JP2006294504A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の劣化判定を正確に行う燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノードから排出される排出燃料ガスを循環流路によって再びアノードに環流し、カソードの圧力をアノードの圧力よりも高くして、発電を行っている燃料電池スタックの発電電圧を検出して、検出電圧が所定電圧よりも低い場合には、水素流量と空気流量を増加させて発電電圧を検出し、その検出電圧が所定電圧よりも低い場合に、電解質膜の劣化と判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に電解質膜の劣化判定に関するものである。

従来アノードに供給する水素圧力をカソードに供給する空気圧力よりも高くし、開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）、または活性化過電圧領域における電圧を測定し、測定した電圧が所定の電圧以下であった場合に電解質膜が劣化し、ガスが漏れていると判定するものが、特許文献１に開示されている。
特開２００３−０４５４６６号公報

しかし、上記の発明では、アノードの圧力をカソードの圧力よりも大きくしているので、電解質膜が劣化し、例えばカソード出口近傍に細孔が生じた場合には、カソードに混入する水素がそのまま燃料電池システムの外部へ排出される。そのため燃料電池の発電電力の変化が微小となり、電解質膜に劣化が生じても電解質膜の劣化を正確に検出することが困難である、という問題がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電解質膜の劣化が生じる箇所によらず、電解質膜の劣化判定を可能とすることを目的とする。

本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極と、を有する燃料電池と、アノード電極に水素を供給する燃料ガス供給手段と、アノード電極から排出された排出水素をアノード電極に環流させる循環流路と、循環流路を流れる排出水素の流量を制御する循環流量制御手段と、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、カソード電極の圧力をアノード電極の圧力よりも高くする圧力制御手段と、カソード電極の圧力がアノード電極の圧力よりも高い状態で、燃料電池が発電を行っているときに電解質膜の劣化判定を行う電解質膜劣化判定手段と、を備える。

本発明によると、カソード電極の圧力をアノード電極の圧力よりも高くし、アノード電極から排出された排出水素を循環流路によってアノード電極に環流させるので、電解質膜が劣化した場合に、電解質膜の劣化箇所によらずに電解質膜の劣化判定を行うことができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムについて図１の概略構成図を用いて説明する。

この実施形態では燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のアノード２に水素供給路１０を介して水素を供給する水素ボンベ（燃料ガス供給手段）３と、燃料電池スタック１のカソード４に空気供給路１５を介して空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）５と、アノード２から排出された排出水素を循環させる電気駆動ポンプ（循環流量制御手段）６と、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ７を備える。

燃料電池スタック１は単位セル３０を例えば１００〜２００枚程度積層して構成される。単位セル３０について図２に示す構成概略図を用いて説明する。

単位セル３０は、電解質膜３１と、電解質膜３１を挟持するアノード触媒層３２とカソード触媒層３３と、アノード触媒層３２の外側に設けたアノードガス拡散層３４と、カソード触媒層３３の外側に設けたカソードガス拡散層３５と、を備える。また、アノードガス拡散層３４の外側に設けられ、水素流路４０を有するアノードセパレータ３７と、カソードガス拡散層３５の外側に設けられ、空気流路４１を有するカソードセパレータ３８を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール３９を備える。なお、この実施形態ではアノード触媒層３２とアノードガス拡散層３４をアノード（アノード電極）２とし、カソード触媒層３３とカソードガス拡散層３５をカソード（カソード電極）４とする。

水素供給路１０には、水素ボンベ３と循環流路１１が水素供給路１０と連結する箇所との間に水素ボンベ３からアノード２への水素供給流量を調整する流量制御弁１３を備え、アノード２の直上流には圧力センサ（第１圧力センサ）２０を備える。また、アノード２から排出された排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する水素排出路１２には、燃料電池システムの外部とアノード２との連通状態を選択的に切り換える切換弁１４を備える。

水素ボンベ３から供給された水素は、水素供給路１０を通りアノード２に供給され、燃料電池スタック１の発電反応に利用されなかった排出水素は循環流路１１を通り、再び水素流路１０に供給される。なお、排出水素中に例えば窒素などの水素以外の物質が多く含まれ場合には水素排出路１２から排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する。

