WO2006030969A1

WO2006030969A1 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムのガス漏れ判定方法

Info

Publication number: WO2006030969A1
Application number: PCT/JP2005/017438
Authority: WO
Inventors: Naohiro Yoshida
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2006-03-23
Also published as: CN101015086B; JP2006086025A; DE112005002230B4; CN101015086A; US20070207355A1; DE112005002230T5; JP4730646B2; US8216729B2

Abstract

　本発明の燃料電池システム（１０）は、燃料ガス供給系統（３１，３２）のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池（２０）の発電によって消費し、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力低下代に基づいてガス漏れ判定を行う判定手段（５０）を備えたシステムであって、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料ガス供給系統（３１，３２）の外にパージすることによってガス漏れ検出部位の圧力を低下させる排気手段（Ｈ５１）を備える。ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを電力発電で消費するだけでなく、燃料ガス供給系統の外にパージすることによってガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることができ、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行える。

Description

明細書燃料電池システムおよぴ燃料電池システムのガス漏れ判定方法技術分野

本発明は燃料電池システムとそのガス漏れ判定方法に関し、特に、燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を短時間で精度良く行うための改良技術に関する。背景技術

燃料電池車両の発電システムとして、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池システムが用いられている。この種の燃料電池システムにおいては、水素供給源から燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路に各種の遮断弁（例えば、高圧水素タンクバルブ、水素供給バルブ、 F Cスタック入口バルブ、 F Cスタック出口パルプ、パージパルプ等）が配設されている。これら各種の遮断弁の故障診断を行うための手法として、例えば、特開 2 0 0 0 - 2 7 4 3 1 1号公報には、車両の燃料ガス供給路に配設された遮断弁を閉弁することによって燃料ガス供給路内に閉空間を作り出し、その閉空間の時間経過に対する圧力低下率が圧力低下率閾値よりも小さいときに弁故障を判定する技術が提案されている。ところが、遮断弁下流側の圧力低下速度は車両の運転状態、即ち、燃料消費率によって変動する。このため、車両の運転状態によって燃料消費率が低くなる場合には、遮断弁下流側の圧力低下に多くの時間を要し、迅速な故障診断を行うことができない。このような技術的背景に鑑みて、特開 2 0 0 3— 3 0 8 8 6 8号公報には、遮断弁の故障診断を行う際に電力消費部（モータ等）の消費電力を増加させることによつて、燃料電池の燃料消費量を増大させ、遮断弁下流側の圧力を短時間で低下させる技術が提案されている。

[特許文献 1] 特開 2000— 274311号公報

[特許文献 2] 特開 2003— 308868号公報発明の開示

しかし、電力消費部の消費電力の増加のみによつて燃料消費量を増大させたのでは、燃料電池を循環する水素オフガスの不純物濃度が高くなり、セル電圧低下を回避することができない。セル電圧が低下すると、燃料消費量が目標値よりも少なくなり、遮断弁下流側の圧力を低下させるのに時間を要する。また、特開 2003— 308868号公報に記載の技術では、故障診断によって得られる電力をエネルギー保存手段に蓄電できるように、故障診断前に予めエネルギー保存手段のェネルギー保存量を低下させておく必要があるので、迅速な故障診断を行うことができない。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことのできる燃料電池システムおよび燃料電池システムのガス漏れ判定方法を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス供給系統のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のァノ一ド極で消費し、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力変化状態に基づいてガス漏れ判定を行う判定手段を備えた燃料電池システムであって、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料ガス供給系統の外にパージすることによってガス漏れ検出部位の圧力を低下させる排気手段を備える。ここで、「圧力変化状態」とは、圧力変化に関連する物理量をいい、例えば、圧力低下代等が好適である。ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費するだけでなく、燃料ガス供給路の外にパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることができ、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことができる。また、燃料ガスをパージすることによって、燃料ガスの不純物濃度の上昇を抑えることができるので、セル電圧の低下を抑制できる。

ここで、排気手段は燃料ガスをパージすることによって.、ガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力を下回る場合には燃料ガスのパージを制限するように構成するのが好ましい。ここで、「制限」とは、燃料ガスのパージ量を少量に減少させたり、或いは燃料ガスのパージを禁止する意味である。これにより、ガス漏れ検出部位の圧力を目標圧力に近づけることができる。

また、排気手段はガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にしてもよい。例えば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが多い場合には燃料ガスのパージ量を多くすることで、ガス漏れ検出部位の圧力を迅速に目標圧力付近に近づけることができる。一方、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが少ない場合には燃料ガスのパージ量は少量となる。

