(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に水素ガス、カソード極に空気を流接させることにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
カソード極に存在する酸素を低減させた後に燃料電池スタックに電圧を印加する電圧印加手段と、
上記電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったか否かを判定するスタック電圧判定手段と、
上記電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づき、各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断するクロスリーク診断手段と、
を有し、
上記スタック電圧判定手段が、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったと判定した後に、上記クロスリーク診断手段は各燃料電池単セルにおけるクロスリークを診断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
クロスリーク診断手段は、燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧が第一の基準値より低いと、燃料電池セルがクロスリークしていると診断する、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】
発電状態から、燃料電池セルのカソード極への空気の送給を停止する空気送給停止手段と、
空気送給停止手段で空気の送給を停止した後、燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になったか否かを判定する第二の燃料電池電圧判定手段とを備え、
第二の燃料電池電圧判定手段が、燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になったと判定したときに、電圧印加手段は燃料電池スタックに電圧を印加する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
第二の燃料電池電圧判定手段で燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になったと判定されたときに、負荷を燃料電池スタックから遮断する負荷遮断手段と、
負荷遮断手段で負荷を燃料電池スタックから遮断した後、燃料電池セルの電圧が、上記第二の基準値より大きい第三の基準値以下になったか否かを判定する第三の燃料電池電圧判定手段とを備え、
第三の燃料電池電圧判定手段が、燃料電池セルの電圧が第三の基準値以下になったと判定したときに、電圧印加手段は燃料電池スタックに電圧を印加する、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５】
電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、全ての燃料電池セルの電圧が、上記第三の基準値より大きい第四の基準値以下にあるか否かを判定する第四の燃料電池電圧判定手段を備え、
第四の燃料電池電圧判定手段が、全ての燃料電池セルの電圧が第四の基準値以下にはないと判定したときには、電圧印加手段は、燃料電池スタックに対する電圧の印加を中止する、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】
電圧印加手段は、経時的に酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧値となるように燃料電池スタックに印加する電圧を増加させる、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池セルのアノード極に送給される水素ガスの送給圧力を増減する水素ガス圧力増減手段を備え、
水素ガス圧力増減手段は水素ガスを大気圧より高く圧送する、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
アノード極に水素ガス、カソード極に空気を流接させることにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
燃料電池セルの電圧が第三の基準値以下になったと判定した後に燃料電池スタックに電圧を印加する電圧印加手段と、
上記電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったか否かを判定するスタック電圧判定手段と、
電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づいて、各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断するクロスリーク診断手段と、を有し、
