JP4378733B2 - 燃料電池システムと該システムにおける水素漏れ判定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムと該システムにおける水素漏れ判定方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば燃料電池車両に搭載される等する燃料電池システムの運転制御の改良に関する。
発電装置として燃料電池（例えば固体高分子型燃料電池）を搭載したいわゆる燃料電池車両には、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時、燃費を向上させる等のために燃料電池の発電を一時休止し、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段から補機（車両モータ等）への電力供給を行うようにしたものがある（本明細書ではこのような運転モードを「間欠運転」という）。
この間欠運転時、ＯＣＶ（開路電圧）が高くなって燃料電池が劣化してしまうことを抑制する必要がある。そこで、カソード電極に残留する酸素を消費するための電流掃引を行い、当該燃料電池の起電力を劣化電位以下に抑えるようにする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
さらに、間欠運転時等の燃料電池運転停止時、水素漏れやクロスリークの有無等を水素圧力の降下に基づいて判定することが行われている。
特開２００６−２９４３０４号公報
しかしながら、間欠運転時等の燃料電池停止時、水素漏れやクロスリークの有無等を上述のように水素圧力の降下によって判定する場合、電流掃引による圧力降下を水素漏れやクロスリークの有無等と誤判定してしまうおそれがある。
そこで、本発明は、間欠運転時等における燃料電池の運転停止時、水素漏れやクロスリークの有無等を水素圧力の降下によって判定する場合において、電流掃引による圧力降下を水素漏れやクロスリークの有無等と誤判定するのを抑え、水素漏れ等の判定精度を向上させるようにした燃料電池システムと該システムにおける水素漏れ判定方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来、水素漏れやクロスリークの有無を判定する際、水素ガスが供給されるアノードのガス圧を検出し、ガス圧が降下すればすなわち水素漏れが生じていると判定している。この場合、アノードにおいてある一定値以上の圧力降下（＝水素漏れ）が認められれば、１）ダイアグノーシス（車両に装着されているセンサの故障やパワートレーン制御用ＥＣＵの内部に異常が発生した場合にランプを点灯することによってドライバーに待避走行を促したり，サービス性向上のために車両の状態を規定のツールに表示したり、システムを停止させたりする機能のことで、ダイアグとも呼ばれる）を実施したり、２）エアブローを実施して排気水素濃度を一定以下に保つようにしたりしている。
ここで、アノードのガス圧力降下と水素透過量とは、電流掃引が行われていなければほぼ比例した関係となるため、従来におけるように水素ガスの圧力のみを監視すれば水素漏れやクロスリークの有無を判定することが可能である。ただし、間欠運転中に電流掃引（あるいは電流掃引による高電位回避制御等）が行われていると、１）電流掃引による圧力降下を水素漏れによる圧力降下と誤判定し、誤ってダイアグを行ってしまい、あるいは ２）電流掃引による圧力降下をクロスリークによる圧力降下と誤判定し、必要以上にエアブローを実施してしまう。
以上の点に関しさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料電池の運転停止時、当該燃料電池の劣化を抑制する電流掃引を実施可能な燃料電池システムにおいて、電流掃引による消費水素に基づいて水素圧力を補正することを特徴とするものである。上述したように、燃料電池システムにおいて間欠運転中に電流掃引が行われていると、当該電流掃引時に生じる圧力降下を、そのまま水素漏れによる圧力降下またはクロスリークによる圧力降下と誤判定してしまうおそれがある。この点、本発明にかかる燃料電池システムにおいては、電流掃引による水素消費を考慮し、当該水素消費に伴う降下分を補正することとしている。これによれば、電流掃引時に生じる圧力降下を考慮した水素圧力を得、各種判定の際に生じる誤判定を抑制することができる。ここで、燃料電池システムにおける燃料電池の運転停止は、例えば当該燃料電池システムの低負荷時に燃料電池システム中の蓄電手段から補機等への電力供給を行い、当該燃料電池の発電を一時休止させる間欠運転時のものである。
かかる燃料電池システムにおいては、補正した水素圧力に基づき、圧力降下による水素漏れ判定を行う。これによれば、水素漏れを判定する際の精度を向上させることが可能である。
また、本発明にかかる燃料電池システムにおいては、電流掃引による電流が所定値以上である場合に、補正した水素圧力に基づいて水素漏れの判定を行うことが可能である。一方で、電流掃引による電流が所定値に満たない場合には、電流掃引による圧力降下の影響が比較的小さい状況にあると判断して差し支えない。このように電流が小の場合には水素圧力の補正を実施しないこととすれば、常に煩雑な制御を行うことを回避できるという点で好ましい。
