(57)【要約】【課題】負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、複数の発電体１１が積層された燃料電池１０と、発電体１１における負電圧の発生を検出するセル電圧計測部９１と、燃料電池１０の出力を制御する制御部２０と、燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部２１とを備える。制御部２０は、負電圧が発生している期間に、燃料電池１０に許容される電流積算値と、燃料電池１０に許容される電流密度との対応関係を予め記憶している。制御部２０は、負電圧の発生が検出された場合には、その対応関係において、電流積算値と電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、燃料電池１０の出力を制限する出力制限処理を実行する。【選択図】図２
2012009406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部負荷の要求に応じて発電した電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との対応関係を予め記憶しており、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記対応関係は、前記燃料電池の電流積算値を第１の軸とし、前記燃料電池の電流密度を第２の軸とするグラフによって表したときに、前記許容される電流積算値が高いほど、前記許容される電流密度が低くなる下に凸のグラフとして表される、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、電流積算値の増加に応じて、前記燃料電池の電流密度を、前記下に凸のグラフで示される前記許容される電流密度の最大値を示す曲線に沿って低下させる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の内部の湿潤状態を調整するために前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を制御する加湿部と、前記燃料電池の運転温度を調整するために前記燃料電池に供給される冷媒の供給流量を制御する冷媒供給部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態調整部と、
前記対応関係を、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方に応じて変更する対応関係変更部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に前記外部負荷から要求された出力電流に対応する電流密度が所定の値より大きい場合には、前記対応関係変更部による前記対応関係の変更により前記運転許容領域が拡大されるように、前記運転状態調整部に、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方を調整させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理の完了時に、前記出力制限処理において前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値を不揮発的に記憶し、前記出力制限処理が再開されたときには、記憶された前記電流積算値と、前記出力制限処理が再開された後に、前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積電流積算値を用いて、前記出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
ユーザーに前記燃料電池の劣化を警報する警報部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電流密度の下限値を予め記憶しており、前記出力制限処理において、前記燃料電池の電流密度が前記下限値より低くなる場合には、前記警報部に、前記燃料電池の劣化を警報させる、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、
前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいて、前記指令値の電流密度を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に出力させた場合の前記燃料電池昇の上昇推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値よりも低い場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池の運転温度の上昇する速度が、予め設定された閾値より低い場合には、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項１０】
外部負荷の要求に応じて、１つ以上の発電体を有する燃料電池に発電させた電力を出力する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する工程と、
（ｂ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間における前記燃料電池の電流を時間積分することにより求められる電流積算値を計測する工程と、
（ｃ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との予め設定された対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域の範囲内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【請求項１１】
外部負荷の要求に応じて発電した電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との対応関係を予め記憶しており、
前記制御部は、負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立する場合には、前記１つ以上の発電体において負電圧が発生しているものとして、前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池システムであって、
前記対応関係は、前記燃料電池の電流積算値を第１の軸とし、前記燃料電池の電流密度を第２の軸とするグラフによって表したときに、前記許容される電流積算値が高いほど、前記許容される電流密度が低くなる下に凸のグラフとして表される、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、電流積算値の増加に応じて、前記燃料電池の電流密度を、前記下に凸のグラフで示される前記許容される電流密度の最大値を示す曲線に沿って低下させる、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の内部の湿潤状態を調整するために前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を制御する加湿部と、前記燃料電池の運転温度を調整するために前記燃料電池に供給される冷媒の供給流量を制御する冷媒供給部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態調整部と、
前記対応関係を、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方に応じて変更する対応関係変更部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に前記外部負荷から要求された出力電流に対応する電流密度が所定の値より大きい場合には、前記対応関係変更部による前記対応関係の変更により前記運転許容領域が拡大されるように、前記運転状態調整部に、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方を調整させる、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理の完了時に、前記出力制限処理において前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値を不揮発的に記憶し、前記出力制限処理が再開されたときには、記憶された前記電流積算値と、前記出力制限処理が再開された後に、前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積電流積算値を用いて、前記出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
ユーザーに前記燃料電池の劣化を警報する警報部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電流密度の下限値を予め記憶しており、前記出力制限処理において、前記燃料電池の電流密度が前記下限値より低くなる場合には、前記警報部に、前記燃料電池の劣化を警報させる、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、
前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいて、前記指令値の電流密度を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に出力させた場合の前記燃料電池昇の上昇推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値よりも低い場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池の運転温度の上昇する速度が、予め設定された閾値より低い場合には、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項２０】
外部負荷の要求に応じて、１つ以上の発電体を有する燃料電池に発電させた電力を出力する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体において負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立している期間における前記燃料電池の電流を時間積分することにより求められる電流積算値を計測する工程と、
（ｂ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との予め設定された対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域の範囲内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する工程と、
を備える、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】
燃料電池は通常、発電体である複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。反応ガスは、マニホールドを介して、各単セルに設けられたガス流路に流入し、各単セルの発電部に供給される。しかし、一部の単セルのガス流路が水分の凍結などにより閉塞してしまうと、当該一部の単セルに対する反応ガスの供給量が不足し、当該一部の単セルが負電圧を発生してしまう場合がある。このように、一部の単セルが負電圧を発生している状態で、燃料電池の運転を継続すると、燃料電池全体の発電性能が低下するばかりでなく、当該単セルの電極の劣化が生じてしまう可能性がある。これまで、こうした負電圧の発生による燃料電池の発電性能の低下や燃料電池の劣化を抑制するために種々の技術が提案されてきた（下記特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７９３８９号公報
【特許文献２】特開２００７−０３５５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
外部負荷の要求に応じて発電した電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との対応関係を予め記憶しており、前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
ここで、負電圧を発生している発電体において、電極の酸化が始まり、発電性能が低下し始めるタイミングは、負電圧の発生期間に燃料電池が出力した電流と、その時間積分である電流積算値によって規定することができることを、本発明の発明者は見出した。この適用例１の燃料電池システムによれば、負電圧が発生した場合に、予め設定された、許容される電流積算値と、許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように燃料電池の出力が制限される。従って、負電圧を発生している発電体の性能の低下が生じない運転許容領域を予め設定しておくことにより、負電圧の発生による燃料電池の性能の低下を抑制し、電極の酸化（電極の劣化）を抑制できる。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記対応関係は、前記燃料電池の電流積算値を第１の軸とし、前記燃料電池の電流密度を第２の軸とするグラフによって表したときに、前記許容される電流積算値が高いほど、前記許容される電流密度が低くなる下に凸のグラフとして表される、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、制御部が記憶する電流積算値と電流密度との対応関係において、運転許容領域を、負電圧を発生している発電体の性能の低下が生じない適切な範囲で設定しておくことができる。従って、より適切に、負電圧の発生による燃料電池の性能の低下および劣化を抑制することができる。
【０００８】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、電流積算値の増加に応じて、前記燃料電池の電流密度を、前記下に凸のグラフで示される前記許容される電流密度の最大値を示す曲線に沿って低下させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、負電圧が発生した場合に、運転許容領域の境界値（許容限界値）に沿って、燃料電池の出力を制限できる。従って、燃料電池の出力を必要以上に制限することを抑制しつつ、負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制することができる。
【０００９】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の内部の湿潤状態を調整するために前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を制御する加湿部と、前記燃料電池の運転温度を調整するために前記燃料電池に供給される冷媒の供給流量を制御する冷媒供給部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態調整部と、前記対応関係を、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方に応じて変更する対応関係変更部と、を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に前記外部負荷から要求された出力電流に対応する電流密度が所定の値より大きい場合には、前記対応関係変更部による前記対応関係の変更により前記運転許容領域が拡大されるように、前記運転状態調整部に、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方を調整させる、燃料電池システム。
ここで、負電圧が発生している期間に、燃料電池に許容される電流積算値と、燃料電池に許容される電流密度との対応関係は、燃料電池の内部の湿潤状態、または、運転温度に応じて変化する。適用例４の燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される電流が、燃料電池の運転許容領域外である場合であっても、燃料電池の内部の湿潤状態と、運転温度のうちの少なくとも一方を調整して、運転許容領域を拡大させることにより、その要求電流が、運転許容域内に収まるようにすることができる。
【００１０】
