(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の一方の面には酸素極を、他方の面には燃料極をそれぞれ備え、前記酸素極に酸化剤ガスを供給し、前記燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
各燃料電池の電圧または複数の燃料電池からなる燃料電池群の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記電解質層のクロスリークを、反応ガス供給停止後の各燃料電池または燃料電池群の電圧に基づいて診断するクロスリーク診断手段と、
前記燃料電池内の液水の有無を判断する液水有無判断手段と、
前記燃料電池内の液水の有無を推定する液水有無推定手段と、
を備え、
前記液水有無判断手段は、
前記燃料電池内の液水を低減するための液水低減処理を実行する液水低減手段を含んで構成されるとともに、前記液水有無推定手段が液水有りと推定した場合は前記液水低減処理実行後に液水無しと判断し、前記液水有無推定手段が液水無しと推定した場合は液水無しと判断し、
前記クロスリーク診断手段は、前記液水有無判断手段が液水無しと判断した場合にクロスリーク診断を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記液水有無判断手段は、前記液水有無推定手段の推定結果に応じて液水の有無を判断する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
各燃料電池または前記燃料電池群のインピーダンスを計測する高周波抵抗計測器を備え、前記液水有無推定手段は、前記インピーダンスが所定の基準値を下回る場合に液水有りと推定する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
各燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池スタックにかかる負荷を検出する負荷検出手段と、前記燃料電池スタックに供給するガス流量を検出するガス流量検出手段と、前記燃料電池スタックに供給するガス圧力を検出するガス圧力検出手段と、を備え、
前記液水有無推定手段は、前記燃料電池温度もしくは前記ガス流量が所定の基準値を下回る場合、または、前記負荷もしくは前記ガス圧力が所定の基準値を上回る場合に、液水有りと推定する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記液水低減手段は、前記液水低減処理として、反応ガス供給停止前に反応ガスの流量を増加させることで前記燃料電池内を掃気する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックを加熱するヒータを備え、
前記液水低減手段は、前記液水低減処理として、反応ガス供給停止前に前記ヒータによる加熱を行なう請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記液水低減手段は、前記液水低減処理として、反応ガス供給停止前に酸化剤流量を減少させ、かつ負荷を増大させて高温運転を行なう請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記クロスリーク診断手段は、反応ガス供給停止後の各燃料電池または前記燃料電池群の開回路電圧のバラツキに基づいてクロスリークの有無を判定する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックに電圧を印加する外部電圧印加手段を備え、
前記クロスリーク診断手段は、前記燃料電池の酸化剤極側を不活性状態にした後に外部電圧を印加し、そのときの前記燃料電池または前記燃料電池群の電圧のバラツキに基づいてクロスリークの有無を判定する請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜のガスクロスリークを検出する装置を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の駆動源等に用いられる燃料電池では、固体高分子電解質膜の膜厚が経時変化により薄くなり、やがては孔開きに至る。電解質膜は、水素イオンを透過させる機能及び水素ガス通路と空気通路とを分離する隔壁としての機能を果たすものであるから、孔があくと水素ガスが水素通路から空気通路へ漏れ出ることになる。その結果、漏れ出た水素が空気通路内の空気中の酸素と反応して発熱する等、燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００３】
