(57)【要約】【課題】負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、負電圧の発生を検出するセル電圧計測部９１と、電流積算値計測部２１とを備える。電流積算値計測部２１は、負電圧セル１１のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間に燃料電池１０が出力した電流を時間積分することにより電流積算値を計測する。制御部２０は、酸素発生期間における電流積算値と、負電圧セル１１のアノードにおいて酸素が消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、酸素発生期間における燃料電池１０の電流密度と、負電圧セル１１のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係とを用いて、負電圧セル１１のアノードの酸素量を低減可能になる電流密度を求め、その電流密度より低い電流密度で燃料電池１０に電力を出力させる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記１つ以上の発電体の電圧を計測し、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記電流積算値計測部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間における電流積算値を計測し、
前記制御部は、
前記酸素発生期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、
前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係と、
を予め記憶しており、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記第１の対応関係を用いて、前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、
前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧が検出されたときに、前記燃料電池の電流密度を予め設定された範囲で低下させ、前記電流密度の低下前と低下後における負電圧を発生している発電体の電圧の変化量を検出し、前記電圧の変化量が所定の許容範囲に含まれる場合には、前記出力制限処理を実行するとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増大させるガス量増大処理を実行し、前記電圧の変化量が、前記所定の許容範囲に含まれない場合には、前記出力制限処理を実行せずに、前記ガス量増大処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記外部負荷との間の電気的接続を制御するための制御スイッチを備え、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記酸素生成速度に対する電流密度が予め設定された値より低い場合には、前記外部負荷と前記燃料電池との電気的接続を切断した後、再び前記燃料電池と前記外部負荷とを電気的に接続する再接続処理を実行し、
前記制御部は、前記再接続処理において、前記燃料電池と前記外部負荷との間の電気的接続を切断させてから再び接続させるまでのインターバル時間を、前記酸素発生期間における電流積算値に応じて設定する、燃料電池システム。
【請求項４】
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記１つ以上の発電体の電圧を計測し、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
前記燃料電池の内部の湿潤状態を検出する湿潤度検出部と、前記燃料電池の運転温度を検出する運転温度計測部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態検出部と、
を備え、
前記電流積算値計測部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間における電流積算値を計測し、
前記制御部は、前記酸素発生期間における電流積算値ごとに予め準備された関係であって、前記湿潤度検出部と前記運転温度計測部とのうちの少なくとも一方の検出値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、
前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係と、
を予め記憶しており、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記酸素発生期間の電流積算値に対応する前記第１の対応関係を用いて、前記湿潤度検出部と前記運転状態検出部とのうちの少なくとも一方の検出値に対する酸素消費速度を求めるとともに、
前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
１つ以上の発電体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する工程と、
（ｂ）負電圧を発生している発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間における電流積算値を計測する工程と、
（ｃ）前記酸素発生期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との予め設定された第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との予め設定された第２の対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記第１の対応関係を用いて、前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【請求項６】
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記電流積算値計測部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されているものとして予め設定された環境条件が成立した状態における前記燃料電池の運転期間である酸素発生期間における電流積算値を計測し、
前記制御部は、
前記酸素発生期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、
前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係と、
を予め記憶しており、
前記制御部は、前記酸素発生期間における前記燃料電池の運転の際に、前記第１の対応関係を用いて、前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、
前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項７】
１つ以上の発電体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されているものとして予め設定された環境条件が成立した状態における前記燃料電池の運転期間である酸素発生期間における電流積算値を計測する工程と、
（ｂ）１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との予め設定された第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との予め設定された第２の対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記第１の対応関係を用いて、前記工程（ａ）で得られた前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【請求項８】
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記制御部は、１つ以上の発電体に負電圧は発生している場合に、負電圧を回復するために反応ガスの供給量を増大させる回復処理を実行し、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生している負電圧発生期間における電流積算値と、前記回復処理による負電圧の回復が可能となる電流密度との対応関係を予め記憶しており、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記対応関係を用いて、前記負電圧発生期間における電流積算値に対して求められる電流密度以下の電流密度で前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項９】
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記外部負荷と前記燃料電池との電気的接続を切断した後、再び前記燃料電池と前記外部負荷とを電気的に接続する再接続処理を実行し、前記制御部は、前記再接続処理において、前記燃料電池と前記外部負荷との間の電気的接続を切断させてから再び接続させるまでのインターバル時間を、前記酸素発生期間における電流積算値に応じて設定する、燃料電池システム。
【請求項１０】
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記１つ以上の発電体における電圧を計測し、負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧が検出されたときに、前記燃料電池の電流密度を予め設定された範囲で低下させ、前記電流密度の低下前と低下後における負電圧を発生している発電体の電圧の変化量を検出し、前記電圧の変化量が所定の許容範囲に含まれる場合には、前記燃料電池の電流密度をさらに低下させるとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増大させ、前記電圧の変化量が前記所定の許容範囲に含まれない場合には、前記燃料電池の電流密度を低下させることなく、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増大させる、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は通常、発電体である複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。反応ガスは、マニホールドを介して、各単セルに設けられたガス流路に流入し、各単セルの発電部に供給される。しかし、一部の単セルのガス流路が水分の凍結などにより閉塞されてしまうと、当該一部の単セルに対する反応ガスの供給量が不足し、当該一部の単セルが負電圧を発生してしまう場合がある。このように、一部の単セルが負電圧を発生している状態で、燃料電池の運転を継続すると、燃料電池全体の発電性能が低下するばかりでなく、当該単セルの電極の劣化が生じてしまう可能性がある。これまで、こうした負電圧の発生による燃料電池の発電性能の低下や燃料電池の劣化を抑制するために種々の技術が提案されてきた（下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０９３１１１号公報
