JP2006278088A - 燃料電池システムおよび水素漏れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池による発電開始前において、水素ガスの漏れや部品故障等の異常を検知可能とする。
【解決手段】 制御コンピュータ４００は、開閉弁２００を開け、水素供給流路２４内の加圧を開始すると、供給した水素の流量を水素流量計３００を用いて積算する。そして、加圧期間完了時における水素の圧力を測定して、この測定圧力から水素供給流路２４内に流れ込んだ水素の流量を算出する。制御コンピュータ４００は、水素流量計３００を用いて測定した流量の積算値と、圧力状態から算出された流量との差を求め、水素の漏れ量を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムにおいて、水素ガスの漏れや部品故障等を検知する技術に関する。

燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムでは、その安全性を向上させるため、燃料電池のアノードに供給する水素ガスの漏れを検知する技術が種々検討されている。

例えば、特許文献１には、燃料電池の出力電流値に基づき算出した水素ガスの消費量と、流量センサによって測定した水素ガスの供給量とに基づき水素ガスの漏れを検知する技術が記載されている。

特開２００４−２８１１３２号公報 特開２００４−１５８２７４号公報 特開２００４−２６５６６７号公報

しかし、このような従来の技術では、燃料電池の出力電流値に基づき水素ガスの消費量を算出していたため、燃料電池によって実際に発電が行われている最中にしか水素ガスの漏れを検知することができなかった。

そこで、本発明は、燃料電池による発電開始前において、水素ガスの漏れや部品故障等の異常を検知することを目的としている。

上記目的を踏まえ、本発明の燃料電池システムを次のように構成した。すなわち、燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と
を備えることを要旨とする。

このような構成の本発明の燃料電池システムによれば、供給された水素の実際の流量と、水素の状態量に基づき算出した流量との差を求めることで、燃料電池の発電開始前においても迅速に水素の漏れを検出することができる。水素の状態量とは、例えば、水素の圧力や温度などである。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間内の加圧が終了するより前の一部の期間において、前記漏れを検出するものとしてもよい。

このような構成であれば、加圧期間よりも更に短時間のうちに漏れの発生を検知することができる。また、燃料電池内では、電解質膜を介してアノードからカソードに水素が透過する性質があるが、この透過量はアノード側の水素圧力に比例して増加する。従って、加圧期間中のできるだけ圧力の低い一部の期間において漏れ量を算出すれば、水素の透過による影響を抑えて漏れの検出を行うことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の状態量の変化に基づき、前記漏れを検出するものとしてもよい。

このような構成であれば、より短期間に水素漏れを検知することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の平均圧力を求め、前記一部の期間において算出した前記水素の漏れ量を、前記平均圧力に基づき、前記加圧期間の完了時における漏れ量に補正するものとしてもよい。

こうすることにより、水素圧力の上昇に伴う電解質膜のクロスリークの影響を抑えて水素の漏れ量を精度良く算出することが可能になる。また、水素の漏れ量を加圧期間完了時における漏れ量に補正することで、加圧期間の全期間に亘って漏れの検出を行う場合に用いる漏れの基準値と共通の基準値によって漏れの判定を行うことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間の完了時に前記漏れを検出するものとしてもよい。

このような構成であれば、加圧期間全体にわたり流量を測定することができるので、漏れ量の算出に誤差が生じることを低減することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記加圧期間内の異なる２時点において、前記算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき前記水素の漏れ量をそれぞれ算出し、前記２時点における各漏れ量の差から、前記燃料電池内の電解質膜を介してアノードからカソードへと透過する水素の透過量を推定する透過量推定部を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、水素の漏れ量だけではなく、電解質膜を透過する水素のクロスリーク量も推定することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池には、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路が接続されており、
該アノードオフガス流路は、前記アノードオフガスを前記水素供給流路に循環させるための循環装置を介して前記水素供給流路に接続され、
前記加圧期間中に、前記循環装置を制御して、前記水素供給手段から供給される水素を前記アノードオフガス流路に逆流させて供給する手段を備えるものとしてもよい。

このような構成によってアノードオフガス流路にも水素を逆流させて供給することにより、燃料電池付近における水素圧力の均一化を図ることができるため、燃料電池内の流路によって発生する圧力損失による影響を低減することができ、漏れの検知を精度良く行うことが可能になる。循環装置としては、例えば、エジェクタやポンプを用いることができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記水素供給流路中の、前記流量検出手段と前記燃料電池との間に、少なくとも一つのシャットバルブを備えており、
前記状態量検出手段は、前記シャットバルブによって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記各シャットバルブは、初期状態で閉状態となっており、
前記漏れ検出部は、
前記シャットバルブを、前記流量検出手段側に設けられたシャットバルブから前記燃料電池側に設けられたシャットバルブに向けて順に開弁する手段と、
前記開弁したシャットバルブと、未開弁のシャットバルブまたは前記燃料電池のうち該開弁したシャットバルブの前記燃料電池側に位置する直近のものとの間に位置する区間に備えられた前記状態量検出手段によって、該区間中の前記水素の状態量を検出するとともに、該状態量に基づき前記水素供給手段から該区間に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、該区間における水素の漏れを検出する手段とを備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、シャットバルブや燃料電池によって区画されている区間毎に水素漏れが発生しているか否かを検出することができるので、漏れの発生場所を大まかに特定することが可能になる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記水素供給流路は、少なくとも一つの調圧弁を備えており、
前記状態量検出手段および前記流量検出手段は、前記調圧弁によって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記漏れ検出部は、前記区間毎に、前記漏れの検出を行うものとしてもよい。