コンプレッサ３から供給された空気は、空気供給路１５を通りカソード４に供給され、燃料電池スタック１の発電反応に使用されなかった排出空気は、空気排出路１６を通り、外部へ排出される。空気排出路１６にはカソード４の圧力を調整する圧力調整弁１７を備える。空気供給路１５のカソード４の直上流には圧力センサ２１を備える。なお、空気供給路１５に空気を加湿する加湿器（図示しない）を設けても良く、加湿器において空気排出路１６を流れる比較的湿度の高い排出空気によって加湿しても良い。

また、流量制御弁１３などを制御し、圧力センサ２０、２１によって検出したアノード２、カソード４の圧力により電解質膜３１の劣化判定を行うコントロールユニット５０を備える。

以上の構成により、燃料電池スタック１の電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。

燃料電池システムの運転時には、電解質膜３１を介してカソード４の空気がアノード２に混入し、またはアノード２の水素がカソード４に混入する。例えばアノード２に空気が混入すると、アノード２の水素濃度が低下するので、燃料電池スタック１の発電効率が低下する。アノード２に混入した空気中の酸素はアノード触媒３２上で水素との反応によって消費されるが、窒素は消費されない。そのためアノード２から排出される排出水素を循環流路１１によってアノード２に再び供給すると、次第にアノード２から排出する排出水素中の窒素濃度が高くなり、燃料電池スタック１の発電効率が低下する。

そのため、例えば燃料電池スタック１に要求された負荷の積算量が所定値を超えると切替弁１４を開き、水素排出路１２から窒素濃度の高い排出水素を燃料電池システムの外部へと排出する。これによりアノード２の水素濃度の低下を抑制し、燃料電池システムの発電効率の低下を抑制する。なお、切替弁１４の開閉制御はこれに限られることはなく、燃料電池システムの運転状態に応じて制御する。

しかし、電解質膜３１が劣化し、例えば細孔が生じると、アノード２とカソード４とが連通し、アノード２に混入する空気量、またはカソード４に混入する水素量が増加する。そのため更に燃料電池スタック１の発電効率が低下する。

また、燃料電池スタック１にフラッディングが生じている場合にも、燃料スタック１の発電効率が低下する。

この実施形態では、電解質膜３１が劣化した場合に、電解質膜３１の劣化によるアノード２への空気の混入を早期に検出する。

次にこの実施形態の電解質膜３１の劣化判定（電解質膜劣化判定手段）について図３のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの通常運転時には、圧力センサ２０、２１から検出する信号を基に流量制御弁１３、電気駆動ポンプ６、圧力調整弁１７を制御し、アノード２の圧力よりもカソード４の圧力が高くなるように運転を行う（流量制御弁１３、電気駆動ポンプ６、圧力調整弁１７が圧力制御手段を構成する）。劣化判定は予め設定された所定時間毎に行う。

ステップＳ１００では電圧センサ７によって燃料電池スタック１の電圧Ｖを検出する（ステップＳ１００が発電状態検出手段を構成する）。

ステップＳ１０１では燃料電池スタック１の電圧Ｖと所定電圧（目標発電状態）Ｖ１を比較し、燃料電池スタック１の電圧Ｖが所定電圧Ｖ１よりも低い場合にはステップＳ１０２へ進み、燃料電池スタック１の電圧Ｖが所定電圧Ｖ１より高い場合には燃料電池スタック１の電解質膜３１が劣化していないと判定する。所定電圧Ｖ１は、燃料電池スタック１に要求される負荷毎に設定される水素と空気中の酸素による燃料電池スタック１の発電電圧であり、燃料電池スタック１の温度、測定誤差、または切替弁１４の開閉による通常時の発電電圧などから設定される燃料電池スタック１の最低発電電圧である。つまり、燃料電池スタック１の電解質膜３１が劣化していない場合に、燃料電池システムの運転状態によって予め設定される燃料電池スタック１の最低発電電圧である。なお所定電圧Ｖ１は予め設定されたマップから読み出す。

