(57)【要約】【課題】  燃料電池内における異常反応を確実に検出する。【解決手段】    燃料電池の各電極に、所定圧に調整された反応ガスを供給して、反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池システムにおいて、反応ガスのガス流路内の圧力を測定する圧力測定手段を配置する。この燃料電池システムは、この圧力測定手段により測定された測定圧力と、予め記憶された判定圧力とを比較して、前記測定圧力が判定圧力より大きいか否かを判定し、測定圧力が判定圧力より大きいと判定された場合に、燃料電池内において異常反応が発生したと判断する。【選択図】      図４
2006351481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の各電極に、所定圧に調整された反応ガスを供給して、前記反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池システムにおいて、
前記反応ガスのガス流路内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段により測定された測定圧力と、予め記憶された判定圧力とを比較して、前記測定圧力が判定圧力より大きいか否かを判定する圧力判定手段と、
前記測定圧力が前記判定圧力より大きいと判定された場合に、前記燃料電池内において異常反応が発生したと判断する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、積層された複数の単電池を備え、
前記ガス流路は、
１本のガス供給管と、
前記ガス供給管に集合して接続し、前記各単電池の電極に、前記反応ガスを供給するように配置された複数の分岐管と、
前記複数の分岐管が集合して接続し、前記分岐管からガスを排出する１本のガス排出管と、を備え、
前記圧力測定手段は、前記ガス供給管または前記ガス排出管に配置され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】
前記ガス流路に配置され、その開度によって、前記ガス流路内の圧力を自動的に所定圧に調整する圧力調整バルブと、
前記圧力調整バルブの開度を測定する開度測定手段と、
前記開度測定手段により測定された測定開度と、予め記憶された判定開度とを比較して、前記測定開度が、前記判定開度より大きいか否かを判定する開度判定手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記測定圧力が前記判定圧力より大きく、かつ、前記測定開度が前記判定開度より大きい場合にのみ、異常反応が起きていると判断することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、積層された複数の単電池を備え、
前記燃料電池システムは、
前記各単電池が発生する電圧を個々に測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段により測定された前記各単電池の測定電圧と、予め記憶された判定電圧とをそれぞれ比較して、前記各測定電圧が前記判定電圧より小さいか否かを判定する電圧判定手段と、
前記測定電圧が前記判定電圧より小さいと判定された単電池を、異常反応が発生した異常発生単電池として特定する単電池特定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記測定圧力の、変化の割合を算出する変化率算出手段と、
前記変化の割合と、前記異常発生単電池の測定電圧とに応じて、前記異常発生単電池内における異常発生エリアを特定する異常発生エリア特定手段と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス流路は、カソードガス流路であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、異常反応発生と判断した場合に、前記燃料電池システムの発電を停止することを特徴とする請求項１から７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】
この発明は、燃料電池システムに関する。より具体的には、燃料電池の電極に反応ガスを供給して、前記反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平９−１４７８９５号には、燃料電池の発電部の出力電圧を測定する電圧センサと、発電部の温度を検出する温度センサとを備える燃料電池システムが開示されている。このシステムの燃料電池においては、アノード側電極触媒層に供給される燃料ガス、あるいはカソード側電極触媒層に供給される酸化剤ガスがクロスリークして、電極触媒層や固体高分子膜中で異常燃焼を起こす場合がある。特に、電極中の触媒は燃焼触媒として作用するため、比較的低温で燃焼を起こしやすい。このため、上記従来の燃料電池システムは、燃料電池の燃焼状態を検知する機能を有する。
