(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続した複数のセルを有する燃料電池の不具合判定装置であって、
電気化学反応に供するためのガスを燃料電池に供給するガス供給部と、
前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を検出するガス流量検出部と、
前記燃料電池を構成する各々の前記セルの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が所定の目標電圧以上となるように、前記燃料電池の目標電流を設定する目標電流設定部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部を有し、前記燃料電池が前記目標電流を出力するように負荷条件を制御する出力制御部と、
前記ガス流量検出部が検出したガス流量から得られる電流の最大値として算出される理論最大電流と、前記電流検出部が検出した前記出力電流とに基づいて、前記燃料電池におけるガス利用率を算出する利用率算出部と、
前記利用率算出部が算出した前記ガス利用率が所定の基準値以下の時に、前記燃料電池において不具合があると判定する判定部と
を備える不具合判定装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の不具合判定装置であって、
前記出力電圧検出部は、各々の前記セルの出力電圧のうちの最低値である最低セル電圧を検出し、
前記目標電流設定部は、前記最低セル電圧と前記目標電圧との差に基づいて、前記目標電流を補正する
不具合判定装置。
【請求項３】
請求項２記載の不具合判定装置であって、
前記目標電流設定部は、前記最低セル電圧が、前記目標電圧により近づくように、前記目標電流を設定する
不具合判定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の不具合判定装置であって、
前記目標電流設定部は、前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、前記理論最大電流を補正して前記目標電流を設定する
不具合判定装置。
【請求項５】
請求項１ないし３いずれか記載の不具合判定装置であって、
前記目標電流設定部は、前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、現在の出力電流を補正して前記目標電流を設定する
不具合判定装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の不具合判定装置であって、
前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部をさらに備え、
前記ガス供給部は、
前記燃料電池に供給する前記ガスの流量を変動させる流量調節部と、
前記燃料電池に供給する前記ガスの湿度を調節するガス湿度調節部と
を備える
不具合判定装置。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか記載の不具合判定装置であって、
前記利用率算出部は、所定の時間、算出した前記ガス利用率を積算する利用率積算部を備え、
前記判定部は、前記利用率積算部が積算したガス利用率に基づいて、前記燃料電池における不具合の有無を判定する
不具合判定装置。
【請求項８】
直列に接続した複数のセルを有する燃料電池の不具合判定方法であって、
（ａ）電気化学反応に供するためのガスを燃料電池に供給する工程と、
（ｂ）前記燃料電池に供給されるガス流量を検出する工程と、
（ｃ）前記燃料電池を構成する各々の前記セルの出力電圧を検出する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程で検出した前記出力電圧が所定の目標電圧以上となるように、前記燃料電池の目標電流を設定する工程と、
（ｅ）前記燃料電池の出力電流を検出しつつ、前記燃料電池が前記目標電流を出力するように、負荷条件を制御する工程と、
（ｆ）前記（ｂ）工程で検出したガス流量から得られる電流の最大値として算出される理論最大電流と、前記（ｅ）工程で検出した出力電流とに基づいて、前記燃料電池におけるガス利用率を算出する工程と、
（ｇ）前記（ｆ）工程で算出した前記ガス利用率が所定の基準値以下の時に、前記燃料電池において不具合があると判定する工程と
を備える不具合判定方法。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の不具合判定方法であって、
前記（ｃ）工程は、各々の前記セルの出力電圧のうちの最低値である最低セル電圧を検出し、
前記（ｄ）工程は、前記（ｃ）工程で検出した前記最低セル電圧と前記目標電圧との差に基づいて、前記目標電流を補正する
不具合判定方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の不具合判定方法であって、
前記（ｃ）工程で検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、前記理論最大電流を補正して前記目標電流を設定する
