JP6011643B2 - 燃料電池システム及び燃料電池自動車 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池自動車に関する。
ＪＰ２００６−７３３５１Ａには、従来の燃料電池システムとして、燃料電池に供給する反応ガスの加湿量を低下させたときに測定された開回路電圧差に基づいて、電解質膜を介してアノードガス流路からカソードガス流路へと漏れ出すアノードガスの流量（以下「クロスリーク量」という。）が増加しているか否かを判定するものがある。
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、開回路電圧差に基づきクロスリーク量の増加を検知していたので、検知中は燃料電池から電流を取り出すことができず、燃料電池の発電中にクロスリーク量の増加を検知できなかった。一方で、燃料電池の発電中にクロスリーク量の増加を検知しようとする場合は、燃料電池の負荷変動を考慮してその判定を短時間で完了させることが求められる。
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の発電中にクロスリーク量の増加を短時間で検知することを目的とする。
本発明のある態様によれば、燃料電池に接続される外部負荷と、外部負荷の消費電力に応じて、燃料電池の発電電力を調整する電力調整手段と、燃料電池の発電電力に基づいて、燃料電池の電解質膜の湿潤度を制御する湿潤度制御手段と、燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池が発電しているときに、電解質膜の湿潤度を大きくし、そのときの出力電圧の変化に基づいてクロスリーク量が増加しているか否かを判定するクロスリーク判定手段をさらに備える燃料電池システムが提供される。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池の概略斜視図である。 図２は、図１の燃料電池のII−II断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図４は、燃料電池スタックの目標出力電流に基づいて、目標ＨＦＲを算出するテーブルである。 図５は、電解質膜に孔が生じた様子を示した図である。 図６は、本発明の第１実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御について説明するフローチャートである。 図７は、ＭＥＡの劣化度合いに応じて変化する燃料電池スタックのＩＶ特性の様子を示した図である。 図８は、現在の出力電流とスタック温度とに基づいて、基準電圧を算出するマップである。 図９は、劣化識別処理の内容について説明するフローチャートである。 図１０は、出力電流に基づいて、劣化識別時用の目標ＨＦＲを算出するテーブルである。 図１１は、本発明の第１実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御の動作について説明するタイムチャートである。 図１２は、電解質膜に孔が生じている燃料電池を使用して、その燃料電池の発電時に出力電流を一定に維持したまま電解質膜を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときと、逆に湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの、出力電圧の変化を示した実験結果である。 図１３は、電解質膜に孔が生じている燃料電池を使用して、その燃料電池の非発電時（ＯＣＶ時）に電解質膜を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときと、逆に湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの、出力電圧の変化を示した実験結果である。 図１４は、本発明の第２実施形態による劣化識別処理の内容について説明するフローチャートである。 図１５は、本発明の第２実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御の動作について説明するタイムチャートである。
以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。
燃料電池１０は、ＭＥＡ１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。
アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。
このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、電力系４と、コントローラ５と、を備える。
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ２６の検出値を検出カソード圧という。
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧水素タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
高圧水素タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
アノードガス供給通路３２は、高圧水素タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧水素タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
