JP5286741B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、多孔質セパレータを介して反応ガスを加湿し、かつ気化潜熱でシステムを冷却する純水が流通する流通路を備えた燃料電池システムに関する。

一般に固体高分子型燃料電池では、使用されている固体高分子電解質膜の湿潤状態によっては、イオン導電性を十分に発揮できないものがあるので、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿することにより固体高分子電解質膜の湿潤状態を保持している。

燃料ガスや酸化剤ガスの加湿方法には、燃料電池スタックの外部に設けた加湿器により加湿する外部加湿方式と、燃料電池スタックの内部で加湿する内部加湿方式とがある。

内部加湿方式では、水分を染み込ませることができる多孔質セパレータ（ポーラスタイプのセパレータ）を用い、これら多孔質セパレータに純水などを供給し、多孔質セパレータに染み込んだ水分と燃料ガスや酸化剤ガスとを接触させることで燃料ガスや酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを加湿している。また、内部加湿方式の中には、多孔質セパレータに染み込んだ水分の蒸発に伴う気化潜熱によって燃料電池を冷却する燃料電池システムがある。

このような多孔質セパレータを備えた従来の燃料電池としては、例えば以下に示す特許文献１、特許文献２に記載されたものが知られている。
特開平６−０６８８８４号公報 特開平８−２５０１３０号公報

上記従来の燃料電池で採用されている多孔質セパレータは、水分で十分に湿潤している場合は反応ガスが透過しにくくなる特徴がある一方で、乾燥時に十分な水分量を含有していない場合には反応ガスが多孔質セパレータを透過してしまう可能性があった。しかし、多孔質セパレータを介して反応ガスが通常経路から漏洩した場合に、これを検知することができないといった不具合があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多孔質セパレータを介した反応ガスの漏洩を検知することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、多孔質セパレータを介して前記燃料電池を流通する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれか一方を加湿し、かつ気化により前記燃料電池を潜熱冷却する純水が前記燃料電池内を含んで流通する純水流路を備えた燃料電池システムにおいて、前記多孔質セパレータを介して燃料ガスならびに酸化剤ガスの少なくともいずれか一方が、前記純水流路に漏洩していることを検知する検知手段を備え、前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の前記純水流路に設けられた流量検出手段と、前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞する閉塞手段を有し、前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記流量検出手段が前記燃料電池の上流側の前記純水流路で純水の逆流を検出した場合に漏洩を検知することを特徴とする。

本発明によれば、多孔質セパレータを介して燃料ガスならびに酸化剤ガスの少なくともいずれか一方が、純水流路に漏洩していることを検知することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

本発明の各実施例１〜９を説明する前に、図１に示す基本構成図ならびに図２の基本動作を示すフローチャートを参照して、各実施例に共通した基本構成ならびに基本動作を説明し、その後各実施例に特徴的な構成ならびに作用を説明する。

図１において、各実施例に共通した本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタック１０１を備えている。この燃料電池スタック１０１は、固体高分子電解質膜を含むＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）１０２を挟んでアノード極１０３とカソード極１０４とが対設され、このアノード極１０３ならびにカソード極１０４の外側に多孔質セパレータ（ポーラスセパレータ）１０５が配置された燃料電池セルの構造体が複数積層（図示せず）されて構成されている。

このような燃料電池スタック１０１は、アノード極１０３側に燃料ガスを供給する燃料ガス流路（図示せず）が設けられ、カソード極１０４側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路（図示せず）が設けられている。

なお、以下の説明では燃料ガスおよび酸化剤ガスを総称して反応ガスと呼ぶ。また、以下の実施例においては、燃料電池スタック１０１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスをアノード極１０３に供給し、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をカソード極１０４に供給するものとして説明する。

