燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
【課題】燃料電池の制御性を向上させる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０の電圧を制御する制御部２０とを備える。制御部２０は、燃料電池１０の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧に基づいて、目標上昇量ΔＶを設定する。制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件を、目標上昇量ΔＶに基づいて設定する。制御部２０は、設定した処理条件に基づいて、燃料電池１０の電圧を燃料電池１０の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、燃料電池１０の一時的な電流の増大を生じさせて、燃料電池１０の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を実行する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０の電圧を制御する制御部２０とを備える。制御部２０は、燃料電池１０の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧に基づいて、目標上昇量ΔＶを設定する。制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件を、目標上昇量ΔＶに基づいて設定する。制御部２０は、設定した処理条件に基づいて、燃料電池１０の電圧を燃料電池１０の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、燃料電池１０の一時的な電流の増大を生じさせて、燃料電池１０の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を実行する。
【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、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す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（下記特許文献１等）。燃料電池車両に搭載されている燃料電池は、外気温が著しく高い環境下（例えば、気温４０℃前後）において運転が継続されたり、登坂中や加速中など、高負荷運転が長期間に渡って継続されたりする場合に、運転温度が著しく高い高温状態となる場合がある。燃料電池が高温状態となると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して、その発電性能が低下してしまい、所望の電力を出力させることが困難になるなど、燃料電池の制御性が低下してしまう可能性があった。こうした問題は、燃料電池車両に限らず、燃料電池を備える燃料電池システムに共通の問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９２５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２７２９７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、燃料電池の制御性を向上させ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］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の電圧を制御する制御部と、
を備え、前記制御部は、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定し、前記制御部は、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記処理条件に従って実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、例えば、高温状態において燃料電池の発電性能が低下している場合であっても、適切な処理条件で一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池の発電特性を変化させ、燃料電池の電圧を目標電圧まで上昇させることができる。従って、燃料電池の電圧制御の制御性が向上する。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、前記制御部は、前記関係を用いて、前記処理条件を、現在の電圧と前記目標電圧との差である目標電圧上昇量に基づいて設定する、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によって電圧が上昇する量と、一時的電圧低下処理の処理条件との間の関係を用いることにより、燃料電池の電圧を目標電圧まで上昇させるための処理条件を適切に設定することができる。
【０００８】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記処理条件は、前記一時的電圧低下処理における最低電圧と、前記一時的電圧低下処理において最低電圧を保持した期間と、前記一時的電圧低下処理において電圧を回復させるときの電圧の上昇速度と、のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、目標電圧上昇量に応じて、一時的電圧低下処理の処理条件として、一時的電圧処理における最低電圧や、その最低電圧を保持する期間、電圧を回復させる際の電圧の上昇速度（電流の低下速度）を適切に設定することができる。
【０００９】
［適用例４］
適用例２または適用例３記載の燃料電池システムであって、さらに、前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部を備え、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記燃料電池の運転状態と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、前記関係を用いて、前記燃料電池の運転状態と、前記目標電圧と、に基づいて、前記処理条件を設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、目標電圧上昇量と、燃料電池の運転状態とに応じて、一時的電圧低下処理の処理条件を適切に設定することができる。
【００１０】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態は、前記燃料電池が所定の温度よりも高い高温状態にある期間の累積時間と、前記燃料電池の電極に担持された触媒の状態を示す触媒利用率と、のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、目標電圧上昇量と、高温状態にある期間の累積時間および／または燃料電池の触媒利用率、に応じて、一時的電圧低下処理の処理条件を適切に設定することができる。
【００１１】
［適用例６］
適用例２から５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理実行後の前記燃料電池の電圧の計測値と、前記目標電圧との差が収束されるように、前記関係の補正を実行する、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において、所望の電圧の上昇を得るための、より適切な処理条件の設定が可能となる。
【００１２】
［適用例７］
適用例１から６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記制御部によって充放電が制御され、前記一時的電圧低下処理において、前記燃料電池の出力電力を補助する二次電池を備え、前記制御部は、前記二次電池の放電を制限する閾値である前記二次電池の充電状態の下限値を予め設定し、前記二次電池の充電状態が前記下限値より小さくならないように、前記二次電池の充電状態を管理しており、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行する際に、前記下限値を低下させることにより、前記二次電池の放電を制限する条件を緩やかにする、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時における二次電池による電力の補償を確保することができる。
【００１３】
［適用例８］
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）コンピュータが、燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定する工程と、
（ｂ）コンピュータが、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記目標電圧に基づいて設定した処理条件によって実行する工程と、を備える、制御方法。
この制御方補であれば、例えば、高温状態において燃料電池の発電性能が低下している場合であっても、適切な処理条件で一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池の発電特性を変化させ、燃料電池の電圧を目標電圧まで上昇させることができる。従って、燃料電池の電圧制御の制御性が向上する。
【００１４】
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】
【００１５】
【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システム制御の制御手順を示す説明図。
【図４】通常運転の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】燃料電池の発電性能の低下を説明するための説明図。
【図６】一時的電圧低下処理による燃料電池の発電特性の一時的向上を説明するための説明図。
【図７】発電特性回復運転における燃料電池の電圧制御を説明するための説明図。
【図８】発電特性回復運転の具体的な制御手順を示す説明図。
【図９】一時的電圧低下処理を実行した後の電圧上昇量と、一時的電圧低下処理における電圧低下量との関係を示す説明図。
【図１０】第２実施例の発電特性回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１１】燃料電池において、一時的に電圧を低下させた後に電圧を回復させたときの、電圧の上昇速度と、電圧の上昇量との関係を示す説明図。
【図１２】電圧上昇量に基づいて電圧の上昇速度を取得するために用いるマップの一例を示す説明図。
【図１３】第３実施例の燃料電池システムにおけるシステム制御の制御手順を示す説明図。
【図１４】第３実施例の発電特性回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１５】一時的電圧低下処理による電圧の上昇量と高温継続時間との関係を示す説明図。
【図１６】一時的電圧低下処理の処理条件を決定するために用いるマップの一例を示す模式図。
【図１７】第４実施例の発電特性回復運転の処理手順を示す説明図。
【図１８】カソード電位と触媒利用率との関係を表すマップの一例を示す説明図。
【図１９】第４実施例の発電特性回復運転の制御手順を示す説明図。
【図２０】二次電池の準備処理の処理手順を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。制御部２０は、セル電圧計測部９１の計測結果に基づき、燃料電池１０が出力する電圧を取得する。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）。
【００４８】
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の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vと、電流−電力特性（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、燃料電池の発電特性は、Ｉ−Ｖ特性やＩ−Ｐ特性によって表すことができる。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字状のなだらかな曲線グラフとして表され、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。
【００４９】
制御部２０は、燃料電池１０についてのＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性などの発電特性を表す情報を、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。
【００５０】
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。
【００５１】
ステップＳ２０（図３）では、制御部２０は、通常運転の実行中に、所定のタイミングで、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。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９０℃程度）より高くなっている状態を意味する。
【００５２】
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）を継続し、燃料電池１０が高温状態である場合には、高温運転を開始する（ステップＳ２５）。具体的には、制御部２０は、高温運転として、燃料電池１０に対する冷媒の供給流量を増大させたり、反応ガスの加湿度を上昇させるなど、燃料電池１０の運転温度の上昇や、電解質膜の乾燥を抑制するための制御を開始する。ここで、この高温運転では、燃料電池１０の出力制御は、通常運転時と同様に実行されるが、燃料電池１０の発電性能は、運転温度の上昇とともに低下してしまうことが知られている。
【００５３】
図５は、運転温度の上昇に伴う燃料電池の発電性能の低下を説明するための説明図である。図５には、通常の運転温度（例えば、６０℃〜８０℃程度）における燃料電池のＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフＩ−Ｖｎと、高温状態（例えば、９０℃以上）における燃料電池のＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフＩ−Ｖｄとを、縦軸を電圧とし、横軸を電流として示してある。