このような構成であれば、水素供給手段から供給される水素の圧力が調圧弁によって段階的に減圧されるシステムであっても、最も低圧となる燃料電池直前の区間が、燃料電池の発電に適した圧力に到達するのを待つことなく、各区間の圧力がその区間に適した圧力に到達した段階で水素漏れを検出することができるので、迅速に水素漏れの検出を行うことが可能になる。また、各区間毎に漏れの検出を行うので、漏れの発生場所の大まかな特定も行うことができる。

上述した種々の構成の燃料電池システムにおいて、
更に、前記水素供給流路中の、前記状態量検出手段と前記水素供給手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出手段によって前記漏れが検出されなかった場合に、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の圧力が、前記燃料電池の発電に適した所定の圧力よりも低いときに前記調圧弁が故障したと判定する故障判定部を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、水素漏れが検出されない場合であっても、調圧弁に発生する加圧不良等の故障を検知することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは車両に搭載されており、前記漏れ検出部による漏れの検出結果および前記故障判定部による故障の判定結果の少なくともいずれか一方に応じて、前記車両の運転モードを設定する運転モード設定部を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、燃料電池による発電開始前に、水素漏れや故障の有無に応じて車両の運転モードを最適なモードに設定することができる。

例えば、前記運転モード設定部は、前記漏れ検出部によって前記漏れが検出された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池による発電を禁止するとともに前記車両に備えられた二次電池による走行を許容する二次電池運転モードに設定するものとしてもよい。

このような構成であれば、水素漏れを検出した際に水素の供給を停止して発電を禁止するので、水素が漏れ出すことを抑制しつつ、二次電池に蓄電された電力の範囲内で車両を自走させることができる。

また、前記運転モード設定部は、前記故障判定部によって故障が発生したと判定された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池に対して出力制限をかけつつ走行を許容するリンプフォーム運転モードに設定するものとしてもよい。

このような構成であれば、調圧弁の故障に伴って燃料電池に供給される水素量が少なくなっても、燃料電池の出力を制限して発電を継続し、最寄りの修理工場等まで緊急的に車両を走行させることができる。

本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成以外にも、次のような水素漏れ検出方法としても構成することができる。すなわち、燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、水素漏れを検出する水素漏れ検出方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段とを備えており、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する
水素漏れ検出方法である。

このような漏れ検出方法によっても、供給された水素の実際の流量と、水素の状態量に基づき算出した流量との差を求めることで、燃料電池の発電開始前においても迅速に水素の漏れを検出することができる。

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの全体構成：
（Ａ２）異常検知処理：
（Ａ３）第１実施例の変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００は、図示するように、車両９０に搭載されており、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池１０や、水素ガスを貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に空気を供給するブロワ３０、燃料電池１０によって発電された電気により充電される二次電池４０、燃料電池１０によって発電された電力によって車軸５５を駆動するモータ５０、車両９０や燃料電池システム１００を全般的に制御する制御コンピュータ４００等を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続された二次電池４０やモータ５０に供給される。

ブロワ３０は、燃料電池１０のカソードに空気を供給するための装置である。ブロワ３０は、空気供給流路３４を介して燃料電池１０のカソードに接続されている。電気化学反応に供された後の空気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、カソードオフガス流路３６を通じて外部に排出される。

水素タンク２０には、数十ＭＰａの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵される。この水素タンク２０は、水素供給流路２４を通じて燃料電池１０のアノードに接続されている。水素供給流路２４の流路中には、水素タンク２０から近い順番に、開閉弁２００と、第１調圧弁２１０と、水素流量計３００と、第２調圧弁２２０とが設けられている。開閉弁２００が制御コンピュータ４００による制御によって開弁状態になると、水素タンク２０から水素供給流路２４を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。なお、図中に破線で示したシャットバルブ２５０は後述する変形例で用いられるものであり、本実施例では用いられない。

水素タンク２０から水素供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、第１調圧弁２１０によって調圧され、４００Ｋ〜２ＭＰａ程度の中圧状態に減圧される。こうして調圧された水素ガスは、水素流量計３００を通過後、更に、第２調圧弁により調圧され、１００Ｋ〜２５０ＫＰａ程度の低圧状態まで減圧される。そして、この低圧状態の水素ガスが、燃料電池１０のアノードへ供給される。以下の説明では、第１調圧弁２１０と第２調圧弁２２０とによって異なる圧力状態となった水素供給流路２４中の区間をそれぞれ、図示するように、高圧部ＨＳ、中圧部ＭＳ、低圧部ＬＳと呼ぶ。

