(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体に燃料として供給されるガスの体積流量を制御する流量制御装置と、
前記流量制御装置の上流における前記ガスの熱力学的な状態を測定する状態計測装置と、
前記燃料電池本体の発電量を計測する発電量計測装置と、
前記流量および前記熱力学的な状態に基づいて計算する前記ガスの供給量と、前記発電量に基づいて求める該ガスの消費量とを比較して該ガスの漏れを判定する制御装置と
を備え、
前記ガスの前記供給量は、前記流量制御装置の下流側に対する上流側圧力が臨界圧力以上となる状態で、該下流における熱力学的な状態が無視されて計算されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御装置の前記下流側に対する前記上流側圧力が前記臨界圧力以上となる前記状態においては、所定期間前記発電量が定常となる定常状態が実現されている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
消費電力量が変動する負荷へと、前記燃料電池本体が発電した電力を供給し、
前記燃料電池本体の余剰電力を吸収し不足電力を補う補助電池が併用され、
前記制御装置は、前記負荷の前記消費電力量の変動に前記補助電池を対応させることによって前記燃料電池本体の運転を強制的に定常化させた状態で前記ガスの漏れを判定する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記補助電池の充電量を計測する充電量計測装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記充電量計測装置の計測結果から前記補助電池に余剰電力を吸収し、かつ不足電力を補う余裕があると判断した場合に前記燃料電池本体の運転を強制的に定常化させる燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記ガスは水素を含むガスであり、前記燃料電池本体は該水素と酸素とを反応させて前記発電を行う燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記ガスが前記燃料電池本体に供給される前に該ガスを加湿する加湿器をさらに備え、
前記制御装置は、前記ガスの漏れを判定する前に、前記燃料電池本体における水詰まりを防止する防止措置を行う燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記ガスを、前記燃料電池本体を含む循環路において循環させ、前記発電に使用される前の該ガスと使用された後の該ガスとを混合して該燃料電池本体に供給する循環機構をさらに備える燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記ガスの漏れの程度に応じて前記燃料電池本体の発電量の抑制の程度を変更する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料極に、酸素を含んだ空気を空気極にそれぞれ供給することによって水素と酸素とを電気化学的に反応させて、直接発電を行う。小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境性に優れている。また、近年では、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することによって小型化および高出力化が可能となり、酸水溶液が不要となる。このような理由によって、固体高分子型燃料電池が、水素ガスを用いる燃料電池の方式として注目されている。
【０００３】
燃料ガスである水素ガスは分子量が小さいため漏れが起こりやすく、かつ着火性に富む。したがって、引火を防止するために従来から、水素ガスの漏れを検知する方法が提案されている。例えば、特開平４−２２０９５５号公報に開示の技術（第１の従来例と呼ぶ）においては、燃料電池本体を容器に収納する。そして、該容器内に供給する不活性ガス中に含まれる水素をセンサによって検出して漏れを検知する。
【０００４】
また、水素配管における漏れを検知する方法としては、特開平９−２２７１１号公報に開示の技術（第２の従来例と呼ぶ）がある。まず、配管途中に開閉弁を介装させておき、閉空間を形成できるようにしておく。そして、検知の際には開閉弁を閉じて閉空間を形成し、この閉空間の圧力を圧力センサによって観察する。圧力の低下の発生の有無を検知することで、漏れの有無を判断するようにしている。
