JP6801548B2 - 水素欠セル検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電動作中の燃料電池において、供給される水素ガスが欠乏した状態のセルの有無を検出する方法に関する。

特許文献１には、下記の燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、始動時に、空気供給量を低下させて燃料電池の発電損失を大きくした状態で発電する低効率発電によって暖機を行なうのに代えて、目標運転温度と燃料電池スタックのスタック温度の差分値に対応した空気供給量となるように空気供給手段を制御し、燃料電池スタックの出力電流が所定値に低下するまで水素供給手段を通じた水素ガスの供給を増加させる。そして、必要最低限の発電量を確保しつつ、水素ガスの供給量増加による水素極から空気極への水素の透過量を増加させ、出力電流が所定値に低下するまで水素と酸素との直接反応（非発電反応）を増加させる。そして、この非発電反応による発熱を促進し、従来の低効率発電による暖機に比べて短時間で暖機を達成する。

特開２０１０−２０９２３号公報 特開２０１２−２０４１２５号公報 特開２０１６−８５８９８号公報

ここで、発電動作中の燃料電池において、水素ガスの供給が欠乏した状態（水素欠乏状態）のセルを、そのまま放置すると、そのセル内では電極の腐食反応等による劣化が進み、破損を招く可能性がある。なお、本明細書では、水素欠乏状態は、全く水素ガスが供給されない状態だけでなく、水素ガスの供給が不足した状態を含む。

水素欠乏状態となったセルの電圧（セル電圧）は、０Ｖ未満の負電圧となるので、各セルのセル電圧を測定し、負電圧のセルを検出することにより、水素欠乏状態となったセルを検出することができる。しかしながら、複数のセルを１組のチャネルとし、チャネル単位でセル電圧を計測する方式のセルモニタを採用してセル電圧を測定する場合には、各チャネルのセル電圧は複数セルの平均値となる。このため、以下で説明するように、水素欠乏状態となったセルを含むチャネルを区別できない場合がある、という問題がある。なお、以下、本明細書では、水素欠乏状態となったセルを「水素欠セル」とも呼ぶ。

燃料電池システムにおいて、始動時に低効率発電によって暖機を行なう場合、燃料電池スタックの各セルのセル電圧は、供給される空気の状態に応じて大きくばらつく。大半のセルでは、供給される空気量が大きく不足した状態（空気欠乏状態）となって、各セル電圧が０Ｖに近い値（０Ｖ〜０．２Ｖ程度）となり、全セルのセル電圧の平均値は０Ｖに近い値（０Ｖ〜０．２Ｖ程度）となる。但し、一部のセルでは供給される空気量に応じて、通常の発電状態と同様にセル電圧が０．５〜１Ｖ程度となる場合も発生し得る。このため、正常なセルのみのチャネルと、水素欠セルを含むチャネルとが区別できない場合がある。例えば、正常な４つのセルを含むチャネルのセル電圧の平均値が０．１Ｖであるとする。これに対して、１つの水素欠セルを含む４つのセルの各電圧が０．６Ｖ，０．６Ｖ，０．５Ｖ，−１．３Ｖの場合の平均値も０．１Ｖなる。このため、正常セルのみを含むチャネルも水素欠セルを含むチャネルも全セルにおけるセル電圧の平均値と同等となり、水素欠チャネルを区別して検出することができない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、要求される発電量に基づく理論上の空気量に対する供給される空気量を示すストイキ比を、通常発電時に比べて低下させて発電を行なう低効率発電状態として前記燃料電池を動作させる期間において、供給される水素が欠乏した状態の水素欠セルの有無を検出する水素欠セル検出方法が提供される。この水素欠セル検出方法は、前記低効率発電状態における前記燃料電池からの掃引電流を、前記低効率発電状態に対応する電流値から一時的に低減して掃引電流低減状態とする工程と；前記掃引電流低減状態において、複数のセルを１組としたチャネル単位で各チャネルにおけるセル電圧の平均値を求めるとともに、全セルにおけるセル電圧の平均値を求める工程と；前記各チャネルにおけるセル電圧の平均値を、前記全セルにおけるセル電圧の平均値に基づいて定められる閾値と比較し、前記閾値よりも下回るチャネルを、前記水素欠セルを含むチャネルであると判定する工程と；を備える。
この形態の水素欠セル検出方法によれば、低効率発電状態として燃料電池を動作させる期間、例えば、始動時の暖機運転の期間において、燃料電池からの掃引電流を、低効率発電状態に対応する電流値から一時的に低減して掃引電流低減状態とすることにより、水素欠セル以外のセルのセル電圧を不安定な電圧ではなく、通常の発電時の電圧に近い安定な電圧とすることができる。これにより、水素欠セルを含むチャネルのセル電圧の平均値を、全セルにおけるセル電圧の平均値に比べて低くすることができる。従って、全セルにおけるセル電圧の平均値に基づいて定められる閾値と比較し、閾値よりも下回るチャネルを、水素欠セルを含むチャネルであると判定することができる。