また、本発明の燃料電池システムは、ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料電池の発電電流を可変にする制御手段を更に備えるのが好ましい。例えば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが多い場合には電力発電による燃料ガスの消費量を多くすることで、ガス漏れ検出部位の圧力を迅速に目標圧力付近に近づけることができる。一方、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが少ない場合には電力発電による燃料ガスの消費量は少量となる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池が発電した電力を蓄電する蓄電手段を更に備え、排気手段は蓄電手段の充電量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にするのが好ましい。例えば、蓄電手段の充電量が少ない場合にはガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを消費することによって得られた電力を多く充電することができるので、燃料ガスのパージ量は少量となる。一方、蓄電手段の充電量が多い場合にはガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを消費することによって得られた電力を充電することができないので、燃料ガスのパージ量は多くした方がよい。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の力ソード極に酸化ガスを供給する酸ィヒガス供給手段と、燃料電池から排出される力ソード極オフガスと排気手段からパージされる燃料ガスとを混合希釈する希釈器とを更に備え、酸化ガス供給手段は排気手段からパージされる燃料ガスのパージ量に対応して酸化ガスの供給量を変更するのが好ましい。これにより、排気燃料ガス濃度を低減できる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの漏洩を検出する燃料ガスセンサを更に備え、排気手段からパージされる燃料ガスの 1回あたりのパージ量は燃料ガスセンサが検出する漏れ検出閾値範囲内であることが好ましい。これにより、燃料ガスセンサによる誤判定を避けることができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、ガス漏れ検出部位は燃料ガス供給系統に配設されたバルブが閉弁することによつて形成された略密閉空間であり、判定手段はバルブが閉弁してから略密閉空間の圧力が安定するのに要する時間が経過してからガス漏れ判定を行うのが好ましい。これにより、正確なガス漏れ判定を行うことができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記排気手段は、前記燃料電池から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのアノードオフガス流路に配設されたパージバルブでもよい。

本発明の燃料電池システムのガス漏れ判定方法は、燃料ガス供給系統のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費し、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力変化状態に基づいてガス漏れ判定を行う、燃料電池システムのガス漏れ判定方法であって、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを前記燃料ガス供給系統の外にパージすることによつて前記ガス漏れ検出部位の圧力を低下させる工程を備える。

本発明のガス漏れ判定方法においては、前記燃料ガスをパージすることによって前記ガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力を下回る場合には、当該燃料ガスのパージを制限してもよい。

また、本発明のガス漏れ判定方法においては、前記ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にしてもよい。

図面の簡単な説明

図 1は、本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。

図 2は、システム制御のメインルーチンである。

図 3は、システム起動時のガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 4は、通常発電制御ルーチンである。

図 5は、ガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 6は、ガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 7は、ガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 8は、ガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 9は、ガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 1 0は、ガス漏れ判定処理ルーチンである。

図 1 1は、システム停止処理ルーチンである。

図 1 2は、異常停止処理ルーチンである。

発明を実施するための最良の形態

図 1は本実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示している。ここでは、燃料電池システム 1 0を燃料電池車両（F C E V) の車載発電システムとして用いる例を示すが、定置用発電システムとしても用いることができる。燃料電池（セルスタック） 2 0は複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を備えており、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。

燃料電池 2 0の燃料ガス供給系統（燃料ガス配管系統）には、燃料ガス供給源 3 0、燃料ガス供給路 3 1、及ぴ燃料ガス循環路 3 2が配設されている。ここで、燃料ガス供給系統とは、燃料ガス供給源 3 0から燃料電池 2 0に燃料ガスを供給する経路上に配設されたガス配管やパルプ等を総称するものであり、例えば、燃料ガス供給源 3 0と、燃料ガス供給源 3 0と燃料電池 2 0 とを接続する燃料ガス供給路 3 1と、燃料ガス供給路 3 1に設けられた開閉弁ゃレギユレ一タ等を含む構成である。また、燃料電池 2 0から排出される燃料ガスを燃料ガス供給路 3 1に循環させるシステム構成を採用する場合には、燃料ガス供給系統は、更に燃料ガス循環路 3 2を含む構成であってもよい。燃料ガス供給源 3 0は、例えば、高圧水素タンク又は水素貯蔵タンク等の水素貯蔵源、或いは改質原料を水素リツチガスに改質する改質器等によつて構成される。燃料ガス供給路 3 1は燃料ガス供給源 3◦から放出される燃料ガスを燃料電池 2 0のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクパルプ H 2 0 1、高圧レギユレータ H 9、低圧レギユレータ H I 0、水素供給パルプ H 2 0 0、及ぴ F Cスタック入口パルプ H 2 1が各々配設されている。高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギユレータ H 9にて中圧に減圧され、更に低圧レギユレータ H I 0にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。燃料ガス循環路 3 2は未反応燃料ガスを燃料電池 2 0に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけて F Cスタック出口パルプ H 2 2、水素ポンプ 6 3、及び逆止弁 H 5 2が各々配設されている。燃料電池 2 0から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ 6 3によって適度に加圧され、燃料ガス供給路 3 1に導かれる。逆止弁 H 5 2は燃料ガス供給路 3 1から燃料ガス循環路 3 2 への燃料ガスの逆流を抑制する。アノードオフガス流路 3 3は燃料電池 2 0 から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブ（排気手段） H 5 1が配設されている。

上述したタンクバルブ H 2 0 1、水素供給バルブ H 2 0 0 、 F Cスタック入口バルブ H 2 1 、 F Cスタック出口パルプ H 2 2、及びパージパルプ H 5 1は各ガス流路 3 1 〜 3 3又は燃料電池 2 0 へ燃料ガスを供給し、或いは遮断するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。このような電磁弁として、例えば、オンオフ弁、或いは P WM制御で弁開度をリユアに調整できるリニァ弁等が好適である。

