JP2010067531A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、カソードの担体のカーボンの劣化反応に伴って発生した二酸化炭素の量を、高精度に計測可能とする構成を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】カーボン劣化量を検知するために、分析計４２によって、燃料電池スタック１０のカソード排ガスの二酸化炭素濃度を計測する。少なくともこの計測を行う期間は、加湿モジュール３００内で酸化ガス加湿用の水が脱気膜フィルタ３０６を通過して流れるように、バルブ３０４，３０８が切換られる。
【選択図】図１１

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、カソードの触媒の担体がカーボンである燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１に開示されているように、担体にカーボンを用いる燃料電池における当該カーボン担体の劣化への対策技術が提案されている。燃料電池の担体のカーボンは、燃料電池内部における反応ガスの部分的欠乏などにより、劣化する。特許文献１では、このような反応ガスの部分的な欠乏への対策を提案している。

特開平４−３１９２６３号公報

燃料電池システムは、通常発電、間欠運転などの非通常発電、起動および停止といった様々な状態に置かれる。このため、カソードの電極触媒層の電位は常に一定ではなく、ある程度変動せざるを得ない。

燃料電池における触媒層の担体にカーボンが用いられている場合、カーボンは電位の変動を受けることにより劣化する。カーボンの電位変動が繰り返し発生すると、これに応じて、少しずつ、カーボンの劣化が進行していく。システムの使用時間が経過すればするほど、燃料電池のカーボンの劣化が進んでいく。従来、このような電位変動に伴うカーボン劣化を考慮した上で燃料電池システムをどのように運転すべきかという指針が、確立されていなかった。そこで、本願発明者は、システム運転中における燃料電池の制御内容を、カーボン担体の劣化の進行を考慮に入れつつ設定する手法の検討を進めた。

上記の検討を進める中で、本願発明者は、電位変動により生ずるカーボン劣化反応が二酸化炭素の発生を伴うことに着目した。電位変動の結果生ずる二酸化炭素の発生量は、カーボンの劣化の進み具合（すなわちカーボンの劣化量）に応じて変化する。同じパターンの電位変動が与えられた場合には、カーボンの劣化が進んでいるほど、二酸化炭素発生量が少なめになる。本願発明者は、このような傾向に着目し、カーボンの劣化状態を、電位変動を与えつつカソードの排出ガス中の二酸化炭素量を計測することによって把握する手法に想到した。

上述した二酸化炭素量に基づくカーボン劣化状態の把握のためには、二酸化炭素発生量を高精度に測定することが重要である。しかしながら、ここで計測対象となる二酸化炭素発生量は微量であるため、従来の技術では、ここで要求される精度を十分に満たす程度の精度でカソードの排出ガス中の二酸化炭素量を計測することが困難であった。例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池内部における反応ガスの部分的欠乏時に生ずる二酸化炭素を検知する構成を備えている。しかし、上述した電位変動時のカーボン劣化に伴う二酸化炭素発生量を計測対象とする場合、特許文献１の構成は、要求される計測精度を満足するものとは言えなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、カソードの担体のカーボンの劣化反応に伴って発生した二酸化炭素の量を、高精度に計測可能とする構成を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに供給する酸化ガスを加湿するための加湿モジュールと、
前記燃料電池のカソードの電位を変動させる電位変動手段と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量である下流二酸化炭素量を計測する計測手段と、
前記電位変動手段による電位変動のパターンと、前記計測手段が計測した下流二酸化炭素量とに基づいて、前記燃料電池のカソードの担体のカーボンの劣化量を検知する劣化量検知手段と、
前記加湿モジュールの酸化ガス加湿用の水が流れる加湿水通路に配置され、前記劣化量検知手段による劣化量の検知に用いられる下流二酸化炭素量が計測される期間に、該加湿水通路を流れる水に含まれる二酸化炭素を取り除く二酸化炭素除去手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、上記第１の発明において、
前記二酸化炭素除去手段が、
二酸化炭素をフィルタリングする脱気膜、または／および、二酸化炭素吸着材と、
前記劣化量検知手段による劣化量の検知に用いられる下流二酸化炭素量が計測される期間に、前記脱気膜または／および前記二酸化炭素吸着材を、前記加湿水通路中に介在させる介在手段と、
を含むことを特徴とする。

第３の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
前記燃料電池のカソードの電位を変動させる電位変動手段と、
前記燃料電池のカソードに流れ込む前における酸化ガス中の二酸化炭素量と、前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素量との差に基づいて、前記燃料電池のカソードにおけるカーボンの劣化反応により発生した二酸化炭素の量である二酸化炭素発生量を取得する取得手段と、
前記電位変動手段による電位変動のパターンと、前記取得手段が取得した二酸化炭素発生量とに基づいて、前記燃料電池のカソードの担体のカーボンの劣化量を検知する劣化量検知手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、上記第３の発明において、
前記取得手段が、
前記燃料電池のカソードの上流に配置され、該上流の二酸化炭素濃度を計測する第１センサと、
前記燃料電池のカソードの下流に配置され、該下流の二酸化炭素濃度を計測する第２センサと、
前記第２センサの計測値から、前記第１センサと前記第２センサとの間をガスが移動する時間の長さだけ該第２センサの該計測値の計測時刻から遡った時刻における前記第１センサの計測値を減算することにより、前記二酸化炭素発生量を算出する算出手段と、
を含むことを特徴とする。

第５の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に、該燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
前記カソードの担体の劣化量を検知する要求があった場合に、前記酸化ガス供給機構が前記燃料電池のカソードに供給する酸化ガスに比して二酸化炭素濃度が低い低二酸化炭素ガスを、前記燃料電池のカソードに供給する供給手段と、
前記供給手段が酸化ガスの供給を開始した後に、前記燃料電池のカソードに流れ込むガス中の二酸化炭素量または／および前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素量を計測する計測手段と、
前記計測手段が計測した二酸化炭素量の値に基づいて、前記カソードに流れ込むガスが前記低二酸化炭素ガスに置換されたか否かを判定する判定手段と、
前記カソードに流れ込むガスが前記低二酸化炭素ガスに置換されたと判定された後に、前記カソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量に基づいて、該カソードの担体のカーボンの劣化量を検知する劣化量検知手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、上記第１乃至５の発明のいずれか１つにおいて、
前記劣化量検知手段が検知を行うタイミングまでに前記カソードの担体のカーボンが受けた電位変動の総回数を、直接的または間接的に検知する電位変動回数検知手段と、
前記劣化量検知手段が検知した劣化量の情報と前記電位変動回数検知手段が検知した電位変動の総回数とに基づいて、前記カソードの担体のカーボンが受ける電位変動の回数と該カーボンの劣化量との将来の関係を示す予想劣化特性を作成する劣化特性作成手段と、
前記予想劣化特性に基づいて前記燃料電池の下限電圧値または／および上限電圧値を設定する電圧制御値設定手段と、
少なくとも一部の運転領域において、前記電圧制御値設定手段により設定された下限電圧値または／および上限電圧値に基づいて前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第７の発明は、燃料電池システムであって、
カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量を計測する計測器と、
前記燃料電池のカソードに流れ込む酸化ガスが含有する二酸化炭素を、該カソードの上流で取り除く二酸化炭素除去手段と、
前記二酸化炭素除去手段による二酸化炭素の除去が行われている状態で、前記計測器の調節を行う調節手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、劣化量の検知に用いるための下流二酸化炭素量が計測される期間に、加湿モジュールの水から二酸化炭素を除去することができる。水には二酸化炭素が溶解しうるため、二酸化炭素を含有する水によって、酸化ガスの加湿が行われる可能性がある。このような場合、加湿モジュールの水の中の二酸化炭素が、カソードから排出されるカソード排ガスに混入してしまう。その結果、カーボンの劣化量の検知の基礎とすべき二酸化炭素量計測値に、加湿モジュールの水に含まれていた二酸化炭素の量が、上乗せされてしまう。この点、第１の発明によれば、加湿モジュール側からの二酸化炭素量が上乗せされることを防止しつつ、劣化量検知手段による劣化量の検知を行うことができる。従って、カーボンの劣化量検知を、高精度に行うことができる。

第２の発明によれば、脱気膜または／および吸着材を用いて、加湿モジュールの水から二酸化炭素を取り除くことができる。

第３の発明によれば、カソード上流の二酸化炭素量とカソード下流の二酸化炭素量との間の変化分を取得することができる。この二酸化炭素量の変化分は、燃料電池のカソードにおけるカーボンの酸化反応により発生した二酸化炭素量に、精度良く一致する。第３の発明によれば、この二酸化炭素量の変化分に基づいて、カソードの担体のカーボンの劣化量を高精度に検知することができる。

第４の発明によれば、第１、２センサの間をガスが流れる時間を考慮に入れて、二酸化炭素発生量を精度良く算出することができる。

第５の発明によれば、劣化量の検知時に低二酸化炭素ガスへの切換を行う場合において、カソードに流れ込むガスの二酸化炭素濃度が十分に低くなったことを確認した後に、劣化量検知を開始することができる。

第６の発明によれば、燃料電池システムの運転時間の経過に伴って、カーボンの劣化量の将来の状態を示す予想劣化特性を作成することができる。この予想劣化特性に従うことにより、劣化量の将来の情報に基づいて燃料電池の下限電圧または／および上限電圧を設定することができる。特に、第６の発明によれば、第１乃至６の発明の構成を含むため、劣化量検知手段による劣化量の検知精度が向上させられている。従って、予想劣化特性の精度が向上するとともに、燃料電池の下限電圧または／および上限電圧を的確に設定することができる。

