CN102714323A - 燃料电池的控制 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统具备燃料电池,该燃料电池包括至少一个具有电解质膜的单电池，并且，该燃料电池系统具备指标值取得部和控制部。指标值取得部取得与各单电池的短路部位的温度相关的温度指标值。控制部对给短路部位的温度造成影响的燃料电池控制参数进行控制，使得温度指标值处在被设定成短路部位的温度小于电解质膜的分解温度的规定范围内。

Description

燃料电池的控制
技术领域
本发明涉及燃料电池的控制。
背景技术
燃料电池、例如固体高分子型燃料电池，通过对隔着电解质膜配置的一对电极（阳极以及阴极）分别供给反应气体（燃料气体以及氧化气体）来引起电力化学反应，将物质所具有的化学能直接转换成电能。
在具有燃料电池的燃料电池系统中，已知有以下控制方法，即：测定燃料电池所包含的各单电池的输出电压，在输出电压中的最低电压不足零V的情况下，发出负载的减小指令，在最低电压为规定阈值以上的情况下，发出负载的增大指令。
专利文献
专利文献1：日本特开2006-179389号公报
专利文献2：日本特开2007-35516号公报
专利文献3：日本特开2008-300299号公报
发明内容
在燃料电池的各单电池中，例如因为用于使反应气体扩散的气体扩散层的基材（例如碳纤维）贯穿电解质膜，有时会出现短路部位。在燃料电池的单电池中存在短路部位的状态下，若在负电压下持续发电或将燃料电池维持成空载状态，则有时在单电池的短路部位也有电流流过。当电流在单电池的短路部位流过、短路部位的温度上升到电解质膜的分解温度以上时，在短路部位周边的电解质膜中产生针孔，造成燃料电池的性能降低。
在电流流过了单电池的短路部位时的短路部位的达到温度或电解质膜的分解温度，根据短路部位的电阻值或燃料电池的规格（例如电解质膜的厚度）等而有所不同。因此，在利用未考虑短路部位的电阻值或燃料电池的规格等所设定的阈值而一概地进行燃料电池的电压控制的上述现有技术中，无法有效抑制电解质膜中的针孔的产生。
本发明是为了解决上述课题而做出的，其目的在于提供能够有效抑制燃料电池的电解质膜中的针孔的产生的燃料电池系统及其控制方法。
为了解决上述课题的至少一部分，本发明能够作为以下的形态或者应用例而得以实现。
[应用例1]一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备燃料电池，该燃料电池包括至少一个具有电解质膜的单电池，所述燃料电池系统具备：指标值取得部，该指标值取得部取得与各所述单电池的短路部位的温度相关的温度指标值；和控制部，该控制部对给所述短路部位的温度造成影响的所述燃料电池的控制参数进行控制，使得所述温度指标值处在被设定成所述短路部位的温度小于所述电解质膜的分解温度的规定范围内。
在该燃料电池系统中，取得与各单电池的短路部位相关的温度的温度指标值，对给短路部位的温度造成影响的燃料电池的控制参数进行控制，使得温度指标值处在被设定成短路部位的温度小于电解质膜的分解温度的规定范围内，因而，能够有效地抑制燃料电池的电解质膜中的针孔的产生。
[应用例2]如应用例1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统还具备取得所述短路部位的电阻值的电阻值取得部，所述控制部基于所述短路部位的电阻值来设定所述温度指标值的所述规定范围。
在该燃料电池系统中，取得短路部位的电阻值，基于短路部位的电阻值来设定温度指标值的规定范围，因而能够高精度地设定温度指标值的容许范围，可抑制驱动性能的降低，同时可有效地抑制燃料电池的电解质膜中的针孔的产生。
[应用例3]如应用例2所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部包括：向所述燃料电池的阳极供给燃料气体并且向阴极供给惰性气体的机构；使电压值变化的同时对所述燃料电池施加电压的机构；测定对应各个所述电压值的电流值的机构；和基于所述电压值与所述电流值的关系来计算所述电阻值的机构。
在该燃料电池系统中，能够高精度地取得短路部位的电阻值，并且，也能够掌握交叉泄漏量。
[应用例4]如应用例2所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部包括：向所述燃料电池的阳极及阴极供给相同种类的气体的机构；对所述燃料电池施加电压的机构；测定施加所述电压时的电流值的机构；和基于所述电压值与所述电流值的关系来计算所述电阻值的机构。
在该燃料电池系统中，能够以简易的方法容易地取得短路部位的电阻值。
[应用例5]如应用例4所述的燃料电池系统，其中，所述相同种类的气体是所述燃料电池进行发电所使用的燃料气体和氧化气体中的一方。
在该燃料电池系统中，由于在取得短路部位的电阻值时不使用未在燃料电池的发电中使用的气体，所以可抑制系统的复杂化或控制的繁琐化，能够更为容易地取得短路部位的电阻值。
[应用例6]如应用例3至应用例5中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部在所述燃料电池系统出厂时取得所述短路部位的电阻值。
在该燃料电池系统中，不必在燃料电池系统中设置用于取得短路部位的电阻值的装置，可抑制系统的复杂化，同时能高精度地取得短路部位的电阻值。
[应用例7]如应用例3至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部在所述燃料电池系统的定期检查时取得所述短路部位的电阻值。
在该燃料电池系统中，能够考虑短路部位的电阻值的经时变化来适当地设定温度指标值的规定范围，能够更为有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例8]如应用例3至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部在所述燃料电池的运转停止时取得所述短路部位的电阻值。
在该燃料电池系统中，能够考虑短路部位的电阻值的经时变化来适当地设定温度指标值的规定范围，能够更为有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例9]如应用例1至8中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述控制参数是所述燃料电池的电压值。
在该燃料电池系统中，通过对燃料电池的电压值进行控制，能够使短路部位的温度小于电解质膜的分解温度，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例10]如应用例9所述的燃料电池系统，其中，在所述温度指标值处在所述规定范围以外的情况下，所述控制部进行使所述燃料电池的电压绝对值降低的控制。
在该燃料电池系统中，由于短路部位的温度取决于燃料电池的电压绝对值，所以，通过进行使燃料电池的电压绝对值降低的控制，能够使短路部位的温度小于电解质膜的分解温度，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例11]如应用例10所述的燃料电池系统，其中，所述温度指标值是各所述单电池的电压值；在所述温度指标值处在所述规定范围以外、且作为所述温度指标值的所述电压值小于零的情况下，所述控制部进行使所述燃料电池的电压上升的控制。
在该燃料电池系统中，在负电压运转时能使短路部位的温度小于电解质膜的分解温度，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例12]如应用例10所述的燃料电池系统，其中，所述温度指标值是各所述单电池的电压值；在所述温度指标值处在所述规定范围以外、且作为所述温度指标值的所述电压值为零以上的情况下，所述控制部进行使所述燃料电池的电压下降的控制。
在该燃料电池系统中，在正电压（正常）运转时能使短路部位的温度小于电解质膜的分解温度，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例13]如应用例2所述的燃料电池系统，其中，所述温度指标值是各所述单电池的电压值，所述控制部对各所述单电池的开路电压值是否从初始值降低进行判定，并对开路电压值从初始值降低了的第一单电池的IV特性即第一特性与开路电压值未从初始值发生变化的IV特性即第二特性进行比较，并且，在基于规定高负载时的所述第一特性与所述第二特性的电压值差量进行修正后的所述第一特性中的开路电压值从初始值降低的情况下，使所述电阻值取得部再次取得所述短路部位的电阻值，并基于再次取得的所述短路部位的电阻值来更新所述规定范围。
在该燃料电池系统中，能够掌握因作为电解质膜中的针孔产生原因的短路部位电阻值降低而引起的开路电压的降低量，能够进行是否再次取得短路部位的电阻值的判定，因而，能够实现控制的高效化，同时能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例14]如应用例13所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部基于根据所述第二特性计算出的RV特性和修正后的所述第一特性中的开路电压值来再次取得所述短路部位的电阻值。