本発明は、上述した水素欠セル検出方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述した水素欠セル検出を行なう燃料電池システム、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。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 暖機運転時における発電特性の一例を通常発電時における発電特性の一例と比較して示すグラフ。 暖機運転期間において実行される水素欠検査のタイミングを示す説明図。 暖機運転期間において実行される水素欠検査の手順を示すフローチャート。 計測期間における各チャネルに含まれる各セルのセル電圧の一例を示す説明図。 比較例として低効率発電期間における各チャネルに含まれる各セルのセル電圧の一例を示す説明図。

図１は本発明の一実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、水素供給排出機構５０と、空気供給排出機構３０と、冷却水循環機構７０と、制御部８０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、セルモニタ９５と、を備える。燃料電池システム１０は、不図示のパワースイッチのＯＮ操作によって始動し、ＯＦＦ操作によって停止する。

燃料電池２０は、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３と、複数のセル２４と、集電板２３と、絶縁板２２と、エンドプレート２１とが、この順に積層されたスタック構造を有する。

水素供給排出機構５０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池２０のアノードに水素の供給及び排出を行なう。水素供給排出機構５０は、水素タンク４０と、シャットバルブ４１と、水素供給流路６０と、レギュレータ５１と、水素ポンプ５５と、気液分離部５６と、排水シャットバルブ５７と、排出流路５８と、インジェクタ５４と、とを備える。

水素タンク４０は、水素を貯蔵する。水素タンク４０には、数十ＭＰａを有する高圧の水素ガスが貯蔵されている。水素供給流路６０は、水素タンク４０と燃料電池２０とを接続する配管である。シャットバルブ４１は、水素タンク４０から水素供給流路６０への水素の供給を遮断する弁であり、主止弁とも呼ばれる。シャットバルブ４１は、制御部８０によってその開閉が制御される。制御部８０の制御によってシャットバルブ４１が開かれると、水素タンク４０から水素供給流路６０を通じて燃料電池２０に水素ガスが供給され、シャットバルブ４１が閉じられると、水素ガスの供給が遮断される。

レギュレータ５１は、制御部８０の制御により、水素タンク４０に貯蔵された水素の圧力を調整する。インジェクタ５４は、レギュレータ５１によって圧力が調整された水素を、制御部８０の制御に従いアノードに向けて噴射する。

気液分離部５６は、アノードから排出された気体と液体とを分離する。水素ポンプ５５は、気液分離部５６によって分離された気体を、燃料電池２０に再度供給する。気液分離部５６によって分離された気体は、主に、消費されずに排出された水素と燃料電池が備える膜電極接合体を介してカソード側から透過した窒素と、気液分離部５６で分離されなかった水分である。排出流路５８は、気液分離部５６と、空気供給排出機構３０に備えられる空気排出流路３９（後述）とを接続する配管である。排水シャットバルブ５７は、排出流路５８上に設けられている。排水シャットバルブ５７は、気液分離部５６によって分離された液体と窒素を排出するために開かれる。インジェクタ５４と排水シャットバルブ５７の制御によって、燃料電池２０への水素の供給量が調整される。

空気供給排出機構３０は、制御部８０の制御に従って、燃料電池２０のカソードに空気の供給及び排出をする。空気供給排出機構３０は、コンプレッサ３１と、空気供給流路３２と、分流弁３３と、調圧弁３６と、バイパス流路３８と、空気排出流路３９とを備える。

空気供給流路３２は、燃料電池２０と空気供給流路３２の大気開放口を接続する配管である。空気排出流路３９は、燃料電池２０と空気排出流路３９の大気開放口とを接続する配管である。バイパス流路３８は、空気供給流路３２の燃料電池２０よりも上流側から分岐して、空気排出流路３９に接続される配管である。コンプレッサ３１は、空気供給流路３２の途中に設けられ、空気供給流路３２の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。コンプレッサ３１が設けられる位置は、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。

