JP5146053B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称することがある）は、水素極（燃料極、アノード極）と酸素極（空気極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素や改質ガス）と空気極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う（例えば、特許文献１）。

かかる燃料電池においては、水素極において燃料ガスの供給が不足する部位が生じると、その部位において発電反応ができず、出力の低下を招く。また、燃料ガスの供給不足が生じた部位において、電位が局所的に上昇し、反応を促進する触媒劣化の原因ともなる。

このように水素極における燃料ガスの局所的な供給不足は、空気極から透過してきたガス（主に、窒素ガス）や、発電を得るための電気化学的反応において生成した水などが、燃料ガスの流路内に滞留することを原因として生じる。

そのため、従来、水素極における燃料ガスの供給不足を防止するために、水素極内のガスを間欠的に排出（パージ）させたり、燃料ガスを循環供給させたりすることにより、燃料ガスの流路内に滞留するガスや水などの排除が行われている。

しかし、水素極内のガスを排出させることは、未反応の燃料ガスまでも無駄に排出することになる。従来は、燃料電池の運転状態（負荷や温度など）に応じて、水素極内のガスの排出を制御することによって、燃料ガスの無駄な消費の抑制を図っている。

また、運転状態の判断方法としては、セル電圧のセンシングによって状態（フラッディング、ドライアップ）を判断する方法が特許文献２において提案されている。
特開２００４−９５３０１号公報 特開２００６−３０２７７６号公報

しかしながら、水素極における燃料ガスの局所的な供給不足を回避するためには、なお過剰のガスを水素極内から排出する必要があり、燃料ガスの無駄な消費の改善には不十分であるという問題点があった。

また、特許文献２に記載されるようなセル電圧によるセンシングは、セル電圧が１セル毎の状態を平均化して反映するので、水素極内における局所的な燃料ガスの不足を検出することができないという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、水素極における燃料ガスの供給不足を高精度に検出し、水素極における燃料ガスの供給不足の防止に伴う燃料ガスの無駄な消費を抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する水素極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池の単位セルと、導電性を有するセパレータとを交互に積層して構成される燃料電池スタックを備え、かつ、燃料ガスを前記水素極に供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを前記酸素極へ供給する酸化剤ガス供給手段とを備えているものであって、前記燃料電池スタックに含まれる前記単位セルのうち、最も燃料ガスの供給性が悪い単位セルの水素極における燃料ガスの流れの下流側又は重力方向側に設けられ測定位置とする水素極の一部を周囲の水素極から絶縁状態として構成される検出片と、前記検出片に通電可能に接続される一方で前記セパレータから絶縁状態とされた検出端子とを有する検出部と、前記水素極又は前記酸素極を基準電位とし、該基準電位と前記検出部の電位との電位差を検出する電位差測定手段と、前記燃料ガスの供給異常が水を原因とする場合における前記電位差の時間変化を示す第１パターンと、前記燃料ガスの供給異常が窒素ガスを原因とする場合における前記電位差の時間変化を示す第２パターンとを記憶する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電位差測定手段により検出された前記電位差の時間変化のパターンが、前記第１パターンに従う場合、前記燃料ガスの供給異常が発生したと判断するとともに、当該供給異常の発生要因が水であると特定する第１特定手段と、前記電位差測定手段により検出された前記電位差の時間変化のパターンが、前記第２パターンに従う場合、前記燃料ガスの供給異常が発生したと判断するとともに、当該供給異常の発生要因が窒素ガスであると特定する第２特定手段と、前記第１特定手段又は前記第２特定手段により前記燃料ガスの供給異常の発生要因が特定された場合、特定された発生要因に応じた方法で前記燃料ガスの供給状態を回復させる回復手段と、を備えている。

請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記回復手段は、前記第１特定手段により前記燃料ガスの供給異常の発生要因が水であると特定された場合、少なくとも、前記燃料電池スタックの温度を上げることにより、前記燃料ガスの供給状態を回復させ、前記第２特定手段により前記燃料ガスの供給異常の発生要因が窒素ガスであると特定された場合、少なくとも、前記水素極への燃料ガスの供給圧力を上げることにより、前記燃料ガスの供給状態を回復させる。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、固体高分子型燃料電池の単位セルの水素極には、燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給される一方で、酸素極には、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスが供給される。その結果、単位セルは、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学的反応により発電する。

ここで、測定位置とする水素極の一部を周囲の水素極から絶縁状態として構成される検出片と共に、該検出片に通電可能に接続された検出端子とを含んで構成される検出部が設けられており、水素極又は前記酸素極を基準電位とした場合における、その基準電位と検出部の電位との電位差（電圧）が、電位差測定手段によって検出される。

このように、請求項１記載の燃料電池システムによれば、水素極における一部分の電位を周囲の水素極とは絶縁した状態で検出し、その一部分における電位と基準電位（水素極又は酸素極の電位）との電位差を検出することができるので、水素極における局所的な状態に関する情報を得ることができる。

