JP6855976B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムの制御装置に関する。

特許文献１には、水素酸化反応を促進させる例えば白金等の触媒に加えて、水の電気分解を促進させる触媒（水電解触媒）をアノード電極に含ませた燃料電池が開示されている。

特表２００３−５０８８７７号公報

燃料電池のアノード電極に水電解触媒を含ませることで、燃料電池に供給される水素量が発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になったときに、アノード電極中のカーボンが酸化腐食するのを抑制できる。しかしながら、燃料電池のアノード電極に水電解触媒を含ませた場合であっても、水素欠乏状態になると燃料電池の電圧が低下して負電圧となる。その結果、アノード電極中の白金触媒白金の表面に酸化被膜が形成されてしまい、水素欠乏状態が解消された後も燃料電池の電圧が正常な電圧値に戻るまでに時間がかかるという問題点がある。

本発明はこのような問題に着目してなされたものであり、水素欠乏状態となって燃料電池の電圧が低下した場合において、その水素欠乏状態が解消された後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池と、燃料電池と電気的に接続される電気負荷部と、燃料電池と電気負荷部との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器と、を備える燃料電池システムを制御するための燃料電池システムの制御装置が提供される。燃料電池システムの制御装置は、燃料電池に供給される水素量が、発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、水素欠乏状態になっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、回路遮断器によって燃料電池と電気負荷部との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、を備えるように構成される。

本発明のこの態様によれば、水素欠乏状態になって燃料電池の電圧が低下した場合において、その水素欠乏状態が解消された後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことができる。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、本発明の第１実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図３は、本発明の第１実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図４は、本発明の第２実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図５は、初期水温に基づいて凍結解消判定時間を算出するためのテーブルである。 図６は、本発明の第２実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図７は、本発明の第３実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図８は、本発明の第３実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。 図９は、本発明の第４実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。 図１０は、本発明の第４実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００及び燃料電池システム１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に対してアノードガス（燃料ガス）としての水素の給排を行うための水素給排装置２０と、燃料電池スタック１０に対してカソードガス（酸化剤ガス）としての空気の給排を行うための空気給排装置３０と、燃料電池スタック１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却水循環装置４０と、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される電気負荷部５０と、を備える。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）１を積層方向に沿って互いに積層し、各単セル１を電気的に直列に接続したものである。各単セル１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）１ａを備える。

ＭＥＡ１ａは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下「電解質膜」という。）の一方の表面にアノード電極を形成し、他方の表面にカソード電極を形成してそれらを一体化したものである。燃料電池スタック１０で発電が行われているときは、アノード電極及びカソード電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 ： ２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
カソード電極 ： ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ →２Ｈ_２Ｏ …（２）

アノード電極及びカソード電極は、多孔質のカーボン素材に触媒を担持させた触媒層をそれぞれ備えており、各触媒層には水素と酸素との電気化学反応（（１）式の水素酸化反応と（２）式の酸素還元反応）を促進させるための触媒として白金が含まれている。なお、ＭＥＡ１ａの両外側に、さらにアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を備えていてもよい。

また本実施形態では、アノード電極の触媒層に、単セル１に対する水素の供給量が不足したときに水電解反応を促進させるための触媒（以下「水電解触媒」という。）をさらに含ませている。水電解触媒としては、例えば酸化ルテニウムや酸化イリジウムなどが挙げられる。本実施形態において、アノード電極の触媒層に水電解触媒を含ませている理由については後述する。

各単セル１内には、アノード電極に水素を供給するための水素流通路２ａと、カソード電極に空気を供給するための空気流通路３ａと、が形成される。また、隣接する２つの単セル同士間に、冷却水を供給するための冷却水流通路４ａが形成される。

各単セル１の水素流通路２ａ、空気流通路３ａ及び冷却水流通路４ａは、それぞれ燃料電池スタック１０内で並列に接続されており、これにより、燃料電池スタック１０内に水素通路２、空気通路３及び冷却水通路４が形成される。

本実施形態では、水素通路２の入口及び出口は、それぞれ燃料電池スタック１０の積層方向一端側（図中右側）に設けられ、空気通路３及び冷却水通路４の入口及び出口は、それぞれ燃料電池スタック１０の積層方向他端側（図中左側）に設けられているが、この形態に限られるものではない。また本実施形態では、単セル１内で水素及び空気の流れる向きが逆向きとなるように、水素通路２及び空気通路３にそれぞれ水素及び空気を供給しているが、同じ向きとなるように水素及び空気を供給しても良い。また、本実施形態では、単セル１内で冷却水の流れる向きを水素の流れる向きと同じ向きとしているが、逆向きとしても良い。

水素給排装置２０は、水素供給管２１と、水素源としての高圧水素タンク２２と、水素供給制御部２３と、アノードオフガス管２４と、気液分離器２５と、水素戻し管２６と、水素循環ポンプ２７と、パージ管２８と、パージ制御弁２９と、を備える。

水素供給管２１は、水素通路２に供給する水素が流れる配管であって、一端が高圧水素タンク２２に連結され、他端が水素通路２の入口に連結される。

高圧水素タンク２２は、水素供給管２１を介して水素通路２に供給するための水素を貯蔵する。

水素供給制御部２３は、主止弁２３１と、レギュレータ２３２と、インジェクタ２３３と、を備える。

主止弁２３１は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、水素供給管２１に設けられる。主止弁２３１が開かれると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出する。主止弁２３１が閉じられると、高圧水素タンク２２からの水素の流出が停止される。

レギュレータ２３２は、主止弁２３１よりも下流の水素供給管２１に設けられる。レギュレータ２３２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。レギュレータ２３２の開度を制御することで、レギュレータ２３２よりも下流側の水素の圧力、すなわちインジェクタ２３３から噴射される水素の圧力が制御される。

インジェクタ２３３は、レギュレータ２３２よりも下流の水素供給管２１に設けられる。インジェクタ２３３は、例えばニードル弁であり、電子制御ユニット２００によって開閉制御される。インジェクタ２３３の開弁時間を制御することで、インジェクタ２３３から噴射される水素の流量が制御される。

