(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに関する診断を容易にする、燃料電池の安全性を向上させる、または燃料電池の性能を維持しつつ安全に運転する。【解決手段】本実施形態によれば、燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定する工程を有する。更に、この診断方法は、前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程を有する。更に、この診断方法は、空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定する工程を有する。更に、この診断方法は、第１の開回路電圧と第２の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックに関する診断を実行する工程を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程と、
前記空気供給配管と前記空気排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定する工程と、
前記第１の開回路電圧と前記第２の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程と、
を有する燃料電池スタックの診断方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程において、前記電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値より大きい場合、前記電解質膜でクロスリークが発生していると判断する
請求項１に記載の燃料電池スタックの診断方法。
【請求項３】
燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程と
前記付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定する工程と、
前記第１の開回路電圧と前記第２の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタック燃料電池スタックの運転を停止する工程と、
を有する燃料電池スタックの運転方法。
【請求項４】
前記電圧差を前記燃料電池セルの数で割った値が前記設定値より低い第２の設定値より大きく且つ前記設定値未満である場合、前記空気供給配管と前記空気排気配管とを付け替えた状態で、前記燃料電池スタックの運転を継続する工程を更に有する請求項３に記載の燃料電池スタックの運転方法。
【請求項５】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルに供給される空気の流れる方向を切り替える切替部と、
前記切替部を制御する制御部と、
を備え、前記制御部は、燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記燃料電池セルそれぞれに流れる空気の方向が反対になるよう前記切替部を制御し
前記制御部は、前記空気の流れる方向を反対にした状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記第１の開回路電圧と前記第２の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する
燃料電池システム。
【請求項６】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックであって、
燃料ガス及び空気を当該燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で測定される当該燃料電池スタックの第１の開回路電圧と、当該燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えた状態で測定された前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧との間の電圧差を前記燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値未満である燃料電池スタック。
【請求項７】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替える工程と
前記ガス供給配管と前記ガス排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定する工程と、
前記第１の開回路電圧と前記第２の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、前記燃料電池スタックに関する診断を実行する工程と、
を有する燃料電池スタックの診断方法。
【請求項８】
前記診断する工程において、前記電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値より大きい場合、前記電解質膜でクロスリークが発生していると判断する
請求項７に記載の燃料電池スタックの診断方法。
【請求項９】
燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定する工程と、
前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替える工程と
前記ガス供給配管と前記ガス排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定する工程と、
前記第１の開回路電圧と前記第２の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する工程と、
を有する燃料電池スタックの運転方法。
【請求項１０】
前記電圧差を前記セル数で割った値が前記設定値より低い第２の設定値より大きく且つ前記設定値未満である場合、前記ガス供給配管と前記ガス排気配管とを互いに付け替えた状態で、前記燃料電池スタックの運転を継続する工程を更に有する請求項９に記載の燃料電池スタックの運転方法。
【請求項１１】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れる方向を切り替える切替部と、
前記切替部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記燃料電池セルそれぞれに流れる燃料ガスの流れる方向が反対になるよう前記切替部を制御し、
前記制御部は、前記燃料ガスの流れる方向を反対にした状態、且つ燃料ガス及び空気を前記燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定し、