そこで、特許文献１では、アノード及びカソードへの反応ガスの供給を停止して燃料電池の運転を停止し、そこから所定時間後のセル電圧に基づいて、電解質膜の孔あきを検知している。具体的には、電解質膜に孔あき等の異常があれば、正常な場合に比べて、運転停止後の電圧低下速度が速くなるという特性を利用して、運転停止から所定時間経過後のセル電圧が閾値以下であれば孔あき等の異常ありと判断している。
【０００４】
また、特許文献２には、運転中におけるアノードガスの圧力をカソードガスの圧力より高くすることで、正常なセルと孔あき等が生じているセルのクロスリーク量差を大きくして、異常検知の精度を高める方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４４３４５２５号公報
【特許文献２】特許４１６２８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、実際の車両等に搭載される燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータで挟持した単セルを複数枚積層して構成されるスタックからなる。
【０００７】
このような燃料電池スタックでは、運転中に発生した液水が、マニホールドからセル流路への入口部分を閉塞し、外部からの反応ガスの流入を阻害するという事態が生じ得る。そして、流路が閉塞されたセルではカソードチャネル内の水素ガス雰囲気化が進み、電解質膜に孔があいた場合と同様の顕著な電圧低下が生じる。すなわち、液水によりガス流路が閉塞されると、セル間の電圧にバラツキが生じ、閉塞されたセルではあたかも電解質膜に孔があいたかのような電圧低下が生じる。このため、特許文献１の判定方法では、液水による流路閉塞によって生じた検知電圧のバラツキを、電解質膜の孔あきと誤検知するおそれがある。また、液水による流路閉塞は、アノード側の圧力を高めるだけでは解消されないので、特許文献２の方法でも上述した誤検知の問題は解消されない。
【０００８】
そこで、本発明では、上述した液水によるクロスリークの誤検知を防止し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、電解質層の一方の面には酸素極を、他方の面には燃料極をそれぞれ備え、酸素極に酸化剤ガスを供給し、燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備える。また、各燃料電池の電圧または複数の燃料電池からなる燃料電池群の電圧を検出する電圧検出手段を備え、電解質層のクロスリークを、反応ガス供給停止後の各燃料電池または燃料電池群の電圧に基づいて診断するクロスリーク診断手段と、燃料電池内の液水の有無を判断する液水有無判断手段と、燃料電池内の液水の有無を推定する液水有無推定手段と、を備え、液水有無判断手段は、燃料電池内の液水を低減するための液水低減処理を実行する液水低減手段を含んで構成されるとともに、液水有無推定手段が液水有りと推定した場合は液水低減処理実行後に液水無しと判断し、液水有無推定手段が液水無しと推定した場合は液水無しと判断し、クロスリーク診断手段は、液水有無判断手段が液水無しと判断した場合にクロスリーク診断を実行する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池スタック内に液水が無い状態でクロスリーク診断を実行するので、液水に起因する誤検知を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池スタック１の概略図である。
【図３】燃料電池と負荷等の接続例を示す構成図である。
【図４】コントロールユニットが実行する電解質膜の孔開き検知の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】インピーダンスと反応ガス相対湿度との関係を示す特性図である。
【図６】反応ガスで燃料電池内を掃気する場合のタイムチャートである。
【図７】燃料電池をヒータ加熱する場合のタイムチャートである。
【図８】反応ガス供給停止前に高温運転する場合のタイムチャートである。
【図９】飽和水蒸気圧とセル温度の関係を示す特性図である。
【図１０】液水量と電流値の関係を示す図である。
【図１１】液水量とガス流量の関係を示す図である。
【図１２】液水量とガス圧力との関係を示す図である。
