JP4806989B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池に供給される水素ガスの漏れを検知する技術に関する。

燃料電池に水素と酸素を供給して発電を行う燃料電池システムでは、その安全性を向上させるため、燃料電池のアノードに供給する水素ガスの漏れを検知する技術が種々検討されている。

例えば、下記特許文献１に記載の技術では、燃料電池の発電によって消費した水素量と燃料電池から排出された未利用の水素量との和に相当する総水素量から水素供給流路内の圧力降下量を推定し、この推定値と、圧力センサによって実測した圧力降下量とを比較することにより、水素供給流路内における水素の漏れを検知している。

特開２００３−１４８２５２号公報 特開平１１−１０８７３０号公報 特開２００３−３０８８６８号公報 特開２００３−３０８８６６号公報

こうした水素供給流路中には、水素タンクなどから供給される高圧の水素を減圧するための調圧弁が備えられていることが一般的である。燃料電池による発電中には、調圧弁の上流側と下流側とでは圧力状態が異なっていることから、水素漏れの発生場所によっては圧力センサによって水素の圧力降下量を検出することが困難な場合がある。例えば、調圧弁の上流側に圧力センサが備えられており、調圧弁の下流側で水素漏れが発生したような場合では、下流側で発生した水素漏れに伴う圧力変化は、調圧弁によって妨げられてしまい、調圧弁の上流側に設けられたセンサでその変化を精度よく検知することは困難となる。調圧弁の下流側での水素漏れが継続することにより調圧弁の下流側の圧力が一定以上下がって、調圧弁が開弁した状態にならないと下流側の影響が上流側に伝達しないからである。

このような状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、水素供給流路中に調圧弁が設けられている燃料電池システムであっても、水素漏れの検知を精度よく行うことにある。

上記課題に鑑み、本発明の燃料電池システムを次のように構成した。すなわち、
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給手段から前記水素供給流路への水素の供給を遮断する遮断弁と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から供給される水素を減圧する調圧弁と、
前記水素供給流路内の水素の状態量として、圧力および流量のうち少なくとも一方を検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池システムを、前記遮断弁を閉じるとともに前記調圧弁を開弁して非調圧の状態に保った漏れ検知可能状態にする状態制御手段と、
前記漏れ検知可能状態において前記状態量検出手段によって検出された前記状態量または状態量の変化を、予め設定された前記漏れ検知可能状態での前記状態量または状態量の変化に照らして前記水素供給手段よりも下流側に発生した水素漏れを検知する漏れ検知手段とを備えることを要旨とする。

このように構成された本発明の燃料電池システムによれば、調圧弁を開弁状態に保って非調圧状態とした上で水素漏れの検知を行うので、水素漏れが調圧弁を挟んで状態量検出手段の逆側で発生したとしても、その漏れに伴う圧力変化や流量変化を精度よく検知することが可能になる。従って、精度よく水素漏れの検知を行うことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として流量を検出する手段であり、
前記漏れ検知手段は、前記漏れ検知可能状態において、
前記状態量検出手段によって下流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記状態量検出手段よりも下流側で水素漏れが発生していると判断する手段と、
前記状態量検出手段によって上流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記状態量検出手段よりも上流側で水素漏れが発生していると判断する手段と
のうち少なくともいずれか一方を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、水素漏れに伴う流量の変化に応じて水素漏れの発生箇所を推定することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として圧力を検出する手段であり、
前記漏れ検知手段は、前記漏れ検知可能状態において、
前記状態量検出手段によって前記圧力が上昇したことを検出した場合に、前記閉弁後の遮断弁から前記水素供給流路内に対して水素漏れが発生していると検知する手段と、
前記状態量検出手段によって前記圧力が降下したことを検出した場合に、前記遮断弁よりも下流側で水素漏れが発生していると検知する手段と
のうち少なくともいずれか一方を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、水素漏れに伴う圧力の変化に応じて水素漏れの発生箇所を推定することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として前記流量と前記圧力とを共に検出する手段であり、
前記漏れ検知手段は、前記漏れ検知可能状態において、
前記状態量検出手段によって、前記圧力の上昇を検出するとともに下流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記遮断弁から前記水素供給流路内に対して水素漏れが発生していると判断する手段と、
前記状態量検出手段によって、前記圧力の上昇を検出するとともに上流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記状態量検出手段が異常であると判断する手段と、
前記状態量検出手段によって、前記圧力の降下を検出するとともに下流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記流量検出手段よりも下流側で水素漏れが発生していると判断する手段と、
前記状態量検出手段によって、前記圧力の降下を検出するとともに上流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記流量検出手段よりも上流側で水素漏れが発生していると判断する手段と
のうち少なくともいずれか一つの手段を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、水素漏れに伴う流量の変化と圧力の変化の組み合わせに応じて水素漏れの発生箇所を推定することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として前記流量を検出する手段であり、
前記漏れ検知手段は、前記状態量検出手段によって検出された流量が、前記燃料電池内の電解質膜をアノードからカソードに透過する標準的な水素の流量よりも大きい場合に、水素漏れが発生していると判断する手段を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、燃料電池内の電解質膜を水素がアノードからカソードに透過するクロスリーク現象を考慮して水素漏れの発生を検知することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検知手段は、前記状態制御手段が前記遮断弁を閉じてから前記調圧弁が開弁して非調圧状態となるまでの時間を計測し、
該時間が、水素漏れのない場合に要する標準的な時間よりも短い場合に水素漏れが発生していると判断する手段と、
該時間が、前記標準的な時間よりも長い場合に前記遮断弁から前記水素供給流路に水素が漏れていると判断する手段と
のうち少なくともいずれか一方を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、調圧弁が開弁して非調圧状態となるまでに要する時間に応じて水素漏れの発生箇所を推定することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として前記流量を検出する手段であり、
前記漏れ検知手段は、前記調圧弁が開弁して非調圧状態となった以後の前記流量の時間変化率を求め、該時間変化率が、水素漏れのない場合における標準的な時間変化率よりも小さい場合に、水素漏れが発生していると判断する手段を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、調圧弁が全開となった以後の水素流量の時間変化率に応じて水素漏れの発生を検知することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記調圧弁よりも下流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記状態制御手段は、前記遮断弁を開弁して前記水素供給流路に水素を供給した後、前記圧力センサによって検出した前記調圧弁の下流側の圧力が、前記調圧弁が開弁して非調圧状態に維持される所定の目標値に達した場合に前記遮断弁を閉じることで、前記燃料電池システムを前記漏れ検知可能状態にするものとしてもよい。

このような構成であれば、システム起動時など、遮断弁を開弁するタイミングで、調圧弁を開弁状態にして水素漏れの検知を行うことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記調圧弁よりも下流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記状態制御手段は、前記遮断弁を閉弁した後、前記圧力センサによって検出した前記調圧弁の下流側の圧力が、前記調圧弁が開弁して非調圧状態に維持される所定の目標値に達するまで、前記水素供給流路内に存在する水素を消費させることにより、前記燃料電池システムを前記漏れ検知可能状態にするものとしてもよい。

このような構成であれば、システム停止時や間欠運転時など、遮断弁を閉弁するタイミングで、調圧弁を開弁状態にして水素漏れの検知を行うことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記調圧弁よりも下流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する下流側圧力センサと、
前記調圧弁よりも上流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する上流側圧力センサとを備え、
前記状態制御手段は、前記遮断弁を閉弁した後、前記下流側圧力センサによって検出した圧力と、前記上流側圧力センサによって検出した圧力とが同一圧力となるまで、前記水素供給流路内に存在する水素を消費させることにより前記調圧弁を開弁させ、前記燃料電池システムを前記漏れ検知可能状態にするものとしてもよい。

このような構成であれば、調圧弁の上流側と下流側の圧力を同一とすることで、調圧弁を開弁状態にして水素漏れの検知を行うことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検知手段は、前記燃料電池によって発電を行うことより、前記水素を消費させる手段を備えるものとしてもよく、また、前記燃料電池から前記水素の排出を行うことにより、前記水素を消費させる手段を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、調圧弁の下流側の水素の圧力が高い場合であっても、その圧力を低下させて調圧弁を開弁させることができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記調圧弁は、外部からの制御に基づき開度を直接調整可能な可変調圧弁であり、
前記状態制御手段は、前記調圧弁を制御することで前記調圧弁を開弁して非調圧状態に保つものとしてもよい。

