(57)【要約】【課題】クロスリークの発生有無を精度良く検知する。【解決手段】制御装置４１は、燃料電池システム１０の停止を指示する停止信号を受信すると、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程を実行する。酸化剤ガス循環ディスチャージ工程では、封止出口弁１６の遮断状態で酸化剤ガス循環ポンプ１９を駆動し、燃料電池スタック１１を発電させ、燃料電池スタック１１から電気負荷へ放電（ディスチャージ）させ、カソード１１Ｂから排出されたカソードオフガスに残存する酸素を消費するようにして、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させる。制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、電圧センサ３８によって検出された複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣに基づいて、所定時間におけるセル電圧ＶＦＣの低下幅がクロスリーク判定閾値以上である場合に、クロスリークが発生したと判定する。【選択図】図１
2014192033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する複数の燃料電池セルから成る燃料電池スタックと、
前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路と、
前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、
前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路と、
前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路と、
前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路とを接続し、前記カソードから前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に通流させる酸化剤ガス循環路と、
前記酸化剤ガス循環路に配置された酸化剤ガス循環ポンプと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの停止を指示する停止信号を受信する信号受信工程と、
前記信号受信工程によって前記停止信号が受信された場合に、前記酸化剤ガス循環ポンプを駆動し、前記燃料電池スタックを所定条件で発電させる酸化剤ガス循環ディスチャージ工程と、
前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出工程と、
前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質膜を介した前記アノードから前記カソードへの前記燃料ガスの漏れを示すクロスリークの発生有無を判定するクロスリーク判定工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、
前記燃料ガス排出路と前記燃料ガス供給路とを接続し、前記アノードから前記燃料ガス排出路に排出された前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に通流させる燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に配置された燃料ガス循環ポンプと、を備え、
前記信号受信工程によって前記停止信号が受信された場合に、前記燃料ガス循環ポンプを駆動する燃料ガス循環ポンプ駆動工程、を含む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運転方法。
【請求項３】
前記クロスリーク判定工程は、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くする、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程は、電圧制御によってディスチャージ電流を設定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記クロスリーク判定工程によって同一の前記燃料電池セルにおいて前記クロスリークの発生が所定回数以上検知された場合に、警告を出力する警告出力工程、を含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記クロスリーク判定工程は、所定時間における前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧の低下幅がクロスリーク判定閾値以上である場合に、前記クロスリークが発生したと判定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記酸化剤ガス循環ポンプの回転数を把握する酸化剤ガス循環ポンプ回転数把握工程、を含み、
前記クロスリーク判定工程は、前記酸化剤ガス循環ポンプ回転数把握工程によって前記酸化剤ガス循環ポンプの回転数を把握し、該回転数が小さいほど前記クロスリーク判定閾値を小さく設定する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
初期情報として、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧の低下速度を記憶するセル特性記憶工程、を含み、
前記クロスリーク判定工程は、前記セル特性記憶工程によって前記セル電圧の低下速度が記憶された以後において、前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧の低下速度が、前記セル特性記憶工程によって記憶された前記セル電圧の低下速度に比べて、所定速度以上上昇している場合に、前記クロスリークが発生したと判定する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する複数の燃料電池セルから成る燃料電池スタックと、
前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路と、
前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、
前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路と、
前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路と、
前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路とを接続し、前記カソードから前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に通流させる酸化剤ガス循環路と、
前記酸化剤ガス循環路に配置された酸化剤ガス循環ポンプと、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムの停止を指示する停止信号を受信する信号受信工程と、
前記信号受信工程によって前記停止信号が受信された場合に、前記酸化剤ガス循環ポンプを駆動し、前記燃料電池スタックを所定条件で発電させる酸化剤ガス循環ディスチャージ工程と、
前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記燃料電池システムの前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高く設定する圧力調整工程と、
前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記圧力調整工程の後、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する複数の燃料電池セルから成る燃料電池スタックと、