在该燃料电池系统中，在取得短路部位的电阻值时无需使用惰性气体或是对两电极供给相同种类的气体来进行电阻值的测定，因而能够抑制系统的复杂化或控制的繁琐化，同时能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例15]如应用例2所述的燃料电池系统，其中，所述温度指标值是各所述单电池的电压值，所述控制部对各所述单电池的规定低负载时的电压值即低负载时电压值是否从初始值降低进行判定，并对所述低负载时电压值从初始值降低了的第一单电池的IV特性即第一特性与所述低负载时电压值未从初始值发生变化的IV特性即第二特性进行比较，并且，在基于规定高负载时的所述第一特性与所述第二特性的电压值差量进行修正后的所述第一特性中的所述低负载时电压值从初始值降低的情况下，使所述电阻值取得部再次取得所述短路部位的电阻值，并基于再次取得的所述短路部位的电阻值来更新所述规定范围。
在该燃料电池系统中，不用测定开路电压就能掌握因作为电解质膜中的针孔产生原因的短路部位电阻值降低而引起的低负载时电压值的降低量，能够进行是否再次取得短路部位的电阻值的判定，因而能够实现燃料电池的耐久性提高以及控制的高效化，同时能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例16]如应用例15所述的燃料电池系统，其中，所述电阻值取得部基于修正后的所述第一特性中的所述低负载时电压值即第一低负载时电压值和所述第二特性中的与所述第一低负载时电压值对应的电流值来再次取得所述短路部位的电阻值。
在该燃料电池系统中，在取得短路部位的电阻值时无需使用惰性气体或是对两电极供给相同种类的气体来进行电阻值的测定，因而能够抑制系统的复杂化或控制的繁琐化，同时能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
[应用例17]如应用例1至应用例16中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述温度指标值是所述燃料电池的电压值，所述控制部设定用于抑制所述燃料电池性能降低的所述温度指标值的至少一个其他规定范围，并对所述燃料电池的所述控制参数进行控制，使得所述温度指标值处在所述其他规定范围内、且处在被设定成所述短路部位的温度小于所述电解质膜的分解温度的所述规定范围内。
在该燃料电池系统中，可有效地抑制电解质膜中的针孔的产生,同时可实现鲁棒性更高的燃料电池的控制，而且，能够更有效地避免所设想的燃料电池因多个老化模式造成的老化。
另外，本发明能够以各种形式得以实现，例如，能够以燃料电池、燃料电池系统、燃料电池以及燃料电池系统的控制方法等形态得以实现。
附图说明
图1是示意表示能够适用本发明的第一实施例中的燃料电池系统20的电动汽车10的构成的说明图。
图2是表示第一实施例中的燃料电池系统20的控制的流程的流程图。
图3是表示单电池21的短路部位SC的电阻的测定方法的一例的说明图。
图4是表示单电池21中的阴极电位和电流的测定结果的一例的曲线图。
图5是表示用于设定电解质膜ME的分解温度Td的实验结果的一例的说明图。
图6是表示电解质膜ME分解而形成针孔时的温度测定结果的一例的说明图。
图7是表示设定阈值时的单电池21的设想电路的说明图。
图8是表示与短路部位SC的电阻值对应的原阈值V1o以及阈值V1的一例的说明图。
图9是表示与短路部位SC的电阻值对应的原阈值V2o以及阈值V2的一例的说明图。
图10是表示第一实施例中的燃料电池22的运转控制的流程的流程图。
图11是表示用于设定必需热量Q的实验结果的一例的说明图。
图12是表示第二实施例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图13是表示单电池21的IV特性测定结果的一例的说明图。
图14是表示单电池A的VR特性的一例的说明图。
图15是表示单电池B的短路部位SC的电阻值的推定方法的理论的说明图。
图16是表示第二实施例的第一变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图17是表示第二实施例的第二变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图18是表示第二实施例的第三变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图19是表示第三实施例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图20是表示单电池21的IV特性测定结果的一例的说明图。
图21是表示短路部位SC的电流Is的推定方法的说明图。
图22是表示第三实施例的第一变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图23是表示第三实施例的第二变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图24是表示第三实施例的第三变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得的流程的流程图。
图25是表示推定单电池F的短路部位SC的电流的方法的说明图。
图26是表示第四实施例中的燃料电池22的控制时的电压的阈值的一例的说明图。
图27是表示第四实施例中的燃料电池22的控制时的电压的阈值的一例的说明图。
图28是表示阈值Vt4的确定方法的一例的说明图。
图29是表示第四实施例中的燃料电池22的运转控制的流程的流程图。
图30是表示第五实施例中的燃料电池22的运转控制的流程的流程图。
图31是表示单电池21的MEA温度的测定方法的一例的说明图。
图32是表示调查单电池电压与MEA温度的关系的实验结果的一例的说明图。
具体实施方式
接着，基于实施例对本发明的实施方式进行说明。
A．第一实施例
A-1．燃料电池系统的构成
图1是示意表示能够适用本发明的第一实施例中的燃料电池系统20的电动汽车10的构成的说明图。电动汽车10具有：燃料电池系统20、二次电池30、驱动车辆驱动轴39的驱动马达33。燃料电池系统20包括：燃料电池22；贮存对燃料电池22供给的氢的氢罐23；用于对燃料电池22供给压缩空气的空气压缩机24。
贮存于氢罐23中的作为燃料气体的氢被放出到氢气供给通路60，由设于氢气供给通路60的减压阀61进行减压之后，由压力调节阀62调节成规定压力，并供给至燃料电池22的阳极。从阳极排出的阳极排气被引导至阳极排气通路63，由氢泵65再次供给至氢气供给通路60。另外，通过将设于从阳极排气通路63分支的排气排出通路64的开闭阀66设为打开状态，能够将阳极排气的一部分排出到外部。
空气压缩机24对经由具备滤清器的空气流量计28从外部导入的作为氧化气体的空气进行加压，经由氧化气体供给通路67供给至燃料电池22的阴极。空气也可以在供给至燃料电池22之前被加湿。从阴极排出的阴极排气被导入阴极排气通路68而排出到外部。
作为燃料电池22可以使用各种燃料电池，但在本实施例中，作为燃料电池22使用的是固体高分子型燃料电池。燃料电池22具有经由未图示的隔板层压有多个单电池21的层叠结构。单电池21是燃料电池22中的进行发电的单位模组，各单电池21包括在未图示的电解质膜的各面上形成有阳极以及阴极的电极的膜电极接合体（也称为MEA）。各单电池21还包括夹着MEA而配置、使作为反应气体的氢气以及空气扩散并供给到MEA的气体扩散层。燃料电池22的各单电池21通过氢气与空气中所含有的氧气的电化学反应进行发电。另外，在本实施例中，各单电池21的构成或规格相同。
另外，燃料电池系统20具有：测定燃料电池22的各单电池21的电压（单电池电压）的电压计26；利用从电压计26输出的表示单电池电压的信号或其他信号来控制后述的燃料电池系统20的控制部70。控制部70利用具有CPU或ROM、RAM的微机而构成。
燃料电池系统20经由逆变器35与驱动马达33连接，而且，经由DC/DC转换器32与二次电池30连接。从燃料电池系统20输出的电力被供给至驱动马达33，被用于驱动马达33对车辆驱动轴39进行的驱动。另外，在二次电池30的剩余容量为规定值以下的情况下等，由燃料电池系统20进行二次电池30的充电。二次电池30的电力被使用于电力不足时的驱动马达33的驱动等。
A-2．燃料电池系统的控制
图2是表示第一实施例中的燃料电池系统20的控制的流程的流程图。在燃料电池系统20出厂时，测定燃料电池22的各单电池21的短路部位的电阻（步骤S 110）。将出厂时测定的单电池21的短路部位的电阻称为初始短路电阻。
