(57)【要約】【課題】長期にわたり燃料電池スタック内部の酸素分圧の上昇を抑制して触媒の劣化を抑えることができ、発電停止時や停止保管時に伴う燃料電池性能の低下を確実に防止可能である燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】水素と酸素によって発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に接続された固定抵抗２０と、燃料電池スタック１へパージガスを供給するパージガス供給装置４と、燃料電池スタック１に取り付けた電圧計４７と、システムの運転を制御するシステム制御装置３０を備えている。システム制御装置３０は、電圧計４７の計測結果に基づいて空気リークインを検知すると共に、接続状態にある固定抵抗２０の解除及び酸素パージによるリークイン解消処理を行うようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備え、前記単電池には電解質を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスをそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
任意数の前記単電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
燃料電池発電システムにおける所定の発電停止操作完了後、前記電圧計測手段の計測した電圧または当該電圧の単位時間当たりの変化量が所定値を超えた場合、前記燃料電池スタックへの空気リークインを検出するリークイン検出手段と、
前記リークイン検出手段が前記燃料電池スタックへの空気リークインを検出した場合、当該空気リークインの解消処理を行うリークイン解消処理手段、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記電圧計測手段として、任意数の前記単電池からなる単電池ブロックの電圧を計測するブロック電圧計測手段と、異なる複数の前記単電池ブロックからその電圧値を取り入れて前記単電池ブロック間の電圧差を求める差分算出手段、を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記リークイン検出手段が前記空気リークインを検出した時、前記リークイン解消処理手段は、前記燃料電池発電システムに発電開始指令を与えて前記燃料極に燃料ガスを供給するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記リークイン検出手段が前記空気リークインを検出した時、前記リークイン解消処理手段は、前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方に、水素含有ガスを供給するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記リークイン検出手段が前記空気リークインを検出した時、前記リークイン解消処理手段は、前記燃料極及び前記酸化剤極の少なくとも一方に、不活性ガスを供給するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
発電停止時又は発電停止過程中に前記燃料電池スタックに対し固定負荷を接続することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
単電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備え、前記単電池には電解質を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置し、前記燃料極に燃料ガスを、前記酸化剤極に酸化剤ガスをそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
発電停止時又は発電停止過程中に前記燃料電池スタックに接続する固定負荷と、
前記固定負荷の電流値を測定する電流測定手段と、
発電停止操作完了後に前記電流測定手段の測定した前記固定負荷の電流値または当該電流値の単位時間当たりの変化量が所定値を超えた場合、前記燃料電池スタックへの空気リークインを検出するリークイン検出手段と、
前記リークイン検出手段が空気リークインを検出した時、前記燃料電池スタックに接続中の前記固定負荷を前記燃料電池スタックから開放することで空気リークインの解消処理を行うリークイン解消処理手段、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料極に連通する水素保持可能な空間の容積が、前記酸化剤極に連通する水素保持可能な空間の容積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システムの発電停止時にその停止状態を最適に保つようにした燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムとは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を供給して電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して、電気エネルギーを外部へ取り出す発電装置である。燃料電池発電システムの特徴は、比較的小型でありながら、発電効率が高く、しかも環境性に優れている点にある。また、燃料電池は発電に伴って発熱するので、熱エネルギーを温水や蒸気として回収することができる。そのため、燃料電池発電システムは、コージェネレーションシステムとして利用されている。
【０００３】
ところで、燃料電池は電解質の違い等により様々なタイプに分類されている。例えば、電解質に固体高分子電解質膜を用いたものとして、固体高分子形燃料電池がある。固体高分子形燃料電池は、動作温度が低いことや出力密度が高い等、環境調和性に優れているといった長所を有している。
【０００４】
これらの長所を持つ固体高分子形燃料電池は、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適している。一般家庭用や電気自動車用の燃料電池は、環境調和が求められる近年、その需要が高くなっている。
【０００５】
したがって、固体高分子形燃料電池を組み込んだ燃料電池発電システムは、市場規模の急激な拡大が予想されている。固体高分子形燃料電池発電システムは、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムを例にとると、改質装置と、電気制御装置と、燃料電池スタックと、熱利用系等とから構成されている。
【０００６】
このうち、改質装置は、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素リッチな水素含有ガスを製造する装置である。電気制御装置は、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給制御する装置である。燃料電池スタックは、発電システムの主要部であって、単電池を複数積層して構成される。
【０００７】
単電池は燃料極及び酸化剤極を備えている。燃料極には改質装置で製造された燃料として水素含有ガスを、酸化剤極には酸化剤として大気中の空気を、それぞれ供給し、電気化学反応により電力が発生する。また、燃料電池スタックでは発電と同時に発熱する。そこで、熱利用系により、燃料電池スタックで発生した熱エネルギーを回収する。以上のような燃料電池発電システムにおいては、優れた発電効率を維持することが重要である。
