CN104956534A - 燃料电池系统以及燃料电池汽车 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统包括：与燃料电池连接的外部负载；根据外部负载的耗电，调整燃料电池的发电电力的电力调整单元；根据燃料电池的发电电力控制燃料电池的电解质膜的湿润度的湿润度控制单元；检测燃料电池的输出电压的输出电压检测单元；以及在燃料电池发电时，增大电解质膜的湿润度，根据当时的输出电压的变化判定交叉泄漏量是否在增加的交叉泄漏判定单元。

Description

燃料电池系统以及燃料电池汽车

技术领域

本发明涉及燃料电池系统以及燃料电池汽车。

背景技术

在JP2006－73351A号中有以下内容，即作为以往的燃料电池系统，根据在使对燃料电池供给的反应气体的加湿量降低时测量的开路电压差，判定经由电解质膜从阳极气体流路向阴极气体流路漏出的阳极气体的流量(以下称为“交叉泄漏量(cross leak)”。)是否在增加。

发明内容

但是，由于上述以往的燃料电池系统基于开路电压差检测交叉泄漏量的增加，所以在检测中不能从燃料电池取出电流，在燃料电池的发电中不能检测交叉泄漏量的增加。另一方面，要在燃料电池的发电中检测交叉泄漏量的增加的情况下，要求考虑燃料电池的负载变动而在短时间内完成该判定。

本发明是着眼于这样的问题点而完成的，目的是在燃料电池的发电中，在短时间内检测交叉泄漏量的增加。

用于解决课题的手段

按照本发明的一个方式，提供燃料电池系统，包括：与燃料电池连接的外部负载；根据外部负载的耗电，调整燃料电池的发电电力的电力调整单元；根据燃料电池的发电电力，控制燃料电池的电解质膜的湿润度的湿润度控制单元；以及检测燃料电池的输出电压的输出电压检测单元，在该燃料电池系统中，还包括在燃料电池发电时，增大电解质膜的湿润度，根据此时的输出电压的变化判定交叉泄漏量是否在增加的交叉泄漏判定单元。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的燃料电池的概略立体图。

图2是图1的燃料电池的II－II截面图。

图3是本发明的第1实施方式的阳极气体非循环型的燃料电池系统的概略结构图。

图4是根据燃料电池组(stack)的目标输出电流，计算目标HFR的表。

图5是表示在电解质膜上产生了孔的状况的图。

图6是说明本发明的第1实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的流程图。

图7是表示根据MEA的劣化程度而变化的燃料电池组的IV特性的状况的图。

图8是根据当前的输出电流和组温度，计算基准电压的映射图。

图9是说明劣化识别处理的内容的流程图。

图10是根据输出电流，计算劣化识别时用的目标HFR的表。

图11是说明本发明的第1实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的动作的定时图。

图12是表示使用在电解质膜产生孔的燃料电池，在该燃料电池发电时将输出电流保持一定的状态下，使电解质膜从干燥状态转移至湿润状态时、相反从湿润状态转移至干燥状态时的、输出电压的变化的实验结果。

图13是表示使用在电解质膜产生孔的燃料电池，在该燃料电池的非发电时(OCV时)使电解质膜从干燥状态转移至湿润状态时的、相反从湿润状态转移至干燥状态时的、输出电压的变化的实验结果。

图14是说明本发明的第2实施方式的劣化识别处理的内容的流程图。

图15是说明本发明的第2实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的动作的定时图。

具体实施方式

以下，参照附图等，说明本发明的各实施方式。

(第1实施方式)

燃料电池通过阳极电极(燃料极)和阴极电极(氧化剂极)夹住电解质膜，通过对阳极电极供给含有氢的阳极气体(燃料气体)，对阴极电极供给含有氧的阴极气体(氧化剂气体)来发电。阳极电极以及阴极电极的两电极中进行的电极反应如下所示。

阳极电极：2H₂→4H⁺+4e^-  …(1)

阴极电极：4H⁺+4e^-+O₂→2H₂O  …(2)

通过该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1伏特左右的电动势。

图1以及图2是说明本发明的一实施方式的燃料电池10的结构的图。图1是燃料电池10的概略立体图。图2是图1的燃料电池10的II－II截面图。

燃料电池10在MEA11的正反两面配置阳极隔离物(separator)12和阴极隔离物13而构成。

MEA11包括：电解质膜111；阳极电极112；以及阴极电极113。MEA11在电解质膜111的一个面上具有阳极电极112，在另一个面上具有阴极电极113。

电解质膜111是由氟系树脂形成的质子(proton)传导性的离子交换膜。电解质膜111在湿润状态下示出良好的电传导性。

阳极电极112具有催化剂层112a和气体扩散层112b。催化剂层112a与电解质膜111接触。催化剂层112a由铂或者负载了铂等的碳粒子形成。气体扩散层112b被设置在催化剂层112a的外侧(电解质膜111的相反侧)，与阳极隔离物12接触。气体扩散层112b由具有充分的气体扩散性以及导电性的部件形成，例如，由碳纤维构成的线织成的碳纤维布形成。