【特許文献２】特開２００４−０３１２３２号公報
【特許文献３】特開２００７−２６５９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制する技術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】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記１つ以上の発電体の電圧を計測し、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部とを備え、前記電流積算値計測部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間における電流積算値を計測し、前記制御部は、前記酸素発生期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係と、を予め記憶しており、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記第１の対応関係を用いて、前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、第１と第２の対応関係を用いることにより、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて、負電圧の回復を阻害している酸素が低減されるように電流密度を低減させることができる。従って、負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制することができる。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧が検出されたときに、前記燃料電池の電流密度を予め設定された範囲で低下させ、前記電流密度の低下前と低下後における負電圧を発生している発電体の電圧の変化量を検出し、前記電圧の変化量が所定の許容範囲に含まれる場合には、前記出力制限処理を実行するとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増大させるガス量増大処理を実行し、前記電圧の変化量が、前記所定の許容範囲に含まれない場合には、前記出力制限処理を実行せずに、前記ガス量増大処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、電流密度の低下させたときの負電圧を発生している発電体における電圧の変化量が、出力制限処理を実行した方が好ましい既定の状態のときの電圧の変化量と同等の範囲に含まれるときに、出力制限処理を実行する。従って、負電圧を回復するための処理を適切に選択して実行することができる。
【０００８】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池と前記外部負荷との間の電気的接続を制御するための制御スイッチを備え、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記酸素生成速度に対する電流密度が予め設定された値より低い場合には、前記外部負荷と前記燃料電池との電気的接続を切断した後、再び前記燃料電池と前記外部負荷とを電気的に接続する再接続処理を実行し、前記制御部は、前記再接続処理において、前記燃料電池と前記外部負荷との間の電気的接続を切断させてから再び接続させるまでのインターバル時間を、前記酸素発生期間における電流積算値に応じて設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理によって負電圧の回復が困難な場合であっても、燃料電池と外部負荷との電気的な接続の切断により、負電圧を回復させることができる。そして、適切に決定されたインターバル時間の経過の後に、燃料電池と外部負荷とを再接続することにより、再接続後に再び負電圧が発生してしまうことを抑制できる。
【０００９】
［適用例４］
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記１つ以上の発電体の電圧を計測し、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、前記燃料電池の内部の湿潤状態を検出する湿潤度検出部と、前記燃料電池の運転温度を検出する運転温度計測部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態検出部と、を備え、前記電流積算値計測部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間における電流積算値を計測し、前記制御部は、前記酸素発生期間における電流積算値ごとに予め準備された関係であって、前記湿潤度検出部と前記運転温度計測部とのうちの少なくとも一方の検出値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係とを予め記憶しており、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記酸素発生期間の電流積算値に対応する前記第１の対応関係を用いて、前記湿潤度検出部と前記運転状態検出部とのうちの少なくとも一方の検出値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の内部における湿度や、燃料電池の運転温度に応じて、酸素消費速度を求めることができ、負電圧の回復のために、電流密度をより適切に低減することができる。
【００１０】
［適用例５］
１つ以上の発電体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する工程と、
（ｂ）負電圧を発生している発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間である酸素発生期間における電流積算値を計測する工程と、
（ｃ）前記酸素発生期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との予め設定された第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との予め設定された第２の対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記第１の対応関係を用いて、前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【００１１】
［適用例６］
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、を備え、前記電流積算値計測部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されているものとして予め設定された環境条件が成立した状態における前記燃料電池の運転期間である酸素発生期間における電流積算値を計測し、前記制御部は、前記酸素発生期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との関係である第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との関係である第２の対応関係と、を予め記憶しており、前記制御部は、前記酸素発生期間における前記燃料電池の運転の際に、前記第１の対応関係を用いて、前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、経験的・実験的に負電圧が発生する可能性が高い場合として想定される環境条件の時には、負電圧を発生しない場合であっても、出力制限処理が実行される。従って、より確実に、燃料電池の性能低下および劣化を抑制することができる。
【００１２】
［適用例７］
１つ以上の発電体を有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されているものとして予め設定された環境条件が成立した状態における前記燃料電池の運転期間である酸素発生期間における電流積算値を計測する工程と、
（ｂ）１つ以上の発電体が負電圧を発生して、前記１つ以上の発電体のアノードにおいて水の電気分解により酸素が生成されている期間における電流積算値と、負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が水素と再結合して消費される酸素消費速度との予め設定された第１の対応関係と、前記酸素発生期間における前記燃料電池の電流密度と、前記酸素発生期間において前記負電圧を発生している発電体のアノードにおいて酸素が生成される酸素生成速度との予め設定された第２の対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記第１の対応関係を用いて、前記工程（ａ）で得られた前記酸素発生期間における電流積算値に対する酸素消費速度を求めるとともに、前記第２の対応関係を用いて、前記第１の対応関係から求められた酸素消費速度と同等の酸素生成速度に対する電流密度を求め、前記酸素生成速度に対する電流密度より低い電流密度で、前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【００１３】
［適用例８］
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、を備え、前記制御部は、１つ以上の発電体に負電圧は発生している場合に、負電圧を回復するために反応ガスの供給量を増大させる回復処理を実行し、前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧を発生している負電圧発生期間における電流積算値と、前記回復処理による負電圧の回復が可能となる電流密度との対応関係を予め記憶しており、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記対応関係を用いて、前記負電圧発生期間における電流積算値に対して求められる電流密度以下の電流密度で前記燃料電池に電力を出力させる出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、電流積算値と、予め準備された対応関係とを用いることにより、回復処理による負電圧の回復が可能となる電流密度を求め、その電流密度で燃料電池に発電させることにより、負電圧を回復することができる。