第７の発明によれば、供給酸化ガスが含有する二酸化炭素の影響を排除した環境下で、カソード排ガス中の二酸化炭素量を計測する計測器の調節を行うことができる。従って、計測器を、高精度に校正することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。以下、二酸化炭素を、分子式ＣＯ_２で表す。本発明にかかる実施の形態の燃料電池システムは、前提として下記の２つの構成を備えている。
・電位変動に伴うカーボン劣化時のＣＯ_２発生量に基づいて、カーボンの劣化量の検知を行うための構成（以下、「前提構成１」と称す）
・カーボン劣化状態に基づいて、燃料電池の電圧制御内容設定を行うための構成（以下、「前提構成２」と称す）
ここで、前提構成２は、燃料電池の下限電圧を設定する場合（実施の形態１乃至３）と、燃料電池の上限電圧を設定する場合（実施の形態４）の、２つのバリエーションがある。これ以降説明する実施の形態では、前提構成１および前提構成２を備えた燃料電池システムに対して、本発明にかかるＣＯ_２量の高精度計測手法が適用される。

実施の形態１．
以下、実施の形態１の燃料電池システムを、下記の順番で説明する。
・実施の形態１の構成
・実施の形態１の間欠運転
・下限電圧、燃費およびカーボン劣化の関係
・実施の形態１における下限電圧の設定手法
・第１の手法：初期の下限電圧設定値マップの作成
・第２の手法：下限電圧設定値マップの補正
・劣化状態検知ステップ
・実測予想劣化特性作成ステップ
・下限電圧設定値マップ補正ステップ
・実施の形態１の高精度ＣＯ_２量計測
・実施の形態１の変形例
ここで、上記「実施の形態１における下限電圧の設定手法」の内容が、冒頭で述べた前提構成２に相当する。また、「劣化状態検知ステップ」が、冒頭で述べた前提構成１に相当する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。燃料電池システムは、燃料電池スタック１０によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。燃料電池スタック１０は、複数の単位セルが積層されて構成される。個々の単位セルは、内部に、膜電極接合体を備えている。膜電極接合体は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に、電極触媒層が設けられたものである。

膜電極接合体の一方の面がアノードとして、膜電極接合体の他方の面がカソードとして、それぞれ機能する。個々の単位セルは、アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受け、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、水素と酸素の電気化学的反応により発電する。複数の単位セルを積層した燃料電池スタックの構成は既に公知であるため、ここではこれ以上の説明は省略する。

実施の形態１の膜電極接合体では、カソード側の電極触媒層の担体がカーボンである。実施の形態１で用いられるカーボンは、後述する下限電圧設定値マップの作成時にマップ作成の対象とされたカーボン（以下、「マップ作成対象カーボン」とも称す）と同一種類である。

実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０に水素を供給するための構成として、水素タンク２０、管路２２、バルブ２４を備えている。水素タンク２０に貯留された高圧の水素ガスが、バルブ２４、管路２２を介して適宜に燃料電池スタック１０内の個々の単位セルに供給される。また、実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０内のアノードオフガスを抜き出すための管路２６を備えている。

実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０に空気を供給するための構成として、エアコンプレッサ３０、管路３２を備えている。エアコンプレッサ３０によって、空気が燃料電池スタック１０内の個々の単位セルに供給される。また、実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０内のカソードオフガスを抜き出すための管路３６を備えている。

実施の形態１の燃料電池システムは、管路３２に、加湿モジュール３００を備えている。加湿モジュール３００は、管路３２を流れる空気を加湿することができる。加湿モジュール３００の内部構成は、後ほど、図１１を用いて詳細に説明する。

実施の形態１の燃料電池システムは、合成エア貯留用のタンク４０を備えている。タンク４０は、内部に、空気と同じ成分を含み、かつ、ＣＯ_２を実質的に含まないガス（つまりＣＯ_２フリーの合成エア）を貯留している。タンク４０は、管路３８に接続している。実施の形態１の燃料電池システムは、管路３２の途中にバルブ３４を備えている。このバルブ３４の切り替えによって、燃料電池スタック１０の個々の単位セルのカソードに供給するガスを、エアコンプレッサ３０が吐出する空気と、タンク４０内のガスとの間で、切り換えることができる。また、実施の形態１の燃料電池システムは、管路３６に、カソードオフガス中のＣＯ_２量を分析できる分析計４２を備えている。分析計４２は、ＣＯ_２濃度を高精度に検知可能な濃度センサの役割を果たす。

なお、図１には示さないが、実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の発電した電力を蓄えるバッテリを備えている。また、実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の個々の単位セルの電圧を計測するセル電圧モニタ４８を備えている。

実施の形態１の燃料電池システムは、制御部であるＣＰＵ５０を備えている。ＣＰＵ５０により、エアコンプレッサ３０、バルブ２４、バルブ３４が制御される。また、ＣＰＵ５０には、セル電圧モニタ４８の出力や、燃料電池システムに対する負荷要求値が入力される。ＣＰＵ５０は、入力された負荷要求値に従って、燃料電池スタック１０の発電量を制御する。

ＣＰＵ５０は、記憶装置５２と接続する。記憶装置５２は、後述する「下限電圧設定値マップ」を記憶している。ＣＰＵ５０は、システム運転中に、現在設定すべき下限電圧の値を下限電圧設定値マップから取得する。その上で、ＣＰＵ５０は、セル電圧モニタ４８により計測された個々の単位セルの電圧が、下限電圧設定値マップより求めた下限電圧を下回らないように、燃料電池スタック１０の発電状態を制御する。

以下の説明において、「下限電圧」とは、燃料電池システムの運転中における個々の単位セルの電圧の下限を意味する。下限電圧が例えば０．２Ｖに設定されている場合、実施の形態１の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０の単位セルの全てが０．２Ｖ以上の電圧を示すように（つまり、全ての単位セルが、０．２Ｖを下回らないように）、システムが運転される。

また、以下の説明では、便宜上、実施の形態の燃料電池システムを、車両に搭載されるシステムとして説明を進める。そして、現時点までの車両走行距離を把握可能なように、走行距離メータが設けられているものとする。

図１１は、加湿モジュール３００の構成を示す。実施の形態１では、加湿モジュール３００に、高精度なＣＯ_２量計測を可能とするための工夫が施されている。加湿モジュール３００は、水タンク３０２を備えている。水タンク３０２は、脱気膜フィルタ３０６を介して、送液ポンプ３１２に接続している。脱気膜フィルタ３０６は、水タンク３０２に貯留されている水から、二酸化炭素を除去することができる。

また、水タンク３０２は、バルブ３０４、管路３１０およびバルブ３０８を介して、送液ポンプ３１２に接続されている。バルブ３０４、３０８は、ＣＰＵ５０に接続している。実施の形態１では、バルブ３０４、３０８を制御することにより、脱気膜フィルタ３０６を介して送液ポンプ３１２に水が供給される状態と、脱気膜フィルタ３０６をバイパスして送液ポンプ３１２に水が供給される状態とを切り換えることができる。その結果、水タンク３０２の水が流れる通路すなわち加湿水通路に、必要に応じて、脱気膜フィルタ３０６を介在させることができる。

送液ポンプ３１２には、インジェクタ３１４が接続している。インジェクタ３１４は、管路３２に配置された混合器３１６に接続している。インジェクタ３１４が水を噴射することにより、混合器３１６内で酸化ガスを加湿することができる。

なお、実施の形態１の燃料電池システムでは、通常発電中には、水タンク３０２の水が、管路３１０を介して送液ポンプ３１２に供給される。つまり、実施の形態１の燃料電池システムでは、通常発電中には、脱気膜フィルタ３０６によるＣＯ_２の除去は行われない。

［実施の形態１の間欠運転］
実施の形態１の燃料電池システムは、現在の負荷要求値が燃料電池システムの補機の動力損失よりも低い場合には、間欠運転を行う。間欠運転とは、補機を停止させて燃料電池スタック１０の発電量を零或いは実質的に零にした状態で、バッテリ等の電力供給設備から必要な電力をまかなう運転モードである。これにより、燃費を向上することができる。ここでいう補機とは、燃料電池スタック１０の発電を行うために必要な機器を意味し、具体的にはエアコンプレッサ３０等を指す。昇圧コンバータ等を含んでシステムを構成した場合には、これも含む。

以下、図２を用いて、実施の形態１の間欠運転を説明する。図２（ａ）は、燃料電池システムへの要求負荷Ｐ_ｒｅｑが時間の経過に応じて変化する様子を、模式的に示している。図２（ａ）のＰ_{ｒｅｑ−ｔｈ}は、要求負荷のしきい値である。Ｐ_{ｒｅｑ−ｔｈ}は、燃料電池システムの補機動力損失に基づいて定められる。要求負荷がＰ_{ｒｅｑ−ｔｈ}を下回った場合には、間欠運転が開始される。実施の形態１では、時刻ｔ_Ａから、要求負荷が再びＰ_{ｒｅｑ−ｔｈ}以上となる時刻ｔ_Ｂまでの期間、間欠運転が行われる。

図２（ｂ）は、燃料電池スタック１０内の単位セルの電圧が時間の経過に応じて変化する様子を、模式的に示している。実施の形態１における間欠運転中は、単位セルの電圧が開放端電圧（Open Circuit Voltage:OCV）付近に制御される。このような状態から、膜電極接合体を介したガスの透過（クロスリーク）に起因して、図２（ｂ）に示すように、単位セルの電圧が低下していく。図２（ｂ）には、下限電圧Ｖ_ＭＩＮが示されている。実施の形態１では、間欠運転中に、個々の単位セルの電圧がＶ_ＭＩＮを下回らないように、定期的に補機の作動を再開して燃料電池スタック１０の電圧を上昇させる措置をとる。つまり、実施の形態１では、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ_Ａから時間Ｔ_１が経過したら、補機の作動が再開される。従って、間欠運転中、時間Ｔ_１が経過するごとに、補機の作動が再開される。

図２（ｃ）は、燃料電池スタック１０の発電電力の大きさが時間の経過に応じて変化する様子を、模式的に示している。図２（ｃ）に示すように、間欠運転中には、燃料電池スタック１０の出力電力が、実質的に零程度の値をとるように小さくされる。この期間、燃料電池スタック１０の発電が実質的に停止され、燃費向上効果を享受できる。なお、燃費向上が見込めるような所定の低出力域を設定しておいて、間欠運転中に燃料電池スタック１０の出力電力をその低出力域内に制御してもよい。