燃料電池 2 0の酸化ガス供給系統（酸化ガス配管系統）には、エアコンプレッサ（酸化ガス供給源） 4 0、酸化ガス供給路 4 1、及ぴカソードオフガス流路 4 2が配設されている。本実施形態における酸化ガス供給手段は、少なくとも、エアコンプレッサ 4 0と、酸化ガス供給路 4 1とを備えて構成される。エアコンプレッサ 4 0はエアフィルタ 6 1を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮エアを酸化ガスとして燃料電池 2 0のカソード極に供給する。燃料電池 2 0の電池反応に供した後の酸素オフガスは力ソードオフガス流路 4 2を流れてシステム外に排気される。酸素オフガスは燃料電池 2 0での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール 6 2は酸化ガス供給路 4 1を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、力ソードオフガス流路 4 2を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池 2 0に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池 2 0に供給される酸化ガスの背圧は力ソードオフガス流路 4 2の力ソード出口付近に配設された圧力調整弁 A 4によって調圧される。力ソードオフガス流路 4 2の下流は希釈器 6 4に連通しており、希釈器 6 4に酸素ォフガスを供給する。希釈器 6 4はアノードオフガス流路 3 3の下流にも連通しており、水素オフガスを酸素オフガスによって混合希釈した後にシステム外に排気するように構成されている。燃料電池 20で発電された直流電力の一部は DC/DCコンバータ 53によって降圧され、二次電池（蓄電手段） 54に充電される。二次電池 54は車両制動時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、二ッケル ·力ドミゥム蓄電池、ニッケル.水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。トラクシヨンィンパータ 5 1及ぴ補機ィンバータ 52は燃料電池 20と二次電池 54の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ M 3と補機モータ M4のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータ M 4は後述の水素循環ポンプ 63を駆動するモータ M 2ゃェアコンプレッサ 40を駆動するモータ Ml等を総称している。

制御部 50はアクセルセンサ 55が検出したアクセル開度、車速センサ 5 6が検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池 20の出力電力が目標電力に一致するように燃料電池システム 10を制御する。具体的には、制御部 50はエアコンプレツサ 40を駆動するモータ Mlの回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプ 63を駆動するモータ M 2の回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。更に、制御部 50は DC/DCコンバータ 53を制御して燃料電池 20の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池 20の出力電力が目標電力に一致するように調整する。

尚、燃料ガス供給系統は、高圧部（タンクパルプ H201〜水素供給パルプ H 200の区間）、低圧部（水素供給バルブ H 200〜FCスタック入口バルブ H 21の区間）、 FC部（スタック入り口パルプ H 21〜F Cスタツク出口バルブ H 22の区間）、循環部（FCスタック出口パルプ H 22〜逆止弁 H52の区間）の 4つのセクションから構成されており、各部には燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ P 6, P 7, P 9, P 6 1, P 5, P 10, P 1 1が配設されている。より詳細には、圧力センサ P 6は燃料ガス供給源 3 0の燃料ガス供給圧を検出する。圧力センサ P 7は高圧レギユレータ H 9 の二次圧を検出する。圧力センサ P 9は低圧レギユレータ H I 0の二次圧を検出する。圧力センサ P 6 1は燃料ガス供給路 3 1の低圧部の圧力を検出する。圧力センサ P 5はスタック入口の圧力を検出する。圧力センサ P 1 0は水素循環ポンプ 6 3の入力ポート側（上流側）の圧力を検出する。圧力センサ P 1 1は水素循環ポンプ 6 3の出力ポート側（下流側）の圧力を検出する。本実施形態では、燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を各々のセクション毎 (高圧部、低圧部、 F C部、及び循環部）に行う。即ち、各セクションはガス漏れ検出部位となる。制御部 5 0は後述するガス漏れ判定（S 1 0 2 , S 1 0 6 , S 1 0 8 ) を行う判定手段として機能する他、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを消費するために燃料電池の発電電流を制御する制御手段としても機能する。各々のガス漏れ検出部位の容積は異なるため、そこに内在する燃料ガスの量も異なる。制御部 5 0はガス漏れ検出部位の容積（燃料ガスの量）に応じて、燃料電池 2 0の発電電流を制御するのが好ましい。例えば、ガス漏れ検出部位の容積が大きい場合には発電電流の値を大きくし、ガス漏れ検出部位の容積が小さい場合には発電電流の値を小さくする等して燃料ガスの消費を制御する。また、制御部 5 0はガス漏れ検出部位の容積に応じて、パージパルプ H 5 1からパージされる燃料ガスの量（パージ量）を制御するのが好ましい。例えば、ガス漏れ検出部位の容積が大きい場合にはパージ量を大きくし、ガス漏れ検出部位の容積が小さい場合にはパージ量を小さくする等してガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力に近づくように制御する。更に、制御部 5 0は二次電池 5 4の S O C (State Of Charge) に応じて燃料ガスのパージ量を制御するのが好ましい。例えば、二次電池 5 4の S O Cが高い場合には、燃料電池 2 0を発電させて燃料ガスを消費しても、その発電電力を二次電池 5 4に充電することができないので、燃料ガスのパージ量を多くし、二次電池 5 4の S O Cが低い場合には、燃料電池 2 0の発電電力を二次電池 54に充電することができるので、燃料ガスのパージ量を少なくする。

尚、燃料電池システム 1 0に燃料ガスの漏洩を検出する燃料ガスセンサ (例えば、水素センサ）が配設されている場合には、パージパルプ H 51力、らパージされる燃料ガスの 1回あたりのパージ量は燃料ガスセンサが検出する漏れ検出閾値範囲内（ガス漏れを検出できる最低濃度以下）が好ましい。これにより、燃料ガスセンサの誤判定を避けることができる。

