JP5429306B2 - 燃料電池の制御 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の制御に関する。
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで配置される一対の電極（アノードおよびカソード）にそれぞれ反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池に含まれる各セルの出力電圧を測定し、出力電圧の内の最低電圧が０（ゼロ）Ｖ未満の場合には負荷の減少指令を行い、最低電圧が所定の閾値以上の場合には負荷の増大指令を行う制御方法が知られている。
特開２００６−１７９３８９号公報 特開２００７−３５５１６号公報 特開２００８−３００２９９号公報
燃料電池の各セルにおいて、例えば反応ガスを拡散させるガス拡散層の基材（例えばカーボンファイバー）が電解質膜を貫通することを原因として、短絡部位が発生する場合がある。燃料電池のセルに短絡部位が存在している状態で、負電圧での発電を継続したり燃料電池を無負荷状態に維持したりすると、セルの短絡部位にも電流が流れる場合がある。セルの短絡部位に電流が流れ、短絡部位の温度が電解質膜の分解温度以上まで上昇すると、短絡部位周辺の電解質膜にピンホールが発生し、燃料電池の性能が低下する。
セルの短絡部位に電流が流れたときの短絡部位の到達温度や電解質膜の分解温度は、短絡部位の抵抗値や燃料電池の仕様（例えば電解質膜の厚さ）等に応じて異なる。従って、短絡部位の抵抗値や燃料電池の仕様等を考慮せずに設定された閾値を用いて一律に燃料電池の電圧制御を行う上記従来の技術では、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ない。
本発明は、上記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燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。本発明の一形態は、電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池を備える燃料電池システムであって、各前記セルの短絡部位の温度に相関する温度指標値を取得する指標値取得部と、前記温度指標値が前記短絡部位の温度が前記電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記短絡部位の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行って前記燃料電池の各前記セルにおける発電を継続する制御部と、を備える。その他、本発明は、以下のような形態として実現することも可能である。
［適用例１］電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池を備える燃料電池システムであって、
各前記セルの短絡部位の温度に相関する温度指標値を取得する指標値取得部と、
前記温度指標値が前記短絡部位の温度が前記電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記短絡部位の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行う制御部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、各セルの短絡部位の温度に相関する温度指標値が取得され、温度指標値が短絡部位の温度が電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、短絡部位の温度に影響を与える燃料電池の制御パラメータについての制御が行われるため、燃料電池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。
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記短絡部位の抵抗値を取得する抵抗値取得部を備え、
前記制御部は、前記前記短絡部位の抵抗値に基づき、前記温度指標値の前記所定の範囲を設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値が取得され、短絡部位の抵抗値に基づき温度指標値の所定の範囲が設定されるため、温度指標値の許容範囲を精度良く設定することができ、ドライバビリティの低下を抑制しつつ燃料電池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。
［適用例３］適用例２に記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給させると共にカソードに不活性ガスを供給させる手段と、
前記燃料電池に電圧を値を変化させつつ印加させる手段と、
前記電圧値毎の電流値を測定させる手段と、
前記電圧値と前記電流値との関係に基づき前記抵抗値を算出する手段と、を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値を精度良く取得することができると共に、クロスリーク量も把握することができる。
［適用例４］適用例２に記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、
前記燃料電池のアノードおよびカソードに同じ種類のガスを供給させる手段と、
前記燃料電池に電圧を印加させる手段と、
前記電圧印加時の電流値を測定させる手段と、
前記電圧値と前記電流値との関係に基づき前記抵抗値を算出する手段と、を含む、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値を簡易な方法で容易に取得することができる。
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池システムであって、
前記同じ種類のガスは、前記燃料電池の発電に用いられる燃料ガスと酸化ガスとの一方である、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値の取得の際に燃料電池の発電に用いられないガスが用いられないため、システムの複雑化や制御の煩雑化を抑制して短絡部位の抵抗値をより容易に取得することができる。
［適用例６］適用例３ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、前記燃料電池システムの出荷時に前記短絡部位の抵抗値を取得する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、必ずしも短絡部位の抵抗値を取得するための装置を燃料電池システムに備える必要がなくなり、システムの複雑化を抑制しつつ短絡部位の抵抗値を精度良く取得することができる。
［適用例７］適用例３ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、前記燃料電池システムの定期点検時に前記短絡部位の抵抗値を取得する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値の経時変化を考慮して適切に温度指標値の所定の範囲を設定することができ、電解質膜におけるピンホールの発生をより有効に抑制することができる。
［適用例８］適用例３ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、前記燃料電池の運転停止時に前記短絡部位の抵抗値を取得する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値の経時変化を考慮して適切に温度指標値の所定の範囲を設定することができ、電解質膜におけるピンホールの発生をより有効に抑制することができる。
［適用例９］適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御パラメータは、前記燃料電池の電圧値である、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、燃料電池の電圧値についての制御を行うことにより、短絡部位の温度を電解質膜の分解温度より小さくすることができ、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。
［適用例１０］適用例９に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外である場合には、前記燃料電池の電圧の絶対値を低下させる制御を行う、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の温度は燃料電池の電圧の絶対値に依存するため、燃料電池の電圧の絶対値を低下させる制御を行うことにより、短絡部位の温度を電解質膜の分解温度より小さくすることができ、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。
［適用例１１］適用例１０に記載の燃料電池システムであって、
前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ未満である場合には、前記燃料電池の電圧を上昇させる制御を行う、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、負電圧運転時において短絡部位の温度を電解質膜の分解温度より小さくすることができ、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。
［適用例１２］適用例１０に記載の燃料電池システムであって、
前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ以上である場合には、前記燃料電池の電圧を下降させる制御を行う、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、正電圧（通常）運転時において短絡部位の温度を電解質膜の分解温度より小さくすることができ、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。
［適用例１３］適用例２に記載の燃料電池システムであって、
前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
前記制御部は、各前記セルについて開回路電圧値が初期値から低下したか否かを判定し、開回路電圧値が初期値から低下した第１のセルのＩＶ特性である第１の特性と開回路電圧値が初期値から変化していないＩＶ特性である第２の特性とを比較し、所定の高負荷時における前記第１の特性と前記第２の特性との電圧値の差分に基づき補正された前記第１の特性における開回路電圧値が初期値から低下している場合には、前記抵抗値取得部に前記短絡部位の抵抗値を再取得させ、再取得された前記短絡部位の抵抗値に基づき前記所定の範囲を更新する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、電解質膜におけるピンホールの発生原因となる短絡部位の抵抗値の低下を原因とする開回路電圧の低下量を把握して、短絡部位の抵抗値の再取得を行うか否かの判定を行うことができるため、制御の効率化を図りつつ、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。
