JP2012059611A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の性能低下を引き起こすことなく燃料電池の発電を停止する。
【解決手段】燃料電池システムは、システム停止の指示を取得した後に酸素抑制発電制御を実行する酸素抑制発電制御部と、電圧検出部と、電解質膜における電気的な短絡をもたらし得る損傷の有無を判定する膜損傷判定部と、停止制御部を備える。停止制御部は、酸素抑制発電制御を行なう際に、電解質膜が損傷を有しないと判定された場合には、電圧が第１の基準電圧値まで低下したときに、燃料電池の発電を停止させ、電解質膜が損傷を有すると判定された場合には、予め定めたピンホール形成条件に該当する時点と、電圧が第１基準電圧値まで低下する時点の、いずれか早いときに、燃料電池の発電を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池の発電を停止する際には、一般に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスの燃料電池に対する供給を停止すると共に、燃料電池と負荷との接続を切断する
処理が行なわれる。このような燃料電池の発電停止の方法としては、発電停止に伴う燃料電池の性能低下を抑制するために、種々の方法が提案されている。例えば、燃料電池の発電停止の際に、燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給を停止した状態でアノードへの燃料ガスの供給を継続して、発電を行なわせることによりカソードの酸素を消費させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−０９３４４８号公報 特開２００７−１１５５３３号公報 特開２００６−０８６０３４号公報

燃料電池の発電停止の際に生じ得る不都合の一つとして、例えば、燃料電池と負荷との接続の切断時における、燃料電池の電圧上昇が挙げられる。燃料電池と負荷との接続が切断されて、燃料電池の電圧が、開回路電圧（ＯＣＶ）あるいはＯＣＶに近い値にまで上昇すると、電極が酸化されて、燃料電池の性能が低下する可能性がある。このような燃料電池と負荷との接続の切断時における望ましくない程度の電圧上昇は、燃料電池の発電停止時において、燃料電池へのガス供給を抑制しつつ発電を行なわせて、燃料電池の電極電位を充分に低下させることにより抑制可能となる。しかしながら、このように燃料電池の性能低下を抑制しようとして発電停止のための運転制御を行なう場合であっても、例えば燃料電池内におけるガス供給のばらつき等に起因して、燃料電池を構成するいずれかの単セルにおいて転極が生じて負電圧になる場合が考えられる。このようにいずれかの単セルが負電圧になると、燃料電池において、上記した燃料電池の電圧上昇に起因する性能低下とは異なる性能低下が引き起こされる可能性がある。このように、燃料電池の発電停止時には、燃料電池の性能低下の原因となり得る複数の状態が引き起こされる可能性があり、燃料電池の性能低下を引き起こすことなく燃料電池の発電を停止できるように、燃料電池の発電停止方法のさらなる適正化が望まれていた。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の性能低下を引き起こすことなく燃料電池の発電を停止することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。

［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの停止の指示を取得すると、前記燃料電池に対する酸素の供給量を抑制した状態で前記燃料電池を発電させる酸素抑制発電制御を実行する酸素抑制発電制御部と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記燃料電池が有する電解質膜における、電気的な短絡をもたらし得る損傷の有無を判定する膜損傷判定部と、
前記酸素抑制発電制御部が前記酸素抑制発電制御を行なう際に、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有しないと判定された場合には、前記電圧検出部が検出した前記電圧が、前記燃料電池の発電停止時の電圧の上限値として予め定めた第１の基準電圧値まで低下したときに、前記燃料電池の発電を停止させ、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有すると判定された場合には、電解質膜の前記損傷からピンホールが生じ得る条件として予め定めたピンホール形成条件に該当する時点と、前記電圧が前記第１基準電圧値まで低下する時点の、いずれか早いときに、前記燃料電池の発電を停止させる停止制御部と、
を備える燃料電池システム。

適用例１に記載の燃料電池システムによれば、システム停止時には酸素抑制発電制御を行ない、燃料電池の電圧が第１の基準値まで低下したときに発電を停止させるため、燃料電池の発電停止時において、燃料電池が望ましくない高電圧となることによる電極触媒の劣化を抑制できる。また、このとき、電解質膜が損傷を有する時には、燃料電池の電圧が第１の基準値まで低下していなくても、ピンホール形成条件に該当するときには発電を停止させるため、酸素抑制発電制御を行なうことに起因するピンホールの形成を抑制し、燃料電池の性能を維持することができる。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、前記電解質膜および電極を備える単セルを複数積層して成り、前記電圧検出部は、各々の前記単セルの電圧を検出し、前記停止制御部は、前記酸素抑制発電制御部が前記酸素抑制発電制御を行なう際に、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有しないと判定された場合には、前記電圧検出部が検出した各々の単セルの電圧の内の最も高い最高セル電圧が、前記燃料電池の発電停止時における前記単セルの電圧の上限値として予め定めた前記第１の基準電圧値まで低下したときに、前記燃料電池の発電を停止させ、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有すると判定された場合には、前記電解質膜の前記損傷からピンホールが生じ得る条件として予め定めたピンホール形成条件に該当する時点と、前記最高セル電圧が前記第１基準電圧値まで低下する時点の、いずれか早いときに、前記燃料電池の発電を停止させる燃料電池システム。適用例２に記載の燃料電池システムによれば、最高セル電圧が第１の基準電圧値まで低下したときに燃料電池の発電を停止させるため、全ての単セルにおいて望ましくない程度の電圧上昇を抑えることができ、電極触媒劣化を抑制する動作の信頼性を高めることができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記ピンホール形成条件は、前記電圧検出部が検出した各々の前記単セルの電圧の内の最も低い最低セル電圧が、前記第１の基準電圧値よりも低い第２の基準電圧値であって、前記電解質膜の前記損傷からピンホールが形成され得る基準電圧として定めた第２の基準電圧まで低下する条件である燃料電池システム。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、最低セル電圧を求めることにより、ピンホール形成条件に該当するか否かを簡便に判定することができる。

［適用例４］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記膜損傷判定部は、各々の前記単セル毎に、該単セルが備える前記電解質膜における前記損傷の有無を判定し、前記ピンホール形成条件は、前記膜損傷判定部が前記損傷を有していると判定した電解質膜を有する単セルの電圧が、前記第１の基準電圧値よりも低い第２の基準電圧値であって、前記電解質膜の前記損傷からピンホールが形成され得る基準電圧として定めた第２の基準電圧まで低下する条件である燃料電池システム。適用例４に記載の燃料電池システムによれば、ピンホールが形成されうる損傷を有する電解質膜を備えた単セルの電圧に基づいて、ピンホール形成条件に該当するか否かを判定するため、ピンホール形成条件に該当するか否かの判定を、適切に行なうことができる。

［適用例５］
適用例３または４記載の燃料電池システムであって、前記第２の基準電圧値は、０Ｖである燃料電池システム。適用例５に記載の燃料電池システムによれば、負電圧となることを避けることにより、ピンホールの形成を抑制する信頼性を高めることができる。

［適用例６］
適用例３または４記載の燃料電池システムであって、前記第２の基準電圧値は、前記損傷からピンホールを生じるために要する熱量を生じる時の電圧値に基づいて設定される値である燃料電池システム。適用例６に記載の燃料電池システムによれば、損傷からピンホールを生じるために要する熱量を生じる時の電圧値に基づいて第２の基準電圧値を設定するため、より長く酸素抑制発電制御を行なうことが可能になり、ピンホールの形成を抑制する信頼性の確保と、触媒劣化の抑制とを両立させる効果を高めることができる。

