JP2007165019A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルに生じているガス漏れを早期に検知する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】圧力制御部は、燃料電池セル１１の電圧が活性化過電圧領域よりも低い状態で、調圧弁を制御して、燃料ガスの圧力を、燃料電池スタックに要求される出力に応じて決定される燃料ガスの運転圧力よりも増加させるガス昇圧制御を行う。ガス漏れ検知部は、圧力制御部によってガス昇圧制御が行われた際に、セル電圧検出部５３によって検出される燃料電池セル１１のセル電圧の低下に基づいて、燃料電池セル１１におけるガス漏れを検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を備える燃料電池を用いた燃料電池システムに係り、特に、固体高分子電解質膜に生じる細孔または薄肉部からのガス漏れを検知する手法に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した単位セルを主体に構成されている。ところで、この固体高分子電解質膜に孔が開いていると、或いは、その膜厚が薄くなっていると、燃料ガスが燃料極側から酸化剤極側に漏洩してしまうという問題がある。そのため、例えば、特許文献１には、細孔等に起因するガス漏れを検知する手法が提案されている。特許文献１の手法では、検出精度の向上の観点から、燃料電池の電圧が活性化過電圧領域（特に、開放端電圧（ＯＣＶ））であることを条件に、燃料ガスの圧力を酸化剤ガスのそれよりも高く設定し、これにより、燃料電池セルの電圧が低下した場合に、ガス漏れを検知している。
特開２００３−４５４６６号公報

ところで、燃料電池が発電動作を行い、その出力（電流或いは電力）を外部システムに供給している場合、燃料電池セルの電圧は、おおよそ活性化過電圧領域よりも低い値となっていることが多い。また、たとえ外部システムへ出力を供給していない状態（アイドル状態）であったとしても、燃料電池が起動している場合には、燃料電池を動作させる種々の補機へ出力を供給していることが多い。そのため、燃料電池セルの電圧は、活性化過電圧領域よりも低い値となっていることが多い。

燃料電池セルにガス漏れが生じている場合には、これを早期に検知することが有効であるが、上記の特許文献１の手法によれば、ガス漏れの検知を行うための条件が限定されているため、ガス漏れを早期に検知することが困難であるという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池セルに生じたガス漏れを早期に検知することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガス圧力調整手段と、セル電圧検出手段と、燃料ガス圧力制御手段と、ガス漏れ検知手段とを有している。ここで、燃料電池スタックは、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池セルが、複数積層されている。燃料ガス圧力調整手段は、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの圧力を調節し、セル電圧検出手段は、燃料電池セルの電圧を検出する。燃料ガス圧力制御手段は、セル電圧検出手段によって検出された燃料電池セルの電圧が活性化過電圧領域よりも低い状態で、燃料ガス圧力調整手段を制御して、燃料ガスの圧力を燃料電池スタックに要求される出力に応じて決定される燃料ガスの運転圧力よりも増加させるガス昇圧制御を行う。ガス漏れ検知手段は、燃料ガス圧力制御手段によってガス昇圧制御が行われた際に、セル電圧検出手段によって検出される燃料電池セルの電圧の低下に基づいて、燃料電池セルにおけるガス漏れを検知する。

本発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルが取り得る頻度の高い電圧状態、すなわち、活性化過電圧領域よりも低下している場合に、ガス漏れ検知を実行する。これにより、ガス漏れ検知の実行頻度を増やすことができるので、ガス漏れが生じている場合には、これを早期に検知することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池システムは、発電電力を発生する燃料電池スタック１０を備えており、例えば、車両を駆動する駆動モータの動力源として車両に搭載されている。この燃料電池スタック１０は、それぞれが発電要素として機能する複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。

図２は、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セル１１を示す概略断面図である。燃料電池スタック１０を構成する個々の燃料電池セル１１は、固体高分子電解質膜１２を挟んで燃料極１３と酸化剤極１４とを対設した燃料電池構造体を一対のセパレータ（燃料極側セパレータ１５および酸化剤極側セパレータ１６）で挟持して構成される。この燃料電池セル１１は、燃料極１３に燃料ガスが供給され、酸化剤極１４に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用いる例について説明する。

燃料極側セパレータ１５には、供給された水素を燃料極１３で反応させるための反応面が形成されており、この反応面には、水素の流れをガイドするための流路溝１７が形成されている。燃料電池スタック１０へと供給された水素は、各燃料電池セル１１へとそれぞれ供給され、そして、個々の燃料電池セル１１において、流路溝１７に従って燃料極１３の全体を流れた後に排出される。各燃料電池セル１１から排出された水素は、他の燃料電池セル１１から排出された水素と合流し、燃料電池スタック１０の外部へと排出される。

