JP2005063801A - 燃料電池システムおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電セルの電圧の異常を検知した場合に、電圧の異常を低減する処理を実行しつつ燃料電池システムの運転を継続する。
【解決手段】 いずれかの発電セル２００において、電圧の異常低下が生じている場合には（Ｓ６）、その継続時間に応じて所定の処理を行う。電圧の異常低下の継続時間がｔ２以上となった場合は、電圧異常を低減する処理を行う（Ｓ１２）。具体的には、流通ガスの圧力を上げ、水素循環系からオフガスを排出する時間間隔を短くし、排出量を増やす。それらの処理によって異常が解消せず、継続時間がｔ３以上となった場合は、出力の上限値を下げる（Ｓ１４）。継続時間がｔ４以上となった場合は、出力の上限値を更に下げる（Ｓ１６）。継続時間がｔ１以上となった場合は、燃料電池システムの運転を停止する（Ｓ１８）。
【選択図】 図４

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、特定のセルの発電電圧が低下した場合にも燃料電池システム全体の運転を継続できる燃料電池システムに関する。

燃料電池（以下で「ＦＣ」と表記することがある）は、それぞれ燃料ガスを反応させて発電を行う発電セルを、複数備えている。この発電セル内の電解質膜に液体の水が過剰に付着していると、その発電セルの起電力が低下する。そして、そのまま放置すると、電解質膜の損傷につながる。このため、従来は、各発電セルの状態をモニタし、いずれかの発電セルの異常を検知した場合には、まず、異常を低減する処理を行っていた。そして、その処理によっても異常が解消されない場合には、燃料電池システム全体の運転を停止していた。

特許文献１には、燃料電池の抵抗の変化率に基づいて電解質膜の加湿状態を判定する技術が開示されている。また、他の関連文献として、特許文献２ないし５がある。

特開２０００−２４３４１８号公報

特開昭和６３−１１０５５８号公報

特開２０００−２１４２９号公報

特開昭６３−２６４８７６号公報

特開２００１−２３６６７号公報

電圧の異常を低減する処理によっても異常が解消されない場合に、発電セルの電圧異常を低減する処理を実行しつつ燃料電池システムの運転を継続する技術は、開発されていなかった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、発電セルの電圧の異常を検知した場合に、電圧の異常を低減する処理を実行しつつ燃料電池システムの運転を継続する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下のような構成を備える。すなわち、本発明の一形態である燃料電池システムは、発電を行う複数の発電セルと、少なくとも一部の発電セルの電圧を検知する電圧検知部と、発電セルの電圧が回復しきい値を下回っている状態において発電セルの発電性能を改善する回復処理を実行できる回復部と、燃料電池システムの運転を制御する制御部と、を備える。

この燃料電池システムにおいて、制御部は、発電セルの電圧が回復しきい値を下回った場合に、回復部による回復処理を開始し、回復処理を行った後、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った場合に、燃料電池ユニットの出力の上限値を下げることが好ましい。このような態様とすれば、発電セルの電圧の異常を検知した場合に、電圧の異常を低減する処理を実行しつつ燃料電池システムの運転を継続することができる。

なお、第１の運転しきい値は、回復しきい値よりも低い値とすることができる。このような態様においては、発電セルの電圧が低下した後、回復処理によって電圧の低下が低減され、その結果、引き続いて発電セルの電圧が低下して第１の運転しきい値を下回ってしまうという事態を回避できた場合には、燃料電池ユニットの出力の上限値を下げることなく、燃料電池ユニットの運転を継続することができる。

また、第１の運転しきい値は、回復しきい値よりも高い値とすることができる。このような態様においては、回復処理によって発電セルの電圧が回復しきい値を上回った場合に、さらに低出力での燃料電池ユニットの運転を行うことで、発電セルの電圧が回復しきい値を上回った場合にすぐに出力の上限値を上げる態様に比べて、発電セルの電圧が再度低下する可能性を低くすることができる。

さらに、第１の運転しきい値は、回復しきい値と等しい値とすることもできる。そのような態様とすれば、適切な量だけ回復処理を行うことができる。

なお、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った状態が、第１の時間だけ継続した場合には、燃料電池システムの運転を停止することが好ましい。このような態様とすれば、発電セルの損傷を防止することができる。

また、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った状態が、第１の時間よりも短い第２の時間だけ継続した場合には、燃料電池ユニットの出力の上限値をさらに下げる態様とすることもできる。このような態様とすれば、発電セルの損傷を防止しつつ、燃料電池システムの運転を継続することができる。

なお、発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った場合には、燃料電池ユニットの出力の上限値を上げることが好ましい。このような態様とすれば、発電セルが電圧を回復したあと、出力制限を緩めて、それまでよりも高い出力で燃料電池を運転することができる。

上記の態様は、発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った場合には、燃料電池ユニットの出力の上限値を、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回る前の燃料電池ユニットの出力の上限値とする態様とすることができる。このような態様とすれば、発電セルが電圧を回復したあと、燃料電池システムの運転状態を、もとの状態に戻すことができる。

また、上記の態様は、発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った場合には、燃料電池ユニットの出力の上限値を、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回る前の燃料電池ユニットの出力の上限値よりも低い値とする態様とすることもできる。このような態様とすれば、発電セルが電圧を回復したあと、もとの運転状態よりも低い出力で運転を継続して、発電セルの電圧がふたたび低下しないかどうかを監視することができる。

第２の運転しきい値は、第１の運転しきい値と等しい値とすることができる。

そして、第２の運転しきい値は、第１の運転しきい値よりも高い値とすることができる。このような態様とすれば、発電セルの電圧が第１の運転しきい値近傍を変動する場合にも、燃料電池システムを安定して運転することができる。

なお、発電セルの電圧の低下がフラッディングによる電圧の低下である場合に、本発明は特に有効である。

また、回復部は、発電セルに直接または間接に接続され、酸化ガスと燃料ガスとのうちの一方のガスを発電セルに供給するポンプであって、供給圧力と供給速度との少なくとも一方を変動させてガスを供給できるポンプとすることができる。このポンプは、供給圧力または供給速度の変動により発電セル内の液体の水を除去することで回復処理を実行できる。このような態様とすれば、フラッディングによる電圧低下が生じた発電セルの状態を、効果的に回復させることができる。

なお、本発明は、人を乗せて移動するための移動体であって、以上で説明したような燃料電池システムと、燃料電池システムから供給される電力で駆動されるモータと、モータの動力を外部に伝達して移動体を移動させる伝達部と、を備える移動体の態様で実現することも可能である。このような態様とすれば、ユーザは発電セルに異常が生じた後も、移動が可能である。よって、危険な場所で移動体が動けなくなってしまうことがない。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法や、燃料電池システムを備える車両、船舶、自家発電システムなどの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置の全体構成：
Ａ−２．燃料電池システムの概略構成：
Ａ−３．燃料電池システムの運転：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。電気自動車１０は、動力装置１７と、減速ギヤ３４と、車両駆動軸３８と、車輪３９と、を備えている。動力装置１７の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続されている。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力軸３６を通じて出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。車両駆動軸３８は、車輪３９に接続されている。