［下限電圧、燃費およびカーボン劣化の関係］
図３は、実施の形態１における下限電圧と、燃料電池システムの燃費の関係を説明するための図である。

間欠運転中に単位セルの電圧が低下し始めてから下限電圧に至るまでの時間は、下限電圧が低めに設定されているほど長くなる。つまり、単位セルの電圧が下限電圧まで低下する回数は、同じ時間内では、下限電圧が低めに設定されているほど少なくなる。具体的には、図３に示すように、下限電圧の大きさがＶ_ＭＩＮ１である場合と、下限電圧の大きさがＶ_ＭＩＮ２（但し、Ｖ_ＭＩＮ２＞Ｖ_ＭＩＮ１）である場合とを比較してみる。そうすると、時刻ｔ_Ａから時刻ｔ_Ｂまでの間に、相対的に高い電圧値である下限電圧Ｖ_ＭＩＮ２の場合には合計で４回、相対的に低い電圧値である下限電圧Ｖ_ＭＩＮ１の場合は合計で３回、単位セルの電圧上昇措置がとられることがわかる。

間欠運転中の電圧上昇措置の際には、エアコンプレッサ３０等のシステム補機を復帰させる。間欠運転中の電圧上昇措置の回数が多ければ多いほど、システム補機の停止、復帰を何度も繰り返すことになる。このため、燃費向上の観点からは、間欠運転中の電圧上昇措置をできるだけ少ない回数に抑える必要がある。従って、燃費向上の観点からは、下限電圧は、なるべく低めの電圧に設定しておきたい。

しかしながら、その一方で、次のような事項を考慮に入れることが望ましい。単位セル内の膜電極接合体には電極触媒層が設けられており、この電極触媒層内においてカーボンが担体として使用されている。カーボンは電位の変動を受けることにより劣化する。カーボンの電位変動が繰り返し発生すると、これに応じて、少しずつ、カーボンの劣化が進行していく。カーボンの劣化の進み具合は、カーボンに付与される電位変動の挙動に応じて変化する。電位変動幅の上限が同等である状況下では、電位変動幅の下限（以下、単に「下限電位」とも称す）が低いほどカーボンの劣化が早く進む。つまり、図３に示したＶ_ＭＩＮ１とＶ_ＭＩＮ２とでは、相対的に低い電位であるＶ_ＭＩＮ１を下限電位とした電位変動を受ける場合のほうが、カーボンの劣化が進み易い。電位変動に伴うカーボン劣化を考慮に入れると、下限電圧を単純に低めに設定するのではなく、燃費向上とカーボン劣化とのバランスをとりながら下限電圧を設定することが望ましい。

［実施の形態１における下限電圧の設定手法］
そこで、本願発明者は、このような電位変動に伴うカーボン劣化を考慮に入れた、下限電圧の設定方法を見出した。以下、実施の形態１にかかる下限電圧の設定手法を説明する。実施の形態１で用いられる手法は、大きく分けて次の２つである。
・第１の手法は、燃料電池システムの設計段階で、電位変動に伴うカーボン劣化を考慮に入れた下限電圧設定値マップの作成を行うというものである。
・第２の手法は、上記第１の手法で設定した初期の下限電圧設定値マップで想定されているカーボン劣化状態と、システムの運転時間の経過に応じて生ずる現実のカーボン劣化状態との間の乖離を、下限電圧の設定値へと反映させるというものである。
なお、電位変動に伴うカーボンの劣化反応において、ＣＯ_２が発生する。そこで、実施の形態１では、ＣＯ_２発生量を指標にして、電位変動に伴うカーボンの劣化量を計測することにした。

以下、第１の手法と、第２の手法とを、個別に説明する。

＜第１の手法：初期の下限電圧設定値マップの作成＞
図４〜図８を用いて、実施の形態１にかかる、初期の下限電圧設定値マップの作成方法を説明する。概略を示すと、初期の下限電圧設定値マップの作成は、以下の（i）〜（iii）のステップにより行われる。
（i）先ず、図４に示すような、走行距離（電位変動回数）と担体劣化量との相関関係を示す曲線（以下、「劣化特性」とも称す）を、複数の下限電位（実施の形態１では、０．２Ｖ、０．４Ｖ、０．７５Ｖ）で計測する。
（ii）図４に示されている、下限電位の異なる複数の劣化特性を用いて、図５（ｂ）に示す複合劣化特性を作成する。
（iii）この複合劣化特性に従って、下限電圧設定値マップを作成する。
以下、個々のステップを詳細に説明する。

（i）劣化特性取得ステップ
このステップでは、異なる下限電位条件下で、カーボンの劣化特性を計測する。先ず、燃料電池スタック１０の担体に用いるカーボンと同じカーボンを準備する。このカーボンを以下、「マップ作成対象カーボン」と称す。カーボンにも様々な種類があり、個々のカーボンの劣化特性が同じ特性であるとは限らないので、実施の形態１では、現実に燃料電池スタック１０の担体に用いるカーボンと同じカーボンを、マップ作成対象カーボンとして準備する。これにより、下限電圧設定値マップの作成に、材料固有の劣化特性を活用することができる。このマップ作成対象カーボンを担体として用いて、サンプル用に、燃料電池スタック１０に用いられるのと同じ構造の膜電極接合体を作成する。

図６は、劣化特性の取得のための計測系を模式的に示す。サンプル６０は、上述した、マップ作成対象カーボンを担体として用いた膜電極接合体である。サンプル６０の各面には、電源６２の端子が接続されている。このサンプル６０の各面に水素ガスと窒素ガスとをそれぞれ流しつつ、電源６２によってサンプル６０に電圧を印加する。図６のサンプル６０の面に沿って流れた後の窒素ガスは、図示しないＣＯ_２分析計に供給される。なお、ここでは、測定に使用する機器として電源６２のみを簡略に示したが、計測機器としていわゆるポテンショガルバノスタットを使用することができる。このような計測系を用いて、劣化特性を取得する。

図７は、サンプル６０に印加する電圧パターンを示す。実施の形態１では、サンプル６０のうち窒素が供給される側の電極触媒層の電位を、図７に示すような三角波形のパターンで変動させる。図７に示すように、時刻ｔ_Ｃ１から時刻ｔ_Ｃ２にかけてと、時刻ｔ_Ｃ２から時刻ｔ_Ｃ３にかけてと、時刻ｔ_Ｃ３から時刻ｔ_Ｃ４にかけて、それぞれ、１回ずつ、サンプル６０に三角波が印加される。三角波の周期は一定とし、燃料電池スタック１０の間欠運転時の周期Ｔ_１（図２（ｂ）を参照）と同じ長さにする。図７では省略しているが、時刻ｔ_Ｃ４以降も同様に三角波が繰り返し印加される。

実施の形態１では、電位の変動幅の上限を開放端電圧ＯＣＶとする。また、電位の変動幅の下限の電圧値Ｖ_{ＭＩＮ−ＣＯＮＴ}は変更可能にしておく。実施の形態１では、先ず、Ｖ_{ＭＩＮ−ＣＯＮＴ}を０．２Ｖに設定して、図７の電圧パターンをサンプル６０に印加する。

図８は、サンプル６０の面内を流れた後ＣＯ_２分析計内を流れていく窒素ガス中のＣＯ_２量を、図示しないＣＯ_２分析計の出力に基づいて記録した場合の内容を、模式的に示す。図８において斜線を付した領域７０は、時刻ｔ_Ｃ１から時刻ｔ_Ｃ２までにＣＯ_２分析計が感知したＣＯ_２量を積算したものである。つまり、領域７０は、丸数字の１の三角波の印加を受けて発生したＣＯ_２量の総和に相当する。同様に、領域７２、７４は、それぞれ、図７の丸数字の２、３を付した三角波の各々の結果として発生した、ＣＯ_２の総量に相当する。図８におけるＣＯ_２発生量を積算していくと、電位変動回数の増加に応じた総ＣＯ_２発生量を取得することができる。

実施の形態１では、ＣＯ_２発生量を、カーボン劣化量としてみなす。この総ＣＯ_２発生量と電位変動回数との関係をグラフに示すと、図４の下限電位０．２Ｖの曲線が得られる。この曲線を、下限電位０．２Ｖの条件での、カーボンの劣化特性として取り扱う。

なお、図４の横軸は、走行距離である。既述したように、実施の形態１では、便宜上、燃料電池システムを車両に搭載することを想定している。燃料電池システムが運転時間中にどの程度の頻度で間欠運転に入るかは、統計的に見積もることができる。また、燃料電池システムの寿命をある長さ（例えば１０年）に設定すれば、１０年相当の車両走行距離も概算できる。したがって、１０年相当の走行距離に至るまでに間欠運転が行われる回数を、計算により求めることができる。図４では、このような換算を行って走行距離を電位変動回数に代用した上で、劣化特性を図示している。

同様に、Ｖ_{ＭＩＮ−ＣＯＮＴ}を０．４Ｖ、０．７５Ｖのそれぞれに設定して、三角波の印加およびＣＯ_２発生量の分析を行う。これにより、下限電位０．２Ｖの曲線と同様に、図４に示すような、下限電位０．４Ｖの曲線と、下限電位０．７５Ｖの曲線とが、それぞれ得られる。これらの曲線を、それぞれ、下限電位０．４Ｖ、０．７５Ｖの条件での、カーボンの劣化特性として取り扱う。

なお、実施の形態１では、サンプル６０に三角波の電位変動を印加して、ＣＯ_２量分析を行った。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図２（ｂ）で述べた、間欠運転中の燃料電池スタック１０における単位セルの電圧変動を更に精度良く模擬した模擬波形を作成する。この模擬波形の電位変動を、三角波の電位変動に代えて、サンプル６０に印加しても良い。また、劣化特性取得のための電位変動の回数は、１０万ｋｍ相当の回数全てを行わなくとも良く、例えば３万ｋｍ相当の回数まで計測してそれ以降の特性を計算により求めても良い。

