JP2007048577A - 燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法 - Google Patents

燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池の再起動時においても通常の運転時と同様に精度の高いガス漏れ判定を行う。
【解決手段】燃料ガス系３に形成される閉空間でのガス漏れを判定するガス漏れ判定部（例えばＥＣＵ１３）は、圧力センサＰ５によって検出された当該閉空間における圧力の変化に基づきガス漏れ判定値を参照してガス漏れを判定するものであって、尚かつ、燃料極における窒素の濃度に応じて燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせるようにする。これは、燃料電池スタック２０の再起動時において燃料極における窒素の濃度が一時的に高くなることを考慮して当該窒素濃度に応じてガス漏れ判定レベルを異ならせるというものであり、この場合、窒素の濃度に応じてガス漏れ判定値の変更を行うことなどが好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける燃料ガス漏れを検知し判定する技術の改良に関する。
燃料電池システムにおいては、燃料ガスの漏れを正確に検知してその内容を判定する（以下、単に判定と表現する）ことが非常に重要である。かかる要請に応えるべく、燃料電池を含む燃料ガス循環供給系（以下、燃料ガス系ともいう）に配した遮断弁等により複数の閉空間を形成し、これら閉空間毎の圧力変化（例えば圧力降下速度）や各遮断弁等の前後差圧を検出することによって燃料ガス漏れを判定するという技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−３２９９６５号公報
しかしながら、上述のような燃料ガス漏れ判定技術は、燃料電池システムの再起動時においては不十分なことがある。すなわち、燃料電池システムをいったん停止させて放置した後に始動させた場合においては、クロスリークによって燃料極側の窒素濃度が一時的に通常時よりも高くなり、燃料ガスの漏れ量が少なくなるという現象が生じる結果、ガス漏れ量を過少評価してしまうことがある。
そこで、本発明は、燃料電池の再起動時においても通常の運転時と同様に精度の高いガス漏れ判定を行うことができる燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法を提供することを目的とする。
本発明者は従来技術の内容について検討した。閉空間における圧力変化に基づいて燃料ガス漏れを判定しようとする場合、上述したような過少評価が生じると燃料ガス漏れ判定の精度が十分でなくなってしまう。これについてさらに検討すると、再起動時には燃料電池のガス圧が一時的に高くなる（一時的に高くなっている状態を含む）ことから、起動時に検出した燃料ガス漏れ量と、起動後、パージが十分に行われて水素濃度が高くなった状態で検出する燃料ガス漏れ量とを比較すると後者の方が多く、このことが起動時の過少評価につながっていると考えられた。
そこで本発明者がさらに詳細に検討すると、以下のことが考えられた。すなわち、クロスリークによって燃料極側に流れ込む窒素の量が多くなり、当該燃料極側における閉空間内の圧力が高まった状態になると、例えば配管に生じた孔に起因して異常なガス漏れが生じたとしても、圧力変化が少ないために過少評価となってしまう。以上のことからすると、再起動時における特有の現象を前提として踏まえつつ、燃料ガス漏れの判定を精度よく行うための技術が必要と考えられた。ここで、本発明者は燃料電池の当該閉空間に含まれる窒素ガスに着目し、さらに検討を重ねた結果、課題解決につながる知見を得るに至った。
本発明はかかる知見に基づくもので、請求項１に記載の発明は、燃料電池の燃料極側に形成されている閉空間における圧力変化を検出し、当該圧力変化の検出結果に基づき所定のガス漏れ判定値を参照して前記閉空間における燃料ガス漏れの判定を行う燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法であって、前記燃料極における窒素の濃度に応じて燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせ、前記燃料ガス漏れの判定を行うというものである。
すなわち、本発明にかかる燃料ガス漏れ判定方法は、燃料極における窒素の濃度を考慮し、これに応じて所要の補正を行う、つまり燃料極における窒素の濃度に応じて燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせることによって燃料ガス漏れ判定の精度を向上させようとするものである。これは、燃料電池の再起動時において燃料極における窒素の濃度が一時的に高くなることを考慮し、当該窒素濃度に応じてガス漏れ判定値に所要の補正を行う（つまり燃料極における窒素の濃度に応じて燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせる）もので、この場合、前記窒素の濃度に応じて前記ガス漏れ判定値を変更することにより、前記燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせるものであることが好ましい（請求項２）。燃料電池の再起動時、クロスリーク現象によって燃料極側の窒素濃度が一時的に高いとしても、本発明のごとく変更したガス漏れ判定値を利用することによりガス漏れ量が過少評価されることを回避することができる。これにより、燃料極における窒素濃度が一時的に高くなった状況にも対応することが可能である。