【図１３】第２実施形態のクロスリーク診断を実行した場合のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。燃料電池システムは、燃料電池スタック１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素供給系統と、空気を供給する空気供給系統と、燃料電池スタック１を冷却する冷却系統と、水素循環系統と、を備える。
【００１４】
水素供給系統は、水素ガスを貯蔵する水素タンク５と、水素タンク５と燃料電池スタック１を連通する水素配管３０と、水素配管３０に介装された水素調圧弁１１とを含んで構成される。
【００１５】
空気供給系統は、空気を圧送するコンプレッサ２と、コンプレッサ２と燃料電池スタック１を連通する空気配管３１と、空気配管３１に介装された外部加湿器３、ガス圧力計測器２２、及びガス流量計測器２３とを含んで構成される。
【００１６】
冷却系統は、冷却水循環配管３２と、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ１２と、冷却水循環配管３２に介装されたラジエーター１４を備える。なお、ラジエーター１４を迂回して循環する冷却水ショートサーキット１５も備える。ラジエーター１４を通過するか迂回するかは、三方弁１３の切り換えにより制御する。
【００１７】
水素供給系統は、水素循環配管１０と、水素循環配管１０に介装した水素循環ブロア６及び水セパレータータンク７を備える。水セパレータータンク７には、水捨て弁８及び窒素パージ弁９が備えられる。
【００１８】
燃料電池システムは、背圧調整の配管３３及び背圧調整弁４も備える。
【００１９】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度を計測する温度計測器２０、電流計測器２１、高周波抵抗計測器１８、及びセル電圧計測器１７を備え、これらはコントロールユニット４０に接続されている。ガス圧力計測器２２及びガス流量計測器２３もコントロールユニット４０に接続されている。なお、本実施形態ではセル毎の電圧を計測するセル電圧計測器１７としたが、全セルを所定枚数毎のセル群に分割し、セル群毎の電圧を計測するセル群電圧計測機としてもよい。
【００２０】
なお、コントロールユニット４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントロールユニット４０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
【００２１】
図２は、燃料電池スタック１の概略図である。本実施形態では、固体高分子型燃料電池を用いる。
【００２２】
単位セルは、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜１０１）を燃料極１０２および酸化剤極１０３により狭持した膜電極接合体（以下、ＭＥＡ１１５）を、さらに、アノードセパレータ１０４、カソードセパレータ１０５で挟持することにより構成する。このような単位セルを積層することにより、燃料電池１１０の積層体である燃料電池スタック１を構成する。なお、図２では、単位セルを３枚積層した状態を示している。
【００２３】
アノードセパレータ１０４の燃料極１０２に対峙する面には、アノード流路１０６を構成する。アノード流路１０６には、後述するアノードガスマニホールド１１４により分配された燃料ガス、例えば水素含有ガスを流通させる。また、カソードセパレータ１０５の酸化剤極１０３に対峙する面には、カソード流路１０７を構成する。カソード流路１０７には、後述するカソードガスマニホールド１１２により分配された酸化剤ガスを流通させる。ここで、アノードガスマニホールド１１４と、カソードガスマニホールド１１２は、燃料電池スタック１を積層方向に貫通し、外部より供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを各セルに分配する。本実施形態では、アノードガスマニホールド１１４、カソードガスマニホールド１１２として積層面を貫通する内部マニホールドを用いる。
【００２４】
アノードセパレータ１０４とカソードセパレータ１０５の合わせ面には、冷却水流路１０８を構成する。この冷却水流路１０８にエチレングリコール等の溶媒を流すことにより、温度上昇した燃料電池１１０の熱を排出する。
【００２５】
また、ＭＥＡ１１５の外周に沿って、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏れを防ぐためのエッジシール１２０を配置する。
【００２６】