電力系４は、電流センサ４１と、電圧センサ４２と、走行モータ４３と、インバータ４４と、バッテリ４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備える。
電流センサ４１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。
電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。
走行モータ４３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ４３は、燃料電池スタック１及びバッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
インバータ４４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４４の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４４は、走行モータ４３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ４３に供給する。一方で、走行モータ４３を発電機として機能させるときは、走行モータ４３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４５に供給する。
バッテリ４５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ４３の回生電力を充電する。バッテリ４５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ４３に供給される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
コントローラ５には、前述したエアフローセンサ２４やカソード圧力センサ２６、電流センサ４１、電圧センサ４２の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ５１やカソードコンプレッサ２５の回転速度を検出する回転速度センサ５２、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する水温センサ５３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種の信号が入力される。
コントローラ５は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、走行モータ４３、及びカソードコンプレッサ２５等の補機類の消費電力に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、走行モータ４３や補機類に必要な電力を供給する。
また、コントローラ５は、図４のテーブルを参照し、燃料電池スタック１の出力電流に基づいて、電解質膜１１１の湿潤度（含水率）と相関関係にある燃料電池スタック１の内部高周波抵抗（High Frequency Resistance；以下「ＨＦＲ」という。）の目標値（以下「目標ＨＦＲ」という。）を算出する。そして、燃料電池スタック１のＨＦＲが目標ＨＦＲとなるように、カソードコンプレッサ２５の回転速度やカソード調圧弁２８の開度、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプ（図示せず）の回転速度をフィードバック制御する。
なお、図４に示すように、本実施形態では、燃料電池スタック１の出力電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１のＨＦＲが低くなるように、すなわち、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるように制御している。
ここで、ＭＥＡ１１が劣化して、例えば図５に示すように電解質膜１１１に孔が生じると、ＭＥＡ１１の劣化前と比較して、ＭＥＡ１１を介してアノードガス流路からカソードガス流路へと漏れ出すアノードガスの流量（以下「クロスリーク量」という。）が増加する。クロスリーク量が増加すると、カソードガス排出通路２２から排出されるカソードオフガス中のアノードガス濃度（水素濃度）が増大するため、最悪の場合は燃料電池スタック１の発電を停止させる必要がある。したがって、クロスリーク量が増加しているときは、それを早期に、かつ精度良く検知することが求められる。
しかしながら、燃料電池スタック１から電流を取り出していない非発電状態（すなわち、出力電圧が開回路電圧（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage）になっている状態）でのみクロスリーク量の増加を検知していたのでは、燃料電池スタック１の発電中にクロスリーク量の増加を検知することができない。そうすると、負荷変動の多い車両走行中にクロスリーク量の増加を検知することがほとんどできない。そのため、クロスリーク量の増加を早期に検知することができない。
そこで本実施形態では、燃料電池スタック１から電流を取り出して車両を走行させている発電状態であってもクロスリーク量の増加を短時間で検知できるようにして、クロスリーク量の増加を早期に検知できるようにした。
