JP2016095983A - 燃料電池の反応ガスの漏洩を検出する方法および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおける燃料ガスの漏洩を迅速に検出可能な技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、アノードガス給排循環部５０と、を備える。制御部１０は、燃料電池システム１００の起動時に、圧力計測部５６によって、アノードガス配管５１の低圧区間ＬＰＺにおける圧力を検出する。制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの圧力の検出値Ｐｍと、予め設定されている所定の閾値と、に基づいて、低圧区間ＬＰＺにおける水素の漏洩の発生を検出する第１水素漏洩検出処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の反応ガスの漏洩を検出する方法および燃料電池システムに関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）は、燃料ガスとして水素の供給を受け、酸化剤ガスとして酸素（空気）の供給を受けて発電する。燃料電池システムにおいては、水素の漏洩の検出に関する種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１，２等）。

特開２０１０−２７２４３３号公報 特開２０１２−１５１１２５号公報

燃料電池システムの起動時においては、特許文献１，２に開示されているように、燃料電池の発電が開始される前に、水素の漏洩を確実に検出できることが望ましい。その一方で、燃料電池システムの起動時には、燃料電池の運転が開始されるまでの時間が短縮されることが望ましい。

本発明は、水素に限らず、少なくとも燃料電池の反応ガスについての上述の課題を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の第１形態によれば、燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を、前記燃料電池の起動時に検出する方法が提供される。この方法は、圧力検出工程と、判定工程と、を備えて良い。前記圧力検出工程は、前記燃料電池に供給配管を介して前記反応ガスを供給する前に、前記供給配管内の圧力を検出する工程であって良い。前記判定工程は、前記圧力検出工程において取得した圧力計測値を用いて前記反応ガスの漏洩の有無を判定する工程であり、前記圧力計測値が、所定の閾値圧力以上である場合に、前記燃料電池の発電停止中に前記反応ガスの漏洩がないと判定する工程であって良い。前記閾値圧力は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値であって良い。この形態の方法によれば、例えば、供給配管に反応ガスを供給して加圧するなどの反応ガスの漏洩を検出するための準備処理を行うことなく、反応ガスの漏洩の有無を判定することもできるため、燃料電池の発電開始前に反応ガスの漏洩を迅速に検出することができる。

［２］上記第１形態の方法は、さらに、前記判定工程において、前記圧力計測値が前記閾値圧力より低い場合には、前記供給配管に前記反応ガスを供給して加圧し、加圧後の前記供給配管内の圧力変化に基づいて前記反応ガスの漏洩を検出する加圧漏洩検出工程を備えて良い。この形態の方法によれば、燃料電池の発電開始前に、より確実に反応ガスの漏洩を検出できる。

［３］本発明の第２形態によれば、燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を、前記燃料電池の起動時に検出する方法が提供される。この方法は、圧力検出工程と、判定工程と、を備えて良い。前記圧力検出工程は、前記燃料電池に供給配管を介して前記反応ガスを供給する前に、前記供給配管内の圧力を検出する工程であって良い。前記判定工程は、前記圧力検出工程において取得した圧力計測値を用いて前記反応ガスの漏洩の有無を判定する工程であり、前記圧力計測値が所定の閾値圧力以下である場合に、前記燃料電池の停止中に前記反応ガスの漏洩がないと判定する工程であって良い。前記閾値圧力は大気圧よりも低い値であって良い。この形態の方法によれば、例えば、供給配管に反応ガスを供給して加圧するなどの反応ガスの漏洩を検出するための準備処理を行うことなく、反応ガスの漏洩の有無を判定することもできるため、燃料電池の発電開始前に反応ガスの漏洩を迅速に検出することができる。

［４］上記第２形態の方法は、さらに、前記判定工程において、前記圧力計測値が前記閾値圧力より高い場合には、前記供給配管に前記反応ガスを供給して加圧し、加圧後の前記供給配管内の圧力変化に基づいて前記反応ガスの漏洩を検出する加圧漏洩検出工程を備えて良い。この形態の方法によれば、燃料電池の発電開始前に、より確実に反応ガスの漏洩を検出できる。

［５］本発明の第３形態によれば、燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を、前記燃料電池の起動時に検出する方法が提供される。この方法は、圧力検出工程と、判定工程と、を備えて良い。前記圧力検出工程は、前記燃料電池に供給配管を介して前記反応ガスを供給する前に、前記供給配管内の圧力を検出する工程であって良い。前記判定工程は、前記圧力検出工程において取得した圧力計測値を用いて前記反応ガスの漏洩の有無を判定する工程であって良く、前記圧力計測値が所定の閾値圧力の範囲内にない場合に、前記燃料電池の発電停止中に前記供給配管からの前記反応ガスの漏洩がないと判定する工程であって良い。前記閾値圧力の範囲の上限値は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値であり、前記閾値圧力の範囲の下限値は、大気圧よりも低い値であって良い。この形態の方法によれば、例えば、供給配管に反応ガスを供給して加圧するなどの反応ガスの漏洩を検出するための準備処理を行うことなく、反応ガスの漏洩の有無を判定することもできるため、燃料電池の発電開始前に反応ガスの漏洩を迅速に検出することができる。

