(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極とカソード極の両面に触媒層を備える電解質膜と、アノード極側に燃料ガスを供給するアノード流路と、カソード極側に酸化ガスを供給するカソード流路と、からなる単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記アノード流路の燃料ガスを調整する燃料ガス調整装置と、
前記カソード流路の酸化ガスを調整する酸化ガス調整装置と、
前記燃料電池スタックの状態に応じて前記燃料ガス調整装置と前記酸化ガス調整装置を制御するコントロールユニットと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノード極と前記カソード極の間の前記電解質膜における水の濃度勾配を調整する濃度勾配調整装置を有し、
前記コントロールユニットは、
低温起動時のオペレーションであるか通常運転時のオペレーションであるかを判定するオペレーション判定部と、
前記オペレーション判定部により前記低温起動時のオペレーションであると判定されると、前記濃度勾配調整装置により前記電解質膜の水の濃度勾配を通常運転時のオペレーションより増大させる回復制御を実行する回復制御部と、を備え、
前記低温起動時にカソード触媒中の水分を前記電解質膜に移動させる、
燃料電池システム。
【請求項２】
アノード極とカソード極の両面に触媒層を備える電解質膜と、アノード極側に燃料ガスを供給するアノード流路と、カソード極側に酸化ガスを供給するカソード流路と、からなる単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記アノード流路の燃料ガスを調整する燃料ガス調整装置と、
前記カソード流路の酸化ガスを調整する酸化ガス調整装置と、
前記燃料電池スタックの状態に応じて前記燃料ガス調整装置と前記酸化ガス調整装置を制御するコントロールユニットと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノード極と前記カソード極の間の前記電解質膜における水の濃度勾配を調整する濃度勾配調整装置を有し、
前記コントロールユニットは、
低温起動時のオペレーションであるか通常運転時のオペレーションであるかを判定するオペレーション判定部と、
前記オペレーション判定部により前記低温起動時のオペレーションであると判定されると、前記濃度勾配調整装置により前記電解質膜の水の濃度勾配を通常運転時のオペレーションより増大させることで、前記低温起動時にカソード触媒中の水分を前記電解質膜に移動させる回復制御を実行する回復制御部と、を備え、
前記濃度勾配調整装置は、前記燃料電池スタックの出力電流を調節する出力電流調節装置を有し、
前記回復制御部は、前記出力電流調節装置により前記出力電流を要求負荷に基づいた要求出力電流よりも低下させることで、前記電解質膜の水の濃度勾配を増大させる、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記回復制御部は、
前記出力電流調節装置により前記出力電流を略ゼロに調節する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記濃度勾配調整装置は、前記燃料ガス調整装置を含み、
前記回復制御部は、前記燃料ガス調整装置により燃料ガス供給流量を要求負荷に基づいた要求燃料ガス供給流量よりも増大させることで、前記電解質膜の水の濃度勾配を増大させる、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記回復制御部は、
前記回復制御の終了時期であるか否かを判断し、前記回復制御の終了時期であると判断すると前記回復制御を終了する回復制御終了判断部を有する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタック及び単セルの少なくとも何れか一方の出力電圧を検出する出力電圧検出部をさらに有し、
前記回復制御終了判断部は、
前記回復制御中に前記酸化ガス調整装置を制御して、前記カソード流路への酸化ガス供給流量を減少させた後に増加させる酸化ガス増減処理を少なくとも１回実行させ、
前記酸化ガス増減処理中の前記出力電圧の挙動に基づいて、前記回復制御の終了時期を判断する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記回復制御終了判断部は、
前記酸化ガス増減処理中の前記酸化ガス供給流量の減少操作時において、要求負荷に基づいた要求酸化ガス供給流量に対する前記酸化ガス供給流量の比が１以下となるように前記酸化ガス調整装置を制御する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の燃料電池システムであって、
前記回復制御終了判断部は、
前記酸化ガス増減処理中の前記酸化ガス供給流量の増加操作時において、前記出力電圧が所定時間以内に所定閾値に到達した場合に前記回復制御の終了時期であると判断する、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６又は７に記載の燃料電池システムであって、
前記回復制御終了判断部は、
前記酸化ガス増減処理中の前記出力電圧の挙動として前記酸化ガス供給流量の増加操作時の前記出力電圧の時間微分値を演算し、
前記時間微分値が所定値より大きい場合に前記回復制御の終了時期であると判断する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記回復制御部は、
前記燃料電池スタック内の含水量を推定する燃料電池内含水量推定部と、
推定された前記含水量が所定値より大きい場合に前記回復制御を実行する回復制御実行判断部と、を有する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの内部抵抗を検出する内部抵抗検出部をさらに有し、
前記燃料電池内含水量推定部は、前記燃料電池スタックの内部抵抗に基づいて前記含水量を推定する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの温度を検出する燃料電池温度検出部をさらに有し、
前記燃料電池内含水量推定部は、前記燃料電池スタックの内部抵抗及び前記燃料電池スタックの温度に基づいて前記含水量を推定する、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス調整装置は、
前記アノード流路に連通し前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを循環させる循環路と、前記循環路に連通するパージ通路と、前記パージ通路に設けられたパージ弁と、を有し、
前記回復制御部は、
前記回復制御として、前記循環路から水分を排出させるように前記パージ弁の開閉制御を行う、
燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法であって、
低温起動時のオペレーションであるか、通常運転時のオペレーションであるかを判定し、
低温起動時のオペレーションであると判定されると、前記燃料電池の電解質膜の水の濃度勾配を通常運転時のオペレーションより増大させる回復制御を実行する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記回復制御では、前記燃料電池の出力電流を要求負荷に基づいた要求出力電流よりも低下させることで、前記電解質膜の水の濃度勾配を増大させる、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の低温起動時の制御を実行する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
氷点下環境等の低温環境における燃料電池の起動時においては、燃料電池の発電による生成熱等によって燃料電池を昇温させる昇温制御、及び燃料電池内部（特に、カソード極内）の水分を除去する回復操作を含む低温起動オペレーションが行われる。この回復操作は、燃料電池がいわゆるフラッディング状態となって出力性能が低下することを抑制すべく実行するものである。【０００３】
このような低温起動オペレーションにおける回復操作として、ＪＰ４５７５６９３Ｂ２には、燃料電池の低温起動時にカソード極にドライエアを供給する（以下、「ドライエア供給処理」とも記載する）ことで、カソード極内の水分を蒸発させてカソード排出流路に排出する燃料電池システムが提案されている。
【発明の概要】
【０００４】
上記従来技術では、周囲環境温度（燃料電池の温度やドライエア温度）を昇温させることで、ドライエアにより水分をカソード極から外部に排出する構成であるため、回復操作を実行するには、周囲環境温度をある程度の温度まで昇温させる必要がある。
【０００５】
また、周囲環境温度を一定温度以上に昇温させないと回復操作が完了したと判断しないため、回復操作を始めてから完了させるまでにも時間がかかることとなり、低温起動オペレーションの時間が長くなる。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の低温起動オペレーションの時間を短縮することのできる燃料電池システム及びその制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によれば、燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、低温起動時のオペレーションであるか、通常運転時のオペレーションであるかを判定し、低温起動時のオペレーションであると判定されると、燃料電池の電解質膜の水の濃度勾配を通常運転時のオペレーションより増大させる回復制御を実行する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池セルの斜視図である。
【図３】図３は、図２の燃料電池のII−II断面図である。
【図４】図４は、燃料電池システムの起動時の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。
【図６】図６は、第１実施形態の低温起動オペレーションから通常運転オペレーションまでの経時変化を説明するタイミングチャートである。
【図７】図７は、回復制御による作用効果を説明する図である。
【図８】図８は、スタック温度に応じた、電解質膜への水分移動量とカソード流路への水分蒸発量の優位性の関係を説明するグラフである。
【図９】図９は、本実施形態の回復制御による出力性能の回復効果を説明するグラフである。
【図１０】図１０は、第２実施形態の低温起動オペレーションから通常運転オペレーションまでの経時変化を説明するタイミングチャートである。
【図１１】図１１は、第３実施形態の低温起動オペレーションの経時変化を説明するタイミングチャートである。
【図１２】図１２は、第４実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。
【図１３】図１３は、第４実施形態の低温起動オペレーションの経時変化を説明するタイミングチャートである。
【図１４】図１４は、出力性能の回復前後におけるセル電圧の時間変化の相違を示すグラフである。
【図１５】図１５は、第５実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。
【図１６】図１６は、出力性能の回復前後におけるセル電圧微分値の時間変化を示すグラフである。
【図１７】図１７は、第６実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１８】図１８は、スタック内部抵抗とスタック含水量の関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、第６実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。
【図２０】図２０は、第７実施形態におけるスタック温度とスタック内部抵抗の関係を示すグラフである。
【図２１】図２１は、スタック内部抵抗、スタック温度、及びスタック含水量の間の関係を示すマップである。
【図２２】図２２は、第８実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２３】図２３は、背景技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す図である。
【００１１】
図に示す燃料電池システム１００は、燃料ガスとしてのアノードガス（水素）及び酸化ガス（空気）としのカソードガスを燃料電池スタック１に供給して発電を実行させる。
【００１２】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力システム５と、コントロールユニット２００と、を有している。
【００１３】
燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルが積層された積層電池である。
【００１４】
燃料電池セルは、アノード極（燃料極）とカソード極（酸化剤極）によって電解質膜を挟んで構成されている。燃料電池セルでは、アノードガスがアノード極に供給される一方で、カソードガスがカソード極に供給されて、これらガスを用いることで発電が行われる。アノード極及びカソード極の両電極において発電時に進行する主な電気化学反応は、以下の通りである。
【００１５】
アノード極：２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-         （１）
カソード極：４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ   （２）
【００１６】
以下、単セルとしての燃料電池セルの具体的な構成について説明する。
【００１７】
図２及び図３は、燃料電池セルの構成を説明する図である。図２は燃料電池セルの斜視図であり、図３は図２の燃料電池セルのII−II断面図である。
【００１８】
図示のように、燃料電池セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１と、膜電極接合体１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。
【００１９】
膜電極接合体１１は、電解質膜１１１、アノード極１１２、及びカソード極１１３から構成されている。膜電極接合体１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード極１１２を有しており、他方の面側にカソード極１１３を有している。
【００２０】
電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２１】
