(57)【要約】【課題】  簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、燃料ガス流路１Ｄと酸化剤ガス流路１Ｅとを有する燃料電池と１、燃料ガス供給装置２と、酸化剤ガス供給装置３と、燃料ガス供給流路６と、酸化剤ガス供給流路７と、燃料ガス排出流路８と、酸化剤ガス排出流路９と、排出側二酸化炭素濃度検出装置４と、制御装置１０と、を有し、制御装置１０は、排出側二酸化炭素濃度検出装置４の検出値を取得して、該検出値に基づいて前記燃料ガスの漏洩を検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両側に形成されたアノード及びカソードにそれぞれ接するように形成された、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有する、燃料電池と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス流路に前記燃料ガス供給装置を接続する燃料ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガス供給装置を接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出される余剰の燃料ガスが流通する燃料ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス流路から排出される余剰の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路及び前記燃料ガス排出流路のいずれかに配設されている排出側二酸化炭素濃度検出装置と、
制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、該検出値に基づいて前記燃料ガスの漏洩を検出する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給装置の供給圧よりも前記酸化剤ガス供給装置の供給圧が低く、
前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記酸化剤ガス排出流路に配設されていて、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記漏洩値を外部に出力する出力部を備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記漏洩値を評価する評価用漏洩値が予め格納されている記憶部を備え、
前記制御装置は、前記漏洩値と前記評価用漏洩値とを対比することにより、前記燃料電池の劣化状態を評価する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記評価された漏洩値あるいは評価結果を外部に出力する出力部を備える、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置は、前記評価された漏洩値に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、所定の検出時間間隔毎に前記漏洩値を算出し、前記記憶部には、前記燃料電池の運転時間に対応させて前記漏洩値が蓄積され、
前記制御装置は、前記運転時間に対する前記漏洩値の推移線を統計学的近似法により取得し、前記推移線と前記評価用漏洩値との対比に基づいて前記燃料電池の劣化進展を予測する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御装置は、前記推移線の軌跡に応じて前記検出時間間隔を変更する、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置の記憶部に格納されている評価用漏洩値には、前記燃料電池の耐用限界時における限界漏洩値を含み、
前記制御装置は、前記推移線を外挿して、前記限界漏洩値に到達するまでの前記燃料電池の予測残存運転時間を取得する、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記予測残存運転時間を外部に出力する出力部を備える、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記予測残存運転時間に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記酸化剤ガス供給装置の供給圧よりも前記燃料ガス供給装置の供給圧が低く、
前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記燃料ガス排出流路に配設されていて、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、
前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出する、請求項１３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、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池システムに関する。特に高分子電解質膜を有する燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。燃料電池の種類の一つとして高分子電解質型燃料電池があり、その構造は以下の通りである。
【０００３】
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層が形成されている。この触媒層の外面には、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスでガス拡散層が形成されている。このガス拡散層と触媒層とが合わされて膜電極接合体が構成されている。
【０００４】
