JP7348859B2

JP7348859B2 - 燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法

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Publication number: JP7348859B2
Application number: JP2020030120A
Authority: JP
Inventors: 一秀井上; 邦明尾島; 智之井上; 統大神
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: US20210265646A1; JP2021136107A; CN113314742A; US11588162B2

Description

この発明は、電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給される燃料ガスと前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。ＭＥＡが、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

前記発電セルにおいて、電解質膜・電極構造体の膜の劣化（ピンホール、膜痩せ等）を原因として、燃料ガスがカソード電極側にリークし、又は酸化剤ガスがアノード電極側にリークする「クロスリーク」が生じることがある。クロスリークが生じると、発電性能が低下する。

例えば、特許文献１には、前記クロスリークを検出する技術が開示されている。この技術では、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスの供給停止後における対象セルの電圧挙動を電圧検出手段により検出する。次いで、反応ガス供給停止後における基準セルの電圧挙動と前記対象セルの電圧挙動との差に基づいて、対象セルのクロスリークをクロスリーク検出手段により検出する。このようにして、各セルのクロスリークを検出することができるとされている（特許文献１の［０００８］）。

特開２０１０－７３４９７号公報

特許文献１では、上記技術により、クロスリークを精度良く検出することができるとされている。

しかしながら、特許文献１では、クロスリークを検出するために、対象セルの電圧挙動を計測することが必要となり、各セルの電圧挙動を計測することから計測箇所が多く、計測が煩雑で、燃料電池スタックのセルのクロスリークを検出するのに相当に時間がかかるという課題がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡易に、短時間に、精度良く燃料電池の劣化（クロスリーク）を検出することを可能とする燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法を提供することを目的とする。

この発明の一態様に係る燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法は、インジェクタを通じて吐出される燃料ガスが燃料ガス入口からセルを構成する電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給されると共に、燃料ガス出口からの燃料排ガスが前記燃料ガスと混合されて前記燃料ガス入口に供給される一方、前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に酸化剤ガスが酸化剤ガス入口から供給されて発電する燃料電池の前記電解質膜・電極構造体の劣化を検出する方法であって、前記インジェクタから所定量の燃料ガスを吐出させる吐出工程と、前記インジェクタの下流側であって、前記燃料ガス出口から前記燃料ガス入口との間に配設した圧力センサにより、吐出後において低下する前記燃料ガスの所定時間毎の圧力降下幅を複数回計測するに際し、前記インジェクタの吐出時と次の吐出時の間の時間を微小時間で分割し、複数の微小時間からなる前記所定時間での前記燃料ガスの前記圧力降下幅を、前記微小時間ずらしながら複数回計測する計測工程と、前記計測工程で複数回計測した圧力降下幅のうちの最小圧力降下幅が閾値を上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体が劣化したと判定する判定工程と、を備える。
この発明の他の態様に係る燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法は、インジェクタを通じて吐出される燃料ガスが燃料ガス入口からセルを構成する電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給されると共に、燃料ガス出口からの燃料排ガスが前記燃料ガスと混合されて前記燃料ガス入口に供給される一方、前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に酸化剤ガスが酸化剤ガス入口から供給されて発電する燃料電池の前記電解質膜・電極構造体の劣化を検出する方法であって、前記インジェクタから所定量の燃料ガスを吐出させる吐出工程と、前記インジェクタの下流側であって、前記燃料ガス出口から前記燃料ガス入口との間に配設した圧力センサにより、吐出後において低下する前記燃料ガスの所定時間毎の圧力降下幅を複数回計測するに際し、前記インジェクタの吐出時と次の吐出時の間の時間を微小時間で分割し、複数の微小時間からなる前記所定時間での前記燃料ガスの前記圧力降下幅を、前記微小時間ずらしながら複数回計測する計測工程と、前記計測工程で複数回計測した圧力降下幅から、移動平均による平均圧力降下幅を算出する算出工程と、該平均圧力降下幅が劣化判定閾値を上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体が劣化したと判定する判定工程と、を備える。

この発明によれば、計測工程において、所定量の燃料ガスの吐出後の発電状態において低下する前記燃料ガスの所定時間毎の圧力降下幅を複数回計測した後、判定工程において、計測工程で複数回計測した圧力降下幅のうちの最小圧力降下幅（又は移動平均による平均圧力降下幅）が閾値を上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体が劣化したと判定するようにしたので、計測用に新たな部材を設けることなく簡易に、短時間に、精度良く燃料電池の劣化（クロスリーク）を検出することができる。