不具合判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に不具合があるか否かを判定するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池が不具合を有しているか否かを判定する方法として、燃料電池で発電を行なわせて、実際に使用される状態に近い状態で不都合が生じるかどうかによって判定する方法がある。燃料電池が不具合を有している場合には、発電を行なわせたときに、望ましくない程度に電圧が低下してしまうといった問題が生じることにより、上記判定を行なうことができる。
【０００３】
このような不具合の判定方法として、燃料電池に供給されたガスのうちで電気化学反応に利用されたガスの割合であるガス利用率を、限界値近くにまで大きくして、そのときの電圧変化を測定する方法が提案されている（例えば特開平８−７９１１号公報等）。このような方法によれば、ガス利用率を大きくするのに伴って出力電圧が低下する際に、電圧変化が設定値を超えることによって、燃料電池が不具合を有すると判断される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように燃料電池の電圧変化によって不具合の有無を判定する場合には、実際に望ましくない程度に出力電圧が低下することによって始めて、不具合があると判定できる。そのため、不具合があると判定されるときには、電圧低下に伴って燃料電池が劣化してしまうおそれがあった。
【０００５】
また、このように実際に発電を行なう場合には、発電に伴って生じる不測の状態に起因して、本来構造的には不具合のない燃料電池においても、充分な発電性能が得られなくなる場合がある。例えば、燃料電池内部の温度やガス湿度が変化すると、これに伴って燃料電池内部に凝縮水が生じてガス流路を塞ぎ、電池性能を低下させてしまうことがある。このような燃料電池を用いて発電を行なうと、望ましくない程度に出力電圧が低下して、本来不具合のない燃料電池であっても、不具合があると判定されてしまうことになる。そして、このように望ましくない程度に電圧が低下することによって、本来不具合のない燃料電池を劣化させてしてしまうおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池における不具合の有無を判定する際に、望ましくない程度に出力電圧を低下させることなく、上記判定を行なう技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、直列に接続した複数のセルを有する燃料電池の不具合判定装置であって、
電気化学反応に供するためのガスを燃料電池に供給するガス供給部と、
前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を検出するガス流量検出部と、
前記燃料電池を構成する各々の前記セルの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が所定の目標電圧以上となるように、前記燃料電池の目標電流を設定する目標電流設定部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部を有し、前記燃料電池が前記目標電流を出力するように負荷条件を制御する出力制御部と、
前記ガス流量検出部が検出したガス流量から得られる電流の最大値として算出される理論最大電流と、前記電流検出部が検出した前記出力電流とに基づいて、前記燃料電池におけるガス利用率を算出する利用率算出部と、
前記利用率算出部が算出した前記ガス利用率が所定の基準値以下の時に、前記燃料電池において不具合があると判定する判定部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池の不具合判定装置では、燃料電池において不具合がある場合には、燃料電池を構成する各々のセルの出力電圧はより低くなろうとするが、この出力電圧が所定の目標電圧以上となるように、燃料電池の目標電流が設定される。そして、このような目標電流が燃料電池から出力されるように、負荷条件が制御され、このときのガス利用率に基づいて、燃料電池における不具合の有無が判定される。
【０００９】
このような燃料電池の不具合判定装置によれば、燃料電池を構成する各々のセルの出力電圧を望ましくない程度に低下させることなく、燃料電池における不具合の有無を判定することができる。そのため、燃料電池における不具合の有無を判定する際に、燃料電池を構成する各々のセルの出力電圧が低下することによって、燃料電池が劣化してしまうことがない。なお、ガス利用率とは、燃料電池に供給されたガスのうちで電気化学反応に利用されたガスの割合のことである。この値は、例えば、供給ガスが１００％の効率で電気化学反応に利用されたと仮定したときに得られる電流に対する、実際の出力電流の割合として求めることができる。
【００１０】
