JP2009158371A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で且つ高精度にリークセルの有無を判定できるようにする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させながら、そのときのセル電圧の挙動に基づいてリークセルの有無を判定する。
【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して電力を取り出す燃料電池システムに関し、特に、電解質膜に異常が生じたリークセルの有無を判定する技術に関する。

従来、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの中で電解質膜に異常が生じたリークセルを判定する技術としては、例えば特許文献１に記載されているように、各燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの圧力を酸化剤極に供給する酸化剤ガスの圧力よりも高く維持した状態で、活性化過電圧領域で各燃料電池セルの出力電圧を測定し、出力電圧が所定の電圧値以下となっている燃料電池セルを、電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へとガスが流入しているリークセルと判定する、といた手法が知られている。
特開２００３−４５４６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている判定手法では、各燃料電池セルの燃料極と酸化剤極との間で、燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生さて当該差圧を一定値で維持するようにしているため、燃料極側から酸化剤極側へと流入するガスの移動速度は一定となり、例えば、リークの要因となっている電解質膜の孔が微小である場合などにおいては、酸化剤極側の酸素分圧が低下して出力電圧が所定の電圧値以下にまで低下するのに時間がかかり、短時間でリークセルの有無を判定することが難しい場合があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく創案されたものであって、短時間で且つ高精度にリークセルの有無を判定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。

本発明は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させて、当該差圧を単調増加させたときの各燃料電池セルごと又は複数の燃料電池セルからなるセル群ごとに検出された燃料電池セルの電圧挙動に基づいて、電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へとガスが流入しているリークセルの有無を判定する。

本発明によれば、燃料電池セルの燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させたときの燃料電池セルの電圧挙動に基づいてリークセルの有無を判定するようにしているので、リークセルの有無を短時間で且つ高精度に検知することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
〈全体構成〉
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。同図に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の動力源として車両に搭載されて、車両の駆動モータやシステム内部の補機などの負荷装置に電力を供給するものであり、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成される燃料電池スタック１０を備える。

燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１は、例えば、燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。そして、このような燃料電池セル１１が多段に積層されて燃料電池スタック１０とされる。この燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１のセパレータには、燃料極側に燃料ガスが流れる燃料ガス流路、酸化剤極側には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル１１の燃料極側に水素を含有する燃料ガスが供給され、酸化剤極側に酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が供給されることで、水分を媒体として固体高分子電解質膜中をそれぞれのイオンが移動して接触し、発電を行う。

この燃料電池スタック１０には負荷装置１２が電気的に接続され、燃料電池スタック１０で発電された電力は負荷装置１２によって取り出される。また、燃料電池スタック１０には、図２に示すように、燃料電池セル１１の電圧（以下、セル電圧という。）を各燃料電池セル１１ごとに計測するセル電圧計測器１３が接続されている。このセル電圧計測器１３により計測された各燃料電池セル１１ごとのセル電圧は、後述するコントローラ４０に入力されて、コントローラ４０においてリークセルの有無を判定する際に使用される。なお、セル電圧計測器１３は、各燃料電池セル１１ごとのセル電圧を計測する代わりに、所定数の燃料電池セル１１を一単位として構成されるセル群ごとに、セル電圧を計測するようにしてもよい。

燃料電池システムは、燃料電池スタック１０のほかに、燃料電池スタック１０に燃料ガス（純水素もしくは水素含有ガス）を供給するための水素系２０と、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスである空気を供給するための空気系３０と、燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するコントローラ４０とを備えている。

水素系２０は、例えば、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク２１を備え、この燃料タンク２１から取り出した燃料ガスを、燃料ガス供給流路２０ａを介して燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極へと供給する。燃料ガス供給流路２０ａ中には、各燃料電池セル１１の燃料極に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整弁２２と、燃料電池スタック１０の燃料極入口側で燃料ガスの圧力を測定する燃料極入口圧力センサ２３とが設置されている。なお、燃料ガスの供給源としては、燃料タンク２１以外にも、例えば改質器を用いて生成した燃料ガスを供給する燃料供給装置など、他の燃料ガス供給源を用いるようにしてもよい。

燃料電池スタック１０の燃料極出口側には、燃料ガス循環流路２０ｂが接続されている。この燃料ガス循環流路２０ｂの他方の端部は燃料ガス供給流路２０ａに接続されており、燃料ガス循環流路２０ｂ中にはポンプやブロアなどからなる燃料ガス循環装置２４が設置されている。燃料電池スタック１０の燃料極出口から排出された排出燃料ガスは、燃料ガス循環装置２４の作動によって燃料ガス循環流路２０ｂを介して、再度、燃料ガス供給流路２０ａから燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極へと供給され、これにより、燃料ガスの供給流量過剰率（ＳＲａ）を大きくすることを可能にしている。なお、ポンプやブロアなどの燃料ガス循環装置２４を設ける代わりに、或いは燃料ガス循環装置２４と併用して、燃料ガス循環流路２０ｂと燃料ガス供給流路２０ａとの合流部にエゼクタを設置することで、燃料ガスを循環させる構成としてもよい。

また、燃料電池スタック１０の燃料極出口側には、燃料ガス循環流路２０ｂから分岐するように燃料ガス排出流路２０ｃが接続されており、この燃料ガス排出流路２０ｃ中に、燃料ガス出口封止弁２５が設置されている。この燃料ガス封止弁２５を開放することにより、燃料ガス循環流路２０ｂ内に混入した窒素やアルゴンなどの不純物が、燃料ガス排出流路２０ｃからシステム外部に排出される。また、燃料ガス循環流路２０ｂと燃料ガス排出流路２０ｃとが分岐する位置の近傍には、燃料電池スタック１０の燃料極出口側で燃料ガスの圧力を測定する燃料極出口圧力センサ２６が設置されている。

