JP2009181841A

JP2009181841A - 燃料電池システムの生成水滞留判定方法と生成水滞留対応方法

Info

Publication number: JP2009181841A
Application number: JP2008020566A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Fujikawa; 義仁藤川
Original assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Current assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: JP5157489B2

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて発生する発電不良の原因を判定する生成水滞留判定方法に関する。
【解決手段】セルスタック２に燃料ガス・酸化剤ガス・循環水を供給する燃料ガス供給ライン１０・酸化剤ガス供給ライン１４・循環水ライン２１を備え、セルスタック２から電力を取り出す出力電力ライン１９に負荷２０が接続されている。通常発電運転中に各セル１の電圧検出端子２４に接続されたセル電圧監視モニタ２５が設定値よりも電圧降下した異常セルを検出すると、セルスタック遮断リレー２６が負荷２０への電力供給を停止すると同時に、セルスタック２への燃料ガスの供給を停止し、酸化剤ガス加湿装置１７を経由しない乾燥した酸化剤ガスを供給し、高温度の循環水を循環させる、滞留生成水除去モード運転を所定時間行ない、通常発電運転復帰後にセル電圧監視モニタ２５が異常セルの電圧降下不検出時は、電圧降下の原因が生成水の滞留であると判断する。
【選択図】図１

Description

本願発明は固体高分子電解質型燃料電池の発電不良が生じた時に、その原因が酸化剤ガス流路内に生成した水の滞留によるものであるのか否かを迅速かつ安全に判定する判定方法とその判定後の対応方法に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子のイオン交換膜を導電性多孔質体からなる電極で挟んだ薄膜電極接合体を形成し、この薄膜電極接合体を２枚の導電性セパレータで挟んで固体高分子電解質型燃料電池セル（以下セルとする）を形成し、このセルを複数積層して固体高分子電解質型燃料電池セルスタック（以下セルスタックとする）として構成されている。

前記セルを構成する導電性セパレータには薄膜電極接合体の両側に燃料ガス流路（アノード側）と酸化剤ガス流路（カソード側）が形成されており、燃料ガス供給ラインからセルの燃料ガス流路に供給された燃料ガス中の水素（Ｈ_２）は、導電性多孔質からなる電極を透過してイオン交換膜上のアノード側触媒層においてイオン化され、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）となる。
この水素イオン（Ｈ^＋）は水の介在を得てイオン交換膜中をカソード側に移動し、電子（ｅ⁻）はイオン交換膜が非導電体であるから外部の負荷を経由してカソード側の導電性多孔質体からなる電極に移動する。
セルのカソード側の酸化剤ガス流路には酸化剤ガス供給ラインを経て酸化剤ガスが供給されており、酸化剤ガス中の酸素（０_２）と、カソード側に移動してきた電子（ｅ⁻）と水素イオン（Ｈ^＋）は、イオン交換膜上のカソード側触媒層において化学反応して水を生成する。
そして、セル内で化学反応を起こさなかった未反応ガスはそれぞれ燃料ガス排出ラインと酸化剤ガス排出ラインから連続して排出することができる。

このように水素イオン（Ｈ^＋）が酸化剤ガス中の酸素（０_２）と電子（ｅ⁻）と反応するとき、電子（ｅ⁻）は外部の負荷を経由してカソード側の電極に向けて流れるから、これを直流電流として利用することができ、高電圧の直流電流を取り出す時には、このセルを複数積層してセルスタックとすることで、期待する高電圧を得ることができる。

このセルスタックの出力端子に接続する出力電力ライン上の負荷として直流電流を交流電流に変換するＤＣ−ＡＣインバータや電力利用機器が接続されており、多くの場合、ＤＣ−ＡＣインバータを経由する電力利用機器には電力会社の系統電力も接続され、セルスタックと電力会社の系統電力を選択して、もしくは系統連系を行なうことにより同時に電力が使用できる燃料電池システムが得られる。

この一連の化学反応は発熱反応であるから、発電に伴いセルスタックは温度上昇する。このセルスタック内の発熱によって、それぞれのセルが高温になるので、セルスタック内には熱エネルギを取り出す冷却水循環流路が配置され、この冷却水循環流路は熱利用可能に構成された循環水タンクと循環水ラインによって接続され、この循環水ライン上に設置した循環水ポンプを運転することで、セルスタック内を冷却すると同時に化学反応で発生した熱エネルギを取り出している。
したがって、このセルスタックを用いたコジェネレーションシステム（以下燃料電池コジェネシステムとする）は、この電子移動により外部に電気エネルギによる仕事をもたらし、同時に、化学反応による発熱を熱エネルギとして回収して利用するシステムである。

この固体高分子電解質型の燃料電池コジェネシステムの運用において問題とされているのが、前述の化学反応により酸化剤ガス流路内に発生する生成水がセルの酸化剤ガス流路に滞留することで発生する発電不良トラブルである。

前述のように、セルスタックのイオン交換膜上のアノード側とカソード側の触媒層に、それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給することで、セルスタックは電気エネルギを発生するが、それに伴いセルスタックのカソード側となる酸化剤ガス流路上には、化学反応による生成水が発生する。通常、発生した生成水は、酸化剤ガス中の未反応ガスに水蒸気として含まれることによって、あるいは、酸化剤ガス流路を流れるガスの圧力によって酸化剤ガス流路上を押し流されて、セルスタック外に排出される。

ところが、セルスタックの発電出力が大きい場合には水の生成量が多く、上に述べた方法による生成水の排出が追いつかなくなり、結果として酸化剤ガス流路上に生成水の滞留が生じてしまう。この生成水の滞留により、酸化剤ガス流路が塞がれてしまうと、酸化剤ガスはそれ以上先に供給されないため、化学反応が起こらなくなり、最終的にそのセルの発電が停止してしまう生成水滞留トラブルとなる。

さらに生成水滞留トラブルを助長する要因となるのが、燃料ガス加湿装置及び酸化剤ガス加湿装置による燃料ガス、酸化剤ガスヘの加湿である。

セルに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料ガス供給ライン及び酸化剤ガス供給ラインに配置された燃料ガス加湿装置及び酸化剤ガス加湿装置によって加湿しており、このように燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿することによって、水素（Ｈ_２）のイオン化が促進され、さらに水素イオン（Ｈ^＋）が高分子イオン交換膜中を通過する際の抵抗が小さくなることから、アノードからカソードヘの水素イオン（Ｈ^＋）の移動が容易になり、加えてカソード側における化学反応も促進される。

このため、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿することは、セルスタックの発電出力、発電効率を大きく上げる一つの方法として定着しており、燃料電池システムでは燃料ガス供給ライン及び酸化剤ガス供給ライン上には、それぞれ燃料ガス加湿装置、酸化剤ガス加湿装置が設けられるのが一般的である。