この膜電極接合体は、集電のためにガラス状カーボンや金属などの導電性材料からなる一対のセパレータにより挟持されている。このセパレータの内側表面には、燃料ガスや酸化剤ガスを膜電極接合体に曝露するように構成されている流路溝が形成されている。したがって、流路溝は膜電極接合体によって区画されて、膜電極接合体の両表面にそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成される。また、一般的に、供給する燃料ガスあるいは酸化剤ガスが流路溝からの漏洩を防ぐガスシール材やガスケットが膜電極接合体とセパレータとの間に配置されている。
【０００５】
このようなセパレータに挟持された膜電極接合体が基本単位となり、これが高分子電解質型燃料電池の電気又は熱の設計出力に応じた数だけ積層されて、高分子電解質型燃料電池が形成されている。
【０００６】
燃料電池システムは、この高分子電解質型燃料電池（以下ＰＥＦＣと省略する）に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置が接続されて、さらに、発生した熱を回収する排熱回収装置やＰＥＦＣによって作り出される電気を使用できるように調整する電力変換装置が必要に応じて設けられ、そして、これらの装置を制御する制御装置が設けられて構成されている。
【０００７】
燃料ガス供給装置は、一般的には、水素ガスの供給装置、あるいは、天然ガスやプロパンガス、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置を備え、水素ガス、あるいは改質ガスを燃料ガスとしてＰＥＦＣに供給する。酸化剤ガス供給装置は、例えば、ブロワ、ファン等送風器からなり、酸素ガス、あるいは空気を酸化剤ガスとしてＰＥＦＣに供給する。ＰＥＦＣの内部では、ガスケット、高分子電解質膜およびセパレータ等の構成部材によって形成された流路溝中を燃料ガス、あるいは酸化剤ガスが流れている。しかしながら、これら構成部材の劣化により、例えば高分子電解質膜の損傷などにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏洩、つまり一方のガスから他方のガスへの漏洩が生じる。燃料ガスと酸化剤ガスとの混合は、前述の触媒層への燃料ガスあるいは酸化剤ガスの供給が不十分となると、つまり膜電極接合体への曝露が不十分となると、電極反応の分極抵抗が増大し、ＰＥＦＣの出力低下が引き起こされる。したがって、ＰＥＦＣの燃料電池の性能低下を防止するためには、燃料ガス流路あるいは酸化剤ガス流路へのガスの漏洩を検出することができる燃料電池システムあるいは検出方法が必要となる。
【０００８】
ここで、一般的な圧力容器類においては、容器類の内部に加圧ガスを封止して、圧力の低下に要する時間、あるいは所定時間における圧力低下を検出する漏洩率検査が一般的に行われている。しかし、燃料電池システムは随時運転されるシステムであることから、ＰＥＦＣの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩の検出は、ＰＥＦＣの運転動作の支障とならないように行われる必要があり、燃料電池システムにガスを加圧して封止し、その圧力低下を経過観察する検出方法は実用上適さない。他方で、燃料電池の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出する燃料電池システムあるいは漏洩を検出する方法は既にいくつか開示されており、主たる燃料電池システムあるいは検出方法は以下の通りである。
【０００９】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、燃料電池の出力電流値に基づいて、消費される燃料ガスの量を算出し、この量からさらに燃料ガスボンベ内の燃料ガス圧力を算出して、この算出圧力値と実際に圧力センサで検出した検出圧力値とを比較することにより、燃料ガスの漏洩を判断する。
【００１０】
また、特許文献２に開示されている燃料電池の診断方法は、燃料電池の燃料極及び酸化剤極に水素含有ガス及び酸素含有ガスをそれぞれ供給し、酸素含有ガスの供給量の減少に伴う燃料電池の発生電圧の急激な変化を検出して、酸素含有ガスと発生電圧との対応関係から燃料電池における水素漏洩量を算出する。
【００１１】
また、燃料電池の劣化判断に関連しても、燃料電池の状態を種々の方法で検出することで燃料電池の劣化状態を判断し、その結果を燃料電池の制御機構にフィードバックすることで劣化の進行を抑制し、ひいては燃料電池及び燃料電池システムの高耐久化・長寿命化を図る燃料電池システムが開示されている。
【００１２】
例えば、特許文献３では、ＰＥＦＣから燃料ガス加湿水等における水分中の不純物イオンを分析し、ＰＥＦＣの運転状態が性能低下領域にあるかどうかを判断し、性能低下領域にあると判断した場合には、ＰＥＦＣの運転を停止あるいは運転条件を制限することによって、ＰＥＦＣの運転状態を性能低下領域から回避させるＰＥＦＣの運転方法が開示されている。
【００１３】
また、特許文献４では、燃料電池を幾つかの基本運転パターンで運転させて、その基本運転パターンにおける発電時間と出力電圧変化率との関係に基づいて、燃料電池燃料電池の寿命を予測する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−２２４６８１号公報
【特許文献２】特開平９−２７３３６号公報
【特許文献３】特開２００４−１２７５４８号公報
【特許文献４】特開平１１−９７０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、燃料電池では、燃料電池に供給されるガスに含まれる水蒸気が酸化剤ガスあるいは燃料ガスの経路内で凝縮水となり、この水が酸化剤ガス流路あるいは燃料ガス流路に滞留してガスの流通を阻害すると燃料電池の出力低下を招来する。そこで、燃料電池の起動動作時、停止動作時あるいは運転動作中には、燃料電池内の残留ガスや水分をパージするパージ処理が行われるのが一般的である。このパージ処理の方法には、例えば乾燥した燃料ガスが燃料電池内に供給されて凝縮水が燃料電池外へ押し流される方法がある。したがって、特許文献１に開示される燃料電池システムでは、燃料電池の残留ガスや水分をパージするパージ処理に燃料ガスが用いられた場合に、そのパージ処理に伴う燃料ガスの消費が漏洩量に算入されてしまい、燃料電池の漏洩検出が不正確になってしまう。
