JP7302528B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。特に、触媒層の劣化と燃料電池セルの排水の不具合とを区別して検知することのできる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、触媒層が劣化すると出力電流密度が低下することが知られている。特許文献１には、燃料電池セルの出力電流密度が期待される電流密度よりも低い場合に触媒層が劣化していると判断する燃料電池システムが開示されている。

特開２０１２－１１９１６５号公報

燃料電池セルの出力が期待される出力よりも低下する原因は触媒層の劣化に限らない。例えば、燃料電池セルから水が適切に排水されず、燃料電池セルに水が溜まってしまった場合も出力が低下する。なお、燃料電池セルに水が溜まる現象はフラッディングと呼ばれることがある。本明細書は、触媒層の劣化と排水の不具合とを区別して検知することのできる燃料電池システムを提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池セルと、電流調整器と、電圧センサと、コントローラを備える。燃料電池セルは、電解質膜と、触媒層と、拡散層を備えており、電解質膜のそれぞれの側に触媒層と拡散層が配置されている。電流調整器は、燃料電池セルに接続されており、燃料電池セルの出力電流密度を調整する。電圧センサは、燃料電池セルの電圧を計測する。コントローラは、第１基準電流密度に対応する第１閾値電圧と、第１基準電流密度よりも大きい第２基準電流密度に対応する第２閾値電圧を記憶しており、第１閾値電圧と第２閾値電圧を使って触媒層の劣化と排水の不具合を区別して検知する。

コントローラは、次の点検処理により、触媒層の劣化及び／または排水の不具合を検知する。コントローラは、燃料電池セルから水を抜く排水処理を実行する。その後、コントローラは、電流調整器により燃料電池セルの出力電流密度を第１基準電流密度に調整し、次いで第２基準電流密度に調整する。コントローラは、出力電流密度が第１基準電流密度のときの燃料電池セルの電圧（第１電圧）と、出力電流密度が第２基準電流密度のときの燃料電池セルの電圧（第２電圧）を取得する。コントローラは、第１電圧が第１閾値電圧よりも低く、かつ、第２電圧が第２閾値電圧よりも高い場合には、触媒層が劣化しており排水に不具合がないことを示す第１判定信号を出力する。コントローラは、第１電圧が第１閾値電圧よりも高く、かつ、第２電圧が第２閾値電圧よりも低い場合には触媒層に劣化がなく排水に不具合が生じていることを示す第２判定信号を出力する。コントローラは、第１電圧が第１閾値電圧よりも低く、かつ、第２電圧が第２閾値電圧よりも低い場合には触媒層が劣化しており排水に不具合が生じていることを示す第３判定信号を出力する。

第１基準電流密度は、燃料電池セルの最大出力電流密度の１０％未満であり、第２基準電流密度は、最大出力電流密度の４０％より大きい。触媒層の劣化に起因する燃料電池セルの電圧低下は出力電流密度に関わりなくほぼ一定である。一方、排水の不具合に起因する燃料電池セルの電圧低下は、出力電流密度が大きいほど著しい。出力電流密度が小さい場合は、少ない燃料ガスで足りるので、燃料電池セルに溜まった水は燃料ガスの流れを阻害しない。出力電流密度が大きいと、すなわち、燃料ガスの量が多いと、燃料電池セルに溜まった水によって燃料ガスの流れが悪化し、電圧低下を引き起こす。

燃料電池セルの出力電流密度が最大出力電流密度の１０％未満のときは、触媒層の劣化に起因する電圧低下は、排水の不具合に起因する電圧低下よりも著しい。出力電流密度が最大出力電流密度の４０％を超えるときは、排水の不具合に起因する電圧低下は、触媒層の劣化に起因する電圧低下よりも著しい。

そこで、第１閾値電圧と第２閾値電圧を次のように設定するとよい。第１閾値電圧は、排水に不具合が生じている燃料電池セルが第１基準電流密度を出力しているときの電圧よりも低く、触媒層が劣化している燃料電池セルが第１基準電流密度を出力しているときの電圧よりも高い。第２閾値電圧は、触媒層が劣化している燃料電池セルが第２基準電流密度を出力しているときの電圧よりも低く、排水に不具合が生じている燃料電池セルが第２基準電流密度を出力しているときの電圧よりも高い。そのように設定することで、第１基準電流密度と第１閾値電圧により触媒層の劣化を判定することができ、第２基準電流密度と第２閾値電圧で排水の不具合を判定することができる。

