JP5139870B2 - 燃料電池システム及びそれを用いたクロスリーク検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及びそれを用いたクロスリーク検出方法に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。
この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。

この種の燃料電池では、固体高分子電解質膜の劣化に伴ってクロスリークが発生する場合がある。クロスリークとは、発電停止時に、燃料電池内に残留するアノード側の水素ガスが固体高分子電解質膜を透過してカソード側へ、また、カソード側の空気中の酸素ガスや窒素ガスが固体高分子電解質膜を透過してアノード側へ移動する現象である。このクロスリークが生じると、アノード側で水素と酸素とが反応し、固体高分子電解質膜が損傷する虞がある。

そこで、例えば特許文献１に示すように、燃料電池スタックに接続された配管内に燃料ガスを供給し、この配管を密閉して配管の圧力変化や開放電圧に基づいてクロスリークを判定するような構成が知られている。具体的には、燃料電池スタックの全てのセルの開放端電圧を検出し、所定監視時間中において、これらの中の最低のセル電圧が０より大きいか否かを判定する。そして、検出した最低セル電圧が０以下、つまり逆電位が検出されることで、クロスリークが有ったと判定するようになっている。
特開２００７−５２６６号公報

ところで、上述した従来技術にあっては、各単位セル毎にそれぞれ電圧センサ（セル電圧検出手段）を設置していたため、電圧センサ自体のコストや組み付け工数の増加等により、燃料電池のコスト増を招いていた。
そこで、近年では、燃料電池のコストを低減するために、各セル毎にそれぞれ電圧センサを設置するのではなく、複数の単位セル（例えば、２枚）を１つのセル群とし、これらセル群に対して１つの電圧センサを設置する構成が知られている。この場合、電圧センサにより検出される電圧は、各セル群毎の電圧、つまり複数の単位セルの合計セル電圧として検出される。

しかしながら、合計セル電圧に基づいてクロスリークを判定する場合、複数の単位セルのうち、何れかの単位セルにクロスリークが生じている場合でも、実際にクロスリークが生じているか否かを判定し難いという問題がある。例えば、２枚の単位セルをセルペアとし、各セルペア毎に合計セル電圧（以下、合計セルペア電圧という）を検出する構成の場合、合計セルペア電圧が平均値（以下、平均セルペア電圧という）の半分以下に低下しても、この電圧低下の原因を確定することができない。

具体的には、電圧低下の原因が実際にクロスリークによるものか、それとも生成水が発電面を覆ってしまう等、単に発電性能の低下によるものかを判定し難いという問題がある。つまり、クロスリークにより一方のセルのみが逆電位になっている場合と、発電性能の低下により両セルの電圧が半分以下に低下している場合とで、合計セルペア電圧が同等になり得る場合がある。
そして、誤ってクロスリークの生じていない単位セルを交換することで、単位セルの交換作業や単位セル自体のロスになる一方、クロスリークが発生した単位セルを放置しておくと、単位セルの損傷が段々大きくなり、周囲の単位セルに対してもダメージを受けるという問題がある。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数枚のセルの合計セル電圧を検出する場合であっても、正確にクロスリークを検出することができる燃料電池システム及びそれを用いたクロスリーク検出方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノードガス（例えば、実施形態における水素ガス）とカソードガス（例えば、実施形態における酸化ガス）とを供給し発電を行うセル（例えば、実施形態におけるセル５５）を積層して構成された燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ７）と、複数枚の前記セルをセル群（例えば、実施形態におけるセルペア）として、該セル群毎の合計セル電圧（例えば、実施形態における合計セルペア電圧）を検出するセル電圧検出手段（例えば、実施形態におけるセル電圧モニタ４１）と、を有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１００）であって、前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止手段（例えば、実施形態におけるカソードガス供給停止手段６７）と、該カソードガス供給停止手段により、前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去手段（例えば、実施形態におけるカソードガス除去手段６８）と、該カソードガス除去手段により前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第１最低セル電圧として検出する第１最低セル電圧検出手段（例えば、実施形態における第１最低セル電圧検出手段６４）と、前記第１最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第１判断手段（例えば、実施形態における第１判断手段６１）と、該第１判断手段によりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第１最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第２セル電圧として検出する第２セル電圧検出手段（例えば、実施形態における第２セル電圧検出手段６５）と、前記第１最低セル電圧と前記第２セル電圧とを比較して、前記第２セル電圧が前記第１最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第２判断手段（例えば、実施形態における第２判断手段６２）と、該第２判断手段の結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力手段（例えば、実施形態におけるクロスリーク信号出力手段６３）と、を有することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記セル群毎の前記合計セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの平均セル群電圧を算出する平均セル電圧検出手段（例えば、実施形態における平均セル電圧検出手段６６）を有し、前記第１判断手段は、前記セル群における前記セルの枚数をｎとして、前記第１最低セル電圧が前記平均セル群電圧の（ｎ−１）／ｎ以下である場合に、クロスリークが発生している可能性があると判断することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記カソードガス除去手段は、前記燃料電池スタック内部に残存する前記カソードガスをディスチャージさせることにより前記カソードガスを除去することを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、前記第２判断手段は、前記第１最低セル電圧と前記第２セル電圧とを比較して、第２セル電圧が前記第１最低セル電圧以上である場合には、クロスリークの発生はないと判断することを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、前記クロスリーク信号出力手段は、前記第２判断手段により所定回数以上クロスリークが発生していると判断された場合に、前記特定セル群におけるクロスリークの発生を確定して異常信号を出力することを特徴とする。