アノード極１１２は、アノード触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。アノード触媒層１１２Ａは、白金等が担持されたカーボンブラック粒子（カーボン担体）からなる触媒物質と、触媒物質の間に存在する電解質（以下では、「アノード電解質」とも記載する）と、によって構成され、これら触媒物質及びアノード電解質が存在しない部分に空孔（以下では、「アノード空孔」とも記載する）が形成される。さらに、アノード触媒層１１２Ａは、電解質膜１１１と接するように設けられる。
【００２２】
ガス拡散層１１２Ｂは、アノード触媒層１１２Ａの外側に配置される。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、アノード触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられる。
【００２３】
アノード極１１２と同様に、カソード極１１３もカソード触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。カソード触媒層１１３Ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂはカソード触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。
【００２４】
特に、カソード触媒層１１３Ａにおいても、アノード触媒層１１２Ａと同様に、白金等が担持されたカーボンブラック粒子（カーボン担体）からなる触媒物質と、触媒物質の間に存在する電解質（以下では、「カソード電解質」とも記載する）と、によって構成され、これら触媒物質及びカソード電解質が存在しない部分に空孔（以下では、「カソード空孔」とも記載する）が形成される。
【００２５】
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置される。アノードセパレータ１２は、アノード極１１２にアノードガスを供給するための複数のアノード流路１２１を備えている。アノード流路１２１は、溝状通路として形成されている。
【００２６】
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置される。カソードセパレータ１３は、カソード極１１３にカソードガスを供給するための複数のカソード流路１３１を備えている。カソード流路１３１は、溝状通路として形成されている。
【００２７】
アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノード流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソード流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。
【００２８】
そして、燃料電池スタック１は、上記燃料電池セル１０を複数積層することで構成される。
【００２９】
図１に戻り、酸化ガス調整装置としてのカソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。
【００３０】
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、エアフローメータ２３と、水分回収装置（Water Recovery Device：以下「ＷＲＤ」という。）２５と、カソードオフガス排出通路２６と、カソードガス調圧弁２７と、を有している。
【００３１】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１内のカソード流路１３１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１のカソード極１１３の入口に接続される。
【００３２】
コンプレッサ２２は、燃料電池システム１００内にカソードガスを吸入する。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の一端の開口端に設けられる。
【００３３】
コンプレッサ２２は、コンプレッサモータ２２ａにより駆動されるターボ式コンプレッサや容積式コンプレッサである。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端からカソードガスとしての空気を吸入し、カソードガス供給通路２１を介して燃料電池スタック１に供給する。また、コンプレッサモータ２２ａの回転速度、すなわちコンプレッサ２２の出力はコントロールユニット２００によって制御される。
【００３４】
エアフローメータ２３は、コンプレッサ２２の入り口に設けられる。エアフローメータ２３は、コンプレッサ２２により吸入されるカソードガスの流量、すなわち燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量を検出する。
【００３５】
以下では、この燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を「カソードガス供給流量」とも記載する。また、エアフローメータ２３は、カソードガス供給流量の検出値をコントロールユニット２００に出力する。
【００３６】
水分回収装置２５は、カソードガス供給通路２１とカソードオフガス排出通路２６に跨って設けられる。水分回収装置２５は、カソードオフガス排出通路２６のカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１内のカソードガスを加湿する。すなわち、水分回収装置２５で加湿されたカソードガスが燃料電池スタック１に供給される。
【００３７】
カソードオフガス排出通路２６は、燃料電池スタック１内のカソード流路１３１から排出されるカソードオフガスを外部へ放出するための通路である。カソードオフガス排出通路２６の一端は、燃料電池スタック１のカソード極１１３の出口に接続され、他端は開口している。
【００３８】
カソードガス調圧弁２７は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調節する。カソードガス調圧弁２７は、カソードオフガス排出通路２６において水分回収装置２５の下流に設けられる。カソードガス調圧弁２７は、コントロールユニット２００によって開閉制御され、これにより燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力が所望の圧力に調節される。
【００３９】
アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノードガス調圧弁３３と、エゼクタ３４と、アノードガス循環通路３５と、アノードガス循環ブロワ３６と、アノードガス圧力センサ３７と、を含む。
【００４０】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００４１】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、エゼクタ３４を介してアノードガス循環通路３５に接続される。
【００４２】
アノードガス調圧弁３３は、高圧タンク３１とエゼクタ３４との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。そして、アノードガス調圧弁３３は、コントロールユニット２００により開度が調節され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調節する。
【００４３】
エゼクタ３４は、アノードガス調圧弁３３と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。エゼクタ３４は、アノードガスを図示しないノズルで増速して供給した際の負圧を利用して、当該アノードガスをアノードガス循環通路３５内で循環させる装置である。
【００４４】
アノードガス循環通路３５は、アノードガス供給通路３２にエゼクタ３４の吸引口を介して接続され、燃料電池スタック１内のアノード流路１２１に連通してアノードガスを循環させる循環路である。
【００４５】
アノードガス循環ブロワ３６は、アノードガス循環通路３５内でエゼクタ３４の上流に設けられる。アノードガス循環ブロワ３６は、エゼクタ３４を介してアノードガスをアノードガス循環通路３５内で循環させる。アノードガス循環ブロワ３６の回転速度はコントロールユニット２００によって制御される。
【００４６】
アノードガス圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１との間のアノードガス循環通路３５に設けられる。アノードガス圧力センサ３７は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノードガス圧力センサ３７は、アノードガス圧力の検出値をコントロールユニット２００に出力する。
【００４７】
なお、図１には示していないが、アノードガス循環通路３５内で循環するアノードガス中の不純物（窒素ガスや発電による生成水等）を外部に排出するパージ通路を設けていても良い。
【００４８】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１の温度を制御する装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却水バイパス通路４４と、三方弁４５と、水温センサ４７と、を有している。
【００４９】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路４１の一端は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
【００５０】
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１に冷却水を供給する。なお、冷却水ポンプ４２の回転速度は、コントロールユニット２００によって制御される。
【００５１】
ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１の内部で温められた冷却水をファンによって冷却する。
【００５２】
冷却水バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスする通路であって、燃料電池スタック１から排出される冷却水を燃料電池スタック１に戻して循環させる。冷却水バイパス通路４４の一端は、冷却水循環通路４１において冷却水ポンプ４２とラジエータ４３との間で接続され、他端は、三方弁４５に接続される。
【００５３】
三方弁４５は、例えばサーモスタットにより実現される。三方弁４５は、その開度が調節されることでラジエータ４３をバイパスさせる冷却水の流量を調節する。三方弁４５は、ラジエータ４３と燃料電池スタック１の冷却水入口孔との間の冷却水循環通路４１において冷却水バイパス通路４４が合流する部分に設けられる。
【００５４】
水温センサ４７は、冷却水循環通路４１において、燃料電池スタック１の冷却水出口の近傍に設けられる。水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。また、水温センサ４７は、この冷却水温度の検出値をコントロールユニット２００に出力する。なお、本実施形態では、この冷却水温度が燃料電池スタック１の温度であるスタック温度Ｔｓに相当する。
【００５５】
電力システム５は、電流／電圧測定ユニット５０と、パワーユニット５２と、負荷装置５３と、を有している。
【００５６】
電流／電圧測定ユニット５０は、パワーユニット５２等によって燃料電池スタック１から取り出される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック１から取り出される電流のことを「スタック電流」とも記載する。
【００５７】
また、電流／電圧測定ユニット５０は、正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック１の端子間電圧のことを「スタック電圧」とも記載する。
【００５８】
さらに、本実施形態においては、電流／電圧測定ユニット５０は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セル１０の電圧（以下では、「セル電圧」とも記載する）も検出することができる。
【００５９】
そして、電流／電圧測定ユニット５０は、スタック電流の検出値、スタック電圧の検出値、及び必要に応じてセル電圧の検出値をコントロールユニット２００に出力する。
【００６０】
パワーユニット５２は、燃料電池スタック１と負荷装置５３の間に配置され、スタック電圧の調節を行う。
【００６１】
具体的に、パワーユニット５２は、スタック電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機としてのＤＣ／ＤＣコンバータ、及び燃料電池スタック１や図示しないバッテリと負荷装置５３との間で入出力される電力の直流／交流変換を行うインバータ等を有している。
【００６２】
負荷装置５３は、例えば、車両を駆動する電動モータや、電動モータを制御する制御ユニット、燃料電池スタック１の発電を補助する補機、及び燃料電池スタック１の発電電力を蓄電するバッテリなどが挙げられる。なお、燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２、アノードガス循環ブロワ３６、及び冷却水ポンプ４２などが挙げられる。
【００６３】
また、負荷装置５３を制御する図示しない制御ユニットは、負荷装置５３の作動に必要な電力を燃料電池スタック１に対する要求電力（要求負荷）としてコントロールユニット２００に出力する。例えば、制御ユニットは、車両に設けられたアクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、燃料電池スタック１に対する要求負荷は高くなる。
【００６４】
コントロールユニット２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成され、コントローラとして機能する。
【００６５】
特に、本実施形態においてコントロールユニット２００は、エアフローメータ２３、アノードガス圧力センサ３７と、水温センサ４７、電流／電圧測定ユニット５０等の各種センサや負荷装置５３からの入力信号、及び燃料電池システム１００が搭載される車両のイグニションスイッチのオン信号が入力される。
【００６６】
また、コントロールユニット２００は、負荷装置５３の制御ユニットから要求負荷の信号を受信したコントロールユニット２００が、燃料電池スタック１のＩＶ特性に基づいて、当該要求負荷から燃料電池スタック１に対して要求される出力電流である要求出力電流（以下、「負荷要求電流」とも記載する）を演算する。
