JP2005063724A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池内部でのクロスリークの発生を迅速に判定し、安定した発電供給が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池本体部１０の発電運転時及び運転停止時において、水素ガス及び空気（酸素）を供給して発電する複数の単セルの電圧を所定の単位毎に測定する電圧測定器１１と、一定の電圧状態を形成した後に電圧測定器１１により所定の単位毎に測定された各電圧の電圧差が所定値以上であるか否かを判定するクロスリーク判定手段とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に電気自動車等の車両や船舶、航空機等に搭載可能な燃料電池システムに関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。この燃料電池は、燃料としての水素ガス（燃料ガス）とこれと反応する酸素ガス（酸化剤ガス）とが各々燃料極、酸化剤極に充分に供給されることで安定的に発電する。

しかし、両極間において、燃料ガスが酸化剤極側に、あるいは酸化剤ガスが燃料極側に漏洩する、いわゆるクロスリークが生じた場合には、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが直接反応することがある。このクロスリークが発生すると、燃料電池内部の電解質膜、触媒等の劣化や炭素部材の腐食、電圧低下等が発生することがある。

上記クロスリークの問題に対し、酸素含有ガスの供給量の経時的変化と燃料電池スタックの発生電圧の経時的変化との対応関係から発生電圧の急激な変化を検知し、この時の水素漏洩量を算出して正常時における水素漏洩量との比較からクロスリークの発生を判断する診断方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記以外の技術についても、既に開示されている文献がある（例えば、特許文献２〜３参照）。
特開平９−２７３３６号公報 特開平９−２４５８２６号公報 特開平８−３２９９６５号公報

しかし、上記したクロスリークの診断方法では、酸素含有ガスの供給量の経時的変化を記録するために、所定時間毎に数段階に分けて供給量を変化させている。したがって、クロスリーク量の大きいセル又はサブスタックに係る判定を終えるのに時間がかかってしまい、結果として電解質膜の劣化、燃料電池の発生電圧の低下等への対応が遅れ、燃料電池が安定的に発電供給できなくなることがある。

本発明は、上記に鑑み成されたものであり、燃料電池内部でのクロスリークの発生を迅速に判定し、安定した発電供給が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の燃料電池システムは、燃料極（以下、アノードともいう）に供給された燃料ガス及び酸化剤極（以下、カソードともいう）に供給された酸化剤ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セルの電圧を所定の単位毎に測定する電圧測定手段と、前記燃料ガスの供給を停止させる第１停止手段と、前記酸化剤ガスの供給を停止させる第２停止手段と、前記燃料極と前記酸化剤極との間の電荷の移動を遮断する遮断手段と、前記燃料極及び前記酸化剤極への供給を停止しかつ前記電荷の移動を遮断した後に前記電圧測定手段により所定の単位毎に測定された各電圧の電圧差が、所定値以上であるか否かを判断してクロスリークを判定するクロスリーク判定手段と、で構成したものである。

第１の発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の通常の発電運転を停止する場合に、燃料極及び酸化剤極へのガスの供給を停止すると共に、遮断手段を切換えて両極間における電荷の移動が遮断された開回路（このときＯＣＶ出力状態にある。）の状態（基準状態）を形成した後、複数の単セルについて所定の単位毎に電圧測定し、測定された各電圧間における電圧差が所定値以上であるか否かを判定することによってクロスリークの発生の有無を判断する。すなわち、ガス供給を停止させた後の複数のセルについて所定の単位毎に測定された電圧の電圧差を求め、電圧差の大小からクロスリーク量の大小を判定するものである。これにより、ガス供給が停止されて本来一定であるはずの基準状態における各電圧の、クロスリーク量に応じた電圧変化を直接利用できるので、多くの作業を必要とせず短時間に各単位毎のクロスリーク量の判定が行なえ、クロスリークの大きいセル若しくはサブスタックを特定することができる。

ここでの発電運転の停止は、発電を担う電気化学反応（以下、電池反応ともいう）の終了時、すなわち水素ガスおよび空気（酸素）の供給を止めて発電を止めるときであり、例えば、通常の発電運転を停止して最終的に車両を止めるときや、一時的に発電を停止する時〔例えば二次電池と並列接続された構成の場合に非効率時は二次電池から電力供給して燃料電池は出力に寄与しないような（具体例として自動車が信号待ちで停車しているとき等）、いつでも出力可能な出力待機のＯＣＶ出力状態時〕、その他不具合発生の際の強制停止時などが含まれる。

