(57)【要約】【課題】開回路電圧の低下をもたらし得る要因の解明を図る。【解決手段】燃料電池システム２０は、開回路電圧Ｖｏｃｖが低下した際の開回路電圧Ｖｏｃｖの推移を、膜抵抗値Ｒの推移と関係付けた上で電圧低下要因ごとに把握する。そして、開回路電圧Ｖｏｃｖが低下した後に行う電解質膜１２１の乾燥側への運転制御の際に検知した開回路電圧Ｖｏｃｖを、把握済みの開回路電圧の推移状況と照合して、電圧低下要因を特定する。【選択図】図４
2014029801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜の両膜面に電極触媒層が接合した膜電極接合体を有する電池セルを複数備える燃料電池と、
所定以下の負荷で前記燃料電池を運転制御する際の該燃料電池の出力電圧に基づく低負荷時出力特性を検知する特性検知部と、
前記出力電圧が予め定めた閾値電圧より低下した場合に、前記燃料電池の運転状態を前記電解質膜の乾燥が進む側に変更した後の前記検知した前記低負荷時出力特性の挙動により、前記出力電圧の低下をもたらす要因を、前記電解質膜の水分過多と該水分過多以外の複数の要因とのうちの一つに特定する電圧低下要因特定部とを備える
燃料電池システム。
【請求項２】
前記電圧低下要因特定部は、前記低負荷時出力特性として、前記出力電圧と前記電解質膜の膜抵抗値との関係を示す電圧／抵抗関係を用いる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下要因特定部は、前記低負荷時出力特性として検知した前記電圧／抵抗関係の変化を、前記出力電圧の低下をもたらす要因ごとに把握された前記電圧／抵抗関係の挙動と照合して、前記要因を特定する
燃料電池システム。
【請求項４】
前記低負荷時出力特性は、電流を外部の負荷に流さない無負荷状態で前記燃料電池を運転する際の出力電圧の特性である請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記出力特性は、前記電池セルごとに検知した燃料電池の開回路電圧である請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下要因特定部は、前記電解質膜のガスのクロスリーク発現と前記電解質膜の膜短絡抵抗低下とを前記水分過多以外の要因として捉えた上で、前記電圧／抵抗関係の挙動を、前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のそれぞれに対応付けて把握し、該把握した前記電圧／抵抗関係の挙動と、前記検知した前記開回路電圧との照合を経て、前記要因を前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のいずれかに特定する
燃料電池システム。
【請求項７】
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記水分過多と特定されると、前記開回路電圧が前記閾値電圧に復帰するまで、前記燃料電池を前記電解質膜の乾燥が進む側に継続して運転制御する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記クロスリーク発現と特定されると、前記電池セルの前記膜電極接合体における電解質膜両面の前記電極触媒層にそれぞれ供給して排出されるガスの差圧に基づいて、前記電池セルごとに前記クロスリークの発現に伴うクロスリーク量を求め、前記電池セルごとに求めた前記クロスリークの発現状況が予め定めた閾値クロスリーク程度より高い高クロスリーク電池セルについての報知を行う
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記電解質膜の短絡抵抗値の推移を前記電圧／抵抗関係に関連付けた短絡抵抗値推移マップを記憶するマップ第１記憶部と、
前記検知した前記開回路電圧に対応する前記電解質膜の短絡抵抗値を、前記検知した前記開回路電圧についての前記電圧／抵抗関係と前記短絡抵抗値推移マップとの照合を経て前記電池セルごとに求める短絡抵抗値演算部と、
前記電解質膜の短絡抵抗値と前記電池セルの出力電圧とに起因して発生する熱による電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を、前記電解質膜の短絡抵抗値に関連付けた膜損傷抑制マップを記憶するマップ第２記憶部と、
前記短絡抵抗値演算部の求めた前記電解質膜の短絡抵抗値を前記膜損傷抑制マップと照合して、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求める電圧上限演算部とを備え、
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部は、前記電解質膜の短絡抵抗値を求め、前記電圧上限演算部は、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求めた上で、外部の負荷要求に基づいた前記燃料電池の出力電圧を前記上限に制限する
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部が前記電池セルごとに求めた前記電解質膜の短絡抵抗値が予め定めた閾値短絡抵抗値より小さい小短絡抵抗値電池セルについての報知を行う
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を構成する電池セルは、その有する電解質膜のプロトン伝導性を利用した電気化学反応を起こして発電する。そして、電池セルの発電性能は、所定以下の負荷で燃料電池を運転制御する際の出力電圧、例えば、電流を外部の負荷に流さない無負荷状態での出力電圧である開回路電圧として把握できる。その一方、この開回路電圧は、電解質膜の湿潤状態に依存する。このため、電解質膜の異常の有無を、開回路電圧に基づいて判定する手法が提案されている（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１０８６１２号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の手法では、開回路電圧の低下をもたらした要因が電解質膜の水分過多であることを推認できるとはいえ、開回路電圧の低下をもたらし得る他の要因の解明が十分とは言えないのが実情である。例えば、アノードに供給された水素が電解質膜をカソード側にリークするクロスリークは、当該リークした水素が電気化学反応に関与しないことから、開回路電圧の低下をもたらし得る。また、電解質膜は、燃料電池の運転に伴い膨潤と収縮を繰り返して局所的な薄膜化を起こし得ることから、両膜面の電極触媒層に介在する電解質膜の短絡抵抗は低下する。そして、この短絡抵抗低下が起きた電解質膜を有する電池セルでは、開回路電圧の漏洩が起き得ることから、短絡抵抗低下は開回路電圧の低下をもたらし得る。ところが、上記の手法では、クロスリークの発現状況や電解質膜の短絡抵抗低下についての配慮に欠けるため、既述したように、開回路電圧の低下をもたらし得る要因の解明が要請されるに到った。また、上記の要因解明が不十分なため、開回路電圧の低下状況により電解質膜に異常があるとした場合において、異常報知を行うようにしているが、要因解明が進めば、その対処の多様化が可能であるにも拘わらず、こうした要因解明後の対処の多様化も進んでいないのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、電解質膜の両膜面に電極触媒層が接合した膜電極接合体を有する電池セルを複数備える燃料電池を含む燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、所定以下の負荷で前記燃料電池を運転制御する際の該燃料電池の出力電圧に基づく低負荷時出力特性を検知する特性検知部と、前記出力電圧が予め定めた閾値電圧より低下した場合に、前記燃料電池の運転状態を前記電解質膜の乾燥が進む側に変更した後の前記検知した前記低負荷時出力特性の挙動により、前記出力電圧の低下をもたらす要因を、前記電解質膜の水分過多と該水分過多以外の複数の要因とのうちの一つに特定する電圧低下要因特定部とを備える。上記形態の燃料電池システムによれば、開回路電圧の低下をもたらし得る要因を、電解質膜の水分過多、或いは水分過多以外の複数の要因とのうちの一つに特定できる。そして、こうして特定した要因への対処をも可能とする。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部を、前記低負荷時出力特性として、前記出力電圧と前記電解質膜の膜抵抗値との関係を示す電圧／抵抗関係を用いるようにすることで、この電圧／抵抗関係の挙動により、前記要因を特定するようにできる。つまり、燃料電池が電解質膜の乾燥が進む側に運転制御されている状況下では、電解質膜は、出力電圧の低下をもたらした要因の種別に拘わらず乾燥することから、電解質膜の膜抵抗値は上昇する。そして、出力電圧の低下をもたらす要因が電解質膜の水分過多であれば、その水分過多が解消されることから、その影響により、出力電圧の上昇が見込まれ、この出力電圧の上昇は膜抵抗値の上昇と共に現れる。その一方、出力電圧の低下をもたらす要因として電解質膜の水分過多以外の複数の要因のそれぞれで起きる事象についても、燃料電池が電解質膜の乾燥が進む側に運転制御されることで推移し、電解質膜の水分過多以外の各要因ごとに、出力電圧の推移を、電解質膜の膜抵抗値の上昇と共に来す。この形態の燃料電池システムでは、出力電圧の低下をもたらす要因としての電解質膜の水分過多とそれ以外の各要因について、既述したように出力電圧と電解質膜の膜抵抗値との関係を示す電圧／抵抗関係の挙動により、出力電圧の低下をもたらし得る要因、即ち一要因としての電解質膜の水分過多とそれ以外の要因を解明できる。
