JP5876318B2

JP5876318B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5876318B2
Application number: JP2012034738A
Authority: JP
Inventors: 和順山田; 伸和水野
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: JP2013171701A

Description

本発明は、燃料電池を診断する技術に関する。

一般に、燃料電池は、電解質膜を電極で挟んだ発電セルを複数積層することによって構成されている。従来、このような燃料電池の状態を診断する診断装置として、燃料電池の外部から電圧を印加し、外部電圧が印加された状態の燃料電池の周辺部分における磁界を測定し、その測定結果から燃料電池の状態を診断する構成が提案されている（特許文献１）。

特開２００８−１０３６７号公報

しかしながら、前記従来の技術では、磁界から燃料電池の状態を診断するもので、診断精度が劣るという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の状態の診断精度を向上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、
電解質膜と前記電解質膜を挟持する一対の電極とを有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとし、前記被診断セルにおける前記電極に貫通孔が設けられていることによって前記電解質膜の一部が露出した構成であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記電解質膜の露出部に接続される正負電極端子と、
前記貫通孔に接触しない状態で通される導線を介して前記正負電極端子と接続され、前記正負電極端子に電圧を掃引して印加する掃引電源と、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出する電流検出部と、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する診断部と
を備える燃料電池システム。
本発明の他の形態は、
電解質膜と、前記電解質膜の両側に配置されている一対の触媒層と、前記各触媒層の前記電解質膜とは反対側に配置されている一対のガス拡散層とを有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとし、前記被診断セルにおける前記ガス拡散層に貫通孔が設けられていることによって前記触媒層の一部が露出した構成であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記触媒層の露出部に接続される正負電極端子と、
前記貫通孔に接触しない状態で通される導線を介して前記正負電極端子と接続され、前記正負電極端子に電圧を掃引して印加する掃引電源と、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出する電流検出部と、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する診断部と
を備える燃料電池システム。
その他、本発明は、以下の適用例として実現することも可能である。

［適用例１］電解質膜を有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池の診断装置であって、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとし、前記被診断セルに電圧を掃引して印加する電圧印加部と、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出する電流検出部と、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する診断部と
を備える燃料電池診断装置。

この燃料電池診断装置によれば、掃引による電圧の変化に対する出力電流の変化に基づいて、被診断セルの電解質膜の状態が診断される。このために、診断精度を向上することができる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池診断装置であって、前記電圧印加部は、前記被診断セルに含まれる一対のセパレータと接続され、掃引電圧を供給する掃引電源を備える、燃料電池診断装置。
この構成によれば、被診断セルの電解質膜についての面方向における各位置の平均的な含水率を、高精度に診断することができる。

［適用例３］
適用例１に記載の燃料電池診断装置であって、前記電圧印加部は、前記被診断セルにおける触媒層の露出部位に接続される正負電極端子と、前記正負電極端子と接続され、掃引電圧を供給する掃引電源とを備える、燃料電池診断装置。
この構成によれば、被診断セルの電解質膜についての面方向の所定位置の含水率を、高精度に診断することができる。

［適用例４］
適用例１に記載の燃料電池診断装置であって、前記電圧印加部は、前記被診断セルにおける電解質膜の露出部位に接続される正負電極端子と、前記正負電極端子と接続され、掃引電圧を供給する掃引電源とを備える、燃料電池診断装置。
この構成によれば、被診断セルの電解質膜についての面方向の所定位置の含水率を、燃料電池の発電時において高精度に診断することができる。

［適用例５］
適用例３または請求項４に記載の燃料電池診断装置であって、前記正負電極端子を複数備え、掃引電源は、前記複数の正負電極端子に並列に接続され、前記電流検出部は、前記複数の正負電極端子のそれぞれに流れる電流を検出する、燃料電池診断装置。
この構成によれば、電解質膜における面方向の含水分布を高精度に診断することができる。

