JP5446166B2 - 燃料電池システム、及び、その制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに燃料ガスを、カソードに酸化ガスを供給する。この燃料電池システムにおいて、燃料電池の通常発電終了時に、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止させる。

特開２００４−１４６０８４号公報

しかしながら、上記燃料電池システムにおいて、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止後には、例えば、アノードとカソード間でクロスリークが生じるなどして、アノードおよびカソードで、ガスの濃度分布が生じ、その結果、カソードにおいて、部分的に酸化反応がおこり、燃料電池が劣化するおそれがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化を抑制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なされたものであり、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。例えば、本発明は、燃料電池システムであって、アノード、カソード、および、電解質膜を含む燃料電池セルを１つ以上備える燃料電池と、前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の短絡を行う短絡部と、前記短絡部によって短絡された前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部によって測定された燃料電池電圧の増加量に基づき、前記短絡部により前記燃料電池が正常に短絡されているか否かを検知する短絡検知部と、を備えることを特徴とする燃料電池システムとして実現することが可能である。その他、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
燃料電池システムであって、アノード、カソード、および、電解質膜を含む燃料電池セルを１つ以上備える燃料電池と、前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の短絡を行う短絡部と、前記短絡部によって短絡された前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部によって測定された燃料電池電圧に応じて、前記短絡部による前記燃料電池の短絡が正常であるか、異常であるかを検知する短絡検知部と、を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池が劣化することを抑制することができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記短絡検知部は、前記短絡部が前記燃料電池の短絡を行ってから、単位時間あたりの前記燃料電池電圧の変化量が第１閾値より高くなった場合に、前記短絡部による前記燃料電池の短絡が異常であると検知することを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、燃料電池の短絡異常を正確に検知することができる。

[適用例３]
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記短絡検知部は、前記短絡部が前記燃料電池の短絡を行ってから、前記燃料電池電圧が、第２閾値より高くなった場合に、前記短絡部による前記燃料電池の短絡が異常であると検知することを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、燃料電池の短絡異常を正確に検知することができる。

[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記短絡検知部が、前記燃料電池の短絡が異常であると検知した場合に、前記燃料電池の短絡異常を報知する報知部を備えることを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、燃料電池システムの管理者は、燃料電池の短絡異常を素早く認知することができ、燃料電池の短絡異常を迅速に解決することができる。

[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを備え、前記短絡部は、前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、各燃料電池セルの短絡を行い、前記電圧測定部は、前記短絡部によって短絡された各燃料電池セルのうち、所定の燃料電池セルの電圧を測定し、前記短絡検知部は、前記電圧測定部によって測定された燃料電池セル電圧に応じて、前記短絡部による前記燃料電池の短絡が正常であるか、異常であるかを検知することを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、簡易的に、燃料電池の短絡が正常であるか、異常であるかを検知することができる。

[適用例６]
燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の短絡を行う短絡工程と、短絡された前記燃料電池の電圧を測定する測定工程と、測定された燃料電池電圧に応じて、前記燃料電池の短絡が正常であるか、異常であるかを検知する検知工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

上記構成の短絡検知方法によれば、燃料電池が劣化することを抑制することができる。

[適用例７]
適用例６に記載の燃料電池システムの制御方法において、前記検知工程は、前記燃料電池の短絡を行ってから、単位時間あたりの前記燃料電池電圧の変化量が第３閾値より高くなった場合に、前記燃料電池の短絡が異常であると検知する工程を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

このようにすれば、燃料電池の短絡異常を正確に検知することができる。

[適用例８]
適用例６または適用例７に記載の燃料電池システムの制御方法において、前記検知工程は、前記燃料電池の短絡を行ってから、前記燃料電池電圧が、第４閾値より高くなった場合に、前記燃料電池の短絡が異常であると検知する工程を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

このようにすれば、燃料電池の短絡異常を正確に検知することができる。

[適用例９]
適用例６ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池の短絡が異常であると検知した場合に、前記燃料電池の短絡異常を報知する工程を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

このようにすれば、燃料電池システムの管理者は、燃料電池の短絡異常を素早く認知することができ、燃料電池の短絡異常を迅速に解決することができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池システムに限られず、例えば、短絡検知装置など、他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、上記した燃料電池システムの制御方法に限られず、例えば、短絡検知方法など、他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータ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も可能である。

