(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜の穴や薄肉化に伴う不具合（ガス漏れ）発生の前段階で、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持した燃料電池システムを提供する。【解決手段】コントローラ２０により、起動時の燃料電池スタック１２の電圧挙動、即ちガス投入時から所定の時間が経過した時に電圧測定装置３９で得られる各電圧値が所定のしきい値未満であるか否かに応じて、ガス拡散層の切れ（不良）の有無を判断する。【選択図】図１
2007311052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、
前記電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、
前記膜電極構造体を前記セパレータで挟持したセルを積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
起動時の前記燃料電池の電圧挙動に基づき、前記ガス拡散層の切れ（不良）を検知する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池のセル毎に、或いは、前記燃料電池の数セルに１つずつ設置される電圧測定手段を有し、
前記制御手段は、前記電圧測定手段で得られる各電圧に基づき、前記ガス拡散層の切れ（不良）を検知す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。
【請求項３】
前記制御手段は、前記電圧測定手段で得られる各電圧値が所定のしきい値未満であるか否かに応じて、前記ガス拡散層の切れ（不良）の有無を判断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、ガス投入時から所定の時間が経過した時に前記電圧測定手段で得られる各電圧値が所定のしきい値未満であるか否かに応じて、前記ガス拡散層の切れ（不良）の有無を判断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記ガス拡散層の切れ（不良）があると判断したとき、所定の報知手段を介して運転者にその旨を報知することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項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】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、固体高分子電解質膜の穴や薄肉化に伴う不具合（ガス漏れ）発生の前段階で、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極（アノード）で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極（カソード）で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
つまり、燃料電池の固体高分子電解質膜には、水素イオン（プロトン）を透過させる機能と、燃料極の燃料ガス（水素）と酸化剤極の酸化剤ガス（空気）とを分離させる機能がある。したがって、固体高分子電解質膜が劣化し、例えば細孔が開いてしまった場合、燃料極の燃料ガスが酸化剤極に漏洩し、或いは、酸化剤極の酸化剤ガスが燃料極に漏洩する可能性があり、このような場合には、燃料ガスと酸化剤ガスが反応して発熱し、燃料電池の劣化を促進させてしまう可能性がある。さらに、そのような状態で継続的に運転を続けることは、発電に寄与しない反応が連続的に起きていることから、燃料電池の発電効率の低下、つまりは燃費の悪化につながる。
【０００５】
そのため、燃料電池では固体高分子電解質膜の劣化による水素漏れまたは酸化剤ガス漏れが生じているときには早期にこれを発見し、固体高分子電解質膜の交換などの必要な措置を施さなければならない。
【０００６】
そこで、例えば特開２００３−０４５４６６号公報に開示の「燃料電池におけるガス漏れ検知方法」では、アノードに供給する燃料ガスの圧力をカソードに供給する酸化剤ガスの圧力よりも高く維持した状態で、活性化過電圧領域で出力電圧を測定し、該出力電圧が所定の電圧値以下であった場合にガス漏れが生じていると判定することとして、簡単かつ高精度にガス漏れを検知可能な技術が提供されている。
