JP2007012453A - 燃料電池システム及び異常判断処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス流路の減圧に異常がある場合に適切に対処する。
【解決手段】 燃料電池システムが定常運転状態から停止するため、所定のストップ指示があると、流入用の電磁弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５を閉じ、排出用の電磁弁Ｖ３を開く。なお、ポンプ２５の稼働は継続する。このように、ポンプ２５の稼働を継続させ、流入用の電磁弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５を開き、排出用の電磁弁Ｖ３を開くことにより、減圧処理が開始される（強制減圧手段）。燃料電池総電圧が所定値未満か否かを判断する。燃料電池の総電圧が所定値未満と判断された場合には、全補機動作を停止して、システム動作を動作が終了する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び異常判断処理方法にかかり、より詳細には、単位セルの燃料極に接触する燃料ガス流路を備えたモジュールを複数形成した燃料電池スタックを備えた燃料電池システム、及び、該燃料電池システムにおける異常判断処理方法に関する。

一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。

そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。

燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどが提案されている。
ところで、上記のような燃料電池スタックを停止する際、燃料ガス（水素）の供給を停止するが、停止後に放置すると水素が若干量消費され続け、燃料極の圧力は徐々に低下する。大気圧以下になると、酸素極より酸化ガス（空気）が高分子電解質膜を通じて透過するため燃料極は水素と酸素（空気）が混合状態となる。酸素濃度が一定値以上になると、高分子電解質膜において電位シフト現象が発生し、所定電位以上の高電位状態となり触媒粒子が溶出、燃料電池の性能を低下する。
そこで、燃料ガス流路を減圧することにより空気を急速に導入し、水素/空気の混合時間を短くする発明が提案されている。
特開平０７−２３５３２４号。 特開２００３−１７８７８９号。

しかし、減圧ポンプが故障したり、燃料電池の電極異常によりリークが発生したり、すると、燃料ガス流路を減圧することを正常に行うことができない。このように減圧を正常に行うことができないと、燃料電池スタックが正常に電力を供給することができなくなり、燃料電池スタックに接続された他の装置等が正常に機能しなくなってしまう恐れもある。
本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、燃料ガス流路の減圧に異常がある場合に適切に対処することの可能な燃料電池システム及び異常判断処理方法を提供することを目的とする。

以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）
単位セルと該単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成するセパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路の圧力を減少させる、該燃料ガス流路内の気体を排出するポンプを含んで構成された強制減圧手段と、
前記燃料ガス流路の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記検出された前記燃料ガス流路の圧力に基づいて、前記減圧手段の稼働が開始されたときから所定時間内に、前記前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下になったか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段により前記所定時間内に前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下にならなかったと判断された場合に、異常処理を実行する異常処理手段と、
を備えた燃料電池システム。

（２）
前記ポンプの消費電流を検出する電流検出手段を更に備え、
前記異常処理手段は、前記電流検出手段により検出された消費電流に基づいて前記ポンプが異常か否かを判断するポンプ異常判断手段を備えた
ことを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池システム。

（３）
前記異常処理手段は、前記ポンプが異常であると判断した場合には、ポンプが異常であることを記憶手段に記憶することを特徴とする上記（２）記載の燃料電池システム。

（４）
前記燃料ガス流路内に空気を導入する導入手段と、
前記燃料ガス流路を大気圧に開放する開放手段とを更に備え、
前記異常処理手段は、
前記ポンプが異常であると判断した場合には、前記検出された前記燃料ガス流路の圧力に基づいて、前記燃料ガス流路の圧力が、前記導入手段により前記空気を前記燃料ガス流路内に導入可能な予め定めた安全値以下か否かを判断する圧力判断手段と、
前記圧力判断手段により前記燃料ガス流路の圧力が前記安全値以下であると判断された場合、前記燃料ガス流路内に空気が導入されるように前記導入手段を制御し、前記圧力判断手段により前記燃料ガス流路の圧力が前記安全値以下でないと判断された場合、前記開放手段を制御して燃料ガス流路を遮断し、前記燃料ガス流路の圧力が前記安全値以下となってから前記燃料ガス流路内に空気が導入されるように前記導入手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする上記（２）又は（３）記載の燃料電池システム。

