特許 6254927 燃料電池システム及び電動車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6254927

(24)【登録日】2017年12月8日

(45)【発行日】2017年12月27日

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び電動車両

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04225 20160101AFI20171218BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20171218BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20171218BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20171218BHJP

   B60L 11/18 20060101ALI20171218BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04225

   H01M8/04302

   H01M8/00 Z

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 J

   B60L11/18 G

【請求項の数】13

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2014-231040(P2014-231040)

(22)【出願日】2014年11月13日

(65)【公開番号】特開2016-27534(P2016-27534A)

(43)【公開日】2016年2月18日

【審査請求日】2017年1月12日

(31)【優先権主張番号】特願2014-130661(P2014-130661)

(32)【優先日】2014年6月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304023994

【氏名又は名称】国立大学法人山梨大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】竹井 力

(72)【発明者】

【氏名】田代 圭介

(72)【発明者】

【氏名】川島 一仁

(72)【発明者】

【氏名】内田 誠

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 政廣

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１４０６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３５１２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１５０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−７９０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１２４７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０１７４７４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

Ｂ６０Ｌ １１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料極及び空気極を備える燃料電池で発電した電力を二次電池に充電する燃料電池システムであって、
前記燃料極に接続され、無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を供給可能に構成された燃料ガス供給管と、
前記空気極に接続され、無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を供給可能に構成された空気ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量をそれぞれ制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給した後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、その後、前記燃料極及び前記空気極のそれぞれに前記加湿水素ガス及び前記加湿空気ガスが供給されるように、前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記二次電池の充電残量を検知する充電残量検知部を更に備え、
前記制御部は、前記充電残量検知部の検知値が予め設定された第１閾値以下になった場合に、前記燃料極への前記無加湿水素ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記燃料電池で発電を開始した後、前記充電残量検知部の検知値が、前記第１閾値より大きく設定された第２閾値以上になった場合に、前記空気極への前記加湿空気ガスの供給を継続しながら、前記燃料極への前記加湿水素ガスの供給を停止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料極に無加湿空気ガスを供給可能な燃料極空気ガス供給管を更に備え、
前記制御部は、前記充電残量検知部の検知値が予め設定された第１閾値以下になった場合に、前記燃料極空気ガス供給管から前記燃料極に無加湿空気ガスを供給すると共に前記空気ガス供給管から前記空気極に無加湿空気ガスを供給した後、前記燃料極に前記燃料ガス供給管から前記無加湿水素ガスを供給するように制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池の起動回数を検知する起動回数検知部と、
前記燃料ガス供給管の接続先を前記燃料極から前記空気極に切り替えると共に、前記空気ガス供給管の接続先を前記空気極から前記燃料極に切り替えることが可能に構成された切替機構と
を更に備え、
前記制御部は、前記起動回数検知部の検知値が予め設定された所定回数に達した場合に、前記切替機構を作動させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記制御部は、
前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給した後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、
前記燃料極及び前記空気極間の出力電圧が起電力に対応する第１の所定値になった後、前記出力電圧が前記第１の所定値より低く設定された第２の所定値になるように負荷側の容量を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記制御部は、前記第２の所定値が時間の経過に従って段階的に低下するように前記負荷側の容量を制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記制御部は、前記出力電圧を前記第２の所定値に第１の所定時間維持した後に、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記制御部は、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給した後、前記負荷側の容量を増加させるように制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記制御部は、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給した後、前記出力電圧が一定となるように前記負荷側の容量を制御することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

燃料極及び空気極を備える燃料電池で発電した電力、又は、二次電池から供給される電力で駆動される電動機を動力源として搭載する電動車両であって、
前記燃料極に接続され、無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を燃料ガスとして前記燃料極に選択的に供給可能な燃料ガス供給管と、
前記空気極に接続され、無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を空気ガスとして前記空気極に選択的に供給可能な空気ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管における燃料ガスの流量、及び、前記空気ガス供給管における前記空気ガスの流量をそれぞれ制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給した後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、その後、前記燃料極及び前記空気極のそれぞれに前記加湿水素ガス及び前記加湿空気ガスが供給されるように、前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量を制御することを特徴とする電動車両。

【請求項12】

前記燃料電池で発電された電力を蓄積可能な複数の二次電池と、
前記燃料電池で発電された電力を前記電動機及び前記複数の二次電池に分配可能な電力制御器と
を更に備え、
前記制御部は、前記複数の二次電池のうち充電残量が多い方を前記電動機に電気的に接続すると共に、充電残量が少ない方に前記燃料電池で発電された電力を供給するように前記電力制御器を制御することを特徴とする請求項１１に記載の電動車両。

【請求項13】

前記燃料電池で発電された電力を蓄積可能な二次電池と、
前記燃料電池で発電された電力を前記電動機及び前記二次電池に分配可能な電力制御器と
を更に備え、
前記制御部は、前記燃料電池で発電した電力を前記電動機に供給し、その余剰電力が前記二次電池に充電されるように前記電力制御器を制御することを特徴とする請求項１１に記載の電動車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料極及び空気極を備える燃料電池を含む燃料電池システム、並びに、該燃料電池システムを利用した電動車両の技術分野に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の環境意識の高まりに伴い、化石燃料に頼ることのないクリーンエネルギー発電が注目を集めている。この種のクリーンエネルギー発電の一つとして燃料電池を利用したものが知られている。一般的に自動車用の燃料電池は固体高分子型燃料電池が用いられており、固体高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にＰｔ／カーボン電極触媒からなる燃料極、空気極を設けた燃料電池電極膜に、当該電極膜をガス拡散層、セパレータの順に狭持した基本構成を備えている。この燃料電池は、燃料極に水素、空気極に空気（酸素）を供給する際に、負荷を両電極間に接続することで発電反応が開始される。この時の発電反応式は以下の通りである。

燃料極では、水素の酸化反応が行われると共に、空気極では酸素の還元反応が行われ、空気極内で水が生成される。

【0003】

このような燃料電池の応用分野として、車両に搭載した燃料電池で発電した電力で電動機を駆動することにより走行する電動車両（電気自動車及びハイブリッド電気自動車を含む）がある。この種の電動車両の分野では、一般的に、燃料電池で発電した電力を直接電動機に供給する方式が多いが、より長い航続距離を得るために、二次電池を併用した新たな方式の開発も進められている。

【0004】

ところで燃料電池を電動車両に応用するにあたり、様々な課題が存在しているが、その一つとして、燃料電池車両の走行条件が与える燃料電池の劣化をいかに抑えるかという問題がある。燃料電池に生じる主な劣化要因としては、次の３つの劣化モードがあると考えられている。１つ目は車両起動停止時に生じる劣化モードであり、２つ目は電動機に負荷変動が生じる加減速時に生じる劣化モードであり、３つ目は無負荷状態で高電圧が維持されるアイドリング時に生じる劣化モードである。

【0005】

これらの劣化モードのなかでも、車両起動停止時における劣化モードの影響が大きく、その発生メカニズムは以下のように考えられている。典型的には、燃料電池が停止状態にある場合、燃料極及び空気極は共に空気（大気）で満たされた状態にある。このような停止状態から燃料電池を起動するために燃料極に水素ガスを供給すると、燃料極では一時的に水素と空気とが共存することにより電極間に逆電流（水素イオンの逆移動）が生じると共に、燃料電池電圧が上昇する。このようなとき、空気極に一般的に用いられているＰｔ／カーボン電極触媒のカーボン担体劣化が生じるため、燃料電池の性能低下に至る。このような起動時に生じる劣化モードを抑制するための技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１では、触媒層とガス流路との間に酸素拡散防止層を設けることによって、起動時に燃料極側に入り込んでいる酸素の拡散を妨げて燃料電池の劣化を遅延させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２−２１２５６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１では燃料極側における酸素の拡散を遅らせることができても、劣化の進行自体を食い止めることができないため、根本的な解決策になっていない。また、酸素拡散防止層を設けることで燃料電池の構造が複雑になるため、コスト増加の要因となってしまう。

【0008】

また上述したように、車両起動停止時の次に影響の大きい劣化モードとして、負荷変動を伴う加減速時に生じる劣化モードがある。車両の加減速時にドライバーからの要求出力に応じて燃料電池の負荷が変動すると、燃料電池の単セル電圧は高電圧領域（０．９−１．０Ｖ）と低電圧領域（０．６−０．７Ｖ）との間を変動する。ここで燃料電池の燃料極及び空気極に用いられる電極触媒は、例えば電解質膜上のカーボン担体に白金（Ｐｔ）を担持させたものがある。この種の電極触媒では、燃料電池の単セル電圧によって白金の酸化反応又は還元反応のいずれかが生じる。例えば、車両の加速時には単セル電圧が高電圧領域から低電圧領域に降下することによって、酸化皮膜が還元される還元反応が生じる。一方、車両の減速時には、単セル電圧が低電圧領域から高電圧領域に上昇することによって、酸化皮膜が形成される酸化反応が生じる。
このように酸化還元反応が繰り返されると、電極触媒中の白金粒子はオストワルド成長による凝集やＰｔ溶出によって、発電反応比面積が減少し、電極触媒の劣化が進行する。このような負荷変動時の電極触媒の劣化は、燃料電池の耐久寿命に大きな影響を与えるため、いかに抑制するかが問題となっている。