［適用例１４］適用例１３に記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、前記第２の特性から算出されるＲＶ特性と補正された前記第１の特性における開回路電圧値とに基づき、前記短絡部位の抵抗値を再取得する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値の取得において不活性ガスを用いたり両電極に同一種類のガスを供給したりして抵抗値の測定を行う必要がないため、システムの複雑化や制御の煩雑化を抑制しつつ、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。
［適用例１５］適用例２に記載の燃料電池システムであって、
前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
前記制御部は、各前記セルについて所定の低負荷時の電圧値である低負荷時電圧値が初期値から低下したか否かを判定し、前記低負荷時電圧値が初期値から低下した第１のセルのＩＶ特性である第１の特性と前記低負荷時電圧値が初期値から変化していないＩＶ特性である第２の特性とを比較し、所定の高負荷時における前記第１の特性と前記第２の特性との電圧値の差分に基づき補正された前記第１の特性における前記低負荷時電圧値が初期値から低下している場合には、前記抵抗値取得部に前記短絡部位の抵抗値を再取得させ、再取得された前記短絡部位の抵抗値に基づき前記所定の範囲を更新する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、開回路電圧を測定することなく、電解質膜におけるピンホールの発生原因となる短絡部位の抵抗値の低下を原因とする低負荷時電圧値の低下量を把握して、短絡部位の抵抗値の再取得を行うか否かの判定を行うことができるため、燃料電池の耐久性向上および制御の効率化を図りつつ、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。
［適用例１６］適用例１５に記載の燃料電池システムであって、
前記抵抗値取得部は、補正された前記第１の特性における前記低負荷時電圧値である第１の低負荷時電圧値と前記第２の特性における前記第１の低負荷時電圧値に対応する電流値とに基づき、前記短絡部位の抵抗値を再取得する、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、短絡部位の抵抗値の取得において不活性ガスを用いたり両電極に同一種類のガスを供給したりして抵抗値の測定を行う必要がないため、システムの複雑化や制御の煩雑化を抑制しつつ、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。
［適用例１７］適用例１ないし適用例１６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記温度指標値は前記燃料電池の電圧値であり、
前記制御部は、前記燃料電池の性能低下を抑制するための前記温度指標値の少なくとも１つの他の所定の範囲を設定し、前記温度指標値が前記他の所定の範囲内になり、かつ、前記短絡部位の温度が前記電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された前記所定の範囲内になるように、前記燃料電池の前記制御パラメータについての制御を行う、燃料電池システム。
この燃料電池システムでは、電解質膜におけるピンホールの発生を有効に抑制しつつ、よりロバスト性の高い燃料電池の制御を実現することができると共に、想定される燃料電池の複数の劣化モードによる劣化をより効率的に回避することができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池システム、燃料電池および燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。
本発明の第１実施例における燃料電池システム２０を適用可能な電気自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。 第１実施例における燃料電池システム２０の制御の流れを示すフローチャートである。 セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗の測定方法の一例を示す説明図である。 セル２１におけるカソード電位と電流との測定結果の一例を示すグラフである。 電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄを設定するための実験結果の一例を示す説明図である。 電解質膜ＭＥが分解してピンホールがあく際の温度測定結果の一例を示す説明図である。 閾値の設定の際のセル２１の想定回路を示す説明図である。 短絡部位ＳＣの抵抗値に応じた原閾値Ｖ１ｏおよび閾値Ｖ１の一例を示す説明図である。 短絡部位ＳＣの抵抗値に応じた原閾値Ｖ２ｏおよび閾値Ｖ２の一例を示す説明図である。 第１実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。 必要熱量Ｑの設定のための実験結果の一例を示す説明図である。 第２実施例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 セル２１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の短絡部位ＳＣの抵抗値の推定方法の理論を示す説明図である。 第２実施例の第１の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 第２実施例の第２の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 第２実施例の第３の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 第３実施例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 セル２１のＩＶ特性測定結果の一例を示す説明図である。 短絡部位ＳＣの電流Ｉｓの推定方法を示す説明図である。 第３実施例の第１の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 第３実施例の第２の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 第３実施例の第３の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得の流れを示すフローチャートである。 セルＦの短絡部位ＳＣの電流を推定する方法を示す説明図である。 第４実施例における燃料電池２２の制御の際の電圧の閾値の一例を示す説明図である。 第４実施例における燃料電池２２の制御の際の電圧の閾値の一例を示す説明図である。 閾値Ｖｔ４の決定方法の一例を示す説明図である。 第４実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。 第５実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。 セル２１のＭＥＡ温度の測定方法の一例を示す説明図である。 セル電圧とＭＥＡ温度との関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池システム２０を適用可能な電気自動車１０の構成を概略的に示す説明図である。電気自動車１０は、燃料電池システム２０と、二次電池３０と、車両駆動軸３９を駆動する駆動モータ３３と、を有している。燃料電池システム２０は、燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を含んでいる。
水素タンク２３に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、水素ガス供給路６０に放出されて、水素ガス供給路６０に設けられた減圧弁６１によって減圧された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれ、水素ポンプ６５によって再び水素ガス供給路６０に供給される。また、アノード排ガス路６３から分岐した排ガス排出路６４に設けられた開閉弁６６を開状態とすることで、アノード排ガスの一部を外部に排出することができる。
エアコンプレッサ２４は、フィルタを備えたエアフロメータ２８を介して外部から取り込まれた酸化ガスとしての空気を加圧し、酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。空気は、燃料電池２２に供給される前に加湿されるとしてもよい。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。
燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。燃料電池２２は、複数のセル２１が図示しないセパレータを介して積層されたスタック構造を有している。セル２１は燃料電池２２における発電を行う単位モジュールであり、各セル２１は、図示しない電解質膜の各面にアノードおよびカソードの電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各セル２１は、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層を含んでいる。燃料電池２２の各セル２１は、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施例において、各セル２１の構成や仕様は互いに同一である。
燃料電池システム２０は、また、燃料電池２２の各セル２１の電圧（セル電圧）を測定する電圧計２６と、電圧計２６から出力されるセル電圧を示す信号や他の信号を利用して後述する燃料電池システム２０の制御を行う制御部７０と、を有している。制御部７０は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭを有するマイクロコンピュータを利用して構成される。
燃料電池システム２０は、インバータ３５を介して駆動モータ３３と接続されていると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を介して二次電池３０と接続されている。燃料電池システム２０から出力される電力は、駆動モータ３３に供給され、駆動モータ３３による車両駆動軸３９の駆動に使用される。また、二次電池３０の残存容量が所定値以下になった場合等には、燃料電池システム２０によって二次電池３０の充電が行われる。二次電池３０の電力は、電力不足時における駆動モータ３３の駆動等に使用される。
Ａ−２．燃料電池システムの制御：
図２は、第１実施例における燃料電池システム２０の制御の流れを示すフローチャートである。燃料電池システム２０の出荷時には、燃料電池２２の各セル２１の短絡部位の抵抗の測定が行われる（ステップＳ１１０）。出荷時に測定されたセル２１の短絡部位の抵抗を初期短絡抵抗と呼ぶものとする。