【００５４】
一般に、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、燃料電池の運転温度の上昇とともに、その特性をあらわす曲線グラフが下降する方向に変化する傾向にある。そして、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフが下降するほど、燃料電池の発電効率は低下し、発熱を生じやすい発電状態となる。そのため、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフが著しく下降しているような発電状態では、電解質膜の乾燥や、触媒の酸化が促進され、燃料電池は、発電特性に従って電流を増大させて電力を増大させることが困難な限界状態となる（破線で図示）。この状態で、燃料電池に、さらに負荷をかけると、燃料電池の不可逆的な劣化を生じる可能性もある。
【００５５】
そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、高温運転の実行中に、所定のタイミングで、燃料電池１０の発電性能が著しく低下した限界状態にないかを判定する（図３のステップＳ３０）。この判定処理では、例えば、燃料電池１０の所定の電流に対するセル電圧が所定の閾値よりも低下したときに、燃料電池１０の発電状態が限界状態であると判定するものとしても良い。また、燃料電池１０のインピーダンスに基づき取得したセル抵抗が著しく増大したときに、燃料電池１０の発電状態が限界状態であると判定するものとしても良い。
【００５６】
制御部２０は、燃料電池１０の発電状態が限界状態でないと判定した場合には、高温運転の制御を継続する（ステップＳ２５）。また、高温運転の実行中に、燃料電池１０の運転温度が低下し、高温状態から回復したときには、通常運転に復帰する（破線矢印で図示）。
【００５７】
一方、制御部２０は、ステップＳ３０において、燃料電池１０の発電状態が限界状態であると判定した場合には、燃料電池１０の劣化を回避するための劣化回避運転を開始する（ステップＳ４０）。この劣化回避運転では、燃料電池１０の出力制御が制限される。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の出力電力を所定の限界値で制限する。より具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の電圧を所定の限界電圧Ｖlimに制限し、燃料電池１０の電流を所定の限界電流Ｉlimに制限する。なお、この劣化回避運転の実行中には、要求電力に対する不足分を二次電池８１が補償する。
【００５８】
ここで、この劣化回避運転の実行中であっても、二次電池８１によって補償できる電力を超える電力が要求されるなど、燃料電池１０の電圧をさらに上昇させる必要がある要求がなされる場合がある。また、燃料電池システムの内部的な要求により、燃料電池１０の電圧をさらに上昇させる必要が生じる場合がある。
【００５９】
本実施例の燃料電池システム１００では、劣化回避運転の継続中に、燃料電池１０の電圧を上昇させる必要のある要求を検出した場合には（ステップＳ５０）、その要求を無効とせず、発電特性回復運転の実行を開始する（ステップＳ６０）。この発電特性回復運転は、以下に説明する一時的電圧低下処理を所定の周期で、所定の回数、繰り返して実行することにより、燃料電池１０の発電性能を一時的に向上させる運転である。
【００６０】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、一時的電圧低下処理による燃料電池の発電性能の一時的向上を説明するための説明図である。図６（Ａ），（Ｂ）のグラフは実験により得られたものである。図６（Ａ）は、燃料電池の電流の時間変化を示すグラフであり、図６（Ｂ）は、燃料電池の電圧の時間変化を示すグラフである。図６（Ａ），（Ｂ）のグラフはそれぞれ、時間軸を互いに対応させて図示してある。
【００６１】
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で一時的に保持した後、再びＩ1まで低下させた（図６（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、その後も元の電圧Ｖ1より高い電圧がしばらく維持された（図６（Ｂ））。
【００６２】
図６（Ｃ）は、一時的に電圧を低下させた後の電圧の上昇を燃料電池のＩ−Ｖ特性によって説明するための説明図である。図６（Ｃ）には、時刻ｔ1（燃料電池の電圧を低下させる前）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを破線で図示し、時刻ｔ2（燃料電池の電圧を回復させた後）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを実線で図示してある。
【００６３】
図６（Ａ），（Ｂ）に示されたように、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、図６（Ｃ）に示すように、燃料電池のＩ−Ｖ特性が回復する方向に変化したためである。このＩ−Ｖ特性の変化は、一時的な電流の増大によって、燃料電池内部の水分の増加がもたらされ、電解質膜の乾燥領域の減少や、触媒の酸化被膜の減少／活性化などが促進されたためである。なお、ここまでの説明からも理解できるとおり、一時的電圧低下処理の実行前後における、ある電流に対する電圧の上昇量（図６では、Ｖ3−Ｖ1として得られる量）は、燃料電池の発電性能の向上の度合いを示す値であると解釈できる。
【００６４】
このように、燃料電池の電圧を一時的に低下させて、燃料電池の発電特性（Ｉ−Ｖ特性）に基づいた一時的な電流の増大を生じさせる一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池の発電特性を回復させ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。ただし、この発電特性の回復変化による発電性能の向上は、一時的なものであり、燃料電池の電圧は、電流を一定に保持していても、時間の経過とともに次第に低下する。従って、所望の発電性能の向上を得るためには、一時的電圧低下処理を、繰り返し実行することが望ましい。
【００６５】
図７（Ａ），（Ｂ）は、発電特性回復運転における燃料電池１０の出力制御を説明するための説明図である。図７（Ａ）には、縦軸を電圧とし、横軸を時間として、発電特性回復運転の実行開始前後における燃料電池１０の電圧の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。また、図７（Ｂ）には、縦軸を電流とし、横軸を時間として、図７（Ａ）と時間軸を対応させて、燃料電池１０の電流の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。
【００６６】
ここで、劣化回避運転において燃料電池１０が限界電圧Ｖlimおよび限界電流Ｉlimを出力しているときに、制御部２０が、燃料電池１０の電圧を目標電圧Ｖｔまで上昇させる要求を検出したものとする（図３のステップＳ４０，Ｓ５０）。制御部２０は、発電特性回復運転として、以下のように燃料電池１０の出力制御を実行する（ステップＳ６０）。
【００６７】
制御部２０は、燃料電池１０の電圧を、制限電圧ＶlimからＶｃまで低下させ、電流をＩlimからＩｃへと増大させる（時刻ｔ1a）。そして、低下後の電圧Ｖｃで所定の期間保持した後、電流が元のＩlimに戻るように、電圧を、元の限界電圧Ｖlimよりも高いＶｐまで上昇させる（時刻ｔ1b）。
【００６８】
以後、本明細書では、一時的電圧低下処理後の上昇電圧Ｖｐと、一時的電圧低下処理実行前の元の電圧Ｖlimとの差、即ち、一時的電圧低下処理による電圧の上昇量を「電圧上昇量ΔＶ」と呼ぶ（ΔＶ＝Ｖｐ−Ｖlim）。本実施例の燃料電池システム１００では、目標電圧Ｖｔに基づいて上昇電圧Ｖｐを設定するとともに、電圧上昇量ΔＶの目標値（目標上昇量ΔＶ）を設定し、目標上昇量ΔＶを得るための一時的電圧低下処理の処理条件を決定するが、詳細は後述する。
【００６９】
なお、上記の「上昇電圧Ｖｐ」が、特許請求の範囲における「目標電圧」に相当し、「目標上昇量ΔＶ」が、特許請求の範囲における「目標電圧上昇量」に相当する。
【００７０】
時刻ｔ1b〜ｔ2aでは、制御部２０は、燃料電池１０から流出する電流がＩlimで保持されるように制御する。しかし、前記したとおり、燃料電池１０の発電性能の向上は一時的なものであるため、制御部２０は、予め設定された速度で、電圧をＶｐから徐々に低下させる。以後、制御部２０は、燃料電池１０の電圧の時間平均が目標電圧Ｖｔとなるように、時刻ｔ1a〜ｔ1bの期間と同様な一時的電圧低下処理を、所定の回数、一定の周期Ｔで繰り返す。
【００７１】
このように、本実施例の燃料電池システム１００では、発電特性回復運転において、上述したような一時的に電圧を低下させる一時的電圧低下処理を繰り返し実行することにより、燃料電池１０の電圧を、限界電圧Ｖlimから、さらに上昇させることができる。発電特性回復運転は、具体的には、以下のような手順で実行される。
【００７２】
図８は、発電特性回復運転の具体的な制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部２０は、要求されている電圧（目標電圧Ｖｔ）に基づいて、一時的電圧低下処理後の上昇電圧Ｖｐを設定するとともに、一時的電圧低下処理によって上昇させるべき電圧の上昇量である目標上昇量ΔＶを設定する。具体的には、制御部２０は、目標電圧Ｖｔと、予め設定されている一時的電圧低下処理を繰り返す周期Ｔとに基づいて、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶを設定する。制御部２０は、予め準備された関係を用いて、目標電圧Ｖｔに対する上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶを設定するものとしても良い。
【００７３】
ステップＳ１１０では、制御部２０は、目標上昇量ΔＶに基づき、一時的電圧低下処理における燃料電池１０の最低電圧（電圧低下の目標値）である低下後電圧Ｖｃを、一時的電圧低下処理の処理条件として決定する。具体的には、制御部２０は、以下のように低下後電圧Ｖｃを取得する。
【００７４】
図９は、本発明の発明者が実験によって得たグラフであり、所定の電流に対する電圧が、一時的電圧低下処理を実行した後に上昇した量（電圧上昇量）と、一時的電圧低下処理における電圧の低下量（電圧低下量）との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、燃料電池に電流密度０．２５Ａ／ｃｍ2，０．５Ａ／ｃｍ2，１Ａ／ｃｍ2で発電させているときにそれぞれ、一時的電圧低下処理を電圧低下量を変えて実行し、前記の元の電流密度にそれぞれ回復させたときの電圧の上昇量を計測した。そして、各計測値のプロットから、図９に示す破線の直線グラフＧ１が得られた。
【００７５】
本発明の発明者は、この実験により、一時的電圧低下処理における電圧低下量と、一時的電圧低下処理によって得られる電圧上昇量との間には、電圧低下量が大きいほど、電圧上昇量がほぼ一定の割合で増大する線形関係があることを見出した。そして、その線形関係は、燃料電池の電流の値にかかわらず、ほぼ一定の関係として得られることを見出した。
【００７６】
ここで、制御部２０は、図９と同様な電圧低下量と電圧上昇量との関係を表すマップを予め格納している。ステップＳ１１０では、そのマップを用いて、目標上昇量ΔＶに対する電圧低下量Ｖｄを取得し、電圧低下量Ｖｄと現在の電圧Ｖｉとから、一時的電圧低下処理における電圧低下の目標値である低下後電圧Ｖｃ（Ｖｃ＝Ｖｉ−Ｖｄ）を取得する。
【００７７】
ステップＳ１２０では、燃料電池１０の電圧を、ステップＳ１１０で決定した低下後電圧Ｖｃまで一時的に、所定の一定期間だけ低下させる一時的電圧低下処理を、予め設定された周期Ｔで、所定の回数、繰り返し実行する。これによって、図７で説明したように、燃料電池１０の電圧を限界電圧Ｖlimから上昇させることができ、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている期間の燃料電池１０の電圧の時間平均をとったときに、目標電圧Ｖｔが得られる。
【００７８】
ステップＳ１３０では、制御部２０は、一時的電圧低下処理によって適正な電圧上昇量が得られたか否かの判定を行う。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の上昇後の電圧を計測し、目標値である目標上昇量ΔＶと、実際に電圧が上昇した量との間の誤差を算出し、その誤差が予め設定された許容範囲（例えば、±１０％程度）にあるか否かを判定する。
【００７９】
制御部２０は、誤差が許容範囲から外れている場合には、その誤差が低減されるように、図９で説明したマップを補正する（ステップＳ１４０）。具体的には、一時的電圧低下処理実行後に得られた実際の電圧の上昇量を反映させて、マップが表すグラフをシフトさせたり、その勾配を修正するものとしても良い。
【００８０】
制御部２０は、ステップＳ１２０の一時的電圧低下処理において、目標上昇量ΔＶとして適正な値が得られていた場合、または、ステップＳ１３０におけるマップの補正が完了した場合には、発電特性回復運転を終了する。そして、再び、燃料電池１０の電圧の上昇が必要になるまで、劣化回避運転を実行する（ステップＳ４０）。なお、劣化回避運転の実行中に、燃料電池１０の発電性能が限界状態から回復した場合には、制御部２０は、ステップＳ２５の高温運転に復帰し、さらに、燃料電池１０が高温状態でなくなっているときには、通常運転へと復帰する（破線矢印で図示したフロー）。
【００８１】
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が高温状態となって発電性能が低下し、限界域まで到達してしまった後であっても、発電特性回復運転によって、燃料電池１０の電圧を目標電圧まで到達させることが可能である。従って、高温状態における燃料電池１０の制御性が向上する。また、発電特性回復運転では、目標電圧に応じて一時的電圧低下処理の処理条件が設定されるため、燃料電池１０の電圧を適切に制御することが可能である。さらに、一時的電圧低下処理によって実際に上昇した電圧の上昇量が、処理条件を設定するためのマップにフィードバックされるため、燃料電池１０の制御性をより向上させることが可能である。
