(57)【要約】燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池の発電時に、燃料電池のアノ−ドに対して水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、燃料電池のカソ−ドに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する、発電時ガス供給部を備える。また、発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給停止の後に、燃料電池のアノ−ド電位上昇の状態を示す情報であるアノ−ド電位上昇情報を取得するアノ−ド電位上昇情報取得部を備える。さらに、アノ−ド電位上昇情報に基づいて、アノ−ドが備える触媒金属の形態変化の程度を導出するアノ−ド形態変化量導出部を備える。
2012017474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池のアノ−ドに対して水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、前記燃料電池のカソ−ドに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する、発電時ガス供給部と、
前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止の後に、前記燃料電池のアノ−ド電位上昇の状態を示す情報であるアノ−ド電位上昇情報を取得するアノ−ド電位上昇情報取得部と、
前記アノ−ド電位上昇情報に基づいて、前記アノ−ドが備える触媒金属の形態変化の程度であるアノード形態変化量を導出するアノ−ド形態変化量導出部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記アノ−ド電位上昇情報取得部が取得する前記アノード電位上昇情報は、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が、１回起こったことを示す情報である
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得部を備え、
前記燃料電池の停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記電圧取得部が取得した電圧の変動パタ−ンに基づいて生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記電圧の変動パターンは、前記燃料電池の発電停止後に、前記電圧取得部が取得した電圧が、低下の状態から上昇に転じ、その後、再び低下に転じるパターンである
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を取得する経過時間取得部を備え、
前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記経過時間取得部が取得した前記経過時間が、アノード形態変化の進行状態に基づいて定められる第１の基準時間が経過したときに生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記第１の基準時間は、前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇して安定するまでに要する時間である
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記第１の基準時間は、前記燃料電池の発電停止後に進行するアノード形態変化の反応が停止するまでに要する時間である
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池内のアノード上に形成される前記燃料ガスの流路における酸素分圧を導出する酸素分圧導出部を備え、
前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記酸素分圧導出部が導出した前記酸素分圧が、予め定めた基準分圧を超えたときに生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止を伴う前記燃料電池の発電停止処理が実行されたときに生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記発電停止処理は、前記燃料電池内の燃料ガスの流路に対して空気を供給するエアパージ処理である
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項２ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を記憶するアノード形態変化量記憶部を備え、
前記アノード形態変化量導出部は、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量として導出される値を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出する
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部を備え、
前記アノード形態変化量導出部は、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量を、前記燃料電池の温度に基づいて導出する
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記アノード電位上昇情報取得部は、
前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が、前記燃料電池の再起動によって中断されることなく進行したと判断する場合には、第１のアノード電位上昇情報として、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報を取得し、
前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が進行している途中で、前記燃料電池の再起動がなされたと判断する場合には、第２のアノード電位上昇情報として、前記燃料電池の再起動までに進行したアノード形態変化量を示す値を取得する
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池システムであって、
前記アノード電位上昇情報取得部は、
前記燃料電池の発電停止後に、前記燃料電池の再起動が無い状態で、アノード形態変化の進行状態に基づいて定められる第１の基準時間が経過したときに、前記第１のアノード電位上昇情報を取得し、
前記燃料電池の発電停止後に、アノード形態変化の進行状態に基づいて前記第１の基準時間よりも早いタイミングで設定された第２の基準時間が経過したときであって、前記第１の基準時間が経過する前に、前記燃料電池再起動がなされたときに、前記燃料電池の再起動がなされた時間に係る情報を、前記第２のアノード電位上昇情報として取得する
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を記憶するアノード形態変化量記憶部を備え、
前記アノード形態変化量導出部は、
前記第１のアノード電位上昇情報を取得したときには、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量として導出される値を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出し、
前記第２のアノード電位上昇情報を取得したときには、前記第２のアノード電位上昇情報に基づいて、前記燃料電池が発電停止してから再起動するまでに進行したアノード形態変化量を導出し、導出したアノード形態変化量を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出する
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電中に、前記燃料電池を構成する単セルであって、水素不足に起因する負電圧となった単セルを検出すると共に、該負電圧となった単セルの発電条件を検知する負電圧単セル検知部と、
前記発電条件に基づいて、前記負電圧になった単セルにおけるアノード形態変化量を導出する負電圧時アノード形態変化量導出部と、
前記負電圧時アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を、前記単セルごとに積算して、水素不足に起因する負電圧により進行したアノード形態変化量である発電時アノード形態変化量を導出する発電時アノード形態変化量導出部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１ないし１６いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電時に、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するように、前記発電時ガス供給部による前記アノードに対する前記燃料ガスの供給に係る燃料ガス供給制御を変更する電圧低下抑制部を備える
燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１６記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電時に、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するように、前記発電時ガス供給部による前記アノードに対する前記燃料ガスの供給に係る燃料ガス供給制御を変更する電圧低下抑制部を備え、
前記電圧低下抑制部は、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量が第１の基準値以上である場合には、前記アノード形態変化量に基づいて、前記燃料ガス供給制御を変更し、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量が前記第１の基準値未満の場合であって、前記発電時アノード形態変化量導出部が導出した前記発電時アノード形態変化量が第２の基準値を超える単セルが存在する場合には、前記発電時アノード形態変化量が前記第２の基準値を超える単セルの電圧が基準電圧よりも低くなったときに、前記燃料ガス供給制御を変更する
燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１７または１８記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの圧力上昇を行なう
燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１７または１８記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの流量増加を行なう
燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１７または１８記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの加湿量増加を行なう
燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１ないし２１いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力電圧が、上限電圧を超えないように、前記燃料電池の発電状態を制御する高電位回避制御部と、
前記アノード形態変化量導出部が導出したアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する前記アノードの電位上昇量を導出するアノード電位上昇量導出部と、
前記上限電圧のために予め設定された基準上限電圧から、前記アノード電位上昇量導出部が導出した前記アノードの電位上昇量を減算した値を、前記上限電圧として設定する上限電圧設定部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項１ないし２２いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードに対する供給水素量の不足に起因して前記燃料電池の電圧が下限電圧以下になったときに、水素が不足した状態での発電継続を回避するための水素欠運転回避制御を実行する水素欠運転回避制御部と、
前記アノード形態変化量導出部が導出したアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する前記アノードの電位上昇量を導出するアノード電位上昇量導出部と、
前記下限電圧のために予め設定された基準下限電圧から、前記アノード電位上昇量導出部が導出した前記アノードの電位上昇量を減算した値を、前記下限電圧として設定する下限電圧設定部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項２３記載の燃料電池システムであって、
前記水素欠運転回避制御部は、前記水素欠運転回避制御として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの流量を増加させる制御を行なう
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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の性能が経時的に変化する要因の一つに、電極における触媒の形態変化が挙げられる。燃料電池用電極は、一般に、白金等の触媒金属をカーボン粒子等の担体上に分散担持した、触媒担持粒子を備えている。電極触媒の形態変化とは、例えば、上記担体上に分散担持された触媒金属微粒子が凝集し、電極全体として触媒金属の表面積が減少することをいう。このような電極触媒の形態変化およびその程度を検出する方法の一つとして、従来、サイクリックボルタンメトリ特性に基づいて、電極触媒の有効面積を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１８０９７号公報
【特許文献２】特開２００９−１４０７５１号公報
【特許文献３】特開２００９−２５９４８１号公報
【特許文献４】特開２０１０−８０１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、サイクリックボルタンメトリ特性を利用して電極触媒の有効面積を検出する場合には、燃料電池システムと共に、サイクリックボルタンメトリの測定のための測定器を設ける必要がある。また、燃料電池における通常の発電および停止の動作を行なわないときに、サイクリックボルタンメトリの測定の機会を、特別に設ける必要があった。【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、電極触媒の形態変化およびその程度の検出を、簡便に行なうことを目的とする。また、本発明の他の目的は、簡便に検出した電極触媒の形態変化の程度を用いて、燃料電池の発電制御を適正化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。【０００７】
［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池のアノ−ドに対して水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、前記燃料電池のカソ−ドに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する、発電時ガス供給部と、
前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止の後に、前記燃料電池のアノ−ド電位上昇の状態を示す情報であるアノ−ド電位上昇情報を取得するアノ−ド電位上昇情報取得部と、
前記アノ−ド電位上昇情報に基づいて、前記アノ−ドが備える触媒金属の形態変化の程度であるアノード形態変化量を導出するアノ−ド形態変化量導出部と
を備える燃料電池システム。【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムによれば、アノード電位上昇情報の取得を行なうため、アノード電位を直接検出する場合よりも容易に、燃料電池の発電停止に伴うアノード電位の上昇を検出することができる。また、上記のようにして導出したアノード電位上昇に基づいてアノード形態変化量を導出するため、アノード形態変化量を直接検出する必要が無く、容易かつ簡便に、アノード形態変化量を知ることが可能になる。【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記アノ−ド電位上昇情報取得部が取得する前記アノード電位上昇情報は、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が、１回起こったことを示す情報である燃料電池システム。適用例２記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後におけるアノード電位上昇が１回起こったことを示す簡便な情報に基づいて、アノード形態変化量を容易に導出することができる。【００１０】
［適用例３］
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得部を備え、前記燃料電池の停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記電圧取得部が取得した電圧の変動パタ−ンに基づいて生成される情報である燃料電池システム。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の電圧を検出するという簡便な構成により、アノード電位上昇情報を取得することができる。【００１１】
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池システムであって、前記電圧の変動パターンは、前記燃料電池の発電停止後に、前記電圧取得部が取得した電圧が、低下の状態から上昇に転じ、その後、再び低下に転じるパターンである燃料電池システム。適用例４記載の燃料電池システムによれば、発電停止後の燃料電池の電圧が、低下の状態から上昇に転じ、その後、再び低下に転じたことを検出することにより、容易に、アノード電位上昇情報を取得することができる。【００１２】
［適用例５］
適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を取得する経過時間取得部を備え、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記経過時間取得部が取得した前記経過時間が、アノード形態変化の進行状態に基づいて定められる第１の基準時間が経過したときに生成される情報である燃料電池システム。適用例５記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後の経過時間を検出するという簡便な構成により、アノード電位上昇情報を取得することができる。【００１３】
［適用例６］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記第１の基準時間は、前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇して安定するまでに要する時間である燃料電池システム。適用例６記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを、精度良く検出することができる。【００１４】
［適用例７］
適用例５記載の燃料電池システムであって、前記第１の基準時間は、前記燃料電池の発電停止後に進行するアノード形態変化の反応が停止するまでに要する時間である燃料電池システム。適用例７記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを検出する動作に対する信頼性を、さらに高めることができる。【００１５】
［適用例８］
適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池内のアノード上に形成される前記燃料ガスの流路における酸素分圧を導出する酸素分圧導出部を備え、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記酸素分圧導出部が導出した前記酸素分圧が、予め定めた基準分圧を超えたときに生成される情報である燃料電池システム。適用例８記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを、精度良く検出することができる。【００１６】
［適用例９］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止を伴う前記燃料電池の発電停止処理が実行されたときに生成される情報である燃料電池システム。適用例９記載の燃料電池システムによれば、簡便な動作により、アノード電位上昇情報を取得することができる。【００１７】
［適用例１０］
適用例９記載の燃料電池システムであって、前記発電停止処理は、前記燃料電池内の燃料ガスの流路に対して空気を供給するエアパージ処理である燃料電池システム。適用例１０記載の燃料電池システムによれば、簡便な動作により、アノード電位上昇情報を取得することができる。【００１８】
［適用例１１］
適用例２ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を記憶するアノード形態変化量記憶部を備え、前記アノード形態変化量導出部は、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量として導出される値を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出する燃料電池システム。適用例１１記載の燃料電池システムによれば、簡便な動作により、アノード形態変化量を導出することができる。【００１９】
［適用例１２］
適用例１１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部を備え、前記アノード形態変化量導出部は、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量を、前記燃料電池の温度に基づいて導出する燃料電池システム。適用例１２記載の燃料電池システムによれば、アノード形態変化量を導出する精度を向上させることができる。【００２０】
［適用例１３］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記アノード電位上昇情報取得部は、前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が、前記燃料電池の再起動によって中断されることなく進行したと判断する場合には、第１のアノード電位上昇情報として、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報を取得し、前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が進行している途中で、前記燃料電池の再起動がなされたと判断する場合には、第２のアノード電位上昇情報として、前記燃料電池の再起動までに進行したアノード形態変化量を示す値を取得する燃料電池システム。適用例１３記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後に進行するアノード形態変化が、燃料電池の再起動によって中断される場合とされない場合とを区別して、アノード形態変化量を導出することができる。【００２１】
［適用例１４］
適用例１３記載の燃料電池システムであって、前記アノード電位上昇情報取得部は、前記燃料電池の発電停止後に、前記燃料電池の再起動が無い状態で、アノード形態変化の進行状態に基づいて定められる第１の基準時間が経過したときに、前記第１のアノード電位上昇情報を取得し、前記燃料電池の発電停止後に、アノード形態変化の進行状態に基づいて前記第１の基準時間よりも早いタイミングで設定された第２の基準時間が経過したときであって、前記第１の基準時間が経過する前に、前記燃料電池再起動がなされたときに、前記燃料電池の再起動がなされた時間に係る情報を、前記第２のアノード電位上昇情報として取得する燃料電池システム。適用例１４記載の燃料電池システムによれば、時間の経過を判断基準として用いるという簡便な構成により、アノード電位上昇情報を取得することができる。【００２２】
