(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料ガスの漏れ検知の精度を向上させることができる技術を提供すること。【解決手段】燃料電池システム１００の燃料ガスの漏れを検知するために、まず、アノードガス供給流路２４において供給される水素ガス流量を検出し、燃料電池１０で消費される水素ガスの消費量を算出し、検出した水素ガス流量から水素ガス消費量を減算して、差分ガス量を算出する。一方、漏れ検知流路内Ｃｘにおける燃料ガスの圧力を検出し、検出した燃料ガスの圧力の変化を求め、その燃料ガスの圧力変化に起因して生じる漏れ検知流路Ｃｘに流れ込む燃料ガスの増減量を求める。そして、算出した差分ガス量から、求めた燃料ガスの増減量を減算することにより差分ガス量を補正し、それが所定値以上の場合に、漏れ検知流路Ｃｘにおいて燃料ガスの漏れを検知する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムのガス漏れを検知するガス漏れ検知装置であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
を備え、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の３つの流路をガス漏れ検知流路とした際に、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記ガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の位置と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の位置とに接続され、前記排出流路から前記供給流路に前記燃料排ガスを前記燃料ガスとして環流するための循環流路を備え、
前記ガス漏れ検知流路は、前記循環流路を含むことを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項３】
請求項２に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出される前記燃料ガス供給量を、前記循環ポンプによる脈動の影響を緩和するように補正する脈動補正部を備え、
前記差分量算出部は、
補正された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算することにより前記差分ガス量を算出することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項４】
請求項２に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記圧力検出部が前記燃料ガスの圧力を検出する際に、前記循環ポンプを停止させるポンプ停止部を備えることを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記ガス漏れ検知流路は、
圧力が異なる複数の区間に区分され、
前記圧力検出部は、
前記ガス漏れ検知流路において、各区間内における前記燃料ガスの圧力をそれぞれ検出し、
前記圧力変化増減量算出部は、
検出された各区間ごとの前記燃料ガスの圧力の変化を求め、それら各区間の前記燃料ガスの圧力変化に起因して生じる各区間内に流れ込む前記燃料ガスの増減量をそれぞれ求め、
求めた各区間ごとの前記燃料ガスの各増減量の和を前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量として算出することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスを減圧させる減圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置に対して、前記減圧弁を挟んだ反対側の位置で、前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が同程度である場合において、前記燃料ガス漏れ検知部による前記燃料ガスの漏れ判定の実行を許可する漏れ判定許可部と、
を備えることを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項７】
請求項６に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が共に一定であるが、前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量が同程度でない場合には、前記供給流路において前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置と、前記燃料ガス流量検出部が前記燃料ガス流量を検出する位置との間で、前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され前記燃料ガスの供給が遮断された状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向とは逆方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側であり、前記遮断弁よりも前記燃料ガスの供給方向に対して下流側の流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁と、
を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され、前記燃料電池の発電が停止した状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第１の差圧検出部と、
前記第１の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部の前記検出位置を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第１の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第１の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路の前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側又は下流側に設けられる調圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記調圧弁のある位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第２の差圧検出部を備え、
前記第２の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記調圧弁を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第２の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第２の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断することを特徴とするガス漏れ検知装置。
【請求項１２】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の３つの流路から成るガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
を備え、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料ガス（アノードガス）の漏れを検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しいエネルギ源として、水素などの燃料ガス（以下、アノードガスとも呼ぶ。）と酸素とを用いて発電を行う燃料電池が注目されつつある。従来、この燃料電池の燃料電池システムは、燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路や燃料電池の燃料極（以下、アノードと呼ぶ。）から排出されるアノード排ガスを排出するためのアノード排ガス流路や、アノード排ガスを循環させるためのガス循環流路などを備えている。以下では、これらアノードガス供給流路と、アノード排ガス流路と、ガス循環流路と、燃料電池のアノード内のアノードガスが通る流路とを、総称してアノード系流路とも呼ぶ。
【０００３】
ところで、従来、アノード系流路からのアノードガスの漏れを検知（以下、漏れ検知と呼ぶ。）することが行われている。このような技術として、下記特許文献１に記載の技術が公開されている。この特許文献１に記載の技術によれば、水素流量計（ＨＦＭ）等から検出したアノード系流路を流れるアノードガスの流量（以下、検出アノードガス流量と呼ぶ。）と、燃料電池で発電のため消費されたアノードガス流量（以下では、発電アノードガス流量とも呼ぶ。）、アノード系流路内のアノードガスが燃料電池の電解質膜を介して酸素極側へ透過する透過量（以下では、透過アノードガス流量とも呼ぶ。）、および、アノード排ガス流路から排出（パージ）されるガス量（以下、パージアノードガス流量とも呼ぶ。）とを比較することにより、漏れ検知を行うようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平２００４−２８１１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に記載の技術では、検出アノードガス流量に対して、検出アノードガス流量を変動させる変動要素である発電アノードガス流量、透過アノードガス流量、および、パージアノードガス流量を比較対象として漏れ検知を行っているが、検出アノードガス流量を変動させるその他の変動要素が加味されておらず、その結果、漏れ検知の精度が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、燃料電池システムにおいて、漏れ検知の精度を向上させることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明のガス漏れ検知装置は、
燃料電池システムのガス漏れを検知するガス漏れ検知装置であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
を備え、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の３つの流路をガス漏れ検知流路とした際に、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記ガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成のガス漏れ検知装置によれば、燃料電池の運転状態の変化により、ガス漏れ検知流路内で燃料ガスの圧力変化が生じた場合であっても、精度よく燃料ガスの漏れを判定（検知）することができる。