図１は、実施形態に係る燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法が実施される燃料電池システムを搭載した車両（燃料電池車両）の構成例を示す概略ブロック図である。図２は、燃料電池車両の通常走行時の発電動作説明に供される矢線を付したブロック図である。図３は、実施形態に係る燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法の説明に供されるフローチャートである。図４Ａ、図４Ｂは、実施形態に係る燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法の説明に供されるタイミングチャートである。図５Ａは負荷変動が大きい場合の発電電流の特性図、図５Ｂは負荷変動が大きい場合の燃料ガスのガス圧力の特性図、図５Ｃは負荷変動が小さい場合の発電電流の特性図、図５Ｄは負荷変動が小さい場合の燃料ガスのガス圧力の特性図、図５Ｅは、インジェクタによる燃料ガスの間欠吐出波形の説明図である。

この発明に係る燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法について実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

［実施形態］
［構成］
図１は、実施形態に係る燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法が実施される燃料電池システム１２を搭載した車両（燃料電池車両）１０の構成例を示す概略ブロック図である。

図１に示すように、燃料電池車両１０は、例えば、燃料電池電気自動車である。

燃料電池車両１０は、燃料電池システム１２の他、数百ボルト程度の高電圧Ｖｈを発生する高圧バッテリ（ＨＶＢＡＴ：高圧蓄電装置）１４、該高圧バッテリ１４よりも電圧の低い数十ボルト程度以下の低電圧Ｖｌ、例えば＋１２［Ｖ］を発生する低圧バッテリ（ＬＶＢＡＴ：低圧蓄電装置）１６、電力変換部２０、モータ（車両駆動用の回転電機）２４、降圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２８、制御装置（ＥＣＵ）３０、及び電源スイッチ（電源ＳＷ）３２を備える。

制御装置３０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）により構成される。ＥＣＵは、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することで後述する各種機能制御部等として動作し、燃料電池システム１２を含む燃料電池車両１０の各構成要素を制御線（無線も含む。）を通じて制御する。

燃料電池システム１２は、基本的には、燃料電池スタック（燃料電池）３４、酸化剤ガス供給装置３６、及び燃料ガス供給装置３８を備える。

酸化剤ガス供給装置３６は、燃料電池スタック３４に酸化剤ガスを供給し、燃料ガス供給装置３８は、前記燃料電池スタック３４に燃料ガスを供給する。

燃料電池スタック３４は、複数の発電セル４０が積層される。発電セル４０は、電解質膜・電極構造体４４と、前記電解質膜・電極構造体４４を挟持するセパレータ４５、４６とを備える。

電解質膜・電極構造体４４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜４１と、前記固体高分子電解質膜４１を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４３とを備える。

カソード電極４２及びアノード電極４３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４１の両面に形成される。

一方のセパレータ４５の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には酸化剤ガス入口連通口（酸化剤ガス入口）５８ａと酸化剤ガス出口連通口（酸化剤ガス出口）５８ｂとを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）４７が形成される。すなわち、燃料電池スタック３４には、カソード流路４７を通じてカソード電極４２に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する酸化剤ガス入口連通口５８ａ及び酸化剤ガス出口連通口５８ｂが形成される。

他方のセパレータ４６の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には、燃料ガス入口連通口（燃料ガス入口）５６ａと燃料ガス出口連通口（燃料ガス出口）５６ｂとを連通するアノード流路（燃料ガス流路）４８が形成される。すなわち、燃料電池スタック３４には、アノード流路４８を通じてアノード電極４３に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス入口連通口５６ａ及び燃料ガス出口連通口５６ｂが形成される。

なお、燃料電池スタック３４には、各発電セル４０に図示しない冷却媒体を流通させる冷却媒体入口連通口（不図示）及び冷却媒体出口連通口（不図示）が形成される。

積層された発電セル４０の出力、すなわち燃料電池スタック３４の出力（直流の高電圧の発電電圧Ｖｆｃの発電電力）は、制御装置３０による制御下に、電力変換部２０を通じて高電圧化された後、交流の電圧に変換されモータ２４に供給される。また、電力変換部２０を通じて高電圧化された直流電力により高圧バッテリ１４が充電される。

