(57)【要約】【課題】燃料電池の性能劣化を十分に抑制する。【解決手段】燃料電池１０を運転制御している最中にＯＣ状態またはアイドリング状態となったときに、水素ガス供給圧Ｐｈを増大することにより、セル電圧ＥをＯＣＶよりも低い所定電圧Ｅ１に制御する。これにより、ＯＣまたはアイドリング負荷時において、白金溶出、白金粒径の増大の不具合を解消して性能劣化の程度を抑えることができる。【選択図】図４
2008293708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備え、発生された電力を負荷に与える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の運転を、前記負荷が通常負荷である第１の運転モードと、前記負荷が無負荷またはアイドリング負荷である第２の運転モードとの間で切り替えつつ実行する運転制御手段を備え、
前記運転制御手段は、
前記第２の運転モードの実行時に、前記燃料電池の電圧を低下させる制御を行う電圧低下制御手段
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下制御手段は、
前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧を増大することにより、前記燃料電池の電圧を低下させる燃料ガス供給圧増大手段
を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記電圧低下制御手段は、
前記燃料電池の電圧を所定電圧以下に制御する構成である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記所定電圧に相当する上限電圧値と、該上限電圧値よりも低い下限電圧値とによって規定される目標電圧域を記憶する記憶手段を備え、
前記電圧低下制御手段は、
前記燃料電池の電圧が前記下限電圧値を下回っているか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧判定手段により前記燃料電池の電圧が前記下限電圧値を下回っていると判定されたとき、前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給圧を増大する酸化ガス供給圧増大制御手段と
を備える、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとを供給し、前記燃料電池で発生された電力を負荷に与える燃料電池制御方法であって、
前記燃料電池の運転を、前記負荷が通常負荷である第１の運転モードと、前記負荷が無負荷またはアイドリング負荷である第２の運転モードとの間で切り替えつつ実行し、
前記第２の運転モードの実行時に、前記燃料電池の電圧を低下させる制御を行う
燃料電池制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池制御方法であって、
前記燃料電池の電圧を低下させる制御は、
前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧を増大することによるものである、燃料電池制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備える燃料電池システムと、前記燃料電池を制御する燃料電池制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、運転時間の累積に応じて性能が劣化してくる。従来、性能劣化を防止する一つの技術として、燃料電池が通常停止運転を終了した後に、燃料電池に水素のみを供給することにより、燃料電池内の空気極側に残存する酸素を消費させて前記燃料電池の電圧を低下させる構成が提案されている（例えば、下記の特許文献１）。燃料電池は高電位無負荷状態で放置すると劣化するためであり、通常停止運転終了後、電圧を低下させることによりその劣化の進行を抑えることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１００８２０号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、燃料電池が運転を取り止めた以後の状態を起因とする性能劣化を抑制することはできるが、燃料電池全体から見たとき、性能劣化の抑制はまだまだ充分なものではなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は、燃料電池の性能劣化を十分に抑制することにある。
【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］
