JP2009043603A - 燃料電池システム、短絡検知システム、および短絡検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的かつ簡素に燃料電池の電気的短絡を検知する。
【解決手段】電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設されたセルを複数積層して構成される燃料電池において、燃料電池の水詰まり判定値Ｖｆよりもセル電圧Ｖｎが低下する短絡推定セルが特定され、この短絡推定セルのセル電圧Ｖｎが低下した後に上昇し、かつ、短絡推定セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生が判定される。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システム、この燃料電池システムに適用可能な短絡検知システムおよび短絡検知方法に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。

例えば、特許文献１には、燃料電池の電気的短絡を検査する方法が開示されている。具体的には、燃料極に水素を充填し、酸化剤極に不活性ガスを充填した状態で交流電圧を印加し、そのときの電流および電圧の応答から負荷インピーダンスを演算する。そして、負荷インピーダンス値から算出される膜抵抗成分の大きさに基づいて、電気的ショート量が判定される。
特開２００５−４４７１５号公報

しかしながら、特許文献１の手法によれば、燃料電池に交流電圧を印加する装置、電流および電圧の応答を測定する装置が必要となり、検知システムに必要なコストが高くなるという問題がある。また、酸化剤極に不活性ガスを充填する必要があるため、車両等に搭載される燃料電池システムでこれを実施するためには、検査用の不活性ガスを余計に搭載しなければならず、システムが大型化してしまうという不都合がある。また、燃料電池システムが一旦稼動した後は、酸化剤極に不活性ガスを供給することが困難となるので、電気的短絡を容易に検知することができないという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、経済的かつ簡素に燃料電池の電気的短絡を検知することにある。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池の水詰まりを判定する判定電圧よりもセル電圧が低下した単位セルを短絡推定セルとして特定し、短絡推定セルに隣接する前記単位セルのセル電圧が平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生を判定する。

本発明によれば、ドライアウト時にセル電圧の検出箇所から離れた場所で発生する電気的短絡を検出することができる。セル電圧の検出手段は、通常の燃料電池システムに装備されているため、短絡検知のために新たな装置を設ける必要もない。そのため、システムの大型化を抑制し、コストを安価に、また、燃料電池システムの運転中であっても電気的短絡を検出することが可能となる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池システムは、発電電力を発生する燃料電池スタック１０と、水素系２０と、空気系３０と、冷却系４０と、制御ユニット５０を主体に構成されており、例えば、車両を駆動する駆動モータの動力源として車両に搭載されている。

図２は、燃料電池スタック１０を模式的に示す概略断面図である。燃料電池スタック１０は、それぞれが発電要素として機能する複数のセル１１が積層されて構成されている。個々のセル１１は、固体高分子電解質膜１２ａを挟んで燃料極１２ｂと酸化剤極１２ｃとが対設された燃料電池構造体１２を主体に構成されており、この燃料電池構造体１２は、一対のセパレータ１３，１４、具体的には、燃料極側セパレータ１３および酸化剤極側セパレータ１４によって両側より挟持されている。セル１１は、燃料極１２ｂに燃料ガスが供給され、酸化剤極１２ｃに酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発電する。本実施形態では、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用いる例について説明する。

燃料極側セパレータ１３には、供給された水素を燃料極１２ｂで反応させるための反応面が形成されており、この反応面には、水素の流れをガイドするための流路溝１５が形成されている。燃料電池スタック１０へと供給された水素は、各セル１１へとそれぞれ供給され、そして、個々のセル１１において、流路溝１５に従って燃料極１２ｂの全体を流れた後に排出される。各セル１１から排出された水素は、他のセル１１から排出された水素と合流し、燃料電池スタック１０の外部へと排出される。

酸化剤極側セパレータ１４には、供給された空気を酸化剤極１２ｃで反応させるための反応面が形成されており、この反応面には、空気の流れをガイドするための流路溝１６が形成されている。燃料電池スタック１０へと供給された空気は、各セル１１へとそれぞれ供給され、そして、個々のセル１１において、流路溝１６に従って酸化剤極１２ｃの全体を流れた後に排出される。各セル１１から排出された空気は、他のセル１１から排出された空気と合流し、燃料電池スタック１０の外部へと排出される。

