JP5204445B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、アノード系のガス漏れを検出することができる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、水素が燃料電池のアノードに供給され、空気が燃料電池のカソードに供給されることで、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行なわれる。この種の燃料電池システムでは、燃料電池に対して水素を給排するアノード経路からの水素漏れを検出する手段を備えることが一般的に行なわれている。例えば、アノード経路におけるガス漏れ検出手段として、アノード経路内に水素を供給してアノード経路内を加圧した状態で密閉して、その後の圧力の推移を監視することでアノード経路のガス漏れ検出を行なう手法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−１３４２００号公報（段落００３２〜００３５、図１）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の燃料電池システムでは、アノード経路のガス漏れ検出を行なうために水素（アノードガス）を使用しなければならなかった。このため、燃料電池の発電停止時にアノード経路のガス漏れ検出を行なう場合には、水素漏れ検出のために水素を無駄に使用しなくてはならないという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ガス漏れ検知のために燃料を無駄に消費することのない燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、カソードガスとアノードガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に対してアノードガスを供給および排出するアノード経路と、前記燃料電池に対してカソードガスを供給および排出するカソード経路と、前記アノード経路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記検出された圧力の推移により前記アノード経路のガス漏れを検出するアノード経路ガス漏れ検出手段と、を有する燃料電池システムであって、前記カソード経路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池の上流側のアノード経路と前記燃料電池の上流側のカソード経路とを繋ぎ、前記アノード経路内に前記カソードガス供給手段からカソードガスを供給する、カソードガス導入弁を備えた第１バイパス経路と、前記燃料電池の下流側のアノード経路と前記燃料電池の下流側のカソード経路とを繋ぎ、前記アノード経路内に供給された前記カソードガスを排出する、カソードガス排出弁を備えた第２バイパス経路と、前記第１バイパス経路および前記第２バイパス経路を通ってカソードガスにより前記アノード経路内の掃気を行なう掃気手段と、をさらに有し、前記掃気手段による前記アノード経路内の掃気の時間である、前記アノード経路内の残留水を排出するのに必要な第１所定時間が経過した後、前記カソードガス供給手段の駆動を継続させつつ前記カソードガス排出弁を先に閉じ、前記カソードガス供給手段から前記アノード経路へのカソードガスの供給量を前記掃気時よりも増加させて、前記アノード経路内を所定の高圧状態にするのに必要な第２所定時間が経過したときに前記カソードガス導入弁を閉じ、その後前記アノード経路ガス漏れ検出手段により前記アノード経路のガス漏れを検出することを特徴とする。
なお、第１所定時間は、後記する実施形態での所定時間１に対応し、第２所定時間は、後記する実施形態での所定時間２に対応する。

これによれば、アノード経路の掃気に利用したカソードガス（例えば、空気）をそのまま利用できるため、アノード経路内のガス漏れ検知のためにアノードガスを無駄に消費することがない。また、アノード掃気中に行なうことにより、ガス漏れ検知のために別途カソードガス供給手段を駆動しなくてよいため、カソードガス供給による騒音を低減できる。また、アノード掃気中に行なうことにより、ガス漏れ検知のためにカソードガス供給手段を再起動しなくてよいため、カソードガス供給手段による電力消費を削減できる。
また、カソードガス供給手段からのカソードガスの供給量を増加させることにより、アノード経路内の圧力がさらに上昇するため、圧力推移が顕著になり、ガス漏れ検出が正確に行なえるようになる。また、カソードガスの供給量を増加させることにより、カソードガス排出弁を次回開いたときに、高圧から低圧への圧力変動が大きくなるので、アノード経路内の結露水などが排出され易くなる。

請求項２に係る発明は、前記掃気手段は、前記アノード経路ガス漏れ検出手段によるガス漏れ検出の後に、前記アノード経路に結露水が発生したと判断される場合、前記カソードガス排出弁を開くことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池と前記第２バイパス経路との間のカソード経路に、カソードガスの圧力を制御するカソードガス圧力制御手段を有し、前記カソードガス圧力制御手段を、カソードガスの圧力の圧力損失が増加する方向へ制御することにより、前記アノード経路内に前記カソードガス供給手段から供給されるカソードガスの流量を増加させることを特徴とする。