【０００３】
具体的には、まず電圧センサによりアノード電極の電圧とカソード電極の電圧とを検出し、両者の電位差を算出する。この電位差が所定の基準値より小さくなっている場合、正常な発電が行われていないと判断される。発電異常の原因が異常燃焼に起因するものである場合、その異常燃焼により発生する熱により、電極の温度が上昇しているものと考えられる。したがって、上記従来の燃料電池システムは、発電異常を検出した場合、温度センサにより電極の温度を検出し、検出された電極の温度が基準温度よりも高い場合に、燃料電池内において異常燃焼が起きていると判断する。異常燃焼が起きていると判断した場合には、燃料電池への反応ガスの供給を停止する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１４７８９５号公報
【特許文献２】特開２００３−４５４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の燃料電池システムにおいては、アノード電極とカソード電極との電位差から異常を予測し、その後、電極の温度から異常燃焼の有無を判断する。しかし、熱は拡散しやすいため、異常燃焼により発生した熱は、温度センサに伝達されるまでに拡散されて、正確に伝達されない場合があると考えられる。特に、燃焼状態となっているエリアと温度センサの配置位置とがある程度離れている場合、温度センサに伝わるまでの熱の拡散が大きいため、十分な感度で燃焼状態を検出できない場合があると考えられる。しかしながら、燃料電池において燃焼状態が放置されることは、好ましいものではなく、十分に高い感度でその検出を行うことが望ましい。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内における異常反応を感度良く検出できるように改良した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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の各電極に、所定圧に調整された反応ガスを供給して、前記反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池システムにおいて、
前記反応ガスのガス流路内の圧力を測定する圧力測定手段と、
前記圧力測定手段により測定された測定圧力と、予め記憶された判定圧力とを比較して、前記測定圧力が判定圧力より大きいか否かを判定する圧力判定手段と、
前記測定圧力が前記判定圧力より大きいと判定された場合に、前記燃料電池内において異常反応が発生したと判断する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池は、積層された複数の単電池を備え、
前記ガス流路は、
１本のガス供給管と、
前記ガス供給管に集合して接続し、前記各単電池の電極に、前記反応ガスを供給するように配置された複数の分岐管と、
前記複数の分岐管が集合して接続し、前記分岐管からガスを排出する１本のガス排出管と、を備え、
前記圧力測定手段は、前記ガス供給管または前記ガス排出管に配置されることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ガス流路に配置され、その開度によって、前記ガス流路内の圧力を自動的に所定圧に調整する圧力調整バルブと、
前記圧力調整バルブの開度を測定する開度測定手段と、
前記開度測定手段により測定された測定開度と、予め記憶された判定開度とを比較して、前記測定開度が、前記判定開度より大きいか否かを判定する開度判定手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記測定圧力が前記判定圧力より大きく、かつ、前記測定開度が前記判定開度より大きい場合にのみ、異常反応が起きていると判断することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、
前記燃料電池は、積層された複数の単電池を備え、
前記燃料電池システムは、