［適用例１５］
適用例１３または１４記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を記憶するアノード形態変化量記憶部を備え、前記アノード形態変化量導出部は、前記第１のアノード電位上昇情報を取得したときには、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量として導出される値を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出し、前記第２のアノード電位上昇情報を取得したときには、前記第２のアノード電位上昇情報に基づいて、前記燃料電池が発電停止してから再起動するまでに進行したアノード形態変化量を導出し、導出したアノード形態変化量を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出する燃料電池システム。適用例１５記載の燃料電池システムによれば、アノード形態変化量を、精度良く導出することができる。【００２３】
［適用例１６］
適用例１ないし１５いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の発電中に、前記燃料電池を構成する単セルであって、水素不足に起因する負電圧となった単セルを検出すると共に、該負電圧となった単セルの発電条件を検知する負電圧単セル検知部と、前記発電条件に基づいて、前記負電圧になった単セルにおけるアノード形態変化量を導出する負電圧時アノード形態変化量導出部と、前記負電圧時アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を、前記単セルごとに積算して、水素不足に起因する負電圧により進行したアノード形態変化量である発電時アノード形態変化量を導出する発電時アノード形態変化量導出部と、を備える燃料電池システム。適用例１６記載の燃料電池システムによれば、発電停止後に進行するアノード形態変化量に加えて、燃料電池の発電中に進行するアノード形態変化の量を、単セルごとに導出することができる。【００２４】
［適用例１７］
適用例１ないし１６いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の発電時に、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するように、前記発電時ガス供給部による前記アノードに対する前記燃料ガスの供給に係る燃料ガス供給制御を変更する電圧低下抑制部を備える燃料電池システム。適用例１７記載の燃料電池システムによれば、アノード形態変化が進行する場合であっても、燃料電池性能の低下を抑制することができる。【００２５】
［適用例１８］
請求項１６記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の発電時に、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するように、前記発電時ガス供給部による前記アノードに対する前記燃料ガスの供給に係る燃料ガス供給制御を変更する電圧低下抑制部を備え、前記電圧低下抑制部は、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量が第１の基準値以上である場合には、前記アノード形態変化量に基づいて、前記燃料ガス供給制御を変更し、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量が前記第１の基準値未満の場合であって、前記発電時アノード形態変化量導出部が導出した前記発電時アノード形態変化量が第２の基準値を超える単セルが存在する場合には、前記発電時アノード形態変化量が前記第２の基準値を超える単セルの電圧が基準電圧よりも低くなったときに、前記燃料ガス供給制御を変更する燃料電池システム。適用例１８記載の燃料電池システムによれば、燃料電池を構成する単セルの中に、アノード形態変化が進行することにより電圧低下が始まっている単セルが存在する場合には、燃料電池全体の電圧が低下する以前に、電圧低下を抑制する制御を行なうことができる。そのため、燃料電池の性能低下を抑制する動作の信頼性を高めることができる。【００２６】
［適用例１９］
適用例１７または１８記載の燃料電池システムであって、前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの圧力上昇を行なう燃料電池システム。適用例１９記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスの圧力を上昇させることにより、燃料電池の電圧低下を抑制できる。【００２７】
［適用例２０］
適用例１７または１８記載の燃料電池システムであって、前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの流量増加を行なう燃料電池システム。適用例２０記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスの流量を増加させることにより、燃料電池の電圧低下を抑制できる。【００２８】
［適用例２１］
適用例１７または１８記載の燃料電池システムであって、前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの加湿量増加を行なう燃料電池システム。適用例２１記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスの加湿量を増加させることにより、燃料電池の電圧低下を抑制できる。【００２９】
［適用例２２］
適用例１ないし２１いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の出力電圧が、上限電圧を超えないように、前記燃料電池の発電状態を制御する高電位回避制御部と、前記アノード形態変化量導出部が導出したアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する前記アノードの電位上昇量を導出するアノード電位上昇量導出部と、前記上限電圧のために予め設定された基準上限電圧から、前記アノード電位上昇量導出部が導出した前記アノードの電位上昇量を減算した値を、前記上限電圧として設定する上限電圧設定部と、を備える燃料電池システム。適用例２２記載の燃料電池システムによれば、燃料電池のカソードが望ましくない程度に高電位となることを、抑制することができる。【００３０】
［適用例２３］
適用例１ないし２２いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードに対する供給水素量の不足に起因して前記燃料電池の電圧が下限電圧以下になったときに、水素が不足した状態での発電継続を回避するための水素欠運転回避制御を実行する水素欠運転回避制御部と、前記アノード形態変化量導出部が導出したアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する前記アノードの電位上昇量を導出するアノード電位上昇量導出部と、前記下限電圧のために予め設定された基準下限電圧から、前記アノード電位上昇量導出部が導出した前記アノードの電位上昇量を減算した値を、前記下限電圧として設定する下限電圧設定部と、を備える燃料電池システム。適用例２３記載の燃料電池システムによれば、水素欠運転回避制御を、過剰に実行することを抑制できる。【００３１】
［適用例２４］
適用例２３記載の燃料電池システムであって、前記水素欠運転回避制御部は、前記水素欠運転回避制御として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの流量を増加させる制御を行なう燃料電池システム。適用例２４記載の燃料電池システムによれば、過剰な水素欠運転回避制御を抑制できることにより、燃料ガスの流量を増加させることに起因する燃料電池システムにおけるシステム効率の低下を抑制できる。【００３２】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、アノード形態変化量の導出方法や、燃料電池の出力低下抑制方法、燃料電池の高電位回避制御方法、あるいは、燃料電池の水素欠運転回避方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。
【図２】単セル７０を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池の発電停止後における電圧推移の様子を表わす説明図である。
【図４】燃料電池電圧の変化と共に、アノード電位変化の様子を表わした説明図である。
【図５】発電停止回数とアノード触媒表面積との関係を表わす説明図である。
【図６】アノード形態変化量導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】異なる温度で発電停止する際のアノード触媒表面積の求め方の説明図である。
【図８】アノード電位上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図９】発電停止後の電圧挙動の他のパターンの一例を表わす説明図である。
【図１０】発電停止後の経過時間とアノード上酸素分圧の関係を表わす説明図である。
【図１１】アノード電位上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１２】燃料電池システム１１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図１３】燃料電池システム２１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図１４】電気自動車９０の概略構成を表わすブロック図である。
【図１５】燃料電池出力と、燃料電池効率および補機動力との関係を示す説明図である。
【図１６】燃料電池出力と、燃料電池システム効率との関係を示す説明図である。
【図１７】アノード電位上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１８】経過時間とアノード形態変化速度との関係を表わす説明図である。
【図１９】燃料電池発電停止回数とアノード触媒表面積との関係を表わす説明図である。
【図２０】発電時アノード形態変化量導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図２１】アノード形態変化の程度と燃料電池の性能低下量との関係を表わす説明図である。
【図２２】燃料電池におけるＩＶ特性を表わす説明図である。
【図２３】形態変化影響抑制処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図２４】燃料ガス圧力上昇量と、性能向上量との関係を表わす説明図である。
【図２５】形態変化影響抑制処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図２６】高電位回避制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図２７】高電位回避上限電圧補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図２８】燃料電池のＩＶ特性、および、電流とカソード電位との関係を表わす説明図である。
【図２９】燃料電池のＩＶ特性、および、電流とカソード電位との関係を表わす説明図である。
【図３０】燃料電池電圧およびカソード電位の変動の様子の一例を表わす説明図である。
【図３１】燃料電池電圧およびカソード電位の変動の様子の一例を表わす説明図である。
【図３２】水素欠運転回避制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３３】水素不足回避下限電圧補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
Ａ．燃料電池システム１０の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池１５と、水素タンク２０と、コンプレッサ３０と、水素遮断弁４０と、可変調圧弁４２と、水素循環ポンプ４４と、パージ弁４６と、負荷接続部５１と、電圧センサ５２と、冷媒循環ポンプ６０と、ラジエータ６１と、冷媒温度センサ６３と、制御部５０と、を備えている。
【００３５】
燃料電池１５は、固体高分子型の燃料電池であり、発電体としての単セル７０を複数積層したスタック構造を有している。図２は、燃料電池１５を構成する単セル７０を表わす分解斜視図である。単セル７０は、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）７１と、ガス拡散層７２，７３と、ガスセパレータ７４，７５と、を備えている。ここで、ＭＥＡ７１は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された電極であるアノードおよびカソードによって構成される。このＭＥＡ７１は、ガス拡散層７２，７３によって挟持されており、ＭＥＡ７１およびガス拡散層７２，７３から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ７４，７５によって挟持されている（ただし、ガス拡散層７２は、ガス拡散層７３が配置される面の裏面に配置されるため、図２では図示せず）。
【００３６】
ＭＥＡ７１を構成する電解質膜は、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子伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電解質膜上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。ガス拡散層７２，７３は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。
【００３７】
ガスセパレータ７４，７５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等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。ガスセパレータ７４，７５は、ＭＥＡ７１との間に形成される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）の流路の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。表面に溝８８が形成されたガスセパレータ７４とＭＥＡ７１との間には、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路が形成される。また、表面に溝８９が形成されたガスセパレータ７５とＭＥＡ７１との間には、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路が形成される。単セル７０を組み立てる際には、ＭＥＡ７１の外周にシール部（図示せず）を配置して、単セル７０内のガス流路のシール性を確保しつつ、ガスセパレータ７４、７５間を接合する。
【００３８】
ここで、ガスセパレータ７４，７５では、セル内ガス流路を形成するための溝８８，８９が設けられた面の裏面において、凹部８７が形成されている（ただし、ガスセパレータ７４の裏面に形成される凹部８７は図示せず）。これらの凹部８７は、ガスセパレータ７４，７５上にガス拡散層７２，７３が配置される領域全体と重なる範囲にわたって形成されており、隣り合う単セル７０間で、冷媒の流路であるセル間冷媒流路を形成する。なお、セル間冷媒流路は、各単セル７０間に設けるのではなく、例えば、単セル７０を所定数積層する毎に設けることとしても良い。
【００３９】
ガスセパレータ７４，７５は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。単セル７０を複数積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部８３は、各セル内酸化ガス流路に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部８４は、各セル内酸化ガス流路から酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する。また、孔部８５は、各セル内燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部８６は、各セル内燃料ガス流路から燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、孔部８１は、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドを形成し、孔部８２は、各セル間冷媒流路から冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する。
【００４０】
本実施例の燃料電池１５は、図１に示すように、単セル７０を複数積層して成る積層体の両端に、出力端子を備える集電板（ターミナル）７８、絶縁板（インシュレータ）７７、エンドプレート７６を順次配置することによって形成される。なお、燃料電池１５は、図示しない保持部材（例えば、双方のエンドプレート７６にボルトで結合されたテンションプレート）によって、単セル７０の積層方向に締結圧がかかった状態で保持される。
【００４１】
燃料電池システム１０が備える水素タンク２０は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素供給流路２２を介して燃料電池１５の水素供給マニホールドに接続されている。水素供給流路２２上において、水素タンク２０から近い順に、水素遮断弁４０と、可変調圧弁４２とが設けられている。可変調圧弁４２は、水素タンク２０から燃料電池１５へ供給される水素圧（水素量）を調整可能な調圧弁である。なお、水素タンク２０は、高圧の水素ガスを貯蔵する水素ボンベとする他、水素吸蔵合金を備えて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を蓄えるタンクとすることもできる。
【００４２】
燃料電池１５の水素排出マニホールドには、水素排出流路２４が接続されている。この水素排出流路２４には、パージ弁４６が設けられている。また、水素供給流路２２と水素排出流路２４とを接続して、接続流路２５が設けられている。接続流路２５は、可変調圧弁４２よりも下流側で水素供給流路２２に接続し、パージ弁４６よりも上流側で水素排出流路２４に接続している。接続流路２５には、流路内を水素が循環する際の駆動力を発生する水素循環ポンプ４４が設けられている。
【００４３】
水素タンク２０から水素供給流路２２を介して供給される水素は、燃料電池１５で電気化学反応に供され、水素排出流路２４に排出される。水素排出流路２４に排出された水素は、接続流路２５を経由して、再び水素供給流路２２に導かれる。このように、燃料電池システム１０において水素は、水素排出流路２４の一部、接続流路２５、水素供給流路２２の一部、および、燃料電池１５内に形成される燃料ガスの流路（これらの流路を併せて、水素循環流路と呼ぶ）を循環する。なお、燃料電池１５の発電時には、通常はパージ弁４６は閉弁されているが、循環する水素中の不純物（窒素や水蒸気等）が増加したときにはパージ弁４６は適宜開弁され、これによって、不純物濃度が増加した水素ガスの一部がシステムの外部に排出される。また、電気化学反応の進行による水素の消費や、パージ弁４６の開弁によって、水素循環流路内の水素量が不足するときには、可変調圧弁４２を介して水素タンク２０から水素循環流路へと水素が補われる。
【００４４】
コンプレッサ３０は、外部から空気を取り込んで圧縮し、酸化ガスとして燃料電池１５に供給するための装置であり、空気供給流路３２を介して、燃料電池１５の酸化ガス供給マニホールドに接続されている。また、燃料電池１５の酸化ガス排出マニホールドには、空気排出流路３４が接続されている。コンプレッサ３０から空気供給流路３２を介して供給される空気は、燃料電池１５で電気化学反応に供され、空気排出流路３４を介して燃料電池１５の外部に排出される。
【００４５】
上記したように、燃料電池１５の発電時には、水素タンク２０、可変調圧弁４２、および水素循環ポンプ４４が、燃料電池１５のアノードに対して燃料ガスを供給し、コンプレッサ３０が、燃料電池１５のカソードに対して酸化ガスを供給する。そのため、これらの各部は、全体として、燃料電池の発電時に燃料電池のアノ−ドに燃料ガスを供給すると共にカソ−ドに酸化ガスを供給する、発電時ガス供給部として機能する。
【００４６】
燃料電池１５の各集電板７８には、配線５６を介して負荷５７が接続されている。負荷５７は、例えば、２次電池や、電力消費装置（モータなど）とすることができる。また、この配線５６には、燃料電池１５と負荷５７との間の接続を入り切りするスイッチとしての負荷接続部５１が設けられている。負荷接続部５１は、燃料電池１５の発電時には、燃料電池１５と負荷５７とが接続されるように切り替えられ、燃料電池１５の発電停止時には、燃料電池１５と負荷５７との接続が遮断されるように切り替えられる。
【００４７】
電圧センサ５２は、燃料電池１５の燃料電池電圧Ｖｆを検出することができるセンサである。また、電圧センサ５２は、燃料電池１５を構成する個々の単セル７０の電圧を検出することもできる。
【００４８】
ラジエータ６１は、冷媒流路６２に設けられ、冷媒流路６２内を流れる冷媒を冷却する。冷媒流路６２は、燃料電池１５の既述した冷媒供給マニホールドおよび冷媒排出マニホールドに接続されている。また、冷媒流路には冷媒循環ポンプ６０が設けられており、冷媒循環ポンプ６０を駆動することにより、ラジエータ６１と燃料電池１５との間で冷媒を循環させて、燃料電池１５の内部温度を調節可能となっている。冷媒流路６２において、燃料電池１５の冷媒排出マニホールドとの接続部近傍には、冷媒の温度を検出するための冷媒温度センサ６３が設けられている。
【００４９】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部５０は、コンプレッサ３０、水素遮断弁４０、可変調圧弁４２、負荷接続部５１、水素循環ポンプ４４、パージ弁４６、冷媒循環ポンプ６０等に対して駆動信号を出力する。また、電圧センサ５２や冷媒温度センサ６３等から、検出信号を取得する。また、制御部５０は、所定期間の時間を計測可能なタイマ機能を有している。
【００５０】
図１では、燃料電池システム１０は、負荷５７に対して電力供給する電源として燃料電池１５のみを記載しているが、燃料電池システム１０は、さらに、図示しない２次電池を電源として備えている。この２次電池は、燃料電池１５と共に、あるいは単独で、負荷５７であるモータ等の電力消費装置に対して電力供給することが可能である。また、この２次電池は、残存容量が低下したときには燃料電池１５による充電が可能であって、充電時には燃料電池１５にとって負荷５７となる。さらに、この２次電池は、燃料電池１５が発電を停止した後には、制御部５０を始めとする燃料電池システム１０の各部に対して、電力を供給する。
【００５１】
Ｂ．発電停止時におけるアノードの電位上昇：
燃料電池システム１０では、その起動時に燃料電池１５の発電を開始する際には、制御部５０が、発電開始のための処理を実行する。具体的には、制御部５０は、燃料電池システム１０の起動の指示信号を受信すると、負荷接続部５１を制御して燃料電池１５と負荷５７とを接続させる。また、制御部５０は、水素遮断弁４０を開弁させると共に、可変調圧弁４２を調整し、負荷要求に基づいてコンプレッサ３０を駆動制御すると共に、水素循環ポンプ４４および冷媒循環ポンプ６０を駆動させる。これにより、燃料電池１５に対する燃料ガスおよび酸化ガスの供給が開始される。そして、例えば負荷５７がモータである場合には、負荷５７に対しても、負荷５７を駆動するための駆動信号を、負荷要求に応じて出力する。なお、燃料電池１５の発電時には、制御部５０はさらに、パージ弁４６の開弁制御を適宜行なう。
【００５２】
