JP2002352824A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出機器が少なく運転中に水素の漏れの検知
が可能である燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 タンク４から送り出された水素ガスはセ
ンサ１４および１５によって圧力および温度を計測さ
れ、弁５の絞り面積Ａによって流量を調整され、音速の
状態でスタック１に向けて供給される。スタック１の排
水素ガスは、再循環装置６によって繰り返しスタック１
へと供給される。さらに、水素ガスの漏れの検知の際に
は駆動モータ２３の負荷量の変動は２次電池２４によっ
て打ち消され、スタック１の運転は定常状態に強制的に
設定される。水素ガスは音速で弁５を通過するので、供
給される水素ガスの質量流量の計算の際に弁５の下流に
おける水素ガスの状態を考慮する必要が無くなる。計算
された質量流量と、スタック１の電流値から判明する発
電に実際に消費された水素ガスの質量とを比較すること
によって、水素ガスが漏れているかいないかがわかる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料
極に、酸素を含んだ空気を空気極にそれぞれ供給するこ
とによって水素と酸素とを電気化学的に反応させて、直
接発電を行う。小規模でも高い発電効率が得られると共
に、環境性に優れている。また、近年では、電解質とし
て固体高分子イオン交換膜を使用することによって小型
化および高出力化が可能となり、酸水溶液が不要とな
る。このような理由によって、固体高分子型燃料電池
が、水素ガスを用いる燃料電池の方式として注目されて
いる。

【０００３】燃料ガスである水素ガスは分子量が小さい
ため漏れが起こりやすく、かつ着火性に富む。したがっ
て、引火を防止するために従来から、水素ガスの漏れを
検知する方法が提案されている。例えば、特開平４−２
２０９５５号公報に開示の技術（第１の従来例と呼ぶ）
においては、燃料電池本体を容器に収納する。そして、
該容器内に供給する不活性ガス中に含まれる水素をセン
サによって検出して漏れを検知する。

【０００４】また、水素配管における漏れを検知する方
法としては、特開平９−２２７１１号公報に開示の技術
（第２の従来例と呼ぶ）がある。まず、配管途中に開閉
弁を介装させておき、閉空間を形成できるようにしてお
く。そして、検知の際には開閉弁を閉じて閉空間を形成
し、この閉空間の圧力を圧力センサによって観察する。
圧力の低下の発生の有無を検知することで、漏れの有無
を判断するようにしている。

【０００５】以上のように、第１の従来例および第２の
従来例を用いて水素の漏れを検知することが可能とな
る。しかしながら、第１の従来例は燃料電池本体を容器
に収納する必要がある。このことはユニットの重量およ
び容積の増加を招くだけでなく、容器外での漏れを検知
できないという問題点がある。

【０００６】第２の従来例も、開閉弁によって区切られ
た閉空間の漏れを確認できるのみであり、検出部位が制
限されているという欠点を有している。更に、漏れ検知
時には燃料電池への水素の供給を停止する必要がある。
したがって、燃料電池の運転中にもれの検知を実施する
ことは困難である。

【０００７】このような欠点の無い方法として、特開昭
６３−５１０６１号公報に開示の技術（第３の従来例と
呼ぶ）が提案されている。この第３の従来例において
は、燃料電池を稼動させて、水素の供給量および直流電
流の値を用いて求められる計算上の余剰の排出水素量
と、燃料電池の水素ガス出口に設けられた水素濃度セン
サの測定値から算出した実際の排出水素量とを比較す
る。そして、この偏差から水素もれ量を計算するように
している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】第３の従来例において
は、燃料電池の運転中に漏れの検知を実施することは可
能である。しかし、水素供給量と使用量との偏差の計算
に必要な計測項目が多岐に渡り、使用するセンサが多数
必要となるという問題点がある。

【０００９】本発明は以上の問題点を解決するためにな
されたものであり、検出機器が少なく運転中にガスの漏
れの検知が可能である燃料電池システムを提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料電池
本体に燃料として供給されるガスの体積流量を制御する
流量制御装置と、前記流量制御装置の上流における前記
ガスの熱力学的な状態を測定する状態計測装置と、前記
燃料電池本体の発電量を計測する発電量計測装置と、前
記流量および前記熱力学的な状態に基づいて計算する前
記ガスの供給量と、前記発電量に基づいて求める該ガス
の消費量とを比較して該ガスの漏れを判定する制御装置
とを備え、前記ガスの前記供給量は、前記流量制御装置
の下流側に対する上流側圧力が臨界圧力以上となる状態
で、該下流における熱力学的な状態が無視されて計算さ
れる。

【００１１】第２の発明は、第１の発明の前記流量制御
装置の前記下流側に対する前記上流側圧力が前記臨界圧
力以上となる前記状態においては、所定期間前記発電量
が定常となる定常状態が実現されている。

