JP2017073376A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの性能向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性化処理により、確実に燃料電池単セルの性能を向上することができる。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度で、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行する処理部と、燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定する陽イオン不純物量推定部と、陽イオン不純物量が多いときには、活性化処理の条件を、陽イオン不純物量が少ないときと比較して、到達電位を低くする、継続時間を長くする、および、処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、を備える。処理部は、処理程度決定部により決定された程度でもって活性化処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの性能向上方法に関する。

燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セル中のカソード電位を一時的に継続時間にわたり、到達電位まで低下させることにより前記燃料電池単セル中の電極触媒の性能を向上させる活性化処理を実行するように構成された燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池単セルのカソード電極の電極触媒では、使用により表面に酸化被膜が形成され、それにより電極触媒の性能が低下することがある。上記の活性化処理は、燃料電池単セル中のカソード電位を一時的に低下させることにより、電極触媒を還元して、それにより電極触媒を覆う酸化被膜を除去して、低下した電極触媒の性能を向上させ、それにより燃料電池単セルの性能を向上させることができる。

特表２００３−５３６２３２号公報

上記の活性化処理について本発明の発明者が検討したところ、燃料電池単セルに所定のカソード電位で活性化処理を実施しても、燃料電池単セルの性能が十分に向上しない場合があることが判明した。燃料電池単セルに所定のカソード電位より低いカソード電位で、すなわち活性化処理の程度を高めて活性化処理を実施すれば、燃料電池単セルがどのような状態であっても電極触媒の性能が向上するようにはできる。しかし、活性化処理の程度を高めて活性化処理を実施すると、活性化処理が過度になり、電極触媒中の金属の溶解が促進され、電極触媒の耐久性が悪化する場合がある。活性化処理を適切な程度で実施でき、燃料電池単セルの性能を確実に向上することが可能な技術が望まれる。

本発明の一の観点によれば、燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、前記燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定するように構成された陽イオン不純物量推定部と、前記陽イオン不純物量が多いときには、前記活性化処理の条件を、前記陽イオン不純物量が少ないときと比較して、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高く決定するように構成された処理程度決定部と、を備え、前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、燃料電池システムが提供される。

本発明の他の観点によれば、燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、ベース出力電流及びベース出力電圧でもって前記燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流からあらかじめ定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持し、前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測し、前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっているとき、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記増加時間よりも短いあらかじめ定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、又は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて、前記活性化処理の条件を、前記到逹電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、を備え、前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、燃料電池システムが提供される。

本発明の更に他の観点によれば、燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、前記燃料電池単セルの出力電圧を所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧のときの出力電流および／または所定の出力電流のときの出力電圧を取得し、前記所定の出力電圧における前記出力電流の値および／または前記所定の出力電流における前記出力電圧の値が相対的に小さいときに、相対的に大きいときに比ベて、前記活性化処理の条件を、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、を備え、前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、燃料電池システムが提供される。

活性化処理を適切な程度で実施でき、燃料電池単セルの性能を確実に向上することができる。

燃料電池システムの構成図である。 燃料電池単セルの部分断面図である。 陽イオン不純物を含まない燃料電池単セルの出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。 陽イオン不純物を含む燃料電池単セルの出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。 陽イオン不純物を含まない燃料電池単セルの所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。 陽イオン不純物を少し含む燃料電池単セルの所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。 陽イオン不純物を多く含む燃料電池単セルの所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。 図５〜図７の現象の理由を説明する図である。 電解質膜の膜抵抗と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。 活性化処理の程度を決定するためのグラフである。 燃料電池単セルの性能向上方法を説明する図である。 陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。 陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。 陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。 電圧落ち込み量と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。 極小値落ち込み量と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。 所要時間と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。 燃料電池システムの性能向上制御のルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池システムの陽イオン不純物量推定制御のルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池システムの活性化処理決定制御ルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池システムの活性化処理制御ルーチンを示すフローチャートである。 別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。 出力電流と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。 別の実施例の陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。 出力電圧と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。 出力電圧及び出力電流と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。 運転時間と陽イオン不純物量との関係を示すテーブルである。 更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セル２を含む積層体を備える。積層体の各燃料電池単セル２は膜電極ガス拡散層接合体２０と、膜電極ガス拡散層接合体２０の両側に配置されたセパレータ（図示せず）とを含む。膜電極ガス拡散層接合体２０は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられたアノード極及びカソード極とを備える。

燃料電池単セル２のアノード極は一端側に隣接する他の燃料電池単セル２のカソード極に、カソード極は他端側に隣接する他の燃料電池単セル２のアノード極にそれぞれセパレータを介して電気的に接続される。積層体の一端側の燃料電池単セル２のアノード極と他端側の燃料電池単セル２のカソード極とは燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０が出力する出力電流・出力電圧の大きさを制御すると共に、出力された出力電流・出力電圧の大きさを変換してインバータ１２に供給するためのものである。インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、燃料電池単セル２内には、アノード極に燃料ガスである水素ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セル２に冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セル２の燃料ガス流通路を並列に接続し、複数の燃料電池単セル２の酸化剤ガス流通路を並列に接続し、及び、複数の燃料電池単セル２の冷却水流通路を並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び、冷却水通路５０がそれぞれ形成される。燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び、冷却水通路５０は、それぞれ燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガス用マニホールド、及び、冷却水用マニホールドを含む。

燃料ガス通路３０の入口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料ガス源３２からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内には上流側から順に、アノードオフガスを気液分離する気液分離器３７と、気液分離器３７に蓄積された液体の排出を制御する排出制御弁３８が配置される。気液分離器３７の上部には燃料ガス循環管８１の入口が連通され、燃料ガス供給管３１における燃料ガスインジェクタ３５よりも上流の箇所には燃料ガス循環管８１の出口が連通される。燃料ガス循環管８１内には、気液分離器３７内の気体、すなわち気液分離されたアノードオフガスを圧送する燃料ガス循環ポンプ３９が配置される。燃料ガス循環ポンプ３９が駆動されると、気液分離器３７に蓄積されたアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環される。図示しない別の実施例では、アノードオフガス管３６内の気液分離器３７が省略される。

また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は酸化剤ガス源４２に連結される。図１に示される実施例では、酸化剤ガス源４２は大気から形成される。酸化剤ガス供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、酸化剤ガスを圧送する空気供給器ないしターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４７が配置される。更に、インタークーラ４５下流の酸化剤ガス供給管４１に酸化剤ガスバイパス管４９の入口が連結され、酸化剤ガスバイパス管４９の出口がカソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に連結される。酸化剤ガスバイパス管４９内には、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が配置される。酸化剤ガスバイパス制御弁４８は、燃料電池スタック１０を迂回して酸化剤ガス供給管４１からカソードオフガス管４６へ流れる空気の流量を制御する。図１に示される燃料電池システムＡでは酸化剤ガスバイパス制御弁４８は三方弁から形成される。ターボコンプレッサ４４が駆動され、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が、酸化剤ガス供給管４１における酸化剤ガスバイパス制御弁４８よりも上流側の上流側酸化剤ガス供給管４１Ｕに、酸化剤ガス供給管４１における酸化剤ガスバイパス制御弁４８よりも下流側の下流側酸化剤ガス供給管４１Ｄを連通すると、酸化剤ガスが燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。また、酸化剤ガスバイパス制御弁４８が上流側酸化剤ガス供給管４１Ｕに酸化剤ガスバイパス管４９を連通すると、ターボコンプレッサ４４から吐出された空気の一部又は全部が酸化剤ガスバイパス管４９を介してカソードオフガス管４６に供給される。図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。

酸化剤ガスバイパス管４９の出口下流のカソードオフガス管４６内には希釈器８０が設けられる。この希釈器８０にはアノードオフガス管３６の出口が連結される。希釈器８０では、希釈器８０から大気に排出されるガス中の水素ガス濃度が許容値以下になるように、アノードオフガスに含まれる水素ガスがカソードオフガスにより希釈される。なお、希釈器８０に流入するカソードオフガスには、酸化剤ガスバイパス管４９からの酸化剤ガスも含まれる。

また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水通路５０の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３下流であってラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池スタック１０の出力電流及び出力電圧を計測する出力センサ１６の出力信号、積層体の複数の燃料電池単セル２のそれぞれの出力電流及び出力電圧を計測する出力センサ１７の出力信号、燃料電池スタック１０の温度を計測する温度センサ１８の出力信号、車両のトランスミッションのレンジを検出するレンジセンサ１９の出力信号、及び、燃料電池システムＡ内の圧力センサ（図示せず）等の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に所定時間間隔（例示：０．１ｍｓ）ごとに入力される。入力ポート６５に入力された各センサ等からの出力信号は、データとしてＲＡＭ６３に格納され、運転履歴として記憶される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、排出制御弁３８、燃料ガス循環ポンプ３９、ターボコンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、酸化剤ガスバイパス制御弁４８、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。

ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び燃料ガスインジェクタ３５が開弁され、燃料ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。

図２に示すように、燃料電池単セル２では、膜電極ガス拡散層接合体２０の電解質膜５ｅの一側に形成されたアノード極５ａはアノード電極触媒層５ａｓとアノードガス拡散層５ａｄとを備え、電解質膜５ｅの他側に形成されたカソード極５ｃはカソード電極触媒層５ｃｓとカソードガス拡散層５ｃｄとを備えている。膜電極ガス拡散層接合体２０のアノード極５ａ側にはアノードセパレータ３ａが配置され、カソード極５ｃ側にはカソードセパレータ３ｃが配置されている。

電解質膜５ｅの材料、すなわち電解質材料としては、例えばパーフルオロスルホン酸のような陽イオン伝導性を有するフッ素系の陽イオン交換樹脂が挙げられ、具体的にはナフィオン（登録商標）が例示される。アノード電極触媒層５ａｓ及びカソード電極触媒層５ｃｓの電極触媒の材料としては、例えば白金又は白金合金を担持した触媒担持カーボンが挙げられる。図示しない別の実施例では、電解質膜５ｅと同様の電解質材料、例えばフッ素系の陽イオン交換樹脂で形成されるアイオノマーが触媒担持カーボンに加えられる。アノードガス拡散層５ａｄ及びカソードガス拡散層５ｃｄの材料としては、導電性を有する多孔体、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボンのようなカーボン多孔体や、金属メッシュ、発泡金属のような金属多孔体が挙げられる。アノードセパレータ３ａ及びカソードセパレータ３ｃの材料としては、例えばステンレスやＴｉのような金属が挙げられる。

図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス流量及び酸素ガス流量、すなわち目標燃料ガス流量及び目標酸素ガス流量が求められ、目標酸素ガス流量に基づいて目標酸化剤ガス流量が求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる燃料ガス流量が目標燃料ガス流量となるようにレギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量となるようにターボコンプレッサ４４及びカソードオフガス制御弁４７が制御される。

ところで、燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの運転中に、燃料電池スタック１０における燃料電池単セル２のカソード電極触媒層５ｃｓの電極触媒（例示：白金又は白金合金）上に酸化被膜が形成され、それにより電極触媒の性能が低下して、燃料電池単セル２の性能が低下することがある。それに対処するために、燃料電池システムＡにおいて、燃料電池システムＡの運転中に、カソード極５ｃ側の空気を絞り、燃料電池単セル２のカソード電位を一時的に低下させる活性化処理を行い、電極触媒の性能を向上させることが行われる。ところが、活性化処理を行っても、原因は不明であるが燃料電池単セルの性能が十分に向上しない場合が起こることがある。そこで本発明の発明者は、活性化処理で燃料電池単セル２の性能が十分に向上しない場合の原因を解明するべく、その原因として電解質膜５ｅ内の金属の陽イオン（カチオン）不純物の量に着目した。

ここで、その陽イオンは、燃料電池システムＡの運転中に、燃料電池スタック１０に供給される空気に同伴されることなどにより、燃料電池スタック１０の燃料電池単セル２内に入り込んだ陽イオンである。この陽イオンとしては、融雪剤に含まれるＣａ、Ｎａなど、及び、燃料電池システムＡの部品に含まれるＦｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌなどが考えられる。燃料電池単セル２の電解質膜５ｅとしてはナフィオン（登録商標）に例示される陽イオン交換膜が用いられているため、この陽イオンが燃料電池単セル２内に入ると、陽イオン交換膜内に侵入してそのまま膜内に留まり、膜内のスルホン酸基を置換してしまう。そのため、膜内の陽イオンの量が増加すると、陽イオン交換膜内でＨ^＋イオンの伝導に関わるスルホン酸基が減少して、Ｈ^＋イオンが移動し難くなり、すなわちプロトン伝導性が低下して、電池性能が劣化してしまう。したがって、陽イオン不純物の量が多い場合、活性化処理の効果が陽イオン不純物による電池性能の劣化に隠れてしまい、燃料電池単セル２の性能の向上に結び付かない可能性が考えられる。

そして、本発明の発明者が電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量と活性化処理との関係について検討した結果、以下の事実を見出した。すなわち活性化処理を行うとき、陽イオン不純物量が少ないときには、活性化処理の程度が低くても高くても燃料電池単セル２の性能向上の度合いはほぼ同じであるが、陽イオン不純物量が多いときには、活性化処理の程度が低いと燃料電池単セル２の性能向上の度合いは小さく、活性化処理の程度が高いと燃料電池単セル２の性能向上の度合いは大きくなる。すなわち、活性化処理による燃料電池単セル２の性能向上の度合いは陽イオン不純物量の大きさに依存しており、活性化処理を行ったにも拘らず燃料電池単セル２の性能の向上が十分でないのは、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物が多いにも拘らず活性化処理の程度が低いこと、すなわち陽イオン不純物量を考慮した活性化処理を行っていないことが原因である。したがって、活性化処理により燃料電池単セル２の性能を確実に向上させるためには、陽イオン不純物量に応じて活性化処理の程度を変更する必要がある。以下、陽イオン不純物量に応じて活性化処理の程度を変更する、本発明の燃料電池システムＡについて詳細に説明する。

まず、燃料電池単セル２中の電解質膜５ｅに含まれる陽イオン不純物量と活性化処理との関係について説明する。

図３は、電解質膜５ｅが陽イオン不純物を含んでいない場合での燃料電池単セル２の出力電圧と出力電流との関係、すなわちＩＶ特性を示すグラフである。図４は、電解質膜５ｅが陽イオン不純物を含んでいる場合での燃料電池単セル２のＩＶ特性を示すグラフである。両図において、横軸は出力電流密度を示し、縦軸は出力電圧を示す。本実施例では、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量を表す指標の一例として、電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換された割合、すなわちスルホン酸基置換割合を用いる。図３の場合でのスルホン酸基置換割合は０％であり、図４の場合でのスルホン酸基置換割合は３０％である。また、燃料電池単セル２としては１ｃｍ^２セルを用い、燃料ガス／酸化剤ガスとしてはＨ_２／Ａｉｒ（１Ｌ／ｍｉｎ）を用い、燃料電池単セル２の温度を８３℃（相対湿度３０％）として実験を行った。

図３及び図４において、曲線ＥＩ０１及び曲線ＥＩ０２は、このＩＶ特性を計測する直前に、その燃料電池単セル２のカソード電位を０Ｖに３０分間継続して保持した場合を示す。ただし、本実施例では、直前に保持するカソード電位を前保持電位と称し、したがってこの場合の前保持電位は０Ｖとなる。一方、図３及び図４において、曲線ＥＩ１１及び曲線ＥＩ１２は、このＩＶ特性を計測する直前に、その燃料電池単セル２のカソード電位を０．６Ｖに３０分間継続して保持した場合、すなわち前保持電位が０．６Ｖの場合を示す。

言い換えると、曲線ＥＩ０１及び曲線ＥＩ０２は、カソード極５ｃ側の酸化剤ガス流量は絞っていないが、実質的には、燃料電池単セル２に対して到達電位が０Ｖで継続時間が３０分である活性化処理を実行して、燃料電池単セル２の性能を向上させた後のＩＶ特性を示している。同様に、曲線ＥＩ１１及び曲線ＥＩ１２は、カソード極５ｃ側の酸化剤ガス流量は絞っていないが、実質的には、燃料電池単セル２に対して到達電位が０．６Ｖで継続時間が３０分である活性化処理を実行し、燃料電池単セル２の性能を向上させた後のＩＶ特性を示している。

上記の図３に示すように、曲線ＥＩ０１及び曲線ＥＩ１１はほぼ重なっている。したがって、陽イオン不純物で汚染されていない燃料電池単セル２の場合、活性化処理の到達電位を０Ｖにしても、０．６Ｖにしても、性能（ＩＶ特性）の向上の度合いは変わらないことが判明した。言い換えると、燃料電池単セル２の活性化処理の効果は、活性化処理の到達電位に依らずほとんど変わらず、したがって陽イオン不純物で汚染されていない場合、活性化処理の程度が低くても（例示：０．６Ｖ）、燃料電池単セル２の性能が向上することが判明した。

一方、上記の図４に示すように、曲線ＥＩ０２と比較して曲線ＥＩ１２は大きく低下している。したがって、陽イオンの不純物で汚染されている燃料電池単セル２の場合、活性化処理の到達電位を０．６Ｖとすると、０Ｖとする場合と比較して、性能（ＩＶ特性）の向上の度合は低いことが判明した。言い換えると、燃料電池単セル２の活性化処理の効果は、活性化処理の到達電位に依り大きく変わり、したがって陽イオン不純物で汚染されている場合、活性化処理の程度が高いほど（例示：０Ｖ）、燃料電池単セル２の性能が向上することが判明した。

