CN109690851A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

在具有燃料电池的燃料电池系统中，判定是低温启动时的作业还是通常运转时的作业，当判定为是低温启动时的作业时，执行使燃料电池的电解质膜的水的浓度梯度与通常运转时的作业相比增大的恢复控制。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种执行燃料电池的低温启动时的控制的燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
在冰点下环境等低温环境下的燃料电池的启动时，进行低温启动作业，该低温启动作业包括利用因燃料电池的发电而产生的生成热等来使燃料电池升温的升温控制以及去除燃料电池内部(特别是阴极内)的水分的恢复操作。该恢复操作是为了抑制燃料电池成为所谓的液泛状态从而输出性能下降的情况而执行的。
作为这种低温启动作业中的恢复操作，在JP4575693B2中提出了以下的燃料电池系统：在燃料电池低温启动时向阴极供给干燥空气(下面也记载为“干燥空气供给处理”)，由此使阴极内的水分蒸发来排出到阴极排出流路。
发明内容
在上述以往技术中，为通过使周围环境温度(燃料电池的温度、干燥空气温度)升温来利用干燥空气将水分从阴极排出到外部的结构，因此为了执行恢复操作，需要使周围环境温度升温到某种程度的温度。
另外，若不使周围环境温度升温到一定温度以上就不判断为恢复操作已完成，因此从开始恢复操作到完成恢复操作也耗费时间，低温启动作业的时间变长。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种能够缩短燃料电池的低温启动作业的时间的燃料电池系统及其控制方法。
用于解决问题的方案
根据本发明的某个方式，在具有燃料电池的燃料电池系统中，判定是低温启动时的作业还是通常运转时的作业，当判定为是低温启动时的作业时，执行使燃料电池的电解质膜的水的浓度梯度与通常运转时的作业相比增大的恢复控制。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
图2是燃料电池单电池的立体图。
图3是图2的燃料电池的II-II截面图。
图4是说明燃料电池系统的启动时的处理的流程的流程图。
图5是说明第一实施方式的低温启动作业的流程的流程图。
图6是说明第一实施方式的从低温启动作业到通常运转作业的经时变化的时序图。
图7是说明恢复控制的作用效果的图。
图8是说明与堆温度相应的、向电解质膜的水分移动量同向阴极流路的水分蒸发量的优势性的关系的图表。
图9是说明本实施方式的恢复控制对输出性能的恢复效果的图表。
图10是说明第二实施方式的从低温启动作业到通常运转作业的经时变化的时序图。
图11是说明第三实施方式的低温启动作业的经时变化的时序图。
图12是说明第四实施方式的低温启动作业的流程的流程图。
图13是说明第四实施方式的低温启动作业的经时变化的时序图。
图14是表示输出性能恢复前后的单电池电压的时间变化的不同的图表。
图15是说明第五实施方式的低温启动作业的流程的流程图。
图16是表示输出性能恢复前后的单电池电压微分值的时间变化的图表。
图17是表示第六实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
图18是表示堆内部电阻与堆含水量的关系的图表。
图19是说明第六实施方式的低温启动作业的流程的流程图。
图20是表示第七实施方式中的堆温度与堆内部电阻的关系的图表。
图21是表示堆内部电阻、堆温度以及堆含水量之间的关系的对应图。
图22是表示第八实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
图23是说明背景技术的图。
具体实施方式
下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式中的燃料电池系统100的结构的一例的图。
附图所示的燃料电池系统100向燃料电池堆1供给作为燃料气体的阳极气体(氢)和作为氧化气体(空气)的阴极气体来使燃料电池堆1执行发电。
燃料电池系统100具有燃料电池堆1、阴极气体供排装置2、阳极气体供排装置3、堆冷却装置4、电力系统5以及控制单元200。
燃料电池堆1是层叠多个燃料电池单电池而成的层叠电池。
燃料电池单电池是用阳极(燃料极)和阴极(氧化剂极)将电解质膜夹在中间而构成的。在燃料电池单电池中，阳极气体被供给到阳极，另一方面，阴极气体被供给到阴极，通过使用这些气体来进行发电。在发电时在阳极和阴极这两个电极处进行的主要的电化学反应如下。
阳极：2H2→4H++4e-…(1)
阴极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
下面，说明作为单电池的燃料电池单电池的具体结构。
图2和图3是说明燃料电池单电池的结构的图。图2是燃料电池单电池的立体图，图3是图2的燃料电池单电池的II-II截面图。
如图所示，燃料电池单电池10具备膜电极组件(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)11以及以将膜电极组件11夹在中间的方式配置的阳极隔板12和阴极隔板13。
膜电极组件11由电解质膜111、阳极112以及阴极113构成。膜电极组件11在电解质膜111的一面侧具有阳极112，在另一面侧具有阴极113。
电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下表现出良好的电传导性。
阳极112具备阳极催化剂层112A和气体扩散层112B。阳极催化剂层112A包括由承载有铂等的炭黑粒子(碳载体)形成的催化剂物质以及存在于催化剂物质之间的电解质(下面也记载为“阳极电解质”)，在不存在这些催化剂物质和阳极电解质的部分形成空孔(下面也记载为“阳极空孔”)。并且，阳极催化剂层112A被设置成与电解质膜111接触。
气体扩散层112B配置于阳极催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是是由具有气体扩散性和导电性的碳布形成的构件，设置成与催化剂层112A及阳极隔板12接触。
与阳极112同样地，阴极113也具备阴极催化剂层113A和气体扩散层113B。阴极催化剂层113A配置于电解质膜111与气体扩散层113B之间，气体扩散层113B配置于阴极催化剂层113A与阴极隔板13之间。
特别是，在阴极催化剂层113A中，也与阳极催化剂层112A同样地，包括由承载有铂等的炭黑粒子(碳载体)形成的催化剂物质以及存在于催化剂物质之间的电解质(下面也记载为“阴极电解质”)，在不存在这些催化剂物质和阴极电解质的部分形成空孔(下面，也记载为“阴极空孔”)。
阳极隔板12配置于气体扩散层112B的外侧。阳极隔板12具备用于向阳极112供给阳极气体的多个阳极流路121。阳极流路121形成为槽状通路。
阴极隔板13配置于气体扩散层113B的外侧。阴极隔板13具备用于向阴极113供给阴极气体的多个阴极流路131。阴极流路131形成为槽状通路。
阳极隔板12和阴极隔板13构成为流过阳极流路121的阳极气体的流动方向与流过阴极流路131的阴极气体的流动方向互为反向。此外，阳极隔板12和阴极隔板13也可以构成为这些气体的流动方向为向相同方向流动。
而且，燃料电池堆1是通过将上述燃料电池单电池10层叠多个而构成的。
返回到图1，作为氧化气体调整装置的阴极气体供排装置2是向燃料电池堆1供给阴极气体、并且将从燃料电池堆1排出的阴极排气排出到大气的装置。
阴极气体供排装置2具有阴极气体供给通路21、压缩机22、气流表23、水分回收装置(Water Recovery Device：下面称为“WRD”。)25、阴极排气排出通路26以及阴极气体压力调节阀27。
阴极气体供给通路21是用于向燃料电池堆1内的阴极流路131供给阴极气体的通路。阴极气体供给通路21的一端开口，另一端与燃料电池堆1的阴极113的入口连接。
压缩机22将阴极气体吸入到燃料电池系统100内。压缩机22设置于阴极气体供给通路21的一端的开口端。
压缩机22是由压缩机马达22a驱动的涡轮式压缩机或容积式压缩机。压缩机22从阴极气体供给通路21的开口端吸入作为阴极气体的空气，经由阴极气体供给通路21供给到燃料电池堆1。另外，压缩机马达22a的旋转速度、即压缩机22的输出由控制单元200来控制。
气流表23设置于压缩机22的入口。气流表23对由压缩机22吸入的阴极气体的流量、即向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量进行检测。
下面，将向该燃料电池堆1供给的阴极气体的流量也记载为“阴极气体供给流量”。另外，气流表23将阴极气体供给流量的检测值输出到控制单元200。
水分回收装置25是跨阴极气体供给通路21和阴极排气排出通路26地设置的。水分回收装置25回收阴极排气排出通路26的阴极排气中的水分，利用所回收的该水分对阴极气体供给通路21内的阴极气体进行加湿。即，由水分回收装置25加湿后的阴极气体被供给到燃料电池堆1。
阴极排气排出通路26是用于将从燃料电池堆1内的阴极流路131排出的阴极排气放出到外部的通路。阴极排气排出通路26的一端与燃料电池堆1的阴极113的出口连接，另一端开口。
阴极气体压力调节阀27对向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力进行调节。阴极气体压力调节阀27设置于阴极排气排出通路26上的水分回收装置25的下游。阴极气体压力调节阀27由控制单元200来控制开闭，由此向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力被调节为期望的压力。
阳极气体供排装置3包括高压罐31、阳极气体供给通路32、阳极气体压力调节阀33、引射器34、阳极气体循环通路35、阳极气体循环风机36以及阳极气体压力传感器37。
高压罐31将要向燃料电池堆1供给的阳极气体保持为高压状态来进行贮存。
阳极气体供给通路32是用于将高压罐31中贮存的阳极气体供给到燃料电池堆1的通路。阳极气体供给通路32的一端与高压罐31连接，另一端经由引射器34来与阳极气体循环通路35连接。
阳极气体压力调节阀33设置于高压罐31与引射器34之间的阳极气体供给通路32。而且，阳极气体压力调节阀33由控制单元200来调节开度，对向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力进行调节。