なお、水素系２０の構成としては、以上のように排出燃料ガスを燃料ガス循環流路２０ｂを介して循環させる循環系の構成に限らず、例えば図３に示すように、燃料ガス循環流路２０ｂや燃料ガス循環装置２４を設けずに、燃料ガス供給流路２０ａに減圧弁２７、燃料ガス排出流路２０ｃに燃料ガス圧力調整弁２２をそれぞれ設置した開放系の構成としてもよく、また、例えば図４に示すように、燃料ガス循環流路２０ｂや燃料ガス循環装置２４を設けずに、燃料ガス供給流路２０ａに燃料ガス圧力調整弁２２、燃料ガス排出流路２０ｃに封止弁２５をそれぞれ設置した閉塞系の構成としてもよい。

空気系３０は、例えば、外気を取り込んで加圧する空気コンプレッサ３１を備え、この空気コンプレッサ３１からの酸化剤ガスとしての空気を、酸化剤ガス供給流路３０ａを介して燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の酸化剤極へと供給する。酸化剤ガス供給流路３０ａ中には、燃料電池スタック１０の酸化剤極入口側で酸化剤ガスの圧力を測定する酸化剤極入口圧力センサ３２が設置されている。

また、燃料電池スタック１０の酸化剤極出口側には、酸化剤ガス排出流路３０ｂが接続されており、燃料電池スタック１０からの排出酸化剤ガスは、この酸化剤ガス排出流路３０ｂを介してシステム外部に排出される。この酸化剤ガス排出流路３０ｂ中には、各燃料電池セル１１の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整弁３３と、燃料電池スタック１０の酸化剤極出口側で酸化剤ガスの圧力を測定する酸化剤極出口圧力センサ３４とが設置されている。

なお、空気系３０の構成としては、以上のように燃料電池スタック１０の酸化剤極出口側に設けた酸化剤ガス圧力調整弁３３で酸化剤ガスの圧力を調整する構成に限らず、図示を省略するが、燃料電池スタック１０の酸化剤極入口側に酸化剤ガス圧力調整弁３３を設けて、この酸化剤ガス圧力調整弁３３で酸化剤ガスの圧力を調整する構成としてもよい。

コントローラ４０は、燃料電池システム全体の動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータ等を用いて構成される。このコントローラ４０には、上述したセル電圧計測器１３からのセル電圧計測値や、水素系２０の燃料極入口圧力センサ２３、燃料極出口圧力センサ２６、空気系３０の酸化剤極入口圧力センサ３２、酸化剤極出口圧力センサ３４など、システム内に設置された各種センサの検出値が入力される。コントローラ４０は、これら各種センサの検出値に基づいてシステムの運転状態を判断し、システムに要求される電力が燃料電池スタック１０から取り出されるように、燃料ガス圧力調整弁２２や燃料ガス循環装置２４、燃料ガス出口封止弁２５、空気コンプレッサ３１、酸化剤ガス圧力調整弁３３などの動作を制御するとともに、負荷装置１２による燃料電池スタック１０からの電力取り出しを制御する。

また、特に、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の中に固体高分子電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へとガスが流入しているリークセルがあるかどうかを判定し、その判定結果に応じてその後のシステムの運転を制御する処理（以下、リーク判定処理という。）を実行する機能を有している。

〈リーク判定処理〉
図５は、コントローラ４０のリーク判定処理に係わる機能構成を示す機能ブロック図である。コントローラ４０は、リーク判定処理に係わる機能構成として、図５に示すように、差圧制御部４１と、リーク判定部４２と、運転制御部４３とを有する。差圧制御部４１は、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させ、且つ、当該差圧の大きさを変化させる。リーク判定部４２は、差圧制御部４１が燃料電池セル１１の燃料極側と酸化剤極側との間の差圧を単調増加させている間にセル電圧計測器１３により計測されるセル電圧の挙動に基づいて、リークセルの有無を判定する。運転制御部４３は、リーク判定部４２による判定結果に応じて、例えばリークセル有りと判定された場合にシステム運転を停止させるといったように、その後の燃料電池システムの運転を制御する。

差圧制御部４１による差圧制御の具体例を図６に、また、差圧の単調増加のバリエーションを図７にそれぞれ示す。

コントローラ４０でリーク判定処理を実行する場合、差圧制御部４１は、まず、燃料極入口圧力センサ２３の検出値と酸化剤極入口圧力センサ３２の検出値とをモニタリングして、燃料電池スタック１０の燃料極入口側の燃料ガス圧力と酸化剤極入口側の酸化剤ガス圧力とがほぼ等しい状態となっているかどうかを確認する。そして、燃料極入口側の燃料ガス圧力と酸化剤極入口側の酸化剤ガス圧力とに差があれば、例えば、水素系２０の燃料ガス圧力調整弁２２、燃料ガス循環装置２４、燃料ガス出口封止弁２５の制御により燃料ガス圧力を調整し、あるいは空気系３０の空気コンプレッサ３１や酸化剤ガス圧力調整弁３３の制御により酸化剤ガス圧力を調整することで、燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力とがほぼ等しい状態となるようにする。

次に、差圧制御部４１は、燃料極入口圧力センサ２３の検出値、あるいは燃料極出口圧力センサ２６の検出値をモニタリングして、燃料電池スタック１０の燃料極入口側あるいは燃料極出口側の燃料ガス圧力が、予め定められた所定値Ｐ１（第４の閾値）以上であるかどうかを判断する。ここで、所定値Ｐ１は、リーク判定処理において差圧制御部４１が差圧を増加させる際の最大差圧（目標とする差圧値）に相当する圧力であり、セル破損限界極間差圧未満の任意の値（例えば５０ｋＰａ程度）に設定される。

そして、燃料ガス圧力が所定値Ｐ１以上であれば、差圧制御部４１は、図６（ａ）に示すように、空気系３０の空気コンプレッサ３１や酸化剤ガス圧力調整弁３３の制御により酸化剤ガス圧力を低下させることで、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させ、当該差圧の大きさを前記所定値Ｐ１に相当する差圧値Ｐ２を目標値として単調増加させる。ここで、差圧の単調増加の形態としては、図７（ａ）に示すように線形に増加させる形態、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように二次曲線的に増加させる形態、図７（ｄ）に示すようにステップ状に増加させる形態、図７（ｅ）に示すように線形に増加させた後にその差圧を維持する形態など、様々な形態をとることができる。