また、互いに隣り合うセル１１では、隣接する燃料極側セパレータ１３と酸化剤極側セパレータ１４との間に、セル１１を冷却する冷媒（例えば、冷却水）が流れる冷却流路１７が形成されている。燃料電池スタック１０へと供給された冷却水は、各セル１１へとそれぞれ供給され、そして、個々のセル１１において、冷却流路１７に従ってセパレータ１３，１４間を流れた後に排出される。各セル１１から排出された冷却水は、他のセル１１から排出された冷却水と合流し、燃料電池スタック１０の外部へと排出される。

再び図１を参照するに、燃料電池スタック１０に水素を供給する水素系２０において、水素は、燃その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ２２によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１０に供給される。水素調圧バルブ２２は、燃料電池スタック１０へ供給される水素圧力（燃料極における水素の圧力）が所望の値となるように、制御ユニット５０によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１０からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路２０ｂへと導入される。この水素循環流路２０ｂは、他方の端部が水素調圧バルブ２２よりも下流側の水素供給流路２０ａに接続されており、水素循環流路２０ｂには、例えば、水素循環ポンプ２３といった水素循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ２３を駆動することにより、燃料極側からの排出ガスは、水素循環流路２０ｂを通り水素供給流路２０ａ（すなわち、水素の供給側）へと循環される。水素循環ポンプ２３の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１０へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御ユニット５０によって制御される。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む水素循環流路２０ｂ内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１０の出力が低下したり、水素循環ポンプ２３によって水素を循環させられなくなり、安定した発電を行うことができなくなる。そのため、燃料極および水素循環流路２０ｂの不純物量を管理する必要があり、水素循環流路２０ｂには、これを流れるガスを外部に排出する排出流路２０ｃが設けられている。この排出流路２０ｃには、パージバルブ２４が設けられており、このパージバルブ２４の開き量を調整することにより、排出流路２０ｃを介して外部に排出される不純物量を調整することができる。パージバルブ２４は、燃料極および水素循環流路２０ｂ内に存在する不純物量が発電性能および循環性能を維持できるように、その開き量が制御ユニット５０によって制御される。

燃料電池スタック１０に空気を供給する空気系３０において、空気は、例えば、コンプレッサ３１によって取り込まれた大気が加圧され、空気供給流路３０ａを介して燃料電池スタック１０に供給される。この空気供給流路３０ａには、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１０に供給される空気は、セル１１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１０からの排出ガスは、空気排出流路３０ｂを介して排出される。この空気排出流路３０ｂには、空気調圧バルブ３２が設けられている。この空気調圧バルブ３２は、燃料電池スタック１０へ供給される空気の圧力（空気圧力）が所望の値となるように、その開度が制御ユニット５０によって制御される。

冷却系４０には、冷媒が燃料電池スタック１０との間で循環する冷媒流路４０ａが備えられている。この冷媒流路４０ａには、冷媒を冷却するラジエータ４１と、冷媒を循環させる冷媒循環ポンプ４１とが設けられている。

冷媒流路４０ａ内を循環する冷媒は、ラジエータ４１を通過することにより、走行風または図示しない冷却ファンからの送風との間で熱交換が行われ、冷却される。冷却された冷媒は、燃料電池スタック１０へと供給され、これにより、燃料電池スタック１０と冷媒との間で熱交換が行われ、燃料電池スタック１０の冷却（放熱）が行われる。燃料電池スタック１０の冷却によって温度が上昇した冷媒は、冷媒流路４０ａを経由して、ラジエータ４１へと再度供給される。冷媒循環ポンプ４１は、燃料電池スタック１０の運転温度が所望の値となるように、その回転数が制御ユニット５０によって制御される。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０には出力取出装置６０が接続されている。出力取出装置６０は、制御ユニット５０によって制御され、燃料電池スタック１０から必要な出力（電流或いは電力）を取り出して、この取り出した出力を、車両を駆動するモータ（図示せず）や、燃料電池システムを動作させる種々の補機（例えば、コンプレッサ３１、水素循環装置２３など）へと供給する。

制御ユニット５０は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、システムの各部を統括的に制御する機能を担っている。制御ユニット５０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。制御ユニット５０は、ＲＯＭ内に格納された制御プログラムに従い各種の演算処理を行うとともに、演算結果に基づいて各種のアクチュエータを制御することにより、燃料電池スタック１０の発電動作を制御する。

