WO2012111046A1 - 燃料電池システムとこれを搭載した車両 - Google Patents

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真明 松末
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a vehicle equipped with the same.
  • a vehicle equipped with a fuel cell system supplies fuel gas to the anode of the fuel cell and supplies oxygen-containing gas to the cathode to generate power and use that power as the driving force.
  • Such power generation of the fuel cell is accompanied by an electrochemical reaction between a fuel gas, for example, hydrogen of hydrogen gas, and oxygen in the air as an oxygen-containing gas, so that water is generated at the cathode.
  • a fuel gas for example, hydrogen of hydrogen gas
  • oxygen in the air oxygen-containing gas
  • the generated water generation amount is increased during this period.
  • a vehicle equipped with a fuel cell system often requires high-load operation over a long period of time, such as uphill traveling over a long distance. If it does so, since the driving
  • the present invention has an object of suppressing a decrease in power generation capacity during high-load operation over a long period of time with high effectiveness.
  • the present invention has been made to achieve at least a part of the above-described object, and can be configured as the following application examples.
  • a fuel cell system A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxygen-containing gas to an anode and a cathode facing each other across an electrolyte membrane having proton conductivity;
  • a power generation control unit that performs load-adaptive power generation control that controls power generation operation of the fuel cell based on power demand of an external load, The power generation control unit Generation that causes the generation operation status of the fuel cell to shift to a side where the generation amount of generated water at the cathode is increased compared to the load-adaptive power generation control when the power generation performance of the fuel cell may be reduced.
  • the generated water non-increasing control is performed to shift the power generation operation status of the fuel cell to the side of suppressing the increase in the generated water generation amount compared to the generated water increase control,
  • the gist is that the generated water increase control and the generated water non-increase control are alternately repeated under the condition of reduced capacity.
  • the fuel cell system configured as described above performs load-adaptive power generation control corresponding to the required power by controlling the power generation operation of the fuel cell based on the required power of the external load.
  • the fuel cell system configured as described above performs the load-adaptive power generation control, but when the power generation performance of the fuel cell is reduced, the power generation operation status of the fuel cell is changed to the generated water in the cathode.
  • Generated water increase control is performed in which the generated amount is shifted to an increase side compared to the load-adaptive power generation control, and after performing the increase control, the power generation operation status of the fuel cell is compared with the generated water increase control.
  • the generated water non-increasing control is executed to suppress the increase in the generated water generation amount, and the generated water increasing control and the generated water non-increasing control are alternately repeated under the condition of reduced capacity. That is, even when the high load operation of the fuel cell is performed for a long time, the operation state of the fuel cell in which the amount of generated water is increased does not continue in the meantime and appears only intermittently. For this reason, although it is intermittent, the increased amount of generated water can contribute to suppression of drying of the electrolyte membrane. Although the generated water non-increasing control following the generated water increasing control is executed and the increase is suppressed, the resulting generated water can also be used to suppress drying of the electrolyte membrane.
  • the generated water increased (increased generated water) by the generated water increase control under the reduced capacity condition, and the generated water non-increasing control
  • the generated water can be used to suppress the drying of the electrolyte membrane and to recover the power generation performance.
  • the generated water at the time of the non-increasing control of the generated water is only generated during the intermittent control of the increasing amount of generated water, and is generated at the non-increasing control of the generated water following the non-increasing control of the generated water. Since the increase in the amount of water is suppressed by the non-increase control of the generated water, the blockage of the pores for the gas diffusion supply by the generated water can be suppressed to some extent. As a result, according to the fuel cell system having the above-described configuration, even if the fuel cell is operated at a high load for a long period of time, the power generation capacity is reduced through suppression of drying of the electrolyte membrane and suppression of pore clogging by generated water. It can be suppressed with high effectiveness.
  • the generated water increase control for increasing the generated water is performed only intermittently as described above, so that the electrolyte membrane rises due to the reaction heat accompanying the increased generated water. Temperature can be suppressed.
  • the increase in the generated amount of generated water is suppressed, so that the temperature rise of the electrolyte membrane can be suppressed. Therefore, according to the fuel cell system having the above-described configuration, it is possible to contribute to the suppression of the decrease in power generation capacity from the viewpoint of suppressing the temperature rise of the electrolyte membrane.
  • a decrease in the power generation performance of the fuel cell can occur due to drying of the electrolyte membrane, and the state of drying of the electrolyte membrane depends on the temperature of the fuel cell. For this reason, when the temperature of the fuel cell is detected and the detected fuel cell temperature reaches a predetermined temperature (first temperature), it can be estimated or determined that the power generation performance of the fuel cell can be reduced by drying of the electrolyte membrane. In this way, with a simple method of temperature detection and comparison thereof, it is possible to achieve the repeated repetition of the generated water increase control and the generated water non-increase control, thereby suppressing the reduction in power generation capacity described above, is there.
  • the estimation and determination of the power generation performance decrease transition due to drying of the electrolyte membrane is not limited to the fuel cell temperature, but the fuel cell characteristics reflected by the drying state of the electrolyte membrane, for example, the transition of internal resistance and the gas supply at the electrode It is also possible to lower it by changing the pressure loss at the time.
  • a decrease in the power generation performance of the fuel cell can be observed not only as a state of drying of the electrolyte membrane, but also as a change in battery resistance value, output change, or change in current-voltage characteristics of the fuel cell. Therefore, it is possible to measure or estimate the battery resistance value, the battery output, or the current-voltage characteristics so as to capture the transition to the capacity reduction state where the power generation performance of the fuel cell can be reduced.
  • the fuel cell system described above can be configured as follows.
  • the load corresponding power generation control can be executed as the generated water non-increasing control.
  • power generation control load-compatible power generation control
  • the generated water increase control and the generated water non-increase control can be alternately repeated at a period T of a predetermined period, which is convenient.
  • the power generation control unit shifts the power generation operation state of the fuel cell to a side that causes an increase in current and a decrease in voltage to increase the generation amount of generated water in the cathode.
  • the power generation operation state of the fuel cell is shifted to the low current region and the high voltage region with respect to the generated water increasing control, compared with the generated water increasing control.
  • an increase in the amount of generated water can be suppressed.
  • the electrochemical reaction is activated by increasing the current and lowering the voltage, and the amount of generated water can be increased more reliably, which is convenient.
  • the control that causes such a current-voltage transition can be as follows. For example, in storing the equivalent power characteristic line specific to the fuel cell in which the current and voltage are associated with each other to indicate the power generation operation state of the fuel cell for each generated power, the load corresponding power generation control is performed. The equivalent power characteristic line of the generated power that matches the required power is read, and the power generation operation of the fuel cell is controlled so as to obtain a current voltage on the read equivalent power characteristic line. Further, the power generation operation of the fuel cell can be controlled so that the current voltage on the equivalent power characteristic line also becomes the transition to the side where the current increase and the voltage decrease occur.
  • the transition to the side that causes the current increase and the voltage reduction as the generated water increase control is read, the equivalent power characteristic line on the side of the generated power that is lower than the generated power that matches the required power, It is possible to control the power generation operation of the fuel cell so as to obtain a current voltage on the read equivalent power characteristic line. In this way, even if the power generation operation of the fuel cell changes on the equivalent power characteristic line in load-adaptive power generation control and the equivalent power characteristic line of lower power generation than this, Since the fuel cell performs power generation operation with the current voltage, the output can be stabilized.
  • the control by the fuel cell itself is sufficient, and power supply from another power source, for example, a secondary battery capable of charging and discharging power is considered in the control. Moreover, there is no need for power generation operation control after that, and it becomes simple.
  • a secondary battery capable of charging and discharging electric power is provided so that it can be used in combination with the fuel cell as a power source to be supplied to the load, and the current increase and the voltage reduction associated with the generated water increase control are provided.
  • the difference between the load demand output of the fuel cell due to the transition to the side where the fuel cell occurs and the transition of the fuel cell due to the transition to the low current region and the high voltage region associated with the generated water non-increasing control The generated water increase control and the generated water non-increase control can be alternately repeated so that the difference from the load request output becomes equal. In this way, even if the secondary battery is replenished with the power shortage, the power supply from the secondary battery for replenishing the shortage can be prevented from changing. Consumption can be suppressed.
  • a secondary battery capable of charging and discharging electric power is provided so as to be usable together with the fuel cell as a power source to be supplied to the load, and whether or not the generated water increase control can be executed is determined as follows. The determination can be made based on the storage state of the battery. In this way, the number of executions of the generated water increase control can be adjusted based on the storage state of the secondary battery, and deficiency in required power can be suppressed by using the secondary battery in combination. And, when the storage capacity of the secondary battery exceeds a predetermined capacity, if it is determined that the generated water increase control can be executed, the power shortage with respect to the required power due to the combined use of the secondary battery is more reliably suppressed. it can.
  • the generated water increase control can be executed in the determined transition state.
  • the generated water increase control for increasing the generated water can be finely executed on the basis of the storage state of the secondary battery. Performance recovery is possible.
  • the generated water increase control is stopped, and the load until the required power of the load is newly present after the disappearance of the required power.
  • the generated water increase control can be intermittently repeated over a predetermined period. This has the following advantages.
  • the generated water increase control is intermittently repeated over a predetermined period in the load disappearance period until the required power of the load is newly present after the disappearance of the required power. Drying of the film can be suppressed.
  • the power generation performance is recovered by the amount that the drying of the electrolyte membrane is suppressed.
  • the power generation of the fuel cell can be controlled without any particular trouble. Therefore, if the fuel cell system of the said aspect is mounted in the vehicle, the operator of the said vehicle will not feel uncomfortable with the response to the accelerator operation, and drivability can be improved.
  • the generated water increase control during the load disappearance period can be executed under a condition in which the power generation performance of the fuel cell is assumed to decrease due to drying of the electrolyte membrane. For example, it can be executed when the temperature of the fuel cell detected for the fuel cell decreases from a temperature at the time of disappearance of the required power to a predetermined temperature.
  • the power generation control unit can intermittently reduce the supply amount of the oxygen-containing gas.
  • the amount of generated water is reduced by reducing the supply amount of the oxygen-containing gas, the amount of generated water taken away by the gas is reduced, so that the generated water can remain.
  • the amount of generated water per gas supply amount can be increased, it is possible to suppress drying of the electrolyte membrane.
  • the effect of inhibiting drying can be obtained even if the absolute value of the amount of produced water does not increase.
  • the consumption amount of the fuel gas is reduced by reducing the supply amount of the oxygen-containing gas, the fuel consumption can be improved while suppressing the drying of the electrolyte membrane.
  • Example 2 Vehicle with fuel cell system It is a vehicle equipped with any of the fuel cell systems described above, and the gist is that the generated power of the fuel cell of the fuel cell system is used as the driving force.
  • the present invention can be applied to a fuel cell operation method and a stationary power generation system in which a fuel cell system is installed and the fuel cell is used as a power generation source.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing an equivalent power characteristic line (IV characteristic line) unique to a fuel cell in which a current and a voltage are associated with each other so as to indicate a power generation operation state of the fuel cell 100.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows separately the transition of the current voltage in temporary electric current increase control according to the presence or absence of the transition between equivalent power characteristic lines.
  • 3 is a flowchart showing processing in FIG. 2 in association with reading of an equivalent power characteristic line. It is explanatory drawing explaining the mode of the output countermeasure which can be employ
  • FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a fuel cell vehicle 20 as an embodiment of the present invention in plan view.
  • this fuel cell-equipped vehicle 20 has a fuel cell system 30 mounted on a vehicle body 22.
  • the fuel cell system 30 includes a fuel cell 100, a hydrogen gas supply system 120 including a hydrogen gas tank 110, an air supply system 140 including a motor-driven compressor 130, a cooling system 160 including a radiator 150 and a fan 152, and 2
  • a secondary battery 172 and a DC-DC converter 174 are provided.
  • the fuel cell system 30 supplies the generated power of the fuel cell 100 or the charging power of the secondary battery 172 to a load including the front-wheel drive motor 170.
  • the fuel cell 100 is as shown in the enlarged schematic diagram of FIG.
  • a battery cell including a membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly / MEA) in which both electrodes of the anode 102 and the cathode 103 are joined to both sides of the electrolyte membrane 101 is laminated, and the vehicle is disposed between the front wheel FW and the rear wheel RW.
  • the battery cell includes an anode-side gas diffusion layer 104 and a cathode-side gas diffusion layer 105 that sandwich an electrode-formed electrolyte membrane 101 from both sides, and both gas diffusion layers are joined to corresponding electrodes.
  • a gas separator is located outside each of the gas diffusion layers, and the gas separator has a hydrogen-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidizing gas (in this embodiment, air). ) And the function of collecting current from the battery cell.
  • the electrolyte membrane 101 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state.
  • the anode 102 and the cathode 103 include a catalyst (for example, platinum or a platinum alloy), and are formed by supporting these catalysts on a conductive carrier (for example, carbon particles).
  • the anode-side gas diffusion layer 104 and the cathode-side gas diffusion layer 105 are formed using a conductive porous member having gas permeability, for example, carbon paper or carbon cloth as a porous substrate.
