(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池の触媒の劣化を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、電力の供給源である燃料電池１０と、燃料電池１０とともに電力の供給源として機能する二次電池８１とを備える。燃料電池システム１００の制御部２０は、燃料電池１０の運転温度が所定の温度より高い高温状態を検出した後に、燃料電池１０の電圧を、一時的に低下させて、燃料電池１０における生成水を増大させる一時的電圧低下処理を実行する。制御部２０は、一時的電圧低下処理の実行の際に、二次電池８１の充電状態と、燃料電池１０の運転状態とに基づき、一時的電圧低下処理の処理内容を変更する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電力供給源である燃料電池と、
前記燃料電池とともに電力供給源として機能する二次電池と、
前記燃料電池の運転温度を含む前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部と、
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、前記燃料電池の運転温度が所定の第１の温度より高い高温状態を検出した後に、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させて、前記燃料電池における生成水を増加させる一時的電圧低下処理を実行し、
前記制御部は、前記二次電池の充電状態と、前記燃料電池の運転状態に基づき、前記一時的電圧低下処理の処理内容を変更する、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、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行する前に、
前記燃料電池の運転状態として検出された、前記燃料電池が前記高温状態である間の累積時間、または、前記燃料電池の電流と電圧とで特定される発電特性、に応じて、前記一時的電圧低下処理において電圧を低下させる期間である電圧低下期間の設定値を設定し、
前記電圧低下期間の設定値と、予め設定された前記一時的電圧低下処理において電圧を低下させる量である電圧低下量の設定値と、を用いて、前記一時的電圧低下処理を実行した場合に、前記二次電池が蓄電、または、放電する電力量の予測値を取得し、
前記予測値と、前記二次電池の充電状態に基づいて取得した前記二次電池の蓄電量と、に基づいて、前記一時的電圧低下処理の処理条件、または、前記一時的電圧低下処理において前記燃料電池の電圧を低下させる方法を変更する、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、
前記一時的電圧低下処理は、電圧の低下の際に、前記燃料電池の発電特性に応じた電流の増大を伴い、
前記制御部は、外部負荷の要求に応じた電力を供給しつつ、前記一時的電圧低下処理を実行する場合には、
前記一時的電圧低下処理を実行した場合に前記二次電池が放電する電力量の予測値と、前記二次電池が放電可能な電力量とに基づいて、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記二次電池の放電する電力量が不足しないように、前記電圧低下期間の設定値、または、前記電圧低下量の設定値の少なくとも一方を変更して、前記一時的電圧低下処理を実行する、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、
前記制御部は、前記燃料電池が前記高温状態となった後に、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度より低くなった高温解消状態を検出した場合に、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行した後に、さらに、
前記燃料電池の運転状態として、前記燃料電池の電流と電圧とを検出し、
前記燃料電池の電流と電圧とで特定される前記燃料電池の発電特性に基づいて、前記燃料電池が出力中の電力を維持しつつ、前記燃料電池の電圧を、検出された前記電圧より低い第２の電圧に、一時的に低下させて、前記燃料電池の電流を増大させる出力一定電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御し、
前記制御部は、反応ガスのストイキ比を低下させた後に、前記出力一定電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池が前記高温状態であり、かつ、前記燃料電池の電力を外部負荷に供給していない状態である、高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理を実行する場合には、
前記一時的電圧低下処理を実行した場合に前記前記二次電池が蓄電する電力量の予測値と、前記二次電池の蓄電量から取得した前記二次電池の空き容量と、に基づいて、前記一時的電圧低下処理の処理条件、または、前記一時的電圧低下処理において前記燃料電池の電圧を低下させる方法を変更する、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、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理を実行する場合には、
前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記二次電池の空き容量が不足しないように、前記電圧低下期間の設定値、または、前記電圧低下量の設定値の少なくとも一方を変更して、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池のアノードとカソードとを短絡させて、前記燃料電池の電圧を低下させる短絡回路を備え、
前記制御部は、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理として、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、電流を一時的に増大させるとともに、前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電させる第１の電圧低下処理と、
（ｉｉ）前記短絡回路によって、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させる第２の電圧低下処理と、
のいずれか一方を実行し、
前記制御部は、前記予測値と、前記二次電池の空き容量とに基づき、前記第１または第２の電圧低下処理のいずれか一方を選択して実行する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項７記載の燃料電池システムであって、さらに、
アノードガスを前記燃料電池のカソード側にバイパス可能なガス供給部を備え、
前記制御部は、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理として、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、電流を一時的に増大させるとともに、前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電させる第１の電圧低下処理と、
（ｉｉｉ）前記ガス供給部によって、前記アノードガスを前記燃料電池のカソード側にバイパスさせることによって、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させる第３の電圧低下処理と、
のいずれか一方を実行し、
前記制御部は、前記予測値と、前記二次電池の空き容量とに基づき、前記第１または第３の電圧低下処理のいずれか一方を選択して実行する、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項７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、カソード側をプラスとし、アノード側をマイナスとする電圧を印加可能な外部電源を備え、
前記制御部は、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理として、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、電流を一時的に増大させるとともに、前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電させる第１の電圧低下処理と、
（ｉｖ）前記燃料電池に反応ガスの供給を停止させた状態で、前記外部電源によって、前記燃料電池に電圧を印加させて、前記燃料電池の電圧を低下させた後に、前記反応ガスの供給を再開させて、前記燃料電池の電圧を回復させる第４の電圧低下処理と、
のいずれか一方を実行し、
前記制御部は、前記予測値と、前記二次電池の空き容量とに基づき、前記第１または第４の電圧低下処理のいずれか一方を選択して実行する、燃料電池システム。
【請求項１２】
電力供給源である燃料電池と、前記燃料電池とともに電力供給源として機能する二次電池とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転温度を検出する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の運転温度が所定の温度より高い高温状態を検出した後に、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、前記燃料電池における生成水を増加させる一時的電圧低下処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記一時的電圧低下処理を実行する前に、前記二次電池の充電状態と、前記燃料電池の運転状態とに基づいて、前記一時的電圧低下処理の処理内容を変更する工程を含む、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）は、通常、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体を発電体として備える。電極には、燃料電池反応を促進させるための触媒が担持されている。ところで、燃料電池車両等に搭載される燃料電池システムでは、著しく高い出力が要求される高負荷運転が長期間に渡って継続される場合がある。燃料電池に高い電圧での運転を継続させると、燃料電池の運転温度が上昇し、触媒の表面に酸化被膜が形成され、触媒性能が劣化してしまう可能性があった（下記特許文献１等）。
【０００３】
補助電源として二次電池を搭載している燃料電池システムにおいては、上述したような高負荷運転が継続されている場合には、燃料電池に触媒の劣化が進行しない程度の発電をさせつつ、二次電池にその不足分を補償させることが可能である。しかし、二次電池の容量には限りがある。従って、燃料電池の触媒の劣化を抑制しつつ、燃料電池システムに高負荷運転を継続させるためには、燃料電池の出力と二次電池の出力とが、より効率的に制御されることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０２７２９７号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９２５２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５３０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池の触媒の劣化を抑制でき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。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、電力供給源である燃料電池と、前記燃料電池とともに電力供給源として機能する二次電池と、前記燃料電池の運転温度を含む前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部と、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、前記燃料電池の運転温度が所定の第１の温度より高い高温状態を検出した後に、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させて、前記燃料電池における生成水を増加させる一時的電圧低下処理を実行し、前記制御部は、前記二次電池の充電状態と、前記燃料電池の運転状態に基づき、前記一時的電圧低下処理の処理内容を変更する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の高温状態が検出された後に、一時的電圧低下処理によって、燃料電池における生成水を増大させることにより、燃料電池の触媒の劣化を抑制することができる。また、この燃料電池システムであれば、一時的電圧低下処理の処理内容が、燃料電池の運転状態と、二次電池の充電状態の両方に基づいて変更される。従って、燃料電池の運転状態や二次電池の充電状態に応じた適切な処理内容で、一時的電圧低下処理を実行するができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行する前に、前記燃料電池の運転状態として検出された、前記燃料電池が前記高温状態である間の累積時間、または、前記燃料電池の電流と電圧とで特定される発電特性、に応じて、前記一時的電圧低下処理において電圧を低下させる期間である電圧低下期間の設定値を設定し、前記電圧低下期間の設定値と、予め設定された前記一時的電圧低下処理において電圧を低下させる量である電圧低下量の設定値と、を用いて、前記一時的電圧低下処理を実行した場合に、前記二次電池が蓄電、または、放電する電力量の予測値を取得し、前記予測値と、前記二次電池の充電状態に基づいて取得した前記二次電池の蓄電量と、に基づいて、前記一時的電圧低下処理の処理条件、または、前記一時的電圧低下処理において前記燃料電池の電圧を低下させる方法を変更する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、一時的電圧低下処理の実行の際に、二次電池が蓄電する電力量、または、二次電池が放電する電力量の予測値に基づいて、一時的電圧低下処理における処理条件や、電圧の低下方法を適切に変更できる。従って、より効率的に二次電池を活用して、燃料電池の触媒性能の劣化を抑制する処理を実行することが可能である。