［適用例６］
適用例１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池診断装置であって、前記診断部は、前記出力電流の変化が略一定となる飽和電流値を求め、前記飽和電流値に基づいて診断を行う、燃料電池診断装置。
この構成によれば、診断を飽和電流値に基づくことで、高精度な診断が可能となる。

［適用例７］
電解質膜と前記電解質膜を挟持する一対の電極とを有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとし、前記被診断セルにおける前記電解質膜の一部が露出した構成であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記電解質膜の露出部に接続される正負電極端子と、
前記正負電極端子と接続され、前記正負電極端子に電圧を掃引して印加する掃引電源と、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出する電流検出部と、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する診断部と
を備える燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、前記燃料電池診断装置と同様に、燃料電池の状態の診断を、高精度に行うことができる。

［適用例８］
電解質膜を有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池の診断方法であって、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとして、前記被診断セルに電圧を掃引して印加し、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出し、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する、燃料電池診断方法。
この燃料電池診断方法によれば、前記燃料電池診断装置と同様に、燃料電池の状態の診断を、高精度に行うことができる。

本発明は、上記適用例のほか、種々の形態にて実現され得る。例えば、本発明は、前記燃料電池診断装置を含む燃料電池システム、前記燃料電池診断方法を採用して燃料電池を製造する方法として実現される。

第１実施例としての燃料電池診断装置を燃料電池と共に示す説明図である。診断用コンピューターによって実行される燃料電池診断処理を示すフローチャートである。飽和電流値を説明するためのグラフである。第２実施例における燃料電池診断装置を燃料電池と共に示す説明図である。第３実施例における燃料電池診断装置を燃料電池と共に示す説明図である。

以下、本発明の実施態様に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池診断装置１００を燃料電池５０と共に示す説明図である。まず、燃料電池５０について説明する。

図示するように、燃料電池５０は、複数の発電セル（以下、単にセルともいう）５２が積層されたスタック構造を有している。燃料電池５０は、例えば、スタック両端を一対の図示しないエンドプレートで挟まれ、さらにこれらエンドプレート同士を繋ぐようにテンションプレート（図示せず）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

セル５２は、電解質を含むＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）３０と、ＭＥＡ３０を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成する一対のセパレータ２０ａ，２０ｂ等で構成されている。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３１ａを残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

電極３２ａ，３２ｂは、触媒層３３ａ，３３ｂとガス拡散層３４ａ，３４ｂとを有する。触媒層３３ａ，３３ｂは、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。ガス拡散層３４ａ，３４ｂは、ガス拡散性の導電性部材、例えばカーボン繊維からなる糸で製織したカーボンクロス（カーボン繊維織布）によって形成される。各電極３２ａ，３２ｂの触媒層３３ａ，３３ｂ側の面が電解質膜３１に接している。後述する構成によって一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル５２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０ａ，２０ｂはガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施例のセパレータ２０ａ，２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施例のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、燃料ガスのガス流路４１や酸化ガスのガス流路４２、あるいは冷却水流路４３を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路４１が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路４３が複数形成されている。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路４２が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路４３が複数形成されている。例えば本実施例の場合、隣接する２つのセル５２，５２に関し、一方のセル５２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル５２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路４３が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

各セル５２におけるセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂの間には、その周縁部をシールするための第１および第２のシール部材４５，４６が設けられている。さらに、隣接するセル５２，５２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材で形成された第３シール部材４７が設けられている。これらシール部材４５，４６，４７の形状によって、セル間に冷却水を流入させるセル間冷却水流入路４８と、セル間に冷却水を流出させるセル間冷却水流出路４９とが形成される。セル間冷却水流入路４８およびセル間冷却水流出路４９は、図示しない経路を介して冷却水流路４３に連通している。図示はしないが、同様に、セル間燃料ガス流入路、セル間燃料ガス流出路、セル間酸化ガス流入路、およびセル間酸化ガス流出路が設けられており、燃料ガスのガス流路４１や酸化ガスのガス流路４２と連通している。こうした構成によって、各セル５２に対して燃料ガス、酸化ガス、および冷却水が供給される。

