(57)【要約】【課題】燃料電池内の電解質膜の乾燥の進行を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の温度を測定するセンサと、センサにより測定される燃料電池の温度が第１閾値温度以上である状態が所定時間以上継続し、その後、センサにより測定される燃料電池の温度が第１閾値温度以下の温度である第２閾値温度よりも低くなった場合に、燃料電池におけるカソード側の水収支が燃料電池の通常運転時のカソード側の水収支に比べて高くなる湿潤運転を、燃料電池に行なわせる制御部と、を備える。【選択図】図１
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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、
電解質膜を有する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を測定するセンサと、
前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が第１閾値温度以上である状態が所定時間以上継続し、その後、前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が前記第１閾値温度以下の温度である第２閾値温度よりも低くなった場合に、前記燃料電池のカソード側における水収支が前記燃料電池の通常運転時の前記カソード側の水収支に比べて高くなる湿潤運転を、前記燃料電池に行なわせる制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部には、カソード側オフガスの排出流路が形成されており、
前記排出流路における圧力であるカソード側排出流路圧力を調整する圧力調整部を、さらに備え、
前記制御部は、前記圧力調整部を制御して、前記カソード側排出流路圧力を前記通常運転時における前記カソード側排出流路圧力よりも増加させることにより、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池にカソード側反応ガスを供給するカソード側反応ガス供給部をさらに備え、
前記制御部は、前記カソード側反応ガス供給部を制御して、前記燃料電池に供給する前記カソード側反応ガスの流量を前記通常運転時における前記流量よりも低減させることにより、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池にアノード側反応ガスを供給するためのアノード側反応ガス供給流路と、
前記燃料電池からアノード側オフガスを排出するためのアノード側オフガス排出流路と、
前記アノード側反応ガス供給流路と前記アノード側オフガス排出流路とを接続する循環流路と、
前記循環流路に配置され、前記アノード側オフガスの少なくとも一部を前記アノード側反応ガス供給流路に供給するポンプと、
前記燃料電池にカソード側反応ガスを供給するためのカソード側反応ガス供給流路と、
前記燃料電池からカソード側オフガスを排出するためのカソード側オフガス排出流路と、
を備え、
前記燃料電池において、前記カソード側反応ガスと前記アノード側反応ガスとは、互いに前記電解質膜を挟んで反対方向に供給され、
前記制御部は、前記ポンプを制御して、前記循環流路における前記アノード側オフガスの流量を前記通常運転時における前記循環流路における前記アノード側オフガスの流量よりも増加させることにより、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部を備え、
前記制御部は、前記インピーダンス測定部により測定される前記インピーダンスが所定値以下となり、前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が、前記第２閾値温度以上の温度から前記第２閾値温度よりも低い温度に低下した場合に、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる制御を開始する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１閾値温度は、前記燃料電池の温度を除く他の運転条件が同一の状態において、前記水収支がプラスの状態と、前記水収支がマイナスの状態との境界の温度である、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部を備え、
前記制御部は、前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が、前記第２閾値温度以上の温度から前記第２閾値温度よりも低い温度に低下した場合に、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる制御を開始し、
前記制御部は、
前記燃料電池の温度が再び前記第１閾値温度以上になったとの条件と、
前記インピーダンス測定部により測定される前記インピーダンスが、前記燃料電池が前記湿潤運転を開始した後において、前記燃料電池の乾燥状態を示す所定の閾値以上になった後に前記所定の閾値未満となったとの条件と、
前記燃料電池が前記湿潤運転を開始してから所定時間が経過したとの条件と、
のうちの、いずれかの条件が満たされた場合に、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる制御を停止する、燃料電池システム。
【請求項８】
電解質膜を有する燃料電池の運転制御方法であって、
前記燃料電池の温度を測定する工程と、
前記燃料電池の温度が第１閾値温度以上である状態が所定時間以上継続し、その後、前記燃料電池の温度が前記第１閾値温度以下の温度である第２閾値温度よりも低くなった場合に、前記燃料電池における水収支が前記燃料電池の通常運転時の前記カソード側の水収支に比べて高くなる湿潤運転を、前記燃料電池に行なわせる工程と、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における電解質膜の乾湿状態の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池等の燃料電池に用いられる電解質膜は、高湿潤状態において高い発電性能を発揮できる。このため、電解質膜の乾湿状態を特定し、乾燥状態であると特定された場合に、燃料電池を冷却することにより水を蒸発させにくくして電解質膜を湿潤させる燃料電池システムが提案されている。特許文献１の燃料電池システムでは、電解質膜のインピーダンスを測定してその測定値に基づき乾湿状態を特定し、乾燥状態と特定された場合に、ラジエータファンを全開駆動させることにより燃料電池を通って循環する冷却水を冷却して、燃料電池を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−６００６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、乾燥状態となるまでに多量の熱が電解質膜に与えられていると、乾燥状態を特定してから燃料電池を冷却させたとしても、電解質膜の乾燥が進行して電解質膜の乾燥状態が長期化するという新たな課題を、本願発明者は見出した。