これによれば、アノード経路とカソード経路とを同時に掃気している場合において、カソードガス供給手段からの供給量を大幅に変更しなくても、カソード圧力制御手段（例えば、背圧弁）によって圧力損失を増加させる制御を行なうだけでガス漏れ検知のための必要なガス圧力を確保できるようになる。

本発明によれば、ガス漏れ検知のために燃料を無駄に消費することのない燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態における掃気制御を示すフローチャート、図３は図２におけるアノード経路ガス漏れ検知制御の第１実施形態を示すサブフローチャート、図４は第１実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御におけるタイムチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システム１は、車両、船舶、航空機などの移動体、あるいは定置式の家庭用電源など様々なものに適用できる。以下では、燃料電池自動車（車両）に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、掃気系４０、制御系５０などを備えて構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜の一面側を触媒を含むアノードで、他面側を触媒を含むカソードで挟んでなる膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を有し、さらに膜電極接合体を一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有している。また、アノードに対向するセパレータには、燃料電池１０にアノードガスとしての水素が流通する流路１０ａが形成され、カソードに対向するセパレータには、燃料電池１０にカソードガスとしての空気が流通する流路１０ｂが形成されている。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、水素遮断弁２２、エゼクタ２３、水素パージ弁２４、配管２５ａ〜２５ｅなどで構成されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記水素遮断弁２２は、電磁作動式のものであり、配管２５ａを介して水素タンク２１と接続されている。なお、水素遮断弁２２は、水素タンク２１内に設けられたインタンク式の電磁弁であってもよい。

前記エゼクタ２３は、燃料電池１０のアノードから排出された未反応の水素を再び燃料電池１０に戻して循環させる機能を有する真空ポンプの一種である。このエゼクタ２３は、配管２５ｂを介して水素遮断弁２２と接続され、配管２５ｃを介して燃料電池１０のアノードの入口と接続されている。また、エゼクタ２３は、燃料電池１０のアノードの出口に接続された配管２５ｄから分岐して形成された配管２５ｅと接続されている。

前記水素パージ弁２４は、例えば電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁で構成され、配管２５ｄの配管２５ｅとの分岐よりも下流側に設けられている。ちなみに、燃料電池１０において発電が行なわれると、カソードから電解質膜を介してアノードに空気中の窒素や生成水などが透過して蓄積することにより発電性能が低下するので、水素パージ弁２４を例えば定期的に開弁して発電性能の低下を防止するようになっている。

なお、図示していないが、水素遮断弁２２とエゼクタ２３との間の配管２５ｂには、水素タンク２１からの高圧の水素を減圧するためのレギュレータ（減圧弁）などが設けられている。また、アノード系２０の配管２５ａ〜２５ｅによってアノード経路が構成されている。

前記カソード系３０は、エアポンプ３１、背圧弁３２、配管３３ａ〜３３ｃなどで構成されている。

前記エアポンプ３１は、例えば、モータにより駆動されるスーパーチャージャで構成され、車外から空気を取り込んで圧縮して、この圧縮した空気を、配管３３ａを介して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有している。

前記背圧弁３２は、バタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、配管３３ｂを介して燃料電池１０のカソードの出口と接続されている。なお、詳細については後記するが、背圧弁３２は、通常運転時（定常運転時）には、燃料電池１０のカソードの圧力を適宜調節し、掃気時には、カソード経路内の圧力損失を増加させてアノード経路への空気の供給量を増加させる（後記する第３実施形態参照）ようになっている。

なお、図示していないが、配管３３ａ上には、エアポンプ３１からの圧縮空気を加湿するための加湿器などが設けられている。また、カソード系３０の配管３３ａ〜３３ｃによってカソード経路が構成されている。

