(57)【要約】【課題】  燃料ガスの異常的な漏洩を検出すると共に、燃料ガスの異常的な漏洩を検出した場合に適切な対応をとることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１は、酸化剤極１２から排出されるガス中の水素濃度を、水素検出器８４により検出する。そして、燃料電池システム１は、水素検出器８４の検出濃度が所定濃度以上である場合、発電電力を維持しつつ燃料電池１０の運転効率を低下させることとしている。【選択図】      図１
2006351241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極から排出されるガス中の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
前記燃料ガス濃度検出手段により検出されるガス中の燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスの漏洩を判断し、燃料ガスが漏洩していると判断した場合には、発電電力を維持しつつ前記燃料電池の運転効率を低下させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池の運転圧力及び運転温度の少なくとも一方を低下させることにより、運転効率を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の酸化剤極から排出されるガスの相対湿度を検出する湿度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、燃料ガスが漏洩していると判断した場合、前記湿度検出手段により検出された相対湿度に基づいて酸化剤極から排出されるガスが過飽和状態でないと判断したときには、酸化剤極から排出されるガスが過飽和状態となるように燃料電池の運転を制御する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、燃料ガスが漏洩していると判断された場合、発電電力を維持した運転効率の低下に応じて前記燃料電池を冷却する冷却液の流量を増加させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項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関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料極と酸化剤極との間の電解質膜が乾燥した場合などに、燃料極から酸化剤極へ漏洩する燃料ガスの量が多くなってしまう。また、燃料極から酸化剤極へ漏洩する燃料ガスの量が多くなると、燃費性能の低下やシステム外に排出される燃料ガスの濃度が高くなってしまう。
【０００３】
このため、従来、燃料ガスの漏洩を燃料ガス検出器などにより検出したり、燃料電池の電圧値や温度から検出したりするものが複数提案されている（例えば特許文献１〜５参照）。
【０００４】
また、燃料ガスの漏洩を検出した場合にシステム外へ排出される燃料ガス濃度を低下させるべく、酸化剤ガスの供給量を増加させて漏洩した燃料ガスを希釈する燃料電池システムや、別置きの空気供給源を有し、その供給源から供給される空気によって漏洩した燃料ガスを希釈する燃料電池システムが知られている。
【０００５】
さらに、燃料ガスの漏洩を検出した場合に、システムを停止させたり、燃料ガスの加湿度を制御して電解質膜の含水量を適切にしたりする燃料電池システムが知られている（例えば特許文献６，７参照）。
【特許文献１】特開平１−２３９７７２号公報
【特許文献２】特公平６−５２６６２号公報
【特許文献３】特開平９−２７３３６号公報
【特許文献４】特許第３５１９８４１号公報
【特許文献５】特開２００４−１７１２５１号公報
【特許文献６】特開平６−２２３８５０号公報
【特許文献７】特開２００３−２７２６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、漏洩した燃料ガスを希釈するにあたり酸化剤ガスの供給量を増加させるため、酸化剤ガスに混入するなどして多くの水分がシステム系外に持ち出されることとなる。これにより、従来の燃料電池システムでは、電解質膜がドライアウトしてしまい燃料電池の運転が不可能になってしまうことがあり得た。
【０００７】
また、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの漏洩を検出した場合に燃料ガスの加湿度を制御して電解質膜の含水量を増加させる構成となっているため、燃料電池のオフガスから水分を回収して、燃料電池に供給するガスを加湿する水蒸気透過型加湿器では加湿度の設定に制限を受け、電解質膜の含水量を適切とできない場合がある。このため、上記と同様に電解質膜がドライアウトしてしまい燃料電池の運転が不可能になってしまうことがあり得た。
【０００８】
また、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの透過量が多くなったことを検出した場合にシステムを停止してしまうため、車両動力性能を低下させることとなり、運転者に不快感を与えてしまうという問題があった。
【０００９】
