JP2006092789A - 燃料電池システム及び該システムを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス漏れなどのガス通路の異常の検出精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１０の制御部５０は、燃料ガス漏れを検知する際、燃料ガス循環供給系に存するバルブＨ２００等を開閉制御することで隣接する複数の閉空間を形成する。制御部５０は、これら各閉空間の圧力及び温度に基づいて所定時間経過後の燃料ガスの変化量を求め、求めた燃料ガスの変化量から燃料ガス漏れが発生しているか否かを判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の発電に寄与する反応ガスのガス通路の異常判定を精度良く行うための改良技術に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料ガスなどの反応ガス用のガス通路の異常（例えば、燃料ガスの漏れ）を正確に検知することが非常に重要である。かかる要請に応えるべく、燃料電池に接続するガス通路に配した遮断弁等により複数の閉空間を形成し、閉空間毎の圧力降下速度や各遮断弁等の前後差圧を検出することで、ガス通路の異常（燃料ガス漏れ）を検知する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３０８８６６号公報（第５頁、図１等参照）

しかしながら、閉空間の圧力変化のみに依存してガス通路の異常（燃料ガス漏れなど）の検知を行う場合には、燃料ガス漏れが生じないにもかかわらず燃料ガス漏れが生じていると誤判定するなど、信頼性に欠けるといった問題がある。例えば、閉空間内の温度下降に伴って燃料ガスの圧力が下がったような場合、この圧力変化が設定された閾値等を超えていれば、たとえ閉空間に燃料ガス漏れが生じていなくとも燃料ガス漏れが生じていると誤判定してしまう。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、ガス通路の異常（燃流ガス漏れなど）の検出精度を上げることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスが供給されることにより電力を出力する燃料電池と、前記燃料電池に接続するガス通路と、前記ガス通路の少なくとも一部に閉空間を形成し、その閉空間の圧力及び温度に基づいて前記ガス通路の異常を検知する異常検知手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、閉空間の圧力だけではなく、閉空間の温度も考慮して反応ガスのガス通路に異常（燃料ガス漏れなど）が発生しているか否かが判定される。従って、閉空間内の温度下降に伴って反応ガスの圧力が下がったような場合には、この閉空間の温度を考慮してガス通路に異常が発生しているか否かが判定されるため、ガス通路の異常検出精度を向上させることが可能となる。

ここで、「反応ガス」とは、燃料電池に供給される燃料ガスだけでなく、該燃料電池に供給される酸化ガスも含む意味である。また、「ガス通路」とは、燃料電池に供給する反応ガスのガス供給通路、ガス循環通路、ガス排出通路の少なくとも１つの通路に対応する。さらに、異常を検知するガス通路としては、燃料ガス側と酸化ガス側の少なくとも一方であり、両方であってもよい。よって、上記構成において「ガス通路の異常を検知する」とは、燃料ガス側と酸化ガス側のガス通路の少なくとも一部の領域で異常を検知することを意味する。なお、「ガス通路の異常」とは、ガス通路のガス漏れ（ガス通路上に配置された各弁の開故障、ガス通路からの漏洩）のみならず、ガス通路の詰まり（弁の閉故障、異物（生成水等）の存在）をも含む意味である。

また、上記構成にあっては、前記閉空間を形成するための遮蔽手段と、前記閉空間の圧力及び温度を検出する状態検出手段をさらに具備し、前記異常検知手段は、前記遮蔽手段によって前記ガス通路の少なくとも一部に閉空間を形成する遮蔽制御手段と、前記状態検出手段によって検出される前記閉空間の圧力及び温度に基づいて、前記ガス通路に異常が発生しているか否かを判定する判定手段とを備える態様が好ましい。さらに、前記判定手段は、前記状態検出手段によって検出される閉空間の圧力及び温度から該閉空間の反応ガス量を求め、所定期間経過後の該閉空間の反応ガスの変化量と設定された閾値量とを比較することにより、前記ガス通路に異常が発生しているか否かを判定する態様が好ましい。

かかる構成によれば、閉空間の圧力変化ではなく、閉空間の反応ガスの変化量に基づいてガス通路に異常が発生しているか否かが判定されるため、ガス通路の異常（燃流ガス漏れなど）の検出精度を向上させることができるとともに、反応ガスの変化量（漏れ量など）を正確に把握することが可能となる。

さらにまた、前記判定手段は、前記閉空間の圧力及び温度のほかに前記反応ガスの圧縮係数を考慮して（下記式（Ａ）、（Ｂ）参照）、該反応ガスの変化量を求める態様が好ましい。ここで、ガス通路の少なくとも一部に隣接する複数の閉空間が形成される場合、前記複数の閉空間の中には、少なくとも圧力調整弁を有する閉空間が存在する態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、ガス通路の異常（燃流ガス漏れなど）の検出精度を向上させることが可能となる。また、反応ガスの変化量（漏れ量など）を正確に把握することが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態を説明する前に、まず、本発明の基本原理について説明する。
＜基本原理＞
前述したように、閉空間の圧力変化のみに依存して燃料ガス漏れの検知を行う場合には、燃料ガス漏れが生じていないにもかかわらず燃料ガス漏れが生じていると判定するなど、誤検出を招くおそれがある（発明が解決しようとする課題の項参照）。