  • the fuel cell 100 generates electricity by causing an electrochemical reaction between hydrogen in hydrogen gas supplied from a hydrogen gas supply system 120 and an air supply system 140, which will be described later, and oxygen in the air, in each of the battery cells described above.
  • a load such as the motor 170 is driven by the generated power.
  • the power generation state of the fuel cell 100 is measured by the current sensor 106, and the measurement result is output from the current sensor 106 to the control device 200 described later.
  • the hydrogen gas supply system 120 includes a hydrogen supply path 121 extending from the hydrogen gas tank 110 to the fuel cell 100, a circulation path 122 for circulating unconsumed hydrogen gas (anode offgas) to the hydrogen supply path 121, and an anode offgas being released into the atmosphere.
  • the discharge path 123 is provided.
  • the hydrogen gas supply system 120 passes through the opening / closing of the opening / closing valve 124 of the hydrogen supply path 121 and the pressure reducing operation of the pressure reducing valve 125 to supply the hydrogen gas in the hydrogen gas tank 110 to the fuel cell 100 (specifically, each battery cell). To the anode 102).
  • the hydrogen gas supply system 120 supplies a hydrogen gas having a flow rate that is the sum of the flow rate adjusted by the hydrogen supply device 126 downstream of the pressure reducing valve 125 and the circulation flow rate adjusted by the circulation pump 127 of the circulation path 122. This is supplied to the anode of the fuel cell 100.
  • the hydrogen gas supply amount is determined by the control device 200 described later based on the operation of the accelerator 180, and is a supply amount corresponding to the load required for the fuel cell 100. Note that the hydrogen gas supply system 120 appropriately releases the anode off-gas to the atmosphere through opening / closing adjustment of the opening / closing valve 129 of the discharge path 123 branched from the circulation path 122.
  • the air supply system 140 includes an oxygen supply path 141 that reaches the fuel cell 100 via the compressor 130 and a discharge path 142 that discharges unconsumed air (cathode offgas) to the atmosphere.
  • the air supply system 140 adjusts the flow rate of the air taken from the open end of the oxygen supply path 141 to the fuel cell 100 (specifically, the cathode 103 of each battery) while adjusting the flow rate by the compressor 130.
  • the cathode off gas is discharged to the atmosphere through the discharge path 142 at a flow rate adjusted by the discharge flow rate adjustment valve 143 of the discharge path 142.
  • the air supply system 140 sets the discharge flow rate adjustment valve 143 of the oxygen supply path 141 to a predetermined opening, and then the air by the compressor 130. Supply. Even in the air supply amount at this time, similarly to the hydrogen gas, the supply amount is determined by the control device 200 based on the operation of the accelerator 180 and corresponds to the load required for the fuel cell 100.
  • the discharge flow rate adjustment valve 143 adjusts the back pressure on the cathode side through flow rate adjustment.
  • the air supply system 140 includes an oxygen supply path 141 and a discharge path 142 so as to pass through the humidifier 145.
  • the humidifier 145 is configured as a gas-liquid separator, separates water from the cathode offgas, and mixes the separated water as water vapor into the air passing through the discharge flow rate adjustment valve 143.
  • the cooling system 160 includes a circulation path 161 that circulates the cooling medium from the radiator 150 to the fuel cell 100, a bypass path 162, a three-way flow rate adjustment valve 163 at the path junction, a circulation pump 164, and a temperature sensor 166. .
  • the cooling system 160 guides the cooling medium heat-exchanged by the radiator 150 to an in-cell circulation path (not shown) of the fuel cell 100 through the circulation path 161, and cools the fuel cell 100 to a predetermined temperature.
  • the driving amount of the circulation pump 164 that is, the circulation supply amount of the cooling medium and the adjustment flow rate by the three-way flow rate adjustment valve 163 are detected by the fuel cell temperature (cell temperature) as the detection temperature of the temperature sensor 166 and the current sensor 106. It is determined by the control device 200 based on the power generation state.
  • the secondary battery 172 is connected to the fuel cell 100 via a DC-DC converter 174, functions as a power source different from the fuel cell 100, and is used together with the fuel cell 100 as a power source to be supplied to the motor 170 and the like. Is done. In the present embodiment, since it is assumed that the fuel cell 100 is operated and controlled (normal control) in a power generation state corresponding to the depression of the accelerator 180 as will be described later, the secondary battery is in the operation stop state of the fuel cell 100. 172 supplies the charging power to the motor 170. As the secondary battery 172, for example, a lead-charged battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, or the like can be employed. A capacity detection sensor 176 is connected to the secondary battery 172, and the sensor detects a charging state of the secondary battery 172 and outputs the detected charge amount (battery capacity) to the control device 200.
  • a capacity detection sensor 176 is connected to the secondary battery 172, and the sensor detects a charging state of
  • the DC-DC converter 174 has a charge / discharge control function for controlling charge / discharge of the secondary battery 172, and controls charge / discharge of the secondary battery 172 in response to a control signal from the control device 200. In addition, the DC-DC converter 174 performs the extraction of the generated power of the fuel cell 100 and the stored power of the secondary battery 172 and the application of the voltage to the motor 170 under the control of the control device 200. The voltage level applied to 170 is variably adjusted.
  • the control device 200 is constituted by a so-called microcomputer having a CPU, a ROM, a RAM and the like for executing logical operations, and receives various sensor inputs from the accelerator 180 and controls various controls of the fuel cell vehicle 20. For example, the control device 200 obtains the required power for the motor 170 according to the operating state of the accelerator 180, so that the required power can be obtained by the power generation of the fuel cell 100, or the charging power of the secondary battery 172, or this Electric power is supplied to the motor 170 while controlling the power generation of the fuel cell 100 so as to cover both.
  • the control device 200 controls the DC-DC converter 174 in accordance with the required power for the motor 170.
  • the control device 200 includes a vehicle speed detected by the vehicle speed sensor 182, an outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 184, a hydrogen gas flow rate detected by the flow sensor 128 in the hydrogen gas supply system 120, and a flow rate sensor in the air supply system 140.
  • the control device 200 is responsible for power generation operation control (load-adaptive power generation control) based on the required power of an external load in the fuel cell system of Application Example 1 or the vehicle of Application Example 2 described above, generated water increase control, and the like.
  • FIG. 2 is a flowchart showing how the current increase control is executed
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the contents of the current increase control
  • FIG. 4 is a transition of the internal resistance value, anode pressure loss, and generated voltage of the fuel cell 100 with respect to the cell temperature. It is a graph which shows transition for every presence or absence of electric current increase control.
  • the control device 200 first scans the temperature sensor 166 located downstream of the fuel cell 100 to read the cell temperature of the fuel cell 100 (step S100). Since the cell temperature reflects the temperature of the electrolyte membrane 101 of the fuel cell 100, the progress of the drying of the electrolyte membrane 101 can be estimated from the read cell temperature. Therefore, it is possible to determine whether or not the power generation performance of the fuel cell 100 is in a state where it can be reduced by drying the electrolyte membrane 101. Next, it is determined whether or not the read cell temperature exceeds a predetermined first temperature ⁇ (step S110).
  • This first temperature ⁇ indicates that since the drying of the electrolyte membrane 101 has progressed to some extent, the membrane drying should be suppressed, and further the reduction in the power generation performance of the fuel cell 100 due to the membrane drying should be suppressed.
  • the predetermined temperature is determined in advance in consideration of the temperature dependency of the power generation characteristics of the fuel cell 100, the specifications of the battery cell, and the like. For example, as shown in FIG. 4, when the anode pressure loss of the fuel cell 100 is left without performing a later-described temporary current increase control, as shown by a white square in the figure, a certain temperature is exceeded. To drop. This is because drying of the electrolyte membrane 101 proceeds, moisture in the anode gas decreases, and pressure loss decreases.
  • the temperature at which the anode pressure loss decreases can be set to the first temperature ⁇ , and in this embodiment, the first temperature ⁇ is set as such.
  • the temperature at which the inflection occurs can be set to the first temperature ⁇ .
  • step S110 If a negative determination is made in step S110, since the cell temperature is equal to or lower than the first temperature ⁇ , it is not necessary to consider drying suppression of the electrolyte membrane 101, and the control device 200 executes normal control of the fuel cell 100 (step S120). ).
  • the control device 200 obtains the required power to the motor 170 according to the operation state of the accelerator 180, and uses the hydrogen gas supply system 120 and the air supply system with the gas amount corresponding to the required power.
  • the fuel cell 100 is controlled to generate power while performing gas supply control at 140, and the generated power is supplied to the motor 170.
  • the control device 200 can supply the charging power of the secondary battery 172 to the motor 170 instead of the fuel cell 100.
  • the required power of the motor 170 is large, it is possible to supply power to the motor 170 while controlling the power generation of the fuel cell 100 so that both the fuel cell 100 and the secondary battery 172 can cover the required power.
  • FIG. 3 while the cell temperature reaches the first temperature ⁇ , it is shown that the operation state of the accelerator 180 is constant, and the fuel cell 100 is subjected to normal control with a constant voltage and a constant amount of electricity. If the operating state of the accelerator 180 is changed at, the voltage / current during normal control is adjusted according to the change.
  • step S130 if an affirmative determination is made in step S110, since the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ , it is determined that the drying of the electrolyte membrane 101 has progressed and drying suppression is required, and the control device 200 causes the fuel cell 100 to The increase control is performed (step S130). As shown in FIG. 3, this current increase control is repeatedly executed at a period T of a predetermined time from the time when the control is shifted, that is, when the cell temperature reaches the first temperature ⁇ . Control in which the operation state of the battery 100 is shifted in the period t to the side causing the current increase and the voltage reduction (hereinafter referred to as temporary current increase control) and the normal control described above after the period t is repeated. It becomes.
  • the control device 200 covers the required power by using the secondary battery 172 as described above.
  • the temporary current increase control described above ends after an affirmative determination in step S110 when the cell temperature rises to a temperature exceeding the first temperature ⁇ and then falls to the first temperature ⁇ .
  • the drying of the membrane 101 proceeds, and in a situation where the power generation capacity of the fuel cell 100 can be reduced by this membrane drying, the membrane 101 is alternately repeated.
  • the fuel cell vehicle 20 of this embodiment associates the cell temperature with the dry state of the electrolyte membrane 101 while normally controlling the fuel cell 100 based on the required power of the secondary battery 172, If the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ (affirmative determination in step S110), since the drying of the electrolyte membrane 101 has progressed, the drying of the fuel cell 100 is suppressed due to the suppression of the drying of the membrane. Assuming that it is necessary to suppress the decrease, the current increase control is repeatedly executed in the period T, and the temporary current increase control for changing the operation state of the fuel cell 100 in the period t to the side where the current increase and the voltage decrease are caused, Repeat intermittently.
  • the temporary current increase control that causes the current increase and the voltage decrease increases the consumption of hydrogen gas per unit time by the current increase and the voltage decrease, thereby activating the electrochemical reaction.
  • Increase the amount of water produced That is, the fuel cell-equipped vehicle 20 according to the present embodiment intermittently performs a temporary current increase control for increasing the amount of generated water during a high load operation in which the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ and the drying of the electrolyte membrane 101 proceeds.
  • the generation amount of generated water is intermittently brought about by this intermittent temporary current increase control.
  • the operation state of the fuel cell 100 in which the amount of generated water increases does not continue in the meantime, Appears only intermittently. For this reason, although it is intermittent, the increased amount of generated water can contribute to suppression of drying of the electrolyte membrane 101.
  • the operating state of the fuel cell 100 is set to a lower current region than in the case of the temporary current increase control as shown in FIG. Since it is shifted to the high voltage range, the generated water increase at that time is suppressed as compared with the temporary current increase control.
  • the generated water obtained by the normal control subsequent to the temporary current increase control can contribute to the suppression of the drying of the electrolyte membrane 101. Further, the amount of generated water at the cathode 103 is only increased by the temporary current increase control that is intermittently performed during the period t, and the amount of generated water accompanying the normal control following the temporary current increase control is increased. Since it is suppressed by the temporary current increase control, the clogging of the pores of the anode-side gas diffusion layer 104 and the cathode-side gas diffusion layer 105 for supplying the gas diffusion can be suppressed to some extent.
  • the temporary current increase control in the period t and the normal control based on the required power to the motor 170 are alternately repeated at the period T, power shortage with respect to the required power of the motor 170 can be suppressed.
  • the required power of the motor 170 is a high load, even if the electrolyte membrane 101 is dried during the normal control based on the required power (step S120) and the power generation capability of the fuel cell 100 is reduced, Drying of the electrolyte membrane 101 is suppressed by the generated water increased by the temporary current increase control (see FIG. 3) following the normal control and the generated water accompanying the normal control subsequent to the temporary current increase control, and the fuel cell 100 The power generation performance can be recovered.
  • the power generation capacity at that time is maintained with high effectiveness even if the fuel cell 100 is operated at a high load for a long period of time. Or while being able to suppress the fall, this can also be aimed at recovery of power generation capacity.
