JP2010238495A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載する電動車両 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載する電動車両 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池の始動の際に燃料電池の耐久性を損なわずに水素漏れを判定する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料ガスの漏洩を判定する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の始動の際に、燃料電池の電圧が運転電圧に達する前に燃料ガスの漏洩を判定する漏洩判定手段と、を有すること、を特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載する電動車両の始動時の制御に関する。
燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。
このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が大きくなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献１には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。
特開２００７−２６８９１号公報
ところで、燃料電池は燃料ガスとして水素を使用することから、始動の際には水素漏れが無いことを確認することが必要となる。これには水素系統を封止してその圧力低下によって系統からの水素漏れを判定する方法が使われる。しかし、燃料電池の内部で水素と空気中の酸素とが電気化学反応をしている状態では、燃料電池に供給された水素が電気化学反応によって消費されてしまうため、水素の漏洩がなくとも封止した水素系統の圧力が低下してしまい、水素漏れを正確に判定することができない場合がある。そこで、図８に示すように、時間ｔ0´にイグニッションキーをオンとした後、線ａ´で示す燃料電池の出力電圧の制御値を開回路電圧ＯＣＶに設定し、時間ｔ1´に水素と酸素とを燃料電池に供給して線ｂ´のように水素系統と酸素系統を加圧して燃料電池の電圧の上昇を開始させ、燃料電池の電圧を一端開回路電圧ＯＣＶまで上昇させる。そして燃料電池の電圧が開回路電圧ＯＣＶになっている時間ｔ2´と時間ｔ3´との間で水素漏れを検知する方法が用いられている。これは、燃料電池の電圧が開回路電圧ＯＣＶに達すると燃料電池の内部で水素と酸素との電気化学反応が進まなくため、封止した水素系統の水素が消費されず、水素の漏洩がない場合には封止した水素系統の圧力がほとんど低下しない状態を作ることができるからである。そして、この状態で水素系統の圧力低下度合いを検出することによって水素漏れを判定することができる。しかし、燃料電池の電圧が開回路電圧ＯＣＶとなると燃料電池の耐久性を損なう場合があるという問題があった。
そこで、本発明は、燃料電池の始動の際に燃料電池の耐久性を損なわずに水素漏れを判定することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料ガスの漏洩を判定する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の始動の際に、燃料電池の電圧が運転電圧に達する前に燃料ガスの漏洩を判定する漏洩判定手段と、を有すること、を特徴とする。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備え、始動手段は、燃料ガス供給手段によって燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給した後、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスを酸化剤極に供給して燃料電池の電圧を上昇させ、漏洩判定手段は、燃料ガスを供給した後、酸化剤ガスの供給開始までの間に燃料ガスの漏洩の判定を行うこと、としても好適である。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給流路と燃料ガス供給流路に設けられた燃料供給弁を含み、燃料電池の燃料極から反応後の燃料ガスを排出するガス排出流路と、ガス排出流路に設けられたガス排出弁と、燃料供給弁よりも燃料極側でガス排出弁よりも燃料極側にある燃料ガス流路の圧力を検出する圧力センサと、を備え、漏洩判定手段は、燃料供給弁とガス排出弁とを閉止し、圧力センサによって検出した圧力低下割合によって燃料ガスの漏洩を判定すること、としても好適である。