上記スタック電圧判定手段が、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったと判定した後に、上記クロスリーク診断手段は各燃料電池単セルにおけるクロスリークを診断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、例えば固体高分子形の燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムとして、特許文献１に記載された構成のものがある。
特許文献１に記載の燃料電池システムは、運転中におけるアノードガスの圧力を、カソードガスの圧力よりも高くし、そのときの活性化過電圧領域の電圧低下からクロスリークを検知するものである。
【０００３】
このようなクロスリークの検知は、運転中に診断ができるという点では優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−４５４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、アノードからカソードにクロスリークしてきた水素とカソードの酸素とを反応させてクロスリークを検知していることから、触媒が劣化していると、上記水素とカソードの酸素との反応が起こりにくくなり、クロスリークを正確に検知することができないという未解決の課題がある。
【０００６】
本発明は、触媒活性に依存することなく、触媒が劣化した場合でも確実にクロスリークの診断ができる燃料電池システムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムは、アノード極に水素ガス、カソード極に空気を流接させることにより発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
カソード極に存在する酸素を低減させた後に燃料電池スタックに電圧を印加する電圧印加手段と、上記電圧印加手段により燃料電池スタックに電圧を印加したとき、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったか否かを判定するスタック電圧判定手段と、
各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断するクロスリーク診断手段と、を有する。
そして、上記スタック電圧判定手段が、燃料電池スタックの電圧が酸化剤極で水素酸化反応が起こる電圧以上になったと判定した後に、上記クロスリーク診断手段が上記電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づき、各燃料電池単セルにおけるクロスリークを診断することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、触媒活性に依存することなく、触媒が劣化した場合でも確実にクロスリークを診断できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】同上の燃料電池システムの一部をなす燃料電池スタックの断面図である。
【図３】同上の燃料電池システムにおけるクロスリークを診断するときのシーケンスを示すフローチャートである。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフローチャートのステップに対応するタイムチャートである。
【図５】複数の燃料電池からなる燃料電池スタックに対し、目標とするスタック電圧を印加したときの各燃料電池の電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図、図２は、その燃料電池システムの一部をなす燃料電池スタックの断面図である。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、燃料電池スタック１０の他、水素ボンベ２０、減圧弁２１、流量コントローラ２２、圧力センサ２５、三方弁２３，２４、空気フィルタ１００、コンプレッサ３０、モータ等の負荷４０、バッテリ５０、パワーマネージャ６０、電圧計７０、リサイクルコンプレッサ８０、水素消費装置９０等とともに、コントロールユニットＣを主たるハードウェア構成としたものである。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１を積層してなるものである。
燃料電池セル１１は、図２に示すように、高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という。）１２と、この電解質膜１２の図示上下両側にカソード極層１３とアノード極層１４を積層形成するとともに、さらにその図示上下両外側に所要の間隔をおいてそれぞれセパレータ１５，１６を配設している。
【００１３】
