(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの出力要求に応じた電力を出力する燃料電池システムであって、
膜電極接合体を備える燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記出力要求に応じて目標電流値Ｉｔを設定して、前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる第１の制御を実行し、
前記制御部は、前記第１の制御において、前記目標電流値Ｉｔが予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値Ｉｔを、前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定して、再設定後の前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる第２の制御に切り替える処理を実行し、
前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲であって、第１の電流値Ｉａと第２の電流値Ｉｂ（Ｉｂ＞Ｉａ）との間の範囲であり、
前記目標電流値Ｉｔは、第１の電流値Ｉａよりも小さい値をとり得るとともに、前記第２の電流値Ｉｂよりも大きい値をとり得る、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、
前記燃料電池の運転温度を検出する温度検出部を備え、
前記制限範囲は、前記燃料電池の運転温度ごとに予め設定されており、
前記制御部は、前記第１と第２の制御において、現在の前記燃料電池の運転温度に応じた前記制限範囲を用いる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池とともに電源部として機能する二次電池と、
前記二次電池の充電状態を示す値を検出する充電状態検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値に基づいて、前記二次電池の充電と放電とを切り替え、
前記制御部は、前記第２の制御において、前記二次電池に放電させる制御を実行しているときには、前記第１の制御において設定された前記目標電流値Ｉｔを、前記第１の電流値Ｉａ以下に再設定し、前記二次電池を充電する制御を実行しているときには、前記目標電流値Ｉｔを、前記第２の電流値Ｉｂ以上に再設定する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、
前記第１の制御において、前記目標電流値Ｉｔが前記制限範囲内に設定された場合であっても、前記第２の制御に切り替えることなく、前記燃料電池の発電条件を変更して、燃料電池の劣化が抑制される状態にした上で、前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる第３の制御を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる可能性の高い前記燃料電池の運転パターンを示す情報を予め記憶しており、
前記燃料電池の運転パターンを示す情報に基づき、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性を検出したときに、前記二次電池の充電と放電とを切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部を備え、
前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記二次電池の充・放電を切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２に従属する請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部と、
前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の運転温度を調整する冷媒循環供給系と、
を備え、
前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記燃料電池の運転温度が所定の閾値よりも高くなる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記燃料電池に対する前記冷媒の供給流量を増大させ、前記燃料電池の運転温度の上昇を抑制する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池における抵抗を検出する抵抗検出部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池における出力電流と抵抗との関係によって表される発電特性の変化を検出し、
前記発電特性の変化が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、前記制限範囲の基準となる抵抗値の範囲を変更する、燃料電池システム。
【請求項９】
膜電極接合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）外部からの出力要求を受け付け、前記出力要求に応じた前記燃料電池の目標電流値Ｉｔを設定する工程と、
（ｂ）前記目標電流値Ｉｔが予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値Ｉｔを前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定する工程と、
（ｃ）前記工程（ａ）または前記工程（ｂ）で設定された前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる工程と、
を備え、
前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲であって、第１の電流値Ｉａと第２の電流値Ｉｂ（Ｉａ＜ＩＢ）との間の範囲であり、
前記目標電流値Ｉｔは、第１の電流値Ｉａよりも小さい値をとり得るとともに、前記第２の電流値Ｉｂよりも大きい値をとり得る、制御方法。
【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】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）は、通常、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体を備える。電解質膜は、燃料電池内部の湿潤状態の変化に応じて膨潤と収縮とを繰り返す。そのため、燃料電池の運転中には、膜電極接合体では、電解質膜が著しく乾燥して収縮する際に、その変形に起因する内部応力が発生して、電解質膜や電極における亀裂や微小穴の発生等の不可逆的な劣化が生じてしまう場合がある。
【０００３】
これまで、燃料電池の運転中に電解質膜の著しい乾燥を検出した場合に、その乾燥状態を解消するための制御を実行する技術が提案されてきた（下記特許文献１等）。しかし、電解質膜が乾燥状態になってしまうこと抑制し、膜電極接合体の劣化を抑制し、ひいては、燃料電池の劣化を抑制することについては十分な工夫がなされてこなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０４７３６８号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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。本発明の第一形態は、外部からの出力要求に応じた電力を出力する燃料電池システムであって、膜電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池の出力電流を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記出力要求に応じて目標電流値Ｉｔを設定して、前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる第１の制御を実行し、前記制御部は、前記第１の制御において、前記目標電流値Ｉｔが予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値Ｉｔを、前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定して、再設定後の前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる第２の制御に切り替える処理を実行し、前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲であって、第１の電流値Ｉａと第２の電流値Ｉｂ（Ｉｂ＞Ｉａ）との間の範囲であり、前記目標電流値Ｉｔは、第１の電流値Ｉａよりも小さい値をとり得るとともに、前記第２の電流値Ｉｂよりも大きい値をとり得る、燃料電池システムとして提供される。本発明の第二形態は、膜電極接合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）外部からの出力要求を受け付け、前記出力要求に応じた前記燃料電池の目標電流値Ｉｔを設定する工程と、（ｂ）前記目標電流値Ｉｔが予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値Ｉｔを前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定する工程と、（ｃ）前記工程（ａ）または前記工程（ｂ）で設定された前記目標電流値Ｉｔの電流を前記燃料電池に出力させる工程と、を備え、前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲であって、第１の電流値Ｉａと第２の電流値Ｉｂ（Ｉａ＜ＩＢ）との間の範囲であり、前記目標電流値Ｉｔは、第１の電流値Ｉａよりも小さい値をとり得るとともに、前記第２の電流値Ｉｂよりも大きい値をとり得る、制御方法として提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］