［６］上記第３形態の方法は、さらに、前記判定工程において、前記圧力計測値が、前記所定の閾値圧力の範囲内である場合には、前記供給配管に前記反応ガスを供給して加圧し、加圧後の前記供給配管内の圧力変化に基づいて前記反応ガスの漏洩を検出する加圧漏洩検出工程を備えて良い。この形態の方法によれば、燃料電池の発電開始前に、より確実に反応ガスの漏洩を検出できる。

［７］本発明の第４形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガス供給部と、圧力検出部と、制御部と、を備えて良い。前記反応ガス供給部は、前記燃料電池に接続されている供給配管を備え、前記供給配管を介して前記燃料電池に反応ガスを供給して良い。前記圧力検出部は、前記供給配管内の圧力を検出可能であって良い。前記制御部は、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給を制御して前記燃料電池の運転を制御して良い。前記制御部は、前記燃料電池に前記反応ガスを供給して発電を開始させる前に、前記圧力検出部によって前記供給配管内の圧力の検出値を取得し、前記検出値が、所定の閾値圧力以上である場合には、前記燃料電池に発電を開始させるための処理を開始し、前記検出値が前記閾値圧力より低い場合には、前記反応ガスの漏洩を検出するための処理を開始して良い。前記閾値圧力は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値であって良い。この形態の燃料電池システムによれば、例えば、供給配管に反応ガスを供給して加圧するなどの反応ガスの漏洩を検出するための準備処理を省略することもできるため、燃料電池の発電開始までの起動時間を短縮することができる。

［８］本発明の第５形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガス供給部と、圧力検出部と、制御部と、を備えて良い。前記反応ガス供給部は、前記燃料電池に接続されている供給配管を備え、前記供給配管を介して前記燃料電池に反応ガスを供給して良い。前記圧力検出部は、前記供給配管内の圧力を検出可能であって良い。前記制御部は、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給を制御して前記燃料電池の運転を制御して良い。前記制御部は、前記燃料電池に前記反応ガスを供給して発電を開始させる前に、前記圧力検出部によって前記供給配管内の圧力の検出値を取得し、前記検出値が、所定の閾値圧力以下である場合には、前記燃料電池に発電を開始させるための処理を開始し、前記検出値が前記閾値圧力より高い場合には、前記反応ガスの漏洩を検出するための処理を開始して良い。前記閾値圧力は、前記閾値圧力は大気圧よりも低い値であって良い。この形態の燃料電池システムによれば、例えば、供給配管に反応ガスを供給して加圧するなどの反応ガスの漏洩を検出するための準備処理を省略することもできるため、燃料電池の発電開始までの起動時間を短縮することができる。

［９］本発明の第６形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガス供給部と、圧力検出部と、制御部と、を備えて良い。前記反応ガス供給部は、前記燃料電池に接続されている供給配管を備え、前記供給配管を介して前記燃料電池に反応ガスを供給して良い。前記圧力検出部は、前記供給配管内の圧力を検出可能であって良い。前記制御部は、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給を制御して前記燃料電池の運転を制御して良い。前記制御部は、前記燃料電池に前記反応ガスを供給して発電を開始させる前に、前記圧力検出部によって前記供給配管内の圧力の検出値を取得し、前記検出値が、所定の閾値圧力の範囲内にない場合には、前記燃料電池に発電を開始させるための処理を開始し、前記検出値が、前記閾値圧力の範囲内である場合には、前記反応ガスの漏洩を検出するための処理を開始して良い。前記閾値圧力の範囲の上限値は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値であり、前記閾値圧力の範囲の下限値は、大気圧よりも低い値であって良い。この形態の燃料電池システムによれば、例えば、供給配管に反応ガスを供給して加圧するなどの反応ガスの漏洩を検出するための準備処理を省略することもできるため、燃料電池の発電開始までの起動時間を短縮することができる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、燃料電池の反応ガスの漏洩を検出する方法や燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載する燃料電池車両などの移動体、燃料電池システムの起動方法や制御方法、それらの制御方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 第１実施形態の第１水素漏洩検出処理のフローを示す説明図。 第１実施形態の第１水素漏洩検出処理における判定処理を説明するための説明図。 第２水素漏洩検出処理のフローを示す説明図。 第２実施形態における第１水素漏洩検出処理のフローを示す説明図。 第２実施形態の第１水素漏洩検出処理における判定処理を説明するための説明図。 第３実施形態における第１水素漏洩検出処理のフローを示す説明図。 第３実施形態の第１水素漏洩検出処理における判定処理を説明するための説明図。

A．第１実施形態：
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス給排部３０と、アノードガス給排循環部５０と、を備える。

制御部１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成され、主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の運転中に、以下に説明する各構成部を制御して、燃料電池２０に出力要求に応じた電力を発電させる燃料電池２０の運転制御を実行する。また、制御部１０は、燃料電池２０の発電を開始する前に、燃料電池システム１００内における水素の漏洩を検出する水素漏洩検出処理を実行する。水素漏洩検出処理については後述する。

燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０は、複数の単セル２１が積層されたスタック構造を有する。各単セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレーター（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。

カソードガス給排部３０は、燃料電池２０にカソードガスを供給する機能と、燃料電池２０のカソードから排出されるカソード排ガスおよび排水を燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。カソードガス給排部３０は、エアコンプレッサー（図示は省略）によって外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして、燃料電池２０のカソード側の入口に接続された配管を介して燃料電池２０に供給する。また、カソードガス給排部３０は、燃料電池２０のカソード側の出口に接続された配管を介して、カソード排ガスおよび排水を燃料電池システム１００の外部へと排出する。

アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０にアノードガスを供給する機能を有する。また、アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０のアノードから排出されるアノード排ガスおよび排水を燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。アノードガス給排循環部５０は、本発明における反応ガス供給部の下位概念に相当する。

アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０の上流側に、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、主止弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池２０のアノード側の入口に接続されている。

アノードガス配管５１には、主止弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。主止弁５３は開閉弁によって構成されている。制御部１０は、主止弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。制御部１０は、燃料電池システム１００の運転終了時には主止弁５３を閉じ、燃料電池２０の発電を開始させるときに主止弁５３を開く。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御されている。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。

アノードガス配管５１の水素の圧力は、主止弁５３とレギュレーター５４との間の区間において高圧（例えば、５００ＫＰａ程度）となり、レギュレーター５４と水素供給装置５５との間の区間において中圧（例えば、３５０ＫＰａ程度）となる。また、水素供給装置５５と燃料電池２０との間の区間において低圧（例えば、２００ＫＰａ程度）となる。以下では、アノードガス配管５１における水素供給装置５５と燃料電池２０との間の区間を、特に「低圧区間ＬＰＺ」とも呼ぶ。低圧区間ＬＰＺにおけるアノードガス配管５１が本発明の供給配管の下位概念に相当する。

圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の低圧区間ＬＰＺにおける水素の圧力を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、燃料電池２０の運転中には、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の開閉タイミングを表す駆動周期を制御することによって、燃料電池２０に供給される水素量を制御する。また、制御部１０は、燃料電池２０の運転を開始する前の水素漏洩検出処理において、圧力計測部５６の計測値を用いる（後述）。圧力計測部５６は、本発明における圧力検出部の下位概念に相当する。

アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０の下流側に、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、を備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池２０のアノード側の出口と気液分離部６２とに接続されている。

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。アノード排ガス配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分はアノードガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水配管６５へと誘導される。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の低圧区間ＬＰＺに接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素ポンプ６４が設けられている。水素ポンプ６４は、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素をアノードガス配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。このように、アノードガス給排循環部５０には、アノードガス配管５１の低圧区間ＬＰＺと、燃料電池２０のアノードと、アノード排ガス配管６１と、アノードガス循環配管６３と、で水素の循環経路が構成されている。

アノード排水配管６５には開閉弁である排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。制御部１０は、燃料電池システム１００の終了時には排水弁６６は閉じた状態にする。

その他に、燃料電池システム１００は、燃料電池２０の温度を制御するための冷媒を燃料電池２０の各単セル２１に供給する冷媒供給部を備える（図示及び詳細な説明は省略）。また、燃料電池システム１００は、電気的構成部として、少なくとも、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える（図示は省略）。二次電池は、燃料電池２０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池２０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や燃料電池２０の出力電圧を制御することができる。制御部１０は、燃料電池２０の運転開始前には、二次電池の電力を用いて、燃料電池システム１００を稼働させる。

［水素漏洩検出処理］
図２〜図４を参照して、制御部１０が燃料電池システム１００の起動時に実行する水素漏洩検出処理を説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池車両の運転者がイグニションオンの操作を行ったときに起動する。制御部１０は、その起動時に、水素漏洩検出処理として、まず、第１水素漏洩検出処理を実行し、第１水素漏洩検出処理場における判定結果に応じて、第２水素漏洩検出処理を実行する。

図２は、第１水素漏洩検出処理のフローを示す説明図である。ステップＳ１０では、制御部１０は、燃料電池２０に対する反応ガスの供給を開始する前に、圧力計測部５６によって、低圧区間ＬＰＺにおける圧力を取得する。ステップＳ１０の工程が本発明における圧力検出工程の下位概念に相当する。ステップＳ２０では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得された圧力の検出値を用いて、水素の漏洩が発生している可能性の有無を判定する。ステップＳ２０は、本発明における判定工程の下位概念に相当する。

図３は、第１水素漏洩検出処理におけるステップＳ２０の判定処理を説明するための説明図である。本実施形態では、制御部１０は、ステップＳ２０において、圧力の検出値Ｐｍが、予め設定されている所定の閾値圧力Ｐｔａ（以下、「第１閾値圧力Ｐｔａ」とも呼ぶ。）以上であるか否かを判定する（Ｐｍ≧Ｐｔ）。本実施形態では、閾値圧力Ｐｔａとしては、燃料電池システム１００の運転終了時における低圧区間ＬＰＺにおける圧力Ｐｅよりも低い値であり、大気圧ＡＰよりも高い値が設定されている。