酸化剤極側セパレータ１６には、供給された空気を酸化剤極１４で反応させるための反応面が形成されており、この反応面には、空気の流れをガイドするための流路溝１８が形成されている。燃料電池スタック１０へと供給された空気は、各燃料電池セル１１へとそれぞれ供給され、そして、個々の燃料電池セル１１において、流路溝１８に従って酸化剤極１４の全体を流れた後に排出される。各燃料電池セル１１から排出された空気は、他の燃料電池セル１１から排出された空気と合流し、燃料電池スタック１０の外部へと排出される。

また、互いに隣接する燃料極側セパレータ１５と酸化剤極側セパレータ１６との間には、燃料電池セル１１を冷却する冷却媒体（例えば、冷却水）が流れる冷却流路１９が形成されている。燃料電池スタック１０へと供給された冷却水は、各燃料電池セル１１へとそれぞれ供給され、そして、個々の燃料電池セル１１において、冷却流路１９に従ってセパレータ１５，１６間を流れた後に排出される。各燃料電池セル１１から排出された冷却水は、他の燃料電池セル１１から排出された冷却水と合流し、燃料電池スタック１０の外部へと排出される。

再び図１を参照するに、燃料電池システムには、燃料電池スタック１０に水素を供給するための水素系２０と、燃料電池スタック１０に空気を供給するための空気系３０と、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却系４０とが備えられている。

水素系２０において、燃料ガスである水素は、例えば、燃料タンク２１である高圧水素ボンベに貯蔵された状態から、水素供給流路２０ａを介して燃料電池スタック１０に供給される。具体的には、燃料タンク２１の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク２１からの高圧水素は、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた調圧弁２２によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１０（より詳細には、個々の燃料電池セル１１における燃料極１３）へと供給される。燃料ガス圧力調整手段として機能する調圧弁２２は、燃料電池スタック１０へ供給される水素の圧力（水素圧力）が所望の値となるように、後述する制御部５０によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１０（具体的には、個々の燃料電池セル１１の燃料極１３）からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素供給流路２０ａへと繋がる水素循環流路２０ｂへと排出される。この水素循環流路２０ｂには、例えば、ポンプといった水素循環装置２３が設けられている。水素循環装置２３を駆動することにより、燃料電池スタック１０からの排出ガスは燃料電池スタック１０の水素の供給側へと循環される。これにより、個々の燃料電池セル１１の燃料極１３におけるストイキが向上し、安定した発電を維持することができるとともに、反応効率の向上を図ることができる。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極１４から燃料極１３に拡散するため、水素系２０内におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路２０ｂには、水素系２０内のガスを排出する水素排出流路２０ｃが設けられており、この水素排出流路２０ｃに介装されたパージ弁２４を必要に応じて開閉することにより、水素循環流路２０ｂを流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）を外部に排出している。このパージ弁２４は、燃料電池スタック１０の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部５０によって制御される。パージ弁２４は、基本的に、閉状態に制御されているが、例えば、燃料極１３および酸化剤極１４の圧力から換算した窒素混入量の積算値によって燃料極１３における窒素濃度を推定し、必要に応じて、閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系２０からパージされ、水素分圧の減少を抑制する。

空気系３０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ３１によって加圧され、空気供給流路３０ａを介して燃料電池スタック１０（より詳細には、個々の燃料電池セル１１の酸化剤極１４）に供給される。この空気供給流路３０ａには、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１０に供給される空気は、燃料電池セル１１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１０（より詳細には、個々の燃料電池セル１１の酸化剤極１４）からの排出ガスは、空気排出流路３０ｂを介して排出される。この空気排出流路３０ｂには、酸化剤ガス圧力調整手段として機能する空気調圧弁３２が設けられている。この空気調圧弁３２は、燃料電池スタック１０へ供給される空気の圧力（空気圧力）が適正な値となるように、その開度が制御部５０によって制御される。