動力装置１７は、電源装置１５と、駆動インバータ３０と、駆動インバータ３０を介して電源装置１５に接続される駆動モータ３２と、を備えている。電源装置１５と駆動モータ３２との間には、配線５０が設けられており、この配線５０を介して、電源装置１５と負荷との間で電力がやり取りされる。すなわち、駆動モータ３２は、力行運転時には、電源装置１５から電力を供給される負荷であり、一方、回生運転時には、電源装置１５に電力を供給する電源である。

電源装置１５は、燃料電池システム２２と、２次電池２６とを備えている。燃料電池システム２２は、発電の本体である燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０に燃料ガスや空気を供給するためのポンプ等の機器を備えている。図１においては、それらの機器をまとめて高圧補機４０として示す。なお、本明細書では、狭義には、燃料電池スタック１１０と高圧補機４０とをまとめて「燃料電池システム」と呼ぶが（図１の破線で囲った部分２２）、広義には、燃料電池スタック１１０と高圧補機４０に、さらにそれらを制御する制御部４８を加えたものを「燃料電池システム」と呼ぶ。

燃料電池システム２２が接続されている配線５０には、燃料電池スタック１１０へ電流が逆流するのを防止するためのダイオード４２がさらに設けられている。さらに、配線５０には、この配線５０に対する燃料電池スタック１１０の接続状態を入り切りするスイッチ２０が設けられている。

また、配線５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続されており、このＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して、２次電池２６は配線５０に接続されている。また、このような電源装置１５における電圧を測定するために、配線５０には、電圧計５２がさらに設けられている。

２次電池２６としては、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。この２次電池２６は、駆動モータ３２が力行運転を行っており要求負荷が所定の値よりも大きくなる場合には、駆動モータ３２に電力を供給して、燃料電池システム２２を補う。また、駆動モータ３２が回生運転を行っている場合には、駆動モータ３２から回生電力を供給され、これを蓄える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、目標電圧値を設定することによって、燃料電池システム２２からの出力電圧を調節し、燃料電池システム２２の発電量を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６において充放電を行なう必要のないときには、２次電池２６と配線５０との接続を開放する。

電源装置１５から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して配線５０に接続されており、電源装置１５から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記モータの各相に対応するスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。

電気自動車１０は、制御部４８をさらに備えている。制御部４８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部４８は、既述した電圧計５２による検出信号や、２次電池の残存容量モニタ２７が出力する信号、あるいは、車両の運転に関して入力される指示信号を取得する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８，スイッチ２０，燃料電池システム２２、駆動インバータ３０などに駆動信号を出力する。

電気自動車１０の動きを制御するための制御部４８への入力装置としては、アクセル、ブレーキなどがある。図１では、アクセルの開度を検出するアクセル開度センサ５７を示している。また、電気自動車１０には、制御部４８にデータを入力するものとしては、ブレーキの踏み込み量を検出するブレーキセンサ５６、電気自動車１０の車速を検出する車速センサ５８なども備えられている。これらの電気自動車１０の走行状態を把握するための各種センサについては、図１では図示を省略する。

Ａ−２．燃料電池システムの概略構成：
図２は、燃料電池システム２２の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する発電セル２００の積層体である。各発電セル２００は、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型の発電セルを用いるものとした。

積層された各発電セル２００には、それぞれ電圧計２０２が接続されている。制御部４８は、これらの電圧計が計測した各発電セル２００の電圧をもとに、各機器の制御を行う。なお、図２においては、電圧計２０２は、一つだけ示している。なお、電圧計は、すべての発電セル２００に接続するのではなく、代表的な一部の発電セル２００にのみ接続する態様とすることもできる。

燃料電池スタック１１０のカソードには、酸素を含有した酸化ガスとして圧縮空気が供給される。空気は、外部（大気中）から取り入れられエアコンプレッサ１４１で圧縮された後、加湿器１４２で加湿され、配管１３５から燃料電池スタック１１０に供給される。カソードからの排気（カソードオフガス）は、配管１３６、圧力調整弁１２７、加湿器１４２、希釈器１４４を通じて外部に排出される。なお、加湿器１４２は、燃料電池スタック１１０内における反応によって生じた水分を多く含んだ配管１３６内の排気と、外部から取り入れられ燃料電池スタック１１０内に供給される配管１３５内の空気とを、高分子膜を挟んで間接的に接触させる。その結果、配管１３６内の排気から新たに導入する配管１３５内の空気へと水分が移動し、空気の加湿が行われる。

エアコンプレッサ１４１は、配管１３５内の圧力を比較的低い圧力に保ち、空気の供給速度を低い速度に保つ低出力モードと、配管１３５内の圧力を比較的高い圧力に保ち、空気の供給速度を高い速度に保つ高出力モードと、の二つの運転モードを有している。定常状態において、エアコンプレッサ１４１は、低出力モードで運転される。そして、エアコンプレッサ１４１は、所定の条件下で電解質膜２３２に付着した水分を吹き飛ばすために、高出力モードで運転される。

燃料電池スタック１１０のアノードには、水素供給配管１３２を介して水素タンク１２０から水素ガスが供給される。水素タンク１２０に高圧で貯蔵された水素ガスは、レギュレータ１２３によって圧力が減圧されて、シャットバルブ１２４を通りアノードに供給される。水素供給配管１３２の経路中、レギュレータ１２３と燃料電池スタック１１０との間には、燃料電池スタック１１０に供給される水素ガスの圧力を検出するための圧力センサ１１２が設けられている。アノードからの排気（以下、「アノードオフガス」と称する）は、シャットバルブ１２５を通り還流配管１３３に流出する。

還流配管１３３の経路中には、気液分離器１４６が設けられている。環流配管１３３中には、アノードオフガス中に含まれる水蒸気が液化して生じた液体の水が存在する。また、カソード側の反応によって生じた水の一部が、発電セル２００中の電解質膜を通ってアノード側に浸みだし、アノードオフガスによって発電セル２００から環流配管１３３に運ばれる。それら液体の水は、気液分離器１４６によって水素ガスおよび水蒸気から分離され、環流配管１３３から外部に排出される。

環流配管１３３は、気液分離器１４６の下流で二つに分岐している。分岐の一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管１３４に接続され、他方は逆止弁１２８を介して水素供給配管１３２に接続されている。燃料電池スタック１１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は、水素供給配管１３２中の水素ガスに比べて低くなる。このため、環流配管１３３には、アノードオフガスを水素供給配管１３２に環流することができるようにアノードオフガスを昇圧する水素ポンプ１４５が設けられている。

水素ポンプ１４５は、水素供給配管１３２側の圧力を比較的低い圧力に保ち、水素の循環速度を低い速度に保つ低出力モードと、水素供給配管１３２側の圧力を比較的高い圧力に保ち、水素の循環速度を高い速度に保つ高出力モードと、の二つの運転モードを有している。定常状態において、水素ポンプ１４５は、低出力モードで運転される。そして、水素ポンプ１４５は、所定の条件下で電解質膜２３２に付着した水分を吹き飛ばすために、高出力モードで運転される。

排出管１３４に設けられた排出バルブ１２６が閉じられている間は、アノードオフガスは水素供給配管１３２を介して再び燃料電池スタック１１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。

一方、排出バルブ１２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管１３４を通り、希釈器１４４で空気によって希釈された後、外部に排出される。アノードオフガス中の不純物の濃度が所定の値以上となった場合に、排出バルブ１２６を開いて一部のアノードガスを系外に排出することで、不純物の循環量が低減される。

