JP5561111B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムと、燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池においては、そのライフタイム中に、カソード触媒が形態変化し、電圧低下を招くことがある。そこで、カソード触媒の形態変化の程度を計測し、その計測結果を燃料電池の交換の指標とする構成が提案されている（特許文献１）。その計測は、例えばサイクリックボルタンメトリ（Cyclic Voltammetry：ＣＶ）特性に基づいて行なわれる。

特開２００８−２１８０９７号公報

しかしながら、前記従来の技術では、カソード触媒の形態変化の程度を計測するに際し、計測のための状態を強制的に作り出す必要がある。このために、余分なエネルギーを消費するという問題が発生した。このような問題は、カソード触媒に限らずアノード触媒にも共通した問題であった。

本発明は、電極触媒の形態変化の計測を行いながらも、エネルギー消費の削減を図ることを目的とする。

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以下の形態または適用例として実現することが可能である。本発明の一形態は、
電解質層と前記電解質層上に形成された電極触媒とを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を計測する指標値計測部と、
前記計測された形態変化指標値の変化が所定の条件を満たしたときに、前記指標値計測部による計測を停止する計測停止部と、
前記計測の停止後、当該燃料電池システムに含まれる部品に変更があった場合に、前記指標値計測部による計測を再開する計測再開部と
を備え、
前記所定の条件は、
前記計測された形態変化指標値が一定値に収束したこと、もしくは一定値に収束する時点が予測されたことである、燃料電池システム。
その他、本発明は、以下の形態又は適用例として実現することも可能である。

［適用例１］ 電解質層と前記電解質層上に形成された電極触媒とを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を計測する指標値計測部と、
前記計測された形態変化指標値の変化が所定の条件を満たしたときに、前記指標値計測部による計測を停止する計測停止部と、
前記計測の停止後、当該燃料電池システムに含まれる部品に変更があった場合に、前記指標値計測部による計測を再開する計測再開部と
を備える燃料電池システム。

適用例１に記載の燃料電池システムによれば、形態変化指標値の変化が所定の条件を満たし形態変化指標値の計測を停止してから、燃料電池システムに含まれる部品に変更があるまでの期間、形態変化指標値の計測を停止することができる。このため、形態変化指標値の計測の期間を短縮することができ、計測に必要となるエネルギーの消費を削減することができる。

［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記所定の条件は、前記計測された形態変化指標値が一定値に収束したことを示す条件、もしくは一定値に収束する時点が予測されたことを示す条件である、燃料電池システム。

適用例１に記載の燃料電池システムによれば、計測された形態変化指標値が一定値に収束したとき、もしくは一定値に収束する時点が予測されたときに、形態変化指標値の計測の停止を行うことができる。形態変化指標値が一定値に収束したときはもとより、一定値に収束する時点が予測されたときは、形態変化指標値が一定値に収束することが既に判っていることから、形態変化指標値の計測の必要性がなく、計測を停止しても支障はない。したがって、早くから指標値計測部による計測を停止することができることから、計測に必要となるエネルギーの消費をより削減することができる。

［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記計測再開部による前記計測の再開後、所定の期間、前記指標値計測部により計測された前記形態変化指標値が前記一定値に近い値であるか否かを判定する再開後判定部と、前記再開後判定部により、前記形態変化指標値が前記一定値に近い値であると判定されたときに、前記指標値計測部による計測を停止する計測再停止部とを備える燃料電池システム。

適用例１に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池システムに含まれる部品を変更することで、形態変化指標値が低下したときの対応が図られ、計測再開部による計測が再開されることになるが、変更する部品の種類によっては、形態変化指標値に変化がないこともあり得る。これに対して適用例３に記載の燃料電池システムによれば、再開後判定部により、前記形態変化指標値が前記一定値に近い値であるか否かを判定することで、形態変化指標値が部品変更前の値と変わらない場合を判断することができる。形態変化指標値が部品変更前の値と変わらない場合、計測は停止され、無駄な計測によるエネルギーロスがなくなる。

［適用例４］ 適用例３に記載の燃料電池システムであって、前記再開後判定部により、前記形態変化指標値が前記一定値に近い値でないと判定されたときに、前記指標値計測部による計測を継続し、前記計測停止部による前記所定の条件を満たすかの判定を行う計測継続部を備える燃料電池システム。

適用例４に記載の燃料電池システムによれば、前記形態変化指標値が前記一定値に近い値でないと判定されたときに、前記指標値計測部による計測を継続し、前記計測停止部による前記所定の条件を満たすかの判定を行う。このため、燃料電池システムに含まれる部品の変更後も、形態変化指標値の計測が継続され、さらに、形態変化指標値の変化が所定の条件を満たしたときには計測停止部により計測が停止されることから、計測に必要となるエネルギーの消費を、よりいっそう削減することができる。

