(57)【要約】【課題】運転履歴に伴う燃料電池の性能低下の到来時期を適切に把握できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００の制御部２０は、燃料電池１０の内部における水分増加量である増加水量ＷＩと水分減少量である減少水量ＷＤとを含む水収支情報を取得する（ステップＳ３０）。制御部２０は、運転中の燃料電池１０の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値ＩＤを増加水量ＷＩと減少水量ＷＤの比に基づいて逐次的に取得し、乾燥指標値ＩＤに計測周期を乗算した値を積算して乾燥履歴度数Ｄを取得する（ステップＳ３５）。制御部２０は、乾燥履歴度数Ｄに基づいて、燃料電池の急激な性能低下の発生時期の到来を事前に検出し（ステップＳ４０）、適宜、回復運転を実行する（ステップＳ６０）。【選択図】図３
2015095305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池内部における水分量の増減を示す水収支情報を取得する水収支情報取得部と、
運転中の前記燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支情報に基づいて逐次的に取得する指標値取得部と、
前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する劣化反映値取得部と、
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、
前記水収支情報は、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の増加量である増加水分量と、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の減少量である減少水分量と、を含み、
前記指標値取得部は、前記乾燥指標値を、前記増加水分量と、前記減少水分量と、の比に基づいて取得する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記劣化反映値取得部は、前記指標値取得部によって前記乾燥指標値が取得される度に、前記乾燥指標値の前回値が取得された時刻から、前記乾燥指標値の今回値が取得された時刻までの間の時間を、前記今回値に乗算した値を積算して前記劣化反映値を取得する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に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量を取得する発電量検出部と、
前記燃料電池から排出される排ガスの流量を取得する排ガス情報取得部と、
を備え、
前記水収支情報取得部は、前記水収支情報の取得のために、前記燃料電池内部における水分の増加量を少なくとも前記燃料電池の発電量に基づいて取得し、前記燃料電池内部における水分の減少量を少なくとも前記排ガスの流量に基づいて取得する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記劣化反映値に基づいて、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来を事前に検出する劣化時期検出部を備える、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、
前記劣化時期検出部によって、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来が検出されたときに、前記燃料電池の劣化を回復させる回復運転として、前記前記燃料電池において発生する水分量を増大させる運転制御を実行する運転制御部を備える、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池車両であって、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載している、燃料電池車両。
【請求項８】
燃料電池の劣化の進行度合いを検出する装置であって、
前記燃料電池内部における水分量の増減を示す水収支情報を取得する水収支情報取得部と、
運転中の燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支情報に基づいて逐次的に取得する指標値取得部と、
前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する劣化反映値取得部と、
を備える、装置。
【請求項９】
燃料電池の劣化の進行度合いを検出する方法であって、
前記燃料電池内部における水分量の増減を示す水収支情報を取得する水収支情報取得工程と、
運転中の前記燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支に基づいて逐次的に取得する指標値取得工程と、
前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する劣化反映値取得工程と、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムにおいて固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）の劣化を抑制するための種々の技術が提案されている。特許文献１，２には、燃料電池の電解質膜の抵抗値の検出によって生じる燃料電池の劣化を抑制する技術が開示されている。特許文献３には、ヒドロキシラジカルによる電解質膜の劣化を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０３８０８６号公報
【特許文献２】特開２００９−０４８８１６号公報
