誘因運転状態である場合に乾燥防止運転を実行するため、燃料電池の乾燥を未然に防止することができる。
本発明に係る第二の燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電流が所定の閾値以下でありかつその発電電流が所定時間以上継続した場合に、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定する運転判定手段を採用することができる。
かかる構成を採用すると、燃料電池の発電電流が低負荷域（所定の閾値以下）でありその発電電流が所定時間以上継続した場合に、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することができる。すなわち、測定したインピーダンス等に基づいて燃料電池の乾燥状態を直接判定する代わりに、燃料電池の発電電流に基づいて乾燥の蓋然性を判定することができる。従って、インピーダンスの変化が小さい低負荷域においても、乾燥を未然に防止することができる。
本発明に係る第二の燃料電池システムにおいて、燃料電池の負荷低減率又は出力低減率が所定の閾値を超える場合に、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定する運転判定手段を採用することができる。
燃料電池の負荷（要求電力）が高負荷から低負荷へと急激に低下する場合には、高負荷時に燃料電池に供給されていた多量の反応ガスが低負荷時に余剰となり、この余剰反応ガスに起因して燃料電池が乾燥状態となることが予測される。このため、燃料電池の負荷低減率（単位時間当たりの燃料電池の負荷の低減量）や出力低減率（単位時間当たりの燃料電池の出力の低減量）を算出し、算出した負荷（出力）低減率が所定の閾値を超える場合に、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することができる。
本発明に係る第二の燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定する運転判定手段を採用することもできる。
かかる構成を採用すると、燃料電池の温度が比較的高温（所定の閾値以上）である場合に、燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することができる。すなわち、測定したインピーダンス等に基づいて燃料電池の乾燥状態を直接判定する代わりに、燃料電池の温度に基づいて乾燥の蓋然性を判定することができる。従って、インピーダンスの変化が小さい低負荷域においても、乾燥を未然に防止することができる。
本発明に係る第一の燃料電池システムにおいて、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路に還流させるための循環通路と、循環通路内の燃料オフガスを燃料ガス通路に圧送する循環ポンプと、を備えることができる。かかる場合において、判定手段で燃料電池内の水分量が所定量以下であると判定された際の車両の速度が所定の閾値以上である場合に、循環ポンプの作動量を通常時よりも増大させる乾燥防止手段を採用することができる。
また、本発明に係る第二の燃料電池システムにおいて、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路に還流させるための循環通路と、循環通路内の燃料オフガスを燃料ガス通路に圧送する循環ポンプと、を備えることができる。かかる場合において、運転判定手段で燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定された際の車両の速度が所定の閾値以上である場合に、循環ポンプの作動量を通常時よりも増大させる乾燥防止手段を採用することができる。
かかる構成を採用すると、燃料電池が乾燥状態（又は燃料電池の運転状態が乾燥誘因運転状態）であり、かつ、燃料電池が搭載された移動体の速度が所定の閾値以上である場合に、循環ポンプの作動量を通常時よりも増大させて燃料ガス通路への燃料オフガスの圧送量を増大させることにより、燃料電池に供給される燃料ガスに含まれる水分を増大させることができる。すなわち、循環ポンプの作動量を増大させる運転を「乾燥防止運転」として採用することができる。循環ポンプの消費電力はエアコンプレッサの消費電力と比較すると格段に小さいため、燃料消費量を節減しながら燃料電池の乾燥を防止することができる。なお、循環ポンプの作動量が増大しても、その運転音を移動体の移動に起因する音によってかき消すことができる。
本発明によれば、搭乗者に違和感を与えることなく適切なタイミングで乾燥防止運転を実行することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 図３に示す運転方法における乾燥判定工程を説明するためのフローチャートである。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 図４に示す運転方法における運転判定工程を説明するためのフローチャートである。 燃料電池に供給される反応ガスの指示値及び実測値の時間履歴を示すタイムチャートである。
以下、各図を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の各実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれら実施形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
