JP2023158574A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の内部状態のばらつきに起因する燃料電池の電圧変動を抑制し、電極が有する触媒の発電性能の劣化を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、固体高分子製の電解質膜および空気極を有する燃料電池と、制御部とを備え、制御部は、電解質膜の相対湿度の現在値を取得し、取得した現在値が予め設定された目標値に近づく側へ相対湿度を変化させるように、相対湿度を調整可能なアクチュエータの作動を制御する第１制御を行うとともに、空気極の触媒の酸化被膜率の現在値を取得し、取得した現在値が予め設定された目標値に近づく側へ酸化被膜率を変化させるように、酸化被膜率を調整可能なアクチュエータの作動を制御する第２制御を行う。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の電圧変動によって、燃料電池の電極が有する触媒の発電性能が劣化することが知られている。そこで、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、制御部が燃料電池の目標電力の変動を小さくすることで、燃料電池の実際の電圧変動を抑制する。これにより、電圧変動に起因する触媒の性能劣化を抑えることができる。

特開２０２０－１４９８８２号公報

しかし、燃料電池の内部状態のばらつきによっても、燃料電池の電圧変動が生じる。この電圧変動によって、電極が有する触媒の発電性能が劣化する。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の内部状態のばらつきに起因する燃料電池の電圧変動を抑制し、電極が有する触媒の発電性能の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、
燃料電池システムは、
固体高分子製の電解質膜（２２）、電解質膜の一方側に配置された燃料極（２３）、および電解質膜の他方側に配置された空気極（２４）を有する燃料電池（２０）と、
燃料電池の内部状態を示す第１状態量を調整可能な第１アクチュエータ（４４）と、
第１状態量と異なる燃料電池の内部状態を示す第２状態量を調整可能な第２アクチュエータ（３７、３９、４１、４３、６１）と、
第１アクチュエータの作動および第２アクチュエータの作動を制御する制御部（７０）と、を備え、
制御部は、第１状態量の現在値を取得し、取得した第１状態量の現在値が予め設定された第１目標値に近づく側へ第１状態量を変化させるように、第１アクチュエータの作動を制御する第１制御を行うとともに、第２状態量の現在値を取得し、取得した第２状態量の現在値が予め設定された第２目標値に近づく側へ第２状態量を変化させるように、第２アクチュエータの作動を制御する第２制御を行う。

これによれば、燃料電池の内部状態のばらつきに起因する燃料電池の電圧変動を抑制することができる。このため、空気極が有する触媒の発電性能の劣化を抑制することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 第１実施形態の燃料電池の内部構造を示す模式図である。 第１実施形態の燃料電池システムが備える制御部の模式図である。 理想特性での燃料電池の出力電圧と出力電流との関係を示す図である。 本発明が解決する課題を説明するための燃料電池の出力電圧と出力電流との関係を示す図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部が行う膜湿度制御のフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムと比較例１の燃料電池システムとのそれぞれにおける燃料電池の電圧および膜湿度等のタイムチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部が行う触媒酸化被膜率制御の開始許可処理のフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部が行う触媒酸化被膜率制御のフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムと比較例２の燃料電池システムとのそれぞれにおける燃料電池の電圧および触媒酸化被膜率等のタイムチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部が行う運転制御のフローチャートである。 図１０のステップＳ３６の間欠運転処理のフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムと比較例３の燃料電池システムとのそれぞれにおける燃料電池の電圧および触媒酸化被膜率等のタイムチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部が行う拡散抵抗制御の開始許可処理のフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御部が行う拡散抵抗制御のフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムと比較例４の燃料電池システムとのそれぞれにおける燃料電池の電圧および拡散抵抗等のタイムチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムと比較例５の燃料電池システムとのそれぞれにおける燃料電池の電圧および膜湿度等のタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
図１に示す本実施形態の燃料電池システム１０は、車両駆動用の電源として、車両に搭載される。車両には、燃料電池システム１０の他に、駆動モータ１００が搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池（すなわち、ＦＣ）２０と、燃料ガス供給系３０と、酸化剤ガス供給系４０と、排ガス系５０と、電力回路６０と、を備える。

ＦＣ２０は、固体高分子形燃料電池である。ＦＣ２０は、図２に示す単セル２１が複数積層されたスタック構成を有している。単セル２１は、固体高分子製の電解質膜２２と、燃料極２３と、空気極２４とを有する。

電解質膜２２は、ＰＥＭとも呼ばれる。ＰＥＭは、Polymer Electrolyte Membraneの略称である。電解質膜２２は、プロトン伝導性を有する。燃料極２３は、電解質膜２２の一方側に配置される。燃料極２３には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。燃料極２３は、電子を放出するアノードである。空気極２４は、電解質膜２２の他方側に配置される。空気極２４には、酸化剤ガスとしての空気、すなわち、酸素ガスが供給される。空気極２４は、電子を受容するカソードである。

燃料極２３と空気極２４のそれぞれは、触媒層２３１、２４１と、撥水層２３２、２４２と、ガス拡散層２３３、２４３とを有する。

触媒層２３１、２４１は、触媒を含む層であり、ＣＬとも呼ばれる。ＣＬは、Catalyst Layerの略称である。より具体的には、触媒層２３１、２４１は、触媒粒子（例えば、Ｐｔ粒子）２５と、Ｐｔ粒子を担持する担持粒子２６と、担持粒子２６を保持するとともにプロトン伝導を担う図示しないアイオノマー等の高分子材料とを有する。

撥水層２３２、２４２は、水を凝縮させないようにガス拡散層２３３、２４３へ送る層である。撥水層２３２、２４２は、ＭＰＬとも呼ばれる。ＭＰＬは、Micro Porous Layerの略称である。

ガス拡散層２３３、２４３は、ガスを拡散させて均一に触媒層２３１、２４１に行き渡らせる層である。ガス拡散層２３３、２４３は、ＧＤＬとも呼ばれる。ＧＤＬは、Gas Diffusion Layerの略称である。

単セル２１のうち燃料極２３側には、水素ガスが流れる水素ガス流路２７が形成されている。単セル２１のうち空気極２４側には、空気が流れる空気流路２８が形成されている。

燃料極２３と空気極２４とのそれぞれでは、水素ガスと空気とが供給され、図２に示すように、下記の電気化学反応が生じる。

（燃料極）
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－
（空気極）
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ

なお、本実施形態では、ガス拡散層２３３、２４３と撥水層２３２、２４２とが別々に設けられているが、ガス拡散層２３３、２４３が撥水層を兼ねていてもよい。

図１に示す燃料ガス供給系３０は、ＦＣ２０へ燃料ガスとしての水素ガスを供給する。燃料ガス供給系３０は、燃料ガスタンク３１と、水素供給流路３２と、燃料ガス排出流路３３と、循環流路３４と、主止弁３５と、レギュレータ３６と、インジェクタ３７と、気液分離器３８と、循環ポンプ３９と、を有する。

燃料ガスタンク３１は、水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素供給流路３２を介してＦＣ２０に接続されている。水素供給流路３２は、ＦＣ２０へ供給される水素ガスが流れる流路である。燃料ガスタンク３１に貯蔵された水素ガスは、主止弁３５による水素供給流路３２の流路開閉と、レギュレータ３６での減圧と、インジェクタ３７からの吐出を経て、ＦＣ２０のアノード側流路に供給される。

燃料ガス排出流路３３は、ＦＣ２０から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。循環流路３４は、燃料ガス排出流路３３と、水素供給流路３２のうちインジェクタ３７よりも下流側の部位とに接続されている。循環流路３４を循環する水素の圧力は、循環ポンプ３９によって調節される。ＦＣ２０に供給される燃料ガス量は、インジェクタ３７および循環ポンプ３９の駆動量によって調節可能である。気液分離器３８は、燃料ガス排出流路３３と循環流路３４との接続部に設けられている。気液分離器３８は、アノードオフガス中の水とガスとを分離する。