【特許文献３】特開２０１２−０５４０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池は内部に電解質膜などの高分子材料を有しているため、燃料電池の内部が高温状態（例えば、８０〜９０℃）になる運転や乾燥状態になる運転などが繰り返されると、その運転に起因する劣化が蓄積されて性能低下を引き起こす可能性が高くなる。燃料電池システムの信頼性を向上させるためには、燃料電池の性能低下の到来時期を適切に把握できることが望ましい。
【０００５】
上述したように、特許文献１，２は電解質膜の抵抗値の検出に伴う燃料電池の劣化の抑制を課題としており、特許文献３はヒドロキシラジカルによる電解質膜の劣化の抑制を課題としている。特許文献１−３のいずれにおいても、特定の劣化原因の発生を未然に防止することを目的としており、運転履歴に伴う燃料電池の性能低下が到来する時期を適切に把握することについては特に考慮されていない。
【０００６】
このように、燃料電池システムにおいて、運転履歴に伴う燃料電池の性能低下が到来する時期を適切に把握することについては工夫の余地があった。そのほか、燃料電池システムにおいては、システムの信頼性や可用性の向上、保全手段の簡易化や小型化、搭載性の向上、低コスト化、省資源化、ユーザーにとっての利便性の向上等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
［１］本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、燃料電池と、水収支情報取得部と、指標値取得部と、劣化反映値取得部と、を備えて良い。前記水収支情報取得部は、運転中の前記燃料電池の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値を、前記水収支情報に基づいて逐次的に取得する機能を有して良い。前記指標値取得部は、前記乾燥指標値が取得されたときに、前記乾燥指標値と、前記乾燥指標値が取得される時間間隔と、に基づいて、前記燃料電池の劣化の進行度合いが反映されている劣化反映値を積算して取得する機能を有して良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴が反映された劣化反映値を取得しているため、そうした運転履歴に起因する燃料電池の性能低下の時期を適切に把握することができる。
【０００９】
［２］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水収支情報は、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の増加量である増加水分量と、前記燃料電池内部における単位時間あたりの水分の減少量である減少水分量と、を含み、前記指標値取得部は、前記乾燥指標値を、前記増加水分量を表す値と、前記減少水分量を表す値と、の比に基づいて取得しても良い。この形態の燃料電池システムによれば、運転中の燃料電池における水分量の増減比に基づいて、燃料電池内部の乾燥傾向の度合いを適切に検出することができる。従って、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴に起因する燃料電池の性能低下の時期を適切に把握することができる。
【００１０】
［３］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記劣化反映値取得部は、前記指標値取得部によって前記乾燥指標値が取得される度に、前記乾燥指標値の前回値が取得された時刻から、前記乾燥指標値の今回値が取得された時刻までの間の時間を、前記今回値に乗算した値を積算して前記劣化反映値を取得しても良い。この形態の燃料電池システムであれば、劣化反映値に乾燥指標値の変動履歴が詳細に反映されるため、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴に起因する燃料電池の性能低下の時期をより適切に把握することができる。
【００１１】
［４］上記形態の燃料電池システムは、前記燃料電池の発電量を表す値を取得する発電量検出部と、前記燃料電池から排出される排ガスの流量を取得する排ガス情報取得部と、を備えていても良い。前記水収支情報取得部は、前記水収支情報の取得のために、前記燃料電池内部における水分の増加量を少なくとも前記燃料電池の発電量に基づいて取得し、前記燃料電池内部における水分の減少量を少なくとも前記排ガスの流量に基づいて取得しても良い。この形態の燃料電池システムによれば、運転中の燃料電池内部における水分量の増減を容易に取得することができる。
【００１２】
［５］上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記劣化反映値に基づいて、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来を事前に検出する劣化時期検出部を備えていても良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下の発生時期が事前に検出されるため、システムの信頼性が高められる。
【００１３】
［６］上記形態の燃料電池システムは、前記劣化時期検出部によって、前記燃料電池が所定の劣化度合いに到達する時期の到来が検出されたときに、前記燃料電池の劣化を回復させる回復運転として、前記前記燃料電池において発生する水分量を増大させる運転制御を実行する運転制御部を備えていても良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の性能低下が未然に防止される。
【００１４】
［７］本発明の他の形態によれば、燃料電池車両が提供される。この形態の燃料電池車両は、上記形態の燃料電池システムを搭載して良い。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池内部が乾燥傾向にあった運転履歴に起因する燃料電池の劣化の進行度合いを適切に把握することができる。
【００１５】
