(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードに反応ガスを供給して発電するセルを備えた燃料電池の異常検出方法において、
前記アノードおよび前記カソードへの前記反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止してから正常なセルと異常なセルの間でセル電圧差が現れる所定時間後のセル電圧とセル電圧に関する判定閾値との比較に基づいて燃料電池の異常を検出することを特徴とする燃料電池の異常検出方法。
【請求項２】
アノードおよびカソードに反応ガスを供給して発電するセルを備えた燃料電池の異常検出方法において、
前記アノードおよび前記カソードへの前記反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止した後に各セル電圧の低下速度を算出し、該低下速度が低下速度に関する判定閾値よりも大きい場合に燃料電池が異常であると判定することを特徴とする燃料電池の異常検出方法。
【請求項３】
前記燃料電池の停止前の前記アノードと前記カソードの反応ガスの圧力差が大きいほど、または、前記燃料電池の停止前の前記反応ガスの加湿度合いが大きいほど、前記判定閾値を大きい値に設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の異常検出方法。
【請求項４】
アノードおよびカソードに反応ガスを供給して発電するセルを備えた燃料電池の異常検出方法において、
前記アノードおよび前記カソードへの前記反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止した後の各セル電圧の分布に、略Ｖ字形分布部が存在する場合に燃料電池が異常であると判定することを特徴とする燃料電池の異常検出方法。
【請求項５】
燃料電池を停止する前に、燃料電池を安定して運転していた場合に異常検出を実行することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項４に記載の燃料電池の異常検出方法。
【請求項６】
燃料電池の異常を検出した場合は、次回以降の発電時における反応ガスの作動圧を異常検出前よりも低く制限することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の異常検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の異常検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードと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て形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、各セルに、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素ガス通路と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気通路と、冷却液が供給される冷却液通路とを備えたものがある。以下、燃料ガスと酸化剤ガスを総称して反応ガスという。この燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。そして、発電の際に発生する熱を冷却液通路の冷却液で奪い、燃料電池を冷却している。
【０００３】
この燃料電池において前記固体高分子電解質膜は、電解質として水素イオンを透過させる機能と、水素ガス通路の水素ガスと空気通路の酸化剤ガス（空気）とを分離する隔壁としての機能を有しており、また、セパレータは水素ガス通路の水素ガスと空気通路の酸化剤ガス（空気）と冷却液通路の冷却液をそれぞれ分離する隔壁としての機能を有している。したがって、これら固体高分子電解質膜やセパレータに孔などが開いていると、水素ガス通路の水素ガスが空気通路に漏洩してしまう。
このように水素ガスが空気通路に漏洩すると、水素ガスは可燃性ガスであるため空気通路内の空気中の酸素と反応して発熱し、燃料電池に悪影響を及ぼす虞がある。
【０００４】
そのため、燃料電池では、膜破損等による水素漏れが生じているときには早期にこれを発見する必要がある。
そこで、従来は、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示されているように、燃料電池から排出される空気の排出路に水素検知器を設置し、この水素検知器が水素を検出したならば、燃料電池への水素ガスの供給を停止するなどの方法を採っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の方法の場合、水素検知器の検出感度や検出精度の関係から、水素漏れが相当に進行した状態にならないと水素漏れであると判定されないため、燃料電池に悪影響を及ぼす前に水素漏れを検出することが困難であった。すなわち、燃料電池の故障を早期に検出することができなかった。
また、従来の方法では、燃料電池が故障であることは検出できたとしても、燃料電池のどの辺りのセルあるいはどのセルが異常（故障）であるか特定することはできなかった。
