(57)【要約】【課題】  外気導入電磁弁２８の状態を簡易に検知する。【解決手段】  外気導入電磁弁２８を開放した時から所定時間経過する時までの、燃料電池スタック１００からの出力電圧Ｖの変化率が負となっていないことを連続して所定回数判定したときや、外気導入電磁弁２８を開放した時から所定時間経過した後の燃料電池スタック１００からの出力電圧値が所定値未満となっていないことを連続して所定回数判定したとき、外気導入電磁弁２８が異常と判定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室とを反応膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を検知する検知手段と、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための第１の供給路と、
前記第１の供給路に接続され、前記燃料電池内の燃料ガスの経路及び第１の供給路内に残留した燃料ガスを置換する置換ガスを供給するための第２の供給路と、
前記第２の供給路を開閉する開閉弁と、
前記燃料室及び前記第１の供給路を負圧にする負圧発生手段と、
前記負圧発生手段により前記燃料室及び前記第１の供給路が負圧になった場合に、前記開閉弁が開放されるように制御する制御手段と、
前記制御手段により前記開閉弁が制御された後の前記検知手段により検知された電圧状態に基づいて、前記開閉弁の状態を判断する判断手段と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記判断手段は、前記制御手段により前記開閉弁が制御されたときから所定時間経過するまでの第１の電圧状態及び該所定時間経過した後の第２の電圧状態の少なくとも一方に基づいて、前記開閉弁の状態を判断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】
前記第１の電圧状態は、前記燃料電池の電圧の変化率であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の電圧状態は、前記開閉弁が開放されたときから所定時間経過した後の前記燃料電池の電圧値であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判断手段は、前記開閉弁が所定の状態の場合に予め定められた電圧状態と、前記開閉弁が開放された後の前記検知手段により検知された電圧状態と、に基づいて、前記開閉弁の状態を判断することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記判断手段により前記開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記燃料室において、前記燃料ガスと前記置換ガスとの接触を回避する回避手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記判断手段により前記開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記開閉弁が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料ガスが流入される燃料室と、該燃料ガスと反応可能な反応可能ガスが流入される反応可能ガス室とを、電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと反応可能ガスとの反応による電力を出力する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質層として高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸化ガス室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として外気）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
【０００３】
ところで、上記燃料電池から電力を得る必要のないときは、燃料室における燃料ガスを酸化ガス又は不活性ガスに置換して、上記イオン化を停止させている。しかし、不活性ガスは、高価であるため、置換ガスは外気（空気）を用いている。そして、外気を利用して、燃料ガスを酸化ガスに置換する際に、燃料室に、燃料ガスと酸化ガスとが緩和的に混在すると、燃料室内において局部電池状態が発生し、燃料極の一部に異常燃焼が発生して、燃料極の耐久性を著しく悪化させてしまう。よって、燃料ガスが瞬時に酸化ガスと置換されることが望まれる。  
このように、停止時に燃料ガスを他のガスに置換するものとしては、以下のような従来技術が存在する。
【特許文献１】特開２００２−３２４５６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
出願人は、燃料ガスが供給される燃料室内や、この燃料室に燃料ガスを供給・流入する供給流入路内を負圧にし、燃料室内や供給流入路内が所定の負圧状態となった場合に、外気導入用の電磁弁を開き、外気を、供給流入路を介して燃料室に導入する装置を提案している。しかしながら、上記装置では、外気導入用の電磁弁が正常に動作することが前提である。従って、仮に、外気導入用の電磁弁が正常に動作せず、外気導入路の径が十分に開かなかった場合、燃料室内や供給流入路内が所定の負圧状態となったとしても、外気が、供給流入路、燃料室に導入しにくくなり、燃料室に、燃料ガスと酸化ガスとが緩和的に混在することになる。よって、上記のように、燃料極の耐久性を悪化させてしまう。従って、外気導入用の電磁弁が正常に動作するか検知する必要がある。この場合、外気導入用の電磁弁が正常に動作するか直接検知することは、検知者の負担が過大となって妥当ではない。  
