燃料電池システム，負電圧要因の特定方法及びプログラム
【課題】燃料電池の電圧が負電圧である場合に、負電圧の要因を正確に特定する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、燃料電池を流れる電流を調整する電流調整部と、電流調整部を制御して電流を変化させて電流値と電圧測定部により測定された電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得するＩ−Ｖ特性情報取得部と、燃料電池が負電圧である場合に、取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する負電圧要因特定部と、を備える。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、燃料電池を流れる電流を調整する電流調整部と、電流調整部を制御して電流を変化させて電流値と電圧測定部により測定された電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得するＩ−Ｖ特性情報取得部と、燃料電池が負電圧である場合に、取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する負電圧要因特定部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特にセル電圧の低下に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、電解質膜の両面に触媒電極層を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を備え、燃料ガス（例えば、水素ガス）と、酸化剤ガス（例えば、空気）とを用いた電気化学反応により発電を行う燃料電池が用いられている。このような燃料電池において、燃料ガス不足や酸化剤ガス不足に起因して燃料電池の電圧（カソード及びアノードの電位差：以下、「セル電圧」と呼ぶ）が低下して負電圧になることが知られている。セル電圧が負電圧になると、触媒層を形成する部材（例えば、白金（Ｐｔ）触媒や、カーボン）の劣化等により、発電性能の著しい劣化が生じ得る。それゆえ、負電圧解消のための対処が求められるが、負電圧の要因に応じて対処が異なるので、負電圧の要因を特定したいという要請があった。そこで、燃料電池の掃引電流をステップ状に急増させてセル電圧の低下速度を測定し、このセル電圧の低下速度に基づき負電圧要因を特定する方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３０４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したセル電圧の低下速度に基づき負電圧要因を特定する技術では、燃料ガス不足の場合と酸化剤ガス不足の場合とでセル電圧の低下速度の差が小さいため、負電圧要因を正確に特定するのが困難であるという問題があった。加えて、負電圧要因としては、燃料ガス不足及び酸化剤ガス不足に加えて、ドライアップによる電解質膜の抵抗値の増大（抵抗過電圧の増大）が想定されるが、上述したセル電圧の低下速度に基づき負電圧要因を特定する技術では、このドライアップをセル電圧低下要因として特定することができない。
【０００５】
本発明は、燃料電池の電圧が負電圧である場合に、負電圧の要因を正確に特定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池を流れる電流を調整する電流調整部と、
前記電流調整部を制御して前記電流を変化させ、電流値と前記電圧測定部により測定された電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得するＩ−Ｖ特性情報取得部と、
前記燃料電池の電圧が負電圧である場合に、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する負電圧要因特定部と、
を備える、燃料電池システム。
【０００８】
適用例１の燃料電池システムでは、電流を変化させて電圧を測定してＩ−Ｖ特性情報を取得し、得られたＩ−Ｖ特性情報に基づき燃料電池が負電圧である要因を特定するので、負電圧要因を正確に特定することができる。また、Ｉ−Ｖ特性情報に基づくことで、水素欠乏及び酸素欠乏に加えて、ドライアップを要因として特定することができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、燃料電池システム。
【００１０】
このような構成により、燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は他の要因であるか、を切り分けられるので、水素欠乏が要因であると特定された場合に、適切な対処を行うことができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記Ｉ−Ｖ特性情報取得部は、前記Ｉ−Ｖ特性情報を取得する際に、前記電流を所定の正の電流値範囲で変化させて電圧値を取得し、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記電流が０の場合の電圧値であるゼロ電流時電圧値を、得られた前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき外挿により求め、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ以上、かつ、通常時における前記燃料電池の開回路電圧未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が前記開回路電圧以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【００１２】
このような構成により、燃料電池の負電圧要因として、水素欠乏と酸素欠乏とドライアップとを、正確に特定することができる。また、電流値範囲の上限が同じ電流値であり、下限値が０（ゼロ）である構成に比べて、電流値範囲を狭くできるので、Ｉ−Ｖ特性情報の取得に要する期間を短くすることができる。したがって、負電圧要因を特定するまでに要する期間を短くすることができる。
【００１３】
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路とを有し、
前記負電圧要因特定部は、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖである場合に、前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖよりも大きく、かつ、前記開回路電圧未満である場合に、前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【００１４】
このような構成により、負電圧要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏の原因を特定することができる。したがって、酸素欠乏の原因に応じた適切な対処を選択して実行することができる。
【００１５】
［適用例５］適用例３または適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の正の電流値範囲の下限値は、前記要因が酸素欠乏又はドライアップである場合における前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩの変曲点の電流値よりも大きな値である、燃料電池システム。
【００１６】
このような構成により、外挿により求めるゼロ電流時電圧を、負電圧要因に応じて適切な電圧範囲となるように制御することができる。したがって、ゼロ電流時電圧に基づきより正確に負電圧要因を特定することができる。
【００１７】
［適用例６］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲が無い場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点の電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記変曲点の電圧値が０Ｖ以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【００１８】
このような構成により、燃料電池の負電圧要因として、水素欠乏と酸素欠乏とドライアップとを、正確に特定することができる。
【００１９】
［適用例７］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、を有し、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲がない場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がない場合に前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がある場合に前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【００２０】
このような構成により、負電圧要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏の原因を特定することができる。したがって、酸素欠乏の原因に応じた適切な対処を選択して実行することができる。
【００２１】
［適用例８］適用例４または適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池の温度を０℃以上に調整する温度調整部と、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定され、かつ、前記燃料電池の温度が０℃以上に調整されている状態において、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
を備える、燃料電池システム。
【００２２】
このような構成により、酸化剤ガス供給流路の閉塞が燃料電池の発電により生じた水（生成水）の貯留に起因する場合に、燃料電池の温度を０℃以上とすることで、飽和水蒸気圧を高めて貯留している生成水を排出し易くできる。加えて、０℃以上となり生成水が排出し易くなっている状態で酸化剤ガスの供給量を増加させるので、酸化剤ガス供給流路から生成水を容易に排出させることができ、酸素欠乏を解消させることができる。
【００２３】
［適用例９］適用例８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記酸化剤ガス供給部により前記酸化剤ガスの供給量が増加された後において、前記電圧値が負電圧である場合に、前記燃料電池システムが異常であると検出する異常検出部を備える、燃料電池システム。
【００２４】
このような構成により、酸化剤ガス供給流路の閉塞が生成水以外の要因で起こっている場合に、燃料電池システムが異常であると検出することができる。したがって、例えば、異常の検出に応じて適切な対処（例えば、管理者に対する通知やログの記録）を実行することができる。
【００２５】
［適用例１０］適用例３ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
前記要因が水素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を増加させる燃料ガス供給部と、
前記要因がドライアップであると特定された場合に、前記燃料電池を加湿する加湿部と、
を備える、燃料電池システム。
【００２６】
このような構成により、負電圧要因に応じて適切な対処を実行することができる。したがって、負電圧を早期に解消でき、触媒層を形成する部材の劣化など負電圧に起因する不具合の発生を抑制できる。
【００２７】
［適用例１１］ 燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するための方法であって、
（ａ）前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する工程と、
（ｂ）前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する工程と、
を備える、方法。
【００２８】
適用例１１の方法では、電流を変化させて電圧を測定してＩ−Ｖ特性情報を取得し、得られたＩ−Ｖ特性情報に基づき燃料電池が負電圧である要因を特定するので、負電圧要因を正確に特定することができる。また、Ｉ−Ｖ特性情報に基づくことで、水素欠乏及び酸素欠乏に加えて、ドライアップを要因として特定することができる。
【００２９】
［適用例１２］適用例１１に記載の方法において、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記工程（ｂ）において、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、方法。
【００３０】
このような構成により、燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は他の要因であるか、を切り分けられるので、水素欠乏が要因であると特定された場合に、適切な対処を行うことができる。
【００３１】
［適用例１３］燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するためのプログラムであって、
前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する機能と、
前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する機能と、
をコンピュータに実現させるためのプログラム。
【００３２】
適用例１３のプログラムでは、電流を変化させて電圧を測定してＩ−Ｖ特性情報を取得し、得られたＩ−Ｖ特性情報に基づき燃料電池が負電圧である要因を特定するので、負電圧要因を正確に特定することができる。また、Ｉ−Ｖ特性情報に基づくことで、水素欠乏及び酸素欠乏に加えて、ドライアップを要因として特定することができる。
【００３３】
［適用例１４］請求項１３に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【００３４】
このような構成により、かかる記録媒体を用いてコンピュータにプログラムを読み取らせ、各機能を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ステップＳ１０５により得られたＩ−Ｖ特性を示す説明図である。
【図４】正常時におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図５】水素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図６】酸素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図７】ドライアップ状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図８】第１実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】第２実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】ステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。
【図１１】直線近似により得られる直線が存在し得る領域を各負電圧要因ごとに示す説明図である。
【図１２】第３実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。
【図１４】触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。
【図１５】第３実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。
【図１６】第４実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】第４実施例においてステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク６１と、遮断弁７１と、調圧弁７２と、第１循環ポンプ６２と、エアコンプレッサ６５と、加湿器６６と、ラジエータ３０と、第２循環ポンプ３１と、温度センサ６３と、セルモニタ４０と、電流センサ４１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１と、二次電池５２と、インバータ５０と、制御ユニット９０と、燃料ガス供給流路８１と、燃料ガス排出流路８２と、バイパス流路８３と、酸化剤ガス供給流路８７と、酸化剤ガス排出流路８８と、冷却媒体供給流路８４と、冷却媒体排出流路８５とを備えている。
【００３７】
燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池である単セル２０が複数積層された構成を有し、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。単セル２０は、図示しないＭＥＡの両面を２つのガス拡散層で挟み、さらにＭＥＡ及びガス拡散層を２つのセパレータで挟んだ構造を有している。積層された単セル２０の両端には、総合電極としての２つのターミナルプレート１１１が配置されている。
【００３８】
水素タンク６１は、高圧水素ガスを貯蔵しており、燃料ガス供給流路８１を介して燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する。水素タンク６１としては、例えば、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。
【００３９】
遮断弁７１は、水素タンク６１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。調圧弁７２は、燃料ガス供給流路８１に配置されており、水素タンク６１から排出された高圧水素ガスを、所定の圧力まで低下させる。第１循環ポンプ６２は、バイパス流路８３に配置され、燃料ガス排出流路８２を介して燃料電池スタック１０から排出されるアノード側オフガス（電気化学反応に用いられなかった余剰水素ガス）を、燃料ガス供給流路８１に供給する。
【００４０】
エアコンプレッサ６５は、酸化剤ガス供給流路８７に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。加湿器６６は、酸化剤ガス供給流路８７及び酸化剤ガス排出流路８８に亘って配置され、エアコンプレッサ６５から供給される比較的乾いた空気と、酸化剤ガス排出流路８８から排出される比較的湿ったガス（生成水を含むカソード側オフガス）との間で水分交換を行って、燃料電池スタック１０に供給される空気を加湿する。