前記制御部は、前記第１の開回路電圧と前記第２の開回路電圧との間の電圧差を、前記燃料電池スタックを構成するセル数で割った値が、予め決められた設定値より大きい場合、前記燃料電池スタックの運転を停止する
燃料電池システム。
【請求項１２】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックであって、
燃料ガス及び空気を当該燃料電池スタックに供給し且つ前記燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、測定される当該燃料電池スタックの第１の開回路電圧と、前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替えた状態で測定された前記燃料電池スタックの第２の開回路電圧との間の電圧差を前記燃料電池セルの数で割った値が、予め設定された設定値未満である燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池スタックの診断方法、燃料電池スタックの運転方法、燃料電池システム、及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の家庭用燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと空気とを燃焼電池スタックに供給し、電気化学反応によって発電し、更に反応熱を回収し温水を供給する。この燃料電池スタックは、燃料電池セル（以下、単にセルともいう）とセパレータを交互に積層し、一体化させたものである。この燃料電池セルは、例えば、プロトン導電性の電解質膜の両面にアノードとカソードを配置した固体高分子電解質型燃料電池である。
【０００３】
電解質膜は、プロトンと水を通すが、ガス（具体的には、燃料ガス及び空気）を通さない性質がある。そのため、アノードとカソードに供給されるガスをシールする機能も果たしている。すなわち、電解質膜は、両極のガスが混ざることによって直接反応が生じて燃料電池反応の効率が低下することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３０１８０４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８７５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池を長期に運転すると、電解質膜が劣化する。この劣化のため、ガスシール機能が低下し、燃料ガスと空気が互いに漏れ出る（以下、クロスリークするという）ことが起こり得る。燃料ガスと空気が互いに漏れ出ると、水素の直接酸化反応により酸素が消費され、燃料電池反応に使われる酸素量が低減するために、燃料電池の性能が落ちる。また、水素と酸素が必要以上に混ざるのは、安全上も好ましくない。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックに関する診断を容易にする燃料電池スタックの診断方法、燃料電池の安全性を向上させる燃料電池スタックの運転方法及び燃料電池システム、及び燃料電池の性能を維持しつつ安全に運転することを可能とする燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態によれば、燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに燃料ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックの第１の開回路電圧を測定する工程を有する。更に、この診断方法は、前記燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程を有する。更に、この診断方法は、空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えた状態、且つ燃料ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックの第２の開回路電圧を測定する工程を有する。更に、この診断方法は、第１の開回路電圧と第２の開回路電圧との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックに関する診断を実行する工程を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】図２は、第１の開回路電圧Ｖ１を測定する際の空気供給配管ＡＰ１及び空気排気配管ＡＰ２の接続態様を示す図である。
【図３】図３は、第２の開回路電圧Ｖ２を測定する際の空気供給配管ＡＰ１及び空気排気配管ＡＰ２の接続態様を示す図である。
【図４】図４は、通常運転時において、セパレータ１内の空気の流れ方向を示す図である。
【図５】図５は、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替えた状態において、セパレータ１内の空気の流れ方向を示す図である。
【図６】図６は、電解質膜の空気入口付近に貫通孔を設けた６台の燃料電池スタックＣＳＡにおいて、規格化クロスリーク量と、電圧差ΔＶをセル数で割った値ΔＶ／Ｎとの関係を示す図である。
【図７】図７は、第２の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ２の構成と、ブロワＢからの空気の出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。
【図８】図８は、第２の実施形態における、ブロワＢからの空気の出力先の切替後の燃料電池システムＳＹＳ２の動作を示す概略ブロック図である。
【図９】図９は、第１の開回路電圧Ｖ１を測定する際のガス供給配管ＧＰ１及びガス排気配管ＧＰ２の接続態様を示す図である。
【図１０】図１０は、第２の開回路電圧Ｖ２を測定する際のガス供給配管ＧＰ１及びガス排気配管ＧＰ２の接続態様を示す図である。
【図１１】図１１は、通常運転時において、セパレータ１内の改質ガスの流れ方向を示す図である。
【図１２】図１２は、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを付け替えた状態において、セパレータ１内の改質ガスの流れ方向を示す図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ３の構成と、改質器ＦＰＳからの改質ガスの出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。
【図１４】図１４は、第４の実施形態における改質器ＦＰＳからの改質ガスの出力先の切替後の動作を示す概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ１の構成を示す概略ブロック図である。図１に示すように、燃料電池システムＳＹＳ１は、ブロワＢと、改質器ＦＰＳと、空気供給配管ＡＰ１を介してブロワＢに接続された空気マニホールドＡＭと、ガス供給配管ＧＰ１を介して改質器ＦＰＳに接続された燃料ガスマニホールドＧＭとを備える。