【０００９】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の位置と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の位置とに接続され、前記排出流路から前記供給流路に前記燃料排ガスを前記燃料ガスとして環流するための循環流路を備え、
前記ガス漏れ検知流路は、前記循環流路を含むようにしてもよい。
【００１０】
このようにすれば、循環流路においても燃料ガスの漏れを判定（検知）することができる。
【００１１】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出される前記燃料ガス供給量を、前記循環ポンプによる脈動の影響を緩和するように補正する脈動補正部を備え、
前記差分量算出部は、
補正された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算することにより前記差分ガス量を算出するようにしもよい。
【００１２】
このようにすれば、循環ポンプの脈動により燃料ガス供給量検出部で検出される燃料ガス供給量が変動することを抑制することができ、燃料ガス供給量検出部は供給される燃料ガスの流量を精度よく検出することができる。
【００１３】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記圧力検出部が前記燃料ガスの圧力を検出する際に、前記循環ポンプを停止させるポンプ停止部を備えるようにしてもよい。
【００１４】
このようにすれば、循環ポンプの脈動により燃料ガス供給量検出部で検出される燃料ガス供給量が変動することを抑制することができ、燃料ガス供給量検出部は供給される燃料ガスの流量を精度よく検出することができる。
【００１５】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池の燃料極側から酸素極側に透過する燃料ガス量を求める透過燃料ガス量検知部を備え、
前記差分量算出部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量と、求めた前記透過燃料ガス量とを減算することにより前記差分ガス量を算出するようにしてもよい。
【００１６】
このようにすれば、燃料ガスが燃料電池の燃料極側から酸素極側に透過した場合であっても、精度よく燃料ガスの漏れを検知することができる。
【００１７】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記パージ弁が開弁されている場合には、前記パージ弁から外部に排出されるパージガス量を検出するパージ量検出部を備え、
前記差分量算出部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量と、検出した前記パージガス量とを減算することにより前記差分ガス量を算出するようにしてもよい。
【００１８】
このようにすれば、ガスがパージ弁から外部に排出された場合であっても、精度よく燃料ガスの漏れを検知することができる。
【００１９】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記ガス漏れ検知流路は、
圧力が異なる複数の区間に区分され、
前記圧力検出部は、
前記ガス漏れ検知流路において、各区間内における前記燃料ガスの圧力をそれぞれ検出し、
前記圧力変化増減量算出部は、
検出された各区間ごとの前記燃料ガスの圧力の変化を求め、それら各区間の前記燃料ガスの圧力変化に起因して生じる各区間内に流れ込む前記燃料ガスの増減量をそれぞれ求め、
求めた各区間ごとの前記燃料ガスの各増減量の和を前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量として算出するようにしてもよい。
【００２０】
このようにすれば、ガス漏れ検知流路において燃料ガスの圧力が異なる区間ごとに燃料ガスの圧力変化に起因する燃料ガスの増減量を算出し、それらを合計することにより、ガス漏れ検知流路全体における燃料ガスの圧力変化に起因する燃料ガスの増減量を求めているので、精度よく燃料ガスの漏れを検知することができる。
【００２１】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスを減圧させる減圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置に対して、前記減圧弁を挟んだ反対側の位置で、前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が同程度である場合において、前記燃料ガス漏れ検知部による前記燃料ガスの漏れ判定の実行を許可する漏れ判定許可部と、
を備えるようにしてもよい。
【００２２】
このようにすれば、ガス漏れ検知流路内における燃料ガスの圧力変化等を考慮しなくてよいので、精度よく燃料ガスの漏れ検知を行うことができる。
【００２３】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が共に一定であるが、前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量が同程度でない場合には、前記供給流路において前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置と、前記燃料ガス流量検出部が前記燃料ガス流量を検出する位置との間で、前記燃料ガスの漏れが生じていると判定するようにしてもよい。
【００２４】
このようにすれば、供給流路において燃料ガス供給量検出部が燃料ガス供給量を検出する位置と、燃料ガス流量検出部が燃料ガスの流量を検出する位置との間で、燃料ガスの漏れが生じていた場合でも、それを容易に発見することができる。
【００２５】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され前記燃料ガスの供給が遮断された状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向とは逆方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側であり、前記遮断弁よりも前記燃料ガスの供給方向に対して下流側の流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定するようにしてもよい。
【００２６】
このようにすれば、ガス漏れ検知流路以外の流路であって、供給流路における燃料ガス供給量検出部が燃料ガス供給量を検出する位置よりも燃料ガスの供給方向に対して上流側であり、遮断弁よりも燃料ガスの供給方向に対して下流側の流路において、燃料ガスが漏れている場合には、そのことを容易に検知することができる。また、燃料ガス供給量検出部によって検出される燃料ガス供給量に基づいて、容易に燃料ガスの漏れ量を求めることができる。
【００２７】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁と、
を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され、前記燃料電池の発電が停止した状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することようにしてもよい。
【００２８】
このようにすれば、ガス漏れ検知流路において、燃料ガスが漏れている場合には、そのことを容易に検知することができる。また、燃料ガス供給量検出部によって検出される燃料ガス流量に基づいて、容易に燃料ガスの漏れ量を求めることができる。
【００２９】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料ガス漏れ検知部により前記燃料ガスの漏れ判定を行っている最中に、外部から前記燃料電池の出力増加の要求が合った場合には、前記燃料ガス漏れ検知部による前記燃料ガスの漏れ判定を中止するようにしてもよい。
【００３０】
このようにすれば、燃料電池の出力の増大に起因する水素漏れの検出精度の低下を防ぐことができ、誤検知を抑制することができる。
【００３１】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第１の差圧検出部と、
前記第１の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部の前記検出位置を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第１の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第１の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断するようにしてもよい。
【００３２】
このようにすれば、容易に燃料ガス供給量検出部の動作異常を検知することができる。従って、燃料ガス供給量検出部による燃料ガス供給量の誤検出を抑制することができ、その結果、燃料ガス漏れ検知の精度を向上させることができる。
【００３３】
上記ガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路の前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側又は下流側に設けられる調圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記調圧弁のある位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第２の差圧検出部を備え、
前記第２の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記調圧弁を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第２の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第２の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断するようにしてもよい。
【００３４】
このようにすれば、容易に燃料ガス供給量検出部の動作異常を検知することができる。従って、燃料ガス供給量検出部による燃料ガス供給量の誤検出を抑制することができ、その結果、燃料ガス漏れ検知の精度を向上させることができる。
【００３５】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の３つの流路から成るガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
を備え、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを要旨とする。
【００３６】