【００１５】
また、特許文献２に開示されている燃料電池の診断方法では、カソードへの酸素含有ガスの供給量を徐々に減少させながら燃料電池の発生電圧を測定しているが、前記供給量の変化に基づく発生電圧の変化は小さいため、検出精度が低い。加えて、燃料電池の電気出力の変動には電極性能の劣化等種々の要因が絡むので、発生電圧に基づいて燃料ガスの漏洩を推定する方法ではその精度が低い。
【００１６】
また、ＰＥＦＣにおいては、高分子電解質膜が分解するとフッ化物イオンが生成される。また、フッ化物イオンは金属を腐食する性質がある。そこで、特許文献３の開示されるＰＥＦＣの運転方法では、生成水、加湿水等水分中の金属イオン等イオンを検出することによりＰＥＦＣの劣化を判断する。しかし、ＰＥＦＣの燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩は、高分子電解質膜が物理的に破損することによっても発生する。こういった高分子電解質膜の破損の場合には、金属イオン又はフッ化物イオンの生成は起こりにくいので、金属イオン又はフッ化物イオンの検出からＰＥＦＣの劣化を判断する方法は、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩検出には不向きである。
【００１７】
また、燃料電池の白金等の電極触媒は、燃料電池の負荷変動、燃料電池内のガス成分、あるいは燃料電池内のガス成分の分圧、さらには、停止中の温度・湿度条件等によって、触媒能に影響を受ける。すなわち、燃料電池の電極面積は、燃料電池の履歴により変化することになるので、燃料電池の運転パターンだけによっては燃料電池の寿命を精度良く予測することは難しい。したがって、燃料電池の基本運転パターン、あるいは複数の基本運転パターンの組合せから近似される燃料電池の寿命予測は不正確となってしまうという問題があった。
【００１８】
このようにして、燃料電池の燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩検出を迅速に行うには、従来の技術においては精度が十分でなく、不正確になりがちであった。また、燃料電池の劣化判断に関しては、燃料電池の基本運転パターンにおけるデータの取得には時間と手間を要し、金属イオン又はフッ化物イオンの検出装置等の用意にはコストがかかる。
【００１９】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる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】
【００２０】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意研究を重ねた結果、燃料ガスと酸化剤ガスとの組成の相違と、両ガスの供給圧の相違とに着目し、酸化剤ガス中の組成変動によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出する方法に想到した。つまり、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩発生時には、供給圧が高い側から低い側にガスが漏洩するので、供給圧が低い側のガスの組成が変動する。ＰＥＦＣにおいては、一般的に燃料ガスの方が酸化剤ガスよりも供給圧が高いので、酸化剤ガスの組成変動を検出することによって、燃料ガスの酸化剤ガスへの漏洩を検出することができる。
【００２１】
ここで、燃料ガスと酸化剤ガスとの組成において相違しているのは水素及び酸素である。しかしながら、燃料ガスの主成分である水素の濃度は、水素が燃料電池の電池化学反応に関与することから、燃料電池内部において水素濃度が変動してしまうので、水素濃度の変動と燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩との相関性は低い。同様にして、酸化剤ガスの主成分である酸素の濃度も、燃料電池の電池化学反応に関与することから、燃料電池内部において酸素濃度が変動してしまうので、酸素濃度の変動と燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩との相関性は低い。さりとて、燃料ガスと酸化剤ガスとの両方に含有される成分については、その濃度差が小さい場合には、漏洩が濃度差の顕著な変動としては出現し得ない。
【００２２】
ここで、一般的に燃料ガスは、水素ガス、あるいは炭化水素系ガスの改質によって生成される改質ガスが用いられ、改質ガス中には２０％以上４０％以下程度の濃度の二酸化炭素が含まれている。また、一般的に酸化剤ガスは、酸素ガス、あるいは空気が用いられ、空気中には、３００ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下程度の濃度の二酸化炭素が含まれている。したがって、二酸化炭素は燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方に含有され、例え、双方に含有されていたとしても、それらの二酸化炭素濃度の濃度差が大きいことがわかった。また、燃料ガスに水素ガス、酸化剤ガスに酸素ガスを用いる場合であっても、空気を混合させる等によって、いずれかに多少の二酸化炭素を混合すればよい。以上から、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩発生時には、供給圧が低い側のガスの二酸化炭素濃度に顕著な変動が生じることに想到し、研究者は、燃料ガスあるいは酸化剤ガス中の二酸化炭素濃度の変動によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出する燃料電池システムの発明に想到した。なお、二酸化炭素の濃度変化をモニタする場合、二酸化炭素の水（電池反応の生成水、酸化剤ガス及び燃料ガスの少なくとも一方を加湿した場合に生ずる凝縮水など）への溶解度を考慮する必要がある場合には、予備実験などでその量を把握して置けばよい。