ここで、本実施形態では、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺが所定の圧力（例えば、１８０ＫＰａ以上）に加圧された状態で燃料電池システム１００の運転を終了する。以下では、燃料電池システム１００の運転終了時における低圧区間ＬＰＺにおける圧力Ｐｅを「運転終了時圧力Ｐｅ」とも呼ぶ。制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの圧力が所定の運転終了時圧力Ｐｅより低い場合には、水素供給装置５５を駆動して、運転終了時圧力Ｐｅまで加圧した上で燃料電池システム１００の運転を終了しても良い。

低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路からの水素の漏洩が発生している場合には、燃料電池システム１００の運転停止時間が短時間（例えば、数分以内）であっても、低圧区間ＬＰＺの圧力は、大気圧ＡＰの近傍あるいは大気圧ＡＰ以下まで低下する。本実施形態では、第１閾値圧力Ｐｔａとして、大気圧ＡＰ＋α（０＜α＜１０）ＫＰａの値が設定されている（Ｐｔａ＝ＡＰ＋α）。αは、実験的に予め定められた値で良く、例えば、６ＫＰａ程度としても良い。

ステップＳ２０において、圧力の検出値Ｐｍが第１閾値圧力Ｐｔａ以上である場合には（Ｐｍ≧Ｐｔａ）、制御部１０は、燃料電池システム１００の低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路からの水素の漏洩の可能性はないとして、第１水素漏洩処理を終了する。この場合には、制御部１０は、燃料電池２０に発電を開始させるための起動処理を開始し、燃料電池２０の運転を開始する。一方、圧力の検出値Ｐｍが第１閾値圧力Ｐｔａより小さい場合には（Ｐｍ＜Ｐｔａ）、制御部１０は、水素の漏洩が発生している可能性があるとして、第２水素漏洩検出処理を開始する。

図４は、第２水素漏洩検出処理のフローを示す説明図である。以下に説明する第２水素漏洩検出処理における一連の工程が本発明における加圧漏洩検出工程の下位概念に相当する。ステップＳ５０では、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの圧力を高める加圧処理を実行する。具体的には、制御部１０は、主止弁５３を開くとともに、レギュレーター５４を所定の開度にし、水素供給装置５５を駆動する。ステップＳ５０では、低圧区間ＬＰＺの圧力は、例えば、１８０ＫＰａ以上まで高められる。

ステップＳ６０では、制御部１０は水素供給装置５５の駆動を停止するとともに、排水弁６６を閉じたままにして、所定の期間（例えば数秒程度）だけ、待機する。ステップＳ７０では、制御部１０は、圧力計測部５６によって、低圧区間ＬＰＺにおける圧力を検出する。ステップＳ８０では、制御部１０は、ステップＳ７０において取得した低圧区間ＬＰＺの圧力の検出値Ｐｍが所定の閾値圧力Ｐｔｂ（「第２閾値圧力Ｐｔｂ」とも呼ぶ。）以上であるか否かを判定する。第２閾値圧力Ｐｔｂは、例えば、１００ｋＰａ程度に設定されている。第２閾値圧力Ｐｔｂは、他の値であっても良く、水素の漏洩を検出可能なように予め実験的に決められた値であれば良い。

ステップＳ８０において、圧力の検出値Ｐｍが第２閾値圧力Ｐｔｂ以上である場合には（Ｐｍ≧Ｐｔｂ）、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路における水素の漏洩の可能性はないとして、第２水素漏洩処理を終了する。この場合には、制御部１０は、燃料電池２０に発電を開始させるための起動処理を開始し、燃料電池２０の運転を開始する。

一方、圧力の検出値Ｐｍが第２閾値圧力Ｐｔより小さい場合には（Ｐｍ＜Ｐｔｂ）、制御部１０は、水素の漏洩が発生している可能性があるとして、水素の漏洩に対応するための処理を開始する（ステップＳ９０）。具体的には、制御部１０は、主止弁５３を閉じ、燃料電池車両の運転者に対して、水素漏洩の発生可能性を報知するための報知処理（例えば、インジケーターの点灯や警報音の発生など）を行う。

［第１実施形態のまとめ］
本実施形態の燃料電池システム１００によれば、反応ガス供給前の低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路における圧力検出を行う第１水素漏洩検出処理によって、水素の漏洩発生の可能性の判定が簡易かつ迅速に可能である。従って、水素の漏洩発生の検出のための処理時間が短縮化される。また、第１水素漏洩検出処理において水素の漏洩の可能性があると判定された場合には、第２水素漏洩検出処理が実行され、二重の検査処理によって、水素の漏洩の発生がより確実に検出される。従って、燃料電池システム１００の起動開始前に、より確実に水素の漏洩発生の検出が可能である。