ところが、それぞれのガス中の水蒸気量が増加するのに対して、ある圧力、温度において、ガス中に水蒸気として取り込める水の量、すなわち飽和水蒸気量が決まっているため、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿することにより、特に化学反応によって水が生成されるカソード側に位置する酸化剤ガス流路においては、化学反応後に発生した生成水を水蒸気として未反応ガス中に取り込んでセル外に排出する能力は低下してしまい、生成水が酸化剤ガス流路内に滞留して酸化剤ガスの通過障害のトラブルが発生しやすい状況となる。

また、セルが複数積層されたセルスタックにおいては、各セルのガス流路は並列に存在しているために、セルスタックの発電出力の上昇、あるいは燃料ガスの加湿量の増加などの原因によって、カソードにおいて排出できない生成水が増加する。
そして、カソード内に生成水が一旦滞留して、あるセルの酸化剤ガス流路を塞いでしまった場合、従来の生成水滞留トラブルを解決する手法として、一時的に酸化剤ガスの供給量を増加させることにより酸化剤ガス流路の内圧を上昇させて、滞留した生成水を押しだすことが行なわれる。
この方法によるときは、セルが複数積層されたセルスタックは、各セルのガス流路は並列に存在しているため、他のセルの酸化剤ガス流路を経由して酸化剤ガスが流れてしまい、滞留した生成水を押し出しによって排除しにくく、また、このときも発電は継続しているからセルスタック内には水が生成され続けるため、結局は生成した水の完全な排除ができずにセルの発電能力が回復できない事例も多く起きている。

本発明は上記の酸化剤ガス流路における生成水の滞留に関する問題を解決するためのものであり、燃料電池システムの生成水滞留判定方法は、
イオン交換膜を導電性多孔質体からなる電極で挟んだ薄膜電極接合体の両側に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成される導電性セパレータを配置した固体高分子電解質型燃料電池セル（以下セルとする）を設け、このセルを複数積層して固体高分子電解質型燃料電池セルスタック（以下セルスタックとする）を構成し、前記セルスタックの燃料ガス流路に水素リッチの燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、セルスタックの酸化剤ガス流路に酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿するために燃料ガス供給ライン及び酸化剤ガス供給ラインにそれぞれ備え付けた燃料ガス加湿装置及び酸化剤ガス加湿装置と、セルスタック内で反応を起こさなかった未反応ガスをそれぞれ排出する燃料ガス排出ライン及び酸化剤ガス排出ラインとを有し、前記セルスタック内に配置した冷却水循環流路に循環水タンクから循環水を供給する循環水ラインと、その循環水ラインと冷却水循環流路に循環水を強制循環させるための循環水ライン上に設置した循環水ポンプとが設けられており、前記セルスタックから電力を取り出す出力電力ラインにはＤＣ−ＡＣインバータを含む負荷が接続され、セルスタックと負荷との間の出力電力ライン上にはセルスタック遮断リレーが配置された燃料電池システムであって、前記セルスタックを構成するセルの電圧検出端子にはセル電圧監視モニタが接続されており、そのセル電圧監視モニタが設定値よりも電圧降下する異常セルを検出すると、燃料電池システムは通常発電運転から、
（１）セルスタック遮断リレーを開放して負荷への電力供給を停止し、
（２）燃料ガス供給ラインへの燃料ガスの供給を停止し、
（３）酸化剤ガス供給ラインは酸化剤ガス加湿装置で加湿されていない酸化剤ガスを供給し、
（４）循環水ラインから前記セルスタックに高温度の循環水を循環させ、
る滞留生成水除去モード運転に切り替えし、その滞留生成水除去モード運転を所定時間行なった後で通常発電運転に復帰させ、復帰後の通常発電運転で前記セル電圧監視モニタは前記異常セルの電圧降下を監視しており、異常セルの電圧降下不検出時は、前回の電圧降下が生成水の滞留であると判断することを特徴とする。

また、前記滞留生成水除去モード運転から復帰した後の通常発電運転では、前記燃料ガス供給ラインと酸化剤ガス供給ラインにおける、前記燃料ガス加湿装置及び前記酸化剤ガス加湿装置による加湿量を減少し、かつ、前記セルスタック内の冷却水循環流路へ循環する循環水の温度を上昇させて、前記セル電圧監視モニタは前記異常セルの電圧降下を監視することは好ましい実施例である。

更に、前記燃料電池システムの生成水滞留判定方法において、復帰後の通常発電運転で前記セル電圧監視モニタは、各セルの電圧降下を監視しており、異常セル以外のセルの電圧降下検出時は、前記滞留生成水除去モード運転に切り替えて所定時間運転した後で通常発電運転に復帰して生成水滞留判定を行ない、異常セルの電圧降下不検出時は通常発電運転を継続し、異常セルの電圧降下検出時は以降の燃料電池システムの運用を停止することを特徴とする。

固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜を導電性多孔質体からなる電極で挟んだ薄膜電極接合体の両側に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成される導電性セパレータを配置してセルを構成し、このセルに水素リッチな燃料ガス、および酸素を含む酸化剤ガスを供給することで発電能力を有し、このセルを複数積層することで、希望する電圧が得られるセルスタックが構成され、このセルスタックを用いて燃料電池コジェネシステムが実現している。

この燃料電池コジェネシステムにおいて、発電運転中にセルスタックを構成するセルのひとつが発電不良を起こし、セル電圧が異常降下した場合には、各セルの電圧検出端子に接続されたセル電圧監視モニタがこの電圧異常を検知し、セルスタック遮断リレーが作動して、負荷をセルスタックから電気的に遮断すると同時に、セルスタックヘの燃料ガスの供給を停止し、酸化剤ガス加湿装置を経由しない乾燥した酸化剤ガスだけをセルスタックに供給している。
また、セルスタック内で発生した熱量を回収する冷却水循環水路に供給する循環水を加熱する循環水ヒータを作動させて、セルスタック内に高温度の循環水を循環させ、セルスタック内を通常発電運転のように高温に維持している。
このように、滞留生成水除去モード運転では、燃料ガスの供給が停止して発電機能がなくなって生成水の増加はなく、セルの発電不良が生成水の滞留によるものであれば、酸化剤ガス流路を塞いでいる生成水は、高温の循環水によって加熱され、酸化剤ガス流路に送られる加湿されない乾燥した酸化剤ガスによって気化が促進され、水蒸気となった生成水を安全に酸化剤ガスとともにセルスタック外へ除去することが可能になった。
このため、従来から行なわれている発電を継続しながら酸化剤ガスの供給量を増やす方法よりも確実に、結果的には速やかに生成水の滞留を解消することができた。

この発明では滞留生成水除去モード運転の終了後に、通常発電運転に復帰してから、引き続いてセル電圧監視モニタによるセルスタック内の異常セルの電圧降下を監視しており、滞留生成水除去モード運転を開始した原因が、生成水滞留によるトラブルであったかどうかの判断は、この通常発電運転に復帰してからのセル電圧監視モニタによる異常セルの電圧検出によって判定ができるようになった。
そして、滞留生成水除去モード運転によって滞留生成水が排出された後であるから、先にセル電圧監視モニタによる異常となったセルの電圧検出時において、電圧異常を検出しなければ、電圧異常の原因が生成水滞留によるトラブルであったと判断できる。