【００１０】
更に、燃料電池システムＳＹＳ１は、空気マニホールドＡＭ及び燃料ガスマニホールドＧＭと接続された燃料電池スタックＣＳＡを備える。更に、燃料電池システムＳＹＳ１は、空気排気配管ＡＰ２を介して空気マニホールドＡＭと接続され、且つガス排気配管ＧＰ２を介して燃料ガスマニホールドＧＭと接続された熱交換器ＨＥＸ、燃料電池スタックＣＳＡと電気的に接続されたＡＣ／ＤＣインバータＩＮＶを備える。
【００１１】
更に、燃料電池システムＳＹＳ１は、ブロワＢ、改質器ＦＰＳ、燃料電池スタックＣＳＡと電気的に接続された制御部ＣＯＮを備える。
【００１２】
ブロワＢは、ブロワＢの外部から供給された空気を、空気供給配管ＡＰ１及び空気マニホールドＡＭを介して燃料電池スタックＣＳＡに供給する。
改質器ＦＰＳは、改質器ＦＰＳの外部から供給された燃料ガス（例えば、天然ガスまたはプロパンガスなど）から水素リッチな改質ガスを生成する。そして、改質器ＦＰＳは、生成した改質ガスをガス供給配管ＧＰ１及び燃料ガスマニホールドＧＭを介して、燃料電池スタックＣＳＡに供給する。
【００１３】
空気マニホールドＡＭは、ブロワＢから供給された空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給する。この空気は、燃料電池スタックＣＳＡを循環することで暖められ、この暖められた空気が空気マニホールドＡＭに排出される。空気マニホールドＡＭは、この暖められた空気を熱交換器ＨＥＸに供給する。
【００１４】
燃料ガスマニホールドＧＭは、改質器ＦＰＳから供給された改質ガスを燃料電池スタックＣＳＡに供給する。この改質ガスは、燃料電池スタックＣＳＡを循環した後に、燃料ガスマニホールドＧＭに排気ガスとして排出される。燃料ガスマニホールドＧＭはこの排気ガスを熱交換器ＨＥＸに供給する。
【００１５】
燃料電池スタックＣＳＡは、燃料電池セルとセパレータを交互に積層し、一体化させたものである。燃料電池スタックＣＳＡは、供給された空気と改質ガスとを用いて、電気化学反応で発電する。燃料電池スタックＣＳＡは、電気化学反応で得た直流電力をＡＣ／ＤＣインバータＩＮＶへ供給する。
【００１６】
燃料電池スタックＣＳＡの外部から燃料電池スタックＣＳＡに流入した冷却水は、燃料電池スタックＣＳＡでの電気化学反応による発熱を吸収し、高温となって燃料電池スタックＣＳＡから排出され、熱交換器２３に流入する。
【００１７】
熱交換器ＨＥＸの外部から熱交換器ＨＥＸに流入した２次冷却水は、熱交換器ＨＥＸで、燃料電池スタックＣＳＡから流入した高温の冷却水によって加熱されて温水となって熱交換器ＨＥＸから熱交換器ＨＥＸの外部へ排出される。
【００１８】
ＡＣ／ＤＣインバータＩＮＶは、燃料電池スタックＣＳＡから供給された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をＡＣ／ＤＣインバータＩＮＶの外部に出力する。
【００１９】
制御部ＣＯＮは、ブロワＢ、改質器ＦＰＳ及び燃料電池スタックＣＳＡを制御する。具体的には例えば、制御部ＣＯＮは、ブロワＢの動かし始めるタイミングと回転数を制御する。また制御部ＣＯＮは、改質器の温度を制御する。例えば、制御部ＣＯＮは、起動時に改質器ＦＰＳの温度を上昇させ、その後に、改質器ＦＰＳの温度を所定の温度に維持する。また例えば、制御部ＣＯＮは、異常な温度を検知した場合、改質器ＦＰＳを停止させる。
【００２０】
また例えば、制御部ＣＯＮは、燃料電池スタックＣＳＡによる発電の電圧を監視して、異常があったら燃料電池スタックＣＳＡを停止させる。また例えば、制御部ＣＯＮは、家庭の電力需要に応じて、燃料電池スタックＣＳＡが出力する直流電力を変更するよう燃料電池スタックＣＳＡを制御する。
【００２１】
続いて、本実施形態に係るクロスリークの検知方法について図２及び図３を参照しつつ説明する。このクロスリークの検知方法は、例えば定期点検時に用いられる。
【００２２】
図２は、通常時の空気供給配管ＡＰ１及び空気排気配管ＡＰ２の接続態様を示す図である。図２に示すように、燃料電池スタックＣＳＡは、第１のエンドプレートＥＦ１と、第２のエンドプレートＥＦ２と、第１のエンドプレートＥＦ１と第２のエンドプレートＥＦ２に挟まれた燃料電池セルＣ−１、…、Ｃ−Ｎ（Ｎは正の整数）までのＮ個の燃料電池セルＣ−ｉ（ｉは１からＮまでの整数）とを備える。空気マニホールドＡＭは、空気を通す第１の空気口ＡＩ及び空気を通す第２の空気口ＡＯを備える。空気供給配管ＡＰ１は、第１の空気口ＡＩに接続され、空気排気配管ＡＰ２は第２の空気口ＡＯに接続されている。これにより、ブロワＢから排出された空気が第１の空気口ＡＩを介して空気マニホールドＡＭに供給され、空気マニホールドＡＭから排出された空気が第２の空気口ＡＯを介して熱交換器ＨＥＸに排出される。
【００２３】
まず、例えば、図２に示す通常時の空気供給配管ＡＰ１及び空気排気配管ＡＰ２の接続態様のときに、改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する。ここで、開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）は、燃料電池スタックＣＳＡに電気抵抗が接続されていない状態で、改質ガス及び空気が供給されたときの、各燃料電池セルのアノードとカソード間の電圧値の和である。
【００２４】
次に、図３に示すように、燃料電池スタックＣＳＡに接続された空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを互いに付け替える。
図３は、付け替え後の空気供給配管及び空気排気配管の接続態様を示す図である。図３に示すように、図２とは異なり、空気供給配管ＡＰ１が第２の空気口ＡＯに接続され、空気排気配管ＡＰ２は第１の空気口ＡＩに接続されている。これにより、ブロワＢからの空気が第２の空気口ＡＯを介して空気マニホールドＡＭに供給され、空気マニホールドＡＭからの空気が第１の空気口ＡＩを介して熱交換器ＨＥＸに排出される。
【００２５】
次に、付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する。
【００２６】
次に、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶに基づいて、燃料電池スタックＣＳＡに関する診断を実行する。この診断の対象は、例えば、燃料電池スタックＣＳＡの劣化状態、安全性または運転継続の可否である。本実施形態では、この燃料電池スタックＣＳＡの劣化状態の一例として、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルＣ−ｉに含まれる電解質膜の劣化状態を診断対象とする。