このように、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの異常的な漏洩を検出した場合の対応が決して適切とは言えない。
【００１０】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料ガスの異常的な漏洩を検出すると共に、燃料ガスの異常的な漏洩を検出した場合に適切な対応をとることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス濃度検出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。燃料ガス濃度検出手段は、燃料電池の酸化剤極から排出されるガス中の燃料ガス濃度を検出するものである。制御手段は、燃料ガス濃度検出手段により検出されるガス中の燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスの漏洩を判断し、燃料ガスが漏洩していると判断した場合には、発電電力を維持しつつ前記燃料電池の運転効率を低下させるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料ガスが漏洩していると判断した場合には発電電力を維持しつつ燃料電池の運転効率を低下させることとしている。ここで、燃料電池の運転効率を低下させて発電電力を維持するためには、発電電流量を増加させる必要があり、発電電流量を増加させるためには、燃料電池に供給する酸化剤ガスの量を多くする必要がある。このため、燃料電池システムは、燃料ガスが漏洩していると判断した場合に酸化剤ガスの供給量を多くし、燃料ガスを希釈することとなる。また、発電電力を維持して発電電流量を多くするため、発電により生成される水分量が多くなり、酸化剤ガスの供給量を多くしたことによる電解質膜のドライアウトが防止される。さらに、発電電力を維持することから、システム自体の停止の必要性が無く、車両動力性能を低下させてしまうことを防止している。従って、燃料ガスの異常的な漏洩を検出すると共に、燃料ガスの異常的な漏洩を検出した場合に適切な対応をとることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一又は同様の要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０と、冷媒循環系７０とを備えている。
【００１５】
燃料電池１０は、燃料ガスの供給を受ける燃料極１１と、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極１２とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では例えば燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。
【００１６】
この燃料電池１０は、燃料電池単セルが複数層に積層されて構成されている。図２は、図１に示す燃料電池１０を構成する燃料電池単セルの詳細構成図である。図２に示すように、単セル１００は、固体高分子型電解質膜１０２の両面に燃料極触媒層１０３及び酸化剤極触媒層１０４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）１０１を有している。このＭＥＡ１０１の両面には、燃料ガス拡散層１０５及び酸化剤ガス拡散層１０６が形成されている。また、単セル１００は、セパレータ１０７，１０８を備え、セパレータ１０７と燃料ガス拡散層１０５との間には燃料ガス流路１０９が形成され、セパレータ１０８と酸化剤ガス拡散層１０６との間には酸化剤ガス流路１１０が形成されている。
【００１７】
上記単セル１００が積層された燃料電池１０の燃料極１１は、燃料ガス供給系２０から燃料ガスの供給を受け、燃料ガス排出系３０から燃料極オフガスを排出するようになっている。
【００１８】
再度、図１を参照する。燃料ガス供給系２０は、高圧水素タンク２１と、水素供給経路２２と、水素調圧弁２３と、水素系加湿装置２４とからなっている。高圧水素タンク２１は、燃料電池１０の燃料極１１に水素ガスを供給するためのものである。水素供給経路２２は高圧水素タンク２１と燃料電池１０の燃料極１１とを接続し、高圧水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池１０の燃料極１１まで導くものである。水素調圧弁２３は、水素供給経路２２に設けられ、高圧水素タンク２１から燃料電池１０の燃料極１１に供給される水素の供給量を制御できるようになっている。水素系加湿装置２４は、水素調圧弁２３と燃料極１１との間の水素供給経路２２に設けられており、燃料電池１０の電解質膜１０２を湿潤に保つべく、水素調圧弁２３を介して燃料電池１０に流入する水素ガスを加湿するものである。
【００１９】
燃料ガス排出系３０は、水素排気経路３１と、水素排出弁３２とを備えている。水素排気経路３１は、燃料電池１０の燃料極１１と外部とを接続し、燃料極オフガスを外部に導くものである。水素排出弁３２は、水素排気経路３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極オフガスの排出を制御するものである。
