(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の内部における湿潤状態に関連づけられた湿潤状態指標値を検出する湿潤状態検出部と、
前記燃料電池システムに対する出力要求に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧計測部の計測値が閾値より小さくなった場合に、前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる電流制限処理を実行し、
前記制御部は、前記閾値を前記湿潤状態指標値が示す湿潤度が高いほど低い値に設定する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、複数の発電体を含み、
前記電圧計測部は、前記複数の発電体ごとに電圧を計測し、
前記電流制限処理は、前記複数の発電体のうち少なくとも１つの計測値が前記閾値より小さくなったときに開始される、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、
前記湿潤状態検出部は、前記燃料電池の抵抗値を前記湿潤状態指標値として測定するインピーダンス計測部を含み、
前記制御部は、前記インピーダンス計測部の計測値が低いほど前記閾値を低くする、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記湿潤状態指標値が示す湿潤度の判定値として、相対的に低い湿潤度を示す第１の値と、相対的に高い湿潤度を示す第２の値のいずれかを設定するとともに、前記電流制限処理において、前記判定値に応じて前記閾値を設定し、
前記判定値は、前記湿潤状態検出部が前記湿潤状態指標値を検出するまでは、前記第１の値に設定される、燃料電池システム。
【請求項５】
出力要求に応じて燃料電池の出力を供給する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池の内部における湿潤状態に関連づけられた湿潤状態指標値を検出する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の電圧を計測する工程と、
（ｃ）前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる工程と、
を備え、
前記工程（ｃ）は、前記燃料電池の計測値が閾値より小さくなった場合に開始され、
前記閾値は前記湿潤状態指標値が示す湿潤度が高いほど低い値に設定される、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】
燃料電池は、一般に、電解質膜を電極で挟持した発電体（膜電極接合体）が複数個積層されたスタック構造を有している。燃料電池は、各発電体における発電電力を集電して外部負荷へと供給するため、各発電体が一様に発電できることが好ましい。そこで、一部の発電体において著しい発電能力の低下を検出した場合には、燃料電池全体の出力を制限して当該一部の発電体の発電能力を回復させる回復処理が提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９７００８号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４０６５号公報
【０００４】
ところで、燃料電池は電解質膜を適度な湿潤状態に保持して発電を継続することが好ましい。電解質膜が乾燥した状態で燃料電池の発電が継続されると、電解質膜が劣化してしまう可能性がある。しかし、電解質膜がその劣化につながるような乾燥状態にある場合であっても、上記回復処理が実行されるような発電能力の低下が検出されない場合には、燃料電池の発電が継続されてしまい、燃料電池の劣化の原因となっていた。これまでこうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【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。
第１の形態の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の内部における湿潤状態に関連づけられた湿潤状態指標値を検出する湿潤状態検出部と、前記燃料電池システムに対する出力要求に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部とを備え、前記制御部は、前記電圧計測部の計測値が閾値より小さくなった場合に、前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる電流制限処理を実行し、前記制御部は、前記閾値を前記湿潤状態指標値が示す湿潤度が高いほど低い値に設定する燃料電池システムである。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧低下が検出されたときに、湿潤状態指標値が示す湿潤度が高いほど電流制限処理が開始される電圧閾値が低くなる。従って、燃料電池内部の湿潤度が低い場合には、より電流制限処理が開始されやすくなり、より適切に燃料電池の劣化を抑制できる。
