JP2006147404A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 回復可能な燃料電池の電流電圧特性低下では、使用者に点検、交換を促すことなく、回復不能な燃料電池の電流電圧特性低下量が所定値に達したときに、使用者に点検、交換を促すことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムのコントローラは、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池本体の電流電圧特性を推定して、燃料電池本体の劣化判定を行う。予め記憶した電流電圧特性の初期値Ｖ1 から、現在の電圧値Ｖ3 までの電流電圧特性低下量を第１の低下量とする。運転を停止して回復可能な電流電圧特性の低下量を第２の低下量とする。第１の低下量から第２の低下量を減じた第３の低下量は、回復不能な低下量である。第３の低下量が所定値に達したときに、使用者に燃料電池本体の点検、交換を促す。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特にその劣化の判定を正確に行うことができる燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

燃料電池は、劣化すると電流電圧特性曲線の電圧が低下する現象として現れることが知られている。燃料電池の劣化による出力低下や効率低下が許容できなくなると、燃料電池の寿命として、燃料電池本体の交換を行うことになる。

次に、固体高分子型燃料電池の任意電流における電圧値の経時変化を図１０を参照して説明する。燃料電池のカソード側の触媒（例えば白金Pt）は、電位の高い状態で酸素と接しているため、
Ｐt ＋ Ｏ → ＰtＯ …（１）
式（１）の反応により、連続運転していると白金表面に酸化被膜が生成し、有効的な触媒が減少してしまい、発電開始からの時間が経過するに従い、電圧値が低下することが知られている。

また、このような燃料電池において、電流電圧特性回復のための回復動作を実施した場合の任意電流における電圧値の経時変化を図１１を参照して説明する。回復動作を実施した場合、電圧が回復動作前の値より高くなることが一般的に知られており、連続運転をした場合に比べて、電圧の低下量が小さくなる。

燃料電池の電流電圧特性を回復するための回復動作としては、２つの方法がある。

第１の方法は、燃料電池の通常運転中に、積極的にカソードに一時的な酸化剤（酸素）不足状態を作り出し、カソード電位を低下させて、アノードからカソードへクロスオーバーしてくる水素によって、式（２）の反応により、カソードの白金触媒の酸化被膜を還元させる方法である。

ＰtＯ ＋ Ｈ₂ → Ｐt ＋ Ｈ₂Ｏ …（２）
第２の方法は、燃料電池システム停止中に、カソード側の酸素がアノード側からクロスオーバーしてきた水素によって消費され、カソード電位が低下し、クロスオーバーしてきた水素によって上記式（２）の反応により、自然に還元される方法である。

また、上記回復動作によっても回復しない性能としては、触媒の白金（Pt）を担持しているカーボンが式（３）の反応で、不可逆的に消費されてしまうもの（カーボン腐食と呼ばれる）等様々なものが知られている。

Ｃ ＋ ２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ２Ｈ₂ …（３）
燃料電池の劣化判定方法の従来技術としては、燃料電池の出力電流を変化させて電流と電圧の関係を測定し、測定した電流及び電圧の関係から電流電圧特性の近似式を導出し、この近似式から求めた所定電圧に対応する電流が所定電流に対してどの程度余裕があるかにより、燃料電池の劣化を診断する方法がある（特許文献１）。

また、直列に接続された複数スタックを備えた燃料電池システムにおいて、それぞれのスタックの電圧分担比を変えることにより、各スタックの性能低下度合いを揃えて、スタックの寿命（交換時期）を一致させる技術が知られている（特許文献２）。

また、燃料電池システムの連続運転中に、出力電圧が低下したとき、燃料供給を続けながら一時的な酸化剤供給不足状態を起こして、電圧を回復させる回復方法が開示されている（特許文献３、特許文献４）。

また、改質型燃料電池システムの運転中に出力電圧が低下したとき、酸化剤供給を続けながら一時的な燃料供給不足状態を起こして、燃料極触媒に吸着したＣＯを除去し電圧回復させる回復方法が開示されている（特許文献５）。