【００２７】
電解質膜が乾燥状態にあると、電解質膜の劣化が加速的に進行する。燃料電池内では、電気化学反応によって水が生成される。この水は、カソード表面に塗られた触媒で生成されるため、電解質膜を加湿する働きがある。従って、燃料電池セル内の空気入口付近が、生成される水による加湿が一番少ないため、乾燥し易い領域となる。
【００２８】
このように燃料電池セル内の空気入口付近が乾燥し易い領域であるため、膜劣化が進行しやすい。アノードに供給される改質ガス中の水素濃度は概ね７０％以上であるのに対し、カソードに供給される空気中の酸素濃度は２１％である。水を生成する際に酸素と水素が１：２のモル比で反応するため、改質ガスの流量よりも空気の流量の方が多い。このため、燃料電池セルＣ−ｉ内の改質ガス入口付近の領域よりも、燃料電池セルＣ−ｉ内の空気入口付近の領域の方が、乾燥によって電解質膜の劣化が進行する。
【００２９】
図４は、通常運転時において、セパレータ１内の空気の流れ方向を示す図である。燃料電池セルＣ−ｉに含まれるセパレータ１は、空気が通るガス溝２−１、２−２、２−３を有する。電解質膜の両面に対して触媒が塗られており、反応領域３は、この触媒が塗られている範囲である。図４に示す膜劣化領域４で電解質膜の劣化が進行すると、この膜劣化領域４から、水素がカソードに漏れて反応することでＯＣＶが低下する。
【００３０】
図５は、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替えた状態において、セパレータ１内の空気の流れ方向を示す図である。空気の流れ方向を逆にすると、図５に示すように膜劣化領域４が空気流路の出口付近になる。
【００３１】
このとき、膜劣化領域４からカソードに漏れた水素はそのまま燃料電池スタックＣＳＡ外に排出されるため、ＯＣＶの低下は限定的である。従って、電解質膜の空気入口にクロスリークがある場合、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶが生じる。
【００３２】
この電圧差ΔＶの値は、燃料電池スタックに含まれるセルの数で決まるため、一例として、この電圧差ΔＶをセルの数で割った値を診断に用いる。
【００３３】
一般的に、ＯＣＶが０．９５Ｖ以上の場合、安全に運転が可能な範囲といえる。逆に、ＯＣＶが０.９５Ｖ未満の場合、クロスリークが始まっている可能性が高い。この値は、空気の流れ方向を逆にしたときのＯＣＶ差で０．０３〜０．０５Ｖ／セルに相当する。燃料電池スタックＣＳＡの電圧から、単燃料電池セルでの変化を推定するときには、クロスリークしているセルの数も問題になる。一般に、クロスリークの原因が運転による経時劣化である場合には、複数のセルでクロスリークが進行する。その進行度合いはセル毎にばらつきを持つため、全セルでクロスリークが進行することは考えにくい。そこで、例えば、全体のセルのうち１／５〜１／３のセルでクロスリークが発生していることを検知するために、予め設定された設定値を０．０１（＝０．０３／３）Ｖとする。
【００３４】
そして、本実施形態では、一例として、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルＣ−ｉの数（以下、セル数ともいう）Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め設定された設定値（例えば、０．０１Ｖ）以上であった場合、電解質膜でクロスリークが発生していると判断する。
【００３５】
続いて、本実施形態における燃料電池スタックの運転方法について説明する。クロスリークが進行すると、ＯＣＶが顕著に低下する。一般的にＯＣＶが０．９Ｖ以下になるような場合には、クロスリーク量が多いために、燃料電池スタックの安全な運転に支障をきたす。そのため、上記の診断方法を適用することで、不安全な状態での運転を回避する必要がある。ＯＣＶが０．９Ｖ以下になる場合、ＯＣＶ差で０．０８〜０．１Ｖ／セルに相当する。クロスリークしているセル数を勘案して、電圧差ΔＶをセル数で割った値が、０．０３Ｖ以上となった場合には、顕著なクロスリークが生じていると判断し、燃料電池スタックの運転を停止する。
【００３６】
このように、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差を、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値（ここでは一例として０．０３Ｖ）以上であった場合、燃料電池スタックＣＳＡを含む燃料電池システムＳＹＳ１の運転を停止する。
【００３７】
電圧差ΔＶをセル数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、０．０１Ｖ以上０．０３Ｖ未満の場合、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替えた状態のままで、運転を再開し継続する。このとき、膜劣化領域が空気流路の出口側にあたるため、膜劣化の進行が抑えられる。更に、乾燥し易い空気流路の入口側は、膜劣化していない領域に入れ替わるため、クロスリーク量が抑えられ、燃料電池システムＳＹＳ１の運転を継続することができる。
【００３８】
このように、本実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法では、電圧差ΔＶを燃料電池セルの数Ｎで割った値が、上記設定値（例えば、０．０３Ｖ）より低い第２の設定値（例えば、０．０１Ｖ）以上且つ上記設定値（例えば、０．０３Ｖ）未満である場合、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替えた状態で、燃料電池スタックの運転を継続する。
【００３９】
図６は、電解質膜の空気入口付近に貫通孔を設けた６台の燃料電池スタックＣＳＡにおいて、規格化クロスリーク量と、電圧差ΔＶをセル数で割った値ΔＶ／Ｎとの関係を示す図である。規格化クロスリーク量は、アノードを保圧したときにカソードから流出する改質ガス量を、運転可能な最大許容クロスリーク量を１として規格化したものである。ここで運転可能な許容クロスリーク量は、通常の発電量の９０％になるときのクロスリーク量である。
【００４０】
規格化クロスリーク量の少ないスタック１及びスタック２では、電圧差ΔＶをセル数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎ（以下、セルあたりの電圧差ともいう）が１０ｍＶ未満であるため、安全な運転に支障なしと判定する。
【００４１】
一方、同程度の規格化クロスリーク量であっても、更に膜劣化が進行しているスタック３及びスタック４では、セルあたりの電圧差が１０ｍＶ以上であるため、クロスリーク発生と判定する。
【００４２】