第２の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、複数の発電体を含み、前記電圧計測部は、前記複数の発電体ごとに電圧を計測し、前記電流制限処理は、前記複数の発電体のうち少なくとも１つの計測値が前記閾値より小さくなったときに開始される燃料電池システムである。
この燃料電池システムによれば、燃料電池を構成する複数の発電体のうち一部にのみ過度な負荷がかかることを抑制でき、当該一部の発電体の劣化を抑制することができる。
第３の形態の燃料電池システムは、第１の形態または第２の形態において記載の燃料電池システムであって、前記湿潤状態検出部は、前記燃料電池の抵抗値を前記湿潤状態指標値として測定するインピーダンス計測部を含み、前記制御部は、前記インピーダンス計測部の計測値が低いほど前記閾値を低くする燃料電池システムである。
この燃料電池システムによれば、燃料電池のインピーダンスが高いときほど、燃料電池内部における湿潤度が低いものとして、電流制限処理の開始条件である電圧閾値を低くして比較的早期に電流制限処理が開始する。従って、より適切に燃料電池の劣化を抑制できる。
第４の形態の燃料電池システムは、  第１ないし第３の形態のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記湿潤状態指標値が示す湿潤度の判定値として、相対的に低い湿潤度を示す第１の値と、相対的に高い湿潤度を示す第２の値のいずれかを設定するとともに、前記電流制限処理において、前記判定値に応じて前記閾値を設定し、前記判定値は、前記湿潤状態検出部が前記湿潤状態指標値を検出するまでは、前記第１の値に設定される燃料電池システムである。
この燃料電池システムによれば、燃料電池システム起動時から湿潤状態指標値が検出されるまでの間は、湿潤状態指標値の判定値が初期値として第１の値に設定される。これによって、一般に燃料電池に過度な負荷要求がされる傾向にある燃料電池システムの初動時において、燃料電池に電流制限処理が実行される可能性が比較的高くなる。従って、燃料電池の劣化が抑制される。
【０００７】
［適用例１］  燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の内部における湿潤状態に関連づけられた湿潤状態指標値を検出する湿潤状態検出部と、前記燃料電池システムに対する出力要求に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる電流制限処理を実行し、前記湿潤状態指標値が、より低い湿潤度を示す場合には、より高い湿潤度を示す場合に比べて、前記電流制限処理の実行を、より緩やかな条件の下で開始する、燃料電池システム。
【０００８】
この燃料電池システムによれば、燃料電池の内部における湿潤度が低いほど、電流制限処理が実行される可能性が高くなり、燃料電池内部の湿潤度が不足して電解質膜が乾燥した状態で過度に負荷がかかることを抑制できる。従って、燃料電池の劣化が抑制される。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、前記電流制限処理は、前記電圧計測部の計測値が閾値より小さくなった場合に開始され、前記制御部は、前記閾値を前記湿潤状態指標値が示す湿潤度が高いほど低い値に設定する、燃料電池システム。
【００１０】
この燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧低下が検出されたときに、湿潤状態指標値が示す湿潤度が高いほど電流制限処理が開始される電圧閾値が低くなる。従って、燃料電池内部の湿潤度が低い場合には、より電流制限処理が開始されやすくなり、より適切に燃料電池の劣化を抑制できる。
【００１１】
［適用例３］適用例２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、複数の発電体を含み、前記電圧計測部は、前記複数の発電体ごとに電圧を計測し、前記電流制限処理は、前記複数の発電体のうち少なくとも１つの計測値が前記閾値より小さくなったときに開始される、燃料電池システム。
【００１２】