［適用例５］ 適用例１ないし４に記載の燃料電池システムであって、前記指標値計測部は、前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を一定にした状態で、前記燃料電池の出力電圧を変化させることに伴って検出される前記燃料電池の出力電流のサイクリックボルタンメトリ特性に基づいて前記形態変化指標値を計測する構成である、燃料電池システム。

適用例５に記載の燃料電池によれば、電極触媒の形態変化の程度を高精度に計測することができる。

［適用例６］ 電解質層と前記電解質層上に形成された電極触媒とを有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を計測し、
前記計測された形態変化指標値の変化が所定の条件を満たしたときに、前記形態変化指標値の計測を停止し、
前記計測の停止後、当該燃料電池システムに含まれる部品に変更があった場合に、前記形態変化指標値の計測を再開する、燃料電池システムの制御方法。

適用例６に記載の燃料電池システムの制御方法によれば、適用例１に記載の燃料電池システムと同様に、形態変化指標値の計測に必要となるエネルギーの消費を削減することができる。

さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを搭載する車両などの形態で実現することが可能である。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１の構成を示す説明図である。 サイクリックボルタンメトリによる酸化電流と電圧との関係及び還元電流と電圧との関係を示す電流−電位曲線図（ボルタモグラム）である。 指標値計測ルーチンを示すフローチャートである。 形態変化監視ルーチンを示すフローチャートである。 電荷量Ｑが時間の経過によってどのように変化するかを示すグラフである。 第２実施例における計測の停止時点を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１の構成を示す説明図である。この実施例は、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例である。図１に示すように、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６などを備えている。

燃料電池２は、例えば、固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、カソード極とアノード極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有している。そして、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。なお、燃料電池２としては、固体分子電解質型の他、燐酸型や溶融炭酸塩型など種々のタイプのものを採用することができる。

燃料電池２には、発電中の電流（出力電流）を検出する電流センサ（電流検出手段）２ａおよび電圧（出力電圧）を検出する電圧センサ（電圧検出手段）２ｂと、燃料電池２の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２ｃが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１などを有している。

エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。モータＭ１には、モータＭ１の回転数を検知する回転数検知センサ３ａが取り付けられている。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス流路３４を介して排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供したあとの酸素オフガスの他、カソード極側で生成されるポンピング水素などが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧はエア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流および後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガスおよび酸素オフガスは希釈器３５で混合希釈されてシステム外に排気される。

燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２などを有している。

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段であり、例えば、高圧水素タンクや水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２およびＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６がそれぞれ配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。

電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４などを備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換手段）５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する電圧変換手段として構成されている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり、補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。なお、バッテリ５２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを採用することもできる。

トラクションインバータ５３および補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２またはバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３および補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータ（車両駆動用モータ）であり、負荷動力源の一実施形態である。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２などを総称したものである。

制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成されており、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、アクセルペダル回動を検出するアクセルペダルセンサ９、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検知センサ３ａ、５ｂなどから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。この際、制御装置６は、トラクションモータＭ３の運転モード（Ｐ：パーキングモード、Ｒ：リバースモード、Ｎ：ニュートラルモード、Ｄ：ドライブモード、Ｂ：回生ブレーキモード）を選択するためのシフトレバー等からなる操作部８から送出される信号に基づいて、トラクションモータＭ３からの出力要求の有無を判定する。

そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように、燃料電池２の出力電圧および出力電流を制御する。また制御装置６は、トラクションインバータ５３および補機インバータ５４の出力パルスなどを制御して、トラクションモータＭ３および補機モータＭ４を制御する。

ここで、燃料電池２の触媒層に酸素が吸着されると、燃料電池２の出力電圧が低下する。このため、制御装置６は、燃料電池２への酸素の供給を一旦停止し、且つ燃料電池２の発電電圧を触媒層の還元領域まで下げて、触媒層を活性化する還元処理あるいはリフレッシュ処理を行うこととしている。

さらに、燃料電池２の各電極触媒の形態が変化し、触媒の活性が経時的に低下すると、燃料電池２から所定の電力が得られなくなるため、制御装置６は、リフレッシュ処理を行う過程で、燃料電池２の電極触媒の形態変化の程度を計測することとしている。この計測が本発明に関わるものであり、制御装置６は指標値計測部６ａとしての機能を実現する。なお、この指標値計測部６ａで計測した指標値に関わる制御を行う計測停止部６ｂ、受信判定部６ｃ、および計測再開部６ｄとしての機能を、制御装置６はさらに実現する。各部６ａ〜６ｄの詳細については後述する。