また、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、上記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。

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１０００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、主に、水素タンク２０と、コンプレッサ３０と、水素遮断弁４０と、可変調圧弁５０と、短絡接続部６０と、電圧センサ９０と、表示装置９９と、燃料電池１００と、制御回路４００と、電気的負荷５００と、を備えている。

水素タンク２０は、燃料ガスとしての高圧水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、水素供給流路２２を介して燃料電池１００（後述の水素供給マニホールド）に接続されている。水素供給流路２２上において、水素タンク２０から近い順番に、水素遮断弁４０と、可変調圧弁５０とが設けられている。可変調圧弁５０は、水素タンク２０から燃料電池１００へ供給される水素圧（水素量）を調整可能な調圧弁である。

また、燃料電池１００（後述の水素排出マニホールド）は、水素排出流路２４と接続される。水素タンク２０から水素供給流路２２を介して供給される水素は、燃料電池１００で電気的化学反応に供され、水素排出流路２４を介して燃料電池システム１０００の外部に排出される。

コンプレッサ３０は、酸化ガスとして、空気を燃料電池１００に供給するための装置であり、空気供給流路３２を介して燃料電池１００（後述の空気供給マニホールド）に接続される。また、燃料電池１００（後述の空気排出マニホールド）は、空気排出流路３４と接続される。コンプレッサ３０から空気供給流路３２を介して供給される空気は、燃料電池１００で電気的化学反応に供され、空気排出流路３４を介して燃料電池１００の外部に排出される。

燃料電池１００は、固体高分子型の燃料電池であり、複数の燃料電池セル１０と、エンドプレート３００と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０と、を備えている。燃料電池セル１０は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、燃料電池セル１０が、複数個積層された層状構造を有している。また、燃料電池１００は、テンションプレート（図示せず）がボルト（図示せず）によって各エンドプレート３００に結合されることによって、各燃料電池セル１０を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。

図２は、燃料電池セル１０の概略構成を表わす断面模式図である。この燃料電池セル１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面に形成されるカソード１２およびアノード１３とから成る膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）を備える。燃料電池セル１０は、ＭＥＡ５の外側に第１ガス拡散層１４，１５を備え、さらに、その外側に第２ガス拡散層１６，１７を備えている。電解質膜１１は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。カソード１２、および、アノード１３は、触媒金属である白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（以下では、白金担持カーボンとも呼ぶ）と、電解質とから構成される。第１ガス拡散層１４，１５は、導電性を有するカーボン製の多孔質部材であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。また、第２ガス拡散層１６，１７は、導電性を有し、第１ガス拡散層１４，１５よりも比較的大きな細孔からなる多孔質部材であり、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。

セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。セパレータ６，７の表面には、燃料電池セル１０に供給された空気（酸化ガス）あるいは水素（燃料ガス）の流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード側の第２ガス拡散層１６とセパレータ６との間には、通常運転時において、カソード１２で電気化学反応に供される酸化ガスが通過するセル内空気流路１８が形成されている。また、アノード側の第２ガス拡散層１７とセパレータ７との間には、通常運転時において、アノード１３で電気化学反応に供される燃料ガスが通過するセル内水素流路１９が形成されている。

燃料電池セル１０の外周部には、セル内空気流路１８およびセル内水素流路１９におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、本実施例の燃料電池１００は、燃料電池セル１０を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、燃料電池セル１０の積層方向と平行であって水素あるいは空気が流通する複数のガスマニホールド（図示せず）が設けられている。

このマニホールドのうち、空気供給流路３２、および、各燃料電池セル１０のセル内空気流路１８と接続されるマニホールドを空気供給マニホールドとも呼び、水素供給流路２２、および、各燃料電池セル１０のセル内水素流路１９とそれぞれ接続されるマニホールドを、水素供給マニホールドとも呼び、空気排出流路３４、および、セル内空気流路１８とそれぞれ接続されるマニホールドを空気排出マニホールドとも呼び、水素排出流路２４、および、セル内水素流路１９とそれぞれ接続されるマニホールドを水素排出マニホールドとも呼ぶ。