【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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、電解質膜を有する燃料電池と；前記燃料電池の温度を測定するセンサと；前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が第１閾値温度以上である状態が所定時間以上継続し、その後、前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が前記第１閾値温度以下の温度である第２閾値温度よりも低くなった場合に、前記燃料電池のカソード側における水収支が前記燃料電池の通常運転時の前記カソード側の水収支に比べて高くなる湿潤運転を、前記燃料電池に行なわせる制御部と；を備える。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が第１閾値温度以上である状態が所定時間以上継続した場合、燃料電池の温度が第２閾値温度よりも低くなった場合に、湿潤運転が行なわれるので、燃料電池のインピーダンス等の電解質膜の乾燥を示す指標の測定値に基づき、電解質膜が乾燥状態であることを検知してから湿潤運転を開始する構成に比べて、その後に電解質膜が乾燥状態となる蓋然性が高い場合に、より早期に湿潤運転を開始できる。このため、電解質膜が乾燥状態を脱した後において再び乾燥状態となったとしても、その際に過度に乾燥が進行することを抑制でき、電解質膜の乾燥状態の長期化を抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の内部には、カソード側オフガスの排出流路が形成されており、前記排出流路における圧力であるカソード側排出流路圧力を調整する圧力調整部を、さらに備え、前記制御部は、前記圧力調整部を制御して、前記カソード側排出流路圧力を前記通常運転時における前記カソード側排出流路圧力よりも増加させることにより、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、湿潤運転において、カソード側背圧流路圧力を通常運転時における圧力よりも増大させるので、カソード側オフガスによる持ち去り水量を通常運転時よりも低減できる。したがって、カソード側排出流路圧力を除く他の運転条件が同一である場合に、カソード側の水収支を通常運転時に比べて高くすることができる。
【０００８】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池にカソード側反応ガスを供給するカソード側反応ガス供給部をさらに備え、前記制御部は、前記カソード側反応ガス供給部を制御して、前記燃料電池に供給する前記カソード側反応ガスの流量を前記通常運転時における前記流量よりも低減させることにより、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、湿潤運転において、燃料電池に供給するカソード側反応ガスの流量を通常運転時における流量よりも低減させるので、カソードオフガスによる持ち去り水量を、通常運転時に比べて抑制できる。したがって、燃料電池に供給するカソード側反応ガスの流量を除く他の運転条件が同一である場合に、カソード側の水収支を通常運転時に比べて高くすることができる。
【０００９】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池にアノード側反応ガスを供給するためのアノード側反応ガス供給流路と；前記燃料電池からアノード側オフガスを排出するためのアノード側オフガス排出流路と；前記アノード側反応ガス供給流路と前記アノード側オフガス排出流路とを接続する循環流路と；前記循環流路に配置され、前記アノード側オフガスの少なくとも一部を前記アノード側反応ガス供給流路に供給するポンプと；前記燃料電池にカソード側反応ガスを供給するためのカソード側反応ガス供給流路と；前記燃料電池からカソード側オフガスを排出するためのカソード側オフガス排出流路と；を備え、前記燃料電池において、前記カソード側反応ガスと前記アノード側反応ガスとは、互いに前記電解質膜を挟んで反対方向に供給され、前記制御部は、前記ポンプを制御して、前記循環流路における前記アノード側オフガスの流量を前記通常運転時における前記循環流路における前記アノード側オフガスの流量よりも増加させることにより、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、湿潤運転において、循環流路におけるオフガスの流量を増加させるので、燃料電池へのアノード側反応ガスの供給量を増加できる。このため、電解質膜においてカソード下流側からアノード上流側に拡散した水を、アノード側において上流側から下流側に通常運転時に比べて多く持ち去り、アノード下流側において、通常運転時に比べて、電解質膜を介してカソード側（カソード上流側）に、より拡散させ易くなる。このため、循環流路におけるオフガスの流量を除く他の運転条件が同一である場合に、カソード側の水収支を通常運転時に比べて高くすることができる。
【００１０】
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部を備え、前記制御部は、前記インピーダンス測定部により測定される前記インピーダンスが所定値以下となり、前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が、前記第２閾値温度以上の温度から前記第２閾値温度よりも低い温度に低下した場合に、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる制御を開始してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、インピーダンス値が所定値以下となった場合であっても、燃料電池の温度が、第２閾値温度以上の温度から第２閾値温度よりも低い温度に低下した場合に湿潤運転が開始されるので、現在の乾湿状態に関わらず湿潤運転を開始できるい。このため、その後における電解質膜の乾燥の過度な進行を抑制できる。
【００１１】
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第１閾値温度は、前記燃料電池の温度を除く他の運転条件が同一の状態において、前記水収支がプラスの状態と、前記水収支がマイナスの状態との境界の温度であってもよい。燃料電池の温度がこのような第１閾値温度以上である場合、水収支がマイナスとなり、この状態が継続すると電解質膜の乾燥が進む。そして、この形態の燃料電池システムによれば、このような状態で所定時間以上継続した場合に、湿潤運転が実行されるので、例えば、このような温度よりも高い温度が第１閾値温度として設定されている構成に比べて、電解質膜の乾燥をより確実に抑制できる。
【００１２】
（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部を備え、前記制御部は、前記センサにより測定される前記燃料電池の温度が、前記第２閾値温度以上の温度から前記第２閾値温度よりも低い温度に低下した場合に、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる制御を開始し、前記制御部は、前記燃料電池温度が再び前記第１閾値温度以上になったとの条件と；前記インピーダンス測定部により測定される前記インピーダンスが、前記燃料電池が前記湿潤運転を開始した後において、前記燃料電池の乾燥状態を示す所定の閾値以上になった後に前記所定の閾値未満となったとの条件と；前記燃料電池が前記湿潤運転を開始してから所定時間が経過したとの条件と；のうちの、いずれかの条件が満たされた場合に、前記燃料電池に前記湿潤運転を行なわせる制御を停止させてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、電解質膜が乾燥状態を脱したとみなせる場合、または、電解質膜が再び乾燥となっても構わない状況であると推測される場合のように、適切な状況で湿潤運転を終了させることができる。
【００１３】
