JP2013171737A - 燃料電池システムの漏れ異常判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池１１の停止時において、アノード側およびカソード側の両方における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することが可能な、燃料電池システム１０の漏れ異常判定方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１１の発電停止とともに、遮断弁２５およびパージ弁５２によるアノード流路２１の流路封止と、封止弁５６，５７によるカソード流路２２の流路封止を維持した状態で、燃料電池１１の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池１１の総電圧、アノード流路２１の圧力、カソード流路２２の圧力、アノード流路２１の酸素濃度およびカソード流路２２の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システム１０の流路封止の漏れ異常を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの漏れ異常判定方法に関するものである。

従来から、例えば車両に搭載される燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）としたものが知られている。

具体的には、アノード電極に面するアノード流路に燃料として水素ガスを供給するとともに、カソード電極に面するカソード流路に酸化剤として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。

このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、発電停止中において流路内に酸素が残存していると、燃料電池が劣化するとともに、次回システム起動時の発電安定性が低下するという問題がある。そこで、水素と酸素のモル比が所望の条件を満たした状態で各流路を遮断するため、各流路に封止弁を設ける技術が提案されている。

特開２００６−１８５８８６号公報 特開２０１０−８０１６６号公報

しかしながら、封止弁が劣化してシール部に損傷が発生した場合などには、封止弁の封止性能が低下する。これ以外にも、配管の継ぎ手に損傷が発生した場合や、燃料電池スタックの締結荷重が減少した場合などには、各流路の封止性能が低下し、燃料電池システムの流路封止に漏れ異常が発生する。アノード流路の流路封止に漏れ異常が発生すると、燃料電池の発電停止中にアノード流路から水素ガスが流出して空気が流入する。これにより、燃料電池の次回起動に際し、最初のガス状態として両極に空気が豊富（酸素リッチ）に導入されている状態で起動（以下「エア・エア起動」と言う。）することになる。このエア・エア起動の回数が多くなると、両極を構成する触媒の劣化を引き起こすという問題がある。一方、カソード流路の流路封止に漏れ異常が発生すると、燃料電池停止中にカソード流路に空気が流入して残存し、燃料電池が劣化するとともに、次回システム起動時の発電安定性が低下するとともに、という問題がある。そのため、各流路における漏れ異常の発生を早期に検出することが重要である。

特許文献１には、燃料電池発電中に燃料循環系の気密異常の判定を行うことが記載されている。しかしながら引用文献１には、燃料電池停止中に漏れ異常を検知することが記載されていない。燃料電池停止中であれば、燃料循環系だけでなく、カソード極の漏れ異常も考慮する必要がある。

特許文献２には、燃料電池の電圧の変化に基づいて、燃料電池システムの異常を検知することが記載されている。しかしながら、燃料電池の電圧だけで漏れ異常を判定するのは困難である。例えば、アノード側封止弁の封止性能が大きく低下した場合には、アノード流路が酸素リッチになり、カソード流路が水素リッチになって、転極（逆電位）が発生する。この転極が、ガスマニホールドの接続部付近の単位セルのみで発生すると、燃料電池の総電圧は０Ｖに接近する。しかしながら、電解質膜を挟んだガスのクロスオーバーが大きくなった場合にも、アノード流路２１およびカソード流路２２の両方が水素リッチまたは酸素リッチになるので、燃料電池１１の総電圧は０Ｖになる。このように、アノード流路の封止性能が低下した場合と、電解質膜のクロスリークが発生した場合とで、同じ電圧を示すことがあるため、燃料電池の電圧の変化のみに基づいて漏れ異常を判定するのは困難である。

本発明は、燃料電池の停止時において、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することが可能な、燃料電池システムの漏れ異常判定方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料供給源（例えば、実施形態における水素タンク３０）からアノード流路（例えば、実施形態におけるアノード流路２１）に燃料を供給され、カソード流路（例えば、実施形態におけるカソード流路２２）に空気を供給されて発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、前記アノード流路を封止する第１封止手段（例えば、実施形態における遮断弁２５およびパージ弁５２）と、前記カソード流路を封止する第２封止手段（例えば、実施形態における封止弁５６，５７）と、前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段（例えば、実施形態における電圧センサ４２）と、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマー（例えば、実施形態におけるタイマー４６）を有する制御部（例えば、実施形態におけるＥＣＵ４５）と、を備える燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）において、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止とともに、前記第１封止手段と前記第２封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記燃料電池の総電圧（例えば、実施形態における総電圧Ｖｆｃ）、前記アノード流路の圧力（例えば、実施形態における圧力Ｐａｎ）、前記カソード流路の圧力（例えば、実施形態における圧力Ｐｃａ）、前記アノード流路の酸素濃度（例えば、実施形態における酸素濃度Ｏ２ａｎ）および前記カソード流路の酸素濃度（例えば、実施形態における酸素濃度Ｏ２ｃａ）のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。