本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、開閉弁の状態を簡易に検知することの可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上のような課題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。  
（１）燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室と、を反応膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応による電力を出力する燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を検知する検知手段と、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための第１の供給路と、
前記第１の供給路に接続され、前記燃料電池内の燃料ガスの経路及び第１の供給路内に残留した燃料ガスを置換する置換ガスを供給するための第２の供給路と、
前記第２の供給路を開閉する開閉弁と、
前記燃料室及び前記第１の供給路を負圧にする負圧発生手段と、
前記負圧発生手段により前記燃料室及び前記第１の供給路が負圧になった場合に、前記開閉弁が開放されるように制御する制御手段と、
前記制御手段により前記開閉弁が制御された後の前記検知手段により検知された電圧状態に基づいて、前記開閉弁の状態を判断する判断手段と、
を備えた燃料電池システム。
【０００６】
（２）  前記判断手段は、前記制御手段により前記開閉弁が制御されたときから所定時間経過するまでの第１の電圧状態及び該所定時間経過した後の第２の電圧状態の少なくとも一方に基づいて、前記開閉弁の状態を判断することを特徴とする上記（１）記載の燃料電池システム。
【０００７】
（３）  前記第１の電圧状態は、前記燃料電池の電圧の変化率であることを特徴とする上記（２）記載の燃料電池システム。
【０００８】
（４）  前記第２の電圧状態は、前記開閉弁が開放されたときから所定時間経過した後の前記燃料電池の電圧値であることを特徴とする上記（２）又は上記（３）に記載の燃料電池システム。
【０００９】
（５）  前記判断手段は、前記開閉弁が所定の状態の場合に予め定められた電圧状態と、前記開閉弁が開放された後の前記検知手段により検知された電圧状態と、に基づいて、前記開閉弁の状態を判断することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１０】
（６）  前記判断手段により前記開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記燃料室において、前記燃料ガスと前記置換ガスとの接触を回避する回避手段を更に備えたことを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１１】
（７）  前記判断手段により前記開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記開閉弁が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、開閉弁が制御された後の燃料電池の電圧状態に基づいて、開閉弁の状態を判断するので、開閉弁の状態を簡易に検知することができる、という効果がある。即ち、本発明にかかる燃料電池は、燃料ガスが流入される燃料室と、該燃料ガスと反応可能な反応可能ガスが流入される反応可能ガス室と、を電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと反応可能ガスとの反応による電力を出力する◎。
【００１３】
検知手段は、燃料電池の電圧状態を検知する。例えば、電圧や電流を検知する。
【００１４】
第１の供給路は、燃料室に接続され、燃料ガスを燃料室に供給する。第２の供給路は、第１の供給路に接続され、燃料ガスに置換される置換ガスを供給する。この第２の供給路には、第２の供給路を開閉する開閉弁が設けられ、開閉により置換ガスの流入を制御する。  
負圧発生手段は、燃料室及び第１の供給路を負圧にし、制御手段は、開閉弁の開閉を制御し、負圧発生手段により燃料室及び第１の供給路が負圧になった場合に、開閉弁を開放させる。即ち、例えば、制御手段は、負圧発生手段により燃料室及び第１の供給路が所定の負圧状態になった場合に、開閉弁が開放されるように制御する。
【００１５】
このように燃料室及び第１の供給路が負圧になり、開閉弁が制御され開放されると、少なくとも燃料室及び第１の供給路の負圧により、第２の供給路を介して、第１の供給路に、燃料ガスに置換される置換ガスが供給される。燃料室に、第２の供給路及び第１の供給路を介して、置換ガスが供給されることにより、燃料ガスが置換ガスに置換される。燃料室へ置換ガスが十分供給されると、燃料室から燃料ガスがなくなり、反応可能ガスとの反応せず、燃料電池の電圧が急激に減少される。
【００１６】
一方、開閉弁が正常に動作しなかった場合には、燃料室への置換ガスの供給がされなかったり十分ではなかったりする。このように、燃料室への置換ガスの供給がされなかったり十分ではなかったりすると、燃料室の燃料ガスが置換されず又は十分に置換されないので、燃料電池の電圧が急激に減少せずに、燃料室に残存する燃料ガスと反応可能ガスとの反応により、燃料電池から電圧が出力され続ける。
【００１７】
このように、制御手段の制御により開閉弁が正常動作すると燃料電池における電圧が急激に減少する。一方、開閉弁が正常に動作しないと、燃料電池は電圧を維持する。正常動作に比べ、比較的長時間の放置によるクロスリーク等により、電圧はやがて緩やかに降下する。  
よって、燃料電池の電圧の状態に基づいて、開閉弁の状態を判断することができる。つまり、電圧が緩やかに減少する時には、開閉弁の故障を予測でき、また、電圧が出力され続ける時には、開閉弁が故障していると判断することができる。
【００１８】
