(57)【要約】【課題】燃料電池の継続運転において中長期的なタイムスケールで徐々に起きるクリープによるガス拡散阻害への対処を図る。【解決手段】燃料電池システム２０は、カソード側ガス拡散層１２５を拡散するガスのガス拡散抵抗とこのガス拡散層に生じたクリープのクリープ量との対応関係を記憶した上で、ガス拡散抵抗を取得し、その得済みガス拡散抵抗を対応関係に対応付けて、取得済みガス拡散抵抗のクリープ量に基づいた増大状況を把握する。そして、ガス拡散阻害を徐々にもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大状況に応じて、背圧を高める等の対処処置を行う。【選択図】図１０
2012221609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜の各膜面に触媒電極を接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の前記触媒電極に接合してガス拡散流路を形成するガス拡散層とを有する燃料電池であって、
前記ガス拡散層を拡散するガスのガス拡散抵抗と前記ガス拡散層に生じたクリープのクリープ量との対応関係を記憶する記憶部と、
前記ガス拡散抵抗を取得すると共に、前記対応関係を参照して前記取得済みガス拡散抵抗に対応するクリープ量を求め、前記取得済みガス拡散抵抗の前記クリープ量に基づいた増大状況を把握する拡散抵抗取得部とを備える
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
更に、
外部の負荷の要求電力に基づいて燃料ガスと酸素含有ガスとを供給しつつ、前記燃料電池の発電制御を行う発電制御部を備え、該発電制御部は、前記取得済みガス拡散抵抗の前記増大状況に応じて、前記ガスの供給を、発電出力の低下を抑制する側に制御する
燃料電池。
【請求項３】
前記発電制御部は、前記取得したガス拡散抵抗の前記増大状況に応じて、ガス供給圧を高める側に制御する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池であって、
更に、
外部の負荷の要求電力に基づいて燃料ガスと酸素含有ガスとを供給しつつ、前記燃料電池の発電制御を行う発電制御部を備え、該発電制御部は、前記要求電力に拘わらず、前記取得済みガス拡散抵抗の前記増大状況に応じて発電出力を制限するよう発電制御する
燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池であって、
更に、
電池冷却を図るよう冷媒を循環制御する冷却部を備え、該冷却部は、前記取得済みガス拡散抵抗の前記増大状況において、前記発電制御部による前記燃料電池の起動の際の昇温が予め定めた所定の昇温の速さより鈍ると、冷媒の循環制御を停止する
燃料電池。
【請求項６】
前記冷却部は、前記増大状況での冷媒の循環制御の停止を、前記燃料電池の起動が氷点下を下回る状況下においてなされたときに実行する請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記拡散抵抗取得部は、前記触媒電極におけるガスのガス拡散抵抗を含めて前記ガス拡散抵抗を取得する請求項１ないし請求項６いずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体とその少なくとも一方の触媒電極にガス拡散層を接合して有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、膜電極接合体の一方の触媒電極であるアノードと他方の触媒電極であるカソードに、燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する。こうした燃料電池の発電は、燃料ガス、例えば水素ガスの水素と、酸素含有ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応に伴うことから、ガス拡散が阻害されると触媒電極延いては電解質膜へのガス到達が阻害され、発電能力の低下を来しやすい。こうした事態を回避するため、種々の制御手法が提案されている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３５５１６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１８６５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これら特許文献では、残留水分自体或いはその凍結による流路閉塞（フラッディング）をガス拡散の阻害主因としてガス圧制御や冷却制御を行っているとはいえ、これら制御を残留水過多や過剰な水分除去、氷点下起動と言った限られた状況下でしか行っていない。ところで、触媒電極のみならずガス拡散流路を形成するガス拡散層は、燃料電池運転期間に亘って継続的に締結力を受ける。燃料電池搭載車両では、加減速に伴う力も継続的に受ける。このため、連続気孔を有するガス拡散層にあっては、上記のように継続的に応力が作用することから、クリープを起こし、このクリープによる連続気孔の細孔化が起きてガス拡散が阻害され、こうした事態が中長期的なタイムスケールで徐々に起き得る。しかしながら、こうしたクリープに伴うガス拡散性の増大推移については、従来、何ら考慮されず、その改善が要請されている。
【０００５】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の継続運転において中長期的なタイムスケールで徐々に起きるクリープによるガス拡散阻害への対処を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００７】
[適用１：燃料電池]
プロトン伝導性を有する電解質膜の各膜面に触媒電極を接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の前記触媒電極に接合してガス拡散流路を形成するガス拡散層とを有する燃料電池であって、
前記ガス拡散層を拡散するガスのガス拡散抵抗と前記ガス拡散層に生じたクリープのクリープ量との対応関係を記憶する記憶部と、
前記ガス拡散抵抗を取得すると共に、前記対応関係を参照して前記取得済みガス拡散抵抗に対応するクリープ量を求め、前記取得済みガス拡散抵抗の前記クリープ量に基づいた増大状況を把握する拡散抵抗取得部とを備える
ことを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池は、ガス拡散阻害をもたらすガス拡散抵抗を取得する。こうしたガス拡散抵抗は、生成水の残存によりフラッディングが起きた際にも増大するが、フラッディング解消に伴い復帰する。その一方、ガス拡散層に生じたクリープに基づくガス拡散抵抗は、中長期的なタイムスケールで徐々に増大し、クリープが解消されることはないので、ガス拡散抵抗も元に戻ることはほとんどない。上記構成の燃料電池では、収得済みのガス拡散抵抗に対応するクリープ量を、ガス拡散抵抗とクリープ量との対応関係を参照して求め、そのクリープ量に基づいたガス拡散抵抗の増大状況を把握するので、フラッディングによるガス拡散抵抗の増大と明確に区別できる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、ガス拡散抵抗の復帰を前提としたフラッディング時に行う種々の制御を、クリープ量に基づいたガス拡散抵抗の増大状況において実行しないようにできる。
【０００９】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、外部の負荷の要求電力に基づいて燃料ガスと酸素含有ガスとを供給しつつ、前記燃料電池の発電制御を行う発電制御部を備えた上で、この発電制御部によるガス供給を、前記取得済みガス拡散抵抗の前記増大状況に応じて発電出力の低下を抑制する側に制御するようにできる。こうすれば、クリープ量に基づいてガス拡散抵抗が徐々に増大する状況において、その増大状況に応じた発電制御が以下に説明するように可能となるので、ガス拡散阻害を徐々にもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を図ることができる。
【００１０】
