JP2006339080A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス漏洩の検出精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、触媒燃焼式水素検出器８９により検出される燃料ガスの濃度又は量によって燃料ガスの漏洩検出する。ここで、燃料電池システム１は、漏洩検出にあたり、まず、燃料電池スタック１０の燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも高くする圧力制御を行う。その後、燃料電池システム１は、酸化剤極１２内のガスを排出し、触媒燃焼式水素検出器８９により検出されるガス中の燃料ガス濃度又は量に基づいて燃料ガスの漏洩を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の酸化剤排出ライン上に水素ガス検出器を設け、高分子イオン交換膜に含水量不足の部分が発生した際に、燃料極側から酸化剤極側に水素ガスが漏洩していることを検出する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平６−２２３８５０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料極側から酸化剤極側に漏洩した燃料ガスが酸化剤極側の酸化剤ガスと反応してしまうため、燃料電池の酸化剤排出ライン上に設けられた燃料ガス検出器では、燃料ガスの漏洩を正確に検出できない可能性がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料ガス漏洩の検出精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料極圧力調整手段、酸化剤極圧力調整手段、酸化剤ガス排出手段、及び燃料ガス検出手段を備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。燃料極圧力調整手段は、燃料電池スタックの燃料極の圧力を調整するものであり、酸化剤極圧力調整手段は、燃料電池スタックの酸化剤極の圧力を調整するものである。酸化剤ガス排出手段は、燃料電池スタックの酸化剤極内のガスを排出するものであり、燃料ガス検出手段は、酸化剤ガス排出手段により排出されるガス中の燃料ガス濃度又は量を検出するものである。さらに、燃料電池システムは制御手段を有している。この制御手段は、燃料ガス圧力調整手段と酸化剤極圧力調整手段とを制御して燃料電池スタックの燃料極の圧力を酸化剤極の圧力よりも高くする圧力制御を行ったうえで、酸化剤ガス排出手段により酸化剤極内のガスを排出し、燃料ガス検出手段により検出されるガス中の燃料ガス濃度又は量に基づいて燃料ガスの漏洩を検出するものである。

本発明によれば、燃料電池スタックの燃料極の圧力を酸化剤極の圧力よりも高くする圧力制御を行うこととしている。このため、燃料極から酸化剤極に燃料ガスが漏洩する状況であれば、漏洩するガス量は圧力制御を行わないときよりも多くなる。よって、酸化剤極において燃料ガスが酸化剤ガスと反応しても、依然として酸化剤極には多くの燃料ガスが存在することとなる。これにより、電解質膜が乾燥するなど、燃料ガスが異常的に漏洩する状況であれば、比較的燃料ガスの濃度又は量が多いガスを対象に検出することとなり、漏洩検出精度を高めることができる。従って、燃料ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一又は同様の要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。

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構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系（酸化剤ガス排出手段）６０と、冷媒循環系７０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスの供給を受ける燃料極１１と、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極１２とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では例えば燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。この燃料電池スタック１０の燃料極１１は、燃料ガス供給系２０から燃料ガスの供給を受け、燃料ガス排出系３０から燃料極オフガスを排出するようになっている。

燃料ガス供給系２０は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、燃料ガス導入配管２２とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池スタック１０の燃料極１１に供給する水素ガスを蓄えておくためのものである。燃料ガス導入配管２２は水素タンク２１と燃料電池スタック１０の燃料極１１とを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池スタック１０の燃料極１１まで導くものである。

燃料ガス排出系３０は、燃料ガス排出配管（ガス排出配管）３１と、パージ弁３２とを備えている。燃料ガス排出配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極１１と外部とを接続し、燃料極オフガスを外部に導くものである。パージ弁３２は、燃料ガス排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極オフガスの排出を制御するものである。

ここで、上記した如く、燃料極１１は、水素タンク２１から水素ガスの供給を受け、パージ弁３２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、燃料極１１は、水素タンク２１とパージ弁３２とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、パージ弁３２を閉じて水素タンク２１から水素ガスを供給した場合、燃料極１１の圧力を高めることができる。また、パージ弁３２を開けている場合、燃料極１１の圧力を低くすることができる。このように、水素タンク２１とパージ弁３２とは燃料電池スタック１０の燃料極１１の圧力を調整する燃料極圧力調整手段として機能することとなる。

ガス循環系４０は、循環装置４１と循環配管４２とを備えている。循環装置４１は、燃料電池スタック１０の燃料極１１とパージ弁３２との間の燃料ガス排出配管３１上に設けられており、燃料電池スタック１０の燃料極１１から排出されたオフガスを循環させて再度燃料極１１に送り込むものである。循環配管４２は、一端が循環装置４１とパージ弁３２との間の燃料ガス排出配管３１に接続され、他端が燃料極１１の上流の燃料ガス導入配管２２に接続されており、燃料極１１から排出されたオフガスを燃料極１１の下流から上流に循環させるためのものである。

また、燃料電池スタック１０の酸化剤極１２は、酸化剤ガス供給系５０から空気の供給を受け、酸化剤ガス排出系６０から酸化剤オフガスを排出するようになっている。酸化剤ガス供給系５０は、コンプレッサ５１と、酸化剤ガス供給配管５２と、加湿器５３とからなっている。

コンプレッサ５１は、空気を圧縮して燃料電池スタック１０に送り込むものである。酸化剤ガス供給配管５２は、コンプレッサ５１と燃料電池スタック１０の酸化剤極１２とを接続するものであり、コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池スタック１０の酸化剤極１２に導くものである。加湿器５３は、酸化剤ガス供給配管５２上に設けられ、燃料電池スタック１０の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池スタック１０に供給する空気を加湿するものである。

酸化剤ガス排出系６０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極１２内のガスを排出するものであり、酸化剤ガス排出配管６１と、圧力調整弁６２とを備えている。酸化剤ガス排出配管６１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極１２と外部とを接続し、酸化剤オフガスを外部に導くものである。圧力調整弁６２は、酸化剤ガス排出配管６１に設けられ、開度を調整することにより酸化剤極１２からのガスの排出量を制御するものである。なお、酸化剤ガス排出配管６１上には加湿器５３が配置されている。このため、酸化剤極１２から排出されるガスは、まず加湿器５３に流入した後に外部に排出されることとなる。ここで、加湿器５３による加湿では酸化剤極１２から排出されるガスに含まれる水分が利用され、コンプレッサ５１からの空気は排出ガスの水分によって加湿されることとなる。