冷却系４０には、冷却水を燃料電池スタック１０との間で循環する冷却水流路４０ａ，４０ｂが備えられている。この冷却水流路４０ａ，４０ｂの間には、ラジエータ４１が設けられており、冷却水流路内の冷却水は、ラジエータ４１によって、或いは、冷却ファン（図示せず）によって送風されたラジエータ４１によって冷却される。冷却された冷却水は、冷却水流路４０ｂに設けられた冷却水ポンプ４２によって燃料電池スタック１０へと供給される。燃料電池スタック１０の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却水流路４０ａを経由して、ラジエータ４１へと再度供給される。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０には出力取出装置６０が接続されている。出力取出装置６０は、制御部５０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（電流或いは電力）を取り出して、この取り出した出力を、車両を駆動するモータ（図示せず）や、燃料電池システムを動作させる種々の補機（例えば、コンプレッサ３１、水素循環装置２３など）へと供給する。

制御部５０は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１０の発電動作を制御する。本実施形態との関係において、制御部５０は、燃料電池セル１１の固体高分子電解質膜に生じた細孔或いは薄肉部からの水素漏れを検知する処理（水素漏れ検知処理）を行い、この処理にともない、主として水素供給流路２０ａ上の調圧弁２２を制御する。この制御部５０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部５０には、燃料電池スタック１０の運転状態を検出すべく、各種の検出部５１〜５３からの検出信号が入力されている。

水素圧力検出部５１は、水素供給流路２０ａに設けられており、燃料電池スタック１０へ供給される水素圧力、すなわち、個々の燃料電池セル１１の燃料極１３における水素圧力を検出する。空気圧力検出部５２は、空気供給流路３０ａに設けられており、燃料電池スタック１０へ供給される空気圧力、すなわち、酸化剤極１４における空気圧力を検出する。セル電圧検出部５３は、燃料電池セル１１の電圧（以下「セル電圧」という）を検出する検出部であり、本実施形態では、燃料電池スタック１０を構成する個々の燃料電池セル１１に対応して設けられている。

図３は、制御部５０のブロック構成図である。制御部５０は、これを機能的に捉えた場合、ガス漏れ検知部（ガス漏れ検知手段）５０ａと、圧力制御部（燃料ガス圧力制御手段および酸化剤ガス圧力制御手段）５０ｂと、出力制御部（出力制御手段）５０ｃとを有する。ガス漏れ検知部５０ａは、後述するガス昇圧制御が行われた際に、セル電圧検出部５３によって検出されるセル電圧をモニタリングし、セル電圧の低下に基づいて、燃料電池セル１１におけるガス漏れを検知する。圧力制御部５０ｂは、セル電圧検出部５３によって検出されるセル電圧が活性化過電圧領域よりも低い状態で、水素供給流路２０ａに設けられた調圧弁２２を制御して、水素圧力を、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて決定される水素の運転圧力よりも増加させるガス昇圧制御を行う。出力制御部５０ｃは、外部システム（車両）からの要求出力に応じて、燃料電池スタック１０の出力を制御する。

このような構成を有する燃料電池システムにおいて、車両から燃料電池スタック１０への要求出力は、ドライバのアクセル操作量および車速などから一義的に決定される。この場合、要求出力に応じた燃料電池スタック１０の発電量（要求発電量）と、現在の燃料電池スタック１０の発電量との間に乖離が生じた場合、出力制御部５０ｃは、要求発電量を満たすようにその目標発電量を変更し、これにより、燃料電池スタック１０からの出力が増加または減少するような制御を行う（出力制御）。この際、出力制御部５０ｃは、圧力制御部５０ｂに対して要求出力に応じた制御信号を出力し、圧力制御部５０ｂは、この制御信号に基づいて、燃料極１３の水素圧力と、酸化剤極１４の空気圧力とを制御する。

水素圧力の制御では、例えば、要求出力（すなわち、要求出力を得るために必要な発電量（要求発電量））と、これに対応する水素運転圧力Ｐadとの関係を、実験やシミュレーションを通じて事前に取得して、これを演算テーブルとして保持することにより、圧力制御部５０ｂは、要求出力に応じた水素運転圧力Ｐadを決定した上で、これを水素目標圧力Ｐatに設定する。そして、圧力制御部５０ｂは、燃料極１３の水素圧力が水素目標圧力Ｐatとなるように調圧弁２２を制御している。なお、本実施形態において、水素運転圧力Ｐadは、要求出力に基づいた値とするが、燃料電池スタック１０の特性より決定される所定の一定圧力としてもよい。