B．第２実施形態：
図５，図６を参照して、第２実施形態の水素漏洩検出処理を説明する。第２実施形態の水素漏洩検出処理は、第１実施形態で説明したのとほぼ同じ構成の燃料電池システム１００において実行可能である（図１）。第２実施形態では、第１実施形態と同様に、制御部１０は、燃料電池システム１００の起動時に、水素漏洩検出処理として、まず、第１水素漏洩検出処理を実行し、第１水素漏洩検出処理場における判定結果に応じて、第２水素漏洩検出処理を実行する。第２実施形態における第１水素漏洩検出処理は、以下に説明するように、判定条件が異なっている点以外は、第１実施形態における第１水素漏洩検出処理とほぼ同じである。また、第２実施形態における第２水素漏洩検出処理は、第１実施形態の第２水素漏洩検出処理（図４）と同じであるため、その説明は省略する。

図５は、第２実施形態における第１水素漏洩検出処理のフローを示す説明図である。第２実施形態の第１水素漏洩検出処理は、ステップＳ２０Ａの判定処理における判定条件が異なっている点以外は、第１実施形態の第１水素漏洩検出処理と同じである。図６は、第１水素漏洩検出処理におけるステップＳ２０Ａの判定処理を説明するための説明図である。

第２実施形態の第１水素漏洩検出処理では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得された圧力の検出値Ｐｍが、予め設定されている所定の第１閾値圧力Ｐｔｃ以下であるか否かを判定する（Ｐｍ≦Ｐｔｃ）。第２実施形態では、ステップＳ２０Ａの判定条件である第１閾値圧力Ｐｔｃとして、大気圧ＡＰ−β（０＜β＜１０）ＫＰａの値が設定されている（Ｐｔｃ＝ＡＰ−β）。βは、実験的に予め定められた値であれば良く、例えば、６ＫＰａ程度としても良い。

燃料電池システム１００の運転が停止され、反応ガスの経路が封止された状態において、長時間（例えば数時間以上）、燃料電池２０が放置された場合には、燃料電池２０のアノードの圧力は負圧まで低下する可能性が高い。この圧力の低下は、燃料電池２０の温度の低下による水蒸気分圧の低下や、燃料電池２０内に残留している水素と酸素の反応による消費などが原因で引き起こされる。低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路において水素の漏洩経路が形成されている場合には、その漏洩経路から外気が進入するため、燃料電池２０のアノードおよび低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路における圧力は、大気圧、あるいは、大気圧ＡＰ近傍の負圧になる可能性が高い。

制御部１０は、低圧区間ＬＰＺにおける圧力の検出値Ｐｍが第１閾値圧力Ｐｔｃ以下である場合には、燃料電池２０のアノードおよび低圧区間ＬＰＺに対する外気の侵入がなく、水素の漏洩発生の可能性がないと判定する。この場合には、制御部１０は、燃料電池２０に発電を開始させるための起動処理を開始する。一方、制御部１０は、圧力の検出値Ｐｍが第１閾値圧力Ｐｔｃより大きい場合には（Ｐｍ＞Ｐｔｃ）、水素の漏洩経路が形成されて外気が進入している可能性があるとして、第２水素漏洩検出処理を開始する。

以上のように、第２実施形態の水素漏洩検出処理であれば、燃料電池２０の発電停止後の温度低下や残留反応ガスの消費が反映された水素漏洩検出処理の判定条件によって、水素の漏洩発生の可能性を迅速に検出することができる。その他に、第２実施形態の燃料電池システム１００および水素漏洩検出処理であれば、第１実施形態の燃料電池システム１００で説明したのと同様な作用効果を奏することができる。

C．第３実施形態：
図７，図８を参照して、第２実施形態の水素漏洩検出処理を説明する。第３実施形態の水素漏洩検出処理は、第１実施形態で説明したのとほぼ同じ構成の燃料電池システム１００において実行可能である（図１）。第３実施形態では、第１実施形態と同様に、制御部１０は、燃料電池システム１００の起動時に、水素漏洩検出処理として、まず、第１水素漏洩検出処理を実行し、第１水素漏洩検出処理場における判定結果に応じて、第２水素漏洩検出処理を実行する。第３実施形態における第１水素漏洩検出処理は、以下に説明するように、判定条件が異なっている点以外は、第１実施形態における第１水素漏洩検出処理とほぼ同じである。また、第２実施形態における第２水素漏洩検出処理は、第１実施形態の第２水素漏洩検出処理（図４）と同じであるため、その説明は省略する。

図７は、第３実施形態における第１水素漏洩検出処理のフローを示す説明図である。第３実施形態の第１水素漏洩検出処理は、ステップＳ２０Ｂの判定処理における判定条件が異なっている点以外は、第１実施形態の第１水素漏洩検出処理と同じである。図８は、第１水素漏洩検出処理におけるステップＳ２０Ｂの判定処理を説明するための説明図である。

