JP4577625B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特にエア供給量に基づいて燃料電池の電解質の劣化を判定する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、長期間運転すると、燃料電池スタックの電解質が劣化し、電解質膜が割れたり耐差圧特性が低下したりすることによって、クロスリークが発生する場合がある。このため、従来、クロスリークの発生を検出するためのシステムが開発されていた。例えば、特開２００６−１２０３７５号公報には、燃料電池スタックから排出されるエア中の水素濃度が所定値以上の場合にクロスリークが発生したと判断して燃料電池を緊急停止する燃料電池システムが開示されている（特許文献１）。

また、軽負荷時やアイドリング時において燃料電池の発電電圧が上昇し、燃料電池の劣化を促進するおそれがあったため、燃料電池の発電電圧の上昇を抑制して、燃料電池の劣化を抑制するシステムが開発されていた（以下、燃料電池が一定以上の電圧に上昇してしまうことを防止する処理を「高電位回避処理」と称する。）。例えば、特開２００７−１０９５６９号公報には、高電位回避処理により燃料電池の劣化を抑制する手段として、セル電圧が予め設定された所定の上限電圧以下となるようにエアコンプレッサを稼働させ、燃料電池スタックにエアを間欠的に供給するように制御する燃料電池システムが開示されている（特許文献２）。

また、システム停止時に生じるクロスリーク防止策として、例えば、特開２００７−１０３０２３号公報には、システム停止後の放置中にアノードからクロスオーバーしてカソードに蓄積した水素を処分する技術として、燃料電池の起動時にシャット弁と空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内に有る水素をカソード内の触媒上で燃焼処理する燃料電池システムが開示されている（特許文献３）。

また、電解質膜が酸素の吸着により劣化した場合に、エアの供給を抑制しながら燃料電池の出力電圧を低下して還元領域で運転させ酸化された触媒層を活性化させる技術がある（以下、この処理を「触媒活性化処理」と称する）。このような燃料電池の触媒活性化処理に関連する技術として、例えば、特開２００３−１１５３１８号公報には、セル電圧を０．６Ｖ以下にして大きな電流を流すことによって酸素に還元反応を生じさせて、白金触媒層を活性化する技術が開示されている（特許文献４）。

また、燃料電池のセルに含まれる水分量は適切な範囲に制御しておかないと、セルが乾燥しすぎたり湿潤度が高すぎたりしてセルの劣化を早めてしまう。そこで、特開２００５−３２５８７号公報には、セルの水分状態がセルの開回路電圧と関係あることを利用して、セルの開回路電圧が第１しきい値電圧より低い場合にはセルが乾燥状態であると判断し、第２しきい値電圧より高い場合に水分過多状態であると判断し、セルの水分状態を適切に制御する技術が開発されている（特許文献５）。ここで、特にセルの電圧が低すぎる場合にセルの劣化が大きいため、下回ってはならないセルの最低下限電圧が設定されおり、セル電圧がこの最低下限電圧を下回るとエアを所定量供給して電圧を上昇させるように処理することが望まれている（以下、この処理を「セル電圧低下防止処理」という）
特開２００６−１２０３７５号公報（段落００５３，００５４等） 特開２００７−１０９５６９号公報（段落００４４〜００４５等） 特開２００７−１０３０２３号公報（段落００３７〜００４４等） 特開２００３−１１５３１８号公報（段落００１２〜００１４等） 特開２００５−３２５８７号公報（段落００４０〜００５８等）

しかしながら、上記特許文献１に記載のクロスリーク検出方法で用いる水素濃度センサは高価なセンサであるところから、水素濃度センサを用いた直接的なクロスリーク検出の代わりに、他の要素でクロスリークの発生を推測することが好ましい。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、高価なセンサを用いず、エア供給量に基づいて正確にクロスリークの発生を検出し、電解質の劣化を的確に判定することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

ここで、上記セル電圧低下防止処理では、セル中の電解質膜が劣化してクロスリークが発生すると、セル電圧低下防止処理に要する反応ガス（例えば、酸化ガス）の供給量に比べ、反応ガスの消費量が増大する傾向にある。このため、上記課題を解決するために、計測する反応ガスの供給量を正常時の酸化ガス供給量と比較して監視すれば、クロスリークの発生を検出することができると考えられる。反応ガス供給量は、反応ガス供給処理の頻度（インターバル）と相関関係にあるため、反応ガス供給処理の頻度に基づいて反応ガス供給量の大小を判定し、クロスリークの発生を推測することができる。

ところが、反応ガスの供給量はクロスリークの発生量にのみ対応するのではなく、システムの運転状況に応じても変動する要素であるため、反応ガスの供給量や反応ガスの供給処理の頻度に基づいていたのでは正確にクロスリークの発生を検出することができない。

そこで、本願発明者は、反応ガス供給量に基づきながらも、的確にクロスリークの発生を検出することが可能な以下のような発明に想到した。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池のセル電圧が所定の下限電圧を下回った場合に燃料電池のカソードに所定量の酸化ガスを供給するセル電圧低下防止処理を実施するとともに、反応ガスが所定の間隔をおいて供給される低効率運転時に燃料電池に供給される酸化ガス量に基づいて燃料電池の電解質膜の劣化を判定する燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電流から推定される燃料電池のカソード側に供給される酸化ガス量よりも、実際に計測されるカソード側に供給される酸化ガス量が多くなった場合に、燃料電池の電解質膜が劣化したと判定することを特徴とする。

このように構成することにより、低効率運転のために機能維持に必要な酸化ガス量が燃料電池の出力電流から推定され、実際に計測される酸化ガス量に基づきクロスリークの有無を判定するので、クロスリークの発生を的確に検出可能であり、電解質の劣化を的確に検知することが可能となる。

ここで「間欠運転」とは、低負荷時やアイドリング時に燃料電池を低効率で運転する運転モードをいい、反応ガスが所定の間隔をおいて、すなわち間欠的に供給されるモードである。

また「機能維持のため」とは、システム要求に対応して求められる必要な発電電力を得る以外の目的を意味し、具体的には、燃料電池の耐久性や安全性、性能維持等の目的を含む。

例えば、推定される酸化ガス量は、燃料電池のセル電圧が所定の下限電圧を下回った場合に所定量の酸化ガスを供給するセル電圧低下防止処理のために消費される酸化ガス量、または、燃料電池の出力電圧が所定のしきい値以上に上昇することを防止する高電位回避処理のために消費される酸化ガス量を含む。