上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態の変化により、ガス漏れ検知流路内における燃料ガスの圧力変化が生じた場合であっても、精度よく燃料ガスの漏れを判定（検知）することができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記した装置発明の態様に限ることなく、ガス漏れ検知装置や燃料電池システムの制御方法や、ガス漏れ検知方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００３８】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．装置全体の構成：
Ａ２．水素漏れ検知処理：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：
【００４０】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．装置全体の構成：
図１は、本発明の第１の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、主に燃料電池１０と、水素タンク２０と、水素流量計（以下、ＨＦＭ３００と呼ぶ。）と、圧力センサ３１０，３４０と、電流センサ３２０と、温度センサ３３０と、ブロワ３０と、制御部４００と、加湿器６０と、循環ポンプ２５０とを備えている。
【００４１】
燃料電池１０は、固体高分子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（図示せず）を挟んで水素極（図示せず）（以下、アノードと呼ぶ。）と酸素極（図示せず）（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を含有する燃料ガス（以下、アノードガスと呼ぶ。）を供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、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に接続される所定の負荷（図示せず）に供給される。なお、燃料電池１０としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。また、燃料電池１０のアノードガスが流れる流路をアノード流路２５と呼ぶ。
【００４２】
ブロワ３０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０のカソード側に供給するための装置である。ブロワ３０は、カソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード側に接続されている。カソードガス供給流路３４には、加湿器６０が設けられている。ブロワ３０で圧縮された空気は、加湿器６０によって加湿された後に燃料電池１０に供給される。燃料電池１０には、カソード排ガス流路３６が配されており、電気化学反応に供された後のカソードからの排ガス（以下、カソード排ガスと呼ぶ。）は、カソード排ガス流路３６を通じて外部に排出される。
【００４３】
水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、アノードガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード流路２５に接続されている。アノードガス供給流路２４上において、水素タンク２０から近い順番に、遮断弁２００と、レギュレータ２１０と、ＨＦＭ３００と、レギュレータ２２０とが設けられている。この遮断弁２００が、閉弁状態であると水素タンク２０からの水素ガスの供給が遮断され、開弁状態であると水素タンク２０からの水素ガスが供給される。この遮断弁２００の開閉は、後述の制御部４００により制御される。水素タンク２０からアノードガス供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、レギュレータ２１０によって１回目の調圧を受ける。調圧された水素ガスは、ＨＦＭ３００を通過後、レギュレータ２２０により２回目の調圧を受ける。そして、２回目に調圧された水素ガスは、アノードガスとして燃料電池１０のアノード側へ供給される。１回目および２回目の調圧後における水素ガスの圧力は、燃料電池システム１００の設計に応じて適宜設定すればよい。
【００４４】
ＨＦＭ３００は、アノードガス供給流路２４においてレギュレータ２１０によって１回目の調圧を受けた水素ガスの単位時間当りの流量（以下、単位時間水素流量と呼ぶ。）（Ｎｌ／ｍｉｎ）（Ｎｌ：標準状態に換算した流量を表わすリットル）を計測する。このＨＦＭ３００によって計測された単位時間水素流量は、後述の漏れ検知実行部４１０によって検出される。
【００４５】
アノードガス供給流路２４において、ＨＦＭ３００と、レギュレータ２２０との間には、圧力センサ３１０が設けられている。この圧力センサ３１０は、レギュレータ２１０によって１回目の調圧を受けた水素ガスの圧力値（Ｐａ：パスカル）を測定する。この圧力センサ３１０によって測定された圧力値は、後述の漏れ検知実行部４１０によって検出される。水素タンク２０およびアノードガス供給流路２４は、それぞれ請求項における燃料ガス供給源および供給流路に該当する。
【００４６】
なお、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、遮断弁２００等を介して燃料電池１０のアノード流路２５へ供給するものとしてもよい。
【００４７】
また、燃料電池１０のアノード流路２５は、アノード排ガス流路２６と接続され、このアノード排ガス流路２６上には、パージ弁２４０が設けられている。燃料電池システム１００の運転中において、電気化学反応に供された後のアノードからの排ガス（以下、アノード排ガスと呼ぶ。）は、定期的に、アノード排ガス流路２６を介し、パージ弁２４０から外部へ排出（パージ）される。これは、以下の理由による。すなわち、燃料電池システム１００の運転中において、アノード排ガスには、水素以外の不要ガスが含まれる場合がある。不要ガスとしては、例えば、カソード側から電解質膜を透過してきた窒素等がある。この不要ガスは、消費されず燃料電池システム１００内を後述のごとく循環し、その結果、アノードガス中の不要ガスの濃度が徐々に増加し、燃料電池１０の発電効率が低下する。そこで、後述の制御部４００は、パージ弁２４０を制御して、定期的に、不要ガスを含むアノード排ガスを排出するようにしている。アノード排ガス流路２６およびパージ弁２４０は、それぞれ請求項における排出流路およびパージ弁に該当する。
【００４８】
なお、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池以外の種類のものを用いる場合や、燃料電池１０を使用する環境によっては、他の成分が不要ガスとしてアノード排ガス中に混入する場合もある。
【００４９】
アノード排ガス流路２６において、パージ弁２４０よりもアノード排ガスを排出する流れ方向に対して上流側の位置から、アノードガス供給流路２４へ接続されるガス循環流路２８が設けられている。このガス循環流路２８上には、循環ポンプ２５０が設けられる。このガス循環流路２８は、循環ポンプ２５０によって勢いをつけて送りだされたアノード排ガスを、アノードガス供給流路２４に導く。このようにガス循環流路２８は、アノード排ガスを循環する役割を担っている。このようにして、アノード排ガスに含まれる水素ガスは、循環して、アノードガスとして再び発電に使用される。なお、循環ポンプ２５０は、後述の制御部４００により制御される。ガス循環流路２８および循環ポンプ２５０は、それぞれ請求項における循環流路および循環ポンプに対応する。また、以下では、アノードガス供給流路２４と、アノード流路２５と、アノード排ガス流路２６と、ガス循環流路２８とを総称してアノード系流路と呼ぶ。
【００５０】
また、アノード排ガス流路２６において、アノード流路２５と、アノード排ガス流路２６とガス循環流路２８の接続部との間に圧力センサ３４０が設けられている。この圧力センサ３４０は、アノード流路２５からのアノード排ガスの圧力値（Ｐａ：パスカル）を測定する。この圧力センサ３４０によって測定された圧力値は、後述の漏れ検知実行部４１０によって測定される。
【００５１】
さらに、燃料電池１０には、燃料電池１０の発電に伴い生じる電流値（Ａ：アンペア）を測定する電流センサ３２０が設けられている。また、燃料電池１０には、燃料電池１０の運転温度（この運転温度は、各セルの温度とほぼ等しいと考えられるので、以下、セル温度Ｔ（Ｋ：ケルビン）と呼ぶ。）を測定するための温度センサ３３０が設けられている。これら電流センサ３２０および温度センサ３３０によってそれぞれ測定された電流値およびセル温度値は、後述の漏れ検知実行部４１０によって検出される。なお、温度センサ３３０は、運転時の燃料電池１０の温度を代表する温度を測定することができればよく、例えば、燃料電池１０に供給された冷却水が燃料電池１０から出てくる冷却水出口（図示せず）の温度を測定するようにしてもよい。
【００５２】
制御部４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。この制御部４００は、負荷要求に関する情報等を取得して、燃料電池システム１００を構成する各部、すなわち、ブロワ３０や加湿器６０や遮断弁２００や循環ポンプ２５０やパージ弁２４０等に駆動信号を出力し、燃料電池システム１００全体の運転状態を勘案してこれらを制御する。
【００５３】
また、制御部４００は、漏れ検知実行部４１０としても機能する。この漏れ検知実行部４１０は、ＨＦＭ３００と、圧力センサ３１０と、電流センサ３２０と、温度センサ３３０と、圧力センサ３４０から、それぞれの測定値を検出し、後述する水素漏れ検知処理を行う。
【００５４】
図２は、本実施例におけるアノード系流路を拡大して示した説明図である。本実施例では、図２に示すように、アノードガス供給流路２４において、レギュレータ２１０よりも水素ガスの供給方向に対して上流側の流路は、アノード系流路内において高圧なので高圧部とも呼ぶ。アノードガス供給流路２４において、レギュレータ２１０とレギュレータ２２０に挟まれた流路を中圧部とも呼ぶ。この中圧部は、レギュレータ２１０の下流にあるため、高圧部よりも圧力が低くなっている。アノードガス供給流路２４において、レギュレータ２２０よりも水素ガスの供給方向に対して下流側の流路を低圧部とも呼ぶ。この低圧部は、レギュレータ２２０の下流にあるため中圧部よりも圧力が低くなっている。
【００５５】
また、図２に点線で示した流路、すなわち、アノードガス供給流路２４において、ＨＦＭ３００よりも水素ガスの供給方向に対して下流の流路と、アノード流路２５と、アノード排ガス流路２６において、パージ弁２４０よりもアノード排ガスの排出方向に対して上流の流路と、ガス循環流路２８とを含む流路を漏れ検知流路Ｃｘとも呼ぶ。なお、漏れ検知流路Ｃｘは、請求項におけるガス漏れ検知流路に該当する。
【００５６】
なお、圧力センサ３４０で測定される圧力値は、漏れ検知流路Ｃｘにおける低圧部を代表する圧力値とみなし、圧力センサ３１０で測定される圧力値は、漏れ検知流路Ｃｘにおける中圧部を代表する圧力値とみなす。
【００５７】
ところで、水素ガス（アノードガス）は、可燃性が強いので、従来から、水素ガスがアノード系流路内等から漏れていることを想定して、水素漏れの検知が行われている。そこで、本実施例では、燃料電池１０の運転中において、図２に示すアノード系流路における漏れ検知流路Ｃｘからの水素ガスの漏れを検知するため、水素漏れ検知処理を行う。以下に、この水素漏れ検知処理について説明する。