燃料電池２の電極触媒が活性化されている状態にあるときに、燃料電池２の出力電圧を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流変換手段）５１により低電圧→高電圧→低電圧と一巡させるサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うと、図２に示すようなボルタモグラムが得られる。このボルタモグラムには、スイープする電圧に応じて生じる反応の差によって幾つかの特徴的な部分が現れる。この特徴的な部分を利用することで、電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を計測する。

すなわち、低電圧から電圧を上げていくと燃料電池２に酸化電流が流れ、図２のボルタモグラムでは、特性Ｉ１や特性Ｉ２のような変化を示すようになる。酸化電流が流れる場合とは、燃料電池２の電極触媒が酸化領域にあることをいう。例えば、所定の電圧範囲（電圧スイープの範囲）では、図２の特性Ｉ１（酸化電流Ｉ１）で示すように、電極触媒にＰｔを用いたときには、Ｈ+の脱離の反応として、Ｐｔ・Ｈ→Ｈ⁺＋ｅ⁻が生じ、更に電圧スイープの範囲を高くすると、特性Ｉ２（酸化電流Ｉ２）で示すように、水の電気分解による反応として、Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏ→Ｐｔ・ＯＨ＋２Ｈ＋２ｅ⁻が生じる。

この状態から電圧を下げていくと、燃料電池２に還元電流が流れ、図２のボルタモグラムでは、特性Ｉ３や特性Ｉ４のような変化を示すようになる。還元電流が流れる場合とは、燃料電池２の電極触媒が還元領域にあることをいう。例えば、燃料電池２の出力電流が還元電流を示す条件下で、電圧を所定の範囲に亘って変化させると、特性Ｉ３（還元電流Ｉ３）で示すように、水の脱離の反応として、Ｐｔ・ＯＨ＋２Ｈ⁺＋２ｅ⁻→Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏが生じ、さらに電圧を下げると、特性Ｉ４（還元電流Ｉ４）で示すように、水素イオンがＰｔに吸着される反応として、Ｐｔ＋Ｈ⁺＋ｅ⁻→Ｐｔ・Ｈが生じる。

サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行い、ボルタモグラムを得て、例えば、酸化電流Ｉ１を積分すると、単位面積当たりの時間と電流値とから水素の脱離に伴う電荷量Ｑ[Ｃ]を求めることができる。一方、還元電流Ｉ３を積分すると、単位面積当たりの時間と電流値とから水の脱離に伴う電荷量Ｑ[Ｃ]を求めることができる。これらの電荷量Ｑは、電極触媒の有効面積に対応し、電極触媒の有効面積は、電極触媒の形態変化の程度が大きくなるに従って小さくなるので、前記電荷量Ｑを形態変化指標値とすることができる。

すなわち、電極触媒が活性化されている条件下で燃料電池２の印加電圧を一定範囲で繰り返し走査しながら電流を計測するサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うことで、電極触媒の有効面積を高精度に検出することができ、結果として、電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を高精度に測定することができる。

この場合、制御装置６は、燃料電池２の電極触媒に対する活性化処理が施されていることを条件に、電圧センサ２ｂの検出電圧を監視しながら、燃料電池２の出力電圧の変化に伴って電流センサ２ａにより検出された電流を基に電極触媒の有効面積を算出し、この有効面積を形態変化指標値として計測する指標値計測部として機能することになる。

電極触媒の形態変化指標値の計測は、燃料電池２を間欠運転しているときに行う。燃料電池の間欠運転とは、燃料電池搭載車の走行が安定しており、バッテリからの電力供給のみで走行が可能であるような場合に、システムの要請から燃料電池からの電力供給を一時的に抑制するような運転モードをいう。間欠運転中は、燃料電池２への酸化ガスや燃料ガスの供給を停止したり変化させたりできる。電極触媒を活性化させるリフレッシュ処理は、この間欠運転時を利用するもので、一時的に酸化ガスの供給を停止し、燃料電池２を還元領域で運転させて電極触媒を活性化させる処理である。

ここで、リフレッシュ処理のため酸化ガスの供給を停止させると、燃料電池の出力電圧が低下していく。燃料電池２は、図２のボルタモグラムの特性Ｉ３や特性Ｉ４の領域を通過させて運転することになる。この時の出力電流を検出すれば、ボルタンメトリ特性を測定していることになる。よって、特性Ｉ３や特性Ｉ４に相当する特性上の特徴部分を監視することで、電極触媒、より正確には、前述したように酸化ガスの供給を停止することでカソード極の触媒（以下、「カソード触媒」と呼ぶ）の形態変化指標値を計測することができるのである。