燃料極における窒素の濃度は、請求項３のごとく、燃料電池の電解質膜を透過して空気極側へと漏れた燃料ガスの透過量と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて推定することができる。
あるいは、燃料極における窒素の濃度を、請求項４のごとく、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における燃料極の圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づいて推定することもできる。
さらに、請求項５に記載の発明は、燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを給排する燃料ガス系と、該燃料ガス系に設けられている調圧弁と、前記燃料ガス系に形成される閉空間における圧力を検出する圧力センサと、前記燃料ガス系に形成される閉空間でのガス漏れを判定するガス漏れ判定部とを備えた燃料電池システムにおいて、前記ガス漏れ判定部は、前記圧力センサによって検出された前記閉空間における圧力の変化に基づきガス漏れ判定値を参照してガス漏れを判定するものであって、前記燃料極における窒素の濃度に応じて前記ガス漏れの判定レベルを異ならせ、前記燃料ガス漏れの判定を行うというものである。
上述の燃料ガス漏れ判定方法と同様、この燃料電池システムにおいても燃料極における窒素濃度を考慮し、これに応じてガス漏れの判定レベルを異ならせ、燃料ガス漏れ判定の精度の向上を図ることとしている。これも、燃料電池の再起動時において燃料極における窒素濃度が一時的に高くなることを考慮したもので、当該窒素濃度に応じてガス漏れ判定値に所要の補正（つまり、ガス漏れの判定レベルを異ならせること）を行う。燃料電池の再起動時、クロスリーク現象によって燃料極側の窒素濃度が一時的に高いとしても、本発明のごとく判定レベルを異ならせたガス漏れ判定値を利用することによりガス漏れ量が過少評価されることを回避することができる。
燃料電池システムにおけるこのようなガス漏れ判定は、燃料電池の再起動時において燃料極における窒素の濃度が一時的に高くなることを考慮して当該窒素濃度に応じてガス漏れの判定レベルを異ならせるものであり、ガス漏れ判定部は、ガス漏れ判定値の変更を行うことにより、燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせることが好ましい（請求項６）。
また、上述のようにしてガス漏れ判定を行う燃料電池システムは、請求項７のごとく、燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段と、燃料極の圧力を検出する燃料極圧力検出手段と、放置時間を計測する放置時間計測手段と、を備え、燃料極における窒素の濃度を、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における燃料極の圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づき推定するものであることが好ましい。
請求項１の燃料ガス漏れ判定方法においては、クロスリークによって燃料極側の窒素濃度が一時的に高くなるという現象に着目し、当該窒素濃度を精度よく検出ないしは推定したうえで、その結果を燃料ガス漏れ判定に用いる判定レベルを異ならせるという形で反映させている。これによれば、燃料電池の再起動時において、通常の運転時と同程度の精度の高いガス漏れ判定を行うことが可能となる。
請求項２の燃料ガス漏れ判定方法では、燃料電池の再起動時において燃料極における窒素の濃度が一時的に高くなることを考慮し、当該窒素の濃度に応じてガス漏れ判定値を変更することによってガス漏れ判定を高精度に行うことが可能となる。
請求項３の燃料ガス漏れ判定方法によると、燃料ガスの透過量、および燃料電池の放置時間のいずれか一方または両方に基づいて燃料極における窒素の濃度を推定し、これに基づいてガス漏れ判定を高精度に行うことが可能となる。実際、水素の透過速度と窒素と透過速度とは異なることから、水素ガスの空気極への透過量からは窒素濃度を推定し難いのが実情であるが、本発明によれば上述のようにして窒素濃度を推定し、ガス漏れ判定を行うことができる。
さらに、請求項４の燃料ガス漏れ測定方法によれば、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における燃料極の圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間とに基づいて燃料極における窒素濃度を精度よく推定し、これに基づいてガス漏れ判定を精度よく行うことが可能となる。
また、請求項５に記載の燃料電池システムにおいても、クロスリークによって燃料極側の窒素濃度が一時的に高くなるという現象に着目し、当該窒素濃度を精度よく検出ないしは推定したうえで、その結果を燃料ガス漏れ判定に用いる判定レベルを異ならせるという形で反映させている。これにより、燃料電池の再起動時において、通常の運転時と同程度の精度の高いガス漏れ判定を行うことが可能となる。
請求項６の燃料電池システムにおいては、燃料電池の再起動時において燃料極における窒素の濃度が一時的に高くなることを考慮し、当該窒素濃度に応じてガス漏れ判定値を変更することによってガス漏れ判定を高精度に行うことができる。
