JP2014002844A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】急加速時に発生するアノードストイキ不足を確実に抑制して、高負荷時の発電安定性を向上させるとともに、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池やバッテリから供給される電力について要求の有無、及びその量を判定する電力要求判定手段と、燃料電池が劣化する際の作動条件に基づき、燃料電池の発電を制限する発電制限手段と、電力要求判定手段の判定を受けて燃料電池やバッテリを制御する制御手段と、を備え、制御手段は、電力要求判定手段により電力増加の要求と判定した際、先にバッテリから電力を供給させるバッテリ電力供給処理を行い、続いて発電制限手段による制限下で、燃料電池から電力を供給させる燃料電池電力供給処理を行うことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）とで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）を起こして発電するようになっている。なお、この発電に伴って燃料電池内では水分（特に、水蒸気）が生成される。

このような燃料電池では、燃料電池車両からの負荷要求に基づいて電流指令値が算出され、算出された電流指令値に基づいて反応ガス（アノードガス、及びカソードガス）が所望の目標値（圧力や流量等）で燃料電池に供給されるようになっている。そのため、燃料電池車両に急な負荷変動（例えば、急加速）が生じた場合、電流指令値に応じた反応ガス目標値まで反応ガス供給量を増加させるのが難しい。この場合には、反応ガス供給量が反応ガス目標値に達する猶予なく燃料電池に負荷がかかるため、実際に燃料電池で発電される出力電流値に対して、例えばアノードガス供給量が不足した、いわゆるアノードストイキ（燃料電池への供給量／理論水素消費量）不足となる虞がある。

アノードストイキ不足の状態で発電を行うと、アノードの電極の劣化等が誘発される。そして、電極の劣化は、出力低下を引き起こすとともに、電解質膜に取り込まれて電解質膜の劣化も加速させ、電解質膜の寿命を低下させる要因となる。
また、急な負荷変動に応じて燃料電池の電位を急激に変動させることも、アノードの電極を劣化させる要因となる。

ここで、例えば下記特許文献１〜４には、急な負荷変動に対応するための技術が開示されている。
具体的に、特許文献１には、走行駆動用のモータの負荷変動率が所定値より大きいときに、モータに供給される総電力量のうち、バッテリからモータに供給する電力量の割合が、燃料電池からモータに供給する電力量の割合よりも大きくなるようにする構成が記載されている。
特許文献２には、車両が加速状態の場合、エネルギー電源（燃料電池）の放電量を増加し、パワー電源の放電量を小さくする構成が記載されている。
特許文献３には、車両が急加速されたと仮定したときに必要とされる過渡発電量を算出し、実際に急加速されたときに過渡発電量に応じた発電を燃料電池にて行えるように、急加速される前からガス循環量を予め高めの待機流量に設定する技術が記載されている。
特許文献４には、燃料電池の発電能力の低下を検知した場合、燃料電池へ供給する水素の流量及び圧力を増加させてから、燃料電池の負荷装置への接続を一時遮断するとともに、蓄電部から負荷装置へ電力を供給する構成が記載されている。

特開２００２−２８９２３８号公報 特許第３４２９０６８号公報 特開２００６−３０９９７７号公報 特開２０１１−１３４５２９号公報

しかしながら、上述した各特許文献のうち、特許文献１の構成にあっては、単にバッテリと燃料電池との負荷配分の変化だけでは、急な負荷変動に十分に対応することが難しい。すなわち、燃料電池が負荷指令値に対応できる環境になっていない場合（例えば、アノードガス目標値が負荷指令値に対して設定される値まで達していない場合等）や、バッテリのＳＯＣ状態等によっては、上述した負荷配分に対応することができない場合等がある。
また、特許文献２の構成のように、車両が加速状態の場合、エネルギー電源（燃料電池）の放電量を増加させると、上述したアノードストイキ不足が発生し易くなる。
特許文献３の構成では、上述したように負荷指令値に応じたアノードガス目標値の供給には遅れが生じるため、ガス循環量の制御だけでは急な負荷変動に十分に対応することが難しい。
特許文献４の構成にあっては、発電能力の低下を検知した時点で、アノードストイキ不足によるダメージが燃料電池に与えられ、燃料電池の劣化が既に進行している可能性がある。

そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、急加速時に発生するアノードストイキ不足を確実に抑制して、高負荷時の発電安定性を向上させるとともに、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスを受けて発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）、及び充放電が可能な二次電池（例えば、実施形態におけるバッテリ１１）を有する電気供給系と、前記電気供給系から供給される電力について要求の有無、及びその量を判定する電力要求判定手段（例えば、実施形態における電力要求判定手段６１）と、前記燃料電池が劣化する際の作動条件（例えば、実施形態における遅れ時間Ｔｄｙや加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤ）に基づき、前記燃料電池の発電を制限する発電制限手段（例えば、実施形態における発電制限手段６２）と、前記電力要求判定手段の判定を受けて前記電気供給系を制御する制御手段（例えば、実施形態における制御手段６３）と、を備え、前記制御手段は、前記電力要求判定手段により電力増加の要求と判定した際、先に前記二次電池から電力を供給させる二次電池電力供給処理を行い、続いて前記発電制限手段による制限下で、前記燃料電池から電力を供給させる燃料電池電力供給処理を行うことを特徴とする。

請求項２に記載した発明では、前記制御手段は、前記二次電池電力供給処理の際に、前記電力増加の要求に基づく作動条件を前記燃料電池に入力することを特徴とする。

請求項３に記載した発明では、前記制御手段は、前記燃料電池電力供給処理を、前記二次電池電力供給処理の開始から所定時間（例えば、実施形態における遅れ時間Ｔｄｙ）遅らせることを特徴とする。

請求項４に記載した発明では、前記発電制限手段は、前記燃料電池電力供給処理の際に、前記燃料電池の発電量の増加割合が、閾値（例えば、実施形態における加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤ）以下になるように設定することを特徴とする。

請求項５に記載した発明では、前記発電制限手段は、前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガスポンプ（例えば、実施形態におけるエアポンプ３１や循環ポンプ４０）、前記燃料電池の燃料極（例えば、実施形態におけるアノード）における燃料流路（例えば、実施形態におけるアノード流路５０）のパージ処理を行うパージ手段（例えば、実施形態におけるパージ弁４７）、前記燃料極に供給される燃料の圧力を制御する圧力制御手段（例えば、実施形態における燃料インジェクタ４４）、及び前記燃料電池内の水を排出するドレイン弁（例えば、実施形態におけるドレイン弁）のうち、何れか一つを用いて前記燃料電池の作動条件を制御することを特徴とする。

請求項６に記載した発明では、前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記電力要求判定手段は、前記車両の加速要求、積載情報、及び交通状況のうち、少なくともひとつを受けて、判定を開始することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、急加速時等の急激な負荷変動時において、燃料電池では電力増加の要求に応じた電力を賄えない場合に、先に二次電池から電力を供給することで、電力増加の要求に応じた電力を速やかに供給できるとともに、燃料電池側では負荷変動に対応できる作動条件に整わせてから電力を供給させることができる。したがって、ストイキ不足に伴う燃料電池の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。また、急激な負荷変動に伴う燃料電池の急激な電圧変動や、電圧変動の繰り返しも抑制できるので、これによっても燃料電池の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。
また、急激な負荷要求に対して燃料電池による電力供給が追従しなくても、ユーザ操作による応答性を確保できるので、ユーザに与える違和感を低減できる。
しかも、発電制限手段による制限下で、燃料電池から電力を供給することで、燃料電池への負荷要求を最適な条件に設定できる。これにより、燃料電池に過剰な負荷や急な負荷変動がかかるのを抑制し、燃料電池内（特に、下流側）でのストイキ不足の発生を抑制できる。

請求項２に記載した発明によれば、二次電池電力供給処理の際（燃料電池電力供給処理の前）に、電力要求に基づく作動条件を燃料電池に入力することで、二次電池電力供給処理の間に燃料電池の作動条件を電力要求に対応できる状態に近づけておくことができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池電力供給処理の開始時間を、二次電池電力供給処理の開始時間に対して所定時間遅らせることで、二次電池電力供給処理の間に燃料電池の作動条件を電力要求に対応できる状態に近づけておくことができる。そして、燃料電池の作動条件を負荷要求に対応できる状態に整った後に、燃料電池電力供給処理を開始することで、燃料電池の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を確実に抑制できる。

請求項４に記載した発明によれば、燃料電池に最適な条件で発電が行われるので、燃料電池に過剰な負荷や急な負荷変動がかかるのを抑制し、燃料電池の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を確実に抑制できる。

請求項５に記載した発明によれば、燃料極に供給される燃料供給量を増加させることができるので、燃料電池の作動条件を電力要求に対応できる状態に整わせることができる。

請求項６に記載した発明によれば、燃料電池の劣化が進行する前に、電力要求を速やかに判定できるので、燃料電池の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を未然に抑制できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 ＥＣＵのブロック図である。 バッテリのＳＯＣと、遅れ時間Ｔｄｙと、の相関を示すマップである。 バッテリのＳＯＣと、加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤと、負荷変化幅と、の相関を示すマップである。 燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。 燃料電池システムの動作方法を説明するためのタイミングチャートであり、（ａ）は車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤ、（ｂ）は燃料電池作動条件ＩＦＣＯＢＪ、（ｃ）はＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤ、（ｄ）はＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤをそれぞれ示している。 燃料電池の出口温度と、遅れ時間Ｔｄｙと、の相関を示すマップである。 負荷変化幅と、加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤと、の相関を示すマップである。 燃料電池の出口温度と、加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤと、の相関を示すマップである。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という。また図中ではＳＴＫと略す）と、燃料電池２にカソードガス（反応ガス）である空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノードガス（反応ガス）である水素を供給するためのアノードガス供給手段４と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：統合制御装置）６（図２参照）と、を主に備えている。

燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子型の電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体（ＭＥＡ）が形成され、このＭＥＡの両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素が、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）により発生した水素イオンが電解質膜を透過してカソードに移動する。そして、カソードに移動した水素イオンが、カソードで酸素と電気化学反応（Ｈ_２＋Ｏ_２／２→Ｈ_２Ｏ）を行い発電する。

燃料電池２は、バッテリ（二次電池）１１に接続されており、燃料電池２で発電した電気をバッテリ１１に充電可能となっている。燃料電池２とバッテリ１１は、燃料電池車両の駆動モータ１２等の外部負荷に放電可能に接続されている。なお、これら燃料電池２とバッテリ１１とにより、本実施形態の電気供給系が構成されている。

カソードガス供給手段３は、カソードガスを燃料電池２に向けて送出するエアポンプ（反応ガスポンプ）３１を備えている。エアポンプ３１には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路３２が接続されている。カソードガス供給流路３２のうち、エアポンプ３１の上流側にはエアフローセンサ３３が接続されている。エアフローセンサ３３は、エアポンプ３１によって外部から取り込まれるカソードガス流量を検出し、検出結果の信号を例えばＥＣＵ６に向けて出力する。

カソードガス供給流路３２は、上流側から順に加湿器３４及びカソードガス供給封止弁３５に接続された後、燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソード流路３９に接続されている。カソード流路３９の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電や結露によって燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路３６が接続されている。

カソードオフガス排出流路３６は、上流側から順にカソードガス排出封止弁３７及び加湿器３４に接続された後、希釈器３８に接続されている。加湿器３４は、中空糸膜等の水分透過膜を備え、燃料電池２で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスを加湿用ガスとして用い、エアポンプ３１から送出されるカソードガスを加湿する。これにより、燃料電池２に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。

そして、エアポンプ３１によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路３２を通過した後、燃料電池２のカソード流路３９に供給される。そして、カソード流路３９において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３６に排出される。カソードオフガス排出流路３６に排出されたカソードオフガスは、希釈器３８を通過した後、車外へと排気される。

アノードガス供給手段４は、アノードガスが充填された水素供給タンク４１を備えている。水素供給タンク４１には、燃料電池２にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路４２が接続されている。アノードガス供給流路４２は、上流側から順に遮断弁４３、燃料インジェクタ（圧力制御手段）４４に接続された後、燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノード流路５０に接続されている。また、アノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４４よりも下流側には図示しないエゼクタが接続される。なお、アノードガス供給流路４２には、燃料電池２のアノードガスの圧力（アノード圧力Ｐａ）を検出する図示しない圧力センサが接続されており、検出されたアノード圧力Ｐａに応じた電気信号をＥＣＵ６に向けて出力する。

燃料インジェクタ４４は、ＥＣＵ６からの出力信号により駆動が制御され、アノードガスがアノードガス供給流路４２へ所定の周期で間欠的に供給されるようになっている。燃料インジェクタ４４は、燃料電池２に供給されるカソードガスの圧力（カソード入口ガス圧力）を信号圧として、アノードへ供給されるアノードガスの圧力（アノード圧力Ｐａ）を信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧する。すなわち、燃料インジェクタ４４は、アノード圧力Ｐａが所定値以下となった場合に開口して、アノード圧力Ｐａがアノード目標圧力ＰＨ２ＳＴＫＩＮになるように制御されている。

アノード流路５０の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路４５が接続されている。アノードオフガス排出流路４５には、気液分離器４６が接続されている。

気液分離器４６は、燃料電池２のアノード流路から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を捕集して、アノードオフガスと水分とに分離するものである。そして、アノードオフガス排出流路４５は、パージ弁４７を介して希釈器３８に接続されており、気液分離器４６で水分が分離されたアノードオフガスが流通する。なお、気液分離器４６には、分離後の水分を排出する図示しない水分排出流路が接続され、図示しないドレイン弁を介して希釈器３８に接続される。

希釈器３８は、アノードオフガス排出流路４５から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出流路３６が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路４８から車外に排出される。なお、希釈器３８には、アノードオフガス排出流路４５から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。

