(57)【要約】【課題】  燃料電池のセル面内の発電電流密度分布を測定するための簡素なシステムを実現し、局所電流密度過大といった異常による燃料電池システムの信頼性低下を防止し、コスト低減と信頼性向上を両立させることを目的とする。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池セルＣと平行な面内に冷却媒体流路３を形成し、セル面内の任意部位において対応する冷却媒体流路３を流通する冷却媒体流れに沿って複数の冷却媒体温度検出手段１１と、セル電圧検出手段２１と、冷却媒体流量検出手段３１を設け、冷却媒体の流れ方向の温度勾配とセル電圧および冷却媒体流量とに基づいて算出される発電電流密度分布から、セル面内の特定部位における異常の有無を判断する。【選択図】        図１
2008204691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして化学反応させることにより発電する燃料電池セルと、
該燃料電池セルのセル面と平行な面内を冷却媒体が流通する冷却媒体流路と、
上記燃料電池セルのセル面内の任意部位において、対応する上記冷却媒体流路を流通する冷却媒体の流れに沿って設けられて冷却媒体温度を検出する複数の冷却媒体温度検出手段と、
上記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
上記冷却媒体流路の冷却媒体流量を検出する冷却媒体流量検出手段と、
上記複数の冷却媒体温度検出手段の検出結果から冷却媒体の流れ方向の温度勾配を算出し、検出されたセル電圧および冷却媒体流量とに基づいて、上記部位の発電電流密度を演算する演算手段と、
演算された発電電流密度から上記部位における異常の有無を判断する異常判断手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記セル面内を複数の部位に区画して、そのそれぞれに上記複数の冷却媒体温度検出手段を冷却媒体の流れに沿って設け、
上記演算手段は、各部位における冷却媒体の流れ方向の温度勾配と、検出されたセル電圧および冷却媒体流量とにより、下式に基づいてセル面内の発電電流密度分布を推定し、
Ｉ＝ｋ（Ｐ）×｛Ｃ×Ｆ×（Ｔ2 −Ｔ1 ）｝／（Ｖｉ−Ｖ）
Ｉ  ：電流
Ｃ  ：冷却媒体の比熱
Ｆ  ：冷却媒体の流量
Ｔ2 −Ｔ1 ：温度勾配
Ｖｉ：理論起電力
Ｖ  ：セル電圧
Ｐ  ：圧力
（：但し、ｋ（Ｐ）は圧力補正項、Ｃ，Ｆ，Ｔの単位は、ｋ（Ｐ）×Ｃ×Ｆ×Ｔ のディメンジョンが［Ｍ・Ｌ2・Ｔ-3］、となり、例えばＳＩ単位系ならば［Ｗ］の単位となるように選択する。）
上記異常判断手段は、推定された発電電流密度分布を基に、上記セル面内の特定部位における異常の有無を判断する請求項１記載の燃料電池システム。
下式に基づいて、
【請求項３】
上記冷却媒体流路を上記セル面内に複数設け、上記冷却媒体流量検出手段を各冷却媒体流路に対応させて複数設けた請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記異常判断手段により異常と判断された時に、上記反応ガスの流量、圧力または湿度、上記冷却媒体の流量または温度、総発電量のうち少なくとも１つを変更することにより異常を抑制する異常抑制手段を設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記異常判断手段は、上記演算手段により算出された発電電流密度を、予め設定した基準電流密度値と比較して異常の有無を判断する請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
上記異常判断手段は、上記演算手段により算出された発電電流密度が、予め設定した最大電流密度以上となった時、あるいは許容電流密度範囲を外れた時に異常と判断する請求項１ないし５のいずれか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、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応を利用して発電する燃料電池システムに関し、特に発電電流密度分布の異常を判断するための手段を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、反応ガスとして水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを供給し、化学反応させることにより電気エネルギーを発生させる。基本単位となるセルは、一般に、固体高分子電解質膜を挟んで両側に電極を構成する触媒層および拡散層を一体的に設けた複合体（ＭＥＧＡ) と、反応ガス流路および冷却媒体流路となる溝が形成されたバイポーラプレートを備え、ＭＥＧＡの両側に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が位置するようにバイポーラプレートを配設した構造となっている。