［適用例７］
適用例２ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、前記第１の基準電圧値は、前記酸素抑制発電制御による発電を行なっている前記燃料電池における前記最高セル電圧が前記第１の基準電圧に低下したものとして前記燃料電池の両端子を開回路状態にしたときの、前記最高セル電圧における開回路電圧が、０．６〜０．９Ｖとなる値として設定されている燃料電池システム。適用例７に記載の燃料電池システムによれば、最高セル電圧が第１の基準電圧値にまで低下したときに燃料電池の発電を停止することにより、いずれの単セルにおいても、０．６〜０．９Ｖを超える電圧になるのを抑制し、触媒劣化を抑制できる。

［適用例８］
適用例１ないし７いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、各々の前記単セルが備える前記電解質膜について、該電解質膜において損傷が形成される膜損傷部位の抵抗値である短絡抵抗値を取得する短絡抵抗値取得部を備え、前記膜損傷判定部は、いずれかの前記単セルが備える前記電解質膜における前記短絡抵抗値が、予め定めた基準抵抗値以下であるときに、前記電解質膜が電気的な短絡をもたらし得る損傷を有すると判定する燃料電池システム。適用例８に記載の燃料電池システムによれば、短絡抵抗値と抵抗基準値との比較により、短絡をもたらし得る損傷の有無を的確に判定することができる。

［適用例９］
適用例８記載の燃料電池システムであって、前記基準抵抗値は、前記単セルが転極して負電位となってもピンホールが発生しない値として定められている燃料電池システム。適用例９に記載の燃料電池システムによれば、このような基準抵抗値に基づいて膜損傷の有無の判定を行なうため、電解質膜の損傷が無いと判定した場合には、酸素抑制発電制御時に単セルが負電位になっても、ピンホールの形成を抑制することができる。

［適用例１０］
適用例８または９記載の燃料電池システムであって、前記短絡抵抗値取得部は、前記燃料電池システムの停止の指示を取得する度に、前記短絡抵抗値を取得し、前記膜損傷判定部は、前記短絡抵抗取得部が前記短絡抵抗値を取得する度に、前記停止制御部による前記燃料電池停止の制御に先だって、前記電解質膜における前記損傷の有無を判定する燃料電池システム。適用例１０に記載の燃料電池システムによれば、システム停止の度に短絡抵抗値を取得して膜損傷の有無を判定するため、膜損傷の有無に応じた制御を適切に選択することができる。

［適用例１１］
適用例１ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、前記停止制御部は、前記燃料電池に対するガス供給を停止すると共に、前記燃料電池を開回路状態にすることにより、前記燃料電池の発電を停止させる燃料電池システム。適用例１１に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の停止時に燃料電池を開回路処理しても、燃料電池が望ましくない程度に高電圧になることを抑制することができる。

［適用例１２］
適用例１ないし１１いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池システムに対して設けられた負荷に対して、前記燃料電池と共に、あるいは、前記燃料電池に代えて電力供給可能な２次電池を備え、前記停止制御部は、前記酸素抑制発電制御として、前記燃料電池に対する電圧指令値を、予め定めた許容電圧値に維持して、前記燃料電池によって前記２次電池を充電させる制御を行なう燃料電池システム。適用例１２に記載の燃料電池システムによれば、負荷要求が無くなった後のシステム停止時において、酸素抑制発電制御により発電された電力を２次電池に蓄えつつ、燃料電池が望ましくない程度に高電圧になることを抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの停止方法や、燃料電池における高電位抑制方法などの形態で実現することが可能である。

燃料電池システム２０の概略構成を表わすブロック図である。 単セル３５の構成を表わす断面図模式図である。 システム停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。 燃料電池３０の定常状態Ｉ−Ｖ特性を表わす説明図である。 短絡抵抗値取得処理ルーチンを表わすフローチャートである。 単セル３５のＩＶ特性測定結果の一例を示す説明図である。 セルＡのＶＲ特性の一例を示す説明図である。 セルＢの膜損傷部位の抵抗値の推定方法の理論を示す説明図である。 システム停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。 燃料電池システム１２０の概略構成を表わすブロック図である。 第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２の設定方法を表わすフローチャートである。

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム２０は、電気自動車１０に搭載されて、駆動用電源として用いられている。燃料電池システム２０は、燃料電池３０と、水素タンク４０と、水素遮断弁４１と、可変調圧弁４２と、水素循環ポンプ４３と、パージ弁４４と、エアコンプレッサ５１と、エアフロメータ５０と、第１空気遮断弁５２と、第２空気遮断弁５３と、電圧センサ６２と、制御部６０と、を備えている。また、燃料電池システム２０を搭載する電気自動車１０は、燃料電池システム２０の他に、インバータ７５と、駆動モータ７６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３と、２次電池７４と、を備える。

燃料電池３０は、固体高分子型燃料電池であり、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。図２は、燃料電池３０が備える単セル３５の構成を表わす断面図模式図である。単セル３５は、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）８９と、ガス拡散層８３，８４と、ガスセパレータ８５，８６と、を備えている。ここで、ＭＥＡ８９は、電解質膜８０と、電解質膜の各々の面に形成された電極であるアノード８１およびカソード８２と、によって構成される。このＭＥＡ８９は、ガス拡散層８３，８４によって挟持されており、ＭＥＡ８９およびガス拡散層８３，８４から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ８５，８６によって挟持されている。

ＭＥＡ８９を構成する電解質膜８０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード８２およびアノード８１は、電解質膜上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。ガス拡散層８３，８４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。

ガスセパレータ８５，８６は、ガス不透過な導電性部材、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等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。ガスセパレータ８５，８６は、ＭＥＡ８９のアノード８１との間に、水素を含有する燃料ガスの流路（セル内燃料ガス流路８７）を形成し、ＭＥＡ８９のカソード８２との間に、酸素を含有する酸化ガスの流路（セル内酸化ガス流路８８）を形成する。図２では、ガスセパレータ８５，８６の表面に、上記したセル内ガス流路を形成するための凹凸が形成されているが、ガスセパレータ８５，８６とガス拡散層８３，８４との間に、セル内ガス流路を形成するための多孔質体を配置しても良い。

燃料電池３０の内部には、さらに、セル間冷媒流路が形成されている（図示せず）。このような冷媒流路は、例えば、積層されたすべての単セル間、具体的には、異なる単セルを構成する隣接し合うガスセパレータ８５，８６間に形成することができる。あるいは、単セルを所定数積層する毎に、ガスセパレータ８５，８６間にセル間冷媒流路を形成しても良い。

さらに、燃料電池３０には、燃料電池３０を、その積層方向に貫通する複数の流路が形成されている。具体的には、各セル内燃料ガス流路８７へと燃料ガスを分配するための燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路８７から排出された排出燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドが形成されている。また、各セル内酸化ガス流路８８へと酸化ガスを分配するための酸化ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路８８から排出された排出酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドが形成されている。さらに、各セル間冷媒流路へと冷媒を分配するための冷媒供給マニホールドと、各セル間冷媒流路から排出された冷媒が集合する冷媒排出マニホールドが形成されている。

単セル３５を組み立てる際には、ガスセパレータ８５，８６間の所定の位置にシール部材（図示せず）を配置して、単セル３５内のガス流路やセル間冷媒流路、あるいは各マニホールドにおけるシール性を確保しつつ、ガスセパレータ８５，８６間を接合する。また、燃料電池３０は、単セル３５を複数積層して成る積層体の両端に、出力端子を備える集電板（ターミナル）、絶縁板（インシュレータ）、エンドプレートを順次配置することによって形成される。なお、燃料電池３０は、図示しない保持部材（例えば、双方のエンドプレートにボルトで結合されたテンションプレート）によって、単セル３５の積層方向に締結圧がかかった状態で保持される。なお、燃料電池３０には、燃料電池３０を構成する各単セル３５の電圧を検出するための電圧センサ６２が設けられている。

