(57)【要約】【課題】燃料電池のシールの劣化を適切に判定することができる装置を提供する。【解決手段】水素または水素含有ガスを燃料ガスとして用い、水素漏れを抑制するためのシール材１０７、１０８を有する燃料電池１と、燃料電池１を収容するケース２と、ケース２の換気を行う換気ファン７を備える。また、換気段７により、ケース２から排出される換気空気の水素濃度を検知する水素濃度センサ８と、燃料電池１への燃料ガスの供給開始後の、水素濃度センサ８の出力の単位時間変化量に基づいて、シール材１０７、１０８の状態を判定する判定手段（Ｓ７、Ｓ９）と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素または水素含有ガスを燃料ガスとして用い、水素漏れを抑制するためのシール部を有する燃料電池と、
前記燃料電池を収容するケースと、
前記ケース内の換気を行う換気手段と、
前記換気手段により前記ケースから排出される換気出口の水素濃度を検知する水素濃度検知手段と、
前記燃料電池への燃料ガスの供給開始後の、前記水素濃度検知手段の出力の単位時間変化量に基づいて、前記シール部の劣化状態を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池シール劣化判定装置。
【請求項２】
前記換気手段による換気を開始し、前記水素濃度検出手段により検出される水素濃度がピークとなった後、かつ、前記燃料電池への燃料ガスの供給開始後の、前記水素濃度検知手段の出力の単位時間変化量に基づいて、前記シール部の劣化状態を判定する請求項１に記載の燃料電池シール劣化判定装置。
【請求項３】
前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段を備え、
前記燃料電池への燃料ガス供給開始後の、前記水素濃度検出手段の出力の単位時間変化量と、前記燃料電池の温度に基づいて、前記シール部の劣化状態を判定する請求項１または２に記載の燃料電池シール劣化判定装置。
【請求項４】
前記燃料電池への燃料ガス供給開始後の、前記水素濃度検知手段の単位時間変化量に基づいた前記シール部の劣化状態の判定基準を、前記燃料電池の運転圧力によって補正する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池シール劣化判定装置。
【請求項５】
前記燃料電池への燃料ガス供給開始後の、前記水素濃度検知手段の単位時間変化量に基づいた前記シール部の劣化状態の判定基準を、前記燃料電池への水素供給量と発電量とによって補正する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池シール劣化判定装置。
【請求項６】
起動時の換気出口における水素濃度の単位時間変化量が、前記燃料電池への水素供給開始までに負とならない場合には、前記ケース外の漏れが発生していると判定する請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池シール劣化判定装置。
【請求項７】
水素漏れを抑制するためのシール部を有する燃料電池のシール劣化判定方法であって、
水素または水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池を収容するケースの換気を開始し、
前記燃料電池への燃料ガスの供給を開始した後、
前記ケースから排出される換気出口の水素濃度の単位時間変化量に基づいて、前記シール部の劣化状態を判定することを特徴とする燃料電池シール劣化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のシール劣化を判定するための装置および方法に関する。特に、シール構造を有する単位セルを積層してなる固体高分子型燃料電池を、ケース内に収容して構成した燃料電池システムに用いるシール劣化判定装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の燃料ガスとして使用される水素は、透過性の高い物質であるため、完全に遮断するのは極めて難しい。特に、必要な電圧を得るために多数のセルによる積層構造をとる場合、燃料電池から水素が漏洩するのを完全に遮断するのは難しい。
【０００３】
よって、通常の状態でも、極めて微量の水素が外部に漏洩する可能性があるが、水素は拡散性が非常に高いため、燃料電池の周囲が密閉されていなければ、可燃濃度域まで至ることはほぼ皆無である。しかしながら、衝撃や振動等の外力が直接加わったり、高電圧となる燃料電池に簡単に接触することを防止する目的で、燃料電池をケース内に設置するのが一般的である。そのため、ケース内の配管接続部の緩みや、セル積層部のシールの劣化等による漏れが発生した場合には、ケース内に漏洩した水素が滞留して可燃濃度となってしまう可能性がある。
