JP2011070893A - 燃料電池システム及び電流電圧特性推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のＩＶ特性を精度良く推定することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池と、燃料電池の初回起動時の電流電圧を計測する手段と、計測した電流電圧に基づいて燃料電池のＩＶ特性マップを作成する手段と、計測した電流の範囲を複数の電流領域に分割し各電流領域における電圧平均値を算出する手段と、最小電流領域の電圧平均値を含む最小代表点と最大電流領域の電圧平均値を含む最大代表点とを結ぶ電流電圧直線を生成する手段と、電流電圧直線に対する各電流領域の電圧平均値のばらつきが所定範囲内か否かを判定する手段と、ばらつきが所定範囲内である場合に最小電流領域から最大電流領域までの電流領域を安定領域として設定する手段と、設定した安定領域内において計測した燃料電池の電流電圧に基づいて燃料電池のＩＶ特性を推定する手段と、を備える燃料電池システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び電流電圧特性推定方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池のカソード極側には酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池のアノード極側には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら空気と水素ガスとの電気化学反応により、電力が生成される。

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電効率を向上させる目的で、燃料電池の電流電圧特性（以下、「ＩＶ特性」ということがある）を考慮して燃料電池出力を決定する制御がなされている。但し、ＩＶ特性は、燃料電池の運転状態や運転環境によって大きく変動するものである。このため、近年においては、燃料電池の運転状態等に基づいてＩＶ特性を推定する技術（特許文献１及び２参照）や、燃料電池に供給される空気の流量・圧力を考慮して基本ＩＶ特性マップを設定し、電流や電圧の実測値に基づいて基本ＩＶ特性マップを補正する技術（特許文献３参照）が提案されている。

特開２００７−１８８６６５号公報 特開２００８−３１１０８０号公報 特開２００７−２０７４４２号公報

しかし、特許文献１及び２に記載された技術においては、濃度分極や活性化分極を考慮してＩＶ特性の推定を行っているものの、ＩＶ特性の推定精度には依然として改善の余地があった。また、特許文献３に記載された技術は、実測値を用いて基本ＩＶ特性マップを補正して実測値とのズレを是正するものであるが、小電流領域や大電流領域を含む全ての電流領域において補正を行うと、ＩＶ特性を精度良く補正することができない場合があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の電流電圧特性を精度良く推定することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る第一の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測手段と、この電流電圧計測手段で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成手段と、電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出手段と、複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成手段と、各電流領域の中間電流値において、前記各電流領域の電圧平均値と、直線生成手段で生成した電流電圧直線上の電圧値と、の差分が第一の閾値以下であるか否かを判定する差分判定手段と、この差分判定手段で差分が第一の閾値以下であると判定した場合に、最小電流領域の中間電流値から最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定手段と、この安定領域設定手段で設定した安定領域内において計測した燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定手段と、を備えるものである。

また、本発明に係る第一の電流電圧特性推定方法は、燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測工程と、電流電圧計測工程で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成工程と、電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出工程と、複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成工程と、各電流領域の中間電流値において、各電流領域の電圧平均値と、直線生成工程で生成した電流電圧直線上の電圧値と、の差分が第一の閾値以下であるか否かを判定する差分判定工程と、この差分判定工程で差分が第一の閾値以下であると判定した場合に、最小電流領域の中間電流値から最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定工程と、この安定領域設定工程で設定した安定領域内において計測した燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定工程と、を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、計測した出力電流の範囲を分割した複数の電流領域における出力電圧の平均値（電圧平均値）を算出し、最小電流領域における電圧平均値を含む最小代表点と最大電流領域における電圧平均値を含む最大代表点とを結ぶ電流電圧直線を生成する。そして、この電流電圧直線に対する各電流領域の電圧平均値のばらつきが比較的少ない場合に安定領域を確定させ、この安定領域内におけるデータを用いて燃料電池の電流電圧特性を推定することができる。従って、ばらつきの多い安定領域外における電流電圧特性データを採用することなく、精度良く、電流電圧特性の推定を行うことができる。

前記燃料電池システム（前記電流電圧特性推定方法）において、差分判定手段（差分判定工程）で差分が第一の閾値以下であると判定した場合に、各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が第二の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定手段（積算値判定工程）を採用することができる。かかる場合には、積算値判定手段（積算値判定工程）で積算値が第二の閾値以下であると判定した場合に、最小電流領域の中間電流値から最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定手段（安定領域設定工程）を採用することができる。