酸化剤ガス供給系４０は、酸化剤ガスとしての空気をＦＣ２０へ供給する。酸化剤ガス供給系４０は、エアコンプレッサ４１と、空気供給流路４２と、分流弁４３と、加湿器４４と、を有する。

エアコンプレッサ４１は、空気を圧縮し、空気供給流路４２を介して、ＦＣ２０のカソード側流路に空気を供給する。空気供給流路４２は、ＦＣ２０に供給される空気が流れる流路である。分流弁４３は、空気供給流路４２のうち後述する空気バイパス流路５５との接続部に設けられる。加湿器４４は、空気供給流路４２のうちＦＣ２０の空気入口側に設けられる。加湿器４４は、ＦＣ２０の空気極２４へ水を供給する。

排ガス系５０は、ＦＣ２０から外部へオフガスを排出する。排ガス系５０は、排ガス流路５１と、調圧弁５２と、水素排出流路５３と、パージ弁５４と、空気バイパス流路５５と、を備える。

排ガス流路５１は、ＦＣ２０からカソードオフガスが排出される流路である。調圧弁５２は、排ガス流路５１に設けられており、ＦＣ２０中の空気の圧力を調整する。水素排出流路５３は、気液分離器３８と、排ガス流路５１とを接続している。水素排出流路５３には、パージ弁５４が設けられている。パージ弁５４は、アノードオフガス中の窒素濃度が高くなったとき、あるいは、気液分離器３８中の水の量が多くなったときに、開弁して、気液分離器３８から水とガスとを排出する。パージ弁５４を介して排出されるアノードオフガス中の水素は、排ガス流路５１を流れることで、カソードオフガスにより希釈される。空気バイパス流路５５は、空気供給流路４２と、排ガス流路５１とを接続する。

電力回路６０は、ＦＣ２０に接続されている。電力回路６０には、駆動モータ１００および図示しない種々の補機が接続されている。電力回路６０は、ＦＣ昇圧コンバータ（すなわち、ＦＤＣ）６１と、インバータ６２と、バッテリコンバータ６３と、バッテリ６４と、バッテリセンサ６５と、を有する。

ＦＣ昇圧コンバータ６１は、ＦＣ２０の出力電圧を駆動モータ１００で利用可能な高電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。インバータ６２は、ＦＣ昇圧コンバータ６１で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、駆動モータ１００に供給する。駆動モータ１００は、車両の車輪を駆動するモータであり、車両の減速時には回生して回生電力を発生させる。

バッテリコンバータ６３は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。バッテリコンバータ６３は、ＦＣ昇圧コンバータ６１で昇圧された電圧や駆動モータ１００の回生運転で生じた電圧を降圧して、バッテリ６４に供給する。また、バッテリコンバータ６３は、バッテリ６４の電圧を昇圧して、インバータ６２に供給する。

バッテリ６４は、充放電可能な蓄電装置である。バッテリ６４は、ＦＣ２０が発電した電力、駆動モータ１００からの回線電力を蓄電する。バッテリ６４は、駆動モータ１００を含む負荷に電力を供給する。バッテリセンサ６５は、バッテリ６４に接続されており、バッテリ６４の電圧、電流および充電状態（すなわち、ＳＯＣ）を検知する。ＳＯＣは、「State Of Charge」の略である。

燃料電池システム１０は、図３に示す制御部７０を備える。制御部７０は、マイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力ポートと、を有する。制御部７０は、燃料電池システム１０の発電制御を行うとともに、電力回路６０を含む車両全体の制御を行なう。

制御部７０は、車両に設けられた複数のセンサ７１からの出力信号を取得する。複数のセンサ７１としては、燃料電池システム１０の各部に設けられたセンサ、アクセル開度センサ、シフトポジションセンサ、外気温センサ、および車速センサが挙げられる。燃料電池システム１０の各部に設けられたセンサとしては、ＦＣ２０の温度を検出する温度センサ７２、ＦＣ２０が出力する電流を検出する電流センサ７３、バッテリセンサ６５が挙げられる。

そして、制御部７０は、車両における発電や走行等に係る各種アクチュエータ８１に駆動信号を出力することで、各種アクチュエータ８１の作動を制御する。各種アクチュエータ８１としては、インジェクタ３７、循環ポンプ３９、エアコンプレッサ４１、分流弁４３、ＦＣ昇圧コンバータ６１等が挙げられる。

図４Ａに示すように、ＦＣ２０の理想特性では、ＦＣ２０の出力電流と出力電圧とは一対一の関係がある。しかし、本発明が適用されていない場合、図４Ｂに示すように、ＦＣ２０の出力電流に対するＦＣ２０の出力電圧の大きさに、ばらつきがある。すなわち、出力電流がある値のときの出力電圧の値に、ばらつきがある。このばらつきの要因の１つは、ＦＣ２０の内部状態のばらつきである。

ＦＣ２０の内部状態としては、電解質膜２２の乾湿の状態、空気極２４の触媒を覆う酸化被膜の形成状態、空気極２４の空気（すなわち、酸素ガス）のガス拡散状態が挙げられる。電解質膜２２の湿度が変動すると、ＦＣ２０の出力電圧が変動する。空気極２４の触媒の表面積に対して、表面積を覆う酸化被膜の割合が変動すると、ＦＣ２０の出力電圧が変動する。空気極２４に生成する凝縮水によって空気の拡散性が変動すると、ＦＣ２０の出力電圧が変動する。

ここで、ＦＣ２０の出力電流が１００Ａ以下等の低負荷のとき、セル電圧は０．８Ｖ以上の高電位となる。空気極２４において、セル電圧が高電位のとき、触媒である白金（すなわち、Ｐｔ）粒子の表面上に酸化被膜（すなわち、ＰｔＯ）が形成される。また、セル電圧が高電位のとき、Ｐｔのイオン化による溶出が生じる。一方、セル電圧が０．６Ｖ以下の低電位のとき、酸化被膜が還元されて消失する。

ＦＣ２０の内部状態のばらつきによるＦＣ２０の出力電圧の変動幅が大きいと、セル電圧が低電位となって触媒の酸化被膜が消失し、この状態でセル電圧が高電位となる時間が長くなる。溶出と析出の繰り返しにより粒子が粗大化することで、触媒の有効表面積が低下し、発電性能が低下する。このため、Ｐｔの溶出による触媒のＥＣＳＡの低下、すなわち、発電性能の劣化が促進される。ＥＣＳＡは、Electrochemically active surface area（すなわち、電気化学的有効表面積）の略称である。

そこで、本実施形態では、制御部７０は、ＦＣ２０の内部状態を検出し、ＦＣ２０の内部状態を目標の状態にする制御を行う。

まず、ＦＣ２０の内部状態の検出について説明する。制御部７０は、ＦＣ２０の内部状態を示す複数の状態量を取得する。複数の状態量のうち１つの状態量は、電解質膜２２の相対湿度である。以下では、電解質膜２２の相対湿度は、膜湿度とも呼ばれる。複数の状態量のうち他の１つの状態量は、空気極２４の触媒の酸化被膜率である。以下では、空気極２４の触媒の酸化被膜率は、触媒酸化被膜率とも呼ばれる。複数の状態量のうち他の１つの状態量は、空気極２４のガス拡散抵抗である。以下では、空気極２４のガス拡散抵抗は、拡散抵抗とも呼ばれる。

［膜湿度の算出］
制御部７０は、下記の式（１－１）～式（１－４）に示す抵抗過電圧のモデル式と、抵抗過電圧の値と、センサの値と、定数とを用いて、モデル式中の未知パラメータであるσ_{ＰＥＭｒｅｆ}を算出する。