燃料電池の劣化防止のための高電位回避処理は、燃料電池の出力電圧が所定のしきい値以上上昇しないように定期的に酸化ガスを供給する。この高電位回避処理のために供給される酸化ガスは燃料電池の機能維持のためのものであり、クロスリークの発生により消費されるものではない。この点、係る構成によれば、間欠運転のために要する酸化ガス流量の他に高電位回避処理のために酸化ガス流量が増加していることが考慮されるので、正確にクロスリークの発生を検出可能である。

また例えば、実際に計測される酸化ガス量は、電解質膜の触媒活性化処理を終了させる時に供給される酸化ガス量を除いて計測される。

燃料電池のセルにおいて酸化された触媒を還元させる触媒活性化処理では、酸化ガス供給量を絞り発電電圧を下げて還元領域で電気化学反応を生じさせ、触媒活性化処理後には酸化ガスを一時に供給して通常運転モードに戻す必要がある。この触媒活性化処理の直後に供給される酸化ガスも燃料電池の機能維持のための反応ガスであり、クロスリークの発生により消費されるものではない。この点、係る構成によれば、燃料電池の機能維持処理の一形態である触媒活性化処理の終了時に必要な酸化ガスの分は除いて実際の酸化ガス量を計測するので、電解質の劣化を的確に検知することが可能となる。

ここで、燃料電池システムにおいて、燃料電池のセル電圧が所定の下限電圧に達した場合に燃料電池のカソードに所定量の酸化ガスを供給する手段と、燃料電池の出力電流から、酸化ガスの供給が終了してから次に酸化ガスの供給が開始されるまでの推定時間間隔を取得する手段と、酸化ガスの供給が終了してから次に酸化ガスの供給が開始されるまでの実時間間隔を計測する手段と、取得された推定時間間隔よりも、計測された実時間間隔が短くなった場合に、燃料電池の電解質膜が劣化したと判定する劣化判定手段と、を備えるようにしてもよい。

係る構成によれば、セル電圧低下防止処理のために反応ガスとして酸化ガスが周期的に供給されることになるが、該燃料電池の電解質膜が正常な場合における酸化ガス供給の理想時間間隔は実際に計測される実時間間隔とほぼ同じになるはずであるところ、クロスリークが発生していると酸化ガスの消費量が増え、酸化ガスの供給時間間隔が短くなることからクロスリークの発生を検出可能である。よって、水素濃度センサや反応ガスの流量センサに代えて、酸化ガス供給の時間間隔を使用することができるので、電解質の劣化をコスト面で有利な手段により検知することが可能となる。

また、燃料電池システムにおいて、前記実時間間隔を計測する手段は、複数回実施される酸化ガスの供給から、電解質膜の触媒活性化処理直後の酸化ガスの供給を除外して実時間間隔を計測することは好ましい。

触媒活性化処理終了直後の酸化ガス供給は触媒活性化処理という例外的処理に付随する例外的な酸化ガス供給処理であるため、係る構成により、酸化ガス供給の実時間間隔を計測する際に触媒活性化処理直後の酸化ガス供給処理を除外することになるので、電解質の劣化を的確に、かつコスト的に有利に検知することが可能となる。

さらに、燃料電池システムにおいて、前記推定時間間隔を取得する手段は、燃料電池の燃料ガス消費量と該燃料ガス消費量の増加に伴って変化する推定時間間隔との関係を記録した関係テーブルを備え、さらに、燃料電池の出力電流に基づいて燃料ガス消費量を推定する手段と、該関係テーブルを参照して推定された該燃料ガス消費量に対応する推定時間間隔を取得する手段と、を備え、劣化判定手段は、取得された当該燃料ガス消費量に対応する推定時間間隔よりも、計測された実時間間隔が短くなった場合に、燃料電池の電解質膜が劣化したと判定するように構成してもよい。

燃料電池の機能維持のための措置により燃料電池の発電量が上昇すると、燃料ガスの消費量が上昇し、それに対応して酸化ガスの消費量が上昇する。係る構成によれば、関係テーブルが、正常時における燃料ガス消費量に対応する酸化ガスの消費量、すなわち酸化ガス供給の推定時間間隔を記録している。よってこの関係テーブルを参照すれば、機能維持のために燃料ガスの消費量が増加しそれに対応して酸化ガス供給の実時間間隔が短くなっている場合であっても、燃料ガスの消費量が増加した場合における酸化ガス供給の推定時間間隔を取得することができ、計測された酸化ガス供給の実時間間隔と比較することで、正しくクロスリークの発生の有無を判定できる。

本発明によれば、燃料電池の出力電流から推定される燃料電池のカソード側に供給される酸化ガス量よりも、実際に計測されるカソード側に供給される酸化ガス量が多くなった場合に、燃料電池の電解質膜が劣化したと判定するので、高価なセンサを用いず、酸化ガス量に基づいて正確にクロスリークの発生を検出し、電解質膜の劣化を的確に判定することができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、実施形態１、実施形態２の順に、図面を参照しながら説明する。以下の各実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。また、各実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、後述する燃料電池１００に燃料ガス（アノードガス、水素ガス）を供給する燃料ガス供給系１と、燃料電池１００に酸化ガス（カソードガス、エア、空気）を供給するカソードガス供給系２と、電力系４と、必要な制御を行う制御部５（制御手段）と、から構成されている。燃料ガスや酸化ガスを総称として反応ガスともいう。

燃料電池１００は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる発電体を、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ一対で挟み込んだ構造をしている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極及びカソード極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。アノード極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。その他、燃料電池の形態として、リン酸型、溶融炭酸塩型等を用いることが可能である。これら電極の触媒層は、例えば白金粒子を付着させて構成されている。

燃料電池１００は水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側には燃料ガス供給系統１から燃料ガスである水素が供給される。カソード（陽極）極側には酸化ガス供給系統２から酸素を含んだ酸化ガスであるエアが供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）

燃料ガス供給系１は、水素ガス供給源としての水素タンク１０、燃料ガス供給路１１、燃料オフガス排出路１２、水素ガスのガス圧を計測することにより水素ガスのクロスリークを検知する燃料ガス圧力センサ１３と、を備える。その他、図示しないが、水素ガスを流通させるための水素ポンプ、水素ガスの管理制御のために必要な元弁や調整弁、遮断弁、逆止弁、気液分離器等を備えていてもよい。