図３は、本実施形態にかかる制御ユニット５０の機能的な構成を示すブロック図である。本実施形態の関係において、制御ユニット５０は、これを機能的に捉えた場合、処理部（処理手段）５０ａと、運転制御部５０ｂとを有している。この制御ユニット５０には、個々の単位セル（本実施形態では、単一のセル１１によって単位セルが構成される）１１を対象として、この単位セルの電圧（以下「セル電圧」という）Ｖｎを検出する電圧検出部（検出手段）５１からの検出信号（セル電圧Ｖｎ）が入力されている。

処理部５０ａは、電圧検出部５１による検出結果に基づいて、燃料電池スタック１０における電気的な短絡の発生を判定する。処理部５０ａは、このような判定を行うことを前提に、個々の単位セルに関するセル電圧Ｖｎの平均値である平均セル電圧を算出している。また、処理部５０ａは、燃料電池スタック１０の水詰まり、所謂、フラッディングの発生時にセル電圧が低下するとの知得に基づいて、このフラッディングを判定するための判定電圧（以下「水詰まり判定値」という）Ｖｆを保持している。この水詰まり判定値Ｖｆは、その値よりもセル電圧Ｖｎが大きいのか、それとも小さいのかによって、フラッディングであるか否かを判定する値であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が設定されている。例えば、水詰まり判定値Ｖｆは、固定値として設定してもよいし、平均セル電圧を基準とした相対値として設定してもよい。

運転制御部５０ｂは、システムの運転状態に基づいて、燃料電池スタック１０の運転状態を制御する。例えば、運転制御部５０ｂは、システムに要求される要求電力を燃料電池スタック１０において発電するように、水素調圧バルブ２２、パージバルブ２４および空気調圧バルブ３２の開度、および、水素循環ポンプ２３および冷媒循環ポンプ４１の回転数を制御する。

図４は、本発明の実施形態にかかる短絡検知方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で読み込まれ、制御ユニット５０によって実行される。まず、ステップ１（Ｓ１）において、処理部５０ａは、電圧検出部５１より、個々の単位セルに関するセル電圧Ｖｎを読み込む。

ステップ２（Ｓ２）において、処理部５０ａは、個々のセル電圧Ｖｎを処理対象としてセル電圧Ｖｎと水詰まり判定値Ｖｆとを比較し、セル電圧Ｖｎが水詰まり判定値Ｖｆよりも低下した単位セルがあるか否かを判定する。このステップ２において肯定判定された場合、すなわち、水詰まり判定値Ｖｆよりもセル電圧Ｖｎが低下した単位セルがある場合には、その単位セルを短絡推定セルとして特定した上でステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、すなわち、水詰まり判定値Ｖｆよりも低下した単位セルがない場合には、本ルーチンを抜ける。

ステップ３において、処理部５０ａは、短絡推定セルのセル電圧Ｖｎが低下した後に上昇したか否かを判定する。このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、セル電圧Ｖｎが低下した後に上昇した場合には、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、セル電圧Ｖｎが上昇しない場合には、再度ステップ３の処理を実行する。

ステップ４において、処理部５０ａは、短絡推定セルに関するセル電圧Ｖｎの単位時間あたりの変化量、すなわち、セル電圧Ｖｎの上昇速度Ｖｎｎを算出し、この上昇速度Ｖｎｎが負荷変動速度Ｖｔｈよりも大きいか否かを判定する。この負荷変動速度Ｖｔｈは、燃料電池スタック１０に対する負荷変動から予測されるセル電圧Ｖｎの上昇速度であり、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。ステップ４において肯定判定された場合、すなわち、上昇速度Ｖｎｎが負荷変動速度Ｖｔｈよりも大きい場合には（Ｖｎｎ＞Ｖｔｈ）、ステップ５（Ｓ５）に進む。一方、ステップ４において否定判定された場合、すなわち、上昇速度Ｖｎｎが負荷変動速度Ｖｔｈ以下の場合には（Ｖｎｎ≦Ｖｔｈ）、本ルーチンを抜ける。