ここで、出力電圧検出部が検出した前記出力電圧が前記目標電圧以上となるように前記目標電流を設定するとは、実際には、出力電圧が目標電圧を下回ることがあっても良い。出力電圧が目標電圧以上となるように目標電流を設定する動作は、出力電圧が目標電圧を下回った場合に、この出力電圧を目標電圧以上にしようとする動作を含むものとする。
【００１１】
本発明の燃料電池の不具合判定装置において、
前記出力電圧検出部は、各々の前記セルの出力電圧のうちの最低値である最低セル電圧を検出し、
前記目標電流設定部は、前記最低セル電圧と前記目標電圧との差に基づいて、前記目標電流を補正することとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、燃料電池を構成する複数のセルの内、いずれか一つでも不具合を有している場合には、その不具合が最低セル電圧の低下として現われる。このような場合には、最低セル電圧が目標電圧以上となるように目標電流を設定することで、ガス利用率が低下するため、直ちに、いずれかのセルにおいて不具合があると判定することができる。
【００１３】
このような燃料電池の不具合判定装置において、
前記目標電流設定部は、前記最低セル電圧が、前記所定の目標電圧により近づくように、前記目標電流を設定することとしても良い。
【００１４】
このような場合には、燃料電池の最低セル電圧が目標電圧よりも高いときには、最低セル電圧を目標電圧に近づけるために、より大きな目標電流が設定される。そのため、最低セル電圧が目標電圧よりも高いときには、ガス利用率がより高くなるように制御が行なわれる。
【００１５】
本発明の燃料電池の不具合判定装置において、
前記目標電流設定部は、前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、前記理論最大電流を補正して前記目標電流を設定することとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、供給ガス量に応じて、燃料電池の出力電流を制御することができる。
【００１７】
また、本発明の不具合判定装置において、
前記目標電流設定部は、前記出力電圧検出部が検出した出力電圧が前記目標電圧以上となるように、現在の出力電流を補正して前記目標電流を設定することとしても良い。
【００１８】
このように、現在の出力電流を補正して、検出した出力電圧が目標電圧以上となるように目標電流を設定する動作を繰り返すことにより、燃料電池の出力電圧が望ましくない程度に低下しない状態を常に保つことができる。
【００１９】
本発明の不具合判定装置において、
前記燃料電池の内部温度を調節する温度調節部をさらに備え、
前記ガス供給部は、
前記燃料電池に供給する前記ガスの流量を変動させる流量調節部と、
前記燃料電池に供給する前記ガスの湿度を調節するガス湿度調節部と
を備えることとしても良い。
【００２０】
このような構成とすれば、燃料電池の内部温度と供給ガスの湿度とについて、特定の条件を設定した上で、供給ガス量を変動させた状態での不具合の判定を行なうことができる。
【００２１】
また、本発明の不具合判定装置において、前記判定部は、前記ガス利用率が所定の基準値以下の時に、不具合があると判断することとしても良い。このような構成とすれば、画一的な判断基準で、燃料電池における不具合の有無を判定することができる。
【００２２】
さらに、本発明の不具合判定装置において、
前記利用率算出部は、所定の時間、算出した前記ガス利用率を積算する利用率積算部を備え、
前記判定部は、前記利用率積算部が積算したガス利用率に基づいて、前記燃料電池における不具合の有無を判定することとしても良い。
【００２３】
設定した目標電流を燃料電池が出力するように制御する場合には、このような制御の動作において遅れが生じることが考えられる。この制御動作の遅れのように、燃料電池の不具合とは関わりのない原因によって、ガス利用率が一時的に低下することも考えられる。上記のような構成とすれば、積算したガス利用率を用いるため、燃料電池の不具合以外の原因による一時的なガス利用率の変動の影響を受けずに、判定を行なうことができる。
【００２４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の不具合判定方法などの形態で実現することが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
Ｂ．燃料電池４０の出力電流制御：
Ｃ．不具合判定の動作：
Ｄ．変形例：
【００２６】
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池４０と、冷却部４４と、燃料ガス供給部１２０と、酸化ガス供給部１３０とを備えている。また、上記燃料電池４０における不具合の有無を判定するために、燃料電池システム１０と共に、出力調整部４６と、制御部５０とが設けられている。
【００２７】
燃料電池４０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有している。本実施例では、燃料電池４０として、固体高分子型燃料電池を用いたが、他種の燃料電池を用いることとしても良い。この燃料電池４０には、各単セルの電圧を測定するためのセル電圧センサ４２が設けられている。
