(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックのガス漏れ、ガス供給不足を早期に検出する。【解決手段】  燃料電池スタック１の少なくとも１つの単位電池の反応ガス供給側に、温度センサ２２を設ける。負荷電流センサ２６は、燃料電池スタック１から負荷装置２９へ供給する負荷電流を検出する。コントローラ２３は、ガス漏れ判断手段３１と、警告制御手段３２と、出力制限手段３３とを備える。ガス漏れ判断手段３１は、負荷電流センサ２６の検出値に基づいて正常温度値を算出し、正常温度値と温度センサ２２の検出値とを比較してガス漏れを判断する。ガス漏れと判断したとき、警告制御手段３２により警告灯３４を点灯するとともに、出力制限手段３３から負荷装置２９へ出力制限信号を出力する。【選択図】    図２
2006147537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池が積み重ねられて構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
少なくとも一つの前記単位電池の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックの負荷電流に基づく正常温度値と、前記温度センサの検出値との差が所定温度差以上であるときに、前記燃料電池スタックでのガス漏れと判断するガス漏れ判断手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
複数の単位電池が積み重ねられて構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
少なくとも一つの前記単位電池の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックの負荷電流に基づく正常温度値と、前記温度センサの検出値との差が所定温度差以上であるときに、前記燃料電池スタックに供給する反応ガスが不足であると判断するガス供給不足判断手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックは、セパレータの少なくとも一部をポーラスタイプとして、ガス流路の裏側に加湿水用流路を設けて、表側のガス流路に流れるガスを加湿する構造を有し、
前記ガス漏れ判断手段または前記ガス供給不足判断手段は、ガス流路から加湿水側へのガス流出を含めてガス漏れまたはガス供給不足を判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
負荷電流値が大きいほど前記所定温度差を大きく設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
ガス流路入り口近傍に前記温度センサを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料極入口近傍に前記温度センサを設けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
空気極入口近傍に前記温度センサを設けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
ガス供給流量、ガス供給温度、ガス供給圧力、冷却水温度、冷却水流量、冷却水圧力、加湿水温度、加湿水流量、加湿水圧力、及び負荷電流の中から選択した少なくとも一つの燃料電池運転状態を検出し、検出した燃料電池運転状態に基づいて燃料電池スタックの正常温度値を算出する正常温度値算出手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記温度センサの検出値と前記正常温度値との差が所定温度差以上となった場合に、負荷電流を減じるとともにガス流量を増加させる復帰モード運転を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加湿水用流路近傍のガス流路に圧力センサを設け、前記燃料電池スタックの負荷電流に基づく正常圧力値と、前記圧力センサの検出値との差が所定圧力差以上であるときにガスの供給不足または、ガス流路から加湿水用流路へのガス流出であることを判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
ガス流路入口近傍に前記圧力センサを設けたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
ガス流路出口近傍に前記圧力センサを設けたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