この態様の燃料電池は、外部の負荷の要求電力に基づいて燃料ガスと酸素含有ガスとを供給しつつ、燃料電池の発電制御を行うものの、ガス拡散抵抗がクリープ量に基づいて増大すると、その増大状況に応じてガスの供給を、発電出力の低下を抑制する側に制御する。仮に、クリープ量に基づいてガス拡散抵抗が増大したにも拘わらず抵抗増大前のままのガス供給であれば、ガス拡散抵抗増大によりガス供給が阻害され、発電能力が低下する。こうしたことから、上記態様の燃料電池によれば、ガス拡散阻害を徐々にもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を図った上で、能力低下を抑制できる。また、クリープによりガス拡散抵抗が増大しても、能力低下を抑制した上で発電を継続できることから、長寿命化、もしくはガス拡散層の交換と言った保守作業コストの低減を図ることができる。
【００１１】
この場合、前記取得したガス拡散抵抗の前記増大状況に応じて、ガス供給圧を高める側に制御するようにできる。ガス供給圧は、ガス排出側の背圧を高めれば容易に高くなるので、背圧を高めるという簡便な対処で、能力低下を抑制できる。
【００１２】
また、外部の負荷の要求電力に基づいて燃料ガスと酸素含有ガスとを供給しつつ、前記燃料電池の発電制御を行う発電制御部を備えた上で、この発電制御部については、これを、前記取得済みガス拡散抵抗の前記増大状況に応じて、発電出力の上限を低下させる側に発電制御するものとできる。こうすれば、クリープ量に基づいてガス拡散抵抗が徐々に増大する状況において、その増大状況に応じた発電制御が以下に説明するように可能となるので、ガス拡散阻害を徐々にもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を図ることができる。
【００１３】
上記の態様の燃料電池は、外部の負荷の要求電力に基づいて燃料ガスと酸素含有ガスとを供給しつつ、燃料電池の発電制御を行うものの、ガス拡散抵抗がクリープ量に基づいて徐々に増大すると、その増大状況に応じて発電出力の上限を低下させる側に発電制御する。つまり、ガス拡散抵抗がクリープ量に基づいて徐々に増大しても、発電出力に上限を設定して、その範囲での発電を継続することができる。仮に、クリープ量に基づいてガス拡散抵抗が増大したにも拘わらず抵抗増大前のままの発電制御であれば、ガス拡散抵抗増大により阻害されたガス供給で得られる出力上限を超える要求電力を得るような発電制御となって負電圧を招き、電解質膜の損傷が危惧される。こうしたことから、上記態様の燃料電池によれば、ガス拡散阻害をもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を図った上で、電解質膜の損傷回避と能力低下の抑制が可能となる。
【００１４】
また、電池冷却を図るよう冷媒を循環制御する冷却部を備えた上で、この冷却部については、これを、前記取得済みガス拡散抵抗の前記増大状況において、前記発電制御部による前記燃料電池の起動の際の昇温が予め定めた所定の昇温の速さより鈍ると、冷媒の循環制御を停止するものとできる。こうすれば、クリープ量に基づいてガス拡散抵抗が徐々に増大する状況において、その増大状況に応じた冷媒循環制御が以下に説明するように可能となるので、ガス拡散阻害を徐々にもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を図ることができる。
【００１５】
上記の態様の燃料電池は、電池冷却を図るよう冷媒を循環制御するものの、ガス拡散抵抗がクリープ量に基づいて増大した状況において、前記発電制御部による前記燃料電池の起動の際の昇温が鈍ると、冷媒の循環制御を停止する。ガス拡散抵抗は既述したようにガス拡散を阻害することから、抵抗増大により、発電出力は低下し、発電に伴う発熱量も低下する。このため、上記の態様の燃料電池によれば、ガス拡散抵抗の増大がクリープ量に基づくものであることを把握した上で、その際には、冷媒の循環制御を停止して、早期のうちに電池温度の昇温を図ることができる。つまり、ガス拡散阻害をもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を電池昇温の観点から図った上で、起動性を高めることができる。
【００１６】
この場合、前記増大状況での冷媒の循環制御の停止を、前記燃料電池の起動が氷点下を下回る状況下においてなされたときに実行するようにできる。一般に、冷媒循環による電池冷却を行わないと、熱集中により耐久性の悪化が懸念される。ところが、氷点下を下回る状況下の起動の際に冷媒の循環制御の停止を実行するので、当該循環制御の停止頻度を少なくして、耐久性の維持もしくは低下抑制を図った上で、氷点下での始動性を高めることができる。
【００１７】
本発明は、燃料電池の複数を積層したスタック構造の燃料電池システムの他、この燃料電池或いは燃料電池システムを搭載した車両、もしくは燃料電池や燃料電池システムを設置して燃料電池を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システム２０の構成例を示すブロック図である。
【図２】燃料電池１００を構成する燃料電池セル１２０を断面視して概略的に示す説明図である。
【図３】燃料電池システム２０の搭載車両の出荷前においてなされるセル特性取得の様子を示すフローチャートである。
【図４】触媒電極におけるカチオン量とプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）との関係を示す第１マップである。
【図５】触媒層のプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）の算出に用いた触媒層の等価回路を示す説明図である。
【図６】触媒電極におけるカチオン量と膜抵抗Ｒｍとの関係を示す第２マップである。
【図７】カソード側ガス拡散層１２５を想定したガス拡散層の抵抗（ＧＤＬ抵抗）とクリープ量（ＧＤＬクリープ量）との関係を示す第３マップである。
【図８】カソード側ガス拡散層１２５を想定したガス拡散層のガス拡散抵抗（ＧＤＬガス拡散抵抗）とクリープ量（ＧＤＬクリープ量）との関係を示す第４マップである。
【図９】カソード１２３を想定した触媒層の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）とガス拡散抵抗（触媒層ガス拡散抵抗）との関係を示す第５マップである。
【図１０】燃料電池１００の運転過程で制御部７００が行う対処処置の内容を示すフローチャートである。
【図１１】ステップＳ３００における対処処置の一手法である背圧制御処置を示すフローチャートである。
【図１２】背圧制御処置において運転条件の変更要否の判断の基となるセル特性の関係を説明するための説明図である。
【図１３】背圧制御処置においてＧＤＬ寿命の判断の基となるセル特性の関係を説明するための説明図である。
【図１４】図１０のステップＳ３００における対処処置の一手法である出力制限処置を示すフローチャートである。
【図１５】ガス拡散抵抗値と限界電流値との関係を示す説明図である。
【図１６】図１０のステップＳ３００における対処処置の一手法である冷却停止処置を示すフローチャートである。
【図１７】限界電流値と電池昇温に要する時間との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システム２０の構成例を示すブロック図、図２は燃料電池１００を構成する燃料電池セル１２０を断面視して概略的に示す説明図である。この燃料電池システム２０は、車両に搭載される燃料電池システムを例に示している。
【００２０】
燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、アノードガス（燃料ガス）供給部２００およびカソードガス（酸化ガス）供給部３００と、冷却装置４００と、セル特性計測部５００と、電力制御部６００と、制御部７００と、を備えている。
【００２１】
燃料電池１００は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。
【００２２】