  • the cell temperature and the dry state of the electrolyte membrane 101 are associated with each other, and if the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ (affirmative determination in step S110), the electrolyte membrane 101. Therefore, it can be estimated that the power generation capability of the fuel cell 100 is reduced due to the drying of the electrolyte membrane 101. Therefore, when the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ , the temporary current increase described above is performed from the viewpoint of suppressing the drying of the electrolyte membrane 101, and further suppressing the decrease in the power generation performance of the fuel cell 100 due to the membrane drying.
  • the control was executed on the assumption that the control (step S130) is necessary. For this reason, it is possible to suppress the drying of the electrolyte membrane 101 and suppress the decrease in power generation performance by a simple method of detecting the cell temperature of the fuel cell 100 and comparing it, which is simple.
  • the temporary current increase control and the subsequent normal control as shown in FIG. It is sufficient to make a transition between high and low. Therefore, it is not necessary to control the system auxiliary devices involved in the fuel cell operation, for example, the charge / discharge control of the secondary battery 172, the humidification control of the humidifier 145, etc. in association with the suppression of the membrane drying. Become.
  • the anode 102 and the cathode 103 of the fuel cell 100 are formed by supporting a catalyst of platinum or an alloy thereof on a carrier such as carbon particles.
  • the catalyst of platinum and its alloy is likely to deteriorate in a high temperature environment
  • the fuel cell-equipped vehicle 20 of the present embodiment increases the amount of water produced when the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ as described above.
  • the produced water can cool the catalyst.
  • the impurities adsorbed on the catalyst by the produced water can be washed away. Therefore, by suppressing the deterioration of the catalyst, it is possible to contribute to the maintenance of the power generation capacity of the fuel cell 100, the suppression of the decrease thereof, and the recovery of the capacity.
  • step S130 If the temporary current increase control in step S130 is not performed, the anode pressure loss decreases as the cell temperature rises from the first temperature ⁇ , as plotted with a white square in FIG. On the other hand, if the current increase control in step S130 is performed, the anode pressure loss is maintained to some extent even if the cell temperature rises from the first temperature ⁇ , as plotted with a white circle in FIG. The This is because, in the white square plot, the drying of the electrolyte membrane 101 proceeds and the moisture in the anode gas decreases and the pressure loss is reduced, whereas in the white circle plot, the temporary current in step S130 is reduced.
  • the amount of generated water is increased by the increase control, so that the amount of water in the anode gas does not decrease and the start of drying of the electrolyte membrane 101 is delayed. That is, according to the fuel cell vehicle 20 of the present embodiment, the drying of the electrolyte membrane 101 can be delayed.
  • the resistance value increases even if the cell temperature rises from the first temperature ⁇ , as plotted by a white circle in FIG. Can be suppressed. Since the increase in internal resistance causes a decrease in power generation capacity, according to the fuel cell-equipped vehicle 20 of this embodiment, the capacity decrease of the fuel cell 100 can be suppressed, which also reduces the degree of voltage decrease. It means that it can also contribute to performance recovery.
  • the electrochemical reaction (exothermic reaction) between hydrogen and oxygen proceeds actively, and the electrolyte membrane 101 is controlled by the temporary current increase control.
  • the temporary current increase control for increasing the amount of generated water is performed only intermittently every period T as described above.
  • the temperature rise of the electrolyte membrane 101 due to heat can be suppressed.
  • the increase in the amount of generated water is suppressed, so that the reaction heat can be suppressed and the temperature rise of the electrolyte membrane 101 can be suppressed. Therefore, according to the fuel cell system 30 of the present embodiment, it is possible to contribute to the suppression of the decrease in the power generation capability of the fuel cell 100 from the viewpoint of suppressing the temperature rise of the electrolyte membrane 101 by the reaction heat.
  • the period T that determines the repetition of the temporary current increase control for increasing the amount of generated water and the subsequent normal control can be determined experimentally or according to thermal specifications such as the heat capacity of the fuel cell 100. For example, the cell temperature transition of the fuel cell 100 is measured while variously changing the period T and the period t between them, and the capacity recovery when the power generation capacity of the fuel cell 100 is reduced due to the drying of the electrolyte membrane 101 can be achieved. The period T and the period t are determined. And the period T and the period t should just be employ
  • the cycle T can be determined according to the environment in which the fuel cell system 30 is placed. For example, if the environmental humidity is high, drying of the electrolyte membrane 101 can be suppressed by the humidity component (water vapor), so that the period T can be lengthened and the frequency of execution of temporary current increase control can be reduced. In addition, if the environmental temperature is low, the degree of voltage reduction during temporary current increase control may be increased. In this case, although the temperature of the electrolyte membrane 101 is increased by the reaction heat accompanying the temporary current increase control, the fuel cell 100 and the electrolyte membrane 101 are further cooled by the low environmental temperature, so that there is no particular problem.
  • the environmental humidity component water vapor
  • FIG. 5 is a flowchart showing the state of execution of current increase control in the second embodiment
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the maximum output of the secondary battery 172 and the battery temperature for each battery capacity (SOC)
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the mode of the map referred when making the possibility of temporary electric current increase control possible.
  • This second embodiment is characterized in that the SOC of the secondary battery 172 is taken into consideration when executing the temporary current increase control.
  • the control device 200 first scans the outside air temperature sensor 184 and the capacity detection sensor 176 to read the battery temperature and SOC of the secondary battery 172 (step S200).
  • a temperature sensor can be attached to the secondary battery 172, and the battery temperature can be directly read from the sensor.
  • the secondary battery 172 can take various SOCs as shown in FIG. 6 as a result of discharge and power storage, it has a characteristic that the maximum output decreases for each SOC at a low temperature or high temperature battery temperature.
  • the required power of the motor 170 varies depending on the operation state of the accelerator 180
  • this required power may not be covered by the SOC of the secondary battery 172.
  • the lowermost stage and the upper stage SOC in FIG. 6 cannot provide the required output of FIG. 6 in the entire range of battery temperature, whereas the uppermost stage and the lower stage SOC limit the required output of FIG.
  • the battery temperature range can be covered.
  • the electric power that cannot be covered by the SOC of the secondary battery 172 can be applied by the electric power generated by the fuel cell 100, but the electric power generation of the fuel cell 100 is performed until the fuel cell 100 is brought into an operation state that causes the electrolyte membrane 101 to dry.
  • step S210 it is determined whether or not the temporary current increase control can be performed based on the battery temperature and the SOC read in step S200 while referring to the map of FIG.
  • step S210 If a negative determination is made in step S210 that the temporary current increase control described above cannot be executed, the process proceeds to execution of normal control described later. If an affirmative determination is made that the temporary current increase control can be executed, the following step S220 is executed. Cell temperature reading and subsequent temperature comparison (step S230) are performed. Then, similarly to step S110 of the embodiment described above, the control device 200 performs the normal control (step S240) already described of the fuel cell 100 according to the comparison between the cell temperature and the first temperature ⁇ (step S240). Temporary current increase control (step S250) is executed. Even in the normal control and the temporary current increase control at this time, the secondary battery 172 can be used in combination according to the required power of the motor 170. FIG.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing how the transition state of current increase and voltage reduction in the temporary current increase control is determined according to the SOC
  • FIG. 9 determines the cycle T and the minimum voltage in the temporary current increase control according to the SOC. It is explanatory drawing which shows a mode.
  • the control state is determined by the SOC of the secondary battery 172 as follows.
  • the temporary current increasing control and the normal control are alternately and repeatedly executed as a result of intermittently repeating the temporary current increasing control.
  • the temporary current increase control period t1 and the normal control period t2 and the minimum voltage Vmin during the transition to a lower voltage are defined by the SOC of the secondary battery 172, as shown in FIG. .
  • the temporary current increase control period t1 increases in steps as the SOC of the secondary battery 172 increases, and the normal control period t2 and the minimum voltage Vmin during the low voltage transition are opposite to this. Reduce step by step.
  • the fuel cell 100 has a large degree of voltage decrease that contributes to suppression of drying of the electrolyte membrane 101.
  • the period t1 of the temporary current increase control is lengthened to increase the amount of generated water to increase the effectiveness of suppressing the drying of the electrolyte membrane 101. Therefore, in the fuel cell-equipped vehicle 20 of this embodiment, the temporary current increase control similar to that of the previous embodiment is performed, so that the power generation capacity can be maintained and reduced when the high load operation of the fuel cell 100 is performed over a long period of time. The effectiveness of can be further increased.
  • the temporary increase in the amount of generated water is caused. Since the amount of increase can be varied by finely executing the current increase control, it can greatly contribute to the suppression of drying of the electrolyte membrane 101 and the recovery of the power generation performance associated therewith.
  • FIG. 10 is an explanatory view schematically showing the state of execution of current increase control in the third embodiment
  • FIG. 11 is a graph showing the output transition of the fuel cell 100 and the anode pressure loss transition with respect to the cell temperature for each presence / absence of current increase control. is there.
  • the third embodiment is characterized in that current increase control is executed when a load request disappears.
  • the fuel cell 100 continues to operate at a high load, and the cell temperature gradually increases.
  • the temporary current increase control described in the first or second embodiment is not performed, as shown in FIG. 11, when the cell temperature becomes the first temperature ⁇ , the anode pressure loss is reduced as described above. descend.
  • the battery output at this time as shown by the white squares plotted in FIG. 11, the cell temperature does not decrease so much until the second temperature ⁇ is higher than the first temperature ⁇ , but the cell temperature is this. When the temperature exceeds the second temperature ⁇ , the temperature rapidly decreases.
  • the fuel cell 100 normally stops the power generation operation when the accelerator operation is turned off, for example.
  • the cell temperature decreases due to this stoppage of operation, the battery output expected when the accelerator is on remains at a low output as shown by the white squares plotted in FIG. This is because the cell temperature increased by the high load operation during the uphill traveling remains high for a certain period even after the uphill traveling, and the drying of the electrolyte membrane 101 proceeds even after the uphill traveling, and the power generation This is thought to be due to a decline in ability.
  • the operation of the fuel cell 100 is controlled as follows. First, in the climbing process, temporary current increase control similar to that of the first and second embodiments described above is performed. For this reason, even when the cell temperature exceeds the second temperature ⁇ due to suppression of drying of the electrolyte membrane 101 during the climbing process, the temporary current increase control is not performed as shown by a white circle in FIG. High battery output can be maintained. Then, in the downhill running after the uphill running, as described above, the power generation operation of the fuel cell 100 is stopped when the accelerator operation is turned off, but when the cell temperature decreases to the second temperature ⁇ , the first described above The temporary current increase control (steps S130 and S250) similar to the second embodiment is executed over a predetermined period.
  • the second temperature ⁇ at which the temporary current increase control is started corresponds to the inflection point of the anode pressure loss transition and causes a rapid decrease in the battery output as shown in FIG. Therefore, when the cell temperature exceeds the second temperature ⁇ , it is assumed that the electrolyte membrane 101 is excessively dried. Therefore, if the temporary current increase control is performed at a temperature exceeding the second temperature ⁇ , the continuation of the temporary current increase control becomes longer in order to suppress drying of the excessively dried electrolyte membrane 101. Therefore, in the third embodiment, when the cell temperature is lowered to the second temperature ⁇ , the temporary current increase control for suppressing drying is performed.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing a state of execution of the generated water increase control in the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment is characterized in that the amount of generated water is increased through reduction of the air supply amount.
  • the air supply amount reduction in the period t is intermittently repeated every period T.
  • the reduction of the air flow rate reduces the amount of produced water at the cathode 103, the amount of produced water taken away by excess air can be reduced, and the produced water can remain.
  • the consumption of hydrogen gas is also reduced by reducing the air supply amount, so that it is possible to improve the fuel efficiency while suppressing the drying of the electrolyte membrane 101.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram schematically showing an equivalent power characteristic line (IV characteristic line) unique to a fuel cell in which a current and a voltage are associated with each other to indicate the power generation operation state of the fuel cell 100
  • FIG. 14 is a temporary current increase control.
  • FIG. 15 is a flowchart showing the process in FIG. 2 in association with reading of the equivalent power characteristic line.
  • the fuel cell-equipped vehicle 20 includes a map corresponding to each equivalent power characteristic line in FIG. 13 stored in a ROM or a memory device of the control device 200 when the fuel cell 100 is controlled for power generation operation.
  • an equivalent power characteristic line matching the required power requested from the motor 170 or the like is read (step S120).
  • step S120 following the negative determination in step S110, by operating the fuel cell 100 with the current voltage on the read equivalent power characteristic line (for example, the equivalent power characteristic line PTb in FIG. 13), Based on the load request, the fuel cell 100 performs a power generation operation.
  • the temporary current increase control during the period t in the current increase control in step S130 is performed as follows.
  • the white circles in FIGS. 13 to 14 show a state of control that causes a current-voltage transition suitable for the temporary current increase control in the period t on the equivalent power characteristic line PTb that matches the required power.