水素流量計３００は、調圧弁２１０によって減圧された水素ガスが水素供給流路２４中を流れる単位時間当りの流量を計測する。この水素流量計３００は、制御コンピュータ４００に接続されており、後述する異常検知処理において水素ガスの流量を検出する際に用いられる。

水素供給流路２４中の高圧部ＨＳと中圧部ＭＳと低圧部ＬＳとには、それぞれその区間を流れる水素ガスの圧力を計測するために、圧力センサ３１０，３２０，３３０が備えられている。各圧力センサ３１０〜３３０は、制御コンピュータ４００に接続されており、後述する異常検知処理において各圧力部の圧力を検出する際に用いられる。

燃料電池１０のアノード側の出口には、アノードオフガス流路２６が接続されている。このアノードオフガス流路２６には、気液分離器６０が接続されている。アノードオフガス中には、電解質膜を介してカソード側から透過してくる水分が含まれる場合があり、気液分離器６０によって、この水分がアノードオフガス中から分離され、外部に排出される。

気液分離器６０には、水素循環流路２８とパージ弁２４０とが接続されている。アノードオフガス中には、水分以外にも、燃料電池１０による発電に供しきれなかった水素ガスが残存している場合があり、この水素ガスを水素循環流路２８を介して、再度、水素供給流路２４に供給することで、効率的に水素ガスを利用することができる。水素供給流路２４と水素循環流路２８の接合部には、水素ガスを循環させるための循環装置７０が設けられている。この循環装置７０としては、例えば、エジェクタやポンプを用いることができる。

パージ弁２４０は、制御コンピュータ４００による制御によって定期的に開弁される。アノードオフガスには、前述したように水分やカソードから電解質膜を介して透過する空気中の窒素等の不純物が含まれるため、これらを、定期的に外部に排出するためである。なお、制御コンピュータ４００は、アノードオフガス中の不純物の濃度を測定もしくは燃料電池の発電量等から推定して、パージ弁２４０を開弁するものとしてもよい。

制御コンピュータ４００は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートを備えている。ＲＯＭには、後述する異常検知処理を行うためのプログラムや、車両９０や燃料電池システム１００の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭに展開して実行する。入出力ポートには、水素流量計３００や圧力センサ３１０〜３４０等が接続され、また、開閉弁２００やパージ弁２４０、ブロワ３０、イグニションスイッチ等も接続される。

（Ａ２）異常検知処理：
図２は、上述した制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する異常検知処理のフローチャートである。この異常検知処理は、運転者によるイグニションスイッチのオン操作後、燃料電池１０による発電開始前に、水素供給流路２４やアノードオフガス流路２６、水素循環流路２８（以下、これらをまとめて「水素系」と呼ぶ）に水素漏れや部品故障が発生していないかを検知するための処理である。なお、かかる処理の前提として、初期状態では、開閉弁２００とパージ弁２４０とは閉状態であり、水素系は閉じた状態であるものとする。

この異常検知処理が実行されると、まず、制御コンピュータ４００は、圧力センサ３１０〜３３０のいずれかを用いて水素供給流路２４内の圧力Ｐ₀を測定する（ステップＳ２００）。こうして測定された圧力Ｐ₀は概ね大気圧程度である。なお、各圧力センサによって測定された圧力の平均値を水素供給流路２４内の圧力Ｐ₀としてもよい。圧力Ｐ₀を測定すると、制御コンピュータ４００は、開閉弁２００を開く（ステップＳ２１０）。すると、高圧の水素ガスが水素供給流路２４中に供給され、水素供給流路２４内の圧力が加圧されることになる。加圧が開始されると、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００を用いて水素タンク２０から供給される水素ガスの流量を検出し（ステップＳ２２０）、その流量を積算する（ステップＳ２３０）。

次に、制御コンピュータ４００は、上記ステップＳ１００によって加圧を開始してから、現在までに経過した時間が、標準加圧時間ｔｎを経過したか否かを判定する。（ステップＳ２４０）。標準加圧時間ｔｎとは、水素供給流路２４中の低圧部ＬＳにおける水素圧力が燃料電池１０による発電に適した圧力に達するまでにかかる水素の供給開始からの標準的な時間である。この標準加圧時間ｔｎの値は、予めＲＯＭに記憶されている。制御コンピュータ４００は、現在までの経過時間が標準加圧時間ｔｎに達していないと判断した場合には（ステップＳ２４０：Ｎｏ）、上記ステップＳ２２０に処理を戻し、水素供給流路２４内の加圧を継続する。

現在までの経過時間が、標準加圧時間ｔｎを経過したと判断すると（ステップＳ２４０：Ｙｅｓ）、制御コンピュータ４００は、圧力センサ３１０〜３３０を用いて、水素供給流路２４中の各圧力部の圧力をそれぞれ検出する（ステップＳ２５０）。以下では、ここで検出した高圧部ＨＳの圧力をＰ₁、中圧部ＭＳの圧力をＰ₂、低圧部ＬＳの圧力をＰ₃とする。