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスの漏洩を判定する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の始動電圧が開回路電圧よりも低く、開回路電圧より低い運転電圧よりも高い場合、始動の際に燃料電池の電圧を始動電圧から運転電圧まで低下させ、燃料ガス供給手段によって燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給した後、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスを酸化剤極に供給して燃料電池を始動させる始動手段と、燃料ガスを供給した後、酸化剤ガスの供給開始までの間に燃料ガスの漏洩を判定する漏洩判定手段と、を備えることを特徴とする。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給流路と燃料ガス供給流路に設けられた燃料供給弁を含み、燃料電池の燃料極から反応後の燃料ガスを排出するガス排出流路と、ガス排出流路に設けられたガス排出弁と、燃料供給弁よりも燃料極側でガス排出弁よりも燃料極側にある燃料ガス流路の圧力を検出する圧力センサと、を備え、漏洩判定手段は、燃料電池の始動の際に、燃料供給弁とガス排出弁とを閉止し、圧力センサによって検出した第１の圧力低下割合と燃料電池の出力電流から推定した燃料ガスの消費量に基づく第２の圧力低下割合とによって燃料ガスの漏洩を判定すること、としても好適である。
本発明の燃料電池システムにおいて、漏洩判定手段は、第１の圧力低下割合から第２の圧力低下割合を差し引いて第３の圧力低下割合を計算し、第３の圧力低下割合が第１の閾値以上であった場合に漏洩と判定すること、としても好適であるし、漏洩判定手段は、第１の圧力低下割合が第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であった場合に漏洩と判定すること、としても好適である。
本発明の電動車両は、上記の燃料電池システムを搭載する電動車両である。
本発明は、燃料電池の始動の際に燃料電池の耐久性を損なわずに水素漏れを判定することができるという効果を奏する。
本発明の実施形態における燃料電池システムの系統図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの始動の際の電圧の上昇を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの始動の際に封止した水素系統の圧力の低下を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの始動の際の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの他の始動の際の電圧の上昇を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの他の始動の際に封止した水素系統の圧力の低下を示すグラフである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの他の始動の際の動作を示すフローチャートである。 従来技術の燃料電池システムの始動の際の電圧の上昇を示すグラフである。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇圧または降圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。
二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、走行用モータの駆動電圧と同等あるいは高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された一次側の電圧を走行用モータ駆動用の二次側の電圧に電圧変換するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、一次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、二次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。
燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８が設けられた水素供給管２７を通って燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。ここで、水素供給弁１８は燃料供給弁であり、水素供給管２７は燃料ガス供給流路である。水素供給管２７には水素系の圧力を検出する圧力センサ４７が取り付けられている。供給された水素と空気中の酸素とは燃料電池１１の内部で電気化学反応を起こして電気を出力すると共に酸化剤極に水を生成する。生成された水は反応後の空気と共に燃料電池の外部に排出される。一方、燃料極に供給された水素は反応によって水素濃度の低下が低下した反応ガスとなって水素ガス排出管２８から排出される。排出された反応ガスは再循環管２９に設けられた水素循環ポンプ２６によって加圧されて水素供給管２７、燃料極に循環する。反応によって消費された水素は水素供給弁１８の開度を調整することによって水素タンク１７から水素供給管２７に供給される。また、反応によって燃料極に滞留する窒素ガス等のガスは反応後のガスと共にガス排出管４５から外部に排出される。ガス排出管４５には排出するガスの量を調整するガス排出弁２２が取り付けられている。以上述べたように。水素系統は循環系統となっているので、水素供給弁１８とガス排出弁２２とを閉とすると水素供給弁１８よりも燃料極側の水素供給管２７、燃料電池１１の燃料側、水素ガス排出管２８、水素循環ポンプ２６、再循環管２９、ガス排出弁２２よりも燃料極側のガス排出管４５を含む領域４６が封止状態となる。
燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続されている。昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の二次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の一次側電力を昇圧した二次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素循環ポンプ２６など燃料電池１１の補機１６の駆動電力は二次電池１２から供給される。
二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には一次側の電圧を平滑化する一次側コンデンサ２０が接続され、一次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には二次側の電圧を平滑にする二次側コンデンサ２１が設けられ、二次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。一次側コンデンサ２０両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である一次側電圧ＶLであり、二次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧ＶHである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１の電圧を検出する電圧センサ４３が設けられ、燃料電池１１のプラス側電路３６には燃料電池１１からの出力電流を検出する電流センサ４４が設けられている。
制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータであり、燃料電池１１、空気圧縮機１９、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、水素供給弁１８、ガス排出弁２２、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４、圧力センサ４７はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４、圧力センサ４７の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。
以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について図２から図４を参照して説明する。図２において線ａは昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧ＶHを示し、線ｂは燃料電池１１の電圧であるＦＣ電圧ＶFを示す。燃料電池１１は図２に示すように、電圧ゼロの状態から始動される。
図２に示す時間ｔ0に運転者がイグニッションキー３０をオンとするとそのオン信号が制御部５０に入力され、制御部５０は図４のステップＳ１０１に示すようにイグニッションキー３０のオンを認識する。制御部５０は、イグニッションキー３０のオン信号が入力されたら、システムリレー２５を閉として二次電池１２を系統に接続し、二次電池１２から供給される電力によって一次側コンデンサ２０を充電した後、図４のステップＳ１０２，Ｓ１０３に示すように昇降圧コンバータ１３の昇圧動作を開始して二次側コンデンサ２１の充電を開始する。制御部５０は、電圧センサ４２によって二次側電圧ＶHを検出しながら二次側電圧ＶHを上昇させていく。二次側電圧ＶHが開回路電圧ＯＣＶに達したら二次側コンデンサ２１の充電が完了し二次電池１２からの電力供給が可能となるので、制御部５０は図２に示す時間ｔ1に走行用モータ１５に電力を供給する準備が完了したことを示すＲｅａｄｙのランプを点灯させる。このＲｅａｄｙランプ点灯後、運転者がアクセルを踏み込むと、二次電池１２からの電力が車輪６０を回転させる走行用モータ１５に供給され、電動車両２００は走行を開始することができる。二次電池１２から電力が走行用モータ１５に供給されても燃料電池１１はＦＣリレー２４が開状態となっているので系統から切り離されており、電力は燃料電池１１には流れこまない。
制御部５０は、図４のステップＳ１０４に示すように、電圧センサ４３から燃料電池１１の始動電圧ＶF0を取得し、運転電圧Ｖ0と比較する。運転電圧Ｖ0は開回路電圧ＯＣＶよりも低い電圧で、例えば開回路電圧ＯＣＶの９０％程度の電圧である。そして、例えば図２に示すように、燃料電池１１の始動電圧ＶF0がゼロで、開回路電圧ＯＣＶよりも低く、運転電圧Ｖ0よりも低い場合には、図４のステップＳ１０５に示すように、図２に示す時間ｔ1に水素系統を加圧する指令を出力する。この指令によって水素供給弁１８が開となり、水素タンク１７から燃料電池１１への水素の供給が開始される。水素が供給されると燃料電池１１の燃料極の圧力が上昇するが、まだ酸化剤極に空気が供給されていないので燃料電池１１の内部では電気化学反応が起きず、燃料電池１１は発電しないので、燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFは始動電圧ＶF0と同様のゼロとなっている。