【００２０】
ここで、上記した如く、燃料極１１は、水素調圧弁２３を介して高圧水素タンク２１から水素ガスの供給を受け、水素排出弁３２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、燃料極１１は、水素調圧弁２３と水素排出弁３２とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、水素調圧弁２３を開けると高圧水素タンク２１から水素ガスが供給され、このときに水素排出弁３２を閉じていると、燃料極１１の圧力を高めることができる。また、水素排出弁３２を開けている場合、燃料極１１内のガスが排出されて燃料極１１の圧力を低くすることができる。
【００２１】
ガス循環系４０は、水素循環経路４１と水素循環装置４２とを備えている。水素循環経路４１は、一端が燃料電池１０の燃料極１１と水素排出弁３２との間の水素排気経路３１に接続され、他端が水素調圧弁２３と水素系加湿装置２４との間の水素供給経路２２に接続されており、燃料極１１から排出されたオフガスを燃料極１１の下流から上流に循環させるためのものである。水素循環装置４２は、水素供給経路２２と水素循環経路４１との接続部に設けられており、燃料電池１０の燃料極１１から排出されたオフガスを循環させて再度燃料極１１に送り込む循環源となるものである。
【００２２】
また、燃料電池１０の酸化剤極１２は、酸化剤ガス供給系５０から空気の供給を受け、酸化剤ガス排出系６０から酸化剤オフガスを排出するようになっている。酸化剤ガス供給系５０は、空気コンプレッサ５１と、空気供給経路５２と、空気系加湿装置５３とからなっている。
【００２３】
空気コンプレッサ５１は、空気を圧縮して燃料電池１０に送り込むものである。空気供給経路５２は、空気コンプレッサ５１と燃料電池１０の酸化剤極１２とを接続するものであり、空気コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に導くものである。空気系加湿装置５３は、空気供給経路５２上に設けられ、燃料電池１０の電解質膜１０２を湿潤に保つべく、燃料電池１０に供給する空気を加湿するものである。
【００２４】
酸化剤ガス排出系６０は、燃料電池１０の酸化剤極１２内のガスを排出するものであり、空気排気経路６１と、空気調圧弁６２とを備えている。空気排気経路６１は、燃料電池１０の酸化剤極１２と外部とを接続し、酸化剤オフガスを外部に導くものである。空気調圧弁６２は、空気排気経路６１に設けられ、開度を調整することにより酸化剤極１２からのガスの排出量を制御するものである。
【００２５】
ここで、上記した如く、酸化剤極１２は、空気コンプレッサ５１から空気の供給を受け、空気調圧弁６２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、酸化剤極１２は、空気コンプレッサ５１と空気調圧弁６２とにより圧力が制御されるようになっている。例えば、空気調圧弁６２を閉じて空気コンプレッサ５１から空気を供給した場合、酸化剤極１２の圧力を高めることができる。また、空気調圧弁６２を開けている場合、酸化剤極１２の圧力を低くすることができる。
【００２６】
冷媒循環系７０は、燃料電池１０の温度が高温となり過ぎないように冷却液により燃料電池１０の温度を抑制するためのものである。ここで、冷媒循環系７０は、冷却液として純水や不凍液（エチレングリコロールと水とを混ぜたもの）を用いる構成となっており、冷却水循環経路７１と、熱交換器７２と、冷却水ポンプ７３とを備えている。
【００２７】
冷却水循環経路７１は、冷媒循環系７０において冷却水を循環させる流路となるものであり、燃料電池１０から排出された冷却水は熱交換器７２、及び冷却水ポンプ７３の順に通過して再度燃料電池１０に流入するようになっている。熱交換器７２は冷却水を冷却するためのものであり、燃料電池１０を冷却することにより暖められた冷却水は熱交換器７２にて冷やされて再度燃料電池１０に供給される。冷却水ポンプ７３は、冷媒循環系７０において冷却水を循環させる循環源となるものである。
【００２８】
また、燃料電池システム１は、上記構成に加えて、水素圧力計８１と、空気圧力計８２と、冷却水温度計８３と、水素検知器（燃料ガス濃度検出手段）８４と、負荷装置８５と、電流計８６と、電圧計８７と、コントローラ（制御手段）９０とを備えている。
【００２９】
水素圧力計８１は燃料極１１の入口付近の圧力を検出するものであり、空気圧力計８２は酸化剤極１２の入口付近の圧力を検出するものである。冷却水温度計８３は、燃料電池１０から排出された冷却水の温度を検出するものである。水素検出器８４は、燃料電池１０の酸化剤極１２から排出されるガス中の燃料ガス濃度を検出するためのものである。
【００３０】
負荷装置８５は、燃料電池１０により発電された電力を消費するものであり、例えば、燃料電池システム１が車両の動力源として搭載されている場合、車両用駆動モータに電力を供給するインバータ装置が該当する。電流計８６は、負荷装置８５に供給される電流の値を検出するものであり、電圧計８７は負荷装置８５に印加される電圧の値を検出するものである。
【００３１】
コントローラ９０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、各種センサ等８１〜８３，８６，８７からの信号を読み込んで、各部２３，３２，５１，６２，７３，８５を制御するものである。
