(57)【要約】【課題】電圧測定の精度を向上させる技術を提供するとともに、精度の高い電圧測定によって、燃料電池の劣化を抑制できる技術を提供する。【解決手段】電圧測定装置２００の増幅部２１０は、入力値と出力値とが１体１に対応している所定の関係を用いて計測値を増幅して出力する。所定の関係は、入力値に対する出力値の変化が、測定対象となる電圧領域において、高電圧側の領域よりも低電圧側の領域の方が急峻である。この電圧測定装置２００を用いて、燃料電池１００の各単セル１０ごとの電圧を測定することにより、発電性能が低下している単セル１０を容易に検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧測定装置であって、
電圧を計測する計測部と、
入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測部が取得した計測値を増幅して出力する増幅部と、
を備え、
前記計測部の計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、
前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、電圧測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の電圧測定装置であって、
前記計測部は、複数の発電体が直列に積層された燃料電池に接続され、前記複数の発電体ごとに電圧を計測する、電圧測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電圧測定装置であって、さらに、
前記計測部が取得する計測値をオフセットするための電圧印加部を備え、
前記電圧印加部は、前記計測値をオフセットしたオフセット値を前記増幅部に出力する、電圧測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電圧測定装置であって、
前記増幅部は、前記電圧印加部からの出力を増幅するログアンプを有する、電圧測定装置。
【請求項５】
燃料電池システムであって、
複数の発電体が直列に積層された燃料電池と、
請求項２または請求項２に従属する請求項３若しくは請求項４のいずれか一項に記載の電圧測定装置と、
前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電圧測定装置からの出力値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する検出処理を実行し、前記検出処理において、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を低減する処理を実行する、燃料電池システム。
【請求項６】
電圧を測定する方法であって、
（ａ）電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、
前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、方法。
【請求項７】
複数の発電体が直列に積層された燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記複数の発電体のそれぞれの電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
（ｃ）増幅された前記電圧の計測値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する工程と、
（ｄ）前記低電圧発電体が検出されたときに、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を軽減させるための処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、
前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムをはじめとする電気システムにおける電圧測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を含む複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。燃料電池では、一部の単セルの発電性能が低下した状態で運転が継続されると、当該一部の単セルの電解質膜などの構成部材が不可逆的なダメージを受けてしまう場合がある。そこで、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の電圧を測定することによって、燃料電池の異常を検出する技術が提案されている（下記特許文献１等）。
【０００３】
ところで、上記のような一部の単セルの発電性能の低下を早期かつ確実に検出するためには、燃料電池の電圧の低下をより高い精度で検出することが望ましい。しかし、これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。なお、電圧の低下をより高い精度で検出することは、燃料電池システムに限らず、電気を利用する電気システムにおいて共通する課題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０９８０７６号公報
