WO2017098783A1

WO2017098783A1 - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム

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Publication number: WO2017098783A1
Application number: PCT/JP2016/078833
Authority: WO
Inventors: 雅士佐藤
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-06-15
Also published as: CA3007912A1; CN108370046A; KR101986060B1; JP6508358B2; EP3389126A4; EP3389126B1; KR20180075699A; CN108370046B; US10312537B2; CA3007912C; EP3389126A1; US20180358636A1; JPWO2017098783A1

Abstract

負荷の要求出力に応じて燃料電池の発電を選択的に停止し、運転停止時に間欠的に燃料電池にカソードガスを供給するアイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システムの制御方法を提供する。燃料電池システムの制御方法では、アイドルストップ運転中における燃料電池の出力電圧の上限値及び下限値を設定し、燃料電池の出力電圧が上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給し、燃料電池の湿潤状態を検出し、アイドルストップ運転中における燃料電池の湿潤状態が適正となる湿潤適正範囲を設定し、検出した燃料電池の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定する。燃料電池の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲から外れたと判定した場合には、燃料電池の出力電圧を再設定するとともに、燃料電池の出力電圧が再設定した出力電圧の上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給する。

Description

燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム

　本発明は、アイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに関する。

　従来、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車（電気自動車）が提案されている。このような燃料電池システムでは、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸化剤ガス）とを燃料電池（燃料電池スタック）に供給し、電気化学反応により発電させることにより、後段の駆動モータに発電した電力を供給している。

　この燃料電池自動車では、低速走行時や一時停止中等の低負荷時（下り坂の走行時を含む）や燃料電池の発電効率が低下するような運転時には、燃料電池システム全体の稼動を停止状態にすることなく、以下のような制御を行っている。すなわち、このような状態では、発電に直接係わるカソードガス用のコンプレッサ等の燃料電池システムを駆動するために用いられる補機類の動作を停止して燃料電池による発電を停止し燃料電池をアイドルストップ状態とし、２次電池のみからの給電によりモータを駆動するといった制御を行っている。

　ＪＰ２０１２－８９５２３Ａには、アノードガス循環型の燃料電池システムにおいて、アイドルストップ運転中（アイドルストップ状態）に空気（カソードガス）を間欠的に供給することにより、燃料電池スタックの出力電圧又はセル電圧を所定の範囲内で脈動させる燃料電池システムが開示される。

　このような燃料電池システムでは、アイドルストップ運転中におけるカソードガスの間欠供給により、燃料電池スタック内のアノードガス流路からリークする残留アノードガスとカソードガス流路内のカソードガスとが反応して、カソードガス流路中の酸素濃度が低減するのを防止している。これにより、アイドルストップ状態から通常発電状態に復帰する際の不具合を防止することができる。

　また、アイドルストップ運転中における出力電圧又はセル電圧に上限を設けることにより、カソードガスの過剰供給による燃料電池スタックの出力電圧の上昇を抑制して、燃料電池内の電解質膜の劣化が進むのを防止することができる。

　しかしながら、上述のような従来の燃料電池システムでは、アイドルストップ運転時に燃料電池スタックにカソードガスを間欠的に供給するものの、燃料電池内の電解質膜の湿潤状態を正確に把握して制御していないという問題があった。

　本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、アイドルストップ機能を備える燃料電池システムにおいて、アイドルストップ運転中の燃料電池内の湿潤状態を適切に制御するとともに、アイドルストップ運転からの復帰時に燃料電池の出力を安定させることができる燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

　本発明のある態様によれば、燃料電池システムの制御方法は、負荷の要求出力に応じて燃料電池の発電を選択的に停止し、運転停止時に間欠的に燃料電池にカソードガスを供給するアイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システムの制御方法である。この燃料電池システムの制御方法は、アイドルストップ運転中における燃料電池の出力電圧の上限値及び下限値を設定するステップと、燃料電池の出力電圧が上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給するステップと、アイドルストップ運転中に、燃料電池の湿潤状態を検出するステップと、アイドルストップ運転中における燃料電池の湿潤状態が適正となる湿潤適正範囲を設定するステップと、を含む。また、燃料電池システムの制御方法は、検出した燃料電池の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定するステップと、検出した燃料電池の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲から外れたと判定した場合には、燃料電池の出力電圧の設定した上限値を高めるように再設定するステップと、をさらに含む。そして、燃料電池システムの制御方法は、燃料電池の出力電圧の上限値を高めるように再設定した場合には、カソードガス供給ステップでは、燃料電池の出力電圧が再設定した上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給する。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示す図である。図２は、図１に示す燃料電池スタックの内部インピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置の回路図である。図３は、本実施形態における燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成の一例を示すブロック図である。図４は、図１に示す燃料電池スタックのＩ－Ｖ特性を示すグラフである。図５は、図１に示す燃料電池スタックの出力電流とスタック水収支との関係を示す図である。図６は、本発明の第１実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。図７は、本発明の第１実施形態におけるコントローラにより実行されるアイドルストップ判定処理の一例を示すフローチャートである。図８は、図７のアイドルストップ判定処理のサブルーチンであるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。図９は、図８のアイドルストップ運転処理のサブルーチンである出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。図１０は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成の一例を示すブロック図である。図１１は、本発明の第２実施形態におけるコントローラにより実行される出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。図１２は、本発明の第２実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートの一例である。図１３は、本発明の第２実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートの別の例である。図１４は、本発明の第３実施形態におけるコントローラにより実行される出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。図１５は、本発明の第３実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。図１６は、本発明の第４実施形態におけるコントローラにより実行されるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。図１７は、本発明の第４実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。図１８は、本発明の第５実施形態におけるコントローラにより実行されるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。図１９は、図１８のアイドルストップ判定処理のサブルーチンである出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。図２０は、本発明の第５実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。図２１は、本発明の第６実施形態におけるコントローラにより実行されるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。図２２は、本発明の第６実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の全体構成の一例を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、図示しない強電バッテリ及び駆動モータを備える電気自動車（燃料電池自動車）において、この燃料電池（燃料電池スタック）を駆動源の１つとして用いられるものである。

　燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して発電に必要となるアノードガス（水素）及びカソードガス（空気）を外部から供給して、電気負荷の要求に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムを構成する。本実施形態の燃料電池システム１００及びそのコントローラ２００は、後述するように、アイドルストップ中の燃料電池スタック１の出力電圧及びカソードガスの供給における制御に特化している。そのため、以下の説明では、アイドルストップ中の制御に特化して説明し、通常の制御や公知の制御については適宜その説明を省略している。

　燃料電池システム１００は、図１に示すように、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、負荷装置５と、インピーダンス測定装置６と、コントローラ２００とを含む。

　燃料電池スタック１は、負荷装置５としての駆動モータから要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、負荷装置５に接続されて負荷装置５に電力を供給する。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流の電圧を生じる。

　図示しないが、燃料電池スタック１は、各燃料電池の電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟んで構成される。燃料電池スタック１の運転時には、アノード電極では、水素がイオン化して、水素イオンと電子が生成される。また、カソード電極では、アノード電極で生成され、カソードガス流路側にリークした水素イオンと、システムを循環した電子と、供給された酸素とが反応して、水が生成される。

　カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガス（酸化剤ガス）を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。すなわち、カソードガス給排装置２は、燃料電池の電解質膜に酸化剤（空気）を供給する酸化剤供給手段を構成する。

　カソードガス給排装置２は、図１に示すように、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、流量センサ２３と、圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを含む。

　カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

　コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１に設けられる。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端から酸素を含有する空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ２２の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。

　流量センサ２３は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。流量センサ２３は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量のことを単に「カソードガス流量」ともいう。この流量センサ２３により検出したカソードガス流量データは、コントローラ２００に出力される。

　圧力センサ２４は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。この圧力センサ２４により検出したカソードガス圧力データは、コントローラ２００に出力される。

　カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２５の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。

　カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ２００によってその開閉が制御される。この開閉制御によってカソードガス圧力が所望の圧力に調節される。カソード調圧弁２６の開度が大きくなるほど、カソード調圧弁２６が開き、カソードオフガスの排出量が増加する。一方、カソード調圧弁２６の開度が小さくなるほど、カソード調圧弁２６が閉じ、カソードオフガスの排出量が減少する。

　アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガス（燃料ガス）を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させる装置である。すなわち、アノードガス給排装置３は、燃料電池の電解質膜に燃料（水素）を供給する燃料供給手段を構成する。

　アノードガス給排装置３は、図１に示すように、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、エゼクタ３４と、アノードガス循環通路３５と、アノード循環ポンプ３６と、圧力センサ３７と、パージ弁３８とを含む。

　高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

　アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

　アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１とエゼクタ３４との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ２００によってその開閉が制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が調節される。

　エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。エゼクタ３４は、アノードガス供給通路３２に対してアノードガス循環通路３５が合流する部分に設けられる機械式ポンプである。エゼクタ３４をアノードガス供給通路３２に設けることにより、簡易な構成で燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させることができる。

　エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスの流速を加速させて負圧を生じさせることにより、燃料電池スタック１からのアノードオフガスを吸引する。エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスとともに、吸引したアノードオフガスを燃料電池スタック１に吐出する。

　エゼクタ３４は、具体的には図示しないが、例えば、アノード調圧弁３３から燃料電池スタック１に向かって開口を狭くした円錐状のノズルと、燃料電池スタック１からアノードオフガスを吸引する吸引口を備えたディフューザとにより構成される。なお、本実施形態では、アノードガス供給通路３２とアノードガス循環通路３５との接合部にエゼクタ３４を用いているが、この接合部は、単にアノードガス供給通路３２にアノードガス循環通路３５を合流させる構成であってもよい。

　アノードガス循環通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスと、高圧タンク３１からアノード調圧弁３３を介して燃料電池スタック１に供給されるアノードガスとを混合させて、アノードガス供給通路３２に循環させる通路である。アノードガス循環通路３５の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端は、エゼクタ３４の吸引口に接続される。

　アノード循環ポンプ３６は、アノードガス循環通路３５に設けられる。アノード循環ポンプ３６は、エゼクタ３４を介して燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させる。アノード循環ポンプ３６の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。これにより、燃料電池スタック１を循環するアノードガス（及びアノードオフガス）の流量が調整される。以下では、燃料電池スタック１を循環するアノードガスの流量のことを「アノードガス循環流量」という。

　ここで、コントローラ２００は、アノード循環ポンプ３６の単位時間当たりの回転数と、後述する燃料電池スタック１内の温度（又は、図示しない温度センサにより検出されるアノードガス給排装置３の雰囲気温度）と、後述する圧力センサ３７により検出されるアノードガス循環通路３５内のアノードガスの圧力とに基づいて、標準状態の流量として、アノードガス循環流量を推定（演算）する。

　圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３７は、アノードガス循環系におけるアノードガスの圧力を検出する。この圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力データは、コントローラ２００に出力される。

　パージ弁３８は、アノードガス循環通路３５から分岐したアノードガス排出通路に設けられる。パージ弁３８は、アノードオフガスに含まれる不純物を外部に排出する。不純物とは、燃料電池スタック１内の燃料電池のカソードガス流路（図示せず）から電解質膜を透過してきたカソードガス中の窒素ガスや、発電に伴うアノードガスとカソードガスの電気化学反応により生成される水（生成水）などのことである。パージ弁３８の開度や開閉頻度は、コントローラ２００によって制御される。

　なお、図示しないが、アノードガス排出通路は、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５に合流する。これにより、パージ弁３８から排出されるアノードオフガスはカソードガス排出通路２５内でカソードオフガスと混合される。これにより、混合ガス中の水素濃度を排出許容濃度（４％）以下に制御することができる。

　負荷装置５は、燃料電池スタック１から供給される発電電力を受けることにより駆動する。負荷装置５は、例えば、車両を駆動する駆動モータ（電動モータ）や、燃料電池スタック１の発電を補助する補機の一部、駆動モータを制御する制御ユニットなどによって構成される。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２や、アノード循環ポンプ３６、図示しない冷却水ポンプなどが挙げられる。なお、冷却水ポンプは、燃料電池スタック１を冷却する冷却水を循環させるためのポンプである。