【００５８】
Ａ２．水素漏れ検知処理：
図３は、本実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。本実施例の水素漏れ検知処理は、燃料電池１０の運転中に、予め決められた一定間隔のタイミング（以下、漏れ検知タイミングと呼ぶ。）ごとに行われるように設定されている。そして、この水素漏れ検知処理では、漏れ検知タイミングになると、それからα秒の間、漏れ検知流路Ｃｘにおいて水素ガスの漏れがあるかどうかの検知を行う。なお、以下では、このα秒間は漏れ検知を行っている期間なので、漏れ検知期間Ｘとも呼ぶ。この水素漏れ検知処理を行っている場合には、燃料電池１０が運転中であるので、前提条件として、遮断弁２００が開弁され、水素タンク２０からアノードガス供給流路２４へ水素ガスが供給されている。この前提条件は、後述する第２の実施例においても同様である。
【００５９】
この水素漏れ検知処理では、漏れ検知期間Ｘにおいて、ＨＦＭ３００が検出する単位時間水素流量に基づいて、漏れ検知流路Ｃｘに流入した水素ガスの流量（以下では、ＨＦＭ検出水素流量Ｑと呼ぶ。）を算出する。また、漏れ検知期間Ｘにおいて、燃料電池１０の発電によって消費された水素ガスの流量（以下では、発電消費水素流量Ｑ１と呼ぶ。）と、アノード流路２５から燃料電池１０の電解質膜を介してカソード側へ透過した水素ガス量（以下では、膜透過水素量Ｑ２と呼ぶ。）と、パージ弁２４０から排出（パージ）された漏れ検知流路Ｃｘ内のガス（水素ガスなど）の排出量（以下、パージ量Ｑ３と呼ぶ。）を算出する。さらに、本実施例では、漏れ検知期間Ｘの始まり時から漏れ検知期間Ｘの終了時の間において、漏れ検知流路Ｃｘ内に存在する水素ガス量の増減量、言い換えれば、漏れ検知期間Ｘの始まり時と終了時における漏れ検知流路Ｃｘ内の水素ガスの圧力変化に起因して、漏れ検知流路Ｃｘに流れ込んだ水素ガスの増減量（以下では、圧力変化増減水素流量Ｑ４と呼ぶ。）を算出する。これら算出した発電消費水素流量Ｑ１、膜透過水素量Ｑ２、パージ量Ｑ３、および圧力変化増減水素流量Ｑ４は、ＨＦＭ検出水素流量Ｑに加味されている。従って、ＨＦＭ検出水素流量Ｑから、発電消費水素流量Ｑ１と、膜透過水素量Ｑ２と、パージ量Ｑ３と、圧力変化増減水素流量Ｑ４を減算することにより、漏れたと仮定される水素ガス量（以下では、水素漏れ仮定量ΔＱｘと呼ぶ。）を算出する。次に、算出した水素漏れ仮定量と、予め定められた所定の閾値とを比較することで漏れ検知流路Ｃｘにおける水素漏れの判定を行う。
【００６０】
なお、圧力変化増減水素流量Ｑ４は、上述したように、漏れ検知期間Ｘの始まり時と終了時における漏れ検知流路Ｃｘ内の水素ガスの圧力変化によって生じることとしているが、例えば、漏れ検知期間Ｘにおいて、パージ弁２４０を開放してアノード排ガスをパージすること等によって、漏れ検知流路Ｃｘ内が急激に圧力低下した場合において、レギュレータ２１０やレギュレータ２２０の調圧特性によって、漏れ検知期間Ｘの終了時における漏れ検知流路Ｃｘ内の圧力が、漏れ検知期間Ｘの始まり時における漏れ検知流路Ｃｘ内の圧力より低く調圧された場合などに生じる。
【００６１】
この水素漏れ検知処理において、まず、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおいて、ＨＦＭ検出水素流量Ｑ（Ｎｌ）を算出する（ステップＳ１００）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、ＨＦＭ３００から漏れ検知期間Ｘの間継続して単位時間水素流量を取得し、それらを積算してＨＦＭ検出水素流量Ｑ（Ｎｌ）を算出する。
【００６２】
また、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおける発電消費水素流量Ｑ１の算出を行う（ステップＳ１１０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、電流センサ３２０から、漏れ検知期間Ｘにおいて、燃料電池１０の発電に伴う平均電流値Ｉａｖ（Ａ）を検出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、検出した平均電流値Ｉａｖおよび燃料電池１０の単セル数Ｎｃを用いて、下記の式（１）から漏れ検知期間Ｘ（α秒間）の発電消費水素流量Ｑ１を算出する。なお、式（１）から求められる発電消費水素流量Ｑ１は、標準状態に換算された水素流量を示す。
【００６３】
【数１】
2006179469.tif 000003
【００６４】
さらに、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおける膜透過水素量Ｑ２（Ｎｌ）の算出を行う（ステップＳ１２０）。
【００６５】
図４は、本実施例の燃料電池１０における単位時間膜透過水素量とセル温度の関係を示したアレニウスプロットを説明するための図である。この図４に示すアレニウスプロットは、標準状態において、セル温度Ｔ（Ｋ）と、電解質膜を透過する単位時間（分）当りの水素ガスの透過量（以下、単位時間膜透過水素量と呼ぶ。）（Ｎｌ／ｍｉｎ）との関係を示している。このアレニウスプロットは、電解質膜等の設計（例えば、電解質膜の膜圧、材質、大きさなど）が燃料電池１０と同様の燃料電池を用いて、燃料電池１０を運転する場合と同様の状況を想定して予め実験的に求めておく。
【００６６】
このステップＳ１２０の処理において、具体的には、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおいて、温度センサ３３０から燃料電池１０の平均セル温度Ｔａｖ（Ｋ）を検出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、アレニウスプロット（図４）から、検出した平均セル温度Ｔａｖに基づく単位時間膜透過水素量Ｑ２ａを求め、下記の式（２）から標準状態における膜透過水素量Ｑ２を算出する。
【００６７】
【数２】
2006179469.tif 000004
【００６８】
次に、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおけるパージ量Ｑ３（Ｎｌ）を算出する（ステップＳ１３０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおいて、継続して圧力センサ３４０から漏れ検知流路Ｃｘの低圧部の圧力（以下では、低圧部圧力Ｐｌと呼ぶ。）を、温度センサ３３０からセル温度Ｔをそれぞれ検出する。以下では、漏れ検知期間Ｘのある時間ｔにおいて、検出した低圧部圧力Ｐｌを瞬間低圧部圧力Ｐｌ（ｔ）とし、検出したセル温度Ｔを瞬間セル温度Ｔ（ｔ）とする。漏れ検知実行部４１０は、これらを用いて、漏れ検知期間Ｘにおける検出時ｔの瞬間パージ量Ｑ３ａ（ｔ）を以下の式（３）から算出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、算出した瞬間パージ量Ｑ３ａ（ｔ）に基づいて、以下の式（４）から、パージ量Ｑ３を算出する。なお、式（３）では、ガスの排出時におけるパージ弁２４０の有効断面積をＳとし、大気圧をＰｇとする。また、瞬間パージ量Ｑ３ａ（ｔ）は、標準状態における瞬間パージ量を表わす。従って、パージ量Ｑ３も同様に標準状態におけるパージ量を表わす。
【００６９】
【数３】
2006179469.tif 000005
【００７０】
続いて、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘにおいて、圧力変化増減水素流量Ｑ４（Ｎｌ）を算出する（ステップＳ１４０）。この場合において、漏れ検知流路Ｃｘは、上述したように、レギュレータ２２０の調圧作用によって流路内の水素ガスの圧力が異なる低圧部と中圧部から構成される。従って、漏れ検知流路Ｃｘで圧力変化が生じた場合に、その圧力変化値は低圧部と中圧部でそれぞれ異なる。そこで、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘの始まり時と終了時において、漏れ検知流路Ｃｘの低圧部と中圧部のそれぞれで、圧力変化に起因して流れ込んだ水素ガスの増減量を算出し、それらを合計することで、この圧力変化増減水素流量Ｑ４を算出する。以下では、低圧部において、その流路における圧力変化に起因して低圧部に流れ込んだ水素ガスの増減量を低圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ａ（Ｎｌ）と呼び、中圧部において、その流路における圧力変化に起因して中圧部に流れ込んだ水素ガスの増減量を中圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ｂ（Ｎｌ）と呼ぶ。
【００７１】
具体的には、このステップＳ１４０の処理において、漏れ検知実行部４１０は、低圧部の圧力センサ３４０から漏れ検知期間Ｘの始まり時の圧力（以下では、低圧部始時圧力Ｐｌｓと呼ぶ。）および終了時の圧力（以下では低圧部終了時圧力Ｐｌｅと呼ぶ。）を検出し、また、中圧部の圧力センサ３１０から漏れ検知期間Ｘの始まり時の圧力（以下では、中圧部始時圧力Ｐｍｓと呼ぶ。）および終了時の圧力（以下では、中圧部終了時圧力Ｐｍｅと呼ぶ。）を検出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、検出した低圧部始時圧力Ｐｌｓから低圧部終了時圧力Ｐｌｅを減算することにより、漏れ検知期間Ｘにおける低圧部の圧力変化値を表わすΔＰ１を算出し、算出したΔＰ１に基づいて、下記の気体の状態方程式より導き出される式（５）から、低圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ａ（Ｎｌ）を算出する。同様に、漏れ検知実行部４１０は、検出した中圧部始時圧力Ｐｍｓから中圧部終了時圧力Ｐｍｅを減算することにより、漏れ検知期間Ｘにおける中圧部の圧力変化値を表わすΔＰ２を算出し、算出したΔＰ２に基づいて、下記の気体の状態方程式より導き出される式（６）から、中圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ｂ（Ｎｌ）を算出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、下記の式（７）が示すように、低圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ａと中圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ｂとの和から圧力変化増減水素流量Ｑ４を算出する。なお、式（５）におけるＶ１は、漏れ検知流路Ｃｘにおける低圧部の流路内の体積を示し、式（６）におけるＶ２は、漏れ検知流路Ｃｘにおける中圧部の流路内の体積を示す。これらは、燃料電池システム１００の設計等により予め決められる。また、式（５）、（６）におけるＺは、既知の圧縮係数を示す。
【００７２】
【数４】
2006179469.tif 000006
【００７３】