このような構成であれば、水素の消費を行うことなく調圧弁を開弁させることができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記水素供給流路には、前記遮断弁と前記状態量検出手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素を一時的に貯蔵するバッファタンクが接続されているものとしてもよい。

このような構成であれば、遮断弁の閉弁後にもバッファタンクから水素供給流路に水素が供給されることになるため、時間をかけて水素漏れの検知を行うことができ、その検知精度を向上させることができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記調圧弁として、前記水素供給流路内の異なる場所に、下流側から順に第１の調圧弁と第２の調圧弁とが設けられており、
更に、前記第１の調圧弁と第２の調圧弁との間に設けられた第２の遮断弁を備え、
前記状態量検出手段は、前記第２の遮断弁と前記第２の調圧弁との間に設けられ、
前記状態制御手段は、前記遮断弁を閉じるとともに前記第１の調圧弁と第２の調圧弁とを開弁状態に保った後に、前記第２の遮断弁を閉弁することで、前記燃料電池システムを漏れ検知可能状態にし、
前記漏れ検知手段は、前記状態量検出手段によって検出された前記状態量に基づき、前記水素供給手段から前記遮断弁を介して前記水素供給流路内に漏れる水素を検知する手段を備えるものとしてもよい。

このような構成であれば、２つの調圧弁の間に設けられた状態量検出手段を用いて遮断弁からの水素漏れを検出することができる。かかる位置に設けられる状態量検出手段は、耐圧性能をそれほど要求されないため、精度のよいセンサを採用することができ、遮断弁からの水素漏れを精度よく検知することが可能になる。

また、本発明は、次のような燃料電池システムとしても構成することができる。すなわち、
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給手段から前記水素供給流路への水素の供給を遮断する遮断弁と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から供給される水素を減圧する調圧弁と、
前記水素供給流路内の水素の状態量として、圧力および流量のうち少なくとも一方を検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池システムを、前記遮断弁を閉じるとともに前記調圧弁を開弁して該調圧弁の上流側と下流側の圧力状態を同一にした漏れ検知可能状態にする状態制御手段と、
前記漏れ検知可能状態において前記状態量検出手段によって検出された前記状態量または状態量の変化を、予め設定された前記漏れ検知可能状態での前記状態量または状態量の変化に照らして前記水素供給手段よりも下流側に発生した水素漏れを検知する漏れ検知手段と
を備えることを要旨とする。

このような構成の燃料電池システムであれば、調圧弁の上流側と下流側とを同一の圧力状態とすることができるので、水素漏れが調圧弁を挟んだ位置で発生したとしても、その漏れに伴う圧力変化や流量変化は、状態量検出手段まで迅速に伝達することになる。従って、精度よく水素漏れを検知することが可能になる。

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの全体構成：
（Ａ２）システム起動時における異常検知処理：
（Ａ３）システム起動時における異常検知処理の他の態様：
（Ａ４）システム停止時における異常検知処理：
（Ａ５）第１実施例の変形例：
Ｂ．第２実施例：
（Ｂ１）燃料電池システムの全体構成：
（Ｂ２）システム停止時における異常検知処理：
（Ｂ３）システム停止時における異常検知処理の他の態様：

Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。図示するように、本実施例の燃料電池システム１００は、車両９０に搭載されており、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池１０や、高圧状態の水素ガスを貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に空気を供給するエアコンプレッサ３０、燃料電池１０によって発電された電力により充電される二次電池４０、燃料電池１０によって発電された電力や二次電池４０からの電力によって車軸５５を駆動するモータ５０、燃料電池システム１００や車両９０の運転制御を行う制御コンピュータ４００等を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続された二次電池４０やモータ５０に供給される。

エアコンプレッサ３０は、空気供給流路３４を介して燃料電池１０のカソードに接続されており、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。電気化学反応に供された後の空気（カソードオフガス）は、カソードオフガス流路３６を通じて外部に排出される。

水素タンク２０には、数十ＭＰａの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵されている。この水素タンク２０は、特許請求の範囲に記載した水素供給手段に相当し、水素供給流路２４を介して燃料電池１０のアノードに接続されている。水素タンク２００と水素供給流路２４との間には、主止弁２００が設けられている。この主止弁２００は、特許請求の範囲に記載した遮断弁に相当し、制御コンピュータ４００によってその開閉が制御される。主止弁２００が、かかる制御によって、開状態になると、水素タンク２０から水素供給流路２４を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給され、閉状態になると、水素ガスの供給が遮断されることになる。水素供給流路２４の流路中には、水素タンク２０から近い順番に、状態量検出手段としての水素流量計３００と、調圧弁２１０とが設けられている。

水素タンク２０から水素供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、調圧弁２１０によって所定の圧力に減圧される。この減圧後の圧力は、燃料電池１０による発電に適した圧力に設定されている。以下の説明では、調圧弁２１０によって異なる圧力状態となった水素供給流路２４の区間をそれぞれ、図示するように、低圧部ＬＳと高圧部ＨＳと呼ぶ。低圧部ＬＳと高圧部ＨＳとには、それぞれ、該当区間を流れる水素ガスの圧力を検出する圧力センサ３１０，３３０が状態量検出手段として備えられている。

水素流量計３００は、調圧弁２１０の上流側、すなわち、高圧部ＨＳを流れる水素の流量を検出する。水素流量計３００は、制御コンピュータ４００に接続されている。この水素流量計３００は、燃料電池１０側（下流側）への水素の流れを検出した場合にプラスの電圧を出力し、水素タンク２０側（上流側）への水素の流れを検出した際に、マイナスの電圧を出力する。すなわち、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００から入力する電圧の正負に基づいて、水素の流れの方向を判別することができる。

燃料電池１０のアノード側の出口には、アノードオフガス流路２６が接続されている。このアノードオフガス流路２６は、２つに分岐しており、一方は、循環装置７０を介して水素供給流路２４の低圧部ＬＳに接続され、もう一方は、パージ弁２４０を介してアノードオフガス排出流路２７に接続されている。循環装置７０としては、例えば、エジェクタやポンプを用いることができる。アノードオフガス中には、燃料電池１０による発電に供しきれなかった水素ガスが残留している場合があり、このアノードオフガスを循環装置７０によって循環させて、再度、燃料電池１０に供給することにより、効率的に水素ガスを利用することができる。

パージ弁２４０は、制御コンピュータ４００による制御に従い、所定のタイミングで開弁される。アノードオフガス中には、上述した残留水素以外にも、燃料電池１０内の電解質膜を介してカソード側から透過した空気中の窒素や水分等の不純物が含まれるため、これらを、定期的に外部に排出するためである。例えば、制御コンピュータ４００は、アノードオフガス中の不純物の濃度を燃料電池の発電量等から推定して、パージ弁２４０を開弁するタイミングを調整することができる。

制御コンピュータ４００は、特許請求の範囲に記載した状態制御手段および漏れ検知手段に相当し、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートを備えている。ＲＯＭには、後述する異常検知処理を行うためのプログラムや、車両９０や燃料電池システム１００の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭに展開して実行する。入出力ポートには、水素流量計３００や圧力センサ３１０，３３０等が接続され、また、主止弁２００やパージ弁２４０、エアコンプレッサ３０、図示していないイグニションスイッチ等も接続される。

（Ａ２）システム起動時における異常検知処理：
図２は、イグニションスイッチのオン操作によって燃料電池システム１００が起動された際に制御コンピュータ４００が実行する異常検知ルーチンのフローチャートである。この異常検知ルーチンは、燃料電池１０に供給される水素がいずれかの箇所から漏れていないかを検知するために実行される処理である。

このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００を開き（ステップＳ１００）、水素タンク２０から水素ガスを水素供給流路２４内に供給する。そして、圧力センサ３１０によって、調圧弁２１０の下流側、すなわち、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１を検出し（ステップＳ１１０）、検出された圧力Ｐ１が、所定の目標値に達したか否かを判断する（ステップＳ１２０）。この目標値は、調圧弁２１０に設定された設定圧よりも低い値であり、調圧弁２１０が全開となり、非調圧状態に維持される値に設定されている。