また、滞留生成水除去モード運転を開始することになった原因が、生成水滞留によるトラブルである時には、滞留生成水除去モード運転から従前の通常発電運転の通常の加湿量、セルスタック温度での発電に復帰した場合、セル電圧監視モニタが一時的にセル電圧値が正常の範囲内を検出続けるが、正常に戻ってある時間継続する間に、生成水滞留によるトラブルの根本的な原因は解決されていないため、セル電圧の異常降下の原因はわからないまま、また同じセルが電圧の異常降下を起こす繰り返しとなってしまうことがある。
このときは、セル電圧の異常降下の原因が生成水の滞留以外による故障によるものであると判定され、セルスタックを分解してその原因を突き止めることになるが、故障個所も見あたらず、結局、生成水滞留によるトラブルであると推定して再使用を開始することになる場合があった。

この発明では、滞留生成水除去モード運転から復帰後の通常発電運転は、燃料ガス加湿装置、酸化剤ガス加湿装置による燃料ガスおよび酸化剤ガスヘの加湿量を減じ、さらに冷却水の温度を調節することによって発電中のセルスタックの温度を一定温度だけ上昇させており、この温度上昇によってセルスタックの酸化剤ガス流路に生じる生成水のセルスタック外への排出能力が向上し、生成水の滞留によるセルの発電不良を生じにくくさせることが可能となった。
この対応を行なうことによって、前回の滞留生成水除去モード運転を開始することになった原因が生成水の滞留であれば、特別にセルスタック内が生成水の滞留し易い条件になっていない限り、電圧監視モニタはセルの電圧異常を検出することはなく、そのまま通常発電運転が継続できて、先の電圧異常の原因が生成水滞留によるトラブルであったものと判断できる。

また、滞留生成水除去モード運転を開始することになった前記セルスタックや、前記セルスタックを構成するセル電圧の異常降下原因は、酸化剤ガス流路における生成水滞留によるトラブルだけではなく、隣接する循環水流路あるいは循環水マニホールドから循環水が浸入した、あるいはイオン交換膜に微小なピンホールが発生したという場合も考えられる。
上記のように、セル電圧監視モニタが異常セルの電圧降下を検出して、酸化剤ガスヘの加湿量の低減、セルスタック温度の上昇という滞留生成水除去モード運転を行なって、セルスタック内から滞留水を追い出してから、通常発電運転に復帰するときにおいて、滞留生成水除去モード運転を開始することになった原因が、酸化剤ガス流路内の生成水の滞留であればセル電圧値が正常の範囲内に戻り、セル電圧監視モニタが異常セルの電圧降下は検出されずにそのまま通常運転が継続できる。
また、セル電圧監視モニタが再びセルの電圧降下を検出した時でも、異常検出のセルが異なっておれば、先の異常セルの原因が酸化剤ガス流路における生成水滞留と判断できるから、新たに電圧異常を検出したセルを対象として、再び滞留生成水除去モード運転を所定時間行なった後で通常発電運転に復帰させており、新しく異常を発生したセルの電圧異常の原因が、セルの故障によるものか生成水の発生によるものかを判断することになる。

滞留生成水除去モード運転から通常発電運転の状態に戻ってから、セル電圧監視モニタによってセルスタックを構成する同じセルによる異常電圧降下が発見されたとき、その原因は生成水の滞留トラブルの他に、上記するように、セルスタックを冷却する循環水が洩れて浸入したり、イオン交換膜に微小なピンホールが発生するなどによっても起こり得るものであり、この場合にはセルスタック内部で水素と酸化剤ガスが混合した状況となるため爆発の恐れもあり、早急に対策を行なわないと非常に危険である。
上記の実施例では、セル電圧の異常降下を電圧監視モニタが検知した時点で、セルスタック遮断リレーを開放しながら同時に燃料ガス供給バルブも遮断して、セルスタックへの水素ガスの供給を止めて発電を停止する動作を行なうから、
セル電圧監視モニタによって発見されたセルの異常の原因がイオン交換膜の破損によるものであった場合であっても、滞留生成水除去モード運転は迅速かつ安全に対処することが可能となっている。
そして、滞留生成水除去モード運転が終了して通常発電運転に復帰した時において、前述のようなイオン交換膜の破損による発電不能が原因であった場合には、次の電圧監視モニタの電圧検出時に同じセルの電圧降下を検出するから、トラブルの原因が生成水の滞留でないことが判断できる。

従来の手法では、セル電圧の急落が生成水の滞留トラブルの場合であっても、その解決には時間を要するため、その原因が生成水の滞留でなかった場合には、それに対する対処はさらに遅れてしまい、場合によっては未然に防ぐことができる事故が防げない可能性も生じてくる。
この発明では、復帰後の通常発電運転において、異常セルの電圧降下が検出できた時には前回の異常セルと比較して、同一セルのときには直ちに異常セルの電圧降下の原因が生成水の滞留によるものではなく装置故障が発生したものと判定でき、この時は、セルスタック遮断リレーを開放してＤＣ−ＡＣインバータを含むすべての負荷からセルスタックを切り離し、燃料ガス遮断バルブを閉じて直ちに燃料電池システムの発電運転を停止する。
このためイオン交換膜が破損したまま運用してセルスタック内部で水素と酸化剤ガスが混合した状況となって爆発を起こす危険性が直ちに回避でき、重大事故を未然に防止することが可能な安全性の高いシステムが完成できたものである。

本願発明の構成にかかる図によって説明すると、図１は固体高分子電解質型燃料電池の基本構成である固体高分子電解質型燃料電池セル（セルともいう）を示す構成図であり、３は燃料ガスと酸化剤ガスとを仕切る薄膜状のイオン交換膜、４はそのイオン交換膜３を両側から挟む導電性多孔質体で形成した薄膜状の電極、５はイオン交換膜３とその両側に配置した薄膜状の電極４とを一体化して構成した薄膜電極接合体である。
６はこの薄膜電極接合体５を更にその両側から挟んで一体化するための導電性セパレータ、７は導電性セパレータ６の薄膜電極接合体５のアノード側に配される表面に形成した燃料ガス流路、８は導電性セパレータ６の薄膜電極接合体５のカソード側に配される表面に形成した酸化剤ガス流路である。
１は導電性セパレータ６とその導電性セパレータ６に挟まれた前記薄膜電極接合体５によって構成する固体高分子電解質型燃料電池の単位発電素子としてのセル（固体高分子電解質型燃料電池セル）であり、２枚の導電性セパレータ６で挟まれた前記薄膜電極接合体５は、前記燃料ガス流路７に燃料ガスである水素ガス、酸化剤ガス流路８に酸化剤ガスである空気を供給すると、イオン交換膜３上に付着している触媒層の働きによって反応が促進され、イオン交換膜３を挟む電極４の間に起電力が発生する。