請求項６に記載した発明は、前記クロスリーク信号出力手段は、前記第２判断手段により前記第２セル電圧が前記第１最低セル電圧に比べ所定値以上低下していると検出された場合には、前記第２判断手段により前記所定回数以上クロスリークが発生していると判断されていなくても、前記特定セル群におけるクロスリークの発生を確定し、異常信号を出力することを特徴とする。

請求項７に記載した発明は、アノードガスとカソードガスとを供給し発電を行うセルを積層して構成された燃料電池スタックと、前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段と、複数枚の前記セルをセル群として、該セル群毎の合計セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、を有する燃料電池システムを用いて前記セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出方法であって、前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止ステップと、前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去ステップと、該カソードガス除去ステップにより前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第１最低セル電圧として検出する第１最低セル電圧検出ステップと、該第１最低セル電圧検出ステップで検出した前記第１最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第１判断ステップと、該第１判断ステップによりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第１最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第２セル電圧として検出する第２セル電圧検出ステップと、前記第１最低セル電圧と前記第２セル電圧とを比較して、前記第２セル電圧が前記第１最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第２判断ステップと、該第２判断ステップの結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力ステップと、を有することを特徴とする。

請求項１，７に記載した発明によれば、第１最低セル電圧と第２セル電圧とを比較して、第２セル電圧が第１最低セル電圧より低い場合、つまり最低セル電圧の変化量に基づいて、クロスリークの発生を判断することができる。具体的には、電圧低下の原因が発電性能低下の場合には、外部からカソード極にカソードガスが侵入して再び発電が行われたり、発電性能が回復したりすることで、第１最低セル電圧に比べ第２セル電圧が増加する。一方、クロスリークが発生している場合には、時間が経過するにつれクロスリークの影響が大きくなるため、アノード極側におけるアノードガスとカソードガスとの反応が促進され、逆電位が増加する。そのため、第１最低セル電圧に比べ第２セル電圧が低下する。これにより、複数枚のセルからなるセル群毎に合計セル電圧を検出する構成であっても、クロスリークにより発生する電圧低下を正確に検出することができる。

請求項２に記載した発明によれば、第１最低セル電圧が平均セル群電圧の（ｎ−１）／ｎ以下である場合には、セル群のうち何れかのセルに逆電位が生じている可能性が高いので、クロスリークの発生を正確に判断することができる。これにより、無駄にクロスリークの検出を行う必要がなくなるため、クロスリーク検出の為の消費エネルギーを削減することができる。

請求項３に記載した発明によれば、燃料電池スタック内部に残存するカソードガスをディスチャージにより消費させることにより、例えばアイドル停止中等における燃料電池スタックを低電位に保持することができる。これにより、アイドル停止中等に燃料電池スタックが高電位で維持されることにより生じる、セルの固体高分子電解質膜の劣化を防ぐことができる。さらに、このディスチャージ中にクロスリークの検出を行うため、クロスリーク検出のために無駄にディスチャージを行わなくても良い。

請求項４に記載した発明によれば、クロスリークが発生している場合には、第２セル電圧が第１セル電圧以上となることは少ない。つまり、第２セル電圧が第１最低セル電圧以上である場合、すなわち電圧が回復した場合に、クロスリーク以外が原因であると判断することで、クロスリークの誤検出を防止できる。