单电池21的短路部位的电阻测定能够利用例如日本特开2002-208424号公报所记载的公知方法加以实施。图3是表示单电池21的短路部位SC的电阻测定方法的一例的说明图。如图3所示那样，单电池21包括电解质膜ME、阳极AE以及阴极CE。在单电池21中，例如因为使反应气体扩散的气体扩散层的基材（例如碳纤维）贯穿电解质膜ME，所以有时会出现短路部位SC。另外，在单电池21中，有时会产生氢气从阳极AE向阴极CE泄漏的交叉泄漏CL。
在测定单电池21的短路部位SC的电阻时，如图3所示那样，对阳极AE供给氢气，对阴极CE供给作为惰性气体的氮气。氮气向阳极AE的供给，是利用氢罐23以及氢气供给通路60（图1）进行的。另外，氮气向阴极CE的供给，是利用替代氧化气体供给通路67地设置的未图示的氮气供给系统进行的。在该状态下，在单电池21上连接外部电源PS，施加电压使得阴极CE的电位为正，测定各电压值下的电流值。当对单电池21施加电压时，若存在短路部位SC，则经由短路部位SC有电流流过。另外，当在单电池21中存在交叉泄漏CL时，在阴极CE发生因交叉泄漏CL而到达阴极CE的氢分解为质子与电子的反应，在阳极AE发生从阴极CE经过电解质膜ME移动到阳极AE的质子与电子结合而形成氢的反应，由此有电流流过。
图4是表示单电池21中的阴极电位和电流的测定结果的一例的曲线图。在图4中，对于短路部位SC的电阻比较大的情形1和短路部位SC的电阻比较小的情形2，示出了将阴极电位的各值中的电流测定值的点连接而成的直线。基于该直线的斜率计算短路部位SC的电阻。在情形1中，伴随于阴极电位的增加而引起的电流值的增加是微小的，短路部位SC的电阻大。另外，在情形2中，伴随于阴极电位的增加而引起的电流值的增加较大，短路部位SC的电阻小。在单电池21中不存在短路部位SC的情况下，理论上讲，伴随于阴极电位的增加而引起的电流值的增加为零。另外，图4所示的曲线图上的直线的切片与因交叉泄漏CL而产生的电流对应。为此，根据该测定方法，除了短路部位SC的电阻之外，还能够测定交叉泄漏CL，特别是能够实现出厂检查时的工序的高效化。
也能够通过与上述方法不同的方法来测定单电池21的短路部位SC的电阻。例如，能够采用以下方法，即：对阳极AE以及阴极CE双方供给相同种类的气体，对两极间施加电压，基于电流值稳定下来时的电压值和电流值来计算短路部位SC的电阻。在刚对两极间施加电压之后，由于立即有因碳的填充及铂氧化物的变化而引起的电流流过，所以通过利用这样的电流被释放而使电流值稳定下来时的电压值和电流值，能够高精度地测定短路部位SC的电阻。另外，作为相同种类的气体，可以利用氢气或空气、或者氮气等惰性气体等。另外，对两极间施加的电压优选为0.3V到0.5V之间。
所测定的单电池21的短路部位SC的电阻值被存储于控制部70（图1）。此时，控制部70作为电阻值取得部而发挥功能。
接着，设定单电池21的电解质膜ME的分解温度Td，计算电解质膜ME的温度上升到分解温度Td所需的热量（必需热量Q）（步骤S120）。图5是表示用于设定电解质膜ME的分解温度Td的实验结果的一例的说明图。在图5中，关于电解质膜、催化剂层以及MEA，示出了利用热曲线计测出的温度和重量减少微分值的关系。根据图5所示的实验结果，电解质膜ME的分解温度Td例如设定为300℃。
另外，图6是表示电解质膜ME分解而形成针孔时的温度测定结果的一例的说明图。在图6中，示出了对单电池21进行了加热时的MEA的表面温度以及隔板的表面温度的经时变化。另外，由于在实验中使用了可测定温度的上限约为1400℃的测定设备，所以在图6中，1400℃以上的温度全部作为1400℃示出。在实验中，在自开始起经过的时间约为8秒的时刻，MEA表面温度在大约0.1秒上升1000℃以上。为此，在计算必需热量Q时可不考虑向周围的散热，另外，确认了计算的热量可以是每0.1秒的热量。
表1表示必需热量Q的计算结果的一例。根据表1，当设定电解质膜ME的膜厚或气体扩散层基材的直径、各材料的比重以及比热之类的单电池21的规格、和产生的针孔的直径或初始温度之类的条件时，能够计算出与针孔直径相当的电解质膜ME的部分的温度上升到分解温度Td（300℃）所需的热量（必需热量Q）。在表1所示的例子中，作为电解质膜使用DUPONT公司制造的NRE211（厚度25μm），作为气体扩散层使用SGL公司制造的25BC。另外，将产生的针孔的直径设为1,000μm。在表1所示的例子中，必需热量Q大约为0.05J。
[表1]
电解质膜压   25μm
扩散层基材直径   7μm
针孔直径   1,000μm
初始温度Ta   80℃
膜分解温度Tb   300℃
温度差△T（=Tb-Ta）   220℃
PTFE比重   2g/cm3
碳比重   1.5g/cm3
水比重   1g/cm3
电解质膜比热Cm   1,100J/(kg·K)
碳比热Cc   720J/(kg·K)
水比热Cw   4,190J/(kg·K)
水蒸发热Qv   40.8kJ/mol
扩散层基材体积   9.62×10-10cm3
电解质膜体积   1.96×10-5cm3
扩散层基材重量Wg   1.44×10-9g
电解质膜重量Wm   3.93×10-5g
电解质膜含水率   35%
电解质膜含水率Ww   1.37×10-5g
必需热量Q1（=△T×Cc×Wg×1/1000）   2.28×10-7J
必需热量Q2（=△T×Cm×Wm×1/1000）   9.50×10-3J
必需热量Q3（=△T×Cw×Ww×1/1000）   1.27×10-2J
必需热量Q4（=Qv×1000×Ww×1/18）   3.11×10-2J
总必需热量Q（=Q1+Q2+Q3+Q4）   0.053J
若计算出必需热量Q，则在控制燃料电池22时，设定用于抑制电解质膜ME中的针孔的产生的电压的阈值V1以及V2（图2的步骤S130）。电解质膜ME的针孔有可能产生于在负电压下发电时（单电池电压不足零V的发电时）和正常发电时（单电池电压为零V以上的发电时）这两种情况下。
即，当在燃料电池22的单电池21存在短路部位SC的状态下持续在负电压下发电时，在该单电池21中有时由于阳极的碳氧化或电解质膜ME的干涸等造成MEA的过电压变大，在短路部位SC也有电流流过，短路部位SC的温度上升。当短路部位SC的温度成为电解质膜ME的分解温度Td以上时，短路部位SC周边的电解质膜ME分解消失，在电解质膜ME中产生针孔。
另一方面，在燃料电池22的单电池21中存在短路部位SC的情况下，施加于短路部位SC的电压，在以空载状态对单电池21施加开路电压（以下称为“OCV”）的状况下变成最大。为此，若在短路部位SC的电阻小时单电池21被维持成空载状态，则有时在短路部位SC有电流流过，短路部位SC的温度成为电解质膜ME的分解温度Td以上，会在电解质膜ME中产生针孔。
在步骤S130中设定的电压的阈值V1是负电压发电时的阈值，阈值V2是正常发电时的阈值。本实施例中的燃料电池22的电压值是与单电池21的短路部位SC的温度相关的指标值，而且，是给短路部位SC的温度造成影响的燃料电池22的控制参数。
在设定单电池21的单电池电压不足零V的负电压发电时的阈值V1时，首先，如图7（A）所示那样将单电池21的MEA看作可变电阻，利用下式（1）计算原阈值V1o。在式（1）中，R是被测定的短路部位SC的电阻，Q是上述的必需热量Q。原阈值V1o是单电池21的短路部位SC的温度等于电解质膜ME的分解温度Td时的单电池21的电压。因此，若进行燃料电池22的控制而使得单电池21的电压比原阈值V1o大，则单电池21的短路部位SC的温度变得比电解质膜ME的分解温度Td小。
V1o＝-（R×Q）0.5…（1）
阈值V1在原阈值V1o上加入安全系数，设定为比原阈值V1o大的值。图8是表示与短路部位SC的电阻值对应的原阈值V1o以及阈值V1的一例的说明图。如图8所示那样，对应各个单电池21，基于该单电池21中的短路部位SC的电阻值来设定阈值V1。另外，在图8中，以“×”标记示出了在实验中在电解质膜ME中产生针孔时的条件。根据实验结果可知，若进行燃料电池22的控制而使得单电池21的单电池电压不小于阈值V1，则能够防止电解质膜ME中的针孔的产生。
另外，在设定单电池21的单电池电压为零V以上的正常发电时的阈值V2时，首先，如图7（B）所示那样将单电池21的MEA看作电池，利用下式（2）计算原阈值V2o。在式（2）中，R是短路部位SC的电阻，Q是上述的必需热量Q。原阈值V2o是单电池21的短路部位SC的温度等于电解质膜ME的分解温度Td时的单电池21的电压。因此，若进行燃料电池22的控制而使得单电池21的电压比原阈值V2o小，则单电池21的短路部位SC的温度变得比电解质膜ME的分解温度Td小。
V2o＝（R×Q）0.5…（2）
阈值V2在原阈值V2o上加入安全系数，设定为比原阈值V2o小的值。图9是表示与短路部位SC的电阻值对应的原阈值V2o以及阈值V2的一例的说明图。如图9所示那样，对应各个单电池21，基于该单电池21中的短路部位SC的电阻值来设定阈值V2。若进行燃料电池22的控制而使得单电池21的单电池电压不大于阈值V2，则能够防止电解质膜ME中的针孔的产生。