【０００４】
そこで、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池を換気可能なケースに収納したものが知られている。ケース内に水素濃度を検出する水素センサを設置してケース内の水素濃度を常時監視し、水素センサで検知された水素濃度が所定値を超えた時には、換気ファンを運転して強制換気し、ケース内の水素濃度を低減するようにしている（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００５】
また、燃料電池の作動圧力が高いほど水素の漏れ量が多くなることを利用したものも知られている。これは、水素センサの検出値と現在の作動圧力での水素漏れ量と燃料電池の特性に基づいて、燃料電池からの水素漏れ量が所定値を超えない作動圧力を予測し、その圧力以下に作動圧力を制限している（例えば、特許文献２、参照）。
【特許文献１】特開平８−３１４３６号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０９４号公報
【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、特開平８−３１４３６号公報においては、なんらかの異状によりケース内に漏れが生じて初めて動作する機構であり、発生した場合には、運転を急停止せざるを得ない可能性がある。また、特開２００３−１７０９４号公報においては、漏れ量と水素濃度の相関関係からある程度の漏れ量増大の予測をして運転圧力の制限を行っているため、急激な運転停止を避けることはできるものの、シールの劣化度合いを判定して点検や交換を促すような精度の高い予測は難しい。
【０００７】
さらに、特開平８−３１４３６号公報、特開２００３−１７０９４号広報においては、運転を停止し、換気装置を停止した後に、燃料電池内や配管内に残留した水素が少しずつ漏れ出てケース内に滞留し、次の起動時に通常よりも高い濃度をセンサが検知する場合がある。そのため、実際には異状な漏れはないのに運転が停止したり、運転圧力の制限を掛けて要求される出力が得られない可能性がある。
【０００８】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、燃料電池のシールの劣化を適切に判定することができる装置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】
【０００９】
本発明は、水素または水素含有ガスを燃料ガスとして用い、水素漏れを抑制するためのシール部を有する燃料電池と、前記燃料電池を収容するケースと、前記ケース内の換気を行う換気手段と、を備える。また、前記換気手段により前記ケースから排出される換気出口の水素濃度を検知する水素濃度検知手段と、前記燃料電池への燃料ガスの供給開始後の、前記水素濃度検知手段の出力の単位時間変化量に基づいて、前記シール部の劣化状態を判定する判定手段と、を備える。
【００１０】
また、水素漏れを抑制するためのシール部を有する燃料電池のシール劣化判定方法であって、水素または水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池を収容するケースの換気を開始し、前記燃料電池への燃料ガスの供給を開始した後、前記ケースから排出される換気出口の水素濃度の単位時間変化量に基づいて、前記シール部の劣化状態を判定する。
【発明の効果】
【００１１】
燃料電池への燃料ガスの供給を開始した後、ケースから排出される換気出口の水素濃度の単位時間変化量に基づいて、シール部の劣化状態を判定することで、実際にシール部の劣化が生じているのか、もしくは、単に滞留した水素が出てきた理由によるものなのかを判定できる。また、換気出口の水素濃度の単位時間変化量から劣化度合いを推定することができ、燃料電池のシール部の劣化状態を適切に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１の実施形態について説明する。燃料電池１に用いる単位セル１００の構成を図１に示す。
【００１３】
