JP7010427B2 - 燃料電池の発電性能の診断システム、補正装置、及び診断装置、並びに燃料電池の発電性能の診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電性能の診断システム、補正装置、及び診断装置、並びに燃料電池の発電性能の診断方法に関する。

特許文献１には、燃料電池の診断方法が記載されている。この燃料電池の診断方法は、燃料電池の異常状態を当該異常に起因して生じるかまたは変化する磁束に基づいて診断することを特徴としている。

特許文献２には、燃料電池内の磁界分布を検知する検出装置が記載されている。この検出装置は、電解質膜と電解質膜を挟むアノード電極およびカソード電極とを有する複数のセルが積層された燃料電池に起因した磁界分布を検出する検出装置であり、複数のセルに平行な方向の磁界分布を検出する磁界検出部を具備することを特徴としている。

特開２００７－１１５５１２号公報 特開２０１１－８６４７６号公報

ここで従来、燃料電池発電状態の異常箇所の検出方法として、以下の２つの方法が知られている。
第１の方法は、燃料電池の発電時の電圧と電流に基づいて異常部分を検出する方法である。しかし、この方法にて得られる情報は燃料電池全体の平均的な値である。例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電素子となる膜電極接合体を数十から数百枚積層した構造（スタック）であり、この中でたった１枚の膜電極接合体に不具合が生じても性能が大幅に低下する。燃料電池スタック全体の電圧および電流の情報からでは、どの膜電極接合体に不具合が発生しているかを検出することは不可能である。また、全ての膜電極接合体1枚づつに電圧測定用の端子を接続して電圧を測定することは、多くの手間と時間が必要となる。

第２の方法は、燃料電池周囲に発生する磁界から異常部分を検出する方法である。しかし、燃料電池の発電時に発生する磁界は、周囲からの外乱により影響を受けやすく、発電により発生する磁界を正確に測定することができない。正確な磁界が得られなければ異常部分を推定するときの誤差となってしまう。磁界と電流との間には、ビオ・サバールの法則やアンペアの法則が存在するため、これらの法則を適用して上記の磁界データを逆問題解析することにより、燃料電池スタック内部の電流密度分布を推定することが可能である。逆問題解析の有効な手法としては、チホノフの正則化法や各種最適化手法（進化戦略法、焼きなまし法、及び遺伝的アルゴリズム等）が存在する。ところが、これらいずれの手法を用いてもその推定精度に課題が残る。例えば、燃料電池内部に異常部分がある場合、その異常部分の電流は本来ゼロかゼロに近い値となるはずであるが、逆問題解析で得られる電流はこのような値にならないことが多い。すなわち、異常部分と判定できないことがある。

本発明は、燃料電池の異常部分を高い精度で特定できる燃料電池の発電性能の診断システム、補正装置、及び診断装置、並びに燃料電池の発電性能の診断方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る燃料電池の発電性能の診断方法は、積層された複数のセルと前記複数のセルを固定する固定部材とを有する燃料電池スタックの周囲に生じる外乱磁界を測定する第１のステップと、
前記燃料電池スタックの発電電流を変化させ、生じた磁界の磁束密度を測定し、前記第１のステップにて測定された前記外乱磁界の影響を抑制した上で、該磁束密度から逆問題解析を用いて前記発電電流ごとに前記燃料電池スタック内部の電流密度の分布を推定し、前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いに基づいて前記燃料電池スタックを診断する第２のステップと、を含む。

第１の発明に係る燃料電池の発電性能の診断方法において、
前記第１のステップが、前記固定部材に電流を流すステップと、
前記電流により発生する磁界の磁束密度の測定値を求めるステップと、
前記磁束密度の理論値を求めるステップと、
前記測定値と前記理論値とを比較して、当該測定値と当該理論値との不一致度合いを求めるステップと、を含むことが好ましい。

第１の発明に係る燃料電池の発電性能の診断方法において、
前記第２のステップが、前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いが予め決められた値よりも小さい部分を異常と判断するステップを含むことが好ましい。

第１の発明に係る燃料電池の発電性能の診断方法において、
前記発電電流を変化させる範囲が、該発電電流の変化に対して前記燃料電池スタックが発生する電圧Ｖが実質的に線形に変化する範囲であることが好ましい。