【００２８】
冷却部４４は、燃料電池４０を冷却するための冷却水を、燃料電池４０との間で循環させるための装置である。燃料電池４０において電気化学反応が進行する際には、この反応に伴って熱が生じるため、本実施例では、冷却部４４を用いて冷却水を循環させて燃料電池４０を冷却し、燃料電池４０の運転温度を所定の範囲に保っている。冷却水は、冷却水流路４５によって、燃料電池４０の内部と冷却部４４との間を循環するように導かれる。そして、燃料電池４０の内部において燃料電池４０と熱交換することで昇温する動作と、冷却部４４において降温される動作とを繰り返す。冷却部４４は、このように冷却水を循環させるためのポンプと、冷却水を降温させるためのラジエータとを備えている（図示せず）。冷却部４４では、上記ラジエータによって降温させる冷却水の量と、燃料電池４０内に供給する冷却水の流量とを制御することによって、燃料電池４０の内部温度が所望の温度となるように調節する。
【００２９】
燃料ガス供給部１２０は、燃料ガス供給源２０と燃料ガス用配管２１とを有しており、燃料電池４０内部の燃料ガス流路に、水素を含有する燃料ガスを供給する。本実施例では、燃料ガスとして水素ガスを用いており、燃料ガス供給源２０としては、水素ボンベを用いることとした。あるいは、水素吸蔵合金を備え、この水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵する水素タンクを用いることとしても良い。また、燃料ガスとして改質ガスを用い、燃料ガス供給源２０は、炭化水素などの燃料から得られる改質ガスを供給する装置とすることも可能である。燃料ガス用配管２１には、圧力調整弁２２と、ガスフローメータ２４と、加湿部２６と、圧力センサ２８とが設けられている。
【００３０】
加湿部２６は、燃料ガス用配管２１を流れる水素を、燃料電池４０に供給するのに先立って、所望の湿度にまで加湿するための装置である。本実施例の加湿部２６は、上記水素の流路と、この水素を加湿するための温水の流路とを、水蒸気透過性を備える中空子膜によって隔てた構造を有している。水素の流量や、温水の温度を制御することによって、所望の湿度に水素を加湿することが可能となる。
【００３１】
酸化ガス供給部１３０は、ブロワ３０と酸化ガス用配管３１とを有しており、燃料電池４０内部の酸化ガス流路に、酸化ガスとして空気を供給する。酸化ガス用配管３１には、燃料ガス用配管２１と同様に、圧力調整弁３２と、ガスフローメータ３４と、加湿部３６と、圧力センサ３８とが設けられている。
【００３２】
出力調整部４６は、大きさを調節可能な負荷を備えており、燃料電池４０の両端子に接続している。また、出力調整部４６と燃料電池４０の端子とを接続する配線４７には、燃料電池４０の出力電流を測定する電流計４８が設けられている。このような構成とすることで、出力調整部４６は、内部に備える負荷の大きさを調節しつつ燃料電池４０に電圧を印加して、燃料電池４０から出力させる電流の大きさが所望の値となるように制御する。
【００３３】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部５０は、既述したセル電圧センサ４２や、ガスフローメータ２４，３４や、圧力センサ２８，３８による検出信号を取得する。また、冷却部４４や圧力調整弁２２，３２、加湿部２６，３６やブロワ３０、あるいは出力調整部４６などに駆動信号を出力する。
【００３４】
Ｂ．燃料電池４０の出力電流制御：
図２は、燃料電池４０の出力電流制御の構成を示すブロック図である。制御部５０は、電流値算出部５２と、第１の減算器５４と、第２の減算器５６と、ＰＩ補償部５８とを有している。
【００３５】
図３は、燃料電池４０の出力電流を制御するために実行されるＦＣ電流制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池４０の運転を行なう際に、制御部５０において所定の時間ごとに実行される。本ルーチンが実行されると、電流値算出部５２が、ガスフローメータ２４，３４が検出したガス流量を取得して（ステップＳ１００）、燃料電池４０が理論的に出力可能な理論最大電流Ｉmax を算出する（ステップＳ１１０）。理論最大電流Ｉmax の算出方法を以下に説明する。
【００３６】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                     …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ    …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ             …（３）
【００３７】