そこで、以下に示す本実施形態では、閉空間の圧力及び温度に基づいて燃料ガスの変化量（すなわち燃料ガスのモル数の変化量）を求め、求めた燃料ガスの変化量から燃料ガス漏れが発生しているか否かを判定する。具体的には、気体の状態方程式（Ａ）から導出される下記式（Ｂ）を用いて所定時間経過後の燃料ガスの変化量Δｎを求め、この変化量Δｎと閾値変化量とを比較して燃料ガス漏れが発生しているか否かを判定する。このように、閉空間の圧力変化ではなく、閉空間の燃料ガスの変化量に基づいて燃料ガス漏れが発生しているか否かを判断することで、燃料ガスの漏れ量を正確に把握することができ、ガス漏れの検出精度を向上させることが可能となる。

ＰＶ＝ｎｚＲＴ ・・・（Ａ）
ｎ＝ＰＶ／（ｚＲＴ） ・・・（Ｂ）
（Ｐ：圧力、Ｖ：容積、ｎ：モル数、ｚ：圧縮係数、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度）

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示している。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）の車載発電システムとして用いる例を示すが、各種移動体（例えば、船舶や飛行機など）に搭載される発電システムや定置用発電システムとして用いることができる。燃料電池（セルスタック）２０は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を備えており、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。

燃料電池システムは、燃料電池２０に接続された燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。燃料電池２０の燃料ガス循環供給系は、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、燃料電池２０、燃料ガス循環路３２、及びアノードオフガス流路３３を含んで構成され、燃料ガス供給路３１、燃料ガス循環路３２、アノードオフガス流路３３の少なくとも一部が特許請求の範囲に記載のガス通路に対応する。

燃料ガス供給源３０は、例えば、高圧水素タンク又は水素貯蔵タンク等の水素貯蔵源によって構成される。燃料ガス供給路３１は燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、及びＦＣ入口バルブＨ２１が各々配設されている。

高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池２０に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ２２、水素ポンプ６３、及び逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。燃料電池２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ６３によって適度に加圧され、燃料ガス供給路３１に導かれる。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給路３１から燃料ガス循環路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。アノードオフガス流路３３は燃料電池２０から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５１が配設されている。

上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１は各ガス流路３１〜３３又は燃料電池２０へ燃料ガスを供給し、或いは遮断するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。このような電磁弁として、例えば、オンオフ弁、或いはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。

燃料電池２０の酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ（酸化ガス供給源）４０、酸化ガス供給路４１、及びカソードオフガス流路４２を含んで構成され、酸化ガス供給路４１、カソードオフガス流路４２の少なくとも一部が特許請求の範囲に記載のガス通路に対応する。エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮エアを酸化ガスとして燃料電池２０のカソード極に供給する。燃料電池２０の電池反応に供した後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。酸素オフガスは燃料電池２０での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール６２は酸化ガス供給路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池２０に供給される酸化ガスの背圧はカソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ４によって調圧される。カソードオフガス流路４２の下流は希釈器６４に連通しており、希釈器６４に酸素オフガスを供給する。希釈器６４はアノードオフガス流路３３の下流にも連通しており、水素オフガスを酸素オフガスによって混合希釈した後にシステム外に排気するように構成されている。

燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、バッテリ５４に充電される。トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池２０とバッテリ５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータＭ４は後述の水素循環ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称している。なお、以下の説明では、燃料電池２０及びバッテリ５４のいずれか一方若しくは双方によって駆動されるものを負荷と総称する。

制御部５０はアクセルセンサ５５が検出したアクセル開度、車速センサ５６が検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２０が目標電力に一致するように燃料電池システム１０を制御する。具体的には、制御部５０はエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１の回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプ６３を駆動するモータＭ２の回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。また、制御部５０はＤＣ／ＤＣコンバータ５３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。さらに、制御部（異常検知手段）５０は、ガス漏れ判定を行う際、上記式（Ａ）、（Ｂ）を利用して所定時間経過後の燃料ガスの変化量Δｎを求め、この燃料ガスの変化量Δｎをもとに燃料ガス漏れの検知を行う。