アノード２、カソード４において燃料電池スタック１の発電反応により生成された水、または電解質膜３１の劣化によりアノード触媒層３２、カソード触媒層３３で生成された水によってフラッディングが生じ、このフラッディングが原因で燃料電池スタック１の発電電圧が低下している可能性がある。

ステップＳ１０２では、水素ボンベ３から供給する水素の流量と循環流路１１を流れる排出水素の流量の合計流量と、コンプレッサ５から供給する空気流量とを燃料電池スタック１に要求された負荷に応じて設定された流量よりもそれぞれ多くする。以下において、水素ボンベ３から供給される水素の流量を水素流量とし、電気駆動ポンプ６によって循環流路１１を循環する排出水素の流量を循環流量とし、アノード２に供給される水素流量と循環流量の合計値を燃料ガス流量とする。燃料ガス流量と空気流量を多くすることで、アノード２とカソード４を燃料ガスまたは空気によってパージする。なお、増加する燃料ガス流量と空気流量は予め設定された流量であり、アノード２とカソード４に滞留する水をパージすることができる流量である。アノード２については電気駆動ポンプ６による循環流量を多くすることで燃料ガス流量を多くする（ステップＳ１０２がパージ手段を構成する）。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２において増加した燃料ガス流量と空気流量を元の流量に戻す、つまり燃料電池スタック１に要求される負荷に応じて設定された循環流量と空気流量とする。

ステップＳ１０４では、再び電圧センサ７によって燃料電池スタック１の発電電圧Ｖを検出する。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４によって検出した燃料電池スタック１の電圧ＶとステップＳ１０１で比較した所定電圧Ｖ１とを比較する。そして燃料電池スタック１の電圧Ｖが所定電圧Ｖ１よりも低い場合にはステップＳ１０６へ進み、燃料電池スタック１の電圧Ｖが所定電圧Ｖ１よりも高い場合には燃料電池スタック１の電解質膜３１が劣化していないと判定する。なお、燃料電池システムに要求されている負荷が変化している場合には、所定電圧Ｖ１は燃料電池システムに要求されている負荷に応じて設定する。

ステップ１０２で燃料ガス流量と空気流量を一旦増加してフラッディングによる燃料電池スタック１の発電の低下を防止した後に燃料ガス流量と空気流量を元に戻し、再度燃料電池スタック１の発電電圧Ｖと所定電圧Ｖ１とを比較することで、電解質膜３１の劣化判定を正確に行うことができる。

ステップＳ１０６では電解質膜３１が劣化し、カソード４からアノード２へ空気が混入し、燃料電池スタック１の発電効率が低下していると判定し、警告灯などによって電解質膜３１の劣化を告知する。ステップＳ１０２によって燃料ガス流量と空気流量を増加し、アノード２、カソード４をパージするのでフラッディングによる燃料電池スタック１の電圧低下と電解質膜３１の劣化による燃料電池スタック１の電圧低下とを正確に区別することができる（ステップＳ１０３からステップＳ１０６が第１劣化判定手段を構成する）。

以上の制御によってカソード４の圧力をアノード２の圧力よりも大きくし、循環流路１１によって排出燃料ガスをアノード２に循環させることにより、電解質膜３１の劣化箇所に関わらず、正確な電解質膜３１の劣化判定をおこなうことができる。

次に燃料電池システムの停止時に行う電解質膜３１の劣化判定について図４のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２００では、燃料電池システムの停止、つまり燃料電池スタック１の発電終了信号を受けると、水素ボンベ３からアノード２への水素の供給を停止し、コンプレッサ５からカソード４への空気の供給を停止する。

ステップＳ２０１では、例えば抵抗（水素消費手段）などを燃料電池スタック１に接続しアノード２に残った水素を発電反応によって燃料電池スタック１の発電電圧が所定電圧Ｖ２となるまで消費する。これによってアノード２の圧力が減少する。なお、所定電圧Ｖ２は予め設定された値であり、アノード２の水素が消費された場合の電圧である。

