JP2021190306A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を劣化させることなくクロスリーク異常を判定することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数のセルが積層された燃料電池１と、燃料電池１にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、燃料電池１の電圧を測定する電圧センサ７０と、を備え、通常運転に比して負荷の低い低負荷運転時において、カソードガス供給部によるカソードガスの供給量を制御することにより燃料電池１の電圧を所定の電圧範囲ＶＲに維持する燃料電池システム１００であって、低負荷運転時に、燃料電池１の電圧を所定の電圧範囲ＶＲに維持するためのカソードガスの供給量が所定の判定閾値を超えた場合に、燃料電池１にクロスリーク異常が発生したと判定する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池において、アノードガスがカソードガス供給路に流入するクロスリークの異常が発生することが知られている。例えば、電解質膜、セパレータなどに孔が開いたり、これらが裂けるなどの異常が生じると、カソード側とアノード側とのクロスリークが増大するクロスリーク異常が発生する。クロスリーク異常が発生すると、アノードガスがカソードガス供給路に流入して、触媒を通して直接燃焼し、燃費悪化や故障を生じさせる。このため、燃料電池のカソードガスの供給量の変化に伴う電圧の変化が大きい場合に、クロスリーク異常を検知する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平９−２７３３６号公報
上記特許文献１に記載された技術では、カソードガスの供給量を徐々に減少させ、セル電圧が急激に低下するとクロスリーク異常が発生したと判定している。そのため、クロスリーク異常の判定を行うためにセル電圧を低下させる必要がある。しかし、セル電圧の低下に基づいてクロスリーク異常の判定を行うと、電圧変動に起因する酸化還元反応の繰り返しにより電極の触媒の粒子径が増大し、触媒の接触面積が低下するため、燃料電池が劣化する問題がある。このため、特許文献１に記載された技術では、クロスリーク異常を判定する毎に燃料電池の劣化、特に触媒の劣化が発生する可能性がある。更には、セル電圧の低下量や低下速度からクロスリーク量を正確に推定することは困難である。
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、燃料電池を劣化させることなくクロスリーク異常を判定することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
本開示の要旨は以下のとおりである。
（１）複数のセルが積層された燃料電池と、燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、を備え、通常運転に比して負荷の低い低負荷運転時において、カソードガス供給部によるカソードガスの供給量を制御することにより燃料電池の電圧を所定範囲に維持する、燃料電池システムであって、低負荷運転時に、燃料電池の電圧を所定範囲に維持するためのカソードガスの供給量が所定の判定閾値を超えた場合に、燃料電池にクロスリーク異常が発生したと判定する、燃料電池システム。
本開示によれば、燃料電池を劣化させることなくクロスリーク異常を判定することが可能な燃料電池システムが提供される。
各実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池からトラクションモータ等の負荷に流れる電流、燃料電池のセル電圧Ｖ、およびカソードガスの供給量が時系列に変化する様子を示すタイミングチャートである。 図２と同様に電流、セル電圧Ｖ、およびカソードガスの供給量が時系列に変化する様子を示すタイミングチャートであって、クロスリーク異常が生じている場合を示すタイミングチャートである。 第１の実施形態における、間欠運転およびクロスリーク判定の手順を示すフローチャートである。 図２に示す例において、カソードガスの供給量にバラツキが生じている場合を示すタイミングチャートである。 クロスリーク異常が生じていない場合に低負荷運転時のカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗを超える例として、補器による余剰電力消費後に、電圧を劣化防止電圧範囲ＶＲに維持するために必要なカソードガスの供給量が増加する例を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態における、間欠運転およびクロスリーク判定の手順を示すフローチャートである。 燃料電池システムの運転を停止させる際に、燃料電池システムのステータス、インジェクタの駆動状態、排気弁の開閉状態、およびアノードガス圧力について、時系列の変化を示すタイミングチャートである。 燃料電池の温度と、判定閾値ＴＨ＿ａとの関係を規定したマップを示す模式図である。 第３の実施形態における、低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定と、運転停止時のアノードガス圧力に基づくクロスリーク異常の判定とを組み合わせた処理の手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、各実施形態に係る燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、各実施形態に係る燃料電池システム１００の構成図である。図１に示すように、この燃料電池システム１００は、燃料電池１と、エア供給経路１０と、コンプレッサ１１と、エア供給弁１２と、エア排出弁１３と、流量計１４と、エア排出経路２０と、調圧弁２１と、水素供給経路３０と、水素タンク３１と、インジェクタ３２と、圧力センサ３３と、水素循環経路４０と、循環ポンプ４１と、水素排出経路５０と、排気弁５１と、制御部６０と、電圧センサ７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、ＰＣＵ１２０と、負荷１３０と、を備える。