尚、燃料ガス漏れを検知する際、燃料ガス循環供給系には隣接する複数の閉空間が形成される。具体的には、高圧部（タンクバルブＨ２０１〜水素供給バルブＨ２００の区間）、低圧部（水素供給バルブＨ２００〜ＦＣ入口バルブＨ２１）、ＦＣ部（スタック入り口バルブＨ２１〜ＦＣ出口バルブＨ２２）、循環部（ＦＣ出口バルブＨ２２〜逆止弁Ｈ５２）の４つのセクションから構成される複数の閉空間が形成され、各部には燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ（状態検出手段）Ｐ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ６１，Ｐ５，Ｐ１０，Ｐ１１と燃料ガスの温度を検出する温度センサ（状態検出手段）Ｔ６，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ６１，Ｔ５，Ｔ１０が配設されている。各圧力センサの役割について詳述すると、圧力センサＰ６は燃料ガス供給源３０の燃料ガス供給圧を検出する。圧力センサＰ７は高圧レギュレータＨ９の二次圧を検出する。圧力センサＰ９は低圧レギュレータＨ１０の二次圧を検出する。圧力センサＰ６１は燃料ガス供給路３１の低圧部の圧力を検出する。圧力センサＰ５はスタック入口の圧力を検出する。圧力センサＰ１０は水素循環ポンプ６３の入力ポート側（上流側）の圧力を検出する。圧力センサＰ１１は水素循環ポンプ６３の出力ポート側（下流側）の圧力を検出する。本実施形態では、燃料ガス循環供給系のガス漏れ判定を高圧部、低圧部、ＦＣ部、及び循環部といったセクション毎（すなわち、閉区間毎）に行う。

図２は制御部５０が実行するシステム制御を記述したメインルーチンである。同図を参照してシステム制御の概要を説明した後に各サブルーチンについて説明する。燃料電池システム１０が起動すると（Ｓ１０１；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料ガス循環供給系のガス漏れ判定を行う（Ｓ１０２）。ここで、ガス漏れがなく、正常に発電できると判定されると（Ｓ１０３；ＹＥＳ）、通常運転制御が行われる（Ｓ１０４）。制御部５０は通常運転が継続されている間に、予め定められた間欠運転開始条件が満たされると判断すると（Ｓ１０４→Ｓ１０５）、燃料ガス循環供給系のガス漏れ判定を行う（Ｓ１０６）。この間欠運転は、車両要求パワー（システム要求電力）を全てバッテリ５４にて補える際（具体的には回生状態やアイドル状態など）に実施される。その後、システム停止が行われる場合には（Ｓ１０７；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料ガス循環供給系のガス漏れ判定を行い（Ｓ１０８）、システム停止処理を行う（Ｓ１０９）。ガス漏れが検出された場合には（Ｓ１１０；ＹＥＳ）、異常停止処理を行う（Ｓ１１１）。

次に、各サブルーチンについて詳述する。
図３はシステム起動時のガス漏れ判定処理ルーチン（Ｓ１０２）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０はタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、及びＦＣ出口バルブＨ２２を開き、燃料ガス供給路３１を通じて燃料電池２０に燃料ガスを供給する（Ｓ２０１）。次いで、制御部５０は燃料ガス循環供給系に配設されている全ての圧力センサＰ５〜Ｐ６のそれぞれの圧力値が所定の圧力値Ｐｊ１〜Ｐｊ７以上であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。全ての圧力センサＰ５〜Ｐ６のそれぞれが所定の圧力値Ｐｊ１〜Ｐｊ７以上に達し、燃料ガス供給路３１及び燃料ガス循環路３２の圧力がガス漏れ判定を行える状態にまで昇圧すると（Ｓ２０２；ＹＥＳ）、制御部（遮蔽制御手段）５０は遮蔽手段としてのタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、及びＦＣ出口バルブＨ２２を閉弁し（Ｓ２０３）、燃料ガス供給路３１及び燃料ガス循環路３２を密封する。

そして、密封状態から所定時間ｔ１経過すると（Ｓ２０４）、制御部５０は所定時間ｔ１経過時点における圧力センサＰ５〜Ｐ６の圧力値及び温度センサＴ５〜Ｔ６の温度値を読み取り、これらを上記式（Ａ）、（Ｂ）に代入することにより、下記に示す各区間に存する燃料ガスのモル量（以下、燃料ガス量）ｎを求める。そして、制御部５０は求めた燃料ガス量ｎをメモリ等に記憶する（Ｓ２０５）。詳述すると、制御部５０は温度センサの温度値を読み取ると、読み取った温度値と圧力係数−温度マップ（図示略）とから当該温度値に対応する圧縮係数ｚを求める。ただし、圧縮係数ｚを一定とみなしても燃料ガス判定の判定結果に大きな影響を及ぼさないのであれば、温度値によらず常に一定の圧縮係数ｚを用いるようにしても良い。そして、制御部５０は読み取った圧力センサの圧力値Ｐ及び温度センサの温度値Ｔ、求めた圧縮係数ｚ、一定値である体積Ｖ及び気体定数Ｒを式（Ｂ）に代入することにより、当該区間における燃料ガス量ｎを求める。