【０００３】
燃料ガス流路から燃料電極に供給される水素は、触媒作用によりイオン化し、電解質膜を透過して酸化剤電極に移動する。酸化剤電極では、移動してきた水素が酸化剤ガス流路から供給される酸素と反応して水を生成する。この発電反応により起電力が発生し、燃料ガスや酸化剤ガス流量等を調整して負荷に応じた所望の発電量を得ている。また、発電に際しては熱が発生することから、単位セル間に介在させた冷却媒体流路に冷却媒体（例えば、水等）を流通させて、セル面内の温度分布が適切となるようにしている。
【０００４】
かかる燃料電池システムにおいて、例えば、セル面内で局所的に電流密度が過大となるといった異常が発生することがある。このような異常を抑制するためには、セル面内の発電電流密度分布を監視し、局所的な発電電流過剰といった異常を速やかに検知することが重要となる。セル面内の局所電流密度を推定する手段を設けた燃料電池システムとしては、例えば特許文献１、２等が提案されている（例えば特許文献１、２等）。
【特許文献１】特開２００６−２４４７５７号公報
【特許文献２】特開平９−２２３５１２号公報
【０００５】
特許文献１の燃料電池システムは、セル内の局所電流を測定する局所電流測定装置を備え、ホール素子等の局所電流センサで図った局所電流を、温度センサとウォーターポンプの流量から推定した温度分布を用いて外挿し、面内の局所電流密度とその分布を推定するようになっている。また、特許文献２には、電子負荷装置により電流電池の負荷電流を時間的に変化させ、熱電対で検出された温度（分布）出力の時間変化と負荷の時間変化の関係と、予め測定してある電流密度分布の関係から、面内の電流密度分布を算出し、燃料電池の異常の有無を監視する装置が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のシステムでは、少なくとも一部分の電流密度はホール素子等で実測する必要があるため、構造が複雑でコスト高となりやすい。また、特許文献２の装置は、局所電流密度を検出するために総発電量を変化させる方式であることから、専用の電子負荷装置が必要となる。その上、電流密度監視のために燃料電池の発生電力が変動し、それを補償する別のシステムが必要となって装置構造が複雑化し、コスト高となる同様の問題がある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池のセル面内の発電電流密度分布を測定するための簡素なシステムを実現し、局所電流密度過大といった異常による燃料電池システムの信頼性低下を防止し、コスト低減と信頼性向上を両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明において、燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして化学反応させることにより発電する燃料電池セルと、
該燃料電池セルのセル面と平行な面内を冷却媒体が流通する冷却媒体流路と、
上記燃料電池セルのセル面内の任意部位において、対応する上記冷却媒体流路を流通する冷却媒体の流れに沿って設けられて冷却媒体温度を検出する複数の冷却媒体温度検出手段と、
上記燃料電池セルのセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
上記冷却媒体流路の冷却媒体流量を検出する冷却媒体流量検出手段と、
上記複数の冷却媒体温度検出手段の検出結果から冷却媒体の流れ方向の温度勾配を算出し、検出されたセル電圧および冷却媒体流量とに基づいて、上記部位の発電電流密度を演算する演算手段と、
演算された発電電流密度から上記部位における異常の有無を判断する異常判断手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【０００９】
上記構成において、燃料電池セルの発電損失による熱は、冷却媒体流路に向かって流れ、冷却媒体に吸収される。つまり、ある部位の損失は冷却媒体の受け取る熱量に等しいから、冷却媒体の流れ方向の温度勾配および流量を測定して、ある部位の発熱量を算出し、さらにセル電圧を用いて損失電圧を算出して、これらの関係からその部位の電流密度を算出することができる。