第２の発明の燃料電池システムは、燃料極（アノード）に供給された燃料ガス及び酸化剤極（カソード）に供給された酸化剤ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セルの電圧を所定の単位毎に測定する電圧測定手段と、前記燃料極に供給されるガス供給量を略一定にする第１供給量制御手段と、前記酸化剤極に供給されるガス供給量を略一定にする第２供給量制御手段と、前記燃料極へのガス供給圧と前記酸化剤極へのガス供給圧との間に差圧を生じさせる差圧発生手段と、前記燃料極及び前記酸化剤極へのガス供給量を略一定にしかつ前記差圧を生じさせた後に前記電圧測定手段により所定の単位毎に測定された各電圧の電圧差が、所定値以上であるか否かを判断してクロスリークを判定するクロスリーク判定手段と、で構成したものである。

第２の発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池を通常に発電運転する場合に、第１及び第２供給量制御手段により燃料極及び酸化剤極へのガス供給量を略一定に保った状態（基準状態）を形成してから差圧発生手段により両極にかかるガス供給圧間に差圧を発生させた後に、上記第１の発明と同様にクロスリークの発生の有無を判断する。これにより、運転時における複数の単セルの所定の単位間での電圧バラツキを解消した状態から精度の良い判定が可能であると共に、差圧により例えば高圧側の燃料極から低圧側の酸化剤極へのクロスリークを促進させることによって、発電中でも記録等の多くの作業を要することなく各単位毎のクロスリーク量を短時間に判定することができる。

本発明に係る第１及び第２の燃料電池システムを構成する複数の単セルは、全ての単セルが積層されてスタック構造をなす一つのスタック部を構成していてもよいし、あるいは複数の単セルを複数の群に分割し、一部の単セルの積層によりスタック構造をなすサブスタックを構成し、複数のサブスタックが更に電気的に接続されてスタック部を構成する態様であってもよい。各サブスタックは一般に並列接続して構成することができ、場合により直列接続されていてもよい。本発明に係る第１及び第２の燃料電池システムにおいては、電圧測定を行なう「所定の単位」としては、上記の単セルやサブスタック等のいずれを単位としてもよいが、特に複数の単セルを複数の群に分割して形成された一群、すなわちサブスタックであるのが好適である。

複数の単セル全体で一つのスタック部が構成されている場合には、電圧測定手段によって単セルを単位として各単セルの電圧の測定を行なうようにし、複数の単セルを複数の群に分割し、複数の単セルの一部を用いて複数のサブスタックが構成されている場合には、サブスタックを単位として各サブスタックの電圧測定を行なうようにすることができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、上記のクロスリーク判定手段により所定単位間における電圧差が所定値以上であると判定されたときに処置警告を発する処置警告手段を更に設けることができる。これにより、クロスリーク量が大きい単セル若しくはサブスタックが表示、警報等により特定されるので、その後交換したり、並列接続されている場合にはクロスリーク量が大きいサブスタックや単セルをバイパスして正常なサブスタックや単セルのみで継続運転する、等の処置に迅速に対応することができる。

また、本発明に係る燃料電池システムには、電圧測定手段により所定の単位毎に測定された各電圧を該単位間で対比し、対比された所定の単位間に電圧の乖離が生じているか否かを判断する乖離判断手段と、所定の単位間に電圧の乖離が生じていると判断されたときに、前記クロスリーク判定手段による判定を禁止するクロスリーク判定禁止手段とを更に設けることができる。前記乖離判断手段による判断は適宜行なえばよく、例えば所定の間隔で定期的に行なうようにすることができる。

燃料電池システムの通常運転中において複数の単セルを所定の単位毎に測定した各電圧に乖離が生じている場合には、前記クロスリーク判定手段によるクロスリークの判定を禁止することによってクロスリーク以外の要因で生じている電圧変化に基づいた判定、すなわち例えばエアフィルタで除去できなかったダストによりガス移動が遮断されて部分的にしか電気化学反応が進行せずに電圧が低下した等に起因する誤判定を効果的に防止することができる。

さらに、前記クロスリーク判定禁止手段により判定が禁止されたときに予備警告を発する予備警告手段を更に設けることもできる。判定が禁止された場合には電圧差からクロスリーク量の判定は行なわれないが、予備警告を行なうことによってクロスリークが生じている可能性があることを予め認知させることができる。