【００８２】
B．第２実施例：
図１０は本発明の第２実施例としての燃料電池システムが実行する発電特性回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１０は、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。なお、第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システムの構成とほぼ同じである（図１，図２）。また、第２実施例の燃料電池システムにおける制御部２０によるシステム制御の手順は、第１実施例で説明した手順と同様である（図３）。
【００８３】
第２実施例の発電特性回復運転では、制御部２０は、ステップＳ１１０において、目標上昇量ΔＶを取得した後、その目標上昇量ΔＶに基づいて、一時的電圧低下処理における電圧の回復速度である電圧上昇速度Ｖｒｖを設定する（ステップＳ１１１）。制御部２０は、電圧上昇速度Ｖｒｖの設定値を取得するために、以下に説明する、一時的電圧低下処理において電圧を回復させるときの電圧の上昇速度（電圧上昇速度）と、電圧上昇量との関係を利用する。
【００８４】
図１１は、本発明の発明者が実験によって得たグラフであり、燃料電池に対して、一時的電圧低下処理を実行したときの、電圧上昇速度と、電圧上昇量との関係を示すグラフである。図１１には、左右の縦軸をそれぞれセル電圧と電流密度とし、横軸を時間として、下段に、電流密度の時間変化を示すグラフＧI1〜ＧI3を示し、上段に、電圧の時間変化を示すグラフＧV1〜ＧV3を示してある。
【００８５】
このグラフに示されているように、電流密度をＩhighからＩlowに低下させたときの電流密度の低下速度が小さいほど（電圧の上昇速度が大きいほど）、変化後の電圧の値が高くなった。このことから、本発明の発明者は、一時的電圧低下処理では、電圧の回復速度（電圧上昇速度）が大きいほど、電圧上昇量が大きくなる（即ち、燃料電池の性能の向上の度合いが高くなる）ことを見出した。そこで、第２実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件の設定のために、以下のようなマップを用いる。
【００８６】
図１２は、ステップＳ１１１において、制御部２０が、目標上昇量ΔＶに基づいて電圧の上昇速度Ｖｒｖを取得するために用いるマップの一例を示す説明図である。図１２には、ステップＳ１１１で用いられるマップを、縦軸を電圧上昇量とし、横軸を電圧上昇速度とするグラフとして示してある。このマップは、電圧上昇量が大きいほど、電圧上昇速度が大きくなり、電圧上昇量が大きいほど、電圧上昇速度の変化率が小さくなるように設定されている。
【００８７】
制御部２０は、このマップを用いて、目標上昇量ΔＶに対する電圧上昇速度Ｖｒｖを取得する（ステップＳ１１１）。そして、一時的電圧低下処理として、燃料電池１０の電圧を所定の低下後電圧Ｖｃまで低下させて、所定の期間、低下後電圧Ｖｃで保持した後、電圧上昇速度Ｖｒｖで燃料電池の電圧を回復させる（ステップＳ１２０）。なお、第２実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理を所定の周期Ｔで実行できるように、電圧上昇速度Ｖｒｖに応じて、一時的電圧低下処理の実行間隔（電圧上昇後から再び電圧が低下されるまでの時間間隔）が調整されるものとしても良い。
【００８８】
以上のように、第２実施例の燃料電池システムでは、予め取得した関係を用いて、所望の電圧上昇量に基づき、一時的電圧低下処理の処理条件の１つである電圧上昇速度を設定することにより、燃料電池１０の所望の発電特性の回復を得ることができる。従って、高負荷運転時における燃料電池１０の制御性が向上する。なお、第２実施例の燃料電池システムでは、予め取得した関係を用いて、所望の電圧上昇量に基づいて、一時的電圧低下処理における電流の低下速度が設定されているものと解釈することも可能である。
【００８９】
C．第３実施例：
図１３は、本発明の第３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１３は、ステップＳ２４が追加されている点以外は、図３とほぼ同じである。図１４は、第３実施例の燃料電池システムにおける発電特性回復運転の制御手順を示すフローチャートである。
【００９０】
図１４は、ステップＳ１０５が追加されている点と、ステップＳ１１０に換えてステップＳ１１２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３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の構成とほぼ同じである（図１，図２）。第３実施例の燃料電池システムでは、目標上昇量ΔＶと、燃料電池１０が高温状態である間の累積時間（燃料電池１０が高温状態に曝された累積時間）とに基づいて、一時的電流低下処理の処理条件が設定される。具体的には以下の通りである。
【００９１】
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、燃料電池１０が高温状態である間の累積時間（以下、「高温継続時間」と呼ぶ）の計測を開始した後、高温運転を開始する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。この高温継続時間は、以下に説明するように、発電特性回復運転において、一時的電圧低下処理の処理条件の設定に用いられる。なお、高温計測時間は、燃料電池１０の運転温度が低下し、高温状態でなくなってから所定の時間が経過したときにリセットされるものとしても良い。
【００９２】
発電特性回復運転（図１４）では、制御部２０は、ステップＳ１００において、目標上昇量ΔＶを取得した後、現在の高温継続時間を、一時的電圧低下処理を実行する直前の燃料電池１０の運転状態として取得する（ステップＳ１０５）。そして、ステップＳ１１２では、所定の関係を用いて、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間とに基づいて、一時的電圧低下処理における低下後電圧Ｖｃを決定する。
【００９３】
図１５は、本発明の発明者の実験により得られたグラフであり、燃料電池に対して、高温継続時間ごとに、一定の処理条件で一時的電圧低下処理を実行したときの計測結果を、縦軸を電圧上昇量とし、横軸を高温継続時間として示したグラフである。なお、実線グラフＧ１は、一時的電圧低下処理において低下後電圧Ｖｃを保持した期間を、破線グラフＧ２のときよりも長く設定したときのグラフである。
【００９４】
一時的電圧低下処理の処理条件を一定にした場合、一時的電圧低下処理による電圧上昇量は、高温継続時間が長くなるほど大きくなる。そして、電圧上昇量の増加率は、高温継続時間が長くなるほど低下し、高温継続時間がある値を超えると電圧上昇量は最大値に収束する。
【００９５】
本発明の発明者は、この高温継続時間と、電圧上昇量との関係は、一時的電圧処理における最低電圧である低下後電圧ごとに取得できることを見出した。第３実施例の燃料電池システムでは、そうした高温継続時間と、電圧上昇量と、低下後電圧との関係を表したマップとを用いて、高温継続時間Ｔｄと、目標上昇量ΔＶとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件である低下後電圧Ｖｃを決定する。
【００９６】
図１６は、ステップＳ１１２において、一時的電圧低下処理の処理条件を決定するために用いるマップの一例を示す模式図である。第３実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、低下後電圧Ｖｃ（Ｖｃ＝ｖ1，ｖ2，ｖ3，…，ｖn-1，ｖn）ごとの高温継続時間と電圧上昇量との関係を表すマップを予め記憶している。
【００９７】
ステップＳ１１２では、制御部２０は、ステップＳ１０５で取得した高温継続時間Ｔｄに対して目標上昇量ΔＶが得られるマップを選択し、そのマップに対応する低下後電圧Ｖｃを取得する。そして、その低下後電圧Ｖｃを一時的電圧低下処理の処理条件として決定する。なお、図１６のマップは、一時的電圧低下処理を実行した後に計測される燃料電池１０の電圧上昇量の実測値に基づいて補正される（ステップＳ１４０）。
【００９８】
以上のように、第３実施例の燃料電池システムであれば、目標上昇量ΔＶに加えて、一時的電圧低下処理の実行直前における高温継続時間Ｔｄに基づいて、適切な一時的電圧低下処理の処理条件を設定することができる。従って、高負荷運転時における燃料電池１０の制御性が向上する。
【００９９】
C1．第３実施例の他の構成例：
上記の第３実施例では、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間Ｔｄとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件として、低下後セル電圧Ｖｃを決定していた。しかし、図１５のグラフに示したとおり、一時的電圧低下処理の実行後の電圧上昇量は、一時的電圧低下処理において低下後電圧Ｖｃを保持した時間（低電圧保持期間）が長いほど大きくなった。この関係を利用することにより、制御部２０は、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間Ｔｄとに基づいて、一時的電圧低下処理における低電圧保持期間を決定することも可能である。
【０１００】
D．第４実施例：
図１７は、本発明の第４実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電特性回復運転の処理手順を示すフローチャートである。第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０の運転状態として、カソード触媒の現在の触媒利用率ψiを取得し、その触媒利用率ψiと、目標上昇量ΔＶとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を決定する。なお、第４実施例の燃料電池システムの構成は第１実施例の燃料電池システムの構成とほぼ同じである（図１，図２）。また、第４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制御手順は、第１実施例で説明した制御手順と同様である（図３）。
【０１０１】
第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０が高温状態において限界状態にあると判定され、さらに、燃料電池１０に対して電圧の上昇要求がなされたときに、以下に説明する発電特性回復運転を実行する。ステップＳ２００では、第１実施例で説明したステップＳ１００（図８）と同様に、現在の燃料電池１０の電圧と、目標電圧Ｖｔと、予め設定された一時的電圧低下処理の実行周期Ｔとに基づき、一時的電圧低下処理における目標上昇量ΔＶを設定する。
【０１０２】
ステップＳ２１０では、制御部２０は、燃料電池１０の現在のカソード電位φiを取得する。カソード電位φiは、燃料電池１０の現在のセル電圧Ｖciと、インピーダンス計測部９３の計測値から取得できる燃料電池１０のセル抵抗Ｒと、燃料電池１０の現在の電流密度Ｉを用いて、下記の数式（１）から取得することができる。
φi＝Ｖci＋Ｉ×Ｒ …（１）
【０１０３】
図１８は、カソード電位と触媒利用率との関係を表すマップの一例を示す説明図である。このマップは、燃料電池システムの起動時に、制御部２０が、ＬＳＶ（Linear Sweep Voltammetry）によって取得するものとしても良いし、制御部２０の記憶部に予め格納されているものとしても良い。カソード電位と触媒利用率との関係は、通常、カソード電位が高いほど、触媒利用率が低下する横Ｓ字状のなだらかな曲線グラフとして表すことができ、カソード電位と触媒利用率とは、互いに一意に求めることができる。
【０１０４】
ステップＳ２２０では、制御部２０は、このマップを用いて、現在のカソード電位φiに対する現在の触媒利用率ψiを取得する（破線矢印で図示）。ステップＳ２３０では、ターフェルの式に基づく下記の数式（２）に、現在の触媒利用率ψiと、目標上昇量ΔＶと、セル抵抗Ｒと、燃料電池１０の現在の運転温度Ｔとを代入し、一時的電圧低下処理後の触媒利用率の目標値である目標触媒利用率ψtを取得する。
ΔＶ＝（Ｒ×Ｔ／α×Ｆ）×ｌｎ（ψt／ψi）…（２）
ここで、αはカソード反応の移動係数であり、通常、０．５〜１．０の間の値となる。Ｆはファラデー定数である。
【０１０５】
ステップＳ２４０では、図１８で説明したマップを再び用いて、目標触媒利用率ψtに対する目標カソード電位φtを取得する（図１８において一点鎖線の矢印で図示）。ステップＳ２５０では、取得した目標カソード電位φtと、燃料電池１０のセル抵抗Ｒと、電流密度Ｉとを、下記の数式（３）に代入して、一時的電圧低下処理における低下後電圧Ｖｃを取得する。
Ｖｃ＝φt−Ｉ×Ｒ …（３）
【０１０６】
ステップＳ２６０では、ステップＳ２５０で取得した低下後電圧Ｖｃを所定の期間保持する一時的電圧低下処理を、所定の周期Ｔで、所定の回数、繰り返して実行する。そして、ステップＳ２７０では、一時的電圧低下処理における燃料電池１０の実際の電圧上昇量を計測し、目標値である目標上昇量ΔＶとの間の誤差を算出する。制御部２０は、その誤差が予め設定された許容範囲（例えば、±１０％程度）から外れている場合には、図１８で説明したマップを補正する（ステップＳ２８０）。
【０１０７】
以上のように、第４実施例の燃料電池システムでは、目標電圧から取得できる目標上昇量ΔＶと、一時的電圧低下処理の実行直前における燃料電池１０の運転状態を示す触媒利用率ψiと、に基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件である低下後電圧Ｖｃを決定する。ここで、一時的電圧低下処理によって燃料電池１０の発電特性が回復する理由の１つは、一時的な電流の増大によって、触媒の酸化被膜が減少し、触媒利用率が向上するためである。従って、触媒利用率に基づいて一時的電圧低下処理の処理条件を設定することによって、より直接的に、燃料電池１０における発電性能の向上の度合いを制御することができ、燃料電池１０の出力制御がより高い精度で可能となる。
【０１０８】
E．第５実施例：
図１９は、第４実施例の燃料電池システムにおいて実行される発電特性回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１９は、ステップＳ１１５が追加されている点以外は、図８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実施例の燃料電池システム１００の構成とほぼ同じである（図１，図２）。また、第４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制御手順は、第１実施例で説明した手順と同様である（図３）。