［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理の完了時に、前記出力制限処理において前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値を不揮発的に記憶し、前記出力制限処理が再開されたときには、記憶された前記電流積算値と、前記出力制限処理が再開された後に、前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積電流積算値を用いて、前記出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムの再起動後にも、電流積算値が記録される。そのため、燃料電池システムの再起動後に、電流制限処理が再び実行された場合でも、その記録された電流積算値から累積された累積電流積算値を用いて、電流制限処理が実行される。
【００１１】
［適用例６］
適用例１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、ユーザーに前記燃料電池の劣化を警報する警報部を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電流密度の下限値を予め記憶しており、前記出力制限処理において、前記燃料電池の電流密度が前記下限値より低くなる場合には、前記警報部に、前記燃料電池の劣化を警報させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理実行中に、負電圧が回復せず、予め設定された燃料電池の電流密度の下限値に到達してしまった場合には、ユーザーに燃料電池の劣化が警報される。従って、ユーザーは、燃料電池をメンテナンスすべきタイミングを適切に知ることができる。
【００１２】
［適用例７］
適用例１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、を備え、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいて、前記指令値の電流密度を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理の実行によって燃料電池の出力が制限される場合であっても、適切に冷媒の供給流量が制御されるため、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の運転温度の上昇が促進される。従って、燃料電池が負電圧発生状態から回復する可能性が高くなる。
【００１３】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に出力させた場合の前記燃料電池の上昇温推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値よりも低い場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理によって燃料電池の出力が制限されているために、燃料電池の運転温度を目標値に到達させることが困難である場合には、燃料電池への冷媒の供給が停止される。従って、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の昇温が促進され、負電圧発生状態からの回復の可能性が高くなる。
【００１４】
［適用例９］
適用例８記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池の運転温度の上昇する速度が、予め設定された閾値より低い場合には、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理が実行されている場合に、燃料電池の運転温度の実測値に基づき、燃料電池の昇温速度が目標値に到達していない場合には、燃料電池への冷媒の供給が停止される。従って、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の昇温が促進され、負電圧発生状態からの回復の可能性が高くなる。
【００１５】
［適用例１０］
外部負荷の要求に応じて、１つ以上の発電体を有する燃料電池に発電させた電力を出力する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する工程と、
（ｂ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間における前記燃料電池の電流を時間積分することにより求められる電流積算値を計測する工程と、
（ｃ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との予め設定された対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域の範囲内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【００１６】
［適用例１１］
外部負荷の要求に応じて発電した電力を出力する燃料電池システムであって、１つ以上の発電体を有する燃料電池と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との対応関係を予め記憶しており、前記制御部は、負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立する場合には、前記１つ以上の発電体において負電圧が発生しているものとして、前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、経験的・実験的に負電圧が発生する可能性が高い場合として想定される環境条件の時に、負電圧を発生しない場合であっても、出力制限処理が実行される。従って、より確実に、燃料電池の性能低下および劣化を抑制することができる。
【００１７】
［適用例１２］
適用例１１記載の燃料電池システムであって、前記対応関係は、前記燃料電池の電流積算値を第１の軸とし、前記燃料電池の電流密度を第２の軸とするグラフによって表したときに、前記許容される電流積算値が高いほど、前記許容される電流密度が低くなる下に凸のグラフとして表される、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、制御部が記憶する電流積算値と電流密度との対応関係において、運転許容領域を、負電圧を発生している発電体の性能の低下が生じない適切な範囲で設定しておくことができる。従って、より適切に、負電圧の発生による燃料電池の性能の低下および劣化を抑制することができる。
【００１８】
［適用例１３］
適用例１２記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、電流積算値の増加に応じて、前記燃料電池の電流密度を、前記下に凸のグラフで示される前記許容される電流密度の最大値を示す曲線に沿って低下させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、負電圧が発生した場合に、運転許容領域の許容限界値に沿って、燃料電池の出力を制限できる。従って、燃料電池の出力を必要以上に制限することを抑制しつつ、負電圧の発生による燃料電池の性能低下および劣化を抑制することができる。
【００１９】
［適用例１４］
適用例１１〜１３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の内部の湿潤状態を調整するために前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を制御する加湿部と、前記燃料電池の運転温度を調整するために前記燃料電池に供給される冷媒の供給流量を制御する冷媒供給部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態調整部と、前記対応関係を、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方に応じて変更する対応関係変更部と、を備え、前記制御部は、前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に前記外部負荷から要求された出力電流に対応する電流密度が所定の値より大きい場合には、前記対応関係変更部による前記対応関係の変更により前記運転許容領域が拡大されるように、前記運転状態調整部に、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方を調整させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される電流が、燃料電池の運転許容領域外である場合であっても、燃料電池の内部の湿潤状態と、運転温度のうちの少なくとも一方を調整して、運転許容領域を拡大させることにより、その要求電流が、運転許容域内に収まるようにすることができる。
【００２０】
［適用例１５］
適用例１１〜１４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理の完了時に、前記出力制限処理において前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値を不揮発的に記憶し、前記出力制限処理が再開されたときには、記憶された前記電流積算値と、前記出力制限処理が再開された後に、前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積電流積算値を用いて、前記出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムの再起動後に、電流制限処理が再び実行された場合でも、記録された電流積算値から累積された累積電流積算値を用いて、電流制限処理が実行される。
【００２１】
［適用例１６］
適用例１１〜１５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、ユーザーに前記燃料電池の劣化を警報する警報部を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電流密度の下限値を予め記憶しており、前記出力制限処理において、前記燃料電池の電流密度が前記下限値より低くなる場合には、前記警報部に、前記燃料電池の劣化を警報させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理実行中に、負電圧が回復せず、予め設定された燃料電池の電流密度の下限値に到達してしまった場合には、ユーザーに燃料電池の劣化が警報される。従って、ユーザーは、燃料電池をメンテナンスすべきタイミングを適切に知ることができる。
【００２２】
［適用例１７］
適用例１１〜１６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、を備え、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいて、前記指令値の電流密度を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理の実行によって燃料電池の出力が制限される場合であっても、適切に冷媒の供給流量が制御されるため、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の運転温度の上昇が促進される。従って、燃料電池が負電圧発生状態から回復する可能性が高くなる。
【００２３】
［適用例１８］
適用例１７記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に出力させた場合の前記燃料電池昇の上昇推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値よりも低い場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理によって燃料電池の出力が制限されているために、燃料電池の運転温度を目標値に到達させることが困難である場合には、燃料電池への冷媒の供給が停止される。従って、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の昇温が促進され、負電圧発生状態からの回復の可能性が高くなる。
【００２４】
［適用例１９］
適用例１８記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池の運転温度の上昇する速度が、予め設定された閾値より低い場合には、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理が実行されている場合に、燃料電池の運転温度の実測値に基づき、燃料電池の昇温速度が目標値に到達していない場合には、燃料電池への冷媒の供給が停止される。従って、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の昇温が促進され、負電圧発生状態からの回復の可能性が高くなる。
【００２５】
［適用例２０］
外部負荷の要求に応じて、１つ以上の発電体を有する燃料電池に発電させた電力を出力する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体において負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立している期間における前記燃料電池の電流を時間積分することにより求められる電流積算値を計測する工程と、
（ｂ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との予め設定された対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域の範囲内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する工程と、を備える、制御方法。
【００２６】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両、その燃料電池システムの制御方法、それらのシステムや車両、制御方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図３】燃料電池システムにおける燃料電池の出力制御を説明するための説明図。
【図４】水素の供給不良によって生じた負電圧による燃料電池の性能低下を説明するための説明図。
【図５】負電圧回復処理の処理手順を説明するための説明図。
【図６】負電圧が発電許容レベルから性能低下レベルへと移行するタイミングを説明するための説明図。
【図７】実験により規定された燃料電池の運転許容領域を説明するための説明図。
【図８】電流制限処理を説明するための模式図。
【図９】第１実施例の他の構成例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１０】第１実施例の他の構成例における負電圧回復処理の処理手順を説明するための説明図。
【図１１】第１実施例の他の構成例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１２】第１実施例の他の構成例における負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１３】第２実施例としての負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１４】第２実施例における電流制限処理を説明するための説明図。
【図１５】第３実施例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１６】第３実施例における負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１７】燃料電池内部の湿度状態の変化による運転許容領域の変化を示す説明図。
【図１８】運転許容領域変更処理の処理手順を示す説明図。
【図１９】燃料電池内部の目標湿度を決定するために用いる湿度決定マップの一例を示す説明図。
【図２０】湿度決定マップを用いた燃料電池内部の目標湿度の決定処理を説明するための説明図と、許容領域マップの変更処理を説明するための説明図。
【図２１】第４実施例としての燃料電池システムにおける許容領域変更処理を説明するための説明図。
【図２２】第５実施例の負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図２３】第５実施例における冷媒制御処理の処理手順を示す説明図。
【図２４】第６実施例における負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図２５】第６実施例における第１と第２の冷媒制御処理の処理手順を示す説明図。