請求項５に記載した発明によれば、誤差の影響を排除することが可能になり、正確にクロスリークの発生を検出できる。

請求項６に記載した発明によれば、セルの固体高分子電解質膜に大きな穴が開いていた場合、つまりクロスリークが大きい場合には、電圧低下量は大きくなる。この時、電圧低下量が所定以上の場合には、その時点でクロスリークの発生を判断することで、所定回数クロスリークを検出することなく、早期にクロスリークを検出できる。そのため、クロスリークが発生した場合において、周囲のセルにまでダメージを与えることを防ぐことができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池セル）
図２は、セルの断面図である。
図２に示すように、本実施形態の燃料電池１は、固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、単位燃料電池としてのセル５５を複数積層して構成される燃料電池スタックからなる。セル５５は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「ナフィオン」）等の固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード５２とカソード５３とで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ５４，５４で挟持して形成される。また、各セル５５は、燃料ガスとして水素ガス（アノードガス）が供給される水素ガス通路５６と、酸化ガスとして酸素を含む空気（カソードガス）が供給される空気通路５７と、冷却液が供給される冷却液通路５８とを備えている。そして、アノード５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード５３まで移動し、カソード５３で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴う発熱により燃料電池１が所定温度を越えないように、冷却液通路５８を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。

また、この燃料電池１においては、セル５５の出力電圧を検出するためのセル電圧モニタ（Ｖ）４１が、ｎ枚（但し、ｎ≧２）のセル５５（本実施形態においては、ｎ＝２）に対して１つ接続されている。具体的には、セル電圧モニタ４１の一端が、一方のセル５５の外側のセパレータ５４に接続されるとともに、他端が他方のセル５５の外側のセパレータ５４に接続されている。つまり、本実施形態の燃料電池１においては、２枚のセル５５を１つのセルペア（セル群）として構成し、各セル電圧モニタ４１によって各セルペアの合計セル電圧（以下、合計セルペア電圧）を検出する。そして、セル電圧モニタ４１の出力信号は、セル電圧情報（図１参照）としてＥＣＵ３９の後述する電圧検出手段６０に入力されるようになっている。

（燃料電池システム）
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、この燃料電池システム１００における燃料電池１は、燃料電池車両（不図示）に搭載されたものであって、上述した燃料電池スタックで構成されている。なお、図１においては、上述したセル電圧モニタ４１を１つのみ示している。
燃料電池システム１００は、酸化ガスである空気を所定圧力に加圧するスーパーチャージャー等のエアポンプ７を備えている。このエアポンプ７は、酸化ガス供給路８を介して、燃料電池１の入口に接続されている。なお酸化ガス供給路８には、空気の冷却装置や加湿器等（いずれも不図示）を設けることが望ましい。一方、燃料電池１における酸化ガスの排出（出口）側には、背圧制御弁１０を備えたカソードオフガス排出路９が接続されている。燃料電池１において発電に供された空気は、カソード５３（図２参照）側の生成水と共に、カソードオフガス排出路９を通って希釈器３０に供給される。

また、燃料電池システム１００は、燃料ガスである水素ガスが貯留された水素タンク（カソードガス供給手段）１５を備えている。この水素タンク１５は、燃料ガス供給路１７を介して、燃料電池１の入口に接続されている。燃料ガス供給路１７には、燃料ガス遮断弁２０と、水素ガスを所定圧力に減圧する減圧弁（不図示）と、アノードオフガスを燃料ガス供給路１７に合流させるエゼクタ１９とが設けられている。

一方、燃料電池１における燃料ガスの排出（出口）側には、アノードオフガス循環路１８が接続されている。燃料電池１において消費されなかった未反応の水素ガスは、アノードオフガス循環路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、再び燃料電池１の燃料ガス供給路１７に供給される。
また、アノードオフガス循環路１８からは、水素排出弁２１を備えたアノードオフガス排出路２２が分岐している。水素排出弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。水素排出弁２１から排出されたアノードオフガスは希釈器３０へ排出され、希釈器３０においてカソードオフガスによって希釈される。

また、燃料電池１は、ディスチャージ用出力リード線４３を介してオーディオ、バッテリ等の電力消費デバイス４２に接続されている。ディスチャージ用出力リード線４３には、車両のアイドル停止中や回生中、イグニッションＯＦＦ時等のカソードガス供給停止中において、燃料電池１をディスチャージする際に燃料電池１で発電された電力が供給されるようになっている。

なお、ディスチャージとは、カソード５３に残存する酸化ガスを反応させて除去し、燃料電池１の電位を下げることである。これにより、カソードガス供給停止中において、カソード５３に残存する酸化ガスによって固体高分子電解質膜５１に負荷がかからないようにすることができる。そして、ディスチャージによって燃料電池１で発電された電力は、電力消費デバイス４２に供給され、オーディオを再生したり、バッテリに蓄電されたりするようになっている。なお、ディスチャージ用リード線４３において、燃料電池１と電力消費デバイス４２との間には、電流計５５が接続されている。この電流計５５は、電力消費デバイス４２に供給される電流（電力）を検出するものであって、この電流計５５の出力信号は電流情報としてＥＣＵ３９に入力される。