セル２１の短絡部位の抵抗の測定は、例えば特開２００２−２０８４２４号公報に記載の公知の方法を用いて実施可能である。図３は、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗の測定方法の一例を示す説明図である。図３に示すように、セル２１は、電解質膜ＭＥとアノードＡＥおよびカソードＣＥとを含んでいる。セル２１では、例えば反応ガスを拡散させるガス拡散層の基材（例えばカーボンファイバー）が電解質膜ＭＥを貫通することを原因として、短絡部位ＳＣが発生する場合がある。また、セル２１において、アノードＡＥからカソードＣＥへ水素ガスが漏洩するクロスリークＣＬが発生する場合がある。
セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗測定の際には、図３に示すように、アノードＡＥに水素ガスが供給され、カソードＣＥに不活性ガスである窒素ガスが供給される。アノードＡＥへの水素ガスの供給は、水素タンク２３および水素ガス供給路６０（図１）を利用して行われる。また、カソードＣＥへの窒素ガスの供給は、酸化ガス供給路６７の代わりに設けられた図示しない窒素ガス供給系を利用して行われる。この状態で、セル２１に外部電源ＰＳが接続されてカソードＣＥの電位が正になるように電圧が印可され、各電圧値における電流値が測定される。セル２１に電圧が印可されたときに、短絡部位ＳＣが存在すると、短絡部位ＳＣを介して電流が流れる。また、セル２１においてクロスリークＣＬがあると、カソードＣＥでは、クロスリークＣＬによってカソードＣＥに到達した水素ガスがプロトンと電子に分離する反応が起き、アノードＡＥでは、カソードＣＥから電解質膜ＭＥを通ってアノードＡＥに移動したプロトンが電子と結合して水素になる反応が起き、これによっても電流が流れる。
図４は、セル２１におけるカソード電位と電流との測定結果の一例を示すグラフである。図４には、短絡部位ＳＣの抵抗が比較的大きいケース１と短絡部位ＳＣの抵抗が比較的小さいケース２において、カソード電位の各値における電流測定値の点を結んだ直線を示している。この直線の傾きに基づき、短絡部位ＳＣの抵抗が算出される。ケース１では、カソード電位の増加に伴う電流値の増加がわずかであり、短絡部位ＳＣの抵抗が大きい。また、ケース２では、カソード電位の増加に伴う電流値の増加が大きく、短絡部位ＳＣの抵抗が小さい。セル２１に短絡部位ＳＣが存在しない場合には、理論的には、カソード電位の増加に伴う電流値の増加はゼロとなる。なお、図４に示したグラフ上における直線の切片はクロスリークＣＬによる電流に対応する。そのため、この測定方法によれば、短絡部位ＳＣの抵抗に加えて、クロスリークＣＬも測定することができ、特に出荷検査時における工程の効率化を図ることができる。
上述した方法とは異なる方法により、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗を測定することも可能である。例えば、アノードＡＥおよびカソードＣＥの両方に同じ種類のガスを供給し、両極間に電圧を印可し、電流値が落ち着いた時点での電圧値と電流値とに基づき短絡部位ＳＣの抵抗を算出する方法を採用することができる。極間への電圧印加直後は、カーボンの充電や白金酸化物の変化による電流が流れるため、そのような電流が放電されて電流値が落ち着いた時点での電圧値と電流値を用いることで、短絡部位ＳＣの抵抗を精度良く測定することができる。なお、同じ種類のガスとしては、水素ガスや空気、あるいは窒素などの不活性ガス等を利用可能である。また、極間に印加する電圧は、０．３Ｖから０．５Ｖの間であることが好ましい。
測定されたセル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値は、制御部７０（図１）に記憶される。このとき制御部７０は、抵抗値取得部として機能する。
次に、セル２１の電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄが設定され、電解質膜ＭＥが分解温度Ｔｄまで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）が算出される（ステップＳ１２０）。図５は、電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄを設定するための実験結果の一例を示す説明図である。図５には、電解質膜、触媒層およびＭＥＡについて、サーモグラフィーを用いて計測した温度と重量減少微分値との関係を示している。図５に示した実験結果から、電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄは例えば３００℃に設定される。
また、図６は、電解質膜ＭＥが分解してピンホールがあく際の温度測定結果の一例を示す説明図である。図６には、セル２１を加熱した際のＭＥＡの表面温度およびセパレータの表面温度の経時変化を示している。なお、実験では測定可能温度の上限が約１４００℃の測定機器を使用したため、図６では１４００℃以上の温度はすべて１４００℃として示されている。実験では、開始からの経過時間が約８秒の時点において、ＭＥＡ表面温度が約０．１秒間で１０００℃以上上昇している。そのため、必要熱量Ｑの算出の際には周囲への放熱は考慮しないものとすることができ、また、算出する熱量は０．１秒あたりの熱量で良いことが確認された。
表１は、必要熱量Ｑの算出結果の一例を示している。表１に従い、電解質膜ＭＥの膜厚やガス拡散層基材の直径、各材料の比重および比熱といったセル２１の仕様と、発生するピンホールの直径や初期温度といった条件が設定されると、ピンホールの直径に相当する電解質膜ＭＥの部分が分解温度Ｔｄ（３００℃）まで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）を算出することができる。表１に示した例では、電解質膜としてデュポン社製のＮＲＥ２１１（厚さ２５μｍ）を用い、ガス拡散層としてＳＧＬ社製の２５ＢＣを用いた。また、発生するピンホールの直径を１，０００μｍとした。表１に示した例では、必要熱量Ｑは約０．０５Ｊであった。
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必要熱量Ｑが算出されると、燃料電池２２の制御の際に、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するために用いられる電圧の閾値Ｖ１およびＶ２が設定される（図２のステップＳ１３０）。電解質膜ＭＥのピンホールは、負電圧での発電時（セル電圧が０（ゼロ）Ｖ未満での発電時）と通常発電時（セル電圧が０Ｖ以上での発電時）との両方において発生する可能性がある。
すなわち、燃料電池２２のセル２１に短絡部位ＳＣが存在している状態で負電圧での発電を継続すると、当該セル２１においてアノードのカーボン酸化や電解質膜ＭＥのドライアップ等によりＭＥＡの過電圧が大きくなり、短絡部位ＳＣにも電流が流れて短絡部位ＳＣの温度が上昇する場合がある。短絡部位ＳＣの温度が電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄ以上になると短絡部位ＳＣ周辺の電解質膜ＭＥが分解消失して電解質膜ＭＥにピンホールが発生する。
他方、燃料電池２２のセル２１に短絡部位ＳＣが存在する場合に、短絡部位ＳＣにかかる電圧は、無負荷状態でセル２１に開回路電圧（以下、「ＯＣＶ」と呼ぶ）がかかっている状態において最大となる。そのため、短絡部位ＳＣの抵抗が小さいときにセル２１が無負荷状態に維持されると、短絡部位ＳＣに電流が流れる場合があり、短絡部位ＳＣの温度が電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄ以上となって電解質膜ＭＥにピンホールが発生する場合がある。
ステップＳ１３０で設定される電圧の閾値Ｖ１は負電圧発電時における閾値であり、閾値Ｖ２は通常発電時における閾値である。本実施例における燃料電池２２の電圧値は、セル２１の短絡部位ＳＣの温度に相関する指標値であると共に、短絡部位ＳＣの温度に影響を与える燃料電池２２の制御パラメータである。
セル２１のセル電圧が０Ｖ未満である負電圧発電時における閾値Ｖ１の設定の際には、まず、図７（ａ）に示すようにセル２１のＭＥＡ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は測定された短絡部位ＳＣの抵抗であり、Ｑは上述した必要熱量Ｑである。原閾値Ｖ１ｏは、セル２１の短絡部位ＳＣの温度が電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄと等しくなる際のセル２１の電圧である。従って、セル２１の電圧が原閾値Ｖ１ｏより大きくなるように燃料電池２２の制御を行えば、セル２１の短絡部位ＳＣの温度は電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄより小さくなる。
Ｖ１ｏ＝−（Ｒ×Ｑ）0.5 ・・・（１）
閾値Ｖ１は、原閾値Ｖ１ｏに安全係数を加味して、原閾値Ｖ１ｏより大きい値として設定される。図８は、短絡部位ＳＣの抵抗値に応じた原閾値Ｖ１ｏおよび閾値Ｖ１の一例を示す説明図である。図８に示すように、閾値Ｖ１は、セル２１毎に、当該セル２１における短絡部位ＳＣの抵抗値に基づき設定される。なお、図８には、実験において電解質膜ＭＥにピンホールが発生したときの条件をバツ印で示している。実験結果によれば、セル２１のセル電圧が閾値Ｖ１より小さくならないように燃料電池２２の制御を行えば、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を防止できることがわかる。
また、セル２１のセル電圧が０Ｖ以上である通常発電時における閾値Ｖ２の設定の際には、まず、図７（ｂ）に示すようにセル２１のＭＥＡを電池とみなし、下記の式（２）を用いて原閾値Ｖ２ｏを算出する。式（２）において、Ｒは短絡部位ＳＣの抵抗であり、Ｑは上述した必要熱量Ｑである。原閾値Ｖ２ｏは、セル２１の短絡部位ＳＣの温度が電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄと等しくなる際のセル２１の電圧である。従って、セル２１の電圧が原閾値Ｖ２ｏより小さくなるように燃料電池２２の制御を行えば、セル２１の短絡部位ＳＣの温度は電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄより小さくなる。
Ｖ２ｏ＝（Ｒ×Ｑ）0.5 ・・・（２）
閾値Ｖ２は、原閾値Ｖ２ｏに安全係数を加味して、原閾値Ｖ２ｏより小さい値として設定される。図９は、短絡部位ＳＣの抵抗値に応じた原閾値Ｖ２ｏおよび閾値Ｖ２の一例を示す説明図である。図９に示すように、閾値Ｖ２は、セル２１毎に、当該セル２１における短絡部位ＳＣの抵抗値に基づき設定される。セル２１のセル電圧が閾値Ｖ２より大きくならないように燃料電池２２の制御を行えば、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を防止できる。
閾値Ｖ１，Ｖ２の設定が完了すると、制御部７０による燃料電池２２の運転制御が行われる（図２のステップＳ１４０）。図１０は、第１実施例における燃料電池２２の運転制御の流れを示すフローチャートである。制御部７０は、燃料電池システム２０の各部を制御して燃料電池２２の発電を行い（ステップＳ２１０）、所定のタイミングで電圧計２６により測定された各セル２１の電圧値を取得する（ステップＳ２２０）。このとき、制御部７０は、セル２１の短絡部位ＳＣの温度に相関する温度指標値としての電圧値を取得する指標値取得部として機能する。電圧測定のタイミングは、所定時間経過毎であってもよいし、所定時間発電した毎であってもよい。