さらに具体的に説明すると、制御部５０は圧力センサＰ６の圧力値と温度センサＴ６の温度値から第１区間（タンクバルブＨ２０１〜高圧レギュレータＨ９）に存する燃料ガス量ｎ１を求め、圧力センサＰ７の圧力値と温度センサＴ７の温度値から第２区間（高圧レギュレータＨ９〜低圧レギュレータＨ１０）に存する燃料ガス量ｎ２を求め、圧力センサＰ９の圧力値と温度センサＴ９の温度値から第３区間（低圧レギュレータＨ１０〜水素供給バルブＨ２００）に存する燃料ガス量ｎ３を求め、圧力センサＰ６１の圧力値と温度センサＴ６１の温度値から第４区間（水素供給バルブＨ２００〜ＦＣ入口バルブＨ２１）に存する燃料ガス量ｎ４を求め、圧力センサＰ５の圧力値と温度センサＴ５の温度値から第５区間（ＦＣ入口バルブＨ２１〜ＦＣ出口バルブＨ２２）に存する燃料ガス量ｎ５を求め、圧力センサＰ１０の圧力値と温度センサＴ１０の温度値から第６区間（ＦＣ出口バルブＨ２２〜逆止弁Ｈ５２）に存する燃料ガス量ｎ６を求め、求めた燃料ガス量ｎ１〜ｎ６を記憶する。

更に、密封状態から所定時間ｔ２（＞ｔ１）経過すると（Ｓ２０６）、制御部５０は所定時間ｔ２経過時点における第１〜第６区間に存する燃料ガス量ｎ１’〜ｎ６’を求め、求めた各燃料ガスｎ１’〜ｎ６’と記憶済みの各燃料ガス量ｎ１〜ｎ６との差分Δｎ１〜Δｎ６を演算する（Ｓ２０７→Ｓ２０８）。ここで求めた燃料ガスの差分Δｎ１〜Δｎ６は時間（ｔ２−ｔ１）の燃料ガス変化量に相当する。制御部５０はこのようにして求めた燃料ガス変化量Δｎ１〜Δｎ６が予め設定された閾値量Ｑ１〜Ｑ６以上であるか否かを判定する（Ｓ２０９）。燃料ガス変化量Δｎ１〜Δｎ６の全てが設定された閾値量Ｑ１〜Ｑ６を下回っている場合には（Ｓ２０９；ＮＯ）、ガス漏れがないと考えられるので、システム起動を完了し、通常発電を開始する（Ｓ２１０）。一方、燃料ガス変化量Δｎ１〜Δｎ６のうち何れか一つでも設定された閾値量Ｑ１〜Ｑ６以上である場合には（Ｓ２０９；ＹＥＳ）、制御部５０はガス漏れが生じていると判定する（Ｓ２１１）。

図４は通常運転時の発電制御ルーチン（Ｓ１０４）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は燃料ガス循環供給系の各バルブ（タンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、及びＦＣ出口バルブＨ２２）を開弁する（Ｓ３０１）。次いで、アクセル開度、車速等を基に車両要求パワー（システム要求電力）を演算し（Ｓ３０２）、燃料電池２０の出力電力とバッテリ５４の出力電力の比を決定する（Ｓ３０３）。制御部５０は燃料電池発電量―エア・ストイキ・マップを参照して、所望の流量の酸化ガスが燃料電池２０に供給されるようにモータＭ１の回転数を制御する（Ｓ３０４）。更に、制御部５０は燃料電池発電量―水素・ストイキ・マップを参照して、所望の流量の燃料ガスが燃料電池２０に供給されるようにモータＭ２の回転数を制御する（Ｓ３０５）。次いで、制御部５０は燃料電池発電量―燃料ガスパージ頻度マップを参照してパージバルブＨ５１の開閉制御を行う（Ｓ３０６）。

図５乃至図８は間欠運転時、又はシステム停止時のガス漏れ判定処理ルーチン（Ｓ１０６，Ｓ１０８）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は水素消費量―燃料電池発電量マップを参照して、燃料ガスを消費するための燃料電池２０の発電量を求める（Ｓ４０１）。更に、燃料電池発電量―エア・ストイキ・マップを参照して、所望の発電量を得るために必要な酸化ガスが燃料電池２０に供給されるようにモータＭ１の回転数を調整する（Ｓ４０２）。そして、水素供給バルブＨ２００が開弁している場合には（Ｓ４０３；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料電池発電量―水素ストイキ・マップを参照して所望の発電量を得るために必要な燃料ガス流量が燃料電池２０に供給されるようにモータＭ２の回転数を調整する（Ｓ４０４）。更に、制御部５０は燃料電池発電量―パージ頻度マップを参照してパージバルブＨ５１を開閉制御する（Ｓ４０５）。このとき、パージが禁止されている場合には、パージバルブＨ５１は閉弁状態を維持する。一方、水素供給バルブＨ２００が閉弁している場合には（Ｓ４０３；ＮＯ）、制御部５０は水素ポンプ６３を停止し（Ｓ４０６）、燃料電池発電量―パージ頻度マップを参照してパージバルブＨ５１を開閉制御する（Ｓ４０７）。パージバルブＨ５１を開閉する際には、パージバルブＨ５１の１次圧、２次圧、及び開弁時間に基づいて１回あたりのパージ量を演算する（Ｓ４０８）。ここで、パージバルブＨ５１の１次圧は圧力センサＰ１１が検出した圧力値によって求めることができる。パージバルブＨ５１の２次圧はカソードオフガス流路４２を流れる酸素オフガスの流量によって求めることができる。