ステップＳ２０２では、圧力センサ２０によってアノード２の圧力Ｐを検出し、アノードの圧力Ｐが所定圧力Ｐ１まで回復したかどうか判定する。そして圧力Ｐが所定圧力Ｐ１となるとステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０３では圧力Ｐが所定圧力Ｐ１に回復するまでの圧力回復時間ｔを算出する。電解質膜３１が劣化している場合には、カソード４から空気が混入するので、アノード２の圧力回復時間ｔが短くなる。所定圧力Ｐ１をここでは大気圧とする（ステップＳ２０３が第３時間算出手段を構成する）。

ステップＳ２０４では、ステップＳ２０３で算出した圧力回復時間ｔと所定時間（第３所定時間）Ｔ１とを比較し、圧力回復時間ｔが所定時間Ｔ１よりも短い場合にはステップＳ２０５へ進み、圧力回復時間ｔが所定時間Ｔ１よりも長い場合には電解質膜３１が劣化していないと判定する。所定時間Ｔ１は電解質膜３１が劣化していない場合に、アノード２が所定圧力Ｐ１となる圧力回復時間である。

ステップＳ２０５では、電解質膜３１が劣化し、カソード４からアノード２へ空気が混入していると判定し、警告灯などによって電解質膜３１の劣化を告知する（ステップＳ２０４と２０５が第３劣化判定手段を構成する）。

以上の制御によって燃料電池システムを停止する際にも電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。

なお、図５に示すように循環流路１１に、アノード２から排出される排出燃料ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ２３を備え、水素濃度に基づいてステップＳ１０５で行う電解質膜３１の劣化判定を行っても良い。ここでは水素濃度の時間あたりの変化量が所定値よりも大きい場合に電解質膜３１が劣化していると判定する。排出燃料ガス中の水素濃度を検出することで、電解質膜３１の劣化判定をより正確に行うことができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、アノード２から排出された排出燃料ガスを再びアノード２に供給する循環流路１１を備え、カソード４の圧力をアノード２の圧力よりも高くして、燃料電池システムを運転する。これにより電解質膜３１が劣化し、例えば電解質膜３１に細孔が開いた場合にはカソード４からアノード２へ空気が混入し、混入した空気は循環流路１１を流れて、アノード２を循環する。そのため電解質膜３１の劣化が生じた場合に、劣化が生じた箇所に関わらず、例えば水素流路４０の下流側と対峙する箇所の電解質膜３１が劣化し、細孔が生じた場合でも電解質膜３１の劣化を検出することができる。

電解質膜３１の劣化判定を行う場合に、アノード２に供給する燃料ガス流量と、カソード４に供給する空気流量を一旦増加し、アノード２とカソード４をパージした後に電解質膜３１の劣化判定を行うので、フラッディングによる燃料電池スタック１の発電電圧の低下と、電解質膜３１の劣化による燃料電池スタック１の発電電圧の低下とを区別し、電解質膜３１の劣化判定を正確に行うことができる。

燃料電池システムの停止時に、アノード２に残った水素を消費し、圧力を低下させた後に、アノード２の圧力回復時間ｔを算出し、電解質膜３１が劣化していない場合の回復時間である所定時間Ｔ１よりも短い場合には電解質膜３１が劣化し、カソード４から空気が混入していると判定する。これよって、燃料電池システムの停止時にも電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。

次に本発明の第２実施形態について図６の概略構成図を用いて説明する。

この実施形態は、カソード４の直下流の循環流路１１に圧力センサ（第２圧力センサ）２２を備える。その他の構成は第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。この構成によって電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。

電解質膜３１が劣化し、カソード４からアノード２に空気が混入すると、アノード２を循環するガス中の窒素濃度が高くなるので、アノード２を循環するガスの平均密度は水素が多い場合と比較して高くなる。この場合に電気駆動ポンプ６では抵抗が大きくなるので、ポンプ回転速度が減少し、電気駆動ポンプ６から排出される循環流量が減少するが、このような場合に一般的には電気駆動ポンプ６のポンプ回転速度を増加し、循環流量が所望する流量となるように電気駆動ポンプ６は制御される。