図２は固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す分解斜視図であり、前記導電性セパレータ６は下側となる表面に前記燃料ガス流路７を形成し、上側となる表面に前記酸化剤ガス流路８を形成しており、２はこの燃料ガス流路７と酸化剤ガス流路８を形成した導電性セパレータ６と、前記薄膜電極接合体５とを、交互に積み重ねて積層したセルスタックである。
このセルスタック２は前記導電性セパレータ６と前記薄膜電極接合体５とで構成するセル１が多数直列接続されて積層しているから、燃料電池として所定の電圧を得ることが可能となる。

７ａはセルスタック２を構成したときに、前記導電性セパレータ６と薄膜電極接合体５とを貫通して夫々の前記燃料ガス流路７に燃料ガスを共通して供給するための燃料ガス入口マニホールド、７ｂは残余の燃料ガスを共通して排出するための燃料ガス出口マニホールド、８ａはセルスタック２を構成したときに前記酸化剤ガス流路８に酸化剤ガスを共通して供給するための酸化剤ガス入口マニホールド、８ｂは残余の酸化剤ガスを共通して排出するための酸化剤ガス出口マニホールドである。これらの燃料ガス入口マニホールド７ａ・燃料ガス出口マニホールド７ｂ・酸化剤ガス入口マニホールド８ａ・酸化剤ガス出口マニホールド８ｂを配置する位置は、セルスタック２の周縁のコーナ部で複数のセル１を貫通するように形成し、前記燃料ガス流路７及び前記酸化剤ガス流路８の入口と出口との端が夫々連通している。
このため、燃料ガス入口マニホールド７ａに送られた燃料ガスは複数段設置された燃料ガス流路７に分岐して送られ、未反応の燃料ガスは燃料ガス出口マニホールド７ｂに纏められてセルスタック２の外に排出される。同様に、酸化剤ガス入口マニホールド８ａに送られた酸化剤ガスは複数段設置された酸化剤ガス流路８に分岐して送られ、未反応の酸化剤ガスと水蒸気となった生成水は酸化剤ガス出口マニホールド８ｂに纏められてセルスタック２の外に排出される。

９は積層された前記導電性セパレータ６の中で前記燃料ガス流路７及び前記酸化剤ガス流路８の代りに形成された冷却水循環流路であり、例えば、前記導電性セパレータ６は下側となる表面に前記燃料ガス流路７に代えて冷却水循環流路９を形成し、別の導電性セパレータ６は上側となる表面に前記酸化剤ガス流路８に代えて冷却水循環流路９を形成し、この二つの導電性セパレータ６は冷却水循環流路９同士を直接重ね合わせることで一つの冷却水循環流路９を形成している。
９ａはセルスタック２内の前記冷却水循環流路９に連通してセルスタック２の温度を調節する水を循環させるために、前記導電性セパレータ６と薄膜電極接合体５とを貫通して形成した循環水入口マニホールド、９ｂは前記冷却水循環流路９に循環させた水を排出するための循環水出口マニホールドであり、この循環水入口マニホールド９ａを配置する位置は、セルスタック２の周縁のほぼ中央付近で複数のセル１を貫通するように形成し、前記冷却水循環流路９の入口と出口との端が夫々連通している。

このセルスタック２のアノード側の燃料ガス流路７内では、この燃料ガス流路７に送られた燃料ガス中の水素ガス（Ｈ_２）が、イオン交換膜３上のアノード側触媒層においてイオン化して水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）となり、水素イオン（Ｈ^＋）はイオン交換膜３を透過してカソード側の酸化剤ガス流路８に移動し、電子（ｅ⁻）は燃料ガス流路７側の導電性セパレータ６と酸化剤ガス流路８側の導電性セパレータ６との間に接続された外部の負荷を経由して、酸化剤ガス流路８側の導電性セパレータ６に移動する。
一方、セルスタック２のカソード側の酸化剤ガス流路８内では、この酸化剤ガス流路８に酸化剤ガスとして送られた空気中の酸素（Ｏ_２）が、イオン交換膜３を透過した水素イオン（Ｈ^＋）と、カソード側に移動してきた電子（ｅ⁻）との間で、イオン交換膜３上のカソード側触媒層において化学反応を起こして水を生成し、このとき外部の負荷を経由して電子（ｅ⁻）が移動することによる起電力が生じ、この外部の負荷に電流が流れる。
この酸素（Ｏ_２）と水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とによる化学反応は、水を生成するだけでなく発熱反応が起こり、この発熱反応による熱量は、前記セルスタック２内の冷却水循環経路９を通過する水によって外部に取り出している。

図３は前記セルスタック２を機能させるために、燃料ガスと酸化剤ガスの供給排出状態・循環水の循環状態・発電出力の取り出し状態などを表した各部品の接続図である。
１０はセルスタック２の燃料ガス入口マニホールド７ａに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給ライン、１１は燃料ガス出口マニホールド７ｂから反応後の残余の未反応燃料ガスを外部へ排出する燃料ガス排出ライン、１２は前記燃料ガスを供給・停止するために前記燃料ガス供給ライン１０に設置した燃料ガス遮断バルブ、１３は燃料ガス遮断バルブ１２と燃料ガス入口マニホールド７ａとの間の前記燃料ガス供給ライン１０に設置した燃料ガス加湿装置であり、前記燃料ガス中の水蒸気は燃料ガス加湿装置１３によって加湿制御されることによって、常に所定量の湿り状態にある燃料ガスが前記セルスタック２に供給されるようになっている。
１４はセルスタック２の酸化剤ガス入口マニホールド８ａに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給ライン、１５は酸化剤ガス出口マニホールド８ｂから反応後の残余の未反応酸化剤ガスを外部へ排出する酸化剤ガス排出ライン、１６は酸化剤ガスを供給・停止するための前記酸化剤ガス供給ライン１４に設置した酸化剤ガス遮断バルブ、１７は酸化剤ガス遮断バルブ１６と酸化剤ガス入口マニホールド８ａとの間の前記燃料ガス供給ライン１４に設置した酸化剤ガス加湿装置であり、前記酸化剤ガス中の水蒸気は酸化剤ガス加湿装置１７によって加湿制御されることによって、常に所定量の湿り状態にある酸化剤ガスが前記セルスタック２に供給されるようになっている。