分流弁３３は、空気供給流路３２において、コンプレッサ３１の下流側、つまりコンプレッサ３１と燃料電池２０との間であって、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位に設けられる。分流弁３３は、コンプレッサ３１から流れてくる空気の流れる方向を燃料電池２０側とバイパス流路３８側とのいずれかに切り替える。このような分流弁３３は、三方弁とも呼ばれる。バイパス流路３８は、分流弁３３と空気排出流路３９とを接続する配管である。調圧弁３６は、空気排出流路３９において、空気排出流路３９とバイパス流路３８との接続部位よりも燃料電池２０側に設けられる。調圧弁３６は、開度に応じて空気排出流路３９の流路断面積を調整する。調圧弁３６を通過した空気は、バイパス流路３８との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。コンプレッサ３１、分流弁３３、及び調圧弁３６の動作は、制御部８０からの制御に従って調整される。

冷却水循環機構７０は、制御部８０の制御に従って燃料電池２０を冷却する。冷却水循環機構７０は、ラジエータ７１と、冷却水ポンプ７２と、冷却水排出流路７３と、冷却水供給流路７４と、を備える。

冷却水供給流路７４は、ラジエータ７１と燃料電池２０との間を接続する流路であり、燃料電池２０に冷却水を供給するための配管である。冷却水排出流路７３は、燃料電池２０とラジエータ７１とを接続する流路であり、燃料電池２０から冷却水を排出するための配管である。冷却水ポンプ７２は、ラジエータ７１と燃料電池２０との間の冷却水供給流路７４に設けられており、冷却水ポンプ７２によって冷却水が循環される。ラジエータ７１及び冷却水ポンプ７２の動作は、制御部８０からの制御に従って調整される。

制御部８０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部８０は、燃料電池システム１０の動作を制御するための信号を出力する。制御部８０は、発電要求を受けて、燃料電池システム１０の各部を制御して燃料電池２０を発電させる。また、制御部８０は、水素欠検査部８２として機能し、後述する水素欠検査を実行する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０から出力される電力を、制御部８０からの制御に応じて負荷に供給可能な電力（電圧及び電流）に変換して出力する電力制御回路である。例えば、燃料電池２０からの掃引電流を制御して、燃料電池２０の出力電圧を制御することにより発電動作を制御するとともに、負荷へ出力する電圧及び電流を制御する。後述する水素欠乏状態のセル（水素欠セル）の有無の検査において行われる掃引電流の制御は、制御部８０の制御に従ってＤＣ／ＤＣコンバータ９０によって実行される。

セルモニタ９５は、燃料電池２０の各セル２４のセル電圧をモニタする回路である。但し、燃料電池２０に含まれるセルの数は数百枚（例えば、３２０枚以上）と多数であるため、１セル毎にセル電圧を計測する構成は、回路規模や製造コスト、計測時間等の点で効率が悪い。このため、通常、複数のセルを１つのチャネルとし、チャネル単位で各チャネルにおける複数のセル電圧の合計電圧（以下、「チャネル電圧」とも呼ぶ）を測定する構成が採用される。但し、セルの総数が１チャネルを構成するセルの数で割り切れない場合には、例えば、その端数のセルについては、その端数のセルを１つのチャネルとして調整すればよい。測定したチャネル電圧をセル数で除すれば、各チャネルにおけるセル電圧の平均値を求めることができる。また、各チャネルのチャネル電圧の合計値あるいは各チャネルのセル電圧の平均値の合計値を全セル数で除すれば、全セルにおけるセル電圧の平均値を求めることができる。このようにして求められた各チャネルにおけるセル電圧の平均値及び全セルにおけるセル電圧の平均値は、後述する水素欠セルの有無の検査に利用される。なお、本例では、１チャネルは４つのセルで構成されるものとする。但し、これに限定されるものではなく、２以上の複数のセルで１チャネルを構成するようにしてもよい。また、燃料電池２０に含まれるセルの数は上述した３２０枚以上に限定されるものではなく、３２０枚以下であってもよい。