外部からの出力要求に応じた電力を出力する燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池の出力電流を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記出力要求に応じて目標電流値を設定して、前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる第１の制御を実行し、前記制御部は、前記第１の制御において、前記目標電流値が予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値を、前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定して、再設定後の前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる第２の制御に切り替える、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、予め設定された、燃料電池の劣化の可能性のある制限範囲内での電流の出力を回避することができるため、燃料電池の劣化を抑制できる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は膜電極接合体を備えており、前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲である、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、膜電極接合体が乾燥状態となるときに検出される抵抗値の範囲に対応する電流の範囲での電流の出力を回避できるため、膜電極接合体が乾燥状態になることを抑制でき、膜電極接合体の乾燥に起因する劣化を抑制することができる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転温度を検出する温度検出部を備え、前記制限範囲は、前記燃料電池の運転温度ごとに予め設定されており、前記制御部は、前記第１と第２の制御において、現在の前記燃料電池の運転温度に応じた前記制限範囲を用いる、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の運転温度の上昇に伴って、燃料電池の劣化の可能性のある出力電流の範囲が広がる場合であっても、燃料電池を適切に保護することができる。ここで、膜電極接合体は、運転温度の上昇に伴って乾燥しやすくなり、膜電極接合体における電流と抵抗との関係が変化する。従って、適用例２を引用する適用例３の燃料電池システムであれば、運転温度の上昇に伴って制限範囲が広くなるため、膜電極接合体の乾燥をより適切に抑制でき、その乾燥に起因する劣化を、より適切に抑制することができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池とともに電源部として機能する二次電池と、前記二次電池の充電状態を示す値を検出する充電状態検出部と、を備え、前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値に基づいて、前記二次電池の充電と放電とを切り替え、前記制限範囲は、第１と第２の電流値Ｉａ，Ｉｂ（Ｉａ＜Ｉｂ）の間の範囲であり、前記制御部は、前記第２の制御において、前記二次電池に放電させる制御を実行しているときには、前記第１の制御において設定された前記目標電流値Ｉｃを、前記第１の電流値Ｉａ以下に再設定し、前記二次電池を充電する制御を実行しているときには、前記目標電流値Ｉｃを、前記第２の電流値Ｉｂ以上に再設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、第２の制御において、燃料電池の目標電流値を、二次電池の充電状態に応じて再設定する。従って、第２の制御の実行中における二次電池の負荷を適切に調整することができ、二次電池の充電状態を良好に保持させつつ、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、前記第１の制御において、前記目標電流値Ｉｃが前記制限範囲内に設定された場合であっても、前記第２の制御に切り替えることなく、前記燃料電池の発電条件を変更して、燃料電池の劣化が抑制される状態にした上で、前記目標電流値Ｉｃの電流を前記燃料電池に出力させる第３の制御を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、第２の制御の実行によって二次電池の充電状態を良好に保持できない可能性がある場合には、燃料電池の劣化が抑制されるように、燃料電池の運転状態を変更した上で、燃料電池に出力要求に応じた電流を出力させる。従って、第２の制御に切り替えられることによって、二次電池に対する負荷が増大してしまうことを回避することができ、燃料電池とともに二次電池を保護することができる。
【００１２】
［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる可能性の高い前記燃料電池の運転パターンを示す情報を予め記憶しており、前記燃料電池の運転パターンを示す情報に基づき、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性を検出したときに、前記二次電池の充電と放電とを切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、二次電池の充電状態をより適切な状態に保持することができ、二次電池の劣化を抑制できる。
【００１３】
［適用例７］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、前記燃料電池システムは、さらに、前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部を備え、前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記二次電池の充・放電を切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、移動体の移動情報に基づき、二次電池の充電状態をより適切な状態に保持することができるため、二次電池の劣化を抑制できる。
【００１４】
［適用例８］
適用例３を引用する、適用例４から適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、前記燃料電池システムは、さらに、前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部と、前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の運転温度を調整する冷媒循環供給系と、を備え、前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記燃料電池の運転温度が所定の閾値よりも高くなる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記燃料電池に対する前記冷媒の供給流量を増大させ、前記燃料電池の運転温度の上昇を抑制する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、移動体が、燃料電池の運転温度が上昇する可能性がある経路に向かって移動中である場合に、事前に、燃料電池の運転温度の上昇を抑制しておくことができる。従って、移動体が、その特定の経路に到達したときに、燃料電池の運転温度が著しく上昇して、燃料電池の出力電流の制限範囲が広がってしまうことを抑制することができる。
【００１５】
［適用例９］
適用例２から適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池における抵抗を検出する抵抗検出部を備え、前記制御部は、前記燃料電池における出力電流と抵抗との関係の変化を検出し、前記関係の変化が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、前記制限範囲の基準となる抵抗値の範囲を変更する、燃料電池システム。      この燃料電池システムであれば、燃料電池における電流と抵抗との関係が、許容範囲を超える変化をしたときには、制限範囲の設定基準となる抵抗値の範囲を変更して制限範囲を適切に補正することができる。従って、より適切に、燃料電池を保護することができる。
【００１６】
［適用例１０］
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）外部からの出力要求を受け付け、前記出力要求に応じた燃料電池の目標電流値を設定する工程と、
（ｂ）前記目標電流値が予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値を前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定する工程と、
（ｃ）前記工程（ａ）または前記工程（ｂ）で設定された前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる工程と、
を備える、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法であれば、予め設定された、燃料電池の劣化の可能性のある制限範囲での出力を回避することができるため、燃料電池の劣化を抑制できる。
【００１７】
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、燃料電池システムおよびその制御方法、それらのシステムまたは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】
【００１８】
【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】膜電極接合体の構成を示す概略図と、電解質膜の湿潤状態に応じた変形を説明するための模式図。
【図４】燃料電池の出力制御の制御手順を示す説明図。
【図５】燃料電池の電流・電圧の指令値の取得工程を説明するための説明図。
【図６】燃料電池の出力電流が制限される制限範囲を説明するための説明図。
【図７】燃料電池の「局所抵抗」を説明するための模式図。
【図８】局所抵抗の制限値を決定する方法の一例を説明するための模式図。
【図９】発電体保護制御の手順を示す説明図。
【図１０】発電体保護制御が実行されたときの燃料電池の目標電流の時間変化の一例を示す説明図。
【図１１】第２実施例における発電体保護制御の手順を示す説明図。
【図１２】第２実施例の燃料電池システムにおける、発電体保護制御が実行されたときの燃料電池の目標電流の時間変化を説明するための概略図。
【図１３】第３実施例における燃料電池の出力制御の制御手順を示す説明図。
【図１４】局所抵抗の制限値の補正処理の処理手順を示す説明図。
【図１５】Ｉ−ｒ特性の変化についての判定処理を説明するための概略図。
【図１６】補正後の制限値の取得工程を説明するための概略図。
【図１７】第４実施例における発電体保護制御の手順を示す説明図。
【図１８】運転条件変更処理を説明するための模式図。
【図１９】第５実施例における燃料電池の出力制御の制御手順を示す説明図。
【図２０】第５実施例における発電体保護制御の手順を示す説明図。
【図２１】ＳＯＣの基準値の変更による効果を説明するための概略図。