  • the current voltage at the operation point Pn in the normal control performed in step S120 is changed to the operation point Pn1 on the side where current increase and voltage decrease occur, and fuel is generated at this operation point Pn1 during the period t.
  • the battery 100 is operated. Thereafter, the current voltage is shifted to the operation point Pn before the current increase and the voltage decrease are caused. Since this control is a current-voltage transition on the equivalent power characteristic line that matches the required power, it is always equivalent power control.
  • the filled circle is a current suitable for temporary current increase control in consideration of the current-voltage transition between the equivalent power characteristic line PTb corresponding to the required power and the equivalent power characteristic line PTa on the lower power generation power side.
  • the state of the control which brings about voltage transition is shown. More specifically, after reading an equivalent power characteristic line PTa having lower power generation than an equivalent power characteristic line PTb corresponding to the required power (step S130), the current voltage at the operating point Pn in the normal control performed in step S120. Is shifted to an operating point Pn2 on the side of the equivalent power characteristic line PTa having a lower power generation power than the equivalent power characteristic line PTb and causing further current increase and voltage reduction. The fuel cell 100 is operated at the point Pn2.
  • the current voltage is shifted to the operation point Pn before the current increase and the voltage decrease are caused.
  • the transition from the operation point Pn to the operation point Pn2 it is possible to change from the operation point Pn directly to the operation point Pn2, or to change to the operation point Pn2 via the operation point Pn1.
  • the control in this case causes a current-voltage transition between the equivalent power characteristic lines of different generated powers, the average equivalent power is almost equal as shown by the solid line in FIG. It becomes control of.
  • step S130 when the cell temperature rises and the power generation capacity may be reduced due to film drying (affirmative determination in step S130), the normal control performed in step S120 is performed. Since the current voltage at the operating point Pn is shifted to the side where the current increase and the voltage decrease occur, it is possible to suppress the above-described film drying and thus the power generation capacity. In both of the controls described above, the fuel cell 100 can be operated for power generation at a current voltage on the equivalent power characteristic line unique to the cell, so that the output can be stabilized.
  • both of the above-described controls require current / voltage control in the fuel cell 100 itself when the current / voltage transition suitable for the temporary current increase control occurs, and the secondary battery 172 which is another power source for the control. This eliminates the need for power generation operation control in consideration of the power supply from the power supply.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Is possible.
  • the cell temperature and the dry state of the electrolyte membrane 101 are associated with each other, and when the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ , it is necessary to suppress the drying of the electrolyte membrane 101. It is not a thing. That is, in addition to the cell temperature, fuel cell characteristics reflecting the dry state of the electrolyte membrane 101 can be used.
  • a phenomenon that occurs when the electrolyte membrane 101 is dried by detecting a change in anode pressure loss or internal resistance that is, a decrease in anode pressure loss or an increase in internal resistance as shown by a white square plot in FIG. If this happens, the drying of the electrolyte membrane 101 progresses and the power generation performance of the fuel cell 100 may be reduced. Therefore, it is necessary to suppress the membrane drying and the decrease in capacity, and thus the current increase control in step S130 (temporary) (Current increase control) can also be performed.
  • a decrease in the power generation performance of the fuel cell 100 is observed not only as a result of drying of the electrolyte membrane 101 but also as a change in the output of the fuel cell 100 and a change in its current-voltage characteristics in addition to the above-described changes in anode pressure loss and internal resistance. Can do. Therefore, the battery output or current-voltage characteristics of the fuel cell 100 are measured (actually measured) or estimated based on a predetermined theoretical calculation so as to capture the transition to a capacity reduction state where the power generation performance of the fuel cell 100 can be reduced. Thus, the above-described temporary current increase control and the subsequent normal control can be repeated.
  • the battery output and current-voltage characteristics of the fuel cell 100 shift from a predetermined threshold value to the output decrease or characteristic deterioration side, it is assumed that the power generation performance of the fuel cell 100 has shifted to a capacity reduction state that can decrease.
  • the above-described temporary current increase control and the subsequent normal control are alternately repeated. Then, if the battery output and current-voltage characteristics of the fuel cell 100 return to the above-described threshold values, the temporary current increase control may be stopped.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram for explaining an output countermeasure that can be employed in the temporary current increase control.
  • FIG. 16 shows an average obtained by repeating the temporary current increase control and the subsequent normal control in consideration of the current-voltage transition between the equivalent power characteristic line PTb and the equivalent power characteristic line PTa that match the required power. The output state of the generated power in the case of equivalent power control is shown.
  • the increase in current through the current-voltage transition (Pn ⁇ Pn2: temporary current increase control) from the equivalent power characteristic line PTb to the equivalent power characteristic line PTa and the load demand output of the output due to the lower voltage are shown.
  • the difference is equal to the difference between the low current through the current-voltage transition (Pn2 ⁇ Pn: normal control) from the equivalent power characteristic line PTa to the equivalent power characteristic line PTb and the load demand output of the output due to the high voltage.
  • Pn2 ⁇ Pn normal control
  • the fuel cell-equipped vehicle 20 includes a secondary battery 172 capable of charging and discharging electric power so that it can be used together with the fuel cell 100 as a power source for supplying the motor 170 and the like.
  • the fuel cell 100 is controlled so as to be supplemented when the output is insufficient.
  • the output decrease due to the current increase and the voltage reduction is equal to the output recovery due to the low current and the voltage increase as described above, the output of the fuel cell 100 is apparently insufficient. You can avoid getting up. For this reason, the power supply of the secondary battery 172 for replenishing the output becomes unnecessary, or the power supply can be prevented from fluctuating, so that the power consumption of the secondary battery 172 can be suppressed.
  • the output of the fuel cell 100 is essentially constant.
  • the power supply of the secondary battery 172 for replenishing the output becomes unnecessary, or the power consumption of the secondary battery 172 can be suppressed without causing a change in the power supply.
  • the normal control is executed in the period (T ⁇ t) following the temporary current increase control in the period t described above, but the control following the temporary current increase control in the period t is described.