【００４１】
ラジエータ３０は、冷却媒体供給流路８４及び冷却媒体排出流路８５に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体（冷却水や空気など）と外気との間で熱交換を行い、熱交換後の冷却媒体を、冷却媒体供給流路８４を介して燃料電池スタック１０に供給する。第２循環ポンプ３１は、冷却媒体排出流路８５に配置されており、燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体をラジエータ３０に供給する。温度センサ６３は、第２循環ポンプ３１に配置されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体の温度を測定する。燃料電池システム１００では、この温度センサ６３により測定される温度を、燃料電池スタック１０の温度として用いる。
【００４２】
セルモニタ４０は、各単セル２０と接続されており、各単セル２０のセル電圧（カソード及びアノード電極の電位差）を測定する。電流センサ４１は、燃料電池スタック１０と直列接続されており、燃料電池スタック１０を流れる電流値を測定する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１０及び二次電池５２と並列接続されており、二次電池５２の出力電圧を昇圧してインバータ５０に供給し、また、燃料電池スタック１０の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧して二次電池５２に供給する。インバータ５０は、燃料電池スタック１０及びＤＣ−ＤＣコンバータ５１と並列に接続されており、燃料電池スタック１０又はＤＣ−ＤＣコンバータ５１から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷Ｌ（例えば、車両駆動用モータ）に供給する。
【００４３】
制御ユニット９０は、エアコンプレッサ６５，加湿器６６，遮断弁７１，調圧弁７２，第１循環ポンプ６２，第２循環ポンプ３１，インバータ５０，ＤＣ−ＤＣコンバータ５１と電気的に接続されており、これらの各要素を制御する。また、制御ユニット９０は、温度センサ６３と接続されており、温度センサ６３において測定された温度を取得する。
【００４４】
また、制御ユニット９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３とを備えている。ＲＯＭ９２には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ９１は、ＲＡＭ９３を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、電流調整部９１ａ，電圧測定部９１ｂ，負電圧要因特定部９１ｃ，ガス流量調整部９１ｄ，加湿制御部９１ｅ，スタック温度調整部９１ｆ，及び異常発生通知部９１ｇとして機能する。
【００４５】
電流調整部９１ａは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１を制御することにより、燃料電池スタック１０を流れる電流を調整する。電圧測定部９１ｂは、セルモニタ４０から通知される各単セル２０の電圧値を取得する。負電圧要因特定部９１ｃは、単セル２０が負電圧となった場合に、負電圧の要因を特定する。ガス流量調整部９１ｄは、燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量及び空気量を調整する。具体的には、ガス流量調整部９１ｄは、遮断弁７１及び調圧弁７２の開度を調整することにより、燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量を調整する。また、ガス流量調整部９１ｄは、エアコンプレッサ６５の回転数を制御することにより、燃料電池スタック１０に供給される空気量を調整する。加湿制御部９１ｅは、加湿器６６を制御することにより、燃料電池スタック１０に供給される空気の加湿量を調整する。スタック温度調整部９１ｆは、第２循環ポンプ３１を制御して冷却媒体供給流路８４及び冷却媒体排出流路８５を流通する冷却媒体の流量を調整することにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。異常発生通知部９１ｇは、燃料電池システム１００の異常を検出して通知する。具体的には、異常発生通知部９１ｇは、システム異常を検出すると、図示しない操作パネルに異常発生の旨を表示する。
【００４６】
なお、前述のＲＯＭ９２には、正常時における燃料電池スタック１０の開回路電圧（負荷Ｌが接続されていない場合のセル電圧：ＯＣＶ）の値や、各種しきい値が予め記憶されている。
【００４７】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０を構成する各単セル２０のセル電圧が負電圧となった場合に、後述する負電圧要因特定処理が実行され、負電圧の要因が特定される。また、燃料電池システム１００では、後述するセル電圧回復処理が実行されることにより、特定された負電圧に応じた対処が実行され、セル電圧が負電圧から正電圧に回復する。
【００４８】
なお、前述の電圧測定部９１ｂは、請求項における電圧測定部及びＩ−Ｖ特性情報取得部に相当する。また、ガス流量調整部９１ｄ及びエアコンプレッサ６５は請求項における酸化剤ガス供給部に、ガス流量調整部９１ｄ，遮断弁７１及び調圧弁７２は請求項における燃料ガス供給部に、加湿制御部９１ｅ及び加湿器６６は請求項における加湿部に、異常発生通知部９１ｇは請求項における異常検出部に、それぞれ相当する。
【００４９】
Ａ２．負電圧要因特定処理：
図２は、第１実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、各単セル２０のセル電圧を常時監視しており、いずれかの単セル２０のセル電圧が負電圧となった場合に、負電圧要因特定処理が開始される。
【００５０】
電流調整部９１ａは、負電圧を測定した状態における電流値から、電流値が０となるまで電流を減少させ、電圧測定部９１ｂは、各電流値ごとのセル電圧を測定してＩ−Ｖ特性としてＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１０５）。このとき、電流調整部９１ａは、電流を段階的に減少させる、或いは、電流を連続的減少させることができる。電圧測定部９１ｂは、電流が段階的に減少する場合に、各段階ごとに電圧値を取得することができる。また、電圧測定部９１ｂは、電流が連続的に減少する場合に、所定の電流間隔ごとに電圧値を取得することができる。なお、ステップＳ１０５で得られる各電流値ごとのセル電圧（Ｉ−Ｖ特性曲線）は、請求項におけるＩ−Ｖ特性情報に相当する。
【００５１】
負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ１０５で得られたＩ−Ｖ特性に基づき、電流変化に対する電圧変化（ｄＶ／ｄＩ）が一定である電流範囲があるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
【００５２】
図３は、ステップＳ１０５により得られたＩ−Ｖ特性を示す説明図である。図３において、横軸は電流密度（電流）を示し、縦軸は電圧値（セル電圧）を示す。図３において、曲線Ｌ０は、正常時（水素ガス及び空気が発電に必要な量以上に供給されて発電している状態）における単セル２０のＩ−Ｖ特性曲線を示す。また、動作点ｐ０は、負電圧要因特定処理の開始時点における動作点を示す。曲線Ｌ１は、水素ガスが欠乏している状態においてステップＳ１０５の処理が実行された場合に得られるＩ−Ｖ特性曲線である。曲線Ｌ２は、酸素（空気）が欠乏している状態においてステップＳ１０５の処理が実行された場合に得られるＩ−Ｖ特性曲線である。曲線Ｌ３は、ドライアップ状態においてステップＳ１０５の処理が実行された場合に得られるＩ−Ｖ特性曲線である。
【００５３】
図３に示すように、負電圧要因特定処理の開始時における動作点ｐ０の電圧値は負電圧である。水素欠乏状態において電流を減少させていくと、曲線Ｌ１に示すように、電圧値は徐々に上昇して、電流＝０において電圧値＝０となる。このとき、ｄＶ／ｄＩ（曲線Ｌ１の各点における接線の傾き）は連続的に変化し、ｄＶ／ｄＩが一定となる電流範囲は存在しない。
【００５４】
酸素欠乏状態において電流を減少させていくと、曲線Ｌ２に示すように、動作点ｐ０から動作点ｐ１（電流値＝Ｉ１，電圧値＝Ｖ１）までは、ｄＶ／ｄＩが一定で、電圧値は直線的に上昇する。なお、動作点ｐ１の電圧値Ｖ１は負電圧である。そして、動作点ｐ１が変曲点となり、ｄＶ／ｄＩが急増し、電圧値は正電圧となる。その後、ｄＶ／ｄＩは減少に転じ、曲線Ｌ２は曲線Ｌ０と一致する。
【００５５】
ドライアップ状態において電流を減少させていくと、曲線Ｌ２に示すように、動作点ｐ０から動作点ｐ２（電流値＝Ｉ２，電圧値＝Ｖ２）までは、ｄＶ／ｄＩが一定で、電圧値は直線的に上昇する。なお、動作点ｐ２の電圧値Ｖ２は正電圧である。そして、動作点ｐ２が変曲点となり、ｄＶ／ｄＩが減少して曲線Ｌ０と一致する。
【００５６】
したがって、酸素欠乏又はドライアップの場合にはｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在し、水素欠乏の場合にはｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在しない。このように、負電圧要因に応じてＩ−Ｖ特性曲線が異なる理由について、図４〜図７を用いて説明する。
【００５７】
図４は、正常時におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。図５は、水素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。図６は、酸素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。図７は、ドライアップ状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【００５８】
図４〜図７において、左上は、アノード側の電極電位と電流密度との関係を示す。また、右上はカソード側の電極電位と電流密度との関係を、右下は単セル２０全体としての電流密度とセル電圧との関係を、左下は各電極電位と電流密度との関係に基づくセル電圧の求め方を、それぞれ示す。なお、図４〜図７では、酸化反応により生じる電流をプラスとして、還元反応により生じる電流をマイナスとして、それぞれ便宜上表わしている。
【００５９】
図４左上に示すように、正常時においてカソード側では、下記式（１）の反応が起こり、電流（酸化電流）の増大と共に、カソード電位が直線的に上昇する。
【００６０】
【数１】
【００６１】
図４右上に示すように、正常時においてアノード側では、下記式（２）の反応が起こり、電流（還元電流）の増大と共に、アノード電位が減少する。
【００６２】
【数２】
【００６３】
図４左下に示すように、カソード及びアノードの電位差がセル電圧となる。なお、図４左下では、還元反応により生じる電流をマイナスからプラスに変換して表わしているが、これは以下の理由による。各図４〜７の左上及び右上では、便宜上、酸化電流をプラス電流に、還元電流をマイナス電流に、それぞれ定めたが、セル電圧を求める場合には、絶対値が同じ電流値におけるカソード電位からアノード電位を減じることで求められるからである。
【００６４】
そして、各電流値（電流値の絶対値）における各極の電位差をセル電圧として求めた結果が右下に示すＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌ０）となる。
【００６５】
水素欠乏状態においては、図５左上に示すように、アノード側において、上記式（１）の反応に代わって、下記式（３）の反応が起こる。これは、水素不足に起因して式（１）の反応により得られるプロトン量が減少するため、これを補償するように、触媒を構成するカーボンが酸化してプロトンを発生させるためである。
【００６６】
【数３】
【００６７】
式（３）の反応が起こると、アノード電位は、正常時（式（１）の反応が起こる状態）に比べて高くなる。また、電流の増加に伴うアノード電位の上昇度合いは、徐々に増す。図５右上に示すように、カソード電位は正常時と同じであるので、図５左下に示すようにカソード電位がアノード電位を上回る結果、図５右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、電流の上昇と共にセル電圧が負電圧の領域で徐々に減少し、図３の曲線Ｌ１と同様な曲線Ｌ１ａとなる。
【００６８】
なお、図５右下に示すように、ひとたび水素欠乏状態となると、電流値が減少して０に近い値となっても水素欠乏は解消されず、Ｉ−Ｖ特性曲線Ｌ１ａは、正常時のＩ−Ｖ特性曲線である曲線Ｌ０と接することはない。これは、以下の理由による。水素欠乏により触媒（Ｐｔ）の酸化が発生すると、酸化物（白金酸化物など）は、水素の酸化反応（式（１）の反応）に不活性となる。それゆえ、電流値が減少して水素の供給量が足りてもプロトンの生成が十分に行われないため、式（３）の反応が起きるからである。
【００６９】
酸素欠乏状態においては、図６右上に示すように、カソード側において、上記式（２）の反応に代わって、式（４）の反応が起こる。これは、酸素不足により式（２）の反応によって還元されるプロトン量が減少するため、これを補償するように、式（４）の反応によってプロトンが還元されるためである。
【００７０】
【数４】
【００７１】
式（４）の反応が起こると、カソード電位は、正常状態に比べて低下して負電位となる。図６左上に示すように、アノード電位は正常時と同じであるので、図６左下に示すようにカソード電位がアノード電位を上回る結果、図６右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、電流の上昇と共にセル電圧が負電圧の領域で直線的に減少して直線Ｌ２ａとなる。
【００７２】
なお、図６では、電流（電流密度）が減少して０に近い値であっても酸素欠乏状態である場合の各電極電位及びセル電圧を示している。これは、カソード側（カソード側触媒層）に全く酸素が供給されていない状態を意味する。これに対し、わずかであるが酸素が供給されている状態では、電流が減少していくといずれかの電流値において、酸素欠乏状態が解消される。燃料電池スタック１０を流れる電流値が小さければ、その電流を発生させるために必要な酸素量も少なくて済むため、酸素不足は解消されるからである。このように、わずかであるが酸素が供給されている状態では、図６右上の一点鎖線で示す曲線Ｌ５０のように、電流値が比較的高い状態においては、式（２）の反応が起こり、電流が比較的低い状態においては式（４）の反応が起こる。その結果、図６右下の一点鎖線で示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、図３と同じ曲線Ｌ２となる。
【００７３】
ドライアップ状態においては、図７左上及び右上に示すように、アノード側及びカソード側において、いずれも正常時と同じ反応が起こるが、各曲線・直線の形状が異なる。これは、ドライアップにより電解質膜の抵抗が増加することに起因する。その結果、図７左下に示すように、カソード電位がアノード電位を下回る範囲が存在し、図７右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、電流の上昇と共にセル電圧が正電圧から直線的に減少して、負電圧になった後も減少する曲線Ｌ３ａとなる。
【００７４】
なお、図７では、電流（電流密度）が減少して０に近い値であってもドライアップ状態である場合の各電極電位及びセル電圧を示している。実際には、電流が減少すると、発電があまり行われない（式（１），（２）の反応が抑制される）ため、セル温度は低下する。その結果、単セル２０内部の湿度は上昇しドライアップは解消される。したがって、各電極電位は、図７左上及び右上の一点鎖線で示す曲線Ｌ６１，Ｌ６２のように、電流値が比較的低い状態では、正常時のＩ−Ｖ特性曲線と一致する。その結果、図７右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、図３と同様な曲線Ｌ３ｂとなる。なお、電解質膜の乾燥度合いに応じて、各極における電流−電位曲線の形状は変わり得る。図７右下の曲線Ｌ３ｂと図３の曲線Ｌ３とが互いに形状が異なっているのは、それぞれを測定した際の電解質膜の乾燥度合いが異なるからである。
【００７５】
図２に戻って、ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在しない（ステップＳ１１０：ＮＯ）と判定した場合、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧の要因は水素欠乏であると特定し（ステップＳ１１５）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１３５）。
【００７６】
ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在する（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）と判定した場合、負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ１０５で得られたＩ−Ｖ特性曲線において、電流を減少させていった場合に最初に得られる変曲点の電圧は負電圧であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。そして、最初に得られる変曲点の電圧が負電圧であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧の要因は酸素欠乏であると特定し（ステップＳ１２５）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１３５）。これに対し、最初に得られる変曲点の電圧が０Ｖ以上であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧の要因はドライアップであると特定し（ステップＳ１３０）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１３５）。
【００７７】
図３の曲線Ｌ２に示すように、酸素欠乏の状態において最初に生じる変曲点（動作点ｐ１）の電圧値Ｖ１は負電圧である。一方、図３の曲線Ｌ３に示すように、ドライアップ状態において最初に生じる変曲点（動作点ｐ２）の電圧値Ｖ２は正電圧である。このように、電流を減少させていった場合に最初に生じる変曲点の電圧値は、酸素欠乏の場合にマイナスであり、ドライアップの場合にプラスであることを出願人は見出した。したがって、ｄＶ／ｄＩの電圧値により、負電圧の要因が酸素欠乏であるかドライアップであるかを判別することができる。
