(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース出力電流及びベース出力電圧でもって燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルの膜電極ガス拡散層接合体内の電解質材料中に含まれる陽イオン不純物量を推定する方法であって、
前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流から予め定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持するステップと、
前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測するステップと、
計測された前記燃料電池単セルの出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するステップと、
を備える、
燃料電池システムにおける陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項２】
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記出力電流が前記増加電流に増加されてから予め定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量が推定される、
請求項１に記載の陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項３】
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量が推定される、
請求項１に記載の陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項４】
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量が推定される、
請求項１に記載の陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項５】
前記増加電流は前記燃料電池システムの負荷が全負荷のときの前記出力電流である、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項６】
前記燃料電池単セルの前記ベース出力電流が閾値電流よりも小さいときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記増加電流へステップ状に増加させて陽イオン不純物量を推定する
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項７】
ベース出力電流及びベース出力電圧でもって燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルの膜電極ガス拡散層接合体内の電解質材料中に含まれる陽イオン不純物量を推定する装置であって、
前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流から予め定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持する電流制御部と、
前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測する計測部と、
計測された前記燃料電池単セルの出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定する推定部と、
を備える、
燃料電池システムにおける陽イオン不純物量の推定装置。
【請求項８】
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記推定部は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから予め定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、
請求項７に記載の陽イオン不純物量の推定装置。
【請求項９】
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記推定部は、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、
請求項７に記載の陽イオン不純物量の推定装置。
【請求項１０】
前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
前記推定部は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、
請求項７に記載の陽イオン不純物量の推定方法。
【請求項１１】
前記増加電流は前記燃料電池システムの負荷が全負荷のときの前記出力電流である、
請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の陽イオン不純物量の推定装置。
【請求項１２】
前記電流制御部は、前記燃料電池単セルの前記ベース出力電流が閾値電流よりも小さいときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記増加電流へステップ状に増加させて、それにより前記推定部は陽イオン不純物量を推定する
請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の陽イオン不純物量の推定装置。
【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おける陽イオン不純物量の推定方法及び陽イオン不純物量の推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムが作動されているときに、燃料電池システムの燃料電池スタックのアノードオフガス及びカソードオフガス中に溶出した金属イオン等の導電性不純物の濃度を測定する方法であって、導電性不純物の濃度の測定に適した条件が成立しているか否かを判別し、条件が成立しているときに、それぞれのオフガスに含まれる水分から凝縮器で凝縮水を生成し、生成された凝縮水の導電率を導電率センサで検知し、検知された導電率から導電性不純物の濃度を算出する、導電性不純物の濃度測定方法が知られている（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２００７−０５９２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転中に、燃料電池スタックに供給される空気に同伴されることなどにより、燃料電池スタックの燃料電池単セル内に金属の陽イオン（カチオン）が入ることがある。燃料電池単セルに入る金属の陽イオンとしては、融雪剤に含まれるＣａ、Ｎａなど、及び、燃料電池システムの部品に含まれるＦｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌなどが考えられる。ここで、燃料電池単セルには、電解質膜としてナフィオン（登録商標）に例示される陽イオン交換膜が用いられている。そのため、金属の陽イオンが燃料電池単セル内に入ると、陽イオン交換膜内に侵入してそのまま膜内に留まり、膜内のスルホン酸基を置換してしまう。したがって、膜内の金属の陽イオンの量が増加すると、陽イオン交換膜内でＨ+イオンの伝導に関わるスルホン酸基が減少して、Ｈ+イオンが移動し難くなり、すなわちプロトン伝導性が低下して、電池性能が劣化してしまう。このように、陽イオン交換膜中の陽イオンの不純物量は電池性能の劣化の程度と密接に関係している。したがって、燃料電池システムの運転中に陽イオン交換膜中の陽イオン不純物量を知ることは、運転中の燃料電池スタック及び燃料電池単セルの劣化の程度を推定し、劣化の程度に応じた適切な対処を行うためには非常に重要である。