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備え、発生された電力を負荷に与える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転を、前記負荷が通常負荷である第１の運転モードと、前記負荷が無負荷またはアイドリング負荷である第２の運転モードとの間で切り替えつつ実行する運転制御手段を備え、前記運転制御手段は、前記第２の運転モードの実行時に、前記燃料電池の電圧を低下させる制御を行う電圧低下制御手段を備える燃料電池システム。
【０００８】
以上のように構成された適用例１では、運転制御手段により、燃料電池を運転制御している最中に第２の運転モードとなったときに、電圧低下制御手段により、燃料電池の電圧が低下させられる。燃料電池は、無負荷またはアイドリング負荷で運転しているとき、白金溶出、白金粒径の増大といった不具合を招き、性能劣化を引き起こすことになるが、これは燃料電池の電圧が高いためである。上記のように、第２の運転モード時に燃料電池の電圧が低下することで、無負荷またはアイドリング負荷時における白金溶出、白金粒径の増大の不具合を抑制することができ、性能劣化の程度を抑えることができる。燃料電池の運転の最中に無負荷またはアイドリング負荷となるときは間欠的に頻繁に起こることから、燃料電池の運転時間全体から見たとき性能劣化の抑制の効果は大きい。したがって、燃料電池の性能劣化を充分に抑制することができるという効果を奏する。
【０００９】
なお、本明細書において、「アイドリング負荷」とは、燃料電池から取り出される電力が最小（≠０）となるような負荷を意味し、例えば車両に搭載した場合においては、駆動モータを停止し補機だけを動作させたときの負荷である。ここで、補機とは、車両が走行する際に直接関係ないが、間接的に走行を補助するために必要となる燃料電池システム内の装置であり、循環用水素ポンプやエアコンプレッサ等である。また、「アイドリング負荷」とは、換言すると、燃料電池の電圧が無負荷電圧（開回路電圧：ＯＣＶ）とほぼ等しい電圧となるような大きさの負荷とも言える。
【００１０】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記電圧低下制御手段は、前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧を増大することにより、前記燃料電池の電圧を低下させる燃料ガス供給圧増大手段を備える、燃料電池システム。
【００１１】
適用例２の構成によれば、燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧を増大することにより、酸化ガス極側への燃料ガスのクロスリーク量を増大させることができ、この結果、クロスリークによる反応、すなわち透過した燃料ガスが酸化ガス極側の酸化ガスと反応することによる酸素濃度低下を受けて燃料電池の電圧を低下させることができる。したがって、燃料ガスの供給圧を制御するという既存の制御を使って容易に無負荷またはアイドリング負荷時の電圧制御を行うことができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧低下制御手段は、前記燃料電池の電圧を所定電圧以下に制御する構成である、燃料電池システム。
【００１３】
無負荷時における燃料電池の性能劣化は、所定電圧を超えると急激に大きなものとなることが見出された。適用例３の構成によれば、燃料電池の電圧を所定電圧以下に制御することで、確実に性能劣化を抑制することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例３に記載の燃料電池システムであって、前記所定電圧に相当する上限電圧値と、該上限電圧値よりも低い下限電圧値とによって規定される目標電圧域を記憶する記憶手段を備え、前記電圧低下制御手段は、前記燃料電池の電圧が前記下限電圧値を下回っているか否かを判定する電圧判定手段と、前記電圧判定手段により前記燃料電池の電圧が前記下限電圧値を下回っていると判定されたとき、前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給圧を増大する酸化ガス供給圧増大制御手段とを備える、燃料電池システム。
【００１５】
適用例４の構成では、無負荷またはアイドリング負荷の状態から走行状態に復帰する時において、燃料電池の電圧は目標電圧域の下限電圧値を下回らないことから、復帰の際の始動性を損ねることがない。
【００１６】
［適用例５］
燃料電池に水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとを供給し、前記燃料電池で発生された電力を負荷に与える燃料電池制御方法であって、前記燃料電池の運転を、前記負荷が通常負荷である第１の運転モードと、前記負荷が無負荷またはアイドリングである第２の運転モードとの間で切り替えつつ実行し、前記第２の運転モードの実行時に、前記燃料電池の電圧を低下させる制御を行う燃料電池制御方法。