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池の運転制御方法、燃料電池システムの制御方法、これらの方法を実現するためのコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録する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】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】単セル１１０の構成を示す概略断面図である。
【図３】燃料電池システム１０において実行される運転制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態における湿潤運転の手順を示すフローチャートである。
【図５】運転制御処理が実行された際の燃料電池温度値、燃料電池１００からの出力電流値、カソード側背圧値、および燃料電池１００のインピーダンス値を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
Ａ．第１実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給排出系２００と、酸化剤ガス供給排出系３００と、燃料電池循環冷却系４００と、電力充放電系５００と、制御装置６００とを備える。
【００１６】
燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、積層方向ＳＤに沿って積層された複数の単セル１１０から成るセルスタックと、セルスタックの両端の外側に配置されて総合電極として機能する一対の集電板１１１とを備える。単セル１１０は、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電を行なう。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。
【００１７】
図２は、単セル１１０の構成を示す概略断面図である。単セル１１０は、電解質膜９０と、アノード側触媒層９１と、アノード側ガス拡散層９２と、アノード側セパレータ９３と、カソード側触媒層９４と、カソード側ガス拡散層９５と、カソード側セパレータ９６とを備えている。
【００１８】
電解質膜９０は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、Flemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、電解質膜９０としては、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。アノード側触媒層９１およびカソード側触媒層９４は、互いに電解質膜９０を挟んで対向している。アノード側触媒層９１およびカソード側触媒層９４は、いずれも、触媒を導電性粒子に担持させた部材と、プロトン導電体であるアイオノマとを用いて構成されている。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維などを用いることができる。アイオノマとしては、スルホン酸基を含むフッ素樹脂を採用することができる。アノード側ガス拡散層９２は、アノード側触媒層９１を挟んで電解質膜９０とは反対側に配置されている。カソード側ガス拡散層９５は、カソード側触媒層９４を挟んで電解質膜９０とは反対側に配置されている。アノード側ガス拡散層９２およびカソード側ガス拡散層９５は、いずれも反応ガス（水素ガスおよび空気）を拡散し、また、電気化学反応等により生じた水を排出するために多孔質部材により構成されている。具体的には、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体により構成されている。アノード側セパレータ９３は、アノード側ガス拡散層９２を挟んでアノード側触媒層９１とは反対側に配置されている。カソード側セパレータ９６は、カソード側ガス拡散層９５を挟んでカソード側触媒層９４とは反対側に配置されている。アノード側セパレータ９３およびカソード側セパレータ９６は、いずれもガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。
【００１９】
燃料電池１００の内部には、反応ガス（水素ガスおよび空気）および冷却水をそれぞれ各単セル１１０に供給するための図示しないマニホールドと、各単セル１１０から排出されるオフガスおよび冷却水をそれぞれ排出するための図示しないマニホールドとが形成されている。反応ガスである水素ガスおよび空気はいわゆるカウンタフローとなるように、各単セル１１０に供給される。すなわち、図２に示すように、各単セル１１０において、アノード側における水素ガスの流通方向と、カソード側における空気の流通方向とは、略反対方向となっている。したがって、各単セル１１０において、水素ガスの流入部（上流側）は電解質膜を挟んで空気の排出部（下流側）と略対向し、空気の流入部（上流側）は電解質膜を挟んで水素ガスの排出部（下流側）と略対向している。
【００２０】
各単セル１１０のカソード側では、電気化学反応により生じた生成水Ｗ１が空気の流れによって下流側へと集まるため、電解質膜９０のカソード側の含水量は、カソード上流側に比べてカソード下流側において多い。他方、各単セル１１０のアノード側では、電気化学反応により水が生成されないため、電解質膜９０のアノード側の含水量はカソード側の含水量に比べて小さい。これらのことから、電解質膜９０では、カソード下流側からアノード上流側へと拡散する水（以下、「拡散水」とも呼ぶ）Ｗ１１が生じる。電解質膜９０においてアノード上流側へと拡散された水Ｗ１１は、アノード側を流れる水素ガスによりアノード下流側に持ち去られ、その一部の水Ｗ２が電解質膜９０のアノード下流側に供給される。このため、電解質膜９０のアノード下流側の含水量は比較的高くなる。これに対して、上述のように、電解質膜９０のカソード上流側の含水量は比較的低いため、電解質膜９０において、アノード下流側からカソード上流側へと拡散する水（以下、「逆拡散水」とも呼ぶ）Ｗ１２が生じる。
【００２１】
図１に示す燃料ガス供給排出系２００は、燃料電池１００への水素ガスの供給および燃料電池１００からのアノード側オフガスの排出を行なう。燃料ガス供給排出系２００は、水素タンク２１０と、遮断弁２２０と、インジェクタ２２１と、気液分離器２３０と、循環用ポンプ２４０と、パージ弁２５０と、燃料ガス供給路２６１と、第１燃料ガス排出路２６２と、燃料ガス循環路２６３と、第２燃料ガス排出路２６４とを備える。
【００２２】
水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵しており、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料ガス供給路２６１を介して燃料電池１００に供給する。遮断弁２２０は、水素タンク２１０における燃料ガスの供給口近傍に配置され、水素タンク２１０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。インジェクタ２２１は、燃料ガス供給路２６１に配置され、燃料電池１００への水素ガスの供給量（流量）および圧力を調整する。気液分離器２３０は、第１燃料ガス排出路２６２に配置され、燃料電池１００から排出されたアノード側オフガスに含まれる水を分離して第２燃料ガス排出路２６４に排出すると共に、水が分離された後のガス（水素ガス）を燃料ガス循環路２６３に排出する。循環用ポンプ２４０は、燃料ガス循環路２６３に配置され、気液分離器２３０から排出された燃料ガスを燃料ガス供給路２６１に供給する。パージ弁２５０は、第２燃料ガス排出路２６４に配置され、開弁されることにより、気液分離器２３０によって分離された水やオフガスの大気中への排出を許容する。
【００２３】