【０００５】
以上のように、第１の従来例および第２の従来例を用いて水素の漏れを検知することが可能となる。しかしながら、第１の従来例は燃料電池本体を容器に収納する必要がある。このことはユニットの重量および容積の増加を招くだけでなく、容器外での漏れを検知できないという問題点がある。
【０００６】
第２の従来例も、開閉弁によって区切られた閉空間の漏れを確認できるのみであり、検出部位が制限されているという欠点を有している。更に、漏れ検知時には燃料電池への水素の供給を停止する必要がある。したがって、燃料電池の運転中にもれの検知を実施することは困難である。
【０００７】
このような欠点の無い方法として、特開昭６３−５１０６１号公報に開示の技術（第３の従来例と呼ぶ）が提案されている。この第３の従来例においては、燃料電池を稼動させて、水素の供給量および直流電流の値を用いて求められる計算上の余剰の排出水素量と、燃料電池の水素ガス出口に設けられた水素濃度センサの測定値から算出した実際の排出水素量とを比較する。そして、この偏差から水素もれ量を計算するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
第３の従来例においては、燃料電池の運転中に漏れの検知を実施することは可能である。しかし、水素供給量と使用量との偏差の計算に必要な計測項目が多岐に渡り、使用するセンサが多数必要となるという問題点がある。
【０００９】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、検出機器が少なく運転中にガスの漏れの検知が可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池本体に燃料として供給されるガスの体積流量を制御する流量制御装置と、前記流量制御装置の上流における前記ガスの熱力学的な状態を測定する状態計測装置と、前記燃料電池本体の発電量を計測する発電量計測装置と、前記流量および前記熱力学的な状態に基づいて計算する前記ガスの供給量と、前記発電量に基づいて求める該ガスの消費量とを比較して該ガスの漏れを判定する制御装置とを備え、前記ガスの前記供給量は、前記流量制御装置の下流側に対する上流側圧力が臨界圧力以上となる状態で、該下流における熱力学的な状態が無視されて計算される。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の前記流量制御装置の前記下流側に対する前記上流側圧力が前記臨界圧力以上となる前記状態においては、所定期間前記発電量が定常となる定常状態が実現されている。
【００１２】
第３の発明は、第２の発明において、消費電力量が変動する負荷へと、前記燃料電池本体が発電した電力を供給し、前記燃料電池本体の余剰電力を吸収し不足電力を補う補助電池が併用され、前記制御装置は、前記負荷の前記消費電力量の変動に前記補助電池を対応させることによって前記燃料電池本体の運転を強制的に定常化させた状態で前記ガスの漏れを判定する。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明の前記補助電池の充電量を計測する充電量計測装置をさらに備え、前記制御装置は、前記充電量計測装置の計測結果から前記補助電池に余剰電力を吸収し、かつ不足電力を補う余裕があると判断した場合に前記燃料電池本体の運転を強制的に定常化させる。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明ないし第４の発明のうちのいずれか１つの前記ガスが水素を含むガスであり、前記燃料電池本体は該水素と酸素とを反応させて前記発電を行う。
【００１５】
第６の発明は、第５の発明に対して、前記ガスが前記燃料電池本体に供給される前に該ガスを加湿する加湿器がさらに付加されたものであり、前記制御装置は、前記ガスの漏れを判定する前に、前記燃料電池本体における水詰まりを防止する防止措置を行う。
【００１６】
第７の発明は、第１の発明ないし第６の発明のうちのいずれか１つに対して、前記ガスを前記燃料電池本体を含む循環路において循環させ、前記発電に使用される前の該ガスと使用された後の該ガスとを混合して該燃料電池本体に供給する循環機構がさらに付加されている。
【００１７】
第８の発明は、第１の発明ないし第７の発明のうちのいずれか１つの前記制御装置が、前記ガスの漏れの程度に応じて前記燃料電池本体の発電量の抑制の程度を変更する。