一方、燃料ガス圧力が所定値Ｐ１未満の場合には、差圧制御部４１は、図６（ｂ）に示すように、水素系２０の燃料ガス圧力調整弁２２、燃料ガス循環装置２４、燃料ガス出口封止弁２５の制御により燃料ガス圧力を上昇させることで、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させ、当該差圧の大きさを前記差圧値Ｐ２を目標値として単調増加させる。この場合も、差圧の単調増加の形態としては、図７（ａ）乃至図７（ｅ）の何れの形態も採用できる。

なお、差圧制御部４１は、差圧を発生させる前の燃料ガス圧力が所定値Ｐ１未満の場合であっても、その燃料ガス圧力と所定値Ｐ１との差が僅かであれば、図６（ｃ）に示すように、所定値Ｐ１との差分に相当する値だけ燃料ガスの圧力を上昇させながら、酸化剤ガスの圧力を低下させることで、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させるようにしてもよい。また、差圧制御部４１は、図６（ｄ）に示すように、差圧を発生させる前の燃料ガス圧力が所定値Ｐ１以上の場合に、酸化剤ガスの圧力を低下させるとともに燃料ガスの圧力を上昇させることで、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させることも可能である。

図８は、リーク判定部４２によるリークセル有無の判定手法を説明する図である。

燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を差圧制御部４１によって単調増加させると、図８（ａ）に示すように、各燃料電池セル１１のセル電圧の平均値（平均セル電圧）は時間経過とともに僅かに低下する傾向にある。ここで、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の中に固体高分子電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へとガスが流入しているリークセルがあると、そのリークセルのセル電圧の低下の度合いは、平均セル電圧の低下と比べて極端に大きくなる。これは、燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させた際に、リークセルでは燃料極側から酸化剤極側へと流入する燃料ガスの移動速度が高まって、酸化剤極側の酸素分圧が急激に低下し、電圧低下速度が加速度的に増大するためである。

そこで、リーク判定部４２は、差圧制御部４１が各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させている間にセル電圧計測器１３によって計測されたセル電圧をモニタリングし、差圧が単調増加している間のセル電圧の挙動から、リークセルの有無を判定する。

具体的には、リーク判定部４２は、セル電圧計測器１３により各燃料電池セル１１ごと、あるいはセル群ごとに計測されたセル電圧の合算値を燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セル１１のセル数で除算して、平均セル電圧を求める。なお、平均セル電圧は、燃料電池スタック１０の端子間電圧をセル数で除算して求めるようにしてもよい。そして、リーク判定部４２は、この平均セル電圧を基準として、セル電圧計測器１３により計測されるセル電圧の低下の度合いが平均セル電圧と比べて大きくなっている燃料電池セル１１またはセル群がある場合に、リークセル有りと判定する。例えば、リーク判定部４２は、図８（ｂ）に示すように、差圧制御部４１が各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させている間に、平均セル電圧と比較した電圧値の差が予め定めた所定値Ｐ３（第１の閾値）以上となった燃料電池セル１１またはセル群がある場合に、リークセル有りと判定する。ここで、所定値Ｐ３は、計測誤差などの影響を排除しうるのに十分な値に設定される。ただし、所定値Ｐ３の値を大きくしすぎると、リークセル有りと判定してシステム運転停止などの制御を行う前に、リークセルのセル電圧がマイナスとなって転極による劣化を生じさせる要因となることも考えられるので、リークセルのセル電圧がマイナスとならない範囲で設定することが望ましい。

また、リーク判定部４２は、図８（ｃ）に示すように、差圧制御部４１が各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させている間に、平均セル電圧の電圧低下速度と比較した場合の電圧低下速度の差、つまり平均セル電圧の低下の傾きに対するセル電圧低下の傾きの差が予め定めた所定値Ｐ４（第２の閾値）以上となった燃料電池セル１１またはセル群がある場合に、リークセル有りと判定するようにしてもよい。この場合の所定値Ｐ４も、計測誤差などの影響を排除しうるのに十分な値で、且つ、リークセルのセル電圧がマイナスとならない範囲で設定することが望ましい。

また、リーク判定部４２は、図８（ｄ）に示すように、差圧制御部４１が各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させている間に、セル電圧が予め定めた所定値Ｐ５（第３の閾値）以下にまで低下した燃料電池セル１１またはセル群がある場合に、リークセル有りと判定するようにしてもよい。この場合の所定値Ｐ５も、計測誤差などの影響を排除しうるのに十分な値で、且つ、リークセルのセル電圧がマイナスとならない範囲で設定することが望ましい。

リーク判定部４２によるリークセル有無の判定結果は、運転制御部４３に伝達される。運転制御部４３は、リーク判定部４２によりリークセル有りと判定された場合には、その時点で、水素系２０の燃料ガス圧力調整弁２２や燃料ガス循環装置２４、空気系３０の空気コンプレッサ３１の動作を停止させるとともに、負荷装置１２による燃料電池スタック１０からの電力取出しを停止させ、システムの運転を停止させる。また、運転制御部４３は、リーク判定部４２によりリークセル有りと判定されることなく（つまりリークセル無しの判定のまま）、差圧制御部４１により単調増加させた差圧の大きさが目標とする差圧値Ｐ２に達した場合には、燃料ガスの圧力および酸化剤ガスの圧力を通常運転時圧力（負荷電流や燃料電池スタック１０の動作温度などから決まるシステム各々の設計圧力）に復帰させて、システムの運転を継続させる。

ところで、燃料電池スタック１０の発電状態が過渡状態であり、燃料電池出力(負荷電流や各セル電圧)や動作圧力、燃料ガス流量、酸化剤ガス流量、燃料電池動作温度など各パラメータが刻々と変化している状況で、以上のような手法でリークセルの有無を判定するようにした場合には、セル電圧の低下度合いが大きい燃料電池セル１１またはセル群が検知されたとしても、そのセル電圧の低下が必ずしもリークによるものとは限らず、例えばフラッディングや乾燥などの他の要因によるものである可能性も考えられる。特に、酸化剤ガス圧力を低下させた場合には燃料電池スタック１０内の含水量が減少して燃料電池スタック１０が乾燥傾向となることが分かっており、この燃料電池スタック１０の乾燥によりセル電圧が低下していることも十分に考えられる。