【０００８】
しかし、燃料電池スタックは運転に伴う様々な要因により経時的に電圧が低下することが知られている。そこで、燃料電池発電システムにおける良好な発電効率の維持を図るべく、燃料電池スタックの経時的な電圧低下を抑制することが求められている。
【０００９】
さらに、起動と停止を繰り返して運用する一般家庭用の燃料電池発電システムでは、起動停止時や停止状態にある燃料電池の性能低下を防ぐことも重要である。燃料電池発電システムにおいて、燃料電池スタックの電圧低下要因の１つとして、システム停止時の燃料電池スタックへの空気リークインがある。空気リークインとは、燃料電池発電システムの発電停止時に燃料電池スタック内部のガスが外部空気と置換される現象であって、起動と停止を繰り返して運用する一般家庭用の燃料電池発電システムでは、停止期間中の空気リークインを抑えることが重要である。
【００１０】
空気リークインは次のようにして発生する。すなわち、燃料電池発電システムが発電停止した場合、燃料電池スタック全体の温度が下がり、水蒸気が結露して燃料極及び酸化剤極の圧力が共に低下する。このため、燃料極及び酸化剤極に外部から空気が混入する。
【００１１】
このような空気リークインが起きて燃料極及び酸化剤極に外部空気が混入すると、空気中の酸素が、燃料電池スタック内部の水素を消費し、燃料極及び酸化剤極の酸素分圧が上昇する。この状態で、燃料電池発電システムを再起動した場合、燃料極に水素含有ガスを供給することになるが、この時、燃料極及び酸化剤極には酸素が存在している。
【００１２】
つまり、燃料極に水素含有ガスが供給されると、燃料極に酸素が存在している位置に対向する酸化剤極では電解質電位に対して１．４Ｖ程度まで電位が上昇する。そのため、酸化剤極の触媒を代表とする電極材料には局所的に深刻な腐食が生じ、触媒活性が著しく低下する。これにより、燃料電池特性が落ちて燃料電池スタックの電圧低下を引き起こし、燃料電池発電システムの発電効率が低減した。
【００１３】
このように空気リークインは、燃料電池スタックの電圧低下を促進させる要因となっている。そこで従来から、空気リークインを防ぐ技術が提案されている。具体的には、発電停止状態の燃料電池スタックを密封する方法が採られている。
【００１４】
しかし、いかに厳重に燃料電池スタックを密封したとしても、シール材の経年劣化やシール機能の限界等の問題から、微量の空気が徐々に燃料電池スタック内部に侵入する可能性は否めない。そこで特許文献１では、燃料電池発電システムの停止時に、燃料極に存在する酸素をパージして燃料極の酸素分圧を低減させている。
【００１５】
また、酸化剤極についても、これを酸素雰囲気に保持すると、酸化剤極の高電位保持に起因する触媒のシンタリングや、燃料極への酸素透過による電解質膜の劣化等が生じる。そのため、酸化剤極も酸素分圧を下げて還元雰囲気にしておくことが好ましい。酸化剤極の酸素分圧を低減する方法としては、特許文献２の技術のように、発電停止時に窒素パージ等により酸化剤極の酸素分圧を低減させる方法が広く採用されている。
【００１６】
また、特許文献３は、空気リークインによって消費される燃料電池スタック内部の水素を補充するようにした技術である。特許文献３では、発電停止中の燃料電池スタック内部に対し、水素供給源から水素を定期的に供給している。これにより、発電停止状態にある燃料電池発電システムにおいて、リークインした空気が燃料電池スタック内部の水素を消費したとしても、水素の補充により燃料電池スタック内部の水素が完全に無くなることを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００３−２９７３９９号公報
【特許文献２】特開２００４−６１６６号公報
【特許文献３】特開２００６−１４７２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上述した特許文献１〜３記載の技術では、次のような課題が指摘されている。すなわち、従来技術においては、燃料電池スタックへの空気リークインの発生タイミングや、外部からの侵入した空気量を、正確に捉えていない。したがって、空気リークイン対策であるパージ処理のタイミングや回数、あるいは燃料電池スタックへ水素を供給する場合にはその水素量をミニマム化することができなかった。
【００１９】
そのため、燃料電池スタックにて空気リークインが未発生であるにもかかわらず、パージ処理を実施する、あるいは燃料電池スタックに水素を供給することがあった。この場合、パージ処理は無駄となり、水素は過剰供給となった。したがって、経済的メリットを最大限引き出すことができなかった。
【００２０】
一方、燃料電池スタックに対して多量の空気リークインが起きているにもかかわらず、パージ処理が足りない場合あるいは燃料電池スタックへの水素供給が少ないことがあった。この場合には、前述した通り、発電システムの再起動に際して、燃料極に水素含有ガスが供給される段階で燃料極及び酸化剤極に酸素が存在することになる。その結果、酸化剤極において深刻な腐食が生じ、触媒活性が著しく低下してしまう。
【００２１】
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、空気リークインの発生を的確に把握してそれに対処することにより、長期にわたり燃料電池スタック内部の酸素分圧の上昇を抑制して触媒の劣化を抑えることができ、発電停止時や停止保管時に伴う燃料電池性能の低下を確実に防止可能である燃料電池発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の目的を達成するために、本発明は、単電池を複数積層してなる燃料電池スタックを備え、前記単電池には電解質を挟んで燃料極及び酸化剤極を配置し、前記燃料極に燃料を、前記酸化剤極に酸化剤をそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池発電システムにおいて、任意数の前記単電池の電圧を計測する電圧計測手段と、燃料電池発電システムにおける所定の発電停止操作完了後、前記電圧計測手段の計測した電圧または当該電圧の単位時間当たりの変化量が所定値を超えた場合、前記燃料電池スタックへの空気リークインを検出するリークイン検出手段と、前記リークイン検出手段が前記燃料電池スタックへの空気リークインを検出した場合、当該空気リークインの解消処理を行うリークイン解消処理手段、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池スタックに対する空気リークインの発生を的確に検出するため、パージ処理や水素供給といった空気リークイン対策を適切に実施してユーザーの経済的メリットを確保すると共に、長期にわたり燃料電池スタック内部の酸素分圧上昇を抑制して触媒の劣化を防ぎ、発電停止時や停止保管時に伴う燃料電池性能の低下を確実に防止可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態における燃料電池の単電池の断面概略図。
【図３】第１の実施形態における燃料電池スタックの断面概略図。
【図４】第１の実施形態の操作手順を示すフローチャート。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の構成を示すブロック図。
【図６】第２の実施形態の操作手順を示すフローチャート。
【図７】本発明に係る第３の実施形態の構成を示すブロック図。
【図８】第３の実施形態における発電停止時の操作手順を示すフローチャート。
【図９】第３の実施形態における発電停止保管時の操作手順を示すフローチャート。