【0009】

また、このような負荷変動時の劣化は、変動回数が増加するに従って促進される特性がある。従来の燃料電池搭載車両は、燃料電池の出力を、車両駆動用動力源である電動機に直接的に供給する構成を有するため、ドライバーからの要求出力（負荷出力）に応じて変動回数が多くならざるを得ない。そのため、上記劣化が進行しやすいという問題がある。

【0010】

本発明の少なくとも一つの実施形態の目的は上述の問題点に鑑みなされたものであり、燃料電池の起動時又は負荷変動時に発生する劣化を効果的に抑制可能な燃料電池システム及び該燃料電池システムを搭載した電動車両を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池システムでは上記課題を解決するために、燃料極及び空気極を備える燃料電池で発電した電力を二次電池に充電する燃料電池システムであって、前記燃料極に接続され、無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を供給可能に構成された燃料ガス供給管と、前記空気極に接続され、無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を供給可能に構成された空気ガス供給管と、前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量をそれぞれ制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給した後に前記加湿水素ガスが供給されるように前記燃料ガス供給管に流れるガス流量を制御することを特徴とする。

【0012】

上記（１）の構成によれば、燃料電池の起動時に燃料極に無加湿水素ガスを供給することによって、停止期間中に燃料極に侵入した空気を排出し、電極間のプロトン伝導度を低下させる（燃料電池の内部抵抗を上昇させる）。これにより、燃料電池の起動時に電極間に逆電流が発生することを防止し、劣化の発生を効果的に抑制できる。

【0013】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記制御部は、前記燃料極に前記無加湿水素ガスが供給された後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、その後、前記燃料極及び前記空気極のそれぞれに前記加湿水素ガス及び前記加湿空気ガスが供給されるように、前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量を制御する。

【0014】

上記（２）の構成によれば、燃料電池の起動時に、燃料極への無加湿水素ガス供給を開始した後に、空気極への無加湿空気ガス供給を開始する。燃料電池の起動時に一時的に発生する高電圧は、各電極の酸素分圧にも依存し、仮に燃料極に無加湿水素ガス、空気極に無加湿空気ガスを同時供給してしまうと、無加湿空気ガスの供給により空気極ので酸素分圧が増加した状態下で、燃料極では、無加湿水素ガスの供給により一時的な水素と空気の共存が生じることになるため、起動時の燃料電池電圧がより大きくなってしまう。従って、本実施形態では、このような順で各極に対して無加湿ガスを供給することで、起動時の劣化をより効果的に抑制できる。

【0015】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記二次電池の充電残量を検知する充電残量検知部を更に備え、前記制御部は、前記充電残量検知部の検知値が予め設定された第１閾値以下になった場合に、前記燃料極への前記無加湿水素ガスの供給を開始する。

【0016】

上記（３）の構成によれば、二次電池の充電残量が第１閾値以下になることによって不足していると判断された場合に限って、燃料電池の起動が行われる。これにより、劣化が進み易い起動動作の回数を抑制することができ、長寿命で信頼性の高い燃料電池システムを実現できる。

【0017】

尚、本実施形態に係る燃料電池システムは、起動時に無加湿ガスを各極に供給する時間を要する分だけ、従来の燃料電池システムに比べて起動時間が長くなることとなる。しかしながら、このような問題は、例えば、燃料電池の起動タイミングを規定する第１閾値を適切に設定することにより（例えば、第１閾値を従来に比べて小さく設定することで、早めに起動開始を行うことにより）解決可能である。

【0018】

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記制御部は、前記燃料電池で発電を開始した後、前記充電残量検知部の検知値が、前記第１閾値より大きく設定された第２閾値以上になった場合に、前記空気極への前記加湿空気ガスの供給を継続しながら、前記燃料極への前記加湿水素ガスの供給を停止する。

【0019】

上記（４）の構成によれば、燃料電池で発電を開始した後、充電残量検知部の検知値が第２閾値以上になると、二次電池が十分充電されたとして燃料電池の発電を停止する。本実施形態では、このような発電停止の際に、まず、燃料極への加湿水素ガスの供給を停止する。このとき空気極には加湿空気ガスの供給が継続されているので、燃料極に残存している水素が使い切られるまで、燃料電池は少なからず発電を継続することとなる（言い換えれば、燃料極に残存している水素がなくなると、発電は停止する）。このように発電停止時に燃料極に残存した水素を使い切ることができるので、無駄に水素を排出することがなく、良好な燃費性能が得られる。

【0020】

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）又は（４）の構成において、前記燃料極に無加湿空気ガスを供給可能な燃料極空気ガス供給管を更に備え、前記制御部は、前記充電残量検知部の検知値が予め設定された第１閾値以下になった場合に、前記燃料極空気ガス供給管から前記燃料極に無加湿空気ガスを供給すると共に前記空気ガス供給管から前記空気極に無加湿空気ガスを供給した後、前記燃料極に前記燃料ガス供給管から前記無加湿水素ガスを供給するように制御する。

【0021】

上記（５）の構成によれば、燃料電池の起動時に燃料極及び空気極に無加湿空気ガスを供給する。上述したように、燃料電池の起動時には、燃料極に無加湿水素ガスを供給することにより、電極間のプロトン伝導度を低下させる。このように逆電流を十分に抑制可能な程度にプロトン伝導度を低下させるためには、時間をかけて多量の無加湿水素ガスを供給しなければならない場合がある。本実施形態では、このような場合であっても、両極に無加湿空気ガスを供給することによって、水素消費量を抑えながら、プロトン伝導度を十分に低下させることができるので、良好な燃費性能を得ることができる。

【0022】

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）の構成において、前記燃料電池の起動回数を検知する起動回数検知部と、前記燃料ガス供給管の接続先を前記燃料極から前記空気極に切り替えると共に、前記空気ガス供給管の接続先を前記空気極から前記燃料極に切り替えることが可能に構成された切替機構とを更に備え、前記制御部は、前記起動回数検知部の検知値が予め設定された所定回数に達した場合に、前記切替機構を作動させる。

【0023】

上記（６）の構成によれば、燃料電池の起動回数が所定回数に達すると、切替機構を作動させることにより、燃料ガス供給管と空気ガス供給管とを入れ替えるように制御が実施される。起動時の劣化発生時には、燃料極に比べて空気極において、電極の腐食が速く進行する。そのため、起動回数が所定回数に達すると、切替機構を作動して燃料ガス供給管と空気ガス供給管とを入れ替えることにより、燃料極と空気極とを入れ替える。これにより、一方の電極のみが腐食し続ける場合に比べて、長寿命な燃料電池システムを実現することができる。

【0024】

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）から（６）のいずれか１構成において、前記制御部は、前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給すると同時或いはその後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、前記燃料極及び前記空気極間の出力電圧が起電力に対応する第１の所定値になった後、前記出力電圧が前記第１の所定値より低く設定された第２の所定値になるように負荷側の容量を制御する。

【0025】

上記（７）の構成によれば、制御部は、燃料極及び空気極に対して無加湿ガスを供給することにより出力電圧が第１の所定値になった後、出力電圧が第２の所定値（第１の所定値より低く、且つ、充電時の第３の所定値より高い値）になるように負荷側の容量を制御する。すなわち、出力電圧を第３の所定値に低下させて本番充電を実施する際に、出力電圧が第２の所定値を経て段階的に低下になるように制御される。これにより、負荷変動時に出力電圧が大きく変化することに起因する電極触媒の劣化を抑制することができる。
またこのような出力電圧の段階的な変化は、各電極に無加湿ガスが供給されることによって充電電流が小さな状態で実施される。このような状態は燃料電池の発電特性が低い反面、劣化感度も低い。そのため、負荷変動に伴う出力電圧による劣化も生じにくい。
このように本実施形態によれば、出力電圧の変化を劣化感度が低い状態で段階的に実施することによって、負荷変動時に生じる劣化を効果的に抑制できる。

【0026】

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、前記制御部は、前記第２の所定値が時間の経過に従って段階的に低下するように前記負荷側の容量を制御する。

【0027】

上記（８）の構成によれば、出力電圧を段階的に低下させることにより、負荷変動時の出力電圧の変化を緩やかにできる。これにより、負荷変動に伴う劣化をより効果的に抑制できる。

【0028】

（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、前記制御部は、前記出力電圧を前記第３の所定値に第３の所定時間維持した後に、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給する。

【0029】

上記（９）の構成によれば、出力電圧が第３の所定値の状態で第３所定時間維持することにより、その間に出力電圧が安定する。その後に燃料極及び空気極に加湿ガスをそれぞれ供給することにより、負荷変動時の劣化を抑制しながら、本番充電に良好に移行することができる。

【0030】

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、前記制御部は、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給した後、前記負荷側の容量を増加させるように制御する。

【0031】

上記（１０）の構成によれば、燃料極及び空気極に加湿ガスを供給すると燃料電池の充電特性向上に伴って出力電圧は上昇傾向を示すが、このタイミングで負荷側の容量を増加させることによって充電電流を増加させることで、出力電圧の増加を抑制できる。これにより、出力電圧の変動が軽減され、本番充電電圧の領域内に留めることができるため、当該変動に起因する劣化を効果的に抑制できる。

【0032】

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、前記制御部は、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給した後、前記出力電圧が本番充電電圧の領域に内に収まるように前記負荷側の容量を制御する。