図１に戻り、水素タンク４０は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素供給流路４５を介して燃料電池３０の水素供給マニホールドに接続されている。水素供給流路４５上において、水素タンク４０から近い順に、水素遮断弁４１と、可変調圧弁４２とが設けられている。可変調圧弁４２は、水素タンク４０から燃料電池３０へ供給される水素圧（水素量）を調整可能な調圧弁である。なお、水素タンク４０は、高圧の水素ガスを貯蔵する水素ボンベとする他、水素吸蔵合金を備えて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を蓄えるタンクとすることもできる。

燃料電池３０の水素排出マニホールドには、水素排出流路４６が接続されている。この水素排出流路４６には、パージ弁４４が設けられている。また、水素供給流路４５と水素排出流路４６とを接続して、接続流路４７が設けられている。接続流路４７は、可変調圧弁４２よりも下流側で水素供給流路４５に接続し、パージ弁４４よりも上流側で水素排出流路４６に接続している。接続流路４７には、流路内を水素が循環する際の駆動力を発生する水素循環ポンプ４３が設けられている。

水素タンク４０から水素供給流路４５を介して供給される水素は、燃料電池３０で電気化学反応に供され、水素排出流路４６に排出される。水素排出流路４６に排出された水素は、接続流路４７を経由して、再び水素供給流路４５に導かれる。このように、燃料電池システム２０において水素は、水素排出流路４６の一部、接続流路４７、水素供給流路４５の一部、および、燃料電池３０内に形成される燃料ガスの流路（これらの流路を併せて、水素循環流路と呼ぶ）を循環する。なお、燃料電池３０の発電時には、通常はパージ弁４４は閉弁されているが、循環する水素中の不純物（窒素や水蒸気等）が増加したときにはパージ弁４４は適宜開弁され、これによって、不純物濃度が増加した水素ガスの一部がシステムの外部に排出される。また、電気化学反応の進行による水素の消費や、パージ弁４４の開弁によって、水素循環流路内の水素量が不足するときには、可変調圧弁４２を介して水素タンク４０から水素循環流路へと水素が補われる。

エアコンプレッサ５１は、フィルタを備えたエアフロメータ５０を介して外部から取り込んだ空気を圧縮し、酸化ガスとして燃料電池３０に供給するための装置であり、空気供給流路５４を介して、燃料電池３０の酸化ガス供給マニホールドに接続されている。また、燃料電池３０の酸化ガス排出マニホールドには、空気排出流路５５が接続されている。エアコンプレッサ５１から空気供給流路５４を介して供給される空気は、燃料電池３０で電気化学反応に供され、空気排出流路５５を介して燃料電池３０の外部に排出される。ここで、空気供給流路５４には、第１空気遮断弁５２が設けられており、空気排出流路５５には、第２空気遮断弁５３が設けられている。これらの空気遮断弁は、燃料電池３０の発電時には開弁されており、燃料電池３０の発電停止時には、後述するように閉弁される。

燃料電池３０が発電する際には、上記のように、燃料ガスとしての水素がアノードに供給され、酸化ガスとしての空気がカソードに供給されて、各単セル３５において電気化学反応が進行する。燃料電池３０により発電された電力は、配線７０を介してインバータ７５に供給され、交流電力に変換されて、車両駆動用の駆動モータ７６に供給される。また、燃料電池３０とインバータ７５とを接続する配線７０には、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３を介して２次電池７４が接続されている。２次電池７４は、燃料電池３０の発電電力に余剰がある場合は、燃料電池３０によって充電され、発電電力に不足がある場合は、インバータ７５へ放電を行う。また、２次電池７４は、電気自動車の制動時には、駆動モータ７６が発電機として働くことにより生じた電力を蓄電することもできる。また、２次電池７４は、燃料電池３０が発電を停止しているときには、制御部６０や、制御部６０に駆動されるアクチュエータに対して、動作に要する電力を供給する。燃料電池３０の発電量（発電状態）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３の電圧指令値によって制御される。

燃料電池３０と、インバータ７５およびＤＣ／ＤＣコンバータ７３とを接続する配線７０には、スイッチ７１および７２が設けられている。燃料電池システム２０の起動時および停止時には、このスイッチ７１，７２のオン−オフが制御されることによって、燃料電池３０とインバータ７５および２次電池７４との間の接続が入り切りされる。なお、図１では、燃料電池３０に接続される主たる負荷としてインバータ７５を介して駆動モータ７６が記載されているが、燃料電池３０には、さら他の負荷として、電気自動車の空気調整設備や、照明設備が接続されている。

制御部６０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部６０は、エアコンプレッサ５１、水素遮断弁４１、可変調圧弁４２、第１空気遮断弁５２、第２空気遮断弁５３、水素循環ポンプ４３、パージ弁４４等に対して駆動信号を出力する。また、電圧センサ６２等のセンサ類から、検出信号を取得する。ここで、図１では、制御部６０を、燃料電池システム２０の一部として記載しているが、制御部６０は、電気自動車１０全体の制御も行なっており、スイッチ７１、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３、インバータ７５に対しても、駆動信号を出力する。なお、電気自動車１０の各部を制御する制御部は、燃料電池システム２０が備える制御部６０とは別体で設けて、制御部６０との間で必要な情報のやり取りを行なうこととしても良い。

Ｂ．システム停止時の処理：
本実施例の燃料電池システム２０は、システム停止時に、高い電圧に曝されることによる電極触媒の劣化を抑制すると共に、電解質膜８０が有する損傷におけるピンホールの形成を抑制する制御を行なうことにより、システム停止動作に起因する電池性能の低下を抑制している。図３は、燃料電池システム２０の停止時に、制御部６０のＣＰＵにおいて実行されるシステム停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム２０に対して停止の指示が入力され、制御部６０が停止の指示を取得することにより起動される。システム停止の指示は、例えば、電気自動車１０に設けられたイグニションスイッチのオフ操作とすることができる。

本ルーチンが起動されると、制御部６０のＣＰＵは、燃料電池３０を構成する各単セル３５が備える電解質膜８０において損傷が形成される膜損傷部位の抵抗値である短絡抵抗値を取得する（ステップＳ１００）。そして、取得した短絡抵抗値に基づいて、各単セル３５が備える電解質膜８０における電気的な短絡をもたらし得る損傷の有無を判定する（ステップＳ１１０）。

ここで、電解質膜８０における損傷とは、電解質膜８０に形成された物理的な損傷であって、ガスを透過させない程度の微細な大きさの損傷のことであり、例えばガス拡散層の構成材料（例えばカーボンファイバー）が電解質膜８０を貫通することによって形成される。電解質膜８０においてこのような損傷が形成された膜損傷部位は、他の部位に比べて抵抗が小さいため、損傷を有する単セル３５が負電圧になった場合には、膜損傷部位にも電流が流れて短絡が生じ得る。単セル３５が負電圧になって、膜損傷部位に電流が流れると、流れた電流および電圧に応じた熱が発生する。このような発熱により温度が上昇し、電解質膜８０を構成する高分子電解質の溶融温度に達すると、電解質膜８０における膜損傷部位において、ガスが透過可能なピンホールが形成されることになる。本実施例のステップＳ１１０では、ステップＳ１００で取得した短絡抵抗値を、所定の基準値と比較して、短絡抵抗値が上記所定の基準値よりも大きいときには、電解質膜８０において短絡を生じ得る損傷が存在しないと判断している。したがって、ステップＳ１１０で用いる上記基準値は、セル電圧が負電圧になっても、電解質膜８０においてピンホール形成を引き起こす望ましくない電流が流れないと判断できる程度に、充分に大きな値が設定されている。ステップＳ１００において、制御部６０は、膜損傷判定部として機能する。なお、ステップＳ１００における短絡抵抗値取得の工程については、後に詳しく説明する。