かかる構成及び方法を採用すると、電流電圧直線に対する各電流領域の電圧平均値のばらつきが比較的少ない場合に、各電流領域の電圧平均値に対する電圧計測値のばらつきの度合いを判定し、電圧計測値のばらつきが比較的少ない場合に安定領域を確定させることができる。すなわち、二重のばらつき判定を経て安定領域を確定させることができるので、より精度良く電流電圧特性の推定を行うことができる。

前記燃料電池システムにおいて、差分判定手段で差分が第一の閾値を超えるものと判定した場合、又は、積算値判定手段で積算値が第二の閾値を超えるものと判定した場合に、直前の最小電流領域に隣接する電流領域を新たな最小電流領域とする一方、直前の最大電流領域に隣接する電流領域を新たな最大電流領域として特定し、新たな最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる新たな最小代表点と、新たな最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる新たな最大代表点と、を結ぶ新たな電流電圧直線を生成する直線生成手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、二重のばらつき判定、すなわち、（１）電流電圧直線に対する各電流領域の電圧平均値のばらつき判定、及び、（２）各電流領域の電圧平均値に対する電圧計測値のばらつき判定、の何れか一方において所定の条件が満たされなかった場合に、最小電流領域及び最大電流領域を更新して、新たな電流電圧直線を生成することができる。このように所定の条件が満たされるまで電流電圧直線を更新することができるので、安定領域を徐々に最適なものに近付けることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、出力電流の変化方向が増加側である場合の第一の電流電圧特性分布図と、出力電流の変化方向が減少側である場合の第二の電流電圧特性分布図と、を作成する分布図作成手段を採用することができる。かかる場合には、第一の電流電圧特性分布図に対応する第一の電圧平均値と、第二の電流電圧特性分布図に対応する第二の電圧平均値と、を算出する電圧平均値算出手段と、第一の電圧平均値に対応する第一の電流電圧直線と、第二の電圧平均値に対応する第二の電流電圧直線と、を生成する直線生成手段と、第一の電圧平均値及び第一の電流電圧直線に対応する第一の差分判定と、第二の電圧平均値及び第二の電流電圧直線に対応する第二の差分判定と、を行う差分判定手段と、第一の差分判定に基づく第一の安定領域と、第二の差分判定に基づく第二の安定領域と、を設定する安定領域設定手段と、を採用することができる。

かかる構成を採用すると、出力電流の変化方向が増加側である場合の電流電圧特性分布図と、出力電流の変化方向が減少側である場合の電流電圧特性分布図と、の各々に基づいて、別々に安定領域を設定することができる。従って、電流増加時と電流減少時におけるヒステリシスの相違に対応することができるので、電流電圧特性の推定精度をさらに向上させることができる。

また、本発明に係る第二の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測手段と、電流電圧計測手段で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成手段と、電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出手段と、複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成手段と、各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が所定の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定手段と、積算値判定手段で積算値が前記閾値以下であると判定した場合に、最小電流領域の中間電流値から最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定手段と、安定領域設定手段で設定した安定領域内において計測した燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定手段と、を備えるものである。

また、本発明に係る第二の電流電圧特性推定方法は、燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測工程と、電流電圧計測工程で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成工程と、電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出工程と、複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成工程と、各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が所定の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定手段と、積算値判定工程で積算値が前記閾値以下であると判定した場合に、最小電流領域の中間電流値から最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定工程と、安定領域設定工程で設定した安定領域内において計測した燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定工程と、を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、計測した出力電流の範囲を分割した複数の電流領域における出力電圧の平均値（電圧平均値）を算出し、最小電流領域における電圧平均値を含む最小代表点と最大電流領域における電圧平均値を含む最大代表点とを結ぶ電流電圧直線を生成する。そして、各電流領域の電圧平均値に対する電圧計測値のばらつきの度合いを判定し、電圧計測値のばらつきが比較的少ない場合に安定領域を確定させ、この安定領域内におけるデータを用いて燃料電池の電流電圧特性を推定することができる。従って、ばらつきの多い安定領域外における電流電圧特性データを採用することなく、精度良く、電流電圧特性の推定を行うことができる。