前記各単電池が発生する電圧を個々に測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段により測定された前記各単電池の測定電圧と、予め記憶された判定電圧とをそれぞれ比較して、前記各測定電圧が前記判定電圧より小さいか否かを判定する電圧判定手段と、
前記測定電圧が前記判定電圧より小さいと判定された単電池を、異常反応が発生した異常発生単電池として特定する単電池特定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明において、
前記測定圧力の、変化の割合を算出する変化率算出手段と、
前記変化の割合と、前記異常発生単電池の測定電圧とに応じて、前記異常発生単電池内における異常発生エリアを特定する異常発生エリア特定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、
前記ガス流路は、カソードガス流路であることを特徴とする。
【００１３】
前記第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、
前記制御手段は、異常反応発生と判断した場合に、前記燃料電池システムの発電を停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、燃料電池システムは、燃料電池の反応ガスのガス流路内の圧力を測定する圧力測定手段を有し、測定圧力の変化により、ガス流路内における異常反応を検知する。ここで、異常反応を温度センサにより検出することも考えられる。しかしながら、異常反応により発生した熱は、燃料電池の構成部材に拡散され、更には、燃料電池外部へも放出される。したがって、異常反応による温度上昇を温度センサに確実に伝達することは困難である。このため、温度による異常反応の検出にはばらつきが生じやすく、特に、異常反応エリアと温度センサの配置位置とが離れている場合には、異常反応の検出が困難となる。これに対して、燃料電池の反応ガスのガス流路は閉空間となっているため、異常反応により生じた圧力の変化は、確実に圧力センサに伝達することができる。仮に、圧力測定手段と異常反応が発生したエリアとが離れている場合であっても、圧力の変化は圧力測定手段の配置されている位置まで、比較的正確に伝達される。したがって、第１の発明によれば、感度良く、ガス流路内における異常反応を検出することができる。
【００１５】
また、第２の発明によれば、燃料電池システムの圧力調整手段は、ガス流路の分岐前のガス供給管または、集合後のガス排出管に配置される。異常反応による圧力変化は、異常反応が発生した単電池のみでなく、ガス流路全体に反映される。したがって、１の圧力調整手段のみで、燃料電池全体の異常反応を検出することができる。
【００１６】
また、第３の発明によれば、圧力測定手段による測定圧力に加えて、ガス流路内の圧力を自動的に調整する圧力調整バルブの測定開度を用いて異常反応の有無を判断する。したがって、測定圧力および測定開度の一方に誤りがある場合にも、誤って異常反応の有無が判断されるのを避けることができる。したがって、より正確に燃料電池の異常反応を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を説明するための模式図である。
図１に示すように、燃料電池システムは、水素タンク２を備える。水素タンク２には、水素供給管４の一端が接続されている。水素供給管４には、圧力調整バルブ６が設けられている。圧力調整バルブ６は、水素供給管４内の圧力を自動的に所定圧に調整するバルブである。水素供給管４の他端は、燃料電池８の水素入口に接続されている。燃料電池８は固体高分子型の電池である。
【００１９】
燃料電池８の水素オフガスの出口には、水素オフガス排出管１０が配置されている。水素オフガス排出管１０には、開閉バルブ１２が設けられている。開閉バルブ１２は、水素オフガス排出管１０を開閉する。開閉バルブ１２に対して、ガスの流れの上流側において、水素オフガス排出管１０には水素循環用配管１４の一端が配置されている。水素循環用配管１４の他端は、水素供給管４に接続されている。
【００２０】
燃料電池システムは、コンプレッサ２０を備える。コンプレッサ２０には、空気供給管２２の一端が接続されている。空気供給管２２の他端は、燃料電池８の空気入口に接続されている。また燃料電池８の空気オフガスの出口には、空気オフガス排出管２４の一端が接続されている。
【００２１】
燃料電池８の空気オフガス出口付近において、空気オフガス排出管２４には、圧力センサ２６が配置されている。圧力センサ２６は空気オフガス排出管２４内の、空気オフガス出口付近の圧力（以下、「出口圧力」と称する）に応じた出力を発するセンサである。圧力センサ２６に対して、空気オフガスの流れの下流側において、空気オフガス排出管２４には圧力調整バルブ２８が配置されている。圧力調整バルブ２８は、その開度を変化させることにより流出する空気オフガスの量を調整し、これにより、空気の通過路内の圧力を自動的に所定圧に調整するバルブである。