【特許文献１】特開２００３−０４５４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、固体高分子電解質膜に穴が空いている場合のガス漏れや、固体高分子電解質膜の薄肉化に伴うガス透過量（クロスリーク量）の増大（ガス漏れ）について検知できるものの、例えばガス拡散層に切れ（不良）があっても、固体高分子電解質膜に穴が孔くまで、或いは、固体高分子電解質膜の薄肉化がある程度進行するまでは検知できないという問題があった。
【０００８】
実際に、燃料電池においては、固体高分子電解質膜に穴が孔かなくともガス拡散層が切れることにより拡散性が低下して、その性能（電圧・出力）に異常をきたすが、その際に従来の検知方法では、固体高分子電解質膜に穴が孔くまでその異常の原因を特定できない。
【０００９】
また、クロスリークが発生してからでは、燃費性能が低下し、さらに電圧低下により出力が低下するという問題がある。また、クロスリーク量が大量になれば、運転継続不能になるという可能性もあり、さらに、水素ガスと空気の混合状態が発生して、燃料電池が劣化する懸念もある。
【００１０】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、固体高分子電解質膜の穴や薄肉化に伴う不具合（ガス漏れ）発生の前段階で、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持した燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を解決するため、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む電極触媒層およびガス拡散層と、を含む膜電極構造体と、前記電極触媒層の燃料極に水素を含む燃料ガスを、前記電極触媒層の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を備えたセパレータと、を有し、前記膜電極構造体を前記セパレータで挟持したセルを積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、起動時の前記燃料電池の電圧挙動に基づき、前記ガス拡散層の切れ（不良）を検知する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムでは、制御手段により、起動時の燃料電池の電圧挙動に基づき、ガス拡散層の切れ（不良）を検知するので、固体高分子電解質膜の穴や薄肉化に伴う不具合（ガス漏れ）発生の前段階で、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１は本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１２を備える。
【００１５】
また、水素供給系として、燃料タンク１、燃料供給ライン３、水素出口ライン５および圧力制御装置１４を備え、空気供給系として、空気供給ポンプ２、空気供給ライン４、空気出口ライン６および圧力制御装置１５を備え、冷却系として、冷却水出口ライン７、冷却水入口ライン８、冷却水ポンプ９および放熱装置１０を備えている。
【００１６】
また、燃料電池スタック１２は電池格納箱１１内に格納されて、電圧測定装置３９が付設されている。さらに、本実施例の燃料電池システムは、水素供給系、空気供給系、冷却系の各種センサや電圧測定装置３９からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却系の各構成要素の制御を行うコントローラ２０を備えた構成である。
【００１７】
燃料電池スタック１２は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１２の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１８】
燃料電池スタック１２の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１９】
本実施例の燃料電池スタック１２の燃料電池単セル３０の構成の概略を図２に示す。 固体高分子電解質膜を電極触媒層（アノード触媒層およびカソード触媒層）ではさんで膜電極接合体（ＭＥＡ）３１を形成し、さらに外側からガス拡散層（アノードガス拡散層３２およびカソードガス拡散層３３）ではさみ、燃料極（アノード）側には水素（燃料ガス）供給用のガス流路を表面に設けたアノードセパレータ３４、酸化剤極（カソード）側には空気（酸化剤ガス）供給用のガス流路を表面に設けたカソードセパレータ３５が取り付けられている。また、図中、３６は水素流路、３７は空気流路、３８は冷却水流路である。
【００２０】