上記燃料電池１１０の燃料極１０２及び酸化剤極１０３には、白金担持カーボンを用いる。また、電解質膜１０１には、厚さ２５μｍと５０μｍの２種類のＮａｆｉｏｎ（Ｄｕｐｏｎｔ社製  登録商標）を用いる。
【００２７】
図３は、燃料電池スタック１とモータ等の負荷１３２等との接続例を示す構成図である。
【００２８】
燃料電池１１０の積層方向両端に、それぞれ集電板１３０ａ、１３０ｂ、エンドプレート１３５を配置して構成する。積層した燃料電池１１０、集電板１３０ａ、１３０ｂ、エンドプレート１３５は、燃料電池１１０の内部四隅に貫通した貫通孔に、タイロッド１３３を挿通して、タイロッド１３３の端部にナット１３４を螺合することによって締結する。締結方法は、燃料電池１１０の内部にタイロッド１３３を貫通する方法に限られず、燃料電池１１０外部において、エンドプレート１３５の四隅を４本のタイロッド１３３で縦貫してもよい。
【００２９】
集電板１３０ａ、１３０ｂを、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板１３０ａ、１３０ｂにはそれぞれ、燃料電池１１０で生じた起電力の取り出し部となる出力端子２１０を設ける。
【００３０】
エンドプレート１３５の燃料電池側の面には、例えば、ゴムや樹脂などの絶縁性部材による絶縁層が形成されている。タイロッド１３３を、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。タイロッド１３３の表面は絶縁処理を行っており、燃料電池１１０の単位セル同士の電気的短絡を防止する。
【００３１】
一方のエンドプレート１３５には、燃料電池１１０内に燃料ガス（水素ガス又は水素含有ガス）を供給するための燃料ガス入口１１４ａ、及び、燃料電池１１０内に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための酸化剤ガス入口１１２ａ、そしてこれらの出口である燃料ガス出口１１４ｂ、酸化剤ガス出口１１２ｂを設ける。
【００３２】
出力端子２１０から取り出した電力は、モータ等の負荷１３２に供給する。この燃料電池１１０を自動車等の動力源として用いる場合には、モータは自動車を動かすための補機類へと繋がる。また、電力はパワーマネージャ１３６を介してバッテリ１３７に充電される。燃料電池スタック１の各燃料電池１１０の起電力を検知するためのセル電圧計測器１７が配置されている。
【００３３】
上述したような燃料電池システムを運転していると、電解質膜１０１が徐々に薄くなり、やがて孔開きに至ることがある。電解質膜１０１に孔が開くと、アノード流路１０６からカソード流路１０７へ水素が漏れ出るクロスリークが生じ、漏れ出た水素が空気通路内の空気中の酸素と反応して発熱する等、燃料電池システムに悪影響を及ぼすおそれがある。なお、電解質膜１０１が正常であってもクロスリークは生じるが、孔開きが有る場合には、正常な場合に比べてはるかに多量の水素が漏れ出る。
【００３４】
そこで、電解質膜１０１の孔開きによるクロスリークを検知する必要がある。検知の手法としては、後述するように燃料電池スタック１への反応ガスの供給を停止し、その後の開回路電圧の挙動に基づいて電解質膜１０１に孔が開いているが否かを判定する方法が公知である。しかし、燃料電池スタック1内に液水が存在している場合には、液水がカソード流路１０７を封鎖することにより、正常な燃料電池１１０の電圧が孔開きしているかのような挙動を示すため、誤検知するおそれがある。
【００３５】
そこで、このような誤検知を防止すべく、後述するように孔開きによるクロスリークを検知することとする。
【００３６】
図４は、コントロールユニット４０が実行する、電解質膜１０１の孔開き検知の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００３７】
ステップＳ１００で、コントロールユニット４０は液水推定手段として液水の有無を推定し、その推定結果に基づいて液水有無判定手段として液水の有無を判定する。液水が無いと判定したらステップＳ１２０の処理を実行し、液水が有ると判定したらステップＳ１１０の処理を実行する。
【００３８】
液水の有無は、各燃料電池１１０のインピーダンスに基づいて推定する。インピーダンスは、図５に示すように反応ガス相対湿度ＲＨが高くなるほど低下するという特性がある。なお、図５は縦軸がインピーダンス、横軸が反応ガス相対湿度ＲＨである。
【００３９】
また、反応ガス相対湿度ＲＨが高くなるほど、凝縮水は生成し易い。したがって、インピーダンスと液水の有無には相関がある。
【００４０】