以下、この本実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御について説明する。
図６は、本実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御について説明するフローチャートである。
ステップＳ１において、コントローラ５は、燃料電池スタック１から電流が取り出されている発電状態か否かを判定する。具体的には、出力電流の値に基づいて判定する。コントローラ５は、燃料電池スタック１から電流が取り出されていればステップＳ２の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。
ステップＳ２及びステップＳ３では、まずＭＥＡ１１が劣化しているかを判定する。以下では、図７を参照してＭＥＡ１１の劣化判定方法について説明した後、各ステップの内容を説明する。
図７は、ＭＥＡ１１の劣化度合いに応じて変化する燃料電池スタック１のＩＶ特性の様子を示した図である。図７では、ＭＥＡ１１が劣化する前の初期状態における燃料電池スタック１のＩＶ特性（以下「基準ＩＶ特性」という。）を、実線で示している。
ＭＥＡ１１が劣化すると、前述のように電解質膜１１１に孔等が生じてクロスリーク量が増加する場合以外にも、例えば触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積が減少する場合がある。クロスリーク量が増加したり、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積が減少したりすると、活性化過電圧が増加して燃料電池スタック１のＩＶ特性が基準ＩＶ特性よりも悪化し、発電効率が低下する。
つまり、図７に示すように、燃料電池スタック１から同じ値の出力電流を取り出したとしても、ＭＥＡ１１の劣化度合いが大きいほどそのときの出力電圧が低くなる。換言すれば、ＭＥＡ１１の劣化度合いが大きくなるほど、基準電圧（基準ＩＶ特性で得られる出力電圧）と、実際の出力電圧と、の電圧差（以下「電圧低下量」という。）ΔＶ１が大きくなる。
そこで本実施形態では、まずは電圧低下量ΔＶ１が所定の劣化判定閾値以上になっているかを判定することで、ＭＥＡ１１が劣化しているか否かを判定し、クロスリーク量が増加している可能性があるかを判定する。
ステップＳ２において、コントローラ５は、図８のマップを参照し、現在の出力電流とスタック温度とに基づいて、基準電圧を算出する。図８のマップは、スタック温度に応じた基準ＩＶ特性を示したものであり、予め実験等の適合によって算出したものである。
ステップＳ３において、コントローラ５は、電圧低下量ΔＶ１が所定の劣化判定閾値以上か否かを判定する。コントローラ５は、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値未満であれば、ＭＥＡ１１が劣化しておらず、クロスリーク量が増加している可能性が特にないと判定し、今回の処理を終了する。一方で、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上であれば、ＭＥＡ１１が劣化していて、クロスリーク量が増加している可能性があると判定し、ステップＳ４の処理を行う。
ステップＳ４において、コントローラ５は、劣化識別処理を実施する。これは、電圧低下量ΔＶ１が所定の劣化判定閾値以上になっているかを判定することで、ＭＥＡ１１が劣化しているか否かを判定することができるが、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっているかを判定するだけでは、その要因がクロスリーク量の増加によるものか、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積の減少によるものかまでは判断することができないためである。
そこで本実施形態では、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっている場合は、さらに電解質膜１１１の湿潤度（燃料電池スタック１のＨＦＲ）を変化させることで、その要因がクロスリーク量の増加によるものか否かを識別することとした。
以下では、電解質膜１１１の湿潤度を変化させることで、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になった要因がクロスリーク量の増加によるものか、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積の減少によるものかを識別できる理由について説明した後、図９を参照して劣化識別処理の具体的な内容を説明する。
ＭＥＡ１１の劣化によって電解質膜１１１に孔が生じた場合、その孔の大きさは電解質膜１１１の湿潤度によって変化する。具体的には、電解質膜１１１の湿潤度が小さいときと比較して、電解質膜１１１の湿潤度が大きいときの方が、電解質膜１１１の孔が小さくなる。つまり、電解質膜１１１が乾燥していてＨＦＲが相対的に高くなっているときよりも、電解質膜１１１が濡れていてＨＦＲが相対的に低くなっているときの方が、電解質膜１１１の孔が小さくなる。これは、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなると、電解質膜１１１が膨潤することで孔が塞がるためである。
そのため、電解質膜１１１の湿潤度を小さい状態から大きい状態にする。これにより、電解質膜１１１が膨潤することで孔が塞がり、クロスリーク量が減少する。
