特許 7402077 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231213BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20231213BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20231213BHJP

   B60L 58/30 20190101ALI20231213BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231213BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/0438

H01M8/04664

B60L58/30

H01M8/10 101

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020025871

(22)【出願日】2020-02-19

(65)【公開番号】P2021131957

(43)【公開日】2021-09-09

【審査請求日】2022-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】井上 一秀

(72)【発明者】

【氏名】尾島 邦明

(72)【発明者】

【氏名】井上 智之

(72)【発明者】

【氏名】大神 統

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１７４６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－６０７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７５０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１１９３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１４３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４６９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２７５３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

Ｂ６０Ｌ ５８／３０－５８／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インジェクタを介して供給される燃料ガスが、燃料ガス供給路を通じて燃料ガス入口から電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給される一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス入口から前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に供給されて発電する燃料電池と、
該燃料電池の発電電力により駆動される回転電機を含む負荷と、
燃料ガス出口から前記燃料ガス入口までの燃料ガス循環路に配設された圧力センサと、
を備える燃料電池システムにおける前記電解質膜・電極構造体の劣化を検出する方法であって、
車速判定工程と、
負荷変動抑制工程と、
ガス圧低下勾配算出工程と、
劣化判定工程と、を備え、
前記車速判定工程で、
前記燃料電池システムを搭載した車両が停止状態であるか前記車両の車速が所定車速以下であるかを判定した後、
前記負荷変動抑制工程では、
前記燃料電池から前記回転電機への電力の供給を停止して前記燃料電池が一定の発電電流を発電するアイドル発電状態にして前記負荷の変動を抑制し、
前記ガス圧低下勾配算出工程では、
前記負荷の変動が抑制されている間に、前記インジェクタが前記燃料ガス供給路を通じて間欠的に前記燃料ガスを吐出しているＯＮ区間の終了時点のガス圧と、前記燃料ガスを吐出しないＯＦＦ区間を経た、次のＯＮ区間の開始時点のガス圧と、から前記ＯＦＦ区間のガス圧低下勾配を算出し、
前記劣化判定工程では、
算出された前記ガス圧低下勾配に基づき前記電解質膜・電極構造体の劣化の有無を判定する
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。

【請求項2】

請求項１に記載の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であって、
前記圧力センサが、前記燃料ガス入口側に配置されている、
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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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を備え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関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

前記発電セルにおいて、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。

【0004】

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］）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１０－７３４９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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システムにおける電解質膜・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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明の一態様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は、インジェクタを介して供給される燃料ガスが、燃料ガス供給路を通じて燃料ガス入口から電解質膜・電極構造体のアノード電極側に供給される一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス入口から前記電解質膜・電極構造体のカソード電極側に供給されて発電する燃料電池と、該燃料電池の発電電力により駆動される回転電機を含む負荷と、燃料ガス出口から前記燃料ガス入口までの燃料ガス循環路に配設された圧力センサと、を備える燃料電池システムにおける前記電解質膜・電極構造体の劣化を検出する方法であって、車速判定工程と、負荷変動抑制工程と、ガス圧低下勾配算出工程と、劣化判定工程と、を備え、前記車速判定工程で、前記燃料電池システムを搭載した車両が停止状態であるか前記車両の車速が所定車速以下であるかを判定した後、前記負荷変動抑制工程では、前記燃料電池から前記回転電機への電力の供給を停止して前記燃料電池が一定の発電電流を発電するアイドル発電状態にして前記負荷の変動を抑制し、前記ガス圧低下勾配算出工程では、前記負荷の変動が抑制されている間に、前記インジェクタが前記燃料ガス供給路を通じて間欠的に前記燃料ガスを吐出しているＯＮ区間の終了時点のガス圧と、前記燃料ガスを吐出しないＯＦＦ区間を経た、次のＯＮ区間の開始時点のガス圧と、から前記ＯＦＦ区間のガス圧低下勾配を算出し、前記劣化判定工程では、算出された前記ガス圧低下勾配に基づき前記電解質膜・電極構造体の劣化の有無を判定する。