（ii）複合劣化特性作成ステップ
以下、図５（ａ）（ｂ）を用いて、実施の形態１における複合劣化特性の作成方法を説明する。ここで、実施の形態１では、限界劣化量と予定動作時間を、複合劣化特性の作成に利用するために予め決定しておく。ここでいう限界劣化量とは、燃料電池スタック１０内で担体として用いるカーボンの劣化量の上限である。また、ここでいう予定動作時間とは、燃料電池スタック１０の動作時間の予定の値（言い換えれば、燃料電池スタック１０の予定寿命）である。実施の形態１では、予定動作時間を、１０年とする。

実施の形態１では、予定動作期間である１０年が経過した段階で、燃料電池スタック１０内の担体のカーボンが限界劣化量相当になるように、複合劣化特性を作成する。図で説明すると、先ず、図５に示すように、横軸の１０年相当走行距離（実施の形態１では１０万ｋｍとする）の位置に縦線を引き、縦軸の限界劣化量の位置に横線を引く。図５においてこの縦線と横線の交点（図５中のＸ_ｌｉｍ）を下回るような曲線を、下限電位０．２Ｖ、下限電位０．４Ｖ、下限電位０．７５Ｖの劣化特性を重ね合わせて作成する。

前述したように、間欠運転の燃費向上の観点からは、燃料電池スタック１０の下限電圧は低めに設定したい。しかしながら、その一方で、図４に示すように、電位変動時の下限電位が低いほど（つまり、０．２Ｖ、０．４Ｖ、０．７５Ｖの順に）、カーボンの劣化の進行ペースは速い。下限電圧を決定するには、これら２点を勘案することが好ましい。

そこで、実施の形態１では、次のような手順で下限電圧を決定する。先ず、実施の形態１では、システム運転開始当初は下限電圧を０．２Ｖに設定し、燃費向上効果を優先させる。その一方で、寿命が後半に入り走行距離が１０万ｋｍに至るまでの期間は、カーボンの劣化を緩やかに進行させるために下限電圧を０．７５Ｖに設定する。そして、下限電圧が０．２Ｖの期間と、下限電圧が０．７５Ｖの期間との間に、中間的な下限電圧の領域として下限電圧が０．４Ｖの期間を設ける。

次いで、上記の概略方針のもとで、電位変動に伴うカーボン担体の劣化の進行を考慮に入れるために、複合劣化特性を作成する。先ず、下限電位０．７５Ｖの劣化特性における走行距離１０万ｋｍのときの劣化量がちょうど交点Ｘ_ｌｉｍの位置に来るように、下限電位０．７５Ｖの劣化特性を図４の状態から紙面上方へと移動させる。その結果、図５（ａ）に示すように、下限電位０．７５Ｖの劣化特性が交点Ｘ_ｌｉｍを通るように、劣化特性が書きなおされる。更に、下限電位０．４Ｖの劣化特性を重ねる。実施の形態１では、走行距離１万ｋｍの位置で、下限電位０．２Ｖの劣化特性と下限電位０．４Ｖの劣化特性とを交差させる（交点Ｘ_１）。これに応じて、下限電位０．４Ｖの劣化特性と下限電位０．７５Ｖの劣化特性とが、走行距離３万ｋｍの位置で交差する（交点Ｘ_２）。

図５（ｂ）は、図５（ａ）で述べたように重ね合わせた複数の劣化特性を、交点Ｘ_１、Ｘ_２の位置で切断、結合して得られた複合劣化特性を示す。図５（ｂ）に示すように、下限電位０．２Ｖの劣化特性、下限電位０．４Ｖの劣化特性、および下限電位０.７５Ｖの劣化特性が連結し、１つの複合劣化特性を構成している。以上の手順により、複合劣化特性を得る。

（iii）下限電圧設定値マップ作成ステップ
次いで、図５（ｂ）の複合劣化特性に従って、下限電圧設定値マップを作成する。具体的には、図５（ｂ）に示すように、複合劣化特性の各区間の下限電位に従って、下記のように下限電圧設定値マップを作成する。
走行距離０〜１万ｋｍの区間 ＝ 下限電圧０．２Ｖ区間
走行距離１万ｋｍ〜３万ｋｍの区間 ＝ 下限電圧０．４Ｖ区間
走行距離３万ｋｍ〜１０万ｋｍの区間 ＝ 下限電圧０．７５Ｖ区間
この、区間−下限電圧情報を、下限電圧設定値マップとして記憶装置５２に記憶する。

実施の形態１の燃料電池システムでは、上記の下限電圧設定値マップに従って、ＣＰＵ５０が、間欠運転時における下限電圧を、現在の走行距離に応じた値に設定する。

以上述べたように、実施の形態１の第１の手法によれば、所望の劣化特性を示すような複合劣化特性を作成することができる。この複合劣化特性は、劣化特性取得ステップで得られた複数の劣化特性を複合させることにより得られる特性である。更に、設定値マップ作成ステップにより、この複合劣化特性に従ってカーボンの劣化の進行が進むような下限電圧設定値マップを作成することができる。この下限電圧設定値マップに従って下限電圧を切り替えていくことにより、電位変動に伴うカーボン担体の劣化の進行を考慮に入れながら、燃料電池システムを運転することができる。

また、間欠運転時に、燃費向上効果と、担体のカーボンの劣化との両方を考慮して、燃料電池システムを運転することができる。

＜第２の手法：下限電圧設定値マップの補正＞
続いて、実施の形態１にかかる第２の手法を説明する。

現実の使用環境下においては、燃料電池システムは、様々な使われ方をする。具体例として車両搭載型の燃料電池システムを挙げると、個々のドライバの間で個人差があることに起因して、同じ燃料電池システムであっても運転のされ方が異なる。従って、燃料電池スタック１０内のカーボン担体の劣化の進行も、当初予定した標準的なペースと比べて、速くなったり遅くなったりする。これに対処すべく、実施の形態１では、これまで述べた第１の手法に加え、更に、以下述べる第２の手法も用いられる。この第２の手法によって、システム運転開始後に、定期的に下限電圧設定値マップが更新される。

図９は、実施の形態１にかかる下限電圧設定値マップの更新のフローチャートを示す。このフローチャートの内容は、以下のようなものである。
〔ステップＳ１００〜Ｓ１０６〕 実施の形態１が備えるＣＯ_２分析機能を利用して、現在の走行距離における、１周期の電位変動あたりに発生するＣＯ_２量が実測される。
〔ステップＳ１０８〕 実測データを用いて、図１０（ａ）に示す実測予想劣化特性が作成される。
〔ステップＳ１１０〕 実測予想劣化特性に従って、下限電圧設定値マップが補正される。
実施の形態１では、図９のフローチャートが、所定の間隔を置いて、繰り返し実行される。以下、個々のステップを詳細に説明する。

〔ステップＳ１００〜Ｓ１０６：劣化状態検知ステップ〕
このステップでは、燃料電池スタック１０内の担体のカーボンを対象にして、この対象の劣化状態を検知する処理が実行される。前述したように、電位変動に伴うカーボンの劣化反応において、ＣＯ_２が発生する。そこで、実施の形態１の燃料電池システムは、ＣＯ_２量に基づいた劣化状態検知を行う。そのための構成として、タンク４０および分析計４２が備えられている。また、実施の形態１では、劣化状態検知が、システム運転中に定期的に行われる。具体的には、実施の形態１では、２０００ｋｍ、４０００ｋｍ、６０００ｋｍのように、走行距離２０００ｋｍごとに、ＣＯ_２量に基づく劣化状態検知ステップが実行される。

劣化状態検知ステップでは、先ずステップＳ１００が実行される。ステップＳ１００において、バルブ３４が切り換えられ、燃料電池スタック１０に対してタンク４０からＣＯ_２フリーの合成エアが供給される。次いで、ステップＳ１０２が実行される。ステップＳ１０２では、ＣＰＵ５０が、燃料電池スタック１０の電圧が間欠運転中の電圧印加パターン（図２参照）と同じ変動を示すように、燃料電池スタック１０の動作点を制御する。もしくは、運転状態を強制的に間欠運転に切り換えて、一時的にバッテリから必要な電力を供給するなどしてもよい。また、電圧印加パターンは、図７に示した三角波にしてもよい。これらのいずれかの状態を実現することにより、燃料電池スタック１０の電圧を、間欠運転時と同じように変動させることができる。その結果、ＣＯ_２フリーの合成エアが供給されかつ間欠運転時と同じ或いは同等の電圧変動が生じている環境が、実現される。

次いで、ステップＳ１０４が実行される。ステップＳ１０４では、分析計４２が、カソードオフガス中のＣＯ_２量を分析する。このようにすることで、前述した第１の手法の（i）劣化特性取得ステップにおいてサンプル６０へ電圧を印加しながらＣＯ_２量を分析した状況を、再現できる。その結果、（i）劣化特性取得ステップで説明したように、電位変動に伴うカーボンの劣化量を測定することができる（ステップＳ１０６）。

〔ステップＳ１０８：実測予想劣化特性作成ステップ〕
このステップでは、劣化状態検知ステップで検知された劣化状態の情報と、走行距離とに基づいて、電位変動回数とカーボン劣化量との将来の関係を示す予想劣化特性（以下、「実測予想劣化特性」とも称す）が作成される。