【００１０】
よって、燃料電池セルの発電電流密度を実測する必要がなく、簡素なシステムでセル面内の任意部位の発電電流密度を把握できるので、異常の有無を容易に判断することができ、コスト低減と信頼性向上を両立させることが可能となる。
【００１１】
請求項２の発明では、上記セル面内を複数の部位に区画して、そのそれぞれに上記複数の冷却媒体温度検出手段を冷却媒体の流れに沿って設け、
上記演算手段は、各部位における冷却媒体の流れ方向の温度勾配と、検出されたセル電圧および冷却媒体流量とにより、下式に基づいてセル面内の発電電流密度分布を推定し、
Ｉ＝ｋ（Ｐ） ×｛Ｃ×Ｆ×（Ｔ2 −Ｔ1 ）｝／（Ｖｉ−Ｖ）
Ｉ  ：電流
Ｃ  ：冷却媒体の比熱
Ｆ  ：冷却媒体の流量
Ｔ2 −Ｔ1 ：温度勾配
Ｖｉ：理論起電力
Ｖ  ：セル電圧
Ｐ  ：圧力
（：但し、ｋ（Ｐ）は圧力補正項、Ｃ，Ｆ，Ｔの単位は、ｋ（Ｐ） ×Ｃ×Ｆ×Ｔ のディメンジョンが［Ｍ・Ｌ2・Ｔ-3］、となり、例えばＳＩ単位系ならば［Ｗ］の単位となるように選択する。）
上記異常判断手段は、推定された発電電流密度分布を基に、上記セル面内の特定部位における異常の有無を判断する。
【００１２】
上式により温度勾配と流量、セル電圧を測定するだけで、発電電流密度分布を測定できるので、総発電量を変えたり、予め特性データを記憶する必要がなく、構成が簡易で、かつ燃料電池特性の経時変化にも対応できる。よって、セル面内の複数部位において、流れ方向に複数の冷却媒体温度検出手段を配置した構成として、それぞれ上式を用いて発電電流密度を算出することで、セル面全体の発電電流密度を容易に把握でき、異常の有無を速やかに検出して信頼性を向上することができる。
【００１３】
請求項３の発明では、上記冷却媒体流路を上記セル面内に複数設け、上記冷却媒体流量検出手段を各冷却媒体流路に対応させて複数設けた。
【００１４】
冷却媒体流路をセル面内に複数設けた場合には、好適には、流路毎に冷却媒体流量検出手段を設けることで、その部位における発電電流密度をより精度よく算出することができる。
【００１５】
請求項４の発明では、上記異常判断手段により異常と判断された時に、上記反応ガスの流量、圧力または湿度、上記冷却媒体の流量または温度、総発電量のうち少なくとも１つを変更することにより異常を抑制する異常抑制手段を設ける。
【００１６】
異常を検出した場合には、反応ガスや冷却媒体の制御値を変更して、対応部位における発熱量等を調整することで、局所電流密度過大といった異常を防止し、信頼性をより向上させることができる。
【００１７】
請求項５の発明では、上記異常判断手段は、上記演算手段により算出された発電電流密度を、予め設定した基準電流密度値と比較して異常の有無を判断する。
【００１８】
異常判断するために、燃料電池セルの構成や性能等から許容される電流密度分布の範囲を予め設定しておき、基準電流密度値として保持しておくことで、容易に異常の有無を判断することができる。
【００１９】
請求項６の発明では、上記異常判断手段は、上記演算手段により算出された発電電流密度が、予め設定した最大電流密度以上となった時、あるいは許容電流密度範囲を外れた時に異常と判断する。
【００２０】
具体的には、特定部位における発電電流密度が、燃料電池セルの性能上、過負荷となる最大電流密度以上となった時に、あるいは、正常と判断される範囲外となった時に、異常とすることで、システムの信頼性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に基づく燃料電池システムについて図面により説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であり、その基本概念を説明するために、システム構成を簡略化して示している。図において、燃料電池セルＣは、燃料電池の主要部である固体高分子電解質型燃料電池スタック（ＰＥＦＣスタック）の基本単位となるものである。ＰＥＦＣスタックは、この燃料電池セルＣを多数積層して電気的に直列接続してなり（ここでは図示を省略する）、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応を利用して発電を行う。ＰＥＦＣスタックの各燃料電池セルＣには、詳細を後述する各種流路や検出手段が設けられ、各種制御手段等が接続されて燃料電池システムを構成する。
【００２２】