阴极电极113和阳极电极112一样，具有催化剂层113a和气体扩散层113b。

阳极隔离物12与气体扩散层112b接触。阳极隔离物12具有用于对阳极电极112供给阳极气体的多个沟状的阳极气体流路121。

阴极隔离物13与气体扩散层113b接触。阴极隔离物13具有用于对阴极电极113供给阴极气体的多个沟状的阴极气体流路131。

流过阳极气体流路121的阳极气体和流过阴极气体流路131的阴极气体，相互平行地向相反方向流过。也可以相互平行地向同一方向流过。

在使用这样的燃料电池10作为汽车用动力源的情况下，因为要求的电力大，所以使用将数百张燃料电池10层积后的燃料电池组1。于是，构成对燃料电池组1供给阳极气体以及阴极气体的燃料电池系统100，取出车辆驱动用的电力。

图3是本发明的第1实施方式的燃料电池系统100的概略图。

燃料电池系统100包括：燃料电池组1；阴极气体给排装置2；阳极气体给排装置3；电力系统4；以及控制器5。

燃料电池组1是将多张燃料电池10层积后的电池组，接受阳极气体以及阴极气体的供给，发电车辆的驱动所需要的电力。作为取出电力的端子，燃料电池组1具有阳极电极侧输出端子1a和阴极电极侧输出端子1b。

阴极气体给排装置2包括：阴极气体供给通路21；阴极气体排出通路22；过滤器23；气流传感器24；阴极压缩机25；阴极压力传感器26；水分回收装置(Water Recovery Device；以下称为“WRD”。)27；以及阴极调压阀28。阴极气体给排装置2对燃料电池组1供给阴极气体，同时将从燃料电池组1排出的阴极离开(off)气体排出到外部大气。

阴极气体供给通路21是对燃料电池组1供给的阴极气体流过的通路。阴极气体供给通路21的一端与过滤器23连接，另一端与燃料电池组1的阴极气体入口孔连接。

阴极气体排出通路22是从燃料电池组1排出的阴极离开气体流过的通路。阴极气体排出通路22的一端连接到燃料电池组1的阴极气体出口孔，另一端成为开口端。阴极离开气体是阴极气体和由于电极反应而产生的水蒸气的混合气体。

过滤器23去除被取入阴极气体供给通路21的阴极气体中的异物。

气流传感器24被设置在比阴极压缩机25更上游的阴极气体供给通路21上。气流传感器24检测被提供给阴极压缩机25，最终提供给燃料电池组1的阴极气体的流量。

阴极压缩机25被设置在阴极气体供给通路21上。阴极压缩机25通过过滤器23将作为阴极气体的空气(外部大气)取入阴极气体供给通路21，提供给料电池组1。

阴极压力传感器26被设置在阴极压缩机25和WRD27之间的阴极气体供给通路21上。阴极压力传感器26检测WRD27的阴极气体入口部近旁的阴极气体的压力。以下，将该阴极压力传感器26的检测值称为检测阴极压。

WRD27与各个阴极气体供给通路21以及阴极气体排出通路22连接，回收流过阴极气体排出通路22的阴极离开气体中的水分，通过该回收的水分对流过阴极气体供给通路21的阴极气体加湿。

阴极调压阀28被设置在比WRD27更下游的阴极气体排出通路22上。通过控制器5对阴极调压阀28进行开闭控制，将提供给燃料电池组1的阴极气体的压力调节为希望的压力。

阳极气体给排装置3对燃料电池组1供给阳极气体，并且将从燃料电池组1排出的阳极离开气体排出至阴极气体排出通路22。阳极气体给排装置3包括：高压氢罐31；阳极气体供给通路32；阳极调压阀33；阳极气体排出通路34；以及清洗阀35。

高压氢罐31将提供给燃料电池组1的阳极气体保持在高压状态进行储藏。

阳极气体供给通路32是用于将从高压氢罐31排出的阳极气体提供给燃料电池组1的通路。阳极气体供给通路32的一端与高压氢罐31连接，另一端与燃料电池组1的阳极气体入口孔连接。

阳极调压阀33被设置在阳极气体供给通路32上。阳极调压阀33通过控制器5进行开闭控制，将提供给燃料电池组1的阳极气体的压力调节为希望的压力。

阳极气体排出通路34是从燃料电池组1排出的阳极离开气体流过的通路。阳极气体排出通路34的一端与燃料电池组1的阳极气体出口孔连接，另一端与阴极气体排出通路22连接。