【００１２】第３の発明は、第２の発明において、消費
電力量が変動する負荷へと、前記燃料電池本体が発電し
た電力を供給し、前記燃料電池本体の余剰電力を吸収し
不足電力を補う補助電池が併用され、前記制御装置は、
前記負荷の前記消費電力量の変動に前記補助電池を対応
させることによって前記燃料電池本体の運転を強制的に
定常化させた状態で前記ガスの漏れを判定する。

【００１３】第４の発明は、第３の発明の前記補助電池
の充電量を計測する充電量計測装置をさらに備え、前記
制御装置は、前記充電量計測装置の計測結果から前記補
助電池に余剰電力を吸収し、かつ不足電力を補う余裕が
あると判断した場合に前記燃料電池本体の運転を強制的
に定常化させる。

【００１４】第５の発明は、第１の発明ないし第４の発
明のうちのいずれか１つの前記ガスが水素を含むガスで
あり、前記燃料電池本体は該水素と酸素とを反応させて
前記発電を行う。

【００１５】第６の発明は、第５の発明に対して、前記
ガスが前記燃料電池本体に供給される前に該ガスを加湿
する加湿器がさらに付加されたものであり、前記制御装
置は、前記ガスの漏れを判定する前に、前記燃料電池本
体における水詰まりを防止する防止措置を行う。

【００１６】第７の発明は、第１の発明ないし第６の発
明のうちのいずれか１つに対して、前記ガスを前記燃料
電池本体を含む循環路において循環させ、前記発電に使
用される前の該ガスと使用された後の該ガスとを混合し
て該燃料電池本体に供給する循環機構がさらに付加され
ている。

【００１７】第８の発明は、第１の発明ないし第７の発
明のうちのいずれか１つの前記制御装置が、前記ガスの
漏れの程度に応じて前記燃料電池本体の発電量の抑制の
程度を変更する。

【００１８】

【発明の作用および効果】第１の発明によると、流量制
御装置の下流側に対する上流側圧力が臨界圧力以上とな
る状態においてガスの漏れの判定が行われる。これによ
って、下流におけるガスの熱力学的な状態を計算におい
て考慮する必要が無くなり、下流側の検出手段を省くこ
とが可能となる。漏れの検知のための部品の点数が削減
されることによって、費用が低下する。

【００１９】第２の発明によると、所定期間発電量が定
常となる定常状態が実現されるので、前記ガスの供給量
の計算が容易かつ精度良く行われる。

【００２０】第３の発明によると、負荷の消費電力量が
変動した時でも燃料電池本体の運転を定常化させたまま
漏れの判定を行わせることが可能となる。これによっ
て、定常化された状態を判定に必要な時間の間維持する
ことが可能になると共に、漏れの判定の信頼性が向上す
る。

【００２１】第４の発明によると、補助電池に余剰電力
を吸収しかつ不足電力を補う余裕があるときに燃料電池
本体の運転が定常化させられる。これによって、定常化
された状態を確実に維持することが可能となり、漏れの
判定を確実に行うことができる。

【００２２】第５の発明によると、水素の漏れが燃料電
池の運転中に判定され、引火を未然に回避することが可
能となる。

【００２３】第６の発明によると、加湿水が凝集して発
生する液体の水によって燃料電池本体が詰まることが未
然に回避され、漏れの判定を確実に行うことが可能とな
る。

【００２４】第７の発明によると、燃料電池で消費され
なかったガスを再び燃料電池本体へと供給することによ
って、ガスを効率的に利用することが可能となる。

【００２５】第８の発明によると、漏れの程度に応じて
燃料電池本体の稼動が制限される。これによって、漏れ
が軽微である場合にいきなり発電が停止されることによ
って生ずる不都合が回避され得る。

【００２６】

【発明の実施の形態】本実施の形態の構成は、水素流量
調整弁５の上流側の水素ガスの状態を観察すれば下流側
に供給される水素ガスの供給量を把握できるように水素
ガスを制御する。そして、運転中の燃料電池ユニット２
０への水素ガスの供給量と発電に用いられた水素ガスの
消費量とを比較することによって、運転中の水素の漏れ
を検知する。まず、燃料電池ユニット２０の全体的な構
成について説明する。

【００２７】図１は、燃料電池ユニット２０の構成を例
示する模式図である。燃料電池スタック（本体）１は、
水素ガスおよび空気がそれぞれ供給される燃料極２およ
び空気極１０を有する。同図においてはガス系のみが示
されているが、実際には燃料電池スタック１には冷却水
の配管が組み込まれている。燃料極２および空気極１０
はスタック１において、図示を省略された固体高分子膜
を隔てて接合されている。そして、水分を媒体としてこ
の固体高分子膜中を水素イオンが移動して酸素分子に接
触し、発電が行われる。