さらに、本発明にかかる燃料電池システムにおいては、電流掃引による電流が所定値以上である場合に、補正した水素圧力に基づいてクロスリークの判定を行うことが可能である。これによればクロスリーク判定の精度を向上させることができる。また、クロスリークの量が所定値以上の場合には、排気水素濃度低減制御（例えばエアブロー）を行い、間欠運転後におけるカソード側の排気水素濃度を一定以下に保つようにすることが好ましい。
また、かかる燃料電池システムは、水素圧力の補正を行う制御手段を備えているものである。
本発明にかかる燃料電池システムは、当該燃料電池のアノードにおける水素圧力を補正するようにしている。
さらに、当該燃料電池の温度またはアノードにおけるガス温度を計測する温度センサを備え、水素圧力の補正の際に該計測した温度をも考慮することが好ましい。発電により消費される水素量には燃料電池や当該水素ガスの温度も影響を及ぼす。したがって、当該温度をも考慮して水素圧力の変化量を求めることとすればさらに判定精度を向上させることが可能である。
また、電流掃引による消費水素に基づく水素圧力の補正を周期的に行うことも好ましい。圧力検出や補正結果の反映を何回かに分けて行えば、一度に行う場合よりも電流掃引の影響を早期に検出して反映することが可能である。
さらに本発明にかかる水素漏れ判定方法は、燃料電池システムの低負荷時に当該燃料電池システム中の蓄電手段から補機等への電力供給を行い当該燃料電池の発電を一時休止させる間欠運転が行われる燃料電池システムにおける水素漏れ判定方法であって、当該燃料電池の劣化を抑制する電流掃引が実施されている場合に、該電流掃引による消費水素に基づき燃料電池のアノードにおける水素圧力を補正し、該補正後の水素圧力に基づいて、圧力降下による水素漏れまたは圧力降下によるクロスリークの判定を行うというものである。なお、本明細書での「水素漏れ判定」という表現は広義のものであり、狭義の「水素漏れ」はもちろん、クロスリークのように水素が透過するような場合をも含んでいる。
本発明によれば、燃料電池の運転停止時、電流掃引による圧力降下を水素漏れやクロスリークの有無等と誤判定するのを抑え、水素漏れ等の判定精度を向上させることができる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図７に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル２と、該セル２を積層してなるセルスタック３と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段としての制御部７００と、を備えたシステムとして構成されているものである。以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成、ならびに燃料電池１を構成するセル２の構成について説明し、その後、間欠運転時等の燃料電池停止時、水素漏れやクロスリークの有無等を誤判定するのを抑えて判定精度を向上させるようにするための構成ないし処理について説明する。
図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御部７００と、を備えている。
燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。
酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。
水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。
供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８、および供給路１２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ１２９が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。符号１３０は、燃料電池１あるいは水素ガスの温度を検出する温度センサである。
循環路１２３には、水素オフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ１３２が設けられている。また、排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。
電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ（蓄電手段）１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。
バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。
制御部７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
続いて、図２、図３に本実施形態における燃料電池１およびセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図３参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート７で挟まれ、さらにこれらエンドプレート７どうしを繋ぐようにテンションプレート８からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている（図３参照）。
