(57)【要約】  【課題】簡易な構成で、かつ、迅速に燃料電池システムの温度異常を検知する。  【解決手段】燃料電池システム１０は、固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノードと固体高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、冷却水が流通する冷却水流路が設けられた冷却水流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池１１と、冷却水流路に冷却水を導入する冷却水循環ポンプ７４と、燃料電池１１の外表面に設けられた温度センサ７６と、温度センサ７６で測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム制御部７８を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池と、
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する熱媒体供給手段と、
前記燃料電池の外表面に設けられた温度センサと、
前記温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム異常検知手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記システム異常検知手段は、前記温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、前記熱媒体供給手段から前記熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する熱媒体供給制御手段および／または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する負荷制御手段を備えると共に、システムの運転を停止するシステム制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度センサは、前記燃料電池の外表面の前記酸化剤流路の近傍に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度センサは、前記酸化剤流路から酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口の近傍に設けられたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度センサは、前記セル積層体の積層方向の中央部付近の外表面に設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記システム異常検知手段は、複数の温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池と、
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する熱媒体供給手段と、
前記燃料電池の外表面の温度を測定する非接触型の温度センサと、
前記温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム異常検知手段および／または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する負荷制御手段を備えると共に、システムの運転を停止するシステム制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、
前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、
前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記燃料電池の外表面温度である電池表面温度を測定する工程と、
測定された前記電池表面温度が所定の条件を満たす場合に、前記熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する工程および／または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する工程を備えるシステムの運転を停止する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、
前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、
前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、
前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記燃料電池の外表面温度である電池表面温度を測定する工程と、