燃料電池の発電停止後に相当時間が経過すると、アノード流路およびカソード流路のガスリークに起因して、燃料電池の総電圧が上昇に転じ、各流路の圧力が低下から上昇に転じ、各流路の酸素濃度が急上昇する現象が発生する。なお、各流路封止が正常な場合でも、不可避的なガスリークに起因して、燃料電池が発電停止してから所定経過時間後には前記各現象が発生する。一方で、その所定経過時間前に前記各現象が発生した場合には、各流路封止に過剰なガスリーク（漏れ異常）が発生していると判定できる。
そこで本発明は、燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池の総電圧、アノード流路の圧力、カソード流路の圧力、アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。これにより、第１封止手段および第２封止手段の封止性能の低下をはじめ、各流路の封止性能の低下を一括で検知できる。したがって、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することができる。

前記制御部は、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第１所定経過時間（例えば、実施形態における所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲまたは第１所定経過時間Ｔ１）前に、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値（例えば、実施形態における総電圧変化幅閾値Ｖｆｃｖａ）を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
燃料電池の総電圧が総電圧変化幅閾値を超えた場合には、燃料電池の総電圧の変化幅が大きくなっているので、燃料電池の総電圧が上昇に転じたと判断できる。そして、この現象が第１所定経過時間前に発生した場合には、燃料電池システムの流路封止に漏れ異常があると判定することができる。

前記制御部は、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第２所定経過時間（例えば、実施形態における所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲまたは第２所定経過時間Ｔ２）前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じる現象が、第２所定経過時間前に発生したと判断された場合には、燃料電池システムの流路封止に漏れ異常があると判定することができる。

前記制御部は、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間（例えば、実施形態における所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲまたは第３所定経過時間Ｔ３）前に、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値（例えば、実施形態におけるアノード側酸素濃度変化幅閾値Ｏ２ａｎｖａまたはカソード側酸素濃度変化幅閾値Ｏ２ｃａｖａ）を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
アノード流路の酸素濃度の変化幅およびカソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えた場合には、酸素濃度の変化幅が大きくなっているので、酸素濃度が急上昇したと判断できる。そして、この現象が第３所定経過時間前に発生した場合には、各流路封止の漏れ異常があると判定する。

前記制御部は、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間（例えば、実施形態における所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲまたは第３所定経過時間Ｔ３）前に、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えた場合には、酸素濃度の絶対値が大きくなっているので、酸素濃度が急上昇したと判断できる。そして、この現象が第３所定経過時間前に発生した場合には、各流路封止の漏れ異常があると判定する。

前記制御部は、（１）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第１所定経過時間前に、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えたとき、（２）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第２所定経過時間前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたとき、（３）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間前に、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えたとき、（４）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間前に、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたとき、の（１）ないし（４）の条件のうち、２つ以上の条件が成立したときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
これにより、各流路封止の漏れ異常の発生を精度よく判定することができる。

前記制御部は、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定したときに警告信号を発生する構成としてもよい。
これにより、漏れ異常の発生を燃料電池システムの利用者に警告して、修理を促すことができる。

前記制御部は、前記燃料電池の起動時の負荷接続前に、前記アノード流路および前記カソード流路のうち少なくとも一方に対する流体導入排出処理（例えば、実施形態におけるＯＣＶパージ処理）を行い、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量よりも多く設定する構成としてもよい。
前記燃料電池システムには、前記アノード流路の出口から入口に燃料を循環させる燃料循環手段（例えば、実施形態における水素ポンプ２６）が設けられ、前記制御部は、前記燃料循環手段を動作させて前記アノード流路に対する前記流体導入排出処理を行い、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量よりも多く設定する構成としてもよい。
これにより、各流路封止に漏れ異常が発生した場合でも、アノード流路に残存する酸素ガスを確実に水素ガスで置換して、エア・エア起動を回避することができる。

前記制御部は、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合に、前記第１封止手段による前記アノード流路の封止を解除して、前記アノード流路に対する掃気処理を実行する構成としてもよい。
これにより、アノード流路内の水分が除去されるので、燃料電池の次回起動時におけるアノード流路の水素ガスへの置換が水分によって阻害されるのを抑制することができる。したがって、エア・エア起動による影響を少なくすることができる。

本発明によれば、燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池の総電圧、アノード流路の圧力、カソード流路の圧力、アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。これにより、第１封止手段および第２封止手段の封止性能の低下をはじめ、各流路の封止性能の低下を一括で検知できる。したがって、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することができる。

燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路のガス濃度との関係を示すグラフである。 燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路の圧力との関係を示すグラフである。 燃料電池の発電停止後の経過時間と各流路の酸素濃度との関係を示すグラフである。 燃料電池の発電停止後の経過時間と総電圧との関係を示すグラフである。 燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路のガス濃度との関係を示す模式的なグラフである。 本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常判定方法のフローチャートである。 燃料電池システムの停止温度と所定経過時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合を例にしている。

（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。具体的には、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルが形成され、この単位セルを複数積層して燃料電池（スタック）１１が形成されている。各単位セルにおいて、アノード電極とセパレータとの間にアノード流路２１が形成され、カソード電極とセパレータとの間にカソード流路２２が形成されている。

燃料電池１１のアノード流路２１の入口側にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、アノード流路２１の出口側にはアノードオフガス排出配管３５が連結されている。一方、燃料電池１１のカソード流路２２の入口側にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアポンプ３３が接続されている。また、カソード流路２２の出口側にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。本実施形態では、アノード流路２１、アノードガス供給配管２３、およびアノードオフガス排出配管３５がアノードガス流通路６１を構成し、カソード流路２２、カソードガス供給配管２４、およびカソードオフガス排出配管３８がカソードガス流通路６２を構成している。

水素ガス（アノードガス）は、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３を流通し、レギュレータ（不図示）により減圧された後、燃料電池１１のアノード流路２１に供給される。また、アノードガス供給配管２３における水素タンク３０の近傍には、電磁駆動式の遮断弁２５が設けられている。遮断弁２５により、水素タンク３０からの水素ガスの供給および遮断を切り換えることができる。

水素ガスが発電に供された後、燃料電池１１からアノードオフガスとしてアノードオフガス排出配管３５に排出される。そのアノードオフガス排出配管３５には、気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。またアノードオフガス排出配管３５は、水素ポンプ２６を介してアノードガス供給配管２３に接続されている。この水素ポンプ２６は燃料循環手段として機能し、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを、燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるようになっている。なお、アノードオフガス排出配管３５のアノードガス供給配管２３への接続部にエゼクタ（不図示）を配置してもよい。さらに、アノードオフガス排出配管３５からパージガス排出配管３７が分岐され、希釈ボックス３１に接続されている。そして、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。このパージ弁５２と、上述した遮断弁２５とは、アノード流路２１内にアノードガスを封止する封止弁として機能する。

空気（カソードガス）は、エアフローセンサ３２を通過した後、エアポンプ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を流通し、燃料電池１１のカソード流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は、希釈ボックス３１に接続されている。希釈ボックス３１においてアノードオフガスがカソードオフガスによって希釈され、外部へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁（不図示）が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間に加湿器３９が架け渡されている。加湿器３９においてカソードオフガスに含まれる水分がカソードガスに移動することにより、カソードガスが加湿されるようになっている。さらに、カソードガス供給配管２４およびカソードオフガス排出配管３８には、それぞれ電磁駆動式の封止弁５６，５７が設けられており、カソード流路２２内にカソードガスを封止することができるように構成されている。

エアポンプ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４には、掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４の他端は、アノードガス供給配管２３に接続されている。つまり掃気ガスとして、エアポンプ３３にて加圧された空気を、燃料電池１１のアノード流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁弁５５が設けられており、エアポンプ３３からアノード流路２１への空気の供給を遮断できるように構成されている。

アノードガス供給配管２３には、アノード流路２１内のアノードガス圧力を検出可能な圧力センサ４１ａが設けられている。またカソードガス供給配管２４には、カソード流路２２内のカソードガス圧力を計測する圧力センサ４１ｃが設けられている。さらに燃料電池１１には、総電圧を計測する電圧センサ４２が設けられている。加えてアノードガス供給配管２３には、アノード流路２１内の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ４３ａが設けられている。またカソードガス供給配管２４には、カソード流路２２内の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ４３ｃが設けられている。酸素濃度センサとして、ジルコニア式酸素濃度計のほか、電極式酸素濃度計を採用することができる。

ＥＣＵ４５は、燃料電池システム１０の各構成要素の動作を制御する。具体的に、ＥＣＵ４５は、イグニッションスイッチからのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、燃料電池システムの起動および停止を制御する。またＥＣＵ４５は、燃料電池１１への要求出力に応じてエアポンプ３３および遮断弁２５を制御し、所定量の空気および水素ガスを燃料電池１１に供給して発電を行わせる。