また、アノードオフガス排出流路４５は、気液分離器４６とパージ弁４７との間で流路が分岐して構成されたアノードオフガス循環流路４９を有している。アノードオフガス循環流路４９は、循環ポンプ（反応ガスポンプ）４０を介してアノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４４の下流側に接続されている。
循環ポンプ４０は、燃料電池２のアノード流路５０から排出された未反応のアノードオフガスの一部を、水素供給タンク４１から供給されたアノードガスに混合して、燃料電池２のアノードに再び供給する。なお、アノードガス供給流路４２とアノードオフガス排出流路４５との間には、上述したエゼクタに接続される図示しないバイパス流路が設けられており、循環ポンプ４０の未作動時等（例えば、通常走行時等）において、燃料電池２から排出されたアノードオフガスが循環して、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。

また、カソードガス供給流路３２とアノードガス供給流路４２とは、掃気導入弁５１を備えた掃気流路５２によって接続されており、この掃気流路５２を介してアノードガス供給流路４２にアノードガスを導入可能になっている。

（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ６は、燃料電池２及びバッテリ１１から供給される電力について要求（負荷要求）の有無、及びその量（車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤ）を判定する電力要求判定手段６１と、燃料電池２が劣化する際の作動条件に基づき、燃料電池２の発電を制限する発電制限手段６２と、電力要求判定手段６１の判定を受けて燃料電池２及びバッテリ１１から供給される電力を制御する制御手段６３と、を備えている。

本実施形態の電力要求判定手段６１は、燃料電池車両の負荷要求が所定の状態を超えたか否かを判定する負荷要求判定手段６４と、燃料電池２の作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪ（例えば、カソードガス目標供給量やアノードガス目標供給量等）を設定する作動条件設定手段６５と、を有している。

負荷要求判定手段６４は、単位時間当たりのアクセル開度ＡＣＰや、駆動モータ１２に供給される電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤの単位時間当たりの変化幅ΔＩ、アノードに供給されるアノード目標圧力ＰＨ２ＳＴＫＩＮの単位時間当たりの変化幅ΔＰ、積載重量（積載情報）Ｇ、交通状況等に基づき、負荷要求が所定の状態を超えたか否かを判定するための閾値がそれぞれ記憶されている。そして、負荷要求判定手段６４は、以下に示す条件のうち、少なくとも１つが満たされた場合に負荷要求が所定の状態を超えたと判定する。
（１）アクセル開度ＡＣＰが第１閾値ａよりも大きいとき（ＡＣＰ＞ａ）。
（２）電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤの変化幅ΔＩが第２閾値ｂよりも大きいとき（ΔＩ＞ｂ）。
（３）アノード目標圧力ＰＨ２ＳＴＫＩＮの変化幅ΔＰが第３閾値ｃよりも大きいとき（ΔＰ＞ｃ）。
（４）積載重量Ｇがｄよりも大きいとき（Ｇ＞ｄ）。
（５）交通状況に基づいて高負荷をかける可能性があると判定されたとき（例えば、渋滞が解消されたり、勾配に差し掛かったりしたとき）。なお、交通状況は、ナビゲーションシステムやその他の情報端末から得られるものでもよく、燃料電池車両と相互通信することで路面状況や交通状況によって予測しても構わない。

作動条件設定手段６５は、負荷要求が所定の状態を超えた場合、その車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに基づいて算出される電流指令値ＩＮＣＭＤに応じた作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪを設定する。

発電制限手段６２は、負荷要求に対して燃料電池２による電力の供給を遅らせる遅れ時間Ｔｄｙ（燃料電池２が劣化する際の作動条件）を設定する遅れ時間設定手段６６と、燃料電池２から電力を供給させる場合の単位時間当たりの燃料電池２から電力供給レート（発電量の増加割合）の閾値（加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤ（燃料電池２が劣化する際の作動条件））を設定する加速上限レート設定手段６７と、を備えている。

遅れ時間設定手段６６には、例えばバッテリ１１のＳＯＣと、遅れ時間Ｔｄｙと、の相関を示すマップが記憶され、このマップに基づいて遅れ時間Ｔｄｙが設定される（図３参照）。図３に示すマップは、バッテリ１１のＳＯＣが多くなるに従い、遅れ時間Ｔｄｙが長くなるように設定されている。これは、バッテリ１１のＳＯＣが多いほど、バッテリ１１から供給可能な電力に余裕があるためである。
加速上限レート設定手段６７は、例えばバッテリ１１のＳＯＣと、加速上限レートＩＲＦＣＭＤと、上述した変化幅ΔＩやΔＰ等の負荷変化幅と、の相関を示すマップが記憶され、このマップに基づいて加速上限レートＩＲＦＣＭＤが設定される（図４参照）。図４に示すマップは、バッテリ１１のＳＯＣが多くなるに従い、または負荷変化幅が小さくなるに従い、加速上限レートＩＲＦＣＭＤが小さくなるように設定されている。