【0033】

上記（１１）の構成によれば、本番充電への移行時に出力電圧が本番充電電圧の領域内に収まるように負荷側の容量を制御する。これにより、出力電圧の変動に起因する劣化を効果的に抑制できる。最終的に、本番充電電圧領域に内に収まった充電電流を本番充電電流として制御することで、駆動バッテリへ本番充電を開始する。

【0034】

（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る電動車両では上記課題を解決するために、燃料極及び空気極を備える燃料電池で発電した電力、又は、二次電池から供給される電力で駆動される電動機を動力源として搭載する電動車両であって、前記燃料極に接続され、無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を燃料ガスとして前記燃料極に選択的に供給可能な燃料ガス供給管と、前記空気極に接続され、無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を空気ガスとして前記空気極に選択的に供給可能な空気ガス供給管と、前記燃料ガス供給管における燃料ガスの流量、及び、前記空気ガス供給管における前記空気ガスの流量をそれぞれ制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料極及び前記空気極のうち少なくとも前記燃料極に対して、前記無加湿水素ガスを供給した後に前記加湿水素ガスを供給するように燃料ガスの流量を制御することを特徴とする。

【0035】

上記（１２）の構成によれば、上述の燃料電池システムを利用した電動車両を実現することができる。
尚、本実施形態に係る電動車両は、上記（１）乃至（６）の構成と組み合わせることを妨げない。

【0036】

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、前記燃料電池で発電された電力を蓄積可能な複数の二次電池と、前記燃料電池で発電された電力を前記電動機及び前記複数の二次電池に分配可能な電力制御器とを更に備え、前記制御部は、前記複数の二次電池のうち充電残量が多い方を前記電動機に電気的に接続すると共に、充電残量が少ない方に前記燃料電池で発電された電力を供給するように前記電力制御器を制御する。

【0037】

上記（１３）の構成によれば、複数の二次電池のうち充電残量が多い方を用いて外部負荷である電動機を駆動する一方で、充電残量の少ない二次電池に燃料電池で発電した電力を充電できる。このように燃料電池を二次電池の充電用として機能させることで、電動車両の走行中においても必要に応じた充電が可能となり、航続距離の延長を図ることができる。

【0038】

また上述したように、本実施形態に係る燃料電池では、起動時の逆電流を抑制するために無加湿ガスを供給する時間が必要な分だけ、従来に比べて起動時間が長くなる。しかしながら、このように電動機の駆動用とは別の二次電池に対して充電することによって、起動時間の長さも問題とならなくなる。つまり、燃料電池は駆動用に使用されていない二次電池に対して充電を行うので、燃料電池の起動時間が多少長くなったとしても問題になることはない。

【0039】

補足して説明すると、これまで一般的に研究開発が行われている電動車両では、燃料電池で発電した電力を直接電動機に供給する方式が多く、この場合、車両始動時から必要電力を賄う必要があるため、迅速な起動時が求められる。一方、本実施形態のように複数の二次電池を併用する方式では、起動時間を短くする要求が比較的厳しくない。そのため、上述したように、無加湿ガスを供給する時間が必要となる燃料電池システムとの相性がよく、そのメリットを発揮しやすいと言える。

【0040】

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）の構成において、前記燃料電池で発電された電力を蓄積可能な二次電池と、前記燃料電池で発電された電力を前記電動機及び前記二次電池に分配可能な電力制御器とを更に備え、前記制御部は、前記燃料電池で発電した電力を前記電動機に供給し、その余剰電力が前記二次電池に充電されるように前記電力制御器を制御する。

【0041】

上記（１４）の構成によれば、単一の二次電池を備える場合には、燃料電池で発電した電力を直接的に電動機に供給しながら、その余剰電力を二次電池に充電することで、燃料電池１の起動回数を不必要に増加させることなく、効率的な充放電制御を行うことができる。また余剰電力を利用して電動車両の走行中での充電が可能となるので、航続距離の延長に寄与できる。

【発明の効果】

【0042】

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料電池の起動時又は負荷変動時に発生する劣化を効果的に抑制可能な燃料電池システム及び該燃料電池システムを搭載した電動車両を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】実施例１に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。

【図2】図２の燃料電池システムの制御内容を手順毎に示すフローチャートである。

【図3】図２の燃料電池システムに関する各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートである。

【図4】図２の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【図5】実施例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。

【図6】図５の燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。

【図7】図５の燃料電池システムにおける各種パラメータのタイムチャートである。

【図8】図５の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【図9】実施例３に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。

【図10】実施例４に係る燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。

【図11】図１０の燃料電池システムの各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートである。

【図12】図１０の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【図13】実施例５に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。

【図14】図１３の燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。

【図15】図１３の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【図16】実施例６、７に係る燃料電池システムの制御内容を手順毎に示すフローチャートである。

【図17】図１の燃料電池システムに関する各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートである。

【図18】図１の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【図19】実施例７に係る図５の燃料電池システムに関する各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートである。

【図20】実施例７に係る図５の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

【0045】

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、又は、「直交」等の相対的な配置関係を表す表現は、厳密にそのような相対的配置関係を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度をもって相対的に傾斜している状態も表すものとする。また例えば四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等のみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。

【0046】

一方、一の構成要素を「備える」、「具備する」、「含む」又は「有する」という表現は他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0047】

（実施例１）
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の全体構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１００は、電解質膜２と、該電解質膜２の一面側に設けられた燃料極４と、該電解質膜２の他面側に設けられた空気極６と備える燃料電池１を有する。燃料電池１は、電解質膜２、燃料極４及び空気極６の他に、ガス拡散層、セパレータを備えた基本構成を有する単一の燃料電池が積層した燃料電池スタックとなっているが、このような構成は典型的な燃料電池の構成に倣うため、図１では図示を省略することとする。

【0048】

燃料極４の上流側には燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ガス供給ライン８が接続されており、下流側には該水素ガスを排出するための水素ガス排出ライン１０が接続されている。また空気極６の上流側には空気ガスを供給するための空気ガス供給ライン１２が接続されており、下流側には該空気ガスを排出するための空気ガス排出ライン１４が接続されている。

【0049】

水素ガス供給ライン８は、高圧の水素ガスを蓄積する水素ガス貯蔵タンク１６に接続されている。水素ガス供給ライン８のうち水素ガス貯蔵タンク１６の吐出口近傍には、水素ガスの供給ＯＮ／ＯＦＦを切り換えるための元弁１８が設けられており、その下流側には元弁１８を通過した水素ガスの圧力を調整するための圧力調整器２０が設けられている。

【0050】

水素ガス供給ライン８は、圧力調整器２０の下流側で加湿水素ガスライン２２と無加湿水素ガス供給ライン２４とに分岐されている。加湿水素ガスライン２２上には弁２６、及び、加湿器２８が設けられている。弁２６が開状態になると、水素ガス貯蔵タンク１６から吐出された水素ガスは加湿水素ガスライン２２に導入され、加湿器２８によって加湿水素ガスに生成される。一方、無加湿水素ガスライン２４は加湿器２６をバイパスするように設けられており、弁３０が開状態になると水素ガス貯蔵タンク１６から吐出された湿度の低い水素ガスがそのまま無加湿水素ガスとして燃料極４に供給可能に構成されている。

【0051】

加湿水素ガス供給ライン２２及び無加湿水素ガス２４は下流側で互いに合流した後、燃料極４に接続されている。水素ガス供給ライン８はこのように構成されることによって、弁２６及び弁３０をそれぞれ開閉制御することによって、燃料極４に対して加湿水素ガス又は無加湿水素ガスを供給可能に構成されている。

【0052】

空気ガス供給ライン１２は、大気を圧縮供給可能なエアコンプレッサ３２に接続されている。空気ガス供給ライン１２のうちエアコンプレッサ３２の吐出口近傍には、空気ガスの供給ＯＮ／ＯＦＦを切り換えるための元弁３４が設けられている。空気ガス供給ライン１２は、元弁３４の下流側に設けられた三方弁３６によって加湿空気ガスライン３８及び無加湿空気ガスライン４０に分岐されている。加湿空気ガスライン３８上には、加湿器４２が設けられており、三方弁３６を通過した空気ガスを加湿することによって、加湿空気ガスが生成される。一方、無加湿空気ガスライン４０は加湿器４２をバイパスするように設けられており、三方弁３６を通過した湿度の低い空気ガスがそのまま無加湿空気ガスとして供給可能に構成されている。

【0053】

加湿空気ガス供給ライン３８及び無加湿空気ガスライン４０は下流側で互いに合流した後、空気極６に接続されている。空気ガス供給ライン１２はこのように構成されることによって、三方弁３６を開閉制御することによって、空気極６に対して加湿空気ガス又は無加湿空気ガスを供給可能に構成されている。

【0054】

空気ガス供給ライン１２の一部である燃料極空気ガス供給ライン４４は、エアコンプレッサ３２及び元弁３４間から分岐しており、燃料極４に接続されている。燃料極空気ガス供給ライン４４上にはバルブ４６が設けられており、当該バルブ４６を開閉制御することにより、燃料極４にも無加湿空気ガスが供給可能に構成されている。