本発明に係る燃料電池（複数の単セル）は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に構成することができる。例えば、アノード拡散電極、カソード拡散電極、および前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、所望によりこの単セルを複数積層したスタック構造に構成することができる。スタック構造は単一であるほか、スタック構造に構成された複数のサブスタックが接続されたものでもよい。前記アノード拡散電極と前記カソード拡散電極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成できる。

本発明によれば、燃料電池内部でのクロスリークの発生を迅速に判定し、安定した発電供給が可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の燃料電池システムの実施形態を図１〜図４を参照して説明する。本実施形態は、電気エネルギーの供給を受けて車輪を駆動するモータで移動可能な電気自動車に本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載し、燃料電池システムの通常運転中及び停止時に、複数の単セルからなるサブスタック毎に測定された各電圧の電圧差からクロスリークを判定するものである。

本実施形態では、燃料電池システムを構成する燃料電池本体部は、１００個の単セルを積層してスタック構造をなすサブスタック４基が並列に接続されたスタックからなり、停止時は水素極（燃料極）及び酸素極（酸化剤極）へのガス供給を停止しかつ電荷の移動を遮断した後に、通常の発電運転時は水素極及び酸素極へのガス供給量を略一定にしかつ両極間に差圧を発生させた後に、各々サブスタック毎の電圧を測定してサブスタック間の電圧差からクロスリークを判定するようにしたものである。

図１に示すように、本実施形態は、単セルを１００個積層してスタック構造に構成された４基のサブスタックが並列接続された燃料電池本体部１０と、各サブスタック毎に電圧を測定する電圧測定器１１と、燃料電池本体部１０からの直流電流を三相交流に変換してモータやポンプ等の周辺器である各負荷に電力供給すると共に水素極と酸素極との間の電荷の移動を遮断するインバータ（遮断手段）１２と、点灯して警告するウォーニングランプ１３，１４（処置警告，予備警告手段）と、を各種ポンプ及びバルブ並びにエアコンプレッサ等と共に備えている。

燃料電池本体部１０は、水素極（アノード）側において、スタック構造を構成する単セルの各水素ガス流路の供給口と連通するように、シャットバルブＶ１と高圧レギュレータＶ２と低圧レギュレータＶ３とシャットバルブＶ４とポンプＰ１とを備えた水素供給管３１の一端が接続されており、水素タンク３０と連通されている。水素タンク３０の壁面には、他端に充填用コネクタが取り付けられた配管（不図示）の一端が接続されて水素ガスを高圧充填できるようになっている。このとき、サブスタック内への水素ガスの供給圧及び供給量は、シャットバルブＶ１、高圧レギュレータＶ２、低圧レギュレータＶ３、およびシャットバルブＶ４の開閉状態を制御することで容易に調整可能なようになっている。

後述するようにクロスリークを判定する場合、シャットバルブＶ１、高圧レギュレータＶ２、低圧レギュレータＶ３、及びシャットバルブＶ４は、発電運転停止時には水素ガスの供給を停止すると共に、通常運転中においては酸素極へのガス供給圧との間に差圧を生じさせることができ、さらにポンプＰ１によって水素極へのガス供給量を略一定にできるようになっている。なお、シャットバルブＶ４は、例えば緊急時など水素を閉じ込める必要がある場合等に主に使用される。また、水素タンク３０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側に供給するようにすることもできる。

また、ポンプＰ１を備えることなく、各種バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）を制御することにより、ガス供給量を略一定に制御するようにしてもよい。

アノード側には更に、排出ガス（アノードオフガス）を排気するためのバルブＶ５を備えた排気管３２の一端が接続されている。バルブＶ５は、通常閉状態にあり、酸素極（カソード）側から単セルを構成する高分子電解質膜を透過してきた生成水や窒素などが溜まって発電性能が低下するのを防止するために、所定時間ごとに開状態にしてこれらの不純物を排出できるようになっている。このアノードオフガスには、発電運転で消費されなかった水素が残留しているため、排気管３２を分岐させて水素供給管３１と接続し、循環させることにより水素を有効活用することもできる。このような循環系を構成することは、通常運転中にクロスリークを判定する場合に予め各サブスタックのアノード側ガス供給量を略一定に保つのが容易となる点で好適である。