本発明によれば、燃料電池の電流電圧特性を精度良く推定することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムの初回起動時に計測した出力電流及び出力電圧のＩＶ特性マップである。 図２のＩＶ特性マップの最小電流領域における電圧平均値を含む最小代表点と最大電流領域における電圧平均値を含む最大代表点とを結ぶ電流電圧直線を示す図である。 （Ａ）は電圧平均値と電圧計測値との差が比較的大きい電流領域における計測値分布状況を示す図であり、（Ｂ）は電圧平均値と電圧計測値との差が比較的小さい電流領域における計測値分布状況を示す図である。 安定領域探索のために図３の電流電圧直線を更新していく過程を示す図である。 図１の燃料電池システムの電流電圧特性推定方法を説明するためのフローチャートである。 電流の変化方向と電流電圧特性との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、移動体としての燃料電池自動車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）に搭載された発電システムである。

まず、図１〜図５を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型等種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡ等を備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の実運転動作点における出力電流及び出力電圧は、各々、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガス等の燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気等の酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁等から構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間等を調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータ等から構成され、このモータの回転数等を調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ等により構成されている。バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ１１０に並列接続されており、バッテリ６０とインバータ１１０の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３０が設けられている。

インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０又はバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ１１５へ供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧又は降圧して燃料電池４０側に出力する機能と、燃料電池４０等から入力されたＤＣ電圧を昇圧又は降圧してバッテリ６０側に出力する機能と、を備えている。かかるＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０としては、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路によって構成されたフルブリッジ・コンバータを採用することができる。

バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機等の補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時等に使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプ等）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプ等）をいう。

制御装置８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、ＦＣ電圧を検出する電圧センサ１４０、ＦＣ電流を検出する電流センサ１５０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ等から入力される各センサ信号に基づき、燃料電池システム１００の各部を統合的に制御する。

また、制御装置８０は、初回起動時において、運転動作点（出力電流、出力電圧）のばらつきが少ない「安定領域」の探索を行う。このような「安定領域」を確定させることにより、燃料電池４０のＩＶ特性を高精度に推定することが可能となる。以下、制御装置８０による安定領域探索機能について詳述する。

まず、制御装置８０は、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を用いて、燃料電池４０の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測し、計測した出力電流及び出力電圧に基づいて、ＩＶ特性マップ（電流電圧特性分布図）を作成する。本実施形態においては、図２に示すように、「０〜６００Ａ」の範囲で出力電流を計測してＩＶ特性マップを作成することとしている。ここで、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０は、本発明における電流電圧計測手段として機能する。また、制御装置８０は、本発明における分布図作成手段として機能する。

また、制御装置８０は、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を用いて計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、各電流領域における出力電圧の平均値（電圧平均値）を算出する。すなわち、制御装置８０は、本発明における電圧平均値算出手段としても機能する。また、制御装置８０は、各電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる代表点を設定する。

本実施形態における制御装置８０は、図２に示すように、０〜６００Ａの範囲を「５０Ａ」毎に分割し、計１２の電流領域（Ａ₂₅、Ａ₇₅、……、Ａ₅₇₅）を形成している。制御装置８０は、例えば、１５０〜２００Ａの電流領域Ａ₁₇₅（中間電流値１７５Ａ）において、この電流領域に含まれる電圧計測値（Ｖ₁₇₅１、Ｖ₁₇₅２、……、Ｖ₁₇₅ｎ）を全て加算し、この加算値を計測数（ｎ）で除することにより電圧平均値Ｖ₁₇₅Aveを算出する。そして、図３に示すように、この電流領域Ａ₁₇₅における中間電流値１７５Ａ及び電圧平均値Ｖ₁₇₅Aveからなる代表点Ｐ₁₇₅をＩＶ特性マップ上にプロットする。他の電流領域においても同様に代表点（Ｐ₂₅、Ｐ₇₅、……、Ｐ₅₇₅）を設定する。

また、制御装置８０は、複数の電流領域（Ａ₂₅、Ａ₇₅、……、Ａ₅₇₅）のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定する。そして、最小電流領域の中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、最大電流領域の中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する。すなわち、制御装置８０は、本発明における直線生成手段としても機能する。

本実施形態における制御装置８０は、図３に示すように、１２の電流領域のうち「０〜５０Ａ」の電流領域Ａ₂₅を初期の（暫定的な）最小電流領域として特定する一方、「５５０〜６００Ａ」の電流領域Ａ₅₇₅を初期の（暫定的な）最大電流領域として特定することとする。そして、制御装置８０は、最小電流領域Ａ₂₅における中間電流値２５Ａ及び電圧平均値Ｖ₂₅Aveからなる最小代表点Ｐ₂₅と、最大電流領域Ａ₅₇₅における中間電流値５７５Ａ及び電圧平均値Ｖ₅₇₅Aveからなる最大代表点Ｐ₅₇₅と、を結ぶ初期の（暫定的な）電流電圧直線Ｌ₁を生成する。