第１の発明に係る燃料電池の発電性能の診断方法において、
前記固定部材が、前記複数のセルが積層される方向に延びる締め付けボルトであることが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る燃料電池の発電性能の診断システムは、積層された複数のセルと前記複数のセルを固定する固定部材とを有する燃料電池スタックを備えた燃料電池の発電性能の診断システムであって、
前記燃料電池スタックの周囲に生じる外乱の影響を抑制するように該燃料電池スタックが発生する磁界の磁束密度の測定値を補正する補正装置と、
前記補正装置によって補正された、発電電流を変更した前記燃料電池スタックが発生す
る前記磁界の磁束密度の測定値に基づいて、変更した前記発電電流ごとに逆問題解析によ
り前記燃料電池スタック内部の電流密度の分布を推定する推定部と、
前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いに基づいて前記燃料電池スタックの異常部分を特定する異常判断部と、を有する診断装置と、を備える。

第２の発明に係る燃料電池の発電性能の診断システムにおいて、
前記異常判断部が、前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いが予め決められた値よりも小さい箇所について異常と判断することが好ましい。

第２の発明に係る燃料電池の発電性能の診断システムにおいて、
前記補正装置が、前記燃料電池スタックの周囲に配置され、磁界を検出する磁気センサと、
前記固定部材に流した電流が発生する磁界の磁束密度の測定値を求める測定部と、
前記磁束密度の理論値を求める計算部と、
前記測定値と前記理論値とを比較して、当該測定値と当該理論値との不一致度合いを求める比較部と、
前記比較部が求めた前記不一致度合いに基づいて、前記燃料電池スタックの発電電流により発生する磁界の磁束密度を補正する補正部と、を有することが好ましい。

第２の発明に係る燃料電池の発電性能の診断システムにおいて、
前記固定部材が、前記複数のセルが積層される方向に延びる締め付けボルトであることが好ましい。

前記目的に沿う第３の発明に係る補正装置は、第２の発明に係る燃料電池の発電性能の診断システムが備える補正装置である。

前記目的に沿う第４の発明に係る診断装置は、第２の発明に係る燃料電池の発電性能の診断システムが備える診断装置である。

本発明によれば、燃料電池の異常部分を高い精度で特定できる燃料電池の発電性能の診断システム、補正装置、及び診断装置、並びに燃料電池の発電性能の診断方法を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の発電性能の診断システムの説明図である。 同燃料電池の発電性能の診断システムによって診断される燃料電池スタックの説明図である。 締め付けボルトに電流が流された燃料電池スタックの説明図である。 燃料電池の発電性能の診断方法を示すフローチャートである。 外乱の影響の測定方法を示すフローチャートである。 燃料電池スタックの第１のモデルの説明図である。 補正した場合における、燃料電池スタックの第１のモデルの電流密度分布を示すグラフである。 補正しない場合における、燃料電池スタックの第１のモデルの電流密度分布を示すグラフである。 発電電流Ｉを変化させる範囲を示す説明図である。 電流スイング法を示すフローチャートである。 発電電流が３［Ａ］の場合における、燃料電池スタックの第１のモデルの電流密度分布を示すグラフである。 発電電流が４［Ａ］の場合における、燃料電池スタックの第１のモデルの電流密度分布を示すグラフである。 発電電流が５［Ａ］の場合における、燃料電池スタックの第１のモデルの電流密度分布を示すグラフである。 ｙ＝２５［ｍｍ］の位置にある各位置ｘにおける、発電電流と電流密度の推定値との関係を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、燃料電池スタックの第２のモデルの説明図及び第１層目の膜電極接合体の構造を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池スタックの第２のモデルが備える第１層目、第２層目、及び第３層目の膜電極接合体の電流密度分布を示すグラフである。 第１層目の膜電極接合体についての発電電流と電流密度の推定値との関係を示すグラフであって、ｙ＝５［ｍｍ］の位置にある各位置ｘにおけるグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、説明に関連しない部分は図示を省略する場合がある。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の発電性能の診断システム１０（図１Ａ参照）は、燃料電池スタック２０が発電時に周囲に発生する磁界を磁気センサ３０１により測定する。燃料電池の発電性能の診断システム１０は、得られた磁界分布から逆問題解析により燃料電池内部の電流密度の分布（以下、単に「電流密度分布」という。）を推定し、推定された電流密度分布から燃料電池スタック２０の内部の異常部分を特定できる。

燃料電池は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。固体高分子形燃料電池の燃料電池スタック２０は、図１Ｂに示すように、膜電極接合体２０２及びセパレータ２０４によって少なくとも構成されたセル２０５を有し、このセル２０５が複数積層されて構成されている。

燃料電池スタック２０は、図２に示すように、複数のセル２０５が積層される方向に延びる複数の締め付けボルト（固定部材の一例）２０８を有している。これらの締め付けボルト２０８は、積層された複数のセル２０５の一方の側及び他方の側にそれぞれ配置された締め付け板（エンドプレート）２０６を締め付け、各セル２０５を固定している。
各締め付けボルト２０８には、燃料電池の発電性能の診断システム１０によって発電性能が診断される際に電流が流される。
なお、固定部材は、締め付けボルト２０８に限定されるものではない。固定部材は、セル２０５を固定でき、セル２０５が積層される方向に電流を流すことができる導電性を有する部材であれば任意でよい。