【0055】

尚、図１では、図示をわかりやすくするために、燃料極４の上流側において無加湿水素ガス供給ライン２４と燃料極空気ガス供給ライン４４とが独立して示されているが、実際には共通の配管であり、条件に応じて各種バルブ等を開閉することにより水素ガス又は空気ガスが流れるように構成されている。

【0056】

水素ガス排出ライン１０上には排気弁４８が設けられており、該排気弁４８を開閉制御することにより、燃料極４の残留ガスを排出可能に構成されている。水素ガス排出ライン１０から排出された残留ガスは水素ガス希釈装置５０に送られ、空気ガス排出ライン１４を介して排出される空気極６側の残留ガスによって希釈された後、外部に排出される。

【0057】

尚、上述したように燃料極４には水素ガスだけでなく空気ガスが供給される場合もあるため、図１では水素ガス排出ライン１０に平行して空気ガスが流れるラインを示しているが、実際には一本の配管で構成されている。

【0058】

尚、空気ガス排出ライン１４は加湿器４２を経由するように構成されている。燃料極に比べて空気極の酸素還元反応は分極（過電圧）がより大きく、出力性能の低下を招く。そのため、空気ガスの排出側に背圧制御器７２（一例として背圧弁の開度調整によって背圧制御）を設け、空気極の酸素分圧を増加させることで、酸素の拡散能を向上させ、出力性能を高める構成としている。

【0059】

また燃料極４の残留した水素ガスの一部は再循環ポンプ５２が設けられたライン５４を介して水素ガス供給ライン８に戻される。ライン５４には三方弁５６が設けられており、該三方弁５６を開閉制御することによって、加湿水素ガスライン２２又は無加湿水素ガス供給ライン２４に再循環可能に構成されている。燃料電池の燃料に供給された水素ガスについて、一部未反応のまま排出されてしまう水素ガスがあるため、水素を再循環する機構を設けることで水素燃料利用率を高めることができる。

【0060】

このように構成された燃料電池１は、電力制御器５８を介して、外部負荷６０及び駆動用バッテリ６２に接続されている。外部負荷６０は燃料電池１で発電された電力を消費する負荷であり、本実施形態では特に電動車両の動力源として機能する駆動用モータ（電動機）である。駆動用バッテリ６２ａ、６２ｂ（以下、２つの駆動用バッテリを総称する場合は単に符号６２で示すこととする）は、燃料電池１で発電された電力を外部負荷６０の駆動用電力として蓄電する二次電池である。

【0061】

駆動用バッテリ６２ａ、６２ｂは互いに並列に接続されており、電力制御器５８によってそれぞれ燃料電池１及び外部負荷６０に対して、電気的に接続・切断可能に構成されている。本実施形態では、２つの駆動用バッテリ６２のうち、充電残量が大きい一方（後述する図４ではバッテリ６２ｂ）を外部負荷６０に接続して駆動しつつ、充電残量が少ない他方（後述する図４ではバッテリ６２ａ）に対して燃料電池１で発電した電力を充電するように制御される。このように燃料電池１の主機能を駆動用バッテリ６２の充電になるように制御することで、電動車両の走行中での充電が可能となり、航続距離の延長を図ることができる。

【0062】

電力制御器５８は、燃料電池システム１００のコントロールユニットである制御部６４からの指令に基づいて、燃料電池１、外部負荷６０及び駆動用バッテリ６２間の電気的接続状態を制御する。制御部６４では、燃料電池システム１００に設けられた各種センサの検知結果に基づいて、後述する各種制御が実施される。

【0063】

本実施形態では、このように制御に用いられるパラメータを取得するためのセンサ、制御器類として、以下のデバイスが設置されている。電圧センサ６６は燃料電池１の燃料電池電圧Ｖを検知するためのデバイスであり、抵抗センサ６８は燃料電池１の内部抵抗Ｒを検知するためのデバイスであり、ＳＯＣセンサ７０は駆動用バッテリ６２の充電残量ＳＯＣを検知するためのデバイスであり、背圧制御器７２は空気ガス排出ライン１４の背圧Ｐを検知するためのデバイスであり、水素濃度センサ７４はそれぞれ燃料極４における水素ガス濃度Ｃ_Ｈ２を検知するためのデバイスである。これらの各種センサの検知値は制御信号として制御部６４に取り込まれ、後述する各種制御に利用される。

【0064】

続いて、上記構成を有する燃料電池システム１００の具体的な制御内容について説明する。図２は図１の燃料電池システム１００の制御内容を手順毎に示すフローチャートであり、図３は、図１の燃料電池システム１００に関する各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートであり、図４は図１の燃料電池システム１００における各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【0065】

尚、図３では各種パラメータとして、（ａ）燃料極４への空気ガス供給量、（ｂ）空気極６への空気ガス供給量、（ｃ）燃料極４への水素ガス供給量、（ｄ）燃料極４における水素濃度（水素濃度センサ７４の検知値Ｃ_Ｈ２）、（ｅ）燃料電池１の内部抵抗（抵抗センサ６８の検知値Ｒ）、（ｆ）燃料電池１の燃料電池電圧（電圧センサ６６の検知値Ｖ）、（ｇ）燃料電池１の出力、（ｈ）駆動用バッテリ６２の充電残量（ＳＯＣセンサ７０の検知値ＳＯＣ）、（ｉ）ＥＶ出力、（ｊ）走行出力を示している。ここで、走行出力は、外部負荷（電動機）６０から出力されるドライバーの出力要求に応じた駆動力を指し、ＥＶ出力は、その要求出力に対応した駆動バッテリからの駆動バッテリ出力を意味する。

【0066】

まず制御部６４は燃料電池起動条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０１）。燃料電池起動条件は、燃料電池１による発電を開始するか否かを判定するための条件であり、具体的には、制御部６４がＳＯＣセンサ７０の検知値を取得することにより、駆動用バッテリ６２の充電残量が所定閾値（無加湿Ｈ_２供給判定ＳＯＣ１：図３（ｈ）を参照）以下である場合に成立したと判定される。燃料電池起動条件が成立しない場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、すなわち駆動用バッテリ６２の充電残量がＳＯＣ１より大きい場合は、駆動用バッテリ６２に十分な電力が残っているため、燃料電池１による発電は不要と判断し、燃料電池１を起動しない。これにより、燃料電池１の作動回数を少なく抑えることができるので、燃料電池１の長寿命化を図ることができる。

【0067】

本実施例では図３（ｈ）に示されているように、駆動用バッテリ６２の充電残量が所定閾値ＳＯＣ１以下となる時刻ｔ０において、燃料電池起動条件が成立した場合が示されている。尚、無加湿Ｈ_２供給判定ＳＯＣ１は駆動用バッテリ６２のフル充電時を１００％とすると、例えば２０−５０％の範囲で設定されることが好ましい。

【0068】

燃料電池起動条件が成立すると（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、制御部６４は第１起動開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。第１起動開始条件は、具体的には、燃料極４に設置された水素濃度センサ７４の検知値Ｃ_Ｈ２が所定閾値（無加湿Ｈ_２供給判定濃度Ｃ_Ｈ２１：図３（ｄ）を参照）以下である場合に成立したと判定される。第１起動開始条件が成立した場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、すなわち燃料極４の水素濃度が閾値Ｃ_Ｈ２１以下である場合、制御部６４は燃料極４に空気が残存していると考えられるため、燃料極４に対して無加湿水素ガスを供給する（ステップＳ１０３）。

【0069】

燃料電池システム１００を起動する際には、燃料電池システム１００の停止期間中に、燃料極４に大気が侵入することにより酸素が残存している場合がある。このような残存空気は、逆電流が発生する原因となる。そのため、本実施形態では、燃料極４の水素濃度が低いことにより残存空気が存在すると判定された場合には、起動時に燃料極４に無加湿水素ガスを供給する。これにより、電極間の逆電流の発生を防止し、起動時における劣化発生を効果的に抑制できる。

【0070】

尚、ステップＳ１０３における無加湿水素ガスの供給は、制御部６４によって、元弁１８を開状態にし、圧力調整器２０を減圧状態にし、弁２６を閉状態にし、弁３０を開状態にし、再循環ポンプ５２を作動状態にし、三方弁５６を無加湿水素ガス供給ライン２４側に開状態に設定することによって実施される。尚、排気弁４８は基本的に閉状態であるが、空気極６からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物が濃縮してきた場合のみ開状態に切り換えるとよい。

【0071】

一方、第１起動開始条件が成立しない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、制御部６４は燃料極４に残留空気が少ないため、ステップＳ１０３〜ステップ１０６における操作は不要であると判断し、次の処理（Ｓ１０７）に進める。このように、燃料極４に残留空気が多く残っている場合に限って無加湿水素ガスの供給を行うことにより、水素ガスの使用量を削減し、燃費性能を向上でき、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０６を省略する分だけ、燃料電池１の起動時間を短縮することもできる。また、第１起動開始条件が成立しない場合では（ステップＳ１０２：ＮＯ）、燃料極４に加湿水素ガス、空気極６に加湿空気ガスを供給することになるが（Ｓ１０７）、このような時、燃料極４の水素は十分に残存しており、加湿ガスを供給した場合であっても、逆電流による燃料電池の劣化は生じ難くなるため、ステップ１０３〜ステップ１０６の省略が可能になる。