　また、負荷装置５は、燃料電池スタック１の出力側に、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含むとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータと駆動モータとの間に、直流電力を交流電力に変換する駆動インバータを含んでもよい。この場合、駆動モータに対して燃料電池スタック１と電気的に並列になるように、高圧バッテリが設けられてもよい。さらに、負荷装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータと高圧バッテリとの間の電力線に補機の一部を接続する構成であってもよい。なお、負荷装置５を制御する制御ユニット（図示せず）は、燃料電池スタック１に要求する要求電力をコントローラ２００に出力する。例えば、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力は大きくなる。

　負荷装置５と燃料電池スタック１との間の電力線には、電流センサ５１と電圧センサ５２とが配置される。

　電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負荷装置５との間の電力線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流を燃料電池スタック１の出力電流として検出する。電流センサ５１により検出したスタック出力電流データは、コントローラ２００に出力される。

　電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電位差である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック１の端子間電圧のことを「スタック出力電圧」又は単に「出力電圧」という。電圧センサ５２により検出したスタック出力電圧データは、コントローラ２００に出力される。

　インピーダンス測定装置６は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する装置である。燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜の湿潤状態と相関がある。そのため、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定することにより、その測定結果に基づいて、電解質膜の湿潤状態（湿潤度）を検出（推定）することができる。

　一般に、電解質膜の含水量が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは小さくなる。このため、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが用いられる。

　ここで、インピーダンス測定装置６の構成を説明する。図２は、図１に示す燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置６の回路図である。実線により示される接続は、電気的な接続を示し、破線（ダッシュ線）で示される接続は、電気信号の接続を示す。

　このインピーダンス測定装置６は、燃料電池スタック１の正極端子（カソード極側端子）１ｐから伸びる端子１Ｂと、負極端子（アノード極側端子）１ｎから伸びる端子１Ａと、中途端子１Ｃとに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分は図に示すようにアースされている。

　図２に示すように、インピーダンス測定装置６は、正極側電圧センサ６２と、負極側電圧センサ６３と、正極側電源部６４と、負極側電源部６５と、交流調整部６６と、インピーダンス演算部６１と、を備えている。

　正極側電圧センサ６２は、端子１Ｂと中途端子１Ｃとに接続され、所定の周波数における中途端子１Ｃに対する端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を測定し、交流調整部６６及びインピーダンス演算部６１にその測定結果を出力する。負極側電圧センサ６３は、中途端子１Ｃと端子１Ａとに接続され、所定の周波数における中途端子１Ｃに対する端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を測定し、交流調整部６６及びインピーダンス演算部６１にその測定結果を出力する。

　正極側電源部６４は、例えば、図示しないオペアンプによる電圧電流変換回路によって実現され、端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる閉回路に所定の周波数の交流電流Ｉ１が流れるように、交流調整部６６により制御される。また、負極側電源部６５は、例えば、オペアンプ（ＯＰアンプ）による電圧電流変換回路によって実現され、端子１Ａと中途端子１Ｃからなる閉回路に所定の周波数の交流電流Ｉ２が流れるように、交流調整部６６により制御される。

　ここで、「所定の周波数」とは、電解質膜のインピーダンスを検出（測定）するのに適した周波数である。以下、この所定の周波数のことを「電解質膜応答周波数」という。

　交流調整部６６は、例えば、図示しないＰＩ制御回路によって実現され、上述のような交流電流Ｉ１、Ｉ２が各閉回路に流れるように、正極側電源部６４及び負極側電源部６５への指令信号を生成する。このように生成された指令信号に応じて正極側電源部６４及び負極側電源部６５の出力が増減されることにより、各端子間の交流電位差Ｖ１及びＶ２がともに所定のレベル（所定値）に制御される。これにより、交流電位差Ｖ１及びＶ２は等電位になる。

　インピーダンス演算部６１は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含む。インピーダンス演算部６１は、各部６２，６３，６４，６５から入力された交流電圧（Ｖ１、Ｖ２）及び交流電流（Ｉ１、Ｉ２）をＡＤ変換器によりデジタル数値信号に変換し、インピーダンス測定のための処理を行う。

　具体的には、インピーダンス演算部６１は、正極側交流電位差Ｖ１の振幅を交流電流Ｉ１の振幅で除算することにより、中途端子１Ｃから端子１Ｂまでの第１インピーダンスＺ１を算出する。また、インピーダンス演算部６１は、負極側交流電位差Ｖ２の振幅を交流電流Ｉ２の振幅で除算することにより、中途端子１Ｃから端子１Ａまでの第２インピーダンスＺ２を演算する。さらに、インピーダンス演算部６１は、第１インピーダンスＺ１と第２インピーダンスＺ２を加算することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを演算する。

　なお、負荷装置５としてＤＣ／ＤＣコンバータを備えている場合には、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する際に、コントローラ２００は、まず、そのＤＣ／ＤＣコンバータに燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧させればよい。これにより、駆動インバータから燃料電池スタック１側を見た場合のインピーダンスが上昇し、負荷変動があってもインピーダンス測定に悪影響を与えないという効果を奏する。

　図２では、図示の都合上、端子１Ｂ及び端子１Ａを燃料電池スタック１の各出力端子に直接的に接続するように示している。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１００では、このような結線に限らず、端子１Ｂ及び端子１Ａは、燃料電池スタック１内に積層される複数の燃料電池の最も正極側の燃料電池の正極端子と、最も負極側の燃料電池の負極端子とに接続されてもよい。

　また、本実施形態では、インピーダンス演算部６１は、マイコンチップ等のハードウェアが図示しないメモリに予め記憶されているプログラムを実行することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを演算する構成としている。しかしながら、インピーダンス演算部６１は、このような構成に限らない。例えば、インピーダンス演算部６１は、アナログ演算ＩＣを用いたアナログ演算回路で実現されてもよい。アナログ演算回路を用いることにより、時間的に連続したインピーダンスの変化を出力することができる。

　ここで、本実施形態では、インピーダンス測定装置６は、交流電流及び交流電圧として、正弦波信号からなる交流信号を用いている。しかしながら、これらの交流信号は、正弦波信号に限らず、矩形波信号や三角波信号、鋸波信号などであってもよい。

　以下では、電解質膜応答周波数に基づいて測定される内部インピーダンスのことをＨＦＲ（High Frequency Resistance：高周波数抵抗）という。インピーダンス測定装置６は、算出したＨＦＲをコントローラ２００に出力する。

　図１に戻って、コントローラ２００は、図示しないが、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

　コントローラ２００には、流量センサ２３、圧力センサ２４、圧力センサ３７、電流センサ５１、電圧センサ５２、及びインピーダンス測定装置６の各出力信号と負荷装置５の要求電力とが入力される。これらの信号は、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータとして用いられる。

　コントローラ２００は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６を制御することにより、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量及び圧力を制御する。また、コントローラ２００は、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６を制御することにより、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量及び圧力を制御する。

　なお、図示を省略したが、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１を冷却するためのスタック冷却装置を備えている。コントローラ２００は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、スタック冷却装置内の冷却水ポンプ、三方弁及びラジエータファンなどを制御することにより、燃料電池スタック１内の各燃料電池の温度（冷却水温度又はスタック温度）、及び、燃料電池スタック１に供給したカソードガスの温度を制御する。

　例えば、コントローラ２００は、負荷装置５の要求電力に基づいて、カソードガスの目標流量及び目標圧力と、アノードガスの目標流量及び目標圧力と、冷却水の目標温度（目標冷却水温度）とを演算する。コントローラ２００は、カソードガスの目標流量及び目標圧力に基づいて、コンプレッサ２２の回転速度とカソード調圧弁２６の開度とを制御する。また、コントローラ２００は、アノードガスの目標流量及び目標圧力に基づいて、アノード循環ポンプ３６の回転速度とアノード調圧弁３３の開度とを制御する。

　このような燃料電池システム１００では、各電解質膜の湿潤度（含水量）が高くなり過ぎたり低くなり過ぎたりすると、その発電性能が低下する。燃料電池スタック１を効率的に発電させるためには、燃料電池スタック１の電解質膜を適度な湿潤度（湿潤状態）に維持することが重要である。そのため、コントローラ２００は、負荷装置５の要求電力を確保できる範囲内において、燃料電池スタック１の湿潤度が発電に適した状態となるように、燃料電池スタック１の湿潤状態を操作している。

　本実施形態では、特に、燃料電池システム１００のアイドルストップ（以下、「ＩＳ」と省略する場合もある）運転時の制御について詳細に説明する。本明細書では、燃料電池スタック１の湿潤状態（燃料電池の電解質膜の湿潤状態）を乾燥（ドライ）側に遷移させること、すなわち、電解質膜の余剰な水分を減らすことを「ドライ操作」という。また、燃料電池スタック１の湿潤状態を湿潤（ウェット）側に遷移させること、すなわち、電解質膜の水分を増やすことを「ウェット操作」という。

　本実施形態では、アイドルストップ運転時において燃料電池スタック１の湿潤状態を操作する湿潤制御のために、コントローラ２００は、主にカソードガス流量を制御する。具体的なアイドルストップ運転制御については、後述する。

　次に、本実施形態の燃料電池システム１００を制御するコントローラ２００の制御機能について説明する。図３は、本実施形態における燃料電池システム１００を制御するコントローラ２００の機能構成の一例を示すブロック図である。なお、図３に示すコントローラ２００の機能ブロック図は、本発明に係る機能を主として示しており、燃料電池システム１００の通常の運転制御やその他の制御に関する機能については一部省略しているものもある。

　図３に示すように、本実施形態のコントローラ２００は、湿潤状態検出部２１０と、運転状態検出部２２０と、出力電圧上下限値設定部２３０と、湿潤適正範囲設定部２４０と、出力電圧判定部２５０と、湿潤適正範囲判定部２６０と、出力電圧上限値再設定部２７０と、カソードガス供給制御部２８０とを含む。

　湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１内の燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出する。湿潤状態検出部２１０は、特に、燃料電池システム１００のアイドルストップ運転中における電解質膜の湿潤状態を検出する。具体的には、湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６により測定した燃料電池スタック１のＨＦＲを取得する。そして、湿潤状態検出部２１０は、図示しないメモリに予め格納されているインピーダンス－湿潤度マップを参照して、電解質膜の湿潤度を検出する。検出した湿潤度データは、湿潤適正範囲判定部２６０に出力される。なお、以下では、インピーダンス測定装置６から出力されるＨＦＲのことを「測定ＨＦＲ」という。また、湿潤状態検出部２１０により検出した電解質膜の湿潤度を「検出湿潤状態」ともいう。

　本実施形態では、湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６により測定した燃料電池スタック１のＨＦＲに基づいて、燃料電池スタック１内の燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出・演算するものとして説明した。しかしながら、湿潤状態検出部２１０は、取得したＨＦＲをそのまま後段に出力し、後段の各部がそのＨＦＲを用いて制御を行ってもよい。なお、本実施形態では、燃料電池システム１００の運転に寄与しないインピーダンス測定装置６によりＨＦＲを測定しているので、必要に応じて、燃料電池システム１００のアイドルストップ運転中においても、燃料電池スタック１のＨＦＲを連続的に又は常時測定することができる。

　運転状態検出部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１のスタック出力電流データ及びスタック出力電圧データを取得し、スタック出力電流とスタック出力電圧を乗算することにより、燃料電池スタック１の出力電力を検出する。本実施形態では、運転状態検出部２２０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧を出力電圧判定部２５０に出力する。以下では、運転状態検出部２２０により取得した燃料電池スタック１の出力電圧を「検出出力電圧」ともいう。

　また、運転状態検出部２２０は、流量センサ２３により検出したカソードガス流量データと、圧力センサ２４により検出したカソードガス圧力データとを取得し、カソードガス給排装置２の運転状態を検出する。同様に、運転状態検出部２２０は、圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力データを取得し、アノードガス循環流量を推定することにより、アノードガス給排装置３の運転状態を検出する。

　なお、運転状態検出部２２０は、コントローラ２００内の図示しない各種演算部により演算した各種指令値データも取得する。各種指示データとしては、コンプレッサ２２の回転速度データ、カソード調圧弁２６の開度データ、アノード調圧弁３３の開度データ、及びアノード循環ポンプ３６の回転速度データを少なくとも含む。