【００１７】
前記燃料電池制御方法は、本発明の燃料電池システムと同様に、燃料電池の性能劣化を充分に抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１９】
Ａ．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１の全体構成図である。図示するように、この燃料電池システム１は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、水素ガス源（図示せず）からの水素ガスをシステム内で流通させるための水素ガス流路系２０と、酸化ガスとしてのエア（空気）を流通させるためのエア流路系４０と、燃料電池１０の運転をコントロールする電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と呼ぶ）６０とを備えている。この燃料電池システム１は、車両の駆動モータの供給電源として使用され、燃料電池１０で発生された電力を負荷である駆動モータに与えている。また、駆動モータ以外にも後述する補機についても負荷として燃料電池１０から電力を与えられている。
【００２０】
図２は、燃料電池１０を構成する単セルの概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、多数の単セルが積層されたスタック構造を有するもので、図２では単セルの縦断面の一部が示されている。燃料電池１０の単セルは、主として、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１３の両面に電極１４，１５が配置された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)１２と、ＭＥＡ１２を両面から挟み込む一対のセパレータ１６，１７とを備えている。この単セルは、多数の単セルを緊密に積層することで数百Ｖの直流電源とする。
【００２１】
ＭＥＡ１２は、電解質膜１３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード１４と酸素極であるカソード１５とで挟みこんだものである。ここで、電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。
【００２２】
アノード１４及びカソード１５は、それぞれ触媒電極１４ａ，１５ａとガス拡散層１４ｂ，１５ｂとによって構成されている。触媒電極１４ａ，１５ａは、電解質膜１３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散層１４ｂ，１５ｂは、触媒電極１４ａ，１５ａに積層され、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、触媒電極１４ａ，１５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散層１４ｂ，１５ｂは、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。
【００２３】
一対のセパレータ１６，１７のそれぞれには、複数の孔や凹部が形成されている。この凹部によってＭＥＡ１２との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード１４側のセパレータ１６とＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路１６ａが形成される。また、カソード１５側のセパレータ１７とＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路１７ａが形成される。
【００２４】
図１に戻って、水素ガス流路系２０は、水素ガス源の放出口から燃料電池１０の供給口に至る水素ガス供給管２２と、燃料電池１０の排出口から水素ガス供給管２２に至る水素ガス排出管２４とを備える。前記燃料電池１０の供給口および排出口は、図示しないマニホルドホールを介して前述した単セル内燃料ガス流路１６ａ（図２）に接続されている。
【００２５】
水素ガス供給管２２には、燃料電池１０の供給口側から圧力計Ｐ１および水素調圧バルブＶ１が備えられている。なお、水素ガス供給管２２の他端には、水素ガス源としての水素貯蔵タンクとレギュレータが接続可能に設けられており、燃料電池１０の運転時に水素ガスを供給できるようになっている。このとき、供給される水素ガスの供給圧は水素調圧バルブＶ１の開閉状態を制御して調整することができる。
【００２６】
