(57)【要約】【課題】ＩＶ推定に伴う燃料電池のシステム異常を回避しつつ、燃料電池の電流上昇時のＩＶ特性の推定精度を確保する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１の電流を所定の電流変化率で上昇させた後にその電流を低下させる電流変化操作部２１０を備える。また燃料電池システム１００は、電流変化操作部２１０によって電流が低下するときに取得する電流値及び電圧値に基づいて燃料電池１のＩＶ特性を推定する推定部２２０と、ＩＶ特性が基準特性よりも良いかを判定する判定部２３０とを備える。燃料電池システム１００は、ＩＶ特性が基準特性よりも良いと判定された場合には、電流変化操作部２１０における上昇時の電流変化率を上昇させるとともに、推定部２２０による電流電圧特性の推定を、電流が上昇するときに取得する電流値及び電圧値に基づいて行わせる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の特性を順次推定する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の電流を所定の電流変化率で上昇させた後に、当該電流を低下させる電流変化操作部と、
前記電流変化操作部によって電流が低下するときに取得する電流値及び電圧値に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する推定部と、を備え、
前記推定部により推定された電流電圧特性が、基準特性よりも良いかを判定する判定部と、
前記燃料電池の電流電圧特性が前記基準特性よりも良いと判定された場合には、前記電流変化操作部における上昇時の電流変化率を上昇させるとともに、前記推定部による電流電圧特性の推定を、前記電流変化操作部によって電流が上昇するときに取得する電流値及び電圧値に基づいて行わせるように切り替える切替制御部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電流変化操作部は、前記燃料電池の電流を所定の電流変化率で上昇させた後、前記所定の電流変化率よりも大きな特定の電流変化率で電流を低下させ、
前記切替制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が前記基準特性よりも良いと判定された場合には、前記上昇時の電流変化率を前記特定の電流変化率よりも大きな値に変更する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電領域から排出される不純物を溜める容積部と、
前記電流変化操作部による電流の低下に応じて、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を低下させる圧力制御部と、を含み、
前記推定部は、前記燃料電池の電流電圧特性が前記基準特性よりも良いと判定された場合には、前記電流変化操作部によって電流が上昇するときに電流値及び電圧値を取得する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記切替制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が前記基準特性よりも良くないと判定された場合には、前記圧力制御部によるアノードガスの圧力低下を制限する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記上昇時の電流変化率は、前記推定部により推定された電流電圧特性に基づいて設定される、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準特性は、前記切替制御部により変更された前記上昇時の電流変化率に基づいて設定される、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の電流電圧特性を推定する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池の出力電流を変えながら出力電圧を検出して燃料電池の電流電圧（ＩＶ）特性を推定するものがある（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２０００−３５７５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在開発中の燃料電池システムでは、零下起動時に燃料電池を発電させることにより、発電に伴う自己発熱を利用して燃料電池を暖機する。
【０００５】
燃料電池の暖機中はＩＶ特性が悪いため、起動してから直ぐに車両の走行に必要な電力を駆動モータに対して供給できない場合がある。そのため、暖機によって次第に回復してくる燃料電池のＩＶ特性を逐次推定して、燃料電池が駆動モータに電力を供給できるＩＶ特性になったら直ぐに走行を許可するシステムの構築を検討している。
【０００６】
例えば、燃料電池で異常な電圧低下が起こらないように燃料電池から取り出す出力電流の値をゆっくり上昇させた後に出力電流の値を低下させ、低下時に取得した燃料電池の電流値及び電圧値に基づいてＩＶ特性を推定することが考えられる。この場合には燃料電池の回復によるＩＶ特性の変化が大きくならないように、低下時の電流変化率は、上昇時の電流変化率よりも大きな値に設定される。
【０００７】
また、出力電流が上昇するときに燃料電池の電流値及び電圧値を取得してＩＶ特性を推定することも考えられる。この場合には、上述のとおり出力電流をゆっくり上昇させなければならないため、出力電流の上昇中に燃料電池のＩＶ特性が変わってしまい、ＩＶ特性の推定精度が悪くなる。仮に出力電流を早く上昇させると、ＩＶ特性の推定精度は確保されるものの、ＩＶ特性の悪い不安定な燃料電池から急激に電流が取り出されることになるため燃料電池の電圧が著しく低下して燃料電池システムが緊急停止する恐れがある。
【０００８】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ＩＶ推定に伴う燃料電池のシステム異常を回避しつつ、燃料電池の電流上昇時のＩＶ特性の推定精度を確保する燃料電池システム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】
【０００９】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【００１０】
この発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池の特性を順次推定する燃料電池システムであって、燃料電池の電流を所定の電流変化率で上昇させた後に当該電流を低下させる電流変化操作部を含む。この態様は、電流変化操作部によって電流が低下するときに取得する電流値及び電圧値に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する推定部を含む。この態様は、推定部により推定された電流電圧特性が基準特性よりも良いかを判定する判定部と、燃料電池の電流電圧特性が基準特性よりも良いと判定された場合には、電流変化操作部における上昇時の電流変化率を上昇させる切替制御部とを含む。切替制御部は、電流変化操作部における上昇時の電流変化率を上昇させるともに、推定部による電流電圧特性の推定を、電流変化操作部によって電流が上昇するときに取得する電流値及び電圧値に基づいて行わせるように切り替えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この態様によれば、まず、燃料電池の電流を所定の変化率でゆっくり上昇させた後に、その電流を低下させる。電流が低下するときに推定部は、燃料電池の電流値及び電圧値を取得し、取得した電流値及び電圧値に基づいて１回目の電流電圧特性を推定する。判定部は、その１回目の電流電圧特性が基準特性より良いかを判断する。これにより、燃料電池の電流を早く上昇させた場合に、燃料電池の電圧低下によって燃料電池システムが緊急停止しないことを予測できる。
【００１２】
また、判定部によって電流電圧特性が基準特性よりも良いと判定された場合には、切替制御部は、電流上昇時の変化率を上昇させると共に、電流上昇時の電流値及び電圧値を用いて電流電圧特性を推定するように推定部を切り替える。これにより、燃料電池の電流上昇時の電流値及び電圧値に基づく電流電圧特性の推定精度の低下を回避できる。
【００１３】
したがって、燃料電池システムの異常を回避しつつ、燃料電池の電流上昇時に取得した電流値及び電圧値を用いて推定されるＩＶ特性の推定精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図２は、燃料電池のＩＶ特性を推定する推定手法を示す説明図である。
【図３】図３は、コントローラを構成する制御部を示すブロック図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックの電流上昇時に取得した電流値及び電圧値に基づくＩＶ特性の推定精度と、燃料電池スタックの電流低下時に取得した電流値及び電圧値に基づくＩＶ特性の推定精度を示す図である。
【図５】図５は、一般的なデッドエンドシステムにおいてＩＶ推定時に燃料電池スタックの電流を振幅させることに伴い燃料電池スタックの発電効率が低下することを示す図である。
【図６】図６は、燃料電池スタックの出力電流及び出力電圧の取得期間を切り替える切替方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第２実施形態におけるアノードガス制御部を示すブロック図である。
【図８】図８は、ＩＶ推定時にアノードガスの圧力低下を制限する制限手法を示す図である。
【図９】図９は、バッファタンクからの不純物の逆流を防止したときのＩＶ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。
【００１７】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部からカソードガス及びアノードガスを供給すると共に駆動モータ５３及び補機類５７などの負荷に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムである。
【００１８】
燃料電池システム１００は、アノードデッドエンド型の燃料電池システムであり、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。
【００１９】
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池（いわゆる電池セル）を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１には、電力を取り出すための端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２とが設けられている。