【0072】

尚、ステップＳ１０２では燃料極４の水素濃度のみに基づいて第１起動開始条件を判定しているが、これに代えて又は加えて、電圧センサ６６の検知値Ｖ（燃料電池１の燃料電池電圧）が所定閾値（無加湿Ｈ_２供給判定燃料電池電圧Ｖ１：図３（ｆ）を参照）以上であるか否か、抵抗センサ６８の検知値Ｒが所定閾値（無加湿Ｈ_２供給判定内部抵抗Ｒ１：図３（ｅ）を参照）以上であるか否かに基づいて判定することで、制御精度を向上させてもよい。

【0073】

続いて制御部６４は、第２起動開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。第２起動開始条件は、具体的には、燃料極４に設置された水素濃度センサ７４の検知値が所定閾値（無加湿空気極Ａｉｒ供給判定濃度Ｃ_Ｈ２２：図３（ｄ）を参照）以上である場合に成立すると判定される。これに代えて又は加えて、電圧センサ６６の検知値Ｖ（燃料電池１の燃料電池電圧）が所定閾値（無加湿空気極Ａｉｒ供給判定燃料電池電圧Ｖ２：図３（ｆ）を参照）以上であるか否かに基づいて判定することで、制御精度を向上させてもよい。

【0074】

第２起動開始条件が成立した場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、制御部６４は空気極６に対して無加湿空気ガスを供給する（ステップＳ１０５）。このように第２起動開始条件（Ｓ１０４）成立後、空気極６に無加湿空気ガスを供給することにより、燃料極内部は十分に水素ガスで満たされた状態の下、無加湿空気ガスが供給されることになる。そのため、燃料極では、前記無加湿水素ガスの供給により一時的な水素と空気の共存が生じていない状態を形成していることになり、無加湿空気ガス供給後に伴う燃料電池電圧上昇をより抑制することができる。その結果、空気極６に用いられている電極触媒（一般的にＰｔ／カーボン）の劣化が進行することを効果的に防止できる。

【0075】

ステップＳ１０３で燃料極４に無加湿水素ガスが供給されると共に、ステップＳ１０５で空気極６に無加湿空気ガスが供給される様子を模式的に示したのが図４（ｂ）である。

【0076】

尚、ステップＳ１０５における無加湿空気ガスの供給は、制御部６４によって、エアコンプレッサ３２を作動状態、元弁３４を開状態、三方弁３６を無加湿空気ライン側に開状態に設定することによって実施される。

【0077】

一方、第２起動開始条件が成立しない場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、制御部６４は燃料極４に対して十分な水素ガスが満たされていないと判定するため、無加湿空気ガスの供給は開始されず、第２起動開始条件（Ｓ１０４）が成立するまで、無加湿水素ガスの供給を継続する。このように、燃料極４に十分な水素ガスを満たしたとみなす成立条件を設けることで、燃料電池の劣化進行を効果的に防止できる。

【0078】

尚、本実施例のように燃料電池１の起動時に、燃料極４及び空気極６の両方に無加湿ガスを供給することが好ましいが、いずれか一方に無加湿ガスを供給してもよい。この場合、両極に無加湿ガスを供給する場合に比べて効果度合いは低下するものの、一方の電極側から乾燥状態にすることが可能であるため、少なからず同様の効果を得ることができる。

【0079】

続いて制御部６４は、発電準備完了条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。発電準備完了条件は、具体的には、ステップＳ１０３及びＳ１０５の開始から所定時間（加湿ガス供給判定時間Ｔ１：図３（ｂ）を参照）が経過し、且つ、電圧センサ６６の検知値Ｖが所定閾値（加湿Ｈ_２加湿Ａｉｒ供給判定燃料電池電圧Ｖ３：図３（ｆ）を参照）以上になったか否かに基づいて判定する。

【0080】

発電準備完了条件が成立すると（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、制御部６４は燃料極４に加湿水素ガスを供給すると共に、空気極６に加湿空気ガスをそれぞれ同時もしくは順に供給する（ステップＳ１０７、加湿水素ガス、無加湿水素ガスの供給手順は限定しない）。ステップＳ１０７の様子を模式的に示したのが図４（ｃ）である。このように加湿ガスを各極に対して供給することにより、燃料電池１を構成する電解質膜や結合剤のプロトン伝導度が増大し、発電準備がなされる。加湿水素ガス、加湿空気ガスの供給手順は、早期に発電＆充電開始（Ｓ１０９）させる観点から、同時供給がより好ましい。

【0081】

尚、ステップＳ１０７における加湿水素ガスの供給は、具体的には、制御部６４によって、弁２６を開状態に切り換えると共に弁３０を閉状態に切り換えることによって実施される。またステップＳ１０７における加湿空気ガスの供給は、具体的には、制御部６４によって、三方弁３６を無加湿空気ガス供給ライン４０側から加湿空気ガスライン３８側に切り換えることによって実施される。

【0082】

このように発電準備が完了すると、制御部６４は発電開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０８）。発電開始条件は、具体的には、抵抗センサ６８の検知値Ｒが所定閾値（ＦＣ発電開始判定内部抵抗Ｒ２：図３（ｅ）を参照）以下であるか否かに基づいて判定する。発電開始条件が成立すると（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部６４は電力制御器５８に指令を出すことによって、燃料電池１を充電残量が少ない駆動用バッテリ６２ａに電気的に接続することにより、燃料電池１で発電された電力を充電する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０９の様子を模式的に示したのが図４（ｄ）である。

【0083】

尚、ステップＳ１０８では燃料電池１の内部抵抗Ｒのみに基づいて発電開始条件を判定しているが、これに代えて又は加えて、電圧センサ６６の検知値Ｖが所定閾値（ＦＣ発電開始判定電圧Ｖ４：図３（ｆ）を参照）以上であるか否か、ステップＳ１０７が実施された後に所定時間（発電開始時間Ｔ２：図３（ｂ）を参照）経過して燃料電池１の状態が安定したか否かに基づいて判定することで、より精度のよい判定を行ってもよい。

【0084】

燃料電池１が発電している間、制御部６４は第１発電終了条件が成立するか否かを監視する（ステップＳ１１０）。第１発電終了条件は、具体的には、ＳＯＣセンサ７０の検知値が所定閾値（ＦＣ発電終了判定ＳＯＣ２：図３（ｈ）を参照）に達したか否かに基づいて判定する。

【0085】

第１発電終了条件が成立すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部６４は燃料極４への加湿水素ガスの供給を停止する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１は、具体的には制御部６４が、元弁１８を閉状態にし、圧力調整器２０を停止状態にし、弁２６を開状態にし、再循環ポンプ５２を停止状態にすることによって実施される。ステップＳ１１１の様子を模式的に示したのが図４（ｅ）である。

【0086】

すなわち、第１発電終了条件が成立した時点では、空気極６への加湿空気ガスの供給は継続したままであるため、燃料電池１は燃料極４に残存している加湿水素ガスを利用して発電を継続することができる。つまり、第１発電終了条件の成立後も燃料極４に水素ガスが残っている間、燃料電池１は少なからず発電を継続する。このように、本実施形態では先に加湿水素ガスの供給を停止することで、燃料極４に残存した水素ガスを無駄なく使いきることができ、良好な燃費性能が得られる。

【0087】

続いて制御部６４は、第２発電終了条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。第２発電終了条件では、制御部６４は、電圧センサ６６の検知値Ｖが所定閾値（無加湿空気極Ａｉｒ供給判定燃料電池電圧Ｖ５：図３（ｆ）を参照）以下になったか否かを判定する。第２発電終了条件が成立すると（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、制御部６４は外部負荷６０を電気的に隔離すると共に、空気極６に供給されている加湿空気ガスを無加湿空気ガスに切り換える（ステップＳ１１４）。これにより、空気極６に無加湿空気ガスを燃料極４より先に供給することによって、電極間のプロトン伝導度を低下（内部抵抗の増大）させ、逆電流が流れにくい条件を形成させる。

【0088】

尚、ステップＳ１１４における無加湿空気ガスへの切替は、制御部６４によって三方弁３６を加湿空気ガス供給ライン３８側から無加湿空気ガスライン４０側に切り換えることによって実施される。ステップＳ１１４の様子を模式的に示したのが図４（ｆ）である。

【0089】

続いて制御部６４は、第３発電終了条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１１５）。第３発電終了条件は、抵抗センサ６８の検知値Ｒが所定閾値（無加湿燃料極Ａｉｒ供給判定内部抵抗Ｒ３：図３（ｅ）を参照）以上に到達したか否かを判定する。第３発電終了条件が成立すると（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、制御部６４は、空気極６への無加湿空気ガスの供給を停止すると共に、燃料極４に無加湿空気ガスを供給する（ステップＳ１１６）。

【0090】

尚、ステップＳ１１６における空気極６への無加湿空気ガスの供給停止は、元弁３４を閉状態に切り換えることによって実施される。またステップＳ１１６における燃料極４への無加湿空気ガスの供給は、バルブ４６を開状態にすることで、ライン４４を介して実施される。

【0091】

そして制御部６４は完全停止条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１１７）。完全停止条件は、燃料極４に設置された水素濃度センサ７４の検知値が所定閾値（完全停止判定Ｈ_２濃度Ｃ_Ｈ２３：図３（ｄ）を参照）に到達し、且つ、ステップＳ１１６の実施から所定時間（完全停止時間Ｔ３：図３（ｂ）を参照）が経過したか否かにより、成否が判定される。