ここで、上記した如く、酸化剤極１２は、コンプレッサ５１から空気の供給を受け、圧力調整弁６２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、酸化剤極１２は、コンプレッサ５１と圧力調整弁６２とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、圧力調整弁６２を閉じてコンプレッサ５１から空気を供給した場合、酸化剤極１２の圧力を高めることができる。また、圧力調整弁６２を開けている場合、酸化剤極１２の圧力を低くすることができる。このように、コンプレッサ５１と圧力調整弁６２とは燃料電池スタック１０の酸化剤極１２の圧力を調整する酸化剤極圧力調整手段として機能することとなる。

冷媒循環系７０は、燃料電池スタック１０の温度が高温となり過ぎないように温度を抑制するためのものである。冷媒循環系７０は、冷媒循環配管７１と、冷媒冷却装置７２と、冷媒ポンプ７３と、冷媒通路切替弁７４とからなっている。

冷媒循環配管７１は、冷媒循環系７０において冷媒を循環させる流路となるものであり、燃料電池スタック１０から排出された冷媒は冷媒通路切替弁７４、冷媒冷却装置７２、及び冷媒ポンプ７３の順に通過して再度燃料電池スタック１０に流入するようになっている。冷媒冷却装置７２は冷媒を冷却するためのものである。冷媒ポンプ７３は、冷媒循環系７０において冷媒を循環させる循環源となるものである。冷媒通路切替弁７４は、冷媒冷却装置７２が設置される側の流路と、設置されない側の流路とを切り替え可能とされたものである。この冷媒通路切替弁７４は、冷媒の冷却の必要性がないときには冷媒冷却装置７２が設置されない側の流路に切り替え、他の場合には冷媒冷却装置７２が設置される側の流路に切り替えることとなる。

また、燃料電池システム１は、上記構成に加えて、燃料極入口側圧力センサ８１と、酸化剤極入口側圧力センサ８２と、燃料極出口側圧力センサ８３と、酸化剤極出口側圧力センサ８４とを備えている。また、燃料電池システム１は、燃料極入口側温度センサ８５と、酸化剤極入口側温度センサ８６と、燃料極出口側温度センサ８７と、酸化剤極出口側温度センサ８８とを備えている。さらに、燃料電池システム１は、触媒燃焼式水素検出器（燃料ガス検出手段）８９と、流量計９０と、冷媒入口温度センサ９１と、冷媒出口温度センサ９２と、システムコントローラ（制御手段）９３とを有している。

各圧力センサ８１〜８４は、設置個所近傍の圧力を検出するものであり、燃料極入口側圧力センサ８１は燃料極１１の入口付近の圧力を検出するものであり、酸化剤極入口側圧力センサ８２は酸化剤極１２の入口付近の圧力を検出するものである。また、燃料極出口側圧力センサ８３は燃料極１１の出口付近の圧力を検出するものであり、酸化剤極出口側圧力センサ８４は酸化剤極１２の出口付近の圧力を検出するものである。

各温度センサ８５〜８８は、設置個所近傍の温度を検出するものであり、燃料極入口側温度センサ８５は燃料極１１の入口付近の温度を検出するものであり、酸化剤極入口側温度センサ８６は酸化剤極１２の入口付近の温度を検出するものである。また、燃料極出口側温度センサ８７は燃料極１１の出口付近の温度を検出するものであり、酸化剤極出口側温度センサ８８は酸化剤極１２の出口付近の温度を検出するものである。

触媒燃焼式水素検出器８９は、酸化剤ガス排出系６０から排出されるガス中の水素ガス濃度又は量を検出するものである。具体的に触媒燃焼式水素検出器８９は、酸素供給により触媒が燃焼して燃料ガスとしての水素の濃度又は量を検出可能となるものである。従って、触媒燃焼式水素検出器８９が水素濃度等を検出するためには一定流量の酸素が必要となる。

流量計９０は、冷媒循環配管７１に設けられ、冷媒循環系７０で循環する冷媒の流量を計測するものである。冷媒入口温度センサ９１は、燃料電池スタック１０に流入する冷媒温度を検出するものである。冷媒出口温度センサ９２は、燃料電池スタック１０から流出する冷媒温度を検出するものである。

システムコントローラ９３は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、各種センサ８１〜８８，９０〜９２からの信号を読み込んで、各部２１，３２，４１，５１，６２，７２，７３，７４を制御するものである。

また、システムコントローラ９３は、触媒燃焼式水素検出器８９により検出されるガス中の水素ガス濃度又は量に基づいて水素ガスの漏洩を検出するものである。この漏洩検出の際、システムコントローラ９３は、水素タンク２１及びパージ弁３２とコンプレッサ５１及び圧力調整弁６２とを制御して燃料電池スタック１０の燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも高くする圧力制御を行う。また、システムコントローラ９３は、圧力制御を行ったうえで、酸化剤ガス排出系６０により酸化剤極１２内のガスを排出し、触媒燃焼式水素検出器８９により検出されるガス中の水素ガス濃度又は量に基づいて水素ガスの漏洩を検出する。

すなわち、システムコントローラ９３は、燃料電池スタック１０の燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも高くすることで、あえて水素ガスが酸化剤極１２に漏洩しやすい状況をつくり出している。これにより、燃料電池スタック１０の電解質膜が乾燥しているなど、燃料極１１から酸化剤極１２に水素ガスが異常的に漏洩する状況であれば、漏洩するガス量は圧力制御を行わないときよりも多くすることができる。よって、酸化剤極１２において水素ガスが酸素と反応しても、依然として酸化剤極１２には多くの水素ガスが存在することとなる。これにより、電解質膜が乾燥するなど、水素ガスが異常的に漏洩する状況であれば、比較的水素ガスの濃度又は量が多いガスを対象に漏洩検出することとなり、漏洩検出精度を高めることができる。

次に、図２を参照して燃料電池システム１の動作を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。なお、図２では、水素量でなく水素濃度に基づいて漏洩検出する例を説明する。