これらの式中の記号の内容は、表１に示す通りである。

抵抗過電圧の値は、インピーダンスから求められる。具体的には、ＦＣ２０における交流インピーダンスを測定することによって、ＦＣ２０における内部抵抗を構成するオーム抵抗Ｒ_ｏｈｍ、反応抵抗Ｒ_ａｃｔ、拡散抵抗Ｒ_ｇａｓの値をそれぞれ導き出すことができることが知られている。そして、下記の式（１－５）に示す通り、抵抗過電圧ΔＶ_ｏｈｍとオーム抵抗Ｒ_ｏｈｍとの間には、一定の関係がある。すなわち、オーム抵抗Ｒ_ｏｈｍとＦＣ電流ｉの積が抵抗過電圧ΔＶ_ｏｈｍである。この関係を用いて、導き出されたオーム抵抗Ｒ_ｏｈｍから抵抗過電圧ΔＶ_ｏｈｍの値を求めることができる。

センサの値は、電流センサ７３で計測されるＦＣ運転時でのＦＣ電流ｉの値である。式中の各定数の値は、制御部７０が有する記憶部に予め記憶されている。なお、劣化によって変化が考えられる定数(例えば、ＰＥＭ厚さ、ＧＤＬ／ＭＰＬ抵抗)は、経時的に緩やかに変化する傾向である。このため、膜湿度およびセンサの値が固定となる運転条件下にて検出した抵抗過電圧の検出結果の差から劣化分を学習した値が、定数の値として用いられてもよい。

σ_{ＰＥＭｒｅｆ}を算出した後、制御部７０は、σ_{ＰＥＭｒｅｆ}から膜湿度を算出する。σ_{ＰＥＭｒｅｆ}と膜湿度との間には所定の関係がある。この関係を示すマップは実験によって求められる。この関係を示すマップが記憶部に記憶されており、制御部７０は、この関係を示すマップを用いて、σ_{ＰＥＭｒｅｆ}の算出値から膜湿度を求めることができる。

［触媒酸化被膜率の算出］
上記の膜湿度の算出によって膜湿度が既知となった後、制御部７０は、下記に示す式（２－１）、式（２－２）のカソード活性化過電圧のモデル式と、カソード活性化過電圧の値と、センサの値と、定数の値とを用いて、モデル式中の未知パラメータであるＥＣＳＡを算出する。

これらの式中の記号の内容は、表２に示す通りである。

カソード活性化過電圧の値は、インピーダンスから求められる。上記の通り、ＦＣ２０における交流インピーダンスを測定することによって、反応抵抗Ｒ_ａｃｔの値を導き出すことができる。そして、下記の式（２－３）に示す通り、カソード活性化過電圧ΔＶ_ａｃｔと反応抵抗Ｒ_ａｃｔとの間には、所定の関係がある。この所定の関係は、ＦＣ電流、ＦＣ温度等の諸条件での関係である。この関係を示すマップが実験によって求められる。この関係を示すマップが記憶部に記憶されており、制御部７０は、この関係を示すマップを用いて、カソード活性化過電圧ΔＶ_ａｃｔの値を求めることができる。

センサの値は、電流センサ７３で計測されるＦＣ運転時でのＦＣ電流の値と、温度センサ７２で計測されるＦＣ運転時でのＦＣ温度の値である。ＥＣＳＡ温度湿度依存係数Ｃ^ＲＨ _ＥＣＳＡは、物理式またはマップを用いて、膜湿度から算出される。式中の各定数の値は、制御部７０が有する記憶部に予め記憶されている。

ＥＣＳＡを算出した後、制御部７０は、ＥＣＳＡから触媒酸化被膜率を算出する。触媒酸化被膜率は、ＥＣＳＡの算出値と、ＥＣＳＡの初期値との比として、算出される。なお、ＥＣＳＡは、酸化被膜の影響により可逆的に変化し、かつ劣化によって経時的に緩やかに変化する。このため、酸化被膜が無く、各パラメータが固定となる条件下にて検出した活性化過電圧の検出結果の差から劣化分を学習したものが学習値として、初期値のかわりに用いられてもよい。

［ガス拡散抵抗の算出］
上記の膜湿度の算出によって膜湿度が既知となり、上記の触媒酸化被膜率の算出によって触媒酸化被膜率が既知となった後、制御部７０は、下記に示す式（３－１）～式（３－４）のカソード濃度過電圧のモデル式と、センサ値と、定数とを用いて、式中の未知パラメータであるガス拡散抵抗を算出する。

これらの式中の記号の内容は、表３に示す通りである。

カソード濃度過電圧の値は、インピーダンスから求められる。上記の通り、ＦＣ２０における交流インピーダンスを測定することによって、拡散抵抗Ｒ_ｇａｓの値を導き出すことができる。そして、下記の式（３－５）に示す通り、カソード濃度過電圧ΔＶ_ｃｎｃと拡散抵抗Ｒ_ｇａｓとの間には、所定の関係がある。この所定の関係は、ＦＣ電流、ＦＣ温度等の諸条件での関係である。この関係を示すマップが実験によって求められる。この関係を示すマップが記憶部に記憶されており、制御部７０は、この関係を示すマップを用いて、カソード濃度過電圧ΔＶ_ｃｎｃの値を求めることができる。

センサの値は、電流センサ７３で計測されるＦＣ運転時でのＦＣ電流の値と、温度センサ７２で計測されるＦＣ運転時でのＦＣ温度の値と、流量センサで計測されるＦＣ運転時にＦＣ２０に供給される空気流量（すなわち、エア流量）の値である。触媒細孔Ｏ_２モル濃度ｍ_ｏ２は、物理式またはマップを用いて、エア流量の値から算出される。式中の各定数の値は、制御部７０が有する記憶部に予め記憶されている。

なお、拡散抵抗は、空気流路内の凝縮水の影響により可逆的に変化し、かつＧＤＬ／ＭＰＬの機械的変化による劣化によって、経時的に緩やかに変化する。このため、凝縮水の影響が無く、各パラメータが固定となる条件下にて検出した濃度過電圧の検出結果の差から拡散抵抗初期および劣化分を学習してもよい。

次に、制御部７０が行うＦＣ２０の内部状態を目標の状態にする制御について説明する。

［膜湿度制御］
システム要求出力が負荷運転基準値よりも大きい場合に、燃料電池システム１０の負荷運転が行われる。負荷運転基準値は、０よりも大きく、０に近い値である。負荷運転時に、制御部７０は、膜湿度を膜湿度の目標値に近づける膜湿度制御を行う。具体的には、制御部７０は、図５に示す制御処理を実行する。図５に示す制御処理は、その実行が停止されるまで、繰り返される。図５中に示したステップは、各種機能を実現する機能部に対応するものである。このことは、他の図においても同様である。

図５に示すように、ステップＳ１１で、制御部７０は、膜湿度の現在値を取得する。このとき、膜湿度の現在値は、上記した算出方法によって算出される。

続いて、ステップＳ１２で、制御部７０は、ステップＳ１１で取得した膜湿度の現在値と、制御部７０に記憶されている膜湿度の目標値とを用いて、膜湿度の目標値からの膜湿度の現在値の差であるΔ膜湿度を算出する。膜湿度の目標値は、理想的な数値であり、例えば、８０％前後の数値である。

続いて、ステップＳ１３で、制御部７０は、ステップＳ１２で算出したΔ膜湿度の絶対値が予め定められた所定値以上か否かを判定する。ステップＳ１３で、ＮＯ判定の場合、制御部７０は、本処理を一旦終了する。ステップＳ１３で、ＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４で、制御部７０は、ステップＳ１２で算出したΔ膜湿度が負の値か否かを判定する。

膜湿度の現在値が膜湿度の目標値よりも大きく、Δ膜湿度が負の値の場合、ステップＳ１４で、制御部７０はＹＥＳ判定する。この場合、制御部７０は、ステップＳ１５に進み、膜湿度を減少させるように、加湿器４４の加湿量を減少させる。これにより、膜湿度の現在値が膜湿度の目標値に近づく側へ膜湿度が変化する。その後、制御部７０は、本処理を一旦終了する。