【００２２】
燃料電池８には、電圧計３０が接続されている。電圧計３０は、燃料電池８の出力電圧をセルごとに測定することができる。また、燃料電池システムは、制御装置３２を備える。制御装置３２には、水素タンク２、圧力調整バルブ６、開閉バルブ１２、コンプレッサ２０、圧力センサ２６、圧力調整バルブ２８、電圧計３０がそれぞれ接続されている。制御装置３２は、圧力センサ２６、電圧計３０からの出力を受けて、出口圧力、燃料電池８の各セルの電圧を算出し、必要に応じてコンプレッサ２０及び水素タンク２からの反応ガスの供給量や圧力調整バルブ６、２８の開度等を制御する。
【００２３】
図２は実施の形態１の燃料電池システムにおいて、燃料電池８の酸素ガス流路内に燃焼が発生する場合について説明するための模式図である。
燃料電池８内には、図示を省略するが複数のセルが積層されている。セル内には、カソード、アノード、および両電極に挟まれた固体高分子膜等が配置されている。
【００２４】
図２に示すように、各セルのカソード側には酸素ガス流路３４が設けられている。酸素ガス流路３４の両端はそれぞれ、燃料電池の空気入口と空気オフガス出口とにおいて、空気供給管２２と空気オフガス排出管２４とに接続されている。酸素ガス流路３４には、カソードに酸素を供給する酸化剤ガスとして空気が供給される。尚、図２においては、酸素ガス流路３４を３本のみ、真直ぐな配管として模式的に表している。しかし、実際には、酸素ガス流路３４は全てのセルのカソード側に設けられおり、それぞれ、複雑に蛇行した形状を有する。この燃料電池システムにおいて、空気通過路は、１本の空気供給管２２から、各セルの酸素ガス流路３４に分岐して、再び集合して１本の空気オフガス排出管２４に接続するように構成されている。
【００２５】
一方、アノード側にも同様に、水素ガス流路（図示せず）が設けられ、水素ガス流路の両端はそれぞれ、水素入口と水素オフガス出口において、水素供給管４と水素オフガス排出管１０とに接続されている。水素ガス流路には、燃料ガスとして水素が供給される。
【００２６】
燃料電池システムの発電の際には、水素ガス流路からアノード側に水素が供給され、酸素ガス流路３４からカソード側に空気が供給される。アノードに供給された水素は、アノードの触媒によって電子が分離することにより水素イオンとなる。水素イオンは、固体高分子膜を通り、カソード側に移動する。カソードでは水素イオンと、空気中の酸素とが反応して水が生成される。水素イオンから分離した電子は、別経路でカソードに向かう。これによって、カソードから、アノードに電流が流れ、電力が発生する。
【００２７】
このような発電反応中に、燃料電池８のアノード、カソードにそれぞれ供給される水素ガス、空気が、固体高分子膜を通過してリークする場合がある。例えば、図２に示すように、水素ガス流路から、酸素ガス流路３４にリークした場合、リーク水素３６が酸素ガス流路３４の触媒上で酸素と反応して燃焼を起こす場合がある。
【００２８】
図３は、酸素ガス流路３４において燃焼が起きた場合の出口圧力の変化を表すグラフである。
酸素ガス流路３４において燃焼が生じた場合、燃焼による熱により空気が膨張して圧力が上昇する。酸素ガス流路３４は閉空間であるから、膨張による圧力変化は確実に圧力センサ２６の位置まで伝達される。したがって、出口圧力は、図３に示すように、燃焼が生じた時間Ｔ１直後から、急激に上昇を開始する。
【００２９】
出口圧力が上昇すると、圧力調整バルブ２８は、圧力を一定に調整するため、その開度を大きく開く。圧力調整バルブ２８の開放された後、出口圧力は通常の圧力に戻る。その後、時間Ｔ２において燃焼反応が終了すると、圧力調整バルブ２８の開度は通常の開度に戻る。
【００３０】
制御装置３２は、検出の必要がある規模の燃焼が生じたと判断する基準となる出口圧力の上昇値を、「判定圧力」として記憶する。この圧力は、燃料電池のスタック全体の体積と検出の必要がある規模の燃焼体積とから求められる。制御装置は、出口圧力が、判定圧力を超えたか否かで、燃焼の有無を判断する。制御装置３２は、燃料電池８内で燃焼が起きているものと判断した場合、コンプレッサ２０及び水素タンク２からの燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を一端停止する。
【００３１】
図４は、燃料電池システムの制御装置３２が行う制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
