(57)【要約】【課題】一部の単セルへの供給ガスの供給量が不足することによって燃料電池が劣化することを抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池の単セルごとに、電流値の変化に対する電圧値や抵抗値の電気的特性の変化を検出する。当該電気的特性の変化が閾値以上であるなど、所定の異常変化を示す場合に、当該単セルへの供給ガスが不足していると判定する。供給ガスが不足している単セルが検出された場合には、外部負荷との電気的接続を遮断し、供給ガスの供給量を増加させるなどの供給ガス不足を解消する所定の処理を行う。【選択図】図２
2008147102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルを含む燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池に流れる電流値を変化させ、前記電流値の変化に対する前記単セルごとの電気的特性の変化を検出する工程と、
（ｂ）前記電気的特性が所定の異常変化を示す場合に前記単セルへの供給ガスが不足していると判断するとともに、前記供給ガスの不足を解消する所定の処理を行う工程と、
を備える、制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の制御方法であって、
前記電気的特性の変化は、前記単セルごとの電圧値の変化と抵抗値の変化のうち、少なくともいずれか一方を含む、制御方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池の制御方法であって、
前記所定の異常変化か否かの判定条件は、前記燃料電池の温度に応じて設定されている、制御方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池の制御方法であって、
前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）は、前記燃料電池システムの起動時に行われ、
前記工程（ａ）において前記燃料電池の電流を掃引することによって前記電流値を変化させる、制御方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の制御方法であって、
前記所定の処理は、前記燃料電池システムと接続する外部負荷と前記単セルとの電気的接続を遮断する処理と、前記供給ガスの供給量を増加させる処理とを含む、制御方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の制御方法であって、
前記工程（ｂ）において、前記供給ガスのうち、燃料ガスと酸化ガスのいずれが不足しているかを判断するとともに、不足する前記供給ガスの種類に応じた前記所定の処理を行う、制御方法。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
単セルを含む燃料電池と、
電流値の変化に対する前記単セルごとの電気的特性の変化を検出する検出部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記電気的特性の変化が所定の異常変化特徴を示す場合に、前記単セルへの供給ガスが不足していると判断するとともに、前記供給ガスの不足を解消する所定の処理を行うことを特徴とする、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、複数の発電モジュールである単セルによって構成されている。各単セルは、それぞれが燃料ガス及び酸化ガス（両者を併せて「反応ガス」と呼ぶ。）の供給を受けて、その電気化学反応によって発電する。燃料電池は、各単セルで発電された電気を集電して燃料電池全体としての出力を得る。そうした燃料電池の発電効率を向上するためには、各単セルごとの発電量は均一であることが望ましく、そうした要求に対して種々の技術が提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−９３１１１
【特許文献２】特開２００４−２４１２３６
【特許文献３】特開２００２−１６４０６８
【０００４】
例えば、各単セルごとの発電量が不均一となる場合としては、何らかの原因で一部の単セルへの反応ガス（供給ガス）の供給量が不足することによって、当該一部の単セルの発電量が低下してしまう場合がある。このような場合でも、他の残りの単セルが発電を継続することによって燃料電池は運転を継続することができる。しかし、当該一部の単セルの反応ガスの不足量が著しい場合には、当該一部の単セルの電極間の電位差はマイナス側にまで低下してしまい、抵抗として働くことが知られている。