測定された前記電池表面温度が所定の条件を満たす場合に、燃料電池システムの異常と判定する工程および／または熱媒体の温度の異常と判定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの異常検知方法。
【請求項１０】
前記燃料電池システムの異常と判定する工程は、熱媒体の導入系統に異常が発生したと判定する工程であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの異常検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、および、燃料電池システムの異常検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電解質膜、例えば、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池用のセルは、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して構成された膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）と、ＭＥＡを挟むように設けられた燃料流路が形成されたアノード側プレートと、酸化剤流路が形成されたカソード側プレートとから構成される。このような構造のセルを複数積層してセル積層体を形成し、このセル積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより燃料電池が構成される。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、アノード側プレートにＨ２を含む燃料ガスを流通させると共に、カソード側プレートにＯ２を含む空気等の酸化剤ガスを流通させ、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることによって発電する。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、セル内部のＨ２とＯ２との反応熱を外部に放出しなければ、セル温度が上昇し、電解質膜の損傷を招いたり電気化学反応の効率が低下したりする。このため、燃料電池システムでは、セル積層体内に熱媒体、例えば、水などの冷媒を循環させて、所定の温度、例えば、７５℃以下に制御される。
【０００５】
このような燃料電池システムとして、冷媒ポンプによってセル積層体内に冷媒を循環させ、冷媒ポンプの流量および吐出圧力を検出して、これらのうち一方が正常範囲から外れたときに、冷媒循環系統の異常を検知するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１８４４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この燃料電池システムでは、実際の冷媒循環系統の異常の発生と、冷媒循環系統の異常の検知の時間差が大きく、異常を検知して燃料電池システムを停止したときには、電解質膜が損傷し始めていることがある。
【０００８】
また、この燃料電池システムでは、冷媒循環系統に冷媒ポンプの流量および吐出圧力を検出する装置を設け、この検出結果に基づいて冷媒循環系統を制御するため、構造が複雑となり、燃料電池システムのコストアップを招く。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、かつ、迅速に燃料電池システムの温度異常を検知することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する熱媒体供給手段と、前記燃料電池の外表面に設けられた温度センサと、前記温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム異常検知手段と、を有する。
【００１１】
この燃料電池システムによれば、簡易な構成で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。
【００１２】
システム異常検知手段は、温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、熱媒体供給手段から熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する熱媒体供給制御手段および／または燃料電池と燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する負荷制御手段を備えると共に、システムの運転を停止するシステム制御手段を有していてもよい。この構成によれば、簡易に、かつ、迅速に異常発生部位である可能性が高い熱媒体の導入系統の動作を停止することができる。
【００１３】
このとき、温度センサは、燃料電池の外表面の酸化剤流路の近傍に設けられることが好ましい。酸化剤流路では、電気化学反応による反応熱が生じるため、酸化剤流路の近傍は、温度が上昇しやすい。温度センサを前記燃料電池の外表面の前記酸化剤流路の近傍に設けることによって、熱媒体が電気化学反応による反応熱をセル外部に放出しているかを迅速に検知すること、すなわち、迅速に温度異常を検知することができる。