前記燃料ガス供給ライン１０の前記燃料ガス遮断バルブ１２を開くと燃料ガスが燃料ガス入口マニホールド７ａからセルスタック２内に送られ、一方、酸化剤ガス供給ライン１４の酸化剤ガス遮断バルブ１６を開くと酸化剤ガスが酸化剤ガス入口マニホールド８ａからセルスタック２内に送られる。
このため、セルスタック２内では燃料ガス中の水素ガス（Ｈ_２）と酸化剤ガス中の酸素ガス（Ｏ_２）とが反応して、水と反応熱と起電力とを発生し、この起電力を取り出して利用することができる。
そして、燃料ガス流路７内で未反応の燃料ガスは燃料ガス出口マニホールド７ｂから燃料ガス排出ライン１１を経て排出され、一方、酸化剤ガス流路８の内の未反応の酸化剤ガスは、水蒸気になった生成された水と一緒に、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂから酸化剤ガス排出ライン１５を経て排出される。
このセルスタック２内における水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガス（Ｏ_２）との反応は、固体高分子電解質型燃料電池において、高湿度の雰囲気において促進されるから、燃料ガス供給ライン１０に燃料ガス加湿装置１３、酸化剤ガス供給ライン１４に酸化剤ガス加湿装置１７を備え付け、この燃料ガス加湿装置１３と酸化剤ガス加湿装置１７によって、燃料ガスと酸化剤ガスを高湿度雰囲気として前記セルスタック２内に供給することは、発電出力を高める上で有効な手段となっている。

１８は前記セルスタック２を構成する上面と底面の導電性セパレータ６と導通状態にある出力端子であり、薄膜状のイオン交換膜３を用いる固体高分子電解質型の燃料電池を構成するセル１を積層して、固体高分子電解質型燃料電池のセルスタック２を構成する時には、そのセルスタック２の上面と底面の導電性セパレータ６によって所定の出力電圧を得ることができるから、この導電性セパレータ６に接続された前記出力端子１８を使って、セルスタック２の外に発電出力を取り出すことができる。
１９は前記セルスタック２の出力端子１８に接続する出力電力ライン、２０は出力電力ライン１９に接続される負荷であり、前記セルスタック２から前記出力端子１８を使って取り出された発電出力は、前記出力電力ライン１９を経由して負荷２０に供給され適宜使用される。

２０ａは負荷２０を構成するＤＣ−ＡＣインバータ、２０ｂは負荷２０を構成する電力利用機器であり、その電力利用機器２０ｂが直流電源をそのまま利用するシステムのときには前記ＤＣ−ＡＣインバータ２０ａは不要である。
その電力利用機器２０ｂが家庭用の交流電源を用いる機器のときには、前記出力電力ライン１９には直流電流が流れているから、ＤＣ−ＡＣインバータ２０ａによって交流１００Ｖ電源を作り出すことによって使用可能となる。
また、２０ｃはＤＣ−ＡＣインバータ２０ａと家庭用の交流電源を用いる電力利用機器２０ｂとの間に設けた接続切替器であり、その接続切替器２０ｃを操作することで家庭用の交流電源を用いる電力利用機器２０ｂは、前記セルスタック２からの直流電源の供給に代えて、電力会社の電力系統から電力の供給を受けることができる。

２１はセルスタック２内で発生した熱量を取り出すためにセルスタック２の循環水入口マニホールド９ａと循環水出口マニホールド９ｂとに接続した循環水ライン、２２は循環水ライン２１に取り付けた循環水ポンプ、２３は循環水を貯めておくための循環水タンクであり、この循環水タンク２３には図示せざる熱交換機構が取り付けられ、必要に応じてこの熱交換機構を使って循環水タンク２３内の水に含まれる熱量を利用することができる。
前記循環水タンク２３には最初は低温度の水が貯えられており、前記循環水ポンプ２２を作動すると、循環水タンク２３内の水は循環水ライン２１からセルスタック２の循環水入口マニホールド９ａに送られ、前記セルスタック２内の冷却水循環流路９を通過する時に温水になって、前記循環水出口マニホールド９ｂから再び循環水ライン２１を経由して循環水タンク２３に戻される。このため、前記セルスタック２内における水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガス（Ｏ_２）との反応によって発生した熱量は、循環水ライン２１を流れる循環水の温度上昇によって排出できるから、セルスタック２は効率よく発電出力を取り出すことができるようになる。

上記の固体高分子電解質型燃料電池セルスタック２の使用途中に発生する発電不良のトラブルの中で、最も重大なものは前記薄膜電極接合体５が破壊して、燃料ガスと酸化剤ガスが直接酸化反応を起こすトラブルである。そして、セルスタック２のトラブルの発生は発電出力が低下するから容易に気がつき、セルスタック２の使用を中止し、分解して不良箇所を見つけて修理することになる。
また、セルスタック２のトラブルは薄膜電極接合体５が破壊しないときでも、生成水がセル１の酸化剤ガス流路８に滞留することで発生する発電不良のトラブルもある。このときも、セルスタック２の使用を中止し、分解して不良箇所を探すが見つからないときには、原因が生成水の滞留と判断して、生成水の除去だけを行なって使用を再開する。しかし、生成水が原因で修理を伴わないのであれば、セルスタック２を分解せずに対応できるほうが好ましい。

本発明では発電不良のトラブルが発生したときに、その原因は薄膜電極接合体５が破壊したものであるか、酸化剤ガス流路８に生成水が滞留したものであるか、セルスタック２を分解することなく判断して、発電不良のトラブルを解決する方法を提案している。
固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す図２の実施例において、２４はセルスタック２を構成するセル１の薄膜電極接合体５を挟んだ導電性セパレータ６から前記セルスタック２の外に向けて配置した電圧検出端子、２５はその電圧検出端子２４の間に接続したセル電圧監視モニタであり、このセル電圧監視モニタ２５は各セル１ごとに配置して発電出力（起電力）を監視し、トラブルを発生させたセル１を特定することができる。
また、固体高分子電解質型燃料電池を機能させるための各部品の接続状態を示す図３の実施例において、２６はセルスタック２の出力端子１８に接続した出力電力ライン１９のセルスタック２側に取り付けたセルスタック遮断リレーであり、このセルスタック遮断リレー２６によって、ＤＣ−ＡＣインバータ２０ａや電力利用機器２０ｂなどからなる負荷２０をセルスタック２から切り離すことができる。
２０ｄは前記ＤＣ−ＡＣインバータ２０ａと同様に負荷２０の構成部品として機能する前記出力電力ライン１９に流れている直流電流を溜め込む蓄電装置であって、前記セルスタック遮断リレー２６の直後に配置されており、そのセルスタック遮断リレー２６によって出力電力ライン１９の直流電流が遮断されると、前記セルスタック２の出力端子１８に代わり前記蓄電装置２０ｄから前記ＤＣ−ＡＣインバータ２０ａなどに直流電源が供給され、前記電力利用機器２０ｂはそのまま作動を続けることができる。

２７は酸化剤ガスをセルスタック２に供給する酸化剤ガス供給ライン１４において、前記酸化剤ガス加湿装置１７を介さずに直接酸化剤ガスをセルスタック２に供給するための酸化剤ガス加湿装置バイパスライン、２８は酸化剤ガスの経路を前記酸化剤ガス加湿装置１７と酸化剤ガス加湿装置バイパスライン２７とに切り替えることができる酸化剤ガスバイパスバルブである。
２９はセルスタック２の内部を冷却する循環水ライン２１において、循環水を貯めておく循環水タンク２３、もしくはセルスタック２への供給側の循環水ライン２１に取り付けて循環水温度を高くするための循環水ヒータであり、この循環水ヒータ２９に通電することによって、セルスタック２の内部を冷却する循環水を使って、全く逆の作用であるセルスタック２の内部を高温度にすることができる。

