JP6281575B2

JP6281575B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

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Publication number: JP6281575B2
Application number: JP2015562704A
Authority: JP
Inventors: 聖星
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-12-17
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Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムとして、燃料電池の出力電流を振幅させ、そのときの出力電流値及び出力電圧値に基づいて、ＩＶ特性を推定するものがある（ＪＰ２０００−３５７５２６Ａ参照）。

燃料電池システムの起動後は、燃料電池の発電電力を負荷に供給することで、自己発熱によって燃料電池を暖機させ、例えば、燃料電池のＩＶ特性が所望のＩＶ特性になってから車両の走行許可を出すようにしている。そのため、暖機中の燃料電池のＩＶ特性を推定し、推定したＩＶ特性が所望のＩＶ特性になった時点で車両の走行許可を出すことで、可能な限り車両の走行許可を早く出せるようにすることを検討している。

ここで、ＩＶ特性の推定精度を確保するためには、一定以上の電流幅で燃料電池の出力電流を変化させ、そのときの出力電流値及び出力電圧値に基づいて、ＩＶ特性を推定する必要がある。

しかしながら、暖機中において燃料電池の出力電流を変化させるときには、ＩＶ特性の推定に必要な電流幅を確保できない場合や、燃料電池自体の発電特性が悪くなるおそれがある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の出力電流を変化させることに起因して推定される発電特性が悪くなることを回避する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池に接続される負荷を備え、燃料電池の暖機時に負荷への供給電力を調整して燃料電池の出力電流を所定幅変化させ、変化させている間に検出される少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池のＩＶ特性を推定する。そして燃料電池システムは、ＩＶ特性を推定するＩＶ推定の実施中に燃料電池の出力電圧値の検出値が第１所定値以下になったときは、ＩＶ推定を停止する。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池の構成について説明する図である。図２は、図１の燃料電池のII−II断面図である。図３は、第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。図４は、燃料電池スタックの温度とＩＶ特性との関係を示す図である。図５は、燃料電池システムの起動時における燃料電池スタックのＩＶ特性の推定方法について説明する図である。図６Ａは、第１実施形態によるＩＶ特性の推定制御について説明するフローチャートである。図６Ｂは、第１実施形態によるＩＶ特性の推定制御について説明するフローチャートである。図７は、バッテリ要求制限電流算出処理について説明するフローチャートである。図８は、システム要求制限電流算出処理について説明するフローチャートである。図９は、酸素分圧低下防止要求上限値を算出するマップである。図１０は、セル電圧低下防止要求上限値を算出するマップである。図１１は、出力電圧低下防止要求上限値を算出するテーブルである。図１２は、ドライアウト防止要求下限値を算出するテーブルである。図１３は、最大電流振り幅算出処理について説明するフローチャートである。図１４は、第１実施形態によるＩＶ特性の推定制御の動作の一例を示すタイムチャートである。図１５は、本発明の第２実施形態によるＩＶ特性の推定制御の動作の別の一例を示すタイムチャートである。図１６Ａは、第２実施形態によるＩＶ特性の推定制御について説明するフローチャートである。図１６Ｂは、第２実施形態によるＩＶ特性の推定制御について説明するフローチャートである。図１７は、バッテリ要求制限電流算出処理について説明するフローチャートである。図１８は、第２実施形態によるＩＶ特性の推定制御の動作の一例を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極：２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- …(１)
カソード電極：４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

燃料電池１０は、ＭＥＡ１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

電解質膜１１１は、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る。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。

カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。

アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。なお、以下では、このエアフローセンサ２４の検出値を、必要に応じて「検出スタック供給流量」という。

カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。なお、以下では、このカソード圧力センサ２６の検出値を、必要に応じて「検出カソード圧力」という。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁２８を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガス（水素）を高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。本実施形態では、このアノード圧力を、燃料電池スタック１からバッファタンク３６までのアノード系内の圧力として使用している。以下では、このアノード圧力センサ３４の検出値を、必要に応じて「検出アノード圧力」という。

アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がバッファタンク３６に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へと透過してきた窒素や水分（生成水や水蒸気）などを含む不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。

バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガスは、パージ弁３８が開かれているときに、パージ通路３７を通ってカソードガス排出通路２２に排出される。

パージ通路３７は、一端がアノードガス排出通路３５に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。

パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を制御する。以下の説明において、パージ弁３８を開いてカソードガス排出通路２２にアノードオフガスを排出することを、必要に応じて「パージ」という。

アノードガス排出通路３５を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路であって、一端が燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端が燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が所定温度よりも高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が所定温度よりも低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「入口水温」という。）を検出する。

出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「出口水温」という。）を検出する。

本実施形態では、入口水温及び出口水温の平均水温が、燃料電池スタック１内の温度（以下「スタック温度」という。）として用いられる。

電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧（以下「セル電圧」という。）を検出し、燃料電池１０の総電圧を出力電圧として検出している。なお、燃料電池１０の複数枚ごとの電圧（セル群電圧）を検出するようにしても良い。

走行モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、走行モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ５３に供給する。一方で、走行モータ５３を発電機として機能させるときは、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ６には、前述したエアフローセンサ２４等の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ６１や、バッテリ５５の充電量を検出するＳＯＣセンサ６２、バッテリ６５の温度を検出バッテリ温度センサ６３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力される。

コントローラ６は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、走行モータ５３の要求電力やカソードコンプレッサ２５等の補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求、暖機要求などに基づいて、目標出力電流を算出する。そしてコントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御する。

またコントローラ６は、電解質膜１１１の湿潤度（含水率）が発電に適した湿潤度になるように、カソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。具体的には、電解質膜１１１の湿潤度と相関関係にある燃料電池スタック１の内部インピーダンス（High Frequency Resistance；以下「ＨＦＲ」という。）を、例えば交流インピーダンス法等によって算出する。そして、ＨＦＲが目標ＨＦＲとなるようにカソードコンプレッサ２５や循環ポンプ４５などを制御する。ＨＦＲが小さいほど電解質膜１１１の湿潤度は高くなる。なお本実施形態では、目標ＨＦＲを予め実験等で定めた発電に適した所定値としている。

図４は、燃料電池スタック１の温度と、燃料電池スタック１の電流電圧特性（以下「ＩＶ特性」という。）と、の関係を示す図である。図４において、実線で示したＩＶ特性が、燃料電池スタック１の暖機が完了した後のＩＶ特性（以下「基準ＩＶ特性」という。）である。

図４に示すように、燃料電池スタック１のＩＶ特性は燃料電池スタック１の温度に応じて変化し、燃料電池スタック１の温度が低い場合ほど、同じ電流値の出力電流を燃料電池から取り出したときの出力電圧は低くなる。すなわち、燃料電池スタック１の温度が低いときほど、燃料電池スタック１の発電効率は低下する。

燃料電池スタック１の発電効率が低下した状態で車両の走行を許可してしまうと、走行時に走行モータ５３の要求電力が大きくなって燃料電池スタック１の出力電流が増加したときに、燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回るおそれがある。ここでシステム最低電圧Ｖ_minは、予め実験等によって設定される電圧値であって、燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回ってしまうと、走行モータ５３の駆動に支障が生じる電圧値である。本実施形態では、出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回ったときは、コントローラ６は、フェールセーフとして燃料電池システム１００の運転を停止する。すなわち、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_min（第２所定値）以下になったときは、燃料電池システム１００を停止させるシステム停止手段を構成する。

したがって、燃料電池システム１００の起動後は、燃料電池スタック１を暖機しつつ、燃料電池スタック１の温度上昇に応じて時々刻々と変化するＩＶ特性が、走行モータ５３を駆動しても燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回ることのないＩＶ特性になったことを確認して車両の走行許可を出す必要がある。図４で言えば、燃料電池スタック１の出力電流が走行許可電流になったときの出力電圧が、システム最低電圧Ｖ_minを下回らないＩＶ特性になったことを確認して車両の走行許可を出す必要がある。走行許可電流は、走行モータ５３を駆動して車両をスムーズに発進又は走行させることが可能な出力電流の最低値に所定の余裕代を加えた値であって、予め実験等によって設定される値である。

しかしながら、燃料電池スタック１に接続された電気部品（負荷）のうち、走行許可の出ていない暖機時に通電可能な電気部品は、走行モータ５３以外のカソードコンプレッサ２５やＰＴＣヒータ４６などの補機類及びバッテリ５５に限られる。つまり、走行許可の出ていない暖機時は、補機類及びバッテリ５５に流すことのできる電流以上の出力電流を燃料電池スタック１から取り出すことができない。