ここで、前提として、予め定めた低温（例えば、氷点下）で燃料電池システム１０を始動させる際において、燃料電池２０を急速に昇温させるために暖機運転が実施される。

図２は、暖機運転時における発電特性の一例を通常発電時における発電特性の一例と比較して示すグラフである。横軸は燃料電池（１つのセル）を流れる電流密度［Ａ／ｃｍ^２］であり、縦軸はセルの電圧（セル電圧）［Ｖ］である。破線で示す曲線は十分な水素ガス及び空気（酸素ガス）が供給された通常発電状態における発電特性（Ｉ−Ｖ特定）の一例を示し、実線で示す曲線は供給される空気が絞られた低効率発電状態における発電特性の一例を示している。低効率発電状態では、燃料電池２０の発電効率が低下し発電損失が増大する。この発電損失は熱に変換されて燃料電池２０を急速に昇温させることができる。すなわち、暖機運転においては、低効率発電状態で燃料電池２０を動作させることにより、燃料電池２０を急速に昇温させて燃料電池２０を暖機することができる。例えば、図２に示すように、通常発電状態における動作状態Ａ１から、空気供給量（エア流量）を低下させて、空気のストイキ比を低下させ、低効率発電状態で発電を行なう動作状態Ｂ１とすることにより、発電損失を増大させて燃料電池２０を急速に昇温させる。なお、「ストイキ比」は、要求される発電量に基づく理論上の反応ガス量に対する供給される反応ガス量の比を示す。また、「通常発電」は、燃料電池２０に供給される空気量を、上述の低効率発電状態における空気量よりも十分に増加させた状態で、低効率発電状態よりも効率良く行われる発電を意味している。

ここで、暖機運転期間においても、水素欠乏状態のセル（水素欠セル）の有無を検査することは、燃料電池の劣化を抑制し破損を抑制する点で重要である。特に、低温始動時においては、水素ガスの流路中のフラッディングや水の凍結による閉塞によって水素欠セルが発生する可能性が高い。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０においては、以下で説明するように、暖機運転期間において水素欠セルの有無を検査する。

図３は、暖機運転期間において実行される水素欠検査のタイミングを示す説明図である。図３に示すように、暖機運転期間においては、燃料電池２０（図１）に供給される空気）の供給量（エア流量）を通常発電時よりも低下させ、空気のストイキ比を通常発電時よりも低くする。これにより、燃料電池２０の発電状態は、全体的に低効率発電の状態とされる(図２の動作状態Ｂ１）。そして、水素欠検査は、後述するように、各計測周期Ｔｍｃの計測期間Ｔｍで繰り返し実行される。計測周期Ｔｍｃ中の計測期間Ｔｍ以外の低効率発電期間Ｔｅでは上述した低効率発電状態による暖機運転が実行される。

計測期間Ｔｍでは、図３に示すように、燃料電池２０からの掃引電流が、低効率発電期間Ｔｅでの掃引電流よりも低減された状態とされる。掃引電流の低減は、上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０（図１）の動作を制御することにより行われる。ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、電力変換の制御を高速に（数ｍｓ〜数十ｍｓ）で実行可能であり、掃引電流の制御も同様の速度で高速に実行可能である。

燃料電池２０に供給されるエア流量及び水素流量を変更することなく、燃料電池２０からの掃引電流を低減することは、空気の供給量を増やして空気のストイキ比を高くした状態（図３に破線で示した状態）と実効的に同じ状態となる。この際、燃料電池２０の電圧（セル電圧）は、掃引電流の低減量に応じて高くなる。例えば、図２に示すように、電圧が０Ｖに近い動作状態Ｂ１(図３の低効率発電期間Ｔｅにおける動作状態）から、通常発電時の同じ掃引電流における動作状態Ａ２の電圧に近い電圧を出力する動作状態Ｂ２となる。但し、この際の発電損失は一時的に低下し、燃料電池２０の昇温速度は一時的に低下する。掃引電流の低減量は、例えば、低効率発電期間Ｔｅにおける掃引電流の電流値(図２の動作状態Ｂ１，図３）の１０％減〜５０％減の範囲内で、空気の不足状態をどの程度改善して出力電圧をどの程度高めるかに応じて、予め定めた量に設定される。本例では、通常発電時の空気のストイキ比を１．５、低効率発電時の空気のストイキ比を１．０とする。また、計測期間Ｔｍにおける掃引電流を２５％減することにより、空気の供給量を増やすことなく、空気のストイキ比を実効的に１．２５程度に高めるように設定する。なお、水素ガスのストイキ比は、通常発電時か低効率発電時かに関係なく、十分で水素ガスの供給状態とされている。例えば、水素ガスのストイキ比は１．２５とされている。なお、水素欠検査を行なう計測期間Ｔｍにおいて、掃引電流を低減して、電圧（セル電圧）を高める点については、後述する。