また、請求項７の燃料電池システムによれば、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における燃料極の圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づき燃料極における窒素濃度を精度よく推定し、当該推定結果に基づいてガス漏れ判定を精度よく行うことができる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図５に本発明の一実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１０は、燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池（以下、燃料電池スタックといい図中では符号２０で表す）と、該燃料電池スタック２０に燃料ガスを給排する燃料ガス系３と、該燃料ガス系３に設けられている調圧弁と、燃料ガス系３に形成される閉空間における圧力を検出する圧力センサと、燃料ガス系３に形成される閉空間でのガス漏れを判定するガス漏れ判定部とを備えたシステムとして構成されているものである（図１参照）。さらに本実施形態におけるこの燃料電池システム１０は、燃料電池の燃料極側に形成されている閉空間における圧力変化を検出し、当該圧力変化の検出結果に基づき所定のガス漏れ判定値を参照して閉空間における燃料ガス漏れの判定を行うものである。
以下においてはまず燃料電池システム１０の全体の概要について説明し、その後、燃料極における窒素濃度（本明細書ではこれを「燃料極窒素濃度」ともいう）を推定するための構成、閉空間における燃料ガス漏れを判定するための構成について順次説明する。
まず、本実施形態にかかる燃料電池システム１０の概要について説明する。なお、以下においては燃料電池を「ＦＣ」と表現する場合もある。図１に本実施形態にかかる燃料電池システム１０の概略構成を示す。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid 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）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。燃料電池セルスタック（以下、「燃料電池スタック」あるいは単に「スタック」ともいう）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有するものであり、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。
また、本実施形態における燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０に接続された燃料ガス循環供給系（本明細書ではこれを「燃料ガス系」という）３と酸化ガス供給系４とを備えている。これらのうち、燃料ガス系３は燃料電池スタック２０に対して燃料ガスを給排するものであり、例えば本実施形態の場合には、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、燃料電池スタック２０、燃料ガス循環路３２、及びアノードオフガス流路３３を含んだ構成となっている（図１参照）。
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ている。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スタック２０のアノード（燃料極）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）に減圧されるようになっている。
燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池スタック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。燃料電池スタック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。また、この燃料ガス循環路３２の途中で分岐するアノードオフガス流路３３は燃料電池スタック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。
なお、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又は燃料電池スタック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は、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。
燃料電池スタック２０の酸化ガス供給系４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を含んだ構成となっている（図１参照）。なお、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スタック２０のカソード（酸素極）に供給する。燃料電池スタック２０の電池反応に供され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。この酸素オフガスは燃料電池スタック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、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池スタック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。また、カソードオフガス流路４２はその下流において希釈器６４に連通している。さらにこの希釈器６４にはアノードオフガス流路３３がその下流において連通しており、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。