まず、図２に示すように、システムコントローラ９３は、起動信号が発信されたか否かを判断する（ＳＴ１０）。起動信号が発信されていないと判断した場合（ＳＴ１０：ＮＯ）、システムコントローラ９３は起動信号が発信されたと判断するまで、この処理を繰り返し実行する。

一方、起動信号が発信されたと判断した場合（ＳＴ１０：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、燃料電池スタック１０に水素及び空気を供給すると共に、パージ弁３２を開ける（ＳＴ１１）。ここで、燃料電池システム１の起動直後では、燃料電池スタック１０の燃料極１１内に水素以外の他の気体が多く存在している場合がある。このため、システムコントローラ９３は、上記した圧力制御を行うまえに、パージ弁３２を開放すると共に水素を供給して燃料極１１内のガスを水素ガスに置換する。また、システムコントローラ９３は、圧力調整弁６２を開けておき、空気を供給することにより、酸化剤極１２から排出されるガスを触媒燃焼式水素検出器８９まで送り込める状態にする。

次いで、システムコントローラ９３は、パージ弁３２を開けて水素を供給開始してからの経過時間が所定時間を超えたか否かを判断する（ＳＴ１２）。経過時間が所定時間を超えていないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、システムコントローラ９３は経過時間が所定時間を超えたと判断するまで、この処理を繰り返し実行する。なお、システムコントローラ９３は、この段階において燃料極１１と酸化剤極１２との圧力をほぼ同じにし、燃料極１１から水素ガスが酸化剤極１２に漏洩することを極力防止している。

一方、経過時間が所定時間を超えたと判断した場合（ＳＴ１２：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３はパージ弁３２を閉める（ＳＴ１３）。そして、システムコントローラ９３は、圧力制御を実行し、燃料極１１の圧力Ｐａ＞酸化剤極１２の圧力Ｐｃとする（ＳＴ１３）。この際にシステムコントローラ９３は、燃料極１１及び酸化剤極１２の圧力を燃料電池スタック１０の許容圧力以下とすると共に、両極１１，１２の圧力差を許容値以下とする。また、ステップＳＴ１３においてシステムコントローラ９３は、空気を燃料電池スタック１０に供給しつつ燃料電池スタック１０において定常的な運転負荷（例えばアイドル負荷）に応じた発電を行う。

次に、システムコントローラ９３は、触媒燃焼式水素検出器８９からの信号に基づいて、水素濃度が基準値を超えるか否かを判断する（ＳＴ１４）。ここで、本実施形態では、燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも高くするため、多少の水素ガスは酸化剤極１２に流れ込む。よって、基準値を設け、水素濃度が基準値以下であれば、燃料電池スタック１０が正常であり異常的に漏洩が生じていないと判断する。

よって、水素濃度が基準値を超えると判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を終了させると共に、燃料電池システム１の運転を停止させ、利用者に対して警告を発信する（ＳＴ１５）。そして、図２に示す処理は終了する。

また、水素濃度が基準値を超えないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を終了させ、要求された出力に応じて発電を行う通常運転を行う（ＳＴ１６）。その後、図２に示す処理は終了する。

図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻ｔ１１において起動信号が発信されたとすると、システムコントローラ９３は水素及び空気の供給を開始する。このとき、燃料電池スタック１０から電流は取り出されず、時刻ｔ１２まで発電負荷は「０」となっている。また、時刻ｔ１２までスタック電圧は開放端電圧となっている。

さらに、時刻ｔ１１〜ｔ１２の間（図２に示す所定時間に相当）、燃料極１１及び酸化剤極１２の圧力は等しくされている。また、燃料極１１と酸化剤極１２との圧力が等しいことから、燃料極１１内の水素ガスは酸化剤極１２に漏洩せず、酸化剤極１２から排出される水素濃度はほぼ「０」となっている。

次に、時刻ｔ１２において圧力制御が実行される。このため、燃料極１１の圧力が高められ、Ｐａ＞Ｐｃとされる。このため、燃料極１１から酸化剤極１２に水素ガスが流れ込み、酸化剤極１２から排出される水素の濃度は高まることとなる。ところが、水素濃度は基準値を超えず正常な範囲内であるため、漏洩状態であるとは判断されない。また、時刻ｔ１２からは、定常的な負荷（アイドル負荷）に応じた運転が行われるため、発電負荷がやや上昇し、スタック電圧がやや低下している。

そして、時刻ｔ１３まで水素濃度が基準値を超えないことから、圧力制御は終了し、燃料極１１の圧力は酸化剤極１２の圧力まで低下させられる。また、基準値を超えないことから、燃料電池スタック１０は正常であると判断される。このため、時刻ｔ１４において通常運転が開始され、要求に応じた発電が行われていくこととなる。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０の燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも高くする圧力制御を行うこととしている。このため、燃料極１１から酸化剤極１２に水素ガスが漏洩する状況であれば、漏洩するガス量は圧力制御を行わないときよりも多くすることとなる。よって、酸化剤極１２において水素ガスが空気中の酸素と反応しても、依然として酸化剤極１２には多くの水素ガスが存在することとなる。これにより、電解質膜が乾燥するなど、水素ガスが異常的に漏洩する状況であれば、比較的水素ガスの濃度又は量が多いガスを対象に漏洩検出することとなり、漏洩検出精度を高めることができる。従って、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。

また、圧力制御を行う場合、燃料極１１及び酸化剤極１２の圧力を燃料電池スタック１０の許容圧力以下とすると共に、両極の圧力差を許容値以下とする。このため、過度な圧力によるシステム部品の破損を抑制することができる。

また、システム起動時において圧力制御を行うこととしている。このため、通常運転時にように、要求される電流量が激しく変動しガス消費量なども変動する状況において漏洩検出を行う場合に比較して、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。

また、システム起動時に圧力制御を行う場合、圧力制御中に、空気を燃料電池スタック１０に供給しつつ燃料電池スタック１０において定常的な運転負荷に応じた発電を行うこととしている。すなわち、空気の供給と発電とが行われており、圧力制御後に容易に通常運転に移行することができる。従って、システムの応答性を高めることができる。

