(57)【要約】【課題】クロスリーク量を低減し、クロスリークした水素と酸素の反応熱によって燃料電池スタックの発電性能が低下することを抑制する。【解決手段】冷媒の受熱量が燃料電池スタック３の発熱量以上である場合、システムコントローラ２７が、クロスリークが発生していると判断し、アノード１側圧力及びカソード２側圧力の少なくとも一方を調整する。これにより、アノード１側圧力とカソード２側圧力の差圧を小さくすることができるので、クロスリーク量を低減し、クロスリークした水素と酸素の反応熱によって燃料電池スタック３の発電性能が低下することを抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を複数有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに冷媒を供給することにより燃料電池スタックを冷却する冷媒流路と、
前記燃料電池スタック内部における燃料ガス及び／又は酸化剤ガスのクロスリークの発生の有無を推定するクロスリーク判定部と、
前記クロスリーク判定部によりクロスリークが発生していると推定された場合、アノード側圧力及びカソード側圧力の少なくとも一方を調整する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの入口側及び出口側の冷媒温度を検出する冷媒温度検出部を備え、前記制御部は、冷媒温度検出部により検出された燃料電池スタックの入口側及び出口側の冷媒温度の温度差に応じてアノード側圧力及びカソード側圧力の少なくとも一方を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷媒温度検出部により検出された燃料電池スタックの入口側及び出口側の冷媒温度の温度差が最小値又は極小値をとるようにアノード側圧力及びカソード側圧力の少なくとも一方を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷媒温度検出部により検出された燃料電池スタックの入口側及び出口側の冷媒温度の温度差が最小値又は極小値をとらない場合、燃料電池スタックの運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記冷媒温度検出部により検出された燃料電池スタックの入口側及び出口側の冷媒温度の温度差が所定値以上である場合、燃料電池スタックの運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記クロスリーク判定部は、前記冷媒温度検出部により検出された燃料電池スタックの入口側及び出口側の冷媒温度の温度差に基づいて冷媒の受熱量を推定し、推定された受熱量を利用してクロスリークの発生の有無を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックから排出されるカソードオフガス中の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出部を備え、燃料ガス濃度検出部により検出された燃料ガス濃度が所定値以上である場合、前記制御部は、カソードオフガス中の燃料ガス濃度を所定値以下にする、又は、燃料電池スタックの運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を複数有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を複数有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムが知られており、このような燃料電池システムは、燃料電池の極間電位差が基準電位差以下になった場合、燃料電池スタックに異常があると判定する。そして、燃料電池スタックに異常があると判定された場合、従来の燃料電池システムは、燃料電池の温度と基準温度とを比較し、燃料電池の温度が基準温度以上である場合、アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスリーク及び／又はカソード側からアノード側への酸化剤ガスのクロスリークが発生し、クロスリークしたガスが反応することによって反応熱が生じていると判断する（例えば、特許文献１を参照）。なお最近では、燃料電池スタックから排出される水素，酸素，窒素，二酸化炭素，水等のガスの濃度（排出ガス組成）に基づいてクロスリークの発生の有無を判定する燃料電池システムも提案されている。
【特許文献１】特開平９−１４７８９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、一般に、クロスリークは燃料電池スタック内部において局所的に生じる可能性が高いために、従来の燃料電池システムのように燃料電池の温度に基づいてクロスリークを検出する場合、クロスリークが生じている箇所と温度の検出箇所が異なっていると、クロスリークを正確に検出することができない。また、ガス濃度に基づいてクロスリークを検出する場合には、ガス濃度検出装置が必要になるためにシステム構成が複雑になる上に、例えば燃料ガス（例えば水素）がカソード側にクロスリークする場合、クロスリーク箇所によってはクロスリークしたガスの全量が反応し、排出される水素の濃度だけを検出しようとしても、排出ガス組成が変化しないために、クロスリークを検出できないことがある。従って、従来の燃料電池システムによれば、クロスリーク量を低減し、クロスリークしたガスの反応熱によって燃料電池スタックの発電性能が低下することを抑制できなかった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、クロスリーク量を低減し、クロスリークしたガスの反応熱によって燃料電池スタックの発電性能が低下することを抑制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】
【０００５】