当完成阈值V1、V2的设定时，执行由控制部70进行的燃料电池22的运转控制（图2的步骤S 140）。图10是表示第一实施例中的燃料电池22的运转控制流程的流程图。控制部70对燃料电池系统20的各部分进行控制来进行燃料电池22的发电（步骤S210），取得按规定定时由电压计26测定的各单电池21的电压值（步骤S220）。此时，控制部70发挥作为指标值取得部的功能，取得与单电池21的短路部位SC的温度相关的温度指标值的电压值。电压测定的定时既可以是每经过规定时间时，也可以是每当发电进行了规定时间时。
控制部70，在单电池21的单电池电压不足零V（步骤S230：否）、且单电池电压为对每个单电池21设定的阈值V1以上的情况下（步骤S240：否），视为电解质膜ME中不会产生针孔（参照图8），持续发电（步骤S210）。另一方面，在单电池21的单电池电压不足零V、且单电池电压比阈值V1小的情况下（步骤S240：是），电解质膜ME中有可能产生针孔，因而控制部70执行使燃料电池22的电压上升的控制（步骤S250）。具体来讲，控制部70例如进行如下的控制：使负载（电流）下降、或使氢气循环系统的循环量增加、或使空气化学计量比增大、或使加湿量增加。由此，各单电池21的单电池电压成为阈值V1以上，避免了电解质膜ME中的针孔的产生。
另外，控制部70，在单电池21的单电池电压为零V以上（步骤S230：是）、且单电池电压为对每个单电池21设定的阈值V2以下的情况下（步骤S260：否），视为电解质膜ME中不会产生针孔（参照图9），持续发电（步骤S210）。另一方面，在单电池21的单电池电压为零V以上、且单电池电压比阈值V2大的情况下（步骤S260：是），电解质膜ME中有可能产生针孔，因而，控制部70执行使燃料电池22的电压下降的控制（步骤S270）。具体来讲，控制部70例如进行如下的控制：进行发电来对二次电池30进行充电、或使空气化学计量比减小。由此，各单电池21的单电池电压成为阈值V2以下，避免了电解质膜ME中的针孔的产生。
即，在本实施例的燃料电池系统20中，在利用单电池21的单电池电压而进行的判定（图10的步骤S240以及S260）中判定为电解质膜ME中有可能产生针孔的情况下，执行使燃料电池22的电压绝对值降低的控制（步骤S250以及S270）。
另外，在本实施例中，按燃料电池系统20的出厂后的规定定时，再次取得各单电池21的短路部位SC的电阻值（图2的步骤S150），基于新取得的电阻值进行阈值V1、V2的更新（新阈值V1、V2的设定）（步骤S130）。由此，能够执行利用了考虑到单电池21的短路部位SC的电阻值的经时变化而适当设定的阈值V1、V2的燃料电池22的控制，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
再次取得短路部位SC的电阻值的定时，例如可以设为燃料电池系统20的定期检查时。在该情况下，通过与上述的初始短路电阻的测定方法同样的方法，能够进行短路部位SC的电阻值的测定。另外，再次取得短路部位SC的电阻值的定时，还可以设为燃料电池22的总运转时间刚超过了规定时间之后的运转停止时、或电动汽车10的总行驶距离刚超过了规定距离之后的运转停止时。在该情况下，优选的是以车载方式进行短路部位SC的电阻值的测定。在该情况下，也能够利用与上述的初始短路电阻的测定方法同样的方法，进行短路部位SC的电阻值的测定，特别是，采用对阳极AE以及阴极CE双方供给相同种类的气体（氢气和空气中的一方）、在两极间施加电压并基于电流值稳定下来时的电压值和电流值来计算短路部位SC的电阻的方法，无需在燃料电池系统20中搭载惰性气体供给系统，因而优选。
如以上说明的那样，在本实施例的燃料电池系统20中，在由控制部70对燃料电池22进行运转控制时，取得各单电池21的电压值，进行燃料电池22的电压控制而使得所取得的电压值处在由阈值V1、V2规定的规定范围内。在此，单电池21的电压与单电池21的短路部位SC的电流相关，因此，与短路部位SC的温度相关。另外，电压的阈值V1、V2以规定短路部位SC的温度比电解质膜的分解温度Td小的电压范围的方式进行设定。为此，在本实施例的燃料电池系统20中，能够有效地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔的产生。
在本实施例的燃料电池系统20中，电压的阈值V1、V2，基于燃料电池22的规格或各单电池21的短路部位SC的电阻值，设定成短路部位SC的温度比电解质膜的分解温度Td小的值，因而，能够设定与燃料电池22的规格或各单电池21的短路的程度对应的适当阈值V1、V2，能够可靠地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔的产生。另外，在本实施例的燃料电池系统20中，能够容许电压值变化到阈值V1、V2附近，因而，与不考虑短路部位SC的电阻值或燃料电池22的规格地设定安全侧的阈值时相比，能够将燃料电池22的电压容许范围设定得更宽。因此，在本实施例的燃料电池系统20中，不进行燃料电池22的输出限制就能扩大可持续运转的区域，可抑制驱动性能的降低，构成鲁棒性更高的系统。进而，在本实施例的燃料电池系统20中，基于各单电池21的短路部位SC的电阻值对每个单电池21来设定电压的阈值V1、V2，还对每个单电池21执行电压的测定值和阈值V1、V2的判定，因而，与对全部单电池21一概地设定阈值而进行电压控制的情况相比，能够较宽地取得燃料电池22的电压容许范围，同样能够抑制驱动性能的降低。
进而，在本实施例的燃料电池系统20中，能够考虑到单电池21的短路部位SC的电阻值的经时变化而设定适当阈值V1、V2，能长期地抑制驱动性能的降低并且可靠地抑制电解质膜中的针孔的产生。
另外，在上述实施例中，设定电解质膜ME的分解温度Td，基于电解质膜ME的膜厚等单电池21的规格，计算电解质膜ME的温度上升到分解温度Td所需的热量（必需热量Q），但是，也可以通过实验来设定必需热量Q。图11是表示用于设定必需热量Q的实验结果的一例的说明图。在图11中，示出了对同一规格的单电池21改变制作条件（催化剂层形成方法或热转印时的温度以及压力等）来制作多个并在负电压下发电而在电解质膜中产生了针孔时的、单电池21的短路部位SC的电阻与产生针孔时的发热量（每0.1秒）的对应关系。在图11的例子中，产生针孔时的发热量的最低值（Jmin）为大约0.05J，必需热量Q被设定成该值。
B．第二实施例
B-1．短路部位的电阻值的再次取得
图12是表示第二实施例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S150）的流程的流程图。在第二实施例中，也与第一实施例同样，按燃料电池系统20的出厂后的规定定时，再次取得燃料电池22的各单电池21的短路部位SC的电阻值。其中，在第二实施例中，单电池21的短路部位SC的电阻值并非直接测定得出，而是根据单电池21的特性进行推定的，这一点与第一实施例不同。
首先，控制部70（图1），判定是否存在OCV（开路电压）从初始值降低了的单电池21（步骤S310）。控制部70，存储有各单电池21的OCV的初始值，测定空载状态下的各单电池21的电压OCV）并与初始值进行比较，从而进行判定。一般来讲，OCV的降低是由于短路部位SC的电阻值降低和交叉泄漏CL引起的。因此，在判定出不存在OCV从初始值降低了的单电池21的情况下，控制部70判断为不存在短路部位SC的电阻值降低了的单电池21，不进行阈值V1、V2的再设定（图2的步骤S 130）而持续运转。
在步骤S310的判定中，在判定出存在OCV从初始值降低了的单电池21的情况下，控制部70测定OCV降低了的单电池21（以下，也称为单电池B）与OCV未从初始值发生变化的单电池21（以下，也称为单电池A）的IV特性（电流密度与单电池电压的关系），比较两者的IV特性来推定取决于交叉泄漏CL的电压降低量（图12的步骤S320）。在推定电压降低量时，可以重新测定IV特性，也可以使用在燃料电池系统20的运转过程中利用已存储的各负载的电流值和电压值计算出的IV特性。
图13是表示单电池21的IV特性测定结果的一例的说明图。在图13中，示出了OCV未变化的单电池A的IV特性和OCV降低了的单电池B的IV特性的测定结果。控制部70将两者的IV特性中的规定高负载时的电压差推定为取决于交叉泄漏CL的电压降低量。在高负载时，与因交叉泄漏CL而引起的电压降低量相比，因短路部位SC的电阻值降低而引起的电压降低量小到可以忽略的程度，另外，交叉泄漏CL的量与电流无关而保持恒定，因而，这样的推定成立。在规定的高负载时，优选的是例如电流密度为0.5A/cm2以上时。在图13的例子中，将电流密度为1.0A/cm2时的单电池A与单电池B的电压差推定为取决于交叉泄漏CL的电压降低量。这样，能够将单电池电压的降低量划分成因交叉泄漏CL而引起的电压降低量和因短路部位SC的电阻值降低而引起的电压降低量。