燃料電池スタック１１０には、燃料電池スタック１１０に冷却水を供給する配管１３７、および燃料電池スタック１１０に冷却水を排出する配管１３８が接続されている。冷却水を排出する配管１３８はラジエータ１４８と接続されており、さらに、ラジエータ１４８は、燃料電池スタック１１０に冷却水を供給する配管１３７に接続されている。冷却水は配管１３７の途中に設けられたポンプ１４７によって、燃料電池スタック１１０とラジエータ１４８の間を循環される。冷却水が、燃料電池スタック１１０内で各発電セルから受け取った熱を、ラジエータ１４８を通じて外部に放出することで、各発電セルの温度は一定範囲内に保たれる。

なお、冷却水の配管１３８には、燃料電池スタック１１０とラジエータ１４８の間に、冷却水の温度を計測する温度センサ１４９が設けられている。制御部４８は、燃料電池スタック１１０の温度Ｔｆｃとして、この温度センサ１４９が計測した温度を使用して、温度Ｔｆｃに基づいて各機器の制御を行う。

なお、図２に示された、冷却水を循環させるポンプ１４７、発電セル２００に空気を供給するエアコンプレッサ１４１、発電セル２００に水素ガスを供給する水素ポンプ１４５が、図１に示す高圧補機４０に相当する。

図３は発電セル２００の構造を示す斜視図である。発電セル２００は固体高分子型燃料電池として構成されている。発電セル２００は、電解質膜２３２を水素極２３４、酸素極２３６で挟み込み、さらにその両側をセパレータ２１０、２２０で挟んだ構造を有している。図示の都合上、酸素極２３６は、電解質膜２３２に隠れた位置に存在する。水素極２３４、酸素極２３６は、ガス拡散電極である。

セパレータ２１０の水素極２３４と対向する面には、複数の溝部２１１が形成されている。また、セパレータ２２０の酸素極２３６と対向する面には、複数の溝部２２１が形成されている。セパレータ２１０、２２０が、水素極２３４、酸素極２３６をさらに両側から挟み込むことによって、水素極２３４とセパレータ２１０との間には、溝部２１１による水平方向の燃料ガス流路２１２が形成される。そして、酸素極２３６とセパレータ２２０との間には、溝部２２１による鉛直方向の酸化ガス流路２２２が形成される。

略板状のセパレータ２１０は、図３に示した水素極２３４と向かい合う側の面に燃料ガス流路２１２を形成するための水平方向の溝部２１１を有している一方で、逆側の面には酸化ガス流路２２２を形成するための鉛直方向の溝部２１３を有している。すなわち、セパレータ２１０は、図３に示した発電セル２００の一部を構成すると同時に、図の左側に隣接する発電セル（図示せず）の一部を構成しており、セパレータ２１０上の溝部２１３は、その隣接する発電セルの酸素極のための酸化ガス流路２２２を形成する。すなわち、積層される各発電セル２００は、互いの間に設けられるセパレータを共有する。

略長方形の板状であるセパレータ２１０の各辺の付近には、それぞれの辺に沿った細長い形状の燃料ガス孔２５３、２５４および酸化ガス孔２５５、２５６が形成されている。燃料ガス孔２５３、２５４は、発電セル２００を積層することによって燃料電池スタック１１０を形成した際に、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する燃料ガス流路２１２を形成する。また、酸化ガス孔２５５、２５６は、発電セル２００を積層して燃料電池スタック１１０を形成した際に、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する酸化ガス流路２２２を形成する。

まず、燃料電池スタック１１０内の燃料ガス流路２１２について説明する。発電セル２００を積層して燃料電池スタック１１０を形成した状態で、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する燃料ガス孔２５３は、水素供給配管１３２（図２参照）に接続されている。そして、同様に燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する燃料ガス孔２５４は、環流配管１３３（図２参照）に接続されている。また、燃料ガス孔２５３、２５４は、各発電セルにおいて水平方向に伸びる溝部２１１と連通している。

燃料ガスは、水素供給配管１３２から燃料電池スタック１１０の燃料ガス孔２５３に供給され、各発電セル２００の溝部２１１を通って燃料ガス孔２５４に到達する。各発電セル２００の溝部２１１を通る際に、燃料ガスは各発電セル２００の水素極２３４と接触して所定の反応に供される。その後、燃料ガスは、燃料ガス孔２５４から環流配管１３３に排出される。すなわち、燃料ガス孔２５３、溝部２１１および燃料ガス孔２５４が、燃料電池スタック１１０内の燃料ガス流路２１２を構成する。

次に、燃料電池スタック１１０内の酸化ガス流路２２２について説明する。発電セル２００を積層して燃料電池スタック１１０を形成した状態で、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する酸化ガス孔２５５は、配管１３５（図２参照）に接続されている。そして、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する酸化ガス孔２５６は、配管１３６（図２参照）に接続されている。また、酸化ガス孔２５５、２５６は、各発電セルにおいて鉛直方向に伸びる溝部２２１、２１３と連通している。

酸化ガスは、配管１３５から燃料電池スタック１１０の酸化ガス孔２５５に供給され、各発電セル２００の溝部２２１，２１３を通って酸化ガス孔２５６に到達する。各発電セル２００の溝部２２１，２１３を通る際に、酸化ガスは各発電セル２００の酸素極２３６と接触し、所定の反応に供される。なお、その反応によって水が生成される。その後、酸化ガスは、酸化ガス孔２５６から配管１３６に排出される。すなわち、酸化ガス孔２５５、溝部２２１，２１３および酸化ガス孔２５６が、燃料電池スタック１１０内の酸化ガス流路２２２を構成する。

燃料電池スタック１１０においては、５つの発電セル２００ごとに１枚の割合で、発電セル２００と発電セル２００の間に冷却セパレータ２４０が設けられている。冷却セパレータ２４０は、発電セル２００を冷却する冷却水路を形成するためのセパレータである。冷却セパレータ２４０には、冷却水孔を連絡するジグザグ状の冷却水溝２４２が形成されている。この冷却セパレータ２４０の両側に位置する発電セルは、それぞれ独立のセパレータを有しており、図３のセパレータ２１０のような一つのセパレータを共有してはいない。すなわち、冷却セパレータ２４０は、それぞれ発電セルを構成するセパレータ２２０とセパレータ（図示せず）の間に設けられている。

前述のように、隣接する二つの発電セル２００が共有しているセパレータ２１０には、その両面にそれぞれ溝部２１１，２１３が設けられている。しかし、冷却セパレータ２４０と隣接するセパレータには、冷却セパレータ２４０と向かい合う面にリブが設けられておらず、その面は平面である。図３に示すセパレータ２２０は、そのようなタイプのセパレータである。冷却セパレータ２４０の冷却水溝２４２と、冷却セパレータ２４０を両側から挟む各セパレータの平面と、によって、冷却水路が形成される。

セパレータ２１０、２２０には、その周辺部の２カ所に、円形断面の冷却水孔２５１、２５２が形成されている。この冷却水孔２５１、２５２は、発電セル２００を積層した際に、燃料電池スタック１１０を積層方向に貫通する冷却水路を形成する。冷却水孔２５１は冷却水を燃料電池スタック１１０に供給する配管１３７（図２参照）に接続されており、冷却水孔２５２は冷却水を燃料電池スタック１１０から排出する配管１３８に接続されている。