電解質として固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１０１を備える。電解質膜１０１の両面の反応エリアにアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３を備える。さらにその外側に、アノードガス拡散層１０４、カソードガス拡散層１０５を備える。アノードガス拡散層１０４に隣接してアノードバイポーラプレート１０９を、カソードガス拡散層１０５に隣接してカソードバイポーラプレート１１０を備える。アノード触媒層１０２とアノードガス拡散層１０４の外周、および、カソード触媒層１０３とカソードガス拡散層１０５の外周には、それぞれ電解質膜１０１を支持する支持材１０６を設ける。さらに支持材１０６とアノードバイポーラプレート１０９との間には、アノード側シール材１０７を、支持材１０６とカソードバイプレート１１０との間には、カソード側シール材１０８を備える。アノード側シール材１０７およびカソード側シール材１０８（以下、シール材１０７、１０８）により、単位セル１００の外縁からのガスの漏洩を抑制する。
【００１４】
このような単位セル１００を、図２に示すように複数積層してスタック２０２を構成する。さらに、スタック２０２を、積層方向端部に設けたエンドプレート２０１で狭持することにより燃料電池１を構成する。複数の単位セル１００とエンドプレート２０１は、既知の締結方法により積層方向に荷重がかけられて固定される。このように、積層方向にかけられた荷重を維持することにより、シール材１０７、１０８がアノードバイポーラプレート１０９、カソードバイポーラプレート１１０（以下、バイポーラプレート１０９、１１０）および支持材１０６に密着し、シール性が保持される。
【００１５】
さらに、このような燃料電池１を、図３に示すようなケース２内に収容する。燃料電池１を移動体の動力源として用いる場合などには、コンパクト化することが好ましい。そのため、ケース２を燃料電池１との容積差が小さくなるように、つまり、燃料電池１とケース２の間に形成される隙間が小さくなるように構成する。
【００１６】
また、ケース２の外部から燃料電池１に反応ガスや冷却水を供給・排出するためのガス・冷却水配管３を備える。ケース２の内部には、ケース２に燃料電池１を固定するために、絶縁材により構成された支持材４を備える。さらにケース２には、外部の空気をケース２内に取り込むための換気用空気取り入れ口５と、排出するための換気用空気排出口６を備える。換気用空気取り入れ口５には換気ファン７を備え、換気用空気排出口６には水素濃度センサ８を備える。ここでは、ケース２を設置した際に、換気用空気取り入れ口５が垂直方向下方部に、空気用空気排出口６が垂直方向上方部に位置するように構成する。また、換気用空気取り入れ口５と換気用空気排出口６が、燃料電池１を挟んで反対側に位置するように構成する。
【００１７】
また、燃料電池１の温度を検出する温度センサ９を備える。水素濃度センサ８、温度センサ９の出力はコントローラ１０に入力され、コントローラ１０においてシール材１０７、１０８の劣化状態を判定する。
【００１８】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池１の運転時には、燃料電池１自身の温度が上昇することにより熱膨張が生じ、また、湿潤されることにより電解質膜１０１が膨張するので、シール材１０７、１０８は十分なシール性を保持することができる。これに対して燃料電池１の発電停止時には、締付けられていたシール面が僅かに緩み、微量な水素がケース２内に漏洩・滞留してしまう。このような状態から、燃料電池システムを起動した場合の、水素濃度センサ８で検出される水素濃度の変化の例を図４に示す。
【００１９】
燃料電池システムが起動するとまず電源が入り、換気ファン７が動作を始める。停止中にスタック２０２から漏洩した微量の水素により、始めに水素濃度センサ８で検出される水素濃度は通常よりも高くなる場合が多い。ただし、このときの水素濃度の全体値は、停止後の経過時間やスタック２０２の温度の状態により大きく変化する。水素の供給が始まるまでの時間（以下、掃気期間）、滞留していた水素が排出されるだけの動作となる。
【００２０】
ここで、燃料電池１とケース２との隙間が大きい場合には、水素の滞留する位置に応じて、検出される水素濃度のピークが異なる。掃気期間は、少なくともこのピークが過ぎるまでの期間とする。掃気期間終了時には、何らかの異状が発生していない限り、水素濃度の傾きは負となる。
【００２１】
ただし、本実施形態では、燃料電池１とケース２との隙間が小さくなるように構成すると共に、換気用空気排出口６を上方に形成しているので、起動してから水素濃度のピークが生じるまでの時間は十分に短くなり、ほぼ起動時に水素濃度のピークが検出される。そこで、掃気期間を、燃料電池１以外の補機類の始動時チェックが終了するまでの時間とする。このとき、掃気期間中は、何らかの異状が生じていない限り水素濃度の傾きは常に負となる。
【００２２】