燃料電池本体部１０の酸素極（カソード）側には、エアコンプレッサ３８と加湿器３９とを備えたエア供給管３７の一端がサブスタックを構成する単セルの各エア流路供給口と連通するように接続され、更に調圧バルブＶ６を備えた排出管３４の一端が各エア流路排気口と連通するように接続され、燃料電池本体部１０のエア流路へのエアの供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気（カソードオフガス）および生成水の排出が可能なようになっている。この排出管３４には、排気管３２の他端が接続されている。エア（空気）の供給圧及び供給量は、エアコンプレッサ３８の回転数及び調圧バルブＶ６の開度によって制御される。また、エア供給管３７の他端にはフィルタ４０が取り付けられており、排出管３４の他端はマフラー３６と接続されている。

調圧バルブＶ６は、後述のようにクロスリークを判定する場合に、運転停止時にはエアの供給を停止すると共に、通常運転時には水素極へのガス供給圧との間に差圧を生じさせることができ、さらにエアコンプレッサ３８によって酸素極へのガス供給量を略一定にできるようになっている。

上記したように、水素極（燃料極）及び酸素極（酸化剤極）へのガス供給量を略一定とする場合、略一定の許容範囲としては±５％程度であるのが望ましい。

後述するように、クロスリークを判定する場合において両極のガス供給圧の間に差圧を生じさせるときには、予めポンプＰ１及びエアコンプレッサ３８によりガス供給量を略一定に保った状態でアノード側の各種バルブ（Ｖ１〜Ｖ４）とカソード側の調圧バルブＶ６を調節、例えば調圧バルブＶ６の開度を大きくしてカソード側ガス供給圧を低下させる等することによって両ガス供給圧の間に圧力差を形成することができる。

各サブスタックのスタック構造を構成する個々の単セルは、フッ素系イオン交換樹脂膜などの高分子電解質膜がアノード拡散電極とカソード拡散電極との間に狭持されてなる膜電極接合体と、膜電極接合体を更に狭持すると共に、アノード拡散電極との間に水素ガスが通過する、すなわち給排される水素ガス流路と、カソード拡散電極との間に空気（エア）が通過する、即ち給排されるエア流路とを形成する一対のセパレータとで構成されている。燃料電池本体部１０は、水素ガス流路に水素密度の高い水素ガスが供給され、エア流路に酸素を含む空気が供給されて電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給する。

高分子電解質膜は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガスに加水（加湿）することによって形成でき、また、カソード側の酸素を含む空気に加水（加湿）するようにすることもできる。

アノード拡散電極およびカソード拡散電極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード拡散電極は、高分子電解質膜側から順にアノード触媒層と拡散層とが積層され、カソード拡散電極は、高分子電解質膜側から順にカソード触媒層と拡散層とが積層されて構成されている。

アノード触媒層およびカソード触媒層は、高分子電解質膜の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートを高分子電解質膜上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、高分子電解質膜ではなく、高分子電解質膜と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。

各拡散層は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。

セパレータは、膜電極接合体を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体を構成するアノード拡散電極との間に水素ガス流路が形成され、カソード拡散電極との間にエア流路が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。このセパレータは、単セルを複数積層してスタック構造をなすときには一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの両側の面において流路が形成されるようになっている。

電圧測定器１１は、燃料電池本体部１０と電気的に接続されており、複数の単セルの電圧を所定の単位毎に、すなわち４基のサブスタックについて各サブスタック毎に個々の電圧を適宜測定できるようになっている。

インバータ１２は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、燃料電池本体部１０のサブスタックの各々と電気的に接続されると共に、スイッチング素子の各々は制御部２０と電気的に接続されている。モータ１５やポンプＰ１、各種バルブ（Ｖ１〜Ｖ６）、及びエアコンプレッサ３８等の周辺器の負荷は、スイッチング素子と各々接続され、制御部２０の制御を受けて適宜電力供給できるようになっている。インバータの切換えにより、いずれの負荷とも接続されていない状態のときには開回路となり、各サブスタックにおける水素極−酸素極間は電荷の移動が遮断された状態（ＯＣＶ出力状態）を形成できる。また、インバータとの接続によって各スイッチング素子のスイッチング動作により燃料電池本体部１０から供給された直流電流が任意の振幅、周波数の三相交流に変換される。