一方、空気圧力の制御では、例えば、要求出力（すなわち、要求出力を得るために必要な発電量（要求発電量））と、これに対応する空気運転圧力との関係を、実験やシミュレーションを通じて予め取得して、これを演算テーブルとして保持することにより、圧力制御部５０ｂは、要求出力に応じた空気運転圧力を決定した上で、これを空気目標圧力に設定する。そして、圧力制御部５０ｂは、酸化剤極１４に供給される空気圧力が空気目標圧力となるように空気調圧弁３２を制御している。なお、燃料電池セル１１の劣化を抑制する観点から、膜間差圧をある一定範囲内に抑える必要があり、空気運転圧力は、例えば、水素運転圧力Ｐadとほぼ対応する値となるように、或るいは、水素運転圧力Ｐadを代替的に用いるようになっている。

以下、このような構成を有する燃料電池システムのガス漏れ検知処理について説明する。図４は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムのガス漏れ検知処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は所定間隔毎に呼び出され、制御部５０によって実行される。

まず、具体的なガス漏れ検知処理の説明に先立ち、燃料電池スタック１０を構成する個々の燃料電池セル１１の電圧特性について説明する。図５は、燃料電池セルの電流と電圧との関係を示す特性図である。燃料極および酸化剤極に反応ガスが供給された状態において、燃料電池セル１１のセル電圧は、電流を取り出さない状態での電圧、すなわち、開放端電圧（ＯＣＶ）で最大となる。開放端電圧ＯＣＶは、燃料電池セル１１に供給される反応ガス（本実施形態では、水素および空気）の状態（温度、圧力、湿度など）と、燃料電池セル１１の特性（例えば、固体高分子電解質膜の水素透過性）とに基づいて、実験やシミュレーションを通じて予め特定することができる。

燃料電池セル１１から取り出す電流量を増加させると、セル電圧は、取り出す電流量が大きくなる程、その値が低下していく傾向を示す。具体的には、燃料電池セル１１から電流の取り出しを開始し、その電流量を徐々に増やしていくと、セル電圧は、一次的に、ＯＣＶから急激に低下する。この状態から電流量をさらに増やしていくと、電圧が低下する割合はやがて穏やかになり、その後、取り出す電流量を増加させても、電圧が低下する割合が小さいままで推移する。そして、燃料電池セルから取り出す電流量をさらに増加させ続けると、電流の増加に対して電圧の低下率が再度増大する。

このような一連のセル電圧の推移において、電流の取り出し直後において、急激に低下する領域の電圧は、一般に活性化過電圧領域と称されている。活性化過電圧領域の下限値Ｖamは、供給される反応ガスの状態と、燃料電池セル１１の特性とに基づいて、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。なお、燃料電池システムが外部システムに出力を供給している状態において、セル電圧は、その値が活性化過電圧領域に存在することは少なく、活性化過電圧領域よりも低い値（非活性化過電圧領域）に存在することが多い。

再び、図４を参照するに、まず、ステップ１において、ガス漏れ検知部５０ａは、個々のセル電圧検出部５３からの検出信号（セル電圧Ｖ1〜Ｖn（ｎ：燃料電池セル数））を読み込む。ステップ２において、ガス漏れ検知部５０ａは、読み込まれたセル電圧Ｖ1〜Ｖnを参照し、燃料電池セル１１のセル電圧Ｖ1〜Ｖnが活性化過電圧領域よりも低下しているか否かを判定する。この判定は、例えば、以下に示す手法で行う。まず、燃料電池スタック１０を構成する個々の燃料電池セル１１の特性を考慮して、活性化過電圧領域の下限値Ｖamを実験やシミュレーションを通じて予め取得し、これをメモリに格納しておく。ガス漏れ検知部５０ａは、読み込まれた各セル電圧Ｖ１〜Ｖnに基づいて、セル電圧Ｖ1〜Ｖnの平均値を、或いは、セル電圧Ｖ１〜Ｖnのうち最も値が高いセル電圧を、個々の燃料電池セル１１の電圧を評価する評価対象電圧として特定する。そして、ガス漏れ検知部５０ａは、評価対象電圧と、活性化過電圧領域の下限値Ｖamとを比較して、評価対象電圧が活性化過電圧領域よりも小さいか否かを判断する。評価対象電圧が活性化過電圧領域である場合には、ステップ２において否定判定され、ステップ３に進む。そして、ステップ３において、ガス漏れ検知部５０ａは、後述するガス漏れ検知実行フラグFを「０」にセットした上で、本ルーチンを抜ける。一方、評価対象電圧が活性化過電圧領域よりも小さい場合には、ステップ２において肯定判定され、ステップ４に進む。