【図２２】第６実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２３】第６実施例における燃料電池の出力制御の制御手順を示す説明図。
【図２４】ＳＯＣの基準値の変更処理の処理内容と、その処理による効果を説明するための概略図。
【図２５】第７実施例における燃料電池の出力制御の制御手順を示す説明図。
【図２６】運転温度の事前調整処理の処理内容と、その処理による効果を説明するための概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、燃料電池車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、冷媒循環供給系７０と、を備える。
【００２０】
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形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。
【００２１】
各単セル１１は、膜電極接合体（後述）と、膜電極接合体を狭持して反応ガスや冷媒の流路を形成するとともに、集電板としても機能する板状基材である２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。また、燃料電池１０には、反応ガスや冷媒のためのマニホールド（図示せず）が積層方向に沿った貫通孔として形成されている。
【００２２】
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することができる。制御部２０は、以下に説明する各系３０，４０，５０，６０を制御して、システムに対する出力要求に応じた電力を燃料電池１０に発電させる。制御部２０による燃料電池１０の運転制御については後述する。
【００２３】
カソードガス供給系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、圧力計測部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の入口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。
【００２４】
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。
【００２５】
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いる。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。圧力計測部３５は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドの入口近傍における空気の圧力を計測し、制御部２０に出力する。
【００２６】
カソードガス排出系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のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管である。カソード排ガスは、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００２７】
調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、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のカソード側の背圧）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、その計測結果を制御部２０に出力する。
【００２８】
アノードガス供給系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、水素供給装置５５と、圧力計測部５６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のアノード側の供給用マニホール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。
【００２９】
開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、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から水素供給装置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、水素供給装置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によって制御される。
【００３０】
水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の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、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素の流量を制御する。
【００３１】
アノードガス排出系６０は、アノード排ガス配管６１と、開閉弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドに接続された配管である。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は、アノード排ガス配管６１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。
【００３２】
開閉弁６６は、アノード排ガス配管６１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。アノードガス排出系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドの近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に出力する。
【００３３】
冷媒循環供給系７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、バイパス配管７１ｃとで構成される。
【００３４】
上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒の排出用マニホールドとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒の供給用マニホールドとラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。
【００３５】
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。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと出力する。
【００３６】
制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂ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７５の回転数や、三方弁７３の開度を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。具体的には、制御部２０は、現在の燃料電池１０の運転温度が設定した目標値より高い場合には、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を増大させたり、ラジエータ７２への冷媒の流入量が増大するように三方弁７３の開度を小さくしたりする。一方、現在の燃料電池１０の運転温度が設定した目標値より低い場合には、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を低下させたり、ラジエータ７２への冷媒の流入量が減少するように三方弁７３の開度を大きくしたりする。
【００３７】
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、電流計測部９０と、電圧計測部９１と、ＳＯＣ検出部９２と、を備える。燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池車両の駆動力源であるモータ２００に接続されている。
【００３８】
二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。二次電池８１は、燃料電池１０とともに電力源として機能する。二次電池８１は、例えばリチウムイオン電池で構成することができる。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御することにより、燃料電池１０の電流・電圧を制御するとともに、二次電池８１の充・放電を制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。
【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、モータ２００に供給する。そして、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ８３が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に蓄電される。
【００４０】
電流計測部９０は、直流配線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に出力する。電圧計測部９１は、燃料電池１０に接続されており、燃料電池１０の出力電圧を計測し、制御部２０に出力する。ＳＯＣ検出部９２は二次電池８１に接続されている。ＳＯＣ検出部９２は、二次電池８１の充電状態であるＳＯＣ（State of Charge）を検出し、制御部２０に出力する。
【００４１】
ここで、二次電池８１のＳＯＣとは、二次電池８１の充電容量に対する二次電池８１の充電残量（蓄電量）の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９２は、二次電池８１の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池８１のＳＯＣを検出する。制御部２０は、ＳＯＣ検出部９２の検出値に基づいて、以下のように二次電池８１のＳＯＣを管理する。
【００４２】
制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの基準値を設定して、二次電池８１のＳＯＣが、その基準値を中心とする所定の範囲（二次電池８１の劣化を抑制できる限界範囲）内に収まるように、二次電池８１の充・放電を制御する。具体的には、制御部２０は、ＳＯＣの検出値が設定した基準値より低い場合には、二次電池８１が充電されるように制御し、ＳＯＣの検出値が設定した基準値より高い場合には、二次電池８１に放電させるように制御する。