酸化剤ガス供給排出系３００は、燃料電池１００への空気の供給および燃料電池１００からのカソード側オフガスの排出を行なう。酸化剤ガス供給排出系３００は、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、背圧弁３４０と、酸化剤ガス供給路３３１と、酸化剤ガス排出路３３２とを備える。エアクリーナ３１０は、内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮して酸化剤ガス供給路３３１へと送出する。背圧弁３４０は、酸化剤ガス排出路３３２に配置され、燃料電池１００のカソード側の排出路における圧力（以下、「カソード側背圧」と呼ぶ）を調整する。酸化剤ガス排出路３３２は、上述の第２燃料ガス排出路２６４と接続されており、酸化剤ガス排出路３３２を通って排出される水およびカソード側オフガスは、第２燃料ガス排出路２６４を通って排出される水およびアノード側オフガスと共に大気中へと排出される。
【００２４】
燃料電池循環冷却系４００は、燃料電池１００を介して冷却水を循環させることにより燃料電池１００の温度（以下、単に「燃料電池温度」と呼ぶ）を調整する。燃料電池循環冷却系４００は、冷却水流路４２１と、ラジエータ４１０と、バイパス流路４２２と、三方弁４３０と、循環用ポンプ４４０と、温度センサ４５０とを備える。
【００２５】
冷却水流路４２１は、燃料電池１００の外部に設けられた冷却水の流路であり、燃料電池１００内の冷却水排出マニホールドおよび冷却水供給マニホールドに接続されている。ラジエータ４１０は、冷却水流路４２１に配置されており、燃料電池１００から排出された冷却水を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却する。バイパス流路４２２は、冷却水流路４２１の途中に設けられており、燃料電池１００から排出された冷却水の少なくとも一部を、ラジエータ４１０をバイパスして燃料電池１００に戻すための流路である。バイパス流路４２２の下流端と、冷却水流路４２１とは、三方弁４３０により接続されている。本実施形態では、冷却水としてエチレングリコール等の不凍水が用いられる。但し、不凍水に限らず空気等の気体などの熱交換可能な任意の媒体を、冷却媒体として用いてもよい。
【００２６】
三方弁４３０は、冷却水流路４２１を通る冷却水の流量と、バイパス流路４２２を通る冷却水の流量とを調整する。循環用ポンプ４４０は、冷却水流路４２１において三方弁４３０と燃料電池１００との間に配置されており、燃料電池循環冷却系４００における冷却水の循環流量を調整する。温度センサ４５０は、冷却水流路４２１において、燃料電池１００の冷却水の排出口の近傍に配置されており、冷却水流路４２１を流れる冷却水の温度を測定し、温度値を示す信号を出力する。なお、本実施形態では、温度センサ４５０によって測定される温度は、燃料電池温度として取り扱われる。
【００２７】
電力充放電系５００は、燃料電池１００またはバッテリー５５０から出力される電力を、負荷装置７００に供給する。本実施形態において、負荷装置７００とは、車両駆動用モータや各種捕機類等であり、燃料電池１００の正極側の集電板１１１および負極側の集電板１１１にそれぞれ接続されている。電力充放電系５００は、インバータ５２０と、電流計５３０と、電圧計５４０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０と、バッテリー５５０とを備える。インバータ５２０は、燃料電池１００及びバッテリー５５０と並列に接続され、燃料電池１００またはバッテリー５５０から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷装置７００に供給する。また、インバータ５２０は、インピーダンス測定部５２１を備えている。インピーダンス測定部５２１は、燃料電池１００（電解質膜９０）のインピーダンスを測定し、インピーダンス値を示す信号を出力する。具体的には、本実施形態では、インピーダンス測定部５２１は、交流インピーダンス法により高周波インピーダンスを測定する。この高周波インピーダンスは、単セル１１０の電解質膜９０の抵抗値に相当し、電解質膜９０の含水量と相関する。具体的には、電解質膜９０の含水量が少ないほど、すなわち、電解質膜９０が乾燥しているほど、インピーダンス値は大きくなる。また、これとは反対に、電解質膜９０の含水量が多いほど、すなわち、電解質膜９０が湿潤であるほど、インピーダンス値は小さくなる。電流計５３０は、燃料電池１００から出力される電流値を測定し、電流値を示す信号を出力する。電圧計５４０は、燃料電池１００の出力電圧を測定し、電圧値を示す信号を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０は、バッテリー５５０の出力電圧を昇圧してインバータ５２０に供給し、また、燃料電池１００の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧してバッテリー５５０に供給する。
【００２８】
制御装置６００は、上述の遮断弁２２０、インジェクタ２２１、循環用ポンプ２４０、パージ弁２５０、エアコンプレッサ３２０、背圧弁３４０、循環用ポンプ４４０、三方弁４３０、インバータ５２０、およびＤＣ−ＤＣコンバータ５６０と電気的に接続されており、これらを制御する。また、制御装置６００は、温度センサ４５０と電気的に接続されており、温度センサ４５０から出力される温度値を示す信号を受信する。また、制御装置６００は、インバータ５２０から出力される燃料電池１００のインピーダンスを示す信号を受信する。制御装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを有する図示しないマイクロコンピュータにより構成されており、ＣＰＵがＲＯＭに格納されている制御用プログラムを実行することにより、運転制御部６１０として機能する。運転制御部６１０は、温度比較部６１１と、インピーダンス比較部６１２と、エア流量制御部６１３と、背圧弁制御部６１５と、水素ガス流量制御部６１４とを備えている。
【００２９】
温度比較部６１１は、後述する運転制御処理および湿潤運転において、燃料電池１００の測定温度と所定の閾値とを比較する。インピーダンス比較部６１２は、後述する運転制御処理および湿潤運転において、インピーダンス測定値と所定の閾値とを比較する。本実施形態において、インピーダンスについての所定の閾値とは、電解質膜９０の乾燥状態を示すインピーダンス値を意味する。なお、上述の温度に関する所定の閾値の詳細については、後述する。エア流量制御部６１３は、エアコンプレッサ３２０の回転数を調整することにより、燃料電池１００への空気の供給量を制御する。水素ガス流量制御部６１４は、循環用ポンプ２４０による水素ガスの流量を調整することにより、燃料電池１００への水素ガスの供給量を制御する。
【００３０】
背圧弁制御部６１５は、背圧弁３４０の開度を調整することにより、カソード側背圧を制御する。通常運転時には、背圧弁制御部６１５は、制御装置６００の図示しないＲＯＭに格納されているマップに従って目標とするカソード側背圧値を特定し、かかる圧力値となるように背圧弁３４０の開度を調整する。本実施形態では、上述のマップにおいて、燃料電池温度の値と、燃料電池１００の出力電流値と、カソード側背圧値とが対応付けられている。なお、カソード側背圧値と背圧弁３４０の開度とは、別のマップにより互いに対応付けて設定されている。ここで、カソード側背圧が上昇すると、各単セル１１０においてカソード側オフガスにより持ち去られる水（水蒸気）の量は減少する。この理由について、以下説明する。単セル１１０のカソード側の飽和水蒸気圧は温度に依存するため、温度変化無しにカソード側の圧力が上昇した場合、カソード側オフガス内における水蒸気を除いた成分（ドライ成分）の圧力は増加するのに対して、カソード側オフガス内における水蒸気の圧力は変化しない。このため、カソード側オフガスにおける水蒸気の相対的な圧力は減少し、カソード側オフガス内に占める水蒸気の流量は減少する。したがって、カソード側オフガスにより持ちされる水の量は減少する。このように、カソード側オフガスにより持ち去られる水の量が減少すると、各単セル１１０の電解質膜９０の乾燥が抑制される。