その一方で、膜湿度の現在値が膜湿度の目標値よりも小さく、Δ膜湿度が正の値の場合、ステップＳ１４で、制御部７０はＮＯ判定する。この場合、制御部７０は、ステップＳ１６に進み、膜湿度を増大させるように、加湿器４４の加湿量を増大させる。これにより、膜湿度の現在値が膜湿度の目標値に近づく側へ膜湿度が変化する。その後、制御部７０は、本処理を一旦終了する。

このように、制御部７０は、膜湿度の現在値を取得する。制御部７０は、その取得した膜湿度の現在値が予め設定された膜湿度の目標値に近づく側へ膜湿度を変化させるように、加湿器４４の作動を制御する。本実施形態では、膜湿度が、第１状態量に対応する。膜湿度の目標値が、第１目標値に対応する。加湿器４４が、第１状態量の調整が可能な第１アクチュエータに対応する。上記の加湿器４４の作動の制御が、第１制御に対応する。

ここで、本実施形態と比較例１とを対比する。比較例１では、制御部７０は、ＦＣ２０の運転条件から電解質膜２２が過乾燥の状態であると判定した場合に、空気極２４内の空気の圧力を増大させる等により、膜湿度を増大させる制御を行う。

この場合、図６中の波線で示すように、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２まで、時間の経過に伴って膜湿度が減少することで、時間の経過に伴ってＦＣ２０の電圧が減少する。時刻ｔ１２が、過乾燥の状態であると判定された時刻である。時刻ｔ１２以降では、時間の経過に伴って膜湿度が上昇することで、時間の経過に伴ってＦＣ２０の電圧が増大する。このため、時刻ｔ１１と時刻ｔ１２のそれぞれのＦＣ２０の電圧値を比較してわかるように、ＦＣ２０の電圧の変動幅が大きい。

これに対して、本実施形態では、制御部７０は、上記の膜湿度制御を行う。この場合、図６に示すように、ＦＣ２０の空気極２４の入口エア加湿量が調整される。これにより、膜湿度は、図６中の実線で示すように、膜湿度の目標値に近い値に維持される。このため、ＦＣ２０の電圧は、図６中の実線で示すように変動する。よって、本実施形態によれば、ＦＣ２０の電圧の変動幅を、比較例１よりも小さくすることができる。

このように、本実施形態によれば、膜湿度が目標値に近づくように制御される。このため、膜湿度のばらつきによる電圧変動を小さくすることができる。よって、空気極２４が有する触媒の発電性能の劣化を抑制することができる。

なお、膜湿度の調整が可能なアクチュエータとして、加湿器４４の他に、エアコンプレッサ４１、調圧弁５２を用いてもよい。エアコンプレッサ４１および調圧弁５２によって、エア流量を調整することで、膜湿度を調整することができる。調圧弁５２によって、空気圧力（すなわち、エア圧力）を調整することで、膜湿度を調整することができる。エア圧力が上がると、エア流量が減少し、膜湿度が下がりにくくなる。エア圧力が下がると、エア流量が増大し、膜湿度が下がる。ＦＣ２０の負荷運転時では、ＦＣ２０へ発電に必要な量の空気が供給されるようにするため、膜湿度の調整が可能なアクチュエータとして、加湿器４４と調圧弁５２を用いることが好ましい。

［触媒酸化被膜率制御］
また、負荷運転時に、制御部７０は、システム要求出力の大きさに応じて、ＦＣ２０の出力（すなわち、ＦＣ出力）を調整する。これに加えて、制御部７０は、触媒酸化被膜率を触媒酸化被膜率の目標値に近づける触媒酸化被膜率制御を行う。

本実施形態では、制御部７０は、触媒酸化被膜率制御を行う前に、図７に示す処理を行う。ステップＳ１０１で、図５のステップＳ１１と同様に、制御部７０は、膜湿度の現在値を取得する。続いて、ステップＳ１０２で、図５のステップＳ１２と同様に、制御部７０は、Δ膜湿度を算出する。

続いて、ステップＳ１０３で、制御部７０は、算出したΔ膜湿度の絶対値が予め定められた所定値未満か否かを判定する。このとき、膜湿度制御がすでに行われた場合、所定値未満になるので、制御部７０は、ＹＥＳ判定して、ステップＳ１０４に進む。膜湿度制御が行われていない場合、所定値未満にならないので、制御部７０は、ＮＯ判定して、ステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０４で、制御部７０は、触媒酸化被膜率制御の開始許可をする。触媒酸化被膜率制御の開始許可がされた場合に、制御部７０は、触媒酸化被膜率制御を行う。すなわち、制御部７０は、膜湿度制御を行った後、触媒酸化被膜率制御を行う。

触媒酸化被膜率制御では、制御部７０は、図８に示す制御処理を実行する。図８に示す制御処理は、その実行が停止されるまで、繰り返される。

図８に示すように、ステップＳ２１で、制御部７０は、触媒酸化被膜率の現在値を取得する。このとき、触媒酸化被膜率の現在値は、上記した算出方法によって算出される。図８に示す制御処理が所定間隔で繰り返されることで、触媒酸化被膜率の現在値の取得は、定期的（例えば、１ｓｅｃ毎）に行われる。

続いて、ステップＳ２２で、制御部７０は、ステップＳ２１で算出した触媒酸化被膜率の現在値と、制御部７０に記憶されている触媒酸化被膜率の目標値とを用いて、触媒酸化被膜率の目標値からの触媒酸化被膜率の現在値の差であるΔ被膜率を算出する。

続いて、ステップＳ２３で、制御部７０は、ステップＳ２２で算出したΔ被膜率の絶対値が予め定められた所定値以上か否かを判定する。ステップＳ２３で、ＮＯ判定の場合、制御部７０は、本処理を一旦終了する。ステップＳ２３で、ＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４で、制御部７０は、ステップＳ２２で算出したΔ被膜率が負の値か否かを判定する。

ステップＳ２４において、触媒酸化被膜率の現在値が触媒酸化被膜率の目標値よりも大きく、Δ被膜率が負の値の場合、制御部７０はＹＥＳ判定する。この場合、制御部７０は、ステップＳ２５に進み、バッテリ６４のＳＯＣが所定値未満か否かを判定する。ＮＯ判定の場合、制御部７０は、本処理を一旦終了する。ＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ２６に進み、ＦＣ２０の電圧が被膜還元用電圧になるように、ＦＣ２０の出力（すなわち、ＦＣ出力）を補正するとともに、バッテリ６４が充電状態になるように、バッテリ６４の出力（すなわち、ＢＡＴ出力）を補正する。

被膜還元用電圧とは、還元により触媒酸化被膜が減少する電圧であり、例えば、セル電圧が０．７Ｖよりも低い電圧である。被膜還元用電圧になるように、ＦＣ出力を補正するとは、ＦＣ出力を上昇させることである。制御部７０は、ＦＣ出力を上昇させるために、ＦＣ昇圧コンバータ６１からの電流指令が大きくなり、水素ガスおよび空気の供給量が増大するように、インジェクタ３７、循環ポンプ３９、エアコンプレッサ４１、分流弁４３、ＦＣ昇圧コンバータ６１の作動を制御する。これにより、触媒酸化被膜率の現在値が触媒酸化被膜率の目標値に近づく側へ、触媒酸化被膜率が変化する。

また、制御部は、システム要求出力に対してのＦＣ出力の余剰分がバッテリ６４に充電されるように、バッテリコンバータ６３の作動を制御する。その後、制御部７０は、本処理を一旦終了する。

また、ステップＳ２４において、触媒酸化被膜率の現在値が触媒酸化被膜率の目標値よりも小さく、Δ被膜率が正の値の場合、制御部７０はＮＯ判定する。この場合、制御部７０は、ステップＳ２７に進み、バッテリ６４のＳＯＣが所定値以上か否かを判定する。ＮＯ判定の場合、制御部７０は、本処理を一旦終了する。ＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ２８に進み、ＦＣ２０の電圧が被膜生成用電圧になるように、ＦＣ出力を補正するとともに、ＢＡＴ出力が不足分補完出力になるように、ＢＡＴ出力を補正する。