図 2は制御部 50が実行するシステム制御を記述したメィンルーチンである。同図を参照してシステム制御の概要を説明した後に各サブルーチンについて説明する。燃料電池システム 10が起動すると（S 101 ; YES)、制御部 50は燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を行う（S 102)。ここで、ガス漏れがなく、正常に発電できると判定されると（S 103 ； YES), 通常発電制御が行われる（S 104)。このようにして通常運転が継続され、予め定められた間欠運転開始条件が満たされると（S 1 05 ； YES), 制御部 50は燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を行う（S 1 06)。間欠運転とは、アイドリング時、低速走行時、或いは回生制動時等のように低負荷運転時に燃料電池 20の発電を一時的に休止し、二次電池 54から供給される電力で走行する運転モードをいう。そして、システム停止が行われる場合には（S 1 07 ； YE S), 制御部 50は燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を行い（S 108)、システム停止処理を行う（S 109)。ガス漏れが検出された場合には（S 1 1 0 ； YES), 異常停止処理を行う（S 1 1 Do 次に、各サブルーチンについて詳述する。

図 3はシステム起動時のガス漏れ判定処理ルーチン（S 102) を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部 50はタンクパルプ H 201、水素供給パルプ H 200、 F Cスタック入口パルプ H 2 1、及び FCスタック出口パルプ H 22を開き、燃料ガス供給路 31を通じて燃料電池 20に燃料ガスを供給する（S 201)。次いで、制御部 50は燃料ガス供給系統に配設されている全ての圧力センサ P 5〜P 6のそれぞれの圧力値が所定の圧力値 P j ：!〜 P j 7以上であるか否かを判定する（S 2 02)。全ての圧力センサ P 5〜P 6のそれぞれが所定の圧力値 P j 1〜P j 7以上に達し、燃料ガス供給路 31及び燃料ガス循環路 32の圧力がガス漏れ判定を行える状態にまで昇圧すると（S 202 ； YES), 制御部 50 はタンタパルプ H201、水素供給バルブ H200、 FCスタック入口バルプ H21、及び F Cスタック出口バルブ H 22を閉弁し (S 203)、燃料ガス供給路 31及ぴ燃料ガス循環路 32を密封する。そして、密封状態から所定時間 t 1経過後に（ S 204 )、制御部 50は圧力センサ P 5〜 P 6の圧力値を P 5 P〜P 6 Pとして記憶する（S 205)。更に、密封状態から所定時間 t 2経過すると（S 206)、制御部 50は記憶済みの圧力値 P 5 P〜 P 6 Pと、所定時間 t 2経過時点で圧力センサ P 5〜 P 6が検出した圧力値との差圧 ΔΡ 5〜ΔΡ 6を演算する（S 207)。ここで求めた差圧 ΔΡ 5〜ΔΡ 6は時間（ t 2— t 1 ) の圧力低下量に相当する。制御部 50はそれぞれの差圧 ΔΡ 5〜ΔΡ 6が所定の圧力値 p j 8〜： P j 14以上であるか否かを判定する（S 208)。差圧 ΔΡ 5〜ΔΡ 6の全てが所定の圧力値 p j 8〜P j 14以下である場合には（S 208 ； NO)、ガス漏れがないと考えられるので、システム起動を完了し、通常発電を開始する（S 209)。一方、差圧 ΔΡ 5〜ΔΡ 6のうち何れか一つでも所定の圧力値 p j 8〜P j 14以上である場合には（S 208 ； YES), 制御部 50はガス漏れが生じていると判定する（S 210)。

図 4は通常運転時の発電制御ルーチン（S 104) を記述したフローチヤートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部 50は燃料ガス供給系統の各パルプ（タンクバルブ H 201、水素供給バルブ H 200、 FCスタツク入口パルプ H21、及び FCスタック出口パルプ H22) を開弁する（S 301)。次いで、アクセル開度、車速等を基に車両要求パワー（システム要求電力）を演算し（S 302)、燃料電池 20の出力電力と二次電池 54 の出力電力の比を決定する（S 303)。制御部 50は燃料電池発電量ーェァ .ストイキ .マップを参照して、所望の流量の酸化ガスが燃料電池 20に供給されるようにモータ Mlの回転数を制御する（S 304)。更に、制御部 50は燃料電池発電量一水素 ·ストイキ ·マップを参照して、所望の流量の燃料ガスが燃料電池 20に供給されるようにモータ M 2の回転数を制御する（S 305)。次いで、制御部 50は燃料電池発電量一燃料ガスパージ頻度マップを参照してパージパルプ H 51の開閉制御を行う（S 306)。以下、本発電制御ルーチンを所定のインターバルで繰り返し実行することで、通常運転が継続的に実行される。