循環流量に基づいて電気駆動ポンプ６を制御すると、同一の循環流量でアノード２に燃料ガスを供給しても、アノード２に空気が混入していない場合の燃料ガスの密度と比較して、電解質膜３１が劣化してアノード２に空気が混入している場合の燃料ガスの密度が大きくなるのでアノード２での圧力損失が大きくなる。つまりアノード２の上流と下流での圧力差が大きくなる。

この実施形態では、アノード２の上流と下流の圧力を圧力センサ２０、２２によって検出し、アノード２の上流と下流との圧力差を算出することで電解質膜３１の劣化判定を行う。

次にこの実施形態の電解質膜３１の劣化判定（電解質膜劣化判定手段）について図７のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの通常運転時には、アノード２の圧力よりもカソード４の圧力が高くなるように運転を行う。劣化判定は予め設定された所定時間毎に行う。

ステップＳ３００では、圧力センサ２０と圧力センサ２２によってアノード２の上流と下流の圧力を検出し、アノード２の上流と下流の圧力差ΔＰを検出する（ステップＳ３００が発電状態検出手段を構成する）。

ステップＳ３０１では、圧力差ΔＰと、予め設定された所定圧力差（目標発電状態）Ｐ２を比較する。そして圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ２よりも大きい場合には、ステップＳ３０２へ進み、圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ２よりも小さい場合には、電解質膜３１が劣化しておらず、燃料電池スタック１の発電性能が低下していないと判定する。所定圧力差ΔＰ２は電解質膜３１が劣化していない場合の燃料電池システムに要求される負荷の積算値と切替弁１４の制御状態に応じて設定される圧力差であり、圧力センサ２０、２２などの誤差などを考慮して設定される圧力差である。

ステップＳ３０２では、アノード２に供給する燃料ガス流量とカソード４に供給する空気流量とを燃料電池スタック１に要求された負荷に応じて設定された流量よりもそれぞれ多くする。これによって例えば燃料電池スタック１の通常の発電反応により生成された水によってアノード２またはカソード４にフラッディングが生じ、このフラッディングが原因で燃料電池スタック１の発電電圧が低下している場合に、水素と空気の流量を多くすることで、アノード２とカソード４をパージすることができる。なお、増加する燃料ガス流量と空気流量は予め設定された流量であり、アノード２とカソード４に滞留する水をパージすることができる流量である。なお、アノード２については電気駆動ポンプ６による循環流量を多くする（ステップＳ３０２がパージ手段を構成する）。

ステップＳ３０３では、ステップＳ３０２において増加した燃料ガス流量と空気流量を元の流量に戻す、つまり燃料電池スタック１に要求される負荷に応じて電気駆動ポンプ６またはコンプレッサ５によって供給される循環流量と空気流量とする。

ステップＳ３０４では、再び圧力センサ２０、２２によってアノード２の上流と下流の圧力を検出し、圧力差ΔＰを算出する。

ステップＳ３０５では、ステップＳ３０４で算出した圧力差ΔＰとステップＳ３０１で比較した所定圧力差ΔＰ２とを比較する。そして圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ２よりも大きい場合にはステップＳ３０６へ進み、圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ２よりも小さい場合には電解質膜３１が劣化していないと判定する。なお、燃料電池システムに要求されている負荷が変化している場合には、所定圧力差ΔＰ２は燃料電池システムに要求されている負荷に応じて設定する。

ステップＳ３０６では電解質膜３１が劣化し、カソード４からアノード２へ空気がリークしていると判定し、警告灯などによって電解質膜３１の劣化を告知する。ステップＳ１０２によって燃料ガス流量と空気流量を増加し、アノード２、カソード４をパージするのでフラッディングによる燃料電池スタック１の電圧低下と電解質膜３１の劣化による燃料電池スタックの電圧低下とを正確に区別することができる（ステップＳ３０３からステップＳ３０６が第１劣化判定を構成する）。

また、燃料電池スタック１の温度が所定温度よりも低い場合には、電気駆動ポンプ６による循環流量を燃料電池システムに要求される負荷に応じた循環流量よりも多くしてもよい。燃料電池スタック１の温度が低い場合には、アノード２における圧力損失が小さくなるので、電気駆動ポンプ６による循環流量を増加することで、アノード２における圧力損失を大きくし、電解質膜３１の劣化判定を正確に行うことができる。所定温度は、例えば実験などにより予め設定された温度である。