【図２６】本発明の参考例として、低温環境下における負電圧セルのセル温度の時間変化を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０とを備える。
【００２９】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。各発電体１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。
【００３０】
ここで、電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。また、電極は、カーボン（Ｃ）によって構成することができる。なお、電極の電解質膜側の面には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されている。各発電体１１には、反応ガスや冷媒のためのマニホールド（図示せず）が設けられている。マニホールドの反応ガスは、各発電体１１に設けられたガス流路を介して、各発電体１１の発電部に供給される。
【００３１】
制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部２０は、外部負荷２００からの出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する燃料電池システム１００の各構成部を制御し、燃料電池１０に発電させる。
【００３２】
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、加湿部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。
【００３３】
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。
【００３４】
開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、カソードガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
【００３５】
加湿部３５は、エアコンプレッサ３２から送り出された高圧空気を加湿する。制御部２０は、電解質膜の湿潤状態を保持して良好なプロトン伝導性を得るために、加湿部３５によって、燃料電池１０に供給される空気の加湿量を制御し、燃料電池１０内部の湿潤状態を調整する。
【００３６】
カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。
【００３７】
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、２つの圧力計測部５６ｕ，５６ｄとを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。なお、燃料電池システム１００は、水素タンク５２に換えて、炭化水素系の燃料を改質して水素を生成する改質部を、水素の供給源として備えているものとしても良い。
【００３８】
開閉弁５３、レギュレータ５４、第１の圧力計測部５６ｕ、インジェクタ５５、第２の圧力計測部５６ｄは、アノードガス配管５１に、この順序で上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。
【００３９】
インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。第１と第２の圧力計測部５６ｕ，５６ｄはそれぞれ、インジェクタ５５の上流側と下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、これらの計測値を用いて、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を決定する。
【００４０】
アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。
【００４１】
気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。
【００４２】
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向させている。
【００４３】
アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。
【００４４】
冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、冷媒循環用ポンプ７３と、２つの冷媒温度計測部７４，７５とを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドと出口マニホールドとを連結する配管であり、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させる。ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。
【００４５】
冷媒循環用ポンプ７３は、冷媒用配管７１において、ラジエータ７２より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、ラジエータ７２において冷却された冷媒を燃料電池１０に送り出す。２つの冷媒温度計測部７４，７５はそれぞれ、冷媒用配管７１において、燃料電池１０の冷媒出口の近傍と、冷媒入口の近傍とに設けられており、計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、２つの冷媒温度計測部７４，７５のそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出し、その検出結果に基づき、冷媒循環用ポンプ７３が送り出す冷媒量を制御することにより、燃料電池１０の運転温度を調整する。
【００４６】
図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３とを備える。また、燃料電池システム１００は、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２と、インピーダンス計測部９３と、充電状態検出部９４とを備える。
【００４７】
燃料電池１０は、直流電源ラインＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、外部負荷２００に接続されている。なお、燃料電池システム１００では、燃料電池１０と二次電池８１とが出力する電力の一部を、燃料電池システム１００を構成する各補機類を駆動するために用いるが、そのための配線の図示および説明は省略する。
【００４８】
二次電池８１は、燃料電池１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ８２は、二次電池８１の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部２０からの指令に応じて直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。制御部２０は、燃料電池１０の出力が外部負荷２００からの出力要求に対して不足するような場合には、その不足分を補償させるために、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に対して、二次電池８１の放電を指令する。
【００４９】
ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、外部負荷２００に供給する。なお、外部負荷２００において回生電力が発生する場合には、その回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ８３によって直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に充電される。
【００５０】
セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各発電体１１と接続されており、各発電体１１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部２０に送信する。なお、セル電圧計測部９１は、計測したセル電圧のうち、最も低いセル電圧のみを制御部２０に送信するものとしても良い。
【００５１】
電流計測部９２は、直流電源ラインＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。充電状態検出部９４は、二次電池８１に接続されており、二次電池８１の充電状態（SOC：State of Charge）を検出し、制御部２０に送信する。
【００５２】
インピーダンス計測部９３は、燃料電池１０に接続されており、燃料電池１０に交流電流を印加することにより、燃料電池１０のインピーダンスを測定する。ここで、燃料電池１０のインピーダンスは、燃料電池１０の内部に存在する水分量に応じて変化することが知られている。即ち、燃料電池１０のインピーダンスと、燃料電池１０内部の水分量（湿度）との対応関係を予め取得しておき、燃料電池１０のインピーダンスを計測することにより、燃料電池１０内部の水分量（湿度）を求めることができる。
【００５３】
ところで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０は、電流積算値計測部２１としても機能する。電流積算値計測部２１は、所定の期間において電流計測部９２が計測した燃料電池１０の電流を時間積分することにより、燃料電池１０が出力した電気量を表す電流積算値を算出する。制御部２０は、この電流積算値を用いて、発電体１１の発電性能の低下を抑制するための電流制限処理を実行するが、詳細は後述する。
【００５４】
図３（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池システム１００における燃料電池１０の出力制御を説明するための説明図である。図３（Ａ）は、燃料電池１０のＷ−Ｉ特性を示すグラフであり、縦軸が燃料電池１０の電力を表し、横軸が燃料電池１０の電流を表している。一般に、燃料電池のＷ−Ｉ特性は、上に凸の曲線グラフによって表される。
【００５５】
図３（Ｂ）は、燃料電池１０のＶ−Ｉ特性を示すグラフであり、縦軸が燃料電池１０の電圧を表し、横軸が燃料電池１０の電流を表している。一般に、燃料電池のＶ−Ｉ特性は、電流の増加に従って下降する横Ｓ字状の曲線グラフによって表される。なお、図３（Ａ），（Ｂ）では、それぞれのグラフの横軸が互いに対応するように図示されている。
【００５６】
制御部２０は、これらの燃料電池１０についてのＷ−Ｉ特性およびＶ−Ｉ特性を予め記憶している。制御部２０は、Ｗ−Ｉ特性を用いて、外部負荷２００が要求する電力Ｐｔに対して燃料電池１０が出力すべき目標電流Ｉｔを取得する。また、制御部２０は、Ｖ−Ｉ特性を用いて、Ｗ−Ｉ特性から得られた目標電流Ｉｔを出力するための燃料電池１０の目標電圧Ｖｔを決定する。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に目標電圧Ｖｔを設定し、直流電源ラインＤＣＬの電圧を調整させる。
【００５７】
ところで、前記したとおり、燃料電池１０では、反応ガスは、マニホールドから各発電体１１のガス流路へと流入する。しかし、発電体１１のガス流路は、燃料電池１０において生成された水分などにより閉塞されてしまう場合がある。一部の発電体１１においてガス流路の閉塞が生じた状態で、燃料電池１０に発電を継続させた場合には、当該一部の発電体１１では、反応ガスの供給不足により発電反応が抑制されてしまう。一方、他の発電体１１は発電を継続するため、当該一部の発電体１１は、燃料電池１０において抵抗として働き、負電圧を発生することとなる。以後、負電圧を発生している発電体１１を、本明細書では、「負電圧セル１１」とも呼ぶ。
【００５８】
負電圧セル１１の負電圧状態が継続されると、負電圧セル１１における電極の劣化が進行し、燃料電池１０の発電性能の低下が生じてしまうことが知られている。ここで、負電圧の発生原因としては、アノードへの水素の供給が阻害された水素の供給不良の場合と、カソードへの酸素の供給が阻害された酸素の供給不良の場合とがある。アノードへの水素の供給不良を原因とする負電圧の発生の場合には、負電圧のレベルによって、燃料電池１０の性能が次のように低下する。
【００５９】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、発電体１１において水素の供給不良によって生じた負電圧による燃料電池１０の性能低下を説明するための説明図である。図４（Ａ）は、発電体１１において負電圧が発生したときのセル電圧の変化を示すグラフである。図４（Ａ）のグラフでは、縦軸がセル電圧を表しており、横軸が時間を表している。
【００６０】
このグラフでは、時刻ｔ0において負電圧が発生し、セル電圧は電圧Ｖ1までほぼ垂直に降下している。その後、セル電圧は電圧Ｖ1近傍で一定に保持され、時刻ｔ1において再び電圧Ｖ2までほぼ垂直に降下し、そのまま電圧Ｖ2でほぼ一定に保持される。このように、水素の供給不良によって生じた負電圧のレベルは、時間の経過とともに、略階段状に２段階で低下する。
【００６１】
ここで、負電圧セル１１のアノードでは、水素の供給不足を補償するために、次の化学反応によってプロトンが生成される。即ち、時刻ｔ0〜時刻ｔ1の期間では、下記の反応式（１）に示す水分解反応によってプロトンが生成され、時刻ｔ2以降では、下記の反応式（２）に示す電極（アノード）を構成するカーボンの酸化反応によってプロトンが生成される。
２Ｈ2Ｏ  →  Ｏ2 ＋  ４Ｈ+  ＋  ｅ-  …（１）
Ｃ  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  …（２）
【００６２】
図４（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ、時刻ｔ0〜時刻ｔ1の期間および時刻ｔ1以降における負電圧セル１１の発電性能を示すグラフである。図４（Ｂ），（Ｃ）には、横軸を電流密度とし、縦軸をセル電圧とする負電圧セル１１のＩ−Ｖ特性を示すグラフＧI-Vとともに、横軸を電流密度とし、縦軸を抵抗とする負電圧セル１１のＩ−Ｒ特性を示すグラフＧI-Rが図示されている。なお、図４（Ｃ）には、特性の変化を示すために、図４（Ｂ）に示されていたグラフＧI-V，ＧI-Rを破線で図示し、各グラフが移動した方向を示す矢印が図示してある。
【００６３】
このように、時刻ｔ0〜時刻ｔ1の期間のように、負電圧セル１１のアノードにおいて水分解反応が生じている場合には、燃料電池１０の発電性能の低下は比較的抑制される（図４（Ｂ））。なお、図４（Ｂ）のときに、負電圧が発生していない発電体１１のＩ−Ｖ特性は、負電圧セル１１のＩ−Ｖ特性と、ほぼ一致する。一方、時刻ｔ1以降のように、負電圧セル１１のアノードにおいてカーボンの酸化反応が生じている場合には、負電圧セル１１のＩ−Ｖ特性は低下するとともに、負電圧セル１１における内部抵抗が増大する（図４（Ｃ））。なお、負電圧セル１１の性能の低下により、燃料電池１０の発電性能も低下する。また、時刻ｔ1以降のように、電極のカーボンが酸化した場合には、燃料電池１０を再起動した後においても、負電圧セル１１における発電性能の回復は困難となる。
【００６４】
以後、本明細書では、時刻ｔ0〜時刻ｔ1の期間のように、負電圧セル１１のアノードにおける水分解反応により、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制しつつ、発電の継続が可能な負電圧のレベルを「発電許容レベル」と呼ぶ。また、時刻ｔ1以降のように、負電圧セル１１の電極の劣化を生じるとともに、燃料電池１０の発電性能が低下してしまう負電圧のレベルを「性能低下レベル」と呼ぶ。
【００６５】
本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の発電体１１において、負電圧の発生が検出された場合には、以下に説明する負電圧回復処理により、負電圧状態の回復を図る。なお、この負電圧回復処理では、負電圧の原因が、水素の供給不良によるものと判定された場合には、負電圧のレベルが性能低下レベルにまで到達することが抑制される出力制御を実行し、負電圧セル１１における電極の劣化を回避しつつ、負電圧の回復を図る。
【００６６】