ガス流路入口近傍及びガス流路出口近傍にそれぞれ前記圧力センサを設けたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
ガス供給流量、ガス供給温度、ガス供給圧力、冷却水温度、冷却水流量、冷却水圧力、加湿水温度、加湿水流量、加湿水圧力、及び負荷電流の中から選択した少なくとも一つの燃料電池運転状態を検出し、検出した燃料電池運転状態に基づいて燃料電池スタックの正常圧力値を算出する正常圧力値算出手段を備えたことを特徴とする請求項１０乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記温度センサの検出値と前記正常温度値との差が所定温度差以上の時に、前記圧力センサの検出値と前記正常圧力値との差が所定圧力差以上となった場合、負荷電流を減じるとともにガス圧力を低減させるガス漏れ復帰モード運転を行い、前記圧力センサの検出値と前記正常圧力値との差が所定圧力差未満となった場合、負荷電流を減じるとともにガス流量を増加させるガス不足復帰モード運転を行うことを特徴とする請求項１０乃至請求項１４の何れか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、燃料電池のガス漏れまたはガス供給不足を判断して燃料電池の信頼性・耐久性を向上させた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとして酸素ガスと水素ガスを用いて発電する装置であり、発電に伴い排気ガスが生じないため地球環境保護の観点から注目されている。燃料電池は、電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。その中の１つである固体高分子電解質型燃料電池は、作動温度（７０℃〜９０℃）が低いため取り扱いが容易であると共に起動時間が短く、起動性や運転操作性に優れており、また、電流密度が高いため小型軽量化が可能であり、小容量電源や移動用動力源に適している。このため、近年、固体高分子電解質膜を適用した固体高分子電解質型燃料電池は、自動車等の動力源としての実用化が進められている。
【０００３】
固体高分子電解質膜は、水素イオン伝導性を有する電解質膜から形成されており、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマなどのフッ素樹脂系イオン交換膜を使用している。固体高分子電解質膜は含水状態で水素イオン伝導性を発揮するため、電解質膜を湿潤状態に保つために加湿する必要がある。固体高分子電解質膜を加湿する方法としては、外部加湿法と直接水供給加湿法とがある。外部加湿法は、燃料電池本体外部に加湿器を設けて、燃料ガス及びまたは酸化剤ガスを加湿する方法である。直接水供給加湿法は、加湿器の設置が不要となりシステム構成を簡略化することができ、ガス流量や作動温度に関係なく加湿量を調整できる等の利点を有する。
【０００４】
直接水供給加湿法を採用した燃料電池システムとして、例えば、燃料電池本体と、冷却水系と、圧力調整手段とを備えた燃料電池システムが開示されている。燃料電池本体は、固体高分子電解質膜の両面側に燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）を形成した単電池（セル）を複数個積層し、各単セル間に冷却板を挿入し、多孔質体の加湿水透過板及び多孔質体の燃料極集電板（多孔質セパレータ）を介して冷却板に供給された冷却水の一部を固体高分子電解質膜に供給して加湿を行う構成としている。上記燃料電池システムの冷却水系により、燃料電池本体の冷却板に冷却水を循環させて発電中に生じる熱を除去し、圧力調整手段で冷却水圧力を独立して制御している（特許文献１参照）。このように冷却水の流量と圧力とを独立して制御することにより、燃料電池本体の過度の冷却を抑制することができる。
【特許文献１】特開平９−９２３１０号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の多孔質セパレータを用いた燃料電池システムでは、多孔質セパレータ中の水保持が不十分な場合は、燃料ガスが多孔質セパレータを透過して水流路中に流出してしまうため、燃料ガスの圧力が低下し、これに伴い発電出力が低下してしまう可能性を有しており、また燃料が流出することにより発電に必要なガスが不足し固体高分子膜が劣化する虞がある。このため、燃料ガスが水流路中に流出した場合は、燃料電池の運転を継続することができない等の弊害を有していた。
【０００６】