水素タンク１０には高圧の水素ガスが充填されている。水素供給源としては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。燃料ガス供給路１１は、高圧の水素ガスを供給する配管であり、途中に図示しない調圧弁（レギュレータ）等を備えていてもよい。燃料ガス供給路１１から供給された水素ガスは、燃料電池１００内において、マニホールド経由で各単セルのアノード極側に供給され、ＭＥＡのアノード極において電気化学反応を生じてから燃料オフガス（水素オフガス）として排出される。燃料オフガス排出路１２は、燃料電池１００から排出された燃料オフガスを排出する経路であり、循環経路を形成していてもよい。循環経路を形成させるには、図示しない逆止弁やエジェクタを介して、再び燃料ガス供給路１１に燃料オフガスを戻すように構成される。

酸化ガス供給系２は、コンプレッサ２０、酸化ガス供給路２１、酸化オフガス排出路２２を備える。その他、図１では図示しないが、酸化ガスである空気の湿度を制御するための加湿器、酸化オフガス（空気オフガス）を除去する気液分離器、酸化オフガスを燃料オフガスと混合するための希釈器、消音器等を備えていてもよい。

コンプレッサ２０は、制御信号ＣCOMPに基づいてエアクリーナ等から取り入れられた空気を圧縮し、空気量や空気圧を変更し、燃料電池１００のカソード極側に供給するものである。酸化ガス供給路２１から供給された空気は、燃料電池１００内において、水素ガスと同じくマニホールド経由で各単セルのカソード極側に供給され、ＭＥＡのカソード極において電気化学反応を生じてから酸化オフガスとして排出される。燃料電池１００から排出された酸化オフガスは、燃料オフガスと希釈されてから排出される。

電力系４は、バッテリ４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、トラクションインバータ４２、トラクションモータ４３、補機インバータ４４、高圧補機４５、バッテリコンピュータ４６、電流センサ４７、燃料電池の出力電圧を計測する電圧センサ４８、逆流防止ダイオード４９等を備えている。

バッテリ４０は、充放電可能な二次電池である。バッテリとしては、ニッケルー水素電池等、様々な種類の二次電池を用いることができる。二次電池の代わりに、充放電が可能な蓄電装置、例えばキャパシタを用いることが可能である。バッテリ４０は、一定電圧で発電するバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって高電圧を出力可能とすることができる。

バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の出力端子に設けられており、制御部３と通信可能になっている。バッテリコンピュータ４６は、バッテリ４０の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持するとともに、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部３に通知するようになっている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、制御信号ＣCONVに基づいて一次側と二次側との間で電圧の昇圧／降圧をして電力を流通させる電力変換手段に相当する。例えば、一次側のバッテリ４０の出力電圧を、二次側の燃料電池１００の出力電圧にまで昇圧して、トラクションモータ４３や高圧補機４５等の負荷装置に電力を供給する。逆に、二次側において燃料電池１００の余剰電力や前記負荷装置からの回生電力を、降圧して一次側のバッテリ４０に充電するために通過させる。

トラクションインバータ４２は直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ４３に供給するものである。トラクションモータ４３は例えば三相モータであり、当該燃料電池システムが搭載される自動車の主動力源である。

補機インバータ４４は、高圧補機４５を駆動するための直流−交流変換手段である。高圧補機４５は、コンプレッサ２０、水素ポンプ、冷却系のモータ類等の燃料電池システムの運転に必要な各種モータ類である。

電流センサ４７は、燃料電池１００の出力電流を検出し、電流検出信号Ｓｉを制御部５に出力する。電圧センサ４８は、燃料電池１００の出力電圧を検出し、電圧検出信号Ｓｅを制御部５に出力する。セルモニタ１０１は、燃料電池１００の一部または全部のセルについてセル電圧を検出し、セル電圧検出信号Ｓｃとして制御部５に出力する。

制御部５は、２つの制御部から成り立っており、一つがハイブリッド走行の制御を行うＨＶ制御部５１であり、他方が燃料電池の動作制御を行うＦＣ制御部５２である。それぞれの制御部は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えており、相互に通信することにより、システム全体の制御が可能になっている。ＨＶ制御部５１は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として電気系４の制御を行うように構成されている。特に、ＨＶ制御部５１は、燃料電池１００の発電電力とバッテリ４０との充電電力と各種モータ類の消費電力に鑑み、これら要素間の電力流通を制御する他、セル電圧低下防止処理、高電位回避処理、及び触媒層活性化処理の一部を実行させることが可能になっている。またＦＣ制御部５２は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主としてアノードガス供給系１、カソードガス供給系２を含む燃料電池システム全体を制御する他、触媒層の活性化処理の一部を実行させることが可能になっている。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの制御部５における機能ブロックの構成を示す構成図である。
図２に示すように、制御部５は、前述のとおり、ＨＶ制御部５１と、ＦＣ制御部５２に分かれている。ＨＶ制御部５１には、電力系統制御部５１１、高電位回避処理部５１３、および触媒活性化処理部５１３の一部を備える。ＦＣ制御部５２は、セル電圧低下防止処理部５２１、本発明に係る劣化判定部５２２、および触媒活性化処理部５１３の一部を備える。

電力系統制御部５１１は、燃料電池１００、バッテリ４０、及び各種モータ類等における電力流通全体を制御する機能ブロックである。各種センサからの検出信号を入力し、燃料電池１００とバッテリ４０との負荷分担を定め、また、回生電力が供給された場合のバッテリ４０への充電制御等を実施する。

高電位回避処理部５１３は、高電位回避処理を行う機能ブロックである。具体的に、高電位回避処理部５１３は、電圧センサ４８から供給された電圧検出信号Ｓｅおよび／またはセルモニタ１０１から供給されたセル電圧検出信号Ｓｃを参照して、燃料電池１００の出力電圧Ｖｆｃまたはセル電圧Ｖｃが所定の高電位回避電圧しきい値を超えるか否かを判定し、高電位回避電圧しきい値を超える場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１に制御信号ＳCONVを出力して、二次側電圧、すなわち燃料電池１００の出力電圧を下げ、かつ、燃料電池の出力電圧が下がることに応じて増加する発電量を補うエアを供給するための制御信号ＣCOMPをコンプレッサ２０に出力する。

触媒活性化処理部５１３は、触媒活性化処理を実施する機能ブロックである。具体的に、触媒活性化処理部５１３は、所定の条件、例えば間欠運転時等、低効率運転を実施している場合において定期的に、または、セル電圧Ｖｃ等から電解質膜の触媒の酸化が進行していると判断できるような場合に、酸化ガスおよび燃料ガスの供給を制限し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の二次側電圧を徐々に触媒活性化目標電圧まで低下させ、触媒において還元領域で電気化学反応が進行する状態に維持し、触媒の活性化（リフレッシュともいう）を行う。触媒活性化目標電圧に一定時間維持したのち、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１を制御して二次側電圧を元の電圧に復帰させる。このとき触媒活性化処理により不足している酸化ガスを補うため、コンプレッサ２０を制御して一時期に一定量の酸化ガスを供給する（以下この処理を「エアブロー」ともいう）。