被膜生成用電圧とは、触媒酸化被膜が生成される電圧であり、例えば、セル電圧が０．８Ｖよりも高い電圧である。被膜生成用電圧になるように、ＦＣ出力を補正するとは、ＦＣ出力を低下させることである。制御部７０は、ＦＣ出力を低下させるために、ＦＣ昇圧コンバータ６１からの電流指令が小さくなり、水素ガスおよび空気の供給量が減少するように、インジェクタ３７、循環ポンプ３９、エアコンプレッサ４１、分流弁４３、ＦＣ昇圧コンバータ６１の作動を制御する。これにより、触媒酸化被膜率の現在値が触媒酸化被膜率の目標値に近づく側へ、触媒酸化被膜率が変化する。

不足分補完出力とは、システム要求出力に対してＦＣ出力では不足する分を補完する出力である。制御部７０は、システム要求出力に対しての不足を補完する大きさの電力をバッテリ６４に出力させるように、バッテリコンバータ６３の作動を制御する。その後、制御部７０は、本処理を一旦終了する。

このように、制御部７０は、触媒酸化被膜率の現在値を取得する。制御部７０は、その取得した触媒酸化被膜率の現在値が予め設定された触媒酸化被膜率の目標値に近づく側へ触媒酸化被膜率を変化させるように、インジェクタ３７、循環ポンプ３９、エアコンプレッサ４１、分流弁４３、ＦＣ昇圧コンバータ６１の作動を制御する。本実施形態では、触媒酸化被膜率が、第２状態量に対応する。触媒酸化被膜率の目標値が、第２目標値に対応する。インジェクタ３７、循環ポンプ３９、エアコンプレッサ４１、分流弁４３、ＦＣ昇圧コンバータ６１が、第２状態量を調整可能な第２アクチュエータに対応する。上記のインジェクタ３７等の作動の制御が、第２制御に対応する。

ここで、本実施形態と比較例２とを対比する。図９のタイムチャートにおいて、破線が比較例２であり、実線が本実施形態である。時刻ｔ２０から時刻ｔ２２までが、システム要求出力が高負荷基準値よりも低い低負荷時である。時刻ｔ２２から時刻ｔ２４までが、システム要求出力が高負荷基準値よりも高い高負荷時である。時刻ｔ２４の経過後が、低負荷時である。

比較例２では、図９に示すように、時刻ｔ２０から時刻ｔ２２までの低負荷時に、制御部７０は、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた低い出力値とする。時刻ｔ２２から時刻ｔ２４までの高負荷時に、制御部７０は、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた高い出力値とする。時刻ｔ２４の経過後の低負荷時に、制御部７０は、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた低い出力値とする。

比較例２では、低負荷のときに、ＦＣ出力が低く、セル電位が０．８Ｖよりも高い高電位となる。このため、触媒の酸化被膜が増大し、図９に示すように、時間の経過とともに触媒酸化被膜率が増大する。また、比較例２では、高負荷のときに、ＦＣ出力が高く、セル電位が０．７Ｖよりも低い低電位となる。このため、還元によって触媒の酸化被膜が減少し、時間の経過とともに触媒酸化被膜率が減少する。比較例２では、低負荷から高負荷に切り替わったとき、触媒の酸化被膜が増大した状態で、ＦＣが所望の電力を出力するため、電圧が大きく低下する。このため、図９に示すように、低負荷時と高負荷時での電圧の差が大きく、すなわち、電圧変動幅が大きい。

本実施形態では、図９の時刻ｔ２０からｔ２１までの期間に示す通り、基本的に、比較例２と同様に、低負荷時に、制御部７０は、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた低い出力値とする。触媒酸化被膜率の現在値が目標値を上回る場合であって、バッテリ６４が充電可能な状態である場合、制御部７０は、触媒酸化被膜率制御において、図８のステップＳ２６を行う。これにより、図９の時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間に、制御部７０は、ＦＣ２０の電圧が被膜還元用電圧になるように、ＦＣ出力を上昇させ、その際のＦＣ余剰出力をバッテリ６４に充電させる。

そして、図９の時刻ｔ２２の低負荷から高負荷に転じるタイミングで、制御部７０は、電圧が低い側であるＦＣ出力を上昇させて、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた高い出力値とする。このとき、制御部７０は、バッテリ６４へのＦＣ余剰出力の充電を停止させる。

高負荷時に、触媒酸化被膜率の現在値が目標値を下回る場合であって、バッテリ６４が出力可能な状態である場合、制御部７０は、触媒酸化被膜率制御において、図８のステップＳ２８を行う。これにより、図９の時刻ｔ２３から時刻ｔ２４までの期間に、制御部７０は、ＦＣ２０の電圧が被膜生成用電圧になるように、ＦＣ出力を低下させ、その際に不足する電力を補完するように、バッテリ６４の出力を上昇させる。

そして、図９の時刻ｔ２４の高負荷から低負荷に転じるタイミングで、制御部７０は、電圧が高い側であるＦＣ出力を低下させて、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた低い出力値とするとともに、バッテリ６４からの出力を停止させる。その後、図９の時刻ｔ２５では、時刻ｔ２１と同じことが行われる。

上記の説明の通り、本実施形態によれば、低負荷時の時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間において、比較例２と比較して、触媒酸化被膜率を低くすることができる。この状態で、低負荷から高負荷に切り替わるため、比較例２と比較して、高負荷時の発電効率を高くすることができる。これにより、図９中の領域Ａ１に示されるように、ＦＣ出力を同じ大きさとして比較したときに、比較例２と比較して、高負荷時のＦＣ２０の電圧を高くすることができる。このため、比較例２と比較して、低負荷時と高負荷時での電圧の差を小さくすることができる。すなわち、電圧変動幅を小さくすることができる。

このように、本実施形態によれば、触媒酸化被膜率が目標値に近づくように制御される。このため、触媒酸化被膜率のばらつきによる電圧変動を小さくすることができる。よって、空気極２４が有する触媒の発電性能の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、制御部７０は、膜湿度制御を行った後、触媒酸化被膜率制御を行う。膜湿度が低いと、触媒酸化被膜率の検出精度が低い。触媒酸化被膜率制御のとき、制御部７０は、膜湿度がその目標値に近い状態で、触媒酸化被膜率を検出する。よって、触媒酸化被膜率の検出精度を高めることができる。

［間欠運転処理］
また、制御部７０は、システム要求出力が負荷運転基準値よりも小さく、ＦＣ２０からの電力供給が不要な場合に、燃料電池システム１０の間欠運転を行う。例えば、アクセルがオフであり、システム要求出力が０の場合に、間欠運転が行われる。間欠運転は、ＦＣ２０への空気供給を間欠的に行う運転である。間欠運転は、ＦＣ２０の電圧を所定の大きさに維持するために、ＦＣ出力を低く抑えつつ、ＦＣ２０に発電させる運転である。間欠運転は、発電を制限しながらも少量の発電は継続するものに限らず、ＦＣ２０による発電を完全に停止する運転モードであってもよい。

ここで、本実施形態と異なり、システム要求出力が負荷運転基準値よりも小さい場合に、ＦＣ２０への水素ガスおよび空気の供給が停止され、ＦＣ２０の発電が停止される。この状態からシステム要求出力が負荷運転基準値よりも大きくなると、起動運転が必要となり、負荷運転へ移行するまでに、時間がかかる。そこで、本実施形態では、システム要求出力が負荷運転基準値よりも小さい場合に、間欠運転を行う。これにより、システム要求出力が０から負荷運転基準値よりも大きな状態に切り替わったときに、起動運転を行わずに、負荷運転への切り替えが可能となる。

スタートスイッチＳＴがＯＮにされたとき、制御部７０は、図１０の制御処理を開始する。まず、ステップＳ３１で、制御部７０は、起動時の間欠運転を実施する。間欠運転の実施では、制御部７０は、ＦＣ２０への空気の供給と停止とが交互に繰り返されるように、エアコンプレッサ４１の作動を制御する。制御部７０は、最小限の水素ガス消費量で、水素ガスの供給が連続して行われるように、インジェクタ３７等の作動を制御する。

