JP2010108815A - 電気化学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気化学装置に用いられる電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出する。
【解決手段】燃料電池システムは、電気化学装置としての単セルを積層した燃料電池スタックと、各単セルのセル抵抗を測定する抵抗センサと、各単セルのセル電圧を測定する電圧センサと、燃料電池システムを制御する制御ユニットとを備える。制御ユニットのＣＰＵは、各単セルのセル抵抗、および、セル電圧の各値を同期して順次取得し、セル抵抗の時間的変化率ΔＲ／Δｔ、および、セル電圧の時間的変化率ΔＶ／Δｔを、それぞれ算出する。そして、ＣＰＵは、ΔＲ／Δｔが正から負に変化し、かつ、ΔＶ／Δｔが負から正に変化した場合に、単セルが備える膜電極接合体の電解質膜にピンホールが発生したと判断する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気化学装置に関し、詳しくは、電気化学装置に用いられる電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生したことを検出する技術に関するものである。

燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、発電体として、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した膜電極接合体（電気化学セル）が用いられる。そして、燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。

ところで、固体高分子型燃料電池では、例えば、氷点下始動時など、膜電極接合体における発電分布が不均一になると、発電集中部における極度な発熱によって電解質膜にピンホールが発生し、アノードとカソードと間で短絡が生じる場合がある。そして、このような故障は、早期に検出されることが求められる。そこで、従来、電解質膜に発生したピンホールを検出する種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照）。

特開２００７−４８５４０号公報 特開２００６−３５１３４６号公報

しかし、従来の技術では、電解質膜に発生したピンホールを燃料電池における他の故障と分離して確実に検出することができない場合があった。そして、このような不具合は、固体高分子型燃料電池に限られず、固体高分子からなる電解質膜を備える電気化学セルを用いた他の電気化学装置においても同様に生じ得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電気化学装置に用いられる電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］電気化学装置であって、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、前記セル抵抗の時間的変化率を算出するセル抵抗変化率算出部と、前記アノードと前記カソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するセル電圧測定部と、前記セル電圧の時間的変化率を算出するセル電圧変化率算出部と、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときに、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する判断部と、を備える電気化学装置。

電気化学セルにおいて電気化学反応が起こっているとき、電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生していない場合には、セル抵抗は経時的に増大し、セル電圧は経時的に低下する傾向にある。一方、電解質膜にピンホールが発生したときには、セル抵抗が低下し、セル電圧が増大する。

適用例１の電気化学装置では、電気化学反応が起こっているときのセル抵抗、および、セル電圧を監視し、セル抵抗の時間的変化率、および、セル電圧の時間的変化率を順次算出して、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときに、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。なお、「セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したとき」とは、「セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化したのとほぼ同時にセル電圧の時間的変化率が負から正に変化したとき」を意味しており、例えば、セル抵抗、および、セル電圧の算出タイミングのずれ等は許容する。

［適用例２］適用例１記載の電気化学装置であって、さらに、前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部を備え、前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、前記ガス濃度検出部によって検出された前記所定のガスの濃度が所定の閾値以上である場合に、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する、電気化学装置。

電解質膜にピンホールが発生した場合、アノードに供給された所定のガスがカソード側にリークしてカソードオフガスに含まれる所定のガスの濃度が上昇する。

適用例２の電気化学装置では、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、ガス濃度検出部によって検出された所定のガスの濃度が所定の閾値以上である場合に、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

［適用例３］適用例１記載の電気化学装置であって、さらに、前記アノードまたは前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のイオンの濃度を検出するイオン濃度検出部を備え、前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、前記イオン濃度検出部によって検出された前記イオンの濃度が所定の閾値以上である場合に、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する、電気化学装置。

例えば、局所的な発熱によって電解質膜にピンホールが発生する場合、電解質膜を構成する固体高分子が分解されて所定のイオンが発生する。そして、このイオンは、オフガスとともに電気化学セルから流出する。

適用例３の電気化学装置では、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、イオン濃度検出部によって検出された所定のイオンの濃度が所定の閾値以上である場合に、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

［適用例４］適用例１記載の電気化学装置であって、前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときに、前記セル抵抗と前記セル電圧との関係がオームの法則に従っているか否かを判断し、前記セル抵抗と前記セル電圧との関係がオームの法則に従っている場合に、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する、電気化学装置。