そこで、この発明は、反応ガスの漏洩がセル電圧に与える影響に着目して、燃料電池の故障を早期に検出することができる異常検出方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、アノード（例えば、後述する実施の形態におけるアノード５２）およびカソード（例えば、後述する実施の形態におけるカソード５３）に反応ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガスおよび空気）を供給して発電するセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル５５）を備えた燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の異常検出方法において、前記アノードおよび前記カソードへの前記反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止してから正常なセルと異常なセルの間でセル電圧差が現れる所定時間後のセル電圧とセル電圧に関する判定閾値との比較に基づいて燃料電池の異常を検出することを特徴とする。
【０００７】
燃料電池の発電を停止すると反応ガスの供給が停止されるが、燃料電池の内部（ガス流路）には反応ガスが残存しているため、燃料電池の停止後もしばらくの間はセル電圧が保持される。セルに異常がなければ停止後のセル電圧は所定の挙動（電圧低下）を示すはずであり、セルに異常がある場合には、停止後のセル電圧の挙動が正常時とは異なってくる。したがって、停止してから所定時間後のセル電圧に基づいて燃料電池が異常か否かを判定することが可能となり、異常があるセルを特定することが可能となる。また、反応ガスの供給が停止されている状態でのセル電圧に基づいて異常を検出しているので、判定精度が高く、且つ、異常か否かを短時間で判定することが可能となる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、アノード（例えば、後述する実施の形態におけるアノード５２）およびカソード（例えば、後述する実施の形態におけるカソード５３）に反応ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガスおよび空気）を供給して発電するセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル５５）を備えた燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の異常検出方法において、前記アノードおよび前記カソードへの前記反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止した後に各セル電圧の低下速度を算出し、該低下速度が低下速度に関する判定閾値よりも大きい場合に燃料電池が異常であると判定することを特徴とする。
【０００９】
燃料電池の発電を停止すると反応ガスの供給が停止されるが、燃料電池の内部（ガス流路）には反応ガスが残存しているため、燃料電池の停止後もしばらくの間はセル電圧が保持される。異常なセルがなければ停止後の各セル電圧の低下速度はほぼ同じになるはずであり、異常なセルがある場合には、異常なセルの電圧低下速度は正常なセルの電圧低下速度よりも早くなる。したがって、燃料電池の停止後の各セル電圧の低下速度に基づいて燃料電池の異常を検出することが可能となり、異常があるセルを特定することが可能となる。また、反応ガスの供給が停止されている状態でのセル電圧の低下速度に基づいて異常を検出しているので、判定精度が高く、且つ、異常か否かを短時間で判定することが可能となる。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記燃料電池の停止前の前記アノードと前記カソードの反応ガスの圧力差が大きいほど、または、前記燃料電池の停止前の前記反応ガスの加湿度合いが大きいほど、前記判定閾値を大きい値に設定することを特徴とする。
異常検出処理を実行する前の燃料電池の運転状態は、燃料電池の停止後のセル電圧の挙動に影響がある。例えば、停止前のアノードとカソード間の圧力差が大きいほど停止後の反応ガスの漏洩が早いためセル電圧の低下速度が早く、停止前の反応ガスの加湿度合いが大きいほどセルからの放電が促進されるため停止後のセル電圧の低下速度が速くなる。したがって、判定閾値を燃料電池の運転状態に応じて設定することにより、判定精度を高めることが可能になる。
【００１１】
請求項４に記載した発明は、アノード（例えば、後述する実施の形態におけるアノード５２）およびカソード（例えば、後述する実施の形態におけるカソード５３）に反応ガス（例えば、後述する実施の形態における水素ガスおよび空気）を供給して発電するセル（例えば、後述する実施の形態におけるセル５５）を備えた燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の異常検出方法において、前記アノードおよび前記カソードへの前記反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止した後の各セル電圧の分布に、略Ｖ字形分布部が存在する場合に燃料電池が異常であると判定することを特徴とする。
【００１２】