さらに、燃料電池スタック３４の出力（発電電圧Ｖｆｃの発電電力）は、電力変換部２０及び降圧コンバータ２８を通じて低圧バッテリ１６を充電する。

高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力は、例えば、電源スイッチ３２がオフ（ＯＦＦ）状態からオン（ＯＮ）状態に遷移する起動時（始動時）あるいは燃料電池車両１０の走行中のアクセル操作による加速時に電力変換部２０を通じてモータ２４を駆動可能である。

このように、モータ２４は、高圧バッテリ１４の電力及び／又は燃料電池スタック３４の電力（力行電力）により駆動可能である。一方、減速時に発生するモータ２４の回生電力は、電力変換部２０を通じて、交流が直流に変換され高圧バッテリ１４に充電される。

さらに、高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力は、エアポンプ（ＡＰ、エアコンプレッサ）５２やエアコンディショナ（不図示）を駆動可能である。

低圧バッテリ１６の低電圧Ｖｌの電力は、排気再循環ポンプ（ＥＧＲポンプ）５４、インジェクタ５７、制御装置３０、及び後述する各種電磁バルブの他、図示しない灯火器等の低圧負荷に供給される。

酸化剤ガス供給装置３６には、大気からの空気を吸入し圧縮して酸化剤ガスとして燃料電池スタック３４に供給するエアポンプ５２が、酸化剤ガス供給路６０に配設される。

酸化剤ガス供給路６０には、加湿器（ＨＵＭ）６２と、バイパスバルブ６４を介して前記加湿器６２をバイパスするバイパス路６６とが設けられる。

酸化剤ガス供給路６０は、加湿器６２及び酸化剤ガス供給路６５を通じて燃料電池スタック３４の酸化剤ガス入口連通口５８ａに連通する。

酸化剤ガス出口連通口５８ｂには、酸化剤排ガス排出路６７及び加湿器６２を通じて、酸化剤排ガス排出路６８が連通する。酸化剤排ガス排出路６８と酸化剤ガス供給路６０との間にはＥＧＲポンプ５４が設けられている。

ＥＧＲポンプ５４は、例えば、電源スイッチ３２がオフ状態とされた発電終了時に、酸化剤ガス出口連通口５８ｂから排出されたガスである酸化剤排ガス（カソードオフガス）の一部を酸化剤ガス入口連通口５８ａ側に還流させる。

エアポンプ５２の酸化剤ガス供給路６０側には、入口封止バルブ７０が配設される。

酸化剤排ガス排出路６８には、出口封止バルブ７２が設けられると共に、出口封止バルブ７２の下流には、背圧制御バルブ７４を通じて希釈器７６が接続される。

燃料ガス供給装置３８は、高圧水素を貯留する高圧の水素タンク（アキュムレータ）８０を備え、前記高圧の水素タンク８０は、燃料ガス供給路８２を介して燃料電池スタック３４の燃料ガス入口連通口５６ａに連通する。燃料ガス供給路８２には、水素タンク８０側から燃料ガスの流れ方向に沿って、図示しない遮断バルブ、燃料ガスの圧力調整用のレギュレータバルブ８４、インジェクタ５７及びエジェクタ８６が、直列に設けられる。なお、インジェクタ５７は、２個以上を並列に設けてもよい。

燃料電池スタック３４の燃料ガス出口連通口５６ｂには、燃料排ガス路８８が連通する。燃料排ガス路８８は、気液分離器９０に接続されると共に、前記気液分離器９０には、液体成分（液水）を排出するドレン路９２と、水素及び窒素を含む気体成分を排出する気体路９４とが設けられる。

気体路９４は、循環路９６を介してエジェクタ８６に接続される一方、パージバルブ９８の開放作用下に希釈器７６に連通する。ドレン路９２は、ドレンバルブ１００を介して希釈器７６に連通する。

希釈器７６は、燃料電池スタック３４の燃料ガス出口連通口５６ｂから排出される燃料排ガス（水素ガスを含有するアノードオフガス）と、前記燃料電池スタック３４の酸化剤ガス出口連通口５８ｂから排出される酸化剤排ガス（酸素を含有するカソードオフガス）とを混在させて、水素濃度を規定値以下に希釈する機能を有する。

酸化剤ガス供給路６５、酸化剤排ガス排出路６７、燃料ガス供給路８２、燃料排ガス路８８及び高圧の水素タンク８０の出口側には、それぞれ圧力センサ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ及び１０２ｅが配置される。酸化剤ガス供給路６５には、湿度計１０３が配置される。酸化剤排ガス排出路６７、燃料排ガス路８８には、温度計１０４ａ、１０４ｂが配置される。