【発明の効果】

【0010】

この発明によれば、負荷の変動が抑制された状態で、燃料電池に燃料ガスを所定量供給したときの圧力の変化を、燃料ガス出口から燃料ガス入口までの燃料ガス循環路に配設された圧力センサにより計測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、精度良く燃料電池システムにおける電解質膜・電極構造体の劣化（クロスリーク）を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】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）の構成例を示すブロック図である。

【図2】図２は、図１のうち、制御システムの概略構成を示すブロック図である。

【図3】図３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4】図４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5】図５は、図４のうち、劣化検出処理の詳細説明に供されるフローチャートである。

【図6】図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ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7】図７Ａ、図７Ｂは、比較例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。

【発明を実施するための形態】

【0012】

この発明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。

【0013】

［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。

【0014】

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。

【0015】

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、昇圧コンバータ（ＦＣＶＣＵ：燃料電池電圧制御ユニット）１８、インバータ（ＩＮＶ：回転電機の駆動装置）２０、モータ（車両駆動用の回転電機）２４、昇降圧（両方向）コンバータ（ＢＡＴＶＣＵ：バッテリ電圧制御ユニット）２６、降圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２８、制御システム（ＥＣＵ）３０、及び電源スイッチ（電源ＳＷ）３２を備える。

【0016】

図２は、図１のうち、制御システム３０の概略構成を示すブロック図である。なお、図２において、図１に示したものと同一の構成要素には同一の符号を付けている。

【0017】

制御システム３０は、それぞれが、ＥＣＵ（電子制御ユニット）により構成される統括ＥＣＵ（ＭＧＥＣＵ）３０Ａ、モータＥＣＵ３０Ｂ、ＦＣＥＣＵ３０Ｃ、バッテリＥＣＵ（ＢＡＴＥＣＵ）３０Ｄ、及び昇圧コンバータ制御ＥＣＵ（ＦＣＶＣＵＥＣＵ）３０Ｅを含む。

【0018】

各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。

【0019】

図１において、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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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（高電圧の発電電圧Ｖｆｃの発電電力）は、制御システム３０による制御下に、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０を通じてモータ２４に供給されると共に、昇圧コンバータ１８及び昇降圧コンバータ（降圧コンバータとして機能）２６を通じて高圧バッテリ１４に充電可能である。

【0028】

また、燃料電池スタック３４の出力（発電電圧Ｖｆｃの発電電力）は、昇圧コンバータ１８、昇降圧コンバータ（降圧コンバータとして機能）２６及び降圧コンバータ２８を通じて低圧バッテリ１６に充電可能である。

【0029】

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昇降圧コンバータ（昇圧コンバータとして機能）２６、及びインバータ２０を通じてモータ２４を駆動可能である。

【0030】

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、インバータ２０、昇降圧コンバータ（降圧コンバータとして機能）２６を通じて、高圧バッテリ１４に充電される。

【0031】

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。

【0032】

低圧バッテリ１６の低電圧Ｖｌの電力は、酸化剤ガスの排気再循環ポンプ（ＥＧＲポンプ）５４、インジェクタ５７、制御システム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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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、ＦＣＥＣＵ３０Ｃに送られる。

【0046】

高圧バッテリ１４、低圧バッテリ１６、昇圧コンバータ１８、昇降圧コンバータ２６、降圧コンバータ２８及びインバータ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、制御システム３０に送られる。

【0047】

図２において、ＦＣＥＣＵ３０Ｃ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（水素タンク８０からの水素の供給を遮断する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。また、ＦＣＥＣＵ３０Ｃは、燃料電池３４の状態等を検知して統括ＥＣＵ３０Ａに送る。

【0048】

昇圧コンバータ用ＥＣＵ３０Ｅは、統括ＥＣＵ３０Ａからの稼働指令に基づき昇圧コンバータ１８を駆動制御し燃料電池スタック３４の発電電流Ｉｆｃを制御する。

【0049】

なお、燃料電池スタック３４は、該燃料電池スタック３４の端子間電圧である発電電圧Ｖｆｃが上昇すると、発電電流Ｉｆｃが低下する所定の電圧・電流特性を有しているので、昇圧コンバータ用ＥＣＵ３０Ｅを通じて昇圧コンバータ１８により燃料電池３４の発電電圧Ｖｆｃを固定制御することにより、該固定の発電電圧Ｖｆｃに応じた発電電流Ｉｆｃを、前記電圧・電流特性上の一定値に制御することができる。