図４は、暖機運転期間において実行される水素欠検査の手順を示すフローチャートである。この暖機時水素欠検査は、暖機運転の開始に伴って、制御部８０の水素欠検査部８２（図１）が実行し、暖機運転の終了に伴って終了する（図４のステップＳ１８０）。

水素欠検査部８２は、計測周期Ｔｍｃにおける計測期間Ｔｍの開始タイミング（図３）を待って（ステップＳ１１０）、燃料電池２０からの掃引電流を低減する（ステップＳ１２０）。掃引電流の低減は、上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を制御することによって実行される。この掃引電流を低減した燃料電池２０の動作状態において、各チャネルについて、チャネル電圧をセルモニタ９５によって計測し、セル電圧の平均値Ｖｎを求める（ステップＳ１３０）。全チャネルについての計測終了後、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍを求める（ステップＳ１４０）。なお、掃引電流を低減した燃料電池２０の動作状態が「掃引電流低減状態」に相当する。そして、各チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎを、後述するように、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍと比較して、水素欠セルを含むチャネルの有無の判定（水素欠判定）を行なう（ステップＳ１５０）。そして、計測期間Ｔｍの終了タイミング（図３）において(ステップＳ１６０）、燃料電池２０からの掃引電流の低減を停止し(ステップＳ１７０）、低減前の掃引電流に戻す。そして、暖機運転がまだ継続し、検査終了でない場合には(ステップＳ１８０：ＮＯ）、ステップＳ１１０に戻って、計測期間Ｔｍの開始タイミングを待って、上述の各処理を繰り返す。なお、ステップＳ１４０における全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍの計算及びステップＳ１５０における水素欠判定は、ステップＳ１７０の掃引電流の低減を停止後に行なうようにしてもよい。以下では、ステップＳ１５０における水素欠判定について、図５及び図６を利用して説明する。

図５は、計測期間Ｔｍにおける各チャネルに含まれる各セルのセル電圧の一例を示す説明図である。図６は、比較例として低効率発電期間Ｔｅにおける各チャネルに含まれる各セルのセル電圧の一例を示す説明図である。図５及び図６は、いずれも、横軸は、チャネル単位のセル積層位置を、ｎ１〜ｎ６の６つの隣接チャネルを例として示しており、縦軸は、電圧（セル電圧）［Ｖ］を示している。各チャネル内の白丸（○）および黒丸（●）は、各チャネルに含まれる４つのセルのセル電圧を個別に示した値を示している。左端のｎ１チャネル及び右端のｎ６チャネルにそれぞれ水素欠乏状態の水素欠セルが１つ含まれており、その他のｎ２チャネル〜ｎ５チャネルは全てのセルが正常である状態を示している。

図６に示すように、低効率発電期間Ｔｅでは、各チャネルにおける各セルのセル電圧は、供給される空気の量が絞られた状態であるので、供給される空気の状態に応じて大きくばらつく。大半のセルでは、供給される空気量が絞られて欠乏した動作状態となって、セル電圧が０Ｖに近い値（０Ｖ〜０．２Ｖ程度）となる。また、セルの中には、空気量が絞られた状態よりも多く空気が供給されるセルもあり、このようなセルでは、供給される空気量に応じて、通常の発電状態に近いセル電圧（０．３Ｖ〜１Ｖ程度）が発生し得る。但し、このようなセルの数はごく少数であるため、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍは、大半のセルのセル電圧と同様に、０Ｖに近い値（０Ｖ〜０．２Ｖ程度）となる。このため、セルモニタ９５がチャネル単位で複数セルの合計電圧（チャネル電圧）を測定する構成の場合、正常なセルのみのチャネルのセル電圧の平均値と、水素欠セルを含むチャネルのセル電圧の平均値とが区別できない場合がある。