このように、水素供給制御部２３によって、高圧水素タンク２２から水素通路２への水素の供給が制御される。すなわち、水素供給制御部２３によって、所望の圧力及び流量に制御された水素が水素通路２に供給される。

インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１には、アノード圧力センサ２１１が設けられる。アノード圧力センサ２１１は、水素通路２内の水素の圧力（以下「アノード圧力」という。）を代表する値として、インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１内の水素の圧力を検出する。

アノードオフガス管２４は、水素通路２から流出してきたアノードオフガスが流れる配管であって、一端が水素通路２の出口に連結され、他端が気液分離器２５のガス流入口２５ａに連結される。アノードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素や、空気流通路３ａからＭＥＡ１ａを介して水素流通路２ａに透過してきた窒素等の不活性ガス及び水分（液水や水蒸気）を含むガスである。

気液分離器２５は、ガス流入口２５ａと、ガス流出口２５ｂと、液水流出口２５ｃと、を備える。気液分離器２５は、ガス流入口２５ａから内部に流入してきたアノードオフガスから水を分離する。そして気液分離器２５は、分離した水を液水流出口２５ｃからパージ管２８に排出すると共に、水が分離された水素を含むアノードオフガスをガス流出口２５ｂから水素戻し管２６に排出する。

水素戻し管２６は、一端が気液分離器２５のガス流出口２５ｂに連結され、他端が水素供給制御部２３よりも下流の水素供給管２１に連結される配管であって、気液分離器２５のガス流出口２５ｂから排出されたアノードオフガスが流れる。

水素循環ポンプ２７は、水素戻し管２６に設けられる。水素循環ポンプ２７は、アノードオフガス中に含まれる水素、すなわち各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素を水素供給管２１に戻して循環させるためのポンプである。水素循環ポンプ２７は、気液分離器２５のガス流出口２５ｂから排出されたアノードオフガスを加圧して水素供給管２１に圧送する。

パージ管２８は、一端が気液分離器２５の液水流出口２５ｃに連結され、他端が大気に開口している配管である。

パージ制御弁２９は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、パージ管２８に設けられる。パージ制御弁２９は、通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁２９が開弁されると、気液分離器２５内で分離された水が、パージ管２８を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。

このように本実施形態による燃料電池システム１００は、水素通路２から流出したアノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる水素循環式の燃料電池システムであるが、水素通路２から流出したアノードオフガスを水素供給管２１に戻さない水素非循環式の燃料電池システムとしても良い。

空気給排装置３０は、空気供給管３１と、エアクリーナ３２と、コンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、カソードオフガス管３５と、加湿器３６と、カソード圧力制御弁３７と、を備える。

空気供給管３１は、空気通路３に供給する空気が流れる配管であって、一端がエアクリーナ３２に連結され、他端が空気通路３の入口に連結される。

エアクリーナ３２は、空気供給管３１に吸入される空気中の異物を取り除く。エアクリーナ３２は、酸素源３２ａとなる大気中に配置される。すなわち、酸素源３２ａはエアクリーナを介して空気供給管３１と連通している。

コンプレッサ３３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、空気供給管３１に設けられる。コンプレッサ３３は、エアクリーナ３２を介して空気供給管３１に吸入した空気を圧縮して吐出する。

インタークーラ３４は、コンプレッサ３３よりも下流の空気供給管３１に設けられ、コンプレッサ３３から吐出された空気を例えば走行風や冷却水などで冷却する。

カソードオフガス管３５は、空気通路３の出口から流出したカソードオフガスが流れる配管であって、一端が空気通路３の出口に連結され、他端が大気に開口している。カソードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素や、窒素等の不活性ガス、電気化学反応によって生じた水分（液水や水蒸気）を含むガスである。

加湿器３６は、空気供給管３１及びカソードオフガス管３５のそれぞれに接続されており、カソードオフガス管３５を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分で空気供給管３１を流れる空気を加湿する。

カソード圧力制御弁３７は、加湿器３６よりも下流のカソードオフガス管３５に設けられる。カソード圧力制御弁３７は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。カソード圧力制御弁３７の開度を制御することで、空気通路３内の圧力であるカソード圧力が制御される。

加湿器３６よりも上流のカソードオフガス管３５には、カソード圧力センサ２１２が設けられる。カソード圧力センサ２１２は、空気通路３内の圧力（カソード圧力）を代表する値として、カソード圧力制御弁３７よりも上流のカソードオフガス管３５内の圧力を検出する。

冷却水循環装置４０は、冷却水循環配管４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、ラジエータバイパス管４４と、ラジエータバイパス制御弁４５と、を備える。

冷却水循環配管４１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水を循環させる配管であって、一端が冷却水通路４の入口に接続され、他端が冷却水通路４の出口に接続される。以下では、冷却水通路４の出口側を冷却水循環配管４１の上流と定義し、冷却水通路４の入口側を冷却水循環配管４１の下流と定義して説明する。

冷却水ポンプ４２は、冷却水循環配管４１の上流側に設けられ、冷却水を循環させる。

冷却水ポンプ４２よりも上流の冷却水循環配管４１、すなわち冷却水通路４の出口付近の冷却水循環配管４１には、水温センサ２１３が設けられる。水温センサ２１３は、燃料電池スタック１０の温度を代表する値として、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水の温度を検出する。この水温センサ２１３で検出された冷却水の温度が予め定められた目標温度（例えば６０℃）となるように、冷却水ポンプ４２が電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて制御される。

ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環配管４１に設けられ、冷却水通路４の出口から流出した冷却水を、例えば走行風やラジエータファン４６によって吸い込んだ空気によって冷却する。

ラジエータバイパス管４４は、ラジエータ４３を経由させずに冷却水を循環させることができるように設けられた配管であって、一端が冷却水ポンプ４２とラジエータ４３との間の冷却水循環配管４１に接続され、他端がラジエータバイパス制御弁４５に接続される。

ラジエータバイパス制御弁４５は、例えば電子制御式の三方弁であり、ラジエータ４３よりも下流の冷却水循環配管４１に設けられる。ラジエータバイパス制御弁４５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水が、ラジエータ４３を経由して再び冷却水通路４に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が基準温度以下のときは、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水が、ラジエータ４３を経由せずにラジエータバイパス管４４を流れて直接冷却水通路４に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。