セル電圧低下防止処理部５２１は、セル電圧低下防止処理を行う機能ブロックである。具体的に、セル電圧低下防止処理部５２１は、間欠運転時において、セルモニタ１０１からのセル電圧検出信号Ｓｃを参照して、セル電圧が予め定めた最低下限電圧を下回るか否かを判定する。そして、セル電圧が最低下限電圧を下回った場合に、一定時間コンプレッサ２０を駆動して、一定量の酸化ガスを供給（エアブロー）し、セル電圧を上昇させる。間欠運転時は、原則反応ガスの供給が停止されているので、エアブロー後、一定時間経過し酸化ガス不足になってくるとセル電圧が低下し、再びエアブローが必要になる。つまりセル電圧低下防止処理部５２１は間欠運転時に周期的にエアブローを行う。

劣化判定部５２２は、本発明に係り、間欠運転時に供給される酸化ガス流量と燃料電池１００の機能維持のために消費される酸化ガス流量とを双方考慮して、燃料電池１００の電解質膜の劣化を判定する機能ブロックである。劣化判定部５２２は、具体的に、関係テーブル５２３、燃料ガス消費量推定手段５２４、エア供給理論時間間隔取得手段５２５、エア供給実時間間隔計測手段５２６、劣化判定手段５２７を備える。

関係テーブル５２３には、当該燃料電池システムにおいて、燃料ガス消費量（間欠運転時に必要とされる燃料ガス供給量）と燃料ガス消費量の増加に伴って変化するエア供給の理論上の時間間隔（以下「理論時間間隔」ともいう。）との関係を記録したテーブルであって、制御部５の記憶部に格納される。例えば、燃料ガスの供給量がモル数で特定され、エア供給時間間隔（エアブローの間隔）が秒数で把握できる場合、関係テーブル５２３は、燃料ガスのモル数に対するエア供給時間間隔である秒数の関係を規定する（図４参照）。

燃料ガス消費量推定手段５２４は、電流センサ４７から供給された検出信号Ｓｉに基づき検出された燃料電池１００の出力電流Ｉｆｃに基づいて、間欠運転時における単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定する機能ブロックである。ここで、燃料ガス消費量推定手段５２４が推定する燃料ガス消費量は、燃料電池の出力電流から推定された燃料ガス消費量全体であり、間欠運転のために必要な燃料ガスの消費量と高電位回避処理が実行されている場合に増加する燃料ガス消費量とが双方含まれている。

エア供給理論時間間隔取得手段５２５は、上記関係テーブル５２３を参照して、燃料ガス消費量推定手段５２４により推定された燃料ガス消費量に対応するエア供給理論時間間隔を取得する機能ブロックである。燃料ガス消費量に対応して取得されるエア供給理論時間間隔は、高電位回避処理等の燃料電池の機能維持のために酸化ガスの消費量の増加分を反映したものとなっている。

エア供給実時間間隔計測手段５２６は、セル電圧低下防止処理部５２１の制御によりエアブローされるインターバル、すなわちエア供給の実際の時間間隔（以下「実時間間隔」ともいう。）を計測する機能ブロックである。ここでエア供給実時間間隔計測手段５２６は、実際に実行されたエアブローから触媒活性化処理の終了直後のエアブローを排除した上で、燃料ガス消費量に対応するエアブローの時間間隔と比較するように構成されている。詳しくは実施形態２において後述する。

劣化判定手段５２７は、エア供給実時間間隔計測手段５２６により計測されたエア供給の実供給時間間隔が当該燃料ガス消費量に対応するものとしてエア供給時間間隔取得手段５２５により取得されたエア供給の理論時間時間より短いか否かに基づいて燃料電池１００の電解質の劣化を判定する機能ブロックである。

（動作説明）
次に本実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの電解質の劣化を判断する処理の動作を説明する。

図３に、間欠運転時において、セル電圧低下防止処理により実行されるエアブロー間隔とセル開回路電圧との関係を示す。
図３に示すように、当該燃料電池システムには、セル電圧低下防止処理のために、セル電圧が下回ってはならない最低下限電圧Ｖｔｈ１が設定されている。セル電圧低下防止処理部５２１は、セルモニタ１０１が検出したセル電圧Ｖｃを監視し、セル電圧Ｖｃがこの最低下限電圧Ｖｔｈ１に達した場合に所定時間エアブローを実行する。エアブローを実行するとセル電圧Ｖｃは酸化ガスが供給されて一時的に回復する。しかしエアブロー後に再び酸化ガスが不足し始めると、セル電圧Ｖｃが低下し始め、最低下限電圧Ｖｔｈ１に達すると、再度のエアブローが実行される。このエアブローの時間間隔は、燃料電池の機能維持のために余分に酸化ガスを消費していない限り、間欠運転時に必要な酸化ガスの消費量に対応していると考えられ、酸化ガスの消費量は、上記式（１）〜（３）の関係より燃料ガスの消費量にも対応している。よって燃料ガスの消費量が把握できれば、酸化ガスの供給量、つまりエアブローの理論上の時間間隔（理論時間間隔）が把握できる。燃料ガス消費量は、燃料電池１００の出力電流から、上記式（１）〜（３）の関係に基づき演算できる。上記関係テーブル５２３は、このような燃料ガスの消費量に対して必要とされる酸化ガス供給量から求められたエアブローの理論時間間隔Ｔｃを記録したものである。

図４に、関係テーブル５２３に記録される、発電電流から推定される燃料ガス（水素）消費量とエア供給理論時間間隔との関係を示す。間欠運転のためだけに酸化ガスが供給されるとした場合の燃料ガス消費量とエア供給理論時間間隔との関係特性ｆ１が実線で示されている。

本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料ガス消費量推定手段５２４が燃料電池１００の出力電流Ｉｆｃに基づき燃料ガスの消費量を演算して推定し、エア供給時間間隔取得手段５２５が、演算された燃料ガスの消費量に基づいて、図４に示すような燃料ガス消費量とエアブローの理論時間間隔との関係を記録した関係テーブル５２３を参照し、特性ｆ１から間欠運転のために必要とされる酸化ガスのみが供給されたとした場合のエアブローの時間間隔を取得する。