ステップ４において、ガス漏れ検知部５０ａは、ガス漏れ検知実行フラグＦが「１」であるか否かを判定する。ガス漏れ検知実行フラグＦは、初期的には「０」に設定されており、実質的なガス漏れの検知動作（具体的には、ステップ６のガス昇圧制御）が開始され、この検知結果が得られるまでの間「１」にセットされる。そのため、あるタイミングでガス漏れ検知実行フラグＦが「０」から「１」に一旦変更されると、それ以降はステップ４の肯定判定に従い、後述するステップ８以降の処理に進む。一方、ステップ４において否定判定された場合、ステップ５に進む。

ステップ５において、ガス漏れ検知部５０ａは、出力制御部５０ｃの出力制御を参照し、燃料電池スタック１０からの出力を増加させるタイミングであるか否かを判定する。このステップ５において肯定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１０からの出力を増加させるタイミングである場合には、ステップ６に進む。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１０からの出力を増加させるタイミングではない場合には、本ルーチンを抜ける。

ステップ６において、ガス漏れ検知部５０ａは、燃料極１３の水素圧力を増加させるガス昇圧制御を行うべく、燃料極１３の水素目標圧力Ｐatの変更指示を圧力制御部５０ｂに対して出力する。具体的には、燃料電池スタック１０の要求出力に応じて決定される水素運転圧力Ｐadを基準に、その値を所定値ΔＰa1だけ増加させるように、水素目標圧力Ｐatを変更させる（Ｐat ← Ｐad＋ΔＰa1）。この所定値ΔＰa1は、燃料電池セル１１の膜間差圧を考慮して、燃料電池セル１１に破損が生じない程度の値として、実験やシミュレーションを通じて予め決定されている。

ステップ７において、ガス漏れ検知部５０ａは、ステップ６におけるガス昇圧制御の開始に伴い、ガス漏れ検知実行フラグＦを「１」にセットして、本ルーチンを抜ける。

一方、ステップ４の肯定判定に続くステップ８において、ガス漏れ検知部５０ａは、それぞれのセル電圧Ｖ1〜Ｖnを処理対象として、ガス漏れに起因してセル電圧が低下したか否かを判定する。図６は、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セル１１のセル電圧を示す説明図である。ガス漏れが生じている燃料電池セル（異常セル）１１は、そのセル電圧が他の燃料電池セル（正常な燃料電池セル）のそれと比較して小さくなるという傾向がある。そこで、このステップ４では、セル電圧Ｖ1〜Ｖnの低下に基づいて、ガス漏れの検知を実行する。

電圧低下の判定方法としては、例えば、以下に示す方法が挙げられる。まず、第１の方法としては、個々のセル電圧Ｖ1〜Ｖnを第１の所定値とそれぞれ比較し、セル電圧Ｖ1〜Ｖnが第１の所定値以下となっている場合に、そのセル電圧について電圧低下と判定する。ここで、第１の所定値は、燃料電池スタック１０が正常に発電運転を行っている際に推移しえる電圧範囲の下限値よりも小さな値に設定されており、例えば、０．４Ｖ程度を用いることができる。また、第２の方法としては、個々のセル電圧Ｖ1〜Ｖnを全セル電圧の平均値と比較し、セル電圧Ｖ1〜Ｖnが平均値よりも第２の所定値以上低い場合に、そのセル電圧について電圧低下と判断する。ここで、第２の所定値は、正常な燃料電池セルのセル電圧を基準として、ガス漏れが生じていると判断し得る程度の電圧の低下量を示す値が設定されており、例えば、０．１Ｖ程度の値を用いることができる。さらに、第３の手法としては、個々のセル電圧Ｖ1〜Ｖnを、全セル電圧の平均値と比較し、セル電圧Ｖ1〜Ｖnが平均値の所定の割合以下となっている場合に、そのセル電圧について電圧低下と判断する。ここで、所定割合は、正常な燃料電池セルのセル電圧を基準として、ガス漏れが生じていると判断し得る程度の電圧の低下割合を示す値が設定されており、例えば、８０％程度の値を用いることができる。

このステップ８で肯定判定された場合、すなわち、いずれかの燃料電池セル１１においてガス漏れに起因してセル電圧が低下している場合には、ステップ９に進む。一方、ステップ８で否定判定された場合、すなわち、いずれの燃料電池セル１１においてもガス漏れに起因して電圧が低下していない場合には、ステップ１１以降の処理に進む。