【００１４】
［適用例９］
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記外部負荷と前記燃料電池との電気的接続を切断した後、再び前記燃料電池と前記外部負荷とを電気的に接続する再接続処理を実行し、前記制御部は、前記再接続処理において、前記燃料電池と前記外部負荷との間の電気的接続を切断させてから再び接続させるまでのインターバル時間を、前記酸素発生期間における電流積算値に応じて設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池と外部負荷との電気的な接続の切断により、負電圧を回復させる。そして、適切に決定されたインターバル時間の経過の後に、燃料電池と外部負荷とを再接続することにより、再接続後に再び負電圧が発生することを抑制できる。
【００１５】
［適用例１０］
外部負荷の要求に応じて電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記１つ以上の発電体における電圧を計測し、負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧が検出されたときに、前記燃料電池の電流密度を予め設定された範囲で低下させ、前記電流密度の低下前と低下後における負電圧を発生している発電体の電圧の変化量を検出し、前記電圧の変化量が所定の許容範囲に含まれる場合には、前記燃料電池の電流密度をさらに低下させるとともに、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増大させ、前記電圧の変化量が前記所定の許容範囲に含まれない場合には、前記燃料電池の電流密度を低下させることなく、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増大させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、負電圧を発生している発電体における電流密度の低下に応じた電圧の変化量に基づいて、負電圧の回復のための処理を適切に選択して実行することができる。
【００１６】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両、その燃料電池システムの制御方法、それらのシステムや車両、制御方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図３】燃料電池システムにおける燃料電池の出力制御を説明するための説明図。
【図４】負電圧回復処理の処理手順を説明するための説明図。
【図５】水素の供給不良負による負電圧の回復を説明するための説明図。
【図６】電流密度の低下により負電圧からの回復が可能となった理由を説明するための模式図。
【図７】電流密度低下処理の処理手順を示す説明図。
【図８】酸素消費速度マップと閾値電流密度マップとを説明するための説明図。
【図９】第２実施例としての電流密度低下処理の処理手順を示す説明図。
【図１０】第２実施例の酸素消費速度マップを説明するための説明図。
【図１１】第２実施例のその他の構成例を説明するための説明図。
【図１２】第３実施例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１３】第３実施例における再接続処理の処理手順を示す説明図。
【図１４】負電圧セルにおけるセル電圧の時間変化を説明するための説明図。
【図１５】インターバル時間決定マップを説明するための説明図。
【図１６】第４実施例としての負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１７】単セルにおける電極電位と電流密度との関係を示す説明図。
【図１８】水素の供給不良による負電圧を発生している負電圧セルにおけるセル電圧の変化を説明するための説明図。
【図１９】本発明の参考例として、低温環境下における負電圧セルのセル温度の時間変化を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０とを備える。
【００１９】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。各発電体１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。
【００２０】
ここで、電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。また、電極は、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されカーボン（Ｃ）とガス透過性を有するアイオノマーとを用いて構成することができる。各発電体１１には、反応ガスや冷媒のためのマニホールド（図示せず）が設けられている。マニホールドの反応ガスは、各発電体１１に設けられたガス流路を介して、各発電体１１の発電部に供給される。
【００２１】
制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部２０は、外部負荷２００からの出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する燃料電池システム１００の各構成部を制御し、燃料電池１０に発電させる。
【００２２】
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、加湿部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。
【００２３】
エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。
【００２４】
開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、カソードガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
【００２５】
加湿部３５は、エアコンプレッサ３２から送り出された高圧空気を加湿する。制御部２０は、電解質膜の湿潤状態を保持して良好なプロトン伝導性を得るために、加湿部３５によって、燃料電池１０に供給される空気の加湿量を制御し、燃料電池１０内部の湿潤状態を調整する。なお、加湿部３５は省略されても良い。
【００２６】
カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。
【００２７】
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、２つの圧力計測部５６ｕ，５６ｄとを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。なお、燃料電池システム１００は、水素タンク５２に換えて、炭化水素系の燃料を改質して水素を生成する改質部を、水素の供給源として備えているものとしても良い。
【００２８】
開閉弁５３、レギュレータ５４、第１の圧力計測部５６ｕ、インジェクタ５５、第２の圧力計測部５６ｄは、アノードガス配管５１に、この順序で上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。
【００２９】
インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。第１と第２の圧力計測部５６ｕ，５６ｄはそれぞれ、インジェクタ５５の上流側と下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、これらの計測値を用いて、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を決定する。
【００３０】
アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。
【００３１】
気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。
【００３２】
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。
【００３３】
アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。
【００３４】
冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、冷媒循環用ポンプ７３と、２つの冷媒温度計測部７４，７５とを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドと出口マニホールドとを連結する配管であり、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させる。ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。
【００３５】
冷媒循環用ポンプ７３は、冷媒用配管７１において、ラジエータ７２より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、ラジエータ７２において冷却された冷媒を燃料電池１０に送り出す。２つの冷媒温度計測部７４，７５はそれぞれ、冷媒用配管７１において、燃料電池１０の冷媒出口の近傍と、冷媒入口の近傍とに設けられており、計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、２つの冷媒温度計測部７４，７５のそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出し、その検出結果に基づき、冷媒循環用ポンプ７３が送り出す冷媒量を制御することにより、燃料電池１０の運転温度を調整する。
【００３６】
図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３とを備える。また、燃料電池システム１００は、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２と、インピーダンス計測部９３と、充電状態検出部９４とを備える。
【００３７】
