JP6287011B2 - 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する。

燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス、カソード電極に酸素を含有するカソードガスを供給することによって発電する。

ここで、電解質膜の損傷や経時劣化によって、例えば電解質膜に部分的に孔が生じると、その部分を介してアノード側からカソード側に漏れ出すアノードガス量（以下「水素クロスリーク量」という。）が増加する。そうすると、カソード電極から排出されるカソードオフガス中の水素濃度が増大し、最終的に大気中に排出されるカソードオフガスを含む排出ガス中の水素濃度が可燃濃度を越えてしまうおそれがある。

したがって、水素クロスリーク量の増加によって排出ガス中の水素濃度が増大している可能性がある場合には、燃料電池システムを停止することが望ましい。そのため、従来から水素クロスリーク量の増加を検知する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−４５４６６号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、水素クロスリーク量が増加していることは検知できるものの、電解質膜のどこから水素クロスリークが生じているかまでは検知することができなかった。

発明者の鋭意研究の結果、水素クロスリーク量が増加していたとしても、燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていた場合には、カソード側に漏れ出した水素がカソード電極で酸素と反応して消費され、排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないことが知見された。一方で、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていた場合には、カソード側に漏れ出した水素がカソード電極で酸素と反応することなく、そのままカソード電極から排出されるので排出ガス中の水素濃度が増大するこが知見された。

したがって、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システムを停止させるのではなく、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていた場合に燃料電池システムを停止させたい。なぜなら、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システムを停止させると、燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていた場合には排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないので、不必要に燃料電池システムを停止させたことになるからである。

そのため、水素クロスリーク量が増加している場合において、不必要な燃料電池システムの停止を防止するためには、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じているかを検知する必要性がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、水素クロスリーク量が増加している場合に、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じているかを検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて発電させる燃料電池システムが提供される。そして、この燃料電池システムは、燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも高くし、アノードガスの供給を停止するガス制御手段と、ガス制御手段によってアノードガスの供給が停止された後のアノード側の圧力低下速度に基づいて、アノード側からカソード側への水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定するリーク判定手段と、水素クロスリーク量が増加していると判定された場合において、燃料電池の電圧低下を検出しなかったときは、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定する第１リーク位置判定手段と、
を備える。

この態様によれば、まずはアノード側の圧力低下速度に基づいて水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定する。そして、水素クロスリーク量が増加していると判定したときは、そのときに電圧低下があったか否かを判定する。

燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリーク量が増加していた場合は、カソード側に漏れ出した水素がそのままカソード電極から排出されるので、その漏れ出した水素がカソード電極で酸素と反応することはなく、カソード電極における酸素濃度も低下しないので、燃料電池の電圧が低下することはない。

したがって、本態様のように、水素クロスリーク量が増加していると判定したときの電圧低下をみることで、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じているのかを検知することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池の概略斜視図である。 図１の燃料電池のII−II断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 カソードガス流路の下流域以外で水素クロスリークが生じている燃料電池に反応ガスを供給したときの流れを示した図である。 カソードガス流路の下流域以外で水素クロスリークが生じている燃料電池に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。 カソードガス流路の下流域で水素クロスリークが生じている燃料電池に反応ガスを供給したときの流れを示した図である。 カソードガス流路の下流域で水素クロスリークが生じている燃料電池に反応ガスを供給したときの流れを示した図である。 カソードガス流路の下流域で水素クロスリークが生じている燃料電池に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。 カソードガス流路の下流域のほか、下流域以外でも水素クロスリークが生じている燃料電池に反応ガスを供給したときの流れを示した図である。 カソードガス流路の下流域のほか、下流域以外でも水素クロスリークが生じている燃料電池に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。 本実施形態による水素クロスリーク診断について説明するフローチャートである。 ガス制御処理について説明するフローチャートである。 第２リーク位置判定処理について説明するフローチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。

燃料電池１０は、ＭＥＡ１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。

カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。

アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。

このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、電力系４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「カソード流量」という。）を検出する。

カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。本実施形態では、このカソード圧力センサ２６の検出値を、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）として代用する。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧水素タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、アノード圧力センサ３６と、を備える。

高圧水素タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧水素タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧水素タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。

アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

アノード圧力センサ３６は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３６は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。

電力系４は、電流センサ４１と、電圧センサ４２と、走行モータ４３と、インバータ４４と、バッテリ４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備える。

電流センサ４１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。

走行モータ４３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ４３は、燃料電池スタック１及びバッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

インバータ４４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４４の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４４は、走行モータ４３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ４３に供給する。一方で、走行モータ４３を発電機として機能させるときは、走行モータ４３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４５に供給する。

バッテリ４５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ４３の回生電力を充電する。バッテリ４５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ４３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。

コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ５には、前述したエアフローセンサ２４等のセンサ類の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ５１やカソードコンプレッサ２５の回転速度を検出する回転速度センサ５２、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ５３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサ類からの信号が入力される。コントローラ５は、これらの入力信号に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。

ここで、ＭＥＡ１１の損傷や経時劣化によって、例えば電解質膜１１１に部分的に孔が生じると、その孔を介してアノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１へと漏れ出すアノードガス量（水素クロスリーク量）が増加する。水素クロスリーク量が増加すると、カソードガス流路１３１からカソードガス排出通路２２に排出されるカソードオフガス中の水素濃度が増大し、最終的に大気中に排出される排出ガス中の水素濃度が可燃濃度を超えるおそれがある。

したがって、水素クロスリーク量の増加によって排出ガス中の水素濃度が増大している可能性がある場合には、燃料電池システム１００を停止することが望ましい。そのため従来は、水素クロスリーク量が増加しているか否かを検知し、水素クロスリーク量の増加を検知したときには燃料電池システム１００を停止していた。

しかしながら、発明者の鋭意研究の結果、水素クロスリーク量が増加していたとしても、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリーク（孔開き）が生じていた場合には、カソードガス流路１３１に漏れ出した水素（以下「リーク水素」という。）がカソード電極１１３で酸素と反応して消費され、排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないことが知見された。一方で、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていた場合には、カソードガス流路１３１に漏れ出した水素がカソード電極１１３で酸素と反応することなく、そのままカソードガス排出通路２２に排出されるので、排出ガス中の水素濃度が増大するこが知見された。

したがって、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システム１００を停止させるのではなく、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていた場合に燃料電池システム１００を停止させたい。なぜなら、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システム１００を停止させると、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていた場合には排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないので、不必要に燃料電池システム１００を停止させたことになるからである。

このような不必要な燃料電池システム１００の停止を防止するためには、水素クロスリーク量の増加を検知するだけでなく、さらにカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを検知する必要がある。

そこで本実施形態では、水素クロスリーク量の増加を検知したときは、さらにカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているかを検知する。以下、この本実施形態による水素クロスリーク診断について説明する。

まず、図４Ａから図６Ｂを参照して、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているかを検知する方法について説明する。

図４Ａは、カソードガス流路１３１の下流域以外、例えば上流域で水素クロスリークが生じている燃料電池１０にアノードガス及びカソードガスを供給したときの、各反応ガスの流れを示した図である。図４Ｂは、その燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。

図４Ａに示すように、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じた場合は、リーク水素がカソードガスと混合されながらカソードガス流路１３１を下流に向かって流れることになる。これにより、リーク水素とカソードガス中の酸素とがカソード電極１１３で反応し、それぞれが消費されることになる。

そのため、前述したようにカソードガス流路１３１内でリーク水素が消費されることになるため、排出ガス中の水素濃度はほとんど増大しないが、その一方で、リーク水素と共に酸素も消費されることになる。

そのため、水素クロスリークが生じていない正常な燃料電池に同流量のカソードガスを供給した場合と比較すると、リーク水素が多くなるほどカソードガス流路１３１内の酸素濃度が低下する。

その結果、図４Ｂに示すように、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じた場合は、カソードガスの流量にかかわらず、水素クロスリークが生じていない正常な燃料電池の開回路電圧（以下「基準開回路電圧」という。）（概ね０．９［Ｖ］〜１．０［Ｖ］）と比較して、酸素濃度の低下分だけ一律に開回路電圧が低下する。