【００２０】
燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電力で挟まれる電解質膜と、により構成される。燃料電池は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とを用いて電解質膜で電気化学反応を起こす。アノード電極及びカソード電極の両電極では、以下の電気化学反応が進行する。
【００２１】
アノード電極  ：  ２Ｈ2 →  ４Ｈ+ ＋  ４ｅ-                 ・・・（１）
カソード電極  ：  ４Ｈ+  ＋４ｅ-  ＋  Ｏ2 →  ２Ｈ2Ｏ       ・・・（２）
【００２２】
燃料電池では、上記（１）及び（２）の電気化学反応によって起電力が生じるとともに水が生成される。燃料電池スタック１に積層された燃料電池のそれぞれは互いに直列に接続されているため、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が燃料電池スタック１の出力電圧（例えば数百ボルト）となる。
【００２３】
燃料電池スタック１には、カソードガス給排装置２によってカソードガスが供給され、アノードガス給排装置３によってアノードガスが供給される。
【００２４】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソード圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを備える。
【００２５】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２６】
フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００２７】
カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、その空気を燃料電池スタック１に供給する。
【００２８】
カソード圧力センサ２４は、カソードコンプレッサ２３よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサ２４で検出された検出圧力は、コントローラ６に出力される。
【００２９】
カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２５の一端が、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。
【００３０】
カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ６によって開閉制御されて、カソードコンプレッサ２３から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００３１】
なお、図１では図示しないが、燃料電池スタック１の加湿のためにカソードガス供給通路２１に加湿装置を設けてもよい。
【００３２】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２５に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ弁３７と、を備える。
【００３３】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００３４】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１からアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端が、高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００３５】
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００３６】
アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ３４で検出された検出圧力は、コントローラ６に出力される。
【００３７】
アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３５の一端が、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２５に接続される。
【００３８】
バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。バッファタンク３６は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを溜める容積部である。バッファタンク３６によって、燃料電池スタック１の発電領域よりも下流に不純物ガスを排出することができる。そのため、燃料電池スタック１の発電領域における不純物ガスの濃度上昇を抑制することができる。
【００３９】
なお、燃料電池スタック１の発電領域とは、電池セルを構成する電解質膜が、アノードガス流路とカソードガス流路とで挟まれた領域のことである。またバッファタンク３６を設ける代わりに、燃料電池スタック１に積層された各電池セルのアノードガス流路が合流する部分に容積部を設けてアノードオフガスを蓄積するようにしてもよい。
【００４０】
パージ弁３７は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３７は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２５に排出させるアノードオフガスの流量を制御する。
【００４１】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、第１水温センサ４７と、第２水温センサ４８とを備える。
【００４２】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。
【００４３】
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
【００４４】
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる。バイパス通路４３の一端は、冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。
【００４５】
三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。
【００４６】
循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。
【００４７】
ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
【００４８】
第１水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。
【００４９】
第２水温センサ４８は、循環ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４８は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。
【００５０】
電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７とを備える。
【００５１】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。電流センサ５１で検出された出力電流は、コントローラ６に供給される。
【００５２】
電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１の電位とカソード電極側出力端子１２の電位との電位差（以下「出力電圧」という。）を検出する。電圧センサ５２で検出された出力電圧は、コントローラ６に出力される。
【００５３】
駆動モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、車両の減速時にロータが外力によって回転させられることでステータコイルの両端に起電力を発生させる発電機としての機能と、を有する。
【００５４】
インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、または、交流電力が直流電力に変換される。
【００５５】
インバータ５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５へ供給する。
【００５６】
バッテリ５５は、駆動モータ５３の回生電力又は燃料電池スタック１の発電電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び駆動モータ５３に供給される。
【００５７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の一方の電圧端子が、燃料電池スタック１に接続され、他方の電圧端子がバッテリ５５に接続される。
【００５８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリ５５の電力によって燃料電池スタック１側の電圧端子に生じる電圧を昇圧又は降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧が調整され、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力（出力電流×出力電圧）が制御される。
【００５９】
補機類５７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６とバッテリ５５との間に並列に接続される。補機類５７は、カソードコンプレッサ２３、循環ポンプ４５、ＰＴＣヒータ４６などによって構成され、バッテリ５５又は燃料電池スタック１から電力が供給されて駆動する。
【００６０】
コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００６１】
コントローラ６には、前述した第１水温センサ４７、第２水温センサ４８、電流センサ５１及び電圧センサ５２からの信号が入力される。その他にも、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号がコントローラ６には入力される。
【００６２】