図５は、制御部２０が実行する負電圧回復処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。制御部２０は、燃料電池１０の通常の運転（ステップＳ５）を開始した後に、セル電圧計測部９１によって、発電体１１のうちの少なくとも１つにおいて負電圧が検出された場合には、ステップＳ２０以降の処理を開始する（ステップＳ１０）。ステップＳ２０では、制御部２０は、電流積算値計測部２１に、後述する電流制限処理に用いられる電流積算値の計測を開始させる。
【００６７】
ここで、ステップＳ１０において負電圧の発生が検出された段階では、負電圧の発生原因が、アノードへの水素の供給不良によるものであるのか、カソードへの酸素の供給不良によるものであるのかが判別されていない。そこで、ステップＳ３０では、制御部２０は、まず、エアコンプレッサ３２の回転数を増大させて、燃料電池１０に対する空気の供給量を増大させる。カソードへの酸素の供給不良によって負電圧が発生している場合には、この処理によって、空気の供給量不足を解消するとともに、カソード側のガス流路を閉塞する水分を掃気し、その閉塞を解消することができる。
【００６８】
制御部２０は、空気の供給量を増大させた後に、負電圧セル１１の電圧が上昇した場合には、負電圧が回復したものとして、燃料電池１０の通常の運転制御に戻る（ステップＳ４０）。そして、空気の供給量増大によっても負電圧が回復しなかった場合には、制御部２０は、負電圧の発生原因が、水素の供給不良によるものと判定し、ステップＳ５０以降の電極劣化および発電性能の低下を回避するための電流制限処理を開始する。
【００６９】
ステップＳ５０では、制御部２０は、電流積算値計測部２１から、負電圧が発生した期間において出力された燃料電池１０の電流に基づいて、電流積算値を取得する。ステップＳ６０，Ｓ７０では、ステップＳ５０で取得した電流積算値を用いて、燃料電池１０の出力限界を求め、その範囲内で燃料電池１０に出力させる。これによって、負電圧セル１１における電極の劣化や、燃料電池１０の発電性能の低下が抑制される。ここで、ステップＳ６０，Ｓ７０における具体的な処理の内容を説明する前に、本発明の発明者が実験によって得た、電流積算値と、負電圧による電極の酸化および発電性能の低下を回避するための燃料電池１０の出力限界との関係を説明する。
【００７０】
図６は、本発明の発明者が、負電圧が発電許容レベルから性能低下レベルへと移行するタイミングを調べるために行った実験結果を示すグラフである。この実験では、任意の１つの発電体１１について、アノード側のガス流路を閉塞させた状態で、燃料電池１０に、一定の反応ガスの流量、かつ、一定の運転温度で、一定の電流を出力させる発電を、一定の間隔で５回にわたって断続的に行った。図６のグラフは、その発電回数ごとの負電圧の時間変化を示すグラフである。
【００７１】
１回目〜３回目の発電の際にはそれぞれ、負電圧が発電許容レベルに到達する前に計測時間が終了した。しかし、４回目の発電の際には、計測途中で、セル電圧は、性能低下レベルに低下した。そして、５回目の発電の際には、発電の開始とともに、セル電圧は、性能低下レベルまで低下した。
【００７２】
本発明の発明者は、燃料電池１０の出力電流値を変えて、同様の実験を繰り返し、負電圧が発電許容レベルから性能低下レベルへと移行するまでの累積時間は、負電圧発生後に発電の停止と再開を繰り返した場合であっても、電流密度ごとにほぼ一定であるとの知見を得た。これは、水分解反応によって負電圧セル１１のアノードに形成される酸化被膜が、発電を停止させた場合であっても残留するほど強固であるためであると考えられる。
【００７３】
そして、負電圧が発生してから負電圧が性能低下レベルに到達するまでの間において出力できる電気量は電流密度ごとにほぼ一定であり、その期間に出力された電気量は、その期間の発電の履歴として残るものと考えられる。これらの知見から、本発明の発明者は、負電圧が性能低下レベルに移行する前に燃料電池１０に許容される運転条件は、発電許容レベルの負電圧発生期間における燃料電池１０の電流密度と、その期間における燃料電池１０の電流積算値とで規定できることを見出した。
【００７４】
図７は、本発明の発明者が、発電許容レベルの負電圧が発生している期間において燃料電池１０に許容される運転条件を規定するために行った実験結果を示すグラフである。この実験では、任意の１つの発電体１１について、アノード側のガス流路を閉塞させ、負電圧が発生してから性能低下レベルに到達するまで燃料電池１０に発電を継続させたときの電流積算値を計測した。そして、この電流積算値の計測を、燃料電池１０の電流密度を変えて複数回行うことにより、電流密度ごとの電流積算値を求めた。なお、この実験では、燃料電池１０に対して供給される反応ガスの流量と、燃料電池１０の運転温度は一定とした。
【００７５】
図７のグラフは、縦軸を電流積算値とし、横軸を電流密度として、上記実験の計測結果をプロットすることにより得られたグラフである。このように、発電許容レベルの負電圧を発生している期間における燃料電池１０の電流密度と、その期間に燃料電池１０に許容される電流積算値との間の関係は、下に凸の下降曲線グラフによって表される。即ち、発電許容レベルの負電圧を発生している期間（以後、「発電許容期間」とも呼ぶ）における燃料電池１０の電流密度が大きいほど、その期間に燃料電池１０に許容される電流積算値は、略指数関数的に減少する。
【００７６】
ここで、図７において、ハッチングを付した下に凸の曲線グラフの下側の領域は、発電許容期間に燃料電池１０に許容される電流密度と電流積算値との組み合わせが含まれる領域と解釈できる。この領域を以後、「運転許容領域」と呼ぶ。即ち、水素の供給不良によって、負電圧が発生している場合には、この運転領域内に収まる電流密度と電流積算値との組み合わせで燃料電池１０に出力させれば、負電圧が性能低下レベルに到達することを回避しつつ、発電を継続させることが可能である。なお、このグラフの縦軸が電流積算値であることからも理解できるとおり、この運転許容領域は、負電圧発生後の燃料電池１０の発電時間の増加に従って縮小していく。
【００７７】
本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０は、図７のグラフによって表された、負電圧が発生している期間に燃料電池１０に許容される電流積算値と、燃料電池１０に許容される電流密度との対応関係をマップとして予め記憶している。そして、そのマップ（以後、「許容領域マップ」と呼ぶ）を用いることにより、ステップＳ６０，Ｓ７０（図５）における電流制限処理を実行する。
【００７８】
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、ステップＳ６０，Ｓ７０における処理を説明するための模式図である。図８（Ａ）〜（Ｃ）には、前記した許容領域マップＭPAを、縦軸を電流積算値とし、横軸を電流密度とするグラフによって表してある。図８（Ａ），（Ｂ）の許容領域マップＭPAのグラフには、運転許容領域にハッチングが付してある。ここで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０が、燃料電池システム１００の運転を継続するために、燃料電池１０が出力すべき最低限の電流密度ｉlim（「最低電流密度ｉlim」とも呼ぶ）が設定されている。そのため、その最低電流密度ｉlim以下の領域は、運転許容領域に含まれていない。
【００７９】
ステップＳ６０では、制御部２０は、電流積算値計測部２１によって取得された電流積算値Ｑｅ1に対する電流密度ｉ1を取得する（図８（Ａ））。以後、許容領域マップＭPAによって取得される電流密度を「限界電流密度」とも呼ぶ。なお、このときの電流積算値Ｑｅ1は、ステップＳ２０〜Ｓ６０の処理の間に燃料電池１０が出力した電流に基づいて得られる電流積算値である。
【００８０】
ステップＳ７０では、制御部２０は、ステップＳ６０で求められた限界電流密度ｉ1を、現在、燃料電池１０に許容されている電流密度として、その限界電流密度ｉ1より小さい電流密度ｉ1c（「制限電流密度ｉ1c」とも呼ぶ）で燃料電池１０に発電させる。具体的には、制御部２０は、限界電流密度ｉ1から、予め設定された値Δｉを引いて、制限電流密度ｉ1cを算出するものとしても良い（ｉ1c＝ｉ1−Δｉ）。なお、この予め設定された値Δｉは、限界電流密度の値に応じて変動するものとしても良い。具体的には、限界電流密度が小さいほど、値Δｉは大きい値が設定されるものとしても良い。
【００８１】
許容領域マップＭPAにおける運転許容領域は、縦軸方向に、電流積算値Ｑｅ1の分だけ縮小されているため、ステップＳ７０において、限界電流密度ｉ1よりも小さい制限電流密度ｉ1cでの発電を開始すれば、燃料電池１０の出力が運転許容領域内に収まる。従って、電極の劣化を回避しつつ燃料電池１０の運転を継続することが可能である。
【００８２】
ここで、制御部２０は、燃料電池１０の運転の継続が可能なように電流制限がされている間に、ステップＳ８０において水素の供給不良を回復するための処理を開始する。具体的には、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を調整したり、水素循環用ポンプ６４の回転数を増大させるなどして、燃料電池１０に対する水素の供給流量を増大させ、燃料電池１０における水素の圧力を増大させるものとしてもよい。
【００８３】
なお、燃料電池システム１００が低温環境下にある場合には、水分の凍結により、アノードのガス流路が閉塞している可能性がある。そのため、この場合には、冷媒循環用ポンプ７３の回転数を低下させるなど、燃料電池１０の温度を上昇させるための処理を実行するものとしても良い。
【００８４】
ステップＳ８０の水素の供給不良回復処理の実行を開始した後に、負電圧が回復しない場合には、制御部２０は、再びステップＳ５０〜Ｓ７０の電流制限処理を繰り返す（ステップＳ９０）。ステップＳ５０では、前回と同様に、負電圧の検出後から現在までに燃料電池１０が出力した電流に基づいて、電流積算値Ｑｅ2を取得する（ステップＳ５０）。そして、許容領域マップＭPAを用いて、その電流積算値Ｑｅ2に対する限界電流密度ｉ2を取得する（図８（Ｂ））。ステップＳ７０では、制御部２０は、その限界電流密度ｉ2より小さい制限電流密度ｉ2cで燃料電池１０に発電させる。
【００８５】
図８（Ｃ）は、電流制限処理における限界電流密度の変化を説明するための模式図である。ステップＳ５０〜Ｓ８０の電流制限処理は、負電圧が回復するまで繰り返し実行される（ステップＳ９０）。その電流制限処理の繰り返しの間に、限界電流密度は、電流積算値の増大に応じて、グラフで示される曲線に沿って段階的に減少していく（グラフ中の矢印）。また、燃料電池１０の電流は、限界電流密度の変化と同様に、グラフに沿って段階的に減少していく。なお、制御部２０は、ステップＳ６０において取得された制限電流密度が、最低電流密度ｉlim以下となった場合には、負電圧が回復せず、最低限度の燃料電池１０の出力が得られないもの判定して、燃料電池１０の再起動処理を実行する。
【００８６】
このように、本実施例の燃料電池システム１００によれば、負電圧回復処理において、負電圧の原因が水素供給不良によるものであると判定された場合には、電流制限処理により、負電圧が性能低下レベルまで低下してしまうことを抑制しつつ発電を継続する。そして、電流制限処理の間に、負電圧を回復するための処理を実行する。従って、負電圧による燃料電池１０の発電性能の低下や、燃料電池１０の電極の劣化を抑制することができる。
【００８７】
A-1.第１実施例の他の構成例１：
図９は、本発明の第１実施例の他の構成例としての燃料電池システム１００ａの電気的構成を示す概略図である。図９は、電流積算値記録部２３が追加されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、この構成例における燃料電池システム１００ａの他の構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１）。燃料電池システム１００ａの電流積算値記録部２３（図２）は、ＥＥＰＲＯＭ（ Erasable Programmable Read Only Memory）などのデータの消去・書き換えが可能な不揮発性メモリによって構成される。
【００８８】
図１０は、燃料電池システム１００ａにおいて実行される負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図１０は、ステップＳ９０の後に、ステップＳ１００が追加されている点以外は、図５とほぼ同じである。燃料電池システム１００ａでは、燃料電池１０において負電圧の発生が検出された場合には、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、負電圧回復処理を実行する。そして、その負電圧回復処理において、負電圧の発生原因が水素の供給不良によるものであると判定された場合には、第１実施例で説明したのと同様な電流制限処理を実行する（ステップＳ５０〜Ｓ９０）。
【００８９】
電流制限処理の実行中に負電圧が回復した場合には、制御部２０は、電流制限処理の電流制限処理に用いられた電流積算値を電流積算値記録部２３に記録する（ステップＳ１００）。ここで、電流制限処理によって負電圧が回復した場合を想定する。このような場合であっても、負電圧を発生していた発電体１１のメンテナンスがなされなければ、その発電体１１が再び負電圧を発生して、電流制限処理が開始されたときの運転許容領域は、前回の電流制限処理終了時における運転許容領域となる。
【００９０】
そこで、制御部２０は、ステップＳ１００において、次回の電流制限処理に備えて、電流積算値を不揮発的に記録しておく。ここで、制御部２０は、負電圧の発生時には、負電圧を発生している発電体１１を特定しており、電流積算値記録部２３に、負電圧を発生した発電体１１ごとの電流積算値を記録する。
【００９１】
制御部２０は、再び電流制限処理が実行されたときに、ステップＳ２０において、電流積算値記録部２３に記録された、負電圧を発生している発電体１１に対応する電流積算値を、電流積算値の初期値として読み込み、電流積算値の計測を開始する。即ち、制御部２０は、電流積算値記録部２３に記録された電流積算値と、電流制限処理が再開された後に燃料電池１０に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積の電流積算値を用いて、電流制限処理を実行する。なお、負電圧の発生原因となった発電体１１がメンテナンスされた場合には、電流積算値記録部２３に記録されている、そのメンテナンスされた発電体１１の電流積算値は、初期化されるものとしても良い。
【００９２】
A-2.第１実施例の他の構成例２：
図１１は、本発明の第１実施例の他の構成例としての燃料電池システム１００ｂの構成を示す概略図である。図１１は、警報部２５が追加されている点以外は図９とほぼ同じである。なお、この構成例における燃料電池システム１００ｂの他の構成は、上記の構成例における燃料電池１００ａと同様である（図１）。
【００９３】
燃料電池システム１００ｂの警報部２５（図１１）は、制御部２０の指令に応じて、燃料電池システム１００ｂのユーザーに対して、燃料電池１０のメンテナンスの警告を視覚的または聴覚的に実行する。警報部２５は、例えば、ユーザーが視認可能なディスプレイや発光部によって構成されるものとしても良く、スピーカやブザーによって構成されるものとしても良い。
【００９４】
図１２は燃料電池システム１００ｂにおいて実行される負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図１２は、ステップＳ６２，Ｓ６３が追加されている点以外は、図１０とほぼ同じである。この構成例の燃料電池システム１００ｂが実行する負電圧回復処理では、ステップＳ６０において許容領域マップＭＰＡ（図８）を用いて限界電流密度を得た後に、ステップＳ６２において、その限界電流密度が所定の閾値以下であるか否かを判定する。ここで、所定の閾値としては、例えば、燃料電池システム１００ｂの運転を継続可能な程度の電力を得るのに必要な電流密度であるものとしても良い。
【００９５】
ステップＳ６２において限界電流密度が所定の閾値より低いと判定された場合には、制御部２０は、燃料電池１０をメンテナンスしなければ燃料電池システム１００ｂの運転継続が困難であるものとして、警報部２５に警報処理を実行させる（ステップＳ６３）。具体的に、この警報処理では、燃料電池システム１００ｂの運転を停止して、負電圧を発生している発電体１１の交換を促すメッセージを、ユーザーに報知するものとしても良い。
【００９６】
このように、この構成例の燃料電池システム１００ｂであれば、警報部２５によって、電流制限処理において、燃料電池１０の出力が制限され、燃料電池システム１００ｂの運転継続が困難となることが、システムのユーザーに適切に報知される。従って、ユーザーは、燃料電池１０のメンテナンスを実施すべきであることを知ることができる。なお、制御部２０は、電流制限処理の実行時や、ステップＳ１００における電流積算値の記録時に、電流積算値が所定の閾値以上である場合に、警報部２５を介して、ユーザーにその旨を通知するものとしても良い。