電気負荷部５０は、第１コンバータ５１と、回路遮断器５２と、バッテリ５３と、第２コンバータ５４と、モータジェネレータ５５と、インバータ５６と、を備える。

電気負荷部５０と燃料電池スタック１０の出力端子との接続ライン５７には、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「スタック電流」という。）を検出するための電流センサ２１４と、燃料電池スタック１０の出力端子の端子間電圧（以下「スタック電圧」という。）を検出するための電圧センサ２１５と、が設けられる。この電流センサ２１４で検出されたスタック電流が、燃料電池スタック１０の負荷に相当する。

第１コンバータ５１は、一次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子が回路遮断器５２を介して燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第１コンバータ５１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて一次側の端子間電圧となるスタック電圧を昇降圧させ、スタック電圧を燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標スタック電圧に制御する。

回路遮断器５２は、電子制御ユニット２００によって開閉され、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０とを電気的、物理的に接続又は遮断する。

バッテリ５３は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ５３には、燃料電池スタック１０の余剰電力及びモータジェネレータ５５の回生電力が充電される。バッテリ５３に充電された電力は、必要に応じてモータジェネレータ５５やコンプレッサ３３等の燃料電池システム１００が備える各制御部品を駆動するために使用される。

第２コンバータ５４は、例えば二次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子がバッテリ５３の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第２コンバータ５４は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて二次側の端子間電圧となるインバータ５６の入力電圧を昇降圧させ、入力電圧を燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標入力電圧に制御する。

モータジェネレータ５５は、例えば三相の永久磁石型同期モータであり、燃料電池システム１００が搭載される車両の動力を発生させるモータとしての機能と、車両の減速時に発電するジュネレータとしての機能と、を備える。モータジェネレータ５５は、インバータ５６の交流側端子に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力及びバッテリ５３の電力によって駆動される。

インバータ５６は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路を備える。インバータ５６の直流側端子は第１コンバータ５１及び第２コンバータ５４の二次側端子に接続され、インバータ５６の交流側端子はモータジェネレータ５５の入出力端子に接続される。インバータ５６は、モータジェネレータ５５をモータとして機能させるときは、燃料電池スタック１０の燃料電池電流及びバッテリ５３のバッテリ電流の合成直流電流を交流電流（本実施形態では三相交流電流）に変換してモータジェネレータ５５に供給する。一方でインバータ５６は、モータジェネレータ５５をジュネレータとして機能させるときは、モータジェネレータ５５からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ５３等に供給する。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したアノード圧力センサ２１１やカソード圧力センサ２１２、水温センサ２１３、電流センサ２１４、電圧センサ２１５などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また、入力ポート２０５には、燃料電池システム１００の起動及び停止を判断するためのスタートスイッチ２２０からの出力信号が入力される。

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して水素供給制御部２３（主止弁２３１、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）やパージ制御弁２９、コンプレッサ３３、カソード圧力制御弁３７、冷却水ポンプ４２、ラジエータバイパス制御弁４５、第１コンバータ５１、回路遮断器５２、第２コンバータ５４、モータジェネレータ５５、インバータ５６などの各制御部品が電気的に接続される。

このように、入力ポート２０５には燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力されており、電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力する。

ここで、燃料電池システム１００を車両に搭載するような場合には、外気温度が０［℃］を下回るような低温環境下で燃料電池システム１００が起動されるときがある。燃料電池システム１００の運転中は、前述した（２）式の酸素還元反応によってカソード電極側で生成水が生じるため、この生成水の一部が燃料電池システム１００の運転中にカソード電極側からアノード電極側に透過し、燃料電池システム１００の停止後もアノード電極側の水素流通路２ａに残留する場合がある。

また本実施形態のような水素循環式の燃料電池システム１００の場合には、気液分離器２５によってアノードオフガス中の水分を分離しているものの、完全には水分を分離しきれないこともある。そのため、水素通路２、ひいては水素流通路２ａに供給される水素に水分が含まれている場合があり、水素中に含まれる水分が水素流通路２ａに残留する場合がある。またこれ以外にも、何らかの要因で水素流通路２ａに水が混入し、燃料電池システム１００の停止後も混入した水が水素流通路２ａに残留していることも考えられる。

そのため、低温環境下においては、水素流通路２ａに残留している水（以下「残留水」という。）が、燃料電池システム１００の停止中に凍結するおそれがある。燃料電池システム１００の起動時において、このような残留水の凍結が、例えば櫛歯部（各単セル１を積層したときに形成される水素マニホールド（水素通路２）から各単セル１のアノード電極に水素を分配する部分）などの水素流通路２ａで生じていると、凍結が生じている単セル１への水素供給が阻害されることになる。

このように、少なくとも一部の単セル１への水素供給が阻害されている状態で燃料電池システム１００が運転されると、水素供給が阻害されている単セル１は、発電のために必要な水素量が不足する水素欠乏状態、すなわち、燃料電池スタック１０の負荷に応じて設定される、発電するために必要な水素量に対して、供給される水素量が不足する状態となる。

水素欠乏状態となっている単セル１のアノード電極では、前述した（１）式の水素酸化反応によって水素イオン（プロトン）を生成することができなくなる。そのため、水素欠乏状態となっている単セル１のアノード電極では、アノード電極中に含まれるカーボンを利用して、以下の（３）式に示すカーボン酸化反応が支配的となって水素イオンの生成が行われるようになり、各電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 ： Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（３）
カソード電極 ： ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ →２Ｈ_２Ｏ …（２）

このようにアノード電極でカーボン酸化反応が生じると、アノード電極中のカーボンが酸化腐食するため、水素欠乏状態となっている単セル１の性能を低下させることになる。

そこで本実施形態では、水素欠乏状態となっている単セル１のアノード電極でのカーボン酸化反応を抑制するために、アノード電極に水電解触媒を含ませている。アノード電極に水電解触媒が含まれていると、水素欠乏状態となったときに、電解質膜中の水を利用して、カーボン酸化反応に替えて以下の（４）式に示す水電解反応が支配的となって水素イオンの生成が行われるようになり、各電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 ： ２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（４）
カソード電極 ： ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２ →２Ｈ_２Ｏ …（２）