しかし、特許文献１では、アノードオフガス及びカソードオフガス中の導電性不純物の濃度を測定しているが、陽イオン交換膜中の陽イオン不純物量を測定しているわけではない。また、仮にアノードオフガス及びカソードオフガス中の導電性不純物の濃度から陽イオン交換膜中の陽イオン不純物量を推定できたとしても、凝縮器や導電率センサなどの追加の機器が必要であり製造コストの上昇の要因となる。製造コストの上昇を抑えつつ、燃料電池システムの運転中に陽イオン交換膜中の陽イオン不純物量を推定することが可能な技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一の観点によれば、ベース出力電流及びベース出力電圧でもって燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルの膜電極ガス拡散層接合体内の電解質材料中に含まれる陽イオン不純物量を推定する方法であって、前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流から予め定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持するステップと、前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測するステップと、計測された前記燃料電池単セルの出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するステップと、を備える、燃料電池システムにおける陽イオン不純物量の推定方法が提供される。
【０００６】
本発明の他の観点によれば、ベース出力電流及びベース出力電圧でもって燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルの膜電極ガス拡散層接合体内の電解質材料中に含まれる陽イオン不純物量を推定する装置であって、前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流から予め定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持する電流制御部と、前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測する計測部と、計測された前記燃料電池単セルの出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定する推定部と、を備える、燃料電池システムにおける陽イオン不純物量の推定装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
製造コストの上昇を抑えつつ、燃料電池システムの運転中に陽イオン交換膜中の陽イオン不純物量を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池単セルの部分断面図である。
【図３】陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。
【図４】陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。
【図５】陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。
【図６】陽イオン不純物量と電圧落ち込み量との関係を模式的に示すグラフである。
【図７】燃料電池単セルの出力電圧の挙動のメカニズムを模式的に説明する図である。
【図８】燃料電池システムの陽イオン不純物量推定制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】燃料電池単セルの出力電圧の実験の一例を示すグラフである。
【図１０】図９の一部を拡大して示すグラフである。
【図１１】電圧落ち込み量と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。
【図１２】別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。
【図１３】陽イオン不純物量と極小電圧及び極小値落ち込み量との関係を模式的に示すグラフである。
【図１４】別の実施例の燃料電池単セルの出力電圧の実験の一例を示すグラフである。
【図１５】更に別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。
【図１６】陽イオン不純物量と所要時間との関係を模式的に示すグラフである。
【図１７】別の実施例の燃料電池単セルの出力電圧の実験の一例を示すグラフである。
【図１８】更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セル２を含む積層体を備える。積層体の各燃料電池単セル２は膜電極ガス拡散層接合体２０と、膜電極ガス拡散層接合体２０の両側に配置されたセパレータ（図示せず）とを含む。膜電極ガス拡散層接合体２０は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられたアノード極及びカソード極とを備える。
【００１０】
燃料電池単セル２のアノード極は一端側に隣接する他の燃料電池単セル２のカソード極に、カソード極は他端側に隣接する他の燃料電池単セル２のアノード極にそれぞれセパレータを介して電気的に接続される。積層体の一端側の燃料電池単セル２のアノード極と他端側の燃料電池単セル２のカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０が出力する出力電流・出力電圧の大きさを制御すると共に、出力された出力電流・出力電圧の大きさを変換してインバータ１２に供給するためのものである。インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。
【００１１】
また、燃料電池単セル２内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セル２に冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セル２の燃料ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セル２の酸化剤ガス流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セル２の冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び、冷却水通路５０がそれぞれ形成される。燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び、冷却水通路５０は、それぞれ燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガス用マニホールド、及び、冷却水用マニホールドを含む。
【００１２】
燃料ガス通路３０の入口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料ガス源３２からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器３７と、気液分離器３７に蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁３８が配置される。気液分離器３７の上部には燃料ガス循環管８１の入口が連通され、燃料ガス供給管３１における燃料ガスインジェクタ３５よりも上流の箇所には燃料ガス循環管８１の出口が連通される。燃料ガス循環管８１内には、気液分離器３７内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する燃料ガス循環ポンプ３９が配置される。燃料ガス循環ポンプ３９が駆動されると、気液分離器３７に蓄積されたアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環される。図示しない別の実施例では、アノードオフガス管３６内の気液分離器３７が省略される。