【００１４】
温度センサは、酸化剤流路から酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口の近傍に設けられることが好ましい。カソードガス出口の近傍は、カソードガス入口の近傍に比べて熱媒体の導入系統の異常による温度上昇が顕著なので、この構成によれば、迅速に温度異常を検知することができる。
【００１５】
温度センサは、セル積層体の積層方向の中央部付近の外表面に設けられてもよい。セル積層体では、積層方向の中央部付近のセルは、積層方向の端部付近のセルと比べて、熱媒体の導入系統の異常による温度上昇が顕著である。しかがって、この構成によれば、温度異常を迅速に検知することができる。
【００１６】
システム異常検知手段は、複数の温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定してもよい。温度センサを複数設けることによって、温度をより精度良く測定することができる。
【００１７】
他の発明の燃料電池システムは、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する熱媒体供給手段と、前記燃料電池の外表面の温度を測定する非接触型の温度センサと、前記温度センサで測定される温度が所定の条件を満たす場合に、システムの異常と判定するシステム異常検知手段および／または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する負荷制御手段を備えると共に、システムの運転を停止するシステム制御手段と、を有する。
【００１８】
この燃料電池システムによれば、簡易な構成で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。また、非接触型の温度センサで燃料電池の外表面の温度を測定するため、燃料電池の外表面の測定場所を変えたい場合でも、容易に対処することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記燃料電池の外表面温度である電池表面温度を測定する工程と、測定された前記電池表面温度が所定の条件を満たす場合に、前記熱媒体流路への熱媒体の導入を停止する工程および／または前記燃料電池と前記燃料電池から電力が供給される電気負荷との接続を遮断する工程を備えるシステムの運転を停止する工程と、を有する。
【００２０】
この燃料電池システムの制御方法によれば、簡易な手順で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池システムの異常検知方法は、電解質膜と前記電解質膜の一方の面に設けられたアノードと前記電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する膜電極接合体と、前記アノードに対向する燃料流路が形成されたアノード側プレートと、前記カソードに対向する酸化剤流路が形成されたカソード側プレートと、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートを備えるセルが複数積層されたセル積層体を含む燃料電池の前記燃料流路に燃料ガスを導入する工程と、前記酸化剤流路に酸化剤ガスを導入する工程と、前記熱媒体流路に熱媒体を導入する工程と、前記燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、および、熱媒体を導入しているときに、前記燃料電池の外表面温度である電池表面温度を測定する工程と、測定された前記電池表面温度が所定の条件を満たす場合に、燃料電池システムの異常と判定する工程および／または熱媒体の温度の異常と判定する工程と、を有する。
【００２２】
この燃料電池システムの異常検知方法によれば、簡易な手順で、かつ、迅速に温度異常を検知することができる。
【００２３】
この燃料電池システムの異常検知方法において、燃料電池システムの異常と判定する工程は、熱媒体の導入系統に異常が発生したと判定する工程としてもよい。この方法によれば、簡易な手順で、かつ、迅速に熱媒体の導入系統の異常を検知することができる。
【００２４】
なお、上記の構成において、燃料流路プレート、酸化剤流路プレート、および、熱媒体流路プレートは、それぞれが別部材とは限らない。例えば、バイポーラプレートの一方の面に燃料流路を設け、他方の面に熱媒体流路を設けること等により、燃料流路プレートと熱媒体流路プレートとが１つの部材で構成されてもよい。
【００２５】