電解質膜にピンホールが発生していない場合、セル抵抗は、電気化学反応に供するガスの拡散速度に起因する抵抗成分と、電気化学反応の反応速度に起因する抵抗成分と、電気化学セルのバルク抵抗との和となる。この場合、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従わない。一方、電解質膜にピンホールが発生した場合には、セル抵抗は、電気化学セルのバルク抵抗となり、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従う。

適用例４の電気化学装置では、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときに、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っているか否かを判断し、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っている場合に、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

［適用例５］適用例１記載の電気化学装置であって、さらに、前記電気化学セルの開回路電圧を測定する開回路電圧測定部を備え、前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、前記開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生していると判断する、電気化学装置。

電解質膜にピンホールが発生していない場合、電気化学セルの開回路電圧、すなわち、無負荷状態の電気化学セルのセル電圧は、０（Ｖ）よりも大きい所定範囲内の値（例えば、電気化学セルが燃料電池である場合、約１（Ｖ））になる。一方、電解質膜にピンホールが発生すると、電気化学セルの開回路電圧は、ほぼ０（Ｖ）になる。

適用例５の電気化学装置では、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるときに、電解質膜にピンホールが発生していると判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

［適用例６］電気化学装置であって、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、前記セル抵抗の時間的変化率を算出するセル抵抗変化率算出部と、前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部と、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記燃料ガス濃度検出部によって検出された前記所定のガスの濃度が所定の閾値以上であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する判断部と、を備える電気化学装置。

電気化学セルにおいて電気化学反応が起こっているとき、電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生していない場合には、セル抵抗は経時的に増大し、一方、電解質膜にピンホールが発生したときには、セル抵抗が低下する。また、電解質膜にピンホールが発生した場合、アノードに供給された所定のガスがカソード側にリークしてカソードオフガスに含まれる所定のガスの濃度が上昇する。

適用例６の電気化学装置では、電気化学反応が起こっているときのセル抵抗を監視し、セル抵抗の時間的変化率を算出して、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、燃料ガス濃度検出部によって検出された前記所定のガスの濃度が所定の閾値以上であるときに、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

［適用例７］電気化学装置であって、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、前記セル抵抗の時間的変化率を算出するセル抵抗変化率算出部と、前記アノードまたは前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のイオンの濃度を検出するイオン濃度検出部と、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記イオン濃度検出部によって検出された前記イオンの濃度が所定の閾値以上であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する判断部と、を備える電気化学装置。

電気化学セルにおいて電気化学反応が起こっているとき、電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生していない場合には、セル抵抗は経時的に増大し、一方、電解質膜にピンホールが発生したときには、セル抵抗が低下する。また、例えば、局所的な発熱によって電解質膜にピンホールが発生する場合、電解質膜を構成する固体高分子が分解されて所定のイオンが発生する。そして、このイオンは、オフガスとともに電気化学セルから流出する。

適用例７の電気化学装置では、電気化学反応が起こっているときのセル抵抗を監視し、セル抵抗の時間的変化率を算出して、セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、イオン濃度検出部によって検出された所定のイオンの濃度が所定の閾値以上であるときに、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

［適用例８］電気化学装置であって、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、前記アノードと前記カソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するセル電圧測定部と、前記セル抵抗と前記セル電圧との関係がオームの法則に従っているときに、前記電解質膜にピンホールが発生していると判断する判断部と、を備える電気化学装置。

電解質膜にピンホールが発生していない場合、セル抵抗は、電気化学反応に供するガスの拡散速度に起因する抵抗成分と、電気化学反応の反応速度に起因する抵抗成分と、電気化学セルのバルク抵抗との和となる。この場合、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従わない。一方、電解質膜にピンホールが発生した場合には、セル抵抗は、電気化学セルのバルク抵抗となり、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従う。

適用例８の電気化学装置では、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っている場合に、電解質膜にピンホールが発生したと判断するので、電解質膜にピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

［適用例９］電気化学装置であって、固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、前記電気化学セルの開回路電圧を測定する開回路電圧測定部と、前記開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生していると判断する判断部と、を備える電気化学装置。

電解質膜にピンホールが発生していない場合、電気化学セルの開回路電圧、すなわち、無負荷状態の電気化学セルのセル電圧は、０（Ｖ）よりも大きい所定範囲内の値（例えば、電気化学セルが燃料電池である場合、約１（Ｖ））になる。一方、電解質膜にピンホールが発生すると、電気化学セルの開回路電圧は、ほぼ０（Ｖ）になる。

適用例９の電気化学装置では、電気化学セルの開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるときに、電解質膜にピンホールが発生していると判断するので、電気化学セルにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