次に、制御コンピュータ４００は、上記ステップＳ２３０で積算した水素ガスの総流量と、上記ステップＳ２５０で検出した各圧力部の圧力とに基づき、水素ガスの漏れ量Ｑ_leakを算出する（ステップＳ２６０）。かかる漏れ量Ｑ_leakは、下記式（１）に基づき算出することができる。なお、下記式において、Ｖ₁，Ｖ₂…は、水素供給流路２４中の各圧力部の体積を表しており、Ｑ_flowは、水素流量計３００によって検出された水素ガスの流量を表している。かかる式（１）の左辺の第１項は、水素系に供給された水素の総量を水素流量計３００によって計測した値となり、第２項は、水素系に存在する水素の総量を各圧力部の圧力から算出した値となる。

なお、上記式（１）は、次のような式（１ｂ）のように表すこともできる。かかる式を用いる場合には、各圧力部に温度センサが設けられているものとする。なお、ｚは圧縮係数、Ｒは気体定数、Ｔ₁，Ｔ₂…は各圧力部の温度である。

制御コンピュータ４００は、こうして算出した漏れ量Ｑ_leakが基準値（例えば、ゼロ）を超えている場合には（ステップＳ２７０：漏れ量＞基準値）、水素漏れが発生していると判断し、開閉弁２００を閉じる（ステップＳ２８０）。そして、燃料電池１０による発電を禁止し（ステップＳ２９０）、車両の運転モードを、二次電池４０による運転のみを許容するＥＶ運転モードに設定する（ステップＳ３００）。こうすることにより、水素が漏れ出すことを抑制しつつ、二次電池に蓄電された電力の範囲内で車両を安全な場所まで自走させることができる。なお、漏れの判定に用いる基準値は、ゼロ以外にも、漏れ量Ｑ_leakの算出誤差を考慮し、所定量α（＞０）としてもよい。

一方、上記ステップＳ２６０において算出した漏れ量Ｑ_leakが基準値以下の場合には（ステップＳ２７０：漏れ量≦基準値）、制御コンピュータ４００は、水素漏れは発生していないと判断する。そして、更に、低圧部ＬＳの圧力Ｐ₂が、燃料電池による発電に適した正常な圧力（例えば、２００ＫＰａ）まで上昇しているか否かを判断する（ステップＳ３１０）。その結果、圧力Ｐ₂が正常な圧力に達していない場合には（ステップＳ３１０：Ｎｏ）、水素供給流路２４中に設けられたいずれかの部品（例えば、第１調圧弁２１０や第２調圧弁２２０）の故障により加圧不良等が発生していると判断し、車両の運転モードをリンプフォーム運転モードに設定する（ステップＳ３２０）。そして、制御コンピュータ４００は、出力制限を行いつつ、燃料電池１０による発電を開始する（ステップＳ３３０）。このように、調圧弁等の故障時においてリンプフォーム運転モードに設定し、燃料電池の出力制限を行えば、調圧弁等の故障に伴って、燃料電池に供給される水素量が少なくなっても、燃料電池の出力を制限して発電を継続することで、最寄りの修理工場等まで緊急的に車両を走行させることができる。また、上述したように、リンプフォーム運転モード設定時には、水素漏れまでは発生していないため、燃料電池を停止する必要はなく、ＥＶ運転モード時よりも比較的長距離自走させることができる。

上記ステップＳ３１０において、圧力Ｐ₂が正常な圧力であると判断した場合には（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）、制御コンピュータ４００は、水素供給流路２４中に水素漏れや部品故障が発生していないと判断する。そして、運転モードを通常運転モードに設定し（ステップＳ３４０）、燃料電池１０による発電を開始する（ステップＳ３５０）。制御コンピュータ４００は、以上で説明した異常検知処理を終了すると、上記ステップＳ３００、Ｓ３２０、Ｓ３４０において設定された運転モードに基づき、車両９０の運転制御を行う。

以上で説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、水素漏れや部品故障など、水素系に発生している異常を、燃料電池１０による発電開始前に迅速に検出することができる。そのため、燃料電池システムの安全性を向上させることができる。燃料電池の発電開始前に水素タンク２０から供給された水素は燃料電池によって消費されず、その供給量は水素供給流路内の状態量（圧力や温度等）の変化として現れる。そのため、このような状態量の変化を利用して水素漏れや部品故障の検知を行うことにより、燃料電池１０による発電開始前の加圧期間中において水素漏れや部品故障など、水素系に発生している異常を精度良く迅速に検出することができるのである。また、本実施例では、燃料電池１０の発電開始前に水素漏れ等の検知を行うことができるため、従来のように、水素漏れの検知のために、燃料電池を一旦運転させてから停止させるという動作が不要であるため、燃料電池の耐久性を向上させることもできる。

（Ａ３）第１実施例の変形例：
上述した第１実施例では、標準加圧時間ｔｎ（図２：ステップＳ２４０参照）の経過後に、漏れの判定を行うものとした。しかし、この標準加圧時間ｔｎ内の一部の期間で漏れの検知を行うものとしてもよい。燃料電池１０内の電解質膜は、水素ガスをアノードからカソードに透過する性質があるが、この透過量は、アノード側の水素圧力に比例して多くなる。そのため、標準加圧時間ｔｎ内における、加圧開始から加圧途中までの低圧状態で漏れ量を検出すれば、電解質膜による水素透過の影響を抑制して迅速に水素漏れの検出を行うことができる。この場合、図２のステップＳ２７０における漏れの判定で用いる基準値や、ステップＳ３１０において低圧部の圧力と比較する正常圧力は、その一部の期間に応じてその値を設定することができる。