燃料電池の発電を停止すると反応ガスの供給が停止されるが、燃料電池の内部（ガス流路）には反応ガスが残存しているため、燃料電池の停止後もしばらくの間はセル電圧が保持される。異常なセルがなければ停止後の各セル電圧の低下速度はほぼ同じになるはずであるが、あるセルに異常が生じると、異常の生じたセルから隣接するセルへ影響を与え、セル電圧が所定の分布を示す。したがって、燃料電池の停止後の各セル電圧の分布に基づいて燃料電池の異常を検出することが可能となり、異常があるセルを特定することが可能となる。また、反応ガスの供給が停止されている状態での各セル電圧の分布に基づいて異常を検出しているので、判定精度が高く、且つ、異常か否かを短時間で判定することが可能となる。
【００１３】
請求項５に記載した発明は、請求項１または請求項２または請求項４に記載の発明において、燃料電池を停止する前に、燃料電池を安定して運転していた場合に異常検出を実行することを特徴とする。
このように構成することにより、誤判定を防止することが可能になる。
【００１４】
請求項６に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、燃料電池の異常を検出した場合は、次回以降の発電時における反応ガスの作動圧を異常検出前よりも低く制限することを特徴とする。
このように構成することにより、次回以降の発電時における反応ガスの漏洩量を低減することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の異常検出方法の実施の形態を図１から図９の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池に適用した態様である。
【００１６】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明の第１の実施の形態を図１から図７の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池１の一部を断面にして示した図である。初めに、図２を参照して燃料電池１について説明する。燃料電池１は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード５２とカソード５３と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５４，５４で挟持して形成されたセル５５を複数積層して構成されたスタックからなる。各セル５５は、燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）が供給される水素ガス通路５６と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気（反応ガス）が供給される空気通路５７と、冷却液が供給される冷却液通路５８とを備えている。そして、アノード５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード５３まで移動し、カソード５３で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴う発熱により燃料電池１が所定温度を越えないように、前記冷却液通路５８を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
【００１７】
また、この燃料電池１においては、各セル５５の出力電圧を検出するための電圧センサ（Ｖ）２１が各セル５５のセパレータ５４，５４に接続されており、電圧センサ２１の出力信号はＥＣＵ２０に入力されるようになっている。なお、図１では、図示の都合上、一つの電圧センサ２１を図示するに留めている。
【００１８】
次に、図１を参照して、燃料電池システムについて説明する。外気はエアコンプレッサ２によって加圧され、カソード加湿器３で加湿されて燃料電池１の空気通路５７に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁４を介して大気に放出される。エアコンプレッサ２は、燃料電池１に要求されている出力に応じた質量の空気が燃料電池１に供給されるようにＥＣＵ２０によって回転数制御され、また、圧力制御弁４は、燃料電池１への空気の供給圧が燃料電池１の運転状態に応じた圧力値となるようにＥＣＵ２０によって開度制御される。
なお、燃料電池１へ供給される空気は、燃料電池１の要求発電電流が大きいほど、燃料電池１への空気供給量が多くなるように制御されるとともに、空気供給圧が大きくなるように制御される。
【００１９】
一方、図示しない高圧水素タンクから放出された水素ガスは燃料供給制御弁５により減圧された後、エゼクタ６を通り、アノード加湿器７で加湿されて燃料電池１の水素ガス通路５６に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路８を通ってエゼクタ６に吸引され、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスと合流し再び燃料電池１に供給されるようになっている。
【００２０】
なお、カソード加湿器３で加湿された空気が燃料電池１のカソード５３に供給され、アノード加湿器７で加湿された水素ガスが燃料電池１のアノード５２に供給されることにより、燃料電池１の固体高分子電解質膜５１のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００２１】