そのため、アノード電極に水電解触媒を含ませることで、仮に水素欠乏状態となったとしても、カーボンが酸化腐食するのを抑制することができる。

ところで、アノード電極で（１）式に示す水素酸化反応が生じているときのアノード電極の電位（標準電極電位）は、概ね０［Ｖ］であり、カソード電極で（２）式に示す酸素還元反応が生じているときのカソード電極の電位（概ね０．６［Ｖ］〜０．８［Ｖ］程度）よりも低くなる。

しかしながら、アノード電極で（３）式に示すカーボン酸化反応が生じているときや、（４）式に示す水電解反応が生じているときは、アノード電極の電位が前述したカソード電極の電位よりも高くなる傾向にある。すなわち、水素欠乏状態となっている単セル１のセル電圧（カソード電極の電位−アノード電極の電位）は、水電解触媒の有無にかかわらず負電圧となる傾向にある。

アノード電極中の白金触媒は、ある電位（概ね０．６［Ｖ］程度）以上の電位にさらされると、酸化して表面に酸化被膜が形成され始め、高電位になるほど被膜率が増加する。

したがって、水素欠乏状態となっている単セル１が存在する状況で燃料電池システム１００が運転されると、当該単セル１のセル電圧が負電圧となり、水電解触媒の有無にかかわらず、アノード電極中の白金触媒の表面に酸化被膜が形成されることになる。なお、水電解反応が生じているときのアノード電極の電位は、カーボン酸化反応が生じているときのアノード電極の電位よりは低くなるため、アノード電極に水電解触媒を含ませることで、白金触媒の表面に形成される酸化被膜の被膜率自体は下げることができる。

アノード電極中の白金触媒の表面に形成された酸化被膜は、水素欠乏状態が解消されて水素流通路２ａに水素が供給されるようになると、すなわち水素雰囲気下（還元雰囲気下）に置かれると、水素によって還元されて除去される。

しかしながら、白金触媒が一旦酸化被膜に覆われると、白金触媒の活性が失われるため、水素欠乏状態が解消された後も、アノード電極において水素酸化反応が起こりにくくなり、水素酸化反応だけでは水素イオンを十分に生成することができなくなる。そのため、水素欠乏状態が解消された後も、不足する水素イオンを補うために、アノード電極中に水電解触媒が含まれていない場合にはカーボン酸化反応が起こり、水電解触媒が含まれている場合には基本的に水電解反応が起こる。

したがって、水素欠乏状態が解消された後も、アノード電極が高電位の状態が続いて酸化被膜が形成されやすい状態が続くので、水素による酸化被膜の還元に時間がかかる。また水素酸化反応も起こっており、酸化被膜の還元に必要な水素が水素酸化反応によって消費されている状態となっているので、このことによっても水素による酸化被膜の還元に時間がかかる。

このように、アノード電極に水電解触媒を含ませたとしても、水素欠乏状態となっている単セル１が存在する状況で燃料電池システム１００が運転されると、当該単セル１のセル電圧が負電圧となって、アノード電極中の白金触媒の表面に酸化被膜が形成されることになる。そして、セル電圧が負電圧になって白金触媒が一旦酸化被膜に覆われると、水素欠乏状態が解消された後も、セル電圧が負電圧の状態がしばらくの間続き、セル電圧が負電圧から正常な電圧値に戻るまでに時間がかかることになる。

そこで、セル電圧が負電圧となった場合には、出力制限を実施して一時的に目標発電電力をゼロにし、燃料電池スタック１０による発電を停止することが考えられる。このような出力制限を実施することで、単セル１内での発電が行われなくなり、アノード電極で水素酸化反応、及び水電解反応が起こらなくなるので、水素雰囲気下で迅速に水素による酸化被膜の還元を実施することができるとも考えられる。

しかしながら、このような出力制限を実施しても、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続が、回路遮断器５２によって物理的に遮断されていない場合、実際には接続ライン５７を介して燃料電池スタック１０から電気負荷部５０に微小な暗電流が流れることがある。すなわち出力制限を実施したとしても、単セル１内で水素酸化反応が生じてしまい、酸化被膜の還元に必要な水素が水素酸化反応によって消費される状態となってしまう。その結果、水素による酸化被膜の還元が迅速に進まず、セル電圧が負電圧から正常な電圧値に戻るまでに時間がかかるおそれがある。

そこで本実施形態では、水素欠乏状態であるか否かを判定すると共に、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定し、水素欠乏状態が解消したと判定したときには、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を、回路遮断器５２によって物理的に一時的に遮断することとした。

このように、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を回路遮断器５２によって物理的に遮断することで、単セル１内での発電が行われなくなり、かつ接続ライン５７を介して暗電流が流れることもないので、水素雰囲気下で迅速に水素による酸化被膜の還元を実施することができる。そのため、セル電圧が負電圧から正常な電圧値に戻るまでの時間を短縮させることができる。以下、この本実施形態による電圧回復制御について説明する。