固体高分子電解質膜１２は、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー（登録商標「Ｎａｆｉｏｎ」）等の固体ポリマーイオン交換膜等からなるものである。
カソード極１３、アノード極１４とセパレータ１５，１６の間には、それぞれカソードガス流路（以下、「空気流路」という。）１７、アノードガス流路（以下、「ガス流路」という。）１８が区画形成されている。
本実施形態においては、「アノードガス」として「水素ガス」、また、「カソードガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
【００１４】
そして、アノード極１４において触媒反応により発生したプロトンが、電解質膜１２を移動してカソード極１３に到達し、そのカソード極１３で酸素と電気化学反応を起こして発電する。
燃料電池スタック１０の両端は、アノード極側集電板１９ａ、カソード極側集電板１９ｂに挟持されており、それらの集電板から負荷４０に電力を供給するようになっている。
【００１５】
本実施形態において示す各燃料電池セル１１のセパレータ１５，１６には、これらの各出力電圧を検出するための複数の燃料電池電圧センサＶ１（図２参照）が接続されており、それら各燃料電池電圧センサＶ１はコントロールユニットＣの入力側に接続されている。なお、図１においては、燃料電池電圧センサＶ１を図示していない。
【００１６】
本実施形態において示す燃料電池電圧センサＶ１は、検出精度を高めるために各燃料電池セル１１の全てに取り付けている例について示しているが、例えば隣り合う二つの燃料電池セル１１，１１毎に、また、互いに隣り合う三つの燃料電池セル１１…以上毎に取り付けた構成にしてもよい。なお、図２には、簡略化のために三つの燃料電池電圧センサＶ１を例として示している。
【００１７】
すなわち、本実施形態においては、上記した各燃料電池セル１１のそれぞれに燃料電池電圧センサＶ１を接続した形態を含め、それらの燃料電池セル１１の二以上のもの毎に燃料電池電圧センサＶ１を接続した形態を「群接続」という。また、「群接続」された一又は二以上の燃料電池セル１１を「燃料電池群」という。
【００１８】
ところで、上記した水素ボンベ２０は、燃料電池スタック１０に送給するための所要量の高圧水素ガスを貯蔵するものであり、その水素ボンベ２０と燃料電池スタック１０のガス受入部（図示しない）との間にガス送給パイプ２０ａ（図１参照）が連結されている。
【００１９】
ガス送給パイプ２０ａには、これを流通する水素ガスを減圧するための上記した減圧弁２１、その水素ガスの流量を増減するための流量コントローラ２２、三方弁２３及び圧力センサ２５が上流側から下流側にかけて順次配設されている。
減圧弁２１と流量コントローラ２２は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて駆動され、また、圧力センサ２５はコントロールユニットＣの入力側に接続されている。
【００２０】
水素消費装置９０は、燃料電池スタック１０のガス排出部（図示しない）とガス排出パイプ２０ｂを介して接続されている。
この水素消費装置９０は、水素ガスを消費する触媒等を有しており、それには、燃料電池スタック１０のカソード極１３から排出された排出ガスが供給され、その排出ガスによって水素ガスを消費することにより、水素ガスを含まないガスを本システムＡ１から系外に排出するようにしている。
【００２１】
ガス排出パイプ２０ｂには上記した三方弁２４が配設されており、その三方弁２４と、ガス送給パイプ２０ａの三方弁２３との間には、排出ガスを返戻循環させるためのガス循環パイプ２０ｃが配設されている。
なお、三方弁２３，２４は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて流路を切り替えるように駆動される。
【００２２】
ガス循環パイプ２０ｃには、ガス排出パイプ２０ｂに排出された排出ガスをガス送給パイプ２０ａに返戻圧送するためのリサイクルコンプレッサ８０が配設されており、そのリサイクルコンプレッサ８０は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて駆動されるようになっている。
【００２３】
すなわち、燃料電池スタック１０で使用されなかった水素ガスは、上記リサイクルコンプレッサ８０によって、三方弁２４、ガス循環パイプ２０ｃ、三方弁２３、ガス送給パイプ２０ａを介して燃料電池スタック１０に返戻循環される。
なお、燃料電池スタック１０から排出される水素ガス中にカソード極１３側から電解質膜１２を通り空気中の窒素ガスが多く混入した場合には、燃料電池スタック１０から排出された水素ガスは三方弁２４によってガス排出パイプ２０ｂから水素消費装置９０に送給される。
【００２４】
空気フィルタ１００は、大気中の不純物を取り除くためのものであり、これと燃料電池スタック１０の空気受入れ部（図示しない）との間には、カソードガス送給パイプ（以下、「空気送給パイプ」という。）１００ａが接続されている。