【0050】

昇圧コンバータ用ＥＣＵ３０Ｅは、統括ＥＣＵ３０Ａから稼働指令を受けると共に、燃料電池３４の稼働状態（発電電流Ｉｆｃ等）を統括ＥＣＵ３０Ａに送る。

【0051】

モータＥＣＵ３０Ｂは、統括ＥＣＵ３０Ａからの稼働指令を受けてインバータ２０を通じてモータ２４をトルク制御すると共に、昇降圧コンバータ２６を通じて高圧バッテリ１４からインバータ２０に印加される電圧を昇圧制御する。モータＥＣＵ３０Ｂは、回生時にモータ２４の回生電圧を昇降圧コンバータ２６を通じて降圧し高圧バッテリ１４に充電する降圧制御も行う。なお、モータＥＣＵ３０Ｂからモータ２４等の稼働状態が統括ＥＣＵ３０Ａに送られる。

【0052】

バッテリＥＣＵ３０Ｄは、高圧バッテリ１４の充放電制御を行うと共に、降圧コンバータ２８を通じて低圧バッテリ１６の充放電制御を行う。なお、バッテリＥＣＵ３０Ｄから高圧バッテリ１４及び低圧バッテリ１６の稼働状態（ＢＡＴ稼働状態）が統括ＥＣＵ３０Ａに送られる。

【0053】

［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３を参照して、以下に説明する。

【0054】

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。

【0055】

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、酸化剤排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。

【0056】

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を参照した制御システム３０によるバイパスバルブ６４の開度制御により行われる。

【0057】

一方、燃料ガス供給装置３８では、制御システム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、制御システム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に吸引された燃料排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、燃料排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。

【0058】

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。

【0059】

次いで、カソード電極４２に供給されて酸素が消費された酸化剤排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に供給され水素が消費された燃料排ガス（一部が消費された燃料ガス）が燃料ガス出口連通口５６ｂに排出される。燃料排ガスは、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。

【0060】

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、制御システム３０の制御下に昇圧コンバータ１８を介してモータ２４の必要駆動トルクを得るためにさらに高電圧（駆動電圧）Ｖｉｎｖの電力に変換されてインバータ２０の入力側に供給される。

【0061】

インバータ２０は、図示しないアクセル開度に基づいて制御システム３０を通じて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。

【0062】

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、制御システム３０の制御下に昇降圧コンバータ２６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。

【0063】

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。

【0064】

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

【0065】

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システム３０により算出される。

【0066】

［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、図４のフローチャートを参照して、以下に説明する。

【0067】

ステップＳ１にて、統括ＥＣＵ３０Ａは、電源スイッチ３２がＯＮ状態にあるか否かを確認し、ＯＮ状態にある（ステップＳ１：ＹＥＳ）とき、ステップＳ２にて、モータ２４のエンコーダ（不図示）からエンコード信号が入力されるモータＥＣＵ３０Ｂから車速情報を得、車速が所定車速以下であるか否か判定する。

【0068】

この実施形態では、燃料電池車両１０が停止状態（ステップＳ２：ＹＥＳ）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ものとする。

【0069】

次いで、ステップＳ３にて、燃料電池スタック３４から出力される発電電流Ｉｆｃの値が、所定電流値（閾値電流値）Ｉｔｈ未満である（Ｉｆｃ＜Ｉｔｈ）か否かが判定される。

【0070】

所定電流値Ｉｔｈ未満でない（ステップＳ３：ＮＯ）ときには、すなわち、発電電流Ｉｆｃの値が所定電流値Ｉｔｈより大きい大電流である時には、後述する劣化検出処理（ステップＳ８）を実行しても検出精度が悪くなるので、ステップＳ４にて負荷変動抑制要求が非出力の状態であることが確認され、ステップＳ２に戻る。