また、制御部５０は、燃料電池１１の始動電圧ＶF0が運転電圧Ｖ0よりも高い場合には、後で説明する図７のステップＳ２０５にジャンプしてＦＣリレー２４を閉とする。
図４のステップＳ１０６に示すように、制御部５０は圧力センサ４７によって検出する水素系の圧力が所定の圧力、例えば、通常運転の際の圧力に達した場合、図４のステップＳ１０７に示すように、水素系統を封止する指令を出力する。この指令によって、図２に示す時間ｔ2に水素供給弁１８とガス排出弁２２とが閉となる。これにより、水素供給弁１８よりも燃料極側の水素供給管２７、燃料電池１１の燃料側、水素ガス排出管２８、水素循環ポンプ２６、再循環管２９、ガス排出弁２２よりも燃料極側のガス排出管４５を含む領域４６が封止状態となる。この時、空気圧縮機１９はまだ始動していないので、酸化剤極には酸化剤ガスの空気が供給されていない状態となっている。このため、封止された領域４６の水素は酸素と反応せず、領域４６の水素量はほとんど減少しない。
図３に示すように、図１に示す領域４６は封止されていても、燃料電池１１の燃料極と酸化剤極との間のクロスリークにより、図３の一点鎖線ｃで示すように、圧力は圧力Ｐ0からわずかに低下する。図３に示すように、時間ｔ2と時間ｔ21との間の時間間隔Δｔ1の間に圧力は初期の圧力Ｐ0から終期の圧力Ｐ0´までΔＰ0だけ低下する。
一方、封止した水素系統から水素ガスの漏洩がある場合には、図３の実線ｄに示すように、封止されている図１に示す領域４６の圧力は、時間ｔ2の初期の圧力Ｐ0から時間ｔ21の終期の圧力Ｐ1までΔＰ1だけ低下する。この時間ｔ2と時間ｔ21との間の時間間隔Δｔ1の間の圧力低下ΔＰ1は水素の漏洩が無い場合の圧力低下ΔＰ0よりもかなり大きい。制御部５０は時間間隔Δｔ1と圧力低下ΔＰ0から水素漏れがない場合の圧力低下割合を計算してメモリに格納しておく。そして、制御部５０は、時間間隔Δｔ1の間に検出される圧力低下ΔＰ1から計算した圧力低下割合と比較して水素漏れの判定を行う。
水素系統が封止状態となったら、制御部５０は、図４のステップＳ１０８に示すように、圧力センサ４７により封止した図１に示す領域４６の初期圧力Ｐ0を取得した後、図４のステップＳ１０９に示すように図３に示す所定の時間である時間間隔Δｔ1だけ待機し、図４のステップＳ１１０に示すように、圧力センサ４７により時間間隔Δｔ1経過後の圧力Ｐ1を終期圧力として取得する。そして図４のステップＳ１１１に示すように時間間隔Δｔ1の圧力低下割合を計算し、図４のステップＳ１１２に示すように、水素漏れの無い場合の圧力低下割合と計算した圧力低下割合とを比較して水素漏れの判定を行う。
図４のステップＳ１１２に示すように、制御部５０が水素漏れと判定した場合、誤判定による燃料電池システム１００の停止を避けるため、制御部５０は図４のステップＳ１１３に示すように、水素漏れの判定が初回の漏れ判定かどうかを判断する。そして初回の水素漏れ判定であった場合には、図４のステップＳ１０８に戻って再度、初期の圧力を取得する。
図３に示すように、再度初期圧力を取得するのは最初の水素漏洩判定の後となるので、図３に示す時間ｔ21の後の時間ｔ22の圧力Ｐ2を初期の圧力として取得する。そして、所定の時間間隔Δｔ2後に圧力Ｐ3を終期の圧力として取得し圧力Ｐ2と圧力Ｐ3との圧力差ΔＰ2と所定の時間Δｔ2とから圧力の低下割合を計算して、水素漏れが無い場合の圧力低下割合と比較し、水素漏れの判定を行う。
制御部５０は二回目の水素漏れ判定においても水素漏れと判定された場合には、図４のステップＳ１１４に示すように、燃料電池システム１００を停止する。
一方、制御部５０は、初回、または二回目の水素漏れ判定によって水素漏れは無いと判定した場合には、図４のステップＳ１１５に示すように、図２の時間ｔ3にＦＣリレー２４を閉として燃料電池１１と負荷との系統を接続したのち、図４のステップＳ１１６に示すように空気圧縮機１９を始動する。空気圧縮機１９が始動し、燃料電池１１への空気の供給が開始され、空気が燃料電池１１に供給され始めると燃料電池１１の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFは始動電圧のゼロから図２の線ｂに示すように次第に上昇し、図２に示す時間ｔ4に運転電圧Ｖ0に達する。
制御部５０は、図４のステップＳ１１７に示すように燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFが運転電圧Ｖ0に達した後、図４のステップＳ１１８に示すように、図２に示す時間ｔ4から時間ｔ5までの安定時間Δｔだけ燃料電池システム１００の状態を保持し、図４に示すステップＳ１１９のように、図２に示す時間ｔ5に燃料電池システム１００の始動を完了し、通常運転に移行する。
本実施形態では、燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFを開回路電圧ＯＣＶまで上昇させることなく始動の際の水素ガスの漏洩判定を行うことができるので、燃料電池１１の耐久性を損なわずに水素漏れを判定することができる。