【００７８】
Ａ３．セル電圧回復処理：
図８は、第１実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、上述した負電圧要因特定処理が終わると、セル電圧回復処理が開始される。
【００７９】
負電圧要因特定部９１ｃは、ＲＡＭ９３から負電圧要因を取得し（ステップＳ２０５）、負電圧要因が水素欠乏であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。負電圧要因が水素欠乏であると判定されると（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、ガス流量調整部９１ｄは、遮断弁７１及び調圧弁７２を制御して、燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量を増加させる（ステップＳ２１５）。そして、ガス流量調整部９１ｄは、単セル２０のセル電圧が、水素ガス供給量の増加に伴い０Ｖよりも高くなったか否かを判定し（ステップＳ２２０）、セル電圧が０Ｖよりも高くなるまで、ステップＳ２１５，Ｓ２２０を繰り返す。そして、セル電圧が０Ｖよりも高くなった場合には、セル電圧回復処理は終了する。
【００８０】
負電圧要因が水素欠乏でないと判定されると（ステップＳ２１０：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因が酸素欠乏であるか否かを判定する（ステップＳ２２５）。負電圧要因が酸素欠乏であると判定されると（ステップＳ２２５：ＹＥＳ）、ガス流量調整部９１ｄは、エアコンプレッサ６５の回転数を制御して、燃料電池スタック１０に供給される空気量を増加させる（ステップＳ２３０）。そして、ガス流量調整部９１ｄは、負電圧となった単セル２０のセル電圧が、空気供給量の増加に伴い正電圧となったか否かを判定し（ステップＳ２３５）、正電圧となるまで、ステップＳ２３０，Ｓ２３５を繰り返す。これに対し、セル電圧が正電圧となった場合には、セル電圧回復処理は終了する。
【００８１】
負電圧要因が酸素欠乏でないと判定されると（ステップＳ２２５：ＮＯ）、加湿制御部９１ｅは、加湿器６６を制御して、燃料電池スタック１０に供給される空気の加湿量を増加させる（ステップＳ２４０）。かかる処理により、単セル２０内の水分量が増加してドライアップ状態が解消され得る。そして、加湿制御部９１ｅは、負電圧となった単セル２０のセル電圧が、ドライアップの解消に伴い０Ｖよりも高くなったか否かを判定し（ステップＳ２３５）、セル電圧が０Ｖよりも高くなるまで、ステップＳ２４０，Ｓ２４５を繰り返す。これに対し、セル電圧が０Ｖよりも高くなった場合には、セル電圧回復処理は終了する。
【００８２】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０を流れる電流を０となるまで減少させながら電圧値を測定してＩ−Ｖ特性曲線を得て、得られたＩ−Ｖ特性曲線においてｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在するか否かにより、また、ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲がある場合に、最初の変曲点の電圧は負電圧であるか否かによって、負電圧要因が、水素欠乏，酸素欠乏，ドライアップのいずれであるかを特定する。したがって、負電圧要因を正確に特定できると共に、ドライアップが原因で負電圧が生じた場合においても、その要因を正確に特定することができる。
【００８３】
加えて、負電圧要因を特定した後に、セル電圧回復処理を実行して、特定した要因に応じた適切な処理を行うので、短期間のうちにセル電圧を負電圧から正電圧に回復させることができる。したがって、負電圧に伴う触媒層を形成する部材の劣化を抑制できる。
【００８４】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。第２実施例の燃料電池システムは、負電圧の要因を特定する方法において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。図２に示す第１実施例の負電圧要因特定処理では、電流を０となるまで低減させて、ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲の有無、及び最初の変曲点の電圧が負電圧であるか否かにより、負電圧の要因を特定していた。これに対し、第２実施例では、電流を所定の電流値範囲内で低減させ、得られたＩ−Ｖ特性に基づき電流値が０である場合の電圧値を外挿により求めて、かかる電圧値に基づき負電圧の要因を特定する。
【００８５】
具体的には、図９に示すように、電流調整部９１ａは、負電圧を測定した状態における電流値から、所定の電流範囲内（電流値が０よりも大きい値の範囲内）で電流を減少させ、電圧測定部９１ｂは、各電流値ごとのセル電圧（Ｉ−Ｖ特性曲線）を取得してＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３０５）。このとき、所定の電流範囲としては、例えば、負電圧を測定した状態における電流値から、この電流値の０．７倍となる電流値まで減少させることができる。また、例えば、予め下限値を設定しておき、かかる下限値まで電流値を減少させることができる。
【００８６】
負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ３０５で得られたＩ−Ｖ特性に基づき、電流値が０である場合の電圧値（以下、「ゼロ電流時電圧値」と呼ぶ）を外挿により求める（ステップＳ３１０）。外挿の方法としては、例えば、ステップＳ３０５で得られたＩ−Ｖ特性を直線近似し、得られた直線において、電流値＝０を代入して求めることができる。
【００８７】
図１０は、ステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。図１０において、横軸は図３の横軸と、縦軸は図３の縦軸と、それぞれ同じである。また、動作点ｐ０は、図３の動作点ｐ０と同じである。図１０では、各負電圧要因ごとに、ステップＳ３０５で得られるＩ−Ｖ特性曲線（直線）と、直線近似して得られた直線と、ゼロ電流時電圧値とを示している。また、参考として、図３に示す曲線Ｌ１〜Ｌ３も併せて表わしている。なお、図１０では、ステップＳ３０５において、動作点ｐ０の電流値Ｉ１０から、電流値Ｉ２０（０＜Ｉ２０＜Ｉ１０）まで電流を減少させた結果を表わしている。電流値Ｉ２０は、動作点ｐ１（変曲点ｐ１）の電流値Ｉ１及び動作点ｐ２（変曲点ｐ２）の電流値Ｉ２のいずれよりも低い値であり、予め実験により求めて設定されている。なお、電流値Ｉ１０からＩ２０の範囲は、請求項における所定の正の電流値範囲に相当する。
【００８８】
図１０において、曲線Ｌ１０は、水素欠乏状態においてステップＳ３０５により得られたＩ−Ｖ特性曲線（直線）を示す。直線Ｌ２０は、酸素欠乏状態においてステップＳ３０５により得られたＩ−Ｖ特性曲線（直線）を示す。直線Ｌ３０は、ドライアップ状態においてステップＳ３０５により得られたＩ−Ｖ特性曲線（直線）を示す。直線Ｌ１１は、曲線Ｌ１０内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。直線Ｌ２１は、直線Ｌ２０内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。直線Ｌ３１は、曲線Ｌ３０内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。
【００８９】
図１０に示すように、水素欠乏状態におけるゼロ電流時電圧Ｖｅ１は、負電圧となっている。酸素欠乏状態におけるゼロ電流時電圧Ｖｅ２は、０Ｖとなっている。ドライアップ状態におけるゼロ電流時電圧Ｖｅ３は、Ｖ０（ＯＣＶ）よりも高い値となっている。
【００９０】
図１１は、直線近似により得られる直線が存在し得る領域を各負電圧要因ごとに示す説明図である。図１１において、領域Ａｒｈは、負電圧要因が水素欠乏の場合に、直線近似により得られる直線が存在し得る領域を示す。また、領域Ａｒｏは負電圧要因が酸素欠乏の場合に、領域Ａｒｄは負電圧要因がドライアップの場合に、それぞれ直線近似により得られる直線が存在し得る領域を示す。
【００９１】
図１１に示すように、各要因ごとに、直線近似により得られる直線が存在し得る領域があること、換言すると、直線近似により得られる直線にバラツキが生じ得ることは、各反応ガスの欠乏度合いや、乾燥の度合い等によって、ステップＳ３０５により得られる曲線が変化し得るからである。例えば、軽い水素欠乏状態（すなわち、必要量に比べて少ないが、或る程度多くの水素ガスが供給されている状態）では、Ｉ−Ｖ特性曲線は、正常時のＩ−Ｖ特性曲線Ｌ０に近づいた形状の曲線となる。これに対して、重度の水素欠乏状態（すなわち、ほとんど水素ガスが供給されていない状態）では、Ｉ−Ｖ特性曲線は、正常時のＩ−Ｖ特性曲線Ｌ０から大きく離れた形状の曲線となる。したがって、Ｉ−Ｖ特性に基づき直線近似により得られる直線の傾きは変化し得る。
【００９２】
図１１に示すように、領域Ａｒｈにおいてゼロ電流時電圧値は、０Ｖ未満となっている。領域Ａｒｏにおいてゼロ電流時電圧値は、０Ｖ以上Ｖ０（ＯＣＶ）未満となっている。領域Ａｒｄにおいてゼロ電流時電圧値は、Ｖ０（ＯＣＶ）以上となっている。ドライアップ状態では膜抵抗値が大きいため、開回路状態においてもドライアップ状態でない場合の電圧値よりも高い電圧値となる。
【００９３】
図９に示すステップＳ３１０の後、負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ３１０で得られたゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖ未満であるか否かを判定する（ステップＳ３１５）。ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖ未満であると判定した場合（ステップＳ３１５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因は水素欠乏であると特定し（ステップＳ３２０）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３４０）。
【００９４】
ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０以上であると判定した場合（ステップＳ３１５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０（ＯＣＶ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２５）。ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０以上でないと判定した場合（ステップＳ３２５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因は酸素欠乏であると特定し（ステップＳ３３０）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３４０）。
【００９５】
ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０以上であると判定した場合（ステップＳ３２５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因はドライアップであると特定し（ステップＳ３３５）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３４０）。
【００９６】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、ステップＳ３０５において電流値を減少させる際の下限値が０よりも大きく、かつ、変曲点ｐ１，ｐ２の電流値よりも大きな値であるので、下限値が０である場合に比べて、短期間で電圧値の測定処理を完了することができる。したがって、より短期間で負電圧要因が特定できるので、負電圧状態となってから早期に負電圧回復処理を実行することができ、触媒の劣化を抑制できる。
【００９７】
Ｃ．第３実施例：
図１２は、第３実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例の燃料電池システムは、負電圧の要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏（換言すると、流路閉塞によりカソード側触媒層に全く空気が届いていない状態）であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏（換言すると、カソード側触媒層に空気が届いているが、必要量に達していない状態）であるかを特定する点と、酸素欠乏の原因に応じて異なる対処を行なう点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。
【００９８】
Ｃ１．負電圧要因特定処理：
第３実施例の負電圧要因特定処理は、ステップＳ４０５，Ｓ４１０を追加して実行する点と、ステップＳ１２５に代えて、ステップＳ４１５を実行する点とにおいて、図２に示す負電圧要因特定処理と異なり、他の処理は第１実施例と同じである。具体的には、ｄＶ／ｄＩが一定である範囲があると判定した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ１０５で得られたＩ−Ｖ特性曲線において、変曲点があるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。
【００９９】
図１３は、流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。図１４は、触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。図１３及び図１４において、横軸は図３の横軸と、縦軸は図３の縦軸と、それぞれ同じである。また、図１３，１４において動作点ｐ０は、図３の動作点ｐ０と同じである。図１３において、直線Ｌ２２は、流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す。図１４において、曲線Ｌ２３は、触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す。
【０１００】
図１３に示すように、流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られる直線Ｌ２２は、図６右下に示す直線Ｌ２ａと同様に、動作点ｐ０と、電流値０及び電圧値０の動作点（原点）とを結ぶ直線となる。単セル２０のカソード側触媒層に対して酸素が全く供給されないので、電流値が０に近くても酸素不足が解消されることはない。したがって、電流値が０となるまで電流の減少に比例して電圧が低下するので、直線Ｌ２２には変曲点は存在しない。
【０１０１】
図１４に示すように、触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られる曲線Ｌ２３は、図３及び図６に示す曲線Ｌ２と同様に、動作点ｐ０から変曲点ｐ１１までは直線的に変化し、変曲点ｐ１１から曲線Ｌ０に向かって伸びて、電流値が小さい領域において、曲線Ｌ０と一致する。
【０１０２】
図１２に示すステップＳ４０５において、変曲点がないと判定された場合（ステップＳ４０５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因は流路閉塞による酸素欠乏であると特定する（ステップＳ４１０）。ステップＳ４０５において、変曲点があると判定された場合（ステップＳ４０５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、前述のステップＳ１２０を実行する。そして、負電圧要因特定部９１ｃは、最初の変曲点の電圧が負電圧であると判定された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、負電圧要因は触媒層付近における酸素欠乏であると特定する（ステップＳ４１５）。これに対し、最初の変曲点の電圧が負電圧でないと判定された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因はドライアップであると判定する（ステップＳ１３０）。
【０１０３】
Ｃ２．セル電圧回復処理：
図１５は、第３実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例のセル電圧回復処理は、ステップＳ５０５，Ｓ５１０，Ｓ５１５，Ｓ５２０，Ｓ５２５，Ｓ５３０を追加して実行する点において、図８に示すセル電圧回復処理と異なり、他の処理は第１実施例と同じである。具体的には、ステップＳ２２５において負電圧要因が酸素欠乏であると判定された場合（ステップＳ５０５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、酸素欠乏が、流路閉塞による酸素欠乏であるか否かを判定する（ステップＳ５０５）。
【０１０４】
流路閉塞による酸素欠乏でない、すなわち、触媒層付近における酸素欠乏状態であると判定されると（ステップＳ５０５：ＮＯ）、セル電圧が０Ｖよりも高くなるまで空気供給量が増加される（ステップＳ２３０，Ｓ２３５）。
【０１０５】
これに対し、流路閉塞による酸素欠乏であると判定された場合（ステップＳ５０５：ＹＥＳ）、スタック温度調整部９１ｆは、燃料電池スタック１０の温度を所定温度（例えば、０℃）以上となるまで上昇させる（ステップＳ５１０）。ガス流量調整部９１ｄは、燃料電池スタック１０に供給される空気量を増加させる（ステップＳ５１５）。ガス流量調整部９１ｄは、セル電圧が０Ｖよりも高くなったか否かを判定し（ステップＳ５２０）、セル電圧が０Ｖよりも高くなった場合には、セル電圧回復処理は終了する。一方、セル電圧が０Ｖよりも高くないと判定された場合（ステップＳ５２０：ＮＯ）、ガス流量調整部９１ｄは、空気供給量を所定量以上に増加させたか否かを判定する（ステップＳ５２５）。所定量以上に増加させていないと判定された場合（ステップＳ５２５：ＮＯ）、ガス流量調整部９１ｄは、前述のステップＳ５１５〜Ｓ５２５を実行する。これに対し、所定量以上に増加させたと判定された場合（ステップＳ５２５：ＹＥＳ）、異常発生通知部９１ｇは、図示しない操作パネルに異常発生の旨を表示することにより、異常発生を管理者に通知する（ステップＳ５３０）。
【０１０６】
前述のように、流路閉塞による酸素欠乏の場合に、燃料電池スタック１０の温度を上昇させた後に、燃料電池スタック１０への供給空気量を増加させるのは、以下の理由による。発電に伴う生成水が空気供給流路に溜まり、この溜まった生成水が原因で流路閉塞が生じている場合には、昇温させることで飽和水蒸気圧を上昇させ、溜まった水を水蒸気として排出し易くできる。それゆえ、その後、供給空気量を増加させることで、溜まった水（水蒸気）を空気の流れを利用して排出できると共に、酸素不足を解消し得るからである。