これに対して、燃料電池１５の発電停止時、例えば燃料電池システム１０がシステム停止要求を受信したときには、制御部５０は、発電停止処理を行なう。具体的には、制御部５０は、負荷接続部５１を駆動して、燃料電池１５と負荷５７との接続を遮断する。また、制御部５０は、水素遮断弁４０を閉弁させると共に、水素循環ポンプ４４およびコンプレッサ３０を駆動停止させることにより、燃料電池１５への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止させる。また、発電停止中は、パージ弁４６は閉弁状態に維持される。これにより、セル内燃料ガス流路と、燃料ガスマニホールドと、水素遮断弁４０に一端が閉塞された水素供給流路２２と、パージ弁４６に一端が閉塞された水素排出流路２４と、接続流路２５と、から成る燃料ガスの流路（以下、アノード側流路と呼ぶ）は、水素が封入された状態となる。また、上記のようにコンプレッサ３０が停止されたときには、セル内酸化ガス流路と、酸化ガスマニホールドと、空気排出流路３４と、コンプレッサ３０によって一端が閉塞された空気供給流路３２と、から成る酸化ガスの流路（以下、カソード側流路と呼ぶ）は、空気が満たされた状態となる。なお、冷媒循環ポンプ６０は、システム停止時おいて最終的には駆動停止される。しかしながら、後述するように、発電停止時に燃料電池温度に基づく制御を行なう場合には、発電停止後しばらくの間は、冷媒循環ポンプ６０の駆動を継続しても良い。
【００５３】
以下に、燃料電池１５の発電停止後における燃料電池の電圧上昇および電極における電位上昇について説明する。図３は、燃料電池の発電停止後における電圧推移の様子を表わす説明図である。図３では、横軸に、燃料電池の発電停止時（ガス供給の停止および負荷５７との接続遮断を行なったとき）からの経過時間を表わし、縦軸に、燃料電池１５の電圧を表わしている。システム停止時に、燃料電池１５への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止して発電を停止したときには、既述したように、アノード側流路内には燃料ガス（水素）が封入され、カソード側流路内には酸化ガス（空気）が満たされた状態となる。このような状態で燃料電池１５と負荷５７との接続が遮断されると、燃料電池１５の電圧は、ある程度高い値（停止直後はＯＣＶに対応する値）を示す。その後、各単セル７０内においては、電解質膜を介してアノード側からカソード側へと水素が拡散し、拡散した水素とカソード側の空気（酸素）とがカソード上で反応して、セル内酸化ガス流路内の酸素が消費される。また、電解質膜を介してカソード側からアノード側への酸素の拡散も進行し、これらによってセル内酸化ガス流路内の酸素が減少し、燃料電池１５の電圧は降下し始める。アノード側流路に封入される水素量が充分に多い場合には、上記のようなカソード側流路内の酸素量の減少と共に燃料電池１５の電圧が低下し、やがて、安定した低電圧状態（例えば、略０Ｖ）となる。
【００５４】
上記のようにセル内酸化ガス流路内の酸素が消費されると、カソード側流路内の圧力が低下することにより、空気排出流路３４における大気開放された端部から、外気（空気）がカソード側流路内へと流入する。このような空気の流入により、燃料電池１５の電圧が、再上昇を始める。具体的には、上記のようにカソード側流路へと空気が流入すると、電解質膜を介してカソード側からアノード側へと空気が拡散することにより、アノード上において部分的に水素濃度が高い領域と低い領域とが生じて内部電池が形成される。このように内部電池が形成されると、カソードの電位が上昇し、燃料電池電圧が上昇を始める（図３における時間ＴA）。内部電池が形成される状態とは、外部の回路を電子が流れることなく、ＭＥＡ７１面内の領域ごとに進行する反応の間で、電子のやり取りが行なわれる状態をいう。
【００５５】
具体的には、ＭＥＡ７１において、アノード上の水素濃度が高い領域では、通常の電池反応と同様の反応（水素からプロトンと電子が生じるアノードの反応や、酸素とプロトンと電子から水が生じるカソードの反応）が進行する。これに対して、アノード上の水素濃度が低い領域では、カソードにおいて、カソードの構成要素、特に触媒担持担体（本実施例ではカーボン粒子）の酸化が進行する。そして、これらの反応の間で電子のやり取りが行なわれる。その結果、触媒担持担体の酸化により、触媒担持担体の粒径や比表面積が変化して、カソードの形態変化が進行する。
【００５６】
図３に示すように、燃料電池の電圧が再上昇した後には、燃料電池の電圧は再び降下する。このような電圧降下は、上記のように内部電池となる反応が進行して、アノード側流路内に封入されていた水素が消費され、電極における反応がそれ以上起こらなくなることにより起こる。上記のように水素が消費される間にも、外部からカソード側流路内への空気の流入は継続するため、やがて、アノード側流路内もカソード側流路内も、水素を含むことのない同様のガス組成となる。すなわち、同様に空気で満たされる状態になる。双方のガス流路が同様に空気で満たされた状態になると、燃料電池１５の電圧は、再び安定した低電圧状態（例えば、略０Ｖ）になる。
【００５７】
システム停止後、燃料電池１５の電圧が再上昇するときには、上記のようにカソードが高電位となっているが、アノードの電位もまた上昇している。通常の発電時には、アノードには水素が供給されているため、アノード電位は略０Ｖとなっている。燃料電池電圧はカソード電位とアノード電位の差であるため、燃料電池電圧はカソード電位に等しくなる。これに対して、ガス供給の停止を伴う発電停止後には、上記したようにセル内燃料ガス流路へと酸素が流入することにより、アノードの電位が上昇を始める。図４は、図３に示したシステム停止後の燃料電池１５の電圧の変化の様子と共に、アノード電位の変化の様子を示した説明図である。図４では、燃料電池電圧の変化の様子を実線で表わすと共に、アノード電位の変化の様子を破線で表わしている。図４に示すように、カソード側流路内の酸素が消費されて燃料電池１５の電圧が略０Ｖへと低下するまでは、アノード側流路内には充分量の水素が存在して酸素がほとんど存在しないため、アノード電位は略０Ｖとなっている。その後、燃料電池１５の電圧が再上昇する際には、カソード側流路内へと外気（空気）が流入し、流入した空気中の酸素が電解質膜を介してアノード側へと拡散する。このように、セル内燃料ガス流路中における酸素濃度が上昇するに従って、アノード電位が上昇する。既述したように、アノード側流路およびカソード側流路が同様に空気で満たされて、燃料電池１５の電圧が再び安定した低電圧状態（略０Ｖ）になるときには、アノード電位は、カソード電位と同等の高電位状態になっている。
【００５８】
燃料電池１５の電圧が再び安定した低電圧状態（略０Ｖ）になった後は、アノード電位とカソード電位とが同等の高電位となる状態が継続する。そして、燃料電池システム１０が次回に起動され、燃料電池１５に対して燃料ガスおよび酸化ガスの供給が開始されると、すなわち、セル内燃料ガス流路に対する水素の供給が開始されると、アノード電位が略０Ｖに低下すると共に燃料電池１５の電圧が上昇する。
【００５９】
上記のように、システム停止時に燃料電池１５の発電が停止されて、アノード電位が上昇すると、アノードにおいて電極触媒の形態変化が進行する。電極電位がある程度高電位になると、担体であるカーボン粒子上に担持された触媒金属が溶出し、また、電極電位が高電位と低電位との間で変動すると、触媒金属は溶出と析出とを繰り返す。このように、触媒金属が溶出したり析出したりすることにより、電極触媒の形態変化が進行する。アノードにおいては、主として、上記した発電停止時の高電位化によって、形態変化が起こる。このように、アノード電位が高電位になって、触媒金属が溶出すると、担体上に担持された触媒金属が減少し、あるいは凝集して、担体上に分散担持された触媒金属微粒子の表面積が減少する。
【００６０】
燃料電池システム１０の停止時には、既述したように、高電位になったアノード電位は、次回起動時までその高電位状態が維持される。しかしながら、高電位化に伴って電極触媒の形態変化が進行すると、やがて、触媒金属の表面に酸化被膜が形成されることにより触媒金属の溶出が停止し、形態変化の進行も止まる。そのため、アノード電位が高電位となる期間、すなわち、燃料電池システム１０が停止した後に次回起動するまでの期間にかかわらず、燃料電池システムの停止の度に、アノードにおける形態変化は、ある定まった量だけ進行する。
【００６１】
なお、燃料電池システム１０が次回に起動され、燃料電池１５に対して燃料ガスの供給が開始されると、アノードの触媒金属表面に形成された酸化被膜は直ちに還元されて消滅し、触媒金属は、触媒としての活性を回復する。
【００６２】
Ｃ．発電停止時におけるアノード触媒の形態変化量の導出の概要：
図５は、発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給の停止を伴う燃料電池の発電停止回数と、アノード触媒の形態変化の程度、具体的には、アノード触媒の表面積（アノード触媒として機能し得る有効表面積）との関係を表わす説明図である。既述したように、システム停止時にアノード電位が高電位になると、アノードの触媒金属表面に酸化被膜が形成されるまで形態変化が進行する。そのため、形態変化開始時（燃料電池の発電停止時）のアノード触媒表面積ごとに、その後にアノード電位の高電位化が１回起こることによるアノード触媒表面積の減少量を定めることができる。したがって、図５に示すように、燃料電池の発電停止回数と、アノード触媒表面積との関係を、定めることができる。
【００６３】
図６は、燃料電池システム１０の制御部５０において実行されるアノード形態変化量導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の起動時に起動される。本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇情報を取得したか否かを判断する（ステップＳ１００）。アノード電位上昇情報とは、アノードの電位上昇の状態を示す情報であり、例えば、上記したように、発電時ガス供給部によるガス供給の停止を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたことを示す情報とすることができる。燃料電池の発電停止が１回行なわれたことを示す情報の取得に係る具体的な動作については、後に詳しく説明する。ステップＳ１００では、アノード電位上昇情報を取得するまで、この判断を繰り返し実行する。ステップＳ１００においては、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇情報取得部として機能する。
【００６４】
ステップＳ１００において、アノード電位上昇情報を取得したと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、取得したアノード電位上昇情報に基づいて、アノード形態変化の程度であるアノード形態変化量を導出し、導出したアノード形態変化量を記憶する（ステップＳ１１０）。本実施例では、制御部５０内に、図５に示す発電停止回数とアノード触媒表面積との関係を表わすマップを記憶している。さらに、制御部５０内には、それまでに行なった発電停止の回数、および、現在のアノード形態変化量を表わす値を記憶している。現在のアノード形態変化量を表わす値とは、具体的には、現在のアノード触媒表面積である。
【００６５】
ステップＳ１１０では、それまでの発電停止の回数として記憶した回数（例えばｎ回）に、さらに１回を加えて（ｎ＋１回）、発電停止回数の記憶を更新する。そして、制御部５０内に記憶しておいた上記マップに基づいて、発電停止回数が（ｎ＋１）回のときのアノード触媒表面積を導出する。図５では、発電停止がｎ回行なわれたときのアノード触媒表面積が値Ａであり、発電停止がさらにもう一回行なわれることにより、アノード触媒表面積が値Ｂに減少する様子が示されている。ステップＳ１１０においては、制御部５０のＣＰＵは、アノード形態変化量導出部として機能する。
【００６６】
なお、図５では、アノード触媒表面積は、発電停止回数に応じて一義的に定まるように表わしているが、実際には、発電停止回数以外の環境要因、例えば、発電停止時の燃料電池１５の温度（アノードの温度）の影響を受ける。アノードが高電位化するときに触媒金属が溶出する反応は化学反応であるため、燃料電池１５の温度が高いほど、発電停止１回当たりのアノード形態変化量は多くなり、燃料電池１５の温度が低いほど、発電停止１回当たりのアノード形態変化量は少なくなる。ある特定の温度条件下における発電停止１回当たりのアノード触媒表面積の減少量に対して、異なる温度条件下で発電停止を１回行なうときのアノード触媒表面積減少量が変化する程度（割合）は、上記異なる温度条件ごとに、予め定めることができる。すなわち、図５に示す特定の温度条件（基準温度条件）下における発電停止回数とアノード触媒表面積との関係を表わすマップに対して、上記基準温度とは異なる温度ごとに、発電停止１回当たりのアノード触媒面積減少量が変化する割合を、予め定めて記憶しておけばよい。上記基準温度条件における発電停止１回当たりのアノード触媒表面積減少量に対して、上記異なる温度ごとに求めた、発電停止１回当たりのアノード触媒表面積減少量が変化する割合を、以下、温度感度係数と呼ぶ。
【００６７】
図７は、制御部５０に記憶したマップに対応する基準温度とは異なる温度で発電停止する際の、アノード触媒表面積の求め方を表わす説明図である。既述したように、それまでの発電停止回数がｎ回であるときに、上記基準温度条件で（ｎ＋１）回目の発電停止を行なうと、アノード触媒表面積は値Ａから値Ｂへと減少する。図５および図７では、このようなアノード触媒表面積の減少の様子を、矢印αで表わしている。これに対して、上記基準温度条件よりも高い温度条件で（ｎ＋１）回目の発電停止を行なうと、アノード触媒表面積は、値Ａから、値Ｂよりも小さい値Ｃへと減少する。図７では、このようなアノード触媒表面積の減少の様子を、矢印βで表わしている。上記した高い温度条件で（ｎ＋１）回目の発電停止を行なうときのアノード触媒表面積の減少量は、基準温度条件におけるアノード触媒表面積の変化量を表わす矢印αの傾きに対して、上記した高い温度条件に対応する温度感度係数を乗じることにより求めることができる。矢印αの傾きに対して温度感度係数を乗じることにより、上記した高い温度条件におけるアノード触媒表面積の変化量を表わす矢印βの傾きが求められ、変化前のアノード触媒表面積である値Ａと矢印βの傾きから、（ｎ＋１）回目の発電停止を行なったときのアノード触媒表面積である値Ｃを求めることができる。
【００６８】
上記のように、発電停止時の燃料電池の温度に基づいて、アノード形態変化量を補正して導出する場合には、ステップＳ１１０において、制御部５０は、さらに、燃料電池１５の温度を取得すればよい。燃料電池１５の温度は、例えば、燃料電池１５から排出された冷媒の温度を検知する冷媒温度センサ６３の検出信号として取得すればよい。なお、燃料電池１５の温度を検出する精度を向上させるためには、燃料電池１５の発電を停止する際に、ステップＳ１１０の動作が終了するまでは、冷媒循環ポンプ６０の駆動を継続することが望ましい。あるいは、燃料電池１５において、燃料電池１５内の温度を直接検出するための温度センサを設け、この温度センサの検出信号を取得することとしても良い。いずれの場合であっても、燃料電池内の温度を示す値を、直接的、あるいは間接的に、検知することができればよい。
【００６９】
なお、図７に示すように、制御部５０に記憶した基準温度条件におけるマップに対して温度感度係数に基づく補正を行なって、（ｎ＋１）回目の発電停止後のアノード触媒表面積として求められた値Ｃは、基準温度条件下では、ｍ回目の発電停止後のアノード触媒表面積に該当する。そのため、このような場合には、制御部５０は、（ｎ＋１）回目の発電停止を行なった後に、それまでに行なった発電停止の回数（積算停止回数）を、（ｎ＋１）回ではなくｍ回に補正して記憶する。そして、次回、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンを実行する際には、ステップＳ１１０において、アノード触媒表面積が値Ｃである状態から、（ｍ＋１）回目の発電停止を行なうものとして、必要に応じて温度感度係数に基づく補正を行ないつつ、アノード触媒表面積の導出を行なう。
【００７０】
ステップＳ１１０において、アノード形態変化量の導出および記憶を行なうと、制御部５０のＣＰＵは、今回の発電停止が、燃料電池システム１０の停止によるものであるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。上記した説明では、燃料電池システム１０の停止に伴う燃料電池１５の発電停止時におけるアノード電位上昇について説明したが、燃料電池システム１０の停止時以外であっても、アノード電位上昇を伴う燃料電池１５の発電停止が行なわれる場合がある。ステップＳ１２０において、システム停止時ではないと判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ１００に戻る。ステップＳ１２０において、システム停止時であると判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、本ルーチンを終了する。なお、燃料電池システム１０の停止時以外の、アノード電位上昇を伴う燃料電池１５の発電停止については、後に詳しく説明する。
【００７１】
なお、上記実施例では、アノード形態変化量（アノード触媒表面積）を求めるために、図７に示したマップを制御部５０内に記憶し、ステップＳ１１０において参照することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、図７に示すマップに代えて、図７のマップに示した発電停止回数とアノード触媒表面積との関係を表わす近似式を予め求めて、制御部５０内に記憶することとしても良い。この場合には、ステップＳ１１０では、記憶しておいた積算停止回数（ｎ回）に、さらに１回を加えた回数（ｎ＋１回）を、上記近似式に代入して、アノード触媒表面積を求めればよい。この場合にも、燃料電池温度が基準温度とは異なる場合には、既述した温度感度係数を用いればよい。具体的には、近似式から求められる積算停止回数ｎ回目のアノード触媒表面積と、積算停止回数（ｎ＋１）回目のアノード触媒表面積との差に、温度感度係数を乗じて、得られた値を、上記積算停止回数ｎ回目のアノード触媒表面積に加算することにより、積算停止回数（ｎ＋１）回目における実際のアノード触媒表面積を導出することができる。
【００７２】
Ｄ．システム停止時におけるアノード電位上昇情報の取得：
Ｄ−１．燃料電池の電圧に基づく取得：
第１実施例の燃料電池システム１０では、図６のステップＳ１００において、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得する動作を、燃料電池１５の電圧に基づいて行なう。既述したように、発電時ガス供給部によるガス供給の停止を伴う燃料電池の発電停止が行なわれると、燃料電池電圧は、一旦低下した後に再上昇し、その後再び低下する。そして、このような燃料電池電圧の変化のパターンに対応して、アノード電位は、所定のタイミングで上昇する。具体的には、アノード電位は、セル内燃料ガス流路に流入する酸素量の増加に応じて上昇するため、燃料電池電圧が再上昇する頃から上昇を始め、燃料電池電圧が再上昇して最大値を取る頃に、上昇した状態で安定する（図４参照）。このように、燃料電池電圧の変化のパターンに対して、一定のタイミングでアノード電位が上昇するため、燃料電池電圧を検出することにより、燃料電池の発電停止に伴うアノード電位上昇が行なわれたと推定することができる。以下に、燃料電池電圧に基づいてアノード電位上昇情報を取得する動作を詳しく説明する。
【００７３】
図８は、第１実施例の燃料電池システム１０において、制御部５０のＣＰＵがステップＳ１００において実行するアノード電位上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、まず、負荷接続部５１において燃料電池１５と負荷５７との接続が遮断されているか否かを判断する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００では、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が行なわれたか否かを判断するために、負荷接続部５１における接続が遮断されているか否かを判断している。
【００７４】
ステップＳ２００で、負荷接続部５１における接続が遮断されていると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、単位時間当たりの燃料電池電圧の変化量である電圧変化量ΔＶFCを導出する（ステップＳ２１０）。具体的には、制御部５０は、電圧センサ５２から、所定の微小な時間間隔ΔＴで、燃料電池１５の電圧を取得してＲＡＭに記憶する。そして、今回検出した燃料電池電圧から、前回検出した燃料電池電圧を減算することによって、上記微小な時間間隔の間の電圧変化量を算出する。その後、上記微小な時間間隔の間の電圧変化量を、電圧の検出間隔である時間ΔＴで除することにより、単位時間当たりの燃料電池電圧の変化量である電圧変化量ΔＶFCを算出する。
【００７５】
電圧変化量ΔＶFCを算出すると、制御部５０のＣＰＵは、求めた電圧変化量ΔＶFCが、第１の基準値ΔＶst1より大きいか否かを判断する（ステップＳ２２０）。このステップＳ２２０は、燃料電池電圧が下がりきった後に上昇に転じたか否かを判断するためのステップである。図４に示したように、負荷接続部５１における接続を遮断して燃料電池の発電を停止すると、燃料電池電圧はその後低下を続け、時間ＴAを経過した後に上昇に転じる。そのため、第１の基準値ΔＶst1は、正の値であって、時間ＴAを経過して電圧変化が上昇に転じたことを判断可能な値として設定されている。
【００７６】
ステップＳ２２０において、電圧変化量ΔＶFCが第１の基準値ΔＶst1以下であると判断されると、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ２１０に戻る。そして、電圧変化量ΔＶFCの導出と、第１の基準値ΔＶst1との比較の動作を繰り返す。
【００７７】
ステップＳ２２０において、電圧変化量ΔＶFCが第１の基準値ΔＶst1より大きいと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、再び単位時間当たりの燃料電池電圧の変化量である電圧変化量ΔＶFCを導出する（ステップＳ２３０）。このステップＳ２３０の動作は、ステップＳ２１０と同様の動作である。その後、制御部５０のＣＰＵは、導出した電圧変化量ΔＶFCが、第２の基準値ΔＶst2より小さいか否かを判断する（ステップＳ２４０）。このステップＳ２４０は、燃料電池電圧が下がりきった後に上昇に転じ、その後再び下降を始めたか否かを判断するためのステップである。図４に示したように、負荷接続部５１における接続を遮断して燃料電池の発電を停止すると、燃料電池電圧は低下の後に再上昇し、ピークを過ぎると再び下降する。そのため、第２の基準値ΔＶst2は、負の値であって、燃料電池電圧が再び下降に転じたことを判断可能な値として設定されている。
【００７８】
ステップＳ２４０において、電圧変化量ΔＶFCが第２の基準値ΔＶst2以上であると判断されると、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ２３０に戻る。そして、電圧変化量ΔＶFCの導出と、第２の基準値ΔＶst2との比較の動作を繰り返す。
【００７９】
ステップＳ２４０において、電圧変化量ΔＶFCが第２の基準値ΔＶst1より小さいと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が１回行なわれたと判断して（ステップＳ２５０）、本ルーチンを終了する。このとき、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンのステップＳ１００では、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得したと判断する。
【００８０】
なお、図８のステップＳ２００において、負荷接続部５１における接続が遮断されていないと判断されるときには、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が行なわれなかったと判断し（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了する。このとき、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンのステップＳ１００では、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇情報を取得しなかったと判断する。