なお、この実施形態では、理解の便宜のために、燃料ガス入口連通口５６ａの入口側に配置される圧力センサ１０２ｃにより計測されるガス圧力（燃料ガス圧力、水素圧力）をガス圧ＰＨとする。ガス圧ＰＨは、制御装置３０に送られる。

燃料電池スタック３４の端子間電圧である発電電圧Ｖｆｃが電圧計２５により計測され、燃料電池スタック３４から流れ出る発電電流Ｉｆｃが電流計２６により計測され、燃料電池スタック３４のスタック温度が温度計１０４ａにより計測されて制御装置３０に送られる他、高圧バッテリ１４、低圧バッテリ１６、電力変換部２０等の電気回路には、図示しない電圧計、電流計及び温度計が配置され、各計測値は、同様に、制御装置３０に送られる。なお、スタック温度は、温度計１０４ｂを用いて計測してもよい。

制御装置３０は、酸化剤ガス供給装置３６（エアポンプ５２等）を制御して燃料電池３４に対する酸化剤ガスの供給を制御すると共に、燃料ガス供給装置３８（図示しない遮断バルブ、レギュレータバルブ８４、インジェクタ５７等）を制御して燃料電池３４に対して燃料ガスの供給を制御する。

［走行時等における燃料電池車両１０の通常動作］
基本的には以上のように構成される燃料電池システム１２を搭載した燃料電池車両１０の走行時等における通常動作（それぞれ加減速動作を伴う市中走行、郊外走行、及び高速道走行等の通常走行時発電動作）について、図１のブロック図に、燃料ガス、酸化剤ガス、及び電力の流れに沿って矢線を付した図２を参照して、以下に説明する。

電源スイッチ３２がＯＮ状態となっている通常動作時には、高電圧Ｖｈの電力で動作するエアポンプ５２から酸化剤ガス供給路６０に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器６２を通って加湿された後、又は、バイパス路６６を通って前記加湿器６２をバイパスした後、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス入口連通口５８ａに供給される。

なお、加湿器６２は、酸化剤ガス（乾燥した空気）が流通する流路６３ａと、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス出口連通口５８ｂからの排出ガス（湿潤な酸化剤排ガス、カソードオフガス）が、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス出口連通口５８ｂ及び酸化剤排ガス排出路６７を通じて流通する流路６３ｂを有し、エアポンプ５２から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有している。すなわち、加湿器６２は、カソードオフガス中に含まれる水分を、多孔質膜を介して供給ガス（酸化剤ガス）に移動させる。

このときの加湿の程度は、固体高分子電解質膜４１を加湿して燃料電池スタック３４において発電性能が良好に発揮される加湿量に設定される。加湿量の設定は、湿度計１０３を参照した制御装置３０によるバイパスバルブ６４の開度制御により行われる。

一方、燃料ガス供給装置３８では、制御装置３０の制御下にレギュレータバルブ８４でガス圧が制御された水素タンク８０からの燃料ガスが、制御装置３０によるインジェクタ５７の開閉制御下に、燃料ガス供給路８２に吐出される。この燃料ガスは、循環路９６を通じてエジェクタ８６に吸引されたアノードオフガスと混合されてエジェクタ８６から吐出され、燃料電池スタック３４の燃料ガス入口連通口５６ａに供給される。なお、アノードオフガスを循環させるエジェクタ８６に加えて、循環路９６に循環ポンプ、いわゆる水素循環ポンプを設けてもよい。

燃料電池スタック３４内で、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通口５８ａから各発電セル４０のカソード流路４７を介してカソード電極４２に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通口５６ａから各発電セル４０のアノード流路４８を介してアノード電極４３に供給される。従って、各発電セル４０では、カソード電極４２に供給される空気中に含まれる酸素ガスと、アノード電極４３に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極４２に供給されて酸素が消費されたカソードオフガス及び反応生成水は、酸化剤ガス出口連通口５８ｂに排出され、酸化剤排ガス排出路６８を流通して希釈器７６に導入される。同様に、アノード電極４３に供給されて水素が消費されたアノードオフガス（一部が消費された燃料ガス）として燃料ガス出口連通口５６ｂに排出される。アノードオフガスは、燃料排ガス路８８から気液分離器９０に導入されて液体成分（液水）が除去された後、気体路９４から循環路９６を介してエジェクタ８６に吸引される。

