(57)【要約】【課題】  セルのクロスリークの度合を短時間で判定可能にする。【解決手段】  クロスリークがない正常なセルにおいては、燃料ガスと酸化ガスとに差圧があるか否かにかかわらず、開回路電圧は略一定である。一方、クロスリークが多い劣化セルにおいては、差圧を付けたときの開回路電圧は低下する。そこで、燃料ガスと酸化ガスとに所定差圧を生じさせた状態でのセル毎の開回路電圧に基づいて、セル毎のクロスリークの度合を判定する。これによれば、従来のように燃料電池１０内の水素や酸素をパージする必要がないため、クロスリークの度合を短時間で判定することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを多数のセルにて電気化学反応させて発電を行う固体高分子電解質型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガスと前記酸化ガスとに所定差圧（ΔＰ１）を生じさせる差圧設定手段（３２）と、
前記セル毎の開回路電圧を検出する電圧検出手段（１７）と、
前記所定差圧を生じさせた状態での前記セル毎の開回路電圧に基づいて、前記セル毎のクロスリークの度合を判定して劣化したセルを特定する判定手段（５０）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記判定手段にて特定された劣化セルの情報を記憶する記憶手段（５０）を備えることを特徴とする請求項１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、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。例えば車両用等の駆動源として考えられている固体高分子型燃料電池では、セル一枚当たりの電圧が１Ｖ前後のため、セルを積層させてスタックとして使用される。スタックとして使用される燃料電池では、セルが直列につながれている為、一枚のセルに故障が生じると燃料電池自体の発電が停止するという問題があり、セルが故障を起こす前に交換するか、故障セル部分を電気的にバイパスする必要がある。
【０００３】
セルの故障を診断する手法としてクロスリーク法があり、一定濃度の燃料ガスと酸化ガスを流し、その流量とセルの電圧変化の経時変化よりクロスリーク量を検出するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９―２７３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記システムでは、クロスリークの診断に長い時間がかかるという問題がある。具体的には、一定濃度の燃料ガスと酸化ガスを流す前に、燃料電池内の水素や酸素をパージする必要があり、パージのための時間が必要がある。また、流量を変化させつつセルの電圧変化を測定するため、計測に要する時間が長くなってしまう。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、クロスリークの度合を短時間で判定可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを多数のセルにて電気化学反応させて発電を行う固体高分子電解質型の燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガスと前記酸化ガスとに所定差圧（ΔＰ１）を生じさせる差圧設定手段（３２）と、前記セル毎の開回路電圧を検出する電圧検出手段（１７）と、前記所定差圧を生じさせた状態での前記セル毎の開回路電圧に基づいて、前記セル毎のクロスリークの度合を判定して劣化したセルを特定する判定手段（５０）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
ところで、クロスリークがない正常なセルにおいては、燃料ガスと酸化ガスとに差圧があるか否かにかかわらず、開回路電圧は略一定である。一方、クロスリークが多い劣化セルにおいては、燃料ガスと酸化ガスとに差圧を付けたときの開回路電圧は、燃料ガスと酸化ガスとに差圧を付けないときの開回路電圧よりも低下する。したがって、請求項１の発明によれば、所定差圧を生じさせた状態でのセル毎の開回路電圧に基づいて、セル毎のクロスリークの度合を判定することが可能である。
【０００８】
また、請求項１の発明では、燃料ガスと酸化ガスとに所定差圧を付けてセルの電圧を測定すればよいため、従来のように燃料電池内の水素や酸素をパージする必要がない。さらに、請求項１の発明では、所定差圧のときのセルの電圧を測定するのみであるため、従来のように流量を変化させつつセルの電圧を測定する場合よりも、換言すると多数の条件下でセルの電圧を測定する場合よりも、計測に要する時間が短くなる。したがって、請求項１の発明によれば、パージが不要であることと、計測に要する時間が短くなることとが相俟って、クロスリークの度合を短時間で判定することが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、前記判定手段にて特定された劣化セルの情報を記憶する記憶手段（５０）を備えることを特徴とする。  これによると、記憶手段に記憶された劣化セルの情報により、メンテナンス時に交換すべき劣化セルを容易に選別することができる。また、セルの劣化度合は燃料電池内での配置位置によって差が生じやすい。そこで、記憶手段に記憶された劣化セルがまだ使用可能なレベルの劣化度合であれば、劣化セルと正常なセルとをローテーションさせることにより、劣化セルの劣化の進行を抑制することができる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第一実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１２】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図２は、燃料電池１０の構成を詳細に示す模式的な図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２、補機１６等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１３】
燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１４】
（水素極側）  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）  ２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００１５】
図２に示すように、燃料電池１０は、積層された多数のセル間に一定枚数毎に電極板１０ａが配置されて、多数のセルが複数（本例では３つ）のセルブロック１０１〜１０３に分割されている。電極板１０ａ間には、半導体リレー等のリレー６１、６２、６３が配置されている。、各リレー６１、６２、６３は、燃料電池１０が正常な状態では電極板１０ａ間を電気的に開放するようになっている。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。
【００１７】
空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２３が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２３を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。
【００１８】
空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２４が設けられている。この加湿器２４は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。
【００１９】
水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。なお、水素調圧弁３２は、本発明の差圧設定手段に相当する。
【００２０】
燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４５が設けられている。
【００２１】
冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３、燃料電池１０の出口部での冷却水温度を検出する温度センサ４５とが設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。
【００２２】
燃料電池１０と二次電池１２との間、および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。
【００２３】
燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。
【００２４】
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。
【００２５】
補機１６は、送風機２１の電動モータ２２やウォータポンプ４１の電動モータ４２等を含むものであり、インバータ１５を介して二次電池１２と接続されている。
【００２６】
燃料電池システムには、各セル毎の電圧をそれぞれ検出するセルモニタ１７と、燃料電池１０全体としての発電電圧を検出する電圧検出器１８と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流検出器１９が設けられている。なお、セルモニタ１７は本発明の電圧検出手段に相当する。
【００２７】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。
【００２８】
制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１７からの電圧信号、電圧検出器１８からの電圧信号、電流検出器１９からの電流信号、および温度センサ４５からの温度信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、１５、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４、リレー６１、６２、６３等に制御信号を出力するように構成されている。なお、制御部５０は本発明の判定手段および記憶手段に相当する。
【００２９】
図３は、固体高分子型の燃料電池１０におけるセルの開回路電圧（以下、ＯＣＶという）と、ガス間差圧ΔＰとの関係を示す特性図である。なお、ガス間差圧ΔＰは、燃料電池１０に供給される空気の圧力Ｐａと、燃料電池１０に供給される水素の圧力Ｐｈとの差である（但し、本実施形態では、Ｐａ＜Ｐｈとする）。
【００３０】
図３において、クロスリークがない正常なセルは、実線で示すようにガス間差圧ΔＰにかかわらずＯＣＶは略一定である。一方、クロスリークが発生する劣化セルは、一点鎖線および二点鎖線で示すようにガス間差圧ΔＰが大きくなるのに伴ってＯＣＶが低下し、このＯＣＶの低下度合は、一点鎖線で示すクロスリーク量が少ない軽劣化セルよりも、二点鎖線で示すクロスリーク量が多い重劣化セルの方が大きい。
【００３１】
本実施形態では、このようなＯＣＶとガス間差圧ΔＰとの関係を利用して各セルのクロスリークの度合の判定を行うようになっている。具体的には、水素調圧弁３２によって水素圧力を調整することによりガス間差圧ΔＰを所定差圧ΔＰ１に設定し、所定差圧ΔＰ１を生じさせた状態でセル毎のＯＣＶをセルモニタ１７にて検出する。そして、ＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１を超えていれば、クロスリークがない正常なセルと判定する。また、ＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１以下で第２設定電圧Ｖ２以上（但し、Ｖ１＞Ｖ２）であれば、クロスリーク量が少なくてまだ使用可能なレベルの軽劣化セルと判定する。さらに、ＯＣＶが第２設定電圧Ｖ２未満であれば、クロスリーク量が多くて使用不可能なレベルの重劣化セルと判定する。
【００３２】
次に、上記構成になる燃料電池システムの作動を図４に基づいて説明する。図４は制御部５０にて実行される処理を示すフローチャートである。クロスリークの度合の判定、およびその判定結果に基づくセル内水分の制御について説明する。