次に図５から図７を参照しながら本実施形態の燃料電池システム１００の他の始動について説明する。図２から図４を参照して説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。本実施形態は、図５に示すように、燃料電池１１の始動電圧ＶF0が運転電圧Ｖ0よりも高い開回路電圧ＯＣＶとなっている場合である。
先に説明した実施形態と同様、制御部５０は図７のステップＳ２０１に示すようにイグニッションキー３０のオンを認識したら、システムリレー２５を閉とした後昇降圧コンバータ１３の動作を開始させ、図７のステップＳ２０２，Ｓ２０３に示すように二次側コンデンサ２１を充電し、昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧ＶHを燃料電池１１の開回路電圧ＯＣＶまで上昇させる。そして、図５の時間ｔ12に二次側電圧ＶHは開回路電圧ＯＣＶに達する。二次側電圧ＶHが開回路電圧ＯＣＶに達すると、二次電池１２から走行用モータ１５に電力を供給することができるようになるので、制御部５０は時間ｔ11にＲｅａｄｙランプを点灯させる。この後、運転者がアクセルを踏み込むと、電動車両２００は走行を開始することができる。ただし、この時点ではＦＣリレー２４が開状態で燃料電池１１は系統から切り離されているので電力は燃料電池１１には流れこまない。
制御部５０は、図７のステップＳ２０４示すように、電圧センサ４３から燃料電池１１の始動電圧ＶF0を取得し、運転電圧Ｖ0と比較する。先に説明した実施形態と同様、運転電圧Ｖ0は開回路電圧ＯＣＶよりも低い電圧で、例えば開回路電圧ＯＣＶの９０％程度の電圧である。そして、始動電圧ＶF0が運転電圧Ｖ0よりも高い場合には、図７のステップＳ２０５に示すように、ＦＣリレー２４を閉とする。本実施形態では。図５に示すように燃料電池１１の始動電圧ＶF0は開回路電圧ＯＣＶである。その後、制御部５０は、図７ステップＳ２０６及び図５の線ｅに示すように、昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧ＶHを開回路電圧ＯＣＶから運転電圧Ｖ0まで低下させる。すると燃料電池１１の電圧ＶFは二次側電圧ＶHの低下に伴って開回路電圧ＯＣＶから低下し、図５の線ｆに示すように、燃料電池１１から電流ＡFが出力される。
また、制御部５０は、燃料電池１１の始動電圧ＶF0が運転電圧Ｖ0よりも低い場合には、先に説明した図４のステップＳ１０５にジャンプして水素系統の加圧を開始する。
一方、制御部５０は、二次側電圧ＶHがＯＣＶに達すると、図５に示す時間ｔ11の直後の時間ｔ12に水素系統を加圧する指令を出力する。この指令によって水素供給弁１８が開となり、水素タンク１７から燃料電池１１への水素の供給が開始される。燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFは二次側電圧ＶHと同様、運転電圧Ｖ0に保たれているので、燃料電池１１からは燃料電池１１の電圧を開回路電圧ＯＣＶである始動電圧ＶF0から運転電圧Ｖ0に低下させることにより電流が出力され続けている。
制御部５０は、図７に示すステップＳ２０８に示すように、水素系統の圧力が例えば、通常運転圧力のような所定の圧力に達すると、図７のステップＳ２０９に示すように、水素系統を封止する指令を出力する。この指令によって、図５に示す時間ｔ13に図１に示す水素供給弁１８とガス排出弁２２とを閉とする。これにより、水素供給弁１８よりも燃料極側の水素供給管２７、燃料電池１１の燃料側、水素ガス排出管２８、水素循環ポンプ２６、再循環管２９、ガス排出弁２２よりも燃料極側のガス排出管４５を含む領域４６が封止状態となる。この時、空気圧縮機１９はまだ始動していないので、酸化剤極には酸化剤ガスの空気が供給されていない状態であるが、燃料電池１１の電圧が開回路電圧ＯＣＶから運転電圧Ｖ0に低下することにより発電による電流が出力される状態となっているので燃料極側の水素は酸化剤極に残存している空気中の酸素と反応して消費される。このため、領域４６が封止されても水素系の圧力は出力電流にみあった量だけ低下してくる。
図６に示すように、封止された領域４６の圧力は、燃料電池１１の内部で水素が消費されない場合でも燃料極と酸化剤極との間のクロスリークにより、図６の一点鎖線ｇで示すように、圧力は圧力Ｐ0からＰ0´にわずかに低下する。図６に示すように、時間ｔ13と時間ｔ13´との間の時間間隔Δｔ3の間に圧力は初期の圧力Ｐ0から終期の圧力Ｐ0´までΔＰ10だけ低下する。この圧力低下ΔＰ10は燃料電池１１の大きさなどから推定することができるので、制御部５０は圧力低下ΔＰ10を推定してメモリに格納しておく。
また、図６の線ｆに示すように、水素系統が封止された状態であっても燃料電池１１からの電力が出力されている場合には、クロスリークによる水素の消費に加えて封止されている領域４６の水素が発電によって消費されることから、領域４６の圧力は図６の二点鎖線ｈで示すように、時間ｔ13の初期の圧力Ｐ0から時間ｔ13´の終期の圧力Ｐ11までΔＰ11だけ低下する。しかし、発電により水素が消費されることによる圧力低下ΔＰ11´は、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFと電流センサ４４によって検出される燃料電池１１の出力電流ＡFとから制御部５０の内部で演算して推定することができる。制御部５０はＦＣ電圧ＶFと出力電流ＡFとから推定される圧力低下ΔＰ11´をメモリに格納し、先にメモリに格納したクロスリークによる圧力低下ΔＰ10とを加えてクロスリークと発電により水素が消費されることによる圧力低下ΔＰ11を計算し、時間間隔Δｔ3とからクロスリークと発電による水素の消費がある場合の圧力低下割合（第２の圧力低下割合）を計算してメモリに格納しておく。