以上のように構成された燃料電池５０においては、積層された複数のセルの両端に集電板（エンドプレートの内側：図示せず）が配置されており、この集電板から集電される。燃料電池５０は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。

燃料電池５０の診断時においては、燃料電池５０の複数のセル５２のうちの所定のセル５２Ａのセパレータ２０ａ，２０ｂの間に回路７０が接続される。ここで、所定のセルは、図示においては最も左側のセルであり、以下、「被診断セル」と呼ぶ。回路７０は、掃引電源７２と電流センサ７４を含み、掃引電源７２の＋端子が被診断セル５２Ａのアノード側のセパレータ２０ａと接続され、掃引電源７２の−端子が被診断セル５２Ａのカソード側のセパレータ２０ｂと接続される。掃引電源７２は、電圧を掃引して印加する装置である。「掃引」とは電圧を連続的に変化させることを意味し、掃引電源７２はこの変化している電圧（掃引電圧）をセパレータ２０ａ，２０ｂの間に印加する。なお、掃引電源７２の＋端子とカソード側のアノード側のセパレータ２０ａとの間に、電流センサ７４が設けられている。

燃料電池診断装置１００は、前述した回路７０と診断用コンピューター８０とによって構成される。診断用コンピューター８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える周知の構成であり、燃料電池診断処理を行う。診断用コンピューター８０は、掃引電源７２および電流センサ７４と電気的に接続されている。

Ａ−２．燃料電池診断処理：
図２は、診断用コンピューター８０によって実行される燃料電池診断処理を示すフローチャートである。この燃料電池診断処理は、診断用コンピューター８０において操作者による実行開始の指令を受けて実行開始される。なお、この実行開始時には、燃料電池５０は発電を終了している必要がある。図示するように、処理が開始されると、診断用コンピューター８０は、まず、掃引電源７２に対してスタート信号を出力する（ステップＳ１１０）。スタート信号を受けた掃引電源７２は、掃引電圧の印加を開始する。すなわち、掃引電源７２は、所定の電圧から電圧を連続的に上昇しながら、その掃引された電圧を印加する。なお、掃引の起点となる前記所定の電圧は、掃引電源７２に対して診断用コンピューター８０から予めセットされている。

診断用コンピューター８０は、次いで、掃引電源７２によって電圧の掃引印加がなされている際に、回路７０に含まれる電流センサ７４の検出した電流値Ｉｆ（図１）の入力を受け、電流値Ｉｆの変化に基づいて飽和電流値を算出する（ステップＳ１２０）。飽和電流値は燃料電池の診断のために用いるものであるが、ここでは、飽和電流値を利用した診断手法の原理について、まず説明する。

燃料電池５０では、発電終了後、セル５２面内に水が残留し、電解質膜３１が湿潤された状態となっている。この状態で、セパレータ２０ａからセバレータ２０ｂの方向に電流が流れるように掃引電源７２による外部電圧を印加した場合、図３のグラフに示すように、印加電圧が低い場合はほとんど電流が流れず、電圧増加に伴い分解電圧を超えると電流値が急激に直線的に増加する。これは水の電気分解に特徴的な電流−電圧曲線である。水溶液系での電気分解と異なり、電解質膜３１中に存在する水が限られているため、この後さらに電圧を増やしていくと、電圧増加しても電流が変化しない領域ＦＴが出現する。この領域ＦＴの電流値を「飽和電流値」と呼ぶが、この飽和電流値ＩＳは電解質膜３１の含水状態と相関関係がある。図３のグラフに示すように、含水率が低い状態では飽和電流値も低く、含水率が高くなれば飽和電流値も高くなる。この関係を利用して、セル５２内の電解質膜３１の含水状態を診断することが可能となる。すなわち、飽和電流値が低い場合には含水率が低く、飽和電流値が高い場合には含水率が高いと診断することができる。