さらに、運転時間に対応して計測した電池性能の経時低下量と予め記憶した健全な性能低下量とから、ガス拡散不良による性能低下量を推定し、燃料または酸化剤の量を調整して性能の安定化を図る技術が開示されている（特許文献６）。
特開２０００−３５７５２６号公報（第５頁、図２） 特許第２６０３０４３号公報（第４頁、図１） 特公平８−２４０５０号公報（第２頁、図２） 特開２００２−１４１０９０号公報（第３頁、図１） 特開平１１−２１９７１５号公報（第４頁、図４） 特開平８−９６８２５号公報（第６頁、図２）

しかしながら上記従来技術にあっては、燃料電池の回復可能な性能（電圧）低下であっても、図１２に示すように、燃料電池の電圧が下限電圧値に達したときに、燃料電池の交換や点検が必要と判定し、不要な保守コストが発生するという問題点があった。

また、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両などでは、複数の燃料電池スタックを搭載することが困難であり、このため燃料電池スタック毎に電圧分担比を変更して燃料電池の運転を継続しながら一部のスタックの回復動作を行うことができなかった。

また、燃料電池車両などでは、起動停止を実施する時期が不規則のため、連続運転時間の変動が大きい、燃料電池に対する要求電力が不規則のため、性能回復動作をしているときは電力を取り出すことが困難となり、著しく運転性が低下する、等の理由により、定期的な回復動作を実施することは実質的に不可能であった。

さらに、運転時間に対応した性能低下量と健全な性能低下量を用いているものの、回復可能な低下量とを結び付けての発明ではなかった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の電流電圧特性の現状値を推定する電流電圧特性推定手段と、前記燃料電池本体の使用開始時の電流電圧特性の初期値を記憶する初期値記憶手段と、を備え、前記初期値記憶手段に記憶した初期値と前記電流電圧特性推定手段が推定した前記燃料電池本体の電流電圧特性現状値との差である第１の電流電圧特性低下量から、燃料電池システムの今回の起動後の経過時間に基づいて推定した第２の電流電圧特性低下量を減じた、第３の電流電圧特性低下量を算出することを要旨とする。

本発明によれば、現在運転中の燃料電池の電流電圧特性と性能低下していない状態の電流電圧特性初期値とから算出される第１の電流電圧特性低下量から、起動からの経過時間から推定される回復可能な第２の電流電圧特性低下量を減じる構成になっているので、回復不可能な電流電圧特性低下量である第３の電流電圧特性低下量を正確に推定することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下に説明する各実施形態は、燃料電池車両の電源等、発電出力の変動及び連続運転時間の変動が大きい用途の燃料電池システムに好適である。

まず、図１を参照して、本発明が適用される燃料電池システム全体の構成について説明する。

＜燃料電池本体＞
燃料電池本体１は、例えば、固体高分子型電解質をアノード１ｂとカソード１ａとで挟持した固体高分子型燃料電池である。アノード１ｂには、燃料ガスとしての水素、カソード１ａには、酸化剤ガスとしての空気のが供給され、燃料電池本体１は、これら水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

＜空気系＞
空気コンプレッサ１１によって圧縮された空気は、空気供給経路１２を介して空気系加湿装置１３に送られ、加湿された後、燃料電池本体１のカソード１ａに送られる。燃料電池本体１内の電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気経路１４を通り、空気調圧弁１５で圧力が調整され、システム外へ排気される。カソード１ａに供給される空気の圧力は、カソード１ａの入口に設けられた空気圧力計１６により検出され、この圧力が所望の圧力となるように、空気圧調整弁１５が制御される。空気系加湿装置１３は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。

＜水素系＞
高圧水素タンク２１によって供給された水素は、水素供給経路２２を通り、水素調圧弁２３で所望の圧力に調圧され、水素循環装置２４により循環している排水素と合流した後、水素系加湿装置２５で加湿されて、燃料電池本体１のアノード１ｂに送られる。アノード１ｂに供給される水素の圧力は、アノード１ｂの入口に設けられた水素圧力計２９で検出され、この圧力が所望の圧力となるように、水素調圧弁２３が制御される。燃料電池本体１内の電気化学反応で水素が消費された後、余分に供給された水素は、水素循環経路２６を通り、水素循環装置２４により再び発電に利用される。