ウォーニングランプ１３は、電気自動車の車内の視認し得る場所に配設されており、制御部２０と電気的に接続されて後述するようにサブスタック間の電圧差が所定値以上であると判定されたときに、クロスリーク発生による異常が生じていることを表示（処理警告）するようになっている。また、ウォーニングランプ１４も電気自動車の車内の視認し得る場所に配設されると共に制御部２０と電気的に接続されており、後述するように通常運転時にサブスタック間に電圧の乖離が生じていると判断されたときに、クロスリークが大である可能性があることを予備的に表示（予備警告）するようになっている。ウォーニングランプは、公知のもの（例えば、電球、ＬＥＤ等）から適宜選択して適用することができる。

燃料電池本体部１０の通常の発電運転は、各サブスタックにおけるアノード側において水素ガスが水素タンク３０から水素供給管３１を挿通して所定の水素圧で水素ガス流路に供給されると共に、カソード側においてフィルタ４０を介して吸入され、エアコンプレッサ３８で圧縮され、さらに加湿器３９で加湿された空気（酸素）がエア供給管３７を挿通して所定の供給圧でエア流路に供給されることで行なわれる。各単セルでは、一般に供給される水素ガスおよび空気の圧力が増大するほど反応速度が上昇し発電効率が向上するため上記のように加圧される。そして、アノードオフガスは排気管３２を挿通し排出管３４を介して外部に排気され、また、カソードオフガスは排出管３４の他端からマフラー３６を介して排気される。燃料電池本体部１０での電池反応によって生成された生成水は、カソードオフガスと共に排出管３４を挿通して排出される。このとき、適宜サブスタック毎に電圧測定され、サブスタック間において電圧の乖離が生じていないかどうかの判断がなされる。

燃料電池本体部１０、電圧測定器１１、インバータ１２、点灯して警告するウォーニングランプ１３，１４、ポンプＰ１、シャットバルブＶ１、高圧レギュレータＶ２、低圧レギュレータＶ３、シャットバルブＶ４、バルブＶ５、調圧バルブＶ６、エアコンプレッサ３８、及び加湿器３９等は、制御部（ＥＣＵ）２０と電気的に接続されており、制御部２０によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御部２０は、燃料電池本体部１０と接続された負荷の大きさに応じて水素ガスおよびエアの量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、サブスタック毎に測定した各電圧を取り込み、取込まれた各電圧間の電圧差からクロスリークの判定、警告を行なうクロスリーク判定制御をも担うものである。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムの制御部２０による制御ルーチンについて、特に電気自動車の発電運転時並びに運転停止時にクロスリーク判定制御を行なう制御ルーチンを中心に図２〜図４を参照して説明する。

まず、上記したように燃料電池本体部１０に水素ガスおよびエアを供給して通常の発電運転を行なっている場合について説明する。

通常の発電運転時において、所定の監視間隔でサブスタック間の電圧の乖離の有無を監視しつつ、電圧の乖離が生じていないことを条件に水素極（アノード）及び酸素極（カソード）へのガス供給量を各々略一定にすると共にアノード側ガス供給圧とカソード側ガス供給圧との間に差圧を生じさせた後に電圧測定器１１により測定されたサブスタック毎の電圧の電圧差に基づいてクロスリークを判定する判定制御を行なう。本実施形態において、４基のサブスタックの各電圧は電圧測定器１１の測定値を基準とし、更に経過時間は制御部２０がガス供給量と差圧形成の条件を満たした時からカウントするようになっている。

図２は、発電運転制御時に一定間隔での電圧監視のもとにクロスリークの判定を行なう運転時判定制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、まずステップ１００において燃料電池本体部１０を構成する４基のサブスタックの各々の電圧が取り込まれ、取込まれた各電圧は次のステップ１１０において対比され、対比されたサブスタック間に電圧の乖離が生じているか否か、即ちクロスリークの判定を禁止するか否かが判断される。これにより、電圧低下の要因からクロスリーク以外の影響（例えば、単セルの積層方向に溜まるゴミが原因で燃料ガスの移動が妨げられ電圧低下を生じるコンタミの影響など）を除くことができ、誤判定を防止してより精度良く判定することができる。