本実施形態では、一例として燃料電池自動車に適用する燃料電池システム１００について説明する。燃料電池自動車は、燃料電池１により発電した電気によりモータを駆動し、走行する。但し、この燃料電池システム１００は、燃料電池自動車用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することもできる。
燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。ここで、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。燃料電池１は、カソード側のセパレータを介して供給されたエア中の酸素ガスと、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。
具体的には、アノード電極では、式（１）の酸化反応が生じており、カソード電極では、式（２）の還元反応が生じている。そして、燃料電池１全体として、式（３）の化学反応が生じている。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ ・・・（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ ・・・（３）
エア供給経路１０は、燃料電池１へ酸化ガス（カソードガス）であるエアを供給するためのガス配管である。コンプレッサ１１は、エア供給経路１０上に設けられている。コンプレッサ１１は、燃料電池１にカソードガスを供給するカソードガス供給部の一態様であり、システム外から取り込んだエア（ＡＩＲ＿ＩＮ）を圧縮し、燃料電池１へ送出する。
コンプレッサ１１に導入されるエアの流量（エア流量）は、エア供給経路１０上に設けられた流量計１４によって測定される。流量計１４によって測定されたエア流量は、制御部６０に入力される。
コンプレッサ１１によって圧縮されたエアは、エア供給弁１２を介して、燃料電池１に供給される。また、コンプレッサ１１によって圧縮されたエアは、エア排出弁１３を介して、エア排出経路２０へ排出される。ここで、エア供給弁１２およびエア排出弁１３は、コンプレッサ１１によって圧縮されたエアを、燃料電池１とエア排出経路２０とに分流することができる。燃料電池１とエア排出経路２０への分流比は、エア供給弁１２、エア排出弁１３及び後述する調圧弁２１の開度によって定まる。エア供給弁１２、エア排出弁１３及び調圧弁２１の開度は、制御部６０によって制御される。エア供給弁１２、エア排出弁１３及び調圧弁２１は、燃料電池１にカソードガスを供給するカソードガス供給部の一態様を構成してもよい。
エア排出経路２０は、燃料電池１から反応後のエアを排出するためのガス配管である。調圧弁２１は、エア排出経路２０上に設けられている。調圧弁２１により、燃料電池１におけるエア圧力（カソード圧力）が調整される。調圧弁２１を通過したエア（ＡＩＲ＿ＯＵＴ）は、システム外へ放出される。
水素供給経路３０は、燃料電池１へ燃料ガス（アノードガス）である水素ガスを供給するためのガス配管である。水素タンク３１は、水素供給経路３０の終端に設けられている。水素タンク３１には、例えば高圧の水素ガスが貯蔵されている。高圧の水素ガスは、水素供給経路３０上に設けられたインジェクタ３２によって減圧され、燃料電池１に供給される。インジェクタ３２の開閉によって、燃料電池１における水素ガスの圧力（アノードガス圧力）が調整される。インジェクタ３２の開閉は、制御部６０によって制御される。
圧力センサ３３は、インジェクタ３２と燃料電池１との間の水素供給経路３０上に設けられている。圧力センサ３３により、燃料電池１におけるアノードガス圧力が測定される。圧力センサ３３により測定されたアノードガス圧力は、制御部６０に入力され、後述する第３の実施形態ではクロスリーク異常の判定に用いられる。
水素循環経路４０は、燃料電池１から排出された水素ガスを水素供給経路３０へ戻すためのガス配管である。循環ポンプ４１は、水素循環経路４０上に設けられている。循環ポンプ４１は、燃料電池１から排出された水素ガスを加圧し、水素供給経路３０へ送出する。
水素排出経路５０は、水素循環経路４０から濃度が低下した水素ガスを排出するためのガス配管である。水素排出経路５０には、排気弁５１が設けられている。水素循環経路４０から排気弁５１を介して排出された水素ガスがシステム外へ直接放出されないように、水素排出経路５０は、エア排出経路２０に接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、燃料電池１の出力電圧を昇圧してＰＣＵ１２０に供給する。ＰＣＵ１２０は、インバータを内蔵し、制御部６０の制御に応じてインバータを介して負荷１３０に電力を供給する。また、ＰＣＵ１２０は、制御部６０の制御に応じて燃料電池１の電流を制限する。
燃料電池１の電力は、ＰＣＵ１２０を含む電源回路を介して、燃料電池自動車の車輪を駆動するためのトラクションモータ等の負荷１３０や、上述したコンプレッサ１１、循環ポンプ４１および各種弁などに供給される。
制御部６０は、燃料電池システム１００内のコンプレッサ１１、各種弁などの各種機器の動作を制御する。制御部６０は、プロセッサと、メモリと、コンプレッサ１１などの各種機器または各種センサ類などの各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部６０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２００の指示に応じて、燃料電池システム１００内の各機器を制御するための信号を出力する。
燃料電池１には、セル電圧を測定する電圧センサ７０が取り付けられている。ここで、電圧センサ７０によって、燃料電池１すなわちセルスタック全体の電圧（ＦＣ電圧）がセル電圧として測定される。一方、各単セルの電圧（単セル電圧）がセル電圧として測定されてもよい。なお、ＦＣ電圧は、単セル電圧の合計値に等しい。なお、本明細書では、ＦＣ電圧、単セル電圧、平均セル電圧（単セル電圧の平均値）などを総称してセル電圧と称する。