燃料電池スタック１０１は、固体高分子電解質膜を加湿させる加湿用の純水が供給される多孔質セパレータ１０５によって、各燃料電池セルを区分している。この多孔質セパレータ１０５は、一方面が隣接する燃料電池セルの電極側に対向し、各電極に対応した反応ガス流路を形成しており、他方面に加湿用の純水が流通する純水流路１０６が設けられている。これにより、燃料電池スタック１０１は、加湿用純水が純水流路１０６に供給されることにより多孔質セパレータ１０５の多孔質面が加湿用純水で満たされ、多孔質セパレータ１０５に染み込んだ加湿用純水によって燃料電池スタック１０１に供給される反応ガスを加湿し、加湿された反応ガスによって固体高分子電解質膜を加湿している。

このような燃料電池システムは、燃料電池スタック１０１を発電させるに際して、アノード極１０３に加湿した水素ガスを、カソード極１０４には加湿した空気を供給し、燃料電池スタック１０１内の固体高分子電解質膜を加湿し、気化潜熱によって燃料電池スタック１０１を冷却させる加湿用純水を供給する内部加湿型気化潜熱冷却型の燃料電池システムである。この燃料電池システムは、後述するコントローラ１０７で運転動作が制御管理されている。

燃料電池スタック１０１に供給される空気は、空気供給用ポンプ１０８で大気を加圧し、例えば空気加湿器（図示せず）にて加湿した後、空気流通配管Ｌ１を介して燃料電池スタック１０１のカソード極１０４に供給される。このとき、コントローラ１０７は、空気供給用ポンプ１０８に接続されたポンプ駆動用のモータ（図示せず）の回転数を制御するとともに、空気排出側の空気流通配管Ｌ１に設けられた空気調圧弁１０９の開度を制御することによりカソード極１０４に供給する空気流量および空気圧力を調整する。

燃料電池スタック１０１に供給される水素ガスは、水素タンク１１０に貯蔵された状態から水素調圧弁１１１、水素流通配管Ｌ２を順に介して燃料電池スタック１０１のアノード極１０３に供給される。アノード極１０３から水素排出側の水素流通配管Ｌ２に排出された未使用の水素は、通常例えば循環経路に設けられた水素循環ポンプ１１２によって再度アノード極１０３側へ循環されて再供給される。

また、固体高分子電解質膜を介してカソード極１０４からアノード極１０３へ透過した窒素は循環経路に蓄積するため、例えば蓄積された窒素を循環経路外へパージするパージ弁１１３を備えている。このとき、コントローラ１０７は水素調圧弁１１１の開度を制御してアノード極１０３に供給する水素圧力を調整するととともに、水素循環ポンプ１１２に接続されたモータの回転数およびパージ弁１１３の開度を調整する。

燃料電池スタック１０１に供給される加湿用純水は、燃料電池システムの設置環境における高さ方向に対して燃料電池スタック１０１よりも高い上方に設置されて大気開放された純水タンク１１４に貯蔵された状態から、純水流通配管Ｌ３を介して燃料電池スタック１０１に供給される。純水流路１０６の排出側（下流側）の純水流通配管Ｌ３には開閉弁１１５が設けられ、例えば通常運転時には閉弁されて燃料電池スタック１０１の内部で蒸発した量だけ、純水タンク１１４から燃料電池スタック１０１に純水が供給される。

なお、開閉弁１１５は、初期状態での純水流通配管Ｌ３への水入れやガス抜きの際、ならびに多孔質セパレータ１０５を介して純水流通配管Ｌ３に反応ガスが透過した後の水入れやガス抜きの際に開弁され、通常発電時には閉弁されている。

燃料電池スタック１０１に供給された純水は、多孔質セパレータ１０５の多孔質面を水分で満たして反応ガスを加湿し、かつ燃料電池スタック１０１で発生する熱量を気化潜熱によって水蒸気として未反応ガスとともに燃料電池システムの外部へ排出させる。