例えば、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍは０．１Ｖであるとする。そして、ｎ２チャネル〜ｎ５チャネルの正常なセルのみのチャネルのそれぞれのセル電圧の平均値Ｖｎ２〜Ｖｎ５は、０Ｖ以上であり、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍと同等以上と判定できる。このため、ｎ２チャネル〜ｎ５チャネルは、正常なチャネルであると判定できる。また、ｎ１チャネルの場合、正常な３つのセルのセル電圧が、例えば、０．１Ｖ，０．１Ｖ，０．１Ｖであり、水素欠セルのセル電圧が−１．２Ｖであるとすると、ｎ１チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎ１は−０．２３Ｖとなる。この場合、セル電圧の平均値Ｖｎ１が全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍよりも低く、かつ、負電圧となるので、ｎ１チャネルは水素欠セルを含むチャネルであると判定することができる。これに対して、ｎ６チャネルの場合、正常な３つのセルのセル電圧が、例えば、０．６Ｖ，０．５Ｖ，０．６Ｖであり、水素欠セルのセル電圧が−１．３Ｖであるとすると、ｎ６チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎ６は０．１Ｖとなる。この場合、Ｖｎ６＝Ｖｍとなるので、水素欠セルを含むチャネルであるのにも関わらず、そのように判定することができない。

以上のように、低効率発電期間Ｔｅにおいて、単に各チャネルについてチャネル電圧を計測して、各チャネルにおけるセル電圧の平均値を求め、全セルにおけるセル電圧の平均値と比較した場合、水素欠セルを含むチャネルを検出することができない可能性がある。

一方、計測期間Ｔｍにおいて掃引電流を低減させた状態での各チャネルの各セルは、上述したように、供給される空気のストイキ比が高められた状態（図３）と実質的に同等な状態となり、安定に空気が供給された状態となる。このため、図５に示すように、水素欠セルを除く各セルは、供給された空気量及び掃引電流に応じて、安定なセル電圧を出力する。本例では、水素欠セルを除く各セルのセル電圧はほぼ０．６Ｖであり、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍも同様に０．６Ｖであるとする。

水素欠セルを含むｎ１チャネルにおいては、正常な３つのセルのセル電圧が、０．６Ｖ，０．６Ｖ，０．６Ｖであり、水素欠セルのセル電圧が−１．２Ｖであるので、ｎ１チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎ１は０．１５Ｖとなる。また、比較例とは異なり、水素欠セルを含むｎ６チャネルにおいても、正常な３つのセルのセル電圧が０．６Ｖ，０．６Ｖ，０．６Ｖであり、水素欠セルのセル電圧が−１．３Ｖであるので、ｎ６チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎ６は０．１２５Ｖとなる。すなわち、ｎ１チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎ１もｎ６チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎ６も、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍよりも低くなる。このように、水素欠セルを含むチャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎは、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍよりも低くなる。従って、各チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎを全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍと比較することにより、水素欠セルを含むチャネルの有無を判定することができる。

なお、水素ガスの流路中のフラッディングや水の凍結による閉塞による水素欠セルの発生は、掃引電流の低減だけでは、電圧の回復は困難である。このため、上述のように、掃引電流の低減により、水素欠セルを含むチャネルを、セル電圧の平均値にて分離することが可能となる。

また、セル電圧として負電圧が発生する要因としては、水素欠乏状態以外に、酸素欠乏状態及びドライアップ状態が考えられるが、上述したように、低効率発電状態の水素ガスと空気の供給条件、及び、掃引電流を低減する条件の場合には、酸素欠乏状態及びドライアップ状態は考慮しなくて良い。従って、上記のように、各チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎを全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍと比較すれば、水素欠セルを含むチャネルの有無を判定することができる。

なお、上述した図４の水素欠判定（ステップＳ１５０）では、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍと各チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎとの比較の具体的な手段として、例えば、以下で説明する手段が適用可能である。
（ａ）あるチャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎが閾値Ｖｔｈ（Ｖｔｈは正数）を下回ったか否かによって、水素欠セルを含むチャネルか否か判定することができる。すなわち、Ｖｎ＜Ｖｔｈならば、そのチャネルは水素欠セルを含むチャネルであると判定し、Ｖｎ≧Ｖｔｈならば、そのチャネルは水素欠セルを含まないチャネルであると判定する。
閾値Ｖｔｈは、例えば、水素欠セルが含まれるチャネルにおいて計測されるチャネル電圧から求められるセル電圧の平均値のうち、取り得る最大値が用いられる。この最大値は、例えば、計測期間Ｔｍにおける水素ガスおよび空気の供給条件において、全セルにおけるセル電圧の平均値、及び、水素欠セルで発生し得る負電圧の最大値を用いて、１チャネルにおけるセル電圧の平均値を求めることによって設定することができる。なお、１チャネルに含まれる水素欠セルの数は、通常、最大１つと考えて差し支えない。
（ｂ）また、（Ｖｍ−Ｖｎ）が閾値Ｖｔｈを超えたか否かによって、水素欠セルを含むチャネルか否か判定することもできる。すなわち、（Ｖｍ−Ｖｎ）＞Ｖｔｈならば、そのチャネルは水素欠セルを含むチャネルであると判定し、（Ｖｍ−Ｖｎ）≦Ｖｔｈならば、そのチャネルは水素欠セルを含まないチャネルであると判定する。
但し、全セルにおけるセル電圧の平均値Ｖｍと各チャネルにおけるセル電圧の平均値Ｖｎとの比較の手段としては、これらに限定されるものではない。要するに、各チャネルにおけるセル電圧の平均値をそれぞれ、全セルにおけるセル電圧の平均値に基づいて定められる閾値と比較し、閾値よりも下回るチャネルを、水素欠セルを含むチャネルであると判定することができれば、どのような手段であってもよい。