上記ステップＳ１２０において、圧力Ｐ１が目標値に達していなければ（ステップＳ１２０：Ｎｏ）、上記ステップＳ１１０に処理を戻し、引き続き水素タンク２０からの水素の供給を継続する。一方、圧力Ｐ１が目標値に達すれば（ステップＳ１２０：Ｙｅｓ）、主止弁２００とパージ弁２４０とを閉じる（ステップＳ１３０）。こうすることにより、調圧弁２１０が全開状態で、かつ、燃料電池１０のアノード側に接続された配管が閉じた状態となる。このように、調圧弁２１０を開弁して非調圧状態に保ち、アノード側の配管を閉じた状態にして調圧弁２１０の上流側と下流側とが同一の圧力状態となった状態のことを「漏れ検知可能状態」というものとする。漏れ検知可能状態では、水素漏れが生じていなければ、配管内の水素の圧力や流量は変動しないことになる。ただし、燃料電池１０のアノード側からは、燃料電池１０内の電解質膜を介してカソード側に水素が透過することがあるが（以下、このような現象を「クロスリーク」と呼ぶ）、本実施例では、このようなクロスリークによる漏れは微量であると仮定し、考慮しないものとする。

こうして、制御コンピュータ４００は、システムを漏れ検知可能状態にすると、水素流量計３００によって水素ガスの流量Ｑを検出するとともに、圧力センサ３３０によって水素供給流路２４内の圧力Ｐ３を検出する（ステップＳ１４０）。そして、検出した流量Ｑと圧力Ｐ３の状態に基づき、所定の異常判定テーブルを参照して、異常の有無を判定する（ステップＳ１５０）。なお、上記ステップＳ１４０では、高圧部ＨＳの圧力センサ３３０を用いて水素供給流路２４内の圧力を検出するものとしたが、調圧弁２１０は全開であるため、低圧部ＬＳと高圧部ＨＳとでは、圧力状態は同じである。そのため、低圧部ＬＳの圧力センサ３１０を用いて水素供給流路２４内の圧力を検出するものとしてもよい。

図３は、異常判定テーブルの一例を示す説明図である。図示するように、この異常判定テーブルには、漏れ検知可能状態における流量Ｑと圧力Ｐ３の挙動に応じて、異常の有無および異常箇所が予め設定されている。以下、かかる異常判定テーブルに基づく異常判定方法を圧力Ｐ３のとり得る状況に応じて具体的に説明する。

＜圧力Ｐ３が上昇した場合＞
制御コンピュータ４００は、圧力Ｐ３の上昇を検出するとともに下流方向への流量Ｑを検出した場合には、主止弁２００から水素供給流路２４に対して水素が漏れている（以下、このような現象を「主止弁漏れ」という）と判定する。また、流量Ｑが検出されなくても、圧力Ｐ３の上昇が検出されれば、主止弁漏れが発生していると判定する。漏れ量が微量であれば、水素流量計３００によって流量が検出されない場合があるためである。そのほか、制御コンピュータは、圧力Ｐ３の上昇を検出するとともに、上流方向への流量Ｑを検出した場合には、センサ異常であると判定する。このような状況は想定できないためである。また、上記異常検知ルーチンのステップＳ１４０において流量Ｑの検出を省略した場合には、圧力Ｐ３の上昇が検出されれば、主止弁漏れが発生したものとして判定するものとしてもよい。

＜圧力Ｐ３に変化がない場合＞
制御コンピュータ４００は、圧力Ｐ３の値に変化がなく、流量Ｑも略ゼロであれば、水素漏れ等は発生しておらず、異常なしと判定する。しかし、圧力Ｐ３に変化がないにもかかわらず、下流方向への流量Ｑや上流方向への流量Ｑを検出した場合には、このような状況が想定できないため、センサに異常が発生したと判定する。そのほか、上記異常検知ルーチンのステップＳ１４０において流量Ｑの検出を省略した場合には、圧力Ｐ３に変化がなければ、異常なしと判定するものとしてもよい。

＜圧力Ｐ３が低下した場合＞
圧力Ｐ３の低下を検出するとともに下流方向への流量Ｑを検出した場合には、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００よりも下流側で漏れが発生していると判定する。一方、圧力Ｐ３の低下を検出するとともに上流方向への流量Ｑが検出されれば、水素流量計３００よりも上流側で漏れが発生していると判定する。そのほか、圧力Ｐ３が低下しているにもかかわらず、流量Ｑが略ゼロであれば、主止弁２００よりも下流のいずれかの部位で水素漏れが発生していると判定する。漏れが微量の場合には、流量が検出されない場合があるからである。また、上記異常検知ルーチンのステップＳ１４０において流量Ｑの検出を省略した場合には、圧力Ｐ３の低下を検出すれば、主止弁２００よりも下流のいずれかの部位で水素漏れが発生していると判定するものとしてもよい。

＜圧力Ｐ３の検出を省略した場合＞
上記ステップＳ１４０において、圧力Ｐ３の検出を省略し、流量Ｑのみによって漏れの判定をする場合には、制御コンピュータ４００は、下流方向への流量Ｑを検出すれば、水素流量計３００よりも下流側で水素漏れが発生していると判定し、上流方向への流量Ｑを検出すれば、水素流量計３００よりも上流側で水素漏れが発生していると判定する。流量Ｑが略ゼロであれば、異常なしと判定する。

説明を図２に戻す。制御コンピュータ４００は、上述した異常判定テーブルに基づく異常判定の結果、異常が発生したと判断すれば（ステップＳ１６０：Ｙｅｓ）、計器板への警告表示やアラーム音の発声等によって運転者に異常が発生した旨を報知し（ステップＳ１７０）、異常検知ルーチンを終了する。一方、異常なしと判断すれば（ステップＳ１６０：Ｎｏ）、主止弁２００を開くことにより（ステップＳ１８０）、燃料電池１０による発電を開始し、異常検知ルーチンを終了する。

以上で説明した異常検知処理では、システム起動時の燃料電池１０に水素を供給する過程において低圧部ＬＳ内の水素圧力が設定圧よりも低い段階においては、調圧弁２１０が全開になっているため、調圧弁２１０によって区画される低圧部ＬＳと高圧部ＨＳの圧力状態は同一となり、低圧部ＬＳ側で水素漏れに伴う流量変化や圧力変動が生じれば、その影響がすぐに高圧部ＨＳ側にも伝達されることになる。従って、調圧弁２１０よりも上流側に設けた水素流量計３００や圧力センサ３３０だけで、効率よく、水素タンク２０よりも下流側全体で生じる水素漏れの検出を行うことが可能になる。

（Ａ３）システム起動時における異常検知処理の他の態様：
図４は、図２に示した異常検知ルーチンの他の態様を示すフローチャートである。図２に示した異常検知ルーチンでは、水素の供給開始後、圧力Ｐ１が所定の目標値になった段階で主止弁２００とパージ弁２４０を閉じて異常判定を行うものとしたが、図４に示したルーチンでは、一旦、圧力Ｐ１が調圧弁２１０の設定圧となるまで水素の供給を継続し、その後、調圧弁２１０が全開になる圧力まで圧力Ｐ１を低下させて異常判定を行う。

このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００を開き（ステップＳ２００）、水素ガスを水素供給流路２４内に供給する。そして、圧力センサ３１０によって、調圧弁２１０の下流側の圧力Ｐ１を検出し（ステップＳ２１０）、検出された圧力Ｐ１が、調圧弁２１０に設定された設定圧、すなわち、燃料電池１０での発電に適した圧力に達したか否かを判断する（ステップＳ２２０）。この判断の結果、圧力Ｐ１が設定圧に達していない場合には（ステップＳ２２０：Ｎｏ）、上記ステップＳ２１０に処理も戻し、引き続き、水素ガスの供給を継続する。

上記ステップＳ２２０において、圧力Ｐ１が設定圧に達していていると判断されれば（ステップＳ２２０：Ｙｅｓ）、制御コンピュータ４００は、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じて（ステップＳ２３０）、アノード側の配管を閉じた状態にする。この段階では、圧力Ｐ１が設定圧に達しているため、調圧弁２１０が閉弁されており、水素供給流路２４の低圧部ＬＳと高圧部ＨＳとは異なる圧力状態となっている。