上記（１）式は燃料電池４０のアノードで進行する反応を、（２）式はカソードで進行する反応を表わし、燃料電池４０全体では（３）式の反応が進行する。ここで、上記した各電極で進行する反応と、ガスフローメータ２４，３４が検出したガス量とから、各電極における理論最大電流（アノードにおける理論最大電流ＩH と、カソードにおける理論最大電流ＩAIR ）とを求める。ここで、各電極における理論最大電流とは、それぞれの電極に供給されるガスが１００％の効率で電気化学反応に利用されたと仮定したときに得られる電流を、上記（１）、（２）式に基づいて算出した電流である。この各電極における理論最大電流を求める式を以下に示す。
【００３８】
ＩH ＝ｆH ×（２Ｆ／６０）                        …（４）
ＩAIR ＝ｆAIR ×（４Ｆ／６０）×（２１／１００）  …（５）
ただし、ｆH は水素流量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、
ｆAIR は空気流量（ｍｏｌ／ｍｉｎ）、
Ｆは、ファラデー常数、
を表わし、空気中の酸素の割合を２１％とした。
【００３９】
実際に出力される電流は、燃料ガスと酸化ガスとのうち、より少ない方の流量によって定まるため、燃料電池４０によって出力可能な理論最大値Ｉmax としては、上記ＩH およびＩAIR のうちの小さい方の値が選択される。すなわち、
ＩH ＞ＩAIR の時、Ｉmax ＝ＩAIR 、
ＩH ≦ＩAIR の時、Ｉmax ＝ＩH となる。
【００４０】
理論最大電流Ｉmax を算出すると、次に電流値算出部５２は、この理論最大電流Ｉmax に基づいて、第１の目標電流Ｉfcr を算出する（ステップＳ１２０）。第１の目標電流Ｉfcr は、上記理論最大電流Ｉmax に対して、予め定めた所定の安全係数を乗じることによって求める。理論最大電流Ｉmax は、既述したように、供給ガスが１００％の効率で電気化学反応に利用されたと仮定したときに得られる電流であるが、現実には、１００％の効率で発電が行なわれることはない。そのため、理論最大電流Ｉmax を燃料電池４０から出力させようとすると、急激な電圧低下などの不都合が生じるおそれがある。安全係数は、燃料電池４０においてこのような不都合を生じることなく発電を行なうことができるように、燃料電池４０の性能に対してある程度の余裕をもって予め設定されている。安全係数は、例えば、７０〜９０％の範囲内で定めることができる。
【００４１】
次に、セル電圧センサ４２から、各セル電圧の内の最低値（最低セル電圧Ｖmin ）を、取得する（ステップＳ１３０）。そして、この最低セル電圧Ｖmin と、予め定めた所定の目標電圧Ｖthとの差に基づいて、上記第１の目標電流Ｉfcr を補正して、第２の目標電流Ｉfcr'を算出する（ステップＳ１４０）。なお、目標電圧Ｖthの値は、不都合を生じることなく燃料電池４０が発電を行なうときの最低セル電圧の目標値として、予め設定され、制御部５０内に記憶されている。この目標電圧Ｖthの値は、例えば、単セルにおいて不都合が発生している可能性があると判断される電圧値よりも充分に高い値、あるいは、燃料電池４０が安定して発電を行なうことができる望ましい電圧値として定めることができる。
【００４２】
ステップＳ１４０において、第１の目標電流Ｉfcr を補正して第２の目標電流Ｉfcr'を算出する際には、まず、図２に示した第２の減算器５６が、上記所定の目標電圧Ｖthから最低セル電圧Ｖmin を減算して、差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）を求める。そして、第２の減算器５６から与えられた差分ΔＶを用い、ＰＩ補償部５８が、以下の（６）式に従って電流補正量Ｉc を算出する。
【００４３】
Ｉｃ＝Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΣΔＶ          …（６）
【００４４】
ここで、Ｋｐ，Ｋｉは所定の係数であり、Σは一定周期毎に累算する演算を表わす演算子である。この（６）式からも理解できるように、ＰＩ補償部５８は、電圧の差分ΔＶに対していわゆる比例補償と積分補償とを行なっている。この電流補正量Ｉｃは、第１の減算器５４において第１の目標電流Ｉfcr から減算され、この結果、以下の（７）式で与えられる補正後の第２の目標電流Ｉfcr'が得られる。
【００４５】
Ｉfcr'＝Ｉfcr −Ｋｐ×ΔＶ−Ｋｉ×ΣΔＶ      …（７）
【００４６】
第２の目標電流Ｉfcr'が得られると、これを出力調整部４６に出力して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。出力調整部４６は、既述したように、燃料電池４０の出力電流が第２の目標電流Ｉfcr'となるように、抵抗の大きさを調節して燃料電池４０に電圧を印可する。
【００４７】