本発明は、燃料電池システムや燃料電池車両以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の劣化の進行度合いを事前に検出する装置や方法、燃料電池システムや燃料電池車両、前記の装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池システムの電気的構成の要部を示す概略図。
【図３】制御部による燃料電池システムの運転制御の手順を示す説明図。
【図４】運転制御部による燃料電池の発電制御を説明するための説明図。
【図５】水分増減比αと燃料電池の劣化との関係を説明するための説明図。
【図６】第１の運転パターンで燃料電池に発電させたときに得られたグラフを示す説明図。
【図７】第２の運転パターンで燃料電池に発電させたときに得られたグラフを示す説明図。
【図８】第１と第２の運転パターンによって得られた燃料電池の出力変化のグラフを示す説明図。
【図９】触媒被毒によって性能低下した燃料電池の性能回復を示す説明図。
【図１０】乾燥運転による燃料電池の性能低下に対する燃料電池の抵抗値の変化を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
A．第１実施形態：
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、移動体である燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の運転者（ユーザー）の操作に基づく燃料電池車両からの負荷要求に応じた電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０と、を備える。
【００１８】
燃料電池１０は、反応ガスとして水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。各発電体１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）を有する。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成されている。電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子（例えば、白金担持カーボンなど）と、電解質膜と同種または類似のアイオノマーと、によって構成されている。
【００１９】
制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部２０では、その中央処理装置が各種のプログラムを主記憶装置に読み込んで実行することにより、燃料電池システム１００を制御するための種々の機能部が実現される（詳細は後述）。また、制御部２０は、燃料電池１０内部における水分の増減量に基づいて燃料電池１０の性能低下の到来時期を事前に検出する処理を実行する（詳細は後述）。
【００２０】
カソードガス供給部３０は、燃料電池１０のカソードにカソードガスとして圧縮空気を供給する。カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、開閉弁３３と、エアフロメータ３４と、圧力計測部３５と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側供給用マニホールド（図示は省略）の入口に接続されている配管である。
【００２１】
エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気をカソードガスとして燃料電池１０に供給する。開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、カソードガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
【００２２】
エアフロメータ３４は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測して制御部２０に送信する。圧力計測部３５は、燃料電池１０のカソード側供給用マニホールドの入口近傍における空気の圧力を計測して制御部２０に出力する。制御部２０は、エアフロメータ３４および圧力計測部３５の出力信号に基づいて、エアコンプレッサ３２の回転数を制御し、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。
【００２３】
カソードガス排出部４０は、燃料電池１０のカソードから排出されるカソード排ガスを処理する。カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、排ガス情報取得部４４と、を備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側排出用マニホールド（図示は省略）の出口に接続されている配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと導く。
【００２４】
カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）は、調圧弁４３によって調整される。調圧弁４３の開度は制御部２０によって調整される。排ガス情報取得部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの状態に関する情報である排ガス情報を取得する。具体的に本実施形態では、排ガス情報取得部４４は、カソード排ガスの圧力と、流量と、温度と、を排ガス情報として取得する。
【００２５】
排ガス情報取得部４４は、取得した排ガス情報を制御部２０に送信する。制御部２０は、排ガス情報の中のカソード排ガスの圧力に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。また、制御部２０は、排ガス情報に含まれるカソード排ガスの流量と温度とを、燃料電池１０内部における単位時間あたりの水分の減少量の検出に用いる（詳細は後述）。
【００２６】
