(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の電流−電圧特性を計測する電流−電圧特性計測部と、
前記燃料電池の温度−出力特性を計測する温度−出力特性計測部と、
計測された前記電流−電圧特性を予め記憶されていた前記燃料電池の電流−電圧特性と比較する電流−電圧特性比較部と、
前記比較の結果に応じて前記温度−出力特性計測部で測定された前記燃料電池の最新の温度−出力特性を参照し、参照された前記燃料電池の温度−出力特性を該燃料電池の予め記憶されていた温度−出力特性と比較する温度−出力特性比較部と、
前記比較の結果に基づいて前記燃料電池に可逆的な性能低下または不可逆的な特性劣化が生じているか否かを判定する判定部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記判定部は、
前記最新の温度−出力特性の平均的な傾きが前記予め記憶されていた温度−出力特性の平均的な傾きに比べて所定値以上変化していた場合に、前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記判定部は、
前記最新の温度−出力特性が前記予め記憶されていた温度−出力特性に比べて出力が低下する方向へ所定量以上変化していた場合に、前記燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定する、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記判定部は、
前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定した場合には、前記燃料電池の出力下限電圧値を低下させる、
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判定部は、
前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合であって、
前記燃料電池の温度が所定のしきい値よりも低いときには、前記燃料電池の昇温処理を実行する、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判定部は、前記燃料電池の昇温処理として、
前記燃料電池の出力変化が許容できる運転状態である場合に、暖機運転または強制加熱を実施する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記判定部は、前記燃料電池の昇温処理として、
前記燃料電池の出力変化が許容できない運転状態である場合に、前記燃料電池の出力電圧を所定値だけ低下させる、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記判定部は、前記燃料電池の昇温処理として、
前記燃料電池への酸化ガス供給量を所定量だけ増加させる、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記判定部は、
前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合であって、
前記燃料電池の温度が所定のしきい値よりも高いときには、前記燃料電池のエアストイキ比を上昇させる、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記判定部は、
前記燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定した場合には、所定の報知処理を実行する、
請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記電流−電圧特性計測部は、
運転中における前記燃料電池の出力電圧および出力電流を計測して得られた前記燃料電池の最新の電流−電圧特性を、前記予め記憶されている前記燃料電池の前記電流−電圧特性として更新する、
請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記温度−出力特性計測部は、
運転中における前記燃料電池の温度および出力電力を計測して得られた前記燃料電池の最新の温度−出力特性を、前記予め記憶されている前記燃料電池の前記温度−出力特性として更新する、
請求項１乃至１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の性能低下の判定方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、高分子電解質膜型燃料電池がある。この高分子電解質膜型燃料電池は、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜の両側に、触媒層を有するアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えたＭＥＡ構造を基本構造であるセルとし、このセルを複数積層して構成されたスタックを備えている。
【０００３】
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
【０００４】
上記のような構成の燃料電池は、アノードやカソード、高分子電解質膜の劣化により発電効率が低下していくため、燃料電池の性能劣化を判定する必要があり、従来、種々の判定方法が考案されてきた。
【０００５】
例えば、特開２００４−１６４９０９号公報に記載された発明では、測定された燃料電池の電流−電圧特性から特性線を直線近似した場合の電圧軸切片（電流I＝０）を算出し、初期値からのシフト成分に基づいて、燃料電池の性能劣化を判定していた（特許文献１、段落００３１、図２）。
【０００６】
上記特許文献１によれば、劣化状態に応じて水素流量を増加させることにより、システム効率の低下を最小限に抑えることができていた（段落００１５）。
【特許文献１】特開２００４−１６４９０９号公報（段落００１５、００３１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、現実の燃料電池システムでは、一時的な水分過多が生じている場合も部品等に劣化が生じている場合も燃料電池の電流−電圧特性が変化するため、この電流−電圧特性の変化が必ずしも電解質膜の劣化等に伴う回復不可能な特性劣化を示していない。よって上記従来の技術では、この両者の原因による性能低下を区別して判別することができなかった。
【０００８】
すなわち、低温環境下におけるシステム始動を繰り返したり、長時間低温環境下での運転を継続したりしていると、電流−電圧特性が低下することはあるが、これは電解質膜の湿度の影響によるされる一時的な発電効率の低下である。一方で、高分子電解質膜や電極の劣化が生じている場合にも発電効率が低下するが、これは半永久的な発電効率の低下に繋がる。
【０００９】