前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路と、
前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、
前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路と、
前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路と、
前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路とを接続し、前記カソードから前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に通流させる酸化剤ガス循環路と、
前記酸化剤ガス循環路に配置された酸化剤ガス循環ポンプと、
を備える燃料電池システムの運転制御装置であって、
前記燃料電池システムの停止を指示する停止信号を受信する信号受信手段と、
前記信号受信手段によって前記停止信号が受信された場合に、前記酸化剤ガス循環ポンプを駆動し、前記燃料電池スタックを所定条件で発電させる酸化剤ガス循環ディスチャージ手段と、
前記酸化剤ガス循環ディスチャージ手段によって前記燃料電池スタックが所定条件で発電実行中に、前記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記セル電圧検出手段によって検出された前記セル電圧に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質膜を介した前記アノードから前記カソードへの前記燃料ガスの透過を示すクロスリークの発生有無を判定するクロスリーク判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの運転方法および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の運転停止後の燃料ガスの供給停止時にガス流通経路の圧力を測定し、燃料ガス圧力の低下度合いに基づいて燃料電池の電解質膜の劣化を診断する燃料電池劣化診断装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来、燃料電池の発電停止後の反応ガスの供給停止時に基準セルおよび対象セルの電圧挙動を検出し、電圧挙動の差に基づいて対象セルのクロスリーク（つまり、アノードからカソードへの電解質膜を介した反応ガスの漏れ）を検出する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８７５７８号公報
【特許文献２】特開２０１０−７３４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池劣化診断装置によれば、クロスリークが少量の場合には、燃料ガス圧力の低下度合いが小さく、診断に要する時間が長くなってしまい、迅速な診断が困難であるという問題が生じる。
また、上記従来技術に係る燃料電池システムによれば、例えば、発電によって生成された水がカソード流路などのカソード系内に滞留し、水詰まり（フラッディング）が発生した場合にも、セル電圧が低下することから、クロスリークの発生有無を誤検知してしまう虞がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、クロスリークの発生有無を精度良く検知することが可能な燃料電池システムの運転方法および燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システムの運転方法は、アノード（例えば、実施形態でのアノード１１Ａ）の燃料およびカソード（例えば、実施形態でのカソード１１Ｂ）の酸化剤によって発電する複数の燃料電池セルから成る燃料電池スタック（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施形態での水素タンク２１および水素供給弁２２）と、前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路（例えば、実施形態での燃料ガス供給路５５）と、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施形態での燃料ガス排出路５６）と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施形態でのエアーコンプレッサー１３）と、前記酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路（例えば、実施形態での酸化剤ガス供給路５１）と、前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路（例えば、実施形態での酸化剤ガス排出路５２）と、前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路とを接続し、前記カソードから前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に通流させる酸化剤ガス循環路（例えば、実施形態での酸化剤ガス循環路５４）と、前記酸化剤ガス循環路に配置された酸化剤ガス循環ポンプ（例えば、実施形態での酸化剤ガス循環ポンプ１９）と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの停止を指示する停止信号を受信する信号受信工程と、前記信号受信工程によって前記停止信号が受信された場合に、前記酸化剤ガス循環ポンプを駆動し、前記燃料電池スタックを所定条件で発電させる酸化剤ガス循環ディスチャージ工程と、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出工程と、前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質膜（例えば、実施形態での固体高分子電解質膜１１Ｃ）を介した前記アノードから前記カソードへの前記燃料ガスの漏れを示すクロスリークの発生有無を判定するクロスリーク判定工程と、を含む。
【０００７】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池システムは、
前記燃料ガス排出路と前記燃料ガス供給路とを接続し、前記アノードから前記燃料ガス排出路に排出された前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に通流させる燃料ガス循環路（例えば、実施形態での燃料ガス循環路５７）と、前記燃料ガス循環路に配置された燃料ガス循環ポンプ（例えば、実施形態での水素ポンプ２８）と、を備え、前記信号受信工程によって前記停止信号が受信された場合に、前記燃料ガス循環ポンプを駆動する燃料ガス循環ポンプ駆動工程、を含んでもよい。
【０００８】
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムの運転方法では、前記クロスリーク判定工程は、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くしてもよい。
【０００９】
（４）上記（１）〜（３）の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法では、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程は、電圧制御によってディスチャージ電流を設定してもよい。
【００１０】
（５）上記（１）〜（４）の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法は、前記クロスリーク判定工程によって同一の前記燃料電池セルにおいて前記クロスリークの発生が所定回数以上検知された場合に、警告を出力する警告出力工程、を含んでもよい。
【００１１】