図３は、カソード触媒の形態変化指標値の計測を行う指標値計測ルーチンを示すフローチャートである。この指標値計測ルーチンは、システムの要請から間欠運転が必要であると判断されたときに実行開始される。処理が開始されると、制御装置６は、まず、指標値計測禁止フラグＦが値１であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。指標値計測禁止フラグＦは、指標値計測を禁止する旨を記憶するフラグである。ステップＳ１１０で、指標値計測禁止フラグＦが値１であると判定されたときには、「リターン」に抜けて、この指標値計測ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１１０で、指標値計測禁止フラグＦが値１でない、すなわち値０であると判定されたときには、ステップＳ１２０以降の処理を実行する。

ステップＳ１２０では、出力要求がないときと同様に、リフレッシュ処理（還元処理）を伴うリフレッシュ運転として、間欠運転を開始する。例えば、制御装置６は、エアコンプレッサ３１のモータＭ１に対する駆動を停止し、エアコンプレッサ３１から加湿モジュール３３を介して燃料電池２に供給される酸化ガス（空気）の供給を停止し、且つ電圧センサ２ｂの出力電圧を監視しながら、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の変換出力を制御し、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を、燃料電池２のカソード触媒を活性化するための電圧まで低下させる。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の二次側は燃料電池２の出力端子と並列接続されているので、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に対して、その二次側の電圧を低下させるための電力変換処理を行うと、燃料電池２は、その発電電圧がコンバータ５１の二次側電圧よりも高い場合でも、コンバータ５１の二次側電圧に強制的に規制され、Ｉ−Ｖ特性にしたがって電流値が上昇する。すなわち、コンバータ５１の二次側電圧よって燃料電池２の発電電圧の上限値が規定されるので、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の変換出力を制御することで、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を、燃料電池２のカソード触媒を活性化するための電圧まで低下させることができる。

次に、制御装置６は、燃料電池２のカソード触媒に対する活性化処理が施されているときに、ｄＶ／ｄｔ＝一定の条件で、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を一定の範囲に亘って走査する（電圧スイープ）ための制御を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に対して実行する（ステップＳ１３０）。例えば、制御装置６は、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定として、図２の特性Ｉ３（還元電流Ｉ３）が得られるように、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に対する変換出力を順次制御する。燃料電池２の出力電圧（総電圧）が一定の範囲に亘って変化すると、燃料電池２の出力電圧の変化に伴って出力電流が変化する。このとき電流センサ２ａによって検出される電流は、還元電流Ｉ３である。

続いて、制御装置６は、この還元電流Ｉ３を積分し、その単位面積当たりの時間と電流値とから、水の脱離に伴う電荷量Ｑを算出する（ステップＳ１４０）。この算出された電荷量Ｑは、カソード触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値として役割をし、ＲＡＭに記憶される。ステップＳ１４０の実行後、「リターン」に抜けて、この指標値計測ルーチンを一旦終了する。この指標値計測ルーチンを制御装置６が実行することにより実現される機能が、指標値計測部６ａ（図１）に相当する。

前記指標値計測ルーチンで計測された形態変化指標値を用いて電極触媒の形態変化を監視する形態変化監視ルーチンについて、次に説明する。図４は形態変化監視ルーチンのフローチャートである。この形態変化監視ルーチンは、制御装置６により実行されるもので、車両のイグニッションスイッチを最初に動作させた以後、イグニッションスイッチを切っても、所定時間ごとの割込にて継続して実行される。処理が開始されると、制御装置６は、まず、初期設定として、指標値計測禁止フラグＦを値０にセットする（ステップ２１０）。

次いで、制御装置６は、指標値計測ルーチンのステップＳ１４０でＲＡＭに記憶した電荷量Ｑを取り出し（ステップＳ２２０）、電荷量Ｑが一定値に収束したか否かを判定する（ステップＳ２３０）。ここで、電荷量Ｑが一定値に収束していないと判定されたときには、ステップＳ２２０に処理を戻し、ステップＳ２２０およびＳ２３０を繰り返し実行する。ステップＳ２３０では、ステップＳ２２０により取り出した、最新から遡る過去複数回分の電荷量Ｑの変化が所定値以内である場合に、電荷量Ｑが一定値に収束したと判定する。