上記一時的な発電効率の低下を生じている場合には効率低下の原因を取り除きシステムの運転効率を回復すべきであるし、燃料電池の部品等に半永久的な劣化を生じている場合には、部品を交換するなどの対応をすべきである。従来の技術では、回復可能な可逆的な性能低下と回復不可能な不可逆的な特性劣化とを区別して取り扱えなかったのである。
【００１０】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、回復可能な可逆的な性能低下と回復不可能な不可逆的な特性劣化とを適切に判別して適切な対応を可能と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】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の電流−電圧特性を計測する電流−電圧特性計測部と、前記燃料電池の温度−出力特性を計測する温度−出力特性計測部と、計測された前記電流−電圧特性を予め記憶されていた前記燃料電池の電流−電圧特性と比較する電流−電圧特性比較部と、前記比較の結果に応じて前記温度−出力特性計測部で測定された前記燃料電池の最新の温度−出力特性を参照し、参照された前記燃料電池の温度−出力特性を該燃料電池の予め記憶されていた温度−出力特性と比較する温度−出力特性比較部と、前記比較の結果に基づいて前記燃料電池に可逆的な性能低下または不可逆的な特性劣化が生じているか否かを判定する判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
係る構成によれば、計測された燃料電池の電流−電圧特性（いわゆるＩ−Ｖ特性）が予め記憶されている電流−電圧特性と比較されるが、これは発電効率に変化があったことを示しているもので、電流−電圧特性が変化した場合には、可逆的な性能低下によるときと不可逆的な特性劣化によるときとが含まれる。この比較の結果、例えば、発電効率に変化があったと推定される場合には、さらに、新規に計測された燃料電池の温度−出力特性と予め記憶されている温度−出力特性とが比較される。Ｉ−Ｖ特性とは異なり、燃料電池の温度−出力特性は、可逆的な性能低下と不可逆的な性能劣化とで異なる特性を示すことが判っているので、温度−出力特性の比較により、可逆的な性能低下なのか不可逆的な性能劣化なのかが正しく判定することが可能である。
【００１３】
例えば前記判定部は、前記最新の温度−出力特性の平均的な傾きが前記予め記憶されていた温度−出力特性の平均的な傾きに比べて所定値以上変化していた場合に、前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定することが可能である。
【００１４】
温度−出力特性の傾きの変化は、温度に依存した発電効率の低下があることを示しており、低温駆動時に水分の生成速度が低いため触媒層から拡散層へと水分が移動することが阻害されている等の一時的な理由により生じるものである。よって、係る構成によれば、温度−出力特性の傾きの変化を検出することで、可逆的な性能低下が生じたことを正しく判定可能である。
【００１５】
例えば判定部は、前記最新の温度−出力特性が前記予め記憶されていた温度−出力特性に比べて出力が低下する方向へ所定量以上変化していた場合に、前記燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定することが可能である。
【００１６】
電解質膜や電極の特性が劣化すると、温度とは無関係に電気化学反応の反応量が低下するので、温度−出力特性は全体的に一律に変化する。よって、係る構成によれば、温度−出力特性の低下を検出することで、不可逆的な特性劣化が生じたことを正しく判定可能である。
【００１７】
ここで、判定部は、燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定した場合には、前記燃料電池の出力下限電圧値を低下させることは好ましい。
【００１８】
係る構成によれば、可逆的な性能低下が生じている場合に、下限電圧値が低く再設定されるので、発電効率は全体的に落ちる場合はあったとしても最高出力値を維持することが可能である。一時的な性能低下の場合におけるシステム効率の維持を図る発明である。
【００１９】
また、判定部は、前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合であって、前記燃料電池の温度が所定のしきい値よりも低いときには、前記燃料電池の昇温処理を実行することは好ましい。
【００２０】
係る構成によれば、可逆的な性能低下が生じている場合であって燃料電池の温度が低めの場合には昇温処理が実行されるので、昇温処理により燃料電池内部における水分を蒸発しやすくしたり、水分の移動量を大きくしたり、触媒への反応ガスの供給量を多くしたりする処理により、触媒の過剰な水分を除去し、システム効率を回復することが可能である。
【００２１】
例えば、判定部は、前記燃料電池の昇温処理として、前記燃料電池の出力変化が許容できる運転状態である場合に、暖機運転または強制加熱を実施することは好ましい。
【００２２】
係る構成によれば、燃料電池の出力が変化してもよい状態には暖機運転および強制加熱が行われるので、低効率運転やヒータ加熱により燃料電池の暖機を促進し、急速にシステム効率を回復させることが可能である。
【００２３】
なお、強制加熱は、例えば熱交換器やヒータ等の加熱手段により、冷却液の温度を上昇させる構成によって実現可能である。
【００２４】
また例えば、判定部は、前記燃料電池の昇温処理として、前記燃料電池の出力変化が許容できない運転状態である場合に、前記燃料電池の出力電圧を所定値だけ低下させることは好ましい。
【００２５】
係る構成によれば、燃料電池の出力を変化させることのできない場合には、燃料電池の出力電圧を減少させ発電電流を増大させることにより、電気化学反応を促進し、水分の移動を活発にすることによって、低温環境下における触媒のフラッディングを解消することができる。
【００２６】
また例えば、判定部は、前記燃料電池の昇温処理として、前記燃料電池への酸化ガス供給量を所定量だけ増加させることは好ましい。
【００２７】
係る構成によれば、酸化ガスの供給量が増大することによってカソード側の生成水を酸化ガスに接触しやすくすることができ、低温環境下におけるフラッディングを解消することができる。
【００２８】
また例えば、判定部は、前記燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合であって、前記燃料電池の温度が所定のしきい値よりも高いときには、前記燃料電池のエアストイキ比を上昇させることは好ましい。
【００２９】
係る構成によれば、燃料電池の温度が相対的に高い場合にはエアストイキ比が上昇するので、触媒における電気化学反応を促進し、通常環境下におけるフラッディングを解消することができる。
【００３０】
また例えば、判定部は、前記燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定した場合には、所定の報知処理を実行することは好ましい。