そこで、本発明の判断手段は、制御手段により開閉弁が制御された後の検知手段により検知された電圧の状態に基づいて、開閉弁の状態を判断する。このように、本発明は、開閉弁が制御された後の燃料電池の電圧状態に基づいて、開閉弁の状態を判断するので、開閉弁の故障の有無、故障の予測を判断することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、判断手段は、制御手段により開閉弁が制御されたときから所定時間経過するまでの第１の電圧状態及び該所定時間経過した後の第２の電圧状態の少なくとも一方に基づいて、開閉弁の状態を判断する。この２つの電圧状態に基づき開閉弁の状態を判断することで、開閉弁の状態の誤判断を抑制できる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、第１の電圧状態は、燃料電池の電圧の変化率として検出するので、出力状態をより精密に検出することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、第２の電圧状態は、開閉弁が開放されたときから所定時間経過した後の燃料電池の電圧値として検出するので、検出した値に基づく出力状態の判断が容易となる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、判断手段は、開閉弁が所定の状態の場合に予め定められた電圧状態と、開閉弁が開放された後の検知手段により検知された電圧状態と、に基づいて、開閉弁の状態を判断するので、開閉弁の状態を簡易に検知することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、判断手段により前記開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記燃料室において、前記燃料ガスと前記置換ガスとの接触を回避する回避手段を更に備えることにより、無用な置換ガスと燃料ガスとの接触を抑制し、燃料極の劣化を抑制することができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、判断手段により前記開閉弁が通常の動作状態でないと判断された場合に、前記開閉弁が通常の動作状態でないことを報知する報知手段を更に備えることで、使用者のシステムの異常を知らせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００２６】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。
【００２７】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。
【００２８】
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。  
凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、網目（図示せず）を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、網目を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。
【００２９】
集電部材３の両端部には、流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。  
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。
【００３０】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。
【００３１】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。
【００３２】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
【００３３】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。
【００３４】
上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。  また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。
【００３５】
図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、電解質層としての固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。電解質膜としては、例えば、固体高分子電解質膜や、有機無機ハイブリッド電解質膜を用いることができる。  
空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ2）等が挙げられる。
【００３６】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から、酸化ガスである空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、水噴射手段であるノズル５５から噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。
【００３７】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。  
燃料供給系１０の構成について、説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＢＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元電磁弁１８、一次センサＳ０、レギュレータ２１１、二次圧センサＳ１、並列接続された水素起動電磁弁２０及び水素調圧弁２１、ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂには、リリーフ弁３１が設けられ、燃料ガス供給流路２０１Ｂは、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、レベルセンサＳ１１が取り付けられたトラップ２４に接続されている。トラップ２４には、循環流路２０４の一端と、ガス導出路２０３の一端がそれぞれ接続されている。ガス導出路２０３の他端は、減圧排出路２０５に接続され、最終的には後述する空気排出路１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００３８】