燃料電池１０は、直流電源ラインＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、外部負荷２００に接続されている。なお、燃料電池システム１００では、燃料電池１０と二次電池８１とが出力する電力の一部を、燃料電池システム１００を構成する各補機類を駆動するために用いるが、そのための配線の図示および説明は省略する。
【００３８】
二次電池８１は、燃料電池１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ８２は、二次電池８１の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部２０からの指令に応じて直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。制御部２０は、燃料電池１０の出力が外部負荷２００からの出力要求に対して不足するような場合には、その不足分を補償させるために、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に対して、二次電池８１の放電を指令する。
【００３９】
ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、外部負荷２００に供給する。なお、外部負荷２００において回生電力が発生する場合には、その回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ８３によって直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に充電される。
【００４０】
セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各発電体１１と接続されており、各発電体１１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部２０に送信する。なお、セル電圧計測部９１は、計測したセル電圧のうち、最も低いセル電圧のみを制御部２０に送信するものとしても良い。
【００４１】
電流計測部９２は、直流電源ラインＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。充電状態検出部９４は、二次電池８１に接続されており、二次電池８１の充電状態（SOC：State of Charge）を検出し、制御部２０に送信する。
【００４２】
インピーダンス計測部９３は、燃料電池１０に接続されており、燃料電池１０に交流電流を印加することにより、燃料電池１０のインピーダンスを測定する。ここで、燃料電池１０のインピーダンスは、燃料電池１０の内部に存在する水分量に応じて変化することが知られている。即ち、燃料電池１０のインピーダンスと、燃料電池１０内部の水分量（湿度）との対応関係を予め取得してくことにより、燃料電池１０のインピーダンスの計測値に基づき、燃料電池１０内部の水分量（湿度）を求めることができる。
【００４３】
ところで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０は、電流積算値計測部２１としても機能する。電流積算値計測部２１は、所定の期間において電流計測部９２が計測した燃料電池１０の電流を時間積分することにより、燃料電池１０が出力した電気量を表す電流積算値を算出する。制御部２０は、この電流積算値を用いて、燃料電池１０の一部の発電体１１において発生した負電圧（後述）を回復するための処理を実行するが、詳細は後述する。
【００４４】
図３（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池システム１００における燃料電池１０の出力制御を説明するための説明図である。図３（Ａ）は、燃料電池１０のＷ−Ｉ特性を示すグラフであり、縦軸が燃料電池１０の電力を表し、横軸が燃料電池１０の電流を表している。一般に、燃料電池のＷ−Ｉ特性は、上に凸の曲線グラフによって表される。
【００４５】
図３（Ｂ）は、燃料電池１０のＶ−Ｉ特性を示すグラフであり、縦軸が燃料電池１０の電圧を表し、横軸が燃料電池１０の電流を表している。一般に、燃料電池のＶ−Ｉ特性は、電流の増加に従って下降する横Ｓ字状の曲線グラフによって表される。なお、図３（Ａ），（Ｂ）では、それぞれのグラフの横軸が互いに対応するように図示されている。
【００４６】
制御部２０は、これらの燃料電池１０についてのＷ−Ｉ特性およびＶ−Ｉ特性を予め記憶している。制御部２０は、Ｗ−Ｉ特性を用いて、外部負荷２００が要求する電力Ｐｔに対して燃料電池１０が出力すべき目標電流Ｉｔを取得する。また、制御部２０は、Ｖ−Ｉ特性を用いて、Ｗ−Ｉ特性から得られた目標電流Ｉｔを出力するための燃料電池１０の目標電圧Ｖｔを決定する。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に指令値として目標電圧Ｖｔを設定し、直流電源ラインＤＣＬの電圧を調整させる。
【００４７】
ところで、前記したとおり、燃料電池１０では、反応ガスは、マニホールドを介して各発電体１１のガス流路へと流入する。しかし、発電体１１のガス流路は、燃料電池１０において生成された水分などにより閉塞されてしまう場合がある。一部の発電体１１においてガス流路の閉塞が生じた状態で、燃料電池１０に発電を継続させた場合には、当該一部の発電体１１では、反応ガスの供給不足により発電反応が抑制されてしまう。一方、他の発電体１１では発電反応が継続されるため、反応ガスの供給不良が生じている当該一部の発電体１１は、燃料電池１０において抵抗として働き、負電圧を発生することとなる。以後、負電圧を発生している発電体１１を、本明細書では、「負電圧セル１１」とも呼ぶ。
【００４８】
負電圧セル１１の負電圧状態が継続されると、燃料電池１０の発電性能の低下や、負電圧セル１１における電極の劣化が生じてしまうことが知られている。そこで、燃料電池１０において発電体１１が負電圧を発生している場合には、早期にその負電圧が発生している状態が解消されることが望ましい。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の発電体１１において負電圧の発生が検出された場合には、以下に説明する負電圧回復処理を実行し、負電圧状態の回復を図る。
【００４９】
図４は、制御部２０が実行する負電圧回復処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。制御部２０は、燃料電池１０の通常の運転（ステップＳ５）を開始した後に、セル電圧計測部９１によって、発電体１１のうちの少なくとも１つにおいて負電圧が検出された場合には、ステップＳ２０以降の処理を開始する（ステップＳ１０）。ステップＳ２０では、制御部２０は、電流積算値計測部２１に、後述する電流密度低下処理に用いられる電流積算値の計測を開始させる。
【００５０】
ここで、ステップＳ１０において負電圧の発生が検出された段階では、負電圧の発生原因が、アノードへの水素の供給不良によるものであるのか、カソードへの酸素の供給不良によるものであるのかが判別されていない。そこで、ステップＳ３０では、制御部２０は、まず、エアコンプレッサ３２の回転数を増大させて、燃料電池１０に対する空気の供給量を増大させる。カソードへの酸素の供給不良によって負電圧が発生している場合には、この処理によって、負電圧セル１１における空気の供給量不足を解消するとともに、カソード側のガス流路を掃気して、その閉塞を解消することができる。
【００５１】
制御部２０は、空気の供給量を増大させた後に、負電圧セル１１の電圧が上昇した場合には、負電圧が回復したものとして、燃料電池１０の通常の運転制御に戻る（ステップＳ４０）。一方、空気の供給量増大によっても負電圧が回復しなかった場合には、制御部２０は、負電圧の発生原因が、水素の供給不良によるものと判定する。
【００５２】
図５（Ａ）は、本発明の発明者の実験において観測された、水素の供給不良によって負電圧が発生したときの負電圧セル１１におけるアノードの電極電位の変化を示すグラフである。図５（Ａ）には、縦軸をアノードの電極電位とし、横軸を時間とするアノードの電極電位の時間変化を示す実線グラフＧAPが図示されている。また、図５（Ａ）には、縦軸をセル電圧とし、横軸を時間とする負電圧セル１１におけるセル電圧の時間変化を示す破線グラフＧV1が図示されている。
【００５３】
破線グラフＧV1では、時刻ｔ1において負電圧が発生し、セル電圧が電圧値Ｖ1までほぼ垂直に低下している。そして、電圧値Ｖ1近傍の電圧が維持された後、時刻ｔ2において、さらに、セル電圧が電圧値Ｖ2までほぼ垂直に低下している。一方、実線グラフＧAPでは、時刻ｔ1における負電圧の発生とともに、負電圧セル１１の電圧変化とはほぼ対照的に、負電圧セル１１のアノードの電位が上昇している。
【００５４】
ここで、時刻ｔ1から時刻ｔ2の期間には、負電圧セル１１のアノードでは、下記の反応式（１ａ）に示す水分解反応（水の酸化反応）により、プロトンが生成される。
２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2 ＋  ４Ｈ+  ＋  ｅ-  …（１ａ）
また、上述したように、負電圧発生時のアノード電位の上昇により、下記反応式（１ｂ）の反応が進行し、触媒が酸化され、不活性化するとともに、プロトンが生成される。
Ｐｔ  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  ＰｔＯ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  …（１ｂ）
これらの反応によって、燃料電池１０は、負電圧が生じている状態であっても、発電性能の低下が抑制された状態で運転を継続することができる。
【００５５】
しかし、時刻ｔ2以降では、下記の反応式（２）に示す反応により、アノードを構成するカーボンの酸化により、プロトンが生成され始める。
Ｃ  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  …（２）
この場合には、電極構成部材の劣化により、燃料電池１０の発電性能は著しく低下し、その回復が困難となる。このように、水素の供給不良によって負電圧が発生した場合には、負電圧セル１１のセル電圧が、時刻ｔ2以降のような２回目の電圧低下を生じる前に、負電圧セル１１に水素を供給し、負電圧を回復させることが好ましい。
【００５６】
そこで、ステップＳ５０（図４）では、制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を調整したり、水素循環用ポンプ６４の回転数を増大させることにより、燃料電池１０に対する水素の供給量を増大させて、負電圧の回復を図る。しかし、負電圧セル１１に水素が供給されても、その負電圧の状態が回復されない場合があることを本発明の発明者は見出した。
【００５７】