（６）上記（１）〜（５）の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法では、前記クロスリーク判定工程は、所定時間における前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧の低下幅がクロスリーク判定閾値以上である場合に、前記クロスリークが発生したと判定してもよい。
【００１２】
（７）上記（６）に記載の燃料電池システムの運転方法は、前記酸化剤ガス循環ポンプの回転数を把握する酸化剤ガス循環ポンプ回転数把握工程、を含み、前記クロスリーク判定工程は、前記酸化剤ガス循環ポンプ回転数把握工程によって前記酸化剤ガス循環ポンプの回転数を把握し、該回転数が小さいほど前記クロスリーク判定閾値を小さく設定してもよい。
【００１３】
（８）上記（１）〜（７）の何れか１つに記載の燃料電池システムの運転方法は、初期情報として、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧の低下速度を記憶するセル特性記憶工程、を含み、前記クロスリーク判定工程は、前記セル特性記憶工程によって前記セル電圧の低下速度が記憶された以後において、前記セル電圧検出工程によって検出された前記セル電圧の低下速度が、前記セル特性記憶工程によって記憶された前記セル電圧の低下速度に比べて、所定速度以上上昇している場合に、前記クロスリークが発生したと判定してもよい。
【００１４】
（９）本発明の一態様に係る燃料電池システムの運転方法は、アノード（例えば、実施形態でのアノード１１Ａ）の燃料およびカソード（例えば、実施形態でのカソード１１Ｂ）の酸化剤によって発電する複数の燃料電池セルから成る燃料電池スタック（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施形態での水素タンク２１および水素供給弁２２）と、前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路（例えば、実施形態での燃料ガス供給路５５）と、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施形態での燃料ガス排出路５６）と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施形態でのエアーコンプレッサー１３）と、前記酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路（例えば、実施形態での酸化剤ガス供給路５１）と、前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路（例えば、実施形態での酸化剤ガス排出路５２）と、前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路とを接続し、前記カソードから前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に通流させる酸化剤ガス循環路（例えば、実施形態での酸化剤ガス循環路５４）と、前記酸化剤ガス循環路に配置された酸化剤ガス循環ポンプ（例えば、実施形態での酸化剤ガス循環ポンプ１９）と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの停止を指示する停止信号を受信する信号受信工程と、前記信号受信工程によって前記停止信号が受信された場合に、前記酸化剤ガス循環ポンプを駆動し、前記燃料電池スタックを所定条件で発電させる酸化剤ガス循環ディスチャージ工程と、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記燃料電池システムの前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高く設定する圧力調整工程と、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、前記圧力調整工程の後、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出工程と、を含む。
【００１５】
（１０）本発明の一態様に係る燃料電池システムは、アノード（例えば、実施形態でのアノード１１Ａ）の燃料およびカソード（例えば、実施形態でのカソード１１Ｂ）の酸化剤によって発電する複数の燃料電池セルから成る燃料電池スタック（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施形態での水素タンク２１および水素供給弁２２）と、前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路（例えば、実施形態での燃料ガス供給路５５）と、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施形態での燃料ガス排出路５６）と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施形態でのエアーコンプレッサー１３）と、前記酸化剤ガスを前記カソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路（例えば、実施形態での酸化剤ガス供給路５１）と、前記カソードから排出される前記酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス排出路（例えば、実施形態での酸化剤ガス排出路５２）と、前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路とを接続し、前記カソードから前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給路に通流させる酸化剤ガス循環路（例えば、実施形態での酸化剤ガス循環路５４）と、前記酸化剤ガス循環路に配置された酸化剤ガス循環ポンプ（例えば、実施形態での酸化剤ガス循環ポンプ１９）と、を備える燃料電池システムの運転制御装置であって、前記燃料電池システムの停止を指示する停止信号を受信する信号受信手段（例えば、実施形態での制御装置４１）と、前記信号受信手段によって前記停止信号が受信された場合に、前記酸化剤ガス循環ポンプを駆動し、前記燃料電池スタックを所定条件で発電させる酸化剤ガス循環ディスチャージ手段（例えば、実施形態での制御装置４１が兼ねる）と、前記酸化剤ガス循環ディスチャージ手段によって前記燃料電池スタックが所定条件で発電実行中に、前記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（例えば、実施形態での電圧センサ３８）と、前記セル電圧検出手段によって検出された前記セル電圧に基づいて、前記アノードと前記カソードとの間に設けられた電解質膜（例えば、実施形態での固体高分子電解質膜１１Ｃ）を介した前記アノードから前記カソードへの前記燃料ガスの透過を示すクロスリークの発生有無を判定するクロスリーク判定手段（例えば、実施形態での制御装置４１が兼ねる）と、を備える。
【発明の効果】
【００１６】
上記（１）に記載の態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池システムの停止時において、酸化剤ガス循環ポンプの駆動によってカソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）の発生を解消することができる。これによって、セル電圧に基づくクロスリークの発生有無を判定する際の誤判定を防止し、判定精度を向上させることができる。さらに、燃料電池を所定条件で発電（電気負荷へディスチャージ）させることによってカソードの酸化剤ガスを消費しているので、セル電圧の低下を促進することができ、クロスリークの発生有無を迅速に判定することができる。
【００１７】
さらに、上記（２）の場合、燃料ガス循環ポンプの駆動によってアノードの面内の燃料ガス濃度を均一化することができ、セル電圧の挙動が複数の燃料電池セル毎にばらつくことを抑制することができ、判定精度向上させることができる。さらに、アノードでのストイキ（アノードに供給される燃料ガスの理論消費量に対する供給量の比率）が不足することを防止することができ、ストイキ不足に起因する電解質膜の劣化を防止することができる。