＜第一実施形態＞
最初に、図１〜図３を用いて、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１０及びその運転方法について説明する。
まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。燃料電池システム１０は、例えば移動体としての燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０と、を備えている。
燃料電池２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２０では、アノード電極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
燃料電池２０を構成するセルは、高分子電解質膜と、アノード電極と、カソード電極と、セパレータとから構成されている。アノード電極及びカソード電極は、高分子電解質膜を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成している。セパレータは、ガス不透過の導電性部材から構成され、アノード電極及びカソード電極を両側から挟みつつ、アノード電極及びカソード電極との間に各々燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成している。
アノード電極及びカソード電極は、各々、触媒層と、ガス拡散層と、を有している。触媒層は、触媒として機能する例えば白金系の貴金属粒子を担持した触媒担持カーボンと、高分子電解質と、を有している。貴金属粒子の白金系の材料として、例えば金属触媒（Ｐｔ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕ等）を用いることができる。触媒担持カーボンとしては、例えばカーボンブラックを用いることができる。高分子電解質としては、例えばフッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーや、非フッ素系樹脂であるのＢＰＳＨ（ポリアリーレンエーテルスルホン酸共重合体）などを有するプロトン伝導性のイオン交換樹脂などを用いることができる。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーやＢＰＳＨは、スルホン酸基を備えている。すなわち、これらの樹脂はイオン性を有しており、「アイオノマ（イオン＋ポリマー）」とも呼ばれる。ガス拡散層は、触媒層の表面に形成され通気性と電子導電性とを併せ持ち、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。
高分子電解質膜は、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発揮する。高分子電解質膜、アノード電極及びカソード電極によって膜−電極アセンブリが形成されている。
図１に示すように燃料電池２０には、燃料電池２０の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ７１と、出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ７２と、が取り付けられている。
酸化ガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード電極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３３と、燃料電池２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４と、を有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２（酸化ガス供給源）と、燃料電池２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１と、が設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池２０からの酸化オフガスの排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、が設けられている。
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０のアノード電極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に還流させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６と、を有している。
燃料ガス供給源４１は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２０に供給される。
循環通路４４には、燃料電池２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６と、が接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出（パージ）する。
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、図示していない希釈器によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池２０に循環供給する。