そこで、高周波抵抗計測器１８により各燃料電池１１０のインピーダンスを計測し、予め設定した基準値を下回る燃料電池１１０が有る場合には液水が有ると推定できるので、液水有りと判定する。基準値を下回る燃料電池１１０が無ければ液水は無いと推定できるので、液水無しであると判定する。なお、基準値は、液水が存在する場合のインピーダンスを予め実験等により求めて設定する。
【００４１】
ステップＳ１２０で、コントロールユニット４０はクロスリーク診断を許可し、ステップＳ１３０でクロスリーク診断を実行する。一方、ステップＳ１１０では、コントロールユニット４０は液水低減運転を行なった後、ステップＳ１２０の処理を実行する。
【００４２】
ステップＳ１１０でコントロールユニット４０が液水低減手段として実行する液水低減運転には、いくつかの方法がある。例えば、反応ガスで燃料電池１１０内を掃気する方法、ヒータによって燃料電池１１０を加熱する方法、反応ガス供給停止の前に高温運転する方法等がある。
【００４３】
図６は反応ガスで燃料電池１１０内を掃気する場合のタイムチャートである。上段よりセル電圧、ガス流量、負荷を示している。なお、セル電圧は代表的なもの一つだけ示しているが、実際には燃料電池１１０毎の挙動を測定する。
【００４４】
図６に示すように、タイミングｔ１で空気の流量を増加させて燃料電池１１０内を掃気することで燃料電池１１０内から液水を排除し、タイミングｔ２で反応ガスの供給を停止する。そして負荷もゼロにして、その後のセル電圧を測定する。
【００４５】
図７はヒータによって燃料電池１１０を加熱する場合のタイムチャートである。上段よりセル電圧、ガス流量、負荷、ヒータ温度を示している。図７に示すように、タイミングｔ１からヒータにより燃料電池１１０を加熱することで燃料電池１１０内の液水を低減した後、タイミングｔ２で反応ガスの供給を停止する。
【００４６】
図８は反応ガス供給停止前に高温運転する場合のタイムチャートである。上段よりセル電圧、ガス流量、負荷、セル温度を示している。図８に示すように、タイミングｔ１で空気の流量を減らし、かつ負荷を高める。これによりセル温度が上昇して燃料電池１１０内の液水が低減される。その後、タイミングｔ２で反応ガスの供給を停止する。
【００４７】
上記のような液水低減運転を実行した後は、液水が除去された状態となる。そこで、液水低減運転が終了したら、液水有無判断手段としてのコントロールユニット４０は、液水は無いと判断する。そして、ステップＳ１２０でクロスリーク診断を許可する。
【００４８】
ここで、ステップＳ１３０で実行するクロスリーク診断の一例について説明する。反応ガス供給停止後の各燃料電池１１０の開回路電圧を検出し、供給停止から所定時間経過後の検出電圧のバラツキを求める。孔開きが生じている燃料電池１１０では、正常な燃料電池１１０に比べて早期に電圧が降下する。そこで、他の燃料電池１１０に比べて早期に電圧降下している燃料電池１１０があれば、孔開きが生じていると判断する。
【００４９】
上述したように、本実施形態では、液水の有無を推定する手段と、推定結果に基づいて液水の有無を判定する手段と、液水を低減する手段を備える。そして、燃料電池スタック１内に液水が無いと判断した場合にはクロスリーク診断を実行し、液水が有ると判断した場合には液水を低減した後でクロスリーク診断を実行する。このように、クロスリーク診断前には液水低減運転により液水が除去されているので、液水がカソード流路１０７を閉鎖することによる誤検知を防止することができる。
【００５０】
なお、図４には液水有無推定手段と液水低減手段の両方を備える場合について説明したが、必ずしも両方を備える必要はない。
【００５１】
例えば、液水有無推定手段を備えない場合は、実際の液水の有無にかかわらず常に液水低減運転を実行してからクロスリーク診断を実行する。すなわち、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ１００を省略し、常にステップＳ１１０から実行する。これによれば、液水の有無を判断する前に必ず液水低減運転が実行されているので、液水有無推定手段が無くても、液水有無判断手段は液水が無いと判断することができる。そして、液水を推定する為の演算負荷を軽減することができる。なお、この場合には、液水低減手段は液水有無判断手段に含まれることになる。
【００５２】
一方、液水低減手段を備えずに液水有無推定手段を備える場合は、液水有無推定手段により液水が有ると推定されたら、液水有無判断手段は液水有りと判断し、クロスリーク診断の実行を禁止すればよい。