図２は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期Δｔ［ｍｓ］で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、水温センサ２１３によって検出された冷却水温Ｔｗを読み込む。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１が０に設定されているか否かを判定する。フラグＦ１は、後述するステップＳ３で水素欠乏状態と判定されたときに１に設定され、後述するステップＳ６で水素欠乏状態が解消したと判定されたときに０に戻されるフラグであって、初期値は０に設定される。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、水素欠乏状態となっている単セル１が存在するか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが、所定の凍結判定水温Ｔｗ１（例えば０［℃］）未満であれば、水素欠乏状態となっている単セル１が存在すると判定してステップＳ４の処理に進む。これは、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１未満であれば、残留水の凍結によって少なくとも一部の単セル１への水素供給が阻害されていると判定できるためである。一方で電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１以上であれば、残留水の凍結に起因して水素欠乏状態となっている単セル１はないと判定して今回の処理を終了する。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１を１に設定する。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０の暖機を促進させるための急速暖機運転を実施する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、空気通路３に供給される空気流量が、燃料電池スタック１０の負荷に応じて設定される目標空気流量よりも所定量だけ少なくなるように、カソードコンプレッサ３３を制御する。これにより、燃料電池スタック１０のＩＶ特性が悪化し、ＩＶ特性が悪化した分だけ熱損失が増加するため、燃料電池スタック１０の暖機を促進することができる。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが、凍結判定水温Ｔｗ１よりも高い所定の凍結解消水温Ｔｗ２（例えば１０［℃］）以上であれば、水素欠乏状態が解消したと判定する。これは、冷却水温Ｔｗが凍結解消水温Ｔｗ２以上であれば、残留水の凍結が解消されて、各単セル１への水素供給が正常に行われていると判定できるためである。電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが凍結解消水温Ｔｗ２以上であればステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが凍結解消水温Ｔｗ２未満であれば今回の処理を終了する。

ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１を０に戻す。

ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、回路遮断器５２を所定の遮断時間ｔｓだけ開き、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を回路遮断器５２によって物理的に一時的に遮断する。

このように、水素欠乏状態が解消された後に、回路遮断器５２によって燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を物理的に遮断することで、アノード電極における水素酸化反応を完全に停止させつつ、アノード電極を水素雰囲気下に置くことができる。そのため、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を物理的に遮断している間に、白金触媒の表面に形成された酸化被膜を水素によって迅速に還元することができる。

発明者らの実験結果によれば、電気的な接続を物理的に遮断せずに前述した出力制限を実施して負電圧となっている単セル１の電圧回復を試みた結果、１００秒程度を要していた。これに対して本実施形態による電圧回復制御を実施すれば、遮断時間ｔｓの間に単セル１のセル電圧を正常な電圧値（概ね０．８［Ｖ］）に戻すことができることを確認している。

なお遮断時間ｔｓの下限値は概ね１［ｍｓｅｃ］程度であり、本実施形態では遮断時間ｔｓを１［ｓｅｃ］としている。一方で遮断時間ｔｓの上限値は特に限定されるものではないが、遮断中は燃料電池スタック１０による電力供給ができなくなるので、バッテリ５３によって電力供給可能な時間の範囲内であることが望ましく、例えば３０分以内、好ましくは１分以内、さらに好ましくは３秒以内であることが望ましい。

図３は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で燃料電池システム１００が起動され、燃料電池システム１００の運転が開始される。このとき、図３に示す例では、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１未満となっており、一部の単セル１が水素欠乏状態になっている。その結果、時刻ｔ１以降の燃料電池システム１００の運転中は、セル電圧が負電圧となって、水素欠乏状態となっている単セル１のアノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成される。

時刻ｔ２で、冷却水温Ｔｗが凍結解消水温Ｔｗ２以上になると、水素欠乏状態が解消したと判定されて、回路遮断器５２が所定の遮断時間ｔｓだけ開かれ、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池（単セル１又は燃料電池スタック１０）と、燃料電池と電気的に接続される電気負荷部５０と、燃料電池と電気負荷部５０との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器５２と、を備える燃料電池システム１００の電子制御ユニット２００（制御装置）が、燃料電池に供給される水素量が、発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、水素欠乏状態になっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、回路遮断器５２によって燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、を備えるように構成される。

このように、水素欠乏状態が解消された後に回路遮断器５２によって燃料電池と電気負荷部５０との電気的な接続を物理的に遮断することで、燃料電池のアノード電極における水素酸化反応を完全に停止させつつ、アノード電極を水素雰囲気下に置くことができる。そのため、燃料電池と電気負荷部５０との電気的な接続を物理的に遮断している間に、白金触媒の表面に形成された酸化被膜を水素によって迅速に還元することができる。したがって、水素欠乏状態の解消後に燃料電池の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことができる。

また本実施形態によれば、水素欠乏判定部は、燃料電池の温度を代表する冷却水温Ｔｗ（代表温度）が、燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度Ｔｗ１未満のときに、水素欠乏状態になっていると判定するように構成される。そして水素欠乏解消判定部は、冷却水温Ｔｗ（代表温度）が凍結判定温度Ｔｗ１よりも高い所定の凍結解消判定温度Ｔｗ２以上になったときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。

これにより、残留水の凍結に起因する水素欠乏状態の発生及び解消を精度良く判定することができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、水素欠乏状態が解消したか否かを、水素欠乏状態と判定されてからの経過時間ｔｅに基づいて判定する点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図４は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期Δｔ［ｍｓ］で繰り返し実行する。図４において、ステップＳ１からステップＳ５、及びステップＳ８は、第１実施形態と同様の処理を実施しているので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ２１において、電子制御ユニット２００は、水素欠乏状態と判定されてからの経過時間ｔｅを算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、経過時間ｔｅの前回値に本ルーチンの演算周期Δｔを加算したものを、経過時間ｔｅとして算出する。経過時間ｔｅの初期値はゼロである。

なお本実施形態では、このように水素欠乏状態と判定されてからの時間を経過時間ｔｅとしているが、これに替えて燃料電池システム１００を起動してからの時間、又は燃料電池システム１００の起動後に燃料電池スタック１０によって発電を開始してからの時間を経過時間ｔｅとしても良い。

ステップＳ２２において、電子制御ユニット２００は、ステップＳ３で水素欠乏状態と判定したときの冷却水温Ｔｗを、初期水温Ｔｗ０として記憶する。

ステップＳ２３において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成された図５のテーブルを参照し、初期水温Ｔｗ０に基づいて、水素欠乏状態が解消されるまでの時間、すなわち残留水の凍結が解消されるまでの時間（以下「凍結解消判定時間」という。）ｔｅ１を算出する。図５のテーブルは、基本的に初期水温Ｔｗ０が高いときに比べて低いときのほうが、凍結解消判定時間ｔｅ１が長くなるように設定されており、本実施形態では初期水温Ｔｗ０が低いときほど凍結解消判定時間ｔｅ１が長くなるように設定されている。