燃料電池の発電性能の診断システム１０は、図１Ａに示すように、補正装置３０及び診断装置４０を備えている。
補正装置３０は、燃料電池スタック２０の周囲に生じる外乱である外乱磁界の影響を抑制するように、燃料電池スタック２０が発生する磁界の磁束密度の測定値を補正できる。

補正装置３０は、磁気センサ３０１、測定部３０４、計算部３０６、比較部３０８、及び補正部３１０を有している。
磁気センサ３０１は、燃料電池スタック２０の周囲に配置され、磁界を検出できる。磁気センサ３０１は、上下方向に間隔を空けて配置された複数の磁気センサ素子群３０２より構成されている。各磁気センサ素子群３０２は、複数の磁気センサ素子３０３によって構成され、各磁気センサ素子３０３は、直方体状の燃料電池スタック２０の外周面に沿って、それぞれ間隔を空けて予め決められた位置に配置されている。
磁気センサ３０１は、燃料電池スタック２０の周囲の磁界を検出できれば任意の構成でよい。磁気センサ３０１は、例えば、上下方向に移動する１つの磁気センサ素子群３０２により構成されてもよい。

測定部３０４は、各磁気センサ素子３０３からの信号が入力され、燃料電池スタック２０の周囲に発生する磁界の磁束密度を測定できる。磁束密度の測定値は、比較部３０８に出力される。
また、測定部３０４は、図２に示すように電源ＰＳを内蔵し、この電源ＰＳが締め付けボルト２０８に接続される。測定部３０４は、電源ＰＳを用いて締め付けボルト２０８に電流を流すことができる。
更に、測定部３０４は、燃料電池スタック２０の燃料の供給量を制御し、発電電流を変更できる。
従って、測定部３０４は、締め付けボルト２０８に電流を流し、この電流により生じる磁界の磁束密度を測定できる。また、測定部３０４は、燃料電池スタック２０を発電させて、発電電流により生じる磁界の磁束密度を測定できる。

計算部３０６は、測定部３０４が燃料電池スタック２０の各締め付けボルト２０８に流した電流に基づいて、締め付けボルト２０８が発生する磁界の磁束密度の理論値を計算できる。

比較部３０８は、測定部３０４が測定した磁束密度及び計算部３０６が計算した磁束密度が入力され、これら磁束密度の測定値と理論値とを比較して、その不一致度合いを求めることができる。不一致度合いは、例えば磁束密度の測定値の大きさと理論値の大きさとの比率である。
なお、不一致度合いは、磁束密度の測定値の大きさと理論値の大きさとの比率に限定されるものではない。不一致度合いの他の例として、磁束密度の測定値の大きさと理論値の大きさとの差が挙げられる。

補正部３１０は、比較部３０８が求めた磁束密度の測定値と理論値との不一致度合いに基づいて、燃料電池スタック２０が発電時に発生する磁界の磁束密度を補正できる。

診断装置４０は、燃料電池スタック２０の内部の異常箇所を特定できる。診断装置４０は、推定部４０２及び異常判断部４０４を有している。
推定部４０２は、例えば３［Ａ］から１［Ａ］づつ増加するように発電電流を変更した燃料電池スタック２０が、変更した発電電流（３、４、５・・・［Ａ］）ごとに発生する磁界の磁束密度の測定値が入力される。これらの測定値は、補正装置３０によって補正され、外乱磁界の影響が抑制された測定値である。
推定部４０２は、各磁束密度の測定値に基づいて、変更した発電電流ごとに逆問題解析を用いて燃料電池スタック２０の内部の電流密度分布を推定できる。

異常判断部４０４は、推定部４０２が推定した電流密度分布に基づいて、燃料電池スタック２０の異常部分を特定できる。具体的な異常部分の判断方法については、後述する。

次に、燃料電池の発電性能の診断システム１０の動作（燃料電池の発電性能の診断方法）について説明する。燃料電池の発電性能の診断方法は、図３に示すように、大きくステップＳＡ（第１のステップの一例）及びステップＳＢ（第２のステップの一例）を含んでいる。