【０００８】
（３）上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部を、前記低負荷時出力特性として検知した前記電圧／抵抗関係の変化を、前記出力電圧の低下をもたらす要因ごとに把握された前記電圧／抵抗関係の挙動と照合して、前記要因を特定するようにできる。こうすれば、より的確に、出力電圧の低下をもたらし得る要因を、電解質膜の水分過多とそれ以外の要因に特定できる。
【０００９】
（４）上記のいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記低負荷時出力特性を、前記燃料電池を電流を外部の負荷に流さない無負荷状態で運転する際の出力電圧の特性とできる。こうすれば、出力電圧の特性を無負荷状態での出力に特定できることから、出力電圧の特性検知の上で簡便となる。
【００１０】
（５）上記した形態の燃料電池システムにおいて、前記出力特性を、前記電池セルごとに検知した燃料電池の開回路電圧とできる。こうすれば、出力特性を開回路電圧の特性に特定できるので、出力電圧の特性検知の上でより簡便となる。
【００１１】
（６）上記した形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部を、前記電解質膜のガスのクロスリーク発現と前記電解質膜の膜短絡抵抗低下とを前記水分過多以外の要因として捉えた上で、前記電圧／抵抗関係の挙動を、前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のそれぞれに対応付けて把握するものとし、該把握した前記電圧／抵抗関係の挙動と、前記検知した前記開回路電圧との照合を経て、前記要因を前記水分過多と前記クロスリーク発現と前記膜短絡抵抗低下のいずれかに特定するようにできる。開回路電圧の低下をもたらす要因としての電解質膜の水分過多とクロスリーク発現および電解質膜の膜短絡抵抗低下のいずれで起きる開回路電圧の推移は、電解質膜の膜低抵抗推移に関連付けることが可能である。よって、この形態の燃料電池システムにすれば、開回路電圧の低下をもたらす要因を、その一要因としての電解質膜の水分過多と、それ以外の要因としてのクロスリーク発現と膜短絡抵抗低下のいずれかに解明できる。
【００１２】
（７）上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記水分過多と特定されると、前記開回路電圧が前記閾値電圧に復帰するまで、前記燃料電池を前記電解質膜の乾燥が進む側に継続して運転制御するようにできる。こうすれば、電解質膜の水分過多を要因として低下した開回路電圧を回復の実効性を高めることができる。
【００１３】
（８）上記したいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記クロスリーク発現と特定されると、前記電池セルの前記膜電極接合体における電解質膜両面の前記電極触媒層にそれぞれ供給して排出されるガスの差圧に基づいて、前記電池セルごとに前記クロスリークの発現に伴うクロスリーク量を求め、前記電池セルごとに求めた前記クロスリークの発現状況が予め定めた閾値クロスリーク程度より高い高クロスリーク電池セルについて、セル交換の旨の報知を行うようにできる。こうすれば、開回路電圧の低下要因がクロスリーク発現である場合に、開回路電圧の低下をもたらした高クロスリーク電池セルについての報知、例えばセルの修理や交換の報知ができ、セルの修理や交換による開回路電圧の回復が期待できる。
【００１４】
（９）上記したいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、前記電解質膜の短絡抵抗値の推移を前記電圧／抵抗関係に関連付けた短絡抵抗値推移マップを記憶するマップ第１記憶部と、前記電圧検知部の検知した前記開回路電圧に対応する前記電解質膜の短絡抵抗値を、前記電圧検知部の検知した前記開回路電圧についての前記電圧／抵抗関係と前記短絡抵抗値推移マップとの照合を経て求める短絡抵抗値演算部と、前記電解質膜の短絡抵抗値と前記電池セルの出力電圧とに起因して発生する熱による電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を、前記電解質膜の短絡抵抗値に関連付けた膜損傷抑制マップを記憶するマップ第２記憶部と、前記短絡抵抗値演算部の求めた前記電解質膜の短絡抵抗値を前記膜損傷抑制マップと照合して、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求める電圧上限演算部とを備えた上で、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部を、前記電解質膜の短絡抵抗値を求めるものとし、前記電圧上限演算部を、前記電解質膜の損傷を抑制可能な前記出力電圧の上限を求めた上で、外部の負荷要求に基づいた前記燃料電池の出力電圧を前記上限に制限するようにできる。こうすれば、開回路電圧の低下要因が膜短絡抵抗低下である場合に、外部の負荷要求に基づいた燃料電池の出力電圧を、電解質膜の損傷を抑制可能な上限に制限することで、電解質膜の損傷を抑制した上での燃料電池運転が可能となる。
【００１５】
（１０）上記の形態の燃料電池システムにおいて、前記電圧低下要因特定部により前記要因が前記膜短絡抵抗低下と特定されると、前記短絡抵抗値演算部が前記電池セルごとに求めた前記電解質膜の短絡抵抗値が予め定めた閾値短絡抵抗値より小さい小短絡抵抗値電池セルについて、セル交換の旨の報知を行うようにできる。こうすれば、開回路電圧の低下要因が膜短絡抵抗低下である場合に、開回路電圧の低下をもたらした小短絡抵抗値電池セルについての報知、例えばセルの修理や交換の報知ができ、セルの修理や交換による開回路電圧の回復が期待できる。
【００１６】
本発明は、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池の運転方法や燃料電池の運転異常の判定装置や判定方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態としての燃料電池システム２０の構成例を示すブロック図を燃料電池セル１２０の概略拡大図と共に示す説明図である。
【図２】燃料電池システム２０の搭載車両の走行時において繰り返される燃料電池１００の発電運転制御を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池システム２０の搭載車両の始動時或いは運転停止時に行われるセル性状判定制御を示すフローチャートである。
【図４】開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらす要因ごとの開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとの関係を示す説明図である。
【図５】電解質膜１２１の短絡抵抗の低下程度が相違する際の開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとの関係を示す説明図である。
【図６】図５の短絡抵抗ごとの軌跡の傾きである要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）と短絡抵抗値との関係を示す第１マップの説明図である。