【０１０７】
燃料電池スタック１０を昇温させ、所定量以上に供給空気量を増加させてもなおセル電圧が０Ｖよりも高くならない場合には、生成水の貯留以外の理由により流路閉塞が生じている可能性が高い。この場合、管理者による閉塞原因の確認及びメンテナンスが必要となるため、第３実施例の燃料電池システムでは、異常発生を管理者に通知するように構成されている。
【０１０８】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、第３実施例の燃料電池システムは、酸素欠乏が、流路閉塞による酸素欠乏及び触媒層付近における酸素欠乏のいずれであるかを特定するので、セル電圧回復処理において、酸素欠乏の原因に応じた適切な処理を選択して実行することができる。
【０１０９】
また、酸素欠乏が流路閉塞によるものである場合に、燃料電池スタック１０の温度を上昇させた後に空気供給量を増加させるので、流路閉塞が、発電に伴う生成水の流路における貯留によって生じている場合には、貯留している生成水を排出させることができ、酸素欠乏を速やかに解消させることができる。
【０１１０】
また、酸素欠乏が流路閉塞によるものである場合であって、燃料電池スタック１０の温度を上昇させた後に所定量以上に空気供給量を増加させてもなお、セル電圧が０Ｖよりも高くならない場合に異常発生を通知するので、管理者は、かかる通知に基づき流路閉塞要因の特定及びメンテナンスを行なうことができる。したがって、流路閉塞が生成水が原因でない場合であっても、早期にメンテナンスを行なうことができ、酸素欠乏を速やかに解消させることができる。
【０１１１】
Ｄ．第４実施例：
図１６は、第４実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。第４実施例の燃料電池システムは、負電圧の要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏であるかを特定する点と、酸素欠乏の原因に応じて異なる対処を行なう点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。また、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏であるかを特定する方法において、第３実施例の燃料電池システムと異なり、他の構成は、第３実施例の燃料電池システムと同じである。第４実施例の燃料電池システムでは、第２実施例と同様に、電流を所定の電流値範囲内で低減させ、得られたＩ−Ｖ特性に基づきゼロ電流時電圧値を外挿により求める。そして、このゼロ電流時電圧値に基づき、酸素欠乏の原因を特定する。
【０１１２】
図１６に示す第４実施例の負電圧要因特定処理は、ステップＳ３３０に代えて、ステップＳ６０５，Ｓ６１０，Ｓ６１５を追加して実行する点において、図９に示す第２実施例の負電圧特定要因処理と異なり、他の処理は第２実施例と同じである。
【０１１３】
ステップＳ３２５において、ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０（ＯＣＶ）以上でないと判定された場合（ステップＳ３２５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖであるか否かを判定する（ステップＳ６０５）。負電圧要因特定部９１ｃは、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖであると判定された場合、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であると特定し（ステップＳ６１０）、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖでない（すなわち、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖよりも高く、かつ、Ｖ０（ＯＣＶ）よりも低い）と判定された場合、酸素欠乏が触媒層付近における酸素欠乏であると特定する（ステップＳ６１５）。
【０１１４】
図１７は、第４実施例においてステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。図１７において、横軸及び縦軸は、いずれも、図１０における縦軸及び横軸と同じである。また、動作点ｐ０は、図３の動作点ｐ０と同じである。図１７では、参考として、図１３に示す直線Ｌ２２及び図１４に示す曲線Ｌ２３を破線で表わしている（なお、直線Ｌ２２は、後述の直線Ｌ４２と一致している）。図１７において、直線Ｌ３２は、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏である場合にステップＳ３０５により得られるＩ−Ｖ直線を示す。また、直線Ｌ３３は、酸素欠乏が触媒層付近における酸素欠乏である場合にステップＳ３０５により得られるＩ−Ｖ直線を示す。これら直線Ｌ３２，Ｌ３３は、いずれも、ステップＳ３０５において、動作点ｐ０の電流値Ｉ１０から、電流値Ｉ２０（０＜Ｉ２０＜Ｉ１０）まで電流を減少させた結果を表わしている。
【０１１５】
図１７において、直線Ｌ４２は、直線Ｌ３２内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。この直線Ｌ４２において、電流値が０である場合の電圧値（すなわち、ゼロ電流時電圧値）Ｖｅ５は０Ｖである。このように、流路閉塞による酸素不足の場合に、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖとなるのは、図１３を用いて説明したとおりである。
【０１１６】
図１７において、直線Ｌ４３は、直線Ｌ３３内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。この直線Ｌ４３において、電流値が０である場合の電圧値（すなわち、ゼロ電流時電圧値）Ｖｅ４は、０Ｖよりも高く、Ｖ０（ＯＣＶ）よりも低い。触媒層付近における酸素欠乏では、必要量よりも少ないがカソード側触媒層に酸素が供給されているため、電流を減少させた場合に得られる電圧値は、全く酸素が供給されない場合に比べて高くなる。したがって、直線Ｌ４３のゼロ電流時電圧値Ｖｅ４の値は、直線Ｌ４２のゼロ電流時電圧値Ｖｅ５よりも高い。また、酸素不足ゆえ、ゼロ電流時電圧値Ｖｅの値はＶ０（ＯＣＶ）よりも低くなる。したがって、前述のステップＳ６０５のように、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖであるか否かによって、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏であるかを特定することができる。
【０１１７】
前述のステップＳ６１０，Ｓ６１５の後、ステップＳ３４０（特定した要因のＲＡＭ９３への記憶）が実行され、負電圧要因特定処理は終了する。なお、第４実施例におけるセル電圧回復処理は、図１５に示す第３実施例のセル電圧回復処理と同じである。
【０１１８】
以上の構成を有する第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、第４実施例の燃料電池システムは、酸素欠乏が、流路閉塞による酸素欠乏及び触媒層付近における酸素欠乏のいずれであるかを特定するので、セル電圧回復処理において、酸素欠乏の原因に応じた適切な処理を実行することができる。また、ステップＳ３０５において電流値を減少させる際の下限値が０よりも大きく、かつ、変曲点ｐ１，ｐ２の電流値よりも大きな値であるので、下限値が０の場合に比べて、短期間で電圧値の測定処理を完了することができる。したがって、より短期間で負電圧要因が特定できるので、負電圧状態となってから早期に負電圧回復処理を実行することができ、触媒の劣化を抑制できる。
【０１１９】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１２０】
Ｅ１．変形例１：
第１，３実施例では、ステップＳ１０５において、負電圧を測定した状態における電流値から、電流値が０となるまで電流を減少させていたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、負電圧を測定した状態における電流値から電流値を減少させて電圧値を取得するたびに変曲点の有無を判定し、変曲点が生じた場合に電流の減少を停止させて、ステップＳ１０５を終了することもできる。このような構成により、負電圧要因が酸素欠乏又はドライアップの場合には、電流値を０となるまで減少させなくて済むため、負電圧特定処理に要する期間を短くすることができる。
【０１２１】
Ｅ２．変形例２：
各実施例では、セル電圧回復処理において、負電圧要因が水素欠乏である場合に水素ガスの供給量を増加させていたが、これに加えて、燃料電池スタック１０と負荷Ｌとを電気的に切り離してもよい。また、このとき、負荷Ｌに対して二次電池５２から電力を供給することが好ましい。このような構成により、燃料電池スタック１０をＯＣＶ状態とすることができるので、水素ガスの供給量を増加させた際に、アノード側触媒層を潤沢な水素ガスに曝すことができ、不活性化していた触媒を活性化状態にすることができる。すなわち、水素欠乏によってアノード側触媒層において生じたプラチナ等の触媒の酸化物を、水素ガス供給量を増加させた際に除去することができる。また、負荷Ｌに対して二次電池５２から電力を供給するので、電気車両を停止させることなくセル電圧回復処理を実行することができる。
【０１２２】
Ｅ３．変形例３：
第３実施例のセル電圧回復処理では、負電圧要因が触媒層付近における酸素欠乏である場合に、ステップＳ２３０において空気供給量を増加させていたが、空気供給量の増加に加えて、燃料電池スタック１０の温度を昇温させてもよい。同様に、第１実施例においても、負電圧要因が酸素欠乏である場合に、空気供給量の増加（ステップＳ２３０）に加えて、燃料電池スタック１０の温度を昇温させてもよい。このような構成により、触媒層付近における酸素欠乏が、触媒層付近における生成水の貯留に起因する場合には、生成水を排除して酸素欠乏を解消させることができる。
【０１２３】
Ｅ４．変形例４：
各実施例においてスタック温度調整部９１ｆは、第２循環ポンプ３１を制御して冷却媒体の流量を調整することにより、燃料電池スタック１０の温度を調整していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷却媒体供給流路８４又は冷却媒体排出流路８５にヒーターを設置して、かかるヒーターにより冷却媒体を昇温させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整することもできる。また、各単セル２０を直接温めることができるようにヒーターを配置し、かかるヒーターにより燃料電池スタック１０の温度を調整することもできる。
【０１２４】
Ｅ５．変形例５：
各実施例では、異常発生通知部９１ｇは、図示しない操作パネルに異常発生の旨を表示していたが、これに代えて、又は、これに加えて、ブザー等の音声による通知や、ランプの点灯・点滅を行なって異常発生の旨を通知することもできる。また、異常発生の旨の通知に代えて、異常発生の旨をＲＡＭ９３にログとして記録することもできる。この構成においても、ＲＡＭ９３に記録されているログを確認することにより、管理者は異常発生の旨を知ることができ、負電圧要因の特定及びメンテナンス等を行なうことができる。
【０１２５】
Ｅ６．変形例６：
各実施例では、負電圧の要因として、水素欠乏，酸素欠乏，およびドライアップのいずれであるかを特定していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、負電圧の要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分けることもできる。具体的には、例えば、第１実施例の負電圧要因特定処理において、ステップＳ１２０以降の処理を省略することで実現できる。このような構成においても、負電圧の要因が、水素欠乏であるか、または、他の要因であるかを切り分けることができるので、負電圧の要因が水素欠乏である場合には、適切な対処（例えば、図８のステップＳ２１５，Ｓ２２０）を実行することができる。
【０１２６】
Ｅ７．変形例７：
各実施例では、燃料電池システムは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物に適用することもできる。
【０１２７】
Ｅ８．変形例８：
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…燃料電池スタック
２０…単セル
３０…ラジエータ
３１…第２循環ポンプ
４０…セルモニタ
４１…電流センサ
５０…インバータ
５１…ＤＣ−ＤＣコンバータ
５２…二次電池
６１…水素タンク
６２…第１循環ポンプ
６３…温度センサ
６５…エアコンプレッサ
６６…加湿器
７１…遮断弁
７２…調圧弁
８１…燃料ガス供給流路
８２…燃料ガス排出流路
８３…バイパス流路
８４…冷却媒体供給流路
８５…冷却媒体排出流路
８７…酸化剤ガス供給流路
８８…酸化剤ガス排出流路
９０…制御ユニット
９１…ＣＰＵ
９１ａ…電流調整部
９１ｂ…電圧測定部
９１ｃ…負電圧要因特定部
９１ｄ…ガス流量調整部
９１ｅ…加湿制御部
９１ｆ…スタック温度調整部
９１ｇ…異常発生通知部
９２…ＲＯＭ
９３…ＲＡＭ
１００…燃料電池システム
１１１…ターミナルプレート
Ｌ…負荷
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特にセル電圧の低下に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、電解質膜の両面に触媒電極層を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を備え、燃料ガス（例えば、水素ガス）と、酸化剤ガス（例えば、空気）とを用いた電気化学反応により発電を行う燃料電池が用いられている。このような燃料電池において、燃料ガス不足や酸化剤ガス不足に起因して燃料電池の電圧（カソード及びアノードの電位差：以下、「セル電圧」と呼ぶ）が低下して負電圧になることが知られている。セル電圧が負電圧になると、触媒層を形成する部材（例えば、白金（Ｐｔ）触媒や、カーボン）の劣化等により、発電性能の著しい劣化が生じ得る。それゆえ、負電圧解消のための対処が求められるが、負電圧の要因に応じて対処が異なるので、負電圧の要因を特定したいという要請があった。そこで、燃料電池の掃引電流をステップ状に急増させてセル電圧の低下速度を測定し、このセル電圧の低下速度に基づき負電圧要因を特定する方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３０４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したセル電圧の低下速度に基づき負電圧要因を特定する技術では、燃料ガス不足の場合と酸化剤ガス不足の場合とでセル電圧の低下速度の差が小さいため、負電圧要因を正確に特定するのが困難であるという問題があった。加えて、負電圧要因としては、燃料ガス不足及び酸化剤ガス不足に加えて、ドライアップによる電解質膜の抵抗値の増大（抵抗過電圧の増大）が想定されるが、上述したセル電圧の低下速度に基づき負電圧要因を特定する技術では、このドライアップをセル電圧低下要因として特定することができない。
【０００５】
本発明は、燃料電池の電圧が負電圧である場合に、負電圧の要因を正確に特定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池を流れる電流を調整する電流調整部と、
前記電流調整部を制御して前記電流を変化させ、電流値と前記電圧測定部により測定された電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得するＩ−Ｖ特性情報取得部と、
前記燃料電池の電圧が負電圧である場合に、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する負電圧要因特定部と、
を備える、燃料電池システム。
【０００８】
適用例１の燃料電池システムでは、電流を変化させて電圧を測定してＩ−Ｖ特性情報を取得し、得られたＩ−Ｖ特性情報に基づき燃料電池が負電圧である要因を特定するので、負電圧要因を正確に特定することができる。また、Ｉ−Ｖ特性情報に基づくことで、水素欠乏及び酸素欠乏に加えて、ドライアップを要因として特定することができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、燃料電池システム。
【００１０】
このような構成により、燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は他の要因であるか、を切り分けられるので、水素欠乏が要因であると特定された場合に、適切な対処を行うことができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記Ｉ−Ｖ特性情報取得部は、前記Ｉ−Ｖ特性情報を取得する際に、前記電流を所定の正の電流値範囲で変化させて電圧値を取得し、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記電流が０の場合の電圧値であるゼロ電流時電圧値を、得られた前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき外挿により求め、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ以上、かつ、通常時における前記燃料電池の開回路電圧未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が前記開回路電圧以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【００１２】
このような構成により、燃料電池の負電圧要因として、水素欠乏と酸素欠乏とドライアップとを、正確に特定することができる。また、電流値範囲の上限が同じ電流値であり、下限値が０（ゼロ）である構成に比べて、電流値範囲を狭くできるので、Ｉ−Ｖ特性情報の取得に要する期間を短くすることができる。したがって、負電圧要因を特定するまでに要する期間を短くすることができる。
【００１３】
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路とを有し、
前記負電圧要因特定部は、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖである場合に、前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖよりも大きく、かつ、前記開回路電圧未満である場合に、前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【００１４】