燃料電池スタック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、バッテリー（二次電池）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は燃料電池スタック２０とバッテリー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。ちなみに、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等を総称して表現しているものであり、したがってモータＭ１として機能する場合もあればモータＭ２として機能する場合もあるということになる。
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、燃料電池スタック２０が目標電力に一致するようにシステムを制御する。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スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池スタック２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。
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）の各部には、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ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。
さらに、この燃料電池システム１０にはアノード（燃料極）における圧力を検出するための燃料極圧力検出手段が設けられている。例えば本実施形態の場合には、燃料ガス系３に形成される閉空間における圧力を検出するためのセンサとして設けられている圧力計（以下「圧力センサ」という）Ｐ５がこの燃料極圧力検出手段として機能している。本実施形態のこの圧力センサＰ５は、上述したＦＣ部（スタック入り口バルブＨ２１〜ＦＣ出口バルブＨ２２）における圧力を検出するため、例えばスタック入口、より具体的には燃料電池スタック２０とＦＣ入口バルブＨ２１との間に配設されている（図１参照）。この圧力センサＰ５によれば、当該閉空間（本実施形態の場合、上述したＦＣ部）における圧力の変化を検知して捕捉することができる。また、圧力センサＰ５はＥＣＵ１３に接続されており、検出した圧力値に関するデータを当該ＥＣＵ１３に送信するようになっている（図１参照）。
続いて、燃料電池スタック２０の燃料極における窒素濃度を推定するための構成について説明する。
本実施形態の燃料電池システム１０においては、燃料電池スタック２０におけるアノード窒素濃度（燃料電池スタック２０において電解質膜を透過してカソードからアノードまで達したものをはじめとする窒素の当該アノードにおける濃度のこと）を推定することとし、これを実現するための一例として、燃料電池のスタック温度を検出するスタック温度検出手段１１と、アノード（燃料極）の圧力を検出する燃料極圧力検出手段Ｐ５と、放置時間を計測する放置時間計測手段１２と、ＥＣＵ１３とを備えた構成となっている（図１参照）。以下、アノード窒素濃度を推定するための構成の詳細およびこれによるアノード窒素濃度推定手法について説明する（図１等参照）。
スタック温度検出手段１１は燃料電池のスタック温度、つまり燃料電池スタック２０の温度を検出するための手段で、温度を測定する部分と当該測定した温度に関する情報を送信するための部分とで構成されている。例えば本実施形態におけるスタック温度検出手段１１は、燃料電池スタック２０の温度を検出し、検出した温度に関するデータをＥＣＵ１３に送信するように設けられている（図１参照）。
放置時間計測手段１２は、燃料電池スタック２０の放置時間、すなわち燃料電池の運転が停止してから再起動されるまでの時間を計測するための手段であり、例えばタイマによって構成されている。本実施形態の放置時間計測手段１２はＥＣＵ１３に接続されており（図１参照）、このＥＣＵ１３からの指令信号を受けて放置時間の計測を開始し、さらにＥＣＵ１３からの指令信号を受けて計測を終了するように設けられている。なお、本実施形態における放置時間計測手段１２は、停止状態の燃料電池スタック２０に対してイグニッションスイッチが入れられてイグニッション・オンとなった状態から当該燃料電池スタック２０が起動されるまでの時間（イグニッション・オン継続時間）を計測することもできるようになっている。
ＥＣＵ１３は電子制御装置（Electric Control Unit）によって構成された制御手段である。本実施形態のＥＣＵ１３は上述したスタック温度検出手段１１、放置時間計測手段１２、圧力燃料極圧力検出手段Ｐ５のそれぞれと接続されていて、スタック温度、放置時間、そして燃料極圧力（アノード圧力）に関するデータを取得し、これらデータに基づいてアノード窒素濃度（電解質膜を透過してカソードからアノードまで達したものなどを含む窒素の当該アノードにおける濃度）を推定する。なお、図１では特に詳しく表示していないが、このＥＣＵ１３は制御部５０とも接続されており、推定したアノード窒素濃度に応じて必要時には燃料電池スタック２０の出力が制限されるようになっている。