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、バッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、補機類５５と、を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池２０が発電した直流電力又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能と、を有する。
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファ、等として機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、その残容量であるＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。
トラクションインバータ５３は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータや、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ３２、インジェクタ４２、循環ポンプ４５、ラジエータ、冷却水循環ポンプ等）を総称するものである。
コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや車速センサから出力される車速信号ＶＣ等に基づいて、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
補機電力には、車載補機類（エアコンプレッサ３２、循環ポンプ４５、冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。
コントローラ６０は、燃料電池２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。
燃料電池システム１０の運転時には、燃料電池２０において、上述の（１）式に示すように、アノード電極で生成された水素イオンが電解質膜を透過してカソード電極に移動し、カソード電極に移動した水素イオンは、上述の（２）式に示すように、カソード電極に供給されている酸化ガス中の酸素と電気化学反応を起こし、酸素の還元反応を生じさせ、水を生成する。
また、コントローラ６０は、燃料電池２０内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であるか否かを判定する。すなわち、コントローラ６０は、本発明における判定手段として機能する。また、コントローラ６０は、乾燥判定を行った結果、燃料電池２０が乾燥状態にあると判定した場合に、燃料電池２０が搭載された燃料電池車両の速度を車速センサで検出（特定）し、検出した速度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池２０内の水分量を増加させて、燃料電池２０の乾燥を防止する。すなわち、コントローラ６０は、本発明における乾燥防止手段としても機能する。本実施形態においては、後述するように、循環ポンプ４５の作動量を増大させる運転を「乾燥防止運転」として採用している。
なお、本実施形態においては、燃料電池２０内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であると判定した場合にコントローラ６０が燃料電池車両の速度を車速センサで検出して特定した例を示したが、燃料電池の速度を特定する態様はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池車両の速度を車速センサで常時検出しておき、燃料電池２０内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であると判定した場合にコントローラ６０がその検出した速度を読み込んで特定することもできる。
次に、図２及び図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の乾燥防止に関する運転方法について説明する。
まず、燃料電池システム１０のコントローラ６０は、図２に示すように、運転中に燃料電池２０内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であるか否かを判定する（判定工程：Ｓ１０）。ここで、判定工程Ｓ１０について、図３を用いて詳細に説明する。
判定工程Ｓ１０では、まず、燃料電池２０内の水分量が所定量以上の状態、例えば、前回のトリップ時における所定の非乾燥発電状態（燃料電池２０が乾燥しないとされる所定の条件下における発電状態）で測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定する（基準値設定工程：Ｓ１１）。本実施形態においては、燃料電池２０の始動（イグニションＯＮ）後、燃料電池２０の発電電流が所定の範囲内（ＩA〜ＩB）にあり、かつ、燃料電池２０の温度が所定の範囲内（ＴC〜ＴD）にあるときの発電状態を「非乾燥発電状態」としている。基準値設定工程Ｓ１１において、コントローラ６０は、燃料電池車両の前回のトリップ時における非乾燥発電状態でインピーダンスを所定時間（ｔd）内で複数回測定し、この測定したインピーダンスの平均値を基準値（Ｚbase）として記録しておく。