触媒層劣化／排水の不具合の有無を点検する際に生成される電力を消費するのは無駄である。そこで、電流調整器の出力端をバッテリに接続するとよい。そして、コントローラは、出力電流密度を第１基準電流密度と第２基準電流密度に調整するのに先立ってバッテリの残電力量を５０％未満に減じておくとよい。点検の際に電流調整器が出力する電力をバッテリに蓄えることができる。

電流調整器の代わりに電圧調整器を用いても同様に触媒層の劣化と排水の不具合を区別することができる。その場合、コントローラは、燃料電池セルから水を抜く排水処理を実行した後、以下の点検処理を実行する。コントローラは、電圧調整器を使って燃料電池セルの電圧を調整する。コントローラは、燃料電池セルの電圧が第１基準電圧のときの出力電流密度（第１出力電流密度）と、第２基準電圧のときの出力電流密度（第２出力電流密度）を取得する。コントローラは、第１出力電流密度が第１閾値電流密度よりも低く、かつ、第２出力電流密度が第２閾値電密度流よりも高い場合には、触媒層が劣化しており排水に不具合がないことを示す第１判定信号を出力する。コントローラは、第１出力電流密度が第１閾値電流密度よりも高く、かつ、第２出力電流密度が第２閾値電流密度よりも低い場合には、触媒層に劣化がなく排水に不具合が生じていることを示す第２判定信号を出力する。コントローラは、第１出力電流密度が第１閾値電流密度よりも低く、かつ、第２出力電流密度が第２閾値電流密度よりも低い場合には、触媒層が劣化しており排水に不具合が生じていることを示す第３判定信号を出力する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、電気自動車に搭載することが好適である。本明細書が開示する燃料電池システムは、電気自動車に搭載された状態で触媒層の劣化と排水の不具合を検知することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池システムを含む電気自動車のブロック図である。 触媒層の劣化に起因する電圧低下と、排水の不具合に起因する電圧低下を示すＩＶ曲線のグラフである。 燃料電池セルの点検処理のフローチャートである。 燃料電池セルの点検処理のフローチャートである（図３の続き）。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。燃料電池システム２は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、燃料電池システム２を含む電気自動車１００のブロック図を示す。電気自動車１００は、燃料電池システム２から電力を得て、電気モータ１０３で走行する。燃料電池システム２の出力電力は、昇圧コンバータ１０１で昇圧された後にインバータ１０２で交流電力に変換され、走行用の電気モータ１０３に供給される。昇圧コンバータ１０１の出力端には、インバータ１０２と並列にバッテリ１０４が接続されている。燃料電池システム２で生成された電力のうち、電気モータ１０３で消費されなかった残りの電力はバッテリ１０４にチャージされる。

燃料電池システム２は燃料電池セル１０（燃料電池スタック３）と燃料タンク２０を備えている。多数の燃料電池セルを積層し電気的に直列に（あるいは並列に）接続した構造体が燃料電池スタック３である。燃料電池システム２は、多数の燃料電池セルを含んでいる燃料電池スタック３を備えている。しかし本実施例では、１個の燃料電池セル１０に着目するので図１では１個の燃料電池セル１０だけが描いてある。昇圧コンバータ１０１には、実際には燃料電池スタック３が接続されているが、図１では説明の便宜上、燃料電池スタック３の図示は省略してある。

燃料電池セル１０は、アノード拡散層１１、アノード触媒層１２、電解質膜１３、カソード触媒層１４、カソード拡散層１５を備えている。電解質膜１３を挟んでアノード触媒層１２とカソード触媒層１４が対向している。アノード触媒層１２の外側（電解質膜１３とは反対側）にアノード拡散層１１が位置している。カソード触媒層１４の外側（電解質膜１３とは反対側）にカソード拡散層１５が位置している。

アノード拡散層１１には、アノードガス入口１６ａを通じて燃料ガスが供給される。カソード拡散層１５には、カソードガス入口１７ａを通じて空気が供給される。燃料ガス（水素ガス）と空気中の酸素が化学反応し、電流が得られる。化学反応により水が生成される。燃料電池セル１０における化学反応は良く知られているので詳しい説明は省略する。

化学反応で余った燃料ガスと、化学反応で生成された不純物（水を含む）はアノードガス出口１６ｂから排出される。アノードガス出口１６ｂから排出されるガスはオフガスと称されることがある。生成された水、および、余った空気（酸素）はカソードガス出口１７ｂから排出される。水の一部はアノードガス出口１６ｂからも排出される。

燃料電池システム２における燃料ガス側の設備について説明する。燃料電池システム２は、燃料電池セル１０のアノード側へ燃料ガスを送るための設備として、燃料供給管２１、インジェクタ２２、オフガス排出管２３、気液分離器２４、戻し管２５、ポンプ２６、排気排水弁２７を備えている。