上記のように、標準加圧時間ｔｎ内の一部の期間において漏れ量Ｑ_leakを算出する場合には、この期間中の水素の平均圧力を用いることで、図２のステップＳ２６０において算出する漏れ量を補正し、標準状態における漏れ量に換算することができる。このように、漏れ量を標準状態における漏れ量に換算すれば、図２のステップＳ２７０で用いる基準値や、ステップＳ３１０で用いる正常圧力は、第１実施例と同じ値を用いることができる。かかる換算は、次のように行うことができる。

例えば、漏れの発生している部分をオリフィスとみなすと、このオリフィスを通過する水素流量Ｑは、一般的に、次の式（２）で表される。ただし、αはオリフィス係数、Ｆ₀は開口面積、γは気体密度である。これらは、漏れ部の大きさで一意に決まる値である。

上記式（２）によれば、漏れ部を通過する水素ガスの流量Ｑ_leakは、次式（３）のような関係を有することになる。

そのため、補正後の漏れ量Ｑ_leak2は、次式（４）によって求めることができる。ただし、Ｐ_aveは、標準加圧時間ｔｎ内の一部の期間における平均圧力、Ｐ_aは外気圧、Ｑ_leakは上記式（１）もしくは（１ｂ）によって求めた水素漏れ量、Ｐ_bは燃料電池での発電に適した水素圧力である。

Ｂ．第２実施例：
上述した第１実施例では、図２のステップＳ２４０で示したように、標準加圧時間ｔｎの経過後に漏れ量Ｑ_leakの算出を行った。そのため、水素供給流路２４内の加圧が完了するまでの比較的長い期間にわたり水素の流量を検出することができることになり、測定誤差の発生を低減することができる。これに対して、本実施例では、標準加圧時間ｔｎ内の微小な時間内における水素の流量と圧力変化との関係から瞬時に水素漏れを検出することを目的とする。燃料電池システム１００の全体構成は、図１で示した構成と同様である。

図３は、第２実施例における異常検知処理のフローチャートである。制御コンピュータ４００は、この異常検知処理を実行すると、まず、水素供給流路２４内の圧力Ｐ₀を測定する（ステップＳ４００）。そして、開閉弁２００を開き、水素供給流路２４内の加圧を開始する（ステップＳ４１０）。

加圧開始後、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００を用いて、微小時間ｄｔにおける水素ガスの流量Ｑ_flowを検出する（ステップＳ４２０）。この微小時間ｄｔは、例えば、水素流量計３００が測定可能な最小の単位時間とすることができる。また、０．１秒や０．０１秒など、予め定めた所定の微小時間とすることもできる。

制御コンピュータ４００は、水素ガスの流量の検出と同時に、微小時間ｄｔにおける水素供給流路２４内の圧力変化量ｄｐを検出する（ステップＳ４３０）。加圧中の初期の段階では、第１調圧弁２１０や第２調圧弁２２０は全開状態のため、各圧力部は連通した状態となり、それぞれの圧力状態は同じである。従って、圧力変化を測定するセンサは、水素流量計３００よりも下流に位置していればよく、例えば、中圧部ＭＳの圧力センサ３２０を用いてもよいし、低圧部ＬＳの圧力センサ３３０を用いてもよい。

次に、制御コンピュータ４００は、水素ガスの漏れ量Ｑ_leakを算出する（ステップＳ４４０）。Ｖ₀、Ｖ’₀を標準状態に換算した場合における水素の体積、Ｖを水素流量計３００よりも下流における水素供給流路２４の体積とすると、図３のステップＳ４３０中に示した圧力Ｐおよび圧力Ｐ’における水素の状態は、それぞれ、次のように表すことができる。

ＰＶ＝Ｐ₀Ｖ₀
Ｐ’Ｖ＝Ｐ₀Ｖ’₀

上記２式の左辺および右辺をそれぞれ減算すると、
ΔＰＶ＝Ｐ₀ΔＶ₀
すなわち、
ΔＰ＝（ΔＶ₀Ｐ₀）／Ｖ
となる。更に、この式を変形すると、流量Ｑは、次のように表される。

従って、水素流量計３００によって測定した流量をＱ_flowとすると、漏れ量Ｑ_leakは次のように算出することができる。
Ｑ_leak＝Ｑ_flow−Ｑ

制御コンピュータ４００は、こうして算出した漏れ量Ｑ_leakが基準値（例えば、ゼロ）を超える場合には（ステップＳ４５０：漏れ量＞基準値）、漏れが発生していると判断し、図２に示したステップＳ２８０〜Ｓ３００と同様の処理を行い、水素ガスの供給を停止する。一方、漏れ量Ｑ_leakが基準値以下の場合には（ステップＳ４５０：漏れ量≦基準値）、漏れが発生していないと判断し、上記ステップＳ４１０において水素ガスの供給を開始してから現在までに経過した時間が、標準加圧時間ｔｎを経過したか否かを判定する（ステップＳ４６０）。その結果、標準加圧時間ｔｎを経過した場合には（ステップＳ４６０：Ｙｅｓ）、図２に示したステップＳ３１０〜Ｓ３５０と同様の処理を行う。