【００６７】
そして、コントロールユニット２００は、基本的に、電流／電圧測定ユニット５０で得られたスタック電流の検出値が上記負荷要求電流に近づくようにパワーユニット５２を制御する電流調節部として機能する。
【００６８】
さらに、コントロールユニット２００は、アノードガス圧力センサ３７からのアノードガス圧力検出値やアノードガス循環ブロワ３６の回転数検出値から、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量であるアノードガス供給流量を推定する。
【００６９】
そして、コントロールユニット２００は、基本的に、推定されるアノードガス供給流量が、上記負荷要求電流に応じた要求アノードガス供給流量に近づくように、アノードガス給排装置３のアノードガス調圧弁３３の開度やアノードガス循環ブロワ３６の出力等を制御するアノードガス流量調節部として機能する。
【００７０】
また、コントロールユニット２００は、基本的に、エアフローメータ２３で得られたカソードガス供給流量の検出値が、上記負荷要求電流に応じた要求カソードガス供給流量に近づくように、カソードガス給排装置２のコンプレッサ２２の出力等を制御する。
【００７１】
そして、本実施形態のコントロールユニット２００は、燃料電池システム１００の運転状態が、低温起動時のオペレーション（以下では、「低温起動オペレーション」とも記載する）であるか、通常運転時のオペレーション（以下では、「通常運転オペレーション」とも記載する）であるかを判定するオペレーション判定部として機能する。
【００７２】
さらに、本実施形態のコントロールユニット２００は、後に詳細に説明する低温起動オペレーションの回復制御中においては、スタック電流の目標値として、上記負荷要求電流に代えて回復制御時目標出力電流を設定する。そして、コントロールユニット２００は、回復制御中においては、電流／電圧測定ユニット５０で得られたスタック電流検出値が回復制御時目標出力電流に近づくようにパワーユニット５２を制御する。なお、本実施形態では、回復制御時目標出力電流は負荷要求電流よりも低い値に設定される。
【００７３】
また、コントロールユニット２００は、低温起動オペレーションの回復制御中においては、アノードガス供給流量の目標値として、上記要求アノードガス供給流量に代えて回復制御時目標アノードガス供給流量を設定する。そして、コントロールユニット２００は、回復制御中においては、アノードガス供給流量の推定値が回復制御時目標アノードガス供給流量に近づくようにアノードガス給排装置３を制御する。
【００７４】
本実施形態のコントロールユニット２００は、燃料電池スタック１の起動要求（ＩＧＮのオン信号）を受信する。コントロールユニット２００は、ＩＧＮのオン信号を受信した際に、低温起動オペレーションが要求される低温環境であるか否かを判断し、低温環境であると判断するとパワーユニット５２等のアクチュエータに、燃料電池スタック１の低温起動オペレーションを実行させる。すなわち、コントロールユニット２００は、ＩＧＮオン信号の受信及び低温環境であるとの判断によって、燃料電池システム１００の状態が低温起動オペレーションであると判定する。
【００７５】
特に、本実施形態において、コントロールユニット２００は、上記低温起動オペレーションとして、パワーユニット５２等のアクチュエータを制御し、電解質膜１１１の水の濃度勾配を通常運転オペレーションにおける水の濃度勾配よりも増大させる回復制御を実行する。
【００７６】
以下、本実施形態の燃料電池システム１００による回復制御の背景技術について説明する。
【００７７】
図２３は、本実施形態の背景技術について説明する図である。
【００７８】
具体的に、図２３には、燃料電池スタック１の低温起動時の低温起動オペレーションとして、燃料電池スタック１を昇温させることを目的とする零下起動処理（解凍運転）から、車両が走行可能な状態とされる通常運転オペレーションに移行すべく、燃料電池スタック１の負荷（スタック電流）を増加させるプロセスにおけるスタック電圧の変化を示している。なお、図２３に示す例では、回復制御は実行されていない。
【００７９】
図２３のグラフにおいては、カソード極１１３内の水分量が相対的に多い場合のスタック電圧の変化を実線で示す。一方、カソード極１１３内の水分量が相対的に少ない場合のスタック電圧の変化を破線で示す。
【００８０】
ここで、零下起動処理とは、低温環境下において燃料電池スタック１に一定程度の負荷を与えて発電を実行させ、発電による生成熱で燃料電池スタック１を昇温させる処理である。なお、必要とされる昇温速度に応じてＰＴＣヒータ等の熱源を燃料電池加熱装置として用いることもできる。
【００８１】
そして、図２３においては、時刻ｔａにおいてスタック温度Ｔｓは約０℃まで上昇し、燃料電池スタック１の零下起動処理が終了する。したがって、時刻ｔａで通常運転オペレーションに移行することとなる。通常運転オペレーションに移行する時刻ｔａにおいては、特に走行モータへの電力供給が開始されるので、スタック電圧が瞬間的に低下する。
【００８２】
ここで、図から理解されるように、カソード極１１３内の水分量が相対的に多い場合にはカソード極１１３内の水分量が相対的に少ない場合に比べて、通常運転オペレーションに移行する時刻ｔａにおける電圧降下が大きくなっている。
【００８３】
これにより、カソード極１１３内の水分量が相対的に多い場合には、通常運転オペレーションに移行した時刻ｔａ以降に燃料電池スタック１が目標出力性能に回復するまでに、より長い時間がかかることとなる（図２３の回復時間差ΔＴ参照）。
【００８４】
本実施形態の燃料電池システム１００は、このような状況において燃料電池スタック１を所望の出力性能に速やかに回復させる回復制御を提供する。
【００８５】
以下では、本実施形態における燃料電池システム１００の制御をより詳細に説明する。
【００８６】
図４は、本実施形態における燃料電池システム１００の起動時の処理の流れを説明するフローチャートである。
【００８７】
ステップＳ１００において、コントロールユニット２００は、燃料電池システム１００を起動させるにあたり、燃料電池スタック１に対して低温起動オペレーションを実行する必要があるか否かを判断すべく、スタック温度Ｔｓが、低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１未満であるか否かを判定する。
【００８８】
なお、低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１は、燃料電池スタック１内の水分の凍結状態などを考慮し、燃料電池スタック１の低温起動オペレーションを行う判断基準となる温度として実験等により予め定められる。低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１は、例えば０℃に設定することができる。また、スタック温度Ｔｓと低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１の大小判定に代えて、燃料電池システム１００に設けた図示しない外気温センサ等の温度検出値と低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１との大小を判定しても良い。
【００８９】
そして、コントロールユニット２００は、スタック温度Ｔｓが低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１未満であると判定すると、ステップＳ１１０において低温起動オペレーションを実行する。
【００９０】
図５は、本実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。
【００９１】
ステップＳ１１１において、コントロールユニット２００は先ず零下起動処理を実行する。零下起動処理は、既に説明したように、燃料電池スタック１を所定負荷の下発電させて燃料電池スタック１を昇温させる処理である。
【００９２】
ステップＳ１１２において、コントロールユニット２００は、スタック温度Ｔｓが回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２より大きいか否かを判定する。ここで、回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２は、上記零下起動処理によって燃料電池スタック１内の解凍がある程度進行することによって、後述する回復制御を実行するために適切な状態になっているか否かという観点から定められる温度である。
【００９３】
回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２は、燃料電池スタック１内の解凍がある程度進行する０℃以上の温度であって、且つ低温起動オペレーションの長期化を防止する観点から高すぎない温度に設定されることが好ましい。例えば、回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２は０℃に設定される。
【００９４】
そして、コントロールユニット２００は、スタック温度Ｔｓが回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２より大きいと判定すると、ステップＳ１１３において、本実施形態の回復制御であるスタック電流低下処理を実行する。
【００９５】
スタック電流低下処理では、零下起動時における要求負荷が維持されるか、それよりも低い要求負荷が設定される。さらに、スタック電流低下処理では、スタック電流が、設定された要求負荷に応じた負荷要求電流よりも低くなるように調節される。すなわち、スタック電流低下処理中の目標出力電流（回復制御時目標出力電流）は、燃料電池スタック１の通常運転オペレーション等において採用される基本的な目標値（負荷要求電流）よりも低くなるように設定される。
【００９６】
具体的に、コントロールユニット２００は、負荷装置５３の要求に相当する負荷要求電流よりも低い回復制御時目標出力電流を設定し、スタック電流が回復制御時目標出力電流に近づくようにパワーユニット５２を制御する。これにより、パワーユニット５２によってスタック電流が当該回復制御時目標出力電流まで低下するように調節される。
【００９７】
一方、本実施形態では、コントロールユニット２００は、負荷要求電流に基づいた要求アノードガス供給流量よりも高い回復制御時目標アノードガス供給流量を設定し、アノードガス供給流量が回復制御時目標アノードガス供給流量に近づくようにアノードガス給排装置３を制御する。
【００９８】
したがって、スタック電流低下処理中においては、スタック電流が負荷要求電流よりも小さくなる一方で、アノードガス供給流量は負荷要求電流に応じた要求アノードガス供給流量よりも高く設定されるので、アノードガス供給流量は、実スタック電流に対して過剰となる。
【００９９】
一方で、スタック電流が負荷要求電流よりも小さくなることにより、負荷に要求すべき電力が不足することが考えられる。しかしながら、この負荷の要求に対して不足する分の電力は、図示しないバッテリ等により補填することができる。
【０１００】
次に、ステップＳ１１４において、コントロールユニット２００は、図示しないタイマ等でカウントする回復制御の継続時間ｔｒｅが、所定時間ｔｂを越えたか否かを判定する。ここで、所定時間ｔｂは、燃料電池スタック１の出力性能を所望の性能に回復することができる程度にスタック電流低下処理を継続すべき時間の下限値として、予め実験等により定められる。
【０１０１】
そして、コントロールユニット２００は、回復制御の継続時間ｔｒｅが所定時間ｔｂを越えたと判断すると回復制御を終了し、ステップＳ１２０に進む。なお、コントロールユニット２００は、スタック電流低下処理の継続時間ｔｒｅが所定時間ｔｂを越えていないと判定した場合には、引き続き回復制御を継続する。
【０１０２】
図４に戻り、ステップＳ１２０において、コントロールユニット２００は、燃料電池スタック１を通常運転オペレーションに移行させる。具体的に、通常運転オペレーションにおいては、車両の走行モータへの電力の供給が開始され、車両が走行可能な状態に移行する。
【０１０３】
図６は、上述した燃料電池システム１００の低温起動オペレーションから通常運転オペレーションまでの経時変化を説明するタイミングチャートの一例である。なお、図６（ａ）のグラフはスタック電圧の変化を表しており、図６（ｂ）のグラフはスタック電流の変化を表している。また、図６（ｃ）のグラフはアノードガス供給流量及びカソードガス供給流量の変化を表す。さらに、図６（ｄ）のグラフはスタック温度Ｔｓの変化を表している。
【０１０４】
時刻ｔ０において、コントロールユニット２００はイグニションスイッチのオン信号（燃料電池スタック１の起動要求）を受信し、スタック温度Ｔｓが低温起動オペレーション実行基準温度Ｔｔｈ１を下回っていることを検知する（ステップＳ１００のＹｅｓ及び図６（ｄ）参照）。これにより、コントロールユニット２００は、燃料電池システム１００が低温起動オペレーションであると判断する。
【０１０５】
そして、コントロールユニット２００は、低温起動オペレーションの零下起動処理を実行するべく、コンプレッサ２２等のカソードガス給排装置２やアノードガス循環ブロワ３６等のアノードガス給排装置３を制御して燃料電池スタック１へのアノードガス及びカソードガスの供給を開始する（ステップＳ１１０、ステップＳ１１１、及び図６（ｃ）参照）。これに伴い、スタック電圧が上昇する（図６（ａ））。
【０１０６】
次に、スタック電圧が安定する時刻ｔ１において、コントロールユニット２００は、パワーユニット５２を制御して燃料電池スタック１からの電流の取り出しを開始する。すなわち、要求負荷に応じた燃料電池スタック１の発電が開始され、スタック電流が増加する（ステップＳ１１１、及び図６（ｂ）参照）。これに伴い、スタック電圧は減少する（図６（ａ）参照）。そして、燃料電池スタック１の発電で生成される発熱により、スタック温度Ｔｓが増加していく。
【０１０７】
次に、時刻ｔ２では、スタック温度Ｔｓが回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２に到達する。したがって、コントロールユニット２００は、回復制御としての上述のスタック電流低下処理を開始する（ステップＳ１１２、ステップＳ１１３、及び図６（ｂ）参照）。既に述べたように、スタック電流低下処理では、実際のスタック電流が負荷要求電流よりも小さくなるにもかかわらず、実際のアノードガス供給流量は要求アノードガス供給流量よりも高い状態となるので、スタック電圧は上昇する（図６（ａ）参照）。
【０１０８】