【０００９】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記一時的電圧低下処理は、電圧の低下の際に、前記燃料電池の発電特性に応じた電流の増大を伴い、前記制御部は、外部負荷の要求に応じた電力を供給しつつ、前記一時的電圧低下処理を実行する場合には、前記一時的電圧低下処理を実行した場合に前記二次電池が放電する電力量の予測値と、前記二次電池が放電可能な電力量とに基づいて、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記二次電池の放電する電力量が不足しないように、前記電圧低下期間の設定値、または、前記電圧低下量の設定値の少なくとも一方を変更して、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、一時的電圧低下処理の実行の際に、二次電池の蓄電量が不足する場合でも、一時的電圧低下処理の処理条件が変更されることにより、その実行が確保される。従って、より確実に、燃料電池の触媒性能の劣化を抑制することができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１〜３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、前記燃料電池が前記高温状態となった後に、前記燃料電池の運転温度が前記第１の温度よりも低い第２の温度より低くなった高温解消状態を検出した場合に、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、高温状態から脱した後の、より多量の生成水を生成でき、燃料電池の性能回復の効果が高くなる温度帯域で、一時的電圧低下処理を実行することができる。従って、より効率的に、燃料電池の触媒性能の劣化を抑制することができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行した後に、さらに、前記燃料電池の運転状態として、前記燃料電池の電流と電圧とを検出し、前記燃料電池の電流と電圧とで特定される前記燃料電池の発電特性に基づいて、前記燃料電池が出力中の電力を維持しつつ、前記燃料電池の電圧を、検出された前記電圧より低い第２の電圧に、一時的に低下させて、前記燃料電池の電流を増大させる出力一定電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、二次電池を利用した一時的電圧低下処理に加えて、燃料電池の出力電力を保持したまま電圧を低下させる出力一定電圧低下処理を実行するため、より確実に、燃料電池の触媒性能の劣化を抑制することができる。
【００１２】
［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御し、前記制御部は、反応ガスのストイキ比を低下させた後に、前記出力一定電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、ストイキ比の低下により、燃料電池の発電特性を変化させて、出力一定電圧低下処理の実行を確保することができる。
【００１３】
［適用例７］
適用例２〜５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、前記燃料電池が前記高温状態であり、かつ、前記燃料電池の電力を外部負荷に供給していない状態である、高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理を実行する場合には、前記一時的電圧低下処理を実行した場合に前記前記二次電池が蓄電する電力量の予測値と、前記二次電池の蓄電量から取得した前記二次電池の空き容量と、に基づいて、前記一時的電圧低下処理の処理条件、または、前記一時的電圧低下処理において前記燃料電池の電圧を低下させる方法を変更する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の待機時間を有効に用いて、燃料電池の性能回復のための一時的電圧低下処理を実行することができる。そして、二次電池の空き容量に基づいて、一時的電圧低下処理の処理内容を変更することにより、一時的電圧低下処理の実行を確保できる。
【００１４】
［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、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理を実行する場合には、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記二次電池の空き容量が不足しないように、前記電圧低下期間の設定値、または、前記電圧低下量の設定値の少なくとも一方を変更して、前記一時的電圧低下処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の待機時間を有効に利用して、燃料電池の性能回復のための一時的電圧低下処理を実行することができる。そして、一時的電圧低下処理の実行の際に燃料電池が出力する電力を、二次電池に確実に蓄電できる。
【００１５】
［適用例９］
適用例７記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池のアノードとカソードとを短絡させて、前記燃料電池の電圧を低下させる短絡回路を備え、前記制御部は、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理として、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、電流を一時的に増大させるとともに、前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電させる第１の電圧低下処理と、
（ｉｉ）前記短絡回路によって、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させる第２の電圧低下処理と、
のいずれか一方を実行し、前記制御部は、前記予測値と、前記二次電池の空き容量とに基づき、前記第１または第２の一時的電圧低下処理のいずれか一方を選択して実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の待機時間を利用して、一時的電圧低下処理を実行する際に、二次電池の空き容量が不足する場合には、二次電池を利用しなくとも実行可能な方法で、燃料電池の電圧を低下させる。従って、二次電池の空き容量にかかわらず、一時的電圧低下処理の実行を確保することができる。
【００１６】
［適用例１０］
適用例７記載の燃料電池システムであって、さらに、アノードガスを前記燃料電池のカソード側にバイパス可能なガス供給部を備え、前記制御部は、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理として、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、電流を一時的に増大させるとともに、前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電させる第１の電圧低下処理と、
（ｉｉｉ）前記ガス供給部によって、前記アノードガスを前記燃料電池のカソード側にバイパスさせることによって、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させる第３の電圧低下処理と、
のいずれか一方を実行し、前記制御部は、前記予測値と、前記二次電池の空き容量とに基づき、前記第１または第３の一時的電圧低下処理のいずれか一方を選択して実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の待機時間を用いて、一時的電圧低下処理を実行する際に、二次電池の空き容量が不足する場合には、二次電池を利用しなくとも実行可能な方法で、燃料電池の電圧を低下させる。従って、二次電池の空き容量にかかわらず、一時的電圧低下処理の実行を確保することができる。
【００１７】
［適用例１１］
適用例７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、カソード側をプラスとし、アノード側をマイナスとする電圧を印加可能な外部電源を備え、前記制御部は、前記高温待機状態の間に、前記一時的電圧低下処理として、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、電流を一時的に増大させるとともに、前記燃料電池が出力する電力を、前記二次電池に蓄電させる第１の電圧低下処理と、
（ｉｖ）前記燃料電池に反応ガスの供給を停止させた状態で、前記外部電源によって、前記燃料電池に電圧を印加させて、前記燃料電池の電圧を低下させた後に、前記反応ガスの供給を再開させて、前記燃料電池の電圧を回復させる第４の電圧低下処理と、
のいずれか一方を実行し、前記制御部は、前記予測値と、前記二次電池の空き容量とに基づき、前記第１または第４の一時的電圧低下処理のいずれか一方を選択して実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の待機時間を利用して、一時的電圧低下処理を実行する際に、二次電池の空き容量が不足する場合には、二次電池を利用しなくとも実行可能な方法で、燃料電池の電圧を低下させる。従って、二次電池の空き容量にかかわらず、一時的電圧低下処理の実行を確保することができる。
【００１８】
［適用例１２］
電力供給源である燃料電池と、前記燃料電池とともに電力供給源として機能する二次電池とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の運転温度を検出する工程と、
（ｂ）前記燃料電池の運転温度が所定の温度より高い高温状態を検出した後に、前記燃料電池の電圧を一時的に低下させることにより、前記燃料電池における生成水を増加させる一時的電圧低下処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記一時的電圧低下処理を実行する前に、前記二次電池の充電状態と、前記燃料電池の運転状態とに基づいて、前記一時的電圧低下処理の処理内容を変更する工程を含む、制御方法。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の高温状態が検出された後に、一時的電圧低下処理によって、燃料電池における生成水を増大させることにより、燃料電池の触媒の劣化を抑制することができる。また、この燃料電池システムでは、一時的電圧低下処理の処理内容が、燃料電池の運転状態と、二次電池の充電状態の両方に基づいて変更される。従って、燃料電池の運転状態や二次電池の充電状態に応じた適切な処理内容で、一時的電圧低下処理を実行するができる。
【００１９】
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等の形態で実現することができる。また、本発明は、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実行する制御装置やプログラム、その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】
【００２０】
【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】燃料電池システムの制御部による制御手順を示す説明図。
【図４】通常運転実行時における燃料電池システムの出力制御を説明するための説明図。
【図５】高温状態における触媒の性能劣化を説明するための説明図。
【図６】一時的電圧低下処理の処理内容を説明するための説明図。
【図７】一時的電圧低下処理による燃料電池の発電特性の変化を説明するための説明図。
【図８】性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図９】高温曝露時間と電圧低下期間の上限との関係を説明するための説明図。
【図１０】性能回復運転が繰り返し実行されている間における燃料電池の電圧変化の一例を示す説明図。
【図１１】第２実施例としての性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１２】第２実施例の一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間における燃料電池の電圧変化の一例を示す説明図。
【図１３】第３実施例としての性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１４】燃料電池のセル電圧に対する電圧低下期間を取得するためのマップを示す説明図。
【図１５】第４実施例としての性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１６】第５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１７】第５実施例の性能回復運転における制御手順を示す説明図。
【図１８】第５実施例の他の構成例としての性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１９】第６実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２０】第６実施例の性能回復運転における制御手順を示す説明図。