【００３１】
係る構成によれば、燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じていると判定された場合には回復不可能なので報知処理がされ、部品の交換等のメンテナンスの必要性を早期に知らせることが可能である。
【００３２】
ここで例えば、電流−電圧特性計測部は、運転中における前記燃料電池の出力電圧および出力電流を計測して得られた前記燃料電池の電流−電圧特性を、前記予め記憶されている前記燃料電池の前記電流−電圧特性として更新することは好ましい。
【００３３】
係る構成によれば、最新の状態の電流−電圧特性が更新され記憶されるので、運転状態の変化などで、電流−電圧特性に初期状態から変動が生じていても、最近の特性との比較が行われることになるため、誤判定を防止可能である。
【００３４】
ここで例えば、温度−出力特性計測部は、運転中における前記燃料電池の温度および出力電力を計測して得られた前記燃料電池の温度−出力特性を、前記予め記憶されている前記燃料電池の前記温度−出力特性として更新することは好ましい。
【００３５】
係る構成によれば、最新の状態の温度−出力特性が更新され記憶されるので、運転状態の変化などで、温度−出力特性に初期状態から変動が生じていても、最近の特性との比較が行われることになるため、誤判定を防止可能である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、電流−電圧特性とは異なり、燃料電池の温度−出力特性は、可逆的な性能低下と不可逆的な性能劣化とで異なる特性を示すことが判っているので、温度−出力特性の比較により、回復可能な可逆的な性能低下と回復不可能な不可逆的な特性劣化とを適切に判別して適切な対応を可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
（システム構成）
図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図であり、例えば自動車の動力源として搭載されるものである。
【００３８】
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９等を備えて構成されている。
【００３９】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等からなる高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ等）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。
【００４０】
アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電（電気化学）反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ・・・（３）
【００４１】
なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。
【００４２】
燃料電池２０には、直接的にスタック構造を昇温させるヒータ２７が設けられている。ヒータ２７は、バッテリ９１から電源が供給されており、制御部８０の制御により加熱の有無が制御可能に構成されている。
【００４３】
燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の流路を、ラジエータ３３をバイパスするバイパス側流路とラジエータ３３を通過するラジエータ側流路とに切り替えるロータリバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６が設けられている。
【００４４】
上記冷却液供給系統３の構成において、ロータリバルブ３３がラジエータ３３側に切り替えられているとラジエータ３３により冷却液の熱が奪われ、バイパス流路側に切り替えられていると熱の放出が無く、燃料電池２０の発電による熱で冷却液がゆっくり上昇する。制御部８０が、温度センサ３２および３６によって検出される冷却液の温度を監視しながら、ロータリバルブ３４をラジエータ３３側とバイパス側とに切り替えることにより、冷却液の温度、つまり燃料電池２０の内部温度を所定の目標温度に維持することが可能に構成されている。
【００４５】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
【００４６】
燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。
【００４７】
循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。
【００４８】
上記燃料ガス供給系統４の構成において、水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００４９】
また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
【００５０】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されている。エアコンプレッサ７５は、制御部８０から供給されるコンプレッサ制御信号Ｓｃに対応した回転数で駆動され回転数に対応した圧力（供給量）のエアを出力可能になっている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。
【００５１】
カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器７８、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー７９が設けられている。気液分離器７８から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー７９にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。
【００５２】
また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。
【００５３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。このＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、制御部８０が供給するＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖに対応して二次側の出力電圧を変更可能に構成されている。二次側の出力電圧が変動すると、燃料電池２０の出力電流も自己の電流−電圧特性に基づいて変動する。
【００５４】
インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪９９が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。
【００５５】
電圧センサ９７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の二次側の電流を検出し、電流検出信号して制御部８０へ供給し、電圧センサ９８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の二次側の電圧を検出し、電圧検出信号として制御部８０へ供給するようになっている。また、電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて燃料電池２０の交流インピーダンスを測定するためのものである。
【００５６】
制御部８０は、制御手段として、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、７３、圧力センサ４４、各種回転数センサ等からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５やエアコンプレッサ７５などの回転体の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。
【００５７】
特に本実施形態において、制御部８０は、所定のソフトウェアプログラムを実行することにより、当該システム１０を本発明の燃料電池システムとして動作させることが可能になっている。
【００５８】
（機能ブロック構成）
図２に、制御部８０によって実現される本発明の機能ブロック図を示す。
機能ブロック図の説明と併せて、本発明の動作原理も説明する。
【００５９】
図２に示すように、機能ブロックとして、制御部８０は、電流−電圧特性計測部８０１、電流−電圧特性記憶部８０２、電流−電圧特性比較部８０３、温度−出力特性計測部８０４、温度−出力特性記憶部８０５、温度−出力特性比較部８０６、および判定部８０７を備えて構成されている。
上記構成のうち、電流−電圧特性記憶部８０２および温度−出力特性記憶部８０５は制御部８０に含まれる記憶手段が相当する。
【００６０】
電流−電圧特性計測部８０１は、燃料電池２０の電流−電圧特性（以下「Ｉ−Ｖ特性」とも称する。）を計測する機能ブロックである。電流−電圧特性記憶部８０２は、最新のＩ−Ｖ特性情報を記憶するもので、正常な運転状態であると推測される状態で計測された最新のＩ−Ｖ特性情報を保持している。初期状態において、電流−電圧特性記憶部８０２には、工場出荷時に記憶されたＩ−Ｖ特性の初期値が参照用Ｉ−Ｖ特性として記憶されている。
【００６１】
電流−電圧特性計測部８０１は、電圧センサ９７からの電圧検出信号を入力し、電圧検出信号に基づき特定される現時点の燃料電池の出力電圧値Ｖｆｃを決定する。また電流−電圧特性計測部８０１は、電流センサ９８からの電流検出信号を入力し、電流検出信号に基づき特定される現時点の燃料電池の出力電流値Ｉｆｃを決定する。一回の計測はＩ−Ｖ特性上の一つのサンプリングに過ぎない。接近した時間帯で実施される複数の計測によって得られるサンプルの集合により、燃料電池のＩ−Ｖ特性が決定される。当該計測により新規に決定されたＩ−Ｖ特性を「最新のＩ−Ｖ特性」と称する。最新のＩ−Ｖ特性が決定されたら、電流−電圧特性計測部８０１は、電流−電圧特性記憶部８０２に記憶されている参照用のＩ−Ｖ特性（以下比較対象となるこのＩ−Ｖ特性を「参照用Ｉ−Ｖ特性」と称する。）の情報を最新のＩ−Ｖ特性の情報により更新する。
【００６２】
なお、現時点の燃料電池のＩ−Ｖ特性が参照用Ｉ−Ｖ特性から劣化しているか否かを判定する目的のためには、劣化傾向が現れるため最低１箇所、好ましくは複数箇所のサンプリングを行うだけで十分である。また、参照用Ｉ−Ｖ特性は必ずしも更新しなければならないものではなく、常に初期値のまま保持しておいてもよい。経年的な性能変化を許容したくないシステムでは初期状態からの特性偏倚に基づき性能低下の有無を判定することもありうるからである。
【００６３】
電流−電圧特性比較部８０３は、電流−電圧特性計測部８０１により計測された最新のＩ−Ｖ特性と、電流−電圧特性記憶部８０２に予め記憶されていた参照用Ｉ−Ｖ特性と比較する機能ブロックである。この比較は、計測された出力電圧値Ｖｆｃと出力電流値Ｉｆｃとで決定されるサンプル点が、参照用Ｉ−Ｖ特性上か、または、参照用Ｉ−Ｖ特性に所定のマージンを加えた近似範囲に入っているか否かを判定することにより実施される。
【００６４】
図３に燃料電池のＩ−Ｖ特性の例を示す。
図３に示すＩ−Ｖ特性のうち、特性ｆ０は比較対象となる参照用Ｉ−Ｖ特性である。特性ｆ１は、運転条件の変化で若干特性が変動した場合のＩ−Ｖ特性であり、特性ｆ２は、燃料電池の各セルにおける高分子電解質膜の湿度が一時的に増え（以下「フラッディング」と称する。）可逆的な性能低下を生じたり、電解質膜や電極が劣化したりして、明らかに発電効率が低下した場合のＩ−Ｖ特性である。つまり特性ｆ１は計測の度毎に生ずる僅かな計測結果の変動の範囲内に属するのに対し、特性ｆ２は明らかな性能低下を示しており性能低下判断をすべき対象であるとする。
【００６５】
図３に示すように、燃料電池２０の出力電圧値Ｖａのときに、参照用Ｉ−Ｖ特性ｆ０上の出力電流値がＩａであるとする。参照用Ｉ−Ｖ特性ｆ０に対する所定のマージンを、特性ｆ０からΔＩ（ΔＩ２＞ΔＩ＞ΔＩ１）に設定するものとすれば、電流−電圧特性比較部８０３は、参照用Ｉ−Ｖ特性ｆ０に対し±ΔＩのマージン内である場合には、性能劣化が無いものとして取り扱う。
【００６６】
いま、新たな計測により、出力電圧値Ｖａに対し出力電流値Ｉｂが測定できたとする。出力電圧値Ｖａに対する電流値の変化量ΔＩ１（＝Ｉａ−Ｉｂ）はこのマージンの範囲内であり、性能劣化とは判定されない。
【００６７】
一方、新たな計測により、出力電圧値Ｖａに対して今度は出力電流値Ｉｃが測定された場合、このときの電流値の変化量ΔＩ２（＝Ｉａ−Ｉｃ）はこのマージンの範囲外であるとする。このとき、電流−電圧特性比較部８０３は燃料電池２０に何らかの性能低下があったものと判定する。
【００６８】
温度−出力特性計測部８０４は、燃料電池２０の温度−出力特性（以下「Ｔ−Ｐ特性」とも称する。）を計測する機能ブロックである。温度−出力特性記憶部８０５は、最新のＴ−Ｐ特性情報を記憶するもので、正常な運転状態であると推測される状態で計測された最新のＴ−Ｐ特性情報を保持している。初期状態において、温度−出力特性記憶部８０５には、工場出荷時に記憶されたＴ−Ｐ特性の初期値が参照用Ｔ−Ｐ特性として記憶されている。
【００６９】