また、システム起動時に圧力制御を行い、水素ガスの漏洩が検出されなかった場合、要求された出力に応じて発電を行う通常運転を行うこととしている。すなわち、通常運転に移行することにより、利用者からの要求に応じた発電を素早く行うことができる。

また、水素ガスの漏洩を検出した場合、燃料電池スタック１０の運転を停止させること、及び、利用者に対して警告をすることの少なくとも一方を行うこととしている。このため、水素ガスが異常的に漏洩して、水素ガスと酸素との反応熱により、燃料電池スタック１０を損傷させて、燃料電池スタック１０の性能が低下してしまうことを防止することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

まず、第１実施形態に係る燃料電池システム１では、圧力制御中において単に空気を燃料電池スタック１０に供給していた。第２実施形態に係る燃料電池システム２では、圧力制御中に単に空気を供給するのでなく、供給量を適切としている。具体的に第２実施形態において、システムコントローラ９３は、空気供給過剰率を通常運転時よりも小さくすることとする。これにより、酸化剤極１２内の酸素の割合を比較的低くできるために、漏洩検出を行う際にリークした水素ガスが空気中の酸素と反応する割合を低減させることができる。

ここで、空気供給過剰率とは、実際に供給する空気量を、発電に必要とされる空気量で除した値であり、（空気供給過剰率）＝（実際の空気供給量）／（発電に必要な空気量）なる関係式により表すことができる。

図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を示すフローチャートである。なお、図４では、水素量でなく水素濃度に基づいて漏洩検出する例を示すものとする。また、図４のステップＳＴ２０，ＳＴ２２〜２６に示す処理は、図２のステップＳＴ１０，ＳＴ１２〜１６に示す処理と同様であるため、説明を省略する。

図４に示すように、システムコントローラ９３は、起動信号が発信されたと判断した場合（ＳＴ２０：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１０に水素及び空気を供給すると共に、パージ弁３２を開ける（ＳＴ２１）。この際、システムコントローラ９３は、空気供給過剰率を通常運転時よりも低くする。

ここで、通常運転においては、燃料電池スタック１０内でガスが不均一になってしまうこと、及び発電により生じる生成水により発電性能が低下することを防止するために、空気供給過剰率を「１」よりも大きな値となるように設定してある。ところが、システム起動時には、燃料電池スタック１０内でガスが均一に分布しており、且つ発電開始直後ではセル内に存在する生成水も比較的少ない。また、本実施形態では圧力制御中にアイドル負荷などの低負荷で運転しているため、ガス消費量と生成水量が少ない。これらから、空気供給過剰率は通常運転時より下げても通常運転時のような問題が生じにくいといえる。

このため、システム起動時の圧力制御中において空気供給過剰率を通常運転時よりも低く設定して空気中の酸素の消費割合を高くする。すなわち、酸化剤極１２内の酸素濃度を通常運転時よりも低下させる。

その後、ステップＳＴ２２の処理が行われ、ステップＳＴ２３において圧力制御が行われる。この圧力制御中では水素ガスが酸化剤極１２に流れ込んでくる。ところが、空気供給過剰率を通常運転よりも小さくしているため、水素ガスが酸素と反応して、触媒燃焼式水素検出器８９により水素濃度が低く検出されてしまうことを防止することとなる。その後、ステップＳＴ２４〜ＳＴ２６の処理を経て、図４に示す処理は終了する。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。また、過度な圧力によるシステム部品の破損を抑制することができ、システムの応答性を高めることができる。また、利用者からの要求に応じた発電を素早く行うことができ、水素ガスが異常的に漏洩して、水素ガスと酸素との反応熱により、燃料電池スタック１０を損傷させて、燃料電池スタック１０の性能が低下してしまうことを防止することができる。

さらに、第２実施形態によれば、実際に供給する空気量を、発電に必要とされる空気量で除した値を、空気供給過剰率と規定した場合において、圧力制御中に空気を燃料電池スタック１０に供給するときには、空気供給過剰率を、要求された出力に応じて発電を行う通常運転時よりも小さくすることとしている。このため、酸化剤極１２から排出されるガス中の酸素の割合を比較的低くできるために、漏洩検出を行う際にリークした水素ガスが酸化剤ガスと反応する割合を低減させることができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システム３は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

まず、第１実施形態に係る燃料電池システム１ではシステム起動時に圧力制御を行って漏洩検出していたが、第３実施形態に係る燃料電池システム３ではシステム停止時に圧力制御を行って漏洩検出を行うこととしている。

図５は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の動作を示すフローチャートである。なお、図５では、水素量でなく水素濃度に基づいて漏洩検出する例を示すものとする。まず、図５に示すように、システムコントローラ９３は、停止信号が発信されたか否かを判断する（ＳＴ３０）。停止信号が発信されていないと判断した場合（ＳＴ３０：ＮＯ）、システムコントローラ９３は停止信号が発信されたと判断するまで、この処理を繰り返し実行する。

一方、停止信号が発信されたと判断した場合（ＳＴ３０：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を実行し、燃料極１１の圧力Ｐａ＞酸化剤極１２の圧力Ｐｃとする（ＳＴ３１）。この際にシステムコントローラ９３は、空気を燃料電池スタック１０に供給しつつ燃料電池スタック１０において定常的な運転負荷（例えばアイドル負荷）に応じた発電を行う（ＳＴ３１）。なお、ステップＳＴ３１ではパージ弁３２が閉じているものとし、閉じていない場合、システムコントローラ９３はパージ弁３２を閉めるものとする。

次に、システムコントローラ９３は、触媒燃焼式水素検出器８９からの信号に基づいて、水素濃度が基準値を超えるか否かを判断する（ＳＴ３２）。水素濃度が基準値を超えると判断した場合（ＳＴ３２：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を終了させると共に、燃料電池システム１の運転を停止させ、利用者に対して警告を発信して次回の起動を許可しない旨を通知する（ＳＴ３３）。そして、図５に示す処理は終了する。

また、水素濃度が基準値を超えないと判断した場合（ＳＴ３２：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を終了させると共に、燃料電池システム１の運転を停止させる（ＳＴ３４）。その後、図５に示す処理は終了する。