ＥＣＵ２００は、燃料電池システム１００を含む燃料電池自動車の全体の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池自動車では、アクセルペダルやブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２００が制御部６０に対して電力出力要求を行い、燃料電池自動車の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２００は、制御部６０の機能を含んでいてもよい。
制御部６０は、プロセッサがメモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００内の各種機器の動作を制御する。特に、制御部６０は、通常運転に比して負荷の低い低負荷運転時に、電圧センサ７０によって測定されたセル電圧に基づいてカソードガスの供給量を制御することで間欠運転を実施し、カソードガスの供給量に基づいてクロスリーク異常を判定する。
燃料電池自動車は、通常運転に比して負荷の低い低負荷運転で運転される場合がある。低負荷運転時は、例えば、燃料電池自動車が交差点や一時停止などで一時的に停止している場合（アイドリング状態）、燃料電池自動車が坂道を下っている場合、ドライバがアクセルペダルをオフにして惰性で走行している場合、などを含む。低負荷運転時には、車輪を駆動するトラクションモータの駆動力が停止されるか、またはトラクションモータの駆動力が最小限に抑えられる。また、低負荷運転時には、燃費向上のために、可能な限り補機類が停止される。このため、ＥＣＵ２００は、低負荷運転時に、制御部６０に対して電力出力要求を行わない。あるいは、ＥＣＵ２００は、低負荷運転時に、制御部６０に対して必要最小限の電力出力要求を行う。
低負荷運転時に燃料電池１から出力される電力が抑制されると、燃料電池１からトラクションモータ等の負荷１３０に流れる電流が低下する。燃料電池１から流れる電流が低下すると、燃料電池１のセル電圧が上昇するため、カソードガスの供給量を制御してセル電圧を所定範囲に維持する制御（間欠運転）が行われる。図２は、間欠運転を説明するためのタイミングチャートである。
図２は、燃料電池１からトラクションモータ等の負荷１３０に流れる電流、燃料電池１のセル電圧、およびカソードガスの供給量が時系列に変化する様子を示すタイミングチャートである。図２の時刻ｔ０は、通常運転から低負荷運転に切り換わるタイミングを示している。通常運転から低負荷運転に切り換わると、燃料電池１から負荷１３０に流れる電流が低下し、燃料電池１の電圧が上昇する。このため、低負荷運転に切り換わった後、カソードガスの供給量を低下させることで、セル電圧を低下させる制御が行われる。これにより、カソードガスの供給量は、時間の経過とともに減少し、時刻ｔ１でカソードガスの供給が停止される。より具体的には、時刻ｔ１でコンプレッサ１１が運転を停止することで、カソードガスの供給が停止される。なお、カソードガスの供給を停止する際には、カソードガスの供給が完全に停止されていなくてもよい。例えば、コンプレッサ１１を低回転で回転させることで、微量のカソードガスが供給されてもよい。また、カソードガスの供給の停止は、エア供給弁１２を閉じることで、あるいは燃料電池１とエア排出経路２０への分流比を制御することで行われてもよい。
ここで、燃料電池１のセル電圧が図２に示す下限値Ｖ１と上限値Ｖ２で規定される劣化防止のための電圧範囲ＶＲから外れると、電極が劣化する。より具体的には、セル電圧が下限値Ｖ１未満になると高分子電解膜が還元され、セル電圧が上限値Ｖ２を超えると高分子電解膜が酸化される。これらの酸化反応、還元反応が繰り返されると、カソード電極またはアノード電極の触媒が大きくなり、触媒の表面積が減少するため、燃料電池１が劣化する。
このため、カソードガスの供給量を停止させた後、時刻ｔ２でセル電圧が閾値ＴＨ１よりも小さくなると、カソードガスの供給量を増加させる制御が行われる。より具体的には、時刻ｔ２でコンプレッサ１１が運転を再開することで、カソードガスの供給量が増加される。なお、カソードガスの供給の増加は、エア供給弁１２を開くことで、あるいは燃料電池１とエア排出経路２０への分流比を制御することで行われてもよい。閾値ＴＨ１は、下限値Ｖ１よりも大きな値に設定されている。これにより、セル電圧が下限値Ｖ１未満となることが抑制される。
また、カソードガスの供給量を増加させた後、時刻ｔ３でセル電圧が閾値ＴＨ２よりも大きくなると、カソードガスの供給量を減少させる制御が行われる。閾値ＴＨ２は、上限値Ｖ２よりも小さな値に設定されている。これにより、セル電圧が上限値Ｖ２を超えることが抑制される。
以上のように、低負荷運転時には、カソードガスの供給停止と供給再開を交互に行う間欠運転を行うことで、劣化防止のための電圧範囲ＶＲからセル電圧が外れないように制御が行われ、燃料電池１の劣化が抑制される。なお、間欠運転時にアノードガスはカソードガスの供給量に対して余分（リッチ）になるように供給され、セル電圧は専らカソードガスの供給量によって制御される。
ところで、カソード側とアノード側とのクロスリークは、カソードガスの供給量と相関があり、クロスリーク量が大きくなると、カソードガスの供給量が大きくなる関係がある。特に、間欠運転の最中においては、カソードガスの供給を停止している間に、クロスリークによりアノードガスがカソード側へ移動し、カソード側の酸素濃度が低下するため、濃度過電圧が上昇する。なお、濃度過電圧は、アノードガスがカソード側へ移動したことによるエネルギー損失要因により、過分に必要となるエネルギーに相当する電圧である。このため、カソードガスの供給を再開した際に、カソード側に移動したアノードガスがカソードガスの供給を阻害し、セル電圧を上昇させるために必要なカソードガス量が増加する。したがって、間欠運転中には、カソードガスの供給量とクロスリークとの間に相関が顕著に表れる。
一方、通常運転時においては、間欠運転中よりもカソードガスの供給量が十分に大きいため、カソードガスの供給量に占めるクロスリークの要因が小さくなり、カソードガスの供給量とクロスリークとの間に相関を見出すことには比較的困難が伴う。