经由阳极气体排出通路34排出到阴极气体排出通路22的阳极离开气体，在阴极气体排出通路22内与阴极离开气体混合后被排出到燃料电池系统100的外部。由于在阳极离开气体中包含在电极反应中未被使用的剩余的氢元素，所以通过与阴极离开气体混合后排出到燃料电池系统100的外部，使得该排出气体中的氢元素浓度为预先确定的规定浓度以下。

清洗阀35被设置在阳极气体排出通路34上。清洗阀35通过控制器5进行开闭控制，控制从阳极气体排出通路34排出到阴极气体排出通路22的阳极离开气体的流量。

电力系统4包括：电流传感器41；电压传感器42；行驶电动机43；逆变器44；电池45；以及DC/DC转换器46。

电流传感器41检测从燃料电池组1取出的电流(以下称为“输出电流”。)。

电压传感器42检测阳极电极侧输出端子1a和阴极电极侧输出端子1b之间的端子间电压(以下称为“输出电压”。)。而且，优选可以检测构成燃料电池组1的燃料电池10的每一张电池的电压。而且，也可以每隔多张电池检测电压。

行驶电动机43是在转子中嵌入永久磁铁，在定子上缠绕定子线圈的三相交流同步电动机。行驶电动机43具有作为从燃料电池组1以及电池45接受电力的供给而旋转驱动的电动机的功能、以及作为在使转子由于外力而旋转的车辆减速时，在定子线圈的两端产生电动势的发电机的功能。

逆变器44例如由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等多个半导体开关构成。逆变器44的半导体开关通过控制器5进行开闭控制，由此将直流电力变换为交流电力，或者，将交流电力变换为直流电力。在使行驶电动机43具有电动机的功能时，逆变器44将燃料电池组1的发电电力和电池45的输出电力的合成直流电力变换为三相交流电力，提供给行驶电动机43。另一方面，在行驶电动机43具有发电机的功能时，逆变器44将行驶电动机43的再生电力(三相交流电力)变换为直流电力后提供给电池45。

电池45将燃料电池组1的发电电力(输出电流×输出电压)的剩余部分以及行驶电动机43的再生电力充电。对电池45充电的电力，根据需要被提供给阴极压缩机25等辅助设备以及行驶电动机43。

DC/DC转换器46是使燃料电池组1的输出电压升降压的双方向性的电压变换机。通过由DC/DC转换器46控制燃料电池组1的输出电压，控制燃料电池组1的输出电流，进而控制发电电力。

控制器5由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)以及入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。

在控制器5中，除了上述的气流传感器24和阴极压力传感器26、电流传感器41、电压传感器42，还输入检测油门踏板的踏下量(以下称为“油门操作量”。)的油门行程传感器51和检测阴极压缩机25的旋转速度的旋转速度传感器52、检测用于冷却燃料电池组1的冷却水的温度(以下称为“组温度”。)的水温传感器53等的用于检测燃料电池系统100的运转状态的各种信号。

控制器5根据燃料电池系统100的运转状态，计算燃料电池组1的目标输出电流。具体地说，根据行驶电动机43以及阴极压缩机25等辅助设备的耗电，计算燃料电池组1的目标输出电流。然后，通过DC/DC转换器46控制燃料电池组1的输出电压，使燃料电池组1的输出电流成为目标输出电流，对行驶电动机43和辅助设备提供所需要的电力。

而且，控制器参照图4的表，根据燃料电池组1的输出电流，计算与电解质膜111的湿润度(含水率)存在相关关系的燃料电池组1的内部高频电阻(High Frequency Resistance；以下称为“HFR”。)的目标值(以下称为“目标HFR”。)。然后，对阴极压缩机25的旋转速度和阴极调压阀28的开度、控制用于冷却燃料电池组1的冷却水的流量的冷却水泵(未图示)的旋转速度进行反馈控制，使得燃料电池组1的HFR成为目标HFR。

而且，如图4所示，在本实施方式中，进行控制，使得燃料电池组1的输出电流越大，燃料电池组1的HFR越低，即，电解质膜111的湿润度越大。

这里，在MEA11劣化，例如如图5所示，在电解质膜111上产生孔时，与MEA11劣化前相比，经由MEA11从阳极气体流路向阴极气体流路漏出的阳极气体的流量(以下称为“交叉泄漏量”。)增加。如果交叉泄漏量增加，则从阴极气体排出通路22排出的阴极离开气体中的阳极气体浓度(氢元素浓度)增大，所以在最差的情况下需要使燃料电池组1的发电停止。因此，在交叉泄漏量在增加时，要求早期、并且高精度地检测该情况。