なお、この実施形態では通常の燃料電池システムの運転時にカソード４の圧力をアノード２の圧力よりも高くしたが、アノード２とカソード４の圧力を略同一、またはアノード２の圧力を高くしても良く、この場合には予め設定された所定時間毎にコンプレッサ５、または圧力調整弁１７によってカソード４の圧力を高くして電解質膜３１の劣化判定を行う。これによって燃料電池システムの通常運転時のコンプレッサ５による消費電力を少なくすることができる。

また、燃料電池スタック１に要求されている負荷が所定負荷（所定状態）よりも小さい場合にのみカソード４の圧力をアノード２の圧力よりも高くして劣化判定を行い、燃料電池スタック１に要求されている負荷が所定負荷よりも大きい場合に劣化判定を行わないようにしても良い。燃料電池スタック１に要求される負荷が大きい場合には、カソード４の昇圧に必要なコンプレッサ５の昇圧能力が大きくなるために、大型のコンプレッサ５が必要となる。しかし、燃料電池スタック１に要求される負荷が小さい場合にはカソード４の昇圧に必要なコンプレッサ５の昇圧能力に余裕があるため小型のコンプレッサ５を用いて電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。これにより燃料電池システムを小型にすることができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

電解質膜３１が劣化した場合には、アノード２に供給されるガス中の窒素濃度が高くなるために燃料ガスの密度が高くなり、アノード２における圧力損失が大きくなる。そこでアノード２の上流と下流の圧力差ΔＰを算出し、圧力差ΔＰと所定圧力差ΔＰ２とを比較し、圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ２よりも大きい場合には、電解質膜３１が劣化していると判定する。これによって電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。

次に本発明の第３実形態について用いて説明する。

この実施形態の構成については第２実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

この実施形態の電解質膜３１の劣化判定について図８のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの通常運転時には、カソード４の圧力よりもアノード２の圧力が高くなるように運転を行う。

ステップＳ４００では、圧力センサ２０と圧力センサ２２によってアノード２の上流と下流の圧力を検出し、アノード２の上流と下流の圧力差ΔＰを検出する（ステップＳ４００が発電状態検出手段を構成する）。

ステップＳ４０１では、圧力差ΔＰと、予め設定された所定圧力差ΔＰ３を比較する。そして圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ３よりも大きい場合にはステップＳ４０２へ進む。所定圧力差ΔＰ３は、電解質膜３１が劣化していない場合の燃料電池システムに要求される負荷の大きさと燃料電池システムに要求される負荷の積算値と切替弁１２の制御状態に応じて設定される圧力差であり、圧力センサ２０、２２などの誤差などを考慮して設定される圧力差である。

ステップＳ４０２では、切替弁１２を開き、排出燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排出する。また、アノード２に供給する燃料ガス流量とカソード４に供給する空気流量とを増加する。これによって例えば燃料電池スタック１の通常の発電反応により生成された水によってアノード２またはカソード４にフラッディングが生じ、このフラッディングが原因で燃料電池スタック１の発電電圧が低下している場合に、アノード２とカソード４をパージすることができる（ステップＳ４０２がパージ手段を構成する）。

ステップＳ４０３では、切替弁１２を閉じ、アノード２に供給する燃料ガス流量とカソード４に供給する空気流量を予め設定された燃料ガス流量（所定流量）、空気流量とする。

ステップＳ４０４では、タイマ（図示しない）などによって切替弁１２を閉じてからの時間の積算を開始する。

ステップＳ４０５では、圧力センサ２０と圧力センサ２２によってアノード２の上流と下流の圧力を検出し、アノード２の上流と下流との圧力差ΔＰを再度検出する。そして圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ４よりも大きくなると、ステップＳ４０６へ進む。所定圧力差ΔＰ４は予め設定された圧力差であり、ステップＳ４０３で設定された燃料ガス流量と空気流量によって所定時間Ｔ１を経過した後に、電解質膜３１が劣化している場合に生じる圧力差である。