図５（Ｂ），（Ｃ）は、負電圧セル１１への水素の供給量増大によって負電圧が回復する場合と回復しない場合とがあることを示す実験結果を示すグラフである。図５（Ｂ）は、燃料電池１０において負電圧が発生した後に燃料電池１０に対する水素の供給量を増大させたときの負電圧セル１１のセル電圧の時間変化を示すグラフであり、本発明の発明者による実験によって得られたものである。図５（Ｂ）には、縦軸をセル電圧とし、横軸を時間とする負電圧セル１１の電圧の時間変化を示す実線グラフＧV2と、縦軸を水素のストイキ比とし、横軸を時間とする水素のストイキ比の時間変化を示す破線グラフＧH1とが図示されている。ここで、「水素のストイキ比」とは、燃料電池の発電量に対して理論的に必要な水素（水素の理論的消費量）に対する実際の水素の供給量の比を意味する。
【００５８】
図５（Ｂ）のグラフに示されるように、時刻ｔ3において負電圧が発生した。そして、水素の供給量を増大させる処理が開始された後、時刻ｔ4において、負電圧セル１１における水素のストイキ比が上昇し始めたが、負電圧セル１１のセル電圧は、わずかに上昇しただけで、負電圧発生前の電圧レベルまでは回復しなかった。このように、本発明の発明者による実験において、負電圧発生後に負電圧セル１１における水素のストイキ比を増大させた場合であっても、負電圧セル１１のセル電圧が回復されない場合があることが観測された。
【００５９】
図５（Ｃ）は、燃料電池１０において負電圧が発生した後に燃料電池１０に対する水素の供給量を増大させたときの負電圧セル１１のセル電圧の時間変化を示す、図５（Ｂ）と同様なグラフである。図５（Ｃ）には、縦軸をセル電圧とし、横軸を時間とする負電圧セル１１の電圧の時間変化を示す実線グラフＧV3と、縦軸を水素のストイキ比とし、横軸を時間とする水素のストイキ比の時間変化を示す破線グラフＧH2とが図示されている。
【００６０】
ここで、図５（Ｃ）の実験では、時刻ｔ5において負電圧が発生した後、時刻ｔ6において、図５（Ｂ）と同程度に水素のストイキ比を増大させるとともに、燃料電池１０の電流密度を、負電圧発生前の約１／１０程度まで低下させた。すると、図５（Ｃ）のグラフに示されるように、負電圧セル１１の電圧を、負電圧発生前の電圧レベルまで回復させることができた。本発明の発明者は、これらの図５（Ｂ），（Ｃ）の実験から、以下の考察を得た。
【００６１】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、電流密度の低下により、負電圧からの回復が可能となった理由を説明するための模式図である。図６（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ、発電体１１のアノードの内部状態を模式的に示した図であり、炭素原子１と、炭素原子１に担持された触媒２と、それらを包含するアイオノマー３とが模式的に図示されている。
【００６２】
図６（Ａ）は、水素の供給不良によって負電圧が発生している負電圧セル１１のアノードの内部状態を示している。前記したとおり、水素の供給不良によって負電圧が発生したときには、上記の反応式（１ａ）の水分解反応によって、プロトンと酸素とが生成される。そのため、負電圧が発生している状態で燃料電池１０の発電を継続すると、触媒２の近傍には酸素が多数存在するようになる。
【００６３】
図６（Ｂ）は、負電圧の発生後に水素のストイキ比を増大させたときの負電圧セル１１のアノードの状態を模式的に示している。負電圧セル１１のアノードに水素が到達し始めると、その水素と、それまでアノードにおいて生成された酸素とが反応し、水が生成される（下記反応式（３））。
Ｈ2  ＋  １／２Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ  …（３）
また、上記の水分解反応も継続される。
【００６４】
ここで、本明細書では、上記の水分解反応によって生成される単位時間あたりの酸素の量を「酸素生成速度」と呼ぶ。また、上記の反応式（３）に示す水生成反応における水素との結合により消費される単位時間あたりの酸素の量を「酸素消費速度」と呼ぶ。
【００６５】
負電圧セル１１に水素が到達し始めた後に、負電圧セル１１のアノードにおける酸素生成速度の方が、負電圧セル１１のアノードにおける酸素消費速度より速くなった場合には、負電圧セル１１のアノードでは、触媒２の近傍における酸素量が増加し続ける（図６（Ｃ））。従って、この場合には、水素が触媒２まで到達することが困難となり、水分解反応が継続し、負電圧の状態が継続される。
【００６６】
一方、負電圧セル１１に水素が到達し始めた後に、負電圧セル１１のアノードにおける酸素消費速度の方が、負電圧セル１１のアノードにおける酸素生成速度より速くなった場合には、触媒２の近傍における酸素量が低減される（図６（Ｄ））。従って、水素が触媒２まで到達することが容易となり、通常の発電反応が再開される。
【００６７】
ここで、ファラデーの法則によれば、燃料電池１０の電流密度が高いほど、酸素生成速度は速くなる。即ち、図５（Ｂ）の実験では、燃料電池１０の電流密度が高かったために、負電圧セル１１のアノードにおける酸素生成速度の方が、負電圧セル１１のアノードにおける酸素消費速度より速くなり、負電圧が回復しなかったものと推察される。一方、図５（Ｃ）の実験では、燃料電池１０の電流密度が低かったために、負電圧セル１１のアノードにおける酸素生成速度の方が、負電圧セル１１のアノードにおける酸素消費速度より速くなり、負電圧が回復したものと推察される。
【００６８】
そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、ステップＳ５０（図４）における水素の供給量増大処理の後に、負電圧が回復したか否かの判定を実行する（ステップＳ６０）。そして、負電圧が回復した場合には、燃料電池１０の通常の運転制御（ステップＳ５）を再開し、負電圧が回復しなかった場合には、ステップＳ７０の電流密度低下処理を実行する。この電流密度低下処理では、負電圧セル１１のアノードにおける酸素生成速度を酸素消費速度より低下させることができる電流密度の閾値（「閾値電流密度」と呼ぶ）を求め、その閾値電流密度より、燃料電池１０の電流密度を低下させ、負電圧の回復を図る。
【００６９】
図７は、ステップＳ７０における電流密度低下処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、制御部２０は、電流積算値計測部２１によって計測された負電圧が発生している期間における電流積算値を取得する。ここで、この電流積算値を取得するのは、以下の理由による。
【００７０】
上述したとおり、水素の供給不良により負電圧が発生している場合には、水分解反応（上記反応式（１ａ））によりプロトンが生成されるとともに、触媒の酸化反応（上記反応式（１ｂ））が進行する。即ち、負電圧の発生している期間において燃料電池１０が出力した電気量（電流積算値）が増大するほど、触媒の不活性化の度合いが増し、水素と酸素の再結合による酸素の消費が抑制される。従って、負電圧の発生期間における電流積算値と酸素消費速度との対応関係を予め求めておくことにより、ステップＳ１１０で取得する電流積算値によって、負電圧セル１１のアノードにおける酸素消費速度を求めることが可能となる。
【００７１】
図８（Ａ）は、ステップＳ１２０において、負電圧セル１１のアノードにおける酸素消費速度を取得するために用いられる酸素消費速度マップＭGVの一例を表すグラフである。図８（Ａ）では、酸素消費速度マップＭGVは、縦軸を酸素消費速度とし、横軸を電流積算値とする下に凸の下降曲線グラフとして表されている。この酸素消費速度マップＭGVに設定されている電流積算値と酸素消費速度との対応関係は、例えば、以下のような実験に基づき得ることができる。
【００７２】
即ち、燃料電池１０の任意の発電体１１のアノード側のガス流路を閉塞させて負電圧を一定期間だけ発生させた後に発電を停止させる。この期間における電流積算値を求めるとともに、負電圧セル１１における発電量から、この期間に生成された酸素量を求める。そして、その負電圧セル１１のアノードに水素の供給を開始し、水素の供給を開始したときから、負電圧セル１１のアノードにおける酸素分圧が０となるまでの酸素消費時間を計測する。この一連の計測処理を負電圧の発生期間を変えて行う。これらの計測結果から、電流積算値ごとの酸素消費速度を算出する。
【００７３】
制御部２０は、この酸素消費速度マップＭGVを予め記憶部（図示せず）に記憶している。そして、ステップＳ１２０において、制御部２０は、この酸素消費速度マップＭGVを参照して、ステップＳ１１０で取得した電流積算値Ｑｅに対する酸素消費速度Ｖｏを求める。
【００７４】
図８（Ｂ）は、ステップＳ１３０において、閾値電流密度を取得するために用いられる閾値電流密度マップＭTCの一例を表すグラフである。図８（Ｂ）では、閾値電流密度マップＭTCは、縦軸を酸素生成速度とし、横軸を電流積算値としたときに、電流密度の上昇に応じて酸素生成速度が増大する正比例のグラフとして表されている。この閾値電流密度マップＭTCにおける酸素生成速度と電流密度との対応関係は、ファラデーの法則に基づいて求められるものである。
【００７５】
制御部２０は、閾値電流密度マップＭTCを予め記憶部（図示せず）に記憶している。そして、ステップＳ１３０において、制御部２０は、酸素消費速度マップＭGVを参照し、前工程で取得した酸素消費速度Ｖｏと同じ速度である酸素生成速度Ｖｏに対する電流密度を閾値電流密度ｉmaxとして求める。
【００７６】
この閾値電流密度ｉmaxより小さい電流密度で燃料電池１０に発電させれば、負電圧セル１１のアノードにおける酸素生成速度を酸素消費速度より低下させることができ、負電圧セル１１のアノードに生成された酸素量を次第に低減させることができる。従って、水素の供給による負電圧の回復が可能となる。
【００７７】
ステップＳ１４０（図７）では、制御部２０は、閾値電流密度ｉmaxから予め設定された値Δｉ（Δｉ＞０）を引いた電流密度（ｉmax−Δｉ）で、予め設定された期間だけ、燃料電池１０に発電させる。制御部２０は、この電流密度低下処理を実行した後に、ステップＳ８０（図４）において、負電圧が回復したか否かの判定処理を実行し、負電圧が回復した場合には、燃料電池１０の通常の運転制御（ステップＳ５）を再開する。そして、電流密度低下処理によって負電圧が回復しなかった場合には、再度、電流密度低下処理を繰り返す。
【００７８】
このように、本実施例の燃料電池システム１００によれば、一部の発電体１１において、負電圧が検出された場合には、その負電圧を回復するための回復処理を実行する。そして、その回復処理において、水素の供給量を増大させても負電圧が回復しない場合には、その負電圧の回復を阻害する酸素の生成速度を低下させるための電流密度低下処理を実行する。従って、燃料電池１０において負電圧が発生した場合であっても、燃料電池１０の劣化や発電性能の低下を抑制することができる。