このような構成により、負電圧要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏の原因を特定することができる。したがって、酸素欠乏の原因に応じた適切な対処を選択して実行することができる。
【００１５】
［適用例５］適用例３または適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の正の電流値範囲の下限値は、前記要因が酸素欠乏又はドライアップである場合における前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩの変曲点の電流値よりも大きな値である、燃料電池システム。
【００１６】
このような構成により、外挿により求めるゼロ電流時電圧を、負電圧要因に応じて適切な電圧範囲となるように制御することができる。したがって、ゼロ電流時電圧に基づきより正確に負電圧要因を特定することができる。
【００１７】
［適用例６］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲が無い場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点の電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記変曲点の電圧値が０Ｖ以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【００１８】
このような構成により、燃料電池の負電圧要因として、水素欠乏と酸素欠乏とドライアップとを、正確に特定することができる。
【００１９】
［適用例７］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、を有し、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲がない場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がない場合に前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がある場合に前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【００２０】
このような構成により、負電圧要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏の原因を特定することができる。したがって、酸素欠乏の原因に応じた適切な対処を選択して実行することができる。
【００２１】
［適用例８］適用例４または適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池の温度を０℃以上に調整する温度調整部と、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定され、かつ、前記燃料電池の温度が０℃以上に調整されている状態において、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
を備える、燃料電池システム。
【００２２】
このような構成により、酸化剤ガス供給流路の閉塞が燃料電池の発電により生じた水（生成水）の貯留に起因する場合に、燃料電池の温度を０℃以上とすることで、飽和水蒸気圧を高めて貯留している生成水を排出し易くできる。加えて、０℃以上となり生成水が排出し易くなっている状態で酸化剤ガスの供給量を増加させるので、酸化剤ガス供給流路から生成水を容易に排出させることができ、酸素欠乏を解消させることができる。
【００２３】
［適用例９］適用例８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記酸化剤ガス供給部により前記酸化剤ガスの供給量が増加された後において、前記電圧値が負電圧である場合に、前記燃料電池システムが異常であると検出する異常検出部を備える、燃料電池システム。
【００２４】
このような構成により、酸化剤ガス供給流路の閉塞が生成水以外の要因で起こっている場合に、燃料電池システムが異常であると検出することができる。したがって、例えば、異常の検出に応じて適切な対処（例えば、管理者に対する通知やログの記録）を実行することができる。
【００２５】
［適用例１０］適用例３ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
前記要因が水素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を増加させる燃料ガス供給部と、
前記要因がドライアップであると特定された場合に、前記燃料電池を加湿する加湿部と、
を備える、燃料電池システム。
【００２６】
このような構成により、負電圧要因に応じて適切な対処を実行することができる。したがって、負電圧を早期に解消でき、触媒層を形成する部材の劣化など負電圧に起因する不具合の発生を抑制できる。
【００２７】
［適用例１１］ 燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するための方法であって、
（ａ）前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する工程と、
（ｂ）前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する工程と、
を備える、方法。
【００２８】
適用例１１の方法では、電流を変化させて電圧を測定してＩ−Ｖ特性情報を取得し、得られたＩ−Ｖ特性情報に基づき燃料電池が負電圧である要因を特定するので、負電圧要因を正確に特定することができる。また、Ｉ−Ｖ特性情報に基づくことで、水素欠乏及び酸素欠乏に加えて、ドライアップを要因として特定することができる。
【００２９】
［適用例１２］適用例１１に記載の方法において、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記工程（ｂ）において、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、方法。
【００３０】
このような構成により、燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は他の要因であるか、を切り分けられるので、水素欠乏が要因であると特定された場合に、適切な対処を行うことができる。
【００３１】
［適用例１３］燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するためのプログラムであって、
前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する機能と、
前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する機能と、
をコンピュータに実現させるためのプログラム。
【００３２】
適用例１３のプログラムでは、電流を変化させて電圧を測定してＩ−Ｖ特性情報を取得し、得られたＩ−Ｖ特性情報に基づき燃料電池が負電圧である要因を特定するので、負電圧要因を正確に特定することができる。また、Ｉ−Ｖ特性情報に基づくことで、水素欠乏及び酸素欠乏に加えて、ドライアップを要因として特定することができる。
【００３３】
［適用例１４］請求項１３に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【００３４】
このような構成により、かかる記録媒体を用いてコンピュータにプログラムを読み取らせ、各機能を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ステップＳ１０５により得られたＩ−Ｖ特性を示す説明図である。
【図４】正常時におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図５】水素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図６】酸素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図７】ドライアップ状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【図８】第１実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】第２実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】ステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。
【図１１】直線近似により得られる直線が存在し得る領域を各負電圧要因ごとに示す説明図である。
【図１２】第３実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。
【図１４】触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。
【図１５】第３実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。
【図１６】第４実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】第４実施例においてステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク６１と、遮断弁７１と、調圧弁７２と、第１循環ポンプ６２と、エアコンプレッサ６５と、加湿器６６と、ラジエータ３０と、第２循環ポンプ３１と、温度センサ６３と、セルモニタ４０と、電流センサ４１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１と、二次電池５２と、インバータ５０と、制御ユニット９０と、燃料ガス供給流路８１と、燃料ガス排出流路８２と、バイパス流路８３と、酸化剤ガス供給流路８７と、酸化剤ガス排出流路８８と、冷却媒体供給流路８４と、冷却媒体排出流路８５とを備えている。
【００３７】
燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池である単セル２０が複数積層された構成を有し、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。単セル２０は、図示しないＭＥＡの両面を２つのガス拡散層で挟み、さらにＭＥＡ及びガス拡散層を２つのセパレータで挟んだ構造を有している。積層された単セル２０の両端には、総合電極としての２つのターミナルプレート１１１が配置されている。
【００３８】
水素タンク６１は、高圧水素ガスを貯蔵しており、燃料ガス供給流路８１を介して燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する。水素タンク６１としては、例えば、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。
【００３９】
遮断弁７１は、水素タンク６１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。調圧弁７２は、燃料ガス供給流路８１に配置されており、水素タンク６１から排出された高圧水素ガスを、所定の圧力まで低下させる。第１循環ポンプ６２は、バイパス流路８３に配置され、燃料ガス排出流路８２を介して燃料電池スタック１０から排出されるアノード側オフガス（電気化学反応に用いられなかった余剰水素ガス）を、燃料ガス供給流路８１に供給する。
【００４０】
エアコンプレッサ６５は、酸化剤ガス供給流路８７に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。加湿器６６は、酸化剤ガス供給流路８７及び酸化剤ガス排出流路８８に亘って配置され、エアコンプレッサ６５から供給される比較的乾いた空気と、酸化剤ガス排出流路８８から排出される比較的湿ったガス（生成水を含むカソード側オフガス）との間で水分交換を行って、燃料電池スタック１０に供給される空気を加湿する。
【００４１】
ラジエータ３０は、冷却媒体供給流路８４及び冷却媒体排出流路８５に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体（冷却水や空気など）と外気との間で熱交換を行い、熱交換後の冷却媒体を、冷却媒体供給流路８４を介して燃料電池スタック１０に供給する。第２循環ポンプ３１は、冷却媒体排出流路８５に配置されており、燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体をラジエータ３０に供給する。温度センサ６３は、第２循環ポンプ３１に配置されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体の温度を測定する。燃料電池システム１００では、この温度センサ６３により測定される温度を、燃料電池スタック１０の温度として用いる。
【００４２】
セルモニタ４０は、各単セル２０と接続されており、各単セル２０のセル電圧（カソード及びアノード電極の電位差）を測定する。電流センサ４１は、燃料電池スタック１０と直列接続されており、燃料電池スタック１０を流れる電流値を測定する。ＤＣ−ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１０及び二次電池５２と並列接続されており、二次電池５２の出力電圧を昇圧してインバータ５０に供給し、また、燃料電池スタック１０の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧して二次電池５２に供給する。インバータ５０は、燃料電池スタック１０及びＤＣ−ＤＣコンバータ５１と並列に接続されており、燃料電池スタック１０又はＤＣ−ＤＣコンバータ５１から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷Ｌ（例えば、車両駆動用モータ）に供給する。
【００４３】
制御ユニット９０は、エアコンプレッサ６５，加湿器６６，遮断弁７１，調圧弁７２，第１循環ポンプ６２，第２循環ポンプ３１，インバータ５０，ＤＣ−ＤＣコンバータ５１と電気的に接続されており、これらの各要素を制御する。また、制御ユニット９０は、温度センサ６３と接続されており、温度センサ６３において測定された温度を取得する。
【００４４】
また、制御ユニット９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３とを備えている。ＲＯＭ９２には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ９１は、ＲＡＭ９３を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、電流調整部９１ａ，電圧測定部９１ｂ，負電圧要因特定部９１ｃ，ガス流量調整部９１ｄ，加湿制御部９１ｅ，スタック温度調整部９１ｆ，及び異常発生通知部９１ｇとして機能する。
【００４５】
電流調整部９１ａは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１を制御することにより、燃料電池スタック１０を流れる電流を調整する。電圧測定部９１ｂは、セルモニタ４０から通知される各単セル２０の電圧値を取得する。負電圧要因特定部９１ｃは、単セル２０が負電圧となった場合に、負電圧の要因を特定する。ガス流量調整部９１ｄは、燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量及び空気量を調整する。具体的には、ガス流量調整部９１ｄは、遮断弁７１及び調圧弁７２の開度を調整することにより、燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量を調整する。また、ガス流量調整部９１ｄは、エアコンプレッサ６５の回転数を制御することにより、燃料電池スタック１０に供給される空気量を調整する。加湿制御部９１ｅは、加湿器６６を制御することにより、燃料電池スタック１０に供給される空気の加湿量を調整する。スタック温度調整部９１ｆは、第２循環ポンプ３１を制御して冷却媒体供給流路８４及び冷却媒体排出流路８５を流通する冷却媒体の流量を調整することにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。異常発生通知部９１ｇは、燃料電池システム１００の異常を検出して通知する。具体的には、異常発生通知部９１ｇは、システム異常を検出すると、図示しない操作パネルに異常発生の旨を表示する。
【００４６】
なお、前述のＲＯＭ９２には、正常時における燃料電池スタック１０の開回路電圧（負荷Ｌが接続されていない場合のセル電圧：ＯＣＶ）の値や、各種しきい値が予め記憶されている。
【００４７】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０を構成する各単セル２０のセル電圧が負電圧となった場合に、後述する負電圧要因特定処理が実行され、負電圧の要因が特定される。また、燃料電池システム１００では、後述するセル電圧回復処理が実行されることにより、特定された負電圧に応じた対処が実行され、セル電圧が負電圧から正電圧に回復する。
【００４８】
なお、前述の電圧測定部９１ｂは、請求項における電圧測定部及びＩ−Ｖ特性情報取得部に相当する。また、ガス流量調整部９１ｄ及びエアコンプレッサ６５は請求項における酸化剤ガス供給部に、ガス流量調整部９１ｄ，遮断弁７１及び調圧弁７２は請求項における燃料ガス供給部に、加湿制御部９１ｅ及び加湿器６６は請求項における加湿部に、異常発生通知部９１ｇは請求項における異常検出部に、それぞれ相当する。
【００４９】
Ａ２．負電圧要因特定処理：
図２は、第１実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、各単セル２０のセル電圧を常時監視しており、いずれかの単セル２０のセル電圧が負電圧となった場合に、負電圧要因特定処理が開始される。
【００５０】
電流調整部９１ａは、負電圧を測定した状態における電流値から、電流値が０となるまで電流を減少させ、電圧測定部９１ｂは、各電流値ごとのセル電圧を測定してＩ−Ｖ特性としてＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１０５）。このとき、電流調整部９１ａは、電流を段階的に減少させる、或いは、電流を連続的減少させることができる。電圧測定部９１ｂは、電流が段階的に減少する場合に、各段階ごとに電圧値を取得することができる。また、電圧測定部９１ｂは、電流が連続的に減少する場合に、所定の電流間隔ごとに電圧値を取得することができる。なお、ステップＳ１０５で得られる各電流値ごとのセル電圧（Ｉ−Ｖ特性曲線）は、請求項におけるＩ−Ｖ特性情報に相当する。