よって、局所的に生じる燃料ガスの供給不足を直接的に検出できるので、水素極に発生する燃料ガスの供給不足を迅速かつ高精度に検出することができるという効果がある。また、その結果として、水素極からガスを排出させる頻度を最小限に抑制することができ、燃料ガスの無駄な消費を抑制することができるという効果がある。

ここで、検出部における検出片は、単位セルと導電性のセパレータとを交互に積層して構成されるスタックのうち、少なくとも１の単位セルの前記水素極に設けられており、測定位置とする水素極の一部を周囲の水素極から絶縁状態として構成されている。また、検出部における検出端子は、検出片に通電可能に接続される一方でセパレータから絶縁状態として構成されている。

よって、単位セル毎に、水素極における一部分の電位を周囲の水素極とは絶縁した状態で検出し、その一部分における電位と、水素極を基準電位とした場合における該水素極の電位との電位差を検出することができるので、単位セルの単位で、水素極における局所的な状態に関する情報を得ることができる。

従って、燃料電池スタックの内部にて局所的に生じる燃料ガスの供給不足を直接的に検出できるので、燃料電池スタックの内部における燃料ガスの供給不足を迅速かつ高精度に検出することができるという効果がある。また、その結果として、燃料電池スタック（の水素極）からガスを排出させる頻度を最小限に抑制することができ、燃料ガスの無駄な消費を抑制することができるという効果がある。

また、検出部の検出片が、燃料電池スタックに含まれる単位セルのうち、最も燃料ガスの供給性が悪い単位セル（例えば、燃料ガスの流れの最下流側に位置する単位セルや、最も重力方向（下方）に位置する単位セルなど）の水素極に設けられるので、燃料電池スタックの内部にて生じる燃料ガスの供給不足を確実に検出することができ、燃料ガスの無駄な消費を有効に抑制することができるという効果がある。

また、検出部の検出片が、単位セルの水素極における燃料ガスの流れの下流側又は重力方向側に設けられる。即ち、単位セルの中で最も燃料ガスの供給性が悪くなる部分における燃料ガスの供給性を検出することができる。よって、単位セル又は燃料電池スタックにて生じる燃料ガスの供給不足を確実に検出することができ、燃料ガスの無駄な消費を有効に抑制することができるという効果がある。

また、第１特定手段または第２特定手段により特定された燃料ガスの供給異常の発生要因に応じた方法で、燃料ガスの供給状態が回復手段によって回復さされる。よって、燃料ガスの供給異常の発生要因に応じた回復方法を用いることにより、燃料ガスの供給異常によって生じる各種不具合を有効に防止することができるという効果がある。

請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。第１特定手段により燃料ガスの供給異常の発生要因が水であると特定された場合、少なくとも、燃料電池スタックの温度を上げることにより、燃料ガスの供給状態の回復が行われ、第２特定手段により燃料ガスの供給異常の発生要因が窒素ガスであると特定された場合、少なくとも、水素極への燃料ガスの供給圧力を上げることにより、燃料ガスの供給状態の回復が行われる。よって、燃料ガスの供給異常の発生要因に応じた回復方法を用いることにより、燃料ガスの供給異常によって生じる各種不具合を有効に防止することができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の一実施形態を示すブロック図である。

この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図２参照）の水素極（燃料極、アノード極）１３（図２参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の酸素極（空気極、カソード極）１２（図２参照）へ供給するための空気供給系６０と、その空気供給系によって燃料電池スタック４０へ供給する空気を加湿するための加湿水供給系８０と、燃料電池スタック４０（各単位セル１０の酸素極１２）から排出される排気を系外へ排出する排気系１１０と、燃料電池スタック４０を冷却する水冷式の冷却機構である水冷系１２０とを備えている。

なお、図１に示す燃料電池システム１００では、空気（供給空気、排気）の流通経路（空気供給路６３や空気排出路１１１など）を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路（水素ガス供給流路５１ａやガス排出路５１ｂなど）を次に太い実線で表している。また、加湿水の流通経路（導水路８１ａや給水路８１ｂなど）を点線で表しており、水冷系１２０を構成する経路（冷却水循環路１２１ａ、バイパス流路１２１ｂ）を一点鎖線で表している。また、燃料電池スタック４０からの電気的な出力経路を二点鎖線で表している。

燃料電池スタック４０は、単位セル１０（図２参照）と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０（図２参照）とを、単位セル１０及びセパレータ２０の厚み方向に積層した構成とされている。なお、単位セル１０は、本発明の燃料電池システムを構成する単位セルに該当し、燃料電池スタック４０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池スタックに該当する。