温度−出力特性計測部８０４は、温度センサ３２からの温度検出信号を入力し、温度検出信号に基づき燃料電池２０の温度を推測する。また温度−出力特性計測部８０４は、電圧センサ９７からの上記電圧検出信号に基づき特定される現時点の燃料電池の出力電圧値Ｖｆｃ、および電流センサ９８からの電流検出信号に基づき特定される現時点の燃料電池の出力電流値Ｉｆｃに基づき、現在の出力電力Ｐｆｃ（＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）を演算する。一回の計測はＴ−Ｐ特性上の一つのサンプリング点を定めるに過ぎない。そこで接近した時間帯で実施される複数の計測によって得られるサンプルの集合により、燃料電池のＴ−Ｐ特性が決定される。当該計測により新規に決定されたＴ−Ｐ特性を「最新のＴ−Ｐ特性」と称する。最新のＴ−Ｐ特性が決定されたら、温度−出力特性計測部８０４は、温度−出力特性記憶部８０５に記憶されている参照用のＴ−Ｐ特性（以下比較対象となるこのＴ−Ｐ特性を「参照用Ｔ−Ｐ特性」と称する。）の情報を最新のＴ−Ｐ特性の情報により更新する。
【００７０】
なお、現時点の燃料電池のＴ−Ｐ特性が参照用Ｔ−Ｐ特性から劣化しているか否かを判定する目的のためには、特性劣化の傾向が現れる最低１箇所、好ましくは複数箇所のサンプリングを行うだけで十分である。また、参照用Ｔ−Ｐ特性は必ずしも更新しなければならないものではなく、常に初期値のまま保持しておいてもよい。経年的な性能変化を許容したくないシステムでは初期状態からの特性偏倚に基づき性能低下の有無を判定することもありうるからである。
【００７１】
温度−出力特性比較部８０６は、温度−出力特性計測部８０４により計測された最新のＴ−Ｐ特性と、温度−出力特性記憶部８０５に予め記憶されていた参照用Ｔ−Ｐ特性と比較する機能ブロックである。この比較は、計測された現在の温度Ｔと演算された現在の出力電力値Ｐｆｃとで決定されるサンプル点が、参照用Ｔ−Ｐ特性に対してどのような位置にあるかを判定することにより実施される。
【００７２】
判定部８０７は、比較の結果に基づいて燃料電池２０に可逆的なまたは不可逆的な特性劣化が生じているか否かを判定するための機能ブロックである。
【００７３】
具体的には、判定部８０７は、最新のＴ−Ｐ特性の平均的な傾きが参照用Ｔ−Ｐ特性の平均的な傾きに比べて所定値以上変化していた場合に、燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定する。Ｔ−Ｐ特性の傾きの変化は、温度に依存した発電効率の低下があることを示しており、低温駆動時に水分の生成速度が低いため触媒層から拡散層へと水分が移動することが阻害されている等の一時的な理由により生じるものである。
【００７４】
一方、判定部８０７は、最新のＴ−Ｐ特性が参照用Ｔ−Ｐ特性に比べて出力が低下する方向へ所定量以上変化していた場合に、燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定することが可能である。電解質膜や電極の特性が劣化すると、温度とは無関係に電気化学反応の反応量が低下するので、温度−出力特性は全体的に一律に変化する。
【００７５】
図４に燃料電池のＴ−Ｐ特性の例を示す。
図４に示すＴ−Ｐ特性のうち、特性Ｆ０は比較対象となる参照用Ｔ−Ｐ特性である。特性Ｆ１は、電解質膜の一時的なフラッディングにより一時的に性能が低下した場合のＴ−Ｐ特性を示し、全体的に特性曲線の傾きが増える傾向にある。この一時的な性能低下は可逆的に進行可能であり、所定の措置により元の特性を回復可能なことを示している。
【００７６】
一方、特性Ｆ２は、燃料電池の電解質膜等の機械的なまたは化学的な特性劣化が進行した場合のＴ−Ｐ特性を示し、全体的な傾きはあまり変わらず、変わりに特性曲線全体が出力の減少する方向へシフトする傾向にある。この性能劣化は不可逆的なものであり、部品の交換をしない限り回復不可能なことを示している。
【００７７】
例えば、一時的な性能低下は、一箇所以上の特性曲線の傾きを比較することにより判定可能であり、図４に示すように、正常状態の参照用特性Ｆ０の傾き（＝所定温度範囲における出力変動ｐ０／ｔ０）と比較対象となる最新の特性Ｆ１の傾き（ｐ１／ｔ１）とを比較し、その傾き量の差が所定値以上生じていることをもって判定可能である。複数箇所の特性曲線の傾きを平均等の演算により比較することで、判定精度を上げることが可能である。
【００７８】
また、回復不可能な特性劣化は、複数箇所の特性曲線の出力変動を比較することに可能であり、図４に示すように、離間した温度Ｔ１とＴ２のそれぞれの温度における正常状態の参照用特性Ｆ０からの比較対象となる最新の特性Ｆ２の出力低下量が所定値以上生じていることをもって判定可能である。測定点として、例えば、一時的な性能低下の特性Ｆ１に比べて出力低下量が大きくなる、比較的高い温度（例えばＴ２）の出力低下のみの測定でも、一時的な性能低下と回復不可能な特性劣化との識別をすることは可能であるが、温度の異なる複数箇所の出力低下量を平均等の演算により比較することで、判定精度を上げることが可能である。
【００７９】
図５に、一時的な性能低下を生じているか否かの具体的な判定例を示す。
図５において、特性Ｆ０は温度−出力特性記憶部８０５に記憶され、適時更新される参照用Ｔ−Ｐ特性であり、特性Ｆ１は温度−出力特性計測部８０４で計測された、性能低下が生じている場合の最新のＴ−Ｐ特性である。特性Ｆ３は最新のＴ−Ｐ特性であるが、参照用Ｔ−Ｐ特性からの傾き変動が判定のためのマージンの範囲内に属する場合を示している。
【００８０】
温度−出力特性計測部８０４が最新のＴ−Ｐ特性を計測した場合、温度−出力特性比較部８０６は参照用Ｔ−Ｐ特性である特性Ｆ０の特定情報に基づき、互いに離間した温度Ｔ１とＴ２との間（＝ΔＴ）における出力変化量ΔＰ０を演算する。そして最新のＴ−Ｐ特性についても同じ温度Ｔ１とＴ２との間における出力変化量を演算する。特性Ｆ１の場合には出力変化量がΔＰ１であり特性Ｆ３の場合には出力変化量がΔＰ３であったとする。その結果、判定部８０７は、最新の特性Ｆ１については、その傾き（＝ΔＰ１／ΔＴ）が参照用特性Ｆ０の傾き（＝ΔＰ０／ΔＴ）よりも所定値以上大きいので、性能低下が生じているものと判定する。一方、最新の特性Ｆ３については、その傾き（＝ΔＰ３／ΔＴ）が参照用特性の傾きに比べ所定のマージンの範囲内なので、性能低下は生じていないものと判定する。
【００８１】
図６に、回復不可能な特性劣化を生じているか否かの具体的な判定例を示す。
図６において、特性Ｆ２は温度−出力特性計測部８０４で計測された、回復不可能な特性劣化を生じている場合の最新のＴ−Ｐ特性であり、特性Ｆ４は最新のＴ−Ｐ特性であるが、参照用Ｔ−Ｐ特性からの出力変動が判定のためのマージンの範囲内に属する場合を示している。
【００８２】
温度−出力特性計測部８０４が最新のＴ−Ｐ特性を計測した場合、温度−出力特性比較部８０６は参照用Ｔ−Ｐ特性である特性Ｆ０の特定情報に基づき、互いに離間した温度Ｔ１とＴ２のそれぞれにおける出力変化量を演算する。特性Ｆ２の場合には、温度Ｔ１における出力低下量がΔＰ２１であり温度Ｔ２における出力低下量がΔＰ２２であったとする。また、特性Ｆ４の場合には、温度Ｔ１における出力低下量がΔＰ４１であり温度Ｔ２における出力低下量がΔＰ４２であったとする。その結果、判定部８０７は、最新の特性Ｆ２については、出力低下量の平均値（＝（ΔＰ２１＋ΔＰ２２）／２）が所定のマージンよりも大きいので、特性劣化が生じているものと判定する。一方、最新の特性Ｆ４については、出力低下量の平均値（＝（ΔＰ４１＋ΔＰ４２）／２）が当該マージンの範囲内なので、特性劣化は生じていないものと判定する。