他のセンサとしては、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システム１００の始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ６１、やアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６２などがある。
【００６３】
コントローラ６は、キーセンサ６１から始動要求を受けると、燃料電池システム１００が起動されたと判断し、燃料電池スタック１を発電に適した発電温度まで暖機する暖機制御（以下「暖機促進運転」という）を実行する。
【００６４】
暖機促進運転では、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して燃料電池スタック１から補機類５７へ電力を供給させることで、補機類５７の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１で発電させる。これにより、燃料電池スタック１の発電に伴う自己発熱によって燃料電池スタック１自体が暖機される。
【００６５】
さらに暖機促進運転中は、コントローラ６は、循環ポンプ４５の回転速度を可変範囲の上限値に設定すると共に、ＰＴＣヒータ４６の出力、すなわち発熱量を可変範囲の上限値に設定する。
【００６６】
これにより、ＰＴＣヒータ４６で暖められた冷却水によっても燃料電池スタック１が暖機される。これに加えて循環ポンプ４５及びＰＴＣヒータ４６で消費される電力が増加して燃料電池スタック１の発電電力が増加するため、燃料電池スタック１の自己発熱量も増加するので、燃料電池スタック１の暖機がより促進される。
【００６７】
このように暖機促進運転が実施されることによって、燃料電池システム１００を起動してから燃料電池スタック１の暖機が完了するまでの暖機時間を短縮することができる。
【００６８】
また、コントローラ６は、燃料電池スタック１が起動されると、燃料電池スタック１の電流電圧（ＩＶ）特性を推定する演算処理（以下「ＩＶ推定」という。）を実行する。ここで、ＩＶ推定について図２を参照して簡単に説明する。
【００６９】
図２は、燃料電池スタック１のＩＶ特性と、燃料電池スタック１の温度との関係を示す図である。
【００７０】
図２に示すように、燃料電池スタック１の温度が低くなると、燃料電池スタック１のＩＶ特性は、通常運転時のＩＶ特性に基づいて規定される基準ＩＶ特性よりも悪くなり、燃料電池スタック１の発電電力も低下する。
【００７１】
図２の破線で示したＩＶ特性では、駆動モータ５３及びインバータ５４が動作できる電圧範囲内に燃料電池スタック１の出力電圧を設定した状態で燃料電池スタック１から最小駆動電力を取り出すときの出力電流が電流Ａであり、このときの出力電圧が電圧Ｖ１である。最小駆動電力とは、駆動モータ５３によって車両を駆動させることが可能な電力の下限値である。
【００７２】
この場合には、燃料電池スタック１から駆動モータ５３に最小駆動電力を供給することができるので、コントローラ６は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を可能にするため、車両の走行を許可する。
【００７３】
一方、図２の一点鎖線で示したＩＶ特性では、燃料電池スタック１から出力電流Ａを取り出すときの出力電圧は電圧Ｖ２となる。このＩＶ特性では、駆動モータ５３及びインバータ５４が動作できる電圧値に燃料電池スタック１の出力電圧が設定されると、燃料電池スタック１の出力電流が小さくなるので、燃料電池スタック１から取り出される発電電力は、駆動モータ５３の最小駆動電力よりも小さくなる。
【００７４】
この場合には、燃料電池スタック１から駆動モータ５３に最小駆動電力を供給することができないため、コントローラ６は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を禁止し、車両の走行を禁止する。
【００７５】
車両の走行を素早く許可するには、暖機によって駆動モータ５３及びインバータ５４が動作できる電圧範囲内に燃料電池スタック１の出力電圧を設定した状態で燃料電池スタック１の発電電力が、最小駆動電力以上となったことを正確に判定する必要がある。
【００７６】
ここで燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する推定手法について簡単に説明する。
【００７７】
出力電流Ｉと、基準ＩＶ特性によって特定される基準電圧から実際の出力電圧（検出値）を減算した差分ΔＶと、の関係は、濃度過電圧の影響が小さい条件において、式（１）に示すように一次関数で近似することができる。
【００７８】
ΔＶ＝ａＩ＋ｂ                      ・・・（１）
【００７９】
コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流を所定の振幅で変化させる電流制御を実行し、出力電流を変化させている間に電流センサ５１及び電圧センサ５２を用いて燃料電池スタック１の出力電流、及び出力電圧を複数計測する。コントローラ６は、これらの出力電流、及び出力電圧から、式（１）のａ及びｂを算出する。
【００８０】
式（１）のａ及びｂが算出されると、燃料電池スタック１から駆動モータ５３に最小駆動電力を供給できる出力電流Ａに対応する出力電圧が算出され、その出力電圧が、電圧Ｖ１以上であれば、燃料電池スタック１が最小駆動電力を駆動モータ５３に供給可能であることが推定できる。
【００８１】
コントローラ６は、ＩＶ推定を開始してから、燃料電池スタック１が駆動モータ５３に最小駆動電力を供給可能になるまで、所定の周期（例えば５秒間隔）でＩＶ推定を繰り返し実行する。
【００８２】
次にコントローラ６の機能構成について説明する。
【００８３】
図３は、コントローラ６を構成する制御部２００の一例を示す機能ブロック図である。
【００８４】
制御部２００は、燃料電池システム１００に設けられた各種センサからの入力信号と、燃料電池システム１００に設けられた各制御部品等に対する指令値とに基づいて、燃料電池スタック１を発電させる。
【００８５】
制御部２００は、カソードコンプレッサ２３、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３、及びパージ弁３７を制御して、発電に適した流量のアノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。制御部２００は、走行許可後にＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して補機類５７に加えてインバータ５４にも燃料電池スタック１で発電した発電電力を供給する。
【００８６】
また制御部２００は、図１で述べた暖機促進運転を実施する。具体的には、制御部２００は、燃料電池システム１００が起動されると、燃料電池スタック１の温度が、所定の暖機閾値（例えば５０℃）よりも低いか否かを判断する。なお、燃料電池スタック１の温度としては、例えば、スタック入口水温の値、又は、スタック入口水温及びスタック出口水温を平均した値が用いられる。
【００８７】
燃料電池スタック１の温度が、暖機閾値よりも低いと判断された場合には、制御部２００は、暖機促進運転を開始し、補機類５７で消費可能な電力を増やして燃料電池スタック１から暖機に必要な所定の電流（以下「暖機要求電流」という。）を取り出す。例えば、制御部２００は、補機類５７のうちカソードコンプレッサ２３、循環ポンプ４５及びＰＴＣヒータ４６の各消費電力を可変範囲の上限値に設定する。
【００８８】
暖機促進運転によって燃料電池スタック１の温度が暖機閾値まで上昇した場合には、制御部２００は、燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断し、暖機促進運転を終了する。そして駆動モータ５３の要求電力に応じて燃料電池スタック１に供給されるアノードガス、及びカソードガスの流量を制御する通常運転が実施される。
【００８９】
例えば、制御部２００は、補機類５７及び駆動モータ５３から要求される要求電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標電流」という。）を算出する。なお、アクセルストロークセンサ６２で検出された踏み込み量が大きくなるほど、目標電流は大きくなる。
【００９０】
制御部２００は、目標電流を算出すると、その目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力の目標値（以下「目標圧力」という。）を算出する。具体的には制御部２００は、目標電流が大きくなるほど、アノードガスの目標圧力を高くする。これと共に制御部２００は、目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるカソードガス圧力の目標値、及びカソードガス流量の目標値を算出する。
【００９１】
また制御部２００は、目標電流を算出すると、燃料電池スタック１のＩＶ特性を参照し、目標電流に対応する電圧値を目標電圧として算出する。そして制御部２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６における燃料電池スタック１側の電圧端子を目標電圧に調整する。これにより、燃料電池スタック１から目標電流と同等の出力電流が出力される。
【００９２】
制御部２００は、電流変化操作部２１０と、ＩＶ推定部２２０と、ＩＶ特性判定部２３０と、基準特性保持部２３１と、切替制御部２４０と、電流変化率保持部２４１と、を備える。
【００９３】
電流変化操作部２１０は、燃料電池スタック１が起動されると、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するために燃料電池スタック１の出力電流を振幅させる。
【００９４】
例えば暖機促進運転が実施されている状況では、電流変化操作部２１０は、暖機要求電流の設定値から目標電流を、所定の電流変化率でＩＶ特性を推定するための所定の上限値まで大きくする。そして電流変化操作部２１０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性に従ってＤＣ／ＤＣコンバータ５６の燃料電池スタック１側の電圧を低下させることにより、燃料電池スタック１の出力電流を所定の電流変化率で上昇させる。
【００９５】
なお、上昇時の電流変化率は、単位時間あたりの電流の上昇幅である。上昇時の電流変化率が大きいほど、燃料電池スタック１の出力電流が上限値まで早く到達する。また出力電流の上昇に応じてカソード調圧弁２６及びアノード調圧弁３３の開度が制御され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス及びカソードガスの流量が増加する。