すなわち、図４のステップＳ１００で液水が有ると判断されたら、ステップＳ１１０に相当するステップでクロスリーク診断の実行を禁止して本ルーチンを終了すればよい。これにより液水が有ることによる誤検知を防止でき、かつ、コンプレッサ２の掃気用の運転、ヒータ加熱等といった液水低減のためのエネルギ消費量を削減することができる。
【００５３】
以上のように本実施形態によれば、液水が無い判断した場合にのみクロスリーク診断を実行するので、液水がガス流路を閉鎖することによる誤検知を防止することができる。
【００５４】
また、液水有無推定手段と液水低減手段を備える場合は、液水無しと推定された場合、及び液水有りと推定されて液水低減運転を実行した場合にクロスリーク診断を実行するので、誤検知を防止することができる。
【００５５】
液水有無推定手段を備えず、液水低減手段を備える場合は、必ず液水低減運転を実行した後でクロスリーク診断を実行するので、誤検知を防止できる。
【００５６】
液水有無推定手段を備え、液水低減手段を備えない場合は、液水有りと推定したときにはクロスリーク診断を禁止するので、誤検知を防止することができる。
【００５７】
液水の有無を燃料電池１１０のインピーダンスに基づいて推定するので、既存の構成で確実に推定することができる。また、反応ガスによる掃気、ヒータ加熱、高温運転等の液水低減処理を行なうので、確実に液水を除去することができる。
【００５８】
（第２実施形態）
第２実施形態は、システムの構成及び誤検知防止の為の制御ルーチンは基本的に第１実施形態と同様であるが、液水の推定方法及びクロスリーク診断の内容が異なる。ここではこれらの相違点について説明する。
【００５９】
図４のステップＳ１００に相当するステップで、コントロールユニット４０は、セル温度、ガス流量、ガス圧力、及び電流（すなわち負荷）に基づいて、後述するように液水の有無を推定する。
【００６０】
図９は、飽和水蒸気圧とセル温度の関係を示す特性図である。同一の反応ガス相対湿度ＲＨであれば、図９に示すようにセル温度が低くなるほど飽和水蒸気圧が低下すること、つまり水が凝縮し易くなることは公知である。すなわち、セル温度と液水の有無には相関がある。
【００６１】
図１０は、液水量と電流値の関係を示す図である。生成水量Ｑは、次式（１）により求まる。
【００６２】
Ｑ＝ｉ×Ｓ×Ｚ×ｔ×Ｎ／ｎ      ・・・（１）
【００６３】
ただし、Ｑ：生成水量［ｍｏｌ］、ｉ：電流密度、Ｓ：反応面積、Ｚ：ファラデー定数、ｔ：時間、Ｎ：セル枚数、ｎ：価数
【００６４】
すなわち、電流が大きくなるほど生成水量も多くなるので、電流値と液水量は図１０のような関係となる。つまり、電流値と液水の有無には相関がある。
【００６５】
図１１は、液水量とガス流量の関係を示す図である。ガス流量が多いほど液水は燃料電池スタック１から排出され易くなるので、図１１に示すような関係となる。つまり、ガス流量と液水の有無には相関がある。
【００６６】
図１２は、液水量とガス圧力との関係を示す図である。ガス圧力が高いほど水が凝縮し易くなるので、ガス圧力と液水の有無には相関がある。なお、ここではカソード流路１０７の液水を問題としているが、アノード流路１０６であってもよい。
【００６７】
そこで、セル温度もしくはガス流量の少なくとも一方が所定の基準値を下回る場合、又は、ガス圧力もしくは電流の少なくとも一方が所定の基準値を上回る場合、の少なくとも一方が成立するときは、液水が有ると推定する。所定の基準値は、液水が存在するセル温度等を予め実験等により求めて設定する。
【００６８】
次に、クロスリーク診断について説明する。
【００６９】
本実施形態では、カソードを不活性状態にした後に外部から電圧を印加し、そのときのセル電圧に基づいてクロスリークの有無を診断する。以下、このクロスリーク診断について具体的に説明する。
【００７０】
図１３は、本実施形態のクロスリーク診断を実行した場合のタイムチャートである。上段からセル電圧、反応ガス流量、負荷を示している。セル電圧はセル電圧計測器１７で計測した各燃料電池１１０の電圧のうち最大値を示している。すなわち、全ての燃料電池１１０について電圧を計測している。なお、ここではシステム停止までの時間を短縮するために最大値を用いているが、これに限るものではなく、最小値や平均値を用いてもよい。
【００７１】
まず、タイミングｔ１でコンプレッサ２を停止して空気供給を停止する。そして、セル電圧が第１の基準値まで低下したタイミングｔ２でスイッチ５０をオフにしてモータ等の負荷１３２と燃料電池スタック１を切り離す。第１の基準値は、燃料電池スタック１が負荷１３２に接続された状態でその値以下になるとカソード極に酸素がほぼ残存していないと考えられる値である。