さらに、システム外に排出される水蒸気を回収するために、例えば凝縮器１１６と気液分離器１１７等から構成される水回収装置を空気流通配管Ｌ１における空気調圧弁１０９の上流側に設け、この装置で回収した純水を純水回収配管Ｌ４を介して純水タンク１１４に送水することで、水収支を成立させることができる。なお、水回収装置から純水タンク１１４への送水は、例えば純水回収配管Ｌ４に設けた純水ポンプ（図示せず）等で行われる。

上記基本構成では、上述したように純水タンク１１４から燃料電池スタック１０１に純水を供給する際にポンプ等の補機類を使用しない構成を採用しているが、純水タンク１１４と燃料電池スタック１０１の間の純水流通配管Ｌ３に純水供給用のポンプを設け、このポンプにより純水タンク１１４から燃料電池スタック１０１に純水を供給する構成を採用してもよい。

コントローラ１０７は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ１０７は、後述する各実施例で説明するセンサやこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサからの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、上記各ポンプ、各弁を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する多孔質セパレータ１０５を介した反応ガスの漏洩を検知する動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

また、コントローラ１０７は、システムの運転時に予め設定された周期で図２のフローチャートに示す処理を繰り返し実行する。すなわち、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に漏洩したか否か判別し（ステップＳ２０１）、漏洩していると判別された場合には、燃料電池スタック１０１の発電を停止してシステムの運転を停止する（ステップＳ２０２）一連の処理を実行制御する。一方、漏洩していないと判別された場合には、通常運転を継続して処理を終了する。

以下に説明する各実施例では、図１に示す構成に対してさらに追加された各実施例に特徴的な構成、ならびに図２のステップＳ２０１で示す漏洩判断の手法について説明する。

図３は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す実施例１のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１と純水タンク１１４との間の純水流通配管Ｌ３に、純水タンク１１４から燃料電池スタック１０１に流通する純水の流量を検出する流量センサ３０１を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、流量センサ３０１で検出されたセンサ信号を読み込み、このセンサ信号に基づいて純水タンク１１４から燃料電池スタック１０１に流通する純水の流量が、予め設定された所定流量以下であるか否かを判別する。ここで、所定流量は、燃料電池スタック１０１側から純水タンク１１４側に純水が逆流しているものと推定できる値であり、例えば０Ｌ／ｍｉｎ以下としてもよいし、もしくは電流負荷（発電量）に応じた流量値を予め実験的に求め、その値に基づいて所定流量値を設定するようにしてもよい。

上記判別の結果、所定流量以下であると判別された場合には、純水が逆流しているものと推定し、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に透過して漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例１では、通常燃料電池システムに備えられた構成に流量センサ３０１を加えた簡易な構成で、反応ガスの漏洩を検知することが可能となる。

また、反応ガスの漏洩が検知された場合には、燃料電池システムの運転を停止することで、燃費性能や発電性能の低下、また気化潜熱冷却燃料電池システムにおける冷却性能の低下を回避することが可能となり、上記性能の低下した状態で運転を継続した場合に引き起こされるおそれがある燃料電池スタック１０１の損傷も回避することができる。

図４は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示す実施例２のシステムでは、先の図３に示す実施例１の構成に加えて、燃料電池スタック１０１の各セルごとのセル電圧をモニタするセル電圧センサ４０１を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、まず流量センサ３０１ならびにセル電圧センサ４０１で検出されたセンサ信号を読み込み、流量センサ３０１で得られた流量が、セル電圧センサ４０１のセンサ信号に基づいて推定された燃料電池スタック１０１の純水蒸発量よりも小さいか否かを判別する。判別の結果、小さいと判別された場合には、純水が逆流しているものと推定する。これにより、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に透過しているものと推定し、反応ガスの漏洩を検知することができる。

ここで、セル電圧センサ４０１で得られたセル電圧に基づいて燃料電池スタック１０１の純水蒸発量を推定する手法について説明する。

燃料電池スタックにおける電流−電圧特性（Ｉ−Ｖカーブ）は、例えば図５に示すように表される。この特性曲線に基づいて、燃料電池スタックが発電している状態では、燃料電池スタックの発熱量（Ｗ）は以下のように表される。