（ステップＳＡ）
本ステップＳＡは、燃料電池スタック２０が発生する磁界をより高精度で測定するために、燃料電池スタック２０の周囲に生じる外乱磁界を測定するステップである。
本ステップＳＡにおいては、燃料電池スタック２０の発電時と同等の磁束密度が得られる電流を締め付けボルト２０８に流し、発生した磁界を磁気センサ３０１を用いて測定する。測定後、締め付けボルト２０８を流れる電流値と、締め付けボルト２０８及び磁気センサ３０１の位置関係とから、ビオ・サバールの法則又はアンペアの法則に基づいて磁束密度を計算する。得られた磁束密度の測定値Ｄｍと理論値Ｄｔとを比較して、測定値Ｄｍと理論値Ｄｔとの不一致度合いを求める。
求められた不一致度合いは、ステップＳＢにて、燃料電池スタック２０の発電電流により発生する磁界の磁束密度の測定値を補正するために用いられる。

本ステップＳＡは、図４に示す以下のステップＳＡ１～ＳＡ５を含む。
（ステップＳＡ１）
燃料電池の発電性能の診断システム１０に燃料電池スタック２０を接続し、測定部３０４が磁界の磁束密度を測定する。すなわち、測定部３０４が地磁気の磁束密度を測定する。以降のステップにおいて、測定部３０４は、測定した地磁気の影響をキャンセルして（抑制して）磁界の磁束密度を測定する。

（ステップＳＡ２）
補正装置３０が有する測定部３０４が、内蔵する電源ＰＳ（図２参照）を用いて、各締め付けボルト２０８に予め設定された大きさの電圧を印加する。すなわち、各締め付けボルト２０８には予め決められた大きさの電流が流れる。

（ステップＳＡ３）
測定部３０４が、各締め付けボルト２０８を流れる電流により発生する磁界の磁束密度の測定値Ｄｍを求める。なお、０［Ａ］から発電時と同等の磁束密度が得られる電流までの範囲で締め付けボルト２０８に流す電流を変化させ、各電流値について測定値Ｄｍを取得する。

（ステップＳＡ４）
計算部３０６が、複数取得された測定値Ｄｍにそれぞれ対応する磁束密度の理論値Ｄｔを求める。

（ステップＳＡ５）
比較部３０８が、測定値Ｄｍと理論値Ｄｔとを比較して、測定値Ｄｍと理論値Ｄｔとの不一致度合いを求める。
具体的には、比較部３０８は、得られた複数の組の測定値Ｄｍと理論値Ｄｔとの値を最小二乗法で直線近似し、以下に示す原点を通る一次の線形関係式を求める。

Ｄｔ＝c・Ｄｍ 式（１）

式（１）中の傾きｃが補正係数（不一致度合いの一例）となり、外乱磁界の影響を表す。
なお、不一致度合いは、傾きｃに限定されるものではない。

求めた補正係数ｃ（傾きｃ）は、後述するステップＳＢ２にて、燃料電池スタック２０が発電する際に発生する磁界の磁束密度の測定値を補正して、外乱磁界の影響を抑制するために用いられる。
具体的には、補正部３１０が、燃料電池スタック２０が発電する際の磁束密度の測定値に補正係数ｃを掛けて、測定値を補正する。この補正により、外乱となる外乱磁界の影響が抑制され、発電電流により発生する磁界の磁束密度が高い精度で測定される。
このように、本ステップＳＡにおいては、燃料電池スタックの周囲に生じる外乱磁界の影響が抑制された磁界が測定される。

なお、本ステップＳＡにおいては、ステップＳＡ１にて、事前に地磁気の影響を考慮したが、ステップＳＡ１を実行せずに、ステップＳＡ５にて地磁気の影響を考慮することも可能である。この場合、式（１）に対応する測定値Ｄｍと理論値Ｄｔとの一次の線形関係式は、地磁気の磁束密度ｄを用いて次式で表される。

Ｄｔ＝c・Ｄｍ＋ｄ 式（２）

ここで、燃料電池スタック２０の第１のモデル６０を用いた、本ステップＳＡの実施例について説明する。
燃料電池スタック２０の第１のモデル６０は、図５に示すように、１枚の膜電極接合体であり、中央部に正方形状の電極６０２が形成されている。電極６０２の寸法は、５０［ｍｍ］×５０［ｍｍ］である。
この第１のモデル６０について、電極６０２の一頂点を原点とし、直交するｘ軸及びｙ軸からなる２次元の直交座標系を設定した。

燃料電池スタック２０の第１のモデル６０に対して、故意に異常部分Ｆａを設けた。異常部分Ｆａは、電極が除去された発電しない部分であり、正方形状である。異常部分Ｆａの大きさは１０×１０［ｍｍ］であり、その中心位置はｘ＝５［ｍｍ］、ｙ＝５［ｍｍ］である。
そして、外乱磁界の影響を補正した場合（本ステップＳＡを実施し、補正係数ｃを掛けた場合）及び補正しない場合（本ステップＳＡを実施しない場合）について、それぞれ発電電流５［Ａ］時の磁界を測定し、逆問題解析により第１のモデル６０の電流密度分布を推定した。