【００５１】
負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ１０５で得られたＩ−Ｖ特性に基づき、電流変化に対する電圧変化（ｄＶ／ｄＩ）が一定である電流範囲があるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
【００５２】
図３は、ステップＳ１０５により得られたＩ−Ｖ特性を示す説明図である。図３において、横軸は電流密度（電流）を示し、縦軸は電圧値（セル電圧）を示す。図３において、曲線Ｌ０は、正常時（水素ガス及び空気が発電に必要な量以上に供給されて発電している状態）における単セル２０のＩ−Ｖ特性曲線を示す。また、動作点ｐ０は、負電圧要因特定処理の開始時点における動作点を示す。曲線Ｌ１は、水素ガスが欠乏している状態においてステップＳ１０５の処理が実行された場合に得られるＩ−Ｖ特性曲線である。曲線Ｌ２は、酸素（空気）が欠乏している状態においてステップＳ１０５の処理が実行された場合に得られるＩ−Ｖ特性曲線である。曲線Ｌ３は、ドライアップ状態においてステップＳ１０５の処理が実行された場合に得られるＩ−Ｖ特性曲線である。
【００５３】
図３に示すように、負電圧要因特定処理の開始時における動作点ｐ０の電圧値は負電圧である。水素欠乏状態において電流を減少させていくと、曲線Ｌ１に示すように、電圧値は徐々に上昇して、電流＝０において電圧値＝０となる。このとき、ｄＶ／ｄＩ（曲線Ｌ１の各点における接線の傾き）は連続的に変化し、ｄＶ／ｄＩが一定となる電流範囲は存在しない。
【００５４】
酸素欠乏状態において電流を減少させていくと、曲線Ｌ２に示すように、動作点ｐ０から動作点ｐ１（電流値＝Ｉ１，電圧値＝Ｖ１）までは、ｄＶ／ｄＩが一定で、電圧値は直線的に上昇する。なお、動作点ｐ１の電圧値Ｖ１は負電圧である。そして、動作点ｐ１が変曲点となり、ｄＶ／ｄＩが急増し、電圧値は正電圧となる。その後、ｄＶ／ｄＩは減少に転じ、曲線Ｌ２は曲線Ｌ０と一致する。
【００５５】
ドライアップ状態において電流を減少させていくと、曲線Ｌ２に示すように、動作点ｐ０から動作点ｐ２（電流値＝Ｉ２，電圧値＝Ｖ２）までは、ｄＶ／ｄＩが一定で、電圧値は直線的に上昇する。なお、動作点ｐ２の電圧値Ｖ２は正電圧である。そして、動作点ｐ２が変曲点となり、ｄＶ／ｄＩが減少して曲線Ｌ０と一致する。
【００５６】
したがって、酸素欠乏又はドライアップの場合にはｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在し、水素欠乏の場合にはｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在しない。このように、負電圧要因に応じてＩ−Ｖ特性曲線が異なる理由について、図４〜図７を用いて説明する。
【００５７】
図４は、正常時におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。図５は、水素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。図６は、酸素欠乏状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。図７は、ドライアップ状態におけるＩ−Ｖ特性曲線が導かれる理由を模式的に示す説明図である。
【００５８】
図４〜図７において、左上は、アノード側の電極電位と電流密度との関係を示す。また、右上はカソード側の電極電位と電流密度との関係を、右下は単セル２０全体としての電流密度とセル電圧との関係を、左下は各電極電位と電流密度との関係に基づくセル電圧の求め方を、それぞれ示す。なお、図４〜図７では、酸化反応により生じる電流をプラスとして、還元反応により生じる電流をマイナスとして、それぞれ便宜上表わしている。
【００５９】
図４左上に示すように、正常時においてカソード側では、下記式（１）の反応が起こり、電流（酸化電流）の増大と共に、カソード電位が直線的に上昇する。
【００６０】
【数１】
【００６１】
図４右上に示すように、正常時においてアノード側では、下記式（２）の反応が起こり、電流（還元電流）の増大と共に、アノード電位が減少する。
【００６２】
【数２】
【００６３】
図４左下に示すように、カソード及びアノードの電位差がセル電圧となる。なお、図４左下では、還元反応により生じる電流をマイナスからプラスに変換して表わしているが、これは以下の理由による。各図４〜７の左上及び右上では、便宜上、酸化電流をプラス電流に、還元電流をマイナス電流に、それぞれ定めたが、セル電圧を求める場合には、絶対値が同じ電流値におけるカソード電位からアノード電位を減じることで求められるからである。
【００６４】
そして、各電流値（電流値の絶対値）における各極の電位差をセル電圧として求めた結果が右下に示すＩ−Ｖ特性曲線（曲線Ｌ０）となる。
【００６５】
水素欠乏状態においては、図５左上に示すように、アノード側において、上記式（１）の反応に代わって、下記式（３）の反応が起こる。これは、水素不足に起因して式（１）の反応により得られるプロトン量が減少するため、これを補償するように、触媒を構成するカーボンが酸化してプロトンを発生させるためである。
【００６６】
【数３】
【００６７】
式（３）の反応が起こると、アノード電位は、正常時（式（１）の反応が起こる状態）に比べて高くなる。また、電流の増加に伴うアノード電位の上昇度合いは、徐々に増す。図５右上に示すように、カソード電位は正常時と同じであるので、図５左下に示すようにカソード電位がアノード電位を上回る結果、図５右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、電流の上昇と共にセル電圧が負電圧の領域で徐々に減少し、図３の曲線Ｌ１と同様な曲線Ｌ１ａとなる。
【００６８】
なお、図５右下に示すように、ひとたび水素欠乏状態となると、電流値が減少して０に近い値となっても水素欠乏は解消されず、Ｉ−Ｖ特性曲線Ｌ１ａは、正常時のＩ−Ｖ特性曲線である曲線Ｌ０と接することはない。これは、以下の理由による。水素欠乏により触媒（Ｐｔ）の酸化が発生すると、酸化物（白金酸化物など）は、水素の酸化反応（式（１）の反応）に不活性となる。それゆえ、電流値が減少して水素の供給量が足りてもプロトンの生成が十分に行われないため、式（３）の反応が起きるからである。
【００６９】
酸素欠乏状態においては、図６右上に示すように、カソード側において、上記式（２）の反応に代わって、式（４）の反応が起こる。これは、酸素不足により式（２）の反応によって還元されるプロトン量が減少するため、これを補償するように、式（４）の反応によってプロトンが還元されるためである。
【００７０】
【数４】
【００７１】
式（４）の反応が起こると、カソード電位は、正常状態に比べて低下して負電位となる。図６左上に示すように、アノード電位は正常時と同じであるので、図６左下に示すようにカソード電位がアノード電位を上回る結果、図６右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、電流の上昇と共にセル電圧が負電圧の領域で直線的に減少して直線Ｌ２ａとなる。
【００７２】
なお、図６では、電流（電流密度）が減少して０に近い値であっても酸素欠乏状態である場合の各電極電位及びセル電圧を示している。これは、カソード側（カソード側触媒層）に全く酸素が供給されていない状態を意味する。これに対し、わずかであるが酸素が供給されている状態では、電流が減少していくといずれかの電流値において、酸素欠乏状態が解消される。燃料電池スタック１０を流れる電流値が小さければ、その電流を発生させるために必要な酸素量も少なくて済むため、酸素不足は解消されるからである。このように、わずかであるが酸素が供給されている状態では、図６右上の一点鎖線で示す曲線Ｌ５０のように、電流値が比較的高い状態においては、式（２）の反応が起こり、電流が比較的低い状態においては式（４）の反応が起こる。その結果、図６右下の一点鎖線で示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、図３と同じ曲線Ｌ２となる。
【００７３】
ドライアップ状態においては、図７左上及び右上に示すように、アノード側及びカソード側において、いずれも正常時と同じ反応が起こるが、各曲線・直線の形状が異なる。これは、ドライアップにより電解質膜の抵抗が増加することに起因する。その結果、図７左下に示すように、カソード電位がアノード電位を下回る範囲が存在し、図７右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、電流の上昇と共にセル電圧が正電圧から直線的に減少して、負電圧になった後も減少する曲線Ｌ３ａとなる。
【００７４】
なお、図７では、電流（電流密度）が減少して０に近い値であってもドライアップ状態である場合の各電極電位及びセル電圧を示している。実際には、電流が減少すると、発電があまり行われない（式（１），（２）の反応が抑制される）ため、セル温度は低下する。その結果、単セル２０内部の湿度は上昇しドライアップは解消される。したがって、各電極電位は、図７左上及び右上の一点鎖線で示す曲線Ｌ６１，Ｌ６２のように、電流値が比較的低い状態では、正常時のＩ−Ｖ特性曲線と一致する。その結果、図７右下に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線は、図３と同様な曲線Ｌ３ｂとなる。なお、電解質膜の乾燥度合いに応じて、各極における電流−電位曲線の形状は変わり得る。図７右下の曲線Ｌ３ｂと図３の曲線Ｌ３とが互いに形状が異なっているのは、それぞれを測定した際の電解質膜の乾燥度合いが異なるからである。
【００７５】
図２に戻って、ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在しない（ステップＳ１１０：ＮＯ）と判定した場合、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧の要因は水素欠乏であると特定し（ステップＳ１１５）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１３５）。
【００７６】
ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在する（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）と判定した場合、負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ１０５で得られたＩ−Ｖ特性曲線において、電流を減少させていった場合に最初に得られる変曲点の電圧は負電圧であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。そして、最初に得られる変曲点の電圧が負電圧であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧の要因は酸素欠乏であると特定し（ステップＳ１２５）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１３５）。これに対し、最初に得られる変曲点の電圧が０Ｖ以上であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧の要因はドライアップであると特定し（ステップＳ１３０）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ１３５）。
【００７７】
図３の曲線Ｌ２に示すように、酸素欠乏の状態において最初に生じる変曲点（動作点ｐ１）の電圧値Ｖ１は負電圧である。一方、図３の曲線Ｌ３に示すように、ドライアップ状態において最初に生じる変曲点（動作点ｐ２）の電圧値Ｖ２は正電圧である。このように、電流を減少させていった場合に最初に生じる変曲点の電圧値は、酸素欠乏の場合にマイナスであり、ドライアップの場合にプラスであることを出願人は見出した。したがって、ｄＶ／ｄＩの電圧値により、負電圧の要因が酸素欠乏であるかドライアップであるかを判別することができる。
【００７８】
Ａ３．セル電圧回復処理：
図８は、第１実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、上述した負電圧要因特定処理が終わると、セル電圧回復処理が開始される。
【００７９】
負電圧要因特定部９１ｃは、ＲＡＭ９３から負電圧要因を取得し（ステップＳ２０５）、負電圧要因が水素欠乏であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。負電圧要因が水素欠乏であると判定されると（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、ガス流量調整部９１ｄは、遮断弁７１及び調圧弁７２を制御して、燃料電池スタック１０に供給される水素ガス量を増加させる（ステップＳ２１５）。そして、ガス流量調整部９１ｄは、単セル２０のセル電圧が、水素ガス供給量の増加に伴い０Ｖよりも高くなったか否かを判定し（ステップＳ２２０）、セル電圧が０Ｖよりも高くなるまで、ステップＳ２１５，Ｓ２２０を繰り返す。そして、セル電圧が０Ｖよりも高くなった場合には、セル電圧回復処理は終了する。
【００８０】
負電圧要因が水素欠乏でないと判定されると（ステップＳ２１０：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因が酸素欠乏であるか否かを判定する（ステップＳ２２５）。負電圧要因が酸素欠乏であると判定されると（ステップＳ２２５：ＹＥＳ）、ガス流量調整部９１ｄは、エアコンプレッサ６５の回転数を制御して、燃料電池スタック１０に供給される空気量を増加させる（ステップＳ２３０）。そして、ガス流量調整部９１ｄは、負電圧となった単セル２０のセル電圧が、空気供給量の増加に伴い正電圧となったか否かを判定し（ステップＳ２３５）、正電圧となるまで、ステップＳ２３０，Ｓ２３５を繰り返す。これに対し、セル電圧が正電圧となった場合には、セル電圧回復処理は終了する。
【００８１】
負電圧要因が酸素欠乏でないと判定されると（ステップＳ２２５：ＮＯ）、加湿制御部９１ｅは、加湿器６６を制御して、燃料電池スタック１０に供給される空気の加湿量を増加させる（ステップＳ２４０）。かかる処理により、単セル２０内の水分量が増加してドライアップ状態が解消され得る。そして、加湿制御部９１ｅは、負電圧となった単セル２０のセル電圧が、ドライアップの解消に伴い０Ｖよりも高くなったか否かを判定し（ステップＳ２３５）、セル電圧が０Ｖよりも高くなるまで、ステップＳ２４０，Ｓ２４５を繰り返す。これに対し、セル電圧が０Ｖよりも高くなった場合には、セル電圧回復処理は終了する。
【００８２】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０を流れる電流を０となるまで減少させながら電圧値を測定してＩ−Ｖ特性曲線を得て、得られたＩ−Ｖ特性曲線においてｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲が存在するか否かにより、また、ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲がある場合に、最初の変曲点の電圧は負電圧であるか否かによって、負電圧要因が、水素欠乏，酸素欠乏，ドライアップのいずれであるかを特定する。したがって、負電圧要因を正確に特定できると共に、ドライアップが原因で負電圧が生じた場合においても、その要因を正確に特定することができる。
【００８３】
加えて、負電圧要因を特定した後に、セル電圧回復処理を実行して、特定した要因に応じた適切な処理を行うので、短期間のうちにセル電圧を負電圧から正電圧に回復させることができる。したがって、負電圧に伴う触媒層を形成する部材の劣化を抑制できる。
【００８４】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。第２実施例の燃料電池システムは、負電圧の要因を特定する方法において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。図２に示す第１実施例の負電圧要因特定処理では、電流を０となるまで低減させて、ｄＶ／ｄＩが一定である電流範囲の有無、及び最初の変曲点の電圧が負電圧であるか否かにより、負電圧の要因を特定していた。これに対し、第２実施例では、電流を所定の電流値範囲内で低減させ、得られたＩ−Ｖ特性に基づき電流値が０である場合の電圧値を外挿により求めて、かかる電圧値に基づき負電圧の要因を特定する。
【００８５】
具体的には、図９に示すように、電流調整部９１ａは、負電圧を測定した状態における電流値から、所定の電流範囲内（電流値が０よりも大きい値の範囲内）で電流を減少させ、電圧測定部９１ｂは、各電流値ごとのセル電圧（Ｉ−Ｖ特性曲線）を取得してＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３０５）。このとき、所定の電流範囲としては、例えば、負電圧を測定した状態における電流値から、この電流値の０．７倍となる電流値まで減少させることができる。また、例えば、予め下限値を設定しておき、かかる下限値まで電流値を減少させることができる。
【００８６】
負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ３０５で得られたＩ−Ｖ特性に基づき、電流値が０である場合の電圧値（以下、「ゼロ電流時電圧値」と呼ぶ）を外挿により求める（ステップＳ３１０）。外挿の方法としては、例えば、ステップＳ３０５で得られたＩ−Ｖ特性を直線近似し、得られた直線において、電流値＝０を代入して求めることができる。
【００８７】
図１０は、ステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。図１０において、横軸は図３の横軸と、縦軸は図３の縦軸と、それぞれ同じである。また、動作点ｐ０は、図３の動作点ｐ０と同じである。図１０では、各負電圧要因ごとに、ステップＳ３０５で得られるＩ−Ｖ特性曲線（直線）と、直線近似して得られた直線と、ゼロ電流時電圧値とを示している。また、参考として、図３に示す曲線Ｌ１〜Ｌ３も併せて表わしている。なお、図１０では、ステップＳ３０５において、動作点ｐ０の電流値Ｉ１０から、電流値Ｉ２０（０＜Ｉ２０＜Ｉ１０）まで電流を減少させた結果を表わしている。電流値Ｉ２０は、動作点ｐ１（変曲点ｐ１）の電流値Ｉ１及び動作点ｐ２（変曲点ｐ２）の電流値Ｉ２のいずれよりも低い値であり、予め実験により求めて設定されている。なお、電流値Ｉ１０からＩ２０の範囲は、請求項における所定の正の電流値範囲に相当する。
【００８８】