これに対して、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていた場合は、下流域以外で生じていたときと比較して、開回路電圧の変化が異なる。

図５Ａ及び図５Ｂは、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じている燃料電池１０にアノードガス及びカソードガスを供給したときの、各反応ガスの流れを示した図である。なお、図５Ａは、カソードガスの流量が多いときの様子を示した図であり、図５Ｂは、カソードガスの流量が少ないときの様子を示した図である。図５Ｃは、その燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。

図５Ａに示すように、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じた場合において、カソードガスの流量が多いときは、カソードガスの流れに沿って、リーク水素がカソード電極１１３で酸素と反応することなくそのままカソードガス排出通路２２に排出される。そのため、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じた場合は、カソードガス流路１３１内の酸素濃度は低下しない。

したがって、図５Ｃに示すように、開回路電圧は基準開回路電圧と同等の値となる。

一方、図５Ｂに示すように、カソードガスの流量が少なくなってくると、リーク水素の一部がカソードガス流路１３１の下流域から上流域に向かって移動することが可能となって、カソードガスが押し戻される。

そのため、図５Ｃに示すように、カソードガスの流量が少なくなるにしたがって、カソード流路内がリーク水素で満たされていき、開回路電圧が０［Ｖ］に向かって急峻に低下する。

なお、下流域以外で水素クロスリークが生じた場合にカソードガスの流量を少なくしたときは、カソードガス流路内１３１のカソードガスが押し戻されるわけではない。そのため、リーク水素によってカソードガス流路内１３１の酸素が消費されて開回路電圧が０［Ｖ］に向かって低下するまでにはある程度の時間を要する。そのため、開回路電圧の変化が図４Ｂに示すようになっている。

図６Ａは、カソードガス流路１３１の下流域のほか、下流域以外でも水素クロスリークが生じている燃料電池１０にアノードガス及びカソードガスを供給したときの、各反応ガスの流れを示した図である。図６Ｂは、その燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。

図６Ａに示すように、カソードガス流路１３１の下流域のほか、下流域以外でも水素クロスリークが生じた場合は、下流域以外から漏れ出したリーク水素が、カソードガスと混合されながらカソードガス流路１３１を下流に向かって流れることになる。そのため、この下流域以外から漏れ出したリーク水素量に応じて酸素濃度が低下する。

したがって、図６Ｂに示すように、カソードガス流量が多いときは、酸素濃度の低下分だけ開回路電圧が基準開回路電圧よりも低下する。

そして、カソードガス流量を少なくしていくと、カソードガス流路１３１の下流域から漏れ出したリーク水素によってカソードガスの流れが阻害され、リーク水素の一部がカソードガス流路１３１の上流域にまで移動することが可能となる。

そのため、図６Ｂに示すように、カソードガスの流量が少なくなるにしたがって、カソード流路内がリーク水素で満たされていき、開回路電圧が０［Ｖ］に向かって急峻に低下する。

このように、水素クロスリーク量の増加を検知したときは、まず開回路電圧が基準開回路電圧よりも低下しているか否かを判定することで、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定することができる。

具体的には、開回路電圧が基準開回路電圧のままであれば、カソードガス流路１３１の下流域でのみ水素クロスリークが生じていると判定することができる。一方で、開回路電圧が基準開回路電圧よりも低くなっていれば、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定することができる。

そして、開回路電圧が基準開回路電圧よりも低くなった場合でも、下流域で水素クロスリークが生じている可能性はあるので、カソードガス流量を低下させて、開回路電圧がさらに低下するかを判定する。これにより、開回路電圧がさらに低下すれば、下流域でも水素クロスリークが生じていると判定できる。