（ＥＣＵ）
上述したセル電圧モニタ４１および電流計５５は、燃料電池システム１００を統括的に制御するＥＣＵ３９に接続されている。
図３は、ＥＣＵのブロック図である。
図３に示すように、ＥＣＵ３９は、上述したカソードガス供給停止中に燃料電池１のクロスリークの発生を検出するため、電圧検出手段６０と、第１判断手段６１と、第２判断手段６２と、クロスリーク信号出力手段６３と、カソードガス供給停止手段６７と、カソードガス除去手段６８とを備えている。なお、図示しないがＥＣＵ３９は、後述する各セルペア電圧や各判断結果を記憶するメモリ部も備えている。

電圧検出手段６０は、上述したセル電圧モニタ４１から出力された出力信号（図１中セル電圧情報）を受信するものであり、第１最低セル電圧検出手段６４と、第２セル電圧検出手段６５と、平均セル電圧検出手段６６とを備えている。
第１最低セル電圧検出手段６４は、上述したディスチャージ完了後にセル電圧モニタ４１から出力された出力信号に基づいて、各電圧センサ４０で検出された各セルペアの合計セルペア電圧のうち、合計セルペア電圧が最低となるセルペア（特定セルペア）の合計セルペア電圧を第１最低セルペア電圧として検出する。そして、検出された第１最低セルペア電圧の出力信号を、第１判断手段６１及び第２判断手段６２に向けて出力する。

平均セル電圧検出手段６６は、燃料電池１全体の合計セルペア電圧、つまり各セルペアの合計セルペア電圧に基づいて、燃料電池１における平均のセルペア電圧（以下、平均セルペア電圧という）を算出する。そして、算出された平均セルペア電圧の出力信号を、第１判断手段６１に向けて出力する。
第２セル電圧検出手段６５は、第１最低セルペア電圧の検出後、またはディスチャージ完了後から所定時間（図５〜７中時間Ｔ３）経過後に、セル電圧モニタ４１から出力された出力信号に基づいて、各電圧センサ４０で検出された合計セルペア電圧のうち、上述した特定セルペアの合計セルペア電圧を第２セルペア電圧として検出する。そして、検出された第２セルペア電圧の出力信号を、第２判断手段６２に向けて出力する。

カソードガス供給停止手段６７は、車両がアイドル停止中や回生中、イグニッションＯＦＦ時等になった場合に、エアポンプ７に向けてエア停止指令信号を出力し、エアポンプ７によるカソードガスの供給を停止させる。
カソードガス除去手段６８は、カソードガス供給が停止した際に、電力消費デバイス４２にディスチャージ指令信号を出力し、電力消費デバイス４２によって上述したディスチャージを行わせる。すなわち、カソードガスの供給を停止した状態で、燃料電池１から電力を取り出し、電力消費デバイス４２に消費させる。

第１判断手段６１は、第１最低セル電圧検出手段６４から出力された第１最低セルペア電圧の出力信号に基づいて、燃料電池１においてクロスリークが発生しているかを判断する。具体的には、ディスチャージ完了後の第１最低セルペア電圧が、平均セルペア電圧の１／２−α（α：検出誤差）以下である場合に、クロスリークが発生している可能性があると判断する。

第２判断手段６２は、第１最低セル電圧検出手段６４と第２セル電圧検出手段６５とのそれぞれから出力された第１最低セルペア電圧の出力信号と第２セルペア電圧の出力信号とを比較する。そして、第２セルペア電圧の値が、第１最低セルペア電圧の値よりも低い場合に、クロスリークの発生を判断する。そして、第２判断手段６２における判断結果の出力信号を、クロスリーク信号出力手段６３に向けて出力する。

クロスリーク信号出力手段６３は、第２判断手段６２から出力されたクロスリーク発生の出力信号に基づいて、運転者に対して警告音や警告表示等のクロスリーク発生の異常信号を出力するものである。具体的には、第２判断手段６２で算出された第２セルペア電圧と第１最低セルペア電圧との差分が所定値より小さい場合は、この状態がカソードガス供給停止毎（例えば、アイドル停止毎）に連続で複数回（例えば、５回）検出された場合に、クロスリークの発生を確定する。一方、第２セルペア電圧と第１最低セルペア電圧との差分が所定値以上である場合は、その時点でクロスリークの発生を確定する。そして、クロスリークの発生を確定したら、運転者に対して警告音や警告表示等の異常信号を出力する。