複数の発電セル４０が電気的に直列に接続された燃料電池スタック３４により発電された高電圧の発電電圧Ｖｆｃの電力は、制御装置３０の制御下にモータ２４の必要駆動トルクを得るために、電力変換部２０内でさらに高電圧（駆動電圧）の電力に変換されてモータ２４に供給される。

なお、電力変換部２０は、図示しないインバータを有し、図示しないアクセル開度に基づいて制御装置３０を通じてインバータのデューティが制御され、モータ２４を３相ＰＷＭ駆動する。これにより燃料電池車両１０が走行する。

燃料電池スタック３４により発電された発電電圧Ｖｆｃの電力に余裕がある場合、制御装置３０の制御下に電力変換部２０を通じて高電圧Ｖｈの高圧バッテリ１４を充電すると共に、降圧コンバータ２８を介して低電圧Ｖｌの電力に変換して低圧バッテリ１６を充電する。

高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力は、モータ２４の他、エアポンプ５２、図示しないエアコンディショナ等の高圧負荷に供給される。

低圧バッテリ１６の低電圧Ｖｌの電力は、制御装置３０、インジェクタ５７等の低圧負荷に供給される。

高圧バッテリ１４及び低圧バッテリ１６の各ＳＯＣ（充電状態、満充電状態で１００［％］）は、図示しない電圧計、電流計、温度計により検出される電圧、電流、温度に基づいて図示しないマップが参照されて制御装置３０により算出される。

［燃料電池車両１０の燃料電池システム１２における電解質膜・電極構造体４４の劣化検出動作］
以上が走行時等における燃料電池システム１２の通常動作の説明である。次に、この発明の要部に係わる燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化検出方法について、これを実施する燃料電池システム１２を搭載する燃料電池車両１０との関係において、制御装置３０が実行する図３のフローチャート及び図４Ａ、図４Ｂのタイミングチャートを参照しながら、以下に説明する。

ステップＳ１にて、制御装置３０は、電源スイッチ３２がＯＮ状態であって燃料電池スタック３４が発電中か否かを確認し、発電中である（ステップＳ１：ＹＥＳ）とき、ステップＳ２にて、負荷変動（負荷変動幅）Ｉｐｐの記録を開始する。

図５Ａに示すように、負荷変動Ｉｐｐは、記録対象期間に、電流計２６により連続的に計測される発電電流Ｉｆｃのトップピーク値とボトムピーク値との差として制御装置３０が算出する。例えば、燃料電池車両１０の加速時や減速時には、定速走行時に比較して負荷変動Ｉｐｐが大きくなる。

次いで、ステップＳ３にて、所定時間Ｔｏｆｆ内で、図４Ｂに示すように、複数回圧力降下幅ΔＰＨ（ΔＰ１、ΔＰ２、…ΔＰｎ）を計測し記録する。

この場合、図４Ａに示すように、制御装置３０は、間欠的にインジェクタ５７をＯＮ状態（時点ｔ１～ｔ２＝Ｔｏｎ：ＯＮ、時点ｔ２～ｔ３＝Ｔｏｆｆ：ＯＦＦ、時点ｔ３～ｔ４＝Ｔｏｎ：ＯＮ）にし、そのＯＮ区間（ＯＮ時間）Ｔｏｎに燃料ガスを所定量吐出させ、エジェクタ８６を通じて燃料ガス入口連通口５６ａに供給する。

そして、吐出後のＯＦＦ区間（時点ｔ２～ｔ３）である所定時間Ｔｏｆｆを、図４Ｂに示すように、微小時間ｔｍで分割し、所定数の微小時間ｔｍからなる所定時間（計測時間）Δｔ（Δｔ＜Ｔｏｆｆ）での圧力降下幅ΔＰＨを微小時間ｔｍずらしながら複数回計測する。なお、所定時間Ｔｏｆｆは、ｍｓ（ミリセコンド）オーダーの期間である。また、所定時間Ｔｏｆｆは、上述した負荷変動Ｉｐｐの記録対象期間に相当する。

ここで、ステップＳ３にて、記録される複数回の圧力降下幅（複数回の圧力計測値）ΔＰＨは、ΔＰＨ＝ΔＰ１｛ΔＰ１＝Ｐ０－（Ｐｎ－３）｝、ΔＰ２｛ΔＰ２＝Ｐ１－（Ｐｎ－２）｝、…ΔＰｎ（ΔＰｎ＝Ｐ３－Ｐｎ）である。