【０００５】
そうした反応ガスが不足している単セルを有したまま燃料電池が運転を継続すると、燃料電池の発電効率が低下するばかりでなく、当該単セルが劣化する可能性があるという問題があった。しかし、これまでこのような問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、一部の単セルへの供給ガスの供給量が不足することによって燃料電池が劣化することを抑制する技術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】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の単セルを含む燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池に流れる電流値を変化させ、前記電流値の変化に対する前記単セルごとの電気的特性の変化を検出する工程と、
（ｂ）前記電気的特性が所定の異常変化を示す場合に前記単セルへの供給ガスが不足していると判断するとともに、前記供給ガスの不足を解消する所定の処理を行う工程と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
この方法によれば、燃料電池を構成する単セルの電流値に対する電気的特性の変化から、供給ガスが不足している単セルの有無を判定できる。また、供給ガスが不足する単セルがあると判定された場合であっても、それを解消できる処理を行うため、供給ガス不足による単セルの劣化を抑制することができる。
【０００９】
前記電気的特性の変化は、前記単セルごとの電圧値の変化と抵抗値の変化のうち、少なくともいずれか一方を含むものとしても良い。
【００１０】
この方法によれば、燃料電池の電流値の変化に対する単セルごとの電圧値の変化と抵抗値の変化のうちいずれかによって、供給ガスが不足している単セルの有無の判定を行うことができる。
【００１１】
前記所定の異常変化か否かの判定条件は、前記燃料電池の温度に応じて設定されているものとしても良い。
【００１２】
この方法によれば、燃料電池の温度に応じたより具体的な判定条件で、供給ガスが不足している単セルの有無を判定することができる。
【００１３】
前記工程（ａ）および前記工程（ｂ）は、前記燃料電池システムの起動時に行われ、前記工程（ａ）において前記燃料電池の電流を掃引することによって前記電流値を変化させるものとしても良い。
【００１４】
この方法によれば、供給ガスが不足する単セルが存在する可能性の高いシステムの起動時において、一部の単セルの供給ガスが不足したまま発電が開始されることを抑制でき、燃料電池の劣化の可能性を低減できる。
【００１５】
前記所定の処理は、前記燃料電池システムと接続する外部負荷と前記単セルとの電気的接続を遮断する処理と、前記供給ガスの供給量を増加させる処理とを含むものとしても良い。
【００１６】
この方法によれば、一部の単セルの供給ガスが不足したまま燃料電池の発電が継続されることを抑制でき、燃料電池の劣化の可能性を低減できる。
【００１７】
前記工程（ｂ）において、前記供給ガスのうち、燃料ガスと酸化ガスのいずれが不足しているかを判断するとともに、不足する前記供給ガスの種類に応じた前記所定の処理を行うものとしても良い。
【００１８】
この方法によれば、供給ガスのうち、燃料ガスと酸化ガスのいずれが不足しているのかを判定でき、それぞれの場合に応じて適切な処理を行うことができる。従って、より効果的に供給ガスが不足している単セルの劣化を抑制できる。
【００１９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
Ａ．第１実施例：
図１（Ａ）は本発明の一実施例として燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、水素系統２０と、空気系統３０と、制御部４０とを備えている。
【００２１】
燃料電池１０は、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の供給を受けて、その電気化学反応（燃料電池反応）によって発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、発電モジュールである単セルを積層したスタック構造を有している。なお、燃料電池１０としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、複数の単セルを備えた任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００２２】
