JP4905182B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおける電極触媒の劣化判定に関する。

燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムにおいては、燃料電池から所定の出力が得られるように、水素や酸素を供給する補機の制御条件などを設定しているが、電解質膜の導電率、電極触媒の活性などが経時的に低下し、燃料電池から所定の出力が得られなくなることがある。

そこで、電流・電圧特性に基づいて燃料電池の劣化状態を診断し、診断結果に応じて、劣化後のシステム効率が最大となるように補機の制御条件を補正するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−１６４９０９号公報

特許文献１に記載されているものは、電流・電圧特性に基づいて燃料電池の劣化状態を診断するに際して、水素流量を増加させる前と後の電流・電圧特性（いわゆるＩ−Ｖ特性）を測定し、水素流量を増加させる前の電流・電圧特性に対して、水素流量を増加させた後の電流・電圧特性のシフト成分が所定値を超えているか否かにより、アノード電極の触媒の劣化の有無を判定し、空気流量を増加させる前と後の電流・電圧特性を測定し、空気流量を増加させる前の電流・電圧特性に対して、空気流量を増加させた後の電流・電圧特性のシフト成分が所定値を超えたか否かにより、カソード電極の触媒の劣化の有無を判定するようにしているため、各電極の触媒の劣化の有無を診断するには十分ではない。すなわち、空気または水素を増加させて、燃料電池の電流・電圧特性を測定する方法では、空気または水または水素が電極触媒に影響を与え、電極触媒の状態が変化することが危惧される。また、電解質の含水状態も電極触媒の状態に影響を与えるため、含水状態の影響を受けない電極触媒の劣化判定が必要である。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、燃料電池の電極触媒の劣化の有無を精度良く判定することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出電流を基に燃料電池の電極触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、燃料電池の電極触媒に対する活性化処理を実施する活性化処理手段と、を備え、判定手段は、活性化処理手段により電極触媒に対する活性化処理が施されていることを条件に、燃料電池に供給する反応ガスの供給量を一定にした状態で、電圧検出手段の検出電圧を監視しながら、燃料電池の出力電圧を変化させ、出力電圧の変化に伴って電流検出手段により検出された、燃料電池の出力電流のサイクリックボルタンメトリ特性に基づいて電極触媒の有効面積を算出し、この算出結果と劣化判定値とを比較して、電極触媒の劣化の有無を判定してなることを特徴とする燃料電池システムを構成したものである。

係る構成によれば、電極触媒の活性化状態に密接に関連のあるサイクリックボルタンメトリ（Cyclic Voltammetry: ＣＶ）特性、例えばボルタモグラム（voltammogram: 電流−電圧ヒステリシス曲線）に基づき電極触媒の劣化状態が判定される。従来技術で用いられていたＩ−Ｖ特性は、カソード反応による損失やカソードの物質移動による損失、アノード反応による損失、アノードの物質移動による損失など、複数の因子の影響を受けるため、電極触媒の活性化度を計測する指標としては不正確なものであった。この点、反応ガスを安定させた状態で測定されるＣＶ特性は、電極触媒の酸化・還元状態や電圧の大きさに応じて特徴的な変化特性を示し、その値や有効面積を参照することで、電極触媒の状態を精度よく示す指標となる。本発明によれば、このＣＶ特性に基づき電極触媒の劣化状態を判定するので、極めて正確に触媒劣化を判定することが可能である。
特に上記構成によれば、電極触媒に対して活性化処理が施されていることを条件に、燃料電池の出力電圧を監視しながら、燃料電池の出力電圧の変化に伴って検出された電流を基に電極触媒の有効面積を算出する。例えば、燃料電池の出力電圧が変化する過程で、燃料電池の出力電流を積分して、時間と電流値とから水素脱離に伴う電気量Ｑ[Ｃ] を算出し、この算出結果と劣化判定値とを比較して電極触媒の劣化の有無を判定する。電極触媒の電荷量Ｑは、電極触媒が劣化するに従って小さくなるので、電荷量Ｑが劣化判定値よりも小さいときには、電極触媒が劣化したと判定することができる。
このように、電極触媒が活性化されている条件下で、燃料電池の印加電圧を一定範囲で繰り返し走査しながら電流を計測するサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うことで、電極触媒の劣化に伴う電極触媒の有効面積を高精度に検出することができ、結果として、触媒の劣化の有無を高精度に判定することができる。