また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本出願によって特許を受ける発明の範囲に含まれ得る。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、簡易な構成で、かつ、迅速に燃料電池システムの温度異常を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１のセル積層体１２を、セルの積層方向と平行な面で切断した断面模式図である。本実施の形態では、燃料電池１１は、固体高分子形燃料電池である。図１に示すように、ＭＥＡ１４は、固体高分子電解質膜１６にアノード１８およびカソード２０を配して構成されている。
【００２８】
アノード側プレート２２には、ＭＥＡ１４のアノード１８に対向して複数の燃料流路である燃料ガス流路２４を設けてあり、カソード側プレート２６には、ＭＥＡ１４のカソード２０に対向して酸化剤流路である酸化剤ガス流路２８を設けてある。ＭＥＡ１４を、アノード側プレート２２とカソード側プレート２６とで挟持することで単位セルが構成され、このセルを複数積層することでセル積層体１２が構成される。セル積層体１２の両端には、当該積層体を締め付ける一対のエンドプレート（図３参照）が配されており、これによって固体高分子形燃料電池の一部を構成している。
【００２９】
アノード側プレート２２の上部には、アノードガスである燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス供給マニホールド孔と、カソードガスである酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス供給マニホールド孔と、熱媒体である冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水供給マニホールド孔（いずれも不図示）が形成されている。
【００３０】
同様に、カソード側プレート２６の上部にも、アノードガスである燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス供給マニホールド孔と、カソードガスである酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス供給マニホールド孔と、熱媒体である冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水供給マニホールド孔（いずれも不図示）が形成されている。
【００３１】
アノード側プレート２２の燃料ガス供給マニホールド孔の下方には、燃料ガス供給マニホールド孔と連通する燃料ガス入口ヘッダ４０が設けられている。燃料ガス入口ヘッダ４０からは、鉛直下方に延びる溝状の複数の燃料流路である燃料ガス流路２４が、ＭＥＡ１４のアノード１８に対向するように設けられている。燃料ガス流路２４の下方には、複数の燃料ガス流路２４と連通する燃料ガス出口ヘッダ４４が設けられている。
【００３２】
同様に、カソード側プレート２６の酸化剤ガス供給マニホールド孔の下方には、酸化剤ガス供給マニホールド孔と連通する酸化剤ガス入口ヘッダ４６が設けられている。酸化剤ガス入口ヘッダ４６からは、鉛直下方に延びる溝状の複数の酸化剤流路である酸化剤ガス流路２８が、ＭＥＡ１４のカソード２０に対向するように設けられている。酸化剤ガス流路２８の下方には、複数の酸化剤ガス流路２８と連通する酸化剤ガス出口ヘッダ５０が設けられている。
【００３３】
また、アノード側プレート２２およびカソード側プレート２６の冷却水供給マニホールド孔の下方には、冷却水供給マニホールド孔と連通する冷却水入口ヘッダ５２が設けられている。冷却水入口ヘッダ５２からは、鉛直下方に延びる溝状の複数の熱媒体流路である冷却水流路５４が設けられている。
【００３４】
すなわち、アノード側プレート２２およびカソード側プレート２６のそれぞれのＭＥＡ１４に対向する面と反対側の面には凹部が形成されており、これらの凹部が組み合わされて冷却水流路５４が形成されている。冷却水流路５４の下方には、複数の冷却水流路５４と連通する冷却水出口ヘッダ５６が設けられている。
【００３５】
なお、本実施の形態では、アノード側プレート２２およびカソード側プレート２６の双方に、冷却水入口ヘッダ５２および冷却水流路５４が設けられているが、これに代えて、アノード側プレート２２またはカソード側プレート２６の一方に、冷却水入口ヘッダ５２および冷却水流路５４を設けてもよい。
【００３６】
また、アノード側プレート２２またはカソード側プレート２６の片方に、冷却水入口ヘッダ５２または冷却水流路５４のいずれか一方を、アノード側プレート２２またはカソード側プレート２６のもう片方に、冷却水入口ヘッダ５２または冷却水流路５４の他の一方を、冷却水入口ヘッダ５２と冷却水流路５４とが連通するように設けてもよい。
【００３７】
アノード側プレート２２の下部には、燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス排出マニホールド孔と、酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス排出マニホールド孔と、冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水排出マニホールド孔（いずれも不図示）が形成されている。