第３実施形態の第１水素漏洩検出処理では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得された圧力の検出値Ｐｍが、予め設定されている所定の閾値範囲外であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０の判定条件である閾値範囲の上限値Ｐｔｄは、第１実施形態の第１閾値圧力Ｐｔａと同様に、運転終了時圧力Ｐｅよりも低く、大気圧ＡＰよりも高い値に設定されている（Ｐｔｄ＝ＡＰ＋α，０＜α＜１０ＫＰａ）。閾値範囲の下限値Ｐｔｅは、第２実施形態の第１閾値圧力Ｐｔｃと同様に、大気圧ＡＰよりも低い値に設定されている（Ｐｔｄ＝ＡＰ−β，０＜β＜１０ＫＰａ）。α，βは、実験的に定められた値であれば良く、例えば、両方とも、６ＫＰａ程度であるとしても良い。α，βは、異なる値が設定されても良い。

ステップＳ１０において取得された低圧区間ＬＰＺにおける圧力の検出値Ｐｍが閾値範囲の上限値Ｐｔｄ以上である場合には、第１実施形態で説明したように、水素の漏洩に起因する圧力の低下が発生していないと考えられる。一方、圧力の検出値Ｐｍが閾値範囲の下限値Ｐｔｅ以下である場合には、第２実施形態で説明したように、低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路に外気が進入することなく、低圧区間ＬＰＺにおける水素の圧力が、予期される通りの負圧状態になっていると考えられる。

制御部１０は、圧力の検出値Ｐｍが、閾値範囲の上限値Ｐｔｄ以上（Ｐｍ≧Ｐｔｄ）、または、下限値Ｐｔｅ以下（Ｐｍ≦Ｐｔｅ）である場合には、水素の漏洩が発生している可能性がないと判定する（ステップＳ２０ＢのＹＥＳ）。この場合には、制御部１０は、第２水素漏洩検出処理を実行することなく、燃料電池２０の発電開始のための起動処理を開始する。一方、圧力の検出値Ｐｍが、閾値範囲の上限値Ｐｔｄより小さく、下限値Ｐｔｅより大きい場合（Ｐｔｅ＜Ｐｍ＜Ｐｔｄ）には、水素の漏洩が発生している可能性があると判定する（ステップＳ２０ＢのＮＯ）。この場合には、制御部１０は、第２水素漏洩検出処理の実行を開始する。

燃料電池システム１００の運転終了時から再起動までの時間が短時間（例えば、数分程度）しか経過していないときには、第１実施形態の第１水素漏洩検出処理の判定条件の方が、判定精度が高い。一方、燃料電池システム１００の運転終了時から長時間（例えば、数時間程度）が経過しているときには、第２実施形態の第１水素漏洩検出処理の判定条件の方が、判定精度が高い。第３実施形態の第１水素漏洩検出処理であれば、その両方の判定条件が組み合わされており、燃料電池システム１００が運転を停止している時間にかかわらず、高い判定精度を得ることが可能である。

以上のように、第３実施形態の第１水素漏洩検出処理であれば、第１実施形態で説明した判定条件と第２実施形態で説明した判定条件とが組み合わされているため、低圧区間ＬＰＺにおける水素の漏洩をより的確に検出することが可能である。その他に、第３実施形態の燃料電池システム１００および水素漏洩検出処理であれば、第１実施形態および第２実施形態で説明したのと同様な作用効果を奏することができる。

D．変形例：
D1．変形例１：
上記各実施形態では、第１水素漏洩検出処理において、水素の漏洩発生の可能性があると判定された場合には（ステップＳ２０，Ｓ２０Ａ，Ｓ２０ＢのＮＯ）、第２水素漏洩検出処理が実行されている。これに対して、第２水素漏洩検出処理は省略されても良い。この場合には、制御部１０は、第２水素漏洩検出処理を実行することなく、水素の漏洩の可能性を運転者に報知処理や、燃料電池システム１００の起動をキャンセルする処理を実行しても良い。逆に、第１水素漏洩検出処理において、水素の漏洩発生の可能性がないと判定された場合にも、第２水素漏洩検出処理が実行されても良い。

D2．変形例２：
上記各実施形態の第２水素漏洩検出処理では、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの加圧後の圧力低下を検出することによって、低圧区間ＬＰＺにおける水素の漏洩の発生を検出している。これに対して、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの加圧時の圧力上昇の変化に基づいて低圧区間ＬＰＺにおける水素の漏洩の発生を検出しても良い。より具体的には、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの加圧時の圧力上昇の速度が所定の閾値以下のときに、低圧区間ＬＰＺに水素の漏洩が発生していると判定しても良い。あるいは、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺの加圧後に、圧力が所定の下限値まで低下するまでの時間を計測し、その時間に基づいて水素の漏洩の発生を検出しても良い。

D3．変形例３：
上記実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載されている。これに対して、燃料電池システム１００は、燃料電池車両以外の移動体に搭載されても良いし、移動体に搭載されることなく、建造物や敷地などに固定的に設置されても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…制御部
２０…燃料電池
２１…単セル
３０…カソードガス給排部
５０…アノードガス給排循環部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレーター
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
ＬＰＺ…低圧区間