（５）
前記モジュールの電極板に隣接した単位セルの出力を検出する出力センサを更に備え、
前記異常処理手段は、
前記出力センサにより検出された前記出力が所定値未満か否かを判断する出力判断手段を備え、前記出力判断手段により前記出力センサにより検出された前記出力が所定値未満と判断された場合には、燃料電池スタックのリークであることを記憶手段に記憶し、前記出力判断手段により前記出力センサにより検出された前記出力が所定値以上と判断された場合には、燃料電池スタックに接続された配管のリークであることを記憶手段に記憶する、
ことを特徴とする上記（１）乃至（４）の何れか１に記載の燃料電池システム。

（６）
単位セルと該単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成するセパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックを備えた燃料電池スタックの異常判断処理方法であって、
前記燃料ガス流路内の気体を排出するポンプを含んで構成された強制減圧手段により、前記燃料ガス流路の圧力を減少させるステップと、
前記燃料ガス流路の圧力を検出するステップと、
前記検出された前記燃料ガス流路の圧力に基づいて、前記強制減圧手段の稼働が開始されたときから所定時間内に、前記前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下になったか否かを判断するステップと、
前記所定時間内に前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下にならなかったと判断された場合に、異常処理を実行するステップと、
を備えた燃料電池システムの異常判断方法。

請求項１及び請求項６に記載の発明によれば、燃料ガス流路の減圧が開始されたときから所定時間内に、燃料ガス流路の圧力が所定値以下にならなかった場合に、異常処理を実行するので、燃料ガス流路の減圧に異常がある場合に適切に対処することができる。

請求項２記載の発明によれば、ポンプの消費電流を検出し、検出された消費電流に基づいてポンプが異常か否かを判断するので、ポンプの異常を判断することができる。
請求項３記載の発明によれば、ポンプが異常である場合には、ポンプが異常であることを記憶手段に記憶するので、記憶手段に記憶された内容に基づいて、ポンプが異常であることが認識することができる。

請求項４記載の発明によれば、ポンプが異常であると判断した場合、燃料ガス流路の圧力が空気燃料ガス流路内に導入可能な予め定めた安全値以下か否かを更に判断し、燃料ガス流路の圧力が該安全値以下であると判断された場合、燃料ガス流路内に空気を導入し、料ガス流路の圧力が該安全値以下でないと判断された場合、燃料ガス流路を大気圧に開放し、燃料ガス流路の圧力が該安全値以下となってから燃料ガス流路に空気を導入するので、燃料ガス流路内を適切な状態にして空気を導入することができ、電位シフト現象の発生を抑えることができる。

請求項５記載の発明によれば、単位セルの出力が所定値以上の場合、燃料電池スタックのリークであることを記憶手段に記憶する、単位セルの出力が所定値未満の場合、燃料電池スタックに接続された配管のリークであることを記憶手段に記憶するので、記憶手段に記憶された内容に基づいて、どのような異常であるかを認識することができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、燃料電池スタック１００を用いたシステム１の燃料供給系１０を示すブロック図である。

この燃料電池システム１の有するスタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。

集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。燃料極に接触する集電部材３は、図７に示されているように、矩形の金網材から成り、その表面には多数の孔３２０が形成されている。また、集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。尚、図７以外の図においては、図面の内容をわかり易くするために、集電部材３を板材として示しており、断面図等において、網材の孔３２０の表示は省略されている。

凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。

集電部材３の両端部には、流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔４８によって水素供給路が構成される。

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。

この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。
また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。

図８は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。

空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ2）等が挙げられる。

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図９は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、空気マニホールドから空気が流入するとともに、空気マニホールド内でノズルから噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。

図１０は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。燃料電池スタック１００は、単位セル１５の燃料極に接触し燃料ガス流路２０１を形成する集電部材（集電板）を有する燃料電池セパレータ（セパレータ）１３を、単位セル１５と交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路２０１の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セル１５の積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有している。

即ち、燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０−１〜ｎ（単位体）を複数個構成し、この複数のモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。隣接するモジュール１３０−ｍとモジュール１３０−ｍ＋１の間には、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。遮蔽板１６は、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は１６１ｂを備えている。この遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。

一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０−１〜ｎ毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂから水素通路１７ａへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。

即ち、燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部（遮蔽板１６）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。

図１１は、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａの縦断面図である。各モジュール１３０−１〜ｎは、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。

単位のモジュール１３０−１〜ｎ内においても、積層されたセパレータ１３と単位セル１５とで構成された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０−１〜ｎ内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。
そして、モジュール１３０−１〜ｎの積層方向における両端には、電極板が重ねられ、燃料電池スタック１００の電極に接続されている。