【００１３】
また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は酸化剤ガス源４２に連結される。図１に示される実施例では、酸化剤ガス源４２は大気から形成される。酸化剤ガス供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、酸化剤ガスを圧送する空気供給器ないしターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４７が配置される。更に、インタークーラ４５下流の酸化剤ガス供給管４１に酸化剤ガスバイパス管４９の入口が連結され、酸化剤ガスバイパス管４９の出口がカソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に連結される。酸化剤ガスバイパス管４９内には、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が配置される。酸化剤ガスバイパス制御弁４８は、燃料電池スタック１０を迂回して酸化剤ガス供給管４１からカソードオフガス管４６へ流れる空気の流量を制御する。図１に示される燃料電池システムＡでは酸化剤ガスバイパス制御弁４８は三方弁から形成される。ターボコンプレッサ４４が駆動され、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が、酸化剤ガス供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも上流側の上流側酸化剤ガス供給管４１Ｕに、酸化剤ガス供給管４１におけるターボコンプレッサ４４よりも下流側の下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄを連通すると、酸化剤ガスが燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。また、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が上流側酸化剤ガス供給管４１Ｕに酸化剤ガスバイパス管４９を連通すると、ターボコンプレッサ４４から吐出された空気の一部又は全部が酸化剤ガスバイパス管４９を介してカソードオフガス管４６に供給される。図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。
【００１４】
酸化剤ガスバイパス管４９の出口下流のカソードオフガス管４６内には希釈器８０が設けられる。この希釈器８０にはアノードオフガス管３６の出口が連結される。希釈器８０では、希釈器８０から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器８０に流入するカソードオフガスには、酸化剤ガスバイパス管４９からの酸化剤ガスも含まれる。
【００１５】
また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３下流であってラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。
【００１６】
電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池スタック１０の出力電流及び出力電圧を計測する出力センサ１６の出力信号、積層体の複数の燃料電池単セル２のそれぞれの出力電流及び出力電圧を計測する出力センサ１７の出力信号、及び、燃料電池システムＡ内の圧力センサや温度センサ（図示せず）の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、排出制御弁３８、燃料ガス循環ポンプ３９、ターボコンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、酸化剤ガスバイパス制御弁４８、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。
【００１７】
ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び燃料ガスインジェクタ３５が開弁され、燃料ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-，（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池単セル２では、膜電極ガス拡散層接合体２０の電解質膜５ｅの一側に形成されたアノード極５ａはアノード電極触媒層５ａｓとアノードガス拡散層５ａｄとを備え、電解質膜５ｅの他側に形成されたカソード極５ｃはカソード電極触媒層５ｃｓとカソードガス拡散層５ｃｄとを備えている。膜電極ガス拡散層接合体２０のアノード極５ａ側にはアノードセパレータ３ａが配置され、カソード極５ｃ側にはカソードセパレータ３ｃが配置されている。
【００１９】
電解質膜５ｅの材料、すなわち電解質材料としては、例えばパーフルオロスルホン酸のような陽イオン伝導性を有するフッ素系の陽イオン交換樹脂が挙げられ、具体的にはナフィオン（登録商標）が例示される。アノード電極触媒層５ａｓ及びカソード電極触媒層５ｃｓの材料としては、例えば白金又は白金合金のような触媒を担持した触媒担持カーボンが挙げられる。図示しない別の実施例では、電解質膜５ｅと同様の電解質材料、例えばフッ素系の陽イオン交換樹脂で形成されるアイオノマーが触媒担持カーボンに加えられる。アノードガス拡散層５ａｄ及びカソードガス拡散層５ｃｄの材料としては、導電性を有する多孔体、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボンのようなカーボン多孔体や、金属メッシュ、発泡金属のような金属多孔体が挙げられる。アノードセパレータ３ａ及びカソードセパレータ３ｃの材料としては、例えばステンレスやＴｉのような金属が挙げられる。
【００２０】
図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス流量及び酸素ガス流量、すなわち目標燃料ガス流量及び目標酸素ガス流量が求められ、目標酸素ガス流量に基づいて目標酸化剤ガス流量が求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる燃料ガス流量が目標燃料ガス流量となるようにレギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量となるようにターボコンプレッサ４４及びカソードオフガス制御弁４７が制御される。
【００２１】
ところで、上述されたように、燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの運転中に、燃料電池スタック１０の燃料電池単セル２の電解質材料内、例えば電解質膜５ｅ内に、Ｃａ、Ｎａ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌなどの陽イオンの不純物が入ることがある。その場合、電解質膜５ｅ内に陽イオンの不純物が留まり、膜内のスルホン酸基を置換してしまい、電解質膜５ｅのプロトン伝導性が低下して、電池性能が劣化してしまう。したがって、燃料電池システムＡの運転中に電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を知ることは、燃料電池スタック及び燃料電池単セル２の劣化の程度を推定し、劣化の程度に応じた適切な対処を行うために非常に重要である。
【００２２】