そこで、リークセル有無の判定精度向上のために、例えば図９（ａ）に示すように、差圧を単調増加させている間のセル電圧の挙動からリークセルである可能性のある燃料電池セル１１またはセル群が検知されたときに、差圧値を一定期間（図中の感度判定期間）その状態で保持し、その間に燃料電池スタック１０への燃料ガス供給流量を所定の範囲で変化させて、リークセルである可能性のある燃料電池セル１１またはセル群のセル電圧が燃料ガス供給流量の変化に応じて変動したとき（感度を示したとき）に、リークセル有りと判定するようにしてもよい。すなわち、燃料電池スタック１０の発電状態が過渡状態であり、燃料電池スタック１０に対して負荷電流で決まる燃料ガス必要流量以上に十分に燃料ガスが供給されている場合には、リークセルがなければ燃料ガス流量の変化によってセル電圧が変動することはないので、燃料ガス流量の変化に応じてセル電圧が変動している燃料電池セル１１あるいはセル群があればリークセル有りと判定することができ、これにより、リークセル有無の判定精度を向上させることができる。

また、例えば図９（ｂ）に示すように、差圧を単調増加させている間のセル電圧の挙動からリークセルである可能性のある燃料電池セル１１またはセル群が検知されたときに、酸化剤ガス圧力を一定期間（図中の感度判定期間）その状態で保持し、その間に燃料電池スタック１０に供給する燃料ガス圧力を所定の範囲で変化させて、リークセルである可能性のある燃料電池セル１１またはセル群のセル電圧が燃料ガス圧力の変化に応じて変動したとき（感度を示したとき）に、リークセル有りと判定するようにしてもよい。すなわち、燃料電池スタック１０の発電状態が過渡状態であり、燃料電池スタック１０に対して負荷電流で決まる燃料ガス必要流量以上に十分に燃料ガスが供給されている場合には、リークセルがなければ燃料ガス圧力の変化によってセル電圧が変動することはないので、燃料ガス圧力の変化に応じてセル電圧が変動している燃料電池セル１１あるいはセル群があればリークセル有りと判定することができ、これにより、リークセル有無の判定精度を向上させることができる。

図１０は、コントローラ４０により実行されるリーク判定処理の一例を示すフローチャートである。この図１０に示すリーク判定処理は、例えば、所定時間ごとに、あるいはアイドル運転などの所定の運転状態となったことを条件として実行されるものである。

図１０のフローがスタートすると、コントローラ４０は、まずステップ１において、燃料電池スタック１に供給される燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力とがほぼ等しい圧力となっているかを確認し、これら燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力とに差がある場合には、ステップＳ２において、燃料ガス圧力あるいは酸化剤ガス圧力を調整して、これら燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力とがほぼ等しい状態となるようにする。

次に、コントローラ４０は、ステップＳ３において、燃料ガス圧力が予め定めた所定値Ｐ１以上であるかを判定し、燃料ガス圧力が所定値Ｐ１以上であれば、ステップＳ４において、酸化剤ガス圧力を低下させることにより、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させるとともに、その差圧を単調増加させる。一方、ステップＳ３で燃料ガス圧力が所定値Ｐ１未満であると判定した場合には、ステップＳ５において、燃料ガス圧力を上昇させることにより、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させるとともに、その差圧を単調増加させる。

そして、コントローラ４０は、ステップＳ６において、各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させている間のセル電圧をモニタリングし、そのセル電圧の挙動に基づいて、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の中に、固体高分子電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へと燃料ガスが流入しているリークセルがあるかどうかを判定する。具体的には、コントローラ４０は、平均セル電圧と比較した電圧値の差が予め定めた所定値Ｐ３以上となった燃料電池セル１１またはセル群があるか、あるいは、平均セル電圧の電圧低下速度と比較した場合の電圧低下速度の差、つまり平均セル電圧の低下の傾きに対するセル電圧低下の傾きの差が予め定めた所定値Ｐ４以上となった燃料電池セル１１またはセル群があるか、あるいは、セル電圧が予め定めた所定値Ｐ５以下にまで低下した燃料電池セル１１またはセル群があるかを判定する。

そして、コントローラ４０は、単調増加させた差圧の大きさが目標とする差圧値Ｐ２に達するまでの間にリークセル有りと判定した場合には、その時点でシステムの運転を停止させる（ステップＳ７）。一方、リークセル有りと判定することなく、単調増加させた差圧の大きさが目標とする差圧値Ｐ２に達した場合（ステップＳ８でＹｅｓ）には、コントローラ４０は、ステップＳ９において、燃料ガス圧力および酸化剤ガス圧力を通常運転時圧力に復帰させて、システムの運転を継続させる。