【００３８】
同様に、カソード側プレート２６の下部にも、燃料ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる燃料ガス排出マニホールド孔と、酸化剤ガスがセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる酸化剤ガス排出マニホールド孔と、冷却水がセルの積層方向に流れるときの流路の側壁の一部となる冷却水排出マニホールド孔（いずれも不図示）が形成されている。
【００３９】
燃料ガス排出マニホールド孔は、燃料ガス出口ヘッダ４４と、酸化剤ガス排出マニホールド孔は、酸化剤ガス出口ヘッダ５０と、冷却水排出マニホールド孔は、冷却水出口ヘッダ５６とそれぞれ連通している。
【００４０】
次に、セル積層体１２内の燃料ガス、酸化剤ガス、および、冷却水の流れについて説明する。
【００４１】
燃料ガスは、セル積層体１２の積層方向に連通する燃料ガス供給マニホールド孔を通って各セルに分配供給される。燃料ガスは、水中にバブリングして加湿されたものを使用する（図２参照）。各セルに供給された燃料ガスは、燃料ガス入口ヘッダ４０を通過して燃料ガス流路２４を流通し、アノード１８に水素を供給するとともに、固体高分子電解質膜１６を加湿する。燃料ガスとして、Ｈ２、または、Ｈ２を主成分とするメタン、プロパン、ブタンもしくはメタノール等の改質ガスを用いることができる。
【００４２】
一方、空気等の酸化剤ガスは、セル積層体１２の積層方向に連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔を通って各セルに分配供給される。各セルに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口ヘッダ４６を通過して酸化剤ガス流路２８を流通し、カソード２０にＯ２を供給する。
【００４３】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが流通する各セルでは、固体高分子電解質膜１６を介して電気化学反応が生じることにより発電が行われる。各セルから排出される未反応の燃料ガスは、燃料ガス出口ヘッダ４４において合流し、セル積層体１２の積層方向に連通する燃料ガス排出マニホールド孔を通ってセル積層体１２の外部に排出される。排出された未反応燃料ガスは、燃料改質装置（不図示）の改質器バーナに導入されて燃焼するのが一般的である。
【００４４】
また、発電後に各セルから排出される未反応の酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口ヘッダ５０において合流し、セル積層体１２の積層方向に連通する酸化剤ガス排出マニホールド孔を通ってセル積層体１２の外部に排出される。
【００４５】
冷却水は、セル積層体１２の積層方向に連通する冷却水供給マニホールド孔を通って各冷却水流路５４に分配供給される。各冷却水流路５４を流通する冷却水は、各セルを冷却して適正運転温度、例えば、約７０〜８０℃に保持する。冷却水は、セル積層体１２の積層方向に連通する冷却水排出マニホールド孔を通ってセル積層体１２の外部に排出される。
【００４６】
アノード側プレート２２の燃料ガス流路２４で生成された水は、燃料ガス出口ヘッダ４４に排出される。燃料ガス出口ヘッダ４４は燃料ガス排出マニホールド孔に向かって傾斜しているので、水は燃料ガス排出マニホールド孔に排出される。
【００４７】
次に、図２を参照しながら、本実施の形態に係る燃料電池システム１０について説明する。
【００４８】
図２は、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成模式図である。燃料電池システム１０は、図２に示すように、主に、燃料電池１１と、冷却水循環ポンプ７４と、温度センサ７６と、システム制御部７８を備える。また、燃料電池システム１０は、熱交換器８０と、燃料ガスを加湿する燃料加湿タンク８２と、酸化剤ガスである空気を加湿する空気加湿タンク８４と、フィルタ８６と、燃料源８８と、空気源９０とを備える。
【００４９】
燃料電池１１は、図１に示すように、セル積層体１２を備える。冷却水循環ポンプ７４は、熱媒体供給手段の一部を構成し、燃料電池システム１０に冷却水を導入する。冷却水循環ポンプ７４から吐出された冷却水は、図２に示すように、フィルタ８６、セル積層体１２、熱交換器８０、燃料加湿タンク８２、および、空気加湿タンク８４を順次経由して、冷却水循環ポンプ７４に戻る。
【００５０】
温度センサ７６は、燃料電池１１の外表面に接触して設けられる。温度センサ７６が設けられる詳細な位置については後述する。また、温度センサ７６は、燃料電池１１の外表面の温度を測定し、測定結果をシステム異常検知手段でもあるシステム制御部７８に送る。なお、本実施の形態では、温度センサ７６は、燃料電池１１の外表面に接触して設けられているが、これに代えて、非接触型の温度センサによって燃料電池１１の外表面の温度を測定してもよい。