同様に、燃料ガスの流出が無くても燃料電池に供給するガスが発電に必要な量より低下すると、燃料電池の出力低下及び固体高分子膜の劣化の可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、複数の単位電池が積み重ねられて構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの前記単位電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池スタックの所定負荷電流時の正常温度値と、前記温度センサの検出値との差が所定温度差以上であるときに、前記燃料電池スタックでのガス漏れと判断するガス漏れ判断手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【０００８】
また、本発明は、複数の単位電池が積み重ねられて構成された燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの前記単位電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池スタックの負荷電流に基づく正常温度値と、前記温度センサの検出値との差が所定温度差以上であるときに、前記燃料電池スタックに供給する反応ガスが不足であると判断するガス供給不足判断手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガス漏れ発生時に、ガス漏れ発生点より上流側のセル面へ電流集中するので、上流側の温度が上昇することを温度センサにより検出し、この温度に基づいて燃料電池スタックの内部での他流体へのガス漏れ、及び燃料電池スタックから外部へのガス漏れを的確に判断し、固体高分子電解質膜の劣化を回避することができるという効果がある。
【００１０】
また、本発明によれば、燃料電池のガス供給不足時に、セル面内でガス入口側に電流が集中するので、セル面内のガス入口側の温度を正常時の温度と比較することにより、正確にガス供給不足を判断し、発電出力の回復及び固体高分子電解質膜の劣化を回避することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
〔発明の根拠〕
図６（ａ）に示すように、燃料電池の単位電池（セル）面内の発熱量分布は、正常時（ガス供給不足またはガス漏れが無い時）は一様であり、異常時（ガス供給不足またはガス漏れがある時）には、ガス供給が十分なガス入口側の発熱量が多く、ガス供給が欠乏するガス出口側の発熱量が減少する。特にガス漏れ時には、この傾向が著しく、反応ガスが漏れる場所よりも下流においてはガス不足になり、そのため下流側で膜電極接合体（ＭＥＡ）単位面積当たりの発電量が減少し、反応ガスが十分にあるガス漏れ点より上流側に過負荷電流が流れる。
【００１２】
このため、図６（ｂ）に示すように、反応ガス入り口近傍は、異常時の過負荷により正常時よりも昇温する。また、ガスが漏れる場所によらず、ガス流路より漏れていればその上流は過負荷になり昇温するので、反応ガス入口近傍のみに温度センサを付ければガス不足またはガス漏れを温度上昇という形で検出することができる。
【００１３】
また、ガスが漏れることによりその下流がストイキ不足になり、発電反応ができなくなることから加湿水流路以外の漏れにおいても同様のことが言える。例えば、ガスが冷却水側に漏れたときや、一方の反応ガスが他方の反応ガスに漏れたときにも同様のことが言える。また、反応ガスがスタック外部に漏れた時も漏れ箇所よりも下流ではストイキ不足になり反応ガス流路入口側が昇温し、ガス漏れを判断することができる。
【００１４】
当然スタックに供給されるガスが発電に必要な量よりも不足していた場合にも、ガス流路下流側ではガスが不足するめに同様の現象がおこる。また水素不足が生じた場合には、局部電池が同一セル面内で発生し劣化進行するが、水素が完全に不足するわけではなく、発電性能がすぐには落ちてこない。水素が完全に不足したときには発電が当然できないので、電圧低下及び転極にいたるが本発明では電圧低下する前の劣化も抑制でき、ガス供給不足の発見を速やかに行える。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。図１において、複数の単電池が積み重ねられて燃料電池スタック１（燃料電池本体）が構成されている。燃料電池スタック１は、特に限定されないが本実施例では、燃料電池スタック１の内部に加湿水流路を備え、燃料電池スタック１に供給される反応ガスに、加湿水流路から多孔質のポーラスセパレータを介して加湿する加湿水流路保有燃料電池スタックである（図５を参照して後述）。
【００１６】
高圧水素タンク等の水素供給装置３より燃料ガスとしての水素が供給され、水素遮断弁１２を経て、水素供給配管１４に備える水素調圧弁１３で燃料電池システムが運転できる範囲で定められる所定の圧に調整された後、燃料電池スタック１のアノード入口１ａへ流入する。