燃料供給管２１は、燃料タンク２０と燃料電池セル１０を接続する。燃料供給管２１には２個の弁４１ａ、４１ｂ、インジェクタ２２が接続されている。弁４１ａは主止弁であり、燃料電池システム２が停止している間、燃料タンク２０からの燃料ガスの放出を止める。弁４１ｂは調圧弁であり、インジェクタ２２に供給される燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ２２は、燃料ガスの圧力を高めて燃料電池セル１０に供給する。

燃料供給管２１の一端は燃料電池セル１０のアノードガス入口１６ａに接続されており、燃料ガスを燃料電池セル１０のアノード拡散層１１に供給する。アノードガス出口１６ｂにはオフガス排出管２３の一端が接続されており、オフガス排出管２３の他端は気液分離器２４のガス入口２４ａに接続されている。

気液分離器２４は、アノードガス出口１６ｂから排出されるオフガスを水素ガス（残燃料ガス）と不純物に分離する。気液分離器２４で分離される不純物の典型は、窒素ガスや水などである。窒素ガスは、カソード側に供給される空気に含まれている窒素が、電解質膜１３を通過してアノード側に達したものである。残燃料ガスはガス出口２４ｂから放出され、不純物は不純物排出口２４ｃから排出される。

戻し管２５の一端が気液分離器２４のガス出口２４ｂに接続しており、戻し管２５の他端は燃料供給管２１に接続している。戻し管２５にはポンプ２６が取り付けられている。ポンプ２６は、気液分離器２４で分離された残燃料ガスを、燃料供給管２１へ押し込む。気液分離器２４の不純物排出口２４ｃには、排気排水弁２７が接続されている。排気排水弁２７の出口には排気管３２が接続されている。排気排水弁２７が開くと、気液分離器２４にてオフガスから分離された不純物が排気管３２に排出される。

燃料電池セル１０が発電を続けると、気液分離器２４に不純物が溜まっていく。不純物の大半は水と窒素ガスである。コントローラ４０は、燃料電池セル１０の発電中は排気排水弁２７を開き、排気管３２を通じて不純物を外気に放出する。燃料電池セル１０から排気管３２の出口までの排水経路で目詰まりなどの不具合が生じ、燃料電池セル１０に多くの水が溜まるとガスの流れが阻害され、燃料電池セル１０の性能が下がる。燃料電池セル１０に水が溜まって発電性能が下がることはフラッディングと呼ばれる。本明細書では、「フラッディング」と「排水の不具合」を同じ意味で用いる。

燃料電池システム２の空気供給側の設備について説明する。燃料電池システム２は、燃料電池セル１０のカソード側へ空気（酸素）を送るための設備として、空気供給管３１、空気コンプレッサ３４、弁４１ｃ、４１ｄを備えている。

空気供給管３１の一端が燃料電池セル１０のカソードガス入口１７ａに接続しており、他端は外気に開放されている。空気供給管３１の途中に空気コンプレッサ３４、弁４１ｃが取り付けられている。空気コンプレッサ３４が外気を圧縮し、空気供給管３１を通じて空気を燃料電池セル１０（カソード拡散層１５）へ供給する。燃料電池セル１０のカソードガス出口１７ｂには排気管３２が接続されている。排気管３２の途中に弁４１ｄが取り付けられている。弁４１ｃと弁４１ｄは調圧弁であり、それらの調圧弁により、燃料電池セル１０（カソード拡散層１５）に供給される空気の圧力が調整される。

排気管３２は、排気排水弁２７の出口と、カソードガス出口１７ｂに接続されている。排気管３２は、燃料電池セル１０のカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気と、排気排水弁２７の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する。排気管３２の下流側にはマフラ３５が接続されている。排出ガス（排出空気と不純物ガスの混合ガス）は、マフラ３５を通して外気に放出される。燃料電池セル１０に溜まった水も排気管３２とマフラ３５を介して車の外へ排出される。

図示は省略したが、燃料電池システム２のいくつかの箇所に圧力センサや濃度センサ、あるいは流量センサが備えられている。また、空気供給管３１には、加湿器が取り付けられていてもよい。加湿器によって供給空気に水分を加える。供給空気に水分を加えることで、燃料電池セル１０のドライアウトを防ぐ。

燃料電池セル１０の電極には、昇圧コンバータ１０１が接続されている。先に述べたように、燃料電池セル１０（燃料電池システム２）が生成した電力は、昇圧コンバータ１０１で昇圧され、インバータ１０２あるいはバッテリ１０４に供給される。先に述べたように、実際には、燃料電池システム２は多数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタック３を備えており、燃料電池スタック３が昇圧コンバータ１０１に接続されている。