まずステップＳ１０２において、出口圧力を測定する（ステップＳ１０２）。制御装置３２は、燃料電池８の空気オフガス出口付近に取り付けられた圧力センサ２６の出力から出口圧力を算出する。出口圧力を測定することにより、酸素ガス流路３４内のどこかで生じた圧力の変化を検出することができる。
【００３２】
次に、測定した出口圧力が、判定圧力より大きくなっているか否かの判定を行う（ステップＳ１０４）。制御装置３２は、予め記憶した判定圧力と出口圧力を比較して、出口圧力の方が高いかどうかを判定する。これにより、燃料電池８内の燃焼による圧力上昇が起きているか否かが判定される。
【００３３】
ステップＳ１０４において、出口圧力が判定圧力より大きいと判定された場合には、燃料電池８内で燃焼が起きているものと判断され、燃料電池システムを停止する（ステップＳ１０６）。即ち、制御装置３２は、燃料電池８への水素ガス及び空気の供給を停止する。ステップＳ１０４において出口圧力が判定圧力以下と判定された場合には、燃料電池システムは正常に動作しているものと判断され、一旦このルーチンを終了する。
【００３４】
以上のように実施の形態１においては、出口圧力から、燃料電池８内の燃焼状態を検出する。燃料電池８への酸素ガス流路３４は閉じられた空間であることから、いずれかのセル内で起きた燃焼により上昇した圧力は、温度とは異なり外部に放出されることなく、出口圧力にまでそのまま伝達される。したがって、出口圧力の測定により、温度センサを用いる場合に比して、感度よく燃焼状態を検出することができる。したがって、異常燃焼をより確実に検出することができ、異常燃焼が燃料電池システムのトラブルに発展するのを確実に回避することができる。
【００３５】
実施の形態１においては、燃料電池８の空気オフガス出口付近に圧力センサ２６を配置する場合について説明した。このように出口圧力によって燃焼を検出する場合でも、センサの配置位置による検出精度のばらつきを抑えることができる。したがって、例えば、燃料電池の入口付近で燃焼が起きている場合にも感度よく燃焼状態を検出することができる。また、空気通過路は閉空間であるため、圧力センサ２６は、他の位置に配置されても、感度よく燃焼による圧力変化を検出することができる。したがって、この発明において、圧力センサ２６の配置位置はこの位置に限るものではなく、例えば、燃料電池８の空気入口側に配置するものであってもよく、また、各酸素ガス流路３４内に複数の圧力センサ２６を設けるものであってもよい。
【００３６】
また、実施の形態１においては、圧力調整バルブ２８により空気通過路内の圧力を一定に調整する場合を前提とし、出口圧力が判定圧力にまで上昇した場合に、燃焼と判断する場合について説明した。これは、通常の運転状態であって、供給されるガス圧がある程度一定である場合に、異常燃焼を判定することを前提としたものである。しかし、この発明は必ずしもこれに限るものではない。例えば、空気通過路内の圧力が変化する場合には、通常の発電状態の出口圧力に対して上昇した上昇値を算出して、この上昇値に対応して予め記憶させておいた判定値（すなわち変化量の許容範囲）を基準に燃焼を判断するものであってもよい。
【００３７】
また、実施の形態１においては、空気通過路における燃焼を検出する場合について説明した。しかしながら、この発明は、水素通過路側に圧力センサを配置して圧力変化を検出することにより、水素ガス流路側に生じた燃焼状態について検出するものであってもよい。
【００３８】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における燃料電池システムにおける圧力調整バルブ２８の開度変化を説明するための図である。
実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１において説明した燃料電池システムと同様の構成を有する。但し、実施の形態２においては、燃料電池８の燃焼状態の有無の判断において、圧力センサ２６の出力に加えて、圧力調整バルブ２８の開度も考慮する。
【００３９】
燃料電池８の酸素ガス流路３４内において、燃焼が起きた場合、出口圧力は図３に示すように変化する。出口圧力が上昇すると、これに応じて、酸素ガス流路３４内の圧力を所定圧力に戻すため、図５に示すように、圧力調整バルブ２８の開度が大きくなる。圧力調整バルブ２８は、燃焼発生時間Ｔ１後に開放され、燃焼終了時間Ｔ２が経過後、酸素ガス流路３４内の燃焼による空気の膨張が収まった後で、通常の開度に戻る。
【００４０】