【００１７】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１のアノード出口１ｂから排出される水素をアノード入口１ａに循環させる水素循環配管１６を備え、水素循環配管１６にポンプ、エゼクタ等の水素循環装置１５を備えている。燃料電池スタック１のアノード入口１ａに供給する水素流量を出力電流に相当する反応水素流量より当量比を大きくすることで、複数のセルで構成される燃料電池スタックの各セルに、不足なく燃料水素が供給できるように構成される。
【００１８】
コンプレッサ等の空気供給装置２により、空気は圧縮されて昇温するが、図示しない冷却液配管、例えば燃料電池スタック１と共通の冷却液を用いて冷却する冷却器４により、冷却される。この冷却器４の下流で、燃料電池スタック１の上流には、加湿装置５を設け、燃料電池スタック１に供給する空気を加湿する。
【００１９】
加湿装置５には、例えば、燃料電池スタック１のカソード出口１ｄから排出される排空気中の水分をポリイミドのような水分透過性が高い材料でできた膜を介してカソード入口１ｃに供給する空気に移動させる水蒸気交換機能を有する加湿装置を用いる。
【００２０】
加湿装置５の排空気側流路の下流には、空気圧力調整弁６を備え、燃料電池の運転できる範囲に、燃料電池スタック１のカソード圧力が保たれるように調整される。
【００２１】
また燃料電池システムの運転状態を検出するために、カソード入口１ｃには、カソード入口の空気流量を検出するカソード流量計２４，カソード出口１ｄにはカソード出口のガス圧力を検出するカソード圧力計２５がそれぞれ設けられている。
【００２２】
また燃料電池システムには、加湿水を燃料電池スタック１の加湿水入口１ｅへ圧送する加湿水ポンプ２１と、燃料電池スタック１の加湿水出口１ｆから排出された未使用加湿水を貯蔵する加湿水タンク２０と、を備えている。
【００２３】
燃料電池スタック１の発電電流は、負荷電流を検出する負荷電流センサ２６を介して負荷装置２９へ供給される。
【００２４】
コントローラ２３は、燃料電池システム全体を制御するとともに、負荷電流センサ２６の検出値に基づいて正常温度値を算出し、この正常温度値と温度センサ２２が検出した燃料電池スタック１の温度とを比較して、反応ガスのガス漏れを判断するガス漏れ判断手段を兼ねている。
【００２５】
図１において燃料電池スタック１は平面図として表しており、燃料電池スタック１左辺のアノード入口１ａから水素を、カソード入口１ｃから空気を反応ガスとして供給する。燃料電池スタック１右辺のアノード出口１ｂ、カソード出口１ｄから未反応の反応ガスが排出される。燃料電池スタック１下辺が冷却水及び加湿水入口１ｅ、上辺が冷却水及び加湿水出口１ｆとする。尚、特に反応ガス及び水の入口出口の場所については限定しているわけではない。この燃料電池スタック１の少なくとも１つのセル（単位電池）の反応ガス流路入り口側近傍に温度センサ２２を設けることにより、反応ガスが漏出した時に燃料電池スタック１の内部の温度変化を検出することができる。温度センサ２２を設ける反応ガス流路は、燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）側でもよいし、空気が供給されるカソード（空気極、酸化剤極）側でもよい。
【００２６】
温度センサ２２の検出信号、及び負荷電流センサ２６の検出信号は、ガス漏れ判断手段を兼ねるコントローラ２３へ入力されている。コントローラ２３は、負荷電流センサ２６が検出した燃料電池の負荷電流に基づいてガス漏れのない正常時の温度値を算出し、この正常温度値と温度センサ２２の検出値とを比較してガス漏れの有無を判断する。
【００２７】
尚、特に限定されないが本実施例では、コントローラ２３は、ガス漏れを判断したときに、警告灯３４を点灯すると共に、負荷装置２９に対して負荷電流を制限するように制御信号を出力する。これにより、燃料電池スタック１のガス漏れによる局部的な温度上昇が負荷電流制限により低下し、燃料電池スタック１の劣化を防止することができる。
【００２８】
図２は、本実施例におけるコントローラ２３の制御ブロックを説明する図である。コントローラ２３は、ガス漏れ判断手段３１と、警告制御手段３２と、出力制限手段３３とを備えている。ガス漏れ判断手段３１は、燃料電池スタック１に設けられた温度センサ２２の検出値と、燃料電池スタック１から負荷装置２９へ供給する負荷電流を検出する負荷電流センサ２６の検出値とを参照して、ガス漏れを判断する。警告手段３２は、ガス漏れ判断手段３１がガス漏れと判断したときに、警告灯３４を点灯させてユーザにガス漏れを警告する。また、出力制限手段３３は、ガス漏れ判断手段３１がガス漏れと判断したときに、負荷装置２９へ出力制限信号を出力し、負荷装置２９が燃料電池スタック１から取り出す負荷電流を低減させる。