（クロスリーク検出方法）
次に、本実施形態に係るクロスリーク検出方法について説明する。図４はクロスリーク検出方法を示すフローチャートである。本実施形態におけるクロスリークの検出は、カソードガス供給停止中、つまり車両のアイドル停止中や回生中、イグニッションＯＦＦ時等に行うものである。
まず、車両がアイドル停止中や回生中、イグニッションＯＦＦ時等になった場合に、カソードガス供給停止手段６７からエアポンプ７に向けてエア停止指令信号を出力し、エアポンプ７によるカソードガスの供給を停止させる。

そして、図４に示すように、ＥＣＵ３９により、カソードガス（酸化ガス）の供給が停止中か否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合（カソードガス供給中、つまり車両走行中等）には、クロスリークの検出は行わず、フローを終了する。
一方、ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、カソードガス供給停止中であると判断し、ステップＳ２に進む。

次に、ＥＣＵ３９により、カソード５３側がカソードガス欠乏状態であるか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、この時点でアノード５２側には、アノードガス（水素ガス）が充分に存在している。ステップＳ２の判定結果が「ＮＯ」の場合（カソード５３にカソードガスが残存している場合）には、カソードガス除去手段６８から電力消費デバイス４２に向けてディスチャージ指令信号を出力する。そして、ディスチャージ指令信号を受信した電力消費デバイス４２は、上述したディスチャージを行う。ディスチャージ完了の判断は、電流計５５から出力される電流情報によって判断する。また、カソード５３側に残存するカソードガスを除去するには、所定時間（例えば、２，３秒〜１０秒程度）放置してアノード５２側に存在するアノードガスと、カソード５３に残存するカソードガスとを反応させて行うことも可能である。これにより、カソード５３側に残存している酸化ガスが除去される。
一方、ステップＳ２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、カソード５３側がカソードガス欠乏状態であると判断してステップＳ３に進む。

次に、燃料電池１全体の合計セルペア電圧を検出する。具体的には、各電圧センサ４０により、各セルペア（２つのセル５５間）の合計セルペア電圧をそれぞれ検出し、この検出結果の出力信号（セル電圧情報）をセル電圧モニタ４１からＥＣＵ３９の電圧検出手段６０に出力する。そして、各セルペアの合計セルペア電圧の検出結果に基づいて、平均セル電圧検出手段６６により、燃料電池１の平均セルペア電圧を算出する。
一方、合計セルペア電圧の検出結果に基づいて、第１最低セル電圧検出手段６４により、第１最低セルペア電圧を検出する。具体的には、各セルペアの合計セルペア電圧のうち、最も低い合計セルペア電圧を第１最低セルペア電圧として検出する。そして、これら平均セルペア電圧及び第１最低セルペア電圧をＥＣＵ３９のメモリ部に記憶させておく（ステップＳ３）。

このように、ディスチャージ完了後（カソード５３側がカソードガス欠乏状態）に合計セルペア電圧を検出することで、各セルペアの合計セルペア電圧を同一条件で検出することが可能である。つまり、何らかの異常が発生しているセルペアが存在する場合には、その合計セルペア電圧の変化が顕著に表れる。これにより、良好な電圧性能を維持しているセルペアと何らかの異常が発生しているセルペアとの変化を判断し易くなる。

ここで、図５〜７は、時間Ｔに対するセル電圧（セルペア電圧）を示すタイムチャートであり、図５は正常時、図６は生成水等の影響によるセルペア電圧低下時、図７はクロスリーク発生によるセルペア電圧低下時を示している。
図５〜７に示すように、時間Ｔ１において、カソードガス供給を停止した後、ディスチャージ等を行うことでカソード５３側に残存するカソードガスが消費されて、平均セルペア電圧及び最低セルペア電圧が低下する（時間Ｔ２）。
図５に示すように、正常時、つまり生成水やクロスリークによる影響がない場合においては、時間Ｔ２からさらに時間が経過するにつれ（例えば、図５中Ｔ３）、外部からカソード５３にカソードガスが侵入して再び発電が行われるので、平均セルペア電圧及び最低セルペア電圧が増加する。

続いて、図４のフローチャートに戻り、時間Ｔ２（図５〜７参照）において、第１判断手段６１により第１最低セルペア電圧が、平均セルペア電圧の１／２−α（α：検出誤差）以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。カソードガス供給が停止された状態において、クロスリークが発生しているセル５５には、０Ｖの電位または逆電位が生じる。つまり、第１最低セルペア電圧が平均セルペア電圧の１／２−α以下であるということは、セルペアのうち一方のセル５５の電位が０Ｖまたは逆電位が生じている可能性がある。なお逆電位とは、クロスリークによりカソード５３側からアノード５２側に移動した酸素と、アノード５２側に存在する水素とが、アノード５２側で反応し、この反応によって生じる電位であり、正常な発電時に生じる電位に対して逆転する現象である。