ステップＳ４０６では、切替弁１２を閉じてから圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ４を超えるまでの積算時間ｔ１を算出する（ステップＳ４０４からステップＳ４０６が第１時間算出手段を構成する）。

ステップＳ４０７では、積算時間ｔ１と所定時間（第１所定時間）Ｔ２とを比較し、積算時間ｔ１が所定時間Ｔ２よりも短い場合、つまりアノード２の上流と下流との圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ４となるまでの時間が短い場合には、ステップＳ４０８へ進む。また、積算時間ｔ１が所定時間Ｔ２よりも長い場合、つまりアノード２の圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ４となるまでの時間が長い場合には、電解質膜３１が劣化していないと判定し、燃料電池スタック１の運転状態に応じて燃料ガス流量、空気流量を設定する。

ステップＳ４０８では、アノード２の上流と下流との圧力差ΔＰ４となるまでの積算時間ｔ１が所定時間Ｔ２よりも短いので、電解質膜３１が劣化していると判定し、警告灯などによって電解質膜３１の劣化を告知する。その後、燃料電池スタック１の運転状態に応じて燃料ガス流量、空気流量を設定する。

一方、ステップＳ４０５における圧力差ΔＰを検出すると同時に、ステップＳ４０９では切替弁１２を閉じてからの積算時間ｔ１を算出する。この実施形態ではステップＳ４０５とステップＳ４０９以降の制御を平行して行う。

ステップＳ４１０では、積算時間ｔ１が所定時間（第２所定時間）Ｔ３よりも大きくなった場合には電解質膜３１が劣化していないと判定する。所定時間Ｔ３は予め設定された時間であり、所定時間Ｔ２よりも長い時間である。電解質膜３１に劣化が生じていない場合には、圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ４よりも大きくなるまでの時間が長くなる。そのためステップＳ４０３で設定した燃料ガス流量、空気流量を維持する時間が長くなるが、ステップＳ４１０において所定時間Ｔ３よりも積算時間ｔ１が長くなると、ステップＳ４０６以降の制御を行わず、電解質膜３１に劣化が生じていない、または電解質膜３１の劣化が微小であると判定し、燃料電池スタック１の運転状態に応じて燃料ガス流量、空気流量とする。これにより、ステップＳ４０３で設定した燃料ガス流量、空気流量とする時間が長く継続されることを防ぐことができ、燃料電池スタック１の運転状態に応じた燃料ガス流量、空気流量とすることができる（ステップＳ４０９とステップＳ４１０が第２時間算出手段を構成し、ステップＳ４０５〜ステップＳ４１０が第２劣化判定手段を構成する）。

以上のように、切替弁１２を閉じた後に、アノード２の上流と下流との圧力差ΔＰが所定圧力差ΔＰ４を超えるまでの積算時間ｔ１が所定時間Ｔ２よりも短い場合には電解質膜３１が劣化していると判定する。また、積算時間ｔ１が所定時間Ｔ２よりも長い場合、または切替弁１２が閉じてからの積算時間ｔ１が所定時間Ｔ３よりも長くなった場合には、電解質膜３１に劣化が生じていない、または劣化が微小であると判定する。

なお、この実施形態ではステップＳ４０２において切替弁１２によって排出燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排出したが、燃料ガス流量、空気流量を一旦設定する流量に低下させ、その後ステップＳ４０３に示す設定する燃料ガス流量と空気流量を増加させても良い。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、所定圧力差ΔＰ４となるまでの積算時間ｔ１を算出し、積算時間ｔ１と、電解質膜３１が劣化している場合に所定圧力差ΔＰ４となるまでの所定時間Ｔ２と、を比較することで、電解質膜３１の劣化判定を行うことができる。

また、積算時間ｔ１が所定時間Ｔ２よりも長い所定時間Ｔ３よりも長くなった場合には電解質膜３１が劣化していない、または劣化が微小であると判定することで、燃料ガス流量、空気流量を燃料電池の運転状態に応じた流量とすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