【００２９】
このコントローラ２３の制御により、ガス漏れが発生した場合、ユーザは、適切な処置をとるとともに、燃料電池スタック１の負荷電流が制限されるので、ガス漏れ位置から上流の燃料電池の過度な温度上昇が抑制され、燃料電池の劣化を防止することができる。
【００３０】
図３は、コントローラ２３の制御内容を詳細に説明する制御フローチャートである。この制御フローチャートは、一定時間（例えば、１０〔ｍＳ〕）毎にコントローラ２３に呼び出されて実行されるものとする。まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、コントローラは、負荷電流センサ２６の検出値（Ｉ）、温度センサ２２の検出値（Ｔｒ）を読み込む。次いで、Ｓ１２で、コントローラは、負荷電流値Ｉに基づいて電流平滑値Ｉmeanを算出する。
【００３１】
電流平滑値Ｉmeanは、負荷電流値Ｉに基づいて燃料電池スタック温度を求めるために直近の負荷電流値Ｉに重みを多くした負荷電流値の加重平均であり、例えば、次に示す算術代入式（１）により算出する。
【００３２】
〔数１〕
Ｉmean＝０．１×Ｉ＋０．９×Ｉmean          …（１）
次いで、Ｓ１４で電流平滑値Ｉmeanからガス漏れのない運転時の正常温度値（Ｔｔ）を算出する。この算出には、予めガス漏れのない正常運転時の燃料電池スタック温度を測定しておき、負荷電流値Ｉと正常温度との関係を示す近似式を求めて記憶しておくか、或いはこの関係を制御マップとして予めコントローラ２３に記憶しておくものとする。
【００３３】
Ｓ１６では、電流平滑値Ｉmeanから温度判定値（Ｔｘ）を算出する。温度判定値（Ｔｘ）は、正常温度値（Ｔｔ）の上限を（Ｔｔ＋Ｔｘ）により与える値である。温度判定値（Ｔｘ）の算出も正常温度値（Ｔｔ）の算出と同様に、正常時の燃料電池スタックの温度測定値と、ガス漏れと判定する限界状態の燃料電池スタック温度測定値との差を負荷電流毎に求め、負荷電流値と温度判定値との関係を示す近似式を求めて記憶しておくか、或いはこの関係を制御マップとして予めコントローラ２３に記憶しておくものとする。
【００３４】
図４は、負荷電流値に対する正常温度値（◆）とガス漏れ時の異常温度値（■）の例を示すグラフである。図４から分かるように、負荷電流が大きいほど、正常時の温度値と異常時の温度値との差は、大きくなる傾向にある。従って、一般的にＳ１６で使用する温度判定値（Ｔｘ）は、負荷電流が大きいほど大きく設定することになるが、温度判定値（Ｔｘ）の負荷電流依存性が小さい場合には、低負荷側での値を使用すると全負荷領域においてその値を利用でき、負荷電流毎にこの値を変える必要は無くなる場合がある。
【００３５】
次いで、Ｓ１８で温度センサ２２の検出値（Ｔｒ）が正常温度の上限（Ｔｔ＋Ｔｘ）以上であるか否かを判定する。温度センサ検出値（Ｔｒ）が正常温度の上限（Ｔｔ＋Ｔｘ）未満であれば、何もせずにメインルーチンへリターンする。
【００３６】
Ｓ１８の判定で、温度センサ検出値（Ｔｒ）が正常温度の上限（Ｔｔ＋Ｔｘ）以上であれば、ガス漏れと判定し、Ｓ２０へ進む。Ｓ２０では、ガス漏出を報知する警告灯３４を点灯させて、ユーザにガス漏れを警告する。Ｓ２２では、温度センサ検出値（Ｔｒ）が正常温度値（Ｔｔ）からどの程度乖離しているかを示す温度異常率Ｒを例えば次に示す式（２）により算出する。
【００３７】
〔数２〕
Ｒ＝（Ｔｒ−Ｔｔ）／Ｔｘ                      …（２）
次に、Ｓ２４で温度異常率Ｒに応じた負荷電流制限を行うように負荷装置２９に対して制御信号を出力してメインルーチンへリターンする。
【００３８】
図５は、加湿水保有燃料電池のセル構成を示す模式断面図である。同図に示すように、加湿水保有燃料電池の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜の両面にアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層をそれぞれ形成した燃料電池反応膜（ＭＥＡ）１０４と、燃料電池反応膜５１の両面に配置されたポーラスセパレータ１０６，１０６と、ポーラスセパレータ１０６の外側に配置されたセパレータ１０１から構成される。
【００３９】
ポーラスセパレータ１０６は、多孔質体を用いたセパレータであり、燃料電池反応膜１０４側の面には、反応ガス流路１０３，１０５が形成され、それぞれ反応ガスである水素、空気を燃料電池反応膜１０４に供給するようになっている。ポーラスセパレータ１０６の裏面には、セパレータ１０１に形成された加湿水流路が接し、加湿水がポーラスセパレータに染み込むようになっている。ポーラスセパレータ１０６は、裏面の加湿水流路１０２から供給される加湿水を用いて表面の反応ガス流路に流れる反応ガスである水素、空気を加湿するようになっている。