【００４３】
図３は、燃料電池１０の備える膜電極接合体５を説明するための模式図である。図３（Ａ）は、燃料電池１０が備える膜電極接合体５の構成を示す概略図である。膜電極接合体５は、電解質膜１の両面に電極２，３が配置された構成を有している。電解質膜１は、湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂の薄膜によって構成することができる。
【００４４】
電極２，３は、いわゆる触媒インクの塗布膜として形成することができる。ここで、「触媒インク」とは、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子と、電解質膜１を構成するのと同種又は類似のアイオノマーと、を分散させた分散液を意味する。なお、触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。
【００４５】
膜電極接合体５は、燃料電池１０の各単セル１１において、電解質膜１の外周端がシール部材（図示せず）などによって保持された状態で配置される。即ち、各単セル１１では、電解質膜１は、その平面に沿った方向（以下、単に「平面方向」と呼ぶ）におけるサイズが、所定の基準サイズＳで固定された状態で配置される。これに対して、電解質膜１は、以下に説明するように、その湿潤状態（含水状態）に応じて、そのサイズが変化する性質を有する。
【００４６】
図３（Ｂ）は、電解質膜１の湿潤状態に応じた変形を説明するための模式図である。図３（Ｂ）の中段には、基準サイズＳであるときの電解質膜１を示してある。このときの電解質膜１の湿潤度を、以下では、「基準湿潤度」と呼ぶ。図３（Ｂ）には、基準湿潤度の電解質膜１を挟んで、基準湿潤度よりも乾燥した状態の電解質膜１をその上段に、基準湿潤度よりも湿潤した状態の電解質膜１をその下段に、それぞれ図示してある。
【００４７】
ここで、電解質膜１の基準湿潤度は、工場出荷時における湿潤度であるものとしても良い。電解質膜１は、通常、その湿潤度が低いほど、その平面方向における寸法が減少して収縮する（図３（Ｂ）の上段）。そして、その湿潤度が高いほど、その平面方向における寸法が増大して膨張する（図３（Ｂ）の下段）。
【００４８】
燃料電池１０の運転中には、電解質膜１の湿潤度は運転状態（例えば、燃料電池１０の運転温度や、発電量、反応ガスの流量等）に応じて変動する。しかし、上述したとおり、電解質膜１は、燃料電池１０の各単セル１１において、基準サイズＳが保持されるように、固定的に保持されているため、その湿潤度に応じた平面方向の変形（特に、収縮変形）が抑制される。
【００４９】
そのため、燃料電池１０の運転中には、電解質膜１の湿潤度が基準湿潤度よりも低下する乾燥状態となるときに、その収縮変形が抑制される分だけの応力が電解質膜１に生じる。また、膜電極接合体５の電極２，３は、湿潤度に応じた変形の度合いが電解質膜１と異なるため、燃料電池１０の運転中には、電解質膜１と電極２，３との間にも、湿潤状態の変化に応じた応力が生じる。
【００５０】
発電中の燃料電池１０において膜電極接合体５に繰り返し発生する湿潤状態の変化に応じた応力変動は、膜電極接合体５に、不可逆な劣化を生じさせる原因となる。具体的には、膜電極接合体５に繰り返し生じる内部応力の変動は、電解質膜１の構造に著しい粗密分布を生じさせたり、電解質膜１の微小穴の径の増大させたりして、電解質膜１の気密性を低下させてしまう原因となる。また、電極２，３においても亀裂を生じさせる原因となる。電極２，３の亀裂は、さらに、電解質膜１の応力集中の発生の起点となり、電解質膜１に亀裂を生じさせる原因となる。
【００５１】
そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０が、以下に説明する制御手順によって、燃料電池１０の出力制御を実行することにより、膜電極接合体５に、劣化の原因となる応力変動が生じることを抑制する。
【００５２】
図４は、制御部２０が実行する燃料電池１０の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ５では、制御部２０は、外部からの出力要求を受け付ける。ステップＳ１０では、外部からの出力要求に応じて、燃料電池１０に出力させる電力を決定し、その電力を得るための燃料電池１０の電流・電圧の目標値（指令値）を取得する。
【００５３】
図５は、ステップＳ１０におけるの燃料電池１０の電流・電圧の目標値の取得工程を説明するための説明図である。図５には、燃料電池１０の電流−電圧特性（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフＧI-Pと、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧軸および電力軸とし、横軸を電流軸として示してある。
【００５４】
通常、燃料電池のＩ−Ｐ特性は、上に凸の曲線グラフとして表される。また、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、電流の増加に従ってなだらかに下降する横Ｓ字状の曲線グラフとして表される。制御部２０は、燃料電池１０についてのＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性を表す情報を、燃料電池１０の制御用情報として予め記憶しており、その制御用情報に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧の指令値を取得する。具体的には、以下の通りである。
【００５５】
制御部２０は、外部からの出力要求に応じて、燃料電池１０が出力すべき電力（目標電力Ｐｔ）を決定する。そして、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性に基づいて、目標電力Ｐｔに対して燃料電池１０が出力すべき電流の目標値（目標電流Ｉｔ）を取得する。
【００５６】
ここで、この燃料電池１０のＩ−Ｐ特性に基づいて取得される目標電流Ｉｔは、以下に説明する通常制御において用いられる指令値であるため、特に、「通常目標電流Ｉｔ」とも呼ぶ。制御部２０は、さらに、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性に基づいて、通常目標電流Ｉｔを出力するために必要な燃料電池１０の電圧の目標値（目標電圧Ｖｔ）を取得する。
【００５７】
なお、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性は、燃料電池１０の運転温度など、その運転状態に応じて変化する。そのため、制御部２０は、それらの運転状態ごとの制御用情報を予め記憶しており、現在の燃料電池１０の運転状態に応じて、適宜、制御用情報を選択して用いることが好ましい。
【００５８】
ステップＳ２０（図４）では、制御部２０は、通常目標電流Ｉｔが制限範囲での出力であるか否かを判定する。ここで、「制限範囲」とは、膜電極接合体５に乾燥による応力の発生を引き起こし、不可逆的な劣化を生じさせる可能性がある出力を制限するために、燃料電池１０の出力電流について予め設定された範囲である。
【００５９】
制御部２０は、通常目標電流Ｉｔが制限範囲内での出力であると判定した場合には、膜電極接合体５を保護するための制御である発電体保護制御を実行する（ステップＳ４０）。燃料電池１０の出力電流の制限範囲および発電体保護制御の詳細については後述する。
【００６０】
通常目標電流Ｉｔが制限範囲内での出力ではないと判定した場合には、制御部２０は、ステップＳ３０において、通常出力制御を実行する。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０に通常目標電流Ｉｔを出力させるために、燃料電池１０に目標電圧Ｖｔを出力させるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に指令する。なお、燃料電池１０の出力電圧が目標電圧Ｖｔに到達するまでの間の不足電力は、二次電池８１の出力によって補償される。制御部２０は、燃料電池車両の運転が停止されるまで、ステップＳ５〜Ｓ４０の制御を繰り返す（ステップＳ５０）。
【００６１】
図６は、本実施例の燃料電池システム１００において、燃料電池１０の出力電流が制限される制限範囲を説明するための説明図である。図６には、燃料電池１０の運転温度Ｔごとの電流Ｉと局所抵抗（後述）ｒとの関係（「Ｉ−ｒ特性」とも呼ぶ）を示すグラフの一例を図示してある。図６（Ａ）は、直交する３つの軸をそれぞれ、電流Ｉと、局所抵抗ｒと、運転温度Ｔとする三次元グラフであり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の三次元グラフから得られる、運転温度Ｔが任意の温度Ｔａのときの、局所抵抗ｒと電流Ｉとの関係を示すグラフである。
【００６２】
なお、図６では、制限範囲に含まれる領域を制限領域ＬＲとして図示し、制限範囲外の領域を許容領域ＡＲとして図示してある。具体的には、図６（Ａ）では、制限領域ＬＲと許容領域ＡＲとを異なるハッチングで図示し、図６（Ｂ）では、許容領域ＡＲにおけるグラフを実線で、制限領域ＬＲにおけるグラフを二点鎖線で図示してある。ここで、図６（Ａ），（Ｂ）のグラフに示されている「局所抵抗」について説明する。
【００６３】
図７は、燃料電池１０の「局所抵抗」を説明するための模式図である。図７には、上段に燃料電池１０の模式図を図示してあり、下段に、単セル１１の発電領域ＧＡにおける温度分布を示す模式図を図示してある。通常、運転中の燃料電池１０には温度分布が発生する。具体的には、燃料電池１０では、両外側の単セル１１ほど最も運転温度が低く、単セル１１の積層方向中央に近い単セル１１ほど運転温度が高くなる。
【００６４】
また、運転温度が最も高い単セル１１ｃ（以下、「高温セル１１ｃ」とも呼ぶ）の発電領域ＧＡにおいても、図７の下段に示すように、一部位の温度が局所的に高くなる温度分布が発生する。以下では、高温セル１１ｃの発電領域ＧＡにおいて、最も運転温度が高くなる部位を「高温領域ＨＴＲ」と呼ぶ。
【００６５】
一般に、発電中の膜電極接合体では、温度が高い部位ほど湿潤度が低くなり、抵抗が高くなる。従って、燃料電池１０では、高温セル１１ｃの高温領域ＨＴＲにおいて、膜電極接合体５の湿潤度が最も低くなり、抵抗が最も高くなる。本明細書では、この高温領域ＨＴＲにおいて計測される局所的な抵抗を「局所抵抗」と呼ぶ。
【００６６】
燃料電池１０では、電流を増大させると、局所抵抗は、最大値をｒmaxとして上昇傾向から下降傾向に変わる、上に凸の変化を示すＩ−ｒ特性を得ることができる（図６）。また、燃料電池１０のＩ−ｒ特性は、運転温度Ｔが高いほど、局所抵抗の最大値ｒmaxが大きくなり、電流Ｉに対する局所抵抗の変化が急峻となる変化を示す。