また、前記掃気系４０は、第１バイパス配管４１、エア導入弁４２、第２バイパス配管４３、エア排出弁４４などで構成されている。

前記第１バイパス配管４１は、燃料電池１０のアノードの上流側の配管２５ｃ（アノード経路）と、燃料電池１０のカソードの上流側の配管３３ａ（カソード経路）とを接続している。

前記エア導入弁４２は、電磁弁などで構成され、前記第１バイパス配管４１上に設けられ、掃気時に開閉制御されるようになっている。

前記第２バイパス配管４３は、燃料電池１０のアノードの下流側の配管２５ｄ（アノード経路）と、背圧弁３２の下流側に接続された配管３３ｃとを接続している。なお、背圧弁３２は、燃料電池１０のカソードの出口と、配管３３ｃの第２バイパス配管４３との接合部との間に位置している。

前記エア排出弁４４は、電磁弁などで構成され、前記第２バイパス配管４３上に設けられ、掃気時に開閉制御されるようになっている。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、希釈器４６を備えている。この希釈器４６は、水素パージ弁２４に接続された配管４５と接続されるともに、背圧弁３２に接続された配管３３ｃと接続されている。希釈器４６は、燃料電池１０のアノードから水素パージ弁２４を介して排出された水素（アノードガス）を燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガスで希釈して車外（系外）に排出する機能を有している。

前記制御系５０は、制御装置５１、圧力センサ５２などで構成されている。

前記制御装置５１は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＡＭ、プログラムを記憶したＲＯＭ、各種回路などで構成され、掃気手段、アノード経路ガス漏れ検出手段を備えている。また、制御装置５１は、水素遮断弁２２、水素パージ弁２４、エア導入弁４２、エア排出弁４４を開閉制御し、背圧弁３２の開度を制御し、エアポンプ３１のモータの回転速度を制御する。また、制御装置５１は、後記する圧力センサ５２から検出値（アノード圧力）を取得する。

前記掃気手段は、燃料電池システム１の運転停止時において、空気（カソードガス）を第１バイパス配管４１からアノード経路に導入し、アノード経路（配管２５ｂ〜２５ｅ）に導入された空気を第２バイパス配管４３からカソード経路（配管３３ｃ）に排出して、主にアノード経路内に残留している水を排出する制御を行なう。また、掃気手段は、空気をカソード経路（配管３３ａ〜３３ｃ）に供給して、主にカソード経路内に残留している水を排出する制御を行なう。なお、この水は、発電によって生じた生成水、または凝縮水などである。

前記圧力センサ５２は、アノード経路の一部である配管２５ｃ、さらに詳述すると、第１バイパス配管４１との接続部と、燃料電池１０のアノードの入口との間に設けられている。なお、圧力センサ５２の位置は、本実施形態に限定されるものではなく、アノード経路内の圧力を検出することができるものであれば、配管２５ｄ、２５ｅなどの他の位置であってもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１のアノード経路からのガス漏れ検知の動作について図２ないし図４を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、燃料電池システム１の通常運転時（定常運転時）には、水素遮断弁２２が開弁されて、水素タンク２１からアノード経路を介して燃料電池１０のアノードに水素が供給されるとともに、エアポンプ３１が駆動されて、燃料電池１０のカソードに空気（酸素）が供給される。このとき、燃料電池１０から外部負荷（走行モータ、バッテリ、補機など）に電力が取り出されることにより発電が行なわれる。また、通常運転時には、エア導入弁４２およびエア排出弁４４はともに閉じている。