水素ガス供給系５０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当し、水素源となる水素ボンベである水素貯蔵タンク５２と、その水素貯蔵タンク５２に一端側が接続され。他端側が燃料電池スタック４０のガス取入口４１に接続される水素ガス供給流路５１ａを含んで構成される。

この水素ガス供給流路５１ａには、水素貯蔵タンク５２の側から水素ガスの流通方向に向かって、水素元電磁弁（図示せず）と、一次圧センサ（図示せず）と、レギュレータ（図示せず）と、二次圧センサＳＥ１と、並列接続される水素調圧弁５３ａ及び水素起動電磁弁（図示せず）と、ガス供給弁５３ｂと、三次圧センサＳＥ２とが順に設けられている。

また、水素ガス供給系５０は、燃料電池スタック４０のガス排出口４２に一端側が接続され、燃料電池スタック４０の水素極１３から排出されたガスを系外へ排出するためのガス排出路５１ｂを含んでいる。このガス排出路５１ｂには、ガス排出口４２の側から、排出されたガスの流通方向に向かって、逆止弁５４と、水素排気電磁弁５３ｃとが設けられている。

空気供給系６０は、給気経路である空気供給路６３と、燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側に設けられ、空気供給路６３の出口側の端部が接続される空気マニホールド（図示せず）とを含んで構成される。

空気供給路６３には、外気の取入口側から空気の流通方向に向かって、フィルタ６４と、外気温センサＳＥ３と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン６１と、外気を加湿するための加湿器６５と、外気を加温するためのヒータ６６と、空気入口温度センサＳＥ４とが順に設けられている。

かかる構成を有する空気供給系６０は、空気ファン６１の駆動によって系外から取り入れた外気を、空気供給路６３及び図示されない空気マニホールドを介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。なお、この空気供給系６０は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。

排気系１１０は、燃料電池スタック４０における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される排気経路として空気排出路１１１を含んで構成される。

この空気排出路１１１の経路上には、燃料電池スタック４０の側から空気（排気）の流通方向に向かって、排気温度センサＳＥ５と、凝縮器１１２と、フィルタ１１３とが順に設けられ、フィルタ１１３を通過した排気が系外へと排出される。

凝縮器１１２は、外気温との熱交換によって排気の温度を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮して液体水として分離するものである。なお、この凝縮器１１２により排気から回収された水は、後述する加湿水供給系８０における導水路８１ａを介して加湿水タンク８２へと移送される。

加湿水供給系８０は、加湿水タンク８２と、その加湿水タンク８２に一端側が接続され、加湿水タンク８２に貯留されている水を加湿器６５へ供給するための給水路８１ｂを含んで構成される。

加湿水タンク８２は、加湿器６５にて外気を加湿するための水を貯留するものであり、ヒータ８２ａを有している。また、この水タンク８２には、水温センサＳＥ６と、水位センサＳＥ７とが設けられている。

図１に示すように、水供給系８０の給水路８１ｂには、加湿水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、フィルタ８４と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６とが順に設けられている。

また、図１に示すように、水供給系８０は、一端側が凝縮器１１２に接続され、他端側が加湿水タンク８２に接続されて、凝縮器１１２により回収された水を加湿水タンク８２へ導く導水路８１ａを含んでいる。

水冷系１２０は、燃料電池スタック４０を冷却する冷媒としての冷却水を循環させる冷媒循環経路としての冷却水循環路１２１ａを含んで構成される。この冷却水循環路１２１ａには、燃料電池スタック４０から下流側（冷却水の流通方向側）に向かって順に、冷却水出口温度センサＳＥ８と、冷却水を冷却するラジエータ１２２と、循環電磁弁１２４と、冷却水を燃料電池スタック４０へ圧送する循環ポンプ１２３と、ヒータ１２６と、冷却水入口温度センサＳＥ９とが設けられている。なお、図１に示すように、ラジエータ１２２には、放熱（冷却）を促進するラジエータファン１２２ａが設けられている。

また、水冷系１２０は、ラジエータ１２２の上流側にて冷却水循環路１２１ａから分岐し、循環電磁弁１２４と循環ポンプ１２３との間にて冷却水循環路１２１ａと合流するバイパス流路１２１ｂを含んでいる。このバイパス流路１２１ｂには、バイパス切替電磁弁１２５が設けられており、冷却水がバイパス流路１２１ｂを流す必要が生じた場合（例えば、冷却水入口温度センサＳＥ９による検出値が、冷却水が過剰に冷却されていることを示す場合）に、制御装置７０の制御によって開放される。

以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気ファン６１を駆動させ、系外から取り入れた外気（空気）を燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０の給水ポンプ８５を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０の各電磁弁（電磁弁５３ａ，５３ｂなど）を調整し、水素ガスを所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。その結果、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０にて水素と酸素とによる水生成反応（電極反応）が行われ、生じた電流が負荷系９０へ流れる。