【００９７】
B．第２実施例：
図１３は本発明の第２実施例としての負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図１３は、ステップＳ６０，Ｓ７０に換えて、ステップＳ６１，Ｓ７１が設けられている点と、ステップＳ９１が追加されている点以外は、図５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実施例で説明した燃料電池システム１００と同様である（図１，図２）。第２実施例の燃料電池システムでは、ステップＳ５０〜Ｓ９１において、燃料電池１０に許容される電流積算値をもとめ、その電流積算値に基づいて、電流制限処理を実行する。
【００９８】
図１４は、第２実施例における電流制限処理を説明するための説明図であり、第１実施例で説明したのと同様な許容領域マップＭPAを表すグラフが図示されている。ステップＳ６１では、制御部２０は、ステップＳ５０で取得された電流積算値Ｑｅ1に対する限界電流密度ｉ1を取得する。そして、その限界電流密度ｉ1より予め設定された値だけ小さい制限電流密度ｉ1cを、燃料電池１０に対する出力指令値として決定し、その制限電流密度ｉ1cで燃料電池１０に発電させる。
【００９９】
ステップＳ７１では、制御部２０は、再び、許容領域マップＭPAを用いて、燃料電池１０に対する指令値である制限電流密度ｉ1cに対する電流積算値Ｑｅ2を取得する。制御部２０は、その電流積算値Ｑｅ2より所定の値だけ小さい値を、燃料電池１０に許容される電流積算値（以後。「限界電流積算値」とも呼ぶ）とする。そして、制御部２０は、ステップＳ８０において、水素の供給不良を回復するための処理を実行し、ステップＳ９０において、負電圧が回復しているか否かの判定を実行する。
【０１００】
負電圧が回復した場合には、制御部２０は、通常の運転制御（ステップＳ５）を再開する。まだ、負電圧が回復しない場合には、制御部２０は、電流積算値計測部２１から、負電圧発生期間における電流積算値を取得し、ステップＳ７１で取得した限界電流積算値に到達したか否かを判定する（ステップＳ９１）。現在の電流積算値が、限界電流積算値に到達していない場合には、制御部２０は、ステップＳ８０，Ｓ９０の処理を繰り返す。
【０１０１】
ステップＳ９１において、現在の電流積算値が、限界電流積算値に到達していた場合には、制御部２０は、ステップＳ６１へと戻り、指令値として設定されていた制限電流密度ｉ1cより予め設定された値だけ小さい電流密度ｉ2cを、燃料電池１０に対する新たな指令値として設定する。ステップＳ７１では、許容領域マップＭPAを用いて、新たな指令値である電流密度ｉ2に対する電流積算値Ｑｅ2を取得し、その電流積算値Ｑｅ2に基づいて、限界電流積算値を決定する。
【０１０２】
このように、第２実施例の電流制限処理では、制御部２０は、許容領域マップＭPAを用いて、燃料電池１０に対して指令値として設定された電流密度に対する限界電流積算値を求める。そして、電流積算値が電流限界積算値に近づくまで、燃料電池１０に、指令値として設定された電流密度での発電を継続させる。電流積算値が電流限界積算値に近づいたときには、制御部２０は、指令値である電流密度を低下させ、再び、低下後の指令値に対する限界電流積算値を取得し、発電を継続させる。これによって、図１４のグラフ中の矢印に示すように、燃料電池１０の電流密度が、電流積算値の増大に応じて、グラフに沿って段階的に減少していく。
【０１０３】
第２実施例の燃料電池システムによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、負電圧による燃料電池１０の発電性能の低下や、燃料電池１０の電極の劣化を抑制することができる。なお、制御部２０は、許容領域マップＭPAにより取得した限界電流積算値に基づいて、指令値である電流密度による発電可能時間を算出し、その発電時間によって電流密度の指令値を低下させるタイミングを制御するものとしても良い。
【０１０４】
C．第３実施例：
図１５は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの電気的構成を示す概略図である。図１５は、直流電源ラインＤＣＬに開閉スイッチ８４が追加されている点と、制御部２０に許容領域変更部２２が追加されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、燃料電池システム１００Ｂの他の構成は、第１実施例で説明した構成と同様である（図１）。ただし、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、燃料電池１０を一定の運転温度で運転するものとする。
【０１０５】
開閉スイッチ８４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と燃料電池１０との間に設けられており、制御部２０の指令に応じて開閉する。開閉スイッチ８４が閉じているときには、燃料電池１０と外部負荷２００とは電気的に接続され、開閉スイッチ８４が開いているときには、燃料電池１０と外部負荷２００とは電気的に切り離される。なお、燃料電池１０が外部負荷２００から切り離されたときには、外部負荷２００への供給電力は、二次電池８１が出力することができる。
【０１０６】
第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、制御部２０は、許容領域変更部２２としても機能する。許容領域変更部２２は、負電圧回復処理における電流制限処理において、燃料電池１０の運転許容領域を変更するための処理を実行する。具体的な処理内容については後述する。
【０１０７】
図１６は、第３実施例における負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図１６は、ステップＳ６５が追加されている点以外は、図５とほぼ同じである。第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、負電圧回復処理を実行する。そして、この負電圧回復処理において、水素の供給不良によって負電圧が発生していると判定された場合には、電流制限処理および水素の供給不良回復のための処理が実行される。
【０１０８】
ここで、電流制限処理では、燃料電池１０に許容される電流が、外部負荷２００の要求する電力を供給するための燃料電池１０の目標電流より著しく小さい場合には、二次電池８１によっても、その不足分を補償ができない可能性がある。そこで、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、ステップＳ６０において取得された限界電流密度と、燃料電池１０の目標電流を出力するための電流密度との差が、所定の値より大きい場合には、許容領域変更部２２に、運転許容領域変更処理を実行させる（ステップＳ６５）。
【０１０９】
図１７は、燃料電池１０内部の湿度の変化による運転許容領域の変化を示す説明図である。図１７に示されたグラフは、図７のグラフを得るために行った実験と同様な実験を、燃料電池１０の内部の湿度を低下させた状態で行うことによって得られたグラフである。なお、図１７は、図７のグラフと同様に、グラフの下側の運転許容領域にハッチングが付してある。また、図１７のグラフには、便宜上、図７のグラフを示す破線と、その破線グラフからの変化を示す矢印とが図示されている。
【０１１０】
本発明の発明者は、燃料電池１０の内部の湿度を低下さることにより、発電許容期間における電流積算値と電流密度との対応関係を表すグラフは上方向に移動し、運転許容領域が拡大されることを見出した。このように、運転許容領域が拡大されるのは、以下の理由による。
【０１１１】
発電許容期間では、負電圧セル１１のアノードにおいて、上記下反応式（１）の反応とともに、下記の反応式（３）の反応が進行することにより、触媒が不活性化することが知られている。
Ｐｔ  ＋  ２Ｈ2０  →  ＰｔＯ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  …（３）
燃料電池１０の内部の湿度が低下すると、アノードにおける水分量（膜電極接合体の含水量）が減少するため、上記の反応の進行が緩やかとなり、触媒の不活性化が抑制される。そのため、触媒の不活性化の進行を遅延させることができる分だけ、運転許容領域が拡大する。
【０１１２】
即ち、燃料電池１０の内部の湿度を低減させることにより、電流制限処理における燃料電池１０の運転許容領域を拡大することができ、燃料電池１０に許容される電流密度を増大させることが可能である。そこで、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、以下に説明する許容領域変更処理において、燃料電池１０の湿度を低下させ、運転許容領域を拡大する。
【０１１３】
図１８は、許容領域変更部２２が実行する許容領域変更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、許容領域変更部２２は、開閉スイッチ８４を開き、燃料電池１０を外部負荷２００から電気的に切り離す。そして、外部負荷２００に対しては、二次電池８１から電力を供給させる。許容領域変更部２２は、燃料電池１０に発電を一旦停止させ、燃料電池１０内部の湿度の調整を容易に実行できるようにする。ステップＳ１２０では、運転許容領域を拡大するための燃料電池１０内部の目標湿度を取得する。
【０１１４】
図１９は、ステップＳ１２０において、許容領域変更部２２が、燃料電池１０内部の湿度の目標値を決定するために用いる湿度決定マップＭHDの一例を表すグラフである。この湿度決定マップＭHDは、縦軸を電流積算値とし、横軸を湿度としたときに、下に凸の下降曲線のグラフとして表される。湿度決定マップＭHDは、図７で説明したのと同様な実験を、燃料電池１０の内部の湿度ごとに行うことによって得られた測定値を用いて、燃料電池１０の電流密度ごとに、電流積算値と湿度との組み合わせでプロットすることにより得られるものである。
【０１１５】
図２０（Ａ），（Ｂ）は、ステップＳ１２０における湿度決定マップＭHDを用いた燃料電池１０内部の目標湿度の決定処理を説明するための説明図である。図２０（Ａ）には、図１６のステップＳ６０において用いられる許容領域マップＭPAを表すグラフが図示されている。ここで、ステップＳ６０において、電流積算値Ｑｅaが計測されており、許容領域マップＭPAから限界電流密度ｉaが決定され、外部負荷２００から燃料電池１０に対して、運転許容領域外の電流密度ｉtが要求されている場合を想定する。このときに、許容領域変更部２２は、次のように、燃料電池１０内部の目標湿度を決定する。
【０１１６】
許容領域変更部２２は、現在計測されている電流積算値Ｑｅaより、予め設定された所定の値だけ高い電流積算値Ｑｅtを、拡大後の運転許容領域の境界値として決定する。そして、電流密度ごとに準備された湿度決定マップＭHDの中から、要求されている電流密度ｉtに対応するものを選択し、選択された湿度決定マップＭHDを用いて、電流積算値Ｑｅtに対する湿度ｈを目標湿度として取得する（図２０（Ｂ））。
【０１１７】
ステップＳ１３０（図１８）では、許容領域変更部２２は、燃料電池１０内部の湿度が、ステップＳ１２０で取得された目標湿度となるように制御する。具体的には、許容領域変更部２２は、カソードガス供給部３０（図１）のエアコンプレッサ３２の回転数を増大させ、燃料電池１０に供給される空気量を増大させるとともに、加湿部３５による供給空気の加湿量を低下させる。これによって、燃料電池１０の内部を、湿度が低下された供給空気によって掃気でき、燃料電池１０内部の湿度を低下させることができる。なお、許容領域変更部２２は、インピーダンス計測部９３の計測値に基づいて、燃料電池１０内部の湿度が目標湿度に到達したか否かの判定をする。
【０１１８】
図２０（Ｃ）は、ステップＳ１４０における許容領域マップＭPAの変更処理を説明するための説明図である。図２０（Ｃ）には、変更後の許容領域マップＭPAを表すグラフが図示されている。なお、図２０（Ｃ）には、変更前の許容領域マップＭPAを表すグラフが破線で図示されており、運転許容領域がハッチングを付すことにより図示されている。
【０１１９】
ここで、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、燃料電池１０内部の湿度ごとの許容領域マップＭPAが、予め準備され、制御部２０に格納されている。許容領域変更部２２は、湿度ごとの許容領域マップＭPAの中からステップＳ１２０で取得された目標湿度に対応するものを、新たな許容領域マップＭPAとして選択する。燃料電池１０内部の湿度が低下された後の電流制限処理では、新たに選択された許容領域マップＭPAが使用される。なお、この新たに選択された許容領域マップＭPAであれば、運転許容領域が拡大されるため、外部負荷２００から要求されている電流密度ｉtが運転許容領域に含まれることとなる。
【０１２０】
ステップＳ１５０（図１８）では、許容領域変更部２２は、燃料電池１０を起動し、開閉スイッチ８４を閉じて、外部負荷２００と接続させる。ステップＳ１６０では、燃料電池１０が停止している間に、負電圧が回復していないか否かの判定を実行する。負電圧が回復している場合には、燃料電池１０の通常の運転制御（図１６のステップＳ５）を再開する。一方、負電圧が回復していない場合には、ステップＳ５０へと戻り、新たに選択され変更された許容領域マップＭPAを用いた電流制限処理を開始する。
【０１２１】
このように、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂであれば、燃料電池１０内部の湿度を調整することにより、電流制限処理における燃料電池１０の運転許容領域を拡大することができる。従って、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂによれば、負電圧の発生による燃料電池１０の性能低下および劣化を抑制しつつ、外部負荷２００の要求に応じた電力の供給を、より確実に行うことができる。
【０１２２】
D．第４実施例：
図２１は、本発明の第４実施例としての燃料電池システムにおける許容領域変更処理を説明するための説明図である。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。ただし、第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０内部の湿度を一定に保持して、燃料電池１０を運転するものとする。
【０１２３】
図２１（Ａ）は、燃料電池１０の温度を変化させたときの発電許容期間における電流積算値と電流密度との対応関係の変化を、図１７と同様に示すグラフである。図２１（Ａ）の実線グラフは、図７のグラフを得るために行った実験と同様な実験を、燃料電池１０の温度を低下させた状態で行うことによって得られた。
【０１２４】
電流積算値と電流密度との対応関係を表すグラフは、燃料電池１０の温度を低下させたときには、上方向へと移動した。これは、上記第３実施例で説明した反応式（３）の反応の進行が、燃料電池１０の温度の低下により、緩やかとなるためである。このように、燃料電池１０の運転温度を低下させることにより、第３実施例で説明したのと同様に、電流制限処理における燃料電池１０の運転許容領域を拡大させることができる。
【０１２５】
ここで、図７で説明したのと同様な実験を、燃料電池１０の運転温度を変えて行い、燃料電池１０の運転温度ごとに、電流積算値と電流密度との間の関係を予め得ておくことにより、燃料電池１０の運転温度ごとの許容領域マップＭPAを得ることができる。また、その実験データに基づいて、電流積算値と燃料電池１０の運転温度との間の対応関係を表す電流密度ごとの運転温度決定マップＭTDを得ることができる。図２１（Ｂ）は、ある電流密度における運転温度決定マップＭTDの一例を、縦軸を電流積算値とし、横軸を燃料電池１０の運転温度とするグラフによって表したものである。
【０１２６】
第４実施例の燃料電池システムでは、これらの燃料電池１０の運転温度ごとの許容領域マップＭPAと、電流密度ごとの運転温度決定マップＭTDとが、予め制御部２０に記憶されている。そして、これらのマップＭPA，ＭTDを用いることにより、第３実施例で説明した許容領域変更処理を、燃料電池１０内部の湿度の調整に換えて、燃料電池１０の運転温度の調整により実行する。なお、燃料電池１０の運転温度は、冷媒供給部７０の冷媒循環用ポンプ７３の回転数を制御して、冷媒による冷却効率を変化させることにより調整することができる。
【０１２７】