燃料電池の運転時には、酸素極２３６において水が生成される。また、配管１３５を通じて供給される空気はあらかじめ加湿器１４２で加湿され水蒸気を含んでいる。この水蒸気の一部が、液体の状態で酸素極２３６に付着することもある。これらの水は、電解質膜２３２を通じて水素極２３４側にも浸透する。これらの水が液体の状態で過剰に電解質膜２３２に付着していると、燃料ガスおよび酸化ガスの拡散が妨げられて、その発電セル２００の起電力が低下する。これを「フラッディング」という。

なお、水滴は、酸素極２３６の表面以外に、燃料電池スタック１１０内の酸化ガス流路２２２である酸化ガス孔２５５、溝部２２１，２１３および酸化ガス孔２５６の内壁に付着していることもある。また、電解質膜２３２を通じて水素極２３４側に浸透した水分による水滴が、水素極２３４、ならびに燃料電池スタック１１０内の燃料ガス流路２１２である燃料ガス孔２５３、溝部２１１および燃料ガス孔２５４の内壁に付着していることもある。各発電セルのフラッディング防止のため、これらの過剰な液体の水は、除去されることが望ましい。

Ａ−３．燃料電池システムの運転：
図４は、燃料電池システム２２の運転時の手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２で、制御部４８は所定の設定に基づいて燃料電池システム２２を運転する。なお、各発電セル２００に電圧に異常低下が生じていない定常状態においては、燃料電池システム２２は、出力電力の上限Ｐｍａｘが第１の出力基準値Ｐｍａｘ１となるように運転される。任意の要求負荷に対して、燃料電池システム２２がＰｍａｘ１を超える電力を発電しない場合には、燃料電池システム２２の出力の上限値はＰｍａｘ１であると考えることができる。

次に、ステップＳ４では、制御部４８は、燃料電池スタック１１０の温度Ｔｆｃ、各発電セル２００の電圧Ｖｃｉ（ｉは１以上Ｎ以下の整数。Ｎは発電セルの個数）、そして、次の制御のサイクルにおける要求負荷Ｌｔを読み込む。具体的には、燃料電池スタック１１０の温度は温度センサ１４９から読み込まれ、各発電セル２００の電圧Ｖｃｉは、電圧計２０２から読み込まれる（図２参照）。要求負荷Ｌｔは、アクセル開度センサ５７等の入力値から制御部４８が計算する。

ステップＳ６では、すべての発電セル２００の電圧Ｖｃｉが所定の基準値Ｖａ以上であるか否かが判定される。ステップＳ６の判定結果がＮｏである場合は、処理はステップＳ１０に進む。なお、ステップＳ６の判定結果がＮｏであるということは、いずれかの発電セル２００において、電圧の異常低下が生じているということである。

ステップＳ６における基準値Ｖａは、要求負荷Ｌｔおよび燃料電池スタック１１０の温度Ｔｆｃに応じて定めることが好ましい。たとえば、燃料電池スタック１１０の温度がＴｆｃであって、要求負荷がＬｔであるときに、燃料電池システム２２について最適な運転を行った場合には、各発電セル２００の電圧ＶｃｉがＶｃ０になるとする。この場合には、燃料電池スタック１１０の温度がＴｆｃであって要求負荷がＬｔであるときの電圧の基準値Ｖａは、たとえば、Ｖｃ０の７５％の値とすることができる。

すなわち、燃料電池スタック１１０の温度がＴｆｃであって要求負荷がＬｔであるときには、ある発電セル２００の電圧が、最適運転時の発電電圧Ｖｃ０の７５％を下回る電圧となった場合には、その発電セル２００は「電圧の異常低下」を起こしていると判断できる。

ステップＳ１０では、発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬの長さについての判定がなされる。ｔＬが０より大きくｔ２より短いときには、処理はそのままステップＳ２に戻る（図４中のＩ参照）。たとえば、ｔ２は０．５秒とすることができる。

ステップＳ１０において、発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬの長さが、ｔ２以上でｔ３より短いときには、処理はステップＳ１２に進む（図４中のＩＩ参照）。ステップＳ１２では、発電セル２００の電圧低下を解消し、発電性能を改善する回復処理が開始される。なお、ｔ３は、たとえば１．０秒とすることができる。

ステップＳ１２では、まず第１に、燃料電池スタック１１０に送り込む水素ガスの量および空気の量を補正する。具体的には、水素ポンプ１４５による水素ガスの供給圧力を上げることによって、水素ガスの量を増やす。また、コンプレッサ１４１による空気の供給圧力を上げることによって、空気の量を増やす。これにより、電解質膜２３２に付着した液体の水が吹き飛ばされ、アノードオフガスの還流配管１３３またはカソードオフガスの配管１３６に排出される。その結果、発電セル２００のフラッディングによる電圧低下が低減され、発電セル２００の発電性能が改善される。なお、増加させる水素ガスの量および空気の量は、制御部４８が燃料電池スタック１１０の温度Ｔｆｃおよび要求負荷Ｌｔに基づいて決定する。

また、ステップＳ１２では、排出管１３４に設けられた排出バルブ１２６を開く時間間隔および開いている時間を補正する。具体的には、排出バルブ１２６を開く時間間隔を短くし、開いている時間を長くする。これにより、水素供給配管１３２、発電セル２００および環流配管１３３からなる循環経路から、水分を多く含んだアノードオフガスが排出される。そして、新規の水素ガスを水素タンク１２０から供給する。その結果、水素ガスの循環経路を循環するガスの平均の湿度が低くなり、水素ガスの循環によって発電セル２００からより多くの水分が奪われる。そして、発電セル２００の電圧低下が低減され、発電セル２００の発電性能が改善される。

また、排出バルブ１２６の開閉によって水素供給配管１３２、発電セル２００および環流配管１３３を循環するガスの経路内に圧力および流速の脈動が生じ、その脈動によって電解質膜２３２に付着した液体の水が吹き飛ばされ、アノードオフガスの還流配管１３３に排出される。その結果、発電セル２００の電圧低下が低減され、発電セル２００の発電性能が改善される。ステップＳ１２の後、処理はステップＳ２に戻る。

このように、第１実施例では、ある発電セル２００の電圧が所定の時間（ｔ２〜ｔ３）だけ低下した場合にも、すぐに燃料電池システム２２の運転を停止するのではなく、発電セル２００の電圧低下を解消するための処理を実施しつつ、燃料電池システム２２の運転を続行する。このため、発電セル２００に電圧の異常低下が生じても、その後、ドライバーは安全な場所、または連絡が容易な場所まで移動することができる。また、運転を続けて、その間に発電セル２００の状態が回復するのを待つことができる。

なお、ステップＳ１２の各回復処理は、制御部４８が、エアコンプレッサ１４１、水素ポンプ１４５および排出バルブ１２６を制御して実現する。この回復処理を実現する制御部４８の機能部を、回復制御部６４として図２に示す。エアコンプレッサ１４１、水素ポンプ１４５および排出バルブ１２６が特許請求の範囲にいう「回復部」に相当する。

また、ステップＳ１０において、発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬの長さが、ｔ３以上でｔ４より短いときには、処理はステップＳ１４に進む（図４中のＩＩＩ参照）。なお、ｔ４は、たとえば２．０秒とすることができる。