【図２１】第６実施例の他の構成例としての性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図２２】第７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２３】第７実施例の性能回復運転における制御手順を示す説明図。
【図２４】第７実施例の他の構成例としての性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図２５】第８実施例の燃料電池システムの制御部によるシステム制御の制御手順を示す説明図。
【図２６】第８実施例における性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図２７】第９実施例の燃料電池システムの制御部によるシステム制御の制御手順を示す説明図。
【図２８】燃料電池におけるアノードガスの圧力損失の低下原因を説明するための模式図。
【図２９】燃料電池のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性に基づく判定処理を説明するための説明図。
【図３０】第１０実施例の燃料電池システムの制御部によるシステム制御の制御手順を示す説明図。
【図３１】ストイキ比の変更を伴う性能回復運転の制御手順を示す説明図。
【図３２】ストイキ比の低下による燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性の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】
【００２１】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両などに搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部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。
【００２２】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、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。
【００２３】
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、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子によって構成することができる。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。
【００２４】
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、出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する各構成部を制御し、燃料電池１０に発電させる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。なお、加湿部３５は、カソード排ガス配管４１と接続されており、排ガス中の水分を高圧空気の加湿に用いる。
【００２９】
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のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部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。
【００３０】
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、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、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。
【００３１】
開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。
【００３２】
水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。
【００３３】
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、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード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。
【００３４】
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。
【００３５】
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置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。
【００３６】
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。
【００３７】
アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０の送信する。
【００３８】
冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、バイパス配管７１ｃとで構成される。
【００３９】
上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の出口マニホールドとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドとラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。
【００４０】
ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。
【００４１】
２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂのそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出する。また、制御部２０は、検出した燃料電池１０の運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。
【００４２】
燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池車両の車両情報を取得するための、外気温センサ１０１や、車速センサ１０２を備える。外気温センサ１０１は、燃料電池車両外部の気温を検出し、制御部２０に送信する。車速センサ１０２は、燃料電池車両の現在の速度を検出し、制御部２０に送信する。制御部２０は、これらのセンサから得られた情報を適宜、燃料電池１０の出力制御のために利用する。
【００４３】
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、ＳＯＣ検出部９４とを備える。
【００４４】
燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池車両の駆動力源であるモータ２００に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。
【００４５】
二次電池８１は、燃料電池１０とともに電力供給源として機能する。二次電池８１は、例えばリチウムイオン電池で構成することができる。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御することにより、燃料電池１０の電流・電圧と、二次電池８１の充放電とを制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。
【００４６】
二次電池８１には、ＳＯＣ検出部９４が接続されている。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１の充電状態であるＳＯＣ（State of Charge）を検出し、制御部２０に送信する。ここで、二次電池８１のＳＯＣとは、二次電池８１の充電容量に対する二次電池８１の充電残量（蓄電量）の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池８１のＳＯＣを検出する。
【００４７】
制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４の検出値に基づき、二次電池８１のＳＯＣが所定の範囲内に収まるように、二次電池８１の充放電を制御する。具体的には、制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４から取得した二次電池８１のＳＯＣが予め設定された下限値より低い場合には、燃料電池１０の出力する電力によって、二次電池８１を充電する。また、二次電池８１のＳＯＣが予め設定された上限値より高い場合には、二次電池８１に放電させる。
【００４８】
ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。そして、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ８３が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に蓄電される。
【００４９】
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。
【００５０】
電流計測部９２は、直流配線ＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、セル電圧と電流の実測値と目標値（制御値）との間に差が生じている場合には、その差が収束されるように、それらの制御値を修正する、いわゆるフィードバック制御を実行する。
【００５１】
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全体のインピーダンスを測定し、制御部２０へと送信する。制御部２０は、インピーダンス計測部９３の計測結果に基づき、燃料電池１０の電解質膜の湿潤状態を管理する。開閉スイッチ９５は、直流配線ＤＣＬに設けられており、制御部２０の指令に基づき、燃料電池１０および二次電池８１と、モータ２００との間の電気的接続を制御する。
【００５２】
図３は、燃料電池システム１００の制御部２０によるシステム制御の制御手順を示すフローチャートである。制御部２０は、燃料電池システム１００が起動すると、運転者からの燃料電池車両に対する駆動要求に基づいて燃料電池１０に発電させる通常運転の実行を開始する（ステップＳ１０）。通常運転の実行時における燃料電池１０の出力制御についての詳細は後述する。
【００５３】
制御部２０は、通常運転の実行中に、所定の周期で、燃料電池１０の運転温度を検出し、燃料電池１０が高温状態であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。ここで、本明細書において、「高温状態」とは、燃料電池１０の運転温度が予め設定された閾値（例えば、約８０℃程度）より高くなっている状態を意味する。制御部２０は、燃料電池１０が高温状態ではなかった場合には、通常運転の制御（ステップＳ１０）を再開する。
【００５４】
ここで、後述するように、燃料電池では、高温状態での運転が継続されると、電極に担持された触媒の性能が劣化し、発電性能が低下してしまう場合がある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０が高温状態であった場合には、制御部２０は、後述する一時的電圧低下処理を実行する性能回復運転を開始し、燃料電池１０の触媒の性能劣化を抑制する（ステップＳ３０）。なお、この性能回復運転は、燃料電池１０が高温状態にある間には、ステップＳ１０の通常運転を経つつ、周期的に繰り返し実行されることになる。性能回復運転における具体的な制御手順については後述する。
【００５５】
図４は、通常運転の実行時における燃料電池システム１００の出力制御を説明するための説明図である。図４には、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示すグラフＧI-Vと、Ｉ−Ｐ特性を示すグラフＧI-Pとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧と電力とし、横軸を電流として示してある。通常、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、電流の増加に従って下降する横Ｓ字状の曲線グラフとして表される。また、燃料電池のＩ−Ｐ特性は、上に凸の曲線グラフとして表される。
【００５６】
制御部２０は、燃料電池１０についてのＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を表す情報を、燃料電池１０の制御用情報として予め記憶している。なお、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性は、燃料電池１０の運転温度など、その運転条件に応じて変化するため、制御部２０は、それらの運転条件ごとの制御用情報を有していることが好ましい。
【００５７】
制御部２０は、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性に基づいて、要求電力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。そして、制御部２０は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性に基づいて、目標電流Ｉｔを出力するための燃料電池１０の目標電圧Ｖｔを取得する。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２に直流配線ＤＣＬの電圧を目標電圧Ｖｔに設定させることにより、燃料電池１０および二次電池８１に要求電力Ｐｔを出力させる。