図６は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻ｔ３１において燃料電池システム３は通常運転を行っている。そして、時刻ｔ３２において停止信号が発信されたとする。このとき、燃料電池システム３はアイドル負荷で運転を行うため、発電負荷は減少しスタック電圧は上昇する。また、時刻ｔ３１では通常運転が行われているため、燃料電池スタック１０には水素ガスと空気とが供給されており、時刻ｔ３２において停止信号が発信されても供給量を減らすのみで継続してガスが供給される。

また、時刻ｔ３２以降は、圧力制御が実行されるため、燃料極１１の圧力は酸化剤極１２の圧力よりも大きくされる。このため、燃料極１１から酸化剤極１２に水素ガスが流れ込み、酸化剤極１２から排出される水素の濃度は高まることとなる。ところが、水素濃度は基準値を超えず正常な範囲内であるため、漏洩状態であるとは判断されない。そして、時刻ｔ３３まで水素濃度が基準値を超えないことから、圧力制御は終了し、システムは停止させられる。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第１実施形態と同様に、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。また、過度な圧力によるシステム部品の破損を抑制することができ、水素ガスが異常的に漏洩して、水素ガスと酸素との反応熱により、燃料電池スタック１０を損傷させて、燃料電池スタック１０の性能が低下してしまうことを防止することができる。

さらに、第３実施形態によれば、システム停止時において圧力制御を行うこととしている。このため、通常運転時にように、要求される電流量が激しく変動しガス消費量なども変動する状況において漏洩検出を行う場合に比較して、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システム４は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図７は、第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム４は、新たに、触媒燃焼式水素検出器８９に酸化剤ガスとしての酸素を供給する酸素バイパス供給系（酸素供給手段）１００を備えている。この酸素バイパス供給系１００は、酸素バイパス配管１０１と開閉弁１０２とを有している。

酸素バイパス配管１０１は、一端がコンプレッサ５１と加湿器５３との間の酸化剤ガス供給配管５２に接続されており、他端が圧力調整弁６２と触媒燃焼式水素検出器８９との間の酸化剤ガス排出配管６１に接続されている。開閉弁１０２は、酸素バイパス配管１０１に設けられており、開閉することにより流路を遮断したり開放したりするものである。

また、第４実施形態においてシステムコントローラ９３は、開閉弁１０２の開閉制御を行うようになっており、開閉弁１０２を開放することにより、コンプレッサ５１からの空気が燃料電池スタック１０を介することなくバイパスされて触媒燃焼式水素検出器８９に供給されることとなる。

次に、第４実施形態に係る燃料電池システム４の動作を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システム４では、システムコントローラ９３が電圧調整制御を行うようになっている。電圧調整制御とは、圧力制御を行う際に、又は圧力制御を行うに先だって、空気の供給を停止し燃料電池スタック１０にて所定負荷で所定期間だけ発電させる制御をいう。この制御を行うことにより、第４実施形態に係る燃料電池システム４は、酸化剤極１２内の酸素を消費する。すなわち、通常では漏洩検出の際に酸化剤極１２にリークした水素ガスが燃料電池スタック１０内で反応して消費されてしまうが、第４実施形態のように電圧調整制御を行うと、酸化剤極１２内の酸素量を減らすことができるので、リークした水素ガスは酸素と反応し難く、漏洩検出精度が低下してしまうことを抑制することができる。

ここで、システムコントローラ９３は、上記所定負荷を、酸素不足により燃料電池スタック１０を構成するセルに転極が生じない程度の電圧となる負荷とする。すなわち、システムコントローラ９３は、上記負荷とすることにより、セルの転極により燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制するようにしている。

具体的に説明する。まず、本実施形態において燃料電池スタック１０の単セルは理論的に１．１〜１．２Ｖ程度の起電力値を有すると仮定すると、燃料電池スタック１０を構成するセルに転極が生じない程度の電圧とは、燃料電池スタック１０の性質によって異なるが、例えば０．３Ｖ、望ましくは０．４Ｖ以上である。この電圧以上であれば酸素不足により酸素が酸化剤極１２内で不均一となっても、各セルに転極が生じないようにすることができる。よって、システムコントローラ９３は、望ましくは０．４Ｖ以上となるように、負荷（電流値）を設定して発電を行う。

また、システムコントローラ９３は、上記所定期間を、燃料電池スタック１０の開放端電圧が発電により燃料電池スタック１０の劣化を招く電圧未満となるだけの時間以上とする。ここで、燃料電池スタック１０の開放端電圧が燃料電池スタック１０の劣化を招く電圧とは、燃料電池スタック１０の性質によって異なるが、例えば０．８Ｖ以上である。この電圧以上では、燃料電池スタック１０の構成材料である炭素の腐食が加速し、さらに白金触媒も表面積の減少傾向が顕著となり始める。このため、開放端電圧が例えば０．８Ｖ以上であると腐食などから燃料電池スタック１０の劣化を招くこととなる。

そこで、システムコントローラ９３は、発電を行って燃料電池スタック１０内の水素ガス及び酸素を消費することにより、開放端電圧を下げて０．８Ｖ未満となるようにする。これにより、電圧調整制御後に、発電を行わない状態で燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも大きい状態を維持する場合でも、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。

以上より、システムコントローラ９３は、電圧調整制御において、セル電圧が例えば０．３Ｖ（望ましくは０．４Ｖ）以上となるように負荷を設定し、且つ、開放端電圧が例えば０．８Ｖ未満となるまで発電を継続することとなる。

なお、上記電圧調整制御を行うと、著しく酸化剤極１２内の酸素量が減少し、触媒燃焼式水素検出器８９により水素濃度等を検出できなくなる可能性がある。このため、システムコントローラ９３は、開閉弁１０２を開放し、酸素を直接的に触媒燃焼式水素検出器８９に供給して、酸素不足による検出不良を防止する。

図８は、第４実施形態に係る燃料電池システム４の動作を示すフローチャートである。なお、図８では、水素量でなく水素濃度に基づいて漏洩検出する例を示すものとする。また、図８では、圧力制御を行うに先だって電圧調整制御を行う例でなく、圧力制御を行う際に電圧調整制御を行う例を説明する。