【図１０】第３の実施形態における発電停止時の動作を示すタイミングチャート。
【図１１】第３の実施形態における発電停止保管時の動作を示すタイミングチャート。
【図１２】第３の実施形態における発電起動時の動作を示すタイミングチャート。
【図１３】燃料電池スタックの停止保管中の酸素侵入に起因する半電池電圧差の時間変化の一例を示した図。
【図１４】本発明に係る第４の実施形態の構成を示すブロック図。
【図１５】第４の実施形態における発電停止保管時の操作手順を示すフローチャート。
【図１６】第４の実施形態における発電停止保管時の動作を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態で、同一または類似の構成部分に関しては共通の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２６】
（１）第１の実施形態
図１を用いて第１の実施形態を説明する。図１は本発明による第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図２は燃料電池スタックの構成要素である単電池の断面図、図３は燃料電池スタックの断面概略図である。
【００２７】
［構成］
第１の実施形態の燃料電池発電システムは、単電池を複数積層して構成される燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１へ酸化剤ガスとして空気を供給する酸化剤ガス供給装置２と、燃料電池スタック１へ燃料ガスとして水素含有ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、燃料電池スタック１へパージ用の不活性ガスを供給するパージガス供給装置４を備える。
【００２８】
酸化剤ガス供給装置２は空気ブロワなどからなる。また、パージガス供給装置４は、パージガスボンベ４ａ、パージガスバルブＶ５、パージガスブロア４ｂにより構成される。なお、図示しないが、燃料ガス供給装置３には燃料ガスの改質を行う改質装置が接続されている。
【００２９】
パージガス供給装置４及び燃料ガス供給装置３は、入口バルブＶ２が設けられた燃料ガス供給流路５を介して、燃料電池スタック１にパージガス及び燃料ガスを供給する。酸化剤ガス供給装置２は、入口バルブＶ１が設けられた酸化剤ガス供給流路６を介して、燃料電池スタック１に酸化剤である空気を供給する。また、燃料電池スタック１は、出口バルブＶ３を備えた燃料ガス排出流路７から燃料ガスを排出し、出口バルブＶ４を備えた酸化剤ガス排出流路８から酸化剤を排出する。
【００３０】
図２に示すように、燃料電池スタック１の構成要素である単電池には、膜電極複合体１５が設けられている。膜電極複合体１５は、燃料極１２と、酸化剤極１４と、これらの電極１２、１４に挟持された固体高分子電解質膜１６が一体的に構成されたものである。燃料極１２には燃料ガス流路１１が、酸化剤極１４には酸化剤ガス流路１３が、それぞれ形成されている。
【００３１】
このうち、燃料ガス流路１１の上流側には燃料ガス供給流路５が接続され、燃料ガス流路１１の下流側には燃料ガス排出流路７が接続されている。また、酸化剤流路１３の上流側には酸化剤ガス供給流路６が接続され、酸化剤流路１３の下流側には酸化剤ガス排出流路８が接続されている（流路５〜８は図１に図示）。
【００３２】
また、燃料電池スタック１には外部負荷９が接続され、燃料電池スタック１により発生した電力を消費する。例えば、この燃料電池発電システムが車両に搭載された場合には、外部負荷９が電動モータ等に該当する。また、燃料電池スタック１の燃料極１２及び酸化剤極１４には、固定抵抗スイッチ２１を備えた固定抵抗２０が接続されている。
【００３３】
固定抵抗スイッチ２１は、燃料電池スタック１の燃料極１２及び酸化剤極１４に対する固定抵抗２０の接続と開放を行なうものである。固定抵抗２０は、発電を停止した燃料電池スタック１において空気リークインにより起電力が発生した場合に、発生した起電力を固定抵抗２０に接続することにより、酸素を消費させ、電位の上昇を抑制するものである。
【００３４】
図３に示すように、燃料電池スタック１は、その両端部に電気良導体である黒鉛もしくはＳＵＳ等の端板４０、４１を備え、この端板４０、４１には、外側端子４２、４３を設けている。また、燃料電池スタック１の積層方向の中央近辺の箇所には、中間端子４４を備える。前記外側端子４２、４３の間の外側端子電位差４５と外側端子４３と中間端子４４との中間電位差４６を計測する電圧計４７、４８を備える。
【００３５】
更に、本実施形態に係る燃料電池発電システムは、その運転を制御するシステム制御装置３０を備える。このシステム制御装置３０は、本燃料電池発電システムにおける前記電圧計４７、４８やその他のセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、燃料電池スタック１、外部負荷９、酸化剤ガス供給装置２、燃料ガス供給装置３を含むこの燃料電池発電システムの各構成要素に指令を送る。
【００３６】
また、システム制御装置３０は、空気リークインの検知処理と、固定抵抗２０の解除及び酸素パージによるリークイン解消処理を含む、燃料電池発電システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理する。さらに、このシステム制御装置３０は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの発電停止操作完了後において、燃料電池スタック１の電圧を監視する手段としても機能する。
【００３７】
また、システム制御装置３０には記録装置３１が接続されている。記録装置３１はシステム制御装置３０の動作を記録する部分である。例えば、記録装置３１は、発電停止期間中に燃料電池スタック１の電圧の絶対値が０Ｖ付近の規定値よりも大きな値を示したかどうかを記憶する。
【００３８】
［作用］
第１の実施形態の作用について、図４のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ３０において、本実施形態に係る燃料電池発電システムが発電状態から発電停止動作に移行すると、酸化剤ガス供給装置２を停止し、酸化剤極１４の入口バルブＶ１及び出口バルブＶ４を閉止する。ただし、燃料ガス供給装置３は燃料電池スタック１への燃料ガスの供給を継続している。
【００３９】
そして、ステップＳ３１において、固定抵抗スイッチ２１を投入することにより固定抵抗２０に接続して、酸化剤ガス流路１３に残留した酸素を消費し、燃料電池スタック１で発生する起電力を低下させる。すなわち、発電停止動作後も、固定抵抗２０の接続により酸素が十分に消費されて、単電池電圧は低下し、酸素が十分に消費されたと考えられる０Ｖ付近まで低下する。
【００４０】
このとき、燃料電池スタック１を構成する各単電池において、固体高分子電解質膜１６のガス透過量が異なるので、当然ながら単電池電圧の低下速度は単電池ごとに異なる。したがって、半電池電圧差は多少の変動をする。この半電池電圧差は、中間電位差４６から外側端子電位差４５の半分の値を引き算することによって求めることができる。
【００４１】
酸素が十分に消費されたと考えられる規定値まで外側端子電位差４５が低下した時点で発電停止操作が完了する（ステップＳ３２）。これにより発電停止期間に移行する。発電停止期間中には常時、半電池電圧差ΔＶを計測する。この時の単電池電圧は、空気のリークインがない場合には、０Ｖ付近から大きな変化をすることは無い。
【００４２】