次いで、ステップＳ４にて、所定時間Ｔｏｆｆ経過後の時点ｔ３以降にて、記録されている複数の圧力降下幅ΔＰＨのうちの最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎを抽出する。

次に、ステップＳ５にて、所定時間Ｔｏｆｆ内での負荷変動Ｉｐｐが、予め定めた所定値である負荷変動閾値Ｉｔｈ以下である（Ｉｐｐ≦Ｉｔｈ）か否かを判定する。

例えば、図５Ａに示すように、発電電流Ｉｆｃの変化として計測される所定時間Ｔｏｆｆ内の負荷変動Ｉｐｐが負荷変動閾値Ｉｔｈを上回る（ステップＳ５：ＮＯ）場合には、図５Ｂに示すように、負荷変動Ｉｐｐに追随して燃料ガスのガス圧ＰＨの変動も大きくなるため、圧力降下幅ΔＰＨによる劣化検出の検出精度が悪化する。このため、電解質膜・電極構造体４４の劣化（クロスリーク）によるガス圧低下であるか否かの見分けが付きにくくなる。

この場合には、ステップＳ６にて、燃料電池スタック３４の電解質膜・電極構造体４４の劣化判定を保留として処理を終了する。

これに対して、ステップＳ５の判定にて、例えば、図５Ｃに示すように、所定時間Ｔｏｆｆ内での負荷変動Ｉｐｐが、予め定めた所定値である負荷変動閾値Ｉｔｈ以下（Ｉｐｐ≦Ｉｔｈ）である（ステップＳ５：ＹＥＳ）場合、すなわち、負荷変動Ｉｐｐが小さい場合は、発電による燃料ガスの消費やその他の誤差要因の影響を受けにくくなるため、クロスリークを原因とする比較的小さな圧力降下幅ΔＰＨによる劣化の検出を精度良く実施できる。なお、図５Ｄ、図５Ｅの波形は、それぞれ、図４Ｂ、図４Ａの波形に対応する。

なお、燃料電池車両１０が停止状態であって、燃料電池スタック３４が、いわゆるアイドル発電状態にある場合には、負荷変動Ｉｐｐが小さいので劣化の検出を精度よく実施できる。

この場合、ステップＳ７にて、ステップＳ４で抽出した最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎが、予め定めた閾値である劣化判定閾値ΔＰＨｔｈを上回るか否かを判定する。

ステップＳ７の判定が非成立（ステップＳ７：ＮＯ）の場合、すなわち、最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎが、劣化判定閾値ΔＰＨｔｈ以下である場合には、電解質膜・電極構造体４４は、膜の劣化によるピンホール等の発生に基づくクロスリークが発生していないものとして、ステップＳ８にて、燃料電池システム１２における電解質膜・電極構造体４４は非劣化状態であると記録する（ログする。）。

その一方、ステップＳ７の判定が成立（ステップＳ７：ＹＥＳ）の場合、すなわち、最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎが、劣化判定閾値ΔＰＨｔｈを上回る場合には、最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎに、クロスリークによる圧力降下幅が含まれていると判定し、ステップＳ９にて、燃料電池システム１２における電解質膜・電極構造体４４は劣化状態であると記録する（ログする。）。

この場合、メータパネル上に電解質膜・電極構造体４４が劣化状態になったことが表示されると共に、通信を通じて、ディーラー等に劣化状態にあることが通知される。

上記実施形態は、以下のような変形も可能である。
＜変形例＞
ステップＳ４では、最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎを抽出することに代替して、移動平均による平均圧力降下幅ΔＰＨｍｅａｎを算出｛（ΔＰＨｍｅａｎ＝ΔＰ１＋ΔＰ２…＋ΔＰｎ）／ｎ｝し、ステップＳ７では、この平均圧力降下幅ΔＰＨｍｅａｎが劣化判定閾値ΔＰＨｔｈを上回るか否かを判定するようにしてもよい。

このようにすれば、複数回計測して平均値を算出しているので、計測値への偶然誤差の影響を低下させることができる。

［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態及び変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素には実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号をつけたものに限定されない。