そして、漏れ検知実行部４１０は、水素漏れ仮定量ΔＱｘ（Ｎｌ）の算出を行う（ステップＳ１５０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、下記の式（８）が示すように、検出したＨＦＭ検出水素流量Ｑから、算出した発電消費水素流量Ｑ１と、算出した膜透過水素量Ｑ２と、算出したパージ量Ｑ３と、算出した圧力変化増減水素流量Ｑ４とを減算することにより、水素漏れ仮定量ΔＱｘを算出する。
【００７４】
【数５】
2006179469.tif 000007
【００７５】
続いて、漏れ検知実行部４１０は、算出した水素漏れ仮定量ΔＱｘを用いて、漏れ検知流路Ｃｘにおける漏れ判定を行う。すなわち、漏れ検知実行部４１０は、水素漏れ仮定量ΔＱｘを予め定められる所定の閾値Ｆと比較し、水素漏れ仮定量ΔＱｘが閾値Ｆ以上ならば（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、漏れ検知流路Ｃｘにおいて水素漏れが発生していると判定し（すなわち、水素漏れを検知し）（ステップＳ１７０）、燃料電池１０の運転を停止させる（ステップＳ１８０）。このようにすれば、水素漏れによる水素ガスの浪費を予防することができる。この場合、水素漏れ仮定量ΔＱｘが、漏れ検知流路Ｃｘにおける水素漏れ量を表わす。なお、閾値Ｆは、燃料電池システム１００の具体的な設計や社会的に要求される基準値等に基づいて、決定される。
【００７６】
なお、単位時間当りの水素漏れ量ΔＱＱ（Ｎｌ／ｍｉｎ）は、水素漏れ量（この場合は、ΔＱｘと等量）を用いて下記の式（９）から算出することができる。
【００７７】
【数６】
2006179469.tif 000008
【００７８】
一方、漏れ検知実行部４１０は、水素漏れ仮定量ΔＱｘが閾値Ｆより少ないならば（ステップＳ１６０：ＮＯ）、漏れ検知流路Ｃｘにおいて水素漏れが発生していないと判定する（ステップＳ１９０）。
【００７９】
漏れ検知実行部４１０は、ステップＳ１８０およびステップＳ１９０の処理後、この水素漏れ検知処理を終了する。
【００８０】
以上のように本実施例の水素漏れ検知処理によれば、圧力変化増減水素流量Ｑ４が反映された水素漏れ仮定量ΔＱｘを用いて、漏れ検知流路Ｃｘにおける水素漏れを判定している。従って、漏れ検知期間Ｘにおいて、漏れ検知流路Ｃｘ内で圧力変化が起こった場合（すなわち、漏れ検知流路Ｃｘ内が非定常状態の場合）においても、精度よく水素漏れを検知することができる。
【００８１】
ところで、この圧力変化増減水素流量Ｑ４を算出する場合において、上述したように、漏れ検知流路Ｃｘは低圧部と中圧部で構成され、これらの流路はレギュレータ２２０により流路内の水素ガスの圧力が異なるので、漏れ検知流路Ｃｘ内で圧力変動が生じた場合にも、その圧力変化値はそれぞれ異なる。そこで、本実施例の水素漏れ検知処理では、漏れ検知流路Ｃｘの低圧部と中圧部のそれぞれにおいて、圧力変化値ΔＰ１およびΔＰ２を求め、それらから低圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ａと中圧部圧力変化増減水素流量Ｑ４ｂを算出し、それらを合計することにより圧力変化増減水素流量Ｑ４を求めている。従って、このようにすれば、漏れ検知流路Ｃｘにおける圧力の偏り（圧力分布）を考慮して、圧力変化増減水素流量Ｑ４を求めることができるので、精度よく圧力変化増減水素流量Ｑ４を算出することができる。その結果、漏れ検知流路Ｃｘにおいて、精度よく水素漏れを検知することができる。
【００８２】
また、本実施例の水素漏れ検知処理によれば、膜透過水素量Ｑ２が反映された水素漏れ仮定量ΔＱｘを用いて、漏れ検知流路Ｃｘにおける水素漏れを判定しているので、精度よく水素漏れを検知することができる。
【００８３】
本実施例の水素漏れ検知処理によれば、パージ量Ｑ３が反映された水素漏れ仮定量ΔＱｘを用いて、漏れ検知流路Ｃｘにおける水素漏れを判定しているので、漏れ検知期間Ｘにおいて、パージ弁２４０からアノード排ガス等のガスが排出された場合においても、精度よく水素漏れ検知をすることができる。
【００８４】
なお、本実施例における漏れ検知実行部４１０は、請求項における燃料ガス供給量検出部と、燃料ガス消費量算出部と、差分量算出部と、燃料ガス漏れ検知部とに該当する。
【００８５】
Ｂ．第２の実施例：
図５は、本発明の第２の実施例における燃料電池システム１１０の構成を示すブロック図である。
次に、第２の実施例について説明する。本実施例の燃料電池システム１１０は、図５に示すように、第１の実施例の燃料電池システム１００において、アノードガス供給流路２４における、レギュレータ２２０よりも水素ガスの供給方向に対して下流側であり、ガス循環流路２８との接続部よりも上流側の位置に、ＨＦＭ３００とは別の水素流量計（以下では、ＨＦＭ５００と呼ぶ。）が追加されている。このＨＦＭ５００は、レギュレータ２２０によって２回目の調圧を受けた後の水素ガスの単位時間水素流量を測定する。漏れ検知実行部４１０は、ＨＦＭ５００から単位時間水素流量を検出する。また、漏れ検知実行部４１０は、以下に示す本実施例の水素漏れ検知処理およびその前提処理を行う。
【００８６】
図６Ａは、本実施例における水素漏れ検知処理の前提処理を示すフローチャートである。
図６Ｂは、本実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。
本実施例の燃料電池システム１１０では、漏れ検知流路内に圧力変化があるような場合、すなわち、漏れ検知流路内が非定常状態であるような場合、第１の実施例と同様の水素漏れ検知処理を行う。そして、さらに、漏れ検知流路内が定常状態である場合（前提処理：図６Ａ）には、図６Ｂに示す水素漏れ検知処理を行う。以下に、本実施例における水素漏れ検知処理（図６Ｂ）およびその前提処理（図６Ａ）について説明する。
【００８７】
図７は、本実施例におけるアノード系流路を拡大して示した説明図である。
本実施例では、図７に示すように、水素ガスの漏れ検知を実施する漏れ検知流路は、第１の実施例における漏れ検知流路Ｃｘと同様となっている。ただし、本実施例では、漏れ検知流路Ｃｘにおいて、アノードガス供給流路２４でＨＦＭ３００とＨＦＭ５００に挟まれた流路をＨＦＭ間流路Ｃｘ１と呼び、ＨＦＭ間流路Ｃｘ１以外の流路、すなわち、アノードガス供給流路２４においてＨＦＭ５００よりも水素ガスの供給方向に対して下流側の流路等を低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｘ２と呼ぶ。
【００８８】
まず、漏れ検知実行部４１０は、図６Ａに示すように、本実施例の水素漏れ検知処理（図６Ｂ）を行う前提処理として、以下の処理を行う。すなわち、漏れ検知実行部４１０は、ＨＦＭ５００とＨＦＭ３００から単位時間水素流量をそれぞれ一定間隔で検出している（ステップＳ２５０）。この場合において、ＨＦＭ５００から検出した単位時間水素流量を単位時間水素流量Ｑｙ１とし、ＨＦＭ３００から検出した単位時間水素流量を単位時間水素流量Ｑｙ２とする。
【００８９】
次に、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｙ１および単位時間水素流量Ｑｙ２が共に一定となり、少なくとも漏れ検知流路Ｃｘ内が定常状態となったかどうかを判断する（ステップＳ２７０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、検出した単位時間水素流量Ｑｙ１および単位時間水素流量Ｑｙ２との差の絶対値（以下、流量差絶対値と呼ぶ。）を算出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、算出した流量差絶対値が、前回の単位時間水素流量Ｑｙ１および単位時間水素流量Ｑｙ２の検出時において算出した流量差絶対値（以下では、前回流量差絶対値と呼ぶ。）と略一致するかどうかを判断する。
【００９０】
漏れ検知実行部４１０は、算出した流量差絶対値が前回流量差絶対値と略一致した場合には、漏れ検知流路Ｃｘが定常状態となったと判断し（ステップＳ２７０：ＹＥＳ）、この前提処理を終了し、本実施例における水素漏れ検知処理を行う。
【００９１】
漏れ検知実行部４１０は、算出した流量差絶対値が、前回流量差絶対値と略一致しなかった場合には、漏れ検知流路Ｃｘが非定常状態であると判断し（ステップＳ２７０：ＮＯ）、ステップＳ２５０およびステップＳ２７０の処理を繰り返す。
【００９２】
続いて、本実施例における水素漏れ検知処理を説明する。燃料電池システム１１０は、この水素漏れ検知処理中において、パージ弁２４０を閉弁しアノード排ガス等を排出する処理を行わない。この水素漏れ検知処理では、図６Ｂに示すように、まず、漏れ検知実行部４１０は、上述の前提処理（図６Ａ）の最後に検出した単位時間水素流量Ｑｙ１と単位時間水素流量Ｑｙ２とが一致しているかどうかを判断する（ステップＳ３２０）。
【００９３】
漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｙ１と単位時間水素流量Ｑｙ２が一致していない場合には（ステップＳ３２０：ＮＯ）、ＨＦＭ間流路Ｃｘ１で水素漏れが発生していると判定する（ステップＳ３３０）。そして、漏れ検知実行部４１０は、燃料電池１０の運転を停止させて（ステップＳ４１０）、この水素漏れ検知処理を終了する。
【００９４】
一方、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｙ１と単位時間水素流量Ｑｙ２が一致している場合には（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）、ＨＦＭ間流路Ｃｘ１で水素漏れが発生していないと判定する（ステップＳ３４０）。
【００９５】
そして、漏れ検知実行部４１０は、予め設定される漏れ検知期間Ｙにおいて、ＨＦＭ３００の測定値に基づいて、漏れ検知流路Ｃｘに流入した水素ガスの流量（以下では、ＨＦＭ検出水素流量Ｑ’と呼ぶ。）を算出する（ステップＳ３５０）。なお、本実施例において、漏れ検知期間Ｙの長さをβ秒間であるとする。
【００９６】
また、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｙにおいて、燃料電池１０の発電に消費された水素ガスの流量（以下では、発電消費水素流量Ｑ１’と呼ぶ。）を算出する（ステップＳ３６０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、電流センサ３２０から、漏れ検知期間Ｘにおける燃料電池１０の発電に伴う平均電流値Ｉａｖ’（Ａ）を検出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、上述した式（１）において、平均電流値Ｉａｖに代えて検出した平均電流値Ｉａｖ’を、αに代えてβを、それぞれ代入することにより発電消費水素流量Ｑ１’を算出する。この発電消費水素流量Ｑ１’は、標準状態に換算された水素流量を表わす。
【００９７】