そこで本発明の発明者は電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量を知るべく鋭意研究を行った結果、以下に示す事実を今回新たに見出した。すなわち、燃料電池システムＡの運転中に、燃料電池単セル２の出力電流をステップ状に増加させて保持したときの燃料電池単セル２の出力電圧の挙動と、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量とが相関関係を有する、という事実である。したがって、燃料電池システムＡの運転中に燃料電池単セル２の出力電流をステップ状に増加させて保持したときの燃料電池単セル２の出力電圧の挙動を計測することで、陽イオン不純物量を推定することができる。以下、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図３は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。この図は、燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの挙動を模式的に示している。ただし、左縦軸は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴ、右縦軸は燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴ（ただし電流密度で表示）、横軸は時間である。実線の曲線は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを示し、破線の曲線は燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴを示す。また、燃料電池システムＡは、運転中に無負荷状態になったときでも、燃料電池スタック１０に一定の微小な出力電流を流すことで、アノード極５ａとカソード極５ｃとの間に開放電圧が印加されないようにして、アノード電極触媒層５ａｓ及びカソード電極触媒層５ｃｓの劣化を防止している。図３に示す実施例では、燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴがそのような一定の微小電流のとき、すなわち燃料電池システムＡが無負荷状態のときに陽イオン不純物量の推定が好適に行われる。
【００２４】
図３は、時間ｔ０においてベース出力電流ＩＢ及びベース出力電圧ＶＢにて燃料電池スタック１０が作動（運転）されているとき、時間ｔ１において燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢから予め定められた増加電流ＩＧにステップ状に増加されて、時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧが保持される場合を示している。ここで、ベース出力電流ＩＢは、陽イオン不純物量の推定方法を行っていない通常運転の時の燃料電池スタック１０の目標電流値である。また、図３には、ベース出力電流ＩＢが予め定められた閾値電流よりも低い出力電流、例えば無負荷状態における燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴの場合が示されている。この場合、出力電圧ＶＯＵＴは、時間ｔ１でベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δｔ０後の時間ｔ３までにベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣへ増加する。ただし、図３に示す例では増加時間Δｔ０は、出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧になるのに十分な時間である定常化時間とし、増加時間Δｔ０経過後は出力電流ＩＯＵＴを元のベース出力電流ＩＢに戻すものとする。このとき、出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる少なくとも以下の３つの値と、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量とが相関関係を有する、という事実が今回新たに見出された。すなわち、（１）時間ｔ１から予め定められた設定時間Δｔ１後の時間ｔ２の出力電圧ＶＯＵＴをＶＥとしたとき、出力電圧ＶＥに対する極小電圧ＶＭの差である電圧落ち込み量ΔＶ、（２）ベース出力電圧ＶＢに対する極小電圧ＶＭの差である極小値落ち込み量ΔＶｍ、及び、（３）出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧに増加されてから出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣに達する時間ｔ２２までの所要時間Δｔ２、である。それぞれ、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多くなるにつれて、（１）では電圧落ち込み量ΔＶが大きくなり、（２）では極小値落ち込み量ΔＶｍが大きくなり、（３）では所要時間Δｔ２が大きくなる。本実施例では、（１）について更に説明する。
【００２５】
上記（１）に関し、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が少ない場合、例えばゼロの場合の出力電圧ＶＯＵＴｎと不純物量が多い場合の出力電圧ＶＯＵＴｃとの相違を図４に示し、その部分拡大図を図５に示す。左右の縦軸及び横軸は図３の場合と同様である。時間ｔ０において燃料電池スタック１０がベース出力電流ＩＢ及びベース出力電圧ＶＢにて作動（運転）されているとき、時間ｔ１において破線で示す燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢから予め定められた増加電流ＩＧにステップ状に増加される。そして時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧが保持される。ここで、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が少ない場合の出力電圧ＶＯＵＴｎは、図４に一点鎖線で示すように、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭｎまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間ｔ２より後の時間ｔ２１でベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣｎに増加する。一方、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多い場合の出力電圧ＶＯＵＴｃは、図４に実線で示すように、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭｃまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間ｔ２より後の時間ｔ２２でベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣｃに増加する。
【００２６】
このとき、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多くなるにつれて、時間ｔ１から設定時間Δｔ１後の時間ｔ２の出力電圧ＶＥに対する極小電圧ＶＭの差である電圧落ち込み量ΔＶは大きくなる。ただし、設定時間Δｔ１は増加時間Δｔ０より小さい任意の値とする。例えば、図５に示すように、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多い場合での出力電圧ＶＥｃに対する極小電圧ＶＭｃの差である電圧落ち込み量ΔＶｃは、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が少ない場合での出力電圧ＶＥｎに対する極小電圧ＶＭｎの差である電圧落ち込み量ΔＶｎよりも大きくなる。
【００２７】
陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔＶとの関係を模式的に図６に示す。横軸は電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換されている割合を示す。縦軸は電圧落ち込み量ΔＶを示す。この置換割合は、陽イオン不純物量の指標の一例である。曲線ＣＬに示されように、電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物に置換されている割合が増加するほど電圧落ち込み量ΔＶが増加しており、スルホン酸基が陽イオンに置換されている割合は、電圧落ち込み量ΔＶと相関がある。したがって、図６に示すデータを予め計測しておけば、電圧落ち込み量ΔＶを計測して、そのデータを参照することで、スルホン酸基の置換割合、すなわち陽イオン不純物量を推定することができる。ここで、陽イオン不純物量の推定のための図６のグラフを示すデータは、予め求められており、ＲＯＭ６２内に予め記憶されている。
【００２８】
陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔＶとの関係が図６に示すようになる理由は必ずしも明確ではないが以下のように考えられる。図７は、燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴの挙動のメカニズムを模式的に説明する図である。ただし、上段の図は再掲された図３を示し、中段の図は電解質膜５ｅ中の水分Ｗの挙動を示し、下段の図は電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物Ｑの挙動を示している。
【００２９】
上段の図のＰ１は、燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴ及び出力電圧ＶＯＵＴが一定のベース出力電流ＩＢ及びベース出力電圧ＶＢである時間ｔ０の状態である。そのとき、中段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の水分Ｗは定常状態にあり、膜中に概ね均一に存在している。また、下段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物Ｑも定常状態にあり、膜中に概ね均一に存在している。
【００３０】
上段の図のＰ２は、燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢからステップ状に増加され増加電流ＩＧになり、出力電圧ＶＯＵＴがベース出力電圧ＶＢからステップ状に減少され極小電圧ＶＭになった状態である。そのとき、中段の図に示すように、Ｈ+イオンがアノード極５ａからカソード極５ｃへ電解質膜５ｅ中を移動することにより（図示せず）、電解質膜５ｅ中の水分ＷがＨ+イオンに随伴してカソード極５ｃ側に偏るため、電解質膜５ｅのアノード極５ａ側が乾燥する。ここで、下段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物Ｑの拡散係数は小さいため、陽イオン不純物ＱはＨ+イオンのように迅速に移動できず、すなわち出力電流ＩＯＵＴの増加の直後にはほとんど移動せず、概ね膜中に均一に存在したままである。したがって、電解質膜５ｅのアノード極５ａ付近では、随伴水の影響で水分Ｗの割合が相対的に少なく、かつ、Ｈ+イオンの伝導を阻害する陽イオン不純物Ｑの割合が相対的に高いため、内部抵抗が高くなり、出力電圧ＯＵＴが急激に減少する。この減少の程度、すなわち電圧落ち込み量ΔＶは、Ｈ+イオンの伝導を阻害するイオン、すなわち陽イオン不純物Ｑの割合が多いほど大きくなると考えられる。
【００３１】
上段の図のＰ３は、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧへステップ状に増加されてしばらく経過した状態、すなわち出力電圧ＶＯＵＴが極小電圧ＶＭよりも高い状態である。そのとき、中段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の水分Ｗの偏りを緩和する作用として、水分Ｗがカソード極５ｃ側からアノード極５ａ側へ電解質膜５ｅ中を移動する逆拡散が起こると共に、カソード極５ｃでの電気化学反応により水分が生成され、その一部がカソード極５ｃ側から電解質膜５ｅ中に拡散する。また、下段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物Ｑは徐々にカソード極５ｃ側へ移動する。したがって、電解質膜５ｅのアノード極５ａ付近では、Ｈ+イオンの伝導を担う水分Ｗの割合が増加し、かつ、Ｈ+イオンの伝導を阻害する陽イオンの割合が低下するため、内部抵抗が低くなり、出力電圧ＯＵＴが上昇する。
【００３２】
上段の図のＰ４は、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧへ増加されたのち、時間ｔ３に達する直前の状態、すなわち出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣの状態である。そのとき、中段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の水分Ｗの偏りが概ねなくなり、すなわち水分Ｗがカソード極５ｃ側からアノード極５ａ側まで概ね均一となり、定常状態となる。ただし、上段の図のＰ１のときと比較して、出力電流ＩＯＵＴが大きく生成水が多いため、水分Ｗの量は多い。また、下段の図に示すように、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物Ｑはカソード極５ｃ側へ偏った状態で安定し、定常状態となる。
【００３３】
以上のように、燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴを所定のベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加させたとき、出力電圧ＶＯＵＴが急激に減少してＶＭになるのは、随伴水の影響でアノード極５ａに乾きが生じると共に、陽イオン不純物Ｑの移動が遅く、随伴水から遅れて移動するため、一時的に内部抵抗が増加するためであると考えられる。陽イオン不純物Ｑの移動がゆっくりであるため、出力電流ＩＯＵＴの増加の直後には電解質膜５ｅのアノード極５ａ側にも陽イオン不純物Ｑが多く存在しているが、徐々に陽イオン不純物Ｑがカソード極５ｃ側に寄り、安定化して、Ｈ+イオンの伝導を妨げなくなることで出力電圧ＶＯＵＴも徐々に回復していくと考えられる。
【００３４】
ただし、電圧落ち込み量ΔＶの計測にあたっては、計測を容易とするべく電圧落ち込み量ΔＶが大きくなるように増加電流ＩＧやベース出力電流ＩＢを設定することが好ましい。それには、ベース出力電流ＩＢがステップ状に増加電流ＩＧへ増加したとき、電圧落ち込み量ΔＶが非常に大きくなるように増加電流ＩＧやベース出力電流ＩＢを設定することが考えられる。例えば、増加電流ＩＧは燃料電池システムＡの負荷状態が全負荷状態のときの出力電流ＩＯＵＴに設定する。その場合、出力電流ＩＯＵＴが非常に大きくなり、それに対応して出力電圧ＶＯＵＴが非常に小さくなるので、電圧落ち込み量ΔＶも非常に大きくすることができる。あるいは、ベース出力電流ＩＢが所定の閾値電流よりも小さいときに、出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加させる。その場合、ベース出力電流ＩＢが小さいことに対応して基準となるベース出力電圧ＶＢが大きくなるため、電圧落ち込み量ΔＶを非常に大きくできる。
【００３５】
以上の事実に基づいて、燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの運転中に電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定すべきときには、以下の陽イオン不純物量推定制御を行う。以下では、燃料電池単セル２について電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定する場合について説明する。
【００３６】