次に、制御コンピュータ４００は、水素消費処理を実行する（ステップＳ２４０）。水素消費処理とは、水素供給流路２４中に存在する水素を消費するための処理である。具体的には、例えば、燃料電池１０による発電やパージ弁２４０の開弁によって、水素を消費することができる。

水素消費処理を実行すると、制御コンピュータ４００は、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１を検出し（ステップＳ２５０）、検出した圧力Ｐ１が、所定の目標値まで低下したか否かを判定する（ステップＳ２６０）。この目標値は、図２で説明した目標値と同じである。すなわち、調圧弁２１０に設定された設定圧よりも低い値であり、調圧弁２１０が全開となって非調圧状態に維持される圧力値である。このステップＳ２６０で、圧力Ｐ１が目標値まで低下していないと判断されれば（ステップＳ２６０：Ｎｏ）、上記ステップＳ２４０に処理を戻し、水素消費処理を継続する。

上記ステップＳ２６０で、圧力Ｐ１が目標値まで低下したと判断されれば（ステップＳ２６０：Ｙｅｓ）、調圧弁２１０が全開となって非調圧の状態になり、システムが漏れ検知可能状態になったと判断できる。そこで、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００によって水素の流量Ｑを検出するとともに、圧力センサ３３０によって高圧部ＨＳの圧力を検出して（ステップＳ２７０）、図３に示した異常判定テーブルに基づき、異常判定を行う（ステップＳ２８０）。この判定の結果、異常ありと判定されれば（ステップＳ２９０：Ｙｅｓ）、運転者にその旨を報知し（ステップＳ３００）。異常なしと判定されれば（ステップＳ２９０：Ｎｏ）、主止弁２００を開くことにより燃料電池による発電を開始し（ステップＳ３１０）、一連の異常検知ルーチンを終了する。

以上で説明した異常検知ルーチンによれば、水素供給流路２４の低圧部ＬＳを一旦、調圧弁２１０の設定圧まで昇圧させ、その後、水素消費処理を行うことで、その圧力を、調圧弁２１０が全開となる目標値まで低下させる。このような方法によっても、高圧部ＨＳに設けた水素流量計３００や圧力センサ３３０で、低圧部ＬＳ側に発生した水素漏れまで効率よく検出することが可能になる。

なお、上記ステップ２６０では、水素消費処理後の低圧部ＬＳの圧力Ｐ１が目標値となった場合にシステムが漏れ検知可能状態になったものとして判断するものとしたが、そのほかにも、例えば、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１と高圧部ＨＳの圧力Ｐ３とを検出して比較し、両圧力が同一となった場合に、調圧弁２１０が開弁され、システムが漏れ検知可能状態になったと判断することもできる。

（Ａ４）システム停止時における異常検知処理：
図５は、燃料電池システム１００の停止時に制御コンピュータ４００が実行する異常検知ルーチンのフローチャートである。制御コンピュータ４００は、例えば、イグニッションスイッチをオフにして車両を完全に停止させた場合や、いわゆる間欠運転時、すなわち、燃料電池１０による発電を停止させ、二次電池４０に蓄えられた電力のみによって車両９０を駆動する場合に、この異常検知ルーチンを実行する。

このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００とパージ弁２４０とを閉じて（ステップＳ４００）、アノード側の配管を閉じた状態にする。そして、水素消費処理を実行し（ステップＳ４１０）、水素供給流路２４の低圧部ＬＳの圧力を減圧する。次に、制御コンピュータ４００は、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１を検出すると（ステップＳ４２０）、この圧力Ｐ１が所定の目標値にまで減圧されたかどうかを判断し（ステップＳ４３０）、目標値まで減圧されていなければ（ステップＳ４３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ４１０に処理を戻し、水素消費処理を継続する。

上記ステップＳ４３０で、圧力Ｐ１が目標値まで低下したと判断されれば（ステップＳ４３０：Ｙｅｓ）、調圧弁２１０は全開になり、システムは漏れ検知可能状態となる。そこで、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００によって水素の流量Ｑを検出するとともに、圧力センサ３３０によって高圧部ＨＳの圧力Ｐ３を検出して（ステップＳ４４０）、図３に示した異常判定テーブルに基づき、異常判定を行う（ステップＳ４５０）。この異常判定の結果、異常ありと判定されれば（ステップＳ４６０：Ｙｅｓ）、運転者にその旨を報知し（ステップＳ４７０）、異常検知ルーチンを終了する。

なお、間欠運転状態において、異常ありと判断されれば、燃料電池１０による発電を抑制もしくは禁止して、二次電池４０による運転のみを許容する運転モードとしてもよい。また、イグニッションスイッチをオフにして車両を完全に停止させた状態の場合に、異常ありと判断された場合には、車両９０の再始動や燃料電池１０の再運転を禁止するものとしてもよい。

以上で説明した異常検知ルーチンでは、水素消費処理を行って、水素供給流路２４の低圧部ＬＳを減圧することで、調圧弁２１０を全開状態とすることができる。そのため、停車時や間欠運転時など、システムを停止させる場合においても、システム起動時における異常検知処理と同様に、高圧部ＨＳ側に設けた水素流量計３００や圧力センサ３３０だけで、低圧部ＬＳ側に発生した水素漏れを効率的に検出することができる。

なお、上記ステップＳ４３０では、水素消費処理後の低圧部ＬＳの圧力Ｐ１が目標値となった場合にシステムが漏れ検知可能状態になったものとして判断するものとしたが、そのほかにも、例えば、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１と高圧部ＨＳの圧力Ｐ３とを検出して比較し、両圧力が同一となった場合に、調圧弁２１０が開弁され、システムが漏れ検知可能状態になったと判断することもできる。

（Ａ５）第１実施例の変形例：
（第１変形例）
上述した第１実施例では、調圧弁２１０の設定圧は固定であり、その開度は自動で調整できないものであることを前提に説明した。しかし、本変形例では、調圧弁２１０は可変調圧弁であるものとし、制御コンピュータ４００による制御によってその開度を調整可能であるものとする。

図６は、調圧弁２１０を可変調圧弁とした場合における異常検知ルーチンのフローチャートである。この異常検知ルーチンは、システム停止時に実行されるものとして説明する。このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００とパージ弁２４０とを閉じて（ステップＳ５００）、アノード側の配管を閉じた状態にする。そして、可変調圧弁を制御して強制的に全開にする（ステップＳ５１０）。

次に、制御コンピュータ４００は、圧力センサ３１０を用いて低圧部ＬＳの圧力Ｐ１を検出し（ステップＳ５２０）、検出した圧力Ｐ１が安定したか否かを判定する（ステップＳ５３０）。具体的には、所定の期間に亘って圧力Ｐ１の値が一定の範囲内に収まった場合に、圧力が安定したと判定することができる。かかる判定の結果、圧力Ｐ１が安定していないと判断されれば、上記ステップＳ５２０に処理を戻すことにより、圧力Ｐ１が安定するまでループを行う。なお、ステップＳ５２０とステップＳ５３０とでは、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１と高圧部ＨＳの圧力Ｐ３とを検出して、両圧力が同一となった場合に、圧力が安定したと判断してもよい。

上記ステップＳ５３０において圧力Ｐ１が安定したと判断されれば（ステップＳ５３０：Ｙｅｓ）、水素供給流路２４の高圧部ＨＳと低圧部ＬＳとは、同一の圧力状態となり、システムが漏れ検知可能状態になったと判断できる。そこで、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００によって水素の流量Ｑを検出するとともに、圧力センサ３３０によって高圧部ＨＳの圧力Ｐ３を検出して（ステップＳ５４０）、図３に示した異常判定テーブルに基づき、異常判定を行う（ステップＳ５５０）。この判定の結果、異常ありと判定されれば（ステップＳ５６０：Ｙｅｓ）、運転者にその旨を報知し（ステップＳ５７０）、異常検知ルーチンを終了する。

以上で説明したように、調圧弁２１０を可変調圧弁として構成するものとすれば、水素消費処理によって低圧部ＬＳの圧力を減圧することなく、調圧弁２１０を全開にすることができるので、容易に水素漏れの検知を行うことが可能になる。また、水素の消費量を低減することもできる。