循環流路２０４の他端は、外気流入路２０６に接続されている。循環流路２０４には、循環ポンプ２５と、循環電磁弁２６が設けられており、循環ポンプ２５と循環電磁弁２６の間には、減圧排出路２０５の一端が接続されている。減圧排出路２０５の他端は、空気排出路１２４に開口し、減圧排出路２０５には、減圧電磁弁２３が設けられている。外気流入路２０６の他端は、外部に開口し、開口側からフィルタ２９、外気導入電磁弁２８の順に設けられている。  
燃料ガス供給流路２０１、ガス排出流路２０２、循環流路２０４、外気導入電磁弁２８により、ガスの循環経路が形成される。
【００３９】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、外気温度センサＳ６、空気ファン１２２、ヒータＨ、空気入口温度センサＳ５、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４内には、冷却水を噴射するノズル５５が設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。
【００４０】
空気排出路１２４は、燃料電池スタック１００の導出口４４に接続され、導出口４４から流出した空気を合流させ、外部へ導流する。空気排出路１２４には、熱交換を促進するファンが取り付けられた凝縮器５１及び凝縮器排気温センサＳ１０が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気と水分を分離する。また、ノズル５５から供給された水も、ここで、回収される。空気排出路１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００の温度が間接的に検出される。
【００４１】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段である水タンク５３と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３へ導く導水路５２と、水タンク５３の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５２には、回収ポンプ６２が設けられている。給水路５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１、水供給電磁弁６３が順に設けられている。給水路５６には、外気取入路５４が接続され、該導入路５４には、外気取入電磁弁６５が設けられている。水タンク５３には、水温センサＳ７と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ８が設けられている。凝縮器５１と、導水路５２と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。
【００４２】
水回収手段は、これに加えて、燃料電池スタック１００の下側に設けられ、ノズル５５から噴射された水や、燃料電池スタック１００の生成水等を受ける水受回収手段としての水受トレーに溜まった水を回収する構成を加えてもよく、凝縮器５１が設けられていない場合には、水受トレーにより水の回収が行われる。また、凝縮器５１や水受トレー等を、水タンク５３よりも、鉛直方向において、上方に配置することにより、水の回収を重力により行う構成とすることが可能となる。この場合には、回収ポンプ６２は不要となるが、切換手段による水の回収動作を制御するために、回収ポンプの代りに電磁開閉弁を設ける。
【００４３】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してリレー７２、７２に接続され、さらに、リレー７２、７２は、インバータ７３を介してモータ７４に接続されている。また、インバータ７３には、出力制御装置７５を介して補助電源７６が接続されている。  
この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００４４】
図９に示すように、燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ１１の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８、２０、２２〜２４、２６〜２８、６３、６５、各ポンプ２５、６２、６１、ノズル５５、ファン１２２、ヒータＨ、インバータ７３、出力制御装置７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）２００を備えている。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータ７４の駆動や停止の指示信号が入力される。
【００４５】
次に、本実施の形態における、外気導入電磁弁２８の状態を検知する原理を説明する。イグニッションスイッチがオフになるか、あるいは定常的な発電状態において何らかの不具合が検知制御動作により働いた場合は、モータ７４の停止の指示信号が入力されると、燃料電池システムは、停止動作に入り、まず、定常発電運転の際に動作していた水素元電磁弁１８、ガス供給弁２２、循環電磁弁２６、排気電磁弁２７を閉じ、減圧電磁弁２３を開放する。次に、循環ポンプ２５の吸引動作を利用して、燃料電池スタック１００内の水素系の圧力を減圧させる。燃料電池スタック１００および燃料ガス供給流路２０１Ｂ内の体積容量を置換できる程度の減圧に達すると、外気導入電磁弁２８を開放する。外気導入電磁弁２８を開放すると、負圧化した燃料電池スタック１００内に瞬間的に空気が流入する。このように、燃料電池スタック１００内の燃料室の燃料ガスが瞬間的に外気に置換すると、瞬時に燃料電池の電圧は、図１０に示すように、時間経過に対して指数関数的に下降する。即ち、外気導入電磁弁２８を開放した時ｔ0から所定時間ΔＴ経過する時ｔ1までに、燃料電池の電圧Ｖは、定常発電運転時における電圧Ｖ0（Open  Circuit  Voltage）から、この電圧Ｖ0の５パーセント程度のＶ１（＝0.05Ｖ0）未満になる。  