  • This may be a control that suppresses the increase in the amount of generated water rather than the temporary current increase control, and is not limited to the normal control.
  • FIG. 17 is an explanatory diagram showing how the voltage changes when the temporary current increase control and the subsequent control (control for suppressing the increase in generated water) are alternately repeated.
  • the voltage is gradually increased or decreased when the voltage is lowered along with the temporary current increase control and when the voltage is increased along with the temporary current increase control and the subsequent control. It will be changed as follows. By so doing, it is possible to suppress a sudden change in current when the temporary current increase control and the subsequent control (control to suppress the increase in generated water) are alternately repeated, so-called spike current can be suppressed. It will be beneficial to you.
  • the temporary current increase control and the normal control are alternately repeated in the period T described above during the period in which the cell temperature decreases to the first temperature ⁇ after exceeding the first temperature ⁇ .
  • the temporary current increase control and the normal control can be alternately repeated at a cycle T over a predetermined period after the cell temperature exceeds the first temperature ⁇ . The same applies to the case where the transition to a capacity reduction state in which the power generation performance of the fuel cell can be reduced by measuring or estimating the battery resistance value, the battery output, or the current-voltage characteristics.
  • SYMBOLS 20 Vehicle equipped with fuel cell 22 ... Vehicle body 30 ... Fuel cell system 100 ... Fuel cell 101 ... Electrolyte membrane 102 ... Anode 103 ... Cathode 104 ... Anode side gas diffusion layer 105 ... Cathode side gas diffusion layer 106 ... Current sensor 110 ... Hydrogen gas tank DESCRIPTION OF SYMBOLS 120 ... Hydrogen gas supply system 121 ... Hydrogen supply path 122 ... Circulation path 123 ... Release path 124 ... Opening / closing valve 125 ... Pressure reducing valve 126 ... Hydrogen supply equipment 127 ... Circulation pump 128 ... Flow sensor 129 ... Open / close valve 130 ... Compressor 140 ...
  • Air Supply system 141 Oxygen supply path 142 ... Release path 143 ... Discharge flow rate adjusting valve 145 ... Humidifier 147 ... Flow rate sensor 150 ... Radiator 152 ... Fan 160 ... Cooling system 161 ... Circulation path 162 ... Bypass path 1 3 ... Three-way flow control valve 164 ... Circulation pump 166 ... Temperature sensor 170 ... Motor 172 ... Secondary battery 176 ... Capacity detection sensor 180 ... Accelerator 182 ... Vehicle speed sensor 184 ... Outside air temperature sensor 200 ... Controller 174 ... DC-DC converter FW ... front wheel RW ... rear wheel

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Abstract

【課題】　燃料電池の長期に亘る高負荷運転の際の発電能力低下を高い実効性で抑制する。 【解決手段】　燃料電池搭載車両は、その駆動用のモーターの要求電力に基づいた燃料電池の発電制御を行うものの、セル温度と電解質膜の乾燥状態とを対応付け、セル温度が電解質膜の乾燥の進んだ第１温度αを超えると、カソードにおける生成水の生成量が増すよう、燃料電池の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に期間ｔにおいて推移させる一時的電流増量制御を、間欠的に繰り返す。

Description

燃料電池システムとこれを搭載した車両
　本発明は、燃料電池システムとこれを搭載した車両に関する。
　燃料電池システムを搭載した車両は、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、カソードには酸素含有ガスを供給して発電させ、その電力を駆動力とする。こうした燃料電池の発電は、燃料ガス、例えば水素ガスの水素と、酸素含有ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応に伴うことから、カソードにて水を生成する。そして、燃料電池の電解質膜は、通常、適宜な湿潤状態にある際にそのプロトン導電性が好適となるので、カソードにて生成された生成水を電解質膜の湿潤に用いる手法が種々提案されている（例えば、特許文献１等）。
特開２００５－１２９２５２号公報 特開２００４－４７４２７号公報
　これら特許文献で提案された手法では、電解質膜の乾燥を抑制するために生成水の生成を増やすものの、電解質膜の乾燥を招きやすい高負荷運転で燃料電池を運転する場合には、以下に説明するような改善が要望されるようになった。
　燃料電池の高負荷運転が短期間であれば、その間に生成水の生成量を増やすよう、上記特許文献のように低電圧側への運転状態のシフトや空気の供給低減を行っても、この高負荷運転期間や当該期間の終了後の運転に特段の支障はない。ところが、例えば、燃料電池システムを搭載した車両にあっては、長距離に亘る登坂走行のように長期に亘る高負荷運転が必要とされることが多々ある。そうすると、低電圧側への運転状態シフトや空気供給の低減も長くなるので、発電能力が低下し、負荷から要求される電力を燃料電池の発電電力で賄えないような事態が起き得る。また、生成水の生成量も長期に亘る高負荷運転の期間において継続して増えることから、カソードの側のガス拡散層の細孔の生成水による閉塞が進んでガス（空気）の拡散供給にも支障が起き、結果的に発電能力が低下し得る。なお、燃料電池を電気機器の電力源とした発電装置としての燃料電池システムにあっても、高負荷運転が長期に亘る場合があることから、上記した事態は、燃料電池システムを搭載した車両に特有のものではない。
　本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の長期に亘る高負荷運転の際の発電能力低下を高い実効性で抑制することをその目的とする。
　本発明は、上記した目的の少なくとも一部を達成するためになされ、以下の適用例として構成できる。
[適用例１：燃料電池システム]
　燃料電池システムであって、
　プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで対向するアノードとカソードに燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
　外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御する負荷対応発電制御を行う発電制御部とを備え、
　該発電制御部は、
　前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返す
　ことを要旨とする。
　上記構成の燃料電池システムは、外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御することで、その要求電力に対応した負荷対応発電制御を行う。そして、上記構成の燃料電池システムは、この負荷対応発電制御を行うものの、前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行い、当該増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返す。つまり、燃料電池の高負荷運転が長期に亘る場合であっても、生成水の生成量が増すような燃料電池の運転状態は、その間に継続することはなく、間欠的でしか現れない。このため、間欠的とはいえ増量した生成水を電解質膜の乾燥抑制に資することができる。この生成水増量制御に続く生成水非増量制御を実行して、その増量が抑制されたとはいえ、得られた生成水についても、これを電解質膜の乾燥抑制に資することができる。
　ところで、燃料電池の高負荷運転が長期に亘るような場合は、外部の負荷の要求電力が高負荷である故に、当該要求電力に基づいた負荷対応発電制御の間において電解質膜の乾燥が起きて発電性能の低下が危惧される。しかしながら、上記構成の燃料電池システムによれば、既述したように能力低下状況下における生成水増量制御による間欠的とはいえ増量した生成水（増量生成水）と、生成水非増量制御でその増量が抑制されたとはいえ得られた生成水とで、電解質膜の乾燥を抑制して、発電性能の回復が可能となる。しかも、生成水非増量制御の際の生成水は、間欠的になされる生成水増量制御の間において生成されるに過ぎないと共に、生成水非増量制御に続く生成水非増量制御の際の生成水は、その増量が生成水非増量制御より抑制されていることから、ガス拡散供給のための細孔の生成水による閉塞についても、これをある程度抑制できる。これらの結果、上記構成を有する燃料電池システムによれば、燃料電池の高負荷運転が長期に亘っても、電解質膜の乾燥抑制と生成水による細孔閉塞の抑制とを通して、発電能力の低下を高い実効性で抑制できる。
　また、生成水の生成量が増えるほど水素と酸素の電気化学反応は活発に進行し、この反応は発熱反応であることから、電解質膜は、生成水増量に伴い反応熱により暖められ昇温する。ところが、上記構成を有する燃料電池システムによれば、生成水の増量を来す生成水増量制御を既述したように間欠的にしか行わないので、生成水増量に伴う反応熱による電解質膜の昇温を抑制できる。しかも、生成水増量制御に続く生成水非増量制御では生成水の生成量の増量を抑制することから、電解質膜の昇温を抑制できる。よって、上記構成を有する燃料電池システムによれば、電解質膜の昇温抑制の点からも、発電能力の低下抑制に寄与できる。
　この場合、燃料電池の発電性能の低下は電解質膜の乾燥により起きえ、電解質膜の乾燥の状況は燃料電池の温度に依存する。このため、燃料電池の温度を検出し、その検出した燃料電池温度が所定の温度（第１温度）に達すると、電解質膜の乾燥により燃料電池の発電性能が低下し得ると推定もしくは判定できる。こうすれば、温度検出とその対比という簡単な手法で、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御の交互繰り返しと、これによる既述した発電能力の低下抑制を図ることができ、簡便である。なお、電解質膜の乾燥による発電性能低下推移の推定や判定は、燃料電池温度に限らず、電解質膜の乾燥状態が反映した燃料電池特性、例えば、内部抵抗の推移や、電極でのガス供給の際の圧力損失の推移等により、下すことも可能である。また、燃料電池の発電性能低下は、電解質膜の乾燥の状況のみならず、電池抵抗値の変化、出力変化、もしくは燃料電池の電流電圧特性の変化として観察し得る。よって、電池抵抗値、電池出力或いは電流電圧特性を測定ないしは推定等して、燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況への推移を捉えるようにすることもできる。
　上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記生成水非増量制御として前記負荷対応発電制御を実行するようにすることができる。こうすれば、生成水増量制御がなされていない間には、外部の負荷の要求電力に基づいた発電制御（負荷対応発電制御）により電力不足を抑制できる。
　また、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを所定期間の周期Ｔで交互に繰り返すようにでき、こうすれば簡便である。
　また、前記発電制御部については、前記生成水増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて前記カソードにおける生成水の生成量を増やし、前記生成水非増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を前記生成水増量制御に対して低電流域と高電圧域となる側に推移させて、前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制するものとできる。こうすれば、電流増と低電圧化とにより、電気化学反応が活性化し、より確実に生成水の生成量を増量させることができ、簡便となる。
　このような電流電圧の推移を起こす制御については、以下のような態様とすることができる。例えば、前記燃料電池の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた前記燃料電池に固有の等価パワー特性線を発電パワーごとに記憶した上で、前記負荷対応発電制御を行うに当たっては、前記要求電力に符合した前記発電パワーの前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する。そして、前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移についても、等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御するようにできる。この場合、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移を、前記要求電力に符合した前記発電パワーより低発電パワーの側の前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御するようにできる。こうすれば、燃料電池の発電運転が負荷対応発電制御の際の等価パワー特性線とこれより低発電パワーの等価パワー特性線とにおいて推移するとしても、推移対象の両等価パワー特性線の上の電流電圧にて燃料電池は発電運転するので、出力の安定化を図ることができる。また、上記の発電運転の推移を起こす際には、燃料電池自体での制御で済み、当該制御に他の電力源、例えば、電力の充電と放電が可能な２次電池からの電力供給を考慮した上での発電運転制御の必要がなく、簡便となる。
　また、電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備えた上で、前記生成水増量制御に伴う前記電流増と前記低電圧化とを起こす側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分と、前記生成水非増量制御に伴う前記低電流域と前記高電圧域となる側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分とが等しくなるように、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを交互に繰り返すようにできる。こうすれば、２次電池にて電力不足分を補充するようにしても、その不足分補充のための２次電池からの電力供給に変動を来さないようにできるので、２次電池の電力消費を抑制できる。
　また、電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備えるようにした上で、前記生成水増量制御の実行可否を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて判定するようにできる。こうすれば、生成水増量制御の実行回数を２次電池の蓄電状態に基づいて調整したりできるほか、２次電池の併用により要求電力に対する不足を抑制できる。そして、前記２次電池の蓄電容量が所定容量を超える際に、前記生成水増量制御の実行が可能と判定するようにすれば、２次電池の併用による要求電力に対する電力不足をより確実に抑制できる。