そこでステップＳ３３では、このような半電池電圧差の変化の有無によって、空気のリークインの有無を判定する。すなわち、発電停止期間中に、半電池電圧差の絶対値|ΔＶ|が０Ｖ付近の規定値Ｖｃよりも小さな値を示し続けたときは、空気のリークインがないと判定する（ステップＳ３３のＹＥＳ）。
【００４３】
空気のリークインがなければ、燃料極１２には酸素が混入していないので、燃料ガス流路１１に燃料ガスを供給しても酸化剤極１４に使用されているカーボン材料の深刻な腐食は生じない。よって、燃料極１２内に燃料ガスを供給しても問題ないと判定し、ステップＳ３６へ移行する。ステップＳ３６では発電指令の有無を判定し、発電指令があった場合（ステップＳ３６のＹＥＳ）、発電起動に移行して燃料電池の起動を開始する（ステップＳ３７へ）。
【００４４】
一方、発電停止期間中に半電池電圧差の絶対値が０Ｖ付近のあらかじめ定めた規定値よりも大きな値を示した時は、空気のリークインが有ると判定し（ステップＳ３３のＮＯ）、ステップＳ３４に移行して固定抵抗スイッチ２１を開放して、固定抵抗２０の接続を解除する。
【００４５】
空気リークインが起こっていると判定された燃料極１２には酸素が混入しているので、燃料ガス流路１１に燃料ガスを供給すると、酸化剤極１４の内、燃料極で酸素が残存している箇所に対向する部分では、電解質に対する電位が１．４Ｖ程度まで上昇し、カーボン材料の深刻な腐食が生じてしまう。そこで、このような酸化剤極における深刻な腐食を防止するため、ステップＳ３５に移行して燃料ガス流路１１内の酸素をパージする。
【００４６】
すなわち、燃料ガス流路１１に燃料ガスを供給する前に、パージガスバルブＶ５を開いてパージガス供給装置４からパージガスを燃料ガス流路１１に流して混入した酸素をパージしておき、その後、ステップＳ３１に戻る。
【００４７】
発電指令を受けて燃料電池発電システムが発電起動に移行すると、ステップＳ３７では、燃料極１２の入口バルブＶ２及び出口バルブＶ３を開いて燃料ガス供給装置３が燃料極ガス流路１１への燃料ガス供給を開始する。また、ステップＳ３８では燃料ガスの供給開始後に固定抵抗スイッチ２１を開放して固定抵抗２０の接続を解除する。
【００４８】
さらには、燃料ガス供給装置３が燃料ガス流路１１内に燃料ガスを供給した後、酸化剤極１４の入口バルブＶ１及び出口バルブＶ４を開いて、酸化剤ガス供給装置２が酸化剤流路１３へ酸化剤ガスである空気を供給する（ステップＳ３９）。そして、ステップＳ４０では外部負荷９を接続し、発電起動操作が完了する（ステップＳ４１）。
【００４９】
［効果］
以上のような第１の実施形態の効果について説明する。発電停止期間中に燃料電池スタック１内に空気がリークインしていない場合、酸素が十分に消費されているので、単電池電圧は低下し、半電池電圧差も０Ｖ付近まで低下する。一方、発電停止期間中に空気がリークインしている場合には、半電池電圧差の絶対値が０Ｖ付近の規定値よりも大きな値をとる。
【００５０】
第１の実施形態では、この空気がリークインしているときに大きくなる半電池電圧差の絶対値を検出することにより、空気のリークインの有無を検出することができる。この空気のリークインを検知したときにのみ、パージを行なうことによって、パージの回数を減らすことができる。したがって、パージによる起動時の消費電力増大、処理時間の増大を低減することができる。
【００５１】
また、発電停止動作中に固定抵抗２０を燃料電池スタック１に接続することにより、発電時と同様に、燃料極１２では水素酸化反応が、酸化剤極１４では酸素還元反応が、それぞれ生じる（数式１）。このため、徐々に酸化剤極１４における酸素分圧が低下し、酸化剤極１４の電位が低下する。次に、酸化剤極の電位低下に伴い、燃料極１２と酸化剤極１４の水素濃度差により起電力を打ち消すように固定抵抗２０に電流が流れる。これにともない、燃料極１２にある水素は電解質を介して酸化剤極１４へ移動する（数式２）。
【００５２】
2010192422.tif 000003
【００５３】
このように、固定抵抗２０を接続することによって、発電中に酸化剤極１４に供給された酸素を消費して酸化剤極１４の電位を低下させる効果と、濃淡電池の現象を利用することにより、酸化剤極１４においても水素封入が可能となる。これにより、空気リークインが生じた場合に、水素との直接反応によって、酸素を消費させることができる。したがって、空気リークインによる電位上昇を防ぐことができる。そのため、高電位保持による、白金触媒の溶出と凝集、電解質の劣化を防ぐことができる。
【００５４】
しかし、燃料電池スタック１への空気のリークインが起こった場合には、固定抵抗２０に接続しているために、全ての単電池に同じ電流が流れる。つまり、全ての単電池に対して同じプロトン量が要求される。しかし、一部の単電池においては、リークインした空気によって燃料極１２の水素が消費されており、燃料極１２における水素残存量にバラツキが生じている。
【００５５】
このため、水素欠乏が生じた単電池では、濃淡電池の現象にともなうプロトンの供給に際し、電極が酸化して劣化する。したがって、空気のリークインを検知した場合に、燃料電池スタック１に対する固定抵抗２０の接続を解除することは有効である。
【００５６】
なお、発電停止期間中における空気のリークインにより燃料極１２へ酸素が混入した時に、燃料極１２に水素を含む燃料ガスを供給すると、酸化剤極１４の電極材料の腐食により、燃料電池の特性が低下する。そのため、本実施形態のように、発電停止中に前記燃料電池スタック１への酸素のリークインを検知した場合、不活性ガスなどを用いて燃料ガス流路１１の酸素を排出することは有効である。なお、パージするためのガスとしては、不活性ガスだけでなく、水素や酸素を含まないガスであれば、他のガスも利用することができる。
【００５７】
（２）第２の実施形態
［構成］
続いて、本発明に係る第２の実施形態について、図５の構成図を用いて説明する。第２の実施形態は、上記第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成より、パージガス供給装置４を省き、且つ空気リークインを検出した場合に燃料電池発電システムに発電起動指令を与えるように構成した点を特徴としている。
【００５８】
［作用］
第２の実施形態の作用について、図６のフローチャートを用いて説明する。ここでは、上記第１の実施形態と第２の実施形態の違いを中心に述べる。ステップＳ９０において、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムが発電停止動作に移行する。
【００５９】
ステップＳ９２において、発電停止期間中に、半電池電圧差の絶対値|ΔＶ|が０Ｖ付近の予め定めた規定値Ｖｃよりも小さな値を示し続けたときは、燃料電池発電システムに起動指令を与えない限り、ステップＳ９４のように発電停止を継続する。
【００６０】
一方、発電停止期間中に半電池電圧差の絶対値が０Ｖ付近の規定値Ｖｃよりも大きな値を示した時はステップＳ９３に移行して、この値の入力を受信した制御装置３０が自動的に燃料電池発電システムに発電起動指令を与え、燃料電池発電システムの起動を開始する。
【００６１】
［効果］
以上のような第２の実施形態の効果について説明する。発電停止中に前記燃料電池スタック１への酸素のリークインを検知した場合、すぐに燃料電池発電システムを起動させて発電に移行することにより、水素によって消費されずに燃料電池スタック１に残存する空気量を限りなく低減させることができる。
【００６２】
そのため、リークインした空気中の酸素を、パージすることなく、燃料ガスを燃料極１２に供給したとき、酸化剤極１４の触媒を代表とするカーボン材料の腐食に起因する燃料電池の特性低下量を限りなく低減させることができる。したがって、空気リークインによって混入した酸素のパージを行う必要性が無くなり、パージのための機器を省略することができる。これにより、パージによる起動時の消費電力増大、処理時間の増大を抑えることができる。