【００６７】
本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０が上記のような運転温度ＴごとのＩ−ｒ特性が表されたマップを予め記憶している。以後、本明細書では、このＩ−ｒ特性が表されたマップを単に「Ｉ−ｒマップ」とも呼ぶ。
【００６８】
ここで、局所抵抗が著しく大きい場合には、高温セル１１ｃの膜電極接合体５が著しく乾燥し、不可逆的な劣化を生じさせるような応力が当該膜電極接合体５に発生している可能性がある。そこで、Ｉ−ｒマップ上には、膜電極接合体５の保護のために部分抵抗に許容される限界を示す制限値ｒlimが設定されており、その制限値ｒlimより高い局所抵抗を示す電流の範囲が制限範囲として規定されている。
【００６９】
なお、本実施例のＩ−ｒマップでは、局所抵抗の制限値ｒlimを、運転温度にかかわらず一定の値として設定してある（図６（Ａ）において破線で図示）。そのため、運転温度に応じたＩ−ｒ特性の変化によって、燃料電池１０の出力電流の制限範囲は、運転温度が高いほど広くなる。
【００７０】
このように、本実施例では、燃料電池１０の出力電流の制限範囲が、予め設定された局所抵抗についての制限値ｒlimにより規定されている。ここで、本実施例では、局所抵抗の制限値ｒlimを、以下のような方法によって決定しておくことにより、膜電極接合体５の不可逆的な劣化の蓄積を適切に予防する。
【００７１】
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、局所抵抗の制限値ｒlimを決定する方法の一例を説明するための模式図である。図８（Ａ）には、膜電極接合体５の疲労試験によって得られるＳ−Ｎ線図（Ｓ−Ｎ曲線）の一例を図示してある。このＳ−Ｎ線図は、例えば、以下のような方法によって取得することが可能である。
【００７２】
膜電極接合体５に対して平面方向に沿った所定の引張応力を一定の周期で付与し、膜電極接合体５に所定の不可逆的な劣化が生じた状態が観測されたときの引張応力の付与回数を計測する（疲労試験）。その計測結果を、縦軸を、膜電極接合体５に付与した引張応力の大きさとし、横軸を、その大きさの引張応力の付与回数（対数表示）とするグラフ上にプロットし、そのプロットの分布に基づいて曲線グラフ（Ｓ−Ｎ曲線）を作成する。
【００７３】
なお、上記の疲労試験における、「膜電極接合体５に所定の不可逆な劣化が生じた状態」としては、例えば、膜電極接合体５のサイズが塑性的に膨張し、所定のサイズまで不可逆的に伸びきってしまった状態であるものとしても良い。また、膜電極接合体５において、所定のサイズの裂傷が、所定の個数だけ観測される状態としても良いし、膜電極接合体５の厚み方向における透気度が所定のレベルまで増大してしまった状態であるものとしても良い。
【００７４】
上記のような疲労試験によって得られたＳ−Ｎ線図において、膜電極接合体５に生じる応力として許容できる大きさの応力を、許容応力δａとして選択する。なお、Ｓ−Ｎ線図において、疲労限度（その応力が無限回数付与されても膜電極接合体５が所定の不可逆な劣化を生じた状態にまで至らないであろう応力の限界）が現れている場合には、その疲労限度を、許容応力δａとすることが好ましい。
【００７５】
図８（Ｂ）には、膜電極接合体５の湿潤度（ＷＨ％）と、膜電極接合体５に生じる応力との関係を示すグラフの一例を図示してある。このグラフは、電解質膜１の湿潤度に応じた膨潤変化量（ひずみ量）に基づいて得られるものである。このグラフから、許容応力δａが発生するときの膜電極接合体５の湿潤度を、膜電極接合体５に許容される湿潤度の最小限界値である許容湿潤度Ｗａとして取得する。
【００７６】
図８（Ｃ）には、膜電極接合体５の湿潤度（ＷＨ％）と、膜電極接合体５の抵抗を示すグラフの一例を図示してある。通常、膜電極接合体５の湿潤度が高いほど、膜電極接合体５の抵抗は、指数関数的に低下する。この関係に基づいて、許容湿潤度Ｗａに対する膜電極接合体５の抵抗を、局所抵抗の制限値ｒlimとして取得する。
【００７７】
このように、膜電極接合体５の疲労試験に基づいて、局所抵抗の制限値ｒlimを設定することにより、膜電極接合体５の疲労を蓄積させる応力の発生が制限されるように、燃料電池１０の出力電流の制限範囲を規定することができる。従って、より適切に、膜電極接合体５に蓄積される疲労の発生を抑制することができる。
【００７８】
上述したとおり、燃料電池１０の運転制御（図４）では、制御部２０は、ステップＳ２０において、通常目標電流Ｉｔが制限範囲での出力であるか否かを判定する。より具体的には、制御部２０は、Ｉ−ｒマップ（図６）上において、局所抵抗が制限値ｒlimとなる第１と第２の電流値Ｉａ，Ｉｂ（Ｉａ＜Ｉｂ）に挟まれた電流の範囲に、通常目標電流Ｉｔが含まれるか否かを判定する。
【００７９】
通常目標電流Ｉｔが制限範囲内である場合には、燃料電池１０に通常目標電流Ｉｔでの出力を実行させると、少なくとも高温セル１１ｃにおいて、膜電極接合体５が著しい乾燥状態になる可能性がある。そこで、制御部２０は、ステップＳ２０において、通常目標電流Ｉｔが制限範囲内であった場合には、ステップＳ４０において、以下に説明する発電体保護制御を実行する。
【００８０】
図９は、ステップＳ４０（図４）において実行される発電体保護制御の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、目標電流Ｉｔとして、第１と第２の電流値Ｉａ，Ｉｂのうちのいずれの電流値を用いるかを、外部からの要求出力に対して取得された通常目標電流Ｉｔ（図５）の大きさに応じて選択する。
【００８１】
制御部２０は、通常目標電流Ｉｔが、所定の基準電流Ｉｔｈより小さい場合には、発電体保護制御における燃料電池１０の目標電流Ｉｔａを第１の電流値Ｉａに設定する（ステップＳ１２０）。一方、通常目標電流Ｉｔが、所定の基準電流Ｉｔｈ以上である場合には、燃料電池１０の目標電流Ｉｔａを第２の電流値Ｉｂに設定する（ステップＳ１３０）。
【００８２】
なお、本実施例では、発電体保護制御において燃料電池１０の目標電流を設定するための基準となる基準電流Ｉｔｈは、図６に示したＩ−ｒマップから取得することができる、局所抵抗が最大値ｒmaxを示すときの電流とする。基準電流Ｉｔｈは、制限範囲内の他の電流値であるものとしても良く、例えば、制限範囲中央の電流値であるものとしても良い（Ｉｔｈ＝（Ｉａ＋Ｉｂ）／２）。
【００８３】
ステップＳ１４０では、制御部２０は、燃料電池１０に目標電流Ｉｔａを出力させるための目標電圧Ｖｔａを、図５で説明したのと同様な、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を表すマップに基づいて取得する。そして、燃料電池１０に目標電圧Ｖｔａを出力させるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に指令する。なお、この発電体保護制御において、外部からの出力要求に対して不足する電力は、二次電池８１の出力によって補償される。
【００８４】
図１０は、発電体保護制御が実行されたときの燃料電池１０の目標電流の時間変化の一例を示すグラフである。なお、この例では、燃料電池１０の運転温度が一定であるものとする。
【００８５】
この例では、時刻ｔ1および時刻ｔ4において、燃料電池１０の出力制御が、ステップＳ３０の通常出力制御から、ステップＳ４０の発電体保護制御に切り替えられ、時刻ｔ3および時刻ｔ4において、再び通常出力制御に復帰している。１回目の発電体保護制御（時刻ｔ1〜ｔ3）では、時刻ｔ1〜ｔ2の間は、通常目標電流Ｉｔが基準電流Ｉｔｈより小さいため、燃料電池１０の目標電流は第１の電流値Ｉａに設定されている。また、時刻ｔ2〜ｔ3の間は、通常目標電流Ｉｔが基準電流Ｉｔｈ以上となり、燃料電池１０の目標電流は第２の電流値Ｉｂに設定されている。
【００８６】
２回目の発電体保護制御（時刻ｔ4〜ｔ6）では、時刻ｔ4〜ｔ5の間は、通常目標電流Ｉｔが基準電流Ｉｔｈ以上であるため、燃料電池１０の目標電流は第２の電流値Ｉｂに設定されている。また、時刻ｔ5〜ｔ6の間は、通常目標電流Ｉｔが基準電流Ｉｔｈより小さいため、燃料電池１０の目標電流は第１の電流値Ｉａに設定されている。
【００８７】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０が、燃料電池１０の出力制御を、通常出力制御から発電体保護制御へと適宜切り替え、燃料電池１０の出力電流が、膜電極接合体５を劣化させる可能性のある制限範囲内となることを回避する。従って、燃料電池１０において、膜電極接合体５が著しく乾燥する運転が繰り返されることにより、膜電極接合体５に劣化が蓄積されることを抑制できる。
【００８８】
B．第２実施例：
図１１は本発明の第２実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電体保護制御の制御手順を示すフローチャートである。図１１はステップＳ１１０に換えてステップＳ１１１が設けられている点以外は、図９とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１，図２）。
【００８９】
ここで、第１実施例において説明したように、制御部２０は、ＳＯＣの基準値を設定して、その基準値に基づいて、二次電池８１の充・放電を切り替える。具体的には、制御部２０は、ＳＯＣ検出部９２（図２）によって計測される二次電池８１の現在のＳＯＣが、設定した基準値より小さい場合には、二次電池８１が充電されるように制御する。二次電池８１の現在のＳＯＣが基準値以上の場合には、二次電池８１を放電させるように制御する。
【００９０】
第２実施例の発電保護制御では、制御部２０は、二次電池８１の現在のＳＯＣに基づいて、燃料電池１０の目標電流Ｉｔａを設定する（ステップＳ１１１）。具体的には、二次電池８１の現在のＳＯＣが基準値以上である場合には、発電保護制御における目標電流Ｉｔａを、通常目標電流Ｉｔに対して出力電流が不足する第１の電流値Ｉａに設定し、二次電池８１の放電を促進させる（ステップＳ１２０）。一方、二次電池８１の現在のＳＯＣが基準値より低い場合には、発電保護制御における目標電流Ｉｔａを、通常目標電流Ｉｔに対して出力電流が余る第２の電流値Ｉｂに設定し、二次電池８１の充電を促進させる（ステップＳ１３０）。
【００９１】
図１２は、第２実施例の燃料電池システムにおける、発電体保護制御が実行されたときの燃料電池１０の目標電流の時間変化を説明するための概略図である。図１２の上段と下段にはそれぞれ、二次電池８１のＳＯＣの時間変化の一例を示すグラフと、燃料電池１０の目標電流の時間変化の一例を示すグラフとを、それぞれの時間軸を対応させて図示してある。
【００９２】
なお、図１２の上段のグラフには、二次電池８１のＳＯＣの基準値Ｃｓと、その基準値Ｃｓを中心とするＳＯＣの上限値Ｃmaxおよび下限値Ｃlimとを示してある。また、この例では、燃料電池１０の運転温度は一定であるものとする。