ＥＣＵ４５は、燃料電池システムの停止中に、アノード流路２１内の水分の除去等を目的として、アノード掃気処理を行う。具体的には、電磁弁５５およびパージ弁５２を開弁しアノード流路の封止を解除した上でエアポンプ３３を駆動し、カソードガス供給配管２４、掃気ガス導入配管５４およびアノードガス供給配管２３を介してアノード流路２１に空気を導入する。アノード流路２１内の水分は、導入された空気とともに、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７を通って外部に排出される。

ＥＣＵ４５は、燃料電池システムの起動時において、発電の早期安定等を目的として、ＯＣＶパージ（流体導入排出処理）を行う。具体的には、まず遮断弁２５を開弁して水素ガスをアノード流路２１に導入する。アノード流路２１の圧力が上昇したところでパージ弁５２を開くと、アノード流路２１内の残留ガスが、アノードオフガス排出配管３５およびパージガス排出配管３７を通って排出される。これにより、アノード流路２１内の残留ガスが水素ガスで置換される。なお水素ポンプ２６を駆動すれば、水素ガスでの置換が促進される。

上述した圧力センサ４１ａ，４１ｃ、電圧センサ４２および酸素濃度センサ４３ａ，４３ｃの計測結果（センサ出力）は、ＥＣＵ（制御部）４５へ入力される。ＥＣＵ４５は、燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマー４６を有している。ＥＣＵ４５は、燃料電池の発電停止後の経過時間と、各センサの計測結果とに基づいて、燃料電池システム１０の流路封止の漏れ異常を判定する。漏れ異常の判定方法については後に詳述する。ＥＣＵ４５には、車両の搭乗者等に漏れ異常を報知する警報手段４７が接続されている。ＥＣＵ４５は、漏れ異常と判定したとき、警報手段４７に警告信号を出力して漏れ異常を報知させる。

（漏れ異常の判定原理）
本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常判定方法は以下の知見に基づいている。
燃料電池の発電停止時には、イグニッションスイッチのＯＦＦ信号に基づいて、ＥＣＵ４５が以下の制御を行う。すなわち、エアポンプ３３を停止して空気の供給を停止するとともに、遮断弁２５を閉弁して水素ガスの供給を停止する。また、アノード側の封止弁（遮断弁２５およびパージ弁５２）を閉弁してアノード流路２１に水素ガスを封止するとともに、カソード側の封止弁５６，５７を閉弁してカソード流路２２に空気を封止する。このとき、燃料電池の劣化を抑制するため、水素ガスと空気中の酸素ガスとのモル比が２以上となるように（水素ガスが過剰となるように）封止する。

図２は、燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路のガス濃度との関係を示すグラフである。燃料電池の発電停止直後において、アノード流路２１は水素濃度が酸素濃度より大きい水素リッチの状態であり、空気で満たされたカソード流路２２は酸素濃度が水素濃度より大きい酸素リッチの状態である。これらの水素ガスおよび酸素ガスは電解質膜を介した電気化学反応により消費されるが、水素ガスが過剰に封止されているため、アノード流路２１には水素ガスが残留する。その後、この水素ガスの一部が電解質膜を透過してカソード流路２２に移動するため、図２に示すようにアノード流路２１の水素濃度は低下する。燃料電池の発電停止後の時間経過とともに、アノード側封止弁２５，５２の僅かなリークにより、空気がアノード流路２１に流入する。そして、流入した空気中の酸素ガスとアノード流路２１に残留する水素ガスとが反応して水素ガスが消費されるので、アノード流路２１の水素濃度はさらに低下する。なお、反応後のアノード流路２１には窒素ガス等が残存している。

図３は、燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路の圧力との関係を示すグラフである。燃料電池の発電停止後の時間経過とともに、アノード流路２１の水素濃度が低下するため、アノード流路２１の圧力は低下する。
カソード流路２２の圧力も、図３のグラフと同様に変化する。上述したように、燃料電池の発電停止後、アノード流路２１の水素ガスの一部が、電解質膜を透過してカソード流路２２に移動している。燃料電池の停止時間の経過とともに、カソード側の封止弁５６，５７の僅かなリークにより、カソード流路２２に空気が流入する。そして、流入した空気中の酸素とカソード流路２２に存在する水素ガスとが反応して消費されるので、図３のグラフと同様にカソード流路２２の圧力は低下する。

ここで、カソード流路２２の水素ガスが消費されて少なくなると、その後にカソード流路２２に流入した酸素ガスは、消費されることなくカソード流路２２に残存する。そのため、第２所定経過時間Ｔ２の後には、カソード流路２２の圧力が低下から上昇に転じることになる（現象２Ｃ）。
図４は、燃料電池の発電停止後の経過時間と各流路の酸素濃度との関係を示すグラフである。第３所定経過時間Ｔ３の後には、カソード流路２２に酸素が残存するようになるため、酸素濃度が急上昇している（現象３Ｃ）。

