(57)【要約】【課題】燃料電池のセルスタックにて割れや積層ずれといった異常が生じた場合にこのような異常の早期検出を可能とする。【解決手段】燃料電池１の異常状態、例えば燃料電池１のセパレータ１０の割れ等を、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。この場合、正常時における磁束密度の波形をリファレンスとし、該リファレンスとの比較結果に基づくことよって診断を行うことができる。燃料電池１における異常状態の種別に応じてリファレンスからの乖離具合が異なることを利用して少なくとも２種の異常状態の診断を引き続き実行することも好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の状態を当該状態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する燃料電池の診断方法。
【請求項２】
前記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する請求項１に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項３】
前記燃料電池のセパレータの割れを診断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項４】
前記燃料電池のセパレータ間における積層ずれを診断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項５】
前記燃料電池のクリープ現象に起因するセパレータ間における面圧の低下現象を診断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項６】
正常時における磁束密度の波形をリファレンスとし、該リファレンスとの比較結果に基づく診断を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池の診断方法。
【請求項７】
前記燃料電池における異常状態の種別に応じて前記リファレンスからの乖離具合が異なることを利用して少なくとも２種の異常状態の診断を引き続き実行することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池診断方法。
【請求項８】
前記燃料電池のセルスタック内にて短絡が生じている場合の当該短絡の部位を、磁束に基づいて得られるセル面内の電流分布を利用して特定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項９】
燃料電池の運転状態を当該状態に起因して生じるかまたは変化する磁束に基づいて判定し、判定した状態に応じた運転制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項１０】
燃料電池のセルスタックの耐久劣化度合またはこれに基づく残寿命を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の診断方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の診断方法を実施するための磁束検出手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
前記磁束検出手段を構成する電源は、前記燃料電池にて積層されている複数のセルのいずれに対しても電圧印加できる着脱可能な電圧印加電極を備えていることを特徴とする請求項１１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、燃料電池の診断方法および当該診断方法を実施するための手段を備えた燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、磁束を利用した燃料電池診断技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、セパレータが例えばカーボンによって構成されたもの（カーボンセパレータ）であれば割れが生じる場合もある。
【特許文献１】特開２００３−７７４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池において割れ等が生じたとしても、従来においてはこのような構造的な異常を早期に検出するための手段がなかった。例えば、燃料電池が車両に搭載されている場合（燃料電池自動車）に、これまでの検出技術では当該燃料電池における構造的な状態（例えば燃料電池セルスタックにおける割れ、積層ずれ、クリープ等といった異常状態）を検出するまでには至っていない。燃料電池において例えば割れが生じて水素ガス漏れが生じたとしてももちろん視認することはできず、またこれを検出するための手段もないため早期発見ができないでいる。
【０００４】