［適用例１０］適用例１ないし９のいずれかに記載の電気化学装置であって、前記電気化学セルは、燃料電池であり、前記電気化学装置は、前記アノードに、燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記カソードに、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、を備える電気化学装置。

本発明は、燃料電池システムに適用することができる。

［適用例１１］適用例１ないし９のいずれかに記載の電気化学装置であって、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧源と、前記アノードに、水素を含む混合ガスを導入する混合ガス導入部と、前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードに選択的に透過した水素を他の装置に供給する水素供給部と、を備える電気化学装置。

本発明は、混合ガスに含まれる水素を、電気化学セルを用いて分離する水素分離装置に適用することができる。

本発明は、上述した種々の特徴の一部を、適宜、組み合わせて構成することもできる。また、本発明は、上述の電気化学装置としての構成の他、電気化学装置の制御方法や、電気化学装置に用いられる電気化学セルが備える電解質膜にピンホールが発生したことを検出する検出方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、電気化学装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の電気化学装置を備える第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。膜電極接合体は、本発明における電気化学セルに相当する。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却媒体（水、エチレングリコール等）の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却媒体を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却媒体を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド）や、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却媒体を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド）が形成されている。

なお、図示は省略しているが、各単セル４０には、アノードとカソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するための抵抗センサや、アノードとカソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するための電圧センサが接続されている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各単セル４０のアノードに供給される。各単セル４０から排出される未消費の水素を含むアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された配管５４を介して水素分離装置２００に導入され、水素が分離された後のアノードオフガスは、排出配管５７を介して、燃料電池システム１０００の外部に排出することができる。水素分離装置２００については、後述する。排出配管５７には、アノードオフガスを燃料電池システム１０００の外部に排出するか否かを切り換えるための排気バルブ５８が配設されている。

水素分離装置２００によって分離された水素は、循環配管５５を介して配管５３に再循環される。循環配管５５には、ポンプ５６が配設されている。燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスに含まれる未消費の水素を分離して配管５３に再循環させることによって、水素を効率よく利用することができる。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、エアコンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各単セル４０のカソードに供給される。各単セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却媒体も供給される。この冷却媒体は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。

なお、本実施例の制御ユニット８０は、図示するように、セル抵抗変化率算出部８０２と、セル電圧変化率算出部８０４と、判断部８０６とを備えている。セル抵抗変化率算出部８０２は、各単セル４０に接続された抵抗センサによって測定されたセル抵抗の値を所定の時間間隔で取得し、セル抵抗の時間的変化率を算出する。また、セル電圧変化率算出部８０４は、各単セル４０に接続された電圧センサによって測定されたセル電圧の値を、セル抵抗の値の取得と同期して取得し、セル電圧の時間的変化率を算出する。また、判断部８０６は、セル抵抗変化率算出部８０２によって算出されたセル抵抗の時間的変化率と、セル電圧変化率算出部８０４によって算出されたセル電圧の時間的変化率とに基づいて、各単セル４０が備える膜電極接合体の電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断する。これらのピンホール検出処理については、後から詳述する。

Ａ２．水素分離装置：
図２は、水素分離装置２００の概略構成を模式的に示す説明図である。水素分離装置２００は、プロトン伝導性を有する電解質膜２０２ｍの両面に、それぞれアノード２０２ａ、および、カソード２０２ｃを接合した水素透過セル２０２を複数積層することによって構成されている。ここでは、１つの水素透過セル２０２について示した。そして、各水素透過セル２０２のアノード２０２ａ、および、カソード２０２ｃには、電圧源２０４によって電圧が印加される。水素透過セル２０２は、本発明における電気化学セルに相当する。

本実施例の水素分離装置２００では、以下のように混合ガス中の水素が分離される。すなわち、燃料電池スタック１００のアノードから排出された、未消費の水素（Ｈ₂）とカソードから透過した窒素（Ｎ₂）とを含むアノードオフガス（混合ガス）が、水素透過セル２０２のアノード２０２ａに供給される。そして、図示するように、混合ガス中の水素は、アノード２０２ａでプロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分かれる。このプロトンは、電解質膜２０２ｍ中を移動（透過）し、カソード２０２ｃで電子と結合して水素になる。

なお、図示は省略しているが、各水素透過セル２０２には、アノード２０２ａとカソード２０２ｃとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するための抵抗センサや、アノード２０２ａとカソード２０２ｃとの間の電圧であるセル電圧を測定するための電圧センサが接続されている。