したがって、走行許可の出ていない暖機時における出力電流の上限値（以下「走行許可前上限電流」）は、補機に流すことのできる電流（以下「補機消費電流」という。）に、バッテリ５５に流すことのできる電流を加えたものとなるが、この走行許可前上限電流は、走行許可電流よりも小さい値となる。

そのため、走行許可の出ていない暖機時は、燃料電池スタック１から走行許可電流を取り出すことができないので、燃料電池スタック１から走行許可電流を取り出したときの出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回っているかどうかを実際に判定することができない。

そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の起動後は、燃料電池スタック１を暖機しつつ燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定し、推定したＩＶ特性が、走行モータ５３を駆動しても燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回ることのない所定のＩＶ特性になった時点で車両の走行許可を出すようにしている。

図５は、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック１のＩＶ特性の推定方法について説明する図である。図５において、実線は基準ＩＶ特性を示す。破線は走行許可の出ていない暖機中のある時点における実際のＩＶ特性（以下「実ＩＶ特性」という。）を示す。

走行許可の出ていない暖機時は、出力電流を走行許可前上限電流までしか増大させることができない。そのため、走行許可前上限電流以上の領域における実ＩＶ特性を実際に検出することはできない。

ここで、走行許可の出ていない暖機中のある時点における実出力電流Ｉｒと、そのときの基準電圧（ＩＶ特性が基準ＩＶ特性であった場合に実際に検出されるはずの電圧）Ｖｂと実出力電圧Ｖｒとの電圧差ΔＶと、の関係は、以下の（３）式のように一次関数で近似できることが実験的に証明されている。

ΔＶ＝Ａ×Ｉｒ＋Ｂ …（３）
したがって、出力電流を走行許可前上限電流までの間で変動させて、少なくとも任意の２点の実出力電流Ｉｒ１、Ｉｒ２に対応する基準電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２及び実出力電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２をそれぞれ算出すれば、（３）式の傾きＡ及び切片Ｂを算出することができる。その結果、（３）式に基づいて、走行許可前上限電流以上の領域の任意の出力電流における出力電圧を算出することができるので、図５に一点鎖線で示すように、走行許可前上限電流以上の領域における実ＩＶ特性を推定することができる。

なお、図５に示すように、出力電流がＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minになるまでは、活性化分極による電圧降下が大きく、出力電流の変動に対する出力電圧の変動が相対的に大きくなるので近似精度が低下する。つまり、出力電流がＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minになるまでは、実出力電流Ｉｒと電圧差ΔＶとの関係が一次関数で近似できない。そのため、本実施形態では、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minから走行許可前上限電流までの区間（以下「データ取得領域」という。）で出力電流を一定量以上の振り幅で変動させて上記の３つのパラメータ（実出力電流、基準電圧及び実出力電圧）を複数取得し、最小二乗法によって（３）式の傾きＡ及び切片Ｂを算出している。なお、出力電流を一定量以上の振り幅で変動させるのは、取得するパラメータの数が多いほど推定精度が向上するためである。

ところで、データ取得領域内で出力電流を変動させて、そのときの基準電圧及び実出力電圧のデータを取得する場合、出力電流を増加させながらデータを取得する方法と、出力電流を低下させながらデータを取得する方法と、が考えられる。暖機中はＩＶ特性が徐々に回復していくので、出力電流を上昇させながら取得したパラメータに基づいて（３）式の係数Ａ及び切片Ｂを算出した場合には、推定ＩＶ特性が実ＩＶ特性よりも基準ＩＶ特性に近いＩＶ特性になる傾向がある。このような推定ＩＶ特性に基づいて走行許可を出してしまうと、出力電流を走行許可電流まで上昇させたときに最低電圧を下回ってしまうおそれがある。そのため本実施形態では、出力電流を低下させながら取得したパラメータに基づいてＩＶ特性を推定している。

このように、走行許可の出ていない暖機中に精度良くＩＶ特性を推定するには、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minから走行許可前上限電流までの間で出力電流を一定量以上の振り幅で変動させる必要がある。

ここで暖機中は、自己発熱によって燃料電池スタック１の暖機を促進するために、補機消費電流を可能な限り大きくしている。そのため、ＩＶ特性を推定するにあたって出力電流を変動させる際には、可能な限り出力電流をこの暖機用の補機消費電流よりも下げたくない。そこで本実施形態では、ＩＶ特性を推定するにあたって出力電流を変動させる際には、基本的に出力電流を補機消費電流よりも大きいＩＶ特性推定用の出力電流まで上昇させた後、そこから出力電流を低下させてＩＶ推定に必要なデータを取得している。

しかしながら、暖機中は未だＩＶ特性が基準ＩＶ特性に達しておらず、発電が不安定なので、暖機用のために大きく設定された補機消費電流からさらに出力電流を上昇させると、出力電圧が大きく低下するおそれがある。その結果、出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回るおそれがある。さらには、燃料電池スタック１の出力電圧が燃料電池システム１００を運転するにあたって必要な所定の最低電圧を下回り、燃料電池システム１００を停止しなければならなくなるおそれがある。

そこで本実施形態では、ＩＶ特性を推定するために出力電流を上昇させている場合に、出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minよりも高い所定電圧Ｖ₁以下になったときは、出力電流を一旦補機消費電流に戻し、所定時間経過後に再度ＩＶ特性を推定するために出力電流を上昇させることとした。

図６Ａ及び図６Ｂは、暖機中に実施される本実施形態によるＩＶ特性の推定制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の目標出力電流を、所定の暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇させる。暖機用目標電流Ｉ_WUは、暖機中に駆動することのできる補機類の消費電流に応じて定まる値である。本実施形態では燃料電池スタック１の自己発熱による暖機を促進させるために、暖機中の補機類の消費電流を可能な限り大きくし、暖機用目標電流Ｉ_WUを大きくしている。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ１の処理は、燃料電池スタック１の暖機時に、出力電流が所定の暖機用目標電流となるように、負荷である補機類への供給電力を調整して燃料電池スタック１を暖機させる暖機手段に対応する。

ステップＳ２において、コントローラ６は、出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇していれば、ステップＳ３の処理を行う。一方でコントローラ６は、出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇していなければ、ステップＳ１の処理に戻り、引き続き出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇させる。

ステップＳ３において、コントローラ６は、カウントタイマを始動させる。

ステップＳ４において、コントローラ６は、カウントタイマを始動させてからの経過時間（以下「カウント値」という。）がＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_L以上になったか否かを判定する。ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lの初期値はゼロに設定されている。コントローラ６は、カウント値がＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_L以上であればステップＳ５の処理を行う。一方でコントローラ６は、カウント値がＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_L未満であれば、カウント値がＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_L以上になるまでステップＳ４の処理を行う。

ステップＳ５において、コントローラ６は、カウントタイマを停止させると共に、カウント値をゼロに戻す。

ステップＳ６において、コントローラ６は、バッテリ要求制限電流算出処理を実施する。この処理は、バッテリ５５の状態に応じて設定される出力電流の上限値（以下「バッテリ要求上限電流Ｉ_BH」という。）及び下限値（以下「バッテリ要求下限電流Ｉ_BL」という。）を算出する処理である。バッテリ要求制限電流算出処理の詳細については、図７のフローチャートを参照して説明する。

図７は、バッテリ要求制限電流算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ６１において、コントローラ６は、バッテリ充電量及びバッテリ温度に基づいて、バッテリ５５から取り出すことのできる電流の最大値（以下「放電可能電流値」という。）と、バッテリ５５に流すことのできる電流の最大値（以下「充電可能電流値」という。）を算出する。

ステップＳ６２において、コントローラ６は、暖機用目標電流Ｉ_WUに充電可能電流値を加えた電流値を、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHとして算出する。バッテリ要求上限電流Ｉ_BHは、出力電流がこれよりも大きくなってしまうと、バッテリ５５が過充電状態となり、バッテリ５５を劣化させるおそれのある電流値である。

ステップＳ６３において、コントローラ６は、暖機用目標電流Ｉ_WUから放電可能電流値を引いた電流値を、バッテリ要求下限電流Ｉ_BLとして算出する。バッテリ要求下限電流Ｉ_BLは、出力電流がこれよりも小さくなると、バッテリ５５が過放電状態となり、バッテリ５５を劣化させるおそれのある電流値である。