また、燃料電池スタック１２の各発電セルの電圧は、電圧測定装置３９によってモニタリングされており、その情報が燃料電池システム全体の動作制御を司るコントローラ２０に送られている。なお、図２では、燃料電池スタック１２がＮ個のセル（Ｎは任意の正整数）で構成される場合に、電圧センサ３９−１〜３９−Ｎをセル毎に１つずつ設置して電圧測定装置３９を構成しているが、電圧センサ３９−１〜３９−Ｍ（Ｍ＝Ｎ／Ｑ）をＱセル毎に１つずつ設置して構成してもよい。
【００２１】
燃料電池スタック１２で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気をそれぞれ各発電セルの燃料極（アノード）や酸化剤極（カソード）に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。空気供給系では、空気供給ポンプ２によって圧縮された空気は、空気供給ライン４を通り、圧力制御装置１５で所望の圧力に調圧されて燃料電池スタック１２の酸化剤極に送られる。また、水素供給系では、燃料タンク１から供給される水素は、水素供給ライン３を通り、圧力制御装置１４で所望の圧力に調圧されて燃料電池スタック１の燃料極に送られる。
【００２２】
また、冷却系では、燃料電池スタック１２の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池スタック１２を適温に保つ。 冷却水ポンプ９により冷却水入口ライン８を介して圧送された冷却水は、燃料電池スタック１２を通って熱を吸収した後、冷却水出口ライン７を通り、放熱装置１０でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ９で燃料電池スタック１２へ圧送される。また温度センサ等で冷却水温度をモニタしながら、冷却水ポンプ９により冷媒循環流量を制御して、燃料電池スタック１２の発電に適正な温度に調整される。
【００２３】
さらに、コントローラ２０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インタフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、水素供給系、空気供給系および冷却系の各種センサや電圧測定装置３９からの検知信号を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００２４】
ここで、コントローラ２０は、本発明の特徴的な構成要素として、ガス投入時から所定の時間が経過した時に電圧測定装置３９で得られる各電圧値が所定のしきい値未満であるか否かに応じて、ガス拡散層（アノードガス拡散層３２およびカソードガス拡散層３３）の切れ（不良）の有無を判断する制御手段を備えているが、これはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。
【００２５】
さらに、本実施例の燃料電池システムには、コントローラ２０からの異常信号に従って運転者にガス拡散層（アノードガス拡散層３２およびカソードガス拡散層３３）の切れ（不良）の発生を知らせる報知手段２１を備えている。
【００２６】
つまり、ガス投入時から所定の時間が経過した時に電圧測定装置３９で得られる各電圧の電圧が所定のしきい値未満の場合には、ガス拡散層（アノードガス拡散層３２およびカソードガス拡散層３３）の切れ（不良）があると判断されて、コントローラ２０は報知手段２１に異常信号を発し、報知手段２１を介して運転者にその旨を報知する。
【００２７】
報知手段２１としては、例えば簡単な構成として所定の警告ランプを点灯させるものであってもよく、また、表示パネル上に警告メッセージを出力したり、表示パネル上の特定マークや特定語を識別表示したり、或いは、その旨の警告音声メッセージを出力したりする構成など、種々のものが考えられる。
【００２８】
次に、本実施例の燃料電池システムの具体的な動作説明を行う前に、図３および図４を参照して、本実施例におけるガス拡散層の切れ（不良）の判断手法について原理的な説明をしておく。ここで、図３はガス拡散層の切れ（不良）を模式的に説明する膜電極接合体（ＭＥＡ）３１およびガス拡散層の断面図であり、図４はガス拡散層の切れが無い正常品とガス拡散層の切れがある不良品の起動時における開回路電圧（ＯＣＶ）の時間的推移を説明する説明図である。
【００２９】
まず、図３の断面図を参照して、正常（ガス拡散層の切れが無い）時と異常（ガス拡散層の切れが有る）時におけるガス拡散層（アノードガス拡散層３２またはカソードガス拡散層３３；図中ＧＤＬと略記する）のガス拡散について考察する。
【００３０】
（考察１）ガス拡散層に切れ（亀裂）が発生することにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）３１に接触する面積が低下することとなり、ガスの拡散性が低下する。
【００３１】