上記構成を有する燃料電池システム１００には、負荷系９０が接続されており、燃料電池スタック４０から出力される電力は、この負荷系９０に供給される。燃料電池スタック４０の電極は、配線９１を介して、リレー９２，９３に接続されている。さらに、これらのリレー９２，９３には、インバータ９４を介してモータ９５に接続されている。また、インバータ９４には、出力制御装置９６を介して補助電源９７が接続されている。

また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０をさらに有している。なお、この制御装置７０の詳細な構成については、図４を参照して後述する。

次に、図２を参照して、燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０及びセパレータ２０について説明する。図２は、単位セル１０及びセパレータ２０を模式的に示す断面図である。

図２に示すように、単位セル１０は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質１１の両面を挟持する酸素極１２及び水素極１３とから構成される積層体である。固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。

酸素極１２は、固体高分子電解質膜１１に当接する触媒層１２ａと、その触媒層１２ａにおける固体高分子電解質膜１１とは反対側の面に当接するガス拡散層１２ｂとから構成される。

また、水素極１３は、固体高分子電解質膜１１に当接する触媒層１３ａと、その触媒層１３ａにおける固体高分子電解質膜１１とは反対側の面に当接するガス拡散層１３ｂとから構成される。

触媒層１２ａは、固体高分子電解質膜１１に当接されて酸素極１２における電極反応を促進するための層であり、固体高分子電解質膜１１における他方の面に当接する水素極１３の触媒層１３ａと共に、酸素と水素との水生成反応を促進する。触媒層１２ａ，１３ａとしては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。

ガス拡散層１２ｂ，１３ｂは、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等の多孔質基材から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。

セパレータ２０は、酸素極１２に接触して集電する集電部材２１と、その集電部材２１に隣接し、水素極１３に接触して集電する集電部材２２とから構成される。即ち、１のセパレータ２０は、１の単位セル１０における酸素極１２側の集電部材２１と、隣接する単位セル１０における水素極側の集電部材２２とから構成される。

これらの集電部材２１，２２は、導電性及び耐食性を備えた材料、例えば、緻密質カーボン、金属などの材料で構成されている。集電部材２１，２２を金属で構成する場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金などの材料に耐食導電処理を施したものを使用することができる。ここで、耐食導電処理とは、金メッキなどが例示される。

酸素極１２に接する集電部材２１には、凸部２１ａが形成されており、この凸部２１ａの配置に応じて集電部材２１に形成される凹部２１ｂと酸素極１２の表面とから、集電部材２１に設けられた図示されない供給口を上流側とし、図示されない排出口を下流側とする空気流路を構成する。なお、この凹部２１ｂからなる空気流路は、空気マニホールド（図示せず）から排気マニホールド（図示せず）まで連なる燃料電池スタック４０内の空気流路の一部である。

水素極１３に接する集電部材２２には、凸部２２ａが形成されており、この凸部２２ａの配置に応じて集電部材２２に形成される凹部２２ｂと水素極１３の表面とから、集電部材２２に設けられた図示されない供給口を上流側とし、図示されない排出口を下流側とする水素ガス流路を構成する。なお、この凹部２２ｂからなる水素ガス流路は、ガス取入口４１からガス排出口４２まで連なる燃料電池スタック４０の水素ガス流路の一部である。

図２に示すように、本実施形態の単位セル１０には、電位差検出装置１が設けられている。この電位差検出装置１は、検出部としての検出部４と、電位差測定手段としての電圧センサＳＥ１０と、検出部４と電圧センサＳＥ１０とを接続する導線６ａと、電圧センサＳＥ１０と集電部材２２とを接続する導線６ｂとから構成される。

検出部４は、水素極１３内に設けられた検出片４ａと、検出片４ａの表面に接続された検出端子４ｂと、検出端子を保持する保持部材４ｃとを有している。検出片４ａは、水素極１３の一部を切り出して、周囲の水素極１３から絶縁状態としたものであり、検出片４ａと周囲の水素極１３との間には、絶縁部４ｄが設けられている。

この絶縁部４ｄは、絶縁材料を充填することにより構成する、又は、隙間を形成することによって構成することができる。また、検出片４ａは、固体高分子電解質膜１１に接触し、固体高分子電解質膜１１との間でイオン電導可能に構成されている。

保持部材４ｃは、絶縁材料から構成され、集電部材２２側に固定される。この保持部材４ｃは、検出端子４ｂを集電部材２２側に保持すると共に、検出端子４ｂを、周囲の水素極２２及び集電部材２２から電気的に絶縁する作用を有する。

検出端子４ｂは、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｔａなどの耐食性のある金属で構成することができる。この検出端子４ｂは、単位セル１０と集電部材２２（セパレータ２０）とを積層して燃料電池スタック４０を組み立てた場合に、水素極１３の検出片４ａに接触するように設けられている。