なお、本実施形態では「前回」のトリップ時に測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定したが、「数回前（例えば前５回程度）」のトリップで測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定したり、現在のトリップが比較的長い場合には「現在」のトリップの前半の所定時間（例えば５分間）内に測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定したりすることもできる。
基準値設定工程Ｓ１１に次いで、コントローラ６０は、設定した基準値（Ｚbase）と、現在測定したインピーダンス（Ｚnow）と、の差（ΔＺ）が所定の閾値（ΔＺth）以上であるか否かを判定し（インピーダンス判定工程：Ｓ１２）、両者の差（ΔＺ）が所定の閾値（ΔＺth）未満である場合には、燃料電池２０が非乾燥状態にあると判定してそれまでの運転を続行する（非乾燥出力工程：Ｓ１４）。一方、コントローラ６０は、両者の差（ΔＺ）が所定の閾値（ΔＺth）以上である場合に、燃料電池２０内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であると判定する（乾燥出力工程：Ｓ１３）。
このように燃料電池２０内の水分量が所定量以下（乾燥状態）であると判定した場合には、図２に示すように、コントローラ６０は、燃料電池２０が搭載された燃料電池車両の速度を車速センサで検出（特定）する（速度特定工程：Ｓ２０）。そして、コントローラ６０は、速度特定工程Ｓ２０で検出した速度が所定の閾値以上であるか否かを判定し（速度判定工程：Ｓ３０）、検出した速度が所定の閾値未満である場合には、特に乾燥防止運転を実施することなくそれまでの運転を続行する。一方、コントローラ６０は、速度特定工程Ｓ２０で検出した速度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池２０の乾燥を防止するための乾燥防止運転を実施する（乾燥防止工程：Ｓ４０）。
乾燥防止工程Ｓ４０において、コントローラ６０は、車速センサで検出した速度が所定の閾値以上である場合に、循環ポンプ４５の作動量を通常時よりも増大させて燃料ガス通路４３への燃料オフガスの圧送量を増大させることにより、燃料電池２０に供給される燃料ガスに含まれる水分を増大させる。
ここで、循環ポンプ４５の「通常時」の作動量とは、通常の発電に必要な水素ストイキ比（例えば１．２〜２．０程度）を確保するための循環ポンプ４５の作動量を意味する。コントローラ６０は、車速センサで検出した速度が所定の閾値以上である場合に、水素ストイキ比が通常時よりも高い値（例えば２．５〜４．０程度）になるように循環ポンプ４５の作動量を増大させるようにする。この際、水素ストイキ比の値を、インピーダンスの基準値（Ｚbase）と現在測定したインピーダンス（Ｚnow）との差（ΔＺ）に応じて変化させることもできる。例えば、両者の差（ΔＺ）が比較的大きい場合には水素ストイキ比を比較的大きい値（例えば４．０程度）に設定し、両者の差（ΔＺ）が比較的小さい場合には水素ストイキ比を比較的小さい値（例えば２．５程度）に設定することができる。このようにすると、乾燥状態の程度に応じた適切な乾燥防止運転を実施することができる。
その後、コントローラ６０は、所定の終了条件が満たされた場合に乾燥防止運転を終了する。終了条件としては、（１）設定した基準値（Ｚbase）と現在測定したインピーダンス（Ｚnow）との差（ΔＺ）が所定の閾値（ΔＺth）未満となること、（２）燃料電池車両の速度が所定の閾値未満となること、等を採用することができる。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池２０が乾燥状態にあり、かつ、燃料電池車両の速度が所定の閾値以上である場合にのみ、乾燥防止運転を実施することができる。従って、乾燥防止運転に使用される機器（循環ポンプ４５）の運転音を、燃料電池車両の走行に起因する音（タイヤのノイズや風切り音等）によってかき消すことができるため、燃料電池車両の搭乗者に違和感を与えることなく乾燥防止運転を実行することができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池２０内の水分量が所定量以上の状態（前回のトリップ時における所定の非乾燥発電状態）で測定したインピーダンスの平均値を基準値として設定し、この基準値と現在測定したインピーダンスとを比較して乾燥判定を行うことができる。すなわち、直近の非乾燥発電状態におけるインピーダンスを基準値として採用し、この基準値を用いて乾燥判定を行うことができるため、燃料電池２０の経年劣化に伴って基準値が変化した場合においても、正確に乾燥判定を行うことができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池２０が乾燥状態にあり、かつ、燃料電池車両の速度が所定の閾値以上である場合に、循環ポンプ４５の作動量を通常時よりも増大させて燃料ガス通路４３への燃料オフガスの圧送量を増大させることにより、燃料電池２０に供給される燃料ガスに含まれる水分を増大させることができる。循環ポンプ４５の消費電力はエアコンプレッサ３２の消費電力と比較すると格段に小さいため、燃料消費量を節減しながら燃料電池２０の乾燥を防止することができる。なお、循環ポンプ４５の作動量が増大しても、その運転音を燃料電池車両の移動に起因する音によってかき消すことができるのは既に述べたとおりである。
＜第二実施形態＞