引射器34设置于阳极气体压力调节阀33与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路32。引射器34是利用以未图示的喷嘴增速地供给阳极气体时的负压来使该阳极气体在阳极气体循环通路35内循环的装置。
阳极气体循环通路35是经由引射器34的吸引口来与阳极气体供给通路32连接、并与燃料电池堆1内的阳极流路121连通来使阳极气体循环的循环路。
阳极气体循环风机36设置于阳极气体循环通路35内的引射器34的上游。阳极气体循环风机36借助引射器34来使阳极气体在阳极气体循环通路35内循环。阳极气体循环风机36的旋转速度由控制单元200来控制。
阳极气体压力传感器37设置于引射器34与燃料电池堆1之间的阳极气体循环通路35。阳极气体压力传感器37对向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力进行检测。阳极气体压力传感器37将阳极气体压力的检测值输出到控制单元200。
此外，虽然在图1中没有示出，但是也可以设置将在阳极气体循环通路35内循环的阳极气体中的杂质(氮气、因发电产生的生成水等)排出到外部的放气通路。
堆冷却装置4是控制燃料电池堆1的温度的装置。堆冷却装置4具有冷却水循环通路41、冷却水泵42、散热器43、冷却水旁路通路44、三通阀45以及水温传感器47。
冷却水循环通路41是使冷却水循环到燃料电池堆1的通路。冷却水循环通路41的一端与燃料电池堆1的冷却水入口孔连接，另一端与燃料电池堆1的冷却水出口孔连接。
冷却水泵42设置于冷却水循环通路41。冷却水泵42经由散热器43来向燃料电池堆1供给冷却水。此外，冷却水泵42的旋转速度由控制单元200来控制。
散热器43设置于比冷却水泵42更靠下游的冷却水循环通路41。散热器43利用风扇来冷却在燃料电池堆1的内部被加温的冷却水。
冷却水旁路通路44是绕过散热器43的通路，使从燃料电池堆1排出的冷却水返回到燃料电池堆1地循环。冷却水旁路通路44的一端连接于冷却水循环通路41上的冷却水泵42与散热器43之间，另一端与三通阀45连接。
三通阀45例如通过恒温器来实现。通过调节三通阀45的开度来调节绕过散热器43的冷却水的流量。三通阀45设置于散热器43与燃料电池堆1的冷却水入口孔之间的冷却水循环通路41上的与冷却水旁路通路44合流的部分处。
水温传感器47设置于冷却水循环通路41上的燃料电池堆1的冷却水出口的附近。水温传感器47对从燃料电池堆1排出的冷却水的温度进行检测。另外，水温传感器47将该冷却水温度的检测值输出到控制单元200。此外，在本实施方式中，该冷却水温度相当于作为燃料电池堆1的温度的堆温度Ts。
电力系统5具有电流/电压测定单元50、功率单元52以及负载装置53。
电流/电压测定单元50对由功率单元52等从燃料电池堆1取出的电流进行检测。下面，将从燃料电池堆1取出的电流也记载为“堆电流”。
另外，电流/电压测定单元50对作为正极端子1p与负极端子1n之间的电压的端子间电压进行检测。下面，将燃料电池堆1的端子间电压也记载为“堆电压”。
并且，在本实施方式中，电流/电压测定单元50能够对构成燃料电池堆1的各燃料电池单电池10的电压(下面也记载为“单电池电压”)也进行检测。
然后，电流/电压测定单元50将堆电流的检测值、堆电压的检测值输出到控制单元200，并根据需要将单电池电压的检测值输出到控制单元200。
功率单元52配置于燃料电池堆1与负载装置53之间，进行堆电压的调节。
具体地说，功率单元52具有使堆电压升降的作为双向性的电压变换器的DC/DC转换器、以及进行在燃料电池堆1或未图示的蓄电池与负载装置53之间输入输出的电力的直流/交流变换的逆变器等。
关于负载装置53，例如能够列举出驱动车辆的电动马达、控制电动马达的控制单元、辅助燃料电池堆1的发电的辅机以及蓄积燃料电池堆1的发电电力的蓄电池等。此外，作为燃料电池堆1的辅机，例如能够列举出压缩机22、阳极气体循环风机36以及冷却水泵42等。
另外，控制负载装置53的未图示的控制单元将负载装置53工作所需的电力作为对燃料电池堆1要求的要求电力(要求负荷)输出到控制单元200。例如，随着设置于车辆的加速踏板的踏下量变大，控制单元对燃料电池堆1要求的要求负荷变高。
控制单元200由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成，作为控制器来发挥功能。
特别是，本实施方式中，来自气流表23、阳极气体压力传感器37和水温传感器47、电流/电压测定单元50等各种传感器或负载装置53的输入信号、以及搭载燃料电池系统100的车辆的点火开关的接通信号被输入到控制单元200。
另外，关于控制单元200，从负载装置53的控制单元接收到要求负荷的信号的控制单元200基于燃料电池堆1的IV特性来运算要求输出电流(下面也记载为“负荷要求电流”)，该要求输出电流是根据该要求负荷对燃料电池堆1要求的输出电流。
然后，控制单元200作为电流调节部来发挥功能，其基本上控制功率单元52使得利用电流/电压测定单元50得到的堆电流的检测值接近上述负荷要求电流。
并且，控制单元200根据来自阳极气体压力传感器37的阳极气体压力检测值、阳极气体循环风机36的转速检测值来估计作为向燃料电池堆1供给的阳极气体的流量的阳极气体供给流量。
然后，控制单元200作为阳极气体流量调节部来发挥功能，其基本上控制阳极气体供排装置3的阳极气体压力调节阀33的开度、阳极气体循环风机36的输出等，使得估计出的阳极气体供给流量接近与上述负荷要求电流相应的要求阳极气体供给流量。
另外，控制单元200基本上控制阴极气体供排装置2的压缩机22的输出等，使得利用气流表23得到的阴极气体供给流量的检测值接近与上述负荷要求电流相应的要求阴极气体供给流量。
然后，本实施方式的控制单元200作为作业判定部来发挥功能，其判定燃料电池系统100的运转状态是低温启动时的作业(下面也记载为“低温启动作业”)还是通常运转时的作业(也记载为“通常运转作业”)。
并且，本实施方式的控制单元200在之后详细说明的低温启动作业的恢复控制中，取代上述负荷要求电流地设定恢复控制时目标输出电流来作为堆电流的目标值。然后，控制单元200在恢复控制中控制功率单元52使得利用电流/电压测定单元50得到的堆电流检测值接近恢复控制时目标输出电流。此外，在本实施方式中，恢复控制时目标输出电流被设定为低于负荷要求电流的值。
另外，控制单元200在低温启动作业的恢复控制中，取代上述要求阳极气体供给流量地设定恢复控制时目标阳极气体供给流量来作为阳极气体供给流量的目标值。然后，控制单元200在恢复控制中控制阳极气体供排装置3使得阳极气体供给流量的估计值接近恢复控制时目标阳极气体供给流量。
本实施方式的控制单元200接收燃料电池堆1的启动要求(IGN的接通信号)。控制单元200在接收到IGN的接通信号时，判断是否处于要求低温启动作业的低温环境，当判定为处于低温环境时使功率单元52等致动器执行燃料电池堆1的低温启动作业。即，控制单元200根据接收到IGN接通信号且判断为处于低温环境，判定为燃料电池系统100的状态为低温启动作业。
特别是，在本实施方式中，控制单元200控制功率单元52等致动器，执行使电解质膜111的水的浓度梯度与通常运转作业中的水的浓度梯度相比增大的恢复控制，来作为上述低温启动作业。
下面，说明本实施方式的燃料电池系统100的恢复控制的背景技术。
图23是说明本实施方式的背景技术的图。
具体地说，图23中示出了作为燃料电池堆1低温启动时的低温启动作业、使燃料电池堆1的负荷(堆电流)增加以从零下启动处理(解冻运转)转变为通常运转作业的过程中的堆电压的变化，其中，零下启动处理以使燃料电池堆1升温为目的，通常运转作业使车辆为能够行驶的状态。此外，在图23所示的例子中，未执行恢复控制。
在图23的图表中，用实线表示阴极113内的水分量相对多的情况下的堆电压的变化。另一方面，用虚线表示阴极113内的水分量相对少的情况下的堆电压的变化。
在此，零下启动处理是指在低温环境下对燃料电池堆1提供一定程度的负荷来使其执行发电、利用因发电而产生的生成热来使燃料电池堆1升温的处理。此外，也能够根据所需的升温速度来将PTC加热器等热源用作燃料电池加热装置。
然后，在图23中，在时刻ta堆温度Ts上升至约0℃，燃料电池堆1的零下启动处理结束。因而，在时刻ta转变为通常运转作业。在转变为通常运转作业的时刻ta，特别是，向行驶马达的电力供给开始，因此堆电压瞬间下降。
在此，根据图可以理解的是，与阴极113内的水分量相对少的情况相比，在阴极113内的水分量相对多的情况下，在转变为通常运转作业的时刻ta，压降变大。
由此，在阴极113内的水分量相对多的情况下，在转变为通常运转作业的时刻ta以后，到燃料电池堆1恢复为目标输出性能为止会耗费更长时间(参照图23的恢复时间差ΔT)。
本实施方式的燃料电池系统100提供在这种状况下使燃料电池堆1迅速地恢复为期望的输出性能的恢复控制。
下面，更详细地说明本实施方式中的燃料电池系统100的控制。
图4是说明本实施方式中的燃料电池系统100的启动时的处理的流程的流程图。
在步骤S100中，控制单元200每当使燃料电池系统100启动时，判定堆温度Ts是否小于低温启动作业执行基准温度Tth1，以判断是否需要对燃料电池堆1执行低温启动作业。
此外，低温启动作业执行基准温度Tth1作为成为进行燃料电池堆1的低温启动作业的判断基准的温度，是考虑燃料电池堆1内的水分的冻结状态等来通过实验等预先决定的。例如能够将低温启动作业执行基准温度Tth1设定为0℃。另外，也可以对设置于燃料电池系统100的未图示的外部气温传感器等的温度检测值与低温启动作业执行基准温度Tth1的大小进行判定，来代替堆温度Ts与低温启动作业执行基准温度Tth1的大小判定。
然后，控制单元200当判定为堆温度Ts小于低温启动作业执行基准温度Tth1时，在步骤S110中执行低温启动作业。
图5是说明本实施方式的低温启动作业的流程的流程图。
在步骤S111中，控制单元200首先执行零下启动处理。零下启动处理如已经说明的那样，是使燃料电池堆1在规定负荷下发电来使燃料电池堆1升温的处理。
在步骤S112中，控制单元200判定堆温度Ts是否大于恢复控制执行基准温度Tth2。在此，恢复控制执行基准温度Tth2是从以下的观点出发而决定的温度：是否通过上述零下启动处理使燃料电池堆1内的解冻进展了某种程度、从而变为适于执行后述的恢复控制的状态。
优选的是，恢复控制执行基准温度Tth2被设定为燃料电池堆1内的解冻进展了某种程度的0℃以上的温度，且从防止低温启动作业的长期化的观点出发不设定为过高的温度。例如，恢复控制执行基准温度Tth2被设定为0℃。