以上で説明した第２実施例によれば、燃料電池１０による発電開始前であって、更に、水素系の加圧が完了する前に、瞬間的に水素漏れを検出することができる。そのため、水素漏れが発生していた場合には、水素ガスの供給を迅速に停止することが可能になる。

なお、燃料電池１０内の電解質膜は、アノードからカソードに水素ガスを透過する性質があり、この透過量は、アノード側の水素圧力に比例して多くなる。従って、上記異常検知処理のステップＳ４２０およびステップＳ４３０を、水素供給流路２４の加圧開始直後に実行するものとすれば、電解質膜によるクロスリークの影響を抑制して迅速に水素漏れを検知することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、以下のような変形が可能である。

（変形例１）
燃料電池１０内においてアノード側から電解質膜を介してカソード側に透過する水素ガスの透過量は、アノード側の水素分圧に比例して増加する。そのため、上記第１実施例で示した式（１）を用いれば、標準加圧時間ｔｎ内の異なる２時点における漏れ量の差を求めることにより、電解質膜を透過する水素ガスの透過量を推定することが可能である。

図４は、水素ガス透過量の推定方法を示す説明図である。図４（ａ）は、水素流量計３００によって測定した水素流量の時間変化を表し、図４（ｂ）は、低圧部ＬＳの圧力センサ３３０によって検出した水素圧力の時間変化を表している。

電解質膜によるガス透過量Ｑ_tは、アノード内の水素分圧に比例して増加する。すなわち、ガス透過量Ｑ_tとアノード内の圧力Ｐ（＝低圧部ＬＳの圧力）とは、次のような関係を有する。ただし、εはガス透過度、Ｓは電解質膜の面積である。

Ｑ_t＝ε・Ｐ・Ｓ

図４（ｂ）に示した時点ｔ１，ｔ２においてそれぞれ上記式（１）を用いて漏れ量Ｑ_leakを算出すると、漏れ量Ｑ_leakに差ΔＱ_tが生じる。このΔＱ_tは、電解質膜によってガスが透過したことによる差であるから、時点ｔ１，ｔ２におけるそれぞれの漏れ量Ｑ_leakを（漏れ量ｔ１）、（漏れ量ｔ２）と表すと、電解質膜を透過したガス量は、次のように表すことができる。

ΔＱ_t＝（漏れ量ｔ１）−（漏れ量ｔ２）
ΔＱ_t＝（ε・Ｐ１・Ｓ）−（ε・Ｐ２・Ｓ）
すなわち、
ΔＱ_t＝ε・ΔＰ・Ｓ

Ｓは既定値であり、ΔＰは圧力センサによって測定可能であるので、かかる式からガス透過度εが推定できる。従って、このガス透過度εを用いれば、図４（ａ）中に破線で示したグラフのように、電解質膜を透過する水素ガスの透過量を推定することができる。また、このガス透過度εの大きさにより、電解質膜の劣化度合いを推定することも可能である。

なお、例えば、上述した方法によって推定された水素ガスの透過量を用いれば、燃料電池１０の発電中における水素ガスの漏れ量を精度よく推定することもできる。かかる場合における漏れ量Ｑ_leakは、次のような式によって求めることができる。

Ｑ_leak＝Ｑ_flow−（（燃料電池の出力電流から推定される水素消費量）＋（パージ弁２４０からパージされる水素量）＋（水素ガス透過量））

（変形例２）
上述した第１実施例および第２実施例では、水素系で発生した水素漏れや部品故障等の異常を検出することが可能である。これに対して、図１内に破線で示したシャットバルブ２５０を用いることで、異常の発生した箇所の特定を行うことができる。図１に示すように、シャットバルブ２５０は、第２調圧弁２２０と水素流量計３００の間に設けられている。

図５は、シャットバルブ２５０を用いて段階的に異常検知処理を実行する際のタイミングチャートである。まず、制御コンピュータ４００は、シャットバルブ２５０を閉じた状態で、開閉弁２００を開くと、シャットバルブ２５０よりも上流部分に水素ガスが供給される。すると、図示するように、水素流量計３００によって中圧部ＭＳに流れ込む水素の流量が検出され、圧力センサ３２０によって中圧部ＭＳの圧力上昇が検出される。この期間中に、図２あるいは図３で示した異常検知処理を実行すれば、開閉弁２００よりも下流側でシャットバルブ２５０よりも上流側に生じた水素漏れや部品故障を検出することができる。