【００７９】
B．第２実施例：
図９は、第２実施例の燃料電池システムにおいて実行される電流密度低下処理の処理手順を示すフローチャートである。図９は、ステップＳ１１２が追加されている点以外は、図７とほぼ同じである。なお、第２実施例における燃料電池システムの他の構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様であり、負電圧回復処理も第１実施例で説明したのと同様の手順で実行される（図１，図２，図４）。ただし、第２実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０を、予め設定された一定の運転温度で運転させるものとする。
【００８０】
ステップＳ１１０では、負電圧発生期間における電流積算値を計測する。ステップＳ１１２では、制御部２０は、燃料電池１０の運転状態として、燃料電池１０の内部の湿度を検出する。具体的には、制御部２０は、インピーダンス計測部９３の計測値に基づいて、燃料電池１０の内部における湿度を取得する。
【００８１】
図１０（Ａ）は、燃料電池１０内部の湿度の変化による電流積算値と酸素消費速度との対応関係の変化を示すグラフである。図１０（Ａ）に示されたグラフは、内部の湿度を低下させた状態の燃料電池１０において得られる、図８（Ａ）のグラフと同様なグラフである。なお、図１０（Ａ）のグラフには、便宜上、図８（Ａ）のグラフを示す破線グラフと、その破線グラフからの変化を示す矢印とが図示されている。
【００８２】
第１実施例で説明したように、水素の供給不良により負電圧を発生している負電圧セル１１のアノードでは、上記の反応式（１ｂ）に示す触媒の酸化反応が進行している。触媒の酸化反応は、触媒近傍の水分子によって生じるため、負電圧セル１１の膜電極接合体に含まれる水分量が低下すると、その酸化反応の進行は抑制される。
【００８３】
即ち、燃料電池１０の内部における湿度に応じて、負電圧セル１１のアノードにおいて触媒が不活性化する速度が変化し、それに応じて酸素消費速度も変化する。そこで、第２実施例の燃料電池システムでは、予め準備されたマップを用いて、ステップＳ１１０で取得した電流積算値と、ステップＳ１１２において取得した燃料電池１０の内部における湿度とに基づき、適切な酸素消費速度を取得する（ステップＳ１２０）。
【００８４】
図１０（Ｂ）は、第２実施例の燃料電池システムにおいて、制御部２０が記憶している酸素消費速度マップＭGVHの一例を表すグラフである。図１０（Ｂ）には、酸素消費速度マップＭGVHが、縦軸を酸素消費速度とし、横軸を湿度とするグラフによって表してある。この第２実施例では、制御部２０は、電流積算値ごとの酸素消費速度マップＭGVHを有している。制御部２０は、ステップＳ１１０で取得された電流積算値に対応する酸素消費速度マップＭGVHを選択し、ステップＳ１２０において、その酸素消費速度マップＭGVHを用いて、燃料電池１０の内部における湿度ｈFCに対する酸素消費速度Ｖｏを取得する。
【００８５】
ステップＳ１３０では、この酸素消費速度Ｖｏと、第１実施例で説明した閾値電流密度マップＭTC（図８（Ｂ））とを用いて閾値電流密度ｉmaxを決定する。そして、ステップＳ１４０では、その閾値電流密度ｉmaxに基づいて燃料電池１０の電流密度を低下させて、燃料電池１０に発電させる。
【００８６】
このように、第２実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池１０の内部の湿度に基づいて、より適切な酸素消費速度を取得することができる。従って、より適切に、負電圧を回復するための電流密度低下処理を実行することができる。
【００８７】
図１１は、第２実施例のその他の構成例を説明するための説明図である。なお、この構成例では、燃料電池システムの構成は、上記した第２実施例の構成と同じであり（図１，図２）、負電圧回復処理およびその負電圧回復処理において実行される電流密度低下処理を同様に実行する（図４，図９）。ただし、この構成例の燃料電池システムでは、燃料電池１０の内部の湿度を予め設定された湿度で一定に維持するように運転するものとする。
【００８８】
図１１（Ａ）は、燃料電池１０の運転温度の変化による電流積算値と酸素消費速度との対応関係の変化を示すグラフである。図１１（Ａ）に示されたグラフは、運転温度を低下させた状態の燃料電池１０において得られる、図８（Ａ）のグラフと同様なグラフである。なお、図１０（Ａ）のグラフには、便宜上、図８（Ａ）のグラフを示す破線グラフと、その破線グラフからの変化を示す矢印とが図示されている。
【００８９】
水素の供給不良により負電圧を発生している負電圧セル１１のアノードにおいて進行する触媒の酸化反応（反応式（１ｂ））は、燃料電池１０の運転温度が低下すると、その進行が緩やかになる（アレニウス則）。即ち、燃料電池１０の運転温度に応じて、負電圧セル１１のアノードにおける触媒の活性度が変化するため、酸素消費速度も変化する。
【００９０】
そこで、この構成例では、図９のステップＳ１１２において、燃料電池１０の運転状態として、燃料電池１０の内部における湿度に換えて、その運転温度を検出する。具体的には、制御部２０は、冷媒供給部７０の２つの冷媒温度計測部７４，７５における計測値に基づいて、燃料電池１０の運転温度を計測する。そして、制御部２０は、予め準備されたマップを用いて、ステップＳ１１０において取得した電流積算値と、ステップＳ１１２において取得した運転温度とに基づき、適切な酸素消費速度を取得する（ステップＳ１２０）。
【００９１】
図１１（Ｂ）は、第２実施例の他の構成例としての燃料電池システムにおいて、制御部２０が記憶している酸素消費速度マップＭGVTの一例を表すグラフである。図１１（Ｂ）（Ｂ）には、酸素消費速度マップＭGVTが、縦軸を酸素消費速度とし、横軸を運転温度とするグラフによって表されている。なお、制御部２０は、電流積算値ごとの酸素消費速度マップＭGVTを有している。
【００９２】
制御部２０は、ステップＳ１２０において、ステップＳ１１０で取得された電流積算値に対応する酸素消費速度マップＭGVHを選択し、その酸素消費速度マップＭGVTを用いて、燃料電池１０の運転温度ＴFCに対する酸素消費速度Ｖｏを取得する。そして、ステップＳ１３０では、制御部２０は、閾値電流密度マップＭTC（図８（Ｂ））を用いて、その酸素消費速度Ｖｏに対する閾値電流密度を取得する。このように、燃料電池１０の運転温度に基づいて酸素消費速度を取得する場合であっても、燃料電池１０の内部の湿度に基づいて酸素消費速度を取得した場合と同様に、より適切な酸素消費速度を取得することができる。
【００９３】
なお、燃料電池システムが、燃料電池１０の運転に際して、燃料電池１０の内部の湿潤状態を変更するとともに、その運転温度も変更する制御を行う場合には、制御部２０は、燃料電池１０の内部湿度の検出値と、運転温度の検出値とに基づいて、酸素消費速度を取得するものとしても良い。この場合には、制御部２０は、燃料電池１０の内部湿度の検出値と運転温度の検出値との組み合わせごとの、電流積算値と酸素消費速度との対応関係を表す酸素消費速度マップＭGVを予め記憶しておき、それらを用いて酸素消費速度を取得するものとしても良い。
【００９４】
C．第３実施例：
図１２は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの電気的構成を示す概略図である。図１２は、制御部２０が再接続処理実行部２２を有している点と、直流電源ラインＤＣＬに開閉スイッチ８４が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの他の構成は、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。また、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な負電圧の回復処理を実行する（図４，図９）。
【００９５】
第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、負電圧の回復処理において負電圧が回復せず、燃料電池１０の劣化が生じる可能性がある場合には、再接続処理実行部２２が、後述する再接続処理を実行し、負電圧の回復を図る。開閉スイッチ８４は、再接続処理実行部２２の指示によって開閉し、燃料電池１０と外部負荷２００との間の電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。
【００９６】
図１３は、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂにおいて、再接続処理実行部２２が実行する再接続処理の処理手順を示すフローチャートである。この再接続処理は、電流密度低下処理（図９）のステップＳ１２０において、閾値電流密度ｉmaxが予め設定された所定の閾値以下となったときに、負電圧セル１１のアノードの劣化を回避するために実行される。なお、再接続処理は、負電圧回復処理（図４）のステップＳ８０において、所定の回数の電流密度低下処理が繰り返されても負電圧が回復しなかった場合に実行されるものとしても良い。
【００９７】
ステップＳ２１０では、再接続処理実行部２２は、開閉スイッチ８４を開き、燃料電池１０と外部負荷２００との間の電気的接続を切断する。なお、この処理工程以降では、外部負荷２００に対しては、二次電池８１から電力が供給される。ステップＳ２２０では、再接続処理実行部２２は、電流積算値計測部２１から、負電圧回復処理（図４）のステップＳ２０において計測が開始されたときから、再接続処理（図１３）のステップＳ２１０において、燃料電池１０と外部負荷２００とが電気的に切断されるまでの期間の電流積算値を取得する。そして、ステップＳ２３０において、その電流積算値に基づいて、燃料電池１０と外部負荷２００とを再び再接続させるまでのインターバル時間を決定する。
【００９８】
図１４は、本発明の発明者による実験において観測された負電圧セル１１のセル電圧の時間変化を、縦軸をセル電圧とし、横軸を時間として示すグラフである。この実験では、燃料電池１０の任意の発電体１１のアノード側のガス流路を閉塞させて負電圧を発生させ、その状態で燃料電池１０の発電を継続させた。そして、その負電圧状態のまま、水素の供給量を増大させた上で、燃料電池１０と外部負荷２００との間の電気的接続の切断と再接続とを２回実行した。
【００９９】
時刻ｔ1に１回目の切断を行ったときには、負電圧セル１１のセル電圧は、負電圧の発生前のレベルまで回復した。そして、時間間隔ΔＴ1をおいて、時刻ｔ2に燃料電池１０と外部負荷２００とを電気的に再接続したときには、負電圧セル１１のセル電圧は、直ちに元の負電圧のレベルにまで急降下した。
【０１００】