このように、第１最低セルペア電圧が平均セルペア電圧の１／２−α以下である場合には、セルペアのうち一方のセル５５に逆電位が生じている可能性が高いので、クロスリークの発生を正確に判断することができる。つまり、第１最低セルペア電圧が平均セルペア電圧のセルペアの１／２−α以下であるということは、クロスリークにより逆電位が生じている場合であるか、発電性能の低下によりセルペアのうち両セル５５の電圧が半分以下に低下している場合である。これにより、無駄にクロスリークの検出を行う必要がなくなるため、クロスリーク検出の為の消費エネルギーを削減することができる。

そして、ステップＳ４の判定結果が「ＮＯ」の場合（第１最低セルペア電圧が平均セルペア電圧の１／２−α以上）には、ステップＳ８に進みクロスリーク故障の可能性無しと判断する。クロスリーク故障の可能性無しと判断した場合には、クロスリークの検出フローを終了する。
一方、ステップＳ４の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、クロスリークの可能性有りと判断してステップＳ５に進む。

次に、第１最低セル電圧検出手段６４による第１最低セルペア電圧の検出（時間Ｔ２）後から、所定時間（図５〜７における時間Ｔ３）経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５の判定結果が「ＮＯ」の場合（図５〜７における時間Ｔ３に至ってない）には、所定時間経過するまで待機する。
一方、ステップＳ５の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、第１最低セルペア電圧の検出後から所定時間経過したと判断し、ステップＳ６に進む。

次に、第２セル電圧検出手段６５により、第２セルペア電圧を検出する。具体的には、時間Ｔ３（図５〜７参照）においてセル電圧モニタ４１から出力されたセルペア電圧の出力信号（セル電圧情報）に基づいて、合計セルペア電圧のうち、上述した特定セルペアの合計セルペア電圧を第２セルペア電圧として検出する。そして、検出された第２セルペア電圧をＥＣＵ３９のメモリ部に記憶する（ステップＳ６）。

ところで、合計セルペア電圧に基づいてクロスリークを判定する場合、複数のセルのうち、何れかのセルにクロスリークが生じている場合でも、実際にクロスリークが生じているか否かを判定し難いという問題がある。例えば、合計セルペア電圧を検出する構成の場合、合計セルペア電圧が半分以下に低下しても、この電圧低下の原因を確定することができない。具体的には、電圧低下の原因が実際にクロスリークによるものか、それとも生成水が発電面を覆ってしまう等、発電性能の低下によるものかが判定し難いという問題がある。つまり、上述したようにクロスリークにより一方のセルのみが逆電位になっている場合と、発電性能の低下により両セルの電圧が半分以下に低下している場合とで、合計セルペア電圧が同等になり得る場合がある。

ここで、本実施形態では、ステップＳ６で検出した第２セルペア電圧が、ステップＳ４で検出した第１最低セルペア電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ７）。
ステップＳ７の判定結果が「ＮＯ」の場合（第２セルペア電圧が第１最低セルペア電圧以上）には、ステップＳ８に進みクロスリーク故障なしと判断する。クロスリーク故障なしと判断した場合には、クロスリークの検出フローを終了する。

つまり、クロスリークが発生している場合には、第２セルペア電圧が第１セルペア電圧以上となることは少ない。クロスリークが発生している場合には、時間が経過するにつれクロスリークの影響が大きくなるため、アノード５２側におけるアノードガスとカソードガスとの反応が促進され、逆電位が増加する。そのため、第１最低セルペア電圧に比べ第２セル電圧が低下する。

これに対して、図６に示すように、時間Ｔ１から時間Ｔ２におけるセルペア電圧の低下の原因が、生成水等による発電性能低下である場合には、カソード５３にエアが拡散すること等により発電面に存在する生成水が除去されれば、時間Ｔ３において発電性能は回復する。これにより、第１最低セルペア電圧に比べ第２セルペア電圧が増加する。また、上述したように外部からカソード５３にカソードガスが侵入して再び発電が行われることによっても、第１最低セルペア電圧に比べ第２セルペア電圧が増加する。
このように、時間Ｔ３における最低セルペア電圧が、時間Ｔ２における最低セルペア電圧に比べて増加している場合、すなわち最低セルペア電圧が回復した場合には、時間Ｔ２における最低セルペア電圧の低下が生成水等による発電性能の低下であったと判断する。