【００９３】
この例では、時刻ｔ1および時刻ｔ4において、燃料電池１０の出力制御が、ステップＳ３０の通常出力制御から、ステップＳ４０の発電体保護制御に切り替えられ、時刻ｔ3および時刻ｔ4において、再び通常出力制御に復帰している。１回目の発電体保護制御（時刻ｔ1〜ｔ3）では、時刻ｔ1〜ｔ2の間は、二次電池８１のＳＯＣが基準値Ｃｓより小さいため、燃料電池１０の目標電流は第２の電流値Ｉｂに設定されている。また、時刻ｔ2〜ｔ3の間は、ＳＯＣが基準値Ｃｓ以上となり、燃料電池１０の目標電流は第１の電流値Ｉａに設定されている。
【００９４】
一方、２回目の発電体保護制御（時刻ｔ4〜ｔ6）では、時刻ｔ4〜ｔ5の間は、二次電池８１のＳＯＣが基準値Ｃｓ以上であるため、燃料電池１０の目標電流は第１の電流値Ｉａに設定されている。また、時刻ｔ5〜ｔ6の間は、ＳＯＣが基準値Ｃｓより小さいため、燃料電池１０の目標電流は第２の電流値Ｉｂに設定されている。
【００９５】
以上のように、第２実施例の燃料電池システムであれば、発電体保護制御における目標電流Ｉｔａを、二次電池８１のＳＯＣに応じて制御することにより、発電体保護制御において、二次電池８１のＳＯＣが著しく低下、または、増大してしまうことを抑制できる。
【００９６】
C．第３実施例：
図１３は、本発明の第３実施例としての燃料電池システムにおいて、制御部２０が実行する燃料電池１０の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。図１３は、ステップＳ１５とステップＳ４５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３実施例の燃料電池システムの構成は、第２実施例の燃料電池システムと同様である（図１，図２）。
【００９７】
第１実施例において説明したように、発電体保護制御では、電流Ｉと局所抵抗ｒとの関係を表したＩ−ｒマップ（図６）に基づいて、燃料電池１０の出力電流についての制限範囲が設定される。しかし、燃料電池１０におけるＩ−ｒ特性は、燃料電池１０の運転状態に応じて変化したり、経時的に変化したりする可能性がある。
【００９８】
そのため、Ｉ−ｒ特性が変化した場合には、Ｉ−ｒマップにおいて設定されている局所抵抗の制限値ｒlimについても、その変化に応じて補正されることが好ましい。第３実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、ステップＳ１５において、燃料電池１０のＩ−ｒ特性の変化を検出して、局所抵抗の制限値ｒlimの補正を実行する。
【００９９】
図１４は、燃料電池１０の出力制御のステップＳ１５（図１３）において実行される、局所抵抗の制限値ｒlimの補正処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ２００では、制御部２０は、電流計測部９０によって計測される燃料電池１０の電流と、電圧計測部９１によって計測される燃料電池１０の電圧とを用いて、燃料電池１０の全体の抵抗（以後、「スタック抵抗」と呼ぶ）の実測値Ｒｍを算出する。ステップＳ２１０では、制御部２０は、算出したスタック抵抗の実測値Ｒｍを用いて、Ｉ−ｒ特性の変化が許容範囲内の変化であるか否かを判定する。
【０１００】
図１５は、ステップＳ２１０におけるＩ−ｒ特性の変化についての判定処理を説明するための概略図である。図１５には、図６（Ｂ）で説明したＩ−ｒマップを表すグラフと同様なグラフを図示してある。制御部２０は、ステップＳ２０の判定処理を実行するために、燃料電池１０の現在の運転温度Ｔｃに対応するＩ−ｒマップを読み込み、そのＩ−ｒマップを用いて、燃料電池１０の現在の電流Ｉｃに対する局所抵抗ｒｃを取得する。
【０１０１】
ここで、本実施例の制御部２０は、実験により予め取得しておいた局所抵抗とスタック抵抗との関係を表したマップ（以下、単に「ｒ−Ｒマップ」と呼ぶ）を予め記憶している。制御部２０は、燃料電池１０の現在の運転温度Ｔｃに対応するｒ−Ｒマップを読み込み、そのｒ−Ｒマップを用いて、Ｉ−ｒマップから取得した局所抵抗ｒｃに対するスタック抵抗Ｒｃを取得する。
【０１０２】
制御部２０は、ステップＳ２００で取得したスタック抵抗の実測値Ｒｍと、Ｉ−ｒマップから取得したスタック抵抗Ｒｃとを比較し、その差が予め設定された許容範囲内にあるか否かを判定する。その差が、所定の基準値以下であり、許容範囲内であった場合には、制御部２０は、局所抵抗の制限値ｒlimを補正することなく、燃料電池１０の運転制御（図１２）に戻り、ステップＳ２０の判定処理を実行する。
【０１０３】
スタック抵抗の実測値Ｒｍと、スタック抵抗Ｒｃとの差が所定の閾値より大きく、許容範囲外であった場合には、制御部２０は、局所抵抗の制限値ｒlimの補正を実行する。具体的には、制御部２０は、以下のような方法によって補正後の制限値ｃｒlimを取得する。
【０１０４】
図１６（Ａ），（Ｂ）は、ステップＳ２２０における補正後の制限値ｃｒlimの取得工程を説明するための概略図である。図１６（Ａ）は、ステップＳ２２０において用いる局所抵抗分布グラフを示す説明図である。
【０１０５】
この局所抵抗分布グラフは、種々の発電状態における燃料電池１０において、スタック抵抗と局所抵抗とを計測し、その計測結果をプロットした散布図において、プロットの分散領域の外周を曲線グラフＤＡによって囲むことにより取得することができる。なお、図１６（Ａ）では、プロットの分散領域を、ハッチングにより模式的に図示してある。
【０１０６】
制御部２０は、図１６（Ａ）の局所抵抗分布グラフにおいて曲線グラフＤＡによって表された局所抵抗とスタック抵抗との関係を予め記憶している。ステップＳ２２０では、この局所抵抗とスタック抵抗との関係を用いて、現在の局所抵抗の制限値ｒlimに対するスタック抵抗の低い方の値を補正基準抵抗Ｒｓとして取得する。制御部２０は、現在の燃料電池１０の出力電圧と、補正基準抵抗Ｒｓとを用いて、スタック抵抗が補正基準抵抗Ｒｓとなるときの燃料電池１０の電流を補正基準電流Ｉｓとして取得する。
【０１０７】
図１６（Ｂ）は、補正基準電流Ｉｓを用いた補正後の制限値ｒlimの取得工程を説明するための説明図である。図１６（Ｂ）は、処理についての記載内容が異なる点以外は、図１５とほぼ同じである。制御部２０は、燃料電池１０の現在の運転温度Ｔｃに対応するＩ−ｒマップを再び読み込み、そのＩ−ｒマップに基づき、補正基準電流Ｉｓに対する局所抵抗を、補正後の制限値ｃｒlimとして取得する。
【０１０８】
なお、補正後の制限値ｃｒlimが元の制限値ｒlimより大きい値として得られる場合には（ｃｒlim＞ｒlim）、燃料電池１０の電流の制限範囲が狭くなる方向に変更されることになる。従って、この場合には、膜電極接合体５の劣化を未然に防止する観点から、元の制限値ｒlimを補正することなく保持し、燃料電池１０の電流の制限範囲をそのまま維持するものとしても良い。
【０１０９】
補正後の制限値ｃｒlimが取得された場合には、ステップＳ２０（図１３）において、補正後の制限値ｃｒlimによって規定される制限範囲によって、通常目標電流Ｉｔの判定が実行される。ステップＳ４０では、補正後の制限値ｃｒlimによって規定された制限範囲の境界値Ｉａ，Ｉｂを用いて発電体保護制御が実行される。
【０１１０】
ステップＳ４５では、制御部２０は、補正後の制限値ｃｒlimを破棄し、次回以降の処理では、元の制限値ｒlimが用いられるように設定する。ただし、制御部２０は、ステップＳ１５における局所抵抗の制限値ｒlimの補正処理が繰り返し実行された実行回数を記憶しており、補正処理が所定の回数繰り返されたときに、補正後の制限値ｃｒlimを、制限値ｒlimの初期値として設定する。これによって、一時的なＩ−ｒ特性の変化が生じるたびに、局所抵抗の制限値ｒlimが不可逆的に更新されてしまうことを抑制することができる。
【０１１１】
以上のように、第３実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池１０のＩ−ｒ特性が変化し、予め記憶していたＩ−ｒマップとの差が生じた場合であっても、局所抵抗の制限値ｒlimを変更することによって、制限範囲を適切に変更することができる。従って、膜電極接合体５を、より適切に保護することができる。
【０１１２】
D．第４実施例：
図１７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、発電体保護制御の制御手順を示すフローチャートである。図１７は、３つの工程（ステップＳ１０５，Ｓ１５０，Ｓ１５１）が追加されている点以外は、図１１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と同様である（図１，図２）。また、制御部２０による燃料電池１０の運転制御の制御手順も、第３実施例と同様である（図１３）。
【０１１３】
ここで、制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣについて、所定の限界範囲（上限値Ｃmax，下限値Ｃlim）を設定して、ＳＯＣがその限界範囲内に収まるように、二次電池８１の充・放電を制御する。この限界範囲は、二次電池８１の充電過多または充電不足に起因する劣化を抑制できるように設定された範囲である。
【０１１４】
しかし、ステップＳ１１１以降の制御では、燃料電池１０の出力電流が制限範囲から強制的にオフセットされるため、二次電池８１に対する負荷が増大する可能性が高い。そこで、第４実施例の発電体保護制御では、二次電池８１がＳＯＣが、限界範囲よりも余裕のある許容範囲内である場合にのみ、燃料電池１０の出力電流をオフセットする処理を実行する。そして、二次電池８１がＳＯＣが、許容範囲から外れる場合には、燃料電池１０の運転条件を変更することにより、膜電極接合体５を保護しつつ、二次電池８１の負荷の増大を回避可能な出力制御を実行する。具体的には、以下の通りである。
【０１１５】
ステップＳ１０５では、制御部２０は、二次電池８１の現在のＳＯＣが許容範囲内の値であるか否かを判定する。具体的には、制御部２０は、限界範囲内の値であって、それぞれ上限値Ｃmax、下限値Ｃlimの近傍の値である第１と第２の閾値Ｃａ，Ｃｂを予め設定しておき、ＳＯＣが第１の閾値Ｃａ以下、かつ、第２の閾値Ｃｂ以上の値であるか否かを判定する。制御部２０は、二次電池８１の現在のＳＯＣが上記の許容範囲内であるときには、ステップＳ１１１以降の制御を実行し、二次電池８１の現在のＳＯＣが許容範囲外であるときには、ステップＳ１５０以降の制御を実行する。
【０１１６】
図１８は、ステップＳ１５０の運転条件変更処理を説明するための模式図である。図１８の上段には、図６で説明したのと同様なＩ−ｒ特性を表す三次元グラフを図示してある。図１８の下段には、運転条件を変更した後の燃料電池１０のＩ−ｒ特性を示す三次元グラフを、図１８の上段と対比可能なように図示してある。