【００２８】図１の構成は水素燃料自体を水素貯蔵タン
ク４に直接貯蔵する形式であり、水素ガスは圧縮されて
高圧状態で貯蔵されている。供給遮断弁１７が開けられ
ることによってタンク４から送り出された水素ガスが燃
料電池スタック１へと安定した圧力で供給されるよう
に、圧力調整機構９および水素流量調整弁５という２段
階の減圧手段を通過する。第１段目の圧力調整機構９
は、第２段目の水素流量調整弁５が良好に作動するよう
に水素ガスの圧力を所定値にまで減圧する。水素流量調
整弁５は、図２に記載の燃料電池ユニットコントローラ
２１ａによって絞り面積が制御される。したがって、圧
力調整機構９によって減圧された水素ガスは水素流量調
整弁５の絞り面積に応じて所定の体積流量に設定され、
スタック１を含む循環路に送られる。

【００２９】圧力調整機構９および水素流量調整弁５の
間には圧力センサ１４と温度センサ１５が介装されてお
り、水素流量調整弁５に流入する水素ガスの熱力学的な
状態を圧力および温度を検出することによって検知して
いる。

【００３０】水素流量調整弁５を通り抜けた水素ガス
は、再循環装置６に流入する。再循環装置６は、水素タ
ンク４から送られてくる新規の水素ガスと、スタック１
の燃料極２を通過した使用済みの水素ガスとを混合し
て、スタック１のある下流へと向けて送り出す。混合さ
れた水素ガスは加湿器３においてほぼ飽和状態まで加湿
された後、スタック１に流入する。水素ガスはスタック
１の燃料極２において発電に使用される。発電によって
生じた電流の値は、スタック１に取り付けられた電流計
１８によって計測される。この電流値を知ることによっ
て、発電量およびこれに実際に用いられた水素ガスの量
を把握できる。

【００３１】発電では使用し切れなかった余りの残留水
素ガスは、発電による水素濃度の低下のために発生した
凝縮水とともに、スタック１から排出される。これらは
水回収装置７に通され、凝縮水が水分として回収され
る。この後、残留水素ガスは再循環装置６へ送られ、循
環路を再度循環する。これによって、水素ガスを無駄な
く使用することが可能となり、燃費が向上する。図１の
構成においては加湿器３とスタック１とを連通させる配
管に圧力センサ１６が取り付けられており、図示を省略
された燃料電池ユニットコントローラ２１ａへとその検
出値が入力される。燃料電池ユニットコントローラ２１
ａはこの検出値を反映させて絞り面積を決定して流量調
整弁５の開度を調整し、要求される負荷に対して予め定
められた圧力の水素ガスが供給されるようにする。

【００３２】燃料電池スタック１における水素ガスと酸
素とを反応させるためには、固体高分子膜に水分を供給
することが必要であり、このために加湿器３が設けられ
ている。しかし、水素ガスの循環量が少ない運転状態で
は、燃料極２内にて発生した凝縮水がそのまま停滞して
しまい、この水詰まりによってスタック１の発電効率が
低下することがある。そこで、燃料極２の水詰まりを解
消するために、スタック１の下流に設けられたパージ弁
８を定期的に開く。そして、循環管路中の水素ガスの圧
力を利用して凝縮水を排水素ガスと共に外部へ放出す
る。

【００３３】次に、空気極１０へと空気を供給する空気
系について説明を行う。空気系の最上流には、大気を取
り込み圧縮して空気ラインに送り込む圧縮機１１が設置
されている。圧縮機１１で圧縮された空気も水素ガスと
同様に加湿器３においてほぼ飽和状態まで加湿された後
に、スタック１に流入する。そして、スタック１の空気
極１０において酸素が消費された残りの空気は、スタッ
ク１における発電に伴って発生した水分とともに、水回
収装置１２に送られる。ここで水分が回収され、排空気
は空気ラインに取り付けられた圧力制御バルブ１３を通
過して大気へと放出される。空気の圧力は、負荷の要求
に応じて予め定められた値となるように、圧力制御バル
ブ１３の開度によって制御される。この制御は、図示を
省略された既述のコントローラによって行われる。空気
系においても、凝縮水による詰まりを防止するために、
空気を用いるパージが行われる。

【００３４】水回収装置７および水回収装置１２によっ
て回収された水は、図示を省略された加圧ポンプによっ
て加湿器３に供給されたりスタック１の冷却水として使
用されたりして、有効に再利用される。