図１０において、曲線Ｌ１０は、水素欠乏状態においてステップＳ３０５により得られたＩ−Ｖ特性曲線（直線）を示す。直線Ｌ２０は、酸素欠乏状態においてステップＳ３０５により得られたＩ−Ｖ特性曲線（直線）を示す。直線Ｌ３０は、ドライアップ状態においてステップＳ３０５により得られたＩ−Ｖ特性曲線（直線）を示す。直線Ｌ１１は、曲線Ｌ１０内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。直線Ｌ２１は、直線Ｌ２０内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。直線Ｌ３１は、曲線Ｌ３０内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。
【００８９】
図１０に示すように、水素欠乏状態におけるゼロ電流時電圧Ｖｅ１は、負電圧となっている。酸素欠乏状態におけるゼロ電流時電圧Ｖｅ２は、０Ｖとなっている。ドライアップ状態におけるゼロ電流時電圧Ｖｅ３は、Ｖ０（ＯＣＶ）よりも高い値となっている。
【００９０】
図１１は、直線近似により得られる直線が存在し得る領域を各負電圧要因ごとに示す説明図である。図１１において、領域Ａｒｈは、負電圧要因が水素欠乏の場合に、直線近似により得られる直線が存在し得る領域を示す。また、領域Ａｒｏは負電圧要因が酸素欠乏の場合に、領域Ａｒｄは負電圧要因がドライアップの場合に、それぞれ直線近似により得られる直線が存在し得る領域を示す。
【００９１】
図１１に示すように、各要因ごとに、直線近似により得られる直線が存在し得る領域があること、換言すると、直線近似により得られる直線にバラツキが生じ得ることは、各反応ガスの欠乏度合いや、乾燥の度合い等によって、ステップＳ３０５により得られる曲線が変化し得るからである。例えば、軽い水素欠乏状態（すなわち、必要量に比べて少ないが、或る程度多くの水素ガスが供給されている状態）では、Ｉ−Ｖ特性曲線は、正常時のＩ−Ｖ特性曲線Ｌ０に近づいた形状の曲線となる。これに対して、重度の水素欠乏状態（すなわち、ほとんど水素ガスが供給されていない状態）では、Ｉ−Ｖ特性曲線は、正常時のＩ−Ｖ特性曲線Ｌ０から大きく離れた形状の曲線となる。したがって、Ｉ−Ｖ特性に基づき直線近似により得られる直線の傾きは変化し得る。
【００９２】
図１１に示すように、領域Ａｒｈにおいてゼロ電流時電圧値は、０Ｖ未満となっている。領域Ａｒｏにおいてゼロ電流時電圧値は、０Ｖ以上Ｖ０（ＯＣＶ）未満となっている。領域Ａｒｄにおいてゼロ電流時電圧値は、Ｖ０（ＯＣＶ）以上となっている。ドライアップ状態では膜抵抗値が大きいため、開回路状態においてもドライアップ状態でない場合の電圧値よりも高い電圧値となる。
【００９３】
図９に示すステップＳ３１０の後、負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ３１０で得られたゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖ未満であるか否かを判定する（ステップＳ３１５）。ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖ未満であると判定した場合（ステップＳ３１５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因は水素欠乏であると特定し（ステップＳ３２０）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３４０）。
【００９４】
ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０以上であると判定した場合（ステップＳ３１５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０（ＯＣＶ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２５）。ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０以上でないと判定した場合（ステップＳ３２５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因は酸素欠乏であると特定し（ステップＳ３３０）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３４０）。
【００９５】
ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０以上であると判定した場合（ステップＳ３２５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因はドライアップであると特定し（ステップＳ３３５）、特定した要因をＲＡＭ９３に記憶させる（ステップＳ３４０）。
【００９６】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、ステップＳ３０５において電流値を減少させる際の下限値が０よりも大きく、かつ、変曲点ｐ１，ｐ２の電流値よりも大きな値であるので、下限値が０である場合に比べて、短期間で電圧値の測定処理を完了することができる。したがって、より短期間で負電圧要因が特定できるので、負電圧状態となってから早期に負電圧回復処理を実行することができ、触媒の劣化を抑制できる。
【００９７】
Ｃ．第３実施例：
図１２は、第３実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例の燃料電池システムは、負電圧の要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏（換言すると、流路閉塞によりカソード側触媒層に全く空気が届いていない状態）であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏（換言すると、カソード側触媒層に空気が届いているが、必要量に達していない状態）であるかを特定する点と、酸素欠乏の原因に応じて異なる対処を行なう点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。
【００９８】
Ｃ１．負電圧要因特定処理：
第３実施例の負電圧要因特定処理は、ステップＳ４０５，Ｓ４１０を追加して実行する点と、ステップＳ１２５に代えて、ステップＳ４１５を実行する点とにおいて、図２に示す負電圧要因特定処理と異なり、他の処理は第１実施例と同じである。具体的には、ｄＶ／ｄＩが一定である範囲があると判定した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、ステップＳ１０５で得られたＩ−Ｖ特性曲線において、変曲点があるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。
【００９９】
図１３は、流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。図１４は、触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５により得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す説明図である。図１３及び図１４において、横軸は図３の横軸と、縦軸は図３の縦軸と、それぞれ同じである。また、図１３，１４において動作点ｐ０は、図３の動作点ｐ０と同じである。図１３において、直線Ｌ２２は、流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す。図１４において、曲線Ｌ２３は、触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られるＩ−Ｖ特性曲線を示す。
【０１００】
図１３に示すように、流路閉塞による酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られる直線Ｌ２２は、図６右下に示す直線Ｌ２ａと同様に、動作点ｐ０と、電流値０及び電圧値０の動作点（原点）とを結ぶ直線となる。単セル２０のカソード側触媒層に対して酸素が全く供給されないので、電流値が０に近くても酸素不足が解消されることはない。したがって、電流値が０となるまで電流の減少に比例して電圧が低下するので、直線Ｌ２２には変曲点は存在しない。
【０１０１】
図１４に示すように、触媒層付近における酸素欠乏状態においてステップＳ１０５で得られる曲線Ｌ２３は、図３及び図６に示す曲線Ｌ２と同様に、動作点ｐ０から変曲点ｐ１１までは直線的に変化し、変曲点ｐ１１から曲線Ｌ０に向かって伸びて、電流値が小さい領域において、曲線Ｌ０と一致する。
【０１０２】
図１２に示すステップＳ４０５において、変曲点がないと判定された場合（ステップＳ４０５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因は流路閉塞による酸素欠乏であると特定する（ステップＳ４１０）。ステップＳ４０５において、変曲点があると判定された場合（ステップＳ４０５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、前述のステップＳ１２０を実行する。そして、負電圧要因特定部９１ｃは、最初の変曲点の電圧が負電圧であると判定された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、負電圧要因は触媒層付近における酸素欠乏であると特定する（ステップＳ４１５）。これに対し、最初の変曲点の電圧が負電圧でないと判定された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、負電圧要因はドライアップであると判定する（ステップＳ１３０）。
【０１０３】
Ｃ２．セル電圧回復処理：
図１５は、第３実施例におけるセル電圧回復処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例のセル電圧回復処理は、ステップＳ５０５，Ｓ５１０，Ｓ５１５，Ｓ５２０，Ｓ５２５，Ｓ５３０を追加して実行する点において、図８に示すセル電圧回復処理と異なり、他の処理は第１実施例と同じである。具体的には、ステップＳ２２５において負電圧要因が酸素欠乏であると判定された場合（ステップＳ５０５：ＹＥＳ）、負電圧要因特定部９１ｃは、酸素欠乏が、流路閉塞による酸素欠乏であるか否かを判定する（ステップＳ５０５）。
【０１０４】
流路閉塞による酸素欠乏でない、すなわち、触媒層付近における酸素欠乏状態であると判定されると（ステップＳ５０５：ＮＯ）、セル電圧が０Ｖよりも高くなるまで空気供給量が増加される（ステップＳ２３０，Ｓ２３５）。
【０１０５】
これに対し、流路閉塞による酸素欠乏であると判定された場合（ステップＳ５０５：ＹＥＳ）、スタック温度調整部９１ｆは、燃料電池スタック１０の温度を所定温度（例えば、０℃）以上となるまで上昇させる（ステップＳ５１０）。ガス流量調整部９１ｄは、燃料電池スタック１０に供給される空気量を増加させる（ステップＳ５１５）。ガス流量調整部９１ｄは、セル電圧が０Ｖよりも高くなったか否かを判定し（ステップＳ５２０）、セル電圧が０Ｖよりも高くなった場合には、セル電圧回復処理は終了する。一方、セル電圧が０Ｖよりも高くないと判定された場合（ステップＳ５２０：ＮＯ）、ガス流量調整部９１ｄは、空気供給量を所定量以上に増加させたか否かを判定する（ステップＳ５２５）。所定量以上に増加させていないと判定された場合（ステップＳ５２５：ＮＯ）、ガス流量調整部９１ｄは、前述のステップＳ５１５〜Ｓ５２５を実行する。これに対し、所定量以上に増加させたと判定された場合（ステップＳ５２５：ＹＥＳ）、異常発生通知部９１ｇは、図示しない操作パネルに異常発生の旨を表示することにより、異常発生を管理者に通知する（ステップＳ５３０）。
【０１０６】
前述のように、流路閉塞による酸素欠乏の場合に、燃料電池スタック１０の温度を上昇させた後に、燃料電池スタック１０への供給空気量を増加させるのは、以下の理由による。発電に伴う生成水が空気供給流路に溜まり、この溜まった生成水が原因で流路閉塞が生じている場合には、昇温させることで飽和水蒸気圧を上昇させ、溜まった水を水蒸気として排出し易くできる。それゆえ、その後、供給空気量を増加させることで、溜まった水（水蒸気）を空気の流れを利用して排出できると共に、酸素不足を解消し得るからである。
【０１０７】
燃料電池スタック１０を昇温させ、所定量以上に供給空気量を増加させてもなおセル電圧が０Ｖよりも高くならない場合には、生成水の貯留以外の理由により流路閉塞が生じている可能性が高い。この場合、管理者による閉塞原因の確認及びメンテナンスが必要となるため、第３実施例の燃料電池システムでは、異常発生を管理者に通知するように構成されている。
【０１０８】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、第３実施例の燃料電池システムは、酸素欠乏が、流路閉塞による酸素欠乏及び触媒層付近における酸素欠乏のいずれであるかを特定するので、セル電圧回復処理において、酸素欠乏の原因に応じた適切な処理を選択して実行することができる。
【０１０９】
また、酸素欠乏が流路閉塞によるものである場合に、燃料電池スタック１０の温度を上昇させた後に空気供給量を増加させるので、流路閉塞が、発電に伴う生成水の流路における貯留によって生じている場合には、貯留している生成水を排出させることができ、酸素欠乏を速やかに解消させることができる。
【０１１０】
また、酸素欠乏が流路閉塞によるものである場合であって、燃料電池スタック１０の温度を上昇させた後に所定量以上に空気供給量を増加させてもなお、セル電圧が０Ｖよりも高くならない場合に異常発生を通知するので、管理者は、かかる通知に基づき流路閉塞要因の特定及びメンテナンスを行なうことができる。したがって、流路閉塞が生成水が原因でない場合であっても、早期にメンテナンスを行なうことができ、酸素欠乏を速やかに解消させることができる。
【０１１１】
Ｄ．第４実施例：
図１６は、第４実施例における負電圧要因特定処理の手順を示すフローチャートである。第４実施例の燃料電池システムは、負電圧の要因が酸素欠乏の場合に、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏であるかを特定する点と、酸素欠乏の原因に応じて異なる対処を行なう点において、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。また、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏であるかを特定する方法において、第３実施例の燃料電池システムと異なり、他の構成は、第３実施例の燃料電池システムと同じである。第４実施例の燃料電池システムでは、第２実施例と同様に、電流を所定の電流値範囲内で低減させ、得られたＩ−Ｖ特性に基づきゼロ電流時電圧値を外挿により求める。そして、このゼロ電流時電圧値に基づき、酸素欠乏の原因を特定する。
【０１１２】
図１６に示す第４実施例の負電圧要因特定処理は、ステップＳ３３０に代えて、ステップＳ６０５，Ｓ６１０，Ｓ６１５を追加して実行する点において、図９に示す第２実施例の負電圧特定要因処理と異なり、他の処理は第２実施例と同じである。
【０１１３】
ステップＳ３２５において、ゼロ電流時電圧値ＶｅがＶ０（ＯＣＶ）以上でないと判定された場合（ステップＳ３２５：ＮＯ）、負電圧要因特定部９１ｃは、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖであるか否かを判定する（ステップＳ６０５）。負電圧要因特定部９１ｃは、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖであると判定された場合、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であると特定し（ステップＳ６１０）、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖでない（すなわち、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖよりも高く、かつ、Ｖ０（ＯＣＶ）よりも低い）と判定された場合、酸素欠乏が触媒層付近における酸素欠乏であると特定する（ステップＳ６１５）。
【０１１４】
図１７は、第４実施例においてステップＳ３１０により求められるゼロ電流時電圧値の一例を示す説明図である。図１７において、横軸及び縦軸は、いずれも、図１０における縦軸及び横軸と同じである。また、動作点ｐ０は、図３の動作点ｐ０と同じである。図１７では、参考として、図１３に示す直線Ｌ２２及び図１４に示す曲線Ｌ２３を破線で表わしている（なお、直線Ｌ２２は、後述の直線Ｌ４２と一致している）。図１７において、直線Ｌ３２は、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏である場合にステップＳ３０５により得られるＩ−Ｖ直線を示す。また、直線Ｌ３３は、酸素欠乏が触媒層付近における酸素欠乏である場合にステップＳ３０５により得られるＩ−Ｖ直線を示す。これら直線Ｌ３２，Ｌ３３は、いずれも、ステップＳ３０５において、動作点ｐ０の電流値Ｉ１０から、電流値Ｉ２０（０＜Ｉ２０＜Ｉ１０）まで電流を減少させた結果を表わしている。
【０１１５】
図１７において、直線Ｌ４２は、直線Ｌ３２内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。この直線Ｌ４２において、電流値が０である場合の電圧値（すなわち、ゼロ電流時電圧値）Ｖｅ５は０Ｖである。このように、流路閉塞による酸素不足の場合に、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖとなるのは、図１３を用いて説明したとおりである。
【０１１６】
図１７において、直線Ｌ４３は、直線Ｌ３３内の複数の動作点に基づく直線近似により得られた直線である。この直線Ｌ４３において、電流値が０である場合の電圧値（すなわち、ゼロ電流時電圧値）Ｖｅ４は、０Ｖよりも高く、Ｖ０（ＯＣＶ）よりも低い。触媒層付近における酸素欠乏では、必要量よりも少ないがカソード側触媒層に酸素が供給されているため、電流を減少させた場合に得られる電圧値は、全く酸素が供給されない場合に比べて高くなる。したがって、直線Ｌ４３のゼロ電流時電圧値Ｖｅ４の値は、直線Ｌ４２のゼロ電流時電圧値Ｖｅ５よりも高い。また、酸素不足ゆえ、ゼロ電流時電圧値Ｖｅの値はＶ０（ＯＣＶ）よりも低くなる。したがって、前述のステップＳ６０５のように、ゼロ電流時電圧値Ｖｅが０Ｖであるか否かによって、酸素欠乏が流路閉塞による酸素欠乏であるか、又は、触媒層付近における酸素欠乏であるかを特定することができる。
【０１１７】
前述のステップＳ６１０，Ｓ６１５の後、ステップＳ３４０（特定した要因のＲＡＭ９３への記憶）が実行され、負電圧要因特定処理は終了する。なお、第４実施例におけるセル電圧回復処理は、図１５に示す第３実施例のセル電圧回復処理と同じである。
【０１１８】