スタック１とスタック３とを比較すると、貫通孔が同程度で、アノードを保圧したときの規格化クロスリーク量が同等であっても、貫通孔に至らない薄膜化などの膜劣化が進行すると、第１の開回路電圧Ｖ１が更に低下して、セルあたりの電圧差が大きくなる。ここで水素は、電気化学反応時に、電気化学反応の際の電流とともに電解質膜から多少漏れ出るが、薄膜化するとその漏れ出る量が多くなる。この漏れ出る量が多くなる分だけ、第１の開回路電圧Ｖ１が更に低下して、セルあたりの電圧差が大きくなる。
【００４３】
図６に示す保圧したときの規格化クロスリーク量を計測したときには、電気化学反応を起こしていないので、電気化学反応時に、薄膜化した電解質膜から漏れ出るクロスリーク量は含まれていない。よって、電気化学反応を起こす実際の運転時には、スタック１よりセルあたりの電圧差が大きいスタック３の方が、実際のクロスリーク量が大きい。
【００４４】
スタック３とスタック４の場合、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替えた状態で、燃料電池スタックＣＳＡの運転を継続する。
【００４５】
また、規格化クロスリーク量が運転可能な最大許容クロスリーク量以上であるスタック５及びスタック６については、セルあたりの電圧差が３０ｍＶ以上であるため、燃料電池スタックＣＳＡの安全運転は困難であると判定する。このような場合、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止し、燃料電池スタックＣＳＡを交換する。
【００４６】
第１の実施形態における燃料電池スタックＣＳＡの診断は、定期的なメンテナンス時に行うことを想定し、人為的な作業で配管の入れ替えを行えるように、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替え可能であるように構成されている。よって、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２との付け替えを容易にするため、配管が容易に曲がる素材で作られていることが好ましい。その一例として、配管は、テフロン（登録商標）チューブ、またはゴムチューブなどの樹脂製のチューブである。
【００４７】
更に、空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とは、互いに配管径が同一であることが好ましい。これにより、互いに付け替える際に、空気供給配管ＡＰ１の出口の径を第２の空気口ＡＯの径に合わせる調整が必要なく、また空気排気配管ＡＰ２の入口の径を第１の空気口ＡＩの径に合わせる調整が必要ないので、配管の付け替え作業を容易にすることができる。
【００４８】
以上、第１の実施形態において、定期点検後、そのまま何もせずに継続運転可能な燃料電池スタックＣＳＡは、水素ガス及び空気を当該燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で測定される当該燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１と、当該燃料電池スタックＣＳＡに接続された空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを付け替えた状態で測定された燃料電池スタックの第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶを燃料電池セルの数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め設定された設定値（例えば、１０ｍＶ）未満である。
【００４９】
これによれば、クロスリーク量を抑えられているので、燃料電池の性能を維持しつつ燃料電池スタックＣＳＡを安全に運転することができる。
【００５０】
また、第１の実施形態に係る燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックＣＳＡに改質ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する工程と、燃料電池スタックＣＳＡに接続された空気供給配管ＡＰ１と空気排気配管ＡＰ２とを互いに付け替える工程と、前記付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧を測定する工程と、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックに関する診断を実行する工程と、を有する。
【００５１】
これによれば、このような単純な作業で燃料電池スタックを診断できるので、燃料電池スタックに関する診断を容易にすることができる。
【００５２】
また、第１の実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法は、改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、前記燃料電池スタックの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する工程と、燃料電池スタックＣＳＡに接続された空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替える工程と、前記付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する工程と、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値以上であった場合、燃料電池スタックＣＳＡを含む燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止する工程と、を有する。
【００５３】
これによれば、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では人為的に空気供給配管と空気排気配管とを互いに付け替えることで、燃料電池セル内で空気の流れる方向を反対にした。それに対し、第２の実施形態では、燃料電池システムが、ブロワからの空気の出力先を切り替えることで、燃料電池セル内で空気の流れる方向を反対にする。
【００５５】
図７は、第２の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ２の構成と、ブロワＢからの空気の出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第２の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ２の構成は、第１の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ１の構成に対して、切替部ＳＷ１が追加されたものになっている。
【００５６】