制御部５０はバッテリ５４のＳＯＣ（State Of Charge）が所定値（例えば、８０％〜９０％）以上である場合には（Ｓ４０９；ＹＥＳ）、燃料ガスの消費によって発電した電力をバッテリ５４に蓄電することができないので、制御部５０は燃料電池２０の発電量を減少させ、且つ燃料ガスのパージ量を増加させる（Ｓ４１０）。また、燃料ガスのパージ頻度が所定頻度より多くなると（Ｓ４１１；ＹＥＳ）、システム外に排気される燃料ガス濃度が高くなるので、排気燃料ガス濃度を低減させるためにエアコンプレッサ４０の回転数を増加させて、カソードオフガス流路４２を流れる酸素オフガスの流量を増量し、希釈器６４で希釈される排気燃料ガス濃度を低減する（Ｓ４１２）。

このように、電力発電による燃料ガスの消費と、燃料ガスのパージ操作を実行することで（Ｓ４０１〜Ｓ４１２）、燃料ガス循環供給系の各セクションの圧力を迅速に低下させることができる。より詳細には、高圧部、低圧部、及びＦＣ部の圧力は電力発電による燃料ガス消費と燃料ガスのパージ操作によって低下させることができ、循環部の圧力は燃料ガスのパージ操作によって低下させることができる。各セクションのガス漏れ判定は、例えば、燃料ガス供給系統に配設されている各バルブを閉弁し、閉空間（略密閉空間）を形成して、当該閉空間の圧力低下代を検出することにより行う。

圧力センサＰ６の検出圧力が目標圧力Ｐ６Ａ以下になると（Ｓ４１３；ＹＥＳ）、高圧部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０は水素供給バルブＨ２００を閉弁する（Ｓ４１４）。これにより高圧部は密封状態になる。次いで、水素供給バルブＨ２００の下流側に配設されている圧力センサＰ６１の検出圧力が所定圧力ＰＪＡ１以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ４１５）。所定圧力ＰＪＡ１は、水素供給バルブＨ２００が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサＰ６１の検出圧力が所定圧力ＰＪＡ１以下になると（Ｓ４１５：ＹＥＳ）、高圧部のガス漏れ判定を行うために、水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ３が経過したか否かを判定する（Ｓ４１６）。所定時間ｔ３が経過すると（Ｓ４１６：ＹＥＳ）、圧力センサＰ６の圧力値Ｐ６、温度センサＴ６の温度値Ｔ６、当該温度値に対応した圧縮係数ｚ、一定値である体積Ｖ及び気体定数Ｒを式（Ａ）、（Ｂ）に代入することにより、所定時間ｔ３経過時点における高圧部の燃料ガス量ｎ１を求め、これを記憶する（Ｓ４１７）。

更に、制御部５０は水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ４が経過したか否かを判定し（Ｓ４１８）、所定時間ｔ４が経過すると（Ｓ４１８；ＹＥＳ）、上記と同様に所定時間ｔ４経過時点における高圧部の燃料ガス量ｎ１’を求める（Ｓ４１９）。そして、制御部５０は、求めた燃料ガス量ｎ１’と記憶済みの燃料ガス量ｎ１との差分（すなわち燃料ガス変化量）Δｎ１を演算し、この燃料ガス変化量Δｎ１と予め設定された閾値量Ｑ１とを比較する（Ｓ４２０）。ここで、燃料ガス変化量Δｎ１が設定された閾値量Ｑ１以上である場合には（Ｓ４２０；ＹＥＳ）、高圧部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４２１）。ガス漏れの原因としては、タンクバルブＨ２０１や水素供給バルブＨ２００の開故障、燃料ガス供給路３１の破損等が考えられる。ここで、開故障とは、バルブが開いたままになって、閉弁できなくなる故障状態をいう。

一方、水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ３が経過していない場合（Ｓ４１６；ＮＯ）、或いは所定時間ｔ４が経過していない場合（Ｓ４１８；ＮＯ）、又は燃料ガス変化量Δｎ１が所定の閾値量Ｑ１未満である場合（Ｓ４２０；ＮＯ）には、制御部５０は低圧部のガス漏れ判定を許可する（Ｓ４２２）。これは、水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ３又はｔ４が経過していなくても、既に水素供給バルブＨ２００が閉弁している以上、高圧部のガス漏れ判定と並行して低圧部のガス漏れ判定を行うことができるためである。