このため、第１の実施形態では、低負荷運転時の間欠運転の際に、セル電圧を劣化防止のための電圧範囲ＶＲに維持するためのカソードガスの供給量に基づいて、クロスリーク異常が判定される。カソードガスの供給量とクロスリークとの間に相関が表れる間欠運転の際にクロスリーク異常が判定されることで、クロスリーク異常が精度よく判定される。また、セル電圧を劣化防止のための電圧範囲ＶＲに維持した状態でクロスリーク異常が判定されるため、セル電圧が過度に低下することがなく、燃料電池１の劣化が抑制される。
また、上述したように、間欠運転が行わる運転状態は、燃料電池自動車がアイドリングしている状態、坂道を下っている状態、惰性で走行している状態、などの低負荷運転時であり、このような運転状態は燃料電池自動車の運転中に頻繁に発生する。したがって、これらの低負荷運転時にクロスリーク異常が判定されることで、燃料電池自動車の運転中に高い頻度でクロスリーク異常が判定されるため、クロスリーク異常が早期に発見されることとなる。
以下では、本実施形態に係る、低負荷運転時にカソードガスの供給量に基づいてクロスリーク異常を判定する方法が詳細に説明される。図３は、図２と同様、燃料電池１から負荷１３０に流れる電流、燃料電池１のセル電圧、およびカソードガスの供給量が時系列に変化する様子を示すタイミングチャートであって、クロスリーク異常が生じている場合を示している。
図２と同様、時刻ｔ０で通常運転から低負荷運転に切り換わると、燃料電池１から負荷１３０に流れる電流が低下し、燃料電池１の電圧が上昇する。このため、低負荷運転に切り換わった後、カソードガスの供給量を低下させることで、セル電圧を低下させる制御が行われる。これにより、カソードガスの供給量は時間の経過とともに減少し、時刻ｔ１でカソードガスの供給が停止される。
カソードガスの供給を停止させた後、時刻ｔ２でセル電圧が閾値ＴＨ１よりも小さくなると、カソードガスの供給量を増加させる制御が行われる。
ここで、クロスリーク異常が生じていると、上述したようにカソードガスの供給を停止している間にカソード側に移動したアノードガスがカソードガスの供給を阻害する。このため、カソードガスの供給量を増加させた後、セル電圧が閾値ＴＨ２に到達した際のカソードガスの供給量は、クロスリーク異常が生じていない場合に比して増加する。具体的には、図２に示すように、クロスリーク異常が生じていない場合は、セル電圧が閾値ＴＨ２に到達した際のカソードガスの供給量はｓ１である。一方、図３に示すように、クロスリーク異常が生じている場合、セル電圧が閾値ＴＨ２に到達した際のカソードガスの供給量は、ｓ１よりも大きなｓ２となる。したがって、カソードガスの供給を停止した後、カソードガスの供給を再開した際に、セル電圧が閾値ＴＨ２に到達した際のカソードガス供給量に基づいて、クロスリーク異常が判定可能となる。
本実施形態では、クロスリーク異常を判定するため、間欠運転時のカソードガスの供給量に判定閾値ＴＨ＿ｗが設定されており、間欠運転時にカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となると、クロスリーク異常が生じていることが判定される。図３の例では、時刻ｔ４の時点でカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗに到達している。したがって、時刻ｔ４の時点でクロスリーク異常が生じていることが判定される。判定閾値ＴＨ＿ｗは、例えば、間欠運転中のカソードガスの供給量に対して設計上で抑えたいクロスリーク量の上限値から予め定められている。
カソードガスの供給量を表す具体的な特性値として、カソードガスの流量（単位時間当たりのカソードガスの移動量）、またはコンプレッサ１１の回転数が用いられる。これらの流量または回転数は、制御部６０による指令値またはセンサで測定される測定値である。更には、カソードガスの供給量を表す特性値は、これらの指令値または測定値の積算値であってもよい。
指令値は、制御部６０によるカソードガスの流量の指令値、またはコンプレッサ１１の回転数の指令値である。指令値がカソードガスの流量の指令値の場合は、カソードガスの流量の指令値に基づいて、コンプレッサ１１の回転数、燃料電池１とエア排出経路２０への分流比が制御され、カソードガスの流量が制御される。また、測定値は、カソードガスの流量については流量計１４によって測定された流量であり、コンプレッサ１１の回転数については回転数センサ（不図示）によって測定された回転数である。なお、各実施形態では、一例として、カソードガスの供給量が流量計１４によって測定された流量であるものとする。
指令値または測定値の積算値とは、時系列に変化する指令値または測定値を積算した値である。例えば、図３において、時刻ｔ２からｔ４までのカソードガスの流量の積算値は、ハッチングを付した領域の面積で示される。なお、これらの指令値、測定値、積算値のそれぞれに対し、クロスリーク異常を判定するための判定閾値が個別に設定されてもよい。
また、判定閾値に基づくクロスリーク異常の判定は、これらの指令値、測定値、または積算値による判定の複数を組み合わせて行われてもよい。一例として、カソードガスの流量の指令値が所定の判定閾値以上であり、且つ、カソードガスの流量の測定値の積算値が所定の判定閾値以上の場合にクロスリーク異常が発生していると判定される。
図４は、第１の実施形態における、間欠運転およびクロスリーク異常判定の手順を示すフローチャートである。この処理は、制御部６０により所定の周期毎に行われる。先ず、制御部６０は、低負荷運転であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において、制御部６０は、ＥＣＵ２００からの電力出力要求が所定値以下である場合、低負荷運転と判定する。ステップＳ１０で低負荷運転とされた場合、ステップＳ１１へ進む。一方、ステップＳ１０で低負荷運転ではないと判定された場合、ステップＳ１０で待機する。
低負荷運転の場合、制御部６０は、カソードガスの供給量を低下させる（ステップＳ１１）。具体的に、制御部６０は、エア供給弁１２を開き、エア排出弁１３を閉じた状態で、コンプレッサ１１の運転を停止することでカソードガスの供給量を低下させる。