上述した１回目の異常検知処理によって水素漏れや部品故障が検出されなかった場合には、制御コンピュータ４００は、シャットバルブ２５０を開く。すると、シャットバルブ２５０よりも下流に水素が供給されるため、水素流量計３００によって低圧部ＬＳに流れ込む流量が検出されると共に、圧力センサ３３０によって低圧部ＬＳの圧力上昇が検出される。制御コンピュータ４００は、かかる期間において２回目の異常検知処理を実行すれば、シャットバルブ２５０よりも下流側に生じた水素漏れや部品故障を検出することができる。

以上で説明したように、本変形例によれば、水素供給流路２４中にシャットバルブを設け、段階的にそのシャットバルブを開いていくことで、水素漏れや部品故障の発生した部位をそのシャットバルブの位置に応じて検出することが可能になる。なお、本変形例では、シャットバルブを１つのみ配置した例を示したが、その数に制限はない。シャットバルブを複数個設けた場合には水素供給流路２４の上流側から順にシャットバルブを開弁する。そして、開弁したシャットバルブの下流に直近して位置する区間において水素漏れ等の検知を行い、かかる検知が終了すれば、次のシャットバルブを開弁し、同様の処理を繰り返し行う。このように、複数個のシャットバルブを用いて異常検知処理を繰り返し実行すれば、異常発生の位置を正確に特定することができる。

（変形例３）
第１実施例や第２実施例では、１つの水素流量計３００を用いて水素供給流路２４全体の異常検知を行うものとした。これに対して、水素流量計を水素供給流路２４中の各圧力部に配置することで、各圧力部についてそれぞれ水素漏れや部品故障の検知を行うことができる。

図６は、本変形例における燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。図示するように、本変形例では、図１に示した燃料電池システム１００に対して、高圧部ＨＳに水素流量計３０１を、低圧部ＬＳに水素流量計３０２をそれぞれ加えた構成を採る。

このような構成の燃料電池システムでは、制御コンピュータ４００は、開閉弁２００を開いた後に、各圧力部でそれぞれ、図２あるいは図３で示した異常検知処理を実行する。こうすることで、各圧力部における水素漏れや部品故障を検出することができる。つまり、上述した変形例２と同様に、異常の発生した場所の特定を行うことができる。また、本変形例では、上述した変形例２のように、段階的にシャットバルブを空ける処理が不要であるため、異常の発生場所の検出をより迅速に行うことができる。

（変形例４）
水素ガスを燃料電池１０に供給する際には、燃料電池１０内のアノード流路によって大きな圧力損失が発生する場合がある。そこで、上述した異常検知処理において、開閉バルブ２００の開弁（ステップＳ２１０，Ｓ４１０）とともに燃料電池１０のアノード入口と同時にアノード出口からも水素ガスを供給することで、水素系の圧力の均一化を図ることができ、異常検知の精度を向上させることができる。

例えば、循環装置７０がエジェクタによって構成されていれば、エジェクタの開度を全開にして、かつエジェクタの１次圧を徐々に上昇させる。こうすることで循環装置７０の循環能力を抑制することができるので、アノードオフガス流路２６を水素が逆流することになり、アノード出口側にも水素ガスを供給することができる。

また、循環装置７０が水素ポンプによって構成されていれば、水素ポンプを逆回転させることで、水素循環流路２８側に水素ガスを逆流させ、アノード出口に水素ガスを供給することができる。

その他、循環装置７０を利用してアノード出口に水素ガスを供給する以外にも、アノード出口に水素ガスを供給するための専用の流路を別途設けるものとしてもよい。

図７および図８は、アノード出口に水素ガスを供給するため専用の流路の例を示す説明図である。図７に示した燃料電池システム１００では、水素供給流路２４のアノード入口付近と、カソードオフガス流路３６のアノード出口付近とをバイパス流路３７によって接続し、このバイパス流路３７中にシャットバルブ３８を設けている。制御コンピュータ４００は、異常検知処理の実行開始とともにこのシャットバルブ３８を開弁することで、アノード出口側に対しても水素ガスを供給することができる。異常検知処理の終了時には、このシャットバルブ３８は閉弁する。

一方、図８に示した燃料電池システム１００では、水素供給流路２４のアノード入口付近に三方弁３９を設け、この三方弁３９に対して燃料電池１０のアノード入口およびアノード出口にそれぞれ水素ガスを導入する流路４１を接続している。このような構成であっても、異常検知処理の実行と同時に三方弁３９を制御することで、燃料電池１０のアノード出口に対して水素ガスを供給することができる。

（変形例５）
上述した実施例や変形例では、水素供給流路２４に供給される水素の流量を水素流量計３００によって測定したが、水素流量計３００を用いることなく種々の方法でその流量を推定することもできる。例えば、水素タンク２０から供給された直後の水素ガスの圧力変化を測定することで、水素供給流路２４に供給される水素ガスの流量を推定することができる。また、水素タンク２０の直後に配置された部品（例えば、第１調圧弁）の前後に生じる差圧から水素流量を推定することもできる。