ステップＳ１１０において、いずれの単セル３５が備える電解質膜８０も、電気的な短絡をもたらし得る損傷を有しないと判断されると、制御部６０のＣＰＵは、燃料電池３０の運転状態を、低エアストイキ運転へと変更すると共に、スイッチ７２を切断する（ステップＳ１２０）。ここで、低エアストイキ運転とは、燃料電池３０に供給する酸素量を抑制した状態で、燃料電池３０の発電を行なわせる運転状態（酸素抑制発電）をいう。特に、本実施例では、低エアストイキ運転として、燃料電池３０への酸化ガスの供給を停止する制御を行なっている。具体的には、ステップＳ１２０では、制御部６０のＣＰＵは、エアコンプレッサ５１を停止させると共に、第１空気遮断弁５２と第２空気遮断弁５３とを閉弁させる。また、スイッチ７２を切断することにより、燃料電池３０および２次電池７４と、駆動モータ７６との接続を切断する。ステップＳ１２０以降、燃料電池３０に対して低エアストイキ運転を行なわせる制御を行なう間、制御部６０は、酸素抑制発電制御部として機能する。

エアコンプレッサ５１を停止させると共に、第１空気遮断弁５２と第２空気遮断弁５３とを閉弁させることにより、燃料電池３０は、第１空気遮断弁５２および第２空気遮断弁５３によって両端部が閉塞された酸化ガスの流路内に残留する酸素のみを用いて、発電を継続することが可能になる。ステップＳ１２０の低エアストイキ運転時には、制御部６０のＣＰＵは、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３の電圧指令値を、燃料電池３０の電圧値として許容できる値として予め定めた停止時電圧Ｖ_Ｓに設定する。図４は、燃料電池３０の定常状態（負荷要求に応じた発電を行なっている状態）における電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を表わす説明図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ７３の電圧指令値を、燃料電池３０の電圧値として許容できる上限値として定めた停止時電圧Ｖ_Ｓとするならば、燃料電池３０の出力電圧が停止時電圧Ｖ_Ｓを超えない状態に維持できる。ＤＣ／ＤＣコンバータ７３の電圧指令値を停止時電圧Ｖ_Ｓにすると、低エアストイキ運転開始時には、燃料電池３０内の酸化ガス流路内の酸素量が充分であるため、燃料電池３０の出力電流値は、停止時電圧Ｖ_Ｓに対応する電流Ｉ_１となる。停止時電圧Ｖ_Ｓを低く設定するほど、燃料電池３０内の各単セル３５が備える電極が曝される電位を低くすることができるが、停止時電圧Ｖ_Ｓを低く設定するほど、低エアストイキ運転開始時の出力電流値が大きくなってしまう。そのため停止時電圧Ｖ_Ｓは、例えば、０．８〜０．９５Ｖとすることが望ましい。スイッチ７２を切断して低エアストイキ運転を開始してから燃料電池３０が発電する電力は、２次電池７４に充電される。

なお、低エアストイキ運転時には、燃料電池３０に対する酸化ガスの供給は停止されているため、流路内に残留する酸素が消費されるに従い、酸素が不足する状態になる。一般に燃料電池は、供給される酸素量が少なくなるほどＩ−Ｖ特性が低下する。そのため、低エアストイキ運転を開始すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ７３の電圧指令値を停止時電圧Ｖ_Ｓにしていても、燃料電池３０の電圧（および燃料電池３０を構成する各単セル３５の電圧）は次第に低下する。

ステップＳ１２０で低エアストイキ運転を開始すると、制御部６０のＣＰＵは、電圧センサ６２から各単セル３５の電圧を取得し（ステップＳ１３０）、各単セル３５の電圧の内の最高セル電圧が、予め定めた第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回ったか否かを判断する（ステップＳ１４０）。そして、最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回るまで、ステップＳ１３０およびＳ１４０の動作を繰り返す。

ステップＳ１４０で用いる第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１の値は、低エアストイキ運転を停止して燃料電池３０を開回路状態にしたときの単セル３５の電圧に基づいて定められている。燃料電池３０の発電を停止して、燃料電池３０と負荷（ここでは２次電池７４）との接続を切断する開回路処理を行なうと、燃料電池３０の電圧は発電時（開回路処理前）に比べて上昇する。このような開回路処理直後の端子間電圧（および各単セル３５の電圧）は、低エアストイキ運転によって酸素が消費されることによって残留する酸素量が減少し、開回路処理直前の電圧値が低くなるほど低下する。すなわち、低エアストイキ運転によって燃料電池３０の出力電圧が低下し、燃料電池３０のＩ−Ｖ特性が低下するほど、開回路処理時の電圧は低下する。そのため、第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１は、電圧指令値をＶ_Ｓとして低エアストイキ運転を行なっている燃料電池３０を開回路処理したときに、開回路処理直後の単セルの電圧が、電極劣化の観点から単セルの電圧値として許容できる電圧（例えば０．６〜０．９Ｖ）になる値として設定されている。

ステップＳ１４０において最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回ったと判断すると、制御部６０のＣＰＵは、低エアストイキ運転を停止して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。低エアストイキ運転を停止する際には、水素遮断弁４１とパージ弁４４を閉弁状態にすると共に、水素循環ポンプ４３を停止させる。そして、スイッチ７１を切断することによって、燃料電池３０は、開回路状態になる。上記のように、最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１に低下してから開回路処理を行なうことにより、燃料電池の開回路処理の直後に、全ての単セルで、電極触媒の劣化を引き起こす望ましくない程度の電圧上昇を抑えることができる。

ステップＳ１１０において、いずれかの単セル３５が備える電解質膜８０が損傷を有すると判断されると、制御部６０のＣＰＵは、燃料電池３０の運転状態を、低エアストイキ運転へと変更すると共に、スイッチ７２を切断する（ステップＳ１６０）。このステップＳ１６０の処理は、既述したステップＳ１２０と同様の処理である。そして、低エアストイキ運転を開始すると、制御部６０のＣＰＵは、ステップＳ１３０と同様に、電圧センサ６２から、各単セル３５の電圧を取得する（ステップＳ１７０）。

各単セル３５の電圧を取得すると、制御部６０のＣＰＵは、ステップＳ１４０と同様に最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回ったか否かを判断すると共に、最低セル電圧が第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を下回ったか否かを判断する（ステップＳ１８０）。第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２とは、電解質膜８０が有する損傷からピンホールが形成される可能性を判断するための値である。本実施例では、第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を、０Ｖに設定している。既述したように、電解質膜８０の損傷からのピンホールの形成は、セル電圧が負電圧になる場合に起こり得るため、最低セル電圧が０Ｖを下回るか否かによって、電解質膜８０が有する損傷からのピンホール形成の可能性を判断することができる。

高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回るか、最低セル電圧が第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を下回るかの、いずれかの条件に該当するまで、制御部６０のＣＰＵは、ステップＳ１７０およびＳ１８０の処理を繰り返す。ステップＳ１８０において、高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回った時点、あるいは、最低セル電圧が第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を下回った時点の、いずれか早いときに、制御部６０のＣＰＵは、低エアストイキ運転を停止すると共に、スイッチ７１を切断して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。