上述の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、燃料電池スタック内部における燃料ガス及び／又は酸化剤ガスのクロスリークの発生の有無を推定し、クロスリークが発生していると推定された場合、アノード側圧力及びカソード側圧力の少なくとも一方を調整する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、クロスリークが発生していると推定された場合、アノード側圧力とカソード側圧力の差圧を小さくするので、クロスリーク量を低減し、クロスリークしたガスの反応熱によって燃料電池スタックの発電性能が低下することを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。
【実施例１】
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、アノード（Anode）１及びカソード（Cathode）２にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック３を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は、アノード１とカソード２により固体電解質膜を挟持する固体電解質型燃料電池により構成されている。また、アノード１及びカソード２における電気化学反応及び燃料電池スタック３全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。
【０００９】
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素供給配管４を介して水素供給装置（H2）５内に蓄えられた水素を燃料電池スタック３のアノード１に供給する。アノード１で未使用の水素は、水素循環装置（ReC）６及び水素循環配管７を介してアノード１の上流側へ循環される。水素循環装置６及び水素循環配管７を設けることにより、アノード１で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。なお、水素循環装置６及び水素循環配管７を介してアノード１に戻る水素の循環流路には、固体電解質膜を介してカソード２側からリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。このため、水素循環装置６には、水素排出配管８とこれを開閉するパージ弁９とが設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁９を短時間開き、水素排出配管８及び空気排出配管１０を介して不純物ガスや液水を系外へ排出するパージを行う。これにより、アノード１を含む水素循環配管７内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。
【００１０】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、空気供給装置（AIR）１１内に蓄えられた空気を加湿装置（Hu）１２で加湿した後に、空気供給配管１３を介して燃料電池スタック３のカソード２に空気を供給する。カソード２で未使用の空気は、空気排出配管１４を介して加湿装置１２に送られ、空気調圧弁１５により圧力調整された後、空気排出配管１０を介して系外に排出（EXH）される。
【００１１】
〔冷却系の構成〕
上記燃料電池システムは、冷媒配管１６を介して冷媒を燃料電池スタック３に圧送する冷媒ポンプ１７と、冷媒を冷却するラジエータ（Rad）１８を経由するラジエータ側流路１９とラジエータ１８を経由しないバイパス流路２０との間で燃料電池スタック３から排出された冷媒の流路を切り替える三方弁２１とを備え、燃料電池スタック３に冷媒を供給することにより燃料電池スタック３を適切な運転温度に保持する。
【００１２】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、アノード１に供給及び排出される水素の圧力を検出する圧力センサ２２ａ，２２ｂと、カソード２に供給及び排出される空気の圧力を検出する圧力センサ２３ａ，２３ｂと、燃料電池スタック３の入口側の冷媒温度を検出する温度センサ２４と、燃料電池スタック３の出口側の冷媒温度を検出する温度センサ２５と、冷媒配管１６中の冷媒の流量を検出する流量センサ２６と、これらのセンサの検出結果に従って燃料電池システム全体の動作を制御するシステムコントローラ２７とを備える。なお、本実施形態では、流量センサ２６によって冷媒配管１６中の冷媒の流量を検出することとしたが、燃料電池スタック３の各運転条件に対応する冷媒流量を予め実験的に求めてマップを作成し、システムコントローラ２７がこのマップを参照して現在の運転条件に対応する冷媒流量を推定するようにしてもよい。
【００１３】
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、システムコントローラ２７が以下に示すクロスリーク判定処理を実行することにより、クロスリークが検出された際、クロスリーク量を低減し、クロスリークした水素と酸素の反応熱によって燃料電池スタック３の発電性能が低下することを抑制する。以下、図２に示すフローチャートを参照してクロスリーク判定処理を実行する際のシステムコントローラ２７の動作について説明する。
【００１４】
［クロスリーク判定処理］
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、クロスリーク判定処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１５】
ステップＳ１の処理では、システムコントローラ２７が、温度センサ２４，２５及び流量センサ２６を介して、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏ［Ｋ］と冷媒配管１６中の冷媒流量Ｆｃ［ｍ３／ｓｅｃ］を検出（推定）する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１６】
ステップＳ２の処理では、システムコントローラ２７が、ステップＳ１の処理により検出された燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏと冷媒配管１６中の冷媒流量Ｆｃを以下の数式１に代入することにより、燃料電池スタック３からの冷媒の受熱量Ｑｃ［ＫＪ］を算出する。なお、数式１中、パラメータＣｃ，Ｇｃはそれぞれ冷媒比熱［ＫＪ／ｋｇ・Ｋ］及び冷媒密度［ｋｇ／ｍ３］を表す。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ３の処理に進む。