　出力電圧上下限値設定部２３０は、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定する。このように設定した出力電圧の上限値及び下限値は、湿潤適正範囲設定部２４０と、出力電圧判定部２５０とに出力される。本実施形態では、後述するように、アイドルストップ運転中においては、必要に応じて、カソードガス給排装置２のコンプレッサ２２を間欠運転することにより、燃料電池スタック１の出力電圧をこのように設定した上限値から下限値までの間の値で制御する。

　ここで、出力電圧の上限値及び下限値の設定方法について説明する。「上限値」は、燃料電池のカソードガス流路にカソードガスを供給することにより、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセル電圧が上昇したとしても、各セルの電解質膜の劣化が進まない最大の出力電圧に設定される。

　また、「下限値」は、燃料電池システム１００がアイドルストップ運転から通常運転（通常の発電状態）に復帰する際に、カソードガス流路内の酸素不足により発電の応答遅れが発生することなく、また、図示しない駆動モータの最低入力電圧を確保することができる出力電圧に設定される。出力電圧の「上限値」及び「下限値」は、所定の演算モデルを用いて、あるいは、実験結果に基づいて予め設定されればよい。

　湿潤適正範囲設定部２４０は、アイドルストップ運転中における燃料電池の電解質膜の湿潤状態（燃料電池スタック１の湿潤状態）が適正となる湿潤適正範囲を設定する。本実施形態では、この湿潤適正範囲は、予め実験やシミュレーション等により取得した湿潤状態が適正となる範囲の上限値及び下限値を設けることにより設定される。なお、湿潤状態の上限値及び下限値は、測定ＨＦＲの上限値及び下限値として設定されてもよい。

　アイドルストップ運転時には、カソードガスを間欠的に供給する毎に、供給したカソードガス内の酸素と残留水素との電気化学反応により、湿潤状態が湿潤側に推移して、通常運転時における湿潤状態よりも湿っていく。そのため、湿潤状態の下限値は、燃料電池スタック１が過湿潤とならない湿潤状態（ＨＦＲ）に設定される。

　一方、湿潤状態の上限値は、例えば、燃料電池システム１００のアイドルストップ運転からの復帰時に燃料電池スタック１の発電の応答遅れが発生することなく、また、燃料電池の電解質膜が過乾燥とならない湿潤状態（ＨＦＲ）に設定される。

　出力電圧判定部２５０は、運転状態検出部２２０から取得した燃料電池スタック１の検出出力電圧と、出力電圧上下限値設定部２３０から取得した出力電圧の上限値及び下限値とに基づいて、出力電圧が所定範囲内にあるか否かを判定する。具体的には、出力電圧判定部２５０は、検出出力電圧が出力電圧の下限値以下になったか否かを判定するとともに、検出出力電圧が出力電圧の上限値以上になったか否かを判定する。これらの判定結果は、カソードガス供給制御部２８０に出力される。

　湿潤適正範囲判定部２６０は、湿潤状態検出部２１０により検出した燃料電池スタック１の湿潤状態（検出湿潤状態）が湿潤適正範囲設定部２４０により設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定する。本実施形態では、湿潤適正範囲判定部２６０は、検出湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値以下になったか否かを判定する。そして、この判定結果は、出力電圧上限値再設定部２７０に出力される。

　出力電圧上限値再設定部２７０は、湿潤適正範囲判定部２６０により、検出湿潤状態が湿潤適正範囲から外れたと判定された場合、すなわち、検出湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値以下になったと判定された場合には、出力電圧上下限値設定部２３０により設定された燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定する。

　具体的には、出力電圧上限値再設定部２７０は、検出湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値以下になったと判定した場合には、出力電圧上下限値設定部２３０により設定された燃料電池スタック１の出力電圧の上限値をこの上限値よりも高い所定電圧に再設定する。なお、この「所定電圧」は、アイドルストップ運転中の乾燥時における上限値である。再設定した上限値（以下、「再設定上限値」という）については、図４のグラフを用いて詳述する。

　カソードガス供給制御部２８０は、カソードガス給排装置２のコンプレッサ２２に対して、燃料電池スタック１の出力電圧が出力電圧上下限値設定部２３０により設定した上限値から下限値までの間の値で、間欠的に燃料電池スタック１にカソードガスを供給するように制御する。

　具体的には、カソードガス供給制御部２８０は、出力電圧判定部２５０の判定結果に基づいて、コンプレッサ２２を間欠運転させる。すなわち、カソードガス供給制御部２８０は、出力電圧判定部２５０により検出出力電圧が出力電圧の下限値以下になったと判定した場合には、コンプレッサ２２を駆動するためのＯＮ指令をコンプレッサ２２に出力する。そして、カソードガス供給制御部２８０は、出力電圧判定部２５０により検出出力電圧が出力電圧の上限値以上になったと判定した場合には、コンプレッサ２２を停止するためのＯＦＦ信号をコンプレッサ２２に出力する。

　アイドルストップ運転中に燃料電池スタック１にカソードガスを供給すると、上述のように、供給した酸素と残留水素が電気化学反応を起こす。このとき、燃料電池スタック１から出力電流が取り出されていないので、燃料電池スタック１の出力電圧（すなわち、燃料電池が直列接続をしている場合には、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池のセル電圧の合計）は徐々に高くなる。燃料電池スタック１の出力電圧が上限値に到達すると、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止する。しかしながら、供給酸素と残留水素の電気化学反応が継続するので、出力電流を取り出していない場合には、燃料電池スタック１の出力電圧がオーバーシュートしてしまう。そのため、本実施形態では、余剰分の発電電力を出力電流として取り出し、図示しない高圧バッテリに蓄電している。

　次に、燃料電池スタック１の出力電流と出力電圧との関係について説明する。図４は、図１に示す燃料電池スタック１のＩ－Ｖ特性（スタック出力電流とスタック出力電流との関係）を示すグラフである。このグラフにおいて、３本の太字の曲線は、所定のＨＦＲにおける燃料電池スタック１のＩ－Ｖ特性をそれぞれ示す。図４に示すように、所定のスタック出力電流に対して、スタック出力電圧が高いほど、ＨＦＲ値が低くなる。

　また、図４には、スタック出力電流と、燃料電池スタック１内において生成される生成水の水量（以下、「生成水量」という）との関係を示すグラフも併せて示す。この直線から分かるように、燃料電池スタック１内で生成される生成水の量は、そのときに出力されるスタック出力電流に実質的に比例する。

　なお、各曲線のスタック出力電流が０のときのスタック出力電圧を「開回路電圧」という。燃料電池スタック１の出力電圧がこの開回路電圧以上になると、Ｉ－Ｖ特性に示すように、スタック出力電圧が０となる。そのため、燃料電池スタック１の出力電圧を開回路電圧以上にすることにより、生成水の発生を抑制することができる。

　図４において、「ＩＳ時出力電圧上限値」及び「ＩＳ時出力電圧下限値」は、出力電圧上下限値設定部２３０により設定された出力電圧の上限値及び下限値をそれぞれ示す。また、「ＩＳ時出力電圧再設定上限値」は、出力電圧上限値再設定部２７０により再設定される出力電圧の再設定上限値を示す。

　また、図中の黒丸は、アイドルストップ運転中の通常制御における燃料電池スタック１内の水収支の状態変化を示し、図中の黒四角は、出力電圧の上限値が再設定された場合における燃料電池スタック１の水収支の状態変化を示す。以下では、出力電圧が再設定されていない上限値から下限値までの間の値での制御を「通常アイドルストップ運転制御」といい、出力電圧が再設定されている場合の再設定上限値から下限値までの間の値での制御を「再設定アイドルストップ運転制御」という。

　通常アイドルストップ運転制御では、カソードガスの供給により、Ｉ－Ｖ特性ラインと交差するＩＳ時出力電圧上限値の黒丸に推移する。このとき、供給酸素と残留水素との電気化学反応により水が生成することにより、スタック出力電流が０となり、スタック出力電圧もＩＳ時出力電圧下限値に下がる。一方、再設定アイドルストップ運転制御では、出力電圧の上限値を高めるように再設定上限値に高めているので、カソードガスの供給により、Ｉ－Ｖ特性ラインと交差するＩＳ乾燥時出力電圧上限値の黒四角に推移する。このとき、通常アイドルストップ運転制御時と同様に、供給酸素と残留水素との電気化学反応により水が生成することにより、スタック出力電流が０となり、スタック出力電圧もＩＳ時出力電圧下限値に下がる。したがって、出力電圧の上限値を高めることにより、アイドルストップ運転中のカソードガス間欠供給による生成水量を低減することができる。

　具体的には、本実施形態では、アイドルストップ運転に移行した後、燃料電池スタック１の出力電圧は、カソードガス供給制御部２８０によるカソードガスの間欠供給に応じて、ＩＳ時出力電圧下限値とＩＳ時出力電圧上限値との間の値で制御される。所定の条件が成立することにより、出力電圧の上限値をＩＳ時出力電圧上限値からＩＳ時出力電圧再設定上限値に切り替える。これにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガス流量を増加させるとともに、生成水量を低減させている。したがって、燃料電池スタック１内の燃料電池の電解質膜を効率よく乾燥させることができる。

　図５は、図１に示す燃料電池スタック１の出力電流とスタック水収支との関係を示す図である。通常、燃料電池システム１００では、スタック水収支が０になるように、カソードガス流量やカソードガス圧力、アノードガス循環流量、及びスタック温度（冷却水温度）などを制御している。ここで、３本の平行線は、間欠供給されるカソードガス流量（以下、「間欠時カソードガス流量」ともいう）が同じ場合における燃料電池スタック１の出力電圧とスタック水収支との関係を示している。

　間欠時カソードガス流量が大きくなるにつれて、スタック出力電流に対する水収支が低下していく。すなわち、カソードガス流量が大きいと、燃料電池スタック１が乾燥していることが分かる。そのため、本実施形態のように、燃料電池スタック１を乾燥させたい場合には、カソードガス流量を上げるように制御するのが一手法である。そして、アイドルストップ運転のように、カソードガスの供給量が少なく、カソードガスを間欠的に供給する場合には、図４に示すように、間欠供給を停止させるタイミングである出力電圧の上限値を高くする。これにより、生成水量も抑制することができるので、さらに燃料電池スタック１の乾燥が促進される。

　ここで、アイドルストップ運転中において、カソードガスを間欠的に供給すると、上述のように出力電圧がその上限値をオーバーシュートしてしまう。その場合には、出力電圧の上限値を超える余剰分については、電流として出力し、高圧バッテリを充電することになる。そして、供給酸素と残存水素との電気化学反応により生成水が発生する。そのため、燃料電池システム１００の通常アイドルストップ運転制御中には、燃料電池スタック１内が、スタック水収支がウェット側となる図５の斜線部分Ａの水収支領域となる。

　一方、燃料電池システム１００の再設定アイドルストップ運転制御中には、特に、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を切り替えた直後には、燃料電池スタック１内が図５の縦線部分Ｂの水収支領域となる。本実施形態では、必要に応じて、燃料電池スタック１の出力電圧を高めることにより、燃料電池システム１００のアイドルストップ運転中においても、燃料電池スタックのＨＦＲを目標ＨＦＲ値近傍に制御することができる。

　次に、図６に示すタイムチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作を説明する。図６は、本発明の第１実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。

　ここでは、物理量として、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流と、カソードガス流量と、燃料電池の電解質膜の湿潤状態とが含まれる。まず、通常運転からアイドルストップ運転に移行すると、出力電圧上下限値設定部２３０により、出力電圧の上限値と下限値が設定される（図６Ａ参照）。

　そして、出力電圧が下限値に到達すると、コントローラ２００のカソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。カソードガスの供給に伴って、供給酸素と残留水素が反応して、燃料電池スタック１の出力電圧が上昇する。出力電圧が上限値に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、カソードガスの供給を終了する（図６Ｃ参照）。このとき、供給酸素と残留水素の電気化学反応が継続するが、出力電圧が上限値に保持されるので、余剰分の電力は、燃料電池スタック１の出力電流となって、高圧バッテリを充電する（図６Ｂ参照）。