ここで、ＣＶ特性には電極触媒の状態によって特性が変化する特徴的な部分が幾つかあるので、それら特徴的な部分の特性変化を検出することができれば、電極触媒の劣化の判定ができる。例えば、ＣＶ特性を一定区間で積分した積分値を演算したり、極小点や極大点の電流値を検出したりし、それらを許容できるしきい値と比較すればよい。

例えば、本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、燃料電池の電極触媒に対する活性化処理を実施する活性化処理手段と、電流検出手段の検出電流を基に燃料電池の電極触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、を備え、判定手段は、活性化処理手段により電極触媒に対する活性化処理が施されていることを条件に、燃料電池に供給する反応ガスの供給量を一定にした状態で、電圧検出手段の検出電圧を監視しながら燃料電池の出力電圧を変化させ、出力電圧の変化に伴って電流検出手段により検出された、燃料電池の出力電流のサイクリックボルタンメトリ特性が示す、燃料電池の出力電流の極小点と劣化判定値とを比較して、燃料電池の電極触媒の劣化状態を判定するように構成することができる。
係る構成によれば、最も電極触媒の劣化の影響を受けやすい、ＣＶ特性の特徴的な部分における特性変化を検出することができる。

燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
好適には、前記電圧変換手段は、前記電流検出手段により、前記燃料電池の出力電流として酸化電流が検出される条件下で、前記燃料電池の出力電圧を変化させてなる。

係る構成によれば、燃料電池に酸化電流が流れている条件下で、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）による測定を行うと、所定の電圧の範囲では、Ｈ⁺の脱離に伴う反応として、電極触媒にＰｔを用いたときには、Ｐｔ・Ｈ→Ｈ⁺＋ｅ^-の反応が生じるので、このとき得られた電流を積分することで、水素の脱離に伴う電気量Ｑ[Ｃ] を求めることができ、水素脱離に伴う電気量Ｑを基に電極触媒の劣化の有無を判定することができる。

好適には、前記電圧変換手段は、前記電流検出手段により、前記燃料電池の出力電流として還元電流が検出される条件下で、前記燃料電池の出力電圧を変化させてなる。

係る構成によれば、燃料電池に還元電流が流れている条件下で、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）による測定を行うと、所定の電圧の範囲では、ＯＨ^-の脱離に伴う反応として、Ｐｔ・ＯＨ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏが生じ、このときの電流を積分することで、水の脱離に伴う電気量Ｑ[Ｃ] を求めることができ、水の脱離に伴う電気量Ｑを基に電極触媒の劣化の有無を精度良く判定することができる。

好適には、前記電圧検出手段は、前記燃料電池を構成するセル群に対応して、各セルの電圧をそれぞれ検出する電圧セルモニタで構成され、前記判定手段は、前記電圧セルモニタの検出電圧を監視しながら、燃料電池の電流を基に各セルに対応した電極触媒の有効面積を算出し、この算出値を基に前記各セルに対応した電極触媒の劣化の有無をそれぞれ判定してなる。

係る構成によれば、電圧セルモニタを用いて各セルの電圧を監視しながら、燃料電池の電流を基に各セルに対応した触媒の有効面積を算出し、各算出値を基に各セルに対応した電極触媒の劣化の有無をそれぞれ判定することができる。

本発明によれば、燃料電池の電極触媒の状態を端的に示すサイクリックボルタンメトリ特性を検出するので、燃料電池の電極触媒の劣化の有無を高精度に判定することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６などを備えている。

燃料電池２は、例えば、固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、カソード極とアノード極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有している。そして、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流（出力電流）を検出する電流センサ（電流検出手段）２ａおよび電圧（出力電圧）を検出する電圧センサ（電圧検出手段）２ｂと、燃料電池２の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２ｃが取り付けられている。
なお、燃料電池２としては、固体分子電解質型の他、燐酸型や溶融炭酸塩型など種々のタイプのものを採用することができる。

酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１などを有している。

エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。モータＭ１には、モータＭ１の回転数を検知する回転数検知センサ３ａが取り付けられている。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス排出路３４を介して排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供したあとの酸素オフガスの他、カソード極側で生成されるポンピング水素などが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧はエア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流および後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガスおよび酸素オフガスは希釈器３５で混合希釈されてシステム外に排気される。

燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２などを有している。

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段であり、例えば、高圧水素タンクや水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２およびＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６がそれぞれ配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。

電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、チョッパ回路５５、吸収器５６、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４などを備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換手段）５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する電圧変換手段として構成されている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり、補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。なお、バッテリ５２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを採用することもできる。

トラクションインバータ５３および補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２またはバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３および補機モータ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータ（車両駆動用モータ）であり、負荷動力源の一実施形態である。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２などを総称したものである。

制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成されており、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、アクセルペダル回動を検出するアクセルペダルセンサ６ａ、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検知センサ３ａ、５ｂなどから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。この際、制御装置６は、トラクションモータＭ３の運転モード（Ｐ：パーキングモード、Ｒ：リバースモード、Ｎ：ニュートラルモード、Ｄ：ドライブモード、Ｂ：回生ブレーキモード）を選択するためのシフトレバー等からなる操作部８から送出される信号に基づいて、トラクションモータＭ３からの出力要求の有無を判定する。

そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように、燃料電池２の出力電圧および出力電流を制御する。また制御装置６は、トラクションインバータ５３および補機インバータ５４の出力パルスなどを制御して、トラクションモータＭ３および補機モータＭ４を制御する。

ここで、燃料電池２の触媒層に酸素が吸着されると、燃料電池２の出力電圧が低下する。このため、制御装置６は、燃料電池２への酸素の供給を一旦停止し、且つ燃料電池２の発電電圧を触媒層の還元領域まで下げて、触媒層を活性化する還元処理あるいはリフレッシュ処理を行うこととしている。

さらに、燃料電池２の各電極触媒が劣化し、触媒の活性が経時的に低下すると、燃料電池２から所定の電力が得られなくなるため、制御装置６は、リフレッシュ処理を行う過程で、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無も判定することとしている。本発明はこの電極触媒の劣化判定に関する。

燃料電池２の電極触媒が活性化されている状態にあるときに、燃料電池２の出力電圧を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電流変換手段）５１により低電圧→高電圧→低電圧と一巡させるサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うと、図２に示すようなボルタモグラムが得られる。このボルタモグラムには、スイープする電圧に応じて生じる反応の差によって幾つかの特徴的な部分が現れる。本発明では、この特徴的な部分を利用して電極触媒の劣化を判定する。

すなわち、低電圧から電圧を上げていくと燃料電池２に酸化電流が流れ、図２のボルタモグラムでは、特性Ｉ１や特性Ｉ２のような変化を示すようになる。酸化電流が流れる場合とは、燃料電池２の電極触媒が酸化領域にあることをいう。例えば、所定の電圧範囲（電圧スイープの範囲）では、図２の特性Ｉ１（酸化電流Ｉ１）で示すように、電極触媒にＰｔを用いたときには、Ｈ⁺の脱離の反応として、Ｐｔ・Ｈ→Ｈ⁺＋ｅ^-が生じ、更に電圧スイープの範囲を高くすると、特性Ｉ２（酸化電流Ｉ２）で示すように、水の電気分解による反応として、Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏ→Ｐｔ・ＯＨ＋２Ｈ＋２ｅ^-が生じる。

この状態から電圧を下げていくと、燃料電池２に還元電流が流れ、図２のボルタモグラムでは、特性Ｉ３や特性Ｉ４のような変化を示すようになる。還元電流が流れる場合とは、燃料電池２の電極触媒が還元領域にあることをいう。例えば、燃料電池２の出力電流が還元電流を示す条件下で、電圧を所定の範囲に亘って変化させると、特性Ｉ３（還元電流Ｉ３）で示すように、水の脱離の反応として、Ｐｔ・ＯＨ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏが生じ、さらに電圧を下げると、特性Ｉ４（還元電流Ｉ４）で示すように、水素イオンがＰｔに吸着される反応として、Ｐｔ＋Ｈ⁺＋ｅ^-→Ｐｔ・Ｈが生じる。

サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行い、ボルタモグラムを得て、例えば、酸化電流Ｉ１を積分すると、単位面積当たりの時間と電流値とから水素の脱離に伴う電気量Ｑ[Ｃ]を求めることができる。一方、還元電流Ｉ３を積分すると、単位面積当たりの時間と電流値とから水の脱離に伴う電気量Ｑ[Ｃ]を求めることができる。この算出結果と劣化判定値とを比較して電極触媒の劣化の有無を判定する。電極触媒の有効面積は、電極触媒が劣化するに従って小さくなるので、電荷量Ｑが劣化判定値よりも小さいときには、電極触媒が劣化したと判定することができる。

すなわち、電極触媒が活性化されている条件下で燃料電池２の印加電圧を一定範囲で繰り返し走査しながら電流を計測するサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うことで、電極触媒の劣化に伴う電極触媒の有効面積を高精度に検出することができ、結果として、電極触媒の劣化の有無を高精度に判定することができる。

この場合、制御装置６は、燃料電池２の電極触媒に対する活性化処理が施されていることを条件に、電圧センサ２ｂの検出電圧を監視しながら、燃料電池２の出力電圧の変化に伴って電流センサ２ａにより検出された電流を基に電極触媒の有効面積を算出し、この算出結果と劣化判定値とを比較して、電極触媒の劣化の有無を判定する判定手段として機能することになる。

次に、燃料電池２を間欠運転しているときに、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無を判定するための処理を図３のフローチャートにしたがって説明する。燃料電池の間欠運転とは、燃料電池搭載車の走行が安定しており、バッテリからの電力供給のみで走行が可能であるような場合に、システムの要請から燃料電池からの電力供給を一時的に抑制するような運転モードをいう。間欠運転中は、燃料電池２への酸化ガスや燃料ガスの供給を停止したり変化させたりできる。電極触媒を活性化させるリフレッシュ処理は、この間欠運転時を利用するもので、一時的に酸化ガスの供給を停止し、燃料電池２を還元領域で運転させて電極触媒を活性化させる処理である。

ここで、リフレッシュ処理のため酸化ガスの供給を停止させると、燃料電池の出力電圧が低下していく。燃料電池２は、図２のボルタモグラムの特性Ｉ３や特性Ｉ４の領域を通過させて運転することになる。この時の出力電流を検出すれば、ボルタンメトリ特性を測定していることになる。よって、特性Ｉ３や特性Ｉ４に相当する特性上の特徴部分を監視することで、電力触媒の劣化状態を判定することができるのである。

まず、制御装置６は、出力要求がないときと同様に、リフレッシュ処理（還元処理）を伴うリフレッシュ運転として、間欠運転を開始する。例えば、制御装置６は、エアコンプレッサ３１のモータＭ１に対する駆動を停止し、エアコンプレッサ３１から加湿モジュール３３を介して燃料電池２に供給される酸化ガス（空気）の供給を停止し、且つ電圧センサ２ｂの出力電圧を監視しながら、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の変換出力を制御し、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を、燃料電池２の電極触媒を活性化するための電圧まで低下させる（Ｓ１）。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の二次側は燃料電池２の出力端子と並列接続されているので、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に対して、その二次側の電圧を低下させるための電力変換処理を行うと、燃料電池２は、その発電電圧がコンバータ５１の二次側電圧よりも高い場合でも、コンバータ５１の二次側電圧に強制的に規制され、Ｉ−Ｖ特性にしたがって電流値が上昇する。すなわち、コンバータ５１の二次側電圧よって燃料電池２の発電電圧の上限値が規定されるので、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の変換出力を制御することで、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を、燃料電池２の電極触媒を活性化するための電圧まで低下させることができる。

次に、制御装置６は、燃料電池２の電極触媒に対する活性化処理が施されているときに、ｄＶ／ｄｔ＝一定の条件で、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を一定の範囲に亘って走査する（電圧スイープ）ための制御を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に対して実行する（Ｓ２）。例えば、制御装置６は、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定として、図２の特性Ｉ３（還元電流Ｉ３）が得られるように、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に対する変換出力を順次制御する。燃料電池２の出力電圧（総電圧）が一定の範囲に亘って変化すると、燃料電池２の出力電圧の変化に伴って出力電流が変化する。このとき電流センサ２ａによって検出される電流は、還元電流Ｉ３である。