【特許文献２】特開平７−３１８５３０号公報
【特許文献３】特開平８−０８８９４０号公報
【特許文献４】特開２００８−０８５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、電圧測定の精度を向上させる技術を提供するとともに、精度の高い電圧測定によって、燃料電池の劣化を抑制できる技術を提供することを目的とする。
【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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
電圧測定装置であって、電圧を計測する計測部と、入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測部が取得した計測値を増幅して出力する増幅部と、を備え、前記計測部の計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、入力値に対する出力値の変化が、高電圧領域よりも低電圧領域の方が急峻であるため、計測対象範囲の全範囲において、低電圧側の領域における電圧の測定精度を向上させることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の電圧測定装置であって、前記計測部は、複数の発電体が直列に積層された燃料電池に接続され、前記複数の発電体ごとに電圧を計測する、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、燃料電池において、低電圧を出力している発電体の検出が容易となる。従って、低電圧を出力している発電体の負荷を低減させるための処理を迅速に実行することが可能となり、燃料電池の劣化を抑制できる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の電圧測定装置であって、さらに、前記計測部が取得する計測値をオフセットするための電圧印加部を備え、前記電圧印加部は、前記計測値をオフセットしたオフセット値を前記増幅部に出力する、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、計測値を、電圧印加部によってオフセットすることにより、適切な入力値に変換した上で増幅部に入力できる。従って、電圧の測定精度を容易に向上させることができる。
【００１０】
［適用例４］
適用例３に記載の電圧測定装置であって、前記増幅部は、前記電圧印加部からの出力を増幅するログアンプを有する、電圧測定装置。
この電圧測定装置によれば、増幅部をログアンプによって容易に構成することができる。
【００１１】
［適用例５］
燃料電池システムであって、複数の発電体が直列に積層された燃料電池と、適用例２または適用例２を引用する適用例３若しくは適用例４のいずれか一つに記載の電圧測定装置と、前記燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記電圧測定装置からの出力値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する検出処理を実行し、前記検出処理において、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を低減する処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、電圧測定装置により、発電能力が低下している発電体を早期かつ確実に検出することができ、発電体に対する負荷を低減するための処理によって、発電体が不可逆的なダメージを受けることを回避できる。従って、燃料電池の劣化を抑制できる。
【００１２】
［適用例６］
電圧を測定する方法であって、
（ａ）電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、方法。
【００１３】
［適用例７］
複数の発電体が直列に積層された燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記複数の発電体のそれぞれの電圧を計測する工程と、
（ｂ）入力値と出力値とが１対１に対応している所定の関係を用いて前記計測値を増幅して出力する工程と、
（ｃ）増幅された前記電圧の計測値が予め設定された閾値よりも低下している低電圧発電体を検出する工程と、