　上記のように、カソードガスの間欠供給に基づいて、出力電圧が上下に脈動し、出力電圧が上限値に到達したタイミングで、出力電流が間欠的に出力される。また、カソードガスを供給するタイミングで、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態（燃料電池の電解質膜の湿潤度）が乾燥側から湿潤側にステップ状に遷移する。

　図６に示す状態変化では、カソードガスの４回目の供給により、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達する。このとき、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧の上限値が高くなるように再設定し、これ以降、出力電圧は、再設定上限値と下限値の間の値で脈動する。

　なお、再設定上限値は、図４においてＩＳ時出力電圧再設定上限値として示した。この図４では、ＩＳ時出力電圧再設定上限値は、出力電流が０となる開回路電圧よりも低い値として説明した。しかしながら、ＩＳ時出力電圧再設定上限値を燃料電池スタック１の開回路電圧以上に設定してもよい。このように設定することにより、出力電圧を再設定した後、燃料電池スタック１の出力電圧が再設定上限値に到達したときには、生成水が発生することがない。これにより、アイドルストップ運転時において、燃料電池の電解質膜が濡れ過ぎることを十分に防止するとともに、電解質膜を短時間で乾燥させることができる。以下、本実施形態では、ＩＳ時出力電圧再設定上限値を開回路電圧以上に設定する場合について説明する。

　湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達した後（図６Ｄ参照）、燃料電池スタック１の出力電圧が下限値に到達すると（図６Ａ参照）、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。本実施形態では、カソードガス流量の上限値を設定しているので、コンプレッサ２２は、このカソードガス流量の上限値になるように、カソードガス供給制御部２８０によりその回転数を制御される（図６Ｃ参照）。

　燃料電池スタック１にカソードガスが供給されると、燃料電池スタック１の出力電圧が上昇を始める。そして、この出力電圧が出力電圧上限値再設定部２７０により設定された再設定上限値に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、カソードガスの供給を停止する。

　このとき、図６Ｂに示すように、出力電圧が開回路電圧以上になっている間には生成水が発生しないので、燃料電池スタック１の湿潤状態は急激に乾燥側に推移する。その後、燃料電池スタック１の出力電圧が徐々に低下していき、出力電圧が再度下限値に到達すると（図６Ａ参照）、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。燃料電池スタック１にカソードガスが供給されると、燃料電池スタック１の出力電圧が上昇を始める。そして、この出力電圧が出力電圧上限値再設定部２７０により設定された再設定上限値に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、カソードガスの供給を停止する。

　図６の例では、出力電圧の上限値を高めるように再設定してから２回のカソードガスの供給により、燃料電池スタック１の湿潤状態は上限値に到達している。本実施形態では、その後の制御について説明しないが、出力電圧上限値再設定部２７０は、必要に応じて、現在設定している再設定上限値を徐々に下げていくか、段階的に下げていき、燃料電池スタック１の開回路電圧以下になるように設定すればよい。これにより、燃料電池スタック１の湿潤状態が上限値を超えて上昇（乾燥）することなく、湿潤適正範囲設定部２４０により設定した湿潤適正範囲にこの湿潤状態を制御することができる。

　次に、図７～図９に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。本実施形態では、コントローラ２００は、燃料電池システム１００のアイドルストップ運転に関する処理を実行する。図７は、本発明の第１実施形態におけるコントローラ２００により実行されるアイドルストップ判定処理の一例を示すフローチャートである。このアイドルストップ判定処理は、燃料電池システム１００のコントローラ２００により、例えば、１０ｍ秒毎に実行される。なお、各フローチャートのステップの順序は、矛盾の生じない範囲において変更してもよい。

　このアイドルストップ判定処理では、コントローラ２００は、まず、所定のアイドルストップ開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１）。アイドルストップ開始条件が成立していないと判定した場合には、コントローラ２００は、処理フローをステップＳ４に移行して、通常運転処理を実行（継続）して、このアイドルストップ判定処理を終了する。

　一方、アイドルストップ開始条件が成立したと判定した場合には、コントローラ２００は、処理フローをステップＳ２に移行して、アイドルストップ運転処理を実行する（ステップＳ２）。次いで、コントローラ２００は、所定のアイドルストップ終了条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ３）。そして、コントローラ２００は、このアイドルストップ終了条件が成立するまで、これらステップＳ２及びＳ３の処理を繰り返す。アイドルストップ終了条件が成立したと判定した場合には、コントローラ２００は、通常運転処理を実行して（ステップＳ４）、このアイドルストップ判定処理を終了する。

　なお、アイドルストップ開始条件及びアイドルストップ終了条件は、公知の条件を用いて判定すればよいので、それらの詳細な説明は、ここでは省略する。また、通常運転処理についても、燃料電池システム１００の通常運転処理として公知のものを利用すればよいので、以降での詳細な説明を省略する。以下では、特に、本実施形態のアイドルストップ運転処理について、フローチャートを用いて詳細に説明する。

　図８は、図７のステップＳ２に示すアイドルストップ判定処理のサブルーチンであるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。アイドルストップ判定処理のステップＳ１に示すように、アイドルストップ開始条件が成立すると、アイドルストップ運転処理が実行される。

　このアイドルストップ運転処理では、コントローラ２００のカソードガス供給制御部２８０は、まず、コンプレッサ２２を停止させ、カソードガスの供給を停止する（ステップＳ１１）。そして、出力電圧上下限値設定部２３０は、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定する（ステップＳ１２）。そして、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧上限値再設定処理を実行する（ステップＳ１３）。

　次いで、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した下限値以下になったか否かを判定する（ステップＳ１４）。出力電圧が下限値より大きいと判定した場合には、コントローラ２００は、そのままこのアイドルストップ運転処理を終了する。これ以降、ステップＳ３においてアイドルストップ終了条件が成立するまで、コントローラ２００はこのアイドルストップ運転処理を実行する。

　一方、出力電圧が下限値以下であると判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する（ステップＳ１５）。

　そして、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した上限値又は後述する出願電圧上限値再設定処理のステップＳ１０４において再設定された上限値以上になったか否かを判定する（ステップＳ１６）。出力電圧が上限値未満であると判定した場合には、コントローラ２００は、出力電圧が上限値以上になるまで、このステップＳ１６で待機する。

　一方、出力電圧が上限値以上であると判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し（ステップＳ１７）、このアイドルストップ運転処理を終了する。

　図９は、図８のアイドルストップ運転処理のサブルーチンである出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２００は、アイドルストップ運転処理のステップＳ１２において、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定すると、この出力電圧上限値再設定処理を実行する。

　この出力電圧上限値再設定処理では、コントローラ２００の湿潤適正範囲設定部２４０は、まず、図示しないメモリ等から必要なデータを読み出すことにより、燃料電池スタック１の湿潤適正範囲を設定する（ステップＳ１０１）。

　次いで、湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６から取得した燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を推定する（ステップＳ１０２）。

　そして、湿潤適正範囲判定部２６０は、ステップＳ１０２において推定した燃料電池スタック１の湿潤状態がステップＳ１１において設定した湿潤適正範囲外になったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。湿潤状態が湿潤適正範囲内であると判定した場合には、コントローラ２００は、そのままこの出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　一方、湿潤状態が湿潤適正範囲外になったと判定した場合には、出力電圧上限値再設定部２７０は、アイドルストップ運転処理のステップＳ１２において設定した出力電圧の上限値を高めるように再設定する（ステップＳ１０４）。具体的には、出力電圧上限値再設定部２７０は、図４を用いて説明した燃料電池スタック１の開回路電圧データを図示しないメモリから取得し、出力電圧の上限値をこの開回路電圧に所定のマージンを加えた値に設定する。

　このように、出力電圧上限値再設定処理のステップＳ１０４において出力電圧の上限値を再設定すると、コントローラ２００は、出力電圧の再設定上限値と下限値を用いて、アイドルストップ運転処理のステップＳ１４～Ｓ１７の処理を実行する。

　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、駆動モータなどの負荷の要求出力に応じて燃料電池スタック１（燃料電池）の発電を選択的に停止し、運転停止時にカソードガス給排装置２（カソードガス供給装置）から間欠的に燃料電池スタック１にカソードガスを供給するアイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システム１００である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の湿潤状態（各燃料電池の電解質膜の湿潤度）を検出する湿潤状態検出部２１０（インピーダンス測定装置６から測定結果を受けて推定・検出等をすればよい）と、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定する出力電圧上下限値設定部２３０と、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の湿潤状態が適正となる湿潤適正範囲を設定する湿潤適正範囲設定部２４０とを含むように構成した。また、燃料電池システム１００は、湿潤状態検出部２１０により検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲設定部２４０により設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定する湿潤適正範囲判定部２６０と、湿潤適正範囲判定部２６０により、湿潤状態検出部２１０により検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲から外れたと判定された場合には、燃料電池スタック１の出力電圧の設定した上限値を高めるように再設定する出力電圧上限値再設定部２７０とをさらに含むように構成した。そして、燃料電池システム１００は、出力電圧上限値再設定部２７０が燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定した場合には、燃料電池スタック１の出力電圧が出力電圧上限値再設定部２７０により再設定した上限値から下限値までの間の値で、カソードガス給排装置２（カソードガス供給装置）から間欠的にカソードガスを供給するように制御するコントローラ２００（制御部、なお、上述の実施形態のように、コントローラ２００に含まれるカソードガス供給制御部２８０がコンプレッサ２２のオン／オフ信号を出力するように構成すればよい。）を含むように構成した。

　燃料電池システム１００のアイドルストップ運転中においては、カソードガス供給制御部２８０がカソードガスを間欠的に供給しているので、供給酸素と残留水素との電気化学反応によって生成水が発生する。これにより、燃料電池スタック１内の湿潤状態は、徐々に湿潤側に推移していく。この場合、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、湿潤状態に対して予め湿潤適正範囲を設定するとともに、その湿潤適正範囲の下限値（測定ＨＦＲの下限値）になると、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定している。このように出力電圧の上限値を再設定することにより、アイドルストップ運転中、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１の出力電圧が再設定上限値から下限値までの間の値で、コンプレッサ２２を間欠的に運転することとなる。したがって、アイドルストップ運転中に燃料電池スタック１が過湿潤となることを効果的に抑制することができ、燃料電池スタック１の湿潤状態を湿潤適正範囲内に制御することができる。

　ここで、従来の燃料電池システムにおいては、アイドルストップ運転中に、燃料電池スタックにカソードガスを供給することにより、残留水素と供給酸素が電気化学反応を起こし、燃料電池スタック内に水が生成していた。そのため、アイドルストップ運転の時間が長くなれば長くなるほど、燃料電池スタック内が過湿潤となり、アイドルストップ復帰時にアノードガス流路が詰まって水素欠乏の可能性があるという問題もあった。本実施形態の燃料電池システム１００では、アイドルストップ運転中において、所定の条件が成立すると、出力電圧上限値再設定部２７０により燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定しているので、残留水素と供給酸素が電気化学反応を抑制することができる。これにより、従来問題となり得た水素欠乏の可能性を排除することができる。

　また、本実施形態の燃料電池システム１００では、出力電圧上限値再設定部２７０により再設定された出力電圧の上限値が燃料電池スタック１の開回路電圧より高くなるように構成される。このように、燃料電池スタック１の開回路電圧よりも高い値に再設定上限値を設定することにより、燃料電池スタック１の出力電圧を再設定上限値まで高めた場合であっても、燃料電池スタック１のＩ－Ｖ特性により生成水が発生することがない。さらに、出力電圧の上限値が高くなるように再設定しているので、カソードガス供給制御部２８０によるコンプレッサ２２の運転時間も長くなる。したがって、湿潤側になっている燃料電池スタック１内を十分に乾燥させることができ、アイドルストップ運転中においても燃料電池スタック１の湿潤状態を湿潤適正範囲に制御・管理することができる。

　このように、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の湿潤状態を適正に管理することができるので、アイドルストップ運転から通常運転（通常発電制御）に復帰するとき、燃料電池スタック１の出力電圧を安定させることができる。これとは逆に、アイドルストップ運転から燃料電池車両を停止させる場合には、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤側で推移していないので、燃料電池車両を完全に停止状態にするまでの時間を短縮することができる。