　このようにして２次電池を併用するに当たり、前記燃料電池の運転状態を前記電流増と低電圧とを起こす側に推移させる推移状態を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて決定し、該決定した推移状態にて前記生成水増量制御を実行するようにできる。こうすれば、２次電池の併用に伴う上記の利点に加え、生成水増量をもたらす生成水増量制御を２次電池の蓄電状態に基づいてきめ細かく実行でき、電解質膜の乾燥抑制とこれに伴う発電性能の回復が可能となる。
　また、前記生成水増量制御を間欠的に繰り返し実行した後に、前記負荷の要求電力が消失すると前記生成水増量制御を停止し、前記要求電力の消失後に改めて前記負荷の要求電力があるまでの負荷消失期間において、前記生成水増量制御を所定期間に亘って間欠的に繰り返すようにできる。こうすれば、次の利点がある。
　負荷の要求電力が消失すると、生成水増量制御のみならず、通常、外部の負荷の要求電力に基づいた燃料電池の発電制御（負荷対応発電制御）も停止する。ところが、こうした制御停止は、生成水増量制御を間欠的に繰り返し実行した後のものであることから、高負荷運転が継続した後の状態下でなされることがある。この高負荷運転の継続中は、生成水増量制御により既述したように生成水増量を経て電解質膜の乾燥が抑制されていたものの、高負荷運転から要求電力の消失状態に推移後においても、燃料電池は或る程度の高温度となっていると予想され、この燃料電池温度にて電解質膜の乾燥が進むことが危惧される。ところが、上記の態様では、前記要求電力の消失後に改めて前記負荷の要求電力があるまでの負荷消失期間において、前記生成水増量制御を所定期間に亘って間欠的に繰り返すので、燃料電池温度による電解質膜の乾燥を抑制できる。この結果、負荷消失期間の経過後、即ち改めて負荷の要求電力がなされた際には、電解質膜の乾燥が抑制されている分だけ発電性能が回復しているので、この改めての要求電力に基づいて特段の支障なく燃料電池を発電制御できる。よって、上記態様の燃料電池システムが車両に搭載されていれば、当該車両の操作者にアクセル操作に対するレスポンスに違和感がなくなり、ドライバビリティーを高めることができる。
　この場合、前記負荷消失期間における前記生成水増量制御を、前記燃料電池の発電性能が前記電解質膜の乾燥により低下すると想定される状態下において実行するようにできる。例えば、前記燃料電池について検出した燃料電池温度が前記要求電力の消失の際の温度から所定の温度まで低下すると実行するようにできる。
　この他、前記発電制御部を、前記生成水増量制御を間欠的に繰り返すに当たり、前記酸素含有ガスの供給量を間欠的に低減するものとできる。酸素含有ガスの供給量低減により生成水の生成水量は低減するものの、ガスによる生成水の持ち去り量が少なくなるので、生成水の残存を図ることができる。そして、ガス供給量当たりの生成水量については、これを増量させることができることから、電解質膜の乾燥抑制を図り得る。また、結果敏江、生成水量の絶対値は増加しなくても乾燥抑制の効果が得られることは勿論である。そして、この態様では、酸素含有ガスの供給量低減により、燃料ガスの消費量が低減するので、電解質膜の乾燥抑制を図った上で、燃費向上も可能となる。
[適用例２：燃料電池システム搭載車両]
　上記したいずれかの燃料電池システムを搭載した車両であって、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる
　ことを要旨とする。
　こうした車両であっても、燃料電池の高負荷運転が長期に亘っても、その際の発電能力の低下を高い実効性で抑制できることから、長期の高負荷運転を伴う長距離の登坂走行等の際の走行性能についてもこれを高めることができる。
　本発明は、燃料電池の運転方法や、燃料電池システムを設置して燃料電池を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できることは勿論である。
本発明の実施例としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。 電流増量制御の実行の様子を示すフローチャートである。 電流増量制御の内容を説明する説明図である。 セル温度に対する燃料電池１００の内部抵抗値推移とアノード圧力損失推移および発電電圧推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。 第２実施例における電流増量制御の実行の様子を示すフローチャートである。 ２次電池１７２の最大出力と電池温度との関係を電池容量（ＳＯＣ）ごとに示す説明図である。 一時的電流増量制御の可否を下す際に参照されるマップの様子を示す説明図である。 一時的電流増量制御における電流増と低電圧化の推移状態をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図である。 一時的電流増量制御における周期Ｔと最低電圧をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図である。 第３実施例における電流増量制御の実行の様子を模式的に示す説明図である。 セル温度に対する燃料電池１００の出力推移とアノード圧損推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。 第４実施例における生成水増量制御の実行の様子を示す説明図である。 燃料電池１００の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた燃料電池固有の等価パワー特性線（ＩＶ特性線）を概略的に示す説明図である。 一時的電流増量制御における電流電圧推移を等価パワー特性線間での推移の有無に分けて示す説明図である。 図２における処理を等価パワー特性線の読み込みと関連付けて示すフローチャートである。 一時的電流増量制御において採用可能な出力対処の様子を説明する説明図である。 一時的電流増量制御とこれに続く制御（生成水の増量を抑制する制御）を交互に繰り返す際の電圧の高低推移の様子を示す説明図である。
　以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。
　図示するように、この燃料電池搭載車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。この燃料電池システム３０は、燃料電池１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、ラジエータ１５０およびファン１５２を含む冷却系１６０と、２次電池１７２と、ＤＣ－ＤＣコンバーター１７４とを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池１００の発電電力、或いは２次電池１７２の充電電力を、前輪駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に供給する。
　燃料電池１００は、図１の拡大模式図に示すように。電解質膜１０１の両側にアノード１０２とカソード１０３の両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える電池セルを積層して構成され、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に位置する。この電池セルは、電極形成済みの電解質膜１０１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とを備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。この両ガス拡散層の外側には、それぞれガスセパレーターが位置し、このガスセパレーターは、該当するガス拡散層に対して水素を含有する燃料ガス、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を供給すると共に、電池セルからの集電の機能も果たす。
　電解質膜１０１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード１０２およびカソード１０３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。
　燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を上記した各電池セルにて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池１００の発電状態は電流センサー１０６にて計測され、その計測結果は電流センサー１０６から後述の制御装置２００に出力される。
　水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための放出経路１２３を備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の開閉バルブ１２４の経路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、水素ガスタンク１１０の水素ガスを燃料電池１００（詳しくは、各電池セルのアノード１０２）に供給する。この際、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２７にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池１００のアノードに供給する。水素ガス供給量は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した放出経路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを大気放出する。
　空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０にて流量調整した上で燃料電池１００（詳しくは、各電池ルのカソード１０３）に供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池１００に求められる負荷に応じた供給量となる。なお、排出流量調整バルブ１４３は、流量調整を経て、カソード側の背圧についてもこれを調整する。
　また、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１と放出経路１４２とを、加湿装置１４５を経由するように備える。この加湿装置１４５は、気液分離機器として構成され、カソードオフガスから水を分離し、その分離した水を排出流量調整バルブ１４３を通過する空気に水蒸気として混入する。
　冷却系１６０は、ラジエータ１５０から燃料電池１００への冷却媒体の循環を図る循環経路１６１と、バイパス経路１６２と、経路合流点の三方流量調整弁１６３と、循環ポンプ１６４と、温度センサー１６６を備える。そして、この冷却系１６０は、ラジエータ１５０にて熱交換した冷却媒体を循環経路１６１を経て燃料電池１００の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池１００を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ１６４の駆動量、即ち冷却媒体の循環供給量や、三方流量調整弁１６３による調整流量は、温度センサー１６６の検出温度たる燃料電池温度（セル温度）や電流センサー１０６の検出した発電状態に基づいて、制御装置２００にて定められる。
　２次電池１７２は、ＤＣ－ＤＣコンバーター１７４を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００とは別の電力源として機能し、モーター１７０等に供給する電力源として燃料電池１００と併用される。本実施例では、後述するように燃料電池１００をアクセル１８０の踏込に応じた発電状態下で運転制御（通常制御）することを前提とするので、燃料電池１００の運転停止状態において、２次電池１７２は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１７２としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、容量検出センサー１７６が接続され、当該センサーは、２次電池１７２の充電状態を検出し、その検出充電量（電池容量）を制御装置２００に出力する。
　ＤＣ－ＤＣコンバーター１７４は、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、ＤＣ－ＤＣコンバーター１７４は、燃料電池１００の発電電力および２次電池１７２の蓄電電力の引出とモーター１７０への電圧印加とを、制御装置２００の制御下で行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
　制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力が燃料電池１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１７２の充電電力、もしくはこの両者で賄うよう、燃料電池１００を発電制御しつつ、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０の要求電力を燃料電池１００の発電で得る場合には、その要求電力に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量を制御（通常制御）する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、ＤＣ－ＤＣコンバーター１７４を制御する。この他、制御装置２００は、車速センサー１８２の検出した車速や、外気温センサー１８４の検出した外気温、水素ガス供給系１２０において流量センサー１２８が検出した水素ガス流量、空気供給系１４０において流量センサー１４７の検出したエアー流量、容量検出センサー１７６が検出した２次電池１７２の電池容量（以下、ＳＯＣ）等を、上記した制御を行う上での制御パラメータとして入力する。この制御装置２００は、既述した適用例１の燃料電池システムもしくは適用例２の車両における外部の負荷の要求電力に基づいた発電運転制御（負荷対応発電制御）、生成水増量制御などを担う。
　次に、上記した構成を有する燃料電池搭載車両２０の制御装置２００が電解質膜乾燥抑制に関して行う処理について説明する。本実施例では、燃料電池１００の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて生成水増量を図る。図２は電流増量制御の実行の様子を示すフローチャート、図３は電流増量制御の内容を説明する説明図、図４はセル温度に対する燃料電池１００の内部抵抗値推移とアノード圧力損失推移および発電電圧推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。
　図２に示すように、制御装置２００は、まず、燃料電池１００の下流に位置する温度センサー１６６をスキャンして燃料電池１００のセル温度を読み込む（ステップＳ１００）。セル温度は、燃料電池１００の電解質膜１０１の温度を反映していることから、読み込んだセル温度から電解質膜１０１の乾燥の進み具合を推し量ることができ、この推し量った膜乾燥の進み具合から、燃料電池１００の発電性能が電解質膜１０１の乾燥により低下し得る状況下であるか否かの判断も可能となる。次いで、読み込んだセル温度が所定の第１温度αを超えるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この第１温度αは、電解質膜１０１の乾燥が或る程度進んだために、膜乾燥の抑制、延いては、膜乾燥による燃料電池１００の発電性能の低下の抑制を図るべきであることを定める温度であって、燃料電池１００の発電特性の温度依存性や電池セルのスペック等を勘案して予め定められている。例えば、図４に示すように、燃料電池１００のアノード圧損は、後述の一時的電流増量制御を行わないままであると、図中に白抜きの四角でプロットしたように、或る温度を境に低下する。これは、電解質膜１０１の乾燥が進んでアノードガス中の水分が減少して、圧損が小さくなるためである。よって、このアノード圧損が下がる温度を第１温度αとでき、本実施例では、そのように第１温度αを設定した。この他、内部抵抗にあっても、後述の一時的電流増量制御を行わないままであると、図４に図中に白抜きの四角でプロットしたように、或る温度を境に上昇に転ずるので、その変曲を起こす当たりの温度を、第１温度αと設定するようにすることもできる。
　ステップＳ１１０で否定判定すると、セル温度は第１温度α以下であるために電解質膜１０１の乾燥抑制を考慮する必要はないとして、制御装置２００は、燃料電池１００の通常制御を実行する（ステップＳ１２０）。この通常制御では、制御装置２００は、既述したように、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力を求め、その要求電力に見合うガス量で水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給制御を行いつつ燃料電池１００を発電制御し、その発電電力をモーター１７０に電力を供給する。この際、モーター１７０の要求電力が小さい場合には、制御装置２００は、燃料電池１００に代えて２次電池１７２の充電電力をモーター１７０に供給することもできる。モーター１７０の要求電力が大きいと、燃料電池１００と２次電池１７２の両者の電力で要求電力を賄うよう、燃料電池１００を発電制御しつつ、モーター１７０に電力を供給するようにすることもできる。図３では、セル温度が第１温度αに達する間において、アクセル１８０の操作状態は一定であるとして燃料電池１００を定電圧・定電量での通常制御に処する様子が示されているが、この間においてアクセル１８０の操作状態が変化していれば、その変化に応じて通常制御の際の電圧・電流は調整される。