【0092】

完全停止条件が成立した場合（ステップＳ１１７：ＹＥＳ）、制御部６４は、燃料極４への無加湿空気ガスの供給を停止し、両極に空気雰囲気を形成することにより、燃料電池システム１００を完全停止させる（ステップＳ１１８）。ステップＳ１１８では、具体的にはエアコンプレッサ３２を停止状態にし、水素ガス排気弁４８を閉状態にし、バルブ４６を閉状態に設定することにより実施される。このように完全停止時に各極を空気ガスで満たして乾燥させることで、例えば寒冷地で残留水分が凍結して膨張することによって、内部の各種構造体を壊して故障することを防止できる。また、次回の起動時においても燃料電池１は乾燥状態になっているため、起動時間を短縮することが可能である。

【0093】

以上説明したように本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１の起動時に燃料極４及び空気極６に無加湿ガスを供給することによって、電極間のプロトン伝導度を低下（内部抵抗の増大）させる。これにより、起動時に生じる逆電流を防止し、劣化発生を効果的に抑制できる。

【0094】

（実施例２）
ここで図５は本実施例に係る燃料電池システム２００の概略構成を示す模式図であり、図６は図５の燃料電池システム２００の制御内容を示すフローチャートであり、図７は図５の燃料電池システム２００における各種パラメータのタイムチャートであり、図８は図５の燃料電池システム２００における各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【0095】

図５に示すように、燃料電池システム２００は駆動用バッテリ６２を一つのみ有している点において、上述の燃料電池システム１００と異なっている。燃料電池システム２００を起動する際には、上述の燃料電池システム１００と同様に、まず燃料電池起動条件が成立したか否か（ＳＯＣが無加湿水素Ｈ_２ガス供給判定ＳＯＣ１以下であるか否か）を判定し（ステップＳ２０１）、該燃料電池起動条件が成立した場合に、燃料電池１を起動する（ステップＳ２０２）。

【0096】

燃料電池１が起動すると（詳細な起動過程については、実施例１（図２等を参照）と同様であるので詳細な説明は割愛する）、燃料電池１で発電された電力は外部負荷６０に供給される（ステップＳ２０３）。そして、制御部６４は燃料電池１に余剰電力があるか否かを判定し（ステップＳ２０４）、余剰電力がある場合、その余剰電力を駆動用バッテリ６２に充電する（ステップＳ２０５）。すなわち、図７（ｇ）においてハッチングで示した領域分が、余剰電力として駆動用バッテリ６２に充電される。

【0097】

以上説明したように本実施形態に係る燃料電池システム２００によれば、単一の駆動用バッテリ６２を備える場合には、燃料電池１で発電した電力を直接的に電動機である外部負荷６０に供給しながら、その余剰電力を駆動用バッテリ６２に充電することで、燃料電池１の起動回数を不必要に増加させることなく、効率的な充放電制御を行うことができる。また余剰電力を利用して電動車両の走行中での充電が可能となるので、航続距離の延長に寄与する。

【0098】

（実施例３）
図９は本実施形態に係る燃料電池システム３００の全体構成を示すブロック図である。尚、図９では上述した他の実施形態と共通する箇所には共通の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。

【0099】

前述の燃料電池システム１００、２００では、水素ガス供給ライン８は圧力調整器２０の下流側で加湿水素ガスライン２２と無加湿水素ガス供給ライン２４とに分岐されていたが（図１、図５を参照）、本実施形態では、水素ガス供給ライン８は無加湿水素ガス供給ラインのみから構成されており、加湿水素ガスラインが存在していない。すなわち、水素ガス供給ライン８側には加湿器が設けられていない。

【0100】

燃料電池システム３００の制御内容は、基本的には実施例１と同様であるが（図２を参照）、ステップＳ１０７において発電準備を行う際には、燃料極４に無加湿水素ガスの供給を継続しながら、空気極６のみに加湿空気ガスを供給するように変更する点でのみ異なることとなる。このように上記実施例は、加湿器が少ないシンプルな構成を有する場合についても適用可能である。

【0101】

（実施例４）
本実施例に係る燃料電池システム４００は、上述の実施例１に係る燃料電池システム１００と同じ構造を有するが（図１を参照）、起動時に追加の制御が加わる点において異なる。図１０は本実施例に係る燃料電池システム４００の制御内容を示すフローチャートであり、図１１は図１０の燃料電池システム４００の各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートであり、図１２は図１０の燃料電池システム４００における各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【0102】

まず制御部６４は上記ステップＳ１０１と同様に、燃料電池起動条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ４０１）。燃料電池起動条件が成立すると（ステップＳ４０１：ＹＥＳ）、制御部６４はプレ起動開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ４０２）。プレ起動開始条件は、燃料極４及び空気極６に設置されたそれぞれの水素濃度センサ７４の検出値が所定閾値（無加湿空気ガス供給判定濃度ＣＨ_２０：図１１（ｄ）を参照）以下であるか否かに基づいて判定する。

【0103】

尚、ステップＳ４０２ではプレ起動開始条件を水素濃度のみに基づいて判定しているが、これに加えて又は代えて、抵抗センサ６８の検知値が所定閾値（無加湿Ａｉｒ供給判定内部抵抗Ｒ０：図１１（ｅ）を参照）以下であるか否かに基づいて判定することによって、より精度のよい判定を行ってもよい。

【0104】

プレ起動開始条件が成立すると（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、制御部６４は燃料極４及び空気極６に無加湿空気ガスをそれぞれ供給する（ステップＳ４０３）。ステップＳ４０３では具体的には、制御部６４がエアコンプレッサ１６を作動状態、弁２６を閉状態、弁３０を開状態、元弁３４を開状態、三方弁３６を無加湿空気ガスライン側に開状態、バルブ４６を開状態、排気弁４８を開状態に制御することによって実施される。
尚、ステップＳ４０３において、燃料極４及び空気極６に無加湿空気ガスが供給されている様子を模式的に示しているのが、図１２（ｂ）である。

【0105】

続いて、制御部６４は上述のステップＳ１０２と同様に、第１起動開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ４０４）。第１起動開始条件では、具体的には、燃料極４に設置された水素濃度センサ７４の検知値が閾値（無加湿水素ガス供給判定濃度ＣＨ_２１：図１１（ｄ）を参照）以下であるか否かに基づいて判定される。第１起動開始条件が成立した場合（ステップＳ４０４：ＹＥＳ）、すなわち燃料極４の水素濃度が閾値以下である場合、制御部６４は燃料極４に空気が残存していると考えられるため、燃料極４に対して無加湿水素ガスを供給すると共に、空気極６への無加湿空気ガスの供給を停止する（ステップＳ４０５）。これに加えて又は代えて、抵抗センサ６８の検知値が所定閾値（無加湿Ｈ_２供給判定内部抵抗Ｒ１：図１１（ｅ）を参照）以上であるか否かに基づいて判定することによって、より精度のよい判定を行ってもよい。
尚、ステップＳ４０５において、燃料極４に無加湿水素ガスが供給されている様子を模式的に示しているのが、図１２（ｃ）である。

【0106】

尚、ステップＳ４０５の動作は、制御部６４によって、元弁１８を開状態にし、圧力調整器２０を減圧状態にし、エアコンプレッサ３２を停止状態にし、バルブ４６を閉状態にし、再循環ポンプ５２を作動状態にし、三方弁５６を無加湿水素ガスライン方向に開状態にすることにより実施される。尚、排気弁４８は基本的に閉状態であるが、空気極６からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物が濃縮してきた場合のみ開状態に切り換えるとよい。

【0107】

ステップＳ４０５が実施されると、実施例１（図２参照）におけるステップＳ１０３を完了した状態と同じとなり、以下、図１０に示すように、ステップＳ１０４以降と同様の処理が実施されることとなる。

【0108】

このように本実施例では、燃料電池１の起動時に燃料極４及び空気極６に無加湿空気ガスを供給する。上述したように、燃料電池１の起動時には、燃料極４に無加湿水素ガスを供給して燃料電池１の電極間のプロトン伝導度を低下（内部抵抗の増大）させるが、逆電流を十分抑制可能な程度にプロトン伝導度を低下させるためには、時間をかけて多量の無加湿水素ガスを供給しなければならない場合がある。本実施例では、このような場合であっても、両極に無加湿空気ガスを供給することによって、水素ガスの消費量を抑えながら、プロトン伝導度を低下できる。

【0109】

（実施例５）
図１３は本実施例に係る燃料電池システム５００の全体構成を示すブロック図であり、図１４は図１３の燃料電池システム５００の制御内容を示すフローチャートである。

【0110】

尚、燃料電池システム５００は上述の燃料電池システム１００と基本的な構成を有するため、以下では、燃料電池システム１００と異なる点のみ説明することとし、重複する説明は適宜省略する。

【0111】

まず図１３に示すように、水素ガス供給ライン８のうち加湿水素ガス供給ライン２２と無加湿水素ガス供給ライン２４との合流点８０の下流側には三方弁８２が接続されている。三方弁８２はまた燃料極４及び空気極６に接続されており、制御部６４によって制御されることによって、水素ガス供給ライン８を燃料極４及び空気極６のいずれか一方に連通可能に構成されている。