燃料電池１０には、各単セルごとの電位を計測するためのセル電圧計測部１２と、燃料電池１０の温度を計測するための温度計測部１３とが設けられている。また、燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を上昇するための加熱部１５が設けられている。
【００２３】
水素系統２０は、水素供給配管２１を介して、燃料電池１０のアノード電極に水素を供給する。また、水素系統２０は、水素排出配管２２を介して、反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスを燃料電池１０から排出させる機能を担う。水素系統２０には、例えば水素を貯蔵する水素タンク（図示せず）が設けられているものとしても良いし、改質機（図示せず）などが設けられているものとしても良い。また、水素系統２０は、アノード排ガス中の水素が再び水素供給配管２１に循環する構成であるとしても良い。
【００２４】
空気系統３０は、空気供給配管３１を介して、燃料電池１０のカソード電極に高圧空気を供給する。また、空気系統３０は、空気排出配管３２を介して、反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスを燃料電池１０から排出させる機能を担う。なお、空気系統３０には、空気供給配管３１と接続する高圧空気を供給するためのエアコンプレッサ（図示せず）が設けられているものとしても良いし、酸素タンク（図示せず）が設けられているものとしても良い。また、空気系統３０は、空気排出配管３２のカソード排ガスが再び空気供給配管３１に循環する構成であるとしても良いし、そのまま外部へと排出される構成であっても良い。
【００２５】
制御部４０は、燃料電池１０のステータス情報として、セル電圧計測部１２及び温度計測部１３の検出結果を受け取る。また、そのステータス情報や後述する外部負荷からの出力要求に応じて、水素系統２０及び空気系統３０から燃料電池１０へと供給される反応ガスの量などを制御することによって燃料電池１０の出力を制御する。さらに、制御部４０は必要に応じて加熱部１５によって燃料電池１０を加熱する。
【００２６】
図１（Ｂ）は、燃料電池システム１００の電気的構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、二次電池６０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２と、ＤＣ／ＡＣインバータ６５とを備えている。燃料電池１０は、直流電源ラインＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ６５に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ６５は、外部負荷１１０に接続されている。二次電池６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２を介して直流電源ラインＤＣＬに接続されている。
【００２７】
二次電池６０は、燃料電池１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、二次電池６０の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部４０の指示によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。燃料電池１０の出力が要求出力に満たない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、その不足分を補償するように二次電池６０に放電させる。
【００２８】
ＤＣ／ＡＣインバータ６５は、燃料電池１０及び二次電池６０から得られた直流電力を交流電力へと変換して外部負荷１１０へ供給する。その際の交流電力の周波数は、制御部４０の指示によって制御される。また、外部負荷１１０によって発生した回生電力（交流電力）は、ＤＣ／ＡＣインバータ６５によって直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２を介して二次電池６０に充電される。
【００２９】