（ｄ）前記低電圧発電体が検出されたときに、前記低電圧発電体を検出したときに、前記燃料電池に対する負荷を軽減させるための処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ａ）において、計測対象となる電圧領域には、全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域と、全範囲のうちの高電圧側の領域である高電圧領域とが含まれ、前記所定の関係は、前記入力値に対する前記出力値の変化が、前記高電圧領域よりも前記低電圧領域の方が急峻である、制御方法。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、電圧測定装置や、電圧測定装置の制御方法、その装置の機能を実現するためのコンピュータプログラムや、その制御方法を実行するコンピュータプログラム、それらのコンピュータプログラムが記録された記録媒体等の形態で実現することができる。また、その電圧測定装置を備えた燃料電池システムをはじめとする電気システムや、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施例における電圧測定装置の構成を示す概略図。
【図２】第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための説明図。
【図３】第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための説明図。
【図４】第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための説明図。
【図５】第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を示す概略図。
【図６】第１実施例における電圧測定装置の他の構成例を示す概略図。
【図７】第２実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図８】第２実施例における燃料電池システムの運転開始時に実行される燃料電池の起動処理の処理手順を示すフローチャート。
【図９】第２実施例の燃料電池システムにおける燃料電池の暖機運転を説明するための説明図。
【図１０】第２実施例の燃料電池システムの通常の運転時における処理手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
A．第１実施例：
図１（Ａ）は本発明の一実施例としての電圧測定装置の構成を示す概略図である。この電圧測定装置２００は、燃料電池１００に接続され、燃料電池１００の出力する電圧を後述する単セル１０ごとに測定する。ここで、燃料電池１００は、発電モジュールであるｎ（ｎは自然数）個の単セル１０が積層されたスタック構造を有する固体高分子型燃料電池である。単セル１０は、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１を両側から狭持するアノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１３とを備える発電モジュールである。
【００１７】
アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１３は、導電性の板状部材によって構成され、膜電極接合体１１において発電された電気を集電する機能を有する。なお、これら２枚のセパレータ１２，１３には、膜電極接合体１１の各電極に反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）を供給するための流路や、膜電極接合体１１の発電部を冷却するための冷媒の流路が形成されているが、その図示および説明は省略する。
【００１８】
電圧測定装置２００は、計測対象と接続される端子側がｎ本に分岐した陽極側端子コード２１１と陰極側端子コード２１２とを備える。２つの端子コード２１１，２１２の分岐した側の接続端子は、ｎ個の単セル１０のそれぞれのカソードセパレータ１３およびアノードセパレータ１２に接続されている。２つの端子コード２１１，２１２にはそれぞれ、計測対象となる単セル１０を切り替えるための開閉スイッチ２１５が、ｎ個の単セル１０ごとに設けられている。
【００１９】
ここで、電圧測定装置２００は、切替制御部２０５を備えている。切替制御部２０５は、各単セル１０の陽極側および陰極側に接続された開閉スイッチ２１５を、各単セル１０ごとに閉じて、計測対象である単セル１０を順に切り替える。これにより、電圧測定装置２００は、各単セル１０の電圧を順に測定することができる。
【００２０】
電圧測定装置２００は、さらに、増幅部２１０を備えている。増幅部２１０は、２つの端子コード２１１，２１２と接続されており、入力値と出力値とが１対１に対応している予め設定されたマップ（後述）を用いて電圧の計測値を増幅して出力する。なお、電圧測定装置２００には、各単セル１０ごとの出力結果を格納する記憶部が設けられているものとしても良く、増幅部２１０からの出力値を表示する表示部が設けられているものとしても良い。また、電圧測定装置２００は、増幅部２１０の出力結果を外部機器（図示せず）に送信するものとしても良い。
【００２１】
図１（Ｂ）は、増幅部２１０に設定されているマップを説明するための説明図である。図１（Ｂ）には、増幅部２１０のマップにおける入力値と出力値との対応を示す数直線ＮＬが図示されている。数直線ＮＬには、２つの端子コード２１１，２１２からの電気信号に基づいて得られる入力値である電圧の測定値の０〜１．０Ｖの範囲の目盛りと、入力値と対応させた増幅部２１０の出力値の目盛りが、０〜１５の範囲で付されている。
【００２２】