続いて、ステップＳ３２で、制御部７０は、システム要求出力が負荷運転基準値以上であるか否かを判定する。ＮＯ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３１に戻り、起動時の間欠運転を継続する。ＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３３に進み、負荷運転を実施する。負荷運転では、制御部７０は、ＦＣ出力をシステム要求出力に応じた出力値となるように、インジェクタ３７、エアコンプレッサ４１等の作動を制御する。

続いて、ステップＳ３４で、制御部７０は、負荷運転時の触媒酸化被膜率を取得する。このとき、触媒酸化被膜率は、上記した算出方法によって算出される。

続いて、ステップＳ３５で、制御部７０は、システム要求出力が負荷運転基準値未満か否かを判定する。ＮＯ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３３に戻り、負荷運転を継続する。これにより、システム要求出力が負荷運転基準値以上のとき、負荷運転が継続され、触媒酸化被膜率が定期的に取得される。

ステップＳ３５でＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３６に進み、間欠運転処理を行う。

間欠運転処理を実施した後、制御部７０は、ステップＳ３７に進み、システム要求出力が負荷運転基準値未満であるか否かを判定する。ＮＯ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３３に進み、負荷運転を実施する。これにより、間欠運転中に要求出力が高くなると、間欠運転から負荷運転に切り替えられる。

ステップＳ３７でＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３８に進み、スタートスイッチＳＴがＯＦＦであるか否かを判定する。ステップＳ３８で、ＮＯ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３６に戻り、間欠運転処理を行う。ステップＳ３８でＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ３９に進み、燃料電池システム１０の運転を停止させる。

次に、ステップＳ３６の間欠運転処理について説明する。まず、図１１のステップＳ４１で、制御部７０は、バッテリ６４のＳＯＣが所定値未満であるか否かを判定する。すなわち、制御部７０は、バッテリ６４が充電可能な状態であるかどうかを判定する。

ステップＳ４１において、ＳＯＣが所定値以上であり、バッテリ６４が充電不可能な状態である場合、制御部７０は、ＮＯ判定し、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２で、制御部７０は、通常の間欠運転時のＦＣ電圧設定を行う。その後、制御部７０は、ステップＳ４５に進む。

ステップＳ４１において、ＳＯＣが所定値未満であり、バッテリ６４が充電可能な状態である場合、制御部７０は、ＹＥＳ判定し、ステップＳ４３に進む。ステップＳ４３で、制御部７０は、間欠運転前のＦＣ電圧調整を行う。ＦＣ電圧調整が完了した後、制御部７０は、ステップＳ４４に進む。ステップＳ４４で、制御部７０は、間欠運転時のＦＣ電圧設定を行う。その後、制御部７０は、ステップＳ４５に進む。

ステップＳ４５で、制御部７０は、間欠運転を実施する。すなわち、エア流量が０の状態と０よりも大きな所定値の場合とが交互に繰り返されるように、制御部７０は、エアコンプレッサ４１および分流弁４３の作動を制御する。このとき、ステップＳ４２またはステップＳ４４で設定されたＦＣ電圧となるように、制御部７０は、ＦＣ２０に供給されるエア流量を調整する。間欠運転を実施した後、制御部７０は、間欠運転処理を終了する。

ここで、本実施形態と比較例３とを対比する。比較例３では、図１０の制御処理のうちステップＳ３６で行う間欠運転処理が本実施形態と異なる。また、比較例３では、図１０の制御処理のうちステップＳ３４が行われない。図１０の制御処理のうち他の部分は、第１実施形態と同じである。

図１２のタイムチャートにおいて、破線が比較例３であり、実線が本実施形態である。図１２には、燃料電池システム１０の運転初期に、システム要求出力が負荷運転基準値よりも低い場合が例として示されている。運転初期は、スタートスイッチＳＴがＯＮにされて、燃料電池システム１０の運転が開始された直後からの所定期間である。時刻ｔ４０で、スタートスイッチＳＴがＯＮにされる。時刻ｔ４０から時刻ｔ４１までの期間が運転初期である。運転初期では、システム要求出力は、０または０に近く、負荷運転基準値よりも低い。

本実施形態と比較例３のどちらも、時刻ｔ４０以降に、制御部７０のステップＳ３１の実行により、起動時の間欠運転が行われる。すなわち、ＦＣ２０へ供給されるエア流量（すなわち、スタック供給エア流量）が０よりも大きい所定値の状態と０の状態とが交互に繰り返される。起動時の間欠運転では、平均電圧Ｖ２が高く、セル電圧が０．７Ｖ～０．８Ｖの高電位となる。このため、時間の経過に伴って、触媒の酸化被膜が増大し、触媒酸化被膜率が増大する。

時刻ｔ４１以降で、システム要求出力が負荷運転基準値よりも高い値になると、本実施形態と比較例３のどちらも、制御部７０のステップＳ３２、Ｓ３３の実行により、負荷運転が行われる。空気が連続して供給され、ＦＣ出力がシステム要求出力に応じた出力値とされる。

時刻ｔ４３以降で、システム要求出力が負荷運転基準値よりも低い値になると、比較例３では、制御部７０のステップＳ３６の実行により、負荷運転後の間欠運転が行われる。この負荷運転後の間欠運転では、空気の供給が停止され、ＦＣ出力が０とされる。その後、起動時の間欠運転と同様に、エア流量が０よりも大きい所定値の状態と０の状態とが交互に繰り返される。

時刻ｔ４５以降で、システム要求出力が負荷運転基準値よりも高い値になると、比較例３では、制御部７０のステップＳ３７、Ｓ３３の実行により、負荷運転が行われる。すなわち、システム要求出力に応じたエア流量で、連続的に空気が供給される。ＦＣ出力がシステム要求出力に応じた出力値とされる。

このように、比較例３では、システム要求出力が負荷運転基準値よりも高い値から負荷運転基準値よりも低い値に切り替わったとき、ＦＣ出力が直ちに０にされ、間欠運転が行われる。ＦＣ出力が急激に低下されると、ＦＣ２０の内部では、水素ガスと空気とがともにリッチの状態のため、ＦＣ２０の電圧が急上昇し、セル電圧が０．７Ｖ～０．８Ｖの高電位となる。このため、間欠運転時では、時間の経過ともに触媒酸化被膜率が増大する。その後、システム要求出力が負荷運転基準値よりも低い値から負荷運転基準値よりも高い値に切り替わり、負荷運転が行われる。このとき、触媒酸化被膜率が高い状態で、負荷運転が行われるので、ＦＣ２０の電圧が大きく低下する。このため、システム要求出力が負荷運転基準値よりも低いときと高いときでの電圧の差が大きい。すなわち、電圧変動幅が大きい。

本実施形態では、比較例３と異なり、時刻ｔ４２等の負荷運転中、制御部７０は、ステップＳ３４の実行により、定期的に触媒酸化被膜率を取得する。時刻ｔ４３以降で、システム要求出力が負荷運転基準値よりも低い値になると、制御部７０は、ステップＳ３６の間欠運転処理を行う。この間欠運転処理では、バッテリ６４が充電可能な状態であれば、制御部７０は、ステップＳ４３の実行により、間欠運転前のＦＣ電圧調整を行う。

間欠運転前のＦＣ電圧調整では、制御部７０は、ステップＳ３４で取得した触媒酸化被膜率の現在値と、触媒酸化被膜率の目標値とを比較し、現在値と目標値との差に応じて、ＦＣ電圧が狙いの電圧となるように、ＦＣ出力およびエア流量を調整する。狙いの電圧は、酸化被膜が還元される電圧であり、０．７Ｖよりも低いセル電位である。セル電位を０．７Ｖから下げるほど、還元が早くなる。