また、水素系には、運転中にカソード１ａからアノード１ｂにクロスオーバーしてくる窒素や高圧水素タンク２１中に含まれる不純物が蓄積してくるため、これらをシステム外部へ排出するための水素排出経路２７と水素排出弁２８を有している。

＜冷却水系＞
燃料電池本体１の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池本体１を適温に保つために、冷却水系が設けられている。冷却水ポンプ３１によって圧送された冷却水は、燃料電池本体１を通り、熱を吸収した後、冷却水循環経路３２を通り、熱交換器３３でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ３１で燃料電池本体１へ圧送される。また冷却水温度計３４で冷却水温度をモニタしながら、燃料電池本体の発電に適正な温度に温度調整される。

＜負荷系＞
燃料電池本体１の発電電力を消費する負荷装置４０は、例えば燃料電池車両においては、車両駆動モータに電力を供給するインバータ装置である。燃料電池本体１の発電電圧は、電圧計４１で検出され、燃料電池本体１から負荷装置４０へ供給される電流は、電流計４２により検出され、それぞれの検出値は、コントローラ４３へ入力されている。また、負荷装置４０は、コントローラ４３からの負荷電流制限信号により、燃料電池本体１から取り出す電流を制限、或いは燃料電池本体１への要求電流を制限するようになっている。

＜制御系＞
コントローラ４３は、燃料電池本体１を含む燃料電池システム全体を制御する。また、コントローラ４３は、空気圧力計１６，水素圧力計２９，冷却水温度計３４，電圧計４１及び電流計４２の検出信号に基づいて、燃料電池本体１の電流電圧特性を推定し、推定した電流電圧特性に基づいて、燃料電池本体１の劣化を判定し、この劣化判定結果に応じて警告灯４４を点灯するとともに、負荷装置４０へ負荷電流制限信号を出力する。

コントローラ４３は、特に限定されないが、本実施例では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、燃料電池本体の電流電圧特性の初期値記憶用のフィールドプログラマブルＲＯＭ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ）と、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

次に、図２の制御ブロック図を参照して、本実施例におけるコントローラ４３による燃料電池本体１の電圧電流特性推定について説明する。

コントローラ４３は、燃料電池本体１の電流電圧特性の初期値を記憶する初期値記憶手段１０１と、燃料電池本体１の電流電圧特性の現状値を推定する電流電圧特性推定手段１０２と、燃料電池本体１の劣化を判定して、使用者に燃料電池本体１の点検または交換を促す警告灯４４を点灯させる劣化判定手段１０３と、燃料電池本体１の劣化に応じて負荷装置４０が取り出す負荷電流を制限させる負荷電流制限信号を出力する負荷電流制限手段１０４とを備えている。

初期値記憶手段１０１は、燃料電池本体１が劣化していない電流電圧特性の初期値を記憶する記憶手段である。この初期値は、燃料電池システムがユーザの使用に供される前に、燃料電池本体１の固体毎に、或いはロット毎に燃料電池本体１の電流電圧特性を測定してコントローラ４３の内部不揮発記憶装置に記憶させたものである。

電流電圧特性推定手段１０２は、電圧計４１及び電流計４２の検出結果に基づいて、燃料電池本体１の電流電圧特性の現状値を推定する。この推定は、今回の燃料電池システムの起動後、例えば、一定時間毎に実施されるものとする。

劣化判定手段１０３は、初期値記憶手段１０１に記憶した電流電圧特性の初期値と、電流電圧特性推定手段１０２が推定した燃料電池本体１の電流電圧特性の現状値とに基づいて、燃料電池本体１の劣化を判定し、判定結果が劣化の場合、警告灯４４を点灯して、使用者に燃料電池本体１の点検または交換を促すものである。

負荷電流制限手段１０４は、初期値記憶手段に記憶した初期値、及び電流電圧特性推定手段が推定した電流電圧特性に基づいて判定した燃料電池本体１の劣化に応じて、負荷装置４０が取り出す負荷電流を制限させる負荷電流制限信号を出力する。