補正した場合の結果を図６Ａに示す。図６Ａは表１に示す電流密度のデータのグラフである。

補正した磁界から推定された電流密度分布では、異常部分Ｆａの電流密度が最も低い値になっている。

補正しなかった場合（本ステップＳＡを実施しない場合）の結果を図６Ｂに示す。図６Ｂは表２に示す電流密度のデータのグラフである。

補正しなかった磁界から推定された電流密度分布では、ｘ＝５［ｍｍ］の異常部分Ｆａよりもｘ＝１５ｍｍの位置で最も低い電流密度を示した。
以上示した各結果は、補正により得られた高い精度の磁界を用いて逆問題解析を行うことにより、異常部分の検出精度が向上したことを示している。

（ステップＳＢ）
本ステップＳＢ（図３参照）は、発電時の電流密度分布を推定し、異常部分を特定するためのステップである。なお、以下、本ステップＳＢを「電流スイング法」と呼ぶ場合がある。
電流スイング法においては、図１Ａに示す燃料電池スタック２０の発電電流を変化させて発生する磁界の磁束密度を測定し、その磁束密度から逆問題解析を用いて発電電流ごとの電流密度分布を推定する。燃料電池スタック２０の内部の正常部分においては、推定された電流密度ｉ［Ａ／ｃｍ^２］は発電電流Ｉ［Ａ］にほぼ正比例して増減するが、異常部分においては、推定された電流密度ｉは余り大きく変化しない。電流スイング法は、この特性を利用して、すなわち、発電電流Ｉの変化に対する電流密度ｉの変化の度合いが予め決められた値よりも小さい部分を異常と判断することによって、異常部分を検出する。

発電電流Ｉを変化させる範囲は、発電電流Ｉと燃料電池スタック２０が発生する電圧Ｖとの関係において、発電電流Ｉの変化に対して電圧Ｖが線形に変化する範囲とすることが好ましい。なお、ここに言う「線形」とは、厳密な意味での線形ではなく、多少の誤差が許容された「実質的に線形」という意味である。つまり、発電電流Ｉが小さい範囲や大きい範囲においては、発電電流Ｉの変化に対して電圧Ｖが急激に変化するため、このような範囲を避けて発電電流Ｉを変化させることが好ましい。具体的には、発電電流Ｉを変化させる範囲は、例えば図７に示すように、１枚当たりの膜電極接合体の出力電圧が０．５～０．８Ｖとなる範囲である。

電流スイング法（ステップＳＢ）は、図８に示す以下のステップＳＢ１～ＳＢ６を含む。
（ステップＳＢ１）
補正装置３０の測定部３０４が、燃料電池スタック２０の燃料の供給量を制御し、燃料電池スタック２０を発電させる。

（ステップＳＢ２）
測定部３０４が、燃料電池スタック２０が発生する磁界の磁束密度を測定する。
補正部３１０が、前述の通り、磁束密度の測定値に補正係数ｃを掛けて補正し、外乱磁界の影響が抑制された精度が高い測定値を求める。

（ステップＳＢ３）
予め決められたサンプリング数のデータ取得が完了していない場合には、ステップＳＢ４が実行される。データ取得が完了した場合には、次のステップＳＢ５が実行される。

（ステップＳＢ４）
補正装置３０の測定部３０４が、燃料の供給量を制御し、例えば３［Ａ］から１［Ａ］づつ増加するように発電電流Ｉを変更する。測定部３０４は、変更した発電電流Ｉ（３、４、５・・・［Ａ］）ごとに繰り返し磁束密度を測定する。

（ステップＳＢ５）
診断装置４０の推定部４０２が、逆問題解析を用いて、発電電流Ｉ（３、４、５・・・［Ａ］）ごとに、燃料電池スタック２０の内部の電流密度分布を推定する。

（ステップＳＢ６）
診断装置４０の異常判断部４０４が、以下に示す各部の推定された電流密度ｉと発電電流Ｉの一次の線形関係式を求める。

ｉ＝ａＩ＋ｂ 式（３）

その後、異常判断部４０４が、推定された電流密度分布に基づいて、燃料電池スタック２０の異常部分を特定する。詳細には、異常判断部４０４が以下の条件１又は条件２を満たす場合に、その部分を異常部分と判断する。