このような制御動作によって、負圧化した燃料電池スタック１００内に瞬間的に空気を導入させることにより、本出願人は、水素と外気とが偏在することで生じる劣化反応の素過程を抑制することに成功している。このような停止時の連動制御を停止時劣化対策という。
【００４６】
しかしながら、この劣化対策制御の際、外気導入電磁弁２８が正常に動作しない、即ち、開放しない場合は、減圧化された燃料電池スタック１００内へ空気が流入しない。このため、燃料電池の電圧値は、図１０における正常動作した場合を示す下降ラインをたどらず、上記電圧Ｖ0（Open  Circuit  Voltage）を維持する、又は、緩やかに減少する。この状態が維持されるとアノードからカソードへの水素ガスのクロスリーク（膜透過現象）が発生して上述した局所電池状態が発生し燃料電池が劣化する。そのため早期にこの不具合状態を認知する検知手法が必要である。  
そこで、外気導入電磁弁２８が正常に動作し、瞬時にガス置換が行われた場合の燃料電池の電圧の降下率を予め測定し、これを検知制御に適応する。これにより、外気導入電磁弁２８の異常の早期発見と、これに起因する燃料電池の危険予知が行える。
【００４７】
次に、外気導入電磁弁２８の状態の検知処理を、図１１及び図１２に示す、外気導入電磁弁の状態検知処理プログラムのフローチャートを参照して具体的に説明する。  
上記のように外気導入電磁弁２８を開放したとき、外気導入電磁弁の状態検知処理プログラムがスタートし、ステップＳ５０２で、本プログラムで使用する変数Ｋ、Ｃを０に初期化する。なお、本プログラムでは、外気導入電磁弁２８の状態を複数回判定するものであり、Ｃは、この判定回数をカウントするための変数である。また、本プログラムでは、外気導入電磁弁の状態が異常と判定されても、連続して所定回数異常と判定されたときに、外気導入電磁弁の状態が異常であると最終的に結論するものであり、Ｋは、外気導入電磁弁の状態が異常と連続判定された回数をカウントするための変数である。
【００４８】
ステップＳ５０４で、変数Ｃを１インクリメントし、ステップＳ５０６で、外気導入電磁弁２８を開放したとき（ｔ0）の電圧値と、開放時（ｔ0）から燃料電池の電圧を一定時間Δｔ経過した時（ｔ1）の電圧値を検出する。予め通常動作した場合の電圧降下率を実測値より統計的にまとめ、その電圧値が時間変化に対して収束する区間において電圧変化が顕著にみられる領域を離散的に扱える妥当な時間変化として、Δｔは定められている。
【００４９】
ステップＳ５０８で、電圧の変化率ΔＶを算出する。センサーＳ４の出力値をＶ１、Ｖ２の順で取り込んだとすると、電圧の変化率ΔＶを、（Ｖ２−Ｖ１）／Δｔから算出する。  
ステップＳ５１０で、電圧の変化率ΔＶが、所定の閾値β（＝０）未満か否かを判断する。外気導入電磁弁２８を開放したとき、これが正常に動作すると、電圧Ｖは、図１０に示すように、瞬時に減少する。従って、（Ｖ２−Ｖ１）／Δｔから求められる電圧の変化率ΔＶは負の値となるはずである。閾値βは、０よりも小さい値であってもよい。閾値βをより小さな値とすることによって、電圧降下が緩やかである場合にも、外気導入電磁弁２８に異常があると判定することが可能となる。
【００５０】
電圧の変化率ΔＶが０未満と判断された場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作したと判断でき、ステップＳ５１２で、変数Ｋを０に初期化して、ステップＳ５１８で、変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃαとなったか否かを判断する。  
変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃαでない場合には、ステップＳ５０４に戻って、以上の処理（ステップＳ５０４〜５１８）を繰り返す。
【００５１】
一方、ステップＳ５１０で、電圧の変化率ΔＶが０未満でないと判断された場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないと判断でき、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないことを連続してカウントするため、ステップＳ５１４で、変数Ｋを１インクリメントし、ステップＳ５１６で、変数Ｋが所定値Ｋｎとなったか否かを判断する。変数Ｋが所定値Ｋｎとなっていない場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしていないので、ステップＳ５１８に進む。  
しかし、変数Ｋが所定値Ｋｎとなった場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしたので、後述するステップＳ５３８に進む。
【００５２】
上記ステップＳ５１８で、変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃαとなった場合には、外気導入電磁弁２８の状態を総判定回数Ｃα判定する間に、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないことを連続して所定値Ｋｎカウントしていないので、外気導入電磁弁２８の状態は正常であると一応判定することができる。
【００５３】
そこで、本プログラムでは、外気導入電磁弁２８の状態をより適切に判定するため、次の判定処理を実行する。  
上記のように、外気導入電磁弁２８が正常に動作すると、図１０に示すように、外気導入電磁弁２８を開放した時ｔ0から所定時間Δｔ経過する時ｔ1までに、燃料電池の電圧Ｖは、定常発電運転時における電圧Ｖ0（Open  Circuit  Voltage）から、この電圧Ｖ0の５パーセントのＶ１（＝0.05Ｖ0）未満になる。