さらに、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｙにおいて、電解質膜を透過した水素ガスの流量（以下では、膜透過水素量Ｑ２’と呼ぶ。）を算出する（ステップＳ３７０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、温度センサ３３０から漏れ検知期間Ｙにおける燃料電池１０の平均セル温度Ｔａｖ’（Ｋ）を検出し、上述したアレニウスプロット（図４）から、検出した平均セル温度Ｔａｖ’に基づく単位時間膜透過水素量Ｑ２ａ’を求める。そして、漏れ検知実行部４１０は、上述した式（２）において、単位時間膜透過水素量Ｑ２ａに代えて単位時間膜透過水素量Ｑ２ａ’を、αに代えてβを、それぞれ代入することにより、標準状態における膜透過水素量Ｑ２’を算出する。
【００９８】
そして、漏れ検知実行部４１０は、水素漏れ仮定量ΔＱｘ’（Ｎｌ）の算出を行う（ステップＳ３８０）。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、下記の式（１０）が示すように、検出したＨＦＭ検出水素流量Ｑ'から、算出した発電消費水素流量Ｑ１'と、算出した膜透過水素量Ｑ２'を減算することにより、水素漏れ仮定量ΔＱｘ'を算出する。
【００９９】
【数７】
2006179469.tif 000009
【０１００】
続いて、漏れ検知実行部４１０は、算出した水素漏れ仮定量ΔＱｘ'を用いて、漏れ検知流路Ｃｘうち低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｘ２における漏れ判定を行う（ステップＳ３９０）。漏れ検知実行部４１０は、水素漏れ仮定量ΔＱｘ'を予め定められる所定の閾値Ｆ'と比較し、水素漏れ仮定量ΔＱｘ'が閾値Ｆ'以上ならば（ステップＳ３９０：ＹＥＳ）、低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｘ２において水素漏れが発生していると判定し（すなわち、水素漏れを検知し）（ステップＳ４００）、燃料電池１０の運転を停止させ（ステップＳ４１０）、この水素漏れ検知処理を終了する。なお、この場合、水素漏れ仮定量ΔＱｘ'が、漏れ検知流路Ｃｘ２における水素漏れ量を表わす。
【０１０１】
一方、漏れ検知実行部４１０は、水素漏れ仮定量ΔＱｘ'が閾値Ｆ'より少ないならば（ステップＳ３９０：ＮＯ）、低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｘ２において水素漏れが発生していないと判定する（ステップＳ４２０）。その後、本実施例の水素漏れ検知処理を終了する。
【０１０２】
以上のように本実施例における水素漏れ検知処理によれば、少なくとも漏れ検知流路Ｃｘ内が定常状態になってから、漏れ検知流路Ｃｘ内の水素漏れの検知を行うようにしている。このようにすれば、パージ弁２４０から排出されるガスのパージ量や、漏れ検知流路Ｃｘ内の圧力変化に起因する漏れ検知流路Ｃｘ内へ流れ込んだ水素ガスの増減量等を考慮する必要がないので、精度よく水素漏れ検知を行うことができる。
【０１０３】
また、本実施例における水素漏れ検知処理によれば、単位時間水素流量Ｑｙ１と単位時間水素流量Ｑｙ２とを比較することにより、漏れ検知流路ＣｘのうちＨＦＭ間流路Ｃｘ１において、水素漏れが発生しているがどうかを容易に判定することができる。
【０１０４】
さらに、本実施例における水素漏れ検知処理によれば、ＨＦＭ間流路Ｃｘ１や低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｘ２で水素漏れありと判定した場合（ステップＳ３３０およびステップＳ４００）には、燃料電池１０の運転を停止させるようにしている（ステップＳ４１０）。このようにすれば、水素漏れによる水素ガスの浪費を予防することができる。
【０１０５】
なお、本実施例における漏れ検知実行部４１０は、請求項における燃料ガス流量検出部と、燃料ガス漏れ検知部とに該当する。
【０１０６】
Ｃ．第３の実施例：
次に、第３の実施例について説明する。本実施例の燃料電池システム１２０は、第１の実施例の燃料電池システム１００のアノードガス供給流路２４上にＨＦＭ５００を追加した第２の実施例の燃料電池システム１１０（図５）と同様の構成である。なお、本実施例におけるＨＦＭ３００およびＨＦＭ５００は、各水素流量計（ＨＦＭ）を流れる水素ガスの方向も検出する機能を有する。すなわち、各水素流量計（ＨＦＭ）において、単位時間水素流量が正の流量を示せば、水素ガスがＨＦＭ内を燃料電池１０の方向に流れていることを示し、単位時間水素流量が負の流量を示せば、水素ガスが水素流量計（ＨＦＭ）内を水素タンク２０の方向へ流れていることを示す。
【０１０７】
図８は、本発明の第３の実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。
本実施例の燃料電池システム１２０は、燃料電池１０の運転中において、漏れ検知流路内に圧力変化があるような場合、すなわち、漏れ検知流路内が非定常状態であるような場合には、第１の実施例の水素漏れ検知処理を行い、また、漏れ検知流路内が定常状態である場合には、第２の実施例の水素漏れ検知処理（図６Ｂ）を行う。そして、さらに、本実施例の燃料電池システム１２０は、燃料電池１０の運転停止時において、図８に示すように、上記実施例とは異なる水素漏れ検知処理を行う。なお、漏れ検知実行部４１０が、この水素漏れ検知処理を行う。以下に、本実施例における水素漏れ検知処理について説明する。
【０１０８】
図９は、本実施例におけるアノード系流路を拡大して示した説明図である。
本実施例では、図９に示すように、水素ガスの漏れ検知を実施する漏れ検知流路Ｃｚは、第１の実施例における漏れ検知流路Ｃｘに加えて、アノードガス供給流路２４においてＨＦＭ３００とレギュレータ２１０とに挟まれた流路（以下では、中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１と呼ぶ。図９：左下斜線領域）からなる。この漏れ検知流路Ｃｚにおいて、第１の実施例における漏れ検知流路Ｃｘと同様の流路のうち、アノードガス供給流路２４においてレギュレータ２２０とＨＦＭ３００に挟まれた流路をＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２（図９：右下斜線領域）と呼び、アノードガス供給流路２４においてＨＦＭ５００とレギュレータ２２０に挟まれた流路をＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３（図９：編線領域）と呼び、５００ＨＦＭよりも水素ガスの供給方向に対して下流の流路を低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｚ４（図９：点ハッチング）と呼ぶ。
【０１０９】
本実施例における水素漏れ検知処理は、燃料電池１０の運転が停止中（すなわち、発電停止中）において、予め決められた一定の間隔で行なわれる。まず、漏れ検知実行部４１０は、燃料電池１０の運転が停止中、すなわち、遮断弁２００が閉弁された状態で、ＨＦＭ５００とＨＦＭ３００から単位時間水素流量をそれぞれ検出する（ステップＳ５００）。この場合において、ＨＦＭ５００から検出した単位時間水素流量を単位時間水素流量Ｑｚ１とし、ＨＦＭ３００から検出した単位時間水素流量を単位時間水素流量Ｑｚ２とする。
【０１１０】
続いて、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ１が正の流量を示しているのか、負の流量を示しているのか、若しくは、流量が０であるのかを判断する（ステップＳ５１０）。
【０１１１】
漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ１の流量が０である場合（ステップＳ５１０：Ｑｚ１＝０）、すなわち、ＨＦＭ５００で水素ガスの流れが検出されなかった場合には、続いて、単位時間水素流量Ｑｚ１が正の流量を示しているのか、負の流量を示しているのか、若しくは、流量が０であるのかを判断する（ステップＳ５２０）。
【０１１２】
漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ２の流量も０である場合（ステップＳ５２０：Ｑｚ２＝０）、すなわち、ＨＦＭ３００でも水素ガスの流れが検出されなかった場合には、漏れ検知流路Ｃｚにおいて、ＨＦＭ３００およびＨＦＭ５００で水素ガスの流れがないので、水素漏れなしと判定する（ステップＳ５３０）。
【０１１３】
一方、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ２が負の流量を示している場合には（ステップＳ５２０：Ｑｚ２＜０）、ＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２から中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１へ水素ガスが流れていると判断し、中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１で水素漏れありと判定する（ステップＳ５４０）。この場合、水素漏れありと判定した流路に、アノードガス供給流路２４においてレギュレータ２１０よりも水素ガスの供給方向に対して上流の流路（以下では、中高圧部レギュレータ上流流路と呼ぶ。）を含んでいないのは、以下の理由による。すなわち、中高圧部レギュレータ上流流路で水素漏れが発生したとしても、中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１の水素ガスが、レギュレータの特性からレギュレータ２１０を越えて、アノードガス供給流路２４におけるレギュレータ２１０よりも水素ガスの供給方向に対して上流の流路に流れ込むことはないので、この場合、ＨＦＭ３００が水素ガスの流れの変化を検出することができないからである。また、この場合における単位時間当りの水素漏れ量は、単位時間水素流量Ｑｚ２の絶対値となる。
【０１１４】
他方、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ２が正の流量を示している場合には（ステップＳ５２０：Ｑｚ２＞０）、中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１からＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２へ水素ガスが流れていると判断し、ＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２で水素漏れありと判定する（ステップＳ５５０）。この場合、水素漏れありと判定した流路に、ＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３および低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｚ４を含まないのは、以下の理由による。すなわち、ＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２で水素漏れが発生している場合に、ＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３の水素ガスは、レギュレータの特性からレギュレータ２２０を越えてＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２へ流れ込むことはないからである。また、この場合における単位時間当りの水素漏れ量は、単位時間水素流量Ｑｚ２となる。