（条件１）傾きａの値が著しく低い場合
（条件２）切片ｂの値の絶対値が著しく大きい場合

条件１については、例えば、傾きａの閾値ｓ_１が電極面積［ｃｍ^２］の逆数の１／２に設定され、傾きａがこの閾値ｓ_１以下の場合、本条件１を満たすものとして異常部分と判断される。
条件２については、切片ｂの絶対値の閾値ｓ_２が発電時の最大電流における平均電流密度［Ａ／ｃｍ^２］の１／１０に設定され、切片ｂがこの閾値ｓ_２以上の場合、本条件２を満たすものとして異常部分と判断される。具体例を挙げると、電極面積２５［ｃｍ^２］の膜電極接合体を用いて最大電流５［Ａ］で発電した場合は、閾値ｓ_２は０．０２［Ａ／ｃｍ^２］であり、切片ｂが０．０２［Ａ／ｃｍ^２］以上の場合に異常部分と判断される。

このように、電流スイング法においては、燃料電池スタック２０の発電電流Ｉを変化させ、ステップＳＡにて外乱磁界の影響が抑制された上で、逆問題解析により発電電流Ｉごとに燃料電池スタック２０の内部の電流密度分布が推定される。そして、推定された電流密度分布に基づいて燃料電池スタック２０の異常部分が特定される。

ここで、前述の燃料電池スタック２０の第１のモデル６０（図５参照）を用いた、本ステップＳＢ（電流スイング法）の実施例について説明する。
異常がない第１のモデル６０に対して、故意に異常部分Ｆｂを設けた。異常部分Ｆｂは、前述の異常部分Ｆａ同様、電極が除去された発電しない部分であり、正方形状である。異常部分Ｆｂの大きさは１０×１０［ｍｍ］であり、その中心位置はｘ＝４５［ｍｍ］、ｙ＝２５［ｍｍ］である。

発電電流Ｉが５［Ａ］の場合において、ステップＳＡにて補正された磁界を用いて逆問題解析を行った。その結果となる電流密度分布を図９Ｃに示す。異常部分Ｆｂの電流密度ｉは各位置の中で最も低い値となった。しかし、電流密度ｉはゼロにはなっておらず、異常か否かを判断することは困難となる。

そこで、電流スイング法により判断する。
発電電流Ｉを３～５［Ａ］の範囲で変化させた場合の結果であって、データ例として発電電流Ｉが３、４、５［Ａ］のときの結果を、それぞれ図９Ａ～図９Ｃに示す。図９Ａ～図９Ｃは、それぞれ表３～表５に示す電流密度のデータのグラフである。

このうち、特にｙ＝２５［ｍｍ］の位置にあるｘ＝５、１５、２５、３５、４５［ｍｍ］の各位置における発電電流Ｉと電流密度ｉとの関係を図１０に示す。
異常部分を判断するため、前述の条件１及び条件２について検討すると、同図１０に示す通り、ｘ＝４５［ｍｍ］、ｙ＝２５［ｍｍ］の位置の傾きａの値は０．０１３３［ｃｍ^－２］であり、閾値ｓ_１は、０．０２［ｃｍ^－２］であった。また、切片ｂの絶対値は０．０４３０［Ａ／ｃｍ^２］であり、閾値ｓ_２は、０．０２［Ａ／ｃｍ^２］であった。
従って、傾きａが閾値ｓ_１以下であり、切片ｂの絶対値が閾値ｓ_２以上であるから、この位置にある部分は異常であると判断できる。

他の各位置ｘ＝５、１５、２５、３５［ｍｍ］については、全ての傾きａの値が閾値０．０２［ｃｍ^－２］を超え、かつ切片ｂの絶対値が閾値０．０２［Ａ／ｃｍ^２］未満となった。従って、傾きａが閾値を超え、切片ｂの絶対値が閾値未満であるから、これらの位置にある部分ついては、正常であると判断できる。
このように、磁界から逆問題解析した電流密度の値がゼロにならない場合においても、電流スイング法を用いることにより正常部分と異常部分を判断できる。

次に、図１１（Ａ）に示す燃料電池スタック２０の第２のモデル７０を用いた、本ステップＳＢ（電流スイング法）の実施例について説明する。
第２のモデル７０は、３枚の膜電極接合体を積層したモデルであり、膜電極接合体が複数積層されている点で、第１のモデル６０（図５参照）と比較してより実際の燃料電池スタックに近いモデルである。

第２のモデル７０は、一組の集電板７０２、複数のセパレータ７０４、第１層目から第３層目まで上から順にセパレータ７０４を介して積層された第１の膜電極接合体７０６ａ、第２の膜電極接合体７０６ｂ、及び第３の膜電極接合体７０６ｃを有している。第２のモデル７０は、集電板７０２に形成された水素入口７０８ａ及び水素出口７０８ｂ並びに空気入口７１０ａ及び空気出口７１０ｂを介してそれぞれ水素及び空気を供給することにより、電流取出端子７１２から電流を取り出すことができる。