【００５８】
ここで、本実施例の燃料電池システム１００では、高温状態での運転の継続により、燃料電池１０の触媒性能の劣化が生じることを抑制するために、性能回復運転（図３のステップＳ３０）において、以下に説明する一時的電圧低下処理を実行する。以下では、高温状態での運転の継続による燃料電池の触媒性能の劣化を説明した上で、本実施例の燃料電池システム１００が実行する一時的電圧低下処理の具体的な処理内容を説明する。
【００５９】
図５（Ａ），（Ｂ）は、高温状態における触媒性能の劣化を説明するための説明図である。図５（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、燃料電池内部の電解質膜１の表面に形成されたカソード電極２の一部を模式的に図示してある。なお、図５（Ａ），（Ｂ）では、説明の便宜のために、紙面上側ほど電位が高いものとして図示してある。また、図５（Ａ）は、通常運転が実行されているときのカソード電極２の状態を例示しており、図５（Ｂ）は、高温状態におけるカソード電極２の状態を例示している。
【００６０】
カソード電極２では、導電性粒子３ｐに触媒３ｃを担持させた触媒担持粒子３が、多孔質に配列された状態で、電解質膜１と同じ、あるいは、類似の固体電解質であるアイオノマー４に包含されている。通常運転の実行時には、電解質膜１を介してアノード側から伝導してきたプロトン（Ｈ+）は、アイオノマー４中の水分によって形成された経路を経て、電位の高い領域まで十分に到達することができる（図５（Ａ））。
【００６１】
これに対して、高温状態のカソード電極２では、電位の高い領域ほど乾燥し、破線で図示した乾燥領域ＤＡが形成されてしまう場合がある（図５（Ｂ））。この乾燥領域ＤＡでは、水分が少なくプロトンの移動が制限されてしまうことになる。そのため、カソード電極２の電位の高い領域へプロトンが到達することが抑制され、乾燥領域ＤＡにおける電位が低下せず、乾燥領域ＤＡに存在する触媒３ｃの表面には酸化被膜ＯＬが形成されやすくなる。触媒３ｃ表面に酸化被膜ＯＬが形成されると、カソード電極２における触媒性能が低下してしまい、燃料電池の発電性能の低下の原因となる。
【００６２】
ここで、通常運転の実行時は、通常、高温状態のときより、燃料電池１０の電圧が低く、電流が高い状態であるため、燃料電池反応によって生成される水分量も多い。そのため、通常運転の実行時には、燃料電池反応における生成水分によって、カソード電極２で生成された被毒物質を排出することができ、触媒３ｃの外表面に被毒物質が吸着することが抑制される。また、通常運転の実行時であれば、触媒３ｃの表面に酸化被膜ＯＬが形成されてしまっている場合であっても、上述したように、プロトンが高電位の領域にある触媒３ｃまで十分に行き渡るため、酸化被膜ＯＬを還元反応により消失させることが可能である。
【００６３】
このように、高温状態の運転時における触媒性能の劣化は、主に、燃料電池内部における水分量の不足による、プロトンの移動経路の減少と、被毒物質の排出性の低下とによって引き起こされる。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、高温状態となったときに、性能回復運転において、一時的電圧低下処理を実行する。本実施例の一時的電圧低下処理では、燃料電池１０の電圧を一時的に低下させることによって、燃料電池１０の電流を一時的に増大させ、燃料電池１０における生成水量を増加させることができる。従って、カソード電極２における乾燥領域ＤＡが低減され、高電位領域へのプロトンの移動経路を確保することができるとともに、カソード電極２に生成された被毒物質の排出を促進させることができる。
【００６４】
図６は、一時的電圧低下処理の処理内容を説明するための説明図である。図６には、一時的電圧低下処理が実行されたときの燃料電池１０の電圧変化の一例を、縦軸を電圧とし、横軸を時間とするグラフにより示してある。一時的電圧低下処理では、制御部２０は、以下のように燃料電池１０の電圧を制御する。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御して、燃料電池１０の電圧を元の電圧ＶｏからＶｃまで低下させ、一定の期間ｔｈだけ、低下後の電圧Ｖｃを維持する。
【００６５】
以後、本明細書では、この一時的電圧低下処理における元の電圧Ｖｏと低下後の電圧Ｖｃとの差Ｖｄを「電圧低下量Ｖｄ」と呼ぶ。また、一時的電圧低下処理において低下後の電圧Ｖｃが保持される期間ｔｈを「電圧低下期間ｔｈ」と呼ぶ。
【００６６】
電圧低下期間ｔｈの経過後、制御部２０は、燃料電池１０の電圧を復帰させる。なお、一時的電圧低下処理が実行されている電圧低下期間ｔｈの間において、燃料電池１０の出力する電力が要求電力に対して不足する場合にはその不足分は二次電池８１の電力によって補償される。ところで、図６に示されているように、復帰後の燃料電池１０の電圧は、元の電圧Ｖｏよりも高い電圧Ｖｒとなる。この理由を以下に説明する。
【００６７】
図７（Ａ），（Ｂ）は、一時的電圧低下処理による燃料電池の発電特性の変化を説明するための説明図である。図７（Ａ）は、燃料電池の電流の時間変化を示すグラフであり、が、図７（Ｂ）は、燃料電池の電圧の時間変化を示すグラフである。図７（Ａ），（Ｂ）のグラフは実験により得られたものであり、横軸の時間軸を互いに対応させてある。
【００６８】
この実験では、時刻ｔ1〜ｔ2の間に、燃料電池の電流を、Ｉ1からＩ2に増大させ、I2で保持した後、再びＩ1まで低下させた（図７（Ａ））。このとき、燃料電池の電圧は、電流の増大に伴って、Ｖ1からＶ2まで低下したが、電流を元の電流値Ｉ1に復帰させたとき（時刻ｔ2）には、元の電圧Ｖ1よりも高い電圧Ｖ3となり、その後もＶ1より高い電圧がしばらく維持された（図７（Ｂ））。
【００６９】
このように、一時的に電流を増大させた後に、燃料電池の電流と電圧とが対応しなくなったのは、電流を一時的に増大させたことによって、燃料電池の発電特性が変化したためである。より具体的には、電流の増大によって、燃料電池内部の水分が増加し、触媒の酸化被膜の減少や、被毒物質の排出などが促進され、燃料電池の発電性能が回復・向上したためである。
【００７０】
本実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理において、図７（Ａ）で示したのと同様に、電流を一時的に増大させている。そのため、一時的電圧低下処理において、電圧を回復させたときには、燃料電池１０の発電性能が向上されている分だけ、燃料電池１０は、同じ電力を出力している場合であっても、元の電圧Ｖｏよりも高い電圧Ｖｒとなる（図６）。なお、この発電性能の向上は、一時的なものであるため、燃料電池１０の電圧は、時間の経過とともに次第に低下する。
【００７１】
ここで、図３で説明したとおり、燃料電池１０が高温状態にある間は、燃料電池システム１００では、通常運転と性能回復運転とが周期的に交互に繰り返し実行されることになる。即ち、燃料電池１０が高温状態にある間には、上記の一時的電圧低下処理が一定周期で繰り返し実行されることになる。上述したとおり、一時的電圧低下処理は、その実行の度に、燃料電池１０の発電特性の一時的な向上効果を得ることができる。従って、一時的電圧低下処理が繰り返し周期的に実行されている間には、触媒性能の劣化が抑制されるだけでなく、その一時的な発電性能の向上効果を繰り返し得ることができ、発電効率がその分だけ向上する。そのため、燃料電池１０の運転温度の上昇を抑制することができる。
【００７２】
図８は、上記の一時的電圧低下処理が実行される性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。前記したとおり、この性能回復運転は、燃料電池１０が高温状態である間に定期的に繰り返し実行される（図３）。ステップＳ１００では、制御部２０は、燃料電池１０が高温状態に入ったことが検出された後の累積時間、即ち、燃料電池が高温状態に曝された累積時間ｔｄ（以下、「高温曝露時間ｔｄ」と呼ぶ）を取得する。
【００７３】
ここで、高温曝露時間ｔｄは、初めて燃料電池１０の高温状態が検出されたとき、即ち、性能回復運転の１回目の実行のときに計測が開始されることになる。従って、１回目の性能回復運転の実行の際には、ステップＳ１００において、高温曝露時間ｔｄは予め設定された初期値に設定されるものとしても良い。なお、高温曝露時間ｔｄは、燃料電池１０が高温状態から回復し、所定の期間が経過した後にリセットされるものとしても良い。
【００７４】
ステップＳ１１０では、制御部２０は、ステップＳ１００で取得した高温曝露時間ｔｄに基づいて、電圧低下期間ｔｈを決定する。ところで、燃料電池は、一般に、高温状態に曝された時間が長いほどその性能が低下してしまう可能性が高い。これに対し、本発明の発明者は、実験により、電圧低下期間ｔｈを長くするほど、高温状態により低下した燃料電池の性能が回復する度合いが向上することを見出した。そして、その電圧低下期間ｔｈには、性能回復の度合いの向上が見込めなくなる上限があることを見出した。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０は、予め準備された、以下に説明する高温曝露時間ｔｄと電圧低下期間ｔｈとの関係を用いて、一時的電圧低下処理における電圧低下期間ｔｈを、その上限、あるいは、その上限に近い値となるように設定する。
【００７５】
図９は、本発明の発明者の実験により得られたグラフであり、横軸を、高温曝露時間とし、縦軸を電圧低下期間の上限とするグラフである。本発明の発明者は、高温曝露時間を変えた燃料電池ごとに、一時的電圧低下処理を、その電圧低下期間を変えて実行し、燃料電池のＩ−Ｖ特性に所望の回復がみられなくなった電圧低下期間を、その上限として計測した。この実験により、高温曝露時間と、電圧低下期間の上限との間の関係は、高温曝露時間が長いほど、その電圧低下期間の上限が大きくなる、上に凸の曲線カーブを描くグラフとして得ることができた。
【００７６】
本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０が、上記の関係を表したマップを予め記憶しており、そのマップを用いて、高温曝露時間ｔｄに応じた電圧低下期間ｔｈを取得する。これによって、燃料電池システム１００では、性能回復の効率が低くなるような長い電圧低下期間ｔｈによって一時的電圧低下処理が実行されることを抑制する。
【００７７】
ここで、本実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理は、高温状態が継続されている間に、周期的に繰り返し実行され、その一時的電圧低下処理の実行中に燃料電池１０の出力電力が不足する場合には、二次電池８１の電力によって補償される。しかし、二次電池８１の蓄電量には限りがあり、二次電池８１の蓄電量によっては、一時的電圧低下処理を繰り返し実行することが困難になる可能性がある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理の実行の際に二次電池８１の蓄電量が不足する可能性がある場合には、一時的電圧低下処理の処理条件を変更することにより、その実行を確保する。具体的には、以下の通りである。
【００７８】
ステップＳ１２０では、制御部２０は、ステップＳ１１０において設定された電圧低下期間ｔｈの間、電圧を予め設定された電圧低下量Ｖｄに低下させた場合に不足する電力量の予測値、即ち、二次電池８１が補償する電力量の予測値ＥPを算出する。なお、ステップＳ１２０において、予測値ＥPが０以下であった場合、即ち、二次電池８１による補償が不要であった場合には、以下に説明するステップＳ１３０〜Ｓ１５０の処理を省略し、一時的電圧低下処理（ステップＳ１６０）を実行するものとしても良い。
【００７９】
ステップＳ１３０では、制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４によって、現在の二次電池８１におけるＳＯＣを検出する。ステップＳ１４０では、制御部２０は、二次電池８１によってステップＳ１１０において算出された予測値ＥPの表す不足電力量を、二次電池８１の現在のＳＯＣで補償することが可能か否かを判定する。具体的には、制御部２０は、二次電池８１が補償する電力量の予測値ＥPと、二次電池８１の現在のＳＯＣに基づいて得られる、二次電池８１が現在出力可能な電力量ＥSとを比較して、電力量ＥSが予測値ＥPより十分に大きいか否かを判定する。あるいは、制御部２０は、例えば、二次電池８１が出力可能な電力量ＥSが、予測値ＥPに基づいて設定される閾値より大きいか否かを判定するものとしても良い。なお、この判定処理では、一時的電力低下処理が繰り返し実行される場合であっても、二次電池８１の出力が確保されるように、後続する一時的電力低下処理において二次電池８１が補償する電力量を加味するものとしても良い。
【００８０】
ステップＳ１４０において、二次電池８１の現在のＳＯＣでは不足電力の補償が困難であると判定した場合には、制御部２０は、二次電池８１の現在のＳＯＣで一時的電圧低下処理が実行可能になるように、電圧低下期間ｔｈの補正を実行する（ステップＳ１５０）。即ち、制御部２０は、電圧低下期間ｔｈの値を、二次電池８１が現在出力可能な電力量ＥSに応じて小さくする補正を実行し、補正後の電圧低下期間ｔｈcを取得する。例えば、制御部２０は、以下の数式（１）を用いて、電圧低下期間ｔｈの補正を実行するものとしても良い。
補正後の電圧低下期間ｔｈc＝（ＥS／（α×ＥP））×ｔｈ  …（１）
ここで、αは１以上の任意の実数である。なお、このステップＳ１４０においても、一時的電力低下処理が繰り返し実行される場合であっても二次電池８１の出力が確保されるように、後続する一時的電力低下処理において二次電池８１が補償する電力量を加味して補正を実行するものとしても良い。
【００８１】