アノードガス供給部５０は、燃料電池１０のアノードにアノードガスとして水素を供給する。アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６と、を備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側供給用マニホールド（図示は省略）の入口と接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。
【００２７】
開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。レギュレータ５４の開度は制御部２０によって制御される。
【００２８】
水素供給装置５５は、水素の流量を調整する電磁駆動式の開閉弁である。水素供給装置５５は例えばインジェクタによって構成される。制御部２０は水素供給装置５５の駆動周期を制御することによって燃料電池１０に対する水素の供給量を制御する。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し制御部２０に送信する。
【００２９】
アノードガス循環排出部６０は、発電反応に用いられることなく燃料電池１０のアノードから排出される未反応ガス（水素や窒素など）や排水を含むアノード排ガスの循環および排出を行う。アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、を備える。
【００３０】
アノード排ガス配管６１は、気液分離部６２と燃料電池１０のアノード側排出用マニホールド（図示は省略）の出口とを接続する配管である。気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３とアノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。
【００３１】
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられている。気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、水素循環用ポンプ６４によってアノードガス配管５１へと送り出される。
【００３２】
アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。アノード排水配管６５には、排水弁６６が設けられている。制御部２０は、通常は、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。
【００３３】
アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、アノードガス循環排出部６０の圧力計測部５６の計測値や、前述したアノードガス供給部５０の圧力計測部５６の計測値に基づいて燃料電池１０に対する水素の供給を制御する。
【００３４】
冷媒供給部７０は、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、ラジエータ７２と、冷媒循環用ポンプ７５と、第１と第２の冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂと、を備える。上流側配管７１ａと下流側配管７１ｂとはそれぞれ、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させる冷媒用配管である。
【００３５】
上流側配管７１ａは、ラジエータ７２の入口と燃料電池１０の冷媒用排出用マニホールド（図示は省略）の出口とを接続する。下流側配管７１ｂは、ラジエータ７２の出口と燃料電池１０の冷媒用供給用マニホールド（図示は省略）の入口とを接続する。ラジエータ７２は、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂの途中に設けられ、ラジエータ７２において冷却された冷媒を燃料電池１０に送り出す。
【００３６】
第１と第２の冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出する。制御部２０は、検出された燃料電池１０の運転温度に基づいて冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御し、燃料電池１０の運転温度を調整する。
【００３７】
図２は、燃料電池システム１００の電気的構成の要部を示す概略図である。燃料電池システム１００の電気系統には、燃料電池コンバータ８１と、二次電池８２と、二次電池コンバータ８３と、ＤＣ／ＡＣインバータ８４と、が備えられている。燃料電池コンバータ８１は、昇圧型コンバータであり、入力側が燃料電池１０に接続され、出力側がＤＣ／ＡＣインバータ８４の直流端子に接続されている。燃料電池コンバータ８１は、制御部２０の指令に応じて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧して出力する。
【００３８】
二次電池８２は、例えば、リチウムイオン電池によって構成される。二次電池８２は、燃料電池１０の出力電力の一部や回生電力を蓄電する蓄電部として機能するとともに、燃料電池１０とともに燃料電池車両に電力を出力する電源部として機能する。二次電池８２は、二次電池コンバータ８３を介して、燃料電池コンバータ８１とＤＣ／ＡＣインバータ８４の間の直流配線に接続されている。二次電池コンバータ８３は、制御部２０の指令に応じて二次電池８２の充・放電を制御する。また、二次電池コンバータ８３は、燃料電池コンバータ８１と協働してＤＣ／ＡＣインバータ８４に対する入力電圧を可変に調整する。
【００３９】
ＤＣ／ＡＣインバータ８４は、制御部２０からの指令に応じて、燃料電池１０および二次電池８２から供給される直流電力を三相交流の電力に変換し、ＤＣ／ＡＣインバータ８４の交流端子に接続されているモータ２００に出力する。モータ２００は、三相交流モータであり、燃料電池車両の車輪を駆動する動力源である。なお、燃料電池車両の運転中には、モータ２００において回生電力が発生する場合がある。この回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ８４によって直流電力に変換されて二次電池８２へと出力され、蓄電される。