上記の図３及び図４のような実験結果をまとめたものが図５〜図７である。
図５は、燃料電池単セル２中の電解質膜５ｅのスルホン酸基置換割合が０％のときの燃料電池単セル２の所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。横軸は前保持電位を示し、縦軸は出力電流密度を示す。図５における曲線Ａ０１、Ａ０２及びＡ０３はカソード極５ｃに供給される酸化剤ガス中の酸素濃度がそれぞれ１６％、５％及び１％の場合であり、曲線が２本ずつあるのは測定を２回ずつ行っていることを示す。また、図５に示す曲線Ａ０１、Ａ０２及びＡ０３は、燃料電池単セル２のカソード電位を前保持電位で継続して３０分間保持した後のＩＶ特性を計測し、所定出力電圧での出力電流密度と前保持電位との関係を示している。なお、そのＩＶ特性は、実質的には、燃料電池単セル２に対して到達電位が前保持電位であり継続時間が３０分である活性化処理を実行して、燃料電池単セル２の性能を向上させた後のＩＶ特性である。

図５に示すように、燃料電池単セル２中の電解質膜５ｅのスルホン酸基置換割合が０％、すなわち陽イオン不純物で汚染されていない場合、出力電流密度は前保持電位に依存せずほぼ一定である。よって燃料電池単セル２の性能の向上の度合いは、活性化処理の到達電位に依存せずほぼ一定である。したがって、陽イオン不純物で汚染されていない場合、活性化処理の程度を相対的に低くしても、燃料電池単セル２の性能の向上には十分であると考えることができる。これは、酸素濃度が異なっても、すなわち出力電流密度が異なっていても同様である。

一方、図６及び図７は、燃料電池単セル２中の電解質膜５ｅのスルホン酸基置換割合が３０％及び７０％のときの燃料電池単セル２の所定出力電圧における出力電流密度と前保持電圧との関係を示すグラフである。各図における、横軸、縦軸、曲線Ａ１１、Ａ１２及びＡ１３並びに曲線Ａ２１、Ａ２２及びＡ２３については、図５の場合と同様である。

図６や図７に示すように、燃料電池単セル２中の電解質膜５ｅのスルホン酸基置換割合が３０％や７０％、すなわち陽イオン不純物で汚染されている場合、同じ出力電圧でも出力電流密度は前保持電位に依存して変化し、前保持電位が小さいほど出力電流密度が高くなる。よって燃料電池単セル２の性能の向上の度合いは、活性化処理の到達電位に依存して変化し、到達電位が小さいほど性能が向上する。そして、この傾向は、陽イオン不純物量が多いほど高くなる。したがって、陽イオン不純物で汚染されている場合、陽イオン不純物量が多いときには、陽イオン不純物量が少ないときと比較して、活性化処理の程度を高くすることで、燃料電池単セル２の性能の向上を適切に行えると考えることができる。これは、酸素濃度が異なっても、すなわち出力電流密度が異なっていても同様である。

上記図５〜図７の現象のメカニズムは、例えば以下の様に考えることができる。図８は、上記図５〜図７の現象の理由を説明する図である。図８（Ａ）は前保持電位を低電位にした場合、すなわち活性化処理の程度を高くした場合を示し、図８（Ｂ）は前保持電位を高電位にした場合、すなわち活性化処理を弱くした場合を示し、Ｍ^＋は陽イオンを示し、Ｈ^＋はプロトン（水素イオン）を示す。上記図５〜図７の現象は、電極触媒の酸化被膜の除去だけでは説明できず、以下の様に考えられる。通常運転ではカソード電位が比較的高いため、例えば図８（Ｂ）に示されるように陽イオンが偏った状態にあるが、程度を高くして活性化処理を行うと、アノード極５ａとカソード極５ｃとの電位差が小さくなり、陽イオンがカソード極側に偏らなくなって、図８（Ａ）のように陽イオンが分散した状態に改善すると考えられる。一方、程度を低くして活性化処理を行うと、アノード極５ａとカソード極５ｃとの電位差が小さくならないため、陽イオンがカソード極側に偏ったままとなり、図８（Ｂ）の状態のままあまり変わらないと考えられる。したがって、活性化処理の直後には、程度の高い場合には図８（Ａ）の状態になり、程度の低い場合には図８（Ｂ）の状態になり、これらの状態でＩＶ特性を調べると、図５〜図７のような特性になると考えられる。

また、上述のように、活性化処理によりカソード電位を低電位に保持することは、陽イオンが電解質膜５ｅのカソード極側に偏在することを解消することになる（図８（Ａ））。したがって、活性化処理は、カソード電極の電極触媒の酸化被膜を除去する効果に加えて、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物の偏りを是正して、陽イオン不純物を均一に分布させる効果があると考えられる。言い換えると、燃料電池単セル２の性能低下の原因は、電極触媒の酸化被膜だけでなく、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物の偏りであると考えられる。しかし、本実施例の活性化処理は、電極触媒の酸化被膜を除去するだけでなく、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物を均一に分布させることができるので、燃料電池単セル２の性能をより向上させることができる。

以上の結果から、本実施例では、カソード電位を単に所定の到達電位に低下させるだけの従来の活性化処理ではなく、陽イオン不純物量に応じて程度を変化させる新規の活性化処理を実施する。すなわち、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量がゼロの場合や非常に少ない場合には、活性化処理としては主に電極触媒の酸化被膜が除去されればよいので、活性化処理の程度を相対的に低くする。この場合、陽イオン不純物の偏りを解消する必要はない。その結果、電極触媒の性能が向上し、それにより燃料電池単セル２の性能が向上する。一方、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量が多い場合には、活性化処理としては電極触媒の酸化被膜が除去され、かつ陽イオン不純物の偏りが解消される必要があるので、活性化処理の程度を相対的に高くする。その結果、電極触媒の性能が向上すると共に陽イオン不純物の偏りが解消し、それにより燃料電池単セル２の性能が向上する。このように、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量が多いときには活性化処理の程度を高くし、陽イオン不純物量が少ないときには活性化処理の程度を低くすることで、電極触媒の性能が十分に向上し、且つ、電極触媒から金属が溶出する量を抑制することができる。

ここで、活性化処理の程度は、カソード電位の到達電位の高さ、カソード電位の到達電位の継続時間の長さ、又は、活性化処理の頻度で表される。活性化処理の程度の変更は、これらのうち一つの変更によってもよいし、いくつかを組み合わせて変更してもよい。ここで、カソード電位の到達電位の高さを用いる場合、活性化処理の程度を高くするときには到達電位を低く決定する。また、カソード電位の到達電位の継続時間の長さを用いる場合、活性化処理の程度を高くするときには継続時間を長く決定する。また、活性化処理の頻度を用いる場合、活性化処理の程度を高くするときには活性化処理の頻度を多く決定する。電位変化時において陽イオン不純物の移動速度が遅いが、継続時間を長くすれば、陽イオン不純物のカソード極への偏りを是正できると考えられるからである。また頻度を多くすれば、低電位に保持する積算時間が長くなるため、継続時間を長くするのと同様の効果が得られると考えられるからである。

本実施例では、活性化処理の程度として、カソード電位の到達電位の高さ、カソード電位の到達電位の継続時間の長さ、及び、活性化処理の頻度を組み合わせて用いる。到達電位の範囲としては、例えば０．６Ｖ〜０．０５Ｖが挙げられる。継続時間の範囲としては、例えば１秒間〜連続が挙げられる。活性化処理の頻度を表すインターバルとしては、例えば１分毎〜連続が挙げられる。本実施例における活性化処理の程度の組み合わせの一例を下記の表１に示す。

表１において、活性化処理の程度が四段階に分かれている。活性化処理の程度が最も低いＬ４の場合、到達電位は０．６Ｖ、継続時間は１秒間、及び、頻度は１０分毎である。活性化処理の程度が二番目に低いＬ３の場合、到達電位は０．４Ｖ、継続時間は５秒間、及び、頻度は５分毎である。活性化処理の程度が二番目に高いＬ２の場合、到達電位は０．２Ｖ、継続時間は１０秒間、及び、頻度は１分毎である。活性化処理の程度が最も高いＬ１の場合、到達電位は０．０５Ｖ、継続時間は条件充足期間中、及び、頻度は連続である。表１で示されるデータは、例えば電子制御ユニット６０のＲＯＭ６２に格納されている。

活性化処理の程度を決定する指標として、上述の電解質膜５ｅの陽イオン不純物量だけでなく、それに加えて他の要素、例えば燃料電池スタック１０の温度や運転出力の履歴を用いてもよい。