実施の形態１では、具体的には、以下の(a)〜(g)の手順により、実測予想劣化特性が作成される。
（a）走行距離が２０００ｋｍの時点で、一度、劣化状態検知を行う。そうすると、走行距離２０００ｋｍ時点での、１周期の電位変動に対して発生したＣＯ_２量が検知される。
（b）実施の形態１では、走行距離０〜２０００ｋｍの区間では、平均的に、１回の電位変動あたり、上記検知結果のＣＯ_２量が発生したものとみなす。よって、上記検知結果のＣＯ_２量に２０００ｋｍまでの電位変動の総回数を乗じることにより、２０００ｋｍの時点までに発生した総ＣＯ_２量が算出できる。電位変動の総回数は、第１の手法の(i)劣化特性取得ステップにおいて述べたように、統計的な概算によって算出される。算出した総ＣＯ_２量を、図１０に示すように、横軸の２０００ｋｍの位置に記録する。
（c）その後、走行距離が４０００ｋｍになるまで走行し、走行距離４０００ｋｍの時点で再び劣化状態検知を行う。４０００ｋｍ時点の１周期の電位変動あたりのＣＯ_２量が算出される。
（d）その結果を、２０００ｋｍ〜４０００ｋｍ区間における、１周期の電位変動あたり平均のＣＯ_２量とみなす。すなわち、２０００ｋｍ〜４０００ｋｍの区間では、平均的に、１回の電位変動に対して、このＣＯ_２量が発生したものとみなす。これにより、２０００ｋｍ〜４０００ｋｍの区間で発生した総ＣＯ_２量が算出される。
（e）２０００ｋｍ時点までに発生した総ＣＯ_２量に、２０００ｋｍ〜４０００ｋｍの区間で発生した総ＣＯ_２量を加算する。その結果、０〜４０００ｋｍ区間で発生した総ＣＯ_２量が算出できる。算出した総ＣＯ_２量を、図１０に示すように、横軸の４０００ｋｍの位置に記録する。
（f）その後、走行距離が６０００ｋｍになるまで走行し、走行距離６０００ｋｍの時点で３回目の劣化状態検知を行う。
（g）検知の結果得られた、６０００ｋｍ時点の１周期の電位変動あたりのＣＯ_２量を、走行距離４０００ｋｍ〜６０００ｋｍ区間における、１周期の電位変動あたりのＣＯ_２量とみなす。ここから、上記の（d）(e)と同様にして、０〜６０００ｋｍで発生した総ＣＯ_２量を算出し、図１０に示すように６０００ｋｍ地点に記録する。
（h）６０００ｋｍ以降も、同様に２０００ｋｍ毎に劣化状態検知を行う。劣化状態検知を行うごとに、上記述べた手順に従って、０ｋｍから各走行距離の時点までに発生した総ＣＯ_２量を算出し、図１０に示すように各走行距離に記録する。なお、劣化状態検知のタイミングは２０００ｋｍ毎で一定としても良いし、間隔を延ばしたり縮めたりしてもよい。
（i）上記の(a)〜（h）の手順を踏むことにより、走行距離の増大に伴って、図１０中に、白抜き丸で示す実測点が記録されていく。これらの実測点が何点か集まった時点で（たとえば、１万ｋｍ時点で）、それまでに得られた実測点に基づいて図１０（ａ）に示す実測予想劣化特性の曲線が計算により求められる。
（j）実施の形態１では、上記の手順が継続され、実測点が継続的に追加される。追加された実測点に基づいて、逐次的に、実測予想劣化特性の曲線が最新の状態に更新される。

以上述べたように、このステップでは、燃料電池システムの運転中にカーボンの劣化状態を検知して、この検知により得た実測データに基づく将来の予想劣化特性を作成することができる。

〔ステップＳ１１０：下限電圧設定値マップ補正ステップ〕
このステップでは、初期の下限電圧設定値マップで想定されているカーボン劣化状態と、システムの運転時間の経過に応じて生ずる現実のカーボン劣化状態との間の乖離具合に応じて、下限電圧設定値マップの内容を補正する処理が行われる。

実施の形態１では、走行距離１万ｋｍの時点で、それまでの実測点を用いて作成した実測予想劣化特性と、初期の劣化予想特性とが比較される。図１０（ａ）において、１万ｋｍまでの実測予想劣化特性と、初期の劣化予想特性とを比較すると、実測予想劣化特性のほうが、各走行距離における劣化量の値が少ない。つまり、図１０（ａ）のケースでは、燃料電池システムを実際に運転したところ、初期の予想に比べて劣化の進み具合が遅い。

図１０（ａ）の紙面上側には、初期の予想劣化特性に従った下限電圧設定値が記載されている。初期の予想劣化特性に従えば、走行距離が１万ｋｍを超える際に、下限電圧が、０．２Ｖから０．４Ｖへと切り換えられる筈である。

しかしながら、初期の予想に比べて劣化の進み具合が遅いので、カーボンの状態には余裕がある。前述したように、燃費向上の観点からは、下限電圧を低めにしておきたい。そこで、実施の形態１では、走行距離が３万ｋｍになるまで下限電圧が０．２Ｖ維持されるように、下限電圧設定値マップを書き換える。これにより、図１０（ｂ）に矢印１００で示すように、０．２Ｖ区間を、走行距離３万ｋｍまで拡大する。図１０（ｂ）の紙面上側に、このような下限電圧設定マップの補正後の下限電圧設定値が記載されている。なお、ここでは、便宜上、走行距離３万ｋｍ以降をすべて下限電圧０．４Ｖ区間に設定している。

以上述べたように、このステップでは、下限電圧設定値マップを、カーボンの現実の劣化状態に合わせて、更新することができる。

なお、下限電圧設定値マップの補正は、上記の実施の形態１の補正方法に限定されるものではなく、次のように行うことができる。カーボンの劣化の進行が予想よりも遅い場合には、現在の下限電圧が維持される。また、カーボンの劣化の進行が予想よりも速い場合には、下限電圧が相対的に高い期間への移行時期が早められる。これら２つのうち、両方を適用しても良いし、いずれか一方のみを行っても良い。

［実施の形態１の高精度ＣＯ_２量計測］
実施の形態１では、ステップＳ１００において、加湿モジュール３００内部のバルブ３０４、３０８の切換が行われる。これ以降、水タンク３０２内の水は、脱気膜フィルタ３０６を介して、送液ポンプ３１２に供給される。よって、インジェクタ３１４は、脱気膜フィルタ３０６によりＣＯ_２が取り除かれた水を、混合器３１６に噴射する。

このバルブ３０４，３０８の切換動作によれば、劣化状態検知ステップの実行期間に、加湿モジュール３００の水から、ＣＯ_２を除去することができる。水にはＣＯ_２が溶解しうるため、ＣＯ_２を含有する水によって、酸化ガスの加湿が行われる可能性がある。このような場合、加湿モジュール３００の水の中のＣＯ_２が、カソードから排出されるカソードオフガスに混入してしまう。その結果、カーボンの劣化量の検知の基礎とすべきＣＯ_２量測定値に、加湿モジュール３００の水に含まれていたＣＯ_２の量が、上乗せされてしまう。この点、実施の形態１によれば、劣化状態検知ステップによる劣化量の検知を、不必要なＣＯ_２量が上乗せされることを防止しつつ、実行することができる。従って、カソードオフガス中のＣＯ_２量に基づいて行われるカーボンの劣化量検知を、高精度に行うことができる。

尚、上述した実施の形態１の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０内の個々の単位セルが、前記第１の発明における「燃料電池」に相当している。また、上述した実施の形態１では、加湿モジュール３００が、前記第１の発明における「加湿モジュール」に、分析計４２が、前記第１の発明における「計測手段」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１では、図９のフローチャートのステップＳ１０２が実行されることにより、前記第１の発明における「電位変動手段」が、図９のフローチャートのステップＳ１０６が実行されることにより、前記第１の発明における「劣化量検知手段」が、それぞれ実現されている。また、上述した実施の形態１では、加湿モジュール３００内において脱気膜フィルタ３０６を介して加湿用の水が送液されることにより、前記第１の発明における「二酸化炭素除去手段」が実現されている。

また、実施の形態１では、車両の現時点までの走行距離が走行距離メータで検知されることにより、前記第６の発明における「電位変動回数検知手段」が実現されている。また、図９のフローチャートのステップＳ１０８が実行されることにより、前記第６の発明における「劣化特性作成手段」が、図９のフローチャートのステップＳ１１０が実行されることにより、前記第６の発明における「電圧制御値設定手段」が、それぞれ実現されている。また、実施の形態１では、ＣＰＵ５０により単位セルの電圧が下限電圧を下回らないように燃料電池スタック１０の発電状態が制御されることにより、前記第６の発明における「電圧制御手段」が実現されている。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１の燃料電池システムには、インジェクタタイプの加湿モジュール３００が設けられた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。バブラータイプや、中空糸フィルタを用いるタイプの加湿モジュールを用いても良い。これらの加湿モジュールを用いる場合にも、加湿用の水が通る経路に脱気膜フィルタ３０６を適宜配置すればよい。

また、実施の形態１では、脱気膜フィルタを用いて、加湿モジュール内の加湿用の水からＣＯ_２を取り除いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。脱気膜フィルタに代えて、二酸化炭素を吸着する吸着材を使用しても良い。

（第２変形例）
実施の形態１の燃料電池システムは、下限電圧設定値マップの更新のための劣化状態検知ステップのために、タンク４０および分析計４２を備えている。しかしながら、本発明はこれに限られない。タンク４０の代わりに、中空糸フィルタを燃料電池システムに搭載しても良い。この中空糸フィルタを使って大気からＣＯ_２をフィルタリングし、これにより得られたＣＯ_２フリーの空気を、燃料電池スタック１０に供給してもよい。

また、タンク４０の代わりに、図６の測定系を模擬した構成を、燃料電池システムに搭載しても良い。つまり、窒素ガスを貯留した窒素タンクと、ポテンショガルバノスタットを燃料電池システムに搭載して、劣化状態検知ステップにおいて図６を用いて説明したのと同じ測定を行っても良い。

（第３変形例）
実施の形態１では、実施の形態１の燃料電池システムが車両に搭載されることが前提となっている。そして、担体のカーボンが受けた電位変動の回数と走行距離とが関連付けられ、走行距離に従って下限電圧の切り替えが行われている。しかしながら、本発明はこれに限られない。実施の形態１の燃料電池システムを、車両搭載以外の用途として用いても良い。この場合には、実施の形態１の燃料電池システムが実際に間欠運転を行った時間や、間欠運転時の１周期の電圧変動（図２（ｂ）の周期Ｔ_１の電圧変動）が何回繰り返されたかを、カウントしてもよい。カウントした情報に基づいて担体のカーボンが受けた電位変動の回数を算出し、算出した回数に応じて下限電圧の切り替えを行ってもよい。