【００２３】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、高分子電解質膜の両側に形成されたアノード及びカソードにそれぞれ接するように形成された、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを有する、燃料電池と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス流路に前記燃料ガス供給装置を接続する燃料ガス供給流路と、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガス供給装置を接続する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出される余剰の燃料ガスが流通する燃料ガス排出流路と、前記酸化剤ガス流路から排出される余剰の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路及び前記燃料ガス排出流路のいずれかに配設されている排出側二酸化炭素濃度検出装置と、制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、該検出値に基づいて前記燃料ガスの漏洩を検出する（請求項１）。このように構成すると、燃料電池システムは、酸化剤ガス排出流路中あるいは燃料ガス排出流路中の二酸化炭素濃度の変化によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出することができるので、簡便な構造及び動作によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる。
【００２４】
また、上述の本発明の効果をより確実に得る観点から、前記燃料ガス供給装置の供給圧よりも前記酸化剤ガス供給装置の供給圧が低く、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記酸化剤ガス排出流路に配設されていて、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい（請求項２）。あるいは、前記酸化剤ガス供給装置の供給圧よりも前記燃料ガス供給装置の供給圧が低く、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置が前記燃料ガス排出流路に配設されていて、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい（請求項１３）。
【００２５】
また、前記酸化剤ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記酸化剤ガス流路に供給される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度と前記酸化剤ガス流路から排出される前記酸化剤ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい（請求項３）。あるいは、前記燃料ガス供給流路に配設されている供給側二酸化炭素濃度検出装置を有し、前記制御装置は、前記排出側二酸化炭素濃度検出装置及び前記供給側二酸化炭素濃度検出装置の検出値を取得して、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度と前記燃料ガス流路から排出される前記燃料ガスの二酸化炭素濃度との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる漏洩値を算出するとよい（請求項１４）。このように構成すると、酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度、あるいは燃料ガス流路に供給される燃料ガスの二酸化炭素濃度、すなわち基準二酸化炭素濃度を直接検出することができるので、検出精度を向上させることができる。
【００２６】
前記制御装置は、前記漏洩値を外部に出力する出力部を備えるとよい（請求項４）。このように構成すると、燃料電池システムの使用者が燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く取得することができるので、燃料電池システムの損傷及び性能低下を事前に防止することができる。
【００２７】
前記制御装置は、前記漏洩値を評価する評価用漏洩値が予め格納されている記憶部を備え、前記制御装置は、前記漏洩値と前記評価用漏洩値とを対比することにより、前記燃料電池の劣化状態を評価するとよい（請求項５）。このように構成すると、燃料電池システムは、評価用漏洩値を判断基準とすることができるので、燃料電池の劣化状態を適切に評価することができる。
【００２８】
前記制御装置は、前記評価された漏洩値あるいは評価結果を外部に出力する出力部を備えるとよい（請求項６）。このように構成すると、燃料電池システムの使用者が燃料電池の劣化状態の評価を取得することができるので、燃料電池システムの損傷及び性能低下の対策判断をより容易に行うことができる。
【００２９】
前記制御装置は、前記評価された漏洩値に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節するとよい（請求項７）。このように構成すると、燃料電池システムは、評価用漏洩値を判断基準として、略自動的に燃料電池の延命を図ることができる。
【００３０】