次に、制御部６０は、セル電圧Ｖが所定の閾値ＴＨ１未満であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、制御部６０は、セル電圧Ｖが閾値ＴＨ１未満の場合は、カソードガスの供給量を増加させる（ステップＳ１３）。具体的に、制御部６０は、エア供給弁１２を開き、エア排出弁１３を閉じた状態で、コンプレッサ１１の運転を再開することで、カソードガスの供給量を増加させる。一方、制御部６０は、セル電圧Ｖが所定の閾値ＴＨ１以上の場合、ステップＳ１１に戻り、引き続きカソードガスの供給量を低下させる。
ステップＳ１３の後、制御部６０は、セル電圧Ｖが所定の閾値ＴＨ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。そして、制御部６０は、セル電圧Ｖが閾値ＴＨ２よりも大きい場合は、カソードガスの供給量を低下させる（ステップＳ１５）。一方、制御部６０は、セル電圧Ｖが閾値ＴＨ２以下の場合は、引き続きカソードガスの供給量を増加させる（ステップＳ１３）。
ステップＳ１５の後、制御部６０は、セル電圧Ｖが閾値ＴＨ２に到達した際のカソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。そして、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上の場合は、クロスリーク異常が発生していると判定し（ステップＳ１７）、本制御周期における処理を終了する。一方、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ未満の場合は、クロスリーク異常が発生していると判定せずに、本制御周期における処理を終了する。
図４の処理によれば、低負荷運転時には、セル電圧Ｖが閾値ＴＨ１とＴＨ２の間に制御され、セル電圧Ｖが劣化防止のための電圧範囲ＶＲから外れないように間欠運転が行われる。そして、間欠運転が行われる過程で、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となる場合は、クロスリーク異常が生じていると判定される。
以上説明したように第１の実施形態によれば、低負荷運転時の間欠運転の際に、カソードガスの供給量が判定閾値を超えた場合に、クロスリーク異常が発生していることが判定される。カソードガスの供給量とクロスリーク量との間には相関があり、低負荷運転時にはその相関が顕著に表れるため、クロスリーク異常が精度よく判定される。また、低負荷運転時の間欠運転によりセル電圧は劣化防止のための電圧範囲ＶＲ内に維持されるため、クロスリーク異常を判定する際に、セル電圧の低下による燃料電池１の劣化が抑制される。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態において、低負荷運転中にカソードガスの供給量が判定閾値以上となることが複数回検知された場合にクロスリーク異常を判定する。
カソードガスの供給量にはバラツキが含まれていることも想定され、カソードガスの供給量が判定閾値以上となることが１回検知されたことに基づいてクロスリーク異常が生じていると判定すると、誤判定がなされる可能性がある。例えば、カソードガスの供給量の測定値には、流量計１４によるカソードガスの流量の検出誤差、コンプレッサ１１の機械的な摩擦などの要因によるコンプレッサ回転数の検出誤差のバラツキを含んでいる可能性がある。
図５は、図２に示す例において、カソードガスの供給量にバラツキが生じている場合を示すタイミングチャートである。図５に示す例では、時刻ｔ５でカソードガスの供給量がクロスリーク異常の判定閾値ＴＨ＿ｗを超えている。一方、時刻ｔ３、時刻ｔ６では、カソードガスの供給量ｓ３は判定閾値ＴＨ＿ｗ以下である。時刻ｔ５でクロスリーク異常と判定すると、時刻ｔ５ではカソードガスの供給量のバラツキに起因してカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗを超えている可能性があり、誤判定がなされてしまう可能性がある。
このような誤判定は、連続した低負荷運転中（同一の間欠運転区間中）にカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となることが複数回検知された場合にクロスリーク異常を判定することとすれば、防ぐことができる。なお、連続した低負荷運転とは、通常運転が間に介在しない低負荷運転をいう。したがって、例えば、低負荷運転中に燃料電池１が発電を行って負荷１３０へ電流を流すなど、低負荷運転中に通常運転が介在する場合は、連続した低負荷運転とはならない。
また、クロスリーク異常が生じていない場合においても、制御上の理由から、低負荷運転時にセル電圧を劣化防止のための電圧範囲ＶＲに維持するために必要なカソードガスの供給量が一時的に判定閾値ＴＨ＿ｗを超える場合がある。このような場合にも、カソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となることが１回検知されたことに基づいてクロスリーク異常が生じていると判定すると、誤判定がなされる可能性がある。
図６は、制御上の理由で低負荷運転時のカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗを超える例として、補器による余剰電力消費後に、電圧を劣化防止電圧範囲ＶＲに維持するために必要なカソードガスの供給量が増加する例を示すタイミングチャートである。図６では、上から順にバッテリの出力、燃料電池自動車が備えるバッテリの容量、セル電圧、エア供給弁１２の開閉状態、カソードガスの供給量、の時系列的な変化をそれぞれ示している。
図６は、燃料電池自動車が下り坂などを走行中に、バッテリに回生充電が行われ、バッテリの充電量が許容量に達した場合に、回生電力が補機動力によって消費される場合を示している。図６では、時刻ｔ＝０の時点で燃料電池自動車がアクセルオフにより惰性で走行しており、既に低負荷運転時の間欠運転が行われている。カソードガスの供給を停止させた後、時刻ｔ１１でセル電圧が閾値ＴＨ１よりも小さくなると、カソードガスの供給量を増加させる制御が行われる。