特に図６に示すスタック電流低下処理の例では、零下起動処理から回復制御に移行して負荷要求電流自体は低下しているものの、実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）は、零下起動処理時における要求アノードガス供給流量と同一の値に調節されている。すなわち、零下起動処理からスタック電流低下処理に移行しても、アノードガス供給流量は変化させることなく維持されている（図６（ｃ）の実線参照）。
【０１０９】
これにより、アノードガス供給流量が、スタック電流低下処理中の要求アノードガス供給流量（図６（ｃ）の二点鎖線参照）を上回る。すなわち、零下起動処理からスタック電流低下処理に移行すると、実際のスタック電流（回復制御時目標出力電流）を実現するために必要とされるアノードガス供給流量に対する実際のアノードガス供給流量の比として定義されるアノードガスストイキ比が増大することとなる。
【０１１０】
したがって、本実施形態では、このスタック電流低下処理によって、燃料電池スタック１のアノード触媒層１１２Ａの含水量を低下させることができ、アノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの間の電解質膜１１１における水の濃度勾配を増大させ、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動を促進することができる。これにより、カソード触媒層１１３Ａ内の水分を除去して、燃料電池スタック１の出力性能を回復させることができる。なお、この作用効果の原理については後に詳細に説明する。
【０１１１】
なお、図６（ｃ）に示すタイムチャートでは、カソードガス供給流量はアノードガス供給流量に合わせた値に設定されている。すなわち、実際のカソードガス供給流量は、回復制御時目標出力電流を実現するために必要とされるカソードガス供給流量と比べて高く設定されており、カソードガスストイキ比も相対的に増大している。しかしながら、実際のカソードガス供給流量については、例えば回復制御時目標出力電流を実現するために必要とされる値に設定するなどのように、より低く調節するようにしても良い。
【０１１２】
そして、時刻ｔ３では、回復制御の継続時間ｔｒｅ（＝ｔ３−ｔ２）が、所定時間ｔｂに達する。したがって、コントロールユニット２００は、時刻ｔ３で回復制御を終了し、燃料電池スタック１を通常運転オペレーションに移行させる（ステップＳ１１４及びステップＳ１２０参照）。具体的に、コントロールユニット２００は、スタック電流低下処理を終了させて、スタック電流の目標値及びアノードガス供給流量の目標値をそれぞれ、負荷要求電流及び要求アノードガス供給流量に復帰させる。同様にカソードガス供給流量も負荷要求に応じた要求カソードガス供給流量に設定する。
【０１１３】
なお、図６の例においては、通常運転オペレーションに移行して負荷要求電流が増加するので（図６（ｂ）の二点鎖線参照）、基本的な出力電流の制御にしてこの負荷要求電流が目標出力電流に設定されることでスタック電流が増加する。これにより、スタック電圧は減少する（図６（ａ）参照）。また、通常運転オペレーションでは、アノードガス供給流量及びカソードガス供給流量についても、基本的な流量制御に従い、負荷要求電流に合わせて、アノードガスストイキ比及びカソードガスストイキ比を１以上にするように調節される。
【０１１４】
次に、本実施形態における回復制御としてのスタック電流低下処理により、燃料電池スタック１の出力性能が回復する原理について説明する。なお、以下で説明する原理は、必ずしも本発明の技術的範囲を拘束するものではない。
【０１１５】
図７は、本実施形態の回復制御による作用効果を説明する図である。具体的に、図７には、燃料電池セル１０における触媒層１１２Ａ，１１３Ａや電解質膜１１１の構成を模式的に示している。
【０１１６】
本実施形態の燃料電池システム１００による作用効果を、ＪＰ４５７５６９３Ｂ２等で提案されていた従来のドライエア供給処理と対比しつつ説明する。
【０１１７】
一般に、カソード触媒層１１３Ａには、水分回収装置２５の加湿分や発電の生成水に由来する水分が含まれる。特に、発電の生成水に由来する水分が主としてカソード空孔中やカソード電解質中に含まれる。そして、カソード空孔中に含まれる水分が多いと、カソード極１１３内におけるガス拡散が阻害されるいわゆるフラッディングが発生し、燃料電池スタック１の出力性能が低下する恐れがある。
【０１１８】
したがって、このようなカソード空孔中の水分を除去すべく、従来のドライエア供給処理においては、ドライエアをカソード流路１３１に供給してカソード空孔中の水分の蒸発を促し、蒸発した水分をカソード流路１３１中に排出させるようにしていた。
【０１１９】
しかし、低温起動オペレーションは低温環境下で実行されるので、スタック温度Ｔｓが低くカソード空孔中に存在する水分も低温であるとともに、供給されるドライエアの温度も低温である。したがって、カソード空孔中に存在する水分の蒸気圧が低く、ドライエア自体の飽和水蒸気圧も低いため、水分を蒸発させる効果が低い。
【０１２０】
また、ドライエアを構成する分子は主として窒素分子や酸素分子等であり分子量が比較的大きいため、カソード触媒層１１３Ａ中における拡散効果が低い。したがって、カソード流路１３１にドライエアを供給しても、ドライエアがカソード空孔中に十分に行き渡らないため、当該カソード空孔中の水分を除去する効果が低いと考えられる。
【０１２１】
このような従来の問題点を鑑み、本発明者らは、鋭意研鑽の結果、上述のドライエア供給処理のようにカソード空孔中の水分をカソード流路１３１に排出するという思想に代えて、カソード空孔中の水分を電解質膜１１１側へ移動させることによってカソード空孔中の水分を除去するという新規な着想に至った。
【０１２２】
具体的に、本発明者らは、カソード空孔中の水分を除去するにあたり、アノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの水の濃度勾配の相違に起因してカソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分が移動する現象である逆拡散現象（図７における太線矢印参照）に着目した。
【０１２３】
逆拡散現象についてより詳細に説明する。
【０１２４】
図７に示すように、アノード触媒層１１２Ａには、アノード流路１２１及びガス拡散層１１２Ｂを介してアノードガスが供給される。アノード触媒層１１２Ａには、このアノードガス中の水分に由来した水分が若干含まれているものの、発電による生成水はほぼ含まれていない。
【０１２５】
また、アノード触媒層１１２Ａのアノード空孔中の水分は、一般的に燃料電池セル１０の電気化学反応に伴い、プロトンＨ+とともに電解質膜１１１側に移動する。したがって、アノード極１１２では、実質的にアノード電解質中にのみ水分が存在するのみである。すなわち、アノード触媒層１１２Ａに含まれる水分は、カソード触媒層１１３Ａに含まれる水分に比べて少ない。
【０１２６】
一方、カソード極１１３では発電による生成水が発生するため、アノード極１１２よりも多量の水分を含み、この水分はカソード触媒層１１３Ａのカソード空孔などに蓄積する。
【０１２７】
上述したアノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの水分量の差によって、アノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの間には水の濃度勾配が生じる（図７の一点鎖線グラフ参照）。ここで、本実施形態における水の濃度勾配は、アノード触媒層１１２Ａに含まれる水分量に対するカソード触媒層１１３Ａに含まれる水分量の比として与えられる。これにより、カソード空孔中の水分が電解質膜１１１側へ移動する逆拡散現象が起こる（図の太線矢印参照）。
【０１２８】
本発明者らは、この逆拡散現象に着目し、燃料電池スタック１の低温起動オペレーションにおいてこの逆拡散現象を促進し、低温起動オペレーションにおける水の濃度勾配を通常運転オペレーションにおける水の濃度勾配よりも増大させる回復制御を実行することで、カソード空孔中の水分を電解質膜１１１側へ移動させて効率的に除去するという思想に至った。
【０１２９】
本実施形態では、このような逆拡散現象を促進する一手段として、アノード極１１２内の含水量を低下させる処理を実行する。より、具体的には、コントロールユニット２００は、負荷要求電流よりも低い回復制御時目標出力電流を設定し、回復制御中においてスタック電流がこの回復制御時目標出力電流に近づくようにパワーユニット５２を制御するスタック電流低下処理（図５のステップＳ１１３及び図６（ｂ）の時刻ｔ２〜時刻ｔ３参照）を実行する。
【０１３０】
このような回復制御を実行することで、実アノードガス供給流量が、スタック電流に対して過剰な状態となる。すなわち、アノード流路１２１からガス拡散層１１２Ｂを介してアノード触媒層１１２Ａへ供給されるアノードガスの流量が発電の要求に対して高くなり、発電で消費されることなく残留する余剰のアノードガスが増加することとなる。したがって、余剰分のアノードガスがアノード電解質中へ拡散することとなるので、アノードガスによるアノード電解質中から水分が除去されることとなる。
【０１３１】
これにより、アノード触媒層１１２Ａ内の水分量が減少することとなるので、アノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの間の水の濃度勾配が増大する（図７の実線グラフ参照）。したがって、上記逆拡散現象の作用が促進される。
【０１３２】
特に、アノードガスの主成分は分子量が小さい水素であるため、窒素や酸素を主成分とするカソードガスと比べて、アノード触媒層１１２Ａ内における拡散効果が高い。その上、アノード触媒層１１２Ａには上述のようにアノード空孔中に水分がほぼ含まれていないので、アノードガスはアノード空孔中を水分によって阻害されることなく拡散する。
【０１３３】
結果として、アノードガスがアノード電解質中へ拡散する効果が高く、アノード電解質中の水分は効率的に除去され得る。さらに、上述のように、そもそもアノード触媒層１１２Ａ内に含まれる水分の量は、カソード触媒層１１３Ａ内に含まれる水分の量と比較して少ない。したがって、回復制御によるアノード電解質中の水分の除去は、カソード触媒層１１３Ａ内の水分の除去を行う場合と比較的より効果的に実行することができる。
【０１３４】
次に、従来のドライエア供給処理によるカソード触媒層１１３Ａからカソード流路１３１へ水分の蒸発、及び上記回復制御によるカソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１へ水分の移動の間の、スタック温度Ｔｓに応じた優位性の大小について説明する。
【０１３５】
図８は、スタック温度Ｔｓに応じた、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への移動水分量（以下では、「移動水分量Ｗｍ」とも記載する）とカソード触媒層１１３Ａからカソード流路１３１へ蒸発する水分量（以下では、「蒸発水分量Ｗｃ」とも記載する）の関係を説明するグラフである。
【０１３６】
図８において、横軸はスタック温度Ｔｓであり、縦軸は（Ｗｍ−Ｗｃ）／Ｗｃで定義される無次元量である。すなわち、この縦軸の値は蒸発水分量Ｗｃに対して移動水分量Ｗｍがどの程度大きいかを表す値である。
【０１３７】
上記値が正であるとき、すなわち図８のグラフにおける縦軸＞０の領域は、移動水分量Ｗｍが蒸発水分量Ｗｃよりも大きい領域（以下、「水移動優位領域」とも記載する）となる。したがって、この水移動優位領域では、カソード触媒層１１３Ａからカソード流路１３１への水蒸発に比べて、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水移動が優位に発生する。
【０１３８】
また、上記値が負であるとき、すなわち図８のグラフにおける縦軸＜０の領域は、移動水分量Ｗｍが蒸発水分量Ｗｃよりも小さい状態（以下、「流路蒸発優位領域」とも記載する）となる。したがって、この流路蒸発優位領域では、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水移動に対して、カソード触媒層１１３Ａからカソード流路１３１への水蒸発が優位に発生する。
【０１３９】
なお、上記値がゼロであるとき、すなわち図８のグラフにおける縦軸＝０の領域では、移動水分量Ｗｍと蒸発水分量Ｗｃは同じになる。この場合、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水移動量と、カソード触媒層１１３Ａからカソード流路１３１への水蒸発量はほぼ同等になる。
【０１４０】
図８を参照すると、スタック温度Ｔｓ＞Ｔ１では流路蒸発優位領域であるものの、スタック温度Ｔｓ＜Ｔ１では水移動優位領域であることがわかる。ここで、Ｔ１の値は実験条件等により若干の幅はあるものの、ほぼ２５℃近傍の値であることがわかっている。したがって、以下ではＴ１≒２５℃とみなして説明を行う。
【０１４１】
図８に示すように、低温起動オペレーションの実行環境として想定されるスタック温度Ｔｓ＜２５℃の領域は、水移動優位領域となっている。したがって、従来のドライエア供給処理によって、本実施形態の回復制御と同等程度の水除去効果を得るには、少なくともスタック温度Ｔｓを２５℃まで昇温させる必要がある。しかしながら、スタック温度Ｔｓをここまで上昇させるには、燃料電池スタック１の発電による生成熱に加えてヒータ等を用いて加熱を行うとしても相応の時間がかかる。
【０１４２】
これに対して、既に述べたように、低温起動オペレーションの実行環境下におけるスタック温度Ｔｓ＜２５℃の領域は水移動優位領域にあるため、本実施形態の回復制御にかかるカソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水移動は、カソード流路１３１への蒸発による水分の排出と比べ、明らかに効果的なカソード触媒層１１３Ａからの水分除去を実現することができる。
【０１４３】
以上説明したように、本発明者らは、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１へ水が移動する現象である逆拡散現象に着目し、低温環境下においてこの逆拡散現象による水移動がカソード流路１３１への蒸発による水分の排出に比べて優位であることを見出した。
【０１４４】
さらに、本発明者らは、本実施形態の回復制御によって、電解質膜の水の濃度勾配を通常運転オペレーションより増大させることで、低温環境下においても逆拡散現象が促進され、結果として、カソード触媒層１１３Ａからの水分の除去を従来の方法よりも効率的に実行することができ、燃料電池スタック１の出力性能の効率的な回復に寄与することができるという画期的な思想に想到した。
【０１４５】
図９には、本実施形態の回復制御による出力性能の回復効果を説明するグラフを示している。具体的に、図９は、低温起動オペレーション中のセル電圧の時間変化を示している。
【０１４６】