〈実施形態の効果〉
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を単調増加させながら、そのときのセル電圧の挙動に基づいてリークセルの有無を判定するようにしているので、リークセルの有無を短時間で且つ高精度に検知することができる。すなわち、差圧を一定に保った状態でセル電圧の挙動からリークセルを判定しようとした場合には、リークセルの燃料極側から酸化剤極側へと流入するガスの移動速度は一定となるため、例えば、リークの要因となっている固体高分子電解質膜の孔が微小である場合などにおいては、セル電圧がリーク判定可能な程度にまで低下するのに時間がかかり、短時間でリークセルの有無を判定することが難しい。これに対して、本実施形態の燃料電池システムのように、差圧を単調増加させている間のセル電圧の挙動に基づいてリークセルの有無を判定するようにすれば、リークセルの燃料極側から酸化剤極側へと流入するガスの移動速度が高まり、酸化剤極側の酸素分圧が短時間で低下して、リークセルの電圧低下速度も加速度的に増大することになるので、リークセルの有無を短時間で且つ高精度に検知することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が、差圧を単調増加させながらリークセルの有無を判定して、リークセル有りと判定した場合にはその時点でシステムの運転を停止させるようにしているので、リークセルがある場合に、そのリークの状態（程度）に応じて必要最低限の差圧でリークセルを検知することができ、差圧の大きさを過剰に設定した場合に懸念される種々の問題、例えば、酸化剤極側へと流入した燃料ガスと酸化剤極側の酸化剤ガスとの燃焼反応の熱により燃料電池セル１１の劣化と細孔の拡大などが促進されるなどの問題を有効に抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が、差圧を発生させる前の燃料ガス圧力が所定値Ｐ１以上のときには、酸化剤ガス圧力を低下させることで差圧を単調増加させ、差圧を発生させる前の燃料ガス圧力が所定値Ｐ１未満のときに、燃料ガス圧力を上昇させることで差圧を単調増加させることにより、差圧を増加させるためのエネルギロスを最小限に抑えることができる。また、酸化剤ガス圧力を低下させるとともに燃料ガス圧力を上昇させることで差圧を単調増加させるようにした場合には、差圧の増加をより短時間で行ってリーク判定に要する時間をさらに短縮させることも可能となる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が、差圧を単調増加させている間に平均セル電圧と比較した電圧値の差が所定値Ｐ３以上となった燃料電池セル１１またはセル群、または、平均セル電圧の電圧低下速度と比較した場合の電圧低下速度の差が所定値Ｐ４以上となった燃料電池セル１１またはセル群がある場合に、リークセル有りと判定することにより、例えば、負荷変動などによって平均セル電圧が変動するような場合であっても正常な燃料電池セル１１をリークセルと誤判定することを有効に防止して、リークセル有無の判定を高精度に行うことができる。また、差圧を単調増加させている間にセル電圧が所定値Ｐ５以下にまで低下した燃料電池セル１１またはセル群がある場合に、リークセル有りと判定するようにした場合には、リークセルの有無を極めて簡便に判定することができる。

［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、上述したコントローラ４０により実行されるリーク判定処理のタイミングを最適化したものである。なお、燃料電池システムの構成や動作の概要は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が、活性化過電圧領域において上述したリーク判定処理を行うようにしている。

図１１は、燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池セル１１の電流と電圧との関係を示す特性図である。燃料電池セル１１のセル電圧は、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスがそれぞれ供給された状態において、負荷装置１２によって電流を取り出さない状態での電圧、すなわち、開回路電圧（ＯＣＶ）で最大となる。開回路電圧ＯＣＶは、燃料電池セル１１に供給される反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の温度、圧力、湿度などの状態と、燃料電池セル１１の特性（例えば、固体高分子電解質膜の水素透過性）とに基づいて、実験やシミュレーションを通じて予め特定することができる。

燃料電池セル１１から取り出す電流量を増加させると、セル電圧は、取り出す電流量が大きくなる程、その値が低下していく傾向を示す。具体的には、燃料電池セル１１から電流の取り出しを開始し、その電流量を徐々に増やしていくと、セル電圧は、一次的に、ＯＣＶから急激に低下する。この状態から電流量をさらに増やしていくと、電圧が低下する割合はやがて穏やかになり、その後、取り出す電流量を増加させても、電圧が低下する割合が小さいままで推移する。そして、燃料電池セルから取り出す電流量をさらに増加させ続けると、電流の増加に対して電圧の低下率が再度増大する。

このような一連のセル電圧の推移において、電流の取り出し直後の電圧が急激に低下する領域は、一般に活性化過電圧領域と称されている。活性化過電圧領域の下限値Ｖamは、供給される反応ガスの状態と、燃料電池セル１１の特性とに基づいて、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。なお、活性化過電圧領域の上限値は開回路電圧（ＯＣＶ）であり、ここでは、開回路電圧（ＯＣＶ）も活性化過電圧領域に含まれるものとする。

活性化過電圧領域では、以上のように、燃料電池セル１１から取り出す電流量の増加に対してセル電圧が急激に低下するが、リークセルにおいて燃料極側から酸化剤極側へと流入する燃料ガスの移動速度が高まると、見かけ上、取り出し電流量が増加しているのと同等になり、セル電圧の急激な低下として現われる。したがって、セル電圧がこの活性化過電圧領域にある状態で上述したリーク判定処理を行うようにすれば、リークセルの有無をより短時間で行うことが可能となる。また、活性化過電圧領域の中でも、特に、開回路電圧（ＯＣＶ）を含むタッフェル勾配が線形となる領域（図１１に示した特性図の横軸を対数としたときに電圧低下が線形となる領域）、つまり各燃料電池セル１１の反応面に十分な反応ガスが供給されて拡散分極が影響しない電流密度領域で上述したリーク判定処理を行うようにすれば、電圧低下の要因をリークによるものと特定できるので、判定精度をより高めることができる。

以上のことから、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が、セル電圧計測器１３により計測される燃料電池セル１１のセル電圧が活性化過電圧領域にあるとき、特に開回路電圧（ＯＣＶ）を含むタッフェル勾配が線形となる領域にあるときに、上述したリーク判定処理を行うようにしている。

具体的には、コントローラ４０は、セル電圧計測器１３により計測されるセル電圧が活性化過電圧領域、特に開回路電圧（ＯＣＶ）を含むタッフェル勾配が線形となる領域にあることを確認した後に、まず、各燃料電池セル１１の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量を通常運転時流量（負荷電流や燃料電池スタック１０の動作温度などから決まるシステム固有の設計流量）よりも低下させ、あるいは酸化剤ガスの供給自体を停止させる。また、このとき、さらに負荷電流を取り出すことで酸化剤極における酸素分圧を低下させておいてもよい。