然后，控制单元200当判定为堆温度Ts大于恢复控制执行基准温度Tth2时，在步骤S113中执行作为本实施方式的恢复控制的堆电流下降处理。
在堆电流下降处理中，维持零下启动时的要求负荷、或者设定比其低的要求负荷。并且，在堆电流下降处理中，堆电流被调节成比与所设定的要求负荷相应的负荷要求电流低。即，堆电流下降处理中的目标输出电流(恢复控制时目标输出电流)被设定成比在燃料电池堆1的通常运转作业等中采用的基本的目标值(负荷要求电流)低。
具体地说，控制单元200设定比与负载装置53的要求相当的负荷要求电流低的恢复控制时目标输出电流，控制功率单元52使得堆电流接近恢复控制时目标输出电流。由此，堆电流被功率单元52调节成下降至该恢复控制时目标输出电流。
另一方面，在本实施方式中，控制单元200设定比基于负荷要求电流的要求阳极气体供给流量高的恢复控制时目标阳极气体供给流量，控制阳极气体供排装置3使得阳极气体供给流量接近恢复控制时目标阳极气体供给流量。
因而，在堆电流下降处理中，堆电流变得小于负荷要求电流，另一方面，阳极气体供给流量被设定得比与负荷要求电流相应的要求阳极气体供给流量高，因此阳极气体供给流量相对于实际堆电流而言变得过剩。
另一方面，考虑到以下情况：由于堆电流变得小于负荷要求电流，负荷应该要求的电力不足。然而，相对于该负荷的要求而言不足的部分的电力能够利用未图示的蓄电池等来填补。
接着，在步骤S114中，控制单元200判定利用未图示的计时器等计数的恢复控制的持续时间tre是否超过规定时间tb。在此，规定时间tb作为用于将堆电流下降处理持续到能够将燃料电池堆1的输出性能恢复为期望的性能的程度的时间的下限值，是预先通过实验等决定的。
然后，控制单元200当判断为恢复控制的持续时间tre超过规定时间tb时结束恢复控制，进入到步骤S120。此外，控制单元200在判定为堆电流下降处理的持续时间tre未超过规定时间tb的情况下，继续持续进行恢复控制。
返回到图4，在步骤S120中，控制单元200使燃料电池堆1转变为通常运转作业。具体地说，在通常运转作业中，开始向车辆的行驶马达供给电力，车辆转变为能够行驶的状态。
图6是说明上述的燃料电池系统100的从低温启动作业到通常运转作业的经时变化的时序图的一例。此外，图6的(a)的曲线图表示堆电压的变化，图6的(b)的曲线图表示堆电流的变化。另外，图6的(c)的曲线图表示阳极气体供给流量和阴极气体供给流量的变化。并且，图6的(d)的曲线图表示堆温度Ts的变化。
在时刻t0，控制单元200接收点火开关的接通信号(燃料电池堆1的启动要求)，探测出堆温度Ts低于低温启动作业执行基准温度Tth1(参照步骤S100的“是”和图6的(d))。由此，控制单元200判断为燃料电池系统100处于低温启动作业。
然后，控制单元200控制压缩机22等阴极气体供排装置2、阳极气体循环风机36等阳极气体供排装置3来开始向燃料电池堆1供给阳极气体和阴极气体，以执行低温启动作业的零下启动处理(参照步骤S110、步骤S111以及图6的(c))。与此相伴，堆电压上升(图6的(a))。
接着，在堆电压稳定的时刻t1，控制单元200控制功率单元52来开始从燃料电池堆1取出电流。即，开始与要求负荷相应的燃料电池堆1的发电，堆电流增加(参照步骤S111和图6的(b))。与此相伴，堆电压减少(参照图6的(a))。而且，由于因燃料电池堆1的发电而生成的发热，堆温度Ts逐渐增加。
接着，在时刻t2，堆温度Ts达到恢复控制执行基准温度Tth2。因而，控制单元200开始作为恢复控制的上述的堆电流下降处理(参照步骤S112、步骤S113以及图6的(b))。如已经叙述过的那样，在堆电流下降处理中，成为尽管实际的堆电流变得小于负荷要求电流、但是实际的阳极气体供给流量高于要求阳极气体供给流量的状态，因此堆电压上升(参照图6的(a))。
特别是在图6所示的堆电流下降处理的例子中，从零下启动处理转变为恢复控制后，虽然负荷要求电流自身下降，但是实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)被调节为与零下启动处理时的要求阳极气体供给流量相同的值。即，即使从零下启动处理转变为堆电流下降处理，也不改变而是维持阳极气体供给流量(参照图6的(c)的实线)。
由此，阳极气体供给流量超过堆电流下降处理中的要求阳极气体供给流量(参照图6的(c)的双点划线)。即，当从零下启动处理转变为堆电流下降处理时，阳极气体化学计量比会增大，该阳极气体化学计量比被定义为实际的阳极气体供给流量与实现实际的堆电流(恢复控制时目标输出电流)所需的阳极气体供给流量之比。
因而，在本实施方式中，能够通过该堆电流下降处理来使燃料电池堆1的阳极催化剂层112A的含水量下降，从而能够使阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间的电解质膜111中的水的浓度梯度增大，促进从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动。由此，能够去除阴极催化剂层113A内的水分，使燃料电池堆1的输出性能恢复。此外，之后详细说明该作用效果的原理。
此外，在图6的(c)所示的时序图中，阴极气体供给流量被设定为与阳极气体供给流量相匹配的值。即，实际的阴极气体供给流量被设定得比实现恢复控制时目标输出电流所需的阴极气体供给流量高，阴极气体化学计量比也相对地增大。然而，对于实际的阴极气体供给流量，也可以以例如设定为实现恢复控制时目标输出电流所需的值等方式调节得更低。
然后，在时刻t3，恢复控制的持续时间tre(＝t3-t2)达到规定时间tb。因而，控制单元200在时刻t3结束恢复控制，使燃料电池堆1转变为通常运转作业(参照步骤S114和步骤S120)。具体地说，控制单元200使堆电流下降处理结束，使堆电流的目标值和阳极气体供给流量的目标值分别复原为负荷要求电流和要求阳极气体供给流量。同样地，阴极气体供给流量也设定为与负荷要求相应的要求阴极气体供给流量。
此外，在图6的例子中，转变为通常运转作业后负荷要求电流增加(参照图6的(b)的双点划线)，因此设为基本的输出电流的控制，该负荷要求电流被设定为目标输出电流，由此堆电流增加。由此，堆电压减少(参照图6的(a))。另外，在通常运转作业中，对于阳极气体供给流量和阴极气体供给流量，也按照基本的流量控制来与负荷要求电流相匹配地进行调节，使得阳极气体化学计量比和阴极气体化学计量比为1以上。
接着，说明通过作为本实施方式中的恢复控制的堆电流下降处理使燃料电池堆1的输出性能恢复的原理。此外，下面说明的原理不一定对本发明的保护范围产生限制。
图7是说明本实施方式的恢复控制的作用效果的图。具体地说，图7中示意性地示出了燃料电池单电池10中的催化剂层112A、113A、电解质膜111的结构。
与在JP4575693B2等中提出的以往的干燥空气供给处理相对比地说明本实施方式的燃料电池系统100的作用效果。
一般来说，阴极催化剂层113A中包含水分回收装置25的加湿成分、源自发电的生成水的水分。特别是，源自发电的生成水的水分主要包含于阴极空孔中、阴极电解质中。而且，当阴极空孔中包含的水分多时，存在以下担忧：发生阻碍阴极113内的气体扩散的所谓的液泛，燃料电池堆1的输出性能下降。
因而，为了去除这种阴极空孔中的水分，在以往的干燥空气供给处理中，将干燥空气供给到阴极流路131来促进阴极空孔中的水分的蒸发，使所蒸发的水分排出到阴极流路131中。
但是，低温启动作业是在低温环境下执行的，因此堆温度Ts低，存在于阴极空孔中的水分也是低温的，并且，供给的干燥空气的温度也是低温的。因而，存在于阴极空孔中的水分的蒸气气压低，干燥空气自身的饱和水蒸气气压也低，因此使水分蒸发的效果低。
另外，构成干燥空气的分子主要是氮分子、氧分子等，分子量比较大，因此在阴极催化剂层113A中的扩散效果低。因而，认为即使向阴极流路131供给干燥空气，干燥空气也不能充分地遍及到阴极空孔中，因此去除该阴极空孔中的水分的效果低。
鉴于这种以往的问题，本发明人们经过努力研究，结果达成了通过使阴极空孔中的水分向电解质膜111侧移动来去除阴极空孔中的水分这样的新想法，来代替如上述的干燥空气供给处理那样将阴极空孔中的水分排出到阴极流路131这样的思想。
具体地说，本发明人们着眼于反扩散现象，该反扩散现象是以下的现象：每当去除阴极空孔中的水分时，由于阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间的水的浓度梯度的不同而导致水分从阴极催化剂层113A向电解质膜111移动(参照图7中的粗线箭头)。
更详细地说明反扩散现象。
如图7所示，经由阳极流路121和气体扩散层112B来向阳极催化剂层112A供给阳极气体。阳极催化剂层112A中虽然包含一些源自该阳极气体中水分的水分，但是几乎不包含因发电产生的生成水。
另外，一般来说，伴随燃料电池单电池10的电化学反应，阳极催化剂层112A的阳极空孔中的水分与质子H+一起向电解质膜111侧移动。因而，在阳极112中，实质上仅在阳极电解质中存在水分。即，阳极催化剂层112A所包含的水分比阴极催化剂层113A所包含的水分少。
另一方面，在阴极113中产生因发电产生的生成水，因此包含比阳极112更多量的水分，该水分蓄积于阴极催化剂层113A的阴极空孔等。
由于上述的阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间的水分量的差，在阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间产生水的浓度梯度(参照图7的点划线曲线图)。在此，本实施方式中的水的浓度梯度被提供为阴极催化剂层113A所包含的水分量与阳极催化剂层112A所包含的水分量之比。由此，发生阴极空孔中的水分向电解质膜111侧移动的反扩散现象(参照图的粗线箭头)。
本发明人们着眼于该反扩散现象，达成了以下思想：在燃料电池堆1的低温启动作业中促进该反扩散现象，执行使低温启动作业中的水的浓度梯度与通常运转作业中的水的浓度梯度相比增大的恢复控制，由此使阴极空孔中的水分向电解质膜111侧移动来高效地去除阴极空孔中的水分。
在本实施方式中，作为促进这种反扩散现象的一个手段，执行使阳极112内的含水量下降的处理。更具体地说，控制单元200设定比负荷要求电流低的恢复控制时目标输出电流，在恢复控制中执行控制功率单元52使得堆电流接近该恢复控制时目标输出电流的堆电流下降处理(参照图5的步骤S113和图6的(b)的时刻t2～时刻t3)。