また、図９の破線グラフは、本実施形態の回復制御を実行しない場合のセル電圧の変化を表している。一方、図９の実線グラフは、本実施形態の回復制御を実行する場合のセル電圧の変化を表している。
【０１４７】
既に説明したように、本実施形態の回復制御は、スタック電流を低下させつつも、実際のアノードガス供給流量を要求アノードガス流量以上にする処理である。したがって、図９から明らかなように、回復制御を実行していない破線グラフと比べて、回復制御中の実線グラフのセル電圧は高くなる。
【０１４８】
そして、回復制御が終了すると燃料電池スタック１の通常運転オペレーションに移行する。ここで、通常運転オペレーションでは、回復制御を実行する場合も実行しない場合も通常運転オペレーションの負荷要求電流を目標出力電流として制御されるにもかかわらず、回復制御を実行した場合のセル電圧は、回復制御を実行しない場合のセル電圧と比べて明らかに高くなっている。すなわち、これは、本実施形態の回復制御により、燃料電池スタック１の出力性能が回復したことを示している。
【０１４９】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０１５０】
本実施形態の燃料電池システム１００は、アノード極とカソード極の両面に触媒層１１２Ａ，１１３Ａを備える電解質膜１１１と、アノード極側に燃料ガスとしてのアノードガスを供給するアノード流路１２１と、カソード極側に酸化ガスとしてのカソードガスを供給するカソード流路１３１と、からなる単セルとしての燃料電池セル１０を複数積層した燃料電池スタック１を有する。また、燃料電池システム１００は、アノード流路１２１のアノードガスを調整する燃料ガス調整装置としてのアノードガス給排装置３と、カソード流路１３１のカソードガスを調整する酸化ガス調整装置としてのカソードガス給排装置２と、燃料電池スタック１の状態（負荷要求電流等）に応じてアノードガス給排装置３とカソードガス給排装置２を制御するコントロールユニット２００と、を備える。
【０１５１】
また、コントロールユニット２００は、低温起動時のオペレーション（低温起動オペレーション）であるか通常運転時のオペレーション（通常運転オペレーション）であるかを判定するオペレーション判定部と、オペレーション判定部により低温起動オペレーションであると判定されると（ＩＧＮのオン信号が受信されると）、濃度勾配調整装置により電解質膜１１１の水の濃度勾配を通常運転オペレーションより増大させる回復制御を実行する回復制御部として機能する（図５のステップＳ１１３及び図７参照）。
【０１５２】
したがって、本実施形態の燃料電池システム１００では、回復制御により、燃料電池スタック１の低温起動時にカソード触媒層１１３Ａ中の水分を電解質膜１１１に移動させる。
【０１５３】
これによれば、低温起動オペレーション中に行われる回復制御によって、電解質膜１１１の水の濃度勾配を通常運転オペレーションにおける水の濃度勾配より増大させることによって、カソード触媒層１１３Ａに含まれている水分を電解質膜１１１側に移動させて除去することができる。
【０１５４】
すなわち、本実施形態では、従来のドライエア供給処理のように、カソード触媒層１１３Ａ内の水分をカソード流路１３１へ蒸発させる方法に代えて、カソード触媒層１１３Ａに含まれている水分を電解質膜１１１側に移動させるという手法によって除去し、燃料電池スタック１の出力性能を回復させることができる。
【０１５５】
特に、図８において既に説明したように、低温環境下における温度領域は、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動（逆拡散現象）が、カソード触媒層１１３Ａ内の水分の蒸発によるカソード流路１３１への排出と比べて優位となる水移動優位領域に属する。したがって、低温環境下で実行される低温起動オペレーション中に上記回復制御を行って逆拡散現象を助長することで、カソード触媒層１１３Ａ内の水分をより効果的に除去することができる。
【０１５６】
すなわち、本実施形態の回復制御によれば、スタック温度等の周囲環境温度を従来のドライエア処理において要求されるような高い温度まで昇温させずとも、カソード触媒層１１３Ａ内の水分を効果的に除去することができる。したがって、零下起動処理及び回復制御を含む低温起動オペレーションの時間を短縮させつつ、燃料電池スタック１の出力性能を所望の性能に回復することができる。
【０１５７】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、上記濃度勾配調整装置は、燃料電池スタック１の出力電流であるスタック電流を調節する出力電流調節装置としてのパワーユニット５２を有する。また、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、パワーユニット５２によりスタック電流を要求負荷に基づいた要求出力電流（負荷要求電流）よりも低下させることで、電解質膜１１１の水の濃度勾配を増大させる（図６（ｂ）の時刻ｔ２〜時刻ｔ３及び図７参照）。
【０１５８】
これにより、回復制御としてのスタック電流低下処理中においてスタック電流を負荷要求電流よりも小さくするので、低下したスタック電流を実現するために必要とされるアノードガス供給流量が低下する。したがって、実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）がスタック電流を実現するために要求されるアノードガス供給流量に対して過剰となる。これにより、回復制御では、通常運転オペレーション中などと比較してアノードガスストイキが増加することとなる。
【０１５９】
したがって、アノード流路１２１からガス拡散層１１２Ｂを介してアノード触媒層１１２Ａへ供給されるアノードガスの流量が、発電で消費される理論的な量に対して過剰となり、アノード触媒層１１２Ａ内に残留するアノードガス流量が増加することとなる。これにより、余剰分のアノードガスがアノード電解質中へ拡散することとなるので、アノードガスによるアノード電解質中からの水分の除去が助長されることとなる。
【０１６０】
特に、アノードガスの主成分は分子量が小さい水素であるため、窒素や酸素を主成分とするカソードガスと比べて、拡散効果が高い。その上、アノード触媒層１１２Ａには、アノード空孔中に水分がほぼ含まれていないので、アノードガスはアノード空孔中を阻害されることなく拡散する。したがって、上記回復制御によって、アノード電解質中の水分はより好適に除去されることとなる。
【０１６１】
結果として、アノード触媒層１１２Ａ内の水分量がより減少することとなり、アノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの間の水の濃度勾配の増大がより促進される（図７の実線グラフ参照）。したがって、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動（逆拡散現象）がより助長されることとなる。
【０１６２】
すなわち、スタック電流を負荷要求電流よりも低下させるという簡易な制御によってカソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動の促進を実現することができる。したがって、低温起動オペレーション時におけるより速やかな燃料電池スタック１の出力性能の回復に資することとなる。
【０１６３】
さらに、本実施形態では、上述のようにスタック電流を負荷要求電流よりも低下させるので、負荷の要求に応じた燃料電池スタック１の発電量に対して、実際の燃料電池スタック１の発電量が低くなる。したがって、発電による生成水の発生が抑制される。すなわち、カソード触媒層１１３Ａ中への生成水の蓄積が抑制されるので、回復制御においてより速やかにカソード触媒層１１３Ａから水分を除去することができ、低温起動オペレーションの時間のさらなる短縮化に資することとなる。
【０１６４】
以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック１を有する燃料電池システム１００の制御方法では、コントロールユニット２００は、低温起動オペレーションであるか、通常運転オペレーションであるかを判定し、低温起動オペレーションであると判定されると（ＩＧＮのオン信号が受信されると）、燃料電池としての燃料電池セル１０の電解質膜１１１の水の濃度勾配を通常運転オペレーションの水の濃度勾配より増大させる回復制御を実行する（図５のステップＳ１１３）。
【０１６５】
このように、従来のドライエア供給処理のように、カソード触媒層１１３Ａ内の水分をカソード流路１３１へ蒸発させる方法に代えて、カソード触媒層１１３Ａに含まれている水分を電解質膜１１１側に移動させるという手法によって除去し、燃料電池スタック１の温度を従来のドライエア処理において要求されるような高い温度まで昇温させることなく、カソード極１１３内の水分をより効果的に除去することができる。したがって、燃料電池スタック１の出力性能を所望の性能に回復低温起動オペレーションの時間の短縮を図ることができる。
【０１６６】
なお、本実施形態では、零下起動処理後（燃料電池スタック１の昇温後）に回復制御を実行する例を説明したが、零下起動処理中（燃料電池スタック１の昇温中）に回復制御を実行するようにしても良い。
【０１６７】
また、本実施形態の図６のタイムチャートでは、実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）は、零下起動処理時における要求アノードガス供給流量と同一の値に調節される例を説明している。すなわち、この例では、実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）は、回復制御中における要求アノードガス供給流量よりも大きく設定されている。
【０１６８】
しかしながら、実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）を回復制御中における要求アノードガス供給流量（図６（ｃ）の二点鎖線参照）と同一の値に設定しても良い。すなわち、本実施形態における回復制御中においては、アノードガス供給流量を、通常の流量制御に従って回復制御中における要求アノードガス供給流量に調節するように制御し、スタック電流のみを負荷要求電流よりも低く設定しても良い。この場合でも、アノード触媒層１１２Ａ内においてアノードガス流量が余剰となる状態を実現できるので、既に説明したアノード触媒層１１２Ａ中の水分を除去する効果は得ることができる。
【０１６９】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態においては、特に、回復制御部として機能するコントロールユニット２００が、回復制御中におけるスタック電流を略ゼロに設定する。
【０１７０】
図１０は、本実施形態における燃料電池システム１００の低温起動オペレーションから通常運転オペレーションまでの経時変化を説明するタイミングチャートの一例である。なお、図１０（ａ）のグラフはスタック電圧の変化を表しており、図１０（ｂ）のグラフはスタック電流の変化を表している。また、図１０（ｃ）のグラフはアノードガス供給流量及びカソードガス供給流量の変化を表す。さらに、図１０（ｄ）のグラフはスタック温度Ｔｓの変化を表している。
【０１７１】
図示のように、本実施形態では、コントロールユニット２００は、回復制御を開始する時刻ｔ２において、燃料電池スタック１の回復制御時目標出力電流を略ゼロに設定し、回復制御中においてスタック電流がこの回復制御時目標出力電流に近づくようにパワーユニット５２を制御するスタック電流低下処理（図１０（ｂ）の時刻ｔ２〜時刻ｔ３参照）を実行する。すなわち、スタック電流を略ゼロに設定する。なお、このように、燃料電池スタック１からの電流の取り出しを制限したことによって起こりうる負荷への電力供給の不足分は、第１実施形態と同様に図示しないバッテリ等の電力で補填する。
【０１７２】
一方、コントロールユニット２００は、第１実施形態と同様に、アノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）を、零下起動処理時における要求アノードガス供給流量と同一の値に調節する。これにより、スタック電流低下処理中における実際のアノードガス供給流量が、スタック電流低下処理中の要求アノードガス供給流量（図６（ｃ）の二点鎖線参照）を上回る。すなわち、零下起動処理からスタック電流低下処理に移行すると、アノードガスストイキ比が増大することとなる。
【０１７３】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０１７４】
本実施形態では、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、パワーユニット５２により、スタック電流を略ゼロに設定する（図１０（ｃ）の時刻ｔ２〜時刻ｔ３参照）。
【０１７５】
これにより、理論上、実際のスタック電流を実現するために必要とされるアノードガス供給流量は実質的にゼロとなる。したがって、実際のスタック電流（回復制御時目標出力電流）を実現するために必要とされるアノードガス供給流量に対する実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）の比として定義されるアノードガスストイキ比は、実際のアノードガス供給流量がどのように設定されたとしても、通常運転オペレーションなどにおけるアノードガスストイキ比と比べて増大することとなる。
【０１７６】
これにより、低温起動オペレーション時において、既に説明した電解質膜１１１の水の濃度勾配の増大を実現させ得るアノードガスストイキ比の増大を、より容易に実現することができる。
【０１７７】
特に、本実施形態のように回復制御中の実際のスタック電流を実質的にゼロとすれば、燃料電池スタック１の発電が実質的に実行されていない状態となる。したがって、回復制御中のカソード触媒層１１３Ａ内における生成水の発生を略ゼロとすることができる。すなわち、カソード触媒層１１３Ａ内における新たな水分の発生がより一層抑制されるので、カソード触媒層１１３Ａ内から水分の除去を目的とする回復制御の効果がより一層向上することとなる。
【０１７８】
なお、既に説明したように、アノードガスストイキ比は、実際のスタック電流を実現するために必要とされるアノードガス供給流量に対する実際のアノードガス供給流量として定義される。したがって、実際のスタック電流が実質的にゼロとなることによって当該スタック電流を実現するために必要とされるアノードガス供給流量が実質的にゼロとなるならば、理論上、実際のアノードガス供給流量の大きさにかかわらず、アノードガスストイキ比は１を大幅に超える値をとる。
【０１７９】
つまり、本実施形態のように、回復制御中の実際のスタック電流を実質的にゼロまで低下させる場合には、例えば、実際のアノードガス供給流量をゼロとならない範囲で大きく低下させたとしても、アノードガスストイキ比を１よりも高い値に維持することができる。