ステップ５において、処理部５０ａは、短絡推定セルに隣接する少なくとも一方の単位セル（以下「隣接セル」という）に関する電圧を評価する。具体的には、隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも大きいか、或いは、隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも小さいかが評価される。ただし、微細な電圧変化をノイズとして排除する観点から、所定値を予め設定しておき、セル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも所定値以上大きいか、或いは、平均セル電圧よりも所定値以上小さいかといった評価を行ってもよい。

ステップ６（Ｓ６）において、処理部５０ａは、ステップ５における評価結果に基づいて、短絡判定を行う。具体的には、処理部５０ａは、隣接セルのセル電圧Ｖｎが、評価項目におけるいずれかの条件を具備する場合には、電気的な短絡が発生したと判定する。この場合、処理部５０ａは、システムの運転を停止させるべく、運転制御部５０ｂに対してその旨の信号を出力する。一方、処理部５０ａは、隣接セルのセル電圧Ｖｎが、評価項目におけるすべての条件を具備しない場合には、電気的な短絡が発生していないと判定する。

以下、本実施形態にかかる短絡検知の概念について説明する。図５は、燃料電池スタック１０の正常時の発電状態を示す説明図である。同図において、（ａ）は、燃料電池スタック１０の構造を簡略的に示す模式図であり、（ｂ）は、個々の単位セルに対応するセル電圧Ｖｎを示す説明図である（以下に示す図についても同様）。

燃料電池スタック１０において、個々の単位セルの燃料極１２ｂでは、以下に示す反応が起きる。

（数式１）
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻
燃料極１２ｂにおいて発生したプロトンＨ^＋は、固体高分子電解質膜１２ａを介して酸化剤極１２ｃへ移動するため、酸化剤極１２ｃでは、以下に示す反応が起きる。

（数式２）
１／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ
燃料電池スタック１０が正常に発電を行っている場合、各セル電圧Ｖｎは、図５（ｂ）に示すように、概ね対応した値となる。

図６は、燃料電池スタック１０の乾燥（ドライアウト）時の発電状態を説明する説明図である。ある単位セル（例えば、同図に示す中央の単位セル）において、固体高分子電解質膜１２ａがドライアウト傾向になった場合、プロトンＨ^＋の移動抵抗が大きくなるため、プロトンＨ^＋が固体高分子電解質膜１２ａを移動したことによる電圧の降下が大きくなる。乾燥の度合いが強い場合には、単位セルの起電力よりも電圧降下の方が大きくなるため、セル電圧Ｖｎは転極することもある（場合によっては、セル電圧Ｖｎは、マイナス数十ボルト程度に達することもある）。

このようなセル電圧Ｖｎの異常状態としては、乾燥によるケースの他に、フラッディングによるケースが知られている。しかしながら、フラッディングに起因して低下した場合でも、セル電圧Ｖｎは、０から−０．１Ｖ程度であり、乾燥による電圧低下は、フラッディングによる電圧低下と区別することができる。それ故に、本実施形態では、図４に示すステップ２の処理のように、セル電圧Ｖｎと水詰まり判定値Ｖｆとを比較することにより、電圧低下のうち、フラッディングによる電圧低下を切り分けている。

図７は、燃料電池スタック１０の短絡発生時の発電状態を説明する説明図である。ドライアウトに起因するセル電圧Ｖｎの低下が大きくなった場合、発熱量が増大するため、固体高分子電解質膜１２ａの温度が上昇する。固体高分子電解質膜１２ａの温度が上昇すると、これが軟化する。また、固体高分子電解質膜１２ａを挟んで存在する燃料極１２ｂおよび酸化剤極１２ｃには、積層荷重がかけられている。そのため、固体高分子電解質膜１２ａの軟化にともない、燃料極１２ｂと酸化剤極１２ｃとが固体高分子電解質膜１２ａを打ち破って接触することで、短絡が発生する。

固体高分子電解質膜１２ａを移動するプロトンＨ^＋の移動抵抗は、乾燥時の方が湿潤時に比べて格段に大きく、また、短絡箇所の接触抵抗は、プロトンＨ^＋の移動抵抗に比較して著しく小さくなる。そのため、単位セルに流れる電流は短絡部に集中する。つまり、正常な単位セルでは、固体高分子電解質膜１２ａ内をプロトンＨ^＋が移動することにより電流が流れるが、ドライアウトによって短絡が発生した単位セルでは、主に短絡発生箇所に電子が流れることにより電流が流れる（プロトンＨ^＋の移動による電流の流れは相対的に小さなものとなる）。