【００１８】
【発明の作用および効果】
第１の発明によると、流量制御装置の下流側に対する上流側圧力が臨界圧力以上となる状態においてガスの漏れの判定が行われる。これによって、下流におけるガスの熱力学的な状態を計算において考慮する必要が無くなり、下流側の検出手段を省くことが可能となる。漏れの検知のための部品の点数が削減されることによって、費用が低下する。
【００１９】
第２の発明によると、所定期間発電量が定常となる定常状態が実現されるので、前記ガスの供給量の計算が容易かつ精度良く行われる。
【００２０】
第３の発明によると、負荷の消費電力量が変動した時でも燃料電池本体の運転を定常化させたまま漏れの判定を行わせることが可能となる。これによって、定常化された状態を判定に必要な時間の間維持することが可能になると共に、漏れの判定の信頼性が向上する。
【００２１】
第４の発明によると、補助電池に余剰電力を吸収しかつ不足電力を補う余裕があるときに燃料電池本体の運転が定常化させられる。これによって、定常化された状態を確実に維持することが可能となり、漏れの判定を確実に行うことができる。
【００２２】
第５の発明によると、水素の漏れが燃料電池の運転中に判定され、引火を未然に回避することが可能となる。
【００２３】
第６の発明によると、加湿水が凝集して発生する液体の水によって燃料電池本体が詰まることが未然に回避され、漏れの判定を確実に行うことが可能となる。
【００２４】
第７の発明によると、燃料電池で消費されなかったガスを再び燃料電池本体へと供給することによって、ガスを効率的に利用することが可能となる。
【００２５】
第８の発明によると、漏れの程度に応じて燃料電池本体の稼動が制限される。これによって、漏れが軽微である場合にいきなり発電が停止されることによって生ずる不都合が回避され得る。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本実施の形態の構成は、水素流量調整弁５の上流側の水素ガスの状態を観察すれば下流側に供給される水素ガスの供給量を把握できるように水素ガスを制御する。そして、運転中の燃料電池ユニット２０への水素ガスの供給量と発電に用いられた水素ガスの消費量とを比較することによって、運転中の水素の漏れを検知する。まず、燃料電池ユニット２０の全体的な構成について説明する。
【００２７】
図１は、燃料電池ユニット２０の構成を例示する模式図である。燃料電池スタック（本体）１は、水素ガスおよび空気がそれぞれ供給される燃料極２および空気極１０を有する。同図においてはガス系のみが示されているが、実際には燃料電池スタック１には冷却水の配管が組み込まれている。燃料極２および空気極１０はスタック１において、図示を省略された固体高分子膜を隔てて接合されている。そして、水分を媒体としてこの固体高分子膜中を水素イオンが移動して酸素分子に接触し、発電が行われる。
【００２８】
図１の構成は水素燃料自体を水素貯蔵タンク４に直接貯蔵する形式であり、水素ガスは圧縮されて高圧状態で貯蔵されている。供給遮断弁１７が開けられることによってタンク４から送り出された水素ガスが燃料電池スタック１へと安定した圧力で供給されるように、圧力調整機構９および水素流量調整弁５という２段階の減圧手段を通過する。第１段目の圧力調整機構９は、第２段目の水素流量調整弁５が良好に作動するように水素ガスの圧力を所定値にまで減圧する。水素流量調整弁５は、図２に記載の燃料電池ユニットコントローラ２１ａによって絞り面積が制御される。したがって、圧力調整機構９によって減圧された水素ガスは水素流量調整弁５の絞り面積に応じて所定の体積流量に設定され、スタック１を含む循環路に送られる。
【００２９】
圧力調整機構９および水素流量調整弁５の間には圧力センサ１４と温度センサ１５が介装されており、水素流量調整弁５に流入する水素ガスの熱力学的な状態を圧力および温度を検出することによって検知している。
【００３０】
水素流量調整弁５を通り抜けた水素ガスは、再循環装置６に流入する。再循環装置６は、水素タンク４から送られてくる新規の水素ガスと、スタック１の燃料極２を通過した使用済みの水素ガスとを混合して、スタック１のある下流へと向けて送り出す。混合された水素ガスは加湿器３においてほぼ飽和状態まで加湿された後、スタック１に流入する。水素ガスはスタック１の燃料極２において発電に使用される。発電によって生じた電流の値は、スタック１に取り付けられた電流計１８によって計測される。この電流値を知ることによって、発電量およびこれに実際に用いられた水素ガスの量を把握できる。