【００３５】次に、本実施の形態の水素の漏れを検出す
る計算原理について説明する。水素流量調整弁５は、保
持位置によって絞り面積Ａが可変となる弁体を入口と出
口と間に配されている。絞り面積Ａの調整によって、単
位時間当たりに調整弁５を通過する水素ガスの体積流量
を設定することが可能となる。弁体の保持位置の変更
は、例えば既述の燃料電池ユニットコントローラ２１ａ
からの指令に応じて電磁コイルで発生した磁力を用いて
行うことができる。水素流量調整弁５の上流側の圧力Ｐ
０が下流側の圧力Ｐ１に対して臨界圧力“Ｐ０＊”以上
である場合、絞り面積の部分を通過する水素ガス流は常
に音速流となる。ここで、下流圧力Ｐ１に対する臨界圧
力Ｐ０＊は、水素では約１.９倍となる。この時、上流
圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ１に直接的な影響を受けずに
速度が常に音速になるため、水素ガスの体積流量は絞り
面積Ａに依存する。すると、水素ガスの質量流量Ｍ_HIN
は、以下の式によって与えられる。

【００３６】

【数１】 ここで、ｋ：流体の比熱比（この場合、水素ガスの定容
比熱に対する定圧比熱の比）、Ｔ０：水素ガスの上流温
度、Ｒ：気体定数である。この数式１に表されるよう
に、流量調整弁５の絞り部分を通過する水素ガスが音速
流である場合には、質量流量Ｍ_HINは下流圧力Ｐ１に依
らない。具体的には、質量流量Ｍ_HINを決める熱力学的
な変数は、上流圧力Ｐ０、上流温度Ｔ０、および（単位
時間当たりに供給される水素ガスの体積に関係する）絞
り面積Ａのみとなる。したがって、燃料電池ユニットコ
ントローラ２１ａの指令値に対応する絞り面積Ａの値を
この燃料電池ユニットコントローラ２１ａ内に予め記憶
させておくと共に、圧力センサ１４に上流圧力Ｐ０の測
定値を、温度センサ１５に上流温度Ｔ０の測定値を提供
させることによって、水素ガスの質量流量Ｍ_HINを算出
することが可能となる。

【００３７】もちろん、例えばスタック１の燃料極２に
おいて凝縮水による通路面積の減少が生じて下流圧力Ｐ
１が上昇してしまったような場合には、上流圧力Ｐ０が
臨界圧力Ｐ０＊から不足する。すると、供給される水素
ガスは音速流とはならず、数式１を用いて質量流量Ｍ
_HINを正確に求めることはできなくなり、下流圧力Ｐ１
を考慮する必要が生じてしまう。しかし、このような異
常事態の発生はパージ等の対策によって十分回避するこ
とが可能である。さらに、下流圧力Ｐ１に対して上流圧
力Ｐ０を十分大きく採っておけば、下流圧力Ｐ１が多少
変動しても供給される水素ガスは音速流となる。

【００３８】したがって、流量調整弁５の上流圧力が臨
界圧力以上である場合には、下流圧力Ｐ１の挙動、すな
わち調整弁５の下流における水素ガスの熱力学的な状態
を考慮することなく質量流量Ｍ_HINを計算することが可
能である。計算に必要なパラメータの個数が減少するこ
とによって、計算が簡易になり計算手段の負担が軽くな
る。さらに、加湿器３によって加湿される前の水素ガス
の圧力Ｐ１を計測するセンサが不要となる。すなわち、
計算に必要なセンサの個数が抑制されることによって、
水素の漏れを検知するために必要な設備のコストが低下
する。

【００３９】次に、燃料電池スタック１において消費さ
れる水素の量がいくらであるかを知る方法について説明
する。ここで、燃料電池スタック１が発電している時の
電流は、以下の化学式に従って発生する電荷によるもの
である。

【００４０】

【化１】 したがって、単位時間当たりに発電に消費される水素ガ
スの質量Ｍ_HCONは、スタック１の発電時における発生電
流に比例し、以下の数式２のように表される。

【００４１】

【数２】 ここで、Ｉ：電流値、Ｆ：ファラデー定数、ｍ_H2：水素
分子量をそれぞれ表す。スタック１において発生する電
流の値を電流計１８を用いて測定して数式２に代入する
ことによって、消費される水素の質量Ｍ_HCONを算出する
ことが可能となる。

【００４２】ここで、燃料電池スタック１に供給される
水素ガスが１００％発電に用いられない場合、負荷の要
求する発電量に相当する水素ガスの流量に排水素ガス分
の余裕を持たせた流量にする必要がある。したがって、
漏れがある場合には、「供給される質量流量Ｍ_HIN＝消
費される質量Ｍ_HCON＋排水素ガスの質量＋漏れた水素の
質量」という関係が成立する。これを書き換えると、
「漏れた水素の質量＝供給される質量流量Ｍ_HIN−（消
費される質量Ｍ_HCON＋排水素ガスの質量）」となる。し
たがって、本来ならば従来例３のように、排水素ガスの
流量を検出するセンサを取り付ける必要が生ずる。一
方、水素ガスが全て発電に供される場合、「漏れた水素
の質量＝供給される質量流量Ｍ_HIN−消費される質量Ｍ
_HCON」となり、排水素ガスの流量を検出するセンサは不
要である。