ステップＳ１４では、燃料電池システム２２の出力電力の上限値Ｐｍａｘを第２の出力基準値Ｐｍａｘ２とする。第２の出力基準値Ｐｍａｘ２は、第１の出力基準値Ｐｍａｘ１よりも低い値である。ステップＳ１４の後、処理はステップＳ２に戻る。

燃料電池システム２２の出力電力の上限値が第１の出力基準値Ｐｍａｘ１よりも低いＰｍａｘ２であるかどうかは、以下のようにして確かめることができる。すなわち、燃料電池システム２２の出力の上限値ＰｍａｘがＰｍａｘ１であるときには、出力Ｐｆｃ１（Ｐｍａｘ２＜Ｐｆｃ１＜Ｐｍａｘ１）で運転されるような要求負荷Ｐｒ０に対して、他の条件が同じであるときに、燃料電池システム２２が出力Ｐｍａｘ２で運転される場合には、その燃料電池システム２２の出力の上限値はＰｍａｘ２であると考えることができる。

第１実施例では、電圧低下を解消するための処理を所定の時間だけ実施しても（ステップＳ１２参照）、発電セル２００の電圧低下が解消しない場合にも、すぐに燃料電池システム２２の運転を停止するのではなく、出力を下げて燃料電池システム２２の運転を続行する。このため、発電セル２００の電圧の異常低下が解消しない場合にも、ドライバーは安全な場所、または連絡が容易な場所まで移動することができる。また、低出力の運転を続けて、その間に発電セル２００の状態が回復するのを待つこともできる。一方、燃料電池の出力は低く押さえられているため、そのまま発電セル２００の電圧が低下しつづけて、電解質膜が損傷してしまう可能性は低い。

ステップＳ１０において、発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬの長さが、ｔ４以上でｔ１より短いときには、処理はステップＳ１６に進む（図４中のＩＶ参照）。なお、ｔ１は、たとえば３．０秒とすることができる。

ステップＳ１６では、燃料電池システム２２の出力電力の上限値Ｐｍａｘを第３の出力基準値Ｐｍａｘ３とする。第３の出力基準値Ｐｍａｘ３は、第２の出力基準値Ｐｍａｘ２よりも低い値である。ステップＳ１６の後、処理はステップＳ２に戻る。なお、燃料電値システム２２の出力の上限値がＰｍａｘ３であるか否かは、出力の上限値がＰｍａｘ２である場合と同様にして確かめることができる。

このように、第１実施例では、発電セル２００の電圧低下を解消するための処理を実施しつつ（ステップＳ１２参照）、出力を下げて所定の時間だけ燃料電池システム２２の運転を続行しても、発電セル２００の電圧低下が解消しない場合にも、すぐに燃料電池システム２２の運転を停止しない。よって、ユーザは、発電セル２００に電圧の異常低下が生じた後も、さらに遠くまで移動することができる。また、それまでよりもさらに出力が低い運転を続けるため、電解質膜が損傷してしまう可能性は低い。

ステップＳ１０において、発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬの長さが、ｔ１より長いときには、処理はステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、燃料電池システム２２の運転を停止する。そして、処理を終了する。燃料電池システム２２の運転が停止されると、電気自動車１０は、その後は、２次電池２６に蓄えられたエネルギーの分だけしか移動することができない。

一方、ステップＳ６の判定結果がＹｅｓとなる場合は、処理はステップＳ８に進む。なお、ステップＳ６の判定結果がＹｅｓであるということは、すべての発電セル２００において、電圧の異常低下が生じていないということである。

ステップＳ８では、発電セル２００の電圧低下に応じて実施された各処理が終了される。すなわち、ステップＳ８では、燃料電池システム２２を運転する際の出力制限の上限値Ｐｍａｘが、第１の出力基準値Ｐｍａｘ１とされる。また、発電セル２００に電圧低下が生じている間カウントされいた時間ｔＬがクリアされる。そして、発電セル２００の電圧低下を解消するために実施されていた水素ガス、空気の流量の補正、および排出バルブ１２６の開閉時間の補正（ステップＳ１２参照）が、終了される。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例の燃料電池システム２２の運転時の手順を示すフローチャートである。第２実施例の運転手順では、第１実施例におけるステップＳ８に相当する処理が第１実施例とは異なり、さらにステップＳ６とステップＳ１０の間に所定のステップＳ４０が存在する点で第１実施例とは異なる。他の点は、第１実施例の処理と同じである。

第２実施例の処理においては、ステップＳ６の判定結果がＹｅｓである場合は、処理はステップＳ３２に進む。なお、ステップＳ６の判定結果がＹｅｓであるということは、すべての発電セル２００において、電圧の値が正常であるということである。

ステップＳ３２では、電圧の異常低下を起こしている発電セル２００が存在した時間ｔＬをクリアする。これにより、次にステップＳ６の判定結果がＮｏとなったときには、時間ｔＬは、また０からカウントを開始される。

ステップＳ３４では、すべての発電セル２００において電圧の値が正常な状態にあった時間ｔＨの長さについての判定がなされる。ｔＨが０より大きくｔ５より短いときには、処理はそのままステップＳ２に戻る（図５中のＶＩ参照）。すなわち、それまで燃料電池の出力の上限値Ｐｍａｘが第１の出力基準値Ｐｍａｘ１であった場合には、出力の上限値Ｐｍａｘはその値に維持される。また、それまで燃料電池の出力の上限値Ｐｍａｘが第２の出力基準値Ｐｍａｘ２または第３の出力基準値Ｐｍａｘ３とされていた場合には、出力の上限値Ｐｍａｘはその値に維持される。また、発電セル２００の電圧低下に応じて各処理が実施されていた場合には（図４のステップＳ１２参照）、各処理はそのまま継続される。なお、ｔ５は、たとえば１．０秒とすることができる。

このように、第２実施例では、発電セル２００の電圧が所定の時間（０より大きくｔ５未満）だけ正常値に復帰した場合にも、すぐに燃料電池システム２２の運転を定常状態の運転に戻す（図４のステップＳ８参照）のではなく、所定の時間だけ定常状態よりも出力の上限値が低い状態で燃料電池システム２２の運転を行う（ステップＳ３４参照）。このため、発電セル２００の電圧回復後、すぐに燃料電池システム２２が高出力で運転されて、短時間で再び発電セル２００の電圧低下を招くことことがない。よって、燃料電池システム２２の出力の上限値が、頻繁に変動して、燃料電池システム２２の運転が不安定となることがない。

ステップＳ３４において、すべての発電セル２００において電圧の値が正常な状態にあった時間ｔＨの長さが、ｔ５以上でｔ６より短いときには、処理はステップＳ３６に進む（図５中のＶＩＩ参照）。なお、ｔ６は、たとえば２．０秒とすることができる。

ステップＳ３６では、燃料電池システム２２の出力の上限値Ｐｍａｘを第４の出力基準値Ｐｍａｘ４とする。第４の出力基準値Ｐｍａｘ４は、第１の出力基準値Ｐｍａｘ１よりも低い値である。ステップＳ３６の後、処理はステップＳ２に戻る。

このように、第２実施例では、発電セル２００の電圧が所定の時間（ｔ５以上ｔ６未満）だけ正常値に復帰した場合にも、所定の時間だけ定常状態よりも出力の上限値が低い状態で燃料電池システム２２の運転を行う。ただし、燃料電池システム２２の出力電力の上限値は、それまでよりも上げられる（ステップＳ３６参照）。このため、燃料電池システム２２の安定性を確保しつつ、運転者が、より定常状態に近い出力で電気自動車を運転することを可能としている。