【００９６】
燃料電池スタック１の出力電流が上限値に達すると、電流変化操作部２１０は、目標電流を上限値から暖機要求電流の設定値まで、特定の電流変化率で小さくする。目標電流の低下に伴い電流変化操作部２１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の燃料電池スタック１側の電圧を上昇させることにより、燃料電池スタック１の出力電流を特定の電流変化率で暖機要求電流まで低下させる。
【００９７】
なお、低下時の電流変化率は、単位時間あたりの電流の低下幅である。低下時の電流変化率が大きいほど、燃料電池スタック１の出力電流が上昇前の電流値に早く到達する。出力電流の低下時に燃料電池スタック１に供給されるアノードガス及びカソードガスの流量は減少する。
【００９８】
電流変化操作部２１０は、ＩＶ推定部２２０によって車両の走行が許可されるまで、所定周期で燃料電池スタック１の出力電流を振幅させる。
【００９９】
ＩＶ推定部２２０は、電流変化操作部２１０によって燃料電池スタック１の出力電流を低下させる電流低下期間に電流センサ５１及び電圧センサ５２から燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を共に所定のサンプリング周期で取得する。
【０１００】
ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いて、図２で述べた式（１）を用いて近似される近似直線を演算する。これにより、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定できる。
【０１０１】
ここで、燃料電池スタック１の電流低期間に取得した電圧値及び電流値を用いて、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する理由について簡単に説明する。
【０１０２】
図４は、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する推定精度に関する図である。
【０１０３】
図４（Ａ）は、図２で述べた式（１）によって推定した燃料電池スタック１のＩＶ特性を示す図である。図４（Ａ）の縦軸は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖを示し、横軸は、燃料電池スタック１の出力電流を示す。
【０１０４】
図４（Ａ）には、燃料電池スタック１の出力電流が低下しているときの電流値及び電圧値を用いて推定されたＩＶ特性が、実線により示され、燃料電池スタック１の出力電流が上昇しているときの電流値及び電圧値を用いて推定されたＩＶ特性が、破線により示されている。また図４（Ａ）には、式（１）の演算に用いられる基準ＩＶ特性が点線により示されている。
【０１０５】
図４（Ｂ）は、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いて求められた式（１）の近似直線を示す図である。図４（Ｂ）の縦軸が、出力電流の測定値に対して基準ＩＶ特性の電圧値から燃料電池スタック１の出力電圧を減算した電圧差ΔＶを示し、横軸が、燃料電池スタック１の出力電流Ｉを示す。
【０１０６】
図４（Ｂ）には、燃料電池スタック１の出力電流が低下しているときの電流値及び電圧値を用いて近似した近似直線が、実線により示され、燃料電池スタック１の出力電流が上昇しているときの電流値及び電圧値を用いて近似した近似直線が、破線により示されている。
【０１０７】
さらに図４（Ｂ）には、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の測定を開始した時の特性と、燃料電池スタック１の測定を終了した時の特性とが共に点線により示されている。なお、上限電流Ｉｃは、電流変化操作部２１０によって出力電流を上昇させたときの最大値であり、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の測定可能範囲の上限値である。上限電流Ｉｃよりも上の電流範囲が、式（１）によって推定されるＩＶ推定範囲である。
【０１０８】
図４（Ｂ）の点線で示すように、燃料電池スタック１の測定を開始してから終了するまでの間に、暖機促進運転によって燃料電池スタック１のＩＶ特性は回復する。
【０１０９】
そのため、図４（Ｂ）の破線で示すように、燃料電池スタック１の出力電流を上昇させている間に燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する場合は、出力電流が上昇するにつれて、ＩＶ特性が回復して出力電圧が高くなるため、電圧差ΔＶが小さくなる。
【０１１０】
このため、式（１）の近似直線の傾きは、図４（Ｂ）の点線で示した測定終了時の実際の傾きに比べて小さくなる。その結果、燃料電池スタック１のＩＶ特性は、実際のＩＶ特性よりも良好な特性であると過大評価されてしまう。
【０１１１】
一方、図４（Ｂ）の実線で示すように、燃料電池スタック１の出力電流を低下させている間に燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する場合は、出力電流が低下するにつれて、電圧差ΔＶが小さくなる。
【０１１２】
このため、式（１）の近似直線の傾きは、図４（Ｂ）の点線で示した測定終了時の実際の傾きに比べて大きくなる。したがって、燃料電池スタック１のＩＶ特性は、実際のＩＶ特性よりも悪目に推定されるので、燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復していない状況で走行許可が出されて燃料電池スタック１から過剰な電流が取り出されることを回避できる。
【０１１３】
そのためＩＶ推定を実行する場合には、一般的に、出力電流の低下時に燃料電池スタック１の電圧値及び電流値を取得し、これらの電流値及び電圧値を用いて燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。
【０１１４】
しかしながら、燃料電池システム１００では、ＩＶ推定に伴い燃料電池スタック１の出力電流を低下させるときにアノード調圧弁３３から燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力を低下させる圧力制御が実行される。そのため、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力が一時的にバッファタンク３６の内圧よりも低くなり、バッファタンク３６に蓄積された不純物が、燃料電池スタック１へ逆流する。その結果、燃料電池スタック１の発電領域における不純物の濃度が上昇して燃料電池スタック１の発電効率が低下する場合がある。
【０１１５】
図５は、一般的な燃料電池システムにおいてＩＶ推定時に燃料電池スタック１の発電効率が低下することを示す図である。なお、図５では、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス流路の下流側に滞留する生成水及び窒素ガスをバッファタンク３６に押し出すために、アノード調圧弁３３の開度を制御して、アノードガス圧力を脈動させる脈動運転が実施されている。
【０１１６】
図５（Ａ）は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力を示す図である。図５（Ａ）には、脈動運転によるアノードガスの脈動圧力が実線により示され、アノードガスの脈動上限圧力、及び脈動下限圧力がそれぞれ破線により示されている。
【０１１７】
図５（Ｂ）は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を示す図である。図５（Ｃ）は、燃料電池スタック１の出力電圧を示す図である。図５（Ａ）から図５（Ｃ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１１８】
ここでは、暖機促進運転が実施されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によって燃料電池スタック１から補機類５７のみに電流が供給されている。また、アノードガス圧力の脈動運転によって燃料電池スタック１に滞留する不純物が押し出されてバッファタンク３６へ蓄積される。
【０１１９】
時刻ｔ５１から時刻ｔ５３までのＩＶ推定期間では、電流変化操作部２１０による電流制御が実行される。
【０１２０】
時刻ｔ５１では、図５（Ｂ）に示すように、電流変化操作部２１０によって燃料電池スタック１の出力電流が、暖機要求電流から緩やかに所定の電流変化率で上昇する。燃料電池スタック１から急激に電流を取り出すと燃料電池スタック１のＩＶ特性が極端に悪くなる場合があるため、上昇時の電流変化率は、燃料電池スタック１の極端な電圧低下を回避できる所定の値に設定される。
【０１２１】
なお、燃料電池スタック１の出力電流が上昇した分は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を介してバッテリ５５へ供給される。また暖機要求電流とは、暖機促進運転時に燃料電池スタック１から取り出される電流値のことである。
【０１２２】
時刻ｔ５１から時刻ｔ５２までの電流上昇期間Ｔｕでは、燃料電池スタック１の出力電流の上昇に伴い、図５（Ａ）に示すように、アノードガスの圧力制御によって脈動幅を一定にしながら、脈動下限圧力、及び脈動上限圧力が共に上昇する。また、燃料電池スタック１の出力電圧は、図５（Ｃ）に示すように、燃料電池スタック１のＩＶ特性に従って低下する。
【０１２３】
時刻ｔ５２では、燃料電池スタック１の出力電流は、電流変化操作部２１０によって設定された上限値に到達するため、図５（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電流は暖機要求電流まで下げられる。なお、出力電流の上限値は、バッテリ５５に供給可能な電流量などによって設定されている。
【０１２４】
燃料電池スタック１の出力電流を低下させるときは、ＩＶ推定部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２から、所定のサンプリング周期で検出される燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧を順次取得する。
【０１２５】
燃料電池スタック１の出力電流の低下に伴い、図５（Ａ）に示すように、脈動下限圧力、及び脈動上限圧力は、共に下げられる。この場合には、アノードガス供給流量が、燃料電池スタック１で消費されるアノードガス消費量よりも少なくなるようにアノード調圧弁３３の開度が調整される。
【０１２６】