続いて、制御装置６は、この還元電流Ｉ３を積分し、その単位面積当たりの時間と電流値とから、水の脱離に伴う電気量Ｑ[Ｃ]を算出する（Ｓ３）。

次に、制御装置６は、算出された電荷量Ｑと劣化判定値とを比較し（Ｓ４）、算出された電荷量Ｑが劣化判定値よりも大きいときには電極触媒が正常にあると判定し、このルーチンでの処理を終了し、電荷量Ｑが劣化判定値よりも小さいときには、電極触媒が劣化したとして、燃料電池２の交換を促す旨のメッセージをメータやインパネあるいはマルチインフォメーションデバイス（ＭＩＤ）内の表示器５５に表示し（Ｓ５）、燃料電池２が交換時期にある旨をユーザや作業員に知らせ、このルーチンでの処理を終了する。

以上、本実施形態によれば、燃料電池２の間欠運転時に、電極触媒に対するリフレッシュ処理を行いながら、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行って、還元電流Ｉ３の積分し、この積分値を基に電極触媒の電荷量Ｑを求め、この電荷量Ｑが劣化判定値よりも小さいか否かを判定するようにしているため、燃料電池２を車両に搭載した状態においても、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無を高精度に判定することができる。

また、本実施形態においては、燃料電池２への酸素（酸化ガス）の供給を遮断した状態で且つ水素（燃料ガス）の供給を行っている状態で、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無を判定しているため、燃料電池２による発電を停止した状態で、且つ燃料電池２の電解質膜にはダメージを与えることなく、電極触媒の劣化の有無を高精度に判定することができる。

また、本実施形態においては、還元電流Ｉ３が流れる条件下で、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行って、電極触媒の劣化の有無を判定するものについて述べたが、酸化電流Ｉ１（図２の特性Ｉ１）が流れる条件下で、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行って、酸化電流Ｉ１を積分し、この積分値を基に電荷量Ｑを求め、この電荷量Ｑと劣化判定値とを比較して、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無を判定することもできる。さらに、電荷量Ｑに相当する他の物理量も判定対象として利用することができる。

また、本実施形態においては、燃料電池２を車両に搭載した状態においても、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無を高精度に判定することができるので、ディーラ等の作業員が、車両に搭載された燃料電池２を点検するときに、燃料電池２の電極触媒の劣化の有無をチェックすることで、スタックの交換時期を予測したり、交換用のスタックを手配したりすることができる。

（変形例１）
前記実施形態においては、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定を行うに際して、燃料電池２の出力電圧（総電圧）を低下させ、総電圧を一定の範囲に亘って可変に制御し、総電圧の変化に伴う電流を検出する方法について述べたが、図４に示すように、電圧センサ２ｂの代わりに、燃料電池２を構成するセル群に対応して、各セルの電圧をそれぞれ検出する電圧セルモニタ５６を設け、各セルの電圧を監視しながら、各セルの電圧の変化に伴う燃料電池の出力電流を上記電流センサ２ａ等で検出する構成を採用することもできる。

この場合、制御装置６は、コンバータ５１の電力変換処理にしたがって燃料電池２の出力電圧を低下させるとともに、燃料電池２の出力電圧を一定の範囲内で可変に制御する過程で、電圧セルモニタ５６の検出電圧を監視しながら、燃料電池の出力電流、例えば、還元電流Ｉ３をそれぞれ積分し、各積分値を基に、各セルに対応した電極触媒の劣化の有無を高精度に判定することもできる。

（変形例２）
前記実施形態においては、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）の測定により得られるボルタモグラムの特徴的な部分について積分による有効面積を求めて劣化判定値と比較していたが、電極触媒の劣化に応じて特性Ｉ３や特性Ｉ１の出力電流の絶対値も大きく変化しているので、単純に出力電流の絶対値を劣化判定値と比較することでも、電極触媒の劣化判定が可能である。