図２に示すように、運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされると、制御装置５１は、イグニッションオフ信号を検出し、水素遮断弁２２を閉じて燃料電池１０のアノードへの水素の供給を停止する。そして、ステップＳ１００において、制御装置５１は、掃気が必要であるか否かを判断する。なお、掃気が必要であるか否かの判断は、燃料電池システム１を次回起動するときに、低温起動を行なうか否かで判断することができる。低温起動とは、例えば外気温度などが氷点下の状態で起動することを意味し、アノード経路およびカソード経路に残留している水や、燃料電池１０のアノードやカソードに付着している水などが凍結するおそれがある場合に掃気が必要と判断する。つまり、掃気とは、このような水を前もって排出して凍結を防止するために行なわれる処理である。なお、次回低温起動を行なうかどうかの判断は、停止時（ＩＧ−ＯＦＦ時）の外気温度から判断してもよく、またはナビゲーションシステムを搭載した車両であればその場所の天気予報の情報に基づいて判断してもよい。また、ＩＧ−ＯＦＦ後、直ちに判断しなくてもよい。

ステップＳ１００において、制御装置５１は、掃気が必要であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２００に進み、カソード掃気制御およびアノード掃気制御を開始する。カソード掃気制御とは、エア導入弁４２およびエア排出弁４４を閉じ、背圧弁３２を全開にした状態において、エアポンプ３１からの空気を掃気ガスとしてカソード経路（配管３３ａ）、燃料電池１０内の流路１０ｂ、カソード経路（配管３３ｂ，３３ｃ）に流通させる制御である。これにより、カソード経路および燃料電池１０のカソードにおける残留水の排出および乾燥が行なわれ、残留水は希釈器４６を通って車外に排出される。また、アノード掃気制御とは、エア導入弁４２およびエア排出弁４４を開き、かつ、水素遮断弁２２および水素パージ弁２４を閉じ、かつ、背圧弁３２の開度を閉側に制御して、エアポンプ３１からの空気を掃気ガスとしてカソード経路（配管３３ａ）、第１バイパス配管４１、アノード経路（配管２５ｃ、流路１０ａ、配管２５ｄ）、第２バイパス配管４３、カソード経路（配管３３ｃ）に流通させる制御である。これにより、アノード経路および燃料電池１０のアノードにおける残留水の排出および乾燥が行なわれ、残留水は希釈器４６を通って車外に排出される。なお、アノード掃気制御では、アノード経路内に水素が残留しているので、車外に排出される水素の濃度が所定値以下となるように背圧弁３２の開度などを制御しながら掃気が行なわれる。

なお、ステップＳ２００では、カソード掃気制御とアノード掃気制御とを片側ずつ行なってもよく、両側同時に行なってもよい。両側同時に行なう場合には、エア導入弁４２、エア排出弁４４、背圧弁３２を開いておく。

そして、ステップＳ３００に進み、制御装置５１は、所定時間１が経過したか否かを判断する。なお、所定時間１は、残留水を排出するのに必要な時間であり、予め実験などで求められたものである。また、所定時間１は、制御装置５１に設けられた図示しないタイマによって判断される。また、時間に限定されるものではなく、流量などに基づいて判断してもよい。片側ずつ掃気が行なわれる場合には、カソード掃気制御とアノード掃気制御の双方に設定された所定時間が経過したときに所定時間１が経過したと判断される。

そして、ステップＳ４００に進み、制御装置５１は、アノード経路のガス漏れ検知制御を実行する。このアノード経路のガス漏れ検知制御は、図３のサブフローに示すように、ステップＳ４２０において、制御装置５１によってエア排出弁４４が閉じられる。このとき、エアポンプ３１を停止させずに、カソード・アノード掃気制御時と同様にモータの回転速度を維持してエアポンプ３１からエア（空気）の供給を継続する。これにより、エアが第１バイパス配管４１を通ってアノード経路に導入され、圧力センサ５２によって検出されるアノード経路内の圧力（以下、アノード圧力と略記する）が徐々に上昇する。

そして、ステップＳ４４０に進み、制御装置５１は、所定時間２が経過したか否かを判断する。なお、所定時間２とは、ガス漏れであるか否かの判断を適切に行なうことが可能な時間であり、予め実験などによって求められる。また、所定時間２は、制御装置５１に設けられた図示しないタイマによって判断される。ステップＳ４４０において、制御装置５１は、所定時間２が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４４０の処理を繰り返し、所定時間２が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４５０に進む。なお、ステップＳ４４０では、時間に基づいてエア導入弁４２を閉じるタイミングを決定しているが、これに限定されるものではなく、圧力センサ５２が計測するアノード圧力に基づいて決定してもよい。