このため、時刻ｔ５２から時刻ｔ５３までの電流低下期間Ｔｄでは、アノードガスの脈動圧力を低下させている間に脈動下限圧力が低下する。その結果、アノードガスの脈動圧力が、所定の脈動幅よりも大きく低下することになる。
【０１２７】
アノードガスの脈動圧力の低下幅が拡大すると、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力がバッファタンク３６内の圧力よりも一時的に低くなるため、バッファタンク３６に蓄積された不純物が燃料電池スタック１へ逆流する。その結果、出力電流及び出力電圧の取得期間中に燃料電池スタック１内の不純物濃度が上昇し、燃料電池スタック１の発電効率も一時的に低下する。
【０１２８】
そのため、図５（Ｃ）に示すように、破線で示された本来の電圧値よりも燃料電池スタック１の出力電圧が低くなる。この状況において電圧センサ５２で検出される出力電圧と、電流センサ５１で検出される出力電流とに基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性が推定されるため、燃料電池スタック１のＩＶ特性の推定精度が悪くなる。
【０１２９】
このように燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する取得期間において、燃料電池スタック１の出力電圧が本来の電圧値よりも低下するため、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する精度が悪くなってしまう。
【０１３０】
この対策として、燃料電池スタック１の出力電流が上昇するときに燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得してＩＶ特性を推定させることも考えられる。しかしながら、図５（Ｂ）に示したように出力電流をゆっくり上昇させる必要があるため、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の取得期間中に燃料電池のＩＶ特性が変わってしまい、図４で述べた通り、ＩＶ特性の推定精度が悪くなる。
【０１３１】
仮に燃料電池スタック１の出力電流を早く上昇させると、ＩＶ特性の推定精度は確保されるものの、ＩＶ特性が悪い燃料電池スタック１から急激に電流をとり出すと、ＩＶ特性が著しく低下して燃料電池システム１００が緊急停止する恐れがある。
【０１３２】
そこで本実施形態の制御部２００には、図３に示したように、ＩＶ特性判定部２３０、基準特性保持部２３１、切替制御部２４０、及び電流変化率保持部２４１が備えられている。
【０１３３】
基準特性保持部２３１は、電流変化操作部２１０に設定される電流変化率を切り替えるための基準特性を保持する。基準特性は、電流上昇時に出力電流を早く上昇させることが可能な所定のＩＶ特性である。例えば、基準特性は、図４に示した基準ＩＶ特性を超えない範囲で設定される。
【０１３４】
基準特性保持部２３１には、基準特性として例えば、図２で述べた式（１）の定数ａ及びｂが記憶される。あるいは、基準特性を示すマップを記憶するようにしてもよい。
【０１３５】
ＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ推定部２２０によって推定されたＩＶ特性が、基準特性よりも良いかを判定する。
【０１３６】
例えば、ＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ推定部２２０で算出された式（１）のａ及びｂを用いて近似直線を演算し、所定の電流範囲においてその近似直線上の電圧差ΔＶが、基準特性により設定された基準値よりも小さい場合には、ＩＶ特性が良いと判定する。
【０１３７】
一方、ＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ推定部２２０で算出された近似直線上の電圧差ΔＶが、基準特性により設定される基準値よりも大きい場合には、ＩＶ特性が悪いと判定する。
【０１３８】
ＩＶ特性判定部２３０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性が良いと判定された場合には、ＩＶ特性が良好である旨を示すＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの判定信号を切替制御部２４０に出力する。また燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪いと判定された場合には、ＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ特性が良好でない旨を示すＬ（Ｌｏｗ）レベルの判定信号を切替制御部２４０に出力する。
【０１３９】
電流変化率保持部２４１は、ＩＶ推定を開始するときの上昇時の電流変化率Ｃｕ１、及び低下時の電流変化率Ｃｄ１を保持する。さらに電流変化率保持部２４１は、燃料電池スタック１のＩＶ特性が良好であるときの上昇時の電流変化率Ｃｕ２、及び低下時の電流変化率Ｃｄ２を保持する。
【０１４０】
ＩＶ推定を開始するときの上昇時の電流変化率Ｃｕ１は、燃料電池スタック１のＩＶ特性が極端に低下することを回避できる所定の値に設定される。
【０１４１】
ＩＶ推定を開始するときの低下時の電流変化率Ｃｄ１は、ＩＶ特性の推定精度が確保できる特定の値に設定される。すなわち、電流変化率Ｃｄ１は、ＩＶ推定を開始するときの上昇時の電流変化率よりも大きな値に設定される。
【０１４２】
ＩＶ特性が良好であるときの上昇時の電流変化率Ｃｕ２は、本実施形態ではＩＶ推定を開始するときの低下時の電流変化率Ｃｄ１よりも大きな値に設定される。
【０１４３】
ＩＶ特性が良好であるときの低下時の電流変化率Ｃｄ２は、ＩＶ特性が良好であるときの上昇時の電流変化率Ｃｕ２よりも大きな値に設定される。
【０１４４】
電流変化率保持部２４１に保持された定数Ｃｕ１、Ｃｄ１、Ｃｕ２及びＣｄ２は、それぞれ切替制御部２４０に入力される。
【０１４５】
切替制御部２４０は、電流変化操作部２１０で設定された上昇時の電流変化率ΔＩｕ、及び低下時の電流変化率ΔＩｄを変更すると共に、ＩＶ推定部２２０によって燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する取得期間を切り替える。
【０１４６】
切替制御部２４０は、燃料電池システム１００が起動されてＩＶ推定が実施される場合には、上昇時の電流変化率ΔＩｕを定数Ｃｕ１に設定し、低下時の電流変化率ΔＩｄを定数Ｃｄ１に設定する。そして切替制御部２４０は、ＩＶ推定部２２０による電流値及び電圧値の取得期間を、ＩＶ推定期間内の電流低下期間Ｔｄに設定する。
【０１４７】
切替制御部２４０は、ＩＶ特性判定部２３０からＩＶ特性が良好である旨を示すＨレベルの判定信号を受けた場合には、上昇時の電流変化率ΔＩｕを定数Ｃｕ２に変更し、低下時の電流変化率ΔＩｄを定数Ｃｄ２に変更する。そして切替制御部２４０は、ＩＶ推定部２２０による電流値及び電圧値の取得期間を、ＩＶ推定期間内の電流上昇期間Ｔｕに切り替える。
【０１４８】
すなわち、切替制御部２４０は、ＩＶ特性判定部２３０によって燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準特性を超えると判定された場合には、上昇時の電流変化率ΔＩｕを定数Ｃｄ１よりも上昇させることにより、電流上昇期間を短縮する。切替制御部２４０は、その短縮した電流上昇期間に燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得させてＩＶ特性を推定させる。
【０１４９】
これにより、燃料電池スタック１を早く上昇させることに伴う燃料電池システム１００の異常停止を回避しつつ、電流上昇期間の電流値及び電圧値によって推定されるＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。
【０１５０】
次に燃料電池システム１００の動作の一例について説明する。
【０１５１】
図６は、制御部２００による燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の取得期間を切り替える切替方法を示すフローチャートである。
【０１５２】
まず、制御部２００は、キーセンサ６１から始動要求を受けると、燃料電池システム１００を起動する起動処理を開始する。
【０１５３】
燃料電池システム１００の起動処理が開始された場合には、ステップＳ９０１において制御部２００は、第２水温センサ４８からスタック入口水温Ｔｓを取得する。
【０１５４】
ステップＳ９０２において制御部２００は、スタック入口水温Ｔｓが、暖機閾値（５０℃）よりも低いか否かを判断する。
【０１５５】
ステップＳ９０３において制御部２００は、スタック入口水温Ｔｓが５０℃よりも低いと判断された場合には、暖機促進運転を実施する。暖機促進運転時に制御部２００は、補機類５７のうちカソードコンプレッサ２３及びＰＴＣヒータ４６のそれぞれに供給する電力を可変範囲の上限値まで上昇させる。
【０１５６】
また、ステップＳ９０４において制御部２００の電流変化操作部２１０及びＩＶ推定部２２０は、所定周期（例えば５秒間隔）で燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するＩＶ推定処理を開始する。なお、ステップＳ９０２でスタック入口水温Ｔｓが５０℃以上である場合には、暖機促進運転を実施せずにＩＶ推定を開始する。
【０１５７】
ステップＳ９０５において制御部２００の切替制御部２４０は、電流変化操作部２１０で出力電流を上昇させる上昇時の電流変化率ΔＩｕを、電流変化率保持部２４１に保持された定数Ｃｕ１に設定する。
【０１５８】
そしてステップＳ９０６において切替制御部２４０は、電流変化操作部２１０で出力電流を低下させる低下時の電流変化率ΔＩｄを、電流変化率保持部２４１に保持された定数Ｃｄ１に設定する。
【０１５９】
また、切替制御部２４０は、ＩＶ推定部２２０によって燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧を取得する取得期間を、ＩＶ推定期間のうち出力電流が低下する電流低下期間Ｔｄに設定する。
【０１６０】
その後ステップＳ９０７において、ＩＶ推定部２２０は、電流低下期間Ｔｄに電流センサ５１及び電圧センサ５２から、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を所定のサンプリング周期で順次取得する。ＩＶ推定部２２０は、その電流低下期間Ｔｄに取得した電流値及び電圧値を用いて、現在の燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。
【０１６１】