【００５４】
従って、外気導入電磁弁２８が正常に動作しなかった場合、仮に、上記ステップＳ５０２〜５１８の処理で、外気導入電磁弁２８の状態が正常と判断されたとしても、外気導入電磁弁２８を開放した時ｔ0から所定時間Δｔ経過する時ｔ1までに、燃料電池の電圧Ｖは、定常発電運転時における電圧Ｖ0（Open  Circuit  Voltage）から、この電圧Ｖ0の５パーセントのＶ１（＝0.05Ｖ0）未満になるはずである。そこで、本プログラムでは、これを次のように判定する。
【００５５】
図１２のステップＳ５２０で、外気導入電磁弁２８を開放した時ｔ0から所定時間Ｔ経過したか否かを判断する。外気導入電磁弁２８を開放した時ｔ0から所定時間Ｔ経過した場合、ステップＳ５２２で、再度、上記変数Ｋ、Ｃを０に初期化する。  
ステップＳ５２４で、変数Ｃが１インクリメントし、ステップＳ５２６で、燃料電池の電圧Ｖを検出し、ステップＳ５２８で、ステップＳ５２６で検出された燃料電池の電圧Ｖが、上記電圧Ｖ0の５パーセントのＶ１（＝0.05Ｖ0）未満か否かを判断する。
【００５６】
検出された燃料電池の電圧ＶがＶ１未満と判定された場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作したと判断でき、ステップＳ５３０で、変数Ｋを０に初期化して、ステップＳ５３６で、変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃαとなったか否かを判断する。  
変数Ｃが、予定される総判定回数Ｃαでない場合には、ステップＳ５２４に戻って、以上の処理（ステップＳ５２４〜５３６）を繰り返す。
【００５７】
一方、ステップＳ５２８で、検出された燃料電池の電圧ＶがＶ１未満でないと判断された場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないと判断でき、ステップＳ５３２で、変数Ｋを１インクリメントし、ステップＳ５３４で、変数Ｋが所定値Ｋｎとなったか否かを判断する。変数Ｋが所定値Ｋｎとなっていない場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしていないので、ステップＳ５３６に進む。
【００５８】
しかし、変数Ｋが所定値Ｋｎとなった場合には、外気導入電磁弁２８が正常に動作していないことを連続して所定値カウントしたので、ステップＳ５３８で、水素と空気との接触を避けるため安全に水素をスタックに閉じ込めた異常停止モードを実行して、安全に燃料電池を停止する。
【００５９】
以上説明したように本実施の形態では、外気導入電磁弁２８を開放させた場合の燃料電池の電圧の変化状態に基づいて、外気導入電磁弁２８の状態を判断しているので、外気導入電磁弁２８の状態を簡易に判断することができる。  
また、本実施の形態では、外気導入電磁弁２８の状態の判定処理を、停止時の連動制御を停止時劣化対策（負圧化した燃料電池スタック１００内に瞬間的に空気を導入させる）と共に実行しているので、停止時劣化対策は、耐久性課題克服と補機不具合を検知できる非常に有効なシステム停止制御手法とすることができる。
【００６０】
以上説明した実施の形態では、図１１のステップＳ５１０では、電圧の変化率ΔＶが閾値β未満か否かを判断し、閾値β＝０としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、βは、所定の負の値としてもよい。または、βは、単にＯＣＶと任意の時間後の電圧値Ｖｎとの比較でも良い。ここで任意の値とは、正常に外気導入弁が機能した場合において実験的に観測される電圧効果の経時変化に対して妥当なサンプリング値を設定することを意味する。
【００６１】
また、前述した実施の形態では、外気導入電磁弁２８の状態判定のため、電圧の変化率を用いているが、本発明はこれに限定されるものでなく、燃料電池からの電流を用いるようにしてもよい。  
更に、前述した実施形態では、異常を検知した場合には、上記異常停止モードを実行すると共に、警告表示するようにしてもよい。さらに本件の検出手法は、停止動作後燃料電池を空気にて置換し、常圧化放置するあらゆるシステムにおいて、その処理動作を行う開閉弁の不具合を電圧降下率を検知手法のパラメータ化することで検知できる可能性があることを強調しておく。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの構成を示す単電池の全体正面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。
【図６】燃料電池スタックを構成する単電池の全体背面図である。
【図７】単位セルの断面図である。
【図８】燃料電池スタックの部分平面図である。
【図９】燃料電池システムの制御系のブロック図である。
【図１０】外気導入電磁弁が正常に動作した場合の燃料電池の電圧の変化の様子を示した図である。
【図１１】燃料電池スタックの外気導入電磁弁の状態検知処理プログラムの１部を示すフローチャートである。
【図１２】燃料電池スタックの外気導入電磁弁の状態検知処理プログラムの残りの部分を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６３】
１  燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１３  燃料電池セパレータ
１５  単位セル
３  集電部材
３０  燃料室
３２  凸状部
４  集電部材
４０  空気流路
４３  導入口
４４  導出口
８  枠体
９  枠体
５３  水タンク
６１  水供給ポンプ
６２  水回収ポンプ
【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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