図５は、燃料電池の発電停止後の経過時間と総電圧との関係を示すグラフである。第１所定経過時間Ｔ１の前は、アノード流路２１およびカソード流路２２ともに水素リッチの状態なので、燃料電池の総電圧は０Ｖである。これに対して第１所定経過時間Ｔ１の後には、カソード流路２２が酸素リッチの状態になる。この場合でも、アノード流路２１には水素ガスが残っているので、アノード流路２１の水素ガスとカソード流路２２の酸素ガスとが、電解質膜を介して反応する。したがって、第１所定経過時間Ｔ１の後に燃料電池の総電圧は上昇に転じる（現象１）。

このように、アノード流路２１の水素ガスがカソード流路２２の酸素ガスと反応するため、アノード側の封止弁２５，５２からアノード流路２１に流入した酸素ガスは、水素ガスと反応せずにアノード流路２１に残存するようになる。そのため図３に示すように、第２所定経過時間Ｔ２の後には、アノード流路２１の圧力が低下から上昇に転じることになる（現象２Ａ）。また図４に示すように、第３所定経過時間Ｔ３の後には、アノード流路２１の酸素濃度が急上昇する（現象３Ａ）。

図２に戻り、所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲの後には、アノード流路２１において水素ガスが少なくなり酸素ガスが多くなる。これにより、アノード流路２１およびカソード流路２２ともに酸素ガスが多くなる。そのため、所定時間経過後の燃料電池の次回起動は、最初のガス状態として両極に空気が豊富（酸素リッチ）に導入されている状態で起動する（エア・エア起動する）ことになる。

上述した現象１〜３は、封止弁の僅かなリークによりアノード流路２１およびカソード流路２２に空気が流入することで発生する。なお封止性能が正常な封止弁でも、不可避的に僅かなリークが存在するので、上述した現象１〜３が発生する。アノード側およびカソード側における封止弁の封止性能が正常な場合、図５の第１所定経過時間Ｔ１、図３の第２所定経過時間Ｔ２、並びに図４の第３所定経過時間Ｔ３は、ほぼ同じ値（所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲ）になる。なお、アノード流路２１の水素ガスが完全になくなってから酸素濃度が顕著に上昇すると考えられるので、第３所定経過時間Ｔ３は、第１所定経過時間Ｔ１および第２所定経過時間Ｔ２より長くなる場合もある。
これに対して、アノード側およびカソード側における封止弁の封止性能に不均衡があると、各所定経過時間は異なる値になる。例えば、アノード側の封止性能が大幅に低下すると、アノード流路２１の水素ガスが流出するため、総電圧の上昇（現象１）は発生せず、各流路の圧力上昇（現象２）および酸素濃度の急上昇（現象３）が先に発生する。この場合の第１所定経過時間Ｔ１は、第２所定経過時間Ｔ２および第３所定経過時間Ｔ３より長くなる。

図６は燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路のガス濃度との関係を示す模式的なグラフであり、図６（ａ）は封止弁の封止性能が正常の場合であり、図６（ｂ）は封止弁の封止性能が低下した場合である。なお図６（ａ）は、図２のグラフを模式的に示したものである。
図６（ａ）に示すように、燃料電池の発電停止後の経過時間（ソーク時間）が所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより前のアノード流路２１は水素リッチな状態であるが、所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより後のアノード流路２１は酸素リッチな状態になり、エア・エア起動となる。なお所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲは、封止性能が正常な封止弁によりエア・エア起動とならないように封止できる封止有効期間と言える。

図６（ｂ）に示すように、封止弁の封止性能が低下してリークが大きくなると、アノード流路２１に多量の空気が流入し、空気中の酸素ガスが水素ガスと反応する。そのため、水素濃度が急低下する。また、アノード流路２１に酸素ガスが残存しやすくなるので、酸素濃度が急上昇する。そのため、アノード流路２１が酸素リッチになる時間は、図６（ａ）の所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより短くなっている。この場合には、エア・エア起動となる回数が増加して、燃料電池の劣化が促進されることになる。そのため、所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより前のソーク時間ＴＭＳＯＲＫにおいて、上述した現象１〜３が発生した場合には、封止弁の封止性能が低下した（漏れ異常がある）と判断することができる。