燃料電池１００において、発電中に水素が流通する流路、すなわち、各燃料電池セル１０における第２ガス拡散層１７、第１ガス拡散層１５、セル内水素流路１９、水素供給マニホールド、および、水素排出マニホールドを、合わせてアノード流路２６とも呼ぶ。また、燃料電池１００において、発電中に空気が流通する流路、すなわち、各燃料電池セル１０における第２ガス拡散層１６、第１ガス拡散層１４、セル内空気流路１８、空気供給マニホールド、および、空気排出マニホールドを、合わせてカソード流路３６とも呼ぶ。

電気的負荷５００は、例えば、二次電池や、電力消費装置（モータなど）などである。
短絡接続部６０は、各ターミナル３４０と接続されている。また、短絡接続部６０は、短絡回路６０ａを備え、電気的負荷５００と、短絡回路６０ａとの接続を切り換え可能な装置である。短絡接続部６０は、通常発電中において、燃料電池１００と電気的負荷５００とを接続する。短絡接続部６０は、後述の燃料電池短絡処理において、短絡回路６０ａと接続する。この場合、燃料電池１００（各燃料電池セル１０）は、アノード側とカソード側が短絡した状態となる。なお、短絡回路６０ａは、電気的負荷５００と比較して低抵抗な回路であり、その抵抗値は、燃料電池システム１０００の具体的な設計等により適宜決定される。「通常発電」についての詳細は、後述する。

電圧センサ９０は、燃料電池１００の燃料電池電圧Ｖｆを検出するためのセンサである。
表示装置９９は、後述する燃料電池短絡処理において、燃料電池１００の短絡が異常な場合に、燃料電池１００が短絡異常である旨を表示により報知するための装置である。

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、ラジエータ（図示せず）などからなる冷却系装置（図示せず）を備えており、その冷却系装置から、燃料電池１００において各燃料電池セル１０間に設けられる冷媒流路（図示せず）に冷媒が流され、燃料電池１００の内部温度を調節するようになっている。

制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、燃料電池１００の発電に伴い、コンプレッサ３０、水素遮断弁４０、短絡接続部６０、表示装置９９等に対して種々の制御を行う。なお、制御回路４００のＲＡＭには、後述の燃料電池短絡処理で用いられる異常検知フラグが記憶されている。

制御回路４００は、燃料電池システム１０００の外部から電力要求を受信した場合には、燃料電池システム１０００において、燃料電池１００の通常発電運転を行う。具体的には、制御回路４００は、燃料電池システム１０００の外部から電力要求を受信すると、短絡接続部６０を制御して電気的負荷５００に接続する。そして、制御回路４００は、電力要求量に応じて、水素遮断弁４０を開弁させると共に可変調圧弁５０を調整し、コンプレッサ３０を駆動制御する。なお、制御回路４００は、通常発電運転開始時には、所定期間、燃料電池１００の暖機運転を行う。

一方、制御回路４００は、燃料電池システム１０００において、運転停止要求（燃料電池１００の通常発電停止要求）を受信すると、通常発電を終了する通常発電終了処理を行う。具体的には、制御回路４００は、運転停止要求を受信すると、水素遮断弁４０を閉弁させ、コンプレッサ３０を駆動停止させることで、燃料電池１００への水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）の供給を停止させる。

そして、本実施例の燃料電池システム１０００において、制御回路４００は、通常発電終了後、すなわち、燃料電池１００への水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）の供給を停止させた後、後述する燃料電池短絡処理を実行する。

Ａ２．燃料電池短絡処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１０００が行う燃料電池短絡処理を示すフローチャートである。この燃料電池短絡処理は、再度、燃料電池システム１０００の外部から電力要求を受信するまで、言い換えれば、次回の燃料電池１００の通常発電運転開始まで継続して行われる。なお、燃料電池システム１０００において、通常発電終了後、すなわち、燃料電池１００への水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）の供給を停止させた後、この燃料電池短絡処理を開始するまでの間において、燃料電池１００と電気的負荷５００とが電気的に接続された状態では、その間、燃料電池１００では、アノード流路２６に残存している水素およびカソード流路３６に残存している空気により発電が行われ、電圧がある程度降下した状態となっている。また、燃料電池短絡処理を開始するまでの間において、燃料電池１００と電気的負荷５００とが電気的に接続されていない状態では、その間、燃料電池１００のアノード１３からカソード１２に水素がリークすることにより、カソード１２が水素で満たされ、電圧がある程度降下した状態となっている。ＲＡＭに記憶されている異常検知フラグは、ＯＦＦの状態となっている。