【００８３】
以上から明らかなように、システムの動作条件に応じて、一時的な性能低下や回復不可能な特性劣化を判別するためのマージン（しきい値）を実験等により適宜定めるものとする。
【００８４】
判定部８０７は、上記判定の結果に対応して、種々の制御を実行するように構成されている。例えば、判定部８０７は、燃料電池に何らかの性能低下が生じているものと判定した場合には、以下の処理を実施する。性能低下が可逆的なものか不可逆的なものか、燃料電池の内部温度、燃料電池の出力電池の変動が許容されるかに応じて、それぞれ好適な措置が異なる。
【００８５】
（ａ）  ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に対して、ＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖを制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に設定する燃料電池の出力下限電圧値を低下させる。この処理は燃料電池の温度とは無関係に、性能回復を図りながら出力を確保する措置である。
【００８６】
（ｂ）  燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合であって燃料電池の温度が所定のしきい値Ｔｔｈよりも低いときには、燃料電池の昇温処理を実行するよう動作する。燃料電池の昇温とともに性能回復を図る措置である。
【００８７】
（ｂ−１）  燃料電池の昇温処理として、燃料電池の出力変化が許容できる運転状態である場合には、暖機運転または強制加熱を実施する。燃料電池の出力電力を変動させて急速に性能回復を果たすための措置である。暖機運転のためには、判定部８０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０にＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖを出力して燃料電池の出力電圧を暖機運転レベルにまで低下させて、燃料電池の発熱を促進させる。また、強制加熱のためには、判定部８０７は、ヒータ２７に加熱用の電流を供給するためのＦＣ加熱制御信号Ｓｈを出力する。
【００８８】
（ｂ−２）  燃料電池の昇温処理として、燃料電池の出力変化が許容できない運転状態である場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０にＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖを出力して燃料電池の出力電圧を低下させ、Ｉ−Ｖ特性上の動作点を出力電流量が増大する側にシフトさせることにより、全体的な発熱量を上昇させる。燃料電池の出力電力を維持しながら、性能回復を図る措置である。
【００８９】
（ｂ−３）  燃料電池の昇温処理として、コンプレッサ７５にコンプレッサ制御信号Ｓｃを出力してコンプレッサ７５の回転数を増大させ、燃料電池への酸化ガス供給量を所定量だけ増加させる。エア供給量の増大によりカソードの水分量を除去して直接的に性能回復を果たすための措置である。
【００９０】
（ｃ）  燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合であって、燃料電池の温度が所定のしきい値よりも高いときには、コンプレッサ７５にコンプレッサ制御信号Ｓｃを出力してコンプレッサ７５の回転数を増大させ、酸化ガスの供給量を燃料ガスの供給量に比べ増大させ、燃料電池のエアストイキ比を上昇させる。燃料電池を昇温させずに性能回復を図るための措置である。
【００９１】
（ｄ）  一方、判定部８０７は、燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定した場合には、報知信号Ｓａを出力して所定の報知処理を実行する。部品の交換無しには回復が不可能な状態なので、ユーザにその旨を告知する措置である。報知処理としては、コックピットのディスプレイやランプへ特性劣化（部品交換の必要性）を示す視覚的報知やスピーカから同様の案内を発音させることによる聴覚的報知が考えられる。
【００９２】
（動作説明）
次に図７のフローチャートを参照して、本実施形態の動作を説明する。
図７のフローチャートに示す処理は、本燃料電池システムの動作時に定期的に、あるいは、不定期にある程度の頻度で繰り返し実行されるものである。
【００９３】
ステップＳ１０において、制御部８０の電流−電圧特性計測部８０１は、本発明に係る判定の計測タイミングになるまで待つ（ＮＯ）。そして計測タイミングになったら（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行し、電流−電圧特性計測部８０１は、電圧センサ９７から電圧検出信号を入力して燃料電池の電圧値Ｖｆｃを取得し、電流センサ９８から電流検出信号を入力して燃料電池の電流値Ｉｆｃを取得する。
【００９４】
次いでステップＳ１２において、電流−電圧特性計測部８０１は、Ｉ−Ｖ特性を判断可能な程度の数だけサンプリングされているか否かを判定する。少なくともＩ−Ｖ特性上で通常の動作点が設定される範囲において所定数のサンプリングされていることが好ましい。サンプリングが足りない場合（ＮＯ）、Ｉ−Ｖ特性が特定できる程度にサンプリングされていないものと判断し、電流−電圧特性計測部８０１は処理ルーチンから復帰する。
【００９５】
ステップＳ１２においてサンプリングが所定数以上あった場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１３に移行し、電流−電圧特性比較部８０３は、所定数以上のサンプリングにより特定されるＩ−Ｖ特性を「最新のＩ−Ｖ特性」とした上で、比較対象となる参照用Ｉ−Ｖ特性を電流−電圧特性記憶部８０２から読み出す。
【００９６】
なお、電流−電圧特性記憶部８０２には、工場出荷時に記憶されたＩ−Ｖ特性の初期値が参照用Ｉ−Ｖ特性として記憶されている。
【００９７】
次いでステップＳ１４に移行し、電流−電圧特性比較部８０３は、最新のＩ−Ｖ特性と参照用Ｉ−Ｖ特性とを比較し、ステップＳ１５において、最新のＩ−Ｖ特性が参照用Ｉ−Ｖ特性に比べ性能が低下していると判断されるか否かを判定する。
【００９８】
その結果、最新のＩ−Ｖ特性の変化が参照用Ｉ−Ｖ特性から所定のマージン内である場合（ＮＯ）、実質的な性能低下は生じていないものと判断できる。例えば図３において、最新のＩ−Ｖ特性が特性ｆ１であるような場合である。そこで電流−電圧特性比較部８０３は、ステップＳ１６に移行し、この最新のＩ−Ｖ特性を現在のシステム状態に対応した「参照用Ｉ−Ｖ特性」として電流−電圧特性記憶部８０２の記憶内容を更新する。この更新はオプショナルである。