また、制御装置８０は、各電流領域の中間電流値（２５Ａ、７５Ａ、……、５７５Ａ）において、各電流領域の電圧平均値（Ｖ₂₅Ave、Ｖ₇₅Ave、……、Ｖ₅₇₅Ave）と電流電圧直線Ｌ₁上の電圧値（Ｖ₂₅L1、Ｖ₇₅L1、……、Ｖ₅₇₅L1）との差分（ΔＶ₂₅（＝Ｖ₂₅Ave−Ｖ₂₅L1）、ΔＶ₇₅（＝Ｖ₇₅Ave−Ｖ₇₅L1）、……、ΔＶ₅₇₅（＝Ｖ₅₇₅Ave−Ｖ₅₇₅L1））を算出し、これら差分の絶対値が第一の閾値Ｔ₁以下であるか否かを判定する。例えば、制御装置８０は、図３に示すように、電流領域Ａ₁₂₅の中間電流値１２５Ａにおいて、電圧平均値Ｖ₁₂₅Aveと電流電圧直線Ｌ₁上の電圧値Ｖ₁₂₅L1との差分ΔＶ₁₂₅を算出し、この差分ΔＶ₁₂₅の絶対値が第一の閾値Ｔ₁以下であるか否かを判定する。

すなわち、制御装置８０は、本発明における差分判定手段としても機能する。かかる差分判定は、電流電圧直線Ｌ₁に対する各電流領域の電圧平均値のばらつきを判定するものであり、暫定的に設定した電流電圧直線Ｌ₁（及びこれに対応する最大・最小電流領域）の妥当性を検証するためのものである。第一の閾値Ｔ₁は、燃料電池システム１００の仕様・規模や使用条件等に応じて適宜設定するものとする。

また、制御装置８０は、各電流領域の中間電流値（２５Ａ、７５Ａ、……、５７５Ａ）において、前述した差分（ΔＶ₂₅、ΔＶ₇₅、……、ΔＶ₅₇₅）の絶対値が第一の閾値Ｔ₁以下であると判定した場合に、各電流領域における電圧平均値（Ｖ₂₅Ave、Ｖ₇₅Ave、……、Ｖ₅₇₅Ave）と電圧計測値との差分（絶対値）の積算値を算出する。例えば、制御装置８０は、図４（Ａ）に示す電流領域Ａ₅₇₅において、電圧平均値Ｖ₅₇₅Aveと、この電流領域Ａ₅₇₅に含まれる全ての電圧計測値（Ｖ₅₇₅１、Ｖ₅₇₅２、……、Ｖ₅₇₅ｎ）との差分（ΔＶ₅₇₅１、ΔＶ₅₇₅２、……、ΔＶ₅₇₅ｎ）の絶対値を加算することにより、積算値ΣΔＶ₅₇₅k（k＝１、２、……、ｎ）を算出する。図４（Ｂ）に示す電流領域Ａ₂₇₅においても同様に、電圧平均値Ｖ₂₇₅Aveと全ての電圧計測値（Ｖ₂₇₅１、Ｖ₂₇₅２、……、Ｖ₂₇₅ｎ）との差分（ΔＶ₂₇₅１、ΔＶ₂₇₅２、……、ΔＶ₂₇₅ｎ）の絶対値を加算することにより、積算値ΣΔＶ₂₇₅kを算出する。他の電流領域においても同様に積算値（ΣΔＶ₂₅k、ΣΔＶ₇₅k、……）を算出する。そして、これら積算値が第二の閾値Ｔ₂以下であるか否かを判定する。

すなわち、制御装置８０は、本発明における積算値判定手段としても機能する。かかる積算値判定は、各電流領域の電圧平均値に対する電圧計測値のばらつきを判定するものであり、前述した差分判定と同様に、暫定的に設定した電流電圧直線Ｌ₁の妥当性を検証するためのものである。第二の閾値Ｔ₂は、燃料電池システム１００の仕様・規模や使用条件等に応じて適宜設定するものとする。

そして、制御装置８０は、前述した積算値（ΣΔＶ₂₅k、ΣΔＶ₇₅k、……、ΣＶ₅₇₅k）が第二の閾値Ｔ₂以下であると判定した場合に、暫定的に設定した電流電圧直線Ｌ₁に対応する最小電流領域Ａ₂₅の中間電流値（２５Ａ）から最大電流領域Ａ₅₇₅の中間電流値（５７５Ａ）までの電流領域（２５〜５７５Ａ）を安定領域として設定する。すなわち、制御装置８０は、本発明における安定領域設定手段としても機能する。