一方、エア供給時間間隔計測手段５２６は、セル電圧低下処理部５２１におけるエアブローの時間間隔Ｔｄを実際に計測している。燃料ガスが間欠運転のためだけに用いられていれば、燃料ガスの消費量から推測されたエアブローの理論時間間隔Ｔｃと実際に計測されたエアブローの実時間間隔Ｔｃとは一致するはずである。もしも燃料電池の電解質膜にクロスリークが発生していると、セル電圧Ｖｃの低下速度が速くなるため、実際に計測されるエアブローの時間間隔Ｔｄが短くなる。

そこで、劣化判定手段５２７は関係テーブル５２３を参照することに取得された理論上のエアブローの理論時間間隔Ｔｃを実際に計測されたエアブローの実時間間隔Ｔｄと比較し、エアブローの理論時間間隔Ｔｃが実質的に同一であるか否かを判定する。本実施形態では、エアブローの理論時間間隔Ｔｃ１に対して設定されたマージン（例えばマージンをｍとする）の範囲内に実際に計測されたエアブローの実時間間隔Ｔｄが入っていれば電解質膜の状態は正常であると判定し、エアブローの理論時間間隔Ｔｃからマージンｍを超えて下回っていれば電解質膜にクロスリークが発生していると判定する。通常、システムには演算上のまたは機械上の誤差がある程度存在するため、このようなマージンを設定してマージンの範囲内であれば同一の時間間隔であると判定することが好ましい。このマージンｍはシステムの演算上または機械上の誤差に鑑みて適切に設定すればよい。

例えば、図４において、燃料電池の出力電流から推測された燃料ガスの消費量がＭである場合、間欠運転のみのためにエアブローが行われているとした場合のエアブローの理論時間間隔がＴｃ１であることが関係特性ｆ１を参照することにより判る。

今、実際に計測されたエアブローの実時間間隔がＴｄ１であった場合、エアブローの実時間間隔Ｔｄ１は、エアブローの理論時間間隔Ｔｃ１からマージンｍの範囲内に存在する。よって、実際に計測されたエアブローの実時間間隔Ｔｄ１は正常な値であり、セルの電解質膜にクロスリークは発生してないと判断できる。

これに対し、もしも実際に計測されたエアブローの実時間間隔がＴｄ２であった場合、この実際に計測されたエアブローの実時間間隔Ｔｄ２は理論上のエアブローの時間間隔Ｔｃ１からマージンｍの範囲から外れて短い周期になっている。この場合、間欠運転によって消費される酸素ガスの供給量を超えて失われている酸素ガスが存在すると判断できるので、セルの電解質膜にクロスリークが発生している可能性が高いと判断できる。

また、実際に計測されたエアブローの実時間間隔Ｔｄが理論上のエアブローの時間間隔Ｔｃからマージンを超えて長くなっている場合には、クロスリーク以外に酸化ガス供給量を少なくする何らかの別の異常が発生していると判定することができる。

（高電位回避処理が行われている場合の判定処理）
さて、もしも間欠運転に必要とされる電力以外に、燃料電池の機能維持のための措置が併用されていると、燃料電池の出力電流が上昇し、燃料ガスの消費量が上昇してしまう。燃料ガスの消費量が上昇すると、それに対応して酸化ガスの供給量が上昇し、それに対応してエアブローの時間間隔が短くなっていく。図３にこれを示す。

図３において、高電位回避処理をしていない場合には、セル開回路電圧Ｖｃは高電位回避電圧Ｖｔｈ２を超えており、そのときのエアブローの時間間隔はＴｄ１であるが、高電位回避処理をすると、セル開回路電圧Ｖｃは高電位回避電圧Ｖｔｈ２以内に抑えられ、酸素ガスの消費量が上昇し、エアブローの時間間隔がＴｄ１より短いＴｄ２に変化する。

これを図４に基づいて考える。例えば、高電位回避処理部５１３において高電位回避処理が行われた結果、燃料電池の出力電流が上昇し、燃料ガスの消費量がΔｈだけ上昇した場合を考える。この場合、燃料ガス消費量推定手段５２４によって燃料電池の出力電流に基づいて推定される燃料ガスの消費量は、Ｍ＋Δｈとなる。

もしもこのとき、燃料ガスの消費量がＭである場合のエアブローの理論時間間隔がＴｃ１で固定されていたとしたら、本来は、正常であると判定されなければならない実時間間隔Ｔｄ２がマージン範囲から外れているため、異常であると誤判定されてしまう。これを図３で説明すれば、理論上のエアブローの時間間隔を間欠運転のみが行われている場合における固定値Ｔｃ１にしてしまうと、実際には燃料ガスの消費量が上昇し、それに対応して酸化ガスの供給量が上昇し、それに対応してエアブローの時間間隔が破線で示すようにＴｄ２と短くなってにもかかわらず、誤ったエアブローの理論時間間隔Ｔｃ１と実時間間隔Ｔｄ２とを比較することになるのである。

この点、本実施形態によれば、関係テーブルを用いているので、燃料ガスの消費量に変動があったとしても、それに対して変化するエアブロー時間間隔を正しく取得することができる。すなわち、エア供給理論時間間隔取得手段５２５は、高電位回避処理の消費量も含めた燃料ガスの全消費量を参照値として関係テーブル５２３を参照するので、理論上のエアブローの時間間隔として、燃料ガスの消費量がＭ＋Δｈである場合の理論上の時間間隔Ｔｃ２が正しく取得されることになる。この時、実際に計測されたエアブローの時間間隔がＴｄ２であった場合、関係テーブルから取得されたエアブローの実時間間隔Ｔｃ２からのマージンの範囲内にこの時間間隔Ｔｄ２が入っているので、電解質膜は正常であると判定することになる。

以上の処理により、高電位回避処理が併用されていても、電解質膜のクロスリークを正しく判定可能である。なお、このような処理は、燃料電池の機能維持のための措置が燃料ガスの消費量増加につながり、その増加量を演算可能な措置である限り、高電位回避処理に限定されることなく適用することが可能である。

図５は、本実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの、電解質の劣化を判断する処理の動作手順を示すフローチャート図である。以下、図５に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの電解質の劣化を判断する処理の動作を説明する。この処理動作は、劣化判定指示が出された時に開始される。

ステップＳ１では、エア供給実時間間隔計測手段５２６はタイマーをリセットし、ステップＳ２に移行し、セル電圧低下防止処理部５２１からエアブロー実行の通知があるか否かを判定する。エアブロー実行の通知がされない限り（ＮＯ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６は待機状態となる。

ステップＳ２においてエアブロー実行の通知がされた場合（ＹＥＳ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６はステップＳ３においてタイマーを起動し、エアブローの実時間間隔の計測を開始する。そしてステップＳ４において、再びエアブロー実行の通知があるか否かを判定する。エアブローが実行されないかぎり（ＮＯ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６は待機状態となる。