制御装置３２は、バルブ開度が、検出の必要がある規模の燃焼が生じたと判断する基準となる開度を「判定開度」として記憶する。実施の形態２においては、図３に示す出口圧力が判定圧力以上となった場合であって、更に、バルブ開度が判定開度以上になった場合にのみ、燃焼の発生と判断してシステムを停止するようにする。これにより、圧力センサ２６の誤作動等により高い圧力が検出された場合に、誤って燃焼発生と判断されるのを防ぐことができる。
【００４１】
図６は、実施の形態２において燃料電池システムの制御装置３２が実行する制御のルーチンを示すフローである。
実施の形態２における制御のルーチンは、図４に示すルーチンのステップＳ１０４とステップＳ１０６との間で、ステップＳ２０２、Ｓ２０４を実行する点を除き、図４の制御のルーチンと同じものである。
【００４２】
図６に示すように、ステップＳ１０４において、出口圧力が、判定圧力以上であると判定された場合、ステップＳ２０２において、圧力調整バルブ２８の開度を測定する。制御装置３２は、圧力調整バルブ２８の開度に関する情報から開度を算出する。次に、測定した圧力調整バルブ２８の開度が判定開度より大きいか否を判断する（ステップＳ２０４）。即ち、制御装置３２は、予め記憶された判定開度と圧力調整バルブ２８の開度とを比較して、圧力調整バルブ２８の開度が判定開度より大きいか否かを判断する。これにより、酸素ガス流路３４内の圧力が上昇しているか否かが判断される。
【００４３】
圧力調整バルブ２８の開度が、判定開度より大きいと判断された場合には、燃焼が起きているものと判断して燃料電池システムを停止する（ステップＳ１０６）。一方、開度が判定開度以下であると判断された場合には、燃焼は起きていないものと判断され、一旦このルーチンを停止する。したがって、出口圧力が判定圧力より大きいと判断された場合であっても、開度が判定開度より大きくない場合には、燃焼は起きていないものと判断される。
【００４４】
以上のように、実施の形態２においては、出口圧力と、圧力調整バルブ２８の開度との両方を、燃料電池８の燃焼の検出に用いる。これにより、圧力センサ２６や圧力調整バルブ２８の誤作動がある場合にも、誤って燃焼と判断されるのを避けることができる。したがって、圧力センサあるいは圧力調整バルブ２８の誤作動によって、燃料電池システムが無駄に停止するのを防止することができる。
【００４５】
なお、実施の形態２においては、出口圧力と圧力調整バルブ２８の開度との両方を考慮して燃焼を検出した。しかしながら、この発明は、圧力調整バルブ２８の開度と出口圧力とを組み合わせて、燃焼の判断用いるものに限るものではない。例えば、実施の形態１のように、出口圧力を単独で判定材料として用いるものであってもよく、あるいは、図５の圧力調整バルブ２８の開度特性を利用して、図６のステップＳ１０２、Ｓ１０４を行わずに、圧力調整バルブ２８の開度を単独で、燃焼検出に用いるものであってもよい。また、より出口圧力の測定に代えて、電極に温度センサを配置して温度変化と、圧力調整バルブの開度２８の変化を、燃焼の判断材料とするものであってもよい。
【００４６】
実施の形態３．
図７は実施の形態３における燃料電池８について説明するための模式図である。
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有する。
図７は、燃料電池８のスタック内の各セル３８とセル３８内の酸素ガス流路３４とを模式的に表している。図７に示すように、燃料電池８には複数のセル３８が積層されて構成されている。複数のセル３８には、それぞれ酸素ガス流路３４が設けられている。酸素ガス流路３４は、それぞれ、空気供給管２２から分岐した、空気の通過路である。各セル３８内において発生する電圧は、電圧計３０により個々に測定することができる。
【００４７】
燃焼を起こしたセル３８ａにおいては、発生する電圧が低下する。したがって、電圧が低下したセル３８ａを燃焼発生セル３８ａとして特定する。また、燃焼発生セル３８ａの電圧の低下幅が大きい場合、即ち、燃焼発生セル３８ａの出力電圧が小さい場合、燃焼発生セル３８内にはガスが供給されていないことが予想される。したがって、この場合、上流側エリアAでリークが生じ、このエリアAで燃焼が発生しているものと予測することができる。一方、燃焼発生セル３８ａの電圧の低下幅が小さい場合、即ち、燃焼したセル３８の出力電圧が比較的大きい場合、燃焼はそのセル３８ａの下流側エリアCで生じており、上流側エリアA、中央部Bには通常どおり反応ガスが供給され、発電反応が起きているものと予想される。
【００４８】
図８は、燃料電池８内の、あるセル３８ａの酸素ガス流路３４の上流側エリアＡで燃焼が発生した場合の出口圧力の変化を表すグラフである。図９は、燃料電池８の下流側エリアＣで燃焼が発生した場合の出口圧力の変化を表すグラフである。