なお、このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムにおいて利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても利用することが可能である。
セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図２においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂで示している）等で構成されている（図２参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。
ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図２参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が形成されている（図２参照）。例えば本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。
さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。
また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図２中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ａは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図２等参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ｂも略矩形ないしは台形、あるいは両端が半円形状の長細矩形の透孔によって形成されている（図１参照）。なお、図２においてはａ，ｂの添字を省略した形で各マニホールドの符号を示している。
上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図２参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。
なお、本実施形態においては、冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂとをそれぞれセパレータ２０の冷却水流れ方向両側の一方寄りおよび他方寄りに配置している（図２参照）。すなわち、本実施形態においては冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂをセパレータ２０の対角線上に配置することとし、これによってセパレータ２０に対し冷却水が全面的に行き渡りやすくなるようにしている。
第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図２参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。
さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば独立した小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図２参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。
なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。
枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
続いて、燃料電池１の構成について簡単に説明する（図３参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を備え、当該セル積層体３の両端に位置するセル（端セル）２，２の外側に順次、断熱セル４、出力端子５ａ付のターミナルプレート５、インシュレータ（絶縁プレート）６およびエンドプレート７をさらに備えた構成となっている。セル積層体３に対しては、両エンドプレート７をつなぐように架け渡されたテンションプレート８によって積層方向への所定の圧縮力が加えられている。さらに、セル積層体３の一端側のエンドプレート７とインシュレータ６との間にはプレッシャプレート９とばね機構９ａとが設けられており、セル２に作用する荷重の変動が吸収されるようになっている。
断熱セル４は例えば２枚のセパレータとシール部材とで断熱層が形成されているもので、発電に伴い生じる熱が大気等に放熱されるのを抑える役割を果たす。すなわち、一般に、セル積層体３の端部は大気との熱交換により温度が低くなりやすいことから、当該セル積層体３の端部に断熱層を形成することによって熱交換（放熱）を抑えることが行われている。このような断熱層としては、例えば、セル２におけるものと同様の一対のセパレータに、膜−電極アッセンブリの代わりとして導電板などの断熱部材１０を挟み込んだ構成のものがある。この場合に用いられる断熱部材１０は断熱性に優れるほど好適であり、具体的には例えば導電性多孔質シートなどが用いられる。また、このような断熱部材１０の周囲をシール部材で封止することによって空気層が形成される。