但是，之所以仅在不从燃料电池组1取出电流的非发电状态(即，输出电压为开路电压(OCV；Open Circuit Voltage)的状态)下检测交叉泄漏量的增加，是因为在燃料电池组1的发电中不能检测交叉泄漏量的增加。这样，在负载变动多的车辆行驶中，基本上不能检测交叉泄漏量的增加。因此，不能早期地检测交叉泄漏量的增加。

因此，在本实施方式中，即使在从燃料电池组1取出电流而使车辆行驶的发电状态下，也可以在短时间内检测交叉泄漏量的增加，可以早期地检测交叉泄漏量的增加。

以下，说明该本实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制。

图6是说明本实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的流程图。

在步骤S1中，控制器5判定是否为从燃料电池组1取出电流的发电状态。具体地说，根据输出电流的值进行判定。如果从燃料电池组1取出电流，则控制器5进行步骤S2的处理，否则结束此次的处理。

在步骤S2以及步骤S3中，首先判定MEA11是否劣化。以下，参照图7，在说明MEA11的劣化判定方法后，说明各步骤的内容。

图7是表示根据MEA11的劣化程度而变化的燃料电池组1的IV特性的状况的图。在图7中，用实线表示MEA11劣化前的初始状态的燃料电池组1的IV特性(以下称为“基准IV特性”。)。

如前所述，在MEA11劣化时，除了电解质膜111中产生孔等从而交叉泄漏量增加的情况之外，例如有催化剂层112a、113a的催化剂表面积减少的情况。如果交叉泄漏量增加，或者催化剂层112a、113a的催化剂表面积减少，则活性化过电压增加，燃料电池组1的IV特性比基准IV特性恶化，发电效率降低。

即，如图7所示，即使假设从燃料电池组1取出了相同值的输出电流，MEA11的劣化程度越大此时的输出电压越低。换言之，MEA11的劣化程度越大，基准电压(在基准IV特性下获得的输出电压)和实际的输出电压的电压差(以下称为“电压降低量”。)ΔV1越大。

因此，在本实施方式中，首先通过判定电压降低量ΔV1是否为规定的劣化判定阈值以上，判定MEA11是否在劣化，判定是否存在交叉泄漏量在增加的可能性。

在步骤S2中，控制器5参照图8的映射图，根据当前的输出电流和组温度，计算基准电压。图8的映射图是表示与组温度对应的基准IV特性，根据预先实验等的适合情况进行计算。

在步骤S3中，控制器5判定电压降低量ΔV1是否为规定的劣化判定阈值以上。如果电压降低量ΔV1不足劣化判定阈值，则控制器5判定为MEA11未劣化，特别没有交叉泄漏量在增加的可能性，结束此次的处理。另一方面，如果电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上，则判定为MEA11劣化，存在交叉泄漏量在增加的可能性，进行步骤S4的处理。

在步骤S4中，控制器5实施劣化识别处理。这是因为，虽然通过判定电压降低量ΔV1是否为规定的劣化判定阈值以上，可以判定MEA11是否劣化，但是仅通过判定电压降低量ΔV1是否为劣化判定阈值以上，不能判断其主要原因到底是交叉泄漏量的增加导致的，还是催化剂层112a、113a的催化剂表面积的减少导致的。

因此，在本实施方式中，在电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上的情况下，通过进一步使电解质膜111的湿润度(燃料电池组1的HFR)变化，识别其主要原因是否为交叉泄漏量的增加导致的。

以下，在对通过使电解质膜111的湿润度变化，可以识别电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上的主要原因是交叉泄漏量的增加导致的，还是催化剂层112a、113a的催化剂表面积减少导致的理由进行说明之后，参照图9说明劣化识别处理的具体的内容。

在由于MEA11的劣化电解质膜111中产生了孔的情况下，该孔的大小因电解质膜111的湿润度而变化。具体地说，如果与电解质膜111的湿润度小时相比，在电解质膜111的湿润度大时，电解质膜111的孔较小。即，与电解质膜111干燥，HFR相对较高时相比，电解质膜111湿润，HFR相对较低时，电解质膜111的孔较小。这是由于，在电解质膜111的湿润度较大时，由于电解质膜111膨润，孔被堵塞。

因此，使电解质膜111的湿润度从较小的状态成为较大的状态。由此，由于电解质膜111膨润，孔被堵塞，交叉泄漏量减少。

这样，由于在电解质膜111中产生孔，交叉泄漏量增加，燃料电池组1的IV特性降低的情况下，通过使电解质膜111从干燥状态转移到湿润状态，孔被堵塞，交叉泄漏量减少，由此IV特性恢复，可以大幅度提高输出电压。另一方面，在由于催化剂层112a、113a的催化剂表面积减少，燃料电池组1的IV特性降低的情况下，即使使电解质膜111从干燥状态转移到湿润状态，催化剂层112a、113a的催化剂表面积也不返回劣化前的状态。因此，通过使电解质膜111从干燥状态转移到湿润状态，虽然与MEA11中没有劣化的情况相比IV特性上升相同程度，但是与交叉泄漏量增加的情况相比，其上升余量足够小。