ステップＳ４においてエアブロー実行の通知がされた場合（ＹＥＳ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６は、ステップＳ５において、その時のタイマの計時時間を参照し、エアブローの実時間間隔Ｔｄとして記憶し、ステップＳ６に移行してタイマをリセットする。

ステップＳ７において、燃料ガス消費量推定手段５２４は、燃料電池の出力電流Ｓｉに基づき燃料ガスの消費量を演算して推定する。

ステップ８において、エア供給理論時間間隔取得手段５２５は、関係テーブル５２３を参照して、推定された燃料ガスの消費量から、それに対応する酸化ガスの供給量、すなわち、エアブローの理論時間間隔Ｔｃを取得する。

ステップＳ９において、劣化判定手段５２７は、エアブローの実時間間隔Ｔｄと理論時間間隔Ｔｃとを比較し、ステップＳ１０に以降する。

ステップＳ１０において、比較の結果、エアブローの実時間間隔Ｔｄが理論時間間隔Ｔｃ以上である場合（ＹＥＳ）、特に電解質膜にクロスリークは生じていないと判断できる。よって、ステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１において、劣化判定指示が継続しているか否かが判定される。劣化判定指示が継続中である場合には（ＹＥＳ）、再び現時点のエアブローの実時間間隔を計測すべく、ステップＳ１に移行する。劣化判定指示が終了していた場合には（ＮＯ）、一旦終了する。

一方、ステップＳ１０において、比較の結果、エアブローの実時間間隔Ｔｄが理論時間間隔Ｔｃより短くなっている場合（ＮＯ）、理想的には、理論時間間隔Ｔｃにマージンｍを見込んだ値（＝Ｔｃ−ｍ）より実時間間隔Ｔｄが小さい場合、電解質膜にクロスリークが生じている蓋然性が高いと判断できる。よって、ステップＳ１２に移行し、劣化判定手段５２７は、電解質が劣化しておりメンテナンスを要する旨の告知処理を実行し、今回の処理を終了する。

以上、本実施形態１によれば、高電位回避運転中の場合に、残留エアを使用した発電により、水素を消費した分だけ、エアブロー間隔が短くなっていることを考慮して、燃料電池スタックの電解質に劣化が生じたことを判定するので、電解質劣化の誤判定を回避することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、触媒活性化処理が併用されている場合の電解質膜劣化の誤判定を防止するシステムに関する。

本実施形態２に係る燃料電池システムの構成は、上記実施形態１に係る燃料電池システムの構成（図１）と同じであり、機能ブロックの構成も上記実施形態１に係る燃料電池システムの機能ブロックの構成（図２）と同じであるため、説明を省略する。但し、制御部５の劣化判定部５２２におけるエア供給実時間感覚計測手段５２６のエアブローの実時間間隔計測方法だけが異なる。

上述したように、触媒活性化処理部５１３により触媒活性化処理が行われている場合、燃料電池の機能維持のためのエアブローが行われる場合がある。このエアブローは、高電位回避処理に比べて頻繁に行われるものではないが、燃料ガスの消費量に応じて変化するエアブローとは無関係なものである。そこで、エア供給実時間感覚計測手段５２６は、この触媒活性化処理に対応して発生するエアブローをエアブローの実時間間隔の計測から除外するように機能する。

図６は、燃料電池スタックにおける電解質の劣化を検出する際に参照するエアブロー間隔とセル電圧との関係を、高電位回避処理時の触媒活性化処理とその終了までの期間を含めて示すグラフ図である。

図６に示すように、触媒活性化処理部５１３は、例えば間欠運転時等、低効率運転を実施している場合において定期的に、または、セル電圧Ｖｃ等から電解質膜の触媒の酸化が進行していると判断できるような場合に、酸化ガスおよび燃料ガスの供給を制限し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の二次側電圧を徐々に触媒活性化目標電圧まで低下させ、触媒において還元領域で電気化学反応が進行する状態に維持し、触媒の活性化（リフレッシュともいう）を行う。触媒活性化目標電圧に達すると、触媒活性化処理部５１３はその電圧を一定時間維持したのち、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１を制御して二次側電圧を元の電圧に復帰させる。このとき触媒活性化処理により不足している酸化ガスを補うため、コンプレッサ２０を制御して一時期に一定量の酸化ガスを供給する。このときのエアブロー（エアブロー２）は、セル電圧低下防止処理の一環として行われているエアブロー（エアブロー１）とは明らかに異なり、触媒活性化処理で一時的に失われた酸化ガスを補いセル電圧を回復させるためのものである。

本発明に係る電解質膜の劣化判定処理では、実際のエアブローの実時間間隔を計測するようになっている。もしもこのエアブローの実時間間隔の計測の最中に、この触媒活性化処理の終了時に実行されるエアブロー２が行われると誤ってエアブローの実時間間隔が計測されてしまうことになる。例えば図６において、触媒活性化処理がなければ、エアブロー１の後、本来計測されるべきエアブローはエアブロー３であり、実時間間隔Ｔｄａが計測されなければならない。しかし、触媒活性化処理の終了時のエアブロー２が介入されることによって、エアブローの実時間間隔としてＴｄｂ（＜Ｔｄａ）が計測されてしまう可能性がある。エアブローの実時間間隔が短く計測されるということは、電解質膜に実際にはクロスリークが発生していないにも拘わらず、クロスリークが発生していると誤判定する可能性がある。

そこで、本実施形態２において、エア供給実時間間隔計測手段５２６は、触媒活性化処理部５２３からエアブローの有無を示す情報を入力し、触媒活性化処理の終了時におけるエアブローが行われた場合には、このエアブローを無視するように構成されている。

図７は、本実施形態２に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの、電解質の劣化を判断する処理の動作手順を示すフローチャート図である。この処理動作は、劣化判定指示が出された時に開始される。

ステップＳ２１では、エア供給実時間間隔計測手段５２６はタイマーをリセットし、ステップＳ２２に移行し、セル電圧低下防止処理部５２１からエアブロー実行の通知があるか否かを判定する。エアブロー実行の通知がされない限り（ＮＯ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６は待機状態となる。

ステップＳ２２においてエアブロー実行の通知がされた場合（ＹＥＳ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６はステップＳ２３においてタイマーを起動し、エアブローの実時間間隔の計測を開始する。そしてステップＳ２４において、再びエアブロー実行の通知があるか否かを判定する。エアブローが実行されないかぎり（ＮＯ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６は待機状態となる。