水素ガス排出管２４には、燃料電池１０の排出口側から圧力計Ｐ２、気水分離器３２、循環用水素ポンプ３４および逆止弁３６が備えられている。水素ガス排出管２４の他端は、水素ガス供給管２２の水素調圧バルブＶ１よりも下流側に接続されている。水素ガス排出管２４により、燃料電池１０において電池反応に寄与しなかった排出水素ガスを、水素ガス排出管２４を介して水素ガス供給管２２に戻すことができる。気水分離器３２は、排出水素ガスに含まれる余分な水分を除去して、供給用の水素ガスとしての再生を図っている。圧力計Ｐ２は、水素ガスについての燃料電池１０の排出口付近の圧力を検出している。なお、水素ガス供給管２２における循環用水素ポンプ３４と逆止弁３６との間にはバルブＶ２を備えた排出管３８の一端が接続されており、バルブＶ２を開けたときに他端からの排出が可能なようになっている。
【００２７】
エア流路系４０は、燃料電池１０の酸化ガス供給口に至るエア供給管４２と、燃料電池１０の酸化ガス排出口に至るエア排出管４４とを備える。前記酸化ガス供給口および酸化ガス排出口は、図示しないマニホルドホールを介して前述した単セル内酸化ガス流路１７ａ（図２）に接続されている。エア排出管４４の途中には圧力計Ｐ３とエア調圧バルブＶ３とが設けられている。エア供給管４２により燃料電池１０へのエアの供給が可能となり、電池反応によって酸素密度が低くなった排出エアおよび生成水の排出がエア排出管４４により可能となっている。エア供給管４２およびエア排出管４４の各他端は加湿器４３と接続されており、燃料電池１０に加湿エアを供給すると共に、エア排出管４４を通じて排出された生成水をエア供給管４２に戻し再利用可能なように構成されている。圧力計Ｐ３は、エアについての燃料電池１０の排出口付近の圧力を検出している。
【００２８】
加湿器４３には更に、エアコンプレッサ４６を備えた供給配管４７および排出配管４９の各々の一端が接続されており、供給配管４７の他端に配された図示しないフィルタを介して外気よりエアを吸引すると共に、排出配管４９の他端から外部に排出空気及び不要な生成水を排出できるようになっている。
【００２９】
燃料電池１０には、燃料電池１０を構成する単セルと電気的に接続されて、単セルの電圧を測定する電圧測定器５２が設けられている。詳細には、電圧測定器５２は、燃料電池１０のスタック構造の所定位置（例えば中央付近）の１つの単セルと接続されており、この所定位置の１つの単セルの電圧を測定している。また、測定する単セルは１つに限る必要もなく、複数個（例えば、２つ、あるいは全て）の単セルの電圧を測定し、これらの平均値をとる構成としてもよい。
【００３０】
以上詳述したように、水素ガス流路系２０およびエア流路系４０の構成によって、燃料電池１０に対して水素ガスの給排とエアの給排が行われる。燃料電池１０は、水素ガスとエアの供給を受けると、電気化学反応（電池反応）によって発電を行う。
【００３１】
前述した圧力計Ｐ１〜Ｐ３、循環用水素ポンプ３４、水素調圧バルブＶ１、バルブＶ２、エア調圧バルブＶ３、加湿器４３、エアコンプレッサ４６および電圧測定器５２等は、ＥＣＵ６０と電気的に接続されている。
【００３２】
ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。ＲＯＭには、各種のコンピュータプログラムが予め格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして用いて前記コンピュータプログラムを実行することにより、前記電気的に接続された各パーツの動作タイミングを制御する。実際には、ＥＣＵ６０は、ＣＰＵによって、前記コンピュータプログラムを実行することにより、負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節して燃料電池１０の出力を制御する運転制御部Ｍ１を機能的に実現している。
【００３３】
運転制御部Ｍ１は、前記負荷が通常負荷である通常運転モード（以下、「第１の運転モード」と呼ぶ）と、前記負荷が無負荷（ＯＣ：open circuit）またはアイドリング負荷である第２の運転モードとの間で運転モードの切り替えを行ないつつ運転を進めている。「通常負荷」とは、本実施例においては、車両の駆動モータを動作させるときの大きさの負荷であり、車両の走行状態に応じて変動する。「アイドリング負荷」とは、駆動モータを停止しエアコンプレッサ４６や循環用水素ポンプ３４等の燃料電池システム１内の補機を動作させたとき（すなわち「アイドリング状態」）の負荷である。運転制御部Ｍ１による第１の運転モード時の制御処理については周知のものであることから、ここでは詳しい説明は省略する。運転制御部Ｍ１による第２の運転モード時の制御処理について、以下に詳細に説明する。この第２の運転モード時の制御処理、すなわち第２運転モード制御処理を実行することにより電圧低下制御部Ｍ２が実現される。
【００３４】