図７は、本実施形態による水素クロスリーク診断について説明するフローチャートである。コントローラ５は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラ５は、燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止しているか否かを判定する。燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止している状態としては、例えば燃料電池システム１００の起動・停止処理時やアイドルストップ時などが挙げられる。コントローラ５は、燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止していればステップＳ２の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ２において、コントローラ５は、アノード圧力をカソード圧力よりも高くし、その後、アノード調圧弁３３を全閉にしてアノードガスの供給を停止するガス制御処理を実施する。ガス制御処理の詳細については、図８を参照して後述する。

ステップＳ３において、コントローラ５は、水素クロスリーク量が増加しているか否かのリーク判定を実施する。具体的には、ガス制御処理でアノードガスの供給を停止した後のアノード圧力の低下速度がリーク判定閾値以上か否かを判定する。

コントローラ５は、アノード圧力の低下速度が所定のリーク判定閾値以上であれば、例えば電解質膜１１１に部分的に孔が生じて正常時よりも水素クロスリーク量が増加していると判定し、ステップＳ４の処理を行う。一方でコントローラ５は、アノード圧力の低下速度がリーク判定閾値未満であれば、電解質膜１１１に特に異常はないと判定し、今回の処理を終了する。

ステップＳ４において、コントローラ５は、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かの第１リーク位置判定を実施する。具体的には、現在の出力電圧が、基準開回路電圧よりも低いか否かを判定する。なお、基準開回路電圧については予め実験等によって設定すれば良いものであり、また、マージンをみて実際の開回路電圧よりもやや低い値に設定するなど、要求される判定精度に応じて適宜設定すれば良いものである。

コントローラ５は、現在の出力電圧、すなわち水素クロスリーク量が増加したと判定された後の出力電圧が、基準開回路電圧よりも低ければステップＳ７の処理を行う。一方でコントローラ５は、現在の出力電圧が基準開回路電圧であればステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ５において、コントローラ５は、水素クロスリーク量が増加しているにもかかわらず、出力電圧が基準開回路電圧のままであるとして、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定する。

カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じている場合は、カソードガス流路１３１に漏れ出した水素がカソード電極１１３で酸素と反応することなくそのままカソードガス排出通路２２に排出され、排出ガス中の水素濃度が増大するおそれが高い。

そこでコントローラ５は、ステップＳ６において、必要に応じて燃料電池スタック１の発電停止や、カソードガス流量の増量、燃料電池システム１００の起動禁止等の措置を実施する。

ステップＳ７において、コントローラ５は、水素クロスリーク量が増加した結果、出力電圧が基準開回路電圧よりも低下したとして、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定する。

ステップＳ８において、コントローラ５は、カソード流量を低下させたときの出力電圧の変化に基づいて、カソードガス流路１３１の下流域でも水素クロスリークが生じているか否かを判定する第２リーク位置判定処理を実施する。第２リーク位置判定処理の詳細については、図９を参照して後述する。

図８は、ガス制御処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ２１において、コントローラ５は、目標カソード圧力を所定のリーク判定用カソード圧力に設定し、目標アノード圧力をリーク判定用カソード圧力よりも高い所定のリーク判定用アノード圧力に設定する。

ステップＳ２２において、コントローラ５は、カソード圧力が目標カソード圧力となるようにカソードコンプレッサ２５及びカソード調圧弁２８を制御し、アノード圧力が目標アノード圧力となるように、アノード調圧弁３３を制御する。

ステップＳ２３において、コントローラ５は、アノード圧力及びカソード圧力がそれぞれ目標アノード圧力及び目標カソード圧力に到達したか否かを判定する。コントローラ５は、アノード圧力及びカソード圧力がそれぞれ目標アノード圧力及び目標カソード圧力に到達していれば、ステップＳ２４の処理行い、そうでなければステップＳ２２の処理に戻る。

ステップＳ２４において、コントローラ５は、アノード調圧弁３３を全閉にして、アノードガスの供給を停止する。

図９は、第２リーク位置判定処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ８１において、コントローラ５は、カソードコンプレッサ２５を制御して、カソード流量を所定のリーク位置判定流量まで低下させる。リーク位置判定流量は、例えばゼロやゼロに近い低流量に設定される。