増幅部２１０のマップは、アナログ回路によって構成されており、例えば、０．２Ｖ，０．４Ｖ，０．６Ｖ，０．８Ｖ，１．０Ｖの入力値に対してそれぞれ、７，１１，１３，１４，１５を出力するように設定されている。即ち、この増幅部２１０では、電圧の計測範囲のうち、０Ｖより大きく、０．６Ｖ以下の比較的低い電圧領域において、電圧の計測値が低いほど高い増幅率で非線形に増幅している。換言すると、０．６Ｖよりも高い電圧領域よりも、０．６Ｖ以下の電圧領域の方が、入力値の変化に対する出力値の変化が急峻になっている。
【００２３】
ここで、一般に、複数の単セルを有する燃料電池では、各単セルに対する反応ガスの配流性の低下などの原因で、一部の単セルの発電性能が低下してしまう場合がある。この状態で燃料電池の発電を継続させると、場合によっては、当該一部の単セルの出力電圧が負電圧にまで低下してしまい、当該単セルに含まれる電解質膜や触媒などの構成部材が不可逆的に劣化してしまう可能性がある。従って、燃料電池では、出力電圧が低下している単セルを早期かつ確実に検出することにより、単セルの劣化を抑制できることが好ましい。
【００２４】
本実施例の電圧測定装置２００によれば、運転中の燃料電池１００における各単セル１０の出力電圧を測定することができる。電圧測定装置２００であれば、上記のように、測定値が０Ｖ〜０．６Ｖの範囲のときに電圧の計測値が低いほど高い増幅率で増幅される。そのため、発電性能が低下して出力電圧が低下している単セル１０（以後、「低電圧セル１０」とも呼ぶ）を高い精度で検出することができる。特に、この電圧測定装置２００であれば、燃料電池１００の各単セル１０が全体として低い電圧（例えば各単セル１０の平均電圧が０．６Ｖ以下となる電圧）で運転している場合に、各単セル１０間の出力電圧の差がより大きく増幅されて検出される。そのため、低電圧セル１０を確実に検出することができる。なお、本実施例の電圧測定装置２００は、以下のように構成することも可能である。
【００２５】
a1.他の構成例１：
図２は、本実施例における電圧測定装置２００の他の構成例を説明するための説明図である。この構成例では、増幅部２１０が、図１（Ｂ）で説明したマップに換えて、グラフＧ３で表される変換関数を用いた演算により、電圧の測定値を増幅する点以外は、上記実施例の電圧測定装置２００と同様な構成である（図１（Ａ））。この構成例における変換関数としては、入力値の値が小さいほど出力値の増幅率が高くなる非線形関数（例えば、対数関数）を用いることができる。
【００２６】
ここで、計測対象である単セル１０の測定電圧が運転時間に対して線形的に高くなる場合を想定する。このときの任意の単セル１０における測定電圧（増幅部２１０に対する入力）の時間変化をグラフＧ１に示す。増幅部２１０は、変換関数に応じて非線形に電圧の測定値を増幅して出力する。そのため、増幅部２１０の出力値の時間変化はグラフＧ２のようになる。即ち、測定電圧が比較的低い運転時間初期の時間帯ほど、増幅部２１０による増幅率が高くなっている。このように、増幅部２１０において、入力値の変化に対する出力値の変化の特性が高電圧側よりも低電圧側の方が急峻となっている変換関数を用いた場合であっても、低電圧セル１０の出力電圧の解析の精度を向上させることができる。
【００２７】
a2.他の構成例２：
図３は、本実施例における電圧測定装置２００の他の構成例を説明するための説明図である。この構成例では、電圧測定装置２００の電圧の計測範囲が負電圧の領域を含む点と、増幅部２１０に設定されたマップが異なる点以外は、上記実施例の電圧測定装置２００と同様な構成（図１（Ａ））である。図３には、増幅部２１０が有するマップを表すグラフＴＦが図示されている。なお、この構成例では、電圧測定装置２００の計測対象範囲が−０．４Ｖ〜１．２Ｖであるものとする。
【００２８】
このグラフＴＦは、入力値と出力値とが１対１に対応しているとともに、入力値に対して出力値が非線形に増幅する上側に凸の曲線グラフである。ここで、入力値ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４（ｘ１＜ｘ２＜ｘ３＜ｘ４）に対して出力値ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４（ｙ１＜ｙ２＜ｙ３＜ｙ４）が出力される場合を想定する。なお、２つ入力値ｘ１，ｘ２の差の絶対値と、２つの入力値ｘ３，ｘ４の差の絶対値とはともに、ｄ（ｄ＞０）であるものとする。即ち、２つの入力値ｘ３，ｘ４はそれぞれ、２つの入力値ｘ１，ｘ２のそれぞれに一定の値を加算した値と等しくなる。
【００２９】
このとき、グラフＴＦで表されるマップにおける入力値と出力値との間の関係は、出力値ｙ１，ｙ２の差の絶対値Ｄ１の方が、出力値ｙ３，ｙ４の差の絶対値Ｄ２より大きくなる関係を有している（Ｄ１＞Ｄ２）。また、このグラフＴＦで表されるマップにおける入力値と出力値との間の関係は、２つの入力値ｘ１，ｘ２の差の絶対値ｄに対する２つの出力値ｙ１，ｙ２の差の絶対値Ｄ１の割合（Ｄ１／ｄ）は、入力値ｘ１の値が小さいほど大きくなる関係を有している。なお、計測対象範囲において、Ｄ１／ｄ，Ｄ２／ｄの値は、１以上であることが好ましい。
【００３０】