制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ未満であり（ステップＳ２３０：ＮＯ）、かつ、セル電圧がセル２１毎に設定された閾値Ｖ１以上である場合には（ステップＳ２４０：ＮＯ）、電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れが無いとして（図８参照）、発電を継続する（ステップＳ２１０）。一方、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ未満であり、かつ、セル電圧が閾値Ｖ１より小さい場合には（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れがあるため、燃料電池２２の電圧を上昇させる制御を実行する（ステップＳ２５０）。具体的には、制御部７０は、例えば、負荷（電流）を下げたり、水素ガス循環系の循環量を増加したり、エアストイキ比を増加させたり、加湿量を増加したりする制御を行う。これにより、各セル２１のセル電圧が閾値Ｖ１以上となり、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生が回避される。
また、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ以上であり（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、かつ、セル電圧がセル２１毎に設定された閾値Ｖ２以下である場合には（ステップＳ２６０：ＮＯ）、電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れが無いとして（図９参照）、発電を継続する（ステップＳ２１０）。一方、制御部７０は、セル２１のセル電圧が０Ｖ以上であり、かつ、セル電圧が閾値Ｖ２より大きい場合には（ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れがあるため、燃料電池２２の電圧を下降させる制御を実行する（ステップＳ２７０）。具体的には、制御部７０は、例えば、発電を行って二次電池３０を充電したり、エアストイキ比を減少させたりする制御を行う。これにより、各セル２１のセル電圧が閾値Ｖ２以下となり、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生が回避される。
すなわち、本実施例の燃料電池システム２０では、セル２１のセル電圧を用いた判定（図１０のステップＳ２４０およびＳ２６０）において電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れがあると判定された場合には、燃料電池２２の電圧の絶対値を低下させる制御が実行される（ステップＳ２５０およびＳ２７０）。
また、本実施例では、燃料電池システム２０の出荷後の所定のタイミングで、各セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得が行われ（図２のステップＳ１５０）、新たに取得された抵抗値に基づき閾値Ｖ１，Ｖ２の更新（新たな閾値Ｖ１，Ｖ２の設定）が行われる（ステップＳ１３０）。これにより、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の経時変化を考慮して適切に設定された閾値Ｖ１，Ｖ２を用いた燃料電池２２の制御が可能となり、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可能となる。
短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得を行うタイミングは、例えば、燃料電池システム２０の定期点検時とすることができる。この場合には、上述した初期短絡抵抗の測定方法と同様の方法により、短絡部位ＳＣの抵抗値の測定を行うことが可能である。また、短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得を行うタイミングは、燃料電池２２の通算運転時間が所定時間を超えた直後の運転停止時や、電気自動車１０の通算走行距離が所定距離を超えた直後の運転停止時とすることもできる。この場合には、オンボードで短絡部位ＳＣの抵抗値の測定が行われることが好ましい。この場合にも、上述した初期短絡抵抗の測定方法と同様の方法により、短絡部位ＳＣの抵抗値の測定を行うことが可能であるが、特に、アノードＡＥおよびカソードＣＥの両方に同じ種類のガス（水素ガスと空気との一方）を供給し、両極間に電圧を印可し、電流値が落ち着いた時点での電圧値と電流値とに基づき短絡部位ＳＣの抵抗を算出する方法を採用することが、燃料電池システム２０に不活性ガス供給系を搭載する必要がないという点で好ましい。
以上説明したように、本実施例の燃料電池システム２０では、制御部７０による燃料電池２２の運転制御の際に、各セル２１の電圧値が取得され、取得された電圧値が閾値Ｖ１，Ｖ２により規定される所定の範囲内になるように燃料電池２２の電圧制御が行われる。ここで、セル２１の電圧は、セル２１の短絡部位ＳＣの電流に相関し、従って、短絡部位ＳＣの温度に相関する。また、電圧の閾値Ｖ１，Ｖ２は、短絡部位ＳＣの温度が電解質膜の分解温度Ｔｄより小さくなるような電圧の範囲を規定するように設定される。そのため、本実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池２２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。
本実施例の燃料電池システム２０では、電圧の閾値Ｖ１，Ｖ２が、燃料電池２２の仕様や各セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値に基づいて、短絡部位ＳＣの温度が電解質膜の分解温度Ｔｄより小さくなるような値に設定されるため、燃料電池２２の仕様や各セル２１の短絡の度合いに応じた適切な閾値Ｖ１，Ｖ２を設定することができ、燃料電池２２の電解質膜におけるピンホールの発生を確実に抑制することができる。また、本実施例の燃料電池システム２０では、電圧値が閾値Ｖ１，Ｖ２の直前まで変化することを許容できるため、短絡部位ＳＣの抵抗値や燃料電池２２の仕様を考慮せずに安全側の閾値を設定する場合と比較して、燃料電池２２の電圧の許容範囲をより広くとることができる。従って、本実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池２２の出力制限を行うことなく継続運転可能な領域を拡大することができ、ドライバビリティの低下を抑制してよりロバスト製の高いシステムを構築することができる。さらに、本実施例の燃料電池システム２０では、電圧の閾値Ｖ１，Ｖ２が各セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値に基づいてセル２１毎に設定され、電圧の測定値と閾値Ｖ１，Ｖ２との判定もセル２１毎に実行されるため、すべてのセル２１に一律の閾値を設定して電圧制御を行う場合と比較して、燃料電池２２の電圧の許容範囲を広くとることができ、同様にドライバビリティの低下を抑制することができる。
さらに、本実施例の燃料電池システム２０では、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の経時変化を考慮した適切な閾値Ｖ１，Ｖ２を設定することが可能となり、長期間にわたってドライバビリティの低下を抑制しつつ電解質膜におけるピンホールの発生を確実に抑制することができる。
なお、上記実施例では、電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄが設定され、電解質膜ＭＥの膜厚といったセル２１の仕様に基づき、電解質膜ＭＥが分解温度Ｔｄまで温度上昇するのに要する熱量（必要熱量Ｑ）が算出されるとしているが、必要熱量Ｑは実験により設定されるとしてもよい。図１１は、必要熱量Ｑの設定のための実験結果の一例を示す説明図である。図１１には、同一仕様のセル２１を作成条件（触媒層形成方法や熱転写時の温度および圧力等）を変更して複数作成し、負電圧で発電させて電解質膜にピンホールを発生させた際の、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗とピンホール発生時の発熱量（０．１秒あたり）との対応関係を示している。図１１の例では、ピンホール発生時の発熱量の最低値（Ｊｍｉｎ）は約０．０５Ｊであり、必要熱量Ｑはこの値に設定される。
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．短絡部位の抵抗値の再取得：
図１２は、第２実施例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。第２実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池システム２０の出荷後の所定のタイミングで、燃料電池２２の各セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得が行われる。ただし、第２実施例では、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値が、直接測定されるのではなく、セル２１の特性から推定される点が、第１実施例とは異なっている。
まず、制御部７０（図１）は、ＯＣＶ（開回路電圧）が初期値から低下したセル２１が存在するか否かを判定する（ステップＳ３１０）。制御部７０は、各セル２１のＯＣＶの初期値を記憶しており、無負荷状態における各セル２１の電圧（ＯＣＶ）を測定して初期値と比較することにより判定を行う。一般に、ＯＣＶの低下は、短絡部位ＳＣの抵抗値の低下とクロスリークＣＬとにより引き起こされる。従って、ＯＣＶが初期値から低下したセル２１が存在しないと判定された場合には、制御部７０は、短絡部位ＳＣの抵抗値が低下したセル２１が存在しないと判断し、閾値Ｖ１，Ｖ２の再設定（図２のステップＳ１３０）を行うことなく運転を継続する。
ステップＳ３１０の判定において、ＯＣＶが初期値から低下したセル２１が存在すると判定された場合には、制御部７０は、ＯＣＶが低下したセル２１（以下、セルＢとも呼ぶ）とＯＣＶが初期値から変化していないセル２１（以下、セルＡとも呼ぶ）とのＩＶ特性（電流密度とセル電圧との関係）を測定し、両者のＩＶ特性を比較してクロスリークＣＬによる電圧低下量を推定する（図１２のステップＳ３２０）。電圧低下量の推定の際には、ＩＶ特性があらためて測定されてもよいし、燃料電池システム２０の運転中において既に記録された各負荷における電流値と電圧値とを用いて算出されたＩＶ特性が用いられてもよい。