時刻ｔ１２では、燃料電池自動車が下り坂に進入し、トラクションモータの回生によるバッテリへの回生充電が開始され、燃料電池自動車に回生による制動がかけられる。これにより、時刻t１２以前ではバッテリの出力は０であるが、時刻ｔ１２で回生充電が開始されると、バッテリの出力は負の値となる。また、バッテリが回生充電されることで、バッテリの容量は時刻ｔ１２以降に増加する。
時刻ｔ１３でバッテリの容量が充電可能な最大値に達すると、これ以上バッテリに充電することができなくなる。一方、燃料電池自動車は依然として下り坂を走行しており、トラクションモータの回生により電力が発生する。このため、時刻ｔ１３から回生充電が終了する時刻ｔ１４までの区間（余剰電力消費区間）では、補器類を駆動して、トラクションモータの回生により発電した余剰な電力を消費させる制御が優先的に行われる。これにより、コンプレッサ１１が最大出力で駆動され、余剰電力が消費される。この際、燃料電池１へのカソードガスの供給過剰を抑制するため、エア供給弁１２が閉じられ、エア排出弁１３が開かれる。なお、余剰電力消費区間では、余剰電力消費のためにコンプレッサ１１以外の補機類も駆動される。
余剰電力消費区間では、コンプレッサ１１が最大出力で駆動されるため、カソードガスの供給量は最大となる。一方、エア供給弁１２が閉じられ、エア排出弁１３が開かれているため、カソードガスはエア排出弁１３からエア排出経路２０へ流れる。したがって、余剰電力消費区間では、カソードガスが燃料電池１に供給されることはない。カソードガスが燃料電池１に供給されないため、セル電圧は、時間の経過とともに低下し、劣化防止電圧範囲ＶＲの下限値Ｖ１よりも更に低下する。なお、余剰電力消費区間では、回生により発電した余剰な電力を消費させる制御が優先されるため、セル電圧が劣化防止電圧範囲ＶＲの下限値Ｖ１を下回ることは許容される。
その後、時刻ｔ１４で下り坂の走行が終了し、燃料電池自動車が再び惰性で走行すると、低負荷運転時の間欠運転が再開される。このため、エア供給弁１２が開かれ、エア排出弁１３が閉じられる。そして、余剰電力消費区間で低下したセル電圧を劣化防止のための電圧範囲ＶＲに復帰させるため、カソードガスが燃料電池１に供給される。間欠運転を再開した直後は、セル電圧が十分に低下しているため、セル電圧を電圧範囲ＶＲに復帰させるためのカソードガスの供給量は、通常の間欠運転時よりも大きくなり、時刻ｔ１５で判定閾値ＴＨ＿ｗを超えてしまう。セル電圧が劣化防止のための電圧範囲ＶＲに復帰すると、セル電圧を電圧範囲ＶＲに維持するためのカソードガスの供給量は、通常の間欠運転時と同等となる。
図６では、時刻１３からｔ１４までの間は間欠運転が行われていないが、時間軸の全域で通常運転が介在していないため、連続した低負荷運転に相当する。この連続した低負荷運転中において、カソードガスの供給量が時刻ｔ１５で判定閾値ＴＨ＿ｗを一度超えたことでクロスリーク異常と判定してしまうと、誤判定がなされてしまう。時刻ｔ１５では余剰電力消費区間で低下したセル電圧を電圧範囲ＶＲに復帰させるためにカソードガスの供給量が増大しており、クロスリーク異常に起因してカソードガスの供給量が増大しているわけではないためである。
このような誤判定は、連続した低負荷運転中にカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となることが複数回検知された場合にクロスリーク異常を判定することとすれば、防ぐことができる。これにより、図６では、連続した低負荷運転中にカソードガスの供給量が判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となるのは１回であるため、クロスリーク異常とは判定されないことになる。
なお、図６において、余剰電力消費区間のカソードガスの供給量は判定閾値ＴＨ＿ｗを超えているが、余剰電力消費区間に供給されたカソードガスはエア排出弁１３を介してエア排出経路２０に排出され、燃料電池１には供給されないため、クロスリーク異常の判断材料とはならない。したがって、余剰電力消費区間におけるカソードガスの供給量は、クロスリーク異常の判定からは除外される。
第１の実施形態と同様、制御部６０は、通常運転に比して負荷の低い低負荷運転時に、電圧センサ７０によって測定されたセル電圧に基づいてカソードガスの供給量を制御することで間欠運転を実施し、低負荷運転中のカソードガスの供給量に基づいてクロスリーク異常を判定する。この際、制御部６０は、連続した低負荷運転中にカソードガスの供給量が判定閾値以上となることが複数回検知された場合にクロスリーク異常を判定する。
図７は、第２の実施形態における、間欠運転およびクロスリーク異常判定の手順を示すフローチャートである。この処理は、制御部６０により所定の周期毎に行われる。図７では、図４に示した第１の実施形態のフローチャートに対し、ステップＳ２０の処理が追加されており、それ以外の処理は基本的に図４と同様である。このため、図４と相違する処理のみを説明する。
ステップＳ１６において、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上の場合、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となった回数が、連続した低負荷運転中で所定回数以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。そして、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となった回数が、連続した低負荷運転中で所定回数以上の場合は、クロスリーク異常が発生していると判定し（ステップＳ１７）、本制御周期における処理を終了する。一方、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となった回数が、連続した低負荷運転中で所定回数未満の場合は、クロスリーク異常が発生していると判定せずに、本制御周期における処理を終了する。