以下、再び図６Ａのフローチャートに戻ってＩＶ特性の推定制御について説明する。

ステップＳ７において、コントローラ６は、システム要求制限電流算出処理を実施する。この処理は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される出力電流の上限値（以下「システム要求上限電流Ｉ_SH」という。）及び下限値（以下「システム要求下限電流Ｉ_SL」という。）を算出する処理である。すなわち、コントローラ６により実行される処理は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、出力電流の上限値及び下限値の少なくとも一方を設定する制限値設定手段に対応する。システム要求制限電流算出処理の詳細については、図８のフローチャートを参照して説明する。

図８は、システム要求制限電流算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ７１において、コントローラ６は、図９のマップを参照し、検出カソード圧力、検出スタック温度及び検出スタック供給流量に基づいて、酸素分圧低下防止要求上限値を算出する。酸素分圧低下防止要求上限値は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が検出スタック供給流量の場合に燃料電池スタック１から取り出してもよい出力電流の最大値である。酸素分圧低下防止要求上限値よりも大きい電流を取り出すと、カソードガスの供給量に対して酸素消費量が多くなりすぎてカソードガス流路１３１内の酸素分圧が低下し、出力電圧が大きく低下するおそれがある。

ステップＳ７２において、コントローラ６は、図１０のマップを参照し、平均セル電圧及び最低セル電圧に基づいて、セル電圧低下防止要求上限値を算出する。セル電圧低下防止要求上限値は、セル電圧が予め設定された所定のセル電圧下限閾値を下回らないようにするための出力電流の最大値である。セル電圧がセル電圧下限閾値よりも低下した状態で発電が継続されると、燃料電池１０が過熱状態になるなどして燃料電池１０が劣化するおそれがある。

ステップＳ７３において、コントローラ６は、図１１のテーブルを参照し、出力電圧に基づいて、出力電圧低下防止要求上限値を算出する。出力電圧低下防止要求上限値は、出力電圧が予め設定された出力電圧下限閾値を下回らないようにするための出力電流の最大値である。出力電圧が出力電圧下限閾値よりも低下した状態で出力電流を大きくすると、出力電圧が大きく低下したり、燃料電池１０を劣化させるおそれがある。

ステップＳ７４において、コントローラ６は、酸素分圧低下防止要求上限値、セル電圧低下防止要求上限値及び出力電圧低下防止要求上限値の最も小さいものをシステム要求上限電流Ｉ_SHとして算出する。

ステップＳ７５において、コントローラ６は、図１２のテーブルを参照し、ＨＦＲに基づいてドライアウト防止要求下限値を算出する。ドライアウト防止要求下限値は、電解質膜１１１が乾燥することによって発電効率が低下するドライアウト現象の発生を防止するために設定される出力電流の下限値である。

ステップＳ７６において、コントローラ６は、ドライアウト防止要求下限値と、予め実験等によって定められた所定の高電位劣化防止要求下限値と、の大きい方を、システム要求下限電流Ｉ_SLとして算出する。高電位劣化防止要求下限値は、セル電圧が高電位になると電極触媒層の触媒が酸化被膜で覆われて発電効率が低下する高電位劣化現象が発生するのを防止するために設定される出力電流の下限値である。

ステップＳ８において、コントローラ６は、出力電流の振り幅（以下「電流振り幅」という。）の最大値（以下「最大電流振り幅」という。）ΔＩ_maxの算出処理を実施する。この最大電流振り幅算出処理の詳細については、図１３のフローチャートを参照して説明する。

図１３は、最大電流振り幅算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ８１において、コントローラ６は、ＩＶ推定時に出力電流を振幅させる際の出力電流の上限値（以下「ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1」という。）を算出する。具体的には、コントローラ６は、バッテリ要求上限電流Ｉ_BH及びシステム要求上限電流Ｉ_SHの小さい方を、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1として算出する。

ステップＳ８２において、コントローラ６は、ＩＶ推定時に出力電流を振幅させる際の出力電流の下限値（以下「ＩＶ推定下限電流Ｉ_c2」という。）を算出する。具体的には、バッテリ要求下限電流Ｉ_BL、システム要求下限電流Ｉ_SL及びＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minのうち最も大きいものをＩＶ推定下限電流Ｉ_c2として算出する。

ステップＳ８３において、コントローラ６は、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1とＩＶ推定下限電流Ｉ_c2との差分値を、最大電流振り幅ΔＩ_maxとして算出する。

以下、再び図６のフローチャートに戻ってＩＶ特性の推定制御について説明する。

ステップＳ９において、コントローラ６は、最大電流振り幅ΔＩ_maxが、ＩＶ特性の推定精度を確保するために必要な所定の電流振り幅ΔＩ以上か否かを判定する。コントローラ６は、最大電流振り幅ΔＩ_maxが電流振り幅ΔＩ以上であればステップＳ１０の処理を行う。一方で、最大電流振り幅ΔＩ_maxが電流振り幅ΔＩ未満であればステップＳ６の処理に戻る。

ステップＳ１０において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の目標出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に設定してＩＶ推定処理を開始し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUからＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させる。コントローラ６により実行されるＩＶ推定処理は、燃料電池スタック１の暖機時に、負荷である補機類への供給電力を調整して燃料電池スタック１の出力電流を所定幅で振幅させ、振幅させている間に検出された少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するＩＶ推定手段に対応する。

ステップＳ１１において、コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定上限電流Ｉ_c1まで上昇したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定上限電流Ｉ_c1まで上昇していれば、ステップＳ１８の処理を行う。一方でコントローラ６は、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させている途中であれば、ステップＳ１２の処理を行う。

ステップＳ１２において、コントローラ６は、出力電圧が所定電圧Ｖ₁以下か否かを判定する。すなわち、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させている途中に、出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下したか否かを判定する。この所定電圧Ｖ₁は、システム最低電圧Ｖ_minよりも高い電圧値であって、出力電流の上昇に伴って出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minまで低下してしまうのを予防するために設定された閾値である。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ１２の処理は、ＩＶ推定手段の実施中に、燃料電池スタック１の発電状態が、ＩＶ特性を推定できる良好な状態にあるか否かを判断する判断手段に対応する。

コントローラ６は、出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下していればステップＳ１３の処理を行う。一方でコントローラ６は、出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下していなければステップＳ１５の処理を行う。

なお、ステップＳ１２において、最低セル電圧が所定セル電圧Ｖ₂以下か否かを併せて判定しても良いし、ステップＳ１２の処理に替えて判定しても良い。所定セル電圧Ｖ₂は、所定電圧Ｖ₁をセル総数で割った値に相当する。

ステップＳ１３において、コントローラ６は、出力電流をこれ以上上昇させると出力電圧が所定電圧Ｖ₁からさらに低下してシステム最低電圧Ｖ_minを下回るおそれがあるので、ＩＶ推定処理を停止する。すなわち、コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態にないと判定された場合には、ＩＶ推定処理の実施を停止する。具体的には、コントローラ６は、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させていた出力電流を、暖機用目標電流Ｉ_WUに向けて低下させる。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ１３の処理は、ＩＶ推定処理の実施中に、燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、ＩＶ推定処理の実施を停止するＩＶ推定停止ステップに対応する。

ステップＳ１４において、コントローラ６は、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを第１所定値Ｔ_m1に設定する。そして、ステップＳ３に戻ってカウントタイマを始動させ、カウント値が第１所定値Ｔ_m1以上となったらＩＶ推定処理を再開する。

ここで本実施形態では、第１所定値Ｔ_m1を、例えば数十秒程度の比較的大きい値としている。これは、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させている途中に出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下したということは、暖機が進んでおらず、実際のＩＶ特性と基準ＩＶ特性との乖離が大きい状態と考えることができる。すなわち、燃料電池スタック１の暖機がまだ不十分で、ＩＶ特性が悪い状態と考えることができる。

したがって、このような状態のときにあまり間隔を空けずにＩＶ推定処理を再開すると、再度出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下して、ＩＶ推定処理を停止しなければならなくなるおそれがある。ＩＶ推定処理が開始されると、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUからＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させることになり、補機類に流すことのできない余剰の電流はバッテリ５５に流すことになる。そのため、無駄に何度もＩＶ推定処理を実施すると、バッテリ充電量が増加してバッテリ要求上限電流Ｉ_BHが徐々に低下してしまい、所定の電流振り幅ΔＩが確保できなくなるおそれがある。また、バッテリ５５の負担も大きくなる。

そこで本実施形態では、このような状態のときはある程度間隔を空けてＩＶ特性の回復を待ってからＩＶ推定処理を実施するようにしたのである。これにより、無駄に何度もＩＶ推定処理が実施されるのを防止することができる。