切替部ＳＷ１は、燃料電池セルＣ−ｉに供給される空気の流れる方向を切り替える。制御部ＣＯＮは、第１の実施形態の制御部ＣＯＮの機能に加えて、切替部ＳＷ１を制御する。空気マニホールドＡＭは、第１の実施形態と同様に、第１の空気口ＡＩと第２の空気口ＡＯとを有する。
【００５７】
続いて、本実施形態における燃料電池システムＳＹＳ２の動作について図７及び図８を用いて説明する。図８は、第２の実施形態における、ブロワＢからの空気の出力先の切替後の燃料電池システムＳＹＳ２の動作を示す概略ブロック図である。
【００５８】
図７に示すように、ブロワＢからの空気の出力先の切替前において、切替部ＳＷ１は、ブロワＢから流入した空気を空気マニホールドＡＭの不図示の第１の空気口ＡＩへ排出し、空気マニホールドＡＭの不図示の第２の空気口ＡＯから流入した空気を熱交換器ＨＥＸへ排出する。
【００５９】
その状態で、制御部ＣＯＮは、改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する。
【００６０】
次に、制御部ＣＯＮは、燃料電池セルＣ−ｉそれぞれに流れる空気の方向が反対になるよう切替部ＳＷ１を制御する。制御部ＣＯＮからの制御を受けて、切替部ＳＷ１は、図８に示すように、ブロワＢから流入した空気を空気マニホールドＡＭの不図示の第２の空気口ＡＯへ排出し、空気マニホールドＡＭの不図示の第１の空気口ＡＩから流入した空気を熱交換器ＨＥＸへ排出する。
【００６１】
制御部ＣＯＮは、上記空気の流れる方向を反対にした状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する。
【００６２】
そして、制御部ＣＯＮは、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ１との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め決められた設定値（例えば、０．０３Ｖ）以上であった場合、当該燃料電池システムＳＹＳ２の運転を停止する。
【００６３】
以上、第２の実施形態によれば、制御部ＣＯＮは、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ１との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め決められた設定値（例えば、０．０３Ｖ）以上であった場合、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止する。
【００６４】
これにより、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。
【００６５】
（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態について説明する。第１の実施形態では、燃料電池スタックに接続された空気供給配管と空気排気配管とを付け替えて、クロスリークの有無を判断した。それに対して、第３の実施形態では、燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを付け替えて、クロスリークの有無を判断する。
【００６６】
燃料電池スタックＣＳＡへ流入する改質ガスは、燃料電池スタックＣＳＡへ流入する空気よりも流量が少ないため、燃料電池セルのガス入口では、燃料電池セルの空気入口よりも乾燥による劣化が進行しにくい。しかし、燃料電池スタックＣＳＡに供給される改質ガスを加湿している場合、燃料電池セルのガス入口における乾燥の進行度合いが変わり、ガス入口において劣化が進行することもある。そこで、第３の実施形態では、燃料電池セル内での改質ガスの流れる方向を変える前と後で開回路電圧を測定し、それらの開回路電圧の差を用いて、クロスリークを判断する。
【００６７】
第３の実施形態の係る燃料電池システムＳＹＳ１の構成は、図１に示す第１の実施形態に係る燃料電池システムＳＹＳ１の構成と同一であるので、その説明を省略する。
【００６８】
続いて、本実施形態に係るクロスリークの検知方法について図９及び図１０を参照しつつ説明する。このクロスリークの検知方法は、例えば定期点検時に用いられる。
【００６９】
まず、例えば、図９に示す通常時の空気供給配管ＡＰ１及び空気排気配管ＡＰ２の接続態様のときに、改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する。
【００７０】
図９は、第１の開回路電圧Ｖ１を測定する際のガス供給配管及びガス排気配管の接続態様を示す図である。なお、図２と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。燃料ガスマニホールドＧＭは、改質ガスを通す第１のガス口ＦＩ及び排気ガスを通す第２のガス口ＦＯを備える。ガス供給配管ＧＰ１は、第１のガス口ＦＩに接続され、ガス排気配管ＧＰ２は第２のガス口ＦＯに接続されている。これにより、改質器ＦＰＳからの改質ガスが第１のガス口ＦＩを介して燃料ガスマニホールドＧＭに供給され、燃料ガスマニホールドＧＭからの排気ガスが第２のガス口ＦＯを介して熱交換器ＨＥＸに排出される。
【００７１】
次に、図１０に示すように、燃料電池スタックＣＳＡに接続されたガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを互いに付け替える。図１０は、付け替え後のガス供給配管ＧＰ１及びガス排気配管ＧＰ２の接続態様を示す図である。図１０に示すように、図９とは異なり、ガス供給配管ＧＰ１が第２のガス口ＦＯに接続され、ガス排気配管ＧＰ２は第１のガス口ＦＩに接続されている。これにより、改質器ＦＰＳから排出された改質ガスが第２のガス口ＦＯを介して燃料ガスマニホールドＧＭに供給され、燃料ガスマニホールドＧＭから排出された排気ガスが第１のガス口ＦＩを介して熱交換器ＨＥＸに排出される。
【００７２】
次に、上記付け替えた状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する。
【００７３】
次に、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶに基づいて、燃料電池スタックＣＳＡに関する診断を実行する。この診断の対象は、燃料電池スタックＣＳＡの劣化状態、安全性または運転継続の可否である。本実施形態では、この燃料電池スタックＣＳＡの劣化状態の一例として、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルＣ−ｉに含まれる電解質膜の劣化状態を診断対象とする。
【００７４】
続いて、図１１及び図１２を用いて、セパレータ１内の改質ガスの流れ方向について説明する。図１１は、通常運転時において、セパレータ１内の改質ガスの流れ方向を示す図である。燃料電池セルＣ−ｉに含まれるセパレータ１１は、改質ガスが通るガス溝１２−１、１２−２、１２−３を有する。反応領域１３は、この触媒が塗られている範囲である。図１１に示す膜劣化領域１４で電解質膜の劣化が進行すると、この膜劣化領域４から、水素がカソードに漏れて酸素と反応することでＯＣＶが低下する。