すべてのセルが正常に動作して、最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthよりも大きいときには、これらの差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）は負の値をとる。したがって、このときには補正後の第２の目標電流Ｉfcr'は、元の第１の目標電流Ｉfcr よりも大きくなる。最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthよりも大きいときには、燃料電池４０の出力電流をより大きくしても差し支えないものとして、このような補正が行なわれる。これに対して、一つのセルでも不具合が発生していると、電圧の差分ΔＶが正の値になり、補正後のの目標電流Ｉfcr'は元の第１の目標電流Ｉfcr よりも小さくなる。最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthよりも小さいときには、このまま最低セル電圧が低下して燃料電池４０において不都合が生じてしまわないように、燃料電池４０の出力電流をより小さくして、最低セル電圧を上昇させるための補正が行なわれる。このような動作を繰り返すことによって、最低セル電圧を目標電圧に近づけるように制御が行なわれる。
【００４８】
図４は、燃料電池４０に供給するガスの流量を変動させつつ既述した制御を行なったときに、最低セル電圧（Ｖmin ）と燃料電池４０の出力電流（Ｉｔ）とが変動する様子の一例を表わす図である。上記のような制御を行なうことで、最低セル電圧（Ｖmin ）は、目標電圧の近傍の値を取るように制御される。燃料電池４０の出力電流は、目標電流がガス流量に基づいて設定されるため、ガス流量の変動に伴って変動するが、その変動の程度は、最低セル電圧に応じて補正されたものとなる。
【００４９】
Ｃ．不具合判定の動作：
図１に示した燃料電池システム１０を用いて、燃料電池４０に不具合があるか否かを判定するために行なう動作を以下に説明する。本実施例では、燃料電池４０の内部温度と燃料電池４０に供給するガスの湿度との異なる複数の運転条件下において、燃料電池４０に供給するガス量を変動させつつ、燃料電池４０における不具合の有無の判定を行なっている。
【００５０】
図５は、燃料電池４０に不具合があるか否かを判定する際に、燃料電池システム１０において実行される工程を表わす説明図である。不具合の有無を判定する際には、まず、燃料電池４０の内部温度および燃料電池４０に供給するガスの湿度を設定する（ステップＳ２００）。本実施例では、燃料電池４０の内部温度および燃料電池４０に供給するガスの湿度に関する条件は、その都度外部から入力することとした。既述したように、燃料電池４０の内部温度は、冷却部４４によって設定温度に調節され、供給ガス量の湿度は、加湿部２６，３６によって設定した湿度に調節される。
【００５１】
燃料電池４０の内部温度および燃料電池４０に供給するガスの湿度が、設定した条件で安定すると、次に、燃料電池４０に対して、ガス量を変動させながら燃料ガス（水素）および酸化ガス（空気）の供給を開始する（ステップＳ２１０）。このように供給ガス量を変動させるために、例えば、ガス量変動のパターンを予め制御部５０内に記憶しておくことができる。この場合には、この記憶した情報とガスフローメータ２４，３４の検出信号に基づいて、ブロワ３０や圧力調整弁２２，３２に対して駆動信号を出力すれば、所望のパターンでガス流量を変動させることができる。
【００５２】
このようにガスの供給を開始すると、既述したように最低セル電圧Ｖmin を目標電圧Ｖthに近づける制御を行ないつつ、供給ガス量に応じた電流を燃料電池４０から出力させる（ステップＳ２２０）。これによって、図４に示したように、最低セル電圧Ｖmin は目標電圧Ｖthに近い値をとると共に、供給ガス流量に応じて燃料電池４０の出力電流Ｉｔが変動する状態となる。
【００５３】
このように供給ガス量と最低セル電圧Ｖmin に基づいて燃料電池４０の出力電流を制御する運転を行ないつつ、同時にガス利用率の算出を行なう（ステップＳ２３０）。ガス利用率とは、燃料電池に供給されたガスのうちで電気化学反応に利用されたガスの割合のことである。具体的には、供給されたガスが１００％の効率で発電に利用されたと仮定したときの理論的な出力電流量に対する実際に出力された電流量の割合として算出される。ガス利用率Ｇを算出するための式を以下に（８）式として示す。
【００５４】
Ｇ＝Ｉｔ／Ｉmax            …（８）
【００５５】
なお、Ｉmax は、既述したように、アノードにおける理論最大電流ＩH と、カソードにおける理論最大電流ＩAIR とのうちの、小さい方を指す。このように、燃料電池４０において発電を行なわせつつガス利用率Ｇの算出を継続して行ない、算出したガス利用率Ｇに基づいて、燃料電池４０における不具合の有無を判定する（ステップＳ２４０）。不具合の有無の判定は、上記のように供給ガス量を変動させながら燃料電池４０に発電を行なわせる間に、ガス利用率Ｇが、予め設定した基準値を下回ることがあるかどうかによって判断する。
【００５６】
燃料電池４０においていずれかの単セルにおいて不具合が生じると、その単セルにおいて電圧低下が起こるため、これによって最低セル電圧Ｖmin が低下する。本実施例では、最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthに近づくように制御が行なわれるため、上記のように不具合に起因して最低セル電圧Ｖmin が低下を始めると、出力電流Ｉｔがより低くなるように、目標電流を設定する際に補正が行なわれる。このように、供給ガス量に対して燃料電池４０の出力電流をより小さくすると、ガス利用率Ｇは、より低くなる。ガス利用率Ｇの基準値は、充分な性能を有する燃料電池において確保されるべきガス利用率の値として設定されており、ガス利用率Ｇがこれを下回ったときに、燃料電池４０に不具合が生じていると判断される。