【0112】

空気ガス供給ライン１２のうち加湿空気ガス供給ライン３８と無加湿空気ガス供給ライン４０との合流点８４の下流側には三方弁８６が接続されている。三方弁８６はまた燃料極４及び空気極６に接続されており、制御部６４によって制御されることによって、空気ガス供給ライン１２を燃料極４及び空気極６のいずれか一方に連通可能に構成されている。

【0113】

燃料極４の排出側には三方弁８８が接続されており、空気極６の排出側には三方弁９０が接続されている。三方弁８８及び９０は制御部６４によって制御されることにより、それぞれ燃料極４及び空気極６を水素ガス排出ライン１０及び空気ガス排出ライン１４のいずれか一方に接続可能に構成されている。

【0114】

続いて本実施例に係る燃料電池システム５００の制御内容について図１４を参照して説明する。
制御部６４は、不図示のメモリなどの記憶部にアクセスすることにより燃料電池１の過去の起動回数を読み込み（ステップＳ５０１）、該起動回数が所定閾値（切替判定回数）以上であるか否かを判定する（ステップＳ５０２）。その結果、起動回数が所定閾値以上である場合（ステップＳ５０２：ＹＥＳ）、制御部６４は燃料極４及び空気極６の切替制御を実施し（ステップＳ５０３）、起動開始制御を実施する（ステップＳ５０４）。一方、起動回数が所定閾値未満である場合（ステップＳ５０２：ＮＯ）、制御部６４は切替制御を実施することなく、起動開始制御を実施する（ステップＳ５０４）。

【0115】

尚、ステップＳ５０４における起動開始制御は、前述の各実施例で説明した制御内容を意味しており、ここでは重複する説明は省略することとする。

【0116】

ここで図１５は、図１３の燃料電池システム５００における切替制御の様子を模式的に示す図である。図１５（ａ）は切替制御実施前の状態を示しており、水素ガス供給ライン８、水素ガス排出ライン１０がそれぞれ燃料極４の上流側、下流側に接続されていると共に、空気ガス供給ライン１２、空気ガス排出ライン１４がそれぞれ空気極６の上流側、下流側に接続されている。

【0117】

一方、図１５（ｂ）は制御部６４によって三方弁８２、８６、８８、９０を切り換えることによって切替制御が実施された後の状態を示している。図１５（ｂ）では、水素ガス供給ライン８、水素ガス排出ライン１０がそれぞれ空気極６の上流側、下流側に接続されていると共に、空気ガス供給ライン１２、空気ガス排出ライン１４がそれぞれ燃料極４の上流側、下流側に接続されている。

【0118】

本実施例では、燃料極４及び空気極６は互いに同様の構成を有しており、このように供給・排出される水素ガス・空気ガスを入れ替えることにより、実質的に燃料極４と空気極６と入れ替え可能に構成されている。

【0119】

このように本実施例によれば、燃料電池１の起動回数が所定回数に達すると、切替機構（三方弁８２、８６、８８、９０）を制御することにより、水素ガスの供給・排出ラインと空気ガスの供給・排出ラインとを入れ替える。起動時の劣化発生時には、燃料極４に比べて空気極６において、電極の腐食が速く進行する。そのため、起動回数が所定回数に達すると、切替機構を作動して水素ガスの流路と空気ガスの流路とを入れ替えることにより、実質的に燃料極４と空気極６とを入れ替える。これにより、一方の電極のみが腐食し続ける場合に比べて、長寿命な燃料電池システムを実現することができる。

【0120】

（実施例６）
続いて図１６乃至図１８を参照して、実施例６について説明する。本実施例に係る燃料電池システムは、図１を参照して前述したシステムと同様であり、特段の記載がない限りにおいて、重複する説明は適宜省略することとする。本実施例では、電力制御器５８は例えばインバータやＤＣ／ＤＣコンバータを含んで構成されており、燃料電池１の負荷側の容量が可変に構成されている。

【0121】

図１６は実施例６に係る燃料電池システムの制御内容を手順毎に示すフローチャートであり、図１７は図１６の燃料電池システムに関する各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートであり、図１８は図１６の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【0122】

本実施例に係る燃料電池システムは、初期状態において非充電状態にある。このとき、電力制御器５８は、燃料電池１が負荷である駆動バッテリ６２から切り離されるように制御されている。本実施形態では図１８に示されるように、燃料電池システムは２つの駆動バッテリ６２ａ及び６２ｂが備えられており、一方の駆動バッテリ６２ａに対して燃料電池１から充電を行うと共に、駆動バッテリ６２ｂは外部負荷６０に接続されている。すなわち、外部負荷６０は駆動バッテリ６２ｂの電力を消費するため、その間に、駆動バッテリ６２ａは必要に応じて燃料電池１から充電可能に構成されている。

【0123】

まず制御部６４はＳＯＣセンサ７０の検知信号を取得することによって、充電対象である駆動バッテリ６２ａの充電残量ＳＯＣが無加湿Ｈ２・Ａｉｒ供給判定ＳＯＣ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ６０１）。ここで無加湿Ｈ２・Ａｉｒ供給判定ＳＯＣ１は、充電対象である駆動バッテリ６２ａに対して充電の必要性があるか否かを判定するための閾値であり、以下に説明する一連の充電制御を開始するか否かを判定する閾値として機能するものである。
尚、無加湿Ｈ２・Ａｉｒ供給判定ＳＯＣ１の具体的な数値は、燃料電池１の充電性能及び充電先である駆動バッテリ６２の蓄電性能に応じて適宜設定される。

【0124】

駆動バッテリ６２ａの充電残量ＳＯＣが無加湿Ｈ２・Ａｉｒ供給判定ＳＯＣ１以下である場合（ステップＳ６０１：ＹＥＳ）、制御部６４は駆動バッテリ６２ａの残量が不足しているため、充電を実施する必要があると判断する。この場合、制御部６４は燃料極４に無加湿水素ガスを供給すると共に空気極６に無加湿空気ガスを供給する（ステップＳ６０２）。
尚、本実施例では、燃料極４に無加湿水素ガスを供給すると同時に空気極６に無加湿空気ガスを供給しているが、前述の実施例のように、燃料極４に無加湿水素ガスを供給した後に、空気極６に無加湿空気ガスを供給してもよい。

【0125】

一方、駆動バッテリ６２ａの充電残量ＳＯＣが無加湿Ｈ２・Ａｉｒ供給判定ＳＯＣ１より大きい場合（ステップＳ１：ＮＯ）、制御部６４は駆動バッテリ６２ａに十分な残量があるため、充電の必要がないと判断し、燃料電池システムの起動を終了する（ＥＮＤ）。

【0126】

続いて、制御部６４は燃料電池１の出力電圧（燃料極４及び空気極６間の電位差）Ｖが第１の所定値Ｖ１以上であり、且つ、燃料極４及び空気極６への無加湿ガスの供給時間Ｔが第１の所定時間Ｔ１に到達したか否かを判定する（ステップＳ６０３）。ここで第１の所定値Ｖ１は燃料電池１の起電力に対応するものとして予め規定される。また第１の所定時間Ｔ１は、次の処理ステップに進むまでの適当な待機時間である。第１の所定値Ｖ１は、負荷を接続していない開回路状態の電圧値（約０．８５Ｖ以上）を指す。

【0127】

ステップＳ６０３が成立した場合、制御部６４は燃料電池１の出力電圧Ｖが第２の所定値Ｖ２になるように負荷側の容量を調整する（ステップＳ６０４）。ここで、第２の所定値Ｖ２は第１の所定値Ｖ１より低く、且つ、後述する第３の所定値Ｖ３より大きくなるように予め設定されている。このような出力電圧Ｖの調整は、制御部６４が電力制御器５８が備えるインバータやＤＣ／ＤＣコンバータを操作することにより、燃料電池１の負荷側の容量を制御することで実施される。具体的には、初期状態でゼロであった負荷側の容量を増加させることによって、微小な充電電流（第１電流Ｉ１）を生じさせる。これに伴い、出力電圧Ｖは第１の所定値Ｖ１から第２の所定値Ｖ２に降下する。

【0128】

このように、燃料極４及び空気極６に対して無加湿ガスを供給することにより出力電圧Ｖが第１の所定値Ｖ１になった後、出力電圧Ｖが第２の所定値Ｖ２になるように負荷側の容量を制御する。すなわち、出力電圧Ｖを後述する第３の所定値Ｖ３に低下させて本番充電を実施する際に、出力電圧Ｖが第２の所定値Ｖ２を経て段階的に低下になるように制御される。これにより、負荷変動時に出力電圧が大きく変化することに起因する電極触媒の劣化を抑制することができる。

【0129】

またこのような出力電圧Ｖの段階的な変化は、各電極に無加湿ガスが供給されることによって充電電流が小さな状態で実施される。このような状態は燃料電池の発電特性が低い反面、劣化感度も低い。そのため、負荷変動に伴う出力電圧による劣化も生じにくい。

【0130】

尚、このように負荷側の容量を調整することによって、燃料電池１の内部抵抗は次第に低下すると共に第１電流Ｉ１が流れる。このとき、燃料極４及び空気極６では、供給されている無加湿ガスに含まれる少量の水分利用、または、少なからず発電反応（例えば、自動車用に主に用いられる固体高分子型燃料電池では、燃料極４においてＨ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻、空気極６においてＯ_２ +４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏの反応）が行われ、生成水が生み出される。発生した生成水は、燃料極４及び空気極６の湿潤化に貢献するため、後述する本番充電までの所要時間を効果的に短縮できる。