さらに本実施形態においては、放置時間と運転停止中におけるアノード圧力との関係を表すマップを用意しておき、このマップに基づいてアノード窒素濃度を推定することとしている。具体的には、図２に示すような実機データ、すなわち運転停止時のスタック温度が６５℃の場合におけるアノード圧力およびアノード窒素濃度の放置時間に対する推移を表したマップを用意しておき、このマップに基づいてアノード窒素濃度を推定することとしている。ちなみにマップ中の◆印はアノード窒素濃度（cnc N2、単位は％）、×印はアノード圧力（prs fci、単位はkPaA）をそれぞれ示している。図示するように、×印で示すアノード圧力の値（prs fci）は、燃料電池の運転を停止するといったん急激に低下し、経過時間Ｔ１の時点で最低値つまり負圧のピーク（図２の実機データの場合であればおよそ８０強kPaA）に達した後は徐々に増加していくという変化を見せている（なお、ここでいう負圧は大気圧を基準としたもの）。一方、◆印で示すアノード窒素濃度（cnc N2）は途中まで増加し続け、その後なだらかになって収束していくという変化を見せている。
ここで、例えばある圧力ｐ（図２参照）を基準としてこの圧力ｐに相当する放置時間には、図から明らかなようにＴｏ，Ｔ２という２通りの時間（つまり相異なる２通りの放置時間）がある。この場合、アノード圧力が負圧のピークに達する時間Ｔ１よりも前の時間（図２であればＴｏ）におけるアノード窒素濃度（cnc N2）を推定値とすると、この値は増加途中にあってまだ少ない段階の値であることから誤差を招いてしまい適切な制御が行えなくなる。この場合、このような誤差が生じるのを抑制する手段の一つとして、アノード圧力が最低値（負圧のピーク）に達する時間Ｔ１よりも後の時点（本実施形態の場合であれば経過時間Ｔ２）のアノード窒素濃度（cnc N2）を推定値にするという手段を講じうるが、本実施形態ではこれとは異なる手段を講じることとしている。すなわち、放置時間をも計測することとした本実施形態の場合には、実機データからなるマップ（図２）に照らせば、放置時間計測手段１２によって計測された放置時間が時間Ｔ１（負圧のピークとなる時間）の以前なのかあるいは以後なのかの判別が容易であることから、このような判別を行ってからアノード窒素濃度の推定値を求めることとしている。こうした場合には、Ｔ１以前の状態、つまりアノード窒素濃度が十分に増加する前の段階のいわば低窒素濃度の状態にときに推定値を求めるようなことがなくなるため、誤差を招くようなこともなくなる。
引き続いて、チャートを参照しつつ本実施形態におけるアノード窒素濃度の推定のフローを以下に説明する（図３参照）。
まず、本実施形態におけるアノード窒素濃度の推定フローは、イグニッションのオフにより燃料電池の運転が停止する（IG OFF）ことによって開始する（ステップ１）。燃料電池が停止したら、停止時における燃料電池スタックの温度（thm fc igoff）をスタック温度検出手段１１により検出し、当該温度をＥＣＵ１３に記憶する（ステップ２）。さらに、放置時間（t leave）の計測を開始する（ステップ３）。また、イグニッションスイッチがオンとなったら（ステップ４として示すIG ONの状態）、IG ON計測時間（t igon）、イグニッションスイッチがオンとなってから燃料電池スタック２０が起動するまでの時間の計測を開始する（ステップ５）。
次に、停止していた燃料電池が再起動されたら（ステップ６に示すST ON）、水素加圧前におけるアノード圧力（prsH2 fc b）を検出する（ステップ７）。そうしたら、合計放置時間ＴＲ、すなわち上述の「放置時間（t leave）」と「IG ON継続時間（t igon）」との合計時間（ＴＲ＝t leave ＋ t igon）を算出する（ステップ８）。
そうしたら、このように算出した結果に基づき、当該合計放置時間ＴＲが放置時間Ｔ１よりも長いのか短いのか、別の表現をすれば、燃料電池スタック２０を再起動したタイミングが、アノード圧力が負圧のピークを迎える前なのかそれともピークを迎えた後なのかを判断する。要するに、ここでは合計放置時間ＴＲと放置時間Ｔ１との大小を判断し（ステップ９）、合計放置時間ＴＲよりも放置時間Ｔ１の方が大きければ（ＴＲ＜Ｔ１）、再起動したのはアノード圧力が負圧のピークになるよりも前であると判断してステップ１０へと進む。このステップ１０では、水素加圧前のアノード窒素濃度を表すマップを参照し、水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出する（ステップ１０）。
なお、ここで参照するマップは例えば上述したような実機データそのものからなるマップ（図２参照）とすることもできるが、あらかじめ第１の窒素状態（例えば低窒素濃度状態）の場合に適用する第１のマップと、これよりも高濃度である第２の窒素状態の場合に適用する第２のマップとに分けておくことも好ましい。例えば本実施形態では、低窒素濃度状態を表す第１のマップとしての水素加圧前アノード窒素濃度マップＡ（図２の時間ｔ＝０〜ｔ（＝Ｔ１）の間に変化する曲線）と、これよりも高濃度である高窒素濃度状態を表す第２のマップとしての水素加圧前アノード窒素濃度マップＢ（図２の時間ｔ＝Ｔ１以降に変化する曲線）とに分けている。したがって、上述のようにＴＲ＜Ｔ１である場合は、負圧のピークを迎える前に燃料電池スタック２０を再起動したということなので、低窒素濃度状態を表すマップＡを参照してアノード窒素濃度を算出することになる（ステップ１０）。このようにして水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出したら、ステップ１２へと進む。