そこで、本発明は、燃料電池のセルスタックにて割れや積層ずれといった異常が生じた場合にこのような異常の早期検出を可能とした燃料電池の診断方法および当該診断方法を実施するための手段を備えた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】
【０００５】
かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。まず、異常判定は、使用時（走行時）に判定させることとすれば早期の検出が可能となるが、セルスタック中のセルモジュールの割れ、積層ずれ、クリープによるトルク抜け等はセルスタックを車両から降ろし、分解して実際に見てみることでしか確認することができないためこれは現実的ではない。そこで本発明者は従来の磁束密度測定技術を利用することによって状態検出および診断を実現しうる技術について検討を重ね、新たな知見を得るに至った。
【０００６】
本発明はかかる知見に基づくものであり、請求項１に記載の発明である燃料電池の診断方法は、燃料電池の状態を当該状態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するものである。このような診断方法によれば、いわゆる非破壊検査を実施することにより、燃料電池を実際に分解して中身を確認せずとも当該時点における内部状態を把握することが可能となる。また、このように燃料電池セルスタックの運転状態（例えば異常モード）を把握することができれば高効率かつ信頼性の高い運転制御を実施することも可能になるという利点がある。しかも、本発明においては従来技術と同様の磁束密度測定技術を利用して検出と診断を行うことができるから、燃料電池内部における状態を迅速にしかも精度よく把握することが可能である。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池の診断方法において、前記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というものである。これによれば、燃料電池の異常によってもたらされる不具合（例えばガス漏れ）をこのような不具合が生じる前の段階で早期発見することが可能となる。また、このようにして異常を検出した場合には、判定結果を燃料電池システム（具体的には当該システムにおける制御装置）にフィードバックし、供給ガス流量や冷却水温度の調整、セルスタックの出力制限等といった制御を行うこととすれば例えばガス漏れが生じていたとしてもこれを抑制することが可能となるし、ひいては従来ならばセルスタックの交換をせざるを得なかった時期においても引き続いての使用を可能として不要な交換を引き延ばすかあるいは無くすことも可能となる。
【０００８】
ここで、請求項３に記載の発明では、前記燃料電池のセパレータの割れを診断する。また請求項４に記載の発明では、前記燃料電池のセパレータ間における積層ずれを診断する。さらに請求項５に記載の発明では、前記燃料電池のクリープ現象に起因するセパレータ間における面圧の低下現象を診断する。
【０００９】
ここまで記載したように、本願にかかる診断方法においては、一例を挙げれば車両（燃料電池自動車）に搭載された燃料電池が例えば軽衝突等に起因するセルモジュールの割れ、積層ずれ、変形等といった異常、さらにはクリープ現象に起因して当該セパレータ間における面圧が低下していわゆるトルク抜けが生じるといった異常を、当該燃料電池における磁束密度を検出することによって判定し、診断する。このような診断方法によれば、これら異常によってもたらされる不具合（例えばガス漏れ）を生じる前の段階で早期発見することが可能となる。
【００１０】
上述の発明においては、請求項６に記載のように、正常時における磁束密度の波形をリファレンスとし、該リファレンスとの比較結果に基づく診断を行うことが好ましい。検出した磁束密度の波形とリファレンスとの乖離具合を参照し、当該乖離した磁束の位置からセルスタックにおける異常を判定することができる。
【００１１】
この場合には、請求項７に記載のように、前記燃料電池における異常状態の種別に応じて前記リファレンスからの乖離具合が異なることを利用して少なくとも２種の異常状態の診断を引き続き実行することができる。例えば上述したようなセルモジュールの割れ、積層ずれ、変形等といった異常には各状態に特有の乖離具合が認められるため、それぞれの乖離状態を参照することによって異常状態の種別をも診断することができる。
【００１２】
また、請求項８に記載の発明は、前記燃料電池のセルスタック内にて短絡が生じている場合の当該短絡の部位を、磁束に基づいて得られるセル面内の電流分布を利用して特定するというものである。いずれかの部位で短絡が生じている場合、セルスタック内にて積層方向に電気が流れることが可能な状態となる。そこで、この場合に発生する磁束を検出することによって当該短絡を検出し、尚かつた短絡が生じている部位を特定することが可能である。
【００１３】