次に、図３を参照して、本実施例における燃料電池本体１の電流電圧特性の低下量の算出方法について詳細に説明する。

図３は、任意の出力電流における燃料電池電圧の発電経過時間に伴う変化を図示したものである。

状態Ａ：燃料電池の使用開始時のまだ劣化していない状態を状態Ａとする。この状態Ａにおける、任意の電流値に対応する燃料電池の電圧の初期値（性能低下していない状態）をＶ1 とする。

状態Ｂ：燃料電池の使用を開始した後、何回か燃料電池システムの起動、停止を繰り返して、ｎ回目の起動直後の任意電流（初期時の起動時電流値に相当するｎ回目の起動時での電流レベル＝２値が同等の電流レベル）における燃料電池電圧をＶ2nとする。何回かの起動停止や運転を繰り返すと、先ほどのカーボン腐食など様々な原因により、ｎ回目の起動直後の、前記と同様の任意電流における燃料電池電圧は、初期値のＶ1 からＶ2nまで低下している。

状態Ｃ：状態Ｂから、燃料電池の発電を継続していると、発電時間の経過とともに、燃料電池電圧は低下してくる。Ｎ回目の起動からの経過時間をＴn とすると、このときの燃料電池電圧値をＶ3nとする。よって、燃料電池の電流電圧特性が性能低下していない状態Ａから状態Ｃまでの電流電圧特性の低下量である第１の電流電圧特性低下量は、
第１の電流電圧特性低下量 ＝ Ｖ1 − Ｖ3n …（４）
となる。

状態Ｄ：状態Ｃから燃料電池システムの発電を停止した場合、カソード側白金（Ｐｔ）触媒の酸化等の回復可能な劣化から燃料電池の電流電圧特性は回復することになる。この状態をＤとする。カソード側の触媒が高電位状態で酸素に暴露されている時間（ｎ回目の起動からの運転継続時間）が長いほど、触媒表面の酸化が進むものと考えられる。このため、運転継続時間が長いほど、回復可能な電圧低下量は大きくなる。この運転停止後に燃料電池の電流電圧特性が回復した後の燃料電池の任意電流における発電電圧をＶ4nとすると、起動からの発電経過時間Ｔｎから、その回復可能な電圧低下量を推定することができ、これを第２の電流電圧特性低下量とすると、
第２の電流電圧特性低下量 ＝ Ｖ4n − Ｖ3n …（５）
となる。起動からの発電経過時間と回復可能な電圧低下量との関係は、あらかじめ実験的に求めておくことができる。

以上の状態ＡからＤより、性能低下していない状態Ａから状態Ｃまでの電圧低下量（第１の電流電圧特性低下量）と回復可能な電圧低下量（第２の電流電圧特性低下量）との差分を取ることで、回復不可能な電圧低下量（第３の電流電圧特性低下量）を推定することができる。

第３の電流電圧特性低下量 ＝（Ｖ1 −Ｖ3n）−（Ｖ4n−Ｖ3n）＝Ｖ1n−Ｖ4n …（６）
また、状態Ｂから状態Ｃまでの間で、回復不可能な電圧低下量は、
（Ｖ2n−Ｖ3n）−（Ｖ4n−Ｖ3n）＝Ｖ2n−Ｖ4n …（７）
であるが、ｎ回目の起動とその発電中における燃料電池の回復不可能な性能低下によるもので、これらの積み重ねが、性能が低下していない初期状態からの回復不可能な性能低下（第３の電流電圧特性低下量）となっている。

しかし、起動とその発電中における燃料電池の回復不可能な性能低下は、様々な要因（起動停止に起因するカーボン腐食や燃料電池車両が吸入し、燃料電池へ供給している空気の組成変化など）によって引き起こされ、特定することが困難であるため、起動からの発電経過時間Ｔｎから回復可能な低下量を推定する方法が良い。