　さらに、燃料電池車両を停止する際には、燃料電池スタック１内を十分に乾燥させているので、残留する水分を十分に排除してから停止している。そのため、車両の停止中に外気温が零下まで下がったとしても、アノードガス循環通路やカソードガス供給通路、カソードガス排出通路などでアノードオフガス又はカソードオフガス中に含まれる水分が凝縮・凝固することによる駆動部の損傷を防止することができる。これにより、本実施形態の燃料電池システム１００を備える燃料電池車両の零下起動性能を向上させることができる。

　また、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、負荷の要求出力に応じて燃料電池スタック１（燃料電池）の発電を選択的に停止し、運転停止時に間欠的に燃料電池スタック１にカソードガスを供給するアイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システム１００の制御方法であって、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定するステップと、燃料電池スタック１の出力電圧が上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給するステップと、燃料電池スタック１の湿潤状態を検出するステップと、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の湿潤状態が適正となる湿潤適正範囲を設定するステップと、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定するステップと、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲から外れたと判定した場合には、燃料電池スタック１の出力電圧を再設定するステップとを含むように構成される。また、燃料電池システム１００の制御方法は、燃料電池スタック１の出力電圧を再設定した場合には、カソードガス供給ステップでは、燃料電池スタック１の出力電圧が再設定した出力電圧の上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給するように構成される。ここで、燃料電池スタック１の出力電圧の再設定では、その上限値（あるいは、上限値及び下限値による制御範囲）を高めるように設定されればよい。本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法はこのように構成されているので、上述の燃料電池システム１００と同様の効果を奏することができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、アイドルストップ運転からの復帰時の燃料電池スタック１の出力電圧を安定化させ、アイドルストップ運転からの燃料電池車両の停止時間の短縮化し、及び、零下起動性能の向上することができる。

　なお、本実施形態では、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流に基づいて、本実施形態の制御方法を実現した場合について説明した。しかしながら、本発明は、燃料電池スタック１の物理量に対する制御のみならず、燃料電池スタック１内の各燃料電池の物理量に基づいて、本実施形態の制御方法を実現することもできる。

　なお、本実施形態では、湿潤適正範囲判定部２６０が、湿潤状態検出部２１０により検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が設定した湿潤適正範囲から外れたと判定した場合には、出力電圧上限値再設定部２７０は、燃料電池スタック１の出力電圧の設定した上限値を高めるように再設定している。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されない。このような条件下において、出力電圧上限値再設定部２７０（又はコントローラ２００）は、出力電圧の上限値を再設定するのではなく、例えば、出力電圧上下限値設定部２３０により設定した上限値と下限値の両方、すなわち、出力電圧の変動範囲（バンド）を再設定したり、その変動範囲の中間値を再設定したりしてもよい。また、出力電圧の変動範囲を再設定する場合には、上限値を高めるとともに、下限値も高めればよい。このように構成したとしても、出力電圧の上限値付近において燃料電池スタック１内に水が発生することがないので、燃料電池スタック１内の湿潤状態を乾燥側に移行させることができる。

　（第２実施形態）
　以下、本発明の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、ここでは、図１を用いて説明することとし、システム全体構成の詳細な説明を省略する。また、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

　上述の第１実施形態では、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高くするように再設定した後、どのようにして通常のアイドルストップ運転制御に復旧させるかについて具体的に示していなかった。第２実施形態では、再設定上限値を元の上限値に戻す点で第１実施形態とは異なる。

　まず、本実施形態の燃料電池システム１００を制御するコントローラ２０１の制御機能について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムを制御するコントローラ２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。なお、図１０に示すコントローラ２０１の機能ブロック図は、本発明に係る機能を主として記載しており、燃料電池システム１００の通常の運転制御やその他の制御に関する機能については一部省略しているものもある。

　図１０に示すように、本実施形態のコントローラ２０１は、湿潤状態検出部２１０と、運転状態検出部２２０と、出力電圧上下限値設定部２３０と、湿潤適正範囲設定部２４０と、出力電圧判定部２５０と、湿潤適正範囲判定部２６０と、出力電圧上限値再設定部２７０と、カソードガス供給制御部２８０と、目標湿潤度設定部２９０とを含む。

　目標湿潤度設定部２９０は、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を再設定した場合には、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定する。本実施形態では、アイドルストップ運転から通常運転への復帰や車両の停止を効率的に実行するために、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の目標湿潤度（目標湿潤範囲）を設定している。設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲は、湿潤適正範囲判定部２６０に出力される。

　湿潤適正範囲判定部２６０は、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態と、取得した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とを比較し、比較結果を出力電圧上限値再設定部２７０に出力する。

　本実施形態では、出力電圧上限値再設定部２７０は、湿潤適正範囲判定部２６０から取得した比較結果に基づいて、再設定した燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を再設定前の上限値に戻す。具体的には、湿潤状態検出部２１０により推定される現在の燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤度設定部２９０により設定された目標湿潤度又は目標湿潤範囲に到達したと湿潤適正範囲判定部２６０が判定した場合、出力電圧上限値再設定部２７０は、再設定上限値を再設定前の上限値に戻す。

　次に、図１１に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。本実施形態では、第１実施形態と異なる出力電圧上限値再設定処理のフローチャートのみを説明する。図１１は、本発明の第２実施形態におけるコントローラ２０１により実行される出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２０１は、アイドルストップ運転処理のステップＳ１２において、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定すると、この出力電圧上限値再設定処理を実行する。

　この出力電圧上限値再設定処理では、コントローラ２０１の湿潤適正範囲設定部２４０は、まず、図示しないメモリ等から必要なデータを読み出すことにより、燃料電池スタック１の湿潤適正範囲を設定する（ステップＳ１０１）。

　次いで、コントローラ２０１は、図示しないメモリに格納されている再設定フラグがＯＮとなっているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。ここで、「再設定フラグ」とは、出力電圧上限値再設定部２７０により、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を再設定したか否かを示すフラグである。再設定フラグがＯＮの場合には、それ以前のルーチンにおいて出力電圧の上限値が再設定されていることを示す。再設定フラグがＯＮであると判定した場合には、コントローラ２０１は、処理フローをステップＳ２０２に移行させる。

　一方、再設定フラグがＯＮではなく、ＯＦＦであると判定した場合には、コントローラ２０１の湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６から取得した燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を推定する（ステップＳ１０２）。

　そして、湿潤適正範囲判定部２６０は、ステップＳ１０２において推定した燃料電池スタック１の湿潤状態がステップＳ１１において設定した湿潤適正範囲外になったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。湿潤状態が湿潤適正範囲内であると判定した場合には、コントローラ２０１は、そのままこの出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　また、本実施形態では、出力電圧上限値再設定部２７０が出力電圧の上限値を再設定した場合には、コントローラ２０１は、図示しないメモリに格納されている再設定フラグをＯＦＦからＯＮに切り替える（ステップＳ１０４）。

　次いで、コントローラ２０１の目標湿潤度設定部２９０は、アイドルストップ運転時における燃料電池スタック１の目標湿潤範囲又は目標湿潤度を設定する（ステップＳ２０２）。なお、本実施形態では、目標湿潤範囲又は目標湿潤度は、湿潤適正範囲の上限値近傍にあるものとする。

　次いで、コントローラ２０１の湿潤適正範囲判定部２６０は、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤範囲又は目標湿潤度に到達したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。推定した湿潤状態が目標湿潤範囲又は目標湿潤度に到達していないと判定した場合には、コントローラ２０１は、そのままこの出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　一方、推定した湿潤状態が目標湿潤範囲又は目標湿潤度に到達したと判定した場合には、出力電圧上限値再設定部２７０は、再設定上限値を元の上限値である通常の上限値に戻すとともに、再設定フラグをＯＮからＯＦＦに切り替え（ステップＳ２０４）、この出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　以下、図１２及び図１３に示すタイムチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作の例を説明する。まず、図１２を用いて、タイムチャートの一例を説明する。図１２は、本発明の第２実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートの一例である。本例では、再設定上限値が一括的に下げられて元の上限値に戻る例を説明する。なお、第１実施形態における図６のタイムチャートと同様の状態変化においてはその説明を省略する場合もある。

　図６に示す場合と同様に、燃料電池システム１００のアイドルストップ運転中には、出力電圧が上限値から下限値までの間の値で制御される。燃料電池スタック１にカソードガスを供給することにより、出力電圧が上下に脈動し、出力電圧が上限値に到達したタイミングで、燃料電池スタック１の出力電流が間欠的に出力される。これにより、燃料電池スタック１内に生成水が発生し、燃料電池スタック１の湿潤状態が徐々に低下していく（湿潤方向に推移する）。

　湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧の上限値を再設定上限値に切り替える。出力電圧の上限値の再設定後、一定流量で所定時間の２回目のカソードガスの供給により、燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤度設定部２９０により設定された目標湿潤範囲に到達する。

　第１実施形態では、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の上限値まで到達したとしても、出力電圧の再設定上限値を変更するように構成していない。一方、本実施形態の一例では、目標湿潤範囲を設定し、湿潤状態がこの目標湿潤範囲に到達すると、出力電圧の上限値を再設定上限値から元の上限値に一括的に戻すようにしている。

　このとき、燃料電池スタック１の出力電圧は、元の上限値に戻すことにより、開回路電圧を下抜けていくので、比較的大きい出力電流が発生し、多くの生成水が発生している。これにより、燃料電池スタック１の湿潤状態も大きなステップで湿潤側に推移している。このように、本例では、燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤範囲に到達することにより、湿潤状態が再度湿潤側に推移してしまう。

　次に、図１３を用いて、タイムチャートの別の例を説明する。図１３は、本発明の第２実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートの別の例である。本例では、再設定上限値が各種関数に基づいてステップ的に下げられて元の上限値に戻る例を説明する。

　本例では、図１１に示す出力電圧上限値再設定処理のフローチャートのステップＳ１０４において出力電圧の上限値を再設定する場合、本ルーチンにおいてステップＳ１０２において推定した実際の湿潤状態（以下、「実湿潤状態」ともいう）と、制御の目標となる目標湿潤状態との差に基づいて、出力電圧の再設定上限値に所定の処理を施すことを特徴とする。

　「所定の処理」としては、例えば、実湿潤状態と目標湿潤状態との差で出力電圧の上限値にフィードバック制御を実行したり、この差と出力電圧の上限値との関数として、出力電圧の上限値を演算したり、この差と出力電圧の上限値とのテーブルに基づいて、出力電圧の上限値を決定したりすることが想定される。

　図１３のタイムチャートには、出力電圧の再設定上限値をカソードガスの供給タイミングで一次関数的に下げていく例を示す。図１２のタイムチャートと同様に、ステップＳ１０２において推定した湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると、出力電圧上限値再設定部２７０は、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を開回路電圧以上の所定の再設定上限値に設定する。その後、出力電圧がその下限値に到達するまで、所定の再設定上限値に保持する。

　出力電圧がその下限値に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。このように、カソードガスの供給を開始すると、再設定上限値は、現在の湿潤状態と目標湿潤状態との差に基づく所定の傾きで徐々に下げられる。このとき、カソードガスを供給しているので、燃料電池スタック１の出力電圧も上昇していく。

　そして、これらのラインが二次元平面で交差するタイミングで、カソードガス供給制御部２８０は、カソードガスの供給を停止する。なお、本例では、交差した出力電圧の上限値は、まだ、燃料電池スタック１の開回路電圧よりも高いものとする。このため、燃料電池スタック１のＩ－Ｖ特性により生成水が発生していない。

　出力電圧の上限値を再設定した場合と同様に、この交差するタイミングの出力電圧の上限値において、次のカソードガスの供給タイミングまで再設定上限値が再度保持される。出力電圧がその下限値に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。上昇する出力電圧と、下降する再設定上限値とが二次元平面で交差するタイミングで、カソードガス供給制御部２８０は、カソードガスの供給を停止する。

　本例では、この交差タイミングで、出力電圧の上限値が再設定上限値から元の上限値に切り替わることとなる。また、２回目の交差タイミングにおける出力電圧の上限値は、開回路電圧よりも低いので、出力電流が出力されるとともに、生成水が発生する。これにより、燃料電池スタック１の湿潤状態は、湿潤側に多少推移する。