ステップＳ１６０では、制御部２０は、ステップＳ１１０において取得された電圧低下期間ｔｈ、または、補正後の電圧低下期間ｔｈcの間、燃料電池１０の電圧をＶｄだけ低下させる。その後、制御部２０は、通常運転を再開するが、前記したとおり、燃料電池１０の高温状態が継続されている間は、この性能回復運転が周期的に繰り返し実行されることになる。
【００８２】
図１０は、性能回復運転が繰り返し実行されている間における燃料電池１０の電圧変化の一例を示すグラフである。この例では、一時的電圧低下処理が、一定周期Ｔの間隔の各時刻ｔn，ｔn+1，ｔn+2，ｔn+3，ｔn+4（ｎは任意の自然数）において実行されている。そして、第１〜第４の時刻ｔn〜ｔn+3の一時的電圧低下処理では、高温曝露時間ｔｄに応じた電圧低下期間ｔｈで実行されているため、低電圧で保持されている期間が、次第に長くなっている。そして、第５の時刻ｔn+4における一時的電圧低下処理では、二次電池８１の蓄電量が不足して補正された電圧低下期間ｔｈcによって実行されている。そのため、第５の時刻ｔn+4における一時的電圧低下処理では、１つ前の第４の時刻ｔn+3における一時的電圧低下処理より、低電圧に保持される期間が短くなっている。
【００８３】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１００であれば、燃料電池１０が高温状態であるときに、一時的電圧低下処理が実行され、触媒性能の劣化が抑制される。また、本実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理の処理条件である電圧低下期間ｔｈは、燃料電池１０の運転状態を示す要素の一つである高温曝露時間ｔｄに応じて設定された後に、二次電池８１の蓄電量に基づいて変更される。より具体的には、二次電池８１の蓄電量に十分な余裕がある場合には、電圧低下期間ｔｈは、高温状態が継続された時間に対して、燃料電池１０の性能回復に有効な上限の値（これ以下の値であれば、効果が得られる値）に設定される。そして、電圧低下期間ｔｈは、二次電池８１の蓄電量が、一時的電圧低下処理において不足する可能性が高いときには短く補正される。従って、二次電池８１の出力が確保される範囲内で、燃料電池１０の触媒性能を劣化を抑制するための運転を効率的に実行することができる。
【００８４】
B．第２実施例：
図１１は本発明の第２実施例としての性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１１は、ステップＳ１５０に換えてステップＳ１５１の処理が設けられている点以外は、図８とほぼ同じである。なお、この第２実施例における燃料電池システムの構成は、第１実施例で説明したものと同様である（図１，図２）。また、第２実施例の燃料電池システムにおいて制御部２０が実行するシステム制御は、第１実施例で説明したのと同様である（図３）。
【００８５】
第２実施例の燃料電池システムでは、一時的電圧低下処理の実行の際に、二次電池８１の蓄電量が不足してしまう可能性がある場合には、一時的電圧低下処理が実行可能なように、電圧低下量Ｖｄを変更する補正処理を実行する（ステップＳ１５１）。即ち、制御部２０は、電圧低下量Ｖｄの値を、二次電池８１が現在出力可能な電力量ＥSに応じて小さくする補正を実行する。例えば、制御部２０は、以下の数式（２）を用いて、電圧低下量Ｖｄの補正を実行するものとしても良い。
補正後の電圧低下量Ｖｄc＝（ＥS／（α×ＥP））×Ｖｄ  …（２）
ここで、αは１以上の任意の実数である。なお、電圧低下量Ｖｄのは、一時的電圧低下処理の繰り返しの実行が確保されるように補正されることが好ましい。
【００８６】
図１２は、第２実施例の一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間における燃料電池１０の電圧変化の一例を示すグラフである。この例では、一時的電圧低下処理が、一定周期Ｔ間隔の各時刻ｔn，ｔn+1，ｔn+2，ｔn+3（ｎは任意の自然数）において実行されている。そして、各時刻ｔn〜ｔn+3の一時的電圧低下処理では、高温曝露時間ｔｄに応じた電圧低下期間ｔｈで実行されており、低電圧で保持される期間が、次第に長くなっている。しかし、第４の時刻ｔn+3における一時的電圧低下処理では、二次電池８１の蓄電量が不足したために補正後の電圧低下量Ｖｄcによって実行されており、電圧の低下幅が縮小されている。
【００８７】
以上のように、第２実施例の燃料電池システムでは、二次電池８１の蓄電量に十分な余裕がある場合には、電圧低下期間ｔｈが、高温状態が継続された時間に対して、燃料電池１０の性能回復の効果が得られる上限の値で設定される。そして、二次電池８１のＳＯＣに基づいて得られる蓄電量が、一時的電圧低下処理において不足する可能性があるときには、二次電池８１の放電する電力量が不足しないように、電圧低下量Ｖｄを小さくして、一時的電圧低下処理の実行が確保される。従って、燃料電池１０の高温状態が継続されているときに、一時的電圧低下処理を効果的かつ効率的に実行することができる。
【００８８】
C．第３実施例：
図１３は本発明の第３実施例としての性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１３は、ステップＳ１００，Ｓ１１０に換えてステップＳ１０１，Ｓ１１１が設けられている点以外は、図８と同じである。なお、この第３実施例における燃料電池システムの構成は、第１実施例で説明したものと同様である（図１，図２）。また、第３実施例の燃料電池システムにおいて制御部２０が実行するシステム制御の手順は、第１実施例で説明したのと同様である（図３）。
【００８９】
第３実施例の燃料電池システムでは、一時的電圧低下処理の実行が開始されると、制御部２０は、ステップＳ１０１において、燃料電池１０の現在の電流とセル電圧とを検出する。ここで、第３実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、燃料電池１０の現在のセル電圧に対して、電圧低下期間ｔｈを決定するためのマップを、燃料電池１０の電流値ごとに予め記憶している。ステップＳ１１１では、制御部２０は、燃料電池１０の電流の検出値に対応するマップを読み出し、そのマップを用いて、燃料電池１０のセル電圧の検出値に対する電圧低下期間ｔｈを取得する。
【００９０】
図１４は、ステップＳ１１１で用いられるマップの一例を、横軸をセル電圧とし、縦軸を電圧低下期間とするグラフとして示した説明図である。このマップは、本発明の発明者が行った実験の実験結果に基づいて設定されたものである。このマップでは、セル電圧ＶｃがＶ1以下のときには、電圧低下期間ｔｈが最も高いｔｈmaxが取得されるように設定されている。そして、セル電圧ＶｃがＶ1より大きい場合には、セル電圧Ｖｃが高いほど、電圧低下期間ｔｈが短くなるように設定されている。なお、セル電圧ＶｃがＶ1より大きい領域では、セル電圧Ｖｃと電圧低下期間ｔｈとの関係は、下に凸の曲線カーブを描くように設定されている。
【００９１】
ここで、燃料電池では、一般に、ある電流値に対するセル電圧の値が低いほど、Ｉ−Ｖ特性やＩ−Ｐ特性で表される燃料電池の発電特性が低下している可能性が高く、燃料電池の発電性能が低下している可能性が高い。前記したとおり、このマップは、燃料電池１０の電流値ごとに準備されており、燃料電池１０の発電特性の変化に応じて電圧低下期間ｔｈを取得できるマップであると解釈することができる。なお、図１４に示されたマップで取得される電圧低下期間ｔｈは、一時的電圧低下処理において、それ以上の期間で低電圧を保持しても、所望の性能回復の度合いの向上が見込めなくなる、電圧低下期間の上限である。
【００９２】
第３実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池１０の現在の運転状態を示す燃料電池１０の発電特性に応じて電圧低下期間ｔｈが設定される。そして、二次電池８１の蓄電量が十分である場合には、その電圧低下期間ｔｈで、一時的電圧低下処理が実行され、二次電池８１の蓄電量が不十分な場合には、電圧低下期間ｔｈを縮小する補正をして、一時的電圧回復処理の実行が確保される。このように、第３実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池１０の発電特性に応じた性能回復運転を、二次電池８１の蓄電量で許容される範囲内において、より高い効果が得られるように実行できる。
【００９３】
D．第４実施例：
図１５は、本発明の第４実施例としての性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１５は、ステップＳ１２５が追加されている点と、ステップＳ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１６０に換えてステップＳ１２１，Ｓ１４１，Ｓ１６１が設けられている点以外は、図８とほぼ同じである。なお、第４実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例と同様であり（図１，図２）、制御部２０によるシステム制御の制御手順は、第１実施例で説明したのと同様である（図３）。
【００９４】
第４実施例の燃料電池システムでは、一時的電圧低下処理を、燃料電池車両の停止中、即ち、モータ２００への電力の供給が停止されている、燃料電池１０の待機状態、いわゆるアイドリング状態のときに実行する。そして、一時的電圧低下処理において燃料電池１０が出力する電力は、二次電池８１に充電される。具体的には、一時的電圧低下処理は、以下のように実行される。
【００９５】
制御部２０は、通常運転の実行時に、燃料電池１０が高温状態であることを検出した場合には、第１実施例で説明したのと同様な処理によって、高温曝露時間ｔｄに応じた電圧低下期間ｔｈを取得する（ステップＳ１００，Ｓ１１０）。そして、その電圧低下期間ｔｈと、初期値として設定されている電圧低下量Ｖｄとを用いて、一時的電圧低下処理を実行した場合に、二次電池８１へ充電されるであろう電力量の予測値ＥPを算出する（ステップＳ１２１）。
【００９６】
ステップＳ１２５では、制御部２０は、モータ２００への電力の供給が停止されており、燃料電池１０が待機状態であるか否かを判定する。制御部２０は、燃料電池１０が待機状態ではない場合には、性能回復運転から通常運転の制御に復帰する。一方、制御部２０は、燃料電池１０が待機状態であるときには、二次電池８１のＳＯＣを検出する（ステップＳ１３０）。
【００９７】
そして、制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣに基づき、一時的電圧低下処理を実行可能であるか否かを判定する（ステップＳ１４１）。具体的には、ステップＳ１２１で算出した予測値ＥPに相当する電力量を二次電池８１に充電可能であるか否かを判定する。ステップＳ１４１において、二次電池８１に充電のための十分な空き容量がないと判定した場合には、制御部２０は、第１実施例で説明したのと同様に、電圧低下期間ｔｈを補正する（ステップＳ１５０）。そして、補正後の電圧低下期間ｔｈcを用いて、一時的電圧低下処理を実行する。
【００９８】
一方、ステップＳ１４１において、二次電池８１に十分な空き容量があると判定した場合には、制御部２０は、ステップＳ１１０で設定された電圧低下期間ｔｈによって、一時的電圧低下処理を実行する（ステップＳ１６１）。なお、ステップＳ１６１では、燃料電池１０の出力する電力は、二次電池８１に蓄電される。
【００９９】
以上のように、第４実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池車両の停止時などにおいて、燃料電池１０が高温状態である場合には、燃料電池１０の触媒性能を回復するための処理が実行される。従って、燃料電池車両のアイドリング中などの時間を有効に活用して、燃料電池１０の性能劣化を抑制することができる。また、二次電池８１のＳＯＣに応じて、一時的電圧低下処理の処理条件が変更され、一時的電圧低下処理において燃料電池１０が出力する電力を確実に蓄電することができるため、燃料電池車両におけるエネルギーの浪費が抑制される。
【０１００】
E．第５実施例：
図１６は、本発明の第５実施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１６は燃料電池１０に短絡回路１１０が接続されている点と、二次電池８１と燃料電池１０との間に開閉スイッチ９６が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、第５実施例の燃料電池システム１００Ａの他の構成は、第１実施例と同様である（図１）。また、第５実施例の燃料電池システム１００Ａでは、制御部２０は、第１実施例と同様に、高温状態が検出されるまでは通常運転を継続的に実行し、高温状態が検出された後には、高温状態が継続されている間、性能回復運転を定期的に繰り返し実行する（図３）。
【０１０１】
第５実施例の燃料電池システム１００Ａには、直流配線ＤＣＬに、燃料電池１０と二次電池８１との間の電気的接続を切断可能なように、開閉スイッチ９６が設けられている。制御部２０は、この開閉スイッチ９６の開閉動作を制御する。また、第５実施例の燃料電池システム１００Ａには、燃料電池１０のアノードとカソードとを短絡させることが可能な短絡回路１１０が設けられている。
【０１０２】
短絡回路１１０は、燃料電池１０の２つの電極を接続する配線１１１と、可変抵抗１１２と、開閉スイッチ１１３とを備えている。可変抵抗１１２と開閉スイッチ１１３とはそれぞれ配線１１１に設けられている。制御部２０は、この短絡回路１１０の開閉スイッチ１１３の開閉と、可変抵抗１１２の抵抗とを制御する。
【０１０３】
制御部２０は、開閉スイッチ９６によって燃料電池１０と二次電池８１との電気的接続が切断された状態において、燃料電池１０の電圧を、可変抵抗１１２の抵抗を調整することにより任意に低下させることが可能である。第５実施例の燃料電池システム１００Ａでは、以下に説明する性能回復運転において、この短絡回路１１０を用いた一時的電圧低下処理を実行する。
【０１０４】