（考察２）ガス拡散層の内部を透過するよりも、ガス拡散層の切れ部（亀裂部）の方が圧損が少なく、ガス拡散層の切れ部（亀裂部）をガスが通過することとなって、ガス拡散層の内部のガスの透過量が減少し、ガスの拡散性が低下する。
【００３２】
つまり、正常時（図３（ａ）参照）にはガス拡散層の内部をガスが均一に拡散するが、ガス拡散層に切れ（亀裂）が発生（図３（ｂ）参照）することにより、ガス拡散層の切れ部（亀裂部）にガスが流れ（ガス拡散層から隙間に漏れる分と隙間を吹き抜ける分など）、膜電極接合体（ＭＥＡ）３１に届くガス流量が減り、性能が低下する。
【００３３】
これらの考察から、ガス拡散層の切れが有る不良品の起動時における開回路電圧（ＯＣＶ）の時間的推移は、ガス拡散層の切れが無い正常品に比べて、電圧立ち上がり速度が遅いと考えられる。
【００３４】
実際に、図４に示す実験結果でも、ガス拡散層の切れがある不良品の起動時における開回路電圧（図中、一点鎖線）の電圧立ち上がり速度は、ガス拡散層の切れが無い正常品の開回路電圧（図中、実線）の電圧立ち上がり速度よりも遅いことが示されている。
【００３５】
なお、図４のガス拡散層の切れが有る不良品の開回路電圧（ＯＣＶ）の時間的推移において、電圧上昇時に息継ぎ（図中、Ａ→Ｂ）のような挙動を持つのは、次のような理由によると考えられる。
【００３６】
すなわち、上記考察１および考察２により、ガス拡散層の切れが有る不良品では拡散性が低下し、膜電極接合体（ＭＥＡ）３１にガスが到達する速度が遅くなっており、そのため、ガス投入時に、最初に膜電極接合体（ＭＥＡ）３１面まで到達したガスが消費され、その後のガスが到達するまで時間遅れが生じ、電圧が一旦上昇するが途中（Ａ）で一旦落ち着くまたは低下する挙動を持つと考えられる。
【００３７】
以上のように、ガス拡散層の切れが有る不良品の起動時における開回路電圧（ＯＣＶ）の時間的推移は、ガス拡散層の切れが無い正常品に比べて、電圧立ち上がり速度が遅いという特徴に着目して、本発明では、制御手段により、ガス投入時から所定の時間が経過した時に電圧測定装置３９で得られる各電圧の電圧が所定のしきい値未満であるとき、ガス拡散層（アノードガス拡散層３２およびカソードガス拡散層３３）に切れ（不良）有りと判断する。
【００３８】
次に、本実施例の燃料電池システムにおけるガス拡散層の切れ（不良）の判断手法について、図５〜図８を参照しながら簡単に説明する。ここで、図５、図７および図８は本実施例の燃料電池システムにおけるガス拡散層の切れ（不良）の判断手順を説明するフローチャートであり、図６はガス拡散層の切れ（不良）の判定タイミングを例示するタイミングチャートである。
【００３９】
図５のフローチャートは、ガス拡散層の切れ（不良）の判断のみを行う手順を示す。まず、ガス投入後に、電圧測定装置３９から開回路電圧（ＯＣＶ）を読み込み（ステップＳ１０１）、その時の電圧挙動によりガス拡散層の切れ（不良）の判断を行う（ステップＳ１０２）。正常と判断された場合には負荷取り出しＯＫ（運転開始ＯＫ）として（ステップＳ１０３）、起動制御を継続し所定の起動制御を終えた後に通常運転に移行する。また、異常と判断された場合には運転を終了する。
【００４０】
なお、ステップＳ１０２におけるガス拡散層の切れ（不良）の判断は、次のようにして行う。すなわち、図６に示すように、ガス供給を開始して（時刻Ｔ１）から所定時間を経過した判定タイミング（時刻Ｔｓ）で、電圧測定装置３９で得られる各電圧の電圧が所定のしきい値Ｖｔｈ未満であるとき、ガス拡散層に切れ（不良）有りと判断する。
【００４１】
ここで、判定タイミング（時刻Ｔｓ）は、例えば、燃料電池スタック１２のスタック出口に供給ガスが届く時間（即ち、燃料電池スタック１２全体にガスが行き渡った時間）か、或いは、燃料電池スタック１２の全ての燃料電池単セルの開回路電圧（ＯＣＶ）が立ち上がって定常値となるまでの時間として、予め実験（またはシミュレーション実験）により求めた値、或いは、当該燃料電池システムの各部の構造上および性能上のスペックから推定した値を用いる。
【００４２】
また、しきい値Ｖｔｈは、例えば、ガス拡散層の切れが無い正常品における開回路電圧（ＯＣＶ）の（立ち上がった）定常値よりも２００［ｍＶ／ｃｅｌｌ］だけ低い値として、開回路電圧（ＯＣＶ）の定常値からの乖離値を使用する。なお、乖離値２００［ｍＶ／ｃｅｌｌ］は一例であり、燃料電池スタック１２（燃料電池単セル３０）の構造上および性能上のスペック等に基づき予め設定されるものである。
【００４３】
また、ステップＳ１０２の判断は、開回路電圧（ＯＣＶ）の定常値と電圧測定装置３９で得られる各電圧との差を、乖離値２００［ｍＶ／ｃｅｌｌ］と比較して、乖離値２００［ｍＶ／ｃｅｌｌ］よりも大きければガス拡散層に切れ（不良）有りと判断するようにしてもよい。つまり、ガス拡散層の切れが有る不良品の起動時における開回路電圧（ＯＣＶ）の立ち上がりが、ガス拡散層の切れが無い正常品に比べて遅いことを定義できる方法であるならばいかなる方法でもかまわない。