また、燃料電池構造体１２を両側より狭持する一対のセパレータ１３，１４は、一般に良導電体であるが、セパレータ１３，１４の面方向の抵抗は、貫通方向の抵抗より大きく、面方向には電流が比較的に流れにくい。そのため、ある単位セルで電流の集中が起きると、その程度は緩和されるものの、その隣接する単位セルでも電流の偏りが残ることとなる。なお、図７（ａ）に示す矢印は、その太さが電流密度を表している。

つぎに、ドライアウトによる短絡発生時のセル電圧Ｖｎの挙動について説明する。ここで、図７を参照するに、短絡発生セルの上側で短絡が発生したと仮定する。この場合、各単位セルの両端部（上下端部）でセル電圧Ｖｎを検出するとし、上端部側で検出するセル電圧Ｖｎを同図（ｂ）のハッチングで示し、下端部側で検出するセル電圧Ｖｎを同図（ｂ）の白抜きで示す。

短絡が発生した単位セル（短絡発生セル）において、短絡部位の近傍でセル電圧Ｖｎを検出していた場合（図７（ｂ）のハッチングのグラフ）、そのセル電圧Ｖｎは、大きく転極していた状態から、ごく僅かな転極、または、正の電圧として検出される。これは、短絡発生セルでは、短絡発生前までは主に乾燥時のプロトンＨ^＋の移動抵抗の増大により大きく転極していたものが（図６参照）、短絡発生後は単位セルの電気化学電位差と短絡電流による電圧降下との混成電圧を検出するからである。また、短絡推定セルに隣接する隣接セルで検出されるセル電圧Ｖｎは、他の正常な単位セルよりも低いセル電圧Ｖｎとして検出される。なぜならば、短絡発生前までは他の正常な単位セルと同様に発電していたのもが（図５参照）、短絡発生後は短絡発生セルの電流集中の影響を受け、電圧検出箇所の電流密度が局所的に高くなるからである。

図８は、短絡部位の近傍でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化と、短絡発生時のセル電圧とを示す説明図である。同図に示すように、短絡発生セルのセル電圧Ｖｎがフラッディング時の電圧（水詰まり判定値Ｖｆ）よりも低下し、その短絡発生セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも低い場合には、電気的短絡が発生していると判断することができる。

これに対して、短絡発生セルにおいて、短絡部位から離れた場所でセル電圧Ｖｎを検出していた場合（図７（ｂ）の白抜きのグラフ）、そのセル電圧は、大きく転極していた状態から、正の電圧として検出される。これは、短絡発生セルでは、短絡発生前までは主に乾燥時のプロトンＨ^＋の移動抵抗の増大により大きく転極していたものが（図６参照）、短絡発生後は短絡発生箇所の電流集中の影響を受けて相対的に電流密度が低い箇所の電圧を検出することになるからである。また、短絡発生セルに隣接する隣接セルで検出されるセル電圧Ｖｎは、他の正常な単位セルよりも高いセル電圧Ｖｎとして検出される。これは、短絡発生前までは他の正常な単位セルと同様に発電していたものが（図５参照）、短絡発生後は短絡発生セルの電流集中の影響を受け、電流密度が相対的に低くなるからである。

図９は、短絡部位から離れた場所でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化と、短絡発生時のセル電圧とを示す説明図である。同図に示すように、短絡発生セルのセル電圧Ｖｎがフラッディング時の電圧（水詰まり判定値Ｖｆ）よりも低下し、その短絡発生セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも高い場合には、電気的短絡が発生していると判断することができる。

図１０は、負荷変動を含むセル電圧Ｖｎの時系列変化を示す説明図である。短絡推定セルに関するセル電圧Ｖｎの低下した後の上昇を短絡検知ロジックに加えた場合、車両のように燃料電池スタック１０に対する負荷変動の大きいシステムでは、負荷変動によるセル電圧Ｖｎの変動を短絡時のそれと誤検知する可能性がある。そこで、本実施形態では、図４に示すステッ４の処理のように、負荷変動による電圧挙動の変化率（負荷変動速度Ｖｔｈ）とセル電圧Ｖｎの上昇速度Ｖｎｎとを比較することにより、負荷変動に伴うセル電圧Ｖｎの変化を切り分けることができる。