図１２は、燃料ガスが最後に通過するモジュール１３０−ｎの構成を示す模式図である。モジュール１３０−ｎの一方の端面には、一方の電極板Ｄが重ねられている。隣接するモジュール１３０−（ｎ−１）から送られる燃料ガスは、水素流通路１７ａから各セパレータによって構成される燃料室３０へ供給される。水素流路１７ａから多数の燃料室３０で構成された流路へ燃料ガスが流入する際、ガスの流れる方向が急激に変更され、屈曲した流路が構成される。
この実施の形態では、各モジュール内の単位セルのいずれか１つに単位セル１５の出力電圧を検出する電圧センサ（出力センサ）Ｓ１〜Ｓｒが接続されている。なお、図１０に示されているように、この電圧センサを各モジュール毎に取り付けてモジュール単位の電圧を測定してもよい。

図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。水素通路１７ａの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路１８ａが設けられている。この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、燃料ガス供給流路２０１と同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導出口１８２ａが燃料供給口１７１ａに接続されている。

図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。この導出案内路１８ｂは、ガス導入口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導入口１８１ｂが燃料排出口１７１ｂに接続されている。
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。

次に、図１に基づき、燃料電池システム１の構成について説明する。
燃料供給系１０は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１と、燃料ガス供給流路２０１と、燃料ガス供給流路２０１に設けられたガス供給弁Ｖ１とを備えている。燃料ガス供給流路２０１の一端は、高圧水素タンク１１に接続され、他端は、燃料電池スタック１００の導入案内路１８ａを介して、燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａに接続されている。

燃料ガス供給流路２０１は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａへ送る。燃料ガス供給流路２０１には、水素一次圧調圧弁ＬＶが高圧水素タンク１１の下流に設けられている。そして、水素圧調圧弁ＬＶの下流には、ガス供給弁Ｖ１が設けられる。水素圧調圧弁ＬＶによって、燃料電池スタック１００へ供給するために適した圧力（燃料ガス流路内圧）に調整される。

燃料ガス供給流路２０１には、ガス供給弁Ｖ１の下流側には、空気導入路２０２が接続されおり、空気導入路２０２には、空気供給弁Ｖ４が設けられ、その上流側には、フィルタ２７が設けられている。
燃料電池スタック１００では、図３に示されているように、水素通路１７ａから水素ガスが水素流通経路８４ａへ流入し、さらに、水素流通経路８４ａから水素流路３０１、３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂから水素通路１７ｂへ流入する。

燃料電池スタック１００の燃料排出側には、燃料ガス循環流路２０３が接続されている。燃料ガス循環流路２０３の一端は、導出案内路１８ｂを介して、燃料電池スタック１００の燃料排出口１７１ｂに接続され、他端は、燃料ガス供給流路２０１に接続され、燃料ガス循環流路２０３と燃料ガス供給流路２０１の一部とによって、燃料ガスの循環回路が形成される。この循環回路内においては、燃料ガスが、燃料電池スタック１００、燃料ガス循環流路２０３、ガス供給路２０１、燃料電池スタック１００の順に循環して流れる。燃料ガス供給流路２０１には、空気導入路２０２の接続部と、燃料ガス循環流路２０３の接続部との間に、減圧用遮断電磁弁Ｖ５が設けられている。

また、燃料ガス循環流路２０３には、ガス導出路２０４の一端が接続され、ガス導出路２０４の他端は外部に開放された排出口２６となっており、またガス導出路２０４には、排気電磁弁Ｖ６が設けられている。排出口２６には、逆止弁２８が設けられている。
燃料ガス循環流路２０３には、水回収タンク２１が接続され、その下流側には、循環ポンプ２５が接続され、その下流側（吐出口側）に減圧排出路２０５の一端が接続されている。減圧排出路２０５の他端は、燃料ガス排出流路２０４に接続され、排気電磁弁Ｖ６の下流側にガスを合流させる構成となっている。また、減圧排出路２０５には、減圧電磁弁Ｖ３が設けられている。

燃料ガス循環流路２０３において、減圧排出路２０５の接続部の下流側には、循環電磁弁Ｖ２が設けられている。循環回路内に燃料ガスを循環させる場合には、循環電磁弁Ｖ２を開放し、循環ポンプ２５を駆動させる。
また、排気電磁弁Ｖ６を開放することによって、水回収タンク２１内の水が、ガス導出路２０４を介して、燃料ガスとともに排出される。