まず、車両走行距離や予め定められたスケジュール等に基づいて燃料電池システムＡの電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定すべきときか否かが判別される。具体的には、例えば、車両走行距離があらかじめ定められた設定距離に達する毎に陽イオン不純物量を推定すべきと判別され、それ以外は陽イオン不純物量を推定すべきときでないと判別される。陽イオン不純物量を推定すべきときには、ベース出力電流ＩＢが予め設定された閾値電流Ｉｔｈ以下であるか否かが判別される。ベース出力電流ＩＢが閾値電流Ｉｔｈ以下のときには、以下の陽イオン不純物量を推定するプロセスに移行する。
【００３７】
すなわち、電子制御ユニット６０からの指令値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０（燃料電池単セル２）が出力する出力電流ＩＯＵＴを所定のベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加させて、所定の増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧを保持する。その後、出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢに戻す。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池単セル２の電流を制御する電流制御部と見ることができる。
【００３８】
このとき、出力センサ１７は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴについて、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δｔ０後にベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣに増加する挙動を計測する。ここで、出力センサ１７は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを計測する計測部と見ることができる。計測された出力電圧ＶＯＵＴの挙動は例えばＲＡＭ６３に格納される。
【００３９】
続いて、電子制御ユニット６０は、ＲＡＭ６３に格納され出力電圧ＶＯＵＴのデータに基づいて、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧに増加された時から予め定められた設定時間Δｔ１後における電圧落ち込み量ΔＶを算出する。続いてその電圧落ち込み量ΔＶに基づいて、ＲＯＭ６２内に予め記憶された図６のグラフを示すデータを参照して、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量としてスルホン酸基の置換割合を推定する。ここで、電子制御ユニット６０は、計測された燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、陽イオン不純物量を推定する推定部と見ることができる。
【００４０】
以上の陽イオン不純物量推定制御を行うことで、燃料電池システムＡは燃料電池システムＡの運転中に燃料電池単セル２の電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定することができる。
【００４１】
このように、上記の陽イオン不純物量推定制御は、既存の機器（例示：ＤＣ／ＤＣコンバータ１１、出力センサ１７、電子制御ユニット６０）にて実施できる。したがって、製造コストの上昇を抑えつつ、燃料電池システムＡの運転中に陽イオン交換膜中の陽イオン不純物量を推定することができる。
【００４２】
ベース出力電流ＩＢは目標電流値であるが、上記の陽イオン不純物量推定制御ではその目標電流値を一時的に増加電流ＩＧに変更して出力電圧ＶＯＵＴの測定を行っている。したがって、出力電流ＩＯＵＴを目標電流値へ迅速に戻すべく、増加時間Δｔ０は短いことが好ましい。
【００４３】
上記の実施例では設定時間Δｔ１後も増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧを流す。図示しない別の実施例では、設定時間Δｔ１までの出力電圧ＶＯＵＴを計測した後、すなわち設定時間Δｔ１経過後に、増加電流ＩＧをベース出力電流ＩＢまで下げる。この場合、増加時間Δｔ０は上記の定常化時間ではなく、設定時間Δｔ１となる。
【００４４】
上記の実施例では陽イオン不純物量推定制御の対象は１つの燃料電池単セル２である。図示しない更に別の実施例では、陽イオン不純物量推定制御の対象は燃料電池スタック１０である。その場合には、出力電流ＩＯＵＴ及び出力電圧ＶＯＵＴを出力センサ１６で計測し、出力電圧ＶＯＵＴや電圧落ち込み量ΔＶ等のパラメータを燃料電池スタック１０用のものに変更して上記陽イオン不純物量推定制御を実施する。
【００４５】
上記の実施例では燃料電池システムＡの運転中に陽イオン不純物量推定制御を行っている。図示しない更に別の実施例では、燃料電池システムＡが運転を停止しているときに、陽イオン不純物量推定制御を行う。その場合には、予め設定されたスケジュール等に基づいて燃料電池システムＡを起動し、燃料電池スタック１０にベース出力電流ＩＢを流して、陽イオン不純物量推定制御を実行する。陽イオン不純物量推定制御の終了後、燃料電池システムＡを停止する。
【００４６】
また、燃料電池システムＡは、電流制御部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、計測部としての出力センサ１７と、推定部としての電子制御ユニット６０とを備えていることから、電流制御部と計測部と推定部とを備えた陽イオン不純物量の推定装置を含んでいると見ることができる。
【００４７】
図８は図１の燃料電池システムＡにおける陽イオン不純物量推定制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。図８を参照すると、ステップ１００では燃料電池システムＡの電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定すべきときか否かが判別される。陽イオン不純物量を推定すべきときには、続くステップ１０１にてベース出力電流ＩＢが閾値電流Ｉｔｈ以下であるか否かが判別される。ベース出力電流ＩＢが閾値電流Ｉｔｈ以下のときには、続くステップ１０２にて燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加される。増加電流ＩＧは増加時間Δｔ０にわたり保持される。続くステップ１０３では、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭまでステップ状に低下した後にベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣまで増加する出力電圧ＶＯＵＴの挙動が計測される。次いでステップ１０４では、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧにステップ状に増加された時から増加時間Δｔ０経過後に出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢに低減される。次いでステップ１０５では、計測された出力電圧ＶＯＵＴの挙動に基づいて、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧにステップ状に増加された時から設定時間Δｔ１後の電圧落ち込み量ΔＶが算出される。そして、電圧落ち込み量ΔＶに基づいて、図６のグラフを示すデータが参照されて、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量が推定される。一方、ステップ１００にて陽イオン不純物量を推定すべきときではないとき、及び、ステップ１０１にてベース出力電流ＩＢが閾値電流Ｉｔｈより大きいときには、陽イオン不純物量を推定するプロセス（ステップ１０２〜１０５）は実行されない。