なお、本実施形態では第１所定値Ｔ_m1を予め定められた固定値としているが、可変値としても良い。例えば、出力電圧が所定電圧Ｖ₁になったときの出力電流値に基づいて、第１所定値Ｔ_m1を設定するようにしても良い。この場合、出力電流値が小さいときほど第１所定値Ｔ_m1を大きくするのが望ましい。これは、出力電圧が所定電圧Ｖ₁になったときの出力電流値が小さいときほど、実際のＩＶ特性と基準ＩＶ特性との乖離が大きく、ＩＶ特性が悪い状態であると判断できるためである。

ステップＳ１５において、コントローラ６は、再度、システム要求上限電流Ｉ_SHを算出する。

ステップＳ１６において、コントローラ６は、ステップＳ１０で設定した目標出力電流、すなわちＩＶ推定上限電流Ｉ_c1と、ステップＳ１５で算出したシステム要求上限電流Ｉ_SHと、の大小を比較する。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ１６の処理は、ＩＶ推定処理によって出力電流を所定幅で振幅させている場合に、出力電流が上限値（システム要求上限電流Ｉ_SH）に達するか否かを判定する超過判定手段に対応する。

そしてコントローラ６は、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1がシステム要求上限電流Ｉ_SHよりも大きくなっていた場合は、ステップＳ１７の処理を行う。一方でコントローラ６は、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1がシステム要求上限電流Ｉ_SH以下であれば、ステップＳ１１の処理に戻る。すなわち、コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態にあると判断された場合には、ＩＶ推定処理の実施を継続する。

ステップＳ１７において、コントローラ６は、ＩＶ推定処理を停止する。具体的には、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させていた出力電流を、暖機用目標電流Ｉ_WUに向けて低下させる。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ１７の処理は、出力電流が上限値（システム要求上限電流Ｉ_SH）に達すると判定したときに、ＩＶ推定処理の実施を停止する第２のＩＶ推定停止手段に対応する。

ステップＳ１７でＩＶ推定処理を停止するのは、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させている途中に例えばシステム要求上限電流Ｉ_SHが更新されて低下すると、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1がシステム要求上限電流Ｉ_SHよりも大きくなる場合がある。この場合に、システム要求上限電流Ｉ_SHを超えてＩＶ推定上限電流Ｉ_c1まで出力電流を上昇させてしまうと、極端な電圧落ちや燃料電池の劣化を招くおそれがある。そのため、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1まで上昇させることは望ましくない。

しかしながら、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1まで上昇させることができないと、所定の電流振り幅ΔＩを確保できず、所望の推定精度が確保できないおそれがある。そこでこのような場合はステップＳ６に戻り、所定の電流振り幅ΔＩを確保できるかを再度判定してＩＶ推定処理を実施する。

ステップＳ１８において、コントローラ６は、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1から電流振り幅ΔＩを引いた電流値（以下「ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tL」という。）を、燃料電池スタック１の目標出力電流として設定する。そして、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1からＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させる。

ステップＳ１９において、コントローラ６は、出力電流を降下させている間に、前述した３つのパラメータ（実出力電流、基準電圧及び実出力電圧）を適宜取得する。

ステップＳ２０において、コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで効果していれば、ステップＳ２４の処理を行う。一方でコントローラ６は、出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させている途中であれば、ステップＳ２１の処理を行う。

ステップＳ２１において、コントローラ６は、再度、システム要求下限電流Ｉ_SLを算出する。

ステップＳ２２において、コントローラ６は、ステップＳ１８で設定した目標出力電流、すなわちＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLと、ステップＳ２１で算出したシステム要求下限電流Ｉ_SLと、の大小を比較する。そしてコントローラ６は、システム要求下限電流Ｉ_SLがＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLよりも大きくなっていた場合は、ステップＳ２３の処理を行う。一方でコントローラ６は、システム要求下限電流Ｉ_SLがＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tL以下であれば、ステップＳ１９の処理に戻る。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ２２の処理は、ＩＶ推定処理によって出力電流を所定幅で振幅させている場合に、出力電流が下限値（システム要求下限電流Ｉ_SL）に達するか否かを判定する超過判定手段に対応する。

ステップＳ２３において、コントローラ６は、ＩＶ推定処理を停止する。具体的には、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させていた出力電流を、暖機用目標電流Ｉ_WUに向けて制御する。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ２３の処理は、出力電流が下限値（システム要求下限電流Ｉ_SL）に達すると判定したときに、ＩＶ推定処理の実施を停止する第２のＩＶ推定停止手段に対応する。

ステップＳ２３でＩＶ推定処理を停止するのは、出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させている途中に例えばシステム要求下限電流Ｉ_SLが更新されて増加し、システム要求下限電流Ｉ_SLがＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLよりも大きく
なる場合がある。この場合に出力電流をシステム要求下限電流Ｉ_SLよりも降下させてしまうと、ドライアウト現象や高電位劣化減少が発生するおそれがある。そのため、出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下させるのは望ましくない。

しかしながら、出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下させることができないと、所定の電流振り幅ΔＩを確保できず、所望の推定精度が確保できないおそれがある。そこでこのような場合はステップＳ６に戻り、所定の電流振り幅ΔＩを確保できるかを再度判定してＩＶ推定処理を開始する。

ステップＳ２４において、コントローラ６は、パラメータの取得を終了する。

ステップＳ２５において、コントローラ６は、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに向けて制御する。

ステップＳ２６において、コントローラ６は、取得した複数のパラメータ群に基づいて、ＩＶ特性を推定する。このように、ステップＳ１からステップＳ２６までの一連の処理においてコントローラ６はＩＶ推定処理を実施する。

なお、コントローラ６により実行されるステップＳ１からステップＳ２６までの一連の処理は、燃料電池スタック１の暖機時に、負荷への供給電力を調整して燃料電池スタック１の出力電流を所定幅で振幅させ、振幅させている間に検出された少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するＩＶ推定ステップに対応する。

ステップＳ２７において、コントローラ６は、走行許可が出せるか否かを判定する。具体的には、コントローラ６は、推定したＩＶ特性が、走行モータ５３を駆動しても燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回ることのない所定のＩＶ特性になっているか否かを判定する。なお、コントローラ６により実行されるステップ２７の処理は、ＩＶ推定処理によって推定したＩＶ特性が、所定のＩＶ特性になったか否かを判定するＩＶ特性判定手段に対応する。

コントローラ６は、走行許可が出せる場合はステップＳ２８の処理を行い、出せない場合はステップＳ２９の処理を行う。

ステップＳ２８において、コントローラ６は、走行許可を出して、ＩＶ特性の推定制御を終了する。

ステップＳ２９において、コントローラ６は、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを第２所定値Ｔ_m2に設定する。そして、ステップＳ３に戻ってカウントタイマを始動させ、カウント値が第２所定値Ｔ_m2以上となったらＩＶ推定処理を再開する。

ここで本実施形態では、第２所定値Ｔ_m2を例えば数秒程度に設定し、第１所定値Ｔ_m1よりも小さい値としている。これは、ＩＶ特性を推定できたものの走行許可が出せなかった場合は、出力電圧が所定電圧Ｖ₁以下になってＩＶ推定処理を停止した場合と異なり、比較的短い間隔でＩＶ推定処理を再開してもＩＶ特性の推定が可能である。そのため、比較的短い間隔でＩＶ推定処理を再開したほうが、素早く走行許可の可否を判定することができるためである。

図１４は、本実施形態によるＩＶ特性の推定制御の動作の一例を示すタイムチャートである。

燃料電池システム１００の起動後、時刻ｔ１で出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUに制御され（Ｓ２でＹｅｓ）、最大電流振り幅ΔＩ_maxが所定の電流振り幅ΔＩ以上になっていることが判定されると（Ｓ９でＹｅｓ）、コントローラ６はＩＶ推定処理を開始する。具体的には、目標出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUからＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させる。

時刻ｔ２で、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させている途中に出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下すると（Ｓ１１でＮｏ，Ｓ１２でＹｅｓ）、コントローラ６はＩＶ推定処理を停止する。具体的には、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させていた出力電流を、暖機用目標電流Ｉ_WUに向けて低下させる。

このように、出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させている途中に出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下したときは、暖機が進んでおらず、ＩＶ特性が悪い状態と考えることができる。そのためコントローラ６は、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを第２所定値Ｔ_m2よりも大きい第１所定値Ｔ_m1に設定してカウントタイマを始動させる。

これにより、ある程度間隔を空けてからＩＶ推定処理が再開されるので、無駄に何度もＩＶ推定処理が実施されるのを防止することができる。

時刻ｔ３で、時刻ｔ２からの経過時間が第１所定値Ｔ_m1以上となったら（Ｓ４でＹｅｓ）、コントローラ６はＩＶ推定処理を再開する。具体的には、目標出力電流をＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUからＩＶ推定上限電流Ｉ_c1に向けて上昇させる。