【００４０】
以上説明した本実施例によれば、ガス漏れ発生時に、ガス漏れ発生点より上流側のセル面へ電流集中するので、上流側の温度が上昇することを温度センサにより検出し、この温度に基づいて燃料電池スタックの内部での他流体へのガス漏れ、及び燃料電池スタックから外部へのガス漏れを的確に判断し、固体高分子電解質膜の劣化を回避することができるという効果がある。
【実施例２】
【００４１】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の概略構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１との相違は、燃料電池運転状態として、ガス供給流量、ガス供給温度、ガス供給圧力、冷却水温度、冷却水流量、冷却水圧力、加湿水温度、加湿水流量、加湿水圧力をそれぞれ検出するセンサを各流体の流路に設け、これらの検出値をコントローラ２３が参照できるようになっている点である。コントローラ２３は、これらの検出値の少なくとも１つに基づいて、燃料電池スタック１の正常温度値を算出し、温度センサ２２が検出した温度が異常であるか正常であるかを判定する。
【００４２】
燃料電池スタック１の温度は、主として負荷電流（Ｉ）に依存するものの、ガス供給流量、ガス供給温度、ガス供給圧力、冷却水温度、冷却水流量、冷却水圧力、加湿水温度、加湿水流量、加湿水圧力等の燃料電池運転状態にも依存する。
【００４３】
従って、本実施例では、燃料電池運転状態として、ガス供給流量、ガス供給温度、ガス供給圧力、冷却水温度、冷却水流量、冷却水圧力、加湿水温度、加湿水流量、加湿水圧力から選択した少なくとも一つを検出し、この運転状態をコントローラ２３に読み込む。次いで、コントローラは、燃料電池運転状態と負荷電流値とに基づいて、予め記憶した制御マップを参照して燃料電池スタック１の正常温度値（Ｔｔ）を算出する。温度センサ２２の検出値（Ｔｒ）と正常温度値（Ｔｒ）との比較以後の処理は、実施例１と同様である。
【００４４】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池の運転状態であるガス供給流量、ガス供給温度、ガス供給圧力、冷却水温度、冷却水流量、冷却水圧力、加湿水温度、加湿水流量、加湿水圧力、の少なくとも１つに基づいて、燃料電池スタックの正常温度値を算出して、温度センサが検出した温度が異常であるか正常であるかを判定するようにしたので、より一層正確なガス漏れを検出することができるという効果がある。
【実施例３】
【００４５】
次に、図７、図８を参照して、本発明の実施例３を説明する。実施例３が適用される燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の構成とほぼ同様である。本実施例は、燃料電池の温度に基づいて、燃料電池スタックに供給する反応ガス不足を判断する実施例である。図７は、本実施例におけるコントローラ２３の制御ブロックを説明する図である。コントローラ２３は、異常判定部４２と、通常運転モード制御部４３と、復帰モード制御部４４とを備えている。
【００４６】
圧力センサ４１は、燃料電池スタック１内のガス流路の反応ガス入口（アノード入口１ｃ、またはカソード入口１ｃ）近傍に設けられた圧力センサであり、例えば半導体ダイヤフラム上の歪みを検出するピエゾ抵抗素子ブリッジと、インタフェース回路とを集積化した半導体圧力センサを利用可能である。尚、圧力センサ４１は、反応ガス出口近傍に設置してもよいし、反応ガス入口近傍及び出口近傍の双方に設けてもよい。
【００４７】
異常判定部４２は、燃料電池の運転条件（負荷電流、燃料ガス圧力、空気圧力、冷却水温度、冷却水流量等）と、燃料電池スタック１内の反応ガス入口（アノード入口１ｃ、またはカソード入口１ｃ）近傍に設けた圧力センサ４１の検出値と、燃料電池スタック１の反応ガス入口近傍に設けた温度センサ２２の検出値と、負荷電流センサ２６の検出値とに基づいて、燃料電池スタック１が正常運転状態か、ガス供給不足またはガス漏れのある異常状態かを判定する。
【００４８】
通常運転モード制御部４３は、異常判定部４２が正常運転状態と判定したときに、通常運転モードによる燃料電池システムの運転を制御する。復帰モード制御部４４は、異常判定部４２が異常状態と判定したときに、異常状態から正常状態へ復帰させる復帰モードによる燃料電池システムの運転を制御する。
【００４９】