この燃料電池システムによれば、燃料電池を構成する複数の発電体のうち一部にのみ過度な負荷がかかることを抑制でき、当該一部の発電体の劣化を抑制することができる。
【００１３】
［適用例４］適用例２または適用例３記載の燃料電池システムであって、前記湿潤状態検出部は、前記燃料電池の抵抗値を前記湿潤状態指標値として測定するインピーダンス計測部を含み、前記制御部は、前記インピーダンス計測部の計測値が低いほど前記閾値を低くする。
【００１４】
この燃料電池システムによれば、燃料電池のインピーダンスが高いときほど、燃料電池内部における湿潤度が低いものとして、電流制限処理の開始条件である電圧閾値を低くして比較的早期に電流制限処理が開始する。従って、より適切に燃料電池の劣化を抑制できる。
【００１５】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記湿潤状態指標値は、相対的に低い湿潤度を示す第１の値と、相対的に高い湿潤度を示す第２の値とを含み、前記制御部は、前記湿潤状態検出部が前記湿潤状態指標値を検出するまでは、前記湿潤状態指標値を前記第１の値に設定する、燃料電池システム。
【００１６】
この燃料電池システムによれば、燃料電池システム起動時から湿潤状態指標値が検出されるまでの間は、湿潤状態指標値が初期値として第１の値に設定される。これによって、一般に燃料電池に過度な負荷要求がされる傾向にある燃料電池システムの初動時において、燃料電池に電流制限処理が実行される可能性が比較的高くなる。従って、燃料電池の劣化が抑制される。
【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、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
A．実施例：
図１は、本発明の一実施例として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、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に接続する水素系統２０及び空気系統３０と、制御部４０とを備えている。
【００１９】
燃料電池スタック１０は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて、その電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池スタック１０としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、電解質膜を電極で挟持した発電体である膜電極接合体を含む複数の単セル１を積層したスタック構造を有している。燃料電池スタック１０には、各単セル１ごとの電位を計測することができる電圧センサ１１が設けられている。
【００２１】
水素系統２０は、水素を貯蔵するための水素タンク２１と水素供給配管２２とを備えている。水素タンク２１は水素供給配管２２によって燃料電池スタック１０の水素供給用マニホールド（図示せず）と接続されており、これによって、水素系統２０は燃料電池スタック１０に対して水素を供給する。水素供給配管２２には上流側から、水素の圧力を調整するための圧力調整バルブ２３と、水素の流量を計測するためのガスフローメータ２４とが設けられている。
【００２２】
また、水素系統２０は、燃料電池スタック１０の水素排出用マニホールド（図示せず）に接続された水素排出配管２５を備えている。水素排出配管２５は、電気化学反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスを燃料電池スタック１０の外部へと排出する。水素排出配管２５には上流側から、水素の圧力を計測するための圧力計２６と、アノード排ガスの排出を必要に応じて停止するための開閉弁である水素排出バルブ２７とが設けられている。
【００２３】
空気系統３０は、エアコンプレッサ３１と空気供給配管３２とを備えている。エアコンプレッサ３１は、空気供給配管３２によって燃料電池スタック１０の空気供給用マニホールド（図示せず）と接続されており、これによって、空気系統３０は燃料電池スタック１０に対して圧縮空気を供給する。空気供給配管３２には上流側から、圧縮空気を加湿するための加湿部３５と、圧縮空気の圧力を調整するための圧力調整バルブ３３と、圧縮空気の流量を計測するためのガスフローメータ３４とが設けられている。
【００２４】
また、空気系統３０は、燃料電池スタック１０の空気排出用マニホールド（図示せず）に接続された空気排出配管３６を備えている。空気排出配管３６は、電気化学反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスを燃料電池スタック１０の外部へと排出する。空気排出配管３６には、カソード排ガスの圧力を計測するための圧力計３７が設けられている。