時刻ｔ４で、出力電流がＩＶ推定上限電流Ｉ_c1まで上昇すると（Ｓ１１でＹｅｓ）、コントローラ６は、目標出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに設定し、ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1からＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させる。そしてコントローラ６は、出力電流を降下させている間に前述した３つのパラメータ（実出力電流、基準電圧及び実出力電圧）を適宜取得する。

時刻ｔ５で、出力電流がＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下すると（Ｓ２０でＹｅｓ）、パラメータの取得を終了して、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定する。そして、コントローラ６は、取得したパラメータに基づいてＩＶ特性を推定し、走行許可が出せるか否かを判定する。

コントローラ６は、走行許可が出せないと判定した場合（Ｓ２７でＮｏ）、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを第２所定値Ｔ_m2に設定してカウントタイマを始動させる。

時刻ｔ６で、時刻ｔ５からの経過時間が第２所定値Ｔ_m2以上となったら（Ｓ４でＹｅｓ）、コントローラ６はＩＶ推定処理を再開する。

このように、ＩＶ特性を推定した結果、走行許可が出せないと判定したときは、出力電圧が所定電圧Ｖ₁まで低下したわけではないので、暖機は進んでおり、実際のＩＶ特性も基準ＩＶ特性に近づきつつある状態と考えることができる。そのためコントローラ６は、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを第２所定値Ｔ_m2に設定してカウントタイマを始動させる。

これにより、あまり間隔を空けずにＩＶ推定処理が再開されるので、次に走行許可の可否を判定するまでの時間を短くすることができ、素早く走行許可の可否を判定することができる。

図１５は、本実施形態によるＩＶ特性の推定制御の動作の別の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ１１では、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHの方がシステム要求上限電流Ｉ_SHよりも小さいので、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHがＩＶ推定上限電流Ｉ_c1として算出される。したがって、時刻ｔ１１では、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHと、ＩＶ推定下限電流Ｉ_c2と、の差分値が最大電流振り幅ΔＩ_maxとなる。

時刻ｔ１１において、出力電流は暖機用目標電流Ｉ_WUに制御されており、最大電流振り幅ΔＩ_maxも所定の電流振り幅ΔＩ以上となっているので、ＩＶ推定処理が開始される。

時刻ｔ１２で、出力電流をバッテリ要求上限電流Ｉ_BH（ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1）に向けて上昇させている途中に、システム要求上限電流Ｉ_SHがバッテリ要求上限電流Ｉ_BH（ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1）よりも小さくなると、コントローラ６はＩＶ推定処理を停止する。

これは、システム要求上限電流Ｉ_SHがバッテリ要求上限電流Ｉ_BH（ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1）よりも小さくなると、最大電流振り幅ΔＩ_maxが、時刻ｔ１１でＩＶ推定処理を開始したときの最大電流振り幅ΔＩ_maxよりも小さくなり、所定の電流振り幅ΔＩを確保できるか否かがわからなくなるためである。

そのため、システム要求上限電流Ｉ_SHがバッテリ要求上限電流Ｉ_BH（ＩＶ推定上限電流Ｉ_c1）よりも小さくなっときは（Ｓ１６でＹｅｓ）、ＩＶ推定処理を停止し、再度、最大電流振り幅ΔＩ_maxが所定の電流振り幅ΔＩ以上となっているかを判定する。

時刻ｔ１３では、システム要求上限電流Ｉ_SHの方がバッテリ要求上限電流Ｉ_BHよりも小さいので、システム要求上限電流Ｉ_SHがＩＶ推定上限電流Ｉ_c1として算出される。したがって、時刻ｔ１３では、システム要求上限電流Ｉ_SHと、ＩＶ推定下限電流Ｉ_c2と、の差分値が最大電流振り幅ΔＩ_maxとなる。

時刻ｔ１３で算出された最大電流振り幅ΔＩ_maxは、所定の電流振り幅ΔＩ以上となっているので、コントローラ６は、ＩＶ推定処理を再開する。そして、コントローラ６は、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の間で取得したパラメータに基づいてＩＶ特性を推定する。推定の結果、走行許可が出せなかった場合は、時刻ｔ１６で、時刻ｔ１５からの経過時間が第２所定値Ｔ_m2以上となったらＩＶ推定処理を再開する。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に接続される補機類やバッテリ５５等の負荷と、を備え、燃料電池スタック１の暖機時に、負荷への供給電力を調整して燃料電池スタック１の出力電流を所定幅で変化させ、変化させている間に検出された少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するＩＶ推定手段を実施する。

そして燃料電池システム１００は、ＩＶ推定手段の実施中に、燃料電池スタック１から出力される電力、すなわち燃料電池スタック１の出力に基づいて、ＩＶ推定手段の実施を停止する。例えば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の出力に基づいて、燃料電池スタック１の発電状態がＩＶ推定処理の実施に適した良好な状態にあるか否かを判定し、燃料電池スタック１の発電状態がＩＶ推定処理の実施に良好な状態にはないと判定した場合には、ＩＶ推定手段の実施を停止する。

本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の出力電圧が極端に低下しやすい発電状態、いわゆる電圧落ちが起こりやすい発電状態のときには、ＩＶ推定処理の実施に良好な状態ではないと判定し、ＩＶ推定処理の実施を停止する。これにより、ＩＶ推定処理を実行することに伴い燃料電池スタック１の電圧落ちが生じて燃料電池スタック１の発電状態が悪化するのを防ぐことができる。

このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１の出力を変化させることに起因してＩＶ推定処理によって推定される燃料電池スタック１の発電特性が悪化するのを回避することができる。

本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の出力電圧が所定電圧Ｖ₁（第１所定値）以下になったときは、ＩＶ推定手段の実施を停止する。これにより、ＩＶ推定手段の実施中に出力電圧が所定電圧Ｖ₁以下になるのを抑制できる。そのため、例えば所定電圧Ｖ₁をシステム最低電圧以上に設定することで、ＩＶ特性の推定時に出力電圧がシステム最低電圧を下回るのを防止することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、所定電圧Ｖ₁（第１所定値）をシステム最低電圧Ｖ_min（第２所定値）よりも大きい値に設定している。そのため、ＩＶ推定手段の実施中に出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_min以下になって燃料電池システム１００が停止されるのを確実に抑制することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、出力電圧が所定電圧Ｖ₁以下になってＩＶ推定手段の実施を停止したときは、第１所定期間Ｔ_m1が経過した後に、再度ＩＶ推定手段を実施する。

出力電圧が所定電圧Ｖ₁以下になってＩＶ推定手段の実施が停止されたときは、暖機が進んでいないために実際のＩＶ特性と基準ＩＶ特性との乖離が大きく、ＩＶ特性が悪い状態と考えることができる。そのため、間隔を空けずにＩＶ推定手段を実施しても、ＩＶ特性が走行許可を出せるＩＶ特性になっている可能性は低いので、無駄にＩＶ推定手段を実施してしまうことになる。

無駄に何度もＩＶ推定手段が実施されると、バッテリ充電量が次第に増加又は減少していき、ＩＶ推定精度を確保すために必要な電流振り幅ΔＩを取れなくなってＩＶ推定手段の実施自体ができなくなるおそれがある。さらに、バッテリ５５自体が劣化するおそれがある。

したがって、本実施形態による燃料電池システム１００のように、第１所定期間Ｔ_m1が経過した後に再度ＩＶ推定手段を実施することで、無駄にＩＶ推定手段を実施してしまうのを抑制できる。これにより、ＩＶ推定手段の実施を確保すると共に、バッテリ５５の劣化も抑制することができる。

このとき、第１所定期間Ｔ_m1を、出力電圧が所定電圧Ｖ₁になったときの出力電流値に基づいて、例えば出力電流値が小さいほど大きくなるように設定すれば、無駄にＩＶ推定手段を実施してしまうのをより一層抑制できる。これは、出力電圧が所定電圧Ｖ₁になったときの出力電流値が小さいときほど、実際のＩＶ特性と基準ＩＶ特性との乖離が大きく、ＩＶ特性が悪い状態であると判断できるためである。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、ＩＶ推定手段によって推定したＩＶ特性が、走行許可の出せる所定のＩＶ特性になったか否かを判定する。この判定の結果、所定のＩＶ特性になっていないと判定されたときは、第２所定期間Ｔ_m2が経過した後に、再度ＩＶ推定手段を実施する。そして、第１所定期間Ｔ_m1は、第２所定期間Ｔ_m2よりも長い値に設定される。