【０１８０】
したがって、アノードガス供給流量を零下起動処理から回復制御の間に亘って維持する態様（図１０（ｃ）の時刻ｔ１〜時刻ｔ３参照）に代えて、例えば実際のアノードガス供給流量を実質的にゼロとならない範囲で回復制御中の要求アノードガス供給流量より低下させても良い。また、回復制御中においても通常のアノードガス供給流量の制御ロジックと同様に、回復制御時目標アノードガス供給流量を要求アノードガス供給流量と同一の値に設定しつつ、負荷の要求そのものを低下させて回復制御中の要求アノードガス供給流量自体を低下させることで実際のアノードガス供給流量を減少させるように制御しても良い。
【０１８１】
これにより、低温起動オペレーション時におけるカソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動の促進効果を確保しつつも、回復制御中におけるアノードガス消費量を低減することができる。
【０１８２】
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態においては、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、アノードガス給排装置３を制御して、回復制御中のアノードガス供給流量を要求アノードガス供給流量よりも増大させることで、電解質膜１１１の水の濃度勾配を増大させる。
【０１８３】
図１１は、本実施形態における燃料電池システム１００の低温起動オペレーションから通常運転オペレーションまでの経時変化を説明するタイミングチャートの一例である。なお、図１１（ａ）のグラフはスタック電圧の変化を表しており、図１１（ｂ）のグラフはスタック電流の変化を表している。また、図１１（ｃ）のグラフはアノードガス供給流量及びカソードガス供給流量の変化を表す。さらに、図１１（ｄ）のグラフはスタック温度Ｔｓの変化を表している。
【０１８４】
特に、本実施形態では、コントロールユニット２００は、上記回復制御として、スタック電流を低下させるスタック電流低下処理に代えて、アノードガス供給流量を要求アノードガス供給流量（図１１（ｃ）の破線参照）よりも増加させるアノードガス供給流量増加処理を実行する（図１１（ｃ）の時刻ｔ２〜時刻ｔ３参照）。
【０１８５】
具体的に、コントロールユニット２００は、零下起動処理から回復制御に移行すると、アノードガス供給流量増加処理として、要求アノードガス供給流量よりも高い値の回復制御時目標アノードガス供給流量を設定し、アノードガス供給流量が回復制御時目標アノードガス供給流量に近づくようにアノードガス給排装置３を制御する。
【０１８６】
一方で、本実施形態では、コントロールユニット２００は、零下起動処理から回復制御に移行しても負荷による負荷要求電流を維持し、スタック電流を維持している（時刻ｔ２〜時刻ｔ３参照）。すなわち、零下起動処理中と回復制御中において要求負荷を同一とし、コントロールユニット２００は回復制御時目標出力電流をこの要求負荷に基づく負荷要求電流と同一の値に設定する。
【０１８７】
これにより、零下起動処理から回復制御に移行する過程でスタック電流が維持されたままアノードガス供給流量が増加することとなる。したがって、アノードガスストイキ比が上昇する。これにより、バッテリ等の電力を用いずとも、燃料電池スタック１の発電によって負荷の要求電力を満たす状態を保ちつつ、アノードガスストイキ比を増加させることができる。
【０１８８】
なお、本実施形態では、回復制御を終了させる時刻ｔ３において燃料電池スタック１を通常運転オペレーションに移行させるにあたり、スタック電流を通常運転オペレーションの初期の相対的に低い負荷要求電流に合わせるべく、アノードガス供給流量を第１実施形態の場合と比べてより減少させている。
【０１８９】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０１９０】
本実施形態の燃料電池システム１００では、上記濃度勾配調整装置は、燃料ガス調整装置としてのアノードガス給排装置３を含む。そして、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、アノードガス給排装置３によりアノードガス供給流量を、要求負荷に基づいた要求アノードガス供給流量よりも増大させることで、電解質膜１１１の水の濃度勾配を増大させる（図１１（ｃ）の時刻ｔ２〜時刻ｔ３及び図７参照）。
【０１９１】
これにより、回復制御中においてスタック電流を低下させることなく、電解質膜１１１の水の濃度勾配の増大を実現させ得るアノードガスストイキ比の増大状態を実現することができる。すなわち、燃料電池スタック１の発電電力で負荷の要求電力を満たす状態を保って、バッテリ等からの電力の補填を行うことなく、第１実施形態のスタック電流低下処理を行った場合と同様に、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動を促進することができる。
【０１９２】
なお、本実施形態では、零下起動処理から回復制御に移行する過程（図１１の時刻ｔ２参照）でスタック電流を変化させることなく、アノードガス供給流量を増加させることでアノードガスストイキ比を増加させている。
【０１９３】
しかしながら、これに限られず、例えば、第１実施形態のように、零下起動処理における負荷要求電流に対して回復制御における負荷要求電流を低下させるようにして、回復制御時目標出力電流をこの回復制御中の負荷要求電流と同一の値に設定しても良い。すなわち、零下起動処理から回復制御に移行した際の負荷要求電流の減少に合わせてスタック電流を減少させるようにしても良い。
【０１９４】
この場合においては、零下起動処理から回復制御に移行する過程における負荷要求電流の低下に応じてスタック電流が低下するものの、回復制御中の実際のアノードガス供給流量（回復制御時目標アノードガス供給流量）は回復制御中の要求アノードガス供給流量よりも高い状態となるので、アノードガスストイキ比の増加は実現される。
【０１９５】
また、回復制御中においてアノードガス供給流量を要求アノードガス供給流量よりも高く維持しつつ、スタック電流を負荷要求電流よりも低くしても良い。すなわち、回復制御として、第１実施形態のスタック電流低下処理と本実施形態のアノードガス供給流量増加処理を組み合わせても良い。これにより、回復制御中においてより効果的にアノードガスストイキ比を増大させることができ、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動効果をより高めることができる。
【０１９６】
（第４実施形態）
以下、本発明の第４実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態におけるコントロールユニット２００は、ステップＳ１１３で説明した回復制御（スタック電流低下処理）の終了時期を判断し、この終了時期に達すると回復制御を終了する回復制御終了判断部として機能する。
【０１９７】
具体的に本実施形態では、回復制御中にカソードガス供給流量を減少させた後に増加させるカソードガス増減処理を複数回実行し、カソードガス増減処理中のセル電圧の挙動に基づいて回復制御の終了時期の判断を行う。
【０１９８】
また、本実施形態では、回復制御中においては、カソードガス供給流量の目標値として、負荷要求電流に基づく要求カソードガス供給流量に代えて回復制御時目標カソードガス供給流量を設定する。そして、コントロールユニット２００は、回復制御中においては、エアフローメータ２３で得られたカソードガス供給流量の検出値が、回復制御時目標カソードガス供給流量に近づくようにカソードガス給排装置２のコンプレッサ２２の出力等を制御する。
【０１９９】
図１２は、本実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。図示のように、本実施形態においてコントロールユニット２００は、第１実施形態と同様にステップＳ１１１〜ステップＳ１１３の処理を実行する。
【０２００】
そして、コントロールユニット２００は、第１実施形態のステップＳ１１４（図５参照）におけるスタック電流低下処理の継続時間ｔｒｅが所定時間ｔｂより大きいか否かの判定に代えて、ステップＳ２１４のカソードガス増減処理及びステップＳ２１５における回復制御の終了時期判断を実行する。
【０２０１】
例えば、ステップＳ２１４のカソードガス増減処理において、コントロールユニット２００は、上記回復制御時目標カソードガス供給流量を、回復制御時目標アノードガス供給流量に合わせたカソードガス供給流量（以下では、「アノードガス消費理論カソードガス供給流量」とも記載する）とゼロの間で切り替えるように、コンプレッサ２２の出力を増減させる。これにより、回復制御中のカソードガス増減処理においてカソードガス供給流量が増減する。
【０２０２】
特に、本実施形態において、コントロールユニット２００は、回復制御時目標カソードガス供給流量がゼロに設定されているとき、すなわちカソードガス増減処理のカソードガス供給流量の減少操作時においては、カソードガスストイキ比を１以下となるように、コンプレッサ２２の出力を低下させる。
【０２０３】
なお、本実施形態においてカソードガスストイキ比は、負荷要求電流に基づく要求カソードガス供給流量に対する実際のカソードガス供給流量（ゼロ又はアノードガス消費理論カソードガス供給流量に相当）の比として定義される。
【０２０４】
したがって、回復制御時目標カソードガス供給流量がアノードガス消費理論カソードガス供給流量に設定されているときには、カソードガスストイキ比が１を超える一方で回復制御時目標カソードガス供給流量がゼロに設定されているときにはカソードガスストイキ比が１以下となる。すなわち、コントロールユニット２００は、カソードガス増減処理において、カソードガスストイキ比が１を跨ぐように、カソードガス供給流量を増減させる。
【０２０５】
そして、ステップＳ２１５において、コントロールユニット２００は、回復制御の終了時期の判断として、回復制御時目標カソードガス供給流量がゼロからアノードガス消費理論カソードガス供給流量に切り替わりコンプレッサ２２の出力が増加している状態、すなわちカソードガス供給流量の増加操作時における所定時間Δｔの間のセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが、閾値αよりも大きくなったか否かの判定を行う。
【０２０６】
具体的に、コントロールユニット２００は、カソードガス増減処理中のカソードガス供給流量の増加時において、電流／電圧測定ユニット５０でセル電圧の検出値を継続的に複数取得し、メモリ等に格納する。さらに、コントロールユニット２００は、メモリからカソードガス増減処理中のカソードガス供給流量の増加時におけるセル電圧検出値を複数抽出し、このセル電圧検出値の時間Δｔの間における変化量ΔＶｃｅｌｌを演算する。
【０２０７】
そして、コントロールユニット２００は、セル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが所定の閾値αより大きいと判断した場合には、燃料電池スタック１の出力性能が所望の領域まで回復したと判断し、回復制御としてのスタック電圧低下処理を終了させる（すなわち、通常運転に移行する）。
【０２０８】
一方、コントロールユニット２００が、セル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが所定の閾値αより大きくないと判断した場合には、燃料電池スタック１の出力性能が所望の程度に至っていないと判断して、引き続きステップＳ１１３のスタック電圧低下処理、ステップＳ２１４のカソードガス増減処理、及びステップＳ２１５の判定を繰り返す。
【０２０９】
図１３は、本実施形態の燃料電池システム１００の低温起動オペレーションから通常運転オペレーションまでの経時変化を説明するタイミングチャートの一例である。なお、図１３（ａ）のグラフはスタック電圧の変化を表しており、図１３（ｂ）のグラフはスタック電流の変化を表している。また、図１３（ｃ）のグラフはアノードガス供給流量及びカソードガス供給流量の変化を表す。さらに、図１３（ｄ）のグラフはスタック温度Ｔｓの変化を表している。
【０２１０】
図示のように、本実施形態では、回復制御を開始する時刻ｔ２から所定時間経過した時刻ｔｄにおいてカソードガス増減処理を開始する（図１３（ｃ）参照）。図においては、カソードガス供給流量を減少させた後に増加させる操作を１サイクルとするカソードガス増減処理を３回実行している。
【０２１１】
そして、このカソードガス増減処理において、コントロールユニット２００は、上述のように、カソードガスストイキ比が１を跨ぐように、カソードガス供給流量を増減させるので、燃料電池スタック１へのカソードガス供給流量が発電の要求に対して不足する状態と足りている状態が繰り返されることとなる。これにより、スタック電圧も増減する（図１３（ａ）参照）。
【０２１２】
本実施形態は、特に、カソードガス増減処理においてカソードガス供給流量を増加させるタイミングにおけるセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌの増加量に基づいて、適切な回復制御の終了時期であるかを判断することとなる。
【０２１３】
そして、時刻ｔ３´において、コントロールユニット２００は、カソードガス増減処理中のカソードガス供給流量の増加時におけるセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが、所定の閾値αよりも大きいと判断すると、燃料電池スタック１を通常運転オペレーションに移行させる。
【０２１４】
以下では、カソードガス供給流量の増加時におけるセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌと閾値αとの大小比較に基づいて、燃料電池スタック１の性能回復の判断を行うことの妥当性について説明する。
【０２１５】
図１４は、本実施形態において、燃料電池スタック１の出力性能の回復前後におけるセル電圧の時間変化の相違を示すグラフである。より具体的に、図１４は、回復制御を行っていない燃料電池スタック１と回復制御を実行した後の燃料電池スタック１のそれぞれに対して、上記カソードガス増減処理を実行する場合において、カソードガス供給流量の増加時のそれぞれのセル電圧の時間変化を示している。
【０２１６】
なお、図１４において一点鎖線グラフは、燃料電池スタック１に対して回復制御を行っておらずカソード触媒層１１３Ａに水分が含まれており、出力性能が相対的に低い場合のセル電圧の時間変化を示している。また、図１４の実線グラフは、本実施形態の回復制御を実行した後のセル電圧の時間変化を示している。
【０２１７】