Ａ３．ピンホール検出処理：
燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍでは、例えば、局所的な発熱によってピンホールが発生する場合がある。そして、各セルにおいて、電気化学反応が起こっているとき、すなわち、燃料電池スタック１００による発電中、および、水素分離装置２００による水素分離中に、電解質膜にピンホールが発生する前後で、セル抵抗、および、セル電圧の挙動が変化する。

図３は、電解質膜にピンホールが発生するときのセル抵抗、および、セル電圧の挙動を示す説明図である。図示するように、電解質膜にピンホールが発生する前は、セル抵抗は経時的に増大し、セル電圧は経時的に低下する。そして、時刻ｔｐにおいて、電解質膜にピンホールが発生すると、セル抵抗は低下し、セル電圧は増大する。なお、電解質膜にピンホールが発生していない場合、セル抵抗は、電気化学反応に供するガスの拡散速度に起因する抵抗成分と、電気化学反応の反応速度に起因する抵抗成分と、セルのバルク抵抗との和となる。この場合、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従わない。一方、電解質膜にピンホールが発生した場合には、セル抵抗は、セルのバルク抵抗となり、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従う。

本実施例では、上述したセル抵抗、および、セル電圧の挙動に基づいて、電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断する。

図４は、第１実施例の燃料電池システム１０００におけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット８０のＣＰＵが実行する処理である。ここでは、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜についてのピンホール検出処理について説明する。なお、本実施例では、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜と同様のピンホール検出処理を行うものとした。

まず、ＣＰＵは、セル抵抗変化率算出部８０２、および、セル電圧変化率算出部８０４によって、各単セル４０について、抵抗センサによって測定されたセル抵抗、および、電圧センサによって測定されたセル電圧の各値を同期して順次取得し、セル抵抗の時間的変化率ΔＲ／Δｔ、および、セル電圧の時間的変化率ΔＶ／Δｔを、それぞれ算出する（ステップＳ１００）。

次に、ＣＰＵは、判断部８０６によって、ΔＲ／Δｔが正から負に変化し、かつ、ΔＶ／Δｔが負から正に変化したか否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、ΔＲ／Δｔ、および、ΔＶ／Δｔが上記条件を満たしていない場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ１００に戻る。一方、ΔＲ／Δｔ、および、ΔＶ／Δｔが上記条件を満たしている場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図５は、本発明の電気化学装置を備える第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。図１との比較から分かるように、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。ただし、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、排出配管６２に水素濃度センサ６３が配設されている。また、水素分離装置２００の一部として、循環配管５５に窒素濃度センサ２１０を備えている。また、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、制御ユニット８０Ａが行うピンホール検出処理の内容が第１実施例と異なっている。

Ｂ２．ピンホール検出処理：
燃料電池スタック１００、および、水素分離装置２００の各セルにおいて、電解質膜にピンホールが発生すると、図３に示したように、セル抵抗が低下する。また、燃料電池スタック１００が備える単セル４０において、電解質膜にピンホールが発生すると、アノードに供給された水素がカソード側にリークして、カソードオフガスに含まれる水素の濃度が上昇する。また、水素分離装置２００の水素透過セル２０２において、電解質膜２０２ｍにピンホールが発生すると、アノード２０２ａに供給された混合ガス中の窒素がカソード２０２ｃ側にリークして、循環水素に含まれる窒素の濃度が上昇する。本実施例では、上述した電解質膜にピンホールが発生したときのセル抵抗、および、カソードオフガス中の水素濃度または循環水素中の窒素濃度に基づいて、電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断する。

図６は、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット８０ＡのＣＰＵが実行する処理である。ここでは、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜についてのピンホール検出処理について説明する。なお、本実施例では、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜と同様のピンホール検出処理を行うものとした。ただし、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについてのピンホール検出処理では、水素濃度センサ６３によって検出された水素濃度の代わりに、窒素濃度センサ２１０もよって検出された窒素濃度を用いる。

まず、ＣＰＵは、セル抵抗変化率算出部８０２によって、各単セル４０について、抵抗センサによって測定されたセル抵抗の値を順次取得し、セル抵抗の時間的変化率ΔＲ／Δｔを算出する（ステップＳ２００）。

次に、ＣＰＵは、判断部８０６Ａによって、ΔＲ／Δｔが正から負に変化したか否かを判断する（ステップＳ２１０）。そして、ΔＲ／Δｔが正から負に変化していいない場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ２００に戻る。一方、ΔＲ／Δｔが正から負に変化した場合には（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、判断部８０６Ａによって、水素濃度センサ６３によって検出された水素濃度Ｄｈの値を取得し（ステップＳ２２０）、水素濃度Ｄｈが所定の閾値Ｄｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２３０）。そして、水素濃度Ｄｈが閾値Ｄｔｈ未満である場合には（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ２００に戻る。一方、水素濃度Ｄｈが閾値Ｄｔｈ以上である場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ２４０）、処理を終了する。