【００６３】
（３）第３の実施形態
続いて、本発明を適用した第３の実施形態について、図７〜図１４を参照して具体的に説明する。図７は第３の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。図７において、各部間を接続する実線はガス配管の結線図、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。また、上記実施形態と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【００６４】
［全体構成］
第３の実施形態は、燃料電池スタック１と、酸化剤ガス供給装置２と、燃料ガス供給装置３と、電気制御装置３３と、各構成部を制御するシステム制御装置１００から構成されている。
【００６５】
図７に示す燃料電池スタック１は、図面を簡略化する観点から、固体高分子電解質膜１６を挟んで対向配置した、一対の燃料極１２と酸化剤極１４から構成されているように示されている。しかし実際の燃料電池スタック１は、燃料極１２、酸化剤極１４及び固体高分子電解質膜１６からなる単電池が複数積層して構成されている。
【００６６】
電気制御装置３３は、燃料電池スタック１から起電力を取り出す部分であり、外部負荷９及び固定抵抗２０に択一的に接続される。このため、電気制御装置３３は、外部負荷９と接続する負荷運転モードと、固定抵抗２０と接続する固定抵抗モードという２つの運転モードに、切り替え可能に構成されている。
【００６７】
［システム制御装置］
システム制御装置１００は、燃料電池発電システムを運用するための基本的なプログラムに加えて、当該発電システムの停止保管用に特化したプログラムを記憶させたマイコンによって実現される。
【００６８】
このシステム制御装置１００からの制御指令（図７中の二点鎖線）により、電気制御装置３３における負荷運転モードと固定抵抗モードとのモード切り替えが制御される。また、システム制御装置１００からの制御指令（図７中の二点鎖線）により、酸化剤ガス供給装置２や燃料ガス供給装置３の起動及び停止、４つのバルブＶ１〜Ｖ４の開閉が制御される。
【００６９】
システム制御装置１００の内部には、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、入出力部１０３、ディレイタイマー１０４が設けられている。ＣＰＵ１０１は、動作のシーケンスプログラムを予め記憶保存したメモリ１０２からシーケンスプログラムを読み出し、それに基づいて入出力部１０３を経由し、バルブＶ１〜Ｖ４の開閉、酸化剤ガス供給装置２及び燃料ガス供給装置３の出力制御、電気制御装置３３の運転モード切り替え等の制御指令（図７中の二点鎖線）を出すように構成されている。
【００７０】
［構成上の特徴］
第３の実施形態における構成上の特徴は、燃料電池スタック１に取り付けた電圧計４７と、上記電圧計４７の計測値を受け取るシステム制御装置１００にある。なお、燃料電池スタック１に対する電圧計４７の取付構成は、図３にて示した第１の実施形態と同様である。
【００７１】
電圧計４７は、任意数の単電池からなる単電池ブロックの電圧を計測するブロック電圧計である。この電圧計４７は、複数のブロック電圧間の差分である半電池電圧差を計測するものであり、その計測値を上記システム制御装置１００に伝送する構成になっている。
【００７２】
システム制御装置１００は、上記電圧計４７の計測値を発電停止中にも取り込むようになっており、当該計測値が所定値を超えた場合に、燃料電池スタック１への空気リークインを検出するように構成されている。また、システム制御装置１００は、前記空気リークインを検出した際、燃料ガス供給装置３を起動させて、測燃料電池スタック１へ水素含有ガスを供給するように構成されている。さらに、システム制御装置１００は、燃料電池スタック１へ水素含有ガスを供給する水素供給継続時間についても、制御するようになっている。
【００７３】
［発電停止時の操作手順］
続いて、図８のフローチャートを用いて、第３の実施形態における発電停止時の操作手順について説明する。
【００７４】
ユーザー操作や学習機能等による自動制御に基づいて、発電中の燃料電池発電システムに対し発電停止指令がなされた場合には、操作システム制御装置１００は制御指令を出して、酸化剤ガス供給装置２は酸化剤極１４への空気供給を停止する（ステップＳ１０１）。
【００７５】
また、酸化剤ガス供給流路６に設けた入口バルブＶ１は閉止する（ステップＳ１０２）。さらに、電気制御装置３３を固定抵抗２０に接続する固定抵抗モードに切り替える（ステップＳ１０３）。これにより、燃料電池スタック１は外部負荷９から外れ、代わって固定抵抗２０に接続される。
【００７６】
したがって、燃料電池スタック１で発生した電力を固定抵抗２０で消費することになり、酸化剤極１４に存在していた残留酸素が消費される。この結果、酸化剤極１４の電位が燃料極１２の電位である水素基準電位近傍まで低下し、燃料電池スタック１の平均単電池電圧が徐々に低下していく。
【００７７】
そして、システム制御装置１００において、燃料極１２を基準とした単電池電圧Ｖｏが０．１Ｖまで低下したと判定した時点で（ステップＳ１０４のＹｅｓ）、システム制御装置１００からの制御指令を受け、酸化剤ガス排出流路８に設けた出口バルブＶ４は、閉止状態となる（ステップＳ１０５）。
【００７８】
酸化剤極１４の出口バルブＶ４を閉止した時点でディレイタイマー１０４が動作を開始する。ディレイタイマー１０４の計測時間がＴｈ秒（一例として３０秒とする）を経過した時（ステップＳ１０６のＹｅｓ）、燃料ガス供給装置３から燃料極１２への水素含有ガスの供給を停止する（ステップＳ１０７）。
【００７９】
これと同時に、システム制御装置１００からの制御指令を受けて、燃料ガス供給流路５の入口バルブＶ２及び燃料ガス排出流路７の出口バルブＶ３がそれぞれ閉止する（ステップＳ１０８）。このようにして燃料電池スタック１を密封する。以上のような発電停止操作の結果、燃料電池発電システムは水素雰囲気で停止保管状態となる。
【００８０】
［発電停止保管時の操作手順］
次に、第３の実施形態を発電停止させた後の、システム発電停止保管時の操作手順について述べる（図９のフローチャート参照）。以下の操作に基づいたシステムの停止保管方法は空気リークイン対策に効果を発揮する方法であって、本実施形態の特徴的な部分である。
【００８１】
発電停止保管時では、システム制御装置１００は、まず発電開始フラグがないこと（発電開始フラグ＝０の状態）を確認し、発電開始指令がなされていないことを確かめる（ステップＳ１１０のＹｅｓ）。その上で、燃料ガス供給装置３から燃料極１２への水素含有ガスの供給が停止していること、及び酸化剤ガス供給装置２から酸化剤極１４への空気供給が停止していることを確認する（ステップＳ１１１）。
【００８２】
また、燃料極１２及び酸化剤極１４の出入口バルブＶ１〜Ｖ４が閉止していることを確認し（ステップＳ１１２）、さらに電気制御装置３３が固定抵抗モードであることを確認する（ステップＳ１１３）。つまり、停止保管中の燃料電池発電システムが密閉状態を維持していることを確認する。このようなシステム内の燃料電池スタック１について、電圧計４７が半電池電圧差を計測し、システム制御装置１００は電圧計４７の計測値を取り入れている。
【００８３】