例えば、燃料電池スタック１０の温度は、電解質膜５ｅの相対湿度、すなわち単位体積当たりの水分濃度（含水率）に対応しており、燃料電池スタック１０の温度と電解質膜５ｅの相対湿度とは相関がある。燃料電池スタック１０の温度が相対的に高い場合、電解質膜５ｅの相対湿度（水分濃度）は低くなるので、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物の影響が大きくなる。そのことは、図９に示すデータからも明らかである。図９は電解質膜の膜抵抗と陽イオン不純物量との関係の一例を示すグラフである。ただし、縦軸は電解質膜５ｅの膜抵抗、すなわち電解質膜５ｅ中のプロトン（Ｈ^＋）の移動抵抗を示し、横軸はスルホン酸基置換割合を示す。また、曲線Ｂ１は電解質膜５ｅの相対湿度が３０％の場合を示し、曲線Ｂ２は電解質膜５ｅの相対湿度が８０％の場合を示す。図に示されるように、相対湿度が低いほど（曲線Ｂ１）、膜抵抗が高くなる、すなわち電池性能が低下する傾向にあるが（プロトン移動抵抗は発電性能に相関する（負の相関がある））、それに加えてスルホン酸基置換割合（陽イオン不純物量）が高いほどその傾向強くなる。そのため、電解質膜５ｅの相対湿度が低い、すなわち燃料電池スタック１０の温度が高い条件では、同一の陽イオン不純物量でも電池性能の低下が大きく、活性化処理のよる効果が大きくなることが分る。したがって、陽イオン不純物量が同じでも、電解質膜５ｅの相対湿度が低い、すなわち燃料電池スタック１０の温度が相対的に高い場合には、電解質膜５ｅの相対湿度が高い、すなわち燃料電池スタック１０の温度が低いときに比べて活性化処理の程度を高くする。例えば、燃料電池スタック１０の温度でいえば、閾値温度（例示：８０℃）を設定し、閾値温度以上の場合と閾値温度未満の場合とで活性化処理の程度を変更する方法が考えられる。その場合、閾値温度のデータは、例えば電子制御ユニット６０のＲＯＭ６２に格納されている。

図１０は、活性化処理の程度を決定するためのグラフである。このグラフは、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量及び燃料電池スタック１０の温度と活性化処理の程度である上記表１のＬ１〜Ｌ４の四段階との関係を示している。ここで、横軸は陽イオン不純物量を示し、縦軸は活性化処理の程度を示す。また、直線Ｔ０１は温度センサ１８で示される温度が８０℃以上の場合のグラフであり、直線Ｔ０２は温度センサ１８で示される温度が８０℃未満の場合のグラフである。グラフは、活性化の程度が高い方から順にＲ１領域、Ｒ２領域、Ｒ３領域及びＲ４領域と区画される。図１０で示されるデータは、例えば電子制御ユニット６０のＲＯＭ６２に格納されている。

活性化処理の程度は、推定された陽イオン不純物量及び測定された燃料電池スタック１０の温度に応じて定まる直線Ｔ０１又は直線Ｔ０２上の点で示される活性化処理の程度がＲ１領域、Ｒ２領域、Ｒ３領域及びＲ４領域のうちのどの領域にあるかで決定する。直線上の点で示される活性化処理の程度がＲ１領域にある場合、活性化処理の程度はＬ１と決定される。直線上の点で示される活性化処理の程度がＲ２領域にある場合、活性化処理の程度はＬ２と決定される。直線上の点で示される活性化処理の程度がＲ３領域にある場合、活性化処理の程度はＬ３と決定される。直線上の点で示される活性化処理の程度がＲ４領域にある場合、活性化処理の程度はＬ４と決定される。例えば、陽イオン不純物量がＣＡＣ１と推定され、燃料電池単セル２の温度が８０℃未満の場合、直線Ｔ０２上の点Ｑ２が特定され、点Ｑ２が領域Ｒ３にあるので活性化処理の程度としてＬ３が選択される。また、例えば、陽イオン不純物量がＣＡＣ１と推定され、燃料電池単セル２の温度が８０℃以上の場合、直線Ｔ０１の点Ｑ１が特定され、点Ｑ１が領域Ｒ１にあるので活性化処理の程度としてＬ１が選択される。

以上に基づいて、燃料電池システムＡでは、燃料電池システムＡの運転中に燃料電池単セル２の性能を向上すべきときには、以下の活性化処理を用いて燃料電池単セル２の性能向上を行う性能向上制御を行う。

図１１は、燃料電池単セルの性能向上方法を説明する図である。左縦軸は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴ、右縦軸は燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴ（ただし電流密度で表示）、横軸は時間である。実線の曲線は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを示し、破線の曲線は燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴを示す。アノード電位が０Ｖであるため、出力電圧ＶＯＵＴはカソード電位ということができる。また、燃料電池システムＡは、運転中に無負荷状態、すなわちアイドル運転になったときでも、燃料電池スタック１０に一定の微小な出力電流、すなわちアイドル出力電流を流すことで、アノード極５ａとカソード極５ｃとの間に開放電圧が印加されないようにして、アノード電極触媒層５ａｓ及びカソード電極触媒層５ｃｓの劣化を防止している。そのときの出力電圧ＶＯＵＴはアイドル出力電圧となる。

図１１に示す実施例では、アイドル出力電流ＩＡ０及びアイドル出力電圧ＶＡ０でもって燃料電池システムＡがアイドル運転されているときに、燃料電池単セル２の性能向上制御が好適に行われる。その理由は、燃料電池単セルの性能向上方法において行われる活性化処理では酸化剤ガスの供給を絞ることにより、燃料電池の出力が低下するが、アイドル運転時には燃料電池に対する要求出力が小さいため、加速性能等の車両の挙動にほとんど影響を与えないからである。本実施例では、Ｐ（パーキング）レンジにありかつイグニッションスイッチがオンのときときにはアイドル運転が行われるようになっているので、Ｐレンジにあるか否かを判断することにより、アイドル運転が行われているか否かが判別できる。図示しない別の実施例では、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、出力センサ１７からの出力信号に基づいて、燃料電池スタック１０がＰレンジでのアイドル運転であるか否を判別する。また、本実施例では、トランスミッションがＰレンジに位置するときのアイドル運転時に燃料電池単セルの性能向上方法を実施する。その理由は、トランスミッションがＤ（ドライブ）レンジのときのアイドル運転時には、アイドル運転から負荷に応じた出力電流及び出力電圧で作動する通常運転に直ちに移行する場合があり、活性化処理で酸化剤ガスの供給が絞られていると、その通常運転に支障がでるおそれがあるためである。あるいは、活性化処理を中断する必要があるからである。これに対し、Ｐレンジにあるときには、Ｄレンジにあるときに比べて、長時間にわたるアイドル運転が期待できる。したがって、アイドル出力電流ＩＡ０は、燃料電池単セル２の性能向上制御を行っていないＰレンジでのアイドル運転時の燃料電池スタック１０の目標電流値である。

図１１を参照すると、時間ｔａ１において、まず、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、トランスミッションのレンジセンサ１９からトランスミッションのレンジを示す出力信号を受信する。トランスミッションがＰレンジでないときには、燃料電池単セル２の性能向上制御は終了し、通常運転が行われる。通常運転では燃料電池スタック１０が車両からの負荷要求に応じた出力電流及び出力電圧により運転される。

トランスミッションがＰレンジになったとき、現在実行すべき燃料電池単セル２の活性化処理制御に関する活性化処理の程度が設定済みになっていないときには、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量が推定される。すなわち、時間ｔａ１〜ｔａ２において、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、陽イオン不純物量推定制御を実行する。ただし、陽イオン不純物量推定制御については後述される。その結果、時間ｔａ２において、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量、すなわち本実施例ではスルホン酸基置換割合が推定される。一方、活性化処理の程度が設定済みになったときには、活性化処理を実行する活性化処理制御が実施される。活性化処理制御は後述される。

続いて、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、活性化処理程度決定制御を実行する。まず、燃料電池スタック１０の温度が計測される。すなわち、時間ｔａ２において、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、温度センサ１８から燃料電池スタック１０の温度を取得する。温度センサ１８は燃料電池スタック１０の温度を計測するように構成された温度計測部と見ることができる。さらに、既述のように燃料電池スタック１０の温度は電解質膜５ｅの相対湿度と相関があり、例えば燃料電池スタック１０の温度が相対的に高い場合、電解質膜５ｅの相対湿度は低くなる。したがって、温度センサ１８は、電解質膜５ｅの相対湿度と相関するパラメータの値を計測する相関パラメータ計測部と見ることができる。

そして、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量及び燃料電池スタック１０の温度に基づいて、ＲＯＭ６２に格納された図１０のグラフを示すデータ及び表１の内容を示すデータを参照して、活性化処理の程度をＬ１〜Ｌ４の中から決定する。この図の例では、活性化処理の程度は、到達電位ＶＡ１、処理頻度Δｔａｉ毎、及び、継続時間Δｔａｐと決定される。電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）は、陽イオン不純物量等に基づいて活性化処理の程度を決定するように構成された処理程度決定部と見ることができる。