【００８１】
Ｄ−２．燃料電池の発電停止後の経過時間に基づく取得：
図６のステップＳ１００において、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得する動作の他の具体例として、燃料電池１５の発電停止後の経過時間に基づく方法を挙げることができる。以下に、燃料電池システム１０において、発電停止後の経過時間に基づいてアノード電位上昇情報を取得する動作を、第２実施例として説明する。
【００８２】
負荷接続部５１における接続を遮断しつつ燃料電池１５の発電を停止する際に、発電停止から、アノード電位が上昇して安定し始めるまでの経過時間を、経過時間ＴB（図４参照）とすると、この経過時間ＴBは、発電停止後、セル内酸化ガス流路および電解質膜を経由してセル内燃料ガス流路へと酸素が流入するのに要する時間に応じて定まる。このような、セル内燃料ガス流路へ酸素が流入してアノード電位が上昇するまでの経過時間ＴBは、発電停止時にアノード側流路内に封入される水素量や、発電停止時にカソード側流路内に残留する酸素量、燃料電池が備える触媒量、セル内燃料ガス流路およびセル内酸化ガス流路の形状、一端が大気開放された空気排出流路３４の形状等の影響を受け、燃料電池システムごとにほぼ一定の値をとる。そのため、燃料電池の発電停止後、アノード電位が上昇するまでの経過時間ＴBは、用いる燃料電池システムごとに予め求めることができる。そのため、ステップＳ１００において、燃料電池の発電停止後の経過時間に基づいてアノード電位上昇情報を取得する場合には、負荷接続部５１における接続の遮断を伴う燃料電池の発電停止後の経過時間を計測し、当該経過時間が、上記のように予め定めて制御部５０内に記憶した基準経過時間である経過時間ＴBに達したか否かを判断すればよい。具体的には、ステップＳ１００において制御部５０のＣＰＵは、制御部５０内に備えるタイマを用いて発電停止からの経過時間を取得し、取得した経過時間を、記憶しておいた基準経過時間ＴBと比較すればよい。発電停止後の経過時間が、基準経過時間ＴBに達したときには、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ１００において、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得したと判断すればよい。
【００８３】
実施例の燃料電池システム１０では、空気排出流路３４の一端は大気開放されている。そのため、既述したように、燃料電池の発電停止後にセル内燃料ガス流路内に残留する酸素が水素と反応して消費されると、直ちに空気排出流路３４を介した外気の浸入が始まり、燃料電池電圧およびアノード電位の上昇が始まる。これに対し、空気排出流路３４に封止弁を設け、燃料電池の発電停止時にはこの封止弁を閉弁して、カソード側流路と外部との間の空気の流通を抑制することとしても良い。また、必要に応じて、空気供給流路３２側（例えばコンプレッサ３０内）にも同様の封止弁を設けて、発電停止時にはこの封止弁を閉弁することとしてもよい。このような構成とすれば、燃料電池の発電停止後に、カソード側流路内に封入された酸素が消費されても、外部からの空気の浸入が抑えられ、セル内酸化ガス流路および電解質膜を介したセル内燃料ガス流路への酸素の流入が極めてゆっくりになる。そのため、燃料電池の発電を停止した後、空気の流入に起因する燃料電池電圧の上昇およびアノード電位の上昇に要する経過時間を、極めて長くすることが可能になる。このような場合であっても、封止弁の封止能力等をさらに考慮することによって、アノード電位が上昇するまでの基準経過時間ＴBを求めることができ、発電停止からの経過時間に基づくアノード電位上昇情報の取得が可能になる。
【００８４】
また、燃料電池システムの構成によっては、燃料電池の発電停止後の電圧変動のパターンが、図４に示すように、下降から上昇に転じた後に、上昇から下降に転じるという２つの変曲点を有するパターンを示さない場合がある。例えば、燃料電池の発電停止時にアノード側流路内に封入する水素圧が比較的低い（封入する水素量が比較的少ない）場合には、発電停止後、カソード上で水素と反応することによる酸素の消費速度が遅くなる。このような場合には、カソード側流路内に残留する酸素が消費される間に、空気排出流路３４を介した空気（酸素）の流入が徐々に進行し、燃料電池電圧が充分に低下して低電圧状態となる前に電圧低下が鈍化したり、あるいは、低電圧状態となる前に若干の電圧上昇に転じたりして、高電圧状態が比較的長く継続する電圧挙動を示す場合がある。このような電圧挙動の一例を、図９に示す。また、図９には、発電停止後の電圧挙動がこのようなパターンを示すときの、アノード電位上昇の様子を合わせて示す。図９のように異なる電圧変動パターンを示す燃料電池システムであっても、アノード電位の上昇までの基準経過時間ＴBを同様に導出して記憶しておくことが可能であり、発電停止からの経過時間を、上記基準経過時間ＴBと比較することにより、ステップＳ１００におけるアノード電位上昇情報の取得が可能になる。なお、図９に示すように、電圧変動パターンが明確な変曲点を示さない場合には、燃料電池電圧を検出して、例えば単位時間当たりの電圧変化量に基づいてアノード電位上昇を検知することは困難となる可能性があるが、経過時間に基づくことにより、容易に精度良く、アノード電位上昇情報を取得することができる。
【００８５】
なお、燃料電池の発電停止からアノード電位上昇までに要する基準経過時間ＴBは、既述したように燃料電池システムの構成によって定まるが、さらに、発電停止の際の燃料電池の温度の影響も受ける。触媒上で進行する化学反応の速度は温度の影響を受けるため、温度が変化すれば、カソード上における酸素の消費速度等が変化するためである。そのため、燃料電池システムの使用環境が温度変化する場合には、発電停止後にアノード電位上昇するまでの基準経過時間ＴBは、発電停止時の燃料電池温度に対応したマップとして制御部５０内に記憶しておくことが望ましい。そして、図６のステップ１００では、制御部５０のＣＰＵは、燃料電池の温度を取得すると共に上記マップを参照することによって、今回停止時にアノード電位上昇までに要する基準経過時間ＴBを求め、実測している経過時間との比較を行なえばよい。燃料電池の温度は、既述したように、冷媒温度センサ６３の検出信号や、燃料電池の内部温度を検出するために別途設けた温度センサの検出信号によって取得すればよい。
【００８６】
また、上記説明では、発電停止からの経過時間に基づいて、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたという情報を取得するための基準経過時間を、アノード電位が上昇して安定し始めるまでの経過時間ＴBとしたが、異なる構成としても良い。アノード形態変化の進行状態に基づいて、発電停止１回分のアノード形態変化が進行したと判断可能となるように予め定めた基準経過時間であれば良い。例えば、燃料電池の発電停止後に、燃料電池電圧が一旦低下して再上昇し、燃料電池電圧がピークに達するまでに要する時間を、基準経過時間として設定しても良い。あるいは、燃料電池電圧が、発電停止後に再上昇した後に再び低下して略０になるまでに要する時間を、基準経過時間として設定しても良い。
【００８７】
また、発電停止後に、アノード形態変化が進行して、触媒金属表面が酸化被膜で覆われてアノード形態変化の反応が停止するまでに要する時間（図４において、基準経過時間ＴCと表わす）を、基準経過時間として設定しても良い。基準経過時間ＴCもまた、燃料電池システムごとに予め導出することができる。具体的には、発電停止後、アノード形態変化量（アノード触媒表面積低下量やアノード触媒金属の溶出量）を経時的に測定することによって、アノード形態変化が終了するまでに要する経過時間として、基準経過時間ＴCを導出すればよい。このような構成とすれば、発電停止時のアノード電位上昇に伴う１回分のアノード形態変化が完了したことを検出することになるため、アノード形態変化量の推定の精度を向上させることができる。なお、アノード電位が上昇を始めるまでの経過時間だけでなく、触媒金属表面が酸化被膜で覆われるまでの経過時間も、温度の影響を受ける。そのため、基準経過時間ＴCに基づいてアノード電位上昇情報を取得する場合にも、基準経過時間ＴCは、発電停止時の燃料電池温度に対応したマップとして記憶しておき、発電停止時の温度をさらに参照して、ステップＳ１００の判断を行なうこととすれば良い。
【００８８】
Ｄ−３．アノード上の酸素分圧に基づく取得：
図６のステップＳ１００において、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得する動作のさらに他の具体例として、燃料電池１５の発電停止後のセル内燃料ガス流路における酸素分圧に基づく方法を挙げることができる。アノード電位は、アノードが置かれた環境中の酸素分圧、具体的には、セル内燃料ガス流路中の酸素分圧によって定まる。そのため、セル内燃料ガス流路内の酸素分圧を導出することにより、アノード電位の上昇を検出することができる。以下に、セル内燃料ガス流路内の酸素分圧に基づいてアノード電位上昇情報を取得する動作を、第３実施例として説明する。
【００８９】
第３実施例の燃料電池システムは、既述した燃料電池システム１０と同様の構成を有しているが、さらに、図示しない酸素濃度センサおよび圧力センサを有している。酸素濃度センサは、セル内燃料ガス流路に設けられ、セル内燃料ガス流路内の酸素濃度を検出する。圧力センサは、セル内燃料ガス流路に設けられ、セル内燃料ガス流路内のガスの全圧を検出する。上記のように検出された酸素濃度とガスの全圧とに基づいて、セル内燃料ガス流路における酸素分圧が算出される。
【００９０】
図１０は、発電時ガス供給部によるガスの供給停止を伴う燃料電池の発電停止後の経過時間と、アノード上酸素分圧の関係を表わす説明図である。図１０に示した経過時間に対するアノード上酸素分圧の変化の挙動は、経過時間に対するアノード電位の変化の挙動とほぼ一致する。そのため、アノード上酸素分圧を導出することによって、アノード電位の上昇を検出することができる。
【００９１】
図１１は、第３実施例の燃料電池システム１０において、制御部５０のＣＰＵがステップＳ１００において実行するアノード電位上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。図１１では、図８と共通する工程には同じ工程番号を付しており、共通する工程については詳しい説明を省略する。
【００９２】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、まず、負荷接続部５１において燃料電池１５と負荷５７との接続が遮断されているか否かを判断する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００で、負荷接続部５１における接続が遮断されていると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード上酸素分圧Ｐaoを導出する（ステップＳ３１０）。具体的には、制御部５０のＣＰＵは、酸素濃度センサからセル内燃料ガス流路における酸素濃度を取得すると共に、圧力センサからセル内燃料ガス流路におけるガスの全圧を取得する。そして、制御部５０のＣＰＵは、測定した酸素濃度およびガスの全圧に基づいて、セル内燃料ガス流路内での酸素分圧である、アノード上酸素分圧Ｐaoを導出する。
【００９３】
アノード上酸素分圧Ｐaoを導出すると、制御部５０のＣＰＵは、求めたアノード上酸素分圧Ｐaoが、基準酸素分圧Ｐstより大きいか否かを判断する（ステップＳ３２０）。基準酸素分圧Ｐstは、対応するアノード電位が、アノード形態変化を引き起こす程度に充分に高くなったことを判断するための値として、予め定めて制御部５０内に記憶されている。
【００９４】
ステップＳ３２０において、アノード上酸素分圧Ｐaoが基準酸素分圧Ｐst以下であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ３１０に戻る。そして、アノード上酸素分圧Ｐaoの導出と、基準酸素分圧Ｐstとの比較の動作を繰り返す。
【００９５】
ステップＳ３２０において、アノード上酸素分圧Ｐaoが基準酸素分圧Ｐstより大きいと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が１回行なわれたと判断して（ステップＳ２５０）、本ルーチンを終了する。
【００９６】
なお、一つの単セルにおけるセル内燃料ガス流路においても、酸素濃度は均一ではない。例えば酸化ガス排出マニホールドに位置的に近い領域ほど、酸素濃度が早くに高くなるため、アノード面内において厳密には電位の不均一が生じる。また、燃料電池１５を構成する各々の単セル同士を比較するならば、例えば空気排出流路３４に近い端部の単セルほど、セル内燃料ガス流路における酸素濃度は早くに高くなる。そのため、例えば燃料電池１５の中ほどに配置された単セル内の、セル内燃料ガス流路の中ほどの位置に酸素濃度センサを設けるならば、燃料電池１５全体の平均的なアノード上酸素濃度を検出することができる。そして、このようにして検出したアノード上酸素濃度に基づいて導出した平均的な酸素分圧を用いるならば、燃料電池１５全体の平均的なタイミングで、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得することができる。
【００９７】
また、空気排出流路３４との接続部に最も近い端部セルのセル内燃料ガス流路における、酸化ガス排出マニホールドに近い位置は、燃料電池１５全体のセル内燃料ガス流路の内で、酸素濃度が最も早く高くなる位置であるといえる。そのため、このような位置に酸素濃度センサを設けて検出した酸素濃度を用いるならば、最も早くアノード電位の上昇を検出することができる。そして、燃料電池１５全体の中で最も早くアノード形態変化が進行する位置の状態に基づいて、アノード電位上昇情報を取得することができる。また、燃料電池１５全体の平均的な値としてアノード上酸素濃度を測定したい場合には、燃料電池１５において、空気排出流路３４との接続部からの距離の異なる複数の位置に配置された単セル内の各々に酸素濃度センサを設け、各々のセンサの検出値の平均を求めることとしても良い。
【００９８】
なお、アノード上酸素分圧を導出する際に、アノード上酸素濃度を直接的あるいは間接的に取得できるならば、セル内燃料ガス流路に設けた酸素濃度センサを用いる以外の方法によって、アノード上酸素濃度を取得しても良い。例えば、セル内燃料ガス流路に存在し得る酸素以外のガスの濃度を検出するセンサを設け、酸素以外のガスの濃度を検出することによって、アノード上酸素濃度を導出しても良い。
【００９９】
Ｄ−４．発電停止処理の実行に基づく取得：
図６のステップＳ１００において、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得する動作のさらに他の具体例として、燃料電池の発電停止時に行なわれる特定の発電停止処理の実行に基づく方法を挙げることができる。以下に、特定の発電停止処理が実行される回数（特定の発電停止処理が実行されたという事実）に基づいてアノード電位上昇情報を取得する種々の動作について、順次説明する。
【０１００】
Ｄ−４−１．燃料電池システム１０における停止処理：
第４実施例の燃料電池システム１０においては、制御部５０のＣＰＵは、システム停止の指示を取得すると、発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止する工程と、負荷接続部５１において燃料電池１５と負荷５７との接続を遮断するという工程と、を含む発電停止処理を実行する。したがって、第４実施例では、図６のステップＳ１００において、燃料電池システム停止に伴うこれら一連の発電停止処理が行なわれたか否かを判断する。そして、上記一連の発電停止処理が行なわれた場合には、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得したと判断する。また、上記一連の処理が行なわれない場合には、ステップＳ１００において制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇情報を取得しないと判断する。
【０１０１】
Ｄ−４−２．燃料電池システム１１０における停止処理：
燃料電池システムの構成によっては、燃料電池システムの発電停止処理は、種々の態様を取ることが可能である。図１２は、燃料電池システム１０とは異なる発電停止処理を実行する第５実施例の燃料電池システム１１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１１０は、発電停止処理に係る構成以外は燃料電池システム１０と同様の構成を有している。図１２では、燃料電池システム１０と共通する部分には同じ参照番号を付しており、以下では、発電停止処理に係る構成についてのみ説明する。
【０１０２】
燃料電池システム１１０は、空気供給流路３２と水素供給流路２２とを接続するパージ流路１３６を備えている。このパージ流路１３６は、可変調圧弁４２よりも下流の位置で水素供給流路２２と接続している。また、燃料電池システム１１０において、空気供給流路３２には、パージ流路１３６との接続部よりも下流の位置に開閉弁１３７が設けられており、パージ流路１３６には開閉弁１３８が設けられている。上記空気供給流路３２に設けられた開閉弁１３７は、燃料電池１５の発電時には開弁され、システム停止時には閉弁される。また、パージ流路１３６に設けられた開閉弁１３８は、後述するように、燃料電池１５の発電時には閉弁され、システム停止時には一時的に開弁される。
【０１０３】
燃料電池システム１１０では、制御部５０のＣＰＵは、システム停止の指示を取得すると、発電停止処理として、発電時ガス供給部によるガス供給を停止する工程と、負荷接続部５１における接続遮断の工程と共に、アノード側流路を空気でパージする（アノードエアパージ）工程を行なう。アノードエアパージ工程とは、具体的には、コンプレッサ３０の駆動を継続した状態で、開閉弁１３７を閉弁すると共に、開閉弁１３８を開弁する。また、水素排出流路２４のパージ弁４６を開弁する。これにより、コンプレッサ３０から供給される空気は、カソード側流路へと供給されることなく、パージ流路１３６を経由してアノード側流路へと流入する。このとき、パージ弁４６が開弁されているため、コンプレッサ３０からの空気の供給をしばらく続けることにより、アノード側流路内のガスが、空気で置き換えられる。上記アノードエアパージ工程が開始された後、アノード側流路内を空気で置き換えるための時間として設定された時間が経過すると、制御部５０のＣＰＵは、コンプレッサ３０を停止し、開閉弁１３８およびパージ弁４６を閉弁して、アノードエアパージ工程を終了する。なお、上記したアノードエアパージ工程では、コンプレッサ３０の駆動が継続されているが、カソード側流路への空気の供給は停止されており、燃料電池１５の発電も停止している。そのため、アノードエアパージ工程においてアノード側流路へと空気を供給するコンプレッサ３０は、「燃料電池の発電時に燃料電池のアノ−ド側に燃料ガスを供給すると共にカソ−ドに酸化ガスを供給する発電時ガス供給部」を構成しない。
【０１０４】
上記のようにアノードエアパージを行なうと、セル内燃料ガス流路における酸素濃度が急激に上昇し、アノード電位が上昇する。そして、カソード側流路もアノード側流路も空気で満たされて、カソードもアノードも共に、高電位な状態で安定する。このとき、カソードおよびアノードでは、触媒金属の表面が酸化被膜で覆われるまで形態変化が進行する。
【０１０５】
したがって、第５実施例の燃料電池システム１１０では、図６のステップＳ１００において、燃料電池システムの停止時処理としてのこれら一連の発電停止処理が行なわれたか否かを判断すれば良い。そして、上記一連の発電停止処理が行なわれた場合には、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得すればよい。なお、アノードエアパージを伴うシステム停止を行なうと、直ちにアノード側流路に酸素が流入することにより、燃料電池の発電停止の処理を開始してから、燃料電池の発電停止１回分のアノード形態変化が進行するまでの時間が短くなる。しかしながら、アノードエアパージを行なうと、アノード上に水素と酸素が存在することにより内部電池が形成される期間を極めて短くすることができ、システム停止時においてカソード電位が極めて高くなることを抑制可能となる。
【０１０６】
Ｄ−４−３．燃料電池システム２１０における停止処理：
図１３は、燃料電池システム１０，１１０とは異なる発電停止処理を実行する第６実施例の燃料電池システム２１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム２１０は、発電停止処理に係る構成以外は燃料電池システム１０と同様の構成を有している。図１３では、燃料電池システム１０と共通する部分には同じ参照番号を付しており、以下では、発電停止処理に係る構成についてのみ説明する。
【０１０７】
燃料電池システム２１０は、窒素タンク２３９を備えると共に、窒素タンク２３９と水素供給流路２２とを接続するパージ流路２３６を備えている。このパージ流路２３６は、可変調圧弁４２よりも下流の位置で水素供給流路２２と接続している。また、パージ流路２３６には、窒素タンク２３９との接続部近傍において、開閉弁２３８が設けられている。開閉弁２３８は、燃料電池１５の発電時には閉弁されており、システム停止時には一時的に開弁される。
【０１０８】
燃料電池システム２１０では、制御部５０のＣＰＵは、システム停止の指示を取得すると、発電停止処理として、発電時ガス供給部によるガス供給を停止する工程と、負荷接続部５１における接続遮断の工程と共に、アノード側流路を窒素ガスでパージする（アノード窒素パージ）工程を行なう。アノード窒素パージ工程とは、具体的には、開閉弁２３８を開弁すると共に、パージ弁４６を開弁して、窒素タンク２３９内の窒素を、パージ流路２３６を介してアノード側流路へと供給し、アノード側流路内のガスを、窒素ガスで置き換える工程をいう。上記アノード窒素パージ工程が開始された後、アノード側流路内を窒素ガスで置き換えるための時間として設定された時間が経過すると、制御部５０のＣＰＵは、開閉弁２３８およびパージ弁４６を閉弁して、アノード窒素パージ工程を終了する。
【０１０９】
上記のようにアノード窒素パージを行なうと、しばらくは、アノード電位は略０Ｖの状態を維持する。このような発電停止状態においては、電解質膜を介して、セル内酸化ガス流路とセル内燃料ガス流路との間で、濃度差に応じてガスの移動が起こる。すなわち、酸素濃度の高いセル内酸化ガス流路から、セル内燃料ガス流路へと酸素が移動する。また、窒素濃度の高いセル内燃料ガス流路から、セル内酸化ガス流路へと窒素が移動する。そして、最終的には、セル内酸化ガス流路もセル内燃料ガス流路も共に、ほぼ同じ成分のガス（空気）によって満たされた状態になる。このように、セル内燃料ガス流路における酸素濃度が上昇するにつれてアノード電位が上昇し、やがてアノード電位は高電位状態で安定する。そして、アノードにおいては、触媒金属の表面が酸化被膜で覆われるまで形態変化が進行する。
【０１１０】
したがって、第６実施例の燃料電池システム２１０では、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンを実行する際に、ステップＳ１００において、燃料電池システムの停止時処理としてのこれら一連の発電停止処理が行なわれたか否かを判断すれば良い。そして、上記一連の発電停止処理が行なわれた場合には、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得すればよい。このようなアノード窒素パージ工程を伴う発電停止処理もまた、システム停止時においてカソード電位が極めて高くなることを抑制するためのシステム停止方法である。
【０１１１】
燃料電池システムの停止時に、最終的にセル内燃料ガス流路へと酸素が流入する発電停止処理を実行するならば、発電停止処理として、第４ないし第６実施例とは異なる処理を行なっても良い。最終的にセル内燃料ガス流路に酸素が流入してアノード電位が上昇するならば、このような発電停止処理が行なわれたことを判断することによって、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得すればよい。
【０１１２】