（数１）
燃料電池スタックの発熱量＝（Ｖｔ−Ｖ）Ｉ
ここで、Ｖｔは理論起電力である。

一方、燃料電池スタック１０１の外部放熱を無視した場合に、燃料電池スタック１０１の発電にともなって発生する発熱量は、燃料電池スタック１０１に供給される純水の蒸発に使用される。水の相変化、すなわち水が液体から気体に相変化する場合には、以下に示すように熱量が必要となる。

Ｈ_２Ｏ（液体）→Ｈ_２Ｏ（気体）＋４４０００（Ｊ／ｍｏｌ）
したがって、燃料電池スタック１０１の発熱量が燃料電池スタック１０１に供給された純水の蒸発熱にすべて使用されたものと仮定すると、純水の蒸発量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）は、以下のように表される。

（数２）
純水の蒸発量（mol/sec）＝燃料電池スタックの発熱量（Ｗ）／４４０００（Ｊ／ｍｏｌ）
なお、上記手法では、理解を容易にするために、燃料電池スタック１０１の発熱量がすべて純水が蒸発する際の熱量に使用されたものとして説明したが、燃料電池スタック１０１の電圧に対応した純水の蒸発量を予め実験的に求め、その結果をテーブル化してコントローラ１０７の記憶手段に記憶し、セル電圧センサ４０１で得られた計測値に基づいて上記テーブルを参照して純水の蒸発量を算出するようにしてもよい。

また、燃料電池スタック１０１の外部放熱量を考慮できるように、燃料電池スタック１０１の表面の温度ならびに大気の温度を計測し、両温度差から推定される外部放熱量で純水の蒸発量を補正するようにしてもよい。このような手法を採用することで、純水蒸発量の推定精度を向上させることが可能である。

なお、本実施例２では、純水蒸発量を推定する際にセル電圧をモニタしているが、セル電圧のモニタに代えて、燃料電池スタック１０１の総電圧をモニタしても純水蒸発量の推定は可能である。

このように、上記実施例２では、燃料電池スタック１０１の発熱量に対応した純水の蒸発量と流量センサ３０１で得られた流量との関係に基づいて、純水の流通方向を推定することで、純水の微量な逆流を検知することが可能となる。これにより、反応ガスが漏洩した際の検知の精度ならびに応答性を先の実施例１に比べてさらに向上させることができる。

図６は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図６に示す実施例３のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１の純水排出側における燃料電池スタック１０１と開閉弁１１５との間の純水流通配管Ｌ３に圧力センサ６０１を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、圧力センサ６０１で検出されたセンサ信号を読み込み、このセンサ信号に基づいて圧力センサ６０１で得られた圧力が、予め設定された所定圧力値以上であるか否かを判別する。ここで、所定圧力値は、反応ガスが漏洩した際の圧力を実験的に求めた値として設定してもよく、あるいはシステムを設計する際の純水圧力範囲の最大値にマージンを加えた値として設定してもよい。

上記判別の結果、所定圧力値以上であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水排出側の純水流通配管Ｌ３に流出して、純水流通配管Ｌ３内の圧力が上昇したものと推定し、反応ガスが漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例３においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

図７は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例４のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１と純水タンク１１４との間の純水流通配管Ｌ３に、圧力センサ７０１と、この圧力センサ７０１の上流側に逆支弁７０２を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、圧力センサ７０１で検出されたセンサ信号を読み込み、このセンサ信号に基づいて圧力センサ７０１で得られた圧力が、予め設定された所定圧力値以上であるか否かを判別する。ここで、所定圧力値は、反応ガスが漏洩した際の圧力を実験的に求めた値として設定してもよく、あるいはシステムを設計する際の純水圧力範囲の最大値にマージンを加えた値として設定してもよい。