その後、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、決定された活性化処理の程度に基づいて、活性化処理制御を実行する。すなわち、ターボコンプレッサ４４によりカソード極５ｃへの酸化剤ガスの供給を所定の流量に絞りつつ、処理頻度Δｔａｉ毎に、継続時間Δｔａｐの間、出力電圧ＶＯＵＴ、すなわちカソード電位を到達電位ＶＡ１に維持するという活性化処理を実行する。すなわち、まず時間ｔａ２から時間ｔａ３までの間、電子制御ユニット６０からの指令値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は出力電圧ＶＯＵＴをアイドル出力電圧ＶＡ０に、出力電流ＩＯＵＴをアイドル出力電流ＩＡ０に維持する。その後、時間ｔａ３から時間ｔａ４までの間、電子制御ユニット６０からの指令値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は出力電圧ＶＯＵＴを到達電位ＶＡ１に変更し、それにより活性化処理を実施する。電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）、ターボコンプレッサ４４及びＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、燃料電池単セル中のカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と見ることができる。

以後、同様にして動作し、例えば時間ｔａ４から時間ｔａ５までの間、出力電圧ＶＯＵＴはアイドル出力電圧ＶＡ０に、出力電流ＩＯＵＴはアイドル出力電流ＩＡ０に維持される。その後、時間ｔａ５から時間ｔａ６までの間、出力電圧ＶＯＵＴは到達電位ＶＡ１に、出力電流ＩＯＵＴは到達電流ＩＡ１に変更され、それにより活性化処理が実施される。なお、処理頻度が「連続」の場合には、図１１における出力電圧ＶＯＵＴをアイドル出力電圧ＶＡ０に保持する期間Δｔａｘは０（ゼロ）となる。

その後、例えば時間ｔａ７において、カソード電極の電極触媒の活性化処理を実行すべきでない、例えば車両のトランスミッションがＤ（ドライブ）レンジに移動された場合には、電子制御ユニット６０（ＣＰＵ６４）が、活性化処理を禁止する。

上記実施例の陽イオン不純物量推定制御はアイドル運転のときに実施されているが、図示しない別の実施例では陽イオン不純物制御はアイドル運転でないときに実施される。

また、上記実施例の活性化処理程度決定制御では、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量及び燃料電池スタック１０の温度を参照しているが、図示しない別の実施例では、電解質膜５ｅの陽イオン不純物量のみを参照する、又は、燃料電池スタック１０の温度及び燃料電池スタック１０の運転出力のうちの少なくとも一つと電解質膜５ｅの陽イオン不純物量とを参照する。

また、上記実施例では、活性化処理程度決定制御において、相対湿度と相関するパラメータとして燃料電池スタック１０の温度を参照しているが、図示しない別の実施例では燃料電池スタック１０の温度の代わりに、燃料電池単セル２の電解質膜５ｅの相対湿度を推定できる他のパラメータを用いる。相対湿度と相関する他のパラメータとしては、例えば燃料電池単セル２のインピーダンス、燃料電池単セル２の電解質膜５ｅの近傍のガスの湿度、燃料電池スタック１０における冷却水供給管５１の燃料電池単セル２近傍の温度が挙げられる。例えば、インピーダンスが高い場合、電解質膜５ｅ中の水分が低くなり導電率が低下していると推定されるので、相対湿度が低いということができる。電解質膜５ｅの近傍のガスの湿度が低い場合、電解質膜５ｅ中からも水分が蒸発して少なくなっていると推定されるので、相対湿度が低いということができる。冷却水供給管５１の燃料電池単セル２近傍の温度が高い場合、電解質膜５ｅ中の水分がより蒸発して少なくなっていると推定されるので、相対湿度が低いということができる。

次に、燃料電池スタック１０の燃料電池単セル２の電解質膜５ｅ内における陽イオン不純物量の推定方法について説明する。陽イオン不純物量の推定方法としては、本発明の発明者が開発した以下の方法を用いることができる。すなわち、燃料電池システムＡの運転中に燃料電池単セル２の出力電流をステップ状に増加させて保持したときの燃料電池単セル２の出力電圧の挙動を計測する方法である。それは、本発明の発明者が発見した、燃料電池システムＡの運転中に、燃料電池単セル２の出力電流をステップ状に増加させて保持したときの燃料電池単セル２の出力電圧の挙動と、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量とが相関関係を有する、という事実に基づいている。以下、図面を参照して詳細に説明する。

図１２は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図である。この図は、燃料電池単セル２においてステップ状に出力電流ＩＯＵＴを増加させたときの出力電圧ＶＯＵＴの挙動を模式的に示している。ただし、左縦軸は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴ、右縦軸は燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴ（ただし電流密度で表示）、横軸は時間である。実線の曲線は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを示し、破線の曲線は燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴを示す。

図１２は、燃料電池単セルの出力電流をあらかじめ定められたパターンに従って制御して、陽イオン不純物量を推定する場合を示している。すなわち、時間ｔ０においてベース出力電流ＩＢ及びベース出力電圧ＶＢにて燃料電池スタック１０が作動（運転）されているとき、時間ｔ１において燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢからあらかじめ定められた増加電流ＩＧにステップ状に増加されて、時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧが保持される場合を示している。ここで、ベース出力電流ＩＢは、陽イオン不純物量の推定方法を行っていない通常運転の時の燃料電池スタック１０の目標電流値である。また、図１２には、ベース出力電流ＩＢがあらかじめ定められた閾値電流よりも低い出力電流、例えば無負荷状態における燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴの場合が示されている。この陽イオン不純物量を推定する方法を（図１２）を上記の性能向上制御（図１１）に適用するときには、ベース出力電流ＩＢはアイドル出力電流ＩＡ０に対応し、ベース出力電圧ＶＢはアイドル出力電圧ＶＡ０に対応する。

この場合、出力電圧ＶＯＵＴは、時間ｔ１でベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δｔ０後の時間ｔ３までにベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣへ増加する。ただし、図１２に示す例では増加時間Δｔ０は、出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧になるのに十分な時間である定常化時間とし、増加時間Δｔ０経過後は出力電流ＩＯＵＴを元のベース出力電流ＩＢに戻すものとする。このとき、出力電圧ＶＯＵＴの挙動に関わる少なくとも以下の３つの値と、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量とが相関関係を有する。すなわち、（１）時間ｔ１からあらかじめ定められた設定時間Δｔ１後の時間ｔ２の出力電圧ＶＯＵＴをＶＥとしたとき、出力電圧ＶＥに対する極小電圧ＶＭの差である電圧落ち込み量ΔＶ、（２）ベース出力電圧ＶＢに対する極小電圧ＶＭの差である極小値落ち込み量ΔＶｍ、及び、（３）出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧに増加されてから出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣに達する時間ｔ２２までの所要時間Δｔ２、である。それぞれ、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多くなるにつれて、（１）では電圧落ち込み量ΔＶが大きくなり、（２）では極小値落ち込み量ΔＶｍが大きくなり、（３）では所要時間Δｔ２が大きくなる。本実施例では上記（１）を用いる。

上記（１）に関し、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が少ない場合の出力電圧ＶＯＵＴｎと不純物量が多い場合の出力電圧ＶＯＵＴｃとの相違を図１３に示し、その部分拡大図を図１４に示す。左右の縦軸及び横軸は図１２の場合と同様である。時間ｔ０において燃料電池スタック１０がベース出力電流ＩＢ及びベース出力電圧ＶＢにて作動（運転）されているとき、時間ｔ１において破線で示す燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢからあらかじめ定められた増加電流ＩＧにステップ状に増加される。そして時間ｔ３までの増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧが保持される。ここで、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が少ない場合の出力電圧ＶＯＵＴｎは、図１３に一点鎖線で示すように、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭｎまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間ｔ２より後の時間ｔ２１でベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣｎに増加する。一方、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多い場合の出力電圧ＶＯＵＴｃは、図１３に実線で示すように、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭｃまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、時間ｔ２より後の時間ｔ２２でベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣｃに増加する。

このとき、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多くなるにつれて、時間ｔ１から設定時間Δｔ１後の時間ｔ２の出力電圧ＶＥに対する極小電圧ＶＭの差である電圧落ち込み量ΔＶは大きくなる。ただし、設定時間Δｔ１は増加時間Δｔ０より小さい任意の値とする。例えば、図１４に示すように、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が多い場合での出力電圧ＶＥｃに対する極小電圧ＶＭｃの差である電圧落ち込み量ΔＶｃは、電解質膜５ｅ内の陽イオン不純物量が少ない場合での出力電圧ＶＥｎに対する極小電圧ＶＭｎの差である電圧落ち込み量ΔＶｎよりも大きくなる。

陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔＶとの関係との一例を図１５に示す。横軸は電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物により置換されている割合を示す。縦軸は電圧落ち込み量ΔＶを示す。この置換割合は、陽イオン不純物量を示す値の一例である。曲線ＣＬに示されように、電解質膜５ｅ中のスルホン酸基が陽イオン不純物に置換されている割合が増加するほど電圧落ち込み量ΔＶが増加しており、スルホン酸基が陽イオンに置換されている割合は、電圧落ち込み量ΔＶと相関がある。したがって、あらかじめ定められた増加電流ＩＧおよび増加時間Δｔ０について、図１５に示すデータをあらかじめ計測しておけば、電圧落ち込み量ΔＶを計測して、そのデータを参照することで、スルホン酸基の置換割合、すなわち陽イオン不純物量を推定することができる。ここで、陽イオン不純物量の推定のための図１５のグラフを示すデータは、あらかじめ求められており、ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶されている。

陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔＶとの関係が図１５に示すようになる理由は必ずしも明確ではないが以下のように考えられる。まず、燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴを所定のベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加させたとき、出力電圧ＶＯＵＴが急激に減少してＶＭになるのは、随伴水の影響でアノード極５ａに乾きが生じると共に、陽イオン不純物の移動が遅く、随伴水から遅れて移動するため、一時的に内部抵抗が増加するためであると考えられる。その後、出力電圧ＶＯＵＴが徐々に回復してＶＥになるのは、陽イオン不純物の移動がゆっくりであるため、出力電流ＩＯＵＴの増加の直後には電解質膜５ｅのアノード極５ａ側にも陽イオン不純物が多く存在しているが、徐々に陽イオン不純物Ｑがカソード極５ｃ側に寄り、安定化して、Ｈ^＋イオンの伝導を妨げなくなることで出力電圧ＶＯＵＴも徐々に回復していくと考えられる。このようにＶＭ及びＶＥは陽イオン不純物に影響されるため、陽イオン不純物量と電圧落ち込み量ΔＶ（＝ＭＥ−ＶＭ）との関係が図１５のようになると考えられる。

ただし、電圧落ち込み量ΔＶの計測にあたっては、計測を容易とするべく電圧落ち込み量ΔＶが大きくなるように増加電流ＩＧやベース出力電流ＩＢを設定することが好ましい。それには、ベース出力電流ＩＢがステップ状に増加電流ＩＧへ増加したとき、電圧落ち込み量ΔＶが非常に大きくなるように増加電流ＩＧやベース出力電流ＩＢを設定することが考えられる。例えば、増加電流ＩＧは燃料電池システムＡの負荷状態が全負荷状態のときの出力電流ＩＯＵＴに設定する。その場合、出力電流ＩＯＵＴが非常に大きくなり、それに対応して出力電圧ＶＯＵＴが非常に小さくなるので、電圧落ち込み量ΔＶも非常に大きくすることができる。あるいは、ベース出力電流ＩＢが所定の閾値電流よりも小さいときに、出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加させる。その場合、ベース出力電流ＩＢが小さいことに対応して基準となるベース出力電圧ＶＢが大きくなるため、電圧落ち込み量ΔＶを非常に大きくできる。

本実施例では上記（１）を用いるが、別の実施例では上記（２）又は（３）を用いる。上記（２）については、陽イオン不純物量と極小値落ち込み量ΔＶｍとの関係との一例を図１６に示す。横軸は電解質膜５ｅ中のスルホン酸基置換割合を示す。縦軸は極小値落ち込み量ΔＶｍを示す。したがって、極小値落ち込み量ΔＶｍを計測し、図１６を参照することにより、陽イオン不純物量を求めることができる。一方、上記（３）については、陽イオン不純物量と所要時間Δｔ２との関係との一例を図１７に示す。横軸は電解質膜５ｅ中のスルホン酸基置換割合を示す。縦軸は所要時間Δｔ２を示す。したがって、所要時間Δｔ２を計測し、図１７を参照することにより、陽イオン不純物量を求めることができる。

以上の事実に基づいて、燃料電池システムＡでは、性能向上制御（図１１）おける燃料電池システムＡの電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定すべきときに（時間ｔａ１）、上記（１）の方法を用いた以下の陽イオン不純物量推定制御を行う。ただし、本実施例では、ベース出力電流ＩＢはアイドル出力電流ＩＡ０と同じであり、ベース出力電圧ＶＢはアイドル出力電圧ＶＡと同じである。

すなわち、電子制御ユニット６０からの指令値（指示）に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０（燃料電池単セル２）が出力する出力電流ＩＯＵＴを所定のベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加させて、所定の増加時間Δｔ０にわたり増加電流ＩＧを保持する。その後、出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢに戻す。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池単セル２の電流を制御する制御部と見ることができる。

このとき、出力センサ１７は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴについて、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭまでステップ状に低下した後に、増加に転じ、増加時間Δｔ０後にベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣに増加する挙動を計測する。ここで、出力センサ１７は燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを計測する計測部と見ることができる。計測された出力電圧ＶＯＵＴの挙動は例えばＲＡＭ６３に格納される。

続いて、電子制御ユニット６０は、ＲＡＭ６３に格納され出力電圧ＶＯＵＴのデータに基づいて、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧに増加された時からあらかじめ定められた設定時間Δｔ１後における電圧落ち込み量ΔＶを算出する。続いてその電圧落ち込み量ΔＶに基づいて、ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶された図１５のグラフを示すデータを参照して、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量としてスルホン酸基の置換割合を推定する。ここで、電子制御ユニット６０は、計測された燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴに基づいて、陽イオン不純物量を推定する推定部と見ることができる。

以上の陽イオン不純物量推定制御を行うことで、燃料電池システムＡは燃料電池システムＡの運転中に燃料電池単セル２の電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定することができる。なお、本実施例では陽イオン不純物量推定制御をアイドル運転時に行っているが、アイドル運転でないときに行ってもよい。この場合、陽イオン不純物量推定制御は、性能向上制御と別個に行われる。

また、燃料電池システムＡは、制御部としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、計測部としての出力センサ１７と、推定部としての電子制御ユニット６０とを含んでいる。したがって、燃料電池システムＡは、制御部と計測部と推定部とを含み、燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定するように構成された陽イオン不純物量推定部を備えていると見ることができる。

図１８は図１の燃料電池システムＡにおける燃料電池単セル２の性能向上制御のルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。図１８を参照すると、ステップ１００においてトランスミッションがＰレンジに移動されているか否かが判別される。トランスミッションがＰレンジに設定されている場合、ステップ１０１において活性化処理制御の活性化処理の程度が決定済みか否かが判別される。活性化処理制御の活性化処理の程度が決定済みの場合、プロセスはステップ１０４に進む。ＤレンジからＰレンジに切り換わった直後は、活性化処理の程度が決定されていないので、ステップ１０２に進み、ステップ１０２において電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量を推定する陽イオン不純物量制御が実行される。次に、ステップ１０３において、ステップ１０２で推定された陽イオン不純物量に基づいて、活性化処理の程度を決定する活性化処理程度決定制御が実行される。続いて、ステップ１０４において、ステップ１０３で決定された活性化処理の程度に基づいて、活性化処理制御が実行される。なお、ステップ１００においてトランスミッションがＰレンジに設定されていない場合、ステップ１０５において燃料電池システムＡにおいて、通常運転が行われる。通常運転では、負荷に応じた出力電流及び出力電圧により燃料電池スタック１０が運転される。

図１９は図１の燃料電池システムＡにおける陽イオン不純物量推定制御ルーチンを示している。このルーチンは図１８の性能向上制御ルーチンのステップ１０２にて実行される。ただし、本実施例ではベース出力電流ＩＢはアイドル出力電流ＩＡ０であり、ベース出力電圧ＶＢはアイドル出力電圧ＶＡ０である。図１９を参照すると、ステップ２００では燃料電池スタック１０の出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢから増加電流ＩＧへステップ状に増加される。増加電流ＩＧは増加時間Δｔ０にわたり保持される。続くステップ２０１では、ベース出力電圧ＶＢから極小電圧ＶＭまでステップ状に低下した後にベース出力電圧ＶＢよりも低い定常電圧ＶＣまで増加する出力電圧ＶＯＵＴの挙動が計測される。次いでステップ２０２では、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧにステップ状に増加された時から増加時間Δｔ０経過後に出力電流ＩＯＵＴがベース出力電流ＩＢに低減される。次いでステップ２０３では、計測された出力電圧ＶＯＵＴの挙動に基づいて、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧにステップ状に増加された時から設定時間Δｔ１後の電圧落ち込み量ΔＶが算出される。そして、電圧落ち込み量ΔＶに基づいて、図１５のグラフを示すデータが参照されて、電解質膜５ｅ中の陽イオン不純物量が推定される。

図２０は図１の燃料電池システムＡにおける活性化処理程度決定制御のルーチンを示している。このルーチンは図１８の性能向上制御ルーチンのステップ１０３にて実行される。図２０を参照すると、ステップ３００において燃料電池スタック１０の温度が計測される。続いて、ステップ３０１において、ステップ１０２で推定された電解質膜５ｅの陽イオン不純物量と、ステップ３０１において計測された燃料電池スタック１０の温度とに基づいて、図１０のデータや表１のデータを参照して、活性化処理の程度（到達電位ＶＡ１、処理頻度Δｔａｉ毎、及び、継続時間Δｔａｐ）が決定される。