なお、低エアストイキ運転時には、酸化ガス流量が不足して、各単セル３５における酸化ガスの分配量が不均一になることにより、一部の単セル３５において、転極が生じる、すなわち、電圧が負電圧となる場合がある。このように転極して負電圧になると、負電圧になった単セル３５の電解質膜８０が損傷を有する場合には、既述したように膜損傷部位に電流が流れるようになって、局所的に過剰な発熱が生じ、膜損傷部位にピンホールが生じる場合がある。本実施例では、電解質膜８０が損傷を有すると判断されると、最低セル電圧が０Ｖを下回るときには低エアストイキ運転を停止して発電を停止することにより、転極に起因する膜損傷箇所からのピンホール形成を抑制している。

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム２０によれば、システム停止時に燃料電池３０の発電を停止する際に、一旦低エアストイキ運転を行ない、最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回ったときに燃料電池３０の開回路処理を行なうため、燃料電池３０の電圧が望ましくない高電圧（例えば、負荷に対する通常の発電を停止した状態における開回路電圧）となることを抑制できる。そのため、望ましくない程度に高電位になることに起因する電極触媒の劣化（特に、カソード触媒の劣化）を抑制することができる。また、このような制御を行なう際に、電解質膜８０が損傷を有する場合であって、最低セル電圧が０Ｖを下回るときには、最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回っていなくても、低エアストイキ運転を停止する。そのため、低エアストイキ運転を行なうことに起因して燃料電池３０で転極する単セル３５が生じる場合であっても、負電圧になることに起因するピンホール形成を抑え、ピンホール形成に起因する電池性能の低下を抑制することができる。

ここで、高電位に曝されることに起因する電極の劣化は、徐々に進行するものである。そのため、燃料電池３０における望ましくない程度の電圧上昇は、燃料電池３０の耐久性向上のためには抑制すべきであるが、多少の高電位に曝されたからといって、燃料電池３０の発電に直ちに支障が生じるわけではない。これに対して、電解質膜８０にピンホールが発生すると、次回以降の燃料電池３０の発電時に、ピンホールを介して燃料ガスと酸化ガスのクロスリークが起こり、電池性能の低下が引き起こされる可能性がある。そのため、本実施例では、電解質膜８０が損傷を有しない場合には、開回路処理時の電圧を低下させるための制御のみを行なって高電位に曝されることを抑制し、電解質膜８０が損傷を有する場合には、開回路処理時の電圧を低下させるための制御に加えて、損傷からのピンホールの発生を抑制するための制御を行なっている。このように、本実施例では、高電位になることを抑制して燃料電池３０の耐久性の向上を図りつつ、直ちに燃料電池の性能低下を引き起こすピンホール形成の可能性がある場合には、ピンホール形成の抑制を優先することによって、全体として、燃料電池３０の性能確保を図っている。

また、本実施例では、電解質膜８０が損傷を有しないと判断される時には、最低セル電圧に基づくピンホール形成に係る判断を行なっていない。このように、たとえ転極が起こってもピンホールが形成されないと考えられる時には、判断に係る処理工程を削減することにより、制御時における処理負担を軽減することができる。また、本実施例では、燃料電池システム２０の停止時において、毎回、短絡抵抗値を取得して膜損傷の有無を判定している。そのため、膜損傷の有無の判定精度を確保して、システム停止時に適切な処理を行なうことができる。

Ｃ．短絡抵抗値について：
制御部６０のＣＰＵがステップＳ１００で実行する短絡抵抗値の取得について、以下に説明する。本実施例では、短絡部位抵抗値を、単セル３５の特性に基づいて推定している。図５は、図３のステップＳ１００において実行される短絡抵抗値取得処理ルーチンを表わすフローチャートである。

本ルーチンが起動されると、制御部６０のＣＰＵは、スイッチ７１を一瞬だけ切断して、電圧センサ６２から、各単セル３５の開回路電圧（ＯＣＶ）を取得する（ステップＳ２００）。本実施例では、既述したように、システム停止の指示が入力されたときに、直ちに開回路処理を行なうことにより燃料電池の電極が高い電位に曝されることを抑制するために、図３のシステム停止時処理ルーチンを実行している。ステップＳ２００においては、スイッチ７１を切断して燃料電池の電圧を高電圧にしているが、スイッチ７１を切断する時間を極めて短く設定することによって、電極電位が上昇することによる影響を、許容範囲に抑えている。

各単セル３５のＯＣＶを検出すると、制御部６０のＣＰＵは、ＯＣＶが初期値から低下した単セル３５が存在するか否かを判定する（ステップＳ２１０）。制御部６０は、各単セル３５のＯＣＶの初期値を記憶しており、ステップＳ２１０では、記憶した初期値と、ステップＳ２００で検出した値とを比較することにより判定を行なう。

ここで、単セル３５の電解質膜８０においては、膜損傷が発生する他に、アノード８１からカソード８２へ水素ガスが漏洩するクロスリークが発生する場合がある。一般に、ＯＣＶの低下は、損傷が発生することによる膜損傷部位における抵抗値の低下と、クロスリークとにより引き起こされる。従って、ステップＳ２１０においてＯＣＶが初期値から低下した単セル３５が存在しないと判定された場合には、制御部６０のＣＰＵは本ルーチンを終了し、その後のステップＳ１１０においては、いずれの単セル３５が備える電解質膜８０においても、電気的な短絡をもたらし得る損傷が生じていないと判断される。

ステップＳ２１０において、ＯＣＶが初期値から低下した単セル３５が存在すると判定された場合には、制御部６０のＣＰＵは、ＯＣＶが低下した単セル３５（以下、セルＢとも呼ぶ）とＯＣＶが初期値から変化していない単セル３５（以下、セルＡとも呼ぶ）とのＩＶ特性を比較して、クロスリークによる電圧低下量を推定する（ステップＳ２２０）。本実施例では、燃料電池システム２０の運転中において、各負荷における電流値と電圧値とを測定することによって、各単セル３５におけるＩＶ特性が求められている。

図６は、単セル３５のＩＶ特性測定結果の一例を示す説明図である。図６には、ＯＣＶが変化していないセルＡのＩＶ特性とＯＣＶが低下したセルＢのＩＶ特性との測定結果を示している。制御部６０のＣＰＵは、両者のＩＶ特性における所定の高負荷時の電圧差をクロスリークによる電圧低下量であると推定する。高負荷時においては、膜損傷部位の抵抗値の低下を原因とする電圧低下量はクロスリークを原因とする電圧低下量と比べて無視できる程度に小さく、また、クロスリークの量は電流と無関係に一定であるため、このような推定が成り立つ。所定の高負荷時は、例えば電流密度が０．５Ａ／ｃｍ^２以上の時であることが好ましい。図６の例では、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ^２の時のセルＡとセルＢとの電圧差を、クロスリークによる電圧低下量と推定している。このようにすれば、セル電圧の低下量を、クロスリークを原因とする電圧低下量と膜損傷部位の抵抗値の低下を原因とする電圧低下量とに分けることができる。

次に、制御部６０のＣＰＵは、クロスリークによる電圧低下量に基づき補正されたセルＢのＯＣＶを算出する（ステップＳ２３０）。図６には、クロスリークによる電圧低下量に基づき補正されたセルＢのＩＶ特性（クロスリークによる電圧低下量が無いと仮定した場合のセルＢのＩＶ特性）も示している。補正後のセルＢのＯＣＶ（以下、「補正後開回路電圧Ｖｃ」と呼ぶ）は、補正前のセルＢのＯＣＶをクロスリークによる電圧低下量分だけ上昇させた値である。ここで、算出された補正後のセルＢのＯＣＶがセルＡのＯＣＶと同一である場合には、ＯＣＶの低下がクロスリークのみにより引き起こされたと考えられる。そのため、制御部６０のＣＰＵは、ステップＳ２３０に引き続き、補正後のセルＢのＯＣＶがセルＡのＯＣＶと同一であるか否かを判断し（ステップＳ２４０）、同一である場合には本ルーチンを終了する。この場合には、その後のステップＳ１１０においては、いずれの単セル３５が備える電解質膜８０も損傷を有しないと判断される。