通过执行这种恢复控制，成为实际阳极气体供给流量相对于堆电流而言过剩的状态。即，从阳极流路121经由气体扩散层112B向阳极催化剂层112A供给的阳极气体的流量相对于发电的要求而言变高，不会在发电中消耗而残留的剩余的阳极气体会增加。因而，剩余部分的阳极气体会向阳极电解质中扩散，因此阳极气体会使水分从阳极电解质中被去除。
由此，阳极催化剂层112A内的水分量会减少，因此阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间的水的浓度梯度增大(参照图7的实线曲线图)。因而，促进了上述反扩散现象的作用。
特别是，阳极气体的主成分是分子量小的氢，因此与以氮和氧为主成分的阴极气体相比，在阳极催化剂层112A内的扩散效果高。在该基础上，由于阳极催化剂层112A如上所述那样在阳极空孔中几乎不包含水分，因此阳极气体在阳极空孔中不受水分阻碍地扩散。
作为结果，阳极气体向阳极电解质中扩散的效果高，阳极电解质中的水分能够被高效地去除。并且，如上所述，阳极催化剂层112A内包含的水分的量本来就比阴极催化剂层113A内包含的水分的量少。因而，与进行阴极催化剂层113A内的水分的去除的情况相比，能够更有效地执行利用恢复控制进行的阳极电解质中的水分的去除。
接着，说明通过以往的干燥空气供给处理进行的水分从阴极催化剂层113A向阴极流路131的蒸发与通过上述恢复控制进行的水分从阴极催化剂层113A向电解质膜111的移动之间的、与堆温度Ts相应的优势性的大小。
图8是说明与堆温度Ts相应的、从阴极催化剂层113A向电解质膜111移动的水分量(下面也记载为“移动水分量Wm”)与从阴极催化剂层113A向阴极流路131蒸发的水分量(下面也记载为“蒸发水分量Wc”)之间的关系的图表。
在图8中，横轴是堆温度Ts，纵轴是以(Wm-Wc)/Wc定义的无量纲量。即，该纵轴的值是表示移动水分量Wm相对于蒸发水分量Wc大多少程度的值。
上述值为正时、即图8的图表中的纵轴>0的区域为移动水分量Wm大于蒸发水分量Wc的区域(下面也记载为“水移动优势区域”)。因而，在该水移动优势区域中，与从阴极催化剂层113A向阴极流路131的水蒸发相比，从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水移动占优势地发生。
另外，上述值为负时、即图8的图表中的纵轴<0的区域为移动水分量Wm小于蒸发水分量Wc的状态(下面也记载为“流路蒸发优势区域”)。因而，在该流路排出优势区域中，相对于从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水移动，从阴极催化剂层113A向阴极流路131的水蒸发占优势地发生。
此外，在上述值为零时、即图8的图表中的纵轴＝0的区域，移动水分量Wm与蒸发水分量Wc相同。在该情况下，从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水移动量与从阴极催化剂层113A向阴极流路131的水蒸发量大致同等。
参照图8可知，虽然在堆温度Ts>T1时处于流路蒸发优势区域，但是在堆温度Ts<T1时处于水移动优势区域。在此，已知T1的值是根据实验条件等而具有一定的宽度的、大致25℃附近的值。因而，下面视为T1≈25℃来进行说明。
如图8所示，设想为低温启动作业的执行环境的堆温度Ts<25℃的区域是水移动优势区域。因而，为了通过以往的干燥空气供给处理得到与本实施方式的恢复控制同等程度的水去除效果，至少需要使堆温度Ts升温至25℃。然而，为了使堆温度Ts上升至这么高，即使除了燃料电池堆1的发电所产生的生成热以外还使用加热器等来进行加热，也要耗费相应的时间。
与此相对，如已经叙述过的那样，低温启动作业的执行环境下的堆温度Ts<25℃的区域处于水移动优势区域，因此与通过向阴极流路131蒸发来进行的水分排出相比，本实施方式的恢复控制所涉及的从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水移动明显能够实现更有效的从阴极催化剂层113A的水分去除。
如以上所说明的那样，本发明人们着眼于水从阴极催化剂层113A向电解质膜111移动的现象、即反扩散现象，发现了在低温环境下利用该反扩散现象的水移动比通过向阴极流路131蒸发来进行的水分排出更占优势。
并且，本发明人们想到以下的创新思想：通过本实施方式的恢复控制使电解质膜的水的浓度梯度与通常运转作业相比增大，由此在低温环境下也促进反扩散现象，作为结果，能够比以往的方法更高效地执行从阴极催化剂层113A的水分去除，能够有助于燃料电池堆1的输出性能的高效恢复。
图9中示出了说明本实施方式的恢复控制对输出性能的恢复效果的图表。具体地说，图9示出了低温启动作业中的单电池电压的时间变化。
另外，图9的虚线曲线图表示不执行本实施方式的恢复控制的情况下的单电池电压的变化。另一方面，图9的实线曲线图表示执行本实施方式的恢复控制的情况下的单电池电压的变化。
如已经说明过的那样，本实施方式的恢复控制是尽管使堆电流下降、但是使实际的阳极气体供给流量为要求阳极气体流量以上的处理。因而，如根据图9可以明确的那样，与未执行恢复控制的虚线曲线图相比，恢复控制中的实线曲线图的单电池电压变高。
然后，当恢复控制结束时转变为燃料电池堆1的通常运转作业。在此，在通常运转作业中，尽管在执行恢复控制的情况下和不执行恢复控制的情况下都将通常运转作业的负荷要求电流控制为目标输出电流，但是执行恢复控制的情况下的单电池电压明显比不执行恢复控制的情况下的单电池电压高。即，这表示：通过本实施方式的恢复控制，燃料电池堆1的输出性能恢复。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
本实施方式的燃料电池系统100具有燃料电池堆1，该燃料电池堆1是层叠多个作为单电池的燃料电池单电池10而成的，该燃料电池单电池10包括在靠阳极和阴极的两面具备催化剂层112A、113A的电解质膜111、向阳极侧供给作为燃料气体的阳极气体的阳极流路121以及向阴极侧供给作为氧化气体的阴极气体的阴极流路131。另外，燃料电池系统100具备：作为燃料气体调整装置的阳极气体供排装置3，其对阳极流路121的阳极气体进行调整；作为氧化气体调整装置的阴极气体供排装置2，其对阴极流路131的阴极气体进行调整；以及控制单元200，其根据燃料电池堆1的状态(负荷要求电流等)来控制阳极气体供排装置3和阴极气体供排装置2。
另外，控制单元200作为作业判定部和恢复控制部来发挥功能，该作业判定部判定是低温启动时的作业(低温启动作业)还是通常运转时的作业(通常运转作业)，当利用作业判定部判定为是低温启动作业时(当接收到IGN的接通信号时)，该恢复控制部利用浓度梯度调整装置执行使电解质膜111的水的浓度梯度与通常运转作业相比增大的恢复控制(参照图5的步骤S113和图7)。
因而，在本实施方式的燃料电池系统100中，通过恢复控制，在燃料电池堆1的低温启动时使阴极催化剂层113A中的水分移动到电解质膜111。
据此，通过在低温启动作业中进行的恢复控制，使电解质膜111的水的浓度梯度与通常运转作业中的水的浓度梯度相比增大，由此能够使阴极催化剂层113A所包含的水分向电解质膜111侧移动来去除阴极催化剂层113A所包含的水分。
即，在本实施方式中，取代如以往的干燥空气供给处理那样使阴极催化剂层113A内的水分向阴极流路131蒸发的方法，能够利用使阴极催化剂层113A所包含的水分向电解质膜111侧移动这样的手法来去除阴极催化剂层113A所包含的水分，从而使燃料电池堆1的输出性能恢复。
特别是，如在图8中已经说明过的那样，低温环境下的温度区域属于水移动优势区域，在该区域，从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动(反扩散现象)比阴极催化剂层113A内的水分通过蒸发而向阴极流路131排出占优势。因而，通过在低温环境下执行的低温启动作业中进行上述恢复控制来助长反扩散现象，能够更有效地去除阴极催化剂层113A内的水分。
即，根据本实施方式的恢复控制，即使不使堆温度等周围环境温度升温至如以往的干燥空气处理中要求那样的高温度，也能够有效地去除阴极催化剂层113A内的水分。因而，能够缩短包括零下启动处理和恢复控制的低温启动作业的时间，并且将燃料电池堆1的输出性能恢复为期望的性能。
并且，在本实施方式的燃料电池系统100中，上述浓度梯度调整装置具有作为输出电流调节装置的功率单元52，其对燃料电池堆1的输出电流即堆电流进行调节。另外，作为恢复控制部的控制单元200利用功率单元52使堆电流与基于要求负荷的要求输出电流(负荷要求电流)相比降低，由此使电解质膜111的水的浓度梯度增大(参照图6的(b)的时刻t2～时刻t3和图7)。
由此，在作为恢复控制的堆电流下降处理中，使堆电流小于负荷要求电流，因此实现下降的堆电流所需的阳极气体供给流量下降。因而，实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)相对于实现堆电流所要求的阳极气体供给流量而言过剩。由此，在恢复控制中，与通常启动作业中等相比阳极气体化学计量会增加。
因而，从阳极流路121经由气体扩散层112B向阳极催化剂层112A供给的阳极气体的流量相对于在发电中消耗的理论上的量而言过剩，残留于阳极催化剂层112A内的阳极气体流量会增加。由此，剩余部分的阳极气体会向阳极电解质中扩散，因此会助长阳极气体使水分从阳极电解质中被去除。
特别是，阳极气体的主成分是分子量小的氢，因此与以氮和氧为主成分的阴极气体相比，扩散效果高。在该基础上，由于阳极催化剂层112A在阳极空孔中几乎不包含水分，因此阳极气体在阳极空孔中不受阻碍地扩散。因而，通过上述恢复控制，阳极电解质中的水分会被更适当地去除。
作为结果，阳极催化剂层112A内的水分量会进一步减少，进一步促进阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间的水的浓度梯度的增大(参照图7的实线曲线图)。因而，会进一步助长从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动(反扩散现象)。
即，能够通过使堆电流与负荷要求电流相降低这样的简易控制来实现促进从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动。因而，会有助于低温启动作业时的更迅速的燃料电池堆1的输出性能的恢复。