燃料電池短絡処理において、制御回路４００は、まず、短絡接続部６０を制御し、燃料電池１００と電気的負荷５００との電気的接続を遮断させると共に、燃料電池１００と短絡回路６０ａとを電気的に接続させ、すなわち、燃料電池１００を短絡させる（ステップＳ１０）。燃料電池１００と短絡回路６０ａとを接続した場合において、燃料電池１００のＭＥＡ５で、水素（アノード側）、または、空気（酸素）（カソード側）が存在している場合には、電気的化学反応が生じ、すなわち、発電（短絡発電）が行われる。それに伴い、燃料電池１００において、アノード流路２６内の水素濃度、および、カソード流路３６内の酸素濃度が減少し、電気化学反応が低下して、燃料電池１００（各燃料電池セル１０）の電圧は、低下する。ＭＥＡ５において、カソード側に空気が存在している場合とは、通常発電終了後に空気が残留している場合、または、空気排出流路３４から空気が逆流してくる場合が含まれる。また、燃料電池１００と短絡回路６０ａとを電気的に接続した場合において、燃料電池１００のＭＥＡ５で、水素（アノード側）、または、空気（酸素）（カソード側）が存在していない場合には、電気的化学反応や水素のリークによって、既にある程度電圧が低下した状態であり、短絡により、その状態が保たれるか、若しくは、その状態から若干の電圧低下が生じる。なお、短絡により、燃料電池１００（各燃料電池セル１０）内部の内部抵抗で電力が消費されることによっても、燃料電池１００の電圧は、低下する。この燃料電池短絡処理において、燃料電池１００の短絡は、継続して行われる。

次に、制御回路４００は、電圧センサ９０から燃料電池電圧Ｖｆを検出する（ステップＳ２０）。制御回路４００は、燃料電池電圧Ｖｆを検出度にＲＡＭに記憶する。

続いて、制御回路４００は、単位時間あたりの燃料電池電圧の変化量を示す電圧変化量ΔＸｆを検出（算出）する（ステップＳ３０）。具体的には、制御回路４００は、今回検出した燃料電池電圧Ｖｆから前回検出した燃料電池電圧Ｖｆを引いた微少区間電圧変化ΔＶｆを算出する。そして、制御回路４００は、微少区間電圧変化ΔＶｆを、前回の燃料電池電圧Ｖｆの検出時から今回の燃料電池電圧Ｖｆの検出時までの間の時間ΔＴで除することにより、電圧変化量ΔＸｆを算出する。

制御回路４００は、電圧変化量ΔＸｆが、閾値Ｘｔｈより小さいか否かを判断する（ステップＳ４０）。制御回路４００は、電圧変化量ΔＸｆが、閾値Ｘｔｈより小さい場合（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）には、燃料電池の電圧が正常に推移していると判断し、すなわち、燃料電池１００の短絡が正常であると判断（検知）する（ステップＳ５０）。制御回路４００は、燃料電池１００の短絡が正常であると判断（検知）した後には、ステップＳ２０の処理にリターンする。閾値Ｘｔｈは、燃料電池システム１０００の具体的な設計等により適宜決定される。例えば、燃料電池短絡処理において、一番最初にステップＳ３０の処理で検出した電圧変化量ΔＸｆを、閾値Ｘｔｈとしてもよい。この場合、燃料電池短絡処理において、一番最初のステップＳ４０の処理は、飛ばして、ステップＳ２０の処理にリターンする。

一方、制御回路４００は、電圧変化量ΔＸｆが、閾値Ｘｔｈ以上の場合（ステップＳ４０：Ｎｏ）には、燃料電池の電圧が大きく単調増加の傾向にあると判断し、燃料電池１００の短絡が異常であると判断（検知）する（ステップＳ６０）。