ステップＳ４５０において、制御装置５１は、エア導入弁４２を閉じ、エアポンプ３１の駆動を停止する。これにより、アノード経路内の封じ込め圧増加処理が終了して、アノード経路内が高圧状態で密閉される。

そして、ステップＳ４６０に進み、制御装置５１は、エア導入弁４２を閉じてから所定時間３が経過しているか否かを判断する。なお、所定時間３とは、通常（例えば、自然拡散）の圧力低下か、過大なガス漏れによる圧力低下であるかを区別するのに必要な時間であり、予め実験などによって求められる。ステップＳ４６０において、制御装置５１は、所定時間３が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、所定時間３が経過するまでステップＳ４６０の処理を繰り返し、所定時間３が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４７０に進む。

ステップＳ４７０において、制御装置５１は、圧力センサ５２から得られるアノード圧力が所定値以下であるか否かを判断する。なお、所定値とは、所定時間３経過後における通常の圧力低下か過大なガス漏れによる圧力低下であるかを判断するための閾値であり、予め実験等によって求められる。

なお、ステップＳ４７０では、所定値（絶対値）に基づいて判断することに限定されず、所定時間３経過後のアノード圧力の低下幅が所定値以上であるか否かによって判断してもよい。この場合の所定値は、通常の圧力低下であるか、過大なガス漏れによる圧力低下であるかを判断するための閾値（変化幅）であり、予め実験等によって求められる。

ステップＳ４７０において、制御装置５１は、アノード圧力が所定値以下であると判断した場合またはアノード圧力の低下幅が所定値以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、アノード圧力の推移が大きいと判断して、ステップＳ４８０に進み、アノード経路からガス漏れが発生していると判断する。この場合には、例えば、車両に設けられた警告ランプや警告音（いずれも図示せず）などを作動させて運転者に警告する。なお、ＩＧ−ＯＦＦ後直ちにガス漏れの有無がわかる場合よりも、相当時間経過後にガス漏れがわかる場合が多いと考えられるので、次のＩＧ−ＯＮ時や、ＩＧ−ＯＮ前の車両のドアを開けた際などに知らせるようにしてもよい。

また、ステップＳ４７０において、制御装置５１は、アノード圧力が所定値以下ではないと判断した場合またはアノード圧力の低下幅が所定値未満であると判断した場合には（Ｎｏ）、アノード圧力の推移は許容範囲内であると判断して、ステップＳ４９０に進み、アノード経路からガス漏れは発生していないと判断する。

なお、ステップＳ４００（Ｓ４２０〜Ｓ４９０）が、本実施形態におけるアノード経路ガス漏れ検出手段が実施する処理に相当する。

そして、図２のフローに戻ってステップＳ５００に進み、制御装置５１は、カソード掃気制御およびアノード掃気制御を終了する。なお、ステップＳ４００のアノード経路のガス漏れ検知制御が終了した後、制御装置５１を定期的に起動して、温度（外気温度、燃料電池１０の温度）低下などによってアノード経路内やカソード経路内に結露水などが発生していると予測される場合には、再度アノード掃気制御やカソード掃気制御を行なってもよい。

そして、ステップＳ５００において、カソード掃気制御およびアノード掃気制御の終了後、ステップＳ６００に進み、制御装置５１は、燃料電池システム（ＦＣシステム）１を停止する。なお、ステップＳ２００、Ｓ３００およびＳ５００（Ｓ４２０、Ｓ４４０、Ｓ４５０を含む）が、本実施形態の掃気手段が実施する処理に相当する。