【００３２】
また、コントローラ９０は、水素検出器８４により検出されるガス中の水素濃度に基づいて水素ガスの漏洩を判断するものである。さらに、コントローラ９０は、水素ガスが漏洩していると判断した場合には、発電電力を維持しつつ燃料電池１０の運転効率を低下させるものである。この際、コントローラ９０は、燃料電池１０の運転圧力及び運転温度の少なくとも一方を低下させることにより、運転効率を低下させる構成となっている。
【００３３】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を説明する。図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。なお、図３に示す処理は、負荷装置８５により要求される電力量に応じた発電を行う通常運転フローのサブフローとして実行されるものである。
【００３４】
同図に示すように、まず、コントローラ９０は、水素検出器８４からの信号を読み込んで、水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判断する（ＳＴ１０）。ここで、水素濃度が所定濃度以上でないと判断した場合（ＳＴ１０：ＮＯ）、図３に示す処理は終了する。そして、処理はメインフローに戻ることとなる。
【００３５】
一方、水素濃度が所定濃度以上であると判断した場合（ＳＴ１０：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、現在の運転点から燃料電池効率の悪い運転点へ移行させる（ＳＴ１１）。すなわち、コントローラ９０は、燃料電池１０の運転圧力及び運転温度の少なくとも一方を低下させて、燃料電池１０の運転効率を低下させる。
【００３６】
図４は、図３に示したステップＳＴ１１の第１の説明図である。なお、図４において縦軸は燃料電池１０の電圧を示し、横軸は負荷電流を示している。まず、或る運転温度及び或る運転圧力における燃料電池１０の電流電圧特性（Ｉ−Ｖカーブ）が図４に示すＬ１のようになっているとする。この状態において、運転温度及び運転圧力の少なくとも一方を小さくしたとすると、Ｉ−ＶカーブはＬ１からＬ２へと変化する。
【００３７】
ここで、変化の前後の電流値が同じである場合、電池電圧は低下することとなり、運転効率が低下することとなる。このため、コントローラ９０は、燃料電池１０の運転中において運転圧力及び運転温度の少なくとも一方を低下させることにより、燃料電池１０の運転効率を低下させることができる。
【００３８】
具体的に、運転圧力は水素圧力計８１及び空気圧力計８２で計測されており、コントローラ９０は、両圧力計８１，８２により計測される値が小さくなるように空気コンプレッサ５１の回転数及び空気調圧弁６２の開度、並びに、水素調圧弁２３の開度及び水素排出弁３２の開閉を制御することで、運転圧力を低下させる。
【００３９】
また、運転温度は冷却水温度計８３により計測されており、コントローラ９０は、冷却水温度計８３により計測される値が小さくなるように冷却水ポンプ７３の回転数を上昇させたり、熱交換器７２の熱交換性能を向上させたりして、運転温度を低下させる。
【００４０】
なお、上記ステップＳＴ１１において、コントローラ９０は、燃料電池１０の運転効率を低下させつつも発電電力を維持する。図５は、図３に示したステップＳＴ１１の第２の説明図である。なお、図５において縦軸は燃料電池１０の電圧を示し、横軸は負荷電流を示している。
【００４１】
現在、燃料電池システム１は、図５に示すＰ１の運転点で運転しているとする。このとき、コントローラ９０は、図５に示す領域Ａ１と領域Ａ２との面積が等しくなるように、運転効率を低下させる。これにより、Ｐ１での電力（電流×電圧）とＰ２での電力は一致し、電力量を維持させつつ運転効率を低下させることができる。
【００４２】
なお、燃料電池１０の運転効率を低下させて発電電力を維持するためには、発電電流量を増加させる必要があり、発電電流量を増加させるためには、燃料電池１０に供給する空気量を多くする必要がある。このため、燃料電池システム１は、ステップＳＴ１１において空気供給量を増加させることとなる。また、ステップＳＴ１１では、発電電流量が大きくされるため、発電により生成される水分量が多くなる。
【００４３】
再度、図３を参照する。ステップＳＴ１１の後、コントローラ９０は、再度、水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判断する（ＳＴ１２）。ここで、水素濃度が所定濃度以上でないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、図３に示す処理は終了する。一方、水素濃度が所定濃度以上であると判断した場合（ＳＴ１２：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、燃料電池システム１を停止させることとなる（ＳＴ１３）。その後、処理はメインフローに戻ることとなる。