Ｂ．ソフトウェアの構成：
図３は、ＥＣＵ６０により実行される第２運転モード制御処理を示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット６０における燃料電池１０の運転制御の一部として、割り込み処理により実行される。すなわち、第１の運転モードを実行する運転制御に対して、所定時間毎（例えば、１００［ｍｓ］毎）に割り込んでこの第２運転モード制御処理は実行開始される。
【００３５】
図３に示すように、処理が開始されると、ＥＣＵ６０のＣＰＵは、まず、燃料電池１０は、ＯＣ状態またはアイドリング状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ＯＣ状態とは、燃料電池１０の両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ；Open Circuit）の状態であり、無負荷状態である。アイドリング状態とは、ＯＣ状態と負荷の大きさが近似しているアイドリング負荷を受ける状態である。ステップＳ１００では、具体的には、燃料電池１０の運転制御を監視してＯＣ状態またはアイドリング状態にあるか否かを判定している。なお、運転制御を監視する構成に換えて、この燃料電池システム１を搭載する車両に備えられる図示しないアクセル操作部（例えば、アクセルペダル、アクセルレバー等）が操作されていないか否かからその判定を行う構成としてもよい。アクセル操作部が操作されないときには、駆動モータも補機も動作していないＯＣ状態か、駆動モータを停止し補機だけを動作させたアイドリング状態のいずれか一方であることから、このアクセル操作部が操作されていないか、あるいは操作されているかによってステップＳ１００の判定を行うことができる。
【００３６】
ステップＳ１００で、ＯＣ状態でもアイドリング状態でもないと判定された場合には、「リターン」に抜けて、この第２運転モード制御処理を一旦終了する。一方、ステップＳ１００でＯＣ状態またはアイドリング状態にあると判定された場合には、ＣＰＵは、ステップＳ１１０に処理を進める。
【００３７】
ステップＳ１１０では、ＣＰＵは、電圧測定器５２により検出された単セルの電圧（以下、「セル電圧」と呼ぶ）Ｅを取り込み、続くステップＳ１２０で、ＣＰＵは、前記取り込んだセル電圧Ｅが所定電圧Ｅ１を上回っているか否かを判定する。所定電圧Ｅ１は、ＯＣ状態時における燃料電池の性能劣化を抑える目標電圧であり、本発明を適用しない従来例の燃料電池システムにおいて取り得るＯＣＶよりも小さい値となっている。上記ＯＣＶは例えば１．０［Ｖ］であり、所定電圧Ｅ１は例えば０．９［Ｖ］である。
【００３８】
ステップＳ１２０で、セル電圧Ｅが所定電圧Ｅ１を上回っていると判定された場合には、ＣＰＵは、水素ガスの供給圧Ｐｈを増大する処理を行う（ステップＳ１３０）。詳細には、水素調圧バルブＶ１の開度Ｓを微少開度ΔＳだけ開くことにより、水素ガス供給管２２を介して燃料電池１０へ送られる水素ガスの供給圧Ｐｈを増大する。ここで、開く開度は微少開度ΔＳであり、このステップＳ１３０の処理を繰り返し実行することで、開度Ｓを漸増させる。ステップＳ１３０の実行後、「リターン」に抜けて、この第２運転モード制御処理を一旦終了する。
【００３９】
一方、ステップＳ１２０で、セル電圧Ｅが所定電圧Ｅ１以下である場合には、ＣＰＵは、ステップＳ１３０を実行することなく「リターン」に進めて、この第２運転モード制御処理を一旦終了する。なお、ステップＳ１１０ないしＳ１３０の処理が電圧低下制御部Ｍ２（図１）に対応する。
【００４０】
Ｃ．作用・効果：
図４は、第２運転モード制御処理の動作を示すタイミングチャートである。図示の上段に示すように、本実施例の燃料電池システム１を搭載する車両は、走行状態とＯＣ状態とを切り換える運転がなされているものとする。すなわち、時刻ｔ０〜ｔ１は走行状態にあり、時刻ｔ１〜ｔ２はＯＣ状態にあり、時刻ｔ２以後は走行状態にある。
【００４１】
図中の中段には、従来例についてのセル電圧ＸＥ、水素ガス供給圧ＸＰｈ、エア供給圧ＸＰａが示されている。水素ガス供給圧ＸＰｈ、エア供給圧ＸＰａは、燃料電池に供給される水素ガスまたはエアの供給圧である。セル電圧ＸＥは、走行状態からＯＣ状態に切り替わったとき（時刻ｔ１）にＯＣＶまで上昇する。ＯＣ状態に切り替わる前の時刻ｔ０〜ｔ１では、水素ガス供給圧ＸＰｈは時間の経過と共に漸増する。車両の停止に向けた減速を受けて、燃料電池１０での水素ガスの消費量が減少し、水素ガス供給圧ＸＰｈが漸増するためである。
【００４２】