并且，在本实施方式中，如上所述那样使堆电流与负荷要求电流相比降低，因此相对于与负荷的要求相应的燃料电池堆1的发电量，实际的燃料电池堆1的发电量变低。因而，因发电产生的生成水的产生受到抑制。即，生成水在阴极催化剂层113A中的蓄积受到抑制，因此能够在恢复控制中更迅速地从阴极催化剂层113A去除水分，有助于低温启动作业的时间的进一步缩短化。
如以上所说明的那样，在具有本实施方式中的燃料电池堆1的燃料电池系统100的控制方法中，控制单元200判定是低温启动作业还是通常运转作业，当判定为是低温启动作业时(当接收到IGN的接通信号时)，执行使作为燃料电池的燃料电池单电池10的电解质膜111的水的浓度梯度与通常运转作业的水的浓度梯度相比增大的恢复控制(图5的步骤S113)。
这样，取代如以往的干燥空气供给处理那样使阴极催化剂层113A内的水分向阴极流路131蒸发的方法，而利用使阴极催化剂层113A所包含的水分向电解质膜111侧移动这样的手法来去除阴极催化剂层113A所包含的水分，不将燃料电池堆1的温度升温至如以往的干燥空气处理中要求那样的高温度，就能够更有效地去除阴极113内的水分。因而，能够实现将燃料电池堆1的输出性能恢复为期望的性能的低温启动作业的时间的缩短。
此外，在本实施方式中，说明了在零下启动处理后(燃料电池堆1的升温后)执行恢复控制的例子，但是也可以在零下启动处理中(燃料电池堆1的升温中)执行恢复控制。
另外，在本实施方式的图6的时序图中，说明了实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)被调节为与零下启动处理时的要求阳极气体供给流量相同的值的例子。即，在该例子中，实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)被设定得大于恢复控制中的要求阳极气体供给流量。
然而，也可以将实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)设定为与恢复控制中的要求阳极气体供给流量(参照图6的(c)的双点划线)相同的值。即，在本实施方式中的恢复控制中，也可以进行控制使得将阳极气体供给流量按照通常的流量控制调节为恢复控制中的要求阳极气体供给流量，仅将堆电流设定得低于负荷要求电流。在该情况下，也能够实现在阳极催化剂层112A内阳极气体流量剩余的状态，因此能够得到已说明的去除阳极催化剂层112A中的水分的效果。
(第二实施方式)
下面，说明本发明的第二实施方式。此外，对与第一实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。在本实施方式中，特别的是，作为恢复控制部而发挥功能的控制单元200将恢复控制中的堆电流设定成大致为零。
图10是说明本实施方式中的燃料电池系统100的从低温启动作业到通常运转作业的经时变化的时序图的一例。此外，图10的(a)的曲线图表示堆电压的变化，图10的(b)的曲线图表示堆电流的变化。另外，图10的(c)的曲线图表示阳极气体供给流量和阴极气体供给流量的变化。并且，图10的(d)的曲线图表示堆温度Ts的变化。
如图所示，在本实施方式中，控制单元200在开始恢复控制的时刻t2，将燃料电池堆1的恢复控制时目标输出电流设定成大致为零，在恢复控制中执行控制功率单元52使得堆电流接近该恢复控制时目标输出电流的堆电流下降处理(参照图10的(b)的时刻t2～时刻t3)。即，将堆电流设定成大致为零。此外，对于由于像这样限制从燃料电池堆1的电流的取出而可能产生的对负载的电力供给的不足部分，与第一实施方式同样地利用未图示的蓄电池等的电力来填补。
另一方面，控制单元200与第一实施方式同样地，将阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)调节为与零下启动处理时的要求阳极气体供给流量相同的值。由此，堆电流下降处理中的实际的阳极气体供给流量超过堆电流下降处理中的要求阳极气体供给流量(参照图6的(c)的双点划线)。即，当从零下启动处理转变为堆电流下降处理时，阳极气体化学计量比会增大。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
在本实施方式中，作为恢复控制部的控制单元200利用功率单元52将堆电流设定成大致为零(图参照10的(c)的时刻t2～时刻t3)。
由此，在理论上，实现实际的堆电流所需的阳极气体供给流量实质上为零。因而，无论如何设定实际的阳极气体供给流量，被定义为实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)与实现实际的堆电流(恢复控制时目标输出电流)所需的阳极气体供给流量之比的阳极气体化学计量比都会比通常运转作业等中的阳极气体化学计量比增大。
由此，在低温启动作业时，能够更容易地实现已说明的能够实现电解质膜111的水的浓度梯度的增大的、阳极气体化学计量比的增大。
特别是，如果如本实施方式那样使恢复控制中的实际的堆电流实质上为零，则成为实质上不执行燃料电池堆1的发电的状态。因而，能够使恢复控制中的阴极催化剂层113A内的生成水的产生大致为零。即，进一步抑制阴极催化剂层113A内的新的水分的产生，因此以从阴极催化剂层113A内去除水分为目的的恢复控制的效果会进一步提高。
此外，如已经说明过的那样，阳极气体化学计量比被定义为实际的阳极气体供给流量与实现实际的堆电流所需的阳极气体供给流量之比。因而，如果由于实际的堆电流实质上为零而导致实现该堆电流所需的阳极气体供给流量实质上为零，则理论上无论实际的阳极气体供给流量的大小如何，阳极气体化学计量比都取远大于1的值。
也就是说，在如本实施方式那样使恢复控制中的实际的堆电流实质上下降至零的情况下，例如，即使使实际的阳极气体供给流量在不包括零的范围内大幅下降，也能够将阳极气体化学计量比维持为高于1的值。
因而，也可以取代在零下启动处理至恢复控制的期间维持阳极气体供给流量的方式(参照图10的(c)的时刻t1～时刻t3)，而是例如使实际的阳极气体供给流量实质上在不包括零的范围内与恢复控制中的要求阳极气体供给流量相比下降。另外，也可以是，在恢复控制中也与通常的阳极气体供给流量的控制逻辑同样地，将恢复控制时目标阳极气体供给流量设定为与要求阳极气体供给流量相同的值，并且进行控制使得负荷的要求本身下降来使恢复控制中的要求阳极气体供给流量自身下降，由此使实际的阳极气体供给流量减少。
由此，能够在确保低温启动作业时的从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动的促进效果的同时，降低恢复控制中的阳极气体消耗量。
(第三实施方式)
下面，说明本发明的第三实施方式。此外，对与第一实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。在本实施方式中，作为恢复控制部的控制单元200控制阳极气体供排装置3来使恢复控制中的阳极气体供给流量与要求阳极气体供给流量相比增大，由此使电解质膜111的水的浓度梯度增大。
图11是说明本实施方式中的燃料电池系统100的从低温启动作业到通常运转作业的经时变化的时序图的一例。此外，图11的(a)的曲线图表示堆电压的变化，图11的(b)的曲线图表示堆电流的变化。另外，图11的(c)的曲线图表示阳极气体供给流量和阴极气体供给流量的变化。并且，图11的(d)的曲线图表示堆温度Ts的变化。
特别是，在本实施方式中，作为上述恢复控制，控制单元200执行使阳极气体供给流量比要求阳极气体供给流量(参照图11的(c)的虚线)增加的阳极气体供给流量增加处理(参照图11的(c)的时刻t2～时刻t3)，来代替使堆电流下降的堆电流下降处理。
具体地说，控制单元200当从零下启动处理转变为恢复控制时，设定比要求阳极气体供给流量高的值的恢复控制时目标阳极气体供给流量，控制阳极气体供排装置3使得阳极气体供给流量接近恢复控制时目标阳极气体供给流量，来作为阳极气体供给流量增加处理。
另一方面，在本实施方式中，控制单元200即使从零下启动处理转变为恢复控制也维持因负荷产生的负荷要求电流，从而维持堆电流(参照时刻t2～时刻t3)。即，使要求负荷在零下启动处理中和恢复控制中相同，控制单元200将恢复控制时目标输出电流设定为与基于该要求负荷的负荷要求电流相同的值。
由此，在从零下启动处理转变为恢复控制的过程中阳极气体供给流量在堆电流被维持的状态下增加。因而，阳极气体化学计量比上升。由此，即使不使用蓄电池等的电力，也能够利用燃料电池堆1的发电来保持满足负荷的要求电力的状态，同时使阳极气体化学计量比增加。
此外，在本实施方式中，在使恢复控制结束的时刻t3使燃料电池堆1转变为通常运转作业时，为了使堆电流与通常运转作业初期的相对低的负荷要求电流相匹配，使阳极气体供给流量与第一实施方式的情况相比进一步减少。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，上述浓度梯度调整装置包括作为燃料气体调整装置的阳极气体供排装置3。而且，作为恢复控制部的控制单元200利用阳极气体供排装置3使阳极气体供给流量比基于要求负荷的要求阳极气体供给流量增大，由此使电解质膜111的水的浓度梯度增大(参照图11的(c)的时刻t2～时刻t3和图7)。
由此，在恢复控制中不使堆电流下降，就能够实现阳极气体化学计量比的增大状态，该状态能够实现电解质膜111的水的浓度梯度的增大。即，利用燃料电池堆1的发电电力来保持满足负荷的要求电力的状态，不从蓄电池等进行电力的填补，就能够与进行第一实施方式的堆电流下降处理的情况同样地促进从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动。
此外，在本实施方式中，在从零下启动处理转变为恢复控制的过程(参照图11的时刻t2)中不改变堆电流，而是通过使阳极气体供给流量增加来使阳极气体化学计量比增加。
然而，不限于此，例如也可以如第一实施方式那样，使恢复控制中的负荷要求电流相对于零下启动处理中的负荷要求电流而言下降，将恢复控制时目标输出电流设定为与该恢复控制中的负荷要求电流相同的值。即，也可以与从零下启动处理转变为恢复控制时的负荷要求电流的减少相匹配地使堆电流减少。
在该情况下，虽然堆电流与从零下启动处理转变为恢复控制的过程中的负荷要求电流的下降相应地下降，但是恢复控制中的实际的阳极气体供给流量(恢复控制时目标阳极气体供给流量)为比恢复控制中的要求阳极气体供给流量高的状态，因此能够实现阳极气体化学计量比的增加。