燃料供給制御弁５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアコンプレッサ２から供給される空気の圧力を信号圧（基準圧力）として空気信号導入路９を介して入力され、燃料供給制御弁５出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように制御する。なお、燃料電池１への供給空気は、前述したように、燃料電池１の要求発電電流が大きいほど空気供給圧が大きくなるように制御されるので、この空気供給圧を基準圧力として制御される水素ガスも、燃料電池１の要求発電電流が大きいほど水素供給圧が大きくなるように制御されることとなる。
水素オフガス回収路８はパージ弁１０を備えており、パージ弁１０はＥＣＵ２０により所定条件が満たされたときに開弁制御されて、燃料電池１の水素ガス通路５６に水が溜まらないように外部へ排水する。
【００２２】
また、燃料電池１を冷却するための冷却液は、ウォーターポンプ（ＷＰ）１１によって昇圧されてラジエータ１２に供給され、ラジエータ１１において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、その後、燃料電池１に供給され、燃料電池１内の冷却液通路５８を通る際に燃料電池１から熱を奪って燃料電池１を冷却し、これにより熱せられた冷却液はウォーターポンプ１１を介して再びラジエータ１２に戻り冷却されるようになっている。
【００２３】
このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池１の発電を停止させるには、エアコンプレッサ２を停止して空気の供給を停止するとともに、燃料供給制御弁５を閉じて水素ガスの供給を停止する。このように反応ガスの供給を停止しても、停止直後は燃料電池１内に反応ガスが残存しているので、燃料電池の停止後もしばらくの間はセル電圧が保持される。しかしながら、水素ガス通路５６内に残留した水素ガスは、セパレータ５４間のシール部から漏れたり、ガス供給口、ガス排出口から徐々に排出され、セルの保持電圧は低下する。したがって、停止直後から各セル５５のセル電圧を測定すると、停止直後に検出された各セル５５のセル電圧値から徐々に低下していき、最後には全てのセル５５のセル電圧はゼロになる。
【００２４】
ここで、セル５５が経時劣化などにより、例えば固体高分子電解質膜５１に孔が開いていたり、あるいは、セパレータ５４に孔が開いていたりした異常がある場合には、該セル５５の水素ガス通路５６と空気通路５７が前記孔を介して連通するため、前記孔を通って水素ガス通路５６内の水素ガスが空気通路５７内に徐々に漏洩し、水素ガス通路５６と空気通路５７の水素濃度差が正常なセル５５よりも早く減少していく。
【００２５】
その結果、異常があるセル５５のセル電圧は正常なセル５５のセル電圧よりも電圧低下の速度が速くなる。図３は、異常があるセル５５と正常なセル５５におけるセル電圧低下速度の比較例であり、この図において実線は正常なセル５５を示し、一点鎖線は異常があるセル５５を示している。ここで、燃料電池１の停止中は反応ガスの供給が停止されているので、セル電圧の低下速度の相違は顕著に現れる。
したがって、燃料電池１を停止してから所定時間経過後のセル電圧は、異常があるセル５５のセル電圧の方が正常なセル５５のセル電圧よりも低くなる。
【００２６】
また、図４は、ｎ個のセル５５からなる燃料電池１について停止してから所定時間経過後の各セル５５のセル電圧を測定した測定結果の一例である。このように、異常があるｎｘ番目のセル５５のセル電圧が一番低くなり、これを中心にして略Ｖ字形のセル電圧分布部（以下、略Ｖ字形分布部という）Ｙが生じる。
【００２７】
このように正常なセル５５と異常があるセル５５では、燃料電池１の運転を停止した後のセル電圧の挙動が異なることから、これを利用して燃料電池１の異常を検出することができる。これが本発明の燃料電池の異常検出原理である。
【００２８】
次に、図５のフローチャートを参照して、第１の実施の形態における燃料電池の異常検出処理を説明する。
この実施の形態では、イグニッション（ＩＧ）スイッチのＯＦＦ信号をトリガーとして異常検出処理が開始される（ステップＳ１０１）。
そして、ステップＳ１０２において、イグニッションスイッチがＯＦＦになる前に所定時間以上、燃料電池１が安定して発電されていたか否か（換言すれば、反応ガスが安定して供給されていたか否か）判定する。
【００２９】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（ＯＦＦ前の発電が安定していなかった）である場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合には、異常検出は実行されない。これは、異常検出のために燃料電池１を停止する前に反応ガスが安定供給されていないと、停止後のセル電圧の挙動が不安定になるため正しい異常判定ができないからである。なお、ステップＳ１０２で「ＮＯ」と判定される場合としては、例えば、イグニッションスイッチを一旦ＯＮにしたが、直ぐにＯＦＦにしたときなどがある。
なお、この実施の形態では、異常検出処理の開始条件を運転者によるイグニッションスイッチＯＦＦ操作としたが、燃料電池１が安定発電されていれば、アイドル停止あるいは異常検出のための強制停止を異常検出処理の開始条件としてもよい。