【００７５】
図１２は、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを付け替えた状態において、セパレータ１内の改質ガスの流れ方向を示す図である。改質ガスの流れ方向を逆にすると、図１２に示すように膜劣化領域１４がガス流路の出口付近になる。
【００７６】
このとき、膜劣化領域１４からカソードに漏れた水素はそのまま燃料電池スタックＣＳＡ外に排出されるため、ＯＣＶの低下は限定的である。従って、電解質膜のガス入口にクロスリークがある場合、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶが生じる。
【００７７】
この電圧差ΔＶの値は、燃料電池スタックに含まれるセルの数で決まるため、一例として、単セル毎の値を診断に用いる。すなわち、本実施形態では、一例として、電圧差ΔＶをセルの数で割った値を診断に用いる。
【００７８】
このように、本実施形態では、一例として、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数（以下、セル数ともいう）Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め設定された設定値（例えば、０．０１Ｖ）以上であった場合、電解質膜でクロスリークが発生していると判断する。
【００７９】
また、第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差を、燃料電池スタックを構成するセル数で割った値が、予め決められた設定値以上であった場合、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止する。
【００８０】
また、第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法では、電圧差ΔＶを燃料電池セルの数Ｎで割った値が、上記設定値（例えば、０．０３Ｖ）より低い第２の設定値（例えば、０．０１Ｖ）以上且つ上記設定値（例えば、０．０３Ｖ）未満である場合、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを付け替えた状態で、燃料電池スタックＣＳＡの運転を継続する。
【００８１】
第３の実施形態における燃料電池スタックＣＳＡの診断は、定期的なメンテナンス時に行うことを想定し、人為的な作業で配管の入れ替えを行えるように、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを付け替え可能であるように構成されている。よって、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２との付け替えを容易にするため、配管が容易に曲がる素材で作られていることが好ましい。その一例として、配管は、テフロン（登録商標）チューブ、またはゴムチューブなどの樹脂製のチューブである。
【００８２】
更に、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とは、互いに配管径が同一であることが好ましい。これにより、互いに付け替える際に、ガス供給配管ＧＰ１の出口の径を第２の空気口ＡＯの径に合わせる調整が必要なく、またガス排気配管ＧＰ２の入口の径を第１の空気口ＡＩの径に合わせる調整が必要ないので、配管の付け替え作業を容易にすることができる。
【００８３】
以上、第３の実施形態において、定期点検後、そのまま何もせずに継続運転可能な燃料電池スタックＣＳＡは、水素ガス及び空気を当該燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で測定される当該燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１と、前記燃料電池スタックに接続されたガス供給配管とガス排気配管とを付け替えた状態で測定された燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差を燃料電池セルの数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め設定された設定値（例えば、１０ｍＶ）未満である。
【００８４】
これによれば、クロスリーク量を抑えられているので、燃料電池の性能を維持しつつ燃料電池スタックＣＳＡを安全に運転することができる。
【００８５】
また、第３の実施形態に係る燃料電池スタックの診断方法は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックに水素ガス及び空気を供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する工程と、燃料電池スタックＣＳＡに接続されたガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを互いに付け替える工程と、前記付け替えた状態、且つ水素ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する工程と、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差に基づいて、燃料電池スタックＣＳＡに関する診断を実行する工程と、を有する。
【００８６】
これによれば、このような単純な作業で燃料電池スタックを診断できるので、燃料電池スタックに関する診断を容易にすることができる。
【００８７】
また、第３の実施形態に係る燃料電池スタックの運転方法は、水素ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する工程を有する。更に、この運転方法は、燃料電池スタックＣＳＡに接続されたガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを互いに付け替える工程を有する。更に、この運転方法は、ガス供給配管ＧＰ１とガス排気配管ＧＰ２とを互いに付け替えた状態、且つ水素ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する工程を有する。更に、この運転方法は、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ２との間の電圧差を、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数で割った値が、予め決められた設定値以上であった場合、燃料電池スタックＣＳＡを含む燃料電池スタックの運転を停止する工程を有する。