【００３１】
制御装置６００の図示しないＲＯＭには、上述した制御プログラムおよび各種マップが格納されていると共に、閾値格納部６２０が設けられている。閾値格納部６２０には、上述した燃料電池温度に関する閾値、およびインピーダンスに関する閾値が、予め格納されている。
【００３２】
上述の構成を有する燃料電池システム１０では、後述する運転制御処理を実行することにより、各単セル１１０の電解質膜が過剰に乾燥することを抑制すると共に、乾燥状態の期間を短縮できる。
【００３３】
温度センサ４５０は、請求項におけるセンサに相当する。また、運転制御部６１０は請求項における制御部に、燃料電池１００のカソード側の排出路は請求項におけるカソード側オフガスの排出流路に、背圧弁３４０は請求項における圧力調整部に、エアコンプレッサ３２０は請求項におけるカソード側反応ガス供給部に、燃料ガス供給路２６１は請求項におけるアノード側反応ガス供給流路に、第１燃料ガス排出路２６２は請求項におけるアノード側オフガス排出流路に、燃料ガス循環路２６３は請求項における循環流路に、循環用ポンプ２４０は請求項におけるポンプに、それぞれ相当する。
【００３４】
Ａ２．運転制御処理：
図３は、燃料電池システム１０において実行される運転制御処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１０では、燃料電池自動車のイグニッションがオンすると、運転制御処理が実行される。
【００３５】
温度比較部６１１は、温度センサ４５０から送信される信号を受信して、燃料電池温度を取得する（ステップＳ１０５）。このとき、温度比較部６１１は、取得した温度と取得した時刻とを温度履歴としてＲＯＭに記憶させる。温度比較部６１１は、ステップＳ１０５において取得された燃料電池温度と、閾値格納部６２０に格納されている閾値温度とを比較すると共に、その比較結果と、ＲＯＭに記憶されている温度履歴とに基づき、燃料電池温度が閾値温度以上である状態が所定時間以上継続しているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。閾値温度および所定時間の詳細については後述する。例えば、燃料電池自動車の運転者が、アクセルペダルを大きく踏み込んだ場合、燃料電池１００の発電量が増加すると共に燃料電池温度が上昇する。
【００３６】
燃料電池温度が閾値温度以上である状態が所定時間以上継続していないと判定されると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、上述のステップＳ１０５に戻る。これに対して、燃料電池温度が閾値温度以上である状態が所定時間以上継続したと判定されると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池温度が閾値温度未満になったか否かを判定する（ステップＳ１１５）。本実施形態では、ステップＳ１１５における閾値温度は、ステップＳ１１０における閾値温度と等しい。なお、ステップＳ１１０における閾値温度は、請求項における第１閾値温度に相当し、ステップＳ１１５における閾値温度は、請求項における第２閾値温度に相当する。燃料電池温度が閾値温度未満になっていないと判定されると（ステップＳ１１５：ＮＯ）、上述のステップＳ１０５に戻る。これに対して、燃料電池温度が閾値温度未満になったと判定されると（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、湿潤運転が実行される（ステップＳ１２０）。燃料電池温度が、閾値温度以上の状態から閾値温度未満の状態に変化するのは、例えば、燃料電池自動車の運転者がアクセルペダルの踏み込み量を減らした場合などに起こり得る。
【００３７】
図４は、第１実施形態における湿潤運転の手順を示すフローチャートである。第１実施形態の湿潤運転では、背圧弁制御部６１５は、カソード側背圧が背圧弁３４０により調整可能な範囲での最大値となるように背圧弁３４０を制御する（ステップＳ２０５）。すなわち、そのときの燃料電池温度および燃料電池１００の出力電流値に関わらず、カソード側背圧を最大値とする。なお、運転制御部６１０は、カソード側背圧を最大値に調整してからの経過時間を計測している。上述のように、カソード側背圧が最大値となるように制御されるので、カソードオフガスにより単セル１１０から持ち去られる水の量は大きく低減する。このため、ステップＳ２０５が実行されることにより、電解質膜９０のカソード側の乾燥が抑制される。
【００３８】
背圧弁制御部６１５は、以下の３つの条件のいずれかが満たされたか否かを判定する（ステップＳ２１０）。すなわち、
（条件１）燃料電池温度が再び閾値温度以上になった。
（条件２）インピーダンスが所定の閾値以上となった後に所定の閾値未満となった。
（条件３）カソード側背圧を最大値に調整してから所定時間が経過した。
のいずれかが満たされたか否かを判定する。
【００３９】
上述の条件１は、例えば、燃料電池自動車の運転者がアクセルペダルを再び踏み込んだために、燃料電池１００の廃熱量が再び増加した場合などに起こり得る。上述の条件２は、ステップＳ２０５により電解質膜９０の乾燥が抑制された結果、インピーダンスが低減することにより起こり得る。上述の３つの条件のいずれもが満たされない場合（ステップＳ２１０：ＮＯ）、上述のステップＳ２０５が実行される。これに対して、３つの条件のいずれかが満たされた場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、湿潤運転は終了する。図３に示すように、湿潤運転が終了すると、上述したステップＳ１０５に戻る。後述するように、燃料電池温度の低下に伴ってインピーダンスは一時的に低下するが、その後増大して、ステップＳ２０５の効果によって再び低下する。上述の条件２は、インピーダンスの一時的な低減により所定の閾値未満となった際に湿潤運転を終了させないように設定されている。なお、湿潤運転の終了後であってステップＳ１０５に戻る前に、ステップＳ１１０において得られた「燃料電池温度が閾値温度以上である状態が所定時間以上継続している」との判定結果を示すフラグがリセットされる。
【００４０】
図５は、運転制御処理が実行された際の燃料電池温度値、燃料電池１００からの出力電流値、カソード側背圧値、および燃料電池１００のインピーダンス値を示すタイミングチャートである。図５（ａ）は、燃料電池温度（ＦＣ温度）値を示すタイミングチャートである。また、図５（ｂ）は出力電流値（ＦＣ電流）を、図５（ｃ）はカソード側背圧値を、図５（ｄ）は燃料電池１００のインピーダンス値を、それぞれ示すタイミングチャートである。
【００４１】
図５に示す例では、時刻ｔ１において、運転者がアクセルペダルを最大量踏み込む。このアクセルペダルの踏み込みを契機として、燃料電池１００への反応ガスの供給量が増加して燃料電池１００での発電量が増加する。そうすると、図５（ａ）に示すように燃料電池温度は、温度Ｔ１から上昇を開始し、時刻ｔ２において温度閾値ＴｈＴ以上となり、その後、運転者がアクセルペダルの踏み込み量を減らす時刻ｔ４まで、温度Ｔ２が維持される。時刻ｔ３になると、時刻ｔ２からの経過時間Δｔ、すなわち、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ以上になってからの経過時間が所定時間以上となるため、時刻ｔ３以降に実行されるステップＳ１１０では、燃料電池温度が閾値温度以上である状態が所定時間以上継続したと判定される。時刻ｔ４において運転者がアクセルペダルの踏み込み量を減らすと、燃料電池１００の発電量が減ると共に発熱量が減る。このため、燃料電池温度は、低下して時刻ｔ５において温度閾値ＴｈＴ未満となる。その後、燃料電池温度は、時刻ｔ１以前の温度Ｔ１となる。上述のように時刻ｔ５において燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ未満になるため、それ以降に実行されるステップＳ１１５では、燃料電池温度が閾値温度未満になったと判定されて湿潤運転が実行される。