【数１】
2006294497.tif 000003
【００１７】
ステップＳ３の処理では、システムコントローラ２７が、予め実験的に求められている燃料電池スタック３の運転条件に対応する燃料電池スタック３の発電効率η［％］及び発電量Ｗｓ［ＫＷ］を以下の数式２に代入することにより、燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓ［ＫＪ］を算出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ４の処理に進む。
【数２】
2006294497.tif 000004
【００１８】
ステップＳ４の処理では、システムコントローラ２７が、冷媒の受熱量Ｑｃが燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓ以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、冷媒の受熱量Ｑｃが燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓ以上でない場合、システムコントローラ２７は、クロスリーク判定処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、冷媒の受熱量Ｑｃが燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓ以上である場合には、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の発熱量よりも多くの熱量が冷媒に授受されている、換言すれば、アノード１側からカソード２側への水素のクロスリーク、又はカソード２側からアノード１側への空気のクロスリークが生じ、固体電解質膜上の触媒によってクロスリークした水素と酸素が反応することによって発熱していると判定し、クロスリーク判定処理をステップＳ５の処理に進める。
【００１９】
ステップＳ５の処理では、システムコントローラ２７が、圧力センサ２２ａ，２３ａ，の検出結果を参照して、アノード１とカソード２に供給するガスの圧力を調整する。具体的には、本実施形態では、図３（ａ）に示すようにアノード１側圧力とカソード２側圧力に差圧が生じることによって、漏れ箇所Ａにおいてアノード１側からカソード２側に水素がクロスリークしている場合、システムコントローラ２７は、カソード１側に供給する空気の圧力を高めていき、図３（ｂ）に示すように水素がカソード２側にクロスリークしないように、カソード２側圧力がアノード１側圧力よりも高くする。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ６の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ６の処理では、システムコントローラ２７が、冷媒の受熱量Ｑｃと燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓの熱量差Ｄｑ（＝Ｑｃ−Ｑｓ）の増減傾向を判別し、熱量差Ｄｑが減少傾向にある場合、コントローラ２７は、漏れ箇所Ａにおけるアノード１側圧力とカソード２側圧力の差圧が小さくなることによってクロスリーク量は減少していると判断し、クロスリーク判定処理をステップＳ８の処理に進める。
【００２１】
一方、熱量差Ｄｑが増加傾向にある場合には、システムコントローラ２７は、漏れ箇所Ａにおけるカソード２側圧力がアノード１側圧力よりも高くなることによりカソード２側からアノード１側への空気のクロスリーク量が増加していると判断し、ステップＳ７の処理としてカソード２側圧力を低くした後、クロスリーク判定処理をステップＳ８の処理に進める。なお、一般に、カソード２側に水素がクロスリークしている時にカソード２側の圧力を上昇させていくと、燃料電池スタック３の出口側の冷媒温度は、図４に示すように、アノード１側への空気のクロスリークが始まる圧力値で最小値をとる。
【００２２】
ステップＳ８の処理では、システムコントローラ２７が、アノード１側圧力及びカソード２側圧力が交錯しない状態、すなわち、図５（ａ）に示すようにアノード１入口圧力Ｐａｉ＜カソード出口圧力Ｐｃｏの状態、又は図５（ｂ）に示すようにアノード１出口圧力＞カソード３入口圧力となるまでの範囲内で熱量差Ｄｑの有意な最小値又は極小値があるか否かを判別する。なお、本明細書中では、「有意」とは、各部品の制御誤差，計測誤差等を考慮しても他条件に対して判別可能であることを意味する。
【００２３】
一般に、図６に示すように、複数箇所においてクロスリークが生じている場合、冷媒の受熱量Ｑｃは、図７に示すように、誤差範囲の間で変動し、有意な最小値又は極小値を取らなくなる。従って、上記判別処理の結果、熱量差Ｄｑの有意な最小値又は極小値が存在しない場合、システムコントローラ２７は、複数箇所においてクロスリークが生じており、クロスリーク量が増加して燃料電池スタック３の性能低下を引き起こす可能性が高いと判断し、ステップＳ９の処理としてアノード１への水素供給を停止して燃料電池スタック３の運転を停止する。一方、熱量差Ｄｑの有意な最小値又は極小値が存在する場合には、システムコントローラ２７は、クロスリーク判定処理をステップＳ１０の処理に進める。
【００２４】
ステップＳ１０の処理では、システムコントローラ２７が、熱量差Ｄｑが最小値又は極小値となるカソード圧力Ｐｃｘ［ｋＰａ］にカソード１側圧力を調整する。これにより、ステップＳ１０の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ１１の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ１１の処理では、システムコントローラ２７が、熱量差Ｄｑが所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、熱量差Ｄｑが所定値以下でない場合、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の耐熱性能を考慮して、ステップＳ１２の処理としてアノード１への水素供給を停止して燃料電池スタック３の運転を停止する。一方、熱量差Ｄｑが所定値以下である場合には、システムコントローラ２７はクロスリーク判定処理をステップＳ１の処理に戻す。