図１４から理解されるように、回復制御を実行した場合には、所定時間Δｔのセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが閾値αを上回っているのに対して、回復制御を行っていない場合には閾値αを下回っている。すなわち、回復制御を実行すると、カソードガス供給流量の増加を開始してからの所定時間Δｔにおけるセル電圧の増加率（立ち上がり率）が高くなる。
【０２１８】
したがって、本実施形態のように、カソードガス供給流量の増加時における所定時間Δｔ内のセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが閾値αより大きい場合に回復制御の終了時期であると判断することで、燃料電池スタック１の出力性能が回復するタイミングと回復制御の実際の終了タイミングを適合させることができる。
【０２１９】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２２０】
本実施形態の燃料電池システム１００では、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、回復制御の終了時期である否かを判断し（図１２のステップＳ２１５）、回復制御の終了時期であると判断すると、回復制御を終了する回復制御終了判断部として機能する（図１２のステップＳ２１５のＹｅｓ）。
【０２２１】
これにより、燃料電池スタック１の出力性能が所望の領域まで回復するタイミングで回復制御を終了させることができ、燃料電池スタック１の出力性能が回復しているにもかかわらず回復制御が継続されてしまうことを抑制できる。結果として、低温起動オペレーションの時間の短縮化に資することとなる。
【０２２２】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池の出力電圧としてのセル電圧を検出する出力電圧検出部である電流／電圧測定ユニット５０をさらに有する。そして、回復制御終了判断部としてのコントロールユニット２００は、回復制御中にカソードガス給排装置２を制御して、燃料電池スタック１へのカソードガス供給流量の減少させた後に増加させる酸化ガス増減処理としてのカソードガス増減処理（図１２のステップＳ２１４）を少なくとも１回実行させ、カソードガス増減処理中のセル電圧の挙動に基づいて、回復制御の終了時期を判断する（図１２のステップＳ２１５）。
【０２２３】
既に説明したように、回復制御が進行して燃料電池スタック１の出力性能が回復すると、水分が残留していて出力性能が相対的に低い回復前と比べて、カソードガス増減処理中におけるセル電圧の挙動が相違する（図１４参照）。
【０２２４】
したがって、カソードガス増減処理中におけるセル電圧の挙動に基づいて、回復制御の終了時期を判断することで、燃料電池スタック１の出力性能が回復するタイミングと実際の回復制御の終了時期をより確実に適合させることができる。結果として、より確実に燃料電池スタック１の出力性能を回復させつつも、無駄な回復制御の継続をより確実に防止して低温起動オペレーションの時間の短縮化により資することとなる。
【０２２５】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、回復制御終了判断部としてのコントロールユニット２００は、カソードガス増減処理のカソードガス供給流量の減少操作時において、要求負荷に基づいた要求酸化ガス供給流量（要求カソードガス供給流量）に対するカソードガス供給流量の比であるカソードガスストイキ比が１以下となるようにカソードガス給排装置２を制御する。
【０２２６】
これにより、カソードガス増減処理中のカソードガス供給流量を減少させる操作によって、発電の要求に対してカソードガス供給流量が不足する状態を生じさせて、セル電圧をより確実に減少させることができる。したがって、このカソードガス供給流量の減少操作の後にカソードガス供給流量を増加させる操作を実行したときに、セル電圧の変化をより確実に検出することができ、回復制御の終了時期の判断精度がより向上することとなる。
【０２２７】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、回復制御終了判断部としてのコントロールユニット２００は、カソードガス増減処理中のカソードガス供給流量の増加操作時において、セル電圧が所定時間Δｔ以内に所定閾値αに到達した場合に、回復制御の終了時期であると判断する（図１２のステップＳ２１５及び図１４）。
【０２２８】
これにより、セル電圧が所定時間以内に閾値αに到達したか否かを判断するという容易な方法で、回復制御の終了時期の判断を実行することができる。
【０２２９】
なお、上述の閾値αについては状況に応じて適宜予め設定することができるが、燃料電池スタック１の出力性能が所望の領域まで回復したかどうかという観点から定まるセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌの下限値を閾値αとすることが好ましい。
【０２３０】
なお、図１３のタイムチャートでは、カソードガス増減処理を３回行っている例を示しているが、当該処理を行う回数は１回以上であれば何回であっても良い。しかしながら、回復制御の終了時期をより速やかに判断する観点から、コンプレッサ２０等のアクチュエータの応答が可能な時間間隔で複数回実行することが好ましい。また、セル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌに代えて、所定時間Δｔの間のスタック電圧の変化量と所定の閾値の大小判定によって回復制御の終了時期を判断するようにしても良い。
【０２３１】
さらに、本実施形態では、回復制御の終了時期の判断にあたり、カソードガス増減処理においてカソードストイキ比を１を跨いで増減させ、これに伴うセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌを演算しているが、これに限られず、例えば、カソード供給流量自体は変化させずに、スタック電流を所定周期で増減させることで、これに伴うセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌを演算するようにしても良い。
【０２３２】
また、回復制御の終了時期の判断に関し、セル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌが閾値αより大きい場合に回復制御の終了時期であるとすることに代えて他の判断方法を採用しても良い。例えば、燃料電池スタック１の出力性能の回復の度合いとスタック温度Ｔｓの上昇の関係を予めテーブルとして記録しておき、当該テーブルに基づいてスタック温度Ｔｓから回復制御の終了時期を判断するようにしても良い。
【０２３３】
（第５実施形態）
以下、本発明の第５実施形態について説明する。なお、第４実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、カソード増減処理中のセル電圧の挙動として、第４実施形態におけるセル電圧の変化量ΔＶｃｅｌｌに代えて、セル電圧の時間微分値であるセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌに基づいて回復制御の終了時期の判断を実行する。
【０２３４】
図１５は、本実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。図示のように、コントロールユニット２００は、第１実施形態と同様にステップＳ１１１〜ステップＳ１１３の処理を実行し、第４実施形態と同様にステップＳ２１４のカソードガス増減処理を実行する。
【０２３５】
そして、本実施形態においてコントロールユニット２００は、ステップＳ２１５´において、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌと所定の閾値βとの間の大小判定を行う。
【０２３６】
具体的に、コントロールユニット２００は、回復制御中において電流／電圧測定ユニット５０の計測周期に応じて検出される複数のセル電圧の検出値を取得し、メモリ等に格納する。そして、コントロールユニット２００は、カソードガス増減処理中のカソードガス供給流量の増加操作時において、隣接する計測周期における２つのセル電圧検出値の差を、当該計測時間で除算することによりセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌを演算する。
【０２３７】
そして、コントロールユニット２００は、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌと所定の閾値βの大小を判定する。コントロールユニット２００は、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌが所定の閾値βより大きいと判断した場合には、燃料電池スタック１の出力性能が所望の領域まで回復したものとして、回復制御としてのスタック電圧低下処理を終了させる（すなわち、通常運転オペレーションに移行する）。
【０２３８】
一方、コントロールユニット２００は、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌが閾値βより大きくないと判断した場合には、燃料電池スタック１の出力性能が所望の領域に至っていないものとして、引き続きステップＳ１１３のスタック電圧低下処理、ステップＳ２１４のカソードガス増減処理、及びステップＳ２１５´の判定を繰り返す。
【０２３９】
図１６は、本実施形態において、燃料電池スタック１の出力性能の回復前後におけるセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌの時間変化を示すグラフである。より具体的に、図１６は、回復制御を行っていない燃料電池スタック１と回復制御を実行した後の燃料電池スタック１のそれぞれについて、上記カソードガス増減処理のカソードガス供給流量の増加時のセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌの時間変化を示している。
【０２４０】
なお、図１６において一点鎖線グラフは、燃料電池スタック１に対して回復制御を行う前のセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌの時間変化を示している。また、図１６の実線グラフは、本実施形態の回復制御を実行した後のセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌの時間変化を示している。
【０２４１】
図１６から理解されるように、回復制御を実行した場合には回復制御を行っていない場合と比べて、カソードガス供給流量の増加時のセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌが明らかに高い値になっている。
【０２４２】
特に、回復制御を行っていない場合のセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌは、閾値βを大きく下回っているのに対して、回復制御を実行した後には閾値βを超えている。したがって、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌには、燃料電池スタック１の出力性能が回復されているか否かの情報がより明確に反映されていると言える。
【０２４３】
したがって、本実施形態のように、カソードガス供給流量の増加時にセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌが閾値βより大きい場合に回復制御の終了時期であると判断することで、燃料電池スタック１の出力性能が回復するタイミングと回復制御の実際の終了タイミングをより確実に適合させることができる。
【０２４４】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２４５】
本実施形態の燃料電池システム１００では、回復制御終了判断部としてのコントロールユニット２００は、カソードガス増減処理中のセル電圧の挙動としてカソードガス供給流量の増加操作時のセル電圧の時間微分値であるセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌを演算し、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌが所定値としての閾値βより大きい場合に回復制御の終了時期であると判断する（図１５のステップＳ２１５´のＹｅｓ）。
【０２４６】
これにより、燃料電池スタック１の出力性能の回復度の情報が明確に表れるセル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌに基づいて、回復制御の終了時期が判断されることとなるので、燃料電池スタック１の出力性能が回復するタイミングと実際の回復制御の終了時期をより一層確実に適合させることができる。また、セル電圧微分値ＤＶｃｅｌｌの演算自体も簡便であり、コントロールユニット２００の処理負担も軽減される。
【０２４７】
（第６実施形態）
以下、本発明の第６実施形態について説明する。なお、第１実施形態〜第５実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態では、低温起動オペレーションにおいて、燃料電池スタック１内の含水量であるスタック含水量Ｗｓｔを燃料電池スタック１の内部抵抗であるスタック内部抵抗Ｒｓｔに基づいて推定し、推定したスタック含水量Ｗｓｔに基づいて、回復制御を実行するか否かを判断する。
【０２４８】
なお、本実施形態において、スタック含水量Ｗｓｔとは、アノード極１１２、カソード極１１３、及び電解質膜１１１等の燃料電池スタック１を構成する要素に含まれる全水分量を意味する。
【０２４９】
図１７は、第６実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の内部抵抗を計測する内部抵抗計測装置６を有している。
【０２５０】
内部抵抗計測装置６は、燃料電池スタック１に接続される。内部抵抗計測装置６は、適切な計測周波数に基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを計測し、これをスタック内部抵抗Ｒｓｔとして検出する。内部抵抗計測装置６は、検出したスタック内部抵抗Ｒｓｔをコントロールユニット２００に送信する。
【０２５１】
図１８には、スタック内部抵抗Ｒｓｔとスタック含水量Ｗｓｔの関係を表すグラフを示している。図から理解されるように、一般にスタック内部抵抗Ｒｓｔとスタック含水量Ｗｓｔの間には、スタック内部抵抗Ｒｓｔが高いほど、スタック含水量Ｗｓｔが低いという関係がある。
【０２５２】