直流電源ラインＤＣＬには、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ６２との間にスイッチ７０が設けられている。スイッチ７０は、制御部４０によってその開閉状態が制御されている。燃料電池システム１００の起動時及び通常の発電時には、制御部４０は、スイッチ７０を閉じた状態、即ち、燃料電池１０と外部負荷１１０とが電気的に接続された状態にする。また、制御部４０は、必要に応じて、スイッチ７０を開き、燃料電池１０と外部負荷１１０との電気的接続を遮断する。なお、この場合には、外部負荷１１０は二次電池６０から電力の供給を受けて動作する。
【００３０】
図２は、本発明の一実施例として制御部４０が燃料電池システム１００の起動時に行う制御手順を示すフローチャートである。制御部４０は、燃料電池システム１００に対する起動要求を受けると、温度計測部１３によって燃料電池１０の温度を計測する（ステップＳ１０）。次に、制御部４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２によって直流電源ラインＤＣＬの電圧レベルを変化させることによって、燃料電池１０の出力電流を掃引する制御を行う（ステップＳ２０）。
【００３１】
図３（Ａ）は、この出力電流の掃引による燃料電池１０の出力電流の時間変化を示すグラフである。このグラフで示すように、「出力電流を掃引する制御」とは、燃料電池の出力電流を一定比率で上昇させていく制御のことをいう。セル電圧計測部１２は、掃引された電流値の変化に対する各単セルごとの電圧値の変化を検出し、その結果を制御部４０へと渡す。
【００３２】
図３（Ｂ）は、燃料電池の電流値Ｉの変化に対する単セルごとの電圧値Ｅの変化を示すグラフの一例である。グラフＧ１は、反応ガスが不足なく供給されて発電が行われている場合（通常発電）の単セルの電圧値（電位差）の変化を示している。グラフＧ２は、反応ガスのうち酸素が不足している場合（酸素欠乏）の単セルの電圧値の変化を示している。グラフＧ３は、反応ガスのうち水素が不足している場合（水素欠乏）の単セルの電圧値の変化を示している。
【００３３】
このグラフが示すように、反応ガスが欠乏している単セルは、電流値の増加とともに電位差が負の値にまで降下する、いわゆる「負電圧」と呼ばれる状態となる。反応ガスが欠乏する単セルが負電圧となる理由は次の通りである。複数の単セルを含む燃料電池では各単セルが発電した電気を集電して全体としての出力を行う。従って、反応ガスが欠乏して発電が行えない単セルがある場合でも他の単セルが発電を継続する。すると、反応ガスが欠乏している単セルは、発電が行えずに抵抗として働き、負電圧の状態となる。
【００３４】
なお、単セルに対する反応ガスが欠乏する原因としては、例えば、燃料電池反応によって発生した水分によって単セルのガス流路が閉塞されてしまう場合がある。完全にガス流路が閉塞されていなくとも、これによって単セルの圧力損失の差が著しく大きくなった場合には、単セル間の反応ガスの供給量の差が著しく大きくなり、一時的に反応ガスが欠乏する単セルが生じる。特に、氷点下以下の環境で燃料電池を使用するときには、燃料電池内の水分がガス流路内で凍結してガス流路を閉塞してしまう可能性が高い。
【００３５】
このような負電圧の単セルが存在する状態で燃料電池の発電を継続すると、燃料電池の発電効率が低下する。特に水素が欠乏することによって単セルが負電圧となっている場合には、当該単セルの劣化を促進することになる。例えば、構成部材に炭素（Ｃ）を含む単セルにおいて水素が不足する場合には、そのアノード電極では次の反応式に示す電気化学反応が生じることが知られている。
２Ｈ2０  ＋  Ｃ  →  ＣＯ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-
即ち、この化学反応によって、単セルの構成部材である炭素が反応に供されてしまい、当該単セルの劣化につながる。
【００３６】
ここで、図３（Ｂ）の２つのグラフＧ２、Ｇ３とを比較すると、酸素が欠乏している単セルの電圧値は、ある値まで急激に低下した後は、比較的緩やかな低下を続けることがわかる。一方、水素が欠乏している単セルの電圧は、酸素欠乏とほぼ同様に急激な低下を示した後に比較的緩やかな低下を続けるが、ある電流値に到達した後に２回目の急激な低下を示している。即ち、この２回目の電圧低下を検出することによって、負電圧となっている原因が、酸素の欠乏によるものであるか、水素の欠乏によるものであるのかを判別することができる。なお、以下において、上記２回目の電圧低下のことを「水素欠乏性電圧降下」と呼ぶ。
【００３７】