そうすると、電解質膜１１１に孔が生じ、クロスリーク量の増加によって燃料電池スタック１のＩＶ特性が低下していた場合は、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させることで孔が塞がってクロスリーク量が減少するため、ＩＶ特性が回復して出力電圧が大幅に高くなる。一方で、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積の減少によって燃料電池スタック１のＩＶ特性が低下していた場合は、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させても、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積は劣化前の状態には戻らない。そのため、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたことによって、ＭＥＡ１１に劣化がない場合と同程度ＩＶ特性が上昇するが、その上昇代はクロスリーク量が増加していた場合と比べると十分に小さい。
そこで本実施形態では、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっている場合は、電解質膜１１１の湿潤度（燃料電池スタック１のＨＦＲ）を変化させたときの出力電圧の変化量を検出することで、その要因がクロスリーク量の増加によるものか否かを識別することとしたのである。
図９は、劣化識別処理の内容について説明するフローチャートである。
ステップＳ４１において、コントローラ５は、電解質膜１１１の湿潤度が小さく、電解質膜１１１が乾燥していて電解質膜１１１の孔が塞がっていない状態か否かを判定する。具体的には、燃料電池スタック１のＨＦＲが所定の識別許可閾値以上か否かを判定する。
コントローラ５は、燃料電池スタック１のＨＦＲが識別許可閾値未満であれば、すでに電解質膜１１１が膨潤して孔がある程度塞がっており、湿潤度を変化させたときの出力電圧の変化が小さくなって、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっている要因がいずれによるものかを精度良く識別できないおそれがあるとして、今回の処理を終了する。一方、燃料電池スタック１のＨＦＲが識別許可閾値以上であれば、電解質膜１１１が乾燥しており、湿潤度を変化させることで十分な識別精度を確保できるとして、ステップＳ４２に処理を行う。
ステップＳ４２において、コントローラ５は、燃料電池スタック１の出力電流を現在の出力電流に維持して一定にする。出力電流を一定に維持している間の負荷変動分は、バッテリ４５の充放電によって対応する。具体的には、負荷変動によって発電電力が過剰になった場合は、余剰分をバッテリ４５に充電する。一方、負荷変動によって発電電力が不足する場合は、不足分をバッテリ４５の電力によって補う。
ステップＳ４３において、コントローラ５は、現在の出力電圧、すなわち、燃料電池スタック１のＨＦＲが、後述する劣化識別時用の目標ＨＦＲに制御される前の出力電圧（以下「劣化識別処理前の出力電圧」という。）を検出し、記憶する。この劣化識別処理前の出力電圧は、換言すれば、燃料電池スタック１のＨＦＲを、図４のテーブルを参照することで出力電流に基づいて算出される通常時の目標ＨＦＲに制御しているときの出力電圧である。
ステップＳ４４において、コントローラ５は、図１０のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、劣化識別時用の目標ＨＦＲを算出する。
なお、比較のために、図１０のテーブルには、図４で示した通常時における目標ＨＦＲのテーブルを破線で示した。図１０に示すように、劣化識別時用の目標ＨＦＲは、通常時の目標ＨＦＲよりも小さくなるように設定される。
ステップＳ４５において、コントローラ５は、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲとなるように、カソードコンプレッサ２５の回転速度やカソード調圧弁２８の開度、燃料電池スタック１１を冷却する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプ（図示せず）の回転速度を制御する。
ステップＳ４６において、コントローラ５は、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲになったか否かを判定する。コントローラ５は、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲになったら、ステップＳ４７の処理を行う。
ステップＳ４７において、コントローラ５は、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲになった後の出力電圧（以下「劣化識別処理後の出力電圧」という。）を検出する。
ステップＳ４８において、コントローラ５は、ステップＳ４７で検出した劣化識別処理後の出力電圧と、ステップＳ４３で検出した劣化識別処理前の出力電圧と、の電圧差である電圧変化量ΔＶ２が、所定値以上か否かを判定する。コントローラ５は、電圧変化量ΔＶ２が所定値以上であれば、ステップＳ４９の処理を行い、所定値未満であればステップＳ５０の処理を行う。
ステップＳ４９において、コントローラ５は、クロスリーク量が増加していると判定し、燃料電池スタック１での発電を停止する。