【００４８】
図９は燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの実験の一例を示すグラフであり、図１０は図９の一部を拡大して示すグラフである。ただし、左縦軸は実線及び一点鎖線で示される燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴ（Ｖ）、右縦軸は破線で示される燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴ、横軸は時間（秒）である。
【００４９】
この実験例では、時間ｔ１＝９００秒において燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢから予め定められた増加電流ＩＧへステップ状に増加させて、時間ｔ３＝１２００秒までの増加時間Δｔ０＝３００秒にわたり増加電流ＩＧを保持する。そのとき、陽イオン不純物量が実質的にゼロのときの出力電圧ＶＯＵＴｎは、時間ｔ１＝９００秒でベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖから、１秒経過後の９０１秒で極小電圧ＶＭｎ＝０．５９Ｖまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δｔ０＝３００秒経過後の時間ｔ３＝１２００秒までに、ベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖよりも低い定常電圧ＶＣｎ＝０．６４Ｖに増加する。その途中における設定時間Δｔ１＝１０秒経過後のｔ２＝９１０秒において出力電圧ＶＯＵＴｎ＝ＶＥｎ＝０．６２Ｖとなり、出力電圧ＶＥｎに対する極小電圧ＶＭｎ＝０．５９Ｖの差である電圧落ち込み量ΔＶｎが０．０３Ｖと求まる。一方、陽イオン不純物量が有るときの出力電圧ＶＯＵＴｃは、時間ｔ１＝９００秒でベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖから、１秒後の９０１秒で極小電圧ＶＭｃ＝０．３５Ｖまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δｔ０＝３００秒後の時間ｔ３＝１２００秒までに、ベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖよりも低い定常電圧ＶＣｃ＝０．６１Ｖに増加する。その途中における設定時間Δｔ１＝１０秒経過後のｔ２＝９１０秒において出力電圧ＶＯＵＴｃ＝ＶＥｃ＝０．５２Ｖとなり、出力電圧ＶＥｃに対する極小電圧ＶＭｃ＝０．３５Ｖの差である電圧落ち込み量ΔＶｃが０．１７Ｖと求まる。
【００５０】
上記のような実験例を様々な陽イオン不純物量、すなわちスルホン酸基置換割合が既知の燃料電池単セル２において行うことで、図６に示すグラフの一例として、図１１に示すような電圧落ち込み量と陽イオン不純物量との関係を示す曲線ＣＬが求まる。逆に、図１１に示すような電圧落ち込み量と陽イオン不純物量との関係を示す曲線ＣＬが既知であれば、上記のような計測を陽イオン不純物量が未知の燃料電池単セル２において行い、得られた電圧落ち込み量ΔＶに基づいて、図１１に示すような曲線ＣＬを参照することで、陽イオン不純物量を推定できる。
【００５１】
次に、図１２を参照して燃料電池システムＡの別の実施例について説明する。この別の実施例では、陽イオン不純物量を推定するときに用いられる出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる値が図５に示す実施例と相違する。具体的には、出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる値として、図３において説明された（２）ベース出力電圧ＶＢと極小電圧ＶＭとの差である極小値落ち込み量ΔＶｍ、を用いる。以下相違点について主に説明する。
【００５２】
図１２は、別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。図１２は図５に示す燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの挙動のグラフを再掲したものである。図１２に示す別の実施例では、陽イオン不純物量を推定するときに用いられる出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる値として極小値落ち込み量ΔＶｍが用いられる。その理由は、図７において説明されたメカニズムにおいて、上段の図のＰ２では、陽イオン不純物Ｑの割合が多いほど、出力電圧ＶＯＵＴの極小値落ち込み量ΔＶｍの大きさが大きくなるからである。そのとき、極小値落ち込み量ΔＶｍが大きくなるにつれて陽イオン不純物量が多くなるように、陽イオン不純物量が推定される。
【００５３】
陽イオン不純物量と極小値落ち込み量ΔＶｍとの関係を模式的に図１３に示す。横軸は電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換されている割合を示す。縦軸は極小値落ち込み量ΔＶｍを示す。実線の曲線ＣＬ１に示されように、電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物に置換されている割合が増加するほど極小値落ち込み量ΔＶｍが増加する。したがって、図１３に示すデータを予め計測しておけば、極小値落ち込み量ΔＶｍを計測して、そのデータを参照することで、スルホン酸基の置換割合、すなわち陽イオン不純物量を推定することができる。
【００５４】
図１４は燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの実験の一例を示すグラフであり、出力電流ＩＯＵＴ、出力電圧ＶＯＵＴｎ、ＶＯＵＴｃは図１０の再掲である。図１４の実施例では、時間ｔ１＝９００秒において燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢから予め定められた増加電流ＩＧへステップ状に増加させて、時間ｔ３＝１２００秒までの増加時間Δｔ０＝３００秒にわたり増加電流ＩＧを保持する。そのとき、陽イオン不純物量が実質的にゼロのときの出力電圧ＶＯＵＴｎは、時間ｔ１＝９００秒でベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖから、Δｔｍ＝１秒後の時間ｔ１１＝９０１秒で極小電圧ＶＭｎ＝０．５９Ｖまでステップ状に低下した後に、増加に転じる。すなわち極小電圧ＶＭｎが０．５９Ｖと求まり、極小値落ち込み量ΔＶｍｎが０．３０Ｖと求まる。一方、陽イオン不純物量が有るときの出力電圧ＶＯＵＴｃは、時間ｔ１＝９００秒でベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖから、Δｔｍ＝１秒後の時間ｔ１１＝９０１秒で極小電圧ＶＭｃ＝０．３５Ｖまでステップ状に低下した後に、増加に転じる。すなわち極小電圧ＶＭｃが０．３５Ｖと求まり、極小値落ち込み量ΔＶｍｃが０．５４Ｖと求まる。
【００５５】
なお、極小電圧ＶＭが得られれば、時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧを流す必要はないため、図示しない更に別の実施例では、極小電圧ＶＭが得られた時点で、増加電流ＩＧをベース出力電流ＩＢまで下げる。この場合、増加時間Δｔ０は上記の定常化時間ではなく、出力電圧ＶＯＵＴが極小電圧ＶＭから増加し始めた時間、すなわちΔｔｍより少し長い時間となる。
【００５６】
上記のような実験例を様々な陽イオン不純物量、すなわちスルホン酸基置換割合が既知の燃料電池単セルにおいて行うことで、図１３に示すような極小値落ち込み量ΔＶｍと陽イオン不純物量との関係を示す曲線ＣＬ１が求まる。逆に、図１３に示すような極小値落ち込み量ΔＶｍと陽イオン不純物量との関係を示す曲線ＣＬ１が既知であれば、上記のような計測を陽イオン不純物量が未知の燃料電池単セル２において行い、得られた極小値落ち込み量ΔＶｍに基づいて、曲線ＣＬ１を参照することで、陽イオン不純物量を推定できる。