図４（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、燃料電池の温度が２０°、４０°、８０°のときにおける水素が欠乏している単セルの電流値Ｉの変化に対する電圧値Ｅの変化を示すグラフの一例である。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）のグラフの電流値Ｉの変化（横軸）はそれぞれ対応している。また、図４（Ａ）のグラフＥ20は、図３（Ｂ）で説明したグラフＧ３と同じである。
【００３８】
図４（Ａ）〜（Ｃ）のグラフを比較すると、水素が欠乏している単セルの電圧値は、水素欠乏性電圧降下が生じている点で共通しているが、その電圧低下を示すときの電流域と低下による電圧変化量とは温度ごとに異なることがわかる。具体的には、燃料電池の温度が２０°の時には、電流値Ｉ0〜Ｉ1の間に電圧値はΔＥ20だけ低下している（図４（Ａ）のグラフＥ20）。燃料電池の温度が４０°の時には、電流値Ｉ2〜Ｉ3の間に電圧値はΔＥ40だけ低下している（図４（Ｂ）のグラフＥ40）。燃料電池の温度が８０°の時には、電流値Ｉ4〜Ｉ5の間に電圧値はΔＥ80だけ低下している（図４（Ｃ）のグラフＥ80）。
【００３９】
このように、水素欠乏性電圧降下が生じる電流域とその電圧変化量とは、燃料電池の温度によって異なる。これは、上述した温度以外の温度でも同様である。なお、以下において、水素欠乏性電圧降下が生じる電流域を「水素欠乏判定電流域」と呼び、その電圧低下における電圧変化量を「水素欠乏判定電圧変化量」と呼ぶ。図４（Ａ）の例では、水素欠乏判定電流域はＩ0〜Ｉ1であり、電圧変化量はΔＥ20である。即ち、燃料電池の各温度における水素欠乏判定電流域と水素欠乏判定電圧変化量とを予め実験などにより取得しておけば、より具体的に、水素欠乏判定電流域における単セルの電圧変化量によって水素欠乏が生じていると判定することができる。
【００４０】
ここで、図２のフローチャートに戻る。ステップＳ３０において燃料電池システム１００の制御部４０は、ステップＳ２０で検出した単セルごとの電圧変化から水素が欠乏している単セルの有無を検出する。具体的には次のように行う。制御部４０には、燃料電池１０の各温度における水素欠乏判定電圧変化量に基づいて予め設定した各温度ごとの閾値Ｅｔが記憶されている。制御部４０は、ステップＳ２０で単セルごとに取得した電圧変化量ΔＥをステップＳ１０で検出した燃料電池１０の温度における所定の閾値Ｅｔと比較し、電圧変化量ΔＥが所定の閾値Ｅｔ以上である単セルは水素が欠乏していると判定する。
【００４１】
なお、ステップＳ３０の判定は、ステップＳ２０において負電圧の単セルが検出されたときのみ行うものとしても良い。また、制御部４０には、所定の閾値Ｅｔ以外に、各温度ごとの水素欠乏判定電流域が記憶されているものとしても良い。このようにすれば、水素が欠乏している単セルの有無の判定条件として水素欠乏判定電流域も用いることができる。例えば、ステップＳ２０において水素欠乏判定電流域で電流を掃引するのみでステップＳ３０の判定を行うことができる。こうすれば、温度が高いほどステップＳ２０における電流掃引時間を短縮できる。
【００４２】
制御部４０は、ステップＳ３０で水素が欠乏している単セルがあると判断したときには、ステップＳ３０、Ｓ４０において負電圧の状態にある単セルの電圧を回復するための処理を行う。具体的には、スイッチ７０（図１（Ｂ））を開き、燃料電池１０と外部負荷１１０との電気的接続を遮断する（ステップＳ４０）。次に、制御部４０は、単セルの電圧回復処理として、水素系統２０（図１（Ａ））から燃料電池１０に供給される水素の量を増加する処理を行う（ステップＳ５０）。具体的には、水素系統２０に設けられたレギュレータによって水素の圧力を上昇させる。その後、制御部４０は、水素が欠乏している単セルが無いと判定されるまでステップＳ２０〜ステップＳ５０の工程を繰り返す。なお、この工程が行われている間の外部負荷１１０への電力の供給は、二次電池６０によって行われるものとしても良い。
【００４３】
なお、制御部４０は、ステップＳ１０において検出した燃料電池１０の温度が低温（例えば零度以下）であり、燃料電池１０内の水分が凍結しているおそれがあると判断されるときには、上記電圧回復処理としてさらに次の処理を行うことが好ましい。制御部４０は、二次電池６０の電力によって加熱部１５（図１（Ｂ））を作動させて、燃料電池１０を加熱する。これによって、ガス流路内で凍結した水分を液化または気化でき、燃料電池１０の起動時間を短縮することができる。
【００４４】