また、発電停止処理としての一連の処理が実際に行なわれたか否かを判断するのではなく、制御部５０に上記発電停止処理を行なわせるための、システム停止の指示入力があったか否かを判断しても良い。あるいは、システム停止の指示入力を受けて、制御部５０が、一連の発電停止処理の少なくとも一部を実行させるための駆動信号を出力したか否かを判断しても良い。これらの場合には、システム停止の指示入力があったとき、あるいは、停止処理の一部を実行させるための駆動信号を制御部５０が出力したときに、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得すれば良い。
【０１１３】
以上のように構成された第１ないし第６実施例の燃料電池システムによれば、アノード電位上昇情報の取得を行なうため、アノード電位を直接検出することなく、燃料電池の発電停止に伴うアノード電位の上昇があったことを検出することができる。すなわち、燃料電池電圧の変化の様子や、燃料電池の発電停止の処理を開始してからの経過時間や、アノード上の水素濃度や、システム停止時における発電停止処理の実行等を検出することによって、アノード電位を直接検出することなく、燃料電池の発電停止に伴うアノード電位の上昇を検出することができる。このように、アノード電位が上昇するときと一定の関係を示す値であって、アノード電位よりも容易に、また、簡便に検出可能な値を検出することによって、アノード電位上昇を、容易に推定することができる。
【０１１４】
また、第１ないし第６実施例の燃料電池システムによれば、上記のようにして導出したアノード電位上昇に基づいてアノード形態変化量を導出するため、アノード形態変化量を直接検出する必要が無く、容易かつ簡便に、アノード形態変化量を知ることが可能になる。すなわち、アノード電位上昇を伴う発電停止の回数とアノード形態変化量との関係に基づいてアノード形態変化量を導出するため、システム停止の動作と同時に現在のアノード形態変化量を求めることができる。したがって、例えば、サイクリックボルタンメトリ特性を用いて電極触媒表面積を測定する場合のように、特別な測定器を用意する必要が無く、また、電極触媒表面積を測定するための特別な機会を設ける必要がない。さらに、このようなアノード電位上昇情報に基づくアノード形態変化量の導出は、アノード形態変化を伴うシステム停止の度に、システム停止時の処理と共に行なわれるため、常に、現在のアノード形態変化量を把握することが可能になる。
【０１１５】
Ｅ．システム稼働中におけるアノード電位上昇情報の取得：
既述した説明では、システムを停止するために燃料電池の発電を停止する際に、アノード電位上昇情報を取得する動作について説明したが、燃料電池システムの稼働中に燃料電池の発電を停止する際にも、同様にアノード電位上昇が起こり得る。以下に、システム稼働中の発電停止時に、アノード電位上昇情報を取得する構成を、第７実施例として説明する。
【０１１６】
図１４は、燃料電池システム１０を搭載する第７実施例の電気自動車９０の概略構成を表わすブロック図である。ただし、電気自動車９０は、燃料電池システム１０に代えて、第５実施例の燃料電池システム１１０や、第６実施例の燃料電池システム２１０を備えることとしても良い。
【０１１７】
電気自動車９０は、駆動用電源として、燃料電池１５と共に、２次電池９１を備えている。なお、図１４では、燃料電池１５以外の燃料電池システム１０の構成要素については記載を省略している。電気自動車９０には、燃料電池１５および２次電池９１から電力供給を受ける負荷として、補機９４と、駆動モータ９５に接続される駆動インバータ９３とを備えている。駆動モータ９５の出力軸９８に出力される動力は、車両駆動軸９９に伝えられる。補機９４は、コンプレッサ３０、水素循環ポンプ４４、冷媒循環ポンプ６０等の燃料電池補機や、空調装置（エアコン）等の車両補機を含む。燃料電池１５および２次電池９１と、上記各負荷とは、配線５６を介して互いに並列に接続されている。また、配線５６には、燃料電池１５との接続を入り切りするための負荷接続部５１が設けられている。また、２次電池９１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２を介して配線５６に接続されている。本実施例では、制御部５０によってＤＣ／ＤＣコンバータ９２の出力側の目標電圧値を設定することによって、配線５６の電圧を調節し、燃料電池１５の発電量および２次電池９１の充放電状態を制御可能となっている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は、２次電池９１と配線５６との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、２次電池９１において充放電を行なう必要のないときには、２次電池９１と配線５６との接続を切断する。
【０１１８】
上記のような構成とすることで、電気自動車９０では、燃料電池１５と２次電池９１との少なくとも一方から、上記負荷に対して電力供給が可能となっている。また、燃料電池１５による２次電池９１の充電も可能となっている。さらに、電気自動車９０の制動時には、駆動モータ９５を発電機として動作させることにより、２次電池９１の充電が可能となっている。なお、図１４では、電気自動車９０の各部を制御部５０によって制御することとなっているが、燃料電池システム１０内の制御を行なう制御部と、電気自動車９０の各部を制御する制御部とは、一体であっても別体であっても良い。
【０１１９】
電気自動車９０は、運転状態として、「発電運転モード」と「間欠運転モード」と「回生運転モード」とを取り得る。「発電運転モード」は、負荷要求に応じた電力の少なくとも一部を燃料電池１５から供給することによって、所望の走行状態を実現する運転状態である。「回生運転モード」は、電気自動車９０の制動時に、駆動モータ９５を発電機として動作させることによって、２次電池９１を充電する運転状態である。「間欠運転モード」は、燃料電池１５による電力供給を行なうと、燃料電池システム１０のエネルギ効率が望ましくない程度に低下してしまう場合に、燃料電池１５の発電を停止して、必要な電力を２次電池９１から得る運転状態である。
【０１２０】
以下に、「間欠運転モード」についてさらに説明する。図１５は、燃料電池１５の出力の大きさと、燃料電池１５におけるエネルギ効率および燃料電池補機が要する動力との関係を示す説明図である。また、図１６は、燃料電池１５の出力と、燃料電池システム１０全体の効率との関係を示す説明図である。図１５に示すように、燃料電池１５の出力が大きくなるほど、燃料電池１５におけるエネルギ効率は次第に低下する。また、燃料電池１５の出力が大きくなるほど、補機動力、すなわち燃料電池補機を駆動するために消費するエネルギが大きくなる。ここで、電気自動車９０においては、燃料電池補機の消費電力の大きさは、駆動モータ９５の消費電力の大きさに比べてはるかに小さい。しかしながら、燃料電池１５の出力が小さいときには、発電によって得られる電力量に比べて、発電のために燃料電池補機が消費する電力量の割合が大きくなる。そのため、図１５に示した燃料電池エネルギ効率と補機動力に基づいて、燃料電池システム１０全体のエネルギ効率（燃料電池システム効率）を求めると、図１６に示すように、燃料電池システム効率は、燃料電池１５の出力が所定の値のときに最も高くなる。すなわち、燃料電池１５の出力が小さいときには、燃料電池システム効率が低くなる。本実施例の電気自動車９０では、燃料電池システム効率が悪くなる低負荷時（燃料電池１５の出力が図１６に示すＰ0 よりも小さくなって、燃料電池システム効率がＥ0 よりも低くなるとき）には、燃料電池１５を停止して２次電池９１を用いるという「間欠運転モード」を採用することによって、燃料電池システム効率が低下するのを防止している。
【０１２１】
上記したように、「間欠運転モード」と「回生運転モード」を採用するときには、燃料電池１５の発電は停止される。そして、「間欠運転モード」においては、発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給も停止される。そのため、燃料電池システム１０の稼働中であっても、「間欠運転モード」を採用しているときには、システム停止時と同様にアノード電位上昇が起こり得る。本実施例では、燃料電池システム１０が稼働中である「間欠運転モード」においても、システム停止時と同様にして、アノード電位上昇情報の取得が行なわれる。なお、「回生運転モード」においても発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止する場合には、「回生運転モード」採用時にもアノード電位上昇情報の取得を行なうこととしても良い。
【０１２２】
既述したように、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンは、燃料電池システム１０が起動された後、システムが停止されるまで継続して実行される。そして、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ１００において、燃料電池システム稼働中の燃料電池発電停止時にも、既述したいずれかのアノード電位上昇判断処理ルーチンを実行することにより、アノード電位上昇情報を取得することができる。例えば、図８のアノード電位上昇判断処理ルーチンを実行することにより、燃料電池電圧に基づいてアノード電位上昇情報を取得することができる。また、燃料電池１５の発電停止後の経過時間に基づいてアノード電位上昇情報を取得しても良く、図１１に示すようにアノード上のガス濃度に基づいてアノード電位上昇情報を取得しても良い。
【０１２３】
ステップＳ１００において、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得したと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、燃料電池システム稼働中であっても、システム停止時と同様に、ステップＳ１１０におけるアノード形態変化量の導出・記憶の工程を行なう。すなわち、記憶しておいたこれまでのアノード形態変化量（アノード触媒表面積）と、積算発電停止回数、およびマップ等に従って、必要に応じて温度に基づく補正を行ないつつ、アノード電位上昇を伴う発電停止をさらに１回行なった後のアノード形態変化量を導出し、記憶する。また、発電停止回数を更新して記憶する。このとき、アノード形態変化量について温度に基づく補正を行なったときには、導出したアノード形態変化量に基づいて、積算発電停止回数を補正して更新する。
【０１２４】
燃料電池システム稼働中に、上記のようにステップＳ１１０においてアノード形態変化量を導出・記憶した場合には、ステップＳ１２０では、制御部５０のＣＰＵは、システム停止時ではないと判断する。そのため、その後は、再びステップＳ１００に戻る。
【０１２５】
燃料電池システム稼働中において、ステップＳ１００におけるアノード電位上昇情報の取得を、「間欠運転モード」採用に伴う発電停止のための一連の処理が行なわれたことにより判断することも可能である。しかしながら、「間欠運転モード」では発電停止時間が短く、アノード電位上昇が起こらない場合も多いと考えられる。そのため、最終的にアノード電位上昇が起こったことを確認可能な方法、すなわち、燃料電池電圧や経過時間やアノード上ガス濃度等に基づく方法を採用することが望ましい。
【０１２６】
なお、燃料電池システム稼働中に燃料電池の発電停止が行なわれても、ステップＳ１００でアノード電位上昇情報を取得したと判断されるまでの間に、燃料電池１５の発電が再開される場合があり得る。このような場合、例えば、図８のステップＳ２００〜Ｓ２４０の処理を実行中に、負荷接続部５１が接続される場合には、制御部５０のＣＰＵは、割り込み処理により、アノード電位上昇を伴う発電停止が行なわれなかったと判断する。すなわち、ステップＳ１００において、アノード電位上昇情報を取得しなかったと判断する。そして、その後は、再びステップＳ１００における判断を繰り返す。
【０１２７】
上記のように、燃料電池システムの停止時に限らず、アノード側流路に酸素が流入する燃料電池の発電停止時であれば、アノード電位上昇を伴う発電停止として検出して、アノード形態変化量を導出することで、アノード形態変化量導出の精度を向上させることができる。
【０１２８】
燃料電池システム稼働中における発電停止に伴うアノード電位上昇情報の取得は、燃料電池システムを電気自動車の駆動用電源として用いる場合以外であっても、適用できる。燃料電池システムを停止することなく燃料電池の発電を停止する運転モードを有する燃料電池システムであれば、同様の動作により、燃料電池システム稼働中におけるアノード電位上昇情報の取得を行なうことができる。
【０１２９】
Ｆ．アノード触媒の形態変化進行中の発電開始を考慮したアノード電位上昇情報の取得：
燃料電池システムの停止時に燃料電池を発電停止する場合であっても、システム稼働中に燃料電池を発電停止する場合であっても、アノード電位上昇に伴うアノード形態変化が進行する途中で、燃料電池の発電が再開される場合がある。例えば、燃料電池システムに対してシステム停止の指示がなされた後、短い時間の経過後に、システム起動の指示がなされる場合がある。あるいは、システム稼働中に「間欠運転モード」での運転が開始された後、短い時間の経過後に負荷要求が増大して、「発電運転モード」へと運転制御が変更される場合がある。このような場合には、発電停止回数１回分に相当するアノード形態変化が進行しない。以下に、このような、燃料電池の発電停止に伴うアノード形態変化が進行する途中で燃料電池の発電が再開される場合を考慮したアノード電位上昇情報の取得の動作を、第８実施例として説明する。以下では、燃料電池システム１０において行なわれる動作であって、燃料電池１５の発電停止後の経過時間に基づいてアノード電位上昇情報を取得する動作について説明するが、燃料電池システム１１０，２１０等、異なるシステムであっても同様の処理を行なうことができる。
【０１３０】
図１７は、燃料電池システム１０の制御部５０のＣＰＵが、図６のステップＳ１００において、図８の処理に代えて実行するアノード電位上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。図１７では、図８と共通する工程には同じ工程番号を付しており、共通する工程については詳しい説明を省略する。
【０１３１】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、まず、負荷接続部５１において燃料電池１５と負荷５７との接続が遮断されているか否かを判断する（ステップＳ２００）。この負荷接続部５１における接続の遮断は、システム停止時に行なわれる動作であっても良く、システム稼働時に燃料電池の発電が停止される際の動作であっても良い。ステップＳ２００で負荷接続部５１における接続が遮断されていると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、燃料電池１５の発電を停止してからの経過時間Ｔpasを取得して、経過時間Ｔpasが、第１の基準経過時間ＴBに達したか否かを判断する（ステップＳ４０５）。第１の基準経過時間ＴBとは、既述したように、アノード電位が上昇して安定し始めるまでの経過時間として定めた値である。ステップＳ４０５では、上記第１の基準経過時間ＴBを、アノード形態変化が進行し始めたことを判断するための基準時間として用いている。
【０１３２】
ステップＳ４０５で、経過時間Ｔpasが第１の基準経過時間ＴB以上であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、再び経過時間Ｔpasを取得して、経過時間Ｔpasが、第２の基準経過時間ＴCに達したか否かを判断する（ステップＳ４１０）。第２の基準経過時間ＴCとは、既述したように、発電停止１回当たりのアノード形態変化が終了するまでに要する経過時間である。
【０１３３】
ステップＳ４１０で、経過時間Ｔpasが第２の基準経過時間ＴC以上である場合には、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が、燃料電池の再起動によって中断されることなく進行したと判断することができる。そのため、経過時間Ｔpasが第２の基準経過時間ＴC以上であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が１回行なわれたと判断して（ステップＳ２５０）、本ルーチンを終了する。このとき、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンのステップＳ１００では、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得したと判断する。この場合、図６のステップＳ１１０では、既述したように、記憶しておいたこれまでのアノード形態変化量（アノード触媒表面積）と、積算発電停止回数、およびマップ等に従って、必要に応じて温度に基づく補正を行ないつつ、アノード電位上昇を伴う発電停止をさらに１回行なった後のアノード形態変化量を導出し、記憶する。
【０１３４】
ステップＳ４１０で、経過時間Ｔpasが第２の基準経過時間ＴC未満であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、燃料電池１５を発電開始すべきか否かについて判断する（ステップＳ４２０）。例えば、ステップＳ２００における負荷接続部５１の遮断が、システム停止に伴うものであれば、ステップＳ４２０において制御部５０のＣＰＵは、システム起動の指示がなされたか否かに基づき、起動の指示がなされたときには発電開始すべきと判断すればよい。また、ステップＳ２００における負荷接続部５１の遮断が、システム稼働中に行なわれたものであれば、ステップＳ４２０において制御部５０のＣＰＵは、「間欠運転モード」等から「発電運転モード」に切り替える判断を行なったか否かに基づき、切り替える判断を行なったときには発電開始すべきと判断すればよい。
【０１３５】
ステップＳ４２０において、燃料電池１５の発電開始をすべきであると判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、発電開始すべきと判断したときの経過時間Ｔpas1を、アノード電位上昇情報として取得して（ステップＳ４２５）、本ルーチンを終了する。上記経過時間Ｔpas1において発電開始をすべきであると判断された後には、燃料電池１５では、発電が開始のための一連の処理が実行され、発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給が開始される。
【０１３６】
ステップＳ４２５において、基準経過時間ＴBから基準経過時間ＴCまでの間に発電開始すべきと判断されたときの経過時間Ｔpas1を、アノード電位上昇情報として取得すると、制御部５０のＣＰＵは、図６のステップＳ１１０では、上記経過時間Ｔpas1に基づいて、今回の発電停止に伴うアノード形態変化量（アノード触媒表面積の減少量）を導出する。そして、導出した今回の発電停止に伴うアノード形態変化量を、記憶しておいたこれまでのアノード形態変化量に加えて、積算値としてのアノード形態変化量を導出し、記憶する。
【０１３７】
経過時間Ｔpas1に基づくアノード形態変化量の導出について、以下に説明する。図１８は、発電停止からの経過時間と、アノード形態変化を起こす反応が進行する速度との関係を表わす説明図である。図１８では、アノード形態変化速度の変化の様子と共に、経過時間に対応するアノード電位の変化の様子も併せて示している。図１８に示すように、アノード電位が上昇を始めると、アノード形態変化速度は０から次第に上昇する。そして、アノード形態変化速度は、アノード電位が上昇して安定する経過時間ＴBを過ぎた後にピークに達し、アノードの触媒金属表面が酸化被膜で覆われる経過時間ＴCには、略０に低下する。このような、発電停止からの経過時間とアノード形態変化速度との関係は、燃料電池ごとに予め定めることができる。そのため、今回の発電停止に伴うアノード形態変化量ΔＣa（アノード触媒表面積の減少量）は、上記経過時間Ｔpas1までのアノード形態変化速度を時間で積分することにより、導出することができる。図１８では、経過時間Ｔpas1までに進行したアノード形態変化によるアノード触媒表面積の減少量ΔＣaを、ハッチを付して示している。
【０１３８】
ここで、上記発電停止からの経過時間とアノード形態変化速度との関係は、発電停止時の燃料電池温度の影響も受ける。そのため、制御部５０では、実際には、発電停止からの経過時間と、発電停止時の燃料電池温度とをパラメータとして、経過時間Ｔpas1までのアノード形態変化量ΔＣaを導出可能なマップを記憶している。そして、図６のステップＳ１１０では、ステップＳ４２５で取得した経過時間Ｔpas1と、発電停止時の温度とに基づいて、上記マップを参照して、アノード形態変化量ΔＣaを導出する。
【０１３９】
図１９は、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止回数と、アノード触媒の形態変化の程度（アノード触媒の表面積）との関係を表わす説明図である。図１９では、図７と同様に、発電停止回数がｎ回のときのアノード触媒表面積が値Ａとなる様子と共に、アノード触媒表面積が、値Ａから、上記アノード触媒表面積減少量ΔＣaだけ減少した値Ｄに対応する発電停止回数が、ｋ回となる様子が表わされている。ステップＳ１１０では、上記したアノード触媒表面積である値Ｄが導出・記憶されると共に、発電停止回数を、（ｎ＋１）回ではなくｋ回として、記憶を更新する。
【０１４０】
ステップＳ４２０において、燃料電池１５の発電開始をすべきでないと判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、再びステップＳ４１０に戻る。そして、経過時間Ｔpasを取得して、経過時間Ｔpasが第２の基準経過時間ＴCに達したか否かの判断を繰り返す。
【０１４１】
ステップＳ４０５において、経過時間Ｔpasが第１の基準経過時間ＴB未満であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、燃料電池１５を発電開始すべきか否かについて判断する（ステップＳ４１５）。このステップＳ４１５における動作は、既述したステップＳ４２０と同様の動作である。
【０１４２】
ステップＳ４１５で、燃料電池１５の発電開始をすべきであると判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が行なわれなかったと判断し（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了する。このとき、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンのステップＳ１００では、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇情報を取得しなかったと判断する。
【０１４３】
ステップＳ４１５で、燃料電池１５の発電開始をすべきでないと判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、再びステップＳ４０５に戻る。そして、経過時間Ｔpasを取得して、経過時間Ｔpasが第１の基準経過時間ＴBに達したか否かの判断を繰り返す。
【０１４４】
なお、ステップＳ２００において、負荷接続部５１における接続が遮断されていないと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が行なわれなかったと判断し（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了する。
【０１４５】
以上のような構成では、経過時間Ｔpasが第２の基準時間ＴCに達すると、アノード電位上昇を伴う発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得し、発電停止回数に基づいて、発電停止後のアノード形態変化量（アノード触媒表面積）を導出する。そして、経過時間Ｔpasが第１の基準時間ＴBと第２の基準時間ＴCの間であるときに発電開始されると、発電が開始されるときの経過時間Ｔpas1を、アノード電位上昇情報として取得し、経過時間Ｔpas1に基づいて、今回発電停止をしたことによるアノード触媒表面積減少量を導出して、発電停止後のアノード触媒表面積を求めている。そのため、発電停止の回数のみに基づいてアノード形態変化量を導出する場合に比べて、アノード形態変化量の導出の精度を高めることができる。
【０１４６】