接着，控制部70计算基于取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池B的OCV（步骤S330）。在图13中，也示出了基于取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池B的IV特性（在假设没有取决于交叉泄漏CL的电压降低量的情况下的单电池B的IV特性）。修正后的单电池B的OCV（以下，称为“修正后开路电压VC”），是使修正前的单电池B的OCV上升了取决于交叉泄漏CL的电压降低量的程度的值。另外，在所计算的修正后的单电池B的OCV与单电池A的OCV相同的情况下，认为仅因交叉泄漏CL引起OCV的降低，因而无需重新取得单电池B的短路部位SC的电阻值，不执行图12以后的步骤而持续发电。
接着，控制部70根据单电池A的IV特性计算VR特性（单电池电压与电阻的关系）（步骤S340）。在图14中，示出了所计算的单电池A的VR特性的一例。控制部70基于单电池B的修正后开路电压VC和单电池A的VR特性，推定单电池B的短路部位SC的电阻值（步骤S350）。具体来讲，控制部70推定单电池B的短路部位SC的电阻值等于与单电池A的VR特性（图14）中的单电池B的修正后开路电压VC对应的电阻值Rs。
图15是表示单电池B的短路部位SC的电阻值的推定方法的理论的说明图。单电池A的IV特性（参照图13）的测定如图15（A）所示那样，通过在使负载的电阻变化的同时测定电压值和电流值而得以执行。单电池A的VR特性由于是仅基于V＝I·R的关系使单电池A的IV特性变型了的特性，所以还是基于图15（A）所示的测定而获得的。另一方面，单电池B的修正后开路电压VC如图15（B）所示那样，是在空载时施加于短路部位SC的电压。在此，图15（A）所示的电路与图15（B）所示的电路相同。因此，能够推定单电池B的短路部位SC的电阻值等于与单电池A的VR特性中的单电池B的修正后开路电压VC对应的电阻值。
另外，在图12的步骤S310中，在判定出存在多个OCV降低了的单电池21的情况下，对每个单电池21进行从步骤S320到S350的处理，推定各单电池21的短路部位SC的电阻值。
同样，在第二实施例中，当通过推定来再次取得单电池B的短路部位SC的电阻值时，基于新的电阻值来进行阈值V1、V2的更新（新阈值V1、V2的设定）（图2的步骤S130）。由此，能够考虑单电池21的短路部位SC的电阻值的经时变化而设定适当的阈值V1、V2，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
在上述的第一实施例中，出厂后的规定定时的单电池21的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S 150）利用与初始短路电阻的测定方法同样的方法来进行，即：测定在对阳极AE供给氢气且对阴极CE供给惰性气体并对单电池21施加电压时的电压和电流、计算短路部位SC的电阻的方法；或者对阳极AE以及阴极CE双方供给相同种类的气体（氢气或者空气）并在两极间施加电压来测定电压和电流、计算短路部位SC的电阻的方法。在采用使用了惰性气体的方法来再次取得短路部位SC的电阻值的情况下，在燃料电池系统20中，需要对于其运转自身没有必要的惰性气体的供给系统（例如收纳惰性气体的罐），而且，需要以惰性气体对阴极CE进行完全置换的工序，导致系统的复杂化或控制的繁琐化。另外，在采用向阳极AE以及阴极CE的两极供给氢气的方法来再次取得短路部位SC的电阻值的情况下，也需要以氢气对阴极CE进行完全置换的工序、或对阴极CE供给氢气的配管，同样会导致系统的复杂化或控制的繁琐化。采用对两极供给空气的方法的情况也同样。在第二实施例中，通过比较OCV从初始值降低了的单电池B与OCV未变化的单电池A的IV特性，来推定取决于交叉泄漏CL的电压降低量，基于根据单电池A的IV特性计算的VR特性和利用取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池B的开路电压值，来推定单电池B的短路部位SC的电阻值，因而，在再次取得短路部位SC的电阻值时无需使用惰性气体或是对两电极供给相同种类的气体。因此，在第二实施例的燃料电池系统20中，能够抑制系统的复杂化或控制的繁琐化，同时可有效地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔的产生。
另外，在第二实施例中，能够将单电池电压的降低量划分成因交叉泄漏CL而引起的电压降低量和因短路部位SC的电阻值降低而引起的电压降低量。电解质膜中的针孔的产生原因并非交叉泄漏CL，而是短路部位SC的电阻值的降低。在第二实施例中，能够掌握因作为电解质膜中的针孔产生原因的短路部位SC的电阻值降低而引起的、开路电压OCV的降低量，进行是否执行单电池B的短路部位SC的电阻值的再次取得的判定。另外，在第二实施例中，仅考虑因短路部位SC的电阻值降低而引起的单电池电压的降低来设定电压的阈值V1、V2，因而能够将燃料电池22的电压容许范围设定得较宽，可抑制驱动性能的降低。
B-2．第二实施例的变型例
图16是表示第二实施例的第一变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S 150）的流程的流程图。在图16所示的第二实施例的第一变型例中，替代上述第二实施例（图12）中的OCV未从初始值变化的单电池21（单电池A）的特性，使用已存储的初始特性。即，在图16所示的变型例中，存储了出厂时的单电池21的IV特性（初始IV特性），控制部70根据所存储的初始IV特性来计算VR特性（初始VR特性）（步骤S302）。可以对应各个单电池21来存储初始特性，但由于燃料电池22中的各单电池21的构成或规格相同，所以也可以仅存储一个代表性的单电池21的特性。
接着，进行是否存在OCV从初始值降低了的单电池21的判定（步骤S310），在判定出存在OCV降低了的单电池21的情况下，测定OCV降低了的单电池B的IV特性，并与初始IV特性进行比较，来推定取决于交叉泄漏CL的电压降低量（步骤S322）。并且，计算基于取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池B的OCV（修正后开路电压VC）（步骤S332），基于单电池B的修正后开路电压VC和初始VR特性来推定单电池B的短路部位SC的电阻值（步骤S352）。
在图16所示的变型例中，在不存在OCV未从初始值发生变化的单电池21的情况下，能够使用所存储的初始特性来推定单电池B的短路部位SC的电阻值，可以抑制系统的复杂化或控制的繁琐化，同时能够有效地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔的产生。
图17是表示第二实施例的第二变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S 150）的流程的流程图。在图17所示的第二实施例的第二变型例中，与图16所示的变型例同样，存储单电池21的初始IV特性，根据所存储的初始IV特性来计算初始VR特性（步骤S302），进行是否存在OCV从初始值降低了的单电池21的判定（步骤S310），在判定出存在OCV降低了的单电池21的情况下，判定是否存在OCV未从初始值发生变化的单电池21（步骤S312）。并且，在判定出存在OCV未从初始值发生变化的单电池21的情况下，与图12所示的第二实施例同样，通过比较OCV未变化的单电池21（单电池A）与OCV降低了的单电池21（单电池B），来推定单电池B的短路部位SC的电阻值（步骤S320至S350）。另一方面，在判定出不存在OCV未从初始值发生变化的单电池21的情况下，与图16所示的第二实施例的第一变型例同样，通过比较所存储的初始特性与OCV降低了的单电池B，来推定单电池B的短路部位SC的电阻值（步骤S322至S352）。
当在燃料电池系统20中进行发电时，除了因各单电池21中发生短路或交叉泄漏CL而造成IV特性变化之外，有时也会由于因其他原因（例如催化剂老化）造成性能降低而导致IV特性发生变化。对于因性能降低而造成的IV特性的变化，可认为在燃料电池22的各单电池21中基本是共同的。为此，当采用如图12所示的第二实施例那样通过比较OCV未从初始值发生变化的单电池A与OCV降低了的单电池B来推定短路部位SC的电阻值的方法时，不易产生伴随于因性能降低造成的IV特性变化而导致的误差，在这一点上，与如图16所示的第二实施例的第一变型例那样通过比较初始特性与OCV降低了的单电池B来推定短路部位SC的电阻值时相比，推定的精度高。在图17所示的第二实施例的第二变型例中，在存在OCV未从初始值发生变化的单电池21、能够采用精度更高的推定方法（第二实施例的方法）的情况下，采用该方法，在不存在OCV未从初始值发生变化的单电池21、无法采用第二实施例的方法的情况下，采用第二实施例的第一变型例的方法。为此，在图17所示的第二实施例的第二变型例中，可以应对多种情形，同时能够尽可能地提高短路部位SC的电阻值的推定精度。
另外，在图17所示的第二实施例的第二变型例中，在判定出不存在OCV未从初始值发生变化的单电池21的情况下，也可以停止电动汽车10以及燃料电池系统20的运转，通过与上述的初始短路电阻的测定方法同样的方法来测定短路部位SC的电阻值。