【図７】セル電圧の絶対値と短絡抵抗値との関係を示す第２マップの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明の第１実施形態としての燃料電池システム２０の構成例を示すブロック図を燃料電池セル１２０の概略拡大図と共に示す説明図である。この燃料電池システム２０は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
【００１９】
燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、アノードガス（燃料ガス）供給部２００およびカソードガス（酸化ガス）供給部３００と、冷却装置４００と、セル特性計測部５００と、電力制御部６００と、制御部７００と、を備えている。
【００２０】
燃料電池１００は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。
【００２１】
燃料電池１００は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池セル１２０を積層したスタック構造とされている。燃料電池セル１２０は、その概略拡大図に示すように、電解質膜１２１の両側に触媒電極であるアノード１２２とカソード１２３の両電極触媒層を備える。このアノード１２２とカソード１２３は、電解質膜１２１の両膜面に形成され電解質膜１２１と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、燃料電池セル１２０は、電極形成済みの電解質膜１２１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１２４とカソード側ガス拡散層１２５とガスセパレーター１２６，１２７を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。
【００２２】
電解質膜１２１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１２２およびカソード１２３は、触媒（例えば白金、或いは白金合金）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１２４とカソード側ガス拡散層１２５は、ガス拡散性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを用いて製造され、それぞれの電極へのガス拡散流路を形成する。
【００２３】
ガスセパレーター１２６は、アノード側ガス拡散層１２４の側に、水素を含有する燃料ガスを流す図示しないセル内燃料ガス流路を備える。ガスセパレーター１２７は、カソード側ガス拡散層１２５の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流す図示しないセル内酸化ガス流路を備える。なお、図には記載していないが、隣り合う燃料電池セル１２０間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらガスセパレーター１２６，１２７は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、或いはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
【００２４】
ガスセパレーター１２６，１２７の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、燃料電池セル１２０が他の部材と共に積層されて燃料電池１００が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１００内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路やセル内酸化ガス流路、或いはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、或いは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２５】
本実施例の燃料電池１００は、ガスセパレーター１２６のセル内燃料ガス流路からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層１２４で拡散ししつつアノード１２２に供給する。空気については、ガスセパレーター１２７のセル内酸化ガス流路からの空気を、カソード側ガス拡散層１２５で拡散ししつつカソード１２３に供給する。
【００２６】
アノードガス供給部２００は、アノードガス（燃料ガス）としての高圧の水素ガスを貯蔵した水素ガスタンク２１０と、水素ガスタンク２１０の水素ガスを燃料電池１００に供給するためのアノードガス供給流路２２０と、燃料電池１００から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）としての水素オフガスをアノードガス供給流路２２０に戻すためのアノードガス循環流路２３０と、を備える。アノードガス供給流路２２０は、水素ガスタンク２１０からの水素ガスの供給を遮断または許容する開閉バルブ２２２と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２２４と、水素ガスの流量を調整する水素供給部２２６とを備え、燃料電池セル１２０のセル内燃料ガス流路に水素ガスを導く。このアノードガス供給部２００は、アノードガス供給流路２２０に供給ガス圧を検出する圧力センサー２２７を、アノードガス循環流路２３０に排出ガス圧を検出する圧力センサー２３９をそれぞれ備え、各センサーの検出圧力（供給ガス圧および排出ガス圧）を、後述の制御部７００に出力する。
【００２７】
アノードガス循環流路２３０には、アノードガス循環流路２３０内のアノードオフガスとしての水素オフガスをアノードガス供給流路２２０側へ送り出す水素ガスポンプ２３２が設けられている。また、アノードガス循環流路２３０には、気液分離部２３４および排気排水バルブ２３６を介して、排気口３５０につながる排出流路２３８が接続されている。気液分離部２３４は、水素オフガスに含まれる水分を回収する。排気排水バルブ２３６は、気液分離部２３４で回収された水分およびアノードガス循環流路２３０内の不純物を含む水素オフガスを排出する。排気排水バルブ２３６から排出された水素オフガスは、排気口３５０から排ガスとして大気中に排気される。なお、開閉バルブ２２２、レギュレータ２２４、水素供給部２２６、水素ガスポンプ２３２、気液分離部２３４、および、排気排水バルブ２３６は、制御部７００からの指示に従って動作する。
【００２８】
カソードガス供給部３００は、吸気口３１０を介してカソードガス（酸化ガス）としての空気を取り込んで圧縮送出するためのコンプレッサ３２０と、空気（エア）を燃料電池１００に供給するためのカソードガス供給流路３３０と、燃料電池１００から排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を排気口３５０から排出するためのカソードオフガス排出流路３４０と、を備える。カソードオフガス排出流路３４０には、燃料電池１００内のカソードガス（酸化ガス）の圧力を調整するための背圧調整バルブ３４２が設けられている。カソードガス供給流路３３０およびカソードオフガス排出流路３４０には、燃料電池１００から排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を用いてコンプレッサ３２０から圧送されたカソードガス（酸化ガス）を加湿する加湿部３６０が設けられている。そして、カソードガス供給流路３３０は、加湿部３６０を経て燃料電池セル１２０のセル内酸化ガス流路に空気を導く。加湿部３６０を通過したカソードオフガスは、排ガスとして排気口３５０から大気中に排気される。コンプレッサ３２０、背圧調整バルブ３４２、および、加湿部３６０は、制御部７００からの指示に従って動作する。このカソードガス供給部３００は、カソードガス供給流路３００に供給ガス圧を検出する圧力センサー３３２を、カソードオフガス排出流路３４０に排出ガス圧を検出する圧力センサー３４４をそれぞれ備え、各センサーの検出圧力（供給ガス圧および排出ガス圧）を、後述の制御部７００に出力する。
【００２９】
冷却装置４００は、冷却循環器４１０と、冷媒を燃料電池１００に供給する冷媒供給流路４２０と、燃料電池から排出される冷媒を燃料電池１００に戻す冷媒排出流路４３０と、を備える。冷却循環器４１０は、冷媒供給流路４２０を介して燃料電池１００に冷媒を供給し、燃料電池１００の冷却に供された後の冷媒を冷媒排出流路４３０を介して受け取ることにより、冷媒を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷媒としては、水、不凍液等を用いることができる。冷却装置４００は、制御部７００からの指示に従って冷却循環器４１０を動作させて冷媒循環を図ることで、燃料電池１００を冷却する。