上記判別の結果、所定圧力値以上であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流入側の純水流通配管Ｌ３に流出して、逆支弁７０２の下流側の純水流通配管Ｌ３内の圧力が上昇したものと推定し、反応ガスが漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例４においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。また、圧力推定手段として機能する圧力センサの配置位置に自由度を持たせることができる。

図８は本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図８に示す実施例５のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１と純水タンク１１４との間の純水流入側の純水流通配管Ｌ３に圧力センサ８０１を備え、かつ純水排出側における燃料電池スタック１０１と開閉弁１１５との間の純水流通配管Ｌ３に圧力センサ８０２を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、双方の圧力センサ８０１、８０２で検出されたセンサ信号を読み込み、これらのセンサ信号に基づいて圧力センサ８０１で得られた圧力と圧力センサ８０２で得られた圧力との圧力差（差圧）を算出し、その差圧が予め設定された所定差圧値以下であるか否かを判別する。ここで、所定差圧値は、反応ガスが漏洩した際の差圧を実験的に求めた値として設定してもよく、あるいはシステムを設計する際の純水差圧範囲の最小値にマージンを加えた値として設定してもよい。

燃料電池スタック１０１の発電出力ならびに発電効率が一定で発熱量が一定であれば、燃料電池スタック１０１での純水の蒸発量は一定となり、燃料電池スタック１０１に供給される純水の供給量は一定となる。純水の流量が一定であれば、燃料電池スタック１０１に流入する純水の圧力と排出側の圧力との圧力差（差圧）は、図９に示すように一定となる。しかし、反応ガスが純水流路１０６に漏洩した場合には、純水流通配管Ｌ３を流通する純水の流量が減少することになる。これにより、燃料電池スタック１０１の純水流入側の圧力と排出側の圧力との圧力差（差圧）は、図９に示すように漏洩が発生した時点から時間の経過とともに減少する。

したがって、上記判別の結果、所定差圧値以下であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流通配管Ｌ３に流出しているものと推定し、反応ガスが漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例５においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池スタック１０１に対して上流側と下流側との差圧をモニタすることで、燃料電池スタック１０１に対して上流側または下流側のいずれか一方側に圧力センサを設ける場合に比べて、圧力の振動などの影響を回避することが可能となる。これにより、誤検知が抑制され、検知精度を向上させることができる。

また、圧力センサと差圧センサの組み合わせでも同様の効果を得ることができる。

図１０は本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１０に示す実施例６のシステムでは、先の図３に示す実施例１の構成と、先の図８に示す実施例５の構成を組み合わせた構成を採用したことを特徴としている。すなわち、図１に示す基本構成に加えて、実施例１の流量センサ３０１と実施例５の圧力センサ８０１、８０２を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、流量センサ３０１ならびに圧力センサ８０１、８０２で検出されたセンサ信号を読み込み、両圧力センサで得られた圧力の差圧を算出する。続いて、図１１に示すような流量と差圧との関係を示すテーブルを参照して流量センサ３０１で得られた流量に対応した差圧推定値を求め、両圧力センサの実測値から算出した差圧が差圧推定値以下であるか否かを判別する。ここで、上記テーブルは、流量と差圧との関係を予め実験等で求め、それをコントローラ１０７の記憶手段に記憶して用意しておく。

上記判別の結果、推定値以下であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に透過して漏洩しているものと判断する。例えば図１２に示すように、多孔質セパレータ１０５の流路面において局所的に反応ガスが漏洩しているような場合には、加湿用純水の流量は変わらずに、燃料電池スタック１０１よりも下流側の圧力が増加し、それにより差圧が小さくなる場合がある。このような現象が発生していることを上記判別処理により推定することで、反応ガスの漏洩を検知することができる。

このように、上記実施例６では、流量ならびに差圧に基づいて、反応ガスの漏洩を判別することで、局所的な漏洩を検知することが可能となる。また、流量の変動にともなう圧力変動の影響を無視することが可能となり、誤検知を抑え、検知精度を向上させることができる。