ターミナルプレート５は集電板として機能する部材であり、例えば鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属で板状に形成されている。ターミナルプレート５のうち断熱セル４側の表面には、めっき処理等の表面処理が施されており、かかる表面処理により断熱セル４との接触抵抗が確保されている。めっきとしては、金、銀、アルミ、ニッケル、亜鉛、すず等を挙げることができ、例えば本実施形態では導電性、加工性および低廉性を勘案してすずめっき処理を施している。
インシュレータ６は、ターミナルプレート５とエンドプレート７等とを電気的に絶縁する機能を果たす部材である。このような機能を果たすため、かかるインシュレータ６は例えばポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。
エンドプレート７は、ターミナルプレート５と同様、各種金属（鉄、ステンレス、銅、アルミニウム等）で板状に形成されている。例えば本実施形態では銅を用いてこのエンドプレート７を形成しているがこれは一例に過ぎず、他の金属で形成されていても構わない。
テンションプレート８は両エンドプレート７，７間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される（図３参照）。テンションプレート８は、各エンドプレート７，７にボルト等で固定され、単セル２の積層方向に所定の締結力（圧縮力）を作用させた状態を維持する。このテンションプレート８の内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜が形成されている。絶縁膜は、具体的には例えば当該テンションプレート８の内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。
続いて、間欠運転時等の燃料電池停止時、水素漏れやクロスリークの有無等を誤判定するのを抑えて判定精度を向上させるようにするための構成ないし処理について説明する（図４〜図７参照）。
本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池１の運転停止時、当該燃料電池１の劣化を抑制する電流掃引を実施している場合に、電流掃引による消費水素に基づいて水素圧力（以下、アノード圧力ともいう）を補正することとしている。燃料電池システム１００において間欠運転中に電流掃引が行われていると、当該電流掃引時に生じる圧力降下をそのまま水素漏れによる圧力降下またはクロスリークによる圧力降下と誤判定してしまうことがあるが、本実施形態では、このような電流掃引による水素消費を考慮し、当該水素消費に伴う降下分を補正する。こうした場合、電流掃引時に生じる圧力降下を考慮したアノード圧力を得、各種判定の際に生じる誤判定を抑制することができる。
＜第１の実施形態＞
電流掃引による水素消費を考慮しない場合のアノード圧力（水素ガスの圧力）を示す「補正前圧力降下」（図４（Ａ））、電流掃引による水素消費を考慮した場合のアノード圧力を示す「補正後圧力降下」（図４（Ｂ））、さらに燃料電池１の発電電流値を示す「ＦＣ電流」（図４（Ｃ））の各グラフ、さらには水素漏れ判定の処理例を示すフローチャート（図５参照）を用い、燃料電池１の停止状態の下で行う水素漏れ判定の具体例を以下に説明する。図４（Ａ）、図４（Ｂ）の縦軸は圧力値、図４（Ｃ）の縦軸は電流値を示し、横軸はいずれも時間を示している。また、図４（Ａ）、図４（Ｂ）のアノード圧力はいずれも燃料電池１のアノードまたはその近傍における、いわば水素低圧系における圧力であり、例えば圧力センサ１３２等の検出結果を利用することができる。なお、燃料電池１の発電電流のことを以下「ＦＣ電流」ともいい、その値を「ＦＣ電流ｉ」と示す。
まず、燃料電池システム１００において間欠運転を開始したら（ステップＳＰ１）、ＦＣ電流ｉを計測し、制御部７００を利用して監視する（ステップＳＰ２）。監視中、ＦＣ電流ｉが所定の閾値以上であるかどうか判断する（ステップＳＰ３）。ＦＣ電流ｉが閾値未満であれば（ステップＳＰ３にてＮＯ）、その分だけ電流掃引による圧力降下分も少ないから、電流掃引の影響が比較的小さい状況にある、換言すれば水素漏れ判定に影響を及ぼしうる外乱が十分に少ない状況にあると判断し、通常の水素漏れ判定制御を実施する（ステップＳＰ４）。この場合には、アノード圧力についての補正を行わなくてもよく、ステップＳＰ５以降を実施しなくて済むからその分だけ処理を簡略にすることが可能である。
一方、ＦＣ電流ｉが所定の閾値以上であれば（ステップＳＰ３にてＹＥＳ）、間欠運転を開始してからの経過時間が所定時間（閾値）以上であるかどうか判断する（ステップＳＰ５）。所定時間を経過していなければ（ステップＳＰ５にてＮＯ）、ステップＳＰ３に戻って再びＦＣ電流ｉの大きさについての判断を行う（ステップＳＰ３）。逆に所定時間を経過していれば（ステップＳＰ５にてＹＥＳ）、ステップＳＰ６へと進む。このように、本実施形態においては間欠運転開始後から所定時間が経過するまでの間に、ＦＣ電流ｉが閾値を下回ることがなければステップＳＰ６以降の処理を実施して補正を行うこととしている。