前記制御装置は、所定の検出時間間隔毎に前記漏洩値を算出し、前記記憶部には、前記燃料電池の運転時間に対応させて前記漏洩値の記憶が蓄積されて、前記制御装置は、前記運転時間に対する前記漏洩値の推移線を統計学的近似法により取得し、前記推移線と前記評価用漏洩値との対比に基づいて前記燃料電池の劣化進展を予測するとよい（請求項８）。このように構成すると、燃料電池システムは、簡便な構造及び動作によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出するとともに、燃料電池システムの寿命予測を行うことができる。
【００３１】
前記制御装置は、前記推移線の軌跡に応じて前記検出時間間隔を変更するとよい（請求項９）。このように構成すると、検出漏洩値の推移線の取得に影響なく、不必要な検出漏洩値の取得動作を省くことができるので、燃料電池システムの動作を合理的にすることができる。
【００３２】
前記制御装置の記憶部に格納されている評価用漏洩値には、前記燃料電池の耐用限界時における限界漏洩値を含み、前記制御装置は、前記推移線を外挿して、前記限界漏洩値に到達するまでの前記燃料電池の予測残存運転時間を取得するとよい（請求項１０）。このように構成すると、燃料電池システムは、具体的数値情報に基づいて、燃料電池システムの寿命予測を行うことができる。
【００３３】
前記制御装置は、前記予測残存運転時間を外部に出力する出力部を備えるとよい（請求項１１）。このように構成すると、燃料電池システムの使用者が燃料電池の余寿命の評価を具体的数値情報として取得することができるので、燃料電池システムの損傷及び性能低下の対策の準備、燃料電池の適切な運転モードの選択、あるいは燃料電池の運転計画を立案することができる。
【００３４】
前記制御装置は、前記予測残存運転時間に基づいて前記燃料電池の運転条件を調節するとよい（請求項１２）。このように構成すると、燃料電池システムは、略自動的に燃料電池の延命を図るので、燃料電池システムの使用者の運転管理負担を軽減することができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムは、簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照しながら本発明の燃料電池システム及び運転方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００３７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の燃料電池システムの第１実施形態の基本構成を示す模式図である。
【００３８】
まず、本実施形態の燃料電池システム１００の構成を説明する。
【００３９】
燃料電池システム１００は、燃料ガス供給装置２及び酸化剤ガス供給装置３を有しており、燃料ガス供給装置２には燃料ガス供給流路６が接続され、酸化剤ガス供給装置３には酸化剤ガス供給流路７が接続されている。ここで、燃料ガス供給装置２は、天然ガスやプロパンガス、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する水素生成装置を備え、水素ガス、あるいは改質ガスを燃料ガスとしてＰＥＦＣ１に供給する。天然ガス等の炭化水素系ガスを改質して燃料ガスを生成する際には、二酸化炭素が副生されるので、二酸化炭素濃度は、炭化水素系ガスの組成に基づいて、燃料ガス中の濃度が一定となる。ＰＥＦＣ１運転動作中における燃料ガス供給装置２の供給圧は、６．５〜８．５ｋＰａであって、その供給圧はガス流量によって調整することができるように構成されている。酸化剤ガス供給装置３は、ブロワ、ファン等送風器からなり、酸素ガス、あるいは空気を酸化剤ガスとしてＰＥＦＣ１に供給する。ＰＥＦＣ１運転動作中における酸化剤ガス供給装置３の供給圧は、５．０〜７．０ｋＰａであって、供給圧はガス流量によって調整することができるように構成されている。したがって、燃料ガスの供給圧が酸化剤ガスの供給圧より高くなるよう構成されている。
【００４０】
また、燃料ガス供給流路６は、高分子電解質型燃料電池（以下ＰＥＦＣと言う）１に接続されていて、燃料ガス供給装置２からＰＥＦＣ１に燃料ガスが供給される。酸化剤ガス供給流路７は、ＰＥＦＣ１に接続されていて、酸化剤ガス供給装置３からＰＥＦＣ１に酸化剤ガスが供給される。
【００４１】
このＰＥＦＣ１内には、膜電極接合体１Ａが一対のセパレータ、正確にはアノードセパレータ１Ｂ及びカソードセパレータ１Ｃに挟まれて、膜電極接合体１Ａとアノードセパレータ１Ｂの表面に形成されている溝部とによって区画されて燃料ガス流路１Ｄが形成されている。同様にして、膜電極接合体１Ａとカソードセパレータ１Ｃの表面に形成されている溝部とによって区画されて酸化剤ガス流路１Ｅが形成されている。これによって、ＰＥＦＣ１内において、燃料ガス流路１Ｄと酸化剤ガス流路１Ｅとは高分子電解質膜を有してなる膜電極接合体１Ａによって仕切られている。
【００４２】
そして、燃料ガス流路１Ｄの一端には、燃料ガス供給流路６が接続されて、燃料ガスが燃料ガス流路１Ｄに供給される。また、酸化剤ガス流路１Ｅの一端には、酸化剤ガス供給  流路７が接続されて、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路１Ｅに供給される。この燃料ガス流路１Ｄ及び酸化剤ガス流路１Ｅに供給された燃料ガス及び酸化剤ガスがアノード及びカソードで化学反応して電力及び熱を発生する。
【００４３】
燃料ガス流路１Ｄの他端には、燃料ガス排出流路８が接続されて、アノードで化学反応しなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス流路１Ｄの他端から燃料ガス排出流路８に排出される。また、酸化剤ガス流路１Ｅの他端には、酸化剤ガス排出流路９が接続されて、カソードで化学反応しなかった余剰の酸化剤ガスは酸化剤ガス流路１Ｅの他端から酸化剤ガス排出流路９に排出される。
【００４４】
この酸化剤ガス排出流路９には排出側二酸化炭素濃度検出装置（以下、排出側ＣＯ2検出装置という）４が配設されて、酸化剤ガス排出流路９を流通する流体の二酸化炭素濃度を検出する。排出側ＣＯ2検出装置４は、例えば、二酸化炭素による特定波長帯の赤外線の吸収を利用したＣＯ2検出装置を用いることができる。