燃料電池１１のから電気が出力されている状態で、封止した水素系統から水素ガスの漏洩がある場合には、図６の実線ｊに示すように、封止されている図１に示す領域４６の圧力は、時間ｔ13の初期の圧力Ｐ0から時間ｔ13´の終期の圧力Ｐ12までΔＰ12だけ低下する。この時間ｔ13と時間ｔ13´との間の時間間隔Δｔ3の間の圧力低下ΔＰ12は水素の漏洩がなく、クロスリークと発電による水素の消費がある場合の圧力低下ΔＰ11よりもかなり大きい。そして、制御部５０は、時間間隔Δｔ3の間に検出される圧力低下ΔＰ12から計算した圧力低下割合と（第１の圧力低下割合）から先にメモリに格納した水素漏洩がなくクロスリークと発電による水素の消費がある場合の圧力低下割合（第２の圧力低下割合）を差し引いて漏洩判定用の圧力低下割合（第３の圧力低下割合）を計算する。そして漏洩判定用の圧力低下割合（第３の圧力低下割合）と予め規定された閾値とを比較して水素漏れの判定を行う。
制御部５０は図７に示すステップＳ２０９に示す様に、水素系統が封止状態となったら、図７のステップＳ２１０に示すように、領域４６の初期圧力Ｐ0とＦＣ電圧ＶFと、ＦＣ電流ＡFとを取得し、図７のステップＳ２１３に示すように、先に説明した第１の圧力低下割合を計算し、図７のステップＳ２１４に示すように第２の圧力低下割合を計算した後、第３の圧力低下割合を計算し、図７のステップＳ２１５に示すように水素漏れの判定を行う。
制御部５０は図７のステップＳ２１５の水素漏れ判定においても水素漏れと判定された場合には、図７のステップＳ２１６に示すように、燃料電池システム１００を停止する。
一方、制御部５０は、図７のステップＳ２１５の水素漏れ判定によって水素漏れは無いと判定した場合には、図７のステップＳ２１７に示すように、図５の時間ｔ14に空気圧縮機１９を始動する。空気圧縮機１９が始動し、燃料電池１１への空気の供給が開始され、空気が燃料電池１１に供給され始めると燃料電池１１の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電流センサ４４によって検出される燃料電池１１のＦＣ電流ＡFは図５の線ｆに示すように次第に上昇する。
制御部５０は、燃料電池１１のＦＣ電流ＡFが上昇した後、図７に示すステップＳ２１８に示す様に、図５に示す時間ｔ14から時間ｔ15までの安定時間だけ燃料電池システム１００の状態を保持し、図７のステップＳ２１９に示す様に、図５に示す時間ｔ15に燃料電池システム１００の始動を完了し、通常運転に移行する。
本実施形態では、燃料電池１１の始動の際に燃料電池１１のＦＣ電圧ＶFを開回路電圧ＯＣＶから運転電圧Ｖ0に低下させた後、水素ガスの漏洩判定を行うことができるので、燃料電池１１の耐久性を損なわずに水素漏れを判定することができる。
以上説明した実施形態では、時間間隔Δｔ3の間に検出される圧力低下ΔＰ12から計算した圧力低下割合と（第１の圧力低下割合）から先にメモリに格納した水素漏洩がなく発電による水素の消費がある場合の圧力低下割合（第２の圧力低下割合）を差し引いて漏洩判定用の圧力低下割合（第３の圧力低下割合）を計算し、そして漏洩判定用の圧力低下割合（第３の圧力低下割合）と予め規定された閾値とを比較して水素漏れの判定を行うこととして説明したが、時間間隔Δｔ3の間に検出される圧力低下ΔＰ12から計算した圧力低下割合と（第１の圧力低下割合）と、予め規定された閾値よりも大きな第２の閾値とを比較して水素漏洩の判定を行うようにしてもよい。この場合、第２の閾値は予め規定された閾値に水素漏洩がなく発電による水素の消費がある場合の圧力低下割合（第２の圧力低下割合）を加えたものとしてもよい。
１１ 燃料電池、１２ 二次電池、１３ 昇降圧コンバータ、１４ インバータ、１５ 走行用モータ、１６ 補機、１７ 水素タンク、１８ 水素供給弁、１９ 空気圧縮機、２０ 一次側コンデンサ、２１ 二次側コンデンサ、２２ ガス排出弁、２３ 逆流防止ダイオード、２４ ＦＣリレー、２５ システムリレー、２６ 水素循環ポンプ、２７ 水素供給管、２８ 水素ガス排出管、２９ 再循環管、３０ イグニッションキー、３１ 一次側電路、３２ 基準電路、３３，３６，３８ プラス側電路、３４，３７，３９ マイナス側電路、３５ 二次側電路、４１〜４３ 電圧センサ、４４ 電流センサ、４５ ガス排出管、４６ 領域、４７ 圧力センサ、５０ 制御部、６０ 車輪、１００ 燃料電池システム、２００ 電動車両、ＯＣＶ 開回路電圧、Ｖ0 運転電圧、Ｖ1 所定の電圧、ＶF ＦＣ電圧、ＶF0 始動電圧、ＶH 二次側電圧、ＶL 一次側電圧。

Claims (9)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    燃料ガスの漏洩を判定する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