　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、上記第１実施形態における燃料電池システム１００の構成に加えて、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定する目標湿潤度設定部２９０をさらに備えるように構成した。そして、出力電圧上限値再設定部２７０は、湿潤状態検出部２１０により検出した燃料電池スタック１の湿潤状態と、目標湿潤度設定部２９０により設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、再設定した燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を再設定前の上限値に戻すように構成した。本実施形態では、燃料電池システム１００をこのように構成することにより、アイドルストップ運転中に燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤範囲に入るか、目標湿潤度に到達すると、燃料電池スタック１の出力電圧の再設定上限値を元の上限値に戻している。これにより、燃料電池スタック１の各電極（アノード電極及びカソード電極）が高電位に晒される時間を短縮することができるので、燃料電池の電解質膜等の高電位劣化を効果的に抑制することができる。

　したがって、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、第１実施形態の燃料電池システム１００が奏する効果に加えて、燃料電池スタック１の各電極や電解質膜の寿命を延ばすことができる。

　また、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、上記第１実施形態の制御方法の各ステップに加え、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定するステップと、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態と、設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、再設定した燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を再設定前の上限値及び下限値に戻すステップとをさらに含むように構成される。本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法をこのように構成したことにより、第１実施形態の燃料電池システム１００の制御方法による効果に加え、燃料電池スタック１の各電極（アノード電極及びカソード電極）が高電位に晒される時間を短縮することができるので、燃料電池の電解質膜等の高電位劣化を効果的に抑制することができる。なお、出力電圧の上限値のみを再設定した場合には、下限値を変更する（元に戻す）必要はないので、上限値のみを再設定前の上限値に戻せばよい。

　（第３実施形態）
　以下、本発明の第３実施形態について、第２実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、ここでは、図１を用いて説明することとし、システム全体構成の詳細な説明を省略する。また、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

　上述の第２実施形態では、燃料電池スタック１の出力電圧の再設定上限値を元の上限値に戻す際、再設定上限値から元の上限値まで一括的に戻したり、実湿潤状態と目標湿潤状態との差に基づいて、出力電圧の再設定上限値に所定の処理を施したりした。本実施形態では、このような急激な変化や煩雑な処理を施す代わりに、燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤範囲に到達した後、燃料電池スタック１の出力電圧が元の上限値まで低下したときに、再設定上限値を元の上限値に戻す点で第２実施形態とは異なる。

　なお、本実施形態のコントローラ２０１の機能は、実質的に、第２実施形態のコントローラ２０１と同様であるので、以下の説明では、図１０の機能ブロック図を用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。

　まず、図１４に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。本実施形態では、第２実施形態と異なる出力電圧上限値再設定処理のフローチャートのみを説明する。図１４は、本発明の第３実施形態におけるコントローラ２０１により実行される出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２０１は、アイドルストップ運転処理のステップＳ１２において、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定すると、この出力電圧上限値再設定処理を実行する。

　次いで、コントローラ２０１は、図示しないメモリに格納されている再設定フラグがＯＮとなっているか否かを判定する（ステップＳ２０１）。再設定フラグがＯＮの場合には、それ以前のルーチンにおいて出力電圧の上限値が再設定されていることを示す。再設定フラグがＯＮであると判定した場合には、コントローラ２０１は、処理フローをステップＳ２０２に移行させる。

　一方、推定した湿潤状態が目標湿潤範囲又は目標湿潤度に到達したと判定した場合には、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した現在の出力電圧が再設定する前の元の出力電圧の上限値以下になったか否かを判定する（ステップＳ３０１）。現在の出力電圧が元の上限値より大きいと判定した場合には、コントローラ２０１は、そのままこの出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　また、現在の出力電圧が元の上限値以下であると判定した場合には、出力電圧上限値再設定部２７０は、再設定上限値を元の上限値である通常の上限値に戻すとともに、再設定フラグをＯＮからＯＦＦに切り替え（ステップＳ２０４）、この出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　以下、図１５に示すタイムチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作の一例を説明する。図１５は、本発明の第３実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。本例では、湿潤状態が目標湿潤範囲に到達した後、出力電圧が最初に元の上限値到達したときに、出力電圧の上限値を元の上限値に戻す例を説明する。なお、第１実施形態における図６のタイムチャートと同様の状態変化においてはその説明を省略する場合もある。

　本例では、図１４に示す出力電圧上限値再設定処理のフローチャートのステップＳ３０１、Ｓ２０４において出力電圧の再設定上限値を元の上限値に戻す場合、現在の出力電圧と元の上限値とに基づいて、そのタイミングを決定することを特徴とする。

　図１５のタイムチャートでは、上述の第１及び第２実施形態と同様に、電池スタック１の出力電流が間欠的に出力されることにより、燃料電池スタック１内に生成水が発生し、燃料電池スタック１の湿潤状態が徐々に低下していく（湿潤方向に推移する）。湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると、出力電圧上限値再設定部２７０は、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を開回路電圧以上の所定の再設定上限値に設定する。

　出力電圧の上限値が再設定上限値に設定された後、燃料電池スタック１の出力電圧が下限値に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、所定の最大流量で燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。このとき、出力電圧の再設定上限値が燃料電池スタック１の開回路電圧よりも高いので、出力電流が発生することはなく、燃料電池スタック１を急激に乾燥させることができる。

　その後、２回目のカソードガスの供給により、湿潤状態検出部２１０により推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したと判定すると、さらに、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧が元の上限値以下になるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。

　そして、出力電圧が元の上限値以下になったと判定すると、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧の上限値を再設定上限値から元の上限値に再設定する（ステップＳ２０４）。これ以降、出力電圧の元の上限値から下限値までの間の値で、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１にカソードガスを間欠的に供給することとなる。

　本実施形態では、第２実施形態の場合に比べて、出力電圧の上限値を再設定上限値により長い時間保持することができるので、再設定上限値に設定中には、カソードガス供給制御部２８０が燃料電池スタック１にカソードガスを供給したとしても、余剰の出力電圧が取り出されることがない。これにより、燃料電池スタック１の湿潤状態は、目標湿潤範囲近傍により長く保持されることとなる。

　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、第２実施形態における燃料電池システム１００の制御方法に対して、上限値を戻すステップでは、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲よりも乾燥している（あるいは、目標湿潤度又は目標湿潤範囲近傍に到達した）場合には、燃料電池スタック１の出力電圧が再設定前の出力電圧の上限値（元の上限値）以下になった後、再設定した燃料電池スタック１の上限値を再設定前の上限値に戻すように構成した。

　燃料電池システム１００の制御方法をこのように構成することにより、推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達しても、燃料電池スタック１の出力電圧が元の上限値を下回るまで再設定上限値を元の上限値に戻すことがない。そのため、出力電圧の上限値を元の上限値に戻すことにより発生する出力電流の消費が抑制され、生成水の発生も抑制される。これにより、燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤範囲（湿潤適正範囲）内により長い時間保持することができる。

　したがって、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、第１及び第２実施形態に比べて、アイドルストップ運転中の燃料電池スタック１の湿潤状態を湿潤適正範囲に保持する継続時間を向上させることができる。これにより、アイドルストップ運転中における生成水の発生を抑制するとともに、出力電流の取り出しを抑制することができるので、燃料電池車両の燃費を向上させることができる。

　（第４実施形態）
　以下、本発明の第４実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、ここでは、図１を用いて説明することとし、システム全体構成の詳細な説明を省略する。また、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

　上述の第１～第３実施形態では、カソードガス供給制御部２８０により設定されるカソードガスの供給量は、間欠供給時の上限値に応じて所定量以下になるように制御していた。本実施形態では、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値を下回ったとき、その推定した湿潤状態と目標湿潤範囲との偏差に基づいて、カソードガスの供給流量と供給時間とを決定する点で第１～第３実施形態とは異なる。

　まず、図１６に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。本実施形態では、第１実施形態と異なるアイドルストップ運転処理のフローチャートのみを説明する。図１６は、本発明の第４実施形態におけるコントローラ２０１により実行されるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２０１は、図７に示すアイドルストップ判定処理のステップＳ１においてアイドルストップ開始条件が成立したと判定すると、このアイドルストップ運転処理を実行する。

　このアイドルストップ運転処理では、コントローラ２０１のカソードガス供給制御部２８０は、まず、コンプレッサ２２を停止させ、カソードガスの供給を停止する（ステップＳ１１）。出力電圧上下限値設定部２３０は、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定する（ステップＳ１２）。そして、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧上限値再設定処理を実行する（ステップＳ１３）。

　次いで、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した下限値以下になったか否かを判定する（ステップＳ１４）。出力電圧が下限値より大きいと判定した場合には、コントローラ２０１は、そのままこのアイドルストップ運転処理を終了する。これ以降、アイドルストップ判定処理のステップＳ３においてアイドルストップ終了条件が成立したと判定するまで、コントローラ２０１はこのアイドルストップ運転処理を実行する。

　一方、出力電圧が下限値以下になったと判定した場合には、コントローラ２０１（湿潤適正範囲判定部２６０が行ってもよい）は、湿潤状態検出部２１０により推定した現在の湿潤状態と、出力電圧上限値再設定処理のステップＳ２０２において設定した目標湿潤範囲とを比較して、それらの偏差を演算する（ステップＳ２１）。

　そして、コントローラ２０１は、演算した偏差に基づいて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの流量と供給時間とを決定する（ステップＳ２２）。カソードガス供給制御部２８０は、決定したカソードガスの流量と供給時間に基づいて、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する（ステップＳ１５）。

　次いで、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した上限値又は出願電圧上限値再設定処理のステップＳ１０４において再設定された上限値以上になったか否かを判定する（ステップＳ１６）。出力電圧が上限値未満であると判定した場合には、コントローラ２０１は、出力電圧が上限値以上になるまで、このステップＳ１６で待機する。

　一方、出力電圧が上限値以上であると判定した場合には、湿潤適正範囲判定部２６０は、湿潤状態検出部２１０により推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したか否かを判定する（ステップＳ２３）。推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したと判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し（ステップＳ１７）、このアイドルストップ運転処理を終了する。

　推定した湿潤状態が目標湿潤状態に到達していないと判定した場合には、湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１の湿潤状態を再度推定し（ステップＳ２４）、推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達するまで、ステップＳ２１～Ｓ２４までの処理を繰り返す。

　以下、図１７に示すタイムチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作の一例を説明する。図１７は、本発明の第４実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。本例では、推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達した後、燃料電池スタック１にカソードガスを急激に供給することにより、早期に目標湿潤範囲に到達させる場合を説明する。なお、第１実施形態における図６のタイムチャートと同様の状態変化においてはその説明を省略する場合もある。

　本例では、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達したと判定した場合に、推定した湿潤状態と目標湿潤範囲との偏差に基づいて、カソードガスの供給流量及び供給時間を決定し（ステップＳ２１、Ｓ２２）、決定した供給流量及び供給時間に基づいて、燃料電池スタック１にカソードガスを供給することを特徴とする。

　図１７のタイムチャートでは、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると（図１７Ｄ参照）、コントローラ２０１は、湿潤状態と目標湿潤範囲により演算した偏差に基づいて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの流量と供給時間とを決定する（ステップＳ２１、Ｓ２２）。

　このように決定したカソードガスの供給流量と供給時間とに基づいて、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する（図１７Ｃ参照）。これにより、燃料電池スタック１の出力電圧は、再設定上限値に到達するので（図１７Ａ参照）、供給酸素と残留水素の余剰の電気化学反応によるエネルギーは、出力電流として取り出される（図１７Ｂ参照）。

　カソードガスの供給が終わると、燃料電池スタック１の湿潤状態は、目標湿潤範囲に到達する。そして、燃料電池スタック１の出力電圧は徐々に低下していく。本実施形態では、出力電圧の上限値を再設定上限値から元の上限値に切り替える点については、具体的な説明を省略する。しかしながら、図１７に示すように、例えば、湿潤状態が目標湿潤範囲に到達した後、燃料電池スタック１の出力電圧が下限値に到達したときに、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧の上限値を再設定上限値から元の上限値に切り替えればよい。

　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、上記第２実施形態における燃料電池システム１００の制御方法に対して、再設定した出力電圧の上限値から下限値（下限値が再設定されなくてもよい）までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給する場合には、カソードガス供給ステップでは、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態と、設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、供給すべきカソードガス流量及び供給時間を決定し、該決定したカソードガス流量及び供給時間に基づいて、（間欠的に）燃料電池スタック１にカソードガスを供給するように構成した。