【００４３】この様な例として、図１に例示されるよう
に排水素ガスが循環されるように水素系が構成されてい
る場合は、パージの時を除き、循環路に供給された水素
ガスは発電に使用されるまで循環路に滞在する為、供給
される水素の全てが発電に供される。

【００４４】ところで、燃料電池ユニット２０の発電量
が変動している時、すなわち定常運転状態に無いときに
は、消費される水素ガスの量の変動に合わせて水素ガス
の供給量も変更しなければならない。非定常運転状態に
おいては、たとえ流量制御弁５の上流圧力が臨界圧力以
上であり続けたとしても、絞り面積Ａが時間的に変化
し、さらにガスの熱力学的な状態も変化することから、
数式１において全てのパラメータの時間変化を把握して
流量計算に用いなければならず、漏れの検出は可能では
あるが面倒である。

【００４５】一方、燃料電池ユニット２０が定常運転状
態にある時には、諸パラメータの変動を考慮する必要が
なくなる。すなわち、水素ガスの供給量および消費量を
一定に保っておけば燃料電池スタック１から排出される
排水素ガスの排出量も一定となり、循環路を循環する排
水素ガスが、要求される発電量を実現するための余裕分
の水素ガスとして実質的に機能するという状態が常に維
持されることになる。このような状態では、全てのパラ
メータが一定となって流量計算を容易に行うことができ
るようになる。

【００４６】したがって、循環型の燃料電池ユニット２
０が定常運転状態にある時には、単位時間に関して、
「定常的に漏れる水素の質量＝定常的に供給される質量
流量Ｍ _HIN−定常的に消費される質量Ｍ_HCON」という関
係が成立する。したがって、質量流量Ｍ_HINと質量Ｍ
_HCONとの差を求めれば、漏れの量を把握することが可能
となる。また、定常状態では各パラメータの値は安定し
ており、値の読み取りに要する時間が短くなって漏れの
検知に要する時間が短縮される。また、再循環装置６、
加湿器３、スタック１および水回収装置７を含む比較的
広範囲な循環路における水素ガスの漏れが捕捉される。

【００４７】以上のように、漏れの量の把握を単純化さ
せるためには、漏れの検知時に燃料電池スタック１が定
常運転状態にあることが望ましい。しかしながら、例え
ば車両のように要求される負荷が変動する対象に対して
燃料電池ユニット２０を使用する場合には、定常運転状
態を常に維持することは困難である。そこで、燃料電池
ユニット２０に２次電池を併用してハイブリッド型のシ
ステムとすることによって、定常状態を強制的に実現さ
せることが可能となる。

【００４８】図２は、燃料電池ユニット２０および２次
電池２４を有するハイブリッド型燃料電池システムが搭
載された車両の構成を例示する模式図である。２次電池
２４の搭載された構成を有するハイブリッド型のシステ
ムでは、図１の燃料電池スタック１の発電量を一定とし
た場合でも、要求される負荷の変動分に応じて過不足と
なる電力を２次電池２４の充放電によって吸収または補
うことが可能となる。

【００４９】統合制御装置２１は、既述の燃料電池ユニ
ットコントローラ２１ａ、モータコントローラ２１ｂ、
２次電池コントローラ２１ｃ、および各種の計算を行う
演算ユニット２１ｄを含んで構成される。燃料電池ユニ
ットコントローラ２１ａは、燃料電池ユニット２０に配
された各種のセンサからの出力を受け取るとともに、車
両の要求する負荷に応じて燃料電池ユニット２０内の各
種アクチュエータに駆動指令を出力して燃料電池ユニッ
ト２０を制御する。

【００５０】一方、モータコントローラ２１ｂは、電力
変換装置２２へと指令を与えて、燃料電池ユニット２０
が発電した電力または２次電池２４の放電した電力を駆
動モータ２３へと供給させたり、回生電力を２次電池２
４に充電させたりする制御を行う。また、２次電池コン
トローラ２１ｃは、２次電池２４に配された蓄電容量セ
ンサ２５からの信号を受け取って２次電池２４の充電状
態を検出する。そして、必要に応じて２次電池２４の充
放電を電力変換機２２に指示する。演算ユニット２１ｄ
は、既述の数式に関する演算を行う。