さらに図４のタイムチャートを参照して説明する。なお、図４では、所定値（絶対値）を設定した場合についてのみ例示している（図６および図８についても同様）。第１実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御では、時刻ｔ１において、カソード掃気制御およびアノード掃気制御が開始される（図２のＳ２００）。そして、前記各掃気制御が所定時間１（ｔ２−ｔ１）行なわれると、時刻ｔ２において、先にエア排出弁４４が閉じられて（Ｓ４２０）、アノード経路内のアノード圧力が上昇する。そして、所定時間２経過後の時刻ｔ３において（Ｓ４４０、Ｙｅｓ）、エア導入弁４２が閉じられるとともにエアポンプ３１が停止されて（Ｓ４５０）、アノード経路内が高圧の状態で密閉される。そして、エア導入弁４２を閉じてから所定時間３経過後の時刻ｔ４において（Ｓ４６０、Ｙｅｓ）、アノード圧力を検出し、アノード圧力が所定値以下であるか否か（またはアノード圧力の低下幅が所定値以上であるか否か）が判断される（Ｓ４７０）。このときアノード圧力が所定値以下でない場合には（Ｓ４７０，Ｎｏ、実線参照）ガス漏れは発生していないと判断され（Ｓ４９０）、アノード圧力が所定値以下である場合には（Ｓ４７０，Ｙｅｓ、破線参照）過大なガス漏れが発生していると判断される（Ｓ４８０）。

このように、第１実施形態の燃料電池システム１によれば、掃気に利用したエアをそのままガス漏れ検知用のガスとして利用できるため、水素（アノードガス）を無駄に消費することがない。

また、第１実施形態によれば、ガス漏れ検知制御を掃気中に行なうことにより、ガス漏れ検知のために別途エアポンプ３１を駆動しなくてよいので、エア供給による騒音を低減できる。つまり、エアポンプ３１を一旦停止させて、再起動させる必要がないからである。また、ガス漏れ検知に掃気用のエアを利用できるので、再起動した場合に比べて、再起動分のエネルギ（水素消費）を削減できる。

また、第１実施形態によれば、ガス漏れが発生していると判断された場合には、例えば、エア導入弁４２やエア排出弁４４の故障検知を別途行なうようにしてもよい。例えば、エア導入弁４２の開故障を検知できることにより、エアが流通しているカソード経路に水素が混入してしまい、燃料電池１０のカソードの触媒上で水素とエア（酸素）が反応して、ＭＥＡにダメージが与えられるのを防止できる。また、エア排出弁４４の開故障を検知できることにより、燃料電池１０のアノードに供給された水素が、第２バイパス配管４３を通って車外（系外）に排出されてしまい、規定濃度を超える水素が燃料電池システム１外に排出されるのを防止できる。

（第２実施形態）
図５は図２におけるアノード経路ガス漏れ検出制御の第２実施形態を示すサブフローチャート、図６は第２実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御におけるタイムチャートである。なお、図５において、第１実施形態と同様の処理について同一のステップ番号を付してその説明を省略する。

第２実施形態では、第１実施形態の構成に、さらにステップＳ４１０の処理を追加したことを特徴としている。すなわち、ステップＳ４１０において、制御装置５１は、エアポンプ３１のモータの回転速度を上昇させる制御を行なう。これにより、増量したエアが第１バイパス配管４１を通ってアノード経路に導入される。ステップＳ４２０以降の処理は、図３と同様である。なお、ステップＳ４００（Ｓ４１０〜Ｓ４９０）が、本実施形態におけるアノード経路ガス漏れ検出手段が実施する処理に相当する。