【０１１５】
また、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ１が負の流量を示している場合には（ステップＳ５１０：Ｑｚ１＜０）、低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｚ４からＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３へ水素ガスが流れていると判断し、ＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３で水素漏れありと判定する（ステップＳ５６０）。この場合における単位時間当りの水素漏れ量は、単位時間水素流量Ｑｚ１の絶対値に単位時間水素流量Ｑｚ２を加えた量となる。
【０１１６】
さらに、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量Ｑｚ１が正の流量を示している場合には（ステップＳ５１０：Ｑｚ１＞０）、ＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３から低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｚ４へ水素ガスが流れていると判断し、低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｚ４で水素漏れありと判定する（ステップＳ５７０）。この場合における単位時間当りの水素漏れ量は、単位時間水素流量Ｑｚ１となる。
【０１１７】
以上のステップＳ５３０〜ステップＳ５７０の処理が終了すると、この水素漏れ検知処理を終了する。
【０１１８】
以上のように本実施例における水素漏れ検知処理によれば、ＨＦＭ５００とＨＦＭ３００からそれぞれ検出した単位時間水素流量Ｑｚ１および単位時間水素流量Ｑｚ２に基づいて、漏れ検知流路Ｃｚ内での水素漏れの発生を検知することができる。また、漏れ検知流路Ｃｚ内で水素漏れがある場合には、その水素漏れの発生位置を、中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１、ＨＦＭ間上流流路Ｃｚ２、ＨＦＭ間下流流路Ｃｚ３、および低圧部ＨＦＭ下流流路Ｃｚ４のいずれかの流路に限定することができる。従って、水素漏れの発生位置を素早く特定することができる。また、本実施例における水素漏れ検知処理における漏れ検知流路Ｃｚは、第１の実施例の漏れ検知流路Ｃｘに加えて、中圧部ＨＦＭ上流流路Ｃｚ１を含むので、第１の実施例より広い範囲で水素漏れの検知をすることができる。
【０１１９】
なお、本実施例における漏れ検知実行部４１０は、請求項において、燃料ガス漏れ検知部に該当する。
【０１２０】
Ｄ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【０１２１】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例の何れかの水素流量計（ＨＦＭ３００若しくはＨＦＭ５００）において、以下の２つの方法で、水素流量計の動作検定を行ってもよい。以下では、動作検定を行う水素流量計を検定ＨＦＭと呼ぶ。また、漏れ検知実行部４１０が、この検定ＨＦＭの動作検定を行うこととする。
【０１２２】
まず、一つ目の検定ＨＦＭの動作検定法について、説明する。この場合、上記実施例の燃料電池システムは、アノードガス供給流路２４において、検定ＨＦＭを流れる水素ガスの温度（以下では、検定水素ガス温度Ｔｈと呼ぶ。）を測定する温度センサ（以下では、検定用温度センサ１と呼ぶ。）（図示せず）を備える。また、アノードガス供給流路２４において、検定ＨＦＭよりも水素ガスの供給方向に対して上流側の圧力（以下では、上流側圧力Ｐｈ２と呼ぶ。）と下流側の圧力（以下では、下流側圧力Ｐｈ１と呼ぶ。）とを測定する圧力センサ（以下では、検定用圧力センサ１と呼ぶ。）（図示せず）を備える。そして、漏れ検知実行部４１０は、検定用温度センサ１および検定用圧力センサ１から、それぞれ、検定水素ガス温度Ｔｈ、下流側圧力Ｐｈ１および上流側圧力Ｐｈ２を検出し、これらに基づき下記の式（１１）から、検定ＨＦＭを流れる単位時間当たりの推定水素流量Ｑｈ（Ｎｌ／ｍｉｎ）を算出する。なお、式（１１）において、Ｓｈは、検定ＨＦＭにおいて水素ガスが流れる部分の有効断面積を表す。また、算出される推定水素流量Ｑｈは、標準状態に換算されている。
【０１２３】
【数８】
2006179469.tif 000010
【０１２４】
次に、漏れ検知実行部４１０は、検定ＨＦＭから単位時間水素流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）を検出する。そして、漏れ検知実行部４１０、検出した単位時間水素流量と、算出した推定水素流量Ｑｈとの差の絶対値（以下では、検定絶対値Ｕ１と呼ぶ。）を求め、さらに、検定絶対値Ｕ１と予め定められる閾値Ｊｈと比較する。漏れ検知実行部４１０は、検定絶対値Ｕ１が閾値Ｊｈよりも小さいならば、検定ＨＦＭの動作は正常であると判断し、検定絶対値Ｕ１が閾値Ｊｈ以上ならば、検定ＨＦＭは、動作異常を起こしていると判断する。
【０１２５】
以上のようにすれば、検定ＨＦＭの異常を検知することができる。従って、検定ＨＦＭによる水素流量の誤測定を抑制することができ、その結果、水素漏れ検知の精度を向上させることができる。
【０１２６】
なお、上述における漏れ検知実行部４１０は、請求項における第１の差圧検出部と、第１の燃料ガス流量推定部とに該当する。
【０１２７】
次に、２つ目の検定ＨＦＭの動作検定法について、説明する。この場合、上記実施例の燃料電池システムは、アノードガス供給流路２４において、検定ＨＦＭよりも水素ガスの供給方向に対して上流側または下流側のいずれか一方にレギュレータ（以下では、検定レギュレータと呼ぶ。）（図示せず）を備える。また、アノードガス供給流路２４において、検定レギュレータよりも水素ガスの供給方向に対して上流側の圧力（以下では、上流側圧力Ｐｍ２と呼ぶ。）と下流側の圧力（以下では、下流側圧力Ｐｍ１と呼ぶ。）とを測定する圧力センサ（以下では、検定用圧力センサ２と呼ぶ。）（図示せず）を備える。さらに、検定レギュレータを流れる水素ガスの温度（以下では、検定水素ガス温度Ｔｍと呼ぶ。）を測定する温度センサ（以下では、検定用温度センサ２と呼ぶ。）を備える。そして、漏れ検知実行部４１０は、検定用温度センサ２および検定用圧力センサ２から、それぞれ、検定水素ガス温度Ｔｍ、下流側圧力Ｐｍ１および上流側圧力Ｐｍ２を検出し、これらに基づき下記の式（１２）から、検定ＨＦＭを流れる単位時間当たりの推定水素流量Ｑｍ（Ｎｌ／ｍｉｎ）を算出する。なお、式（１２）において、Ｓｍは、検定レギュレータにおいて水素ガスが流れる部分の有効断面積を表す。また、算出される推定水素流量Ｑｍは、標準状態に換算されている。
【０１２８】
【数９】
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【０１２９】
次に、漏れ検知実行部４１０は、検定ＨＦＭから単位時間水素流量（Ｎｌ／ｍｉｎ）を検出する。そして、漏れ検知実行部４１０は、検出した単位時間水素流量と、算出した推定水素流量Ｑｍとの差の絶対値（以下では、検定絶対値Ｕ２と呼ぶ。）を求め、さらに、検定絶対値Ｕ２と予め定められる閾値Ｊｍと比較する。漏れ検知実行部４１０は、検定絶対値Ｕ２が閾値Ｊｍよりも小さいならば、検定ＨＦＭの動作は正常であると判断し、検定絶対値２Ｕが閾値Ｊｍ以上ならば、検定ＨＦＭは、動作異常を起こしていると判断する。
【０１３０】
以上のようにすれば、検定ＨＦＭの異常を検知することができる。従って、検定ＨＦＭによる水素流量の誤測定を抑制することができ、その結果、水素漏れ検知の精度を向上させることができる。
【０１３１】
なお、上述における漏れ検知実行部４１０は、請求項における第２の差圧検出部と、第２の燃料ガス流量推定部とに該当する。
【０１３２】
Ｄ２．変形例２：
上記第１または第２の実施例において、水素タンク２０から供給される水素ガスを、水素流量計（ＨＦＭ３００若しくはＨＦＭ５００）により測定するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。水素タンク２０から供給される水素ガスを、上記変形例１において、検定ＨＦＭを流れる水素流量（推定水素流量Ｑｈ若しくは推定水素流量Ｑｍ（Ｎｌ／ｍｉｎ））を推定したのと同様の方法で推定し、その推定水素流量を第１または２の実施例における水素漏れ検知処理で用いるようにしてもよい。このようにすれば、水素流量計を用いることなく、水素漏れの検知をすることができる。
【０１３３】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例において、第１または第２の実施例における水素漏れ検知処理中に、燃料電池１０の出力が増加したときには、その水素漏れ検知処理を中断するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池１０の出力の増大に起因する水素漏れの検出精度の低下を防ぐことができ、誤検知を防止することができる。
【０１３４】
Ｄ４．変形例４：
上記第１または第２の実施例では、燃料電池１０の電流を検出する電流センサは１つしか配置されていないが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、電流の検出レンジの異なる電流センサを燃料電池１０に複数配置するようにしてもよい。この場合、漏れ検知実行部４１０は、第１または２の実施例における水素漏れ検知処理を行う場合において、燃料電池１０の出力に合わせて、その出力にあった検出レンジに対応する電流センサから電流値を検出するようにしてもよい。このようにすれば、より正確な発電消費水素流量を算出することができる。従って、水素漏れの検知精度を向上させることができる。
【０１３５】
Ｄ５．変形例５：
上記第１の実施例において、水素漏れ検知処理は、一定間隔で行うようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池１０の間欠運転時や、起動時、および、停止時等、電流センサ３２０の検出電流値がほとんどない状態で、水素漏れ検知処理を行うようにしてもよい。また、パージ弁２４０を開弁中、すなわち、パージ動作中は、この水素漏れ検知処理を行わないようにしてもよい。このようにすれば、水素漏れ仮定量の算出の際に考慮していた発電消費水素流量またはパージ量または圧力変化増減水素流量を考慮しなくてよいので、水素漏れ検知の精度が向上する。
【０１３６】
Ｄ６．変形例６：