図２のステップＳ１２０では、診断用コンピューター８０は、掃引による電圧の変化に対する電流値Ｉｆの変化を求め、その変化が微小となった（所定値以下となった）ときの電流値Ｉｆを飽和電流値ＩＳとする。飽和電流値ＩＳの算出が完了すると、診断用コンピューター８０は、掃引電源７２に対してストップ信号を出力する（ステップＳ１３０）。ストップ信号を受けた掃引電源７２は、電圧の掃引印加を停止する。

ステップＳ１３０の実行後、診断用コンピューター８０は、ステップＳ１２０によって算出した飽和電流値ＩＳに基づいて、被診断セル５２Ａ内の電解質膜３１の含水状態を診断する（ステップＳ１４０）。本実施例では、飽和電流値ＩＳと電解質膜の含水率との相関を示すマップが、予め実験的にあるいはシミュレーションにより用意されており、診断用コンピューター８０のＲＯＭに記憶されている。ステップＳ１４０では、診断用コンピューター８０は、ステップＳ１２０によって算出した飽和電流値ＩＳをＲＯＭに記憶されたマップに照合することで、飽和電流値ＩＳに対応した含水率を求める。すなわち、被診断セル５２Ａ内の電解質膜３１の含水状態を診断が可能となる。なお、ステップＳ１４０で求められる含水率は、被診断セル５２Ａに含まれる電解質膜３１についての面方向における各位置の平均的な含水率である。ステップＳ１４０の実行後、燃料電池診断処理を終了する。

Ａ−３．実施例効果：
以上のように構成された燃料電池診断装置１００によれば、水の電気分解に特徴的な電流−電圧曲線における飽和電流値を計測し、飽和電流値に基づいて被診断セルの電解質膜の状態が診断される。このために、診断精度を向上することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池診断装置２００を燃料電池と共に示す説明図である。図示において、燃料電池は、被診断セル２５２Ａのうちの一部分だけが記載されている。第２実施例における被診断セル２５２Ａは、第１実施例における被診断セル５２Ａと比べて、ガス拡散層２３４ａ、２３４の構成が異なる。各ガス拡散層２３４ａ（２３４ｂ）は、図示するように、面方向における２つの部位に厚さ方向の貫通孔ｈ１ａ（ｈ１ｂ）、ｈ２ａ（ｈ２ｂ）がそれぞれ設けられている。これにより、この２つの部位では、触媒層２３３ａ（２３３ｂ）が露出している。

アノード側の触媒層３３ａの露出部位の一方に第１の正電極端子２６１ａが設けられ、アノード側の触媒層３３ａの露出部位の他方に第２の正電極端子２６２ａが設けられている。カソード側の触媒層３３ｂの露出部位の一方に第１の負電極端子２６１ｂが設けられ、カソード側の触媒層３３ｂの露出部位の他方に第２の負電極端子２６２ｂが設けられている。第１の正電極端子２６１ａと第１の負電極端子２６１ｂとは、電解質膜３１の面方向において同一の位置に配置されており、一対の正負電極端子（以下、「第１正負電極端子」と呼ぶ）を構成する。また、第２の正電極端子２６２ａと第２の負電極端子２６２ｂとは、電解質膜３１の面方向において同一の位置に配置されており、一対の正負電極端子（以下、「第２正負電極端子」と呼ぶ）を構成する。