なお、水素が欠乏している単セルがある場合でも許容できる個数（例えば１〜２個程度）である場合には、後述する水素が欠乏している単セルがないと判断した場合の処理が行われるものとしても良い。
【００４５】
制御部４０は、ステップＳ３０において水素が欠乏している単セルがないと判断したときには、そのまま燃料電池１０の発電を開始して通常の運転を行う。なお、その際に制御部４０は、スイッチ７０が開いた状態であるときには、スイッチ７０を閉じて燃料電池１０と外部負荷１１０とを接続する（ステップＳ６０）。
【００４６】
図４から理解できるように、ステップＳ３０において水素が欠乏していると判定されなかった場合でも、負電圧の単セルが存在する場合には、当該単セルは酸素が不足している状態であると判定することができる。その場合には、空気系統３０（図１（Ａ））から燃料電池１０への酸素の供給量が増加する処理が行われるものとしても良い。但し、酸素不足の場合には単セルを劣化させるおそれが少なく、また、燃料電池１０の発電を継続していくうちに酸素不足が解消される可能性が高い。従って、酸素不足の場合には、酸素量を増加させるための処理を行わないものとしても良い。
【００４７】
このように本実施例の構成によれば、単セルごとの電流値の変化に対する電圧値の変化から、水素および酸素を含む供給ガスが不足している単セルの有無を判定することができる。また、その判定に応じて、ステップＳ４０〜ステップＳ５０のような供給ガスの不足を解消する処理を含む処理を行うことができる。従って、負電圧の単セルが存在したまま燃料電池の運転が継続されることを抑制でき、燃料電池の劣化を抑制できる。
【００４８】
Ｂ．第２実施例：
図５は、本発明の一実施例として燃料電池システムの構成を示す概略図である。図５の燃料電池システム１００Ａは、セル電圧計測部１２の代わりにセル抵抗計測部１４が設けられている点以外は図１（Ａ）の燃料電池システム１００と同じである。また、本実施例における燃料電池システム１００Ａの電気的構成は、図１（Ｂ）の燃料電池システム１００の電気的構成と同じである。
【００４９】
セル抵抗計測部１４は、燃料電池１０の各単セルごとの電流値の変化に対する単セルの抵抗値の変化を計測することができる。燃料電池の抵抗値には膜抵抗と反応抵抗とがあることが知られいる。膜抵抗とは、触媒を含む電極層とセパレータと電解質膜などの構成部材の電気的抵抗の合計であり、反応抵抗とは、燃料電池反応の活性化のために消費されるエネルギー損失による抵抗である。本実施例では、これらの抵抗のうち膜抵抗の値を計測する。
【００５０】
図６は、本発明の一実施例として制御部４０が燃料電池システム１００Ａの起動時に行う制御手順を示すフローチャートである。図６に示す制御手順は、ステップＳ３０の判定の代わりにステップＳ３２の判定を行っている点以外は、第１実施例で説明した図２の制御手順及び処理工程と同様である。即ち、第１実施例では、単セルごとの電流値の変化に対する電圧値の変化によって供給ガス欠乏の判定を行っていたが、本実施例では、単セルごとの電流値の変化に対する抵抗値の変化によって判定を行う。
【００５１】
図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、燃料電池１０の温度が２０°、４０°、８０°のときにおける水素が欠乏している単セルの電流値Ｉの変化に対する抵抗値Ｒの変化を示すグラフの一例である。なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）のグラフの電流値Ｉの変化（横軸）はそれぞれ対応している。また、図７（Ａ）〜（Ｃ）において破線で示したグラフＧ４は、供給ガスが不足することなく供給されている通常発電時の単セルの電流値の変化に対する抵抗値の変化を示している。なお、酸素の供給が不足している酸素欠乏時の単セルもグラフＧ４と同様の変化を示す。
【００５２】
これらのグラフを比較すると、水素が欠乏している単セルでは、電流値の変化に対して緩やかな増加傾向を示した後に、ある電流値の範囲で急激な上昇を示す点で共通していることがわかる。具体的には、燃料電池の温度が２０°のときに水素が欠乏している単セルでは、電流値Ｉ6〜Ｉ7において抵抗値は急激にΔＲ20だけ上昇する（図７（Ａ）のグラフＲ20）。燃料電池の温度が４０°のときに水素が欠乏している単セルでは、電流値Ｉ8〜Ｉ9において抵抗値は急激にΔＲ40だけ上昇する（図７（Ｂ）のグラフＲ40）。燃料電池の温度が８０°のときに水素が欠乏している単セルでは、電流値Ｉ10〜Ｉ11において抵抗値は急激にΔＲ80だけ上昇する（図７（Ｃ）のグラフＲ80）。この抵抗値の変化の傾向は、他の温度においても同じである。