【００４５】
また、燃料電池システム１００は、制御装置１０を備えている。制御装置１０は、ＣＰＵ、マイコン等によって構成される制御部１０Ａ、メモリ等によって構成される記憶部１０Ｂ、キーボード等によって構成されている入力部１０Ｃ、及びモニター装置、プリンター等によって構成されている出力部１０Ｄを有している。そして、制御装置１０は、燃料電池システム１００の動作を制御する。特に、制御装置１０は、排出側ＣＯ2検出装置４の検出値（例えば電流信号値、電圧信号値等）を取得し、制御部１０Ａにおいて、該検出値から酸化剤ガス流路１Ｅから排出される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度Ｒ1を算出し、該濃度と酸化剤ガス流路１Ｅに供給される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度、すなわち基準二酸化炭素濃度Ｒ0とを対比して、その差分を示す数値情報からなる検出漏洩値Ｑ＝｜Ｒ1−Ｒ0｜を算出するように構成されている。なお、基準二酸化炭素濃度Ｒ0は、予め酸化剤ガスの組成を取得しておいて、その二酸化炭素濃度を基準二酸化炭素濃度Ｒ0として入力部１０Ｃから入力して１０Ａに格納しておく。あるいは、酸化剤ガスが空気である場合には、予め大気中の二酸化炭素濃度を計測しておいて、その計測濃度を基準二酸化炭素濃度Ｒ0として入力部１０Ｃから入力して制御部１０Ａに格納しておいてもよい。なお、酸化剤ガスに空気を用いる場合には、一般的に空気の二酸化炭素濃度は３００ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下程度である。なお、基準二酸化炭素濃度Ｒ0を決定する際に、二酸化炭素の水（電池反応の生成水、酸化剤ガス及び燃料ガスの少なくとも一方を加湿した場合に生ずる凝縮水など）への溶解度を考慮する必要がある場合には、予備実験などでその量を予め把握しておき、これをＲ0に反映させればよい。
【００４６】
また、記憶部１０Ｂには、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を評価する評価用漏洩値が格納されている。例えば、ＰＥＦＣ１の供用開始初期の初期漏洩値Ｑ100、ＰＥＦＣ１の機能障害が発現する時期、つまり耐用限界時におけるＰＥＦＣ１の限界漏洩値Ｑ0及び初期漏洩値Ｑ100と限界漏洩値Ｑ0との中間値である中間漏洩値Ｑ80、Ｑ60、Ｑ40、Ｑ20が予め入力部１０Ｄから入力されて格納されている。これら評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0は、事前にＰＥＦＣ１と同一機種を用いた耐久試験により取得しておくことができる。
【００４７】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置１０は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して燃料電池システム１００の動作を制御するように構成されていてもよい。例えば、出力部１０Ｄは、情報端末によって送信されてモバイル機器に表示されるように構成することもできる。
【００４８】
次に、本発明の特徴である燃料電池システム１００の漏洩値検出動作を説明する。この漏洩値検出動作は制御装置１０によって制御されることにより遂行される。
【００４９】
まず、制御装置１０は、ＰＥＦＣ１の運転動作状態、つまり、燃料ガス及び酸化剤ガスの流通状態において排出側ＣＯ2検出装置４の検出値を取得する。
【００５０】
制御装置１０は、排出側ＣＯ2検出装置４の検出値に基づいて検出漏洩値Ｑを取得する。
【００５１】
ここで、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩がない場合には、検出漏洩値Ｑはほぼ零となる。
【００５２】
しかし、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩がある場合には、例えば膜電極接合体１Ａの高分子電解質膜が損傷している場合には、燃料ガスの供給圧が酸化剤ガスの供給圧より高いので、燃料ガスが燃料ガス流路１Ｄから酸化剤ガス流路１Ｅ側へ漏洩する。そして、高分子電解質膜の損傷が拡大するに従い、この漏洩も拡大し、検出漏洩値Ｑは増大する。なお、炭化水素系ガスの改質によって生成される改質ガスを燃料ガスに用いる場合には、燃料ガス中の二酸化炭素濃度は２０％乃至３０％程度であるので、微量の漏洩であっても、酸化剤ガス流路１Ｅにおける二酸化炭素の上昇は顕著に出現する。
【００５３】
これによって、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス排出流路９中の二酸化炭素濃度の変化によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出することができるので、簡便な構造及び動作によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる。
【００５４】
また、制御装置１０は検出漏洩値Ｑを出力部１０Ｄに表示する。これにより、燃料電池システム１００の使用者が燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く取得することができるので、燃料電池システム１００の損傷及び性能低下を事前に防止することができる。
【００５５】