循環ポンプ２５は、燃料ガスを燃料電池スタック１００から排出する際にも駆動する。この場合には、循環電磁弁Ｖ２を閉じ、減圧電磁弁Ｖ３を開いた状態となる。
また、燃料電池スタック１００には、既述の通り、単位セル毎の出力電圧を検出するセンサＳ１〜３が設けられている。
各弁Ｖ１〜Ｖ６は、電気的に開閉制御可能に構成されている。なお、水回収タンク２１は、燃料電池スタック１００から、燃料ガスとともに排出された生成水を溜める貯留タンクとして機能する。

さらに、燃料電池システム１には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ＯＮ／ＯＦＦスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。

以上のような構成において、燃料電池システム１により電力出力される通常運転状態では、空気ファン等によって、燃料電池スタック１００の空気流路４０に空気が供給され、同時に、燃料供給系１０からは水素ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そして、燃料電池スタック１００内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを供給することにより維持される。本発明では、通常運転状態（通常発電状態）とは、燃料電池システム１が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。
燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され（イグニッションキーがオンされ）、燃料電池システム１が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。

上記説明した燃料電池システム１は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサＳ１〜ｒの検出値は、制御部に供給される。制御部は、各電磁弁Ｖ１〜６の開閉、及び、ポンプ２５の駆動停止、駆動開始を制御する。
以上のような構成を有する燃料電池システム１は、以下のような動作を行う。図１５は、燃料電池システム１の制御動作を示すフローチャートである。以下の制御動作は、図示しない制御部における制御動作として実行される。この制御部は、ＣＰＵなどの集積回路により構成される。

次に、本実施の形態の作用を説明する。図１５には、本実施の形態に係る燃料電池システムの停止動作処理が示されている。燃料電池システムが定常運転状態から停止するため、所定のストップ指示があると、本処理がスタートし、ステップＳ１００で、流入用の電磁弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５を閉じ、ステップＳ１０２で、排出用の電磁弁Ｖ３を開く。なお、ポンプ２５の稼働は継続する。このように、ポンプ２５の稼働を継続させ、流入用の電磁弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ５を開き、排出用の電磁弁Ｖ３を開くことにより、減圧処理が開始される（強制減圧手段）。

次のステップＳ１０４で、圧力センサＳ４の出力値が所定値（例えば−８０ｋＰａＧ）未満か否かを判断する。上記減圧処理が継続され、圧力センサＳ４の出力値が所定値未満となった場合には、燃料電池内が十分減圧されたので、ステップＳ１０６で、空気導入用の電磁弁Ｖ４を開くことにより空気を導入する。次のステップＳ１０８で、燃料電池総電圧が所定値未満か否かを判断する。燃料電池の総電圧が所定値未満と判断された場合には、ステップＳ１１０で、全補機動作を停止して、システム動作が終了する。

ここで、燃料電池が正常な場合には、上記ステップＳ１０２の処理により減圧が開始された後、上記ステップＳ１０６の空気導入用の電磁弁が開き、空気導入される迄の間、燃料電池の出力電圧は、図１６に示すように、ほぼ一定値を示す。これに対し、何れかの箇所から燃料ガスがリーク等すると、燃料電池の出力電圧は上記ステップＳ１０２での減圧開始後、徐々に、減少する。
本実施の形態では、上記システム停止作処理の上記ステップＳ１０２の処理が実行されると、更に図１７に示す異常判判断処理を実行する。即ち、ステップＳ１２２で、圧力が所定値（例えば−８０ＫＰａＧ）未満か否かを判断し、圧力が所定値未満と判断された場合には、停止動作処理を実行する。即ち、図１８に示すように、上記図１５に示すステップＳ１０６〜１１２を実行する。

一方、圧力が所定値未満と判断されなかった場合には、ステップＳ１２４で、減圧時間が所定時間（例えば１０分）を超えたか否かを判断し、減圧時間か所定時間を超えた、即ち、減圧処理を開始してから、所定時間内に圧力が所定値未満となったかどうかを判断する（判断手段）。減圧処理開始から所定時間経過しても圧力が所定値未満とならなかった場合には、異常処理を実行する。

次に、本実施の形態の異常処理（異常処理手段）を説明する。上記のように、減圧処理開始から所定時間経過しても圧力が所定値未満とならなかった場合には、図１９に示す異常種類判断処理を実行する。即ち、まず、ステップＳ１４２で、電流検出センサ（電流検出手段）によりポンプ消費電流を測定し、ステップＳ１４４で、ポンプ消費電流が、正常値を超えたか又は０か否かを判断する（ポンプ異常判断手段）。ポンプが正常に動作している場合には、ポンプ消費電流は正常値以下でかつ０より大きいはずである。従って、ポンプ消費電流が正常値を超えたり０の値を示すような場合には、ポンプが故障していると判断することができ、後述するポンプ異常処理（図２０）を実行する。