ステップＳ８２において、コントローラ５は、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かの第２リーク位置判定を実施する。具体的には、カソード流量を低下させたことによって、出力電圧が所定値以上低下したか否かを判定する。所定値は、例えば図４Ｂに示した開回路電圧の変化に基づいて、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているかを判定できる大きさに適宜設定すれば良いものである。コントローラ５は、カソード流量を低下させたことによって出力電圧が所定値以上低下したときはステップＳ８５の処理を行い、そうでなければステップＳ８３の処理を行う。

ステップＳ８３において、コントローラ５は、カソード流量を低下させても出力電圧の低下が所定値未満であるとして、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークは生じておらず、下流域以外でのみ水素クロスリークが生じていると判定する。カソードガス流路１３１の下流域以外でのみ水素クロスリークが生じていた場合には、リーク水素がカソード電極１１３で酸素と反応して消費され、排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しない。

そこでコントローラ５は、ステップＳ８４において、燃料電池システム１００の起動停止等の措置を取って走行不能な状態にするのではなく、以下のような措置を取って走行可能な状態とする。

例えば燃料電池スタック１の出力を制限することで、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量が所定量以上にならないようにする。これにより、カソードガス流路１３１内で全て消費される程度の水素クロスリーク量に抑える。また、例えば運転中におけるアノード圧力とカソード圧力との差圧を一定以下に制限することで、カソードガス流路１３１内で全て消費される程度の水素クロスリーク量に抑える。また、例えばカソード流量を増量補正することで、排出ガス中の水素濃度を可燃濃度未満に抑える。また、警告灯を表示して水素クロスリーク量が増加していることをドライバに知らせる。

ステップＳ８５において、コントローラ５は、カソードガス流路１３１の下流域でも水素クロスリークが生じていると判定する。

ステップＳ８６において、コントローラ５は、前述したステップＳ６と同様に、必要に応じて燃料電池スタック１の発電停止や、カソードガス流量の増量、燃料電池システム１００の起動禁止等の措置を実施する。

以上説明した本実施形態による燃料電池システムは、アノード圧力をカソード圧力よりも高くし、アノード調圧弁３３を全閉にしてアノードガスの供給を停止するガス制御処理を実施する。そして、ガス制御処理でアノードガスの供給を停止した後のアノード圧力の低下速度に基づいて、水素クロスリーク量が増加しているか否かのリーク判定を実施する。そして、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出しなかったときは、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定する。

このように、まずはアノード側の圧力低下速度に基づいて水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定し、水素クロスリーク量が増加していると判定したときは、そのときに電圧低下があったか否かを判定する。

カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリーク量が増加していた場合は、カソードガス流路１３１の下流域に漏れ出したリーク水素がそのままカソードガス流路１３１から排出される。そのため、リーク水素がカソード電極１１３で酸素と反応することはなく、カソードガス流路１３１内の酸素濃度も低下しないので、出力電圧が低下することはない。

一方、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリーク量が増加していた場合は、カソードガス流路１３１の下流域に漏れ出したリーク水素がカソードガスと混合されながらカソードガス流路１３１を下流に向かって流れることになる。これにより、リーク水素とカソードガス中の酸素とがカソード電極１１３で反応し、それぞれが消費されることになる。そのため、水素リーク量が多くなるほどカソードガス流路１３１内の酸素濃度が低下し、出力電圧が低下する。

したがって、本実施形態のように水素クロスリーク量が増加していると判定したときの電圧低下をみることで、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを検知することができる。

具体的には、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出しなかったときは、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定することができる。一方で出力電圧の低下を検出したときは、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させる。

そして、カソードガスの供給流量を低下させた後に、さらに出力電圧の低下を検出したときも、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定する。一方で、カソードガスの供給流量を低下させても出力電圧の低下が検出できなかったときは、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定する。

前述したように、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定することができる。しかしながら、下流域で水素クロスリークが生じているかまでは分からない。

そこで、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させて、さらに出力電圧が低下するか否かを判定することにしたのである。

カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じている場合は、カソード流ル用を少なくすると、リーク水素によってカソードガスの流れが阻害され、リーク水素の一部がカソードガス流路１３１の上流域にまで移動することが可能となる。そのため、カソード流量が少なくなるにしたがって、カソード流路内がリーク水素で満たされていき、出力電圧が急峻に低下する。