図１３は、セル２１のＩＶ特性測定結果の一例を示す説明図である。図１３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７０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ＣＬ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、短絡部位ＳＣ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ＣＬ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ＣＬ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／ｃｍ２以上の時であることが好ましい。図１３の例では、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２の時のセルＡとセルＢとの電圧差を、クロスリークＣＬ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ＣＬを原因とする電圧低下量と短絡部位ＳＣ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７０は、クロスリークＣＬ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Ｓ３３０）。図１３には、クロスリークＣＬ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ＣＬ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ＣＬによる電圧低下量分だけ上昇させた値である。なお、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ＣＬのみにより引き起こされたと考えられるため、新たにセルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値を取得する必要はなく、図１２の以降のステップが実行されることなく発電が継続される。
次に、制御部７０は、セルＡのＩＶ特性からＶＲ特性（セル電圧と抵抗との関係）を算出する（ステップＳ３４０）。図１４には、算出されたセルＡのＶＲ特性の一例を示している。制御部７０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の短絡部位ＳＣの抵抗値を推定する（ステップＳ３５０）。具体的には、制御部７０は、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値は、セルＡのＶＲ特性（図１４）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１５は、セルＢの短絡部位ＳＣ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１３参照）の測定は、図１５（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することにより実行される。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１５（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１５（ｂ）に示すように、無負荷時において短絡部位ＳＣにかかる電圧である。ここで、図１５（ａ）に示す回路と図１５（ｂ）に示す回路とは同一である。従って、セルＢの短絡部位ＳＣ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１２のステップＳ３１０において、ＯＣＶが低下したセル２１が複数存在すると判定された場合には、セル２１毎にステップＳ３２０からＳ３５０までの処理が行われ、各セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される。
第２実施例においても、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定によって再取得されると、新たな抵抗値に基づき閾値Ｖ１，Ｖ２の更新（新たな閾値Ｖ１，Ｖ２の設定）が行われる（図２のステップＳ１３０）。これにより、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の経時変化を考慮した適切な閾値Ｖ１，Ｖ２を設定することが可能となり、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可能となる。
上述した第１実施例では、出荷後の所定のタイミングにおけるセル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）は、初期短絡抵抗の測定方法と同様の方法、すなわち、アノードＡＥに水素ガスを供給すると共にカソードＣＥに不活性ガスを供給しセル２１に電圧を印可した際の電圧と電流とを測定して短絡部位ＳＣの抵抗を算出する方法や、アノードＡＥおよびカソードＣＥの両方に同一種類のガス（水素ガスまたは空気）を供給して両極間に電圧を印可し電圧と電流とを測定して短絡部位ＳＣの抵抗を算出する方法により行われるものとしている。短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得に不活性ガスを用いる方法を採用する場合には、燃料電池システム２０に、その運転自体には必要のない不活性ガスの供給系（例えば不活性ガスを収容するタンク）が必要になると共に、カソードＣＥを完全に不活性ガスで置換する工程が必要になり、システムの複雑化や制御の煩雑化を招く。また、短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得にアノードＡＥおよびカソードＣＥの両極に水素ガスを供給する方法を採用する場合にも、カソードＣＥを完全に水素ガスで置換する工程や、カソードＣＥに水素ガスを供給する配管が必要となり、同様に、システムの複雑化や制御の煩雑化を招く。両極に空気を供給する方法を採用する場合も同様である。第２実施例では、ＯＣＶが初期値から低下したセルＢとＯＣＶが変化していないセルＡとのＩＶ特性の比較によりクロスリークＣＬによる電圧低下量が推定され、セルＡのＩＶ特性から算出されるＶＲ特性とクロスリークＣＬによる電圧低下量を用いて補正されたセルＢの開回路電圧値とに基づきセルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定されるため、短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得において不活性ガスを用いたり両電極に同一種類のガスを供給したりする必要がない。従って、第２実施例の燃料電池システム２０では、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２２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。
また、第２実施例では、セル電圧の低下量を、クロスリークＣＬを原因とする電圧低下量と短絡部位ＳＣ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。電解質膜におけるピンホールの発生原因は、クロスリークＣＬではなく短絡部位ＳＣの抵抗値の低下である。第２実施例では、電解質膜におけるピンホールの発生原因となる短絡部位ＳＣの抵抗値の低下を原因とする開回路電圧ＯＣＶの低下量を把握して、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得を行うか否かの判定を行うことができる。また、第２実施例では、短絡部位ＳＣの抵抗値の低下を原因とするセル電圧の低下のみを考慮して電圧の閾値Ｖ１，Ｖ２が設定されるため、燃料電池２２の電圧の許容範囲を広くとることができ、ドライバビリティの低下を抑制することができる。
Ｂ−２．第２実施例の変形例：
図１６は、第２実施例の第１の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。図１６に示した第２実施例の第１の変形例では、上記第２実施例（図１２）におけるＯＣＶが初期値から変化していないセル２１（セルＡ）の特性の代わりに、記録された初期特性が用いられる。すなわち、図１６に示した変形例では、出荷時のセル２１のＩＶ特性（初期ＩＶ特性）が記録されており、制御部７０は、記録された初期ＩＶ特性からＶＲ特性（初期ＶＲ特性）を算出する（ステップＳ３０２）。初期特性は、セル２１毎に記録されるとしてもよいが、燃料電池２２における各セル２１の構成や仕様は互いに同一であるため、１つの代表のセル２１の特性のみが記録されるとしてもよい。
次に、ＯＣＶが初期値から低下したセル２１が存在するか否かの判定が行われ（ステップＳ３１０）、ＯＣＶが低下したセル２１が存在すると判定された場合には、ＯＣＶが低下したセルＢのＩＶ特性が測定されて初期ＩＶ特性と比較され、クロスリークＣＬによる電圧低下量が推定される（ステップＳ３２２）。そして、クロスリークＣＬによる電圧低下量に基づき補正されたセルＢのＯＣＶ（補正後開回路電圧Ｖｃ）が算出され（ステップＳ３３２）、セルＢの補正後開回路電圧Ｖｃと初期ＶＲ特性とに基づき、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ３５２）。
図１６に示した変形例では、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在しない場合にも、記録された初期特性を用いてセルＢの短絡部位ＳＣ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２２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。
図１７は、第２実施例の第２の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。図１７に示した第２実施例の第２の変形例では、図１６に示した変形例と同様に、セル２１の初期ＩＶ特性が記録され、記録された初期ＩＶ特性から初期ＶＲ特性が算出され（ステップＳ３０２）、ＯＣＶが初期値から低下したセル２１が存在するか否かの判定が行われ（ステップＳ３１０）、ＯＣＶが低下したセル２１が存在すると判定された場合に、ＯＣＶが初期値と変わらないセル２１が存在するか否かが判定される（ステップＳ３１２）。そして、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在すると判定された場合には、図１２に示した第２実施例と同様に、ＯＣＶが変化していないセル２１（セルＡ）とＯＣＶが低下したセル２１（セルＢ）とを比較することにより、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ３２０からＳ３５０）。一方、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合には、図１６に示した第２実施例の第１の変形例と同様に、記録された初期特性とＯＣＶが低下したセルＢとを比較することにより、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ３２２からＳ３５２）。