一方、ポンプ消費電流が正常値以下で０より大きい場合（ポンプが故障していない場合）には、ステップＳ１４６で、各モジュールの電圧を測定し、ステップＳ１４８で、各モジュール電圧が所定値（例えば２Ｖ）未満か否かを判断する。各モジュール電圧が所定値未満と判断された場合には、燃料電池リークと判断することができ、後述する対処処理（図２１）を実行する。
一方、各モジュール電圧が所定値未満でないと判断された場合には、配管リークと判断することができ後述する対処処理（図２２）を実行する。

次に、ポンプ異常処理（図２０）を説明する。即ち、図２０のステップＳ１５２で、ポンプ異常を告知する。即ち、表示装置に表示したり、ＲＡＭにこれを書き込む。
ステップＳ１５４で、圧力値が空気導入可能な予め定められた安全値（−５０ｋＰａＧ）以下であるか否かを判断する。圧力値が安全値以下である場合には、上記停止動作処理（図１８）を実行する。一方、圧力値が安全値以下となっていない場合には、ステップＳ１５６で、排出側の配管の圧力を減圧する減圧処理を実行する。即ち、ステップＳ１５６で、電磁弁１０、１２を閉じ、ステップＳ１５８で、圧力値が上記安全値未満となったか否かを判断し、圧力値が上記安全値未満となった場合に、停止動作処理を実行する。

なお、燃料電池リークと判断された場合には、図２１のステップＳ１６２で、燃料電池リークを告知する。即ち、表示装置に表示したり、ＲＡＭに書き込んだりする。また、配管リークと判断された場合には、図２１のステップＳ１６４で、配管リークを告知する。即ち、表示装置に表示したり、ＲＡＭに書き込んだりする。なお、ステップＳ１６２、１６４の処理後は、上記停止動作処理（図１８）を実行する。

なお、ステップＳ１６２、１６４におけるＲＡＭへの書き込む方法としては例えば、次のようにしてもよい。
即ち、最初の１バイト目には、故障モード、原因場所を書き込む。例えば、ポンプ故障の場合、特にポンプの消費電流が０である場合には01を書き込み、ポンプの消費電流が正常値を超えた過大な値である場合には02を書き込み、配管リークの場合には03、１モジュール目がリークの場合には11、２モジュール目がリークの場合には１２等を書き込む。
２バイト目には上記減圧処理開示してから所定時間（１０分）経過した時の圧力値（故障の深刻度）を書き込む。

以上説明したように、本実施の形態では、燃料ガス流路の減圧が開始されたときから所定時間内に、燃料ガス流路の圧力が所定値以下にならなかった場合に、異常処理を実行するので、燃料ガス流路の減圧に異常がある場合に適切に対処することができる。
また、本実施の形態では、ポンプの消費電流を検出し、検出された消費電流に基づいてポンプが異常か否かを判断するので、ポンプの異常を判断することができる。

ポンプが異常である場合には、ポンプが異常であることを記憶手段に記憶するので、記憶手段に記憶された内容に基づいて、ポンプが異常であることが認識することができる。また、ポンプが異常であると判断した場合、燃料ガス流路の圧力が空気燃料ガス流路内に導入可能な予め定めた安全値以下か否かを更に判断し、燃料ガス流路の圧力が該安全値以下であると判断された場合、燃料ガス流路内に空気を導入し、燃料ガス流路の圧力が該安全値以下でないと判断された場合、燃料ガス流路を遮断し、燃料ガス流路の圧力が該安全値以下となってから燃料ガス流路に空気を導入するので、燃料ガス流路内を適切な状態にして空気を導入することができ、電位シフト現象の発生を抑えることができる。