例えば、図５に示すように、電極触媒が活性化されている状態のボルタモグラムｆ１は、電極触媒の酸化が若干進んだ場合のボルタモグラムｆ２や相当に進んだ場合のボルタモグラムｆ３に比べて、特性Ｉ３における極小点の値や特性Ｉ１における極大点の値が相当に変化している。よって、特性Ｉ３の領域では、電流センサ２ａによって検出された出力電流を、劣化判定値Ｉｔｈ３ａと比較すれば、ボルタモグラムｆ２程度の電極劣化状態を判定でき、劣化判定値Ｉｔｈ３ｂと比較すれば、ボルタモグラムｆ３程度にまで電極劣化が進んだ状態を判定できる。また、特性Ｉ１の領域では、電流センサ２ａによって検出された出力電流を、劣化判定値Ｉｔｈ１ａと比較すれば、ボルタモグラムｆ２程度の電極劣化状態を判定でき、劣化判定値Ｉｔｈ１ｂと比較すれば、ボルタモグラムｆ３程度にまで電極劣化が進んだ状態を判定できる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図である。 サイクリックボルタンメトリによる酸化電流と電圧との関係及び還元電流と電圧との関係を示す電流−電位曲線図（ボルタモグラム）である。 燃料電池を間欠運転しているときに、燃料電池の電極触媒の劣化の有無を判定するための処理を説明するためのフローチャートである。 電圧セルモニタと電流セルモニタの構成図である。 サイクリックボルタンメトリによる酸化電流と電圧との関係及び還元電流と電圧との関係を示す電流−電位曲線図（ボルタモグラム）であり、出力電流値を所定のしきい値と比較する変形例の説明に関する。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、２ａ 電流センサ、２ｂ 電圧センサ、６ 制御装置、３１ エアコンプレッサ、５１ 高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、５５ 表示器、５６ 電圧セルモニタ、５７ 電流セルモニタ

Claims (5)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記燃料電池の電極触媒に対する活性化処理を実施する活性化処理手段と、
   前記電流検出手段の検出電流を基に前記燃料電池の電極触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、を備え、
   前記判定手段は、前記活性化処理手段により前記電極触媒に対する活性化処理が施されていることを条件に、前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を一定にした状態で、前記電圧検出手段の検出電圧を監視しながら前記燃料電池の出力電圧を変化させ、
   前記出力電圧の変化に伴って前記電流検出手段により検出された、前記燃料電池の出力電流のサイクリックボルタンメトリ特性に基づいて前記電極触媒の有効面積を算出し、
   この算出結果と劣化判定値とを比較して、前記電極触媒の劣化の有無を判定する、
   燃料電池システム。
2. 前記電圧変換手段は、前記電流検出手段により、前記燃料電池の出力電流として酸化電流が検出される条件下で、前記燃料電池の出力電圧を変化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記電圧変換手段は、前記電流検出手段により、前記燃料電池の出力電流として還元電流が検出される条件下で、前記燃料電池の出力電圧を変化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記電圧検出手段は、前記燃料電池を構成するセル群に対応して、各セルの電圧をそれぞれ検出する電圧セルモニタで構成され、
   前記判定手段は、前記電圧セルモニタの検出電圧を監視しながら、前記燃料電池の出力電流を基に各セルに対応した電極触媒の有効面積を算出し、この算出値を基に前記各セルに対応した電極触媒の劣化の有無をそれぞれ判定する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、
   前記燃料電池の電極触媒に対する活性化処理を実施する活性化処理手段と、
   前記電流検出手段の検出電流を基に前記燃料電池の電極触媒の劣化の有無を判定する判定手段と、を備え、
   前記判定手段は、前記活性化処理手段により前記電極触媒に対する活性化処理が施されていることを条件に、前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を一定にした状態で、前記電圧検出手段の検出電圧を監視しながら前記燃料電池の出力電圧を変化させ、
   前記出力電圧の変化に伴って前記電流検出手段により検出された、前記燃料電池の出力電流のサイクリックボルタンメトリ特性が示す、前記燃料電池の出力電流の極小点と劣化判定値とを比較して、前記燃料電池の電極触媒の劣化状態を判定する、
   燃料電池システム。