図２１は図１の燃料電池システムＡにおける活性化処理制御のルーチンを示している。このルーチンは図１８の性能向上制御ルーチンのステップ１０４にて繰り返し実行される。図２１を参照すると、ステップ４００において出力電圧ＶＯＵＴが到達電位ＶＡ１に低下しているか否かが判別される。出力電圧ＶＯＵＴが到達電位ＶＡ１に低下している場合、ステップ４０１において継続時間Δｔａｐが経過したか否かが判別される。継続時間Δｔａｐが経過した場合、続くステップ４０２において出力電圧ＶＯＵＴが元の電位、すなわちアイドル出力電圧ＶＡ０に復帰される。一方、継続時間Δｔａｐが経過していない場合、プロセスは終了する。また、ステップ４００において出力電圧ＶＯＵＴが到達電位ＶＡ１に低下していない場合、ステップ４０３において処理頻度Δｔａｉ、すなわちインターバルが経過したか否かが判別される。インターバルが経過した場合、ステップ４０４において出力電圧ＶＯＵＴが到達電位ＶＡ１に低下される。一方、インターバルが経過していない場合、プロセスは終了する。

次に、燃料電池システムＡの別の実施例について説明する。本実施例では、活性化処理の程度を決定するのに、燃料電池スタック１０の運転出力（＝出力電圧×出力電流）の履歴を参照する。運転出力の履歴は例えばＲＡＭ６３に格納される。燃料電池スタック１０の運転出力は、例えば燃料電池スタック１０の直近の所定時間（例示：５分）内での運転出力であり、車両の置かれた周辺の道路状況に対応している。直近の所定時間内での運転出力が比較的小さい場合、例えば渋滞中の道路など運転出力が小さくて済む道路を車両が走行していたと推定できる。したがって、活性化処理を実施することによる性能回復の効果が少ないと予測できるため、活性化処理を行わない、又は、活性化処理の程度を低くする。逆に、直近の所定時間内での運転出力が相対的に大きい場合、高速道路など運転出力が大きくなければならない道路を車両が走行していたと推定できる。したがって、活性化処理を実施することによる性能回復の効果が大きいと予測できるため、活性化処理の程度を高くする。このとき、運転出力の履歴は、運転履歴を記憶しているＲＡＭ６３から取得することができる。ＲＡＭ６３は燃料電池スタック１０の直近の所定時間内の運転出力の履歴を記憶する直近履歴記憶部と見ることができる。

次に、燃料電池システムＡの別の実施例について説明する。この別の実施例では、燃料電池単セル２の電解質膜５ｅ内における陽イオン不純物量の推定方法が上記の実施例と相違している。以下、陽イオン不純物量の推定方法について説明する。

図２２は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図であり、燃料電池単セル２のＩＶ特性を示している。横軸は出力電流密度を示し、縦軸は出力電圧を示す。曲線ＥｘＩ１及び曲線ＥｘＩ２は、このＩＶ特性を計測する直前に、その燃料電池単セル２のカソード電位を所定電圧（例示：０．６Ｖ）で所定時間（例示：１分間）継続して保持した場合を示す。ただし、曲線ＥｘＩ１は電解質膜５ｅが陽イオン不純物を含まない場合、すなわちスルホン酸基置換割合が０％の場合を示す。曲線ＥｘＩ２は電解質膜５ｅが陽イオン不純物を含んでいる場合、すなわちスルホン酸基置換割合が０を超える所定量（例示：３０％）の場合を示す。この図の例では、所定の出力電圧Ｅｘに対して、スルホン酸基置換割合が０％の場合（曲線ＥｘＩ１）には出力電流密度がＩｘｂとなるが、スルホン酸基置換割合が所定量の場合には出力電流密度がＩｘａとなる。したがって、所定の出力電圧Ｅｘでの出力電流密度とスルホン酸基置換割合との関係をあらかじめ実験等により求めておけば、出力電流密度からスルホン酸基置換割合を把握することができる。具体的には、燃料電池単セル２のカソード電位を所定電圧で所定時間継続して保持した後に、所定の出力電圧Ｅｘとなるときの出力電流密度を求め、あらかじめ求めた所定の出力電圧Ｅｘでの出力電流密度とスルホン酸基置換割合との関係を参照すればよい。所定の出力電圧Ｅｘでの出力電流密度Ｉｘとスルホン酸基置換割合ＳＲとの関係を示す図２３のようなテーブルは、ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶される。

あるいは、出力電圧と出力電流密度とを逆にしてもよい。図２４は、陽イオン不純物量を推定する方法を説明する図であり、燃料電池単セル２のＩＶ特性を示している。横軸、縦軸、曲線ＥｘＩ１及び曲線ＥｘＩ２については、図２２と同じである。この図の例では、所定の出力電流密度Ｉｘに対して、スルホン酸基置換割合が０％の場合（曲線ＥｘＩ１）には出力電圧がＥｘｂとなるが、スルホン酸基置換割合が所定量（例示：３０％）の場合には出力電圧がＥｘａとなる。したがって、所定の出力電流密度Ｉｘでの出力電圧とスルホン酸基置換割合との関係をあらかじめ実験等により求めておけば、出力電圧からスルホン酸基置換割合を把握することができる。具体的には、燃料電池単セル２のカソード電位を所定電圧（例示：０．６Ｖ）で所定時間（例示：１分間）継続して保持した後に、所定の出力電流密度Ｉｘとなるときの出力電圧を求め、あらかじめ求めた所定の出力電流密度Ｉｘでの出力電圧とスルホン酸基置換割合との関係を参照すればよい。所定の出力電流密度Ｉｘでの出力電圧Ｅｘとスルホン酸基置換割合ＳＲとの関係を示す図２５のようなテーブルは、ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶される。

あるいは、出力電圧と出力電流密度とを組み合わせてもよい。すなわち、出力電流密度Ｉｘ及び出力電圧Ｅｘとスルホン酸基置換割合ＳＲとの関係を示す図２６のようなテーブルをあらかじめ実験で求めておけば、ある任意の出力電流密度Ｉｘのときの出力電圧Ｅｘを計測したり、ある任意の出力電圧Ｅｘのときの出力電流密度Ｉｘを計測したりすることで、テーブルを参照してスルホン酸基置換割合ＳＲを把握することができる。図２６のようなテーブルは、ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶される。

次に、燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この別の実施例では、燃料電池単セル２の電解質膜５ｅ内における陽イオン不純物量の推定方法が上記の実施例と相違している。陽イオン不純物は、上述のように、融雪剤に含まれるＣａ、Ｎａなど、及び、燃料電池システムＡの部品に含まれるＦｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌなどが考えられる。したがって、陽イオン不純物は、燃料電池スタック１０の運転時間が長くなるほど多くなると考えられる。よって燃料電池スタック１０の運転時間と電解質膜５ｅの陽イオン不純物量（スルホン酸基置換割合）との関係をあらかじめ実験等により求めておけば、燃料電池スタック１０の現在までの総運転時間を取得することで、陽イオン不純物量（スルホン酸基置換割合）を把握することが出来る。燃料電池スタック１０の総運転時間ｔｄと電解質膜５ｅの陽イオン不純物量（スルホン酸基置換割合）ＳＲとの関係を示す図２７のようなテーブルは、ＲＯＭ６２内にあらかじめ記憶される。このとき、燃料電池スタック１０の現在までの総運転時間は、運転履歴を記憶しているＲＡＭ６３から取得することができる。なお、陽イオン不純物量を推定するためのパラメータは、上記の燃料電池スタック１０の総運転時間に限定されない。例えば燃料電池スタック１０を搭載した車両の総走行距離でも良いし、燃料電池スタック１０の総発電量（すなわち電力を時間で積分した値）、燃料電池スタック１０の総電流量（すなわち電流を時間で積分した値）など、燃料電池スタック１０の電流値及び／又は電圧値と運転時間とを組み合わせた関数値などの運転実績を示すパラメータであってもよい。また、燃料電池スタック１０内に蓄積された陽イオン不純物を公知の方法により洗浄除去した場合には、燃料電池スタック１０の総運転時間の替りに、洗浄除去後の運転時間などの運転実績を使用してもよい。これらのパラメータの値はＲＡＭ６３に記憶されている。このようにＲＡＭ６３は燃料電池スタック１０の運転実績を示すパラメータを記憶する運転実績記憶部と見ることができる。

次に、燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。上記各実施例では、まず、（Ａ）陽イオン不純物推定部が、燃料電池単セル２の電気特性や運転時間（以下「電気特性等」という。）を計測する。次に、（Ｂ）陽イオン不純物推定部が、計測された電気特性等に基づき、あらかじめ取得した電気特性等と陽イオン不純物量との関係を参照して陽イオン不純物量を推定する。そして、（Ｃ）活性化処理決定部が、推定された陽イオン不純物量に基づき、あらかじめ設定した陽イオン不純物量と活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。しかし、本発明はこの例に限定されるものではない。