【００４４】
次に、図７を参照して、ガス拡散層の切れ（不良）有りと判断されたとき、運転者にその旨を報知する場合の手順について説明する。
【００４５】
まず、ガス投入後に、電圧測定装置３９から開回路電圧（ＯＣＶ）を読み込み（ステップＳ２０１）、その時の電圧挙動によりガス拡散層の切れ（不良）の判断を行う（ステップＳ２０２）。正常と判断された場合には負荷取り出しＯＫ（運転開始ＯＫ）として（ステップＳ２０３）、起動制御を継続し所定の起動制御を終えた後に通常運転に移行する。また、異常と判断された場合には、報知手段２１を介してガス拡散層の切れ（不良）が有る旨を運転者に報知して（ステップＳ２０４）、運転を終了する。
【００４６】
なお、ステップＳ２０２におけるガス拡散層の切れ（不良）の判断は、ステップＳ１０２と同様である。
【００４７】
さらに、図８を参照して、ガス拡散層の切れ（不良）有りと判断されたとき、差圧診断を合わせて行う場合の手順について説明する。
【００４８】
まず、ガス投入後に、電圧測定装置３９から開回路電圧（ＯＣＶ）を読み込み（ステップＳ３０１）、その時の電圧挙動によりガス拡散層の切れ（不良）の判断を行う（ステップＳ３０２）。正常と判断された場合には負荷取り出しＯＫ（運転開始ＯＫ）として（ステップＳ３０４）、起動制御を継続し所定の起動制御を終えた後に通常運転に移行する。
【００４９】
また、ガス拡散層の切れ（不良）有りと判断された場合には、差圧診断を行い、膜電極接合体（ＭＥＡ）３１（以下、膜と略す）の穴孔きによるクロスリークが発生しているか否かを判断する（ステップＳ３０３）。差圧診断によりクロスリークが発生していなければガス拡散層の切れ（不良）のみ発生しているとして運転を終了し（ステップＳ３０５）、差圧診断によりクロスリークが発生していればガス拡散層の切れ（不良）の発生のみならず膜に穴が孔いているとして運転を終了する（ステップＳ３０６）。
【００５０】
なお、ステップＳ３０２におけるガス拡散層の切れ（不良）の判断は、ステップＳ１０２と同様である。また、ステップＳ３０３における差圧診断は、例えば特許文献１に開示されているものと同様であり、燃料極の圧力を酸化剤極の圧力に対して高めてやり、開回路電圧（ＯＣＶ）が低下したらガス拡散層の切れ（不良）のみならず膜に穴が孔いていると判断し、開回路電圧（ＯＣＶ）が下がらなければガス拡散層の切れ（不良）のみ発生していると判断する。
【００５１】
このように、差圧診断を合わせて行うことにより、ガス拡散層の切れ（不良）有りと判断した場合に、ガス拡散層の切れ（不良）がどの程度進行しているのかを検知することができる。つまり、万が一、ガス拡散層の切れ（不良）のみならず膜まで切れた場合でも検知することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜を電極触媒層ではさんで膜電極接合体（ＭＥＡ）３１を形成し、さらに外側からガス拡散層（アノードガス拡散層３２およびカソードガス拡散層３３）ではさみ、燃料極（アノード）側には水素（燃料ガス）供給用のガス流路を表面に設けたアノードセパレータ３４を、酸化剤極（カソード）側には空気（酸化剤ガス）供給用のガス流路を表面に設けたカソードセパレータ３５をそれぞれ取り付けたセルを積層し、前記燃料極および前記酸化剤極にそれぞれ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１２を備える燃料電池システムにおいて、制御手段（コントローラ２０）により、起動時の燃料電池スタック１２の電圧挙動に基づき、ガス拡散層の切れ（不良）を検知する。
【００５３】
これにより、固体高分子電解質膜の穴や薄肉化に伴う不具合（ガス漏れ）発生の前段階で、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持した燃料電池システムを実現できる。
【００５４】
また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１２のセル毎に、或いは、燃料電池スタック１２の数セルに１つずつ設置される電圧測定装置３９を備えて構成し、制御手段（コントローラ２０）により、電圧測定装置３９で得られる各電圧に基づき、ガス拡散層の切れ（不良）を検知する。より具体的には、制御手段（コントローラ２０）により、電圧測定装置３９で得られる各電圧値が所定のしきい値未満であるか否かに応じて、ガス拡散層の切れ（不良）の有無を判断する。また、制御手段（コントローラ２０）により、ガス投入時から所定の時間が経過した時に電圧測定装置３９で得られる各電圧値が所定のしきい値未満であるか否かに応じて、ガス拡散層の切れ（不良）の有無を判断する。