掃気期間が終了して、水素の供給が始まり、圧力をもった水素がスタック２０２に供給されると、スタック２０２から微量の水素が漏れ出し始める。そのため、検出される水素濃度は、減少方向の傾きが小さくなる。しかしながら、発電開始後、燃料電池１の温度が上がると、セル自体のシール性能が向上するので、水素濃度が大きく減少する。なお、通常は、燃料電池１の通常時運転温度（６０〜８０℃程度）の範囲において、シール性能が最も発揮されるように設計されている。やがて所定の温度以上となると、可燃濃度域を測定できる水素濃度センサ８を用いた場合には、測定限界未満となっていく。以下、ガス供給開始から、この所定温度になるまでの時間を暖機期間と呼ぶ。
【００２３】
本実施形態では、この暖機期間において、水素濃度の変化の傾きを観測してスタック２０２のシール材１０７、１０８の劣化度合いを判定する。
【００２４】
図１に示したようなアノード側シール材１０７、カソード側シール材１０８、および、スタック２０２を形成する際に単位セル１００同士をシールする図示しないシール材１１１は、スタック２０２の運転温度、保管される温度域において常にシール性能を発揮できるように、積層方向に常にある値以上の荷重を保つように構成される。しかしながら、シール材１０７、１０８、１１１が劣化してくると、永久変形や硬化が始まり、温度が下がったときには、荷重が抜けて十分なシール性能を発揮できなくなるものが発生する。特に、シール材１０７、１０８が劣化すると、水素の漏れ量が増加してしまう。ただし、このときにも、温度が上がると、バイポーラプレート１０９、１１０の膨張や、電解質膜１０１の加湿による膨潤により積層方向の荷重が増すため、十分なシール性能を保てることが多い。
【００２５】
このように、完全にシール材１０７、１０８が劣化して許容量以上の漏れを発生する前に、劣化状態を把握し、交換時期を推定する必要がある。
【００２６】
そこで、燃料電池システム起動時に、燃料電池１の起動を開始するとともに図５に示すようなフローをコントローラ１０で実行することにより、シール材１０７、１０８の劣化判定し、シール材１０７、１０８の寿命を予測する。本フローは、燃料電池システムの起動開始と同時に開始する。
【００２７】
なお、後述する水素濃度の変化率ＤH2は、水素濃度の減少を示す場合には負、増加を示す場合には正となる。
【００２８】
ステップＳ１において、燃料電池システムの電源が入れられると、各種センサが起動して、断線等の診断を行う。次に、ステップＳ２において、換気ファン７を起動し、ケース２内の水素の排出を開始するとともに、水素濃度センサ８において水素濃度ＣH2のモニタを開始する。ここでは常時水素濃度ＣH2をモニタし、これにより、その時点の水素濃度の変化率ＤH2を検出可能とする。
【００２９】
ステップＳ３において、水素濃度の変化率ＤH2が負であるか否かを判定する。水素濃度の変化率ＤH2が負ではないとき、つまり水素濃度が一定、または増加している場合には、ケース２外で漏れが発生してこれを換気ファン７で吸い込んだ、と推定できる。そこで、燃料電池システムの運転を停止することにより、安全性を確保する。
【００３０】
一方、水素濃度の変化率ＤH2が負であると判定された場合には、ステップＳ４に進み、水素の供給が開始されているか否かを判定する。水素の供給が開始されていない掃気期間であれば、ステップＳ３に戻り、水素濃度の変化率ＤH2により異状が生じていないか否かを判定する。水素濃度の変化率ＤH2が負である状態、つまり水素濃度の減少を維持した状態で水素供給が開始され、暖機期間に移行したら、ステップＳ５に進む。
【００３１】
ステップＳ５において、温度センサ９を用いて燃料電池１の運転温度ＴOPを検出し、それに応じて補正係数Ｒtempを演算する。運転温度ＴOPが上がればシール性能が向上して水素漏れが減るという相関があることから、ここでは、事前に多項式あるいはテーブルとして温度に対する補正係数Ｒtempを記憶しておく。
【００３２】
次に、ステップＳ６において、シール材１０７、１０８の劣化が始まっているか否かを判定する際の基準値を演算する。ここでは、劣化が始まっていない新品のシール材１０７、１０８を用いた場合の、暖機期間における温度一定時の水素濃度の変化率を基準値ＤH2-iniとして予め記憶しておく。この基準値ＤH2-ini対して、上述した補正係数Ｒtempを掛けて補正した基準値ＤH2Rtを演算する。ステップＳ７において、シール材１０７、１０８の劣化が始まっているか否かを判定する。演算された基準値ＤH2Rtを計測した水素濃度の変化率ＤH2から引き算することにより求めた比較値ＤＤOPを演算し、その値が正であるか負であるかを判定する。
【００３３】