本実施例では、上記（Ａ）〜（Ｃ）のうち、（Ｂ）の過程を省略して、まず、（Ａ）陽イオン不純物推定部が、燃料電池単セル２の電気特性等を計測する。そして、（Ｃ’）活性化処理決定部が、計測された電気特性等に基づいて、あらかじめ設定しておいた電気特性等と活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。

例えば、まず、（Ａ）ベース出力電流ＩＢ及びベース出力電圧ＶＢでもって燃料電池システムＡが作動されているときに、燃料電池単セル２の出力電流ＩＯＵＴをベース出力電流ＩＢからあらかじめ定められた増加電流ＩＧへステップ状に増加させて増加時間Δｔ０にわたり保持する。そして、増加時間Δｔ０における燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを計測する。このとき、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧに増加されてからあらかじめ定められた設定時間Δｔ１後の出力電圧ＶＥに対する極小電圧ＶＭの差（電圧落ち込み量）ΔＶ、ベース出力電圧ＶＢに対する極小電圧ＶＭの差（極小値落ち込み量）ΔＶｍ、または、出力電流ＩＯＵＴが増加電流ＩＧに増加されてから出力電圧ＶＯＵＴが定常電圧ＶＣに達するまでの所要時間Δｔ２、が電気特性等として取得される。

その後、（Ｃ’）計測された電圧落ち込み量ΔＶ、極小値落ち込み量ΔＶｍ、または、所要時間Δｔ２に基づいて、あらかじめ設定しておいた電圧落ち込み量ΔＶ、極小値落ち込み量ΔＶｍ、または、所要時間Δｔ２と活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。例えば、電圧落ち込み量ΔＶが大きくなるにつれて、極小値落ち込み量ΔＶｍが大きくなるにつれて、または、所要時間Δｔ２が長くなるにつれて、活性化処理の条件を、到逹電位を低くする、継続時間を長くする、および、処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、活性化処理の程度を高くするように決定する。

ここで、あらかじめ設定する電圧落ち込み量ΔＶ、極小値落ち込み量ΔＶｍ、または、所要時間Δｔ２と活性化処理の程度との関係は、例えば図１５のグラフ、図１６のグラフ、または、図１７のグラフと、図１０のグラフと、を組み合わせることで容易に得ることができる。

あるいは、例えば、まず（Ａ）燃料電池単セル２の出力電圧ＶＯＵＴを所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧Ｅｘのときの出力電流Ｉｘ、または、所定の出力電流Ｉｘのときの出力電圧Ｅｘを取得する。その後、（Ｃ’）計測された出力電流Ｉｘまたは出力電圧Ｅｘに基づいて、あらかじめ設定しておいた出力電流Ｉｘまたは出力電圧Ｅｘと活性化処理の程度との関係を参照して活性化処理の程度を決定する。例えば、出力電流Ｉｘまたは出力電圧Ｅｘが相対的に小さいときに、相対的に大きいときに比ベて、活性化処理の条件を、到達電位を低くする、継続時間を長くする、および、処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、活性化処理の程度を高くするように決定する。

ここで、あらかじめ設定する出力電流Ｉｘまたは出力電圧Ｅｘと活性化処理の程度との関係は、例えば図２２のグラフと図２３のテーブル、または、図２４のグラフと図２５のテーブルのグラフと、図１０のグラフと、を組み合わせることで容易に得ることができる。

これらの場合にも、図１〜図２１により説明された実施例と同様の効果を奏することができる。

次に、図２８を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例について説明する。この実施例では、燃料電池システムＡが水素ガス非循環式の燃料電池システムである点が図１に示す実施例と相違する。以下相違点について主に説明する。

図１に示される燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口と燃料ガス供給管３１とがアノードオフガス管３６及び燃料ガス循環管８１により接続され、燃料ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環されるシステム、すなわち燃料ガス循環式の燃料電池システムである。一方、図２８に示される燃料電池システムＡは、燃料ガス循環管８１及び燃料ガス循環ポンプ３９が除かれている。すなわち、図２８示される燃料電池システムＡは、燃料ガス通路３０の出口と燃料ガス供給管３１とが分離され、燃料ガスを含むアノードオフガスが燃料ガス供給管３１へ循環されないシステム、すなわち燃料ガス非循環式の燃料電池システムである。

この場合にも、図１に示す燃料電池システムＡと同様の効果を奏することができる。

Ａ 燃料電池システム
２ 燃料電池単セル
５ｅ 電解質膜
ＩＡ アイドル出力電流
ＩＯＵＴ 出力電流
ＶＡ アイドル出力電圧
ＶＯＵＴ 出力電圧

Claims (12)

1. 燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、
   前記燃料電池単セルの電解質膜中に含まれる陽イオン不純物量を推定するように構成された陽イオン不純物量推定部と、
   前記陽イオン不純物量が多いときには、前記活性化処理の条件を、前記陽イオン不純物量が少ないときと比較して、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、
   を備え、
   前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、
   燃料電池システム。
2. 前記陽イオン不純物量推定部は、
   ベース出力電流及びベース出力電圧でもって前記燃料電池システムが作動されているときに、
   前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流からあらかじめ定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持し、
   前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測し、
   計測された前記出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっており、
   前記陽イオン不純物推定部は、
   前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記増加時間よりも短いあらかじめ定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定する、又は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて多くなるように前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記増加電流は、前記燃料電池システムの負荷が全負荷のときの前記出力電流である、
   請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記陽イオン不純物量推定部は、前記燃料電池単セルの前記ベース出力電流が閾値電流よりも小さいときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記増加電流へステップ状に増加させ、このとき計測された出力電圧に基づいて、陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
   請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記陽イオン不純物推定部は、前記燃料電池単セルの出力電圧を所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧のときの出力電流および／または所定の出力電流のときの出力電圧に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックの運転実績を記憶するように構成された運転実績記憶部を更に備え、
   前記陽イオン不純物量推定部は、前記運転実績記憶部を参照して、前記燃料電池スタックの運転実績に基づいて、前記陽イオン不純物量を推定するように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池スタック内の電解質膜の相対湿度に相関するパラメータの値を計測する相関パラメータ計測部を更に備え、
   前記処理程度決定部は、計測された前記パラメータの値に基づいて、前記相対湿度が低いときには、前記相対湿度が高いときと比較して、前記活性化処理の程度を高くするように決定する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記パラメータは、前記燃料電池スタック内または近傍の冷却水の温度、インピーダンス、または電解質膜近傍のガスの湿度である、
   請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックの直近の所定時間内の出力の履歴を記憶するように構成された直近履歴記憶部を更に備え、
    前記処理程度決定部は、直近の所定時間内の出力が高いときには、前記出力が低いときと比較して、前記活性化処理の程度を高く決定するように構成されている、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、
    ベース出力電流及びベース出力電圧でもって前記燃料電池システムが作動されているときに、前記燃料電池単セルの出力電流を前記ベース出力電流からあらかじめ定められた増加電流へステップ状に増加させて増加時間にわたり保持し、
    前記増加時間における前記燃料電池単セルの出力電圧を計測し、
    前記出力電流が前記増加電流までステップ状に増加され保持されると、前記出力電圧が前記ベース出力電圧から極小電圧までステップ状に低下した後に、前記ベース出力電圧よりも低い定常電圧に向かって増加するようになっているとき、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記増加時間よりも短いあらかじめ定められた設定時間後の前記出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、前記ベース出力電圧に対する前記極小電圧の差が大きくなるにつれて、又は、前記出力電流が前記増加電流に増加されてから前記出力電圧が前記定常電圧に達するまでの所要時間が長くなるにつれて、前記活性化処理の条件を、前記到逹電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、
    を備え、
    前記処理部は、前記処理程度決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、
    燃料電池システム。
12. 燃料電池システムがアイドル運転されているときに、前記燃料電池システムの少なくとも一つの燃料電池単セルのカソード電位を一時的に処理頻度でもって、継続時間にわたり、到達電位まで低下させる活性化処理を実行するように構成された処理部と、
    前記燃料電池単セルの出力電圧を所定時間にわたり所定電圧値に保持した後の、所定の出力電圧のときの出力電流および／または所定の出力電流のときの出力電圧を取得し、前記所定の出力電圧における前記出力電流の値および／または前記所定の出力電流における前記出力電圧の値が相対的に小さいときに、相対的に大きいときに比ベて、前記活性化処理の条件を、前記到達電位を低くする、前記継続時間を長くする、および、前記処理頻度を多くする、のいずれか一つまたはそれらのうちの少なくとも二つを組み合わせることにより、前記活性化処理の程度を高くするように決定する処理程度決定部と、
    を備え、
    前記処理程度処理部は、前記決定部により決定された程度でもって前記活性化処理を実行する、
    燃料電池システム。

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