　その一方、ステップＳ１１０で肯定判定すると、セル温度が第１温度αを超えていることから、電解質膜１０１の乾燥が進んで乾燥抑制が必要であるとして、制御装置２００は、燃料電池１００を電流増量制御に処する（ステップＳ１３０）。この電流増量制御は、図３に示すように、当該制御に移行した時点、即ちセル温度が第１温度αに達した時点から、所定時間の周期Ｔで繰り返し実行され、その制御内容は、燃料電池１００の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に期間ｔにおいて推移させる制御（以下、一時的電流増量制御と称する）と、この期間ｔの後に既述した通常制御とを繰り返すものとなる。この場合、セル温度が第１温度αに達する間において既述したようにアクセル１８０の操作状態が変化していれば、セル温度が第１温度αに達した時点での通常制御による電圧・電流が、期間ｔにおいて電流増と低電圧化に推移するようになる。こうした一時的電流増量制御の実行期間においても、制御装置２００は、既述したように２次電池１７２を併用して、要求電力を賄う。なお、上記した一時的電流増量制御は、セル温度が第１温度αを超える温度まで上昇してからこの第１温度αまで低下すると、ステップＳ１１０の肯定判定を経て、終了する。つまり、燃料電池１００の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させる一時的電流増量制御と、要求負荷に基づいた通常制御とは、セル温度が第１温度αを超えて電解質膜１０１の乾燥が進み、この膜乾燥により燃料電池１００の発電能力が低下し得る状況下において、交互に繰り返されることになる。
　以上説明したように、本実施例の燃料電池搭載車両２０は、２次電池１７２の要求電力に基づいて燃料電池１００を通常制御しつつ、セル温度と電解質膜１０１の乾燥状態とを対応付け、セル温度が第１温度αを超えていれば（ステップＳ１１０の肯定判定）、電解質膜１０１の乾燥が進んだために、膜乾燥の抑制、延いては、膜乾燥による燃料電池１００の発電性能の低下の抑制が必要であるとして、電流増量制御を周期Ｔで繰り返し実行し、燃料電池１００の運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に期間ｔにおいて推移させる一時的電流増量制御を、間欠的に繰り返す。このように電流増と低電圧化とを起こす一時的電流増量制御は、電流増と低電圧化とにより、単位時間当たりの水素ガス消費を増やして電気化学反応を活性化させるので、カソード１０３での生成水の生成量を増量させる。つまり、本実施例の燃料電池搭載車両２０は、生成水増量をもたらす一時的電流増量制御を、セル温度が第１温度αを超えて電解質膜１０１の乾燥が進む高負荷運転の際に間欠的に繰り返すことで、この間欠的な一時的電流増量制御による生成水の生成量増量を間欠的にもたらす。このため、電解質膜１０１の乾燥を招きがちな高負荷運転が長期に亘る場合であっても、生成水の生成量が増すような燃料電池１００の運転状態は、その間に継続することはなく、間欠的でしか現れない。このため、間欠的とはいえ増量した生成水を電解質膜１０１の乾燥抑制に資することができる。しかも、期間ｔにおける一時的電流増量制御に続く（Ｔ－ｔ）の期間の通常制御では、燃料電池１００の運転状態を図３に示すように一時的電流増量制御の場合よりも低電流域と高電圧域となる側に推移させているので、その際の生成水増量を一時的電流増量制御に比して抑制する。そして、その増量が抑制されたとはいえ、一時的電流増量制御に続く通常制御で得られた生成水についても、これを電解質膜１０１の乾燥抑制に資することができる。また、カソード１０３における生成水の生成量は、間欠的に期間ｔでなされる一時的電流増量制御により増えるに過ぎないと共に、一時的電流増量制御に続く通常制御に伴う生成水は、その増量が一時的電流増量制御より抑制されていることから、ガス拡散供給のためのアノード側ガス拡散層１０４やカソード側ガス拡散層１０５の細孔の生成水による閉塞についても、これをある程度抑制できる。
　しかも、期間ｔでの一時的電流増量制御とモーター１７０への要求電力に基づいた通常制御とを周期Ｔで交互に繰り返すので、モーター１７０の要求電力に対する電力不足を抑制できる。そして、このモーター１７０の要求電力が高負荷である故に、当該要求電力に基づいた通常制御（ステップＳ１２０）の間において電解質膜１０１の乾燥が起きて燃料電池１００の発電能力が低下しても、当該通常制御に続く一時的電流増量制御（図３参照）により増量した生成水と一時的電流増量制御に続く通常制御に伴う生成水とにより、電解質膜１０１の乾燥を抑制して、燃料電池１００の発電性能の回復を図ることができる。これらの結果、本実施例の燃料電池システム３０を搭載した燃料電池搭載車両２０によれば、燃料電池１００の高負荷運転が長期に亘っても、その際の発電能力を高い実効性で維持、もしくはその低下を抑制できると共に、発電能力の回復についてもこれを図ることができる。
　また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、セル温度と電解質膜１０１の乾燥状態とを対応付け、セル温度が第１温度αを超えていれば（ステップＳ１１０の肯定判定）、電解質膜１０１の乾燥が所定の状態（第１乾燥状態）に推移しているので、電解質膜１０１の乾燥により燃料電池１００の発電能力が低下していると推定できる。よって、セル温度が第１温度αを超えていると、電解質膜１０１の乾燥の抑制、延いては、膜乾燥による燃料電池１００の発電性能の低下の抑制の上から既述した一時的電流増量制御（ステップＳ１３０）が必要であるとして、当該制御を実行した。このため、燃料電池１００のセル温度検出とその対比という簡単な手法で、電解質膜１０１の乾燥抑制と発電性能の低下抑制を図るようにでき、簡便である。
　また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、膜乾燥の抑制と発電性能の低下抑制を図るに当たって、一時的電流増量制御とこれに続く通常制御とにおいて、図３に示すように電流電圧の高低推移を起こせば足りる。よって、燃料電池運転に関与するシステム補器の制御、例えば２次電池１７２の充放電制御や加湿装置１４５の加湿制御等については、これらを膜乾燥抑制に関連付けて制御する必要がなく、簡便となる。
　また、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、燃料電池１００のアノード１０２とカソード１０３とを、白金やその合金の触媒をカーボン粒子等の担体に担持させて形成した。白金とその合金の触媒は、高温環境下ではその劣化が起きやすいものの、本実施例の燃料電池搭載車両２０では、既述したようにセル温度が第１温度αを超えると生成水量を増量させ、この生成水で触媒を冷やすことができる。また、生成水により触媒に吸着した不純物を洗い流すことができる。よって、触媒の劣化についてもこれを抑制することで、燃料電池１００の発電能力の維持やその低下抑制、能力回復に寄与できる。
　上記した膜乾燥の抑制に伴う利点を、図を用いて説明する。ステップＳ１３０の一時的電流増量制御を行わないままであると、図４に白抜きの四角でプロットしたように、セル温度が第１温度αから上昇するに従って、アノード圧損は低下する。これに対し、ステップＳ１３０の一時的電流増量制御を行えば、図４に白抜きの円でプロットしたように、セル温度が第１温度αから上昇しても、アノード圧損は或る程度維持される。このことは、白抜きの四角プロットでは、電解質膜１０１の乾燥が進んでアノードガス中の水分が減少して、圧損が小さくなるのに対し、白抜きの円プロットでは、ステップＳ１３０の一時的電流増量制御により生成水量が増量したため、アノードガス中の水分量の減少が進まず、電解質膜１０１の乾き始めが遅れていることを意味する。つまり、本実施例の燃料電池搭載車両２０によれば、電解質膜１０１の乾燥を遅らせることができることになる。
　また、内部抵抗値については、ステップＳ１３０の一時的電流増量制御を行うことで、図４に白抜きの円でプロットしたように、セル温度が第１温度αから上昇しても抵抗値の上昇を抑制できる。内部抵抗の上昇は、発電能力の低下をもたらすので、本実施例の燃料電池搭載車両２０によれば、燃料電池１００の能力低下を抑制できることになり、これは、電圧低下の程度も小さくして性能回復にも寄与できることを意味する。
　また、上記した一時的電流増量制御において生成水の生成量が増えると、これに伴い水素と酸素の電気化学反応（発熱反応）は活発に進行し、電解質膜１０１は、一時的電流増量制御による生成水増量に伴い反応熱により暖められ昇温する。ところが、本実施例の燃料電池システム３０によれば、生成水の増量を来す一時的電流増量制御を既述したように周期Ｔごとに間欠的にしか行わないので、生成水増量に伴う反応熱による電解質膜１０１の昇温を抑制できる。しかも、この一時的電流増量制御に続く通常制御では生成水の生成量の増量を抑制することから、反応熱を控えることができ、電解質膜１０１の昇温を抑制できる。よって、本実施例の燃料電池システム３０によれば、反応熱による電解質膜１０１の昇温抑制の点からも、燃料電池１００の発電能力の低下抑制に寄与できる。
　生成水の増量を来す一時的電流増量制御とこれに続く通常制御との繰り返しを定める周期Ｔは、実験的、或いは燃料電池１００の熱容量等の熱的なスペック等に応じて決定できる。例えば、周期Ｔとその間における期間ｔとを種々変化させつつ燃料電池１００のセル温度推移を測定し、電解質膜１０１の乾燥による燃料電池１００の発電能力の低下が起きた場合の能力回復が達成できた周期Ｔや期間ｔを定める。そして、こうした手法で定めた範囲において周期Ｔや期間ｔを採択すればよい。
　また、燃料電池搭載車両２０は、種々の環境を走行することから、燃料電池システム３０の置かれる環境に応じて周期Ｔを定めることができる。例えば、環境湿度が高ければ、湿度成分（水蒸気）により電解質膜１０１の乾燥を抑制できるので、周期Ｔを長くして一時的電流増量制御の実行頻度を少なくできる。この他、環境温度が低ければ、一時的電流増量制御の際の低電圧化の程度を大きくしても良い。こうすれば、一時的電流増量制御に伴う反応熱による電解質膜１０１の昇温が進むものの、低環境温度による燃料電池１００、延いては電解質膜１０１の冷却が進むため、特段の支障はない。
　次に、他の実施例について説明する。図５は第２実施例における電流増量制御の実行の様子を示すフローチャート、図６は２次電池１７２の最大出力と電池温度との関係を電池容量（ＳＯＣ）ごとに示す説明図、図７は一時的電流増量制御の可否を下す際に参照されるマップの様子を示す説明図である。この第２実施例は、２次電池１７２のＳＯＣを一時的電流増量制御の実行に当たり考慮した点に特徴がある。
　この実施例では、図５に示すように、制御装置２００は、まず、外気温センサー１８４と容量検出センサー１７６をスキャンして、２次電池１７２の電池温度とＳＯＣを読み込む（ステップＳ２００）。この場合、２次電池１７２に温度センサーを装着して、当該センサーから電池温度を直接読み込むようにすることもできる。２次電池１７２は、放電と蓄電の結果として、図６に示すように種々のＳＯＣを取り得るものの、低温域或いは高温域の電池温度では、各ＳＯＣごとに最大出力が低下する特性を有する。その一方、図６に点線で示す必要出力、即ちモーター１７０の要求電力は、アクセル１８０の操作状態によって上下するので、この要求電力を２次電池１７２のＳＯＣで賄えない場合がある。例えば、図６における最下段とその上段のＳＯＣでは、図６の必要出力を電池温度の全領域において賄えないのに対し、最上段とその下段のＳＯＣでは、図６の必要出力を限られた電池温度領域において賄うことができる。このように２次電池１７２のＳＯＣ賄えない電力には、燃料電池１００の発電電力で充当できるものの、燃料電池１００を電解質膜１０１の乾燥を招くような運転状態としてまで、燃料電池１００の発電電力を充当することは、更なる電解質膜１０１の乾燥や発電能力低下を招くことから望ましくない。よって、本実施例では、図６に示した２次電池１７２の温度特性を考慮して、図７に示すように、燃料電池１００の上記した一時的電流増量制御の実行可否を、２次電池１７２のＳＯＣと電池温度に関連付けて規定した。そして、センサースキャンに続くステップＳ２１０では、図７のマップを参照しつつ、ステップＳ２００で読み込んだ電池温度とＳＯＣとに基づいて、一時的電流増量制御の実行可否を判定する。
　このステップＳ２１０で既述した一時的電流増量制御の実行不可と否定判定すれば、後述の通常制御の実行に移行し、一時的電流増量制御の実行が可能と肯定判定すれば、続くステップＳ２２０によるセル温度読込、その後の温度対比（ステップＳ２３０）を行う。そして、制御装置２００は、既述した実施例のステップＳ１１０と同様、セル温度と第１温度αとの対比に応じて、燃料電池１００の既述した通常制御（ステップＳ２４０）、或いは既述した一時的電流増量制御（ステップＳ２５０）を実行する。この際の通常制御と一時的電流増量制御にあっても、モーター１７０の要求電力に応じて、２次電池１７２を併用できる。図８は一時的電流増量制御における電流増と低電圧化の推移状態をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図、図９は一時的電流増量制御における周期Ｔと最低電圧をＳＯＣに応じて定める様子を示す説明図である。
　セル温度が第１温度αを超えているために行う一時的電流増量制御では、その制御状態が２次電池１７２のＳＯＣにより次のように定められる。電流増量制御では、既述したように、一時的電流増量制御を間欠的に繰り返すことで、結果的にこの一時的電流増量制御と通常制御とを交互に繰り返し実行される。そして、その際の一時的電流増量制御の期間ｔ１と通常制御の期間ｔ２、および低電圧化推移の際の最低電圧Ｖminは、図９に示すように、２次電池１７２のＳＯＣで規定される。この場合、一時的電流増量制御の期間ｔ１は、２次電池１７２のＳＯＣが大きくなるほど段階的に増量し、通常制御の期間ｔ２と低電圧化推移の際の最低電圧Ｖminは、これとは逆に段階的に低減する。このことは、２次電池１７２のＳＯＣが大きければ、そのＳＯＣでモーター１７０の要求電力の殆どを賄えるので、燃料電池１００については、電解質膜１０１の乾燥抑制に寄与する電圧低下の程度を大きく、且つ、一時的電流増量制御の期間ｔ１を長くして、生成水量をより増量させて、電解質膜１０１の乾燥抑制の実効性を高めることを意味する。従って、この実施例の燃料電池搭載車両２０では、先の実施例と同様の一時的電流増量制御を行うことで、燃料電池１００の高負荷運転が長期に亘る場合の発電能力の維持や低下抑制の実効性をより高めることができる。しかも、２次電池１７２のＳＯＣに応じた一時的電流増量制御の実行可否、およびその制御状態の決定により、２次電池１７２の併用に伴う要求電力の充足に加え、生成水増量をもたらす一時的電流増量制御をきめ細かく実行して増量程度を可変できるので、電解質膜１０１の乾燥抑制とこれに伴う発電性能の回復に大きく寄与できる。
　図１０は第３実施例における電流増量制御の実行の様子を模式的に示す説明図、図１１はセル温度に対する燃料電池１００の出力推移とアノード圧損推移を電流増量制御の有無ごとに示すグラフである。この第３実施例は、負荷要求が消失した場合に電流増量制御を実行する点に特徴がある。
　図１０に示すように長い登坂走行の際には、燃料電池１００（図１参照）は高負荷運転が継続され、セル温度は徐々に上昇する。この場合、上記した第１或いは第２実施例で説明した一時的電流増量制御を行わないとすると、図１１に示すように、セル温度が第１温度αになると既述したようにアノード圧損が低下する。この際の電池出力については、図１１に白抜き四角でプロットして示すように、セル温度が第１温度αより高い第２温度βまではそれほどの低下は見られないものの、セル温度がこの第２温度βを超えると急激に低下する。そして、登坂が終了してからの下り坂走行では、通常、燃料電池１００は、例えばアクセル操作のオフを契機に発電運転を停止する。この運転停止により、セル温度は低下するものの、アクセルオン時に予想される電池出力は、図１１に白抜き四角でプロットして示すように、低出力で推移したままとなる。これは、登坂走行の際の高負荷運転により上昇したセル温度は登坂走行後においても或る程度の期間に亘って高いままなので、登坂走行後においても電解質膜１０１の乾燥が進んでしまい、発電能力が低下するためと考えられる。
　こうした現象を踏まえ、第３実施例では、次のように燃料電池１００を運転制御する。まず、登坂過程では、既述した第１、第２実施例と同様の一時的電流増量制御を行う。このため、登坂過程での電解質膜１０１の乾燥抑制により、セル温度が第２温度βを超えても、図１１に白抜き円でプロットして示すように、一時的電流増量制御を行わない場合に比べて高い電池出力を維持できる。そして、登坂走行後の下り坂走行では、既述したようにアクセル操作のオフを契機に燃料電池１００の発電運転を停止するものの、セル温度が第２温度βまで低下すると、既述した第１、第２実施例と同様の一時的電流増量制御（ステップＳ１３０、Ｓ２５０）を所定期間に亘って実行する。このため、電解質膜１０１の乾燥が抑制されて発電能力の回復を図ることができ、この様子は、図１１に白抜き円のプロットで示されている。この場合、下り坂走行が終わってアクセル操作がなされれば、その際には既に電解質膜１０１の乾燥が抑制されているので、そのアクセル操作に基づいて燃料電池１００を特段の支障なく発電制御できる。よって、この第３実施例の燃料電池搭載車両２０によれば、アクセル操作に対するレスポンスの違和感を低減できるので、ドライバビリティーの向上を図ることができる。
　この第３実施例において一時的電流増量制御を開始する第２温度βは、図１１に示すように、アノード圧損推移の変曲点に該当すると共に、電池出力の急激な低下を起こす温度であることから、セル温度が第２温度βを超えると、電解質膜１０１は乾燥過多となっていると想定される。よって、この第２温度βを超える温度にて一時的電流増量制御を行うと、乾燥過多の電解質膜１０１の乾燥抑制のために一時的電流増量制御の継続が長くなってしまう。よって、第３実施例では、セル温度が第２温度βまで低下した時点で、乾燥抑制のための一時的電流増量制御を行うこととした。
　図１２は第４実施例における生成水増量制御の実行の様子を示す説明図である。この第４実施例は、生成水増量をエアー供給量低減を介して行う点に特徴がある。図示するように、この実施例では、先の実施例が行っていた一時的電流増量制御に代わり、期間ｔでのエアー供給量低減を周期Ｔごとに間欠的に繰り返す。エアー流量の低減は、カソード１０３における生成水量を低減させるものの、余剰エアーによる生成水の持ち去り量を少なくし、生成水の残存を図ることができる。そして、この第４実施例では、エアー供給量当たりの生成水量を増量させることができるので、先の実施例と同様、電解質膜１０１の乾燥を抑制できる。しかも、この実施例では、エアー供給量低減により、水素ガスの消費についてもこれを低減するので、電解質膜１０１の乾燥抑制を図った上で、燃費向上を図ることができる。
　次に、燃料電池１００に固有の特性を利用した第５実施例について説明する。図１３は燃料電池１００の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた燃料電池固有の等価パワー特性線（ＩＶ特性線）を概略的に示す説明図、図１４は一時的電流増量制御における電流電圧推移を等価パワー特性線間での推移の有無に分けて示す説明図、図１５は図２における処理を等価パワー特性線の読み込みと関連付けて示すフローチャートである。