制御回路４００は、燃料電池１００の短絡が異常であると判断（検知）すると、ＲＡＭに記憶された異常検知フラグをＯＮにする（ステップＳ７０）。

そして、制御回路４００は、表示装置９９に燃料電池１００の短絡が異常である旨を表示（報知）する（ステップＳ８０）。

制御回路４００が、ステップＳ２０の処理で燃料電池電圧Ｖｆを検出してから、ステップＳ５０の処理後、再び、ステップＳ２０の処理に戻り燃料電池電圧Ｖｆを検出するまで時間ΔＴは、本実施例の燃料電池システム１０００の具体的な設計等に基づいて適宜決定される。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池短絡処理において、燃料電池電圧Ｖｆを検出し、燃料電池電圧Ｖｆに応じて、燃料電池１００の短絡が正常であるか、異常であるかを検知する制御回路４００を備えている。このようにすれば、燃料電池１００の短絡が異常であった場合に、そのまま放置されることを抑制することができ、燃料電池１００のカソード１２において、部分酸化反応が生じることを抑制することができる。その結果、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、通常発電終了後に行う燃料電池短絡処理において、燃料電池１００の短絡を開始してから、定期的に燃料電池電圧Ｖｆを検出し、電圧変化量ΔＸｆが、閾値Ｘｔｈ以上の場合に、燃料電池１００の短絡が異常であると判断するようにしている。このようにすれば、電圧変化量ΔＸｆの上昇に伴い、正確に燃料電池１００の短絡の異常を検知することができる。それに伴い、燃料電池１００の短絡が異常のまま放置されることを抑制することができ、燃料電池１００のカソード１２において、部分酸化反応が生じることを抑制することができる。その結果、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、制御回路４００は、燃料電池１００の短絡が異常であると判断した場合、すなわち、異常検知フラグがＯＮである場合には、表示装置９９に燃料電池１００の短絡が異常である旨を表示するようにしている。このようにすれば、燃料電池システム１０００の管理者は、燃料電池１００の短絡異常を素早く認知することができ、燃料電池１００の短絡異常を迅速に解決することができる。

本実施例において、短絡接続部６０および制御回路４００は、特許請求の範囲における短絡部に該当し、電圧センサ９０および制御回路４００は、特許請求の範囲における電圧測定部に該当し、制御回路４００は、特許請求の範囲における短絡検知部に該当し、表示装置９９は、特許請求の範囲における報知部に該当し、電圧変化量ΔＸｆは、特許請求の範囲における燃料電池電圧の変化量に該当し、閾値Ｘｔｈは、特許請求の範囲における第１閾値または第３閾値に該当する。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
第２実施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と同様の構成であり、同様の符号を付し、その説明を省略する。本実施例の燃料電池システムは、燃料電池システム１０００とは、処理の一部が若干異なる燃料電池短絡処理を行う。本実施例の燃料電池短絡処理は、第１実施例の燃料電池短絡処理と同様、燃料電池システムにおいて、通常発電終了後、すなわち、燃料電池１００への水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）の供給を停止させた後に実行される。本実施例の燃料電池短絡処理において、第１実施例の燃料電池短絡処理と同様の処理については、同様のステップ番号を付して、処理の説明を一部省略している。

Ｂ２．燃料電池短絡処理：
図４は、本実施例の燃料電池システム１０００が行う燃料電池短絡処理を示すフローチャートである。この燃料電池短絡処理は、燃料電池システムの外部から電力要求を受信するまで、言い換えれば、次回の燃料電池１００の通常発電運転開始まで継続して行われる。

制御回路４００は、ステップＳ２０の処理で、電圧センサ９０から燃料電池電圧Ｖｆを検出後、検出した燃料電池電圧Ｖｆが、閾値Ｖｔｈより小さいか否かを判断する（ステップＳ４０ａ）。閾値Ｖｔｈは、燃料電池システム１０００の具体的な設計等により適宜決定される。例えば、燃料電池短絡処理において、一番最初にステップＳ２０の処理で検出した燃料電池電圧Ｖｆを、閾値Ｖｔｈとしてもよい。この場合、燃料電池短絡処理において、一番最初のステップＳ４０ａの処理は、飛ばして、ステップＳ２０の処理にリターンする。

制御回路４００は、検出した燃料電池電圧Ｖｆが、閾値Ｖｔｈより小さい場合（ステップＳ４０ａ：Ｙｅｓ）には、燃料電池の電圧が正常に推移していると判断し、すなわち、燃料電池１００の短絡が正常であると判断（検知）する（ステップＳ５０）。制御回路４００は、燃料電池１００の短絡が正常であると判断後には、ステップＳ２０の処理にリターンする。