仮に系外より燃料電池スタック１内に空気が侵入して空気リークインが生じた場合、燃料極１２もしくは酸化剤極１４に封入されていた水素が空気中の酸素により消費される。水素が消費されるに従って、水素が完全に消費される部分をもつ単電池では、電位の変化に起因した電位差が発生する。
【００８４】
このようにして発生した燃料電池スタック１における半電池電圧差が、０．１Ｖを超えたとシステム制御装置１００が判定した時点で（ステップＳ１１４のＹｅｓ）、空気リークインを検出することになる。
【００８５】
空気リークインを検出した場合、システム制御装置１００からの制御指令を受けて、燃料極１２の入口バルブＶ２及び出口バルブＶ３が開き（ステップＳ１１５）、燃料ガス供給装置３が燃料極１２へ水素含有ガスを供給する（ステップＳ１１６）。
【００８６】
燃料極１２の入口バルブＶ２及び出口バルブＶ３を開放した時点でディレイタイマー１０４が計時動作を開始し、ディレイタイマー１０４の計測時間がＴｈ秒（一例として３０秒とする）を経過すると（ステップＳ１１７のＹｅｓ）、システム制御装置１００からの制御指令により、燃料ガス供給装置３は燃料極１２への水素含有ガスの供給を停止する（ステップＳ１１８）。
【００８７】
また、システム制御装置１００からの制御指令に基づき、燃料極１２への水素供給の停止と同時に、燃料ガス供給流路５側の入口バルブＶ２及び燃料ガス排出流路７の出口バルブＶ３はそれぞれ閉止する（ステップＳ１１９）。これにより、燃料ガス供給装置３による燃料極１２への水素含有ガス供給操作が完了し（ステップＳ１２０）、ステップＳ１１０に戻る。
【００８８】
以上述べたように、本実施形態では、システムを発電停止した状態のまま保管する保管期間中、燃料電池スタック１の平均単電池電圧差である半電池電圧差が、０．１Ｖを超えると、燃料極１２の出入口バルブＶ２、Ｖ３が開き、燃料ガス供給装置３が燃料極１２への水素供給を開始する。そして、燃料ガス供給装置３からの水素含有ガスの供給を３０秒間継続した後、燃料極１２の出入口バルブＶ２、Ｖ３を閉止し、再度、水素雰囲気下で燃料電池スタック１を密封する。
【００８９】
［作用］
図１０〜図１２は、第３の実施形態の燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートであって、システム制御装置１００からシステム各部への制御指令のタイミング及び燃料電池スタック１の平均単電池電圧の時間的な変化を示している。これらの図面を参照して第３の実施形態の作用について説明する。
【００９０】
［発電停止時の動作］
図１０を用いて、第３の実施形態における発電停止時の動作について説明する。燃料電池スタック１が発電状態にある時、燃料極１２の出入口バルブＶ２、Ｖ３及び酸化剤極１４の出入バルブＶ１、Ｖ４は全て開いている。また、燃料ガス供給装置３から燃料極１２へ水素含有ガスを、酸化剤ガス供給装置２から酸化剤極１４へ空気を、それぞれ供給し、外部負荷９に電力を供給している。
【００９１】
このようなシステムの発電状態から、発電停止状態に移行する際、まず酸化剤極１４の入口バルブＶ１を閉止し、酸化剤ガス供給装置２から酸化剤極１４への空気供給を停止する。また、電気制御装置３３を外部負荷９から外し、これに代えて固定抵抗２０に接続する固定抵抗モードに切り替える。
【００９２】
これにより、電気制御装置３３を介して燃料電池スタック１が電気的に固定抵抗２０に接続される。この時、酸化剤ガス供給装置２から酸化剤極１４への空気供給は停止しているので、酸化剤極１４に存在する残留酸素が消費されていく。この結果、酸化剤極１４の電位が燃料極１２の電位である水素基準電位近傍まで低下し、燃料電池スタック１の起電力は０．１Ｖ付近まで低下する。
【００９３】
燃料電池平均単電池電圧Ｖｏが０．１Ｖ以下まで低下した時点からＴｈ秒（例えば３０秒）後に、酸化剤極１４の出口バルブＶ４を閉じ、燃料ガス供給装置３から燃料極１２への水素含有ガスの供給を停止する。と同時に、燃料極１２の出入口バルブＶ２、Ｖ３を閉じる。
【００９４】
以上のような発電停止動作を取る燃料電池発電システムでは、燃料電池スタック１において酸素の消費である酸素還元反応が生じると同時に、プロトンの還元反応も生じる。そのため、酸化剤極１４は窒素及び水素の混合雰囲気で満たされる。本実施形態においては、このような混合雰囲気で燃料電池スタック１を密封し、保管している。
【００９５】
［発電停止保管時の動作］
続いて、図１１を参照して、第３の実施形態における発電停止保管時の動作について説明する。上述したような混合雰囲気で密封した燃料電池スタック１を、発電停止状態のまま保管する場合、発電開始指令がなされていなければ、当然ながら反応ガスの供給はなく、燃料電池スタック１の平均単電池電圧に変化が現れることはない。
【００９６】
ただし、系外より燃料電池スタック１に空気が侵入した場合、燃料極１２もしくは酸化剤極１４に封入されていた水素が、空気中の酸素によって消費されるので、水素が完全に消費される部分をもつ単電池では、電位の変化に起因した電位差が発生する。
【００９７】
本実施形態では、システムの発電停止状態にあっても、電圧計４７によって燃料電池スタック１の任意の２箇所のサブスタック電圧を計測し、それぞれ単電池電圧を計測している。燃料電池スタック１において、単電池の積層位置が異なれば、単電池ごとに、侵入する空気の到達タイミングが違うので、各単電池での水素の消費速度は異なることになる。
【００９８】
そのため、燃料電池スタック１に電位差が発生したのであれば、単電池のそれぞれの積層位置によって、水素消費に起因する電位差は、必ず生じることになる。したがって、本実施形態では積層位置の異なる単電池の電圧挙動を捉えることが可能である。
【００９９】
このように、発電停止中の燃料電池スタック１において、平均単電池電圧に変化がなくても、複数の単電池の電位差の差分で算出される半電池電圧差を計測することで、空気リークインの発生と、その程度を的確に捉えることが可能である。本実施形態においては、発電停止保管状態下で燃料電池スタック１における平均単電池電圧の差つまり半電池電圧差が０．１Ｖを超えた時にのみ、空気リークインが発生したと判断しており、この判断に基づいて、直ちに水素供給装置３２が燃料極１２へ水素を供給している。
【０１００】
したがって、本実施形態では、水素消費を最小限に抑制してコストを抑えると同時に、空気リークインによる不具合を確実に解消することができる。また、燃料ガス供給装置３から燃料極１２への水素供給継続時間はＴｈ秒（例えば３０秒）であって、水素供給に伴って半電池電圧差は低減し半電池電圧差が無い状態に戻れば、燃料極１２への水素供給を停止する。したがって、余分に水素を消費することなく、非常に経済的である。
【０１０１】
［発電起動時の動作］
次に図１２を参照して、第３の実施形態における発電起動時の動作について説明する。燃料電池スタック１が発電停止状態にある時、燃料極１２及び酸化剤極１４への反応ガスの供給は停止しており、燃料極１２の出入口バルブＶ２、Ｖ３及び酸化剤極の出入口バルブＶ１、Ｖ４は全て閉じている。
【０１０２】
このような発電停止状態から、システム制御装置１００より発電起動指令がなされると、全てのバルブＶ１〜Ｖ４が開き、燃料ガス供給装置３から燃料極１２への水素の供給を、酸化剤ガス供給装置２から酸化剤極１４への空気の供給を、それぞれ開始する。そして、燃料電池スタック１の平均単電池電圧が、負荷運転開始電圧Ｖｓである０．８Ｖに達した時点で、電気制御装置３３を固定抵抗モードから負荷運転モードに切り替えて外部負荷９を接続し、発電を開始する。
【０１０３】
［効果］