【０１０９】
ここで、一時的電圧低下処理を実行する際には、二次電池８１の出力によって、燃料電池１０の出力不足が補償される場合がある。しかし、既に説明したとおり、二次電池８１のＳＯＣには下限値が予め設定されているため、二次電池８１のＳＯＣが著しく低い場合には、一時的電圧低下処理の実行の際の二次電池８１による補償が困難となってしまう可能性がある。そこで、第５実施例の燃料電池システムでは、ステップＳ１１０において、一時的電圧低下処理の処理条件を設定した後に、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間の二次電池８１による補償を確保するための準備処理を実行する（ステップＳ１１５）。
【０１１０】
図２０は、ステップＳ１１５における二次電池８１の準備処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ３００では、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件に基づいて、二次電池８１による出力補償が必要であるか否かの判定処理を実行する。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０に現在要求されている電力（要求電力）と、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間に燃料電池１０が出力できるであろう電力とを比較する。そして、要求電力に対して、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間の燃料電池１０の出力電力が不足するか否かを判定する。
【０１１１】
二次電池８１による出力補償が必要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を検出する（ステップＳ３１０）。一方、二次電池８１による出力補償が必要でないと判定した場合には、制御部２０は、発電特性回復運転に戻り、一時的電圧低下処理を所定の周期Ｔで、所定の回数、繰り返し実行する（図１９のステップＳ１２０）。
【０１１２】
ステップＳ３２０（図２０）では、制御部２０は、現在の二次電池８１のＳＯＣに基づいて、一時的電圧低下処理の実行中に不足する電力を二次電池８１が補償できるか否かを判定する。即ち、二次電池８１に、その不足電力を出力させた場合に、二次電池８１のＳＯＣが下限値より低くならないかを判定する。制御部２０は、二次電池８１による補償が可能であると判定した場合には、発電特性回復運転に戻り、一時的電圧低下処理の実行を開始する（図１９のステップＳ１２０）。
【０１１３】
ステップＳ３３０（図２０）以降の処理では、制御部２０は、一時的電圧低下処理の実行を確保するために、二次電池８１の出力制限を緩やかにする処理、または、一時的電圧低下処理の処理条件を変更する処理のいずれかを実行する。具体的には、以下の通りである。
【０１１４】
制御部２０は、二次電池８１に不足電力を補償させると、二次電池８１のＳＯＣが下限値より低くなってしまうと判定した場合には、その下限値をより低い値に再設定することにより、二次電池８１による補償が可能となるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。即ち、二次電池８１のＳＯＣの下限値を予め規定された、初期設定の下限値より低い第２の下限値に再設定し、二次電池８１に一時的電圧低下処理における不足電力を補償させた場合に、二次電池８１のＳＯＣが、第２の下限値より低くなるか否かを判定する。
【０１１５】
制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの下限値の変更により、一時的電圧低下処理における不足電力の補償が可能となると判定した場合には、二次電池８１のＳＯＣの下限値を第２の下限値に変更する（ステップＳ３４０）。ここで、二次電池８１のＳＯＣの下限値は、二次電池８１の蓄電量不足による劣化を防止するために設定された値である。しかし、燃料電池１０の発電性能が向上すれば、二次電池８１にかかる負荷も低減されることから、第４実施例の燃料電池システムでは、二次電池８１のＳＯＣの制限を、あえて一時的に緩和することにより、一時的電圧低下処理の実行を確保する。
【０１１６】
制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの下限値を変更しても、一時的電圧低下処理における不足電力の補償はできないと判定した場合には、一時的電圧低下処理の処理条件を変更する（ステップＳ３５０）。具体定期には、一時的電圧低下処理の実行中における不足電力が低減されるように、低下後電圧Ｖｃの値を上昇させる補正を実行する。制御部２０は、ＳＯＣの下限値の変更、または、低下後電圧Ｖｃの変更を実行した後に、発電特性回復運転に戻り、一時的電圧低下処理の実行を開始する（図１９のステップＳ１２０）。
【０１１７】
以上のように、第５実施例の燃料電池システムでは、二次電池８１による電力の補償が可能になるように予め準備することにより、一時的電圧低下処理の実行を確保する。従って、高負荷運転時における燃料電池１０の発電性能を確実に向上させることができる。
【０１１８】
F．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。
【０１１９】
F1．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。
【０１２０】
F2．変形例２：
上記の各実施例では、制御部２０は、目標上昇量ΔＶに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件として、低下後電圧Ｖｃや、電圧上昇速度Ｖｒｖ、低電圧保持期間を設定していた。しかし、目標上昇量ΔＶと一時的電圧低下処理実行後の上昇電圧Ｖｐとは一意の関係であるため、一時的電圧低下処理実行後の目標電圧である上昇電圧Ｖｐに基づき、一時的電圧低下処理の処理条件を設定しているものと解釈することができる。従って、制御部２０は、上記実施例で説明したマップに換えて予め準備された上昇電圧Ｖｐと一時的電圧低下処理の処理条件との関係を表したマップを用いるものとしても良い。なお、制御部２０は、予め準備された目標電圧Ｖｔと一時的電圧低下処理の処理条件との間の関係を用いて、目標電圧Ｖｔに基づき、一時的電圧低下処理の処理条件を設定するものとしても良い。
【０１２１】
また、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件として、他の処理条件を設定するものとしても良い。制御部２０は、例えば、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶに基づいて、一時的電圧低下処理を繰り返し実行する際の周期Ｔを設定するものとしても良い。また、制御部２０は、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶに基づいて、複数の処理条件を設定するものとしても良い。例えば、制御部２０は、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶに基づいて、低下後電圧Ｖｃと、電圧上昇速度Ｖｒｖとを設定するものとしても良い。
【０１２２】
F3．変形例３：
上記第３実施例では、一時的電圧低下処理の実行直前における燃料電池１０の運転状態として、高温継続時間Ｔｄを検出し、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間Ｔｄとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を決定していた。しかし、一時的電圧低下処理の処理条件を決定するために検出する燃料電池１０の運転状態は、他の要素であっても良い。具体的には、以下のようなものがある。
・セル電圧
・インピーダンス
・電流密度
・反応ガスのストイキ比
・入口圧、または、出口圧（背圧）
ここで、上記の「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。また、「入口圧」とは、燃料電池１０の反応ガスの供給側における圧力を意味し、「出口圧（背圧）」とは、燃料電池１０の反応ガスの排出側における圧力を意味する。
なお、一時的電圧低下処理の処理条件は、一時的電圧低下処理実行後の目標電圧である上昇電圧Ｖｐと、上記の燃料電池１０の運転状態の要素のうちの少なくとも１つとに基づいて決定されれば良い。一時的電圧低下処理の処理条件は、例えば、上昇電圧Ｖｐと、高温継続時間Ｔｄと、セル電圧との組み合わせに基づいて決定されるものとしても良く、更に多次元的な要素の組み合わせによって決定されるものとしても良い。
【０１２３】
F4．変形例４：
上記の各実施例では、燃料電池１０の高温状態を検出した後、高温運転を開始し（ステップＳ２５）、燃料電池１０の劣化回避運転（ステップＳ４０）の実行中に、発電特性回復運転（ステップＳ６０）を開始していた。しかし、燃料電池１０の高温状態の検出は省略されるものとしても良いし、高温運転の実行や劣化回避運転の実行も省略されるものとしても良い。制御部２０は、例えば、燃料電池１０の電解質膜の乾燥や発電性能の低下が検出されたときに、発電特性回復運転を実行するものとしても良い。
【０１２４】
F5．変形例５：
上記の各実施例では、一時的電圧低下処理条件の決定の際に、制御部２０は、目標上昇量ΔＶと一時的電圧低下処理の処理条件との関係を表したマップや、目標上昇量ΔＶと、燃料電池１０の運転状態と、一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を表したマップを用いていた。しかし、制御部２０は、そうしたマップを用いなくとも良く、例えば予め設定された数式や関数などの対応関係を用いて、目標上昇量ΔＶや、燃料電池１０の運転状態に基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を設定するものとしても良い。また、制御部２０は、そうしたマップや数式などによって表される関係を用いなくとも良い。制御部２０は、少なくとも、一時的電圧低下処理実行後の目標電圧である上昇電圧Ｖｐ（上昇電圧Ｖｐから一意に求められる値を含む）に基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を設定すれば良い。
【０１２５】
F6．変形例６：
上記の各実施例では、一時的電圧低下処理を実行した後の電流を、電圧の低下を開始する直前の電流と同じとなるように制御していた。しかし、一時的電圧低下処理の実行後の電流は、電圧の低下を開始する直前の電流と異なる電流に制御されても良い。
【０１２６】
F7．変形例７：
上記第５実施例では、制御部２０は、ステップＳ３４０において、二次電池８１のＳＯＣの下限値を低下させていた。しかし、制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの制限自体を解除してしまうものとしても良い。
【０１２７】
F8．変形例８：
上記の各実施例では、一時的電圧低下処理を実行した後に、燃料電池１０の電圧の実測値と、目標上昇量ΔＶとに基づいて、マップの補正を実行していた。しかし、マップの補正処理は省略されるものとしても良い。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…燃料電池
１１…発電体
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
１００…燃料電池システム
１０１…外気温センサ
１０２…車速センサ
２００…モータ
ＤＣＬ…直流配線
【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、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す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（下記特許文献１等）。燃料電池車両に搭載されている燃料電池は、外気温が著しく高い環境下（例えば、気温４０℃前後）において運転が継続されたり、登坂中や加速中など、高負荷運転が長期間に渡って継続されたりする場合に、運転温度が著しく高い高温状態となる場合がある。燃料電池が高温状態となると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して、その発電性能が低下してしまい、所望の電力を出力させることが困難になるなど、燃料電池の制御性が低下してしまう可能性があった。こうした問題は、燃料電池車両に限らず、燃料電池を備える燃料電池システムに共通の問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９２５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０２７２９７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、燃料電池の制御性を向上させ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］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の電圧を制御する制御部と、
を備え、前記制御部は、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定し、前記制御部は、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記処理条件に従って実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、例えば、高温状態において燃料電池の発電性能が低下している場合であっても、適切な処理条件で一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池の発電特性を変化させ、燃料電池の電圧を目標電圧まで上昇させることができる。従って、燃料電池の電圧制御の制御性が向上する。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、前記制御部は、前記関係を用いて、前記処理条件を、現在の電圧と前記目標電圧との差である目標電圧上昇量に基づいて設定する、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によって電圧が上昇する量と、一時的電圧低下処理の処理条件との間の関係を用いることにより、燃料電池の電圧を目標電圧まで上昇させるための処理条件を適切に設定することができる。