さらに、請求項９に記載の発明は、燃料電池の運転状態を当該状態に起因して生じるかまたは変化する磁束に基づいて判定し、判定した状態に応じた運転制御を行うというものである。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、燃料電池のセルスタックの耐久劣化度合またはこれに基づく残寿命を推定するというものである。例えば、長時間運転時（劣化時）の磁束変化を測定し、この測定結果をリファレンスと比較することによって燃料電池セルスタックの劣化度合を判定すること、さらには残寿命を推定することが可能となる。
【００１５】
また、請求項１１に記載の発明である燃料電池システムは、請求項１から１０のいずれかに記載の診断方法を実施するための磁束検出手段を備えていることを特徴とするものである。この燃料電池システムによれば、燃料電池セルスタック周辺における磁界（磁束密度分布）の変化を磁束検出手段を用いて測定することにより上述のごとき診断を実施することが可能である。したがって、いわゆる非破壊検査の実施により、燃料電池を実際に分解して中身を確認せずとも当該時点における内部状態を把握することが可能である。また、このようにセルスタックの運転状態（例えば異常モード）を把握することができれば高効率かつ信頼性の高い運転制御を実施することも可能になる。
【００１６】
この場合、前記磁束検出手段を構成する電源は、請求項１２に記載のように、前記燃料電池にて積層されている複数のセルのいずれに対しても電圧印加できる着脱可能な電圧印加電極を備えていることが好ましい。このような電圧印加電極によれば、各セルに対して個別に電圧印加することができるために異常状態の発生部位をより詳細に特定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池のセルスタックにて割れや積層ずれといった異常が生じた場合にこのような異常を早期検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１〜図１６に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本実施形態における燃料電池システムは、当該燃料電池システムを構成する燃料電池１のハード的（構造的）な状態を当該状態に起因して生じるかまたは変化する磁束に基づいて検出し診断するというものである。この場合における燃料電池１の状態というのは特に通常時（正常時）とは異なるもので、具体例を挙げれば、燃料電池セルスタック２における割れやずれ、燃料電池１内におけるショート、さらには運転状態や劣化度合といったものである。以下においては、診断の内容に応じ３つの実施形態に分けて説明することとする。
【００２０】
なお、本実施形態に示す燃料電池システムは、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。また、燃料電池セルスタック２は、複数の単セル３を直列に積層して成るセルスタック構造を有するものであり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
本実施形態の燃料電池システムは磁束検出手段４を備えているもので、燃料電池１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検出し診断する。磁束検出手段４は、燃料電池セルスタック２の周囲に配置される磁束センサ５の他、例えば必要時に電圧を印加するための電源（外部電源）６、所定のセル３に対して電圧を印加するための電圧印加電極７等からなる。この場合、必要時には、燃料電池セルスタック２中に診断用の電流を強制的に流して磁場を形成し、当該燃料電池セルスタック２から漏洩する磁束（漏洩磁束）を外部に設置した磁束センサ５を使って検出することが可能である。このような漏洩磁束をいわばパラメータとして利用する本実施形態の燃料電池システムによれば、例えば割れ、積層ずれ、クリープ等といったような燃料電池内にて生じた異常を非破壊にて判定することが可能である。
【００２２】
まず、本実施形態における診断方法の基本原理から説明する（図５等参照）。本実施形態において利用しうる磁束線としては、例えば、燃料電池セルスタック２内を貫くような形で外部にて形成される磁束線（図５参照）、燃料電池セルスタック２を貫くように流れる電流によって形成される磁束線（図６参照）、燃料電池セルスタック２における誘導電流によって形成される磁束線（図７参照）などを挙げることができる。
【００２３】
これらのうち、外部にて形成される磁束線としては例えば一対の磁石によるもの等がある。この場合の磁束線は、燃料電池セルスタック２内を平行もしくはこれに近似した状態で貫くものであることが好ましい（図５参照）。また、磁束線（磁束密度）は燃料電池セルスタック２の周囲に配置した磁束センサ５によって検出することができる（図５参照）。磁束センサ５は、例えばセルスタックの各面に１つずつ配置されていてもよいし、複数配置されていてもよい（図８参照）。あるいは、燃料電池セルスタック２の周辺全体における磁束密度を計測できるようにするという点では各面に複数の磁束センサ５が配置されていることも好ましい（図９参照）。また、各磁束センサ５が燃料電池セルスタック２の周辺を軸方向（セル３の積層方向）に沿って平行に、あるいは表面に沿ってこれとは垂直な方向に移動可能としておけば燃料電池セルスタック２のあらゆる部位を診断することも可能となる（図８、図９参照）。