【００５１】
また、本実施の形態では、温度センサ７６が１つ設けられているが、これに代えて、温度センサを複数設けてもよい。温度センサを複数設けることによって、温度をより精度良く測定できる。
【００５２】
システム制御手段であるシステム制御部７８は、熱媒体供給制御手段である冷却水循環ポンプ制御部１００と、負荷制御手段である負荷制御部１０２と、燃料制御部１０４と、空気制御部１０６を備える。システム制御部７８は、温度センサ７６で測定される温度が所定の条件を満たす場合に、燃料電池システム１０の１つ以上の部位の動作を停止させる。
【００５３】
ここで、測定される温度が所定の条件を満たす場合としては、測定される温度が燃料電池１１の正常運転状態における温度よりある温度以上、例えば、３℃以上高くなった場合、測定される温度の時間変化率がある数値以上、例えば、０．１℃／ｓｅｃ以上となった場合、または、測定される温度がセル積層体１２から冷却水が排出される冷却水出口付近の温度よりある温度以上、例えば、５℃以上低くなった場合などが挙げられる。
【００５４】
冷却水循環ポンプ制御部１００は、冷却水循環ポンプ７４の吐出流量等を制御する。負荷制御部１０２は、燃料電池１１によって発電された電力が供給される電気負荷（不図示）と燃料電池１１との接続および遮断を制御する。燃料制御部１０４は、燃料源８８から燃料電池１１に導入される燃料ガスの導入量を制御する。空気制御部１０６は、空気源９０から燃料電池１１に導入される空気の導入量を制御する。
【００５５】
熱交換器８０は、セル積層体１２内を通過して温度が上昇した冷却水の温度を下げる。燃料加湿タンク８２には水が貯留されていて、燃料源８８から供給される燃料ガスは、この水を通過してからセル積層体１２に導入される。このため、燃料ガスは、ほぼ相対湿度１００％の状態でセル積層体１２に導入される。
【００５６】
同様に空気加湿タンク８４にも水が貯留されていて、空気源９０から供給される空気は、この水を通過してからセル積層体１２に導入される。このため、空気も、ほぼ相対湿度１００％の状態でセル積層体１２に導入される。燃料ガスおよび空気がほぼ相対湿度１００％の状態でセル積層体１２に導入されるため、固体高分子電解質膜１６は、湿潤状態が維持される。フィルタ８６は、冷却水中に混入した不純物を濾過する。
【００５７】
次に、図３から図５を参照しながら、燃料電池１１に設置される温度センサ７６の位置について説明する。
【００５８】
図３は、セル積層体１２を斜め方向から見た外観模式図である。セル積層体１２の両端面には、エンドプレート１１０，１１０が設けられている。温度センサ７６は、図３に示すように、燃料電池１１の外表面であって、セルの積層方向の中央部付近で、酸化剤ガス流路２８の近傍で、酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口の近傍に設けられている。このため、燃料電池システム１０の温度異常を迅速に検知することができる。ここで酸化剤ガス出口の近傍は、セル積層体１２の構造、ならびに、温度センサ７６の形状および大きさ等を考慮しつつ、酸化剤ガス流路２８の中央よりも酸化剤ガス出口に近い位置の中から適宜選択される。
【００５９】
図４は、冷却水を導入しながら燃料電池１１を運転したときの、燃料電池１１の外表面における酸化剤ガス流路２８の近傍の温度、および、冷却水を導入しないで燃料電池１１を運転したときの、燃料電池１１の外表面における酸化剤ガス流路２８の近傍の温度を示す図である。なお、燃料電池１１の外表面における酸化剤ガス流路２８の近傍の温度は、酸化剤ガス流路２８の入口近傍と、酸化剤ガス流路２８の中央近傍と、酸化剤ガス流路２８の出口近傍で測定した。
【００６０】
図４に示すように、酸化剤ガス流路２８の出口近傍で測定した温度変化は、酸化剤ガス流路２８の入口近傍および中央近傍の温度変化より顕著であった。したがって、酸化剤ガス流路２８の出口近傍で測定した温度に基づいて燃料電池システム１０の温度異常を検知すれば、迅速、かつ、確実に温度異常を検知することができると考えられる。
【００６１】
図５は、冷却水を導入しながら燃料電池１１を運転し、その後、冷却水の導入を停止して燃料電池１１を運転したときの、燃料電池１１の外表面における酸化剤ガス流路２８の近傍の温度の時間変化を示す図である。なお、燃料電池１１の外表面における酸化剤ガス流路２８の近傍の温度は、酸化剤ガス流路２８の入口近傍と、酸化剤ガス流路２８の中央近傍と、酸化剤ガス流路２８の出口近傍で測定した。
【００６２】
図５に示すように、燃料電池への冷却水の導入を停止した直後の酸化剤ガス流路２８の出口近傍で測定した温度の時間変化率は、酸化剤ガス流路２８の入口近傍および中央近傍の温度の時間変化率より顕著であった。したがって、酸化剤ガス流路２８の出口近傍で測定した温度に基づいて燃料電池システム１０の温度異常を検知すれば、迅速かつ確実に温度異常を検知することができると考えられる。
【００６３】