したがって、本実施形態のようにリーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させ、さらに出力電圧が低下するか否かを判定することで、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じているか、又は、カソードガス流路１３１の下流域以外のほか、下流域でも水素クロスリークが生じているかを判別することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じているときは、燃料電池スタック１の出力制限、運転中におけるアノード圧力とカソード圧力との差圧を一定以下に制限する差圧制限運転、カソード流量の増量補正、及び、警告灯の点灯のいずれか１つ以上の動作を実施する。

これにより、水素クロスリーク量が増加している場合であっても、車両の走行が可能となる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているときは、燃料電池スタック１の発電停止、カソード流量の増量補正、及び、燃料電池システム１００の再起動禁止のいずれか１つ以上の動作を実施する。

これにより、可燃濃度を超える水素濃度の排出ガスが外気に排出されるのを防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、リーク判定（Ｓ３）後、第１リーク位置判定（Ｓ４）を実施してから第２リーク位置判定処理（Ｓ７）を実施していたが、リーク判定後に第２リーク位置判定処理を実施して、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定しても良い。すなわち、水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量を変化させ、そのときの電圧変化が大きければ、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定するようにしても良い。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、判定精度向上のために燃料電池スタック１を無負荷状態にして開回路電圧の変化を見ていたが、低負荷状態での出力電圧の変化を見てカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを検知しても良い。

また、上記実施形態では、カソードガスの流量を低下させたときの電圧変化を見てカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定していたが、カソード流量を低流量から増加させていたっときの出力電圧の変化を見て判定しても良い。すなわち、カソード流量を変化させたときの出力電圧の変化を見ることで、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定することができる。

また、上記実施形態ではカソード調圧弁２８を設けていたが、これオリフィス等の絞り部に置き換えても良い。

また、上記実施形態において、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンクをアノードガス排出通路３４に設けても良いし、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンクの代わりの空間としても良い。なお、ここでいう内部マニホールドとは、燃料電池内のアノードガス流路を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路２２へと排出される。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
５ コントローラ（ガス制御手段、リーク判定手段、第１リーク位置判定手段、カ
ソードガス流量低下手段、第２リーク位置判定手段、リーク位
置判定手段）
１００ 燃料電池システム

Claims (6)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも高くし、アノードガスの供給を停止するガス制御手段と、
   前記ガス制御手段によってアノードガスの供給が停止された後の前記アノード側の圧力低下速度に基づいて、前記アノード側から前記カソード側への水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定するリーク判定手段と、
   水素クロスリーク量が増加していると判定された場合において、前記燃料電池の電圧低下を検出しなかったときは、前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定する第１リーク位置判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 水素クロスリーク量が増加していると判定された場合において、前記燃料電池の電圧低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させるカソードガス流量低下手段と、
   前記カソードガス流量低下手段によってカソードガスの供給流量を低下させた後に、さらに前記燃料電池の電圧低下を検出したときは、前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定する第２リーク位置判定手段と、
   を備える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. 前記第２リーク位置判定手段は、
   前記カソードガス流量低下手段によってカソードガスの供給流量を低下させた後に、前記燃料電池の電圧低下を検出しなかったときは、前記燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていると判定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていると判定されたときは、前記燃料電池の出力制限、前記燃料電池内のアノード側とカソード側との差圧低減運転、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量の増量、及び、警告灯の点灯のいずれか１つ以上の動作を実施する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定されたときは、前記燃料電池の発電停止、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量の増量、及び、前記燃料電池システムの再起動禁止のいずれか１つ以上の動作を実施する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも高くし、アノードガスの供給を停止するガス制御手段と、
   前記ガス制御手段によってアノードガスの供給が停止された後の前記アノード側の圧力低下速度に基づいて、前記アノード側から前記カソード側への水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定するリーク判定手段と、
   水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を変化させ、そのときの電圧変化が大きければ、前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定するリーク位置判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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