制御手段６３は、バッテリ１１から供給される電力を制御するＢＡＴ電力制御手段７１と、燃料電池２から供給される電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤを制御するＦＣ電力制御手段７２と、燃料電池２への負荷要求（ＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤ）等の各種パラメータを格納する格納手段７３と、ＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤが車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに達したか否かを判定する負荷判定手段７４と、を主に備えている。

ＢＡＴ電力制御手段７１は、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤのうち、バッテリ１１への負荷要求（ＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤ）を制御する。具体的に、ＢＡＴ電力制御手段７１は、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤと、ＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤと、の差に基づいてＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤを算出する（ＰＢＡＴＣＭＤ＝ＰＶＮＣＭＤ−ＰＦＣＣＭＤ）。

ＦＣ電力制御手段７２は、上述した電流指令値ＩＮＣＭＤと、格納手段７３に格納された後述する前回出力指令値ＩＦＣＣＭＤ１と、の差により、単位時間当たりの電流指令値ＩＮＣＭＤの変化幅を算出し、この変化幅に基づいて今回の電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤを算出する。
具体的に、算出された変化幅が上述した加速上限レートＩＲＦＣＭＤよりも小さい場合は、電流指令値ＩＮＣＭＤをそのまま電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤに設定する。一方、変化幅が上述した加速上限レートＩＲＦＣＭＤよりも大きい場合は、前回出力指令値ＩＦＣＣＭＤ１に加速上限レートＩＲＦＣＭＤを足した値を電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤに設定する（ＩＦＣＣＭＤ＝ＩＦＣＣＭＤ１＋ＩＲＦＣＭＤ）。すなわち、ＦＣ電力制御手段７２は、電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤが加速上限レートＩＲＦＣＭＤ以下になるように設定する。そして、電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤに基づいて、燃料電池２からＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤが出力されるようになっている。

格納手段７３は、負荷要求が所定の状態を超えた場合に、現在の燃料電池２へのＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤを初期負荷指令値ＰＦＣＣＭＤ０に設定する初期値格納手段７５と、前回測定時における燃料電池２の電流出力指令値（前回出力指令値ＩＦＣＣＭＤ１）を格納する前回値格納手段７６と、を備えている。

（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。図５は、燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。また、図６は燃料電池システムの動作方法を説明するためのタイミングチャートであり、（ａ）は車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤ、（ｂ）は燃料電池作動条件ＩＦＣＯＢＪ、（ｃ）はＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤ、（ｄ）はＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤをそれぞれ示している。
図５、図６に示すように、まずステップＳ１において、負荷要求判定手段６４は、燃料電池車両の負荷要求が所定の状態を超えたか否かを判定する（図６中時間ｔ１）。具体的に、負荷要求判定手段６４は、以下に示す各条件（１）〜（５）のうち、少なくとも１つが満たされた場合に、負荷要求が所定の状態を超えた、と判定する。
（１）アクセル開度ＡＣＰが第１閾値ａよりも大きいとき（ＡＣＰ＞ａ）。
（２）電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤの変化幅ΔＩが第２閾値ｂよりも大きいとき（ΔＩ＞ｂ）。
（３）アノード目標圧力ＰＨ２ＳＴＫＩＮの変化幅ΔＰが第３閾値ｃよりも大きいとき（ΔＰ＞ｃ）。
（４）積載重量Ｇがｄよりも大きいとき（Ｇ＞ｄ）。
（５）交通状況に基づき、高負荷をかける可能性があると判定されたとき（例えば、渋滞が解消されたり、勾配に差し掛かったりしたとき）。

ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合（上述した条件（１）〜（５）が全て満たされない場合（閾値以下であった場合））、負荷要求判定手段６４は負荷要求が所定の状態を超えていないと判定する。この場合には、電力要求判定手段６１により、負荷要求に基づいて車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤを算出し、この車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに基づいて燃料電池２への電流指令値ＩＮＣＭＤが設定される。そして、設定された電流指令値ＩＮＣＭＤを、燃料電池２への電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤにそのまま設定し、この電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤに基づいてカソードガス供給量、及びアノードガス供給量が制御される。これにより、燃料電池車両の負荷要求に応じた電力が燃料電池２から供給される。
なお、上述したステップＳ１の判定は、加速時等の負荷変動時に常時行う。

ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（上述した条件（１）〜（５）のうち何れかの条件を満たした場合（何れかが閾値より大きい場合））、負荷要求判定手段６４は負荷要求が所定の状態を超えたと判定してステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、作動条件設定手段６５は、燃料電池２の作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪを、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤから算出した電流指令値ＩＮＣＭＤに設定する（図６中時間ｔ２）。そして、電流指令値ＩＮＣＭＤに基づいてカソードガス供給量、及びアノードガス供給量が制御される。但し、この状態では燃料電池２への負荷要求は行わない（図６（ｃ）参照）。