因此，在本实施方式中，电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上的情况下，通过检测使电解质膜111的湿润度(燃料电池组1的HFR)变化时的输出电压的变化量，识别其主要原因是否为交叉泄漏量的增加导致的。

图9是说明劣化识别处理的内容的流程图。

在步骤S41中，控制器5判定是否为电解质膜111的湿润度小，电解质膜111干燥，电解质膜111的孔未堵塞的状态。具体地说，判定燃料电池组1的HFR是否为规定的识别许可阈值以上。

如果燃料电池组1的HFR不足识别许可阈值，则控制器5作为电解质膜111已膨润，孔已在某种程度上被堵塞，使湿润度变化时的输出电压的变化较小，存在不能高精度地识别电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上的主要原因是哪种情况导致的顾虑，结束此次的处理。另一方面，如果燃料电池组1的HFR为识别许可阈值以上，则作为电解质膜111干燥，通过使湿润度变化，可以确保足够的识别精度，在步骤S42中进行处理。

在步骤S42中，控制器5将燃料电池组1的输出电流维持为当前的输出电流使其固定。将输出电流维持固定的期间的负载变动部分，通过电池45的充放电来应对。具体地说，在由于负载变动，发电电力已过剩的情况下，将剩余部分对电池45充电。另一方面，在由于负载变动发电电力不足的情况下，通过电池45的电力补偿不足部分。

在步骤S43中，控制器5检测并存储当前的输出电压，即，燃料电池组1的HFR被控制为后述的劣化识别时用的目标HFR之前的输出电压(以下称为“劣化识别处理前的输出电压”。)。换言之，该劣化识别处理之前的输出电压是，将燃料电池组1的HFR控制为通过参照图4的表根据输出电流计算的通常时的目标HFR时的输出电压。

在步骤S44中，控制器5参照图10的表，根据输出电流，计算劣化识别时用的目标HFR。

而且，为了比较，在图10的表中，用虚线示出在图4中表示的通常时的目标HFR的表。如图10所示，劣化识别时用的目标HFR被设定为小于通常时的目标HFR。

在步骤S45中，控制器5控制阴极压缩机25的旋转速度和阴极调压阀28的开度、控制冷却燃料电池组11的冷却水的流量的冷却水泵(未图示)的旋转速度，使得燃料电池组1的HFR成为劣化识别时用的目标HFR。

在步骤S46中，控制器5判定燃料电池组1的HFR是否已成为劣化识别时用的目标HFR。控制器5在燃料电池组1的HFR已成为劣化识别时用的目标HFR时，进行步骤S47的处理。

步骤S47中，控制器5检测燃料电池组1的HFR成为劣化识别时用的目标HFR之后的输出电压(以下称为“劣化识别处理后的输出电压”。)。

在步骤S48中，控制器5判定在步骤S47中检测到的劣化识别处理后的输出电压和在步骤S43中检测到的劣化识别处理之前的输出电压的电压差即电压变化量ΔV2是否为规定值以上。如果电压变化量ΔV2为规定值以上，则控制器5进行步骤S49的处理，如果不足规定值，则进行步骤S50的处理。

在步骤S49中，控制器5判定为交叉泄漏量在增加，停止燃料电池组1中的发电。

在步骤S50中，控制器5判定为催化剂层112a、113a的催化剂表面积减少，催化剂在劣化，限制燃料电池组1中的发电。

图11是说明本实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的动作的定时图。

在时刻t1中，在燃料电池组1正在发电的状态下，如果判定基准电压和输出电压的电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上，则判定燃料电池组1的HFR是否为识别许可阈值以上。

在该定时图中，在时刻t1中燃料电池组1的HFR为识别许可阈值以上。因此，在时刻t1以后，输出电流被维持在时刻t1中的输出电流，时刻t1中的输出电压作为劣化识别处理之前的输出电压进行存储。

然后，根据时刻t1的时间点的输出电流，参照图10的表计算劣化识别时用的目标HFR，燃料电池组1的HFR向劣化识别时用的目标HFR进行反馈控制。

在时刻t2，如果判定燃料电池组1的HFR成为了劣化识别时用的目标HFR，则判定此时的输出电压即劣化识别处理后的输出电压和劣化识别处理之前的输出电压的电压差，即电压变化量ΔV2是否为规定值以上。