燃料電池１００は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた図２の燃料電池セル１２０を積層したスタック構造とされている。燃料電池セル１２０は、図２に示すように、電解質膜１２１の両側に触媒電極であるアノード１２２とカソード１２３の両電極を備える。このアノード１２２とカソード１２３は、電解質膜１２１の両膜面に形成され電解質膜１２１と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、燃料電池セル１２０は、電極形成済みの電解質膜１２１を両側から挟持するアノード側ガス拡散層１２４とカソード側ガス拡散層１２５とガスセパレーター１２６，１２７を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。
【００２３】
電解質膜１２１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード１２２およびカソード１２３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１２４とカソード側ガス拡散層１２５は、ガス拡散性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを用いて製造され、それぞれの電極へのガス拡散流路を形成する。
【００２４】
ガスセパレーター１２６は、アノード側ガス拡散層１２４の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路１２８を備える。ガスセパレーター１２７は、カソード側ガス拡散層１２５の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路１２９を備える。なお、図には記載していないが、隣り合う燃料電池セル１２０間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらガスセパレーター１２６，１２７は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
【００２５】
図２では図示していないが、ガスセパレーター１２６，１２７の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、燃料電池セル１２０が他の部材と共に積層されて燃料電池１００が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１００内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路１２８やセル内酸化ガス流路１２９、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２６】
本実施例の燃料電池１００は、ガスセパレーター１２６のセル内燃料ガス流路１２８からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層１２４で拡散ししつつアノード１２２に供給する。空気については、ガスセパレーター１２７のセル内酸化ガス流路１２９からの空気を、カソード側ガス拡散層１２５で拡散ししつつカソード１２３に供給する。
【００２７】
アノードガス供給部２００は、アノードガス（燃料ガス）としての高圧の水素ガスを貯蔵した水素ガスタンク２１０と、水素ガスタンク２１０の水素ガスを燃料電池１００に供給するためのアノードガス供給流路２２０と、燃料電池１００から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）としての水素オフガスをアノードガス供給流路２２０に戻すためのアノードガス循環流路２３０と、を備える。アノードガス供給流路２２０は、水素ガスタンク２１０からの水素ガスの供給を遮断または許容する開閉バルブ２２２と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２２４と、水素ガスの流量を調整する水素供給部２２６とを備え、燃料電池セル１２０のセル内燃料ガス流路１２８に水素ガスを導く。
【００２８】
アノードガス循環流路２３０には、アノードガス循環流路２３０内のアノードオフガスとしての水素オフガスをアノードガス供給流路２２０側へ送り出す水素ガスポンプ２３２が設けられている。また、アノードガス循環流路２３０には、気液分離部２３４および排気排水バルブ２３６を介して、排気口３５０につながる排出流路２３８が接続されている。気液分離部２３４は、水素オフガスに含まれる水分を回収する。排気排水バルブ２３６は、気液分離部２３４で回収された水分およびアノードガス循環流路２３０内の不純物を含む水素オフガスを排出する。排気排水バルブ２３６から排出された水素オフガスは、排気口３５０から排ガスとして大気中に排気される。なお、開閉バルブ２２２、レギュレータ２２４、水素供給部２２６、水素ガスポンプ２３２、気液分離部２３４、および、排気排水バルブ２３６は、制御部７００からの指示に従って動作する。
【００２９】
カソードガス供給部３００は、吸気口３１０を介してカソードガス（酸化ガス）としての空気を取り込んで圧縮送出するためのコンプレッサ３２０と、空気（エア）を燃料電池１００に供給するためのカソードガス供給流路３３０と、燃料電池１００から排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を排気口３５０から排出するためのカソードオフガス排出流路３４０と、を備える。カソードオフガス排出流路３４０には、燃料電池１００内のカソードガス（酸化ガス）の圧力を調整するための背圧調整バルブ３４２が設けられている。カソードガス供給流路３３０およびカソードオフガス排出流路３４０には、燃料電池１００から排出されたカソードオフガス（酸化オフガス）を用いてコンプレッサ３２０から圧送されたカソードガス（酸化ガス）を加湿する加湿部３６０が設けられている。そして、カソードガス供給流路３３０は、加湿部３６０を経て燃料電池セル１２０のセル内酸化ガス流路１２９に空気を導く。加湿部３６０で水分交換等されたカソードオフガスは、排ガスとして排気口３５０から大気中に排気される。コンプレッサ３２０、背圧調整バルブ３４２、および、加湿部３６０は、制御部７００からの指示に従って動作する。
【００３０】
冷却装置４００は、冷却循環器４１０と、冷媒を燃料電池１００に供給する冷媒供給流路４２０と、燃料電池から排出される冷媒を燃料電池１００に戻す冷媒排出流路４３０と、を備える。冷却循環器４１０は、冷媒供給流路４２０を介して燃料電池１００に冷媒を供給し、燃料電池１００の冷却に供された後の冷媒を冷媒排出流路４３０を介して受け取ることにより、冷媒を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷媒としては、水、不凍液等を用いることができる。冷却装置４００は、制御部７００からの指示に従って冷却循環器４１０を動作させて冷媒循環を図ることで、燃料電池１００を冷却する。
【００３１】
セル特性計測部５００は、燃料電池セル１２０の後述のセル特性を測定するセル特性計測器５１０と、燃料電池１００の出力電圧を測定する電圧センサー５２０および出力電流を測定する電流センサー５３０と、を備えている。また、セル特性計測部５００には、燃料電池１００に供給されるアノードガスやカソードガスの圧力を測定する圧力センサーや湿度を測定する湿度センサー、流量を測定する流量センサー、燃料電池１００の温度や冷媒の温度を測定する各温度センサー等種々の図示しないセンサーを備えている。なお、センサー等の各要素はそれぞれ制御部７００に接続されており、各要素で測定された測定結果は制御部７００からの指示に従って、制御部７００に受け渡される。
【００３２】
セル特性計測器５１０は、燃料電池セルごとのセル特性を測定するものであり、交流インピーダンス法を利用して各燃料電池セルのカソード側の触媒電極における水素イオン（プロトン）移動抵抗や直流抵抗を測定するインピーダンス測定機器、上記の触媒電極における電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）を測定するポテンショスタットを備える。これら測定値は、各燃料電池セルが有するガス拡散層（ＧＤＬ）、本実施例ではカソード側ガス拡散層１２５とカソード１２３（図２参照）のクリープの発生状況に起因して推移するセル特性であり、セル特性計測器５１０は、その測定結果を後述の制御部７００に出力する。ＧＤＬのクリープとセル特性の関係については後述する。なお、セル特性計測器５１０による上記の抵抗測定や電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）測定は、燃料電池セル１２０のそれぞれについて行うことができるほか、特定の燃料電池セル１２０、例えばスタック中央に位置する燃料電池セル１２０についての測定を行い、その測定結果を各燃料電池セルに当てはめることもできる。この他、スタック端部の燃料電池セル１２０と上記の中央の燃料電池セル１２０についての測定結果を各燃料電池セルに当てはめるようにすることもできる。