燃料電池システム２は、燃料電池セル１０を温めるヒータ４２も備えている。燃料電池セル１０は低温では性能が低下する。燃料電池セル１０の温度が低い場合は、コントローラ５０はヒータ４２を作動させ、燃料電池セル１０を温める。ヒータ４２は、電気で燃料電池セル１０を直接に温めるタイプでもよいし、加熱された熱媒体で燃料電池セル１０を温めるタイプであってもよい。

インジェクタ２２、ポンプ２６、弁４１ａ－４１ｅ、排気排水弁２７、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ１０１、インバータ１０２、ヒータ４２は、コントローラ５０が制御する。コントローラ５０とインジェクタ２２などは信号線でつながっているが、図１では信号線の図示は省略した。

触媒層（アノード触媒層１２、カソード触媒層１４）が劣化すると燃料電池セル１０の性能が下がる。排水の不具合によっても燃料電池セル１０の性能が下がる。燃料電池セル１０に溜まった水は、通常は排気管３２とマフラ３５を通じて車の外へ排出される。また、燃料電池セル１０の内部圧力を最大にすると、燃料電池セル１０の中に残った水が抜け得る。しかし、燃料電池セル１０の中のガス流路の目詰まりなどにより、燃料電池セル１０に排水の不具合が起こり得る。燃料電池システム２は、触媒層の劣化と、排水の不具合を区別して検知することができる。

触媒層の劣化と排水の不具合を検知する点検処理は、電気自動車１００に点検装置７０を接続して行われる。点検装置７０は、コンピュータ７１と、予備バッテリ７２で構成される。コンピュータ７１は、コントローラ５０に接続され、予備バッテリ７２はバッテリ１０４と並列に接続される。点検処理は、サービスステーションにて、電気自動車１００が停止している状態で実施される。点検処理については後述する。

なお、燃料電池システム２は、点検処理で用いる電圧センサ１８と電流センサ１９を備えている。電圧センサ１８は燃料電池セル１０の電圧（出力電圧）を計測する。電流センサ１９は、燃料電池セル１０の出力電流を計測する。燃料電池セル１０の出力ケーブルの断面積は既知であるので、電流センサ１９の計測値から燃料電池セル１０の出力電流密度が得られる。図１では、説明の便宜上、燃料電池セル１０と昇圧コンバータ１０１の間に電圧センサ１８と電流センサ１９が描かれている。しかし、電圧センサ１８と電流センサ１９は個々の燃料電池セル１０の電圧と出力電流密度を計測するのであって、昇圧コンバータ１０１に供給される電流と印加される電圧を計測するのではないことに留意されたい。

触媒層の劣化と排水の不具合を区別する技術について説明する。触媒層が劣化すると、燃料電池セルの出力電流密度の全範囲で電圧が低下する。一方、排水に不具合が生じ、燃料電池セルに多くの水が溜まった場合でも、出力電流密度が小さいときには電圧はあまり低下しない。出力電流密度が小さいときには燃料ガスが少ないので、燃料電池セルに水が溜まっていても燃料ガスが流れるからである。一方、出力電流密度が大きい場合は、排水に不具合を生じていると電圧が低下する。燃料ガス（および酸素）が多くなるほど排水の不具合によりガスの流れが阻害されるからである。なお、「電圧が低下する」とは、正常な燃料電池セルに期待される出力電圧よりも低下することを意味する。

上記の現象を図２に示す。図２は、燃料電池の技術分野においてＩＶ曲線と呼ばれるグラフである。横軸は燃料電池セルの出力電流密度を示しており、縦軸は燃料電池セルの電圧を示している。実線のグラフＧ１は、正常な燃料電池セルのＩＶ曲線を示している。点線のグラフＧ２は、触媒層が劣化した燃料電池セル（排水に不具合なし）のＩＶ曲線を示している。一点鎖線のグラフＧ３は、排水に不具合が生じた燃料電池セル（触媒層の劣化なし）のＩＶ曲線を示している。

正常の燃料電池セル（グラフＧ１）と触媒層劣化の燃料電池セル（グラフＧ２）を比較すると、全ての出力電流密度にわたって電圧低下はほぼ一定である。一方、正常の燃料電池セル（グラフＧ１）と排水に不具合のある燃料電池セル（グラフＧ３）を比較すると、出力の電流密度が高くなるにつれて電圧低下が大きくなる。なお、触媒層が劣化し、かつ排水に不具合を生じた燃料電池セルの電圧は、グラフＧ３よりもさらに下がる。