具体的には、触媒酸化被膜率の現在値が目標値よりも大きければ、触媒酸化被膜が還元される電圧となるように、制御部７０は、ＦＣ出力を徐々に低下させるとともに、余剰となるＦＣ出力をバッテリ６４に充電させる。ＦＣ出力を徐々に低下させることは、ＦＣ２０に供給される水素ガス流量およびエア流量を徐々に減らし、ＦＣ昇圧コンバータ６１からの電流指令を小さくすることで実現される。水素ガス流量は、インジェクタ３７、循環ポンプ３９によって調整される。エア流量は、エアコンプレッサ４１、分流弁４３によって調整される。

ＦＣ出力が徐々に低下することで、電圧の急上昇を抑制することができる。エア流量が徐々に低下することで、ＦＣ２０の内部がエア不足になり、ＩＶ性能が悪化する。ＩＶ性能をあえて悪化させることで、電圧が過大になることを抑制することができる。

時刻ｔ４４で、ＦＣ出力が０になり、ＦＣ電圧の調整が完了すると、制御部７０は、ステップＳ４４の間欠運転時のＦＣ電圧設定を行う。このとき、間欠運転時の平均電圧Ｖ１が、ＦＣ電圧調整時の電圧に維持されるように、間欠運転時のエア流量が起動時の間欠運転と比較して少なく設定される。

時刻ｔ４４以降で、制御部７０のステップＳ４５の実行により、間欠運転が行われる。すなわち、エア流量が０の状態と所定値の状態とが交互に繰り返される。このときのエア流量の所定値は、上記の通り、起動時の間欠運転と比較して少ない。なお、間欠運転時の平均電圧が、ＦＣ電圧調整時の電圧に維持されるように、制御部７０は、必要に応じてエアの供給タイミングを調整してもよい。

その後、時刻ｔ４５以降で、システム要求出力が負荷運転基準値よりも大きな値になると、比較例３と同様に、負荷運転が行われる。

このように、本実施形態では、システム要求出力が負荷運転基準値よりも高い値から負荷運転基準値よりも低い値に切り替わったとき、ＦＣ出力が徐々に減少されて０になった後に、間欠運転が行われる。ＦＣ出力が徐々に減少されることで、セル電位が０．７Ｖよりも低い低電位とされる。この間欠運転では、起動時の間欠運転と比較して、空気流量が少なくされることで、セル電位が低電位に維持される。これにより、触媒の酸化被膜が還元され、触媒酸化被膜率が低下する。

その後、システム要求出力が負荷運転基準値よりも低い値から負荷運転基準値よりも高い値に切り替わり、負荷運転が行われる。このとき、触媒酸化被膜率が低い状態で、負荷運転が行われるので、比較例３と比較して、高負荷時の発電効率を高くすることができる。これにより、図１２中の領域Ａ２に示されるように、ＦＣ出力を同じ大きさとして比較したときに、比較例３と比較して、ＦＣ２０の電圧を高くすることができる。このため、比較例３と比較して、起動時の間欠運転時と負荷運転時の電圧の差を小さくすることができる。すなわち、電圧変動幅を小さくすることができる。よって、空気極２４が有する触媒の発電性能の劣化を抑制することができる。

［拡散抵抗制御］
制御部７０は、負荷運転時等のＦＣ２０の発電時に、拡散抵抗を拡散抵抗の目標値に近づける拡散抵抗制御を行う。

本実施形態では、制御部７０は、拡散抵抗制御を行う前に、図１３に示す処理を行う。
ステップＳ２０１で、図８のステップＳ２１と同様に、制御部７０は、触媒酸化被膜率の現在値を取得する。続いて、ステップＳ２０２で、図８のステップＳ２２と同様に、Δ被膜率を算出する。

続いて、ステップＳ２０３で、制御部７０は、算出したΔ被膜率の絶対値が予め定められた所定値未満か否かを判定する。このとき、触媒酸化被膜率制御がすでに行われた場合、所定値未満になるので、制御部７０は、ＹＥＳ判定して、ステップＳ２０４に進む。触媒酸化被膜率制御が行われていない場合、所定値未満にならないので、制御部７０は、ＮＯ判定して、ステップＳ２０１に戻る。

ステップＳ２０４で、制御部７０は、拡散抵抗制御の開始許可をする。拡散抵抗制御の開始許可がされた場合に、制御部７０は、拡散抵抗制御を行う。すなわち、制御部７０は、被膜率制御を行った後、拡散抵抗制御を行う。

拡散抵抗制御では、制御部７０は、図１４に示す制御処理を実行する。図１４に示す制御処理は、その実行が停止されるまで、繰り返される。

図１４に示すように、ステップＳ５１で、制御部７０は、拡散抵抗の現在値を取得する。このとき、拡散抵抗の現在値は、上記した算出方法によって算出される。

続いて、ステップＳ５２で、制御部７０は、ステップＳ５１で取得した拡散抵抗の現在値と、制御部７０に記憶されている拡散抵抗の目標値とを用いて、拡散抵抗の目標値からの拡散抵抗の現在値の差であるΔ拡散抵抗値を算出する。

続いて、ステップＳ５３で、制御部７０は、ステップＳ５２で算出したΔ拡散抵抗値の絶対値が予め定められた所定値以上か否かを判定する。ステップＳ５３で、ＮＯ判定の場合、制御部７０は、本処理を一旦終了する。ステップＳ５３で、ＹＥＳ判定の場合、制御部７０は、ステップＳ５４に進む。

ステップＳ５４で、制御部７０は、ステップＳ５２で算出したΔ拡散抵抗値が負の値か否かを判定する。

拡散抵抗の現在値が拡散抵抗の目標値よりも大きく、Δ拡散抵抗値が負の値の場合、ステップＳ１４で、制御部７０はＹＥＳ判定する。この場合、制御部７０は、ステップＳ５５に進み、拡散抵抗値を減少させるように、エアコンプレッサ４１と分流弁４３の少なくとも一方の作動を制御して、空気流量を増大させる。これにより、拡散抵抗の現在値が拡散抵抗の目標値に近づく側へ、拡散抵抗値が変化する。その後、制御部７０は、本処理を一旦終了する。

その一方で、拡散抵抗の現在値が拡散抵抗の目標値よりも小さく、Δ拡散抵抗値が正の値の場合、ステップＳ５４で、制御部７０はＮＯ判定する。この場合、制御部７０は、ステップＳ５６に進み、拡散抵抗値を増大させるように、エアコンプレッサ４１と分流弁４３の少なくとも一方の作動を制御して、空気流量を減少させる。これにより、拡散抵抗値の現在値が拡散抵抗値の目標値に近づく側へ、拡散抵抗値が変化する。その後、制御部７０は、本処理を一旦終了する。

このように、制御部７０は、拡散抵抗の現在値を取得する。制御部７０は、その取得した拡散抵抗の現在値が予め設定された拡散抵抗の目標値に近づく側へ拡散抵抗を変化させるように、エアコンプレッサ４１と分流弁４３の少なくとも一方の作動を制御する。本実施形態では、拡散抵抗が、第３状態量に対応する。拡散抵抗の目標値が、第３目標値に対応する。エアコンプレッサ４１と分流弁４３は、第３状態量の調整が可能な第３アクチュエータに対応する。上記のエアコンプレッサ４１等の制御が、第３制御に対応する。

ここで、本実施形態と比較例４とを対比する。比較例４では、本実施形態と異なり、制御部７０は、ＦＣ２０の運転状態からフラッディング（すなわち、空気極２４の内部の水詰まり）が生じたと判定したときに、エア流量を増大させる。

この場合、図１５に示すように、ＦＣ出力が０よりも大きな所定値のとき、時刻ｔ５１以前では、ＦＣ２０の発電によって水が生成するため、時間が経過するにつれて、拡散抵抗が大きくなる。時刻ｔ５１で、フラッディングが生じたと判定されることで、エア流量が増大される。時刻ｔ５１以降では、時刻ｔ５１の前と比較して、エアストイキ比が大きくなる。比較例４では、フラッディングが生じたと判定されるまで、拡散抵抗が増大する。拡散抵抗が増大することで、ＦＣ２０の電圧が低下する。このため、ＦＣ２０の電圧変動幅が大きい。