【００３０】
セル特性計測部５００は、燃料電池セル１２０の後述のセル特性を測定するセル特性計測器５１０と、燃料電池１００の出力電圧を測定する電圧センサー５２０および出力電流を測定する電流センサー５３０と、を備えている。
【００３１】
セル特性計測器５１０は、燃料電池セルごとのセル特性を測定するものであり、電圧計測ユニット５１２と抵抗計測ユニット５１４とを備える。電圧計測ユニット５１２は、それぞれの燃料電池セル１２０について、電流を外部の負荷に流さない無負荷状態での出力電圧である開回路電圧（Ｖｏｃｖ）を計測する。抵抗計測ユニット５１４は、交流インピーダンス法を利用して、それぞれの燃料電池セル１２０のカソード側の触媒電極における水素イオン（プロトン）移動抵抗や直流抵抗を、膜抵抗（Ｒ膜）として測定する。これら測定値は、各燃料電池セルが有する電解質膜１２１の性状が反映したセル特性であり、セル特性計測器５１０は、その測定結果を後述の制御部７００に出力する。なお、セル特性計測器５１０による上記の開回路電圧や膜抵抗測定は、燃料電池セル１２０のそれぞれについて行うことができるほか、スタック中央に位置する複数の電池セル群に含まれるいくつかの燃料電池セル１２０と、スタック両端に位置する複数の電池セル群に含まれるいくつかの燃料電池セル１２０についての測定を行い、その測定結果を各電池セル群に含まれる燃料電池セル１２０に当てはめることもできる。
【００３２】
電力制御部６００は、二次電池制御部６２０、モーター制御部６４０、図示しない各種の補機制御部等を備える。二次電池制御部６２０は、二次電池６１０の充放電を制御する。モーター制御部６４０は、燃料電池１００或いは二次電池６１０からの電力のモーター６３０への供給を制御する。このモーター制御部６４０は、例えば、モーター６３０が三相交流モーターの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、例えば、水素ガスポンプ２３２や、コンプレッサ３２０等の各装置を駆動するための電力の供給を制御する。なお、モーター６３０は、燃料電池システム２０が搭載される車両の主動力源を構成する。
【００３３】
制御部７００は、ＣＰＵ７１０と、メモリー７２０と、入出力部７３０と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部７３０は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線（不図示）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した開閉バルブ２２２やレギュレータ２２４、水素供給部２２６、水素ガスポンプ２３２、コンプレッサ３２０、背圧調整バルブ３４２、冷却循環器４１０に含まれる図示しない冷却ポンプや冷却ファン、モーター６３０の回転量を制御するアクセル７５０等がある。また、各種センサーとしては、上述した電圧センサー５２０や、電流センサー５３０、圧力センサー２２７等の圧力センサー、図示しない温度センサー、圧力センサー、湿度センサー、流量センサー等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム２０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ７４０等がある。
【００３４】
メモリー７２０には、主として燃料電池システム２０を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、ＣＰＵ７１０は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、燃料電池１００の発電運転制御ルーチン、および、セル性状判定ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、ＣＰＵ７１０は、電池出力制御部７１０ａおよびセル性状判定部７１０ｂとして機能する。電池出力制御部７１０ａは、燃料電池１００および二次電池６１０の動作を制御する。セル性状判定部７１０ｂは、セル特性計測器５１０にて測定した現状のセル特性をメモリー７２０の記憶内容と照合しつつ、そのセル性状の特定と特定した性状に基づいた後述の機器制御を司る。メモリー７２０の記憶内容として、後述の各種マップや特性線図がある。
【００３５】
次に、本実施例の燃料電池システム２０の制御部７００が行う各種制御について説明する。図２は燃料電池システム２０の搭載車両の走行時において繰り返される燃料電池１００の発電運転制御を示すフローチャート、図３は燃料電池システム２０の搭載車両の始動時或いは運転停止時に行われるセル性状判定制御を示すフローチャートである。
【００３６】
図２の発電運転制御では、まず、制御部７００は、アクセル７５０の踏込量に基づいて、要求負荷を読み込み（ステップＳ１００）、その読み込んだ要求負荷に対応するそれぞれの燃料電池セル１２０の出力（セル電圧Ｓｖ）を算出する（ステップＳ１１０）。本実施形態の燃料電池システム２０は、モーター６３０の駆動回転を電池出力と二次電池６１０の出力とで賄うことから、制御部７００は、二次電池６１０の蓄電電力量と放出電力量とを勘案して、ステップＳ１１０にて、それぞれの燃料電池セル１２０のセル電圧Ｓｖを算出する。なお、この際には、燃料電池セル１２０の出力特性を定めるいわゆる電流・電圧特性線図（Ｉ−Ｖ線図）が用いられるが、本発明の要旨と直接関係しないので、その説明は省略する。
【００３７】
制御部７００は、セル電圧Ｓｖの算出に続き、後述のセル性状判定制御（図３）にて燃料電池セル１２０の出力制限がなされているかを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、出力制限なしと否定判定すれば、制御部７００は、ステップＳ１１０で算出したセル電圧Ｓｖが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１２０を発電運転制御する（ステップＳ１３０）。
【００３８】
一方、ステップＳ１２０にて、出力制限があると肯定判定すれば、制御部７００は、ステップＳ１１０で算出したセル電圧Ｓｖを、出力制限電圧Ｖｍａｘに制限して、燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１２０を発電運転制御する（ステップＳ１４０）。具体的には、セル電圧Ｓｖが出力制限電圧Ｖｍａｘの制限範囲内であれば、そのセル電圧Ｓｖが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１２０を発電運転制御する。ところが、セル電圧Ｓｖが出力制限電圧Ｖｍａｘを超えていれば、そのセル電圧Ｓｖを出力制限電圧Ｖｍａｘに制限し、この出力制限電圧Ｖｍａｘが得られるよう、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１２０を発電運転制御する。
【００３９】
こうした出力制限を課す図３のセル性状判定制御は、始動スイッチ７４０（図１参照）がオンされた始動時において、或いは、始動スイッチ７４０がオフされた運転停止時、もしくは燃料電池システム２０の搭載車両がＰレンジにて停車していたり、アイドリングの状態にある際に、実行される。そして、図３のセル性状判定制御では、まず、制御部７００は、燃料ガスおよび酸化ガスを供給して（ステップＳ２００）、燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１２０を発電運転する。この際のガス供給量は、無負荷状態にて燃料電池セル１２０を発電運転した際に得られる定格出力（電圧）とほぼ同程度、或いはその８０〜９０％程度の出力が得られる供給量とされる。
【００４０】
次いで、制御部７００は、セル特性計測器５１０の電圧計測ユニット５１２および抵抗計測ユニット５１４の出力を読み込んで、それぞれの燃料電池セル１２０についての開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒを演算し（ステップＳ２１０）、演算して得た開回路電圧Ｖｏｃｖを閾値電圧Ｖｔｈと比較する（ステップＳ２２０）。この閾値電圧Ｖｔｈは、ステップＳ２００でのガス供給を行って燃料電池セル１２０を発電運転した際に通常は得られる出力範囲の下限側電圧、例えば、出力電圧を統計的処理に処して得られたヒストグラムの下限側の裾付近の電圧として規定されている。換言すれば、ステップＳ２００でのガス供給を行って燃料電池セル１２０を発電運転した際に得られた出力が明らかに低出力であることから、こうした出力低下をもたらした何らかの異常が起きていると想定できる電圧として、閾値電圧Ｖｔｈが定められている。