然后，如果电压变化量ΔV2为规定值以上，则判定电压降低量ΔV1成为劣化判定阈值以上的主要原因在于在电解质膜111中产生了孔而导致的交叉泄漏量的增加。另一方面，如果电压变化量ΔV2不足规定值，则判定电压降低量ΔV1成为了劣化判定阈值以上的主要原因在于催化剂层112a、113a的催化剂表面积的减少。

如图11(A)中实线所示，这是因为在电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上的主要原因在于在电解质膜111中产生了孔而导致的交叉泄漏量的增加的情况下，通过将燃料电池组1的HFR控制为劣化识别时用的目标HFR，电解质膜111膨润，孔被堵塞，交叉泄漏量减少，所以输出电压上升至基准电压附近，电压变化量ΔV2为规定值以上。

另一方面，如图11(A)中的点划线所示，因为在电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上的主要原因在于催化剂层112a、113a的催化剂表面积的减少的情况下，通过将燃料电池组1的HFR控制为劣化识别时用的目标HFR，电解质膜111的湿润度变大，虽然输出电压与基准电压同程度地上升，但是其上升幅度小于交叉泄漏量增加的情况，电压变化量ΔV2不足规定值。

接着，参照图12以及图13，说明本实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的效果。

图12是表示使用在电解质膜111中产生孔的燃料电池10，在该燃料电池10发电时将输出电流维持固定，同时使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时、和相反从湿润状态转移至干燥状态时的输出电压的变化的实验结果。

如图12所示，在时刻t11，如果将阴极气体的湿度从100％变更为0％，将电解质膜111从湿润状态转移至干燥状态时，由于电解质膜111的膨润而堵塞的孔缓慢地打开，所以输出电压开始降低。

另一方面，在时刻t12，将阴极气体的湿度从0％变更为100％，使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时，由于电解质膜111的膨润，孔堵塞，输出电压上升。

这时，如果比较时刻t11中将电解质膜111从湿润状态转移至干燥状态时的输出电压的变化率、和时刻t12中从干燥状态转移至湿润状态时的输出电压的变化率，则可知从干燥状态转移至湿润状态时的输出电压的变化率较大。即，在燃料电池10发电时，如本实施方式那样，观察将电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时的输出电压的变化，判定交叉泄漏量是否在增加，可以在短时间内完成该判定。

图13是表示使用在电解质膜111中产生孔的燃料电池10，在该燃料电池10非发电时(OCV时)将电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时、和相反从湿润状态转移至干燥状态时的输出电压的变化的实验结果。

与图12时相同，在图13中，在时刻t21将阴极气体的湿度从100％变更为0％，使电解质膜111从湿润状态转移至干燥状态，在时刻t22将阴极气体的湿度从0％变更为100％，使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态。

如图13所示，在时刻t21燃料电池10非发电时，将电解质膜111从湿润状态转移至干燥状态时的输出电压的变化率大于上述的图12中在时刻t11燃料电池10发电时使电解质膜111进行相同转移时的输出电压的变化率。

但是，在时刻t21燃料电池10非发电时，将电解质膜111从湿润状态转移至干燥状态时的输出电压的变化率小于上述的图12中在时刻t12燃料电池10发电时使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时的输出电压的变化率。

而且，如图13所示，在燃料电池10非发电时，即使在时刻t22使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，输出电压也基本不变化。因此，在燃料电池10非发电时，不能观察使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时的输出电压的变化而判定交叉泄漏量是否在增加。

因此，如本实施方式那样，在燃料电池组1中进行发电时，通过使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，根据此时的输出电压的变化判定交叉泄漏量是否在增加，可以在燃料电池系统的运转中实施该判定，同时可以使该判定在短时间内完成。因此，可以早期地检测交叉泄漏量的增加。

即，按照本实施方式，在燃料电池发电时，增大电解质膜的湿润度，根据此时的输出电压的变化判定交叉泄漏量是否在增加。如果在燃料电池组1的发电中增大电解质膜的湿润度，则在交叉泄漏量增加了的情况下，与以往例那样使反应气体的加湿量降低时的开路电压的变化相比，输出电压迅速地变化。因此，可以在燃料电池系统的运转中实施交叉泄漏量是否在增加的判定，可以使该判定在比以往短的时间内完成。

而且，在将燃料电池组1作为汽车用的动力源使用的情况下，在燃料电池系统100的运转中燃料电池组1的目标输出电流频繁地变动。因此，对于发电最佳的电解质膜111的湿润度也频繁地变动，所以在燃料电池系统100的运转中检测交叉泄漏量的增加的情况下，需要在短时间内进行该检测。按照本实施方式，由于可以在燃料电池系统100的运转中在短时间内检测交叉泄漏量的增加，所以可以最适合用作负载变动特别剧烈的汽车用的燃料电池系统使用。