【００１８】
さらに、上記（３）の場合、クロスリークが発生している燃料電池セルにおいて電解質膜を介したアノードからカソードへの燃料ガスの漏れを増大させることができ、セル電圧の低下を促進させることによってクロスリークの発生有無を迅速に判定することができる。
【００１９】
さらに、上記（４）の場合、セル電圧によるクロスリークの発生有無の判定を精度良く行なうことができる。例えば、電流制御によれば、正常な燃料電池セルであっても所望のセル電圧を確保することが困難であり、クロスリークの発生有無を精度良く判定することが困難である。
【００２０】
さらに、上記（５）の場合、クロスリークの発生有無の判定の信頼性を向上させることができる。
【００２１】
さらに、上記（６）の場合、例えばセル電圧と所定判定閾値とを比較する場合などに比べて、セル電圧の低下幅によってクロスリークの発生有無を判定するので、複数の燃料電池セルにばらつきがある場合であっても、クロスリークの発生有無を精度良く判定することができる。
【００２２】
さらに、上記（７）の場合、酸化剤ガス循環ポンプの回転数が小さく、酸化剤ガスの流量が小さい場合には、カソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）が生じ易いので、クロスリークが発生していないセルのセル電圧が低下する場合がある。これによって、酸化剤ガス循環ポンプの回転数が小さいほどクロスリーク判定閾値を小さく設定することによって、誤判定を抑制することができる。
【００２３】
さらに、上記（８）の場合 、異なるタイミングで検知したセル電圧の低下速度を比較するので、複数の燃料電池セルにばらつきがある場合であっても、各燃料電池セルにおけるクロスリークの発生有無を精度良く判定することができる。
【００２４】
上記（９）に記載の態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池システムの停止時において、酸化剤ガス循環ポンプの駆動によってカソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）の発生を解消することができる。さらに、燃料電池を所定条件で発電（電気負荷へディスチャージ）させることによってカソードの酸化剤ガスを消費しているので、セル電圧の低下を促進することができる。さらに、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高く設定した状態でセル電圧を検出するので、各セルの挙動が明確な状態でセル電圧を検出することができ、セル電圧を精度良く検出することができる。
【００２５】
上記（１０）に記載の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの停止時あるいは一時的な停止時などにおいて、酸化剤ガス循環ポンプの駆動によってカソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）の発生を解消した状態で、セル電圧に基づくクロスリークの発生有無を判定するので、判定精度を向上させることができる。さらに、燃料電池を所定条件で発電（電気負荷へディスチャージ）させることによってカソードの酸化剤ガスを消費しているので、セル電圧の低下を促進することができ、クロスリークの発生有無を迅速に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの通常時およびクロスリーク発生時における平均セル電圧および最低セル電圧の時間変化を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作（つまり、燃料電池システムの運転方法）を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの酸化剤ガス循環ポンプの駆動デューティに応じたクロスリーク判定閾値の変化の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの酸化剤ガス循環ポンプの駆動デューティに応じたセル電圧の低下幅に対する閾値（電圧低下幅）の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの運転方法について添付図面を参照しながら説明する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、走行駆動用のモータＭおよびモータＭを制御するパワードライブユニットＰＤＵを備える車両１に電源として搭載されている。
なお、車両１は、例えばイグニッションスイッチなどのように、運転者による入力操作に応じて車両１の起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を出力するスイッチ２を備えている。
また、車両１は、例えば、視覚的伝達装置と聴覚的伝達装置となどから成る報知装置３を備えている。報知装置３の視覚的伝達装置は、例えば車両１のインストゥルメントパネルに配置されたＭＩＤ（マルチインフォメーションディスプレイ）やメータパネル、車両１と通信可能な情報端末の表示器、適宜の箇所に配置された灯体などにおいて、適宜の情報を表示、または適宜の報知灯を点滅あるいは点灯させる。報知装置３の聴覚的伝達装置は、例えばスピーカなどにおいて、適宜の報知音や音声などを出力する。
【００２９】
燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、インテイク１２と、エアーコンプレッサー１３と、封止入口弁１５と、封止出口弁１６と、圧力制御弁１７と、バイパス弁１８と、酸化剤ガス循環ポンプ１９と、逆止弁２０と、水素タンク２１と、水素供給弁２２と、遮断弁２３と、インジェクタ２４と、エゼクタ２５と、気液分離器２７と、水素ポンプ２８と、逆止弁２９と、パージ弁３０と、ドレイン弁３１と、希釈器３２と、エアフローセンサー３３と、温度センサ３４と、圧力センサ３５と、水素温度センサ３６と、水素圧力センサ３７と、電圧センサ３８と、コンタクタ３９と、電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０と、制御装置４１と、を備えている。
【００３０】
燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セルが積層された積層体（図示略）と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）と、を備えている。
燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータと、を備えている。
膜電極接合体は、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）１１Ａと、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）１１Ｂと、アノード１１Ａおよびカソード１１Ｂによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜１１Ｃと、を備えている。
【００３１】
燃料電池スタック１１のアノード１１Ａには、燃料として水素を含む燃料ガス（反応ガス）が水素タンク２１から供給され、カソード１１Ｂには、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサー１３から供給される。
アノード１１Ａに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜１１Ｃを介してカソード１１Ｂへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路（電圧調整器４０など）に取り出し可能である。