このように本実施形態によれば、水詰まり判定値Ｖｆよりもセル電圧Ｖｎが低下する短絡推定セルが特定され、この短絡推定セルのセル電圧Ｖｎが低下した後に上昇し、かつ、短絡推定セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生が判定される。かかる構成によれば、短絡推定セルのセル電圧Ｖｎの低下量およびその後の挙動、および、隣接セルのセル電圧の増加を特定することができるので、ドライアウト時にセル電圧Ｖｎの検出箇所から離れた場所で発生する電気的短絡を精度よく検出することができる。また、セル電圧Ｖｎの検出手段は、通常の燃料電池システムに装備されているため、短絡検知のために新たな装置を設ける必要もない。そのため、システムの大型化を抑制し、コストを安価に、また、燃料電池システムの運転中であっても電気的短絡を検出することが可能となる。

また、本実施形態によれば、短絡推定セルのセル電圧の上昇速度Ｖｎｎが、負荷変動速度Ｖｔｈよりも大きい場合に、電気的な短絡の発生を判定する。かかる構成によれば、負荷変動によるセル電圧Ｖｎの変動と、短絡によるセル電圧Ｖｎの変動とを切り分けることができるので、短絡の検知精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、短絡推定セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも小さい場合に、電気的な短絡の発生が判定される。かかる構成によれば、短絡推定セルのセル電圧Ｖｎの低下量およびその後の挙動、および、隣接セルのセル電圧の低下を特定することができるので、ドライアウト時にセル電圧Ｖｎの検出箇所に近い場所で発生する電気的短絡を精度よく検出することができる。

また、本実施形態によれば、電気的な短絡の発生を判定した場合には、システムの運転が停止させられる。燃料電池スタック１０で電気的短絡が生じた場合には、燃料電池システムの効率を大幅に悪化させる可能性があるほか、そこに大電流が流れ、発熱により燃料電池スタック１０に大きなダメージを与える可能性があるが、本実施形態によればこのような不都合を解消することができる。

（第２の実施形態）
図１１は、燃料電池スタック１０の短絡発生時の発電状態を説明する説明図である。ドライアウトに起因して短絡が発生することもあるが、湿潤時に短絡が発生することもある。湿潤時、ある単位セル（例えば、同図に示す中央の単位セル）において短絡が発生した場合、短絡発生セルのセル電圧Ｖｎは、ドライアウトのケースとは異なり、その値は降下しておらず、また、固体高分子電解質膜１２ａの移動抵抗も十分に小さい。このとき、ドライアウトによる短絡と同様に、短絡部に電流が流れるが、固体高分子電解質膜１２ａの移動抵抗も十分に小さいので、ドライアウトによる短絡のときほど電流は集中しない。

図１２は、短絡部位の近傍でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化と、短絡発生時のセル電圧とを示す説明図である。短絡部位の近傍でセル電圧Ｖｎを検出した場合、短絡発生セルは、セル電圧Ｖｎを検出している対象が単に燃料電池セル群の電気化学的電位差だったものから、短絡電流（電子）が流れることによるオーム損をも混成したものとなる。この結果、短絡推定セルのセル電圧Ｖｎは、短絡に対応した分低下した値となる。また、短絡推定セルに隣接する単位セルは、電気的なバランスから電圧値が高くなる。

図１３は、短絡部位から離れた場所でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化を示す説明図である。短絡部位から離れた場所でセル電圧Ｖｎを検出した場合、短絡電流（電子）がセル面内を流れる間にセル面内の抵抗によって電圧降下が緩和され、通常の場合と見分けが付かない。

このような観点に鑑み、本実施形態では、処理部５０ａは、第１の実施形態に示す短絡検知の処理に加え、以下のケースに該当する場合には、短絡が発生したと判定する。具体的には、処理部５０ａは、個々のセル電圧Ｖｎを処理対象として、セル電圧Ｖｎと平均セル電圧とを比較し、セル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも第１の判定値以上低下した単位セルがあるか否かを判定する。処理部５０ａは、セル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも第１の判定値以上低下した単位セルがある場合には、その単位セルを短絡推定セルとして特定する。