図 5乃至図 1 0は間欠運転時、又はシステム停止時のガス漏れ判定処理ル一チン（S 106， S 108) を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部 50はタンクバルブ H 201を閉弁し（S 40 1)、高圧部のパージ判定を行う (S 402)₀ パージ判定とは、燃料ガスをパージするか否かを判定することである。まず、圧力センサ P 6が検出した圧力と高圧部の目標圧力 P 6 Aとの差圧に基づいて、高圧部の圧力を目標圧力 P 6 Aに一致させるために必要な燃料ガス消費量を演算する（S 403)。次いで、パージパルプ H 51の一回あたりのパージ量と高圧部の容積との比から減圧度 ΔΡ を算出し（S 404)、高圧部の圧力と目標圧力 P 6 Aとの差圧が ΔΡΟ+所定値（余裕度）以下である場合には（S 405 ； YE S)、燃料ガスをパージすると、高圧部の圧力が目標圧力 P 6 Aを低下してしまうため、パージを禁止する（S 406)。一方、高圧部の圧力と目標圧力 P 6 Aとの差圧が APQ+所定値（余裕度）を超える場合には（S 40 5 ； NO), 燃料ガスをパージしても、高圧部の圧力が目標圧力 P 6 A以下になることはないので、パージを許可する（S 407)。次いで、低圧部のパージ判定を行う（S 408)。まず、圧力センサ P 6 1が検出した圧力と高圧部の目標圧力 P 6 1 Aとの差圧に基づいて、低圧部の圧力を目標圧力 P 6 1 Aに一致させるために必要な燃料ガス消費量を演算する（S 409)。次いで、パージパルプ H 5 1の一回あたりのパージ量と低圧部の容積との比から減圧度 APQを算出し（S 410)、低圧部の圧力と目標圧力 P 6 1Aとの差圧が APQ+所定値（余裕度）以下である場合には（S 41 1 ; YES)、燃料ガスをパージすると、低圧部の圧力が目標圧力 P 6 1 Aを低下してしまうため、パージを禁止する（S 41 2)。一方、低圧部の圧力と目標圧力 P 6 1 Aとの差圧が APQ+所定値（余裕度）を超える場合には (S 4 1 1 ； NO)、燃料ガスをパージしても、低圧部の圧力が目標圧力 P 6 1 A以下になることはないので、パージを許可する（S 41 3)。

次いで、 F C部のパージ判定を行う (S 414)₀ まず、圧力センサ P 5 が検出した圧力と高圧部の目標圧力 P 5 Aとの差圧に基づいて、 FC部の圧力を目標圧力 P 5 Aに一致させるために必要な燃料ガス消費量を演算する (S 41 5)。次いで、パージバルブ H 5 1の一回あたりのパージ量と FC 部の容積との比から減圧度 ΔΡΟを算出し（S 41 6)、 FC部の圧力と目標圧カ卩 5 との差圧が卩(3+所定値（余裕度）以下である場合には（S 41 7 ; YES)、燃料ガスをパージすると、 FC部の圧力が目標圧力 P 5 Aを低下してしまうため、パージを禁止する（S 41 8)。一方、 FC部の圧力と目標圧力 P 5 Aとの差圧が ΔΡΟ+所定値（余裕度）を超える場合には（S 41 7 ； NO), 燃料ガスをパージしても、 FC部の圧力が目標圧力 P 5 A以下になることはないので、パージを許可する（S 41 9)。

次いで、循環部のパージ判定を行う（S 420)。まず、発電を禁止する (S 421)₀ 次いで、パージバルブ H 5 1の一回あたりのパージ量と循環部の容積との比から減圧度 APQを算出し（S 422)、循環部の圧力と目標圧力 P 1 OAとの差圧が APQ+所定値（余裕度）以下である場合には (S 423 ； YES), 燃料ガスをパージすると、循環部の圧力が目標圧力 P 10 Aを低下してしまうため、パージを禁止する（S 424)。一方、循環部の圧力と目標圧力 P 1 OAとの差圧が APQ+所定値（余裕度）を超える場合には（S 423 ； NO)、燃料ガスをパージしても、循環部の圧力が目標圧力 P 1 OA以下になることはないので、パージを許可する（S 42 5)。

各セクションのパージ判定が終了すると、次に、制御部 50は水素消費量一燃料電池発電量マップを参照して、 S 403, S 409, S 41 5で求めた燃料ガスを消費するための燃料電池 20の発電量を求める（S 426)。更に、燃料電池発電量一エア 'ストィキ 'マップを参照して、所望の発電量を得るために必要な酸化ガスが燃料電池 20に供給されるようにモータ Ml の回転数を調整する（S 427)。そして、水素供給パルプ H 200が開弁している場合には（S 428 ； YES), 制御部 50は燃料電池発電量一水素ストィキ ·マップを参照して所望の発電量を得るために必要な燃料ガス流量が燃料電池 20に供給されるようにモータ M 2の回転数を調整する（S 4 29)。更に、制御部 50は燃料電池発電量一パージ頻度マップを参照してパージパルプ H 51を開閉制御する（S 430)。このとき、パージが禁止されている場合には（S 406， S 41 2 , S 41 8 , S 424)、パージバルブ H 51は閉弁状態を維持する。一方、水素供給バルブ H 200が閉弁している場合には（S 428 ； NO), 制御部 50は水素ポンプ 63を停止し（S 43 1)、燃料電池発電量一パージ頻度マップを参照してパージバルプ H 5 1を開閉制御する（S 432)。パージパルプ H 5 1を開閉する際には、パージバルブ H 5 1の 1次圧、 2次圧、及び開弁時間に基づいて 1回あたりのパージ量を演算する（S 433)。ここで、パージパルプ H5 1の 1 次圧は圧力センサ P 1 1が検出した圧力値によって求めることができる。パージバルブ H 5 1の 2次圧は力ソードオフガス流路 4 2を流れる酸素オフガスの流量によって求めることができる。