図７の処理によれば、連続した低負荷運転において、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となった回数が所定回数以上の場合に、クロスリーク異常が生じていると判定される。したがって、図５に示したようなカソードガスの供給量にバラツキが生じている場合、図６に示したような制御上の理由からカソードガスの供給量が一時的に増大する場合、などにおいてもクロスリーク異常が正確に判定される。
以上説明したように第２の実施形態によれば、連続した低負荷運転中にカソードガスの供給量が判定閾値以上となることが複数回検知された場合にクロスリーク異常を判定するため、クロスリーク異常の判定精度が高められる。
（第３の実施形態）
燃料電池システム１００の運転を停止させる際には、アノードガスの供給が停止され、排気弁５１が閉じられる。この運転停止時にアノードガス圧力に基づいてクロスリーク異常を判定する方法が知られている。この方法によれば、アノードガスの圧力の低下はクロスリーク量と直接的な相関があり、アノードガス圧力に基づいて正確なクロスリーク量が得られるため、クロスリーク異常が生じているか否かが定量的に判断可能である。しかし、この方法では、排気弁５１等が故障している場合など、アノードガスの経路に漏れが生じているとクロスリーク異常が誤検出される。
一方、第１及び第２の実施形態で説明した低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定では、アノードガスの経路に漏れが生じていてもクロスリーク異常を判定可能である。
したがって、運転停止時のアノードガス圧力に基づく判定と、低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づく判定とを組み合わせることで、アノードガス圧力に基づいて正確なクロスリーク量が得られるとともに、排気弁５１の故障時等においてもクロスリーク異常を判定できる。
また、アノードガス圧力に基づくクロスリーク異常の判定では、排気弁５１を閉じた後のアノードガス圧力に基づいてクロスリーク異常が判定されるが、アノードガス圧力は、クロスリーク異常が生じていなくても燃料電池１の温度に応じて変化する。このため、アノードガスの圧力に基づくクロスリーク異常の判定閾値は、燃料電池１の温度に応じて変化させることが好ましい。
このため、第３の実施形態では、運転停止時のアノードガス圧力に基づくクロスリーク異常の判定と、低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定とを組み合わせ、更にアノードガス圧力に基づく判定の判定閾値を燃料電池１の温度に応じて変化させる。これにより、アノードガス圧力に基づいてクロスリーク異常を制御よく判定できるとともに、アノードガスの経路に漏れが生じていてもカソードガスの供給量に基づいてクロスリーク異常が判定可能となる。
第１および第２の実施形態と同様、制御部６０は、通常運転に比して負荷の低い低負荷運転時に、電圧センサ７０によって測定されたセル電圧に基づいてカソードガスの供給量を制御することで間欠運転を実施し、カソードガスの供給量に基づいてクロスリーク異常を判定する。また、第３の実施形態において、制御部６０は、燃料電池システム１００の運転を停止させる際に、圧力センサ３３により検出されるアノードガス圧力に基づいて、クロスリーク異常を判定する。
低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定は、第１の実施形態、第２の実施形態と同様であるため、以下では、運転停止時のアノードガス圧力に基づくクロスリーク異常の判定において、燃料電池１の温度に基づいて判定閾値を変化させる手法について主に説明する。
図８は、燃料電池システム１００の運転を停止させる際に、燃料電池システム１００のステータス、インジェクタの駆動状態、排気弁５１の開閉状態、および圧力センサ３３により検出されるアノードガス圧力について、時系列の変化を示すタイミングチャートである。図８に示すように、時刻ｔ２１で燃料電池システム１００のステータスが運転中から停止処理中に切り換わると、インジェクタ３２の駆動が停止され、燃料電池１へのアノードガスの供給が停止される。排気弁５１が開かれることで、アノードガスの圧力は時間の経過とともに低下する。
時刻ｔ２２で排気弁５１が閉じられ、時刻ｔ２３から所定時間の間、インジェクタ３２が駆動される。排気弁５１が閉じた状態でインジェクタ３２が駆動されると、アノードガスが水素循環経路４０から排出されないため、アノードガスの圧力が上昇する。なお、カソードガスの供給は時刻ｔ２１以降に停止され、カソードガスの圧力はほぼ大気圧となる。このように、燃料電池システム１００の停止時には、アノードガスの圧力をカソードガスの圧力よりも高くしておくことで、カソードガスがアノード側に入ることが抑制されている。
時刻ｔ２３の後、インジェクタ３２の駆動が停止されると、アノードガスの圧力は時間の経過とともにクロスリーク量に応じた速度で低下する。このため、時刻ｔ２４からｔ２５までのクロスリーク異常検出区間において、圧力センサ３３が検出したアノードガス圧力に基づいてアノードガス圧力の低下速度が算出される。
ここで、クロスリーク異常が生じている場合は、クロスリーク異常が生じていない場合に比べてアノードガスがカソード側へ漏れるクロスリーク量が多く、アノードガス圧力の低下速度が大きくなる。したがって、アノードガスの低下速度と、所定の判定閾値ＴＨ＿ａを比較し、低下速度が判定閾値ＴＨ＿ａ以上の場合に、クロスリーク異常が生じていると判定される。
この際、クロスリーク量は燃料電池１の温度と相関があり、温度が高いほどクロスリーク量は大きくなる。より詳細には、クロスリーク量は燃料電池１の高分子電解質膜のアノードガスの透過率によって定まる。そして、高分子電解質膜の透過率は温度に依存し、温度が高いほど大きくなる。
したがって、燃料電池１の温度によらず判定閾値ＴＨ＿ａを一定値とすると、高温時は高分子電解質膜の透過率の増加によってクロスリーク量が増加するため、クロスリーク異常が生じていないにも関わらず、クロスリーク異常が生じていると誤判定される場合がある。