ステップＳ２４において、電子制御ユニット２００は、水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、経過時間ｔｅが凍結解消判定時間ｔｅ１以上であれば水素欠乏状態が解消したと判定する。電子制御ユニット２００は、経過時間ｔｅが凍結解消判定時間ｔｅ１以上であればステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、経過時間ｔｅが凍結解消判定時間ｔｅ１未満であれば今回の処理を終了する。

ステップＳ２５において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ１を０に戻すと共に、経過時間ｔｅを初期値のゼロに戻す。

図６は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で燃料電池システム１００が起動され、燃料電池システム１００の運転が開始される。このとき、図６に示す例では、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１未満となっており、一部の単セル１が水素欠乏状態になっている。その結果、時刻ｔ１以降の燃料電池システム１００の運転中は、セル電圧が負電圧となって、水素欠乏状態となっている単セル１のアノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成される。そして本実施形態では、時刻ｔ１で冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１未満となっているため、時刻ｔ１における冷却水温Ｔｗが初期水温Ｔｗ０として記憶され、初期水温Ｔｗ０に基づいて凍結解消判定時間ｔｅ１が設定される。

時刻ｔ２で、経過時間ｔｅが凍結解消判定時間ｔｅ１以上になると、水素欠乏状態が解消したと判定されて、回路遮断器５２が所定の遮断時間ｔｓだけ開かれ、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット２００の水素欠乏解消判定部は、水素欠乏状態と判定されてからの経過時間ｔｅが、水素欠乏状態と判定されたときの冷却水温（すなわち初期水温Ｔｗ０）に基づいて設定される凍結解消判定時間ｔｅ１以上となったときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。そして水素欠乏解消判定部は、水素欠乏状態と判定されたときの冷却水温（すなわち初期水温Ｔｗ０）が高いときに比べて低いときの方が、凍結解消判定時間ｔｅ１を長くするように構成される。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、残留水の凍結に起因して発生した水素欠乏状態の解消を、初期水温Ｔｗ０に基づいて精度良く判定することができる。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、水素欠乏状態が解消したか否かを、燃料電池スタック１０の内部インピーダンス（ＨＦＲ；High Frequency Resistance）Ｚに基づいて判定する点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図７は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期Δｔ［ｍｓ］で繰り返し実行する。図５において、ステップＳ１からステップＳ５、ステップＳ７及びステップＳ８は、第１実施形態と同様の処理を実施しているので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ３１において、電子制御ユニット２００は、本ルーチンとは別途に燃料電池システム１００の運転中に随時算出している燃料電池スタック１０の内部インピーダンスＺを読み込む。内部インピーダンスＺは、電解質膜の湿潤度と相関関係にあることが知られており、電解質膜の湿潤度が一定の湿潤度以下になると（すなわち電解質膜中の水分量が一定以下になると）、内部インピーダンスＺが増加する傾向になる。

なお内部インピーダンスＺの算出方法は特に限られるものではなく、公知の種々の手法（例えば交流インピーダンス法）を使用して算出すればよい。またこれ以外にも、内部インピーダンスＺの計測装置を別途に設け、実際に内部インピーダンスＺを計測するようにしてもよい。なお、内部インピーダンスＺは、燃料電池スタック１０全体について算出する場合に限られず、燃料電池スタック１０内の各単セル１の内部インピーダンスを算出する構成とし、単セル１の内部インピーダンスのうちの少なくとも１つに基づいて、電解質膜の湿潤度を取得してもよい。例えば、燃料電池の単セル１のうち、予め凍結しやすい部位がわかっている場合には、凍結しやすい単セル１の内部インピーダンスを算出し、これに基づいて電解質膜の湿潤度を取得してもよい。

ステップＳ３２において、電子制御ユニット２００は、水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上であれば、水素欠乏状態が解消したと判定する。すなわち電子制御ユニット２００は、電解質膜の湿潤度が一定以下となって、内部インピーダンスＺが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加し始めたときに、水素欠乏状態が解消されたと判定する。

以下、内部インピーダンスの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上であれば、水素欠乏状態が解消したと判定できる理由について説明する。

前述したように、水素欠乏状態となっている単セル１が存在する状況で燃料電池システム１００を運転したときに、アノード電極に水電解触媒が含まれていると、当該単セル１のアノード電極では、電解質膜中の水を利用して、（４）式に示す水電解反応が支配的となって水素イオンの生成が行われるようになる。その結果、セル電圧が負電圧となってアノード電極中の白金触媒の表面に酸化被膜が形成されることなる。

白金触媒が一旦酸化被膜に覆われると、白金触媒の活性が失われるため、水素欠乏状態が解消された後も、アノード電極において（１）式に示す水素酸化反応が起こりにくくなり、水素酸化反応だけでは水素イオンを十分に生成することができなくなる。そのため、水素欠乏状態が解消された後も、不足する水素イオンを補うために、アノード電極に水電解触媒が含まれている場合には水電解反応が起こる。

すなわち、水素欠乏状態で燃料電池システム１００の運転が行われ、アノード電極の白金触媒の表面に一旦酸化被膜が形成されると、水素欠乏状態が解消された後もアノード電極で引き続き水電解反応が起こる。水電解反応では電解質膜中の水が使用されるため、水電解反応が続くと徐々に電解質膜が乾燥していき、電解質膜の湿潤度が一定以下になると、概ね或る一定値に維持されていた内部インピーダンスＺが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加し始めることになる。

このとき、例えば凍結によって水素欠乏状態となっていた場合、その水素欠乏状態が解消されるまでの時間、すなわち凍結が解消されるまでの時間は、水素欠乏状態となって水電解反応が継続して行われることによって電解質膜の湿潤度が一定以下になるまでの時間、すなわち内部インピーダンスＺが或る一定の傾き以上の傾きで増加に転じるまでの時間よりも十分に短い。

そのため、水素欠乏状態であると判定された後に、内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上となった場合には、その水素欠乏状態は解消されていると判定することができる。

図８は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で燃料電池システム１００が起動され、燃料電池システム１００の運転が開始される。このとき、図８に示す例では、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１未満となっており、一部の単セル１が水素欠乏状態になっている。その結果、時刻ｔ１以降の燃料電池システム１００の運転中は、セル電圧が負電圧となって、水素欠乏状態となっている単セル１のアノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成される。