【００３３】
電力制御部６００は、二次電池制御部６２０、モーター制御部６４０、図示しない各種の補機制御部等を備える。二次電池制御部６２０は、二次電池６１０の充放電を制御する。モーター制御部６４０は、燃料電池１００あるいは二次電池６１０からの電力のモーター６３０への供給を制御する。このモーター制御部６４０は、例えば、モーター６３０が三相交流モーターの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、たとえば、水素ガスポンプ２３２や、コンプレッサ３２０等の各装置を駆動するための電力の供給を制御する。なお、モーター６３０は、燃料電池システム２０が搭載される車両の主動力源を構成する。
【００３４】
制御部７００は、ＣＰＵ７１０と、メモリ７２０と、入出力部７３０と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部７３０は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線（不図示）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した開閉バルブ２２２やレギュレータ２２４、水素供給部２２６、水素ガスポンプ２３２、コンプレッサ３２０、背圧調整バルブ３４２、冷却循環器４１０に含まれる図示しない冷却ポンプや冷却ファン、モーター６３０の回転量を制御するアクセル７５０等がある。また、各種センサーとしては、上述した電圧センサー５２０や、電流センサー５３０、図示しない温度センサー、圧力センサー、湿度センサー、流量センサー等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム２０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ７４０等がある。
【００３５】
メモリ７２０には、主として燃料電池システム２０を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、ＣＰＵ７１０は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、燃料電池１００の運転制御ルーチン、および、セル特性判定ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、ＣＰＵ７１０は、電池出力制御部７１０ａおよびセル特性判定部７１０ｂとして機能する。電池出力制御部７１０ａは、燃料電池１００および二次電池６１０の動作を制御する。セル特性判定部７１０ｂは、セル特性計測器５１０にて測定した現状のセル特性をメモリ７２０の記憶内容と照合しつつ、そのセル特性に基づいた後述の機器制御を司る。
【００３６】
次に、本実施例の燃料電池システム２０が行うクリープによるガス拡散阻害対処について説明する。図３は燃料電池システム２０の搭載車両の出荷前においてなされるセル特性取得の様子を示すフローチャートである。図示するように、まず、燃料電池セル１２０においてクリープに基づくガス拡散抵抗の把握に必要な種々のマップを取得する（ステップＳ１００）。
【００３７】
ステップＳ１００では、第１〜第５のマップを、取得対象の燃料電池セル１２０について取得する。まず、第１マップとその取得について説明する。図４は触媒電極におけるカチオン量とプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）との関係を示す第１マップである。
【００３８】
図４の第１マップの取得に際しては、電解質膜１２１の膜面にアノード１２２とカソード１２３を接合したＭＥＡ（図２参照）を複数用意し、このＭＥＡをラジカル失活剤（ラジカルクエンチャー）として機能するカチオン、例えばセリウム（Ｃｅ）でイオン交換したＭＥＡとする。この際、イオン交換の対象となるカチオンを種々の量とし、カチオン量が異なるＭＥＡごとに、触媒電極（以下、触媒層とも称する）であるカソード１２３のプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）を測定する。そして、カチオン量に対して触媒層のプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）をプロットして第１マップを取得する。プロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）は、次のように測定した。
【００３９】
まず、異なるカチオン量のカチオンにてイオン交換済みのＭＥＡを用いて図２に示す燃料電池セル１２０を測定サンプルセルとする。これにより、異なるカチオン量ごとの測定サンプルセルが得られる。そして、各測定サンプルセルのアノードに水素をカソードに空気または酸素を供給して発電させ、その状態で、交流インピーダンス法を利用したインピーダンス測定機器にて、カソード側の触媒電極におけるプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）を、カチオン量が異なるＭＥＡを有する各測定サンプルセルごとに測定する。これにより、カチオン量と触媒層のプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）とを対応付けた第１マップが得られる。
【００４０】
プロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）の手法は、セル特性計測器５１０（図１参照）のインピーダンス測定機器による燃料電池１００の発電運転過程でのセル特性測定と同じであり、外部から特定周波数で電圧または電流を測定サンプルセルに印加する、或いは、測定サンプルセルの負荷を特定周波数で変化させるようにして、触媒層に該当するナイキストプロット全体を推定する。つまり、セル特性計測器５１０は、制御部７００により上記のようなガス供給と特定周波数での電圧・電流制御下において、プロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）を後述のタイミングでポテンショスタットにより算出する。次いで、触媒層を、触媒が直流抵抗成分（電解質樹脂）に埋没して電気的に接続されていると仮定した場合の等価回路を作成し、この等価回路による電気的なフィッティング（例えば、Ｓｃｒｉｂｎｅｒ社のＺ−ｖｉｅｗ：Ｚ−ｖｉｅｗは登録商標）を経て触媒層のプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）を算出する。図５は触媒層のプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）の算出に用いた触媒層の等価回路を示す説明図である。この図５では、直流抵抗成分（電解質樹脂）の膜抵抗（直流抵抗）をＲで示し、各触媒は、ＲH+,cathode,iで示すプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）と、コンデンサ・抵抗の並列回路部で表されている。図示する等価回路には、触媒層の膜抵抗Ｒが含まれているため、触媒層のプロトン移動抵抗ＲH+,cathode,iと膜抵抗Ｒｍが得られる。
【００４１】
図６は触媒電極におけるカチオン量と膜抵抗Ｒｍとの関係を示す第２マップである。この第２マップは、既述したカチオン量が異なるＭＥＡごと測定サンプルセルについてプロトン移動抵抗（Ｈ＋抵抗）と共に測定した膜抵抗Ｒｍを、カチオン量に対してプロットして取得される。
【００４２】