セル３８ａの上流側エリアAで燃焼が発生した場合には、リークした水素が酸素と激しく反応して、発熱による周囲ガスの膨張が起きる。しかしながら、ガス流路の燃焼エリアよりも下流側の容積が大きい。したがって、膨張した圧力の影響は緩やかに伝わるため、図８に示すように、出口圧力の変化の立ち上がり、下がり共に緩やかになる。
【００４９】
一方、セル３８ａの下流側エリアCで燃焼が発生している場合には、圧力センサ２６までの容積が小さい。したがって、燃焼による空気の膨張は、圧力センサ２６にすぐに伝わり、その出力に影響を与える。したがって、図９に示すように、出口圧力の変化の立ち上がり、下がりが急激になる。なお、どのエリアで燃焼が起きている場合にも、燃焼反応の量に応じて、出口圧力の上昇のピークは大きくなる。
【００５０】
実施の形態３においては、燃焼エリアの違いによる圧力変化及び電圧変化の違いを利用して、燃焼発生エリアを特定する。具体的に、セル３８ａの電圧の低下幅が大きい場合には、上流側エリアAで燃焼が起きているものと判断する。一方、セル電圧の低下幅が小さく、かつ、出口圧力の変化が急激である場合には、下流側エリアCで燃焼が起きているものと判断する。その他の場合には、中央付近の燃焼であると判断する。
【００５１】
制御装置３２は、燃焼発生セル３８ａの特定において、セル３８が発生する電圧の基準となる値を「第１判定電圧」として記憶する。また、エリアの特定において、燃焼が上流側エリアAで起きていると判断できる程度に、大きな幅で電圧が低下したと判断できる基準となる電圧を「第２判定電圧」として記憶する。第２判定電圧は、第１判定電圧よりも小さな電圧である。また、燃焼が下流側エリアCで起きていると判断できる程度に、急激に圧力が変化したと判断できる基準となる圧力変化の割合を「判定変化率」として記憶する。
【００５２】
図１０は、この発明の実施の形態３において燃料電池システムの制御装置３２が行うルーチンについて説明するためのフロー図である。
図１０に示す制御のルーチンは、図３のステップＳ１０４において圧力が判定圧力以上であると判断された場合、あるいは、図６のステップＳ２０４においてバルブの開度が判定開度以上であると判断された場合に続いて実行される。
【００５３】
具体的に、ステップＳ１０４またはステップＳ２０４において、燃焼が起きていると判断された場合、まず、燃料電池８の各セル３８の出力電圧を測定する（ステップＳ３０２）。制御装置３２は、電圧計３０の出力から、各セル３８の電圧を算出することにより、各セル３８が発電する電圧を個々に測定する。次に、燃焼発生セル３８ａを特定する（ステップＳ３０４）。制御装置３２は、測定された電圧が、第１判定電圧より小さくなっているか否かを、セル３８ごとに判定し、出力電圧が第１判定電圧よりも小さくなっているセル３８を、燃焼が発生した燃焼発生セル３８ａとして特定する。
【００５４】
次に、燃焼発生セル３８ａの電圧が、第２判定電圧より小さいか否かが判断される（ステップＳ３０６）。制御装置３２は、予め記憶した第１判定電圧より小さい第２判定電圧と、燃焼発生セル３８ａの電圧とを比較して、燃焼発生セル３８ａの電圧が第２判定電圧より小さいか否かを判定する。これにより、燃焼発生セル３８ａの電圧が、上流側エリアAで燃焼を発生したと判断できる程度に大きく低下しているか否かが判定される。ステップＳ３０６において、燃焼発生セル３８ａの電圧が第２判定電圧より小さいと判断された場合、この燃焼は燃焼発生セル３８ａの上流側エリアAで起きたものと判定し（ステップＳ３０８）、このルーチンを終了する。
【００５５】
一方、燃焼発生セル３８ａの電圧が第２判定電圧以上であると判断された場合、出口圧力の変化率を算出する（ステップＳ３１０）。制御装置３２は、ステップＳ１０２において測定した出口圧力のデータをもとに、その変化率を算出する。次に、変化率が、判定変化率より大きいか否かを判定する（ステップＳ３１２）。制御装置３２は、予め記憶した判定変化率と、算出した変化率とを比較して、変化率が判定変化率より大きいか否かを判定する。これにより、出口圧力の変化が、燃焼が下流側エリアCで発生したと判断できる程度に急激であるか否かが判断される。
【００５６】
ステップＳ３１２において、変化率が判定変化率より大きいと判断された場合には、燃焼は、セル３８ａの下流側エリアCで起きたものと判定し（ステップＳ３１４）、このルーチンを終了する。一方、変化率が判定変化率以下であると判断された場合、燃焼は燃焼発生セル３８ａの中央部Bで起きたものと判定し（ステップＳ３１６）、このルーチンを終了する。
【００５７】