ステップＳ３４において、すべての発電セル２００において電圧の値が正常な状態にあった時間ｔＨの長さが、ｔ６以上であるときには、処理はステップＳ３８に進む（図５中のＶＩＩＩ参照）。ステップＳ３８では、燃料電池システム２２の出力の上限値Ｐｍａｘを第１の出力基準値Ｐｍａｘ１とする。第１の出力基準値Ｐｍａｘ１は、発電セル２００に電圧に異常低下が生じていない定常状態における出力の上限値である。また、ステップＳ３６では、発電セル２００の電圧低下に応じて実施された各処理（図４のステップＳ１２参照）が終了される。ステップＳ３８の後、処理はステップＳ２に戻る。

このように、第２実施例では、発電セル２００の電圧が所定の時間（ｔ６以上）だけ正常値に復帰した場合に、燃料電池システム２２の運転を定常状態の運転に戻す。よって、発電セル２００の電圧が低下した場合には、所定の処理を行って（図４のステップＳ１２，Ｓ１４およびＳ１６参照）発電セル２００の電圧を回復させ、発電セル２００の状態が回復し所定の安定状態に達したことが確認できた後、通常の運転（Ｐｍａｘ＝Ｐｍａｘ１）を再び実行することができる。

一方、ステップＳ６において、判定結果がＮｏとなる場合は、処理はステップＳ４０に進む。なお、ステップＳ６の判定結果がＮｏであるということは、いずれかの発電セル２００において電圧の異常低下が起こっているということである。

ステップＳ４０では、すべての発電セル２００において電圧の値が正常であった時間ｔＨをクリアする。これにより、次にステップＳ６の判定結果がＹｅｓとなったときには、時間ｔＨは、また０からカウントを開始される。ステップＳ４０の後、処理はステップＳ１０に進む。以降の処理は、第１実施例と同様である。

Ｃ．第３実施例：
第１実施例では、発電セル２００の電圧Ｖｃｉに関する同一の基準値Ｖａに基づいて、回復処理を行うか否かの判断と、燃料電池システム２２の出力電力の上限値Ｐｍａｘを変更するか否かの判断が行われていた（図４のステップＳ６およびＳ１０参照）。しかし、第３実施例では、回復処理を行うか否かの判断と、燃料電池システム２２の出力電力の上限値Ｐｍａｘを変更するか否かの判断とは、発電セル２００の電圧Ｖｃｉに関する異なる基準値Ｖａ、Ｖｂに基づいてなされる。第３実施例の電気自動車１０のハードウェア構成は第１実施例と同じである。

図６は、第３実施例の燃料電池システム２２の運転時の手順を示すフローチャートである。図６のフローチャートは、第１実施例の図４のフローチャートとほぼ同様であるが、ステップＳ４とステップＳ６の間にステップＳ５２，Ｓ５４を有している点で異なっている。また、ステップＳ１０における処理の分岐が第１実施例とは異なる。他の点については、図６のフローチャートは、第１実施例の図４のフローチャートと同じである。以下では、第３実施例における処理手順を、第１実施例における処理手順との相違点を中心に説明する。

第３実施例では、ステップＳ４においてセル電圧Ｖｃｉを読み込んだ後、ステップＳ５２で、そのセル電圧Ｖｃｉが、所定の基準値Ｖｂ以上であるか否かが判定される。この基準値Ｖｂは、基準値Ｖａよりも高い値である。基準値Ｖｂは、基準値Ｖａと同様に、様々な要素に基づいて定めることができる。ステップＳ５２の判定結果がＹｅｓである場合は、処理はステップＳ２に戻る。一方、ステップＳ５２の判定結果がＮｏである場合は、処理はステップＳ５４に進む。

ステップＳ５４では、発電セル２００の発電性能を改善する回復処理が開始される。ステップＳ５４の処理は、第１実施例のステップＳ１２の処理と同じである。このような態様とすることで、発電セル２００の電圧がＶｂ未満に低下したことを検知した直後に回復処理を開始することができる。

また、第３実施例では、低出力運転を開始するか否かの判断の基準である基準値Ｖａを、回復処理を行うか否かの判断の基準である基準値Ｖｂよりも低い値としている。このため、回復処理を開始してもさらに発電セルの電圧が低下する場合に、出力の上限値を下げて燃料電池ユニットの運転を継続することができる。このような態様は、回復処理の開始後、その効果が現れるまでに所定の時間が必要とされる場合に、特に有効である。

また、第３実施例では、発電セルの電圧が基準値Ｖｂよりも低くなった後、回復処理（ステップＳ５４）を行うことによって、電圧の低下が低減され、その結果、引き続いて発電セルの電圧が低下して基準値Ｖａを下回ってしまうという事態を回避できた場合には（ステップＳ６においてＹｅｓとなった場合）、処理はステップＳ８を経由してステップＳ２に戻る。このため、そのような場合には、燃料電池ユニットの出力の上限値を下げることなく、すなわち、電気自動車１０のドライバビリティを低下させることなく、燃料電池ユニットの運転を継続することができる。

そして、第３実施例では、発電セル２００の電圧が回復し、上昇に向かった場合にも、低出力の運転を開始する基準電圧Ｖａ（ステップＳ６参照）よりも高い基準電圧Ｖｂに回復するまで、回復処理が続行される。このため、回復処理によって、低出力運転（ステップＳ１４およびＳ１６参照）を行う必要がない状態にまで、発電セル２００の状態を回復させることができる。

ステップＳ５４の後、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６の処理は、第１実施例と同じである。その後、処理はステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、第１実施例と同様に、発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬの長さについての判断がなされる。発電セル２００に電圧低下が生じていた時間ｔＬがｔ４より短いときには、処理はステップＳ１４に進む（図６中のＩＩＩ’参照）。また、ステップＳ１０の判断結果に基づいて、回復処理が行われることはない（図４のステップＳ１２参照）。他の点は、第１実施例のステップＳ１０の判断および処理の分岐と同じである。ＩＩＩ’（０≦ｔＬ＜ｔ４）の条件下でステップＳ１４の低出力運転を行う態様とすることで、発電セル２００の電圧がＶａ未満に低下したことを検知した直後に、燃料電池システム２２の出力電力の上限値Ｐｍａｘを下げることができる。

Ｄ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）第１実施例では、電圧が低下した場合に実施する各種の処理（図４のステップＳ１２，１４および１６参照）を終了するか否かの判断基準となる電圧は、それらの処理を開始するか否かの判断基準となる電圧と同じであった（ステップＳ６，Ｓ８，Ｓ１０およびＳ１２参照）。また、第２実施例においても、電圧が低下した場合に実施する各種の処理を終了するか否かの判断基準となる電圧は、それらの処理を開始するか否かの判断基準となる電圧と同じであった（ステップＳ６およびＳ３８参照）。しかし、電圧が低下した場合に実施する各種の処理を終了するか否かの判断基準となる電圧は、それらの処理を開始するか否かの判断基準となる電圧と同じでなくてもよい。