　燃料電池搭載車両２０（図１参照）は、燃料電池１００を発電運転制御するに当たり、図１３の各等価パワー特性線に対応するマップを制御装置２００のＲＯＭやメモリ機器に記憶して備える。そして、この第５実施例では、図１５に示すように既述した電流増量制御を行うに当たり、モーター１７０等から要求されている要求電力に符合した等価パワー特性線を読み込む（ステップＳ１２０）。そして、ステップＳ１１０の否定判定に続くステップＳ１２０の通常制御では、読み込んだ等価パワー特性線（例えば、図１３における等価パワー特性線ＰＴｂ）の上の電流電圧にて燃料電池１００を運転することで、負荷要求に基づいて燃料電池１００を発電運転する。
　その一方、ステップＳ１１０の肯定判定、即ち既述したように膜乾燥により発電能力の低下が起き得ると、ステップＳ１３０の電流増量制御における期間ｔの一時的電流増量制御を次のようにして行う。まず、図１３～図１４において白抜き円は、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂの上において期間ｔの一時的電流増量制御に適った電流電圧推移をもたらす制御の様子を示す。詳述すると、ステップＳ１２０にて行った通常制御での運転ポイントＰｎの電流電圧を、電流増と低電圧化とを起こす側の運転ポイントＰｎ１に推移させ、期間ｔにおいてこの運転ポイントＰｎ１にて燃料電池１００を運転する。その後、電流増と低電圧化とを起こす前の運転ポイントＰｎに電流電圧を推移させる。この制御は、要求電力に符合した等価パワー特性線の上における電流電圧推移であることから、常時等価パワーの制御となる。
　一方、塗り潰し円は、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂとこれより低発電パワーの側の等価パワー特性線ＰＴａとの間における電流電圧推移を加味して一時的電流増量制御に適った電流電圧推移をもたらす制御の様子を示す。詳述すると、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａを読み込んだ上で（ステップＳ１３０）、ステップＳ１２０にて行った通常制御での運転ポイントＰｎの電流電圧を、等価パワー特性線ＰＴｂより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａの上の運転ポイントであって、更に電流増と低電圧化とを起こす側の運転ポイントＰｎ２に推移させ、期間ｔにおいてこの運転ポイントＰｎ２にて燃料電池１００を運転する。その後、電流増と低電圧化とを起こす前の運転ポイントＰｎに電流電圧を推移させる。運転ポイントＰｎから運転ポイントＰｎ２までの推移については、運転ポイントＰｎから直接、運転ポイントＰｎ２に推移できるほか、運転ポイントＰｎ１を経て運転ポイントＰｎ２に推移するようにすることもできる。この場合の制御は、異なる発電パワーの等価パワー特性線の間の電流電圧推移を起こすものの、推移前後で見れば、図１４に実線で示すようにほぼ平均した発電パワーとなるので、平均等価パワーの制御となる。
　上記した常時等価パワー制御と平均等価パワー制御の両制御とも、セル温度の上昇を経て膜乾燥により発電能力の低下が起き得ると（ステップＳ１３０の肯定判定）、ステップＳ１２０にて行った通常制御での運転ポイントＰｎの電流電圧を、電流増と低電圧化とを起こす側に推移させているので、既述した膜乾燥の抑制、延いては発電能力の低下の抑制を図ることができる。また、上記の両制御とも、燃料電池１００を当該電池に固有の等価パワー特性線の上の電流電圧にて発電運転できるので、出力の安定化を図ることができる。加えて、上記の両制御とも、一時的電流増量制御に適った電流電圧推移を起こす際に当たり、燃料電池１００自体での電流電圧制御で済み、当該制御に他の電力源である２次電池１７２からの電力供給を考慮した上での発電運転制御の必要がなく、簡便となる。
　等価パワー特性線ＰＴｂとこれより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａの間の電流電圧推移を起こす平均等価パワー制御では、期間ｔの一時的電流増量制御での電流増と低電圧化とを顕著とする。よって、既述した膜乾燥の抑制や生成水による触媒冷却、吸着不純物除去等が進むので、期間ｔの一時的電流増量制御に続く制御（通常制御）の際には、発電性能の回復が見込まれ、この回復分は、図１４では電圧の上昇として示されている。
　以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の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て実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、セル温度と電解質膜１０１の乾燥状態とを対応付け、セル温度が第１温度αを超えると電解質膜１０１の乾燥抑制が必要であるとしたが、これに限られるものではない。つまり、セル温度の他、電解質膜１０１の乾燥状態が反映した燃料電池特性を用いることができる。例えば、アノード圧損或いは内部抵抗の推移を検出して、電解質膜１０１の乾燥が起きることで現れる現象、即ち、図４に白抜き四角のプロットで示したようなアノード圧損の低下や内部抵抗の上昇が起きると、電解質膜１０１の乾燥が進んで燃料電池１００の発電性能が低下し得る状況下であるために、膜乾燥や能力低下の抑制が必要であるとしてステップＳ１３０の電流増量制御（一時的電流増量制御）を行うようにすることもできる。
　この場合、燃料電池１００の発電性能低下は、電解質膜１０１の乾燥の状況のみならず、上記したアノード圧損や内部抵抗の推移の他、燃料電池１００の出力変化やその電流電圧特性の変化として観察し得る。よって、燃料電池１００の電池出力或いは電流電圧特性を測定（実測）ないしは所定の理論計算に基づいた推定を行って、燃料電池１００の発電性能が低下し得る能力低下状況への推移を捉えるようにして、既述した一時的電流増量制御とこれに続く通常制御とを繰り返すようにすることもできる。より詳述すると、燃料電池１００の電池出力や電流電圧特性が予め定めた閾値から出力低下或いは特性劣化の側に推移すると、燃料電池１００の発電性能が低下し得る能力低下状況下に推移したとして、既述した一時的電流増量制御とこれに続く通常制御とを交互に繰り返す。そして、燃料電池１００の電池出力や電流電圧特性が上記した閾値に復帰すれば、一時的電流増量制御を停止すればよい。
　図１３や図１４で説明した等価パワー特性線に則った一時的電流増量制御において、次のような出力対処を採ることができる。図１６は一時的電流増量制御において採用可能な出力対処の様子を説明する説明図である。この図１６は、一時的電流増量制御とこれに続く通常制御との繰り返しを、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂと等価パワー特性線ＰＴａとの間における電流電圧推移を加味して行う平均等価パワー制御とした場合の発電電力の出力状況を示している。そして、この図１６では、等価パワー特性線ＰＴｂから等価パワー特性線ＰＴａへの電流電圧推移（Ｐｎ→Ｐｎ２：一時的電流増量制御）を経た電流増と低電圧化による出力の負荷要求出力との差分と、等価パワー特性線ＰＴａから等価パワー特性線ＰＴｂへの電流電圧推移（Ｐｎ２→Ｐｎ：通常制御）を経た低電流化と高電圧化による出力の負荷要求出力との差分とが等しくなるようにされている。こうするには、運転ポイントＰｎと運転ポイントＰｎ２の間の電流電圧の隔たりを考慮して、周期Ｔに占める期間ｔを定めればよく、要求負荷に応じて予めマップ化することが可能である。つまり、要求負荷が定まれば、これに符合する等価パワー特性線（例えば、等価パワー特性線ＰＴｂ）とこれより低発電パワーの等価パワー特性線ＰＴａが定まり、両特性線図に乗っている上記の各運転ポイントも定まるので、これに応じてマップ化できる。
　図１に示す通り、燃料電池搭載車両２０は、電力の充電と放電が可能な２次電池１７２をモーター１７０等に供給する電力源として燃料電池１００と併用可能に備え、２次電池１７２は、燃料電池１００の出力不足の際にこれを補充するよう、通常は制御される。ところが、上記したように、電流増と低電圧化による出力低下分と、低電流化と高電圧化による出力回復分とを既述したように等しくすれば、燃料電池１００の出力不足が見かけ上起きないようにできる。このため、出力分補充のための２次電池１７２の電力供給が不要となる、または、電力供給に変動を来さないようにできるので、２次電池１７２の電力消費を抑制できる。なお、一時的電流増量制御とこれに続く通常制御との繰り返しを、要求電力に符合した等価パワー特性線ＰＴｂの上において電流電圧推移させる常時等価パワー制御では、そもそも燃料電池１００の出力は一定なので、出力分補充のための２次電池１７２の電力供給が不要となる、または、電力供給に変動を来さず、２次電池１７２の電力消費を抑制できる。
　また、上記の実施例では、既述した期間ｔの一時的電流増量制御に続いて通常制御を（Ｔ－ｔ）の期間において実行したが、期間ｔの一時的電流増量制御に続く制御については、これを、この一時的電流増量制御よりも生成水の生成量の増量を抑制する制御とすればよく、通常制御に限らない。
　また、上記の実施例において電圧の高低推移を起こすに当たり、次のように変形することができる。図１７は一時的電流増量制御とこれに続く制御（生成水の増量を抑制する制御）を交互に繰り返す際の電圧の高低推移の様子を示す説明図である。この図１７に示すように、一時的電流増量制御に伴って低電圧化を図る際、および一時的電流増量制御とこれに続く制御に伴って高電圧化を図る際、電圧を漸増もしくは漸減するよう推移させる。こうすれば、一時的電流増量制御とこれに続く制御（生成水の増量を抑制する制御）を交互に繰り返す際の電流の急変、いわゆるスパイク電流を抑制できるので、電解質膜１０１の損傷回避等に対して有益となる。
　また、上記の実施例では、セル温度が第１温度αを超えた後にこの第１温度αまで低下する期間において、既述した周期Ｔで一時的電流増量制御と通常制御とを交互に繰り返したが、セル温度が第１温度αを超えてから所定の期間に亘って周期Ｔで一時的電流増量制御と通常制御とを交互に繰り返すようにすることもできる。なお、電池抵抗値、電池出力或いは電流電圧特性を測定ないしは推定等して、燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況への推移を捉えるようにした場合も、同様である。
　　２０…燃料電池搭載車両
　　２２…車体
　　３０…燃料電池システム
　　１００…燃料電池
　　１０１…電解質膜
　　１０２…アノード
　　１０３…カソード
　　１０４…アノード側ガス拡散層
　　１０５…カソード側ガス拡散層
　　１０６…電流センサー
　　１１０…水素ガスタンク
　　１２０…水素ガス供給系
　　１２１…水素供給経路
　　１２２…循環経路
　　１２３…放出経路
　　１２４…開閉バルブ
　　１２５…減圧バルブ
　　１２６…水素供給機器
　　１２７…循環ポンプ
　　１２８…流量センサー
　　１２９…開閉バルブ
　　１３０…コンプレッサ
　　１４０…空気供給系
　　１４１…酸素供給経路
　　１４２…放出経路
　　１４３…排出流量調整バルブ
　　１４５…加湿装置
　　１４７…流量センサー
　　１５０…ラジエータ
　　１５２…ファン
　　１６０…冷却系
　　１６１…循環経路
　　１６２…バイパス経路
　　１６３…三方流量調整弁
　　１６４…循環ポンプ
　　１６６…温度センサー
　　１７０…モーター
　　１７２…２次電池
　　１７６…容量検出センサー
　　１８０…アクセル
　　１８２…車速センサー
　　１８４…外気温センサー
　　２００…制御装置
　　１７４…ＤＣ－ＤＣコンバーター
　　ＦＷ…前輪
　　ＲＷ…後輪

Claims (15)

  1. 　燃料電池システムであって、
    　プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで対向するアノードとカソードに燃料ガスと酸素含有ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
    　外部の負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の発電運転を制御する負荷対応発電制御を行う発電制御部とを備え、
    　該発電制御部は、
    　前記燃料電池の発電性能が低下し得る能力低下状況下となると、前記燃料電池の発電運転状況を前記カソードにおける生成水の生成量が前記負荷対応発電制御に比して増量する側に推移させる生成水増量制御を行った後に、前記燃料電池の発電運転状況を前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する側に推移させる生成水非増量制御を実行し、前記能力低下状況下において、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御を交互に繰り返す
    　燃料電池システム。
  2. 　前記発電制御部は、前記生成水非増量制御として前記負荷対応発電制御を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記発電制御部は、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを所定期間の周期Ｔで交互に繰り返す請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記発電制御部は、前記生成水増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を電流増と低電圧化とを起こす側に推移させて前記カソードにおける生成水の生成量を増やし、前記生成水非増量制御を行うに当たり、前記燃料電池の発電運転状態を前記生成水増量制御に対して低電流域と高電圧域となる側に推移させて、前記生成水増量制御に比して前記生成水の生成量の増量を抑制する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池の発電運転状態を示すよう電流と電圧とを対応付けた前記燃料電池に固有の等価パワー特性線を発電パワーごとに記憶し、
    　前記発電制御部は、前記負荷対応発電制御を行うに当たり、前記要求電力に符合した前記発電パワーの前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御し、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移についても、等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する
    　燃料電池システム。
  6. 　前記発電制御部は、前記生成水増量制御として前記電流増と低電圧化とを起こす側への推移を、前記要求電力に符合した前記発電パワーより低発電パワーの側の前記等価パワー特性線を読み込んで、該読み込んだ等価パワー特性線の上の電流電圧となるよう前記燃料電池の発電運転を制御する請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    　電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備え、
    　前記発電制御部は、
    　前記生成水増量制御に伴う前記電流増と前記低電圧化とを起こす側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分と、前記生成水非増量制御に伴う前記低電流域と前記高電圧域となる側への推移による前記燃料電池の、前記負荷要求出力との差分とが等しくなるように、前記生成水増量制御と前記生成水非増量制御とを交互に繰り返す
    　燃料電池システム。
  8. 　請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    　電力の充電と放電が可能な２次電池を、前記負荷に供給する電力源として前記燃料電池と併用可能に備え、
    　前記発電制御部は、
    　前記生成水増量制御の実行可否を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて判定する
    　燃料電池システム。
  9. 　前記発電制御部は、前記２次電池の蓄電容量が所定容量を超える際に、前記生成水増量制御の実行が可能と判定する請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 　請求項８または請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    　前記発電制御部は、
    　前記燃料電池の発電運転状態を前記電流増と低電圧とを起こす側に推移させる推移状態を、前記２次電池の蓄電状態に基づいて決定し、該決定した推移状態にて前記生成水増量制御を実行する
    　燃料電池システム。
  11. 　請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    　前記発電制御部は、
    　前記生成水増量制御を繰り返し実行した後に、前記負荷の要求電力が消失すると前記生成水増量制御を停止し、
    　前記要求電力の消失後に改めて前記負荷の要求電力があるまでの負荷消失期間において、前記生成水増量制御を所定期間に亘って間欠的に繰り返す
    　燃料電池システム。
  12. 　前記発電制御部は、前記負荷消失期間における前記生成水増量制御を、前記燃料電池の発電性能が前記電解質膜の乾燥により低下すると想定される状態下において実行する請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 　前記発電制御部は、前記負荷消失期間における前記生成水増量制御を、前記燃料電池について検出した燃料電池温度が前記要求電力の消失の際の温度から所定の温度まで低下すると実行する請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 　前記発電制御部は、前記生成水増量制御を繰り返すに当たり、前記酸素含有ガスの供給量を間欠的に低減する請求項１に記載の燃料電池システム。
  15. 　請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載し、該燃料電池システムの有する前記燃料電池の発電電力を駆動力に用いる車両。
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