而且，在本实施方式中，设为在燃料电池组1的HFR为规定的识别许可阈值以上时，使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，判定是否交叉泄漏量在增加。即，设为以电解质膜111的湿润度为规定的阈值以下为条件，判定交叉泄漏量是否在增加。这样，在本实施方式中，在电解质膜111的湿润度较小，电解质膜111干燥而在电解质膜111中产生孔的情况下，在该孔未堵塞的状态下增大电解质膜111的湿润度，判定交叉泄漏量是否在增加。

在燃料电池组1的HFR不足识别许可阈值时，电解质膜111已膨润，孔在某种程度上堵塞，使湿润度变化时的输出电压的变化较小。因此，有不能高精度地判断电解质膜111的劣化的主要原因是由哪种造成的顾虑。相对于此，如本实施方式那样，在燃料电池组1的HFR为规定的识别许可阈值以上时，通过使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，可以高精度地判定交叉泄漏量是否在增加。

而且，在本实施方式中，设为在电压降低量ΔV1为规定的劣化判定阈值以上时，使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，判定交叉泄漏量是否在增加。即，设为以燃料电池组1的输出电压在降低为条件，判定交叉泄漏量是否在增加。

在本实施方式中，在使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时，将燃料电池组1的HFR控制为低于通常时的目标HFR的劣化识别时用的目标HFR。

这里，对于通过预先将燃料电池组1的HFR控制为与目标输出电流相应的通常时的目标HFR，在零下起动时的电解质膜111的含水量抑制得低，保证零下起动性能的时候，如果频繁地增大电解质膜111的湿润度以检测交叉泄漏量的增加，则有零下起动性能恶化的顾虑。因此，通过在交叉泄漏量在增加的可能性高的情况下进行检测，可以抑制不需要地使电解质膜111的含水量增大，可以抑制零下起动性能的恶化

而且，在本实施方式中，设为在将输出电流维持固定，同时将电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态时的输出电压的电压变化量ΔV2如果为规定值以上，则判定从基准电压开始的电压降低的主要原因在于交叉泄漏量的增加，如果电压变化量ΔV2不足规定值，则判定从基准电压开始的电压降低的主要原因在于催化剂的劣化。即，将燃料电池组1的发电电力控制为固定，使电解质膜111的湿润度大于通常时的湿润度，如果此时的输出电压的变化量为规定值以上，则判定为交叉泄漏量在增加，如果不足规定值，则判定催化剂在劣化。

因此，可以识别燃流电池组1的劣化导致的电压降低的主要原因是在于交叉泄漏量的增加，还是在于催化剂的劣化。

(第2实施方式)

接着，说明本发明的第2实施方式。本实施方式的劣化识别处理的内容与第1实施方式不同。以下，以该不同点为中心进行说明。而且，在以下所示的各实施方式中，对于实现与上述的第1实施方式相同的功能的部分使用同一标号，适当省略重复的说明。

在第1实施方式中，通过将输出电流维持固定，同时将HFR控制为参照图10的表计算的劣化识别时用的目标HFR，使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态。

相对于此，在本实施方式中，通过使输出电流增大，按照图4的表使HFR降低，使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，根据此时的输出电压的变化，识别交叉泄漏量是否增加。以下，说明该本实施方式的劣化识别处理。

图14是说明本实施方式的劣化识别处理的内容的流程图。

在步骤S241中，控制器5检测当前的输出电压，将其作为劣化识别处理之前的输出电压存储。

在步骤S242中，控制器5在根据当前的燃料电池系统的运转状态算出的燃料电池组1的目标输出电流中加上规定值，计算劣化识别时用的目标输出电流。而且，将燃料电池组1的输出电流控制为劣化识别时用的目标输出电流时的规定值部分的剩余的发电电力对电池充电。

在步骤S243中，控制器5参照图4的表，根据劣化识别时用的目标输出电流，计算劣化识别时用的目标HFR。

在步骤S244中，控制器5判定在步骤S47中检测出的劣化识别处理后的输出电压、与在步骤S241中检测出的劣化识别处理之前的输出电压之间的电压差即电压变化量ΔV2是否不足规定值。如果电压变化量ΔV2不足规定值，则控制器5进行步骤S49的处理，如果为规定值以上，则进行步骤S50的处理。

图15是说明本实施方式的交叉泄漏量的增加检测控制的动作的定时图。

在时刻t31中，在燃料电池组1在发电的状态下，如果判定电压降低量ΔV1为劣化判定阈值以上，则判定燃料电池组1的HFR是否为识别许可阈值以上。

在该定时图中，在时刻t31中燃料电池组1的HFR成为识别许可阈值以上。因此，存储时刻t31的输出电压作为劣化识别处理之前的输出电压。

然后，计算在时刻31的目标输出电流中加上规定值的结果，作为劣化识别时用的目标输出电流，将燃料电池组1的输出电流控制为劣化识别时用的目标输出电流。而且，根据劣化识别时用的目标输出电流计算劣化识别时用的目标HFR，朝劣化识别时用的目标HFR反馈控制燃料电池组1的HFR。