次に、本実施例における劣化判定について、図４、図５を参照して説明する。

上記の第１、第２、第３の電流電圧特性低下量の推定に基づいて、第３の電流電圧特性低下量による回復不可能な電圧低下（図４のＬ１で示す）が、所定の下限電圧に達した時点（Ｐ２）で、劣化判定手段１０３は、燃料電池本体の回復不能な劣化が限界に達したと判断して、燃料電池本体の点検や交換が必要である旨を使用者（或いは運転者）に伝えるために警告灯４４を点灯する。これにより、回復不可能な電流電圧特性低下が限界に達したときにのみ、点検や交換を促すことができ、不要な点検保守コストを削減することができるという効果がある。

従来技術では、運転中のその時点での電圧値（図４のＰ１、図３のＶ3n）によって、点検や交換が必要である旨を使用者に伝えていたが、本実施例によれば、回復可能な性能低下分（図６の斜線領域）に関しては、点検や交換が必要である旨を使用者を伝えることがなくなり、より長く燃料電池本体を使用することができる。

また、回復可能な性能低下（Ｌ２）が下限電圧を下回った時点（図５の斜線領域）では、燃料電池から取り出す負荷電流を制限するため、コントローラ４３から負荷電流制限信号を負荷装置４０へ出力する。

これによって、燃料電池の更なる急激な劣化を避けることができる。また同時に使用者に燃料電池からの取り出し電流を制限している旨を伝えてもよい。特に燃料電池車両では、低速警告灯の点灯等により、負荷電流制限のために駆動力が低下していることを運転者に警告するのが望ましい。

次に、図４、図６を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例２の特徴は、燃料電池システムを起動してからの経過時間を燃料電池の電圧区間毎に区別し、この区別された経過時間に、燃料電池本体の電圧に応じた補正係数を乗じて、起動からの経過時間を補正し、この補正後の経過時間を使用して、第３の電流電圧特性を推定する点である。

燃料電池の回復可能な性能低下は、カソード側触媒の酸素に暴露されている電位と時間に関係し、時間が長ければ長いほど、電位が高ければ高いほど、白金（Ｐｔ）触媒の酸化が進行し、電流電圧特性が低下する。

ここで燃料電池本体１の発電電圧を、Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ２〜Ｖ３、Ｖ３〜Ｖ４，…，Ｖm〜Ｖm+1と複数の区間に分割する。そして、各電圧区間毎の図４中の起動からの発電経過時間Ｔｎを、発電電圧がＶ１〜Ｖ２である発電経過時間をＴV１、Ｖ２〜Ｖ３である発電経過時間をＴV２、Ｖ３〜Ｖ４である発電経過時間をＴV３，…，Ｖm〜Ｖm+1である発電経過時間をＴVmと分割すると、起動からの発電経過時間Ｔｎは、
Ｔｎ ＝ ＴV１ ＋ ＴV２ ＋ ＴV３ ＋ ，…，＋ＴVm …（８）
となる。

燃料電池本体の発電電圧に応じて、単位時間当たりの回復可能な性能低下の進行度合いは変わるため、ある基準電圧における劣化進行度合いに対するそれぞれの電圧区間における性能低下速度の倍率を補正係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３，…，Ｋｍ（図６）として定義することができる。そして各電圧区間毎の経過時間に、それぞれの補正係数を乗じることにより、発電電圧が変動する発電経過時間Ｔｎは、前記基準電圧における経過時間に換算することができる。

このように、補正係数を乗じて補正した後の発電経過時間Ｔｎ’は、下記の式となる。 Ｔｎ’＝ Ｋ１・ＴV１ ＋Ｋ２・ＴV２ ＋Ｋ３・ＴV３ ＋ …＋ Ｋｍ・ＴVm …（９）
そして、このＴｎ’を使用して、実施例１と同様に、第３の電流電圧特性低下量を推定する。

起動からの発電経過時間と燃料電池電圧と回復可能な電圧低下量との関係は、あらかじめ実験的に求めておくことができ、それより補正係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３，…，Ｋｍを求めることができる。また、発電電圧を分割する区間の数ｍは、大きいほど劣化推定の精度が向上するが、ｍを大きくすると計算量及び発電電圧区間毎の経過時間計測の制御量が増加するので、精度と計算・制御量のトレードオフを考慮してｍを選択するべきである。