これにより、ＩＶ推定手段の実施を途中で停止した場合、すなわち暖機が進んでいない状態のときは、ある程度間隔を空けて再度ＩＶ推定手段が実施される。一方で、ＩＶ推定手段によってＩＶ特性の推定ができた場合、すなわち暖機がある程度進んでいる状態のときは、あまり間隔を空けずに再度ＩＶ推定手段が実施される。そのため、暖機が進んでいない状態のときに、無駄にＩＶ推定手段が実施されるのを抑制できる。また、暖機がある程度進んでいる状態のときは、あまり間隔を空けずに再度ＩＶ推定手段が実施されるので、次に走行許可の可否を判定するまでの時間を短くすることができ、素早く走行許可の可否を判定することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、システム要求上限電流Ｉ_SH（出力電流の上限値）及びシステム要求下限電流Ｉ_SL（出力電流下限値）の少なくとも一方を設定する。そして、ＩＶ推定手段によって出力電流を所定幅で振幅させている場合に、出力電流がシステム要求上限電流Ｉ_SH又はシステム要求下限電流Ｉ_SLに達するか否かを判定する（Ｓ１６，Ｓ２２）。そして、出力電流がシステム要求上限電流Ｉ_SH又はシステム要求下限電流Ｉ_SLに達すると判定したときは、ＩＶ推定手段の実施を停止する。

ＩＶ推定手段によって出力電流を所定幅で振幅させている場合に、出力電流がシステム要求上限電流Ｉ_SH又はシステム要求下限電流Ｉ_SLに達してしまうと、それ以上出力電流を振幅させることができなる。そうすると、出力電流を所定幅で振幅させることができなくなるおそれがあり、ＩＶ特性の推定精度が低下する。

したがって、出力電流がシステム要求上限電流Ｉ_SH又はシステム要求下限電流Ｉ_SLに達すると判定したときは、ＩＶ推定手段の実施を停止することで、ＩＶ特性の推定精度を確保することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の暖機時に、出力電流が所定の暖機用目標電流Ｉ_WUとなるように、負荷への供給電力を調整して燃料電池スタック１を暖機させる。そして、ＩＶ推定手段を実施するときは、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUから上昇させるように負荷への供給電力を調整して、燃料電池スタック１の出力電流を所定幅で振幅させる。

これにより、暖機を促進させるために設定された暖機用目標電流Ｉ_WUから出力電流を低下させずに済むので、暖機性能の悪化を抑制できる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、出力電圧が所定電圧Ｖ₁（第１所定値）以下になったか否かの判断を、出力電流を上昇させているときに実施する。出力電圧は出力電流の上昇に伴って低下する。したがって、出力電圧が低下するシーンでのみこのような判断を実施することで、コントローラ６の演算負荷を軽減させることができる。

（第２実施形態）
なお、本実施形態では燃料電池スタック１の出力電流が所定電流以上の領域で出力電流と出力電圧の関係が一次関数で近似できることを利用し、その領域内で出力電流を一定以上の電流幅で変化させたときの出力電圧の変化をみることでＩＶ特性が推定される。

このような場合において、走行許可の出ていない暖機中にＩＶ特性を精度良く推定するには、図５に示したように、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minから走行許可前上限電流までの間で出力電流を一定量以上の振り幅で変動させる必要がある。

ここで、一定量以上の振り幅を確保するためには、補機消費電流を可能な限り大きくして走行許可前上限電流を大きくすることが望ましい。また、補機消費電流を大きくすることで、自己発熱による燃料電池スタック１の暖機を促進させることもできる。そのため、本実施形態では、出力電流が所定電流以上となる領域内で出力電流を一定以上の電流幅で変化させるために、燃料電池スタック１に接続された補機類の消費電流を大きくすると共に、バッテリ５５にも出力電流が流れるようにしている。

しかしながら、補機類の状況によっては、補機の消費電流を十分に大きくすることができなくなる場合がある。この場合に出力電流を一定以上の電流幅で変化させようとすると、出力電流を所定電流未満の領域で変化させなければならなくおそれがある。出力電流が所定電流未満の領域では、出力電流と出力電圧との関係が一次関数で近似できないので、出力電流を所定電流未満の領域で変化させなければならなくなると、ＩＶ特性の推定精度が悪化する。

例えば、暖機中の燃料電池システム１００の運転状態によっては、冷却水の突沸を防止するためにＰＴＣヒータ４６の消費電流を低下させなければならなくなるなど、補機消費電流を大きくできない場合がある。このような場合、走行許可前上限電流も小さくなるので、例えば走行許可前上限電流から出力電流を一定量だけ低下させると、出力電流がＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを下回るおそれがある。

このように、出力電流を低下させながらパラメータを取得しているときに、出力電流がＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを下回ってしまうと、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min以下の領域では、実出力電流Ｉｒと電圧差ΔＶとの関係を一次関数で近似することができないので、ＩＶ特性の推定精度が著しく低下する。

そこで本発明の第２実施形態では、コントローラ６は、ＩＶ特性を推定するために出力電流を上昇させた後、出力電流を一定量低下させる際に出力電流がＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを下回ると判断したときは、ＩＶ特性の推定を一旦停止することとした。

なお、第２実施形態の燃料電池システムの構成は、図３に示した燃料電池システム１００の構成と同じであるため、以下では同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、暖機中に実施される第２実施形態によるＩＶ特性の推定制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の目標出力電流を、所定の暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇させる。暖機用目標電流Ｉ_WUは、暖機中に駆動することのできる補機類の消費電流に応じて定まる値である。したがって、暖機用目標電流Ｉ_WUは、カソードコンプレッサ２５やＰＴＣヒータ４６の消費電流に応じて変化し、通常は燃料電池スタック１の暖機を促進させるために高い値に設定されている。しかしながら、例えば冷却水の突沸を防止するためにＰＴＣヒータ４６の消費電流を低下させる必要がある場合などは、必要に応じて暖機用目標電流Ｉ_WUは通常よりも低い値に設定される。

ステップＳ３２において、コントローラ６は、出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇していれば、ステップＳ３３の処理を行う。一方でコントローラ６は、出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇していなければ、ステップＳ３１の処理に戻り、引き続き出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUまで上昇させる。

ステップＳ３３において、コントローラ６は、カウントタイマを始動させる。

ステップＳ３４において、コントローラ６は、カウントタイマを始動させてからの経過時間（以下「カウント値」という。）がＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_L以上になったか否かを判定する。ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lの初期値はゼロに設定されている。コントローラ６は、カウント値がＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_L以上となるまで本処理を繰り返す。

ステップＳ３５において、コントローラ６は、カウントタイマを停止させると共に、カウント値をゼロに戻す。

ステップＳ３６において、コントローラ６は、バッテリ要求制限電流算出処理を実施する。この処理は、バッテリ５５の状態に応じて設定される出力電流の上限値（以下「バッテリ要求上限電流Ｉ_BH」という。）及び下限値（以下「バッテリ要求下限電流Ｉ_BL」という。）を算出する処理である。バッテリ要求制限電流算出処理の詳細については、図１７のフローチャートを参照して説明する。

図１７は、バッテリ要求制限電流算出処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３６１において、コントローラ６は、バッテリ充電量及びバッテリ温度に基づいて、バッテリ５５から取り出すことのできる電流の最大値（以下「放電可能電流値」という。）と、バッテリ５５に流すことのできる電流の最大値（以下「充電可能電流値」という。）を算出する。

ステップＳ３６２において、コントローラ６は、暖機用目標電流Ｉ_WUに充電可能電流値を加えた電流値を、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHとして算出する。バッテリ要求上限電流Ｉ_BHは、出力電流がこれよりも大きくなってしまうと、バッテリ５５が過充電状態となり、バッテリ５５を劣化させるおそれのある電流値である。このバッテリ要求上限電流Ｉ_BHが、前述した走行許可前上限電流に相当する。

ステップＳ３６３において、コントローラ６は、暖機用目標電流Ｉ_WUから放電可能電流値を引いた電流値を、バッテリ要求下限電流Ｉ_BLとして算出する。バッテリ要求下限電流Ｉ_BLは、出力電流がこれよりも小さくなると、バッテリ５５が過放電状態となり、バッテリ５５を劣化させるおそれのある電流値である。

以下、再び図１６Ａのフローチャートに戻ってＩＶ特性の推定制御について説明する。

ステップＳ３７において、コントローラ６は、最大電流振り幅ΔＩ_maxを算出する。具体的には、コントローラ６は、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHと、バッテリ要求下限電流Ｉ_BLと、の差分値を、最大電流振り幅ΔＩ_maxとして算出する。