【００２５】
制御部４０は、例えば燃料電池システム１００が車両等の移動体に搭載されている場合には、アクセルペダル５０の開度に応じた外部負荷からの燃料電池システム１００に対する出力要求（「外部出力要求」と呼ぶ）を検出する。また、制御部４０は、上述の２つのガスフローメータ２４，３４や、２つの圧力計２６，３７や、電圧センサ１１などの各種センサからのシステムのステータス情報を受け取る。制御部４０は、外部からの出力要求とシステムのステータス情報とを基に、圧力調整バルブ２３、３３や水素排出バルブ２７の開閉動作を制御して燃料電池スタック１０の出力を制御する。さらに、制御部４０は、加湿部３５によって燃料電池スタック１０に供給される圧縮空気の加湿量を調整する。
【００２６】
図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、さらに、２次電池６０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０と、ＤＣ／ＡＣインバータ８０と、インピーダンス測定部９０とを備えている。
【００２７】
燃料電池スタック１０は、直流電源ラインＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８０に接続されている。２次電池６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ８０は、外部負荷であるモータ２００に接続されている。
【００２８】
２次電池６０は、燃料電池スタック１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、２次電池６０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部４０の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。燃料電池スタック１０の出力が外部出力要求に対して不足するような場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、その不足分を補償するように２次電池６０に放電させる。
【００２９】
ＤＣ／ＡＣインバータ８０は、燃料電池スタック１０及び２次電池６０から得られた直流電力を交流電力へと変換する。モータ２００は三相モータなどで構成することができ、ＤＣ／ＡＣインバータ８０からの交流電力に応じて回転駆動力を発生する。モータ２００は、外力によってそのロータが回転させられるときには発電機として働き、交流電力（回生電力）を発生する。そうした回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ８０で直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０を介して２次電池６０に充電される。
【００３０】
インピーダンス測定部９０は、インピーダンスを計測する計測メータ９１と交流電源部９２とを備えている。計測メータ９１は、燃料電池スタック１０と接続されており、発電中の燃料電池スタック１０のインピーダンスを計測することができる。インピーダンス測定部９０は、測定結果を制御部４０へと送信する。
【００３１】
制御部４０は、電圧センサ１１（図１）の測定値から燃料電池スタック１０の出力電力測定値（発電状態）を検出する。また、制御部４０は、２次電池６０の充電状態（ＳＯＣ）を検出する。制御部４０は、これらの情報を基にＤＣ／ＤＣコンバータ７０の出力電圧を設定して燃料電池スタック１０及び２次電池６０の出力電力を制御する。また、制御部４０は、ＤＣ／ＡＣインバータ８０によって交流電力の周波数を制御して、モータ２００に必要なトルクを発生させる（トルク指令）。
【００３２】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、通常運転時における燃料電池システム１００の制御を説明するための説明図である。ここで「通常運転時」とは、燃料電池スタック１０の各単セル１が制御部４０の出力指示に応じて、電圧降下を生じることなく発電を継続している状態を意味する。
【００３３】
図３（Ａ）は、制御部４０が燃料電池スタック１０に対して要求する出力電力（「ＦＣ要求電力」と呼ぶ）の時間変化を示すグラフである。図３（Ａ）のグラフは、時刻ｔ0において外部出力要求が増大したことに伴って、制御部４０がＦＣ要求電力をＷ0からＷ1に増大させ、その後ＦＣ要求電力をＷ1に維持していることを示している。