制御部 5 0は二次電池 5 4の S O Cが所定値（例えば、 8 0。/。〜 9 0 %) 以上である場合には（S 4 3 4 ； Y E S )、燃料ガスの消費によって発電した電力を二次電池 5 4に蓄電することができないので、制御部 5 0は燃料電池 2 0の発電量を減少させ、且つ燃料ガスのパージ量を増加させる（S 4 3 5 )。また、燃料ガスのパージ頻度が所定頻度より多くなると（S 4 3 6 ； Y E S ) , システム外に排気される燃料ガス濃度が高くなるので、排気燃料ガス濃度を低減させるためにエアコンプレッサ 4 0の回転数を増加させて、力ソードオフガス流路 4 2を流れる酸素オフガスの流量を増量し、希釈器 6 4で希釈される排気燃料ガス濃度を低減する（S 4 3 7 )。即ち、燃料ガスのパージ量の増加（排気燃料ガス濃度の増加）に対応して、燃料電池 2 0のカソード極への酸化ガス供給量を増加させることにより、希釈器 6 4に導入される力ソード極オフガス（酸化ガス）を増加させる。この結果、パージされる燃料ガスの濃度を希釈できる。尚、希釈器 6 4の代わりに触媒を有する燃焼器でパージガスを酸ィ匕させてもよい。

このように、電力発電による燃料ガスの消費と、燃料ガスのパージ操作を実行することで ( S 4 2 6〜S 4 3 7 )、燃料ガス供給系統の各セクション (ガス漏れ検出部位）の圧力を迅速に低下させることができる。より詳細には、高圧部、低圧部、及び F C部の圧力は電力発電による燃料ガス消費と燃料ガスのパージ操作によつて低下させることができ、循環部の圧力は燃料ガスのパージ操作によって低下させることができる。各セクションのガス漏れ判定は、例えば、燃料ガス供給系統に配設されている各パルブを閉弁し、閉空間（略密閉空間）を形成して当該閉空間の圧力低下代を検出することにより行うのがよい。ガス漏れ判定はパルプが閉弁するのに要する時間と、略密閉空間の圧力が安定するのに要する時間とが経過してからガス漏れ判定を行うのが好ましい。これにより、ガス漏れ検出精度を高めることができる。圧力センサ P 6の検出圧力が目標圧力 P 6 A以下になると（S 438 ； Y ES)、高圧部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部 50は水素供給パルプ H 200を閉弁する（ S 439 )。これにより高圧部は密封状態になる。次いで、水素供給パルプ H 200の下流側に配設されている圧力センサ P 6 1の検出圧力が所定圧力 P J A 1以下に降圧したか否かを判定する（S 44· 0)。所定圧力 P J A 1は、水素供給パルブ H200が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサ P 61の検出圧力が所定圧力 P J A 1以下になると（S 440 ： Y ES)、高圧部のガス漏れ判定を行うために、水素供給パルプ H 200の閉弁時から所定時間 t 3が経過したか否かを判定する（S 441)。所定時間 t 3が経過すると（S 441 ： YES), 圧力センサ P 6の検出圧力を P 6 Pとして記憶する（S 442)。更に水素供給パルプ H 200の閉弁時から所定時間 t 4が経過したか否かを判定し（ S 443 )、所定時間 t 4が経過すると（S 443 ； YE S)、記憶済みの圧力 P 6 Pと圧力センサ P 6の検出圧力との差圧（圧力低下代） ΔΡ 6を演算する（S 444)。ここで、差圧 ΔΡ 6が所定の閾値圧力 P j 1 5以上である場合には（S 445 ； YE S)、高圧部にガス漏れが生じていると判定する（S 446)。ガス漏れの原因としては、タンクパルプ H 201或いは水素供給バルブ H 22の開故障、又はレギユレータ H9、 HI 0或いは燃料ガス供給路 31の破損等が考えられる。ここで、開故障とは、パルプが開いたままになって、閉弁できなくな，る故障状態をいう。

一方、水素供給バルブ H 200の閉弁時から所定時間 t 3が経過していない場合（S 44 1 ； NO), 或いは所定時間 t 4が経過していない場合（S 443 ; NO), 又は差圧 ΔΡ 6が所定の閾値圧力 P j 1 5未満である場合 (S 445 ； NO) には、制御部 50は低圧部のガス漏れ判定を許可する (S 447 )。これは、水素供給バルブ H 200の閉弁時から所定時間 t 3 又は t 4が経過していなくても、既に水素供給バルブ H 200が閉弁している以上、高圧部のガス漏れ判定と並行して低圧部のガス漏れ判定を行うことができるためである。

そして、圧力センサ P 6 1の検出圧力が目標圧力 P 6 1 A以下になると (S 448 ； YE S), 低圧部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部 50は FCスタック入口バルブ H 21を閉弁する（S 449)。これにより低圧部は密封状態になる。次いで、 FCスタック入口パルプ H 21の下流側に配設されている圧力センサ P 5， P I 1の検出圧力がそれぞれ所定圧力 P J A 2， P J A3以下に降圧したか否かを判定する（S 450)。所定圧力 P JA2, P J A3は、 FCスタック入ロバルブ H21が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサ P 5, P 1 1の検出圧力がそれぞれ所定圧力 P J A 2， P J A3以下になると（S 450 ： YES), 低圧部のガス漏れ判定を行うために、 FC スタック入口バルブ H 21の閉弁時から所定時間 t 5が経過したか否かを判定する（S 45 1)。所定時間 t 5が経過すると（S 451 ： YES), 圧力センサ P 6 1の検出圧力を P 6 1 Pとして記憶する（S 452)。更に F C スタック入口バルブ H 21の閉弁時から所定時間 t 6が経過したか否かを判定し（S 453)、所定時間 t 6が経過すると（S 453 ； YES), 記憶済みの圧力 P 6 1 Pと圧力センサ P 6 1の検出圧力との差圧（圧力低下代） Δ P 61を演算する（S 454)。ここで、差圧 ΔΡ 6 1が所定の閾値圧力 P j 1 6以上である場合には（S 455 ； YES), 低圧部にガス漏れが生じていると判定する（S 456)。ガス漏れの原因としては、水素供給バルブ H22或いは F Cスタック入口パルプ H 21の開故障、又は燃料ガス供給路 31或いは燃料ガス循環路 32の破損等が考えられる。