（燃料電池システムの漏れ異常判定方法）
図７は、本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常判定方法のフローチャートである。最初に、燃料電池システムの運転を停止する（Ｓ１０）。具体的には、イグニッションスイッチのＯＦＦ信号に基づいて、ＥＣＵ４５が以下の制御を行う。すなわち、エアポンプ３３を停止して空気の供給を停止するとともに、遮断弁２５を閉弁して水素ガスの供給を停止する。また、アノード側の封止弁（遮断弁２５およびパージ弁５２）を閉弁してアノード流路２１に水素ガスを封止するとともに、カソード側の封止弁５６，５７を閉弁してカソード流路２２に空気を封止する。そして、ＥＣＵ４５のタイマー４６を作動させる。

次に、燃料電池の発電停止後の経過時間（ソーク時間）ＴＭＳＯＲＫを計測する（Ｓ１２）。ソーク時間の計測は、燃料電池が発電停止してから所定時間ごとに定期的に、タイマー４６の経過時間を読み取ることによって行う。
次に、各センサにより燃料電池の状態量を計測する（Ｓ１４）。具体的には、圧力センサ４１ａによりアノード流路２１内の圧力Ｐａｎを計測し、圧力センサ４１ｃによりカソード流路２２内の圧力Ｐｃａを計測する。また、電圧センサ４２により燃料電池１１の総電圧Ｖｆｃを計測する。さらに、酸素濃度センサ４３ａによりアノード流路２１内の酸素濃度Ｏ２ａｎを計測するとともに、酸素濃度センサ４３ｃによりカソード流路２２内の酸素濃度Ｏ２ｃａを計測する。

次に、燃料電池の状態量の変化幅（変化率）を算出する（Ｓ１６）。具体的には次の各式により、今回計測した状態量と前回計測した状態量との差分を算出する。
ｄＰａｎ ＝Ｐａｎ −Ｐａｎ１
ｄＰｃａ ＝Ｐｃａ −Ｐｃａ１
ｄＶｆｃ ＝Ｖｆｃ −Ｖｆｃ１
ｄＯ２ａｎ＝Ｏ２ａｎ−Ｏ２ａｎ１
ｄＯ２ｃａ＝Ｏ２ｃａ−Ｏ２ｃａ１
各式の左辺は状態量の変化幅であり、右辺第１項は今回計測した状態量であり、右辺第２項は前回計測した状態量である。

次に、状態量の変化幅が変化幅閾値より大きいか、また状態量自体が閾値より大きいか、次の各式により判断する（Ｓ１８）。
ｄＰａｎ ＞Ｐａｎｖａ ・・・（１）
ｄＰｃａ ＞Ｐｃａｖａ ・・・（２）
ｄＶｆｃ ＞Ｖｆｃｖａ ・・・（３）
ｄＯ２ａｎ＞Ｏ２ａｎｖａ ・・・（４）
ｄＯ２ｃａ＞Ｏ２ｃａｖａ ・・・（５）
Ｏ２ａｎ ＞Ｏ２ａｎ２ ・・・（６）
Ｏ２ｃａ ＞Ｏ２ｃａ２ ・・・（７）
（１）〜（５）式の右辺は状態量の変化幅閾値であり、（６）、（７）式の右辺は酸素濃度自体の閾値である。各変化幅閾値および各閾値は、上述した現象１〜３の発生が判断できるように、予め実験等で求めておく。

Ｓ１８の判断は、（１）〜（７）のうち、いずれか１式の成立を条件としてもよいし、複数式の成立を条件としてもよい。複数式の成立を条件とした場合には、各流路封止の漏れ異常の発生を精度よく判定することができる。
Ｓ１８の判断がＮｏの場合は、上述した現象１〜３が発生していないと判断できる。この場合はＳ２０に進み、前回計測した状態量を今回計測した状態量で置換して、Ｓ１２以下を繰り返す。

一方、Ｓ１８の判断がＹｅｓの場合は、上述した現象１〜３が発生したと判断できる。ただし、流路封止が正常でも所定経過時間後には不可避的に現象１〜３が発生するのであるから、直ちに漏れ異常があると判定することはできない。そこでＳ２２に進み、現在のソーク時間ＴＭＳＯＲＫが、封止性能が正常な封止弁の所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより短いか判断する。図６（ｂ）を用いて説明したように、所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより前に現象１〜３が発生した場合には、封止弁の漏れ異常があると判断できる。そこで、Ｓ２２の判断がＹｅｓの場合はＳ２４に進み、各流路封止の漏れ異常（リーク故障）があると判定する。