ステップＳ２４においてエアブロー実行の通知がされた場合（ＹＥＳ）、エア供給実時間間隔計測手段５２６は、ステップＳ２５において、触媒活性化処理部５１３から触媒活性化処理完了の通知があったか否かを判定する。触媒活性化処理が完了した場合に実行されるエアブローは、上記タイマーの計測から除外されなければならない。

そこでステップＳ２５において、エア供給実時間間隔計測手段５２６は、触媒活性化処理完了の通知があった場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２４に戻る。これによって、今回の触媒活性化処理終了時のエアブローを無視し、次のセル電圧低下防止処理に基づいて行われるエアブローを待つ。

一方、ステップＳ２５において触媒活性化処理完了の通知が無かった場合には（ＮＯ）、今回のエアブローがセル電圧低下防止処理に基づいて行われるエアブローと判断できるので、エア供給実時間間隔計測手段５２６は、ステップＳ２６に移行し、その時のタイマの計時時間を参照してエアブローの実時間間隔Ｔｄとして記憶する。次いで、ステップＳ２７に移行してタイマをリセットする。

ステップＳ２８において、燃料ガス消費量推定手段５２４は、燃料電池の出力電流Ｓｉに基づき燃料ガスの消費量を演算して推定し、ステップ２９において、エア供給理論時間間隔取得手段５２５は、関係テーブル５２３を参照して、推定された燃料ガスの消費量から、それに対応する酸化ガスの供給量、すなわち、エアブローの理論時間間隔Ｔｃを取得する。

そしてステップＳ３０において、劣化判定手段５２７は、エアブローの実時間間隔Ｔｄと理論時間間隔Ｔｃとを比較し、ステップＳ３１に移行する。ステップＳ３１において、比較の結果、エアブローの実時間間隔Ｔｄが理論時間間隔Ｔｃ以上である場合（ＹＥＳ）、特に電解質膜にクロスリークは生じていないと判断できる。よって、ステップＳ３２に移行する。

ステップＳ３２において、劣化判定指示が継続しているか否かが判定される。劣化判定指示が継続中である場合には（ＹＥＳ）、再び現時点のエアブローの実時間間隔を計測すべく、ステップＳ２１に移行する。劣化判定指示が終了していた場合には（ＮＯ）、一旦終了する。

一方、ステップＳ３１において、比較の結果、エアブローの実時間間隔Ｔｄが理論時間間隔Ｔｃより短くなっている場合（ＮＯ）、電解質膜にクロスリークが生じている蓋然性が高いと判断できる。よって、ステップＳ３３に移行し、劣化判定手段５２７は、電解質が劣化しておりメンテナンスを要する旨の告知処理を実行し、今回の処理を終了する。

以上、本実施形態２によれば、触媒活性化処理が並行して実行されている場合に、触媒活性化処理の終了時にエア不足を補うため行われるが実時間間隔を計測するためのエアブローから除外されるので、電解質劣化の誤判定を回避することができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、間欠運転のために供給される反応ガス量から機能維持のために消費される反応ガス量を減じた酸化ガス量を燃料電池の電解質膜におけるクロスリーク量と推測する形態に関する。

図８に、本実施形態３に係る燃料電池システムの機能ブロックの構成を示す。
図８に示すように、ＦＣ制御部５２は、本実施形態３の劣化判定部５３０を有する。劣化判定部５３０は、機能維持用エア量推測手段５３１、供給エア総量推測手段５３２、クロスリーク量推測手段５３３、および劣化判定手段５３４を備える。上記実施形態１において説明した機能ブロック（電力系統制御部５１１、高電位回避処理部５１３、触媒活性化処理部５１３、およびセル電圧低下防止処理部５２１）については、図示および説明を省略する。

機能維持用エア量推測手段５３１は、機能維持用エア量相対値ＶＱ１に基づいて、単位時間当たりの、当該燃料電池システムの機能維持に必要なエア量Ｑ１を推測する機能ブロックである。燃料電池システムの機能維持に必要なエア量Ｑ１としては、上述したように、システム要求に対応して求められる必要な発電電力を得る以外の目的に用いられるエアの量であり、具体的には、上述した高電位回避処理のために用いられるエア量や触媒活性化処理のために用いられるエア量の総てを意味する。よって、機能維持用エア量相対値ＶＱ１は、単一の数値に限られるものではなく、上記機能維持のために用いられるエア量を機能毎に表すパラメータの総体として考えるべきである。

例えば機能１（例えば、上記高電位回避処理）のために用いられるエア量のパラメータがＶｑ１、機能２（例えば、上記触媒活性化処理）のために用いられるエア量のパラメータがＶｑ２であり、機能３（任意の機能）のために用いられるエア量のパラメータがＶｑ３であるとすれば、機能維持用エア量推測手段５３１は、それぞれのパラメータＶｑ１〜Ｖｑ３に基づいて、それぞれの機能に必要なエア量ｑ１、ｑ２、およびｑ３を推測する。そして、機能維持に必要なエア量Ｑ１を、
Ｑ１＝ｑ１＋ｑ２＋ｑ３（＝Σｑｎ：ｎは機能数）、
として求める。

供給エア総量推測手段５３２は、供給エア総量相対値ＶＱに基づいて、現時点における単位時間当たりの供給エア総量Ｑを求める機能ブロックである。供給エア総量相対値Ｑとしては、種々考えられるが、例えば、コンプレッサ２０の回転数であってもよいし、エアコンプレッサの供給圧力の検出値であってもよいし、酸化ガス供給路２１に流量センサを備えているのであればそのセンサの検出値であってもよい。供給エア総量推測手段５３２は現時点の短時間当たりに供給されるエア総量を表す何れかのパラメータから供給エア総量Ｑを演算する。

クロスリーク量推測手段５３３は、機能維持用エア量Ｑ１と供給エア総量Ｑとに基づいてクロスリークに係るエア量Ｑ２を推測する機能ブロックである。上述したように、供給エア総量Ｑと機能維持用エア量Ｑ１とクロスリーク量Ｑ２との間には、間欠運転時にはＱ≒Ｑ１＋Ｑ２という関係がある。よって、クロスリーク量推測手段５３３は、供給エア総量Ｑから機能維持用エア量Ｑ１を減じた値をクロスリーク量Ｑ２の推測値として出力する。

劣化判定手段５３４は、推測されたクロスリーク量Ｑ２に基づいて電解質の劣化の有無を判定する機能ブロックである。例えば、電解質に生じるクロスリークの量として許容できるしきい値Ｑｔｈと推測されたクロスリーク量Ｑ２とを比較し、Ｑ２＞Ｑｔｈのときに電解質が劣化したと判定して、必要とされる報知処理等を行う。電解質膜の交換を示唆するためである。