この発明に係る燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法は、燃料タンク８０からインジェクタ５７を介しエジェクタ８６を通じて吐出される燃料ガスが燃料ガス入口５６ａからセル４０を構成する電解質膜・電極構造体４４のアノード電極４３側に供給されると共に、燃料ガス出口５６ｂからの燃料排ガスが前記燃料ガスと混合されて前記燃料ガス入口５６ａに供給される一方、前記電解質膜・電極構造体４４のカソード電極４２側に酸化剤ガスが酸化剤ガス入口５８ａから供給されて発電する複数の前記セル４０が積層された燃料電池３４の前記電解質膜・電極構造体４４の劣化を検出する方法であって、前記インジェクタ５７から所定量の燃料ガスを吐出させる吐出工程と、前記インジェクタ５７の下流側であって、前記燃料ガス出口５６ｂから前記燃料ガス入口５６ａとの間に配設した圧力センサ１０２ｃにより、前記所定量の燃料ガスの吐出後の発電状態において低下する前記燃料ガスの所定時間Δｔ毎の圧力降下幅ΔＰＨを複数回計測する計測工程と、前記計測工程で複数回計測した圧力降下幅のうちの最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎが閾値ΔＰＨｔｈを上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体４４が劣化したと判定する判定工程と、を備える。

これによれば、計測工程において、所定量の燃料ガスの吐出後の発電状態において低下する前記燃料ガスの所定時間Δｔ毎の圧力降下幅ΔＰＨを複数回計測した後、判定工程において、計測工程で複数回計測した圧力降下幅のうちの最小圧力降下幅ΔＰＨｍｉｎが閾値ΔＰＨｔｈを上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体４４が劣化したと判定するようにしたので、計測用に新たな部材を設けることなく簡易に、短時間に、精度良く燃料電池３４の劣化（クロスリーク）を検出することができる。

この場合、前記計測工程では、前記インジェクタ５７の吐出時と次の吐出時の間で時間をずらして前記所定時間毎に前記燃料ガスの前記圧力降下幅ΔＰＨを計測する、ようにしてもよい。

これによれば、所定時間内で複数回圧力降下幅ΔＰＨを計測するので、劣化検出判定結果の信頼度を高める可能性が上がる。

ここで、該電解質膜・電極構造体の劣化検出方法は、前記燃料電池の負荷変動が負荷変動閾値以内の期間で実施されることが好ましい。

負荷変動閾値以内の期間に電解質膜・電極構造体４４の劣化を検出することで、検出精度の悪化を防止することができる。

また、前記インジェクタ５７と前記燃料ガス入口５６ａとの間に、直列にエジェクタ８６を配設し、前記エジェクタ８６は、前記インジェクタ５７から供給される燃料ガスに、前記燃料排ガスを吸引して混合した燃料ガスを前記燃料ガス入口５６ａに吐出し、前記インジェクタ５７は、前記燃料ガスの前記所定量の供給を担うものであって、前記圧力センサ１０２ｃが前記エジェクタ８６の吐出口と前記燃料ガス入口５６ａとの間に配設されていることが好ましい。

水素循環ポンプを用いる必要がないので、電解質膜・電極構造体４４の劣化を廉価に検出することができる。

この発明に係る燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法は、燃料タンク８０からインジェクタ５７を通じて吐出される燃料ガスが燃料ガス入口５６ａからセル４０を構成する電解質膜・電極構造体４４のアノード電極４３側に供給されると共に、燃料ガス出口５６ｂからの燃料排ガスが前記燃料ガスと混合されて前記燃料ガス入口５６ａに供給される一方、前記電解質膜・電極構造体４４のカソード電極４２側に酸化剤ガスが酸化剤ガス入口５８ａから供給されて発電する複数の前記セル４０が積層された燃料電池３４の前記電解質膜・電極構造体４４の劣化を検出する方法であって、前記インジェクタ５７から所定量の燃料ガスを吐出させる吐出工程と、前記インジェクタ５７の下流側であって、前記燃料ガス出口５６ｂから前記燃料ガス入口５６ａとの間に配設した圧力センサ１０２ｃにより、前記所定量の燃料ガスの吐出後の発電状態において低下する前記燃料ガスの所定時間Δｔ毎の圧力降下幅ΔＰＨを複数回計測する計測工程と、前記複数回計測した前記圧力降下幅ΔＰＨの平均圧力降下幅ΔＰＨｍｅａｎを算出する算出工程と、前記平均圧力降下幅ΔＰＨｍｅａｎが閾値ΔＰＨｔｈを上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体４４が劣化したと判定する判定工程と、を備える。