このため、判定閾値ＴＨ＿ａは、燃料電池１の温度に応じて、温度が高いほど大きな値に設定される。図９は、燃料電池１の温度と、判定閾値ＴＨ＿ａとの関係を規定したマップを示す模式図である。図９に示すように、燃料電池１の温度が高いほど判定閾値ＴＨ＿ａが大きな値に設定されることで、アノードガス圧力の低下速度に基づいてクロスリーク異常が正確に判定される。なお、燃料電池１の温度１は、燃料電池１を冷却する冷却液の温度を検出することにより求められる。また、燃料電池１の温度は、燃料電池システム１００の運転状態などの諸条件から推定される推定値であってもよい。
図１０は、第３の実施形態における、運転停止時のアノードガス圧力に基づくクロスリーク異常の判定と、低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定とを組み合わせた処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、制御部６０により所定の周期毎に行われる。なお、図１０の処理では、運転停止時のアノードガス圧力に基づく判定と、低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定の双方が成立する場合にクロスリーク異常が判定されるが、いずれか一方が成立する場合にクロスリーク異常が判定されてもよい。図１０において、ステップＳ１０〜Ｓ１６の処理は、図４と同様である。このため、以下では図４と相違する処理のみを説明する。
図４の処理では、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上の場合は、クロスリーク異常が発生していると判定した（ステップＳ１７）。一方、図１０の処理では、制御部６０は、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上の場合は、クロスリーク異常が発生していると仮判定する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０の後、制御部６０は、本制御周期における処理を終了する。
また、ステップＳ１０で低負荷運転ではないと判定された場合、制御部６０は、負荷１３０に電力を供給する通常運転を行う（ステップＳ３１）。次に、制御部６０は、燃料電池システム１００のステータスが運転中から停止処理に移行したか否かを判定し（ステップＳ３２）、停止処理に移行した場合はアノードガスの供給を停止する（ステップＳ３３）。これにより、インジェクタ３２の駆動が停止され、燃料電池１へのアノードガスの供給が停止される。
次に、制御部６０は、アノードガス圧力の低下速度ｖ＿ａが判定閾値ＴＨ＿ａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。ここで、判定閾値ＴＨ＿ａとして、燃料電池１の温度に応じて図９のマップから求められた値が適用される。そして、制御部６０は、アノードガス圧力の低下速度ｖ＿ａが判定閾値ＴＨ＿ａ以上である場合、前回以前の制御周期のステップＳ３０においてクロスリークの仮異常判定がされているか否かを判定し（ステップＳ３５）、クロスリークの仮異常判定がされている場合は、クロスリーク異常が発生していることを確定する（ステップＳ３６）。
一方、制御部６０は、ステップＳ３２で停止処理に移行していない場合、ステップＳ３４でアノードガス圧力の低下速度ｖ＿ａが判定閾値ＴＨ＿ａ未満の場合、またはステップＳ３５でクロスリークの仮異常判定がされていない場合、本制御周期における処理を終了する。
図１０の処理によれば、カソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上であり、且つアノードガス圧力の低下速度ｖ＿ａが判定閾値ＴＨ＿ａ以上の場合に、クロスリーク異常が確定される。
なお、図１０の処理において、アノードガス圧力の低下速度ｖ＿ａが判定閾値ＴＨ＿ａ以上の場合にクロスリーク異常が仮判定され、更にカソードガスの供給量Ｓが判定閾値ＴＨ＿ｗ以上となる場合にクロスリーク異常が確定されてもよい。
また、図１０の処理において、カソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定では、第２の実施形態と同様に、連続した低負荷運転中にカソードガスの供給量が判定閾値以上となることが複数回検知された場合にクロスリーク異常が仮判定されてもよい。
以上説明したように第３の実施形態によれば、運転停止時のアノードガス圧力に基づくクロスリーク異常の判定と低負荷運転時のカソードガスの供給量に基づくクロスリーク異常の判定とを組み合わせたことで、アノードガスの経路に漏れが生じている場合においてもクロスリーク異常を判定可能であり、またアノードガス圧力に基づいてクロスリーク量が定量的に得られる。更に、アノードガス圧力の低下速度と比較される判定閾値が燃料電池１の温度に応じて変化するため、アノードガス圧力の低下速度に基づくクロスリーク異常の判定が高精度に実現される。
１ 燃料電池
１０ エア供給経路１０
１１ コンプレッサ
１２ エア供給弁
１３ エア排出弁
１４ 流量計
２０ エア排出経路
２１ 調圧弁
３０ 水素供給経路
３１ 水素タンク
３２ インジェクタ
３３ 圧力センサ
４０ 水素循環経路
４１ 循環ポンプ
５０ 水素排出経路
５１ 排気弁
６０ 制御部
７０ 電圧センサ
１００ 燃料電池システム
１１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３０ 負荷

Claims (1)

  1. 複数のセルが積層された燃料電池と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、を備え、
    通常運転に比して負荷の低い低負荷運転時において、前記カソードガス供給部による前記カソードガスの供給量を制御することにより前記燃料電池の電圧を所定範囲に維持する燃料電池システムであって、
    前記低負荷運転時に、前記燃料電池の電圧を前記所定範囲に維持するための前記カソードガスの供給量が所定の判定閾値を超えた場合に、前記燃料電池にクロスリーク異常が発生したと判定する、燃料電池システム。
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