上記した説明では、アノード形態変化が開始されたことを判断するための第１の経過時間として、アノード電位が上昇して安定し始めるまでの経過時間ＴBを用いているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池電圧が一旦低下して再上昇してピークに達するまでに要する時間に基づいて、第１の基準経過時間を設定しても良い。あるいは、経過時間ＴBよりも短い経過時間であって、実際にアノード形態変化が開始されるタイミングにより近い経過時間（例えば、実験的に、アノード触媒の溶出やアノード触媒表面積の低下の開始など、アノード形態変化の開始が検出される経過時間）を、第１の基準経過時間として用いることとしても良い。
【０１４７】
また、上記説明では、燃料電池の発電停止時を起算点とする経過時間Ｔpasに基づいて、アノード形態変化の進行の程度（開始や終了など）を判断しているが、異なる構成としても良い。燃料電池の発電が停止してから、セル内酸化ガス流路および電解質膜を介してセル内燃料ガス流路へと酸素が流入するまでの時間は、実際には、発電停止時の環境条件等により、ある程度の誤差を生じ得る。そのため、燃料電池の発電停止からの経過時間Ｔpasに代えて、例えば、燃料電池電圧が下降から上昇に転じる既述した経過時間ＴAからの経過時間に基づいて、同様の判断を行なっても良い。アノード電位が上昇してアノード形態変化が進行していることを判断可能であって、進行しているアノード形態変化の程度を導出可能な経過時間を用いれば、同様の処理を行なうことができる。あるいは、燃料電池電圧に基づいて、今回発電停止をしたことによるアノード触媒表面積減少量を導出することも可能である。発電停止後に低下し、再上昇し、その後再び低下する燃料電池電圧の変動パターンと、アノード触媒表面積減少量とは、一定の対応関係にある。そのため、燃料電池電圧に基づいて、アノード形態変化の進行の程度（開始や終了、あるいはどの程度進行したか）を判断し、同様の処理を行なうことができる。
【０１４８】
Ｇ．発電時の負電圧履歴によるアノード触媒形態変化量の導出：
既述した説明では、燃料電池の発電を停止する際に、アノード電位上昇情報を取得する動作について説明したが、燃料電池の発電中にも、アノード形態変化は起こり得る。以下に、燃料電池の発電中に生じるアノード電位上昇をさらに考慮して、アノード形態変化量を導出する構成を、第９実施例として説明する。第９実施例も、燃料電池システム１０における動作として説明するが、燃料電池システム１１０，２１０等、異なるシステムであっても同様の処理を行なうことができる。
【０１４９】
燃料電池の発電中は、アノード側流路には水素が供給されるため、アノード電位は０になる。しかしながら、例えばセル内燃料ガス流路で水が凝縮することにより、アノードに供給される水素量が不足すると、水素不足を起こした単セルにおいて、アノードの電位が上昇して燃料電池電圧が負電圧となり、アノード形態変化が起こる。図２０は、このような発電中に進行するアノード形態変化量を導出するための、発電時アノード形態変化量導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池１５の発電中に、図６に示すアノード形態変化量導出処理ルーチンと平行して、制御部５０のＣＰＵにおいて、繰り返し実行される。
【０１５０】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、水素欠乏が発生して負電圧となった単セルが存在するか否かを判断する（ステップＳ１３０）。燃料電池においては、燃料電池内に配置される単セルの配置場所によって、凝縮水が滞留しやすく水素欠乏による負電圧化が起こりやすい単セルと特定することができる場合がある。本実施例のステップＳ１３０では、電圧センサ５２によって個々の単セルの電圧を検出すると共に、負電圧であることが検出された単セルが、上記のように予め特定した単セルに該当するか否かを判断している。そして、負電圧セルが上記予め特定した単セルに該当する場合に、当該負電圧セルの電圧が基準値以下であれば、水素欠乏を起こした単セルが存在すると判断する。
【０１５１】
ステップＳ１３０において、水素欠乏セルが存在すると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、水素欠乏が検出された単セルごとに、発電時アノード形態変化量を導出する（ステップＳ１４０）。発電時アノード形態変化量は、図５に示した発電停止回数とアノード触媒表面積との関係のように、水素欠乏回数とアノード触媒表面積との関係のマップとして求めることができる。また、発電時アノード形態変化量は、負電圧となった単セルの発電条件、具体的には、電圧、電流、温度、負電圧となっている時間の影響を受ける。これらの各発電条件の、水素欠乏回数１回に対応するアノード触媒表面積低下量に対する影響の程度は、電圧ごと、電流ごと、温度ごと、時間ごとに、水素欠乏１回当たりのアノード触媒表面積減少量を変化させる割合として、既述した温度感度係数と同様の感度係数として導出することができる。ステップＳ１４０では、制御部５０のＣＰＵは、水素欠乏回数を積算しており、上記マップを参照して、今回の水素欠乏によるアノード形態変化量を導出する。また、負電圧となった単セルごとに、発電条件（電圧、電流、温度、負電圧となっている時間）を検出すると共に、上記各感度係数を用いて、今回の水素欠乏によるアノード形態変化量を補正することによって、最終的に発電時アノード形態変化量を導出する。
【０１５２】
ステップＳ１４０で、今回の水素欠乏による発電時アノード形態変化量を導出すると、制御部５０のＣＰＵは、負電圧が検出された単セルごとに、発電時アノード形態変化量を積算して記憶し（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。このように、制御部５０においては、いずれの単セルであるか、という情報と共に、各々の単セルにおける発電時アノード形態変化量の積算値が記憶される。発電停止時におけるアノード形態変化量は、燃料電池１５を構成するいずれの単セルにおいても同様の進行するものとして推定される。これに対し、燃料電池の発電中におけるアノード形態変化量は、実際にアノード電位が上昇した個々の単セルについて導出される。
【０１５３】
ステップＳ１３０において、水素欠乏セルが存在しないと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、本ルーチンを終了する。
【０１５４】
このような構成とすれば、燃料電池１５の発電停止時だけでなく、燃料電池１５の発電中に生じるアノード電位上昇に起因するアノード形態変化量を求めることができる。そのため、アノードの高電位化に起因するアノード形態変化量を、より精度良く推定することが可能になる。
【０１５５】
Ｈ．アノード触媒の形態変化量に基づく制御の変更：
アノード形態変化が進行すると、通常の発電時における燃料電池の出力電圧が次第に低下して、燃料電池の性能が低下する。以下に、アノード形態変化に起因する燃料電池の性能低下についてさらに詳しく説明する。
【０１５６】
アノード形態変化に起因する燃料電池電圧の低下は、アノード形態変化に起因して、発電中は本来略０であるアノード電位が上昇することにより生じる。アノード形態変化に起因してアノード電位が上昇する理由の少なくとも一つは、以下のように考えられる。既述したように、アノードが形態変化したときには、アノードにおいて、担体上に分散担持された触媒金属微粒子の表面積が減少している。このような触媒金属の表面積の減少は、アノード反応である水素酸化反応が進行する場の減少をもたらすため、過電圧の上昇、すなわち、アノード電位の上昇を引き起こすと考えられる。その結果、燃料電池の電圧低下（燃料電池の性能低下）が引き起こされる。
【０１５７】
図２１は、アノード形態変化の程度（燃料電池１５の製造当初と比較したアノード触媒表面積低下量）と、燃料電池の性能低下量（特定の発電条件における電圧低下量）との関係を表わす説明図である。特定の発電条件における電圧低下量とは、温度条件やガス供給条件を一定に定めて、出力電流が特定の値となるように燃料電池１５を発電させた場合に、電圧がどのくらい低下するかを表わす。このような電圧低下量が多いほど、燃料電池１５における電流値と電圧値の関係であるＩＶ特性が低下して、電池性能が低下することになる。図２２は、燃料電池におけるＩＶ特性を表わす説明図である。図２２に矢印で示すように、アノード触媒表面積が低下してアノード電位が上昇すると、燃料電池電圧が低下して電池性能が低下する。
【０１５８】
このように、アノード形態変化量が増加して、燃料電池の電圧が低下するときには、電圧低下量に基づいて、燃料電池の発電に係る制御を変更することで、制御の更なる適正化を図ることが可能になる。以下に、アノード形態変化に起因する燃料電池電圧の低下量に基づいて、種々の制御を変更する構成について説明する。
【０１５９】
Ｈ−１．電圧低下の抑制：
図２１に示すように、燃料電池の性能低下（電圧低下）の程度は、アノード触媒表面積の低下がある程度進行するまでは、比較的緩やかに増加する。しかしながら、アノード触媒表面積の低下がある程度進行すると、アノード触媒表面積の低下量に対する燃料電池の性能低下の程度が次第に大きくなる。燃料電池の電圧が低下すると、例えば既述したように燃料電池の電圧によって燃料電池の出力電力を制御する場合には、性能低下前と同様の制御を行なったのでは、燃料電池から所望の電力を得られなくなってしまう。そのため、アノード触媒表面積の低下量がある程度大きくなったときには、アノード触媒表面積低下に起因する電圧低下を抑制するように、燃料電池発電時の出力制御を変更して、燃料電池の性能をより高く維持することが望ましい。以下に、アノード触媒表面積の低下時に行なう、燃料電池電圧をより高く維持するための制御変更に係る構成を、第１０実施例として説明する。
【０１６０】
図２３は、第１０実施例の燃料電池システム１０の制御部５０のＣＰＵにおいて実行される形態変化影響抑制処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池１５の発電時に、繰り返し実行される。なお、燃料電池システム１１０、あるいは２１０において、同様の動作を行なうこととしても良い。
【０１６１】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、アノード触媒表面積低下量が、基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ５００）。図２１に示すように、アノード触媒表面積低下量と燃料電池電圧低下量とは一定の関係にある。そのため、電圧低下量ΔＶdの許容できる限界値としてΔＶd1を定めることにより、許容できるアノード触媒表面積低下量の限界値としての基準アノード触媒表面積低下量ＳＡを設定することができる（図２１参照）。制御部５０は、このようにして定めた基準アノード触媒表面積低下量ＳＡを予め記憶している。
【０１６２】
ステップＳ５００では、制御部５０のＣＰＵは、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンにより導出・記憶された最新のアノード形態変化量を読み込む。そして、最新のアノード形態変化量が、基準アノード触媒表面積低下量ＳＡ以上であるか否かを判断する。図６に基づくアノード形態変化量の導出は、燃料電池の発電停止時に行なわれるものであるため、ステップＳ５００では、最新のアノード形態変化量として、前回燃料電池１５が発電停止したときに導出したアノード形態変化量を読み込むことになる。
【０１６３】
なお、図６のステップＳ１１０において、アノード形態変化量を表わす値としてアノード触媒表面積を導出・記憶した場合には、ステップＳ５００では、記憶したアノード触媒表面積に基づいて、製造当初と比較したアノード触媒表面積低下量を導出し、上記基準アノード触媒表面積低下量ＳＡと比較すればよい。あるいは、基準アノード触媒表面積低下量ＳＡに代えて、ΔＶd1に対応する基準アノード触媒表面積を設定して、ステップＳ５００における判断で用いても良い。あるいは、ステップＳ１１０において、アノード形態変化量として、アノード触媒表面積低下量を導出・記憶しても良い。ステップＳ１１０で導出したアノード形態変化の進行の程度に応じて、電圧低下量が許容範囲を超えたか否かを判断できればよい。
【０１６４】
ステップＳ５００において、最新のアノード形態変化量が基準アノード触媒表面積低下量ＳＡ以上であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更量を決定する（ステップＳ５１０）。アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更は、例えば、燃料ガス圧力の上昇、燃料ガス流量の増加（燃料ガスの循環量の増加）、燃料ガスからの不純物（窒素や水蒸気等）排出量増加、あるいは、燃料ガスの加湿量の増加等として行なえば良い。燃料ガス圧力を上昇させるには、水素タンク２０から燃料電池１５へと供給される水素圧を高めるように、可変調圧弁４２を調節する際の目標圧力を変更すればよい。燃料ガス流量を増加（燃料ガスの循環量を増加）させるには、水素循環ポンプ４４の駆動量を増加させればよい。燃料ガスからの不純物排出量を増加させるには、パージ弁４６の開弁１回当たりの開弁時間を長くする、あるいは、開弁間隔を短くする、等により、単位時間当たりの開弁時間を長くすればよい。燃料ガスの加湿量の増加は、アノード側流路において、燃料ガスを加湿するための図示しない加湿装置を設けて、当該加湿装置による加湿量を増加させればよい。このような制御変更を行なうことにより、燃料電池１５の電圧を上昇させる（ＩＶ特性の低下分の少なくとも一部を回復させる）ことができる。なお、燃料電池システム１０では、既述したように水素循環流路内で燃料ガスを循環させるため、通常は、アノード側流路に加湿装置を設ける必要はない。そのため、加湿量を増加させることによる電圧低下抑制の制御は、燃料ガスを循環させることなく、比較的湿度の低い燃料ガスを予め加湿するための加湿装置を備えた燃料電池システムにおいて適用することが望ましい。
【０１６５】
図２４は、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更として、燃料ガス圧力の上昇を行なう場合の、燃料ガス圧力上昇量と、性能向上量（電圧回復量）との関係を表わす説明図である。制御部５０は、図２４に示す燃料ガス圧力上昇量と性能向上量の関係を示すマップを、予め記憶しておけばよい。さらに、制御部５０は、図２１に示したアノード触媒表面積低下量と、燃料電池の電圧低下量ΔＶdとの関係を表わすマップも記憶しておけば良い。ステップＳ５１０では、制御部５０のＣＰＵは、上記マップを参照して、図２１に基づき、最近のアノード形態変化量に対応する電圧低下量ΔＶdを導出すると共に、図２４に基づき、導出した電圧低下量ΔＶdを回復するために要する燃料ガス圧力上昇量を導出し、制御の変更量として決定する。なお、図２４に示すように、燃料ガス圧力を上昇させることによる電圧上昇量は、燃料ガス圧力上昇量が値Ｐuに達すると最大値ΔＶmaxとなり、それ以上燃料ガス圧力を上昇させても電圧上昇量が増加しなくなる。そのため、本実施例では、最新のアノード形態変化量に対応して求めた電圧低下量ΔＶdが、上記最大値ΔＶmaxに達した後は、燃料ガス圧力上昇量を、値Ｐuを超えて決定することはない。
【０１６６】
なお、燃料電池においては、燃料ガスと酸化ガスの内の一方のガスの圧力のみが高くなると、電解質膜のそれぞれの面上を流れるガスの圧力差が大きくなることにより、電解質膜が損傷する可能性が生じる。そのため、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更として、燃料ガス圧力の上昇を行なう場合には、燃料ガス圧力の上昇量に応じて、酸化ガス圧力も上昇させることが望ましい。したがって、ステップＳ５１０では、燃料ガス圧力上昇量を導出すると共に、導出した燃料ガス圧力上昇量に見合うように、酸化ガス圧力上昇量も決定する。酸化ガスの圧力上昇は、コンプレッサ３０の駆動量を増加させることにより行なうことができる。
【０１６７】
図２４では、燃料ガス圧力上昇量と性能向上量（電圧回復量）との関係を示したが、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更として、既述した他の制御変更を行なう場合にも、制御変更量と性能向上量との関係は、同様になる。ここで、上記した燃料電池の電圧低下を抑制するための制御変更は、通常は、燃料電池システムにおけるエネルギ効率の低下を引き起こす。例えば、上記制御変更として、燃料ガス圧力の上昇を行なう場合には、コンプレッサ３０の駆動量も同時に増加させることにより、システム全体のエネルギ効率が低下する。また、上記制御変更として、燃料ガス流量を増加させる場合には、水素循環ポンプ４４の駆動量を増加させることにより、システム全体のエネルギ効率が低下する。また、上記制御変更として、燃料ガスからの不純物排出量を増加させる場合には、パージ弁４６を開弁することにより、不純物排出と同時に水素も排出されてしまうため、システム全体のエネルギ効率（燃料の利用効率）が低下する。また、上記制御変更として、燃料ガスの加湿量を増加させる場合には、加湿のためにエネルギを消費することにより、システム全体のエネルギ効率が低下する。そのため、図２１に示した電圧低下量ΔＶdの許容できる限界値としてΔＶd1は、電圧を回復させることによる効果と、電圧回復のために生じるエネルギ効率の低下による影響とを考慮して、適宜設定すればよい。
【０１６８】
ステップＳ５１０で、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更量を決定すると、制御部５０のＣＰＵは、決定した制御の変更量が実現されるように、各部に駆動信号を出力して（ステップＳ５２０）、本ルーチンを終了する。すなわち、制御変更の内容に応じて、可変調圧弁４２およびコンプレッサ３０や、水素循環ポンプ４４や、パージ弁４６や、加湿装置に対して、駆動信号を出力する。例えば、制御量の変更を、燃料ガス圧力上昇により行なう場合には、ステップＳ５１０で決定した燃料ガス圧力上昇量が実現されるように、可変調圧弁４２およびコンプレッサ３０の駆動量を変更する。なお、ステップＳ５００で、最新のアノード形態変化量が基準アノード触媒表面積低下量ＳＡ未満であると判断するときには、性能低下量が許容範囲内であると判断されるため、制御部５０のＣＰＵは本ルーチンを終了する。
【０１６９】
アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下を抑制するための制御の変更は、例示した複数の制御変更のいずれかを行なうのではなく、複数の制御変更を組み合わせて行なっても良い。具体的には、一つの制御変更（例えば、燃料ガス圧力上昇）により性能回復を図った場合に、電圧上昇量が、図２４に示した最大値ΔＶmaxに達すると、それ以上の燃料ガス圧力上昇は行なわず、さらなる燃料電池の性能低下に対応するためには、異なる制御（例えば、燃料ガス流量増加）を行なうこととしても良い。あるいは、複数種類の制御の変更を、同時に組み合わせることとしても良い。
【０１７０】
以上のような構成とすれば、アノード形態変化量を直接検出することなく簡便に精度良く推定したアノード形態変化量に基づいて、発電時の制御を変更することにより、アノード形態変化に起因する燃料電池の性能低下を抑制することができる。
【０１７１】
なお、アノード電位上昇に起因するアノード形態変化量は、その導出方法によっては、燃料電池１５全体の中の、特にアノード形態変化が進行しやすい部分に着目して導出することが可能である。例えば、燃料電池の電圧に基づいてアノード電位上昇情報を取得する場合には、燃料電池全体の電圧に基づくのではなく、セル内燃料ガス流路への酸素の流入が最も早くなる場所に配置された単セルの電圧に基づいて、アノード電位上昇情報を取得すればよい。また、燃料電池の発電停止後の経過時間に基づいてアノード電位上昇情報を取得する場合には、判断に用いる基準経過時間を、セル内燃料ガス流路への酸素の流入が最も早くなる場所に配置された単セルに着目して、予め設定すればよい。また、アノード上の酸素濃度に基づいてアノード電位上昇情報を取得する場合には、セル内燃料ガス流路への酸素の流入が最も早くなる場所に配置された単セル内のセル内燃料ガス流路における、最も早く酸素が流入し始める箇所の酸素濃度に基づいて、アノード電位上昇情報を取得すればよい。このように、アノード形態変化が進行しやすい箇所に着目して導出したアノード形態変化量を用いて上記制御変更を行なうならば、最も性能低下が進みやすい箇所における性能低下を抑制して、燃料電池の性能を維持することが可能になる。
【０１７２】
Ｈ−２．発電時アノード形態変化を考慮した出力制御の補正：
図２３では、図６のステップＳ１１０で導出・記憶されたアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制する制御を行なったが、さらに、図２０で導出した発電時アノード形態変化量を考慮して、上記電圧低下を抑制する制御を行なうこととしても良い。以下に、上記発電時アノード形態変化量を考慮して電圧低下を抑制する構成を、第１１実施例として説明する。図２５は、制御部５０のＣＰＵにおいて、図２３の形態変化影響抑制処理に代えて実行される、形態変化影響抑制処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンにおいて、図２３と共通する処理工程には、同じ参照番号を付しており、以下では、図２３とは異なる処理について説明する。
【０１７３】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、アノード触媒表面積低下量が、基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ５００）。このステップＳ５００では、既述したように、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンにより導出・記憶された最新のアノード形態変化量を読み込んで、最新のアノード触媒表面積低下量が、基準アノード触媒表面積低下量ＳＡ以上であるか否かを判断する。すなわち、ステップＳ５００では、発電停止時におけるアノード電位上昇に起因するアノード形態変化量として、燃料電池全体を対象として推定されたアノード触媒表面積低下量に基づいて、燃料電池全体の電圧低下を抑制するための制御を行なうべきであるか否かを判断する。
【０１７４】
ステップＳ５００で、最新のアノード触媒表面積低下量が、基準アノード触媒表面積低下量ＳＡ未満であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード形態変化が進行している特定セルが存在するか否かを判断する（ステップＳ５３０）。具体的には、制御部５０のＣＰＵは、図２０の発電時アノード形態変化量導出処理ルーチンのステップＳ１５０において発電時アノード形態変化量を積算して記憶した個々の単セルについて、記憶した発電時アノード形態変化量の値と、図６のステップＳ１１０において全ての単セルで同様に進行しているものとして導出した発電停止に起因するアノード形態変化量の値と、を加算する。そして、得られたアノード形態変化量合計値が、予め定めた基準形態変化量を超えているか否かを判断する。基準形態変化量とは、アノード形態変化量がこれ以上進行すると、アノード形態変化に起因する電圧低下が許容できない程度となる可能性がある値として予め設定した値であり、例えば、ステップＳ５００で用いた基準アノード触媒表面積低下量ＳＡと同じ値とすることができる。
【０１７５】
ステップＳ５３０で、アノード形態変化が進行している特定セルが存在すると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、当該アノード形態変化が進行した単セルの電圧が、基準電圧以下であるか否かを判断する（ステップＳ５４０）。ステップＳ５４０で用いる基準電圧とは、燃料電池内のいずれかの単セルの電圧がこれ以上低下すると、燃料電池全体の性能低下を引き起こす可能性がある値として予め設定して制御部５０内に記憶した値である。
【０１７６】
ステップＳ５４０で、アノード形態変化が進行した単セルの電圧が基準電圧以下であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための制御変更を行なうように、各部に駆動信号を出力して（ステップＳ５２０）、本ルーチンを終了する。電圧低下を抑制するための制御変更は、例えば、可変調圧弁４２およびコンプレッサ３０の駆動量を変更して、燃料ガス圧力を上昇させればよい。あるいは、水素循環ポンプ４４や、パージ弁４６の駆動量を変更して、燃料電池流量を増加させても良い。あるいは、燃料ガスの加湿量を増加させても良い。このとき、各部の駆動量を変更する程度は、例えば、ステップＳ５３０で求めたアノード形態変化量合計値に基づいて定めることができる。あるいは、予め定めた一定量だけ駆動量を変更することとして、特定セルの電圧低下状態が解消されるまで、駆動量の変更量を増加させても良い。