高くなった水素ガス供給圧ＸＰｈは、時刻ｔ１以後、徐々に減少する。これは、ＯＣ状態にあって、アノード１４に供給された水素ガスの一部が、発電に消費されず電解質膜１３を通してカソード１５に透過するクロスリークの現象が生じたためである。なお、ＯＣ状態時における水素ガス供給圧ＸＰｈは、所定の程度だけ低い値となる。高くなった水素ガス供給圧ＸＰｈによる供給を受けた水素ガスとエアが発電反応によって消費されるためである。また、クロスリークによる発電反応、すなわち透過した水素ガスがカソード１５側のエア中の酸素と反応することによる酸素濃度低下を受けて、セル電圧ＸＥもＯＣＶから徐々に低下する。
【００４３】
ＯＣ状態から走行状態に復帰した時刻ｔ２以後では、水素ガス供給圧ＸＰｈおよびエア供給圧ＸＰａは復帰し、また、セル電圧ＸＥも低い値に復帰する。
【００４４】
図中の下段には、本第１実施例についてのセル電圧Ｅ、水素ガス供給圧Ｐｈ、エア供給圧Ｐａが示されている。従来例と同様に、走行状態からＯＣ状態に切り替わったとき（時刻ｔ１）、セル電圧Ｅは従来例でいうＯＣＶと同じ電圧まで上昇する。そうすると、セル電圧Ｅは所定電圧Ｅ１を上回わることから（時刻ｔ１１）、それ以降、前述したステップＳ１２０およびＳ１３０の処理により、水素ガス供給圧Ｐｈは次第に高くなる。なお、図示においては、セル電圧Ｅが所定電圧Ｅ１を上回わったと判定されて水素ガス供給圧Ｐｈが上昇を開始する時刻ｔ１１は、セル電圧ＥがＯＣＶ付近まで上昇したときとなっているが、これは、ＯＣ状態となるとセル電圧Ｅが急激に上昇し、ステップＳ１２０およびＳ１３０の制御が追いつかないためである。水素ガス供給圧Ｐｈが次第に高くなると、カソード１５側へのクロスリーク量が増大することから、セル電圧Ｅは上記ＯＣＶ辺りから急激に低下する（図中のＬ１）。セル電圧Ｅが所定電圧Ｅ１以下となるまで（時刻ｔ１２）、水素ガス供給圧Ｐｈは増大し、セル電圧Ｅも低下する。セル電圧Ｅは、時刻ｔ１２以後もクロスリークを受けて徐々に低下する。
【００４５】
なお、図中の破線Ｌ２に示すように、水素ガス供給圧Ｐｈの増大率を大きくすると（すなわち、ステップＳ１３０で増大する微少開度ΔＳを大きくすると）、クロスリーク量をより増大することができることから、図中の破線Ｌ３に示すように、より急激に（＝より短時間で）セル電圧Ｅを低下させることができる。
【００４６】
ＯＣ状態から走行状態に復帰した時刻ｔ２以後では、本第１実施例でも従来例と同様に、水素ガス供給圧Ｐｈおよびエア供給圧Ｐａは復帰し、また、セル電圧Ｅも低い値に完全に復帰する。なお、このタイミングチャートで示したＯＣ状態は、アイドリング状態に換えることもできる。
【００４７】
以上のように構成された本第１実施例では、燃料電池１０を運転制御している最中にＯＣ状態またはアイドリング状態となったときに、セル電圧Ｅは所定電圧Ｅ１以下に制御される。燃料電池は、ＯＣ状態またはアイドリング状態で運転しているとき、白金溶出、白金粒径の増大といった不具合を招き、性能劣化を引き起こすことになるが、上記のようにセル電圧Ｅを従来例におけるＯＣＶよりも低い所定電圧Ｅ１に制御することで、上記の白金溶出、白金粒径の増大の不具合を解消して性能劣化の程度を抑えることができる。燃料電池１０の運転の最中にＯＣ状態またはアイドリング状態となるときは間欠的に頻繁に起こることから、燃料電池１０の運転時間全体から見たとき性能劣化の抑制の効果は大きい。したがって、燃料電池１０の性能劣化を充分に抑制することができるという効果を奏する。
【００４８】
Ｄ．第２実施例：
本発明の第２実施例について次に説明する。この第２実施例は、第１実施例と比較して、ＥＣＵ６０により実行される第２運転モード制御処理の構成が相違だけであり、その他のソフトウェアおよびハードウェアの構成は同一である。
【００４９】
図５は、ＥＣＵ６０により実行される第２運転モード制御処理を示すフローチャートである。この処理は、第１実施例の第２運転モード制御処理と比較して、図中、ステップＳ１００，Ｓ１２０，Ｓ１３０の処理が同一で、相違するのはステップＳ２１０，Ｓ２４０，Ｓ２５０である。
【００５０】
ステップＳ２１０では、ＣＰＵは、セル電圧Ｅに加えて、圧力計Ｐ２，Ｐ３により検出された水素ガスおよびエアについての燃料電池１０の排出口付近の各圧力、すなわち水素ガス排出口圧力ＳＰｈおよびエア排出口圧力ＳＰａを取り込む。
【００５１】
ステップＳ１２０でセル電圧Ｅが所定電圧（以下、この実施例では「第１の所定電圧」と呼ぶ）Ｅ１以下であると判定された場合には、ＣＰＵは、ステップＳ２４０に処理を進めて、ステップＳ２１０で取り込んだセル電圧Ｅが第２の所定電圧Ｅ２を下回っているか否かを判定する。第２の所定電圧Ｅ２は、第１の所定電圧Ｅ１よりも小さい値である。すなわち、第１の所定電圧Ｅ１および第２の所定電圧Ｅ２は、セル電圧Ｅを低下させる際の目標電圧域の上限電圧値と下限電圧値を規定するためのものである。例えば、第１の所定電圧Ｅ１は前述したように例えば０．９［Ｖ］であるのに対して、第２の所定電圧Ｅ２は例えば０．８［Ｖ］である。
【００５２】