一方、 FCスタック入口バルブ H 21の閉弁時から所定時間 t 5が経過していない場合（S 45 1 ； NO)、或いは所定時間 t 6が経過していない場合（S 453 ； NO), 又は差圧 ΔΡ 61が所定の閾値圧力 P j 16未満である場合（S 455 ； NO) には、制御部 50は FC部のガス漏れ判定を許可する（S 457)。これは、 FCスタック入口パルプ H 21の閉弁時から所定時間 t 5又は t 6が経過していなくても、既に FCスタック入口バルブ H21が閉弁している以上、低圧部のガス漏れ判定と並行して FC部のガス漏れ判定を行うことができるためである。

そして、圧力センサ P 5の検出圧力が目標圧力 P 5 A以下になると（S 4 58 ； YE S), FC部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部 50は FCスタック出口バルブ H 22を閉弁する (S 459)₀ これにより F C部は密封状態になる。次いで、 FCスタック出口パルプ H 22の下流側に配設されている圧力センサ P 10の検出圧力が所定圧力 P JA4以下に降圧したか否かを判定する（S 460)。所定圧力 P J A4は、 FCスタック出口バルブ H 22が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサ P 10の検出圧力がそれぞれ所定圧力 P JA4以下になると（S 460 : YES)、 F C部のガス漏れ判定を行うために、 FCスタック出口バルブ H 22の閉弁時から所定時間 t 7が経過したか否かを判定する (S 46 1)。所定時間 t 7が経過すると（S 4 6 1 ： YES), 圧力センサ P 5の検出圧力を P 5 Pとして記憶する（S 46 2)。更に FCスタ,ック出口バルブ H22の閉弁時から所定時間 t 8が経過したか否かを判定し（S 463)、所定時間 t 8が経過すると（S 463 ； YE S), 記憶済みの圧力 P 5 Pと圧力センサ P 5の検出圧力との差圧（圧力低下代） ΔΡ 5を演算する（S464)。ここで、差圧 ΔΡ 5が所定の閾値圧力 P j 1 7以上である場合には（S 465 ； YE S), FC部にガス漏れが生じていると判定する（S 466)。ガス漏れの原因としては、 FCスタック入口パルプ H21或いは FCスタック出口バルブ H22の開故障、又は燃料ガス供給路 31或いは燃料ガス循環路 32の破損等が考えられる。

一方、 FCスタック出口バルブ H 22の閉弁時から所定時間 t 7が経過していない場合（S 46 1 ； NO)、或いは所定時間 t 8が経過していない場合（S 463 ； NO), 又は差圧 ΔΡ 5が所定の閾値圧力 P j 1 7未満である場合（S 465 ； NO) には、制御部 50は循環部のガス漏れ判定を許可する（S 467)。これは、 F Cスタック出口パルプ H22の閉弁時から所定時間 t 7又は t 8が経過していなくても、既に FCスタック出口パルプ H 22が閉弁している以上、 FC部のガス漏れ判定と並行して循環部のガス漏れ判定を行うことができるためである。

そして、圧力センサ P 1 0の検出圧力が目標圧力 P 1 OA以下になると (S 468 ； YES), 循環部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部 50はパージバルブ H 51の開閉を禁止する (S 469)₀ これにより循環部は密封状態になる。循環部のガス漏れ判定を行うために、制御部 50はパージバルブ H 51の開閉を禁止した時点（又は FCスタック出口パルプ H22の閉弁時）から所定時間 t 9が経過したか否かを判定する（S 470)。所定時間 t 9が経過すると（S 470 : YE S)、圧力センサ P 10検出圧力を P 10 Pとして記憶する（S 471)。更に、パージパルプ H 5 1の開閉を禁止した時点（又は F Cスタック出口バルプ H22の閉弁時）から所定時間 t 10が経過したか否かを判定し（S 47 2 )、所定時間 t 10が経過すると（S 472 ; YES)、記憶済みの圧力 P 10 Pと圧力センサ P 1 0の検出圧力との差圧（圧力低下代） ΔΡ 1 0を演算する（S 473)。ここで、差圧 ΔΡ 1 0が所定の閾値圧力 P j 1 8以上である場合には（S 474 ； YES)、循環部にガス漏れが生じていると判定する（S 475)。ガス漏れの原因としては、 FCスタック出口バルブ H 22或いは逆止弁 H 52の開故障、又は燃料ガス循環路 32の破損等が考えられる。一方、差圧 ΔΡ 10が所定の閾値圧力 P j 1 8未満である場合には (S 474 ； NO), 循環部にガス漏れが生じてないと判定し、ガス漏れ判定を完了する（S 476)。