第１層目にある第１の膜電極接合体７０６ａには、図１１（Ｂ）に示すように、中央部に正方形状の電極７２０が形成されている。電極７２０の寸法は、５０［ｍｍ］×５０［ｍｍ］である。
第２層目にある第２の膜電極接合体７０６ｂ及び第３層目にある第３の膜電極接合体７０６ｃにも、第１の膜電極接合体７０ａと同様の電極が形成されている。
これら第１～第３の膜電極接合体７０６ａ、７０６ｂ、７０６ｃについて、それぞれ、電極７２０の一頂点を原点Ｏとし、直交するｘ軸及びｙ軸からなる２次元の直交座標系を設定した。なお、各直交座標系の原点Ｏは、平面視して同じ位置にある。

このような第２のモデル７０において、第１～第３の膜電極接合体７０６ａ、７０６ｂ、７０６ｃのうち、第１の膜電極接合体７０６ａに対してのみ、故意に異常部分Ｆｃを設けた。異常部分Ｆｃは、電極が除去された発電しない部分であり、正方形状である。異常部分Ｆｃの大きさは１０×１０［ｍｍ］であり、その中心位置はｘ＝５［ｍｍ］、ｙ＝５［ｍｍ］である。

異常部分Ｆｃが形成された第２のモデル７０を用い、ステップＳＢに従って異常部分を特定した。なお、発電電流は２．２［Ａ］から３．０［Ａ］まで変化させた。その際のデータ例の一部として、発電電流が３［Ａ］のときの結果を図１２Ａ～図１２Ｃに示す。また、第１の膜電極接合体７０６ａについて、特にｙ＝５［ｍｍ］の位置にあるｘ＝５、１５、２５、３５、４５［ｍｍ］の各位置における発電電流Ｉと電流密度ｉとの関係を図１３に示す。

第１の膜電極接合体７０６ａについての異常部分を判断するため、前述のステップＳＢ６における条件１及び条件２について検討すると、同図１３に示す通り、ｘ＝５［ｍｍ］、ｙ＝５［ｍｍ］の位置の傾きａの値は０．００００［ｃｍ^－２］であり、閾値ｓ_１は、０．０２［ｃｍ^－２］であった。また、切片ｂの絶対値は０．０２６０［Ａ／ｃｍ^２］であり、閾値ｓ_２は、０．０１２［Ａ／ｃｍ^２］であった。
従って、傾きａが閾値ｓ_１以下であり、切片ｂの絶対値が閾値ｓ_２以上であるから、条件１及び条件２をそれぞれ満たし、この位置にある部分は異常であると判断された。

他の各位置ｘ＝１５、２５、３５、４５［ｍｍ］については、全ての傾きａの値が閾値０．０２［ｃｍ^－２］を超え、かつ切片ｂの絶対値が閾値０．０１２［Ａ／ｃｍ^２］未満となった。従って、傾きａが閾値を超え、切片ｂの絶対値が閾値未満であるから、これらの位置にある部分ついては条件１及び条件２をいずれも満たさず、正常であると判断された。
第２の膜電極接合体７０６ｂ及び第３の膜電極接合体７０６ｃの各位置についても条件１及び条件２をいずれも満たさず、正常であると判断された。

すなわち、第１の膜電極接合体７０６ａのｘ＝５［ｍｍ］、ｙ＝５［ｍｍ］の位置についてのみ条件１及び条件２を共に満たすので、このｘ＝５［ｍｍ］、ｙ＝５［ｍｍ］の位置が、異常部分Ｆｃとして特定された。

このように、燃料電池の発電性能の診断システム１０によれば、発電電流を変化させた場合の燃料電池スタック２０の内部の複数の電流密度分布を比較することにより、異常部分が高い精度で推定され、燃料電池の発電性能を診断できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
燃料電池は、固体高分子形燃料電池に限定されるものではなく、任意の方式による燃料電池であってもよい。
前述の実施の形態にて説明した燃料電池の発電性能の診断方法においては、各ステップの実行順序は限定されるものではない。可能な場合には、各ステップの順番が入れ替えて実行されてもよいし、並行して実行されてもよい。
また、少なくとも一部のステップが燃料電池の発電性能を診断する診断者によって実行されてもよい。例えば、診断装置４０が有する異常判断部４０４に代わって診断者自身がステップＳＢ７を実行して異常部分を特定してもよい。

補正装置が有する測定部は電源を内蔵していなくてもよく、燃料電池の発電性能の診断システムとは別に準備された外部電源を制御して、この外部電源を介して各締め付けボルトに電流を流すこともできる。