なお、各サブスタックの電圧の取り込みと取込まれた電圧に基づく乖離判断は、発電運転時に所定の監視間隔（例えば１０秒ごと）で適宜行なうことができる。また、電圧の取り込みは、上記のようにサブスタック単位で行なうほか、単セル単位で行なって単セル毎に対比したり、あるいは数個の単セルの平均値を相互に対比するようにすることもできる。

ステップ１１０において、サブスタック間に電圧の乖離が生じていない（例えば電圧差５Ｖ以下；即ち、サブスタックの電圧差は単セルの積層枚数に依存し、単セル当りの電圧差を０．０５Ｖ以下とした場合の１００セルのサブスタックでは５Ｖ以下。以下同様。）と判断された場合は、サブスタック間の電圧差はクロスリークの判定に影響せずクロスリークが大きいと誤判定することがないため、次のステップ１２０に移行し、ステップ１２０においてアノード側はポンプＰ１の駆動を、カソード側はエアコンプレッサ３８の回転数を各々調節することにより各極に供給されるガス供給量を略一定にし、更にステップ１３０においてカソード側の調圧バルブＶ６の開度を大きくしてガス圧を下げ、アノード側のガス供給圧との間に差圧を形成する。この場合には、カソード側が低圧になり、アノード側からカソード側への水素のクロスリーク量を促進させることができる。

上記のように、予めアノード及びカソードのガス供給圧を略一定に保つことでクロスリークの判定に影響するサブスタック間の電圧バラツキを解消でき、これを閾値電圧として更に差圧を形成すると、クロスリーク大のサブスタックでは発電中でもガス透過量の増加により電圧を大きく低下させることができ、クロスリークの判定をより短時間でかつ精度良く行なうことができる。

次のステップ１４０において、差圧の発生から時間の経過をカウントし、カウント時間が所定時間Ｔに達したと判断されたときは、ステップ１５０において経時後の４基のサブスタックの各々の電圧が再度取込まれ、所定時間Ｔに達していないと判断されたときは時間Ｔに達するのをみることとし、時間Ｔに達するまでは判定を行なわないようになっている。

次のステップ１６０では、取込まれた各電圧値から電圧差ΔＶが算出され、算出されたΔＶが所定値α以上であるか否かが判断される。電圧差ΔＶは、全てのサブスタック若しくは任意に選択した一部のサブスタックの電圧値から算出することができ、例えば隣接するサブスタック間で算出することができる。

ステップ１６０において、電圧差ΔＶが所定値α以上であると判断されたときには、クロスリーク量が多くクロスリークに起因する電圧低下が大きいと判定され、次のステップ１７０において車両室内に設けられたウォーニングランプ１３を点灯して処置警告をする。点灯後、運転時判定制御ルーチンを終了し、所定の監視間隔が経過して再び本ルーチンが実行されるまで燃料電池本体部の通常の発電運転で制御される。また、ステップ１６０において電圧差ΔＶが所定値α未満であると判断されたときには、正常であると判定され、そのまま本ルーチンを終了する。

処置警告がなされた場合には、クロスリーク量の大きいサブスタック（あるいは単セル毎に電圧測定する場合には単セル）が特定され、特定されたサブスタック（あるいは単セル）を自動的に若しくは手動にて電気的にバイパスして切り離し、正常なサブスタック（あるいは単セル）のみで継続して運転したり、早期に交換することが可能となる。

また、クロスリークの判定は、本実施形態のように所定時間内の電圧低下（ΔＶ）の程度、すなわち電圧低下速度が大きい場合にクロスリーク量が大きいと判定する以外に、サブスタックの各電圧のサブスタック平均電圧からの乖離の程度（あるいは単セル毎に測定する場合には各単セル電圧の単セル平均電圧からの乖離の程度）が大きい場合にクロスリーク量が大きいと判定したり、各サブスタック（あるいは単セル毎に測定する場合には各単セル）の電圧が所定電圧以下となるまでの時間が所定時間以下である場合にクロスリーク量が大きいと判定するようにすることもできる。

ステップ１１０において、サブスタック間に電圧の乖離が生じている（例えば電圧差が５Ｖ超）と判断された場合は、サブスタック間の電圧差がクロスリークの判定に影響して誤判定するおそれがあるため、クロスリークの判定は行なわずにステップ１８０に移行し、ステップ１８０においてウォーニングランプ１４を点灯して予備警告がなされ、その後本ルーチンを終了する。この場合にも、クロスリークのおそれのあるサブスタックや単セルを早期に認識でき、正常なサブスタックのみでの運転や交換などの対応が可能となる。