次に、コントローラ４０は、以上のように酸化剤ガスの流量を低下もしくは停止させた状態で、差圧制御部４１によって各燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に差圧を発生させるとともに、その差圧を単調増加させていく。そして、差圧を単調増加させている間に、リーク判定部４２によって第１実施形態で説明した手法によりリークセルの有無を判定し、リークセルがあればシステムの運転を停止させ、リークセルがなければシステムの運転を継続させる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が、セル電圧計測器１３により計測される燃料電池セル１１のセル電圧が活性化過電圧領域にあるとき、特に開回路電圧（ＯＣＶ）を含むタッフェル勾配が線形となる領域にあるときにリーク判定処理を行うようにしているので、リークセル有無の判定をより高い精度で行うことができる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０の各燃料電池セル１１に供給する酸化剤ガスの流量を通常運転時流量よりも低下させ、あるいは酸化剤ガスの供給を停止させ、各燃料電池セル１１の酸化剤極における酸素分圧を低下させた状態でリーク判定処理を行うようにしているので、リークセル有無の判定をより短時間で行うことができるとともに、酸化剤ガスの供給によるエネルギ損失も低減させて、効率よくリークセル有無の判定を行うことができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、上述したコントローラ４０により実行されるリーク判定処理において、リーク判定部４２の判定結果に応じた運転制御部４３によるシステム運転の制御内容が上述した第１実施形態と異なるものである。すなわち、第１実施形態の燃料電池システムでは、リーク判定部４２によってリークセル有りと判定された場合、運転制御部４３がシステムの運転を直ちに停止させるようにしているが、本実施形態の燃料電池システムでは、リーク判定部４２によってリークセル有りと判定された場合に、運転制御部４３がリークセル有りと判定された時点における差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲内かどうかを判定し、許容差圧範囲内であればシステム運転を停止させ、許容差圧範囲外であればシステム運転を継続させるようにしている。なお、燃料電池システムの構成や動作の概要は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図１２は、燃料電池セル１１の燃料極および酸化剤極における圧力分布の一例を示す模式図である。この図１２に例示した燃料電池セル１１は、燃料電池セル１１内部の燃料ガスが流れる方向と酸化剤ガスが流れる方向とが逆方向とされたカウンターフローの構成とされており、燃料ガスおよび酸化剤ガスが例えば１００ｋＰａの同じ圧力でそれぞれ供給されたとしても、ガス入口出口間の圧力損失により、燃料ガスの入口（酸化剤ガスの出口）側で例えば３０ｋＰａ、酸化剤ガスの入口（燃料ガスの出口）側で例えば１０ｋＰａ程度の差圧が発生する。このように、燃料電池システムでは、燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を完全にゼロにすることは実質的に困難であるため、通常運転時においては、ある程度の範囲内で差圧の発生を許容し、この許容差圧範囲内を超える差圧が発生しないように燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力を制御するようにしている。

したがって、上述したリーク判定処理によりリークセル有りと判定した場合であっても、そのときの燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧の大きさ、つまり、リークセルにおいて燃料極側から酸化剤極側への燃料ガスの流入を生じさせるだけの差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲外であれば、通常運転時にはリークセルにおけるガスの流入が生じないので、システムの運転を継続させても問題はないと考えられる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が、リーク判定処理においてリークセル有りと判定した場合に、その時点での燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲内である場合にのみシステムの運転を停止させ、リークセル有りと判定した時点での差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲外であれば、システムの運転を継続させるようにしている。

具体的には、コントローラ４０は、第１実施形態と同様に差圧制御部４１によって差圧を単調増加させながら、リーク判定部４２によってセル電圧の挙動からリークセルの有無を判定するが、本実施形態では、リーク判定部４２によってリークセル有りと判定された時点で、運転制御部４３が、例えば、燃料極入口圧力センサ２３および酸化剤極入口圧力センサ３２の検出値から差圧の大きさを求める。そして、この求めた差圧値を予め設定されている通常運転時の許容差圧範囲と比較して、リークセル有りと判定された時点での差圧の大きさが許容差圧範囲内であるか、あるいは許容差圧範囲外であるかを判定する。そして、運転制御部４３は、リークセル有りと判定された時点での差圧の大きさが許容差圧範囲内であれば、直ちにシステムの運転を停止させ、リークセル有りと判定された時点での差圧の大きさが許容差圧範囲外であれば、燃料ガスや酸化剤ガスの圧力を通常運転時圧力に復帰させて、システムの運転を継続させる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０がリーク判定処理によりリークセル有りと判定した時点での差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲内である場合にのみシステム運転を停止させ、リークセル有りと判定した時点での差圧の大きさが許容差圧範囲外であればシステム運転を継続させるようにしているので、必要以上にシステムの運転を停止させてしまう不都合を有効に回避することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、上述した第３実施形態の変形例である。すなわち、第３実施形態の燃料電池システムでは、リーク判定部４２によってリークセル有りと判定された場合に、運転制御部４３がリークセル有りと判定された時点における差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲内かどうかを判定し、許容差圧範囲内であればシステムの運転を停止させるようにしているが、本実施形態の燃料電池システムでは、リークセル有りと判定された時点における差圧の大きさが許容差圧範囲内である場合に、その通常運転時に許容する許容差圧範囲をリークセル有りと判定された時点の差圧未満に変更して、システム運転を継続させるようにしている。なお、燃料電池システムの構成や動作の概要は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

図１３は、本実施形態の燃料電池システムにおけるリークセル有無の判定結果とその後のシステム運転制御との関係を示す図である。本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が、リーク判定処理においてリークセル有りと判定した場合に、その時点での燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲外であれば（例えば、図１３中のＡ点の場合）、システムの運転をそのまま継続させる。一方、リークセル有りと判定した時点での差圧の大きさが許容差圧範囲内であれば（例えば、図１３中のＢ点の場合）、許容差圧範囲をリークセル有りと判定された時点の差圧未満（例えば、図１３中の破線以下の範囲）に変更して、システムの運転を継続させる。