そして、圧力センサＰ６１の検出圧力が目標圧力Ｐ６１Ａ以下になると（Ｓ４２３；ＹＥＳ）、低圧部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０はＦＣ入口バルブＨ２１を閉弁する（Ｓ４２４）。これにより低圧部は密封状態になる。次いで、ＦＣ入口バルブＨ２１の下流側に配設されている圧力センサＰ５，Ｐ１１の検出圧力がそれぞれ所定圧力ＰＪＡ２，ＰＪＡ３以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ４２５）。所定圧力ＰＪＡ２，ＰＪＡ３は、ＦＣ入口バルブＨ２１が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサＰ５，Ｐ１１の検出圧力がそれぞれ所定圧力ＰＪＡ２，ＰＪＡ３以下になると（Ｓ４２５；ＹＥＳ）、低圧部のガス漏れ判定を行うために、ＦＣ入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ５が経過したか否かを判定する（Ｓ４２６）。所定時間ｔ５が経過すると（Ｓ４２６；ＹＥＳ）、制御部５０は上記と同様に、圧力センサＰ６１の圧力値Ｐ６１、温度センサＴ６の温度値Ｔ６１、当該温度値に対応した圧縮係数ｚ等を用いて所定時間ｔ５経過時点における低圧部の燃料ガス量ｎ４を求め、これを記憶する（Ｓ４２７）。更に、制御部５０はＦＣ入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ６が経過したか否かを判定し（Ｓ４２８）、所定時間ｔ６が経過すると（Ｓ４２８；ＹＥＳ）、所定時間ｔ６経過時点における低圧部の燃料ガス量ｎ４’を求める（Ｓ４２９）。そして、制御部５０は、求めた燃料ガス量ｎ４’と記憶済みの燃料ガス量ｎ４との差分（すなわち燃料ガス変化量）Δｎ４を演算し、この燃料ガス変化量Δｎ４と予め設定された閾値量Ｑ４とを比較する（Ｓ４３０）。ここで、燃料ガス変化量Δｎ４が設定された閾値量Ｑ４以上である場合には（Ｓ４３０；ＹＥＳ）、低圧部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４３１）。ガス漏れの原因としては、ＦＣ入口バルブＨ２１の開故障、燃料ガス供給路３１の破損等が考えられる。

一方、ＦＣ入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ５が経過していない場合（Ｓ４２６；ＮＯ）、或いは所定時間ｔ６が経過していない場合（Ｓ４２８；ＮＯ）、又は燃料ガス変化量Δｎ４が閾値量Ｑ４未満である場合（Ｓ４３０；ＮＯ）には、制御部５０はＦＣ部のガス漏れ判定を許可する（Ｓ４３２）。これは、ＦＣ入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ５又はｔ６が経過していなくても、既にＦＣ入口バルブＨ２１が閉弁している以上、低圧部のガス漏れ判定と並行してＦＣ部のガス漏れ判定を行うことができるためである。

そして、圧力センサＰ５の検出圧力が目標圧力Ｐ５Ａ以下になると（Ｓ４３３；ＹＥＳ）、ＦＣ部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０はＦＣ出口バルブＨ２２を閉弁する（Ｓ４３４）。これによりＦＣ部は密封状態になる。次いで、ＦＣ出口バルブＨ２２の下流側に配設されている圧力センサＰ１０の検出圧力が所定圧力ＰＪＡ４以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ４３５）。所定圧力ＰＪＡ４は、ＦＣ出口バルブＨ２２が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサＰ１０の検出圧力がそれぞれ所定圧力ＰＪＡ４以下になると（Ｓ４３５；ＹＥＳ）、ＦＣ部のガス漏れ判定を行うために、ＦＣ出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ７が経過したか否かを判定する（Ｓ４３６）。所定時間ｔ７が経過すると（Ｓ４３６；ＹＥＳ）、制御部５０は上記と同様に、圧力センサＰ５の圧力値Ｐ５、温度センサＴ５の温度値Ｔ５、当該温度値に対応した圧縮係数ｚ等を用いて所定時間ｔ７経過時点におけるＦＣ部の燃料ガス量ｎ５を求め、これを記憶する（Ｓ４３７）。更に、制御部５０は、ＦＣ入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ８が経過したか否かを判定し（Ｓ４３８）、所定時間ｔ８が経過すると（Ｓ４３８；ＹＥＳ）、所定時間ｔ８経過時点におけるＦＣ部の燃料ガス量ｎ５’を求める（Ｓ４３９）。そして、制御部５０は、求めた燃料ガス量ｎ５’と記憶済みの燃料ガス量ｎ５との差分（すなわち燃料ガス変化量）Δｎ５を演算し、この燃料ガス変化量Δｎ５と予め設定された閾値量Ｑ５とを比較する（Ｓ４４０）。ここで、燃料ガス変化量Δｎ５が設定された閾値量Ｑ５以上である場合には（Ｓ４４０；ＹＥＳ）、ＦＣ部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４４１）。ガス漏れの原因としては、ＦＣ出口バルブＨ２２の開故障、燃料ガス循環路３２の破損等が考えられる。