一方、制御装置８０は、何れかの電流領域において電圧平均値と電流電圧直線Ｌ₁上の電圧値との差分（絶対値）が第一の閾値Ｔ₁を超えるものと判定した場合、又は、何れかの電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分（絶対値）の積算値が第二の閾値Ｔ₂を超えるものと判定した場合に、暫定的に設定した電流電圧直線Ｌ₁（及びこれに対応する最大・最小電流領域）を更新する。

具体的には、制御装置８０は、前述した差分が第一の閾値Ｔ₁を超える場合又は前述した積算値が第二の閾値Ｔ₂を超える場合に、図５に示すように、直前の最小電流領域Ａ₂₅に隣接する電流領域Ａ₇₅を新たな最小電流領域とする一方、直前の最大電流領域Ａ₅₇₅に隣接する電流領域Ａ₅₂₅を新たな最大電流領域として特定する。そして、制御装置８０は、新たな最小電流領域Ａ₇₅における新たな最小代表点Ｐ₇₅（中間電流値７５Ａ、電圧平均値Ｖ₇₅Ave）と、新たな最大電流領域Ａ₅₂₅における新たな最大代表点Ｐ₅₂₅（中間電流値５２５Ａ、電圧平均値Ｖ₅₂₅Ave）と、を結ぶ新たな電流電圧直線Ｌ₂を生成する。その後、制御装置８０は、前述した差分判定及び積算値判定を再度実施し、双方において肯定的な判定が得られた場合に、新たな電流電圧直線Ｌ₂に対応する新たな最小電流領域Ａ₇₅の中間電流値（７５Ａ）から新たな最大電流領域Ａ₅₂₅の中間電流値（５２５Ａ）までの電流領域（７５〜５２５Ａ）を安定領域として設定する。

一方、新たな電流電圧直線Ｌ₂をもってしても前述した差分判定又は積算値判定において肯定的な判定が得られなかった場合には、制御装置８０は、同様の手順で最小電流領域Ａ₇₅及び最大電流領域Ａ₅₂₅を更新（新たな最小電流領域Ａ₁₂₅及び最大電流領域Ａ₄₇₅を特定）し、新たな最小電流領域Ａ₁₂₅における新たな最小代表点Ｐ₁₂₅と新たな最大電流領域Ａ₄₇₅における新たな最大代表点Ｐ₄₇₅とを結ぶ新たな電流電圧直線Ｌ₃を生成する。その後、制御装置８０は、前述した差分判定及び積算値判定を再度実施し、双方において肯定的な判定が得られた場合に、新たな電流電圧直線Ｌ₃に対応する新たな最小電流領域Ａ₁₂₅の中間電流値（１２５Ａ）から新たな最大電流領域Ａ₄₇₅の中間電流値（４７５Ａ）までの電流領域（１２５〜４７５Ａ）を安定領域として設定する。

制御装置８０は、前述した手順で安定領域を探索し、最終的に確定した安定領域内において、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を用いて燃料電池４０の出力電流及び出力電圧を計測し、計測した出力電流及び出力電圧に基づいてＩＶ特性の推定（ＩＶ特性マップの作成）を行う。すなわち、制御装置８０は、本発明における特性推定手段としても機能する。そして、制御装置８０は、このように安定領域を用いて推定したＩＶ特性に基づいて燃料電池４０を制御する。

次に、図６のフローチャート等を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の電流電圧特性推定方法について説明する。

まず、燃料電池システム１の制御装置８０は、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を用いて、燃料電池４０の初回起動時における出力電流及び出力電圧を所定時間計測し（電流電圧計測工程：Ｓ１）、計測した出力電流及び出力電圧に基づいて、図２に示すようなＩＶ特性マップを作成する（分布図作成工程：Ｓ２）。なお、本実施形態における電流電圧計測工程Ｓ１においては、燃料電池４０を起動した時点から所定時間経過するまで出力電流及び出力電圧を複数回ずつ計測することとしているが、所定数のサンプルが得られた時点（例えば各電流領域においてｎ個の計測値が得られた時点）で計測を終了することとしてもよい。