このように、この構成例においては、増幅部２１０が有するマップは、負電圧の計測値が入力される場合であっても、高電圧側よりも低電圧側の方が、より入力値の変化に対する出力値の変化が急峻となるように構成されている。従って、この構成例における電圧測定装置２００によれば、負電圧領域を含む計測対象範囲において、低い電圧領域ほど高い精度での電圧測定が可能となる。なお、この構成例の電圧測定装置２００によって、燃料電池１００の各単セル１０の電圧を測定する場合には、グラフＴＦは、０．６Ｖ以下の電圧領域より、０．６Ｖより上側の電圧領域の方が変化が緩やかとなるように調整されていることが好ましい。このように調整することにより、負電圧を含む著しく低い電圧を出力している低電圧セル１０の出力電圧の解析精度を向上させることができる。
【００３１】
a3.他の構成例３：
図４は、本実施例における電圧測定装置２００の他の構成例を説明するための説明図である。図４には、この構成例における増幅部２１０が有するマップを表すグラフＴＦ２が図示されている。なお、この構成例における電圧測定装置２００の他の構成は、図３で説明した他の構成例における構成とほぼ同じである。ただし、この構成例では、電圧の計測対象範囲が、−０．６Ｖ〜１．４Ｖであるものとする。
【００３２】
グラフＴＦ２は、０．６Ｖにおいて曲折する直線グラフであり、０．６Ｖ以下の電圧領域におけるグラフの勾配が、０．６Ｖより上側の電圧領域にけるグラフの勾配より急峻となっている。ここで、４つの入力値ｘ５〜ｘ８（ｘ５＜ｘ６＜ｘ７＜ｘ８）に対して、４つの出力値ｙ５〜ｙ８（ｙ５＜ｙ６＜ｙ７＜ｙ８）が出力される場合を想定する。なお、２つの入力値ｘ５，ｘ６は、０．６Ｖ以下の電圧領域に含まれる電圧の計測値であり、２つの入力値ｘ７，ｘ８は、０．６Ｖより上側の電圧領域に含まれる電圧の計測値であるものとする。また、２つの入力値ｘ５，ｘ６の差の絶対値と、２つの入力値ｘ７，ｘ８の差の絶対値とは、ともにｄ２（ｄ２＞０）であるものとする。このとき、グラフＴＦ２で表されるマップにおける入力値と出力値との間の関係は、出力値ｙ５，ｙ６の差の絶対値Ｄ３の方が、出力値ｙ７，ｙ８の差の絶対値Ｄ４より大きくなる関係を有している（Ｄ３＞Ｄ４）。なお、計測対象範囲において、Ｄ３／ｄ２，Ｄ４／ｄ２の値は、１以上であることが好ましい。
【００３３】
このマップを用いた電圧測定装置２００であれば、計測対象範囲の全範囲において比較的電圧の低い低電圧領域について、比較的電圧の高い高電圧領域よりも、高い測定精度での電圧測定が可能となる。なお、図４の例では、０．６Ｖを境界値として、低電圧領域と高電圧領域とを区分けしていたが、その境界値としては、他の値であっても良い。また、グラフＴＦ２は、更に複数の曲折する点を有しているものとしても良い。
【００３４】
ところで、図１〜図４における説明から、増幅部２１０が有する入力値から出力値への変換を示す変換特性は、上に凸の単調に増加する曲線または折れ線で表現される特性を有していることがわかる。この特性によって、増幅部２１０では、入力値の単位増分に対応する出力値の増分の比が、より高い入力電圧領域に比べて、より低い入力電圧領域の方において、より大きくなるように実行されている。なお、増幅部２１０は、１対１の対応関係を用いて入力値を出力値へと変換する「変換部２１０」と呼ぶことも可能である。
【００３５】
a4.他の構成例４：
図５は、本実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための概略図である。図５（Ａ）は、直流電源２１３が追加されている点以外は、図１（Ａ）とほぼ同じである。また、図５（Ｂ）は、数直線ＮＬの入力値の側にオフセット値が追加されている点以外は、図１（Ｂ）とほぼ同じである。
【００３６】
この電圧測定装置２００ａは、陽極側端子コード２１１に、電圧の測定値を一定量だけ増加（オフセット）させるための直流電源２１３（「電圧印加部２１３」とも呼ぶ）が設けられている。これによって、増幅部２１０に対する入力値は、計測値がプラス側にオフセットされた値（オフセット値）となる。図５（Ｂ）の例では、直流電源２１３によって計測値が＋０．２Ｖだけオフセットされている。これによって、低電圧セル１０が負電圧を出力している場合であっても、その電圧を正電圧へとオフセットさせて増幅させることができ、低電圧セル１０に対する電圧の測定精度を向上させることができる。なお、直流電源２１３の出力電圧は、任意に調整可能であるものとしても良い。これによって、直流電源２１３の出力電圧の調整によって、測定対象範囲全体を任意にオフセットすることができる。
【００３７】
a5.他の構成例５：
図６は、本実施例における電圧測定装置の他の構成例を説明するための概略図である。図６は、電圧測定装置２００ｂに最低セル電圧取得部２２０が追加されている点と、増幅部２１０に換えて増幅部２１０ｂが設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。最低セル電圧取得部２２０は、燃料電池１００に接続された２つの端子コード２１１，２１２に接続されており、各単セル１０の電圧測定値のうち、最小の測定値を増幅部２１０ｂに出力する回路である。
【００３８】