燃料電池セルＣは、通常公知の構成とすることができ、例えば、電解質膜の両面に電極を構成する触媒層および拡散層を接合した複合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gasket Assembly）１を、その両側に平行配設したバイポーラプレート２、２’間に挟んだ構成を有している。バイポーラプレート２、２’には、ＭＥＧＡ１の対向面に反応ガス流路（ここでは図示を省略する）が、他方の面に冷却媒体（例えば、冷却水）が流通する冷却媒体流路３が形成されている。反応ガス流路は、外部の反応ガス流路６２に接続されており、ＭＥＧＡ１の一方の面側に酸化剤ガス (例えば、空気）が、他方の面側に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるようになっている。反応ガス流路６２には反応ガス制御手段６１が設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量・圧力・湿度等を制御している。
【００２３】
ＭＥＧＡ１を構成する電解質膜としては、公知の構造の水素イオン伝導性固体高分子電解質膜、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（デュポン社製：登録商標）等のパーフルオロスルホン系ポリマーを膜状に成形したものが好適に使用される。電解質膜の厚さ方向の一方の面には、燃料極を構成する触媒層および拡散層がこの順に形成され、他方の面には、酸化剤極を構成する触媒層および拡散層がこの順に形成されて一体化されている。触媒層は、白金触媒等の触媒を導電性の良好な材料、例えばカーボン材に担持させて構成される。拡散層は、導電性およびガス拡散性の良好な材料、例えばカーボン材で構成され、さらに必要に応じて撥水性等の特性を付与したものを用いてもよい。なお、燃料電池セルＣ内の反応ガス流路を、ＭＥＧＡ１に積層した多孔質体で構成することもできる。
【００２４】
燃料電池セルＣ内に反応ガス流路６２から空気および水素が供給されると、ＭＥＧＡ１の両電極において下記の電気化学反応が起こる。
燃料極    Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（１）
酸化剤極  ２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ・・・（２）
なお、発電を良好に行うには、ＭＥＧＡ１が適度に含水していることが必要であり、通常反応ガスは加湿して反応ガス流路に供給される。反応に用いられなかった未反応ガスおよび生成水は外部へ排出される。
【００２５】
バイポーラプレート２、２’は電子伝導性材料、例えばカーボン材または金属材よりなる板状部材であり、冷却媒体流路３は、バイポーラプレート２、２’の表面に形成した複数の溝からなる。本実施形態では、紙面手前から奥方向に向かう直線状の６つの冷却媒体流路３をほぼ等間隔で平行に形成し、セル面全体を均等に冷却可能としている。複数の冷却媒体流路３は入口部で合流して、外部の冷却媒体流路７２に接続される。冷却媒体流路７２には冷却媒体制御手段７１が設けられて、冷却媒体の流量・温度等を制御している。また、冷却媒体流量検出手段３１が設けられて、燃料電池セルＣへ供給される冷却媒体流量を検出し、演算手段としての電流分布・温度分布演算手段４１に出力するようになっている。
【００２６】
燃料電池セルＣには、冷却媒体流路３を流通する冷却媒体の温度を検出する複数の冷却媒体温度検出手段１１が、冷却媒体の流れに沿って設けられる。本実施形態では、紙面上下方向において１つおきに形成された３つの冷却媒体流路３に、それぞれ上流部・中流部・下流部の３箇所に冷却媒体温度検出手段１１が配置される。このように、セル面の９箇所にほぼ均等配置された冷却媒体温度検出手段１１の出力は、温度検出部位を選択するためのマルチプレクサ１２から、さらに電流分布・温度分布演算手段４１に入力される。また、燃料電池セルＣには、セル電圧検出手段２１が設けられ、セル電圧を検出して電流分布・温度分布演算手段４１に出力する。
【００２７】
電流分布・温度分布演算手段４１は、マルチプレクサ１２を切換えることにより、セル面内の各部位に設けた冷却媒体温度検出手段１１の出力から、所望の部位における冷却媒体温度を算出する。さらに、電流分布・温度分布演算手段４１は、同一の冷却媒体流路３に設けた２箇所の冷却媒体温度から冷却媒体の流れ方向の温度勾配を算出し、この温度勾配と、冷却媒体流量検出手段３１にて検出される冷却媒体流量、およびセル電圧検出手段２１にて検出されるセル電圧に基づいて、セル面内の特定部位の発電電流密度を算出する。すなわち、セル面全体の温度分布とともに発電電流密度分布を測定することができる。