導線６ａの一端は、検出端子４ｂに接続されている。導線６ａの他端は、水素ガス流路（即ち、凹部２２ｂと水素極１３の表面とからなる空間）内を経て、集電部材２２の端部から外部に導出され、電圧センサＳＥ１０の一方の端子に接続されている。この導線６ａは、絶縁材で被覆されており、集電部材２２と接触しても、集電部材２２と導線６ａが通電しないように構成されている。

一方、導線６ｂの一端は、電圧センサＳＥ１０の他方の端子に接続されている。導線６ｂの他端は、水素極１３側の集電部材２２に接続されている。なお、導線６ｂもまた、導線６ａと同様に絶縁材により被覆されている。

かかる構成を有する電位差検出装置１は、集電部材２２の電位（即ち、水素極１３の電位）を基準電位とし、該基準電位と検出部４の電位との電位差（電圧）を検出することができる。この電位差検出装置１は、上述のように、検出端子４ｂが、周囲の水素極２２及び集電部材２２から電気的に絶縁されているので、水素極１３へ供給されて水素ガス流路を流通する水素ガスの供給状態（即ち、水素ガスが十分に供給されているか否か）を、検出部４の設置位置に応じて局所的にモニターできる。

ここで、図３を参照して、電位差検出装置１を用いて、水素極１３へ供給されて水素ガス流路を流通する水素ガスの供給状態のモニタリングについて具体的に説明する。図３（ａ）は、電位差検出装置１が示す電位差を説明するための模式図であり、図３（ｂ）は、燃料電池スタック４０における電位差検出装置１の配置位置の一例を示す模式図である。

図３（ａ）に示すように、電位差検出装置１における検出部４は、水素ガスが十分に供給されている状態（通常時）では、水素極１３と同電位（即ち、０［Ｖ］）を示す。しかし、水素ガスの供給不足が生じると（不足時）、検出部４の電位は、酸素極電位（即ち、セル電圧に相当する＋Ｖ［Ｖ］）に近づき、＋Ｖａ［Ｖ］を示す。

よって、電位差検出装置１を燃料電池スタック４０内に適宜配置し、基準電位としての水素極１３（集電部材２２）の電位と、検出部４の電位との電位差をモニタリングすることにより、その配置部位における水素ガスの供給不足の発生を検出することができる。

かかる電位差検出装置１は、燃料電池スタック４０に含まれる単位セル１０のうち、少なくとも、最も水素ガスの供給性が悪い単位セルの水素極１３に設けることが好ましい。電位差検出装置１を、燃料電池スタック４０に含まれる単位セル１０のうち、最も水素ガスの供給性が悪い単位セルの水素極１３に設けることにより、燃料電池スタック４０内にて生じる水素ガスの供給不足を確実に検出することができる。

なお、燃料電池スタック４０に含まれる単位セル１０のうち、液体水や窒素ガスなどが滞留し易い単位セルが、最も水素ガスの供給性が悪い単位セルとなる。例えば、図３（ｂ）に示すように、水素ガスの流れの最下流側（即ち、最もガス排出口４２側）に位置する単位セル１０は、液体水や窒素ガスなどが滞留し易いので、最も水素ガスの供給性が悪い単位セルの１つである。また、最も重力方向（即ち、下方側）に位置する単位セル１０もまた、液体水が滞留し易いので、最も水素ガスの供給性が悪い単位セルの１つである。

また、電位差検出装置１は、１の単位セル１０の中で、少なくとも、最も水素ガスの供給性が悪い部位に設けることが好ましい。電位差検出装置１を、単位セル１０の中で最も水素ガスの供給性が悪い部位に設けることにより、単位セル１０又は燃料電池スタック４０内にて生じる局所的な水素ガスの供給不足を確実に検出することができる。

ここで、１の単位セル１０の中で、液体水や窒素ガスなどが滞留し易い部位が、最も水素ガスの供給性が悪い部位となる。例えば、図３（ｂ）に示すように、水素極１３における水素ガスの流れの下流側は、液体水や窒素ガスなどが滞留し易いので、最も水素ガスの供給性が悪い部位の１つである。また、水素極１３における重力方向（即ち、下方側）もまた、液体水が滞留し易いので、最も水素ガスの供給性が悪い部位の１つである。

従って、燃料電池スタック４０に電位センサ１を設ける場合には、図３（ｂ）に示すように、最下流側の単位セル１０における水素ガスの流れの下流側に少なくとも設けることが最も好適である。なお、複数の電位センサ１を燃料電池スタック４０内に設ける構成であってもよい。

次に、図４を参照して、本実施形態の燃料電池システム１００に搭載され、この燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０について説明する。図４は、制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。