【００４０】
燃料電池システム１００は、上述の構成に加えて、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２と、を備える。セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各発電体１１と接続されており、各発電体１１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部２０に送信する。電流計測部９２は、燃料電池１０と燃料電池コンバータ８１との間に接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、電流計測部９２の測定結果を用いて燃料電池１０の内部における増加水量を算出する（詳細は後述）。
【００４１】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００においては、制御部２０は、中央処理装置が各種のプログラムを読み込んで実行することにより、運転制御部２１と、乾燥履歴度数取得部２２と、劣化時期検出部２３として機能する。運転制御部２１は、図１や図２で説明した各構成部を制御して燃料電池１０の発電を制御する。また、乾燥履歴度数取得部２２および劣化時期検出部２３は燃料電池１０の性能低下の到来を事前に検出するための処理を実行する。具体的には、以下の通りである。
【００４２】
［燃料電池システムにおける運転制御］
図３は、制御部２０による燃料電池システム１００の運転制御の手順を示すフローチャートである。この運転制御は、燃料電池車両の運転の開始とともに開始される。ステップＳ１０では、乾燥履歴度数取得部２２が前回の燃料電池システム１００の運転終了時に不揮発的に記憶された変数値である乾燥履歴度数Ｄを読み込む。乾燥履歴度数Ｄについては後述する。
【００４３】
ステップＳ１０以降のステップＳ２０〜Ｓ４０の各工程は、燃料電池システム１００の運転が終了するまで、所定の制御周期で繰り返される（ステップＳ５０）。ステップＳ２０では、運転制御部２１は、燃料電池システム１００に対する燃料電池車両からの出力要求を受け付ける。ステップＳ２５では、運転制御部２１はその出力要求に基づいて燃料電池１０の発電を以下のように制御する。
【００４４】
図４は、運転制御部２２による燃料電池１０の発電制御を説明するための説明図である。図４には、燃料電池１０の電流−電圧特性（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフＧI-Pと、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフＧI-Vとを、左右の縦軸をそれぞれ電圧および電力とし、横軸を電流として示してある。
【００４５】
運転制御部２１は、燃料電池１０についてＩ−Ｐ特性およびＩ−Ｖ特性を表す燃料電池１０の運転温度ごとの情報を制御用情報として予め記憶しており、その制御用情報に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧の指令値を取得する。運転制御部２１は、ステップＳ２０で受け付けた出力要求に基づいて、燃料電池１０が出力すべき目標電力Ｐｔを決定する。そして、燃料電池１０のＩ−Ｐ特性（グラフＧI-P）に基づいて、目標電力Ｐｔに対して燃料電池１０が出力すべき電流の目標値（目標電流Ｉｔ）を取得する。
【００４６】
運転制御部２１は、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性（グラフＧI-V）に基づいて、目標電流Ｉｔを出力するために必要な燃料電池１０のセル電圧の目標値（目標電圧Ｖｔ）を取得する。通常運転制御部２２は、燃料電池コンバータ８１および二次電池コンバータ８３を制御して、目標電圧Ｖｔを燃料電池１０に出力させるとともに、不足する電力を二次電池８２に出力させる。
【００４７】
ステップＳ３０（図３）では、乾燥履歴度数取得部２２は、前回の制御周期におけるステップＳ３０の実行時から今回の制御周期におけるステップＳ３０実行時までの期間における燃料電池１０内部における水分の増加量および減少量を取得する。以下では、前記の期間を「計測期間」と呼ぶ。また、計測期間中における燃料電池１０の内部における水分の増加量を「増加水量ＷＩ」と呼び、減少量を「減少水量ＷＤ」と呼ぶ。増加水量ＷＩは、燃料電池１０の内部における単位時間あたりの水分の増加量に相当する。また、減少水量ＷＤは、燃料電池１０の内部における単位時間あたりの水分の減少量に相当する。
【００４８】
乾燥履歴度数取得部２２は、電流計測部９２によって計測された燃料電池１０の出力電流に基づいて、計測期間中の発電反応によって燃料電池１０のカソード側において生成された生成水の量を増加水量ＷＩとして取得する。また、乾燥履歴度数取得部２２は、減少水量ＷＤを、計測期間中に排ガス情報取得部４４によって取得された排ガス情報に基づいて以下のように取得する。
【００４９】
乾燥履歴度数取得部２２は、カソード排ガスの流量から計測期間中に燃料電池１０から排出されたカソード排ガスの量を求める。乾燥履歴度数取得部２２は、カソード排ガスには飽和水蒸気量の水分が含まれているものとして、カソード排ガスの温度と飽和水蒸気圧とに基づいて、カソード排ガスに含有されている水蒸気量を減少水量ＷＤとして取得する。
【００５０】
ステップＳ３５では、乾燥履歴度数取得部２２は乾燥履歴度数Ｄを更新する。乾燥履歴度数Ｄは、燃料電池１０における劣化の進行度合いが反映された劣化反映値であり、以下に説明するように、乾燥指標値ＩＤと、乾燥指標値ＩＤが取得される時間間隔と、に基づいて積算によって取得される値である。
【００５１】
乾燥指標値ＩＤは、増加水量ＷＩと減少水量ＷＤとの比として求められる水分増減比αに基づいて逐次的に取得される（下記の式（１））。