次に、図４及び図５を用いて、本発明の第二実施形態について説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、第一実施形態に係る燃料電池システム１０のコントローラ６０の機能（制御プログラム）を変更したものであり、その他の構成については第一実施形態と実質的に同一であるため、システムの構成については図示を省略する。また、第一実施形態と共通する構成については、第一実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略することとする。
本実施形態に係る燃料電池システムのコントローラ（以下、第一実施形態のコントローラ６０と区別するために「６０Ａ」という符号を付すこととする）は、第一実施形態と同様に、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムの各部を制御するものである。
本実施形態におけるコントローラ６０Ａは、燃料電池２０の運転状態が、燃料電池２０内の水分量が低下して燃料電池２０の乾燥をもたらす運転状態（乾燥誘因運転状態）であるか否かを判定する。すなわち、コントローラ６０Ａは、本発明における運転判定手段として機能する。また、コントローラ６０Ａは、運転判定を行った結果、燃料電池２０が乾燥誘因運転状態にあると判定した場合に、燃料電池２０が搭載された燃料電池車両の速度を車速センサで検出（特定）し、検出した速度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池２０内の水分量を増加させて、燃料電池２０の乾燥を防止するための乾燥防止運転を実施する。すなわち、コントローラ６０Ａは、本発明における乾燥防止手段としても機能する。本実施形態においては、第一実施形態と同様に、循環ポンプ４５の作動量を増大させる運転を「乾燥防止運転」として採用している。
次に、図４及び図５のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システムの乾燥防止に関する運転方法について説明する。
まず、燃料電池システムのコントローラ６０Ａは、図４に示すように、燃料電池２０の運転状態が燃料電池２０の乾燥をもたらす乾燥誘因運転状態であるか否かを判定する（運転判定工程：Ｓ１０Ａ）。ここで、運転判定工程Ｓ１０Ａについて、図５を用いて詳細に説明する。
運転判定工程Ｓ１０では、まず、電流センサ７２で燃料電池２０の発電電流を検出し（電流検出工程：Ｓ１１Ａ）、検出した発電電流が所定の閾値（例えば７５Ａ）以下であるか否かを判定し（電流判定工程：Ｓ１２Ａ）、電流センサ７２で検出した発電電流が所定の閾値を超えるものと判定した場合には、燃料電池２０が非乾燥状態にあると判定してそれまでの運転を続行する（非乾燥出力工程：Ｓ１５Ａ）。一方、コントローラ６０Ａは、電流判定工程Ｓ１２Ａにおいて、検出した発電電流が所定の閾値以下であると判定した場合には、その発電電流が所定時間（例えば１分間）以上継続しているか否かを判定する（継続判定工程：Ｓ１３Ａ）。
コントローラ６０Ａは、継続判定工程Ｓ１３Ａにおいて、所定の閾値以下の発電電流の継続時間が所定時間未満であると判定した場合には、燃料電池２０が非乾燥状態にあると判定してそれまでの運転を続行する（非乾燥出力工程：Ｓ１５Ａ）。一方、コントローラ６０Ａは、継続判定工程Ｓ１３Ａにおいて、所定の閾値以下の発電電流が所定時間以上継続していると判定した場合には、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定する（乾燥出力工程：Ｓ１４Ａ）。
このように燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定した場合には、コントローラ６０Ａは、図４に示すように、燃料電池２０が搭載された燃料電池車両の速度を車速センサで検出（特定）する（速度特定工程：Ｓ２０Ａ）。そして、コントローラ６０Ａは、速度特定工程Ｓ２０Ａで検出した速度が所定の閾値以上であるか否かを判定し（速度判定工程：Ｓ３０Ａ）、検出した速度が所定の閾値未満である場合には、特に乾燥防止運転を実施することなくそれまでの運転を続行する。一方、コントローラ６０Ａは、速度特定工程Ｓ２０Ａで検出した速度が所定の閾値以上である場合に、燃料電池２０の乾燥を防止するための乾燥防止運転を実施する（乾燥防止工程：Ｓ４０Ａ）。
乾燥防止工程Ｓ４０Ａにおいて、コントローラ６０Ａは、車速センサで検出した速度が所定の閾値以上である場合に、第一実施形態と同様に、循環ポンプ４５の作動量を通常時よりも増大させて燃料ガス通路４３への燃料オフガスの圧送量を増大させることにより、燃料電池２０に供給される燃料ガスに含まれる水分を増大させる。
なお、循環ポンプ４５の「通常時」の作動量とは、通常の発電に必要な水素ストイキ比（例えば１．２〜２．０程度）を確保するための循環ポンプ４５の作動量を意味する。コントローラ６０Ａは、車速センサで検出した速度が所定の閾値以上である場合に、水素ストイキ比が通常時よりも高い値（例えば２．５〜４．０程度）になるように循環ポンプ４５の作動量を増大させるようにする。この際、水素ストイキ比の値を、燃料電池２０の発電電流の値に応じて変化させることもできる。例えば、電流センサ７２で検出した発電電流が比較的小さい（例えば２５Ａ）場合には水素ストイキ比を比較的大きい値（例えば４．０程度）に設定し、電流センサ７２で検出した発電電流が比較的大きい（例えば５０Ａ）場合には水素ストイキ比を比較的小さい値（例えば２．５程度）に設定することができる。このようにすると、乾燥誘因運転状態の程度に応じた適切な乾燥防止運転を実施することができる。