図４に示すように、制御装置７０は、中央演算処理装置であるＣＰＵ７１と、ＣＰＵ７１により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるＲＯＭ７２と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するＲＡＭ７３と、これらのＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、及びＲＡＭ７３とバスライン７４を介して接続される入出力ポート７５とから主に構成される。

図４に示すように、入出力ポート７５には、電位差検出装置１の電圧センサＳＥ１０と、水素調圧弁５３ａと、水素排気電磁弁５３ｃと、ラジエータファン１２２ａとが接続されている。

詳細は後述するが、制御装置７０のＣＰＵ７１は、入出力ポート７５を介して電圧センサＳＥ１０の検出値をモニタリングし、そのモニタリング結果に応じて、水素ガスの供給性を回復する必要がある場合には、各制御対象（水素調圧弁５３ａ、水素排気電磁弁５３ｃ、ラジエータファン１２２ａ）へ電圧制御値を出力し、各制御対象の動作を制御して、水素ガスの供給性の回復を図る。

なお、この制御装置７０には、図示されない配線によって、燃料電池システム１００に含まれるその他のセンサや、燃料電池システム１００に含まれるその他電磁弁や、燃料電池システム１００に含まれるその他のポンプや、負荷系９０に含まれるインバータなどにも接続されており、ＣＰＵ７１は、各センサからの検出値の入力に基づいて、制御対象（電磁弁やポンプなど）に対し、燃料電池システム１００を運転するための各種制御を行う。

次に、図５（ａ）を参照して、電位差検出装置１を利用して燃料電池スタック４０における水素ガスの供給状態を判定する処理について説明する。図５（ａ）は、制御装置７０において実行される水素ガス供給状態モニタリング処理を示すフローチャートである。

この水素ガス供給状態モニタリング処理は、燃料電池スタック４０内の所定位置に設置された電位差検出装置１により水素ガスの供給状態をモニタリングし、燃料電池スタック４０における水素ガスの供給状態を判定する処理であり、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される。なお、この水素ガス供給状態モニタリング処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。

この水素ガス供給状態モニタリング処理では、電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化をモニタリングする（Ｓ１１）。なお、電圧センサＳＥ１０の検出値は、図示されない処理により所定時間毎に取得される。

次いで、電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化に基づき、水素ガスの供給状態、即ち、水素ガスの供給不足が生じているか否かを判定する（Ｓ１２）。

ここで、図６を参照して、Ｓ１２の処理において、水素ガスの供給不足が生じているか否かを如何に判定するかについて説明する。図６は、水素ガスの供給不足が生じている場合に電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化において確認される典型的なパターンを示す模式図である。

図６（ａ）は、水素ガスの供給不足が生じている場合に電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化において確認される典型的なパターンの１例であり、水（滞留水）を発生要因として生じた水素ガスの供給不足が示すパターンを示す模式図である。なお、以下では、水を発生要因とするこのパターンを「パターン１」と称することがある。

図６（ａ）に示すように、水を発生要因として生じた水素ガスの供給不足が生じた場合には、時間経過に対して急激な電圧（電位差）の変化を伴った波形が確認される。このような波形は、水が水素ガス流によって水素ガス流路内を随時移動するために、水素供給性の度合いが瞬時に変化することに因ると推測される。

図６（ｂ）もまた、水素ガスの供給不足が生じている場合に電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化において確認される典型的なパターンの１例である。図６（ｂ）は、図６（ａ）とは異なり、窒素ガスを発生要因として生じた水素ガスの供給不足が示すパターンを示す模式図である。なお、以下では、窒素ガスを発生要因とするこのパターンを「パターン２」と称することがある。

図６（ｂ）に示すように、窒素ガスを発生要因として生じた水素ガスの供給不足が生じた場合には、電圧（電位差）が時間経過に対してなだらかに増加する波形が確認される。かかる波形は、水素ガス流路内に滞留する窒素ガスの濃度が時間経過と共に徐々に上昇し、それに伴って水素供給性が徐々に低下することに因ると推測される。

上述した水素ガス供給状態モニタリング処理（図５（ａ）参照）におけるＳ１２の処理では、電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化が、図６（ａ）又は図６（ｂ）に示すパターンが確認された場合に、水素ガスの供給不足が生じていると判定する。

次に、図５（ｂ）を参照して、水素ガス供給状態モニタリング処理のＳ１２の処理において、水素ガスの供給不足が生じていると判定された場合に、その発生要因に応じた回復を実行する処理について説明する。

図５（ｂ）は、制御装置７０において実行される水素ガス供給状態回復処理を示すフローチャートである。なお、この水素ガス供給状態回復処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。

この水素ガス供給状態回復処理は、上述した水素ガス供給状態モニタリング処理のＳ１２の処理において、水素ガスの供給不足が生じていると判定されると起動する処理であり、まず、水素ガスの供給不足が生じていると判定するに至ったパターン（電圧センサＳＥ１０の検出値の時間変化が示したパターン）が、パターン１であるか、パターン２であるかを確認する（Ｓ２１）。