【００５７】
本実施例では、このように、供給ガス量を変動させながら上記出力電流の制御を行ない、ガス利用率Ｇを算出する動作を、ステップＳ２００の条件を変えながら複数回行なって、最終的に燃料電池４０における不具合の有無を判定することとした。
【００５８】
以上のように構成された本実施例における燃料電池の不具合判定方法によれば、燃料電池が発電を行なう際に、望ましくない程度に出力電圧が低下してしまう状態にすることなく、燃料電池が不具合を有するか否かを判定することができる。燃料電池を構成する単セルにおいて電圧が大きく低下すると、例えば、アノード側に供給された水素が電解質膜を透過してカソード側に移動するという現象が起こるおそれがある。このような現象が起きると、カソード側で望ましくない燃焼反応が起こり、燃料電池が劣化する場合がある。本実施例のように、最低セル電圧Ｖmin が低下しすぎないように制御しつつガス利用率Ｇを算出することで、燃料電池が劣化するおそれがない状態で、不具合の有無の判定を行なうことができる。このような不具合の有無の判定方法は、例えば、製造した燃料電池の良、不良を判定する際に用いることができる。
【００５９】
なお、上記のように種々の条件で実際に燃料電池による発電を行ないながら不具合を判定しようとする場合には、燃料電池そのものに構造的な不具合がない場合であっても、一部の単セルにおいて発電状態が不良となる場合がある。例えば、内部温度の変更やガス湿度の変更、あるいはガス流量を変動させながらガスを供給する等の一連の動作には、ある程度の時間を要するため、このような動作を行なう間に、一部の単セルにおいて凝縮水が生じることがある。凝縮水が生じると、この凝縮水がガス流路を塞ぐことによって、一部の単セルにおいて電池性能が急激に低下してしまうことがある。このような場合にも、本実施例では、最低セル電圧Ｖmin が低下しすぎないように制御するため、本来構造的に不具合がない燃料電池を、不具合判定の過程において電圧低下に起因して劣化させてしまうことがない。
【００６０】
また、不具合判定のための測定の動作を、本実施例のように供給ガスの流量を変動させつつ行なう場合には、供給ガス量の異なる複数の条件下で別々に測定を行なう場合に比べて、不具合判定に要する時間を短縮できるという効果を奏する。供給ガス量を所定の値に安定させるのにはある程度の時間を要するが、供給ガス量を変動させつつ測定を行なう場合には、このような供給ガス量を安定化させるための時間が不要となる。また、供給ガス量が異なる広い範囲において、連続的に判定のための動作を行なうことができる。特に、燃料電池を実際に電源として用いる場合には、供給ガス量が変動することが多いため、このような判定方法は、実際の運転状態に近い状態で不具合を判定できることとなり、より望ましい評価方法といえる。
【００６１】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６２】
Ｄ１．変形例１：
既述した実施例では、図３のステップＳ１１０で算出した理論最大電流Ｉmax に対して所定の安全係数を乗じて、第１の目標電流Ｉfcr を算出したが、安全係数を乗じることなく、理論最大電流Ｉmax を第１の目標電流Ｉfcr として設定しても良い。このように設定すると、供給ガス量に対して出力電流が大きすぎる状態となるため、最低セル電圧Ｖmin は低下を始めるが、最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthを下回ることで、第２の目標電流Ｉfcr'をより低く設定する制御が行なわれる。このように、最低セル電圧Ｖmin を目標電圧Ｖthに近づける制御が行なわれることにより、実施例と同様に、ガス利用率を算出することで不具合の有無を判定する動作を行なうことができる。
【００６３】
Ｄ２．変形例２：
また、毎回、ガス流量に基づいて理論最大電流Ｉmax を算出して第１の目標電流Ｉfcr を設定する代わりに（図３のステップＳ１００〜Ｓ１２０）、現在の燃料電池４０の出力電流を検出して、これを第１の目標電流Ｉfcr としても良い。すなわち、図３のステップＳ１５０で第２の目標電流Ｉfcr'を出力調整部４６に出力したときの燃料電池４０の出力電流Ｉｔを読み込んで、次回に目標電流を設定する際には、この出力電流Ｉｔを、第１の目標電流Ｉfcr として設定することとしても良い。このような動作によっても、最低セル電圧Ｖmin を目標電圧Ｖthに近づける同様の制御を行なうことができる。ただし、このような制御を行なう場合、燃料電池４０における発電を開始するために、最初に燃料電池４０の目標電流を設定するときには、実施例と同様に供給ガス量から第１の目標電流Ｉfcr を設定する動作を行なうこととすればよい。
【００６４】
Ｄ３．変形例３：