ステップＳ５０において、コントローラ５は、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積が減少し、触媒が劣化していると判定し、燃料電池スタック１での発電を制限する。
図１１は、本実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御の動作について説明するタイムチャートである。
時刻ｔ１において、燃料電池スタック１が発電している状態で、基準電圧と出力電圧との電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になったことが判定されると、燃料電池スタック１のＨＦＲが識別許可閾値以上か否かが判定される。
このタイムチャートでは、時刻ｔ１において燃料電池スタック１のＨＦＲは識別許可閾値以上になっている。そのため、時刻ｔ１以降は、出力電流が時刻ｔ１における出力電流に維持されるとともに、時刻ｔ１における出力電圧が劣化識別処理前の出力電圧として記憶される。
そして、時刻ｔ１の時点における出力電流に基づいて、図１０のテーブルを参照して劣化識別時用の目標ＨＦＲが算出され、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲに向けてフィードバック制御される。
時刻ｔ２で、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲになったことが判定されると、そのときの出力電圧である劣化識別処理後の出力電圧と、劣化識別処理前の出力電圧との電圧差、すなわち電圧変化量ΔＶ２が所定値以上か否かが判定される。
そして、電圧変化量ΔＶ２が所定値以上であれば、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっていた要因が、電解質膜１１１に孔が生じたことによるクロスリーク量の増加にあると判定する。一方で、電圧変化量ΔＶ２が所定値未満であれば、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっていた要因が、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積の減少にあると判定する。
これは、図１１（Ａ）に実線で示すように、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっていた要因が、電解質膜１１１に孔が生じたことによるクロスリーク量の増加にある場合は、燃料電池スタック１のＨＦＲを劣化識別時用の目標ＨＦＲに制御したことによって電解質膜１１１が膨潤して孔が塞がりクロスリーク量が減少するので、出力電圧が基準電圧近傍まで上昇し、電圧変化量ΔＶ２が所定値以上となるためである。
一方で、図１１（Ａ）に一点鎖線で示すように、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっていた要因が、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積の減少にある場合には、燃料電池スタック１のＨＦＲを劣化識別時用の目標ＨＦＲに制御したことで電解質膜１１１の湿潤度が大きくなり、基準電圧と同程度に出力電圧が上昇するが、その上昇幅はクロスリーク量の増加の場合と比べて小さく、電圧変化量ΔＶ２が所定値未満となるためである。
次に、図１２及び図１３を参照して、本実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御の効果について説明する。
図１２は、電解質膜１１１に孔が生じている燃料電池１０を使用して、その燃料電池１０の発電時に出力電流を一定に維持したまま電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときと、逆に湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの出力電圧の変化を示した実験結果である。
図１２に示すように、時刻ｔ１１で、カソードガスの湿度を１００％から０％に変更し、電解質膜１１１を湿潤状態から乾燥状態に遷移させると、電解質膜１１１の膨潤によって塞がっていた孔が徐々に開いていくので、出力電圧が低下していく。
一方で、時刻ｔ１２で、カソードガスの湿度を０％から１００％に変更して、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させると、電解質膜１１１の膨潤によって孔が塞がるので、出力電圧が上昇する。
このとき、時刻ｔ１１で電解質膜１１１を湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの出力電圧の変化率と、時刻ｔ１２で乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときの出力電圧の変化率と、を比較すると、乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときの出力電圧の変化率の方が大きいことがわかる。すなわち、燃料電池１０の発電時においては、本実施形態のように、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときの出力電圧の変化を見てクロスリーク量が増加しているか否かを判定したほうが、短時間でその判定を完了させることができる。