【００４１】
制御部７００は、ステップＳ２２０において、開回路電圧Ｖｏｃｖは閾値電圧Ｖｔｈを超えていると肯定判定すると、燃料電池セル１２０の発電運転に異常はない、即ち開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらす要因は発生していないとして、本ルーチンを終了する。その一方、ステップＳ２２０において否定判定すると、何らかの要因により開回路電圧Ｖｏｃｖが低下しているとして、その要因の特定の前処理として、ガスの乾燥パージを行う（ステップＳ２３０）。この乾燥パージにより、燃料電池セル１２０は、電解質膜１２１の乾燥が進む側に運転制御されることになり、電解質膜１２１からは水分が除去されて乾燥が進む。この場合、乾燥パージは、加湿部３６０での加湿を控えてガス自体を乾燥させて供給するようにできるほか、ガス流量を増加させることでガスによる生成水の排出を進めて電解質膜１２１の乾燥を図ったり、冷却循環器４１０による冷却を控えて電解質膜１２１の乾燥を図るようにしても良い。
【００４２】
制御部７００は、ステップＳ２３０にて乾燥パージがなされている間において、ステップＳ２１０と同様に開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとを繰り返し演算する。そして、制御部７００は、開回路電圧Ｖｏｃｖの変化量（ｄＶｏｃｖ）を膜抵抗値Ｒの変化量（ｄＲ膜）で除算した値（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）、即ち、膜抵抗値Ｒの変化量（ｄＲ膜）に対する開回路電圧Ｖｏｃｖの変化量（ｄＶｏｃｖ）を演算し、その演算値を要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）とした上で、この要因解析パラメータにより、以下のようにして要因特定を進める。この場合、開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒは、それぞれの燃料電池セル１２０について演算されることから（ステップＳ２１０）、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、燃料電池セル１２０のそれぞれについて演算される。
【００４３】
ステップＳ２３０の乾燥パージは、ステップＳ２２０により何らかの要因により開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈ以下の電圧まで低下していることで実行され、この乾燥パージを経た電解質膜１２１の乾燥により、電解質膜１２１の膜抵抗値Ｒは、上記の要因の如何を問わず上昇する。こうした膜抵抗値Ｒの上昇を起こしつつ、開回路電圧Ｖｏｃｖについては、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらした要因、具体的には、電解質膜１２１の水分過多、電解質膜１２１のクロスリーク発現、或いは電解質膜１２１の短絡抵抗低下の各要因ごとに、乾燥パージの間の開回路電圧Ｖｏｃｖの推移状況は相違する。つまり、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１の水分過多を要因として起きたのであれば、乾燥パージによる電解質膜１２１の乾燥により水分過多が解消に向かうと共に、アノード１２２やカソード１２３およびアノード側ガス拡散層１２４やカソード側ガス拡散層１２５の細孔の水分による閉塞も解消に向かう。これにより、電解質膜１２１までのガスの拡散が進んでガスの供給不足も解消に向かうことから、開回路電圧Ｖｏｃｖは、その低下していた電圧から回復するよう推移する。
【００４４】
開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１のクロスリーク発現を要因として起きたのであれば、乾燥パージによる電解質膜１２１の乾燥が起きたことにより水素ガスのクロスリーク量は増して、電気化学反応に関与しないガス量が増すことになることから、開回路電圧Ｖｏｃｖの回復は見込めず、更なる開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移が予想される。電解質膜１２１の短絡抵抗低下が要因であれば、その低下した短絡抵抗に対応した開回路電圧の漏洩が起き得ることから、開回路電圧Ｖｏｃｖの回復は見込めず、更なる開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移が予想される。その一方、クロスリーク発現よる開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移状況と、短絡抵抗低下による開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移状況とは、その要因が異なることから一致するものではなく、明確に相違する。
【００４５】
本実施形態では、電解質膜１２１の乾燥に伴う膜抵抗値Ｒの上昇が起きている状況下での上記の要因ごとの開回路電圧Ｖｏｃｖの推移に着目し、膜抵抗値Ｒの変化量（ｄＲ膜）に対する開回路電圧Ｖｏｃｖの変化量（ｄＶｏｃｖ）の演算値である要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）を導入した。そして、この要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）にて要因解析を図るべく、実験的な手法にて、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらす電解質膜１２１の水分過多、電解質膜１２１のクロスリーク発現、或いは電解質膜１２１の短絡抵抗低下の各要因ごとに、開回路電圧Ｖｏｃｖの推移を電解質膜１２１の乾燥に伴う膜抵抗値Ｒと対応付けて調べ、制御部７００は、この対応関係たる要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）を把握して、後述するように当該パラメータにより要因の特定を図る。なお、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）を、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらす要因ごとに対応付けてメモリー７２０に記憶するようにすることもできる。この場合、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下は、上記した要因ごとに常に起きる訳ではなく、複数の要因の同時発生によっても起きるが、この場合には、要因ごとの電圧推移を複合的に勘案することで、複数の要因についても解析が可能となる。図４は開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらす要因ごとの開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとの関係を示す説明図である。
【００４６】
図４における軌跡ｆａは、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１の水分過多を要因として起きた場合の開回路電圧Ｖｏｃｖの推移を、膜抵抗値Ｒを横軸として示している。そして、この軌跡ｆａによれば、膜抵抗値Ｒの変化量（ｄＲ膜）に対する開回路電圧Ｖｏｃｖの変化量（ｄＶｏｃｖ）を演算した上記の要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、その符号が正でほぼ一定値となる。電解質膜１２１の水分過多を要因として開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈ以下の電圧まで低下して後になされるステップＳ２３０の乾燥パージでは、電解質膜１２１の乾燥により水分過多が解消に向かうことで、既述したように、開回路電圧Ｖｏｃｖは、ステップＳ２３０の乾燥パージにより、軌跡ｆａに示すように回復推移する。
【００４７】