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。
【００６４】
まず、燃料電池１１に燃料ガス、空気、および、冷却水を導入して、燃料電池１１を運転する。次に、温度センサ７６によって電池表面温度を定期的、例えば、１０秒毎に測定する。測定された電池表面温度データは、システム制御部７８に送られる。電池表面温度データが所定の条件を満たすようになった場合には、システム制御部７８によって、燃料電池システム１１の異常と判定される。
【００６５】
そして、負荷制御部１０２によって燃料電池１１から電気負荷が遮断され、冷却水循環ポンプ制御部１００によって冷却水循環ポンプ７４が停止され、燃料制御部１０４によって燃料電池１１への燃料ガスの導入が停止され、空気制御部１０６によって燃料電池１１への空気の導入が停止される。
【００６６】
なお、電気負荷の遮断、冷却水循環ポンプ７４の停止、燃料ガスの導入停止、および、空気導入停止の各手順の順番は、適宜設定される。また、必ずしも燃料電池システム１０全体の稼動を停止させなくてもよく、燃料電池システム１０の一部のみの動作を停止させてもよい。また、冷却水循環ポンプ７４の停止および／または電気負荷の遮断を行って、システムの運転を停止してもよい。
【００６７】
測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようにならない間は、燃料電池システム１０は稼動される。そして、必要に応じて、冷却水循環ポンプ７４の停止、電気負荷の遮断、燃料ガスの導入停止、および、空気の導入停止を行い、燃料電池システム１０の稼動が停止される。
【００６８】
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの異常検知方法について説明する。
【００６９】
まず、燃料電池１１に燃料ガス、空気、および、冷却水を導入して、燃料電池１１を運転する。次に、温度センサ７６によって電池表面温度を定期的、例えば、１０秒毎に測定する。測定された電池表面温度データは、システム制御部７８に送られる。電池表面温度データが所定の条件を満たすようになった場合には、燃料電池システム１０に異常が発生したと判定する。
【００７０】
次に、燃料電池システム１０の稼動を停止させる。燃料電池システム１０は、電気負荷の遮断、冷却水循環ポンプ７４の停止、燃料ガスの導入停止、および、空気の導入停止の各手順を適宜の順番で行うことによって、稼動停止される。なお、異常の発生状況に応じて、例えば、燃料電池システム１０のある箇所は正常であることが分かり、かつ、他の箇所の異常の修復が早期に行えるときなどは、燃料電池システム１０の正常な箇所を作動させたまま、一部の箇所のみの動作を停止させてもよい。また、冷却水循環ポンプ７４の停止および／または電気負荷の遮断を行って、システムの運転を停止してもよい。次に、燃料電池システム１０の異常の原因を詳細に調査する。そして、異常の原因に対応した対策を講ずる。
【００７１】
なお、本願発明者等の検討結果によれば、測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようになった場合の大半が冷却水導入系統の異常であるため、測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようになった場合に、冷却水の導入系統で異常が発生したと判定してもよい。この場合には、まず冷却水循環ポンプ７４の停止を行う。
【００７２】
また、測定された電池表面温度が所定の条件を満たすようにならない間は、燃料電池システム１０は稼動される。そして、必要に応じて、電気負荷の遮断、冷却水循環ポンプ７４の停止、燃料ガスの導入停止、および、空気の導入停止を行い、燃料電池システム１０の稼動が停止される。
【００７３】
なお、冷却水の導入系統の異常ではない場合には、燃料電池１１の運転を停止した後、しばらく冷却水を燃料電池１１に導入し続けてもよい。燃料電池１１の運転を停止した後に、しばらく冷却水を燃料電池１１に導入し続けることによって、燃料電池１１の各セルの燃料ガス流路２４および酸化剤ガス流路２８を均一に冷却することができる。このため、複数の燃料ガス流路２４同士および複数の酸化剤ガス流路２８同士で、凝縮水の発生が均一化され、次回の燃料電池１１の運転開始時に、燃料ガスおよび酸化剤ガスがセル内部に均一に供給される。この結果、燃料電池１１の起動時の電圧が安定する。
【００７４】
また、セル積層体１２から冷却水が排出される冷却水出口付近（図２のＡ）の温度を、燃料電池１１の外表面温度と併せて測定し、これらの冷却水出口付近の温度（以下、Ｔ１とする）、外表面温度（以下、Ｔ２とする）、および、Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）に基づいて、燃料電池システム１０の異常部位の推測を行うことができる。
【００７５】