すなわち、Ｓ１８において（１）式が成立した場合（アノード流路の圧力の変化幅がアノード側圧力変化幅閾値を超えた場合）には、アノードガス圧力Ｐａｎの変化幅が大きくなっているので、図３のようにアノードガス圧力が低下から上昇に転じた（現象２Ａが発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象２Ａが第２所定経過時間Ｔ２より前に発生したと判断された場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
また、Ｓ１８において（２）式が成立した場合（カソード流路の圧力の変化幅がカソード側圧力変化幅閾値を超えた場合）には、カソードガス圧力Ｐｃａの変化幅が大きくなっているので、図３と同様にカソードガス圧力が低下から上昇に転じた（現象２Ｃが発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象２Ｃが第２所定経過時間Ｔ２より前に発生した場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。

一方、Ｓ１８において（３）式が成立した場合（燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えた場合）には、燃料電池の総電圧の変化幅が大きくなっているので、図５のように燃料電池の総電圧が上昇に転じた（現象１が発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象１が第１所定経過時間Ｔ１より前に発生した場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。

一方、Ｓ１８において（４）式が成立した場合（アノード流路の酸素濃度の変化幅がアノード側酸素濃度変化幅閾値を超えた場合）には、アノード流路２１の酸素濃度Ｏ２ａｎの変化幅が大きくなっているので、図４のようにアノード流路２１の酸素濃度が急上昇した（現象３Ａが発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象３Ａが第３所定経過時間Ｔ３より前に発生した場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
また、Ｓ１８において（５）式が成立した場合（カソード流路の酸素濃度の変化幅がカソード側酸素濃度変化幅閾値を超えた場合）には、カソード流路２２の酸素濃度Ｏ２ｃａの変化幅が大きくなっているので、図４のようにカソード流路２２の酸素濃度が急上昇した（現象３Ｃが発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象３Ｃが第３所定経過時間Ｔ３より前に発生した場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。

一方、Ｓ１８において（６）式が成立した場合（アノード流路の酸素濃度がアノード側酸素濃度閾値を超えた場合）には、アノード流路２１の酸素濃度Ｏ２ａｎの絶対値が大きくなっているので、図４のようにアノード流路２１の酸素濃度が急上昇した（現象３Ａが発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象３Ａが第３所定経過時間Ｔ３前に発生した場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
また、Ｓ１８において（７）式が成立した場合（カソード流路の酸素濃度がカソード側酸素濃度閾値を超えた場合）には、カソード流路２２の酸素濃度Ｏ２ｃａの絶対値が大きくなっているので、図４のようにカソード流路２２の酸素濃度が急上昇した（現象３Ｃが発生した）と判断できる。そしてＳ２２において、この現象３Ｃが第３所定経過時間Ｔ３前に発生した場合には、Ｓ２４において各流路封止の漏れ異常があると判定する。

図８は、燃料電池システムの停止温度と所定経過時間との関係を示すグラフである。所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲは、封止弁の封止性能が正常な場合に現象１〜３が発生するまでの時間であって、一定値である。ただし燃料電池の温度が高くなると、シール各部のガス透過性が高まるため、封止性能が低下する。この場合には、図６（ｂ）を用いて説明したように、現象１〜３が発生するまでの時間が短くなる。図８のグラフでは、燃料電池システムの停止温度が高くなるほど、ソーク中の燃料電池の温度が高くなるため、所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲが短くなっている。そこで、図８のグラフから算出した所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲを用いれば、漏れ異常の判定を精度よく行うことができる。なお、燃料電池システムの停止温度としては、燃料電池の発電停止時における冷媒温度を用いることができる。

Ｓ２４において漏れ異常（リーク故障）があると判定した場合には、警報手段４７に警告信号を出力して漏れ異常を報知させるほか、燃料電池の次回起動時におけるＯＣＶパージ（流体導入排出処理）の処理量を、漏れ異常と判定しなかった場合のＯＣＶパージの処理量よりも多く設定する。具体的には、遮断弁２５を開弁し、パージ弁５２の開弁時間を延長して、アノード流路２１への水素ガスの供給量を増加させ、アノード流路２１に残存する酸素ガスを確実に水素ガスで置換する。また、水素ポンプ２６の回転数や運転時間等の動作量を増加させて、水素ガスへの置換を促進させる。これにより、燃料電池システムに漏れ異常が発生した場合でも、アノード流路２１に残存する酸素ガスを確実に水素ガスで置換して、エア・エア起動を回避できるので、燃料電池の劣化を防止することができる。

なお、Ｓ２４において漏れ異常（リーク故障）があると判定した場合には、ソーク中にアノード掃気を行うことが望ましい。アノード掃気により、アノード流路２１内の水分が除去されるので、燃料電池の次回起動時に、アノード流路２１の水素ガスへの置換が水分によって阻害されるのを抑制することができる。これにより、エア・エア起動による影響を少なくできるので、燃料電池の劣化を防止することができる。
以上により、本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常の判定処理を終了する。