ここで比較値ＤＤOPが０以下である場合には、新品と同様の、またはそれ以上に水素の漏れがないと判定できるので、シール材１０７、１０８の劣化は生じていないと判定してステップＳ８に進む。一方、比較値ＤＤOPが０以上の場合、つまり、水素濃度の減少割合が新品のものより小さいと判定された場合には、シール材１０７、１０８の劣化が始まったと判定してステップＳ９に進む。
【００３４】
ステップＳ９において、シール材１０７、１０８の劣化の度合いを判定する。比較値ＤＤOPと所定値ＤＤとの比較を行い、比較値ＤＤOPが所定値ＤＤを超えている場合には、シール材１０７、１０８に許容できない劣化が発生していると判定して、点検、交換を促す警告を発進するとともに、燃料電池１の運転を停止する。一方、比較値ＤＤOPが所定値ＤＤを以下の場合には、劣化は始まったが、まだ許容範囲であると判定して、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０において、比較値ＤＤOPの値に応じて交換時期を演算して、交換推奨時期として使用者に視覚的あるいは音声にて信号を発信する。つまり、シール材１０７、１０８の寿命を演算する。なお、ここでは交換時期（寿命）を、比較値ＤＤOPに応じて予め設定しておき、テーブルとして記憶しておく。
【００３５】
さらに、前回メモリに記録した比較値ＤＤOPと今回得た比較値ＤＤOPを比較し、その差が所定値より小さいときには今回の比較値ＤＤOPをメモリに記憶してステップＳ８に進む。一方、その差が所定値以上の場合には、急激に劣化が進んだとする。つまり、換気される空気の水素濃度の減少量が急激に小さくなった場合には、シール材１０７、１０８の劣化が急激に進んだと判定する。そこで、使用者に視覚的あるいは音声にて点検、交換を促す警告信号を発信してから、ステップＳ８に移行する。
【００３６】
ステップＳ８において、燃料電池１の運転温度ＴOPが所定値Ｔiniに達したか否かを判定する。ここで、所定値Ｔiniを、シール材１０７、１０８の劣化が許容できる範囲である場合に、燃料電池１のシール性能が十分となる温度とする。ここでは、燃料電池１の運転温度が所定所定値Ｔiniに達した場合に、換気される空気の水素濃度が水素濃度センサ８の検出下限値未満となるような温度とする。例えば所定値Ｔiniを６０℃とする。燃料電池１の温度Ｔopが所定値Ｔiniに達するまで、ステップＳ５〜Ｓ１０を繰り返し、所定値Ｔiniに達したら、暖機期間が終了したと判定してステップＳ１１に進む。
【００３７】
ステップＳ１１において、水素濃度センサ８を用いて水素濃度ＣH2を検出し、これと所定値ＣH2-iniとを比較する。ここで、所定値ＣH2-iniを、異状が発生していない場合に、燃料電池１が所定温度Ｔiniに達した時点で検出される水素濃度とする。ここでは所定値ＣH2-iniを０、またはその近傍とする。水素濃度ＣH2が所定値ＣH2-iniより大きい場合には、ケース２内の配管等からの漏れが発生していると判定して運転を停止する。一方、所定値ＣH2-ini以下の場合には、許容範囲であると判定して通常運転に移行する。
【００３８】
このように、起動後の水素濃度の変化率ＤH2に応じて、シール状態が良好であるか、劣化が生じているかを判定する。また、シール状態が良好である場合の水素濃度の変化率ＤH2-iniと、測定した水素濃度変化率ＤH2との差から、シール材１０７、１０８の劣化の程度を判定する。このとき、シール材１０７、１０８の性能は、燃料電池１の温度に応じて変化するので、正常時の水素濃度変化率から設定された基準値ＤH2-iniを、燃料電池１の温度に基づいて補正することにより基準値ＤH2Rtを設定する。
【００３９】
なお、本実施形態では、起動後、水素濃度のピークが現れるまでの時間が十分短いとして、ほぼ起動時に水素濃度のピークが現れるとしている。ただし、厳密にいえばケース２内のどこに残留水素が残っているかにより、換気ファン７起動後の水素濃度のピーク位置が異なるので、燃料電池１とケース２の隙間が大きい場合などには、換気を開始してケース２内の水素濃度が略一定となるまでに必要な時間を所定時間として予め設定し、所定時間経過後にステップＳ３に進んでも良い。
【００４０】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４１】