さらに、制御装置１０は、制御部１０Ａにおいて、検出漏洩値Ｑと記憶部１０Ｂに格納されている評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0とを対比し、ＰＥＦＣ１の劣化状態を評価して表示する。具体的には、検出漏洩値Ｑが最も近い評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0及びその評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0との差異量を取得し、それらを出力部１０Ｄに表示する。さらには、この差異量に応じて、制御部１０Ａにおいて数段階程度のランク付けをして、そのランクを出力部１０Ｄにおいて色分け表示あるいはレベル表示するようにしてもよい。このように評価されることによって、燃料電池システム１００は、評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0を判断基準とすることができるので、燃料電池の劣化状態を適切に評価することができる。また、この評価結果が表示されることによって、燃料電池システム１００の使用者がＰＥＦＣ１の劣化状態の評価を取得することができるので、燃料電池システム１００の損傷及び性能低下の対策をより容易に行うことができる。
【００５６】
さらに、制御装置１０は、検出漏洩値Ｑと評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0との対比評価に応じて、燃料電池システム１００の運転条件を調節する。例えば、検出漏洩値Ｑが初期漏洩値Ｑ100を起点として、中間漏洩値Ｑ80、Ｑ60、Ｑ40、Ｑ20に順次到達する度に、制御装置１０は、燃料電池システム１００の運転動作中における、ＰＥＦＣ１の出入口間における酸化剤ガス及び燃料ガスの供給圧の圧力損失の上限制限を引き下げて、圧力損失を抑制して運転するように酸化剤ガス供給装置３及び燃料ガス供給装置２を制御する。これによって、燃料電池システム１００は、評価用漏洩値Ｑ100乃至Ｑ0を閾値、つまり判断基準として、略自動的にＰＥＦＣ１の延命を図ることができる。
【００５７】
次に、検出漏洩値Ｑを用いた燃料電池システム１００の寿命予測動作について説明する。
【００５８】
まず、制御装置１０の制御部１０Ａは、内蔵するクロックを用いて、所定の検出時間間隔Δｔ毎に漏洩値検出動作を行うように燃料電池システム１００を制御する。所定の検出時間間隔Δｔは、ＰＥＦＣ１の運転時間を基準とする時間間隔である。そして、制御装置１０は、漏洩値検出動作を行った時点までのＰＥＦＣ１の運転時間Ｔと対応するようにして検出漏洩値Ｑを記憶部１０Ｂに記憶し、蓄積する。
【００５９】
そして、制御部１０Ａは、蓄積された検出漏洩値Ｑに基づいて、運転時間Ｔに対する検出漏洩値Ｑの推移線を統計学的な近似法により取得する。例えば、最小二乗法等の統計処理によりこの推移線を取得することができる。そして、制御部１０Ａは、検出漏洩値Ｑの今後の変化を予測する。例えば、その推移線を外挿して予測することができる。
【００６０】
ここで、図２（ａ）乃至図２（ｃ）は、ＰＥＦＣの運転時間に対する検出漏洩値の推移線を概念的に示すグラフであって、図２（ａ）は検出漏洩値が一定の割合で変化する場合のグラフ、図２（ｂ）は検出漏洩値が徐々に安定するように変化する場合のグラフ、図２（ｃ）は検出漏洩値の変化が徐々に拡大する場合のグラフである。
【００６１】
図２（ａ）乃至図２（ｃ）に示すように、制御部１０Ａは、この推定線と限界漏洩値Ｑ0とを対比させて、ＰＥＦＣ１が限界漏洩値Ｑ0に到達するまでの予測残存運転時間ΔＴ0を算出する。
【００６２】
これによって、燃料電池システム１００は、酸化剤ガス排出流路９中の二酸化炭素濃度Ｒ1の変化によって燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を検出することができるので、簡便な構造及び動作によって、ＰＥＦＣ１の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出するとともに、燃料電池システム１００の寿命予測を行うことができる。
【００６３】
また、制御装置１０は、予測残存運転時間ΔＴ0を出力部１０Ｄに表示する。これによって、燃料電池システム１００の使用者がＰＥＦＣ１の余寿命の評価を具体的数値情報として取得することができるので、燃料電池システム１００の損傷及び性能低下の対策の準備、ＰＥＦＣ１の適切な運転モードの選択、あるいはＰＥＦＣ１の運転計画を立案することができる。
【００６４】
さらに、制御装置１０の制御部１０Ａは、予測残存運転時間ΔＴ0に基づきＰＥＦＣ１の運転条件を調節する。具体的には、延命運転モードを選択して、酸化剤ガス供給装置３、燃料ガス供給装置２、ＰＥＦＣ１の出力電力等を制御する。例えば、延命運転モードにおいては、ＰＥＦＣ１の出入口間における酸化剤ガスの圧損と燃料ガスの圧損とが均一になるように、あるいは、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給圧を抑制してＰＥＦＣ１の出入口間におけるこれらの圧力損失を抑制するように、制御部１０Ａが、酸化剤ガス供給装置３及び燃料ガス供給装置２を制御する。これによって、燃料電池システム１００は、略自動的にＰＥＦＣ１の延命を図るので、燃料電池システム１００の使用者の運転管理負担を軽減することができる。
【００６５】
なお、制御装置１０の制御部１０Ａは、運転時間Ｔに対する検出漏洩値Ｑの推移線の軌跡に応じて、検出時間間隔Δｔを変更する。例えば、図２（ａ）に示すように、検出漏洩値Ｑが一定ペースで変化する場合には、Δｔは一定に保たれる。しかし、図２（ｂ）に示すように、検出漏洩値Ｑが徐々に安定するように変化する場合には、Δｔは徐々に大きくなるように変更される。また、図２（ｃ）に示すように、検出漏洩値Ｑの変化が徐々に拡大する場合には、Δｔは徐々に小さくなるように変更される。これによって、検出漏洩値Ｑの推移線の取得に影響なく、不必要な漏洩値検出動作を省くことができるので、燃料電池システム１００の動作を合理的にすることができる。
【００６６】
（第２実施形態）
図３は、本発明の燃料電池システムの第２実施形態の基本構成を示す模式図である。図３において図１と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００６７】