【００５１】上記のように、２次電池２４によって燃料
電池ユニット２０の運転状態を定常化させることは可能
である。しかし、漏れの検出にはある程度の時間が必要
であり、２次電池２４によって変動の総てをまかない切
れなくなると、検出に支障が生ずる可能性がある。した
がって、燃料電池ユニット２０が搭載される対象自体が
ある程度の期間、ほぼ一定に稼動する状態で漏れの検出
を行うことが好ましい。例えば搭載対象が車両であると
きには、高速道路を走行する場合、または信号待ちなど
でアイドリング運転中の場合に、漏れの検出を行うと良
い。

【００５２】ここで、水素ガスの漏れは、各部材の接合
部、または燃料電池スタック１のスタック層において生
じやすい。したがって、水素ガスの漏れは水素ガスの圧
力が高いほど顕著となり、検知が容易となる。そこで、
高速道路の走行時のように負荷が高い運転状態、すなわ
ち、燃料極２の設定圧力が高い状態で検出を実施する方
が、効率的である。

【００５３】水素ガスの漏れの検知の実施は例えば、運
転時間や走行距離などによって定められる所定のインタ
ーバル毎に実施すれば良い。検知の実施前にはパージ弁
８およびパージ弁１３を一時的に開くように制御を行っ
ておき、空気極１０と特に燃料極２との水詰まりを防止
しておくと良い。これによって、水詰まりによるスタッ
ク１の発電状態の悪化のために水素ガスの漏れの検知を
中断しなければならなくなる可能性を低減させることが
でき、確実な実施が可能となる。

【００５４】次に、統合制御装置２１の処理手順を説明
する。図３は、本実施の形態の統合制御装置２１の制御
手順を例示するフローチャートである。まず、ステップ
７０において、車両の要求する負荷の状態が水素ガスの
漏れ検知にとって適切であるかどうかを判断する。これ
は、既述のように、負荷の変動が大きい時、または負荷
が低すぎる時のように、水素ガスの漏れを検出するのに
適さない状態で検出を行うことを回避するためのステッ
プである。負荷が低すぎるかどうかは、予め設定してお
いた閾値と負荷の値とを統合制御装置２１に比較させて
判断させれば良い。同様に、負荷の変動量も、予め定め
ておいた変動量の幅の閾値との比較によって判断させる
ことが可能である。

【００５５】負荷が低すぎる場合、または変動量が大き
すぎる場合には、ステップ７０において“ＮＯ”と判断
され、負荷の状態が適切であると判断されるまでステッ
プ７０の処理が繰り返され、漏れの検知は行われない。
一方、ステップ７０において、負荷が低すぎることも無
く、かつ変動量も許容範囲内である（ＹＥＳ）と判断さ
れた場合には、ステップ７１の処理が行われる。

【００５６】このステップ７１においては、２次電池２
４の充電状態が蓄電容量センサ２５の出力値に基づい
て、２次電池コントローラ２１ｃによって判断される。
負荷の変動に対処するには、２次電池２４に十分な充電
可能容量が残されており、かつ充電量が十分であること
が望ましい。２次電池コントローラ２１ｃは、２次電池
２４の充電量を、予め設定された上側（充電の満了側）
および下側（充電が空となる側）の合計２つの閾値と比
較する。そして、充電量がこの２つの閾値の間にある場
合には充電量が適切であり、２次電池に放電および充電
の余裕が十分にあることになる。この場合には“ＹＥ
Ｓ”と判断して、ステップ７２に進む。一方、２つの閾
値によって挟まれる範囲内に充電量が存在しない場合に
は、“ＮＯ”と判断されて再びステップＳ７０の処理に
戻り、漏れの検知は実施されない。

【００５７】ステップ７２においては、図２の燃料電池
ユニット２０の運転を定常状態に設定する制御が燃料電
池ユニットコントローラ２１ａによって開始される。そ
して、車両が要求する負荷の変動には、モータコントロ
ーラ２１ｂおよび２次電池コントローラ２１ｃの制御に
よる２次電池２４の充電または放電によって対応する。
燃料電池ユニット２０の運転の定常化の是非は、図１の
圧力センサ１６の出力値が一定化したこと、または発電
によって生ずる電流の検出値が一定化したことを確認す
ることによって燃料電池ユニットコントローラ２１ａに
よって把握される。運転が定常化すると、ステップ７３
に進む。

【００５８】次に、ステップ７３においては、燃料電池
ユニットコントローラ２１ａの指令値から絞り面積Ａを
求め、さらに流量調整弁５の上流の圧力Ｐ０および温度
Ｔ０とスタック１の電流値Ｉとの計測を、図１の圧力セ
ンサ１４、温度センサ１５および電流計１８を用いて行
う。次のステップ７４においては、供給される水素ガス
の質量流量Ｍ_HINを数式１を用いて、消費される水素ガ
スの質量Ｍ_HCONを数式２を用いて演算ユニット２１ｄが
それぞれ計算する。そして、これらの値に関して減算を
行い、その差の絶対値ＤＭを算出する。