図４は固体高分子電解質型燃料電池セル１を運用するためのブロック図であって、３０は内装したＣＰＵによって固体高分子電解質型燃料電池システムを制御する制御部、３１は動作の状態を表す表示器、３２は燃料電池システムの起動・停止などの各種操作信号を前記制御部３０へ出力する操作部、３３は制御部３０のＣＰＵが予め定められた手順で各種の制御部品を制御するためのプログラムや固定データを保持する不揮発性メモリであり、書き換え可能な不揮発性メモリでも良い。３４は制御部３０のＣＰＵが動作するときに一時的に動作に必要とするデータなどを保持するための揮発性メモリである。
前記制御部３０は内装したＣＰＵの働きで、不揮発性メモリ３３に記憶されたプログラムの手順にしたがって動作しており、このプログラムでは前記セル電圧監視モニタ２５を常時監視しており、このセル電圧監視モニタ２５が異常セルを検出すると、この異常の原因を追求するプログラムが作動するようになっている。

図５はこの異常セルが検出されたときに、この異常の原因を追求するプログラムの動作を示すフローチャートであり、このフローチャートにしたがって、本願発明の動作を説明する。
通常発電運転モード運転中において、前記制御部３０はメインのプログラムの動作途中に図５に示すフローチャートを作動させており、その制御部３０には前記セルスタック２を構成する複数のセル１の夫々に設置されたセル電圧監視モニタ２５が接続されているから、前記制御部３０はステップ１（Ｓ１）を作動させてセル電圧監視モニタ２５の各セル１の出力を監視して、セル１の電圧異常を検出しないときは、メインのプログラムに戻る。
このステップ１（Ｓ１）で前記複数のセル電圧監視モニタ２５の一つが異常な電圧降下を検知すると、制御部３０は燃料電池システムを通常発電運転から、滞留生成水除去モード運転に変更する。
そして、ステップ２（Ｓ２）に進み、揮発性メモリ３４に異常セルを特定する番号の書き込み有無の判断を行ない、もし異常セルの書き込みが無いときには、ステップ３（Ｓ３）で異常セルの位置を番号などで表して揮発性メモリ３４に記憶する。

次にステップ４（Ｓ４）に進み、通常発電運転から滞留生成水除去モード運転を開始する。このステップ４（Ｓ４）から始まる滞留生成水除去モード運転は、最初に前記セルスタック遮断リレー２６を開放して負荷２０への電力供給を停止するから、セルスタック２からの直流電流の供給がなくなった負荷２０を構成する電力利用機器２０ｂは作動を停止することになる。
このとき、負荷２０の構成部品として蓄電装置２０ｄが備え付けられているときには、この蓄電装置２０ｄにはセルスタック２から供給される電力の一部を常に充電しているから、セルスタック遮断リレー２６が開放してセルスタック２からの電力供給が無くなれば、直ちに蓄電装置２０ｄが作動してこの蓄電装置２０ｄから出力電力ライン１９に、引き続いて直流電流を流すことができる。このため、電力利用機器２０ｂはある程度の時間は引き続いて使用を継続することができる。
また、負荷を構成するＤＣ−ＡＣインバータ２０ａと電力利用機器２０ｂとの間に接続切替器２０ｃが設置されていて、この接続切替器２０ｃに家庭用交流電源が供給されているときには、セルスタック遮断リレー２６が開放した時に連動して前記接続切替器２０ｃを動作させ、家庭用交流電源がこの接続切替器２０ｃを経由して負荷２０の電力利用機器２０ｂに供給できるようになる。このため、電力利用機器２０ｂはセルスタック遮断リレー２６が開放しても、引き続いて使用を継続することができる。

また、ステップ５（Ｓ５）で燃料ガス遮断バルブ１２を閉じる操作を行なって、セルスタック２への燃料ガスの供給を停止し、ステップ６（Ｓ６）では酸化剤ガスバイパスバルブ２８の切り替え操作を行なって、セルスタック２内の酸化剤ガス流路８へは酸化剤ガス加湿装置１７を経由しない、乾燥した酸化剤ガスが供給できるようにする。
更に、ステップ７（Ｓ７）の動作は、今まで放熱動作を行なうための循環水を逆に加熱動作に切り替えるために、循環水を加熱して高温度にする循環水ヒータ２９を作動させており、この動作によってセルスタック２内を循環する循環水の温度が上昇して、セルスタック２内の温度を通常発電運転が行なわれている時のような高温度が維持される。
上記のステップ４（Ｓ４）からステップ７（Ｓ７）の４つの動作が全て行なわれることによって滞留生成水除去モード運転が可能になるものであり、これらの動作は同時に行なわれることが自然であり、ステップ４（Ｓ４）からステップ７（Ｓ７）の順序で行なう必要性はなく、そのときの燃料電池システムに最適な順序が選択されるから、その順序が適宜変わることもある。

滞留生成水除去モード運転において、固体高分子電解質型燃料電池は、上記のように負荷２０への発電出力の供給停止、燃料ガスの停止、酸化剤ガスの加湿の停止、セルスタック２への高温水の供給、といった動作を行ないながら、その他の動作はそのまま継続しており、燃料ガスの供給停止によって発電出力を作り出す化学反応が停止しているから、生成水が生成されることはない。
一方、セルスタック２の酸化剤ガス流路８に生成水が滞留しているときには、高温水の供給によって高温度が維持されているセルスタック２内では滞留している生成水が少しずつ気化しており、また、セルスタック２へ供給する酸化剤ガスは、酸化剤ガス加湿装置バイパスライン２７を経由して、加湿されない乾燥したままの空気が送られているから、気化した生成水を水蒸気としてセルスタック２外に排出することができる。そして、滞留した生成水の量が減少して酸化剤ガス流路８に乾燥した空気の通過間隙ができれば、通過する乾燥した空気によって酸化剤ガス流路８に滞留している生成水は急速に乾燥して除去することができる。