図１３は本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１３に示す実施例７のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１における反応ガスの排出側の配管、すなわち空気流通配管Ｌ１における空気排出側に温度センサ１３０１を備え、水素流通配管Ｌ２の水素排出側に温度センサ１３０２を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、温度センサ１３０１、１３０２で検出されたセンサ信号を読み込み、このセンサ信号に基づいて温度センサ１３０１、１３０２で得られた温度の少なくともいずれか一方が、予め設定された所定温度値以上であるか否かを判別する。ここで、所定温度値は、反応ガスが漏洩した際の温度を実験的に求めた値として設定してもよく、あるいはシステムを設計する際の燃料電池スタック１０１の温度範囲の最大値にマージンを加えた値として設定してもよい。

上記判別の結果、所定温度値以上であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介し反応ガスが純水流路１０６側に透過したことで純水の蒸発量が低下し、蒸発による冷却（気化潜熱量）が不足し、さらにそれによって反応ガスが熱量を受け取ることによって反応ガスの排ガス温度が上昇し、反応ガスの透過にともなう反応ガス温度や燃料電池スタック１０１本体の温度が上昇しているものと推定することができる。これにより、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例７においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１４は本発明の実施例８に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１４に示す実施例８のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１と純水タンク１１４との間の純水流通配管Ｌ３に温度センサ１４０１を備えている。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、温度センサ１４０１で検出されたセンサ信号を読み込み、このセンサ信号に基づいて温度センサ１４０１で得られた温度が、予め設定された所定温度値以上であるか否かを判別する。ここで、所定温度値は、反応ガスが漏洩した際の加湿用純水の温度を実験的に求めた値として設定してもよく、あるいはシステムを設計する際の加湿用純水温度範囲の最大値にマージンを加えた値として設定してもよい。また、純水タンク１１４等の加湿用純水の供給側の温度を計測し、その温度に基づいて所定温度値を設定するようにしてもよい。

上記判別の結果、所定温度値以上であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に透過して純水流路配管Ｌ３に漏洩したことで燃料電池スタック１０１の発熱量が増え、それにより昇温された加湿用純水が純水タンク１１４側に逆流し、加湿用純水の温度が上昇しているものと推定することができる。これにより、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例８においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１５は本発明の実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１５に示す実施例９のシステムでは、先の図１に示す基本構成に加えて、燃料電池スタック１０１と純水タンク１１４との間の純水流通配管Ｌ３に、水素濃度センサ１５０１と酸素濃度センサ１５０２を備えている。これは、純水タンク１１４に備えてもよい。

このような構成において、コントローラ１０７では、先の図２のステップＳ２０１に示す判別処理として、水素濃度センサ１５０１ならびに酸素濃度センサ１５０２で検出されたセンサ信号を読み込み、このセンサ信号に基づいて水素濃度ならびに酸素濃度の少なくともいずれか一方が、予め設定された所定濃度値以上であるか否かを判別する。ここで、所定濃度値は、反応ガスが漏洩した際の純水流通配管Ｌ３内における水素濃度、酸素濃度を実験的に求めた値として設定してもよく、あるいはシステムを設計する際の純水流通配管Ｌ３内における水素濃度、酸素濃度範囲の最大値にマージンを加えた値として設定してもよい。

上記判別の結果、所定濃度値以上であると判別された場合には、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に透過して純水流路配管Ｌ３に漏洩したことで、燃料電池スタック１０１の上流側の純水流通配管Ｌ３の水素濃度及び／または酸素濃度の上昇しているものと推定することができる。これにより、多孔質セパレータ１０５を介して反応ガスが純水流路１０６に漏洩しているものと判断する。

このように、上記実施例９においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施例１〜９は、適宜組み合わせて実施するようにしてもよく、その場合には反応ガスの検知の精度ならびに応答性を向上させることが期待できる。