水分増減比α＝増加水量ＷＩ／減少水量ＷＤ  
乾燥指標値ＩＤ＝１−α（０≦α＜１のとき）    …（１）
乾燥指標値ＩＤ＝０（α≧１のとき）
【００５２】
乾燥指標値ＩＤは、増加水量ＷＩに対して減少水量ＷＤが大きいほど、すなわち、燃料電池１０内部の水分量が減少傾向にある乾燥傾向が強いほど１に近い値となる（０≦α＜１）。一方、燃料電池１０内部の水分量が増加傾向にある湿潤傾向が強いときには０になる（α≧１）。このように、乾燥指標値ＩＤは、燃料電池１０の内部における乾燥傾向の度合いを示す乾燥指標値に相当する。
【００５３】
乾燥履歴度数取得部２２は乾燥指標値ＩＤを用いて、乾燥履歴度数Ｄを以下の式（２）によって算出して更新する。
乾燥履歴度数Ｄ＝Ｄn＝Ｄn-1＋ＩＤ×Δｔ  …（２）
ｎ：１以上の自然数
Δｔ：計測期間（ステップＳ３０の実行周期）
【００５４】
上記の数式（２）中における「Ｄn」は、乾燥履歴度数Ｄの今回値である。また、「Ｄn-1」は、乾燥履歴度数Ｄの前回値であり、前回の制御周期のステップＳ４０において取得された値である。なお、今回の制御周期が燃料電池システム１００の運転開始後の最初の制御周期である場合には、前回値Ｄn-1は、ステップＳ１０で読み込まれた乾燥履歴度数Ｄである。乾燥履歴度数Ｄは、燃料電池１０において乾燥傾向の運転が継続されると、その乾燥傾向の強さとその運転時間に応じて増加し、燃料電池１０において湿潤傾向の運転が継続されるときには前回値が維持される。
【００５５】
ところで、燃料電池の内部の水分が少ない乾燥傾向の状態で燃料電池の運転が継続されると、高分子樹脂などの材料の一部が電極の触媒表面に付着する触媒被毒が発生することが知られている。この触媒被毒は、その原因物質が触媒表面から除去されない限り蓄積される。乾燥傾向の状態での運転時間が累積されると、この触媒被毒の蓄積が原因となって、ある時期に急激な燃料電池の性能低下が発生する可能性が高まる。
【００５６】
上述したように、乾燥履歴度数Ｄは、乾燥指標値ＩＤの大きさと、乾燥指標値ＩＤが１より小さくなっていたときの運転時間の累積と、が反映された変数である。すなわち、乾燥履歴度数Ｄには、燃料電池１０が乾燥傾向にあった運転履歴が反映されている。従って、乾燥履歴度数Ｄによれば、燃料電池１０における触媒被毒の進行の度合いを触媒被毒に起因する燃料電池１０の性能低下の到来を事前に把握することができる。
【００５７】
ここで、本実施形態において乾燥履歴度数Ｄの算出に用いられている水分増減比αは、増加水量ＷＩと減少水量ＷＤの比である。水分増減比αであれば、燃料電池１０に対する反応ガスの供給流量の大小や燃料電池１０の発電量の大小などの運転条件の相違による変動が少ない。従って、水分増減比αに基づく乾燥指標値ＩＤには、運転条件の相違によらずに、燃料電池１０内部の乾燥傾向の度合いがより適切に反映されていると言える。また、本実施形態の燃料電池システム１００では、乾燥履歴度数Ｄが上記のような乾燥指標値ＩＤによって求められていることから、燃料電池１０が乾燥傾向にあった運転履歴がより適切に反映されていると言える。
【００５８】
ステップＳ４０では、劣化時期検出部２３が乾燥履歴度数Ｄに基づいて、燃料電池１０の劣化時期の到来を判定し、その判定結果を運転制御部２１に出力する。劣化時期検出部２３は、乾燥履歴度数Ｄが所定の閾値以下である場合には、触媒被毒に起因する燃料電池１０の急激な性能低下が発生する時期までには猶予があると判定する。この場合には、運転制御部２１は、燃料電池システム１００の運転終了まで通常の運転制御を繰り返す（ステップＳ２０〜Ｓ５０）。一方、劣化時期検出部２３は、乾燥履歴度数Ｄが所定の閾値より大きい場合には、触媒被毒に起因する燃料電池１０の性能低下の発生時期の到来が近いと判定する。この場合には、運転制御部２１は、ステップＳ６０の回復運転を開始する。
【００５９】
触媒被毒に起因する燃料電池の性能低下は触媒表面の付着物を除去することによって回復することができる。そこで、ステップＳ６０の回復運転では、運転制御部２１は通常の運転制御（ステップＳ２０，Ｓ２５）のときよりも燃料電池１０の内部の水分量を増加させる運転制御を行い、触媒表面の付着物を増加させた水分によって洗い流して除去する。具体的には、運転制御部２１は、外部からの負荷要求にかかわらず、燃料電池１０の電圧を一時的に低下させる。これによって、燃料電池１０の電流が一時的に増大するため、発電反応による生成水量を増大させることができる。
【００６０】
運転制御部２１は、ステップＳ６０の回復運転として、燃料電池１０の運転温度を低下させる処理を実行しても良い。具体的には、運転制御部２１は、冷媒供給部７０から燃料電池１０に供給される冷媒の流量を通常の運転制御のときよりも増大させる処理を実行する。燃料電池１０の運転温度が低下されれば、燃料電池１０の内部に存在する水分の液化が促進されるため、燃料電池１０から蒸気として排出される水分量が低減される。従って、燃料電池１０の内部に残留する水分量を増大させることができる。
【００６１】
回復運転の終了後には、乾燥履歴度数取得部２２が乾燥履歴度数Ｄを初期値に設定する（ステップＳ６５）。その後、運転制御部２１は、燃料電池システム１００の運転が終了されるまで、通常の運転制御を繰り返す（ステップＳ１０〜Ｓ５０）。なお、燃料電池システム１００の運転終了時には、乾燥履歴度数取得部２２は、乾燥履歴度数Ｄを、次回の運転開始時に読み込み可能なように制御部２０が有する不揮発性記憶部に記憶する（ステップＳ５５）。これによって、燃料電池１０が乾燥傾向にあった運転履歴が不揮発的に記録される。
【００６２】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０の内部が乾燥傾向にあった運転時間が累積されることによって発生する急激な性能低下を、乾燥履歴度数Ｄに基づいて、適切に予防することができる。従って、燃料電池システム１００の信頼性が高められる。
【００６３】
［乾燥履歴度数Ｄについて］