また、運転時間の計測や間欠運転中の電圧変動のカウントによる電位変動回数の算出は、燃料電池システムが車両に搭載されていても実行可能である。したがって、実施の形態１の燃料電池システムで、走行距離に代えて（または走行距離とともに）、運転時間の計測や電位変動回数のカウントにより、カーボンが受けた電位変動の回数を算出することができる。

（第４変形例）
実施の形態１では、下限電圧設定値マップに規定された下限電圧が、間欠運転時の下限電圧Ｖ_ＭＩＮとして利用される。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。間欠運転時以外の通常発電中にも、個々の単位セルの電圧が下限電圧設定値マップに規定された下限電圧を下回らないように、システムの運転を行っても良い。

（第５変形例）
実施の形態１では、カーボンに与える電位変動の下限電位が、０．２Ｖ、０．４Ｖ、０．７５Ｖの条件下で、それぞれ劣化特性が取得された。そして、これら３段階の下限電位の劣化特性を用いて、複合劣化特性が作成された。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。これらの下限電位の大きさは、適宜変更されてもよい。また、３段階ではなく、より多数の異なる下限電位について劣化特性を取得したり、あるいはより少ない２段階の下限電位について劣化特性を取得して、複合劣化特性を作成しても良い。例えば、０．２Ｖ〜０．７５Ｖまで０．０５Ｖ刻みで１本ずつ劣化特性を取得してもよい。その結果得られた多数の劣化特性を用いて、実施の形態１で述べたように複合劣化特性を作成しても良い。これにより、より細かく下限電圧を変化させるような下限電圧設定値マップが作成される。また、下限電圧の設定値の情報は、必ずしもマップとして記憶されていなくともよく、関数で表せる場合には関数として記憶してもよい。

なお、実施の形態１では、マップ作成対象カーボンが、燃料電池スタック１０内で担体として用いるカーボンと同一のものである。しかしながら、燃料電池スタック１０で担体として用いるカーボンと同様の劣化特性を示すものであれば、実際に燃料電池スタック１０に用いるカーボンと完全同一でない同種の他のカーボンを、マップ作成対象カーボンとして用いても良い。

実施の形態１では、個々の単位セルの電圧をセル電圧モニタ４８でモニタリングし、全ての単位セルが下限電圧を下回らないように燃料電池スタック１０の発電状態を制御した。しかしながら、次のような変形が可能である。燃料電池スタック１０の電圧は、単位セルの１個当たりの電圧と、単位セルの総積層枚数との積に相当する。従って、例えば単位セル１個当たりの下限電圧が０．２Ｖであり、かつ、単位セルの総積層枚数が２００枚である場合には、燃料電池スタック１０の下限電圧を０．２Ｖ×２００＝４０Ｖと設定することができる。これに応じて、燃料電池スタック１０の電圧が４０Ｖを下回らないように、システムを制御することもできる。このような下限電圧の制御方法も、本発明に含まれるものとする。

ところで、実施の形態１の燃料電池システムでは、前述したように合成エアの切換と脱気膜フィルタ３０６の切換とを併用することにより、分析計４２に対してＣＯ_２濃度が極めて低いガスが流れている環境を実現することができる。そこで、実施の形態１では、このような環境の利点を活かして、分析計４２のゼロ点調節も行う。具体的には、定期的に或いは任意の要求タイミングで、前述したように合成エアの切換および脱気膜フィルタ３０６の切換を行いかつ分析計４２のゼロ点調節を行う。これにより、分析計４２の校正を高精度に行うことができる。なお、実施の形態１の燃料電池システムから前提構成１、２を取り払って、ここで述べた分析計４２の調節手法のみを利用しても良い。

実施の形態２．
図１２は、実施の形態２の燃料電池システムの構成図である。実施の形態２によれば、実施の形態１とは異なる手法によって、電位変動に伴うカーボンの劣化量を検知することができる。以下、実施の形態１との相違点を主に説明し、重複する内容は説明を省略する。

［実施の形態２の構成］
実施の形態２の燃料電池システムは、バルブ３４およびタンク４０を備えていない。また、実施の形態２では、加湿モジュール３００に代えて、加湿モジュール３５０が備えられている。加湿モジュール３５０は、既に公知となっている各種の加湿モジュールと同じ構成とされる。また、加湿モジュール３００から脱気膜フィルタ３０６を取り除き、水タンク３０２と送液ポンプ３１２とを単純に接続したものを、加湿モジュール３５０にしてもよい。

実施の形態２の燃料電池システムは、管路３２に、分析計３４１を備えている。分析計３４１は、加湿モジュール３５０の下流であってかつ燃料電池スタック１０の上流におけるガスの、ＣＯ_２濃度を計測することができる。

［実施の形態２の動作］
実施の形態２の燃料電池システムの動作は、劣化状態検知ステップの内容を除き、実施の形態１の燃料電池システムの動作と同じである。実施の形態１の劣化状態検知ステップ時には、燃料電池スタック１０に対してタンク４０からＣＯ_２フリーの合成エアが供給され、かつ、脱気膜フィルタ３０６による加湿モジュール３００内のＣＯ_２除去が行われる。これに対し、実施の形態２の劣化状態検知ステップ時には、以下述べるように、分析計４２の計測値および分析計３４１の計測値が、劣化状態の検知に用いられる。

実施の形態２の燃料電池システムが劣化状態検知ステップを実行する際には、次のような処理が実行される。先ず、実施の形態１と同様の電圧パターンを示すように燃料電池スタック１０が制御される。この状態で、ＣＰＵ５０が、分析計４２の計測値（以下、「下流ＣＯ_２濃度」とも称す）と、分析計３４１の計測値（以下、「上流ＣＯ_２濃度」とも称す）とを、それぞれ取得する。その後、下流ＣＯ_２濃度から上流ＣＯ_２濃度を減算する処理が実行される。減算処理により得られたＣＯ_２濃度差は、燃料電池スタック１０内部におけるカーボン酸化反応で増加したＣＯ_２濃度増加分を意味する。このＣＯ_２濃度増加分を、実施の形態１で劣化状態検知ステップで取得されるＣＯ_２発生量の代わりとして利用することができる。以上のように、実施の形態２によれば、実施の形態１はと異なる手法によって、電位変動に伴うカーボンの劣化量を検知することができる。

また、実施の形態２では、更に、ガスの移動に関する時間的要素を考慮に入れる。分析計３４１と分析計４２との間には、管路３２の一部、燃料電池スタック１０内部の酸化ガス流路、および管路３６の一部が、介在している。分析計４２、３４１の計測値を減算処理する際には、分析計４２、３４１間におけるガスの移動時間を考慮することが好ましい。

そこで、実施の形態２では、先ず、下記の式に従って、ガス移動時間Ｔ_Ｄを求める。
ガス移動時間Ｔ_Ｄ ＝ Ｖ_ＰＡＳＳ ／ Ｑ_{Ａｉｒ＿ｄｅｔｅｃｔ} ・・・ （１）

但し、（１）式におけるＶ_ＰＡＳＳとＱ_{Ａｉｒ＿ｄｅｔｅｃｔ}は、下記の式で定められる。
Ｖ_ＰＡＳＳ ＝ 分析計４２、３４１間の管路の総容積（Ｌ） ＋ 燃料電池スタック１０内のカソードのガス流路総容積（Ｌ） ・・・ （２）
Ｑ_{Ａｉｒ＿ｄｅｔｅｃｔ} ＝ 劣化状態検知ステップ実行中のカソードのガス流量（Ｌ／ｍｉｎ） ・・・ （３）

実施の形態２では、時刻ｔに分析計４２が示した下流ＣＯ_２濃度から、ガス移動時間Ｔ_Ｄだけ時刻ｔから遡った時刻（すなわち、時刻ｔ−Ｔ_Ｄ）に分析計３４１が示した上流ＣＯ_２濃度が、減算される。減算の結果得られた値が、時刻ｔに分析計４２の位置にあるカソードオフガスに含まれる二酸化炭素発生量として取り扱われる。これにより、上流ＣＯ_２濃度と下流ＣＯ_２濃度との間の減算処理を、ガスの移動時間を考慮に入れた上で適切に行うことができる。その結果、実施の形態２によれば、より高精度なＣＯ_２量計測が実現される。

なお、実施の形態２では、分析計３４１を、加湿モジュール３５０の下流に配置した。このような構成によれば、加湿モジュール３５０内の水に含まれるＣＯ_２の影響を排除できるという利点もある。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。加湿モジュール３５０の上流に、分析計３４１を配置しても良い。

尚、上述した実施の形態２では、分析計３４１によって得られる上流ＣＯ_２濃度と分析計４２によって得られる下流ＣＯ_２濃度との差が求められることにより、前記第３の発明における「取得手段」が実現されている。

実施の形態３．
図１３は、実施の形態３の燃料電池システムの構成図である。実施の形態３は、実施の形態１の構成と実施の形態２の構成の両方を備えている。つまり、実施の形態３の燃料電池システムは、内部に脱気膜フィルタ３０６を有する加湿モジュール３００と、燃料電池スタック１０上流のＣＯ_２濃度を計測可能な分析計３４１とを、共に備える。その他の構成は、実施の形態１、２で既に述べたため、説明は省略する。

実施の形態３の燃料電池システムは、劣化状態検知ステップの処理内容が、実施の形態１、２と異なっている。その他の内容は、実施の形態３は、実施の形態１と同じ動作をする。従って、これ以降は、相違点である劣化状態検知ステップの説明を重点的に行う。

以下、実施の形態３の燃料電池システムの劣化状態検知ステップの動作を説明する。概要は、下記の（x）（y）（z）の通りである。
（x）劣化状態検知ステップの実行の際には、実施の形態１と同様に、ＣＯ_２フリーの合成エアが燃料電池スタック１０へ供給される。
（y）更に、劣化状態検知ステップの実行の際に、実施の形態２と同様に、分析計４２、３４１を用いたＣＯ_２濃度差に基づくＣＯ_２量計測が行われる。
（z）上記の（x）および（y）の動作に加え、実施の形態３では、カソードに流れ込むガスのＣＯ_２濃度が十分に低減されたことが確認された上で、劣化状態検知ステップが開始される。