このように、第４実施例の燃料電池システムによれば、第３実施例の燃料電池システムと同様に、負電圧の発生による燃料電池１０の性能低下および劣化を抑制しつつ、外部負荷２００の要求に応じた電力の供給をより確実に行うことができる。
【０１２８】
E.第５実施例：
図２２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実行される負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図２２は、ステップＳ６８の冷媒制御処理が追加されている点以外は、図１２とほぼ同じである。なお、第５実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の他の構成例としての燃料電池システム１００ｂと同様である（図１，図１１）。なお、第５実施例の燃料電池システムでは、外気温や燃料電池１０の温度が氷点下の場合や、システムの起動時には、冷媒供給部７０から燃料電池１０に対して、燃料電池１０の劣化が抑制される程度の最低限度の一定流量で、冷媒が供給されるものとする。
【０１２９】
ここで、燃料電池１０の反応ガスの流路における凍結が原因で負電圧が発生している状態を回復させるためには、燃料電池１０の運転温度を氷点以上に到達させ、その凍結状態を解消させることが好ましい。しかし、電流制限処理が実行された場合には、燃料電池１０の出力電流が制限されている分だけ、燃料電池１０の発熱が抑制される（ジュールの法則）。そのため、この場合には、燃料電池１０の運転温度を上昇させることが困難となる。そこで、この第５実施例の燃料電池システムでは、氷点下などの低温環境下において電流制限処理を実行する場合には、ステップＳ６８の冷媒制御処理を実行し、燃料電池１０の運転温度の上昇を促進させる。
【０１３０】
図２３は、ステップＳ６８の冷媒制御処理の処理手順を示すフローチャートである。この冷媒制御処理は、燃料電池システムの起動時に電流制限処理が実行される場合には、常に実行されるものとしても良い。また、この冷媒制御処理は、冷媒温度計測部７４，７５の計測値に基づいて得られる燃料電池１０の運転温度が氷点下の場合や、外気温が氷点下である場合に、実行されるものとしても良い。
【０１３１】
ステップＳ２００では、制御部２０は、限界電流密度から求められる制限電流密度で燃料電池１０に所定の発電時間ｔ（例えば１０〜３０秒程度の時間）だけ発電させたときの発熱量の推定値（以後、「推定発熱量Ｑｅ」と呼ぶ）を取得する。具体的には、制御部２０は、推定発熱量Ｑｅを、下記のジュールの法則に基づく式（Ａ）によって算出するものとしても良い。
Ｑｅ＝Ｉ2×Ｒ×ｔ…（Ａ）
ここで、Ｉは制限電流密度、Ｒは燃料電池１０における内部抵抗に基づいて予め設定された定数である。なお、制御部２０は、上記の式（１）に換えて、予め実験等で得たマップやテーブルに基づき、制限電流密度に対する推定発熱量を取得するものとしても良い。
【０１３２】
ステップＳ２１０では、制御部２０は、冷媒供給部７０によって燃料電池１０に冷媒を循環させているときの燃料電池１０のみなし熱容量Ｃｃを取得する。ここで、「燃料電池１０のみなし熱容量Ｃｃ」とは、燃料電池１０の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量に相当する値である。
【０１３３】
ところで、燃料電池１０に冷媒を循環させている場合には、燃料電池１０を昇温させるのに必要な熱量は、燃料電池１０の温度や、冷媒の温度・流量によっても異なってくる。前記したとおり、第５実施例の燃料電池システムでは、冷媒を予め設定された最低限度の一定流量で、燃料電池１０に供給している。そこで、第５実施例の燃料電池システムでは、制御部２０が、冷媒の温度と燃料電池１０の温度に対するみなし熱容量Ｃｃが一意に決定することが可能なマップやテーブルを予め記憶しており、そのマップやテーブルを用いて、みなし熱容量Ｃｃを取得する。
【０１３４】
ステップ２２０では、制御部２０は、ステップＳ２００において取得した推定発熱量Ｑｅと、ステップＳ２１０において取得した燃料電池１０のみなし熱容量Ｃｃとを用いて、所定の発電時間ｔの後の燃料電池１０の温度の予測値である推定温度Ｔｅを算出する。具体的には、推定温度Ｔｅは、下記の式（Ｂ）を用いて算出するものとしても良い。
Ｑｅ＝Ｃｃ×（Ｔｅ−Ｔｍ）  …（Ｂ）
ここで、Ｔｍは、現在の燃料電池１０の運転温度の計測値である。
【０１３５】
ステップＳ２３０では、制御部２０は、ステップＳ２２０で算出された推定温度Ｔｅが所定の閾値以下であるか判定する。ここで、所定の閾値としては、燃料電池１０の反応ガスの流路における凍結状態が解消され始める温度（例えば０℃）が設定されているものとしても良い。
【０１３６】
推定温度Ｔｅが、所定の閾値より大きい場合には、制御部２０は、所定の発電時間ｔの間に燃料電池１０の運転温度が目標値まで到達するものとして、燃料電池１０に対する冷媒の供給を継続しつつ電流制限処理（図２２）のステップＳ７０以降の処理を実行する。一方、推定温度Ｔｅが、所定の閾値以下である場合には、制御部２０は、所定の発電時間ｔの間における燃料電池１０の昇温を促進するために、燃料電池１０に対する冷媒の供給・循環を停止させる（ステップＳ２４０）。
【０１３７】
ここで、第５実施例の燃料電池システムでは、前記したとおり、システム起動時などの燃料電池１０の低温状態の時においても、燃料電池１０に対して冷媒を供給している。この理由は、以下のためである。即ち、システムの起動時などには、燃料電池１０内部のガス流路の閉塞などにより、燃料電池１０の各発電体１１ごと、あるいは、各発電体１１の発電領域ごとの発電量が不均一となる可能性が高い。
【０１３８】
このように燃料電池１０の内部における発電分布が不均一となっているときに、燃料電池１０に対する冷媒の供給を停止してしまうと、発電量の多い発電体１１や領域が、発電に伴う発熱によって局所的に劣化してしまう可能性がある。この発熱量の不均一性による燃料電池１０の局所的な劣化を回避するために、燃料電池１０が低温状態である場合であっても、燃料電池１０には、冷媒が供給されることが好ましい。
【０１３９】
しかし、電流制限処理が実行されている場合には、燃料電池１０の発電量が制限されているため、燃料電池１０において発電量が局所的に増大している部位においても、その発熱量は比較的小さい。従って、ステップＳ２４０のように、電流制限処理実行中に、燃料電池１０に対する冷媒の供給を停止した場合であっても、上記のような発熱量の不均一性による燃料電池１０の劣化の発生の可能性は低い。そのため、冷媒の供給の停止により、燃料電池１０を劣化させることなく、燃料電池１０の昇温を促進することが可能となる。
【０１４０】
ステップＳ２４０において、燃料電池１０への冷媒の供給を停止させた後に、制御部２０は、電流制限処理（図２２）のステップＳ７０以降の処理を実行する。なお、制御部２０は、負電圧が回復し、通常の燃料電池１０の運転を再開する際には、燃料電池１０に対する冷媒の供給を再開させる。
【０１４１】
このように、第５実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池１０において負電圧が発生し、電流制限処理が実行されている場合であっても、燃料電池１０に対する冷媒の供給を適切に制御することにより、燃料電池１０の運転温度の昇温が促進される。従って、燃料電池１０の昇温に伴って、負電圧発生状態の回復が促進される。
【０１４２】
F.第６実施例：
図２４は、本発明の第６実施例としての燃料電池システムにおいて実行される負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図２４は、ステップＳ６８に換えて、ステップＳ６８Ｆが設けられている点以外は、図２２とほぼ同じである。なお、この第６実施例の燃料電池システムの構成は、第５実施例で説明した燃料電池システムの構成と同様である（図１，図１１）。なお、第５実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、定期的（例えば、１秒ごと）に燃料電池１０の運転温度を計測し、記録しているものとする。
【０１４３】
第６実施例の燃料電池システムでは、システムの起動時や、燃料電池１０が低温（例えば０℃以下の温度）であるときに、電流制限処理が実行された場合には、ステップＳ６２の後に、第１または第２の冷媒制御処理が実行される（ステップＳ６８Ｆ）。具体的には、電流制限処理が開始された後のステップＳ６８Ｆでは、第１の冷媒制御処理が実行される。そして、電流制限処理の処理工程が一巡して、再びステップＳ６８Ｆが実行されるときで、所定の場合には、第２の冷媒制御処理が実行される。
【０１４４】
図２５（Ａ）は、第１との冷媒制御処理の処理手順を示すフローチャートである。図２５（Ａ）は、図２３とほぼ同じである。即ち、第１の冷媒制御処理は、第５実施例で説明した冷媒制御処理と同様な手順で実行される。第１の冷媒制御処理では、ステップＳ２３０において、電流制限処理によって燃料電池１０の運転温度の目標値への到達が困難であると判定された場合には、燃料電池１０への冷媒の供給が停止される（ステップＳ２４０）。
【０１４５】
図２５（Ｂ）は、第２の冷媒制御処理の処理手順を示すフローチャートである。第２の冷媒制御処理は、第１の冷媒制御処理において、燃料電池１０への冷媒の供給が停止されなかった場合に実行される。ステップＳ２５０では、制御部２０は、燃料電池１０の運転温度の計測記録に基づいて、燃料電池１０の運転温度Ｔの時間変化率である運転温度Ｔの上昇速度（ｄＴ／ｄｔ）を算出する。
【０１４６】
ステップＳ２６０では、制御部２０は、算出された運転温度Ｔの上昇速度に基づいて、燃料電池１０の運転温度Ｔが目標運転温度（例えば０℃）に到達するまでの推定時間ｔｅを算出する。ステップＳ２７０では、制御部２０は、この推定時間ｔｅを用いた判定処理を実行する。制御部２０は、推定時間ｔｅが所定の閾値（例えば、３０秒）より大きい場合には、冷媒の供給が継続された状態では燃料電池１０の運転温度が所定の時間内に目標値に到達しないものとして、燃料電池１０への冷媒の供給を停止させる（ステップＳ２８０）。
【０１４７】
一方、制御部２０は、推定時間ｔｅが所定の閾値以下である場合には、燃料電池１０への冷媒の供給を継続しても、所定の時間内に燃料電池１０の運転温度が目標値に到達可能であると判定する。そして、制御部２０は、燃料電池１０への冷媒の供給を継続させたまま、電流制限処理（図２２）を続行する。
【０１４８】
ここで、第１の冷媒制御処理において、冷媒の供給を継続しても燃料電池１０の運転温度が所定の発電時間で目標温度に到達すると判定された場合であっても、燃料電池１０の出力が制限されているために、その運転温度が予測よりも上昇しない可能性がある。しかし、第６実施例の燃料電池システムであれば、第２の冷却制御処理において、燃料電池１０の運転温度の実測値の時間変化率に基づいて、燃料電池１０に対する冷媒の供給継続の可否が再び判定される。従って、システム起動時や燃料電池１０の低温状態の時の電流制限処理実行中において、冷媒の供給制御が、より適切に実行されることとなり、燃料電池１０の昇温が促進されるとともに、負電圧状態からの回復が促進される。
【０１４９】
G．参考例：
図２６（Ａ），（Ｂ）は、本発明の参考例として、本発明の発明者による実験結果を示すグラフである。図２６（Ａ），（Ｂ）は、氷点下の低温環境下において、燃料電池の単セルの１つに負電圧を発生させときの、負電圧セルの温度（セル温度）の時間変化と、燃料電池の電流密度の時間変化とを表したグラフである。図２６（Ａ）は、ほぼ一定の低電流密度で燃料電池の出力制限を行った場合であり、図２６（Ｂ）は、電流密度を次第に上昇させた場合である。なお、図２６（Ａ），（Ｂ）の縦軸および横軸のスケールは互いに一致している。
【０１５０】
ここで、燃料電池の一部の単セルにおける負電圧は、低温環境下において、当該一部の単セルに設けられた反応ガスのためのガス流路に残留していた水分が凍結してしまい、当該ガス流路が閉塞されることにより発生する場合がある。このような場合には、燃料電池の温度を上昇させて、ガス流路の凍結水分を解凍し、反応ガスの供給不良を解消することにより負電圧から回復させることが好ましい。
【０１５１】
図２６（Ａ），（Ｂ）のグラフに示すように、一定の低電流密度で燃料電池に出力させた場合には、それよりも高い電流密度で燃料電池に出力させた場合よりも、セル温度の上昇が緩やかとなる。従って、負電圧が発生している場合には、燃料電池にできるだけ高い電流密度で出力させ、燃料電池の運転温度を短期間で上昇させることが好ましい。
【０１５２】
上記実施例で説明した負電圧発生時の電流制限処理では、電流積算値の増大に応じて、許容領域マップＭPAを表す下に凸の曲線グラフに沿って、段階的に電流密度を低下させていた。これによって、運転許容領域における電流密度の許容限界値近傍で燃料電池１０を運転することができるため、低温環境下において、より短期間での燃料電池１０の昇温が可能となり、負電圧の回復が容易となる。即ち、負電圧発生時に一定の低電流密度で電流を制限する場合より、上記実施例の電流制限処理の方がより好ましい。
【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、制御部２０は、負電圧が発生している期間に、燃料電池１０に許容される電流積算値と、燃料電池１０に許容される電流密度との対応関係を、許容領域マップＭPAとして記憶していた。しかし、当該対応関係は、マップとして記憶されていなくとも良く、例えば、演算式や関数として記憶されているものとしても良い。
【０１５５】
H2．変形例２：
上記実施例では、負電圧が発生している期間に、燃料電池１０に許容される電流積算値と、燃料電池１０に許容される電流密度との対応関係が、許容領域マップＭPAにおいて、下に凸の下降曲線グラフとして表されるように設定されていた。しかし、当該対応関係は、許容領域マップＭPAにおいて、他の形状のグラフとして表されるように設定されるものとしても良い。例えば、当該対応関係は、許容領域マップＭPAにおいて、線形的に下降する直線グラフとして表されるように設定されるものとしても良い。ただし、上記実施例における許容領域マップＭPAを表す下に凸の下降曲線グラフは、本発明の発明者の実験に基づくものであり、負電圧発生期間における運転許容領域を規定するグラフとして、より好ましいグラフである。
【０１５６】
H3．変形例３：
上記実施例では、負電圧回復処理における電流制限処理において、電流積算値の増加に応じて、燃料電池１０の電流密度を、許容領域マップＭPAを表す下に凸のグラフに沿って段階的に低下させていた。しかし、電流制限処理では、燃料電池１０の電流密度は、下に凸のグラフに沿って段階的に低下させられなくとも良い。燃料電池１０の電流密度は、許容領域マップＭPAに規定された運転許容領域内に収まるように制御されていれば良い。ただし、上記実施例のように、燃料電池１０の電流密度を下に凸のグラフに沿って段階的に低下させる方が、電流制限処理において、電流密度の許容限界値により近い電流密度での制御が可能となるため好ましい。
【０１５７】
H4．変形例４：
上記実施例では、セル電圧計測部９１が、燃料電池１０の全ての発電体１１の電圧を計測することにより、負電圧の発生を検出していた。しかし、セル電圧計測部９１は、全ての発電体１１の電圧を計測しなくとも良く、発電体１１うちの少なくとも１つの電圧を計測することにより、負電圧の発生を検出できれば良い。例えば、発電体１１の中でも、最も運転温度が低くなる傾向にある燃料電池１０の端部に配置された発電体１１において負電圧が発生する可能性が高いことが知られている。そこで、セル電圧計測部９１は、その端部に配置された発電体１１についてのみ電圧を計測し、負電圧を検出するものとしても良い。
【０１５８】
H5．変形例５：
上記第１実施例では、制御部２０は、電流制限処理における燃料電池１０の最低限度の電流密度として、最低電流密度ｉlimが設定されており、最低電流密度ｉlimを閾値として、燃料電池１０の再起動処理を実行していた。しかし、制御部２０には、最低電流密度ｉlimは設定されていなくとも良い。
【０１５９】
H6．変形例６：
上記の第３実施例または第４実施例ではそれぞれ、燃料電池１０内部の温度または燃料電池１０の運転温度の一方を調整して、運転許容領域を拡大する処理を実行していた。しかし、燃料電池１０内部の温度と燃料電池１０の運転温度の両方を調整することにより、運転許容領域を拡大するものとしても良い。この場合には、燃料電池１０内部の湿度と燃料電池１０の運転温度との組み合わせごとの許容領域マップＭPAが準備されていることが好ましい。
【０１６０】
H7．変形例７：
上記の第３実施例または第４実施例では、許容領域変更部２２は、燃料電池１０内部の湿度ごと、または、燃料電池１０の運転温度ごとに予め準備された許容領域マップＭPAの中から、燃料電池１０内部の湿度、または、燃料電池１０の運転温度に対応するマップを選択して、運転許容領域を拡大させていた。しかし、許容領域変更部２２は、予め設定された演算式やアルゴリズムなどを用いて、許容領域マップＭPAに設定されている対応関係を、燃料電池１０内部の湿度、または、燃料電池１０の運転温度に応じて補正することにより、運転許容領域を拡大させるものとしても良い。