燃料電池システム２０において発電を行うと、各セル２１における短絡やクロスリークＣＬ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２２の各セル２１においてほぼ共通であると考えられる。そのため、図１２に示した第２実施例のように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短絡部位ＳＣ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、図１６に示した第２実施例の第１の変形例のように初期特性とＯＣＶが低下したセルＢとを比較することにより短絡部位ＳＣ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。図１７に示した第２実施例の第２の変形例では、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在して精度のより高い推定方法（第２実施例の方法）が採用できる場合にはこれを採用し、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在せずに第２実施例の方法が採用できない場合には、第２実施例の第１の変形例の方法を採用する。そのため、図１７に示した第２実施例の第２の変形例では、多様なケースに対応しつつ短絡部位ＳＣの抵抗値の推定精度をできるだけ高めることができる。
なお、図１７に示した第２実施例の第２の変形例において、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合には、電気自動車１０および燃料電池システム２０の運転を停止し、上述した初期短絡抵抗の測定方法と同様の方法によって短絡部位ＳＣの抵抗値の測定を行うとしてもよい。
図１８は、第２実施例の第３の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。図１８に示した第２実施例の第３の変形例は、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合に（ステップＳ３１２：ＮＯ）、記録された初期特性と発電履歴とから性能低下後のＩＶ特性を推定する工程（ステップＳ３１４）が実行される点が、図１７に示した第２実施例の第２の変形例と異なっている。性能低下後のＩＶ特性の推定は、特開２００６−１３９９３５号公報やH. A. Gasteiger et al., J. Electrochem. Soc., １５２巻 Ａ２２５６−Ａ２２７１頁（２００５年）、 R. M. Darling and J. P. Meyers., J. Electrochem. Soc., １５０巻 Ａ１５２３−Ａ１５２７頁（２００３年）、W. Bi and T. F. Fuller., J. PowerSources, １７８巻 １８８−１９６頁（２００８年）といった文献に記載された公知の方法を用いて実施可能である。性能低下後のＩＶ特性が推定されると、図１７に示した第２実施例の第２の変形例と同様に、推定された性能低下後のＩＶ特性とＯＣＶが低下したセルＢのＩＶ特性とを比較することにより、セルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ３２２からＳ３５２）。
図１８に示した第２実施例の第３の変形例では、ＯＣＶが初期値から変化していないセル２１が存在せずに第２実施例のような精度の高い方法が採用できない場合であっても、初期特性と発電履歴とから性能低下後のＩＶ特性が推定され、推定された性能低下後のＩＶ特性を用いたセルＢの短絡部位ＳＣの抵抗値の推定が行われるため、短絡部位ＳＣの抵抗値の推定精度を高めることができる。
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．短絡部位の抵抗値の再取得：
図１９は、第３実施例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。第３実施例においても、第２実施例と同様に、燃料電池システム２０の出荷後の所定のタイミングで、燃料電池２２の各セル２１の特性から短絡部位ＳＣの抵抗値を推定することにより、短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得が行われる。ただし、第３実施例では、各セル２１のＯＣＶを計測することなく短絡部位ＳＣの抵抗値を推定する点が異なっている。
まず、制御部７０（図１）は、所定の低負荷（最低電流Ｉｂ）で発電している時のセル電圧（以下、「最低電流時電圧Ｖｂ」と呼ぶ）が初期値から低下したセル２１が存在するか否かを判定する（ステップＳ４１０）。ここで、所定の最低電流Ｉｂは、０より大きい値であれば任意に設定可能であるが、本実施例では０．１Ａ／ｃｍ２であるものとする。制御部７０は、各セル２１の最低電流時電圧Ｖｂの初期値を記憶しており、各セル２１の最低電流時電圧Ｖｂを測定して初期値と比較することにより判定を行う。一般に、最低電流時電圧Ｖｂの低下は、ＯＣＶの低下と同様に、短絡部位ＳＣの抵抗値の低下とクロスリークＣＬとにより引き起こされる。従って、最低電流時電圧Ｖｂが低下したセル２１が存在しないと判定された場合には、制御部７０は、短絡部位ＳＣの抵抗値が低下したセル２１が存在しないと判断し、閾値Ｖ１，Ｖ２の再設定（図２のステップＳ１３０）を行うことなく運転を継続する。
ステップＳ４１０の判定において、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から低下したセル２１が存在すると判定された場合には、制御部７０は、最低電流時電圧Ｖｂが低下したセル２１（以下、セルＦとも呼ぶ）と最低電流時電圧Ｖｂが変化していないセル２１（以下、セルＥとも呼ぶ）とのＩＶ特性を測定し、両者のＩＶ特性を比較してクロスリークＣＬによる電圧低下量を推定する（ステップＳ４２０）。図２０は、セル２１のＩＶ特性測定結果の一例を示す説明図である。図２０（ａ）には、最低電流時電圧Ｖｂが変化していないセルＥのＩＶ特性と最低電流時電圧Ｖｂが低下したセルＦのＩＶ特性との測定結果を示している。また、図２０（ｂ）には、図２０（ａ）のＸ１部を拡大して示している。クロスリークＣＬによる電圧低下量の推定は、図１３に示した第１実施例と同様の方法で行われる。すなわち、両ＩＶ特性における所定の高負荷時（例えば電流密度が１．０Ａ／ｃｍ２の時）の電圧差がクロスリークＣＬによる電圧低下量であると推定される。
次に、制御部７０は、クロスリークＣＬによる電圧低下量に基づき補正されたセルＦのＩＶ特性を算出する（ステップＳ４３０）。図２０（ａ）および（ｂ）には、クロスリークＣＬによる電圧低下量に基づき補正されたセルＦのＩＶ特性（クロスリークＣＬによる電圧低下量が無いと仮定した場合のセルＦのＩＶ特性）も示している。補正後のセルＦのＩＶ特性は、補正前のセルＦのＩＶ特性をクロスリークＣＬによる電圧低下量分だけ全体的に上昇させたものである。なお、算出された補正後のセルＦの最低電流時電圧ＶｂがセルＡの最低電流時電圧Ｖｂと同一である場合には、最低電流時電圧Ｖｂの低下がクロスリークＣＬのみにより引き起こされたと考えられるため、新たにセルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値を取得する必要はなく、図１９の以降のステップが実行されることなく発電が継続される。
次に、制御部７０は、セルＥのＩＶ特性と補正後のセルＦのＩＶ特性とに基づき、セルＦの短絡部位ＳＣの電流Ｉｓを推定する（ステップＳ４４０）。最低電流Ｉｂは予め設定された値であり、補正後のセルＦの最低電流時電圧Ｖｂは、補正後のセルＦのＩＶ特性から算出可能である。制御部７０は、図２０（ｂ）に示すように、セルＥのＩＶ特性における補正後のセルＦの最低電流時電圧Ｖｂに対応する電流Ｉｋを算出し、電流Ｉｋと最低電流Ｉｂとの差分を短絡部位ＳＣにおける電流Ｉｓとして算出する。
図２１は、短絡部位ＳＣの電流Ｉｓの推定方法を示す説明図である。図２１には、短絡部位ＳＣを有さないセルＥと短絡部位ＳＣを有するセルＦと負荷とを含む回路を示している。短絡部位ＳＣを有さないとした場合のセルＦのＩＶ特性はセルＥのＩＶ特性と同じであるとすると、セルＦでは、負荷に流れる電流Ｉｂに加えてセルＦの内部の短絡部位ＳＣに流れる電流Ｉｓ分も発電する必要があるため、セルＦの最低電流時電圧ＶｂはセルＥの最低電流時電圧Ｖｂより小さくなっていると考えられる。セルＦの本来のＩＶ特性はセルＥのＩＶ特性と同じであるため、セルＦでは、セルＥのＩＶ特性に従って最低電流時電圧Ｖｂ時の電流を流しているはずである。従って、短絡部位ＳＣの電流Ｉｓは、図２０（ｂ）に示すように、セルＥのＩＶ特性におけるセルＦの最低電流時電圧Ｖｂに対応する電流Ｉｋから最低電流Ｉｂを差し引いた値であると推定することができる。
制御部７０は、補正後のセルＦの最低電流時電圧Ｖｂと推定された短絡部位ＳＣの電流Ｉｓとから、短絡部位ＳＣの抵抗値を算出する（ステップＳ４５０）。なお、図１９のステップＳ４１０において、最低電流時電圧Ｖｂが低下したセル２１が複数存在すると判定された場合には、セル２１毎にステップＳ４２０からＳ４５０までの処理が行われ、各セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される。
第３実施例においても、セルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定によって再取得されると、新たな抵抗値に基づき閾値Ｖ１，Ｖ２の更新（新たな閾値Ｖ１，Ｖ２の設定）が行われる（図２のステップＳ１３０）。これにより、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の経時変化を考慮した適切な閾値Ｖ１，Ｖ２を設定することが可能となり、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可能となる。
上述した第２実施例では、短絡部位ＳＣの抵抗値の推定の際に各セル２１のＯＣＶが計測されたが、燃料電池２２の耐久性向上のためには、燃料電池２２の運転中に無負荷状態としてＯＣＶをかけることを回避することが好ましい。第３実施例では、短絡部位ＳＣの抵抗値の推定の際に各セル２１のＯＣＶを計測する必要がないため、燃料電池２２の耐久性向上を図りつつ、燃料電池２２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。
Ｃ−２．第３実施例の変形例：
図２２は、第３実施例の第１の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。図２２に示した第３実施例の第１の変形例では、出荷時のセル２１のＩＶ特性（初期ＩＶ特性）が記録され（ステップＳ４０２）、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から低下したセル２１が存在するか否かの判定が行われ（ステップＳ４１０）、最低電流時電圧Ｖｂが低下したセル２１が存在すると判定された場合には、最低電流時電圧Ｖｂが初期値と変わらないセル２１が存在するか否かが判定される（ステップＳ４１２）。そして、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合には、上記第３実施例（図１９）における最低電流時電圧Ｖｂが変化していないセル２１（セルＥ）のＩＶ特性の代わりに、記録された初期ＩＶ特性と最低電流時電圧Ｖｂが低下したセルＦとを比較することにより、セルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ４６０からＳ４９０）。最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在すると判定された場合には、図１９に示した第３実施例と同様に、最低電流時電圧Ｖｂが変化していないセル２１（セルＥ）と最低電流時電圧Ｖｂが低下したセル２１（セルＦ）とを比較することにより、セルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ４２０からＳ４５０）。