図５は、電荷量Ｑが時間の経過によってどのように変化するかを示すグラフである。図５（ａ）がライフタイム全体のグラフであり、図５（ｂ）が図５（ａ）の一部分を拡大したグラフである。横軸は車両のイグニッションスイッチを最初に動作させたときからの時間（経過時間）を示し、縦軸は電荷量Ｑ[Ｃ]を示す。図５（ａ）に示すように、電荷量Ｑは時間の経過と共に徐々に低下し、次第に低下率が小さくなって、一定値Ｑ０に収束する。ステップＳ２３０では、この一定値Ｑ０に収束するタイミングであるか否かを判定する。

図３に戻り、制御装置６は、ステップＳ２３０で、電荷量Ｑが一定値に収束したと判定されたときに、ステップＳ２４０に処理を進める。ステップＳ２４０では、制御装置６は、指標値計測禁止フラグＦを値１にセットする。すなわち、ステップＳ２３０で、電荷量Ｑが一定値に収束したと判定されたときに、指標値計測ルーチンによる計測を停止すべく指標値計測禁止フラグＦに値１がセットされることになる。図５（ａ）においては、時刻ｔ１が、この計測停止の時点である。

電荷量Ｑが一定値に収束したときは、カソード触媒の形態変化の程度が大きいと判断できることから、続くステップＳ２５０では、カソード触媒の形態変化の程度が大きい旨のメッセージ、あるいは部品交換を促す旨のメッセージ等をメータやインパネあるいはマルチインフォメーションデバイス（ＭＩＤ）内の表示器５５に表示する処理を行う。この結果、燃料電池２あるいはその周辺部品等の交換時期にあることを、ユーザや作業員に知らせることができる。

知らせを受けた作業員は、カソード触媒の形態変化の程度が大きくなったことへの対策として、燃料電池システムに含まれる部品を変更する作業を行う。ここで言う「変更」とは、交換、修理を含む。詳しくは、作業員は、燃料電池２を交換したり、あるいは、制御装置６で実行される制御プログラムを変更したり等、適切の作業を行う。制御プログラム等のソフトウェアの変更も、ここでは、部品の変更の一種であるとする。作業終了後、作業員は、変更が完了したことを示す信号（以下、「変更済信号」と呼ぶ）を、専用機器（図示せず）を用いて制御装置６に送信する。すなわち、燃料電池システム１には、制御装置６に接続される外部端子１１が設けられており、作業者は、外部端子１１に専用機器を接続して専用機器を操作することで、変更済み信号を制御装置６に送信する。

前記制御プログラムの変更とは、次の通りのものである。通常、燃料電池システム１では、電極触媒の形態変化の進行を抑えるべく、高電位回避制御を行なっている。上記メッセージを受けたときは、電極触媒の形態変化の程度は既に大きくなっていることから、この高電位回避制御は不要となる。前記制御プログラムの変更は、この高電位回避制御を行わないロジックのプログラムに変更するものである。この制御プログラムの変更がなされると、電極触媒の形態変化の程度を反映する電荷量Ｑは、まだ十分に低下した状態ではなくなる。換言すれば、電極触媒の形態変化の程度が大きすぎる状態ではなくなる。

なお、変更済み信号の制御装置６への送信は、本実施例では、専用機器を用いた上述した構成としたが、これに換えて、燃料電池システム１に変更済信号送信用のボタンを予め設けて、このボタンを作業者が操作することにより、変更済信号を制御装置６へ送信する構成としてもよい。要は、作業者により操作されて変更済信号を制御装置６に送信する構成であれば、いずれの構成とすることもできる。さらに、作業者は、変更済信号を送信することを必ずしも意図している必要はなく、例えば、前述した燃料電池システムに含まれる部品を変更する作業の完了を受けて、燃料電池システム１が自動的に変更済信号を制御装置６に送信する構成としてもよい。

ステップＳ２５０に続くステップＳ２６０では、制御装置６は、前記作業者からの変更済信号の受信の有無を判定する。ステップＳ２６０で、変更済信号の受信がないと判定されたときには、ステップＳ２６０を繰り返し実行することにより、変更済信号が作業者から送られてくるのを待つ。

一方、ステップＳ２６０で、変更済信号の受信が有りと判定されたときには、指標値計測禁止フラグＦを値０にセットする（ステップＳ２７０）。すなわち、変更済信号の受信が有りと判定されたときに、指標値計測ルーチンによる計測を再開すべく指標値計測禁止フラグＦに値０がセットされることになる。図５（ａ）においては、時刻ｔ２が、この計測再開の時点である。この結果、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測が停止される。