【００４４】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素ガスが漏洩していると判断した場合には発電電力を維持しつつ燃料電池１０の運転効率を低下させることとしている。ここで、燃料電池１０の運転効率を低下させて発電電力を維持するためには、発電電流量を増加させる必要があり、発電電流量を増加させるためには、燃料電池１０に供給する空気量を多くする必要がある。このため、燃料電池システム１は、水素ガスが漏洩していると判断した場合に空気供給量を多くし、水素ガスを希釈することとなる。また、発電電力を維持して発電電流量を多くするため、発電により生成される水分量が多くなり、空気供給量を多くしたことによる電解質膜１０２のドライアウトが防止される。さらに、発電電力を維持することから、システム自体の停止の必要性が無く、車両動力性能などを低下させてしまうことを防止している。従って、水素ガスの異常的な漏洩を検出すると共に、水素ガスの異常的な漏洩を検出した場合に適切な対応をとることができる。
【００４５】
また、燃料電池１０の運転圧力及び運転温度の少なくとも一方を低下させることにより、運転効率を低下させるため、簡便に運転効率を低下させることができる。
【００４６】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００４７】
図６は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、新たに、湿度計（湿度検出手段）９１を備えている。
【００４８】
湿度計９１は、燃料電池１０の酸化剤極１２から排出されるガスの相対湿度を検出するものであって、図６に示すように、燃料電池１０の酸化剤極１２から空気調圧弁６２までの空気排気経路６１に設けられている。
【００４９】
また、湿度計９１を備えるため、コントローラ９０は、水素ガスが漏洩していると判断した場合、湿度計９１により検出された相対湿度に基づいて、酸化剤オフガスが過飽和状態であるか否かを判断するようになっている。ここで、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態である場合とは、燃料電池１０内において生成される水分量が多い場合である。より詳しく説明すると、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態になるためには、燃料電池１０内の水分量がオフガスの飽和水蒸気量よりも多くなければならない。このため、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態である場合とは、オフガスにより飽和水蒸気量分の水分が持ち出されても、燃料電池１０内に水分が余る状態であり、電解質膜１０２を湿潤に保つことができる状態と言える。
【００５０】
また、コントローラ９０は、酸化剤オフガスが過飽和状態でないと判断した場合には、オフガスが過飽和状態となるように燃料電池１０の運転を制御する構成となっている。すなわち、酸化剤オフガスが過飽和状態でない場合、電解質膜１０２を湿潤に保てない可能性があるため、コントローラ９０はオフガスが過飽和状態となるように燃料電池１０の運転を制御することとなる。
【００５１】
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を説明する。図７は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を示すフローチャートである。なお、図７に示す処理は、負荷装置８５により要求される電力量に応じた発電を行う通常運転フローのサブフローとして実行されるものである。
【００５２】
同図に示すように、まず、コントローラ９０は、水素検出器８４からの信号を読み込んで、水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判断する（ＳＴ２０）。ここで、水素濃度が所定濃度以上でないと判断した場合（ＳＴ２０：ＮＯ）、図７に示す処理は終了する。そして、処理はメインフローに戻ることとなる。
【００５３】
一方、水素濃度が所定濃度以上であると判断した場合（ＳＴ２０：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、燃料電池１０の運転圧力を低下させ（ＳＴ２１）、且つ燃料電池１０の運転温度を低下させて（ＳＴ２２）、燃料電池１０の運転効率を低下させる。そして、コントローラ９０は、湿度計９１からの信号を読み込んで、酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上であるか否かを判断する（ＳＴ２３）。酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上であると判断された場合（ＳＴ２３：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ２７に移行する。
【００５４】
一方、酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上でないと判断した場合（ＳＴ２３：ＮＯ）、コントローラ９０は、燃料電池１０の運転圧力を上昇させる（ＳＴ２４）。これにより、コントローラ９０は、酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上となるようにして、電解質膜１０２がドライアウトしないようにしている。ここで、ステップＳＴ２４においてドライアウト防止のために燃料電池１０の運転圧力を上昇させる理由を説明する。