図１７は、第５実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて実行される性能回復運転における制御手順を示すフローチャートである。図１７は、ステップＳ１５０に換えてステップＳ１６２が設けられている点以外は、図１５とほぼ同じである。第５実施例の性能回復運転では、第５実施例で説明したのと同様に、燃料電池車両の停止中に、一時的電圧低下処理を実行し、その際の燃料電池１０の出力を二次電池８１に充電する。ただし、以下に説明する点において、第５実施例の性能回復運転とは異なる。
【０１０５】
第５実施例の性能回復運転では、一時的電圧低下処理の実行開始前に、二次電池８１の充電可能な空き容量が十分でないと判定した場合には、短絡回路１１０によって一時的電圧低下処理を実行する（ステップＳ１６２）。具体的には、制御部２０は、開閉スイッチ９６を開き、燃料電池１０と二次電池８１との間の電気的接続を切断するとともに、短絡回路１１０の開閉スイッチ１１３を閉じて、燃料電池１０のアノードとカソードとを短絡させる。
【０１０６】
このとき、燃料電池１０への反応ガスの供給は継続されているが、アノードとカソードの短絡により、燃料電池１０の電圧が低下することになる。制御部２０は、電圧低下期間ｔｈの間、燃料電池１０の電圧を電圧低下量Ｖｄだけ低下させる。なお、制御部２０は、可変抵抗１１２の抵抗値を調整することにより、燃料電池１０の電圧低下量を調整することができる。即ち、第５実施例の燃料電池システムでは、短絡回路１１０を利用することにより、二次電池８１への充電を行うことなく、一時的電圧低下処理を実行することが可能である。
【０１０７】
以上のように、第５実施例の燃料電池システム１００Ａであれば、二次電池８１の充電可能な空き容量が十分でない場合であっても、電圧低下期間ｔｈを補正することなく、電圧低下の方法を変更して一時的電圧低下処理が実行される。従って、高温状態に曝された燃料電池１０の確実な性能回復が可能である。
【０１０８】
E−１．第５実施例の他の構成例：
図１８は、第５実施例の他の構成例としての性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１８は、ステップＳ１２１，Ｓ１３０，Ｓ１４１，Ｓ１６１の処理が省略され、ステップＳ１２５の判定処理の後にステップＳ１６２が設けられている点以外は、図１７とほぼ同じである。この構成例では、燃料電池システムの構成は、上述した第５実施例の燃料電池システム１００Ａと同じである（図１６）。また、制御部２０によるシステム制御の制御手順は、以下に説明する性能回復運転の制御手順が異なる点以外は、第５実施例で説明した制御手順とほぼ同じである。
【０１０９】
この構成例では、性能回復運転において、二次電池８１のＳＯＣに関わらず、短絡回路１１０によって電圧を低下させる一時的電圧低下処理を実行する。即ち、ステップＳ１２５において、燃料電池１０が待機中であると判定された場合には、制御部２０は、そのまま、短絡回路１１０によって、燃料電池１０のアノードとカソードとを短絡させて、燃料電池１０の電圧を一時的に低下させる（ステップＳ１６２）。このように、この構成例であれば、二次電池８１のＳＯＣに関わらず、燃料電池１０の性能回復のための処理を実行することが可能である。
【０１１０】
F．第６実施例：
図１９は、本発明の第６実施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１９は、バイパスガス流路部１２０が設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、第６実施例の燃料電池システム１００Ｂの他の構成は、第１実施例と同様である（図１）。また、第６実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、制御部２０は、第１実施例と同様に、高温状態が検出されるまでは通常運転を継続的に実行し、高温状態が検出された後には、高温状態が継続されている間、性能回復運転を定期的に繰り返し実行する（図３）。
【０１１１】
第６実施例の燃料電池システム１００Ｂには、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０とを接続するバイパスガス流路部１２０が設けられている。第６実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、バイパスガス流路部１２０によって、アノードガスを燃料電池１０のカソード側にバイパスさせることが可能である。
【０１１２】
バイパスガス流路部１２０は、バイパス配管１２１と、開閉弁１２２と、調圧弁１２３とを備えている。バイパス配管１２１は、一端がアノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流側に接続され、他端が、カソードガス配管３１の加湿部３５の下流側に接続されている。開閉弁１２２は、バイパス配管１２１のアノードガス供給部５０側に設けられ、調圧弁１２３は、バイパス配管１２１のカソードガス供給部３０側に設けられている。制御部２０は、開閉弁１２２と調圧弁１２３とを制御し、カソードガス供給部３０へとバイパスされるアノードガスの流量を調整する。
【０１１３】
第６実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、以下に説明する性能回復運転において、このバイパスガス流路部１２０を用いた一時的電圧低下処理を実行する。なお、バイパスガス流路部１２０は、以下に説明する一時的電圧低下処理の実行時以外は、開閉弁１２２が閉じられた状態である。
【０１１４】
図２０は、第６実施例の燃料電池システム１００Ｂにおいて実行される性能回復運転における制御手順を示すフローチャートである。図２０は、ステップＳ１６２に換えてステップＳ１６３が設けられている点以外は、図１７とほぼ同じである。即ち、第６実施例の性能回復運転は、二次電池８１の空き容量が不十分な場合に実行される一時的電圧低下処理の内容が異なる点以外は、第５実施例の性能回復運転とほぼ同じである。
【０１１５】
第６実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、二次電池８１の空き容量が不十分な場合には、制御部２０は、バイパスガス流路部１２０の開閉弁１２２を、電圧低下期間ｔｈの間だけ、一時的に開く。なお、制御部２０は、このときに、電圧低下量Ｖｄに応じて、調圧弁１２３の開度も調整する。
【０１１６】
開閉弁１２２の開放により、アノードガス配管５１のアノードガスの一部がカソードガス配管３１へと流入し、燃料電池１０のカソード側にアノードガスが導入される。これによって、燃料電池１０の電圧を低下させることができるとともに、カソード側に導入されたアノードガスとカソードガスとの反応により、燃料電池１０の内部の水分量を増大させることができる。従って、燃料電池１０における触媒性能の回復が可能である。
【０１１７】
このように、第６実施例の燃料電池システム１００Ｂであれば、二次電池８１の空き容量が十分でない場合であっても、一時的電圧低下処理が、電圧低下期間ｔｈを補正することなく、電圧低下の方法を変えて実行される。従って、高温状態に曝された燃料電池１０の確実な性能回復が可能である。
【０１１８】
F−１．第６実施例の他の構成例：
図２１は、第６実施例の他の構成例としての性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図２１は、ステップＳ１６２に換えてステップＳ１６３が設けられている点以外は、図１８とほぼ同じである。この構成例における燃料電池システムの構成は、上述した第６実施例の燃料電池システム１００Ｂと同じである（図１９）。また、制御部２０によるシステム制御の制御手順は、以下に説明する性能回復運転の制御手順が異なる点以外は、第６実施例で説明した制御手順とほぼ同じである。
【０１１９】
この構成例では、性能回復運転において、二次電池８１のＳＯＣに関わらず、バイパスガス流路部１２０を用いて一時的電圧低下処理を実行する。即ち、制御部２０は、ステップＳ１２５において、燃料電池１０が待機中であると判定した場合には、バイパスガス流路部１２０によって、アノードガスを燃料電池１０のカソード側へとバイパスさせる一時的電圧低下処理を実行する（ステップＳ１６３）。このように、この構成例であれば、二次電池８１のＳＯＣに関わらず、燃料電池１０の性能回復のための処理を確実に実行することができる。
【０１２０】
G．第７実施例：
図２２は、本発明の第７実施例としての燃料電池システム１００Ｃの電気的構成を示す概略図である。図２２は、短絡回路１１０に換えて電圧印加部１３０が設けられている点以外は、図１６とほぼ同じである。なお、第７実施例の燃料電池システム１００Ｃの他の構成は、第１実施例と同様である（図１）。また、第７実施例の燃料電池システム１００Ｃでは、制御部２０は、第１実施例と同様に、高温状態が検出されるまでは通常運転を継続的に実行し、高温状態が検出された後には、高温状態が継続されている間、性能回復運転を周期的に繰り返し実行する（図３）。
【０１２１】
第７実施例の燃料電池システム１００Ｃには、制御部２０の指令により、燃料電池１０に対して電圧を印加する電圧印加部１３０が設けられている。電圧印加部１３０は、電源装置１３１と、配線１３２と、開閉スイッチ１３３とを備える。
【０１２２】
電源装置１３１は、直流電源装置であり、カソード側をマイナスとし、アノード側をプラスとして、配線１３２を介して燃料電池１０に接続されている。開閉スイッチ１３３は、配線１３２に設けられている。制御部２０は、開閉スイッチ１３３の開閉を制御して、燃料電池１０と電源装置１３１との間の電気的接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。第７実施例の燃料電池システム１００Ｃでは、以下に説明する性能回復運転において、この電圧印加部１３０を用いた一時的電圧低下処理を実行する。
【０１２３】
図２３は、第７実施例の燃料電池システム１００Ｃにおいて実行される性能回復運転における制御手順を示すフローチャートである。図２３は、ステップＳ１６３に換えてステップＳ１７０〜Ｓ１７２が設けられている点以外は、図２０とほぼ同じである。即ち、第７実施例の性能回復運転は、二次電池８１の充電容量が不十分な場合に実行される一時的電圧低下処理の内容が異なる点以外は、第５実施例や第６実施例の性能回復運転とほぼ同じである。第７実施例の燃料電池システム１００Ｃでは、二次電池８１の空き容量が不十分な場合には、以下の手順により、一時的電圧低下処理を実行する。
【０１２４】
制御部２０は、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０とに、反応ガスの供給を停止させる（ステップＳ１７０）。そして、電圧印加部１３０の開閉スイッチ１３３を閉じて、燃料電池１０と電源装置１３１とを接続させ、電圧低下期間ｔｈの間、燃料電池１０にカソード側をマイナスとし、アノード側をプラスとする電圧を印加する（ステップＳ１７１）。なお、この印加電圧は、電圧低下量Ｖｄに応じて設定される。そして、制御部２０は、電圧低下期間ｔｈが経過したときに、電圧印加部１３０と燃料電池１０との間の電気的接続を切断し、燃料電池１０への反応ガスの供給を再開させる（ステップＳ１７２）。
【０１２５】
ここで、通常、燃料電池では反応ガスの供給が停止されると、燃料電池１０に残留している反応ガスの消費とともに緩やかな電圧降下が生じる。第７実施例の燃料電池システムでは、反応ガスの供給を停止された燃料電池１０に、電源装置１３１によって電圧を印加することにより、燃料電池１０のアノード側のプロトンをカソード側へと誘導し（水素ポンプ）、その電圧降下の速度を促進させている。この反応ガスの供給停止後の電圧降下を利用した一時的電圧低下処理においても、一時的に燃料電池１０における生成水量を増大させることができ、燃料電池１０の触媒性能の回復が可能である。
【０１２６】
以上のように、第７実施例の燃料電池システムであれば、二次電池８１のＳＯＣが不足する場合であっても、一時的電圧低下処理が、電圧低下の方法を変更して実行される。  
【０１２７】
G−１：第７実施例の他の構成例：
図２４は、第７実施例の他の構成例としての性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図２４は、ステップＳ１６３に換えてステップＳ１７０〜Ｓ１７２が設けられている点以外は、図２１とほぼ同じである。この構成例では、燃料電池システムの構成は、上述した第７実施例の燃料電池システム１００Ｃと同じである（図１９）。また、制御部２０によるシステム制御の制御手順は、以下に説明する性能回復運転の制御手順が異なる点以外は、第７実施例で説明した制御手順とほぼ同じである。
【０１２８】
この構成例では、性能回復運転において、二次電池８１のＳＯＣに関わらず、電圧印加部１３０を用いた一時的電圧低下処理を実行する。即ち、ステップＳ１２５において、燃料電池１０が待機中であると判定された場合には、制御部２０は、電圧低下期間ｔｈの間、燃料電池１０への反応ガスの供給を一時的に停止させる（ステップＳ１７０）。そして、電圧印加部１３０によって燃料電池１０に電圧を印可し、燃料電池１０の電圧を所定の値まで一時的に低下させ（ステップＳ１７１）、所定の期間、その低電圧状態を保持した後に、反応ガスの供給を再開させ（ステップＳ１７２）、電圧を復帰させる。この構成例であれば、二次電池８１のＳＯＣに関わらず、燃料電池１０の性能回復のための一時的電圧低下処理が確実に実行される。
【０１２９】
H．第８実施例：
図２５は、本発明の第８実施例の燃料電池システムの制御部２０によるシステム制御の制御手順を示すフローチャートである。図２５は、ステップＳ２０とステップＳ３０との間にステップＳ２１，Ｓ２５が設けられている点と、ステップＳ３０の後にステップＳ４０が追加されている点以外は、図３とほぼ同じである。なお、第８実施例の燃料電池システムの構成は第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである（図１，図２）。
【０１３０】