【００２５】
空気送給パイプ１００ａには、空気フィルタ１００を通じて取り入れた空気を燃料電池スタック１０に圧送するためのコンプレッサ３０が配設され、そのコンプレッサ３０は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて駆動されるようになっている。
燃料電池スタック１０の空気排出部（図示しない）には、カソードガス排出パイプ（以下、「空気排出パイプ」という。）１００ｂを介して、上記した水素消費装置９０が接続されている。
【００２６】
燃料電池スタック１０には、カソード側電極板１９ａとアノード側電極板１９ｂとを介して接続された配線４１，４２に、上記したバッテリ５０、パワーマネージャ６０、負荷４０及び電圧計７０が接続されている。
【００２７】
バッテリ５０は、燃料電池スタック１０によって発電された電力の一部（余剰電力）を蓄電できる所謂二次電池であり、そのバッテリ５０の電圧を昇降するためのパワーマネージャ６０に接続されており、また、パワーマネージャ６０は、オン／オフスイッチ６１を介して配線４１，４２に対して接断されるようになっている。
【００２８】
負荷４０は、オン／オフスイッチ４３を介して配線４１，４２に接断されるようになっている。
配線４２には、電流の逆流を防止するための逆流防止ダイオード４５が配設されているとともに、その逆流防止ダイオード４５には、オン／オフスイッチ４６が並列に接続されており、これにより電流を逆向きに流すことも可能な構成としている。
オン／オフスイッチ６１，４３，４６は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜オン／オフ切り替えされるようになっている。
【００２９】
電圧計７０は、上記配線４１，４２間に接続されており、バッテリ５０によって印加される電圧又は燃料電池スタック１０による発電電圧を検知するためのものであり、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
【００３０】
コントロールユニットＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラと、ハードディスク，半導体メモリ等からなる記憶部（いずれも図示しない）とを有するものであり、その記憶部に記憶されている本システムに用いるプログラムの実行により、下記の各機能を発揮する。
【００３１】
・燃料電池スタック１０に送給されるアノードガスの送給圧力を増減する機能。この機能を「アノードガス圧力増減手段Ｃ１」という。
本実施形態においては、減圧弁２１を介して、当該アノードガスの送給圧力を増減している。具体的には、圧力センサ２５で検知した圧力に基づき、アノードガスを大気圧より高くして圧送している。
【００３２】
・燃料電池スタック１０に送給されるカソードガスの送給圧力を増減する機能。この機能を「カソードガス圧力増減手段Ｃ２」という。
本実施形態においては、コンプレッサ２０を介して、当該カソードガスの送給圧力を増減している。
【００３３】
・燃料電池セル１１のアノード極１４とカソード極１３に流接させているアノードガスとカソードガスのうち、カソードガスのみの送給を停止する機能。この機能を「カソードガス送給停止手段Ｃ３」という。
「燃料電池セル１１のアノード極１４とカソード極１３に流接させているアノードガスとカソードガス」は、それらのガスを同時に流通させることによる発電をしていることを意味している。
本実施形態においては、コンプレッサ３０を停止させることによって、カソードガスの送給を停止している。
【００３４】
・燃料電池電圧センサＶ１を介し、群接続された燃料電池セル１１の一又は二以上のものの電圧を検知する機能。この機能を「燃料電池群電圧検知手段Ｃ４」という。
本実施形態においては、上記したように各燃料電池セル１１毎に配設した燃料電池電圧センサＶ１を介して、各燃料電池セル１１の電圧を検知している。
【００３５】
・カソードガスの送給を停止した後、各燃料電池群の電圧が第二の基準値以下になったか否かを判定する機能。この機能を「第二の燃料電池電圧判定手段Ｃ５」という。
本実施形態において示す「第二の基準値」は、燃料電池スタック１０が負荷４０に接続された状態でその値以下になるとカソード極に酸素がほぼ残存していないと考えられる値である。
【００３６】
・各燃料電池群の電圧が第二の基準値以下になったと判定したときには負荷４０を燃料電池スタック１０から遮断する機能。この機能を「負荷遮断手段Ｃ６」という。
本実施形態においては、オン／オフスイッチ４３をオフにすることによって、負荷４０を燃料電池スタック１０から遮断する。
【００３７】
・各燃料電池群の電圧が第三の基準値以下になったか否かを判定する機能。この機能を「第三の燃料電池電圧判定手段Ｃ７」という。