ステップＳ２４０において、補正後のセルＢのＯＣＶがセルＡのＯＣＶと同一ではないと判断すると、制御部６０のＣＰＵは、セルＡのＩＶ特性からＶＲ特性（セル電圧と抵抗との関係）を導出する（ステップＳ２５０）。図７には、算出されたセルＡのＶＲ特性の一例を示している。セルＡのＶＲ特性を導出すると、制御部６０のＣＰＵは、セルＢの補正後開回路電圧ＶｃとセルＡのＶＲ特性とに基づき、セルＢの膜損傷部位の抵抗値を導出して（ステップＳ２６０）、本ルーチンを終了する。具体的には、制御部６０のＣＰＵは、セルＢの膜損傷部位の抵抗値は、セルＡのＶＲ特性（図７）におけるセルＢの補正後開回路電圧Ｖｃに対応する抵抗値Ｒｓに等しいと推定する。

図８は、セルＢの膜損傷部位の抵抗値の推定方法の理論を示す説明図である。セルＡのＩＶ特性（図６参照）の測定は、図８（ａ）に示すように、負荷の抵抗を変化させつつ電圧値と電流値とを測定したものであると捉えることができる。セルＡのＶＲ特性は、単にセルＡのＩＶ特性をＶ＝Ｉ・Ｒの関係に基づき変形したものであるため、やはり図８（ａ）に示す測定に基づいたものである。一方、セルＢの補正後開回路電圧Ｖｃは、図８（ｂ）に示すように、無負荷時において膜損傷部位にかかる電圧である。ここで、図８（ａ）に示す回路と図８（ｂ）に示す回路とは同一である。従って、セルＢの膜損傷部位の抵抗値は、セルＡのＶＲ特性におけるセルＢの補正後開回路電圧Ｖｃに対応する抵抗値に等しいと推定することができる。

なお、図５のステップＳ２１０において、ＯＣＶが低下した単セル３５が複数存在すると判定された場合には、単セル３５毎にステップＳ２２０からＳ２６０までの処理が行われ、各単セル３５の膜損傷部位の抵抗値が推定される。

上記実施例では、短絡抵抗取得処理ルーチンにおいて、ＯＣＶが初期値から変化していないセルＡのＩＶ特性やＯＣＶを用いているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池３０の製造時（出荷時）における単セル３５のＩＶ特性やＶＲ特性を予め制御部６０内に記憶しておき、図５の処理において、記憶しておいた初期特性を、実施例におけるセルＡの特性に代えて用いることとしても良い。なお、初期特性は、単セル３５毎に記憶しておくこととしてもよいが、燃料電池３０における各単セル３５の構成や仕様は互いに同一であるため、１つの代表の単セル３５の特性のみを記憶しておくこととしてもよい。このような構成とすれば、ＯＣＶが初期値から変化していない単セル３５が存在しない場合にも、記憶した初期特性を用いてセルＢの膜損傷部位の抵抗値を推定することができ、システムの複雑化や制御の煩雑化を抑制しつつ、燃料電池３０の電解質膜におけるピンホールの発生を有効に抑制することができる。

あるいは、単セル３５の初期特性を予め記憶しておくと共に、ステップＳ２１０においてＯＣＶが初期値よりも低下した単セル３５が存在すると判断した後には、さらに、ステップＳ２２０に先だって、ＯＣＶが初期値と変わらない単セル３５が存在するか否かを判断しても良い。この場合には、ＯＣＶが初期値と変わらないセルＡが存在する場合には、セルＡについて求めた特性に基づいて、ステップＳ２２０以降の処理を行なえばよい。そして、ＯＣＶが初期値と変わらないセルＡが存在しない場合には、セルＡのＩＶ特性およびＶＲ特性に代えて、記憶しておいた初期特性を用いて、ステップＳ２２０以降の処理を行なえばよい。

このような構成とすれば、ＯＣＶが初期値よりも低下した単セル３５が存在しない場合にも対応可能であると共に、短絡抵抗値の取得の精度を高めることができる。ここで、燃料電池システム２０において発電を行うと、各単セル３５における膜損傷やクロスリークの発生によってＩＶ特性が変化する他に、他の原因（例えば触媒劣化）による性能低下によってもＩＶ特性が変化する場合がある。この性能低下によるＩＶ特性の変化は、燃料電池３０の各単セル３５においてほぼ共通であると考えられる。そのため、図５に示したようにＯＣＶが初期値から変化していないセルＡとＯＣＶが低下したセルＢとを比較することにより膜損傷部位の抵抗値を推定する方法を採用する方が、性能低下によるＩＶ特性の変化に伴う誤差が生じにくいという点で、既述した初期特性とＯＣＶが低下したセルＢとを比較することにより膜損傷部位の抵抗値を推定するよりも推定の精度が高いと考えられる。

Ｄ．第２実施例：
第１実施例では、ステップＳ１８０において、最低セル電圧と第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２（０Ｖ）とを比較して、ピンホール形成の可能性について判断しているが、異なる構成としても良い。図９は、第２実施例の燃料電池システム２０の制御部６０のＣＰＵにおいて、図３のシステム停止時処理ルーチンに代えて実行されるシステム停止時処理ルーチンを表わすフローチャートである。第２実施例の燃料電池システム２０は、第１実施例の燃料電池システム２０と同様の構成であるため、詳しい説明は省略する。図９のシステム停止時処理ルーチンでは、ステップＳ１８０に代えてステップＳ３８０の工程を行なう以外は図３と同様の処理を行なう。第２実施例では、ステップＳ１１０で膜損傷有りと判定されたときには、最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を下回ったか否かを判断すると共に、膜損傷有りと判定された単セルの電圧が、第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を下回ったか否かを判断する。負電圧になったときにピンホール形成の可能性があるのは、膜損傷有りと判定された単セルである。したがって、このような構成とすれば、ピンホール形成の可能性が無い膜損傷のないセルの電圧が負電圧となっても、低エアストイキ運転を継続することができる。そのため、開回路処理時の電圧をより低くして、ピンホールを形成することなく、燃料電池３０の耐久性を向上させることができる。

Ｅ．第３実施例：
図１０は、第３実施例の燃料電池システム１２０を搭載する電気自動車１１０の概略構成を表わすブロック図である。第３実施例の燃料電池システム１２０は、第１空気遮断弁５２と、第２空気遮断弁５３とを有しないこと以外は、第１および第２実施例の燃料電池システム２０と同様の構成を有している。第３実施例の燃料電池システム２０では、システム停止の指示が入力されると、図３と同様のシステム停止時処理ルーチンが実行される。このとき、第３実施例では、第１空気遮断弁５２および第２空気遮断弁５３を有しないため、ステップＳ１２０あるいはＳ１６０で低エアストイキ運転を開始するときに、これらの弁の閉弁は行なわれない。このような構成としても、第１および第２実施例と同様の効果を得ることができる。また、第１空気遮断弁５２および第２空気遮断弁５３を設けないことにより、部品点数を削減し、システム構成を簡略化することができる。

Ｆ．第４実施例：
第１実施例では、ステップＳ１８０において最低セル電圧と比較して、ピンホール形成の可能性について判断するための第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を、０Ｖに設定しているが、異なる構成としても良い。以下に、第４実施例として、電解質膜にピンホールが形成される発熱量に基づいて第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を設定する構成を説明する。