【0071】

一方、発電電流Ｉｆｃの値が、所定電流値Ｉｔｈ未満である（ステップＳ３：ＹＥＳ、Ｉｆｃ＜Ｉｔｈ）場合には、ステップＳ５にてＦＣＥＣＵ３０Ｃから負荷変動抑制要求が出力され、これを検知した統括ＥＣＵ３０Ａは、ステップＳ６にて、各ＥＣＵ（ＦＣＥＣＵ３０Ｃ、昇圧コンバータ用ＥＣＵ３０Ｅ、モータＥＣＵ３０Ｂ、バッテリＥＣＵ３０Ｄ）の稼働状態を確認する。

【0072】

そして、確認した稼働状態に基づき燃料電池スタック３４の負荷変動抑制制御（低負荷電力制御）が可能である（ステップＳ６：ＹＥＳ）と判断した場合、昇圧コンバータ用ＥＣＵ３０Ｅの制御下に昇圧コンバータ１８の入力電圧、すなわち発電電圧（燃料電池電圧）Ｖｆｃの値を、発電電流Ｉｆｃの値が所定電流値（閾値電流値）Ｉｔｈ以下の一定値になるように保持制御し、ステップＳ８の燃料電池システム１２の劣化検出処理に進む。

【0073】

なお、負荷変動抑制制御（低負荷電力制御）が可能ではない（ステップＳ６：ＮＯ）と判断した場合、ステップＳ７にて、燃料電池システム１２の劣化検出処理は、非実施であるとしてステップＳ２に戻る。

【0074】

図５は、ステップＳ８の燃料電池システム１２の劣化検出処理の説明に供される詳細フローチャートである。

【0075】

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、ステップＳ８の燃料電池システム１２の劣化検出処理の説明に供されるタイミングチャートである。

【0076】

ステップＳ８ａにて、図６Ａに示す負荷変動が抑制された低負荷（Ｉｆｃ＜Ｉｔｈ：ステップＳ３：ＹＥＳ）状態で、図６Ｃに示すように、ＦＣＥＣＵ３０Ｃ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）にし、そのＯＮ区間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。

【0077】

次いで、ステップＳ８ｂにて、吐出後のＯＦＦ区間（時点ｔ２～ｔ３＝ΔＴ）での発電によるガス圧ＰＨの降下値を圧力センサ１０２ｃによりガス圧ΔＰとして計測する（図６Ｂ参照）。なお、ＯＦＦ区間は、ｍｓ（ミリセコンド）オーダーの期間である。

【0078】

次いで、ステップＳ８ｃにて、吐出後のＯＦＦ区間（ΔＴ）でのガス圧ＰＨの低下勾配を、ΔＰ／ΔＴとして算出する。

【0079】

次に、算出した低下勾配|ΔＰ／ΔＴ|が、予め設定された所定勾配|Ｓｔｈ|を上回る（|ΔＰ／ΔＴ|＞|Ｓｔｈ|）か否かをステップＳ８ｄにて判定する。

【0080】

|ΔＰ／ΔＴ|＞|Ｓｔｈ|と判定が成立した（ステップＳ８ｄ：ＹＥＳ）場合、ステップＳ８ｅにて、相対的に高圧とされているアノード電極４３側から相対的に低圧とされているカソード電極４２への燃料ガスのクロスリークが発生していて電解質膜・電極構造体４４が劣化していると判定する。

【0081】

その一方、|ΔＰ／ΔＴ|≦|Ｓｔｈ|と判定が非成立の場合、ステップＳ８ｆにて、クロスリークは非発生で電解質膜・電極構造体４４が正常であると判定する。

【0082】

なお、図７Ａ、図７Ｂは、比較例のタイミングチャートである。図７Ａに示すように、発電電流Ｉｆｃの値が小電流の所定電流値Ｉｔｈ以上の値である（ステップＳ３：ＮＯ）場合には、発電電流Ｉｆｃに応じた燃料ガスを吐出する必要があるため、図７Ｂに示すように、圧力センサ１０２ｃにより検出されるガス圧ＰＨの変動が大きくなり、吐出後のＯＦＦ区間（図６Ｂ、図６Ｃの時点ｔ２～ｔ３＝ΔＴに対応する区間）でのガス圧ＰＨの降下値を圧力センサ１０２ｃにより識別して計測することが略不可能であり、結果として、電解質膜・電極構造体４４の劣化を精度良く検出することができない。