【００５３】
なお、この急激な抵抗値の上昇変化のことを「水素欠乏性抵抗上昇」と呼び、その変化量を「水素欠乏判定抵抗変化量」と呼ぶ。また、水素欠乏抵抗値上昇が現れる電流値の範囲を、第１実施例と同様に「水素欠乏判定電流域」と呼ぶ。
【００５４】
即ち、単セルの電流値の変化に対する抵抗値の変化において、水素欠乏性抵抗上昇が検出できれば、当該単セルが水素が欠乏している状態にあると判定できる。具体的には、図６のステップＳ３２において次のように判定を行う。制御部４０には、燃料電池１０の各温度における水素欠乏判定抵抗変化量に基づいて予め設定した各温度ごとの閾値Ｒｔが記憶されている。制御部４０は、ステップＳ２０の電流掃引によって単セルごとに取得した抵抗変化量ΔＲをステップＳ１０で検出した燃料電池１０の温度における所定の閾値Ｒｔと比較し、電圧変化量ΔＲが所定の閾値Ｒｔ以上である単セルは水素が欠乏していると判定する。
【００５５】
このように単セルごとの抵抗値の変化を用いても第１実施例と同様に水素が欠乏しているか否かの判定を行うことができる。その判定によって、水素が欠乏している単セルが存在したときには水素欠乏を解消するための処理としてステップＳ４０〜ステップＳ５０を行うことができる。従って、水素欠乏により負電圧となった単セルが存在したまま燃料電池の運転が継続されることを抑制でき、燃料電池の劣化を抑制できる。
【００５６】
ただし、上述したとおり、単セルが通常の発電を行っている状態と酸素が欠乏している状態とでは抵抗値の変化に差はないためその判別が困難である。しかし、一部の単セルが酸素の不足している状態で燃料電池の運転を継続した場合には、全ての単セルが通常の発電を行っている場合より発電効率は低下するものの、その損失は許容できる範囲内のものであると言える。従って、水素が欠乏している単セルが検出された場合以外は、燃料電池１０の発電をそのまま継続するものとしても良い。
【００５７】
Ｃ．第３実施例：
図８は、本発明の一実施例として燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００Ｂは、第２実施例の燃料電池システム１００Ｂ（図５）と同じセル抵抗計測部１４が追加されている点以外は、第１実施例の燃料電池システム１００（図１（Ａ））と同じである。なお、この燃料電池システム１００Ｂの電気的構成は、図１（Ｂ）に示す燃料電池システム１００の電気的構成と同じである。
【００５８】
本実施例の制御部４０は、燃料電池１０の電流値の変化に対して、セル電圧計測部１２からは単セルごとの電圧値の変化を取得し、セル抵抗計測部１４からは単セルごとの抵抗値の変化を取得することができる。
【００５９】
図９は、本発明の一実施例として制御部４０が燃料電池システム１００Ｂの起動時に行う制御手順を示すフローチャートである。図９は、第２実施例で行われたステップＳ３２（図６）の判定処理が追加されている点以外は、第１実施例で説明した図２の制御手順と同じである。以下にその相違点について説明する。
【００６０】
制御部４０は、ステップＳ２０の電流掃引に対する単セルごとの電圧値の変化と抵抗値の変化とを取得した後、第１実施例と同様に、ステップＳ３０において電圧値の変化によって水素が欠乏している単セルの有無を判定する。この判定で水素が欠乏している単セルの存在が検出された場合には第１実施例と同様にステップＳ４０〜ステップＳ５０の処理を行う。
【００６１】
一方、ステップＳ３０において水素が欠乏している単セルが無いと判定された場合でも、ステップＳ３２においてさらに、第２実施例と同様に抵抗値の変化によって水素が欠乏している単セルの有無を判定する。ここで水素が欠乏している単セルが検出された場合にもステップＳ４０〜ステップＳ５０の処理を行う。水素が欠乏している単セルが検出されなかった場合には通常の発電を継続する。
【００６２】
このように、第１実施例と第２実施例において用いた判定手段を組み合わせて、その判定に応じた処理を行うことも可能である。このようにすれば、より厳密に水素が欠乏している単セルの有無を判定することができる。判定手段の組合せとしては、上述した手順以外に、ステップＳ３０とステップＳ３２とを入れ替えた手順で行うものとしても良い。また、ステップＳ３０では負電圧となっている単セルを検出し、ステップＳ３２において当該単セルについて負電圧の原因が水素欠乏によるものであるのかを判定するものとしても良い。