図７はカソード側ガス拡散層１２５を想定したガス拡散層の抵抗（ＧＤＬ抵抗）とクリープ量（ＧＤＬクリープ量）との関係を示す第３マップである。この第３マップの取得に際しては、カソード側ガス拡散層１２５と同じ材料から形成したガス拡散層（ＧＤＬ）を用意し、このＧＤＬを金属板で挟持して圧縮しクリープ発生済みのＧＤＬとする。この際、圧縮荷重を変えながら抵抗を測定して、圧縮荷重でもたらされるクリープ量に対して、測定した抵抗をプロットして第３マップを取得する。
【００４３】
図８はカソード側ガス拡散層１２５を想定したガス拡散層のガス拡散抵抗（ＧＤＬガス拡散抵抗）とクリープ量（ＧＤＬクリープ量）との関係を示す第４マップである。この第４マップの取得に際しては、上記の第３マップと同様にＧＤＬを金属板で挟持して圧縮荷重を変えながらＧＤＬガス拡散抵抗を測定して、圧縮荷重でもたらされるクリープ量に対して、測定した抵抗をプロットして第４マップを取得する。ＧＤＬガス拡散抵抗は、例えば、第４９回電池討論会で提案された測定手法（第４９回電池討論会講演要旨集２Ａ１２参照）にて測定できる。
【００４４】
図９はカソード１２３を想定した触媒層の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）とガス拡散抵抗（触媒層ガス拡散抵抗）との関係を示す第５マップである。この第５マップの取得に際しては、まず、電解質膜１２１の膜面にアノード１２２とカソード１２３を接合したＭＥＡ（図２参照）を複数用意し、その際には、両電極の触媒層における触媒目付け量（配合量）を異なるものとする。そして、触媒目付け量が異なるＭＥＡごとに、触媒層であるカソード１２３の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）とガス拡散抵抗（触媒層ガス拡散抵抗）とを取得して、両者を対応付け第５マップを取得する。電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）は、次のように測定した。
【００４５】
まず、異なる触媒目付け量のＭＥＡを用いて図２に示す燃料電池セル１２０を測定サンプルセルとする。これにより、異なる触媒目付け量ごとの測定サンプルセルが得られる。そして、各測定サンプルセルのアノードに水素をカソードに空気または酸素を供給しつつ、電極電位が０．００５Ｖ〜１．０Ｖの範囲で走査するよう発電させ、その出力波形を解析した水素脱離領域または水素吸着領域から電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）を算出する。この算出手法は、セル特性計測器５１０（図１参照）のポテンショスタットによる燃料電池１００の発電運転過程でのセル特性測定と同じである。つまり、セル特性計測器５１０は、制御部７００により上記のようなガス供給と発電制御下において、電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）を後述のタイミングでポテンショスタットにより算出する。
【００４６】
異なる触媒目付け量ごとの測定サンプルセルにおけるカソード１２３（触媒層）の触媒層ガス拡散抵抗は、例えば、第４９回電池討論会で提案された測定手法（第４９回電池討論会講演要旨集２Ａ１２参照）にて測定できるので、これを算出済み電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）に対してプロットして第５マップが得られる。
【００４７】
上記した第１〜第５のマップの取得に続くステップＳ１１０では、各マップを制御部７００（図１参照）のメモリ７２０に記憶し、車両出荷前のセル特性取得を終える。図９に示す第５マップは、燃料電池１００の稼働運転期間中に測定した電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）の推移の状況を学習することにより求めることもできる。
【００４８】
図１０は燃料電池１００の運転過程で制御部７００が行う対処処置の内容を示すフローチャートである。まず、制御部７００は、セル特性計測器５１０（図１参照）のポテンショスタットにてそれぞれの燃料電池セル１２０について電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）を測定する（ステップＳ２００）。本実施例では、燃料電池１００の運転が中長期に亘ることでカソード側ガス拡散層１２５に起きるクリープに対処することから、図１０のクリープ対処処置の当初処理である電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）測定については、システム稼働初期から所定時間が経過した後のタイミングで実行するようにすることもできる。例えば、燃料電池システム２０の搭載車両で言えば、１０万km程度を走行した後、バス等の営業車であれば数十万km程度を走行した後における定期点検の際や車両アイドリング中に図１０の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）測定を実行するようにすることもできる。この他、燃料電池１００の発電運転時間の累積が所定の時間に達した後に、所定のタイムスパンで図１０の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）測定を実行するようにすることもできる。なお、上記したステップＳ２００での電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）測定は、既述したように、燃料電池セル１２０のそれぞれについて行うことができるほか、特定の燃料電池セル１２０についての測定結果を各燃料電池セルに当てはめることもできる。
【００４９】
続くステップＳ２１０では、測定した的な電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）の値（以下、測定ＥＣＳＡ値）と、触媒層であるカソード１２３について出荷前に測定してメモリ７２０に記憶済みの電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）の値（以下、出荷前測定ＥＣＳＡ値）とを比較し、測定ＥＣＳＡ値が出荷前測定ＥＣＳＡ値より低下したか否かを判定する。ここで、測定ＥＣＳＡ値が出荷前測定ＥＣＳＡ値より低下していないと否定判定すれば、制御部７００は、触媒層であるカソード１２３について出荷前に測定してメモリ７２０に記憶済みの触媒層ガス拡散抵抗出荷前測定値を呼び出す（ステップＳ２２０）。
【００５０】
一方、ステップＳ２１０で測定ＥＣＳＡ値が出荷前測定ＥＣＳＡ値を超えていると否定判定すれば、実際の電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）が小さくなっているとして、制御部７００は、図９の第５マップを参照して、測定ＥＣＳＡ値に対応する触媒層ガス拡散抵抗値を算出する（ステップＳ２３０）。
【００５１】
こうして触媒層ガス拡散抵抗値を得ると、制御部７００は、セル特性計測器５１０（図１参照）のインピーダンス測定機器にてそれぞれの燃料電池セル１２０の触媒層であるカソード１２３のプロトン移動抵抗（触媒層Ｈ＋抵抗）と直流抵抗を測定する（ステップＳ２４０）。このステップＳ２４０の抵抗測定にあっても、既述したように中長期に亘ってカソード１２３やカソード側ガス拡散層１２５に起きるクリープに対処すべく、システム稼働初期から所定時間が経過した後に実行したり、所定の走行距離の走行後の定期点検の際や車両アイドリング中に実行すればよい。また、既述したように、特定の燃料電池セル１２０についての抵抗測定結果を各燃料電池セルに当てはめることもできる。
【００５２】
その後、制御部７００は、測定した触媒層Ｈ＋抵抗と直流抵抗とを第１マップ〜第４マップに参照させつつ、カソード側ガス拡散層１２５のガス拡散抵抗値（ＧＤＬガス拡散抵抗値）を算出する（ステップＳ２５０）。つまり、まず、図４の第１マップを参照して、ステップＳ２４０で測定した触媒層Ｈ＋抵抗に対応するカチオン量を算出する。その算出したカチオン量に対応する膜抵抗Ｒｍを図６の第２マップを参照して算出する。燃料電池セル１２０におけるＭＥＡの直流抵抗は、ＭＥＡを構成するカソード１２３について第２マップから得られた膜抵抗Ｒｍとカソード側ガス拡散層１２５の直流抵抗とを含み、カソード側ガス拡散層１２５のガス拡散抵抗値（ＧＤＬガス拡散抵抗値は、ＭＥＡの直流抵抗から膜抵抗を引き、ガス拡散層（ＧＤＬ）一枚当たりの抵抗に換算することによって得られる。その後は、カソード側ガス拡散層１２５について算出したＧＤＬ抵抗に対応するＧＤＬクリープ量を図７の第３マップを参照して算出し、その算出したＧＤＬクリープ量に対応するＧＤＬガス拡散抵抗を図８の第４マップを参照して算出する。