１０ 燃料電池の発電性能の診断システム
２０ 燃料電池スタック
３０ 補正装置
４０ 診断装置
６０ 第１のモデル
７０ 第２のモデル
２０２ 膜電極接合体
２０４ セパレータ
２０５ セル
２０８ 締め付けボルト
３０１ 磁気センサ
３０２ 磁気センサ素子群
３０３ 磁気センサ素子
３０４ 測定部
３０６ 計算部
３０８ 比較部
３１０ 補正部
４０２ 推定部
４０４ 異常判断部
６０２ 電極
７０２ 集電板
７０４ セパレータ
７０６ａ 第１の膜電極接合体
７０６ｂ 第２の膜電極接合体
７０６ｃ 第３の膜電極接合体
７０８ａ 水素入口
７０８ｂ 水素出口
７１０ａ 空気入口
７１０ｂ 空気出口
７１２ 電流取出端子
７２０ 電極
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ 異常部分

Claims (11)

1. 積層された複数のセルと前記複数のセルを固定する固定部材とを有する燃料電池スタックの周囲に生じる外乱磁界を測定する第１のステップと、
   前記燃料電池スタックの発電電流を変化させ、生じた磁界の磁束密度を測定し、前記第１のステップにて測定された前記外乱磁界の影響を抑制した上で、該磁束密度から逆問題解析を用いて前記発電電流ごとに前記燃料電池スタック内部の電流密度の分布を推定し、前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いに基づいて前記燃料電池スタックを診断する第２のステップと、を含む燃料電池の発電性能の診断方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の発電性能の診断方法において、
   前記第１のステップが、前記固定部材に電流を流すステップと、
   前記電流により発生する磁界の磁束密度の測定値を求めるステップと、
   前記磁束密度の理論値を求めるステップと、
   前記測定値と前記理論値とを比較して、当該測定値と当該理論値との不一致度合いを求めるステップと、を含む燃料電池の発電性能の診断方法。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池の発電性能の診断方法において、
   前記第２のステップが、前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いが予め決められた値よりも小さい部分を異常と判断するステップを含む燃料電池の発電性能の診断方法。
4. 請求項３記載の燃料電池の発電性能の診断方法において、
   前記発電電流を変化させる範囲が、該発電電流の変化に対して前記燃料電池スタックが発生する電圧Ｖが実質的に線形に変化する範囲である燃料電池の発電性能の診断方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池の発電性能の診断方法において、
   前記固定部材が、前記複数のセルが積層される方向に延びる締め付けボルトである燃料電池の発電性能の診断方法。
6. 積層された複数のセルと前記複数のセルを固定する固定部材とを有する燃料電池スタックを備えた燃料電池の発電性能の診断システムであって、
   前記燃料電池スタックの周囲に生じる外乱の影響を抑制するように該燃料電池スタックが発生する磁界の磁束密度の測定値を補正する補正装置と、
   前記補正装置によって補正された、発電電流を変更した前記燃料電池スタックが発生す
   る前記磁界の磁束密度の測定値に基づいて、変更した前記発電電流ごとに逆問題解析によ
   り前記燃料電池スタック内部の電流密度の分布を推定する推定部と、
   前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いに基づいて前記燃料電池スタックの異常部分を特定する異常判断部と、を有する診断装置と、を備えた燃料電池の発電性能の診断システム。
7. 請求項６記載の燃料電池の発電性能の診断システムにおいて、
   前記異常判断部が、前記発電電流の変化に対する前記電流密度の変化の度合いが予め決められた値よりも小さい箇所について異常と判断する燃料電池の発電性能の診断システム。
8. 請求項６又は７記載の燃料電池の発電性能の診断システムにおいて、
   前記補正装置が、前記燃料電池スタックの周囲に配置され、磁界を検出する磁気センサと、
   前記固定部材に流した電流が発生する磁界の磁束密度の測定値を求める測定部と、
   前記磁束密度の理論値を求める計算部と、
   前記測定値と前記理論値とを比較して、当該測定値と当該理論値との不一致度合いを求める比較部と、
   前記比較部が求めた前記不一致度合いに基づいて、前記燃料電池スタックの発電電流により発生する磁界の磁束密度を補正する補正部と、を有する燃料電池の発電性能の診断システム。
9. 請求項６～８のいずれか１項に記載の燃料電池の発電性能の診断システムにおいて、
   前記固定部材が、前記複数のセルが積層される方向に延びる締め付けボルトである燃料電池の発電性能の診断システム。
10. 請求項６～９記載のいずれか１項に記載の燃料電池の発電性能の診断システムが備える補正装置。
11. 請求項６～９記載のいずれか１項に記載の燃料電池の発電性能の診断システムが備える診断装置。

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