【００３０】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（ＯＦＦ前に安定発電されていた）である場合は、ステップＳ１０３に進み、イグニッションスイッチのＯＦＦ後、所定時間（例えば、１０秒）経過したか否か判定する。ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」（所定時間経過前）である場合は、再びステップＳ１０３に戻る。これは、イグニッションスイッチＯＦＦ後、所定時間が経過していないと異常なセル５５と正常なセル５５の間でセル電圧の差が小さく、判定精度が悪くなるからである。
【００３１】
ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過後）である場合は、ステップＳ１０４に進み、各セル５５のセル電圧を読み込み、セル電圧の平均値（以下、平均セル電圧という）を計算し、平均セル電圧から全てのセル電圧の中で一番低いセル電圧（以下、最低セル電圧という）を減算した差がワーニング閾値Ｖ１以上か否か判定する。
【００３２】
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（平均セル電圧−最低セル電圧≧Ｖ１）である場合は、ステップＳ１０５に進んで、平均セル電圧から最低セル電圧を減算した差がフェール閾値Ｖ２以上か否か判定する。ここで、フェール閾値Ｖ２はワーニング閾値Ｖ１よりも大きく設定しておく（Ｖ２＞Ｖ１）。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（平均セル電圧−最低セル電圧≧Ｖ２）である場合は、異常（劣化や破損）の程度が大であるので、フェールランプを点灯し、次回の発電を禁止する（ステップＳ１０６）。さらに、最低セル電圧を検出したセル番号のセル５５に異常（劣化や破損）があると判定して（ステップＳ１０７）、後で燃料電池１を修理（セル交換）する際の参考にするために該セル番号をＥＣＵ２０のバックアップメモリーに書き込み（ステップＳ１０８）、異常検出処理を終了する。
【００３３】
一方、ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（平均セル電圧−最低セル電圧＜Ｖ２）である場合は、最低セル電圧を検出したセル番号のセル５５に異常が見られるものの異常（劣化や破損）の程度が小さいので、ワーニングランプを点灯して、次回発電時は出力制限モードとする（ステップＳ１０９）。前述したように、燃料電池１は要求発電電流（出力）が大きいほど水素供給圧を大きくするように制御しているため、燃料電池１の出力を大きくすると水素ガス通路５６から空気通路５７へ漏洩する水素ガス量が多くなる。したがって、程度が小さいとは言え異常があるセル５５が見つかった時には、次回発電時は出力制限モードで燃料電池１の出力を通常運転モードの時よりも制限して燃料電池１を運転し、水素の漏洩を低減させるのである。つまり、燃料電池１に異常を検出した場合には、次回以降の発電時における反応ガスの作動圧を異常検出前よりも低く制限する。
この後、最低セル電圧を検出したセル番号のセル５５に異常があると判定して（ステップＳ１０７）、該セル番号をＥＣＵ２０のバックアップメモリーに書き込み（ステップＳ１０８）、異常検出処理を終了する。
【００３４】
また、ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（平均セル電圧−最低セル電圧＜Ｖ１）である場合は、全てのセル５５が正常であると判定して、次回の発電は通常運転モードとし（ステップＳ１１０）、異常検出処理を終了する。
このように、第１の実施の形態では、燃料電池１を停止してから所定時間後のセル電圧に基づいて燃料電池の異常を検出しているので、迅速且つ正確（高精度）に燃料電池１の異常を検出することができる。しかも、異常があるセルを特定することができる。
【００３５】
なお、前述した第１の実施の形態では、平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差を算出し、この電圧差とフェール閾値Ｖ２あるいはワーニング閾値Ｖ１とを比較するようにしているが、これに代えて、全セル５５のセル電圧の標準偏差を算出し、この標準偏差と前記フェール閾値Ｖ２あるいはワーニング閾値Ｖ１とを比較して異常判定を行うようにしてもよい。
【００３６】
また、異常検出処理を実行する前の燃料電池１の運転状態は、燃料電池１の停止後のセル電圧の挙動に影響がある。例えば、停止前のアノードとカソード間の圧力差が大きいほど停止後の反応ガス（水素ガス）のクロスリークが早い（多い）ためセル電圧の低下速度が早く、停止前の反応ガスの湿度が高いほどアノードとカソード間のクロスリーク量が大きくなるため停止後のセル電圧の低下速度が速くなる。したがって、判定閾値であるワーニング閾値Ｖ１およびフェール閾値Ｖ２を燃料電池の運転状態に応じて設定変更すると、判定精度をより高めることができる。
【００３７】