【００５３】
制御部７００は、ステップＳ２３０で得たカソード１２３の触媒層ガス拡散抵抗値とステップＳ２４０で得たカソード側ガス拡散層１２５のＧＤＬガス拡散抵抗との合算値を、燃料電池セル１２０における全体のガス拡散抵抗に設定する（ステップＳ２６０）。
【００５４】
こうしてクリープ量に対応したガス拡散抵抗が得られると、制御部７００は、そのガス拡散抵抗に応じて対処処置を実行し（ステップＳ３００）、本ルーチンを一旦終了し、既述した点検等のタイミング、アイドルタイミング等において上記処理を繰り返す。図１１はステップＳ３００における対処処置の一手法である背圧制御処置を示すフローチャートである。
【００５５】
図示するように、この背圧制御処置では、まず、先のステップＳ２６０（図１０参照）で算出したガス拡散抵抗算出値が、予め定めた所定の値を超えるか否かを判定する（ステップＳ３１０）。この所定のガス拡散抵抗値は、燃料電池１００を構成する燃料電池セル１２０の運転条件を変更する必要性を判断する閾値であり、次のように定めた。図１２は背圧制御処置において運転条件の変更要否の判断の基となるセル特性の関係を説明するための説明図である。
【００５６】
この図１２は、その左方のグラフにて、燃料電池セル１２０の電圧電流特性を燃料電池セル１２０のガス拡散抵抗ごとに示し、右方のグラフにて、ガス拡散抵抗とカソード背圧との関係を示している。図１２の電圧電流特性は、１２０〜２００ｓ／ｍの範囲のガス拡散抵抗を備える燃料電池セル１２０をモデル化してシミュレーションして定めた。このシミュレーション手法は、燃料電池セル１２０の構成を示す図２における電解質膜１２１、アノード１２２、カソード１２３およびガス拡散層を所定メッシュを有するものとしてモデル化した上で、例えば、第４９回電池討論会や第５０回電池討論会で提案されたように、酸素輸送にアイオノマフィルム効果とアグロメレート効果を考慮した輸送算出速度式を適用したシミュレーション手法である。この手法を、１２０〜２００ｓ／ｍの範囲のガス拡散抵抗を備える燃料電池セル１２０のそれぞれについて適用し、それぞれのガス拡散抵抗の燃料電池セル１２０ごとに電圧電流特性をプロットした。これによれば、グラフにも記したように、ガス拡散抵抗が低いほど限界電流値（電流密度）は大きく、ガス拡散抵抗が１６０ｓ／ｍ以上になると、限界電流値は２Ａ／ｃｍ２となって発電能力の低下が顕著となる。図１２の右方のグラフのように、ガス拡散抵抗が１６０ｓ／ｍ以上になるとカソードの背圧を高めることとし、その背圧増大程度を、ガス拡散抵抗の増大状況に対応させるようにした。つまり、ステップＳ３１０では、ステップＳ２６０で算出したガス拡散抵抗算出値が１６０ｓ／ｍを超えるか否かを判定し、否定判定すれば、運転条件の変更を要しないとし（ステップＳ３１２）、本ルーチンを終了する。
【００５７】
一方、ステップＳ３１０でガス拡散抵抗算出値が１６０ｓ／ｍを超えていると肯定判定すれば、改めてこのガス拡散抵抗算出値が限界値を超えるか否かの判定を行う（ステップＳ３１４）。図１３は背圧制御処置においてＧＤＬ寿命の判断の基となるセル特性の関係を説明するための説明図である。
【００５８】
この図１３は、燃料電池システム２０を搭載した車両の走行距離とガス拡散層のクリープ量（ＧＤＬクリープ量）との関係を示しており、車両走行距離がある程度、例えば数十万km以上となると、ＧＤＬクリープ量は飽和することを示している。そして、ＧＤＬクリープ量は図８の第４マップに示したようにＧＤＬガス拡散抵抗と対応していることから、ステップＳ３１４では、ＧＤＬクリープ飽和量に対応したＧＤＬガス拡散抵抗を限界値として、上記判定を行う。ここで、否定判定すれば、制御部７００は、それ以前のステップＳ３１０での肯定判定（ガス拡散抵抗算出値＞１６０ｓ／ｍ）と相まって、図１２の右方に示したグラフに対応するマップを参照してカソード側の背圧を高める側に変更し（ステップＳ３１６）、本ルーチンを終了する。この背圧変更は、図１に示したカソードガス供給部３００における背圧調整バルブ３４２を制御することでなされ、その変更程度、即ち背圧増大程度は、図１２に示すようにクリープ量に基づくガス拡散抵抗が大きくなるほど大きくなる。つまり、制御部７００は、こうした背圧変更により、取得したガス拡散抵抗算出値の増大状況に応じて、空気の供給圧を高める側に制御する。なお、ステップＳ３１４の判定については、先のステップＳ２５０にて第３マップを参照して求めたＧＤＬクリープ量が図１３のＧＤＬクリープ飽和量を超えるかの判定に変えることができる。また、図１２の右方に示したグラフに対応するマップは、予めメモリ７２０に記憶済みである。
【００５９】
上記のステップＳ３１４で肯定判定すれば、制御部７００は、カソード側ガス拡散層１２５、延いてはアノード側ガス拡散層１２４ではクリープが既に飽和状態であるので、ガス拡散層の寿命が尽きたとしてその交換を報知し（ステップＳ３１８）、本ルーチンを終了する。この交換報知の手法としては、燃料電池システム２０の搭載車両のインスルーメントパネルの報知ランプを点灯制御したり、オーディオ機器を用いた音声報知、無線通信を介した保守点検センターへの報知などがある。
【００６０】
図１４は図１０のステップＳ３００における対処処置の一手法である出力制限処置を示すフローチャートである。
【００６１】
図示するように、この出力制限処置では、まず、先のステップＳ２６０（図１０参照）で算出したガス拡散抵抗算出値と、燃料電池セル１２０について出荷前に測定してメモリ７２０に記憶済みのガス拡散抵抗の値（以下、出荷前測定ガス拡散抵抗値）とを比較し、ガス拡散抵抗算出値が出荷前測定ガス拡散抵抗値より増加したか否かを判定する（ステップＳ３２０）。ここで、ガス拡散抵抗算出値が出荷前測定ガス拡散抵抗値より増加していないと否定判定すれば、制御部７００は、燃料電池１００、延いては燃料電池セル１２０が出力し得る最大要求電流値の変更を要しないとし（ステップＳ３２２）、本ルーチンを終了する。
【００６２】
一方、ステップＳ３２２でガス拡散抵抗算出値が出荷前測定ガス拡散抵抗値より増加していると肯定判定すれば、ガス拡散抵抗算出値により、現状の燃料電池セル１２０で出力する限界電流値を算出する（ステップＳ３２４）。図１５はガス拡散抵抗値と限界電流値との関係を示す説明図である。この図１５は、その左方のグラフにて、既述した図１２と同様にガス拡散抵抗が高くなるほど限界電流値は低下することを示し、ガス拡散抵抗値ごとに限界電流値をプロットして、右方のグラフにて、ガス拡散抵抗と限界電流値との関係を示している。そして、制御部７００は、ステップＳ３２４にて図１５の右方に示したグラフに対応するマップを参照して現状の燃料電池セル１２０（詳しくは燃料電池１００）で出力する限界電流値を算出し、続くステップＳ３２６にて、その限界電流値を最大電流値に設定し、本ルーチンを終了する。こうして現状の燃料電池セル１２０（詳しくは燃料電池１００）の出力は制限され、この出力制限は、モーター制御部６４０に対してなされ、その最大出力（最大電流値）は、図１５に示すようにガス拡散抵抗が大きくなるほど大きく制限されることになる。このことは、要求負荷（要求電流）が制限済みの最大出力（最大電流値）を上回ると、制御部７００は、燃料電池１００、延いては燃料電池セル１２０の出力（電流値）が要求負荷（要求電流）を下回るように燃料電池１００を運転制御することを意味する。なお、図１５の右方に示したグラフに対応するマップは、予めメモリ７２０に記憶済みである。
【００６３】
図１６は図１０のステップＳ３００における対処処置の一手法である冷却停止処置を示すフローチャートである。
【００６４】