【００２４】
また、燃料電池１を貫く電流による場合には、試験体（燃料電池セルスタック２）の軸方向に直接電流を流すいわゆる軸通電法を利用することができる（図６参照）。なお、燃料電池１の発電時においては燃料電池セルスタック２内を電流が流れることによって磁束線（磁場）が生じるので、発電中においてはこの磁束線を状態診断に利用することが可能である。ただし、このように燃料電池自体の電流を利用するのであれば燃料電池１が発電状態にあることが前提となるため、発電停止中においては外部から例えば軸通電法によって別途電流を流すといった手法を併用するのが望ましい（図６参照）。この場合における燃料電池セルスタック２の磁束密度は上述と同様、磁束センサ５によって検出することができる（図８、図９参照）。
【００２５】
さらには、コイルを利用して燃料電池セルスタック２に誘導電流を発生させることにより磁束を発生させるいわゆるコイル法を利用することができる。例えば図７に示す例では、燃料電池セルスタック２の周囲に磁束線形成用のコイル８を配置し、当該コイル８に通電したときの誘導電流を利用して燃料電池セルスタック２内に磁束線（磁場）を形成することとしている。この場合、コイル８を軸方向（セル３の積層方向）に移動可能としておけば燃料電池セルスタック２の所望の位置における状態を診断することが可能となる（図７参照）。発電停止時に行うコイル法としては、磁場発生用コイル８ａと検出用コイル８ｂという複数のコイル８を利用することが好適である（図１０参照）。この場合、検出用コイル８ｂに接続された電流計９を用いて磁束密度を確認することが可能である。また、磁場発生用コイル８ａにて磁束線を発生させる際、印加する交流電流の周波数を変えることとすればこれに応じて測定対象範囲を変えることができる。このように測定対象範囲を変えることには例えば測定深さを変えることも含まれる。交流電流は、２次電池（ＤＣ）をＡＣへ変換させて電源とすることにより得ることができる。ちなみに、図１０においては磁場発生用コイル８ａと検出用コイル８ｂを１つずつ備えた場合を例示しているが、コイル８をこれよりも増やした構成とすることも好ましい。
【００２６】
なお、ここで説明したのは診断に利用する磁場（磁束線）を形成するための好例に過ぎず、これらの手法に限られるわけではない。要は、診断に利用可能な磁場を形成できればよく、例えば以下に示すような他の手法（磁化方法）を用いてももちろん構わない。すなわち、試験体（燃料電池セルスタック２）の軸に対して直角な方向に直接電流を流す直角通電法、試験体の局部に２個の電極（プロッドと呼ばれるもの）を当てて電流を流すプロッド法、試験体の孔などに通した導体に電流を流す電流貫通法、試験体をコイルの中に入れた状態で当該コイルに電流を流すコイル法、試験体または試験される部位を電磁石または永久磁石の磁極間に載置する極間法、試験体の孔などに通した強磁性体に交流磁束を与えることによって当該試験体に誘導電流を流す磁束貫通法、等によって燃料電池セルスタック２内に磁場（磁束線）を形成することが可能である。
【００２７】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、以上説明したような基本原理に基づき、セパレータ割れ、積層ずれ、クリープ現象といった通常時とは異なる状態（異常状態）を検出して診断する（図１〜図３参照）。つまり、診断対象である燃料電池セルスタック２はセパレータ１０やガスケット１１、接着剤１２、電解質膜（図示省略）の積層体で構成されており、異常のない状態下では繰り返し波形の磁束分布が得られるから、このような通常時における磁束密度波形（磁束曲線）を基準となる参考データないしは参照データとする（本実施形態でこのような比較の指標となるデータをリファレンスと呼ぶ）。そして、このリファレンスからの乖離具合を参照し、さらには当該乖離した磁束の位置から燃料電池セルスタック２における異常を判定することとしている。以下に例を挙げて具体的に説明する（図１〜図３参照）。
【００２８】
まず、セパレータ割れについて説明する（図１参照）。積層された状態の複数のセパレータ１０のうち、ある一部の箇所において割れが生じた場合（図１（Ａ）参照）、当該箇所における磁束密度に関し、このような状態に応じて谷部の値が上がるという変化が認められる（図１（Ｂ）参照）。そこで、リファレンスとの比較を行い、このような変化を検出することにより当該箇所においてセパレータ１０の割れが生じていると診断することが可能である。
【００２９】
また、セルモジュール中において、あるセパレータ１０のみが外周側にずれるような現象（積層ずれ）が生じた場合には（図２（Ａ）参照）、積層ずれが生じた箇所において、磁束密度波形の山部が当該ずれに対応してＶ字状に上がるという変化が認められる（図２（Ｂ）参照）。そこで、リファレンスとの比較を行い、このような変化を検出することにより当該箇所において積層ずれが生じていると診断することが可能である。
【００３０】