図５は、乾燥履歴度数Ｄの算出に用いられる水分増減比αと燃料電池の性能低下との関係を説明するための説明図である。図５には、横軸を水分増減比αとし、縦軸を燃料電池の出力変化率とするグラフを図示してある。なお、グラフ縦軸の出力変化率は、初期状態の燃料電池の出力電力を基準とする出力電力の変化量を初期状態の燃料電池の出力電力を１００％としたときの百分率で表した値である。
【００６４】
この実験では、水分増減比αが一定となるように定められた種々の運転条件で燃料電池に、それぞれ中負荷域、中低負荷域、低負荷域における一定の電流密度での発電を間欠的に繰り返させた。いずれの場合においても、水分増減比αが１より小さいときには燃料電池の出力電力はある時期から次第に低下していき、一定の値に収束した。これに対して、水分増減比αが１以上のときには、燃料電池の出力電力の低下はみられなかった。
【００６５】
ここで、グラフに示されているように、水分増減比αが１より小さいときには、水分増減比αが小さいほど、燃料電池の出力電力の低下量は小さくなった。加えて、この実験においては、水分増減比αが大きいほど、燃料電池の出力の低下が収束されるまでの運転時間は短くなった。また、燃料電池の出力低下の原因を、サイクリックボルタンメトリー測定によって調べたところ触媒被毒が原因であることがわかった。
【００６６】
このように、水分増減比αが１より小さいときの水分増減比αの大きさと、水分増減比αが１より小さくなる運転が継続された時間とは、触媒被毒に起因する燃料電池の性能低下の進行に関係する。上述したように、乾燥指標値ＩＤは１から水分増減比αをひいた値であり、乾燥履歴度数Ｄは、乾燥指標値ＩＤの大きさと、乾燥指標値ＩＤが１より小さくなっていたときの運転時間の累積と、が反映されている値である。従って、上記の実験結果から、乾燥履歴度数Ｄであれば、燃料電池の触媒被毒に起因する性能劣化の到来時期を事前に把握できることがわかる。
【００６７】
図６〜図８は、水分増減比αの変化履歴が異なる第１と第２の運転パターンにおける燃料電池の性能低下の時期の到来の相違を示す説明図である。図６，図７にはそれぞれ、燃料電池を所定の第１と第２の運転パターンで発電させたときに得られたグラフを図示してある。図６，図７のグラフでは、横軸が時間を示し、紙面左側の縦軸が水分増減比αを示し、紙面右側の縦軸が電流を示している。また、実線のグラフＧDは水分増減比αの時間変化を示し、一点鎖線のグラフＧIは燃料電池が出力する電流の時間変化を示している。
【００６８】
ここで、図６，図７のグラフでは、水分増減比αが１より小さくなっている領域ＤＡを、ハッチングを付して示してある。以下では、この領域ＤＡを「乾燥領域ＤＡ」と呼ぶ。乾燥履歴度数Ｄは、この乾燥領域ＤＡの面積に相当する値である。図６のグラフでは、乾燥領域ＤＡの面積が、図７のグラフよりも大きい。すなわち、図６のグラフが得られた第１の運転パターンは、図７のグラフが得られた第２の運転パターンよりも燃料電池が乾燥傾向になる時間が多く、乾燥履歴度数Ｄが増大する速度が速い運転パターンである。
【００６９】
図８には、図６，図７のグラフが得られた第１と第２の運転パターンをそれぞれ１サイクルとして複数回繰り返したときの燃料電池の出力変化を示すグラフを図示してある。図８のグラフでは、横軸がサイクル数を示しており、縦軸が燃料電池の出力を示している。また、実線のグラフＧａは、第１の運転パターン（図６）を繰り返したときのグラフであり、破線のグラフＧｂは、第２の運転パターン（図７）を繰り返したときのグラフである。２つのグラフＧａ，Ｇｂはそれぞれ、第１と第２の運転パターンをそれぞれ所定のサイクル数繰り返すごとに燃料電池に所定の電流を出力させたときの電圧を測定することによって得られたものである。
【００７０】
図８のグラフに示されているように、第１と第２の運転パターンのいずれを繰り返した場合にも、燃料電池の出力が急激に低下してしまう時期が到来した。出力が低下した後の燃料電池を検証したところ、この燃料電池の出力低下の原因は、触媒被毒によるものであることが確認された。また、第１の運転パターンが繰り返されたときの方が（グラフＧａ）、第２の運転パターンが繰り返されたとき（グラフＧｂ）よりも、触媒被毒による燃料電池の出力低下が早期に到来した。すなわち、乾燥履歴度数Ｄが増大する速度が速い第１の運転パターンの方が先に触媒被毒による性能低下の発生時期の到来が速かった。この実験結果からも、乾燥履歴度数Ｄを指標として用いれば触媒被毒による燃料電池の性能低下の発生時期の把握が可能であることがわかる。
【００７１】
図９は、触媒被毒によって性能低下した燃料電池の性能回復を示す説明図である。図９には、触媒被毒による性能低下が検出された燃料電池に対して性能回復のための回復運転を実行した前後での燃料電池の出力の変化を棒グラフによって示してある。この実験では、燃料電池の回復運転として、発電後の燃料電池に１単セルあたり２．０ｇの含水量の水分が残留するような湿潤な運転を実行した。このように、燃料電池内部の水分が多くなる運転を実行することによって、触媒被毒による燃料電池の性能回復が可能である。
【００７２】
［参考例］
図１０は、参考例として、燃料電池の乾燥運転による性能低下に対する燃料電池の抵抗値の変化を示す説明図である。図１０には横軸を電流密度とし、紙面左側の縦軸を電圧とし、紙面右側の縦軸を面積抵抗とするグラフを図示してある。グラフＩＶｉ，ＩＶｄ，ＩＶｗは電流密度に対する電圧の変化を示すグラフであり、グラフＩＲｉ，ＩＲｄ，ＩＲｗは電流密度に対する面積抵抗の変化を示すグラフである。
【００７３】
ここで、実線のグラフＩＶｉ，ＩＲｉは、初期状態の燃料電池において得られたグラフである。破線のグラフＩＶｄ，ＩＲｄは燃料電池内部を乾燥状態にした上での発電によって発電性能が低下した後の燃料電池において得られたグラフである。一点鎖線のグラフＩＶｗ，ＩＲｗは、発電性能が低下した後の燃料電池において湿潤状態の発電を行うことによって得られたグラフである。
【００７４】