一方、ステップ９において合計放置時間ＴＲと放置時間Ｔ１との大小を判断した結果、上述の場合とは逆、つまり合計放置時間ＴＲよりも放置時間Ｔ１の方が小さければ（ＴＲ＞Ｔ１）、アノード圧力が負圧のピークを迎えた後に再起動したと判断してステップ１１へと進む。ステップ１１では、水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出するという点においては上述のステップ１０と同様だが、このステップ１１においてはマップＡではなくマップＢを参照する（図２参照）。水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）を算出したら、ステップ１２へと進む。
次に、ステップ１２においては、水素加圧後のアノード圧力（prsH2 fc a）を検出する（ステップ１２）。そうしたら、水素加圧後のアノード窒素濃度（cncN2）を算出する（ステップ１３）。図３に示しているように、この水素加圧後アノード窒素濃度（cncN2）は、
cncN2 ＝ cncN2 tmp ＊ prsH2 fc b ／ prsH2 fc a
という式、つまり、水素加圧前のアノード窒素濃度（cncN2 tmp）と水素加圧後のアノード圧力（prsH2 fc b）とを乗じ、これを水素加圧後のアノード圧力（prsH2 fc a）で除した値として求めることができる。これによって一連の処理を終了する（ステップ１４）。
また、上述のごとくアノード窒素濃度を推定する場合において、放置時間の計測中、放置時間計測手段よる計測時間がクリアされた場合にはアノード窒素濃度を最大値にするという手法を採ることも好ましい。放置時間計測手段１２による時間計測中、何らかの要因（一例として、補機バッテリーを外したような場合）によりそれまでの計測時間がリセットされて０にクリアされたとすると、放置時間計測手段１２によって得られた放置時間が本来の値よりも短くなってしまい、この結果、本来推定されるべきアノード窒素濃度の真値よりも低い値が推定され、水素欠乏による発電不良が引き起こされるおそれがある。これに対し、このような場合にアノード窒素濃度を最大値だと擬制することとすれば、少なくとも上記のように水素欠乏による発電不良が引き起こされるのを回避することが可能となる。この場合における擬制値は種々の値たり得るが、本実施形態においては、アノード窒素濃度の値がほぼ収束して最大値となるおよそ８０％弱の値とする。また、燃料電池スタック２０が放置状態であるにもかかわらず放置時間計測手段１２がリセットされたことは、例えば上述したＥＣＵ１３によって検出ないしは判別することができる。
さらには、燃料電池の運転停止時におけるアノード窒素濃度を記憶する手段を備えておき、運転停止時の当該アノード窒素濃度と次回起動時（再起動時）のアノード窒素濃度（推定値）のうち、大きい方の値を採用することも好ましい。例えば、アノード窒素濃度が高い状態で燃料電池をいったん停止し、その直後に再起動すると、アノード窒素濃度がまだそれほど低下していないにもかかわらず、真値よりも低く推定してしまい上述の場合と同様に水素欠乏による発電不良が引き起こされるおそれがある。これに対し、運転停止時におけるアノード窒素濃度を記憶しておき、当該記憶値と推定値とを比較して高い方を選択・採用することとすれば、少なくとも上記のように水素欠乏による発電不良が引き起こされるのを回避することが可能となる。本実施形態においては、ＥＣＵ１３によって運転停止時のアノード窒素濃度を記憶しておき、尚かつ必要な場合にはこの記憶値と推定値とを比較することとしている。
引き続き、本実施形態の燃料電池システム１０における、閉空間における燃料ガス漏れを判定するための構成について説明する。
本発明にかかる燃料電池システム１０は、上述した閉空間（本実施形態の場合であれば、スタック入り口バルブＨ２１とＦＣ出口バルブＨ２２という２つの調圧弁にて燃料極側に形成される閉空間）における燃料ガス漏れの判定を行うにあたり、当該閉空間の圧力変化を検出し、当該圧力変化に基づき、所定のガス漏れ判定値を参照して燃料ガス漏れを判定することとしている。ここで、本実施形態では、燃料極における窒素濃度に応じて必要ある場合には所要の補正を行う、つまり燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせ、それから燃料ガス漏れを判定することとしている。すなわち、燃料電池システム１０の再起動時においては燃料ガス系３の閉空間における窒素ガスの濃度が一時的に高くなることから、このような現象を考慮し、当該窒素濃度に応じ、ガス漏れ判定レベルを異ならせるようにしている。
例えば本実施形態の燃料電池システム１０においては、ガス漏れ判定レベルを異ならせるためのガス漏れ判定部が設けられている。このガス漏れ判定部は、圧力センサ（燃料極圧力検出手段）によって検出された閉空間における圧力の変化に基づき、ガス漏れ判定値を参照してガス漏れを判定するというものである。本実施形態においては、圧力センサＰ５によって燃料極側の閉空間における圧力変化を検出し、当該検出結果に基づき、このガス漏れ判定部においてガス漏れを判定することとしている。さらに、ガス漏れ判定部は圧力検出結果に基づきガス漏れ判定レベルを異ならせる。このようにレベルを異ならせる場合の具体例としては、圧力検出結果に対応して設定されているガス漏れ判定値全体をそのまま採用すること、レベル変更内容を表す数式に圧力検出結果を代入し算出して得られる数値を用いること、等を挙げることができる。以上のようなガス漏れ判定部が具体的にどのような装置によって構成されるかについては特に限定されることはないが、例えば本実施形態の燃料電池システム１０であれば、上述したようにスタック温度検出手段１１、放置時間計測手段１２、そして圧力センサＰ５が接続されているＥＣＵ１３が以上のようなガス漏れ判定部としても機能するようになっている。