さらに、図６のタイムチャートを参照して説明する。第２実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御では、時刻ｔ１において、カソード掃気制御およびアノード掃気制御が開始される（図２のＳ２００）。そして、前記各掃気制御から所定時間１経過後の時刻ｔ２において（図２のＳ３００、Ｙｅｓ）、エアポンプ３１からのエア供給量が増加され（Ｓ４１０）、エア排出弁４４が閉じられることで（Ｓ４２０）、アノード経路内のアノード圧力が上昇する。そして、所定時間２経過後の時刻ｔ３において（Ｓ４４０、Ｙｅｓ）、エア導入弁４２が閉じられるとともにエアポンプ３１が停止されて（Ｓ４５０）、アノード経路内がより高圧状態で密閉される。そして、所定時間３経過後の時刻ｔ４において（Ｓ４６０、Ｙｅｓ）、アノード圧力を検出し、アノード圧力が所定値以下であるか否か（またはアノード圧力低下幅が所定値以上であるか否か）が判断される（Ｓ４７０）。このとき、アノード圧力が所定値以下でない場合には（Ｓ４７０，Ｎｏ、実線参照）ガス漏れは発生していないと判断され（Ｓ４９０）、アノード圧力が所定値以下である場合には（Ｓ４７０，Ｙｅｓ、破線参照）ガス漏れが発生していると判断される（Ｓ４８０）。

このように第２実施形態によれば、前記した第１実施形態から得られる効果に加えて、エアポンプ３１からのエア量を増加させることにより、アノード経路内のアノード圧力をさらに上昇させることができるので、アノード経路のガス漏れ検知制御における圧力推移を顕著にすることが可能になり、ガス漏れ検知がより正確に行なえるようになる。また、アノード経路内の圧力上昇に要する時間（所定時間２）を短縮することもできる。

また、第２実施形態によれば、アノード経路内のアノード圧力をさらに上昇させることができるので、水排出性を高めることができる。つまり、アノード経路内と経路外との圧力差が大きくなるので、次回エア排出弁４４を開いたときにアノード経路内に残っている水（結露水）が排出され易くなる。なお、次回エア排出弁４４を開く場合とは、ガス漏れ検知制御（Ｓ４００）が終了した後に、システム温度の低下により結露水がアノード経路に発生したと判断された場合などである。または、ガス漏れ検知制御（Ｓ４００）の終了時に、エア排出弁４４を開くようにしてもよい。

（第３実施形態）
図７は図２におけるアノード経路ガス漏れ検出制御の第３実施形態を示すサブフローチャート、図８は第３実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御におけるタイムチャートである。なお、図７において、第１実施形態と同様の処理について同一のステップ番号を付してその説明を省略する。また、第３実施形態では、カソード掃気制御とアノード掃気制御とが同時に行なわれることを前提とする。

第３実施形態では、第１実施形態の構成に、さらにステップＳ４３０の処理を追加したことを特徴としている。すなわち、ステップＳ４３０において、制御装置５１は、背圧弁３２の開度を閉側に変更する制御を行なう。これにより、カソード経路側でのエアの圧力損失が増加して、掃気時にカソード経路とアノード経路にほぼ均等に供給されていたエア（掃気ガス）が、カソード経路側では減少し、アノード経路側では増加する。なお、ステップＳ４００（Ｓ４２０〜Ｓ４９０）が、本実施形態におけるアノード経路ガス漏れ検出手段が実施する処理に相当する。

さらに、図８のタイムチャートを参照して説明すると、第３実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御では、時刻ｔ１において、カソード掃気制御とアノード掃気制御とが同時に開始される（図２のＳ２００）。そして、前記各掃気制御から所定時間１経過後の時刻ｔ２において（図２のＳ３００、Ｙｅｓ）、エア排出弁４４が閉じられ（Ｓ４２０）、背圧弁３２の開度が変更されて（Ｓ４３０）、アノード経路内のアノード圧力が上昇する。そして、所定時間２経過後の時刻ｔ３において（Ｓ４４０、Ｙｅｓ）、エア導入弁４２が閉じられるとともにエアポンプ３１が停止されて（Ｓ４５０）、アノード経路内がより高い圧力の状態で密閉される。そして、所定時間３経過後の時刻ｔ４において（Ｓ４６０、Ｙｅｓ）、アノード圧力を検出し、アノード圧力が所定値以下であるか否か（またはアノード圧力の低下幅が所定値以上であるか否か）が判断される（Ｓ４７０）。このとき、アノード圧力が所定値以下でない場合には（Ｓ４７０，Ｎｏ、実線参照）、ガス漏れは発生していないと判断され（Ｓ４９０）、アノード圧力が所定値以下である場合には（Ｓ４７０，Ｙｅｓ、破線参照）、ガス漏れが発生していると判断される（Ｓ４８０）。