一方、ＦＣ出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ７が経過していない場合（Ｓ４３６；ＮＯ）、或いは所定時間ｔ８が経過していない場合（Ｓ４３８；ＮＯ）、又は燃料ガス変化量Δｎ５が閾値量Ｑ５未満である場合（Ｓ４４０；ＮＯ）には、制御部５０は循環部のガス漏れ判定を許可する（Ｓ４４２）。これは、ＦＣ出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ７又はｔ８が経過していなくても、既にＦＣ出口バルブＨ２２が閉弁している以上、ＦＣ部のガス漏れ判定と並行して循環部のガス漏れ判定を行うことができるためである。

そして、圧力センサＰ１０の検出圧力が目標圧力Ｐ１０Ａ以下になると（Ｓ４４３；ＹＥＳ）、循環部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０はパージバルブＨ５１の開閉を禁止する（Ｓ４４４）。これにより循環部は密封状態になる。循環部のガス漏れ判定を行うために、制御部５０はパージバルブＨ５１の開閉を禁止した時点（又はＦＣ出口バルブＨ２２の閉弁時）から所定時間ｔ９が経過したか否かを判定する（Ｓ４４５）。所定時間ｔ９が経過すると（Ｓ４４５；ＹＥＳ）、制御部５０は上記と同様に、圧力センサＰ１０の圧力値Ｐ１０、温度センサＴ１０の温度値Ｔ１０、当該温度値に対応した圧縮係数ｚ等を用いて所定時間ｔ９経過時点における循環部の燃料ガス量ｎ６を求め、これを記憶する（Ｓ４４６）。更に、制御部５０はパージバルブＨ５１の開閉を禁止した時点（又はＦＣ出口バルブＨ２２の閉弁時）から所定時間ｔ１０が経過したか否かを判定し（Ｓ４４７）、所定時間ｔ１０が経過すると（Ｓ４４７；ＹＥＳ）、所定時間ｔ１０経過時点における循環部の燃料ガス量ｎ６’を求める（Ｓ４４８）。そして、制御部５０は、求めた燃料ガス量ｎ６’と記憶済みの燃料ガス量ｎ６との差分（すなわち燃料ガス変化量）Δｎ６を演算し、この燃料ガス変化量Δｎ６と予め設定された閾値量Ｑ６とを比較する（Ｓ４４９）。ここで、燃料ガス変化量Δｎ６が設定された閾値量Ｑ６以上である場合には（Ｓ４４９；ＹＥＳ）、循環部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４５０）。ガス漏れの原因としては、逆止弁Ｈ５２の開故障、又は燃料ガス循環路３２の破損等が考えられる。一方、燃料ガス変化量Δｎ６が設定された閾値量Ｑ６未満である場合には（Ｓ４４９；ＮＯ）、循環部にガス漏れが生じてないと判定し、ガス漏れ判定を完了する（Ｓ４５１）。

図９はシステム停止処理ルーチン（Ｓ１０９）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は循環部のガス漏れ判定が完了したか否かを判定する（Ｓ５０１）。循環部のガス漏れ判定が完了したならば（Ｓ５０１；ＹＥＳ）、制御部５０はＦＣ入口バルブＨ２１、及びＦＣ出口バルブＨ２２を開弁し、燃料ガス供給路３１及び燃料ガス循環路３２に残留している燃料ガスを燃料電池２０に導く（Ｓ５０２）。これと同時に、制御部５０はエアコンプレッサ４０を回転させて燃料電池２０に酸化ガスを供給する。燃料電池２０に導入された燃料ガスは電力発電によって消費される。更に、制御部５０は適当な時間間隔でパージバルブＨ５１を開弁することにより、燃料ガスをパージし、燃料電池２０を循環する燃料ガスの不純物濃度を低減する。そして、圧力センサＰ５の検出圧力が目標圧力Ｐ５ＡＥ以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ５０３）。目標圧力Ｐ５ＡＥとしては、システム停止時に燃料ガスがカソード側にクロスリークしない程度の圧力が好ましい。圧力センサＰ５の検出圧力が目標圧力Ｐ５ＡＥ以下に降圧すると（Ｓ５０３；ＹＥＳ）、制御部５０はＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１を閉弁し、エアコンプレッサ４０と水素ポンプ６３を停止させて、発電を停止する（Ｓ５０４）。

図１０は異常停止処理ルーチン（Ｓ１１１）を記述したフローチャートである。上述のガス漏れ判定（Ｓ１０２，Ｓ１０６，Ｓ１０８）において、ガス漏れが生じていると判定されると（Ｓ２１１，Ｓ４２１，Ｓ４３１，Ｓ４４１，Ｓ４５０）、異常停止処理ルーチンが呼び出される。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は燃料ガス供給系統に配設されている全てのバルブ、即ち、タンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１を全て閉弁し、更にエアコンプレッサ４０と水素ポンプ６３を停止させて、発電を停止する（Ｓ６０１）。