　本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、推定した湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達したときに、一度に目標湿潤範囲になるようにカソードガスを供給しているので、燃料電池スタック１内の湿潤状態を目標湿潤範囲に早期に移行させることができる。これにより、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１内の湿潤状態を迅速に適正化することができる。

　（第５実施形態）
　以下、本発明の第５実施形態について、第２実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、ここでは、図１を用いて説明することとし、システム全体構成の詳細な説明を省略する。また、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

　上述の第４実施形態では、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値を下回ったとき、その推定した湿潤状態と目標湿潤範囲との偏差に基づいて、カソードガスの供給流量と供給時間とを決定し、決定したカソードガスの供給流量と供給時間に基づいて、カソードガス供給制御部２８０が燃料電池スタック１にカソードガスを供給していた。本実施形態では、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値を下回ったとき、燃料電池スタック１内の水収支を演算し、この演算した水収支に基づいて、出力電圧の上限値を再設定するとともに、カソードガス供給流量を決定する点で第４実施形態とは異なる。

　まず、図１８及び図１９に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。図１８は、本発明の第５実施形態におけるコントローラ２０１により実行されるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２０１は、図７に示すアイドルストップ判定処理のステップＳ１においてアイドルストップ開始条件が成立したと判定すると、このアイドルストップ運転処理を実行する。

　一方、出力電圧が下限値以下であると判定した場合には、コントローラ２０１は、電気化学反応により発生する生成水の量や、カソードオフガスに含まれ、燃料電池スタック１から排出される生成水の量などに基づいて、燃料電池スタック１内の水収支を演算する（ステップＳ３１）。なお、燃料電池スタック１の水収支は、このように演算する場合に限らず、例えば、所定のマップ等を用いて、決定されてもよい。

　そして、コントローラ２０１は、演算した水収支に基づいて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの目標流量を決定する（ステップＳ３２）。カソードガス供給制御部２８０は、決定したカソードガスの目標流量に基づいて、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する（ステップＳ１５）。

　次いで、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した上限値又は後述する出願電圧上限値再設定処理のステップＳ４０２において再設定された上限値以上になったか否かを判定する（ステップＳ１６）。出力電圧が上限値未満であると判定した場合には、コントローラ２０１は、出力電圧が上限値以上になるまで、このステップＳ１６で待機する。

　一方、出力電圧が設定されたいずれかの上限値以上であると判定した場合には、湿潤適正範囲判定部２６０は、湿潤状態検出部２１０により推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したか否かを判定する（ステップＳ２３）。推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したと判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し（ステップＳ１７）、このアイドルストップ運転処理を終了する。

　推定した湿潤状態が目標湿潤状態に到達していないと判定した場合には、湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１の湿潤状態を再度推定し（ステップＳ２４）、推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達するまで、ステップＳ１６、Ｓ２３、Ｓ２４の処理を繰り返す。

　図１９は、図１８のアイドルストップ判定処理のサブルーチンである出力電圧上限値再設定処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２０１は、アイドルストップ運転処理のステップＳ１２において、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定すると、この出力電圧上限値再設定処理を実行する。

　そして、湿潤適正範囲判定部２６０は、ステップＳ１０２において推定した燃料電池スタック１の湿潤状態がステップＳ１１において設定した湿潤適正範囲外になったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。推定した湿潤状態が湿潤適正範囲内であると判定した場合には、コントローラ２０１は、そのままこの出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　一方、推定した湿潤状態が湿潤適正範囲外になったと判定した場合には、コントローラ２０１は、電気化学反応により発生する生成水の量や、カソードオフガスに含まれ、燃料電池スタック１から排出される生成水の量などに基づいて、燃料電池スタック１内の水収支を演算する（ステップＳ４０１）。

　そして、出力電圧上限値再設定部２７０は、演算した水収支に基づいて、アイドルストップ運転処理のステップＳ１２において設定した出力電圧の上限値を高めるように再設定する（ステップＳ４０２）。具体的には、出力電圧上限値再設定部２７０は、燃料電池スタック１の水収支をドライ側に推移させるために必要なカソードガスの流量等に基づいて、再設定上限値を設定する。

　次いで、コントローラ２０１の出力電圧判定部２５０は、燃料電池スタック１の出力電圧が下限値以下になったか否かを判定する（ステップＳ４０３）。出力電圧が下限値より大きいと判定した場合には、コントローラ２０１は、そのままこの出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　一方出力電圧が下限値以下になったと判定した場合には、出力電圧上限値再設定部２７０は、再設定上限値を元の上限値である通常の上限値に戻すとともに、再設定フラグをＯＮからＯＦＦに切り替え（ステップＳ２０４）、この出力電圧上限値再設定処理を終了する。

　以下、図２０に示すタイムチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作の一例を説明する。図２０は、本発明の第５実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。本例では、燃料電池スタック１の水収支を演算し、演算した水収支に基づいて燃料電池スタック１にカソードガスを供給する場合を説明する。なお、第１実施形態における図６のタイムチャートと同様の状態変化においてはその説明を省略する場合もある。

　本例では、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値以下になったと判定した場合に、コントローラ２０１が燃料電池スタック１の水収支を演算し、演算した水収支に基づいて、出力電圧の上限値（あるいは、上限値及び下限値）の再設定値を決定するとともに、カソードガスの供給流量を決定することを特徴とする。

　図２０のタイムチャートでは、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると（図２０Ｄ参照）、コントローラ２０１は、燃料電池スタック１の水収支を演算し（図２０Ｅ参照）、演算した水収支に基づいて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの流量と、出力電圧の再設定上限値とを決定する（ステップＳ３２、Ｓ４０２）。

　カソードガス供給制御部２８０は、決定した供給流量に基づいて、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。これにより、燃料電池スタック１の出力電圧は、再設定上限値に到達するので（図２０Ａ参照）、供給酸素と残留水素の余剰の電気化学反応によるエネルギーは、出力電流として取り出される（図２０Ｂ参照）。

　そして、燃料電池スタック１の湿潤状態が目標湿潤範囲に入るか、目標湿潤度に到達すると、カソードガス供給制御部２８０によるカソードガスの供給を停止する（図２０Ｃ参照）。その後、出力電圧は徐々に低下していき、下限値まで到達する。その間、出力電流が取り出されることがないので、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標湿潤範囲に保持することができる（図２０Ｄ参照）。

　出力電圧が下限値に到達すると、出力電圧上限値再設定部２７０は、出力電圧の上限値を再設定上限値から元の上限値に戻す。このとき、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１にカソードガスを間欠的に供給する。このため、出力電圧が上限値まで上昇し、余剰のエネルギーは、出力電流として取り出される。そして、燃料電池スタック１の湿潤状態は、出力電流が取り出された分だけ湿潤側に推移する。

　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、上記第２実施形態における燃料電池システム１００の制御方法に対して、アイドルストップ運転中の燃料電池スタック１の水収支を演算するステップをさらに含み、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲より湿潤側に外れた場合には、演算した水収支が乾燥方向になるように、再設定ステップでは、少なくとも燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定するとともに、カソードガス供給ステップでは、該再設定した出力電圧の上限値に基づいて、供給すべきカソードガス流量を決定し、該決定したカソードガス流量及び演算した水収支に基づいて、間欠的にカソードガスを供給する。また、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲より乾燥側に外れた場合には、演算した水収支が湿潤方向になるように、再設定ステップでは、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を再設定前の上限値に戻すように再設定するとともに、カソードガス供給ステップでは、該再設定した出力電圧の上限値（元の上限値）に基づいて、供給すべきカソードガス流量を決定し、該決定したカソードガス流量及び演算した水収支に基づいて、間欠的にカソードガスを供給するように構成した。

　本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、推定した湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達したときに、燃料電池スタック１内の水収支に基づいて、一度に目標湿潤範囲になるようにカソードガスを供給しているので、燃料電池スタック１内の湿潤状態を目標湿潤範囲に早期に移行させることができる。これにより、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１内の湿潤状態を迅速に適正化することができる。また、燃料電池スタック１内の水収支に基づいて、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及びカソードガスの供給量を決定しているので、燃料電池スタック１の湿潤状態を精度良く適正化することができる。なお、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲より湿潤側に外れた場合には、出力電圧の下限値についても高めるように再設定してもよい。この場合、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲より乾燥側に外れた場合には、再設定した出力電圧の下限値を元の下限値に戻すように再設定すればよい。

　（第６実施形態）
　以下、本発明の第６実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は、第１実施形態と実質的に同様であるので、ここでは、図１を用いて説明することとし、システム全体構成の詳細な説明を省略する。また、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

　上述の第１～第５実施形態では、コントローラ２００又は２０１が、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定し、湿潤状態が目標湿潤範囲に到達するように制御していた。本実施形態では、このような状況においても、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めることなく、カソードガスの供給量及び供給時間の少なくとも一方を大きくすることにより、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標湿潤範囲に到達するようにした点で第１～第５実施形態とは異なる。

　なお、本実施形態のコントローラ２００の機能は、出力電圧上限値再設定部２７０を省略するとともに、湿潤適正範囲判定部２６０の判定結果が直接カソードガス供給制御部２８０に出力される点を除き、第１実施形態のコントローラ２００と同様であるので、以下の説明では、図３の機能ブロック図を用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。

　まず、図２１に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。図２１は、本発明の第６実施形態におけるコントローラ２００により実行されるアイドルストップ運転処理の一例を示すフローチャートである。コントローラ２００は、図７に示すアイドルストップ判定処理のステップＳ１においてアイドルストップ開始条件が成立したと判定すると、このアイドルストップ運転処理を実行する。

　このアイドルストップ運転処理では、コントローラ２００のカソードガス供給制御部２８０は、まず、コンプレッサ２２を停止させ、カソードガスの供給を停止する（ステップＳ１１）。そして、出力電圧上下限値設定部２３０は、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を設定する（ステップＳ１２）。

　次いで、湿潤適正範囲設定部２４０は、燃料電池スタック１の湿潤適正範囲（その上限値及び下限値）を設定するとともに、アイドルストップ運転時の目標湿潤範囲を設定し（ステップＳ４１）、湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１の湿潤状態を推定する（ステップＳ４２）。

　次いで、湿潤適正範囲判定部２６０は、推定した湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値（すなわち、湿潤側の限界値）以下になっているか否かを判定する（ステップＳ４３）。推定した湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値以下になっていると判定した場合には、コントローラ２００は、処理フローをステップＳ２１に移行させる。

　この場合、コントローラ２００（湿潤適正範囲判定部２６０が行ってもよい）は、湿潤状態検出部２１０により推定した現在の湿潤状態と、ステップＳ４１において設定した目標湿潤範囲とを比較して、それらの偏差を演算する（ステップＳ２１）。

　そして、コントローラ２００は、演算した偏差に基づいて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの流量を決定する（ステップＳ４４）。カソードガス供給制御部２８０は、決定したカソードガスの流量に基づいて、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する（ステップＳ４５）。

　次いで、湿潤適正範囲判定部２６０は、湿潤状態検出部２１０により推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したか否かを判定する（ステップＳ２３）。推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達するまで、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を継続する。推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達したと判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し（ステップＳ４６）、このアイドルストップ運転処理を終了する。

　一方、ステップＳ４３において、推定した湿潤状態が湿潤適正範囲より大きいと判定した場合には、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した下限値以下になったか否かを判定する（ステップＳ１４）。出力電圧が下限値より大きいと判定した場合には、コントローラ２００は、そのままこのアイドルストップ運転処理を終了する。

　出力電圧が下限値以下になったと判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を駆動して、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する（ステップＳ１５）。

　次いで、出力電圧判定部２５０は、電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧がステップＳ１２で設定した上限値以上になったか否かを判定する（ステップＳ１６）。出力電圧が上限値未満であると判定した場合には、コントローラ２００は、出力電圧が上限値以上になるまで、このステップＳ１６で待機する。

　一方、出力電圧が設定されたいずれかの上限値以上であると判定した場合には、カソードガス供給制御部２８０は、コンプレッサ２２を停止して、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し（ステップＳ１７）、このアイドルストップ運転処理を終了する。