ここで、最低セル電圧取得部２２０は、電圧印加部２１４を有している。電圧印加部２１４は、計測電圧を一定量だけプラス側にオフセットするためのものである。最低セル電圧取得部２２０は、電圧印加部２１４によって、計測値を０Ｖ以上にオフセットした上で、増幅部２１０ｂに出力する。増幅部２１０ｂは、ログアンプを備えており、最低セル電圧取得部２２０からの出力値を対数関数的に増幅して出力する。
【００３９】
この構成例の電圧測定装置２００ｂによれば、燃料電池１００の単セル１０のうち、最低の電圧を出力している単セル１０の電圧値を測定することができる。そのため、低電圧セル１０の検出を容易に実行でき、燃料電池１００の劣化を抑制できる。また、増幅部２１０ｂをログアンプによって簡易に構成することが可能である。なお、電圧測定装置２００ｂは、最低の電圧を出力している単セル１０を特定するための情報を、例えば開閉スイッチ２１５の開閉状態に基づいて取得できるものとしても良い。
【００４０】
このように、本実施例の電圧測定装置２００，２００ａ，２００ｂ（図１〜図６）によれば、計測対象となる電圧領域の全範囲のうちの低電圧側の領域である低電圧領域について、高電圧側の領域である高電圧領域よりも高い精度で、電圧測定が可能となる。従って、燃料電池１００における低電圧セル１０の検出に用いれば、その検出精度を向上させることが可能である。
【００４１】
B．第２実施例：
図７は本発明の第２実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、外部負荷１１００に対して、要求に応じた電力を供給する発電システムである。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、電圧測定装置２００と、酸化ガス供給部３１０と、燃料ガス供給部３２０と、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０と、二次電池４２０と、制御部５００とを備える。
【００４２】
燃料電池１００は、上記第１実施例で説明したものと同様の固体高分子型燃料電池である（図１）。燃料電池１００には、単セル１０の積層方向における２つの端部にそれぞれ、ターミナル１５が設けられている。燃料電池１００は、ターミナル１５に接続された直流電源ラインＤＣＬを介して外部負荷１１００と接続されている。なお、燃料電池１００と外部負荷１１００との間には、ＤＣ／ＡＣインバーターが設けられるものとしても良い。
【００４３】
電圧測定装置２００は、上記第１実施例において説明したものと同様のものであり、運転中の各単セル１０の電圧の測定値を非線形に増幅した出力結果を制御部５００へと送信する。なお、電圧測定装置２００としては、上記第１実施例において、他の構成例（図３〜図６）として説明したものを採用することも可能である。
【００４４】
酸化ガス供給部３１０は、酸化ガス供給配管３１１を介して燃料電池１００に、酸化ガスとして高圧空気を供給する。酸化ガス供給部３１０は、エアコンプレッサや加湿器を備えるものとしても良い。燃料ガス供給部３２０は、燃料ガス供給配管３２１を介して燃料電池１００に、燃料ガスとして水素を供給する。燃料ガス供給部３２０は、例えば、水素タンクを備えるものとしても良い。
【００４５】
ここで、燃料電池１００において反応に供されることのなかった反応ガスを含むカソード側およびアノード側の排ガスはそれぞれ、酸化ガス排出配管３１２または燃料ガス排出配管３２２を介して燃料電池１００の外部へと排出される。なお、燃料電池１００に接続されている反応ガスや排ガスのための配管３１１，３１２，３２１，３２２にはそれぞれ、反応ガスや排ガスの流れを制御するための制御弁が設けられているが、その図示および説明は省略する。
【００４６】
二次電池４２０は、燃料電池１００の補助電源として機能し、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。二次電池４２０としては、例えば、鉛蓄電池や、リチウム二次電池などを採用することができる。ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０は、二次電池４２０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部５００の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。
【００４７】
制御部５００は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピューターとして構成することができる。制御部５００は、外部負荷１１００からの出力要求に応じて、酸化ガス供給部３１０や燃料ガス供給部３２０からの反応ガスの供給量を制御する。また、制御部５００は、外部負荷１１００からの出力要求に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０を制御する。
【００４８】
ここで、この第２実施例の燃料電池システム１０００では、その運転開始時において、燃料電池１００の起動性を向上させるための起動処理を実行し、その起動処理の実行後に、通常の運転を開始する。また、燃料電池システム１０００では、その起動処理や、通常の運転の実行時において、電圧測定装置２００の出力結果を用いて低電圧セル１０を検出する。以下に、起動処理および通常の運転の実行時における制御部５００による具体的な制御手順を説明する。