【００４２】
本実施形態において、温度閾値ＴｈＴは、燃料電池温度を除く他の運転条件が同一の状態において各単セル１１０におけるカソード側の水収支がプラスとなる温度とマイナスになる温度との境界の温度に設定されている。カソード側の水収支とは、単セル１１０のカソード側に流入する水及びカソード側において生成される水の合計量から、カソード側から排出される水の合計量を差し引いた水の量を意味し、本実施形態では、以下の式（１）により特定される。
水収支＝生成水量−持ち去り水量−拡散水量＋逆拡散水量  ・・・（１）
【００４３】
上記式（１）において、「生成水量」は、カソード側の電気化学反応により生じる水の量を意味する。「持ち去り水量」は、カソードオフガスにより排出される水の量（水蒸気量）を意味する。「拡散水量」は、図２に示す拡散水Ｗ１１の量を意味する。「逆拡散水量」は、図２に示す逆拡散水Ｗ１２の量を意味する。これらの各水のうち、持ち去り水量は、燃料電池温度と相関する。具体的には、燃料電池温度が高いと、飽和水蒸気圧が高くなるため持ち去り水量は増加する。その結果、水収支は減少する。これに対して、燃料電池温度が低いと、飽和水上気圧が低くなるため持ち去り水量は減少するため、水収支は増加する。このように、水収支は、燃料電池温度に応じて増減するため、或る燃料電池温度においては、水収支がゼロとなる。このような燃料電池温度が実験等により特定され、温度閾値ＴｈＴとして閾値格納部６２０に予め格納されている。なお、温度閾値ＴｈＴとして、例えば、８０℃を設定してもよい。また、温度Ｔ１として、例えば５０℃を設定し、温度Ｔ２として、例えば９０℃を設定してもよい。また、経過時間Δｔとして、例えば、１秒間、１分間、３〜５分間など、任意の期間を設定してもよい。
【００４４】
図５（ｂ）に示すように、燃料電池１００の出力電流値は、時刻ｔ１において、電流値Ｉ１から増加して短時間の間に電流値Ｉ２となる。その後、運転者がアクセルペダルの踏み込み量を減らした時刻ｔ４から出力電流値は減少して、電流値Ｉ１となる。なお、電流値Ｉ１として、例えば１５〜５０アンペアを設定し、電流値Ｉ２として、例えば３００〜５００アンペアを設定してもよい。
【００４５】
図５（ｃ）では、本実施形態におけるカソード側背圧の変化を実線で示し、比較例のカソード側背圧の変化を一点鎖線で示している。比較例では、カソード側背圧は、基本的に燃料電池温度値と燃料電池１００の出力電流値とに基づき決定される。但し、比較例では、燃料電池１００のインピーダンス値が乾燥状態を示す所定の閾値ＴｈＲ以上の場合には、カソード側背圧を最大値に設定する。
【００４６】
上述のように、時刻ｔ３において燃料電池温度が閾値温度ＴｈＴ以上である状態が所定時間Δｔ以上継続しているため、その後、時刻ｔ４において、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ未満になった場合、上述のステップＳ２０５が実行され、カソード側背圧は最大値となるように制御される。ここで、図５（ｃ）に示すように、カソード側背圧は、時刻ｔ１以降、燃料電池温度の上昇および燃料電池１００の出力電流値の増加に伴って圧力値Ｐ１から次第に増加し、時刻ｔ２には最大圧力値Ｐ２に達する。その後、カソード側背圧は、燃料電池温度と燃料電池１００の出力電流値が一定であることに従って圧力値Ｐ２に維持される。カソード側背圧は、燃料電池温度の低下に伴い若干低下するが、時刻ｔ４において湿潤運転が実行されるのに伴って最大圧力値Ｐ２に戻り、上述のステップＳ２１０の３つの条件のいずれかが満たされるまで維持される。なお、圧力値Ｐ１として、例えば１００ｋＰａ（キロパスカル）を設定し、圧力値Ｐ２として、例えば、２５０ｋＰａを設定してもよい。
【００４７】
図５（ｄ）に示すように、燃料電池１００のインピーダンス、すなわち、燃料電池１００の乾燥度合いは、燃料電池温度の上昇に伴って時刻ｔ１以前におけるインピーダンス値Ｒ１から次第に増加していく。これは、燃料電池温度が上昇することにより、各単セル１１０のカソード側における飽和水蒸気圧が上昇するため、カソードオフガスによる水蒸気の持ち去り量が増加するからである。図５（ｄ）の例では、燃料電池１００のインピーダンスは、インピーダンス値Ｒ２となった後、燃料電池温度が低下を開始する時刻ｔ４まで維持される。時刻ｔ４において燃料電池温度が低下し始めると、それに伴って燃料電池１００のインピーダンスも低下する。しかしながら、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ以上である状態が比較的長い期間（所定時間Δｔ以上）継続したため、カソード側背圧を最大値にしてカソードオフガスにより持ち去る水の量を低減させても、燃料電池１００のインピーダンスが再び上昇を開始して電解質膜９０の乾燥が進むことが、発明者により見出された。図５（ｄ）の例では、燃料電池１００のインピーダンスは、再び上昇を開始した後、時刻ｔ６においてインピーダンス値Ｒ３に達し、時刻ｔ８までインピーダンス値Ｒ３が維持される。また、燃料電池１００のインピーダンスは、時刻ｔ８から低下して時刻ｔ１０には、時刻ｔ１以前のインピーダンス値Ｒ１に戻る。詳細は後述するが、本実施形態では、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ未満になった場合にカソード側背圧を最大値に制御しているため、燃料電池１００のインピーダンスが再び増加した際のインピーダンスの最大値Ｒ３は比較的低い値に抑えられ、また、燃料電池１００のインピーダンスがこの値Ｒ３になってから再びインピーダンス値Ｒ１に戻るまでの期間（すなわち、時刻ｔ６から時刻ｔ１０までの期間）は、比較的短く抑えられている。
【００４８】
図５（ｃ）において一点鎖線で示すように、比較例では、時刻ｔ４から低下を開始したカソード側背圧値は、時刻ｔ１以前の圧力値Ｐ１に戻るとしばらくその値を維持する。しかしながら、燃料電池１００のインピーダンスは、本実施形態と同様に再び増加に転じて時刻ｔ７には所定の閾値ＴｈＲ以上となる。比較例では、燃料電池１００のインピーダンスが閾値ＴｈＲ以上となると、燃料電池１００のインピーダンス値に応じてカソード側背圧が調整されるため、図５（ｃ）に示すように、カソード側背圧は、時刻ｔ７以降、燃料電池１００のインピーダンスの増加と共に増加して最大値Ｐ２に達する。図５（ｄ）に示すように、燃料電池１００のインピーダンスは、時刻ｔ７の後も増加してインピーダンスＲ４に達した後、しばらくインピーダンス値Ｒ４に維持される。その後、燃料電池１００のインピーダンスが低下を開始し、時刻ｔ１１において、時刻ｔ１以前のインピーダンス値Ｒ１に戻る。図５（ｃ）に示すように、燃料電池１００のインピーダンスの低下が開始された後、燃料電池１００のインピーダンス値が閾値ＴｈＲ未満になった時刻ｔ９以降、カソード側背圧は低下して時刻ｔ１以前の圧力値Ｐ１に戻る。
【００４９】