水素または水素含有ガスを燃料ガスとして用い、水素漏れを抑制するためのシール材１０７、１０８を有する燃料電池１と、燃料電池１を収容するケース２と、ケース２内の換気を行う換気ファン７を備える。また、換気ファン７により、ケース２から排出される換気空気の水素濃度を検知する水素濃度センサ８と、燃料電池１への燃料ガスの供給開始後の、水素濃度センサ８の出力の単位時間変化量に基づいて、シール材１０７、１０８の劣化状態を判定する判定手段（Ｓ７、Ｓ９）と、を備える。これにより、ケース２から排出される水素濃度の変化率ＤH2から、実際にシール材１０７、１０８の劣化が生じているか、もしくは、単に滞留した水素が出てきた理由によるものなのかを判定できる。その結果、シール材１０７、１０８の状態を適切に判定し、無為に運転を停止したり出力を抑制することを避けることができる。また、特別な付加なしに、安価で精度のよいシール劣化判定装置を提供することができる。さらに、水素濃度の変化率ＤH2と基準値ＤH2-iniとを比較することにより、シール材１０７、１０８の劣化の程度を判定することができる。水素の漏れ量の変化を演算し、徐々に漏れ量が増えている場合に、シール材１０７、１０８の劣化が始まったと判定する。このとき、初期値との差ＤＤOPに応じて警告を発し、事前に交換品の準備を促すことにより運転が停止される期間を最小にすることができる。
【００４２】
換気ファン７による換気を開始し、水素濃度センサ８により検出される水素濃度がピークとなった後、かつ、燃料電池１への水素の供給開始後の、水素濃度センサ８の出力の単位時間変化量に基づいて、シール材１０７、１０８の劣化状態を判定する。運転停止以降にケース２内に漏れ出した微量な水素により、起動時には換気用空気排出口６の水素濃度が一時的に高くなる。そこで、シール材１０７、１０８の劣化状態は、水素濃度ピーク後の水素濃度の変化率ＤH2に応じて判定する。これにより、実際に劣化が生じているか、もしくは、単に滞留した水素が排出されたのかを判定することができるため、運転を停止することなく精度のよい検出を行うことができる。
【００４３】
また、燃料電池１の温度を検知する温度センサ９を備え、燃料電池１への燃料ガス供給開始後の、水素濃度センサ８の出力の単位時間変化量と、燃料電池１の温度ＴOPに基づいて、シール材１０７、１０８の劣化を判定する。ここでは劣化を判定する基準値ＤH2-iniを温度ＴOPに応じて設定された補正係数Ｒtempにより補正する。シール材１０７、１０８が劣化していない場合においても、燃料電池１の温度が上昇するに従って、膨張による単位セル１００のシール性が改善される。そのため、燃料電池１の温度に応じて水素の漏洩量が変化してくる。そこで、燃料電池１の温度ＴOPに応じた補正を行うことで、シール材１０７、１０８の劣化状態をより精度よく判定することができる。
【００４４】
また、起動時の換気用空気排出口６における水素濃度の単位時間変化量が、燃料電池１への水素供給開始までに負とならない場合には、ケース２外で水素漏れが発生していると判定する（Ｓ３）。このように、換気ファン７によってケース２内に吸い込んだケース２外の水素漏れを判定することができる。
【００４５】
ここでは、特に、燃料電池１とケース２との隙間が十分に小さくなるように構成している。そのため、水素を供給していない状態、つまり、掃気期間中に水素濃度の上昇を検知した場合には、ケース２外で水素漏れが発生していると判定する。また、燃料電池システムの運転を停止する。これにより、より安全な運転が可能となる。
【００４６】
このように、水素漏れを抑制するためのシール材１０７、１０８を有する燃料電池１のシール劣化判定方法であって、水素ガスまたは水素含有ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池１を収容するケース２の換気を開始し、燃料電池１への燃料ガスの供給を開始する。その後、ケース２から排出される換気空気の水素濃度の単位時間変化量に基づいて、シール材１０７、１０８の状態を判定する。これにより、停止中に漏洩しケース２内に滞留する水素を検知した場合に、シール材１０７、１０８の劣化を判定することなく、精度のよい劣化判定を行うことができる。
【００４７】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池１および燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。以下、第１の実施形態と異なる部を中心に説明する。
【００４８】
燃料電池システム起動時に行うシール状態の判定方法を、図６に示すフローチャートに従って行う。
【００４９】
ここでは、シール材１０７、１０８が劣化しているか否かの判定の基準となる基準値ＤH2Rtを演算する際に、燃料ガスの供給圧力である運転圧力ＰOPに応じた補正を行う。ここで、シール状態が良好である場合にも、運転圧力ＰOPが大きい場合には漏洩する水素量が増大するという相関関係がある。なお、燃料電池１に圧力センサ１１を備えることで運転圧力ＰOPを検出する。または、要求出力から設定される要求運転圧力を用いても良い。
【００５０】