【００３１】
発電では使用し切れなかった余りの残留水素ガスは、発電による水素濃度の低下のために発生した凝縮水とともに、スタック１から排出される。これらは水回収装置７に通され、凝縮水が水分として回収される。この後、残留水素ガスは再循環装置６へ送られ、循環路を再度循環する。これによって、水素ガスを無駄なく使用することが可能となり、燃費が向上する。図１の構成においては加湿器３とスタック１とを連通させる配管に圧力センサ１６が取り付けられており、図示を省略された燃料電池ユニットコントローラ２１ａへとその検出値が入力される。燃料電池ユニットコントローラ２１ａはこの検出値を反映させて絞り面積を決定して流量調整弁５の開度を調整し、要求される負荷に対して予め定められた圧力の水素ガスが供給されるようにする。
【００３２】
燃料電池スタック１における水素ガスと酸素とを反応させるためには、固体高分子膜に水分を供給することが必要であり、このために加湿器３が設けられている。しかし、水素ガスの循環量が少ない運転状態では、燃料極２内にて発生した凝縮水がそのまま停滞してしまい、この水詰まりによってスタック１の発電効率が低下することがある。そこで、燃料極２の水詰まりを解消するために、スタック１の下流に設けられたパージ弁８を定期的に開く。そして、循環管路中の水素ガスの圧力を利用して凝縮水を排水素ガスと共に外部へ放出する。
【００３３】
次に、空気極１０へと空気を供給する空気系について説明を行う。空気系の最上流には、大気を取り込み圧縮して空気ラインに送り込む圧縮機１１が設置されている。圧縮機１１で圧縮された空気も水素ガスと同様に加湿器３においてほぼ飽和状態まで加湿された後に、スタック１に流入する。そして、スタック１の空気極１０において酸素が消費された残りの空気は、スタック１における発電に伴って発生した水分とともに、水回収装置１２に送られる。ここで水分が回収され、排空気は空気ラインに取り付けられた圧力制御バルブ１３を通過して大気へと放出される。空気の圧力は、負荷の要求に応じて予め定められた値となるように、圧力制御バルブ１３の開度によって制御される。この制御は、図示を省略された既述のコントローラによって行われる。空気系においても、凝縮水による詰まりを防止するために、空気を用いるパージが行われる。
【００３４】
水回収装置７および水回収装置１２によって回収された水は、図示を省略された加圧ポンプによって加湿器３に供給されたりスタック１の冷却水として使用されたりして、有効に再利用される。
【００３５】
次に、本実施の形態の水素の漏れを検出する計算原理について説明する。水素流量調整弁５は、保持位置によって絞り面積Ａが可変となる弁体を入口と出口と間に配されている。絞り面積Ａの調整によって、単位時間当たりに調整弁５を通過する水素ガスの体積流量を設定することが可能となる。弁体の保持位置の変更は、例えば既述の燃料電池ユニットコントローラ２１ａからの指令に応じて電磁コイルで発生した磁力を用いて行うことができる。水素流量調整弁５の上流側の圧力Ｐ０が下流側の圧力Ｐ１に対して臨界圧力“Ｐ０＊”以上である場合、絞り面積の部分を通過する水素ガス流は常に音速流となる。ここで、下流圧力Ｐ１に対する臨界圧力Ｐ０＊は、水素では約１．９倍となる。この時、上流圧力Ｐ０および下流圧力Ｐ１に直接的な影響を受けずに速度が常に音速になるため、水素ガスの体積流量は絞り面積Ａに依存する。すると、水素ガスの質量流量ＭＨＩＮは、以下の式によって与えられる。
【００３６】
【数１】
0003572455.tif 000002
ここで、ｋ：流体の比熱比（この場合、水素ガスの定容比熱に対する定圧比熱の比）、Ｔ０：水素ガスの上流温度、Ｒ：気体定数である。この数式１に表されるように、流量調整弁５の絞り部分を通過する水素ガスが音速流である場合には、質量流量ＭＨＩＮは下流圧力Ｐ１に依らない。具体的には、質量流量ＭＨＩＮを決める熱力学的な変数は、上流圧力Ｐ０、上流温度Ｔ０、および（単位時間当たりに供給される水素ガスの体積に関係する）絞り面積Ａのみとなる。したがって、燃料電池ユニットコントローラ２１ａの指令値に対応する絞り面積Ａの値をこの燃料電池ユニットコントローラ２１ａ内に予め記憶させておくと共に、圧力センサ１４に上流圧力Ｐ０の測定値を、温度センサ１５に上流温度Ｔ０の測定値を提供させることによって、水素ガスの質量流量ＭＨＩＮを算出することが可能となる。