例えば燃料電池を搭載した燃料電池自動車に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の単位セルの概略説明図である。 本発明の第１実施形態の電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の燃料電池システム停止時に行う電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの変更例を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態の電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態の電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ アノード（アノード電極）
３ 水素ボンベ（水素供給手段）
４ カソード（カソード電極）
５ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
６ 電気駆動ポンプ
７ 電圧センサ
１１ 循環流路
２０ 圧力センサ（第１圧力センサ）
２１ 圧力センサ（第２圧力センサ）
２２ 圧力センサ
３０ 単位セル
３１ 電解質膜
５０ コントロールユニット

Claims (10)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極と、を有する燃料電池と、
   前記アノード電極に水素を供給する燃料ガス供給手段と、
   前記アノード電極から排出された排出水素を前記アノード電極に環流させる循環流路と、
   前記循環流路を流れる前記排出水素の流量を制御する循環流量制御手段と、
   前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記カソード電極の圧力を前記アノード電極の圧力よりも高くする圧力制御手段と、
   前記カソード電極の圧力が前記アノード電極の圧力よりも高い状態で、前記燃料電池が発電を行っているときに前記電解質膜の劣化判定を行う電解質膜劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電解質膜劣化判定手段は、
   前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
   前記燃料電池の発電状態が前記燃料電池の目標発電状態に達していない場合に、前記アノード電極と前記カソード電極をパージするパージ手段と、
   前記パージ手段によって前記アノード電極と前記カソード電極をパージした後に、前記燃料電池の発電状態が前記目標発電状態に達していない場合に前記電解質膜が劣化していると判定する第１劣化判定手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記発電状態検出手段は、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記発電状態検出手段は、
   前記アノード電極の上流の圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記アノード電極の下流の圧力を検出する第２圧力センサと、を備え、
   前記アノード電極の上流と下流との圧力差を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記電解質膜劣化判定手段は、
   前記アノード電極の上流の圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記アノード電極の下流の圧力を検出する第２圧力センサと、
   前記アノード電極の上流と下流の圧力差が目標圧力差に達していない場合に、前記アノード電極と前記カソード電極をパージするパージ手段と、
   前記パージ手段によって前記アノード電極と前記カソード電極をパージした後に、前記アノード電極に供給する前記水素を含んだ燃料ガスの流量と前記酸化剤ガスの流量とを各所定流量とし、前記圧力差が所定圧力差となるまでの時間を算出する第１時間算出手段と、
   前記時間が第１所定時間よりも短い場合に前記電解質膜が劣化していると判定する第２劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記パージ手段によって前記アノード電極と前記カソード電極をパージした後に、前記アノード電極に供給する前記水素を含んだ燃料ガスの流量と前記酸化剤ガスの流量とを各所定流量としてからの時間を算出する第２時間算出手段を備え、
   前記第２劣化判定手段は、前記第２時間算出手段によって算出した前記時間が、第１所定時間よりも大きい第２所定時間よりも長い場合に前記電解質膜が劣化していないと判定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記循環流量制御手段は、前記燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合に前記循環流量を、前記所定温度よりも高い場合に設定する前記循環流量よりも多くすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記圧力制御手段は、前記目標発電状態が所定状態よりも大きい場合には前記アノード電極の圧力を前記カソード電極の圧力よりも高くし、
   前記目標発電状態が所定状態よりも大きい場合には前記電解質膜劣化判定手段による前記電解質膜の劣化判定を行わないことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 前記電解質膜劣化判定手段は、
   前記アノード電極の圧力を検出する圧力センサと、
   前記燃料電池の発電終了時に、前記アノード電極の水素を消費する水素消費手段と、
   前記水素消費手段によって前記アノード電極の水素を消費した後に前記アノード電極の圧力が所定圧力となるまでの時間を算出する第３時間算出手段と、
   前記第３時間算出手段によって算出した前記時間が第３所定時間よりも短い場合に前記電解質膜が劣化していると判定する第３劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 前記圧力制御手段は、所定の時間毎に前記カソード電極の圧力を前記アノード電極の圧力よりも高くし、
    前記所定の時間毎に前記電解質膜劣化判定手段による前記電解質膜の劣化判定を行うことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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