ステップ９において、ガス漏れ検知部５０ａは、燃料電池セル１１からのガス漏れありと判断した上で、ガス漏れ処理を行う。このガス漏れ処理では、圧力制御部５０ｂに対してガス昇圧制御の中止が指示される。これとともに、燃料極１３の水素圧力を低下させるガス降圧制御を行うべく、水素目標圧力Ｐatの変更指示が圧力制御部５０ｂに対して出力される。この変更指示は、燃料電池スタック１０の要求出力に応じて決定される水素運転圧力Ｐadを基準に、その値を所定値ΔＰa2だけ低下させるように、水素目標圧力Ｐatを変更させる（Ｐat ← Ｐad−ΔＰa2）。水素圧力の低下量である所定値ΔＰa2は、燃料電池セル１１の膜間差圧を考慮して、燃料電池セル１１の破損が生じない程度の値として、実験やシミュレーションを通じて決定されている。また、このガス漏れ処理では、図示しない警報ランプを点灯させる等を行い、ドライバにガス漏れが生じているという事態を報知してもよい。

ステップ１０において、ガス漏れ検知部５０ａは、ガス漏れ検知実行フラグＦを「０」にセットして、本ルーチンを抜ける。

一方、ステップ８の否定判定に続くステップ１１において、ガス漏れ検知部５０ａは、ガス漏れの有無を判定するための判定時間が経過したか否かを判定する。具体的には、ガス漏れ検知実行フラグＦが「１」にセットされた際に（ステップ７）、経過時間をカウントするカウンタのカウントアップが開始されており、このカウンタの値を参照し、予め規定された判定時間を経過したか否かが判断される。燃料電池セル１１にガス漏れが生じている場合であっても、ガス昇圧制御を開始し、その燃料電池セル１１のセル電圧がガス漏れと認められる程度に低下するまでには、ある程度の時間を必要とする。また、一時的な電圧変化をガス漏れと誤検知してしまう虞がある為、実験やシミュレーションを通じて予め設定された判定時間（ガス漏れに起因する電圧低下を判断し得る程度の時間）が経過することを必要とする。このステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、ガス漏れ検知に必要な時間（判定時間）を経過した場合には、ステップ１２に進む。一方、ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、ガス漏れ検知に必要な時間（判定時間）を経過していない場合には、本ルーチンを抜ける。

ステップ１２において、ガス漏れ検知部５０ａは、ガス漏れ検知実行フラグＦを「０」にセットする。また、ガス漏れ検知部５０ａは、燃料電池セル１１からのガス漏れがないと判断した上で、圧力制御部５０ｂに対してガス昇圧制御の中止を指示する。すなわち、燃料極１３の水素目標圧力Ｐatを、燃料電池スタック１０の要求出力に応じて決定される水素運転圧力Ｐadに変更する旨の指示が圧力制御部５０ｂに対して出力される。

このように本実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０は、水素と空気とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池セル１１が、複数積層されて構成されている。水素供給流路２０ａに設けられている調圧弁２２は、燃料電池スタック１０へと供給される水素の圧力を調節し、セル電圧検出部５３は、燃料電池セル１１のセル電圧を検出する。圧力制御部５０ｂは、燃料電池セル１１の電圧が活性化過電圧領域よりも低い状態で、調圧弁２２を制御して、供給される水素の圧力を、燃料電池スタック１０に要求される出力（要求出力）に応じて決定される水素運転圧力Ｐadよりも増加させるガス昇圧制御を行う。ガス漏れ検知部５０ａは、圧力制御部５０ｂによってガス昇圧制御が行われた際に、セル電圧検出部５３によって検出されるセル電圧の低下に基づいて、燃料電池セル１１におけるガス漏れを検知する。

図７は、ガス昇圧制御に応じたセル電圧の推移を示す説明図である。通常、要求出力の増加に伴い、取り出される電流量が増加するため、個々のセル電圧Ｖ1〜Ｖnは、その値が低下することとなる。この場合、ガス漏れが生じている燃料電池セル（異常セル）では、その値の低下がより顕著に生じることとなる。このような電圧低下は、固体高分子電解質膜に細孔があったり薄肉化していたりすることに起因する。フィックの法則から、水素の燃料極１３および酸化剤極１４間の濃度差、空気の酸化剤極１４および燃料極１３間の濃度差に従い、燃料極１３の水素は、細孔あるいは薄肉部から酸化剤極１４に漏洩して酸化剤極１４の触媒上で空気と反応し、また、酸化剤極１４の空気は細孔あるいは薄肉部から燃料極１３に漏洩して燃料極１３の触媒上で水素と反応する。この両極１３，１４における水素と空気との反応により、発電に寄与する触媒面積が少なくなり、燃料電池セル１１からの出力電圧が低下する。これにより、セル電圧の低下に基づいて、ガス漏れを判定することができる。