【００３７】
もちろん、例えばスタック１の燃料極２において凝縮水による通路面積の減少が生じて下流圧力Ｐ１が上昇してしまったような場合には、上流圧力Ｐ０が臨界圧力Ｐ０＊から不足する。すると、供給される水素ガスは音速流とはならず、数式１を用いて質量流量ＭＨＩＮを正確に求めることはできなくなり、下流圧力Ｐ１を考慮する必要が生じてしまう。しかし、このような異常事態の発生はパージ等の対策によって十分回避することが可能である。さらに、下流圧力Ｐ１に対して上流圧力Ｐ０を十分大きく採っておけば、下流圧力Ｐ１が多少変動しても供給される水素ガスは音速流となる。
【００３８】
したがって、流量調整弁５の上流圧力が臨界圧力以上である場合には、下流圧力Ｐ１の挙動、すなわち調整弁５の下流における水素ガスの熱力学的な状態を考慮することなく質量流量ＭＨＩＮを計算することが可能である。計算に必要なパラメータの個数が減少することによって、計算が簡易になり計算手段の負担が軽くなる。さらに、加湿器３によって加湿される前の水素ガスの圧力Ｐ１を計測するセンサが不要となる。すなわち、計算に必要なセンサの個数が抑制されることによって、水素の漏れを検知するために必要な設備のコストが低下する。
【００３９】
次に、燃料電池スタック１において消費される水素の量がいくらであるかを知る方法について説明する。ここで、燃料電池スタック１が発電している時の電流は、以下の化学式に従って発生する電荷によるものである。
【００４０】
【化１】
0003572455.tif 000003
したがって、単位時間当たりに発電に消費される水素ガスの質量ＭＨＣＯＮは、スタック１の発電時における発生電流に比例し、以下の数式２のように表される。
【００４１】
【数２】
0003572455.tif 000004
ここで、Ｉ：電流値、Ｆ：ファラデー定数、ｍＨ２：水素分子量をそれぞれ表す。スタック１において発生する電流の値を電流計１８を用いて測定して数式２に代入することによって、消費される水素の質量ＭＨＣＯＮを算出することが可能となる。
【００４２】
ここで、燃料電池スタック１に供給される水素ガスが１００％発電に用いられない場合、負荷の要求する発電量に相当する水素ガスの流量に排水素ガス分の余裕を持たせた流量にする必要がある。したがって、漏れがある場合には、「供給される質量流量ＭＨＩＮ＝消費される質量ＭＨＣＯＮ＋排水素ガスの質量＋漏れた水素の質量」という関係が成立する。これを書き換えると、「漏れた水素の質量＝供給される質量流量ＭＨＩＮ−（消費される質量ＭＨＣＯＮ＋排水素ガスの質量）」となる。したがって、本来ならば従来例３のように、排水素ガスの流量を検出するセンサを取り付ける必要が生ずる。一方、水素ガスが全て発電に供される場合、「漏れた水素の質量＝供給される質量流量ＭＨＩＮ−消費される質量ＭＨＣＯＮ」となり、排水素ガスの流量を検出するセンサは不要である。
【００４３】
この様な例として、図１に例示されるように排水素ガスが循環されるように水素系が構成されている場合は、パージの時を除き、循環路に供給された水素ガスは発電に使用されるまで循環路に滞在する為、供給される水素の全てが発電に供される。
【００４４】
ところで、燃料電池ユニット２０の発電量が変動している時、すなわち定常運転状態に無いときには、消費される水素ガスの量の変動に合わせて水素ガスの供給量も変更しなければならない。非定常運転状態においては、たとえ流量制御弁５の上流圧力が臨界圧力以上であり続けたとしても、絞り面積Ａが時間的に変化し、さらにガスの熱力学的な状態も変化することから、数式１において全てのパラメータの時間変化を把握して流量計算に用いなければならず、漏れの検出は可能ではあるが面倒である。
【００４５】
一方、燃料電池ユニット２０が定常運転状態にある時には、諸パラメータの変動を考慮する必要がなくなる。すなわち、水素ガスの供給量および消費量を一定に保っておけば燃料電池スタック１から排出される排水素ガスの排出量も一定となり、循環路を循環する排水素ガスが、要求される発電量を実現するための余裕分の水素ガスとして実質的に機能するという状態が常に維持されることになる。このような状態では、全てのパラメータが一定となって流量計算を容易に行うことができるようになる。
【００４６】