アノード１１Ａからカソード１１Ｂのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード１１Ｂに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。
【００３２】
なお、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルには、例えばＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）などの参照電極（図示略）が接続されていてもよい。
参照電極は、例えば、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノード１１Ａの電位（アノード電位）を測定して、測定結果の信号を制御装置４１に出力可能である。
参照電極は、例えば、複数の燃料電池セルの全てに設けられていてもよいし、複数の燃料電池セルのうちの所定の燃料電池セルにのみ設けられていてもよい。
【００３３】
エアーコンプレッサー１３は、制御装置４１により駆動制御されるモータなどを備え、このモータの駆動力によってインテイク１２を介して外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気をカソード１１Ｂに接続された酸化剤ガス供給路５１に排出する。
【００３４】
封止入口弁１５は、エアーコンプレッサー１３と、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに空気を供給可能なカソード供給口１１ａと、を接続する酸化剤ガス供給路５１に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス供給路５１を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。
封止出口弁１６は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂから空気などの排出ガス（カソードオフガス）を排出可能なカソード排出口１１ｂと、希釈器３２と、を接続する酸化剤ガス排出路５２に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。
【００３５】
圧力制御弁１７は、酸化剤ガス排出路５２における封止出口弁１６と希釈器３２との間に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を流通するカソードオフガスの圧力を制御する。
【００３６】
バイパス弁１８は、酸化剤ガス供給路５１におけるエアーコンプレッサー１３と封止入口弁１５との間と、酸化剤ガス排出路５２における圧力制御弁１７と希釈器３２との間と、を接続するバイパス路５３に設けられている。
バイパス弁１８は、エアーコンプレッサー１３から供給された空気を、酸化剤ガス供給路５１から分岐してカソード１１Ｂを迂回するバイパス路５３を介して、希釈器３２に供給可能であり、制御装置４１の制御によってバイパス路５３を開閉可能である。
【００３７】
酸化剤ガス循環ポンプ１９は、酸化剤ガス供給路５１における封止入口弁１５とカソード供給口１１ａとの間と、酸化剤ガス排出路５２におけるカソード排出口１１ｂと封止出口弁１６との間と、を接続する酸化剤ガス循環路５４に設けられている。
酸化剤ガス循環ポンプ１９は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂを通過してカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出されたカソードオフガスの少なくとも一部を酸化剤ガス循環路５４に通流させる。そして、酸化剤ガス循環路５４を流通したカソードオフガスを、封止入口弁１５からカソード供給口１１ａに向かい酸化剤ガス供給路５１を流通する空気（カソードガス）に混合して、カソード１１Ｂに再び供給する。
【００３８】
逆止弁２０は、酸化剤ガス排出路５２から酸化剤ガス供給路５１に向かう方向を順方向として、酸化剤ガス循環路５４に設けられている。
【００３９】
水素タンク２１は、圧縮された水素を貯留し、水素を排出可能である。水素タンク２１は、内部に配置された電磁遮断弁（インタンク電磁弁）を備え、このインタンク電磁弁（図示略）は、水素タンク２１から外部への水素の排出を遮断可能である。
水素供給弁２２は、水素タンク２１と、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに水素を供給可能なアノード供給口１１ｃと、を接続する燃料ガス供給路５５に設けられている。
水素供給弁２２は、制御装置４１の制御またはエアーコンプレッサー１３から排出される空気の圧力による信号圧などに応じた圧力を有する水素を、水素タンク２１から燃料ガス供給路５５に供給する。
【００４０】
遮断弁２３は、燃料ガス供給路５５において水素供給弁２２とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって燃料ガス供給路５５を遮断可能である。
【００４１】
インジェクタ２４は、燃料ガス供給路５５において遮断弁２３とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって目標圧力の水素をアノード供給口１１ｃへ所定の周期で間欠的に供給する。これによって、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂとアノード１１Ａとの間の極間差圧を所定の圧力に保持する。
【００４２】
エゼクタ２５は、燃料ガス供給路５５においてインジェクタ２４とアノード供給口１１ｃとの間に設けられている。
エゼクタ２５は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから燃料ガス排出路５６に排出された未反応の水素を含む排出ガス（アノードオフガス）の少なくとも一部を、燃料ガス排出路５６と燃料ガス供給路５５とを接続する燃料ガス循環路５７に通流させる。そして、燃料ガス循環路５７を流通したアノードオフガスを、インジェクタ２４からアノード供給口１１ｃに向かい燃料ガス供給路５５を流通する水素に混合して、アノード１１Ａに再び供給する。
【００４３】
気液分離器２７は、燃料ガス排出路５６においてアノード排出口１１ｄと燃料ガス循環路５７との間に設けられている。
気液分離器２７は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する。そして、分離後のアノードオフガスを燃料ガス排出路５６に接続されたガス排出口（図示略）から排出し、分離後の水分を水分排出路５９に接続された水分排出口（図示略）から排出する。
【００４４】
水素ポンプ（燃料ガス循環ポンプ）２８は、燃料ガス排出路５６における気液分離器２７とパージ弁３０との間と、エゼクタ２５の副流導入口（図示略）とに接続された燃料ガス循環路５７に設けられている。
水素ポンプ２８は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから燃料ガス排出路５６に排出されたアノードオフガスの少なくとも一部を、燃料ガス循環路５７に通流させる。そして、燃料ガス循環路５７を流通したアノードオフガスを、インジェクタ２４からアノード供給口１１ｃに向かい燃料ガス供給路５５を流通する水素に混合して、アノード１１Ａに再び供給する。
【００４５】
逆止弁２９は、燃料ガス排出路５６から燃料ガス供給路５５に向かう方向を順方向として、燃料ガス循環路５７に設けられている。
【００４６】
パージ弁３０は、燃料ガス排出路５６において気液分離器２７のガス排出口と希釈器３２との間に設けられている。パージ弁３０は、制御装置４１の制御によって燃料ガス排出路５６を開閉可能であって、気液分離器２７のガス排出口から排出されたアノードオフガスを制御装置４１の制御によって希釈器３２に供給可能である。
【００４７】
ドレイン弁３１は、水分排出路５９において気液分離器２７の水分排出口と希釈器３２との間に設けられている。ドレイン弁３１は、制御装置４１の制御によって水分排出路５９を開閉可能であって、気液分離器２７の水分排出口から排出された水分を制御装置４１の制御によって希釈器３２に供給可能である。