図８および図９は、燃料極１３の水素圧力と、異常セルの電圧との関係を示す説明図である。また、ガスの漏洩量は、拡散性の差より燃料極１３から酸化剤極１４に水素が漏洩する方が著しく多い。したがって、燃料極１３の圧力を上げ、水素の燃料極１３および酸化剤極１４間の濃度差を大きくすることにより、セル電圧の低下量が大きくなり精度よくガス漏れを判定することが可能となる。固体高分子電解質膜１２に細孔あるいは薄肉部がある燃料電池セル１１において、同一の運転条件において、燃料極１３の圧力を変化させた場合、図８および図９に示すように、燃料極１３の圧力が高い程、すなわち、燃料極１３と酸化剤極１４との間の水素濃度が大きい程、セル電圧にばらつきが生じ、これにより、セル電圧の低下がより顕著に現れる傾向となる。そのため、ガス漏れ検知の精度向上に寄与する。

このように、本実施形態によれば、燃料電池セル１１のガス漏れに起因して反応面積が減少することによって、その燃料電池セル１１のセル電圧が低下する。そのため、セル電圧の状態、すなわち、活性化過電圧領域であってもそれ以外の非活性化過電圧領域であったとしても、濃度差に応じてセル電圧の低下は生じるため、ガス漏れの検知を行うことは可能である。また、ガス漏れを早期に検知するためには、燃料電池スタック１０が運転を行っている場合であっても、これを実行した方が好ましい。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０が定常的に取りえる電圧状態、すなわち、活性化過電圧領域よりも低下している場合に、このガス漏れ検知を実行する。これにより、ガス漏れ検知の実行頻度を増やすことができるので、ガス漏れがある場合には、これを早期に検知することが可能となる。

また、本実施形態における燃料電池システムは、車両などの外部システムからの要求に応じて、燃料電池スタック１０からの出力を制御する出力制御部５０ｃをさらに有している。この場合、圧力制御部５０ｂは、出力制御部５０ｃが燃料電池スタック１０の出力を変更するタイミングに基づいて、ガス昇圧制御を行う。燃料電池システムのうちでも特に車両の駆動源として適用される燃料電池システムは、システムを最適な状態に維持するため、要求出力の変更に応じて燃料極１３および酸化剤極１４におけるガス圧力を変化させることが多い。これにより、一定出力発電状態において、ガス漏れ検知のために圧力を変動させることがなく、出力変更に伴う圧力変動時にガス漏れ検知のための昇圧が行われる。そのため、音や振動といった違和感をドライバに与えることなく、燃料電池運転中に電解質膜のガス漏れ判定を実行することが可能となる。

さらに、本実施形態における燃料電池システムは、圧力制御部５０ｂは、出力制御部５０ｃが燃料電池スタック１０の出力を増加させるタイミングと対応して、ガス昇圧制御を行う。燃料電池スタック１０において、通常、出力を増加させたときの個々のセル電圧Ｖ1〜Ｖnの低下のばらつきは、その出力を減少させたときの個々のセル電圧Ｖ1〜Ｖnの上昇のばらつきよりも小さい。そのため、本実施形態によれば、セル電圧のばらつきが少ない状態で電圧をモニタリングすることにより、ガス漏れに起因するセル電圧の低下を精度良く判定することが可能となる。そのため、ガス漏れの検知精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態において、燃料電池システムは、出力制御部５０ｃは、ガス漏れ検知部５０ａによってガス漏れが検知された場合には、調圧弁２２を制御して、水素圧力を、燃料電池スタックへの要求出力に応じて決定される運転圧力Ｐadよりも低下させている。これにより、燃料極１３から酸化剤極１４に漏洩する水素量、或いは、酸化剤極１４から燃料極１３に漏洩する酸素量を少なくすることが可能となる。そのため、漏洩したガスによって発電に寄与しない反応が行われる事態を抑制することができるので、燃費向上といった点で有利である。