本発明の実施例１〜９に係る燃料電池システムの基本構成を示す図である。 本発明の実施例１〜９に係る基本動作処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池スタックの電流−電圧特性を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例５に係る反応ガスの漏洩前後における純水経路の燃料電池前後差圧の変化を示す図である。 本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る純水流量と純水経路における燃料電池前後差圧との関係を示す図である。 本発明の実施例６に係る多孔質セパレータにおける反応ガスの漏洩発生点を示す図である。 本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例８に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０１…燃料電池スタック
１０３…アノード極
１０４…カソード極
１０５…多孔質セパレータ
１０６…純水流路
１０７…コントローラ
１０８…空気供給用ポンプ
１０９…空気調圧弁
１１０…水素タンク
１１１…水素調圧弁
１１２…水素循環ポンプ
１１３…パージ弁
１１４…純水タンク
１１５…開閉弁
１１６…凝縮器
１１７…気液分離器
３０１…流量センサ
４０１…セル電圧センサ
６０１，７０１，８０１，８０２…圧力センサ
７０２…逆支弁
１３０１，１３０２，１４０１…温度センサ
１５０１…水素濃度センサ
１５０２…酸素濃度センサ
Ｌ１…空気流通配管
Ｌ２…水素流通配管
Ｌ３…純水流路配管
Ｌ３…純水流通配管
Ｌ４…純水回収配管

Claims (9)

1. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   多孔質セパレータを介して前記燃料電池を流通する燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれか一方を加湿し、かつ気化により前記燃料電池を潜熱冷却する純水が前記燃料電池内を含んで流通する純水流路を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記多孔質セパレータを介して燃料ガスならびに酸化剤ガスの少なくともいずれか一方が、前記純水流路に漏洩していることを検知する検知手段を備え、
   前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の前記純水流路に設けられた流量検出手段と、前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞する閉塞手段を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記流量検出手段が前記燃料電池の上流側の前記純水流路で純水の逆流を検出した場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記検知手段は、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された電圧に基づいて、前記燃料電池に供給される純水の流量を推定する流量推定手段とを有し、
   前記流量推定手段で推定された流量と、前記流量検出手段で検出された流量とに差が生じた場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記検知手段は、前記燃料電池の下流側の前記純水流路に設けられた圧力検出手段を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記圧力検出手段で検出された純水の圧力が予め設定された所定値以上の場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の前記純水流路に設けられた圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段の上流側の前記純水流路に設けられた逆支弁を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記圧力検出手段で検出された純水の圧力が予め設定された所定値以上の場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の純水と下流側の純水との差圧を検出する差圧検出手段を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記差圧検出手段で検出された差圧が予め設定された所定値以上の場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の純水と下流側の純水との差圧を検出する差圧検出手段と、
   前記多孔質セパレータを介して燃料ガスならびに酸化剤ガスが前記純水流路に漏洩していない正常運転時における、前記燃料電池の上流側の前記純水流路を流通する純水の流量と、前記燃料電池の上流側の純水と下流側の純水との差圧との関係を表すテーブルを参照して、前記流量検出手段で検出された純水の流量に対応した差圧を算出する差圧算出手段を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記差圧検出手段で検出された差圧が前記差圧算出手段で算出された差圧以下である場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記検知手段は、前記燃料電池から排出される燃料ガスならびに酸化剤ガスのいずれか一方または双方の温度を検出する温度検出手段を有し、
   前記温度検出手段で検出された温度が予め設定された所定値以上である場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の純水の温度を検出する温度検出手段を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記温度検出手段で検出された温度が予め設定された所定値以上である場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記検知手段は、前記燃料電池の上流側の前記純水流路内の燃料ガス濃度ならびに酸化剤ガス濃度のいずれか一方または双方を検出するガス濃度検出手段を有し、
   前記燃料電池の下流側の前記純水流路を閉塞し、前記ガス濃度検出手段で検出されたガス濃度が予め設定された所定値以上である場合に漏洩を検知する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

Images