図示するように、この冷却停止処置では、先の出力制限処置におけるステップＳ３２０〜３２４と同様、ガス拡散抵抗算出値と出荷前測定ガス拡散抵抗値との比較判定（ステップＳ３３０）、その判定結果に応じた最大要求電流値の変更不要処理（ステップＳ３３２）、ガス拡散抵抗算出値に基づいた限界電流値の算出（ステップＳ３３４）を実行する。そして、その算出した限界電流値が予め定めた所定値（０．４Ａ／ｃｍ２）以下であるか否かを判定する（ステップＳ３３６）。図１７は限界電流値と電池昇温に要する時間との関係を示す説明図である。この図１７は、停止状態にある燃料電池１００を所定の出力電流密度（限界電流密度）の出力で起動させた場合、電池温度が−３０℃から０℃に昇温するまでの経過時間を測定し、その経過時間を出力電流密度（限界電流密度）に対してプロットして、限界電流値と電池昇温に要する時間との関係を示している。
【００６５】
この図１７に実線で示すように電池起動の際において、冷媒循環の実行下で起動させると、起動時の出力電流密度（限界電流密度）が小さいほど電池昇温が鈍って昇温に要する時間が長くなり、起動時の出力電流密度（限界電流密度）が大きくなるほど電池昇温は速やかに起きる。図１７に点線で示す冷媒循環の停止下での起動の際の電池昇温時間の推移の様子も同様であるものの、冷媒循環による冷却（強制冷却）がない分だけ、起動時の出力電流密度（限界電流密度）が小さくても昇温時間は短時間となる。これは、電気化学反応に伴う熱を電池昇温にほぼ費やせるからである。ところで、電池温度が低いままでは発電が不安定なため、電池温度がある程度昇温するまで、通常、通常の発電運転を待機する。例えば、燃料電池システム２０の搭載車両であれば、電池温度の昇温が済むまで運転待機を強いるので、この待機時間は実用上約４０ｓｅｃ程度となる。そうすると、ガス拡散抵抗算出値に基づいて算出した限界電流値が０．４Ａ／ｃｍ２を超えていれば、図１７に示すように、冷媒循環により冷却していても、起動後の昇温は上記した約４０ｓｅｃで済むことが判る。
【００６６】
こうした知見に立ち、制御部７００は、ステップＳ３３６でガス拡散抵抗算出値に基づいて算出した限界電流値が０．４Ａ／ｃｍ２を超えていると否定判定すると、起動の際に冷媒循環を実行しておくようにして（ステップＳ３３８）、本ルーチンを終了する。これにより、燃料電池１００、即ちそれぞれの燃料電池セル１２０は、冷媒循環の実行下で起動させることになる。具体的には、制御部７００は、車両運転者の始動スイッチ７４０（図１参照）の操作に伴い、冷却装置４００の冷却循環器４１０を運転させて冷媒循環を図ると共に、アノードガス供給部２００およびカソードガス供給部３００からガス供給を開始して、燃料電池１００を起動する。
【００６７】
一方、ステップＳ３３６でガス拡散抵抗算出値に基づいて算出した限界電流値が０．４Ａ／ｃｍ２以下であると肯定判定すると、制御部７００は、起動の際に冷媒循環を停止するようにして（ステップＳ３３８）、本ルーチンを終了する。これにより、燃料電池１００、即ちそれぞれの燃料電池セル１２０は、冷媒循環がなされていない状況下で起動させることになる。具体的には、制御部７００は、車両運転者の始動スイッチ７４０の操作に伴い、ガス供給を開始して燃料電池１００を起動するものの、冷却装置４００の冷却循環器４１０についてはその運転を停止させておく。なお、制御部７００は、燃料電池温度をセンサーにて検知し、電池温度が例えば０℃を超えると、その時点から冷却循環器４１０の運転を開始し、冷媒循環による電池冷却を図るようにできる。また、発電性能確保の上から望ましい温度、例えば定常の発電運転時の電池温度の近くになってから、冷却循環器４１０の運転を開始して、冷媒循環による電池冷却を図るようにできる。
【００６８】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム２０は、触媒層であるカソード１２３やカソード側ガス拡散層１２５に発生したクリープに伴い中長期的なタイムスケールで徐々に増大するガス拡散抵抗を取得する（ステップＳ２３０〜２６０）。その上で、本実施例の燃料電池システム２０では、ガス拡散抵抗とクリープ量との対応関係に対応付けてクリープ量に基づいたガス拡散抵抗の増大状況を把握する（ステップＳ２３０〜２５０）。そして、この取得したガス拡散抵抗の増大をフラッディングによるガス拡散抵抗の増大と明確に区別して、クリープ量に基づいたガス拡散抵抗の増大状況に応じた制御（ステップＳ３００、ステップＳ３１０〜３１８、ステップＳ３２０〜３２６、ステップＳ３３０〜３４０）を実行する。このため、本実施例の燃料電池システム２０によれば、ガス拡散抵抗の復帰を前提としたフラッディング時に行う一時的な種々の制御を、クリープ量に基づいたガス拡散抵抗の増大状況において誤って実行しないようにできる。しかも、クリープに伴い中長期的なタイムスケールでガス拡散抵抗が徐々に増大すれば、そのクリープ量に基づいたガス拡散抵抗の増大状況に応じた制御（ステップＳ３００）を行うことで、ガス拡散阻害を徐々にもたらすクリープによるガス拡散抵抗の増大への対処を図ることができる。
【００６９】
本実施例の燃料電池システム２０は、クリープによるガス拡散抵抗の増大への一対処処置として、カソードガス供給部３００からの空気の供給圧量を高める背圧制御処置を行う（図１１参照）。つまり、ガス拡散抵抗算出値（図１０：ステップＳ２６０）が所定の値（１６０ｓ／ｍ）以上になると、限界電流値が顕著に低下して発電能力の低下を来すことから（図１２）、燃料電池システム２０は、これを抑制すべく背圧制御処置を行う。この背圧制御処置では、本実施例の燃料電池システム２０は、クリープによりガス拡散抵抗値（ガス拡散抵抗算出値）が増大すると、カソードの背圧を高めてガス供給圧を高めると共に、クリープ量に基づいたガス拡散抵抗算出値の増大程度に応じて、背圧増大程度を大きくする（図１２）。このため、本実施例の燃料電池システム２０によれば、背圧制御を通したガス（空気）の供給圧増大により、触媒層であるカソード１２３とカソード側ガス拡散層１２５におけるガス拡散を高めることで、燃料電池１００の発電出力の低下を抑制できる。しかも、クリープによりガス拡散抵抗値（ガス拡散抵抗算出値）が増大しても、能力低下を抑制した上で燃料電池１００の発電を継続できることから、長寿命化、もしくは発電能力の低下を起こした燃料電池セル１２０のカソード側ガス拡散層１２５の交換と言った保守作業コストの低減を図ることができる。
【００７０】
また、本実施例の燃料電池システム２０では、カソードガス供給部３００における背圧調整バルブ３４２での背圧調整制御という簡便な手法で、クリープによりガス拡散抵抗値（ガス拡散抵抗算出値）が増大した際の発電能力の低下を容易に抑制できる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池システム２０では、クリープにより増大するガス拡散抵抗値（ガス拡散抵抗算出値）が小さければ、クリープの発生がないもしくはクリープ量が少なくその影響が小さいとして、運転条件を変更しない（ステップＳ３１２）。このため、クリープ量に基づくガス拡散抵抗の増大に応じた制御と異なる制御、例えば、一時的にガス拡散抵抗が増大して基に復帰するフラッディングに基づく制御などは、当該制御目的に応じて実行できるので、これら制御による能力低下の抑制も図ることができる。
【００７２】
また、クリープにより増大するガス拡散抵抗値（ガス拡散抵抗算出値）がクリープ飽和に対応した限界値となれば、カソード側ガス拡散層１２５の寿命が尽きたとしてその交換を報知する（ステップＳ３１８：図１３）。このため、ユーザーや保守点検者に、寿命が尽きたカソード側ガス拡散層１２５を有する燃料電池セル１２０の交換を促すことができる。なお、セル特性計測器５１０は、それぞれの燃料電池セル１２０についてセル特性を測定するので、その結果に基づいて、寿命が尽きたカソード側ガス拡散層１２５を有する燃料電池セル１２０を特定できるので、誤交換といった事態も回避できる。
【００７３】
本実施例の燃料電池システム２０は、クリープによるガス拡散抵抗の増大への一対処処置として、燃料電池１００、詳しくは燃料電池セル１２０の出力を制限する出力制限処置を行う（図１４参照）。この処置では、ガス拡散抵抗算出値（図１０：ステップＳ２６０）が出荷前測定ガス拡散抵抗値より増加していなければ、出力制限を行わない。この際の最大要求電流値は、通常、アクセル７５０（図１参照）の操作に基づいた要求電流値より大きい。よって、本実施例の燃料電池システム２０によれば、アクセル７５０の操作に基づいた要求電流値が出力できるよう燃料電池１００の燃料電池セル１２０を運転制御することができる。具体的には、アクセル７５０の操作に基づいた要求電流値が出力できるようガス供給を制御することで、アクセル７５０の操作に基づいた要求電流値でモーター６３０をモーター制御部６４０にて運転できる。