まず、図８に示すように、システムコントローラ９３は、起動信号が発信されたか否かを判断する（ＳＴ４０）。起動信号が発信されていないと判断した場合（ＳＴ４０：ＮＯ）、システムコントローラ９３は起動信号が発信されたと判断するまで、この処理を繰り返し実行する。

一方、起動信号が発信されたと判断した場合（ＳＴ４０：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、燃料電池スタック１０に水素を供給すると共に、パージ弁３２を開ける（ＳＴ４１）。このとき、システムコントローラ９３は水素ガスのみを燃料電池スタック１０に供給し空気を供給しないこととする。

次いで、システムコントローラ９３は、経過時間が所定時間を超えたか否かを判断する（ＳＴ４２）。経過時間が所定時間を超えていないと判断した場合（ＳＴ４２：ＮＯ）、システムコントローラ９３は経過時間が所定時間を超えたと判断するまで、この処理を繰り返し実行する。

一方、経過時間が所定時間を超えたと判断した場合（ＳＴ４２：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３はパージ弁３２を閉める（ＳＴ４３）。そして、システムコントローラ９３は、圧力制御を実行し、燃料極１１の圧力Ｐａ＞酸化剤極１２の圧力Ｐｃとする（ＳＴ４３）。さらに、システムコントローラ９３は、電圧調整制御を実行する（ＳＴ４３）。

その後、システムコントローラ９３は、スタック電圧が所定電圧以下となったか否かを判断する（ＳＴ４４）。スタック電圧が所定電圧以下となっていないと判断した場合（ＳＴ４４：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、スタック電圧が所定電圧以下となったと判断されるまで、この処理を繰り返し実行する。一方、スタック電圧が所定電圧以下となったと判断した場合（ＳＴ４４：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、電圧調整制御を終了する（ＳＴ４５）。すなわち、システムコントローラ９３は、所定電圧以下となるまで発電を行って、開放端電圧が触媒劣化を促進する電圧以上とならないようにしている。

次いで、システムコントローラ９３は、電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えるか否かを判断する（ＳＴ４６）。ここで、電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えないと判断した場合（ＳＴ４６：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えたと判断されるまで、この処理を繰り返し実行する。すなわち、電解質膜の乾燥等により水素ガスが酸化剤極１２にリークする異常状態であれば、この所定時間において多量の水素ガスが酸化剤極１２に流れ込むこととなる。

電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えたと判断した場合（ＳＴ４６：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を終了し、両極の圧力をほぼ等しい状態とする（ＳＴ４７）。また、システムコントローラ９３は、定常的な運転負荷（例えばアイドル負荷）に応じた発電を行う（ＳＴ４７）。さらに、システムコントローラ９３は、空気を燃料電池スタック１０に供給する（ＳＴ４７）。すなわち、システムコントローラ９３は、電圧調整制御及び圧力制御を行った後に、燃料電池スタック１０に空気を供給して酸化剤極１２内のガスを迅速に排出させるようにしている。さらに、システムコントローラ９３は、開閉弁１０２を開けて触媒燃焼式水素検出器８９に酸素を供給する（ＳＴ４７）。

次いで、システムコントローラ９３は、触媒燃焼式水素検出器８９からの信号に基づいて、水素濃度が基準値を超えるか否かを判断する（ＳＴ４８）。そして、水素濃度が基準値を超えると判断した場合（ＳＴ４８：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、燃料電池システム１の運転を停止させ、利用者に対して警告を発信する（ＳＴ４９）。その後、図８に示す処理は終了する。また、水素濃度が基準値を超えないと判断した場合（ＳＴ４８：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、要求された出力に応じて発電を行う通常運転を行う（ＳＴ５０）。その後、図８に示す処理は終了する。

図９は、第４実施形態に係る燃料電池システム４の動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻ｔ４１において圧力制御及び電圧調整制御が開始されたとする。このとき、電圧調整制御によって燃料電池スタック１０内のガスが消費されてスタック電圧は低下していき、時刻ｔ４２においてスタック電圧が所定電圧に達する。この時刻ｔ４１〜ｔ４２の間、発電負荷は上記した所定負荷に維持される。また、圧力制御により燃料極１１の圧力が酸化剤極１２の圧力よりも高くされる。また、電圧調整制御によって酸化剤極１２内の酸素濃度が低下していく。

そして、図８のステップＳＴ４６に示したように、時刻ｔ４２から所定時間待機する。このとき、発電は行われず発電負荷は「０」とされる。そして、所定時間経過した時刻ｔ４３において圧力制御が終了し、両極の圧力がほぼ等しくされる。

さらに、時刻ｔ４３では、空気が供給されて酸化剤極１２内のガスが押し出される。そして、押し出されたガスが触媒燃焼式水素検出器８９まで至り、水素濃度が検出される。この際、コンプレッサ５１からの空気が酸素バイパス配管１０１を通じて触媒燃焼式水素検出器８９に至る。このため、押し出されたガス中の酸素が少なくとも水素濃度が検出される。ここで、図９に示すように水素濃度は基準値を超えない。このため、燃料電池スタック１０は漏洩状態であると判断されず正常であると判断される。そして、時刻ｔ４４において通常運転が行われる。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、第１実施形態と同様に、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。また、過度な圧力によるシステム部品の破損を抑制することができ、システムの応答性を高めることができる。また、利用者からの要求に応じた発電を素早く行うことができ、水素ガスが異常的に漏洩して、水素ガスと酸素との反応熱により、燃料電池スタック１０を損傷させて、燃料電池スタック１０の性能が低下してしまうことを防止することができる。

さらに、第４実施形態によれば、圧力制御を行う際に、又は圧力制御を行うに先だって、空気供給を停止し燃料電池スタック１０を所定負荷で所定期間だけ発電させる電圧調整制御を行うこととしている。このため、酸化剤極１２中の酸素を消費し、漏洩検出の際に酸化剤極１２にリークした水素ガスが燃料電池スタック１０内で反応して消費され、漏洩検出精度が低下してしまうことを抑制することができる。

また、所定負荷を、酸素不足により燃料電池スタック１０を構成するセルに転極が生じない程度の電圧となる負荷とすることとしている。このため、セルの転極により燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。