したがって、循環型の燃料電池ユニット２０が定常運転状態にある時には、単位時間に関して、「定常的に漏れる水素の質量＝定常的に供給される質量流量ＭＨＩＮ−定常的に消費される質量ＭＨＣＯＮ」という関係が成立する。したがって、質量流量ＭＨＩＮと質量ＭＨＣＯＮとの差を求めれば、漏れの量を把握することが可能となる。また、定常状態では各パラメータの値は安定しており、値の読み取りに要する時間が短くなって漏れの検知に要する時間が短縮される。また、再循環装置６、加湿器３、スタック１および水回収装置７を含む比較的広範囲な循環路における水素ガスの漏れが捕捉される。
【００４７】
以上のように、漏れの量の把握を単純化させるためには、漏れの検知時に燃料電池スタック１が定常運転状態にあることが望ましい。しかしながら、例えば車両のように要求される負荷が変動する対象に対して燃料電池ユニット２０を使用する場合には、定常運転状態を常に維持することは困難である。そこで、燃料電池ユニット２０に２次電池を併用してハイブリッド型のシステムとすることによって、定常状態を強制的に実現させることが可能となる。
【００４８】
図２は、燃料電池ユニット２０および２次電池２４を有するハイブリッド型燃料電池システムが搭載された車両の構成を例示する模式図である。２次電池２４の搭載された構成を有するハイブリッド型のシステムでは、図１の燃料電池スタック１の発電量を一定とした場合でも、要求される負荷の変動分に応じて過不足となる電力を２次電池２４の充放電によって吸収または補うことが可能となる。
【００４９】
統合制御装置２１は、既述の燃料電池ユニットコントローラ２１ａ、モータコントローラ２１ｂ、２次電池コントローラ２１ｃ、および各種の計算を行う演算ユニット２１ｄを含んで構成される。燃料電池ユニットコントローラ２１ａは、燃料電池ユニット２０に配された各種のセンサからの出力を受け取るとともに、車両の要求する負荷に応じて燃料電池ユニット２０内の各種アクチュエータに駆動指令を出力して燃料電池ユニット２０を制御する。
【００５０】
一方、モータコントローラ２１ｂは、電力変換装置２２へと指令を与えて、燃料電池ユニット２０が発電した電力または２次電池２４の放電した電力を駆動モータ２３へと供給させたり、回生電力を２次電池２４に充電させたりする制御を行う。また、２次電池コントローラ２１ｃは、２次電池２４に配された蓄電容量センサ２５からの信号を受け取って２次電池２４の充電状態を検出する。そして、必要に応じて２次電池２４の充放電を電力変換機２２に指示する。演算ユニット２１ｄは、既述の数式に関する演算を行う。
【００５１】
上記のように、２次電池２４によって燃料電池ユニット２０の運転状態を定常化させることは可能である。しかし、漏れの検出にはある程度の時間が必要であり、２次電池２４によって変動の総てをまかない切れなくなると、検出に支障が生ずる可能性がある。したがって、燃料電池ユニット２０が搭載される対象自体がある程度の期間、ほぼ一定に稼動する状態で漏れの検出を行うことが好ましい。例えば搭載対象が車両であるときには、高速道路を走行する場合、または信号待ちなどでアイドリング運転中の場合に、漏れの検出を行うと良い。
【００５２】
ここで、水素ガスの漏れは、各部材の接合部、または燃料電池スタック１のスタック層において生じやすい。したがって、水素ガスの漏れは水素ガスの圧力が高いほど顕著となり、検知が容易となる。そこで、高速道路の走行時のように負荷が高い運転状態、すなわち、燃料極２の設定圧力が高い状態で検出を実施する方が、効率的である。
【００５３】
水素ガスの漏れの検知の実施は例えば、運転時間や走行距離などによって定められる所定のインターバル毎に実施すれば良い。検知の実施前にはパージ弁８およびパージ弁１３を一時的に開くように制御を行っておき、空気極１０と特に燃料極２との水詰まりを防止しておくと良い。これによって、水詰まりによるスタック１の発電状態の悪化のために水素ガスの漏れの検知を中断しなければならなくなる可能性を低減させることができ、確実な実施が可能となる。
【００５４】
次に、統合制御装置２１の処理手順を説明する。図３は、本実施の形態の統合制御装置２１の制御手順を例示するフローチャートである。まず、ステップ７０において、車両の要求する負荷の状態が水素ガスの漏れ検知にとって適切であるかどうかを判断する。これは、既述のように、負荷の変動が大きい時、または負荷が低すぎる時のように、水素ガスの漏れを検出するのに適さない状態で検出を行うことを回避するためのステップである。負荷が低すぎるかどうかは、予め設定しておいた閾値と負荷の値とを統合制御装置２１に比較させて判断させれば良い。同様に、負荷の変動量も、予め定めておいた変動量の幅の閾値との比較によって判断させることが可能である。