この軌跡ｆａの軌跡は、次のようにして得ることができる。まず、クロスリークや膜の短絡抵抗値の低下が起きていない電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０を測定セルとして、準備する。そして、図１に示す燃料電池１００を上記の測定セルである燃料電池セル１２０に置き換え、この燃料電池セル１２０に、加湿過剰なガスを、クロスリークが起きないようガス給排圧力を調整した上で、供給して発電させる。この状態で開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が観察されれば、この開回路電圧Ｖｏｃｖの低下は、電解質膜１２１の水分過多によるものとなる。そして、その後に、乾燥パージを行い、この乾燥パージの間の膜抵抗値Ｒと開回路電圧Ｖｏｃｖを電圧計測ユニット５１２と抵抗計測ユニット５１４にて実測してプロットする。こうして図４の軌跡ｆａが得られる。この場合、電解質膜１２１の水分過多の状況は必ずしも一律ではないことから、乾燥パージによる開回路電圧Ｖｏｃｖの回復の様子は、図４の軌跡ｆａで規定された軌跡と相違することも有り得るが、上記の要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、その符号が正でほぼ一定値となることに変わりはない。換言すれば、図４の軌跡ｆａは、その傾きが正で、傾きの値は相違するものの、正の傾きの一次曲線となる。
【００４８】
図４における軌跡ｆｂは、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１の短絡抵抗低下を要因として起きた場合の開回路電圧Ｖｏｃｖの推移を、膜抵抗値Ｒを横軸として示している。そして、この軌跡ｆｂによれば、上記の要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、その符号が負でほぼ一定値となる。電解質膜１２１の短絡抵抗低下を要因として開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈ以下の電圧まで低下して後になされるステップＳ２３０の乾燥パージでは、燃料電池セル１２０では、電解質膜１２１の低下した短絡抵抗に対応した開回路電圧の漏洩が起き得ることから、開回路電圧Ｖｏｃｖの回復は見込めず、更なる開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移が予想される。こうしたことから、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１の短絡抵抗低下を要因として起きた場合の開回路電圧Ｖｏｃｖは、ステップＳ２３０の乾燥パージにより、軌跡ｆｂに示すように低下推移する。
【００４９】
この軌跡ｆｂの軌跡は、次のようにして得ることができる。まず、無負荷状態にて発電運転した際に得られる定格出力（電圧）が可能でクロスリークの起きていない電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０を用意する。そして、この燃料電池セル１２０の電解質膜１２１を繰り返し膨潤および収縮させ、電解質膜１２１の短絡抵抗値を意図的に低下させる。こうして短絡抵抗の低下した電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０を測定セルとして、準備する。そして、図１に示す燃料電池１００を上記の測定セルである燃料電池セル１２０に置き換え、この燃料電池セル１２０に、適正な湿潤とされたガスを、クロスリークが起きないようガス給排圧力を調整した上で、供給して発電させる。この状態で開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が観察されれば、この開回路電圧Ｖｏｃｖの低下は、電解質膜１２１の短絡抵抗低下によるものとなる。そして、その後に、乾燥パージを行い、この乾燥パージの間の膜抵抗値Ｒと開回路電圧Ｖｏｃｖを電圧計測ユニット５１２と抵抗計測ユニット５１４にて実測してプロットする。こうして図４の軌跡ｆｂが得られる。図４に示す軌跡ｆｂは、ある抵抗値まで短絡抵抗が低下した電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０についての開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移を示しており、短絡抵抗が上記のある抵抗値と異なる抵抗値に低下した場合には、上記の要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、その符号が負でほぼ一定値ではあるものの、異なるものとなる。図５は電解質膜１２１の短絡抵抗の低下程度が相違する際の開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとの関係を示す説明図である。
【００５０】
図５では、図示する種々の短絡抵抗値に調整した電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０について、既述したように乾燥パージの間の膜抵抗値Ｒと開回路電圧Ｖｏｃｖとが、短絡抵抗値ごとにプロットされている。この図５に示すように、大きな短絡抵抗値であれば、電圧漏洩がない、もしくは極めて少ないことから、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下は見られない。ところが、短絡抵抗値が小さくなる程、開回路電圧Ｖｏｃｖは、膜抵抗値Ｒの増大に伴い大きく低下し、各軌跡の傾き、即ち既述した要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、大きくなる。そして、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が見られるそれぞれの短絡抵抗値では、その軌跡の傾きである要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、相違するものの、いずれも、その符号が負でほぼ一定となる。換言すれば、図４の軌跡ｆｂは、その傾きが負で、傾きの値が相違するものの、負の傾きの一次曲線となる。
【００５１】
図４における軌跡ｆｃは、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１のクロスリーク発現を要因として起きた場合の開回路電圧Ｖｏｃｖの推移を、膜抵抗値Ｒを横軸として示している。そして、この軌跡ｆｃによれば、上記の要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、その符号が負であると共に、その値は膜抵抗値Ｒの僅かな増加により急激に低下してから徐々に低下し、一定値とはならない。電解質膜１２１のクロスリーク発現を要因として開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈ以下の電圧まで低下して後になされるステップＳ２３０の乾燥パージでは、燃料電池セル１２０では、乾燥パージによる電解質膜１２１の乾燥により水素ガスのクロスリーク量は増加し、当該リーク量は、膜が乾燥状態に転じる乾燥当初において大きく増加し、その後も増加することが予想される。電気化学反応に関与しないガス量は、こうしたクロスリーク量の増加に対応して増すことになることから、開回路電圧Ｖｏｃｖの回復は見込めず、更なる開回路電圧Ｖｏｃｖの低下推移が予想される。こうしたことから、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が電解質膜１２１のクロスリーク発現を要因として起きた場合の開回路電圧Ｖｏｃｖは、ステップＳ２３０の乾燥パージにより、軌跡ｆｃに示すように低下推移する。
【００５２】
この軌跡ｆｃの軌跡は、次のようにして得ることができる。まず、無負荷状態にて発電運転した際に得られる定格出力（電圧）が可能で短絡抵抗が低下していない電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０を測定セルとして、準備する。そして、図１に示す燃料電池１００を上記の測定セルである燃料電池セル１２０に置き換え、この燃料電池セル１２０に、適正な湿潤とされたガスを、クロスリークが起きるようにガス給排圧力を意図的に高めに調整した上で、供給して発電させる。この状態で開回路電圧Ｖｏｃｖの低下が観察されれば、この開回路電圧Ｖｏｃｖの低下は、電解質膜１２１のクロスリーク発現によるものとなる。そして、その後に、乾燥パージを行い、この乾燥パージの間の膜抵抗値Ｒと開回路電圧Ｖｏｃｖを電圧計測ユニット５１２と抵抗計測ユニット５１４にて実測してプロットする。こうして図４の軌跡ｆｃが得られる。この場合、電解質膜１２１のクロスリーク発現の様子およびクロスリーク量は必ずしも一律ではないことから、乾燥パージによる開回路電圧Ｖｏｃｖの低下の様子は、図４の軌跡ｆｃで規定された軌跡と相違することも有り得るが、上記の要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、その符号が負であると共に一定値とはならないことに変わりはない。