ステップＳＰ６では、電流を補正して水素漏れ判定の制御を実施する（ステップＳＰ６）。この制御の具体的処理としては、まずＦＣ電流ｉを計測し、制御部７００を用いて計測電流を積分し、発電によるアノード圧力降下量Ｃ１に換算する（ステップＳＰ７）。続いて、
［数１］
アノード圧力の変化量ΔＰ１＝漏れ判定開始時のアノード圧力Ａ１−現在のアノード圧力Ｂ１＋発電によるアノード圧力降下量Ｃ１
という関係式に基づき、アノード圧力の変化量ΔＰ１を求める。こうして求められるアノード圧力の変化量ΔＰ１は、電流掃引による影響分を加味した補正後の変化量である。すなわち、漏れ判定開始時のアノード圧力がＡ１であり、現在のアノード圧力がＢ１であるとすると（図４（Ｂ）参照）、Ａ１とＢ１との差分（Ａ１−Ｂ１の値）が補正前のアノード圧力変化量ΔＰに該当する。従来は、このΔＰの値をそのまま水素漏れ（またはクロスリーク）に起因する圧力変化量であるとして扱っていたため、実際には水素漏れが起きていないような場合にも起きていると誤判定してしまうことが生じえた。この点、本実施形態の場合には、上述のごとく「発電によるアノード圧力降下量Ｃ１」を求め、電流掃引による圧力への影響分を反映させている。例示すれば、間欠運転中に水素漏れがまったくなければ、当該水素漏れに起因する圧力降下は０（ゼロ）であり、本実施形態では電流掃引による圧力変動（アノード圧力降下量Ｃ１）を考慮することによりアノード圧力変化量ΔＰ１＝０と判断し、水素漏れが生じていないとの判定結果を得ることが可能となっている（図４（Ｂ）参照）。一方、従来手法であればこの場合にアノード圧力変化量ΔＰ＝０という結果が得られず、その分だけ誤判定に至る可能性がある（図４（Ａ）参照）。
上述のステップＳＰ８に引き続き、本実施形態では、アノード圧力変化量ΔＰ１を水素漏れ量(NL/min)に変換し、水素漏れ量が一定以上の場合に警報を実施する（ステップＳＰ９）。この場合における警報の実施態様は従前のものと同様で構わない。以上の一連の処理を経て、燃料電池システム１００の運転停止時における水素漏れ判定を終了する（ステップＳＰ１０）。
なお、ステップＳＰ９においてアノード圧力変化量ΔＰ１を水素漏れ量(NL/min)に変換するに際し関連する関係式を挙げれば以下のとおりである。すなわち、
［数２］
発電により消費される水素量(mol/sec)＝発電電流(A)÷（２×ファラデー定数(96845C/mol)）×セル枚数
［数３］
発電により消費される水素量(L/sec)＝発電により消費される水素量(mol/sec)×22.4×（273＋ＦＣ温度(℃)）/273
［数４］
発電により降下するアノード圧力降下速度(kPa/sec)＝発電により消費される水素量(L/sec)÷アノード側スタック容積(L)×101.3(kPa)
という各関係式である。本実施形態では、発電により降下するアノード圧力降下速度を積分することにより、発電により降下するアノード圧力降下量(kPa)を求めている。
また、電流掃引による圧力変動の検出あるいは当該検出結果に基づく補正を周期的に行うことも好ましい。例えば本実施形態では、電流掃引に基づく圧力変動の検出と当該検出結果に基づく補正の反映を一定周期ごとに行うこととしている（図４（Ｂ）参照）。こうした場合、検出や補正結果の反映を何回かに分けて行うことができ、一度に行う場合よりも電流掃引の影響を早期に検出して反映できるという利点がある。なお、図４（Ｂ）においては、１回目周期時におけるアノード圧力降下量を符号Ｃ１で、２回目周期時におけるアノード圧力降下量を符号Ｃ１’でそれぞれ示している（図４（Ｂ）参照）。
＜第２の実施形態＞
続いて、燃料電池１の停止状態の下で行うクロスリーク判定の具体例を以下に説明する。ここでは、電流掃引による水素消費を考慮しない場合のアノード圧力（水素ガスの圧力）を示す「補正前圧力降下」（図６（Ａ））、電流掃引による水素消費を考慮した場合のアノード圧力を示す「補正後圧力降下」（図６（Ｂ））、さらに燃料電池１の発電電流値を示す「ＦＣ電流」（図６（Ｃ））の各グラフ、さらにはクロスリーク判定の処理例を示すフローチャート（図７参照）を用い、燃料電池１の停止状態の下で行うクロスリーク判定の具体例を説明する。図６（Ａ）、図６（Ｂ）の縦軸は圧力値、図６（Ｃ）の縦軸は電流値を示し、横軸はいずれも時間を示している。また、図６（Ａ）、図６（Ｂ）のアノード圧力はいずれも燃料電池１のアノードまたはその近傍におけるいわば水素低圧系における圧力である。
まず、燃料電池システム１００において間欠運転を開始したら（ステップＳＰ１１）、間欠運転開始時のアノード圧力Ａ２を検出し、例えば制御部７００のＲＡＭに記憶する（ステップＳＰ１２）。
続くステップＳＰ１３では、ＦＣ電流ｉを計測し、計測したＦＣ電流ｉを積分し、発電によるアノード圧力降下量Ｃ２に換算する。その後、アノードからカソードへの水素透過によるアノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２を、
［数５］
アノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２＝間欠運転開始時のアノード圧力Ａ２−現在のアノード圧力Ｂ２＋発電によるアノード圧力降下量Ｃ２
という関係式に基づき、アノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２を求める。こうして求められるアノード圧力の変化量（降下量）ΔＰ２は、電流掃引による影響分を加味した補正後の変化量である。すなわち、漏れ判定開始時のアノード圧力がＡ２であり、現在のアノード圧力がＢ２であるとすると（図６（Ｂ）参照）、Ａ２とＢ２との差分（Ａ２−Ｂ２）が補正前のアノード圧力変化量ΔＰに該当する。従来は、このΔＰの値をそのままクロスリーク（または水素漏れ）に起因する圧力変化量であるとして扱っていたため、実際にはクロスリークが起きていないような場合にも起きていると誤判定してしまうことが生じえた。この点、本実施形態の場合には、上述のごとく「発電によるアノード圧力降下量Ｃ２」を求め、電流掃引による圧力への影響分を反映させている。例示すれば、間欠運転中にクロスリークがまったくなければ、当該クロスリークに起因する圧力降下は０（ゼロ）であり、本実施形態では電流掃引による圧力変動（アノード圧力降下量Ｃ２）を考慮することによりアノード圧力変化量ΔＰ２＝０と判断し、クロスリークが生じていないとの判定結果を得ることが可能となっている（図６（Ｂ）参照）。一方、従来手法であればこの場合にアノード圧力変化量ΔＰ＝０という結果が得られず、その分だけ誤判定に至る可能性がある（図６（Ａ）参照）。
次に、水素透過によるアノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２が、所定の閾値以上であるかどうか判断する（ステップＳＰ１５）。水素透過によるアノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２が閾値以上であれば（ステップＳＰ１５にてＹＥＳ），エアブロー制御を実施し、排気水素濃度が一定以下になるような制御を行い（ステップＳＰ１６）、燃料電池システム１００の運転停止時におけるクロスリーク判定処理を終了する（ステップＳＰ１７）。一方、水素透過によるアノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２が閾値以上でなければ（ステップＳＰ１５にてＮＯ），ステップＳＰ１３に戻り、ＦＣ電流ｉの計測、およびＦＣ電流ｉの積分によるアノード圧力降下量Ｃ２への変換を再び行う（ステップＳＰ１３）。
なお、例えばステップＳＰ１４においてアノード圧力変化量ΔＰ２を水素漏れ量(NL/min)に変換するに際しては、上述した数式２〜４が関連するのは上述した第１の実施形態の場合と同様である。本実施形態においても、発電により降下するアノード圧力降下速度を積分することにより、発電により降下するアノード圧力降下量(kPa)を求めている。
また、電流掃引による圧力変動の検出あるいは当該検出結果に基づく補正を周期的に行うことも好ましい。例えば本実施形態では、電流掃引に基づく圧力変動の検出と当該検出結果に基づく補正の反映を一定周期ごとに行うこととしている（図６（Ｂ）参照）。こうした場合、検出や補正結果の反映を何回かに分けて行うことができ、一度に行う場合よりも電流掃引の影響を早期に検出して反映できるという利点がある。なお、図６（Ｂ）においては、ＦＣ電流ｉの計測を例えば３回行い、そのうちＦＣ電流ｉが計測された２回分についてアノード圧力降下量を変換して補正した場合を、１回目周期時におけるアノード圧力降下量を符号Ｃ２で、２回目周期時におけるアノード圧力降下量を符号Ｃ２’で表している（図６（Ｂ）参照）。
また、上述のアノード圧力変化量（降下量）ΔＰ２を求める際には、温度補正も実施することが好ましい。例えば上述した数式３から明らかなように、発電により消費される水素量にはＦＣ温度（燃料電池１の温度）も影響を及ぼす。したがって、例えば当該ＦＣ温度（あるいは、これにほぼ等しいアノードガス等の温度）をも考慮してアノード圧力変化量を求めることとすればさらに判定精度を向上させることが可能である。
ここまで説明したように、本発明にかかる燃料電池システム１においては、水素供給が停止している間欠運転中、電流掃引によって消費された水素を圧力降下分に換算し、この圧力降下分をアノードの全圧力降下分に反映させ、純粋にカソードから漏れた水素量あるいは純粋にクロスリークした水素量を精度よく求めることとしている。すなわち、間欠運転中に電流掃引を実施すると、電流掃引による圧力降下分を水素漏れによる圧力降下分と誤判定して誤ダイアグしたり、電流掃引による圧力降下分をクロスリークによる圧力降下分と誤判定して必要以上にエアブローを実施したりすることが起こりうるが、本実施形態においては、間欠運転中に電流を掃引することの影響を考慮し、検出結果として示される圧力降下分とこのうち実際の水素漏れ（またはクロスリーク）に起因する圧力降下分とを切り分け、影響分を補正してから判定を行うため、判定の際の精度を向上させ、誤判定に至るのを抑制することができる。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、水素漏れ判定を行う場合とクロスリーク判定を行う場合のそれぞれの実施形態を示したが、これら両判定を連続して実施することも可能である。このように両判定を連続併用する場合には、まずクロスリーク判定（第２の実施形態）を実施し、引き続いて水素漏れ判定（第１の実施形態）を実施することが好ましい。一般に、水素の漏れ量よりもクロスリーク量の方が極めて少ない。したがって、仮にクロスリークが認められてエアブロー制御を行ったとしても、このことが水素漏れ判定に及ぼす影響は極めて小さい。このようにクロスリーク判定→水素漏れ判定を引き続き実施する際、本発明にかかる水素漏れ判定方法を用いれば両判定を精度よく実施して誤判定を抑制することが可能である。