セルスタック２内の酸化剤ガス流路８に滞留した生成水が、上記の滞留生成水除去モード運転によって除去するためには所定時間が必要であるから、ステップ８（Ｓ８）は、この滞留生成水除去モード運転が所定時間実行されたかを確認しており、所定時間が経過しない間は再度ステップ８（Ｓ８）に戻って、確認動作を繰り返す。
所定時間が経過したときには通常運転復帰動作に復帰させるために、ステップ９（Ｓ９）で循環水ヒータ２９の作動を停止して冷却水がセルスタック２に供給できるようにし、ステップ１０（Ｓ１０）で酸化剤ガス供給ライン１４の酸化剤ガスバイパスバルブ２８を戻して酸化剤ガス加湿装置１７を作動できるようにして酸化剤ガスをセルスタック２に供給し、ステップ１１（Ｓ１１）で燃料ガス供給ライン１０の燃料ガス遮断バルブ１２を開いてセルスタック２に燃料ガスの供給を開始し、ステップ１２（Ｓ１２）でスタック遮断リレー２６を切り替えて負荷２０にセルスタック２からの発電出力の供給を開始する。そして、この一連の動作によって、固体高分子電解質型燃料電池は通常発電運転が開始するようになる。
なお、この通常運転復帰動作も先の滞留生成水除去モード運転の開始と同様に、ステップ９（Ｓ９）からステップ１２（Ｓ１２）の動作は殆ど同時に行なわれ、また、動作の入れ替えを行なっても、特に問題は発生しない。
上記のように、ステップ９（Ｓ９）からステップ１２（Ｓ１２）の動作によって滞留生成水除去モード運転を終了して、前記セルスタック２の運転状態が通常運転に復帰するから、ステップ１３（Ｓ１３）によってメインのプログラムに戻る。

このように、滞留生成水除去モード運転中の短時間、固体高分子電解質型燃料電池の発電運転が一旦停止されるものの、セル１の前記複数のセル電圧監視モニタ２５の一つが異常な電圧降下を発生させた原因が、生成水の酸化剤ガス流路８内の滞留が原因のときには、速やかに生成水の滞留を解消することができるという特徴が得られ、セルスタック２を分解して異常原因を突き止める必要はなくなった。
そして、通常発電運転に復帰してからも、メインプログラムの途中で図５のフローチャートのステップ１（Ｓ１）の動作が繰り返されることによって、セル電圧監視モニタ２５の出力が常に監視されており、その後、セル１の電圧の異常を検知しないときには、異常セルの原因が酸化剤ガス流路８に滞留した生成水であったと判断して、そのまま通常発電運転を継続することができる。
尚、通常発電運転に復帰してからも、メインプログラムの途中でセル電圧監視モニタ２５の出力を監視して、異常セルの原因が酸化剤ガス流路８に滞留した生成水であったと断定するためには、セル１の電圧の異常を検知しない状態が所定時間継続する必要がある。
このため、メインプログラムの動作途中でセル電圧監視モニタ２５の出力を監視するステップ１（Ｓ１）の動作を、電圧異常なしで経過したカウントを行ない、特定の数のカウントが完了したときに異常セルの原因が生成水の滞留と断定して、揮発性メモリ３４に記憶した異常セルの番号をクリヤすることになる。

一方、通常発電運転に復帰してから、メインプログラムの途中で図５のフローチャートのステップ１（Ｓ１）の動作が繰り返されるときにおいて、複数のセル電圧監視モニタ２５の一つが異常な電圧降下を発生させるときがある。
このときは、ステップ２（Ｓ２）に進み、揮発性メモリ３４に既に異常セルの番号が書き込まれているかどうかの判断を行ない、もし既に異常セルの番号の書き込みがあるときには、ステップ１４（Ｓ１４）に進んで揮発性メモリ３４に既に書き込まれている異常セルの番号と新たに見つかった異常セルの番号とが一致しているかどうかの判断を行なう。
そして、新たに見つかった異常セルの番号が記憶されている異常セルの番号と同じであったときには、異常な電圧降下の原因が生成水の滞留が原因ではなく構成部品の故障と判断して、ステップ１５（Ｓ１５）に進み、制御部３０は固体高分子電解質型燃料電池の運転を停止し、必要に応じて使用者に警報を行なうと共に、この異常に対して始めてセルスタック２を分解して、故障の原因を突き止めることになる。

上記のステップ１４（Ｓ１４）で行なっている記憶した異常セルの一致判断において、新たに見つかった異常セルが揮発性メモリ３４に記憶している異常セルと異なっているときには、先の滞留生成水除去モード運転を行なう原因となった異常セルについては、滞留生成水除去モード運転によって既に異常が解消しており、正常な運転が続けられているものと判断する。
しかし、新たに検出された異常セルについては、異常状態を起こしている原因は不明であり、この原因を追求するために、前記ステップ３（Ｓ３）に移行して揮発性メモリ３４に異常となったセルの番号を記憶する。その後は、ステップ４（Ｓ４）に進み、今までの通常発電運転を所定時間だけ滞留生成水除去モード運転に変更して、異常セルの原因が生成水の滞留かどうかの判断を行なっている。

上記のように揮発性メモリ３４に異常セルの番号が記憶され、再び通常発電運転に復帰したとき、もし、セルスタック２を構成するセル１が故障しているときには、通常運転に復帰後、短時間でセル電圧監視モニタ２５は異常セルを検出し、この場合にはステップ１４（Ｓ１４）によって、揮発性メモリ３４に記憶している異常セルの番号と新たに見つかった異常セルの番号とを比較すれば、一致していることがわかるから、前記ステップ１５（Ｓ１５）で運転を停止させて大きなトラブルの発生を防止することができる。
また、セル１に軽微なトラブルが発生しているときには、ある程度の時間運転が経過してからセル電圧監視モニタ２５が異常を検出するときがある。このようなときでも、酸化剤ガス流路８に生成水が滞留しない条件であれば、時間がかかるもののセル１の故障を見つけることができる。
しかし、生成水が滞留しやすい条件の時には、軽微なトラブルによる異常が検出される前に、他のセル１で生成水の滞留を原因とする異常が検出されるときがあり、前回の異常を検出した原因が軽微ではあるが修理を必要とするトラブルであっても、異常セルの番号が違うから、異常の原因が生成水の滞留によるものと判断され、そのまま通常発電運転が継続される恐れがある。

また、セル電圧監視モニタ２５が異常を検出した原因が生成水の滞留であった時において、運転条件によっては頻繁に生成水の滞留が原因となる異常セルが検出される可能性があり、このときには原因が生成水の滞留であっても、ステップ１４（Ｓ１４）の比較作業において、今回見つかった異常セルと前回の異常セルとが同じ異常セルになってしまう可能性を避けることはできない。
このため、異常セルが発生した原因はセル１の故障と判断されて、ステップ１５（Ｓ１５）に進んで、セルスタック２の運転が停止され、生成水の滞留が原因であるときでもセルスタック２を分解して故障箇所を探すことになる。

この発明は、異常セルの発生原因を確実に判断できて、セル１の故障の時にのみ運転の停止ができるようにする提案を行なっており、滞留生成水除去モード運転から通常発電運転に復帰させるときにおいて、前記ステップ９（Ｓ９）からステップ１２（Ｓ１２）の動作を行なう前に、もしくは動作を行ないながら、もしくは動作を行なってから、復帰後の通常発電運転は最初の運転条件に一致させるのではなく、運転条件の変更を行なうステップを付け加えたことを特徴としている。