次いで、制御装置８０は、図２に示すように、計測した出力電流の範囲を複数の電流領域（Ａ₂₅、Ａ₇₅、……、Ａ₅₇₅）に分割し、各電流領域における電圧平均値（Ｖ₂₅Ave、Ｖ₇₅Ave、……、Ｖ₅₇₅Ave）を算出する。そして、制御装置８０は、図３に示すように、各電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる代表点（Ｐ₂₅、Ｐ₇₅、……、Ｐ₅₇₅）をＩＶ特性マップにプロットする（電圧平均値算出工程：Ｓ３）。

次いで、制御装置８０は、複数の電流領域（Ａ₂₅、Ａ₇₅、……、Ａ₅₇₅）から暫定的に最小電流領域Ａ₂₅及び最大電流領域Ａ₅₇₅を特定し、図３に示すように、最小電流領域Ａ₂₅における最小代表点Ｐ₂₅（中間電流値２５Ａ、電圧平均値Ｖ₂₅Ave）と、最大電流領域Ａ₅₇₅における最大代表点Ｐ₅₇₅（中間電流値５７５Ａ、電圧平均値Ｖ₅₇₅Ave）と、を結ぶ電流電圧直線Ｌ₁を生成する（直線生成工程：Ｓ４）。

続いて、制御装置８０は、各電流領域（Ａ₂₅、Ａ₇₅、……、Ａ₅₇₅）の中間電流値において、各電流領域の電圧平均値（Ｖ₂₅Ave、Ｖ₇₅Ave、……、Ｖ₅₇₅Ave）と電流電圧直線Ｌ₁上の電圧値（Ｖ₂₅L1、Ｖ₇₅L1、……、Ｖ₅₇₅L1）との差分（ΔＶ₂₅、ΔＶ₇₅、……、ΔＶ₅₇₅）を算出し、これら差分の絶対値が第一の閾値Ｔ₁以下であるか否かを判定する（差分判定工程：Ｓ５）。

差分判定工程Ｓ５において否定的な判定が得られた場合（何れかの電流領域における差分の絶対値が第一の閾値Ｔ₁を超える場合）、制御装置８０は、直線生成工程Ｓ４に戻って、暫定的に設定した電流電圧直線Ｌ₁を更新する。すなわち、図５に示すように、直前の最小電流領域Ａ₂₅に隣接する電流領域Ａ₇₅を新たな最小電流領域とする一方、直前の最大電流領域Ａ₅₇₅に隣接する電流領域Ａ₅₂₅を新たな最大電流領域として特定し、新たな最小電流領域Ａ₇₅における最小代表点Ｐ₇₅と新たな最大電流領域Ａ₅₂₅における最大代表点Ｐ₅₂₅とを結ぶ新たな電流電圧直線Ｌ₂を生成する。その後、制御装置８０は、差分判定工程Ｓ５を再度実施する。

一方、差分判定工程Ｓ５において肯定的な判定が得られた場合（全ての電流領域における差分の絶対値が第一の閾値Ｔ₁以下である場合）、制御装置８０は、各電流領域（Ａ₂₅、Ａ₇₅、……、Ａ₅₇₅）において、電圧平均値（Ｖ₂₅Ave、Ｖ₇₅Ave、……、Ｖ₅₇₅Ave）と全ての電圧計測値との差分（絶対値）の積算値（ΣΔＶ₂₅k、ΣΔＶ₇₅k、……、ΣＶ₅₇₅k）を算出し、これら積算値が第二の閾値Ｔ₂以下であるか否かを判定する（積算値判定工程：Ｓ６）。

積算値判定工程Ｓ６において否定的な判定が得られた場合（何れかの電流領域における積算値の絶対値が第二の閾値Ｔ₂を超える場合）、制御装置８０は、直線生成工程Ｓ４に戻って、暫定的に設定した電流電圧直線を更新し、差分判定工程Ｓ５及び積算値判定工程Ｓ６を再度実施する。一方、積算値判定工程Ｓ６において肯定的な判定が得られた場合（全ての電流領域における積算値の絶対値が第二の閾値Ｔ₂以下である場合）、制御装置８０は、そのときの電流電圧直線に対応する最小電流領域の中間電流値から最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する（安定領域設定工程：Ｓ７）。