以上、本実施形態３によれば、供給エア総量Ｑと機能維持に必要とされるエア量Ｑ１に基づいてクロスリーク量Ｑ２が求められ、しきい値Ｑｔｈとの比較により、電解質膜劣化を的確に把握することができる。

（その他の実施形態）
本発明の上記各実施形態に係る燃料電池システムでは、エアブローの実時間間隔を連続する２つのエアブロー間の時間を計測して取得していたがこれに限らない。すなわち、複数のエアブロー間の各々に対して時間間隔を計測し、その平均値等を得算して、エアブローの理論実時間間隔との比較に用いてもよい。複数の実時間間隔の平均等を用いる方が実時間間隔の精度が高まるため、正確な電界質膜劣化判定のために好ましいと考えられる。

また、本発明の上記各実施形態に係る燃料電池システムでは、間欠運転時におけるクロスリーク判定を対象としていたが、通常発電時におけるクロスリーク判定にも応用可能である。例えば、通常発電時において、発電のために消費されるエア量Ｑ３が推測可能であれば、供給エア総量Ｑと機能維持用エア量Ｑ１とクロスリーク量Ｑ２と発電用エア量Ｑ３との間には、間欠運転時にはＱ≒Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３という関係が成立しうるので、供給エア総量Ｑから機能維持用エア量Ｑ１と発電用エア量Ｑ３とを減じることにより、クロスリーク量Ｑ２を求めることが可能である。発電用エア量Ｑ３は、例えば、発電電流（単位時間当たりの電荷量）を検出することにより、式（２）から演算することが可能である。

言い換えれば、もしもクロスリークが発生していないとすれば、発電電圧が維持されている状態において実測された反応ガス総量Ｑｒと、種々のパラメータから推測された反応ガス総量Ｑｅとは等しいはずである。よって、両者の差分Ｑｄ（＝Ｑｒ−Ｑｅ）がゼロではなかったとすれば（＞０）、その差分Ｑｄをクロスリーク量として劣化判定に用いることができるのである。

また、本発明の上記各実施形態に係る燃料電池システムは、電気自動車の他の移動体（陸上、水上、水中、空中）に適用することもできるし、定置形システムに適用してもよい。

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの制御部５における機能ブロックの構成を示す構成図である。 エアブロー間隔とセル電圧との関係を示すグラフ図である。 発電電流から推定される燃料ガス消費量とエア供給理論時間間隔との関係特性を示すグラフ図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの、電解質の劣化を判断する処理の動作手順を示すフローチャート図である。 触媒活性化処理が行われた場合のエアブロー間隔とセル電圧との関係を示すグラフ図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの、電解質の劣化を判断する処理の動作手順を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態３に係るＦＣ制御部５２における機能ブロックの構成を示す構成図である。

符号の説明

１…アノードガス供給系、２…カソードガス供給系、４…電力系、５…制御部、１０…水素タンク、１１…アノードガス供給路、１２…アノードオフガス排出路、１３…燃料ガス圧力センサ、２０…コンプレッサ、２１…カソードガス供給路、２２…カソードオフガス排出路、４０…バッテリ、４１…コンバータ、４２…トラクションインバータ、４３…トラクションモータ、４４…補機インバータ、４５…高圧補機、４８…電圧センサ、４９…逆流防止ダイオード、１００…燃料電池、ＣCONV，ＣCOMP…指令信号、Ｓｉ…出力電流検出信号、Ｓｅ…出力電圧検出信号、Ｓｐ…クロスリーク検知信号、５１…ＨＶ制御部、５２…ＦＣ制御部、５１１…電力系統制御部、５１２…高電位回避処理部、５１３…触媒活性化処理部、５２１…セル電圧低下防止処理部、５２２、５３０…劣化判定部、５２３…関係テーブル、５２４…燃料ガス消費量推定手段、５２５…エア供給理論時間間隔取得手段、５２６…エア供給実時間間隔計測手段、５２７、５３４…劣化判定手段、機能維持用エア量推測手段５３１、供給エア総量推測手段５３２、クロスリーク量推測手段５３３

Claims (7)

1. 燃料電池のセル電圧が所定の下限電圧を下回った場合に前記燃料電池のカソードに所定量の酸化ガスを供給するセル電圧低下防止処理を実施するとともに、反応ガスが所定の間隔をおいて供給される低効率運転時に前記燃料電池に供給される酸化ガス量に基づいて前記燃料電池の電解質膜の劣化を判定する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の出力電流から推定される前記燃料電池のカソード側に供給される酸化ガス量よりも、実際に計測される前記カソード側に供給される酸化ガス量が多くなった場合に、前記燃料電池の電解質膜が劣化したと判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記推定される酸化ガス量は、前記セル電圧低下防止処理のために消費される酸化ガス量を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記推定される酸化ガス量は、前記燃料電池の出力電圧が所定のしきい値以上に上昇することを防止する高電位回避処理のために消費される酸化ガス量を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記実際に計測される酸化ガス量は、前記電解質膜の触媒活性化処理を終了させる時に供給される酸化ガス量を除いて計測される、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池のセル電圧が所定の下限電圧に達した場合に前記燃料電池のカソードに所定量の酸化ガスを供給する手段と、
   前記燃料電池の出力電流から、前記酸化ガスの供給が終了してから次に前記酸化ガスの供給が開始されるまでの推定時間間隔を取得する手段と、
   前記酸化ガスの供給が終了してから次に前記酸化ガスの供給が開始されるまでの実時間間隔を計測する手段と、
   取得された推定時間間隔よりも、計測された前記実時間間隔が短くなった場合に、前記燃料電池の電解質膜が劣化したと判定する劣化判定手段と、を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記実時間間隔を計測する手段は、
   複数回実施される前記酸化ガスの供給から、前記電解質膜の触媒活性化処理直後の酸化ガスの供給を除外して前記実時間間隔を計測する、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記推定時間間隔を取得する手段は、
   前記燃料電池の燃料ガス消費量と該燃料ガス消費量の増加に伴って変化する前記推定時間間隔との関係を記録した関係テーブルを備え、
   さらに、前記燃料電池の出力電流に基づいて前記燃料ガス消費量を推定する手段と、
   該関係テーブルを参照して推定された該燃料ガス消費量に対応する前記推定時間間隔を取得する手段と、を備え、
   前記劣化判定手段は、
   取得された当該燃料ガス消費量に対応する前記推定時間間隔よりも、計測された前記実時間間隔が短くなった場合に、前記燃料電池の電解質膜が劣化したと判定する、請求項５または６に記載の燃料電池システム。

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