以上のような第３の実施形態の効果は次の通りである。図１３のグラフは、本実施形態に係る発電システム（図１３中では「本実施形態」）と、比較参照のために停止保管中に半電池電圧差により水素を供給しないシステム（図１３中では「比較例」）に関して、同様な起動停止試験を実施し、起動停止回数と酸化剤極の触媒有効表面積比の関係を調べたものである。
【０１０４】
図１３のグラフから明らかなように、本実施形態は比較例に比べて、酸化剤極１４の触媒有効表面積比を維持することができる。特に、起動停止回数が１０回以降は、その傾向が特に顕著である。具体的には、起動停止回数が６０回に及ぶと、比較例における酸化剤極の触媒有効表面積比は、初期状態のほぼ６割程度に低下するが、本実施形態のそれは殆ど低下していない。触媒有効表面積比の低減度は触媒劣化を示すので、本実施形態では、殆ど触媒劣化が起きていないことになる。
【０１０５】
このように、第３の実施形態では、燃料電池スタック１における半電池電圧差に基づいて、燃料電池発電システムの発電停止中及び保管期間中に発生する空気リークインを的確に検知することができる。そして、空気リークインの発生を把握した場合には、燃料ガス供給装置３が燃料電池スタック１の燃料極１２に水素含有ガスを３０秒間供給する。これにより、燃料電池スタック１内部の水素の完全消費を防ぐことができ、電極電位を高電位にさらすことなく、触媒劣化を防止することができる。
【０１０６】
しかも、第３の実施形態においては、燃料電池スタック１での半電池電圧差が０．１Ｖ未満の場合には、空気リークインが発生したとは認識しない。したがって、燃料ガス供給装置３から燃料電池スタック１に対して貴重な水素が余計に供給されることがない。したがって、水素消費量を最小限に抑えることができ、ユーザーの経済的なメリットが向上する。
【０１０７】
以上のような燃料電池スタック１への水素供給は、燃料として純水素を用いた純水素燃料電池発電システムにおいて、特にスムーズに実現することができる。純水素燃料電池発電システムは、改質装置にて炭化水素系の燃料ガスを改質して水素リッチなガスを製造する必要がない。
【０１０８】
そのため、純水素燃料電池発電システムは、起動時間を短縮でき、しかも構成の簡略化が進めることができる。このような純水素燃料電池発電システムは、一般家庭用に加えて、集合住宅用のコージェネレーションシステムへの適用が期待されている。
【０１０９】
また、本実施形態は、空気リークインによる触媒劣化を、発電停止中の水素供給によって解決しているので、酸素分圧を低減させるためのパージ処理が不要である。そのため、パージ処理に伴う消費電力の増大を回避でき、優れた発電効率を維持することができる。
【０１１０】
しかも、再起動時のパージ処理を省くことができるため、スピーディな再起動を実現することが可能である。つまり、本実施形態は優れた発電効率と起動時間の短縮化を図ることができる。これらの効果は、集合住宅用のコージェネレーションシステムへの適用が期待される純水素燃料電池発電システムにおいて、特に有効である。
【０１１１】
（４）第４の実施形態
以下に、本発明を適用した第４の実施形態について、図１４〜図１６を参照して具体的に説明する。
【０１１２】
［構成］
第４の実施形態の基本構成は、上記第３の実施形態とほぼ同様であるが、第４の実施形態の特徴は、図１４に示すように、固定抵抗２０に電流検知手段４９を取り付け、電流検知手段４９の計測した固定抵抗２０の電流が所定値以上であった場合に、空気リークインを検出するように構成した点にある。
【０１１３】
すなわち、電流検知手段４９によって、発電停止中の燃料電池スタック１に接続された固定抵抗２０の電流を、スタック１内部の酸素分圧上昇による酸素還元電流として検知し、この電流値に基づいて、システム制御装置１００が燃料電池スタック１の空気リークインを検出するようになっている。
【０１１４】
なお、電流検知手段４９は、固定抵抗２０に所定値以上の電流が流れたか否かを判定するだけで良いので、高精度の電流計である必要はない。そのため、固定抵抗２０における電圧変化が所定値以上となったことを検出可能な電圧計であっても構わない。
【０１１５】
［発電停止保管時の操作手順］
続いて、図１５のフローチャートを用いて、第４の実施形態の操作手順について述べる。第４の実施形態と上記第３の実施形態との相違点は、発電停止保管時の操作のみであり、停止時の操作及び起動時の操作はすべて同一である。
【０１１６】
また、発電停止保管時の操作手順に関しても、前記第３の実施形態における図１０のフローチャートにて示したＳ１１４が、第４の実施形態ではＳ１２１（固定抵抗２０の電流が所定値以上かどうかを判定するステップ）となっている点を除いては、第３の実施形態と同じである。
【０１１７】
すなわち、第４の実施形態では、固定抵抗２０の電流がＩｍａｘを超えた時点で（Ｓ１１４のＹｅｓ）、空気リークインが発生したと判断し、燃料極１２の入口バルブＶ２及び出口バルブＶ３が開き、燃料ガス供給装置３が燃料極１２へ水素含有ガスを供給する。これにより、酸素の混入による燃料電池スタック１内部の水素消費を抑制することができる。
【０１１８】
ここで、Ｉｍａｘ値としては、固定抵抗２０の抵抗値Ｒ、積層セル数Ｎ、空気リークインと判定する燃料電池の仮想的な平均セル電圧Ｖｌｉｍ（固定負荷と切り離した状態で定義）により定義される。
【０１１９】
すなわちＩｍａｘは、空気リークインにより、固定抵抗を切り離した状態で平均セル電圧がＶｌｉｍまで上昇した際に固定負荷に接続して、そのとき固定抵抗に流れる電流値と定義すると、オームの法則に則り、
（数３）
Ｉｍａｘ＝Ｖｌｉｍ・Ｎ／Ｒ
となる。
【０１２０】
（固定抵抗Ｒの選定条件）
なお、選定される固定抵抗Ｒの値は、燃料電池スタックを固定抵抗に接続した場合に、常に燃料電池運転時の定格電流密度以下となると共に、燃料電池酸化剤極における酸素還元反応を促すという観点から、開回路電圧発生時に固定抵抗を接続した際に、スタックでの電流密度が０．００２Ａ/ｃｍ２以上となるように選定される。
【０１２１】
すなわち、平均セル電圧の最大値である開回路電圧値をＶｍａｘ、積層セル数をＮ、セル有効面積をＳ、定格電流密度をＩｒとした場合に、固定抵抗に流れる電流値は次の数式４を満たすことが好ましい。
（数４）
５・Ｓ≦Ｖｍａｘ・Ｎ／Ｒ≦Ｉｒ・Ｓ
【０１２２】
したがって、数式４を変形し、抵抗値Ｒは次の数式５を満たすように選定される。
（数５）
Ｖｍａｘ・Ｎ／（Ｉｒ・Ｓ）≦Ｒ≦Ｖｍａｘ・Ｎ／（０．００２・Ｓ）
【０１２３】
本実施形態では、開回路電圧Ｖｍａｘ＝１Ｖ、積層セル数Ｎ＝３０、有効面積Ｓ＝１００ｃｍ２、定格電流密度Ｉｒ＝０．３Ａ/ｃｍ２であったため、１Ω以上１５０Ω以下を満たすものであれば良い。本実施例では５０Ωの固定抵抗を用いた。
【０１２４】
（Ｖｌｉｍの選定条件）
Ｖｌｉｍは、空気リークインと判定するために設定された、固定負荷と切り離した状態における仮想的な平均セル電圧値であり、任意に設定可能である。０．１Ｖ以下で設定することが好ましい。
【０１２５】
上記理由により、本実施形態では、固定抵抗値Ｒ＝５０Ω、Ｖｌｉｍ＝０．１Ｖと設定し、積層セル数Ｎ＝３０と共に、前記数式３に代入することより、Ｉｍａｘ＝６０ｍＡを得た。
【０１２６】
［作用］
図１６は、第４の実施形態の燃料電池発電システムの動作を示すタイミングチャートであって、システム制御装置１００からシステム各部への制御指令のタイミング及び燃料電池スタック１の平均単電池電圧の時間的な変化を示している。
【０１２７】
前記図１１にて示した第３の実施形態での半電池電圧差が、第４の実施形態では固定抵抗電流になっている点を除いては、第３の実施形態と第４の実施形態の各部の動作タイミングは全て同じである。
【０１２８】