なお、第１および第２の正電極端子２６１ａ，２６２ａはガス拡散層２３４ａと接触してもいないし、第１および第２の負電極端子２６１ｂ，２６２ｂはガス拡散層２３４ａと接触していない。また、第１の正電極端子２６１ａとセパレータ２０ａの凸リブとの間には第１の絶縁体２６３が設けられており、第２の正電極端子２６２ａとセパレータ２０ａの凸リブとの間には第２の絶縁体２６４が設けられており、第１の負電極端子２６１ｂとセパレータ２０ｂの凸リブとの間には第３の絶縁体２６５が設けられており、第２の負電極端子２６２ｂとセパレータ２０ｂの凸リブとの間には第４の絶縁体２６６が設けられている。これらの構成によって、掃引電源７２の電圧印加部位が、触媒層３３ａ、３３ｂに直接接触し、これ以外の良伝導部分から電気的に完全に絶縁される。

被診断セル２５２Ａにおいて前述した構成以外の構成は、第１実施例における被診断セル５２Ａの構成と同一であるので、同一の構成要素については、図４において、図１と同一の符合を付し、その説明を省略する。

第２実施例の燃料電池診断装置２００は、回路２７０と診断用コンピューター２８０とによって構成される。回路２７０は、第１実施例と同じ掃引電源７２を含み、掃引電源７２の＋端子を第１の正電極端子２６１ａと第２の正電極端子２６２ａとに接続し、掃引電源７２の−端子を第１の負電極端子２６１ｂと第２の負電極端子２６２ｂとに接続した回路構成を有する。掃引電源７２の＋端子と第１の正電極端子２６１ａとの結線には第１電流センサ２７４が設置されており、掃引電源７２の＋端子と第２の正電極端子２６２ａとの結線には第２電流センサ２７５が設置されている。

診断用コンピューター２８０は、第１実施例と同様に、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える周知の構成であり、燃料電池診断処理を行う。診断用コンピューター２８０は、掃引電源７２、第１電流センサ２７４、および第２電流センサ２７５と電気的に接続されている。

診断用コンピューター２８０によって実行される燃料電池診断処理は、第１実施例で説明した診断手法と同様の原理によって構成されている。掃引電源７２の電圧が印加されるのは、第１実施例ではセパレータ２０ａ，２０ｂ間の１つの部位であった、これに対して、第２実施例では電解質膜３１の面方向において第１正負電極端子間、第２正負電極端子間といった２つの部位となっている。このために、第２実施例の燃料電池診断処理では、第１電流センサ２７４で検出された電流値から求めた飽和電流値を利用して第１正負電極端子が設けられた第１部位についての含水率を求める処理と、第２電流センサ２７５で検出された電流値から求めた飽和電流値を利用して第２正負電極端子が設けられた第２部位についての含水率を求める処理とを独立に行う。なお、この燃料電池診断処理の実行開始時には、第１実施例と同様に、燃料電池５０は発電を終了している必要がある。かかる構成によって、電解質膜３１における面方向の２つの部位で含水率を求めることができる。この結果、電解質膜３１における面方向の含水分布を診断することが可能なる。

なお、本実施例では、掃引電源７２の電圧印加部位を、電解質膜３１における面方向の２つの部位としたが、本発明はこれに限られない。１つの部位であってもよいし、３つ以上の部位とすることもできる。これによって、含水率についての分布をより緻密に診断することができる。

以上のように構成された燃料電池診断装置２００によれば、第１実施例と同様に、水の電気分解に特徴的な電流−電圧曲線における飽和電流値を計測し、飽和電流値に基づいて被診断セル２５２Ａの電解質膜の状態が診断される。このために、診断精度を向上することができる。また、本実施例では、前述したように、電解質膜３１における面方向の含水分布を診断することができる。