以上に詳述したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０の漏れ異常判定方法は、燃料電池１１の発電停止とともに、アノード側封止弁２５，５２とカソード側封止弁５６，５７とによる燃料電池システム１０の流路封止を維持した状態で、燃料電池１１の停止後経過時間に対する、燃料電池１１の総電圧、アノード流路２１の圧力、カソード流路２２の圧力、アノード流路２１の酸素濃度およびカソード流路２２の酸素濃度のうち、少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システム１０の流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。

燃料電池の発電停止後に相当時間が経過すると、アノード流路２１およびカソード流路２２のガスリークに起因して、燃料電池１１の総電圧が上昇に転じ、各流路２１，２２の圧力が低下から上昇に転じ、各流路２１，２２の酸素濃度が急上昇する現象が発生する。なお、各流路封止が正常な場合でも、不可避的なガスリークに起因して、燃料電池が発電停止してから所定経過時間後には前記各現象が発生する。一方で、その所定経過時間前に前記各現象が発生した場合には、各流路封止に過剰なガスリーク（漏れ異常）が発生していると判定できる。

そこで本実施形態では、燃料電池１１の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池１１の総電圧、アノード流路２１の圧力、カソード流路２２の圧力、アノード流路２１の酸素濃度およびカソード流路２２の酸素濃度のうち、少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システム１０の流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。これにより、各封止弁の封止性能の低下をはじめ、各流路の封止性能の低下を一括で検知できる。したがって、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することができる。これに伴って、燃料電池の次回起動がエア・エア起動となるのを回避する措置を取ることができるので、燃料電池の劣化を抑制することができる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態の構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、燃料電池システム１０の構成は、実施形態の構成に限られず、他の構成としてもよい。
また、実施形態では遮断弁２５およびパージ弁５２をアノード側の封止弁として機能させたが、遮断弁２５およびパージ弁５２以外の弁を封止弁として機能させてもよく、カソード側と同様に専用の封止弁を設けてもよい。

また、実施形態では所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲより前のソーク時間ＴＭＳＯＲＫにおいて、上述した現象１〜３が発生した場合には、流路封止の漏れ異常があると判定した。これに対して、一律に所定経過時間ＴＭＳＯＲＫＥＲを使用することなく、現象１については第１所定経過時間Ｔ１を使用し、現象２については第２所定経過時間Ｔ２を使用し、現象３については第３所定経過時間Ｔ３を使用して判定してもよい。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池 ２１…アノード流路 ２２…カソード流路 ２５…遮断弁（第１封止手段） ２６…水素ポンプ（燃料循環手段） ３０…水素タンク（燃料供給源） ４２…電圧センサ（電圧検知手段） ４５…ＥＣＵ（制御部） ４６…タイマー ４７…警報手段 ５２…パージ弁（第１封止手段） ５６…封止弁（第２封止手段） ５７…封止弁（第２封止手段）

Claims (10)

1. 燃料供給源からアノード流路に燃料を供給され、カソード流路に空気を供給されて発電する燃料電池と、
   前記アノード流路を封止する第１封止手段と、
   前記カソード流路を封止する第２封止手段と、
   前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記燃料電池の発電停止とともに、前記第１封止手段と前記第２封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、
   前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記燃料電池の総電圧、前記アノード流路の圧力、前記カソード流路の圧力、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
2. 前記制御部は、
   前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第１所定経過時間前に、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
3. 前記制御部は、
   前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第２所定経過時間前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
4. 前記制御部は、
   前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間前に、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
5. 前記制御部は、
   前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間前に、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
6. 前記制御部は、
   （１）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第１所定経過時間前に、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えたとき、
   （２）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第２所定経過時間前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたとき、
   （３）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間前に、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えたとき、
   （４）前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第３所定経過時間前に、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたとき、
   の（１）ないし（４）の条件のうち、２つ以上の条件が成立したときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
7. 前記制御部は、
   前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定したときに警告信号を発生する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
8. 前記制御部は、
   前記燃料電池の起動時の負荷接続前に、前記アノード流路および前記カソード流路のうち少なくとも一方に対する流体導入排出処理を行い、
   前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量よりも多く設定する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
9. 前記燃料電池システムには、前記アノード流路の出口から入口に燃料を循環させる燃料循環手段が設けられ、
   前記制御部は、
   前記燃料循環手段を動作させて前記アノード流路に対する前記流体導入排出処理を行い、
   前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量よりも多く設定する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。
10. 前記制御部は、
    前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合に、前記第１封止手段による前記アノード流路の封止を解除して、前記アノード流路に対する掃気処理を実行する、
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。

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