ステップＳ３８において、コントローラ６は、最大電流振り幅ΔＩ_maxが、ＩＶ特性の推定精度を確保するために必要な所定の電流振り幅ΔＩ以上か否かを判定する。コントローラ６は、最大電流振り幅ΔＩ_maxが電流振り幅ΔＩ以上であればステップＳ３９の処理を行う。一方で、最大電流振り幅ΔＩ_maxが電流振り幅ΔＩ未満であればステップＳ４４の処理に戻る。

ステップＳ３９において、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHを算出する。具体的には、コントローラ６は、暖機用目標電流Ｉ_WUに電流振り幅ΔＩを足した電流値Ｉ_btと、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHと、の小さい方を、ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHとして算出する。ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHは、出力電流を振幅させる際の上側の目標値である。

ステップＳ４０において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の目標出力電流をＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHに設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUからＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHに向けて上昇させる。

ステップＳ４１において、コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHまで上昇したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHまで上昇するまで本処理を繰り返す。

ステップＳ４２において、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLを算出する。具体的には、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHから電流振り幅ΔＩを引いた電流値を、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLとして算出する。ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLは、出力電流を振幅させる際の下側の目標値である。

ステップＳ４３において、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min以上か否かを判定する。なお、コントローラ６により実行されるステップ４３の処理は、ＩＶ推定手段の実施中に、燃料電池スタック１の発電状態がＩＶ特性を推定できる良好な状態にあるか否かを判断する判断手段に対応する。

コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min以上であればステップＳ４８の処理を行う。一方でコントローラ６は、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min未満であれば、ＩＶ推定処理を停止するためにステップＳ４４の処理に移行する。すなわち、コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態にあると判断された場合には、ＩＶ推定処理の実施を継続し、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態にないと判断された場合には、ＩＶ推定処理の実施を停止する。

なお、本実施形態では、コントローラ６は、ＩＶ特性の推定精度を確保するために実験等によって予め定められた出力電流の最低値、すなわち固定値をＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minとして設定する。しかしながら、コントローラ６は、燃料電池スタック１のＩＶ特性の回復状況、すなわち燃料電池スタック１の暖機の進み具合に応じてＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを変更するようにしても良い。これは、燃料電池スタック１の暖機が進んでＩＶ特性が回復するほど、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minが小さくなる傾向にあるためである。

ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを燃料電池スタック１の暖機の進み具合に応じて変更する場合は、例えば、コントローラ６は、燃料電池システム１００を起動してからの経過時間が長くなるほど、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを小さな値に設定すれば良い。又は、コントローラ６は、スタック温度が高くなるほど、ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minを小さな値に設定すれば良い。このようにコントローラ６は、ＩＶ推定処理によるＩＶ推定精度を確保するために、ＩＶ推定処理によって燃料電池スタック１の出力電流を変化させる際の出力電流の最低値（ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min）を設定する最低値設定手段を構成する。

本実施形態では、ステップＳ３９において、暖機用目標電流Ｉ_WUに電流振り幅ΔＩを足した電流値Ｉ_btと、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHと、の小さい方を、ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHとして算出している。ここで、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHがＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHとして算出されている場合とは、バッテリ充電量が多く、バッテリ５５の受け入れ可能な電力量が少ないために、暖機用目標電流Ｉ_WUから暖機用目標電流Ｉ_WUに電流振り幅ΔＩを足した電流値Ｉ_btまで出力電流を上昇させることができず、出力電流の上限がバッテリ要求上限電流Ｉ_BHに制限されている場合である。

そのため、例えば冷却水の突沸防止のために暖機用目標電流Ｉ_WUが通常よりも低くなっているときに、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHがＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHとして算出されてしまうと、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min未満となる場合がある。ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min未満となる場合に出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで低下させながら取得したパラメータに基づいてＩＶ特性を推定すると、ＩＶ特性の推定精度が悪くなる。

そこで本実施形態では、このような場合は、以下のステップＳ４４からステップＳ４７で説明するように、ＩＶ推定処理を停止すると共にバッテリ５５を放電させることでバッテリ要求上限電流Ｉ_BHを大きくする。

ステップＳ４４において、コントローラ６は、放電用目標電流Ｉ_tDを算出する。放電用目標電流Ｉ_tDは、暖機用目標電流Ｉ_WUから予め設定された所定値を引いた電流値であって、バッテリ５５を放電させるために設定される出力電流の目標値である。

ステップＳ４５において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の目標出力電流を放電用目標電流Ｉ_tDに設定してＩＶ推定処理を停止し、出力電流をＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHから放電用目標電流Ｉ_tDまで低下させる。これにより、放電用目標電流Ｉ_tDは、暖機用目標電流Ｉ_WUよりも低い値に設定されているので、補機を駆動するために不足する電力がバッテリ５５から供給され、バッテリ５５が放電される。その結果、バッテリ充電量が減少するので、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHは大きくなる。なお、コントローラ６により実行されるステップＳ４３からステップＳ４５までの一連の処理は、ＩＶ推定処理の実施中に、燃料電池スタック１の出力電流が最低値（ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min）を下回ると判断したときは、ＩＶ推定処理の実施を停止するＩＶ推定停止手段に対応する。

ステップＳ４６において、コントローラ６は、出力電流が放電用目標電流Ｉ_tDまで低下したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流が放電用目標電流Ｉ_tDまで低下すればステップＳ４７の処理を行い、低下していなければ低下するまで本処理を繰り返す。

ステップＳ４７において、コントローラ６は、バッテリ５５の放電量が予め設定された所定値以上となったか否かを判定する。コントローラ６は、バッテリ５５の放電量が所定値以上となればステップＳ３６の処理に戻ってＩＶ推定処理を再開する。一方でコントローラ６は、バッテリ５５の放電量が所定値未満であれば、所定値以上となるまで本処理を繰り返す。

ステップＳ４８において、コントローラ６は、燃料電池スタック１の目標出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに設定し、出力電流をＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHからＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させる。

ステップＳ４９において、コントローラ６は、出力電流を降下させている間に、前述した３つのパラメータ（実出力電流、基準電圧及び実出力電圧）を適宜取得する。

ステップＳ５０において、コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下したか否かを判定する。コントローラ６は、出力電流がＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下していればステップＳ５１の処理を行う。一方でコントローラ６は、出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させている途中であれば、ステップＳ４９の処理を行う。

ステップＳ５１において、コントローラ６は、パラメータの取得を終了する。

ステップＳ５２において、コントローラ６は、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定し、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに制御する。

ステップＳ５３において、コントローラ６は、取得した複数のパラメータ群に基づいて、ＩＶ特性を推定する。

ステップＳ５４において、コントローラ６は、走行許可が出せるか否かを判定する。具体的には、コントローラ６は、推定したＩＶ特性が、走行モータ５３を駆動しても燃料電池スタック１の出力電圧がシステム最低電圧Ｖ_minを下回ることのない所定のＩＶ特性になっているか否かを判定する。コントローラ６は、走行許可が出せる場合はステップＳ５５の処理を行い、出せない場合はステップＳ５６の処理を行う。

ステップＳ５５において、コントローラ６は、走行許可を出して、ＩＶ特性の推定制御を終了する。

ステップＳ５６において、コントローラ６は、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを予め設定された所定値に設定する。そして、ステップＳ３３に戻ってカウントタイマを始動させ、カウント値が所定値以上となったらＩＶ推定処理を再開する。

図１８は、本実施形態によるＩＶ特性の推定制御の動作の一例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ２１において、出力電流は暖機用目標電流Ｉ_WUに制御され、最大電流振り幅ΔＩｍａｘも電流振り幅ΔＩ以上となっているので、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHを算出する。時刻ｔ２１では、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHの方が、暖機用目標電流Ｉ_WUに電流振り幅ΔＩを足した電流値Ｉ_btよりも小さい。そのため、コントローラ６は、目標出力電流をバッテリ要求上限電流Ｉ_BHに設定し、出力電流をバッテリ要求上限電流Ｉ_BHに向けて上昇させる。

時刻ｔ２２で、出力電流がバッテリ要求上限電流Ｉ_BHまで上昇すると、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLを算出する。時刻ｔ２２では、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minよりも小さい。そのため、コントローラ６は、目標出力電流を放電用目標電流Ｉ_tDに設定し、出力電流を放電用目標電流Ｉ_tDに向けて降下させる。