【０００８】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記処理条件は、前記一時的電圧低下処理における最低電圧と、前記一時的電圧低下処理において最低電圧を保持した期間と、前記一時的電圧低下処理において電圧を回復させるときの電圧の上昇速度と、のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、目標電圧上昇量に応じて、一時的電圧低下処理の処理条件として、一時的電圧処理における最低電圧や、その最低電圧を保持する期間、電圧を回復させる際の電圧の上昇速度（電流の低下速度）を適切に設定することができる。
【０００９】
［適用例４］
適用例２または適用例３記載の燃料電池システムであって、さらに、前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部を備え、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記燃料電池の運転状態と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、前記関係を用いて、前記燃料電池の運転状態と、前記目標電圧と、に基づいて、前記処理条件を設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、目標電圧上昇量と、燃料電池の運転状態とに応じて、一時的電圧低下処理の処理条件を適切に設定することができる。
【００１０】
［適用例５］
適用例４記載の燃料電池システムであって、前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態は、前記燃料電池が所定の温度よりも高い高温状態にある期間の累積時間と、前記燃料電池の電極に担持された触媒の状態を示す触媒利用率と、のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、目標電圧上昇量と、高温状態にある期間の累積時間および／または燃料電池の触媒利用率、に応じて、一時的電圧低下処理の処理条件を適切に設定することができる。
【００１１】
［適用例６］
適用例２から５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理実行後の前記燃料電池の電圧の計測値と、前記目標電圧との差が収束されるように、前記関係の補正を実行する、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において、所望の電圧の上昇を得るための、より適切な処理条件の設定が可能となる。
【００１２】
［適用例７］
適用例１から６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記制御部によって充放電が制御され、前記一時的電圧低下処理において、前記燃料電池の出力電力を補助する二次電池を備え、前記制御部は、前記二次電池の放電を制限する閾値である前記二次電池の充電状態の下限値を予め設定し、前記二次電池の充電状態が前記下限値より小さくならないように、前記二次電池の充電状態を管理しており、前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行する際に、前記下限値を低下させることにより、前記二次電池の放電を制限する条件を緩やかにする、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時における二次電池による電力の補償を確保することができる。
【００１３】
［適用例８］
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）コンピュータが、燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定する工程と、
（ｂ）コンピュータが、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記目標電圧に基づいて設定した処理条件によって実行する工程と、を備える、制御方法。
この制御方補であれば、例えば、高温状態において燃料電池の発電性能が低下している場合であっても、適切な処理条件で一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池の発電特性を変化させ、燃料電池の電圧を目標電圧まで上昇させることができる。従って、燃料電池の電圧制御の制御性が向上する。
【００１４】
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】
【００１５】
【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システム制御の制御手順を示す説明図。
【図４】通常運転の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】燃料電池の発電性能の低下を説明するための説明図。
【図６】一時的電圧低下処理による燃料電池の発電特性の一時的向上を説明するための説明図。
【図７】発電特性回復運転における燃料電池の電圧制御を説明するための説明図。
【図８】発電特性回復運転の具体的な制御手順を示す説明図。
【図９】一時的電圧低下処理を実行した後の電圧上昇量と、一時的電圧低下処理における電圧低下量との関係を示す説明図。
【図１０】第２実施例の発電特性回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１１】燃料電池において、一時的に電圧を低下させた後に電圧を回復させたときの、電圧の上昇速度と、電圧の上昇量との関係を示す説明図。
【図１２】電圧上昇量に基づいて電圧の上昇速度を取得するために用いるマップの一例を示す説明図。
【図１３】第３実施例の燃料電池システムにおけるシステム制御の制御手順を示す説明図。
【図１４】第３実施例の発電特性回復運転の制御手順を示す説明図。
【図１５】一時的電圧低下処理による電圧の上昇量と高温継続時間との関係を示す説明図。
【図１６】一時的電圧低下処理の処理条件を決定するために用いるマップの一例を示す模式図。
【図１７】第４実施例の発電特性回復運転の処理手順を示す説明図。
【図１８】カソード電位と触媒利用率との関係を表すマップの一例を示す説明図。
【図１９】第４実施例の発電特性回復運転の制御手順を示す説明図。
【図２０】二次電池の準備処理の処理手順を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。制御部２０は、セル電圧計測部９１の計測結果に基づき、燃料電池１０が出力する電圧を取得する。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）。
【００４８】
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の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vと、電流−電力特性（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、燃料電池の発電特性は、Ｉ−Ｖ特性やＩ−Ｐ特性によって表すことができる。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字状のなだらかな曲線グラフとして表され、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。
【００４９】
制御部２０は、燃料電池１０についてのＩ−Ｖ特性およびＩ−Ｐ特性などの発電特性を表す情報を、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。
【００５０】
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。
【００５１】
ステップＳ２０（図３）では、制御部２０は、通常運転の実行中に、所定のタイミングで、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。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９０℃程度）より高くなっている状態を意味する。
【００５２】
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）を継続し、燃料電池１０が高温状態である場合には、高温運転を開始する（ステップＳ２５）。具体的には、制御部２０は、高温運転として、燃料電池１０に対する冷媒の供給流量を増大させたり、反応ガスの加湿度を上昇させるなど、燃料電池１０の運転温度の上昇や、電解質膜の乾燥を抑制するための制御を開始する。ここで、この高温運転では、燃料電池１０の出力制御は、通常運転時と同様に実行されるが、燃料電池１０の発電性能は、運転温度の上昇とともに低下してしまうことが知られている。
【００５３】
図５は、運転温度の上昇に伴う燃料電池の発電性能の低下を説明するための説明図である。図５には、通常の運転温度（例えば、６０℃〜８０℃程度）における燃料電池のＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフＩ−Ｖｎと、高温状態（例えば、９０℃以上）における燃料電池のＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフＩ−Ｖｄとを、縦軸を電圧とし、横軸を電流として示してある。
【００５４】
一般に、燃料電池のＩ−Ｖ特性は、燃料電池の運転温度の上昇とともに、その特性をあらわす曲線グラフが下降する方向に変化する傾向にある。そして、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフが下降するほど、燃料電池の発電効率は低下し、発熱を生じやすい発電状態となる。そのため、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフが著しく下降しているような発電状態では、電解質膜の乾燥や、触媒の酸化が促進され、燃料電池は、発電特性に従って電流を増大させて電力を増大させることが困難な限界状態となる（破線で図示）。この状態で、燃料電池に、さらに負荷をかけると、燃料電池の不可逆的な劣化を生じる可能性もある。
【００５５】
そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、高温運転の実行中に、所定のタイミングで、燃料電池１０の発電性能が著しく低下した限界状態にないかを判定する（図３のステップＳ３０）。この判定処理では、例えば、燃料電池１０の所定の電流に対するセル電圧が所定の閾値よりも低下したときに、燃料電池１０の発電状態が限界状態であると判定するものとしても良い。また、燃料電池１０のインピーダンスに基づき取得したセル抵抗が著しく増大したときに、燃料電池１０の発電状態が限界状態であると判定するものとしても良い。
【００５６】
制御部２０は、燃料電池１０の発電状態が限界状態でないと判定した場合には、高温運転の制御を継続する（ステップＳ２５）。また、高温運転の実行中に、燃料電池１０の運転温度が低下し、高温状態から回復したときには、通常運転に復帰する（破線矢印で図示）。
【００５７】
一方、制御部２０は、ステップＳ３０において、燃料電池１０の発電状態が限界状態であると判定した場合には、燃料電池１０の劣化を回避するための劣化回避運転を開始する（ステップＳ４０）。この劣化回避運転では、燃料電池１０の出力制御が制限される。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の出力電力を所定の限界値で制限する。より具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の電圧を所定の限界電圧Ｖlimに制限し、燃料電池１０の電流を所定の限界電流Ｉlimに制限する。なお、この劣化回避運転の実行中には、要求電力に対する不足分を二次電池８１が補償する。
【００５８】
ここで、この劣化回避運転の実行中であっても、二次電池８１によって補償できる電力を超える電力が要求されるなど、燃料電池１０の電圧をさらに上昇させる必要がある要求がなされる場合がある。また、燃料電池システムの内部的な要求により、燃料電池１０の電圧をさらに上昇させる必要が生じる場合がある。
【００５９】
本実施例の燃料電池システム１００では、劣化回避運転の継続中に、燃料電池１０の電圧を上昇させる必要のある要求を検出した場合には（ステップＳ５０）、その要求を無効とせず、発電特性回復運転の実行を開始する（ステップＳ６０）。この発電特性回復運転は、以下に説明する一時的電圧低下処理を所定の周期で、所定の回数、繰り返して実行することにより、燃料電池１０の発電性能を一時的に向上させる運転である。
【００６０】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、一時的電圧低下処理による燃料電池の発電性能の一時的向上を説明するための説明図である。図６（Ａ），（Ｂ）のグラフは実験により得られたものである。図６（Ａ）は、燃料電池の電流の時間変化を示すグラフであり、図６（Ｂ）は、燃料電池の電圧の時間変化を示すグラフである。図６（Ａ），（Ｂ）のグラフはそれぞれ、時間軸を互いに対応させて図示してある。
【００６１】
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で一時的に保持した後、再びＩ1まで低下させた（図６（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、その後も元の電圧Ｖ1より高い電圧がしばらく維持された（図６（Ｂ））。
【００６２】
図６（Ｃ）は、一時的に電圧を低下させた後の電圧の上昇を燃料電池のＩ−Ｖ特性によって説明するための説明図である。図６（Ｃ）には、時刻ｔ1（燃料電池の電圧を低下させる前）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを破線で図示し、時刻ｔ2（燃料電池の電圧を回復させた後）における燃料電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフを実線で図示してある。