さらに、セルモジュール中においては、セパレータ１０等のクリープ現象に起因して当該セパレータ１０間における面圧が低下する現象が生じる場合がある（図３（Ａ）参照）。このような場合、面圧低下が生じた箇所において、磁束密度波形の山部がさらに上がるという変化が認められる（図３（Ｂ）参照）。そこで、リファレンスとの比較を行い、このような変化を検出することにより当該箇所においてセパレータ１０間の面圧が低下していると診断することが可能である。
【００３１】
また、上述したような各現象に特有の波形に基づき、各状態（異常状態）を順次診断し、さらには検出した異常をフィードバックすることも有効である。図４に一例として示す診断手法に基づいて説明すると、診断開始後（ステップ１）、燃料電池セルスタック２の所定位置において磁束密度を計測する（ステップ２）。その後、この計測結果に基づいて磁束密度の判定、つまり、計測した磁束密度を正常時のプロファイルと比較して異常かどうかの判定を行う（ステップ３）。この判定の結果、異常でなければ（ステップ３のＮｏ）、計測位置を移動する（ステップ１０）。逆に、異常がある場合には（ステップ３のＹｅｓ）、ステップ４以降の異常状態診断を行う（図４参照）。
【００３２】
異常状態の診断を行う場合、まず「判定１」において第１の判定を行う（ステップ４）。一例として、このステップ４においてはセパレータ１０の割れが生じていないかどうかの判定を行うこととし、磁束密度波形とリファレンスとを比較してセパレータ割れが生じていないと判定したら（ステップ４のＮｏ）、次段階の「判定２」（ステップ５）に進む。逆に、比較の結果、セパレータ割れが生じていると判定したら（ステップ４のＹｅｓ）、システム制御１へと進む（ステップ７）。このシステム制御１においては、それぞれの異常モード（ここではセパレータ割れ）についてフィードバックを行い、システムの制御を行う。システム制御としては、セパレータ割れの発生箇所から漏れる流体（水素、空気、冷却水）を判別し、当該判別結果をフィードバックしたうえでガス流量や冷却水温度を制御するといったものがある。さらに本実施形態においては、磁束密度値からリーク量を算出し、各流体（水素、空気、冷却水）の一定漏れ量と比較して運転継続可否の判定を行うこととしている。このようなシステム制御１（ステップ７）を終えたら、計測位置を移動する（ステップ１０）。
【００３３】
判定１において異常状態（セパレータ割れ）が検出されなかった場合には、引き続き「判定２」において第２の判定を行う（ステップ５）。一例として、このステップ５においては積層ずれが生じていないかどうかの判定を行うこととし、磁束密度波形とリファレンスとを比較して積層ずれが生じていないと判定したら（ステップ５のＮｏ）、次段階の「判定３」（ステップ６）に進む。逆に、比較の結果、積層ずれが生じていると判定したら（ステップ５のＹｅｓ）、システム制御２へと進む（ステップ８）。このシステム制御２においては、磁束密度値からずれ量を算出したうえで、積層ずれが起きた箇所においてガス漏れが生じる可能性があるかどうかを踏まえて運転継続可否を判定する。このようなシステム制御２（ステップ８）を終えたら、計測位置を移動する（ステップ１０）。
【００３４】
さらに、判定２において異常状態（積層ずれ）が検出されなかった場合には、引き続き「判定３」において第３の判定を行う（ステップ６）。一例として、このステップ６においてはクリープによる面圧低下が生じていないかどうかの判定を行うこととし、磁束密度波形とリファレンスとを比較して面圧低下が生じていないと判定したら（ステップ６のＮｏ）、計測位置を移動するステップへと進む（ステップ１０）。逆に、比較の結果、面圧低下が生じていると判定したら（ステップ６のＹｅｓ）、システム制御３へと進む（ステップ９）。例えば本実施形態では、計測して得られた磁束密度値をリファレンスと比較し、全体的に磁束密度値が大きくなっている場合にはセル３の接触部の面圧が低くなっていると判定し（図３参照）、この判定結果から、ＩＲ損による出力低下、積層ずれ、ガスリーク等の異常内容を判別する。そしてシステム制御３においては、セルスタックの温度を上昇させ、熱膨張によって面圧を上げる等の対応を行う（ステップ９）。システム制御３における制御を終えたら、計測位置を移動する（ステップ１０）。
【００３５】
ステップ１０においては、例えば上述のコイル８を軸方向に移動させるなどして磁束密度計測位置の移動を行う。計測位置を移動したら、所望の計測範囲のすべてについて計測したかどうかを判定し（ステップ１１）、すべてについて計測したのであればその時点で診断完了となる（ステップ１２）。一方、計測範囲がまだ残っているのであれば（ステップ１１のＮｏ）、当該移動後の位置における磁束密度を計測し（ステップ２）、上述した計測および判定の処理を繰り返すことによって燃料電池セルスタック２における状態（異常状態）を検出する。
【００３６】