以上説明したように、本実施形態によれば、閉空間の燃料ガスの変化量に基づいて燃料ガス漏れ判定を行うため、単に閉空間の圧力変化に基づいて燃料ガス漏れ判定を行う場合に比べて燃料ガスの漏れ量を正確に把握することができ、ガス漏れの検出精度を向上させることが可能となる。

Ｂ．変形例
（１）上述した本実施形態では、ガス通路の異常を検知する一態様として燃料ガスのガス通路のガス漏れ（ガス通路上に配置された各弁の開故障、ガス通路からの漏洩）を例示したが、例えば燃料ガスのガス通路の詰まり（弁の閉故障、異物（生成水等）の存在）を検知するようにしてもよい。かかる場合には、ガス通路に形成した閉空間の圧力状態に基づいてガス通路に詰まりが発生しているか否かを検知すれば良い。なお、上記本実施形態では、燃料ガスのガス通路の異常を検知する場合について説明したが、酸化ガスのガス通路の異常を検知する場合にも適用可能である。

（２）本実施形態では、燃料ガスの圧縮係数ｚを考慮して燃料ガス変化量Δｎを求める態様を例示したが、該燃料ガスを実在気体とみなしても燃料ガス漏れ判定に大きな影響を与えないのであれば、圧縮係数ｚを考慮することなしに、理想気体の状態方程式（Ｃ）から導出される下記式（Ｄ）を用いて燃料ガス変化量Δｎを求めるようにしても良い。

ＰＶ＝ｎＲＴ ・・・（Ｃ）
ｎ＝ＰＶ／（ＲＴ） ・・・（Ｄ）
（Ｐ：圧力、Ｖ：容積、ｎ：モル数、ｚ：圧縮係数、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度）

（３）さらに、上記気体の状態方程式を利用せずとも、閉空間の圧力及び温度に基づいて反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）のガス通路の異常を検出するようにしても良い。例えば、閉空間の圧力値及び温度値が所定の閾値範囲に収まっていない場合にはガス通路に異常（ガス通路のガス漏れやガス詰まり）が発生していると判定したり、所定時間経過後の閉空間の圧力変化及び温度変化が所定の変化量を超えた場合にはガス通路に異常が発生していると判定しても良い。

本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。 システム制御のメインルーチンである。 システム起動時のガス漏れ判定処理ルーチンである。 通常発電制御ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 システム停止処理ルーチンである。 異常停止処理ルーチンである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…燃料ガス供給源 ３１…燃料ガス供給路 ３２…燃料ガス循環路 ３３…アノードオフガス流路 ４０…エアコンプレッサ ４１…酸化ガス流路 ４２…カソードオフガス流路 ５０…制御部 ５４…二次電池 Ｈ２０１…タンクバルブ Ｈ９…高圧レギュレータ Ｈ１０…低圧レギュレータ Ｈ２００…水素供給バルブ Ｈ２１…ＦＣ入口バルブ Ｈ２２…ＦＣ出口バルブ Ｈ５１…パージバルブ Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ６１…圧力センサ Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ９，Ｔ１０，Ｔ６１…温度センサ

Claims (7)

1. 反応ガスが供給されることにより電力を出力する燃料電池と、
   前記燃料電池に接続するガス通路と、
   前記ガス通路の少なくとも一部に閉空間を形成し、その閉空間の圧力及び温度に基づいて前記ガス通路の異常を検知する異常検知手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記閉空間を形成するための遮蔽手段と、前記閉空間の圧力及び温度を検出する状態検出手段をさらに具備し、
   前記異常検知手段は、
   前記遮蔽手段によって前記ガス通路の少なくとも一部に閉空間を形成する遮蔽制御手段と、
   前記状態検出手段によって検出される前記閉空間の圧力及び温度に基づいて、前記ガス通路に異常が発生しているか否かを判定する判定手段とを備え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. 前記判定手段は、前記状態検出手段によって検出される閉空間の圧力及び温度から該閉空間の反応ガス量を求め、所定期間経過後の該閉空間の反応ガスの変化量と設定された閾値量とを比較することにより、前記ガス通路に異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記判定手段は、前記閉空間の圧力及び温度のほかに前記反応ガスの圧縮係数を考慮して、該反応ガスの変化量を求めることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記遮蔽制御手段は、前記遮蔽手段によって前記ガス通路の少なくとも一部に隣接する複数の閉空間を形成し、
   前記判定手段は、前記状態検出手段によって検出される前記各閉空間の圧力及び温度に基づいて、前記ガス通路に異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記複数の閉空間の中には、少なくとも圧力調整弁を有する閉空間が存在することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システムを備えた車両。
   
   
   
   

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