以上の構成を有する第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、第４実施例の燃料電池システムは、酸素欠乏が、流路閉塞による酸素欠乏及び触媒層付近における酸素欠乏のいずれであるかを特定するので、セル電圧回復処理において、酸素欠乏の原因に応じた適切な処理を実行することができる。また、ステップＳ３０５において電流値を減少させる際の下限値が０よりも大きく、かつ、変曲点ｐ１，ｐ２の電流値よりも大きな値であるので、下限値が０の場合に比べて、短期間で電圧値の測定処理を完了することができる。したがって、より短期間で負電圧要因が特定できるので、負電圧状態となってから早期に負電圧回復処理を実行することができ、触媒の劣化を抑制できる。
【０１１９】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１２０】
Ｅ１．変形例１：
第１，３実施例では、ステップＳ１０５において、負電圧を測定した状態における電流値から、電流値が０となるまで電流を減少させていたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、負電圧を測定した状態における電流値から電流値を減少させて電圧値を取得するたびに変曲点の有無を判定し、変曲点が生じた場合に電流の減少を停止させて、ステップＳ１０５を終了することもできる。このような構成により、負電圧要因が酸素欠乏又はドライアップの場合には、電流値を０となるまで減少させなくて済むため、負電圧特定処理に要する期間を短くすることができる。
【０１２１】
Ｅ２．変形例２：
各実施例では、セル電圧回復処理において、負電圧要因が水素欠乏である場合に水素ガスの供給量を増加させていたが、これに加えて、燃料電池スタック１０と負荷Ｌとを電気的に切り離してもよい。また、このとき、負荷Ｌに対して二次電池５２から電力を供給することが好ましい。このような構成により、燃料電池スタック１０をＯＣＶ状態とすることができるので、水素ガスの供給量を増加させた際に、アノード側触媒層を潤沢な水素ガスに曝すことができ、不活性化していた触媒を活性化状態にすることができる。すなわち、水素欠乏によってアノード側触媒層において生じたプラチナ等の触媒の酸化物を、水素ガス供給量を増加させた際に除去することができる。また、負荷Ｌに対して二次電池５２から電力を供給するので、電気車両を停止させることなくセル電圧回復処理を実行することができる。
【０１２２】
Ｅ３．変形例３：
第３実施例のセル電圧回復処理では、負電圧要因が触媒層付近における酸素欠乏である場合に、ステップＳ２３０において空気供給量を増加させていたが、空気供給量の増加に加えて、燃料電池スタック１０の温度を昇温させてもよい。同様に、第１実施例においても、負電圧要因が酸素欠乏である場合に、空気供給量の増加（ステップＳ２３０）に加えて、燃料電池スタック１０の温度を昇温させてもよい。このような構成により、触媒層付近における酸素欠乏が、触媒層付近における生成水の貯留に起因する場合には、生成水を排除して酸素欠乏を解消させることができる。
【０１２３】
Ｅ４．変形例４：
各実施例においてスタック温度調整部９１ｆは、第２循環ポンプ３１を制御して冷却媒体の流量を調整することにより、燃料電池スタック１０の温度を調整していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷却媒体供給流路８４又は冷却媒体排出流路８５にヒーターを設置して、かかるヒーターにより冷却媒体を昇温させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整することもできる。また、各単セル２０を直接温めることができるようにヒーターを配置し、かかるヒーターにより燃料電池スタック１０の温度を調整することもできる。
【０１２４】
Ｅ５．変形例５：
各実施例では、異常発生通知部９１ｇは、図示しない操作パネルに異常発生の旨を表示していたが、これに代えて、又は、これに加えて、ブザー等の音声による通知や、ランプの点灯・点滅を行なって異常発生の旨を通知することもできる。また、異常発生の旨の通知に代えて、異常発生の旨をＲＡＭ９３にログとして記録することもできる。この構成においても、ＲＡＭ９３に記録されているログを確認することにより、管理者は異常発生の旨を知ることができ、負電圧要因の特定及びメンテナンス等を行なうことができる。
【０１２５】
Ｅ６．変形例６：
各実施例では、負電圧の要因として、水素欠乏，酸素欠乏，およびドライアップのいずれであるかを特定していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、負電圧の要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分けることもできる。具体的には、例えば、第１実施例の負電圧要因特定処理において、ステップＳ１２０以降の処理を省略することで実現できる。このような構成においても、負電圧の要因が、水素欠乏であるか、または、他の要因であるかを切り分けることができるので、負電圧の要因が水素欠乏である場合には、適切な対処（例えば、図８のステップＳ２１５，Ｓ２２０）を実行することができる。
【０１２６】
Ｅ７．変形例７：
各実施例では、燃料電池システムは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システムをビルや一般住宅等の建物に適用することもできる。
【０１２７】
Ｅ８．変形例８：
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…燃料電池スタック
２０…単セル
３０…ラジエータ
３１…第２循環ポンプ
４０…セルモニタ
４１…電流センサ
５０…インバータ
５１…ＤＣ−ＤＣコンバータ
５２…二次電池
６１…水素タンク
６２…第１循環ポンプ
６３…温度センサ
６５…エアコンプレッサ
６６…加湿器
７１…遮断弁
７２…調圧弁
８１…燃料ガス供給流路
８２…燃料ガス排出流路
８３…バイパス流路
８４…冷却媒体供給流路
８５…冷却媒体排出流路
８７…酸化剤ガス供給流路
８８…酸化剤ガス排出流路
９０…制御ユニット
９１…ＣＰＵ
９１ａ…電流調整部
９１ｂ…電圧測定部
９１ｃ…負電圧要因特定部
９１ｄ…ガス流量調整部
９１ｅ…加湿制御部
９１ｆ…スタック温度調整部
９１ｇ…異常発生通知部
９２…ＲＯＭ
９３…ＲＡＭ
１００…燃料電池システム
１１１…ターミナルプレート
Ｌ…負荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池を流れる電流を調整する電流調整部と、
前記電流調整部を制御して前記電流を変化させ、電流値と前記電圧測定部により測定された電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得するＩ−Ｖ特性情報取得部と、
前記燃料電池の電圧が負電圧である場合に、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する負電圧要因特定部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記Ｉ−Ｖ特性情報取得部は、前記Ｉ−Ｖ特性情報を取得する際に、前記電流を所定の正の電流値範囲で変化させて電圧値を取得し、
前記負電圧要因特定部は、前記電流が０の場合の電圧値であるゼロ電流時電圧値を、得られた前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき外挿により求め、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ以上、かつ、通常時における前記燃料電池の開回路電圧未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が前記開回路電圧以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路とを有し、
前記負電圧要因特定部は、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖである場合に、前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖよりも大きく、かつ、前記開回路電圧未満である場合に、前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の正の電流値範囲の下限値は、前記要因が酸素欠乏又はドライアップである場合における前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩの変曲点の電流値よりも大きな値である、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲が無い場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点の電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記変曲点の電圧値が０Ｖ以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、を有し、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲がない場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がない場合に前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がある場合に前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項４または請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池の温度を０℃以上に調整する温度調整部と、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定され、かつ、前記燃料電池の温度が０℃以上に調整されている状態において、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記酸化剤ガス供給部により前記酸化剤ガスの供給量が増加された後において、前記電圧値が負電圧である場合に、前記燃料電池システムが異常であると検出する異常検出部を備える、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
前記要因が水素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を増加させる燃料ガス供給部と、
前記要因がドライアップであると特定された場合に、前記燃料電池を加湿する加湿部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するための方法であって、
（ａ）前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する工程と、
（ｂ）前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する工程と、
を備える、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記工程（ｂ）において、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、方法。
【請求項１３】
燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するためのプログラムであって、
前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する機能と、
前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する機能と、
をコンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池を流れる電流を調整する電流調整部と、
前記電流調整部を制御して前記電流を変化させ、電流値と前記電圧測定部により測定された電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得するＩ−Ｖ特性情報取得部と、
前記燃料電池の電圧が負電圧である場合に、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する負電圧要因特定部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記Ｉ−Ｖ特性情報取得部は、前記Ｉ−Ｖ特性情報を取得する際に、前記電流を所定の正の電流値範囲で変化させて電圧値を取得し、
前記負電圧要因特定部は、前記電流が０の場合の電圧値であるゼロ電流時電圧値を、得られた前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき外挿により求め、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖ以上、かつ、通常時における前記燃料電池の開回路電圧未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が前記開回路電圧以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路とを有し、
前記負電圧要因特定部は、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖである場合に、前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ゼロ電流時電圧値が０Ｖよりも大きく、かつ、前記開回路電圧未満である場合に、前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の正の電流値範囲の下限値は、前記要因が酸素欠乏又はドライアップである場合における前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩの変曲点の電流値よりも大きな値である、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲が無い場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点の電圧値が０Ｖ未満である場合に前記要因は酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記変曲点の電圧値が０Ｖ以上である場合に前記要因はドライアップであると特定する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記燃料電池は、触媒層と、前記触媒層に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、を有し、
前記負電圧要因特定部は、前記電流値の変化に対する前記電圧値の変化を示すｄＶ／ｄＩを前記Ｉ−Ｖ特性情報に基づき求め、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲がない場合には前記要因は水素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がない場合に前記要因は前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定し、前記ｄＶ／ｄＩが一定である前記電流値の範囲を有し、かつ、前記ｄＶ／ｄＩの変曲点がある場合に前記要因は前記触媒層付近での酸素欠乏であると特定する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項４または請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池の温度を０℃以上に調整する温度調整部と、
前記要因が前記酸化剤ガス供給流路の閉塞による酸素欠乏であると特定され、かつ、前記燃料電池の温度が０℃以上に調整されている状態において、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記酸化剤ガス供給部により前記酸化剤ガスの供給量が増加された後において、前記電圧値が負電圧である場合に、前記燃料電池システムが異常であると検出する異常検出部を備える、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記要因が酸素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を増加させる酸化剤ガス供給部と、
前記要因が水素欠乏であると特定された場合に、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を増加させる燃料ガス供給部と、
前記要因がドライアップであると特定された場合に、前記燃料電池を加湿する加湿部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するための方法であって、
（ａ）前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する工程と、
（ｂ）前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する工程と、
を備える、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
前記燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応ガスとして用い、
前記工程（ｂ）において、前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因が、水素欠乏であるか又は水素欠乏を除く他の要因であるか、を切り分ける、方法。
【請求項１３】
燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定するためのプログラムであって、
前記燃料電池を流れる電流を変化させると共に前記燃料電池の電圧を測定し、電流値と電圧値との対応関係を示す情報であるＩ−Ｖ特性情報を取得する機能と、
前記取得されたＩ−Ｖ特性情報に基づき、前記燃料電池の電圧が負電圧である要因を特定する機能と、
をコンピュータに実現させるためのプログラム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−７４１７２（Ｐ２０１２−７４１７２Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１６６４７（Ｐ２０１０−２１６６４７）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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