ステップＳ２７０の実行後、制御装置６は、内蔵するタイマーを起動する（ステップＳ２８０）。次いで、制御装置６は、指標値計測ルーチンのステップＳ１４０でＲＡＭに記憶した電荷量Ｑを取り出し（ステップＳ２９０）、電荷量Ｑの前述した一定値Ｑ０に対する差の絶対値｜Ｑ０−Ｑ｜が所定値Qａ以下であるか否かの判定を行う（ステップＳ２９２）。所定値Qａは微小な値であり、ステップＳ２９２は、電荷量Ｑが前記一定値Ｑ０からほとんど変化がないか否か、すなわち、電荷量Ｑが前記一定値Ｑ０に近い値であるか否かの判定を行うものである。

ステップＳ２９２で絶対値｜Ｑ０−Ｑ｜が、所定値Qａ以下であると判定されたときには、制御装置６は、ステップＳ２８０で起動したタイマー時間が所定時間Ｔ０以上となったか否かを判定する（ステップＳ２９４）。ここで、タイマー時間が所定時間Ｔ０未満であると判定されたときには、ステップＳ２９０に処理を戻す。一方、ステップＳ２９４で、タイマー時間が所定時間Ｔ０以上となると、ステップＳ２４０に処理を戻す。すなわち、ステップＳ２９０ないしＳ２９４の処理によれば、電荷量Ｑの一定値Ｑ０に対する差の絶対値｜Ｑ０−Ｑ｜が所定値Qａ以下の状態が所定時間Ｔ０の間、継続したときに、処理をステップＳ２４０に戻す。処理がステップＳ２４０に戻されると、制御装置６は、指標値計測を停止し、再度、作業者にメッセージを表示し、前記変更済信号の受信を待つことになる。

なお、ステップＳ２９２で、絶対値｜Ｑ０−Ｑ｜が所定値Qａを上回ると判定されたとき、すなわち、指標値計測を再開してから所定時間Ｔ０を経過するまでの間に、絶対値｜Ｑ０−Ｑ｜が所定値Qａを上回ると判定されたときには、処理をステップＳ２２０に戻し、ステップＳ２７０で再開された指標値計測を継続する。

図５（ｂ）は、計測を再開した時刻Ｔ２以後のものである。図中の実線に示すように、電荷量Ｑは、大きい低下率でもって低下し、時刻ｔ３において、先に計測停止したときに収束した前記一定値Ｑ０に対して所定値Qａ以上の差となる。このとき、指標値計測を継続することが決定される。一方、図中の１点鎖線に示すように、電荷量Ｑが前記一定値Ｑ０からほとんど変化がない状態が所定時間Ｔ０の間、継続したとき、この所定時間Ｔ０後の時刻ｔ４において、指標値計測が再停止されることになる。

以上のように構成された形態変化監視ルーチンにおいて、テップＳ２２０ないしＳ２４０の処理が計測停止部６ｂ（図１）に対応し、ステップＳ２６０の処理が受信判定部６ｃ（図１）に対応し、ステップＳ２７０の処理が計測再開部６ｄ（図１）に対応する。

以上のように構成された実施例の燃料電池システム１によれば、前述したように、電荷量Ｑが低下し一定値Ｑ０となるときから、変更済信号の受信があるまでの期間（時刻ｔ１〜ｔ２）、電荷量Ｑの計測が停止される。前記期間は、電荷量Ｑが一定値に既に収束していることから、電荷量Ｑの計測の必要性がなく、計測を停止しても支障はない。このため、燃料電池システム１によれば、形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測の期間を短縮することができ、計測に必要となるエネルギーの消費を削減することができる。

通常、カソード触媒の形態変化の程度が大きくなったとき、作業者により、燃料電池システムに含まれる部品を変更することが行なわれるが、変更部品が触媒の形態変化とは無関係である場合には、電荷量Ｑに変化はない。燃料電池素ステム１によれば、部品変更を行った後、電荷量Ｑが部品変更前の値（＝一定値Ｑ０）からほとんど変化がない状態が所定時間Ｔ０の間、継続したとき（時刻ｔ４）には、電荷量Ｑの計測が再停止される。したがって、無駄な計測によるエネルギーロスがなくなる。

一方、部品変更後、所定時間Ｔ０の間に、電荷量Ｑが部品変更前の値からある程度変化した場合には、電荷量Ｑの計測が継続され、再度、電荷量Ｑが一定値（前述したＱ０よりも一段低い値）に収束するのを待つ。電荷量Ｑがその一定値に収束してから変更済信号の受信があるまでの期間は、前記時刻ｔ１〜ｔ２と同様に、電荷量Ｑの計測が停止される。したがって、形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測の期間を短縮することができ、計測に必要となるエネルギーの消費を、よりいっそう削減することができる。