【００５３】
本実施形態では、既述した要因ごとの要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）を、図３のステップＳ２３０に続くステップＳ２４０での対比、その後のステップＳ２８０の対比に処すことで、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらした要因を、電解質膜１２１の水分過多、電解質膜１２１のクロスリーク発現、或いは電解質膜１２１の短絡抵抗低下のいずれかに特定する。まず、ステップＳ２３０に続くステップＳ２４０では、制御部７００は、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）が正の値であるか否かを判定する。ここで肯定判定すれば、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、図４における軌跡ｆａに合致することから、制御部７００は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらした要因は、電解質膜１２１の水分過多であると特定し（ステップＳ２５０）、この水分過多を解消すべく、ステップＳ２６０以降の処理行う。つまり、制御部７００は、ステップＳ２３０と同様の乾燥パージを継続し、この乾燥パージを、続くステップＳ２７０にて開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈを超えるよう回復するまで継続する。そして、開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈを超えるまで回復すれば、本ルーチンを終了する。
【００５４】
その一方、ステップＳ２３０に続くステップＳ２４０で、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は正の値ではないと否定判定すれば、制御部７００は、続くステップＳ２８０にて、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は一定値であるか否かを判定する。ここで否定判定すれば、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、図４における軌跡ｆｃに合致することから、制御部７００は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらした要因は、電解質膜１２１のクロスリーク発現であると特定し（ステップＳ２９０）、以降の処理にて、クロスリーク発現に対処する。この対処に当たり、制御部７００は、クロスリーク量を算出する（ステップＳ３００）。つまり、制御部７００は、図１におけるアノードガス供給部２００でのガス給排系の圧力センサー２２７や圧力センサー２３９、およびカソードガス供給部３００でのガス給排系の圧力センサー３３２や圧力センサー３４４の検出値を読み込み、燃料ガスおよび酸化ガスの給排の差圧に基づいて、クロスリーク量を算出する。この場合、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、既述したように燃料電池セル１２０のそれぞれについて演算されることから、ステップＳ３００で算出したクロスリーク量は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をクロスリーク発現によりもたらした燃料電池セル１２０についてものとなる。
【００５５】
こうしてクロスリーク量を算出すると、制御部７００は、開回路電圧Ｖｏｃｖが低下した燃料電池セル１２０のセル交換を行うよう報知して（ステップＳ３２０）、本ルーチンを終了する。このステップＳ３２０のセル交換報知は、種々の手法とでき、燃料電池システム２０の搭載車両の車室内にランプにて点灯報知したり、セル交換の旨の音声を車両付属のオーディオ機器から発するようにできる。これらに加え、車両のメンテナンス先に、車台番号等の車両特定情報と共に、セル交換の旨の信号と交換対象となるセル特定情報等を送信したりすることもできる。この際、どの位置の燃料電池セル１２０、或いは燃料電池１００のエンドプレートから何番目の燃料電池セル１２０であるかについても、報知する。セル交換報知を受けた車両操作者は、セル交換を行うべく車両をメンテナンス先まで持ち込み走行することになるが、その走行距離は比較的短いと予想される。よって、制御部７００は、この持ち込み走行に当たって、燃料電池１００の出力制限を特にしないようにできる。なお、ステップＳ３２０のセル交換報知の後の走行可能距離をクロスリーク量と対象付けたマップをメモリー７２０に予め記憶しておき、制御部７００は、算出済みクロスリーク量に応じた走行可能距離や走行距離に制限がある旨等の報知を、セル交換報知と共に行うようにすることもできる。こうすれば、車両操作者に、セル交換のためのメンテナンスを促すことができる。
【００５６】
そして、ステップＳ２４０での否定判定に続くステップＳ２８０で、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は一定値であると肯定判定すれば、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、図４における軌跡ｆｂに合致することから、制御部７００は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下をもたらした要因は、電解質膜１２１の短絡抵抗低下であると特定し（ステップＳ３３０）、以降の処理にて、短絡抵抗低下に対処する。この対処に当たり、制御部７００は、第１マップを参照して短絡抵抗低下値を算出する（ステップＳ３４０）。図６は図５の短絡抵抗ごとの軌跡の傾きである要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）と短絡抵抗値との関係を示す第１マップの説明図である。この図６は、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）を横軸にして、当該パラメータに対応する短絡抵抗値を定める。制御部７００は、この図６に対応した第１マップ、即ち要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）と短絡抵抗値とを対応付けたマップをメモリー７２０に予め記憶しているので、ステップＳ２１０で求めた開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとから演算した要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）を、図６の第１マップと照合することで、短絡抵抗値を算出する。この場合、要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）は、既述したように燃料電池セル１２０のそれぞれについて演算されることから、ステップＳ３４０で算出した短絡抵抗値は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を短絡抵抗低下によりもたらした燃料電池セル１２０についてものとなる。
【００５７】
こうして短絡抵抗値を算出すると、制御部７００は、その算出短絡抵抗値（Ｒ短絡）を閾値短絡抵抗Ｒｔｈと比較する（ステップＳ３５０）。この閾値短絡抵抗ｔｈは、発電効率や能力維持の上からセルの交換の目安となる短絡抵抗値として規定されている。制御部７００は、このステップＳ３５０で、算出短絡抵抗値（Ｒ短絡）は閾値短絡抵抗Ｒｔｈより小さいと肯定判定すると、セル交換を促すべく既述したステップＳ３２０に移行して本ルーチンを終了する。
【００５８】