【００４８】
希釈器３２は、酸化剤ガス排出路５２と、燃料ガス排出路５６と、水分排出路５９と、に接続されている。
希釈器３２は、パージ弁３０から供給されたアノードオフガスの水素濃度を、バイパス弁１８から供給された空気または圧力制御弁１７から供給されたカソードオフガスによって希釈する。そして、希釈後の水素濃度が所定濃度以下に低減された排出ガスを外部（例えば、大気中など）に排出する。
【００４９】
エアフローセンサー３３は、インテイク１２の下流側に設けられ、インテイク１２を介して外部から取り込まれる空気の流量Ｇａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
温度センサ３４は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される空気の温度Ｔａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
圧力センサ３５は、例えば酸化剤ガス供給路５１において封止入口弁１５よりも上流側かつ酸化剤ガス供給路５１と酸化剤ガス循環路５４との接続位置よりも下流側に設けられている。圧力センサ３５は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される空気の圧力Ｐａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
【００５０】
水素温度センサ３６は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給される燃料ガスの温度Ｔｈを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
水素圧力センサ３７は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給される燃料ガスの圧力Ｐｈを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
電圧センサ３８は、燃料電池スタック１１を構成する複数の燃料電池セルの各々の正極および負極間の電圧（セル電圧）ＶＦＣを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
【００５１】
コンタクタ３９は、燃料電池スタック１１の正極および負極に接続され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１と電気負荷（例えば、パワードライブユニットＰＤＵなど）との接続と遮断とを切り替える。
電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０は、コンタクタ３９を介した燃料電池スタック１１の正極および負極と、電気負荷との間に配置され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１から出力される電圧および電流を調整する。
【００５２】
制御装置４１は、スイッチ２から出力される信号と、各センサ３３〜３８から出力される検出結果の信号に基づいて、燃料電池システム１０の動作を制御する。
【００５３】
なお、燃料電池システム１０は、例えば、車両１に搭載された走行駆動用のモータＭおよび蓄電装置（図示略）などの電気機器に加えて、制御装置４１の制御によって燃料電池スタック１１に対する接続および遮断が切り替え可能かつ負荷電流が変更可能とされた電気負荷（例えば、ディスチャージ抵抗や電子負荷など）を備えていてもよい。この場合、制御装置４１は、燃料電池スタック１１の発電時の放電（ディスチャージ）として、電気負荷への放電を制御可能である。
【００５４】
本実施形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１０の動作（つまり、燃料電池システム１０の運転方法）について説明する。
【００５５】
制御装置４１は、クロスリーク判定工程の実行によって、電圧センサ３８によって検出された複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣに基づいて、クロスリーク（つまり、各燃料電池セルの固体高分子電解質膜１１Ｃを介したアノード１１Ａからカソード１１Ｂへの燃料ガスの漏れ）の発生有無を判定する。
すなわち、燃料電池スタック１１の各燃料電池セルにおいて、アノード１１Ａおよびカソード１１Ｂの電位は、各アノード触媒およびカソード触媒近傍に存在するガスの種類によって決定される。水素と酸素との組み合わせにおいて、水素リッチであれば、水素のイオン化（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）によって、混成電位は０Ｖとなる。一方、酸素リッチであれば、電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）の理論起電力（＝１．２３Ｖ）によって、混成電位は１Ｖ程度になる。したがって、カソード１１Ｂの電位の低下に起因して、電圧センサ３８によって検出されたセル電圧ＶＦＣが低下した場合には、クロスリークの発生によって、固体高分子電解質膜１１Ｃを介したアノード１１Ａからカソード１１Ｂへの水素ガスの漏れが生じた可能性がある。ただし、エアーコンプレッサー１３からカソード１１Ｂに供給される空気の所定の流量制御を継続する燃料電池スタック１１の通常の発電時には、クロスリークが発生していたとしても、カソード１１Ｂが酸素リッチに維持されることによって、セル電圧ＶＦＣの低下は僅か、あるいは検知困難な程度に小さい虞がある。
これらに対して、制御装置４１は、信号受信工程の実行によって、燃料電池システム１０の停止を指示する停止信号を受信すると、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程を実行する。この酸化剤ガス循環ディスチャージ工程では、封止出口弁１６の遮断状態で酸化剤ガス循環ポンプ１９を駆動し、燃料電池スタック１１を発電させ、燃料電池スタック１１から電気負荷へ放電（ディスチャージ）させる。これによって、カソード１１Ｂから排出されたカソードオフガスに残存する酸素を消費するようにして、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させ、クロスリークの発生時におけるセル電圧ＶＦＣの低下を促進する。
【００５６】
この酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行時において、例えば図２（Ａ）に示すようにクロスリークが発生していない正常時の場合には、カソード１１Ｂの酸素濃度の低下によって、各燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣが揃って低下傾向に変化する。これによって、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣの平均値（平均セル電圧）と、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣのうちの最低値（最低セル電圧）とは、ほぼ一致した変化を示す。
これに対して、例えば図２（Ｂ）に示すように複数の燃料電池セルの何れかにクロスリークが発生している場合には、クロスリークが発生していない燃料電池セルに比べて、クロスリークが発生している燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣが、より急激かつ大幅な低下傾向を示す。これによって、クロスリークが発生している燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣに相当する最低セル電圧は、平均セル電圧に比べて、より低下する。
【００５７】
また、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行によって、酸化剤ガス循環ポンプ１９を駆動して、カソード系内で酸化剤ガスを循環させることによって、カソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）の発生を解消している。