图18是表示第二实施例的第三变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S 150）的流程的流程图。图18所示的第二实施例的第三变型例，当判定出不存在OCV未从初始值变化的单电池21时（步骤S312：否），执行根据所存储的初始特性和发电履历来推定性能降低后的IV特性的工序（步骤S314），在这一点上，与图17所示的第二实施例的第二变型例不同。性能降低后的IV特性的推定，可以使用日本特开2006-139935号公报或H.A.Gasteiger et al.,J.Electrochem.Soc.,152卷A2256-A2271页（2005年）、R.M.Darling andJ.P.Meyers.,J.Electrochem.Soc.,150卷A1523-A1527页（2003年）、W.Bi and T.F.Fuller.,J.PowerSources,178卷188-196页（2008年）这些文献所记载的公知方法来进行实施。当推定性能降低后的IV特性时，与图17所示的第二实施例的第二变型例同样，通过比较所推定的性能降低后的IV特性和OCV降低了的单电池B的IV特性，来推定单电池B的短路部位SC的电阻值（步骤S322至S352）。
在图18所示的第二实施例的第三变型例中，即使对于不存在OCV未从初始值发生变化的单电池21而无法采用第二实施例那样的精度高的方法的情况，也可根据初始特性和发电履历来推定性能降低后的IV特性，利用所推定的性能降低后的IV特性来推定单电池B的短路部位SC的电阻值，因而，能够提高短路部位SC的电阻值的推定精度。
C．第三实施例
C-1．短路部位的电阻值的再次取得
图19是表示第三实施例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S150）的流程的流程图。在第三实施例中，也与第二实施例同样，按燃料电池系统20的出厂后的规定定时，根据燃料电池22的各单电池21的特性来推定短路部位SC的电阻值，由此进行短路部位SC的电阻值的再次取得。其中，在第三实施例中，在不计测各单电池21的OCV地推定短路部位SC的电阻值的方面不同。
首先，控制部70（图1），判定是否存在以规定的低负载（最低电流Ib）进行发电时的单电池电压（以下，称为“最低电流时电压Vb”）从初始值降低了的单电池21（步骤S410）。在此，规定的最低电流Ib为大于0的值即可，可设定成任意值，在本实施例中设为0.1A/cm2。控制部70存储各单电池21的最低电流时电压Vb的初始值，测定各单电池21的最低电流时电压Vb，通过与初始值进行比较来进行判定。一般来讲，最低电流时电压Vb的降低与OCV的降低同样，是由于短路部位SC的电阻值的降低和交叉泄漏CL所引起的。因此，在判定出不存在最低电流时电压Vb降低了的单电池21的情况下，控制部70判断为不存在短路部位SC的电阻值降低了的单电池21，不进行阈值V1、V2的再设定（图2的步骤S130）而持续运转。
在步骤S410的判定中，当判定出存在最低电流时电压Vb从初始值降低了的单电池21的情况下，控制部70测定最低电流时电压Vb降低了的单电池21（以下，也称单电池F）和最低电流时电压Vb未变化的单电池21（以下，也称单电池E）的IV特性，比较两者的IV特性，推定取决于交叉泄漏CL的电压降低量（步骤S420）。图20是表示单电池21的IV特性测定结果的一例的说明图。在图20（A）中，示出了最低电流时电压Vb未变化的单电池E的IV特性和最低电流时电压Vb降低了的单电池F的IV特性的测定结果。另外，在图20（B）中，放大表示出图20（A）的X1部分。取决于交叉泄漏CL的电压降低量的推定通过与图13所示的第一实施例同样的方法进行。即，推定两个IV特性中的规定高负载时（例如电流密度为1.0A/cm2时）的电压差为取决于交叉泄漏CL的电压降低量。
接着，控制部70计算基于取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池F的IV特性（步骤S430）。在图20（A）以及（B）中，也示出了基于取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池F的IV特性（在假定没有取决于交叉泄漏CL的电压降低量的情况下的单电池F的IV特性）。修正后的单电池F的IV特性，是使修正前的单电池F的IV特性整体上升了取决于交叉泄漏CL的电压降低量的值。另外，在所计算的修正后的单电池F的最低电流时电压Vb与单电池A的最低电流时电压Vb相同的情况下，认为最低电流时电压Vb的降低仅因交叉泄漏CL引起，因而，无需重新取得单电池F的短路部位SC的电阻值，不用执行图19以后的步骤而持续发电。
接着，控制部70基于单电池E的IV特性和修正后的单电池F的IV特性，推定单电池F的短路部位SC的电流Is（步骤S440）。最低电流Ib为预先设定的值，修正后的单电池F的最低电流时电压Vb能够根据修正后的单电池F的IV特性进行计算。控制部70如图20（B）所示那样计算单电池E的IV特性中的与修正后的单电池F的最低电流时电压Vb对应的电流IK，将电流IK与最低电流Ib的差量作为短路部位SC的电流Is进行计算。
图21是表示短路部位SC的电流Is的推定方法的说明图。在图21中，示出了包括不具有短路部位SC的单电池E、具有短路部位SC的单电池F和负载的电路。若不具有短路部位SC时的单电池F的IV特性与单电池E的IV特性相同，则在单电池F中，除了流向负载的电流Ib之外，还需要发出流向单电池F内部的短路部位SC的电流Is的电量，因而认为单电池F的最低电流时电压Vb变得比单电池E的最低电流时电压Vb小。由于单电池F本来的IV特性与单电池E的IV特性相同，所以，在单电池F中应该按照单电池E的IV特性而流过最低电流时电压Vb时的电流。因此，短路部位SC的电流Is如图20（B）所示那样，能够推定出从单电池E的IV特性中的与单电池F的最低电流时电压Vb对应的电流Ik减去最低电流Ib而得到的值。
控制部70根据修正后的单电池F的最低电流时电压Vb和所推定的短路部位SC的电流Is，计算短路部位SC的电阻值（步骤S450）。另外，在图19的步骤S410中，在判定出存在多个最低电流时电压Vb降低了的单电池21的情况下，对每个单电池21都进行步骤S420至S450的处理，推定各单电池21的短路部位SC的电阻值。
在第三实施例中，当通过推定来再次取得单电池F的短路部位SC的电阻值时，也基于新的电阻值来进行阈值V1、V2的更新（新阈值V1、V2的设定）（图2的步骤S 130）。由此，能够考虑单电池21的短路部位SC的电阻值的经时变化而设定适当的阈值V1、V2，能够有效地抑制电解质膜中的针孔的产生。
在上述的第二实施例中，在推定短路部位SC的电阻值时计测了各单电池21的OCV，但为了提高燃料电池22的耐久性，优选的是在燃料电池22的运转过程中避免作为空载状态施加OCV。在第三实施例中，在推定短路部位SC的电阻值时无需计测各单电池21的OCV，因而，能够提高燃料电池22的耐久性，同时能够有效地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔的产生。
C-2．第三实施例的变型例：
图22是表示第三实施例的第一变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S 150）的流程的流程图。在图22所示的第三实施例的第一变型例中，存储出厂时的单电池21的IV特性（初始IV特性）（步骤S402），进行是否存在最低电流时电压Vb从初始值降低了的单电池21的判定（步骤S410），在判定出存在最低电流时电压Vb降低了的单电池21的情况下，判定是否存在最低电流时电压Vb维持初始值不变的单电池21（步骤S412）。并且，在判定出不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况下，替代上述第三实施例（图19）中的最低电流时电压Vb未变化的单电池21（单电池E）的IV特性，通过比较所存储的初始IV特性与最低电流时电压Vb降低了的单电池F，来推定单电池F的短路部位SC的电阻值（步骤S460至S490）。在判定出存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况下，与图19所示的第三实施例同样，通过比较最低电流时电压Vb未变化的单电池21（单电池E）与最低电流时电压Vb降低了的单电池21（单电池F），来推定单电池F的短路部位SC的电阻值（步骤S420至S450）。
在图22所示的变型例中，在存在最低电流时电压Vb未从初始值变化的单电池21而能够采用精度更高的推定方法（第三实施例的方法）的情况下，采用该方法；在不存在最低电流时电压Vb未变化的单电池21的情况下也可以使用初始IV特性来推定单电池F的短路部位SC的电阻值，能够实现可抑制系统的复杂化或控制的繁琐化并有效地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔产生的燃料电池22的控制，而且，能够应对多种情形，同时能够尽可能地提高短路部位SC的电阻值的推定精度。