【０１７７】
ステップＳ５４０において、アノード形態変化が進行した単セルの電圧が基準電圧を上回ると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、特別な制御変更は不要であると判断して、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ５３０で、アノード形態変化が進行している特定セルが存在しないと判断する場合にも、制御部５０のＣＰＵは、特別な制御変更は不要であると判断して、本ルーチンを終了する。
【０１７８】
以上のような構成とすれば、特定の単セルにおいて、発電中にアノード電位上昇に起因するアノード形態変化が進行して、当該特定の単セルにおいて電圧低下が生じる場合であっても、このような電圧低下を抑制するように制御変更することができる。これにより、当該特定の単セルに起因する燃料電池全体の性能低下を抑えることができる。燃料電池においては、単セルの一つにおいて電圧低下が生じても、燃料電池全体としては充分な出力が可能であり、燃料電池全体の電流値や電圧値が直ちに望ましくない値になることはない。しかしながら、電圧低下を起こした単セルが生じた状態を放置すると、やがて、燃料電池全体の出力状態に支障を来たすようになる可能性がある。上記のように、発電時アノード形態変化量を用い、発電時アノード形態変化量の値が大きく、かつ、実際にセル電圧が低下している単セルが存在する場合には、燃料電池全体の出力状態に異常が無くても電圧低下を抑制する制御を行なうことで、燃料電池の発電状態を、安定して維持することが可能になる。
【０１７９】
Ｈ−３．高電位回避処理の上限電圧値の補正：
アノード触媒表面積が低下して、燃料電池電圧が低下するときには、既述したように、発電時におけるアノード電位が０Ｖよりも上昇している。そのため、燃料電池の発電中に、燃料電池電圧に基づく運転制御を行なう場合には、このようなアノード電位上昇を考慮して、制御に用いる基準値を補正することが望ましい。以下に、アノード電位上昇を考慮して高電位回避処理を行なう構成を、第１２実施例として説明する。
【０１８０】
図２２に示したように、燃料電池の出力電圧は、出力電流が小さいほど高くなる。燃料電池の出力電圧が高いときとは、カソード電位が高いときであるため、燃料電池の出力電圧に上限値を設定して発電制御を行なうことにより、カソードが望ましくない程度の高電位に曝されることに起因するカソード形態変化を抑制することができる。具体的には、負荷要求が小さくなって、負荷要求に応じた電力を燃料電池から出力するならば燃料電池の出力電圧が上限値よりも大きくなる場合には、上限値を越えないように燃料電池の出力電圧を設定し、負荷要求を超える発電を行なわせることによって、カソードの過剰な電位上昇を抑制できる。
【０１８１】
以下に、カソードの過剰な電位上昇を抑制するために実行される高電位回避処理の概要について説明する。ここでは、高電位回避処理の動作の一例として、図１の燃料電池システム１０を搭載する図１４の電気自動車９０において実行される高電位回避処理について説明する。図２６は、高電位回避制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の制御部５０のＣＰＵにおいて、燃料電池１５の発電中に、繰り返し実行される。
【０１８２】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、負荷要求に基づいて、燃料電池１５に要求される発電量を決定する（ステップＳ６００）。負荷要求は、例えば、電気自動車９０に設けた図示しない車速センサの検出信号や、アクセル開度センサの検出信号に基づいて導出される要求駆動動力として求めることができる。あるいは、要求駆動動力に、さらに補機９４が要求するエネルギを加えて、負荷要求を導出しても良い。ステップＳ６００では、このような負荷要求を満たすための発電量として、燃料電池１５の要求発電量が決定される。
【０１８３】
燃料電池１５の要求発電量が決定されると、制御部５０のＣＰＵは、決定した要求発電量に対応する燃料電池１５の出力電圧Ｖ1を導出する（ステップＳ６１０）。制御部５０は、図２２に示したＩＶ特性を記憶しており、ステップＳ６１０では、このＩＶ特性を参照して、ステップＳ６００で決定した要求発電量を発電するための運転ポイント（出力電流と出力電圧の組み合わせ）を導出する。上記出力電圧Ｖ1は、このようにして求めた運転ポイントにおける出力電圧である。
【０１８４】
出力電圧Ｖ1を導出すると、制御部５０のＣＰＵは、出力電圧Ｖ1が、上限電圧値Ｖth1以上であるか否かを判断する（ステップＳ６２０）。上限電圧値Ｖth1とは、カソード形態変化が起こるほどカソード電位が高くなり過ぎることを避けるために、燃料電池電圧の上限値として設けた値である。ステップＳ６２０において、出力電圧Ｖ1が上限電圧値Ｖth1以上であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に対する電圧指令値を、要求発電量を得るための電圧Ｖ1ではなく、電圧Ｖ1より低い上限電圧値Ｖth1に設定する（ステップＳ６３０）。
【０１８５】
電圧指令値を設定すると、制御部５０のＣＰＵは、各部に駆動信号を出力して（ステップＳ６５０）、本ルーチンを終了する。具体的には、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ６３０で設定した電圧指令値に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ９２に対して駆動信号を出力すると共に、負荷要求に応じた電力が消費されるように、駆動インバータ９３や車両補機に対して駆動信号を出力する。また、上限電圧値Ｖth1に対応する運転ポイントで燃料電池１５が発電可能となるように、燃料電池補機に対して駆動信号を出力する。これにより、駆動モータ９５および補機９４は、所望の駆動状態になる。なお、このとき、ステップＳ６３０で電圧指令値を、電圧Ｖ1よりも低い上限電圧値Ｖth1に設定したことにより、燃料電池１５では、負荷要求に基づいてステップＳ６００で決定された要求発電量よりも多くの発電が行なわれる。要求発電量よりも余分に発電された電力は、２次電池９１の充電に用いられる。
【０１８６】
ステップＳ６２０において、出力電圧Ｖ1が上限電圧値Ｖth1未満であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に対する電圧指令値を、要求発電量を得るための電圧Ｖ1に設定する（ステップＳ６４０）。電圧指令値を設定すると、制御部５０のＣＰＵは、各部に駆動信号を出力して（ステップＳ６５０）、本ルーチンを終了する。具体的には、制御部５０のＣＰＵは、ステップＳ６４０で設定した電圧指令値に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ９２に対して駆動信号を出力すると共に、負荷要求に応じた電力が消費されるように、駆動インバータ９３や車両補機に対して駆動信号を出力する。また、電圧Ｖ1に対応する運転ポイントで燃料電池１５が発電可能となるように、燃料電池補機に対して駆動信号を出力する。これにより、駆動モータ９５および補機９４は、所望の駆動状態になる。
【０１８７】
このような高電位回避制御を行なうことにより、燃料電池の出力電圧を、常に上限電圧値Ｖth1以下に抑えることができ、カソード電位が高くなり過ぎることに起因するカソード形態変化を抑制することができる。本実施例では、上記高電位回避制御を行なう際に、さらに、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇を考慮して、上限電圧値Ｖth1の補正を行なっている。
【０１８８】
図２７は、制御部５０のＣＰＵで実行される高電位回避上限電圧補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の制御部５０のＣＰＵにおいて、燃料電池１５の発電中に、図２６の高電位回避制御処理ルーチンと平行して、繰り返し実行される。
【０１８９】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、最新のアノード触媒表面積低下量が、基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ７００）。このステップＳ７００は、図２３のステップＳ５００と同様の工程である。既述したように、アノード形態変化量（アノード触媒表面積低下量）がある程度小さい内は、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下量（アノード電位上昇量）も小さい。そのため、ステップＳ７００では、アノード電位上昇量に基づく補正が必要なほど、アノード触媒表面積低下量が大きくなったか否かを判断する。
【０１９０】
ステップＳ７００において、最新のアノード形態変化量が基準値以上であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、上記最新のアノード触媒表面積低下量に基づいて、アノード電位上昇量ΔＶanを導出する（ステップＳ７１０）。ここで、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇量ΔＶanは、アノード触媒表面積低下量に応じて単一の値に定まるのではなく、燃料電池１５の出力電流によっても変化する。ステップＳ７１０では、燃料電池１５が定常状態で発電するときの、既述した上限電圧値Ｖth1に対応する出力電流におけるアノード電位上昇量を求める。
【０１９１】
図２８、２９は、燃料電池のＩＶ特性、および、電流とカソード電位との関係を表わす説明図である。図２８では、アノード形態変化が進行する前の、電流とカソード電位との関係を示しており、図２９では、アノード形態変化が進行した後の、電流とカソード電位との関係を示している。制御部５０には、燃料電池１５の出力電圧の上限電圧値としての基準上限電圧値Ｖmaxが記憶されている。図２８に示すように、燃料電池では、燃料電池の構成部材全体が有する抵抗による電圧低下（抵抗過電圧）が生じるため、カソード電位は、燃料電池電圧に対して、上記抵抗による電圧低下分を加算した値となる。上記基準上限電圧値Ｖmaxは、カソードが形態変化を起こさないカソード電位上限値Ｖhに基づいて、上記抵抗による電圧低下分を考慮して、カソード電位が上記カソード電位上限値Ｖhを超えることのない値として、定められている。
【０１９２】
また、制御部５０には、基準上限電圧値Ｖmaxと共に、ＩＶ特性において基準上限電圧値Ｖmaxに対応する基準出力電流Ｉst1が記憶されている。さらに、制御部５０には、燃料電池の出力電流が基準出力電流Ｉst1であるときの、アノード触媒表面積低下量とアノード電位上昇量との関係を表わすマップが記憶されている。このアノード触媒表面積低下量とアノード電位上昇量との関係を表わすマップは、図２１に示したアノード触媒表面積低下量と性能低下量（電圧低下量）との関係を表わすマップと同様のものである。ステップＳ７１０では、このマップを参照して、最新のアノード触媒表面積低下量に基づいて、出力電流が基準出力電流Ｉst1である時のアノード電位上昇量ΔＶanを導出する。
【０１９３】
アノード電位上昇量を導出すると、制御部５０のＣＰＵは、既述した基準上限電圧値Ｖmaxから、ステップＳ７１０で導出したアノード電位上昇量ΔＶanを減算して、上限電圧値Ｖth1に設定して（ステップＳ７２０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ７００において、最新のアノード形態変化量が基準値未満であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、基準上限電圧値Ｖmaxを上限電圧値Ｖth1に設定して（ステップＳ７３０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ７２０とＳ７３０のいずれにおいて上限電圧値Ｖth1が設定された場合であっても、図２６の高電位回避制御処理を実行する際には、図２７の処理で設定された最新の上限電圧値Ｖth1が用いられる。
【０１９４】
このような構成とすれば、アノード形態変化量に起因してアノード電位が上昇しているときには、アノード電位上昇量ΔＶanを基準上限電圧値Ｖmaxから減算して上限電圧値Ｖth1を設定するため、カソードの高電位化を抑制する動作の信頼性を高めることができる。図３０は、アノード形態変化が進行しているときに、図２７のステップＳ７２０で設定した電圧値Ｖth1を用いて、図２６の高電位回避制御処理を行なったときの、燃料電池電圧およびカソード電位の変動の様子の一例を表わす説明図である。図３０において、横軸は、電気自動車９０の走行距離を示す。走行距離に代えて、燃料電池システム１０を起動して電気自動車９０の走行を開始してからの経過時間（運転時間）としても良い。また、図３０において、縦軸は、燃料電池電圧の変動を表わすグラフについての電圧、または、カソード電位の変動を表わすグラフについての電位を示す。
【０１９５】
図３０に示すように、図２７のステップＳ７２０で設定した上限電圧値Ｖth1を用いて高電位回避制御を行なう場合には、負荷要求の変動に伴って燃料電池電圧が変動しても、燃料電池電圧が上限電圧値Ｖth1を超えることがない。そのため、アノード電位が、アノード電位上昇量ΔＶanだけ上昇している場合であっても、カソード電位は、カソード電位上限値Ｖhを超えることがない。図２９に示すように、アノード形態変化が進行しているときには、カソード電位は、燃料電池電圧に対して、抵抗による電圧低下分に加えて、さらに、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇分を加算した値となる。上記したように、基準上限電圧値Ｖmaxからアノード電位上昇量ΔＶanを減算して、上限電圧値Ｖth1を設定しているため、カソード電位がカソード電位上限値Ｖhを超えて上昇することを抑えることができる。そのため、カソードの高電位化に起因するカソード形態変化を抑制することができる。
【０１９６】
これに対して、図３１は、アノード形態変化が進行したときに、図２７の高電位回避上限電圧補正処理を行なうことなく、常に基準上限電圧値Ｖmaxを上限電圧値Ｖth1として用いて図２６の高電位回避制御処理を実行したときの、燃料電池電圧およびカソード電位の変動の様子の一例を表わす説明図である。このような制御を行なう場合には、燃料電池電圧は、基準上限電圧値Ｖmaxを超えることがない。しかしながら、アノード電位が、アノード電位上昇量ΔＶanだけ上昇しているため、カソード電位は、（Ｖmax＋ΔＶan）となり、カソードが形態変化を起こす際の電位Ｖhを超える場合が生じる。上記のように、高電位回避制御処理を行なう際の上限電圧値Ｖth1を、アノード電位上昇量ΔＶanに基づいて補正することにより、アノード形態変化が進行しても、カソードにおける過剰な電位上昇を抑制する状態を維持することができる。
【０１９７】
なお、上記した説明では、負荷要求を満たすための電力を全て燃料電池１５によって発電することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、負荷要求を満たすための電力の一部を、２次電池９１を用いて賄うこととしても良い。このような場合であっても、燃料電池電圧を上限電圧値Ｖth1以下に抑えるように発電制御することで、カソード電位上昇に起因するカソード形態変化を抑制できる。このとき、アノード電位上昇量ΔＶanを考慮して上限電圧値Ｖth1を補正することにより、カソード電位の過剰な上昇を抑制する動作を適正化することができる。
【０１９８】
Ｈ−４．水素欠乏運転回避のための下限電圧値の補正：
燃料電池電圧に基づく運転制御の他の例として、セル電圧に基づく水素欠乏運転回避制御を挙げることができる。既述したように、燃料電池の発電中には、例えばセル内燃料ガス流路において凝縮水が滞留することによってアノードに供給される水素量が不足すると、水素不足を起こした単セルが負電圧となり、当該水素不足を起こした単セルにおいてアノード電位上昇およびアノード形態変化が起こる。そのため、このような不都合を抑制するためには、水素不足に起因する電圧低下が検出されたときに、水素が不足した状態での発電継続を回避するための水素欠運転回避制御を実行すれば良い。以下に、アノード電位上昇を考慮して水素欠運転回避の処理を行なう構成を、第１３実施例として説明する。
【０１９９】
図３２は、水素欠運転回避制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の制御部５０のＣＰＵにおいて、燃料電池１５の発電中に、繰り返し実行される。
【０２００】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、電圧センサ５２から、燃料電池１５を構成する個々の単セル７０の電圧を取得する（ステップＳ８００）。そして、各単セル７０の中に、電圧が下限電圧値Ｖth2を下回る単セルが存在するか否かを判断する（ステップＳ８１０）。下限電圧値Ｖth2とは、単セルの電圧がこれ以上低下すると、水素欠乏状態が許容できない程度に進行したと判断するための基準値として、予め設定した負の値である。
【０２０１】
ステップＳ８１０において、電圧が下限電圧値Ｖth2を下回る単セルが存在すると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、水素不足解消処理を実行して（ステップＳ８２０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ８２０で実行する水素不足解消処理としては、例えば、燃料ガス流量を増加させる処理を挙げることができる。燃料ガス流量を増加させる処理とは、具体的には、例えば燃料電池システム１０において、水素循環ポンプ４４の駆動量を増加させる処理を行なえば良い。あるいは、パージ弁４６の開弁１回当たりの開弁時間を長くする、あるいは、開弁間隔を短くする、等により、単位時間当たりの開弁時間を長くする処理を行なえばよい。このような処理を行なって、燃料ガス流量を増加させることにより、セル内燃料ガス流路に滞留する液水を吹き飛ばして除去し、水素欠乏状態を解消することが可能になる。
【０２０２】
ステップＳ８１０において、電圧が下限電圧値Ｖth2を下回る単セルが存在しない場合には、制御部５０のＣＰＵは、解消すべき水素欠乏状態が生じていないと判断して、本ルーチンを終了する。
【０２０３】
このような水素欠運転回避制御制御を行なうことにより、燃料電池において水素欠乏に起因する電圧低下（転極）が起こっても、直ちに水素欠乏を解消する処理を実行するため、手水素欠乏による転極に起因する燃料電池発電効率の低下を抑えることができる。このような高電位回避制御を行なう際に、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇を考慮して、下限電圧値Ｖth2の補正を行なうならば、水素不足解消処理を実行することに起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
【０２０４】
図３３は、本実施例の制御部５０のＣＰＵで実行される水素不足回避下限電圧補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の制御部５０のＣＰＵにおいて、燃料電池１５の発電中に、図３２の水素欠運転回避制御処理ルーチンと平行して、繰り返し実行される。
【０２０５】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、最新のアノード触媒表面積低下量が、基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ９００）。このステップＳ７００は、図２３のステップＳ５００と同様の工程である。既述したように、アノード形態変化量（アノード触媒表面積低下量）がある程度小さい内は、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下量（アノード電位上昇量）も小さい。そのため、ステップＳ９００では、アノード電位上昇量に基づく補正が必要なほど、アノード触媒表面積低下量が大きくなったか否かを判断する。
【０２０６】
ステップＳ９００において、最新のアノード形態変化量が基準値以上であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、上記最新のアノード触媒表面積低下量に基づいて、アノード電位上昇量ΔＶanを導出する（ステップＳ９１０）。既述したように、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇量ΔＶanは、アノード触媒表面積低下量と共に、燃料電池の出力電流によって定まる。制御部５０においては、アノード触媒表面積低下量と燃料電池の電流とをパラメータとしてアノード電位上昇量ΔＶanを求めるためのマップが記憶されており、ステップＳ９１０では、最新のアノード触媒表面積低下量と、現在の出力電流値に基づいて、上記マップを参照して、アノード電位上昇量ΔＶanを導出する。
【０２０７】
アノード電位上昇量を導出すると、制御部５０のＣＰＵは、基準下限電圧値Ｖminから、ステップＳ９１０で導出したアノード電位上昇量ΔＶanを減算した値を、下限電圧値Ｖth2に設定して（ステップＳ９２０）、本ルーチンを終了する。ここで、基準下限電圧値Ｖminとは、アノード形態変化が進行していない初期（製造当初）の燃料電池において、下限電圧値Ｖth2、すなわち、水素欠乏状態が許容できる範囲であるか否かを判断するための値として、予め設定して制御部５０に記憶した負の値である。
【０２０８】
ステップＳ９００において、最新のアノード形態変化量が基準値未満であると判断すると、制御部５０のＣＰＵは、基準下限電圧値Ｖminを下限電圧値Ｖth2に設定して（ステップＳ９３０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ９２０とＳ９３０のいずれにおいて下限電圧値Ｖth2が設定された場合であっても、図３２の水素欠回避運転回避制御処理を実行する際には、図３３の処理で設定された最新の下限電圧値Ｖth2が用いられる。
【０２０９】
このような構成とすれば、アノード形態変化量に起因してアノード電位が上昇しているときには、アノード電位上昇量ΔＶanを基準下限電圧値Ｖminから減算して下限電圧値Ｖth2を設定するため、水素不足の状態で発電を継続することを充分に抑制しつつ、水素欠運転回避の制御に起因する燃料電池システム効率の低下を抑制できる。アノード形態変化が進行しているときには、アノード電位が上昇することにより、水素不足により燃料電池が負電圧になる際に、アノード形態変化前と水素欠乏状態が同程度であっても、電圧は、アノード電位上昇量ΔＶanだけ低くなる。したがって、下限電圧値Ｖth2を、基準下限電圧値Ｖminからアノード電位上昇量ΔＶanを減算した値に設定しても、アノード形態変化前に判断の基準としていた水素欠乏状態と同等の水素欠乏状態に達したときに、水素欠運転回避制御を行なうことができる。
【０２１０】
さらに、アノード形態変化が進行したときには、下限電圧値Ｖth2を、より低く補正することによって、水素不足解消処理を行なわない期間をより長く確保することができ、水素不足解消処理を行なうことに起因する燃料電池システム効率の低下を抑制できる。具体的には、水素不足解消処理として、水素循環ポンプ４４の駆動量を増加させる処理を行なう場合には、水素循環ポンプ４４が消費するエネルギが増加することにより、燃料電池システムにおけるエネルギ効率が低下する。また、水素不足解消処理として、パージ弁４６における単位時間当たりの開弁時間を長くする処理を行なう場合には、システム外部に排出される水素量が増加することにより、燃料電池システムにおける燃料の利用効率が低下する。したがって、水素不足解消処理のタイミングを遅らせることにより、水素不足解消処理を行なうことにより引き起こされる、上記したシステム効率の低下を抑制できる。
【０２１１】
Ｈ−５．制御変更による効果：