系外からの空気侵入に伴う水素消費によって、燃料電池スタック１内部の酸素分圧が上昇すると、酸素還元電流が固定抵抗２０に流れる。そこで、第４の実施形態では、固定抵抗２０に流れる電流値を電流検知手段４９で計測する（実際には固定抵抗２０の電圧を計測することで検出しても良い）。そして、電流検知手段４９の計測した電流値が所定値を超えた場合、酸素分圧上昇による酸素還元電流が許容値を超えたと判定して、燃料電池スタック１内部に水素供給が行われる。
【０１２９】
［効果］
以上のような第４の実施形態によれば、固定抵抗２０に流れる電流値に基づいて、燃料電池発電システムの発電停止中及び保管期間中に発生する空気リークインを即座に検知することができる。
【０１３０】
したがって、上記第３の実施形態と同じく、空気リークインの検知に伴い、適切なタイミングで水素を供給することが可能である。これにより、燃料電池スタック１内部の酸素の混入による水素消費を抑制することができ、触媒劣化の緩和を図ることが可能である。
【０１３１】
さらに、第４の実施形態には次のような独自の作用効果がある。第１の実施形態で説明したように、停止保管中における固定抵抗接続時には、系外から混入した空気により、固定抵抗には電流が流れている。空気リークインの初期段階では、水素が潤沢に残存しているため、見かけ上燃料電池の平均セル電圧や半電池電圧差に変化が見られないが、酸素還元反応に伴う電流等によって、固定抵抗には電流が流れている。したがって、平均セル電圧や半電池電圧差で検出する方法に比べ、リークインした酸素の還元電流として直接計測可能であるため、空気リークインの検知を早期に検出することができる。
【０１３２】
また、上記第３の実施形態では、空気リークインの検知手段である電圧計４７を、発電中に高温となる燃料電池スタック１に取り付けていたが、これと比べて、第４の実施形態では、電流検知手段４９を、燃料電池スタック１とは独立した固定抵抗２０に取り付けている。したがって、空気リークインの検知手段である電流検知手段４９の設置が容易であり、且つその動作環境も厳しくない。これにより、設置コストの低減や動作安定性の向上を図ることができる。
【０１３３】
（５）他の実施形態
以上で説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、以下のような実施形態も含有する。
【０１３４】
（ａ）上記第１の実施形態において、中間端子４４の燃料電池スタック１における位置は、図３に示す単電池枚数１５枚中の８枚目という完全に中間としたが、これに限定されるものでは無く、７枚目や９枚目でも良く、つまり中間付近で良い。単電池枚数が多くなるにつれて、完全に中間である必要性は薄れる。
【０１３５】
（ｂ）外側端子４２と４３の燃料電池スタック１における位置は、図３に示す端板４０と４１に設置する必要は無く、中間端子４４を中心として積層方向に同程度の枚数の単電池を隔てた箇所に設置すればよい。
【０１３６】
（ｃ）外側端子の本数は、中間端子４４を中心として積層方向に同程度の枚数の単電池を隔てた箇所であるという条件さえ満たしていれば、２本以上あっても良い。なお、半電池電圧差の計算方法として、外側端子電位差４５から中間電位差４６の２倍の値を引き算しても良い。
【０１３７】
（ｄ）図４のフローチャート中のステップＳ３５において、燃料ガス流路１１だけでなく、酸化剤ガス流路１３のパージを行うようにしてもよい。燃料ガス流路１１のパージのタイミングは、前記第１の実施形態で説明した発電起動直前だけでなく、半電池電圧差が規定値を超えたことを検知した後であれば、いつでもよい。
【０１３８】
（ｅ）各実施形態において空気のリークインを検知するために半電池電圧差を利用したが、単電池電圧でも、ブロック電圧でも空気のリークインを検知することができる。例えば、燃料電池スタックのデータ収集方法として、全単電池に端子を設けて、全ての単電池電圧を計測する手法がある。この手法では、空気のリークインの検知能力が優れるため、全ての単電池電圧を計測することが望ましい。
【０１３９】
（ｆ）空気リークインの検知には、できるだけ多くの単電池についての情報が要求される。構成の大型化、複雑化を抑えながらも、できるだけ多くの単電池の情報を得るためには、少なくとも２個の端子により複数の単電池間のブロック電圧を計測することが有効である。
【０１４０】
（ｇ）ブロック電圧を計測することによって、空気のリークインを計測することはできるが、燃料ガス流路系からリークしているか、酸化剤ガス流路系からリークしているかなどのリーク箇所の特定が難しい。このとき、複数のブロック電圧を計測することによって、それらの電圧の違いがリーク箇所の特定の手がかりになる。しかし、１つのブロック電圧を計測するためには通常２個の端子が必要であり、２つのブロック電圧を計測するためには４個必要である。
【０１４１】
これに対して、本発明の構成では、第１実施形態のように、電圧の測定を外側端子４２、４３と中間端子４４の３つの端子により測定を行うことが可能である。それにより、２つのブロック電圧を構成の大型化、複雑化を抑えながら、計測することができる。
【０１４２】
（ｈ）さらに、燃料極１２において水素が封入される空間の容積を、酸化剤極１４において水素が封入される空間の体積よりも大きくするようにしてもよい。具体的には、燃料極１２側の水素封入空間の容積が、酸化剤極１４のそれの１．５倍程度が望ましい。このような変形例によれば、系外から燃料電池スタック１へと外部空気が侵入した場合に、酸化剤極１４から先に酸素濃度が上昇する。そのため、燃料極１２に空気が存在するときに燃料ガス供給装置３２から燃料電池スタック１へ水素を供給することに起因する酸化剤極１４の著しい腐食を完全に防止することができる。
【０１４３】
（ｉ）また、上記の実施形態は、燃料として都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系燃料を用いたシステムへの適用は勿論、純水素燃料電池発電システムにも適用可能である。
【０１４４】
（ｊ）さらに、燃料電池スタック１に取り付ける電圧計は、計測値を所定値と比較して空気リークインを検知しても良いし、単位時間当たりの変化量を所定値と比較して空気リークインを検知しても良い。また、電圧計の構成としては、複数の単電池積層体に接続したブロック電圧計に限らず、任意数の単電池積層体に接続するのみの電圧計でも構わない。
【０１４５】
（ｋ）発電停止時又は停止保管時の燃料電池スタック１への水素供給に関して、その供給時間は適宜変更可能であり、例えば、電圧計の計測値の大きさに応じて、水素供給時間の長さを調整するようにしても良い。
【０１４６】
（ｌ）システム制御装置３０もしくは１００に表示装置やスピーカを設置し、空気リークインを検知した際、これらの表示装置やスピーカを通して、空気リークインの発生を報知すると共に、このリークインを解消するための作業内容を表示もしくは音声を出力するように構成しても良い。
【符号の説明】
【０１４７】
１…燃料電池スタック
２…酸化剤ガス供給装置
３…燃料ガス供給装置
４…パージガス供給装置
５…燃料ガス供給流路
６…酸化剤ガス供給流路
７…燃料ガス排出流路
８…酸化剤ガス排出流路
９…外部負荷
１２…燃料極
１４…酸化剤極
１６…固体高分子電解質膜
２０…固定抵抗
３０、１００…システム制御装置
３１…記録装置
３３…電気制御装置
４２、４３…外側端子
４４…中間端子
４５…外側端子電位差
４６…中間電位差
４７、４８…電圧計
４９…電流検知手段
１０１…ＣＰＵ
１０４…ディレイタイマー
Ｖ１〜Ｖ５…バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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