第８実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０が高温状態で運転されていた履歴がある場合には、燃料電池車両の停止時など、燃料電池１０が待機している状態のときに、高温状態の運転で劣化した燃料電池１０の性能を回復するための性能回復運転を実行する。具体的には、以下の通りである。
【０１３１】
第８実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、通常運転実行時に燃料電池１０の運転温度が第１の温度（例えば、約９０℃）より高い高温状態にあることを検出した場合であっても、そのまま通常運転の制御を継続する（ステップＳ２０，Ｓ２１）。そして、ステップＳ２１において継続している通常運転の制御を実行している間に、燃料電池１０の運転温度が、第２の温度（例えば、約６０℃程度）よりも低下したことが検出されたときに、性能回復運転を開始する（ステップＳ３０）。
【０１３２】
図２６は、第８実施例の燃料電池システムにおいて実行される性能回復運転における制御手順を示すフローチャートである。図２６は、ステップＳ１００が省略されている点と、ステップＳ１１０に換えてステップＳ１１１が設けられている点以外は、図８とほぼ同じである。性能回復運転が開始されると、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件（電圧低下期間ｔｈや電圧低下量Ｖｄ）を予め設定された値（初期値）に設定する（ステップＳ１１１）。
【０１３３】
そして、ステップＳ１２０〜Ｓ１５０では、第１実施例で説明したのと同様に、現在の二次電池８１のＳＯＣに基づいて、電圧低下期間ｔｈの補正の必要性を判定し、必要があれば、電圧低下期間ｔｈを、二次電池８１の蓄電量に応じて補正する。ステップＳ１６０では、ステップＳ１１１で設定された電圧低下期間ｔｈ、または、ステップＳ１５０で補正された電圧低下期間ｔｈcによって、一時的電圧低下処理を実行する。
【０１３４】
制御部２０は、性能回復運転の実行後、燃料電池１０の性能が回復しているか否かを判定する（図２５のステップＳ４０）。具体的には、例えば、燃料電池１０の電圧と電流とを検出し、燃料電池の発電特性（Ｉ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性）が、現在の運転温度における許容範囲内の特性を示しているか否かを判定する。制御部２０は、燃料電池１０の性能が回復していないと判定されている間は、一時的電圧低下処理が周期的に繰り返されるように、性能回復運転を繰り返し実行する。一方、燃料電池１０の性能が回復していると判定された場合には、通常運転に復帰する（ステップＳ１０）。
【０１３５】
以上のように、第８実施例の燃料電池システムでは、高温状態の運転において低下した燃料電池１０の触媒性能を、燃料電池１０の運転温度が低下した後の一時的電圧低下処理によって回復させる。燃料電池１０の運転温度が低下した状態であれば、燃料電池１０の内部の湿潤状態が改善されている可能性が高い。そして、そうした湿潤状態が改善された状態のときに、一時的電圧低下処理を実行すれば、カソード電極２内に蓄積された被毒物質を、より確実に排出させることができる。また、酸化被膜が生成されてしまった触媒３ｐにまでプロトンを確実に到達させることができる。従って、より効果的に燃料電池１０の触媒性能を回復させることが可能である。
【０１３６】
なお、上記の説明では、ステップＳ１１１において、電圧低下期間ｔｈを所定の初期値に設定していたが、電圧低下期間ｔｈは、第１実施例と同様に、高温状態の継続された累積時間である高温曝露時間ｔｄに応じて設定されるものとしても良い（図９）。あるいは、第３実施例で説明したように、燃料電池１０の現在のＩ−Ｖ特性に応じて電圧低下期間ｔｈが設定されるものとしても良い（図１４）。さらに、一時的電圧低下処理を実行するときの燃料電池１０の運転温度が低いほど、電圧低下量Ｖｄを低減させて、一時的電圧低下処理を実行するものとしても良い。
【０１３７】
I．第９実施例：
図２７は、本発明の第９実施例としての燃料電池システムにおいて制御部２０が実行するシステム制御の制御手順を示すフローチャートである。図２７は、ステップＳ２１に換えてステップＳ２２が設けられている点と、ステップＳ３０に換えてステップＳ２７，Ｓ３１，Ｓ３２が設けられている点以外は、図２５とほぼ同じである。なお、第９実施例の燃料電池システムの構成は第８実施例の燃料電池システムとほぼ同じである（図１，図２）。第９実施例の燃料電池システムでは、高温状態が検出された後、燃料電池１０の運転状態や、二次電池８１の充電状態に基づいて、処理内容を変えた一時的電圧低下処理が実行される。具体的には、以下の通りである。
【０１３８】
第９実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０が高温状態にある間、第１の性能回復運転を繰り返し実行する（ステップＳ２２，Ｓ２５）。この第１の性能回復運転では、第１〜第３実施例で説明した性能回復運転のいずれか一つと同様な運転制御が実行される（図８，図１１，図１３）。なお、この第１の性能回復運転では、二次電池８１の現在の蓄電量によっては、処理条件が変更された上で、一時的電圧低下処理が実行される。
【０１３９】
第１の性能回復運転が繰り返されている間に、燃料電池１０の運転温度が所定の温度より低下した場合には、制御部２０は、現在の燃料電池１０における発電状態の劣化を検出する（ステップＳ２６）。具体的には、第９実施例の燃料電池システムでは、ステップＳ２６において、例えば、燃料電池１０のアノードガスの圧力損失の規定以上の低下を検出することにより、燃料電池１０における発電状態の劣化を検出する。
【０１４０】
図２８（Ａ）〜（Ｃ）は、燃料電池１０におけるアノードガスの圧力損失の低下原因を説明するための模式図である。図２８（Ａ）〜（Ｃ）にはそれぞれ、紙面下段側に、燃料電池１０の膜電極接合体１５を面に沿った方向に見たときの模式図が、紙面上側をカソード側とし、紙面下側をアノード側として図示してある。そして、紙面上段側に、電流密度分布の一例を示すグラフを、紙面下段側に図示された膜電極接合体１５の紙面左右方向の位置に対応させて図示してある。
【０１４１】
ここで、燃料電池１０では、反応ガスが膜電極接合体１５を挟んで互いに対向する方向に流れている（矢印ＣＦ，ＡＦ）。図２８（Ａ）〜（Ｃ）では、紙面左側がカソードガスの上流側（アノードガスの下流側）として図示してある。さらに、図２８（Ａ）〜（Ｃ）では、膜電極接合体１５における水分の循環を、破線矢印ＷＦによって模式的に示してあり、膜電極接合体１５において乾燥状態にある部位については破線ＤＡで示してある。
【０１４２】
図２８（Ａ）は、通常運転が実行される運転温度（約６０℃〜８０℃程度）のときの燃料電池１０における理想的な電流密度分布と、水分の循環状態の一例を示している。この状態のときには、カソードガスの上流側（紙面左側）ほど電流密度が高い状態であり、水分の循環系路が膜電極接合体１５の全体にわたって形成される。
【０１４３】
図２８（Ｂ）は、高温状態での運転がなされた後の燃料電池１０における電流密度分布と水分の循環状態の一例を示している。この状態では、高温運転により、カソードガスの上流側において膜電極接合体１５が乾燥状態となり、水分の循環経路は、カソードガスの下流側に偏った領域に形成される。ただし、膜電極接合体１５のアノード側では、アノードガスの流れによって、その下流側へと水分がわずかに移動する。この状態では、カソードガスの上流側における触媒の性能が劣化し始め、電流密度分布も、カソードガスの下流側に偏ってしまう。
【０１４４】
図２８（Ｃ）は、図２８（Ｂ）の状態から、さらに、高温運転が継続されたときの燃料電池１０における電流密度分布と水分の循環状態の一例を示している。この状態では、カソードガスの下流側はほぼ乾燥してしまい、アノード側においても、アノードガスの下流側への水分の移動も見られなくなっている。そして、カソードガスの下流側に偏った領域に電流が集中している。
【０１４５】
ここで、図２８（Ｂ）や図２８（Ｃ）の状態のときには、アノードガスの多くは、その上流側の領域（紙面右側の領域）で消費されることになる。そのため、これらの状態のときのアノードガスの流路では、その圧力損失が低下することになる。
【０１４６】
ステップＳ２６（図２７）では、制御部２０は、アノードガス供給部５０の圧力計測部５６の計測値と、アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７の計測値とから、燃料電池１０のアノード側の圧力損失を検出し、予め規定された閾値と比較する。そして、検出された圧力損失が許容範囲内であった場合には、通常運転（ステップＳ１０）へと復帰する。
【０１４７】
一方、検出された圧力損失が規定以上に高く、燃料電池１０の発電状態が劣化していると判定した場合には、制御部２０は、ステップＳ２７の処理を実行する。ステップＳ２７では、制御部２０は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を、現在の燃料電池１０の電流と電圧の検出値に基づいて検出し、燃料電池１０の現在の出力電力を維持したまま燃料電池１０の電圧を低下することができるか否かを判定する。
【０１４８】
図２９は、ステップＳ２７における燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性に基づく判定処理を説明するための説明図である。図２９には、図４で説明したのと同様な燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を示すグラフの一例を図示してある。図４で説明したとおり、通常運転では、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性に基づき、要求出力Ｐｔを出力するための燃料電池１０の電圧Ｖｔと電流Ｉｔと決定する。
【０１４９】
ここで、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性は、燃料電池１０の運転温度に応じて変化する。燃料電池１０の運転温度が、通常温度（約６０℃〜約８０℃）であれば、図２９に示すように、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性を示す曲線グラフには、その頂点の電流値より高い電流値を示す領域（以下、「高電流領域」と呼ぶ）が存在する。
【０１５０】
一方、燃料電池１０が高温状態（運転温度が約９０℃以上程度）にあるときには、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性を示す曲線には、高電流領域がほとんど存在しなくなる可能性が高い。なお、通常運転では、Ｉ−Ｐ特性を示す曲線グラフの頂点の電流値より低い側（紙面左側）の電流の領域（以下、「低電流領域」と呼ぶ）において燃料電池１０の出力が制御される。
【０１５１】
燃料電池１０のＩ−Ｐ特性を示すグラフにおいて、高電流領域が存在する場合には、要求出力Ｐｔに対する電流値として、通常運転において用いられるＩｔとともに、Ｉｔより高い電流値であるＩｔhighが存在する。そして、要求出力Ｐｔに対する電圧値として、通常運転において用いられるＶｔとともに、Ｖｔよりも低い電圧値であるＶｔlowが存在する。
【０１５２】
制御部２０は、ステップＳ２７（図２７）において、現在の燃料電池１０の発電特性（Ｉ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性）に基づき、要求出力Ｐｔに対して、電圧Ｖｔlowでの出力が可能であると判定した場合には、第２の性能回復運転を実行する（ステップＳ３１）。この第２の性能回復運転では、燃料電池１０に要求出力Ｐｔを出力させつつ、一時的に電圧を高電流領域側の電圧Ｖｔlowまで低下させる一時的電圧低下処理を実行する。
【０１５３】
一方、制御部２０は、ステップＳ２７において、現在の燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性に基づき、要求出力Ｐｔに対する電圧Ｖｔlowが存在しないと判定した場合には、第３の性能回復運転を実行する（ステップＳ３２）。この第３の性能回復運転は、第８実施例において実行されていた性能回復運転と同様な制御手順（図２６）によって実行される。即ち、まず、一時的電圧低下処理の処理条件が初期値に設定される。そして、二次電池８１の蓄電量が十分であれば、その設定された電圧低下期間で、一時的電圧低下処理が実行され、二次電池８１の蓄電量が十分ない場合には、補正された電圧低下期間で、一時的電圧低下処理が実行される。
【０１５４】
なお、第９実施例の燃料電池システムでは、第２の性能回復運転（ステップＳ３１）、または、第３の性能回復運転（ステップＳ３２）の実行後に、再び、ステップＳ２６の発電状態の劣化判定処理が実行される。即ち、第９実施例の燃料電池システムでは、アノードガスの圧力損失が許容範囲となるまでの間、第２の性能回復運転、または、第３の性能回復運転のいずれかの運転において、一時的電圧低下処理が、所定の周期で実行されることになる。
【０１５５】
以上のように、第９実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池１０が高温状態にあるときには、第１の性能回復運転が実行され、燃料電池１０の触媒性能の劣化が抑制される。そして、第１の性能回復運転の繰り返されている間には、燃料電池１０の発電が一時的に向上した状態での効率的な運転が可能となるため、燃料電池１０の更なる昇温が回避される。また、第９実施例の燃料電池システムであれば、高温状態での運転によって、燃料電池１０の発電状態が劣化していることが検出された場合には、第２または第３の性能回復運転が実行され、その発電状態の劣化の解消が図られる。特に、第２の性能回復運転では、燃料電池１０の出力を維持することにより、二次電池８１による電力の補償を省略できるため、より効率的に、燃料電池１０の性能回復を図ることが可能である。
【０１５６】
J．第１０実施例：