（第２変形例）
図７は、第２変形例としての燃料電池システム１００ｂの全体構成を示す説明図である。図示する燃料電池システム１００ｂは、図１に示した燃料電池システム１００とほぼ同様の構成であるが、水素供給流路２４の主止弁２００と水素流量計３００との間に、バッファタンク２１を接続するものとした。このバッファタンク２１には、水素タンク２０から水素供給流路２４に水素が供給されると、その水素が一時的に蓄えられることになる。

このように、バッファタンク２１を水素供給流路２４に接続するものとすれば、主止弁２００とパージ弁２４０とを閉じて異常検知を行う際に、このバッファタンクから水素供給流路２４に水素が供給されることになる。そのため、水素漏れが発生していた場合には、より長い時間をかけて水素漏れの検知を行うことができ、漏れ検知の精度を向上させることが可能になる。

（第３変形例）
図８は、第３変形例としての燃料電池システム１００ｃの全体構成を示す説明図である。上述した第１実施例の燃料電池システム１００では、調圧弁２１０よりも下流側で生じた水素漏れを上流側に設けた水素流量計３００で効率よく検出することを目的としたが、本変形例の燃料電池システム１００ｃは、主止弁漏れを検知することを目的としている。

本変形例の燃料電池システム１００ｃは、図１に示した燃料電池システム１００の水素供給流路２４に対して、第２調圧弁２２０とシャットバルブ２３０とを追加した構成を採る。具体的には、水素流量計３００と主止弁２００の間に第２調圧弁２２０を設け、調圧弁２１０と水素流量計３００の間にシャットバルブ２３０を設けている。なお、本変形例では、上述した第１実施例における調圧弁２１０を、第１調圧弁２１０と呼ぶ。また、シャットバルブ２３０は、特許請求の範囲に記載した第２の遮断弁に相当する。

本変形の水素供給流路２４は、２つの調圧弁（第１調圧弁２１０と第２調圧弁２２０）を備えているため、水素タンク２０から供給される水素の圧力は、段階的に減圧される。そのため、これらの調圧弁によって区画される区間をそれぞれ、図示するように、高圧部ＨＳ、中圧部ＭＳ、低圧部ＬＳと呼ぶ。本変形例では、中圧部ＭＳの圧力Ｐ２を検出するために、水素流量計３００とシャットバルブ２３０との間に圧力センサ３２０を設けるものとした。なお、中圧部ＭＳに設けた圧力センサ３２０は、高圧部ＨＳに設けた圧力センサ３３０ほど耐圧性能が要求されないため、高圧部ＨＳの圧力センサ３３０よりも測定精度の優れているものを採用することができる。

図９は、主止弁漏れを検知するための異常検知ルーチンのフローチャートである。この異常検知ルーチンは、システム停止時に実行されるものとし、初期状態では、シャットバルブ２３０は開いているものとする。

このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００とパージ弁２４０とを閉じて（ステップＳ６００）、アノード側の配管を閉じた状態とし、水素消費処理を実行する（ステップＳ６１０）。そして、制御コンピュータ４００は、圧力センサ３２０を用いて中圧部ＭＳの圧力Ｐ２を検出すると（ステップＳ６２０）、この圧力Ｐ２が所定の目標値にまで減圧されたかどうかを判断し（ステップＳ６３０）、目標値まで減圧されていなければ（ステップＳ６３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ６１０に処理を戻し、水素消費処理を続行する。この圧力Ｐ２の目標値には、第２調圧弁２２０が全開となる圧力が設定されている。

上記ステップＳ６３０で、圧力Ｐ２が目標値まで低下したと判断されれば（ステップＳ６３０：Ｙｅｓ）、第２調圧弁２２０および第１調圧弁２１０は全開となっているため、低圧部ＬＳ、中圧部ＭＳ、高圧部ＨＳの圧力状態は、すべて同一となる。そこで、制御コンピュータ４００は、シャットバルブ２３０を閉弁することで（ステップＳ６４０）、主止弁２００とシャットバルブ２３０とによって区画された区間を閉状態とする。

こうして、主止弁２００とシャットバルブ２３０とによって区画された区間を閉状態とすると、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００によって流量Ｑを検出するとともに、圧力センサ３２０によって圧力Ｐ２を検出し（ステップＳ６５０）、異常判定を行う（ステップＳ６６０）。この異常判定では、圧力Ｐ２の値が上昇した場合には、主止弁漏れが発生していると判定することができる。また、圧力Ｐ２の値が減少した場合には、シャットバルブ２３０もしくは主止弁２００とシャットバルブ２３０との間の水素供給流路２４から漏れが発生していると判定することができる。かかる場合には、水素流量計３００によって検出された流量Ｑの符号に応じて、水素流量計３００の上流側もしくは下流側のいずれかから漏れが発生しているかを特定することができる。制御コンピュータ４００は、前記ステップＳ６６０による異常判定の結果、異常ありと判定されれば（ステップＳ６６０）、運転者にその旨を報知し（ステップＳ６７０）、異常検知ルーチンを終了する。

以上で説明した第３変形例によれば、高圧部ＨＳに設けた圧力センサ３３０よりも測定精度の高い中圧部ＭＳの圧力センサ３２０を用いることができるので、精度よく主止弁漏れを検知することが可能になる。

なお、上記ステップＳ６３０では、水素消費処理後の中圧部ＭＳの圧力Ｐ２が目標値となった場合に各調圧弁が全開となったものとして判断するものとしたが、そのほかにも、例えば、中圧部ＭＳの圧力Ｐ２と高圧部ＨＳの圧力Ｐ３とを検出して比較し、両圧力が同一となった場合に各調圧弁が全開になったと判断してもよい。

Ｂ．第２実施例：
（Ｂ１）燃料電池システムの全体構成：
上述した第１実施例では、燃料電池１０内の電解質膜によるクロスリークを考慮せずに水素の漏れの検出を行う種々の処理について説明した。これに対して、以下に説明する第２実施例では、クロスリークによる水素の透過量を考慮しつつ水素漏れの検出を行う。

図１０は、第２実施例としての燃料電池システム１００ｄの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００ｄは、図１に示した燃料電池システム１００に対して、第２調圧弁２２０と圧力センサ３２０を追加した構成を採る。すなわち、図８に示した燃料電池システム１００ｃに類似した構成を採っている。ただし、シャットバルブ２３０は設けておらず、水素流量計３００は、第１調圧弁２１０よりも下流側に設けている。本実施例の燃料電池システム１００ｄは、２つの調圧弁２１０，２２０を備えているため、これらによって区画される区分を図８と同様に、それぞれ、高圧部ＨＳ、中圧部ＭＳ、低圧部ＬＳと呼ぶ。

図１１は、本実施例の燃料電池システム１００ｄにおいて、水素漏れが発生していない正常状態における各状態量の変化を示す説明図である。図示するように、あるタイミングｓ１において、主止弁２００が開いており、水素が燃料電池１０に供給されている場合には、高圧部ＨＳ、中圧部ＭＳ、低圧部ＬＳの圧力は、それぞれ、水素タンク２０から出力される圧力、第２調圧弁２２０に設定された設定圧、第１調圧弁２１０に設定された設定圧の値を採る。そして、水素流量計３００が設けられている低圧部ＬＳには、所定の流量Ｑの水素が流れる。

その後、タイミングｓ２で、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉弁すると、水素の流量は、クロスリークによってカソード側に透過する流量Ｑ０（＜Ｑ）のみとなる。このように、クロスリークによって水素がカソード側に透過すると、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１が減少することになるが、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１が減少すると、第１調圧弁２１０が開くことになり、中圧部ＭＳから低圧部ＬＳに水素が供給される。そのため、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１は、中圧部ＭＳの圧力Ｐ２が低圧部ＬＳの圧力Ｐ１よりも高い限り、一定に保たれることになる。同様に、中圧部ＭＳ内の水素が低圧部ＬＳに移動すると、中圧部ＭＳの圧力Ｐ２が減少することになるため、第２調圧弁２２０が開き、高圧部ＨＳから中圧部ＭＳに水素が供給されることになる。つまり、時間の経過とともに、低圧部ＬＳには、中圧部ＭＳおよび高圧部ＨＳから水素が供給されることになるため、所定のタイミングｓ３までは、低圧部ＬＳの圧力は一定に保たれることになる。