本実施形態の燃料電池システム１０１の構成は、酸化剤ガス供給流路７に供給側二酸化炭素濃度検出装置（以下、供給側ＣＯ2検出装置という）５が配設されている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００の構成と同じである。これによって、基準二酸化炭素濃度Ｒ0は供給側ＣＯ2検出装置５によって検出されることになる。つまり、制御装置１１は、排出側ＣＯ2検出装置４及び供給側ＣＯ2検出装置５の検出値を取得して、基準二酸化炭素濃度Ｒ0と酸化剤ガス流路１Ｅから排出される酸化剤ガスの二酸化炭素濃度Ｒ1との二酸化炭素濃度の差分を示す数値情報からなる検出漏洩値Ｑ＝｜Ｒ1−Ｒ0｜を算出するように構成されている。そして、制御装置１１は、検出漏洩値Ｑに基づいて、第１実施形態と同様にして、漏洩値検出動作及び寿命予測動作を行うように燃料電池システム１０１を制御する。
【００６８】
これによって、燃料電池システム１０１では、基準二酸化炭素濃度Ｒ0を直接検出することができるので、検出精度を向上させることができる。
【００６９】
なお、供給側ＣＯ2検出装置５は、排出側ＣＯ2検出装置４と同種の検出装置が用いられる。これによって、排出側ＣＯ2検出装置４及び供給側ＣＯ2検出装置５の検出値同士の対比及び差分算出を容易にすることができる。
【００７０】
（第３実施形態）
図４は、本発明の燃料電池システムの第３実施形態の基本構成を示す模式図である。図４において図１と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００７１】
本実施形態の燃料電池システム１０２の構成は、酸化剤ガス供給装置３の供給圧が燃料ガス供給装置２の供給圧よりも高く設定されていて、かつ、燃料ガス排出流路７に排出側ＣＯ2検出装置４が配設されている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００の構成と同じである。すなわち、燃料ガス流路１Ｄ側に漏洩してくる酸化剤ガスによって、燃料ガス中の二酸化炭素の濃度が変動するので、この濃度変動を排出側ＣＯ2検出装置４によって検出することによって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
（第４実施形態）
図５は、本発明の燃料電池システムの第４実施形態の基本構成を示す模式図である。図５において図３と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００７３】
本実施形態の燃料電池システム１０３の構成は、酸化剤ガス供給装置３の供給圧が燃料ガス供給装置２の供給圧よりも高く設定されていて、燃料ガス排出流路７に排出側ＣＯ2検出装置４が配設されていて、かつ、燃料ガス供給流路６に供給側ＣＯ2検出装置５が配設されている点以外は、第２実施形態の燃料電池システム１０１の構成と同じである。すなわち、燃料ガス流路１Ｄ側に漏洩してくる酸化剤ガスによって、燃料ガス中の二酸化炭素の濃度が変動するので、この濃度変動を排出側ＣＯ2検出装置４及び供給側ＣＯ2検出装置５によって検出することによって、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、酸化剤ガスに酸素ガスを用いてもよい。また、燃料ガスに水素ガスを用いてもよく、この場合には、第１実施形態及び第２実施形態においては、漏洩に従って、排出側ＣＯ2検出装置４が検出する二酸化炭素濃度Ｒ1は低下して検出され、第３実施形態及び第４実施形態においては、漏洩に従って、排出側ＣＯ2検出装置４が検出する二酸化炭素濃度Ｒ1が上昇して検出される。さらに、酸化剤ガスに酸素ガスを用い、燃料ガスに水素ガスを用いる場合には、空気を混合させる等によって、いずれか一方のガスに多少の二酸化炭素を混合すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、簡便な構造によって、燃料電池の運転動作中においても燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を迅速かつ精度良く検出することができる燃料電池システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態の基本構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）乃至図２（ｃ）は、ＰＥＦＣの運転時間に対する検出漏洩値の推移線を概念的に示すグラフであって、図２（ａ）は検出漏洩値が一定ペースで変化する場合のグラフ、図２（ｂ）は検出漏洩値が徐々に安定するように変化する場合のグラフ、図２（ｃ）は検出漏洩値の変化が徐々に拡大する場合のグラフである。
【図３】本発明の燃料電池システムの第２実施形態の基本構成を示す模式図である。
【図４】本発明の燃料電池システムの第３実施形態の基本構成を示す模式図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの第４実施形態の基本構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）
１Ａ  膜電極接合体
１Ｂ  アノードセパレータ
１Ｃ  カソードセパレータ
１Ｄ  燃料ガス流路
１Ｅ  酸化剤ガス流路
２  燃料ガス供給装置
３  酸化剤ガス供給装置
４  排出側ＣＯ2検出装置
５  供給側ＣＯ2検出装置
６  燃料ガス供給流路
７  酸化剤ガス供給流路
８  燃料ガス排出流路
９  酸化剤ガス排出流路
１０、１１  制御装置
１０Ａ  制御部
１０Ｂ  記憶部
１０Ｃ  入力部
１０Ｄ  出力部
１００，１０１、１０２，１０３  燃料電池システム
Ｔ  運転時間
Ｑ  検出漏洩値
Δｔ  検出時間間隔
ΔＴ0  予測残存運転時間
Ｑ0  限界漏洩値
Ｑ100  初期漏洩値
【図１】
2006216383.tif 000003
【図２】
2006216383.tif 000004
【図３】
2006216383.tif 000005
【図４】
2006216383.tif 000006
【図５】
2006216383.tif 000007