また、所定期間を、燃料電池スタック１０の開放端電圧が発電により燃料電池スタック１０の劣化を招く電圧未満となるだけの時間以上とすることとしている。このため、電圧調整制御後に、発電を行わない状態で燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも大きい状態を維持する場合でも、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。

また、電圧調整制御及び圧力制御を行った後に、燃料電池スタック１０に空気を供給して燃料電池スタック１０の酸化剤極１２内のガスを排出させることとしている。このため、燃料電池スタック１０内の酸化剤極１２に対流しているガスを迅速に排出することとなり、速やかに漏洩検出を行うことができる。

また、酸素供給により触媒が燃焼して水素の濃度又は量を検出可能となる触媒燃焼式水素検出器８９を備え、漏洩検出にあたり触媒燃焼式水素検出器８９に酸素を供給することとしている。このため、酸化剤極１２内の酸素が少なくなったとしても触媒燃焼式水素検出器８９に酸素を供給して、酸化剤から排出されるガス中の水素濃度又は量を検出することができる。

次に、本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態に係る燃料電池システム５は、第４実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第４実施形態との相違点を説明する。

まず、第４実施形態に係る燃料電池システム４ではシステム起動時に圧力制御を行って漏洩検出していたが、第５実施形態に係る燃料電池システム５ではシステム停止時に圧力制御を行って漏洩検出を行うこととしている。また、第５実施形態では、第４実施形態と同様に、システム停止時に圧力制御及び電圧調整制御を行って漏洩検出を行うが、漏洩検出により漏洩が検出されない場合には、再度電圧調整制御を行うようになっている。すなわち、第５実施形態に係る燃料電池システム５は、１回目の電圧調整制御を行い、漏洩検出により漏洩が検出されない場合に２回目の電圧調整制御を行うようになっている。

図１０は、第５実施形態に係る燃料電池システム５の動作を示すフローチャートである。なお、図１０では、水素量でなく水素濃度に基づいて漏洩検出する例を示すものとする。また、図１０では、圧力制御を行うに先だって電圧調整制御を行う例でなく、圧力制御を行う際に電圧調整制御を行う例を説明する。

まず、図１０に示すように、システムコントローラ９３は、停止信号が発信されたか否かを判断する（ＳＴ６０）。停止信号が発信されていないと判断した場合（ＳＴ６０：ＮＯ）、システムコントローラ９３は停止信号が発信されたと判断するまで、この処理を繰り返し実行する。

一方、停止信号が発信されたと判断した場合（ＳＴ６０：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を実行し、燃料極１１の圧力Ｐａ＞酸化剤極１２の圧力Ｐｃとする（ＳＴ６１）。この際にシステムコントローラ９３は、空気を燃料電池スタック１０に供給しつつ燃料電池スタック１０において定常的な運転負荷（例えばアイドル負荷）に応じた発電を行う（ＳＴ６１）。さらに、システムコントローラ９３は、空気供給を停止すると共に、電圧調整制御を実行する（ＳＴ６１）。

その後、システムコントローラ９３は、スタック電圧が所定電圧以下となったか否かを判断する（ＳＴ６２）。スタック電圧が所定電圧以下となっていないと判断した場合（ＳＴ６２：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、スタック電圧が所定電圧以下となったと判断されるまで、この処理を繰り返し実行する。一方、スタック電圧が所定電圧以下となったと判断した場合（ＳＴ６２：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、電圧調整制御を終了する（ＳＴ６３）。

次いで、システムコントローラ９３は、電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えるか否かを判断する（ＳＴ６４）。ここで、電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えないと判断した場合（ＳＴ６４：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えたと判断されるまで、この処理を繰り返し実行する。

電圧調整制御終了後からの経過時間が所定時間を超えたと判断した場合（ＳＴ６４：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、圧力制御を終了し、両極の圧力をほぼ等しい状態とする（ＳＴ６５）。また、システムコントローラ９３は、空気を燃料電池スタック１０に供給する（ＳＴ６５）。さらに、システムコントローラ９３は、開閉弁１０２を開けて触媒燃焼式水素検出器８９に酸素を供給する（ＳＴ６５）。

次いで、システムコントローラ９３は、触媒燃焼式水素検出器８９からの信号に基づいて、水素濃度が基準値を超えるか否かを判断する（ＳＴ６６）。そして、水素濃度が基準値を超えると判断した場合（ＳＴ６６：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、燃料電池システム１の運転を停止させ、利用者に対して警告を発信して次回の起動を許可しない旨を通知する（ＳＴ６７）。そして、図１０に示す処理は終了する。

一方、水素濃度が基準値を超えないと判断した場合（ＳＴ６６：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、空気及び水素ガスの供給を停止する（ＳＴ６８）。次に、システムコントローラ９３は、電圧調整制御を実行する（ＳＴ６９）。そして、システムコントローラ９３は、スタック電圧が所定電圧以下となったか否かを判断する（ＳＴ７０）。スタック電圧が所定電圧以下となっていないと判断した場合（ＳＴ７０：ＮＯ）、システムコントローラ９３は、スタック電圧が所定電圧以下となったと判断されるまで、この処理を繰り返し実行する。一方、スタック電圧が所定電圧以下となったと判断した場合（ＳＴ７０：ＹＥＳ）、システムコントローラ９３は、電圧調整制御を終了する（ＳＴ７１）。

図１１は、第５実施形態に係る燃料電池システム５の動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻ｔ５１において通常運転が行われていたとする。そして、時刻ｔ５２において停止信号が発信され、圧力制御及び電圧調整制御が開始されたとする。このとき、電圧調整制御によってスタック電圧は低下していき、時刻ｔ５３においてスタック電圧が所定電圧に達する。この時刻ｔ５２〜ｔ５３の間、発電負荷は上記した所定負荷に維持される。また、圧力制御により燃料極１１の圧力が酸化剤極１２の圧力よりも高くされる。また、電圧調整制御によって酸化剤極１２内の酸素濃度が低下していく。

そして、図１０のステップＳＴ６４に示したように、時刻ｔ５３から所定時間待機する。このとき、発電は行われず発電負荷は「０」とされる。そして、所定時間経過した時刻ｔ５４において圧力制御が終了し、両極の圧力がほぼ等しくされる。