タイミングｓ３において、各圧力部の圧力状態が同一になると、第１調圧弁２１０および第２調圧弁２２０は全開状態となって非調圧の状態となる。そうすると、クロスリークによって水素が透過するのに伴い、各圧力部の圧力は同時に徐々に減少していき、最終的に大気圧程度となる。また、クロスリークによる水素の流量も、圧力が減少するのに伴い減少し、最終的にゼロになる。以下の説明では、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じてから各調圧弁が全開して非調圧の状態となり、各圧力部の圧力状態が同一となって流量が減少し始める時点を流量変化点と呼び、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じてから流量変化点までに至る時間をＴ１とする。

なお、時間Ｔ１は、水素流量計３００よりも下流側の低圧部ＬＳの体積およびその減圧前の圧力をそれぞれＶ０，Ｐ０、水素流量計３００よりも上流側の低圧部ＬＳの体積およびその減圧前の圧力をそれぞれＶ１，Ｐ１（＝Ｐ０）、中圧部ＭＳの体積および減圧前の圧力をそれぞれＶ２，Ｐ２、高圧部ＨＳの体積および減圧前の圧力をそれぞれＶ３，Ｐ３、時間Ｔ１内のクロスリークによる流量をＱ０とすると、下記式（１）または式（１ｂ）によって表すことができる。

Ｔ１＝（Ｐ２Ｖ２＋Ｐ３Ｖ３）／Ｑ０−（Ｐ０Ｖ２＋Ｐ０Ｖ３）／Ｑ０ ...（１）

Ｔ１＝ΣＰｎＶｎ／Ｑ０ ...（１ｂ）
（ただし、ｎ＝１，２，３）

図１２は、水素流量計３００の下流側で水素漏れが発生した場合における水素の流量の変化を示す説明図である。図中に示した実線のグラフが、水素漏れ発生時の流量の変化を表し、破線のグラフが、漏れがない場合における正常時の流量の変化を表す。

水素流量計３００よりも下流側で水素漏れが発生すると、図示するように、水素流量計３００によって検出される水素の流量Ｑは、クロスリークによる水素流量Ｑ０よりもΔＱ１だけ多くなる。そのため、水素供給流路２４からは、早く水素が流出してしまうことになり、流量変化点までに達する時間Ｔは、漏れがない場合における時間Ｔ１に比べて短くなる。さらに、漏れ発生時の流量変化点以後のグラフの傾きは、通常よりも早く水素が流出してしまうため、漏れのない場合の傾きよりも大きくなる。

図１３は、水素流量計３００の上流側で水素漏れが発生した場合における水素の流量の変化を示す説明図である。図中に示した実線のグラフが、下流漏れ発生時の流量の変化を表し、破線のグラフが、漏れのない場合における正常時の流量の変化を表す。

水素流量計３００よりも上流側で水素漏れが発生すると、図示するように、水素流量計３００によって検出される水素の流量Ｑは、流量変化点までは、クロスリークによる水素流量Ｑ０と同じになる。しかし、上流側で水素が漏れていることから、通常よりも早く水素が流出してしまうことになり、流量変化点までに達する時間Ｔは、漏れがない場合における時間Ｔ１に比べて短くなる。そして、流量変化点に到達した後には、上流側の漏れに起因する逆方向への水素の流れによって、水素流量計３００によって検出される流量はΔＱ２だけ、急激に減少することになる。このとき、上流側からの漏れ量が、クロスリークによる漏れ量Ｑ０よりも大きければ水素流量計３００によって検出される流量Ｑの値はマイナスとなる。さらに、漏れ発生時の流量変化点以後のグラフの傾きは、通常よりも早く水素が流出してしまうため、図１２と同様に、漏れのない場合の傾きよりも大きくなる。

以下では、図１２および図１３に示した水素流量の変化や、流量変化点に達するまでの時間に基づいて、水素漏れの検知を行う処理について説明する。

（Ｂ２）システム停止時における異常検知処理：
図１４は、第２実施例において燃料電池システム１００ｄが停止されたときに実行される異常検知ルーチンのフローチャートである。この異常検知ルーチンは、第１実施例と同様に、例えば、イグニッションスイッチをオフにして完全に車両を停止させた場合や、いわゆる間欠運転時、すなわち、燃料電池１０による発電を停止させ、二次電池４０に蓄えられた電力のみによって車両９０を駆動する場合に、制御コンピュータ４００によって実行されるルーチンである。

このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じる（ステップＳ７００）。そして、水素流量計３００によって水素の流量Ｑを検出するとともに、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じてからの経過時間Ｔを制御コンピュータ４００が内蔵するタイマ等で計測する（ステップＳ７１０）。その後、圧力センサ３１０および圧力センサ３３０を用いて低圧部ＬＳの圧力Ｐ１と高圧部ＨＳの圧力Ｐ３とを検出すると（ステップＳ７２０）、制御コンピュータ４００は、圧力Ｐ１と圧力Ｐ３とが一致するか否かを判断する（ステップＳ７３０）。この判断の結果、圧力１と圧力Ｐ３とが一致したと判断すれば（ステップＳ７３０：Ｙｅｓ）、第１調圧弁２１０と第２調圧弁２２０とが全開となって流量変化点に到達し、システムが漏れ検知可能状態になったと判断できるため、次のステップＳ７４０へ処理を進める。一方、圧力１と圧力Ｐ３とが一致しなければ（ステップＳ７３０：Ｎｏ）、上記ステップＳ７１０へ処理を戻し、流量変化点に到達するまで上述した処理をループする。

上記ステップＳ７３０において、圧力Ｐ１と圧力Ｐ３が一致し、流量変化点に到達すれば、制御コンピュータ４００は、上記ステップＳ７１０で検出した流量Ｑの挙動が、漏れがない場合における標準的な流量Ｑ０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ７４０）。流量Ｑ０は、試験的、実験的にその値を求め、予めＲＯＭに記憶させておくものとすることができる。前記ステップＳ７４０による判定の結果、図１２に示したように流量Ｑが流量Ｑ０よりも大きければ（ステップＳ７４０：Ｙｅｓ）、時間Ｔに関わらず、水素漏れが発生していると判断し、後述するステップＳ７７０以降の処理に進む。一方、流量Ｑが流量Ｑ０よりも大きくなければ（ステップＳ７４０：Ｎｏ）、更に、時間Ｔが、漏れのない場合における時間Ｔ１と一致するか否かを判定する（ステップＳ７５０）。この判定の結果、時間Ｔと時間Ｔ１が一致すれば（ステップＳ７５０：Ｙｅｓ）、異常なしと判断し（ステップＳ７６０）、異常検知ルーチンを終了する。一方、図１３に示したように、流量Ｑと流量Ｑ０とが一致するにも関わらず時間Ｔと時間Ｔ１が一致しなければ（ステップＳ７５０：Ｎｏ）、水素漏れが発生していると判断し、ステップＳ７７０以降の処理に進む。なお、時間Ｔ１は、上記式（１）や式（１ｂ）によってその値を求め、予めＲＯＭに記憶させておくものとすることができる。

上記ステップＳ７４０において流量Ｑが流量Ｑ０よりも大きいと判定された場合や（ステップＳ７４０：Ｙｅｓ）、上記ステップＳ７５０において時間Ｔが時間Ｔ１と一致しないと判断された場合には（ステップＳ７５０：Ｎｏ）、制御コンピュータ４００は、更に、時間Ｔが、漏れのない場合の時間Ｔ１よりも短いか否かを判定する（ステップＳ７７０）。その結果、時間Ｔが時間Ｔ１よりも長ければ（ステップＳ７７０：Ｎｏ）、主止弁漏れが発生していると判断する（ステップＳ７８０）。一方、時間Ｔが、漏れのない場合の時間Ｔ１よりも短ければ（ステップＳ７７０：Ｙｅｓ）、水素供給流路２４のいずれかの箇所で水素漏れが発生していると判断できるため、水素流量計３００の上流側および下流側のいずれかで漏れが発生しているかを特定するために、水素流量計３００によって流量Ｑを再度検出し、流量変化点において急激に変化した流量の大きさΔＱ２（図１３参照）を求める（ステップＳ７９０）。その結果、ΔＱ２が所定値よりも大きければ（ステップＳ８００：Ｙｅｓ）、水素流量計３００よりも上流側で水素漏れが発生していると判断する（ステップＳ８１０）。一方、ΔＱ２が所定値よりも小さければ（ステップＳ８００：Ｎｏ）、水素流量計３００よりも下流側で水素漏れが発生していると判断する（ステップＳ８２０）。上記ステップＳ８００で比較する所定値としては理論的にはゼロとすることができるが、測定誤差を排除するために、ゼロよりも大きい値に設定することができる。