例えば、封止出口弁１６の遮断状態で酸化剤ガス循環ポンプ１９を駆動せずに、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させるようにしてディスチャージを行なう場合には、複数の燃料電池セルの何れかにおいて、水の滞留および水詰まり（フラッディング）が発生して、セル電圧ＶＦＣが低下する場合がある。これによって、各燃料電池セルにおける水の滞留および水詰まり（フラッディング）の発生有無によって、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣのばらつきが増大する場合がある。
これに対して、制御装置４１は、封止出口弁１６の遮断状態で酸化剤ガス循環ポンプ１９を駆動して、カソード系内で酸化剤ガスを循環させることによって、各燃料電池セルにおける水の滞留および水詰まり（フラッディング）によるセル電圧ＶＦＣの低下を防ぎ、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣのばらつきを抑制している。
【００５８】
また、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行時に、燃料ガス循環ポンプ駆動工程の実行によって、遮断弁２３の遮断状態で水素ポンプ２８およびインジェクタ２４を駆動することによって、アノード１１Ａの圧力をカソード１１Ｂの圧力よりも高くする。これによって、クロスリークが発生している燃料電池セルにおいて固体高分子電解質膜１１Ｃを介したアノード１１Ａからカソード１１Ｂへの燃料ガスの漏れを増大させ、セル電圧ＶＦＣの低下を促進させる。
また、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行時に、電圧制御によってディスチャージ電流（燃料電池スタック１１から電気負荷への放電電流）を設定する。
【００５９】
そして、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、セル電圧検出工程の実行によって、電圧センサ３８によって複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣを検出する。そして、クロスリーク判定工程の実行によって、電圧センサ３８によって検出された複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣに基づいて、所定時間におけるセル電圧ＶＦＣの低下幅がクロスリーク判定閾値以上である場合に、クロスリークが発生したと判定する。さらに、同一の燃料電池セルにおいてクロスリークの発生が所定回数以上検知された場合に、警告出力工程の実行によって、報知装置３によって警告を出力する。なお、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、アノード１１Ａの圧力をカソード１１Ｂの圧力よりも高く設定する圧力調整工程を実行し、この圧力調整工程の後、セル電圧検出工程を実行してもよい。
また、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ポンプ回転数把握工程の実行によって、酸化剤ガス循環ポンプ１９の回転数を把握し、回転数が小さいほどクロスリーク判定閾値を小さく設定する。
【００６０】
以下に、燃料電池システム１０の運転方法の詳細について説明する。
先ず、図３に示す時刻ｔ０のように、車両１のイグニッションスイッチがオフ（ＩＧＯＦＦ）とされたとき、あるいは車両１のアイドル停止時などにおいて、制御装置４１は、信号受信工程によって、燃料電池システム１０の停止を指示する停止信号を受信すると、インタンク電磁弁および遮断弁２３を開放状態とする。さらに、水素ポンプ２８の停止状態でインジェクタ２４を目標圧制御によって駆動し、目標圧力の水素をアノード供給口１１ｃへ所定の周期で間欠的に供給する。
さらに、封止入口弁１５および封止出口弁１６の開放状態かつ酸化剤ガス循環ポンプ１９の停止状態でエアーコンプレッサー１３を所定の流量制御によって駆動し、燃料電池スタック１１の電圧を所定電圧に維持する定電圧（ＣＶ）制御を実行する。
【００６１】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ１において、インタンク電磁弁および遮断弁２３を開放状態から遮断状態へと切り替え、インジェクタ２４に印加する水素の圧力の増大を完了する。
次に、時刻ｔ２において、燃料ガス循環ポンプ駆動工程によって、水素ポンプ２８の所定回転数での駆動を開始する。さらに、封止入口弁１５および封止出口弁１６を開放状態から遮断状態へと切り替え、希釈器３２における水素濃度希釈のためにエアーコンプレッサー１３を所定回転数で駆動し、酸化剤ガス循環ポンプ１９の所定回転数での駆動を開始する。
【００６２】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ２から水素ポンプ２８の所定の立ち上がり時間が経過した時刻ｔ３において、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程によって、エアーコンプレッサー１３から希釈器３２に空気を供給して、希釈器３２における水素濃度の希釈を開始するとともに、燃料電池スタック１１から電気負荷への放電（ディスチャージ）を開始する。さらに、燃料電池スタック１１の放電電圧を排気再循環ディスチャージ用の所定電圧に維持する定電圧（ＣＶ）制御を実行しつつ、セル電圧検出工程によって、電圧センサ３８によって複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣを検出する。さらに、クロスリーク判定工程によって、電圧センサ３８によって検出された複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣに基づいて、クロスリークの発生有無を検知する。
【００６３】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ３からクロスリークの発生有無の検知を継続する所定時間が経過した時刻ｔ４において、水素ポンプ２８の運転を停止し、インジェクタ２４の目標圧制御を終了する。さらに、酸化剤ガス循環ポンプ１９を停止させ、燃料電池スタック１１から電気負荷への放電（ディスチャージ）を停止し、セル電圧ＶＦＣに基づくクロスリークの発生有無の検知を終了する。
【００６４】
次に、制御装置４１は、時刻ｔ３から希釈器３２における水素濃度希釈を継続する所定時間が経過した時刻ｔ５において、エアーコンプレッサー１３を停止し、希釈器３２への空気の供給を停止し、希釈器３２における水素濃度希釈を完了する。
【００６５】
上述したように、本実施形態による燃料電池システム１０および燃料電池システム１０の運転方法によれば、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行によって、カソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）の発生を解消した状態で、カソード１１Ｂの酸素濃度を低下させつつ、燃料電池スタック１１から電気負荷へのディスチャージを実行することができる。したがって、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行によって、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣのばらつきを抑制し、クロスリークによるセル電圧ＶＦＣの低下を促進して、セル電圧検出工程およびクロスリーク判定工程の実行によって、クロスリークの発生有無を迅速かつ精度良く判定することができる。