【００５５】
このように、起動時の燃料電池スタック１２の開回路電圧（ＯＣＶ）の立ち上がり挙動を観察することにより、ガス拡散層の切れが有る不良品の起動時における開回路電圧（ＯＣＶ）の時間的推移は、ガス拡散層の切れが無い正常品に比べて、電圧立ち上がり速度が遅いという観点から、ガス投入時から所定の時間が経過した時に電圧測定装置３９で得られる各電圧の電圧が所定のしきい値未満であるとき、ガス拡散層に切れ（不良）有りと判断でき、結果として、早期にガス拡散層の切れ（不良）等の不具合を検知して、高い信頼性を維持できる。
【００５６】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、制御手段（コントローラ２０）によりガス拡散層の切れ（不良）があると判断したとき、報知手段２１を介して運転者にその旨を報知する。これにより、運転者は速やかに不具合の状況を知ることができるので、ガス拡散層の切れ（不良）時の対応を取ることができる。
【００５７】
以上説明したように、ガス拡散層の切れ（不良）を検知することにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）３１（以下、膜と略す）の穴孔きに至る前に不具合を検知することができ、結果として、膜の穴孔きを未然に防ぐことができるが、単にガス拡散層の切れ（不良）による出力低下を検知しているだけではなく、２次的な予防効果も望める。
【００５８】
つまり、本実施例による副次的な効果としては、クロスリーク前に不良診断できることで燃費改善が期待でき、また、ガス拡散層の切れ（不良）による拡散性の低下による出力低下は、膜の穴孔き時の出力低下と比較して軽微であることから、さらなる出力低下も未然に防止できる。
【００５９】
また、膜に穴が孔くことにより、酸化剤と燃料が同一極内で混在することになり、カーボン腐食等の劣化を招くことになる。さらに、酸化剤と燃料の混合状態は、セパレータ流路を通じて不良部位だけでなく近辺の正常な部位にまで到達し、それにより正常な燃料電池単セルにおいてもカーボン腐食が発生し、劣化が進行してしまう。
【００６０】
これに対して本実施例では、膜の穴孔き前に不具合を診断することにより、正常な燃料電池単セルまで巻き込んだ劣化を防止することができ、メンテナンス性の向上にもつながる。つまり、ガス拡散層の切れ（不良）の場合には、不良と判断されたガス拡散層さえ交換すれば正常に発電可能となるが、膜穴孔きに至った場合には、カーボン腐食により近辺の燃料電池単セルのみならず、セパレータにカーボンを使用している場合にはセパレータの交換も要するため、結果として、メンテナンス時のコストは何倍も大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施例の燃料電池スタック１２の燃料電池単セル３０の概略構成図である。
【図３】ガス拡散層の切れ（不良）を模式的に説明する膜電極接合体（ＭＥＡ）３１およびガス拡散層の断面図である。
【図４】ガス拡散層の切れが無い正常品とガス拡散層の切れがある不良品の起動時における開回路電圧（ＯＣＶ）の時間的推移を説明する説明図である。
【図５】実施例の燃料電池システムにおけるガス拡散層の切れ（不良）の判断手順を説明するフローチャート（その１）である。
【図６】ガス拡散層の切れ（不良）の判定タイミングを例示するタイミングチャートである。
【図７】実施例の燃料電池システムにおけるガス拡散層の切れ（不良）の判断手順を説明するフローチャート（その２）である。
【図８】実施例の燃料電池システムにおけるガス拡散層の切れ（不良）の判断手順を説明するフローチャート（その３）である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料タンク
２  空気供給ポンプ
３  燃料供給ライン
４  空気供給ライン
５  水素出口ライン
６  空気出口ライン
７  冷却水出口ライン
８  冷却水入口ライン
９  冷却水ポンプ
１０  放熱装置
１１  電池格納箱
１２  燃料電池スタック
１４，１５  圧力制御装置
２０  コントローラ
２１  報知手段
３０  燃料電池単セル
３１  膜電極接合体（ＭＥＡ）
３２  アノードガス拡散層
３３  カソードガス拡散層
３４  アノードセパレータ
３５  カソードセパレータ
３６  水素流路
３７  空気流路
３８  冷却水流路
３９  電圧測定装置
３９−ｉ〜３９−ｋ  電圧センサ
【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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