つぎに、処理部５０ａは、短絡推定セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが、平均セル電圧よりも第２の判定値以上上昇しているか否かを判定する。処理部５０ａは、この判定処理において肯定判定された場合、すなわち、隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも第２の判定値以上上昇している場合には、電気的な短絡が発生したと判定する。一方、処理部５０ａは、この判定処理において否定判定された場合、すなわち、隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも第２の判定値以上上昇していない場合には、電気的な短絡が発生していないと判定する。

ここで、第１および第２の判定値は、湿潤時の短絡にともなう短絡発生セルのセル電圧Ｖｎの低下量、および、隣接セルのセル電圧Ｖｎの上昇量をそれぞれ判定するための値であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。

このように本実施形態によれば、ドライアウト時の短絡のみならず、湿潤時に生じる短絡をも検知することができるので、システムの安全性と信頼性との向上を図ることができる。

なお、上述した第１または第２の実施形態において、セル電圧Ｖｎが低下した場合、電圧検出部５１の備える検出レンジによっては、セル電圧Ｖｎが検出レンジを外れてしまう可能性がある。このような場合には、図４のフローチャートに示すステップ３，４の処理を省略し、セル電圧Ｖｎが低下したことと、その隣接セルのセル電圧Ｖｎの挙動とに基づいて、短絡を検出してもよい。具体的には、水詰まり判定値Ｖｆよりもセル電圧Ｖｎが低下した単位セルが短絡推定セルとして特定され、この短絡推定セルに隣接する隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生が判定される。かかる構成によれば、ドライアウト時にセル電圧Ｖｎの検出箇所から離れた場所で発生する電気的短絡を検出することができる。セル電圧Ｖｎの検出手段は、通常の燃料電池システムに装備されているため、短絡検知のために新たな装置を設ける必要もない。そのため、システムの大型化を抑制し、コストを安価に、また、燃料電池システムの運転中であっても電気的短絡を検出することが可能となる。

また、上述した概念説明では、便宜上、単位セルを単一のセル１１とした上で、短絡推定セルおよびそれに隣接する単位セルについて説明を行ったが、セル電圧Ｖｎの傾向は、その周辺の単位セルについても同様に現れる。よって、単位セルを、単一のセル１１で構成するのみならず、互いに隣接する複数のセル１１同士を組み合わせたセル群で構成してもよい。ただし、単位セルを単一のセル１１で構成した方が、短絡の検知精度が向上するといった点において有利であり、単位セルをセル群で構成した方が、電圧検出部５１の構成が簡素となるといった点において有利である。

また、上述した各実施形態では、処理部５０ａは、短絡判定を行っているが、この判定にともないユーザに短絡の発生を通知したり、制御ユニット５０のＲＯＭに短絡の発生を示すフラグをセットしてもよい。もっとも、処理部５０ａは、このような判定を行わず、水詰まり判定値Ｖｆよりも前記セル電圧Ｖｎが低下した単位セルを短絡推定セルとして特定し、その隣接セルのセル電圧Ｖｎが平均セル電圧よりも大きい場合に、システムの運転を停止させてもよい。

なお、本実施形態では燃料電池システムを前提として短絡検知を説明を行っているが、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設されたセルを複数積層して構成される燃料電池の短絡を検知する短絡検知システム自体も本発明の一部として機能することは言うまでもない。

燃料電池システムの全体構成図 燃料電池スタック１０を模式的に示す概略断面図 制御ユニット５０の機能的な構成を示すブロック図 短絡検知方法の手順を示すフローチャート 燃料電池スタック１０の正常時の発電状態を示す説明図 燃料電池スタック１０の乾燥（ドライアウト）時の発電状態を説明する説明図 燃料電池スタック１０の短絡発生時の発電状態を説明する説明図 短絡部位の近傍でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化と、短絡発生時のセル電圧とを示す説明図 短絡部位から離れた場所でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化と、短絡発生時のセル電圧とを示す説明図 負荷変動を含むセル電圧Ｖｎの時系列変化を示す説明図 燃料電池スタック１０の短絡発生時の発電状態を説明する説明図 短絡部位の近傍でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化と、短絡発生時のセル電圧とを示す説明図 短絡部位から離れた場所でセル電圧Ｖｎを検出するケースでの、個々のセル電圧Ｖｎの時系列変化を示す説明図