次にステップＳ９０８において制御部２００のＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ推定部２２０で推定されたＩＶ特性が所定の基準特性よりも大きいか否か、すなわちＩＶ特性が基準特性よりも良いか否かを判断する。
【０１６２】
例えば、ＩＶ特性判定部２３０は、図２で述べた式（１）を用いて、ＩＶ推定部２２０で算出された定数ａ及びｂに基づいて近似直線を演算する。そしてＩＶ特性判定部２３０は、燃料電池スタック１から取り出される所定の電流範囲の電流値Ｉごとに、近似直線上の電圧差ΔＶが、基準特性保持部２３１に保持されたａ及びｂに基づく直線上の基準値よりも小さいか否かを判断する。
【０１６３】
ＩＶ特性判定部２３０は、所定の電流範囲において近似直線上の電圧差ΔＶが基準値よりも小さい場合には、現在のＩＶ特性は基準特性を超えていると判定する。一方、ＩＶ特性判定部２３０は、所定の電流範囲において近似直線上の電圧差ΔＶが基準値以上である場合には、現在のＩＶ特性は基準特性を超えていないと判定する。
【０１６４】
現在のＩＶ特性が基準特性を超えていないと判定された場合には、ステップＳ９０５に戻り、燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準特性を超えていると判定されるまで、ステップＳ９０５からステップＳ９０８までの一連の処理を繰り返す。
【０１６５】
一方、ＩＶ特性が基準特性を超えていると判定された場合には、ステップＳ９０９においてＩＶ推定部２２０は、図２で述べたとおり、ＩＶ特性の推定結果を参照し、燃料電池スタック１が駆動モータ５３に最小駆動電力を供給できるか否かを判断する。
【０１６６】
そしてＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１が駆動モータ５３に最小駆動電力を供給できると判断した場合には、車両の走行を許可し、ＩＶ推定の終了を切替制御部２４０に指示して切替方法を終了する。
【０１６７】
一方、ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１が駆動モータ５３に最小駆動電力を供給でないと判断した場合には車両の走行を禁止する。この場合には、ＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ推定を継続するために、燃料電池スタック１のＩＶ特性が良好である旨を示すＨレベルの判定信号を切替制御部２４０に供給する。
【０１６８】
ステップＳ９１０において切替制御部２４０は、ＩＶ特性が良好である旨を示すＨレベルの判定信号を受けた場合には、電流変化率保持部２４１から、定数Ｃｄ１よりも大きな定数Ｃｕ２を取得し、上昇時の電流変化率ΔＩｕを定数Ｃｕ２に変更する。これにより、電流変化操作部２１０によって電流変化率Ｃｕ１で出力電流を上昇させる場合に比べて電流上昇期間を短縮することができる。
【０１６９】
ステップＳ９１１において切替制御部２４０は、電流変化率保持部２４１から、定数Ｃｕ２よりも大きな定数Ｃｄ２を取得し、低下時の電流変化率ΔＩｄを定数Ｃｄ２に変更する。これにより、電流変化操作部２１０によって電流変化率Ｃｄ１で出力電流を低下させる場合に比べて電流上昇期間Ｔｕを短縮することができる。
【０１７０】
さらに切替制御部２４０は、ＩＶ推定部２２０によって燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する取得期間を、電流低下期間Ｔｄから電流上昇期間Ｔｕに切り替える。切替後の電流上昇期間Ｔｕは、切替前の電流低下期間Ｔｄに比べて短いため、燃料電池スタック１のＩＶ特性の推定精度を、切替前の推定精度と同程度に確保できる。
【０１７１】
ステップＳ９１２において、ＩＶ推定部２２０は、電流上昇期間Ｔｕに電流センサ５１及び電圧センサ５２から、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を所定のサンプリング周期で順次取得する。ＩＶ推定部２２０は、その電流上昇期間Ｔｕに取得した電流値及び電圧値を用いて、現在の燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。これにより、図５で示したバッファタンク３６に蓄積された不純物の逆流は電流上昇期間Ｔｕには生じないので、ＩＶ特性の推定精度の低下を回避することができる。
【０１７２】
このように、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の取得期間を電流低下期間Ｔｄから電流上昇期間Ｔｕに切り替えると共に、上昇時の電流変化率ΔＩｕを切替前の低下時の電流変化率Ｃｄ１よりも上昇させて電流上昇期間Ｔｕを短縮する。これにより、ＩＶ特性の推定精度を確保しつつ、不純物の逆流による推定精度の低下を回避できる。
【０１７３】
ステップＳ９１２で電流上昇期間Ｔｕ中に取得した燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いてＩＶ特性を推定した後、ステップＳ９０８に戻り、車両の走行が許可されるまで、ステップＳ９０５からステップＳ９１２までの一連の処理を繰り返す。そして車両の走行が許可されると、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する取得期間の切替方法が終了する。
【０１７４】
本発明の第１実施形態によれば、電流変化操作部２１０は、暖機促進運転中にＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して燃料電池スタック１の出力電流を所定の電流変化率Ｃｕ１でゆっくり上昇させた後、上昇時の電流変化率Ｃｕ１よりも早く出力電流を低下させる。出力電流が低下する電流低下期間ＴｄにＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得し、その取得した電流値及び電圧値に基づいて１回目のＩＶ特性を推定する。
【０１７５】
ＩＶ特性判定部２３０は、ＩＶ推定部２２０で推定されたＩＶ特性が基準特性より良いか否かを判断する。これにより、燃料電池スタック１の出力電流を早く上昇させた場合であっても燃料電池スタック１の電圧低下によって燃料電池システム１００が緊急停止しないことを予測することができる。
【０１７６】
そしてＩＶ特性が基準特性よりも良いと判定された場合には切替制御部２４０は、上昇時の電流変化率ΔＩｕを上昇させると共に、ＩＶ推定部２２０による燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する取得期間を電流上昇期間Ｔｕに切り替える。これにより、電流上昇期間Ｔｕが短くなるので燃料電池スタック１の回復による変化が小さいうちに、電流センサ５１及び電圧センサ５２から燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得できる。このため、ＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。
【０１７７】
したがって、燃料電池スタック１の出力電流を上昇させることに伴う燃料電池システム１００の異常を回避しつつ、燃料電池スタック１の電流上昇時の電流値及び電圧値を用いて推定されるＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。
【０１７８】
また本実施形態では、電流変化操作部２１０は、燃料電池スタック１の出力電流を所定の電流変化率Ｃｕ１で上昇させた後、所定の電流変化率Ｃｕ１よりも大きな特定の電流変化率Ｃｄ１で電流を低下させる。そして切替制御部２４０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準特性を超えていると判定された場合には、上昇時の電流変化率ΔＩｕを特定の電流変化率Ｃｄ１よりも大きな値に変更する。
【０１７９】
これにより、変更後の電流上昇期間Ｔｕが、変更前の電流低下期間Ｔｄよりも短くなるので、暖機促進運転によって回復する燃料電池スタック１のＩＶ特性の変化量を小さくすることができる。したがって、変更後の電流上昇期間Ｔｕに取得した燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いて推定されたＩＶ特性の推定精度を向上させることができる。
【０１８０】
また本実施形態では、ＩＶ特性が良好であるときの上昇時の電流変化率としては、予め定められた定数Ｃｕ２を用いる例について説明したが、ＩＶ推定部２２０によって推定されたＩＶ特性に基づいて上昇時の電流変化率を変更してもよい。
【０１８１】
例えば、ＩＶ推定部２２０によって推定されたＩＶ特性が基準特性を超えていると判定された場合には、所定の電流値においてＩＶ特性の電圧値と基準特性の電圧値との差分が大きくなるほど上昇時の電流変化率を定数Ｃｕ２よりも大きくする。
【０１８２】
このようにＩＶ特性の推定結果に応じて上昇時の電流変化率を段階的に大きくすることにより、燃料電池スタック１の出力電流をより早く上昇させることができるので、ＩＶ特性の推定精度が向上すると共に、ＩＶ推定期間を短縮することができる。
【０１８３】
また本実施形態では、基準特性保持部２３１に保持される基準特性は、ＩＶ特性の推定精度を確保するための上昇時の電流変化率Ｃｕ２に基づいて設定される。これにより、ＩＶ特性が基準特性を超えている場合には、燃料電池スタック１の出力電流を電流変化率Ｃｕ２で上昇させた場合に、燃料電池システム１００の異常を回避しつつ、ＩＶ特性の推定精度を確保することができる。
【０１８４】
なお、本実施形態では燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準特性よりも悪いと判定された場合には、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の取得期間が、電流低下期間Ｔｄに設定される。この場合には、図５に示したように、電流低下期間Ｔｄにおいてバッファタンク３６から不純物が逆流するため、ＩＶ特性の推定精度が低下してしまう。
【０１８５】
そこで燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準特性よりも悪いと判定された場合にも、ＩＶ特性の推定精度の低下を抑制する実施態様について説明する。
【０１８６】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態におけるアノードガス制御部２０１の構成を示す図である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、基本的に、図１及び図３に示した燃料電池システム１００の構成と同じである。以下、燃料電池システム１００と同じ構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１８７】