たとえば、電圧が低下した場合に実施する各種の処理を終了するか否かの判断基準となる電圧を、それらの処理を開始する際の判断基準となる電圧よりも高い値に設定することができる。そのような態様とすれば、いったん電圧が低下した発電セルの運転状態が、各処理を開始したときよりもより最適な運転状態に近づくまで待ってから、通常の運転を再開するようにすることができる。その結果、安定して燃料電池システムを運転することができる。

（２）上記実施例ではｔ１〜ｔ６についてそれぞれ具体的な数値を示した。しかし、それらは一例に過ぎず、判断基準となる時間は任意の値をとることができる。ただし、燃料電池システムを停止させる判断基準となる時間ｔ１は、５秒以下であることが好ましく、３秒以下であることがさらに好ましい（図４のステップＳ１０およびＳ１８参照）。

（３）上記各実施例では、燃料電池システム２２は冷却水の配管１３８に温度センサ１４９を備えており、燃料電池スタック１１０の温度Ｔｆｃとして、冷却水の温度を測定していた。しかし、燃料電池システム２２は、燃料電池スタック１１０内部の温度を直接計測できる温度センサを備える態様としてもよい。すなわち、燃料電池システム２２は燃料電池スタック１１０の温度を推定するための根拠となる計測値を得ることができるセンサを備えていればよい。

（４）発電セル２００の電圧の基準値Ｖａは、要求負荷Ｌｔおよび燃料電池スタック１１０の温度Ｔｆｃに応じて定めるほか、他のパラメータを考慮して定めてもよい。たとえば、外気温や水素タンク１２０中の水素ガスの濃度に応じて、発電セル２００の電圧の基準値Ｖａを定めてもよい。

そして、発電セル２００の電圧の基準値Ｖａは、それらの条件下で最適な運転が行われたときの電圧Ｖｃ０の７５％の値のほか、電圧Ｖｃ０の８０％の値とすることもでき、７０％の値とすることもできる。すなわち、最適な運転を行った場合の電圧に対して、所定の割合で定められていればよい。

（５）上記各実施例では、発電性能を改善する回復処理は、各発電セル内の液体の水を減少させることによって、フラッディングを解消する処理であった。そして、たとえば、回復部は、発電セルに直接または間接に接続され発電セルに燃料ガスを循環させる燃料ガス循環経路（水素供給配管１３２および還流配管１３３）に設けられた弁（排出バルブ１２６）と、燃料ガス循環経路に接続された燃料ガス貯蔵部（水素タンク１２０）であった。そして、弁を開いて湿度が比較的高い使用済みの燃料ガスを循環経路外に排出し、燃料ガス貯蔵部から湿度が比較的低い水素ガスを燃料ガスを循環経路に供給して、回復処理を実行していた。しかし、回復処理は、上記各実施例で示した処理以外の処理とすることもできる。

たとえば、燃料電池システム２２の空気の配管１３５において、回復部として、加湿器１４２を迂回するためのバイパス用配管を備え、発電セルに電圧の低下が生じた場合には、空気がそのバイパス用配管を通って加湿器１４２を通らずに直接燃料電池スタック１１０に供給されるようにしてもよい。また、燃料電池システム２２の空気の配管１３６において、回復部として、加湿器１４２を迂回するためのバイパス用配管を備え、発電セルに電圧の低下が生じた場合には、カソードオフガスがそのバイパス用配管を通って加湿器１４２を通らずに外部に排出されるようにしてもよい。このようにすれば、発電セル２００に供給される空気は加湿されることがない。このため、より乾燥した空気を電解質膜に供給することで、電解質膜に付着した水を低減することができる。

すなわち、回復部が行う回復処理は、直接燃料電池スタック１１０に供給するガスの湿度を下げる処理とすることができる。また、回復部が行う回復処理は、直接燃料電池スタック１１０に供給するガスの流通速度や供給圧力を上げる処理、または変動させる処理とすることができる。

また、発電性能を改善する回復処理は、フラッディングを解消する処理以外に、電解質膜の乾燥による発電の異常（ドライアップ）を解消するための処理とすることができる。たとえば、燃料電池システム２２は、発電セル２００内や燃料電池スタック１１０に供給するガスに、水を噴霧する処理を行うことができる加湿部を有する態様としてもよい。

また、以上で例として挙げて説明した電圧の低下を低減するための各処理は、それぞれ単独で実行してもよいし、２以上を組み合わせて実行してもよい。

（６）第３実施例では、低出力運転を開始するか否かの判断の基準値Ｖａは、回復処理を開始するか否かの判断の基準値Ｖｂよりも低い値であった。しかし、この基準値Ｖａ，Ｖｂは、第１実施例のように同じ値とすることもできる。このような態様とすれば、低出力での燃料電池ユニットの運転と、回復処理とを同時に開始して、効率的に発電セルの状態を回復させることができる。また、過剰または過小に回復処理を行うことを防止することができ、その結果、適切に回復処理を行うことができる。

また、基準値Ｖａを、基準値Ｖｂよりも高い値とすることもできる。そのような態様においては、発電セルの電圧が低下した場合に、回復処理によって発電セル２００の電圧がＶｂ以上に回復した場合にも、低出力運転が続行される。このため、回復処理を終了した直後に再び高負荷の運転を行って、発電セル２００の電圧を低下させてしまう事態をさけることができる。

（７）第１実施例では、モータの動力を外部（路面）に伝達する手段として、車両駆動軸３８と車輪３９とを備えた電気自動車について説明した。しかし、燃料電池システムは、他の移動体に適用することも可能である。例えば、車両駆動軸３８と車輪とを備え、軌道上を移動する車両に適用してもよい。

また、この燃料電池システムを、モータの動力を外部に伝達するための手段として、スクリューや外輪を備えた船舶に適用することもできる。この場合、スクリューや外輪が動力を伝達する外部の対象は、船舶がその上に浮かんでいる水である。また、この燃料電池システムを、モータの動力を外部に伝達するための手段として、プロペラを備えたに適用することもできる。この場合、プロペラが動力を伝達する外部の対象は、航空機の周りの空気である。

この燃料電池システムは、発電セルに異常が生じた場合にも、異常を解消する処理を行いつつ運転を継続することができるシステムである。このため、特に人を乗せて移動する移動体の動力源とするのに好適である。

また、この燃料電池システムは、寒冷地や病院などにおける自家発電システムとして利用することも好ましい。

（８）本発明は、上記実施例で説明した具体的な実施形態以外の形態も含む、以下のような態様とすることもできる。すなわち、要求負荷によらず燃料電池ユニットの出力が第１の出力基準値以下となるように、燃料電池システムを運転する第１の運転モードと、要求負荷によらず燃料電池ユニットの出力が、第１の出力基準値よりも低い第２の出力基準値以下となるように燃料電池システムを運転する第２の運転モードと、を有する態様とすることもできる。

この態様においては、第１の運転モードにおいて、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った状態が、第１の時間だけ継続した場合には、回復部による回復処理を開始する。そして、第１の運転モードにおいて、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った状態が、第１の時間よりも長い第２の時間だけ継続した場合には、第２の運転モードに移行する。このような態様とすれば、発電セルの電圧の異常を検知した場合に、発電セルの発電性能を改善する処理を実行しつつ、燃料電池システムの運転を継続することができる。

なお、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った状態が、第２の時間よりも長い第３の時間だけ継続した場合には、燃料電池システムの運転を停止することが好ましい。このような態様とすれば、発電セルの損傷を防止することができる。