その後、コントローラ６０Ａは、所定の終了条件が満たされた場合に乾燥防止運転を終了する。終了条件としては、（１）電流センサ７２で検出した発電電流が所定の閾値を超えること、（２）電流センサ７２で検出した発電電流が所定の閾値以下であってもその継続時間が所定時間未満であること、（３）燃料電池車両の速度が所定の閾値未満となること、等を採用することができる。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であり、かつ、燃料電池車両の速度が所定の閾値以上である場合にのみ、乾燥防止運転を実施することができる。従って、乾燥防止運転に使用される機器（循環ポンプ４５）の運転音を、燃料電池車両の走行に起因する音（タイヤのノイズや風切り音等）によってかき消すことができるため、燃料電池車両の搭乗者に違和感を与えることなく乾燥防止運転を実行することができる。また、燃料電池２０の乾燥状態を直接判定する代わりに燃料電池２０の運転状態を判定し、この運転状態が乾燥誘因運転状態である場合に乾燥防止運転を実行するため、燃料電池２０の乾燥を未然に防止することができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池２０の発電電流が低負荷域（所定の閾値以下）でありその発電電流が所定時間以上継続した場合に、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することができる。すなわち、測定したインピーダンス等に基づいて燃料電池２０の乾燥状態を直接判定する代わりに、燃料電池２０の発電電流に基づいて乾燥の蓋然性を判定することができる。従って、インピーダンスの変化が小さい低負荷域においても、乾燥を未然に防止することができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であり、かつ、燃料電池車両の速度が所定の閾値以上である場合に、循環ポンプ４５の作動量を通常時よりも増大させて燃料ガス通路４３への燃料オフガスの圧送量を増大させることにより、燃料電池２０に供給される燃料ガスに含まれる水分を増大させることができる。循環ポンプ４５の消費電力はエアコンプレッサ３２の消費電力と比較すると格段に小さいため、燃料消費量を節減しながら燃料電池２０の乾燥を防止することができる。循環ポンプ４５の作動量が増大しても、その運転音を燃料電池車両の移動に起因する音によってかき消すことができるのは既に述べたとおりである。
なお、第二実施形態においては、燃料電池２０の発電電流が所定の閾値以下でありかつその発電電流が所定時間以上継続した場合に、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定した例を示したが、運転判定の手法はこれに限られるものではない。
例えば、燃料電池２０の負荷（要求電力）が高負荷から低負荷へと急激に低下した場合には、図６に示すように、燃料電池２０に実際に供給される反応ガス（実測値）の応答が指示値よりも遅れるため、高負荷時に燃料電池２０に供給されていた多量の反応ガス（特に酸化ガスとしての空気）が低負荷時に余剰となり、この余剰反応ガスに起因して燃料電池２０が乾燥状態となることが予測される。このため、燃料電池２０の負荷低減率（単位時間当たりの負荷の低減量）を算出し、算出した負荷低減率が所定の閾値（例えば１秒間に発電電流１００Ａの変化まで許容する場合は１００（＝１００／１）（Ａ／ｓ））を超えた場合に、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することができる。なお、燃料電池２０の負荷低減率に代えて、燃料電池２０の「出力低減率（例えば単位時間当たりの発電電流の低減量）」を算出し、算出した出力低減率が所定の閾値を超えた場合に、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することもできる。
また、燃料電池２０の温度が所定の閾値（例えば６０〜７０℃）以上である場合に、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態であると判定することもできる。さらに、凍結防止対策として、燃料電池２０の温度を上げる等の冬モード運転を行う場合があるが、この冬モード運転が所定時間以上継続した場合に、燃料電池２０の運転状態が乾燥誘因運転状態にあると判定してもよい。
また、以上の各実施形態においては、循環ポンプ４５の作動量を増大させる運転を「乾燥防止運転」として採用した例を示したが、「乾燥防止運転」の例はこれに限られるものではない。
例えば、コントローラ６０（６０Ａ）で背圧調整弁Ａ３を制御して酸化ガス供給圧を通常時よりも増大させることにより、酸化ガスの供給量を低減させて燃料電池２０外への水の持ち去りを低減させることもできる。すなわち、酸化ガス供給圧を増大させる運転を「乾燥防止運転」として採用することもできる。
また、コントローラ６０（６０Ａ）でエアコンプレッサ３２を制御して、エアコンプレッサ３２からの酸化ガスの供給量を通常時よりも低減させることにより、燃料電池２０外への水の持ち去りを低減させることもできる。すなわち、エアコンプレッサ３２からの酸化ガスの供給量を低減させる運転を「乾燥防止運転」として採用することもできる。なお、「通常時」におけるエアコンプレッサ３２からの酸化ガスの供給量とは、例えばエアストイキ比が１．４５〜１．６程度になるような供給量を意味する。コントローラ６０（６０Ａ）は、エアストイキ比が通常時よりも低い値（例えば１．３〜１．４程度）になるようにエアコンプレッサ３２からの酸化ガスの供給量を低減させるようにすることができる。