その一方、ステップＳ３５０で、算出短絡抵抗値（Ｒ短絡）は閾値短絡抵抗Ｒｔｈまでは低下していないと否定判定すると、制御部７００は、燃料電池セル１２０についての出力電圧の制限値を第２マップを参照して定める（ステップＳ３６０）。図７はセル電圧の絶対値と短絡抵抗値との関係を示す第２マップの説明図である。この図７は、横軸を電解質膜１２１の短絡抵抗値とし、縦軸を燃料電池セル１２０の出力電圧値（絶対値）としたマップであり、短絡抵抗値に対する燃料電池セル１２０の出力電圧（絶対値）の上限を図中の境界軌跡ｆｖｍにて定める。電解質膜１２１の短絡抵抗低下は、電解質膜１２１の全域で起きるわけではなく、膨潤と収縮が繰り返された局所的な部位にて、短絡抵抗は低下する。こうして短絡抵抗低下を来している局所部位にセル出力電圧に対応した電流が流れると、当該局所部位では、その抵抗（短絡抵抗）と電流に基づいたジュール熱が発生して、その熱が電解質膜１２１の分解温度を超えることが有り得る。こうなると、局所部位ではピンホールが発生し、電解質膜１２１の修復不能な損傷が起きる。局所部位に発生するジュール熱は、ジュールの法則から、抵抗（短絡抵抗）が小さいと低電圧でも熱量が増す。こうしたことから、短絡抵抗の低下した電解質膜１２１を有する燃料電池セル１２０には、ピンホール回避の上から出力電圧に制限を掛けることが望ましい。図７の境界軌跡ｆｖｍは、電解質膜１２１の短絡抵抗に対する燃料電池セル１２０の出力電圧（絶対値）の上限をピンホール回避の上から定めた線図であり、予めメモリー７２０に記憶されている。そして、制御部７００は、ステップＳ３４０で算出した短絡抵抗低下値を図７の第２マップにおける境界軌跡ｆｖｍに照合することで、燃料電池セル１２０についての出力電圧の上限値Ｖｍａｘ（絶対値）を定め、本ルーチンを終了する。制御部７００は、こうして定められた上限値Ｖｍａｘを、図２におけるステップＳ１４０にて、燃料電池セル１２０のセル電圧Ｓｖの制限電圧として利用し、燃料電池セル１２０のセル電圧Ｓｖを制限する。これにより、短絡抵抗低下を来した燃料電池セル１２０のみならず、全ての燃料電池セル１２０のセル電圧Ｓｖが上限値Ｖｍａｘにて制限されることになる。
【００５９】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム２０は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因を、電解質膜１２１の水分過多、電解質膜１２１のクロスリーク発現、或いは電解質膜１２１の短絡抵抗低下のいずれかと想定した上で、それぞれの要因ごとに、開回路電圧Ｖｏｃｖの推移を電解質膜１２１の膜抵抗値Ｒと関連付けて把握しておく（図４）。そして、燃料電池１００を構成するそれぞれの燃料電池セル１２０の開回路電圧Ｖｏｃｖが予め定めた閾値電圧Ｖｔｈより低下すると（ステップＳ２２０）、乾燥パージを行い（ステップＳ２３０）、この乾燥パージの間における要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）により、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因を、電解質膜１２１の水分過多、電解質膜１２１のクロスリーク発現、或いは電解質膜１２１の短絡抵抗低下のいずれかに特定する（ステップＳ２４０、ステップＳ２８０）。このため、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因として特定した電解質膜１２１の水分過多、電解質膜１２１のクロスリーク発現、或いは電解質膜１２１の短絡抵抗低下のそれぞれについて、水分過多解消、セル交換報知、出力制限等の対処を可能とする。
【００６０】
また、本実施形態の燃料電池システム２０は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因が電解質膜１２１の水分過多であると特定すると（ステップＳ２５０）、開回路電圧Ｖｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈに復帰するまで、電解質膜１２１の乾燥が進む側に継続して運転制御する（ステップＳ２６０〜２７０）。このため、電解質膜１２１の水分過多により低下した開回路電圧Ｖｏｃｖを回復させた上で、燃料電池セル１２０、延いてはその複数で構成される燃料電池１００を運転制御できるので、発電性能の維持や回復を図ることができる。
【００６１】
また、本実施形態の燃料電池システム２０は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因が電解質膜１２１のクロスリーク発現であると特定すると（ステップＳ２９０）、燃料ガスや酸化ガスの給排圧力に基づいてクロスリーク量を燃料電池セル１２０の各セルごとに演算する（ステップＳ３００）。その上で、演算したクロスリーク量がセル交換が望ましい程度にまで大きくなっていると、セル交換を促すよう報知する（ステップＳ３２０）。このため、セル交換による開回路電圧Ｖｏｃｖの回復と、燃料電池セル１２０の積層体としての燃料電池１００の発電能力の維持もしくは回復を図ることができる。
【００６２】
また、本実施形態の燃料電池システム２０は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因が電解質膜１２１の短絡抵抗低下であると特定すると（ステップＳ３３０）、膜抵抗値Ｒの変化量（ｄＲ膜）に対する開回路電圧Ｖｏｃｖの変化量（ｄＶｏｃｖ）の演算値である要因解析パラメータ（ｄＶｏｃｖ／ｄＲ膜）と短絡抵抗値との関係を示す第１マップ（図６）を参照して、電解質膜１２１の短絡抵抗値を求める（ステップＳ３４０）。その上で、この求めた電解質膜１２１の短絡抵抗値とセル出力電圧とに起因して発生するジュール熱によるピンホールの発生を回避すべく、燃料電池セル１２０のセル電圧Ｓｖの上限を、電解質膜１２１の短絡抵抗に対する燃料電池セル１２０の出力電圧（絶対値）の上限をピンホール回避の上から定めた第２マップ（図７）を参照して求め、燃料電池１００のそれぞれの燃料電池セル１２０のセル電圧Ｓｖを制限する（図２：ステップＳ１４０）。このため、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因が電解質膜１２１の短絡抵抗低下である場合に、外部の負荷要求に基づいた燃料電池１００の出力電圧を、電解質膜１２１の損傷を抑制可能な上限に制限することで、電解質膜１２１の損傷を抑制した上で燃料電池１００を運転制御できる。
【００６３】
また、本実施形態の燃料電池システム２０は、開回路電圧Ｖｏｃｖの低下を招いた要因が電解質膜１２１の短絡抵抗低下であると特定した場合において、第１マップ（図６）を参照して求めた電解質膜１２１の短絡抵抗値がセル交換が望ましい程度にまで低下していると、セル交換を促すよう報知する（ステップＳ３２０）。このため、セル交換による開回路電圧Ｖｏｃｖの回復と、燃料電池セル１２０の積層体としての燃料電池１００の発電能力の維持もしくは回復を図ることができる。
【００６４】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【００６５】
また、上記の実施形態では、燃料電池システム２０を搭載した車両として説明したが、燃料電池１００を据え置き型として発電を図る発電システムとして適用することもできる。この他、上記の実施形態では、開回路電圧Ｖｏｃｖと膜抵抗値Ｒとを対応付けた図４における各軌跡に基づいて電圧低下要因を特定したが、膜抵抗値Ｒ以外の電解質膜１２１の物性値と開回路電圧Ｖｏｃｖとの関係を電圧低下要因ごとに把握して、各要因を特定するようにすることもできる。
【符号の説明】
【００６６】
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１２０…燃料電池セル
１２１…電解質膜
１２２…アノード
１２３…カソード
１２４…アノード側ガス拡散層
１２５…カソード側ガス拡散層
１２６…ガスセパレーター
１２７…ガスセパレーター
２００…アノードガス供給部
２１０…水素ガスタンク
２２０…アノードガス供給流路
２２２…開閉バルブ
２２４…レギュレータ
２２６…水素供給部
２２７…圧力センサー
２３０…アノードガス循環流路
２３２…水素ガスポンプ
２３４…気液分離部
２３６…排気排水バルブ
２３８…排出流路
２３９…圧力センサー
３００…カソードガス供給部
３１０…吸気口
３２０…コンプレッサ
３３０…カソードガス供給流路
３３２…圧力センサー
３４０…カソードオフガス排出流路
３４２…背圧調整バルブ
３４４…圧力センサー
３５０…排気口
３６０…加湿部
４００…冷却装置
４１０…冷却循環器
４２０…冷媒供給流路
４３０…冷媒排出流路
５００…セル特性計測部
５１０…セル特性計測器
５１２…電圧計測ユニット
５１４…抵抗計測ユニット
５２０…電圧センサー
５３０…電流センサー
６００…電力制御部
６１０…二次電池
６２０…二次電池制御部
６３０…モーター
６４０…モーター制御部
７００…制御部
７１０…ＣＰＵ
７１０ａ…電池出力制御部
７１０ｂ…セル性状判定部
７２０…メモリー
７３０…入出力部
７４０…始動スイッチ
７５０…アクセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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