ここで、図５（ｄ）に示すように、比較例において、燃料電池１００のインピーダンスが再び増加した際のインピーダンスの最大値Ｒ４は、上述した実施形態における最大値Ｒ３に比べて大きい。また、比較例において、燃料電池１００のインピーダンスがインピーダンス値Ｒ４に達してから再びインピーダンス値Ｒ１に戻るまでの期間（すなわち、時刻ｔ７から時刻ｔ１１までの期間）は、上述した実施形態における、燃料電池１００のインピーダンスがインピーダンス値Ｒ３になってから再びインピーダンス値Ｒ１に戻るまでの期間に比べて長い。これは、燃料電池温度の低下と共にカソード側背圧を低下させたため、カソード側背圧を増加させることによるカソード側オフガスによる水の持ち去り量の低減効果が十分でなく、その後、電解質膜９０の乾燥が大きく進んでしまったためであるものと推測される。
【００５０】
これに対して、本実施形態では、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ以上である状態が所定時間Δｔ以上継続した場合、その後、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ未満になると、燃料電池１００が乾燥状態であるか否か（換言すると、インピーダンス値が高い状態であるか否か）に関わらず、カソード側背圧を最大値にしてカソードオフガスによる水の持ち去り量を低減させるので、電解質膜９０の乾燥が過度に進行することを抑制できる。このため、燃料電池温度が低下した後において燃料電池１００のインピーダンスが増加しても、その際のインピーダンス値の最大値を比較的低い値に抑えることができると共に、最大値に達してから元の状態のインピーダンス値に戻るまでの期間を短くできる。
【００５１】
以上説明した第１実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ以上である状態が所定時間Δｔ以上継続した場合、その後、燃料電池温度が温度閾値ＴｈＴ未満になった場合に湿潤運転を実行するので、インピーダンス測定値に基づき各単セル１１０の電解質膜９０が乾燥状態であることを検知してから湿潤運転を開始する構成に比べて、その後に電解質膜９０が乾燥状態となる蓋然性が高い場合に、より早期に湿潤運転を開始できる。このため、燃料電池温度が低下した後において燃料電池のインピーダンスが増加しても、その際のインピーダンス値の最大値を低く抑えることができると共に、インピーダンスの値が最大値に達してから元の状態に戻るまでの時間を短く抑えることができる。それゆえ、各単セル１１０の電解質膜９０が過剰に乾燥することを抑制できる。
【００５２】
また、湿潤運転として、カソード側背圧を最大値となるように制御するので、カソードオフガスにより持ち去る水の量を低減でき、各単セル１１０の電解質膜９０の乾燥が進むことを抑制できる。
【００５３】
また、温度閾値ＴｈＴとして、各単セル１１０におけるカソード側の水収支がプラスとなる温度とマイナスになる温度との境界の温度に設定されている。温度閾値ＴｈＴを超えると、水収支がマイナスとなり、この状態が継続すると単セル１１０の電解質膜９０の乾燥が進む。したがって、かかる温度を温度閾値ＴｈＴとして設定しているので、例えば、かかる温度よりも高い温度を温度閾値ＴｈＴに設定する場合に比べて、各単セル１１０の電解質膜９０の乾燥をより確実に抑制することができる。
【００５４】
Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態の燃料電池システムのシステム構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０のシステム構成と同じであるので、同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形態の湿潤運転は、ステップＳ２０５の処理内容において、図４に示す第１実施形態の湿潤運転と異なる。第２実施形態の湿潤運転の他の手順は、第１実施形態の湿潤運転の手順と同じであるので、同じ手順には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５５】
第２実施形態の湿潤運転において、エア流量制御部６１３は、ステップＳ２０５として、燃料電池１００への供給エア流量が所定値以下となるようにエアコンプレッサ３２０の回転数を制御する。この第２実施形態のステップＳ２０５における供給エア流量の所定値（上限値）は、本実施形態では、「燃料電池１００の通常運転時に比べて水収支がプラスとなる」との条件（以下、「条件Ａ」と呼ぶ）を満たす値として設定されている。上述の式（１）に示すように、持ち去り水量を減らすことによってカソード側の水収支は増加する。ここで、燃料電池１００への供給エア流量が低減すると、持ち去り水量が低減するために水収支は増加する。そこで、第２実施形態では、通常運転時に比べて供給エア流量を低減させることにより、水収支を通常運転時に比べて高くしている。このように水収支を通常運転時に比べて高くすることにより、通常運転時に比べて各単セル１１０の電解質膜９０の乾燥を抑制できる。
【００５６】
ここで、燃料電池１００への供給エア流量を除く他の運転条件が同じである場合に、供給エア流量を通常運転時に比べて低減させることにより、通常運転時に比べて持ち去り水量を減らすことができ、水収支を高くできる。そこで、本実施形態では、条件Ａを満たす値として、通常運転時の供給エア流量よりも低い値が設定されている。なお、燃料電池１００の出力電流値が一定であるとの条件下では、供給エア流量が低減するとエアストイキ比（電流に対する空気の当量比）も低減する。したがって、かかる条件の下では、上述のステップＳ２０５ａは、エアストイキ比が上記条件Ａを満たす所定値以下となるように、エアコンプレッサ３２０の回転数を制御する処理であるともいえる。なお、上述の「通常運転」とは、例えば、エアストイキ比を１．３〜１．８として燃料電池１００を運転する状態を指す。また、本実施形態のように、燃料電池システム１０が燃料電池自動車に用いられる構成においては、通常運転とは、車両が定常で走行を行なっているときの燃料電池１００の運転状態を指す。言い換えると、通常運転とは、間欠運転や過渡運転を行なっているときの燃料電池１００の運転状態は除かれる。
【００５７】
以上説明した第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を有する。
【００５８】
Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態の燃料電池システムのシステム構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０のシステム構成と同じであるので、同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第３実施形態の湿潤運転は、ステップＳ２０５の処理内容において、図４に示す第１実施形態の湿潤運転と異なる。第３実施形態の湿潤運転の他の手順は、第１実施形態の湿潤運転の手順と同じであるので、同じ手順には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５９】
第３実施形態の湿潤運転において、水素ガス流量制御部６１４は、ステップＳ２０５として、燃料電池１００の供給水素ガス流量が所定値以上となるように循環用ポンプ２４０を制御する。この第３実施形態のステップＳ２０５における供給水素ガス流量の所定値（下限値）は、第２実施形態における条件Ａを満たす値として設定されている。循環用ポンプ２４０による水素ガスの流量が増加すると、図２に示す拡散水Ｗ１１のうち、水素ガスによりアノード下流側に持ち去られる水の量が増加する。このため、逆拡散水Ｗ１２の量が増加する。上述の式（１）に示すように、逆拡散水量が増加することにより、カソード側の水収支は増加する。ここで、燃料電池１００への供給水素ガス流量を除く他の運転条件が同じである場合に、供給水素ガス流量を通常運転時に比べて増加させることにより、通常運転時に比べて逆拡散水Ｗ１２の量を増加することができ、水収支を高くできる。そこで、本実施形態では、ステップＳ２０５ｂにおける所定値を、通常運転時の供給水素ガス流量よりも高い値に設定することにより、かかる所定値が条件Ａを満たすようにしている。なお、通常運転とは、上述した第２実施形態で説明したとおりである。