本実施形態において示す「第三の基準値」は、負荷４０を燃料電池スタック１０から遮断した状態でその値以下になるとカソード極が窒素雰囲気になっていると考えられる値である。なお、第三の基準値は第二の基準値よりも高い値である。
【００３８】
・各燃料電池群の電圧が第三の基準値以下になったと判定したときには、バッテリ５０を燃料電池スタック１０に接続する機能。この機能を「バッテリ接続手段Ｃ８」という。
具体的には、オン／オフスイッチ４６，６１をオンにすることにより、バッテリ５０を燃料電池スタック１０に接続している。
【００３９】
・カソード極１３に存在する酸素を低減させた後に、燃料電池スタック１０に電圧を印加する機能。この機能を「電圧印加手段Ｃ９」という。
【００４０】
具体的には、各燃料電池群の電圧が第三の基準値以下になったと判定したときに、スタック電圧を燃料電池スタック１０に印加している。
また、パワーマネージャ６０によって、経時的に所定の電圧値となるようにスタック電圧を増加させている。その時の電圧勾配は、燃料電池群の電圧値のサンプリング間隔を勘案して設定する。
【００４１】
・全ての燃料電池群の電圧が第四の基準値以下にあるか否かを判定する機能。この機能を「第四の燃料電池電圧判定手段Ｃ１０」という。
本実施形態において示す「第四の基準値」は、負荷４０を燃料電池スタック１０から遮断しながらスタック電圧を燃料電池スタック１０に印加した状態でその値以下にあると、カソード極に酸素が残存していないと考えられる値である。
【００４２】
・全ての燃料電池群の電圧が第四の基準値以下にあると判定したときには、スタック電圧が所定のスタック電圧値以上になったか否かを判定する機能。この機能を「スタック電圧判定手段Ｃ１１」という。
「所定のスタック電圧値」は、全ての燃料電池群の電圧に相当する値である。
【００４３】
・電圧印加手段で燃料電池スタックに電圧を印加したときの燃料電池セルの電圧に基づき、各燃料電池セルにおいてアノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしているかを診断する機能。この機能を「クロスリーク診断手段Ｃ１２」という。
本実施形態においては、検出した電圧に基づいて、燃料電池セル１１のクロスリークを診断している。
【００４４】
具体的には、燃料電池セルの電圧が第一の基準値より低いと、アノード極の水素ガスがカソード極にクロスリークしていると診断する。「第一の基準値」は、電解質膜に孔が開いているものに対応する燃料電池セルの電圧の閾値であって、検知した燃料電池セルの電圧が閾値を下回ったときに、燃料電池セルがクロスリークしていると診断する。
【００４５】
以上の構成からなる燃料電池システムＡ１の動作について、図３を参照して説明する。図３は、本システムＡ１のクロスリークを診断するときのシーケンスを示すフローチャート、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフローチャートのステップに対応するタイムチャートである。
【００４６】
なお、燃料電池システムＡ１の運転時にはオン／オフスイッチ４３はＯＮ、オン／オフスイッチ６１、４６はともにＯＦＦとなっている。
すなわち、負荷４０は燃料電池スタック１０によって駆動しており、バッテリ５０は電気的に接続していない状態である。このとき、コンプレッサ３０とリサイクルコンプレッサ８０はともに運転状態にある。そして、運転圧力は、水素ガス、空気ともに１５０ｋＰａで行なっている状態である。
【００４７】
コントロールユニットＣが燃料電池システムＡ１の停止信号を検知すると、クロスリーク診断処理へと移行する。なお、図３においてはステップ１を「Ｓ１」と略記し、以下の各ステップについても同様に表記する。
【００４８】
ステップ１：コンプレッサ３０を停止して、ステップ２に進む。負荷４０と燃料電池スタック１０とが接続されていると、燃料電池セルで発電して電流が取り出され、燃料電池セルでの発電電圧が燃料電池電圧センサＶ１で検知されるが、コンプレッサ３０が停止して空気の送給が停止されると、カソード極の酸素の消費により発電電圧が低下して燃料電池セルの電圧は小さくなる。
ステップ２：燃料電池電圧センサＶ１で検知した電圧が、第二の基準値（例えば０．２Ｖ）以下か否かの判定を行ない、その電圧が第二の基準値以下であると判定したときには、ステップ３に進み、そうでなければステップ２を繰り返す。
【００４９】
本実施形態においては、燃料電池セルの電圧の最大値によって判定をしているが、これに限るものではなく、複数ある燃料電池電圧センサＶ１で検知した燃料電池セルの電圧のうち、最小のものや平均値によって判定してよい。
【００５０】
ステップ３：燃料電池電圧センサＶ１で検知した燃料電池セルの電圧の最大値が第二の基準値を下回ったので、オン／オフスイッチ４３をオフにして、負荷４０と燃料電池スタック１０を切り離す。負荷４０と燃料電池スタック１０を切り離す前の電流の取り出しによって、カソード極の酸素はほとんどが消費されるが、酸素はわずかに残存するため、負荷４０と燃料電池スタック１０を切り離すと、アノード極とカソード極との電位差によって燃料電池セルの電圧は一旦上昇する。その後、カソード極に残存する酸素とアノード極から電解質膜１２を透過してきた水素とが反応して、カソード極の酸素が消費されると燃料電池セルの電圧は小さくなる。