【００５７】
この場合にも、図１に示す燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。加えて、極小電圧ＶＭの取得までの時間が短くて済むので、迅速な推定が可能である。更に、極小電圧ＶＭの取得までの時間が短くて済むので、時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧを保持する必要が無く、保持しない場合には消費エネルギを削減できる。
【００５８】
次に、図１５を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この更に別の実施例では、陽イオン不純物量を推定するときに用いる出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる値が図４に示す実施例と相違する。具体的には、図３において説明された（３）所要時間Δｔ２を用いる。以下相違点について主に説明する。
【００５９】
図１５は、更に別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。図１５は図４に示す燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの挙動のグラフを再掲したものである。図１５に示す更に別の実施例では、陽イオン不純物量を推定するときに用いられる出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる値として所要時間Δｔ２が用いられる。その理由は、図７において説明されたメカニズムにおいて、上段の図のＰ２では陽イオン不純物Ｑの割合が多いほど、出力電圧ＶＯＵＴが減少する程度（極小値落ち込み量ΔＶｍ）が大きくなるため、出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣに戻るための所要時間Δｔ２が長くかかるからである。そのとき、所要時間Δｔ２が長くなるにつれて陽イオン不純物量が多くなるように、陽イオン不純物量が推定される。ここで、定常電圧ＶＣは、例えば、予め設定された時間（例示：数十秒）の間、出力電圧ＶＯＵＴが変化しないときの出力電圧ＶＯＵＴである。ただし、変化しない、とは、出力電圧ＶＯＵＴの変化率が予め設定された変化率（例示：１％）以内であることである。
【００６０】
陽イオン不純物量と所要時間Δｔ２との関係を模式的に図１６に示す。横軸は電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換されている割合を示す。縦軸は所要時間Δｔ２を示す。実線の曲線ＣＬ２に示されように、電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物に置換されている割合が増加するほど所要時間Δｔ２が増加する。したがって、図１６に示すデータを予め計測しておけば、所要時間Δｔ２を計測して、そのデータを参照することで、スルホン酸基の置換割合、すなわち陽イオン不純物量を推定することができる。
【００６１】
図１７は燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの実験の一例を示すグラフであり、出力電流ＩＯＵＴ、出力電圧ＶＯＵＴｎ、ＶＯＵＴｃは図９の再掲である。図１７の実施例では、時間ｔ１＝９００秒において燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢから予め定められた増加電流ＩＧへステップ状に増加させて、時間ｔ３＝１２００秒までの増加時間Δｔ０＝３００秒にわたり増加電流ＩＧを保持する。そのとき、陽イオン不純物量が実質的にゼロのときの出力電圧ＶＯＵＴｎは、時間ｔ１＝９００秒でベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖから、１秒後の９０１秒で極小電圧ＶＭｎ＝０．５９Ｖまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間ｔ２１＝９９０秒において定常電圧ＶＣｎ＝０．６４Ｖに達する。すなわち所要時間Δｔ２ｎが９０秒と求まる。一方、陽イオン不純物量が有るときの出力電圧ＶＯＵＴｃは、時間ｔ１＝９００秒でベース出力電圧ＶＢ＝０．８９Ｖから、１秒後の９０１秒で極小電圧ＶＭｃ＝０．３５Ｖまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間ｔ２２＝１１２９秒において定常電圧ＶＣｃ＝０．６０Ｖに達する。すなわち所要時間Δｔ２ｃが２２９秒と求まる。
【００６２】
なお、出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣになれば、時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧを流す必要はないため、図示しない更に別の実施例では、出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣになった時点で、増加電流ＩＧをベース出力電流ＩＢまで下げる。この場合、増加時間Δｔ０は上記の定常化時間ではなく、所要時間Δｔ２である。
【００６３】
上記のような実験例を様々な陽イオン不純物量、すなわちスルホン酸基置換割合が既知の燃料電池単セルにおいて行うことで、所要時間Δｔ２と陽イオン不純物量との関係を示す曲線ＣＬ２が求まる。逆に、所要時間Δｔ２と陽イオン不純物量との関係を示す曲線ＣＬ２が既知であれば、上記のような計測を陽イオン不純物量が未知の燃料電池単セル２において行い、得られた所要時間Δｔ２に基づいて、曲線ＣＬ２を参照することで、陽イオン不純物量を推定できる。
【００６４】
この場合にも、図１に示す燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。
【００６５】
次に、図１８を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、燃料電池システムＡが水素ガス非循環式の燃料電池システムである点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。
【００６６】
図１に示される燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口と燃料ガス供給管３１とがアノードオフガス管３６及び燃料ガス循環管８１で接続され、燃料ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環されるシステム、すなわち燃料ガス循環式の燃料電池システムである。一方、図１８に示される燃料電池システムＡは、燃料ガス循環管８１及び燃料ガス循環ポンプ３９が除かれている。すなわち、図１８示される燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口と燃料ガス供給管３１とが分離され、燃料ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環されないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムである。
【００６７】
この場合にも、図１に示す燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ    燃料電池システム
２    燃料電池単セル
５    膜電極ガス拡散層接合体
ＩＢ    ベース出力電流
ＩＯＵＴ    出力電流
ＩＧ    増加電流
ＶＢ    ベース出力電圧
ＶＯＵＴ    出力電圧
Δｔ０    増加時間
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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