【００２８】
異常判断手段５１は、電流分布・温度分布演算手段４１の演算結果を基に、燃料電池セルＣの各部位の発電電流密度が異常かどうか、例えば、予め設定した正常範囲から外れているかどうかを判断する。セル面内の特定部位において発電電流密度が正常範囲にないと判断されると、異常判断手段５１は、反応ガス制御手段６１または冷却媒体制御手段７１に制御信号を出力し、異常が抑制される方向となるように反応ガスの流量・圧力・湿度または冷却媒体の流量・温度等を調整する。この時、反応ガス制御手段６１および冷却媒体制御手段７１は異常抑制手段に相当する。
【００２９】
本発明の燃料システムにおける電流分布・温度分布演算手段４１および異常判断手段５１について、図２に示した第２実施形態の燃料電池セルＣ構成に基づいて、より詳細に説明する。図２において、燃料電池セルＣの基本構成は上記第１実施形態と同様であり、同一構成および機能を有する部材や手段については同一符号を付してある。以下、相違点を中心に説明する。
【００３０】
本実施形態の燃料電池セルＣには、６つの冷却媒体流路３のいずれにも冷却媒体の流れに沿って複数の冷却媒体温度検出手段１１が設けられる。具体的には、冷却媒体流路３の上流部・中流部・下流部の各２箇所に、流れ方向の温度勾配を測定するための冷却媒体温度検出手段１１を近接配置する。また、冷却媒体流量検出手段３１を燃料電池セルＣ内部に設け、６つの冷却媒体流路３の入口部にそれぞれ冷却媒体流量検出手段３１を設置する。さらに６つの冷却媒体流量検出手段３１を選択するためのマルチプレクサ３２を設けている。このように、冷却媒体流量検出手段３１を複数設け、冷却媒体温度検出手段１１を各流路の複数部位にそれぞれ複数設けることで、温度・発電電流密度の検出部位が増加し、より正確に温度分布・発電電流密度分布を把握して異常判断することができる。
【００３１】
上記構成において特定部位の発電電流を測定する手順を説明する。ここでは検出部位を特定するため、図示のように、冷却媒体流路３の上下方向位置を位置記号［Ａ〜Ｆ］で、奥行き方向位置を位置記号［ａ〜ｃ、ｓ］で表す。冷却媒体温度検出手段１１または冷却媒体流量検出手段３１の奥行き方向位置は、位置記号［ａ１、ａ２（上流部）、ｂ１、ｂ２（中流部）、ｃ１、ｃ２（下流部）、ｓ（入口部）］で表す。図３のフローチャートは、このうち［Ａ−ａ］で表される部位（点線で囲んだ部分）の発電電流を測定する手順を示すものである。
【００３２】
図３において測定が開示されると、ステップＳ１では、マルチプレクサ３２にて［Ａ−ｓ］位置にある冷却媒体流量検出手段３１を選択し、冷却媒体流路［Ａ］の冷却媒体流量Ｆを測定する。ステップＳ２では、マルチプレクサ１２にて［Ａ−ａ１］、［Ａ−ａ２］位置にある冷却媒体温度検出手段１１を選択し、冷却媒体流路［Ａ］の［Ａ−ａ］位置における流れ方向の２点［Ａ−ａ１］、［Ａ−ａ２］の冷却媒体温度Ｔ１、Ｔ２をそれぞれ測定する。ステップＳ３では、セル電圧検出手段２１により燃料電池セルＣのセル電圧を測定する。
【００３３】
ステップＳ１〜Ｓ３の測定結果は、電流分布・温度分布演算手段４１に出力される。ステップＳ４で、電流分布・温度分布演算手段４１は、予め記憶している定数Ｃ、Ｖｉと下式を用いて、［Ａ−ａ］で表される特定部位における発電電流Ｉを計算する。
Ｉ＝ｋ（Ｐ） ×｛Ｃ×Ｆ×（Ｔ2 −Ｔ1 ）｝／（Ｖｉ−Ｖ）・・・［式］
Ｉ  ：電流
Ｃ  ：冷却媒体の比熱
Ｆ  ：冷却媒体の流量
Ｔ2 −Ｔ1 ：温度勾配
Ｖｉ：理論起電力
Ｖ  ：セル電圧
Ｐ  ：圧力
：但し、ｋ（Ｐ）は圧力補正項、Ｃ，Ｆ，Ｔの単位は、ｋ（Ｐ） ×Ｃ×Ｆ×Ｔ のディメンジョンが［Ｍ・Ｌ2・Ｔ-3］、となり、例えばＳＩ単位系ならば［Ｗ］の単位となるように選択する。
【００３４】
ここで、上式の算出方法について図４、５を参照しながら詳細に説明する。図４は一般的な燃料電池の出力（電流−電圧特性）を示す図であり、図５はＰＥＦＣスタックＳを構成する燃料電池セルＣの細部構造を示す図である。
〈基本原理〉
（１）燃料電池セルＣの電圧損失は、図４の特性図に示す損失電圧Ｖｉ−Ｖで表され、そのときの総損失≒発熱は、（そのときの電流）×（損失電圧）であり、下式１で表される。
ＦＣ損失: ｑ＝Ｉ×（Ｖｉ−Ｖ）・・・［式１］
但し式中、Ｉ  ：電流
Ｖｉ：理論起電力
Ｖ  ：セル電圧
（２）一般的にバイポーラプレート２、２’は低電気抵抗であることから、セル電圧Ｖは面内でほぼ一定である。このためセル端部等にてセル電圧Ｖを容易に測定できる。つまり、セル面内の［ある部位の損失ｑ] がわかれば［式１] とセル電圧Ｖを用いて、その部分の電流（電流密度）を算出できる。