アノードガス制御部２０１は、図３に示した制御部２００が有する機能のうち、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力を制御する機能を有する。アノードガス制御部２０１は、電流変化操作部２１０によって燃料電池スタック１の出力電流が低下するほど、アノード調圧弁３３を制御して燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力を低下させる。
【０１８８】
アノードガス制御部２０１は、脈動運転部２５０と逆流防止制限部２６０とを備える。
【０１８９】
脈動運転部２５０は、脈動幅演算部２５１と、脈動上限圧力算出部２５２と、脈動波形演算部２５３とを備える。逆流防止制限部２６０は、逆流防止固定圧力保持部２６１と、目標圧力切替部２６２とを備える。
【０１９０】
脈動運転部２５０は、発電に伴う生成水や窒素ガスなどの不純物を排出するのに必要な脈動幅に基づいてアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施する。脈動運転部２５０は、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて脈動幅を調整する。
【０１９１】
燃料電池スタック１の湿潤状態は、燃料電池スタック１の内部抵抗（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）を測定することにより推定できる。例えば、燃料電池スタック１の内部抵抗が大きいほど、燃料電池スタック１の電解質膜が乾燥した状態であり、また燃料電池スタック１の内部抵抗が小さいほど、電解質膜が湿った状態であると推定できる。本実施形態では燃料電池スタック１の内部抵抗は、不図示の内部抵抗測定装置によって測定される。
【０１９２】
内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子１１及びカソード電極側出力端子１２の他に、燃料電池スタック１に設けられた中途端子にも接続される。中途端子からは、アノード電極側出力端子１１の電位と、カソード電極側出力端子１２の電位との中間の電位が出力される。
【０１９３】
内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子１１及びカソード電極側出力端子１２のそれぞれに高周波（例えば１ｋＨｚ）の交流電流を供給する。そして内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子１１と中途端子との端子間に生じるアノード側の交流電圧を検出すると共に、カソード電極側出力端子１２と中途端子との端子間に生じるカソード側の交流電圧を検出する。
【０１９４】
内部抵抗測定装置は、アノード側の交流電圧とカソード側の交流電圧とが互いに等しくなるようにアノード電極側出力端子１１及びカソード電極側出力端子１２の交流電流の振幅を調整しつつ、交流電圧及び交流電流に基づいて内部抵抗値を算出する。
【０１９５】
脈動幅演算部２５１は、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて、発電に伴う生成水の排出に必要な脈動幅を演算する。脈動幅演算部２５１は、燃料電池スタック１の内部抵抗に応じて脈動幅を補正する。
【０１９６】
脈動幅演算部２５１は、目標電流が大きくなるほど、発電に伴う生成水の量が多くなるため、脈動幅Ｗ１を大きくする。また、電解質膜の湿潤度が低下するほど、燃料電池スタック１の内部抵抗は大きくなる。そのため、脈動幅演算部２５１は、燃料電池スタック１の内部抵抗が大きくなるほど、脈動幅Ｗ１を小さくする。
【０１９７】
脈動幅演算部２５１には、内部抵抗値ごとに、燃料電池スタック１の電流とアノードガスの脈動幅とを互いに対応付けた脈動幅演算マップが記憶されている。脈動幅演算部２５１は、燃料電池スタック１の目標電流及び内部抵抗値を取得すると、その内部抵抗値によって特定された脈動幅演算マップを参照し、目標電流に対応付けられた脈動幅を目標脈動幅Ｗ１として脈動上限圧力算出部２５２に出力する。
【０１９８】
脈動上限圧力算出部２５２は、カソード圧力センサ２４から出力されるカソードガスの検出圧力に目標脈動幅を加算し、その加算した値をアノードガスの脈動上限圧力として脈動波形演算部２５３に出力する。
【０１９９】
脈動波形演算部２５３には、カソード圧力センサ２４から出力されるカソードガスの検出圧力が、アノードガスの脈動下限圧力として入力される。制御部２００は、目標電流が大きくなるほど、カソードガスの目標圧力を大きくするため、カソードガスの検出圧力は大きくなる。したがって、燃料電池スタック１の出力電流が大きくなるいほど、アノードガスの脈動下限圧力は大きくなり、燃料電池スタック１の出力電流が小さくなるほど、アノードガスの脈動下限圧力は小さくなる。
【０２００】
脈動波形演算部２５３は、アノードガスの脈動上限圧力と脈動下限圧力とを交互に選択して、アノードガス圧力が脈動する波形となるようにアノードガスの脈動圧力を演算する。
【０２０１】
例えば、脈動波形演算部２５３は、脈動上限圧力を選択しているときは、脈動下限圧力から脈動上限圧力までアノードガス圧力が一定の上昇率で昇圧されるように脈動圧力を算出する。
【０２０２】
一方、脈動波形演算部２５３は、脈動下限圧力を選択しているときは、脈動上限圧力から脈動下限圧力までアノードガス圧力が一定の低下率で降圧されるように脈動圧力を算出する。脈動波形演算部２５３は、算出されたアノードガスの脈動圧力を目標圧力として出力する。
【０２０３】
逆流防止制限部２６０は、ＩＶ推定期間に燃料電池スタック１の出力電流を振幅させることに起因するアノードガス脈動圧力の低下幅の拡大を制限する。
【０２０４】
逆流防止固定圧力保持部２６１は、ＩＶ推定期間中にアノードガスの脈動圧力を固定するために定められた固定値（以下「逆流防止固定圧力」という。）を保持する。
【０２０５】
逆流防止固定圧力は、ＩＶ推定期間中に発電に必要なアノードガス圧力を燃料電池スタック１に供給しつつアノードガスの圧力低下を制限するために設定された圧力値である。逆流防止固定圧力は、逆流防止固定圧力保持部２６１から目標圧力切替部２６２へ出力される。
【０２０６】
目標圧力切替部２６２は、ＩＶ推定フラグの設定値に基づいて、アノードガスの目標圧力を、脈動波形演算部２５３で演算された脈動圧力から、逆流防止固定圧力保持部２６１に保持された固定値に切り替える。
【０２０７】
ＩＶ推定フラグは、図３に示した切替制御部２４０によって設定される。切替制御部２４０は、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得する取得期間を電流低下期間Ｔｄに設定した場合において、電流変化操作部２１０によって出力電流を振幅させるＩＶ推定期間のみＩＶ推定フラグを「１」に設定する。
【０２０８】
目標圧力切替部２６２は、ＩＶ推定フラグが「１」を示す場合には、逆流防止固定圧力保持部２６１から逆流防止固定圧力を取得してアノードガスの目標圧力として出力する。一方、目標圧力切替部２６２は、ＩＶ推定フラグが「０」を示す場合には、脈動波形演算部２５３で算出された脈動圧力を目標圧力として出力する。
【０２０９】
このように電流変化操作部２１０が出力電流を振幅させているＩＶ推定期間は、逆流防止制限部２６０によって、アノードガスの脈動圧力が逆流防止固定圧力により制限される。
【０２１０】
図８は、アノードガス制御部２０１によるアノードガス圧力の制限手法を示す図である。
【０２１１】
図８（Ａ）は、脈動運転中のアノードガス脈動圧力の変動を示す図である。図８（Ａ）には、アノードガスの脈動圧力が実線により示され、脈動上限圧力及び脈動下限圧力がそれぞれ破線により示されている。
【０２１２】
図８（Ｂ）は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を示す図である。図８（Ｃ）は、燃料電池スタック１の出力電圧を示す図である。図８（Ａ）から図８（Ｃ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０２１３】
ここでは、図４と同様に暖機促進運転が実施されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によって燃料電池スタック１から補機類５７のみに電流が供給されている。また、脈動運転によって燃料電池スタック１に滞留する窒素ガスや生成水が押し出されてバッファタンク３６へ蓄積される。
【０２１４】
時刻ｔ８１から時刻ｔ８３までのＩＶ推定期間は、電流変化操作部２１０によって出力電流を振幅させる電流制御が実行される。ここでは上昇時の電流変化率ΔＩｕが定数Ｃｕ１に設定され、低下時の電流変化率ΔＩｄが定数Ｃｄ１に設定されている。これと共にＩＶ推定部２２０による燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の取得期間が電流低下期間Ｔｄに設定されている。したがって、ＩＶ推定フラグは、ＩＶ推定部２２０によって「１」に設定される。
【０２１５】
時刻ｔ８１では、図８（Ｂ）に示すように、電流変化操作部２１０によって燃料電池スタック１の出力電流が、電流変化率Ｃｕ１で上昇すると共に、ＩＶ推定フラグが「０」から「１」に切り替えられる。
【０２１６】
ＩＶ推定フラグが「１」に切り替えられると、目標圧力切替部２６２によって、アノードガスの目標圧力が、脈動波形演算部２５３で演算される脈動圧力から、アノードガスの圧力低下を制限するために定められた所定の逆流防止固定圧力に切り替えられる。
【０２１７】
なお、逆流防止固定圧力は、ＩＶ推定期間に出力電流を上限値まで上昇させた時に最低限必要なアノードガス流量を供給できるアノードガス圧力値に設定される。したがって、ＩＶ推定期間中に出力電流の上限値を大きくするほど、逆流防止固定圧力は大きな値に設定される。
【０２１８】
このように時刻ｔ８１から時刻ｔ８３までのＩＶ推定期間中は、アノードガス圧力は逆流防止固定圧力に設定されるので、発電に必要な流量でアノードガスを供給しつつ、バッファタンク３６から燃料電池スタック１へ窒素ガスが逆流することを防止できる。
【０２１９】
そのため、時刻ｔ８２から時刻ｔ８３までの電流低下期間Ｔｄに燃料電池スタック１の発電効率は低下せず、燃料電池スタック１の本来の出力電圧が、電圧センサ５２で検出できるようになるので、燃料電池スタック１のＩＶ特性を正確に推定することができる。
【０２２０】