【０１１７】
ステップＳ１５０では、制御部２０は、燃料電池１０の運転条件を変更して、局所抵抗の最大値が制限値ｒlimよりも低い値となるように燃料電池１０のＩ−ｒ特性を変化させる。具体的には、燃料電池１０のカソード側の背圧を通常より増大させたり、燃料電池１０のアノードガスのストイキ比を通常より増大させるなど、膜電極接合体５の湿潤度を増大させることができる運転条件に変更する。
【０１１８】
ステップＳ１５１では、燃料電池１０のＩ−ｒ特性を変化させた状態で、通常運転制御と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、燃料電池１０に目標電圧Ｖｔを出力させて、通常目標電流Ｉｔを出力させる。なお、以下では、このステップＳ１５０，Ｓ１５１における制御を「Ｉ−ｒ特性変更制御」と呼ぶ。
【０１１９】
以上のように、第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０の出力電流を制限範囲から強制的にオフセットさせる制御によって二次電池８１に劣化が生じる可能性がある場合には、Ｉ−ｒ特性変更制御によって、そうした制御の実行を回避する。従って、膜電極接合体５とともに、二次電池８１の保護も可能である。
【０１２０】
E．第５実施例：
図１９は、本発明の第５実施例としての燃料電池システムにおいて制御部２０が実行する、燃料電池１０の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。図１９は、ステップＳ１２，Ｓ１３が追加されている点以外は、図１３とほぼ同じである。図２０は、第５実施例の燃料電池システムにおいて制御部２０が実行する発電体保護制御の制御手順を示すフローチャートである。図２０は、ステップＳ１４９が追加されている点以外は、図１７とほぼ同じである。
【０１２１】
第５実施例の燃料電池システムの構成は、第４実施例の燃料電池システムと同様である（図１，図２）。なお、第５実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、運転中の制御データの履歴を記録しつつ運転制御を実行する。記録する制御データの履歴としては、例えば、外部からの要求出力の時間変化や、燃料電池１０の出力電力の時間変化、二次電池８１のＳＯＣの時間変化などがある。
【０１２２】
第５実施例の発電体保護制御では、第４実施例で説明したのと同様に、二次電池８１のＳＯＣが許容範囲内にない場合には（ステップＳ１０５）、Ｉ−ｒ特性変更制御が実行される（ステップＳ１５０，Ｓ１５１）。しかし、Ｉ−ｒ特性変更制御の実行は、システム効率や、燃料電池車両の燃費を低下させる可能性があるため、その実行頻度は低減されることが好ましい。
【０１２３】
そこで、第５実施例の制御部２０は、発電体保護制御においてＩ−ｒ特性変更制御が実行される可能性を検出した場合には、事前に、二次電池８１のＳＯＣを許容範囲内に調整するための制御を実行する（図１９のステップＳ１２，Ｓ１５）。具体的には、以下の通りである。なお、説明の便宜上、まず、発電体保護制御（図２０）において、Ｉ−ｒ特性制御が実行される場合について説明する。
【０１２４】
制御部２０は、発電体保護制御において、二次電池８１のＳＯＣが許容範囲外であると判定された場合には（ステップＳ１０５）、その直前の所定の期間における制御データの履歴を、サンプル履歴データとして不揮発的に記録する（ステップＳ１４９）。制御部２０は、サンプル履歴データを、二次電池８１のＳＯＣが低下しすぎて許容範囲から外れた場合のデータと、二次電池８１のＳＯＣが増大しすぎて許容範囲から外れた場合のデータとに分類して蓄積していく。制御部２０は、運転制御のサンプル履歴データを記録した後に、Ｉ−ｒ特性変更制御を実行し（ステップＳ１５０，Ｓ１５１）、燃料電池１０の運転制御に復帰する（図１９）。
【０１２５】
燃料電池１０の運転制御では、制御部２０は、外部からの出力要求を受け付けた後に（ステップＳ１０）、発電体保護制御においてＩ−ｒ特性変更制御が実行される可能性を検出するための判定処理を実行する（ステップＳ１２）。具体的には、発電体保護制御（図２０）のＩ−ｒ特性変更制御の実行が繰り返されたことによって蓄積されたサンプル履歴データと、直前の所定の期間における制御データの履歴とを照合して、その類似性を検証する。
【０１２６】
制御部２０は、蓄積されたサンプル履歴データの中に、現在までの所定の期間における制御データの履歴と所定の類似度を有するデータが存在することを検出した場合には、今後の運転において、二次電池８１のＳＯＣが許容範囲から外れる可能性があると判定する。この場合には、制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣを制御するための基準値を変更する処理を実行する（ステップＳ１３）。
【０１２７】
図２１（Ａ），（Ｂ）は、ステップＳ１３におけるＳＯＣの基準値の変更による効果を説明するための概略図である。図２１（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、ステップＳ１３の処理の実行した後のＳＯＣの時間変化を示すグラフを図示してある。なお、図２１（Ａ），（Ｂ）のグラフにはそれぞれ、比較例として、ステップＳ１３の処理を実行しなかった場合のＳＯＣの時間変化を示す破線グラフを図示してある。
【０１２８】
ステップＳ１３では、制御部２０は、所定の類似度を有するサンプル履歴データが、ＳＯＣが低下しすぎて許容範囲から外れたときのデータである場合には、ＳＯＣの基準値Ｃｓを上昇させる。これによって、その後の運転制御において、二次電池８１を充電する頻度を増大させることができるため、ＳＯＣの不足により、ＳＯＣが許容範囲から外れることを回避できる（図２１（Ａ））。
【０１２９】
一方、制御部２０は、所定の類似度を有するサンプル履歴データがＳＯＣが増大しすぎて許容範囲から外れたときのデータである場合には、ＳＯＣの基準値Ｃｓを低下させる。これによって、その後の運転制御において、二次電池８１に放電させる頻度を増大させることができるため、ＳＯＣの過剰により、ＳＯＣが許容範囲から外れることを回避できる（図２１（Ｂ））。
【０１３０】
以上のように、第５実施例の燃料電池システムであれば、制御部２０が運転制御の履歴に基づいて、ＳＯＣが許容範囲から外れる運転パターンを学習し、未然に、ＳＯＣが許容範囲から外れる状態を回避することができる。従って、Ｉ−ｒ特性変更制御が実行される頻度を低減することができ、膜電極接合体５や二次電池８１を保護しつつ、システム効率や燃料電池車両の燃費の低下を抑制することができる。
【０１３１】
F．第６実施例：
図２２は、本発明の第６実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図である。図２２は、走行ルート検出部９３が追加されている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、第６実施例の燃料電池システム１００Ａの電気的構成は、第５実施例の燃料電池システムと同様である（図２）。
【０１３２】
走行ルート検出部９３は、例えば、ＧＰＳ機能を備えるナビゲーション装置によって構成することができ、燃料電池システム１００Ａが搭載される燃料電池車両の現在の走行ルートを検出することができる。走行ルート検出部９３は、検出した走行ルートの情報を制御部２０に出力する。
【０１３３】
図２３は、第６実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて制御部２０が実行する、燃料電池１０の運転制御の制御手順を示すフローチャートである。図２３は、ステップＳ１２に換えてステップＳ１２Ａが設けられている点以外は、図１９とほぼ同じである。
【０１３４】
第６実施例の燃料電池システム１００Ａでは、制御部２０は、外部からの出力要求を受け付けた後に（ステップＳ１０）、現在の燃料電池車両の走行ルートの情報に基づいて、二次電池８１のＳＯＣの基準値を変更する処理を実行する（ステップＳ１２Ａ，Ｓ１３）。具体的には以下の通りである。
【０１３５】
ステップＳ１２Ａでは、制御部２０は、走行ルート検出部９３から取得した走行ルートの情報に基づき、現在地から燃料電池車両の進行方向に所定の距離だけ離れた場所の高度情報を取得する。制御部２０は、現在地と、その燃料電池車両の進行方向の先にある場所との間に所定の高度差がある場合には、燃料電池車両がこれから、上り坂、または、下り坂を走行する可能性があると判定する。
【０１３６】
一方、現在地と、燃料電池車両の進行方向の先にある場所との間に、そのような高度差がない場合には、燃料電池車両は比較的平坦なルートを走行し続けると判定して、ステップＳ２０以降の処理を実行する。なお、第６実施例の燃料電池システム１００Ａでは、ステップＳ４０の発電体保護制御は、第４実施例の燃料電池システムと同様な制御手順で実行される（図１７）。
【０１３７】
ステップＳ１２Ａにおいて、燃料電池車両が、これから、上り坂、または、下り坂を走行する可能性があると判定した場合には、制御部２０は、第５実施例で説明したのと同様なＳＯＣの基準値変更処理（ステップＳ１３）を実行する。具体的には、以下の通りである。
【０１３８】
図２４（Ａ）〜（Ｄ）は、ステップＳ１３におけるＳＯＣの基準値の変更処理の処理内容と、その処理による効果を説明するための概略図である。図２４（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、走行途中に下り坂にさしかかる場合における、燃料電池車両の高度の時間変化の一例を示すグラフと、二次電池８１のＳＯＣの時間変化の一例を示すグラフとを、時間軸を対応させて図示してある。
【０１３９】
また、図２４（Ｃ），（Ｄ）にはそれぞれ、走行途中に上り坂にさしかかる場合における、図２４（Ａ），（Ｂ）のグラフと同様なグラフを図示してある。なお、図２４（Ｂ），（Ｄ）には、ＳＯＣの基準値Ｃｓを一点鎖線で図示するとともに、ＳＯＣの基準値を変更しなかった場合のＳＯＣの時間変化を示す、比較例としてのグラフを破線で図示してある。
【０１４０】
時刻ｔｐにおいて、燃料電池車両の進行方向に下り坂を検出した場合には、制御部２０は、ステップＳ１３において、ＳＯＣの基準値Ｃｓを低下させる（図２４（Ａ），（Ｂ））。ＳＯＣの基準値Ｃｓを低下させると、二次電池８１の放電の頻度を増大させることができるため、二次電池８１を、比較的ＳＯＣの低い状態にすることができる。従って、その後の時刻ｔ以降に、燃料電池車両が下り坂を走行した場合であっても、燃料電池１０の出力の余剰分を十分に蓄電することが可能である。
【０１４１】
一方、時刻ｔｐにおいて、燃料電池車両の進行方向に上り坂を検出した場合には、制御部２０は、ステップＳ１３において、ＳＯＣの基準値Ｃｓを上昇させる（図２４（Ｃ），（Ｄ））。ＳＯＣの基準値Ｃｓを上昇させると、二次電池８１の充電の頻度を増大させることができるため、二次電池８１を、比較的ＳＯＣの高い状態にすることができる。従って、時刻ｔ以降に、燃料電池車両が上り坂を走行し、燃料電池１０の出力が不足する場合であっても、その不足分を二次電池８１に確実に補償させることが可能となる。