【００７２】
そして、セル電圧が第２の基準値まで低下したタイミングｔ３から、パワーマネージャ１３６を介して燃料電池スタック１に電圧を徐々に印加する。第２の基準値は、負荷１３２を燃料電池スタック１から遮断した状態でその値以下になるとカソード極が窒素雰囲気になっていると考えられる値である。なお、第１の基準値は第２の基準値より高い値である。
【００７３】
電圧を印加しながら、すべての燃料電池１１０の電圧が第３の基準値以下であるか否かを判定する。第３の基準値は、負荷１３２を燃料電池スタック１から遮断し、外部から燃料電池スタック１に電圧を印加した状態でその値以下になると、カソード極に酸素が残存していないと考えられる値である。
【００７４】
第３の基準値より高電圧の燃料電池１１０が有る場合は、クロスリーク診断を終了する。これは、セル電圧が第３の基準値を超えるということはカソード極に酸素が残存していることを示しており、電圧を印加し続けるとカソード極の触媒層の腐食反応が進行してしまうためである。
【００７５】
また、電圧を印加しながら、燃料電池スタック１の電圧、つまり全燃料電池１１０の合計の電圧が目標電圧に達したか否かを判定し、目標電圧に達していなければ、さらに印加電圧を上昇させる。これにより、燃料電池スタック１への印加電圧に勾配がつく。
【００７６】
目標電圧は、燃料電池スタック１の電圧をセル数で除した平均のセル電圧であり、０．２Ｖ以上の値である。これは、カソード極で水素酸化反応が起こるためには、一般に０．２Ｖ以上なければならないためである。
【００７７】
燃料電池スタック１の電圧が目標電圧に達したタイミングｔ４で、各セル電圧のバラツキに基づいてクロスリーク量の診断を行なう。例えば、他の燃料電池１１０に比べてセル電圧が大幅に低い場合には、その燃料電池１１０でクロスリークが発生していると判断できる。また、孔が開いている場合の電圧を予め測定し、これを閾値として記憶しておき、計測したセル電圧が閾値を下回ったときに孔が開いていると判定することもできる。
【００７８】
なお、水素の供給圧力を空気の供給圧力より高くすることでクロスリーク量を増加させてもよい。これにより、クロスリーク診断に要する時間を短縮させることができる。
【００７９】
上述したクロスリーク診断によれば、触媒の活性に依存することなく、触媒が劣化している場合でも確実なクロスリーク診断が可能となる。
【００８０】
また、空気供給を停止した後も電流の取り出しを行なっているので、カソード極に残存する酸素を迅速かつ十分に消費させられる。そして、カソード極に酸素が残存している可能性がある場合には電流の取り出しを停止しているので、劣化を防止できる。
【００８１】
さらに、外部から電圧を印加する際に電圧勾配をつけるので、電圧印加後の各燃料電池１１０の電圧変化が遅くなる。これにより、燃料電池スタック１の電圧が所定の電圧を超えたか否かの判定が容易になる。
【００８２】
以上のように、液水の有無はセル温度、負荷、ガス圧力、及びガス流量に基づいて推定することもでき、第１実施形態と同様に既存の構成のままで確実に推定することができる。
【００８３】
また、触媒を非活性状態にした後に外部から電圧を印加してクロスリークの診断を行なうので、触媒の劣化にかかわらず、確実なクロスリーク診断を行なうことができる。
【００８４】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８５】
１    燃料電池スタック
２    コンプレッサ
３    外部加湿器
４    背圧調整弁
５    水素タンク
６    水素循環ブロア
７    水セパレータータンク
８    水捨て弁
９    窒素パージ弁
１０  水素循環ライン
１１  水素調圧弁
１２  冷却水循環ポンプ
１３  三方弁
１４  ラジエーター
１５  冷却水ショートサーキット
１７  セル電圧計測器
１８  高周波抵抗測定器
２０  温度計測器（温度検出手段）
２１  電流計測器（負荷検出手段）
２２  ガス圧力計測器（ガス圧力検出手段）
２３  ガス流量計測器（ガス流量検出手段）
４０  コントロールユニット（液水有無判断手段、液水有無推定手段、液水低減手段、クロスリーク診断手段）
１３２  モータ等の負荷
１３６  パワーマネージャ（外部電圧印加手段）
１３７  バッテリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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