そこで、アノードとカソード間の圧力差が大きいほど判定閾値を大きくし圧力差が小さいほど判定閾値を小さくするように、また、反応ガスの加湿度合いが大きいほど判定閾値を大きくし加湿度合が小さいほど判定閾値を小さくするように、アノードとカソードの圧力差に基づく判定閾値補正係数Ｋｐｄと、加湿度合に基づく判定閾値補正係数Ｋｈをそれぞれ予め実験的に求めて、例えば図６および図７に示すような判定閾値補正係数マップとしてＥＣＵ２０のＲＯＭに記憶しておき、異常検出処理において燃料電池１を停止する前の運転状態に応じて判定閾値補正係数Ｋｐｄ，Ｋｈを算出し、フェール閾値Ｖ１およびワーニング閾値Ｖ２を次式に基づき補正して、これら補正されたフェール閾値Ｖ１'およびワーニング閾値Ｖ２'をステップＳ１０４あるいはステップＳ１０５において用いるようにしてもよい。
Ｖ１'＝Ｖ１・Ｋｐｄ・Ｋｈ      ・・・式（１）
Ｖ２'＝Ｖ２・Ｋｐｄ・Ｋｈ      ・・・式（２）
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の異常検出方法の第２の実施の形態を図８のフローチャートを参照して説明する。
前述した第１の実施の形態では、燃料電池１を停止してから所定時間経過後に平均セル電圧と最低セル電圧との電圧差あるいは標準偏差を算出し、これらを判定閾値と比較して異常判定を行ったが、この第２の実施の形態では、各セル５５のセル電圧の低下の傾き（すなわち、低下速度）を算出して、この低下の傾きを判定閾値と比較して異常判定を行うようにしている。
なお、燃料電池システムの構成については第１の実施の形態のものと同じであるのでその説明は省略し、異常検出処理についてだけ説明するものとする。
【００３９】
まず、イグニッション（ＩＧ）スイッチのＯＦＦ信号をトリガーとして異常検出処理が開始される（ステップＳ２０１）。
そして、ステップＳ２０２において、イグニッションスイッチがＯＦＦになる前に所定時間以上、燃料電池１が安定して発電されていたか否か（換言すれば、反応ガスが安定して供給されていたか否か）判定する。
【００４０】
ステップＳ２０２における判定結果が「ＮＯ」（ＯＦＦ前の発電が安定していなかった）である場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合には、異常検出は実行されない。これは、異常検出のために燃料電池１を停止する前に反応ガスが安定供給されていないと、停止後のセル電圧の挙動が不安定になるため正しい異常判定ができないからである。
なお、この実施の形態では、異常検出処理の開始条件を運転者によるイグニッションスイッチＯＦＦ操作としたが、燃料電池１が安定発電されていれば、アイドル停止あるいは異常検出のための強制停止を異常検出処理の開始条件としてもよい。
【００４１】
ステップＳ２０２における判定結果が「ＹＥＳ」（ＯＦＦ前に安定発電されていた）である場合は、ステップＳ２０３に進み、反応ガスの湿度、燃料電池１の温度、反応ガスの供給圧がそれぞれ所定条件範囲内にあるか否か判定する。ステップＳ２０３における判定結果が「ＮＯ」（諸条件を満足していない）である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合には、異常検出は実行されない。これは、反応ガスが安定供給されていないと停止後のセル電圧の挙動が不安定になり、正しい異常判定ができないからである。
【００４２】
ステップＳ２０３における判定結果が「ＹＥＳ」（諸条件を満足している）である場合は、異常検出処理の実行条件を満足しているのでステップＳ２０４に進み、各セル５５のセル電圧の低下の傾きを算出し、各セル５５のセル電圧の低下の傾きがワーニング閾値ＶＳ１以上か否か判定する。
【００４３】
ステップＳ２０４における判定結果が「ＹＥＳ」（セル電圧の低下の傾き≧ＶＳ１）である場合は、ステップＳ２０５に進んで、ワーニング閾値ＶＳ１以上であったセル５５のセル電圧の低下の傾きがフェール閾値ＶＳ２以上か否か判定する。ここで、フェール閾値ＶＳ２はワーニング閾値ＶＳ１よりも大きく設定しておく（ＶＳ２＞ＶＳ１）。
ステップＳ２０５における判定結果が「ＹＥＳ」（セル電圧の傾斜の傾き≧ＶＳ２）である場合は、異常（劣化や破損）の程度が大であるので、フェールランプを点灯し、次回の発電を禁止する（ステップＳ２０６）。さらに、セル電圧の低下の傾きがフェール閾値ＶＳ２以上（すなわち、ワーニング閾値ＶＳ１以上）であったセル番号のセル５５に異常（劣化や破損）があると判定して（ステップＳ２０７）、後で燃料電池１を修理（セル交換）する際の参考にするために該セル番号をＥＣＵ２０のバックアップメモリーに書き込み（ステップＳ２０８）、異常検出処理を終了する。
【００４４】
ステップＳ２０５における判定結果が「ＮＯ」（セル電圧の低下の傾き＜ＶＳ２）である場合は、セル電圧の低下の傾きがフェール閾値ＶＳ１以上であったセル５５に異常が見られるものの異常（劣化や破損）の程度が小さいので、ワーニングランプを点灯して、次回発電時は出力制限モードとする（ステップＳ２０９）。次回発電時を出力制限モードとする理由については第１の実施の形態の場合と同じであり、次回発電時における水素漏れを抑制するためである。この後、セル電圧の低下の傾きが閾値（ＶＳ１）以上であったセル番号のセル５５に異常があると判定して（ステップＳ２０７）、該セル番号をＥＣＵ２０のバックアップメモリーに書き込み（ステップＳ２０８）、異常検出処理を終了する。
【００４５】
ステップＳ２０４における判定結果が「ＮＯ」（セル電圧の低下の傾き＜ＶＳ１）である場合は、全てのセル５５が正常であると判定して、次回の発電は通常運転モードとし（ステップＳ２１０）、異常検出処理を終了する。