【００３４】
制御部４０は、燃料電池スタック１０のＷ−Ｉ特性を基にＦＣ要求電力に応じて燃料電池スタック１０の出力すべき電流値を算出し、その電流値に応じた出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ７０（図２）に設定する。また、制御部４０は、燃料電池スタック１０がＦＣ要求電力を出力可能なように、反応ガスの供給量及び排ガス量などを圧力調整バルブ２３、３３や水素排出バルブ２７（図１）によって制御する。
【００３５】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すＦＣ要求電力の変化があったときの燃料電池スタック１０の任意の単セル１における出力電圧の時間変化を示すグラフである。図３（Ｂ）の実線グラフＧ１は、燃料電池スタック１０の単セル１ごとの出力電圧値が、時刻ｔ0において電圧値Ｖ0から減少を開始し、時刻ｔ1においてＦＣ要求電力に相当する出力電圧値Ｖ1に到達し、その後、電圧値Ｖ1で維持されていることを示している。なお、燃料電池スタック１０全体の出力電圧は、この各単セル１の出力電圧の総和となる。
【００３６】
図３（Ｃ）は、図３（Ａ）に示すＦＣ要求電力の変化があったときの燃料電池スタック１０の出力電流の時間変化を示すグラフである。燃料電池スタック１０の出力電流は、燃料電池スタック１０のＶ−Ｉ特性により、図３（Ｂ）に示す出力電圧の変化に対応して時刻ｔ0〜時刻ｔ1の区間で電流値Ｉ0から電流値Ｉ1まで増大し、その後、電流値Ｉ1で維持される。
【００３７】
ここで、この通常運転時では、上述したように各単セル１がほぼ一様に図３（Ｂ）に示す出力電圧を出力している。しかし、燃料電池スタック１０では、出力すべき電流値Ｉ1に到達した後にも、一部の単セル１のみの出力電圧が著しく低下してしまう場合があり（図３（Ｂ）に示す破線グラフＧ２）、例えば、負電圧にまで低下する場合がある。この原因としては、何らかの原因による当該一部の単セル１における内部抵抗の著しい増大や、反応ガスの供給量の不足や、電解質膜の湿潤度の不足などが考えられる。
【００３８】
このように、一部の単セル１の電圧が著しく低下してしまっている状態で燃料電池スタック１０の発電を継続すると、燃料電池スタック１０全体としての発電効率が低下してしまうばかりでなく、当該一部の単セル１が劣化する原因となる。そこで、本実施例では、複数の単セル１のうち最も電圧が低下している単セル１の電圧が所定の閾値（「回復処理開始閾値」と呼ぶ）より低くなったことを検出した場合には、以下に説明する電圧回復処理を実行する。なお、以後、当該最も電圧が低下している単セル１を「低電圧セル１」と呼び、低電圧セル１において検出された電圧を「最低セル電圧」と呼ぶ。
【００３９】
図４は、燃料電池システム１００における電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度を検出するための電解質膜湿潤検出処理を実行する。
【００４０】
ここで、電解質膜の湿潤度を検出する理由は、低電圧セル１における電圧低下の原因が電解質膜の湿潤度不足によるものであるか否かを検証するためである。燃料電池では一般に、電解質膜を適切な湿潤状態に保持して発電を行うことが好ましく、電解質膜の湿潤度が不足した状態で燃料電池の発電を継続すると電解質膜の劣化の原因となる。そこで、この燃料電池システム１００では、電解質膜の湿潤度を検出することによって、電解質膜の湿潤度に応じたより適切な電圧回復処理を実行する。電解質膜湿潤度検出処理は、具体的には、以下のように行う。
【００４１】
図５は、電解質膜湿潤度検出処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ２１０では、制御部４０がインピーダンス測定部９０によって燃料電池スタック１０のインピーダンスを計測する。ここで、燃料電池のインピーダンスを計測する理由は、一般に、燃料電池の内部の水分が減少すると、それに伴って燃料電池のインピーダンスは増大するため、インピーダンスの計測によって、燃料電池内部の水分量を推定することが可能であるためである。即ち、この燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０のインピーダンス値を燃料電池スタック１０の内部における湿潤状態に関連づけられた湿潤状態指標値として検出しているものと解釈することができる。
【００４２】
ステップＳ２２０では、制御部４０は、ステップＳ２１０で得たインピーダンス値と第１のインピーダンス閾値Ｚ1との比較を行う。ここで、「第１のインピーダンス閾値Ｚ1」とは、電解質膜が適度な湿潤状態にあるか否かを判定をするための基準となる閾値である。制御部４０には、第１のインピーダンス閾値Ｚ1が、実験等によって得られた適切な値によって予め設定されている。