【００５１】
ステップ４：負荷４０が切り離された状態で、燃料電池電圧センサＶ１を介して検知した電圧が第三の基準値（例えば０．６Ｖ）を下回るか否かを判定する。
このステップにおいても、上記したステップ２と同様に、燃料電池電圧センサＶ１で検知した燃料電池セルの電圧の最大値、最小値や平均値等を用いることができるが、本実施形態においては、より確実に酸素を消費させるため、燃料電池電圧センサＶ１で検知した電圧の最大値が第三の基準値を下回ったときに、次ステップへ進むこととした。
【００５２】
ステップ５：オン／オフスイッチ６１、４６をオンにして、ステップ６に進む。
ステップ６：パワーマネージャ６０によって電圧を徐々に印加する（図４（Ｃ）参照）。誤って、一つの燃料電池セルに大きな電圧が印加されるのを防ぐためである。
【００５３】
ステップ７：すべての燃料電池電圧センサＶ１を介して検知した電圧が第四の基準値（例えば１．０Ｖ）以下であるか否かの判定を行ない、すべての燃料電池電圧センサＶ１が第四の基準値以下であると判定されればステップ８に進み、そうでなければステップ１１に進んでクロスリークの診断処理を終了する。
【００５４】
これは、第四の基準値を越えた燃料電池セル１１が存在した場合、その燃料電池セル１１のカソード極酸素が残存していることを示しており、スタック電圧を印加し続けるとカソード極の触媒層の腐食反応（例えば、触媒を構成する導電性担体であるカーボンの酸化）が進行してしまうためである。
【００５５】
ステップ８：燃料電池スタック１０の電圧が、目標のスタック電圧に到達しているか否かを判定し、電圧が、目標のスタック電圧に到達していると判定されればステップ９に進み、そうでなければステップ６に戻って、さらに印加電圧を上昇させる。
すなわち、ステップＳ６からステップ８において燃料電池スタック１０への印加電圧に勾配をつけている。
【００５６】
なお、ここで印加する目標のスタック電圧とは、スタック電圧を燃料電池セルの数で除した平均の燃料電池セルの電圧で０．２Ｖ以上の値となる。これは、クロスリークの診断をするために、後述する酸化剤極の水素酸化反応式（１）が起こさなければならず、このためには条件にもよるが一般に１つの燃料電池セルあたり０．２Ｖ以上なければならないためである。本実施例では、１つの燃料電池セルあたり０．５Ｖの電圧を印加している。
【００５７】
ステップ９：目標とするスタック電圧を印加した後、クロスリークの診断を行う。
このとき、燃料電池電圧センサＶ１を介して検知した燃料電池セルの電圧が第一の基準値（例えば０．３Ｖ）以下であると判定した場合、アノードガス（燃料ガス）がカソード極（酸化剤極）へクロスリークしている可能性があると診断できる。  ステップ１０：クロスリークの診断を終了する。
【００５８】
図５は、複数の燃料電池セルからなる燃料電池スタックに対し、目標とするスタック電圧を印加したときの各燃料電池セルの電圧を示すグラフである。
具体的には、百枚の燃料電池セル１１を積層させてなる燃料電池スタック１０に対して、５０Ｖのスタック電圧を印加したときのものを示している。
同図から明らかなように、０．３Ｖ以下の燃料電池セル１１が一枚確認され、その燃料電池セル１１がクロスリークしていると判断できる。
なお、燃料電池セルの電圧とクロスリーク量とを対応させたピックアップテーブルを記憶部に記憶されておき、そのピックアップテーブルを参照することによって燃料電池セルの電圧からクロスリーク量を算出することもできる。
【００５９】
ここで、上記したステップ９において、各燃料電池セル１１の電圧が低いとクロスリークしているメカニズムについて説明を加える。
ステップＳ１からステップＳ４において行なっていることは、カソード極（酸化剤極）に存在する酸素を消費（低減）させて、窒素雰囲気にすることである。そして、カソード極（酸化剤極）が確実に窒素になっている場合には、燃料電池電圧センサＶ１が第三の基準値以下となるため、その状態でバッテリ５０から燃料電池スタック１０に電圧を印加することができる。このとき、積層されたすべての燃料電池セル１１において、電解質膜１２を透過した水素の酸化反応、
（酸化剤極）：Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ-  …（１）
が反応が起こる。
【００６０】
上記の反応は、積層されたすべての燃料電池セル１１で起こり、また、積層されているため、すべての燃料電池セル１１で電流値（反応速度）は同一となる。しかし、クロスリークしているとカソード極に水素が増えることにより、小さい過電圧で反応が起こるため、結果として、クロスリークしている燃料電池セル１１の電圧は小さくなる。
【００６１】