図１３は、電解質膜１１１に孔が生じている燃料電池１０を使用して、その燃料電池１０の非発電時（ＯＣＶ時）に電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときと、逆に湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの出力電圧の変化を示した実験結果である。
図１２のときと同様に、図１３でも、時刻ｔ２１でカソードガスの湿度を１００％から０％に変更して電解質膜１１１を湿潤状態から乾燥状態に遷移させ、時刻ｔ２２でカソードガスの湿度を０％から１００％に変更して電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させている。
図１３に示すように、時刻ｔ２１で燃料電池１０の非発電時に電解質膜１１１を湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの出力電圧の変化率は、前述した図１２において時刻ｔ１１で燃料電池１０の発電時に同様に遷移させたときの出力電圧の変化率よりは大きくなる。
しかしながら、時刻ｔ２１で燃料電池１０の非発電時に電解質膜１１１を湿潤状態から乾燥状態に遷移させたときの出力電圧の変化率は、前述した図１２において時刻ｔ１２で燃料電池１０の発電時に電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときの出力電圧の変化率よりは小さい。
また、図１３に示すように、燃料電池１０の非発電時においては、時刻ｔ２２で電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させても出力電圧はほとんど変化しない。そのため、燃料電池１０の非発電時のおいては、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときの出力電圧の変化を見てクロスリーク量が増加しているか否かを判定することはできない。
したがって、本実施形態のように、燃料電池スタック１で発電が行われているときに、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させ、そのときの出力電圧の変化に基づいてクロスリーク量が増加しているか否かを判定することで、その判定を燃料電池システムの運転中に実施できるとともに、その判定を短時間で完了させることができる。そのため、クロスリーク量の増加を早期に検知することができる。
つまり本実施形態によれば、燃料電池が発電しているときに、電解質膜の湿潤度を大きくし、そのときの出力電圧の変化に基づいてクロスリーク量が増加しているか否かが判定される。燃料電池スタック１の発電中に電解質膜の湿潤度を大きくすると、クロスリーク量が増加していた場合には、従来例のように反応ガスの加湿量を低下させたときの開回路電圧の変化よりも素早く出力電圧が変化する。そのため、クロスリーク量が増加しているか否かの判定を燃料電池システムの運転中に実施できるとともに、その判定を従来よりも短時間で完了させることができる。
また、燃料電池スタック１を自動車用の動力源として使用する場合、燃料電池システム１００の運転中に燃料電池スタック１の目標出力電流は頻繁に変動する。そのため、発電に最適な電解質膜１１１の湿潤度も頻繁に変動するので、燃料電池システム１００の運転中にクロスリーク量の増加を検知する場合には、それを短時間で行う必要がある。本実施形態によれば、クロスリーク量の増加を検知しているかを燃料電池システム１００の運転中に短時間で行うことができるので、特に負荷変動の激しい自動車用の燃料電池システムとして最適に用いることができる。
また、本実施形態では、燃料電池スタック１のＨＦＲが所定の識別許可閾値以上のときに、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させてクロスリーク量が増加しているか否かを判定することとした。すなわち、電解質膜１１１の湿潤度が所定の閾値以下であることを条件として、クロスリーク量が増加しているか否かを判定することとした。このように本実施形態では、電解質膜１１１の湿潤度が小さく、電解質膜１１１が乾燥していて電解質膜１１１に孔があいている場合は、その孔が塞がっていない状態で電解質膜１１１の湿潤度を大きくしてクロスリーク量が増加しているか否かを判定する。
燃料電池スタック１のＨＦＲが識別許可閾値未満のときは、すでに電解質膜１１１が膨潤してある程度孔が塞がっており、湿潤度を変化させたときの出力電圧の変化が小さくなる。そのため、電解質膜１１１の劣化の要因がいずれによるものかを精度良く判断できないおそれがある。これに対し、本実施形態のように、燃料電池スタック１のＨＦＲが所定の識別許可閾値以上のときに、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させることで、クロスリーク量が増加しているか否かを精度良く判定することができる。
また、本実施形態では、電圧低下量ΔＶ１が所定の劣化判定閾値以上のときに、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させてクロスリーク量が増加しているか否かを判定することとした。すなわち、燃料電池スタック１の出力電圧が低下していることを条件として、クロスリーク量が増加しているか否かを判定することとした。
本実施形態では、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させるときに、燃料電池スタック１のＨＦＲを、通常時の目標ＨＦＲよりも低い劣化識別時用の目標ＨＦＲに制御している。