以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．燃料電池システムの構成：
図７は、本発明の電気化学装置を備える第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。図１との比較から分かるように、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。ただし、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、排出配管６２にフッ素イオン濃度センサ６４が配設されている。また、水素分離装置２００の一部として、排出配管５７にフッ素イオン濃度センサ２２０を備えている。また、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、制御ユニット８０Ｂが行うピンホール検出処理の内容が第１実施例と異なっている。

Ｃ２．ピンホール検出処理：
燃料電池スタック１００、および、水素分離装置２００の各セルにおいて、電解質膜にピンホールが発生すると、図３に示したように、セル抵抗が低下する。また、燃料電池スタック１００が備える単セル４０において、例えば、局所的な発熱によって電解質膜にピンホールが発生すると、電解質膜を構成する固体高分子（本実施例ではナフィオン）が分解されてフッ素イオン等のイオンが発生する。そして、これらのイオンは、アノードオフガスやカソードオフガスとともにセルから流出する。本実施例では、上述した電解質膜にピンホールが発生したときのセル抵抗、および、オフガス中のフッ素イオン濃度に基づいて、電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断する。電解質膜を構成する固体高分子が分解されたときに発生する他のイオンの濃度を検出し、そのイオン濃度に基づいて、電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断するものとしてもよい。

図８は、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット８０ＢのＣＰＵが実行する処理である。ここでは、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜についてのピンホール検出処理について説明する。なお、本実施例では、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜と同様のピンホール検出処理を行うものとした。

まず、ＣＰＵは、セル抵抗変化率算出部８０２によって、各単セル４０について、抵抗センサによって測定されたセル抵抗の値を順次取得し、セル抵抗の時間的変化率ΔＲ／Δｔを算出する（ステップＳ３００）。

次に、ＣＰＵは、判断部８０６Ｂによって、ΔＲ／Δｔが正から負に変化したか否かを判断する（ステップＳ３１０）。そして、ΔＲ／Δｔが正から負に変化していいない場合には（ステップＳ３１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ３００に戻る。一方、ΔＲ／Δｔが正から負に変化した場合には（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、判断部８０６Ｂによって、フッ素イオン濃度センサ６４によって検出されたフッ素イオン濃度Ｄｉの値を取得し（ステップＳ３２０）、フッ素イオン濃度Ｄｉが所定の閾値Ｄｉｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ３３０）。そして、フッ素イオン濃度Ｄｉが閾値Ｄｉｔｈ未満である場合には（ステップＳ３３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ３００に戻る。一方、フッ素イオン濃度Ｄｉが閾値Ｄｉｔｈ以上である場合には（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ３４０）、処理を終了する。

以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

Ｄ．第４実施例：
Ｄ１．燃料電池システムの構成：
図９は、本発明の電気化学装置を備える第４実施例としての燃料電池システム１０００Ｃの概略構成を示す説明図である。図１との比較から分かるように、第４実施例の燃料電池システム１０００Ｃの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。ただし、第４実施例の１０００Ｃ燃料電池システム１０００Ｃは、各単セル４０、および、水素透過セル２０２に電流を流すための電流源９０を備えており、また、制御ユニット８０Ｃは、電流源９０を制御するためのセル電流制御部８０８を備えている。また、第４実施例の燃料電池システム１０００Ｃでは、制御ユニット８０Ｃが行うピンホール検出処理の内容が第１実施例と異なっている。

Ｄ２．ピンホール検出処理：
燃料電池スタック１００、および、水素分離装置２００の各セルにおいて、電解質膜にピンホールが発生していない場合、セル抵抗は、電気化学反応に供するガスの拡散速度に起因する抵抗成分と、電気化学反応の反応速度に起因する抵抗成分と、セルのバルク抵抗との和となる。この場合、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従わない。一方、電解質膜にピンホールが発生した場合には、セル抵抗は、セルのバルク抵抗となり、セル抵抗とセル電圧との関係は、オームの法則に従う。本実施例では、セル抵抗がオームの法則に従うか否かに基づいて、電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断する。

図１０は、第４実施例の１０００Ｃ燃料電池システム１０００Ｃにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット８０ＣのＣＰＵが実行する処理である。ここでは、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜についてのピンホール検出処理について説明する。なお、本実施例では、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜と同様のピンホール検出処理を行うものとした。