【００２６】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、冷媒の受熱量Ｑｃが燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓ以上である場合、システムコントローラ２７が、クロスリークが発生していると判断し、アノード１側圧力及びカソード２側圧力の少なくとも一方を調整する。そして、このような構成によれば、アノード１側圧力とカソード２側圧力の差圧を小さくすることができるので、クロスリーク量を低減し、クロスリークした水素と酸素の反応熱によって燃料電池スタック３の発電性能が低下することを抑制できる。
【００２７】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏに基づいて算出される、冷媒の受熱量Ｑｃと燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓの熱量差Ｄｑに応じてアノード１側圧力及びカソード２側圧力の少なくとも一方を調整するので、クロスリークしたガスが燃料電池スタック３内部で全量反応してクロスリークしたガスの濃度を検出することができない場合であっても、アノード１圧力側及びカソード２側圧力の少なくとも一方の圧力を調整することができる。
【００２８】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏに基づいて算出される、冷媒の受熱量Ｑｃと燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓの熱量差Ｄｑが有意な最小値又は極小値になるように、アノード１側圧力及びカソード２側圧力の少なくとも一方を調整するので、クロスリークしたガスの反応熱によって燃料電池スタック３の性能低下が生じている場合であっても、反応熱を極力小さくして性能低下を抑制することができる。
【００２９】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏに基づいて算出される、冷媒の受熱量Ｑｃと燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓの熱量差Ｄｑが有意な最小値又は極小値をとらない場合、燃料電池システムを停止するので、圧力調整によって差圧を変化させてもクロスリークを抑制することができない、クロスリーク箇所が複数あって特定できない場合であっても、燃料電池スタック３の性能低下を抑制することができる。
【００３０】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏに基づいて算出される、冷媒の受熱量Ｑｃと燃料電池スタック３の発熱量Ｑｓの熱量差Ｄｑが有意な最小値又は極小値になる場合であっても、熱量差Ｄｑが所定値以上である場合には燃料電池システムを停止するので、クロスリークしたガスの反応熱によって燃料電池スタック３の性能低下が生じている場合であっても、性能低下を抑制することができる。
【００３１】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、システムコントローラ２７は、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏに基づいて算出される冷媒の受熱量Ｑｃに従ってクロスリークを検出するので、クロスリークしたガスが燃料電池スタック３内部で反応してしまう場合であっても、その反応熱によって冷媒温度が上昇するので、クロスリークを確実に検出することができる。
【実施例２】
【００３２】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムでは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、カソード２側から排出されるガス（以下、カソードオフガスと表記）中の水素濃度を検出する水素濃度センサ３１を備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、システムコントローラ２７が以下に示すクロスリーク判定処理を実行することにより、水素がカソード２出口付近へクロスリークする場合等、水素がほとんど反応せずに燃料電池スタック３外に排出されてしまう場合においても、水素のクロスリークを確実に検出する。以下、図９に示すフローチャートを参照してクロスリーク判定処理を実行する際のシステムコントローラ２７の動作について説明する。
【００３３】
［クロスリーク判定処理］
図９に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、クロスリーク判定処理はステップＳ２１の処理に進む。
【００３４】
ステップＳ２１の処理では、システムコントローラ２７が、温度センサ２４，２５，流量センサ２６，及び水素濃度センサ３１を介して、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏ［Ｋ］，冷媒配管１６中の冷媒流量Ｆｃ［ｍ３／ｓｅｃ］，及びカソードオフガス中の水素濃度を検出（推定）する。これにより、ステップＳ２１の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ２２の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ２２の処理では、システムコントローラ２７が、ステップＳ２１の処理により検出されたカソードオフガス中の水素濃度が可燃下限濃度以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素濃度が可燃下限濃度以下である場合、システムコントローラ２７はクロスリーク判定処理をステップＳ２４の処理に進める。一方、水素濃度が可燃下限濃度以下でない場合には、システムコントローラ２７はクロスリーク判定処理をステップＳ２３の処理に進める。