燃料電池セルの出力が電流密度Ａ１のとき、触媒層劣化が生じた燃料電池セルの電圧Ｖｃ１（グラフＧ２）は、排水で不具合を生じた燃料電池セルの電圧Ｖｄ１（グラフＧ３）よりも低い。一方、燃料電池セルの出力が電流密度Ａ２（＞Ａ１）のとき、排水で不具合を生じた燃料電池セルの電圧Ｖｄ２（グラフＧ３）は、触媒層劣化が生じた燃料電池セルの電圧Ｖｃ２（グラフＧ２）よりも低い。そこで、電圧Ｖｄ１と電圧Ｖｃ１との間に第１閾値電圧Ｖｔｈ１を設定し、電圧Ｖｄ２と電圧Ｖｃ２との間に第２閾値電圧Ｖｔｈ２を設定する。燃料電池セルの出力を第１基準電流密度Ａ１に調整したとき、燃料電池セルの電圧が第１閾値電圧Ｖｔｈ１よりも大きければ、触媒層の劣化がないと判定できる。燃料電池セルの出力を第１基準電流密度Ａ１に調整したとき、燃料電池セルの電圧が第１閾値電圧Ｖｔｈ１よりも小さければ、触媒層が劣化していると判定できる。

燃料電池セルの出力を第２基準電流密度Ａ２（＞Ａ１）に調整したとき、燃料電池セルの電圧が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも大きければ、排水の不具合がないと判定できる。燃料電池セルの出力を第２基準電流密度Ａ２に調整したとき、燃料電池セルの電圧が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも小さければ、排水に不具合が生じていると判定できる。

なお、燃料電池セルの出力電流密度が最大出力電流密度の概ね１０％未満の範囲において、触媒層劣化が生じた燃料電池セルの電圧（グラフＧ２）が、排水で不具合を生じた燃料電池セルの電圧（グラフＧ３）よりも確実に低い。燃料電池セルの出力電流密度が最大電流密度の概ね４０％を超える範囲において、排水で不具合を生じた燃料電池セルの電圧（グラフＧ３）が、触媒層劣化が生じた燃料電池セルの電圧（グラフＧ２）よりも確実に低い。それゆえ、第１基準電流密度Ａ１は、燃料電池セルの最大電流密度の１０％未満の範囲で選定され、第２基準電流密度Ａ２は、最大電流密度の４０％を超える範囲で選定される。

第１基準電流密度Ａ１、第２基準電流密度Ａ２、第１閾値電圧Ｖｔｈ１、第２閾値電圧Ｖｔｈ２は、個々の燃料電池セルの性能に依存する。また、触媒層の劣化は徐々に進行し、電圧低下も徐々に進行する。燃料電池セルの出力を第１基準電流密度Ａ１に調整したときの燃料電池セルの電圧が第１閾値電圧Ｖｔｈ１よりも小さい場合は、燃料電池セルの交換が必要なレベルにまで劣化が進行していることを意味する。同様に、燃料電池セルの出力を第２基準電流密度Ａ２に調整したときの燃料電池セルの電圧が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも小さい場合は、燃料電池セルの交換が必要なレベルにまで排水不具合が進行していることを意味する。

上記の理論に基づいた点検処理（燃料電池セルの触媒層劣化と排水不具合を見つけるための点検処理）がコントローラ５０に組み込まれている。図３、図４のフローチャートを参照しつつ、点検処理を説明する。

なお、点検処理は、電気自動車１００が停車した状態で実行される。点検処理の間、インバータ１０２と電気モータ１０３は停止している。また、先に述べたように、点検処理は、電気自動車１００に点検装置７０を接続して行われる。コントローラ５０に点検装置７０のコンピュータ７１が接続され、バッテリ１０４に予備バッテリ７２が接続される。予備バッテリ７２が接続されると、バッテリ１０４の電力が予備バッテリ７２に流れ、バッテリ１０４の残電力量（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）は５０％未満に減じられる。

点検装置７０のコンピュータ７１がコントローラ５０へ点検処理実行の指令を出すと図３、図４の処理が開始される。コントローラ５０は、まず、排水処理を実行する（ステップＳ１２）。排水処理では、コントローラ５０は、ヒータ４２で燃料電池セル１０を所定温度（例えば７０度）より高い温度まで昇温する。ヒータ４２を使うかわりに急速暖機運転と呼ばれる制御方法によって燃料電池セル１０を昇温してもよい。ヒータ４２は無くてもよい。