さらに、燃料ガス循環ポンプ駆動工程の実行によって、アノード１１Ａの面内の水素濃度を均一化することができ、セル電圧ＶＦＣの挙動が複数の燃料電池セル毎にばらつくことを抑制することができる。これによって、クロスリーク判定工程によるクロスリークの発生有無の判定精度を向上させることができる。さらに、アノード１１Ａでのストイキ（アノード１１Ａに供給される燃料ガスの理論消費量に対する供給量の比率）が不足することを防止することができ、ストイキ不足に起因する固体高分子電解質膜１１Ｃの劣化を防止することができる。
【００６６】
さらに、アノード１１Ａの圧力をカソード１１Ｂの圧力よりも高くすることによって、クロスリークが発生している燃料電池セルにおいて固体高分子電解質膜１１Ｃを介したアノード１１Ａからカソード１１Ｂへの水素の漏れを増大させることができ、セル電圧ＶＦＣの低下を促進させることによってクロスリークの発生有無を迅速に判定することができる。
さらに、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行時に、電圧制御によってディスチャージ電流（燃料電池スタック１１から電気負荷への放電電流）を設定することによって、セル電圧ＶＦＣに基づくクロスリークの発生有無の判定を精度良く行なうことができる。
【００６７】
さらに、同一の燃料電池セルにおいてクロスリークの発生が所定回数以上検知された場合に、警告出力工程の実行によって、報知装置３によって警告を出力するので、クロスリークの発生有無の判定の信頼性を向上させることができる。
さらに、セル電圧ＶＦＣの低下幅によってクロスリークの発生有無を判定するので、例えばセル電圧ＶＦＣと所定判定閾値とを比較する場合などに比べて、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣにばらつきがある場合であっても、クロスリークの発生有無を精度良く判定することができる。
さらに、酸化剤ガス循環ポンプ１９の回転数が小さいほどクロスリーク判定閾値を小さく設定することによって、カソード系内での水の滞留および水詰まり（フラッディング）に起因する誤判定を抑制することができる。
【００６８】
（第１変形例）
なお、上述した実施形態において、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行中に、所定時間におけるセル電圧ＶＦＣの低下幅に基づいてクロスリークの発生有無を判定するとしたが、これに限定されず、セル電圧ＶＦＣの低下速度の変化に基づいてクロスリークの発生有無を判定してもよい。
この第１変形例において、制御装置４１は、先ず、初回の酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行時に、電圧センサ３８によって検出された複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣに基づいて、各セル電圧ＶＦＣの低下速度を検知する。そして、各セル電圧ＶＦＣの低下速度を初期情報として記憶する。次に、２回目以降の酸化剤ガス循環ディスチャージ工程の実行時に、セル特性記憶工程の実行によって、電圧センサ３８によって検出された複数の燃料電池セルの各々のセル電圧ＶＦＣに基づいて、各セル電圧ＶＦＣの低下速度を検知する。そして、検知した各セル電圧ＶＦＣの低下速度が、記憶している初期情報に比べて、所定速度以上上昇しているか否かに応じて、クロスリークの発生有無を判定する。
この第１変形例によれば、異なるタイミングで検知したセル電圧ＶＦＣの低下速度を比較するので、複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣにばらつきがある場合であっても、各燃料電池セルにおけるクロスリークの発生有無を精度良く判定することができる。
また、上述した実施形態において、制御装置４１は、最低セル電圧と平均セル電圧との差に基づいてクロスリークの発生有無を判定してもよい。例えば、最低セル電圧と平均セル電圧との差が所定値以上であればクロスリークが発生していると判定してもよい。
【００６９】
（第２変形例）
なお、上述した実施形態において、制御装置４１は、例えば図４に示すように、酸化剤ガス循環ポンプ１９の駆動デューティに応じてクロスリーク判定閾値を可変としてもよい。
この第２変形例において、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ポンプ１９の駆動デューティが、所定の正常時の駆動デューティから所定の下限値に向かい低下することに伴い、クロスリーク判定閾値を減少傾向に変化させる。なお、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ポンプ１９の駆動デューティが所定の下限値未満の場合には、クロスリーク判定閾値を不定として、このクロスリーク判定閾値を用いたクロスリーク判定工程の実行を禁止する。
【００７０】
この第２変形例によれば、酸化剤ガス循環ポンプ１９の異常などによって酸化剤ガスの循環量が所定の正常時よりも低下している場合には、複数の燃料電池セルの積層方向での酸化剤ガスの分配に差が生じる。そして、酸化剤ガスの分配量が少ない燃料電池セルでは、酸素の消費によって酸素濃度が低下することに伴ってセル電圧ＶＦＣが低下する。一方、酸化剤ガスの分配量が多い燃料電池セルでは、酸素濃度の低下が抑制され、セル電圧ＶＦＣの低下が抑制される。これらによって、ディスチャージに起因する複数の燃料電池セルのセル電圧ＶＦＣ（あるいはセル電圧ＶＦＣの低下幅）のばらつきが増大する。
これに対して、酸化剤ガス循環ポンプ１９の駆動デューティの低下に伴い、クロスリーク判定閾値を増大させることによって、ディスチャージに起因するセル電圧ＶＦＣの低下と、クロスリークに起因するセル電圧ＶＦＣの低下とを、明確に判別することができる。そして、セル電圧ＶＦＣの低下幅のばらつきに起因する誤判定（つまり、ディスチャージに起因するセル電圧ＶＦＣの低下を、クロスリークに起因するセル電圧ＶＦＣの低下であると、誤って判定すること）を抑制することができる。
【００７１】
なお、この第２変形例において、例えば、セル電圧ＶＦＣが所定判定閾値以下であるか否かの判定に応じてクロスリークの発生有無を判定する場合には、酸化剤ガス循環ポンプ１９駆動デューティの低下に伴い、セル電圧ＶＦＣに対する所定判定閾値を低下させればよい。
また、制御装置４１は、セル電圧ＶＦＣの低下幅に基づいてクロスリークの発生有無を判定してもよい。制御装置４１は、例えば図５に示すように、クロスリークの発生有無を判定するためのセル電圧ＶＦＣの低下幅に対する閾値（電圧低下幅）を、酸化剤ガス循環ポンプ１９の駆動デューティに応じて可変としてもよい。この場合、制御装置４１は、酸化剤ガス循環ポンプ１９の駆動デューティが、所定の正常時の駆動デューティから所定の下限値に向かい低下することに伴い、セル電圧ＶＦＣの低下幅に対する閾値（電圧低下幅）を増大傾向に変化させる。そして、セル電圧ＶＦＣの低下幅が、閾値（電圧低下幅）以上であればクロスリークが発生していると判定する。
【００７２】
以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７３】
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池スタック（燃料電池）
１１Ａ  アノード
１１Ｂ  カソード
１１Ｃ  固体高分子電解質膜
１３  エアーコンプレッサー（酸化剤ガス供給手段）
１５  封止入口弁
１６  封止出口弁
１９  酸化剤ガス循環ポンプ
２１  水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２  水素供給弁（燃料ガス供給手段）
２８  水素ポンプ（燃料ガス循環ポンプ）
４１  制御装置
５１  酸化剤ガス供給路
５２  酸化剤ガス排出路
５４  酸化剤ガス循環路
５５  燃料ガス供給路
５６  燃料ガス排出路
５７  燃料ガス循環路
【図１】
2014192033.tif 000003
【図２】
2014192033.tif 000004
【図３】
2014192033.tif 000005
【図４】
2014192033.tif 000006
【図５】
2014192033.tif 000007