    制御部は、
    燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、
    燃料電池の始動の際に、燃料電池の電圧が運転電圧に達する前に燃料ガスの漏洩を判定する漏洩判定手段と、を有すること、
    を特徴とす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、
    燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
    燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備え、
    始動手段は、燃料ガス供給手段によって燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給した後、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスを酸化剤極に供給して燃料電池の電圧を上昇させ、
    漏洩判定手段は、燃料ガスを供給した後、酸化剤ガスの供給開始までの間に燃料ガスの漏洩の判定を行うこと、
    を特徴と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、
    燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給流路と燃料ガス供給流路に設けられた燃料供給弁を含み、
    燃料電池の燃料極から反応後の燃料ガスを排出するガス排出流路と、
    ガス排出流路に設けられたガス排出弁と、
    燃料供給弁よりも燃料極側でガス排出弁よりも燃料極側にある燃料ガス流路の圧力を検出する圧力センサと、を備え、
    漏洩判定手段は、
    燃料供給弁とガス排出弁とを閉止し、圧力センサによって検出した圧力低下割合によって燃料ガスの漏洩を判定すること、
    を特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１から３に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。
  5. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
    燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    燃料ガスの漏洩を判定する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
    制御部は、
    燃料電池の始動電圧が開回路電圧よりも低く、開回路電圧より低い運転電圧よりも高い場合、始動の際に燃料電池の電圧を始動電圧から運転電圧まで低下させ、燃料ガス供給手段によって燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給した後、酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスを酸化剤極に供給して燃料電池を始動させる始動手段と、
    燃料ガスを供給した後、酸化剤ガスの供給開始までの間に燃料ガスの漏洩を判定する漏洩判定手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    燃料ガス供給手段は、燃料ガス供給流路と燃料ガス供給流路に設けられた燃料供給弁を含み、
    燃料電池の燃料極から反応後の燃料ガスを排出するガス排出流路と、
    ガス排出流路に設けられたガス排出弁と、
    燃料供給弁よりも燃料極側でガス排出弁よりも燃料極側にある燃料ガス流路の圧力を検出する圧力センサと、を備え、
    漏洩判定手段は、
    燃料電池の始動の際に、燃料供給弁とガス排出弁とを閉止し、圧力センサによって検出した第１の圧力低下割合と燃料電池の出力電流から推定した燃料ガスの消費量に基づく第２の圧力低下割合とによって燃料ガスの漏洩を判定すること、
    を特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    漏洩判定手段は、第１の圧力低下割合から第２の圧力低下割合を差し引いて第３の圧力低下割合を計算し、第３の圧力低下割合が第１の閾値以上であった場合に漏洩と判定すること、
    を特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    漏洩判定手段は、第１の圧力低下割合が第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であった場合に漏洩と判定すること、
    を特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項５から８に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。
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