在时刻t32，判定燃料电池组1的HFR已成为劣化识别时用的目标HFR时，判定此时的输出电压即劣化识别处理后的输出电压、与劣化识别处理之前的输出电压之间的电压差，即电压变化量ΔV2是否不足规定值。

然后，如果电压变化量ΔV2不足规定值，则判定电压降低量ΔV1成为劣化判定阈值以上的主要原因在于在电解质膜111中产生了孔所导致的交叉泄漏量的增加。另一方面，如果电压变化量ΔV2为规定值以上，则判定电压降低量ΔV1成为劣化判定阈值以上的主要原因在于催化剂层112a、113a的催化剂表面积的减少。

这是因为，如图15(A)中实线所示那样，在电压降低的主要原因在于交叉泄漏量的增加的情况下，由于通过使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，电解质膜111的孔堵塞，交叉泄漏量减少，所以输出电压的降低幅度变小，电压变化量ΔV2不足规定值。

另一方面，如图15(A)中点划线所示，在电压降低的主要原因在于催化剂的劣化的情况下，由于即使使电解质膜111从干燥状态转移至湿润状态，催化剂表面积也不返回劣化之前的状态，所以，输出电压较大地降低了使输出电流上升的部分，所以电压变化量ΔV2为规定值以上。

按照以上说明的本实施方式，通过增大燃料电池组1的发电电力，增大电解质膜111的湿润度，如果此时的输出电压的变化量不足规定值，则判定交叉泄漏量在增加，如果为规定值以上，则判定为催化剂在劣化。这样处理，可以得到与第1实施方式相同的效果，同时不需要作成计算劣化识别时用的目标HFR的表(图10)，可以实现工时的减少。

以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不过是表示本发明的适用例的一部分，不是意图将本发明的技术的范围限定于上述实施方式的具体的结构。

例如，在上述的第1实施方式中，也可以取代使用燃料电池组1的输出电压，而检测构成燃料电池组1的每一张燃料电池10的输出电压，使用每一张的电压变化。通过这样处理，即使在燃料电池10中的仅一张中产生了交叉泄漏增大的情况下，也可以高精度地进行检测。而且，也可以不每一张，而是每多张地检测输出电压，使用其电压变化。

而且，在上述的第2实施方式中，在实施劣化识别处理时，计算在目标输出电流中加上规定值的结果作为劣化识别时用的目标输出电流，但是不限于这样的方法，也可以在增加油门操作量从而燃料电池组1的目标输出电流增加时，同时实施劣化识别处理。

本申请要求基于2013年1月24日向日本专利局提出申请的特愿2013－11416号的优先权，该申请的全部内容通过参照并入本说明书中。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，将阳极气体以及阴极气体提供给燃料电池，使其发电，包括：

外部负载，连接到所述燃料电池；

电力调整单元，根据所述外部负载的耗电，调整所述燃料电池的发电电力；

湿润度控制单元，根据所述燃料电池的发电电力，控制所述燃料电池的电解质膜的湿润度；

输出电压检测单元，检测所述燃料电池的输出电压；以及

交叉泄漏判定单元，在所述燃料电池发电时，增大所述电解质膜的湿润度，根据当时的输出电压的变化，判定交叉泄漏量是否在增加。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，

所述交叉泄漏判定单元以所述电解质膜的湿润度为规定的阈值以下为条件，开始判定。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，

电压降低判定单元，根据对于每一个所述燃料电池的输出电流预先确定的基准电压、以及检测到的输出电压，判定所述燃料电池的输出电压是否在降低，

所述交叉泄漏判定单元以所述燃料电池的输出电压在降低为条件，开始判定。

4.如权利要求1至3的任意一项所述的燃料电池系统，

所述交叉泄漏判定单元将所述燃料电池的发电电力控制为固定，同时使所述电解质膜的湿润度大于由所述湿润度控制单元控制的湿润度，如果此时的输出电压的变化量为规定值以上，则判定为交叉泄漏量在增加，如果不足规定值，则判定为催化剂在劣化。

5.如权利要求1至3的任意一项所述的燃料电池系统，

所述交叉泄漏判定单元通过增大所述燃料电池的发电电力，通过所述湿润控制单元增大所述电解质膜的湿润度，如果当时的输出电压的变化量不足规定值，则判定为交叉泄漏量在增加，如果为规定值以上，则判定为催化剂在劣化。

6.一种燃料电池汽车，安装了权利要求1至权利要求5的任意一项记载的燃料电池系统。