次に、上記のように燃料電池本体部１０に水素ガスおよびエアを供給して通常の発電運転を行なった後に発電運転を停止する場合の判定制御を説明する。

発電運転の停止時において、上記と同様にサブスタック間に電圧の乖離が生じていないことを条件として、アノード側及びカソード側へのガス供給を停止すると共に両極間を電気的に遮断した後に電圧測定器１１により測定されたサブスタック毎の電圧の電圧差に基づいてクロスリークを判定する判定制御を行なう。この場合にも４基のサブスタックの各電圧は電圧測定器１１の測定値を基準とし、更に経過時間は制御部２０がガス供給の停止及び遮断の条件を満たした時からカウントするようになっている。

図３は、発電運転停止時に行なう停止時判定制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ２００において燃料電池本体部１０を構成する４基のサブスタックの各々の電圧が取り込まれ、取込まれた各電圧は次のステップ２１０において対比され、対比されたサブスタック間に電圧の乖離が生じているか否か、即ちクロスリークの判定を禁止するか否かが判断される。これにより、上記同様に電圧低下の要因からクロスリーク以外の影響（例えばコンタミの影響など）を除くことができ、誤判定を防止してより精度良く判定することができる。

ステップ２１０において、サブスタック間に電圧の乖離が生じていない（例えば電圧差が５Ｖ以下）と判断された場合は、サブスタック間の電圧差はクロスリークの判定に影響せずクロスリークが大きいと誤判定することがないため、次のステップ２２０に移行する。ステップ２２０において、インバータ１２のスイッチング素子の切換えにより負荷間の電力供給が遮断されることで開回路が形成された後、さらに次のステップ２３０において、アノード側ではシャットバルブＶ１、高圧レギュレータＶ２、低圧レギュレータＶ３、及びシャットバルブＶ４を閉じてポンプＰ１の駆動を停止すると共に、カソード側ではエアコンプレッサ３８の回転数を０（ゼロ）にする。このとき、単セルの電解質膜を両極のガスが全く通過しない場合には開電圧が出力され続ける状態（ＯＣＶ出力状態）にすることができる。

上記のように、負荷への電荷の移動を遮断した状態でアノード及びカソード両極へのガス供給を停止した場合、ガスが両極間にある電解質膜を全く通過しないときにはＯＣＶが出力され続けることが期待されるが、実際にはガスがクロスリークして電解質膜中を通過することによって触媒上で水素−酸素の直接反応が起こる結果、このとき生成された水により触媒近傍に活物質が到達し得ずにＯＣＶが低下してしまう。即ち、図４に示すように、通常発電運転時に負荷を遮断して無負荷とすると電圧値が上がり（図中のＡ点→Ｂ点）、ここでガス供給を停止した場合（図中のＣ点）、クロスリークが大きいときには破線で示すように正常時（実線）に比して経時と共に電圧低下が急速に進行する。この電圧低下速度は、クロスリーク量が多いほど触媒上にて直接反応する水素量及び酸素量が増えうためにその分だけ速くなり、これを利用することで異常なクロスリークの発生を短時間に判定することができる。また、上記のように予めコンタミ等のクロスリーク以外の要因を除去し、電圧に乖離のないことを条件に判定するので、必要十分な範囲でより精度良く判定を行なうことが可能となる。

具体的には、次のステップ２４０においてガスの供給を停止した時から時間経過をカウントし、カウント時間が所定時間Ｔに達したと判断されたときは、ステップ２５０において経時後の４基のサブスタックの各々の電圧が再度取込み、所定時間Ｔに達していないと判断されたときは時間Ｔに達するのをみることとし、時間Ｔに達するまでは判定を行なわないようになっている。

次のステップ２６０では、取込まれた各電圧値から電圧差ΔＶが算出され、算出されたΔＶが所定値β以上であるか否かが判断される。電圧差ΔＶは、全てのサブスタック若しくは任意に選択した一部のサブスタックの電圧値から算出することができ、例えば隣接するサブスタック間で算出してもよい。