なお、ここまで説明した診断手法は好適な一例に過ぎず、例えば本実施形態においては「判定１」から「判定３」までの３種類を行うことにしたが数はこれに限られないし、判定の順番も例示したものに限られない。要は、状態（異常状態）の内容に応じて磁束密度波形に特有の変化が生じるから、複数種類の診断を順次行ったとしても当該波形変化に対応した異常モードを特定して判定することができるという点でこの診断手法は特徴的である。また、ある位置について判定を終えたら次の位置に移動して再び判定をするというように同様の判定を順次繰り返すことにより、燃料電池セルスタック２の異常が生じている位置を特定することが可能だという点も特徴的である。さらに付け加えると、個々の燃料電池セルスタック２において使用前に磁束密度分布を測定しておき、各々のリファレンスとすることで個体差によるばらつき誤差を吸収することができるから、本実施形態の診断手法によれば更に精度の高い診断を実現することも可能である。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する（図１１参照）。本実施形態は、電流に起因して発生する磁界を利用し、燃料電池セル３における短絡部位を特定しようというものである。すなわち、セパレータ１０どうしの短絡、ＭＥＡのマイクロショート等が生じている場合において燃料電池セルスタック２に電圧を印加すると、このような短絡（ショート）の生じている部分ではセル３を貫通するように電流が流れ、この電流によって磁界が発生する。そこで、この場合における磁束密度分布を検出することによって短絡（ショート）等が生じていないか、生じているとすればどの部位か、という検査を行うこととしている。
【００３８】
本実施形態に示す燃料電池システムは、燃料電池セル３に対してある一定の電圧を印加するための電源（外部電源）６と、磁束を検出するための磁束センサ５とを備えることとしている（図１１参照）。この場合の外部電源６は、どの燃料電池セル３に対しても電圧が印加できるよう、例えば電圧印加用の電極（ターミナル）７（なお、図１１中においては正極側を７ａ、負極側を７ｂとしている）がそれぞれのセル３に対し着脱可能に構成されたものとなっている。
【００３９】
検査の概要は以下のとおりである。すなわち、まず、検査対象たる燃料電池セル３の両端から電圧を印加する。より具体的には、外部電源６の電圧印加用電極７ａ，７ｂを燃料電池セル３の両端に接続し、電圧を印加する。ここで、当該燃料電池セル３内にて上述のような傷や膜の破れ等が生じていれば短絡が起こり、この燃料電池セル３を貫通するように電流が流れ、当該電流に起因して磁界が生じる（図１１参照）。そこで、磁束センサ５にて磁界を検出した場合には検査対象としている燃料電池セル３内にてセパレータ１０どうしが短絡していたり、ＭＥＡがショートしていたりといった症状が起きていると判断することができる。また、検出した磁界に基づき、面内の電流分布を検出することにより、当該面内における短絡部位、換言すれば傷や膜の破れ等が生じている可能性が高い部位を特定することができる。
【００４０】
上述したように、本実施形態においては燃料電池セル３内における短絡部位を特定することができて便宜である。これは、例えば従来ならば燃料電池セル３における短絡の有無は確認することができてもセル３内のどの部分が短絡しているのか特定するには至らず、したがって具体的にどのような対策を講じるべきかの判断が困難で、場合によっては推測で対策を実施することもあったのに対し、本実施形態の検査手法によれば、外部電源を使って発生させる磁界を利用して短絡部位を特定することが可能である。これによれば、短絡部位の特定結果に基づいて具体的にどのような対策を講じるべきかの判断が行いやすく、より確実な対処を実施することが可能となる。
【００４１】
＜第３の実施形態＞
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する（図１２〜１６参照）。本実施形態においては、燃料電池セルスタック２の周辺における磁界（磁束密度分布）変化を測定することにより、運転状況（通常発電状態、水素不足状態、フラッディング状態、等）を判定し、その状況に応じた運転制御を行うこととしている。すなわち、通常発電状態であれば燃料電池セルスタック２の周辺における磁界はほぼ均一に分布することになるが（図１２参照）、例えば水素不足の状態となれば水素出口付近の発電状態が顕著に悪化し、近辺の磁束密度が低下するのでこのような変化を検出することによって運転状況を把握することが可能である（図１３参照）。このような診断および制御の手法によれば、例えば車両等の燃料電池セルスタック２において運転状態や耐久劣化状態を推定するといった場合に特に好適である。
【００４２】
まず、このような燃料電池セルスタック２の運転制御方法および耐久劣化度推定方法の原理について説明すると以下のとおりである。すなわち、従来のようにセルモニタによって発電状態のモニタリングおよびセルスタック運転制御を実施するにあたり、燃料電池セルスタック２において発電状態の変化が生じた場合には、当該変化に伴い燃料電池セルスタック２の周辺の磁界（磁束密度分布）が変化する。この変化は、例えば燃料電池自動車であれば、その運転状態（水素不足状態、耐久劣化の進んだ状態、等）により異なることがある。
【００４３】