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ セル
１２ 燃料電池構造体
１２ａ 固体高分子電解質膜
１２ｂ 燃料極
１２ｃ 酸化剤極
１３ 燃料極側セパレータ
１４ 酸化剤極側セパレータ
１５ 流路溝
１６ 流路溝
１７ 冷却流路
２０ 水素系
２０ａ 水素供給流路
２０ｂ 水素循環流路
２０ｃ 排出流路
２２ 水素調圧バルブ
２３ 水素循環ポンプ
２３ 水素循環装置
２４ パージバルブ
３０ 空気系
３０ａ 空気供給流路
３０ｂ 空気排出流路
３１ コンプレッサ
３２ 空気調圧バルブ
４０ 冷却系
４０ａ 冷媒流路
４１ ラジエータ
４１ 冷媒循環ポンプ
５０ 制御ユニット
５０ａ 処理部
５０ｂ 運転制御部
５１ 電圧検出部
６０ 出力取出装置

Claims (8)

1. 燃料電池システムにおいて、
   電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設されたセルを複数積層して構成される燃料電池と、
   単位セルのそれぞれを検出対象として、当該単位セルの電圧をセル電圧として検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池の運転を停止する処理手段とを有し、
   前記処理手段は、前記燃料電池の水詰まりを判定する判定電圧よりも前記セル電圧が低下した前記単位セルを短絡推定セルとして特定し、当該短絡推定セルに隣接する前記単位セルのセル電圧が平均セル電圧よりも大きい場合に、システムの運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
2. 電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設されたセルを複数積層して構成される燃料電池の短絡を検知する短絡検知システムにおいて、
   単位セルのそれぞれを検出対象として、当該単位セルの電圧をセル電圧として検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池における電気的な短絡の発生を判定する処理手段とを有し、
   前記処理手段は、前記燃料電池の水詰まりを判定する判定電圧よりも前記セル電圧が低下した前記単位セルを短絡推定セルとして特定し、当該短絡推定セルに隣接する前記単位セルのセル電圧が平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生を判定することを特徴とする短絡検知システム。
3. 電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設されたセルを複数積層して構成される燃料電池の短絡を検知する短絡検知システムにおいて、
   単位セルのそれぞれを検出対象として、当該単位セルの電圧をセル電圧として検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて、電気的な短絡の発生を判定する処理手段とを有し、
   前記処理手段は、前記燃料電池の水詰まりを判定する判定電圧よりも前記セル電圧が低下する短絡推定セルを特定し、当該短絡推定セルのセル電圧が低下した後に上昇し、かつ、当該短絡推定セルに隣接する前記単位セルのセル電圧が平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生を判定することを特徴とする短絡検知システム。
4. 前記処理手段は、前記短絡推定セルに関するセル電圧の上昇速度が、負荷変動から予測されるセル電圧の上昇速度よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生を判定する請求項３に記載された短絡検知システム。
5. 前記処理手段は、さらに、前記セル電圧が平均セル電圧よりも第１の判定値以上低下する単位セルを短絡推定セルとして特定し、当該短絡推定セルに隣接する前記単位セルのセル電圧が平均セル電圧よりも第２の判定値以上上昇している場合に、電気的な短絡の発生を判定しており、
   前記第１および第２の判定値は、前記燃料電池の湿潤時における短絡発生時のセル電圧変動に基づいて設定されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載された短絡検知システム。
6. 前記処理手段は、電気的な短絡の発生を判定した場合には、システムの運転を停止させることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載された短絡検知システム。
7. 前記単位セルは、互いに隣接する複数のセル同士を組み合わせたセル群、または、単一のセルで構成されることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載された短絡検知システム。
8. 電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とが対設されたセルを複数積層して構成される燃料電池の短絡を検知する短絡検知方法において、
   単位セルのそれぞれの電圧であるセル電圧に基づいて、前記燃料電池の水詰まりを判定する判定電圧よりも前記セル電圧が低下した前記単位セルを短絡推定セルとして特定する第１のステップと、
   前記第１のステップにおいて特定された短絡推定セルに隣接する前記単位セルのセル電圧が平均セル電圧よりも大きい場合に、電気的な短絡の発生を判定する第２のステップと
   を有することを特徴とする短絡検知方法。

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