なお、形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測は、電圧を下げる操作が必要であることから、過酸化水素が発生しやすい環境になり、電解質膜などにダメージを与える可能性がある。これに対して、この実施例の燃料電池システム１によれば、電荷量Ｑの計測の期間を短縮することができることから、機能損失を招くことを防止することができるという効果も奏する。

Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１と比較して、制御装置６で実行される形態変化監視ルーチンの内容が相違するだけであり、その他の構成は同一である。第１実施例の形態変化監視ルーチン（図４）では、ステップＳ２３０で、電荷量Ｑが一定値に収束したか否かを判定していたが、これに換えて、この第２実施例では、電荷量Ｑが一定値に収束する時点を収束する前から予測し、予測可能となったか否かを判定する構成とした。上記予測は、例えば、電荷量Ｑの低下速度の変化から、その低下速度が値０となる時点を予測するものとする。

図６は、第２実施例における計測の停止時点を示すグラフである。電荷量Ｑの低下速度は、電荷量Ｑの変化を示す曲線に接する接線Ｋの傾きに相当する。この傾きの変化から傾きが０となる時点を予測する。図示においては、時刻ｔ１ｘにおいて、傾きが０となる時点（すなわち電荷量Ｑが一定値となる時点）が予測されたとし、この予測された時点で計測が停止される。なお、第２実施例では、第１実施例と比較して上述したようにステップＳ２３０の構成が相違するだけであることから、電荷量Ｑが一定値となる時点が予測された時点（以下、「予測時点」と呼ぶ）でもって、計測の停止と共に、メッセージの表示（ステップＳ２５０）も行なわれる。

以上のように構成された第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１と同様に形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測の期間を短縮することができ、計測に必要となるエネルギーの消費を削減することができる。

なお、前記第２実施例の燃料電池システムでは、予測時点でもって前記メッセージの表示を行っていたが、これに換えて、予測された電荷量Ｑが一定値となる時点まで待って、前記メッセージの表示を行う構成とすることもできる。第２実施例では、電荷量Ｑが一定値となる時点より前から、電荷量Ｑが一定値となることを報知することになるが、この変形例では、計測は前記予測時点で停止し、作業者への報知は、予測された電荷量Ｑが一定値となる時点になされることになる。

また、第２実施例において、電荷量Ｑが一定値となる時点を予測する手法は、前述した電荷量Ｑの低下速度の変化から求めるものに限る必要はなく、どのような手法によるものとしてもよい。

Ｃ：変形例：
なお、この発明は前記の第１および第２実施例やその変形例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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
前記第１および第２実施例では、電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値として触媒吸着物の電荷を採用していたが、これに換えて、低負荷域のセル電圧を形態変化指標値として採用する構成としてもよい。燃料電池にかかる負荷が小さい場合に、燃料電池のセル電圧は、カソード触媒の有効面積に対応する。このため、低負荷域のセル電圧を形態変化指標値とすることができる。したがって、変形例でも第１実施例と同一の効果を奏することができる。

・変形例２：
前記第１および第２実施例では、前記実施形態においては、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うに際して、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を低下させ、総電圧を一定の範囲に亘って可変に制御し、総電圧の変化に伴う電流を検出する方法について述べたが、電圧センサ２ｂの代わりに、燃料電池２を構成するセル群に対応して、各セルの電圧をそれぞれ検出する電圧セルモニタを設け、各セルの電圧を監視しながら、各セルの電圧の変化に伴う燃料電池の出力電流を上記電流センサ２ａ等で検出する構成を採用することもできる。

また、酸化ガスの供給を一旦停止して出力電圧を制御すると、セル間のバラツキが生じ電圧を十分に低下させることができないセルが出てくる。そこで、例えば、ガス分配管から最遠部であるセル等、電圧が低下し易いセルを予め特定し、そのセルにて計測を行う構成とすることもできる。

・変形例３：
前記第１および第２実施例では、カソード触媒の形態変化の計測を行っていたが、これに換えて、アノード触媒の形態変化の計測を行うようにしてもよいし、カソード触媒、アノード触媒の双方の形態変化の計測を行う構成としてもよい。