まず、ＣＰＵは、各単セル４０について、セル電流制御部８０８によって電流源９０を制御して、単セル４０に流すセル電流を変化させつつ、判断部８０６Ｃによって、抵抗センサによって測定されたセル抵抗、および、電圧センサによって測定されたセル電圧の各値を順次取得する（ステップＳ４００）。本実施例では、セル電流の値をステップ状に変化させるものとした。セル電流の値を連続的に変化させるものとしてもよい。

次に、ＣＰＵは、判断部８０６Ｃによって、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っているか否かを判断する（ステップＳ４１０）。そして、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っていない場合には（ステップＳ４１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ４００に戻る。一方、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っている場合には（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ４２０）、処理を終了する。

以上説明した第４実施例の燃料電池システム１０００Ｃによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

Ｅ．第５実施例：
Ｅ１．燃料電池システムの構成：
図１１は、本発明の電気化学装置を備える第５実施例としての燃料電池システム１０００Ｄの概略構成を示す説明図である。図１との比較から分かるように、第５実施例の燃料電池システム１０００Ｄの構成は、第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。ただし、第５実施例の燃料電池システム１０００Ｄでは、制御ユニット８０Ｄが行うピンホール検出処理の内容が第１実施例と異なっている。

Ｅ２．ピンホール検出処理：
燃料電池スタック１００、および、水素分離装置２００の各セルにおいて、電解質膜にピンホールが発生していない場合、セルの開回路電圧、すなわち、無負荷状態のセルのセル電圧は、０（Ｖ）よりも大きい所定範囲内の値（例えば、単セル４０の場合、約１（Ｖ））になる。一方、電解質膜にピンホールが発生すると、セルの開回路電圧は、ほぼ０（Ｖ）になる。本実施例では、セルの開回路電圧に基づいて、電解質膜にピンホールが発生したか否かを判断する。

図１２は、第５実施例の燃料電池システム１０００Ｄにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット８０ＤのＣＰＵが実行する処理である。ここでは、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜についてのピンホール検出処理について説明する。なお、本実施例では、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜と同様のピンホール検出処理を行うものとした。

まず、ＣＰＵは、判断部８０６Ｄによって、各単セル４０について、開回路電圧の値を取得する（ステップＳ５００）。

次に、ＣＰＵは、判断部８０６Ｄによって、開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるか否かを判断する（ステップＳ５１０）。そして、単セル４０の開回路電圧がほぼ０（Ｖ）でない場合、すなわち、０（Ｖ）よりも大きい所定値以上である場合には（ステップＳ５１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ５００に戻る。一方、単セル４０の開回路電圧がほぼ０（Ｖ）である場合、すなわち、上記所定値未満である場合には（ステップＳ５１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ５２０）、処理を終了する。

以上説明した第５実施例の燃料電池システム１０００Ｄによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して精度よく検出することができる。

Ｆ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｆ１．変形例１：
第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの一部を適用するようにしてもよい。すなわち、第１変形例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおける水素濃度センサ６３、および、窒素濃度センサ２１０を備えている（図示省略）。そして、第１変形例の燃料電池システムでは、ピンホール検出処理は、以下のように実行される。

図１３は、第１変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。第１変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理では、図４に示した第１実施例の燃料電池システム１０００におけるピンホール検出処理のステップＳ１１０において、ΔＲ／Δｔ、および、ΔＶ／Δｔが上記条件を満たしている場合に（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、判断部によって、水素濃度センサ６３によって検出された水素濃度Ｄｈの値を取得し（ステップＳ１１１）、水素濃度Ｄｈが所定の閾値Ｄｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１２）。そして、水素濃度Ｄｈが閾値Ｄｔｈ未満である場合には（ステップＳ１１２：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ１００に戻る。一方、水素濃度Ｄｈが閾値Ｄｔｈ以上である場合には（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。

以上説明した第１変形例の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

Ｆ２．変形例２：
第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂの一部を適用するようにしてもよい。すなわち、第２変形例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂにおけるフッ素イオン濃度センサ６４、および、フッ素イオン濃度センサ２２０を備えている（図示省略）。そして、第２変形例の燃料電池システムでは、ピンホール検出処理は、以下のように実行される。