【００４３】
制御部４０は、測定されたインピーダンス値が第１のインピーダンス閾値Ｚ1以上である場合には、乾きフラグを「ＯＮ」に設定する（ステップＳ２３０）。「乾きフラグ」とは、制御部４０が有する燃料電池システム１００の状態を示す内部変数の１つであり、燃料電池スタック１０が適度な湿潤状態にあるか否かを示す。具体的には、乾きフラグが「ＯＮ」であるときには電解質膜の湿潤度が不足しており、電解質膜が乾いた状態であることを示す。一方、乾きフラグが「ＯＦＦ」であるときには、電解質膜は適度な湿潤状態にあることを示している。即ち、制御部４０は、燃料電池スタック１０のインピーダンスが第１のインピーダンス閾値Ｚ1以上である場合には、電解質膜の湿潤度が不足していると判定する。
【００４４】
なお、乾きフラグは、燃料電池システム１００の起動時には初期値として「ＯＮ」が設定されることが好ましい。この場合には、乾きフラグは、燃料電池システム１００の起動時からステップＳ２１０のインピーダンス計測が実行されて乾きフラグが更新されるまでの間は、乾きフラグが「ＯＮ」のまま維持されることとなる。
【００４５】
ここで、乾きフラグの初期値を「ＯＮ」に設定するのは、以下の理由による。燃料電池システム１００の起動時には、特に低温状態（例えば氷点下）において、電解質膜が乾燥している可能性が高く、燃料電池スタック１０に対して過度な負荷要求がなされる可能性が高い。そこで、乾きフラグの初期値を「ＯＮ」に設定し、当該起動時に電流制限処理（図４：ステップＳ１５０）が実行される可能性を高くすることによって（後述）、燃料電池スタック１０に過度な負荷がかけられることを抑制するのである。
【００４６】
ステップＳ２４０では、制御部４０は、燃料電池スタック１０のインピーダンス値と第２のインピーダンス閾値Ｚ2との比較を行い、燃料電池スタック１０のインピーダンス値が第２のインピーダンス閾値Ｚ2より低い場合には、ステップＳ２５０において乾きフラグを「ＯＦＦ」に設定する。ここで、「第２のインピーダンス閾値Ｚ2」とは、電解質膜が乾いた状態から適切な湿潤状態へと遷移したか否かを判定する際の基準となる閾値である。制御部４０には、第２のインピーダンス閾値Ｚ2が、実験等によって得られた適切な値によって予め設定されている。即ち、この燃料電池システム１００では、一旦、乾きフラグが「ＯＮ」の状態に設定された場合には、燃料電池スタック１０のインピーダンス値が第２のインピーダンス閾値Ｚ2より小さくならない限り、乾きフラグは「ＯＮ」のまま維持される。
【００４７】
電解質膜湿潤度検出処理（ステップＳ１１０）によって乾きフラグが設定されると、制御部４０は、電圧回復処理におけるステップＳ１２０のフラグ判定処理を実行する（図４）。制御部４０は、乾きフラグが「ＯＦＦ」である場合には第１の電流制限値マップを読み込み（ステップＳ１３０）、乾きフラグが「ＯＮ」である場合には第２の電流制限量値マップを読み込む（ステップＳ１３５）。
【００４８】
ここで「電流制限値マップ」とは、後述する電流制限処理（ステップＳ１５０）において用いられる最大電流制限値（後述）を最低セル電圧の値に応じて決定するためのマップである。即ち、この燃料電池システム１００では、電解質膜の湿潤状態についての制御部４０の判定結果に応じて異なる電流制限値マップを読み込み、最低セル電圧を基に、電解質膜の湿潤状態に応じた最大電流制限値Ｉｌを設定する（ステップＳ１４０）。なお、電流制限値マップは、制御部４０の図示せざる記憶部に予め格納されている。
【００４９】
図６は、電流制限値マップの具体的な一例を示す説明図である。図６（Ａ）は第１の電流制限値マップを、最低セル電圧に対する最大電流制限値を示すグラフＭＰ１として示している。第１の電流制限値マップＭＰ１は、最低セル電圧値がＶｍ1からＶｍ2（Ｖｍ1＜Ｖｍ2）の範囲では、最大電流制限値が０からＩｌ1まで略指数関数的に増大し、最低セル電圧がＶｍ2以上の場合には、最大電流制限値がＩｌ1で一定となる。なお、最大電流制限値Ｉｌ1は、電圧回復処理が開始される時点における燃料電池スタック１０の電流値Ｉ1と一致する。以後、この電流値Ｉ1を「制限前電流値Ｉ1」と呼ぶ。
【００５０】
ここで、ステップＳ１５０で実行される電流制限処理では、最大電流制限値まで燃料電池スタック１０が出力する電流が制限される。即ち、この第１の電流制限値マップＭＰ１が読み込まれたときには、電流制限処理において実際に電流が制限されることとなるのは、最大電流制限値が制限前電流値Ｉ1より小さくなる最低セル電圧がＶｍ2より小さいときである。