【０１６１】
H8．変形例８：
上記実施例において、許容領域マップＭPAには、燃料電池１０の電流密度と電流積算値との対応関係が設定されていた。しかし、許容領域マップＭPAには、電流密度の代わりに、燃料電池１０の電流値と電流積算値との対応関係が設定されるものとしても良い。燃料電池１０の電流値は、電流密度に電極の面積を乗じたものであるため、燃料電池１０の電流値と電流積算値との対応関係も、燃料電池１０の電流密度と電流積算値との対応関係の一種であると考えることができる。
【０１６２】
H9．変形例９：
上記実施例の燃料電池システムでは、カソードガスの供給量増大を実行した後に、負電圧が回復しなかった場合に、水素の供給不良によって負電圧が発生しているものとして、電流制限処理を実行していた。しかし、カソードガスの供給量増大による負電圧の回復処理を実行することなく、負電圧の検出後に、電流制限処理を開始するものとしても良い。
【０１６３】
H10．変形例１０：
上記実施例の燃料電池システムでは、負電圧を検出したときに、負電圧を回復するための処理を開始し、その処理において電流制限処理を実行していた。しかし、燃料電池システムでは、負電圧を検出していない場合であっても、負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立する場合に、電流制限処理を実行するものとしても良い。例えば、外気温が氷点下以下となる環境下や、燃料電池１０の温度が氷点下に近い温度である場合などに、上記実施例で説明した電流制限処理が実行されるものとしても良い。また、その電流制限処理に伴う警報処理（図１２のステップＳ６３）や、許容領域変更処理（図１６のステップＳ６５）、冷媒制御処理（図２２のステップＳ６８、図２４のステップＳ６８Ｆ）が実行されるものとしても良い。
【０１６４】
H11.変形例１１：
上記の第２実施例や第３実施例、第４実施例において、第１実施例の他の構成例において説明したのと同様に、電流積算値が、電流積算値記録部２３に不揮発的に記録されるものとしても良い。また、限界電流積算値が所定の閾値以上となる場合や、制限電流密度が所定の閾値以下となる場合に、警報部２５によって警報処理を実行するものとしても良い。
【０１６５】
H12.変形例１２：
上記第５実施例では、推定発熱量Ｑｅやみなし熱容量Ｃｃを用いて算出した燃料電池１０の推定温度Ｔｅに基づいて、冷媒供給の継続の可否を判定していた。しかし、制御部２０は、燃料電池１０の運転温度と推定発熱量Ｑｅとに基づいて、燃料電池１０への冷媒の供給流量を制御するものとしても良い。即ち、制御部２０は、推定発熱量Ｑｅが小さいほど、燃料電池１０への冷媒の供給流量を低下させ、その冷媒供給流量の低下の度合いを、燃料電池１０の運転温度が高いほど小さくするものとしても良い。
【０１６６】
H13.変形例１３：
上記第５実施例では、制御部２０は、予め準備したマップやテーブルを用いて、燃料電池１０の温度と冷媒の温度に対するみなし熱容量Ｃｃを取得していた。しかし、制御部２０は、燃料電池１０の温度や冷媒の温度とは関係のない一定の定数としてのみなし熱容量Ｃｃを有するものとしても良い。この場合には、みなし熱容量Ｃｃは、燃料電池１０の構成部材の熱容量の合計ＣＦＣと、燃料電池１０の内部に存在する一定量の冷媒の熱容量ＣＲＥとの合計（ＣＦＣ＋ＣＲＥ）として設定されているものとしても良い。
【符号の説明】
【０１６７】
１０…燃料電池
１１…発電体（単セル），負電圧セル
２０…制御部
２１…電流積算値計測部
２２…許容領域変更部
２３…電流積算値記録部
２５…警報部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…加湿部
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…インジェクタ
５６ｕ，５６ｄ…圧力計測部
６０…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
７０…冷媒供給部
７１…冷媒用配管
７２…ラジエータ
７３…冷媒循環用ポンプ
７４，７５…冷媒温度計測部
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
８４…開閉スイッチ
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
９３…インピーダンス計測部
９４…充電状態検出部
１００，１００Ｂ…燃料電池システム
２００…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
ＭHD…湿度決定マップ
ＭPA…許容領域マップ
ＭTD…運転温度決定マップ
【図１】
2012009406.tif 000003
【図２】
2012009406.tif 000004
【図３】
2012009406.tif 000005
【図４】
2012009406.tif 000006
【図５】
2012009406.tif 000007
【図６】
2012009406.tif 000008
【図７】
2012009406.tif 000009
【図８】
2012009406.tif 000010
【図９】
2012009406.tif 000011
【図１０】
2012009406.tif 000012
【図１１】
2012009406.tif 000013
【図１２】
2012009406.tif 000014
【図１３】
2012009406.tif 000015
【図１４】
2012009406.tif 000016
【図１５】
2012009406.tif 000017
【図１６】
2012009406.tif 000018
【図１７】
2012009406.tif 000019
【図１８】
2012009406.tif 000020
【図１９】
2012009406.tif 000021
【図２０】
2012009406.tif 000022
【図２１】
2012009406.tif 000023
【図２２】
2012009406.tif 000024
【図２３】
2012009406.tif 000025
【図２４】
2012009406.tif 000026
【図２５】
2012009406.tif 000027
【図２６】
2012009406.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部負荷の要求に応じて発電した電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する負電圧検出部と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との対応関係を予め記憶しており、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体において負電圧の発生が検出された場合には、前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記対応関係は、前記燃料電池の電流積算値を第１の軸とし、前記燃料電池の電流密度を第２の軸とするグラフによって表したときに、前記許容される電流積算値が高いほど、前記許容される電流密度が低くなる下に凸のグラフとして表される、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、電流積算値の増加に応じて、前記燃料電池の電流密度を、前記下に凸のグラフで示される前記許容される電流密度の最大値を示す曲線に沿って低下させる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の内部の湿潤状態を調整するために前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を制御する加湿部と、前記燃料電池の運転温度を調整するために前記燃料電池に供給される冷媒の供給流量を制御する冷媒供給部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態調整部と、
前記対応関係を、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方に応じて変更する対応関係変更部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に前記外部負荷から要求された出力電流に対応する電流密度が所定の値より大きい場合には、前記対応関係変更部による前記対応関係の変更により前記運転許容領域が拡大されるように、前記運転状態調整部に、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方を調整させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理の完了時に、前記出力制限処理において前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値を不揮発的に記憶し、前記出力制限処理が再開されたときには、記憶された前記電流積算値と、前記出力制限処理が再開された後に、前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積電流積算値を用いて、前記出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
ユーザーに前記燃料電池の劣化を警報する警報部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電流密度の下限値を予め記憶しており、前記出力制限処理において、前記燃料電池の電流密度が前記下限値より低くなる場合には、前記警報部に、前記燃料電池の劣化を警報させる、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、
前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいた電流密度で電力を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に電力を出力させた場合の前記燃料電池の上昇推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値以下の場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池の運転温度の上昇する速度が、予め設定された閾値より低い場合には、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項１０】
外部負荷の要求に応じて、１つ以上の発電体を有する燃料電池に発電させた電力を出力する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体における負電圧の発生を検出する工程と、
（ｂ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間における前記燃料電池の電流を時間積分することにより求められる電流積算値を計測する工程と、
（ｃ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との予め設定された対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域の範囲内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【請求項１１】
外部負荷の要求に応じて発電した電力を出力する燃料電池システムであって、
１つ以上の発電体を有する燃料電池と、
前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
前記燃料電池が出力した電流の時間積分により求められる電流積算値を計測する電流積算値計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体が負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との対応関係を予め記憶しており、
前記制御部は、負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立する場合には、前記１つ以上の発電体において負電圧が発生しているものとして、前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池システムであって、
前記対応関係は、前記燃料電池の電流積算値を第１の軸とし、前記燃料電池の電流密度を第２の軸とするグラフによって表したときに、前記許容される電流積算値が高いほど、前記許容される電流密度が低くなる下に凸のグラフとして表される、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、電流積算値の増加に応じて、前記燃料電池の電流密度を、前記下に凸のグラフで示される前記許容される電流密度の最大値を示す曲線に沿って低下させる、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の内部の湿潤状態を調整するために前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を制御する加湿部と、前記燃料電池の運転温度を調整するために前記燃料電池に供給される冷媒の供給流量を制御する冷媒供給部とのうちの少なくとも一方を含む運転状態調整部と、
前記対応関係を、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方に応じて変更する対応関係変更部と、
を備え、
前記制御部は、前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に前記外部負荷から要求された出力電流に対応する電流密度が所定の値より大きい場合には、前記対応関係変更部による前記対応関係の変更により前記運転許容領域が拡大されるように、前記運転状態調整部に、前記燃料電池の内部の湿潤状態と運転温度とのうちの少なくとも一方を調整させる、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理の完了時に、前記出力制限処理において前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値を不揮発的に記憶し、前記出力制限処理が再開されたときには、記憶された前記電流積算値と、前記出力制限処理が再開された後に、前記燃料電池に出力させた電流の電流積算値とを加算した累積電流積算値を用いて、前記出力制限処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
ユーザーに前記燃料電池の劣化を警報する警報部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電流密度の下限値を予め記憶しており、前記出力制限処理において、前記燃料電池の電流密度が前記下限値より低くなる場合には、前記警報部に、前記燃料電池の劣化を警報させる、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、
前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、
を備え、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいた電流密度で電力を電流密度を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に電力を出力させた場合の前記燃料電池の上昇推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値以下の場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池の運転温度の上昇する速度が、予め設定された閾値より低い場合には、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
【請求項２０】
外部負荷の要求に応じて、１つ以上の発電体を有する燃料電池に発電させた電力を出力する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記１つ以上の発電体において負電圧が発生する可能性があるものとして予め設定された環境条件が成立している期間における前記燃料電池の電流を時間積分することにより求められる電流積算値を計測する工程と、