【０１４２】
なお、制御部２０は、燃料電池車両の高度情報の変動幅が所定の範囲内に収まり、降坂または登坂が完了したことを検出した場合には、ＳＯＣの基準値Ｃｓを再び初期値に戻すものとしても良い。
【０１４３】
以上のように、第６実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池車両の走行ルートに基づき、事前に二次電池８１のＳＯＣを調整する。従って、二次電池８１のＳＯＣが許容範囲から外れることを抑制することができ、Ｉ−ｒ特性変更制御（図１７）の実行頻度を低下させることができる。
【０１４４】
G．第７実施例：
図２５は、本発明の第７実施例としての燃料電池システムにおいて、制御部２０が実行する燃料電池１０の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。図２５は、ステップＳ１２Ａの判定処理における判定条件が異なる点と、ステップＳ１３に換えてステップＳ１４が設けられている点以外は、図２３とほぼ同じである。
【０１４５】
なお、第７実施例の燃料電池システムの構成は、第６実施例の燃料電池システムの構成と同様である（図２２，図２）。また、第７実施例の燃料電池システムにおいて実行される発電体保護制御（ステップＳ４０）の制御手順は、第６実施例の燃料電池システムと同様である（図１７）。
【０１４６】
第７実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、ステップＳ１２Ａにおいて、走行ルート検出部９３の出力情報から、燃料電池車両の進行方向に所定の高度の上昇を検出したときに、燃料電池車両が上り坂を走行する可能性があるものと判定する。この場合には、制御部２０は、ステップＳ１４において、燃料電池１０の運転温度を調整する事前処理を実行する。これによって、燃料電池車両の登坂に伴って、燃料電池１０の運転温度が過剰に上昇してしまうことを抑制し、燃料電池１０の運転温度の上昇に伴って、燃料電池１０の出力電流についての制限範囲が拡大してしまうことを抑制する。具体的には、以下の通りである。
【０１４７】
図２６（Ａ）〜（Ｃ）は、ステップＳ１４における燃料電池１０の運転温度の事前調整処理の処理内容と、その処理による効果を説明するための概略図である。図２６（Ａ）には、走行途中に上り坂にさしかかる場合における、燃料電池車両の高度の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。
【０１４８】
図２６（Ｂ）には、時間軸が図２６（Ａ）のグラフに対応している、燃料電池１０の運転温度の時間変化を示すグラフを図示してある。図２６（Ｂ）のグラフには、制御部２０が設定する燃料電池１０の御店温度の目標値Ｔｔを一点鎖線で図示してある。なお、図２６（Ｂ）には、比較例として、ステップＳ１４０の処理を実行しなかった場合における燃料電池１０の運転温度の時間変化を示すグラフを破線で図示してある。
【０１４９】
図２６（Ｃ）には、時間軸が図２６（Ａ）のグラフに対応する、燃料電池１０の制限範囲の時間変化を示すグラフを図示してある。図２６（Ｃ）には、制限範囲の境界値となる２つの電流値Ｉａ，Ｉｂの変化を実線で示すとともに、２つの電流値Ｉａ，Ｉｂに挟まれた制限範囲にハッチングを付してある。また、図２６（Ｂ）には、比較例として、ステップＳ１４０の処理を実行しなかった場合における２つの電流値Ｉａ，Ｉｂの変化を示すグラフを破線で図示してある。
【０１５０】
制御部２０は、時刻ｔｐにおいて、燃料電池車両の進行方向に下り坂を検出した場合には、ステップＳ１４において、運転温度の事前調整処理として、燃料電池１０の運転温度の目標値Ｔｔを低下させる処理を実行する。これによって、その後の時刻ｔにおいて、燃料電池車両が上り坂にさしかかる前に、燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制し、比較的運転温度が低い状態にしておく（図２６（Ｂ））。
【０１５１】
ここで、図６において説明したように、燃料電池１０の出力電流の制限範囲は、燃料電池１０の運転温度が高いほど狭くなるように設定されている。従って、ステップＳ１４の処理の実行後には、燃料電池１０の運転温度の上昇が抑制されている分だけ、燃料電池１０の出力電流の制限範囲の拡大が抑制されることになる（図２６（Ｃ））。
【０１５２】
以上のように、第７実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池１０の出力増大が予測される場合には、事前に燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制する制御が実行される。従って、燃料電池１０の運転温度の上昇に伴う、燃料電池１０の出力電流の制限範囲の拡大が抑制され、二次電池８１の負荷が低減される。
【０１５３】
H．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。
【０１５４】
H1．変形例１：
上記実施例では、発電体保護制御において、燃料電池１０の目標電流Ｉｔａを、制限範囲の境界値である電流値ＩａまたはＩｂに設定していた。しかし、発電体保護制御における燃料電池１０の目標電流Ｉｔａは、制限範囲の境界値Ｉａ，Ｉｂに設定されなくとも良く、目標電流Ｉｔａは、制限範囲の外側の値に設定さるものとしても良い。即ち、燃料電池１０の目標電流Ｉｔａは、制限範囲の第１の境界値Ｉａ以下、または，第２の境界値Ｉｂ以上の値に設定されれば良い。
【０１５５】
H2．変形例２：
上記実施例では、Ｉ−ｒマップにおいて、燃料電池１０の運転温度ごとの、燃料電池１０の出力電流の制限範囲が設定されていた。しかし、燃料電池１０の出力電流の制限範囲は、燃料電池１０の運転温度にかかわらず、一定の範囲が設定されるものとしても良い。
【０１５６】
H3．変形例３：
上記実施例では、予め準備されたＩ−ｒマップ上において、燃料電池１０の局所抵抗に制限値ｒlimを設定することにより、燃料電池１０の出力電流の制限範囲を規定していた。しかし、燃料電池１０の出力電流の制限範囲は、Ｉ−ｒマップや、局所抵抗に制限値ｒlimを用いることなく、他の基準によって規定されるものとしても良い。燃料電池１０の出力電流の制限範囲は、例えば、スタック抵抗に基づいて規定されるものとしても良い。また、単に、制限範囲を規定するための第１と第２の電流値Ｉａ，Ｉｂが、運転温度ごとに予め設定されているのみであるとしても良い。
【０１５７】
H4．変形例４：
上記実施例におけるＩ−ｒ特性は、燃料電池における電流と抵抗との関係を表した特性の一態様として解釈することも可能であり、上記実施例では、局所抵抗を、発電領域ＧＡの任意の場所の抵抗や、発電領域ＧＡ全体における平均抵抗、任意の単セル１１における抵抗、スタック抵抗に置き換えることも可能である。従って、上記実施例における制限範囲は、発電中の膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲であると解釈することもできる。また、上記第３実施例では、制御部２０が、燃料電池１０における出力電流と抵抗との関係の変化を検出し、その関係の変化が、予め設定された許容範囲から外れる場合に、制限範囲の基準となる抵抗値の範囲を変更しているものと解釈することが可能である。
【０１５８】
H5．変形例５：
上記第５実施例では、制御部２０は、ＳＯＣが許容範囲から外れたときに記録されたサンプル履歴データと、直前の制御データの履歴との間の類似性に基づき、ＳＯＣが許容から外れる可能性を検出していたしていた。しかし、制御部２０は、サンプル履歴データと、直前の制御データの履歴との間の類似性に基づき、ＳＯＣが許容から外れる可能性を検出しなくとも良い。制御部２０は、直前の制御データの履歴において、所定の運転パターンが検出されたときに、ＳＯＣが許容から外れる可能性を検出するものとしても良い。サンプル履歴データは、実際の燃料電池システムの運転において取得されたデータでなくとも良く、予め準備されたデータであっても良い。
【０１５９】
H6．変形例６：
上記第６実施例では、制御部２０は、走行ルート検出部９３の出力情報に基づき、燃料電池車両の進行方向の先に坂道を検出したときに、ＳＯＣが許容範囲から外れる可能性の高い経路に燃料電池車両が向かっているものとして、ＳＯＣの基準値を変更していた。しかし、制御部２０は、燃料電池車両の進行方向の先に坂道を検出したときにＳＯＣを変更しなくとも良く、ＳＯＣが許容範囲から外れる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出したときにＳＯＣの基準値を変更すれば良い。同様に、第７実施例においても、制御部２０は、  燃料電池１０の運転温度が所定の閾値よりも高くなる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合に、燃料電池１０に対する冷媒の供給流量を増大させれば良い。
【０１６０】
H7．変形例７：
上記実施例では、燃料電池システムは車両に搭載されていた。しかし、上記実施例の燃料電池システムは、車両以外の移動体に搭載されるものとしても良いし、建造物や施設等に固定的に設置されるものとしても良い。
【符号の説明】
【０１６１】
１…電解質膜
２，３…電極
５…膜電極接合体
１０…燃料電池
１１…単セル
１１ｃ…高温セル
２０…制御部
３０…カソードガス供給系
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…圧力計測部
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
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…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス排出系
６１…アノード排ガス配管
６６…開閉弁
６７…圧力計測部
７０…冷媒循環供給系
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…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
９０…電流計測部
９１…電圧計測部
９２…ＳＯＣ検出部
９３…走行ルート検出部
１００，１００Ａ…燃料電池システム
２００…モータ
ＡＲ…許容領域
ＬＲ…制限領域
ＤＡ…曲線グラフ
ＤＣＬ…直流配線
ＧＡ…発電領域
ＨＴＲ…高温領域
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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