なお、アノードガス供給量の制御方法としては、例えば循環ポンプ４０を回転させ、アノードガスの循環量を増加する方法を採用することができる。また、パージ時間（パージ弁４７の開弁時間）を増加したり、希釈器３８のドレイン弁を開弁したりして、アノード流路５０内に滞留する窒素等の不純物ガスや、水、水を含んだアノードガスの排出を促進させるとともに、これに伴い未反応のアノードガスをアノードに供給させることで、アノードガスの供給量を増加する方法を採用しても構わない。また、カソードガス供給量の制御方法としては、エアポンプ３１の回転数を調整する等の方法を採用することができる。
これにより、燃料電池２への負荷要求を行う前に、燃料電池２の作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪを、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤから算出した電流指令値ＩＮＣＭＤに対応させることができる。

ステップＳ３において、遅れ時間設定手段６６は、上述した図３に示すマップに基づいて遅れ時間Ｔｄｙ（図６中時間ｔ２〜ｔ３）を設定する。さらに、加速上限レート設定手段６７は、図４に示すマップに基づいて加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤを設定する。

次に、ステップＳ４において、初期値格納手段７５は、現在の燃料電池２へのＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤを初期負荷指令値ＰＦＣＣＭＤ０に設定する。

続いて、ステップＳ５において、負荷要求からの経過時間が遅れ時間Ｔｄｙを経過したか否かを判定する。
ステップＳ５における判定結果が「ＮＯ」の場合（遅れ時間Ｔｄｙを経過していない場合）、ステップＳ６以降のバッテリ電力供給処理に進む。

ステップＳ６では、まず燃料電池２の初期負荷指令値ＰＦＣＣＭＤ０に基づく燃料電池２へのＦＣ負荷要求値ＰＦＣＣＭＤを設定する。

次に、ステップＳ７において、ＢＡＴ電力制御手段７１は、バッテリ１１への負荷要求（ＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤ）を算出する。具体的に、ＢＡＴ電力制御手段７１は、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤとＦＣ付加要求ＰＦＣＣＭＤとの差に基づいて、ＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤを算出する（ＰＶＮＣＭＤ−ＰＦＣＣＭＤ）。

そして、ステップＳ８において、ＢＡＴ電力制御手段７１は、上述したステップＳ７で算出されたＢＡＴ負荷要求値ＰＢＡＴＣＭＤに基づいてバッテリ１１に負荷要求を行う。これにより、バッテリ１１からＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤに応じた電力が供給される。なお、この状態では、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤのうち、燃料電池車両の負荷要求に基づく増加分の電力全てがバッテリ１１により賄われる（図６中時間ｔ２〜ｔ３）。すなわち、遅れ時間Ｔｄｙが経過するまでは、上述したステップＳ５に戻り、上述したバッテリ電力供給処理のみを継続することになる。

一方、ステップＳ５における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（遅れ時間Ｔｄｙが経過した場合）、ステップＳ９以降の燃料電池電力供給処理に進む（図６中時間ｔ３）。

ステップＳ９において、ＦＣ電力制御手段７２は、電流指令値ＩＮＣＭＤと前回出力指令値ＩＦＣＣＭＤ１との差（単位時間当たりの電力供給レート）が、加速上限レートＩＲＦＣＭＤよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ９における判定結果が「ＮＯ」の場合（電力供給レートが加速上限レートＩＲＦＣＭＤよりも小さい場合）、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに基づいて算出された電流指令値ＩＮＣＭＤを、燃料電池２への電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤにそのまま設定し、後述するステップＳ１２に進む。

ステップＳ９における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（電力供給レートが加速上限レートＩＲＦＣＭＤよりも大きい場合）、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、前回出力指令値ＩＦＣＣＭＤ１と加速上限レートＩＲＦＣＭＤとの和（ＩＦＣＣＭＤ１＋ＩＲＦＣＭＤ）を、燃料電池２の電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤに設定し、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、燃料電池２に負荷要求（ＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤ）を行う（図６中時間ｔ３〜ｔ４）。具体的に、燃料電池車両の負荷要求に基づく車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤのうち、上述したステップＳ１０，１１で算出された電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤに基づいて、燃料電池２からＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤに応じた電力が出力される。