図１１は、第４実施例における第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２の設定方法を表わすフローチャートである。第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を設定する際には、まず、電解質膜８０の分解温度Ｔｄを導出する（ステップＳ４００）。電解質膜８０の分解温度Ｔｄは、例えば、電解質膜を加熱しつつ電解質膜の重量を測定し、高分子電解質の分解により電解質膜重量が減少する温度を求めることにより導出することができる。具体的には、例えば、加熱する電解質膜の温度をサーモグラフィーにより計測すると共に、重量を測定して重量減少量微分値を求め、重量減少量微分値が上昇し始める温度として、分解温度Ｔｄを求めることができる。電解質膜８０の分解温度Ｔｄは、例えば３００℃に設定される。

次に、分解温度Ｔｄを用いて、電解質膜８０が分解温度Ｔｄまで温度上昇して、ピンホールを生じるために要する熱量（必要熱量Ｑ）を求める（ステップＳ４１０）。既述したように、単セル３５に膜損傷部位が存在している状態で負電圧での発電を継続すると、膜損傷部位の抵抗が比較的小さいことにより、膜損傷部位にも電流が流れて膜損傷部位の温度が上昇する。そして、膜損傷部位の温度が電解質膜８０の分解温度Ｔｄ以上になると、膜損傷部位周辺の電解質膜が分解消失して、電解質膜８０にピンホールが発生する。したがって、ステップＳ４１０で求める必要熱量Ｑは、膜損傷部位に電流が流れて生じる熱によって電解質膜８０の膜損傷部位が溶融してピンホールを形成するために、膜損傷部位で発生すべき熱量である。電解質膜８０の膜損傷部位に電流が流れて生じる熱は、電解質膜８０と共に、電極と、ガス拡散層と、電解質膜中に含まれる水を加熱する。そのため、必要熱量Ｑは、電解質膜８０を含むこれらの被加熱部の、比熱と、生じるピンホールの大きさ（例えば１０００μｍ）に応じた重量（各々の被加熱部の全体の重量や体積や厚みに基づいて求められる）と、分解温度Ｔｄまでの上昇温度に基づいて算出することができる。

必要熱量Ｑが算出されると、転極が生じた単セルの電解質膜における膜損傷部位に電流が流れることによって必要熱量Ｑが生じるときのセル電圧である原閾値Ｖ１ｏを算出する（ステップＳ４２０）。セル電圧Ｖ１ｏを算出する際には、まず、図１２（ａ）に示すように単セル３５のＭＥＡ８９を可変抵抗とみなし、下記の式（１）を用いて原閾値Ｖ１ｏを算出する。式（１）において、Ｒは測定された膜損傷部位の抵抗（短絡抵抗値）であり、Ｑは上述した必要熱量Ｑである。原閾値Ｖ１ｏは、単セル３５の膜損傷部位の温度が電解質膜８０の分解温度Ｔｄと等しくなる際の単セル３５の電圧である。従って、単セル３５の電圧が原閾値Ｖ１ｏより大きくなるように燃料電池３０の制御を行えば、単セル３５の膜損傷部位の温度は電解質膜８０の分解温度Ｔｄより小さくなる。

Ｖ１ｏ＝−（Ｒ×Ｑ）^０．５ ・・・（１）

原閾値Ｖ１ｏを算出すると、この原閾値Ｖ１ｏに安全係数を加算することで（ステップＳ４３０）、第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を設定することができる。なお、ステップＳ４１０で求められる必要熱量Ｑは、予め算出されて制御部６０に記憶されている。また、ステップＳ４２０、Ｓ４３０は、図３のシステム停止時処理ルーチンが実行されて、ステップＳ１１０で膜損傷が生じた単セルが存在すると判断されたときに、膜損傷が生じた単セルについてステップＳ１００で取得された短絡抵抗値を用いて、実行される。原閾値Ｖ１ｏよりも充分に大きな値として定めた第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２よりも、最低セル電圧が小さくなる時点で、低エアストイキ運転を停止する制御を行なうことにより、電解質膜８０におけるピンホールの発生を防止することができる。

本実施例によれば、電解質膜におけるピンホール形成温度に基づいて第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２を設定しているため、ピンホール形成を抑制しつつ、第１実施例に比べてより長く低エアストイキ運転を継続することができる。したがって、ピンホール形成抑制の信頼性を確保しつつ、開回路処理時の電圧をより低くすることができ、電極触媒の劣化抑制の効果をさらに高めることができる。

なお、このように電解質膜におけるピンホール形成温度に基づいて算出した第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２は、図３のステップＳ１８０に代えて、図９のステップＳ３８０において用いても良い。すなわち、最低セル電圧ではなく、膜損傷を有する単セルのセル電圧と、第２の基準電圧値Ｖ_Ｘ２とを比較して、ピンホール形成の可能性を判定しても良い。システム停止時処理ルーチンにおける処理負担などを考慮して、最低セル電圧を用いるか、膜損傷を有する単セルのセル電圧を用いるかを定めればよい。

Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｇ１．変形例１：
第１ないし第４実施例では、低エアストイキ運転は、酸化ガスの供給を停止して行なったが、異なる構成としても良い。例えば、低エアストイキ運転時において通常の発電時に比べて少ない流量の酸化ガスの供給をしばらく行なっても良く、通常の発電時に比べて酸化ガスの供給量（カソードに供給する酸素量）が抑制されていればよい。酸化ガスの供給を停止する場合に比べて、抑制した量の酸化ガスの供給を継続する場合には、燃料電池の電圧低下の速度を緩やかにすることができる。実施例のような電圧に基づく停止の制御を行なう際に、急激に電圧が低下する場合には、電圧低下の検出や判断の動作のスピードに対して電圧低下のスピードが速くなり、電圧値に基づく制御を精度良く行なうことが困難になる場合がある。そのため、酸素の供給をある程度継続して、電圧低下の速度を緩やかにすることにより、電圧値に基づく制御の動作の精度を向上させることができる。

Ｇ２．変形例２：
第１ないし第４実施例では、低エアストイキ運転を停止する際に、最高セル電圧が第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１まで低下したか否かを判断しているが、異なる構成としても良い。例えば、全ての単セルの電圧の平均値と基準値とを比較しても良い。あるいは、セル電圧が基準値にまで低下する単セルの割合が所定値に達したときに、低エアストイキ運転を停止しても良い。実施例のように、最高セル電圧を用いる場合には、全ての単セルの電圧を所望の電圧以下にすることができるため、高電位を抑制する信頼性を高めることができるが、異なる構成としても、開回路処理時の電圧を充分に低くできるように基準値を設定すれば、実施例と同様の効果が得られる。

Ｇ３．変形例３：
第１ないし第４実施例では、ステップＳ１００における短絡抵抗値の取得を、スイッチ７１を一瞬だけ切断して、各単セル３５の開回路電圧（ＯＣＶ）を取得することにより行なったが、異なる構成としても良い。燃料電池システム２０を停止する度に各単セルの短絡抵抗値を取得可能であって、短絡抵抗値の取得の際に、望ましくない程度に各単セルの電圧を上昇させることがなければ、他の方法により短絡抵抗値を求めても良い。また、第１ないし第４実施例では、膜損傷が生じた単セルの有無に係る判定を、各単セルの短絡抵抗値の導出と、導出した短絡抵抗値と基準値との比較により行なったが、異なる構成としても良い。単セルが負電圧となってもピンホールが形成されない程度に膜損傷が存在しない状態であることを判定できれば、異なる方法を用いても良い。

Ｇ４．変形例４：
第１ないし第４実施例では、電極を、触媒担持カーボン粒子と高分子電解質によって構成しているため、カソードが高電位になると、カーボン粒子が酸化することによりカソードが形態変化しているが、異なる構成としても良い。カソードは、例えば、触媒を担持する担体として、カーボン製の担体に代えてチタン酸化物製の担体を用いて形成しても良い。あるいは、担体を用いることなく、白金等の触媒金属のみによってカソードを形成しても良い。カソードの構成材料によって、カソードの酸化が起こる電位の大きさが異なるため、用いるカソードの種類に応じて、第１の基準電圧値Ｖ_Ｘ１を適宜設定すればよい。このような場合であっても、酸化に起因するカソードの形態変化を抑制することにより、実施例と同様の効果を得ることができる。