【００６０】
以上説明した第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を有する。
【００６１】
Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
第１実施形態では、湿潤運転のステップＳ２０５において、カソード側背圧が背圧弁３４０により調整可能な範囲での最大値となるように背圧弁３４０を制御していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、カソード側背圧が燃料電池１００の通常運転時の圧力に比べて高い任意の圧力となるように、背圧弁３４０を調整してもよい。この構成においても、カソード側背圧を除く他の条件が同じである場合に、第２および第３実施形態と同様に、カソード側背圧が条件Ａを満たすことになる。すなわち、この構成においても、カソード側背圧の調整によって持ち去り水量を調整して、燃料電池１００の通常運転時に比べて水収支をプラスにできるため、第１実施形態と同様な効果を有する。
【００６２】
Ｄ２．変形例２：
各実施形態では、ステップＳ１１０において比較の規準となる温度と、ステップＳ１１５において比較の規準となる温度とは同じであったが、本発明はこれに限定されるものではない。ステップＳ１１０において比較の規準となる温度を第１閾値温度とし、ステップＳ１１５において比較の規準となる温度を第２閾値温度とした場合、第２閾値温度として、第１閾値温度以下の任意の温度を設定してもよい。例えば、第１閾値温度として７５℃、８０℃、８５℃、９０℃のいずれかに設定し、第２閾値温度として７０℃、７５℃、８０℃、８５℃、９０℃のうちの第１閾値温度以下であるいずれかの温度に設定してもよい。すなわち、一般には、燃料電池温度が第１閾値温度以上である状態が所定時間以上継続した場合に、燃料電池温度が第１閾値温度以下の温度である第２閾値温度よりも低くなった場合に、燃料電池１００の運転を制御して、燃料電池１００における水収支が燃料電池１００の通常運転時の水収支に比べて高くなる湿潤運転を、燃料電池１００に行なわせる運転制御部６１０を、本発明の燃料電池システムに採用してもよい。
【００６３】
Ｄ３．変形例３：
各実施形態において、温度閾値ＴｈＴは、各単セル１１０におけるカソード側の水収支がプラスとなる温度とマイナスになる温度との境界の温度に設定されていたが、本発明は、これに限定されるものではない。かかる境界の温度よりも高い温度や、かかる境界の温度よりも低い温度を、温度閾値ＴｈＴとして設定してもよい。かかる境界の温度よりも高い温度に設定する場合には、経過時間Δｔとして、より短い時間を設定してもよい。また、かかる境界の温度よりも低い温度に設定する場合には、経過時間Δｔとして、より長い時間を設定してもよい。
【００６４】
Ｄ４．変形例４：
各実施形態において、湿潤運転の終了条件は、上述の３つの条件１〜３のいずれかが満たされた、との条件であったが、これらの条件に限定されるものではない。例えば、ステップＳ２０５，Ｓ２０５ａ，Ｓ２０５ｂの開始の後、アクセルペダルの踏み込み量が所定量以上となったとの条件が満たされた場合に、湿潤運転が終了してもよい。この構成においても、条件１が満たされた場合と同様な処理をすることができる。すなわち、単セル１１０の電解質膜９０が乾燥状態から脱した、または、電解質膜９０が乾燥状態になっても構わない状況であることが明らかである場合に、湿潤運転を終了させてもよい。
【００６５】
Ｄ５．変形例５：
上記実施形態において、燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車に搭載されて用いられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池自動車に代えて、電気自動車等の駆動用電源を必要とする他の任意の移動体に搭載されて使用されてもよい。また、定置型電源として、例えば、オフィスや家庭において屋内または屋外に設置されて用いられてもよい。また、燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であったが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池として構成してもよい。
【００６６】
Ｄ６．変形例６：
上記実施形態における燃料電池システム１０の構成は、あくまでも一例であり、種々変更可能である。例えば、酸化剤ガス供給路３３１におけるエアコンプレッサ３２０の下流に加湿器を設け、加湿された空気を燃料電池１００に供給してもよい。この場合、単セル１１０のカソードにおける水収支は、以下の式（２）により特定される。
水収支＝生成水量−持ち去り水量−拡散水量＋逆拡散水量＋加湿水量  ・・・（２）
また、例えば、第２燃料ガス排出路２６４と酸化剤ガス排出路３３２とを接続させずに、それぞれ独立してオフガスを排出する構成としてもよい。
また、例えば、第１実施形態のステップＳ２０５と、第２実施形態のステップＳ２０５ａと、第３実施形態のステップＳ２０５ｂとのうち、いずれか２つ以上を組み合わせて実行してもよい。このようにすることで、乾燥状態をより抑制できる。
また、例えば、各実施形態および変形例においてハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータープログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。この発明において、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
【００６７】
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池システム
９０…電解質膜
９１…アノード側触媒層
９２…アノード側ガス拡散層
９３…アノード側セパレータ
９４…カソード側触媒層
９５…カソード側ガス拡散層
９６…カソード側セパレータ
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１１…集電板
２００…燃料ガス供給排出系
２１０…水素タンク
２２０…遮断弁
２２１…インジェクタ
２３０…気液分離器
２４０…循環用ポンプ
２５０…パージ弁
２６１…燃料ガス供給路
２６２…第１燃料ガス排出路
２６３…燃料ガス循環路
２６４…第２燃料ガス排出路
３００…酸化剤ガス供給排出系
３１０…エアクリーナ
３２０…エアコンプレッサ
３３１…酸化剤ガス供給路
３３２…酸化剤ガス排出路
３４０…背圧弁
４００…燃料電池循環冷却系
４１０…ラジエータ
４２１…冷却水流路
４２２…バイパス流路
４３０…三方弁
４４０…循環用ポンプ
４５０…温度センサ
５００…電力充放電系
５２０…インバータ
５２１…インピーダンス測定部
５３０…電流計
５４０…電圧計
５５０…バッテリー
６００…制御装置
６１０…運転制御部
６１１…温度比較部
６１２…インピーダンス比較部
６１３…エア流量制御部
６１４…水素ガス流量制御部
６１５…背圧弁制御部
６２０…閾値格納部
７００…負荷装置
ＳＤ…積層方向
ＴｈＴ…温度閾値
Δｔ…経過時間
Ｗ１…生成水
Ｗ２…水
Ｗ１１…拡散水
Ｗ１２…逆拡散水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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