本実施例によれば、発電経過時間を、そのときの発電電圧で重み付けすることで、燃料電池車両など負荷が時々刻々変化し、それにつれて発電電圧が変化する場合でも、発電電圧と発電経過時間に応じた回復可能な性能低下を正確に推定することができるという効果がある。

さらには、燃料電池自体の回復可能・不可能に関わらず性能低下によって変化する電圧に応じて、回復可能な性能低下を推定することができる。

次に、図３、図７を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例３の特徴は、燃料電池の運転停止時間を計測し、前回の停止から今回の起動までの運転停止時間に基づいて、運転停止中に回復する燃料電池本体の電流電圧特性回復量を推定し、第２の電流電圧特性低下量に、前回の運転時間中における第２の電流電圧特性低下量と前回の停止から今回の起動までの運転停止時間から推定された前記電流電圧特性回復量との差分である電流電圧特性回復残存量を加えることである。

ｎ回目の運転停止（状態Ｅ）からｎ＋１回目の起動までの停止時間が、燃料電池電池性能の回復、即ち、カソード側白金触媒の還元に十分な時間Ｔａである場合、電圧はＶ４ｎまで回復する（状態Ｇ）。

しかし、停止直後の再起動などによって、燃料電池の停止継続時間Ｔｂが電極触媒の回復に十分な時間でない場合（Ｔｂ＜Ｔａ）、燃料電池電圧はＶ５ｎまでしか回復しない（状態Ｇ）。この状態Ｇのとき、カソード側には、依然酸化された白金（Ｐｔ）が残っており、電池性能が回復するポテンシャルを持っている。

そこで、
“ｎ回目の運転中の回復可能な性能低下量（第２の電流電圧特性低下量）：Ｖ4n−Ｖ3n”と
“ｎ回目の停止からｎ＋１回目の起動までの停止時間から推定する電池性能回復量：Ｖ5n− Ｖ3n”
との差分から
“ｎ回目の停止で性能回復し切れなかった電流電圧特性回復残存量：Ｖ4n − Ｖ5n”
を求める。

そして、
“ｎ＋１回目の運転中の回復可能な性能低下量（第２の電流電圧特性低下量）： Ｖ4(n+1)−Ｖ3(n+1)
に、
“ｎ回目の停止で性能回復し切れなかった電流電圧特性回復残存量：Ｖ4n − Ｖ5n”
を加えることで、ｎ＋１回目の運転中の回復可能な性能低下量をより正確に推定することができる。

また、停止から起動までの停止時間と電流電圧特性の回復量との関係は、あらかじめ実験的に求めておくことができる。

本実施例によれば、前回運転中における第２の電流電圧特性低下量（回復可能低下量）と前回の停止から今回の起動までの時間によって変化する電流電圧特性の回復量との差分から、電流電圧特性回復可能残存量を推定し、この電流電圧特性回復可能残存量を今回の運転中の第２の電流電圧特性低下量（回復可能低下量）に加えるので、より正確に今回の運転中の第２の電流電圧特性低下量（回復可能低下量）を推定することができる。

次に、図１、図２、図３、図８を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。また、コントローラ４３の制御ブロックは、図２に示した実施例１と同様である。実施例４の特徴は、初期値記憶手段は１０１に燃料電池本体１の運転温度に応じた電流電圧特性初期値を複数記憶しておき、電流電圧特性推定手段１０２が電流電圧特性を推定した運転温度に対応した電流電圧特性初期値を選択して使用することである。

図８に示すように、燃料電池の負荷電流と電圧の関係（電流電圧特性）は、燃料電池の運転温度に依存する。そこで、図１の冷却水温度計３４で検出された冷却水温度を燃料電池本体の運転温度とする。そして、図３中の性能低下していない状態の初期電圧値Ｖ１を運転温度毎にあらかじめ実験的に取得し、初期値記憶手段１０１に記憶しておく。

また、図３中の運転中の電圧値Ｖ３ｎを計測した時点での、燃料電池本体の運転温度に対応した初期電圧値Ｖ１との差分を取り、第１の電流電圧特性低下量を算出することで、運転温度が変化しても正確に、回復不可能な第３の電流電圧特性低下量を推定することができるという効果がある。