【００７４】
そして、ガス拡散抵抗算出値が出荷前測定ガス拡散抵抗値より増加していれば、限界電流値が顕著に低下して発電能力の低下を来すことから（図１５）、燃料電池システム２０は、限界電流値を超える出力での運転を回避すべく出力制限処置を行う。つまり、本実施例の燃料電池システム２０は、クリープによりガス拡散抵抗算出値が増大すると、クリープ量に基づいたガス拡散抵抗算出値の増大程度に応じて、限界電流値を小さい電流値に制限する（図１５）。このため、本実施例の燃料電池システム２０では、要求負荷（要求電流）が制限済みの最大出力（限界電流値）を上回ると、燃料電池１００、延いては燃料電池セル１２０の出力（電流値）が要求負荷（要求電流）を下回るように燃料電池１００を運転制御する。よって、本実施例の燃料電池システム２０によれば、ガス拡散抵抗がクリープ量に基づいて徐々に増大しても、最大出力（限界電流値）の上限設定を通して、その最大出力（限界電流値）の範囲での発電を継続することができる。また、このように最大出力（限界電流値）を制限することから、燃料電池セル１２０における負電圧の発生を回避して、電解質膜１２１の損傷を回避できる。
【００７５】
本実施例の燃料電池システム２０は、クリープによるガス拡散抵抗の増大への一対処処置として、起動運転時における冷媒循環による冷却を停止する冷却停止処置を行う（図１１参照）。この処置では、ガス拡散抵抗算出値（図１０：ステップＳ２６０）に対応した限界電流値が０．４Ａ／ｃｍ２を超えていれば、この限界電流値に対応した電池運転により早期に電池温度を昇温できるとして、燃料電池１００、即ちそれぞれの燃料電池セル１２０を、冷媒循環の実行下で起動する。よって、電池温度が昇温するまでの待機時間を短くできると共に、速やかな起動の確保、即ち始動性の向上とこれに続く通常運転を支障なく実行できる。
【００７６】
そして、ガス拡散抵抗算出値に対応した限界電流値が０．４Ａ／ｃｍ２以下であると、電池温度の速やかな昇温を図るべく、燃料電池１００、即ちそれぞれの燃料電池セル１２０を、冷媒循環がなされていない状況下で起動させる。このため、本実施例の燃料電池システム２０によれば、クリープによりガス拡散抵抗算出値が大きく増大しても、冷媒循環の停止下での起動運転により、電池温度が昇温するまでの待機時間を短くして、起動後の通常運転に支障を来さないようにできる。通常、冷媒循環の停止下での燃料電池運転では、燃料電池セル１２０において熱集中を招くため耐久性の悪化が懸念される。しかしながら、本実施例では、ガス拡散抵抗算出値に対応した限界電流値が０．４Ａ／ｃｍ２以下となるようガス拡散抵抗算出値が大きく増大した場合に冷媒循環の停止下での起動運転を、当該起動運転の実行頻度を少なくして、耐久性への悪化を抑制できる。
【００７７】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、クリープによるガス拡散抵抗の増大への一対処処置として、背圧制御処置と出力制限処置と冷媒停止処置とを行うようにしたが、これらを個別に行うようにすることもできる。
【００７８】
また、クリープによるガス拡散抵抗の増大への一対処処置としての冷却停止処置を、燃料電池１００の起動時の環境温度或いは電池温度が氷点下を下回る状況下の時に制限するようにすることもできる。この場合には、図１６のステップＳ３６６の前に、燃料電池１００の起動時の環境温度或いは電池温度が氷点下を下回るか否かを判定し、これが肯定判定された際に、ステップＳ３６６に移行するようにすればよい。こうすれば、冷媒循環の停止下での起動運転の実行頻度をより少なくできるので、耐久性の維持もしくは低下抑制の実効性を高めた上で、氷点下での始動性を高めることができる。
【００７９】
また、上記の実施例では、クリープによりカソード１２３のガス拡散抵抗についても、これをガス拡散抵抗算出値に加味したが（ステップＳ２６０）、カソード側ガス拡散層１２５についてのガス拡散抵抗のクリープ量に基づく算出値を、対処処置の際のガス拡散抵抗算出値とすることもできる。
【００８０】
また、ステップＳ３１０でのガス拡散抵抗算出値と所定のガス拡散抵抗値との比較によるクリープに基づく抵抗増大判定や、ステップＳ３２０とステップＳ３３０でのガス拡散抵抗算出値と出荷前測定ガス拡散抵抗値との比較によるクリープに基づく抵抗増大判定において、ガス拡散抵抗算出値の変化率（増大率）を考慮することもできる。こうすれば、一時的にガス拡散抵抗算出値が変化したり元に戻ったりした場合には、このガス拡散抵抗算出値の増大状況は、クリープにより徐々に増大したものでなはいとして、区別することができる。
【００８１】
この他、上記の実施例では、燃料電池システム２０を搭載した車両について説明したが、燃料電池システム２０を建物床面に設置して燃料電池１００を発電源とする定置式の発電システムとしても適用できる。
【００８２】
また、上記の実施例では、第１マップの取得の際、第５マップの取得の際、およびステップＳ２００における電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）の測定の際に、アノードには水素をカソードには空気または酸素を供給するようにしたが、カソードについては、これに代え、窒素などの不活性ガスを供給するようにすることもできる。このように不活性ガスを供給すれば、測定精度が高まり好ましい。そして、カソードに不活性ガスを供給して電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）を測定する場合には、カソード側にカソードガス供給部３００とは別に不活性ガス供給系と不活性ガスタンクとを設けて、電気化学的表面積（ＥＣＳＡ）の測定の際に、空気供給から不活性ガス供給に切り替えればよい。
【符号の説明】
【００８３】
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１２０…燃料電池セル
１２１…電解質膜
１２２…アノード
１２３…カソード
１２４…アノード側ガス拡散層
１２５…カソード側ガス拡散層
１２６…ガスセパレーター
１２７…ガスセパレーター
１２８…セル内燃料ガス流路
１２９…セル内酸化ガス流路
２００…アノードガス供給部
２１０…水素ガスタンク
２２０…アノードガス供給流路
２２２…開閉バルブ
２２４…レギュレータ
２２６…水素供給部
２３０…アノードガス循環流路
２３２…水素ガスポンプ
２３４…気液分離部
２３６…排気排水バルブ
２３８…排出流路
３００…カソードガス供給部
３１０…吸気口
３２０…コンプレッサ
３３０…カソードガス供給流路
３４０…カソードオフガス排出流路
３４２…背圧調整バルブ
３５０…排気口
３６０…加湿部
４００…冷却装置
４１０…冷却循環器
４２０…冷媒供給流路
４３０…冷媒排出流路
５００…セル特性計測部
５１０…セル特性計測器
５２０…電圧センサー
５３０…電流センサー
６００…電力制御部
６１０…二次電池
６２０…二次電池制御部
６３０…モーター
６４０…モーター制御部
７００…制御部
７１０…ＣＰＵ
７１０ａ…電池出力制御部
７１０ｂ…セル特性判定部
７２０…メモリ
７３０…入出力部
７４０…始動スイッチ
７５０…アクセル
【図１】
2012221609.tif 000003
【図２】
2012221609.tif 000004
【図３】
2012221609.tif 000005
【図４】
2012221609.tif 000006
【図５】
2012221609.tif 000007
【図６】
2012221609.tif 000008
【図７】
2012221609.tif 000009
【図８】
2012221609.tif 000010
【図９】
2012221609.tif 000011
【図１０】
2012221609.tif 000012
【図１１】
2012221609.tif 000013
【図１２】
2012221609.tif 000014
【図１３】
2012221609.tif 000015
【図１４】
2012221609.tif 000016
【図１５】
2012221609.tif 000017
【図１６】
2012221609.tif 000018
【図１７】
2012221609.tif 000019