続いて、上述した構成により、閉空間における燃料ガス漏れを判定する場合の流れを一例に沿って説明する（図４、図５参照）。例えば本実施形態の場合、ガス漏れ判定の際に参照するガス漏れ判定値として、図５に示すようなマップを用意している。ガス漏れ判定値の一例として示すこのマップ（ＭＡＰ１）は、例えば窒素濃度Ｎ（％）が０，２０，４０，６０，８０％であるときの燃料ガス漏れ量（判定値）Ｃ（Ｌ／ｍｉｎ）がそれぞれ３０，２５，２０，１５，１０であるというように、いわばガス漏れの基準値を予め設定しているものである（図５参照）。すなわち、従来であれば窒素濃度にかかわらず一律のガス漏れ判定値（例えば３０（Ｌ／ｍｉｎ））を使用していたのに対し、本実施形態においては閉空間における窒素濃度を考慮し、当該窒素濃度が増すにつれて対応するガス漏れ判定値を減らしていくようなマップを用いることにしたものである。なお、窒素濃度がこれら以外の値の時は適宜補間すればよく、例えばこのマップ（ＭＡＰ１）であれば、窒素濃度Ｎ（％）が７０の場合には１２．５（Ｌ／ｍｉｎ）、９０の場合には７．５（Ｌ／ｍｉｎ）とすればよい。
燃料ガス漏れ判定を行う場合、まず燃料電池システム１０の起動時等において（図４におけるステップ２１）、燃料極側に形成されている閉空間における窒素濃度を推定する（ステップ２２）。窒素濃度を推定するにあたり、本実施形態では、運転停止時における燃料電池スタック２０の温度と、燃料電池の再起動時におけるアノードの圧力と、燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間とに基づき、上述したフロー（図３参照）および水素加圧前アノード窒素濃度マップＡ，Ｂ（図２参照）を活用して推定することとしている。
以上のようにして閉空間内における窒素濃度を推定したら、上述のマップ（図５のＭＡＰ１）を参照し、当該窒素濃度の推定値Ｎ（％）に対応する漏れ検知の判定値Ｃ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する（ステップ２３）。例えば窒素濃度（推定値）Ｎが２０（％）ならば燃料ガス漏れ判定値Ｃは２５（Ｌ／ｍｉｎ）、窒素濃度（推定値）Ｎが４０（％）ならば燃料ガス漏れ判定値Ｃは２０（Ｌ／ｍｉｎ）ということになる（図５参照）。このように算出して得られるガス漏れ判定値Ｃは、閉空間における窒素濃度（推定値）に応じて判定レベルが変更されて得られた判定値ないしは基準値である。
当該レベル変更後のガス漏れ判定値Ｃが得られたら（ステップ２３）、圧力変化に基づく燃料ガス漏れを測定する。すなわち、本実施形態の場合であれば２つの調圧弁（ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２）によって形成されている閉空間の圧力（配管内にて封止された部分の封止圧力）の変化を圧力センサＰ５によって検出し、当該検出結果に基づいて燃料ガス漏れ量Ｑを測定する（ステップ２４）。そうしたら、当該燃料ガス漏れ量Ｑと上述の燃料ガス漏れ判定値Ｃとを比較する。比較の結果、燃料ガス漏れ量Ｑ＜燃料ガス漏れ判定値Ｃならば燃料ガス漏れについは正常状態（問題となるようなガス漏れが生じていない状態）にあると判定することができる。この場合、窒素濃度を考慮した燃料ガス漏れ判定値（より具体的には、窒素濃度が増えれば増えるほど減らすような変更が加えられた判定値）に照らして判定を行っていることから、窒素濃度が一時的に高くなった状態において燃料ガス漏れを過少評価するようなことがない。
その一方で、燃料ガス漏れ量Ｑと燃料ガス漏れ判定値Ｃとを比較した結果、燃料ガス漏れ量Ｑ＞燃料ガス漏れ判定値Ｃとなったなら（ステップ２５）、基準として用いた判定値Ｃよりも燃料ガス漏れ量Ｑの方が多いということから、問題となりうる程度に燃料ガスの漏れが生じていると判定することができる。この場合には異常と判定し、当該異常状態に即した処理を実施する（ステップ２６）。このような処理を実施した後は、他に燃料ガス漏れが生じていないかどうかを点検・判定し、さらに燃料電池を起動・運転するための所定の項目の確認を行い（ステップ２７）、問題がなければ運転を継続していくことになる（ステップ２８）。これらステップは特に本願に特有のものではない（図４参照）。
ここまで説明した本実施形態の燃料電池システム１０によると、燃料電池の再起動時、クロスリーク現象によって燃料極側の窒素濃度が一時的に通常時より高くなったとしても、既に説明したように補正したガス漏れ判定値（つまり、異なるレベルに設定された燃料ガス漏れ判定レベル）を利用することにより、ガス漏れ量が過少評価されることを回避することができる。これにより、燃料極における窒素濃度が一時的に高くなった状況であっても精度の高いガス漏れ判定を行うことが可能となる。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態においては、燃料電池スタック２０の燃料極における窒素濃度に着目し、燃料極側の閉空間に含まれる窒素ガス量に応じてガス漏れ判定値Ｃを補正する（つまり、燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせる）という形態について説明したが本発明の実施形態がこのようなものに限定されるということはない。他の例を挙げれば、例えば燃料極側における水素濃度や水素分圧が検出可能であればこれらの検出結果に基づいて窒素濃度ないしは窒素ガス量を求めることとしてもよい。要は、クロスリークによって燃料極側の窒素濃度（あるいは窒素ガス量）が一時的に高くなるという現象を踏まえ、当該窒素濃度を精度よく検出ないしは推定し、その結果を燃料ガス漏れ判定用の基準値（マップ）に反映させることができればガス漏れ判定をより精度よく行うことが可能になるというものである。