【００４９】
図８は、燃料電池システム１０００の運転開始時に実行される燃料電池１００の起動処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１０では、制御部５００は、燃料電池１００の暖機運転を開始する。ここで、「燃料電池１００の暖機運転」とは、燃料電池１００の運転温度を急速に高くするために、燃料電池１００の発熱量が、その出力電力量に比して高くなるように、電力損失の高い発電を行う運転を意味する。より具体的には、制御部５００は以下のように燃料電池１００を運転する。
【００５０】
図９は、燃料電池１００の暖機運転の実行時における燃料電池１００の電流−電圧特性（発電特性）を示すグラフである。図９のグラフには、暖機運転の実行時における燃料電池１００の発電特性を示すグラフＧｌｅとともに、後述する通常の運転時における燃料電池１００の発電特性を示すグラフＧｓｔが図示されている。
【００５１】
制御部５００は、燃料電池１００の暖機運転の実行時には、通常の運転時よりも燃料電池１００に供給される酸化ガスのストイキ比を低下させる。ここで、「酸化ガスのストイキ比」とは、燃料電池１００の発電量に対する理論的な酸化ガスの消費量と、実際に供給されている酸化ガスのガス量との比を意味する。即ち、酸化ガスのストイキ比が１に近いほど、酸化ガスの供給量が、所望の発電量を得るのに必要な最小限の酸化ガス供給量に近くなる。具体的には、制御部５００は、通常の運転時において供給される酸化ガスのストイキ比が２．０以上である場合には、暖機運転の実行時における酸化ガスのストイキ比は１．１〜０．９程度となるように制御するものとしても良い。
【００５２】
このように、酸化ガスのストイキ比のレベルを通常の運転よりも低下させた状態で燃料電池１００を運転することにより、グラフＧｌｅに示すような電力損失が通常の運転時よりも大きい低効率な発電となる。従って、この暖機運転実行時には、燃料電池１００における発熱量を増大させることができる。
【００５３】
ステップＳ２０では、制御部５００は、電圧測定装置２００の出力値が予め設定された閾値よりも低い低電圧セル１０を検出する。低電圧セル１０が検出された場合には、制御部５００は、ステップＳ２５において、低電圧セル１０の負荷を低減するために、酸化ガスのストイキ比を上昇させて暖機運転を継続する。制御部５００は、予め設定された運転時間だけ燃料電池１００の暖機運転を継続させた後、燃料電池１００の運転を暖機運転から通常の運転へと切り替える（ステップＳ３０〜Ｓ４０）。
【００５４】
ここで、燃料電池１００の暖機運転では、前記の通り、燃料電池１００の各単セル１０の出力電圧は通常の運転時に比較して低い。しかし、この燃料電池システム１０００では、低電圧領域における測定精度が高い電圧測定装置２００を用いているため、早期かつ確実に低電圧セル１０を検出することができる。従って、低電圧セル１０が不可逆的なダメージを受けることを回避しつつ暖機運転を継続することが可能であり、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。
【００５５】
図１０は、燃料電池システム１０００の通常の運転時における制御部５００による処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、制御部５００は、燃料電池１００に供給される酸化ガスのストイキ比のレベルを上記の暖機運転よりも高くし、外部負荷１１００の要求に応じて燃料電池１００に発電させる。即ち、前記したように、酸化ガスのストイキ比が２．０以上となるストイキ比のレベルでの酸化ガスの供給を開始するものとしても良い。
【００５６】
なお、制御部５００は、外部負荷１１００の要求に対して燃料電池１００の出力が不足する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０に対して、二次電池４２０から補助電力を出力させる旨の指令を出す。また、制御部５００は、外部負荷１１００において回生電力が生じた場合には、ＤＣ／ＤＣコンバーター４１０に対して、その回生電力を二次電池４２０に充電させる旨の指令を出す。
【００５７】
制御部５００は、外部負荷１１００の要求に応じた運転の継続中に、一定時間ごとに、電圧測定装置２００によって、燃料電池１００の各単セル１０の出力電圧を測定する（ステップＳ１１０）。このとき、電圧測定装置２００の出力値が予め設定された閾値よりも低い低電圧セル１０を検出した場合には、低電圧セル１０の発電性能を回復させるための処理として、燃料電池１００の再起動処理を実行する（ステップＳ１２０）。具体的には、燃料電池１００への反応ガスの供給を停止し、燃料電池１００の発電を一時的に停止する。そして一定時間経過した後、再び燃料電池１００への反応ガスの供給を再開して、燃料電池１００による発電を再開させる。なお、この再起動処理が実行されている間、外部負荷１１００に対しては、二次電池４２０からの電力が供給される。
【００５８】