これらのグラフに示されているように、燃料電池における電流密度に対する抵抗の変化は、燃料電池内部の湿潤状態に応じて変動はするものの、乾燥状態での発電による燃料電池の性能低下の影響は受けていない。従って、燃料電池の抵抗の測定によっては、乾燥状態での発電による燃料電池の性能低下を検出することは容易ではない。これに対して、上述したように、乾燥履歴度数Ｄであれば、燃料電池の水収支を表す情報に基づいて取得されているため、燃料電池の乾燥状態の発電の履歴が適切に反映されおり、乾燥発電による燃料電池の性能低下の時期を事前に把握することが可能である。
【００７５】
B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、乾燥履歴度数取得部２２は、増加水量ＷＩを燃料電池１０の発電量に基づいて取得し、減少水量ＷＤをカソード排ガスの流量および温度に基づいて取得していた。これに対して、乾燥履歴度数取得部２２は、他の方法によって、増加水量ＷＩと減少水量ＷＤとを取得しても良い。例えば、乾燥履歴度数取得部２２は、増加水量ＷＩを燃料電池１０の発電量に燃料電池１０に供給されるカソードガスの湿度を加味しても良い。また、乾燥履歴度数取得部２２は、減少水量ＷＤを、カソード排ガスの湿度を計測することによって取得しても良いし、カソード排ガス中の蒸気として排出される水分量以外に、カソード側やアノード側から液水として排出される排水量を加味して取得しても良い。あるいは、乾燥履歴度数取得部２２は、減少水量ＷＤを、カソード排ガスの流量のみによって取得しても良い。この場合には、カソード排ガスの温度が例えば８０℃程度であると仮定してカソード排ガスに含まれる飽和水蒸気量を減少水量ＷＤとして取得しても良い。
【００７６】
B2．変形例２：
上記実施形態において、乾燥履歴度数取得部２２は、乾燥履歴度数Ｄを、増加水量ＷＩと減少水量ＷＤとの比である水分増減比αに基づいて逐次的に算出していた。乾燥履歴度数取得部２２は乾燥履歴度数Ｄを水分増減比αに基づいて算出しなくても良い。乾燥履歴度数取得部２２は増加水量ＷＩと減少水量ＷＤとを含む燃料電池１０の水収支情報に基づいて算出すれば良い。例えば、乾燥履歴度数取得部２２は、増加水量ＷＩと減少水量ＷＤとの差を用いて乾燥履歴度数Ｄを算出しても良い。ただし、上記実施形態でも説明したように、上水分増減比αに基づく乾燥履歴度数Ｄであれば、燃料電池１０における運転条件（例えば、供給ガス流量や発電量）の相違による変動が少ないため、より適切に燃料電池１０の内部の乾燥傾向の履歴が反映される。
【００７７】
B3．変形例３：
上記実施形態では、乾燥履歴度数取得部２２は、制御部２０の制御周期ごとに乾燥指標値ＩＤを逐次的に取得し、その度に、乾燥履歴度数Ｄを更新していた。これに対して、乾燥履歴度数取得部２２は、乾燥指標値ＩＤを制御部２０の制御周期に関わらず、所定のタイミングごとに逐次的に取得しても良い。また、乾燥履歴度数取得部２２は、乾燥指標値ＩＤが取得される度に乾燥履歴度数Ｄを更新しなくても良い。乾燥履歴度数取得部２２は、乾燥指標値ＩＤが所定の変化量で変化したことが検出されたときに、その乾燥指標値ＩＤと、前回の乾燥履歴度数Ｄの更新時から現在までの時間間隔と、に基づいて、乾燥履歴度数Ｄを更新しても良い。あるいは、乾燥履歴度数取得部２２は、複数回取得され乾燥指標値ＩＤの平均値と、その平均値が取得されるまでの時間間隔と、を用いて乾燥履歴度数Ｄを更新しても良い。
【００７８】
B4．変形例４：
上記実施形態では、劣化時期検出部２３が乾燥履歴度数Ｄに基づいて燃料電池１０の性能低下の発生時期の到来を判定し、運転制御部２１がその判定結果に基づいて回復運転（ステップＳ６０）を実行していた。これに対して、劣化時期検出部２３による判定処理や、運転制御部２１による回復運転は省略されても良い。制御部２０は、劣化時期検出部２３による判定処理の代わりに、乾燥履歴度数Ｄの値をメーターなどによってユーザーに報知する報知処理を実行しても良い。また、制御部２０は、ステップＳ６０の回復運転の代わりに、劣化時期検出部２３が出力する判定結果をユーザーに報知しても良い。なお、この場合には、制御部２０はユーザーの指示に従って、回復運転の実行を開始しても良い。
【００７９】
B5．変形例５：
上記の各実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に限らず、他の燃料電池の電力を使用する移動体（例えば、航空機や船舶など）に搭載されても良い。また、上記の各実施形態の燃料電池システムは移動体ではなく、位置が固定された施設や設備などに導入されても良い。
【００８０】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池
１１…発電体
２０…制御部
２１…運転制御部
２２…乾燥履歴度数取得部
２３…劣化判定部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…開閉弁
３４…エアフロメータ
３５…圧力計測部
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…排ガス情報取得部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
７０…冷媒供給部
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…第１と第２の冷媒温度計測部
８１…燃料電池コンバータ
８２…二次電池
８３…二次電池コンバータ
８４…ＤＣ／ＡＣインバータ８４
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
【図１】
2015095305.tif 000003
【図２】
2015095305.tif 000004
【図３】
2015095305.tif 000005
【図４】
2015095305.tif 000006
【図５】
2015095305.tif 000007
【図６】
2015095305.tif 000008
【図７】
2015095305.tif 000009
【図８】
2015095305.tif 000010
【図９】
2015095305.tif 000011
【図１０】
2015095305.tif 000012