【0131】

続いて制御部６４は、ステップＳ６０４が開始されてから第２の所定時間（第一電流保持時間）Ｔ２が経過したか否かを判定する（ステップＳ６０５）。第２の所定時間Ｔ２が経過すると（ステップＳ６０５：ＹＥＳ）、制御部６４は、燃料電池１の出力電圧Ｖが第３の所定値Ｖ３になるように負荷側の容量を制御する（ステップＳ６０６）。ここで第３の所定値Ｖ３は、上述の第１の所定値Ｖ１及び第２の所定値Ｖ２に比べて低い電圧値である。

【0132】

このような出力電圧Ｖの調整は、制御部６４が電力制御器５８が備えるインバータやＤＣ／ＤＣコンバータを操作することにより、燃料電池１の負荷側の容量を制御することで実施される。具体的には、ステップＳ６０４で第１電流Ｉ１に対応するように設定されている負荷側の容量を更に増加させることによって、充電電流が第２電流Ｉ２になるように制御される。これにより、出力電圧Ｖは第２の所定値Ｖ２から第３の所定値Ｖ３に降下する。

【0133】

続いて制御部６４は、ステップＳ６０６が開始されてから第３の所定時間（第２電流保持時間）Ｔ３が経過したか否かを判定する（ステップＳ６０７）。そして第３の所定時間Ｔ３が経過すると（ステップＳ６０７：ＹＥＳ）、制御部６４は燃料極４に加湿水素ガスを供給すると共に、空気極６に加湿空気ガスを供給する（ステップＳ６０８）。これにより、燃料電池１の湿潤化が大きく促進され、燃料電池１の内部抵抗が減少すると共に、充電電流が第２電流から第３電流に増加する。ここで、第３電流は、燃料極４及び空気極６への加湿ガスの供給量が時間経過と共に増加するに従って増大する（第３電流Ｉ３）。

【0134】

ここで加湿ガスの供給が開始されると、制御部６４は燃料電池１の出力電圧Ｖが略一定になるように、負荷側の容量を制御する。一般的に充電電流が増加すると出力電圧が低下するが、このような出力電圧の変動は、電極触媒の劣化要因となる。そこで本実施形態では、電力制御器５８を制御することによって、負荷側の容量を調整し、出力電圧の変動を抑制する。図１６の例では、充電電流（第３電流Ｉ３）は第２電流Ｉ２から本番の充電電流に向かって急激に増加しているが、電力制御器５８を制御することによって、出力電圧は第３の所定値Ｖ３に維持されている。

【0135】

続いて内部抵抗が所定内部抵抗値以下であり、且つ、出力電圧Ｖが所定燃料電池電圧領域内であるかを判定し（ステップＳ６０９）、当該条件が成立するタイミングで本番充電を開始する（ステップＳ６１０）。充電電流（第３電流Ｉ３）は、最終的に本番充電燃料電池電流に達し、駆動バッテリ６２ａに対して迅速に充電（本番充電）される。このような本番充電は、駆動バッテリ６２ａの充電残量ＳＯＣが充電制御終了判定ＳＯＣ２に到達するまで継続され、一定の充電電流によって充電することが好ましい（ステップＳ６１１）。
このように本番充電では大きな充電電流で充電することで、駆動バッテリ６２ａが目標充電量になるまでに要する時間（充電時間）が短縮可能になる。その結果、駆動バッテリ６２ａ、ｂの充電総回数の低減に繋がる。これは、充電制御中、駆動バッテリ６２ｂは走行出力によってＳＯＣが低下しており、駆動バッテリ６２ａの充電時間が長くなることで、比較的早い段階で駆動バッテリ６２ｂへの充電制御を開始すること繋がってしまい、必然的に燃料電池の充電制御回数が増加してしまう。そのため、大きな充電電流による短時間充電が充電総回数の低減には必要な手段である。

【0136】

このように燃料電池１によって駆動バッテリ６２ａを充電する際に、燃料電池１の出力電圧Ｖを段階的に変化させることで、燃料電池１の出力電圧Ｖが高電圧領域から低電圧領域に向かって大きく一気に降下することを防止でき、これに起因する電極触媒の劣化を効果的に抑制できる。
尚、上記実施例では、充電電流が２段階に変化する場合について例示したが、より多段階に変化させてもよい。
（実施例７）

【0137】

図１９乃至図２０を参照して、実施例７について説明する。本実施例に係る燃料電池システムは、単一駆動バッテリ構成を成す当該システムを指し、代表例として図５を参照とする燃料電池システムとしている。

【0138】

燃料電池システムの制御内容を手順毎に示すフローチャートについては図１６と同様であり、図１９は図１６の燃料電池システムに関する各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートであり、図２０は図１６の燃料電池システムにおける各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。

【0139】

本実施例に係る燃料電池システムは、初期状態において非充電状態にあり、駆動バッテリ６２が単一の構成を成している当該システムを指す。本実施形態では図２０に示されるように、燃料電池システムは単一の駆動バッテリ６２が備えられており、実施例６の際に前述した第３電流Ｉ３までは駆動用バッテリ６２からの走行出力を燃料電池１がアシストする形として機能し、本番充電以降では、駆動バッテリ６２が充電制御終了判定ＳＯＣ２まで到達するまで、燃料電池１が一時的に駆動用として機能する。この時、燃料電池１からの余剰電力分を充電出力として駆動バッテリ６２へ充電する。駆動バッテリ６２を充電している間、燃料電池１は駆動用として機能しているため負荷変動が生じることになる。しかし、この負荷変動は燃料電池１が稼動しているため主に０．６Ｖ〜０．８Ｖの電圧領域であることが想定され、充電制御開始段階の様（Ｓ６０２、Ｓ６０３）な高い単セル電圧領域（０．９〜１．０Ｖ）となる開回路電圧から低い単セル電圧領域（０．６〜０．７Ｖ）へと電圧降下する出力電圧の変化は回避されるため、充電制御開始時の劣化事象に比べて、劣化影響度は小さく弊害はない。

【0140】

以降の制御手順は、実施例６のフローチャート図１６と同様であるため省略し、駆動バッテリ６２が充電制御終了判定ＳＯＣ２に到達するまで燃料電池１は稼動する。

【0141】

尚、実施例６では、燃料電池１の出力電圧Ｖを段階的に制御することによって、従来のように一気に変化させる場合に比べて本番充電を実施するまでに要する時間を要することとなる。しかしながら、燃料電池１の充電先である駆動バッテリ６２ａは、外部負荷６０に接続されていない。すなわち、燃料電池１は、外部負荷６０の出力要求に直接的に応じることなく、外部負荷６０が接続されていない駆動バッテリ６２ａに対して充電できる。そのため、本番充電を実施するまでに要する時間が長くなったとしても、何ら弊害はなく、実施例７においても同様である。

【0142】

これは、実施例６の場合、例えば外部負荷６０が電気自動車の走行用モータである場合には、燃料電池１は電気自動車が走行することによって駆動バッテリ６２ａ及び６２ｂのいずれかの充電残量が減った場合に充電を実施すればよいため、駆動バッテリ６２ａ及び６２ｂの充電残量を補完する役割を有する、いわゆる実施例６はレンジエクステンダーとして機能できることを意味する。これにより、燃料電池の制御設計の自由度が向上できる。また、実施例７においても、駆動バッテリ６２出力を駆動用とし、燃料電池１は駆動バッテリ６２の充電を主とするレンジエクステンダー機能として構成しているため、実施例７の際に前述した当該制御が可能となる。

【0143】

以上説明したように、本実施例によれば、燃料電池の負荷変動時に発生する劣化を効果的に抑制可能な燃料電池システム及び該燃料電池システムを搭載した電動車両を提供できる。

【産業上の利用可能性】

【0144】

本開示は、燃料極及び空気極を備える燃料電池を含む燃料電池システム、並びに、該燃料電池システムを利用した電動車両に利用可能である。

【符号の説明】

【0145】

１ 燃料電池
２ 電解質膜
４ 燃料極
６ 空気極
８ 水素ガス供給ライン
１０ 水素ガス排出ライン
１２ 空気ガス供給ライン
１４ 空気ガス排出ライン
１６ 水素ガス貯蔵タンク
１８、３４ 元弁
２０ 圧力調整器
２２ 加湿水素ガス供給ライン
２４ 無加湿水素ガス供給ライン
２６、３０ 弁
２８ 加湿器
３２ エアコンプレッサ
３６、５６ 三方弁
３８ 加湿空気ガス供給ライン
４０ 無加湿空気ガス供給ライン
４２ 加湿器
４４ 燃料極空気ガス供給ライン
４６ バルブ
４８ 排気弁
５０ 水素ガス希釈装置
５２ 再循環ポンプ
５４ ライン
５８ 電力制御器
６０ 外部負荷（電動機）
６２ 駆動用バッテリ
６４ 制御部
６６ 電圧センサ
６８ 抵抗センサ
７０ ＳＯＣセンサ
７２ 背圧制御器
７４ 水素濃度センサ
８０、８４ 合流点
８２、８６、８８、９０ 三方弁
１００ 燃料電池システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】