次に、図１、図２、図３、図９を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。実施例５が適用される燃料電池システムの全体構成は、図１に示した実施例１と同様である。また、コントローラ４３の制御ブロックは、図２に示した実施例１と同様である。実施例５の特徴は、初期値記憶手段は１０１に燃料電池本体１の運転圧力に応じた電流電圧特性初期値を複数記憶しておき、電流電圧特性推定手段１０２が電流電圧特性を推定した運転圧力に対応した電流電圧特性初期値を選択して使用することである。

図９に示すように、燃料電池の負荷電流と電圧の関係（電流電圧特性）は、燃料電池の運転圧力に依存する。そこで、図１における空気圧力計１６で検出された空気圧力または水素圧力計２９で検出された水素圧力を燃料電池本体の運転圧力とする。そして、図３中の性能低下していない状態の初期電圧値Ｖ１を運転圧力毎にあらかじめ実験的に取得し、初期値記憶手段１０１に記憶しておく。

また、図３中の運転中の電圧値Ｖ３ｎを計測した時点での、燃料電池本体の運転圧力に対応した初期電圧値Ｖ１との差分を取り、第１の低下量を算出することで、運転圧力が変化しても正確に、回復不可能な第３の電流電圧特性低下量を推定することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの全体構成を説明するシステム構成図である。 実施例１におけるコントローラの制御ブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１、３を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１、２を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

１ ：燃料電池本体
１ａ：カソード
１ｂ：アノード
１１：空気コンプレッサ
１２：空気供給経路
１３：空気系加湿装置
１４：空気排気経路
１５：空気調圧弁
１６：空気圧力計
２１：高圧水素タンク
２２：水素供給経路
２３：水素調圧弁
２４：水素循環装置
２５：水素系加湿装置
２６：水素循環経路
２７：水素排気経路
２８：水素排出弁
２９：水素圧力計
３１：冷却水ポンプ
３２：冷却水循環経路
３３：熱交換器
３４：冷却水温度計
４０：負荷装置
４１：電圧計
４２：電流計
４３：コントローラ
４４：警告灯

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体の電流電圧特性の現状値を推定する電流電圧特性推定手段と、
   前記燃料電池本体の使用開始時の電流電圧特性の初期値を記憶する初期値記憶手段と、を備え、
   前記初期値記憶手段に記憶した初期値と前記電流電圧特性推定手段が推定した前記燃料電池本体の電流電圧特性現状値との差である第１の電流電圧特性低下量から、燃料電池システムの今回の起動後の経過時間に基づいて推定した第２の電流電圧特性低下量を減じた、第３の電流電圧特性低下量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
2. 第３の電流電圧特性低下量が所定値以上になった場合に、燃料電池が劣化したと判定して、燃料電池本体の点検または燃料電池本体の交換を促す劣化判定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 第１の電流電圧特性低下量が所定値以上になった場合に、燃料電池本体から取り出す負荷電流を制限する負荷電流制限手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムの起動後の経過時間に対して、燃料電池本体の電圧に応じた補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池の運転停止時間に基づいて運転停止中に回復する燃料電池本体の電流電圧特性回復量を推定し、
   第２の電流電圧特性低下量に、前回の運転時間中における第２の電流電圧特性低下量と前回の停止から今回の起動までの運転停止時間から推定された前記電流電圧特性回復量との差分である電流電圧特性回復残存量を加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池の運転温度を検出する運転温度検出手段を備え、
   前記初期値記憶手段は、前記燃料電池本体の運転温度に応じた前記電流電圧特性初期値を複数記憶し、
   前記電流電圧特性推定手段が電流電圧特性を推定した運転温度に対応した前記電流電圧特性初期値を選択して使用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池の運転圧力を検出する運転圧力検出手段を備え、
   前記初期値記憶手段は、前記燃料電池本体の運転圧力に応じた前記電流電圧特性初期値を複数記憶し、
   前記電流電圧特性推定手段が電流電圧特性を推定した運転圧力に対応した前記電流電圧特性初期値を選択して使用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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