図１４は、第２変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。第２変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理では、図４に示した第１実施例の燃料電池システム１０００におけるピンホール検出処理のステップＳ１１０において、ΔＲ／Δｔ、および、ΔＶ／Δｔが上記条件を満たしている場合に（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、判断部によって、フッ素イオン濃度センサ６４によって検出されたフッ素イオン濃度Ｄｉの値を取得し（ステップＳ１１３）、フッ素イオン濃度Ｄｉが所定の閾値Ｄｉｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１４）。そして、フッ素イオン濃度Ｄｉが閾値Ｄｉｔｈ未満である場合には（ステップＳ１１４：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ１００に戻る。一方、フッ素イオン濃度Ｄｉが閾値Ｄｉｔｈ以上である場合には（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。

以上説明した第２変形例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

Ｆ３．変形例３：
第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第４実施例の燃料電池システム１０００Ｃの一部を適用するようにしてもよい。すなわち、第３変形例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第４実施例の燃料電池システム１０００Ｃにおける電流源９０等を備えている（図示省略）。そして、第３変形例の燃料電池システムでは、ピンホール検出処理は、以下のように実行される。

図１５は、第３変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。第３変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理では、図４に示した第１実施例の燃料電池システム１０００におけるピンホール検出処理のステップＳ１１０において、ΔＲ／Δｔ、および、ΔＶ／Δｔが上記条件を満たしている場合に（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電流源９０を制御して、単セル４０に流すセル電流を変化させつつ、判断部によって、抵抗センサによって測定されたセル抵抗、および、電圧センサによって測定されたセル電圧の各値を順次取得する（ステップＳ１１５）。

次に、ＣＰＵは、判断部によって、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っているか否かを判断する（ステップＳ１１６）。そして、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っていない場合には（ステップＳ１１６：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ１００に戻る。一方、セル抵抗とセル電圧との関係がオームの法則に従っている場合には（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。

以上説明した第３変形例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

Ｆ４．変形例４：
第１実施例の燃料電池システム１０００に、さらに、第５実施例の燃料電池システム１０００Ｄの一部を適用するようにしてもよい。そして、第４変形例の燃料電池システムでは、ピンホール検出処理は、以下のように実行される。

図１６は、第４変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。第４変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理では、図４に示した第１実施例の燃料電池システム１０００におけるピンホール検出処理のステップＳ１１０において、ΔＲ／Δｔ、および、ΔＶ／Δｔが上記条件を満たしている場合に（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、判断部によって、各単セル４０について、開回路電圧の値を取得する（ステップＳ１１７）。

次に、ＣＰＵは、判断部によって、開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるか否かを判断する（ステップＳ１１８）。単セル４０の開回路電圧がほぼ０（Ｖ）でない場合、すなわち、０（Ｖ）よりも大きい所定値以上である場合には（ステップＳ１１８：ＮＯ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生していないと判断して、ステップＳ１００に戻る。一方、単セル４０の開回路電圧がほぼ０（Ｖ）である場合、すなわち、上記所定値未満である場合には（ステップＳ１１８：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電解質膜にピンホールが発生したと判断して、燃料電池スタック１００による発電を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。

以上説明した第４変形例の燃料電池システムによっても、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍにピンホールが発生したことを、他の故障と分離して、さらに精度よく検出することができる。

Ｆ５．変形例５：
上述した第１ないし第４変形例と同様に、第１ないし第５実施例の特徴部分を組み合わせることも可能である。

Ｆ６．変形例６：
上記実施例、および、変形例では、燃料電池スタック１００が備える単セル４０の電解質膜、および、水素分離装置２００が備える水素透過セル２０２の電解質膜２０２ｍについて、同様のピンホール検出処理を行うものとしたが、両者について、互いに異なるピンホール検出処理を行うものとしてもよい。

Ｆ７．変形例７：
上記実施例、および、変形例では、本発明の電気化学装置を、燃料電池システム、および、水素分離装置に適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、固体高分子からなる電解質膜を備える電気化学セルを用いた種々の電気化学装置に適用可能である。