【００６３】
図６（Ａ），（Ｂ）に示されたように、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、図６（Ｃ）に示すように、燃料電池のＩ−Ｖ特性が回復する方向に変化したためである。このＩ−Ｖ特性の変化は、一時的な電流の増大によって、燃料電池内部の水分の増加がもたらされ、電解質膜の乾燥領域の減少や、触媒の酸化被膜の減少／活性化などが促進されたためである。なお、ここまでの説明からも理解できるとおり、一時的電圧低下処理の実行前後における、ある電流に対する電圧の上昇量（図６では、Ｖ3−Ｖ1として得られる量）は、燃料電池の発電性能の向上の度合いを示す値であると解釈できる。
【００６４】
このように、燃料電池の電圧を一時的に低下させて、燃料電池の発電特性（Ｉ−Ｖ特性）に基づいた一時的な電流の増大を生じさせる一時的電圧低下処理を実行することにより、燃料電池の発電特性を回復させ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。ただし、この発電特性の回復変化による発電性能の向上は、一時的なものであり、燃料電池の電圧は、電流を一定に保持していても、時間の経過とともに次第に低下する。従って、所望の発電性能の向上を得るためには、一時的電圧低下処理を、繰り返し実行することが望ましい。
【００６５】
図７（Ａ），（Ｂ）は、発電特性回復運転における燃料電池１０の出力制御を説明するための説明図である。図７（Ａ）には、縦軸を電圧とし、横軸を時間として、発電特性回復運転の実行開始前後における燃料電池１０の電圧の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。また、図７（Ｂ）には、縦軸を電流とし、横軸を時間として、図７（Ａ）と時間軸を対応させて、燃料電池１０の電流の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。
【００６６】
ここで、劣化回避運転において燃料電池１０が限界電圧Ｖlimおよび限界電流Ｉlimを出力しているときに、制御部２０が、燃料電池１０の電圧を目標電圧Ｖｔまで上昇させる要求を検出したものとする（図３のステップＳ４０，Ｓ５０）。制御部２０は、発電特性回復運転として、以下のように燃料電池１０の出力制御を実行する（ステップＳ６０）。
【００６７】
制御部２０は、燃料電池１０の電圧を、制限電圧ＶlimからＶｃまで低下させ、電流をＩlimからＩｃへと増大させる（時刻ｔ1a）。そして、低下後の電圧Ｖｃで所定の期間保持した後、電流が元のＩlimに戻るように、電圧を、元の限界電圧Ｖlimよりも高いＶｐまで上昇させる（時刻ｔ1b）。
【００６８】
以後、本明細書では、一時的電圧低下処理後の上昇電圧Ｖｐと、一時的電圧低下処理実行前の元の電圧Ｖlimとの差、即ち、一時的電圧低下処理による電圧の上昇量を「電圧上昇量ΔＶ」と呼ぶ（ΔＶ＝Ｖｐ−Ｖlim）。本実施例の燃料電池システム１００では、目標電圧Ｖｔに基づいて上昇電圧Ｖｐを設定するとともに、電圧上昇量ΔＶの目標値（目標上昇量ΔＶ）を設定し、目標上昇量ΔＶを得るための一時的電圧低下処理の処理条件を決定するが、詳細は後述する。
【００６９】
なお、上記の「上昇電圧Ｖｐ」が、特許請求の範囲における「目標電圧」に相当し、「目標上昇量ΔＶ」が、特許請求の範囲における「目標電圧上昇量」に相当する。
【００７０】
時刻ｔ1b〜ｔ2aでは、制御部２０は、燃料電池１０から流出する電流がＩlimで保持されるように制御する。しかし、前記したとおり、燃料電池１０の発電性能の向上は一時的なものであるため、制御部２０は、予め設定された速度で、電圧をＶｐから徐々に低下させる。以後、制御部２０は、燃料電池１０の電圧の時間平均が目標電圧Ｖｔとなるように、時刻ｔ1a〜ｔ1bの期間と同様な一時的電圧低下処理を、所定の回数、一定の周期Ｔで繰り返す。
【００７１】
このように、本実施例の燃料電池システム１００では、発電特性回復運転において、上述したような一時的に電圧を低下させる一時的電圧低下処理を繰り返し実行することにより、燃料電池１０の電圧を、限界電圧Ｖlimから、さらに上昇させることができる。発電特性回復運転は、具体的には、以下のような手順で実行される。
【００７２】
図８は、発電特性回復運転の具体的な制御手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部２０は、要求されている電圧（目標電圧Ｖｔ）に基づいて、一時的電圧低下処理後の上昇電圧Ｖｐを設定するとともに、一時的電圧低下処理によって上昇させるべき電圧の上昇量である目標上昇量ΔＶを設定する。具体的には、制御部２０は、目標電圧Ｖｔと、予め設定されている一時的電圧低下処理を繰り返す周期Ｔとに基づいて、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶを設定する。制御部２０は、予め準備された関係を用いて、目標電圧Ｖｔに対する上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶを設定するものとしても良い。
【００７３】
ステップＳ１１０では、制御部２０は、目標上昇量ΔＶに基づき、一時的電圧低下処理における燃料電池１０の最低電圧（電圧低下の目標値）である低下後電圧Ｖｃを、一時的電圧低下処理の処理条件として決定する。具体的には、制御部２０は、以下のように低下後電圧Ｖｃを取得する。
【００７４】
図９は、本発明の発明者が実験によって得たグラフであり、所定の電流に対する電圧が、一時的電圧低下処理を実行した後に上昇した量（電圧上昇量）と、一時的電圧低下処理における電圧の低下量（電圧低下量）との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、燃料電池に電流密度０．２５Ａ／ｃｍ2，０．５Ａ／ｃｍ2，１Ａ／ｃｍ2で発電させているときにそれぞれ、一時的電圧低下処理を電圧低下量を変えて実行し、前記の元の電流密度にそれぞれ回復させたときの電圧の上昇量を計測した。そして、各計測値のプロットから、図９に示す破線の直線グラフＧ１が得られた。
【００７５】
本発明の発明者は、この実験により、一時的電圧低下処理における電圧低下量と、一時的電圧低下処理によって得られる電圧上昇量との間には、電圧低下量が大きいほど、電圧上昇量がほぼ一定の割合で増大する線形関係があることを見出した。そして、その線形関係は、燃料電池の電流の値にかかわらず、ほぼ一定の関係として得られることを見出した。
【００７６】
ここで、制御部２０は、図９と同様な電圧低下量と電圧上昇量との関係を表すマップを予め格納している。ステップＳ１１０では、そのマップを用いて、目標上昇量ΔＶに対する電圧低下量Ｖｄを取得し、電圧低下量Ｖｄと現在の電圧Ｖｉとから、一時的電圧低下処理における電圧低下の目標値である低下後電圧Ｖｃ（Ｖｃ＝Ｖｉ−Ｖｄ）を取得する。
【００７７】
ステップＳ１２０では、燃料電池１０の電圧を、ステップＳ１１０で決定した低下後電圧Ｖｃまで一時的に、所定の一定期間だけ低下させる一時的電圧低下処理を、予め設定された周期Ｔで、所定の回数、繰り返し実行する。これによって、図７で説明したように、燃料電池１０の電圧を限界電圧Ｖlimから上昇させることができ、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている期間の燃料電池１０の電圧の時間平均をとったときに、目標電圧Ｖｔが得られる。
【００７８】
ステップＳ１３０では、制御部２０は、一時的電圧低下処理によって適正な電圧上昇量が得られたか否かの判定を行う。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の上昇後の電圧を計測し、目標値である目標上昇量ΔＶと、実際に電圧が上昇した量との間の誤差を算出し、その誤差が予め設定された許容範囲（例えば、±１０％程度）にあるか否かを判定する。
【００７９】
制御部２０は、誤差が許容範囲から外れている場合には、その誤差が低減されるように、図９で説明したマップを補正する（ステップＳ１４０）。具体的には、一時的電圧低下処理実行後に得られた実際の電圧の上昇量を反映させて、マップが表すグラフをシフトさせたり、その勾配を修正するものとしても良い。
【００８０】
制御部２０は、ステップＳ１２０の一時的電圧低下処理において、目標上昇量ΔＶとして適正な値が得られていた場合、または、ステップＳ１３０におけるマップの補正が完了した場合には、発電特性回復運転を終了する。そして、再び、燃料電池１０の電圧の上昇が必要になるまで、劣化回避運転を実行する（ステップＳ４０）。なお、劣化回避運転の実行中に、燃料電池１０の発電性能が限界状態から回復した場合には、制御部２０は、ステップＳ２５の高温運転に復帰し、さらに、燃料電池１０が高温状態でなくなっているときには、通常運転へと復帰する（破線矢印で図示したフロー）。
【００８１】
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が高温状態となって発電性能が低下し、限界域まで到達してしまった後であっても、発電特性回復運転によって、燃料電池１０の電圧を目標電圧まで到達させることが可能である。従って、高温状態における燃料電池１０の制御性が向上する。また、発電特性回復運転では、目標電圧に応じて一時的電圧低下処理の処理条件が設定されるため、燃料電池１０の電圧を適切に制御することが可能である。さらに、一時的電圧低下処理によって実際に上昇した電圧の上昇量が、処理条件を設定するためのマップにフィードバックされるため、燃料電池１０の制御性をより向上させることが可能である。
【００８２】
B．第２実施例：
図１０は本発明の第２実施例としての燃料電池システムが実行する発電特性回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１０は、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。なお、第２実施例の燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システムの構成とほぼ同じである（図１，図２）。また、第２実施例の燃料電池システムにおける制御部２０によるシステム制御の手順は、第１実施例で説明した手順と同様である（図３）。
【００８３】
第２実施例の発電特性回復運転では、制御部２０は、ステップＳ１１０において、目標上昇量ΔＶを取得した後、その目標上昇量ΔＶに基づいて、一時的電圧低下処理における電圧の回復速度である電圧上昇速度Ｖｒｖを設定する（ステップＳ１１１）。制御部２０は、電圧上昇速度Ｖｒｖの設定値を取得するために、以下に説明する、一時的電圧低下処理において電圧を回復させるときの電圧の上昇速度（電圧上昇速度）と、電圧上昇量との関係を利用する。
【００８４】
図１１は、本発明の発明者が実験によって得たグラフであり、燃料電池に対して、一時的電圧低下処理を実行したときの、電圧上昇速度と、電圧上昇量との関係を示すグラフである。図１１には、左右の縦軸をそれぞれセル電圧と電流密度とし、横軸を時間として、下段に、電流密度の時間変化を示すグラフＧI1〜ＧI3を示し、上段に、電圧の時間変化を示すグラフＧV1〜ＧV3を示してある。
【００８５】
このグラフに示されているように、電流密度をＩhighからＩlowに低下させたときの電流密度の低下速度が小さいほど（電圧の上昇速度が大きいほど）、変化後の電圧の値が高くなった。このことから、本発明の発明者は、一時的電圧低下処理では、電圧の回復速度（電圧上昇速度）が大きいほど、電圧上昇量が大きくなる（即ち、燃料電池の性能の向上の度合いが高くなる）ことを見出した。そこで、第２実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件の設定のために、以下のようなマップを用いる。
【００８６】
図１２は、ステップＳ１１１において、制御部２０が、目標上昇量ΔＶに基づいて電圧の上昇速度Ｖｒｖを取得するために用いるマップの一例を示す説明図である。図１２には、ステップＳ１１１で用いられるマップを、縦軸を電圧上昇量とし、横軸を電圧上昇速度とするグラフとして示してある。このマップは、電圧上昇量が大きいほど、電圧上昇速度が大きくなり、電圧上昇量が大きいほど、電圧上昇速度の変化率が小さくなるように設定されている。
【００８７】
制御部２０は、このマップを用いて、目標上昇量ΔＶに対する電圧上昇速度Ｖｒｖを取得する（ステップＳ１１１）。そして、一時的電圧低下処理として、燃料電池１０の電圧を所定の低下後電圧Ｖｃまで低下させて、所定の期間、低下後電圧Ｖｃで保持した後、電圧上昇速度Ｖｒｖで燃料電池の電圧を回復させる（ステップＳ１２０）。なお、第２実施例の燃料電池システム１００では、一時的電圧低下処理を所定の周期Ｔで実行できるように、電圧上昇速度Ｖｒｖに応じて、一時的電圧低下処理の実行間隔（電圧上昇後から再び電圧が低下されるまでの時間間隔）が調整されるものとしても良い。
【００８８】
以上のように、第２実施例の燃料電池システムでは、予め取得した関係を用いて、所望の電圧上昇量に基づき、一時的電圧低下処理の処理条件の１つである電圧上昇速度を設定することにより、燃料電池１０の所望の発電特性の回復を得ることができる。従って、高負荷運転時における燃料電池１０の制御性が向上する。なお、第２実施例の燃料電池システムでは、予め取得した関係を用いて、所望の電圧上昇量に基づいて、一時的電圧低下処理における電流の低下速度が設定されているものと解釈することも可能である。
【００８９】
C．第３実施例：
図１３は、本発明の第３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１３は、ステップＳ２４が追加されている点以外は、図３とほぼ同じである。図１４は、第３実施例の燃料電池システムにおける発電特性回復運転の制御手順を示すフローチャートである。
【００９０】
図１４は、ステップＳ１０５が追加されている点と、ステップＳ１１０に換えてステップＳ１１２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３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の構成とほぼ同じである（図１，図２）。第３実施例の燃料電池システムでは、目標上昇量ΔＶと、燃料電池１０が高温状態である間の累積時間（燃料電池１０が高温状態に曝された累積時間）とに基づいて、一時的電流低下処理の処理条件が設定される。具体的には以下の通りである。