【００８８】
これによれば、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。
【００８９】
（第４の実施形態）
続いて、第４の実施形態について説明する。第３の実施形態では人為的にガス供給配管とガス排気配管とを互いに付け替えることで、燃料電池セル内でガスの流れる方向を反対にした。それに対し、第４の実施形態では、燃料電池システムが、改質器ＦＰＳからの改質ガスの出力先を切り替えることで、燃料電池セル内で空気の流れる方向を反対にする。
【００９０】
図１３は、第４の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ３の構成と、改質器ＦＰＳからの改質ガスの出力先の切替前の動作を示す概略ブロック図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。第４の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ３の構成は、第１の実施形態における燃料電池システムＳＹＳ１の構成に対して、切替部ＳＷ２が追加されたものになっている。
【００９１】
切替部ＳＷ２は、燃料電池セルＣ−ｉに供給される改質ガスの流れる方向を切り替える。制御部ＣＯＮは、第１の実施形態の制御部ＣＯＮの機能に加えて、切替部ＳＷ２を制御する。燃料ガスマニホールドＧＭは、第３の実施形態と同様に、第１のガス口ＦＩと第２のガス口ＦＯとを有する。
【００９２】
続いて、本実施形態における燃料電池システムＳＹＳ３の動作について図１３及び図１４を用いて説明する。図１４は、第４の実施形態における改質器ＦＰＳからの改質ガスの出力先の切替後の動作を示す概略ブロック図である。
【００９３】
図１３に示すように、改質器ＦＰＳからの改質ガスの出力先の切替前において、切替部ＳＷ２は、改質器ＦＰＳから流入した改質ガスを燃料ガスマニホールドＧＭの不図示の第１のガス口ＦＩへ排出し、燃料ガスマニホールドＧＭの不図示の第２のガス口ＦＯから流入した空気を熱交換器ＨＥＸへ排出する。
【００９４】
その状態で、制御部ＣＯＮは、改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第１の開回路電圧Ｖ１を測定する。
【００９５】
次に、制御部ＣＯＮは、燃料電池セルＣ−ｉそれぞれに流れる改質ガスの流れる方向が反対になるよう切替部ＳＷ２を制御する。制御部ＣＯＮからの制御を受けて、切替部ＳＷ２は、図１４に示すように、改質器ＦＰＳから流入した改質ガスを燃料ガスマニホールドＧＭの不図示の第２のガス口ＦＯへ排出し、燃料ガスマニホールドＧＭの不図示の第１のガス口ＦＩから流入した排気ガスを熱交換器ＨＥＸへ排出する。
【００９６】
制御部ＣＯＮは、上記燃料ガスの流れる方向を反対にした状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する。
【００９７】
次に、制御部ＣＯＮは、燃料電池セルＣ−ｉそれぞれに流れる改質ガスの方向が反対になるよう切替部ＳＷ１を制御する。制御部ＣＯＮからの制御を受けて、切替部ＳＷ１は、図８に示すように、ブロワＢから流入した空気を空気マニホールドＡＭの不図示の第２の空気口ＡＯへ排出し、空気マニホールドＡＭの不図示の第１の空気口ＡＩから流入した空気を熱交換器ＨＥＸへ排出する。
【００９８】
制御部ＣＯＮは、上記改質ガスの流れる方向を反対にした状態、且つ改質ガス及び空気を燃料電池スタックＣＳＡに供給し且つ燃料電池スタックＣＳＡの外部への電力供給を停止した状態で、燃料電池スタックＣＳＡの第２の開回路電圧Ｖ２を測定する。
【００９９】
そして、制御部ＣＯＮは、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ１との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め決められた設定値（例えば、０．０３Ｖ）以上であった場合、当該燃料電池システムＳＹＳ３の運転を停止する。
【０１００】
以上、第４の実施形態によれば、制御部ＣＯＮは、第１の開回路電圧Ｖ１と第２の開回路電圧Ｖ１との間の電圧差ΔＶを、燃料電池スタックＣＳＡを構成する燃料電池セルの数Ｎで割った値ΔＶ／Ｎが、予め決められた設定値（例えば、０．０３Ｖ）以上であった場合、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止する。
【０１０１】
これにより、クロスリーク量が大きくなった場合に、燃料電池スタックＣＳＡの運転を停止して必要以上に水素と酸素が混ざるのを防止することができるので、燃料電池の安全性を向上させることができる。
【０１０２】
なお、各実施形態では、電圧差ΔＶに基づいて、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルに含まれる電解質膜の劣化状態を判定したが、これに限ったものではない。電圧差ΔＶに基づいて、燃料電池セルに含まれる触媒、セパレータ、または電極を構成する炭素材料の劣化を診断してもよい。
【０１０３】
以上述べた実施形態によれば、燃料電池スタックに関する診断を容易にする燃料電池スタックの診断方法、燃料電池の安全性を向上させる燃料電池スタックの運転方法及び燃料電池システム、及び燃料電池の性能を維持しつつ安全に運転することを可能とする燃料電池スタックを提供することができる。
【０１０４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０５】
ＳＹＳ１、ＳＹＳ２、ＳＹＳ３  燃料電池システム
Ｂ  ブロワ
ＦＰＳ  改質器
ＡＭ  空気マニホールド
ＡＰ１  空気供給配管
ＡＰ２  空気排気配管
ＧＰ１  ガス供給配管
ＧＰ２  排気配管
ＧＭ  燃料ガスマニホールド
ＣＳＡ  燃料電池スタック
ＨＥＸ  熱交換器
ＩＮＶ  ＡＣ／ＤＣインバータ
ＣＯＮ  制御部
ＥＦ１  第１のエンドプレート
ＥＦ２  第２のエンドプレート
Ｃ−１、…、Ｃ−Ｎ  燃料電池セル
１、１１  セパレータ
２−１、２−２、２−３、１２−１、１２−２、１２−３  ガス溝
３、１３  反応領域
４、１４  膜劣化領域
ＡＩ  第１の空気口
ＡＯ  第２の空気口
ＦＩ  第１のガス口
ＦＯ  第２のガス口
ＳＷ１、ＳＷ２  切替部
【図１】
2015156299.tif 000003
【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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【図１１】
2015156299.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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