上記第１の所定電圧Ｅ１および第２の所定電圧Ｅ２の各値は、コンピュータプログラムに記述された数値としてＲＯＭに記憶されるものであるが、これに換えて、ＲＯＭに別データとしてＥ１およびＥ２の各値を記憶させて、コンピュータプログラムに従ってこの各値を読み出す構成としてもよい。
【００５３】
ステップＳ２４０でセル電圧Ｅが第２の所定電圧Ｅ２を下回っていると判定された場合には、ＣＰＵは、燃料電池１０の下流側に設けられたエア調圧バルブＶ３を閉側に制御することにより、エア供給管４２を介して燃料電池１０へ送られるエアの供給圧Ｐａを増大する処理を行う（ステップＳ２５０）。詳細には、ステップＳ２１０で取り込んだ水素ガス排出口圧力ＳＰｈとエア排出口圧力ＳＰａとが同一となるように、エア調圧バルブＶ３の開度を調整する。水素ガス排出口圧力ＳＰｈとエア排出口圧力ＳＰａとが同一となるということは、水素ガス供給圧Ｐｈとエア供給圧Ｐａとが同一となることと等価である。なお、エア供給管４２にも圧力計を設けて、この圧力計と水素ガス供給管２２の圧力計Ｐ１との検出結果を同圧とするように、エア調圧バルブＶ３の開度を調整する構成に換えてもよい。
【００５４】
ステップＳ２５０の実行後、ＣＰＵは「リターン」に進めて、この第２運転モード制御処理を一旦終了する。一方、ステップＳ２４０でセル電圧Ｅが第２の所定電圧Ｅ２以上であると判定された場合には、ステップＳ１３０を実行することなく「リターン」に進めて、この第２運転モード制御処理を一旦終了する。
【００５５】
図６は、本第２実施例における第２運転モード制御処理の動作を示すタイミングチャートである。図示の上段の走行状態を示すチャートは、第１実施例のもの（図４参照）と同一である。図示の中段のセル電圧Ｅを示すチャートは、第１実施例のもの（図４参照）の破線Ｌ３と同一（但し後述するｔ１３まで）である。すなわち、セル電圧Ｅを示すチャートは、セル電圧Ｅがより急激に低下するように水素ガス供給圧Ｐｈの増大率をより大きくしたものである。
【００５６】
図示するように、第１実施例と同様に、時刻ｔ１１〜ｔ１２においては、水素ガス供給圧Ｐｈが次第に高くなって、セル電圧Ｅは急激に低下する。時刻ｔ１２以後、セル電圧Ｅは徐々に低下するが、セル電圧Ｅが第２の所定電圧Ｅ２を下回ったときに（時刻ｔ１３）、前述したステップＳ２４０およびＳ２５０の処理により、エア供給圧Ｐａが水素ガス供給圧Ｐｈと同圧に高められる。水素ガス供給圧Ｐｈとエア供給圧Ｐａとが同一となると、クロスリークの現象が生じないことからセル電圧Ｅの低下が抑えられ、時刻ｔ２までセル電圧Ｅは第２の所定電圧Ｅ２を保持する。
【００５７】
ＯＣ状態から走行状態に復帰した時刻ｔ２以後では、第１実施例と同様に、水素ガス供給圧Ｐｈおよびエア供給圧Ｐａは復帰し、また、セル電圧Ｅも低い値に完全に復帰する。
【００５８】
以上のように構成された本第２実施例では、燃料電池１０を運転制御している最中にＯＣ状態またはアイドリング状態となったときに、セル電圧Ｅは従来例におけるＯＣＶよりも低い目標電圧域Ｅ１〜Ｅ２に制御される。したがって、本第２実施例でも、第１実施例と同様に、ＯＣ状態またはアイドリング状態である第２の運転モード時における燃料電池の性能劣化の程度を抑えることができることから、全体としても燃料電池１０の性能劣化を充分に抑制することができるという効果を奏する。また、本第２実施例では、ＯＣ状態またはアイドリング状態から走行状態に復帰する時（時刻ｔ２）において、セル電圧Ｅは目標電圧域Ｅ１〜Ｅ２を下回らないことから、復帰の際の始動性を損ねることがないという効果を奏する。すなわち、第１実施例と比較して、走行状態への復帰時における始動性の向上を図ることができるという第２実施例特有の効果を奏する。
【００５９】
なお、この第２実施例では、エア供給圧Ｐａを増大することで水素ガス供給圧Ｐｈとエア供給圧Ｐａとが同一となるように構成したが、これに換えて、エア供給圧Ｐａは変化させることなく水素ガス供給圧Ｐｈを低下させることで両者が同一となるように構成してもよい。すなわち、バルブＶ２を開側に制御することにより水素ガスを逃がして、水素ガス供給圧Ｐｈとエア供給圧Ｐａとが同一となるように構成してもよい。
【００６０】
Ｅ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の第１および第２実施例や変形例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で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。
【００６１】
（１）前記各実施例では、ＯＣまたはアイドリング負荷時におけるセル電圧Ｅの低下を、水素ガスの供給圧を増大することにより実現していたが、これに換えて、エア、すなわち酸化ガスの供給圧を低下させることによりセル電圧Ｅの低下を実現する構成としてもよい。あるいは、図１において、排出配管４９からの排気を供給配管４７に戻すことにより、燃料電池１０に供給される酸素量を少なくしてセル電圧Ｅの低下を実現する構成としてもよい。すなわち、ＯＣまたはアイドリング負荷時においてセル電圧を低下させることのできる構成であれば、いずれの手段によるものであってもよい。