図２２に示した変形例では、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在して精度のより高い推定方法（第３実施例の方法）が採用できる場合にはこれを採用し、最低電流時電圧Ｖｂが変化していないセル２１が存在しない場合にも初期ＩＶ特性を用いてセルＦの短絡部位ＳＣ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２２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燃料電池２２の制御を実現することができると共に、多様なケースに対応しつつ短絡部位ＳＣの抵抗値の推定精度をできるだけ高めることができる。
図２３は、第３実施例の第２の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。図２３に示した第３実施例の第２の変形例は、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合（ステップＳ４１２：ＮＯ）の処理が、図２２に示した第３実施例の第１の変形例と異なっている。図２３に示した変形例では、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合に、記録された初期ＩＶ特性と発電履歴とから、性能低下後のＩＶ特性が推定される（ステップＳ４１４）。性能低下後のＩＶ特性の推定は、上述した公知の方法を用いて実施可能である。性能低下後のＩＶ特性が推定されると、図２２に示した第３実施例の第１の変形例と同様に、推定された性能低下後のＩＶ特性と最低電流時電圧Ｖｂが低下したセルＦのＩＶ特性とを比較することにより、セルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値が推定される（ステップＳ４６２からＳ４９２）。
図２３に示した第３実施例の第２の変形例では、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在せずに第３実施例のような精度の高い方法が採用できない場合であっても、初期ＩＶ特性と発電履歴とから性能低下後のＩＶ特性が推定され、推定された性能低下後のＩＶ特性を用いたセルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値の推定が行われるため、短絡部位ＳＣの抵抗値の推定精度を高めることができる。
図２４は、第３実施例の第３の変形例における短絡部位ＳＣの抵抗値の再取得（図２のステップＳ１５０）の流れを示すフローチャートである。図２４に示した第３実施例の第３の変形例は、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合（ステップＳ４１２：ＮＯ）の処理が、図２３に示した第３実施例の第２の変形例と異なっている。図２４に示した変形例では、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在しないと判定された場合に、上述した初期短絡抵抗の測定方法と同様の方法によって、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値の測定が行われる（ステップＳ４６４）。すなわち、アノードＡＥに水素ガスが供給されカソードＣＥに窒素ガスが供給された後、所定の電圧（０．２Ｖ〜０．５Ｖ）が印可され、各電圧値における電流値から短絡部位ＳＣの抵抗値が算出される。
次に、短絡部位ＳＣの抵抗値が最小のセル２１が基準セルに設定され、基準セルのＩＶ特性と短絡部位ＳＣの抵抗値推定の対象である対象セル（セルＦ）のＩＶ特性とを比較してクロスリークＣＬによる電圧低下量が推定される（ステップＳ４７４）。そして、基準セルのＩＶ特性とクロスリークＣＬによる電圧低下量に基づき補正されたセルＦのＩＶ特性と基準セルの短絡抵抗とに基づき、セルＦの短絡部位ＳＣの電流Ｉｓが推定される（ステップＳ４８４）。図２５に示すように、図２０（ｂ）に示した第３実施例と同様の方法により、基準セルの短絡部位ＳＣの抵抗値と最低電流時電圧Ｖｂとから短絡部位ＳＣに流れる電流Ｉｓ１が推定され、電流Ｉｓ１に基づきセルＦの短絡部位ＳＣに流れる電流Ｉｓ２が推定される。その後、補正後のセルＦの最低電流時電圧Ｖｂと推定された短絡部位ＳＣの電流Ｉｓ２とから短絡部位ＳＣの抵抗値が算出される（ステップＳ４９４）。
図２４に示した第３実施例の第３の変形例では、最低電流時電圧Ｖｂが初期値から変化していないセル２１が存在しない場合であっても、短絡部位ＳＣの抵抗値を測定した基準セルのＩＶ特性に基づきセルＦの短絡部位ＳＣの抵抗値の推定が行われるため、短絡部位ＳＣの抵抗値の推定精度を高めることができる。
Ｄ．第４実施例：
図２６および図２７は、第４実施例における燃料電池２２の制御の際の電圧の閾値の一例を示す説明図である。上記第１実施例から第３実施例では、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するという観点からの電圧の閾値について説明したが、燃料電池２２の制御の際の電圧の閾値は燃料電池２２の性能低下を抑制する他の観点から設けられる場合もある。第４実施例では、複数の観点から設定された電圧の複数の閾値を用いた燃料電池２２の制御が実行される。
図２６には、通常発電時（セル電圧０Ｖ以上での発電時）における電圧の上限閾値を示している。図２６に示した閾値Ｖｔ２は、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するという観点から設定された電圧の上限閾値である（図９参照）。また、閾値Ｖｔ１は、燃料電池２２の耐久性向上を目的としてＯＣＶを回避するという観点から設定された電圧の上限閾値である。第４実施例における燃料電池２２の制御では、２つの観点から設定された２つの上限閾値の内、安全側の閾値、すなわち小さい方の閾値が実際に使用される。図２６に示した例では、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値がＲａ以下の場合には閾値Ｖｔ２が使用され、抵抗値がＲａより大きい場合には閾値Ｖｔ１が使用される。
図２７には、短絡部位ＳＣの抵抗値がＲｂであるセル２１の負電圧発電時（セル電圧０Ｖ未満での発電時）における電圧の下限閾値を示している。図２７に示した閾値Ｖｔ４は、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するという観点から設定された電圧の下限閾値である。図２８は、閾値Ｖｔ４の決定方法の一例を示す説明図である。図２８に示すように、閾値Ｖｔ４は、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するという観点から設定された短絡部位ＳＣの抵抗値毎の閾値分布（図８参照）における抵抗値Ｒｂに対応する閾値である。また、閾値Ｖｔ３は、特開２００８−２７７０４４号公報に記載された水素欠を回避するという観点から設定された各セル温度に応じた電圧の下限閾値である。第４実施例における燃料電池２２の制御では、２つの観点から設定された２つの下限閾値の内、安全側の閾値、すなわち大きい方の閾値が実際に使用される。図２７に示した例では、セル温度がマイナス２０℃以上の場合には閾値Ｖｔ３が使用され、セル温度がマイナス３０℃以下であって電流密度がＩａ以下の場合にも閾値Ｖｔ３が使用され、セル温度が−３０℃以下であって電流密度がＩａを超える場合には閾値Ｖｔ４が使用される。
図２９は、第４実施例における燃料電池２２の運転制御（図２のステップＳ１４０）の流れを示すフローチャートである。図２９には、セル２１の短絡部位ＳＣの抵抗値が１．０メガオーム・ｃｍ２であり、セル温度がマイナス３０℃である場合の運転制御方法を示している。燃料電池２２の発電が行われ（ステップＳ５１０）、所定のタイミングで各セル２１の電圧が測定される（ステップＳ５２０）。セル２１のセル電圧が０Ｖ以上である場合には（ステップＳ５３０：ＹＥＳ）、図２６に従い、セル電圧が閾値Ｖｔ１より大きいか否かの判定が行われる（ステップＳ５８０）。セル電圧が閾値Ｖｔ１以下である場合には（ステップＳ５８０：ＮＯ）、発電が継続され、セル電圧が閾値Ｖｔ１より大きい場合には（ステップＳ５８０：ＹＥＳ）、セル電圧を下降させる制御が実行される（ステップＳ５９０）。これにより、通常発電時において、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生が回避されると共に、ＯＣＶが回避されて燃料電池２２の耐久性が向上する。
一方、セル２１のセル電圧が０Ｖ未満である場合には（ステップＳ５３０：ＮＯ）、図２７に従い、電流密度がＩａより小さいか否かの判定が行われ（ステップＳ５４０）、電流密度がＩａより小さい場合には、セル電圧が閾値Ｖｔ３より小さいか否かの判定が行われる（ステップＳ５５０）。また、電流密度がＩａ以上の場合には、セル電圧が閾値Ｖｔ４より小さいか否かの判定が行われる（ステップＳ５６０）。セル電圧が閾値Ｖｔ３以上である場合（ステップＳ５５０：ＮＯ）またはセル電圧が閾値Ｖｔ４以上である場合には（ステップＳ５６０：ＮＯ）、発電が継続され、セル電圧が閾値Ｖｔ３より小さい場合（ステップＳ５５０：ＹＥＳ）またはセル電圧が閾値Ｖｔ４より小さい場合には（ステップＳ５６０：ＹＥＳ）、セル電圧を上昇させる制御が実行される（ステップＳ５７０）。これにより、負電圧発電時において、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生が回避されると共に、水素欠が回避される。
以上説明したように、第４実施例では、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するという観点から設定された電圧の閾値と共に、他の観点から設定された電圧の閾値も考慮し、最も安全側の閾値を用いて燃料電池２２の制御が行われる。すなわち、セル２１の電圧値が、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を抑制するという観点から設定された電圧の閾値により規定される範囲内であり、かつ、他の観点から設定された電圧の閾値により規定される範囲内であるように、燃料電池２２の制御が行われる。そのため、第４実施例では、燃料電池２２の電解質膜におけるピンホールの発生を有効に抑制しつつ、よりロバスト性の高い燃料電池２２の制御を実現することができると共に、想定される燃料電池２２の複数の劣化モードによる劣化をより効率的に回避することができる。
Ｅ．第５実施例：