【００５１】
図６（Ｂ）は第２の電流制限値マップを、制御部４０が検出した最低セル電圧値に対する最大電流制限値を示すグラフＭＰ２として示しており、以下に説明する点以外は、図６（Ａ）と同様である。第２の電流制限値マップＭＰ２では、最低セル電圧がＶｍ1からＶｍ3（Ｖｍ1＜Ｖｍ3）の範囲では最大電流制限値が０で一定に維持される。また、最低セル電圧がＶｍ3からＶｍ4（Ｖｍ2，Ｖｍ3＜Ｖｍ4）の範囲では、最大電流制限値が０からＩｌ1まで略指数関数的にまで増加し、最低セル電圧がＶｍ4以上の場合には、最大電流制限値がＩｌ1で一定となる。
【００５２】
ここで、第１の電流制限値マップＭＰ１と比較すると、第２の電流制限値マップＭＰ２では、より高い最低セル電圧Ｖｍ4で最大電流制限値がＩｌ1より小さくなる（Ｖｍ2＜Ｖｍ4）。即ち、この燃料電池システム１００では、乾きフラグが「ＯＦＦ」の場合より、乾きフラグが「ＯＮ」の場合の方が、高い最低セル電圧で電流制限処理が開始されることとなる。これは、乾きフラグが「ＯＮ」の場合の方が、乾きフラグが「ＯＦＦ」の場合に比べて、電流制限処理がより緩やかな条件の下で開始されていると解釈できる。また、この燃料電池システム１００では、同じ最低セル電圧値が検出されている場合であっても、乾きフラグが「ＯＮ」の場合の方が、電流制限処理において制限される電流量が大きくなる。
【００５３】
図７は、ステップＳ１５０，Ｓ１６０（図４）の電流制限処理及び電流回復処理を説明するための説明図である。図７は、時刻ｔ2〜時刻ｔ4において電流値が増減している点以外は図３（Ｃ）と同様である。
【００５４】
ステップＳ１５０の電流制限処理では、制御部４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０（図２）の出力電圧を制御して、燃料電池スタック１０の出力電流を時間に対して所定の一定比率で最大電流制限値Ｉｌまで低下させる(時刻ｔ2〜時刻ｔ3)。即ち、燃料電池スタック１０の出力電流が上述したように制限される。このように燃料電池スタック１０の出力電流を制限する理由は、低電圧セル１が受けている過度な負荷を緩和して、当該低電圧セル１の発電能力の回復を図るためである。なお、この電流制限処理において、電流は一定の比率で低下されなくとも良い。
【００５５】
また、制御部４０は、電流制限処理とともに、低電圧セル１の発電能力を回復するために、例えば、燃料電池スタック１０への反応ガスの供給量を増加させる処理や、反応ガスのガス圧を増大させる処理などを実行する。さらに、制御部４０は、乾きフラグが「ＯＮ」である場合には、加湿部３５（図１）による高圧空気の加湿量を増大させるなど、電解質膜の湿潤度不足を解消するための加湿処理を実行する。なお、加湿処理としては、他の処理が実行されるものとしても良い。
【００５６】
ステップＳ１６０の電流回復処理では、制御部４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０（図２）の出力電圧を制御して、燃料電池スタック１０の出力電流を時間に対して所定の一定比率で増大させる。これによって、燃料電池スタック１０の出力電流は、時刻ｔ3〜時刻ｔ4の間に、最大電流制限値Ｉｌから、電流制限処理を開始する前の電流値Ｉ1まで回復する。なお、この電流回復処理において、電流は一定の比率で増大されなくとも良い。
【００５７】
この電流回復処理の実行中（時刻ｔ3〜時刻ｔ4）に、低電圧セル１は、その発電性能の回復に伴って、その出力電圧値が電圧値Ｖ1まで上昇する。なお、電流制限処理及び電流回復処理が実行されている時刻ｔ2〜時刻ｔ4において、外部要求電力に対して不足する電力は、２次電池６０（図２）によって補償される。
【００５８】
このように、この燃料電池システム１００では、一部の単セル１において電圧降下が生じている場合に、電圧回復処理によって当該一部の単セル１の発電能力を回復して、その劣化を抑制することができる。また、電解質膜の湿潤状態を検証し、湿潤度が不足している判定したときには比較的早期に電流制限処理が実行されるため、湿潤度が不足している電解質膜に過度な負荷がかかることを抑制でき、電解質膜の劣化を抑制することができる。さらに、電解質膜が適切な湿潤度であると判定されている場合には、電流制限処理における電流制限量が比較的少なくなるため、過度に電流が制限されることによって燃料電池システム１００の負荷追従性が低下することが抑制される。
【００５９】
B．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。
【００６０】
B1．変形例１：