次に、ステップＳ１３において、前回値格納手段７６は、今回の電流出力指令値ＩＦＣＣＭＤを前回出力指令値ＩＦＣＣＭＤ１に設定する。

そして、ステップＳ１４において、ＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤが、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに到達したか否かを判定する。
ステップＳ１４における判定結果が「ＮＯ」の場合（ＰＦＣＣＭＤ＜ＰＶＮＣＭＤの場合）、ステップＳ７に戻る。この場合には、燃料電池２へのＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤが、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに対応できる状態まで達していないと判定して、負荷の不足分をバッテリ１１へのＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤで補うように制御する。

具体的に、ＢＡＴ電力制御手段７１は、ステップＳ７において、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤと現在のＦＣ付加要求ＰＦＣＣＭＤとの差に基づいてＢＡＴ負荷要求ＰＢＡＴＣＭＤを算出するとともに、ステップＳ８において、上述したステップＳ７で算出されたＢＡＴ負荷要求値ＰＢＡＴＣＭＤに基づいてバッテリ１１から電力を出力する。この場合、燃料電池車両の負荷要求に基づく車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤのうち、負荷要求による増加分の電力がバッテリ１１及び燃料電池２の双方から賄われる（図６中時間ｔ３〜ｔ４）。その後、上述したステップＳ５以降のフローを繰り返し行う。

一方、ステップＳ１４における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（ＰＦＣＣＭＤ＝ＰＶＮＣＭＤの場合）、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤ（ＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤ）に応じた電力を燃料電池２のみで出力可能であると判定して、本フローを終了する（図６中時間ｔ４）。

このように、本実施形態では、電力要求判定手段６１により電力増加の要求と判定した際、先にバッテリ１１から電力を供給させ、続いて発電制限手段６２による制限下で、燃料電池２から電力を供給させる構成とした。
この構成によれば、急加速時等の急激な負荷変動時において、燃料電池２では車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに応じた電力を賄えない場合に、先にバッテリ１１から電力を供給することで、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤに応じた電力を速やかに供給できるとともに、燃料電池２側では負荷変動に対応できる作動条件に整わせてから電力を供給させることができる。したがって、アノードストイキ不足に伴う燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。また、急激な負荷変動に伴う燃料電池２の急激な電圧変動や、電圧変動の繰り返しも抑制できるので、これによっても燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。
また、急激な負荷要求に対して燃料電池２による電力供給が追従しなくても、ドライバー操作（アクセル操作による加速感等）による応答性を確保できるので、ドライバーに与える違和感を低減できる。

しかも、燃料電池電力供給処理において、発電制限手段６２による制限下（遅れ時間Ｔｄｙや加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤ等）で燃料電池２から電力を供給することで、燃料電池２へのＦＣ負荷要求ＰＦＣＣＭＤを最適な条件に設定できる。これにより、燃料電池２に過剰な負荷や急な負荷変動がかかるのを抑制し、燃料電池２内（特に、下流側）でのストイキ不足の発生を確実に抑制できる。

また、本実施形態では、バッテリ電力供給処理の際（燃料電池電力供給処理の前）に、燃料電池２の作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪを、車両必要負荷ＰＶＮＣＭＤから算出した電流指令値ＩＮＣＭＤに設定することで、バッテリ電力供給処理中に燃料電池２の作動条件を負荷要求に対応できる状態に近づけておくことができる。
この場合、急激な負荷要求に対して燃料電池２による電力供給が追従しなくても、エアポンプ３１の回転数等は増加するため、ドライバー操作（アクセル操作による加速感等）による応答性を確保して、ドライバーに与える違和感を低減できる。

さらに、燃料電池電力供給処理を、バッテリ電力供給処理の開始から遅れ時間Ｔｄｙ遅らせることで、バッテリ電力供給処理の間に燃料電池２の作動条件を負荷要求に対応できる状態に近づけておくことができる。そして、燃料電池２の作動条件が負荷要求に対応できる状態に整った後に、燃料電池電力供給処理を開始することで、燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を確実に抑制できる。

また、発電制限手段６２が加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤを設定することで、燃料電池２に最適な条件で発電が行われるので、燃料電池２に過剰な負荷や急な負荷変動がかかるのを抑制し、燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を確実に抑制できる。

また、本実施形態では、車両の加速要求（例えば、ΔＩやΔＰ等）、積載重量Ｇ、及び交通状況のうち、少なくともひとつを受けて、判定を開始することで、燃料電池２の劣化が進行する前に、負荷要求を速やかに判定できる。したがって、燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を未然に抑制できる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、燃料供給手段として燃料インジェクタ４４を用いる構成について説明したが、これに限らず、レギュレータ（圧力制御手段）等を用いても構わない。
また、燃料電池２で発電された余分な電力は、バッテリ１１に蓄電して次回の負荷変動時に供給することができる。

さらに、負荷要求判定手段６４による判定は、上述した（１）〜（５）の方法に限らず、負荷の変化幅や、電流密度、電位、インピーダンス、温度等、適宜設計変更が可能である。