また、上記実施例では、最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthに近づくように制御を行なったが、単に最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖth以上となるように制御することとしても良い。すなわち、最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖthを越える場合には、最低セル電圧Ｖmin を低下させために目標電流値をより高く設定する補正は行なわないこととしても良い。最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖth以上の場合に、上記補正を行なわないと、補正を行なう場合に比べてガス利用率Ｇは低下することになる。しかしながら、実施例のように、供給ガス量から算出される理論最大電流Ｉmax に対して安全係数を乗じて第１の目標電流Ｉfcr を設定する場合には、充分なガス利用率が確保されることになる。そのため、最低セル電圧Ｖmin が目標電圧Ｖth以上の場合には、上記補正を行なわずに第１の目標電流Ｉfcr をそのまま燃料電池の目標電流として出力制御を行ない、ガス利用率Ｇを算出して不具合の有無の判定を行なっても差し支えない。
【００６５】
Ｄ４．変形例４：
燃料電池の不具合を判定する際には、燃料電池４０において発電を行なわせつつガス利用率Ｇの算出を継続して行ない、その都度、ガス利用率Ｇと基準値とを比較することとしても良いし、算出したガス利用率Ｇを所定の時間積算した値と基準値とを比較することとしても良い。算出したガス利用率Ｇを用いて、その都度判定を行なう場合には、限られた条件下で不具合が発生する場合にも、このような不具合の存在することを判定することができる。これに対して、算出したガス利用率Ｇを積算した値を用いる場合には、燃料電池の不具合以外の原因による一時的なガス利用率の変動の影響を受けずに、判定を行なうことができる。例えば、設定した目標電流を燃料電池が出力するように制御する場合には、このような制御の動作において遅れが生じることが考えられる。この制御動作の遅れのように、燃料電池の不具合とは関わりのない原因によってガス利用率が一時的に低下する場合に、このような影響を除いて判断を行なうことが可能となる。なお、算出したガス利用率Ｇを所定時間積算した値を用いる代わりに、所定時間の間に算出されたガス利用率Ｇの平均値を用いて判定することとしても良い。
【００６６】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、最低セル電圧Ｖmin を目標電圧Ｖthに近づけるように出力電流を制御しつつガス利用率Ｇを算出する際に、供給ガス量を変動させたが、他の条件を変動させることとしても良い。例えば、供給ガス量を一定にして、燃料電池の内部温度、あるいは供給ガスの湿度を変動させることとしてもよい。このような場合にも、いずれかの条件下で電池性能が低下する場合には、最低セル電圧Ｖmin を目標電圧Ｖthに近づけるために第２の目標電流Ｉfcr'をより低く設定することになるため、ガス利用率Ｇの低下によって、不具合があると判定することができる。
【００６７】
Ｄ６．変形例６：
また、本発明は、製造した燃料電池の良、不良を判定する際に用いることができるほかに、使用中の燃料電池の劣化状態を判定するために用いることができる。燃料電池を用いて発電を行なう際に、供給ガス量に基づいて発電量（出力電流）を設定すると共に、最低セル電圧が望ましくない程度に低下しないように（所定の目標電圧以上となるように）制御する場合には、ガス利用率を算出することによって、燃料電池の劣化状態を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システム１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池４０の出力電流制御の構成を示すブロック図である。
【図３】ＦＣ電流制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】供給ガス量を変動させたときに、最低セル電圧および出力電流が変動する様子を表わす図である。
【図５】燃料電池４０に不具合があるか否かを判定する際に行なう工程を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２０…燃料ガス供給源
２１…燃料ガス用配管
２２，３２…圧力調整弁
２４，３４…ガスフローメータ
２６，３６…加湿部
２８，３８…圧力センサ
３０…ブロワ
３１…酸化ガス用配管
４０…燃料電池
４２…セル電圧センサ
４４…冷却部
４５…冷却水流路
４６…出力調整部
４７…配線
４８…電流計
５０…制御部
５２…電流値算出部
５４…第１の減算器
５６…第２の減算器
５８…ＰＩ補償部
１２０…燃料ガス供給部
１３０…酸化ガス供給部
【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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