また、本実施形態においてはアノード圧力（燃料電池スタック２０の燃料極における圧力）に応じて燃料ガス漏れの判定を行うこととしたが、これ以外の要素に基づいてガス漏れの判定を行うことも可能であり、例えば、アノード圧力の変化率（一例として、圧力増加に伴う勾配または圧力減少に伴う勾配）に基づいて判断することも可能である。すなわち、図２のマップに示す停止時の圧力変化特性において、ｔ＝Ｔ１以前は圧力勾配が減少する傾向を示され、その一方、ｔ＝Ｔ１以降は圧力勾配が増加する傾向が示されていることからすれば、圧力勾配が減少から増加へと移る時点でマップを切り換え、ガス漏れを判定することも可能である。
本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのブロック図である。 運転停止時のスタック温度が６５℃の場合におけるアノード圧力およびアノード窒素濃度の放置時間に対する推移を表すマップである。 本実施形態におけるアノード窒素濃度の推定のフローを示すチャートである。 本実施形態における燃料ガス漏れ判定のフローを示すチャートである。 窒素濃度に応じて燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせるようにしたマップの一例である。
符号の説明
３…燃料ガス系、１０…燃料電池システム、１１…スタック温度検出手段、１２…放置時間計測手段、１３…ＥＣＵ、２０…燃料電池スタック、Ｐ５…圧力センサ（燃料極圧力検出手段）

Claims (7)

  1. 燃料電池の燃料極側に形成されている閉空間における圧力変化を検出し、当該圧力変化の検出結果に基づき所定のガス漏れ判定値を参照して前記閉空間における燃料ガス漏れの判定を行う燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法であって、
    前記燃料極における窒素の濃度に応じて燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせ、前記燃料ガス漏れの判定を行うことを特徴とする燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法。
  2. 前記窒素の濃度に応じて前記ガス漏れ判定値を変更することにより、前記燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせ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における燃料ガス漏れ判定方法。
  3. 前記燃料極における窒素の濃度を、燃料電池の電解質膜を透過して空気極側へと漏れた前記燃料ガスの透過量と、前記燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて推定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法。
  4. 前記燃料極における窒素の濃度を、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における前記燃料極の圧力と、前記燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づいて推定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムにおける燃料ガス漏れ判定方法。
  5. 燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを給排する燃料ガス系と、該燃料ガス系に設けられている調圧弁と、前記燃料ガス系に形成される閉空間における圧力を検出する圧力センサと、前記燃料ガス系に形成される閉空間でのガス漏れを判定するガス漏れ判定部とを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記ガス漏れ判定部は、前記圧力センサによって検出された前記閉空間における圧力の変化に基づきガス漏れ判定値を参照してガス漏れを判定するものであって、前記燃料極における窒素の濃度に応じて前記ガス漏れの判定レベルを異ならせ、前記燃料ガス漏れの判定を行うものであることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 前記ガス漏れ判定部は、前記窒素の濃度に応じて前記ガス漏れ判定値の変更を行うことにより、前記燃料ガス漏れの判定レベルを異ならせ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. 燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段と、前記燃料極の圧力を検出する燃料極圧力検出手段と、前記放置時間を計測する放置時間計測手段と、を備え、
    前記燃料極における窒素の濃度を、運転停止時における燃料電池スタックの温度と、燃料電池の再起動時における前記燃料極の圧力と、前記燃料電池が停止してから再起動されるまでの放置時間と、に基づき推定することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。






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