【0083】

つまり、負荷変動が大きい場合には、負荷変動に追随して圧力変動も大きくなるため、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを参照して説明したＩｆｃ＜Ｉｔｈ（負荷制限）を前提として圧力降下手法による検知精度が著しく悪化し、電解質膜・電極構造体４４の劣化によるガス圧低下と見分け難くなる。

【0084】

［実施形態から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態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。

【0085】

この発明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は、燃料ガス供給路８２を通じて供給される燃料ガスが燃料ガス入口５６ａから電解質膜・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に混合されて前記燃料ガス入口５６ａに供給される一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス入口５８ａから前記電解質膜・電極構造体４４のカソード電極４２側に供給されて発電する燃料電池３４と、該燃料電池３４の発電電力により駆動される負荷２４と、前記燃料ガス出口５６ｂから前記燃料ガス入口５６ａまでの燃料ガス循環路９６に配設された圧力センサ１０２ｃと、を備える燃料電池システム１２における前記電解質膜・電極構造体４４の劣化を検出する方法であって、前記負荷の変動を抑制する負荷変動抑制工程（ステップＳ５、Ｓ６）と、前記負荷の変動が抑制された状態で、前記燃料電池３４に前記燃料ガスを所定量供給した後の圧力の変化を、前記圧力センサ１０２ｃにより計測するガス圧計測工程（ステップＳ８ｂ）と、を備える。

【0086】

このように、負荷の変動が抑制された状態で、燃料ガスを燃料電池３４に所定量供給した後の圧力の変化を、前記燃料ガス出口５６ｂから前記燃料ガス入口５６ａまでの燃料ガス循環路９６に配設された圧力センサ１０２ｃにより計測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、精度良く燃料電池システム１２における電解質膜・電極構造体４４の劣化（クロスリーク）を検出することができる。

【0087】

この場合、前記燃料ガス供給路８２に直列にインジェクタ５７とエジェクタ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ようにしている。

【0088】

この構成によれば、インジェクタ５７の開閉制御下に、容易に所定小量の燃料ガスを燃料電池３４に供給することができる。

【0089】

なお、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ようにすることでガス圧計測用の新たな圧力センサを設ける必要がない。

【0090】

ここで、前記圧力センサ１０２ｃにより計測された検出圧力ΔＰの所定時間Ｔｏｆｆ（ΔＴ）内の低下量に基づき前記電解質膜・電極構造体４４の劣化の有無を判定する劣化判定工程（ステップＳ８ｄ）をさらに備えることが好ましい。

【0091】

この構成によれば、負荷変動抑制制御実施中（ステップＳ６）に、劣化検出処理を実施することができる。

【0092】

さらに、前記負荷が回転電機２４を含み、前記負荷の変動を抑制する負荷変動抑制工程（ステップＳ６：ＹＥＳ）では、前記回転電機２４への電力の供給が停止されているようにすることが好ましい。

【0093】

回転電機２４の回転停止状態の低負荷時のアイドル発電時に安定した値の検出圧力ΔＰを検出することができるので、検出精度を上げることができる。

【0094】

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。

【符号の説明】

【0095】

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
１８…昇圧コンバータ ２０…インバータ
２４…負荷（モータ、回転電機） ２６…昇降圧コンバータ
２８…降圧コンバータ ３０…制御システム
３０Ａ…統括ＥＣＵ ３０Ｂ…モータＥＣＵ
３０Ｃ…ＦＣＥＣＵ ３０Ｄ…バッテリＥＣＵ
３０Ｅ…昇圧コンバータ用ＥＣＵ 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…燃料ガス循環路 １０２ａ～１０２ｅ…圧力センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】