図８（ａ）は、実施例３におけるコントローラ２３によるメイン制御フローチャートであり、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＳ３４の詳細である復帰モードの制御フローチャートである。
【００５０】
図８（ａ）において、まずＳ３０で温度センサ２２検出値（Ｔｒ）をコントローラへ読み込む。次いでＳ３２で、温度センサ検出値（Ｔｒ）から正常温度値（Ｔｔ）を減じたものが温度判定値（Ｔｘ）以上であるか否かを判定する。正常温度値（Ｔｔ）は、燃料電池運転条件と負荷電流センサ２６が検出した負荷電流値とに基づいて、予めコントローラ２３内に記憶した制御マップを参照して燃料電池スタック１の正常温度値（Ｔｔ）を算出する。
【００５１】
この正常温度値（Ｔｔ）の制御マップは、予め各種の運転条件に基づいて、ガス供給不足及びガス漏れが生じていない正常な燃料電池スタックの温度を測定して実験的に求めた値、或いは、燃料電池システムを計算機シミュレーションにより燃料電池スタックの温度を求めた値、或いは両者の併用により求めた値に基づいて作成することができる。温度判定値（Ｔｘ）も同様に、燃料電池スタック１に検出を所望する程度のガス不足、或いはガス漏れを生じさせた実験値、或いは計算機シミュレーション値、或いは両者の併用値に基づいて設定する。尚、温度判定値（Ｔｘ）は、低負荷側での値を使用すると全負荷領域においてその値を利用でき、負荷電流ごとにこの値を変える必要は無くなる。
【００５２】
Ｓ３２において、Ｔｒ−Ｔｔ≧Ｔｘであれば、ガス供給不足またはガス漏れ有りの異常状態として、Ｓ３４の復帰モードへ進む。Ｔｒ−Ｔｔ＜Ｔｘであれば、異常なしとして、Ｓ４４の通常運転モードへ進む。
【００５３】
Ｓ３４では、図８（ｂ）に示すように、Ｓ３６で負荷電流を減らし、Ｓ３８でガス流量を増やしてリターンする。復帰モードからリターンすると、Ｓ４０で再度温度センサ２２の検出値（Ｔｒ）を読み込む。次いでＳ４２で、Ｔｒ−Ｔｔ≧Ｔｘか否かを判定し、Ｔｒ−Ｔｔ≧Ｔｘであれば、Ｓ３４の復帰モードへ戻る。Ｔｒ−Ｔｔ＜Ｔｘであれば、Ｓ４４の通常運転モードへ進む。
【００５４】
Ｓ４４の通常運転モードでは、例えば要求負荷電流に応じた燃料ガス供給及び酸化剤ガス供給が行われて通常の発電運転が行われ、Ｓ３０へ戻る。
【００５５】
尚、上記Ｓ３２及びＳ４２の異常判定方法の別の方法を２パターン下記に示しておく。（ａ）ある単位時間あたりの温度センサで読み取った値（Ｔｒ）の変化量から単位時間あたりの理論値（Ｔｔ）の変化量の差がある決めた値（Ｔｘ）以上となるとガス流出又はガス不足と判断して復帰モードへ移るように変形してもよい。
【００５６】
この判定を式で表すと式（３）となる。
【００５７】
〔数３〕
（Ｔr1−Ｔr2 ）／Δｔ−（Ｔt1−Ｔt2 ）／Δｔ≧Ｔｘ    …（３）
（ｂ）ある時間あたりの温度センサで読み取った値（Ｔｒ）の積分値とある時間あたりの理論値（Ｔｔ）の積分値との差が、ある決めた値（Ｔｘ）以上となると、ガス流出又はガス不足と判断し復帰モードになる。
【００５８】
この判定を式で表すと式（４）となる。
【００５９】
〔数４〕
∫Ｔr dt − ∫Ｔtdt  ≧  Ｔｘ        …（４）
以上説明した本実施例によれば、温度センサの検出値に基づいて燃料電池スタックのガス供給不足またはガス漏れ有りの異常状態と判断した場合、負荷電流を減らしてガス流量を増加させることにより、ガス供給不足またはガス漏れ状態から正常運転状態へ復帰することができるという効果がある。
【実施例４】
【００６０】
次に、図９を参照して、本発明の実施例４を説明する。実施例４が適用される燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の構成とほぼ同様である。実施例４におけるコントローラ２３の構成は、図７に示した実施例３と同様であが、復帰モード制御部４４がガス漏れ復帰モードとガス不足復帰モードとを制御する点が実施例３と異なる。
【００６１】
本実施例では、温度センサで検出した燃料電池スタックの温度に基づいて、ガス供給不足またはガス漏れの異常の有無を判定し、更に、圧力センサで検出したガス圧力に基づいて、ガス漏れとガス不足との何れの異常かを判定し、この判定に応じて、ガス漏れ復帰モードと、ガス不足復帰モードを制御する。
【００６２】
図９（ａ）は、実施例４におけるコントローラ２３によるメイン制御フローチャートであり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＳ５８の詳細であるガス漏れ復帰モードの制御フローチャートであり、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＳ７０の詳細であるガス不足復帰モードの制御フローチャートである。
【００６３】