【００５９】以上のようにして得られた差の絶対値ＤＭ
は、以下の処理では３つの範囲に分類される。すなわ
ち、水素の漏れが生じていないと判断される範囲、水素
の漏れは生じているが比較的低レベルであり燃料電池ユ
ニット２０の停止に猶予を与えても良い範囲、および比
較的高レベルの水素の漏れに対処するためにシステム２
０を即刻停止させなければならない範囲である。分類
は、差の絶対値ＤＭと予め設定された２つの値とを比較
して得られる大小関係に基づいてなされる。

【００６０】まず、ステップ７５においては、水素の漏
れが発生しているかいないかが判断される。ここで、各
センサには測定誤差が存在する。また、流量調整弁５の
絞り面積Ａには、偏差が生じ得る。これは、図２の統合
制御装置２１からの開度の指令値に応じて設定される調
整弁５の弁体の位置が、ヒステリシスによる影響を受け
るからである。そこで、水素ガスの漏れの検出の信頼性
を高めるために、絞り面積Ａのばらつきおよび各種セン
サの測定誤差を見込んだ許容差ＤＭｓｔｄを設定してお
き、予め統合制御装置２１に記憶させておく。

【００６１】なお、絶対値ＤＭ＝│Ｍ_HIN−Ｍ_HCON│で
あるが、測定誤差等が存在しない理想的な状況では、Ｍ
_HIN−Ｍ_HCON≧０であることが常に成り立つはずであ
る。したがって、Ｍ_HIN−Ｍ_HCON＜０となる場合には、
測定誤差およびヒステリシスの影響によるものと考えら
れる。このような影響は各燃料電池ユニット２０に固有
である。そこで、Ｍ_HIN−Ｍ_HCON＜０となった場合の絶
対値ＤＭを例えば複数個記憶させておいて平均を採ら
せ、これを反映させて許容差ＤＭｓｔｄを更新するよう
に統合制御装置２１を設定しておいても良い。このよう
な学習機能によって、漏れの判定の信頼性を向上させる
ことが可能となる。

【００６２】具体的には、ステップＳ７５においては、
絶対値ＤＭと許容値ＤＭｓｔｄとが比較される。絶対値
ＤＭが許容値ＤＭｓｔｄ未満（ＹＥＳ）の場合には、水
素ガスの漏れが起こっていないものと見なして漏れの検
知を終了すると共に燃料電池ユニット２０の定常状態の
維持を解除し、通常の制御に復帰する。一方、ＤＭ≧Ｄ
Ｍｓｔｄ（ＮＯ）と判断された場合には、水素の漏れに
対処するための処理に移行するためにステップ７６に進
む。

【００６３】ステップ７６においては、水素の漏れの程
度が軽微または深刻のいずれであるかが判断される。具
体的には、差の絶対値ＤＭともれの許容量ＤＭｃａとを
比較して漏れの程度が分類される。ここで、許容量ＤＭ
ｃａは、燃料電池ユニット２０の換気能力によって単位
時間当たりに排出することが可能である水素の量であ
る。差の絶対値ＤＭが許容量ＤＭｃａ未満（ＹＥＳ）で
ある場合には、水素の漏れによって生じ得る不具合が換
気によって当面は回避される。

【００６４】そこで、漏れが軽微であると判断される場
合には、車両の走行性を妨げないように燃料電池ユニッ
ト２０の緊急停止は行わず、車両の移動性能を確保して
おく。そして、ステップ７７に進み燃料漏洩警告灯を点
灯させて、運転者に異常を知らせて注意を喚起すると共
に点検を促す。続くステップ７８においては、水素ガス
のもれ量の増加を抑制するための処理が行われる。具体
的には、燃料電池ユニット２０の出力が現在の値または
予め設定された基準値よりも増加することを、燃料電池
ユニットコントローラ２１ａによって禁止する。

【００６５】一方、ステップ７６においてＤＭ≧ＤＭｃ
ａ（ＮＯ）と判断された場合には、水素ガスの漏れ量が
燃料電池ユニット２０の換気能力を上回っていることに
なり、直ちに燃料電池ユニット２０の運転を停止させる
必要がある。そこで、比較的高いレベルの水素ガスの漏
れに対処するために、ステップ７９へ進む。

【００６６】ステップ７９においては、システム停止警
告灯を点灯させて運転者に燃料電池ユニット２０の緊急
停止を告知する。この時、音声を併用して注意を喚起す
ると効果的である。次に、ステップ８０において、水素
ガスの供給の元栓である遮断弁１７を閉じる制御が燃料
電池ユニットコントローラ２１ａによって行われる。こ
れによって、水素タンク４からの水素ガスの供給が停止
される。そして、ステップ８１において速やかに燃料電
池ユニット２０の運転が停止される。