【００９９】
ステップＳ１５において、最新のＩ−Ｖ特性が参照用Ｉ−Ｖ特性に比べて所定のマージン以上に変化している場合（ＹＥＳ）、実質的に性能低下が生じていると判断できる。例えば図３において、最新のＩ−Ｖ特性が特性ｆ２であるような場合である。そこで、次にこのＩ−Ｖ特性により検出された性能低下が一時的であり回復可能な性能低下であるのか、回復不可能な特性劣化であるのかを判定する。
【０１００】
まずステップＳ１７において、温度−出力特性計測部８０４は、温度センサ３２からの温度検出信号を入力し燃料電池２０の内部温度Ｔｆｃを取得する。同時に、すでに計測されている燃料電池２０の出力電圧Ｖｆｃと出力電流Ｉｆｃとから温度Ｔｆｃにおける燃料電池２０の出力電力Ｐｆｃを演算し、Ｔ−Ｐ特性上の一つのサンプリング点として出力する。
【０１０１】
次いでステップＳ１８において、温度−出力特性計測部８０４は、Ｔ−Ｐ特性を判断可能な程度の数だけサンプリングされているか否かを判定する。少なくともＴ−Ｐ特性の平均的な傾きや全体的なシフトが判断できる程度にサンプリングされていることが好ましい。サンプリングが足りない場合（ＮＯ）、Ｔ−Ｐ特性が特定できる程度にサンプリングされていないものと判断し、温度−出力特性計測部８０４は処理ルーチンから復帰する。
【０１０２】
ステップＳ１８においてサンプリングが所定数以上あった場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１９に移行し、温度−出力特性比較部８０６は、所定数以上のサンプリングにより特定されるＴ−Ｐ特性を「最新のＴ−Ｐ特性」とした上で、比較対象となる参照用Ｔ−Ｐ特性を温度−出力特性記憶部８０５から読み出す。
【０１０３】
ステップＳ２０において、温度−出力特性比較部８０６は、最新のＴ−Ｐ特性および参照用Ｔ−Ｐ特性のそれぞれについて、Ｔ−Ｐ特性の全体的な傾きを演算し、ステップＳ２１において、両特性間で傾きに所定値以上の変化があったか否かを判定する。
【０１０４】
最新のＴ−Ｐ特性の傾きと参照用Ｔ−Ｐ特性の傾きとの間に所定値以上の変化があったと判定された場合（ＹＥＳ）、一時的であり回復可能な性能低下と判定できるので、判定部８０７は、運転状態に応じた種々の回復処理に移行する。
【０１０５】
まずステップＳ２２において、判定部８０７は温度センサ３２等で検出された現時点の燃料電池２０の内部温度Ｔｆｃが所定のしきい値温度Ｔｔｈ以下であるか否かを判定する。その結果、燃料電池２０の内部温度Ｔｆｃがしきい値温度Ｔｔｈ以下の低いものであった場合（ＹＥＳ）、ステップＳ２３に移行し、判定部８０７は燃料電池２０の出力下限電圧値の設定を低下させる。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に出力されるＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖが、通常よりも低い出力電圧を指定する場合生ずることになる。これにより燃料電池の性能が回復するまでの間、若干の発電効率を犠牲にする代償として最高出力を維持することが可能である。
【０１０６】
次いでステップＳ２４において、判定部８０７は現時点の燃料電池システムの運転状態が出力変動を許容しうるか否かを判定する。出力変動を許容しうる場合とは、車両走行用モータ９４の負荷が軽く燃料電池２０の出力を変動させても運転状態に影響が出ない場合等をいう。
【０１０７】
現時点の燃料電池システムの運転状態が出力変動を許容しうる場合（Ｓ２４／ＹＥＳ）、ステップＳ２５に移行し、判定部８０７は所定の昇温処理を実行する。燃料電池の温度Ｔｆｃが低く出力変動を許容しうる局面なので、燃料電池の昇温にエネルギーを費やすのである。具体的な昇温処理としては、強制加熱や暖機運転が可能である。強制加熱する場合には、ヒータ２７にＦＣ加熱制御信号Ｓｈを出力して燃料電池２０を直接的に加熱する。暖機運転をする場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に出力電圧を暖機運転状態にまで低下させるＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖを出力し、燃料電池２０からの電力供給を遮断し、燃料電池の自己発熱を促進させる。
【０１０８】
一方、ステップＳ２４において、現時点の燃料電池の運転状態が出力変動を許容できない場合（ＮＯ）、例えばアクセルが操作され車両走行用モータ９４に燃料電池２０から大電力を供給しなければならないような場合、ステップＳ２６において、判定部８０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力電圧を若干量（ΔＶ）低下させるようなＦＣ出力電圧制御信号Ｓｖを出力する。この処理により、Ｉ−Ｖ特性上の動作点を大電流側にシフトすることになり、要求出力を変更することなく発熱量を上げ、燃料電池の性能回復を促進することができる。
【０１０９】
一方、ステップＳ２２において、燃料電池２０の内部温度Ｔｆｃがしきい値温度Ｔｔｈより高かった場合（ＮＯ）、ステップＳ２７に移行し、判定部８０７は燃料電池システムのエアストイキ比を増加させる。例えば、コンプレッサ７５に平均的な回転数を上げるコンプレッサ制御信号Ｓｖを出力し、燃料ガス供給量に対する酸化ガス供給量の比（ストイキ比）を変更する。
【０１１０】
さてステップＳ２１において、最新のＴ−Ｐ特性の傾きと参照用Ｔ−Ｐ特性の傾きとの間に所定値以上の変化があった場合（ＹＥＳ）、回復不可能な特性劣化を含む経年変化と判定できるので、ステップＳ２８に移行し、判定部８０７は、参照用Ｔ−Ｐ特性から最新のＴ−Ｐ特性のシフト量として出力電力の低下量の平均値を演算し、低下量の平均値が所定のしきい値ΔＰｔｈより少ないか否かを判定する。図６において出力電力の低下量の平均値に基づき判定するような場合である。所定のしきい値ΔＰｔｈは判定精度を上げるためのマージンに相当する。
【０１１１】
その結果、出力電力の低下量の平均値がしきい値ΔＰｔｈ以上であった場合（ＹＥＳ）、出力電力の低下が大きく、機械的にまたは化学的に回復不可能な特性劣化が生じていると考えられる。そこでステップＳ２９に移行し、判定部８０７は報知信号Ｓａを出力し、ユーザに回復不可能な特性劣化が生じている旨を報知する。この報知は、燃料電池の電解質膜、その他の部位の点検を促し、劣化していると認められる部品を交換させるためのものである。特性劣化の原因が取り除かれたら、報知状態がリセットされるようになっている。
【０１１２】