その後、制御装置８０は、以上の工程群を経て確定（最終的に設定）した安定領域内において、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を用いて燃料電池４０の出力電流及び出力電圧を計測し、計測した出力電流及び出力電圧に基づいてＩＶ特性の推定（ＩＶ特性マップの作成）を行う（特性推定工程：Ｓ８）。そして、制御装置８０は、このように安定領域を用いて推定したＩＶ特性に基づいて燃料電池４０を制御する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、計測した出力電流の範囲を分割した複数の電流領域における電圧平均値を算出し、最小電流領域における電圧平均値を含む最小代表点と最大電流領域における電圧平均値を含む最大代表点とを結ぶ電流電圧直線を生成する。そして、この電流電圧直線に対する各電流領域の電圧平均値のばらつきが比較的少ない場合、及び、各電流領域の電圧平均値に対する電圧計測値のばらつきが比較的少ない場合に安定領域を確定させ、この安定領域内におけるデータを用いて燃料電池の電流電圧特性を推定することができる。従って、ばらつきの多い安定領域外における電流電圧特性データを採用することなく、精度良く、電流電圧特性の推定を行うことができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、二重のばらつき判定、すなわち、（１）電流電圧直線に対する各電流領域の電圧平均値のばらつき判定、及び、（２）各電流領域の電圧平均値に対する電圧計測値のばらつき判定、の何れか一方において所定の条件が満たされなかった場合に、最小電流領域及び最大電流領域を更新して、新たな電流電圧直線を生成することができる。このように所定の条件が満たされるまで電流電圧直線を更新することができるので、安定領域を徐々に最適なものに近付けることができる。

なお、以上の実施形態においては、出力電流の変化方向について言及しなかったが、出力電流の変化方向が増加側である場合と、出力電流の変化方向が減少側である場合と、に分けてＩＶ特性を推定することもできる。図７は、出力電流の変化方向とＩＶ特性の関係を例示した図であり、電流増加方向のＩＶ特性を太実線で示し、電流減少方向のＩＶ特性を細実線で示している。図７に示すように、出力電流の増加側と減少側とではヒステリシスが異なることが知られている。制御装置８０は、かかるヒステリシスの相違を考慮して、燃料電池４０の出力電流を計測する際に出力電流の変化方向を検出し、検出した変化方向に応じてＩＶ特性を推定することができる。

具体的には、制御装置８０は、計測した出力電流の変化方向が増加側である場合の第一のＩＶ特性マップと、計測した出力電流の変化方向が減少側である場合の第二のＩＶ特性マップと、を作成し、これら２種類のＩＶ特性マップ毎に、電圧平均値の算出（代表点の設定）、電流電圧直線の生成、差分判定及び積算値判定を別々に行って、電流増加方向の安定領域（第一の安定領域）と、電流減少方向の安定領域（第二の安定領域）と、を設定する。そして、制御装置８０は、電流センサ１４０及び電圧センサ１５０を用いて燃料電池４０の出力電流及び出力電圧を計測し、計測した出力電流の変化方向が増加側である場合に、第一の安定領域内でＩＶ特性の推定を行う。一方、制御装置８０は、計測した出力電流の変化方向が減少側である場合に、第二の安定領域内でＩＶ特性の推定を行う。このようにすると、電流増加時と電流減少時におけるヒステリシスの相違に対応することができるので、ＩＶ特性の推定精度をさらに向上させることができる。

また、以上の実施形態においては、安定領域を探索する際に、二種類のばらつき判定（差分判定及び積算値判定）を行い、双方で所定の条件が満たされた場合に安定領域を確定させた例を示したが、積算値判定を省略し、差分判定のみで所定の条件が満たされた場合に安定領域を確定させることもできる。また、差分判定を省略し、積算値判定のみで所定の条件が満たされた場合に安定領域を確定させてもよい。このようにすると、安定領域の探索を迅速に行うことが可能となる。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池自動車に搭載した例を示したが、燃料電池自動車以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

４０…燃料電池、８０…制御装置（分布図作成手段、電圧平均値算出手段、直線生成手段、差分判定手段、積算値判定手段、安定領域設定手段、特性推定手段）、１４０…電流センサ、１５０…電圧センサ、１００…燃料電池システム。