【００５５】
まず、酸化剤極１２から排出されるガス中の空気モル流量をＭａとし、水蒸気モル流量（酸化剤極１２から持ち出される水分量に相当）をＭｗとする。また、酸化剤オフガスの空気分圧をＰａ（＞０）とし、水蒸気分圧をＰｗ（＞０）とする。そして、酸化剤オフガスの全圧Ｐ＝Ｐａ＋Ｐｗと仮定すると、
【数１】
2006351241.tif 000003
なる関係式が成立する。
【００５６】
ここで、酸化剤オフガスの水蒸気分圧Ｐｗは、相対湿度が１００％以上（過飽和状態）である場合、酸化剤オフガスの温度（Ｔ）にのみ依存して、
【数２】
2006351241.tif 000004
と表すことができる。
【００５７】
以上から、酸化剤極１２から持ち出される水分量に相当する水蒸気モル流量Ｍｗは、
【数３】
2006351241.tif 000005
となる。
【００５８】
ここで、上記式より、空気モル流量Ｍａと酸化剤オフガスの全圧Ｐとを固定して、酸化剤オフガスの温度Ｔを高くすると、水蒸気モル流量Ｍｗは増加する。また、空気モル流量Ｍａと酸化剤オフガスの温度Ｔとを固定して、酸化剤オフガスの全圧Ｐを高くすると、水蒸気モル流量Ｍｗは減少する。このため、図８及び図９に示す関係が成立する。
【００５９】
図８は、酸化剤オフガスがシステム系外に持ち出す水分量と燃料電池１０の運転温度との相関を示す説明図であり、図９は、酸化剤オフガスがシステム系外に持ち出す水分量と燃料電池１０の運転圧力との相関を示す説明図である。なお、図８において縦軸は持ち出す水分量を示し、横軸は運転温度を示している。また、図９において縦軸は持ち出す水分量を示し、横軸は運転圧力を示している。
【００６０】
図８に示すように、酸化剤オフガスがシステム系外に持ち出す水分量は、燃料電池１０の温度が高くなるに従って多くなっている。また、図９に示すように、酸化剤オフガスがシステム系外に持ち出す水分量は、燃料電池１０の圧力が低くなるに従って多くなっている。ここで、図８及び図９に示した水分量は、酸化剤オフガスが過飽和状態であることを前提となっている。このため、図８及び図９に示したシステム系外に持ち出す水分量は、システム系外に持ち出し可能な最大の水分量であるともいえる。
【００６１】
ここで、過飽和状態でない酸化剤オフガスを過飽和状態にするためには、システム系外に持ち出し可能な最大の水分量が少なくなるようにすればよい。すなわち、酸化剤オフガスを過飽和状態にするためには、燃料電池１０の運転温度を低くし、運転圧力を大きくすればよい。
【００６２】
故に、図７のステップＳＴ２４では、燃料電池１０の運転圧力を上昇させることとしている。なお、図７に示すフローチャートにおいて運転温度の低下が行われていない理由は、温度低下による応答遅れを考慮したためである。
【００６３】
再度、図７を参照する。ステップＳＴ２４の後、コントローラ９０は、再度、酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上であるか否かを判断する（ＳＴ２５）。そして、酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上でないと判断した場合（ＳＴ２５：ＮＯ）、コントローラ９０は燃料電池システム２を停止させる（ＳＴ２６）。その後、処理はメインフローに戻ることとなる。
【００６４】
他方、酸化剤オフガスの相対湿度が１００％以上であると判断した場合（ＳＴ２５：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ２７に移行する。そして、ステップＳＴ２７において、コントローラ９０は、水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判断する（ＳＴ２７）。ここで、水素濃度が所定濃度以上でないと判断した場合（ＳＴ２７：ＮＯ）、図７に示す処理は終了する。また、水素濃度が所定濃度以上であると判断した場合（ＳＴ２７：ＹＥＳ）、コントローラ９０は燃料電池システム２を停止させ（ＳＴ２６）、処理はメインフローに戻ることとなる。
【００６５】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、水素ガスの異常的な漏洩を検出すると共に、水素ガスの異常的な漏洩を検出した場合に適切な対応をとることができる。また、簡便に運転効率を低下させることができる。
【００６６】
さらに、第２実施形態によれば、水素ガスが漏洩していると判断した場合において、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態でないと判断したときには、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態となるように燃料電池１０の運転を制御することとしている。ここで、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態であるということは、燃料電池１０において生成される水分量が充分であり、ドライアウトの可能性が極めて少ないことを示している。よって、酸化剤極１２から排出されるガスが過飽和状態となるように燃料電池１０の運転を制御することで、確実にドライアウトを防止することができる。