【００６３】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６４】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例において、燃料電池の起動時に本発明を適用していたが、そうでなくとも良く、例えば、燃料電池システムの運転中に適宜反応ガスの欠乏の判定が行われるものとしても良い。
【００６５】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、図３（Ａ）に示したように、燃料電池の電流を掃引するものとしていたが、この代わりに他の方法で燃料電池の電流値を変化させて、燃料電池１０の電流値の変化に対する単セルごとの電気的特性の変化を検出するようにしても良い。
【００６６】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例において、燃料電池１０の温度に応じた閾値Ｅｔ、Ｒｔを用いて供給カガスの欠乏の有無を判定していたが、全ての温度に対して同一の閾値Ｅｔ、Ｒｔを用いるものとしても良い。また、判定条件としては、閾値Ｅｔ、Ｒｔ以外の条件を使用することも可能である。例えば、電流掃引時の電圧値Ｅの時間的変化の形状（即ち、電圧値の軌跡）が、所定の異常な形状を示すか否かによって判定を行うようにしても良い。
【００６７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、単セルの電圧値又は抵抗値の変化に応じて供給ガスの欠乏の有無を判定していたが、他の種類の電気的特性を用いて判定を行うものとしても良い。即ち、一般には、燃料電池の電流値の変化に対する単セルごとの電気的特性の変化を検出し、電気的特性の変化が所定の異常変化を示す場合に、供給ガスが不足している単セルが存在すると判断することが可能である。
【００６８】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例において、燃料電池１０の各単セルについて電流値の変化に対する電気的特性の変化を検出していたが、全ての単セルについて検出を行うものとしても良いし、一部の単セルについてのみ行うものとして良い。
【００６９】
Ｄ６．変形例６：
上記実施例において、スイッチ７０は、燃料電池１０と外部負荷１１０との間に設けられていたが、燃料電池１０の各単セルごとに設けられているものとしても良い。このようにすれば、供給ガスが不足していると判断された単セルのみを電気的に接続を切断（バイパス）することができるため、燃料電池１０は、問題のない単セルのみで発電を行うことができる。なお、バイパスされた単セルは、所定の時間経過後に再び接続され、再びステップＳ１０〜ステップＳ３０の工程が繰り返されるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】第１実施例における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池の電流掃引を説明するためのグラフと、電流値の変化に対する単セルの電圧値の変化を示すグラフである。
【図４】燃料電池の温度ごとの電流値の変化に対する単セルの電圧値の変化を示すグラフである。
【図５】第２実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図６】第２実施例における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【図７】燃料電池の温度ごとの電流値の変化に対する単セルの抵抗値の変化を示すグラフである。
【図８】第３実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図９】第３実施例における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
１０…燃料電池
１２…セル電圧計測部
１３…温度計測部
１４…セル抵抗計測部
１５…加熱部
２０…水素系統
２１…水素供給配管
２２…水素排出配管
３０…空気系統
３１…空気供給配管
３２…空気排出配管
４０…制御部
６０…二次電池
６２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
６５…ＤＣ／ＡＣインバータ
７０…スイッチ
１００、１００Ａ、１００Ｂ…燃料電池システム
１１０…外部負荷
ＤＣＬ…直流電源ライン
【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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