［水素漏洩検出処理］
図２〜図４を参照して、制御部１０が燃料電池システム１００の起動時に実行する水素漏洩検出処理を説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池車両の運転者がイグニションオンの操作を行ったときに起動する。制御部１０は、その起動時に、水素漏洩検出処理として、まず、第１水素漏洩検出処理を実行し、第１水素漏洩検出処理における判定結果に応じて、第２水素漏洩検出処理を実行する。

図３は、第１水素漏洩検出処理におけるステップＳ２０の判定処理を説明するための説明図である。本実施形態では、制御部１０は、ステップＳ２０において、圧力の検出値Ｐｍが、予め設定されている所定の閾値圧力Ｐｔａ（以下、「第１閾値圧力Ｐｔａ」とも呼ぶ。）以上であるか否かを判定する（Ｐｍ≧Ｐｔａ）。本実施形態では、閾値圧力Ｐｔａとしては、燃料電池システム１００の運転終了時における低圧区間ＬＰＺにおける圧力Ｐｅよりも低い値であり、大気圧ＡＰよりも高い値が設定されている。

ステップＳ２０（図２）において、圧力の検出値Ｐｍが第１閾値圧力Ｐｔａ以上である場合には（Ｐｍ≧Ｐｔａ）、制御部１０は、燃料電池システム１００の低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路からの水素の漏洩の可能性はないとして、第１水素漏洩検出処理を終了する。この場合には、制御部１０は、燃料電池２０に発電を開始させるための起動処理を開始し、燃料電池２０の運転を開始する。一方、圧力の検出値Ｐｍが第１閾値圧力Ｐｔａより小さい場合には（Ｐｍ＜Ｐｔａ）、制御部１０は、水素の漏洩が発生している可能性があるとして、第２水素漏洩検出処理を開始する（ステップＳ３０）。

ステップＳ８０において、圧力の検出値Ｐｍが第２閾値圧力Ｐｔｂ以上である場合には（Ｐｍ≧Ｐｔｂ）、制御部１０は、低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路における水素の漏洩の可能性はないとして、第２水素漏洩検出処理を終了する。この場合には、制御部１０は、燃料電池２０に発電を開始させるための起動処理を開始し、燃料電池２０の運転を開始する。

一方、圧力の検出値Ｐｍが第２閾値圧力Ｐｔｂより小さい場合には（Ｐｍ＜Ｐｔｂ）、制御部１０は、水素の漏洩が発生している可能性があるとして、水素の漏洩に対応するための処理を開始する（ステップＳ９０）。具体的には、制御部１０は、主止弁５３を閉じ、燃料電池車両の運転者に対して、水素漏洩の発生可能性を報知するための報知処理（例えば、インジケーターの点灯や警報音の発生など）を行う。

燃料電池システム１００の運転が停止され、反応ガスの経路が封止された状態において、長時間（例えば数時間以上）、燃料電池２０が放置された場合には、燃料電池２０のアノードの圧力は負圧まで低下する可能性が高い。この圧力の低下は、燃料電池２０の温度の低下による水蒸気分圧の低下や、燃料電池２０内に残留している水素と酸素の反応による消費などが原因で引き起こされる。低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路において水素の漏洩経路が形成されている場合には、その漏洩経路から外気が進入するため、燃料電池２０のアノードおよび低圧区間ＬＰＺを含む水素の循環経路における圧力は、大気圧ＡＰ、あるいは、大気圧ＡＰ近傍の負圧になる可能性が高い。

C．第３実施形態：
図７，図８を参照して、第３実施形態の水素漏洩検出処理を説明する。第３実施形態の水素漏洩検出処理は、第１実施形態で説明したのとほぼ同じ構成の燃料電池システム１００において実行可能である（図１）。第３実施形態では、第１実施形態と同様に、制御部１０は、燃料電池システム１００の起動時に、水素漏洩検出処理として、まず、第１水素漏洩検出処理を実行し、第１水素漏洩検出処理場における判定結果に応じて、第２水素漏洩検出処理を実行する。第３実施形態における第１水素漏洩検出処理は、以下に説明するように、判定条件が異なっている点以外は、第１実施形態における第１水素漏洩検出処理とほぼ同じである。また、第３実施形態における第２水素漏洩検出処理は、第１実施形態の第２水素漏洩検出処理（図４）と同じであるため、その説明は省略する。

第３実施形態の第１水素漏洩検出処理では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得された圧力の検出値Ｐｍが、予め設定されている所定の閾値範囲外であるか否かを判定する（ステップＳ２０Ｂ）。ステップＳ２０Ｂの判定条件である閾値範囲の上限値Ｐｔｄは、第１実施形態の第１閾値圧力Ｐｔａと同様に、運転終了時圧力Ｐｅよりも低く、大気圧ＡＰよりも高い値に設定されている（Ｐｔｄ＝ＡＰ＋α，０＜α＜１０ＫＰａ）。閾値範囲の下限値Ｐｔｅは、第２実施形態の第１閾値圧力Ｐｔｃと同様に、大気圧ＡＰよりも低い値に設定されている（Ｐｔｅ＝ＡＰ−β，０＜β＜１０ＫＰａ）。α，βは、実験的に定められた値であれば良く、例えば、両方とも、６ＫＰａ程度であるとしても良い。α，βは、異なる値が設定されても良い。