以上説明したように、実施の形態３によれば、燃焼が起きているセルを特定し、更に、燃焼発生セル３８ａのどの部分において燃焼が発生しているかを判断することができる。これらの情報により、燃焼に対して処置を早急に取ることができる。また、これらの情報は、燃料電池８のメンテナンスや燃焼の原因特定等に役立てることができる。
【００５８】
なお、実施の形態３においては、電圧が第２電圧より小さい場合に上流側エリアAでの燃焼と判断し、変化率が判定変化率より大きい場合に下流側エリアCでの燃焼と判断し、それ以外の場合には、中央部Bでの燃焼と判断する場合について説明した。しかし、この発明において、燃焼個所の特定はこれに限るものではなく、例えば、変化率及び電圧のいずれか一方のみを判断材料として、上流側エリア、下流側エリアのいずれかのエリアでの燃焼と判断するものであってもよい。また、燃焼しているエリアの特定は、３箇所、あるいは２箇所に分けるものではなく、判定の基準値をいくつか記憶させて、３以上のエリアに分けて特定するものであってもよい。
【００５９】
また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及している場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００６０】
なお、実施の形態１〜３において、燃料ガス及び酸化剤ガス、即ち、水素及び酸素は、この発明の「反応ガス」に該当し、水素供給管４及び空気供給管２２は「ガス供給管」に該当し、水素ガス流路及び酸素ガス流路３４は「分岐管」に該当し、水素オフガス排出管１０及び空気オフガス排出管２４は「ガス排出管」に該当し、圧力調整バルブ２８は「圧力調整バルブに該当し、
【００６１】
また、実施の形態１〜３において、ステップＳ１０２を実行することにより、この発明の「圧力測定手段」が実現され、ステップＳ１０４を実行することにより「圧力判定手段」が実現され、ステップＳ１０６を実行することにより「制御手段」が実現される。また、実施の形態２において、ステップＳ２０２、Ｓ２０４を実行することにより、この発明の「開度測定手段」及び「開度判定手段」がそれぞれ実現される。また、実施の形態３においてステップＳ３０２を実行することにより、「電圧測定手段」が実現され、ステップＳ３０４を実行することにより、「電圧判定手段」及び「単電池特定手段」が実現される。また、ステップＳ３１０を実行することにより、この発明の「変化率算出手段」が実現し、ステップＳ３０６〜Ｓ３１６を実行することにより「エリア特定手段」が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいて、燃焼が起きた場合の出口圧力の変化について説明するためのグラフである。
【図４】この発明の実施の形態１において、燃料電池システムの制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図５】この発明の実施の形態２の燃料電池システムにおいて、燃焼が起きた場合の圧力調整バルブの開度について説明するためのグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２において、燃料電池システムの制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図７】この発明の実施の形態３における燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図８】この発明の実施の形態３の燃料電池システムにおいて、燃料電池の入口付近で燃焼が起きた場合の出口圧力の変化を表すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態３の燃料電池システムにおいて、燃料電池の出口付近で燃焼が起きた場合の出口圧力の変化を表すグラフである。
【図１０】この発明の実施の形態３において、燃料電池システムの制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００６３】
２  水素タンク
４  水素供給管
６  圧力調整バルブ
８  燃料電池
１０  水素オフガス排出管
１２  開閉バルブ
１４  水素循環用配管
２０  コンプレッサ
２２  空気供給管
２４  空気オフガス排出管
２６  圧力センサ
２８  圧力調整バルブ
３０  電圧計
３２  制御装置
３４  酸素ガス流路
３６  リーク水素
３８  セル
３８ａ  燃焼発生セル
【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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