そこで、図６のステップＳ５−２においては、ステップＳ５と同様に運転温度ＴOPを検出し、これに応じた補正係数Ｒtempを演算するのに加えて、運転圧力ＰOPを検出し、事前に与えられた多項式あるいはテーブルにより補正係数Ｒpressを演算する。
【００５１】
そして、ステップＳ６−２において、基準値ＤH2Rtpとして、初期水素濃度の変化率ＤH2-iniに、温度補正係数Ｒtempと圧力補正係数Ｒpressを掛けたものを求める。ステップＳ７−２において、比較値ＤＤOPとして出力値ＤH2と基準値ＤH2Rtpの差を求め、これを用いてシール材１０７、１０８の劣化判定およびシール材１０７、１０８の劣化程度の判定を行う。
【００５２】
なお、その他の制御は第１の実施形態と同様とする。
【００５３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５４】
燃料電池１への燃料ガス供給開始時からの水素濃度センサ８の単位時間変化量に基づいたシール材１０７、１０８の劣化の判定基準を、燃料電池１の運転圧力ＰOPによって補正する。ここでは劣化を判定する基準値ＤH2-iniを運転圧力ＰOPに応じて設定された補正係数Ｒpressにより補正する。これにより、運転圧力ＰOPの増大に伴って増大する漏れ量を補正することができるため、より精度良くシール材１０７、１０８の劣化度合いを判定できる。
【００５５】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池１および燃料電池システムの構成を第２の実施形態と同様とする。以下、第２の実施形態と異なる部を中心に説明する。
【００５６】
ここでは、水素供給量からそのときの発電量に相当する水素量を差し引いた量Ｑに応じて、水素濃度の変化率ＤH2を判定する初期水素濃度の変化率ＤH2-iniを補正する。水素供給量からそのときの発電量に相当する水素量を差し引いた量が多いほど、水素濃度センサ８で検出される水素濃度の変化率ＤH2が大きくなる。つまり、水素濃度の減少率が小さくなる。
【００５７】
そこで、図７のステップＳ５−３においては、第２の実施形態においてステップＳ５−２と同様に補正係数Ｒtempと、補正係数Ｒpressを演算するのに加えて、水素供給量と発電量とから演算した水素量Ｑを求め、これから補正係数Ｒflowを演算する。
【００５８】
そして、ステップＳ６−３において、基準値ＤH2Rtpfとして、初期水素濃度の変化率ＤH2-iniに、温度補正係数Ｒtempと圧力補正係数Ｒpressと水素量補正係数Ｒflowを掛けたものを求める。ステップＳ７−３において、比較値ＤＤOPとして出力値ＤH2と基準値ＤH2Rtpfの差を求め、これを用いてシール材１０７、１０８の劣化判定およびシール材１０７、１０８の劣化程度の判定を行う。
【００５９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１、第２の実施形態の効果とは異なる効果のみを説明する。
【００６０】
燃料電池１への燃料ガス供給開始後の水素濃度センサ８の単位時間変化量に基づいたシール材１０７、１０８の劣化の判定基準を、燃料電池１への水素供給量と発電量とによって補正する。ここでは劣化を判定する基準値となるＤH2-iniを水素供給量と発電量に応じて設定された補正係数Ｒflowにより補正する。これにより、より精度よくシール材１０７、１０８の劣化度合いを判定することができる。
【００６１】
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、シール構造を有し、ケース内に収容される燃料電池の、シール状態を検知するための装置および方法に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる燃料電池スタックの構成図である。
【図３】第１の実施形態に用いる燃料電池およびその周辺の構成図である。
【図４】起動時のケース内の水素濃度の変化の例を示す図である。
【図５】第１の実施形態に用いるシール状態を判定するためのフローチャートである。
【図６】第２の実施形態に用いるシール状態を判定するためのフローチャートである。
【図７】第３の実施形態に用いるシール状態を判定するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１    燃料電池
２    ケース
７    換気ファン
８    水素濃度センサ
９    温度センサ
１１  圧力センサ
１０７  アノード側シール材
１０８  カソード側シール材
Ｓ７、Ｓ９  判定手段
【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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