なお、本実施形態によれば、ガス昇圧制御を行う場合には、膜間差圧の範囲内で水素圧力のみを上昇させているが、本発明はこれに限定されない。上述したように、ガス漏れに起因する電圧の低下は、燃料極１３と酸化剤極１４との水素の濃度差が大きい程、顕著となる。したがって、水素圧力と空気圧力とに差圧を設ける必要はなく、ガス昇圧制御の場合には、水素目標圧力（水素運転圧力Ｐad＋所定値ΔＰa1）に対応するように空気目標圧力を増加させてもよい。この場合、圧力の増加量である所定値ΔＰa1には、膜間差圧を考慮する必要がなく、ガス漏れ検知の観点から、その濃度差が顕著となるように、適宜の範囲でその値を設定することができる。

換言すれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０へと供給される空気の圧力を調節する空気調圧弁３２と、この空気調圧弁３２を制御することにより、燃料電池スタック１０への要求出力に応じて決定される運転圧力に応じて空気の圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段（具体的には、圧力制御部５０ｂ）とをさらに有している。ここで、圧力制御部５０ｂは、ガス昇圧制御において、空気圧力が水素圧力と対応するように空気調圧弁３２を制御することとなる。これにより、燃料極１３と酸化剤極１４との間に生じる差圧を抑制することができるので、燃料電池セル１１の劣化を抑制しつつ、ガス漏れを検知することができる。さらに、燃料極１３と酸化剤極１４との間に差圧がつき難いため、薄肉化した電解質膜に細孔が生じるといった事態を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図１に示す燃料電池スタックの構成を示す概略断面図である。 図１に示す制御部５０のブロック構成図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池システムのガス漏れ検知処理の手順を示すフローチャートである。 燃料電池セルの電流と電圧との関係を示す特性図である。 燃料電池スタックを構成する個々の燃料電池セルのセル電圧を示す説明図である。 ガス昇圧制御に応じたセル電圧の推移を示す説明図である。 燃料極の水素圧力と異常セルの電圧との関係を示す説明図である。 燃料極の水素圧力と異常セルの電圧との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 燃料電池セル
１２ 固体高分子電解質膜
１３ 燃料極
１４ 酸化剤極
１５ 燃料極側セパレータ
１６ 酸化剤極側セパレータ
１７ 流路溝
１８ 流路溝
１９ 冷却流路
２０ 水素系
２１ 燃料タンク
２２ 調圧弁
２３ 水素循環装置
２４ パージ弁
３０ 空気系
３１ コンプレッサ
３３ 空気調圧弁
４０ 冷却系
４１ ラジエータ
４２ 冷却水ポンプ
５０ 制御部
５１ 水素圧力検出部
５２ 空気圧力検出部
５３ セル電圧検出部

Claims (5)

1. 燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池セルが、複数積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、
   前記燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
   前記セル電圧検出手段によって検出された前記燃料電池セルの電圧が活性化過電圧領域よりも低い状態で、前記燃料ガス圧力調整手段を制御して、前記燃料ガスの圧力を、前記燃料電池スタックに要求される出力に応じて決定される前記燃料ガスの運転圧力よりも増加させるガス昇圧制御を行う燃料ガス圧力制御手段と、
   前記燃料ガス圧力制御手段によって前記ガス昇圧制御が行われた際に、前記セル電圧検出手段によって検出される前記燃料電池セルの電圧の低下に基づいて、前記燃料電池セルにおけるガス漏れを検知するガス漏れ検知手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 外部システムからの要求出力に応じて、前記燃料電池スタックの出力を制御する出力制御手段をさらに有し、
   前記燃料ガス圧力制御手段は、前記出力制御手段が前記燃料電池スタックの出力を変更させるタイミングに基づいて、前記ガス昇圧制御を行うことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス圧力制御手段は、前記出力制御手段が前記燃料電池スタックの出力を増加させるタイミングと対応して、前記ガス昇圧制御を行うことを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス圧力制御手段は、前記ガス漏れ検知手段によって前記ガス漏れが検知された場合には、前記燃料ガス圧力調整手段を制御して、前記燃料ガスの圧力を、前記燃料電池スタックに要求される出力に応じて決定される運転圧力よりも低くすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックへと供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整手段と、
   前記酸化剤ガス圧力調整手段を制御することにより、前記燃料電池スタックに要求される出力に応じて決定される運転圧力に応じて前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段とをさらに有し、
   前記酸化剤ガス圧力制御手段は、前記ガス昇圧制御において、前記酸化剤ガスの圧力が、前記燃料ガスの圧力と対応するように前記酸化剤ガス圧力調整手段を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された燃料電池システム。
   
   

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