なお、計測期間Ｔｍでは、上述したように、掃引電流を低減することにより発電効率が一時的に改善されることになる。このため、計測期間Ｔｍにおいては、低効率発電期間Ｔｅにおける燃料電池２０の発熱に比べて発熱が減少する。但し、計測期間Ｔｍで実行される掃引電流の低減は、空気の供給量を変化させる場合に比べて、高速（数ｍｓ〜数十ｍｓ）に実行できる。このため、暖機運転期間における燃料電池２０の昇温速度に、計測期間Ｔｍにおける発熱の減少が影響する度合いは小さく、若干の昇温速度の低下で、暖機運転期間において水素欠セルの有無の判定を行なうことが可能となる。

以上説明したように、複数のセルを含む１組とするチャネルの単位で複数のセルの合計電圧を計測する構成のセルモニタ９５を採用した燃料電池システム１０では、暖機運転期間においても水素欠セルの有無を検出することができる。また、暖機運転期間における燃料電池２０の昇温速度の若干の低下で、水素欠セルの検出によるセルの保護と、チャネル単位でセルの電圧を計測する構成のセルモニタの採用による構成の簡素化及び低コスト化と、の両立を図ることができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、前述した実施形態及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。

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…セル
３０…空気供給排出機構
３１…コンプレッサ
３２…空気供給流路
３３…分流弁
３６…調圧弁
３８…バイパス流路
３９…空気排出流路
４０…水素タンク
４１…シャットバルブ
５０…水素供給排出機構
５１…レギュレータ
５４…インジェクタ
５５…水素ポンプ
５６…気液分離部
５７…排水シャットバルブ
５８…排出流路
６０…水素供給流路
７０…冷却水循環機構
７１…ラジエータ
７２…冷却水ポンプ
７３…冷却水排出流路
７４…冷却水供給流路
８０…制御部
８２…水素欠検査部
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９５…セルモニタ
Ａ１，Ａ２…動作状態
Ｂ１，Ｂ２…動作状態
Ｔｅ…低効率発電期間
Ｔｍ…計測期間
Ｔｍｃ…計測周期
Ｖｍ…全セルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ…チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ１…ｎ１チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ２…ｎ２チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ３…ｎ３チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ４…ｎ４チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ５…ｎ５チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｎ６…ｎ６チャネルにおけるセル電圧の平均値
Ｖｔｈ…閾値

Claims (1)

1. 燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、要求される発電量に基づく理論上の空気量に対する供給される空気量を示すストイキ比を、通常発電時に比べて低下させて発電を行なう低効率発電状態として前記燃料電池を動作させる期間において、供給される水素が欠乏した状態の水素欠セルの有無を検出する水素欠セル検出方法であって、
   前記低効率発電状態における前記燃料電池からの掃引電流を、前記低効率発電状態に対応する電流値から一時的に低減して掃引電流低減状態とする工程と、
   前記掃引電流低減状態において、複数のセルを１組としたチャネル単位で各チャネルにおけるセル電圧の平均値を求めるとともに、全セルにおけるセル電圧の平均値を求める工程と、
   前記各チャネルにおけるセル電圧の平均値を、前記全セルにおけるセル電圧の平均値に基づいて定められる閾値と比較し、前記閾値よりも下回るチャネルを、前記水素欠セルを含むチャネルであると判定する工程と、
   を備える、水素欠セル検出方法。

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