【００３５】
〈測定原理〉
ＰＥＦＣスタックＳは、通常、図５（ａ）に示すように、ＭＥＧＡ１の両側を冷却媒体流路３と燃料ガス流路４または酸化剤ガス流路５とを刻んだバイポーラプレート２、２’で挟んだ燃料電池セルＣを基本単位とし、所定枚数積層したものである。冷却媒体流路３は隣接するセル間に、セル表面の溝を衝合して形成されている。図５（ｂ）はその一部Ａを拡大した図であり、これを冷却媒体流路３の断面Ｂ−Ｂで見た図が図５（ｃ）となる。
（３）この時、燃料電池セルＣの発電損失による熱は、断面方向には、図（ｂ）中にｑ1 、ｑ2、ｑ1'、ｑ2'として示すように、ＭＥＧＡ１から両側の冷却媒体流路３に向かって流れる。
（４）ここで、隣接した燃料電池セルＣの面方向電流密度は近いと仮定すれば、ｑ１≒ｑ1'であるので、冷却媒体流路３に流れ込む熱量は平均してその部位の発電損失とほぼ等しく、ｑ1 ＋ｑ2 ＝ｑ  と置ける。
（５）この熱ｑは、冷却媒体流路３の冷却媒体に吸収される。つまり  [ ある部位の損失ｑ] は  [ 冷却媒体の受取る熱Ｑ] に等しい。
（６）冷却媒体が、図５（ｃ）の左から右に流れているとすると、冷却媒体の温度は、熱Ｑを受取って右に向かって上昇し、Ｔ2 ＞Ｔ1 となる。Ｔ1 、Ｔ2 、流量、比熱が判れば冷却媒体が受取った熱量は式２で算出できる
冷却媒体が受取る熱量：Ｑ＝Ｃ×Ｆ×（Ｔ2 −Ｔ1)・・・［式２］
但し式中、Ｃ：冷却媒体の比熱
Ｆ：冷却媒体の流量
Ｔ2 、Ｔ1 ：温度
【００３６】
式１と式２をまとめると、Ｉ×（Ｖｉ−Ｖ）＝Ｃ×Ｆ×（Ｔ2 −Ｔ1 ）であり、上記した［式］が導かれる。
Ｉ＝ｋ（Ｐ）×｛Ｃ×Ｆ×（Ｔ2 −Ｔ1 ）｝／（Ｖｉ−Ｖ）・・・［式］
（：但し、ｋ（Ｐ）は圧力補正項、Ｃ，Ｆ，Ｔの単位は、ｋ（Ｐ） ×Ｃ×Ｆ×Ｔ のディメンジョンが［Ｍ・Ｌ2・Ｔ-3］、となり、例えばＳＩ単位系ならば［Ｗ］の単位となるように選択する。）
より具体的には、例えば単位にはＳＩ単位系を用い、冷却媒体に水等の非圧縮性流体を用いる場合、Ｃに定積比熱［J / (ｍ3・Ｋ)］ ，Ｆに体積流量［ｍ3 /sec］，Ｔに絶対温度［Ｋ］又はセルシウス温度［℃］を用いるとｋ（Ｐ）＝１となり簡便である。
また、単位に同じくＳＩ単位系を用い、冷却媒体にガス等の圧縮性流体を用いる場合、Ｃに比熱容量［J / （kg ・Ｋ）］ ，Ｆに質量流量［kg /sec］，Ｔに絶対温度［Ｋ］又はセルシウス温度［℃］を用いるとｋ（Ｐ）＝１となり計算は簡便であるが、Ｃに定圧比熱を用いる場合は他に圧力による補正を入れる。
【００３７】
これを利用することで、セル面内の任意部位の発電電流（電流密度）を演算し、セル面全体の発電電流密度分布を知ることができる。さらに、異常判断手段５１にて、電流分布・温度分布演算手段４１の演算結果を、予め記憶した判断基準となる基準電流密度値と比較することで、特定部位における発電電流密度の異常の有無を容易に判断できる。異常としては、例えば、以下のような場合が挙げられる。
Ａ：特定部位の発電電流密度が規定値を超えている場合
Ｂ：特定部位の温度が高いにもかかわらず発電電流密度が低い場合
判断基準となる電流密度は、燃料電池システムの耐久性や運転効率等から複数設定しておくことができる。そして、それぞれの異常の程度に応じて異常抑制手段となる各種制御手段に指令信号を送り、運転条件等を変更することにより、速やかに異常を抑制し、安全性・信頼性を向上させることができる。
【００３８】
次に、この異常判断を含む燃料電池システム全体の制御について説明する。
図６は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す概略図であり、例えば燃料電池自動車への適用例として説明する。図示するように、基本単位となる燃料電池セルＣを多数積層したＰＥＦＣスタックＳを備え、ＰＥＦＣスタックＳには、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス供給流路６３および未反応のガス等を排出するためのガス排出流路６４と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路７３および排出するための冷却媒体排出流路７４が接続されている。燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量・圧力・湿度等は反応ガス制御手段６１にて、冷却媒体の流量・温度等は冷却媒体制御手段７１にて制御される。
【００３９】