そして、本実施の形態では、単位セルの出力が所定値未満の場合、燃料電池スタックのリークであることを記憶手段に記憶し、単位セルの出力が所定値以上の場合、燃料電池スタックに接続された配管のリークであることを記憶手段に記憶するので、記憶手段に記憶された内容に基づいて、どのような異常であるかを認識することができる。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。 燃料電池用セパレータの全体背面図である。 燃料極側の集電部材の部分拡大斜視図である。 単位セルの断面図である。 燃料電池スタックの部分平面図である。 燃料電池スタックの全体平面図である。 水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ-Ｄ断面図）である。 燃料ガスが最後に通過するモジュールの構成を示す模式図である。 燃料電池スタックの全体正面図である。 燃料電池スタックの全体背面図である。 システム停止動作処理プログラムを示したフローチャートである。 燃料電池が正常な場合とリークが存在する場合の燃料電池の出力電圧の変化を示すグラフである。 本実施の形態の異常判断処理プログラムを示すフローチャートでる。 停止動作処理プログラムを示すフローチャートである。 異常種類判断処理プログラムを示すフローチャートである。 ポンプ異常処理プログラムを示すフローチャートである。 燃料電池リーク異常処理を示すフローチャートである。 配管リーク異常処理プログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１００ 燃料電池スタック
１３ 燃料電池セパレータ
１３０−１〜ｎ モジュール
１５ 単位セル
１７ａ、１７ｂ 水素通路
３ 集電部材
３０ 燃料室
３２ 凸状部
３０１ 水素流路
３０２ 水素流路
４ 集電部材
４０ 空気流路
４２ 凸状部
４３ 導入口
４４ 導出口
８ 枠体
９ 枠体
１７１ａ 燃料供給口
１７１ｂ 燃料排出口
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 燃料ガス排出流路
２５ ポンプ
ＳＳ 圧力センサ（圧力検出手段）
Ｓ１〜ｒ 電圧センサ
Ｖ１ ガス供給弁
Ｖ２ 循環電磁弁
Ｖ３ 減圧電磁弁
Ｖ４ 空気供給弁
Ｖ５ 減圧用遮断電磁弁
Ｖ６ 排気電磁弁

Claims (6)

1. 単位セルと該単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成するセパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料ガス流路の圧力を減少させる、該燃料ガス流路内の気体を排出するポンプを含んで構成された強制減圧手段と、
   前記燃料ガス流路の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記検出された前記燃料ガス流路の圧力に基づいて、前記減圧手段の稼働が開始されたときから所定時間内に、前記前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下になったか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段により前記所定時間内に前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下にならなかったと判断された場合に、異常処理を実行する異常処理手段と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記ポンプの消費電流を検出する電流検出手段を更に備え、
   前記異常処理手段は、前記電流検出手段により検出された消費電流に基づいて前記ポンプが異常か否かを判断するポンプ異常判断手段を備えた
   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. 前記異常処理手段は、前記ポンプが異常であると判断した場合には、ポンプが異常であることを記憶手段に記憶することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス流路内に空気を導入する導入手段と、
   前記燃料ガス流路を大気圧に開放する開放手段とを更に備え、
   前記異常処理手段は、
   前記ポンプが異常であると判断した場合には、前記検出された前記燃料ガス流路の圧力に基づいて、前記燃料ガス流路の圧力が、前記導入手段により前記空気を前記燃料ガス流路内に導入可能な予め定めた安全値以下か否かを判断する圧力判断手段と、
   前記圧力判断手段により前記燃料ガス流路の圧力が前記安全値以下であると判断された場合、前記燃料ガス流路内に空気が導入されるように前記導入手段を制御し、前記圧力判断手段により前記燃料ガス流路の圧力が前記安全値以下でないと判断された場合、前記開放手段を制御して燃料ガス流路を遮断し、前記燃料ガス流路の圧力が前記安全値以下となってから前記燃料ガス流路内に空気が導入されるように前記導入手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記モジュールの電極板に隣接した単位セルの出力を検出する出力センサを更に備え、
   前記異常処理手段は、
   前記出力センサにより検出された前記出力が所定値未満か否かを判断する出力判断手段を備え、前記出力判断手段により前記出力センサにより検出された前記出力が所定値未満と判断された場合には、燃料電池スタックのリークであることを記憶手段に記憶し、前記出力判断手段により前記出力センサにより検出された前記出力が所定値以上と判断された場合には、燃料電池スタックに接続された配管のリークであることを記憶手段に記憶する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 単位セルと該単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成するセパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックを備えた燃料電池スタックの異常判断処理方法であって、
   前記燃料ガス流路内の気体を排出するポンプを含んで構成された強制減圧手段により、前記燃料ガス流路の圧力を減少させるステップと、
   前記燃料ガス流路の圧力を検出するステップと、
   前記検出された前記燃料ガス流路の圧力に基づいて、前記強制減圧手段の稼働が開始されたときから所定時間内に、前記前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下になったか否かを判断するステップと、
   前記所定時間内に前記燃料ガス流路の圧力が所定値以下にならなかったと判断された場合に、異常処理を実行するステップと、
   を備えた燃料電池システムの異常判断方法。
   

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