一方ステップＳ２８において、出力電力の低下量の平均値がしきい値ΔＰｔｈより少なかった場合（ＮＯ）、Ｉ−Ｖ特性が変動しているので、経年変化等によりシステム状態が若干変動しているとは推察できるが、点検・部品交換が必要な程度にまで特性の劣化が認められないと判定できる。よって、判定部８０７は、温度−出力特性記憶部８０５に記憶された参照用Ｔ−Ｐ特性を現在のシステム状態に対応した最新のＴ−Ｐ特性で更新する。このときＩ−Ｖ特性の更新も実行してもよい。これらの更新はオプショナルである。
【０１１３】
（本実施形態の利点）
（１）本実施形態によれば、燃料電池の最新のＩ−Ｖ特性と参照用Ｉ−Ｖ特性との比較によりシステム変化を一時的に検出し、燃料電池の最新のＴ−Ｐ特性と参照用Ｔ−Ｐ特性との比較により回復可能な性能低下なのか回復不可能な特性劣化なのかを判定しているので、一時的なシステム状態に影響を受けず正しく性能低下の原因を判定することが可能である。
【０１１４】
（２）本実施形態によれば、最新のＴ−Ｐ特性の平均的な傾きが参照用Ｔ−Ｐ特性の平均的な傾きに比べて所定値以上変化していた場合に、一時的な可逆的な性能低下が生じているものと判定する。Ｔ−Ｐ特性の傾きの変化は、温度に依存した発電効率の低下であり、低温駆動時に水分の移動が阻害されている等の一時的な理由により生じるので、Ｔ−Ｐ特性の傾きの変化を検出することにより、一時的な性能低下であることを正しく判定可能である。
【０１１５】
（３）本実施形態によれば、最新のＴ−Ｐ特性が参照用Ｔ−Ｐ特性に比べて出力が低下する方向へ所定量以上変化していた場合に、回復不可能な不可逆的な特性劣化が生じているものと判定する。Ｔ−Ｐ特性の全体的な低下は、温度とは無関係な電気化学反応効率の低下でありシステムに機械的な化学的な劣化が進行していることを示しているので、Ｔ−Ｐ特性の全体的な低下を検出することにより、回復不可能な不可逆的な特性劣化であることを正しく判定可能である。
【０１１６】
（４）本実施形態によれば、燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定した場合には、燃料電池の出力下限電圧値を低下させるので、一時的な性能低下の場合におけるシステム効率の維持を図ることが可能である。
【０１１７】
（５）本実施形態によれば、燃料電池に可逆的な性能低下が生じているものと判定された場合には、基本的に燃料電池の電解質膜のフラッディングが原因であるため、i）水を蒸発しやすくする措置として高温化、ストイキ比増加、ii）水の動きを大きくする措置として大電流化、iii)反応ガスの触媒へ供給を促進する措置として反応ガスの圧力上昇を、個別にまたは混合して実施するので、早期にシステムの性能を回復させることが可能である。
【０１１８】
（６）具体的に本実施形態によれば、一時的な性能低下が低温状態で生じている場合には、昇温処理を実施するので、フラッディングを生じた電解質膜を早期に乾燥させることが可能である。
【０１１９】
（７）具体的に本実施形態によれば、昇温処理として燃料電池の出力変化が許容できる運転状態である場合には、暖機運転または強制加熱を実施するので、回復措置を発電に優先させて急速にシステム効率を回復させることが可能である。
【０１２０】
（８）また本実施形態によれば、昇温処理として燃料電池の出力変化が許容できない運転状態である場合に、燃料電池の出力電圧を所定値だけ低下させ発電電流を若干増大させるので、出力電力を維持しながら、発熱を生じさせ、かつ、電気化学反応を促進して水の移動を促進し、低温環境下における触媒のフラッディングを解消することができる。
【０１２１】
（９）また本実施形態によれば、燃料電池の昇温処理として、燃料電池への酸化ガス供給量を所定量だけ増加させるので、カソード側の生成水を酸化ガスに接触しやすくすることができ、低温環境下におけるフラッディングを解消することができる。
【０１２２】
（１０）また本実施形態によれば、一時的な性能低下が通常温度状態で生じている場合には、燃料電池のエアストイキ比を上昇させるので、触媒における電気化学反応を促進し、通常環境下におけるフラッディングを解消することができる。
【０１２３】
（１１）一方本実施形態によれば、燃料電池に不可逆的な特性劣化が生じているものと判定した場合には、所定の報知処理を実行するので、部品の交換等のメンテナンスの必要性を早期に知らせることが可能である。
【０１２４】
（１２）本実施形態によれば、正しくＩ−Ｖ特性やＴ−Ｐ特性が計測された場合には、それを参照用Ｉ−Ｖ特性または参照用Ｔ−Ｐ特性として更新記憶させるので、劣化以外のシステム状態の変動に基準となる特性を追従させ、誤判定を防止可能である。
【０１２５】
（その他の変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変更して実行することが可能である。
例えば、上記実施形態ではＴ−Ｐ特性をシステム状態判定のパラメータとしていたが、経年変化が現れ一時的な性能低下と回復不可能な特性劣化とが特性上区別可能に発現する他の特性を判定の基準とすることが可能である。
【０１２６】
また上記実施形態は電気自動車に搭載される燃料電池システムに本発明を適用していたが、他の移動体（陸上、海上・海中、空中）に搭載される燃料電池システムに本発明を適用してもよい。さらに定置形の燃料電池システムに適用することも無論可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本実施形態における燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】本実施形態における制御部８０で実現される機能ブロックである。
【図３】電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）に基づく性能変化の判定法説明図である。
【図４】温度−出力特性（Ｔ−Ｐ特性）に基づく性能変化の判定法説明図である。
【図５】温度−出力特性に基づき一時的な性能低下と判定される場合の具体例である。
【図６】温度−出力特性に基づき回復不可能な特性劣化と判定される場合の具体例である。
【図７】本実施形態における動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２８】
３  冷却液循環系統、４  燃料ガス供給系統、７  酸化ガス供給系統、９  電力系統、１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、２７  ヒータ（強制加熱手段）、８０  制御部、９０  ｄＣ−ＤＣコンバータ、９７  電圧センサ、９８  電流センサ、８０１  電流−電圧特性計測部、８０３  電流−電圧特性比較部、８０４  温度−出力特性計測部、８０６  温度−出力特性比較部、８０７  判定部
【図１】
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【図２】
0005120769.tif 000003
【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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