【００９１】
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、燃料電池１０が高温状態である間の累積時間（以下、「高温継続時間」と呼ぶ）の計測を開始した後、高温運転を開始する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。この高温継続時間は、以下に説明するように、発電特性回復運転において、一時的電圧低下処理の処理条件の設定に用いられる。なお、高温計測時間は、燃料電池１０の運転温度が低下し、高温状態でなくなってから所定の時間が経過したときにリセットされるものとしても良い。
【００９２】
発電特性回復運転（図１４）では、制御部２０は、ステップＳ１００において、目標上昇量ΔＶを取得した後、現在の高温継続時間を、一時的電圧低下処理を実行する直前の燃料電池１０の運転状態として取得する（ステップＳ１０５）。そして、ステップＳ１１２では、所定の関係を用いて、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間とに基づいて、一時的電圧低下処理における低下後電圧Ｖｃを決定する。
【００９３】
図１５は、本発明の発明者の実験により得られたグラフであり、燃料電池に対して、高温継続時間ごとに、一定の処理条件で一時的電圧低下処理を実行したときの計測結果を、縦軸を電圧上昇量とし、横軸を高温継続時間として示したグラフである。なお、実線グラフＧ１は、一時的電圧低下処理において低下後電圧Ｖｃを保持した期間を、破線グラフＧ２のときよりも長く設定したときのグラフである。
【００９４】
一時的電圧低下処理の処理条件を一定にした場合、一時的電圧低下処理による電圧上昇量は、高温継続時間が長くなるほど大きくなる。そして、電圧上昇量の増加率は、高温継続時間が長くなるほど低下し、高温継続時間がある値を超えると電圧上昇量は最大値に収束する。
【００９５】
本発明の発明者は、この高温継続時間と、電圧上昇量との関係は、一時的電圧処理における最低電圧である低下後電圧ごとに取得できることを見出した。第３実施例の燃料電池システムでは、そうした高温継続時間と、電圧上昇量と、低下後電圧との関係を表したマップとを用いて、高温継続時間Ｔｄと、目標上昇量ΔＶとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件である低下後電圧Ｖｃを決定する。
【００９６】
図１６は、ステップＳ１１２において、一時的電圧低下処理の処理条件を決定するために用いるマップの一例を示す模式図である。第３実施例の燃料電池システムでは、制御部２０は、低下後電圧Ｖｃ（Ｖｃ＝ｖ1，ｖ2，ｖ3，…，ｖn-1，ｖn）ごとの高温継続時間と電圧上昇量との関係を表すマップを予め記憶している。
【００９７】
ステップＳ１１２では、制御部２０は、ステップＳ１０５で取得した高温継続時間Ｔｄに対して目標上昇量ΔＶが得られるマップを選択し、そのマップに対応する低下後電圧Ｖｃを取得する。そして、その低下後電圧Ｖｃを一時的電圧低下処理の処理条件として決定する。なお、図１６のマップは、一時的電圧低下処理を実行した後に計測される燃料電池１０の電圧上昇量の実測値に基づいて補正される（ステップＳ１４０）。
【００９８】
以上のように、第３実施例の燃料電池システムであれば、目標上昇量ΔＶに加えて、一時的電圧低下処理の実行直前における高温継続時間Ｔｄに基づいて、適切な一時的電圧低下処理の処理条件を設定することができる。従って、高負荷運転時における燃料電池１０の制御性が向上する。
【００９９】
C1．第３実施例の他の構成例：
上記の第３実施例では、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間Ｔｄとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件として、低下後セル電圧Ｖｃを決定していた。しかし、図１５のグラフに示したとおり、一時的電圧低下処理の実行後の電圧上昇量は、一時的電圧低下処理において低下後電圧Ｖｃを保持した時間（低電圧保持期間）が長いほど大きくなった。この関係を利用することにより、制御部２０は、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間Ｔｄとに基づいて、一時的電圧低下処理における低電圧保持期間を決定することも可能である。
【０１００】
D．第４実施例：
図１７は、本発明の第４実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電特性回復運転の処理手順を示すフローチャートである。第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０の運転状態として、カソード触媒の現在の触媒利用率ψiを取得し、その触媒利用率ψiと、目標上昇量ΔＶとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を決定する。なお、第４実施例の燃料電池システムの構成は第１実施例の燃料電池システムの構成とほぼ同じである（図１，図２）。また、第４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制御手順は、第１実施例で説明した制御手順と同様である（図３）。
【０１０１】
第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１０が高温状態において限界状態にあると判定され、さらに、燃料電池１０に対して電圧の上昇要求がなされたときに、以下に説明する発電特性回復運転を実行する。ステップＳ２００では、第１実施例で説明したステップＳ１００（図８）と同様に、現在の燃料電池１０の電圧と、目標電圧Ｖｔと、予め設定された一時的電圧低下処理の実行周期Ｔとに基づき、一時的電圧低下処理における目標上昇量ΔＶを設定する。
【０１０２】
ステップＳ２１０では、制御部２０は、燃料電池１０の現在のカソード電位φiを取得する。カソード電位φiは、燃料電池１０の現在のセル電圧Ｖciと、インピーダンス計測部９３の計測値から取得できる燃料電池１０のセル抵抗Ｒと、燃料電池１０の現在の電流密度Ｉを用いて、下記の数式（１）から取得することができる。
φi＝Ｖci＋Ｉ×Ｒ …（１）
【０１０３】
図１８は、カソード電位と触媒利用率との関係を表すマップの一例を示す説明図である。このマップは、燃料電池システムの起動時に、制御部２０が、ＬＳＶ（Linear Sweep Voltammetry）によって取得するものとしても良いし、制御部２０の記憶部に予め格納されているものとしても良い。カソード電位と触媒利用率との関係は、通常、カソード電位が高いほど、触媒利用率が低下する横Ｓ字状のなだらかな曲線グラフとして表すことができ、カソード電位と触媒利用率とは、互いに一意に求めることができる。
【０１０４】
ステップＳ２２０では、制御部２０は、このマップを用いて、現在のカソード電位φiに対する現在の触媒利用率ψiを取得する（破線矢印で図示）。ステップＳ２３０では、ターフェルの式に基づく下記の数式（２）に、現在の触媒利用率ψiと、目標上昇量ΔＶと、セル抵抗Ｒと、燃料電池１０の現在の運転温度Ｔとを代入し、一時的電圧低下処理後の触媒利用率の目標値である目標触媒利用率ψtを取得する。
ΔＶ＝（Ｒ×Ｔ／α×Ｆ）×ｌｎ（ψt／ψi）…（２）
ここで、αはカソード反応の移動係数であり、通常、０．５〜１．０の間の値となる。Ｆはファラデー定数である。
【０１０５】
ステップＳ２４０では、図１８で説明したマップを再び用いて、目標触媒利用率ψtに対する目標カソード電位φtを取得する（図１８において一点鎖線の矢印で図示）。ステップＳ２５０では、取得した目標カソード電位φtと、燃料電池１０のセル抵抗Ｒと、電流密度Ｉとを、下記の数式（３）に代入して、一時的電圧低下処理における低下後電圧Ｖｃを取得する。
Ｖｃ＝φt−Ｉ×Ｒ …（３）
【０１０６】
ステップＳ２６０では、ステップＳ２５０で取得した低下後電圧Ｖｃを所定の期間保持する一時的電圧低下処理を、所定の周期Ｔで、所定の回数、繰り返して実行する。そして、ステップＳ２７０では、一時的電圧低下処理における燃料電池１０の実際の電圧上昇量を計測し、目標値である目標上昇量ΔＶとの間の誤差を算出する。制御部２０は、その誤差が予め設定された許容範囲（例えば、±１０％程度）から外れている場合には、図１８で説明したマップを補正する（ステップＳ２８０）。
【０１０７】
以上のように、第４実施例の燃料電池システムでは、目標電圧から取得できる目標上昇量ΔＶと、一時的電圧低下処理の実行直前における燃料電池１０の運転状態を示す触媒利用率ψiと、に基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件である低下後電圧Ｖｃを決定する。ここで、一時的電圧低下処理によって燃料電池１０の発電特性が回復する理由の１つは、一時的な電流の増大によって、触媒の酸化被膜が減少し、触媒利用率が向上するためである。従って、触媒利用率に基づいて一時的電圧低下処理の処理条件を設定することによって、より直接的に、燃料電池１０における発電性能の向上の度合いを制御することができ、燃料電池１０の出力制御がより高い精度で可能となる。
【０１０８】
E．第５実施例：
図１９は、第４実施例の燃料電池システムにおいて実行される発電特性回復運転の制御手順を示すフローチャートである。図１９は、ステップＳ１１５が追加されている点以外は、図８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実施例の燃料電池システム１００の構成とほぼ同じである（図１，図２）。また、第４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制御手順は、第１実施例で説明した手順と同様である（図３）。
【０１０９】
ここで、一時的電圧低下処理を実行する際には、二次電池８１の出力によって、燃料電池１０の出力不足が補償される場合がある。しかし、既に説明したとおり、二次電池８１のＳＯＣには下限値が予め設定されているため、二次電池８１のＳＯＣが著しく低い場合には、一時的電圧低下処理の実行の際の二次電池８１による補償が困難となってしまう可能性がある。そこで、第５実施例の燃料電池システムでは、ステップＳ１１０において、一時的電圧低下処理の処理条件を設定した後に、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間の二次電池８１による補償を確保するための準備処理を実行する（ステップＳ１１５）。
【０１１０】
図２０は、ステップＳ１１５における二次電池８１の準備処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ３００では、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件に基づいて、二次電池８１による出力補償が必要であるか否かの判定処理を実行する。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０に現在要求されている電力（要求電力）と、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間に燃料電池１０が出力できるであろう電力とを比較する。そして、要求電力に対して、一時的電圧低下処理が繰り返し実行されている間の燃料電池１０の出力電力が不足するか否かを判定する。
【０１１１】
二次電池８１による出力補償が必要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を検出する（ステップＳ３１０）。一方、二次電池８１による出力補償が必要でないと判定した場合には、制御部２０は、発電特性回復運転に戻り、一時的電圧低下処理を所定の周期Ｔで、所定の回数、繰り返し実行する（図１９のステップＳ１２０）。
【０１１２】
ステップＳ３２０（図２０）では、制御部２０は、現在の二次電池８１のＳＯＣに基づいて、一時的電圧低下処理の実行中に不足する電力を二次電池８１が補償できるか否かを判定する。即ち、二次電池８１に、その不足電力を出力させた場合に、二次電池８１のＳＯＣが下限値より低くならないかを判定する。制御部２０は、二次電池８１による補償が可能であると判定した場合には、発電特性回復運転に戻り、一時的電圧低下処理の実行を開始する（図１９のステップＳ１２０）。
【０１１３】
ステップＳ３３０（図２０）以降の処理では、制御部２０は、一時的電圧低下処理の実行を確保するために、二次電池８１の出力制限を緩やかにする処理、または、一時的電圧低下処理の処理条件を変更する処理のいずれかを実行する。具体的には、以下の通りである。
【０１１４】
制御部２０は、二次電池８１に不足電力を補償させると、二次電池８１のＳＯＣが下限値より低くなってしまうと判定した場合には、その下限値をより低い値に再設定することにより、二次電池８１による補償が可能となるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。即ち、二次電池８１のＳＯＣの下限値を予め規定された、初期設定の下限値より低い第２の下限値に再設定し、二次電池８１に一時的電圧低下処理における不足電力を補償させた場合に、二次電池８１のＳＯＣが、第２の下限値より低くなるか否かを判定する。
【０１１５】
制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの下限値の変更により、一時的電圧低下処理における不足電力の補償が可能となると判定した場合には、二次電池８１のＳＯＣの下限値を第２の下限値に変更する（ステップＳ３４０）。ここで、二次電池８１のＳＯＣの下限値は、二次電池８１の蓄電量不足による劣化を防止するために設定された値である。しかし、燃料電池１０の発電性能が向上すれば、二次電池８１にかかる負荷も低減されることから、第４実施例の燃料電池システムでは、二次電池８１のＳＯＣの制限を、あえて一時的に緩和することにより、一時的電圧低下処理の実行を確保する。
【０１１６】
制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの下限値を変更しても、一時的電圧低下処理における不足電力の補償はできないと判定した場合には、一時的電圧低下処理の処理条件を変更する（ステップＳ３５０）。具体定期には、一時的電圧低下処理の実行中における不足電力が低減されるように、低下後電圧Ｖｃの値を上昇させる補正を実行する。制御部２０は、ＳＯＣの下限値の変更、または、低下後電圧Ｖｃの変更を実行した後に、発電特性回復運転に戻り、一時的電圧低下処理の実行を開始する（図１９のステップＳ１２０）。