即ち、運転条件の変更を行なう図６の通常発電運転復帰のフローチャートに示しているように、ステップ９ａ（Ｓ９ａ）は、例えば前記循環水タンク２３に備え付けた熱交換機構から外部に取り出す熱量を少なくするなどの方法による循環水温を上昇させる動作であって、この追加された動作によって、セルスタック２内の冷却水循環流路９へ循環する循環水の温度を高くすることができる。
また、酸化剤ガスを低湿度に変更するステップ１０ａ（Ｓ１０ａ）や、燃料ガスを低湿度に変更するステップ１１ａ（Ｓ１１ａ）の動作を追加しており、このステップでは、燃料ガス供給ライン１０における燃料ガス加湿装置１３、酸化剤ガス供給ライン１４における酸化剤ガス加湿装置１７の加湿量を減少させる動作によって実現することができる。

一般に、燃料ガス加湿装置１３や酸化剤ガス加湿装置１７によって酸化剤ガス及び燃料ガスに含まれる水蒸気の量を多くする理由は、多湿状態において発電する化学反応を促進するためであるが、化学反応によって生成する水の量が多い時には、セルスタック２内に生成水の滞留が起きるものである。このため、セル異常の原因が生成水の滞留であれば、上記の追加したステップにおいて、燃料ガス供給ライン１０における燃料ガス加湿装置１３、酸化剤ガス供給ライン１４における酸化剤ガス加湿装置１７の加湿量を減少させても、セルスタック２内は高湿度雰囲気が維持されるから、発電する化学反応を促進するための水蒸気の働きを損なうことはなく、また、加湿量が少ないから生成水は水蒸気の形で外部に排出されやすくなり、生成水の滞留を原因とするセル１の異常は発生しにくくなっている。

また、セルスタック２内において発電する化学反応は発熱反応であり、セルスタック２は温度上昇するが、この熱量はセルスタック２内を循環する循環水によって外部に排熱される。上記の追加したステップにおいて、セルスタック２内を循環する循環水の温度が上昇すれば、セルスタック２から取り出される熱量が少なくなるから、セルスタック２内は高温度になり、化学反応で発生した生成水は水蒸気の形で外部に排出されやすく、生成水の滞留を原因とするセル１の異常は発生しにくくなる。
このため、生成水の滞留を原因とする異常セルが検出できても、通常発電運転に復帰してからは生成水の発生が抑制されており、２回続けて同じセル１が異常セルとなったときには、生成水の滞留を原因とするものではなく、確実にセル１の故障であると判断できるようになった。

この発明となる固体高分子電解質型燃料電池セルの要部断面図。図１に示す燃料電池セルを用いる固体高分子電解質型燃料電池の構成を示す分解斜視図。この発明の固体高分子電解質型燃料電池セルスタックへの各部品の接続図。この発明の固体高分子電解質型燃料電池の制御装置を示すブロック図。この発明の固体高分子電解質型燃料電池セルスタックの動作を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートの他の実施例の要部を示すフローチャートである。

符号の説明

１固体高分子電解質型燃料電池セル（セル）
２固体高分子電解質型燃料電池セルスタック（セルスタック）
３イオン交換膜
４電極
５薄膜電極接合体
６導電性セパレータ
７燃料ガス流路（アノード側）
８酸化剤ガス流路（カソード側）
９冷却水循環流路
１０燃料ガス供給ライン
１１燃料ガス排出ライン
１３燃料ガス加湿装置
１４酸化剤ガス供給ライン
１５酸化剤ガス排出ライン
１７酸化剤ガス加湿装置
１９出力電力ライン
２０負荷
２０ａＤＣ−ＡＣインバータ
２１循環水ライン
２２循環水ポンプ
２３循環水タンク
２５セル電圧監視モニタ
２６セルスタック遮断リレー
２７酸化剤ガス加湿装置バイパスライン
２８酸化剤ガスバイパスバルブ
２９循環水ヒータ

Claims

イオン交換膜を導電性多孔質体からなる電極で挟んだ薄膜電極接合体の両側に、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成される導電性セパレータを配置した固体高分子電解質型燃料電池セル（以下セルとする）を設け、
このセルを複数積層して固体高分子電解質型燃料電池セルスタック（以下セルスタックとする）を構成し、
前記セルスタックの燃料ガス流路に水素リッチの燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、セルスタックの酸化剤ガス流路に酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿するために燃料ガス供給ライン及び酸化剤ガス供給ラインにそれぞれ備え付けた燃料ガス加湿装置及び酸化剤ガス加湿装置と、セルスタック内で反応を起こさなかった未反応ガスをそれぞれ排出する燃料ガス排出ライン及び酸化剤ガス排出ラインとを有し、
前記セルスタック内に配置した冷却水循環流路に循環水タンクから循環水を供給する循環水ラインと、その循環水ラインと冷却水循環流路に循環水を強制循環させるための循環水ライン上に設置した循環水ポンプとが設けられており、
前記セルスタックから電力を取り出す出力電力ラインにはＤＣ−ＡＣインバータを含む負荷が接続され、セルスタックと負荷との間の出力電力ライン上にはセルスタック遮断リレーが配置された燃料電池システムであって、
前記セルスタックを構成するセルの電圧検出端子にはセル電圧監視モニタが接続されており、
そのセル電圧監視モニタが設定値よりも電圧降下する異常セルを検出すると、燃料電池システムは通常発電運転から、
（１）セルスタック遮断リレーを開放して負荷への電力供給を停止し、
（２）燃料ガス供給ラインへの燃料ガスの供給を停止し、
（３）酸化剤ガス供給ラインは酸化剤ガス加湿装置で加湿されていない酸化剤ガスを供給し、
（４）循環水ラインから前記セルスタックに高温度の循環水を循環させ、
る滞留生成水除去モード運転に切り替えし、
その滞留生成水除去モード運転を所定時間行なった後で通常発電運転に復帰させ、
復帰後の通常発電運転で前記セル電圧監視モニタは前記異常セルの電圧降下を監視しており、異常セルの電圧降下不検出時は、前回の電圧降下が生成水の滞留であると判断することを特徴とする燃料電池システムの生成水滞留判定方法。
前記滞留生成水除去モード運転から復帰した後の通常発電運転では、
前記燃料ガス供給ラインと酸化剤ガス供給ラインにおける、前記燃料ガス加湿装置及び前記酸化剤ガス加湿装置による加湿量を減少し、かつ、前記セルスタック内の冷却水循環流路へ循環する循環水の温度を上昇させて、前記セル電圧監視モニタは前記異常セルの電圧降下を監視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の生成水滞留判定方法。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムの生成水滞留判定方法において、復帰後の通常発電運転で前記セル電圧監視モニタは、各セルの電圧降下を監視しており、
異常セル以外のセルの電圧降下検出時は、前記滞留生成水除去モード運転に切り替えて所定時間運転した後で通常発電運転に復帰して生成水滞留判定を行ない、
異常セルの電圧降下不検出時は通常発電運転を継続し、
異常セルの電圧降下検出時は以降の燃料電池システムの運用を停止することを特徴とする燃料電池システムの生成水滞留対応方法。