本発明の電気化学装置を備える第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 水素分離装置２００の概略構成を模式的に示す説明図である。 電解質膜にピンホールが発生するときのセル抵抗、および、セル電圧の挙動を示す説明図である。 第１実施例の燃料電池システム１０００におけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の電気化学装置を備える第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池システム１０００Ａにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の電気化学装置を備える第３実施例としての燃料電池システム１０００Ｂの概略構成を示す説明図である。 第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の電気化学装置を備える第４実施例としての燃料電池システム１０００Ｃの概略構成を示す説明図である。 第４実施例の１０００Ｃ燃料電池システム１０００Ｃにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の電気化学装置を備える第５実施例としての燃料電池システム１０００Ｄの概略構成を示す説明図である。 第５実施例の燃料電池システム１０００Ｄにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 第１変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 第２変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 第３変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。 第４変形例の燃料電池システムにおけるピンホール検出処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ，１０００Ｃ，１０００Ｄ…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…単セル
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３，５４…配管
５５…循環配管
５６…ポンプ
５７…排出配管
５８…排気バルブ
６０…エアコンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
６３…水素濃度センサ
６４…フッ素イオン濃度センサ
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０，８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄ…制御ユニット
８０２…セル抵抗変化率算出部
８０４…セル電圧変化率算出部
８０６，８０６Ａ，８０６Ｂ，８０６Ｃ，８０６Ｄ…判断部
８０８…セル電流制御部
９０…電流源
２００…水素分離装置
２０２…水素透過セル
２０２ａ…アノード
２０２ｃ…カソード
２０２ｍ…電解質膜
２０４…電圧源
２１０…窒素濃度センサ
２２０…フッ素イオン濃度センサ

Claims (11)

1. 電気化学装置であって、
   固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、
   前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、
   前記セル抵抗の時間的変化率を算出するセル抵抗変化率算出部と、
   前記アノードと前記カソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するセル電圧測定部と、
   前記セル電圧の時間的変化率を算出するセル電圧変化率算出部と、
   前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときに、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する判断部と、
   を備える電気化学装置。
2. 請求項１記載の電気化学装置であって、
   さらに、は前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部を備え、
   前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、前記ガス濃度検出部によって検出された前記所定のガスの濃度が所定の閾値以上である場合に、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する、
   電気化学装置。
3. 請求項１記載の電気化学装置であって、
   さらに、前記アノードまたは前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のイオンの濃度を検出するイオン濃度検出部を備え、
   前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、前記イオン濃度検出部によって検出された前記イオンの濃度が所定の閾値以上である場合に、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する、
   電気化学装置。
4. 請求項１記載の電気化学装置であって、
   前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときに、前記セル抵抗と前記セル電圧との関係がオームの法則に従っているか否かを判断し、前記セル抵抗と前記セル電圧との関係がオームの法則に従っている場合に、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する、
   電気化学装置。
5. 請求項１記載の電気化学装置であって、
   さらに、前記電気化学セルの開回路電圧を測定する開回路電圧測定部を備え、
   前記判断部は、前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記セル電圧の時間的変化率が負から正に変化したときであって、さらに、前記開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生していると判断する、
   電気化学装置。
6. 電気化学装置であって、
   固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、
   前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、
   前記セル抵抗の時間的変化率を算出するセル抵抗変化率算出部と、
   前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部と、
   前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記燃料ガス濃度検出部によって検出された前記所定のガスの濃度が所定の閾値以上であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する判断部と、
   を備える電気化学装置。
7. 電気化学装置であって、
   固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、
   前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、
   前記セル抵抗の時間的変化率を算出するセル抵抗変化率算出部と、
   前記アノードまたは前記カソードから排出されるオフガスに含まれる所定のイオンの濃度を検出するイオン濃度検出部と、
   前記セル抵抗の時間的変化率が正から負に変化し、かつ、前記イオン濃度検出部によって検出された前記イオンの濃度が所定の閾値以上であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生したと判断する判断部と、
   を備える電気化学装置。
8. 電気化学装置であって、
   固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、
   前記アノードと前記カソードとの間の抵抗であるセル抵抗を測定するセル抵抗測定部と、
   前記アノードと前記カソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するセル電圧測定部と、
   前記セル抵抗と前記セル電圧との関係がオームの法則に従っているときに、前記電解質膜にピンホールが発生していると判断する判断部と、
   を備える電気化学装置。
9. 電気化学装置であって、
   固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合した電気化学セルと、
   前記電気化学セルの開回路電圧を測定する開回路電圧測定部と、
   前記開回路電圧がほぼ０（Ｖ）であるときに、前記電解質膜にピンホールが発生していると判断する判断部と、
   を備える電気化学装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電気化学装置であって、
    前記電気化学セルは、燃料電池であり、
    前記電気化学装置は、
    前記アノードに、燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
    前記カソードに、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    を備える電気化学装置。
11. 請求項１ないし９のいずれかに記載の電気化学装置であって、
    前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧源と、
    前記アノードに、水素を含む混合ガスを導入する混合ガス導入部と、
    前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードに選択的に透過した水素を他の装置に供給する水素供給部と、
    を備える電気化学装置。

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