時刻ｔ８３では、ＩＶ推定フラグが「０」から「１」に切り替えられる。そしてＩＶ推定部２２０は、時刻ｔ８２から時刻ｔ８３までの電流低下期間Ｔｄに取得した燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いてＩＶ特性を推定し、ＩＶ特性判定部２３０は、そのＩＶ特性が基準特性よりも良いと判定する。
【０２２１】
このため、切替制御部２４０は、上昇時の電流変化率ΔＩｕを定数Ｃｕ２まで上昇させると共に、低下時の電流変化率ΔＩｄを定数Ｃｄ２まで上昇させ、ＩＶ推定部２２０による取得期間を、電流低下期間Ｔｄから電流上昇期間Ｔｕに切り替える。
【０２２２】
時刻ｔ８４では、図８（Ｂ）に示すように、電流変化操作部２１０によって燃料電池スタック１の出力電流が所定の電流変化率Ｃｕ２で上昇する。ここでは、ＩＶ推定部２２０による取得期間が電流上昇期間Ｔｕに設定されており、ＩＶ推定フラグは「０」のままである。このため、出力電流の上昇に伴い、アノードガスの脈動上限圧力、及び脈動下限圧力が共に上昇する。
【０２２３】
時刻ｔ８４から時刻ｔ８５までの電流上昇期間Ｔｕは、ＩＶ推定部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２から燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を順次取得し、これらの電流値及び電圧値を用いてＩＶ特性を推定する。
【０２２４】
切替後の時刻ｔ８４から時刻ｔ８５までの電流上昇期間Ｔｕは、切替前の時刻ｔ８２から時刻ｔ８３までの電流低下期間Ｔｄよりも短いので、暖機促進運転によって回復してくるＩＶ特性の変化量が小さくなる。このため、電流上昇期間Ｔｕで取得した燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いて推定されるＩＶ特性の推定精度を向上させることができる。
【０２２５】
時刻ｔ８５では、図８（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電流は、燃料電池スタック１の出力電流は、所定の電流変化率Ｃｕ２よりも大きな特定の電流変化率Ｃｄ２で暖機要求電流まで低下する。これにより、ＩＶ推定期間を短縮することができる。
【０２２６】
図９は、不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下に関する図である。
【０２２７】
図９（Ａ）は、図２で述べた式（１）によって推定された燃料電池スタック１のＩＶ特性を示す図である。
【０２２８】
図９（Ａ）には、本実施形態における燃料電池スタック１のＩＶ特性が実線で示され、バッファタンク３６から不純物が逆流したときのＩＶ特性が破線で示され、通常運転時の基準ＩＶ特性が点線で示されている。また縦軸が、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖを示し、横軸が、燃料電池スタック１の出力電流Ｉを示す。
【０２２９】
図９（Ｂ）は、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を用いて求められた式（１）の近似直線を示す図である。
【０２３０】
図９（Ｂ）には、本実施形態における燃料電池スタック１の特性が、実線で示され、バッファタンク３６から不純物が逆流したときの燃料電池スタック１の特性が、破線で示されている。また縦軸が、基準ＩＶ特性の電圧値から出力電圧の検出値を減算した電圧差ΔＶを示し、横軸が、燃料電池スタック１の出力電流Ｉを示す。
【０２３１】
なお、上限電流Ｉｃは、ＩＶ推定期間中に出力電流を上昇させたときの最大値であり、出力電流の測定可能範囲の上限値である。上限電流Ｉｃよりも上の電流範囲が、式（１）によって推定されるＩＶ推定範囲である。
【０２３２】
図９（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１に不純物が逆流したときの近似直線の傾きは、本実施形態の近似直線の傾きよりも大きくなる。すなわち、不純物が逆流したときに求められた式（１）の係数ａは、本実施形態で求められた係数ａよりも小さくなる。
【０２３３】
この理由は、図５（Ｃ）で示したようにＩＶ推定期間が終わるころに不純物の逆流によって燃料電池スタック１の発電効率が低下して出力電圧が低下するため、出力電流が小さくなるにつれて、電圧差ΔＶが大きくなってしまうからである。ここでは、左から１番目及び２番目の丸印で示された測定点の電圧差ΔＶが、三角印で示された本実施形態の測定点の電圧差ΔＶよりも大きくなっている。
【０２３４】
したがって、図９（Ａ）に示すように、不純物が逆流したときのＩＶ特性は、実際の燃料電池スタック１のＩＶ特性よりも良好な特性として推定されてしまう。そのため、走行を許可する閾値を高くしなければならず、走行を正確に許可することが困難になる。これに対して本実施形態のＩＶ推定部２２０では、燃料電池スタック１のＩＶ特性を、不純物が逆流した場合に比べて正確に推定することができる。
【０２３５】
本発明の第２実施形態では、バッファタンク３６を備える燃料電池システム１００において、アノードガス制御部２０１は、電流変化操作部２１０による燃料電池スタック１の出力電流の低下に応じて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス圧力を低下させる。このため、電流低下期間Ｔｄにおいてバッファタンク３６から不純物が逆流して燃料電池スタック１の発電効率が一時的に低下する場合がある。この場合にはＩＶ特性の推定精度が低下する。
【０２３６】
第２実施形態によれば、ＩＶ推定部２２０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準特性を超えていると判定された場合には、電流変化操作部２１０によって電流が上昇する電流上昇期間Ｔｕに電流値及び電圧値を取得する。
【０２３７】
このように電流上昇期間Ｔｕに燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を取得することにより、電流低下期間Ｔｄにおいてバッファタンク３６から燃料電池スタック１へ不純物が逆流することに伴うＩＶ特性の推定精度の低下を回避できる。
【０２３８】
また本実施形態では、ＩＶ特性判定部２３０によってＩＶ特性が基準特性を超えていないと判定された場合には、切替制御部２４０は、アノードガス制御部２０１を制御してＩＶ推定期間にアノードガス圧力を逆流防止固定圧力に制限する。
【０２３９】
これにより、アノードガスの圧力低下が抑制されるので、ＩＶ特性が基準特性よりも悪く燃料電池スタック１の電流値及び電圧値の取得期間が電流低下期間Ｔｕのままであっても、不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下を抑制できる。
【０２４０】
なお、本実施形態では脈動下限圧力を基準に脈動上限圧力を算出する例について説明したが、本発明は、脈動上限圧力を基準に脈動下限圧力を算出する構成にも適用することが可能である。
【０２４１】
また本実施形態では逆流防止固定圧力によってアノードガスの圧力低下を制限する例について説明したが、逆流防止固定圧力を基準に、バッファタンク３６から不純物が逆流しないように窒素ガスのみ排出できる脈動幅でアノードガス圧力を脈動させてもよい。これにより、ＩＶ推定期間において不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下を抑制しつつ、窒素ガスの排出性を向上させることができる。
【０２４２】
なお、本実施形態では燃料電池スタック１の出力電流を上昇させてから低下させるまでの間、逆流防止固定圧力を設定する例について説明したが、電流低下期間Ｔｕのみ逆流防止固定圧力を設定するようにしてもよい。この場合であっても、バッファタンク３６に蓄積された不純物の逆流に伴うＩＶ特性の推定精度の低下を抑制することができる。この場合には、脈動幅Ｗ１を制限する時間を短くして脈動幅Ｗ１で脈動させる時間を長くすることができるので、燃料電池スタック１の排水性を向上させることもできる。
【０２４３】
また本実施形態ではアノードガス圧力の脈動運転を実施する例について説明したが、脈動運転を実施しない場合であっても、電流変化操作部２１０による電流制御に伴いアノードガス圧力が低下するので、バッファタンク３６から不純物が逆流する場合がある。この場合にはアノードガスの脈動運転を実施しない燃料電池システムに本発明を適用しても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【０２４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０２４５】
また本発明は、カソードガス供給通路２１に加湿器、例えば水分回収装置（Water Recovery Device；ＷＲＤ」）を設けた燃料電池システムにも適用することができる。この場合には、加湿器よりも上流のカソードガス供給通路２１にカソード圧力センサ２４を設け、カソード圧力センサ２４で検出された検出圧力が、アノードガスの脈動下限圧力として設定される。
【０２４６】
また本実施形態では暖機促進運転中にＩＶ推定を実施する例について説明したが、通常運転中にＩＶ推定を実施してもよく、この場合に本発明を適用しても各実施形態と同様の効果が得られる。
【０２４７】
また各実施形態ではアノードガス非循環型のデッドエンドシステムを例にして説明したが、本発明はアノードガス循環型の燃料電池システムにも適用できる。例えば、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔と、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２との間を結ぶ循環通路に、循環ポンプが設けられた燃料電池システムにも適用可能である。このようなシステムにおいても第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【０２４８】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０２４９】
１  燃料電池スタック（燃料電池）
３６  バッファタンク
１００  燃料電池システム
２０１  アノードガス制御部（圧力制御部）
２１０  電流変化操作部
２２０  ＩＶ推定部（推定部）
２３０  ＩＶ特性判定部（判定部）
２４０  切替制御部
【図１】
2015076247.tif 000003
【図２】
2015076247.tif 000004
【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】
2015076247.tif 000009
【図８】
2015076247.tif 000010
【図９】
2015076247.tif 000011