ここで、燃料電池スタック１のＨＦＲを、目標出力電流に応じた通常時の目標ＨＦＲに制御しておくことで、零下起動時の電解質膜１１１の含水量を低く抑えて零下起動性能を保証しているところを、クロスリーク量の増加を検知するために頻繁に電解質膜１１１の湿潤度を大きくしてしまうと、零下起動性能が悪化するおそれがある。そこで、クロスリーク量が増加している可能性が高い場合に検知を行うことで、不要に電解質膜１１１の含水量を増大させることを抑制でき、零下起動性能の悪化を抑制することができる。
また、本実施形態では、出力電流を一定に維持しつつ電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させたときの出力電圧の電圧変化量ΔＶ２が所定値以上であれば、基準電圧からの電圧低下の要因がクロスリーク量の増加にあると判定し、電圧変化量ΔＶ２が所定値未満であれば基準電圧からの電圧低下の要因が触媒の劣化にあると判定することにした。すなわち、燃料電池スタック１の発電電力を一定に制御しつつ、電解質膜１１１の湿潤度を通常時の湿潤度よりも大きくし、そのときの出力電圧の変化量が所定値以上であればクロスリーク量が増加していると判定し、所定値未満であれば触媒が劣化していると判定することにした。
これにより、燃流電池スタック１の劣化による電圧低下の要因が、クロスリーク量の増加にあるのか、触媒の劣化にあるのかを識別することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、劣化識別処理の内容が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
第１実施形態では、出力電流を一定に維持しつつ、ＨＦＲを図１０のテーブルを参照して算出した劣化識別時用の目標ＨＦＲに制御することで、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態へと遷移させていた。
これに対し、本実施形態では、出力電流を増大させることで、図４のテーブルにしたがってＨＦＲを低下させて、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態へと遷移させ、そのときの出力電圧の変化に基づいてクロスリーク量の増加か否かを識別する。以下、この本実施形態による劣化識別処理について説明する。
図１４は、本実施形態による劣化識別処理の内容について説明するフローチャートである。
ステップＳ２４１において、コントローラ５は、現在の出力電圧を検出し、それを劣化識別処理前の出力電圧として記憶する。
ステップＳ２４２において、コントローラ５は、現在の燃料電池システムの運転状態に基づいて算出された燃料電池スタック１の目標出力電流に所定値を加算し、劣化識別時用の目標出力電流を算出する。なお、燃料電池スタック１の出力電流を劣化識別時用の目標出力電流に制御したときの所定値分の余剰な発電電力は、バッテリに充電される。
ステップＳ２４３において、コントローラ５は、図４のテーブルを参照し、劣化識別時用の目標出力電流に基づいて、劣化識別時用の目標ＨＦＲを算出する。
ステップＳ２４４において、コントローラ５は、ステップＳ４７で検出した劣化識別処理後の出力電圧と、ステップＳ２４１で検出した劣化識別処理前の出力電圧と、の電圧差である電圧変化量ΔＶ２が、所定値未満か否かを判定する。コントローラ５は、電圧変化量ΔＶ２が所定値未満であれば、ステップＳ４９の処理を行い、所定値以上であればステップＳ５０の処理を行う。
図１５は、本実施形態によるクロスリーク量の増加検知制御の動作について説明するタイムチャートである。
時刻ｔ３１において、燃料電池スタック１が発電している状態で、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になったことが判定されると、燃料電池スタック１のＨＦＲが識別許可閾値以上か否かが判定される。
このタイムチャートでは、時刻ｔ３１において燃料電池スタック１のＨＦＲは識別許可閾値以上になっている。そのため、時刻ｔ３１における出力電圧が劣化識別処理前の出力電圧として記憶される。
そして、時刻３１における目標出力電流に所定値を加算したものが劣化識別時用の目標出力電流として算出され、燃料電池スタック１の出力電流が劣化識別時用の目標出力電流に制御される。また、劣化識別時用の目標出力電流に基づいて劣化識別時用の目標ＨＦＲが算出され、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲに向けてフィードバック制御される。
時刻ｔ３２で、燃料電池スタック１のＨＦＲが劣化識別時用の目標ＨＦＲになったことが判定されると、そのときの出力電圧である劣化識別処理後の出力電圧と、劣化識別処理前の出力電圧との電圧差、すなわち電圧変化量ΔＶ２が所定値未満か否かが判定される。
そして、電圧変化量ΔＶ２が所定値未満であれば、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっていた要因が、電解質膜１１１に孔が生じたことによるクロスリーク量の増加にあると判定する。一方で、電圧変化量ΔＶ２が所定値以上であれば、電圧低下量ΔＶ１が劣化判定閾値以上になっていた要因が、触媒層１１２ａ，１１３ａの触媒表面積の減少にあると判定する。
これは、図１５（Ａ）に実線で示すように、電圧低下の要因がクロスリーク量の増加にある場合には、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させることで電解質膜１１１の孔が塞がってクロスリーク量が減少するので、出力電圧の低下幅が小さくなって、電圧変化量ΔＶ２が所定値未満となるためである。