その後、時刻ｔ3に２回目の切断を行った。この切断によっても、負電圧セル１１のセル電圧は、負電圧発生前のレベルまで回復した。そして、前回の時間間隔ΔＴ1より長い時間間隔ΔＴ2をおいて、時刻ｔ4において、燃料電池１０と外部負荷２００とを再接続した。再接続後のセル電圧は、再接続の際にわずかに低下したが、すぐに負電圧発生前のレベルまで回復した。
【０１０１】
このように、水素の供給不良による負電圧が発生している場合には、燃料電池１０と外部負荷２００との電気的接続を一旦切断することにより、負電圧セル１１の電圧を負電圧発生前の電圧まで回復させることができる。また、燃料電池１０と外部負荷２００との間の電気的接続が切断されている時間を、ある程度おいて再び接続することにより、再接続後に負電圧状態に戻ってしまうことを抑制できる。
【０１０２】
ここで、燃料電池１０と外部負荷２００との電気的接続の切断から再接続までのインターバル時間は、負電圧の発生期間における電流積算値に応じて設定することが好ましいことを本発明の発明者は見出した。前記したとおり、水素の供給不良によって負電圧が発生している期間には、負電圧セル１１のアノードには、その期間に燃料電池１０が出力した電気量に応じた量の酸素が生成されている（上記反応式（１ａ））。負電圧の発生期間における電流積算値に応じたインターバル時間を設けることにより、そのインターバル時間において、アノードに存在する酸素を、水素との再結合反応（反応式（３））によって、より確実に消費させることができる。
【０１０３】
図１５は、ステップＳ２３０のインターバル時間の決定処理において用いられるインターバル時間決定マップＭITの一例を表すグラフである。このインターバル時間決定マップＭITは、縦軸をインターバル時間とし、横軸を電流積算値としたときに、下に凸の上昇曲線のグラフとして表される。インターバル時間決定マップＭITに設定されているインターバル時間と電流積算値との間の対応関係は、負電圧発生期間に負電圧セル１１のアノードにおいて生成される酸素量に基づいて設定されたものである。再接続処理実行部２２は、インターバル時間決定マップＭITを用いて、ステップＳ２２０で取得した電流積算値Ｑｅに対するインターバル時間Ｔｉを取得する。
【０１０４】
ステップＳ２４０では、制御部２０は、ステップＳ２３０で取得されたインターバル時間Ｔｉが経過するまで待機する。なお、この再接続処理が実行される前の負電圧回復処理
（図４）のステップｓ５０において、燃料電池１０に対する水素の供給量が増大されているため、負電圧セル１１のアノードで生成された酸素は、このインターバル時間Ｔｉの間に、水素と再結合して消費される。
【０１０５】
ステップＳ２５０では、燃料電池１０と外部負荷２００とを電気的に再接続し、燃料電池１０による出力を再開する。ステップＳ２６０では、負電圧が回復しているか否かの判定を実行し、回復している場合には、燃料電池１０の通常の運転制御（図４：ステップＳ５）に戻る。そして、負電圧が回復していない場合には、再び、ステップＳ２２０において電流積算値を取得し、ステップＳ２３０でインターバル時間を取得する。なお、２回目以降のインターバル時間の決定処理（ステップＳ２３０）では、インターバル時間決定マップＭITを用いて取得されたインターバル時間から、前回の処理で取得されたインターバル時間を引いた時間をインターバル時間とすることが好ましい。
【０１０６】
このように、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂによれば、水素の供給不良による負電圧によって負電圧セル１１のアノードに生成された酸素を、燃料電池１０と外部負荷２００との間の電気的接続が切断されたインターバル時間の間に消費することができる。従って、燃料電池１０の負電圧をより確実に回復することができ、燃料電池１０の劣化や発電性能の低下を抑制することができる。
【０１０７】
D．第４実施例：
図１６は、本発明の第４実施例としての燃料電池システムにおいて実行される負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図１６は、ステップＳ５０が省略されている点と、ステップＳ５２，Ｓ６５，Ｓ６６，Ｓ７２，Ｓ８２が追加されている点以外は、図４とほぼ同じである。なお、第４実施例の燃料電池システムの構成は、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂと同様である（図１，図１２）。
【０１０８】
ここで、図６で説明したように、水素の供給不良で負電圧が発生している場合には、負電圧セル１１に水素を供給することによって負電圧を回復できる場合（図６（Ｄ））と、回復できない場合（図６（Ｃ））とがある。第４実施例の負電圧回復処理では、ステップＳ５２〜Ｓ６５の処理によって、負電圧セル１１のアノードの状態が、水素の供給によって負電圧を回復できる状態であるか否かを判定する。
【０１０９】
図１７は、発電体１１における電極電位と電流密度との関係を、縦軸を電流密度の絶対値とし、横軸を電極電位として示すグラフである。図１７には、アノードにおいて水の分解反応（上記反応式（１ａ））が生じている負電圧セル１１の電極電位と電流密度との関係が、実線グラフＥＰ1によって図示されている。実線グラフＥＰ1は略Ｕ字形状をしており、紙面左側がカソードの電極電位であり、紙面右側がアノードの電極電位である。
【０１１０】
また、図１７には、アノードにおいて発電反応としての水素の酸化反応（下記反応式（４））が生じている場合の負電圧セル１１のアノードの関係を、一点鎖線のグラフＥＰ2によって図示してある。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  …（４）
一点鎖線のグラフＥＰ2は、実線グラフＥＰ1より紙面左側においてほぼ垂直に近い右上がりのグラフとして表されている。なお、このグラフＥＰ2が表すアノードに対応するカソードの電極電位と電流密度との関係は、実線グラフＥＰ1におけるカソードの電極電位と電流密度との関係を表すグラフと共通である。
【０１１１】
ここで、この実線グラフＥＰ1において、燃料電池１０の電流密度がｉ1のときの負電圧セル１１の電圧値Ｅi1は、電流密度ｉ1に対するアノードとカソードのそれぞれの電極電位ＥA1,Ｅc1の差として求めることができる（Ｅi1＝ＥA1−Ｅc1）。また、同様に、燃料電池１０の電流密度がｉ2（ｉ1＞ｉ2）のときの負電圧セル１１の電圧値Ｅi2が求められる（Ｅi2＝ＥA2−Ｅc2）。
【０１１２】
図１８は、水素の供給不良による負電圧を発生している負電圧セル１１に対して水素を供給するとともに、燃料電池１０の電流密度を低下させたときのセル電圧の変化を示すグラフである。図１８では、縦軸をセル電圧とし、横軸を時間とし、水素の供給で負電圧が回復しなかったときのセル電圧の変化を実線グラフＧａにより示してある。また、比較例として、水素の供給で負電圧が回復した場合のセル電圧の変化を破線グラフＧｂによって示してある。
【０１１３】
実線グラフＧａでは、時刻ｔ1において負電圧が発生しており、時刻ｔ2において、水素のストイキ比を増大させるとともに電流密度をｉ1からｉ2に低下させたことにより、わずかに電圧が上昇している。この実線グラフＧａが得られるときの電極電位と電流密度との関係は、図１７の実線グラフＥＰ1が得られるときと同様であり、時刻ｔ2におけるセル電圧の増加量ΔＥは、図１７のグラフにおける２つの電圧値Ｅi1，Ｅi2の差（ＥA1−ＥA2＋ＥC2−ＥC1）に相当する。なお、この電圧の増加量ΔＥは、反応過電圧に相当する。
【０１１４】
ここで、負電圧セル１１に対して水素を供給した場合であっても負電圧が回復されず、負電圧セル１１のアノードにおいて水の分解反応が継続してしまうときは、負電圧セル１１における電位電極と電流密度との関係は、図１７の実線グラフＥＰ1のようになる。そして、このときに、燃料電池１０の電流密度を所定の第１の値から第２の値へと低下させた場合の負電圧セル１１のセル電圧の変化量（反応過電圧）は、ほぼ一定の値を得ることができる。
【０１１５】
しかし、負電圧セル１１のアノードにおいて発電反応としての水素の酸化反応が再開されつつあるときには、燃料電池１０の電流密度を同様に低下させても、異なる電極電位や異なるセル電圧の変化が生じる（図１７のグラフＥＰ2，図１８のグラフＧｂ）。そのため、このときには、負電圧セル１１のアノードにおいて水の分解反応が継続されるときと同様な反応過電圧は得られない。
【０１１６】
即ち、所定の電流密度の低下を実行したときの負電圧セル１１のセル電圧の変化量によって、負電圧セル１１のアノードにおいて、水分解反応が生じているのか、水素の酸化反応が生じているのかを判定することが可能である。より具体的には、負電圧セル１１のアノードにおいて水の分解反応が継続されているときに所定の範囲で電流密度を低下させて、予め計測した反応過電圧（図１７の２つの電圧値Ｅi1，Ｅi2の差に相当する値）を記録しておく。そして、燃料電池１０において負電圧が検出されたときに、所定の電流密度の低下を実行し、そのときの負電圧セル１１のセル電圧の変化量（図１８のΔＥ）と比較することにより、負電圧セル１１のアノードにおいて進行している反応を特定することができる。
【０１１７】
第４実施例の燃料電池システムでは、ステップＳ５２（図１６）において、燃料電池１０の電流密度を、所定の第１の値から第２の値へと低下させて、負電圧セル１１のセル電圧の変化量を計測する。そして、ステップＳ６０では、ステップＳ５２における電流密度の低下により、負電圧が回復したか否かを判定する。ステップＳ６０において、負電圧が回復していれば、そのまま、燃料電池１０の通常の運転制御を再開する。負電圧が回復していないのであれば、ステップＳ６５において、ステップＳ５２で得たセル電圧の変化量を用いてアノードにおいて進行している反応を特定するための判定を実行する。
【０１１８】
即ち、セル電圧の変化量が、予め得ていた所定の許容範囲に含まれる場合には、負電圧セル１１のアノードは、水の分解反応が進行している「第１の状態」であると判定する。ここで、「所定の許容範囲」とは、負電圧セル１１のアノードにおいて水の分解反応が継続されているときに、電流密度を所定の第１の値から第２の値へと低下させることにより得られる負電圧セル１１の電圧変化量の近傍の数値範囲である。一方、セル電圧の変化量が、所定の許容範囲から外れる場合には、負電圧セル１１のアノードは、水素の酸化反応が生じている「第２の状態」であると判定する。
【０１１９】
ステップＳ６５において、負電圧セル１１のアノードが第１の状態であると判定された場合には、水素の供給量増大のみでは負電圧が回復しない可能性がある。そのため、この場合には、ステップＳ６６において、燃料電池１０に対する水素供給量を増大させるとともに、ステップＳ７０の電流密度低下処理（図７）を実行し、負電圧が回復するまで電流密度低下処理を繰り返す（ステップＳ８０）。
【０１２０】