最後に、制御コンピュータ４００は、上記ステップＳ７８０，Ｓ８１０，Ｓ８２０によって主止弁漏れ、上流漏れ、下流漏れのいずれかが発生していると判断すれば、その旨を運転者に報知し（ステップＳ８３０）、一連の異常検知ルーチンを終了する。

以上で説明した第２実施例の異常検知ルーチンによれば、クロスリークによる水素流量を考慮して異常検知を行うことができるので、精度よく水素漏れを検出することが可能になる。また、流量Ｑの状態や流量変化点までに要する時間Ｔなどによって異常判定を行うことで、異常が発生した箇所を容易に特定することが可能になる。

なお、上記ステップＳ７９０でΔＱ２の値を求めた場合には、このΔＱ２の値を用いて、上流側の漏れ量Ｑ１を算出することが可能である。具体的には、各調圧弁が全開となる前のクロスリークによる水素の流量Ｑ０から、各調圧弁が全開となったときのクロスリークによる水素の流量Ｑ０を差し引き、さらに、各調圧弁が全開となったときの上流漏れＱ１に起因する流量（逆流成分）を加えたものがΔＱ２になる。この関係を式にしたものが、下記式（２）である。ただし、Ｖ＝Ｖ０＋Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３とする。

ΔＱ２＝Ｑ０−Ｑ０（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）／Ｖ＋Ｑ１Ｖ０／Ｖ ...式（２）
なお、この式（２）は、次のようにも表すことができる。
ΔＱ２＝Ｑ０−Ｑ０（Ｖ−Ｖ０）／Ｖ＋Ｑ１Ｖ０／Ｖ ...式（２ｂ）

制御コンピュータ４００は、この式（２）または式（２ｂ）の各パラメータに既定値（ΔＱ２、Ｑ０、Ｖ０〜Ｖ３）を代入することによって、水素流量計３００よりも上流側に発生する水素の漏れ量Ｑ１を算出することができる。上記ステップＳ８００では、ΔＱ２に換えて、こうして算出した上流側からの漏れ量Ｑ１の有無に応じて水素漏れの箇所を判定するものとしてもよい。

（Ｂ３）システム停止時における異常検知処理の他の態様：
図１５は、燃料電池システム１００ｄが停止されたときに実行される異常検知ルーチンの他の態様を示すフローチャートである。以下で説明する異常検知ルーチンでは、上述した異常検知ルーチンに対して、水素消費処理を行うことで漏れ判定に要する時間の短縮を図っている。

このルーチンが実行されると、制御コンピュータ４００は、まず、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じて（ステップＳ９００）、水素消費処理を実行する（ステップＳ９１０）。そして、低圧部ＬＳの圧力Ｐ１と高圧部ＨＳの圧力Ｐ３の圧力を検出するとともに、主止弁２００およびパージ弁２４０を閉じてからの経過時間Ｔｃを計測して（ステップＳ９２０）、圧力Ｐ１と圧力Ｐ３が一致するか否かを判定する（ステップＳ９３０）。圧力Ｐ１と圧力Ｐ３が一致しない場合には、未だ、水素の消費が十分でなく、流量変化点に達していないと判断できるため、上記ステップＳ９１０へ処理を戻して、両圧力が一致するまでループする。

上記ステップＳ９３０において、圧力Ｐ１と圧力Ｐ３が一致したと判定した場合には、制御コンピュータ４００は、システムが漏れ検知可能状態になったと判断し、水素消費処理に要した時間Ｔｃと水素消費処理に要する標準的な時間Ｔｄとを比較して、時間Ｔｃが時間Ｔｄ以下であるか否かを判断する（ステップＳ９４０）。この判断の結果、時間Ｔｃが時間Ｔｄよりも長いと判断されれば（ステップＳ９４０：Ｎｏ）、主止弁漏れが発生していると判断する（ステップＳ９５０）。なお、時間Ｔｄは、水素消費処理に要する時間を試験的あるいは実験的に求め、予めＲＯＭに記憶させておくことができる。むろん、外気温その他のパラメータに基づき所定の関数やマップから求めるものとしてもよい。

一方、上記ステップＳ９４０において、時間Ｔｃが時間Ｔｄ以下であると判断されれば（ステップＳ９４０：Ｙｅｓ）、主止弁２００以外の部分に漏れが発生していないかを検知するため、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００によって単位時間当たりの流量Ｑの時間変化率ｄＱ／ｄｔを検出する（ステップＳ９６０）。そして、この時間変化率ｄＱ／ｄｔが、漏れが発生していない場合の時間変化率ｄＱ０／ｄｔよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ９７０）。この判定の結果、ｄＱ／ｄｔがｄＱ０／ｄｔよりも小さければ（ステップＳ９７０：Ｙｅｓ）、図１２や図１３に示したように、流量変化点以降のグラフの傾きが、標準時の傾きよりも大きいと判断することができるため、主止弁２００からパージ弁２４０の間のいずれかの箇所で水素漏れが発生していると判断する（ステップＳ９８０）。一方、ｄＱ／ｄｔがｄＱ０／ｄｔよりも小さくなければ（ステップＳ９７０：Ｎｏ）、異常なしと判断する（ステップＳ９９０）。

最後に、制御コンピュータ４００は、上記ステップＳ９５０で主止弁漏れと判断された場合および上記ステップＳ９８０で、水素漏れが発生したと判断された場合には、その旨を運転者に報知して（ステップＳ１０００）、異常検知ルーチンを終了する。

以上で説明した異常検知ルーチンによれば、水素消費処理を実行することで、漏れ判定までの時間を短縮することができる。また、流量変化点以降のグラフの傾きを利用して漏れの有無を判定することができる。

なお、上記異常検知ルーチンのステップＳ９７０では、下記式（３）によって、流量Ｑの時間変化率ｄＱ／ｄｔを算出することができる。また、下記式（４）によって、水素漏れが発生していない場合における流量Ｑ０の時間変化率ｄＱ０／ｄｔを求めることができる。ただし、Ｐ１は、各調圧弁が全開となる圧力であり、Ｖ＝Ｖ０＋Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３とする。

ｄＱ／ｄｔ＝−Ｑ^２／（Ｐ１・Ｖ） ...式（３）

ｄＱ０／ｄｔ＝−Ｑ０^２／（Ｐ１・Ｖ） ...式（４）

以上、本発明の種々の実施例について説明した。上述した種々の実施例によれば、水素供給流路２４中に調圧弁が１つ以上存在している場合においても、１つの水素流量計３００あるいは圧力センサで、主止弁２００からパージ弁２４０にわたるアノード側の全区間における水素漏れを効率よく検出することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、上述した種々の実施例では、調圧弁を全開としてから水素漏れの検知を行うものとしたが、調圧弁は、全開でなく一定の開度に保たれている場合であっても水素漏れの検知を行うことはできる。調圧弁が全開でなくとも、時間経過とともに調圧弁前後の圧力は同一になるからである。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。 燃料電池システム１００が起動された際に制御コンピュータ４００が実行する異常検知ルーチンのフローチャートである。 異常判定テーブルの一例を示す説明図である。 図２に示した異常検知ルーチンの他の態様を示すフローチャートである。 燃料電池システム１００の停止時に制御コンピュータ４００が実行する異常検知ルーチンのフローチャートである。 調圧弁２１０を可変調圧弁とした場合における異常検知ルーチンのフローチャートである。 第２変形例としての燃料電池システム１００ｂの全体構成を示す説明図である。 第３変形例としての燃料電池システム１００ｃの全体構成を示す説明図である。 主止弁漏れを検知するための異常検知ルーチンのフローチャートである。 第２実施例としての燃料電池システム１００ｄの全体構成を示す説明図である。 燃料電池システム１００ｄにおいて水素漏れが発生していない正常状態における各状態量の変化を示す説明図である。 水素流量計３００の下流側で水素漏れが発生した場合における水素の流量の変化を示す説明図である。 水素流量計３００の上流側で水素漏れが発生した場合における水素の流量の変化を示す説明図である。 第２実施例において燃料電池システム１００ｄが停止されたときに実行される異常検知ルーチンのフローチャートである。 燃料電池システム１００ｄが停止されたときに実行される異常検知ルーチンの他の態様を示すフローチャートである。