これに対して、本実施形態では、制御部７０は、上記の拡散抵抗制御を行う。この場合、図１５に示すように、エア流量が調整され、拡散抵抗が目標値に近い値に維持される。ＦＣ２０の発電中に常にエア流量が調整されるため、エアストイキ比が常に変動する。拡散抵抗が目標値に近い値に維持されるため、図１５の領域Ａ３に示すように、ＦＣ２０の電圧変動幅を、比較例４よりも小さくすることができる。

このように、本実施形態によれば、拡散抵抗が目標値に近づくように制御される。このため、拡散抵抗のばらつきによる電圧変動を小さくすることができる。よって、空気極２４が有する触媒の発電性能の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、制御部７０は、膜湿度制御および触媒酸化被膜率制御を行った後、拡散抵抗制御を行う。このため、拡散抵抗制御のとき、制御部７０は、膜湿度および触媒酸化被膜率がそれぞれの目標値に近い状態で、拡散抵抗を検出する。このため、拡散抵抗の検出精度を高めることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、制御部７０は、膜湿度制御を行った後に、拡散抵抗制御を行う。膜湿度制御と拡散抵抗制御のそれぞれの制御内容は、第１実施形態と同じである。本実施形態では、膜湿度が第１状態量に対応する。膜湿度制御が第１制御に対応する。加湿器４４が第１アクチュエータに対応する。拡散抵抗が第２状態量に対応する。拡散抵抗制御が第２制御に対応する。エアコンプレッサ４１と分流弁４３が第２アクチュエータに対応する。

ここで、本実施形態と比較例５とを対比する。図１６のタイムチャートにおいて、破線が比較例５であり、実線が本実施形態である。膜湿度が第１状態量に対応する。拡散抵抗が第２状態量に対応する。

比較例５では、時刻ｔ６１に、制御部７０は、膜湿度制御と拡散抵抗制御とを同時に開始する。時刻ｔ６１のとき、膜湿度の現在値が目標値よりも低い。このため、制御部７０は、膜湿度の現在値を目標値に近づけるために、加湿量を増大させる。加湿量が増大すると、空気極２４の内部に凝縮水が発生し、拡散抵抗が増大する。拡散抵抗の現在値が目標値よりも大きくなると、制御部７０は、拡散抵抗の現在値を目標値に近づけるために、エア流量を増大させる。エア流量が増大すると、電解質膜からの水持ち去り量が増大し、膜湿度が低下する。

このように、比較例５では、一つの状態量を調整可能なアクチュエータを操作すると、その操作量が別の状態量に影響を及ぼす。すなわち、別の状態量が目標値から離れる側へ変動する。このため、膜湿度、拡散抵抗のそれぞれの状態量は、目標値に近づいたり、目標値から離れたりの変動を繰り返す。それぞれの状態量が目標値に近づくまでに時間がかかる。また、膜湿度、拡散抵抗のそれぞれの状態量が変動することで、ＦＣ２０の出力電圧が変動する。

これに対して、本実施形態では、制御部７０は、時刻ｔ６１に膜湿度制御を開始する。そして、膜湿度制御によって膜湿度が目標値に近づいた後である時刻ｔ６２に、制御部７０は、拡散抵抗制御を開始する。換言すると、制御部７０は、膜湿度制御を行うときに、エア流量を調整するアクチュエータの作動の膜湿度に対しての影響が小さくなるように、加湿器の作動およびエア流量を調整するアクチュエータの作動を制御する。さらに、換言すると、制御部７０は、膜湿度制御を行うときに、エア流量を調整するアクチュエータの作動によって膜湿度が目標値から離れる側へ変化することが抑制されるように、エア流量を調整するアクチュエータの作動を制御する。

これによれば、膜湿度制御に対して拡散抵抗制御が邪魔にならない。膜湿度が目標値に近づいたり、目標値から離れたりの変動を小さくすることができる。このため、膜湿度制御を開始してから膜湿度が目標値に近づくまでにかかる時間を短くすることができる。

さらに、拡散抵抗制御のときでは、先に調整した膜湿度が目標値に近いので、拡散抵抗制御の影響による膜湿度の変動が小さく済む。このため、拡散抵抗制御に対しての膜湿度制御の影響が小さく済む。拡散抵抗が目標値に近づいたり、目標値から離れたりの変動を小さくすることができる。

このように、膜湿度および拡散抵抗の変動が小さくなることで、図１６に示すように、本実施形態によれば、比較例５と比較して、ＦＣ２０の電圧変動を小さく抑えることができる。よって、空気極２４が有する触媒の発電性能の劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態では、制御部７０は、膜湿度を検出し、膜湿度の現在値を目標値に近づける膜湿度制御を行う。しかしながら、制御部７０は、膜湿度に替えて、Ｈ^＋伝導度（すなわち、プロトン伝導度）を検出し、Ｈ^＋伝導度の現在値を目標値に近づける制御を行ってもよい。Ｈ^＋伝導度は、膜湿度と所定の関係があり、膜湿度に関する物理量である。

（他の実施形態）
（１）上記した実施形態では、膜湿度、触媒酸化被膜率、拡散抵抗の算出は、モデル式を用いて行われるが、センサ値等の変数を入力とする多次元マップを用いて行われてもよい。

（２）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（３）本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウエア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリーと一つ以上のハードウエア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

２０ 燃料電池
２２ 電解質膜
２４ 空気極
３７ インジェクタ
３９ 循環ポンプ
４１ エアコンプレッサ
４３ 分流弁
４４ 加湿器
６１ ＦＣ昇圧コンバータ
７０ 制御部

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   固体高分子製の電解質膜（２２）、前記電解質膜の一方側に配置された燃料極（２３）、および前記電解質膜の他方側に配置された空気極（２４）を有する燃料電池（２０）と、
   前記燃料電池の内部状態を示す第１状態量を調整可能な第１アクチュエータ（４４）と、
   前記第１状態量と異なる前記燃料電池の内部状態を示す第２状態量を調整可能な第２アクチュエータ（３７、３９、４１、４３、６１）と、
   前記第１アクチュエータの作動および前記第２アクチュエータの作動を制御する制御部（７０）と、を備え、
   前記制御部は、前記第１状態量の現在値を取得し、取得した前記第１状態量の現在値が予め設定された第１目標値に近づく側へ前記第１状態量を変化させるように、前記第１アクチュエータの作動を制御する第１制御を行うとともに、前記第２状態量の現在値を取得し、取得した前記第２状態量の現在値が予め設定された第２目標値に近づく側へ前記第２状態量を変化させるように、前記第２アクチュエータの作動を制御する第２制御を行う、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記第１制御を行うときに、前記第２アクチュエータの作動によって前記第１状態量が前記第１目標値から離れる側へ変化することが抑制されるように、前記第２アクチュエータ（４１、４３）の作動を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１状態量は、前記電解質膜の相対湿度または前記相対湿度に関する物理量であり、
   前記第２状態量は、前記空気極のガス拡散抵抗であり、
   前記制御部は、前記第１制御を行った後、前記第２制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１状態量は、前記電解質膜の相対湿度または前記相対湿度に関する物理量であり、
   前記第２状態量は、前記空気極が有する触媒の酸化被膜率であり、
   前記制御部は、前記第１制御を行った後、前記第２制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池の内部状態を示す第３状態量としての前記空気極のガス拡散抵抗を調整可能な第３アクチュエータ（４１、４３）を備え、
   前記制御部は、前記第２制御を行った後、前記第３状態量の現在値を取得し、取得した前記第３状態量の現在値が予め設定された第３目標値に近づく側へ前記第３状態量を変化させるように、前記第３アクチュエータの作動を制御する第３制御を行う、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１状態量と前記第２状態量との一方は、前記空気極が有する触媒の酸化被膜率である、請求項１に記載の燃料電池システム。

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