【００５５】
負荷が低すぎる場合、または変動量が大きすぎる場合には、ステップ７０において“ＮＯ”と判断され、負荷の状態が適切であると判断されるまでステップ７０の処理が繰り返され、漏れの検知は行われない。一方、ステップ７０において、負荷が低すぎることも無く、かつ変動量も許容範囲内である（ＹＥＳ）と判断された場合には、ステップ７１の処理が行われる。
【００５６】
このステップ７１においては、２次電池２４の充電状態が蓄電容量センサ２５の出力値に基づいて、２次電池コントローラ２１ｃによって判断される。負荷の変動に対処するには、２次電池２４に十分な充電可能容量が残されており、かつ充電量が十分であることが望ましい。２次電池コントローラ２１ｃは、２次電池２４の充電量を、予め設定された上側（充電の満了側）および下側（充電が空となる側）の合計２つの閾値と比較する。そして、充電量がこの２つの閾値の間にある場合には充電量が適切であり、２次電池に放電および充電の余裕が十分にあることになる。この場合には“ＹＥＳ”と判断して、ステップ７２に進む。一方、２つの閾値によって挟まれる範囲内に充電量が存在しない場合には、“ＮＯ”と判断されて再びステップＳ７０の処理に戻り、漏れの検知は実施されない。
【００５７】
ステップ７２においては、図２の燃料電池ユニット２０の運転を定常状態に設定する制御が燃料電池ユニットコントローラ２１ａによって開始される。そして、車両が要求する負荷の変動には、モータコントローラ２１ｂおよび２次電池コントローラ２１ｃの制御による２次電池２４の充電または放電によって対応する。燃料電池ユニット２０の運転の定常化の是非は、図１の圧力センサ１６の出力値が一定化したこと、または発電によって生ずる電流の検出値が一定化したことを確認することによって燃料電池ユニットコントローラ２１ａによって把握される。運転が定常化すると、ステップ７３に進む。
【００５８】
次に、ステップ７３においては、燃料電池ユニットコントローラ２１ａの指令値から絞り面積Ａを求め、さらに流量調整弁５の上流の圧力Ｐ０および温度Ｔ０とスタック１の電流値Ｉとの計測を、図１の圧力センサ１４、温度センサ１５および電流計１８を用いて行う。次のステップ７４においては、供給される水素ガスの質量流量ＭＨＩＮを数式１を用いて、消費される水素ガスの質量ＭＨＣＯＮを数式２を用いて演算ユニット２１ｄがそれぞれ計算する。そして、これらの値に関して減算を行い、その差の絶対値ＤＭを算出する。
【００５９】
以上のようにして得られた差の絶対値ＤＭは、以下の処理では３つの範囲に分類される。すなわち、水素の漏れが生じていないと判断される範囲、水素の漏れは生じているが比較的低レベルであり燃料電池ユニット２０の停止に猶予を与えても良い範囲、および比較的高レベルの水素の漏れに対処するためにシステム２０を即刻停止させなければならない範囲である。分類は、差の絶対値ＤＭと予め設定された２つの値とを比較して得られる大小関係に基づいてなされる。
【００６０】
まず、ステップ７５においては、水素の漏れが発生しているかいないかが判断される。ここで、各センサには測定誤差が存在する。また、流量調整弁５の絞り面積Ａには、偏差が生じ得る。これは、図２の統合制御装置２１からの開度の指令値に応じて設定される調整弁５の弁体の位置が、ヒステリシスによる影響を受けるからである。そこで、水素ガスの漏れの検出の信頼性を高めるために、絞り面積Ａのばらつきおよび各種センサの測定誤差を見込んだ許容差ＤＭｓｔｄを設定しておき、予め統合制御装置２１に記憶させておく。
【００６１】
なお、絶対値ＤＭ＝│ＭＨＩＮ−ＭＨＣＯＮ│であるが、測定誤差等が存在しない理想的な状況では、ＭＨＩＮ−ＭＨＣＯＮ≧０であることが常に成り立つはずである。したがって、ＭＨＩＮ−ＭＨＣＯＮ＜０となる場合には、測定誤差およびヒステリシスの影響によるものと考えられる。このような影響は各燃料電池ユニット２０に固有である。そこで、ＭＨＩＮ−ＭＨＣＯＮ＜０となった場合の絶対値ＤＭを例えば複数個記憶させておいて平均を採らせ、これを反映させて許容差ＤＭｓｔｄを更新するように統合制御装置２１を設定しておいても良い。このような学習機能によって、漏れの判定の信頼性を向上させることが可能となる。
【００６２】
具体的には、ステップＳ７５においては、絶対値ＤＭと許容値ＤＭｓｔｄとが比較される。絶対値ＤＭが許容値ＤＭｓｔｄ未満（ＹＥＳ）の場合には、水素ガスの漏れが起こっていないものと見なして漏れの検知を終了すると共に燃料電池ユニット２０の定常状態の維持を解除し、通常の制御に復帰する。一方、ＤＭ≧ＤＭｓｔｄ（ＮＯ）と判断された場合には、水素の漏れに対処するための処理に移行するためにステップ７６に進む。