符号の説明

１００，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ...燃料電池システム
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２１...バッファタンク
２４...水素供給流路
２６...アノードオフガス流路
２７...アノードオフガス排出流路
３０...エアコンプレッサ
３４...空気供給流路
３６...カソードオフガス流路
４０...二次電池
５０...モータ
５５...車軸
７０...循環装置
９０...車両
２００...主止弁
２１０...調圧弁，第１調圧弁
２２０...第２調圧弁
２３０...シャットバルブ
２４０...パージ弁
３００...水素流量計
３１０，３２０，３３０...圧力センサ
４００...制御コンピュータ

Claims (16)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
   前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
   前記水素供給手段から前記水素供給流路への水素の供給を遮断する遮断弁と、
   前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から供給される水素を減圧する調圧弁と、
   前記水素供給流路内の水素の状態量として、圧力および流量のうち少なくとも一方を検出する状態量検出手段と、
   前記燃料電池システムを、前記遮断弁を閉じるとともに前記調圧弁を開弁して非調圧の状態に保った漏れ検知可能状態にする状態制御手段と、
   前記漏れ検知可能状態において前記状態量検出手段によって検出された前記状態量または状態量の変化を、予め設定された前記漏れ検知可能状態での前記状態量または状態量の変化に照らして前記水素供給手段よりも下流側に発生した水素漏れを検知する漏れ検知手段と
   を備え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、
   前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として流量を検出する手段であり、
   前記漏れ検知手段は、前記漏れ検知可能状態において、
   前記状態量検出手段によって下流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記状態量検出手段よりも下流側で水素漏れが発生していると判断する手段と、
   前記状態量検出手段によって上流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記状態量検出手段よりも上流側で水素漏れが発生していると判断する手段と
   のうち少なくともいずれか一方を備える
   燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として圧力を検出する手段であり、
   前記漏れ検知手段は、前記漏れ検知可能状態において、
   前記状態量検出手段によって前記圧力が上昇したことを検出した場合に、前記閉弁後の遮断弁から前記水素供給流路内に対して水素漏れが発生していると検知する手段と、
   前記状態量検出手段によって前記圧力が降下したことを検出した場合に、前記遮断弁よりも下流側で水素漏れが発生していると検知する手段と
   のうち少なくともいずれか一方を備える
   燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として前記流量と前記圧力とを共に検出する手段であり、
   前記漏れ検知手段は、前記漏れ検知可能状態において、
   前記状態量検出手段によって、前記圧力の上昇を検出するとともに下流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記遮断弁から前記水素供給流路内に対して水素漏れが発生していると判断する手段と、
   前記状態量検出手段によって、前記圧力の上昇を検出するとともに上流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記状態量検出手段が異常であると判断する手段と、
   前記状態量検出手段によって、前記圧力の降下を検出するとともに下流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記流量検出手段よりも下流側で水素漏れが発生していると判断する手段と、
   前記状態量検出手段によって、前記圧力の降下を検出するとともに上流方向への前記水素の流れを検出した場合に、前記流量検出手段よりも上流側で水素漏れが発生していると判断する手段と
   のうち少なくともいずれか一つの手段を備える
   燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として前記流量を検出する手段であり、
   前記漏れ検知手段は、前記状態量検出手段によって検出された流量が、前記燃料電池内の電解質膜をアノードからカソードに透過する標準的な水素の流量よりも大きい場合に、水素漏れが発生していると判断する手段を備える
   燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記漏れ検知手段は、前記状態制御手段が前記遮断弁を閉じてから前記調圧弁が開弁して非調圧状態となるまでの時間を計測し、
   該時間が、水素漏れのない場合に要する標準的な時間よりも短い場合に水素漏れが発生していると判断する手段と、
   該時間が、前記標準的な時間よりも長い場合に前記遮断弁から前記水素供給流路に水素が漏れていると判断する手段と
   のうち少なくともいずれか一方を備える
   燃料電池システム。
7. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記状態量検出手段は、前記水素の状態量として前記流量を検出する手段であり、
   前記漏れ検知手段は、前記調圧弁が開弁して非調圧状態となった以後の前記流量の時間変化率を求め、該時間変化率が、水素漏れのない場合における標準的な時間変化率よりも小さい場合に、水素漏れが発生していると判断する手段を備える
   燃料電池システム。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記調圧弁よりも下流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する圧力センサを備え、
   前記状態制御手段は、前記遮断弁を開弁して前記水素供給流路に水素を供給した後、前記圧力センサによって検出した前記調圧弁の下流側の圧力が、前記調圧弁が開弁して非調圧状態に維持される所定の目標値に達した場合に前記遮断弁を閉じることで、前記燃料電池システムを前記漏れ検知可能状態にする
   燃料電池システム。
9. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記調圧弁よりも下流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する圧力センサを備え、
   前記状態制御手段は、前記遮断弁を閉弁した後、前記圧力センサによって検出した前記調圧弁の下流側の圧力が、前記調圧弁が開弁して非調圧状態に維持される所定の目標値に達するまで、前記水素供給流路内に存在する水素を消費させることにより、前記燃料電池システムを前記漏れ検知可能状態にする
   燃料電池システム。
10. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記調圧弁よりも下流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する下流側圧力センサと、
    前記調圧弁よりも上流側の前記水素供給流路中の水素の圧力を検出する上流側圧力センサとを備え、
    前記状態制御手段は、前記遮断弁を閉弁した後、前記下流側圧力センサによって検出した圧力と、前記上流側圧力センサによって検出した圧力とが同一圧力となるまで、前記水素供給流路内に存在する水素を消費させることにより前記調圧弁を開弁させ、前記燃料電池システムを前記漏れ検知可能状態にする
    燃料電池システム。
11. 請求項９または１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記漏れ検知手段は、前記燃料電池によって発電を行うことより、前記水素を消費させる手段を備える
    燃料電池システム。
12. 請求項９または１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記漏れ検知手段は、前記燃料電池から前記水素の排出を行うことにより、前記水素を消費させる手段を備える
    燃料電池システム。
13. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記調圧弁は、外部からの制御に基づき開度を直接調整可能な可変調圧弁であり、
    前記状態制御手段は、前記調圧弁を制御することで前記調圧弁を開弁して非調圧状態に保つ
    燃料電池システム。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
    前記水素供給流路には、前記遮断弁と前記状態量検出手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素を一時的に貯蔵するバッファタンクが接続されている
    燃料電池システム。
15. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記調圧弁として、前記水素供給流路内の異なる場所に、下流側から順に第１の調圧弁と第２の調圧弁とが設けられており、
    更に、前記第１の調圧弁と第２の調圧弁との間に設けられた第２の遮断弁を備え、
    前記状態量検出手段は、前記第２の遮断弁と前記第２の調圧弁との間に設けられ、
    前記状態制御手段は、前記遮断弁を閉じるとともに前記第１の調圧弁と第２の調圧弁とを開弁状態に保った後に、前記第２の遮断弁を閉弁することで、前記燃料電池システムを漏れ検知可能状態にし、
    前記漏れ検知手段は、前記状態量検出手段によって検出された前記状態量に基づき、前記水素供給手段から前記遮断弁を介して前記水素供給流路内に漏れる水素を検知する手段を備える
    燃料電池システム。
16. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
    前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
    前記水素供給手段から前記水素供給流路への水素の供給を遮断する遮断弁と、
    前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から供給される水素を減圧する調圧弁と、
    前記水素供給流路内の水素の状態量として、圧力および流量のうち少なくとも一方を検出する状態量検出手段と、
    前記燃料電池システムを、前記遮断弁を閉じるとともに前記調圧弁を開弁して該調圧弁の上流側と下流側の圧力状態を同一にした漏れ検知可能状態にする状態制御手段と、
    前記漏れ検知可能状態において前記状態量検出手段によって検出された前記状態量または状態量の変化を、予め設定された前記漏れ検知可能状態での前記状態量または状態量の変化に照らして前記水素供給手段よりも下流側に発生した水素漏れを検知する漏れ検知手段と
    を備える燃料電池システム。

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