具体的には、コントローラ４０は、第１実施形態と同様に差圧制御部４１によって差圧を単調増加させながら、リーク判定部４２によってセル電圧の挙動からリークセルの有無を判定するが、本実施形態では、リーク判定部４２によってリークセル有りと判定された時点で、運転制御部４３が、例えば、燃料極入口圧力センサ２３および酸化剤極入口圧力センサ３２の検出値から差圧の大きさを求める。そして、この求めた差圧値を予め設定されている通常運転時の許容差圧範囲と比較して、リークセル有りと判定された時点での差圧の大きさが許容差圧範囲内であるか、あるいは許容差圧範囲外であるかを判定する。そして、運転制御部４３は、リークセル有りと判定された時点での差圧の大きさが許容差圧範囲外であれば、そのままシステムの運転を継続させ、リークセル有りと判定された時点での差圧の大きさが許容差圧範囲内であれば、通常運転時に許容する許容差圧範囲をリークセル有りと判定された時点での差圧未満に変更して、システムの運転を継続させる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０がリーク判定処理によりリークセル有りと判定した時点での差圧の大きさが通常運転時に許容している許容差圧範囲外であればシステム運転をそのまま継続させ、リークセル有りと判定した時点での差圧の大きさが許容差圧範囲内であれば、許容差圧範囲をリークセル有りと判定された時点での差圧未満に変更してシステム運転を継続させるようにしているので、第３実施形態と比較してもシステム運転継続期間をさらに延ばすことができ、必要以上にシステムの運転を停止させてしまう不都合をより有効に回避することができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測を最適化したものである。なお、燃料電池システムの構成や動作の概要は上述した第１実施形態と同様であるので、以下では、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムでは、セル電圧計測器１３が、各燃料電池セル１１ごと又は複数の燃料電池セル１１からなるセル群ごとに、それぞれセル面内における複数の箇所でセル電圧を計測することで、リークセルの検知に要する時間を短縮できるようにしている。

すなわち、リークセルでは、リーク発生部位（例えば、固体高分子電解質膜の孔があいている部位、あるいは固体高分子電解質膜の膜厚が薄くなっている部位）の近傍において、燃料極側から酸化剤極側への燃料ガスの流入により酸化剤極の酸素分圧の低下割合が大きく、また、燃焼反応によってリーク発生部近傍では発電できなくなるために酸素分圧がさらに低下し、電圧低下が最も早く生じる傾向にある。なお、各燃料電池セル１１の面内は導電体であるセパレータで電気的に接続されているが、面内方向にも電気抵抗が存在するため電流分布が発生し、各燃料電池セル１１の面内であってもリーク発生部位の近傍とそれ以外の部位では電圧低下が生じる早さに差がでることになる。そのため、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測箇所を、各燃料電池セル１１のセル面内において一箇所とした場合には、セル電圧計測器１３による計測箇所とリーク発生部位との位置関係によっては、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測値からリークセルを検知するまでに時間がかかる場合もある。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測箇所を、各燃料電池セル１１のセル面内における複数の箇所とすることで、セル電圧計測器１３による計測箇所をリーク発生部位に近づけられるようにして、リークセルの検知に要する時間を短縮させるようにしている。

なお、リークセルにおいて燃料極側から酸化剤極側へと流入した燃料ガスは、セパレータに形成された酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れによって、酸化剤ガス流路の出口側へと運ばれることになる。このため、リーク発生部位を境として酸化剤ガス流路の上流側と下流側とを比べると、酸化剤ガス流路の下流側の方が上流側よりも酸素分圧が低下しやすく、セル電圧の低下が顕著になる傾向にある。したがって、例えば図１４に示すように、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測箇所を、セル面内における酸化剤ガス流路の出口側を含む少なくとも２箇所とすれば、セル電圧の低下が顕著となる部位の近くでセル電圧の計測を行える確率が高くなり、リークセルの検知に要する時間を短縮させる上で有効である。なお、図１４では、酸化剤ガス流路が平行流路形状とされた場合におけるセル電圧計測箇所の一例を例示しているが、酸化剤ガス流路が平行流路形状以外の他の流路形状とされた場合であっても、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測箇所を、セル面内における酸化剤ガス流路の出口側を含む少なくとも２箇所とすることで、リークセルの検知に要する時間を短縮させることができる。

ただし、例えば図１５に示すように、酸化剤ガス流路の流路形状がセル面内において折り返すＵターン形状とされている場合には、酸化剤ガス流路の出口側と入口側がセル面内で同じ端部に位置することになり、その他端側に酸化剤ガス流路が折り返す中流部が位置することになるので、酸化剤ガス流路の中流部近傍でリークが発生した場合にもリークセルの検知に要する時間を短縮できるようにするために、セル電圧計測器１３によるセル電圧の計測箇所を、セル面内において酸化剤ガス流路の入口および出口が位置する一端側と酸化剤ガス流路の折り返し部が位置する他端側との少なくとも２箇所とすることが望ましい。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、セル電圧計測器１３が、各燃料電池セル１１ごと又は複数の燃料電池セル１１からなるセル群ごとに、それぞれセル面内における複数の箇所でセル電圧を計測するようにしているので、セル電圧の計測箇所がリーク発生箇所に近づく確率が高まることになり、リークセルの検知に要する時間を短縮させることができる。

以上、本発明の具体的な実施形態として第１乃至第５の実施形態を例示したが、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。例えば、上述した各実施形態においては、燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間の差圧を、燃料極入口圧力センサ２３や燃料極出口圧力センサ２６、酸化剤極入口圧力センサ３２、酸化剤極出口圧力センサ３４などを用いて検知するようにしているが、例えば、燃料電池セル１１の燃料極と酸化剤極との間に差圧センサを設けて、この差圧センサの出力をモニタリングするようにしてもよい。