一方、ステップＳ７の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（第２セルペア電圧が第１最低セルペア電圧以下）には、ステップＳ９に進む。
つまり図７に示すように、時間Ｔ２における合計セルペア電圧の低下の原因が、クロスリークによるものである場合には、上述したように時間が経過するにつれてアノード５２側での反応が増え、逆電位が大きくなる。これにより、時間Ｔ３における合計セルペア電圧が、時間Ｔ２における合計セルペア電圧に比べてさらに低下している場合には、合計セルペア電圧の低下が発電性能の低下ではなく、クロスリークによるものであると判断することができる。

次に、ステップＳ７の判定結果に基づいてクロスリーク故障の発生を確定する（ステップＳ９）。クロスリーク発生の確定は、カソードガス供給停止毎（例えば、アイドル停止毎）に上述したフローを行い、複数回（例えば、５回）連続でクロスリーク発生が検出された時点で、クロスリーク故障が発生したと確定する。つまり、複数回連続でクロスリークを検出した場合に、クロスリークの発生を確定することで、誤差の影響を排除することが可能になり、クロスリークの誤検出を防止することができるため、クロスリークを正確に検出することができる。

また、ステップＳ７において、第２セルペア電圧と第１最低セルペア電圧との差分が所定値以上である場合には、その時点でクロスリーク故障が発生したと確定する。例えば、セル５５の固体高分子電解質膜５１に大きな穴が開いていた場合、つまりクロスリークが大きい場合には、電圧低下量は大きくなる。この時、電圧低下量が所定以上の場合には、その時点でクロスリーク故障の発生を判断することで、所定回クロスリークを検出することなく、早期にクロスリークを検出できる。そのため、クロスリーク故障が発生した場合において、周囲のセル５５にまでダメージを与えることを防ぐことができる。

クロスリーク故障の発生を確定した場合には、クロスリーク信号出力手段６３から運転者に対して警告音や警告表示等の異常信号が出力される。そして、異常信号を受信したら、クロスリークの発生したセル５５を直ちに交換する。したがって、複数のセル５５においてクロスリークが発生している場合があっても、セル５５を交換する時点で他のセル５５におけるクロスリークの有無を確認すればよい。そのため、最低セルペア電圧を検出して最初にクロスリークが発生するセル５５を検出すれば足りる。
以上により、クロスリークの検出フローを終了する。

このように、上述の実施形態によれば、第１最低セルペア電圧と第２セルペア電圧とを比較して、第２セルペア電圧が第１最低セルペア電圧より低い場合、クロスリークの発生を判断する構成とした。つまり、最低セルペア電圧の変化量に基づいて、クロスリークの発生を判断することができる。具体的には、第１判断手段６１における電圧低下の原因が発電性能低下の場合には、外部からカソード５３にカソードガスが侵入して再び発電が行われたり、発電性能が回復したりすることで、第１最低セルペア電圧に比べ第２セルペア電圧が増加する。一方、クロスリークが発生している場合には、時間が経過するにつれクロスリークの影響が大きくなるため、アノード５２側におけるアノードガスとカソードガスとの反応が促進され、逆電位が増加する。そのため、第１最低セルペア電圧に比べ第２セル電圧が低下する。これにより、複数枚のセル５５からなるセルペア毎に合計セルペア電圧を検出する構成であっても、クロスリークにより発生する電圧低下を正確に検出することができる。
そして、第２セルペア電圧が第１最低セルペア電圧よりも高い場合、つまり合計セルペア電圧が回復した場合には、クロスリーク以外が原因であると判断することで、クロスリークの誤検出を防止できる。

また、燃料電池１内部に残存するカソードガスをディスチャージにより消費させることにより、例えばアイドル停止中等における燃料電池１を低電位に保持することができる。これにより、アイドル停止中等に燃料電池１が高電位で維持されることにより生じる、セル５５の固体高分子電解質膜５１の劣化を防ぐことができる。さらに、アイドル停止中等に行われるディスチャージ中にクロスリークの検出を行うため、クロスリーク検出のために無駄にディスチャージを行わなくても良い。
したがって、燃料電池１のコストを低減した上で、クロスリークによるセル５５へのダメージを抑えることができる。