ＰＥＦＣスタックＳは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応を利用して発電を行う。ＰＥＦＣスタックＳの電気出力はＤＣ／ＤＣコンバータ５２に送られ、電圧調整の後、負荷５４の駆動等に用いられる。負荷５４は、自動車駆動用のモータや各種補機類であり、使用状況によって必要な電力が変化する。ＦＣコントローラ５３は、負荷５４の要求電力等に応じて反応ガス制御手段６１、冷却媒体制御手段７１に動作要求信号を出力し、燃料電池システム全体を制御する。
【００４０】
ガス供給流路６３には、通常、図示しないポンプやバルブ、加湿器等が設けられており、反応ガス制御手段６１により燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量・圧力・湿度が制御される。また、冷却媒体供給流路７３に設けられる図示しないポンプやバルブを、冷却媒体制御手段７１にて制御することにより、冷却媒体の流量・温度が調整可能となっている。
【００４１】
ＰＥＦＣスタックＳの各セルＣには、セル電圧検出手段２１が設けられ、マルチプレクサ２２で選択することにより、任意の燃料電池セルＣのセル電圧を検出して、電流分布・温度分布演算手段に出力する。また、各燃料電池セルＣには、冷却媒体温度検出手段１１とマルチプレクサ１２、冷却媒体流量検出手段３１とマルチプレクサ３２がそれぞれ設けられ、選択されたセル面内の各部位における冷却媒体温度および流量を測定して、電流分布・温度分布演算手段４１に出力するようになっている。電流分布・温度分布演算手段４１による演算結果は異常判断手段５１に出力される。
【００４２】
上記構成の燃料電池システムにおいて、まず、通常の発電運転を実施するためのシステム全体の制御について、図７のフローチャートにより説明する。図７のステップＳ１１において、負荷５４から電力要求信号がＦＣコントローラ５３に出力されると、ＦＣコントローラ５３は、まずステップＳ１２、１３にて、燃料電池に必要な出力電圧・出力電流を計算し、ＤＣ電圧変換量を計算する。さらにステップＳ１４、１５にて、内部にもつＦＣスタック特性マップから、必要な冷却媒体流量・温度を計算し、燃料ガスおよび酸化剤ガス量を計算する。次いで、ステップＳ１６、１７で、ＦＣコントローラ５３から、反応ガス制御手段６１、冷却媒体制御手段７１に動作信号を送り、モニタされる燃料ガス量・酸化剤ガス量・冷却媒体流量・冷却媒体温度が制御値に入れば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２に動作信号を送り、負荷５４に電力供給する。
【００４３】
ステップＳ１８では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２にて、ＰＥＦＣセルＣからの出力電圧・出力電流および負荷５４に流れる電力をモニタし、ＦＣコントローラ５３にフィードバック信号として送る。供給電力に細かな過不足があると、ＦＣコントローラ５３はこれに基づき、反応ガス制御手段６１、冷却媒体制御手段７１およびＤＣ／ＤＣコンバータ５２への指令信号を微調整する。
【００４４】
図８は、上記構成の燃料電池システムにおいて、異常判断を実施する場合のＦＣコントローラ５３および異常判断手段５１の動作を示すフローチャートである。図８のステップＳ２１〜Ｓ２９の処理は、上記図７におけるステップＳ１１〜２９の処理と同様であるので、説明を省略する。図８のステップＳ３０〜Ｓ３３は、異常の有無を判断するための処理である。
【００４５】
ここでは、異常判断基準となる基準電流密度Ａとして、Ａ１、Ａ２の２通りを設定する。Ａ１は、用いる燃料電池ＦＣに特有の定数Ａ２であり、例えば、以下のように定義される。
Ａ１：用いている燃料電池セルの性能上、過負荷となり劣化促進が予想される最大電流密度
異常Ａ１：特定部位の発電電流密度Ａが、Ａ≧Ａ１  となった場合
また、Ａ２は、以下の手順で求められる変数である。
Ａ２：負荷５４の要求に基づいてＦＣコントローラ５３が設定するか、またはＤＣ／ＤＣコンバータ５２のモニタ信号から求められる、燃料電池の全出力電流Ｉをセル１枚あたりの面積Ｓで除した平均電流密度Ｍ（＝Ｉ／Ｓ）をＫ倍した許容電流密度
異常Ａ２：特定部位の電流密度Ａが、Ａ≧Ａ２＝Ｋ×Ｍ  となった場合
但し、Ｋは異常検出手段５１またはＦＣコントローラ５３の保持するマップの数値で、Ｋ＞1 とする。
【００４６】
図８のステップＳ３０において、ＦＣコントローラ５３は、ステップＳ２１〜Ｓ２５における算出値等を用い、上記手順に基づいて許容電流密度Ａ２を計算する。この時、Ｋ値は、具体的には、
ａ）平均電流密度Ｍ等、燃料電池への要求出力値