時刻ｔ２で、冷却水温Ｔｗの上昇に伴って水素欠乏状態が解消されると、アノード電極が水素雰囲気下に置かれることになるが、アノード電極中の白金触媒の表面には酸化被膜が形成されているため、前述したようにアノード電極では水電解反応が起こる。そのため時刻ｔ２以降も、セル電圧は負電圧のままとなる。

時刻ｔ２で水素欠乏状態が解消された後もアノード電極で引き続き水電解反応が起こることで、時刻ｔ２以降も電解質膜は徐々に乾燥していくことになる。その結果、時刻ｔ３で電解質膜の湿潤度が一定以下になると、内部インピーダンスＺが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加する。本実施形態ではこのときに水素欠乏状態が解消したと判定し、回路遮断器５２が所定の遮断時間ｔｓだけ開かれ、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット２００の水素欠乏解消判定部は、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。具体的には水素欠乏解消判定部は、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスＺの微分値が所定値Ｘ以上になったときに、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったと判定するように構成される。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、残留水の凍結に起因して発生した水素欠乏状態の解消を、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスＺに基づいて判定することができる。なお、上述のように、内部インピーダンスＺの微分値に基づいて燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度を判定する場合に限定されず、例えば内部インピーダンスＺの値が所定値Ｘ２以上になったときに、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったと判定するように構成されてもよい。

（第４実施形態）
次に本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル１が存在するおそれがあるか否かをさらに判定する点で、上記の各実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

前述した第１実施形態から第３実施形態では、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１未満であれば、残留水の凍結によって水素欠乏状態となっている単セル１が存在するおそれがあると判定していた。

しかしながら、このような残留水の凍結以外の要因で、単セル１への水素供給が阻害される場合がある。

前述したように電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが予め定められた目標温度（例えば６０［℃］）となるように冷却水ポンプ４２を制御している。しかしながら、燃料電池システム１００の起動後に比較的低負荷で発電が継続して行われている場合などは、冷却水温Ｔｗが目標温度まで到達するまでに時間がかかることがある。このように冷却水温Ｔｗが目標温度よりも低い状態で発電が行われていると、発電中にカソード電極側からアノード電極側に透過した生成水が蒸発せずに水素流通路２ａに滞留し、水素流通路２ａで水詰まりが生じる場合がある。その結果、単セル１への水素供給が阻害されることがある。

そこで本実施形態ではさらに、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル１があった場合には、水詰まりを解消した後に、回路遮断器５２によって燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を物理的に一時的に遮断することとした。以下、この本実施形態による電圧回復制御について説明する。

図９は、本実施形態による電圧回復制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを燃料電池システム１００の運転中に所定の演算周期Δｔ［ｍｓ］で繰り返し実行する。図９において、ステップＳ１からステップＳ８は、第１実施形態と同様の処理を実施しているので、ここでは説明を省略する。

ステップＳ４１において、電子制御ユニット２００は、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル１が存在するおそれがあるか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが、所定の水詰まり判定水温Ｔｗ３（例えば５０［℃］）未満であれば、水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル１が存在するおそれがあると判定してステップＳ４２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、冷却水温Ｔｗが水詰まり判定水温Ｔｗ３以上であれば今回の処理を終了する。

ステップＳ４２において、電子制御ユニット２００は、本ルーチンとは別途に燃料電池システム１００の運転中に随時算出している燃料電池スタック１０の内部インピーダンスＺを読み込む。

ステップＳ４３において、電子制御ユニット２００は、内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上であるか否かを判定する。このように、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１以上であって水詰まり判定水温Ｔｗ３未満の状況で、内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上となったか否かを判定するのは、以下の理由による。

冷却水温Ｔｗが水詰まり判定水温Ｔｗ３未満の場合、燃料電池スタック１０は通常時よりも低い温度となっているので、電解質膜の湿潤度は基本的に高くなる（すなわち乾いていない）。したがって、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１以上であって水詰まり判定水温Ｔｗ３未満の状況で、内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上となった場合は、水詰まりによって少なくとも一部の単セル１が水素欠乏状態となって当該単セル１のアノード電極で継続的に水電解反応が起こって電解質膜が乾燥していき、内部インピーダンスＺが増加し始めたと判断することができる。

したがって、電子制御ユニット２００は、ステップＳ４３において内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上であれば、ステップＳ４４及びステップＳ４５の処理に進んで水素流量を一時的に増量させて水詰まりを解消する水詰まり解消運転を所定時間だけ実施した後、ステップＳ８の処理に進んで回路遮断器５２を所定の遮断時間ｔｓだけ開き、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続を回路遮断器５２によって物理的に一時的に遮断する。

一方で電子制御ユニット２００は、ステップＳ４３において内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ未満であれば、今回の処理を終了する。なお、冷却水温Ｔｗが凍結判定水温Ｔｗ１以上であって水詰まり判定水温Ｔｗ３未満のときに必ずしも水詰まりが起こるわけではないので、そもそも水詰まりによって水素欠乏状態となっている単セル１が存在していない場合は、基本的に内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上となることはない。そのため、このような場合には、ステップＳ４３でＮＯに進むことになる。

ステップＳ４４において、電子制御ユニット２００は、水素流量を一時的に増量させて水詰まりを解消する水詰まり解消運転を実施する。

ステップＳ４５において、電子制御ユニット２００は、水詰まり解消運転を所定時間実施したか否かを判定する。すなわち、水詰まりによる水素欠乏状態が解消したか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、水詰まり解消運転が所定時間実施されていればステップＳ８の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、水詰まり解消運転が所定時間実施されていなければ、水詰まり解消運転を継続する。

図１０は、本実施形態による電圧回復制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で、燃料電池システム１００の運転中に水詰まりによって水素欠乏状態となると、水素欠乏状態となった単セル１のセル電圧が負電圧となる。図１０に示す例では、時刻ｔ１以降、冷却水温Ｔｗは水詰まり判定水温Ｔｗ３未満となっているので、内部インピーダンスＺの微分値（ｄＺ／ｄｔ）が所定値Ｘ以上となったか否かが継続的に判定される。