上述した本発明の一実施形態に係る燃料電池システムによれば、次の効果を得ることができる。
・触媒活性に依存することなく、触媒が劣化した場合でも確実にクロスリークを診断することができる。
【００６２】
・アノードガスとカソードガスとを供給し、電流の取り出しを行っている発電状態からシステムを停止する前に、まずカソードガスの供給を停止した後も電流の取り出しを行っているので、カソード極側に残存する酸素を迅速かつ十分に消費させられる。
【００６３】
・そして、カソードガスの供給を停止した後に、燃料電池群の電圧が第二の基準値を下回ったら電流の取り出しを停止している。
すなわち、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電圧が第二の基準値以下になっていなければ、カソード極側には酸素が十分に残存している可能性を示すものであるが、この場合には、燃料電池セルに電圧を印加した際に、劣化を引き起こす可能性がある。
すなわち、本実施形態において示すように、第二の基準値を下回ったら電流の取り出しを停止しているので、劣化の発生を防止できる。
【００６４】
・そして、ある燃料電池群の電圧が第三の基準値以下になったら、所定のスタック電圧をバッテリより印加する。
これにより、電流を取り出していない状態で、第三の基準値以下になったとき、カソード極は窒素雰囲気となっていることを示す。この状態で、所定のスタック電圧を印加することによって、クロスリークしている燃料電池セルは電圧が下がり、また、クロスリークのない燃料電池セルは電圧が高くなる。このようにして、各燃料電池セルを劣化させることなく、クロスリークが検知可能となる。
【００６５】
・所定のスタック電圧を印加する際に、各セル群の電圧が第四の基準値を超えるものが検知された場合、カソード極には、酸素が残存していることを示し、カソード極の腐食や触媒の溶解が起こる可能性がある。このような場合には、電圧印加を中止することにより、劣化を防ぐことができる。
【００６６】
・所定のスタック電圧印加の際に、所定の電圧勾配をつけることにより、電圧印加後の各燃料電池セルの電圧変化が遅くなり、燃料電池セルの電圧が所定の電圧を超えたかどうかの判定を行うことができる他、電気二重層への充電電流が流れるため、仮にカソード極に酸素が残っていても、電気二重層へ流れた電流分だけ劣化が緩和される。
【００６７】
・燃料電池ユニットに送給されるアノードガスの送給圧力を増減するアノードガス圧力増減手段によって、アノードガスを大気圧より高く圧送することにより、アノードガスの圧力を大気圧よりも高くすることができるためにクロスリーク量を増加させられ、クロスリークの検知に要する時間が大幅に短縮できる。
【００６８】
・各燃料電池セルにおけるクロスリーク量を算出することにより、電解質膜の劣化程度を判断できるので、例えば孔が生じる前に燃料電池セルを交換したりあるいはクロスリーク量を増加させないような運転を行なうことができる。
【００６９】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、各燃料電池セルのそれぞれに燃料電池電圧センサを接続したものを例として説明したが、複数の燃料電池セルのうち、クロスリークが生じやすい積層範囲に配置された燃料電池セルについては、各燃料電池セル毎に燃料電池電圧センサを接続し、他の積層範囲に配置された燃料電池セルについては、二つ以上毎に燃料電池電圧センサを接続した構成にしてもよい。この場合には、クロスリーク量の算出精度を保持しつつコストのさらなる低減を図ることができる。
・上述した実施形態においては、カソード極に存在する酸素を消費することによってカソード極に存在する酸素を低減させたが、消費ではなく、例えば窒素ガス等の不活性ガスを投入して酸素を低減させても構わない。
【符号の説明】
【００７０】
１０          燃料電池スタック
１１          燃料電池セル
１２          電解質膜
１３          カソード極
１４          アノード極
５０          バッテリ
Ｖ１          燃料電池電圧センサ
Ｃ１          アノードガス圧力増減手段
Ｃ２          カソードガス圧力増減手段
Ｃ３          カソードガス送給停止手段
Ｃ４          燃料電池群電圧検知手段
Ｃ５          第二の燃料電池電圧判定手段
Ｃ６          負荷遮断手段
Ｃ７          第三の燃料電池電圧判定手段
Ｃ８          バッテリ接続手段
Ｃ９          電圧印加手段
Ｃ１０        第四の燃料電池電圧判定手段
Ｃ１１        スタック電圧判定手段
Ｃ１２        クロスリーク診断手段 
【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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