另外，也可以在恢复控制中将阳极气体供给流量维持得比要求阳极气体供给流量高，同时使堆电流比负荷要求电流低。即，作为恢复控制，也可以将第一实施方式的堆电流下降处理与本实施方式的阳极气体供给流量增加处理进行组合。由此，能够在恢复控制中更有效地使阳极气体化学计量比增大，从而能够进一步提高从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动效果。
(第四实施方式)
下面，说明本发明的第四实施方式。此外，对与第一实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。特别是，本实施方式中的控制单元200作为恢复控制结束判断部来发挥功能，其判断在步骤S113中说明的恢复控制(堆电流下降处理)的结束时期，当达到该结束时期时结束恢复控制。
具体地说，在本实施方式中，在恢复控制中执行多次使阴极气体供给流量减少之后增加的阴极气体增减处理，基于阴极气体增减处理中的单电池电压的特性来进行恢复控制的结束时期的判断。
另外，在本实施方式中，在恢复控制中，作为阴极气体供给流量的目标值，设定恢复控制时目标阴极气体供给流量来代替基于负荷要求电流的要求阴极气体供给流量。然后，控制单元200在恢复控制中，控制阴极气体供排装置2的压缩机22的输出等使得利用气流表23得到的阴极气体供给流量的检测值接近恢复控制时目标阴极气体供给流量。
图12是说明本实施方式的低温启动作业的流程的流程图。如图所示，在本实施方式中，控制单元200与第一实施方式同样地执行步骤S111～步骤S113的处理。
然后，控制单元200执行步骤S214的阴极气体增减处理和步骤S215中的恢复控制的结束时期判断，来代替第一实施方式的步骤S114(参照图5)中的堆电流下降处理的持续时间tre是否大于规定时间tb的判定。
例如，在步骤S214的阴极气体增减处理中，控制单元200使压缩机22的输出增减，以将上述恢复控制时目标阴极气体供给流量在同恢复控制时目标阳极气体供给流量相匹配的阴极气体供给流量(下面也记载为“阳极气体消耗理论阴极气体供给流量”)与零之间切换。由此，在恢复控制中的阴极气体增减处理中阴极气体供给流量增减。
特别是，在本实施方式中，控制单元200在恢复控制时目标阴极气体供给流量被设定为零时、即在阴极气体增减处理的阴极气体供给流量的减少操作时，使压缩机22的输出下降以使阴极气体化学计量比为1以下。
此外，在本实施方式中阴极气体化学计量比被定义为实际的阴极气体供给流量(相当于零或阳极气体消耗理论阴极气体供给流量)与基于负荷要求电流的要求阴极气体供给流量之比。
因而，在恢复控制时目标阴极气体供给流量被设定为阳极气体消耗理论阴极气体供给流量时，阴极气体化学计量比超过1，另一方面，在恢复控制时目标阴极气体供给流量被设定为零时，阴极气体化学计量比为1以下。即，控制单元200在阴极气体增减处理中使阴极气体供给流量增减以使得阴极气体化学计量比跨过1。
然后，在步骤S215中，控制单元200判定恢复控制时目标阴极气体供给流量从零切换为阳极气体消耗理论阴极气体供给流量而压缩机22的输出增加的状态、即阴极气体供给流量的增加操作时的规定时间Δt之间的单电池电压的变化量ΔVcell是否变为大于阈值α，来作为恢复控制的结束时期的判断。
具体地说，控制单元200在阴极气体增减处理中的阴极气体供给流量增加时，利用电流/电压测定单元50持续地获取多个单电池电压的检测值，保存到存储器等。并且，控制单元200从存储器提取多个阴极气体增减处理中的阴极气体供给流量增加时的单电池电压检测值，运算该单电池电压检测值在时间Δt的期间的变化量ΔVcell。
然后，控制单元200在判断为单电池电压的变化量ΔVcell大于规定的阈值α的情况下判断为燃料电池堆1的输出性能已恢复至期望的区域，使作为恢复控制的堆电压下降处理结束(即，转变为通常运转)。
另一方面，控制单元200在判断为单电池电压的变化量ΔVcell不大于规定的阈值α的情况下，判断为燃料电池堆1的输出性能未达到期望的程度，继续重复步骤S113的堆电压下降处理、步骤S214的阴极气体增减处理以及步骤S215的判定。
图13是说明本实施方式的燃料电池系统100的从低温启动作业到通常运转作业的经时变化的时序图的一例。此外，图13的(a)的曲线图表示堆电压的变化，图13的(b)的曲线图表示堆电流的变化。另外，图13的(c)的曲线图表示阳极气体供给流量和阴极气体供给流量的变化。并且，图13的(d)的曲线图表示堆温度Ts的变化。
如图所示，在本实施方式中，在从开始恢复控制的时刻t2起经过规定时间后的时刻td，开始阴极气体增减处理(参照图13的(c))。在图中，将以使阴极气体供给流量减少之后增加的操作为1个循环的阴极气体增减处理执行3次。
然后，在该阴极气体增减处理中，控制单元200如上所述那样使阴极气体供给流量增减以使阴极气体化学计量比跨过1，因此向燃料电池堆1供给的阴极气体供给流量会反复相对于发电的要求而言不足的状态和相对于发电的要求而言充足的状态。由此，堆电压也增减(参照图13的(a))。
本实施方式特别是基于在阴极气体增减处理中使阴极气体供给流量增加的时机下的单电池电压的变化量ΔVcell的增加量，来判断是否处于适当的恢复控制的结束时期。
然后，当在时刻t3′控制单元200判断为阴极气体增减处理中的阴极气体供给流量增加时的单电池电压的变化量ΔVcell大于规定的阈值α时，使燃料电池堆1转变为通常运转作业。
下面，说明基于阴极气体供给流量增加时的单电池电压的变化量ΔVcell与阈值α的大小比较来进行燃料电池堆1的性能恢复的判断的妥当性。
图14是表示在本实施方式中燃料电池堆1的输出性能恢复前后的单电池电压的时间变化的不同的图表。更具体地说，图14示出了在对未进行恢复控制的燃料电池堆1以及执行恢复控制后的燃料电池堆1分别执行上述阴极气体增减处理的情况下阴极气体供给流量增加时的各自的单电池电压的时间变化。
此外，在图14中，点划线曲线图示出了未对燃料电池堆1进行恢复控制而阴极催化剂层113A包含水分、输出性能相对低的情况下的单电池电压的时间变化。另外，图14的实线曲线图示出了执行本实施方式的恢复控制后的单电池电压的时间变化。
如根据图14可以理解的那样，在执行了恢复控制的情况下，规定时间Δt的单电池电压的变化量ΔVcell超过阈值α，与此相对，在未进行恢复控制的情况下低于阈值α。即，当执行了恢复控制时，开始增加阴极气体供给流量起的规定时间Δt内的单电池电压的增加率(上升率)变高。
因而，通过如本实施方式那样在阴极气体供给流量增加时的规定时间Δt内的单电池电压的变化量ΔVcell大于阈值α的情况下判断为处于恢复控制的结束时期，能够使燃料电池堆1的输出性能恢复的时机与恢复控制的实际结束时机相符。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，作为恢复控制部的控制单元200作为恢复控制结束判断部来发挥功能，其判断是否处于恢复控制的结束时期(图12的步骤S215)，当判断为处于恢复控制的结束时期时，结束恢复控制(图12的步骤S215的“是”)。
由此，能够在燃料电池堆1的输出性能恢复至期望的区域的时机使恢复控制结束，能够抑制尽管燃料电池堆1的输出性能已恢复但是恢复控制仍持续的情况。作为结果，有助于低温启动作业的时间的缩短化。
另外，本实施方式的燃料电池系统100还具备电流/电压测定单元50，该电流/电压测定单元50是对作为燃料电池的输出电压的单电池电压进行检测的输出电压检测部。而且，作为恢复控制结束判断部的控制单元200在恢复控制中控制阴极气体供排装置2，来使其至少执行1次使向燃料电池堆1供给的阴极气体供给流量减少之后增加的作为氧化气体增减处理的阴极气体增减处理(图12的步骤S214)，基于阴极气体增减处理中的单电池电压的特性来判断恢复控制的结束时期(图12的步骤S215)。
如已经说明过的那样，当恢复控制进展而燃料电池堆1的输出性能恢复时，与水分残留而输出性能相对低的恢复前相比，阴极气体增减处理中的单电池电压的特性不同(参照图14)。
因而，通过基于阴极气体增减处理中的单电池电压的特性来判断恢复控制的结束时期，能够更可靠地使燃料电池堆1的输出性能恢复的时机与实际的恢复控制的结束时期相符。作为结果，在更可靠地使燃料电池堆1的输出性能恢复的同时，更可靠地防止无用的恢复控制的持续，从而更有助于低温启动作业的时间的缩短化。
并且，在本实施方式的燃料电池系统100中，作为恢复控制结束判断部的控制单元200在阴极气体增减处理的阴极气体供给流量的减少操作时，控制阴极气体供排装置2使得阴极气体供给流量与基于要求负荷的要求氧化气体供给流量(要求阴极气体供给流量)之比即阴极气体化学计量比为1以下。
由此，通过阴极气体增减处理中的使阴极气体供给流量减少的操作，产生相对于发电的要求而言阴极气体供给流量不足的状态，能够更可靠地使单电池电压减少。因而，在该阴极气体供给流量的减少操作之后执行使阴极气体供给流量增加的操作时，能够更可靠地检测单电池电压的变化，恢复控制的结束时期的判断精度进一步提高。
另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，作为恢复控制结束判断部的控制单元200在阴极气体增减处理中的阴极气体供给流量的增加操作时，在单电池电压在规定时间Δt以内达到规定阈值α的情况下，判断为处于恢复控制的结束时期(图12的步骤S215和图14)。
由此，能够利用判断单电池电压在规定时间以内是否达到阈值α这样的容易的方法，来执行恢复控制的结束时期的判断。
此外，上述的阈值α能够根据状况来预先适当地设定，但是，优选的是，将从燃料电池堆1的输出性能是否恢复至期望的区域这样的观点出发而决定的单电池电压的变化量ΔVcell的下限值设为阈值α。
此外，在图13的时序图中，示出了进行3次阴极气体增减处理的例子，但是进行该处理的次数只要是1次以上，则几次都可以。然而，从更迅速地判断恢复控制的结束时期的观点出发，优选以压缩机20等致动器所能够响应的时间间隔来执行多次。另外，也可以取代单电池电压的变化量ΔVcell，而使通过规定时间Δt的期间的堆电压的变化量与规定的阈值的大小判定来判断恢复控制的结束时期。
并且，在本实施方式中，在判断恢复控制的结束时期时，在阴极气体增减处理中使阴极化学计量比跨过1地增减，运算与其相伴的单电池电压的变化量ΔVcell，但是不限于此，例如也可以不改变阴极供给流量自身，而是通过使堆电流以规定周期增减来运算与其相伴的单电池电压的变化量ΔVcell。
另外，关于恢复控制的结束时期的判断，也可以采用其它判断方法来代替在单电池电压的变化量ΔVcell大于阈值α的情况下认为处于恢复控制的结束时期。例如，也可以将燃料电池堆1的输出性能的恢复的程度与堆温度Ts的上升的关系预先记录为表，基于该表来根据堆温度Ts判断恢复控制的结束时期。