【００３６】
ステップＳ２３の処理では、システムコントローラ２７が、水素濃度が可燃下限濃度以下になるまでカソード２に供給する空気の流量を増加する。これにより、ステップＳ２３の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ２１の処理に戻る。なお、ステップＳ２４以後の処理は、図２に示すステップＳ２以後の処理と同じであるので、以下では説明を省略する。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、カソードオフガス中の水素濃度が可燃下限濃度以上である場合、システムコントローラ２７が、カソード２に供給する空気の流量を増加することにより水素濃度が可燃下限濃度以下になるように制御するので、クロスリークが冷媒の受熱量Ｑｃに反映されない場合であっても、水素のクロスリークを検出し、水素に着火する可能性を抑制しつつ、システム信頼性を確保することができる。
【実施例３】
【００３８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムは、上記第２の実施形態となる燃料電池システムと同じ構成を有し、システムコントローラ２７が以下に示すクロスリーク判定処理を実行することにより、水素がカソード２出口付近へクロスリークする場合等、水素がほとんど反応せずに燃料電池スタック３外に排出されてしまう場合においても、水素のクロスリークを確実に検出する。以下、図１０に示すフローチャートを参照してクロスリーク判定処理を実行する際のシステムコントローラ２７の動作について説明する。
【００３９】
［クロスリーク判定処理］
図１０に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、クロスリーク判定処理はステップＳ４１の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ４１の処理では、システムコントローラ２７が、温度センサ２４，２５，流量センサ２６，及び水素濃度センサ３１を介して、燃料電池スタック３の入口側及び出口側の冷媒温度Ｔｃｉ，Ｔｃｏ［Ｋ］，冷媒配管１６中の冷媒流量Ｆｃ［ｍ３／ｓｅｃ］，及びカソードオフガス中の水素濃度を検出（推定）する。これにより、ステップＳ４１の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ４２の処理に進む。
【００４１】
ステップＳ４２の処理では、システムコントローラ２７が、ステップＳ４１の処理により検出されたカソードオフガス中の水素濃度が可燃下限濃度以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素濃度が可燃下限濃度以下である場合、システムコントローラ２７はクロスリーク判定処理をステップＳ４４の処理に進める。一方、水素濃度が可燃下限濃度以下でない場合には、システムコントローラ２７はクロスリーク判定処理をステップＳ４３の処理に進める。
【００４２】
ステップＳ４３の処理では、システムコントローラ２７が、アノード１への水素供給を停止して燃料電池スタック３の運転を停止する。これにより、ステップＳ４３の処理は完了し、クロスリーク判定処理はステップＳ４１の処理に戻る。なお、ステップＳ４４以後の処理は、図２に示すステップＳ２以後の処理と同じであるので、以下では説明を省略する。
【００４３】
以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムによれば、カソードオフガス中の水素濃度が可燃下限濃度以上である場合、システムコントローラ２７が、燃料電池スタック３の運転を停止する。すなわち、供給空気流量、ひいてはカソードオフガス流量の増加に伴う燃料電池スタック３からの持ち出し水分量の増加に伴う燃料電池スタック３の性能低下が生じる可能性があるシステム構成の場合、システムコントローラ２７は燃料電池スタック３の運転を停止する。そして、このような構成によれば、クロスリークが冷媒の受熱量Ｑｃに反映されない場合であっても、水素のクロスリークを検出し、水素に着火する可能性を抑制しつつ、システム信頼性を確保することができる。
【００４４】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となるクロスリーク判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】アノード側圧力とカソード側圧力の差圧低下に伴ってクロスリーク量が低減する様子を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの出口側の冷媒温度とガス圧力の関係を示す図である。
【図５】アノード入口圧力がカソード出口圧力以下になる状態、及びアノード出口圧力がカソード入口圧力以上になる状態を示す図である。
【図６】複数箇所においてクロスリークが生じている場合の圧力関係を示す図である。
【図７】図６に示す場合の冷媒受熱量とカソード圧力の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態となるクロスリーク判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態となるクロスリーク判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：アノード
２：カソード
３：燃料電池スタック
４：水素供給配管
５：水素供給装置
６：水素循環装置
７：水素循環配管
８：水素排出配管
９：パージ弁
１０，１４：空気排出配管
１１：空気供給装置
１２：加湿装置
１３：空気供給配管
１５：空気調圧弁
１６：冷媒配管
１７：冷媒ポンプ
１８：ラジエータ
１９：ラジエタ側流路
２０：バイパス流路
２１：三方弁
２２，２３：圧力センサ
２４，２５：温度センサ
２６：流量センサ
２７：システムコントローラ
【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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