一方、制御回路４００は、検出した燃料電池電圧Ｖｆが、閾値Ｖｔｈ以上の場合（ステップＳ４０ａ：Ｎｏ）には、燃料電池の電圧が大きく増加し、燃料電池１００の短絡が異常であると判断（検知）する（ステップＳ６０）。

以上のように、本実施例の燃料電池システムでは、通常発電終了後に行う燃料電池短絡処理において、燃料電池１００の短絡を開始してから、定期的に燃料電池電圧Ｖｆを検出し、燃料電池電圧Ｖｆが、閾値Ｖｔｈ以上の場合に、燃料電池１００の短絡が異常であると判断するようにしている。このようにすれば、燃料電池電圧Ｖｆの上昇に伴い、正確に燃料電池１００の短絡の異常を検知することができる。それに伴い、燃料電池１００の短絡が異常のまま放置されることを抑制することができ、燃料電池１００のカソード１２において、部分酸化反応が生じることを抑制することができる。その結果、燃料電池１００の劣化を抑制することができる。

本実施例において、短絡接続部６０および制御回路４００は、特許請求の範囲における短絡部に該当し、電圧センサ９０および制御回路４００は、特許請求の範囲における電圧測定部に該当し、制御回路４００は、特許請求の範囲における短絡検知部に該当し、表示装置９９は、特許請求の範囲における報知部に該当し、閾値Ｖｔｈは、特許請求の範囲における第２閾値または第４閾値に該当する。

Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池１００の各ターミナル３４０を接続して、燃料電池１００（各燃料電池セル１０）を短絡するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、各燃料電池セル１０において、カソード側のセパレータ６とアノード側のセパレータ７とを短絡回路６０ａを介して接続することで短絡し、燃料電池１００（各燃料電池セル１０）を短絡するようにしてもよい。この場合、燃料電池短絡処理において、制御回路４００は、所定の燃料電池セル１０のセル電圧を検出し、単位時間あたりのセル電圧の変化量を示すセル電圧変化量を算出し、そのセル電圧変化量が、所定の閾値Ａより小さい場合には、燃料電池１００の短絡が正常であると判断し、セル電圧変化量が、上記閾値Ａ以上の場合には、燃料電池１００の短絡が異常であると判断するようにしてもよい。また、燃料電池短絡処理において、制御回路４００は、所定の燃料電池セル１０のセル電圧を検出し、そのセル電圧が、所定の閾値Ｂより小さい場合には、燃料電池１００の短絡が正常であると判断し、セル電圧が、上記閾値Ｂ以上の場合には、燃料電池１００の短絡が異常であると判断するようにしてもよい。以上のようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

また、複数の燃料電池セル１０を１組（以下では、セル群とも呼ぶ）として、そのセル群における一端の燃料電池セルにおけるセパレータと、他端の燃料電池セルにおけるセパレータとを短絡回路６０ａを介して接続し、燃料電池１００を短絡するようにしてもよい。この場合、燃料電池短絡処理において、制御回路４００は、所定のセル群のセル群電圧を検出し、単位時間あたりのセル群電圧の変化量を示すセル群電圧変化量を算出し、そのセル群電圧変化量が、所定の閾値Ｃより小さい場合には、燃料電池１００の短絡が正常であると判断し、セル群電圧変化量が、上記閾値Ｃ以上の場合には、燃料電池１００の短絡が異常であると判断するようにしてもよい。また、燃料電池短絡処理において、制御回路４００は、所定のセル群のセル群電圧を検出し、そのセル群電圧が、所定の閾値Ｄより小さい場合には、燃料電池１００の短絡が正常であると判断し、セル群電圧が、上記閾値Ｄ以上の場合には、燃料電池１００の短絡が異常であると判断するようにしてもよい。以上のようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、燃料電池１００として、固体高分子型燃料電池を用いているが、本発明は、これに限られるものではなく、固体酸化物型燃料電池電解質型や溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例のアノード側において、水素供給流路２２と水素排出流路２４とを循環流路で接続し、その循環流路上に循環ポンプを設けて、燃料電池１００から排出される水素を、循環させる構成としてもよい。

Ｃ４．変形例４：
燃料ガスとして、水素を、酸化ガスとして、空気を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料ガスとして、改質ガスを用いてもよい。また、酸化ガスとして、空気を含んだガスであればよく、例えば、空気と酸素との混合ガスを用いても良い。