図 1 1はシステム停止処理ルーチン（S 109) を記述したフローチヤ一トである。同ルーチンが呼び出されると、制御部 50は循環部のガス漏れ判定が完了したか否かを判定する（S 50 1)。循環部のガス漏れ判定が完了したならば（S 501 ； YES)、制御部 50は F Cスタック入口バルブ H 21、及び FCスタック出口バルブ H 22を開弁し、燃料ガス供給路 3 1及ぴ燃料ガス循環路 32に残留している燃料ガスを燃料電池 20に導く（S 5 02)。これと同時に、制御部 50はエアコンプレッサ 40を回転させて燃料電池 20に酸化ガスを供給する。燃料電池 20に導入された燃料ガスは電力発電によって消費される。更に、制御部 50は適当な時間間隔でパージバルプ H 51を開弁することにより、燃料ガスをパージし、燃料電池 20を循環する燃料ガスの不純物濃度を低減する。そして、圧力センサ P 5の検出圧力が目標圧力 P 5 AE以下に降圧したか否かを判定する（S 503)。目標圧力 P 5AEとしては、システム停止時に燃料ガスが力ソード側にクロスリークしない程度の圧力が好ましい。圧力センサ P 5の検出圧力が目標圧力 P 5 A E以下に降圧すると（S 503 ； YES), 制御部 50は FCスタック入口バルブ H21、 FCスタック出口パルプ H22、及びパージバルブ H 5 1を閉弁し、エアコンプレッサ 40と水素ポンプ 63を停止させて、発電を停止する（S 504)。

図 1 2は異常停止処理ルーチン（S 1 1 1) を記述したフローチャートである。上述のガス漏れ判定（S 102, S 106, S 108) において、ガス漏れが生じていると判定されると（S 210, S 446, S 456, S 4 46, S 475)、異常停止処理ルーチンが呼び出される。同ルーチンが呼び出されると、制御部 50は燃料ガス供給系統に配設されている全てのパルブ、即ち、タンクバルブ H 201、水素供給パルプ H 200、 FCスタック入口バルブ H 2 1、 F Cスタック出口バルブ H 2 2、及ぴパージバルブ H 5 1を全て閉弁し、更にエアコンプレッサ 4 0と水素ポンプ 6 3を停止させて、発電を停止する（S 6 0 1 )。

本実施形態によれば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを電力発電で消費するだけでなく、燃料ガス供給路の外にパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることが可能になり、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことができる。また、燃料ガスをパージすることによって、燃科ガスの不純物濃度の上昇を抑えることができるので、セル電圧の低下を抑制できる。産業上の利用可能性

本発明によれば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを電力発電で消費するだけでなく、燃料ガス供給路の外にパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることができ、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことができる。また、燃料ガスをパージすることによつて、燃料ガスの不純物濃度の上昇を抑えることができるので、セル電圧の低下を抑制できる。よって、本発明は、そのような要求のある燃料電池システムおょぴ燃料電池システムのガス漏れ判定方法に広く利用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料ガス供給系統のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費し、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力変化状態に基づいてガス漏れ判定を行う判定手段を備えた燃料電池システムであって、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを前記燃科ガス供給系統の外にパージすることによって前記ガス漏れ検出部位の圧力を低下させる排気手段を備える、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、

前記排気手段は燃料ガスをパージすることによって、前記ガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力を下回る場合には燃料ガスのパージを制限するように構成されている、燃料電池システム。

3 . 請求項 1又は請求項 2に記載の燃料電池システムであって、 . 前記排気手段は前記ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にする、燃料電池システム。

4 . 請求項 1乃至請求項 3のうち何れか 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて前記燃料電池の発電電流を可変にする制御手段を更に備える、燃料電池システム。

5 . 請求項 1乃至請求項 4のうち何れか 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記燃料電池が発電した電力を蓄電する蓄電手段を更に備え、前記排気手段は前記蓄電手段の充電量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にする、燃料電池システム。

6 . 請求項 1乃至請求項 5のうち何れか 1項に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池から排出されるカソード極オフガスと前記排気手段からパージされる燃料ガスとを混合希釈する希釈器とを更に備え、前記酸化ガス供給手段は前記排気手段からパージされる燃科ガスのパージ量に対応して酸化ガスの供給量を変更する、燃料電池システム。

7 . 請求項 1乃至請求項 6のうち何れか 1項に記載の燃料電池システムであって、

燃料ガスの漏洩を検出する燃料ガスセンサを更に備え、前記排気手段からパージされる燃料ガスの 1回あたりのパージ量は前記燃料ガスセンサが検出する漏れ検出閾値範囲内である、燃料電池システム。

8 . 請求項 1乃至請求項 7のうち何れか 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記ガス漏れ検出部位は前記燃料ガス供給系統に配設されたバルブが閉弁することによって形成された略密閉空間であり、前記判定手段は前記バルブが閉弁してから前記略密閉空間の圧力が安定するのに要する時間が経過してからガス漏れ判定を行う、燃料電池システム。

9 . 請求項 1乃至請求項 8のうち何れか 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記排気手段は、前記燃料電池から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのアノードオフガス流路に配設されたパージパルプである、燃料電池システム。

1 0 . 燃料ガス供給系統のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費し、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力変化状態に基づいてガス漏れ判定を行う、燃料電池システムのガス漏れ判定方法であって、

前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを前記燃科ガス供給系統の外にパージすることによって前記ガス漏れ検出部位の圧力を低下させる工程を備える、燃料電池システムのガス漏れ判定方法。

1 1 . 請求項 1 0に記載の燃料電池システムのガス漏れ判定方法であって、前記燃料ガスをパージすることによって前記ガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力を下回る場合には、当該燃料ガスのパージを制限する、燃料電池システムのガス漏れ判定方法。

1 2 . 請求項 1 0又は請求項 1 1に記載の燃料電池システムのガス漏れ判定方法であって、

前記ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にする、燃料電池システムのガス漏れ判定方法。