ところで、クロスリークの検出方法としては、例えばカソードの出口側（希釈器の出口側）に水素センサを設け、この水素センサによりカソード側からの水素ガスの漏れ量を検出する構成も考えられる。しかしながら、この構成にあっては、カソードの出口側には、各セルから排出される酸化ガスが流出してくるため、水素ガスが大量に漏れなければ、クロスリークを判断することができない。また、クロスリークの発生箇所を判断することができない。
これに対して、本実施形態では、セルペア電圧の変化量に基づいてクロスリークを判断することで、水素センサを設ける必要もないため、燃料電池１の低コスト化が図ることができる。また、水素センサによる検出に比べて迅速に、かつ正確にクロスリークを判断することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述の実施形態では、２枚のセルをセルペアとして、このセルペア毎の合計セルペア電圧を検出する構成について説明したが、複数枚のセルを１つのセル群として、このセル群毎の合計セル電圧を検出するような構成にしてもよい。この場合、セルの枚数をｎとすると、上述したステップＳ４における判定は、第１最低セル電圧が平均セル電圧の（ｎ−１）／ｎ−αである場合に、クロスリークの可能性ありと判断する。

また、上述の実施形態では、ステップＳ２においてカソード側がカソードガス欠乏状態でない場合に、ディスチャージを行うか、所定時間放置する場合について説明したが、カソード酸化ガス供給路に真空ポンプを接続し、カソードからエアを引く構成も可能である。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態における燃料電池のセルの断面図である。 本発明の実施形態におけるＥＣＵのブロック図である。 本発明の実施形態におけるクロスリーク検出方法を示すフローチャートであるである。 本発明の実施形態における正常時の時間Ｔに対するセル電圧を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における生成水によるセル電圧低下時の時間Ｔに対するセル電圧を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態におけるクロスリーク発生による電圧低下時の時間Ｔに対するセル電圧を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…燃料電池（燃料電池スタック） ４２…電力消費デバイス（カソードガス除去手段） ５２…アノード ５３…カソード ５５…セル ６１…第１判断手段 ６２…第２判断手段 ６３…クロスリーク信号出力手段 ６４…第１最低セル電圧検出手段 ６５…第２セル電圧検出手段 ６６…平均セル電圧検出手段

Claims (7)

1. アノードガスとカソードガスとを供給し発電を行うセルを積層して構成された燃料電池スタックと、
   前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段と、
   複数枚の前記セルをセル群として、該セル群毎の合計セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止手段と、
   該カソードガス供給停止手段により、前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去手段と、
   該カソードガス除去手段により前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第１最低セル電圧として検出する第１最低セル電圧検出手段と、
   前記第１最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第１判断手段と、
   該第１判断手段によりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第１最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第２セル電圧として検出する第２セル電圧検出手段と、
   前記第１最低セル電圧と前記第２セル電圧とを比較して、前記第２セル電圧が前記第１最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第２判断手段と、
   該第２判断手段の結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記セル群毎の前記合計セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの平均セル群電圧を算出する平均セル電圧検出手段を有し、
   前記第１判断手段は、前記セル群における前記セルの枚数をｎとして、前記第１最低セル電圧が前記平均セル群電圧の（ｎ−１）／ｎ以下である場合に、クロスリークが発生している可能性があると判断することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記カソードガス除去手段は、前記燃料電池スタック内部に残存する前記カソードガスをディスチャージさせることにより前記カソードガスを除去することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記第２判断手段は、前記第１最低セル電圧と前記第２セル電圧とを比較して、第２セル電圧が前記第１最低セル電圧以上である場合には、クロスリークの発生はないと判断することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記クロスリーク信号出力手段は、前記第２判断手段により所定回数以上クロスリークが発生していると判断された場合に、前記特定セル群におけるクロスリークの発生を確定して異常信号を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記クロスリーク信号出力手段は、前記第２判断手段により前記第２セル電圧が前記第１最低セル電圧に比べ所定値以上低下していると検出された場合には、前記第２判断手段により前記所定回数以上クロスリークが発生していると判断されていなくても、前記特定セル群におけるクロスリークの発生を確定し、異常信号を出力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. アノードガスとカソードガスとを供給し発電を行うセルを積層して構成された燃料電池スタックと、
   前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段と、
   複数枚の前記セルをセル群として、該セル群毎の合計セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、を有する燃料電池システムを用いて前記セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出方法であって、
   前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止ステップと、
   前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去ステップと、
   該カソードガス除去ステップにより前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第１最低セル電圧として検出する第１最低セル電圧検出ステップと、
   該第１最低セル電圧検出ステップで検出した前記第１最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第１判断ステップと、
   該第１判断ステップによりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第１最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第２セル電圧として検出する第２セル電圧検出ステップと、
   前記第１最低セル電圧と前記第２セル電圧とを比較して、前記第２セル電圧が前記第１最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第２判断ステップと、
   該第２判断ステップの結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力ステップと、を有することを特徴とするクロスリーク検出方法。

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