ｂ）平均温度Ｔ等、燃料電池の状態を示す信号
を変数とした関数であり、一例としては、Ｋ＝ｆ（Ｍ、Ｔ）の値を２次元マップに記憶しておくことができる。
【００４７】
ステップＳ３１では、異常判断手段５１に、反応ガス制御手段６１、冷却媒体制御手段７１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２、冷却媒体温度検出手段１１・マルチプレクサ１２、冷却媒体流量検出手段３１・マルチプレクサ３２のモニタ信号を送る。異常判断手段５１は、ステップＳ３２において、予め設定した最大電流密度Ａ１と、ステップＳ３０にて算出した許容電流密度Ａ２を用いて、セル面内の各部位における発電電流密度Ａと比較することにより、上述したＡ１異常またはＡ２異常の有無を判定し、その結果をＦＣコントローラ５３に出力する。
【００４８】
ＦＣコントローラ５３は、Ａ１またはＡ２異常が検出されると、ステップＳ３３において、反応ガス制御手段６１、冷却媒体制御手段７１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２に異常処置指令を送り、制御値を変更する。その後、ステップＳ３１に戻り、ステップＳ３２において、異常が検出されなくなるまでこれを繰り返す。ステップＳ３３における異常処置指令として、具体的には、以下の (ａ）〜（ｅ）の異常抑制手段を、個別あるいは組み合わせて行うことができる。
（ａ）反応ガスの供給量・圧力の増減
（ｂ）反応ガスの加湿量を増やす
(ｃ）冷却媒体の流量を増やす
(ｄ）冷却媒体の温度を下げる
(ｅ）総発電量を下げる
例えば、Ａ１異常の場合には、故障をまねくおそれがあることから、緊急停止に近い (ｅ）を選択し、より軽微な異常であるＡ２の場合には、発電電流密度分布のムラを小さくするために、 (ａ）を選択し、ガス供給量や圧力を増加する制御を行うとよい。その他、燃料電池セル構成や特性と、異常の程度等に応じて、 (ａ）〜（ｅ）の選択やその制御量の設定を適宜行うことで、異常を解消することができる。
【００４９】
以上により、本発明によれば、簡易な構成でセル面内の発電電流密度分布を測定でき、電流密度を実測したり、測定の際に総発電量を変更するといった必要がなく、燃料電池特性の経時変化にも対応可能である。よって、低コストで信頼性の優れた燃料電池システムを実現することができる。
【００５０】
なお、本発明が適用される燃料電池システムは、上記図１の構成に限定されるものではなく、燃料電池セルＣ構成、例えばバイポーラプレート２、２’形状や、反応ガス流路・冷却媒体流路構成等を変更することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態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】本発明の第２実施形態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３】特定部位の発電電流を測定する手順を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池セルの出力（電流−電圧）特性を示す図である。
【図５】（ａ）は、燃料電池スタック構造の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体概略構成図である。
【図７】燃料電池システム全体の通常制御のフローチャートである。
【図８】燃料電池システムの異常判断を含む制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
Ｓ  ＰＥＦＣスタック
Ｃ  燃料電池セル
１１  冷却媒体温度検出手段
１２  マルチプレクサ
２、２’バイポーラプレート
１  セル電圧検出手段
２１  セル電圧検出手段
２２  マルチプレクサ
３  冷却媒体流路
３１  冷却媒体流量検出手段
３２  マルチプレクサ
４  燃料ガス流路
４１  電流分布・温度分布演算手段
５  酸化剤流路
５１  異常判断手段
５２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
５３  ＦＣコントローラ
５４  負荷
６１  反応ガス制御手段（異常抑制手段）
７１  冷却媒体制御手段（異常抑制手段）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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