時刻ｔ１から時刻ｔ２の間、水詰まりによって水素欠乏状態となった単セル１のアノード電極では、水電解反応が起こって電解質膜が乾燥していく。その結果、時刻ｔ１以降は徐々に電解質膜が乾燥していき、時刻ｔ２で電解質膜の湿潤度が一定以下になると、内部インピーダンスＺが或る一定の傾き以上の傾きをもって増加する。これにより、時刻ｔ２において、冷却水温Ｔｗが目標温度よりも低い状態で継続して発電が行われたために水詰まりによって水素欠乏状態となった単セル１が生じたと判定し、水詰まり解消運転を所定時間だけ実施して水詰まりを解消する。

そして水詰まり解消運転を所定時間だけ実施した後の時刻ｔ３で、回路遮断器５２が所定の遮断時間ｔｓだけ開かれ、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０との電気的な接続が物理的に遮断される。これにより、セル電圧が負電圧となっている間に白金触媒の表面に形成された酸化被膜を、水素によって迅速に還元することができるので、セル電圧を素早く正常な電圧値まで回復させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット２００の水素欠乏判定部は、燃料電池の温度を代表する冷却水温Ｔｗ（代表温度）が、燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度Ｔｗ１未満のときに、水の凍結に起因して水素欠乏状態になっていると判定する第１判定部と、冷却水温Ｔｗが凍結判定温度Ｔｗ１以上であって、かつ燃料電池内の水素流通路２ａで水詰まりが生じるおそれのある所定の水詰まり判定温度Ｔｗ３未満の場合において、燃料電池の内部インピーダンスＺの微分値が所定値Ｘ以上になったときに、水詰まりに起因して水素欠乏状態になっていると判定する第２判定部と、を備えるように構成される。そして水素欠乏解消判定部は、水詰まりに起因して水素欠乏状態になっていると判定されたときは、燃料電池に供給する水素量を一時的に増量して水詰まりを解消する水詰まり解消運転を所定時間実施したときに、水素欠乏状態が解消したと判定するように構成される。

これにより、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、残留水の凍結に起因して発生した水素欠乏状態に加えて、水詰まりに起因して発生した水素欠乏状態の発生及び解消を判定することができる。そのため、水詰まりが原因で水素欠乏状態となって電圧が低下した場合においても、水詰まりによる水素欠乏状態の解消後に水素欠乏状態となっていた単セル１の電圧を素早く正常な電圧値に戻すことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
５０ 電気負荷部
５２ 回路遮断器
１００ 燃料電池システム
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (11)

1. アノード電極に水電解触媒を含む燃料電池と、
   前記燃料電池と電気的に接続される電気負荷部と、
   前記燃料電池の正極側及び負極側の両出力端子と前記電気負荷部との電気的な接続を物理的に遮断する回路遮断器と、
   を備える燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料電池に供給される水素量が、発電のために必要な水素量に対して不足する水素欠乏状態になっているか否かを判定する水素欠乏判定部と、
   前記水素欠乏状態となっていると判定されたときに、その水素欠乏状態が解消したか否かを判定する水素欠乏解消判定部と、
   前記水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、前記回路遮断器によって前記燃料電池と前記電気負荷部との電気的な接続を一時的に遮断する遮断制御部と、
   前記水素欠乏状態が解消したと判定されたときに、前記回路遮断器によって前記燃料電池の前記両出力端子と前記電気負荷部との電気的な接続を物理的に一時的に遮断する遮断制御部と、
   を備える燃料電池システムの制御装置。
2. 前記水素欠乏判定部は、
   前記燃料電池の温度を代表する代表温度が、前記燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度未満のときに、前記水素欠乏状態となっていると判定する、
   請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記水素欠乏解消判定部は、
   前記代表温度が前記凍結判定温度よりも高い所定の凍結解消判定温度以上になったときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
   請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記水素欠乏解消判定部は、
   前記水素欠乏状態と判定されてからの経過時間が、前記水素欠乏状態と判定されたときの前記代表温度に基づいて設定される凍結解消判定時間以上となったときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
   請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記水素欠乏解消判定部は、
   前記水素欠乏状態と判定されたときの前記代表温度が高いときに比べて低いときの方が、前記凍結解消判定時間を長くする、
   請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 前記水素欠乏解消判定部は、
   前記燃料電池の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
   請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 前記水素欠乏解消判定部は、
   前記燃料電池の内部インピーダンスの微分値が所定値以上になったときに、前記燃料電池の電解質膜の湿潤度が所定の湿潤度以下になったと判定する、
   請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
8. 前記水素欠乏判定部は、
   前記燃料電池の温度を代表する代表温度が、前記燃料電池内で水の凍結が生じるおそれのある所定の凍結判定温度未満のときに、水の凍結に起因して前記水素欠乏状態になっていると判定する第１判定部と、
   前記代表温度が前記凍結判定温度以上であって、かつ前記燃料電池内の水素流通路で水詰まりが生じるおそれのある所定の水詰まり判定温度未満の場合において、前記燃料電池の内部インピーダンスの微分値が所定値以上になったときに、水詰まりに起因して前記水素欠乏状態になっていると判定する第２判定部と、
   を備え、
   前記水素欠乏解消判定部は、
   水詰まりに起因して前記水素欠乏状態になっていると判定されたときは、前記燃料電池に供給する水素量を一時的に増量して水詰まりを解消する水詰まり解消運転を所定時間実施したときに、前記水素欠乏状態が解消したと判定する、
   請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
9. 前記回路遮断器によって前記燃料電池と前記電気負荷部との電気的な接続を一時的に遮断する遮断時間は、１ミリ秒以上３０分以下である、
   請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
10. 前記遮断時間は、１ミリ秒以上１分以下である、
    請求項９に記載の燃料電池システムの制御装置。
11. 前記遮断時間は、１ミリ秒以上３秒以下である、
    請求項１０に記載の燃料電池システムの制御装置。

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