図３０は、第５実施例における燃料電池２２の運転制御（図２のステップＳ１４０）の流れを示すフローチャートである。第５実施例の運転制御は、発電中（ステップＳ７１０）の所定のタイミングで、熱電対を用いてセル２１のＭＥＡ温度が測定される点が（ステップＳ７２０）、セル電圧が測定される第１実施例（図１０参照）とは異なっている。図３１は、セル２１のＭＥＡ温度の測定方法の一例を示す説明図である。図３１（ａ）には、セル２１の電解質膜ＭＥの平面を示しており、図３１（ｂ）には、図３１（ａ）のＢ−Ｂの位置におけるセル２１の断面を示している。図３１（ｂ）に示すように、本実施例では、ＭＥＡとアノードＡＥ側のガス拡散層との界面に熱電対が設置される。図３１（ａ）に示すように、熱電対は、ＭＥＡの発電部（電解質膜ＭＥ上に電極が形成された部分）において例えば１ｃｍ２あたり１箇所設置される。熱電対をアノードＡＥ側に設置すると、カソードＣＥ側に設置する場合と比較して、ガス拡散や生成水排出の点で背反が少ないため好ましい。また、熱電対をＭＥＡとガス拡散層との界面に設置すると、熱電対をガス拡散層の外側表面に設置する場合と比較して、ＭＥＡ温度の測定精度を高めることができるため好ましい。なお、ＭＥＡ温度を測定する熱電対としては、例えば、素線径２５μｍのＫ型熱電対（アンベエスエムティ社製）に１０μｍのパリレンコート（日本パリレン社製）を施したものを採用可能である。
測定されたＭＥＡ温度は、電解質膜ＭＥの分解温度Ｔｄ（例えば３００℃）と比較され（ステップＳ７３０）、ＭＥＡ温度が分解温度Ｔｄ未満である場合には（ステップＳ７３０：ＮＯ）、電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れが無いとして発電が継続される（ステップＳ７１０）。一方、ＭＥＡ温度が分解温度Ｔｄ以上である場合には（ステップＳ７３０：ＹＥＳ）、電解質膜ＭＥにおけるピンホール発生の恐れがあるため、通常発電時であれば（ステップＳ７４０：ＹＥＳ）セル電圧を下降させる制御が実行され（ステップＳ７６０）、負電圧発電時であれば（ステップＳ７４０：ＮＯ）セル電圧を上昇させる制御が実行される（ステップＳ７５０）。
セル２１の電圧を制御することにより、ＭＥＡ温度を制御することが可能である。図３２は、セル電圧とＭＥＡ温度との関係を調べる実験結果の一例を示す説明図である。図３２には、両極に相対湿度１００％の窒素を供給し、電流密度０．４Ａ／ｃｍ２で発電を行い、セル電圧がマイナス１０Ｖに達した時に負荷を遮断した場合における、ＭＥＡ温度とセル電圧との測定結果を示している。図３２に示す結果から、負電圧発電時には、セル電圧を上昇させるとＭＥＡ温度が低下することがわかる。また、図示しないが、通常発電時には、セル電圧を下降させるとＭＥＡ温度が下降する。従って、上述のように、通常発電時においてセル電圧を下降させる制御が実行された場合、および、負電圧発電時においてセル電圧を上昇させる制御が実行された場合には、ＭＥＡ温度を低下させることができ、電解質膜ＭＥにおけるピンホールの発生を回避することができる。
Ｆ．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。
Ｆ１．変形例１：
上記各実施例では、セル２１の短絡部位ＳＣの温度に相関する温度指標値として、セル２１の電圧やＭＥＡ温度が取得されとしているが、温度指標値として例えば電流値といった他の指標値が取得されるとしてもよい。また、上記各実施例では、短絡部位ＳＣの温度に影響を与える制御パラメータとしての燃料電池２２の電圧についての制御が行われるとしているが、制御パラメータとして例えば電流といった他の制御パラメータが用いられるとしてもよい。
Ｆ２．変形例２：
上記各実施例では、燃料電池システム２０を有する電気自動車１０を例に用いて説明したが、本発明は、電気自動車１０用に限らず他の用途の燃料電池システム２０に適用可能である。また、上記各実施例における電気自動車１０や燃料電池システム２０の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
１０…電気自動車
２０…燃料電池システム
２１…セル
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２６…電圧計
２８…エアフロメータ
３０…二次電池
３３…駆動モータ
３５…インバータ
３９…車両駆動軸
６０…水素ガス供給路
６１…減圧弁
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６６…開閉弁
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部

Claims (18)

  1. 電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    各前記セルの短絡部位の温度に相関する温度指標値を取得する指標値取得部と、
    前記温度指標値が前記短絡部位の温度が前記電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記短絡部位の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行って前記燃料電池の各前記セルにおける発電を継続する制御部と、を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記短絡部位の抵抗値を取得する抵抗値取得部を備え、
    前記制御部は、前記前記短絡部位の抵抗値に基づき、前記温度指標値の前記所定の範囲を設定する、燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、
    前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給させると共にカソードに不活性ガスを供給させる手段と、
    前記燃料電池に電圧を値を変化させつつ印加させる手段と、
    前記電圧値毎の電流値を測定させる手段と、
    前記電圧値と前記電流値との関係に基づき前記抵抗値を算出する手段と、を含む、燃料電池システム。
  4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、
    前記燃料電池のアノードおよびカソードに同じ種類のガスを供給させる手段と、
    前記燃料電池に電圧を印加させる手段と、
    前記電圧印加時の電流値を測定させる手段と、
    前記電圧値と前記電流値との関係に基づき前記抵抗値を算出する手段と、を含む、燃料電池システム。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    前記同じ種類のガスは、前記燃料電池の発電に用いられる燃料ガスと酸化ガスとの一方である、燃料電池システム。
  6. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、前記燃料電池システムの出荷時に前記短絡部位の抵抗値を取得する、燃料電池システム。
  7. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、前記燃料電池システムの定期点検時に前記短絡部位の抵抗値を取得する、燃料電池システム。
  8. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、前記燃料電池の運転停止時に前記短絡部位の抵抗値を取得する、燃料電池システム。
  9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記制御パラメータは、前記燃料電池の電圧値である、燃料電池システム。
  10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外である場合には、前記燃料電池の電圧の絶対値を低下させる制御を行う、燃料電池システム。
  11. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
    前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ未満である場合には、前記燃料電池の電圧を上昇させる制御を行う、燃料電池システム。
  12. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
    前記制御部は、前記温度指標値が前記所定の範囲外であり、かつ、前記温度指標値としての前記電圧値がゼロ以上である場合には、前記燃料電池の電圧を下降させる制御を行う、燃料電池システム。
  13. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
    前記制御部は、各前記セルについて開回路電圧値が初期値から低下したか否かを判定し、開回路電圧値が初期値から低下した第１のセルのＩＶ特性である第１の特性と開回路電圧値が初期値から変化していないＩＶ特性である第２の特性とを比較し、所定の高負荷時における前記第１の特性と前記第２の特性との電圧値の差分に基づき補正された前記第１の特性における開回路電圧値が初期値から低下している場合には、前記抵抗値取得部に前記短絡部位の抵抗値を再取得させ、再取得された前記短絡部位の抵抗値に基づき前記所定の範囲を更新する、燃料電池システム。
  14. 請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、前記第２の特性から算出されるＲＶ特性と補正された前記第１の特性における開回路電圧値とに基づき、前記短絡部位の抵抗値を再取得する、燃料電池システム。
  15. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記温度指標値は各前記セルの電圧値であり、
    前記制御部は、各前記セルについて所定の低負荷時の電圧値である低負荷時電圧値が初期値から低下したか否かを判定し、前記低負荷時電圧値が初期値から低下した第１のセルのＩＶ特性である第１の特性と前記低負荷時電圧値が初期値から変化していないＩＶ特性である第２の特性とを比較し、所定の高負荷時における前記第１の特性と前記第２の特性との電圧値の差分に基づき補正された前記第１の特性における前記低負荷時電圧値が初期値から低下している場合には、前記抵抗値取得部に前記短絡部位の抵抗値を再取得させ、再取得された前記短絡部位の抵抗値に基づき前記所定の範囲を更新する、燃料電池システム。
  16. 請求項１５に記載の燃料電池システムであって、
    前記抵抗値取得部は、補正された前記第１の特性における前記低負荷時電圧値である第１の低負荷時電圧値と前記第２の特性における前記第１の低負荷時電圧値に対応する電流値とに基づき、前記短絡部位の抵抗値を再取得する、燃料電池システム。
  17. 請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記温度指標値は前記燃料電池の電圧値であり、
    前記制御部は、前記燃料電池の性能低下を抑制するための前記温度指標値の少なくとも１つの他の所定の範囲を設定し、前記温度指標値が前記他の所定の範囲内になり、かつ、前記短絡部位の温度が前記電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された前記所定の範囲内になるように、前記燃料電池の前記制御パラメータについての制御を行う、燃料電池システム。
  18. 電解質膜を有するセルを少なくとも１つ含む燃料電池の制御方法であって、
    （ａ）各前記セルの短絡部位の温度に相関する温度指標値を取得する工程と、
    （ｂ）前記温度指標値が前記短絡部位の温度が前記電解質膜の分解温度より小さくなるように設定された所定の範囲内になるように、前記短絡部位の温度に影響を与える前記燃料電池の制御パラメータについての制御を行って前記燃料電池の各前記セルにおける発電を継続する工程と、を備える、方法。
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