ところで、この場合における第一の問題点に、セルモニタでは、発電異常の発生したセル３を発見することはできるが、電圧低下の原因がわからないため制御装置にフィードバックする際の内容が限られるということがある。具体例を挙げると、例えば「水素不足」によって発電状態が悪化した際、原因がわかっていれば「水素供給量のみを増やす」という対策が可能であるが、原因不明だと「必要以上に出力を絞る」または「水素と同時に空気（酸素）も供給量を増やす」といった内容の制御を行わざるを得なく、燃費や出力に与える影響が大きい。つまり、電圧低下の原因がわかり、それぞれの状況に応じた最適な制御ができれば信頼性を高めることが可能となり、かつ出力・燃費等に関しても有利となるが、セルモニタによる電圧測定手法では発電異常の発生した原因が不明であることからセルモニタ設置部位における発電電圧しか情報として得られない。第二の問題点に、セルモニタ設置部位のみの発電電圧情報しか得られないため、セルモニタから離れた位置にて発電異常が発生した際、検出できないかあるいは検出できてもタイミングが遅れるおそれがあるという問題がある。つまり、発電異常発生時の磁界の乱れは広範囲に及び、磁束センサ５から離れた位置の情報も取得可能なのだが、磁束センサ５の接触部近傍の情報しか得られないとすれば検出内容が十分でなくなる。第三の問題点に、電圧計測のためには磁束センサ５と被測定物とを直接接触させるかあるいは少なくとも近傍に配置することが必要であるが、各燃料電池セル３への取り付けが必要となるために設置のための工程ないしは工数が多くなってしまう点がある。
【００４４】
上述のごとき種々の問題点に対し、本実施形態では以下に説明するような運転制御方法および耐久劣化度推定方法を実施することとしている。すなわち、まずは燃料電池セルスタック２の発電部の周辺に磁束センサ５を配置し、運転中の磁界を計測することとしている。この場合において、別途測定しておいた各運転状態（水素不足、耐久劣化状態等）の磁界分布と比較し、計測時の運転状態の判定を実施する。このような方法の具体的実施例としては、（１）燃料電池セルスタック（発電部）２の周辺の磁界を計測する磁束センサ５を使った制御・推定方法、（２）磁界の測定結果から発電状態を判定する手法、（３）発電状態の判定を制御にフィードバックする手法、の３つを挙げることができる。以下、これらについて順に説明する。
【００４５】
（１）燃料電池セルスタック（発電部）周辺の磁界を計測する磁束センサを使った制御・推定方法
燃料電池セルスタック２の周辺に磁束センサ５を複数個配置してセルスタック周辺における全体的な磁束密度分布を測定可能とする（図１４参照）。ただしこのように燃料電池セルスタック２の周辺に配置するばかりでなく、例えば当該燃料電池セルスタック２の内部に配置する（例えばセパレータ１０やターミナル等に埋め込む）ことも可能である。要は、複数箇所における磁束密度分布を精度よく検出することができる配置とすることができれば足りる。この場合、従来用いられているセルモニタと上述の磁束センサ５とを併用することも可能である。また、上述のごとく燃料電池セルスタック２の周辺に磁束センサ５を配置することとした場合、各磁束センサ５を各セル３に直接接触させなくて済むために設置が容易だという利点がある。
【００４６】
また、セルスタック積層方向（図１４に示すＺ軸方向）において発電異常となりやすい部分（いわゆる特異部）の位置があらかじめある程度でも把握できているような場合にあっては、当該部分の近傍にのみ磁束センサ５を配置することも有効である。例示すれば、セルスタック２の両端部にのみ磁束センサ５を集中的に配置したり（図１５参照）、異種のセル３を同時に積層する際にはその界面付近に配置したりする等、個別の燃料電池１ごとに適宜配置を変えることが有効たりえる。こうした場合、燃料電池セルスタック２に対して全体的に磁束センサ５を配置することが不要となるためにセンサ数を低減できるという利点がある。
【００４７】
さらには、セルスタックのＸＹ面方向（上述のＺ軸に垂直な方向）における特異部にのみ磁束センサ５を集中的に配置することも有効となりうる。例えば、水の溜まりやすいカソード出口の近傍にのみ磁束センサ５を集中的に配置することができる（図１６参照）。
【００４８】
（２）磁界の測定結果から発電状態を判定する手法
まず、発電異常の判定方法について以下に示す。ここでは、まず通常発電状態における磁界分布を計測しておき、さらに、各発電異常発生状態（例えば突発的な水素不足、酸素不足、フラッディング、等）における磁界分布を別途計測しておき、あらかじめ計測しておいたこれらデータとの比較により判定を行うこととする。具体例を挙げると以下のとおりである。
・通常発電状態においては磁束のＺ軸方向成分がほとんど発生しないことに基づき、Ｚ軸方向成分が発生するかまたは増大した際には発電異常状態だと判定する。
・負荷（運転条件）変動時、他のセル３に比べて磁界分布変化の応答が遅いセル３が発生した際、上述の比較により発電異常状態にあると判定する。
・その他、他のセル３に対して著しく磁界分布が異なるセル３が発生した際も、上述の比較により発電異常状態にあると判定する。