上記実施例において、制御部４０は、単セル１ごとの電圧を測定して、その測定値に応じて電圧回復処理を実行していたが、単セル１ごとの電圧は測定されなくとも良い。電圧回復処理は、例えば、所定のタイミングで常に実行されるものとしても良い。
【００６１】
B2．変形例２：
上記実施例では、乾きフラグに応じて第１と第２の電流制限値マップＭＰ１，ＭＰ２を切り換えることによって、最低セル電圧の閾値（Ｖｍ2，Ｖｍ4）を変え、乾きフラグが「ＯＮ」の時ほど、電流制限処理が緩やかな条件の下で開始されていた。しかし、電流制限処理が開始される条件は、最低セル電圧によって設定されなくとも良い。例えば、ＦＣ要求電力の増加量が閾値以上の時に電流制限処理が開始されるものとしても良い。この場合には、制御部４０は、燃料電池内部の湿潤度が低いときほど、当該閾値を低くして電流制限処理の開始条件を緩やかにする。
【００６２】
B3．変形例３：
上記実施例において、制御部４０は、２つの電流制限値マップＭＰ１，ＭＰ２を用いて電流制限処理を実行していたが、さらに複数の電流制限値マップを用いるものとしても良い。この場合には、乾きフラグは、「ＯＮ」と「ＯＦＦ」以外に電解質膜の湿潤度のレベルを示す値が設定されるものとしても良い。なお、電流制限値マップは、上記実施例の２つの電流制限値マップＭＰ１，ＭＰ２に限定されるものではなく、実験等によって適切に設定されることが好ましい。また、制御部４０は、電流制限値マップを有していなくとも良い。この場合には、制御部４０には、乾きフラグに対応する最大電流制限値が設定されているものとしても良い。あるいは、乾きフラグに相当する燃料電池の内部における湿潤状態に関連づけられた湿潤状態指標値と最大電流制限値とを対応させたマップを有するものとしても良い。
【００６３】
B4．変形例４：
上記実施例において、制御部４０は、燃料電池スタック１０のインピーダンスをインピーダンス測定部９０によって測定し、その測定値に基づいて電解質膜の湿潤状態を判定して乾きフラグを設定していた。しかし、電解質膜の湿潤状態の判定は、他の方法によってなされるものとしても良い。例えば、空気系統３０の空気排出配管３６においてカソード排ガスの湿潤度を計測して、その計測値に応じて乾きフラグを設定するものとしても良い。
【００６４】
B5．変形例５：
上記実施例において、乾きフラグの初期値を「ＯＮ」に設定し、燃料電池システム１００の起動時からインピーダンス計測（図５：ステップＳ２１０）が実行されるまでの間は、乾きフラグが「ＯＮ」のまま維持されていた。しかし、乾きフラグは、初期値として「ＯＦＦ」が設定されるものとしても良い。ただし、以下の理由により、乾きフラグの初期値は「ＯＮ」に設定されることが好ましい。即ち、燃料電池システム１００の起動時には、特に低温状態（例えば氷点下）において電解質膜が乾燥している可能性が高い。従って、乾きフラグの初期値が「ＯＮ」に設定されることにより、燃料電池システム１００の起動時において電流制限処理（図４：ステップＳ１５０）が実行される可能性が高くなる。これによって、燃料電池スタック１０に過度な負荷がかけられることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【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】通常運転時における燃料電池の制御を説明するための説明図。
【図４】電圧回復処理の処理手順を示すフローチャート。
【図５】電解質膜湿潤度検出処理の処理手順を示すフローチャート。
【図６】第１と第２の電流制限値マップの具体的な一例を示す説明図。
【図７】電流制限処理及び電流回復処理を説明するための説明図。
【符号の説明】
【００６６】
１…単セル,低電圧セル
１０…燃料電池スタック
１１…電圧センサ
２０…水素系統
２１…水素タンク
２２…水素供給配管
２３…圧力調整バルブ
２４…ガスフローメータ
２５…水素排出配管
２６…圧力計
２７…水素排出バルブ
３０…空気系統
３１…エアコンプレッサ
３２…空気供給配管
３３…圧力調整バルブ
３４…ガスフローメータ
３５…加湿部
３６…空気排出配管
３７…圧力計
４０…制御部
５０…アクセルペダル
７０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８０…ＤＣ／ＡＣインバータ
９０…インピーダンス測定部
９１…計測メータ
９２…交流電源部
１００…燃料電池システム
２００…モータ
ＤＣＬ…直流電源ライン
ＭＰ１…第１の電流制限値マップ
ＭＰ２…第２の電流制限値マップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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