【０１１７】
以上のように、第５実施例の燃料電池システムでは、二次電池８１による電力の補償が可能になるように予め準備することにより、一時的電圧低下処理の実行を確保する。従って、高負荷運転時における燃料電池１０の発電性能を確実に向上させることができる。
【０１１８】
F．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。
【０１１９】
F1．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。
【０１２０】
F2．変形例２：
上記の各実施例では、制御部２０は、目標上昇量ΔＶに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件として、低下後電圧Ｖｃや、電圧上昇速度Ｖｒｖ、低電圧保持期間を設定していた。しかし、目標上昇量ΔＶと一時的電圧低下処理実行後の上昇電圧Ｖｐとは一意の関係であるため、一時的電圧低下処理実行後の目標電圧である上昇電圧Ｖｐに基づき、一時的電圧低下処理の処理条件を設定しているものと解釈することができる。従って、制御部２０は、上記実施例で説明したマップに換えて予め準備された上昇電圧Ｖｐと一時的電圧低下処理の処理条件との関係を表したマップを用いるものとしても良い。なお、制御部２０は、予め準備された目標電圧Ｖｔと一時的電圧低下処理の処理条件との間の関係を用いて、目標電圧Ｖｔに基づき、一時的電圧低下処理の処理条件を設定するものとしても良い。
【０１２１】
また、制御部２０は、一時的電圧低下処理の処理条件として、他の処理条件を設定するものとしても良い。制御部２０は、例えば、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶに基づいて、一時的電圧低下処理を繰り返し実行する際の周期Ｔを設定するものとしても良い。また、制御部２０は、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶに基づいて、複数の処理条件を設定するものとしても良い。例えば、制御部２０は、上昇電圧Ｖｐや目標上昇量ΔＶに基づいて、低下後電圧Ｖｃと、電圧上昇速度Ｖｒｖとを設定するものとしても良い。
【０１２２】
F3．変形例３：
上記第３実施例では、一時的電圧低下処理の実行直前における燃料電池１０の運転状態として、高温継続時間Ｔｄを検出し、目標上昇量ΔＶと、高温継続時間Ｔｄとに基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を決定していた。しかし、一時的電圧低下処理の処理条件を決定するために検出する燃料電池１０の運転状態は、他の要素であっても良い。具体的には、以下のようなものがある。
・セル電圧
・インピーダンス
・電流密度
・反応ガスのストイキ比
・入口圧、または、出口圧（背圧）
ここで、上記の「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。また、「入口圧」とは、燃料電池１０の反応ガスの供給側における圧力を意味し、「出口圧（背圧）」とは、燃料電池１０の反応ガスの排出側における圧力を意味する。
なお、一時的電圧低下処理の処理条件は、一時的電圧低下処理実行後の目標電圧である上昇電圧Ｖｐと、上記の燃料電池１０の運転状態の要素のうちの少なくとも１つとに基づいて決定されれば良い。一時的電圧低下処理の処理条件は、例えば、上昇電圧Ｖｐと、高温継続時間Ｔｄと、セル電圧との組み合わせに基づいて決定されるものとしても良く、更に多次元的な要素の組み合わせによって決定されるものとしても良い。
【０１２３】
F4．変形例４：
上記の各実施例では、燃料電池１０の高温状態を検出した後、高温運転を開始し（ステップＳ２５）、燃料電池１０の劣化回避運転（ステップＳ４０）の実行中に、発電特性回復運転（ステップＳ６０）を開始していた。しかし、燃料電池１０の高温状態の検出は省略されるものとしても良いし、高温運転の実行や劣化回避運転の実行も省略されるものとしても良い。制御部２０は、例えば、燃料電池１０の電解質膜の乾燥や発電性能の低下が検出されたときに、発電特性回復運転を実行するものとしても良い。
【０１２４】
F5．変形例５：
上記の各実施例では、一時的電圧低下処理条件の決定の際に、制御部２０は、目標上昇量ΔＶと一時的電圧低下処理の処理条件との関係を表したマップや、目標上昇量ΔＶと、燃料電池１０の運転状態と、一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を表したマップを用いていた。しかし、制御部２０は、そうしたマップを用いなくとも良く、例えば予め設定された数式や関数などの対応関係を用いて、目標上昇量ΔＶや、燃料電池１０の運転状態に基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を設定するものとしても良い。また、制御部２０は、そうしたマップや数式などによって表される関係を用いなくとも良い。制御部２０は、少なくとも、一時的電圧低下処理実行後の目標電圧である上昇電圧Ｖｐ（上昇電圧Ｖｐから一意に求められる値を含む）に基づいて、一時的電圧低下処理の処理条件を設定すれば良い。
【０１２５】
F6．変形例６：
上記の各実施例では、一時的電圧低下処理を実行した後の電流を、電圧の低下を開始する直前の電流と同じとなるように制御していた。しかし、一時的電圧低下処理の実行後の電流は、電圧の低下を開始する直前の電流と異なる電流に制御されても良い。
【０１２６】
F7．変形例７：
上記第５実施例では、制御部２０は、ステップＳ３４０において、二次電池８１のＳＯＣの下限値を低下させていた。しかし、制御部２０は、二次電池８１のＳＯＣの制限自体を解除してしまうものとしても良い。
【０１２７】
F8．変形例８：
上記の各実施例では、一時的電圧低下処理を実行した後に、燃料電池１０の電圧の実測値と、目標上昇量ΔＶとに基づいて、マップの補正を実行していた。しかし、マップの補正処理は省略されるものとしても良い。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…燃料電池
１１…発電体
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
１００…燃料電池システム
１０１…外気温センサ
１０２…車速センサ
２００…モータ
ＤＣＬ…直流配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定し、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記処理条件に従って実行する、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、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、
前記制御部は、前記関係を用いて、前記処理条件を、現在の電圧と前記目標電圧との差である目標電圧上昇量に基づいて設定する、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、
前記処理条件は、
前記一時的電圧低下処理における最低電圧と、
前記一時的電圧低下処理において最低電圧を保持した期間と、
前記一時的電圧低下処理において電圧を回復させるときの電圧の上昇速度と、
のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部を備え、
前記制御部は、
前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記燃料電池の運転状態と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、
前記関係を用いて、前記燃料電池の運転状態と、前記目標電圧と、に基づいて、前記処理条件を設定する、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、
前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態は、
前記燃料電池が所定の温度よりも高い高温状態にある期間の累積時間と、
前記燃料電池の電極に担持された触媒の状態を示す触媒利用率と、
のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２から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、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理実行後の前記燃料電池の電圧の計測値と、前記目標電圧との差が収束されるように、前記関係の補正を実行する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から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、
前記制御部によって充放電が制御され、前記一時的電圧低下処理において、前記燃料電池の出力電力を補助する二次電池を備え、
前記制御部は、前記二次電池の放電を制限する閾値である前記二次電池の充電状態の下限値を予め設定し、前記二次電池の充電状態が前記下限値より小さくならないように、前記二次電池の充電状態を管理しており、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行する際に、前記下限値を低下させることにより、前記二次電池の放電を制限する条件を緩やかにする、燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）コンピュータが、燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定する工程と、
（ｂ）コンピュータが、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記目標電圧に基づいて設定した処理条件によって実行する工程と、
を備える、制御方法。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定し、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記処理条件に従って実行する、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、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、
前記制御部は、前記関係を用いて、前記処理条件を、現在の電圧と前記目標電圧との差である目標電圧上昇量に基づいて設定する、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、
前記処理条件は、
前記一時的電圧低下処理における最低電圧と、
前記一時的電圧低下処理において最低電圧を保持した期間と、
前記一時的電圧低下処理において電圧を回復させるときの電圧の上昇速度と、
のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部を備え、
前記制御部は、
前記一時的電圧低下処理を実行したときに、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧が前記発電特性の変化により上昇する量と、前記燃料電池の運転状態と、前記一時的電圧低下処理の処理条件と、の関係を、予め取得しており、
前記関係を用いて、前記燃料電池の運転状態と、前記目標電圧と、に基づいて、前記処理条件を設定する、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、
前記一時的電圧低下処理を実行する直前の前記燃料電池の運転状態は、
前記燃料電池が所定の温度よりも高い高温状態にある期間の累積時間と、
前記燃料電池の電極に担持された触媒の状態を示す触媒利用率と、
のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２から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、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理実行後の前記燃料電池の電圧の計測値と、前記目標電圧との差が収束されるように、前記関係の補正を実行する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から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、
前記制御部によって充放電が制御され、前記一時的電圧低下処理において、前記燃料電池の出力電力を補助する二次電池を備え、
前記制御部は、前記二次電池の放電を制限する閾値である前記二次電池の充電状態の下限値を予め設定し、前記二次電池の充電状態が前記下限値より小さくならないように、前記二次電池の充電状態を管理しており、
前記制御部は、前記一時的電圧低下処理を実行する際に、前記下限値を低下させることにより、前記二次電池の放電を制限する条件を緩やかにする、燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）コンピュータが、燃料電池の所定の電流に対する電圧の目標値である目標電圧を設定し、前記目標電圧に基づいて、前記燃料電池の発電特性を変化させて、前記燃料電池の所定の電流に対する電圧を上昇させるための処理条件を設定する工程と、
（ｂ）コンピュータが、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池の発電特性に基づいて一時的に低下させることにより、前記燃料電池の一時的な電流の増大を生じさせて、前記燃料電池の発電特性を変化させる一時的電圧低下処理を、前記目標電圧に基づいて設定した処理条件によって実行する工程と、
を備える、制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−１１４８５５（Ｐ２０１３−１１４８５５Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５９０４０（Ｐ２０１１−２５９０４０）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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