ステップ２６０において、電圧差ΔＶが所定値β以上であると判断されたときには、クロスリーク量が多くクロスリークに起因する電圧低下が大きいと判定され、次のステップ２７０において車両室内に設けられたウォーニングランプ１３を点灯して処置警告をする。そして、予め設定した警告条件で点灯した後に運転時判定制御ルーチンを終了し、その後ＥＣＵ電源はオフされる。また、ステップ２６０において電圧差ΔＶが所定値β未満であると判断されたときには、正常であると判定され、そのまま本ルーチンを終了し、その後ＥＣＵ電源はオフされる。

運転停止時においても、上記のように所定時間内の電圧低下（ΔＶ）の程度、すなわち電圧低下速度が大きい場合にクロスリーク量が大きいと判定する以外に、サブスタックの各電圧のサブスタック平均電圧からの乖離の程度（あるいは単セル毎に測定する場合には各単セル電圧の単セル平均電圧からの乖離の程度）が大きい場合にクロスリーク量が大きいと判定したり、各サブスタック（あるいは単セル毎に測定する場合には各単セル）の電圧が所定電圧以下となるまでの時間が所定時間以下である場合にクロスリーク量が大きいと判定するようにしてもよい。

また、ステップ２１０において、サブスタック間に電圧の乖離が生じている（例えば電圧差が５Ｖ超）と判断された場合には、サブスタック間の電圧差がクロスリークの判定に影響して誤判定するおそれがあるため、クロスリークの判定は行なわずにステップ２８０に移行し、ステップ２８０においてウォーニングランプ１４を点灯して予備警告がなされた後にそのまま本ルーチンを終了し、その後ＥＣＵ電源はオフされる。

上述した実施形態では、燃料に水素ガスを用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を中心に説明したが、メタノール溶液を用いた直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合においても同様である。

また、燃料電池システムを電気自動車に搭載した例を中心に説明したが、電気自動車以外の他の移動装置や車両、船舶、航空機等への電力供給源として適用することもできる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの発電運転時に実行される運転時判定制御ルーチンを示す流れ図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの発電運転停止時に実行される停止時判定制御ルーチンを示す流れ図である。 ガス供給停止及び電荷移動遮断後の経時による電圧変化を示すグラフである。

符号の説明

１０…燃料電池本体部
１１…電圧測定器
１２…インバータ
１３，１４…ウォーニングランプ

Claims (6)

1. 燃料極に供給された燃料ガス及び酸化剤極に供給された酸化剤ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セルの電圧を所定の単位毎に測定する電圧測定手段と、
   前記燃料ガスの供給を停止させる第１停止手段と、
   前記酸化剤ガスの供給を停止させる第２停止手段と、
   前記燃料極と前記酸化剤極との間の電荷の移動を遮断する遮断手段と、
   前記燃料極及び前記酸化剤極への供給を停止しかつ前記電荷の移動を遮断した後に前記電圧測定手段により所定の単位毎に測定された各電圧の電圧差が、所定値以上であるか否かを判断してクロスリークを判定するクロスリーク判定手段と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 燃料極に供給された燃料ガス及び酸化剤極に供給された酸化剤ガスの電気化学反応によって発電する複数の単セルの電圧を所定の単位毎に測定する電圧測定手段と、
   前記燃料極に供給されるガス供給量を略一定にする第１供給量制御手段と、
   前記酸化剤極に供給されるガス供給量を略一定にする第２供給量制御手段と、
   前記燃料極へのガス供給圧と前記酸化剤極へのガス供給圧との間に差圧を生じさせる差圧発生手段と、
   前記燃料極及び前記酸化剤極へのガス供給量を略一定にしかつ前記差圧を生じさせた後に前記電圧測定手段により所定の単位毎に測定された各電圧の電圧差が、所定値以上であるか否かを判断してクロスリークを判定するクロスリーク判定手段と、
   を備えた燃料電池システム。
3. 前記所定の単位は、単セル、又は前記複数の単セルを複数群に分割して形成された一群である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記クロスリーク判定手段により電圧差が所定値以上であると判定されたときに処置警告を発する処置警告手段を更に備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記電圧測定手段により所定の単位毎に測定された各電圧を該単位間で対比し、対比された所定の単位間に電圧の乖離が生じているか否かを判断する乖離判断手段と、
   前記所定の単位間に電圧の乖離が生じていると判断されたときに、前記クロスリーク判定手段による判定を禁止するクロスリーク判定禁止手段と、
   を更に備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記クロスリーク判定禁止手段により判定が禁止されたときに予備警告を発する予備警告手段を更に備えた請求項５に記載の燃料電池システム。

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