図９（ａ）において、まずＳ５０で温度センサ２２検出値（Ｔｒ）をコントローラへ読み込む。次いでＳ５２で、温度センサ検出値（Ｔｒ）から正常温度値（Ｔｔ）を減じたものが温度判定値（Ｔｘ）以上であるか否かを判定する。正常温度値（Ｔｔ）は、燃料電池運転条件と負荷電流センサ２６が検出した負荷電流値とに基づいて、予めコントローラ２３内に記憶した制御マップを参照して燃料電池スタック１の正常温度値（Ｔｔ）を算出する。この正常温度値（Ｔｔ）の制御マップの作成方法は、実施例３と同様である。
【００６４】
Ｓ５２の判定において、Ｔｒ−Ｔｔ≧Ｔｘであれば、ガス供給不足またはガス漏れ有りの異常状態として、Ｓ５４へ進む。Ｔｒ−Ｔｔ＜Ｔｘであれば、異常なしとして、Ｓ６８の通常運転モードへ進む。
【００６５】
Ｓ５４では、圧力センサ４１の検出値（Ｐｒ）をコントローラへ読み込む。次いでＳ５６で、圧力センサ検出値（Ｐｒ）から正常圧力値（Ｐｔ）を減じたものが圧力判定値（Ｐｘ）以上であるか否かを判定する。正常圧力値（Ｐｔ）は、燃料電池運転条件と負荷電流センサ２６が検出した負荷電流値とに基づいて、予めコントローラ２３内に記憶した制御マップを参照して正常圧力値（Ｐｔ）を算出する。この正常圧力値（Ｐｔ）の制御マップの作成方法は、正常温度値（Ｔｔ）と同様である。
【００６６】
Ｓ５６の判定で、Ｐｒ−Ｐｔ≧Ｐｘであれば、ガス漏れ有りとして、Ｓ５８のガス漏れ復帰モードへ進む。Ｐｒ−Ｐｔ＜Ｐｘであれば、ガス不足として、Ｓ７０のガス不足復帰モードへ進む。
【００６７】
Ｓ５８のガス漏れ復帰モードでは、図９（ｂ）に示すように、Ｓ６０で負荷電流を減らし、Ｓ６２でガス圧力を下げて、Ｓ６４へリターンする。Ｓ６４では、圧力センサ４１の検出値（Ｐｒ）をコントローラへ読み込む。次いでＳ６６で、圧力センサ検出値（Ｐｒ）から正常圧力値（Ｐｔ）を減じたものが圧力判定値（Ｐｘ）以上であるか否かを判定する。
【００６８】
Ｓ６６の判定で、Ｐｒ−Ｐｔ≧Ｐｘであれば、ガス漏れが解消していないとしてＳ５８のガス漏れ復帰モードへ戻る。Ｐｒ−Ｐｔ＜Ｐｘであれば、ガス漏れが解消したとして、Ｓ６８の通常運転モードへ進む。Ｓ６８の通常運転モードでは、負荷電流及びガス供給状態を維持して通常の発電運転が行われ、Ｓ５０へ戻る。
【００６９】
Ｓ７０のガス不足復帰モードでは、図９（ｃ）に示すように、Ｓ７２で負荷電流を減らし、Ｓ７４でガス流量を増やして、Ｓ７６へリターンする。Ｓ７６では、温度センサ２２の検出値（Ｔｒ）をコントローラへ読み込む。次いでＳ７８で、温度センサ検出値（Ｔｒ）から正常温度値（Ｔｔ）を減じたものが温度判定値（Ｔｘ）以上であるか否かを判定する。
【００７０】
Ｓ７８の判定で、Ｔｒ−Ｔｔ≧Ｔｘであれば、ガス不足が解消していないとしてＳ７０のガス不足復帰モードへ戻る。Ｔｒ−Ｔｔ＜Ｔｘであれば、ガス不足が解消したとして、Ｓ６８の通常運転モードへ進む。Ｓ６８の通常運転モードでは、負荷電流及びガス供給状態を維持して通常の発電運転が行われ、Ｓ５０へ戻る。
【００７１】
以上説明した本実施例によれば、温度センサの検出値に基づいて燃料電池スタックのガス供給不足またはガス漏れ有りの異常状態と判断した時に、圧力センサの検出値と正常圧力値との差が所定圧力差以上となった場合、負荷電流を減じるとともにガス圧力を低減させるガス漏れ復帰モード運転を行い、圧力センサの検出値と正常圧力値との差が所定圧力差未満となった場合、負荷電流を減じるとともにガス流量を増加させるガス不足復帰モード運転を行うようにしたので、ガス供給不足とガス漏れを切り分け、それぞれ適切に正常運転状態への復帰操作を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施例１のコントローラの内容を説明する制御ブロック図である。
【図３】実施例１の制御フローチャートである。
【図４】実施例１における負荷電流と正常時、異常時の温度を示すグラフである。
【図５】加湿水保有燃料電池の構成を説明する模式断面図である。
【図６】（ａ）セル面内の発熱量分布、（ｂ）セル面内の温度分布、をそれぞれ説明する図である。
【図７】実施例３、４のコントローラの内容を説明する制御ブロック図である。
【図８】実施例３の制御フローチャートである。
【図９】実施例４の制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
１…燃料電池スタック
２２…温度センサ
２３…コントローラ
２６…負荷電流センサ
２９…負荷装置
３１…ガス漏れ判断手段
３２…警告制御手段
３３…出力制限手段
３４…警告灯
【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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