このように、第２の実施の形態では、反応ガスの供給が停止されている状態でのセル電圧の低下速度に基づいて異常を検出しているので、迅速且つ正確（高精度）に燃料電池１の異常を検出することができる。しかも、異常があるセルを特定することができる。
【００４６】
この第２の実施の形態における燃料電池の異常検出方法においても、停止前の燃料電池１の運転状態（すなわち、アノードとカソード間の圧力差や、反応ガスの加湿度合）に応じてフェール閾値ＶＳ２およびワーニング閾値ＶＳ１を設定変更することが可能であり、そのようにすると判定精度がさらに高まるので好ましい。
【００４７】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の異常検出方法の第３の実施の形態を説明する。
前述したように、燃料電池１に異常セルが存在するときには、燃料電池１を停止してから所定時間経過後のセル電圧の分布は、図４に示すように、異常があるｎｘ番目のセル５５のセル電圧が一番低くなり、これを中心にして略Ｖ字形分布部Ｙが生じる。
【００４８】
ここで、略Ｖ字形分布部Ｙが生じる理由について推察する。前述したように燃料電池１は多数のセル５５を積層して構成されている。燃料電池１は、全セル５５を貫通して形成された水素供給用貫通孔と水素排出用貫通孔と空気供給用貫通孔と空気排出用貫通孔とを備えていて、水素ガスは前記水素供給用貫通孔から各セル５５の水素ガス通路５６に並列的に分配供給され、各セル５５の水素ガス通路５６から未反応の水素が前記水素排出用貫通孔に集合して排出されるようになっており、空気は前記空気供給用貫通孔から各セル５５の空気通路５７に並列的に分配供給され、各セル５５の空気通路５７から未反応の空気が前記空気排出用貫通孔に集合して排出されるようになっている。つまり、各セル５５の水素ガス通路５６は水素供給用貫通孔および水素排出用貫通孔によってつながっており、各セル５５の空気通路５７は空気供給用貫通孔および空気排出用貫通孔によってつながっている。そのため、燃料電池１が停止し反応ガスの流れが止まっている時には、異常があるｎｘ番目のセル５５の水素ガス通路５６から空気通路５７に水素ガスが漏洩すると、この水素ガスが前記空気排出用貫通孔を通って隣接する正常なセル５５の空気通路５７にも流れ込み、隣接する正常なセル５５のセル電圧の低下速度を早めるものと推察される。しかも、異常なセルの近くに位置するセル５５ほどその影響を大きく受けるため、略Ｖ字形分布部Ｙが生じるものと推察される。
【００４９】
したがって、前述した第１の実施の形態または第２の実施の形態の異常検出処理を実行した場合、ｎｘ番目のセル５５が異常であると判定されるだけでなく、この異常セル５５の近傍に位置してその影響を受けた正常なセル５５も異常であると誤判定される虞がある。
第３の実施の形態における異常判定処理は、このような誤判定が行われないようにしたものであり、全セルのセル電圧の分布に略Ｖ字形分布部Ｙが存在するときには、その略Ｖ字形分布部Ｙの中で山の頂点をなすセル、すなわち最低セル電圧を示しているセル５５だけを異常であると判定するようにした。このようにすると、異常なセルの影響によりセル電圧に異常を来した正常なセルを異常ありと誤判定するのを防止することができる。
【００５０】
次に、第３の実施の形態における燃料電池の異常検出処理を図９のフローチャートを参照して説明する。
まず、イグニッション（ＩＧ）スイッチのＯＦＦ信号をトリガーとして異常検出処理が開始される（ステップＳ３０１）。
そして、ステップＳ３０２において、イグニッションスイッチがＯＦＦになる前に所定時間以上、燃料電池１が安定して発電されていたか否か（換言すれば、反応ガスが安定して供給されていたか否か）判定する。
【００５１】
ステップＳ３０２における判定結果が「ＮＯ」（ＯＦＦ前の発電が安定していなかった）である場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合には、異常検出は実行されない。これは、異常検出のために燃料電池１を停止する前に反応ガスが安定供給されていないと、停止後のセル電圧の挙動が不安定になるため正しい異常判定ができないからである。
なお、この実施の形態では、異常検出処理の開始条件を運転者によるイグニッションスイッチＯＦＦ操作としたが、燃料電池１が安定発電されていれば、アイドル停止あるいは異常検出のための強制停止を異常検出処理の開始条件としてもよい。
【００５２】
ステップＳ３０２における判定結果が「ＹＥＳ」（ＯＦＦ前に安定発電されていた）である場合は、ステップＳ３０３に進み、イグニッションスイッチのＯＦＦ後、所定時間（例えば、１０秒）経過したか否か判定する。ステップＳ３０３における判定結果が「ＮＯ」（所定時間経過前）である場合は、再びステップＳ３０３に戻る。これは、イグニッションスイッチＯＦＦ後、所定時間が経過していないと異常なセル５５と正常なセル５５の間でセル電圧の差が小さく、判定精度が悪くなるからである。
【００５３】
ステップＳ３０３における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過後）である場合は、ステップＳ３０４に進み、各セル５５のセル電圧を読み込み、セル電圧の平均値（以下、平均セル電圧という）を計算し、全てのセル５５について平均セル電圧から各セル電圧を減算して差（電圧差）を求める。
【００５４】