このように第３実施形態によれば、前記した第１実施形態から得られる効果に加えて、エアポンプ３１からのエア量を大幅に変更しなくても、背圧弁３２の開度を変更するだけで、アノード経路内のアノード圧力をさらに上昇させることができ、ガス漏れ検知制御に必要なガス圧力を確保できるようになる。

なお、本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、アノード経路のガス漏れ検知制御において、エア排出弁４４を閉じてからエア導入弁４２を閉じる構成（Ｓ４４０、Ｓ４５０）に、エアポンプ３１の回転速度を上昇させる構成（Ｓ４１０）、および、背圧弁３２の開度を変更する構成（Ｓ４３０）を追加するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態における掃気制御を示すフローチャートである。 図２におけるアノード経路ガス漏れ検知制御の第１実施形態を示すサブフローチャートである。 第１実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御におけるタイムチャートである。 図２におけるアノード経路ガス漏れ検出制御の第２実施形態を示すサブフローチャートである。 第２実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御におけるタイムチャートである。 図２におけるアノード経路ガス漏れ検出制御の第３実施形態を示すサブフローチャートである。 第３実施形態のアノード経路ガス漏れ検知制御におけるタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２５ａ〜２５ｅ 配管（アノード経路）
３１ エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２ 背圧弁（カソードガス圧力制御手段）
３３ａ〜３３ｃ 配管（カソード経路）
４１ 第１バイパス配管（第１バイパス経路）
４２ エア導入弁（カソードガス導入弁）
４３ 第２バイパス配管（第２バイパス経路）
４４ エア排出弁（カソードガス排出弁）
５１ 制御装置（アノード経路ガス漏れ検出手段、掃気手段）
５２ 圧力センサ（圧力検出手段）

Claims (3)

1. カソードガスとアノードガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に対してアノードガスを供給および排出するアノード経路と、
   前記燃料電池に対してカソードガスを供給および排出するカソード経路と、
   前記アノード経路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記検出された圧力の推移により前記アノード経路のガス漏れを検出するアノード経路ガス漏れ検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
   前記カソード経路にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記燃料電池の上流側のアノード経路と前記燃料電池の上流側のカソード経路とを繋ぎ、前記アノード経路内に前記カソードガス供給手段からカソードガスを供給する、カソードガス導入弁を備えた第１バイパス経路と、
   前記燃料電池の下流側のアノード経路と前記燃料電池の下流側のカソード経路とを繋ぎ、前記アノード経路内に供給された前記カソードガスを排出する、カソードガス排出弁を備えた第２バイパス経路と、
   前記第１バイパス経路および前記第２バイパス経路を通ってカソードガスにより前記アノード経路内の掃気を行なう掃気手段と、をさらに有し、
   前記掃気手段による前記アノード経路内の掃気の時間である、前記アノード経路内の残留水を排出するのに必要な第１所定時間が経過した後、
   前記カソードガス供給手段の駆動を継続させつつ前記カソードガス排出弁を先に閉じ、前記カソードガス供給手段から前記アノード経路へのカソードガスの供給量を前記掃気時よりも増加させて、前記アノード経路内を所定の高圧状態にするのに必要な第２所定時間が経過したときに前記カソードガス導入弁を閉じ、その後前記アノード経路ガス漏れ検出手段により前記アノード経路のガス漏れを検出することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気手段は、前記アノード経路ガス漏れ検出手段によるガス漏れ検出の後に、前記アノード経路に結露水が発生したと判断される場合、前記カソードガス排出弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池と前記第２バイパス経路との間のカソード経路に、カソードガスの圧力を制御するカソードガス圧力制御手段を有し、
   前記カソードガス圧力制御手段を、カソードガスの圧力の圧力損失が増加する方向へ制御することにより、前記アノード経路内に前記カソードガス供給手段から供給されるカソードガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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