昇温することによって、燃料電池セル１０の中の水が水蒸気となり、スムーズに排水される。燃料電池セル１０を昇温することは、燃料電池セル１０を効果的に排水するのに有効である。次いでコントローラ５０は、空気コンプレッサ３４とインジェクタ２２を最大出力で動作させる。空気コンプレッサ３４を最大出力で駆動することで、燃料電池セル１０のカソード側の内圧が最大圧力まで上昇する。また、インジェクタ２２を最大出力で駆動することで、燃料電池セル１０のアノード側の内圧も最大圧力まで上昇する。燃料電池セル１０の内圧を最大圧力まで上げることで、燃料電池セル１０に残っている水を外へ押し出す。

燃料電池セル１０が正常であれば、ステップＳ１２の排水処理により、燃料電池セル１０の中の水は適切に排出される。燃料電池セル１０から適切に水が抜けると、図２で示した電圧低下（グラフＧ３）は生じない。一方、燃料電池セル１０の排水経路（あるいは排気管３２などの排水経路）で目詰まりが生じていると、燃料電池セル１０から水が完全には抜けない。排水に不具合を生じると、図２で示した電圧低下（グラフＧ３）が生じる。排水の不具合は、ステップＳ１３以降の処理で検知され得る。

本実施例の点検処理では、燃料電池セル１０を昇温し、燃料電池セル１０の内圧を最大にしてもグラフＧ３の電圧低下が生じる場合に、排水に不具合が生じていると判定する。燃料電池セル１０を所定温度以上に昇温し、燃料電池セル１０の中の水を水蒸気化することで、比較的に深刻な排水不具合を確実に検知することができる。

排水処理の後、コントローラ５０は、昇圧コンバータ１０１を制御し、燃料電池セル１０の出力を第１基準電流密度Ａ１に調整する（ステップＳ１３）。昇圧コンバータ１０１の出力電圧をバッテリ１０４の電圧よりもわずかに高くすることで、燃料電池セル１０の出力が第１基準電流密度Ａ１に調整される。なお、実際には昇圧コンバータ１０１には燃料電池スタック３が接続されており、多数の燃料電池セルの出力の総和が昇圧コンバータ１０１に流れる。先に述べたように、電流センサ１９が燃料電池セル１０に備えられており、電流センサ１９の計測値から燃料電池セル１０の出力電流密度が得られる。コントローラ５０は、電流センサ１９の計測値をモニタしつつ、昇圧コンバータ１０１をフィードバック制御することにより、燃料電池セル１０の出力を第１基準電流密度Ａ１に調整する。

コントローラ５０は、燃料電池セル１０の出力が第１基準電流密度Ａ１のときの燃料電池セル１０の電圧（第１電圧Ｖ１）を取得する（ステップＳ１４）。燃料電池セル１０の電圧は電圧センサ１８が計測する。

続いてコントローラ５０は、昇圧コンバータ１０１の出力電圧を高め、燃料電池セル１０の出力を第２基準電流密度Ａ２に調整する（ステップＳ１５）。そして、コントローラ５０は、燃料電池セル１０の出力が第２基準電流密度Ａ２のときの燃料電池セル１０の電圧（第２電圧Ｖ２）を取得する（ステップＳ１６）。

コントローラ５０は、取得した第１電圧Ｖ１を第１閾値電圧Ｖｔｈ１と比較し、第２電圧Ｖ２を第２閾値電圧Ｖｔｈ２と比較する（図４、ステップＳ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）。

第１電圧Ｖ１が第１閾値電圧Ｖｔｈ１より低く、かつ、第２電圧Ｖ２が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも高い場合、コントローラ５０は、触媒層が劣化しており、排水に不具合がないことを示す第１判定信号を出力する（ステップＳ１７：ＹＥＳ、ステップＳ１９：ＮＯ、ステップＳ２１）。

第１電圧Ｖ１が第１閾値電圧Ｖｔｈ１より高く、かつ、第２電圧Ｖ２が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも低い場合は、コントローラ５０は、触媒層に劣化がなく、排水に不具合が生じていることを示す第２判定信号を出力する（ステップＳ１７：ＮＯ、ステップＳ１８：ＹＥＳ、ステップＳ２２）。

第１電圧Ｖ１が第１閾値電圧Ｖｔｈ１より低く、かつ、第２電圧Ｖ２が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも低い場合は、コントローラ５０は、触媒層が劣化しており、排水の不具合が生じていることを示す第３判定信号を出力する（ステップＳ１７：ＹＥＳ、ステップＳ１９：ＹＥＳ、ステップＳ２３）。

第１電圧Ｖ１が第１閾値電圧Ｖｔｈ１より高く、かつ、第２電圧Ｖ２が第２閾値電圧Ｖｔｈ２よりも高い場合は、コントローラ５０は、触媒層の劣化がなく、排水の不具合も生じていないことを示す第４判定信号を出力する（ステップＳ１７：ＮＯ、ステップＳ１８：ＮＯ、ステップＳ２４）。