图23是表示第三实施例的第二变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S150）的流程的流程图。图23所示的第三实施例的第二变型例，在判定出不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况（步骤S412：否）下的处理与图22所示的第三实施例的第一变型例不同。在图23所示的变型例中，在判定出不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况下，根据所存储的初始IV特性和发电履历，推定性能降低后的IV特性（步骤S414）。性能降低后的IV特性的推定可以利用上述的公知方法得以实施。当推定性能降低后的IV特性时，与图22所示的第三实施例的第一变型例同样，通过比较所推定的性能降低后的IV特性与最低电流时电压Vb降低了的单电池F的IV特性，来推定单电池F的短路部位SC的电阻值（步骤S462至S492）。
在图23所示的第三实施例的第二变型例中，即使在不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21而无法采用第三实施例那样的高精度的方法的情况下，也根据初始IV特性和发电履历来推定性能降低后的IV特性，利用所推定的性能降低后的IV特性来推定单电池F的短路部位SC的电阻值，因而能够提高短路部位SC的电阻值的推定精度。
图24是表示第三实施例的第三变型例中的短路部位SC的电阻值的再次取得（图2的步骤S150）的流程的流程图。图24所示的第三实施例的第三变型例，在判定出不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况（步骤S412：否）下的处理与图23所示的第三实施例的第二变型例不同。在图24所示的变型例中，在判定出不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况下，通过与上述的初始短路电阻的测定方法同样的方法来进行单电池21的短路部位SC的电阻值的测定（步骤S464）。即，在对阳极AE供给氢气而对阴极CE供给氮气之后，施加规定电压（0.2V～0.5V），根据各电压值下的电流值来计算短路部位SC的电阻值。
接着，短路部位SC的电阻值最小的单电池21被设定成基准单电池，比较基准单电池的IV特性与短路部位SC的电阻值推定对象即对象单电池（单电池F）的IV特性，推定取决于交叉泄漏CL的电压降低量（步骤S474）。并且，基于基准单电池的IV特性、根据取决于交叉泄漏CL的电压降低量进行了修正的单电池F的IV特性和基准单电池的短路电阻，来推定单电池F的短路部位SC的电流Is（步骤S484）。如图25所示那样，通过与图20（B）所示的第三实施例同样的方法，根据基准单电池的短路部位SC的电阻值和最低电流时电压Vb来推定在短路部位SC流过的电流Is1，基于电流Is1来推定在单电池F的短路部位SC流过的电流Is2。之后，根据修正后的单电池F的最低电流时电压Vb和所推定的短路部位SC的电流Is2来计算短路部位SC的电阻值（步骤S494）。
在图24所示的第三实施例的第三变型例中，即使对于不存在最低电流时电压Vb未从初始值发生变化的单电池21的情况，也可基于测定了短路部位SC的电阻值的基准单电池的IV特性来推定单电池F的短路部位SC的电阻值，因而，能够提高短路部位SC的电阻值的推定精度。
D．第四实施例：
图26以及图27是表示第四实施例中的燃料电池22的控制时的电压阈值的一例的说明图。在上述第一实施例至第三实施例中，从抑制电解质膜ME中的针孔产生的观点出发对电压阈值进行了说明，但有时也从抑制燃料电池22的性能降低的其他观点出发来设定对燃料电池22进行控制时的电压阈值。在第四实施例中，执行利用了根据多个观点所设定的电压的多个阈值的燃料电池22的控制。
在图26中，示出了正常发电时（单电池电压为零V以上的发电时）的电压的上限阈值。图26所示的阈值Vt2，是基于抑制电解质膜ME中的针孔产生这样的观点进行设定的电压的上限阈值（参照图9）。另外，阈值Vt1，是基于为了提高燃料电池22的耐久性而避免OCV这样的观点进行设定的电压的上限阈值。在第四实施例中的燃料电池22的控制中，实时地使用基于以上两个观点进行设定的两个上限阈值之中的安全侧的阈值、即较小的阈值。在图26所示的例子中，在单电池21的短路部位SC的电阻值为Ra以下的情况下，使用阈值Vt2；在电阻值比Ra大的情况下，使用阈值Vt1。
在图27中，示出了短路部位SC的电阻值为Rb的单电池21进行负电压发电时（单电池电压不足零V的发电时）的电压的下限阈值。图27所示的阈值Vt4，是基于抑制电解质膜ME中的针孔产生这样的观点进行设定的电压的下限阈值。图28是表示阈值Vt4的确定方法的一例的说明图。如图28所示那样，阈值Vt4，是基于抑制电解质膜ME中的针孔产生这样的观点进行设定的、与短路部位SC的每个电阻值的阈值分布（参照图8）中的电阻值Rb相对应的阈值。另外，阈值Vt3，是从避免日本特开2008-277044号公报所记载的缺氢这样的观点进行设定的与各单电池温度对应的电压的下限阈值。在第四实施例中的燃料电池22的控制中，实时地使用基于上述两个观点而设定的两个下限阈值之中的安全侧的阈值、即较大的阈值。在图27所示的例子中，在单电池温度为-20℃以上的情况下，使用阈值Vt3；在单电池温度为-30℃以下且电流密度为Ia以下的情况下，也使用阈值Vt3；在单电池温度为-30℃以下且电流密度超过Ia的情况下，使用阈值Vt4。
图29是表示第四实施例中的燃料电池22的运转控制（图2的步骤S140）的流程的流程图。在图29中，表示的是单电池21的短路部位SC的电阻值为1.0兆欧/cm2、单电池温度为-30℃的情况下的运转控制方法。进行燃料电池22的发电（步骤S510），按规定定时测定各单电池21的电压（步骤S520）。在单电池21的单电池电压为零V以上的情况下（步骤S530：是），根据图26，进行单电池电压是否比阈值Vt1大的判定（步骤S580）。在单电池电压为阈值Vt1以下的情况下（步骤S580：否），持续发电；在单电池电压比阈值Vt1大的情况下（步骤S580：是），执行使单电池电压下降的控制（步骤S590）。由此，在正常发电时，避免了电解质膜ME中的针孔的产生，而且，避免了OCV而提高了燃料电池22的耐久性。
另一方面，在单电池21的单电池电压不足零V的情况下（步骤S530：否），根据图27，进行电流密度是否比Ia小的判定（步骤S540），在电流密度比Ia小的情况下，进行单电池电压是否比阈值Vt3小的判定（步骤S550）。另外，在电流密度为Ia以上的情况下，进行单电池电压是否比阈值Vt4小的判定（步骤S560）。在单电池电压为阈值Vt3以上的情况（步骤S550：否）或者单电池电压为阈值Vt4以上的情况下（步骤S560：否），持续发电；在单电池电压比阈值Vt3小的情况（步骤S550：是）或者单电池电压比阈值Vt4小的情况下（步骤S560：是），执行使单电池电压上升的控制（步骤S570）。由此，在负电压发电时，可避免电解质膜ME中的针孔的产生，而且，避免了缺氢。
如以上说明的那样，在第四实施例中，既考虑到基于抑制电解质膜ME中的针孔产生这样的观点而设定的电压的阈值，也考虑到基于其他观点而设定的电压的阈值，利用最安全侧的阈值进行燃料电池22的控制。即，进行燃料电池22的控制，使得单电池21的电压值处在由基于抑制电解质膜ME中的针孔产生这样的观点而设定的电压的阈值所规定的范围内，且处在由基于其他观点饿设定的电压的阈值所规定的范围内。为此，在第四实施例中，能够有效地抑制燃料电池22的电解质膜中的针孔的产生，同时能够实现鲁棒性更高的燃料电池22的控制，而且，可以更有效地避免因设想的燃料电池22的多个老化模式造成的老化。
E．第五实施例：
图30是表示第五实施例中的燃料电池22的运转控制（图2的步骤S140）的流程的流程图。第五实施例的运转控制按发电过程中（步骤S710）的规定定时利用热电偶来测定单电池21的MEA温度（步骤S720），这一点与测定单电池电压的第一实施例（参照图10）不同。图31是表示单电池21的MEA温度的测定方法的一例的说明图。在图31（A）中，示出了单电池21的电解质膜ME的平面，在图31（B）中，示出了图31（A）的B-B位置处的单电池21的剖面。如图31（B）所示那样，在本实施例中，在MEA和阳极AE侧的气体扩散层的界面设置热电偶。如图31（A）所示那样，热电偶在MEA的发电部（在电解质膜ME上形成有电极的部分）中例如每1cm2设置有一处。若将热电偶设置在阳极AE侧，则与设置在阴极CE侧的情况相比，在气体扩散或生成水排出的方面冲突少，因而优选。另外，若将热电偶设置在MEA和气体扩散层的界面，则与将热电偶设置在气体扩散层的外侧表面的情况相比，能够提高MEA温度的测定精度，因而优选。另外，作为测定MEA温度的热电偶，例如可采用在线径为25μm的K型热电偶（アンベエスエムティ公司制造）上形成有10μm的派瑞林涂层（日本パリレン公司制造）的方式。