（ｂ）前記１つ以上の発電体に負電圧が発生している期間に許容される電流積算値と、許容される電流密度との予め設定された対応関係を参照する工程と、
（ｄ）前記対応関係において、前記許容される電流積算値と、前記許容される電流密度とで規定される運転許容領域の範囲内に収まるように、前記燃料電池の出力を制限する出力制限処理を実行する工程と、
を備える、制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
［適用例７］
適用例１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の温度を制御する冷媒供給部と、前記燃料電池の運転温度を計測する温度計測部と、を備え、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記燃料電池に対する電流密度の指令値に基づいた電流密度で電力を前記燃料電池に出力させたときの燃料電池の発熱量である推定発熱量を求め、前記温度計測部の計測値と前記推定発熱量とに応じて、前記冷媒供給部による前記燃料電池への前記冷媒の供給量を制御する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理の実行によって燃料電池の出力が制限される場合であっても、適切に冷媒の供給流量が制御されるため、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の運転温度の上昇が促進される。従って、燃料電池が負電圧発生状態から回復する可能性が高くなる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
［適用例８］
適用例７記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に電力を出力させた場合の前記燃料電池の上昇温推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値以下の場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理によって燃料電池の出力が制限されているために、燃料電池の運転温度を目標値に到達させることが困難である場合には、燃料電池への冷媒の供給が停止される。従って、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の昇温が促進され、負電圧発生状態からの回復の可能性が高くなる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
［適用例１８］
適用例１７記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記出力制限処理において、前記推定発熱量と前記温度計測部の計測値とを用いて、前記燃料電池に冷媒を供給しつつ所定の時間だけ前記燃料電池に電力を出力させた場合の前記燃料電池の上昇推定温度を算出し、前記上昇推定温度が予め設定された閾値以下の場合には、前記冷媒供給部に、前記燃料電池への前記冷媒の供給を停止させた状態で、前記燃料電池に発電させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、出力制限処理によって燃料電池の出力が制限されているために、燃料電池の運転温度を目標値に到達させることが困難である場合には、燃料電池への冷媒の供給が停止される。従って、出力制限処理が実行されているときの燃料電池の昇温が促進され、負電圧発生状態からの回復の可能性が高くなる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図３】燃料電池システムにおける燃料電池の出力制御を説明するための説明図。
【図４】水素の供給不良によって生じた負電圧による燃料電池の性能低下を説明するための説明図。
【図５】負電圧回復処理の処理手順を説明するための説明図。
【図６】負電圧が発電許容レベルから性能低下レベルへと移行するタイミングを説明するための説明図。
【図７】実験により規定された燃料電池の運転許容領域を説明するための説明図。
【図８】電流制限処理を説明するための模式図。
【図９】第１実施例の他の構成例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１０】第１実施例の他の構成例における負電圧回復処理の処理手順を説明するための説明図。
【図１１】第１実施例の他の構成例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１２】第１実施例の他の構成例における負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１３】第２実施例としての負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１４】第２実施例における電流制限処理を説明するための説明図。
【図１５】第３実施例としての燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図１６】第３実施例における負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図１７】燃料電池内部の湿度状態の変化による運転許容領域の変化を示す説明図。
【図１８】許容領域変更処理の処理手順を示す説明図。
【図１９】燃料電池内部の目標湿度を決定するために用いる湿度決定マップの一例を示す説明図。
【図２０】湿度決定マップを用いた燃料電池内部の目標湿度の決定処理を説明するための説明図と、許容領域マップの変更処理を説明するための説明図。
【図２１】第４実施例としての燃料電池システムにおける許容領域変更処理を説明するための説明図。
【図２２】第５実施例の負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図２３】第５実施例における冷媒制御処理の処理手順を示す説明図。
【図２４】第６実施例における負電圧回復処理の処理手順を示す説明図。
【図２５】第６実施例における第１と第２の冷媒制御処理の処理手順を示す説明図。
【図２６】本発明の参考例として、低温環境下における負電圧セルのセル温度の時間変化を説明するための説明図。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
図８（Ｃ）は、電流制限処理における限界電流密度の変化を説明するための模式図である。ステップＳ５０〜Ｓ８０の電流制限処理は、負電圧が回復するまで繰り返し実行される（ステップＳ９０）。その電流制限処理の繰り返しの間に、限界電流密度は、電流積算値の増大に応じて、グラフで示される曲線に沿って段階的に減少していく（グラフ中の矢印）。また、燃料電池１０の電流は、限界電流密度の変化と同様に、グラフに沿って段階的に減少していく。なお、制御部２０は、ステップＳ６０において取得された制限電流密度が、最低電流密度ｉlim以下となった場合には、負電圧が回復せず、最低限度の燃料電池１０の出力が得られないものと判定して、燃料電池１０の再起動処理を実行する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
A-1.第１実施例の他の構成例１：
図９は、本発明の第１実施例の他の構成例としての燃料電池システム１００ａの電気的構成を示す概略図である。図９は、電流積算値記録部２３が追加されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、この構成例における燃料電池システム１００ａの他の構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図１）。燃料電池システム１００ａの電流積算値記録部２３（図９）は、ＥＥＰＲＯＭ（ Erasable Programmable Read Only Memory）などのデータの消去・書き換えが可能な不揮発性メモリによって構成される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
電流制限処理の実行中に負電圧が回復した場合には、制御部２０は、電流制限処理に用いられた電流積算値を電流積算値記録部２３に記録する（ステップＳ１００）。ここで、電流制限処理によって負電圧が回復した場合を想定する。このような場合であっても、負電圧を発生していた発電体１１のメンテナンスがなされなければ、その発電体１１が再び負電圧を発生して、電流制限処理が開始されたときの運転許容領域は、前回の電流制限処理終了時における運転許容領域となる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９２】
A-2.第１実施例の他の構成例２：
図１１は、本発明の第１実施例の他の構成例としての燃料電池システム１００ｂの構成を示す概略図である。図１１は、警報部２５が追加されている点以外は図９とほぼ同じである。なお、この構成例における燃料電池システム１００ｂの他の構成は、上記の構成例における燃料電池システム１００ａと同様である（図１）。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
ステップＳ６２において限界電流密度が所定の閾値以下であると判定された場合には、制御部２０は、燃料電池１０をメンテナンスしなければ燃料電池システム１００ｂの運転継続が困難であるものとして、警報部２５に警報処理を実行させる（ステップＳ６３）。具体的に、この警報処理では、燃料電池システム１００ｂの運転を停止して、負電圧を発生している発電体１１の交換を促すメッセージを、ユーザーに報知するものとしても良い。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０１】
ステップＳ９１において、現在の電流積算値が、限界電流積算値に到達していた場合には、制御部２０は、ステップＳ６１へと戻り、指令値として設定されていた制限電流密度ｉ1cより予め設定された値だけ小さい電流密度ｉ2cを、燃料電池１０に対する新たな指令値として設定する。ステップＳ７１では、許容領域マップＭPAを用いて、新たな指令値である電流密度ｉ2ｃに対する電流積算値Ｑｅ2を取得し、その電流積算値Ｑｅ2に基づいて、限界電流積算値を決定する。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０８】
ここで、電流制限処理では、燃料電池１０に許容される電流が、外部負荷２００の要求する電力を供給するための燃料電池１０の目標電流より著しく小さい場合には、二次電池８１によっても、その不足分を補償ができない可能性がある。そこで、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、ステップＳ６０において取得された限界電流密度と、燃料電池１０の目標電流を出力するための電流密度との差が、所定の値より大きい場合には、許容領域変更部２２に、許容領域変更処理を実行させる（ステップＳ６５）。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１０】
本発明の発明者は、燃料電池１０の内部の湿度を低下させることにより、発電許容期間における電流積算値と電流密度との対応関係を表すグラフは上方向に移動し、運転許容領域が拡大されることを見出した。このように、運転許容領域が拡大されるのは、以下の理由による。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１１】
発電許容期間では、負電圧セル１１のアノードにおいて、上記した反応式（１）の反応とともに、下記の反応式（３）の反応が進行することにより、触媒が不活性化することが知られている。
Ｐｔ  ＋  ２Ｈ2０  →  ＰｔＯ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  …（３）
燃料電池１０の内部の湿度が低下すると、アノードにおける水分量（膜電極接合体の含水量）が減少するため、上記の反応の進行が緩やかとなり、触媒の不活性化が抑制される。そのため、触媒の不活性化の進行を遅延させることができる分だけ、運転許容領域が拡大する。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３１】
ステップＳ２００では、制御部２０は、限界電流密度から求められる制限電流密度で燃料電池１０に所定の発電時間ｔ（例えば１０〜３０秒程度の時間）だけ発電させたときの発熱量の推定値（以後、「推定発熱量Ｑｅ」と呼ぶ）を取得する。具体的には、制御部２０は、推定発熱量Ｑｅを、下記のジュールの法則に基づく式（Ａ）によって算出するものとしても良い。
Ｑｅ＝Ｉ2×Ｒ×ｔ…（Ａ）
ここで、Ｉは制限電流密度、Ｒは燃料電池１０における内部抵抗に基づいて予め設定された定数である。なお、制御部２０は、上記の式（Ａ）に換えて、予め実験等で得たマップやテーブルに基づき、制限電流密度に対する推定発熱量を取得するものとしても良い。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４２】
F.第６実施例：
図２４は、本発明の第６実施例としての燃料電池システムにおいて実行される負電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。図２４は、ステップＳ６８に換えて、ステップＳ６８Ｆが設けられている点以外は、図２２とほぼ同じである。なお、この第６実施例の燃料電池システムの構成は、第５実施例で説明した燃料電池システムの構成と同様である（図１，図１１）。なお、第６実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、定期的（例えば、１秒ごと）に燃料電池１０の運転温度を計測し、記録しているものとする。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４４】
図２５（Ａ）は、第１の冷媒制御処理の処理手順を示すフローチャートである。図２５（Ａ）は、図２３とほぼ同じである。即ち、第１の冷媒制御処理は、第５実施例で説明した冷媒制御処理と同様な手順で実行される。第１の冷媒制御処理では、ステップＳ２３０において、電流制限処理によって燃料電池１０の運転温度の目標値への到達が困難であると判定された場合には、燃料電池１０への冷媒の供給が停止される（ステップＳ２４０）。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４８】
ここで、第１の冷媒制御処理において、冷媒の供給を継続しても燃料電池１０の運転温度が所定の発電時間で目標温度に到達すると判定された場合であっても、燃料電池１０の出力が制限されているために、その運転温度が予測よりも上昇しない可能性がある。しかし、第６実施例の燃料電池システムであれば、第２の冷媒制御処理において、燃料電池１０の運転温度の実測値の時間変化率に基づいて、燃料電池１０に対する冷媒の供給継続の可否が再び判定される。従って、システム起動時や燃料電池１０の低温状態の時の電流制限処理実行中において、冷媒の供給制御が、より適切に実行されることとなり、燃料電池１０の昇温が促進されるとともに、負電圧状態からの回復が促進される。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４９】
G．参考例：
図２６（Ａ），（Ｂ）は、本発明の参考例として、本発明の発明者による実験結果を示すグラフである。図２６（Ａ），（Ｂ）は、氷点下の低温環境下において、燃料電池の単セルの１つに負電圧を発生させたときの、負電圧セルの温度（セル温度）の時間変化と、燃料電池の電流密度の時間変化とを表したグラフである。図２６（Ａ）は、ほぼ一定の低電流密度で燃料電池の出力制限を行った場合であり、図２６（Ｂ）は、電流密度を次第に上昇させた場合である。なお、図２６（Ａ），（Ｂ）の縦軸および横軸のスケールは互いに一致している。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５９】
H6．変形例６：
上記の第３実施例または第４実施例ではそれぞれ、燃料電池１０内部の湿度または燃料電池１０の運転温度の一方を調整して、運転許容領域を拡大する処理を実行していた。しかし、燃料電池１０内部の湿度と燃料電池１０の運転温度の両方を調整することにより、運転許容領域を拡大するものとしても良い。この場合には、燃料電池１０内部の湿度と燃料電池１０の運転温度との組み合わせごとの許容領域マップＭPAが準備されていることが好ましい。