第１判定信号、第２判定信号、第３判定信号、あるいは、第４判定信号は、点検装置７０のコンピュータ７１へ送られる。コンピュータ７１は、受信した判定信号に対応したメッセージを表示する。点検装置７０を操作するスタッフは、コンピュータ７１の表示により、燃料電池セル１０の状態を知ることができる。

図３、４の点検処理により、燃料電池システム２は、触媒層の劣化と燃料電池セル１０からの排水の不具合を区別して検知することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを備えているとともに各燃料電池セルの出力電流密度と電圧を計測するセンサを備えていることが望ましい。それぞれの燃料電池セルの触媒層劣化と排水不具合を検知することができる。

燃料電池システムは、電気的に接続された複数の燃料電池セルの合計の出力電流密度と電圧を計測するセンサを備えてもよい。電気的に接続された複数の燃料電池セルの中のいずれかで触媒層劣化および／または排水不具合を生じていることを検知することができる。

実施例の燃料電池システム２では、昇圧コンバータ１０１が出力電圧を調整することによって、燃料電池セル１０の出力電流密度を調整した。昇圧コンバータ１０１が電流調整器の一例に相当する。燃料電池セル１０の出力電流密度を調整するデバイスは、昇圧コンバータに限られない。

実施例における点検処理は、点検装置７０を電気自動車１００の燃料電池システム２に接続して実施される。点検処理は、他の付加的なデバイスを必要とせず、燃料電池システム単体で実施されてもよい。その場合、コントローラ５０は、判定信号を車載のダイアグメモリあるいはインストルメントパネルへ出力する。判定信号を受けたインストルメントパネルは、受信した判定信号に対応したメッセージを表示する。あるいは、判定信号を受けたダイアグメモリは、受信した判定信号に対応したメッセージを記憶する。

実施例の燃料電池システム２では、コントローラ５０は、第１基準電流密度に対応する第１閾値電圧と、第１基準電流密度よりも大きい第２基準電流密度に対応する第２閾値電圧を記憶している。コントローラ５０は、燃料電池セル１０の出力電流密度が第１基準電流密度のときの燃料電池セルの前記電圧（第１電圧）と、出力電流密度が第２基準電流密度のときの燃料電池セルの電圧（第２電圧）を取得する。コントローラ５０は、第１電圧を第１閾値電圧と比較して触媒層の劣化の有無を判断し、第２電圧を第２閾値電圧と比較して排水の不具合の有無を判断する。

出力電流密度を基準とするかわりに電圧を基準としても同様の点検を行うことができる。その場合、コントローラ５０は、第１基準電圧に対応する第１閾値電流密度と、第１基準電圧よりも小さい第２基準電圧に対応する第２閾値電流密度を記憶する。コントローラ５０は、燃料電池セル１０から水を抜く排水処理を実行し、燃料電池セル１０の電圧が第１基準電圧のときの燃料電池セル１０の出力電流密度（第１出力電流密度）と、燃料電池セル１０の電圧が第２基準電圧のときの出力電流密度（第２出力電流密度）を取得する。コントローラ５０は、第１出力電流密度を第１閾値電流密度と比較することで触媒層の劣化の有無を判断する。コントローラ５０は、第２出力電流密度を第２閾値電流密度と比較することで排水の不具合の有無を判断する。

燃料電池システムが電気自動車に搭載される場合、次の処理によって燃料電池セルの劣化を検知してもよい。燃料電池システムのコントローラには、電気自動車の走行距離に対する燃料電池セルの電圧（正常な燃料電池セルの経年変化後の期待電圧）のマップが記憶されている。燃料電池スタックに含まれている複数の燃料電池セルの平均電圧がマップの期待電圧よりも下がった場合は、コントローラは、燃料電池スタック全体が劣化していると判定する。コントローラは、個々の燃料電池セルの電圧を計測し、特定の燃料電池セルの電圧と平均電圧を比較する。コントローラは、特定の燃料電池セルの電圧と平均電圧との差が所定の許容電圧差よりも大きければ、特定の燃料電池セルが劣化していると判定する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：燃料電池システム
３ ：燃料電池スタック
１０ ：燃料電池セル
１１ ：アノード拡散層
１２ ：アノード触媒層
１３ ：電解質膜
１４ ：カソード触媒層
１５ ：カソード拡散層
１８ ：電圧センサ
１９ ：電流センサ
２０ ：燃料タンク
２１ ：燃料供給管
２２ ：インジェクタ
２３ ：オフガス排出管
２４ ：気液分離器
２５ ：戻し管
２６ ：ポンプ
２７ ：排気排水弁
３１ ：空気供給管
３２ ：排気管
３４ ：空気コンプレッサ
３５ ：マフラ
４０ ：コントローラ
４１ａ－４１ｅ ：弁
４２ ：ヒータ
５０ ：コントローラ
７０ ：点検装置
７１ ：コンピュータ
７２ ：予備バッテリ
１００：電気自動車
１０１：昇圧コンバータ
１０２：インバータ
１０３：電気モータ
１０４：バッテリ