さらに、時刻ｔ５４では空気が供給されて酸化剤極１２内のガスが押し出される。そして、押し出されたガスが触媒燃焼式水素検出器８９まで至り、水素濃度が検出される。この際、コンプレッサ５１からの空気が酸素バイパス配管１０１を通じて触媒燃焼式水素検出器８９に至る。このため、押し出されたガス中の酸素が少なくとも水素濃度が検出される。ここで、図１１に示すように水素濃度は基準値を超えない。このため、燃料電池スタック１０は漏洩状態であると判断されず正常であると判断される。

ここで、酸化剤極１２内のガスを押し出すために空気が供給されることから、酸化剤極１２内の酸素濃度が上昇してしまう。酸素濃度が高まった状態で運転を停止しようとすると、開放端電圧が燃料電池スタック１０の劣化を招く電圧以上となり得る。そこで、時刻ｔ５５において電圧調整制御が実行される。そして、スタック電圧が所定電圧まで低下した時刻ｔ５６において電圧調整制御が終了する。

このようにして、第５実施形態に係る燃料電池システム５によれば、第４実施形態と同様に、水素ガス漏洩の検出精度を向上させることができる。また、過度な圧力によるシステム部品の破損を抑制することができ、水素ガスが異常的に漏洩して、水素ガスと酸素との反応熱により、燃料電池スタック１０を損傷させて、燃料電池スタック１０の性能が低下してしまうことを防止することができる。

また、酸化剤極１２中の酸素を消費し、漏洩検出の際に酸化剤極１２にリークした水素ガスが燃料電池スタック１０内で反応して消費され、漏洩検出精度が低下してしまうことを抑制することができる。また、セルの転極により燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができ、電圧調整制御後に、発電を行わない状態で燃料極１１の圧力を酸化剤極１２の圧力よりも大きい状態を維持する場合でも、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。

さらに、燃料電池スタック１０内の酸化剤極１２に対流しているガスを迅速に排出することとなり、速やかに漏洩検出を行うことができ、酸化剤極１２内の酸素が少なくなったとしても触媒燃焼式水素検出器８９に酸素を供給して、酸化剤から排出されるガス中の水素濃度又は量を検出することができる。

さらには、第５実施形態によれば、システム停止時に電圧調整制御及び圧力制御を行い、水素ガスの漏洩が検出されなかった場合、再度電圧調整制御を行うこととしている。このため、開放端電圧を、劣化を促進してしまう電圧未満とすることとなり、燃料電池スタック１０の発電性能の低下を抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイミングチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイミングチャートである。 第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイミングチャートである。 第５実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１〜５…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…燃料極
１２…酸化剤極
２１…水素タンク（燃料極圧力調整手段）
３２…パージ弁（燃料極圧力調整手段）
５１…コンプレッサ（酸化剤極圧力調整手段）
６０…酸化剤ガス排出系（酸化剤ガス排出手段）
６２…圧力調整弁（酸化剤極圧力調整手段）
８９…触媒燃焼式水素検出器（燃料ガス検出手段）
９３…システムコントローラ（制御手段）
１００…酸素バイパス供給系（酸素供給手段）

Claims (13)

1. 燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの燃料極の圧力を調整する燃料極圧力調整手段と、
   前記燃料電池スタックの酸化剤極の圧力を調整する酸化剤極圧力調整手段と、
   前記燃料電池スタックの酸化剤極内のガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、
   前記酸化剤ガス排出手段により排出されるガス中の燃料ガス濃度又は量を検出する燃料ガス検出手段と、
   前記燃料ガス圧力調整手段と前記酸化剤極圧力調整手段とを制御して前記燃料電池スタックの燃料極の圧力を酸化剤極の圧力よりも高くする圧力制御を行ったうえで、前記酸化剤ガス排出手段により酸化剤極内のガスを排出し、前記燃料ガス検出手段により検出されるガス中の燃料ガス濃度又は量に基づいて燃料ガスの漏洩を検出する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記圧力制御を行う場合、燃料極及び酸化剤極の圧力を前記燃料電池スタックの許容圧力以下とすると共に、両極の圧力差を許容値以下と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. 前記制御手段は、システム起動時及びシステム停止時の少なくとも一方において前記圧力制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、システム起動時に前記圧力制御を行う場合、前記圧力制御中に、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給しつつ前記燃料電池スタックにおいて定常的な運転負荷に応じた発電を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 実際に供給する酸化剤ガスの量を、発電に必要とされる酸化剤ガス量で除した値を、酸化剤ガスの供給過剰率と規定した場合において、前記制御手段は、前記圧力制御中に酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するときには、酸化剤ガスの供給過剰率を、要求された出力に応じて発電を行う通常運転時よりも小さくすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記圧力制御を行う際に、又は前記圧力制御を行うに先だって、酸化剤ガスの供給を停止し前記燃料電池スタックにて所定負荷で所定期間だけ発電させる電圧調整制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記所定負荷を、前記酸化剤ガスの不足により前記燃料電池スタックを構成するセルに転極が生じない程度の電圧となる負荷とすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記所定期間を、前記燃料電池スタックの開放端電圧が発電により該燃料電池スタックの劣化を招く電圧未満となるだけの時間以上とすることを特徴とする請求項６又は請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記電圧調整制御及び前記圧力制御を行った後に、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給して前記燃料電池スタックの酸化剤極内のガスを排出させることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、システム起動時に前記圧力制御を行い、燃料ガスの漏洩が検出されなかった場合、要求された出力に応じて発電を行う通常運転を行うことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、システム停止時に前記電圧調整制御及び前記圧力制御を行い、燃料ガスの漏洩が検出されなかった場合、再度前記電圧調整制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料ガス検出手段に対し酸化剤ガスとしての酸素を供給する酸素供給手段を更に備え、
    前記燃料ガス検出手段は、酸素供給により触媒が燃焼して燃料ガスとしての水素の濃度又は量を検出可能となる触媒燃焼式水素検出器であって、
    前記制御手段は、前記酸素供給手段を制御して前記触媒燃焼式水素検出器に酸素を供給させることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記制御手段は、燃料ガスの漏洩を検出した場合、前記燃料電池スタックの運転を停止させること、及び、利用者に対して警告をすることの少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
    

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