・変形例４：
前記第１実施例では、指標値計測ルーチンで計測された形態変化指標値としての電荷量Ｑが一定値に収束したときに、電荷量Ｑの計測を停止し、前記第２実施例では、前記電荷量Ｑが一定値に収束する時点が予測されたときに、電荷量Ｑの計測を停止する構成としたが、これらに換えて、電荷量Ｑの計測の停止を、他の条件を満たしたときとすることもできる。例えば、指標値計測ルーチンで計測された形態変化指標値としての電荷量Ｑが一定値に収束する時点が予測されたときから所定時間経過後に、電荷量Ｑの計測を停止する構成としてもよい。要は、前記電荷量Ｑが一定値に収束するときと関わりのある時点を定める所定の条件であればどのような条件とすることもできる。さらに、計測を停止する要求となり得るものであれば、どのような条件とすることもできる。

・変形例５：
前記第１実施例では、指標値計測ルーチンで計測された形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測を停止した直後に、作業員にメッセージを表示して部品の変更を行う構成としていたが、これに換えて、電荷Ｑの計測を停止後であれば、いずれのタイミングで部品の変更を行うものであってもよい。例えば、電荷量Ｑの計測を停止した後において定期点検の際に部品の変更を行う構成としてもよく、この部品の変更を受けて、指標値計測ルーチンによる計測を再開する。
この構成によっても、第１実施例と同様に、形態変化指標値としての電荷量Ｑの計測の期間を短縮することができ、計測に必要となるエネルギーの消費を削減することができる。

・変形例６：
また、前記各実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。

なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

１…燃料電池システム
２…燃料電池
２ａ…電流センサ
２ｂ…電圧センサ
３…酸化ガス配管系
３ａ…回転数検知センサ
４…燃料ガス配管系
５…電力系
５ａ…ＳＯＣセンサ
５ｂ…回転数検知センサ
６…制御装置
７Ｌ…車輪
８…操作部
９…アクセルペダルセンサ
１１…外部端子
３１…エアコンプレッサ
３２…酸化ガス供給路
３３…加湿モジュール
３４…カソードオフガス流路
３５…希釈器
４１…燃料ガス供給源
４２…燃料ガス供給路
４３…燃料ガス循環路
４４…アノードオフガス流路
４５…水素循環ポンプ
４６…逆止弁
５１…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
５２…バッテリ
５３…トラクションインバータ
５４…補機インバータ
５５…表示器
Ｆ…指標値計測禁止フラグ
Ａ１…エア調圧弁
Ｈ１…タンクバルブ
Ｈ２…水素供給バルブ
Ｈ３…ＦＣ入口バルブ
Ｈ４…ＦＣ出口バルブ
Ｈ５…パージバルブ
Ｍ１…モータ
Ｍ２…モータ
Ｍ３…トラクションモータ
Ｍ４…補機モータ
Ｉ１…酸化電流
Ｉ２…酸化電流
Ｉ３…還元電流
Ｉ４…還元電流
Ｑ…電荷量

Claims (5)

1. 電解質層と前記電解質層上に形成された電極触媒とを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を計測する指標値計測部と、
   前記計測された形態変化指標値の変化が所定の条件を満たしたときに、前記指標値計測部による計測を停止する計測停止部と、
   前記計測の停止後、当該燃料電池システムに含まれる部品に変更があった場合に、前記指標値計測部による計測を再開する計測再開部と
   を備え、
   前記所定の条件は、
   前記計測された形態変化指標値が一定値に収束したこと、もしくは一定値に収束する時点が予測されたことである、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記計測再開部による前記計測の再開後、所定の期間、前記指標値計測部により計測された前記形態変化指標値が前記一定値に近い値であるか否かを判定する再開後判定部と、
   前記再開後判定部により、前記形態変化指標値が前記一定値に近い値であると判定されたときに、前記指標値計測部による計測を停止する計測再停止部と
   を備える燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記再開後判定部により、前記形態変化指標値が前記一定値に近い値でないと判定されたときに、前記指標値計測部による計測を継続し、前記計測停止部による前記所定の条件を満たすかの判定を行う計測継続部
   を備える燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記指標値計測部は、
   前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を一定にした状態で、前記燃料電池の出力電圧を変化させることに伴って検出される前記燃料電池の出力電流のサイクリックボルタンメトリ特性に基づいて前記形態変化指標値を計測する構成である、燃料電池システム。
5. 電解質層と前記電解質層上に形成された電極触媒とを有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記電極触媒の形態変化の程度を反映する形態変化指標値を計測する工程と、
   前記計測された形態変化指標値の変化が所定の条件を満たしたときに、前記形態変化指標値の計測を停止する工程と、
   前記計測の停止後、当該燃料電池システムに含まれる部品に変更があった場合に、前記形態変化指標値の計測を再開する工程と
   を備え、
   前記所定の条件は、
   前記計測された形態変化指標値が一定値に収束したこと、もしくは一定値に収束する時点が予測されたことである、燃料電池システムの制御方法。

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