【００４９】
続いて耐久劣化度合の判定方法の具体例を以下に示す。ここでいう耐久劣化度合とは、例えばＭＥＡの膜が分解して耐久性が劣化したような場合の当該劣化の度合を意味する。
・初期よりも磁界分布の変化がなく、セルスタック２全体の発電性能が低下していると考えられる場合には劣化が進行していると判定する。
・例えば膜劣化の早い部位がある等、長時間の使用にて特異的な部位の劣化が早いことが既知の燃料電池セルスタック２に関しては、別途劣化後の磁界分布を測定してデータをとっておき、当該データと比較することによって劣化を判定する。
・その他、時系列に応じ、多数のセル３にて同様の磁界分布変化が発生した場合にも上述のごとき比較を行いその結果に基づいて劣化度合を判定する。
【００５０】
（３）発電状態の判定を制御にフィードバックする手法
発電異常が検出された際の運転制御へのフィードバック方法について具体例を以下に示す。
・水素不足と判定した時 → 水素供給量の増量等を行う。
・酸素不足と判定した時 → 酸素（空気）供給量の増量等を行う。
・フラッディングが生じていると判定した時 → 出力制限等を行う。
・ドライな状態だと判定した時 → 加湿量増量もしくは酸素（空気）供給量減量を行う。
【００５１】
続いて耐久劣化判定値の利用およびフィードバックの具体例を以下に示す。
・劣化進行状況に基づいて燃料電池１（または燃料電池システム）の残寿命を推定する。
・耐久劣化進行状況を記憶しておき、サービスデータとして使用する。例えば点検時等にこのデータをチェックする。
・残寿命が少ない場合は警告（ウォーニング）を発信する。例えば燃料電池１車両である場合にはインパネ（インストルメントパネル）のウォーニングランプを点滅させる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（Ａ）は燃料電池セルスタックに割れが生じた場合の様子を示す側面からの概略図、（Ｂ）はかかる状態に対応した磁束密度の波形の一例を示すグラフである。
【図２】（Ａ）は燃料電池セルスタックに積層ずれが生じた場合の様子を示す側面からの概略図、（Ｂ）はかかる状態に対応した磁束密度の波形の一例を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は燃料電池セルスタックにクリープが生じた場合の様子を示す側面からの概略図、（Ｂ）はかかる状態に対応した磁束密度の波形の一例を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる診断方法の一例を示すフローチャートで、セパレータの割れ、積層ずれ、およびクリープ現象について順次検出し診断する場合について表したものである。
【図５】診断方法の基本原理を説明するための図で、燃料電池セルスタック内を貫くような形で外部にて形成される磁束線の様子を表したものである。
【図６】診断方法の基本原理を説明するための図で、燃料電池セルスタックを貫くように流れる電流によって形成される磁束線の様子を表したものである。
【図７】診断方法の基本原理を説明するための図で、燃料電池セルスタックにおける誘導電流によって形成される磁束線の様子を表したものである。
【図８】燃料電池セルスタックの各面に磁束センサを配置した場合の一例を示す（Ａ）側面図と（Ｂ）正面図である。
【図９】燃料電池セルスタックの各面に複数の磁束センサを配置した場合の一例を示す側面図である。
【図１０】磁場発生用コイルと検出用コイルとを配置した燃料電池セルスタックの一例を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態を示す図で、電流に起因して発生する磁界を利用し、燃料電池セルにおける短絡部位を特定しようとする燃料電池システムの構成例を表すものである。
【図１２】本発明の第３の実施形態における測定原理を示す概念図で、通常発電状態における燃料電池セルスタックの周辺における磁界の様子を表すものである。
【図１３】本発明の第３の実施形態における測定原理を示す概念図で、水素不足により水素出口付近の発電状態が顕著に悪化し、近辺の磁束密度が低下した様子を表すものである。
【図１４】燃料電池セルスタックの周辺に磁束センサを複数個配置してセルスタック周辺における全体的な磁束密度分布を測定可能とする場合の構成例を示す図である。
【図１５】燃料電池セルスタックの両端部にのみ磁束センサを集中的に配置するという構成例を示す図である。
【図１６】水の溜まりやすいカソード出口の近傍にのみ磁束センサを集中的に配置するという構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…燃料電池、２…セルスタック、３…セル、４…磁束検出手段、５…磁束センサ、６…電源、７…電圧印加電極、１０…セパレータ
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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