また、要求負荷によらず燃料電池ユニットの出力が、第２の出力基準値よりも低い第３の出力基準値以下となるように燃料電池システムを運転する第３の運転モードを有する態様においては、以下のような処理を行うことが好ましい。すなわち、発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った状態が、第２の時間よりも長く第３の時間よりも短い第４の時間だけ継続した場合には、第３の運転モードに移行する。このような態様とすれば、発電セルの損傷を防止しつつ、燃料電池システムの運転を継続することができる。

一方、要求負荷によらず、燃料電池ユニットの出力が、第２の出力基準値よりも高い第３の出力基準値以下となるように燃料電池システムを運転する第３の運転モードを有する態様においては、以下のような処理を行うことが好ましい。すなわち、第２の運転モードにおいて、発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った状態が、第３の時間だけ継続した場合には、第３の運転モードに移行する。このような態様とすれば、発電セルが電圧を回復したあと、出力制限を緩めて、それまでよりも高い出力で燃料電池を運転することができる。

なお、回復部による回復処理は、複数の発電セルの電圧が、第１および第２の運転しきい値のうちの高い方のしきい値を下回っている状態において、発電セルの発電性能を改善することができるものであることが好ましい。

なお、第３の出力基準値は、第１の出力基準値と等しい値とすることができる。このような態様とすれば、発電セルが電圧を回復したあと、燃料電池システムの運転状態を、もとの状態に戻すことができる。なお、このような態様においては、第３の運転モードに移行すると同時に、または、移行した後に、回復処理を終了することが好ましい。

また、第３の出力基準値は、第１の出力基準値よりも低い値とすることができる。このような態様とすれば、発電セルが電圧を回復したあと、もとの運転状態よりも低い出力で運転を継続して、発電セルの電圧がふたたび低下しないかどうかを監視することができる。なお、このような態様においては、第３の運転モードに移行しても、回復処理を継続することが好ましい。

なお、上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。

電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図。 燃料電池システム２２の概略構成を示す説明図。 発電セル２００の構造を示す斜視図。 燃料電池システム２２の運転時の手順を示すフローチャート。 第２実施例の燃料電池システム２２の運転時の手順を示すフローチャート。 第３実施例の燃料電池システム２２の運転時の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０…電気自動車
１５…電源装置
１７…動力装置
２０…スイッチ
２２…燃料電池システム
２７…残存容量モニタ
２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０…駆動インバータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
３９…車輪
４０…高圧補機
４２…ダイオード
４８…制御部
５０…配線
５２…電圧計
５６…ブレーキセンサ
５７…アクセル開度センサ
５８…車速センサ
６４…回復部
１１０…燃料電池スタック
１１２…圧力センサ
１２０…水素タンク
１２３…レギュレータ
１２４…シャットバルブ
１２５…シャットバルブ
１２６…排出バルブ
１２７…圧力調整弁
１２８…逆止弁
１３２…水素供給配管
１３３…環流配管
１３４…排出管
１３５〜１３８…配管
１４１…エアコンプレッサ
１４２…加湿器
１４４…希釈器
１４５…水素ポンプ
１４６…気液分離器
１４７…ポンプ
１４８…ラジエータ
１４９…温度センサ
２００…発電セル
２０２…電圧計
２１０…セパレータ
２１１，２１３，２２１…溝部
２１２…燃料ガス流路
２２０…セパレータ
２２２…酸化ガス流路
２３２…電解質膜
２３４…水素極
２３６…酸素極
２４０…冷却セパレータ
２４２…冷却水溝
２５１，２５２…冷却水孔
２５３，２５４…燃料ガス孔
２５５，２５６…酸化ガス孔
Ｌｔ…要求負荷
Ｐｍａｘ…燃料電池システムの出力の上限値
Ｐｍａｘ１…定常状態における燃料電池システムの出力の上限値
Ｐｍａｘ２〜Ｐｍａｘ４…燃料電池システムの出力の上限値
Ｔｆｃ…燃料電池スタックの温度
Ｖａ…低出力運転を開始するか否かの判断の基準値
Ｖｂ…回復処理を行うか否かの判断の基準値
Ｖｃｉ…各発電セルの電圧
ｔＨ…発電セルの電圧が基準値を上回っていた時間
ｔＬ…発電セルの電圧が基準値を下回っていた時間

Claims (14)

1. 燃料電池システムであって、
   発電を行う複数の発電セルと、
   前記少なくとも一部の発電セルの電圧を検知する電圧検知部と、
   前記発電セルの電圧が回復しきい値を下回っている状態において前記発電セルの発電性能を改善する回復処理を実行できる回復部と、
   前記燃料電池システムの運転を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記発電セルの電圧が前記回復しきい値を下回った場合に、前記回復部による前記回復処理を開始し、
   前記回復処理を行った後、前記発電セルの電圧が第１の運転しきい値を下回った場合に、前記燃料電池ユニットの出力の上限値を下げる、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記第１の運転しきい値は、前記回復しきい値よりも低い値である、燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記第１の運転しきい値は、前記回復しきい値よりも高い値である、燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記第１の運転しきい値は、前記回復しきい値と等しい値である、燃料電池システム。
5. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記発電セルの電圧が前記第１の運転しきい値を下回った状態が前記第１の時間だけ継続した場合には、前記燃料電池システムの運転を停止する、燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記発電セルの電圧が前記第１の運転しきい値を下回った状態が、前記第１の時間よりも短い第２の時間だけ継続した場合には、前記燃料電池ユニットの出力の上限値をさらに下げる、燃料電池システム。
7. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った場合には、前記燃料電池ユニットの出力の上限値を上げる、燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った場合には、前記燃料電池ユニットの出力の上限値を、前記発電セルの電圧が前記第１の運転しきい値を下回る前の前記燃料電池ユニットの出力の上限値とする、燃料電池システム。
9. 請求項７記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記発電セルの電圧が第２の運転しきい値を上回った場合には、前記燃料電池ユニットの出力の上限値を、前記発電セルの電圧が前記第１の運転しきい値を下回る前の前記燃料電池ユニットの出力の上限値よりも低い値とする、燃料電池システム。
10. 請求項７記載の燃料電池システムであって、
    前記第２の運転しきい値は、前記第１の運転しきい値と等しい値である、燃料電池システム。
11. 請求項７記載の燃料電池システムであって、
    前記第２の運転しきい値は、前記第１の運転しきい値よりも高い値である、燃料電池システム。
12. 請求項１ないし１１記載の燃料電池システムであって、
    前記発電セルの電圧の低下はフラッディングによる電圧の低下である、燃料電池システム。
13. 請求項１ないし１１記載の燃料電池システムであって、
    前記回復部は、
    前記発電セルに直接または間接に接続され、酸化ガスと燃料ガスとのうちの一方のガスを前記発電セルに供給するポンプであって、供給圧力と供給速度との少なくとも一方を変動させて前記ガスを供給することができ、前記変動により前記発電セル内の液体の水を除去することで前記回復処理を実行する、燃料電池システム。
14. 人を乗せて移動するための移動体であって、
    請求項１記載の燃料電池システムと、
    前記燃料電池システムから供給される電力で駆動されるモータと、
    前記モータの動力を外部に伝達して前記移動体を移動させる伝達部と、を備える移動体。

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