【００６３】
ステップ７６においては、水素の漏れの程度が軽微または深刻のいずれであるかが判断される。具体的には、差の絶対値ＤＭともれの許容量ＤＭｃａとを比較して漏れの程度が分類される。ここで、許容量ＤＭｃａは、燃料電池ユニット２０の換気能力によって単位時間当たりに排出することが可能である水素の量である。差の絶対値ＤＭが許容量ＤＭｃａ未満（ＹＥＳ）である場合には、水素の漏れによって生じ得る不具合が換気によって当面は回避される。
【００６４】
そこで、漏れが軽微であると判断される場合には、車両の走行性を妨げないように燃料電池ユニット２０の緊急停止は行わず、車両の移動性能を確保しておく。そして、ステップ７７に進み燃料漏洩警告灯を点灯させて、運転者に異常を知らせて注意を喚起すると共に点検を促す。続くステップ７８においては、水素ガスのもれ量の増加を抑制するための処理が行われる。具体的には、燃料電池ユニット２０の出力が現在の値または予め設定された基準値よりも増加することを、燃料電池ユニットコントローラ２１ａによって禁止する。
【００６５】
一方、ステップ７６においてＤＭ≧ＤＭｃａ（ＮＯ）と判断された場合には、水素ガスの漏れ量が燃料電池ユニット２０の換気能力を上回っていることになり、直ちに燃料電池ユニット２０の運転を停止させる必要がある。そこで、比較的高いレベルの水素ガスの漏れに対処するために、ステップ７９へ進む。
【００６６】
ステップ７９においては、システム停止警告灯を点灯させて運転者に燃料電池ユニット２０の緊急停止を告知する。この時、音声を併用して注意を喚起すると効果的である。次に、ステップ８０において、水素ガスの供給の元栓である遮断弁１７を閉じる制御が燃料電池ユニットコントローラ２１ａによって行われる。これによって、水素タンク４からの水素ガスの供給が停止される。そして、ステップ８１において速やかに燃料電池ユニット２０の運転が停止される。
【００６７】
以上の一連の処理によって、車両の安全が確保される。運転者は燃料電池ユニット２０の運転が停止された際には、図２の２次電池に充電された電力または車両の慣性を利用して車両を安全な場所に移動させた後に停止させれば良い。
【００６８】
なお、燃料電池ユニット２０の定常状態を維持している最中には、図２の蓄電容量センサ２５に２次電池２４の充電量の状態を常時検出させ、２次電池２４の充電量が許容範囲に対して過不足を生じているか否かを常に監視することが好ましい。これは、充電量が許容範囲から逸脱してしまうと、車両の快適な走行が阻害されるおそれがあるからである。そこで、過不足の発生が検出された場合に、図３の処理ルーチンを中断して通常制御に復帰するように設定しておけば良い。
【００６９】
以上に説明された構成および制御処理を行うことによって、水素ガスの漏れの検知のために燃料電池ユニット２０に取り付けなければならないセンサの個数を抑制することが可能になると共に、燃料電池ユニット２０の運転中に水素系における漏れを迅速に検出することが可能となる。さらに、水素ガスの漏れの程度に応じて燃料電池ユニット２０の発電量に対する抑制を変更することによって、漏れが軽微である場合に例えば車両の走行能力を一定の範囲内で残存させる。これによって、燃料電池ユニット２０の搭載対象の使用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池ユニット２０の構成を例示する模式図である。
【図２】燃料電池ユニット２０が搭載される対象の構成を例示する模式図である。
【図３】統合制御装置２１の処理手順を例示するフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  燃料極
３  加湿器
５  流量調整弁
８，１３  パージ弁
１０  空気極
１４  圧力センサ
１５  温度センサ
１８  電流計
２０  燃料電池ユニット
２１  統合制御装置
２３  駆動モータ
２４  ２次電池
２５  蓄電容量センサ
【図１】
0003572455.tif 000005
【図２】
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【図３】
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