Ｇ５．変形例５：
第１ないし第４実施例において、低エアストイキ運転を行なう際には、低エアストイキ運転により燃料電池３０が発電した電力は、２次電池７４の充電に用いることとしている。しかしながら、２次電池７４の残存容量ＳＯＣが所定の基準値以上であって、それ以上充電を行なうと過充電となる可能性がある場合には、低エアストイキ運転を行なわないこととしても良い。また、低エアストイキ運転によって発電された電力を、駆動モータ７６以外の車両補機などの負荷に対して供給することとしても良い。あるいは、燃料電池システム２０に対して、低エアストイキ運転時に発電した電力を消費するための負荷を、別途用意しても良い。

Ｇ６．変形例６：
第１ないし第４実施例では、燃料電池システム２０を電気自動車の駆動用電源としたが、異なる構成としても良い。他種の移動体の駆動用電源としても良く、あるいは、本発明の燃料電池システムを、定置型の電源に適用しても良い。起動と停止を繰り返す燃料電池システムにおいて本発明を適用することにより、停止の動作に起因する燃料電池の性能低下を抑制する同様の効果が得られる。また、燃料電池システムが備える燃料電池は、フッ素系以外の高分子電解質膜を備えることとしても良く、固体高分子形燃料電池であれば、本願を適用することにより転極時のピンホール形成を抑制できるため、同様の効果を得ることができる。

１０，１１０…電気自動車
２０，１２０…燃料電池システム
３０…燃料電池
３５…単セル
４０…水素タンク
４１…水素遮断弁
４２…可変調圧弁
４３…水素循環ポンプ
４４…パージ弁
４５…水素供給流路
４６…水素排出流路
４７…接続流路
５０…エアフロメータ
５１…エアコンプレッサ
５２…第１空気遮断弁
５３…第２空気遮断弁
５４…空気供給流路
５５…空気排出流路
６０…制御部
６２…電圧センサ
７０…配線
７１，７２…スイッチ
７３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
７５…インバータ
７６…駆動モータ
８０…電解質膜
８１…アノード
８２…カソード
８３，８４…ガス拡散層
８５，８６…ガスセパレータ
８７…セル内燃料ガス流路
８８…セル内酸化ガス流路
８９…ＭＥＡ

Claims (12)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの停止の指示を取得すると、前記燃料電池に対する酸素の供給量を抑制した状態で前記燃料電池を発電させる酸素抑制発電制御を実行する酸素抑制発電制御部と、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記燃料電池が有する電解質膜における、電気的な短絡をもたらし得る損傷の有無を判定する膜損傷判定部と、
   前記酸素抑制発電制御部が前記酸素抑制発電制御を行なう際に、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有しないと判定された場合には、前記電圧検出部が検出した前記電圧が、前記燃料電池の発電停止時の電圧の上限値として予め定めた第１の基準電圧値まで低下したときに、前記燃料電池の発電を停止させ、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有すると判定された場合には、電解質膜の前記損傷からピンホールが生じ得る条件として予め定めたピンホール形成条件に該当する時点と、前記電圧が前記第１基準電圧値まで低下する時点の、いずれか早いときに、前記燃料電池の発電を停止させる停止制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記電解質膜および電極を備える単セルを複数積層して成り、
   前記電圧検出部は、各々の前記単セルの電圧を検出し、
   前記停止制御部は、前記酸素抑制発電制御部が前記酸素抑制発電制御を行なう際に、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有しないと判定された場合には、前記電圧検出部が検出した各々の単セルの電圧の内の最も高い最高セル電圧が、前記燃料電池の発電停止時における前記単セルの電圧の上限値として予め定めた前記第１の基準電圧値まで低下したときに、前記燃料電池の発電を停止させ、前記膜損傷判定部によって前記電解質膜が前記損傷を有すると判定された場合には、前記電解質膜の前記損傷からピンホールが生じ得る条件として予め定めたピンホール形成条件に該当する時点と、前記最高セル電圧が前記第１基準電圧値まで低下する時点の、いずれか早いときに、前記燃料電池の発電を停止させる
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記ピンホール形成条件は、前記電圧検出部が検出した各々の前記単セルの電圧の内の最も低い最低セル電圧が、前記第１の基準電圧値よりも低い第２の基準電圧値であって、前記電解質膜の前記損傷からピンホールが形成され得る基準電圧として定めた第２の基準電圧まで低下する条件である
   燃料電池システム。
4. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記膜損傷判定部は、各々の前記単セル毎に、該単セルが備える前記電解質膜における前記損傷の有無を判定し、
   前記ピンホール形成条件は、前記膜損傷判定部が前記損傷を有していると判定した電解質膜を有する単セルの電圧が、前記第１の基準電圧値よりも低い第２の基準電圧値であって、前記電解質膜の前記損傷からピンホールが形成され得る基準電圧として定めた第２の基準電圧まで低下する条件である
   燃料電池システム。
5. 請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
   前記第２の基準電圧値は、０Ｖである
   燃料電池システム。
6. 請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
   前記第２の基準電圧値は、前記損傷からピンホールを生じるために要する熱量を生じる時の電圧値に基づいて設定される値である
   燃料電池システム。
7. 請求項２ないし６いずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記第１の基準電圧値は、前記酸素抑制発電制御による発電を行なっている前記燃料電池における前記最高セル電圧が前記第１の基準電圧に低下したものとして前記燃料電池の両端子を開回路状態にしたときの、前記最高セル電圧における開回路電圧が、０．６〜０．９Ｖとなる値として設定されている
   燃料電池システム。
8. 請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
   各々の前記単セルが備える前記電解質膜について、該電解質膜において損傷が形成される膜損傷部位の抵抗値である短絡抵抗値を取得する短絡抵抗値取得部を備え、
   前記膜損傷判定部は、いずれかの前記単セルが備える前記電解質膜における前記短絡抵抗値が、予め定めた基準抵抗値以下であるときに、前記電解質膜が電気的な短絡をもたらし得る損傷を有すると判定する
   燃料電池システム。
9. 請求項８記載の燃料電池システムであって、
   前記基準抵抗値は、前記単セルが転極して負電位となってもピンホールが発生しない値として定められている
   燃料電池システム。
10. 請求項８または９記載の燃料電池システムであって、
    前記短絡抵抗値取得部は、前記燃料電池システムの停止の指示を取得する度に、前記短絡抵抗値を取得し、
    前記膜損傷判定部は、前記短絡抵抗取得部が前記短絡抵抗値を取得する度に、前記停止制御部による前記燃料電池停止の制御に先だって、前記電解質膜における前記損傷の有無を判定する
    燃料電池システム。
11. 請求項１ないし１０いずれか記載の燃料電池システムであって、
    前記停止制御部は、前記燃料電池に対するガス供給を停止すると共に、前記燃料電池を開回路状態にすることにより、前記燃料電池の発電を停止させる
    燃料電池システム。
12. 請求項１ないし１１いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池システムに対して設けられた負荷に対して、前記燃料電池と共に、あるいは、前記燃料電池に代えて電力供給可能な２次電池を備え、
    前記停止制御部は、前記酸素抑制発電制御として、前記燃料電池に対する電圧指令値を、予め定めた許容電圧値に維持して、前記燃料電池によって前記２次電池を充電させる制御を行なう
    燃料電池システム。

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