時刻ｔ２３で、出力電流が放電用目標電流Ｉ_tDまで降下すると、コントローラ６は、放電量が所定値となるまで出力電流を放電用目標電流Ｉ_tDに制御する。これにより、バッテリ５５が放電され、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHが上昇する。

時刻ｔ２４で、放電量が所定値に達すると、コントローラ６は、最大電流振り幅ΔＩｍａｘも電流振り幅ΔＩ以上となっているかを再び判定する。時刻ｔ２４では、最大電流振り幅ΔＩｍａｘも電流振り幅ΔＩ以上となっているので、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷上げ目標電流Ｉ_tHを算出する。時刻ｔ２４でも、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHの方が暖機用目標電流Ｉ_WUに電流振り幅ΔＩを足した電流値Ｉ_btよりも小さいので、コントローラ６は、目標出力電流をバッテリ要求上限電流Ｉ_BHに設定する。そしてコントローラ６は、出力電流を再びバッテリ要求上限電流Ｉ_BHに向けて上昇させる。

時刻ｔ２５で、出力電流がバッテリ要求上限電流Ｉ_BHまで上昇すると、コントローラ６は、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLを算出する。時刻ｔ２５では、バッテリ５５を放電したことによって、ＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLがＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_minよりも大きくなっている。そのため、コントローラ６は、目標出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに設定し、出力電流をＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLに向けて降下させる。そしてコントローラ６は、出力電流を降下させている間に前述した３つのパラメータ（実出力電流、基準電圧及び実出力電圧）を適宜取得する。

時刻ｔ２６で、出力電流がＩＶ推定用負荷下げ目標電流Ｉ_tLまで降下すると、パラメータの取得を終了して、目標出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUに設定する。そして、コントローラ６は、取得したパラメータに基づいてＩＶ特性を推定し、走行許可が出せるか否かを判定する。

コントローラ６は、走行許可が出せると判定したときは、ＩＶ特性の推定制御を終了する。一方で、走行許可が出せないと判定した場ときは、ＩＶ推定開始許可閾値Ｔ_Lを所定値に設定してカウントタイマを始動させる。そして、時刻ｔ２６からの経過時間が所定値以上となったら、ＩＶ推定処理を再開する。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に接続される補機類やバッテリ５５等の負荷と、を備え、燃料電池スタック１の暖機時に、負荷への供給電力を調整して燃料電池スタック１の出力電流を所定幅変化させ、変化させている間に検出された少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するＩＶ推定手段を実施する。

そして燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の出力に基づいて、ＩＶ推定手段の実施を停止する。例えば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の発電状態、すなわち燃料電池システム１００の運転状態が、ＩＶ推定処理の実施に適した良好な状態であるか否かを判定し、燃料電池システム１００の運転状態が良好な状態でないと判定した場合にＩＶ推定手段の実施を停止する。具体的には、燃料電池システム１００は、補機類の作動状態によってＩＶ特性の推定精度を確保するのに必要となる出力電流の振り幅を確保できない状態のときに限りＩＶ推定手段の実施を停止する。これにより、燃料電池スタック１の出力電流を変化させることに起因して生じるＩＶ特性の推定精度の悪化を回避することができる。

また本実施形態による燃料電池システムは、ＩＶ推定手段によるＩＶ推定精度を確保するために、ＩＶ推定手段によって出力電流を変化させる際の出力電流の最低値（ＩＶ推定精度確保要求下限電流Ｉ_min）を設定し、ＩＶ推定手段の実施中に出力電流が最低値を下回ると判断したときはＩＶ推定手段の実施を停止する。

これにより、出力電流が最低値よりも低い領域で検出された出力電流値及び出力電圧値に基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性が推定されるのを抑制できるので、ＩＶ推定精度の悪化を抑制できる。

このとき、燃料電池スタック１の暖機が進むほど最低値が小さくなるようにすれば、暖機の進み具合に応じた最低値の設定が可能となる。これにより、燃料電池スタック１の暖機が進んでいるときに、ＩＶ推定手段の実施中に出力電流が下回ってＩＶ推定手段の実施が停止される頻度を少なくすることができる。その結果、ＩＶ特性の推定頻度が増加するので、素早く走行許可の可否を判定することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、ＩＶ推定手段の実施を停止したときは、負荷としてのバッテリ５５を放電させた後に、再度ＩＶ推定手段を実施する。

これにより、バッテリ５５の充電量を低下させて、バッテリ５５に流すことのできる電流値（充電可能電流）を増大させることができる。そのため、再度ＩＶ推定手段によって出力電流を所定幅変化させるにあたって、充電可能電流が増大した分だけ出力電流を高い電流値まで上昇させることができる。よって、再度ＩＶ推定手段によって出力電流を所定幅変化させるために出力電流を低下させたときに、出力電流が再び最低値を下回るのを抑制でき、無駄にＩＶ推定手段を繰り返してしまうのを抑制できる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の暖機時に、出力電流が所定の暖機用目標電流Ｉ_WUとなるように負荷への供給電力を調整して燃料電池スタック１を暖機させる。

そしてＩＶ推定手段は、出力電流を暖機用目標電流Ｉ_WUから上昇させた後、所定幅だけ出力電流が低下するように負荷への供給電力を調整すると共に、出力電流を低下させている間に検出された少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。

このように、暖機を促進させるために設定された暖機用目標電流Ｉ_WUから出力電流を上昇させてから出力電流を低下させることで、ＩＶ推定手段の実施中に出力電流が暖機用目標電流Ｉ_WUを下回る頻度を少なくすることができる。よって、ＩＶ推定手段によって出力電流を変化さえたときの暖機性能の悪化を抑制できる。

以上、本発明の第１及び第２実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、第２実施形態では、ステップＳ４７で放電量が所定値以上になるまでバッテリ５５を放電させていたが、放電中にバッテリ要求上限電流Ｉ_BHを算出し、バッテリ要求上限電流Ｉ_BHが所定値以上となるまでバッテリ５５を放電させることとしても良い。

また、上記実施形態では、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンク３６を設けていた。しかしながら、このようなバッファタンク３６を設けずに、例えば、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンク３６の代わりの空間としても良い。ここでいう内部マニホールドとは、アノードガス流路１２１を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路３５へと排出される。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

本願は、２０１４年２月１７日に日本国特許庁に出願された特願２０１４−０２７８０８に基づく優先権を主張するとともに、２０１４年２月１７日に日本国特許庁に出願された特願２０１４−０２７８０９に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続される負荷と、
前記燃料電池の暖機時に、前記負荷への供給電力を調整して前記燃料電池の出力電流を所定幅変化させる電流制御手段と、
変化させている間に検出される少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、前記燃料電池のＩＶ特性を推定するＩＶ推定手段と、
前記ＩＶ推定手段の実施中に、前記燃料電池の出力電圧値の検出値が第１所定値以下になったときは、前記ＩＶ特性を推定するＩＶ推定を停止するＩＶ推定停止手段と、
を備える燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記ＩＶ推定手段によるＩＶ推定精度を確保するために、出力電流を変化させる際の出力電流の最低値を設定する最低値設定手段をさらに備え、
前記ＩＶ推定の実施中に、前記燃料電池の出力電流値が前記最低値を下回ると判断したときは、前記ＩＶ推定を停止する、
燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ＩＶ推定を停止したときは、前記負荷としてのバッテリを放電させた後に、再度前記ＩＶ推定を実施する、
燃料電池システム。
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記最低値設定手段は、
前記燃料電池の暖機が進むほど、前記最低値を小さくする、
燃料電池システム。
請求項２から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機時に、出力電流が所定の暖機用目標電流となるように、前記負荷への供給電力を調整して前記燃料電池を暖機させる暖機手段を備え、
出力電流を前記暖機用目標電流から上昇させた後、出力電流が低下するように前記負荷への供給電力を調整すると共に、
前記ＩＶ推定手段は、出力電流を低下させている間に検出された少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、前記ＩＶ特性を推定する、
燃料電池システム。
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して、前記燃料電池に接続される負荷に応じて発電させる燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の暖機時に、前記負荷への供給電力を調整して前記燃料電池の出力電流を所定幅変化させる電流制御ステップと、
変化させている間に検出される少なくとも２組の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、前記燃料電池のＩＶ特性を推定するＩＶ推定ステップと、
前記ＩＶ推定ステップの実施中に、前記燃料電池の出力電圧値の検出値が第１所定値以下になったときは、前記ＩＶ推定ステップの実施を停止するＩＶ推定停止ステップと、
を備える燃料電池システムの制御方法。