（変形例６）
図２に示した異常検知処理のステップＳ３００，Ｓ３３０，３１０における運転モードの設定は、水素漏れの有無および故障の有無に応じて運転モードが定義された所定の運転モードテーブルを参照することにより行うものとしてもよい。図９には、運転モードテーブルの一例を示した。図示する例には、水素漏れの有無および故障の有無についてのみ運転モードを定義してあるが、例えば、水素漏れの発生場所や故障の発生場所に応じてもそれぞれ運転モードを定義するものとしてもよい。このようなテーブルを用いれば、水素漏れの有無や故障の有無等に応じてきめ細かく運転モードを設定することができる。

第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。 第１実施例における異常検知処理のフローチャートである。 第２実施例における異常検知処理のフローチャートである。 水素ガス透過量の推定方法を示す説明図である。 シャットバルブ２５０を用いて段階的に異常検知処理を実行する際のタイミングチャートである。 変形例３における燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。 アノード出口に水素ガスを供給するための流路を別途設けた例を示す説明図である。 アノード出口に水素ガスを供給するための流路を別途設けた例を示す説明図である。 運転モードテーブルの一例を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…水素タンク
２４…水素供給流路
２６…アノードオフガス流路
２８…水素循環流路
３０…ブロワ
３４…空気供給流路
３６…カソードオフガス流路
３７…バイパス流路
３８…シャットバルブ
３９…三方弁
４０…二次電池
５０…モータ
５５…車軸
６０…気液分離器
７０…循環装置
９０…車両
１００…燃料電池システム
２００…開閉弁
２１０…第１調圧弁
２２０…第２調圧弁
２４０…パージ弁
２５０…シャットバルブ
３００，３０１，３０２…水素流量計
３１０〜３３０…圧力センサ
４００…制御コンピュータ

Claims (14)

1. 燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
   前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
   前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
   前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
   前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記漏れ検出部は、前記加圧期間内の加圧が終了するより前の一部の期間において、前記漏れを検出する
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の状態量の変化に基づき、前記漏れを検出する
   燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
   前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の平均圧力を求め、前記一部の期間において算出した前記水素の漏れ量を、前記平均圧力に基づき、前記加圧期間の完了時における漏れ量に補正する
   燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記漏れ検出部は、前記加圧期間の完了時に前記漏れを検出する
   燃料電池システム。
6. 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であって、
   前記加圧期間内の異なる２時点において、前記算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき前記水素の漏れ量をそれぞれ算出し、前記２時点における各漏れ量の差から、前記燃料電池内の電解質膜を介してアノードからカソードへと透過する水素の透過量を推定する透過量推定部を備える
   燃料電池システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池には、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路が接続されており、
   該アノードオフガス流路は、前記アノードオフガスを前記水素供給流路に循環させるための循環装置を介して前記水素供給流路に接続され、
   前記加圧期間中に、前記循環装置を制御して、前記水素供給手段から供給される水素を前記アノードオフガス流路に逆流させて供給する手段を備える
   燃料電池システム。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記水素供給流路中の、前記流量検出手段と前記燃料電池との間に、少なくとも一つのシャットバルブを備えており、
   前記状態量検出手段は、前記シャットバルブによって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
   前記各シャットバルブは、初期状態で閉状態となっており、
   前記漏れ検出部は、
   前記シャットバルブを、前記流量検出手段側に設けられたシャットバルブから前記燃料電池側に設けられたシャットバルブに向けて順に開弁する手段と、
   前記開弁したシャットバルブと、未開弁のシャットバルブまたは前記燃料電池のうち該開弁したシャットバルブの前記燃料電池側に位置する直近のものとの間に位置する区間に備えられた前記状態量検出手段によって、該区間中の前記水素の状態量を検出するとともに、該状態量に基づき前記水素供給手段から該区間に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、該区間における水素の漏れを検出する手段とを備える
   燃料電池システム。
9. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記水素供給流路は、少なくとも一つの調圧弁を備えており、
   前記状態量検出手段および前記流量検出手段は、前記調圧弁によって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
   前記漏れ検出部は、前記区間毎に、前記漏れの検出を行う
   燃料電池システム。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    更に、前記水素供給流路中の、前記状態量検出手段と前記水素供給手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素の圧力を調整する調圧弁を備え、
    前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
    前記漏れ検出手段によって前記漏れが検出されなかった場合に、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の圧力が、前記燃料電池の発電に適した所定の圧力よりも低いときに前記調圧弁が故障したと判定する故障判定部を備える
    燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    該燃料電池システムは車両に搭載されており、
    前記漏れ検出部による漏れの検出結果および前記故障判定部による故障の判定結果の少なくともいずれか一方に応じて、前記車両の運転モードを設定する運転モード設定部を備える
    燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
    前記運転モード設定部は、前記漏れ検出部によって前記漏れが検出された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池による発電を禁止するとともに前記車両に備えられた二次電池による走行を許容する二次電池運転モードに設定する
    燃料電池システム。
13. 請求項１１または１２に記載の燃料電池システムであって、
    前記運転モード設定部は、前記故障判定部によって故障が発生したと判定された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池に対して出力制限をかけつつ走行を許容するリンプフォーム運転モードに設定する
    燃料電池システム。
14. 燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、水素漏れを検出する水素漏れ検出方法であって、
    前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段とを備えており、
    前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する
    水素漏れ検出方法。

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