また、燃料電池２０の運転温度を数度下げるようにコントローラ６０（６０Ａ）で燃料電池２０の運転状態を制御することにより、燃料電池２０内の水分量の低下を抑制することもできる。すなわち、燃料電池２０の運転温度を下げるような運転を「乾燥防止運転」として採用することもできる。
また、「乾燥防止運転」として、循環ポンプ４５の作動量を増大させる運転と、背圧調整弁Ａ３を制御して酸化ガス供給圧を増大させる運転と、エアコンプレッサ３２からの酸化ガスの供給量を低減させる運転と、燃料電池２０の運転温度を下げるような運転と、を適宜組み合わせることもできる。
また、以上の各実施形態においては、移動体として「燃料電池車両」を例示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。
本発明は、以上の各実施形態に限定されるものではなく、これら実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１０…燃料電池システム
４３…燃料ガス通路
４４…循環通路
４５…循環ポンプ
６０…コントローラ（判定手段、運転判定手段、乾燥防止手段）

Claims (7)

  1. 燃料電池搭載車両に用いられる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池内の水分量が所定量以下であるか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段で前記燃料電池内の水分量が所定量以下であると判定された際の前記車両
    の速度が所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池内の水分量を増加させて、前記燃料
    電池の乾燥を防止する乾燥防止手段と、
    前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、
    前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス通路に還流させるための循環
    通路と、
    前記循環通路内の燃料オフガスを前記燃料ガス通路に圧送する循環ポンプと、を備え、
    前記乾燥防止手段は、前記判定手段で前記燃料電池内の水分量が所定量以下であると判
    定された際の前記車両の速度が所定の閾値以上である場合に、前記循環ポンプの作動量を
    通常時よりも増大させる、燃料電池システム。
  2. 前記判定手段は、前記燃料電池内の水分量が所定量以上の状態で測定したインピーダン
    スの平均値を基準値として設定し、前記基準値と現在測定したインピーダンスとの差が所
    定の閾値以上となった場合に前記燃料電池内の水分量が所定量以下であると判定する、請
    求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 燃料電池搭載車両に用いられる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の運転状態が、前記燃料電池内の水分量が低下して前記燃料電池に乾燥を
    もたらす乾燥誘因運転状態であるか否かを判定する運転判定手段と、
    前記運転判定手段で前記燃料電池の運転状態が前記乾燥誘因運転状態であると判定され
    た際の前記車両の速度が所定の閾値以上である場合に、前記燃料電池内の水分量を増加さ
    せて、前記燃料電池の乾燥を防止するための乾燥防止運転を実施する乾燥防止手段と、
    前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、
    前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス通路に還流させるための循環
    通路と、
    前記循環通路内の燃料オフガスを前記燃料ガス通路に圧送する循環ポンプと、を備え、
    前記乾燥防止手段は、前記運転判定手段で前記燃料電池の運転状態が前記乾燥誘因運転
    状態であると判定された際の前記車両の速度が所定の閾値以上である場合に、前記循環ポ
    ンプの作動量を通常時よりも増大させる、燃料電池システム。
  4. 前記運転判定手段は、前記燃料電池の発電電流が所定の閾値以下でありかつその発電電
    流が所定時間以上継続した場合に、前記燃料電池の運転状態が前記乾燥誘因運転状態であ
    ると判定する、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記運転判定手段は、前記燃料電池の負荷低減率が所定の閾値を超える場合に、前記燃
    料電池の運転状態が前記乾燥誘因運転状態であると判定する、請求項３に記載の燃料電池
    システム。
  6. 前記運転判定手段は、前記燃料電池の出力低減率が所定の閾値を超える場合に、前記燃
    料電池の運転状態が前記乾燥誘因運転状態であると判定する、請求項３に記載の燃料電池
    システム。
  7. 前記運転判定手段は、前記燃料電池の温度が所定の閾値以上である場合に、前記燃料電
    池の運転状態が前記乾燥誘因運転状態であると判定する、請求項３に記載の燃料電池シス
    テム。
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