Ｓ２１の処理により確認した結果、水素ガスの供給不足が生じていると判定するに至ったパターンが、パターン１である場合には（Ｓ２１：パターン１）、水素ガスの供給不足の発生要因が水（滞留水）であるので、ラジエータファン１２２ａをオフして、燃料電池スタック４０の温度を上昇させる（Ｓ２２）。Ｓ２２の処理により、燃料電池スタック４０の温度が上昇されると、水の蒸発を促進することができ、水により阻害されていた水素供給性を回復することができる。

一方で、Ｓ２１の処理により確認した結果、水素ガスの供給不足が生じていると判定するに至ったパターンが、パターン２である場合には（Ｓ２１：パターン２）、水素ガスの供給不足の発生要因が窒素ガスであるので、水素調整弁５３ａの開度を上げ、燃料電池スタック４０への水素ガスの供給圧力を上昇させる（Ｓ２５）。Ｓ２５の処理により、燃料電池スタック４０への水素ガスの供給圧力が上昇すると、窒素ガスにより阻害されていた水素極１３への水素供給性を回復させることができる。

Ｓ２２又はＳ２５の処理後、燃料電池スタック４０の温度上昇又は燃料電池スタック４０内における水素ガス圧の上昇により、水素ガスの供給状態が回復したかを確認する（Ｓ２３）。

Ｓ２３の処理により確認した結果、水素ガスの供給状態が回復していなければ（Ｓ２３：Ｎｏ）、水素排気電磁弁５３ｃを開放して、燃料電池スタック４０内から水素ガスを排気（パージ）し（Ｓ２４）、この水素ガス供給状態回復処理を終了する。

Ｓ２４の処理により、水素ガスのパージを行うと、水素ガス流路を流通する水素ガスの流速が瞬時に増大させることができ、それによって、滞留する水や窒素ガスを排出させることができるので、水又は窒素ガスにより阻害されていた水素極１３への水素供給性を回復させることができる。

一方で、Ｓ２３の処理により確認した結果、Ｓ２２又はＳ２５の処理によって水素ガスの供給状態が回復した場合には（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、Ｓ２４の処理を行うことなく、この水素ガス供給状態回復処理を終了する。

よって、この水素ガス供給状態回復処理によれば、Ｓ２２又はＳ２５の処理によって水素ガスの供給状態が回復した場合には、燃料電池スタック４０内からの水素ガスの排気（パージ）が不要となる。よって、水素ガスの無駄な消費を抑制することができる。

また、水素ガスの供給不足の発生要因に応じた回復処理（Ｓ２２又はＳ２５の処理）を行うので、水素ガスの供給不足によって生じる各種不具合を有効に防止することができる。

なお、この水素ガス供給状態回復処理におけるＳ２２，Ｓ２４，Ｓ２５の処理は、本発明の燃料電池システムにおける回復手段に該当する。また、水素ガス供給状態回復処理におけるＳ２１の処理は、本発明の燃料電池システムにおける要因推定手段に該当する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素極１３における一部分の電位を周囲の水素極１３とは絶縁した状態で検出し、その一部分における電位と基準電位（水素極１３の電位）との電位差を検出することができるので、水素極１３における局所的な状態に関する情報を得ることができる。よって、局所的に生じる水素ガスの供給不足を直接的に検出できるので、水素極１３に発生する水素ガスの供給不足を迅速かつ高精度に検出することができる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素極１３に発生する水素ガスの供給不足を高精度に検出することができるので、水素ガスの供給不足を防ぐための回復処理の頻度を最小限に止めることができる。その結果、水素極１３からガスを排出させる頻度も最小限に抑制することができることになり、水素ガスの無駄な消費の抑制に貢献する。

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素極１３に発生する水素ガスの供給不足を迅速に検出することができるので、迅速な回復処理を実行することができ、水素ガスの供給不足による影響が小さく、出力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何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記実施形態では、電圧センサＳＥ１０と水素極１３側の集電部材２２とを導線６ｂによって接続し、水素極１３の電位を基準電位とする構成としたが、電圧センサＳＥ１０と酸素極１２側の集電部材２１とを導線６ｂによって接続し、酸素極１２の電位を基準電位とする構成としてもよい。なお、酸素極１２の電位を基準電位とする場合には、水素ガスの供給不足が生じると、酸素極１２の電位と検出部４との電位との電位差が小さくなる。

また、上記実施形態では、水素ガス供給状態回復処理（図５（ｂ）参照）におけるＳ２２の処理において、燃料電池スタック４０の温度を上昇させるために、ラジエータファン１２２ａをオフしたが、バイパス切替電磁弁１２５を開放し、冷却水がバイパス流路１２１ｂを流れるようにすることによって燃料電池スタック４０の温度を上昇させてもよい。