以下、図１４を用いて、実施の形態３にかかる燃料電池システムの動作および具体的処理を説明する。図１４は、実施の形態３の燃料電池システムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。図１４のフローチャートは、図９のフローチャートにおけるステップＳ１００の処理に代えて実行される。図１４のフローチャートが終了した後に、図９のフローチャートのステップＳ１０２以降の処理が継続される。

図１４のルーチンでは、先ず、ＣＯ_２分析要求があるか否かが判定される（ステップＳ４００）。実施の形態３の燃料電池システムも、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、所定走行距離に達した時点で（つまり２０００ｋｍ、４０００ｋｍ、６０００ｋｍのように、走行距離２０００ｋｍごとに）ＣＯ_２量に基づく劣化状態検知ステップが実行されるものとする。このため、ステップＳ４００では、現在の走行距離が劣化状態ステップを実行すべき距離に達したか否かが判定される。条件が成立した場合には、ＣＯ_２分析要求が生じたものと判断される。

ステップＳ４００においてＣＯ_２分析要求が無い場合には、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ４００でＣＯ_２分析要求があると判定された場合には、バルブ３４が切り換えられ、燃料電池スタック１０に対してタンク４０からＣＯ_２フリーの合成エアが供給される（ステップＳ４０２）。

続いて、水タンク３０２の水が脱気膜フィルタ３０６を介して流れるように、バルブ３０４、３０８が切り換えられる（ステップＳ４０４）。これにより、実施の形態１と同様に、ＣＯ_２が除去された水によって、加湿モジュール３００による加湿が行われる。実施の形態３では、ＣＯ_２フリーの合成エアに対して、更に、ＣＯ_２が除去された水によって加湿が行われる。このように、実施の形態３によれば、劣化状態検知ステップで燃料電池スタック１０に供給するためのガスを、低いＣＯ_２濃度のガスに置換することができる。

次いで、燃料電池スタック１０上流側のＣＯ_２量が、１ｐｐｍ以下であるか否かが判定される（ステップＳ４０６）。このステップでは、分析計３４１の計測値に基づいて、現在燃料電池スタック１０に流れ込んでいるガス中のＣＯ_２量が１ｐｐｍ以下であるか否かが判定される。この条件が成立するまでは、繰り返し、ステップＳ４０６の判定処理が行われる。なお、この判定処理は、実施の形態３では、一例として、エア流量を１Ｌ／ｃｅｌｌにした状態で行われる。また、１ｐｐｍという値は一例であり、判定に用いる値は適宜定めてよい。

ここで、ステップＳ４０６の処理によってもたらされる効果を説明する。合成エアの切換や脱気膜フィルタ３０６の切換が行われた後、ＣＯ_２濃度の低減にある程度の時間がかかることがある。この時間を無視して、合成エアへの切換や脱気膜フィルタ３０６への切換と同時または直後にＣＯ_２分析が開始されると、計測精度が低下してしまうおそれがある。実施の形態３によれば、このような計測精度の低下の問題を回避して、高精度なＣＯ_２量計測を安定的に実現することができる。

ステップＳ４０６の条件が成立した場合には、ＣＯ_２分析が開始される（ステップＳ４０８）。このステップでは、具体的には、図９のフローチャートのステップＳ１０２以降の処理が実行される。

以上説明したように、実施の形態３によれば、劣化状態検知ステップにおける劣化量の検知を、カソードに流れ込むガスのＣＯ_２濃度が十分に低くなったことを確認した上で、開始することができる。

尚、上述した実施の形態３では、図１４のフローチャートのステップＳ４０２およびＳ４０４の処理が実行されることにより、前記第５の発明における「供給手段」が実現されている。また、実施の形態３では、分析計４２、３４１が、前記第５の発明における「計測手段」に相当している。また、実施の形態３では、図１４のフローチャートのステップＳ４０６の処理が実行されることにより、前記第５の発明における「判定手段」が、図１４のフローチャートのステップＳ４０８の処理が実行されることにより、前記第５の発明における「劣化量検知手段」が、それぞれ実現されている。

［実施の形態３の変形例］
（第１変形例）
ステップＳ４０６の処理内容は、次のように変形しても良い。ステップＳ４０６では、ガスに含まれるＣＯ_２量そのものが所定値以下か否かという判定が行われる。この判定により、ＣＯ_２量計測を開始する準備が整ったか否かの確認がなされている。これに対し、ＣＯ_２量そのものではなく、ＣＯ_２量の減少率が所定値以下になったか否かという判定を行っても良い。

ガス中のＣＯ_２を低減しようとする場合、ガス中のＣＯ_２量が少なくなるほど、ガス中のＣＯ_２量の減少率も小さくなっていく。このため、合成エアの切換や脱気膜フィルタ３０６の切換が行われた後、ＣＯ_２量の低下に伴って、ＣＯ_２量の減少率が徐々に小さくなる。そこで、第１変形例では、ＣＯ_２量の減少率が所定値以下になったら、ステップＳ４０８へと処理を移行する。

具体的には、例えば、分析計４２の計測データを用いて単位時間当たりのＣＯ_２減少量を繰り返し算出する。算出したＣＯ_２減少率が、予め定めたしきい値以下となったら、ステップＳ４０８へと処理を移行する。これにより、ＣＯ_２量計測を開始する準備が整ったか否かを確認することができる。

（第２変形例）
実施の形態３では、分析計３４１の計測値を利用して、ＣＯ_２量計測を開始する準備が整ったか否かの確認がなされている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ステップＳ４０６において、分析計４２の計測値に基づいて、カソードオフガス中のＣＯ_２量が１ｐｐｍ以下になったか否かを判定してもよい。この場合には、必ずしも、分析計３４１は必須構成ではない。例えば、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、分析計４２の計測値に基づいて、カソードオフガス中のＣＯ_２量が１ｐｐｍ以下になったか否かを判定してもよい。

尚、実施の形態３では、合成エアの供給と脱気膜フィルタ３０６によるＣＯ_２除去とを併用する燃料電池システム（つまり実施の形態１の燃料電池システム）において、ＣＯ_２量計測を開始する準備が整ったか否かが確認された。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。合成エアの供給と、脱気膜フィルタ３０６によるＣＯ_２除去とのうち、いずれか一方のみを備える燃料電池システムでもよい。

実施の形態４．
以下、本発明の実施の形態４を説明する。実施の形態１乃至３では、燃料電池の下限電圧を設定する場合を対象にして、高精度ＣＯ_２量計測が行われている。これに対し、実施の形態４では、燃料電池の上限電圧を設定する場合を対象にして、高精度ＣＯ_２量計測が行われる。

実施の形態４にかかる上限電圧の設定方法並びにこれを利用した燃料電池システムは、実施の形態１にかかる下限電圧の設定方法並びにこれを利用した燃料電池システムとの間で、設定する電圧制御値の内容を上限電圧と下限電圧とで交換した関係にある。このため、実施の形態４は、実施の形態１で述べた内容、思想の多くを流用することができる。以下の説明では、主に、実施の形態１に対する相違点を説明し、実施の形態１と重複する点は説明を省略する。

実施の形態４にかかる燃料電池システムは、実施の形態１で述べた燃料電池システムと同じハードウェア構成を有する。このため、システムのハードウェア構成の説明は省略する。

［実施の形態４における上限電圧の設定手法］
以下、実施の形態４にかかる上限電圧の設定手法を説明する。実施の形態４で用いられる手法は、大きく分けて次の２つである。
・第１の手法は、燃料電池システムの設計段階で、電位変動に伴うカーボン劣化を考慮に入れた上限電圧設定値マップの作成を行うというものである。
・第２の手法は、上記第１の手法で設定した初期の上限電圧設定値マップで想定されているカーボン劣化状態と、システムの運転時間の経過に応じて生ずる現実のカーボン劣化状態との間の乖離を、上限電圧の設定値へと反映させるというものである。
実施の形態４にかかる上記第１、２の手法は、ともに、下限電圧と上限電圧という相違を除き、実施の形態１の下限電圧の設定手法における第１、２の手法とほぼ同様の内容である。従って、以下の説明では、実施の形態１と異なる点を中心に説明を行う。

＜第１の手法：初期の上限電圧設定値マップの作成＞
初期の上限電圧設定値マップの作成は、以下の（i）〜（iii）のステップにより行われる。
（i）先ず、走行距離（電位変動回数）と担体劣化量との相関関係を示す曲線（劣化特性）を、複数の上限電位で計測する。複数の上限電位は、例えば、ＯＣＶから０．１Ｖ減じた電位、ＯＣＶから０．２Ｖ減じた電位、ＯＣＶから０．３Ｖ減じた電位とすることができる。サンプルや計測系は、実施の形態１と同様に、図６の計測系（但し上限電位を変更可能にしておく）およびサンプル６０を用いることができる。印加する電圧パターンは、例えば図１５に示すような模擬波形や、三角波形とすればよい。下限電位をＶ_ＭＩＮに一定として上限電位を相違させる点以外は、実施の形態１と同じである。

（ii）上記の（i）で得られた、上限電位の異なる複数の劣化特性を用いて、実施の形態１で行ったのと同様に、複合劣化特性を作成する。
（iii）複合劣化特性に従って、実施の形態１と同様に、上限電圧設定値マップを作成する。

上記の（i）〜（iii）のステップで作成された上限電圧設定値マップが、記憶装置５２に記憶させられる。ＣＰＵ５０は、実施の形態１で下限電圧の制御を行ったときと同様に、上限電圧設定値マップに従って燃料電池スタック１０の電圧制御を行う。この制御が、実施の形態１と同様に、システム通常運転時や間欠運転時に行われる。特に、間欠運転時を含め燃料電池システムの電圧がＯＣＶ近傍まで高くなるような高電位運転条件（言い換えれば、燃料電池を開回路状態すなわちOpen Circuit状態に置くような運転条件）のもとでは、通常、ＯＣ回避運転と呼ばれる劣化防止用の制御が実行される。このＯＣ回避運転では、ＯＣＶから例えば０．１Ｖ程度電圧が低下するように、若干の電流を燃料電池から取り出すなどの運転が行われる。このようなＯＣ回避運転時における目標電圧を設定する際に、実施の形態４の上限電位設定値マップに従う上限電位の設定を活用することができる。