【００６７】以上の一連の処理によって、車両の安全が
確保される。運転者は燃料電池ユニット２０の運転が停
止された際には、図２の２次電池に充電された電力また
は車両の慣性を利用して車両を安全な場所に移動させた
後に停止させれば良い。

【００６８】なお、燃料電池ユニット２０の定常状態を
維持している最中には、図２の蓄電容量センサ２５に２
次電池２４の充電量の状態を常時検出させ、２次電池２
４の充電量が許容範囲に対して過不足を生じているか否
かを常に監視することが好ましい。これは、充電量が許
容範囲から逸脱してしまうと、車両の快適な走行が阻害
されるおそれがあるからである。そこで、過不足の発生
が検出された場合に、図３の処理ルーチンを中断して通
常制御に復帰するように設定しておけば良い。

【００６９】以上に説明された構成および制御処理を行
うことによって、水素ガスの漏れの検知のために燃料電
池ユニット２０に取り付けなければならないセンサの個
数を抑制することが可能になると共に、燃料電池ユニッ
ト２０の運転中に水素系における漏れを迅速に検出する
ことが可能となる。さらに、水素ガスの漏れの程度に応
じて燃料電池ユニット２０の発電量に対する抑制を変更
することによって、漏れが軽微である場合に例えば車両
の走行能力を一定の範囲内で残存させる。これによっ
て、燃料電池ユニット２０の搭載対象の使用性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 燃料電池ユニット２０の構成を例示する模式
図である。

【図２】 燃料電池ユニット２０が搭載される対象の構
成を例示する模式図である。

【図３】 統合制御装置２１の処理手順を例示するフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２ 燃料極 ３ 加湿器 ５ 流量調整弁 ８，１３ パージ弁 １０ 空気極 １４ 圧力センサ １５ 温度センサ １８ 電流計 ２０ 燃料電池ユニット ２１ 統合制御装置 ２３ 駆動モータ ２４ ２次電池 ２５ 蓄電容量センサ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体に燃料として供給されるガ
   スの体積流量を制御する流量制御装置と、 前記流量制御装置の上流における前記ガスの熱力学的な
   状態を測定する状態計測装置と、 前記燃料電池本体の発電量を計測する発電量計測装置
   と、 前記流量および前記熱力学的な状態に基づいて計算する
   前記ガスの供給量と、前記発電量に基づいて求める該ガ
   スの消費量とを比較して該ガスの漏れを判定する制御装
   置とを備え、 前記ガスの前記供給量は、前記流量制御装置の下流側に
   対する上流側圧力が臨界圧力以上となる状態で、該下流
   における熱力学的な状態が無視されて計算されることを
   特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記流量制御装置の前記下流側に対する前記上流側圧力
   が前記臨界圧力以上となる前記状態においては、所定期
   間前記発電量が定常となる定常状態が実現されている燃
   料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の燃料電池システムであ
   って、 消費電力量が変動する負荷へと、前記燃料電池本体が発
   電した電力を供給し、 前記燃料電池本体の余剰電力を吸収し不足電力を補う補
   助電池が併用され、 前記制御装置は、前記負荷の前記消費電力量の変動に前
   記補助電池を対応させることによって前記燃料電池本体
   の運転を強制的に定常化させた状態で前記ガスの漏れを
   判定する燃料電池システム。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記補助電池の充電量を計測する充電量計測装置をさら
   に備え、 前記制御装置は、前記充電量計測装置の計測結果から前
   記補助電池に余剰電力を吸収し、かつ不足電力を補う余
   裕があると判断した場合に前記燃料電池本体の運転を強
   制的に定常化させる燃料電池システム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のうちのいずれ
   か１つに記載の燃料電池システムであって、 前記ガスは水素を含むガスであり、前記燃料電池本体は
   該水素と酸素とを反応させて前記発電を行う燃料電池シ
   ステム。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の燃料電池システムであ
   って、 前記ガスが前記燃料電池本体に供給される前に該ガスを
   加湿する加湿器をさらに備え、 前記制御装置は、前記ガスの漏れを判定する前に、前記
   燃料電池本体における水詰まりを防止する防止措置を行
   う燃料電池システム。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のうちのいずれ
   か１つに記載の燃料電池システムであって、 前記ガスを、前記燃料電池本体を含む循環路において循
   環させ、前記発電に使用される前の該ガスと使用された
   後の該ガスとを混合して該燃料電池本体に供給する循環
   機構をさらに備える燃料電池システム。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項７のうちのいずれ
   か１つに記載の燃料電池システムであって、 前記制御装置は、前記ガスの漏れの程度に応じて前記燃
   料電池本体の発電量の抑制の程度を変更する燃料電池シ
   ステム。