また、水素ガス供給状態回復処理（図５（ｂ）参照）では、Ｓ２１の処理により確認した結果、水素ガスの供給不足が生じていると判定するに至ったパターンが、パターン１であればＳ２２の回復処理を実行し、パターン２であればＳ２５の回復処理を実行する構成としたが、水素ガスの供給不足が生じていると判定するに至ったパターンが水素ガス供給不足を示すものの、パターン１であるかパターン２であるかを判別できなかった場合に、Ｓ２４の回復処理（即ち、水素ガスのパージ）を実行してもよい。また、パターン１に対する回復処理として、Ｓ２１の処理とＳ２４などの他の回復処理とを組み合わせてもよく、パターン２に対する回復処理として、Ｓ２５の処理とＳ２４などの他の回復処理とを組み合わせてもよい。

また、水素ガス供給状態回復処理（図５（ｂ）参照）では、Ｓ２１の処理によって水素ガスの供給不足が生じていると判定するに至ったパターンを確認し、各パターンに応じた回復処理を実行する構成としたが、パターンを確認することなく回復処理を実行する構成としてもよい。このとき、実行する回復処理としては、Ｓ２１，Ｓ２４，Ｓ２５の回復処理のうちのいずれか１つの回復処理であってもよいし、これらの回復処理うちの２以上を組み合わせた回復処理であってもよい。

また、上記実施形態では、常圧の空気を燃料電池スタック４０へ供給する燃料電池システムとして構成したが、本発明は、加圧空気を燃料電池スタックへ供給する燃料電池システムにおいても適用できる。

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。 単位セル及びセパレータを模式的に示す断面図である。 （ａ）は、電位差検出装置が示す電位差を説明するための模式図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックにおける電位差検出装置の配置位置の一例を示す模式図である。 制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 （ａ）は、水素ガス供給状態モニタリング処理を示すフローチャートであり、（ｂ）は、水素ガス供給状態回復処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、水を発生要因として生じた水素ガスの供給不足が示すパターンを示す模式図であり、（ｂ）は、窒素ガスを発生要因として生じた水素ガスの供給不足が示すパターンを示す模式図である。

１ 電位差検出装置
４ 検出部
４ａ 検出片
４ｂ 検出端子
１０ 単位セル
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 酸素極
１３ 水素極
４０ 燃料電池スタック
５０ 水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０ 空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
１００ 燃料電池システム
ＳＥ１０ 電圧センサ（電位差測定手段）
Ｓ２１ 要因推定手段
Ｓ２２ 回復手段
Ｓ２４ 回復手段
Ｓ２５ 回復手段

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する水素極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池の単位セルと、導電性を有するセパレータとを交互に積層して構成される燃料電池スタックを備え、かつ、燃料ガスを前記水素極に供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを前記酸素極へ供給する酸化剤ガス供給手段とを備えている燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックに含まれる前記単位セルのうち、最も燃料ガスの供給性が悪い単位セルの水素極における燃料ガスの流れの下流側又は重力方向側に設けられ測定位置とする水素極の一部を周囲の水素極から絶縁状態として構成される検出片と、前記検出片に通電可能に接続される一方で前記セパレータから絶縁状態とされた検出端子とを有する検出部と、
   前記水素極又は前記酸素極を基準電位とし、該基準電位と前記検出部の電位との電位差を検出する電位差測定手段と、
   前記燃料ガスの供給異常が水を原因とする場合における前記電位差の時間変化を示す第１パターンと、前記燃料ガスの供給異常が窒素ガスを原因とする場合における前記電位差の時間変化を示す第２パターンとを記憶する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記電位差測定手段により検出された前記電位差の時間変化のパターンが、前記第１パターンに従う場合、前記燃料ガスの供給異常が発生したと判断するとともに、当該供給異常の発生要因が水であると特定する第１特定手段と、
   前記電位差測定手段により検出された前記電位差の時間変化のパターンが、前記第２パターンに従う場合、前記燃料ガスの供給異常が発生したと判断するとともに、当該供給異常の発生要因が窒素ガスであると特定する第２特定手段と、
   前記第１特定手段又は前記第２特定手段により前記燃料ガスの供給異常の発生要因が特定された場合、特定された発生要因に応じた方法で前記燃料ガスの供給状態を回復させる回復手段と、
   を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記回復手段は、
   前記第１特定手段により前記燃料ガスの供給異常の発生要因が水であると特定された場合、少なくとも、前記燃料電池スタックの温度を上げることにより、前記燃料ガスの供給状態を回復させ、
   前記第２特定手段により前記燃料ガスの供給異常の発生要因が窒素ガスであると特定された場合、少なくとも、前記水素極への燃料ガスの供給圧力を上げることにより、前記燃料ガスの供給状態を回復させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
   
   
   
   

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