このように、第２実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池１００の暖機運転の実行により、燃料電池１００の起動性を向上させた上で、通常の運転へと円滑に移行することができる。また、電圧測定装置２００の測定結果を用いることにより、暖機運転実行時および通常の運転時において、出力電圧が著しく低下している低電圧セル１０を早期かつ確実に検出することが可能である。従って、低電圧セル１０が不可逆的なダメージを受けることを回避するための低電圧セル１０への負荷を低減する処理を早期に実行することができ、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。
【００５９】
C．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。
【００６０】
C1．変形例１：
上記実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、第１実施例において、電圧測定装置２００の増幅部２１０の機能の一部をプログラムによって実現するものとしても良い。また、第２実施例において、電圧測定装置２００における増幅部２１０の機能の一部を制御部５００が実行するようにすることもできる。
【００６１】
C2．変形例２：
上記第１実施例において、電圧測定装置２００は、燃料電池１００の各単セル１０の電圧を測定していた。しかし、電圧測定装置２００の測定対象としては、燃料電池に限られず、他の種々の電気回路を含む電気システムにおいて電圧を測定するものとしても良い。
【００６２】
C3．変形例３：
上記実施例において、電圧測定装置２００の電圧計測対象である燃料電池１００は固体高分子型燃料電池であった。しかし、電圧測定装置２００の電圧計測対象は、固体高分子型燃料電池に限らず、種々のタイプの燃料電池の電圧を計測するものとしても良い。即ち、上記第２実施例における燃料電池システム１０００は、燃料電池１００に換えて、種々のタイプの燃料電池を備えるものとしても良い。
【００６３】
C4．変形例４：
上記実施例において、電圧測定装置２００は、開閉スイッチ２１５および切替制御部２０５によって、電圧測定装置２００に接続する単セル１０を順に切り替えることにより、各単セル１０の電圧を測定していた。しかし、開閉スイッチ２１５や、切替制御部２０５は省略されるものとしても良い。ただし、燃料電池１００において、各単セル１０ごとの電圧を測定する場合には、開閉スイッチ２１５や、切替制御部２０５を有することが好ましい。
【００６４】
C5．変形例５：
上記第１実施例の他の構成例４，５（図５，図６）において、電圧印加部２１３，２１４は、計測値をプラス側にオフセットさせていた。しかし、電圧印加部２１３，２１４は、計測値をマイナス側にオフセットするものとしても良い。
【００６５】
C6．変形例６：
上記第２実施例において、低電圧セル１０に対する負荷を低減させるために、供給される酸化ガスのストイキ比を増大させる処理や（図８：ステップＳ２５）、燃料電池１００の再起動処理が実行されていた（図１０：ステップＳ１２０）。しかし、低電圧セル１０に対する負荷を低減させるための処理としては、他の処理が実行されるものとしても良い。
【００６６】
C7．変形例７：
上記第２実施例において、燃料電池システム１０００の運転開始時に、燃料電池１００の起動処理（図８）を実行していた。しかし、燃料電池システム１０００は、その運転開始時以外にも、上記の起動処理と同様な処理を実行するものとしても良い。例えば、燃料電池システム１０００が通常の運転を実行しているときに、単セル１０のうちのいずれかの電解質膜が乾燥状態にあることを検出した場合に、この起動処理と同様な処理を実行するものとしても良い。燃料電池１００の暖機運転（ステップＳ１０）では、酸化ガスのストイキ比低下に伴い、燃料電池１００からの排水量が低下するため、燃料電池１００の内部における水分量を増大させることができる。そのため、電解質膜の乾燥状態を解消することが可能である。なお、電解質膜の乾燥状態は、例えば、各単セル１０の内部抵抗を測定することによって検出することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０…単セル
１１…膜電極接合体
１２…アノードセパレータ
１３…カソードセパレータ
１５…ターミナル
１００…燃料電池
２００，２００ａ，２００ｂ…電圧測定装置
２０５…切替制御部
２１０，２１０ｂ…増幅部
２１１…陽極側端子コード
２１２…陰極側端子コード
２１３…直流電源（電圧印加部）
２１４…電圧印加部
２１５…開閉スイッチ
２２０…最低セル電圧取得部
３１０…酸化ガス供給部
３１１…酸化ガス供給配管
３１２…酸化ガス排出配管
３２０…燃料ガス供給部
３２１…燃料ガス供給配管
３２２…燃料ガス排出配管
４１０…ＤＣ／ＤＣコンバーター
４２０…二次電池
５００…制御部
１０００…燃料電池システム
１１００…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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