Ｃ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池システムでは、通常発電終了後、すなわち、燃料電池１００への水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）の供給を停止させた後、燃料電池短絡処理開始までの間は、燃料電池１００と電気的負荷５００とが接続された状態としているが、本発明は、これに限られるものではない。燃料電池システム１０００において、通常発電終了時、すなわち、燃料電池１００への水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）の供給を停止させる際に、燃料電池１００と電気的負荷５００との接続を遮断するようにしてもよい。この場合、短絡接続部６０の短絡回路６０ａは、ある程度抵抗値が高い回路を用いる。

Ｃ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１０を備えているが、本発明はこれに限られるものではなく、１つの燃料電池セル１０から構成されていてもよい。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。 燃料電池セル１０の概略構成を表わす断面模式図である。 第１実施例の燃料電池システム１０００が行う燃料電池短絡処理を示すフローチャートである。 第２実施例の燃料電池システム１０００が行う燃料電池短絡処理を示すフローチャートである。

符号の説明

５…ＭＥＡ
６，７…セパレータ
１０…燃料電池セル
１１…電解質膜
１２…カソード
１３…アノード
１４，１５…第１ガス拡散層
１６，１７…第２ガス拡散層
１８…セル内空気流路
１９…セル内水素流路
２０…水素タンク
２２…水素供給流路
２４…水素排出流路
２６…アノード流路
３０…コンプレッサ
３２…空気供給流路
３４…空気排出流路
３６…カソード流路
４０…水素遮断弁
５０…可変調圧弁
６０…短絡接続部
６０ａ…短絡回路
９０…電圧センサ
９９…表示装置
１００…燃料電池
３００…エンドプレート
３３０…インシュレータ
３４０…ターミナル
４００…制御回路
５００…電気的負荷
１０００…燃料電池システム
Ｖｆ…燃料電池電圧
ΔＸｆ…電圧変化量

Claims (9)

1. 燃料電池システムであって、
   アノード、カソード、および、電解質膜を含む燃料電池セルを１つ以上備える燃料電池と、
   前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の短絡を行う短絡部と、
   前記短絡部によって短絡された前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部によって測定された燃料電池電圧の増加量に基づき、前記短絡部により前記燃料電池が正常に短絡されているか否かを検知する短絡検知部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記短絡検知部は、
   前記短絡部が前記燃料電池の短絡を行ってから、単位時間あたりの前記燃料電池電圧の増加量が第１閾値より高くなった場合に、前記短絡部により前記燃料電池が正常に短絡されていないと検知することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記短絡検知部は、
   前記短絡部が前記燃料電池の短絡を行ってから、前記燃料電池電圧が、第２閾値より高くなった場合に、前記短絡部により前記燃料電池が正常に短絡されていないと検知することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記短絡検知部が、前記短絡部により前記燃料電池が正常に短絡されていないと検知した場合に、前記燃料電池の短絡異常を報知する報知部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、
   複数の燃料電池セルを備え、
   前記短絡部は、
   前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、各燃料電池セルの短絡を行い、
   前記電圧測定部は、
   前記短絡部によって短絡された各燃料電池セルのうち、所定の燃料電池セルの電圧を測定し、
   前記短絡検知部は、
   前記電圧測定部によって測定された燃料電池セル電圧に応じて、前記短絡部により前記燃料電池が正常に短絡されているか否かを検知することを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の通常発電終了時において、前記燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、前記燃料電池の短絡を行う短絡工程と、
   短絡された前記燃料電池の電圧を測定する測定工程と、
   測定された燃料電池電圧の増加量に基づき、前記短絡工程により前記燃料電池が正常に短絡されているか否かを検知する検知工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記検知工程は、
   前記燃料電池の短絡を行ってから、単位時間あたりの前記燃料電池電圧の増加量が第３閾値より高くなった場合に、前記短絡工程により前記燃料電池が正常に短絡されていないと検知する工程を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記検知工程は、
   前記燃料電池の短絡を行ってから、前記燃料電池電圧が、第４閾値より高くなった場合に、前記短絡工程により前記燃料電池が正常に短絡されていないと検知する工程を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記短絡工程により前記燃料電池が正常に短絡されていないと検知した場合に、前記燃料電池の短絡異常を報知する工程を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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