　以下、図２２に示すタイムチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作の一例を説明する。図２２は、本発明の第６実施形態におけるアイドルストップ運転処理中の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。本例では、湿潤状態が目標湿潤範囲に到達した後、出力電圧の上限値を再設定することなく、燃料電池スタック１にカソードガスを急激に供給することにより、早期に目標湿潤範囲に到達させる場合を説明する。なお、第１実施形態における図６のタイムチャートと同様の状態変化においてはその説明を省略する場合もある。

　本例では、湿潤状態検出部２１０により推定した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達すると（図２２Ｄ参照）、現在の湿潤状態と目標湿潤範囲との偏差により設定されるカソードガスの供給流量に基づいて、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１にカソードガスを連続的に供給する（図２２Ｃ参照）。

　ここで、本例では、出力電圧上限値再設定部２７０により出力電圧の上限値を高めるように再設定を行わないので、カソードガスの供給により、ある程度の出力電流が取り出され、それに応じて、生成水がそれなりに発生してしまう。しかしながら、カソードガスの供給流量もそれなりに大きいので、生成水が燃料電池スタック１から排出される量も十分にある。このように、本例では、第５実施形態の場合に比べて、燃料電池スタック１内を乾燥させるのに多少時間が掛かってしまう。

　推定した湿潤状態が目標湿潤範囲に到達すると、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し、これにより、生成水の発生も止まる。そのため、燃料電池スタック１の出力電圧は、通常のアイドルストップ運転中と同様に、徐々に低下していき、出力電圧の下限値に達する。

　これ以降の制御については、通常のアイドルストップ運転中と同様に、カソードガス供給制御部２８０は、燃料電池スタック１にカソードガスを間欠的に供給することとなる。本実施形態では、コントローラ２００は、アイドルストップ運転中このような制御を実行し、燃料電池スタック１内の湿潤状態を制御する。

　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、アイドルストップ運転中における燃料電池スタック１の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定するステップをさらに含み、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲から外れたと判定した場合においても、再設定ステップでは、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定せず、カソードガス供給ステップでは、検出した燃料電池スタック１の湿潤状態と、設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、供給すべきカソードガス流量及び供給時間の少なくとも一方を決定し、該決定したカソードガス流量及び供給時間に基づいて、間欠的にカソードガスを供給するように構成した。

　本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法によれば、第１～第５実施形態とは異なり、湿潤状態が湿潤適正範囲の下限値に到達したとしても、出力電圧の上限値を高めるように再設定していないので、燃料電池スタック１内の各燃料電池の電解質膜等が高電位に晒されることを抑制することができる。これにより、電解質膜の高電位劣化が進行するのを抑制することができ、燃料電池スタック１の性能劣化を抑制するとともに、燃料電池スタック１の寿命を延ばすことができる。

　なお、図２１に示すフローチャート及び図２２に示すタイムチャートでは、カソードガスの供給流量のみを設定する場合について説明した。しかしながら、本発明は、第５実施形態のように、供給時間についても決定し、カソードガス供給制御部２８０は、供給流量及び供給時間に応じて、燃料電池スタック１にカソードガスを供給してもよい。あるいは、カソードガスの供給時間のみを決定し、カソードガス供給制御部２８０は、供給時間に応じて、燃料電池スタック１にカソードガスを供給してもよい

　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。

　上述の各実施形態では、アイドルストップ運転中において、燃料電池スタック１の出力電流の上限値を再設定したり、カソードガスを多く供給したりすることにより、燃料電池スタック１内を乾燥させる制御を行うタイミングとして、燃料電池スタック１の湿潤状態（燃料電池の電解質膜の湿潤状態）を用いる場合を説明した。しかしながら、本発明は、制御対象として、燃料電池スタック１の湿潤状態に限らず、湿潤状態を推定する前の測定ＨＦＲを用いてもよい。この場合、図３及び図１０の各ブロックは、燃料電池スタック１のＨＦＲに関する情報（データ）を検出したり、取得したり、設定したり、それらに基づいて判定したりすればよい。

　また、上述の各実施形態では、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値及び下限値を用いて各種制御を行う場合を説明した。しかしながら、本発明は、燃料電池スタック１内の所定量の燃料電池の出力電圧や、各燃料電池の端子間電圧の平均値などを用いてもよい。

　さらに、上述の第１～第５実施形態では、出力電圧上限値再設定部２７０は、所定の条件下で、燃料電池スタック１の出力電圧の上限値を高めるように再設定する場合について説明した。しかしながら、本発明は、このような制御に限らず、例えば、出力電圧の上限値及び下限値（すなわち、変動範囲（バンド））やその中間値を再設定するように構成してもよい。

　また、上述の各実施形態では、湿潤状態検出部を検出部となるインピーダンス測定装置６とその測定信号を処理するコントローラ２００の湿潤状態検出部２１０とに分けて構成した場合について説明したが、本発明はこのような構成に限らず、例えば、これらの機能を一体的に構成することもできる。また、上述の各実施形態では、燃料電池スタック１へのカソードガスの供給については、インターフェースのアクチュエータとなるコンプレッサ２２とコントローラ２００内に組み込まれたカソードガス供給制御部２８０とで実行した場合について説明したが、本発明はこのような構成に限らず、例えば、これらの機能についても、上述と同様に一体的に構成することができる。

　さらに、上述の各実施形態で説明したように、コントローラ２００は、マイクロコンピュータから構成されており、湿潤状態検出部２１０、出力電圧上下限値設定部２３０、湿潤適正範囲設定部２４０、出力電圧判定部２５０、湿潤適正範囲判定部２６０、出力電圧上限値再設定部２７０、及び、カソードガス供給制御部２８０を少なくとも統合制御するものである。そして、アイドルストップ運転中において、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿潤適正範囲設定部２４０により設定した湿潤適正範囲から外れた場合には、出力電圧上限値再設定部２７０は、燃料電池スタック１の出力電圧（上限値や下限値、出力範囲等）を再設定し、コントローラ２００は、再設定した出力電圧の上限値から下限値までの間の値で間欠的にカソードガスを供給するようにカソードガス給排装置２を制御するとともに、アイドルストップ運転以外の通常運転時の制御も行っていることはもちろんである。

　本願は、２０１５年１２月１０日に日本国特許庁に出願された特願２０１５－２４１４３０に基づく優先権を主張し、この出願のすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　負荷の要求出力に応じて燃料電池の発電を選択的に停止し、運転停止時に間欠的に前記燃料電池にカソードガスを供給するアイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システムの制御方法であって、
　前記アイドルストップ運転中における前記燃料電池の出力電圧の上限値及び下限値を設定するステップと、
　前記燃料電池の出力電圧が前記上限値から前記下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給するステップと、
　前記燃料電池の湿潤状態を検出するステップと、
　前記アイドルストップ運転中における前記燃料電池の湿潤状態が適正となる湿潤適正範囲を設定するステップと、
　前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定するステップと、
　前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記設定した湿潤適正範囲から外れたと判定した場合には、前記燃料電池の出力電圧を再設定するステップと、
を含み、
　前記カソードガス供給ステップでは、前記燃料電池の出力電圧を再設定した場合には、前記燃料電池の出力電圧が前記再設定した出力電圧の上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
　請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　前記再設定ステップでは、前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記設定した湿潤適正範囲から外れたと判定した場合には、前記燃料電池の出力電圧の前記設定した上限値を高めるように再設定する、
燃料電池システムの制御方法。
　請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　アイドルストップ運転中における前記燃料電池の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定するステップと、
　前記検出した燃料電池の湿潤状態と、前記設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、前記再設定した燃料電池の出力電圧の上限値及び下限値を再設定前の上限値及び下限値に戻すステップと、
をさらに含む、燃料電池システムの制御方法。
　請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　前記設定を戻すステップでは、前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲に到達した場合には、前記燃料電池の出力電圧が前記再設定前の出力電圧の上限値以下になった後、前記再設定した燃料電池の上限値を再設定前の上限値に戻す、
燃料電池システムの制御方法。
　請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　前記再設定した出力電圧の上限値から下限値までの間の値で、間欠的にカソードガスを供給する場合には、前記カソードガス供給ステップでは、前記検出した燃料電池の湿潤状態と、前記設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、供給すべきカソードガス流量及び供給時間を決定し、該決定したカソードガス流量及び供給時間に基づいて、間欠的にカソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
　請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　アイドルストップ運転中の燃料電池の水収支を演算するステップをさらに含み、
　前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記湿潤適正範囲より湿潤側に外れた場合には、前記演算した水収支が乾燥方向になるように、前記再設定ステップでは、少なくとも前記燃料電池の出力電圧の上限値を高めるように再設定するとともに、前記カソードガス供給ステップでは、該再設定した出力電圧の上限値に基づいて、供給すべきカソードガス流量を決定し、該決定したカソードガス流量及び前記演算した水収支に基づいて、間欠的にカソードガスを供給し、
　前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記湿潤適正範囲より乾燥側に外れた場合には、前記演算した水収支が湿潤方向になるように、前記再設定ステップでは、前記燃料電池の出力電圧の上限値を前記再設定前の上限値に戻すように再設定するとともに、前記カソードガス供給ステップでは、該再設定した出力電圧の上限値に基づいて、供給すべきカソードガス流量を決定し、該決定したカソードガス流量及び前記演算した水収支に基づいて、間欠的にカソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
　請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　アイドルストップ運転中における前記燃料電池の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定するステップをさらに含み、
　前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記湿潤適正範囲から外れたと判定した場合においても、前記再設定ステップでは、前記燃料電池の出力電圧の上限値を高めるように再設定せず、前記カソードガス供給ステップでは、前記検出した燃料電池の湿潤状態と、前記設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、供給すべきカソードガス流量及び供給時間の少なくとも一方を決定し、該決定したカソードガス流量及び供給時間に基づいて、間欠的にカソードガスを供給する、
燃料電池システムの制御方法。
　請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
　前記出力電圧の前記再設定した上限値は、前記燃料電池の開回路電圧より高い、
燃料電池システムの制御方法。
　負荷の要求出力に応じて燃料電池の発電を選択的に停止し、運転停止時にカソードガス供給装置から間欠的に前記燃料電池にカソードガスを供給するアイドルストップ運転を実行可能な燃料電池システムであって、
　前記燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出部と、
　前記アイドルストップ運転中における前記燃料電池の出力電圧の上限値及び下限値を設定する出力電圧上下限値設定部と、
　前記アイドルストップ運転中における前記燃料電池の湿潤状態が適正となる湿潤適正範囲を設定する湿潤適正範囲設定部と、
　前記湿潤状態検出部により検出した燃料電池の湿潤状態が前記湿潤適正範囲設定部により設定した湿潤適正範囲内にあるか否かを判定する湿潤適正範囲判定部と、
　前記湿潤適正範囲判定部により、前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記設定した湿潤適正範囲から外れたと判定された場合には、前記燃料電池の出力電圧を再設定する出力電圧再設定部と、
　前記出力電圧上限値再設定部が前記燃料電池の出力電圧を再設定した場合には、前記燃料電池の出力電圧が前記再設定した出力電圧の上限値から下限値までの間の値で、前記カソードガス供給装置から間欠的にカソードガスを供給するように制御する制御部と、
を含む、燃料電池システム。
　請求項９に記載の燃料電池システムであって、
　前記出力電圧再設定部は、前記湿潤適正範囲判定部により、前記検出した燃料電池の湿潤状態が前記設定した湿潤適正範囲から外れたと判定された場合には、前記燃料電池の出力電圧の前記設定した上限値を高めるように再設定する、
燃料電池システム。
　請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
　アイドルストップ運転中における前記燃料電池の目標湿潤度又は目標湿潤範囲を設定する目標湿潤度設定部をさらに備え、
　前記出力電圧再設定部は、前記湿潤状態検出部により検出した燃料電池の湿潤状態と、前記目標湿潤度設定部により設定した目標湿潤度又は目標湿潤範囲とに基づいて、前記再設定した燃料電池の出力電圧の上限値を再設定前の上限値に戻す、
燃料電池システム。
　請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
　前記出力電圧再設定部により再設定された前記出力電圧の上限値は、前記燃料電池の開回路電圧より高い、
燃料電池システム。