本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。 燃料電池スタックにセル電圧計測器を接続した様子を示す模式図である。 燃料電池システムの水素系の他の構成例を示す図である。 燃料電池システムの水素系のさらに他の構成例を示す図である。 コントローラのリーク判定処理に係わる機能構成を示す機能ブロック図である。 コントローラの差圧制御部による差圧制御の具体例を示す図である。 コントローラの差圧制御部による差圧の単調増加のバリエーションを示す図である。 コントローラのリーク判定部によるリークセル有無の判定手法を説明する図である。 コントローラのリーク判定部によるリークセル有無の判定手法の他の例を説明する図である。 コントローラにより実行されるリーク判定処理の一例を示すフローチャートである。 燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの電流と電圧との関係を示す特性図である。 燃料電池セルの燃料極および酸化剤極における圧力分布の一例を示す模式図である。 リークセル有無の判定結果とその後のシステム運転制御との関係を示す図である。 酸化剤ガス流路が平行流路形状とされた場合におけるセル電圧計測箇所の一例を示す図である。 酸化剤ガス流路がＵターン形状とされた場合におけるセル電圧計測箇所の一例を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 燃料電池セル
１３ セル電圧計測器
２２ 燃料ガス圧力調整弁
２４ 燃料ガス循環装置
２５ 燃料ガス出口封止弁
３１ 空気コンプレッサ
３３ 酸化剤ガス圧力調整弁
４０ コントローラ
４１ 差圧制御部
４２ リーク判定部
４３ 運転制御部

Claims (16)

1. 燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池セルを複数積層して構成され、前記燃料電池セルの燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され、前記燃料電池セルの酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、
   前記燃料電池セルの酸化剤極に供給する酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整手段と、
   前記燃料電池セルの電圧を各燃料電池セルごと又は複数の燃料電池セルからなるセル群ごとに計測するセル電圧計測手段と、
   前記燃料ガス圧力調整手段と前記酸化剤ガス圧力調整手段との少なくとも一方を制御して、前記燃料電池セルの燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させ、且つ、当該差圧の大きさを変化させる差圧制御手段と、
   前記差圧制御手段が前記差圧を単調増加させている間に前記セル電圧計測手段により計測される前記燃料電池セルの電圧挙動に基づいて、電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へとガスが流入しているリークセルの有無を判定するリーク判定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記リーク判定手段は、前記差圧制御手段が前記差圧を単調増加させている間に、平均セル電圧と比較した電圧値の差が第１の閾値以上となった燃料電池セル又はセル群がある場合に、リークセル有りと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記リーク判定手段は、前記差圧制御手段が前記差圧を単調増加させている間に、平均セル電圧の低下速度と比較して電圧低下速度が第２の閾値以上大きくなった燃料電池セル又はセル群がある場合に、リークセル有りと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記リーク判定手段は、前記差圧制御手段が前記差圧を単調増加させている間に、電圧値が第３の閾値以下にまで低下した燃料電池セル又はセル群がある場合に、リークセル有りと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記差圧制御手段は、前記差圧を発生させる前の前記燃料電池セルの燃料極側の圧力が第４の閾値以上であれば、前記酸化剤ガス圧力調整手段を制御して前記酸化剤ガスの圧力を低下させることで前記差圧を発生させるとともに当該差圧を単調増加させ、前記差圧を発生させる前の前記燃料電池セルの燃料極側の圧力が前記第４の閾値未満であれば、前記燃料ガス圧力調整手段を制御して前記燃料ガスの圧力を上昇させることで前記差圧を発生させるとともに当該差圧を単調増加させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記差圧制御手段は、前記酸化剤ガス圧力調整手段を制御して前記酸化剤ガスの圧力を低下させ、且つ、前記燃料ガス圧力調整手段を制御して前記燃料ガスの圧力を上昇させることで、前記差圧を発生させるとともに当該差圧を単調増加させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記セル電圧計測手段は、各燃料電池セルごと又は複数の燃料電池セルからなるセル群ごとに、それぞれセル面内における複数の箇所で前記燃料電池セルの電圧を計測することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記セル電圧計測手段は、セル面内における酸化剤ガス流路の出口側を含む少なくとも２箇所で前記燃料電池セルの電圧を計測することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池セルの酸化剤ガス流路はセル面内において折り返すＵターン形状とされており、
   前記セル電圧計測手段は、セル面内において酸化剤ガス流路の入口および出口が位置する一端側と酸化剤ガス流路の折り返し部が位置する他端側との少なくとも２箇所で前記燃料電池セルの電圧を計測することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
10. 前記差圧制御手段は、前記セル電圧計測手段により計測される前記燃料電池セルの電圧が活性化過電圧領域にあるときに前記差圧を発生させるとともに当該差圧を単調増加させ、
    前記リーク判定手段は、前記差圧制御手段が前記差圧を単調増加させている間に前記セル電圧計測手段により計測される前記燃料電池セルの活性化過電圧領域での電圧挙動に基づいて、電解質膜でガス漏れが生じているリークセルの有無を判定することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記差圧制御手段は、前記セル電圧計測手段により計測される前記燃料電池セルの電圧が活性化過電圧領域にあり、且つ、前記燃料電池セルの酸化剤極に対する酸化剤ガスの供給流量を通常運転時流量よりも低下させた状態のときに前記差圧を発生させるとともに当該差圧を単調増加させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記差圧制御手段は、前記セル電圧計測手段により計測される前記燃料電池セルの電圧が活性化過電圧領域にあり、且つ、前記燃料電池セルの酸化剤極に対する酸化剤ガスの供給が停止された状態のときに前記差圧を発生させるとともに当該差圧を単調増加させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. 前記リーク判定手段の判定結果に応じて、その後のシステム運転を制御する運転制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記運転制御手段は、前記リーク判定手段によりリークセル有りと判定された場合に、システム運転を停止させることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記運転制御手段は、前記リーク判定手段がリークセル有りと判定した時点の前記差圧の大きさが、通常運転時に許容している許容差圧範囲内かどうかを判定し、許容差圧範囲内であればシステム運転を停止させ、許容差圧範囲外であればシステム運転を継続させることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
16. 前記運転制御手段は、前記リーク判定手段がリークセル有りと判定した時点の前記差圧の大きさが、通常運転時に許容している許容差圧範囲内かどうかを判定し、許容差圧範囲外であればそのままシステム運転を継続させ、許容差圧範囲内であれば許容差圧範囲を前記リーク判定手段がリークセル有りと判定した時点の差圧未満に変更して、システム運転を継続させることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。

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