【００３３】
車両のキースイッチがオンされると、図４に示す制御を開始する。まず、補機１６の作動を開始させて燃料電池システムを起動させる（ステップ１０１、以下ステップをＳと略す）。
【００３４】
次に、所定差圧ΔＰ１を生じさせた状態でセル毎のＯＣＶをセルモニタ１７にて検出し、そのＯＣＶに基づいてセル毎のクロスリークの度合を判定する（Ｓ１０２）。そして、全てのセルのＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１を超えていれば、全てのセルが正常状態であると判断してＳ１０３に進む。また、ＯＣＶが第２設定電圧Ｖ２未満のセルがなく、ＯＣＶが第１設定電圧Ｖ１以下で第２設定電圧Ｖ２以上のセル、すなわち軽劣化セルが１つでもあれば、Ｓ１０７に進む。さらに、ＯＣＶが第２設定電圧Ｖ２未満のセル、すなわち重劣化セルが１つでもあれば、Ｓ１０８に進む。
【００３５】
全てのセルが正常状態であると判断してＳ１０２からＳ１０３に進むと、Ｓ１０３では負荷に応じた発電を行わせる。キースイッチがオン（Ｓ１０４がＹＥＳ）で、且つ発電の要求がある間は（Ｓ１０５がＹＥＳ）、Ｓ１０３の制御が継続される。そして、キースイッチがオフされると（Ｓ１０４がＮＯ）、燃料電池システムを停止させる（Ｓ１０６）。また、発電の要求がない場合は（Ｓ１０５がＮＯ）、Ｓ１０２に戻って再度クロスリークの度合を判定する。
【００３６】
重劣化セルはないが軽劣化セルがあると判断してＳ１０２からＳ１０７に進むと、Ｓ１０７では、軽劣化セルが多数のセルのうちのどのセルであるか、およびその軽劣化セルのＯＣＶを、制御部５０のＥＥＰＲＯＭに記憶させる。この後、Ｓ１０３に進み、負荷に応じた発電を行わせる。
【００３７】
重劣化セルがあると判断してＳ１０２からＳ１０８に進むと、Ｓ１０８では、重劣化セルがあってメンテナンスが必要であることを例えば車両のメータ部に表示して、警告を出す。また、重劣化セルが多数のセルのうちのどのセルであるか、およびその重劣化セルのＯＣＶを、制御部５０のＥＥＰＲＯＭに記憶させる（Ｓ１０９）。
【００３８】
重劣化セルがあると燃料電池１０自体の発電が停止する恐れがある。そこで、例えば図２に例示するように第２セルブロック１０２中に重劣化セル１０Ｘがあった場合は、第２リレー６２を作動させることにより、第２セルブロック１０２をバイパスさせて第１セルブロック１０１と第３セルブロック１０３とを直接接続させ（Ｓ１１０）、これにより、燃料電池１０の運転が行えるようにしている。
【００３９】
また、第２セルブロック１０２をバイパスさせた状態で正常時における最大発電量と同程度の発電を行わせると、第１セルブロック１０１および第３セルブロック１０３のセルに負荷がかかりすぎて発電不能になる恐れがあるため、予め設定された発電量以下に発電量を制限しつつ負荷に応じた発電を行わせる（Ｓ１１１）。
【００４０】
次に、キースイッチがオン（Ｓ１１２がＹＥＳ）で、且つ発電の要求がある間は（Ｓ１１３がＹＥＳ）、Ｓ１１１の制御が継続される。そして、キースイッチがオフされると（Ｓ１１２がＮＯ）、燃料電池システムを停止させる（Ｓ１０６）。また、発電の要求がない場合は（Ｓ１１２がＮＯ）、Ｓ１０２に戻って再度クロスリークの度合を判定する。
【００４１】
本実施形態によると、各セルのクロスリークの度合の判定を行うに際して、空気と水素に所定差圧ΔＰ１を付けてセルの電圧を測定すればよいため、従来のように燃料電池１０内の空気や水素をパージする必要がない。さらに、所定差圧ΔＰ１のときのセルの電圧を測定するのみであるため、従来のように流量を変化させつつセルの電圧を測定する場合よりも、換言すると多数の条件下でセルの電圧を測定する場合よりも、計測に要する時間が短くなる。したがって、パージが不要であることと、計測に要する時間が短くなることとが相俟って、クロスリークの度合を短時間で判定することが可能になる。
【００４２】
また、劣化セルがある場合は、どのセルがどの程度劣化しているかの情報を制御部５０のＥＥＰＲＯＭに記憶させているため、その記憶された劣化セルの情報により、メンテナンス時に交換すべき劣化セルを容易に選別することができる。また、セルの劣化度合は燃料電池１０内での配置位置によって差が生じやすい。そこで、劣化セルがまだ使用可能なレベルの劣化度合であれば、劣化セルと正常なセルとをローテーションさせることにより、劣化セルの劣化の進行を抑制することができる。
【００４３】
また、多数のセルを複数のセルブロック１０１〜１０３に分割し、重劣化セルが存在するセルブロックを電気的にバイパスさせて他のセルブロック間を直接接続させるため、重劣化セルがあっても燃料電池１０を応急運転させることができる。また、その応急運転時には、予め設定された発電量以下に発電量を制限しているため、正常なセルブロックのセルに負荷がかかりすぎて発電不能になることを防止できる。
【００４４】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、燃料電池システムを燃料電池車両に適用する例を示したが、本発明の燃料電池システムは、燃料電池車両以外にも適用可能であり、例えば家庭用燃料電池システムにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態になる燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１の燃料電池１０の構成を詳細に示す模式的な図である。
【図３】図１の燃料電池１０におけるセルの開回路電圧（ＯＣＶ）とガス間差圧ΔＰとの関係を示す特性図である。
【図４】図１の制御部５０にて実行される処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０…燃料電池、１７…セルモニタ（電圧検出手段）、３２…水素調圧弁（差圧設定手段）、５０…制御部（判定手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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