そして、ステップＳ３０５に進み、各セル５５の電圧差をセル５５の配置順に並べた電圧差分布を作成し、この電圧差分布に略Ｖ字形分布部Ｙが存在するか否か判定する。ステップＳ３０５における判定結果が「ＹＥＳ」（略Ｖ字形分布部Ｙが存在する）である場合は、異常セルが存在するので、フェールランプを点灯し、次回の発電を禁止する（ステップＳ３０６）。
【００５５】
さらに、略Ｖ字形分布部Ｙにおける最低セル電圧を検出したセル番号のセル５５に異常（劣化や破損）があると判定して（ステップＳ３０７）、後で燃料電池１を修理（セル交換）する際の参考にするために該セル番号をＥＣＵ２０のバックアップメモリーに書き込み（ステップＳ３０８）、異常検出処理を終了する。
【００５６】
一方、ステップＳ３０５における判定結果が「ＮＯ」（略Ｖ字形分布部Ｙが存在しない）である場合は、全てのセル５５が正常であると判定して、次回の発電は通常運転モードとし（ステップＳ３０９）、異常検出処理を終了する。
このように、第３の実施の形態では、反応ガスの供給が停止されている状態での各セル電圧の分布に基づいて異常を検出しているので、迅速且つ正確に燃料電池１の異常を検出することができる。しかも、略Ｖ字形分布部Ｙにおける最低セル電圧を示しているセルに異常があると判定しているので、異常があるセルを特定することができるだけでなく、正常なセルを異常であると誤判定するのを防止することができる。
【００５７】
なお、この第３の実施の形態の異常判定処理は、前述した第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態の異常判定処理と同時に並行処理することも可能である。このようにすると、判定精度をさらに向上させることができる。
【００５８】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、本発明の異常検出方法の適用対象となる燃料電池は固体高分子電解質膜型の燃料電池に限られるものではなく、他の形式の燃料電池にも適用可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、アノードおよびカソードへの反応ガスの供給を停止して燃料電池を停止してから所定時間後のセル電圧に基づいて燃料電池の異常を検出するので、判定精度が高く、且つ、判定時間が短縮され、したがって、燃料電池の異常を早期に検出することができるという優れた効果が奏される。また、請求項１に記載した発明によれば、異常があるセルを特定することができるという効果もある。
【００６０】
請求項２に記載した発明によれば、アノードおよびカソードへの反応ガスの供給を停止した燃料電池の停止後の各セル電圧の低下速度に基づいて燃料電池の異常を判定するので、判定精度が高く、且つ、判定時間が短縮され、したがって、燃料電池の異常を早期に検出することができるという優れた効果が奏される。また、請求項２に記載した発明によれば、異常があるセルを特定することができるという効果もある。
【００６１】
請求項３に記載した発明によれば、前記燃料電池の停止前の前記アノードと前記カソードの反応ガスの圧力差が大きいほど、または、前記燃料電池の停止前の前記反応ガスの加湿度合いが大きいほど、前記判定閾値を大きい値に設定するので、判定精度を高めることができるという効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、アノードおよびカソードへの反応ガスの供給を停止した燃料電池の停止後の各セル電圧の分布に基づいて燃料電池の異常を検出するので、判定精度が高く、且つ、判定時間が短縮され、したがって、燃料電池の異常を早期に検出することができるという優れた効果が奏される。また、請求項４に記載した発明によれば、異常があるセルを特定することができるという効果もある。
【００６２】
請求項５に記載した発明によれば、燃料電池を停止する前に燃料電池を安定して運転していた場合に異常検出を実行するので、誤判定を防止することができるという効果が奏される。
請求項６に記載した発明によれば、次回以降の発電時における反応ガスの漏洩量を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る異常検出方法で異常検出される燃料電池を備えた燃料電池システムの構成図である。
【図２】  前記燃料電池の断面図である。
【図３】  正常なセルと異常なセルにおけるセル電圧の低下速度を比較して示した図である。
【図４】  前記燃料電池における全セル電圧の分布の一例を示す図である。
【図５】  この発明に係る第１の実施の形態における異常検出処理のフローチャートである。
【図６】  アノードとカソードの圧力差に基づく判定閾値補正係数マップの一例である。
【図７】  反応ガスの加湿度合に基づく判定閾値補正係数マップの一例である。
【図８】  この発明に係る第２の実施の形態における異常検出処理のフローチャートである。
【図９】  この発明に係る第３の実施の形態における異常検出処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池
５２  アノード
５３  カソード
５５  セル
Ｙ  略Ｖ字形分布部
【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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