一方で、図１５（Ａ）に一点鎖線で示すように、電圧低下の要因が触媒の劣化にある場合には、電解質膜１１１を乾燥状態から湿潤状態に遷移させても触媒表面積は劣化前の状態には戻らないので、出力電流を上昇させた分、出力電圧が大きく低下し、電圧変化量ΔＶ２が所定値以上となるためである。
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタック１の発電電力を大きくすることで電解質膜１１１の湿潤度を大きくし、そのときの出力電圧の変化量が所定値未満であればクロスリーク量が増加していると判定し、所定値以上であれば触媒が劣化していると判定することとした。このようにしても、第１実施形態と同様の効果を得ることができると共に、劣化識別時用の目標ＨＦＲを算出するテーブル（図１０）の作成が不要なので、工数の削減を図ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、上記の第１実施形態において、燃料電池スタック１の出力電圧を用いる代わりに、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの出力電圧を検出するようにして、１枚ごとの電圧変化を用いても良い。こうすることで、燃料電池１０のうち１枚のみにクロスリーク増大が生じている場合も精度良く検知することができる。さらに、１枚ごとでなくとも、複数枚ごとに出力電圧を検出するようにして、その電圧変化を用いても良い。
また、上記の第２実施形態では、劣化識別処理を実施するときに、目標出力電流に所定値を加算したものを劣化識別時用の目標出力電流として算出していたが、このような方法に限らず、アクセル操作量が増加して燃料電池スタック１の目標出力電流が増加したときに併せて劣化識別処理を実施するようにしても良い。
本願は、２０１３年１月２４日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−１１４１６号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

  1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
    前記燃料電池に接続される外部負荷と、
    前記外部負荷の消費電力に応じて、前記燃料電池の発電電力を調整する電力調整手段と、
    前記燃料電池の発電電力に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の湿潤度を制御する湿潤度制御手段と、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
    前記燃料電池が発電しているときに、前記電解質膜の湿潤度を大きくし、そのときの出力電圧の変化に基づいてクロスリーク量が増加しているか否かを判定するクロスリーク判定手段と、
    を備え、
    前記クロスリーク判定手段は、
    前記電解質膜の湿潤度が所定の閾値以下であることを条件として、判定を開始する、
    燃料電池システム。
  2. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
    前記燃料電池に接続される外部負荷と、
    前記外部負荷の消費電力に応じて、前記燃料電池の発電電力を調整する電力調整手段と、
    前記燃料電池の発電電力に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の湿潤度を制御する湿潤度制御手段と、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
    前記燃料電池が発電しているときに、前記電解質膜の湿潤度を大きくし、そのときの出力電圧の変化に基づいてクロスリーク量が増加しているか否かを判定するクロスリーク判定手段と、
    前記燃料電池の出力電流ごとに予め定められた基準電圧と、検出した出力電圧と、に基づいて、前記燃料電池の出力電圧が低下しているか否かを判定する電圧低下判定手段と、
    を備え、
    前記クロスリーク判定手段は、
    前記電圧低下判定手段により前記燃料電池の出力電圧が低下していると判定されたことを条件として、判定を開始する、
    燃料電池システム。
  3. 前記クロスリーク判定手段は、
    前記燃料電池の出力電流を一定に制御しつつ、前記電解質膜の湿潤度を前記湿潤度制御手段によって制御される湿潤度よりも大きくし、そのときの出力電圧の変化量が所定値以上であればクロスリーク量が増加していると判定し、所定値未満であれば触媒が劣化していると判定する、
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記クロスリーク判定手段は、
    前記燃料電池の出力電流を大きくすることで、前記湿潤制御手段によって前記電解質膜の湿潤度を大きくし、そのときの出力電圧の変化量が所定値未満であればクロスリーク量が増加していると判定し、所定値以上であれば触媒が劣化していると判定する、
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載した燃料電池システムを搭載した、
    燃料電池自動車。
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