一方、ステップＳ６５において、負電圧セル１１のアノードが第２の状態であると判定された場合には、水素の供給量増大のみで負電圧を回復することが可能である。そのため、ステップＳ７２において、燃料電池１０に対する水素の供給量を増大させる。そして、負電圧が回復するまでステップＳ７２を繰り返す（ステップＳ８２）。なお、ステップＳ８０，Ｓ８２において、所定の回数だけ負電圧が回復しないと判定された場合には、第３実施例で説明した再接続処理（図１３）を実行して負電圧を回復させる。
【０１２１】
このように、第４実施例の燃料電池システムによれば、負電圧セル１１のアノードにおいて進行している反応を、電流密度を低下させたときの負電圧セル１１のセル電圧の変化量から特定することができる。そのため、負電圧セル１１におけるアノードでの状態に応じて、負電圧を回復するための処理を適切に実行することができる。
【０１２２】
なお、氷点下などの低温環境下では、燃料電池１０を急速に暖気するために、水素循環用ポンプ６４などを最大回転数で駆動させる場合がある。このような場合には、水素の供給量をさらに増加させることが困難であり、他の実施例のように、水素の供給量を増大させた後に負電圧が回復しない場合に水素の供給不良による負電圧であるとの判定を実行することが困難である。しかし、この第４実施例のように、電流密度を低下させたときの負電圧セル１１の電圧の変化量を用いて、負電圧セル１１のアノードにおける状態を特定する方法であれば、上記のような判定を省略して、適切な負電圧回復のための処理を実行することが可能である。
【０１２３】
E．参考例：
図１９（Ａ），（Ｂ）は、本発明の参考例として、本発明の発明者による実験結果を示すグラフである。図１９（Ａ），（Ｂ）は、氷点下の低温環境下において、燃料電池の単セルの１つに負電圧を発生させときの、負電圧セルの温度（セル温度）の時間変化と、燃料電池の電流密度の時間変化とを表したグラフである。図１９（Ａ）は、ほぼ一定の低電流密度で燃料電池の出力制限を行った場合であり、図１９（Ｂ）は、電流密度を次第に上昇させた場合である。なお、図１９（Ａ），（Ｂ）の縦軸および横軸のスケールは互いに一致している。
【０１２４】
ここで、燃料電池の一部の単セルにおける負電圧は、低温環境下において、当該一部の単セルに設けられた反応ガスのためのガス流路に残留していた水分が凍結してしまい、当該ガス流路が閉塞されることにより発生する場合がある。このような場合には、燃料電池の温度を上昇させて、ガス流路の凍結水分を解凍し、反応ガスの供給不良を解消することにより負電圧を回復させることが好ましい。
【０１２５】
図１９（Ａ），（Ｂ）のグラフに示すように、一定の低電流密度で燃料電池に出力させた場合には、それよりも高い電流密度で燃料電池に出力させた場合よりも、セル温度の上昇が緩やかとなる。従って、負電圧が発生している場合には、燃料電池にできるだけ高い電流密度で出力させ、燃料電池の運転温度を短期間で上昇させることが好ましい。
【０１２６】
上記実施例で説明した負電圧発生時の電流密度低下処理では、負電圧セル１１のアノードに存在する酸素の量の低減が可能となる閾値電流密度ｉmaxを求め、その閾値電流密度ｉmaxから次第に電流を低下させて負電圧の回復を図る。従って、負電圧の回復のために、燃料電池の電流密度を必要以上に低下させてしまうことを抑制できる。従って、負電圧の回復のために予め設定された一定の低電流密度で燃料電池を運転する場合に比較して、燃料電池の昇温が短期間で可能であるため、低温環境下において、負電圧をより確実に回復させることができる。
【０１２７】
F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１２８】
F1．変形例１：
上記実施例では、制御部２０は、電流積算値と酸素消費速度との対応関係として、酸素消費速度マップＭGVを記憶し、電流密度と酸素生成速度との対応関係として、閾値電流密度マップＭTCを記憶していた。しかし、これらの対応関係は、マップとして記憶されていなくとも良く、例えば、演算式や関数として記憶されているものとしても良い。なお、上記実施例において説明されている各種のマップについても同様である。
【０１２９】
F2．変形例２：
上記実施例では、セル電圧計測部９１が、燃料電池１０の全ての発電体１１の電圧を計測することにより、負電圧の発生を検出していた。しかし、セル電圧計測部９１は、全ての発電体１１の電圧を計測しなくとも良く、発電体１１うちの少なくとも１つの電圧を計測することにより、負電圧の発生を検出できれば良い。例えば、発電体１１の中でも、最も運転温度が低くなる傾向にある燃料電池１０の端部に配置された発電体１１において負電圧が発生する可能性が高いことが知られている。そこで、セル電圧計測部９１は、その端部に配置された発電体１１についてのみ電圧を計測し、負電圧を検出するものとしても良い。
【０１３０】
F3．変形例３：
上記第１実施例では、制御部２０は、酸素消費速度マップＭGVと、閾値電流密度マップＭTCとを用いて、負電圧セル１１のアノードに存在する酸素が低減されるように閾値電流密度ｉmaxを決定していた。しかし、制御部２０は、酸素消費速度マップＭGVと、閾値電流密度マップＭTCとを組み合わせた、電流積算値と電流密度との対応関係を表す１つのマップを用いて、負電圧発生期間の電流積算値に対して閾値電流密度を取得するものとしても良い。
【０１３１】
また、制御部２０は、酸素消費速度マップＭGVと、閾値電流密度マップＭTCとに換えて、負電圧が発生している期間における電流積算値と、水素の供給量を増大させることにより負電圧の回復が可能となる電流密度との対応関係を予め記憶しておき、その対応関係を用いて、負電圧発生期間における電流積算値に対して求められる電流密度以下の電流密度で燃料電池１０に電力を出力させる出力制限処理を実行するものとしても良い。
【０１３２】
F4．変形例４：
上記の第２実施例または第２実施例のその他の構成例では、制御部２０は、電流積算値ごとの酸素消費速度マップＭGVH，ＭGVTを記憶して用いていた。しかし、制御部２０は、燃料電池１０の内部の湿度ごと、または、燃料電池１０の運転温度ごとの酸素消費速度マップＭGVを予め記憶しており、その中から、燃料電池１０の内部の湿度の検出値、または、燃料電池１０の運転温度の検出値に対応するものを選択して用いるものとしても良い。
【０１３３】
F5．変形例５：
上記第３実施例では、再接続処理が、電流低下処理において、負電圧の回復が困難であった場合などに実行されていた。しかし、再接続処理は、負電圧が検出された場合に、他のタイミングで実行されるものとしても良い。例えば、再接続処理は、負電圧が検出後に直ちに実行されるものとしても良いし、負電圧検出後において、水素の供給量を増大させても負電圧が回復しなかった場合に実行されるものとしても良い。
【０１３４】
F6．変形例６：
上記第４実施例では、負電圧セル１１のアノードにおいて水の分解反応が進行して酸素が生成されていると判定された場合に、第１実施例で説明した電流密度低下処理が実行されていた（図１６）。しかし、負電圧セル１１のアノードにおいて水の分解反応が進行して酸素が生成されていると判定された場合には、第１実施例の電流密度低下処理に限らず、他の手順によって、燃料電池１０の電流密度を低下させる処理が実行されるものとしても良い。
【０１３５】
F7．変形例７：
上記実施例において、閾値電流密度マップＭTCには、燃料電池１０の電流密度と酸素生成速度との対応関係が設定されていた。しかし、閾値電流密度マップＭTCには、電流密度の代わりに、燃料電池１０の電流値と酸素生成速度との対応関係が設定されるものとしても良い。燃料電池１０の電流値は、電流密度に電極の面積を乗じたものであるため、燃料電池１０の電流値と酸素生成速度との対応関係も、燃料電池１０の電流密度と電流積算値との対応関係の一種であると考えることができる。なお、上記実施例において、制御部２０が実行する燃料電池１０の電流密度の制御は、燃料電池１０の電流値の制御として解釈することも可能である。
【０１３６】
F8．変形例８：
上記実施例において、燃料電池システム１００，１００Ｂでは、カソードガスの供給量増大を実行した後に負電圧が回復しなかった場合に、水素の供給不良によって負電圧が発生しているものとして、電流密度低下処理や、負電圧セル１１のアノードにおける反応を特定するための判定処理を実行していた。しかし、カソードガスの供給量増大による負電圧の回復処理を実行することなく、負電圧の検出後に、電流制限処理や、アノードにおける反応を特定するための判定処理を開始するものとしても良い。
【０１３７】
F9．変形例９：
上記実施例において、燃料電池システム１００，１００Ｂは、負電圧を検出したときに、負電圧を回復するための回復処理が実行され、その回復処理において、電流密度低下処理が実行されていた。しかし、燃料電池システム１００，１００Ｂでは、負電圧を検出していない場合であっても、負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立する場合に、負電圧が発生しているものとして、電流密度低下処理を実行するものとしても良い。例えば、外気温が氷点下以下となる環境下や、燃料電池１０の温度が氷点下に近い温度である場合などに、電流密度低下処理を実行するものとしても良い。
【符号の説明】
【０１３８】
１…炭素原子
２…触媒
３…アイオノマー
１０…燃料電池
１１…発電体（単セル），負電圧セル
２０…制御部
２１…電流積算値計測部
２２…再接続処理実行部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…加湿部
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…インジェクタ
５６ｕ，５６ｄ…第１と第２の圧力計測部
６０…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
７０…冷媒供給部
７１…冷媒用配管
７２…ラジエータ
７３…冷媒循環用ポンプ
７４，７５…冷媒温度計測部
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
８４…開閉スイッチ
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
９３…インピーダンス計測部
９４…充電状態検出部
１００，１００Ｂ…燃料電池システム
２００…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
ＭGV，ＭGVH，ＭGVT…酸素消費速度マップ
ＭIT…インターバル時間決定マップ
ＭTC…閾値電流密度マップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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