【００６２】
（２）前記各実施例では、燃料電池の電圧を低下させる制御を、電圧測定器５２で測定したセル電圧Ｅを観察しながら行っていたが、これに換えて、第２の運転モードに切り替わったときに、燃料電池の電圧を検出することなく、水素ガスの供給圧を所定の大きさだけ増大して燃料電池の電圧を低下させる構成としてもよい。燃料電池の電圧を低下させる構成は上記（１）と同様に様々な手段に換えることもできる。この構成によっても、ＯＣ状態またはアイドリング状態における燃料電池１０の性能劣化をある程度抑制することができる。
【００６３】
（３）前記各実施例で用いた固体高分子電解質膜１３は、一般的な約３０［μｍ］の膜厚であるが、これに対して、膜厚を約３０［μｍ］よりも薄くなるよう薄膜化した構成に換えてもよい。図７は、電解質膜の膜厚と水素ガスの透過量との関係を示すグラフである。横軸には膜厚が、縦軸には透過量がとられている。透過量は、水素ガス供給圧を１００［ｋＰａ（Ｇ）］に、エア供給圧を０［ｋＰａ（Ｇ）］にしたときの電解質膜における水素ガスの透過量である。図中に示すように、膜厚が薄くなるに従って透過量は大きくなる。膜厚を約３０［μｍ］よりも薄くしたときに透過量は大きい。透過量が大きいということは、ＯＣまたはアイドリング負荷時におけるクロスリーク量が大きいということであり、より短時間でセル電圧Ｅを低下させることができる。したがって、この変形例によれば、セル電圧ＥがＯＣＶとなる期間を一層少なくすることができることから、より一層効果的に燃料電池の性能劣化を抑えることができる。
【００６４】
なお、前記膜厚が約３０［μｍ］以下というのは適用例の一つであり、必ずしも約３０［μｍ］以下の膜厚である必要はない。３０［μｍ］よりも厚い膜厚でも透過量が大きく、セル電圧を低下させることのできる膜構造であればよい。
【００６５】
（４）前記各実施例では、圧力計により水素ガスやエアの圧力を検出して、この検出圧に従って水素ガス供給圧やエア供給圧を制御する構成としていたが、これに換えて、流量センサを備え付けて水素ガスやエアの流速を制御する構成としてもよい。
【００６６】
（５）前記各実施例では、燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。また、前記各実施例では、燃料電池システムを車両に搭載する場合について説明したが、これに替えて、船舶、航空機などの他の交通手段や、その他各種産業機械などに搭載することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１の全体構成図である。
【図２】燃料電池１０を構成する単セルの概略構成を示す説明図である。
【図３】ＥＣＵ６０により実行される第２運転モード制御処理を示すフローチャートである。
【図４】第２運転モード制御処理の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】第２実施例における第２運転モード制御処理を示すフローチャートである。
【図６】第２実施例における第２運転モード制御処理の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】電解質膜の膜厚と水素ガスの透過量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１３…固体高分子電解質膜
１３…電解質膜
１４…アノード
１４ａ…触媒電極
１４ｂ…ガス拡散層
１５…カソード
１５ａ…触媒電極
１５ｂ…ガス拡散層
１６…セパレータ
１６ａ…単セル内燃料ガス流路
１７…セパレータ
１７ａ…単セル内酸化ガス流路
２０…水素ガス流路系
２２…水素ガス供給管
２４…水素ガス排出管
３２…気水分離器
３４…循環用水素ポンプ
３６…逆止弁
３８…排出管
４０…エア流路系
４２…エア供給管
４３…加湿器
４４…エア排出管
４５…排出配管
４６…エアコンプレッサ
４７…供給配管
４９…排出配管
５２…電圧測定器
６０…制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｍ１…運転制御部
Ｍ２…電圧低下制御部
Ｐ１、Ｐ２，Ｐ３…圧力計
Ｖ１…水素調圧バルブ
Ｖ２…バルブ
Ｖ３…エア調圧バルブ
Ｅ…セル電圧
Ｅ１…第１の所定電圧
Ｅ２…第２の所定電圧
Ｐｈ…水素ガス供給圧
Ｐａ…エア供給圧
【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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