燃料電池システムの構成例を示す図である。 セル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。 燃料電池のセルスタックの構成を示す斜視図である。 本発明にかかる水素漏れ判定について説明するグラフであり、（Ａ）は電流掃引による水素消費を考慮しない場合のアノード圧力の変化（「補正前圧力降下」）を示す参考図、（Ｂ）は電流掃引による水素消費を考慮した場合のアノード圧力の変化（「補正後圧力降下」）を示す図、（Ｃ）は燃料電池の発電電流値（「ＦＣ電流」）を示す図である。 水素漏れ判定の際の処理例を示すフローチャートである。 本発明にかかるクロスリーク判定について説明するグラフであり、（Ａ）は電流掃引による水素消費を考慮しない場合のアノード圧力の変化（「補正前圧力降下」）を示す参考図、（Ｂ）は電流掃引による水素消費を考慮した場合のアノード圧力の変化（「補正後圧力降下」）を示す図、（Ｃ）は燃料電池の発電電流値（「ＦＣ電流」）を示す図である。 クロスリーク判定の際の処理例を示すフローチャートである。
符号の説明
１…燃料電池、１００…燃料電池システム、１３０…温度センサ、１６２…バッテリ（蓄電手段）、７００…制御部（制御手段）

Claims (11)

  1. 燃料電池の運転停止時、当該燃料電池の劣化を抑制する電流掃引を実施可能な燃料電池システムにおいて、
    当該燃料電池システムの低負荷時に燃料電池システム中の蓄電手段から補機等への電力供給を行い、当該燃料電池の発電を一時休止させる間欠運転に伴う運転停止時、水素圧力の補正を行う制御手段により、前記電流掃引による消費水素量に基づき当該燃料電池のアノードにおける水素圧力を補正することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記補正した水素圧力に基づき、圧力降下による水素漏れ判定を行うものである請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記電流掃引による電流が所定値以上である場合に、前記補正した水素圧力に基づいて水素漏れの判定を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記電流掃引による電流が所定値以上である場合に、前記補正した水素圧力に基づいてクロスリークの判定を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記クロスリークの量が所定値以上の場合に排気水素濃度低減制御を行う請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 当該燃料電池の温度または前記アノードにおけるガス温度を計測する温度センサを備え、前記水素圧力の補正の際に該計測した温度による影響も含めて当該水素圧力を補正する、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記電流掃引による消費水素量に基づく水素圧力の補正を周期的に行う請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムの低負荷時に当該燃料電池システム中の蓄電手段から補機等への電力供給を行い当該燃料電池の発電を一時休止させる間欠運転中の燃料電池システムにおける水素漏れ判定方法であって、
    当該燃料電池の劣化を抑制する電流掃引が実施されている場合に、該電流掃引による消費水素量に基づき前記燃料電池のアノードにおける水素圧力を補正し、該補正後の水素圧力に基づいて、圧力降下による水素漏れまたは圧力降下によるクロスリークの判定を行う
    燃料電池システムにおける水素漏れ判定方法。
  9. 前記電流掃引時の発電により降下する前記アノードの水素圧力の降下速度を積分し、当該発電による水素圧力降下分を算出し、当該水素圧力降下分を反映させる請求項８に記載の燃料電池システムにおける水素漏れ判定方法。
  10. 前記水素圧力の補正の際、当該燃料電池の温度または前記アノードにおけるガス温度による影響も含めて当該水素圧力を補正する、請求項９に記載の燃料電池システムにおける水素漏れ判定方法。
  11. 前記電流掃引による消費水素量に基づく水素圧力の補正を周期的に行う請求項８から１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける水素漏れ判定方法。
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