上記第１または第２の実施例において、カソード側から電解質膜を介してアノード流路２５内へ窒素や水蒸気などの不要ガスが透過してくる場合がある。このような場合に、以下のようにしてもよい。すなわち、透過してくる不要ガス（以下では、通過不要ガスと呼ぶ。）の透過量を予め実験的に求めておいたアレニウスプロットなどにより求め、さらに、漏れ検知流路Ｃｘ内における透過不要ガスの分圧を求め、膜透過水素量Ｑ２やパージ量Ｑ３や圧力変化増減水素流量Ｑ４に対して、全圧から通過不要ガスの分圧を除き水素ガスのみの割合を乗じる。そして、全圧から通過不要ガスの分圧を除き水素ガスのみの割合を乗じた膜透過水素量Ｑ２やパージ量Ｑ３や圧力変化増減水素流量Ｑ４に基づいて、水素漏れ仮定量ΔＱｘを算出する。このようにすれば、透過不要ガスを考慮して、水素漏れの検知を行うことができ、水素漏れ検知の精度が向上する。
【０１３７】
Ｄ７．変形例７：
上記第１の実施例において、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘの間、循環ポンプ２５０を停止するようにしてもよい。このようにすれば、ＨＦＭ３００において循環ポンプ２５０の脈動の影響を低減することができる。従って、漏れ検知実行部４１０は、単位時間水素流量をＨＦＭ３００からより正確に検出することができる。その結果、水素漏れ検知の精度が向上する。また、このようにすれば、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知流路Ｃｘ内の圧力変化が抑制されるので、圧力変化増減水素流量Ｑ４を精度よく算出することができる。その結果、水素漏れ検知の精度が向上する。なお、この場合、漏れ検知実行部４１０は、請求項におけるポンプ停止部に該当する。
【０１３８】
Ｄ８．変形例８：
上記第１または第２の実施例における水素漏れ検知処理において、漏れ検知実行部４１０は、ＨＦＭ３００またはＨＦＭ５００から検出される単位時間水素流量が表す波形（以下では、検出水素流量波形と呼ぶ。）に、循環ポンプ２５０の脈動に合わせたフィルタをかけるようにしてもよい。具体的には、漏れ検知実行部４１０は、循環ポンプ２５０のポンプ回転数から、発生する脈動波形を推定し、その波形の位相をπずらした波形を、検出水素流量波形に重ねる。このようにすれば、漏れ検知実行部４１０は、循環ポンプ２５０を停止することなく、ＨＦＭ３００において循環ポンプ２５０の脈動の影響を低減することができる。従って、ＨＦＭ３００からより正確に単位時間水素流量を検出することができる。その結果、水素漏れ検知の精度が向上する。
【０１３９】
なお、上記変形例７および変形例８における漏れ検知実行部４１０は、請求項における脈動補正部に該当する。
【０１４０】
Ｄ９．変形例９：
上記実施例における燃料電池システムを、所定の２次電池と組み合わせてハイブリットシステムとしてもよい。このようにすれば、適宜状況に応じて、燃料電池１０を定常状態で動かすことができ、すなわち、漏れ検知流路Ｃｘ内を定常状態に容易することができる。従って、水素漏れの検知精度が向上する。なお、上記２次電池は、例えば、所定のバッテリーとしてもよいし、上記実施例と同様の燃料電池としてもよい。
【０１４１】
Ｄ１０．変形例１０：
上記第１の実施例の水素漏れ検知処理において、ステップＳ１５０（図３）の処理で水素漏れ仮定量ΔＱｘと閾値Ｆとが同程度である場合には、水素漏れ検知処理中に水素漏れがあるかどうかの決定をすぐにはせず、その後に水素漏れ検知処理のステップＳ１００〜ステップＳ１５０の処理を所定回数ほど繰り返し行って、その度に算出される水素漏れ仮定量ΔＱｘと閾値Ｆの大小の傾向を検討してから、漏れ検知流路Ｃｘにおいて、水素漏れが発生しているかどうかの判定をするようにしてもよい。このようにすれば、水素漏れ仮定量ΔＱｘが閾値Ｆと同程度の場合において、水素漏れの誤検知を抑制することができ、水素漏れ検知の精度を向上させることができる。また、この場合、水素漏れ仮定量ΔＱｘが閾値Ｆより大幅に大きい場合には、一度で、漏れ検知流路Ｃｘにおいて水素漏れが発生していると判定するようにしてもよいし、水素漏れ仮定量ΔＱｘが閾値Ｆより大幅に小さい場合には、一度で、漏れ検知流路Ｃｘにおいて水素漏れが発生していないと判定するようにしてもよい。このようにすれば、素早く水素漏れ検知を行うことができる。
【０１４２】
Ｄ１１．変形例１１：
上記第３の実施例では、水素流量計（ＨＦＭ３００およびＨＦＭ５００）は、アノードガス供給流路２４上に２つ設けられているが本実施例は、これに限られるものではなく、アノードガス供給流路２４に３つ以上の水素流量計を設けてもよい。そして、設置された各水素流量計からそれぞれ単位時間水素流量を検出して、第３の実施例の水素漏れ検知処理のごとく、それらの検出結果を検討することにより、漏れ検知流路Ｃｚにおいて、水素漏れを検知することができる。さらに、検出結果の検討結果に基づいて、詳細な漏れ位置の特定をすることができる。
【０１４３】
Ｄ１２．変形例１２：
上記第２の実施例において、２つの水素流量計（ＨＦＭ３００およびＨＦＭ５００）を設けて、これらの流量から定常状態を判定するようにしていたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、水素流量計を３つ以上設けて、これらから水素ガスの流量を検出し、検出した水素流量から定常状態を判定するようにしてもよい。このようにすれば、より正確に定常状態を判定することができる。また、定常状態と判定した場合に、水素流量計間に流量差がある場合には、流量差がある水素流量計間を水素漏れの位置として特定することができる。
【０１４４】
Ｄ１３．変形例１３：
上記第２および第３実施例において、第２の実施例の燃料電池システム１１０と第３の実施例の燃料電池システム１２０は、同様の構成であるので、第２の実施例における水素漏れ検知処理と、第３の実施例における水素漏れ検知処理を併用するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池１０の運転中、もしくは、停止中のいずれにおいても、随時、水素漏れの検知を行うことができる。
【０１４５】
Ｄ１４．変形例１４：
上記第１の実施例の水素漏れ検出処理において、漏れ検知期間Ｘにおけるパージ量Ｑ３（Ｎｌ）は、低圧部における圧力変化の積分値（式（３）、（４））から算出しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、漏れ検知実行部４１０は、以下のようにして、漏れ検知期間Ｘにおけるパージ量Ｑ３（Ｎｌ）を算出するようにしてもよい。すなわち、予め実験的に、燃料電池１０の様々な運転状況（燃料電池の発電出力やアノード系内の圧力、温度など）を想定し、それらそれぞれの運転状況について、パージ弁２４０を開弁した時のガスの単位時間当りのパージ量（以下では、単位時間当りパージ量と呼ぶ。）を求め、それらの結果から運転状況と単位時間当りのパージ量とを対応させたＭＡＰ（以下では、パージＭＡＰと呼ぶ。）を作成し、それを所定のメモリ（図示せず）に記憶しておく。そして、漏れ検知実行部４１０は、メモリからパージＭＡＰを読み出し、そのパージＭＡＰに基づいて、漏れ検知期間Ｘの運転状況に対応する単位時間パージ量を求める。また、漏れ検知実行部４１０は、漏れ検知期間Ｘの間にパージ弁２４０が開弁されていた時間（秒）、すなわち、ガスの排出（パージ）が行われていた時間（以下、パージ時間と呼ぶ。）を検出する。このようにすれば、漏れ検知実行部４１０は、求めた単位時間パージ量と、検出したパージ時間とから、漏れ検知期間Ｘにおけるパージ量Ｑ３を算出することができる。
【０１４６】
Ｄ１５．変形例１５：
上記実施例において、漏れ検知実行部４１０は、制御プログラムによりソフトウェア的に実現してもよく、一部、又は、全てをハードウェア的に実現してもよい。
【０１４７】
Ｄ１６．変形例１６：
上記第２の実施例の燃料電池システム１１０において、第１の実施例の燃料電池システム１００の構成に対して、アノードガス供給流路２４においてレギュレータ２２０よりも水素ガスの供給方向に対して下流側の位置に、新たにＨＦＭ５００を設けるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１１０は、アノードガス供給流路２４においてレギュレータ２１０よりも水素ガスの供給方向に対して上流側の位置に、ＨＦＭ５００を設けるようにしてもよい。この場合においても、上記第２の実施例同様、アノードガス供給流路２４でＨＦＭ３００とＨＦＭ５００に挟まれた流路をＨＦＭ間流路Ｃｘ１と呼ぶ。なお、このＨＦＭ間流路Ｃｘ１は、上記第２の実施例における漏れ検知流路内Ｃｘ内に形成されるのではなく、アノードガス供給流路２４において、漏れ検知流路Ｃｘと連続して形成される。また、この場合、漏れ検知実行部４１０は、上記第２の実施例における前提処理（図６Ｂ）および水素漏れ検知処理（図６Ｂ）と同様の処理を行う。このようにすれば、上記第２の実施例における水素漏れ検知処理と同様、漏れ検知流路Ｃｘ内へ流れ込んだ水素ガスの増減量等を考慮する必要がないので、精度よく水素漏れ検知を行うことができ、また、ＨＦＭ間流路Ｃｘ１において、水素漏れが発生しているがどうかを容易に判定することができる。さらに、このようにすれば、本変形例における水素ガスの漏れを検知することが可能な流路は、漏れ検知流路内ＣｘとＨＦＭ間流路Ｃｘ１とを合わせた流路とすることができ、第２の実施例と比較して、アノード系流路において、広範な範囲で水素ガスの漏れ検知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４８】
【図１】本発明の第１の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施例におけるアノード系流路を拡大して示した説明図である。
【図３】第１の実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施例の燃料電池１０における単位時間膜透過水素量とセル温度の関係を示したアレニウスプロットを説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施例における燃料電池システム１１０の構成を示すブロック図である。
【図６Ａ】第２の実施例における水素漏れ検知処理の前提処理を示すフローチャートである。
【図６Ｂ】第２の実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施例におけるアノード系流路を拡大して示した説明図である。
【図８】本発明の第３の実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。
【図９】第３の実施例におけるアノード系流路を拡大して示した説明図である。
【符号の説明】
【０１４９】
１０…燃料電池
２０…水素タンク
２４…アノードガス供給流路
２５…アノード流路
２６…アノード排ガス流路
２８…ガス循環流路
３０…ブロワ
３４…カソードガス供給流路
３６…カソード排ガス流路
６０…加湿器
１００〜１２０…燃料電池システム
２００…遮断弁
２１０，２２０…レギュレータ
２４０…パージ弁
２５０…循環ポンプ
３１０，３４０…圧力センサ
３２０…電流センサ
３３０…温度センサ
４００…制御部
４１０…漏れ検知実行部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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