＜第２の手法：上限電圧設定値マップの補正＞
続いて、実施の形態４にかかる第２の手法を説明する。実施の形態４では、実施の形態１と同様の理由により、この第２の手法によってシステム運転開始後に定期的に上限電圧設定値マップが更新される。

図１６は、実施の形態１にかかる上限電圧設定値マップの更新のフローチャートを示す。このフローチャートの概略は、以下のようなものである。
〔ステップＳ４００〜Ｓ４０６〕 実施の形態１のステップＳ１００〜Ｓ１０６と同様に、実施の形態４が備えるＣＯ_２分析機能を利用して、現在の走行距離における、１周期の電位変動あたりに発生するＣＯ_２量が実測される。
ここで、実施の形態４でも、実施の形態１と同様に、加湿モジュール３００内のバルブ３０４、３０８の切換が行われる。これにより、高精度なＣＯ_２量計測が実現される。
〔ステップＳ４０８〕 実施の形態１のステップＳ１０８と同様に、実測データを用いて、実測予想劣化特性が作成される。
〔ステップＳ４１０〕 実測予想劣化特性に従って、上限電圧設定値マップが補正される。このステップでは、実施の形態１における具体的処理のステップＳ１１０と同様に、初期の上限電圧設定値マップと実測予想劣化特性との乖離具合に応じて、上限電圧の切換時期が延長あるいは短縮される。

以上説明したように、実施の形態４によれば、電位変動に伴うカーボンの劣化の進行を考慮に入れて、燃料電池スタック１０の上限電圧を設定することができる。

実施の形態５．
なお、実施の形態１と実施の形態４とを組み合わせてもよい。つまり、初期の電圧設定値マップを作成する際に、上限電位と下限電位とをともに相違させながら、劣化特性を計測してもよい。この場合、劣化特性のそれぞれについて、上限電位および下限電位の情報が備えられる。従って、複数の劣化特性を用いて複合劣化特性を作成することにより、この複合劣化特性に従って燃料電池スタック１０の予定動作区間に対して上限電位と下限電位の組をそれぞれ割り振っていくことができる。

尚、これまでに開示した実施の形態１乃至５の燃料電池システムは、実施の形態の説明の冒頭に述べた２つの前提構成（前提構成１、２）を備えるものであった。しかしながら、これらの前提構成を取り払って、高精度ＣＯ_２分析のための各種構成のみを使用しても良い。

その場合には、例えば、下記のような燃料電池システムが提供される。
「カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに供給する酸化ガスを加湿するための加湿モジュールと、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量である下流二酸化炭素量を計測する計測手段と、
前記加湿モジュールの酸化ガス加湿用の水が流れる加湿水通路に配置され、該加湿水通路を流れる水に含まれる二酸化炭素を取り除く二酸化炭素除去手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。」

また、上記の燃料電池システムにおいて、さらに、下記のような燃料電池システムも提供される。
「前記二酸化炭素除去手段が、前記加湿水通路に配置された、二酸化炭素をフィルタリングする脱気膜、または／および、二酸化炭素吸着材であることを特徴とする燃料電池システム。」

これらの燃料電池システムによれば、カソード排ガス中のＣＯ_２の量を計測するときに、加湿モジュールの水に含まれるＣＯ_２を除去することができる。よって、カソード排ガス中のＣＯ_２の量を、高精度に計測することができる。

また、実施の形態２の燃料電池システムから、上述した２つの前提構成を取り払うことにより、さらに、下記のような燃料電池システムも提供される。
「カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
前記燃料電池のカソードに流れ込む前における酸化ガス中の二酸化炭素量と、前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素量との差に基づいて、前記燃料電池のカソードで発生した二酸化炭素の量を取得する取得手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。」

この燃料電池システムによれば、カソード上流のＣＯ_２量とカソード下流のＣＯ_２量との間の変化分を取得することができる。このＣＯ_２量の変化分は、燃料電池のカソードで発生したＣＯ_２量に、精度良く一致する。ＣＯ_２量の変化分を用いて、カソードにおけるＣＯ_２発生量を高精度に検知することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成図である。 実施の形態１の間欠運転を説明するための図である。 実施の形態１の間欠運転における下限電圧と燃費の関係を示す図である。 実施の形態１において取得された複数の劣化特性を示す図である。 実施の形態１における複合劣化特性の作成手法を説明するための図である。 劣化特性の取得のための計測系を模式的に示す図である。 サンプル６０に印加する電圧パターンを示す図である。 図６の計測系におけるＣＯ_２量を記録した場合に得られる情報を模式的に示す図である。 実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 実施の形態１における、下限電圧設定値マップの補正手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の燃料電池システムの加湿モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施の形態３の燃料電池システムの構成図である。 実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 実施の形態４において劣化特性を取得するために用いる電圧パターンの一例を示す図である。 実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
２０ 水素タンク
２２、２６、３２、３６、３８ 管路
２４ バルブ
３０ エアコンプレッサ
３４ バルブ
４０ タンク
４２、３４１ 分析計
４８ セル電圧モニタ
５０ ＣＰＵ
５２ 記憶装置
６０ サンプル
６２ 電源
３００ 加湿モジュール
３０２ 水タンク
３０４、３０８ バルブ
３０６ 脱気膜フィルタ
３１０ 管路
３１２ 送液ポンプ
３１４ インジェクタ
３１６ 混合器
３５０ 加湿モジュール

Claims (7)

1. カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードに供給する酸化ガスを加湿するための加湿モジュールと、
   前記燃料電池のカソードの電位を変動させる電位変動手段と、
   前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量である下流二酸化炭素量を計測する計測手段と、
   前記電位変動手段による電位変動のパターンと、前記計測手段が計測した下流二酸化炭素量とに基づいて、前記燃料電池のカソードの担体のカーボンの劣化量を検知する劣化量検知手段と、
   前記加湿モジュールの酸化ガス加湿用の水が流れる加湿水通路に配置され、前記劣化量検知手段による劣化量の検知に用いられる下流二酸化炭素量が計測される期間に、該加湿水通路を流れる水に含まれる二酸化炭素を取り除く二酸化炭素除去手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記二酸化炭素除去手段が、
   二酸化炭素をフィルタリングする脱気膜、または／および、二酸化炭素吸着材と、
   前記劣化量検知手段による劣化量の検知に用いられる下流二酸化炭素量が計測される期間に、前記脱気膜または／および前記二酸化炭素吸着材を、前記加湿水通路中に介在させる介在手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
   前記燃料電池のカソードの電位を変動させる電位変動手段と、
   前記燃料電池のカソードに流れ込む前における酸化ガス中の二酸化炭素量と、前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素量との差に基づいて、前記燃料電池のカソードにおけるカーボンの劣化反応により発生した二酸化炭素の量である二酸化炭素発生量を取得する取得手段と、
   前記電位変動手段による電位変動のパターンと、前記取得手段が取得した二酸化炭素発生量とに基づいて、前記燃料電池のカソードの担体のカーボンの劣化量を検知する劣化量検知手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記取得手段が、
   前記燃料電池のカソードの上流に配置され、該上流の二酸化炭素濃度を計測する第１センサと、
   前記燃料電池のカソードの下流に配置され、該下流の二酸化炭素濃度を計測する第２センサと、
   前記第２センサの計測値から、前記第１センサと前記第２センサとの間をガスが移動する時間の長さだけ該第２センサの該計測値の計測時刻から遡った時刻における前記第１センサの計測値を減算することにより、前記二酸化炭素発生量を算出する算出手段と、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電中に、該燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
   前記カソードの担体の劣化量を検知する要求があった場合に、前記酸化ガス供給機構が前記燃料電池のカソードに供給する酸化ガスに比して二酸化炭素濃度が低い低二酸化炭素ガスを、前記燃料電池のカソードに供給する供給手段と、
   前記供給手段が酸化ガスの供給を開始した後に、前記燃料電池のカソードに流れ込むガス中の二酸化炭素量または／および前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素量を計測する計測手段と、
   前記計測手段が計測した二酸化炭素量の値に基づいて、前記カソードに流れ込むガスが前記低二酸化炭素ガスに置換されたか否かを判定する判定手段と、
   前記カソードに流れ込むガスが前記低二酸化炭素ガスに置換されたと判定された後に、前記カソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量に基づいて、該カソードの担体のカーボンの劣化量を検知する劣化量検知手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記劣化量検知手段が検知を行うタイミングまでに前記カソードの担体のカーボンが受けた電位変動の総回数を、直接的または間接的に検知する電位変動回数検知手段と、
   前記劣化量検知手段が検知した劣化量の情報と前記電位変動回数検知手段が検知した電位変動の総回数とに基づいて、前記カソードの担体のカーボンが受ける電位変動の回数と該カーボンの劣化量との将来の関係を示す予想劣化特性を作成する劣化特性作成手段と、
   前記予想劣化特性に基づいて前記燃料電池の下限電圧値または／および上限電圧値を設定する電圧制御値設定手段と、
   少なくとも一部の運転領域において、前記電圧制御値設定手段により設定された下限電圧値または／および上限電圧値に基づいて前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. カソードの触媒の担体にカーボンが用いられており、該カソードに酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給機構と、
   前記燃料電池のカソードから排出されたカソード排ガス中の二酸化炭素の量を計測する計測器と、
   前記燃料電池のカソードに流れ込む酸化ガスが含有する二酸化炭素を、該カソードの上流で取り除く二酸化炭素除去手段と、
   前記二酸化炭素除去手段による二酸化炭素の除去が行われている状態で、前記計測器の調節を行う調節手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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