Claims (7)

1. 電解質膜のそれぞれの側に触媒層と拡散層が配置されている燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの出力電流密度を調整する電流調整器と、
   前記燃料電池セルの電圧を計測する電圧センサと、
   第１基準電流密度に対応する第１閾値電圧と、前記第１基準電流密度よりも大きい第２基準電流密度に対応する第２閾値電圧を記憶しているコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記燃料電池セルから水を抜く排水処理を実行し、
   前記出力電流密度が前記第１基準電流密度のときの前記燃料電池セルの前記電圧（第１電圧）と、前記出力電流密度が前記第２基準電流密度のときの前記燃料電池セルの前記電圧（第２電圧）を取得し、
   前記第１電圧が前記第１閾値電圧よりも低く、かつ、前記第２電圧が前記第２閾値電圧よりも高い場合に前記触媒層が劣化しており前記燃料電池セルの排水に不具合がないことを示す第１判定信号を出力し、
   前記第１電圧が前記第１閾値電圧よりも高く、かつ、前記第２電圧が前記第２閾値電圧よりも低い場合に前記触媒層に劣化がなく排水に不具合が生じていることを示す第２判定信号を出力し、
   前記第１電圧が前記第１閾値電圧よりも低く、かつ、前記第２電圧が前記第２閾値電圧よりも低い場合に前記触媒層が劣化しており排水に不具合が生じていることを示す第３判定信号を出力する、燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、前記排水処理として、前記燃料電池セルに空気を送る空気コンプレッサと前記燃料電池セルに燃料ガスを送るインジェクタを最大出力で動作させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記コントローラは、前記排水処理として、前記燃料電池セルの内部圧力を最大にする、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１基準電流密度は、前記燃料電池セルの最大出力電流密度の１０％未満であり、前記第２基準電流密度は、前記最大出力電流密度の４０％より大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１閾値電圧は、前記排水に不具合が生じている前記燃料電池セルが前記第１基準電流密度を出力しているときの前記電圧よりも低く、触媒層が劣化している前記燃料電池セルが前記第１基準電流密度を出力しているときの前記電圧よりも高く、
   前記第２閾値電圧は、触媒層が劣化している前記燃料電池セルが前記第２基準電流密度を出力しているときの前記電圧よりも低く、前記排水に不具合が生じている前記燃料電池セルが前記第２基準電流密度を出力しているときの前記電圧よりも高い、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記電流調整器の出力端はバッテリに接続されており、
   前記コントローラは、前記出力電流密度を前記第１基準電流密度と前記第２基準電流密度に調整するのに先立って前記バッテリの残電力量を５０％未満に減じる、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 電解質膜のそれぞれの側に触媒層と拡散層が配置されている燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの電圧を調整する電圧調整器と、
   前記燃料電池セルの出力電流密度を計測する電流センサと、
   第１基準電圧に対応する第１閾値電流密度と、前記第１基準電圧よりも小さい第２基準電圧に対応する第２閾値電流密度を記憶しているコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記燃料電池セルから水を抜く排水処理を実行し、
   前記燃料電池セルの前記電圧が前記第１基準電圧のときの前記燃料電池セルの前記出力電流密度（第１出力電流密度）と、前記燃料電池セルの前記電圧が前記第２基準電圧のときの前記出力電流密度（第２出力電流密度）を取得し、
   前記第１出力電流密度が前記第１閾値電流密度よりも低く、かつ、前記第２出力電流密度が前記第２閾値電流密度よりも高い場合に前記触媒層が劣化しており排水に不具合がないことを示す第１判定信号を出力し、
   前記第１出力電流密度が前記第１閾値電流密度よりも高く、かつ、前記第２出力電流密度が前記第２閾値電流密度よりも低い場合に前記触媒層に劣化がなく排水に不具合が生じていることを示す第２判定信号を出力し、
   前記第１出力電流密度が前記第１閾値電流密度よりも低く、かつ、前記第２出力電流密度が前記第２閾値電流密度よりも低い場合に前記触媒層が劣化しており排水に不具合が生じていることを示す第３判定信号を出力する、燃料電池システム。

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