すなわち、燃料電池１１の正常運転時の冷却水出口付近の温度および外表面温度をそれぞれＴｓ１およびＴｓ２として、（１）Ｔ１がＴｓ１とほぼ同じ温度で、かつ、Ｔ２がＴｓ２と比べて高温の場合には、燃料電池１１への冷却水の導入が停止していると、（２）Ｔ１がＴｓ１と比べて高温で、Ｔ２がＴｓ２と比べて高温で、かつ、Ｔ２−Ｔ１がＴｓ２−Ｔｓ１とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池１１への冷却水の導入量が低下している、または、燃料電池１１が異常発熱していると、（３）Ｔ１がＴｓ１と比べて低温で、Ｔ２がＴｓ２と比べて低温で、かつ、Ｔ２−Ｔ１がＴｓ２−Ｔｓ１とほぼ同じ温度の場合には、燃料電池１１に導入する冷却水の温度異常であるとそれぞれ推測できる。
【００７６】
上記（１）の場合には、冷却水循環ポンプ７４の異常、配管の詰まり、フィルタ８６の詰まり、または、冷却水循環ポンプ制御部１００の異常のうち、１つ以上の原因が考えられる。
【００７７】
上記（２）の場合、燃料電池１１への冷却水の導入量が低下していると推測されるときには、冷却水循環ポンプ７４の吐出力の低下、配管の詰まり、フィルタ８６の詰まり、または、冷却水循環ポンプ制御部１００の異常のうち、１つ以上の原因が考えられ、燃料電池１１が異常発熱していると推測されるときには、燃料導入量の低下、燃料ガスの加湿温度の低下、酸化剤ガスの加湿温度の低下、または、燃料電池１１の過電流のうち、１つ以上の原因が考えられる。
【００７８】
上記（３）の場合には、熱交換器８０の温度制御の異常が原因と考えられる。
【００７９】
また、更にセル積層体１２に冷却水が導入される冷却水入口付近（図２のＢ）の温度（以下、Ｔ３とする）を、Ｔ１およびＴ２と併せて測定し、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ２−Ｔ１、および、Ｔ３−Ｔ１に基づいて、燃料電池システム１０の異常部位の推測をより詳細に行うこともできる。なお、燃料電池１１の正常運転時の冷却水入口付近の温度をＴｓ３とする。
【００８０】
すなわち、上記（１）の測定結果に加えて、更に、Ｔ３がＴｓ３とほぼ同じ温度で、かつ、Ｔ１−Ｔ３がＴｓ１−Ｔｓ３とほぼ同じ温度のときには、燃料電池１１への冷却水の導入が停止しているとより高確度で推測できる。
【００８１】
上記（２）の測定結果に加えて、更に、Ｔ３がＴｓ３とほぼ同じ温度で、かつ、Ｔ１−Ｔ３がＴｓ１−Ｔｓ３と比べて高温のときには、燃料電池１１への冷却水の導入量が低下している、または、燃料電池１１が異常発熱しているとより高確度で推測できる。
【００８２】
上記（３）の測定結果に加えて、更に、Ｔ３がＴｓ３と比べて高温で、かつ、Ｔ１−Ｔ３がＴｓ１−Ｔｓ３とほぼ同じ温度のときには、燃料電池１１に導入する冷却水の温度異常であるとより高確度で推測できる。
【００８３】
そして、燃料電池システム１０の異常箇所および異常原因が推測されたら、各種原因に応じた対策を施すことができる。このため、燃料電池システム１０の異常箇所および異常原因を、各種部品について網羅的に調査する必要性が低減する。
【００８４】
以上、実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本実施の形態に係るセル積層体をセルの積層方向と平行な面で切断した断面模式図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料電池システムの構成模式図である。
【図３】本実施の形態に係るセル積層体を斜め方向から見た外観模式図である。
【図４】本実施の形態に係る燃料電池の外表面における酸化剤ガス流路の近傍の温度を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る燃料電池を運転したときの、燃料電池の外表面における酸化剤ガス流路の近傍の温度の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０  燃料電池システム、１１  燃料電池、  １２  セル積層体、  １４  ＭＥＡ、  １６  固体高分子電解質膜、  １８  アノード、  ２０  カソード、  ２２  アノード側プレート、  ２４  燃料ガス流路、  ２６  カソード側プレート、  ２８  酸化剤ガス流路、  ４０  燃料ガス入口ヘッダ、  ４４  燃料ガス出口ヘッダ、  ４６  酸化剤ガス入口ヘッダ、  ５０  酸化剤ガス出口ヘッダ、  ５４  冷却水流路、  ５６  冷却水出口ヘッダ、  ７４  冷却水循環ポンプ、  ７６  温度センサ、  ７８  システム制御部、  ８０  熱交換器、  ８２  燃料加湿タンク、  ８４  空気加湿タンク、  ８６  フィルタ、  ８８  燃料源、  ９０  空気源、  １００  冷却水循環ポンプ制御部、  １０２  負荷制御部、  １０４  燃料制御部、  １０６  空気制御部。
【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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