この発明によれば、所定量の燃料ガスの吐出後の発電状態において低下する前記燃料ガスの所定時間Δｔ毎の圧力降下幅ΔＰＨを複数回計測した後、平均圧力降下幅ΔＰＨｍｅａｎを算出し、平均圧力降下幅ΔＰＨｍｅａｎが閾値ΔＰＨｔｈを上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体４４が劣化したと判定するようにしたので、計測用に新たな部材を設けることなく簡易に、短時間に、偶然誤差を低下させて精度良く燃料電池の劣化（クロスリーク）を検出することができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池車両１２…燃料電池システム
１４…高圧バッテリ１６…低圧バッテリ
２０…電力変換部２４…負荷（モータ、回転電機）
２８…降圧コンバータ３０…制御装置
３２…電源スイッチ３４…燃料電池スタック（燃料電池）
３６…酸化剤ガス供給装置３８…燃料ガス供給装置
４０…発電セル４１…固体高分子電解質膜
４２…カソード電極４３…アノード電極
４４…電解質・電極構造体４５、４６…セパレータ
４７…カソード流路４８…アノード流路
５２…エアポンプ５４…ＥＧＲポンプ
５６ａ…燃料ガス入口連通口５６ｂ…燃料ガス出口連通口
５７…インジェクタ５８ａ…酸化剤ガス入口連通口
５８ｂ…酸化剤ガス出口連通口６０、６５…酸化剤ガス供給路
６２…加湿器８０…水素タンク（燃料タンク）
８６…エジェクタ９６…循環路
１０２ａ～１０２ｅ…圧力センサ

Claims

インジェクタを通じて吐出される燃料ガスが燃料ガス入口からセルを構成する電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給されると共に、燃料ガス出口からの燃料排ガスが前記燃料ガスと混合されて前記燃料ガス入口に供給される一方、前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に酸化剤ガスが酸化剤ガス入口から供給されて発電する燃料電池の前記電解質膜・電極構造体の劣化を検出する方法であって、
前記インジェクタから所定量の燃料ガスを吐出させる吐出工程と、
前記インジェクタの下流側であって、前記燃料ガス出口から前記燃料ガス入口との間に配設した圧力センサにより、吐出後において低下する前記燃料ガスの所定時間毎の圧力降下幅を複数回計測するに際し、前記インジェクタの吐出時と次の吐出時の間の時間を微小時間で分割し、複数の微小時間からなる前記所定時間での前記燃料ガスの前記圧力降下幅を、前記微小時間ずらしながら複数回計測する計測工程と、
前記計測工程で複数回計測した圧力降下幅のうちの最小圧力降下幅が閾値を上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体が劣化したと判定する判定工程と、を備える
燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法。
インジェクタを通じて吐出される燃料ガスが燃料ガス入口からセルを構成する電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給されると共に、燃料ガス出口からの燃料排ガスが前記燃料ガスと混合されて前記燃料ガス入口に供給される一方、前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に酸化剤ガスが酸化剤ガス入口から供給されて発電する燃料電池の前記電解質膜・電極構造体の劣化を検出する方法であって、
前記インジェクタから所定量の燃料ガスを吐出させる吐出工程と、
前記インジェクタの下流側であって、前記燃料ガス出口から前記燃料ガス入口との間に配設した圧力センサにより、吐出後において低下する前記燃料ガスの所定時間毎の圧力降下幅を複数回計測するに際し、前記インジェクタの吐出時と次の吐出時の間の時間を微小時間で分割し、複数の微小時間からなる前記所定時間での前記燃料ガスの前記圧力降下幅を、前記微小時間ずらしながら複数回計測する計測工程と、
前記計測工程で複数回計測した圧力降下幅から、移動平均による平均圧力降下幅を算出する算出工程と、
該平均圧力降下幅が劣化判定閾値を上回った場合に、前記電解質膜・電極構造体が劣化したと判定する判定工程と、を備える
燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法。
請求項１又は２に記載の燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法であって、
該電解質膜・電極構造体の劣化検出方法は、前記燃料電池の負荷変動が負荷変動閾値以内の期間で実施される、
燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法。
請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法であって、
前記インジェクタと前記燃料ガス入口との間に、直列にエジェクタを配設し、
前記エジェクタは、前記インジェクタから供給される燃料ガスに、前記燃料排ガスを吸引して混合した燃料ガスを前記燃料ガス入口に吐出し、前記インジェクタは、前記燃料ガスの前記所定量の供給を担うものであって、前記圧力センサが前記エジェクタの吐出口と前記燃料ガス入口との間に配設されている、
燃料電池の電解質膜・電極構造体の劣化検出方法。