(第五实施方式)
下面，说明本发明的第五实施方式。此外，对与第四实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。在本实施方式中，作为阴极增减处理中的单电池电压的特性，取代第四实施方式中的单电池电压的变化量ΔVcell，而是基于作为单电池电压的时间微分值的单电池电压微分值DVcell来执行恢复控制的结束时期的判断。
图15是说明本实施方式的低温启动作业的流程的流程图。如图所示，控制单元200与第一实施方式同样地执行步骤S111～步骤S113的处理，与第四实施方式同样地执行步骤S214的阴极气体增减处理。
然后，在本实施方式中，控制单元200在步骤S215′中进行单电池电压微分值DVcell与规定的阈值β之间的大小判定。
具体地说，控制单元200在恢复控制中获取与电流/电压测定单元50的测量周期相应地检测的多个单电池电压的检测值，保存到存储器等。然后，控制单元200在阴极气体增减处理中的阴极气体供给流量的增加操作时，通过用相邻的测量周期中的2个单电池电压检测值之差除以该测量时间来运算单电池电压微分值DVcell。
然后，控制单元200判定单电池电压微分值DVcell与规定的阈值β的大小。控制单元200在判断为单电池电压微分值DVcell大于规定的阈值β的情况下，认为燃料电池堆1的输出性能已恢复至期望的区域，使作为恢复控制的堆电压下降处理结束(即，转变为通常运转作业)。
另一方面，控制单元200在判断为单电池电压微分值DVcell不大于阈值β的情况下，认为燃料电池堆1的输出性能未达到期望的区域，继续重复步骤S113的堆电压下降处理、步骤S214的阴极气体增减处理以及步骤S215′的判定。
图16是表示在本实施方式中燃料电池堆1的输出性能恢复前后的单电池电压微分值DVcell的时间变化的图表。更具体地说，图16示出了未进行恢复控制的燃料电池堆1以及执行恢复控制后的燃料电池堆1各自的、上述阴极气体增减处理的阴极气体供给流量增加时的单电池电压微分值DVcell的时间变化。
此外，在图16中，点划线曲线图示出了对燃料电池堆1进行恢复控制之前的单电池电压微分值DVcell的时间变化。另外，图16的实线曲线图示出了执行本实施方式的恢复控制后的单电池电压微分值DVcell的时间变化。
如根据图16可以理解的那样，与未进行恢复控制的情况相比，在执行了恢复控制的情况下，阴极气体供给流量增加时的单电池电压微分值DVcell明显变为更高的值。
特别是，未进行恢复控制的情况下的单电池电压微分值DVcell大幅低于阈值β，与此相对，在执行恢复控制之后超过阈值β。因而，可以说在单电池电压微分值DVcell中更明确地反映出燃料电池堆1的输出性能是否已恢复的信息。
因而，通过如本实施方式那样在阴极气体供给流量增加时单电池电压微分值DVcell大于阈值β的情况下判断为处于恢复控制的结束时期，能够更可靠地使燃料电池堆1的输出性能恢复的时机与恢复控制的实际的结束时机相符。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，作为恢复控制结束判断部的控制单元200运算阴极气体供给流量的增加操作时的单电池电压的时间微分值即单电池电压微分值DVcell来作为阴极气体增减处理中的单电池电压的特性，在单电池电压微分值DVcell大于作为规定值的阈值β的情况下判断为处于恢复控制的结束时期(图15的步骤S215′的“是”)。
由此，基于明确地呈现燃料电池堆1的输出性能的恢复度的信息的单电池电压微分值DVcell，来判断恢复控制的结束时期，因此能够进一步可靠地使燃料电池堆1的输出性能恢复的时机与实际的恢复控制的结束时期相符。另外，单电池电压微分值DVcell的运算自身也简便，控制单元200的处理负担也被减轻。
(第六实施方式)
下面，说明本发明的第六实施方式。此外，对与第一实施方式～第五实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。特别是，在本实施方式中，在低温启动作业中，基于作为燃料电池堆1的内部电阻的堆内部电阻Rst来估计作为燃料电池堆1内的含水量的堆含水量Wst，基于估计出的堆含水量Wst来判断是否执行恢复控制。
此外，在本实施方式中，堆含水量Wst是指阳极112、阴极113以及电解质膜111等构成燃料电池堆1的要素所包含的全部水分量。
图17是表示第六实施方式中的燃料电池系统100的结构的图。如图所示，本实施方式的燃料电池系统100具有对燃料电池堆1的内部电阻进行测量的内部电阻测量装置6。
内部电阻测量装置6与燃料电池堆1连接。内部电阻测量装置6基于适当的测量频率来测量燃料电池堆1的内部阻抗，将其检测为堆内部电阻Rst。内部电阻测量装置6将检测出的堆内部电阻Rst发送到控制单元200。
图18中示出了表示堆内部电阻Rst与堆含水量Wst的关系的图表。如根据图可以理解的那样，一般来说在堆内部电阻Rst与堆含水量Wst之间具有以下关系：堆内部电阻Rst越高，则堆含水量Wst越低。
本实施方式的控制单元200将以上述图表表示的堆内部电阻Rst与堆含水量Wst的关系预先保存到存储器等。然后，控制单元200基于该关系，根据从内部电阻测量装置6接收到的堆内部电阻Rst来估计堆含水量Wst。
特别是，控制单元200如后所述那样，将不对燃料电池堆1的输出性能造成实质性影响的容许的程度的堆含水量Wst的下限值预先设定为恢复控制执行阈值γ。然后，基于根据堆内部电阻Rst运算出的堆含水量Wst与恢复控制执行阈值γ的大小关系，来判断是否执行恢复控制。
更详细地说明是否执行本实施方式的恢复控制的判断。
图19是说明本实施方式的低温启动作业的流程的流程图。如图所示，控制单元200与第一实施方式同样地执行步骤S111～步骤S112的处理。
然后，在本实施方式中，控制单元200当在步骤S112中判定为堆温度Ts大于恢复控制执行基准温度Tth2时，在步骤S613中进行是否执行恢复控制的判断。
具体地说，在步骤S613中控制单元200如上所述那样根据堆内部电阻Rst来运算堆含水量Wst，比较堆含水量Wst与恢复控制执行阈值γ的大小。
即，控制单元200在运算出的堆含水量Wst大于恢复控制执行阈值γ的情况下，判断为需要执行恢复控制，执行步骤S113以后的处理。
另一方面，在运算出的堆含水量Wst为恢复控制执行阈值γ以下的情况下，判断为不需要执行恢复控制，结束低温启动作业。即，在该情况下，作为低温启动作业，仅执行零下启动处理(解冻运转)。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，作为恢复控制部的控制单元200作为对燃料电池堆1的含水量即堆含水量Wst进行估计的燃料电池内含水量估计部(图19的步骤S613)以及在估计出的堆含水量Wst大于作为规定值的恢复控制执行阈值γ的情况下执行恢复控制的恢复控制执行判断部(图19的步骤S613的“是”)来发挥功能。
由此，在由于认为堆含水量Wst相对高且在阴极催化剂层113A内残留有较多水分而有可能对燃料电池堆1的输出性能造成影响的情况下，能够适当地执行恢复控制。另一方面，在认为堆含水量Wst相对低、即使不执行恢复控制也不存在对燃料电池堆1的输出性能的影响或该影响较小的情况下，能够不执行恢复控制地结束低温启动作业。因而，能够准确地判断需要恢复控制的状况来执行该恢复控制，另一方面，在不需要恢复控制的情况下不执行该恢复控制，能够有助于低温启动作业的时间缩短。
另外，本实施方式的燃料电池系统100还具有作为内部电阻检测部的内部电阻测量装置6，其检测作为燃料电池堆1的内部电阻的堆内部电阻Rst。然后，作为燃料电池内含水量估计部的控制单元200基于堆内部电阻Rst来估计堆含水量Wst。
即，基于呈现出与堆含水量Wst强相关性的堆内部电阻Rst来估计堆含水量Wst，将该堆含水量Wst用于恢复控制执行的判断，因此能够通过简单的运算来更高精度地进行是否执行恢复控制的判断。
此外，在本实施方式中，说明了根据堆内部电阻Rst来估计堆含水量Wst的例子，但是不限于此，例如，也可以基于阴极气体供给压力、阴极气体供给流量等其它任意的参数来估计堆含水量Wst。
另外，关于在本实施方式中视作堆内部电阻Rst的内部阻抗的测量频率，优选的是选择使该内部阻抗与燃料电池堆1内的阳极112、阴极113以及电解质膜111所包含的水分适当地相关的频带。特别最优选的是，从使内部阻抗与阴极113内的含水量强烈相关的频带中选择测量频率。由此，基于利用选择出的频率测量的内部阻抗的堆内部电阻Rst会更高精度地与对燃料电池堆1的输出性能造成大影响的阴极催化剂层113A内的水分的量相关。
并且，也可以测量呈现与堆含水量Wst(电解质膜111的湿润度)强相关性的高频率的内部阻抗(HFR：High Frequency Resistance)，将其视作堆内部电阻Rst来对堆含水量Wst进行估计。
(第七实施方式)
下面，说明本发明的第七实施方式。此外，对与第六实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。特别是，在本实施方式中，在估计第六实施方式中的堆含水量Wst时，除了堆内部电阻Rst以外还考虑堆温度Ts。
图20是表示堆温度Ts与堆内部电阻Rst的关系的图表。如根据图可以理解的那样，一般来说在堆温度Ts与堆内部电阻Rst之间存在以下关系：堆温度Ts越高，则堆内部电阻Rst越低。
而且，如已经说明过的那样，在堆内部电阻Rst与堆含水量Wst之间存在图18的图表所表现的相关性。即，存在堆内部电阻Rst越高则堆含水量Wst越低的关系。
因而，能够决定表示这些堆内部电阻Rst、堆温度Ts以及堆含水量Wst的关系的堆含水量估计对应图。
图21示出了在本实施方式中决定的堆含水量估计对应图。在该堆含水量估计对应图中，与第六实施方式同样地，堆内部电阻Rst越高则堆含水量Wst越低。在此基础上，设定了与堆温度Ts相应的多个曲线群C，以实施堆温度Ts越高则堆含水量Wst越低的校正。
在本实施方式中，该堆含水量估计对应图被保存到控制单元200的存储器等。
下面，说明使用上述堆含水量估计对应图进行的本实施方式中的堆含水量Wst的估计的流程。
首先，控制单元200获取由水温传感器47检测出的堆温度Ts，从堆含水量估计对应图的曲线群C中选择与该堆温度Ts的检测值对应的曲线图。然后，控制单元200根据由内部电阻测量装置6测量出的堆内部电阻Rst的测量值，基于选择出的曲线来估计堆含水量Wst。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