本実施形態のコントロールユニット２００は、上記グラフで表されるスタック内部抵抗Ｒｓｔとスタック含水量Ｗｓｔの関係を予めメモリ等に格納している。そして、コントロールユニット２００は、この関係に基づいて、内部抵抗計測装置６から受信したスタック内部抵抗Ｒｓｔからスタック含水量Ｗｓｔを推定する。
【０２５３】
特に、コントロールユニット２００は、後述するように、燃料電池スタック１の出力性能に実質的な影響を与えない許容される程度のスタック含水量Ｗｓｔの下限値を回復制御実行閾値γとして予め設定しておく。そして、スタック内部抵抗Ｒｓｔから演算されたスタック含水量Ｗｓｔと回復制御実行閾値γとの大小関係に基づいて、回復制御を実行するか否かを判断する。
【０２５４】
本実施形態の回復制御を実行するか否かの判断についてより詳細に説明する。
【０２５５】
図１９は、本実施形態の低温起動オペレーションの流れを説明するフローチャートである。図示のように、コントロールユニット２００は、第１実施形態と同様にステップＳ１１１〜ステップＳ１１２の処理を実行する。
【０２５６】
そして、本実施形態においては、コントロールユニット２００は、ステップＳ１１２においてスタック温度Ｔｓが回復制御実行基準温度Ｔｔｈ２より大きいと判定すると、ステップＳ６１３において回復制御を実行するか否かの判断を行う。
【０２５７】
具体的に、ステップＳ６１３においてコントロールユニット２００は、上述のように、スタック内部抵抗Ｒｓｔからスタック含水量Ｗｓｔを演算し、スタック含水量Ｗｓｔと回復制御実行閾値γの大小を比較する。
【０２５８】
すなわち、コントロールユニット２００は、演算したスタック含水量Ｗｓｔが回復制御実行閾値γより大きい場合には、回復制御の実行が必要と判断して、ステップＳ１１３以降の処理を実行する。
【０２５９】
一方で、演算したスタック含水量Ｗｓｔが回復制御実行閾値γ以下である場合には、回復制御の実行は不要と判断して低温起動オペレーションを終了する。すなわち、この場合は、低温起動オペレーションとして零下起動処理（解凍運転）のみが実行されることとなる。
【０２６０】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２６１】
本実施形態の燃料電池システム１００では、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、燃料電池スタック１の含水量であるスタック含水量Ｗｓｔを推定する燃料電池内含水量推定部（図１９のステップＳ６１３）と、推定されたスタック含水量Ｗｓｔが所定値としての回復制御実行閾値γより大きい場合に回復制御を実行する回復制御実行判断部（図１９のステップＳ６１３のＹｅｓ）として機能する。
【０２６２】
これにより、スタック含水量Ｗｓｔが相対的に高くカソード触媒層１１３Ａ内に水分が多く残留していると考えられることによって燃料電池スタック１の出力性能に影響を与える可能性がある場合に、適切に回復制御を実行することができる。一方で、スタック含水量Ｗｓｔが相対的に低く、回復制御を実行せずとも燃料電池スタック１の出力性能への影響が無いか小さいと考えられる場合には、回復制御を実行することなく低温起動オペレーションを終了することができる。したがって、回復制御を必要とされる状況を的確に判断してこれを実行することができる一方で、回復制御が不要な場合にはこれを実行しないようにして低温起動オペレーションの時間短縮に寄与することができる。
【０２６３】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の内部抵抗であるスタック内部抵抗Ｒｓｔを検出する内部抵抗検出部としての内部抵抗計測装置６をさらに有する。そして、燃料電池内含水量推定部としてのコントロールユニット２００は、スタック内部抵抗Ｒｓｔに基づいてスタック含水量Ｗｓｔを推定する。
【０２６４】
すなわち、スタック含水量Ｗｓｔに強い相関を示すスタック内部抵抗Ｒｓｔに基づいてスタック含水量Ｗｓｔを推定し、これを回復制御実行の判断に用いるので、回復制御を実行するか否かの判断を簡単な演算でより精度良く行うことができる。
【０２６５】
なお、本実施形態では、スタック含水量Ｗｓｔをスタック内部抵抗Ｒｓｔから推定する例を説明したが、これに限ることなく、例えば、カソードガス供給圧力やカソードガス供給流量等の他の任意のパラメータに基づいてスタック含水量Ｗｓｔを推定するようにしても良い。
【０２６６】
また、本実施形態でスタック内部抵抗Ｒｓｔとみなした内部インピーダンスの計測周波数は、当該内部インピーダンスが燃料電池スタック１内のアノード極１１２、カソード極１１３、及び電解質膜１１１に含まれる水分と好適に相関する周波数帯が選択されることが好ましい。特に、内部インピーダンスがカソード極１１３内の含水量と強く相関するような周波数帯から計測周波数を選択することが最も好ましい。これにより、選択された周波数で計測される内部インピーダンスに基づくスタック内部抵抗Ｒｓｔが、燃料電池スタック１の出力性能に大きく影響するカソード触媒層１１３Ａ内の水分の量により高精度に相関することとなる。
【０２６７】
さらに、スタック含水量Ｗｓｔ（電解質膜１１１の湿潤度）と強い相関を示す高周波数の内部インピーダンス（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）を計測し、これをスタック内部抵抗Ｒｓｔとみなしてスタック含水量Ｗｓｔを推定するようにしても良い。
【０２６８】
（第７実施形態）
以下、本発明の第７実施形態について説明する。なお、第６実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態では、第６実施形態におけるスタック含水量Ｗｓｔの推定にあたり、スタック内部抵抗Ｒｓｔに加えてスタック温度Ｔｓを考慮する。
【０２６９】
図２０は、スタック温度Ｔｓとスタック内部抵抗Ｒｓｔの関係を表すグラフである。図から理解されるように、一般にスタック温度Ｔｓとスタック内部抵抗Ｒｓｔの間には、スタック温度Ｔｓが高いほど、スタック内部抵抗Ｒｓｔが低いという関係がある。
【０２７０】
そして、既に説明したように、スタック内部抵抗Ｒｓｔとスタック含水量Ｗｓｔの間には、図１８のグラフで現される相関がある。すなわち、スタック内部抵抗Ｒｓｔが高いほどスタック含水量Ｗｓｔが低いという関係がある。
【０２７１】
したがって、これらスタック内部抵抗Ｒｓｔ、スタック温度Ｔｓ、及びスタック含水量Ｗｓｔの関係を示すスタック含水量推定マップを定めることができる。
【０２７２】
図２１は、本実施形態で定めたスタック含水量推定マップを示している。このスタック含水量推定マップにおいては、第６実施形態と同様に、スタック内部抵抗Ｒｓｔが高いほどスタック含水量Ｗｓｔが低くなっている。その上で、スタック温度Ｔｓが高くなるほどスタック含水量Ｗｓｔが低くなる補正がかかるように、スタック温度Ｔｓに応じた複数の曲線群Ｃが設定されている。
【０２７３】
本実施形態において、このスタック含水量推定マップは、コントロールユニット２００のメモリ等に格納される。
【０２７４】
以下では、上記スタック含水量推定マップを用いた本実施形態におけるスタック含水量Ｗｓｔの推定の流れを説明する。
【０２７５】
先ず、コントロールユニット２００は、水温センサ４７で検出されたスタック温度Ｔｓを取得して、スタック含水量推定マップの曲線群Ｃの中から、当該スタック温度Ｔｓの検出値に対応する曲線を選択する。そして、コントロールユニット２００は、内部抵抗計測装置６で計測されたスタック内部抵抗Ｒｓｔの計測値から、選択された曲線に基づいてスタック含水量Ｗｓｔを推定する。
【０２７６】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２７７】
本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の温度であるスタック温度Ｔｓを検出する燃料電池温度検出部としての水温センサ４７を有する。そして、燃料電池内含水量推定部としてのコントロールユニット２００は、スタック内部抵抗Ｒｓｔ及びスタック温度Ｔｓに基づいてスタック含水量Ｗｓｔを推定する。
【０２７８】
すなわち、スタック内部抵抗Ｒｓｔに加えて、当該スタック内部抵抗Ｒｓｔに影響を与えるスタック温度Ｔｓも加味して、スタック含水量Ｗｓｔを推定する。したがって、より高精度にスタック含水量Ｗｓｔを推定することができるので、推定されたスタック含水量Ｗｓｔに基づく回復制御の実行判断をより適切に行うことができる。
【０２７９】
（第８実施形態）
以下、本発明の第８実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態においては、特に、第１実施形態で説明した回復制御として、スタック電流低下処理に加えて、アノードガス循環通路３５内のガス中の不純物（窒素や水等）を外部に排出するパージ処理を実行する。
【０２８０】
図２２は、第８実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。
【０２８１】
図示のように、本実施形態では、アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１のアノード出口近傍に気液分離装置３８を介して設けられたパージ通路３９を有している。
【０２８２】
気液分離装置３８は例えば遠心分離式の装置である。気液分離装置３８は、上記不純物を液体成分と気体成分に分離する。なお、分離された液体成分は図示しない排出系統から燃料電池システム１００の外部に排出され、気体成分はパージ通路３９に放出される。
【０２８３】
パージ通路３９は、気液分離装置３８を介してアノードガス循環通路３５に連通して設けられており、カソードガス調圧弁２７よりも下流側のカソードオフガス排出通路２６に合流する。パージ通路３９は、アノードガス循環通路３５内のガス中に含まれる窒素ガスや発電の生成水等に由来する水分などの不純物を外部に排出する通路である。
【０２８４】
なお、パージ通路３９を介して排出される不純物には若干濃度の水素が含まれるが、この不純物はカソードオフガス排出通路２６でカソードオフガスと混合され、水素濃度が規定値以下になった状態で燃料電池システム１００の外部に放出される。
【０２８５】
また、パージ通路３９には、パージ弁４０が設けられている。パージ弁４０は、その開放状態においてパージ通路３９を介してカソードオフガス排出通路２６に不純物を排出する。なお、パージ弁４０の開閉はコントロールユニット２００によって制御される。
【０２８６】
上記構成を有する燃料電池システム１００において、本実施形態では、回復制御として、パージ弁４０を開弁するパージ弁開弁処理を実行する。これにより、アノードガス循環通路３５内から水分がパージ通路３９を介して排出されるので、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの水分含有量を低下させることができる。
【０２８７】
以上説明した本実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２８８】
本実施形態の燃料電池システム１００では、アノードガス給排装置３は、アノード流路１２１に連通し燃料電池スタック１に供給するアノードガスを循環させる循環路としてのアノードガス循環通路３５と、アノードガス循環通路３５に連通するパージ通路３９と、パージ通路３９に設けられたパージ弁４０と、を有している。
【０２８９】
そして、回復制御部としてのコントロールユニット２００は、上記回復制御として、アノードガス循環通路３５から水分を排出させるようにパージ弁４０の開閉制御を行う。
【０２９０】
これにより、回復制御中において、水分がアノードガス循環通路３５内からパージ通路３９を介して排出されるので、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス中の水分含有量を低下させることができる。したがって、アノード触媒層１１２Ａ内の水分量の低下が促進され、アノード触媒層１１２Ａとカソード触媒層１１３Ａの間の水の濃度勾配がより大きくなる方向に助長される。これにより、カソード触媒層１１３Ａから電解質膜１１１への水分移動がより促進されるので、低温起動オペレーションにおける燃料電池スタック１の出力性能の回復をより速やかに行うことができる。結果として、低温起動オペレーションのさらなる短縮化に資することとなる。
【０２９１】
なお、本実施形態における回復制御としてのパージ弁開弁処理は、第１実施形態や第２実施形態のスタック電流低下処理及び第３実施形態のアノードガス供給流量増加処理の少なくとも一方とともに実行するようにしても良い。
【０２９２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０２９３】
例えば、回復制御は上記各実施形態で説明した態様に限られない。回復制御の他の例として、アノード極１１２にアノードガス以外の比較的拡散効果の高い任意の不活性ガスを供給するなどしてアノード触媒層１１２Ａ中の水分を除去する処理を実行し、電解質膜１１１の水の濃度勾配を高くするようにしても良い。
【０２９４】
また、上記各実施形態では零下起動処理を実行した後に回復制御を行うようにしている。しかしながら、スタック温度Ｔｓが０℃未満であっても、燃料電池スタック１内の水分の解凍を必ずしも必要としない場合には、低温起動オペレーションとして、零下起動処理を実行することなく回復制御のみを実行するようにしても良い。
【０２９５】
さらに、零下起動処理を実行する場合において、スタック温度Ｔｓが０℃未満であるにもかかわらず回復制御が可能な温度（逆拡散現象が起こりうる温度）に到達したならば、零下起動処理を終了させて又は零下起動処理とともに回復制御を実行するようにしても良い。これにより、可能な限り回復制御を開始するタイミングを早めて低温起動オペレーションの時間をより短縮化することができる。
【０２９６】
また、上記実施形態は任意に組み合わせが可能である。例えば、第１〜第３及び第８実施形態は、それぞれ、低温起動オペレーション中の回復制御の具体的な実行態様を示している。さらに、第４及び第５実施形態は、上記回復制御の終了判断の具体的な実行態様を示している。また、第６及び第７実施形態は、上記回復制御を実行するか否かの判断について具体的態様を示している。
【０２９７】
したがって、少なくとも、第１〜第３及び第８実施形態に示された回復制御の各実行態様、第４及び第５実施形態に示された回復制御の終了判断の各実行態様、及び第６及び第７実施形態に示された回復制御を実行するか否かの判断を実行する各態様は、本実施形態の開示範囲に基づいて考えられる全ての組み合わせにおいて組み合わせることが可能である。
【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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