【００６７】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システム３は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００６８】
第１実施形態に係る燃料電池システム１では、水素検出器８４により検出される水素濃度が所定濃度以上である場合、単に発電電力を維持しつつ燃料電池１０の運転効率を低下させることとしていた。これに対し、第３実施形態に係る燃料電池システム３では、発電電力を維持した運転効率の低下に応じて、冷媒循環系７０により循環される冷却水の流量を増加させることとしている。以下、この点について説明する。
【００６９】
まず、発電電力を維持しつつ運転効率を低下させた場合、前述のように発電電流は増加する。このため、発熱量が大きくなる。よって、冷却水流量が一定の場合、燃料電池１０の入口及び出口温度の差は大きくなり、燃料電池１０内の温度勾配や温度分布が大きくなる。これにより、燃料電池１０内部で熱歪などが生じて、燃料電池本体にダメージを与える可能性がある。そこで、第３実施形態に係る燃料電池システム３では、冷却水流量を増加させることで、燃料電池１０の本体にダメージを与える可能性を少なくする。
【００７０】
具体的にコントローラ９０は、運転効率の低下前後の電流値に応じて冷却水の流量を変化させる。すなわち、発電電力を維持したまま運転効率を低下させる前の電流値をＩ１とし、運転効率を低下させた後の電流値をＩ２とすると、コントローラ９０は、
【数４】
2006351241.tif 000006
なる関係式から、すなわち、
【数５】
2006351241.tif 000007
なる関係式から、運転効率低下後の冷却水流量を求める。そして、コントローラ９０は、求めた冷却水流量に応じて冷却水ポンプ７３を制御して、冷却水流量を変化させる。なお、Ｑ２は運転効率低下後の冷却水流量であり、Ｑ１は運転効率低下前の冷却水流量である。
【００７１】
これにより、第３実施形態において燃料電池システム３は、発熱量の増加に応じて燃料電池１０を冷却することができることとなる。
【００７２】
このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、水素ガスの異常的な漏洩を検出すると共に、水素ガスの異常的な漏洩を検出した場合に適切な対応をとることができる。また、簡便に運転効率を低下させることができる。
【００７３】
さらに、第３実施形態によれば、水素ガスが漏洩していると判断された場合、発電電力を維持した運転効率の低下に応じて燃料電池１０を冷却する冷却水の流量を増加させることとしている。ここで、発電電力を維持した運転効率を行うと、発電電流量が増加し、発熱量も増加することとなる。このため、冷却水の流量を増加させることで、熱歪みなどによって燃料電池１０本体に与えるダメージを防止することができる。
【００７４】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせるようにしてもよい。
【００７５】
例えば、第２実施形態において、コントローラ９０は、過飽和状態であるか否かを判断するために、相対湿度が１００％以上であるか否かを判断していた（図７ＳＴ２３，ＳＴ２６）。しかし、過飽和状態であるか否かについては、相対湿度が１００％以上であるか否かに限らず、例えば９５％以上などであってもよいし、他の方法により判断されてもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では、燃料ガスの濃度によって燃料ガスの漏洩を判断していたが（図３ＳＴ１０，ＳＴ１２など）、これに限らず、例えば燃料ガスの量によって漏洩を判断するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池を構成する燃料電池単セルの詳細構成図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】図３に示したステップＳＴ１１の第１の説明図である。
【図５】図３に示したステップＳＴ１１の第２の説明図である。
【図６】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図８】酸化剤オフガスがシステム系外に持ち出す水分量と燃料電池の運転温度との相関を示す説明図である。
【図９】酸化剤オフガスがシステム系外に持ち出す水分量と燃料電池の運転圧力との相関を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１〜３…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…燃料極
１２…酸化剤極
８４…水素検出器（燃料ガス濃度検出手段）
９０…コントローラ（制御手段）
９１…湿度計（湿度検出手段）
【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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