Ｃ．第３実施例：
図５は、第３実施例における燃料電池診断装置３００を燃料電池と共に示す説明図である。図示において、燃料電池は、被診断セル３５２Ａのうちの一部分だけが記載されている。第３実施例における３５２Ａは、第２実施例におけるセル２５２Ａと比べて、前述した掃引電源７２の電圧が印加される２つの部位について、さらに触媒層も除去されている点が相違する。すなわち、図示するように、各触媒層３３３ａ（３３３ｂ）は、面方向における前述した２つの部位に厚さ方向の貫通孔ｈ３ａ（ｈ３ｂ）、ｈ４ａ（ｈ４ｂ）が設けられている。貫通孔ｈ３ａはガス拡散層２３４ａに設けられた貫通孔ｈ１ａと、貫通孔ｈ４ａはガス拡散層２３４ａに設けられた貫通孔ｈ２ａと、貫通孔ｈ３ｂはガス拡散層２３４ｂに設けられた貫通孔ｈ１ｂと、貫通孔ｈ４ｂはガス拡散層２３４ｂに設けられた貫通孔ｈ２ｂとそれぞれ接続されている。これらにより、前記電圧が印加される２つの部位では、電解質膜３１が露出している。

アノード側の電解質膜３１の露出部位の一方に第１の正電極端子３６１ａが設けられ、アノード側の電解質膜３１の露出部位の他方に第２の正電極端子３６２ａが設けられている。カソード側の電解質膜３１の露出部位の一方に第１の負電極端子３６１ｂが設けられ、カソード側の電解質膜３１の露出部位の他方に第２の負電極端子３６２ｂが設けられている。第１の正電極端子３６１ａと第１の負電極端子３６１ｂとは、第１実施例と同様に第１正負電極端子を構成する。第２の正電極端子３６２ａと第２の負電極端子３６２ｂとは、第１実施例と同様に第２正負電極端子を構成する。また、第２実施例と同様に、各電極端子３６１ａ〜３６２ｂとセパレータ２０ａ，２０ｂの凸リブとの間には第１〜第４の絶縁体２６３〜２６６が設けられている。かかる構成により、掃引電源７２の電圧印加部位が、電解質膜３１に直接接触し、電解質膜３１以外の部分から電気的に完全に絶縁される。

被診断セル３５２Ａにおいて前述した構成以外の構成は、第２実施例における被診断セル２５２Ａの構成と同一であるので、同一の構成要素については、図５において、図４と同一の符合を付し、その説明を省略する。

第３実施例の燃料電池診断装置３００は、第２実施例と同一の回路２７０と、診断用コンピューター３８０とによって構成される。診断用コンピューター３８０は、第２実施例の診断用コンピューター２８０と比較して、第２実施例の診断用コンピューター２８０では燃料電池診断処理を燃料電池の発電終了時（非発電時）に実行しているのに対して、診断用コンピューター３８０では燃料電池診断処理を燃料電池の発電時に実行する点が相違する。

なお、第３実施例では、掃引電源７２の電圧印加部位を、電解質膜３１における面方向の２つの部位としたが、本発明はこれに限られない。第２実施例と同様に、１つの部位であってもよいし、３つ以上の部位とすることもできる。これによって、含水率についての分布をより緻密に診断することができる。

以上のように構成された燃料電池診断装置３００によれば、第１実施例、第２実施例と同様に、水の電気分解に特徴的な電流−電圧曲線における飽和電流値を計測し、飽和電流値に基づいて被診断セル３５２Ａの電解質膜の状態が診断される。このために、診断精度を向上することができる。また、この第３実施例では、前述したように、掃引電源７２の電圧印加部位が電気的に完全に絶縁されていることから、発電中に電圧印加部位に発電電流が流れることがない。すなわち、被診断セル３５２Ａ内に燃料ガスおよび酸化剤ガスが導入されるため、電圧印加部の触媒層で水素のフロトン化反応(Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-：アノード)および水生成反応（２Ｈ⁺＋１／２０₂→Ｈ₂０：カソード）が生じて発電電流が流れてしまうようなことがない。このために、第３実施例では、数Ａから数百Ａという大きな発電電流に対して、数十μＡ〜数十ｍＡ程度の微弱な水電気分解による電流を精度良く検知することが可能となり、燃料電池の発電中において、電解質膜３１の含水分布を高精度に診断することができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の各実施例や各変形例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。