对所测定的MEA温度与电解质膜ME的分解温度Td（例如300℃）进行比较（步骤S730），在MEA温度不足分解温度Td的情况下（步骤S730：否），视为电解质膜ME中不会产生产生针孔，持续发电（步骤S710）。另一方面，在MEA温度为分解温度Td以上的情况下（步骤S730：是），电解质膜ME中有可能产生针孔，因此，若为正常发电时（步骤S740：是），则执行使单电池电压下降的控制（步骤S760）；若为负电压发电时（步骤S740：否），则执行使单电池电压上升的控制（步骤S750）。
通过对单电池21的电压进行控制，能够控制MEA温度。图32是表示调查单电池电压与MEA温度的关系的实验结果的一例的说明图。在图32中，示出了对两极供给相对湿度为100％的氮、按电流密度0.4A/cm2进行发电、在单电池电压达到-10V时切断了负载的情况下的、MEA温度和单电池电压的测定结果。根据图32所示的结果可知，在负电压发电时，若使单电池电压上升，则MEA温度降低。另外，虽未图示，但在正常发电时，若使单电池电压下降，则MEA温度下降。因此，如上述那样，在正常发电时执行了使单电池电压下降的控制的情况以及在负电压发电时执行了使单电池电压上升的控制的情况下，能够使MEA温度降低，能够避免电解质膜ME中的针孔的产生。
F．变型例：
另外，该发明并不限于上述的实施例或实施方式，在不脱离其构思的范围内能够以各种方式加以实施，例如也可以进行如下所示的变型。
F1．变型例1：
在上述各实施例中，作为与单电池21的短路部位SC的温度相关的温度指标值，取得的是单电池21的电压或MEA温度，但作为温度指标值也可以取得例如电流值这样的其他指标值。另外，在上述各实施例中，对给短路部位SC的温度造成影响的控制参数即燃料电池22的电压进行控制，但作为控制参数例如也可以使用电流等其他控制参数。
F2．变型例2：
在上述各实施例中，以具有燃料电池系统20的电动汽车10为例子进行了说明，但本发明并不仅限用于电动汽车10，也能够适用于其他用途的燃料电池系统20。另外，上述各实施例中的电动汽车10或燃料电池系统20的结构仅是一例，能够进行各种变型。
附图标记说明
10…电动汽车
20…燃料电池系统
21…单电池
22…燃料电池
23…氢罐
24…空气压缩机
26…电压计
28…空气流量计
30…二次电池
33…驱动马达
35…逆变器
39…车辆驱动轴
60…氢气供给通路
61…减压阀
62…压力调节阀
63…阳极排气通路
64…排气排出通路
65…氢泵
66…开闭阀
67…氧化气体供给通路
68…阴极排气通路
70…控制部

Claims (18)

1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备燃料电池，该燃料电池包括至少一个具有电解质膜的单电池，
所述燃料电池系统具备：
指标值取得部，该指标值取得部取得与各所述单电池的短路部位的温度相关的温度指标值；和
控制部，该控制部对给所述短路部位的温度造成影响的所述燃料电池的控制参数进行控制，使得所述温度指标值处在被设定成所述短路部位的温度小于所述电解质膜的分解温度的规定范围内。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述燃料电池系统还具备取得所述短路部位的电阻值的电阻值取得部，
所述控制部基于所述短路部位的电阻值来设定所述温度指标值的所述规定范围。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部包括：
向所述燃料电池的阳极供给燃料气体并且向阴极供给惰性气体的机构；
使电压值变化的同时对所述燃料电池施加电压的机构；
测定对应各个所述电压值的电流值的机构；和
基于所述电压值与所述电流值的关系来计算所述电阻值的机构。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部包括：
向所述燃料电池的阳极及阴极供给相同种类的气体的机构；
对所述燃料电池施加电压的机构；
测定施加所述电压时的电流值的机构；和
基于所述电压值与所述电流值的关系来计算所述电阻值的机构。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
所述相同种类的气体是所述燃料电池进行发电所使用的燃料气体和氧化气体中的一方。
6.如权利要求3至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部在所述燃料电池系统出厂时取得所述短路部位的电阻值。
7.如权利要求3至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部在所述燃料电池系统的定期检查时取得所述短路部位的电阻值。
8.如权利要求3至5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部在所述燃料电池的运转停止时取得所述短路部位的电阻值。
9.如权利要求1至8中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述控制参数是所述燃料电池的电压值。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，
在所述温度指标值处在所述规定范围以外的情况下，所述控制部进行使所述燃料电池的电压绝对值降低的控制。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，
所述温度指标值是各所述单电池的电压值，
在所述温度指标值处在所述规定范围以外、且作为所述温度指标值的所述电压值小于零的情况下，所述控制部进行使所述燃料电池的电压上升的控制。
12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，
所述温度指标值是各所述单电池的电压值，
在所述温度指标值处在所述规定范围以外、且作为所述温度指标值的所述电压值为零以上的情况下，所述控制部进行使所述燃料电池的电压下降的控制。
13.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述温度指标值是各所述单电池的电压值，
所述控制部对各所述单电池的开路电压值是否从初始值降低进行判定，并对开路电压值从初始值降低了的第一单电池的IV特性即第一特性与开路电压值未从初始值发生变化的IV特性即第二特性进行比较，并且，在基于规定高负载时的所述第一特性与所述第二特性的电压值差量进行修正后的所述第一特性中的开路电压值从初始值降低的情况下，使所述电阻值取得部再次取得所述短路部位的电阻值，并基于再次取得的所述短路部位的电阻值来更新所述规定范围。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部基于根据所述第二特性计算出的RV特性和修正后的所述第一特性中的开路电压值来再次取得所述短路部位的电阻值。
15.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述温度指标值是各所述单电池的电压值，
所述控制部对各所述单电池的规定低负载时的电压值即低负载时电压值是否从初始值降低进行判定，并对所述低负载时电压值从初始值降低了的第一单电池的IV特性即第一特性与所述低负载时电压值未从初始值发生变化的IV特性即第二特性进行比较，并且，在基于规定高负载时的所述第一特性与所述第二特性的电压值差量进行修正后的所述第一特性中的所述低负载时电压值从初始值降低的情况下，使所述电阻值取得部再次取得所述短路部位的电阻值，并基于再次取得的所述短路部位的电阻值来更新所述规定范围。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中，
所述电阻值取得部基于修正后的所述第一特性中的所述低负载时电压值即第一低负载时电压值和所述第二特性中的与所述第一低负载时电压值对应的电流值来再次取得所述短路部位的电阻值。
17.如权利要求1至16中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述温度指标值是所述燃料电池的电压值，
所述控制部设定用于抑制所述燃料电池性能降低的所述温度指标值的至少一个其他规定范围，并对所述燃料电池的所述控制参数进行控制，使得所述温度指标值处在所述其他规定范围内、且处在被设定成所述短路部位的温度小于所述电解质膜的分解温度的所述规定范围内。
18.一种燃料电池的控制方法，该燃料电池包括至少一个具有电解质膜的单电池，
所述燃料电池的控制方法包括以下步骤：
（A）取得与各所述单电池的短路部位的温度相关的温度指标值；和
（B）对给所述短路部位的温度造成影响的所述燃料电池的控制参数进行控制，使得所述温度指标值处在被设定成所述短路部位的温度小于所述电解质膜的分解温度的规定范围内。
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