本实施方式的燃料电池系统100具有作为燃料电池温度检测部的水温传感器47，其检测作为燃料电池堆1的温度的堆温度Ts。然后，作为燃料电池内含水量估计部的控制单元200基于堆内部电阻Rst和堆温度Ts来估计堆含水量Wst。
即，除了堆内部电阻Rst以外，还考虑对该堆内部电阻Rst造成影响的堆温度Ts，来估计堆含水量Wst。因而，能够更高精度地估计堆含水量Wst，因此能够更适当地进行基于估计出的堆含水量Wst的恢复控制的执行判断。
(第八实施方式)
下面，说明本发明的第八实施方式。此外，对与第一实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。在本实施方式中，特别是，作为在第一实施方式中说明的恢复控制，除了堆电流下降处理以外，还执行将阳极气体循环通路35内的气体中的杂质(氮、水等)排出到外部的放气处理。
图22是表示第八实施方式中的燃料电池系统100的结构的图。
如图所示，在本实施方式中，阳极气体供排装置3在燃料电池堆1的阳极出口附近具有隔着气液分离装置38设置的放气通路39。
气液分离装置38例如是离心分离式的装置。气液分离装置38将上述杂质分离为液体成分和气体成分。此外，分离出的液体成分从未图示的排出系统被排出到燃料电池系统100的外部，气体成分被放出到放气通路39。
放气通路39被设置成经由气液分离装置38来与阳极气体循环通路35连通，合流到比阴极气体压力调节阀27更靠下游侧的阴极排气排出通路26。放气通路39是将阳极气体循环通路35内的气体中包含的氮气、源自发电的生成水等的水分等杂质排出到外部的通路。
此外，经由放气通路39排出的杂质包含一定浓度的氢，但是该杂质在阴极排气排出通路26中与阴极排气混合，在氢浓度变为规定值以下的状态下被放出到燃料电池系统100的外部。
另外，在放气通路39上设置有放气阀40。放气阀40在其解除状态下经由放气通路39向阴极排气排出通路26排出杂质。此外，放气阀40的开闭由控制单元200来控制。
在具有上述结构的燃料电池系统100中，在本实施方式中，作为恢复控制，执行打开放气阀40的放气阀开阀处理。由此，水分从阳极气体循环通路35内经由放气通路39被排出，因此能够使向燃料电池堆1供给的阳极气体的水分含有量下降。
根据以上说明的本实施方式所涉及的燃料电池系统100，起到下面的作用效果。
在本实施方式的燃料电池系统100中，阳极气体供排装置3具有：作为循环路的阳极气体循环通路35，其与阳极流路121连通，使向燃料电池堆1供给的阳极气体循环；放气通路39，其与阳极气体循环通路35连通；以及放气阀40，其设置于放气通路49。
然后，作为恢复控制部的控制单元200进行放气阀40的开闭控制使得水分从阳极气体循环通路35排出，来作为上述恢复控制。
由此，在恢复控制中，水分从阳极气体循环通路35内经由放气通路39被排出，因此能够使向燃料电池堆1供给的阳极气体中的水分含有量下降。因而，促进阳极催化剂层112A内的水分量的下降，向阳极催化剂层112A与阴极催化剂层113A之间的水的浓度梯度变得更大的方向进行助长。由此，进一步促进从阴极催化剂层113A向电解质膜111的水分移动，因此能够更迅速地进行低温启动作业中的燃料电池堆1的输出性能的恢复。作为结果，有助于低温启动作业的进一步缩短化。
此外，作为本实施方式中的恢复控制的放气阀开阀处理也可以与第一实施方式、第二实施方式的堆电流下降处理以及第三实施方式的阳极气体供给流量增加处理中的至少一方一起执行。
以上说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的保护范围限定为上述实施方式的具体结构。
例如，恢复控制不限于在上述各实施方式中说明的方式。作为恢复控制的其它例，也可以执行向阳极112供给阳极气体以外的扩散效果比较高的任意的非活性气体等来去除阳极催化剂层112A中的水分的处理，使电解质膜111的水的浓度梯度变高。
另外，在上述各实施方式中执行零下启动处理之后进行恢复控制。然而，在虽然堆温度Ts小于0℃、但是不一定需要燃料电池堆1内的水分的解冻的情况下，作为低温启动作业，也可以不执行零下启动处理而仅执行恢复控制。
并且，在执行零下启动处理的情况下，如果尽管堆温度Ts小于0℃但是已达到能够进行恢复控制的温度(能够发生反扩散现象的温度)，则也可以使零下启动处理结束或者与零下启动处理一起执行恢复控制。由此，能够尽可能地提早开始恢复控制的时机来进一步缩短低温启动作业的时间。
另外，上述实施方式能够任意地组合。例如，第一实施方式～第三实施方式及第八实施方式分别示出了低温启动作业中的恢复控制的具体执行方式。并且，第四实施方式及第五实施方式示出了上述恢复控制的结束判断的具体执行方式。另外，第六实施方式及第七实施方式示出了是否执行上述恢复控制的判断的具体方式。
因而，至少第一实施方式～第三实施方式及第八实施方式所示的恢复控制的各执行方式、第四实施方式及第五实施方式所示的恢复控制的结束判断的各执行方式、以及第六实施方式及第七实施方式所示的判断是否执行恢复控制的各方式能够在基于本实施方式的公开范围想到的全部组合中进行组合。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池堆，其是层叠多个单电池而成的，该单电池包括在靠阳极和阴极的两面具备催化剂层的电解质膜、向阳极侧供给燃料气体的阳极流路以及向阴极侧供给氧化气体的阴极流路；
燃料气体调整装置，其对所述阳极流路的燃料气体进行调整；
氧化气体调整装置，其对所述阴极流路的氧化气体进行调整；以及
控制单元，其根据所述燃料电池堆的状态来控制所述燃料气体调整装置和所述氧化气体调整装置，
所述燃料电池系统还具备对所述阳极与所述阴极之间的所述电解质膜中的水的浓度梯度进行调整的浓度梯度调整装置，
所述控制单元具备：
作业判定部，其判定是低温启动时的作业还是通常运转时的作业；以及
恢复控制部，其当利用所述作业判定部判定为是所述低温启动时的作业时，执行利用所述浓度梯度调整装置使所述电解质膜的水的浓度梯度与通常运转时的作业相比增大的恢复控制，
在所述低温启动时使阴极催化剂中的水分向所述电解质膜移动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述浓度梯度调整装置具有对所述燃料电池堆的输出电流进行调节的输出电流调节装置，
所述恢复控制部利用所述输出电流调节装置使所述输出电流与基于要求负荷的要求输出电流相比下降，由此使所述电解质膜的水的浓度梯度增大。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述恢复控制部利用所述输出电流调节装置将所述输出电流调节成大致为零。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述浓度梯度调整装置包括所述燃料气体调整装置，
所述恢复控制部通过利用所述燃料气体调整装置使燃料气体供给流量与基于要求负荷的要求燃料气体供给流量相比增大，来使所述电解质膜的水的浓度梯度增大。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述恢复控制部具有恢复控制结束判断部，该恢复控制结束判断部判断是否处于所述恢复控制的结束时期，当判断为处于所述恢复控制的结束时期时结束所述恢复控制。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备对所述燃料电池堆和单电池中的至少任一方的输出电压进行检测的输出电压检测部，
所述恢复控制结束判断部在所述恢复控制中将以下的氧化气体增减处理执行至少一次：控制所述氧化气体调整装置来使向所述阴极流路供给的氧化气体供给流量减少之后增加，
所述恢复控制结束判断部基于所述氧化气体增减处理中的所述输出电压的特性，来判断所述恢复控制的结束时期。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述恢复控制结束判断部在所述氧化气体增减处理中的所述氧化气体供给流量的减少操作时，控制所述氧化气体调整装置以使所述氧化气体供给流量与基于要求负荷的要求氧化气体供给流量之比为1以下。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述恢复控制结束判断部在所述氧化气体增减处理中的所述氧化气体供给流量的增加操作时，在所述输出电压在规定时间以内达到规定阈值的情况下判断为处于所述恢复控制的结束时期。
9.根据权利要求6或7所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述恢复控制结束判断部对所述氧化气体供给流量的增加操作时的所述输出电压的时间微分值进行运算，来作为所述氧化气体增减处理中的所述输出电压的特性，
所述恢复控制结束判断部在所述时间微分值大于规定值的情况下，判断为处于所述恢复控制的结束时期。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述恢复控制部具有：
燃料电池内含水量估计部，其估计所述燃料电池堆内的含水量；以及
恢复控制执行判断部，其在估计出的所述含水量大于规定值的情况下执行所述恢复控制。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备检测所述燃料电池堆的内部电阻的内部电阻检测部，
所述燃料电池内含水量估计部基于所述燃料电池堆的内部电阻来估计所述含水量。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备检测所述燃料电池堆的温度的燃料电池温度检测部，
所述燃料电池内含水量估计部基于所述燃料电池堆的内部电阻和所述燃料电池堆的温度来估计所述含水量。
13.根据权利要求1～12中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料气体调整装置具有：循环路，其与所述阳极流路连通，使向所述燃料电池堆供给的燃料气体循环；放气通路，其与所述循环路连通；以及放气阀，其设置于所述放气通路，
所述恢复控制部以使水分从所述循环路排出的方式进行所述放气阀的开闭控制，来作为所述恢复控制。
14.一种具有燃料电池的燃料电池系统的控制方法，
判定是低温启动时的作业还是通常运转时的作业，
当判定为是低温启动时的作业时，执行使所述燃料电池的电解质膜的水的浓度梯度与通常运转时的作业相比增大的恢复控制。
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