・変形例１：
前記各実施例および各変形例では、電圧の掃引は電圧を連続的に上昇させる構成としたが、これに変えて、電圧を連続的に下降させる構成としてもよい。また、上昇あるいは下降は、単調に変化させる構成に限る必要もなく、指数関数的に変化させる構成等とすることもできる。

・変形例２：
前記各実施例および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

・変形例３：
上記実施例においてソフトウェアで実現されている機能の一部をハードウェア（例えば集積回路）で実現してもよく、あるいは、ハードウェアで実現されている機能の一部をソフトウェアで実現してもよい。

・変形例４：
前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

２０ａ，２０ｂ…セバレータ
３１…電解質膜
３２ａ，３２ｂ…電極
３３ａ，３３ｂ…触媒層
３４ａ，３４ｂ…ガス拡散層
４１，４２…ガス流路
４３…冷却水流路
４５，４６,４７…シール部材
４８…セル間冷却水流入路
４９…セル間冷却水流出路
５０…燃料電池
５２…セル
５２Ａ…被診断セル
７０…回路
７２…掃引電源
７４…電流センサ
８０…診断用コンピューター
１００…燃料電池診断装置
２００…燃料電池診断装置
２３３ａ，２３３ｂ…触媒層
２３４ａ，２３４ｂ…ガス拡散層
２５２Ａ…被診断セル
２６１ａ…第１の正電極端子
２６１ｂ…第１の負電極端子
２６２ａ…第２の正電極端子
２６２ｂ…第２の負電極端子
２６３…第１の絶縁体
２６４…第２の絶縁体
２６５…第３の絶縁体
２６６…第４の絶縁体
２７０…回路
２７４…第１電流センサ
２７５…第２電流センサ
２８０…診断用コンピューター
３００…燃料電池診断装置
３３３ａ，３３３ｂ…触媒層
３５２Ａ…被診断セル
３６１ａ…第１の正電極端子
３６１ｂ…第１の負電極端子
３６２ａ…第２の正電極端子
３６２ｂ…第２の負電極端子
３８０…診断用コンピューター

Claims

電解質膜と前記電解質膜を挟持する一対の電極とを有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとし、前記被診断セルにおける前記電極に貫通孔が設けられていることによって前記電解質膜の一部が露出した構成であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記電解質膜の露出部に接続される正負電極端子と、
前記貫通孔に接触しない状態で通される導線を介して前記正負電極端子と接続され、前記正負電極端子に電圧を掃引して印加する掃引電源と、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出する電流検出部と、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する診断部と
を備える燃料電池システム。
電解質膜と、前記電解質膜の両側に配置されている一対の触媒層と、前記各触媒層の前記電解質膜とは反対側に配置されている一対のガス拡散層とを有する発電セルが複数積層されてなる燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記複数の発電セルのうちの少なくとも１つの発電セルを被診断セルとし、前記被診断セルにおける前記ガス拡散層に貫通孔が設けられていることによって前記触媒層の一部が露出した構成であり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記触媒層の露出部に接続される正負電極端子と、
前記貫通孔に接触しない状態で通される導線を介して前記正負電極端子と接続され、前記正負電極端子に電圧を掃引して印加する掃引電源と、
前記電圧が印加された状態の前記被診断セルからの出力電流を検出する電流検出部と、
前記掃引による電圧の変化に対する前記検出した出力電流の変化に基づいて、前記被診断セルの電解質膜の状態を診断する診断部と
を備える燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記正負電極端子を複数備え、
掃引電源は、前記複数の正負電極端子に並列に接続され、
前記電流検出部は、前記複数の正負電極端子のそれぞれに流れる電流を検出する、燃料電池システム。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記診断部は、前記出力電流の変化が略一定となる飽和電流値を求め、前記飽和電流値に基づいて診断を行う、燃料電池システム。