Claims (9)

1. 燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を、前記燃料電池の起動時に検出する方法であって、
   前記燃料電池に供給配管を介して前記反応ガスを供給する前に、前記供給配管内の圧力を検出する圧力検出工程と、
   前記圧力検出工程において取得した圧力計測値を用いて前記反応ガスの漏洩の有無を判定する判定工程と、
   を備え、
   前記判定工程は、前記圧力計測値が、所定の閾値圧力以上である場合に、前記燃料電池の発電停止中に前記反応ガスの漏洩がないと判定する工程であり、
   前記閾値圧力は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値である、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、さらに、
   前記判定工程において、前記圧力計測値が前記閾値圧力より低い場合には、前記供給配管に前記反応ガスを供給して加圧し、加圧後の前記供給配管内の圧力変化に基づいて前記反応ガスの漏洩を検出する加圧漏洩検出工程を備える、方法。
3. 燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を、前記燃料電池の起動時に検出する方法であって、
   前記燃料電池に供給配管を介して前記反応ガスを供給する前に、前記供給配管内の圧力を検出する圧力検出工程と、
   前記圧力検出工程において取得した圧力計測値を用いて前記反応ガスの漏洩の有無を判定する判定工程と、
   を備え、
   前記判定工程は、前記圧力計測値が所定の閾値圧力以下である場合に、前記燃料電池の停止中に前記反応ガスの漏洩がないと判定する工程であり、
   前記閾値圧力は大気圧よりも低い値である、方法。
4. 請求項３記載の方法であって、さらに、
   前記判定工程において、前記圧力計測値が前記閾値圧力より高い場合には、前記供給配管に前記反応ガスを供給して加圧し、加圧後の前記供給配管内の圧力変化に基づいて前記反応ガスの漏洩を検出する加圧漏洩検出工程を備える、方法。
5. 燃料電池に供給される反応ガスの漏洩を、前記燃料電池の起動時に検出する方法であって、
   前記燃料電池に供給配管を介して前記反応ガスを供給する前に、前記供給配管内の圧力を検出する圧力検出工程と、
   前記圧力検出工程において取得した圧力計測値を用いて前記反応ガスの漏洩の有無を判定する判定工程と、
   を備え、
   前記判定工程は、前記圧力計測値が所定の閾値圧力の範囲内にない場合に、前記燃料電池の発電停止中に前記供給配管からの前記反応ガスの漏洩がないと判定する工程であり、
   前記閾値圧力の範囲の上限値は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値であり、
   前記閾値圧力の範囲の下限値は、大気圧よりも低い値である、方法。
6. 請求項５記載の方法であって、さらに、
   前記判定工程において、前記圧力計測値が、前記所定の閾値圧力の範囲内である場合には、前記供給配管に前記反応ガスを供給して加圧し、加圧後の前記供給配管内の圧力変化に基づいて前記反応ガスの漏洩を検出する加圧漏洩検出工程を備える、方法。
7. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に接続されている供給配管を備え、前記供給配管を介して前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
   前記供給配管内の圧力を検出可能な圧力検出部と、
   前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給を制御して前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に前記反応ガスを供給して発電を開始させる前に、前記圧力検出部によって前記供給配管内の圧力の検出値を取得し、前記検出値が、所定の閾値圧力以上である場合には、前記燃料電池に発電を開始させるための処理を開始し、前記検出値が前記閾値圧力より低い場合には、前記反応ガスの漏洩を検出するための処理を開始し、
   前記閾値圧力は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値である、燃料電池システム。
8. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に接続されている供給配管を備え、前記供給配管を介して前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
   前記供給配管内の圧力を検出可能な圧力検出部と、
   前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給を制御して前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に前記反応ガスを供給して発電を開始させる前に、前記圧力検出部によって前記供給配管内の圧力の検出値を取得し、前記検出値が、所定の閾値圧力以下である場合には、前記燃料電池に発電を開始させるための処理を開始し、前記検出値が前記閾値圧力より高い場合には、前記反応ガスの漏洩を検出するための処理を開始し、
   前記閾値圧力は、前記閾値圧力は大気圧よりも低い値である、燃料電池システム。
9. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に接続されている供給配管を備え、前記供給配管を介して前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
   前記供給配管内の圧力を検出可能な圧力検出部と、
   前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給を制御して前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に前記反応ガスを供給して発電を開始させる前に、前記圧力検出部によって前記供給配管内の圧力の検出値を取得し、前記検出値が、所定の閾値圧力の範囲内にない場合には、前記燃料電池に発電を開始させるための処理を開始し、前記検出値が、前記閾値圧力の範囲内である場合には、前記反応ガスの漏洩を検出するための処理を開始し、
   前記閾値圧力の範囲の上限値は、前記燃料電池の運転を終了させるときの前記供給配管の圧力よりも低く、大気圧よりも高い値であり、
   前記閾値圧力の範囲の下限値は、大気圧よりも低い値である、燃料電池システム。

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