図３０は、本発明の第１０実施例としての燃料電池システムにおいて制御部２０が実行するシステム制御の制御手順を示すフローチャートである。図３０は、ステップＳ３１に換えてステップＳ３３が設けられている点以外は、図２７とほぼ同じである。なお、第１０実施例の燃料電池システムの構成は第９実施例の燃料電池システムとほぼ同じである（図１，図２）。第１０実施例の燃料電池システムでは、以下に説明するストイキ比の変更を伴う性能回復運転（ステップＳ３３）が実行される点以外は、第９実施例の燃料電池システムと同様なシステム制御が実行される。
【０１５７】
図３１は、ステップＳ３３において実行されるストイキ比の変更を伴う性能回復運転の制御手順を示すフローチャートである。この性能回復運転は、燃料電池１０が高温状態を経た後に、燃料電池１０において発電状態の劣化が検出され、さらに、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性に基づき、燃料電池１０の出力を維持して電圧低下が可能であると判定されたときに実行される。
【０１５８】
ステップＳ２００では、制御部２０は、カソードガス供給部３０を制御して、燃料電池１０におけるストイキ比を低下させる処理を実行する。ここで、「ストイキ比」とは、燃料電池の発電量に対して理論的に必要なカソードガスの量（カソードガスの理論的消費量）に対する実際のカソードガスの供給量の比を意味する。ステップＳ２００では、制御部２０は、カソードガス供給部３０に、カソードガスの供給量を低下させる。このように、燃料電池１０におけるストイキ比を低下させることにより、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を変化させることが可能である。
【０１５９】
図３２は、ストイキ比の低下による燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性の変化を説明するための説明図である。図３２には、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を示すグラフの一例が図示されている。なお、図３２では、ストイキ比変更前の燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を示すグラフＰＧI-V，ＰＧI-Pを破線で図示し、ストイキ比変更後の燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性を示すグラフＧI-V，ＧI-Pを実線で図示してある。
【０１６０】
一般に、燃料電池では、ストイキ比を低下させると、その発電特性は低下する。即ち、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフは、全体的に下降し、Ｉ−Ｐ特性を示すグラフは、その頂点の位置が下降するとともに、より高い電流の領域側へとシフトし、全体として、よりなだらかな曲線へと変化する。
【０１６１】
ここで、図３２の例では、ストイキ比変更前においては、Ｉ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性のグラフＰＧI-V，ＰＧI-Pに基づき、要求出力Ｐｔに対する電圧として第１と第２の電圧Ｖｔ，Ｖｔlow（Ｖｔ＞Ｖｔlow）が取得できる。そして、ストイキ比変更後においては、Ｉ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性のグラフＧI-V，ＧI-Pに基づき、同じ要求出力Ｐｔに対する電圧として、前述の第１と第２の電圧Ｖｔ，Ｖｔlowよりも低い第３と第４の電圧Ｖｔ1，Ｖｔ2（Ｖｔ1＞Ｖｔ2）が取得できる。
【０１６２】
このように、ストイキ比を低下させることにより、燃料電池１０において、ストイキ比の変更前と同じ要求出力Ｐｔに対して、より低い電圧値を設定できる場合がある。第１０実施例の燃料電池システムでは、ステップＳ２１０において、ストイキ比の変更後の燃料電池１０のＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性において、現在の要求出力に対して、図３２の電圧Ｖｔ2に相当する、高電流領域側における電圧が設定できるが否かを判定する。
【０１６３】
高電流領域側における電圧が設定できる場合には、制御部２０は、その電圧まで一時的に電圧を低下させる一時的電圧低下処理を実行する（ステップＳ２２０）。一方、制御部２０は、高電流領域側における電圧が設定できなかった場合には、図３２の電圧Ｖｔ1に相当する低電流領域側における電圧まで一時的に電圧を低下させる一時的電圧低下処理を実行する（ステップＳ２２５）。
【０１６４】
制御部２０は、ステップＳ２２０またはステップＳ２２５の一時的電圧低下処理を実行した後、燃料電池１０のストイキ比をステップＳ２００を実行する前のストイキ比まで復帰させる（ステップＳ２３０）。なお、この性能回復運転では、ステップＳ２２０またはステップＳ２２５の一時的電圧低下処理を、ストイキ比を復帰させる前に、所定の周期で、所定の期間、繰り返し実行するものとしても良い。これによって、一回のストイキ比の変更で、複数回、一時的電圧低下処理を繰り返すことができるため、より効率的である。
【０１６５】
このように、第１０実施例の燃料電池システムによれば、第９実施例の燃料電池システムと同様に、燃料電池１０が高温状態にあるときには、第１の性能回復運転によって、燃料電池１０の触媒性能の劣化が抑制されつつ、燃料電池１０の更なる昇温が回避される。また、第１０実施例の燃料電池システムであれば、高温状態での運転によって、燃料電池１０の発電状態の劣化が検出された場合には、ストイキ比の変更を伴う性能回復運転、または、第３の性能回復運転が実行され、その発電状態の劣化の解消が図られる。特に、ストイキ比の変更を伴う性能回復運転では、ストイキ比を低下させることにより、燃料電池１０の出力電力を維持したままの一時的電圧低下処理において、より電圧の低下幅を拡大させることができる。従って、より効率的に、燃料電池１０の性能回復を図ることが可能である。
K．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。
【０１６６】
K1．変形例１：
上記の各実施例では、燃料電池システムが燃料電池車両に搭載されていた。しかし、各実施例の燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されていなくとも良い。燃料電池システムは、外部からの要求に応じた電力を供給する電力供給源として、他の装置やシステム等に搭載されるものとしても良い。
【０１６７】
K2．変形例２：
上記実施例では、燃料電池１０が高温状態であるときや、高温状態から所定の運転温度より低い運転温度に低下した状態のときに、一時的電圧低下処理が実行されていた。しかし、一時的電圧低下処理は、高温状態が検出された後であれば、他のタイミングで実行されても良い。このように、燃料電池１０の運転温度の変化に基づいて、一時的電圧低下処理を実行することにより、より効果的に、高温状態に曝されたことによる燃料電池１０の性能低下を抑制できる。
【０１６８】
K3．変形例３：
上記実施例では、一時的電圧低下処理を実行した場合に、二次電池８１が蓄電、または、放電する電力量の予測値ＥPを取得して、その予測値ＥPと、現在の二次電池の８１の充電状態（蓄電量や空き容量）とに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件や、燃料電池１０の電圧の低下手段などの処理内容を変更していた。しかし、上述の予測値ＥPは取得しなくとも良く、一時的電圧低下処理の処理内容は、二次電池８１の充電状態と、燃料電池１０の運転状態とに基づいて変更されれば良い。
【０１６９】
なお、「一時的電圧低下処理の処理条件」としては、上記の電圧低下期間ｔｈや、電圧低下量Ｖｄなどの他に、低下後の電圧値や、一時的電圧低下処理の実行周期などが含まれるものとしても良い。また、「燃料電池１０の運転状態」としては、上述の高温曝露時間ｔｄの他に、燃料電池１０の現在の発電特性や、燃料電池１０の現在のインピーダンス・セル抵抗、燃料電池１０における反応ガスの圧力損失などの要素が含まれるものとしても良い。
【０１７０】
K4．変形例４：
上記の各実施例では、電圧低下期間ｔｈや電圧低下量ｔｄの設定のために、予め準備されたマップを用いていた。しかし、電圧低下期間ｔｈや電圧低下量ｔｄは、マップを用いることなく設定されるものとしても良い。電圧低下期間ｔｈや電圧低下量ｔｄは、予め設定された初期値や、数式を用いて設定されるものとして良い。また、電圧低下期間ｔｈや電圧低下量ｔｄは、予め準備された高温曝露時間ｔｄや、その他の燃料電池１０の運転条件との関係に基づいて設定されるものとしても良い。
【０１７１】
K5．変形例５：
上記実施例では、燃料電池１０が高温状態になったときや、燃料電池１０が高温状態になった後に通常の運転温度になったときに、性能回復運転を実行していた。しかし、性能回復運転は、燃料電池１０の発電性能の低下が検出されたときに実行されるものとしても良い。
【０１７２】
K6．変形例６：
上記実施例では、制御部２０が、一時的電圧低下処理において不足する電力を、二次電池８１の現在のＳＯＣで補償することが可能か否かを判定し、可能でないと判定したときに、一時的電圧低下処理の処理条件を補正していた。しかし、前記の判定処理の際に、補正によっても一時的電圧低下処理の実行が困難であると判定されたときには、性能回復運転を強制的に終了するものとしても良い。具体的には、例えば、一時的電圧低下処理において二次電池８１に放電、または、蓄電させる電力量の予測値ＥPと、二次電池８１の出力可能な電力量、または、二次電池８１の空き容量との差が所定の閾値より大きいときに、性能回復運転を強制的に終了するものとしても良い。
【０１７３】
K7．変形例７：
上記第９実施例では、ステップＳ２６（図２７）において、アノードガスの圧力損失を検出することによって、燃料電池１０の発電状態の劣化の有無を判定していた。しかし、ステップＳ２６では、他の要素によって、燃料電池１０の発電状態の劣化の有無を判定するものとしても良い。例えば、燃料電池１０における電流密度分布を検出して、その電流密度分布から燃料電池１０における発電状態の劣化を検出するものとしても良い。
【０１７４】
K8．変形例８：
上記実施例では、所定の場合に、一時的電圧低下処理の処理条件として、電圧低下期間ｔｈ、または、電圧低下量ｖｄを補正していた。しかし、一時的電圧低下処理の処理条件の補正においては、電圧低下期間ｔｈと、電圧低下量ｖｄの両方が補正されるものとして良いし、他の処理条件が補正されるものとしても良い。
【符号の説明】
【０１７５】
１…電解質膜
２…カソード電極
３…触媒担持粒子
３ｃ…触媒
３ｐ…導電性粒子
４…アイオノマー
１０…燃料電池
１１…発電体
１５…膜電極接合体
２０…制御部
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…水素供給装置
５６…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
６７…圧力計測部
７０…冷媒供給部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…冷媒温度計測部
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
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…ＳＯＣ検出部
９５…開閉スイッチ
９６…開閉スイッチ
１００，１００Ａ〜１００Ｃ…燃料電池システム
１０１…外気温センサ
１０２…車速センサ
１１０…短絡回路
１１１…配線
１１２…可変抵抗
１１３…開閉スイッチ
１２０…バイパスガス流路部
１２１…バイパス配管
１２２…開閉弁
１２３…調圧弁
１３０…電圧印加部
１３１…電源装置
１３２…配線
１３３…開閉スイッチ
２００…モータ
ＤＡ…乾燥領域
ＤＣＬ…直流配線
ＯＬ…酸化被膜
【図１】
2013101844.tif 000003
【図２】
2013101844.tif 000004
【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】
2013101844.tif 000009
【図８】
2013101844.tif 000010
【図９】
2013101844.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2013101844.tif 000014
【図１３】
2013101844.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2013101844.tif 000018
【図１７】
2013101844.tif 000019
【図１８】
2013101844.tif 000020
【図１９】
2013101844.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2013101844.tif 000023
【図２２】
2013101844.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2013101844.tif 000026
【図２５】
2013101844.tif 000027
【図２６】
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【図２７】
2013101844.tif 000029
【図２８】
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【図２９】
2013101844.tif 000031
【図３０】
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【図３１】
2013101844.tif 000033
【図３２】
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