以上説明したように、アノード形態変化量が増加して、電池性能が低下（アノード電位が上昇）したときに、アノード形態変化量に基づいて燃料電池の発電に係る制御を変更することで、制御の更なる適正化を図ることができる。また、アノード形態変化量が増加して、燃料電池の性能低下が起こり得る場合であっても、より長く燃料電池性能を高い状態で維持することが可能になる。
【０２１２】
さらに、上記のように、アノード形態変化が進行しても燃料電池性能をより長く高い状態に維持できることにより、アノードが備える触媒金属量を、従来よりも削減可能になるという効果を奏する。
【０２１３】
燃料電池において、カソードは、システム停止時に燃料電池内部で既述した内部電池が形成されることに伴う高電位化が起こる他、燃料電池の発電中であっても、低出力時には望ましくない程度に高電位になることもあり、カソードの高電位化に起因するカソード形態変化が生じ易かった。また、カソードにおける電極活物質である酸素は、アノードにおける電極活物質である水素に比べて反応速度が遅く、さらに、酸化ガスとして用いる空気中における酸素濃度が比較的低いため、従来、カソードは、充分な触媒金属を備えるように含有する触媒金属量が設定されてきた。
【０２１４】
これに対してアノードは、酸素よりも反応速度が速い水素を電極活物質として供給されており、また、燃料ガス中の水素濃度は一般に空気中の酸素濃度よりも高い。そのため、アノードでは、燃料電池性能を低下させることなく、カソードに比べて触媒金属量を削減することができる。そして、従来から、アノードにおける触媒金属量は、カソードに比べて一般に抑えられて設定されてきた。しかしながら、従来は、電極の触媒金属量を設定する際には、触媒金属量をより多く必要とするカソードにおいて、どのくらい触媒金属量を抑えることができるかに注意が向けられており、カソードよりも触媒金属量が少なくて済むアノードにおける触媒金属量については、充分な検討がされてこなかった。
【０２１５】
上記のように、アノードでは、カソードに比べて触媒金属量を抑制できるが、燃料電池を広く普及させるための更なるコストダウンを行なうためには、アノードにおける触媒金属量も、電池性能を維持可能な範囲で、充分に抑制することが望ましい。既述したアノード形態変化に起因するアノード電位上昇が起こっても、アノードが備える触媒金属量が充分に多ければ、燃料電池の性能が実用上問題になるほど低下するまでには、極めて長い期間を要すると考えられる。しかしながら、アノードにおける触媒金属量を削減しようとすると、燃料電池システムを長期に亘って使用する間に、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇による性能低下が無視できないものとなり得る。
【０２１６】
第１０ないし第１３実施例のように、アノード形態変化がある程度進行したときには、アノード形態変化の程度に応じて制御変更することにより、アノード形態変化が進行しても、より長く燃料電池の性能を高い状態に維持することができる。そのため、このような制御を行なうこととすれば、アノードにおける触媒金属量を削減しても、燃料電池の性能を低下させることなく、燃料電池を長期に亘って使用することが可能になる。
【０２１７】
Ｉ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０２１８】
Ｉ１．変形例１：
既述した実施例では、アノード電位上昇情報に基づいて、今回の発電停止に起因して進行したアノード形態変化量を導出し、今回進行したアノード形態変化量を、記憶しておいたアノード形態変化量に加算して、最新のアノード形態変化量を導出しているが、さらに、実測によって、記憶しているアノード形態変化量を補正しても良い。例えば、燃料電池システム１０を搭載する電気自動車９０の点検時など、燃料電池システムの使用の態様に応じた適当なタイミングで、例えばサイクリックボルタンメトリ特性を用いることにより、アノード触媒表面積を実測することができる。このように、アノード触媒表面積を実測して、実施例のように推定に基づいて積算したアノード触媒表面積を補正するならば、長期に亘って燃料電池システムを使用する際の、アノード触媒表面積低下量に基づく制御の信頼性を高めることができる。
【０２１９】
Ｉ２．変形例２：
実施例では、燃料電池１５は、固体高分子形燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池としても良い。燃料電池の発電停止後に、セル内燃料ガス流路へと酸素が流入して、アノード電位上昇が生じる燃料電池であれば、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０２２０】
１０，１１０，２１０…燃料電池システム
１５…燃料電池
２０…水素タンク
２２…水素供給流路
２４…水素排出流路
２５…接続流路
３０…コンプレッサ
３２…空気供給流路
３４…空気排出流路
４０…水素遮断弁
４２…可変調圧弁
４４…水素循環ポンプ
４６…パージ弁
５０…制御部
５１…負荷接続部
５２…電圧センサ
５６…配線
５７…負荷
６０…冷媒循環ポンプ
６１…ラジエータ
６２…冷媒流路
６３…冷媒温度センサ
７０…単セル
７１…ＭＥＡ
７２，７３…ガス拡散層
７４，７５…ガスセパレータ
７６…エンドプレート
７８…集電板
８１，８２，８３，８４，８５，８６…孔部
８７…凹部
８８，８９…溝
９０…電気自動車
９２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９３…駆動インバータ
９４…補機
９５…駆動モータ
９８…出力軸
９９…車両駆動軸
１３６…パージ流路
１３７，１３８，２３８…開閉弁
２３６…パージ流路
２３９…窒素タンク
【図１】
2012017474.tif 000003
【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】
2012017474.tif 000009
【図８】
2012017474.tif 000010
【図９】
2012017474.tif 000011
【図１０】
2012017474.tif 000012
【図１１】
2012017474.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2012017474.tif 000015
【図１４】
2012017474.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
2012017474.tif 000032
【図３１】
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【図３２】
2012017474.tif 000034
【図３３】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月21日(2012.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池のアノ−ドに対して水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、前記燃料電池のカソ−ドに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する、発電時ガス供給部と、
前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止の後に、前記燃料電池のアノ−ド電位上昇の状態を示す情報であるアノ−ド電位上昇情報であって、前記燃料電池の発電停止回数に係る情報を含むアノード電位上昇情報を取得するアノ−ド電位上昇情報取得部と、
前記発電停止回数に係る情報と、前記アノ−ドが備える触媒金属の形態変化の程度であるアノード形態変化量と、の関係を予め記憶する第１の記憶部と、
前記発電停止回数に係る情報と前記第１の記憶部に記憶した前記関係とを参照して前記アノード形態変化量を導出するアノード形態変化量導出部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記アノ−ド電位上昇情報取得部が取得する前記アノード電位上昇情報は、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が、１回起こったことを示す情報である
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の電圧を取得する電圧取得部を備え、
前記燃料電池の停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記電圧取得部が取得した電圧の変動パタ−ンに基づいて生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記電圧の変動パターンは、前記燃料電池の発電停止後に、前記電圧取得部が取得した電圧が、低下の状態から上昇に転じ、その後、再び低下に転じるパターンである
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を取得する経過時間取得部を備え、
前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記経過時間取得部が取得した前記経過時間が、アノード形態変化の進行状態に基づいて定められる第１の基準時間が経過したときに生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記第１の基準時間は、前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇して安定するまでに要する時間である
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記第１の基準時間は、前記燃料電池の発電停止後に進行するアノード形態変化の反応が停止するまでに要する時間である
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池内のアノード上に形成される前記燃料ガスの流路における酸素分圧を導出する酸素分圧導出部を備え、
前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記酸素分圧導出部が導出した前記酸素分圧が、予め定めた基準分圧を超えたときに生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報は、前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止を伴う前記燃料電池の発電停止処理が実行されたときに生成される情報である
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記発電停止処理は、前記燃料電池内の燃料ガスの流路に対して空気を供給するエアパージ処理である
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項２ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を記憶するアノード形態変化量記憶部を備え、
前記アノード形態変化量導出部は、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量として導出される値を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出する
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部を備え、
前記アノード形態変化量導出部は、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量を、前記燃料電池の温度に基づいて導出する
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記アノード電位上昇情報取得部は、
前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が、前記燃料電池の再起動によって中断されることなく進行したと判断する場合には、第１のアノード電位上昇情報として、前記燃料電池の発電停止後におけるアノ−ド電位上昇が１回起こったことを示す情報を取得し、
前記燃料電池の発電停止後に、アノード電位が上昇することによるアノード形態変化が進行している途中で、前記燃料電池の再起動がなされたと判断する場合には、第２のアノード電位上昇情報として、前記燃料電池の再起動までに進行したアノード形態変化量を示す値を取得する
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池システムであって、
前記アノード電位上昇情報取得部は、
前記燃料電池の発電停止後に、前記燃料電池の再起動が無い状態で、アノード形態変化の進行状態に基づいて定められる第１の基準時間が経過したときに、前記第１のアノード電位上昇情報を取得し、
前記燃料電池の発電停止後に、アノード形態変化の進行状態に基づいて前記第１の基準時間よりも早いタイミングで設定された第２の基準時間が経過したときであって、前記第１の基準時間が経過する前に、前記燃料電池再起動がなされたときに、前記燃料電池の再起動がなされた時間に係る情報を、前記第２のアノード電位上昇情報として取得する
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を記憶するアノード形態変化量記憶部と、
前記第２のアノード電位上昇情報と前記アノード形態変化量との関係を予め記憶する第２の記憶部と、
を備え、
前記アノード形態変化量導出部は、
前記第１のアノード電位上昇情報を取得したときには、前記燃料電池の発電停止が１回行なわれることにより、アノ−ド電位上昇に伴って進行するアノード形態変化の量として導出される値を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出し、
前記第２のアノード電位上昇情報を取得したときには、前記アノード電位上昇情報取得部が取得した前記第２のアノード電位上昇情報と、前記第２の記憶部に記憶した前記関係とを参照して、前記燃料電池が発電停止してから再起動するまでに進行したアノード形態変化量を導出し、導出したアノード形態変化量を、前回前記アノード電位上昇情報を取得した際に前記アノード形態変化量記憶部に記憶した前記アノード形態変化量に加算することにより、前記アノード形態変化量を導出する
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電中に、前記燃料電池を構成する単セルであって、水素不足に起因する負電圧となった単セルを検出すると共に、該負電圧となった単セルの発電条件を検知する負電圧単セル検知部と、
単セルが負電圧になったときの発電条件とアノード形態変化量との関係を予め記憶する第３の記憶部と、
前記負電圧単セル検知部が検知した前記発電条件と前記第３の記憶部に記憶した前記関係とを参照して、前記負電圧になった単セルにおけるアノード形態変化量を導出する負電圧時アノード形態変化量導出部と、
前記負電圧時アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量を、前記単セルごとに積算して、水素不足に起因する負電圧により進行したアノード形態変化量である発電時アノード形態変化量を導出する発電時アノード形態変化量導出部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１ないし１６いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電時に、前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するように、前記発電時ガス供給部による前記アノードに対する前記燃料ガスの供給に係る燃料ガス供給制御を変更する電圧低下抑制部を備える
燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１６記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の発電時に、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するように、前記発電時ガス供給部による前記アノードに対する前記燃料ガスの供給に係る燃料ガス供給制御を変更する電圧低下抑制部を備え、
前記電圧低下抑制部は、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量が第１の基準値以上である場合には、前記アノード形態変化量に基づいて、前記燃料ガス供給制御を変更し、
前記アノード形態変化量導出部が導出した前記アノード形態変化量が前記第１の基準値未満の場合であって、前記発電時アノード形態変化量導出部が導出した前記発電時アノード形態変化量が第２の基準値を超える単セルが存在する場合には、前記発電時アノード形態変化量が前記第２の基準値を超える単セルの電圧が基準電圧よりも低くなったときに、前記燃料ガス供給制御を変更する
燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１７または１８記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの圧力上昇を行なう
燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１７または１８記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの流量増加を行なう
燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１７または１８記載の燃料電池システムであって、
前記電圧低下抑制部は、アノード形態変化に起因する電圧低下を抑制するための前記燃料ガス供給制御の変更として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの加湿量増加を行なう
燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１ないし２１いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力電圧が、上限電圧を超えないように、前記燃料電池の発電状態を制御する高電位回避制御部と、
前記アノード形態変化量導出部が導出したアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する前記アノードの電位上昇量を導出するアノード電位上昇量導出部と、
前記上限電圧のために予め設定された基準上限電圧から、前記アノード電位上昇量導出部が導出した前記アノードの電位上昇量を減算した値を、前記上限電圧として設定する上限電圧設定部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項１ないし２２いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードに対する供給水素量の不足に起因して前記燃料電池の電圧が下限電圧以下になったときに、水素が不足した状態での発電継続を回避するための水素欠運転回避制御を実行する水素欠運転回避制御部と、
前記アノード形態変化量導出部が導出したアノード形態変化量に基づいて、アノード形態変化に起因する前記アノードの電位上昇量を導出するアノード電位上昇量導出部と、
前記下限電圧のために予め設定された基準下限電圧から、前記アノード電位上昇量導出部が導出した前記アノードの電位上昇量を減算した値を、前記下限電圧として設定する下限電圧設定部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項２３記載の燃料電池システムであって、
前記水素欠運転回避制御部は、前記水素欠運転回避制御として、前記アノードに供給する前記燃料ガスの流量を増加させる制御を行なう
燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
第１の形態の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池のアノ−ドに対して水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、前記燃料電池のカソ−ドに対して酸素を含有する酸化ガスを供給する、発電時ガス供給部と、
前記発電時ガス供給部による前記燃料ガスおよび前記酸化ガスの供給停止の後に、前記燃料電池のアノ−ド電位上昇の状態を示す情報であるアノ−ド電位上昇情報であって、前記燃料電池の発電停止回数に係る情報を含むアノード電位上昇情報を取得するアノ−ド電位上昇情報取得部と、
前記発電停止回数に係る情報と、前記アノ−ドが備える触媒金属の形態変化の程度であるアノード形態変化量と、の関係を予め記憶する第１の記憶部と、
前記発電停止回数に係る情報と前記第１の記憶部に記憶した前記関係とを参照して前記アノード形態変化量を導出するアノード形態変化量導出部と
を備える燃料電池システム。
第１の形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止回数に係る情報を含むアノード電位上昇情報の取得を行なうため、アノード電位を直接検出する場合よりも容易に、燃料電池の発電停止に伴うアノード電位の上昇を検出することができる。また、上記した発電停止回数に係る情報とアノード形態変化量との関係を予め記憶し、発電停止回数に係る情報と記憶した上記関係とを参照してアノード形態変化量を導出するため、アノード形態変化量を直接検出する必要が無く、容易かつ簡便に、アノード形態変化量を知ることが可能になる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
ステップＳ２４０において、電圧変化量ΔＶFCが第２の基準値ΔＶst2より小さいと判断すると、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う発電停止が１回行なわれたと判断して（ステップＳ２５０）、本ルーチンを終了する。このとき、図６のアノード形態変化量導出処理ルーチンのステップＳ１００では、制御部５０のＣＰＵは、アノード電位上昇を伴う燃料電池の発電停止が１回行なわれたというアノード電位上昇情報を取得したと判断する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３５】
ステップＳ４２０において、燃料電池１５の発電開始をすべきであると判断したときには、制御部５０のＣＰＵは、発電開始すべきと判断したときの経過時間Ｔpas1を、アノード電位上昇情報として取得して（ステップＳ４２５）、本ルーチンを終了する。上記経過時間Ｔpas1において発電開始をすべきであると判断された後には、燃料電池１５では、発電を開始するための一連の処理が実行され、発電時ガス供給部による燃料ガスおよび酸化ガスの供給が開始される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０３】
このような水素欠運転回避制御を行なうことにより、燃料電池において水素欠乏に起因する電圧低下（転極）が起こっても、直ちに水素欠乏を解消する処理を実行するため、手水素欠乏による転極に起因する燃料電池発電効率の低下を抑えることができる。このような水素欠運転回避制御を行なう際に、アノード形態変化に起因するアノード電位上昇を考慮して、下限電圧値Ｖth2の補正を行なうならば、水素不足解消処理を実行することに起因するシステム効率の低下を抑制することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０５】
本ルーチンが起動されると、制御部５０のＣＰＵは、最新のアノード触媒表面積低下量が、基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ９００）。このステップＳ９００は、図２３のステップＳ５００と同様の工程である。既述したように、アノード形態変化量（アノード触媒表面積低下量）がある程度小さい内は、アノード形態変化に起因する燃料電池の電圧低下量（アノード電位上昇量）も小さい。そのため、ステップＳ９００では、アノード電位上昇量に基づく補正が必要なほど、アノード触媒表面積低下量が大きくなったか否かを判断する。
【国際調査報告】
2012017474.tif 000036
2012017474.tif 000037
2012017474.tif 000038
2012017474.tif 000039