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測手段と、
   前記電流電圧計測手段で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成手段と、
   前記電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、前記各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出手段と、
   前記複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、前記最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、前記最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成手段と、
   前記各電流領域の中間電流値において、前記各電流領域の電圧平均値と、前記直線生成手段で生成した前記電流電圧直線上の電圧値と、の差分が第一の閾値以下であるか否かを判定する差分判定手段と、
   前記差分判定手段で前記差分が前記第一の閾値以下であると判定した場合に、前記最小電流領域の中間電流値から前記最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定手段と、
   前記安定領域設定手段で設定した前記安定領域内において計測した前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定手段と、
   を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記差分判定手段で前記差分が前記第一の閾値以下であると判定した場合に、前記各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が第二の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定手段を備え、
   前記安定領域設定手段は、前記積算値判定手段で前記積算値が前記第二の閾値以下であると判定した場合に、前記最小電流領域の中間電流値から前記最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記直線生成手段は、前記差分判定手段で前記差分が前記第一の閾値を超えるものと判定した場合、又は、前記積算値判定手段で前記積算値が前記第二の閾値を超えるものと判定した場合に、直前の前記最小電流領域に隣接する電流領域を新たな最小電流領域とする一方、直前の最大電流領域に隣接する電流領域を新たな最大電流領域として特定し、前記新たな最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる新たな最小代表点と、前記新たな最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる新たな最大代表点と、を結ぶ新たな電流電圧直線を生成するものである、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記分布図作成手段は、出力電流の変化方向が増加側である場合の第一の電流電圧特性分布図と、出力電流の変化方向が減少側である場合の第二の電流電圧特性分布図と、を作成するものであり、
   前記電圧平均値算出手段は、前記第一の電流電圧特性分布図に対応する第一の電圧平均値と、前記第二の電流電圧特性分布図に対応する第二の電圧平均値と、を算出するものであり、
   前記直線生成手段は、前記第一の電圧平均値に対応する第一の電流電圧直線と、前記第二の電圧平均値に対応する第二の電流電圧直線と、を生成するものであり、
   前記差分判定手段は、前記第一の電圧平均値及び前記第一の電流電圧直線に対応する第一の差分判定と、前記第二の電圧平均値及び前記第二の電流電圧直線に対応する第二の差分判定と、を行うものであり、
   前記安定領域設定手段は、前記第一の差分判定に基づく第一の安定領域と、前記第二の差分判定に基づく第二の安定領域と、を設定するものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池と、
   前記燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測手段と、
   前記電流電圧計測手段で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成手段と、
   前記電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、前記各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出手段と、
   前記複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、前記最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、前記最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成手段と、
   前記各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が所定の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定手段と、
   前記積算値判定手段で前記積算値が前記閾値以下であると判定した場合に、前記最小電流領域の中間電流値から前記最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定手段と、
   前記安定領域設定手段で設定した前記安定領域内において計測した前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定手段と、
   を備える、
   燃料電池システム。
6. 燃料電池の電流電圧特性を推定する方法であって、
   前記燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測工程と、
   前記電流電圧計測工程で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成工程と、
   前記電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、前記各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出工程と、
   前記複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、前記最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、前記最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成工程と、
   前記各電流領域の中間電流値において、前記各電流領域の電圧平均値と、前記直線生成工程で生成した前記電流電圧直線上の電圧値と、の差分が第一の閾値以下であるか否かを判定する差分判定工程と、
   前記差分判定工程で前記差分が前記第一の閾値以下であると判定した場合に、前記最小電流領域の中間電流値から前記最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定工程と、
   前記安定領域設定工程で設定した安定領域内において計測した前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定工程と、
   を備える、
   電流電圧特性推定方法。
7. 前記差分判定工程で前記差分が前記第一の閾値以下であると判定した場合に、前記各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が第二の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定工程を備え、
   前記安定領域設定工程は、前記積算値判定工程で前記積算値が前記第二の閾値以下であると判定した場合に、前記最小電流領域の中間電流値から前記最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定するものである、
   請求項６に記載の電流電圧特性推定方法。
8. 燃料電池の電流電圧特性を推定する方法であって、
   前記燃料電池の初回起動時における出力電流及び出力電圧を計測する電流電圧計測工程と、
   前記電流電圧計測工程で計測した出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性分布図を作成する分布図作成工程と、
   前記電流電圧計測手段で計測した出力電流の範囲を複数の電流領域に分割し、前記各電流領域における電圧平均値を算出する電圧平均値算出工程と、
   前記複数の電流領域のうち最小電流領域と最大電流領域とを特定し、前記最小電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最小代表点と、前記最大電流領域における中間電流値及び電圧平均値からなる最大代表点と、を結ぶ電流電圧直線を生成する直線生成工程と、
   前記各電流領域において電圧平均値と電圧計測値との差分の積算値を算出し、この積算値が所定の閾値以下であるか否かを判定する積算値判定手段と、
   前記積算値判定工程で前記積算値が前記閾値以下であると判定した場合に、前記最小電流領域の中間電流値から前記最大電流領域の中間電流値までの電流領域を安定領域として設定する安定領域設定工程と、
   前記安定領域設定工程で設定した安定領域内において計測した前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する特性推定工程と、
   を備える、
   電流電圧特性推定方法。

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