また、上述した実施形態では、バッテリ１１のＳＯＣに基づいて遅れ時間Ｔｄｙを設定した場合について説明したが、これに限らず、燃料電池２の出口温度と、遅れ時間Ｔｄｙと、の相関を示すマップに基づいて遅れ時間Ｔｄｙを設定しても構わない（図７参照）。図７に示すマップは、出口温度が高くなるに従い、遅れ時間Ｔｄｙが短くなるように設定されている。これは、出口温度が低い状態で負荷を増加すると、発電により生成された水分が結露等によって燃料電池２の面内に水として残存し易くなり、この水がアノードガスの拡散を阻害し、部分的なアノードストイキ不足になる虞があるからである。そのため、出口温度が低い状態では、遅れ時間Ｔｄｙを長く設定し、燃料電池２の作動条件を負荷要求に対応できる状態に整わせる必要がある。
また、遅れ時間Ｔｄｙは、図３や図７のようなマップを用いず、バッテリ１１のＳＯＣや燃料電池２の出口温度に基づく固定値でも構わない。

さらに、遅れ時間Ｔｄｙは、上述したバッテリ１１のＳＯＣや燃料電池２の出口温度に限らず、アノードガスの出口濃度や、燃料電池２から電流を取り出していない状態での単位セルのセル電位（ＯＣＶチェック）、アノード面内の電位（局所電位チェック）、インピーダンス、エゼクタの副流流量、燃料電池２の出口の状態を検出するための参照用ミニ燃料電池等の検出結果に基づいて設定しても構わない。

また、燃料電池２内の反応ガスの圧力や流量、エアポンプ３１等の回転数が、燃料電池２の作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪに達したことを直接的に確認してから燃料電池２による電力の供給を行っても構わない。この場合は、燃料電池２内の反応ガスの圧力や流量、エアポンプ３１等の回転数が、燃料電池２の作動条件指令値ＩＦＣＯＢＪに達してから所定時間経過した後に燃料電池２による電力の供給を開始することが好ましい。

また、上述した実施形態では、バッテリ１１のＳＯＣと負荷変化幅（ΔＩやΔＰ）に基づいて加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤを設定した場合について説明したが、これに限らず、図８に示すように、負荷変化幅のみに基づいて加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤを設定しても構わない。

さらに、図９に示すように、燃料電池２の出口温度と、加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤと、の相関を示すマップに基づいて加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤを設定しても構わない（図８参照）。図８に示すマップは、出口温度が高くなるに従い、加速上限レートＩＲＦＣＣＭＤが大きくなるように設定されている。これは、上述したように出口温度が低い状態で負荷を増加すると、発電により生成された水がアノードガスの拡散を阻害し、部分的なアノードストイキ不足になる虞があるからである。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１…燃料電池システム ２…燃料電池スタック（燃料電池） １１…バッテリ（二次電池） ３１…エアポンプ（反応ガスポンプ） ４０…循環ポンプ（反応ガスポンプ） ４４燃料インジェクタ（圧力制御手段） ４７…パージ弁（パージ手段） ５０…アノード流路（燃料流路） ６１…電力要求判定手段 ６２…発電制限手段 ６３…制御手段

Claims (6)

1. 反応ガスを受けて発電する燃料電池、及び充放電が可能な二次電池を有する電気供給系と、
   前記電気供給系から供給される電力について要求の有無、及びその量を判定する電力要求判定手段と、
   前記燃料電池が劣化する際の作動条件に基づき、前記燃料電池の発電を制限する発電制限手段と、
   前記電力要求判定手段の判定を受けて前記電気供給系を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記電力要求判定手段により電力増加の要求と判定した際、先に前記二次電池から電力を供給させる二次電池電力供給処理を行い、続いて前記発電制限手段による制限下で、前記燃料電池から電力を供給させる燃料電池電力供給処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記二次電池電力供給処理の際に、前記電力増加の要求に基づく作動条件を前記燃料電池に入力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池電力供給処理を、前記二次電池電力供給処理の開始から所定時間遅らせることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記発電制限手段は、前記燃料電池電力供給処理の際に、前記燃料電池の発電量の増加割合が、閾値以下になるように設定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記発電制限手段は、
   前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガスポンプ、前記燃料電池の燃料極における燃料流路のパージ処理を行うパージ手段、前記燃料極に供給される燃料の圧力を制御する圧力制御手段、及び前記燃料電池内の水を排出するドレイン弁のうち、何れか一つを用いて前記燃料電池の作動条件を制御することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムは、車両に搭載され、
   前記電力要求判定手段は、前記車両の加速要求、積載情報、及び交通状況のうち、少なくともひとつを受けて、判定を開始することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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