(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの異常の検出精度を向上させることが可能な異常判定装置を提供する。【解決手段】  クロスリークを抑制した状態で燃料電池システム１０の気密異常の判定を行う。燃料電池２０には、酸化ガス及び燃料ガスが供給される。ここで、燃料ガスの分子は酸化ガスの分子よりも小さいため、酸化ガスよりも燃料ガスの方が電解質膜を透過（クロスリーク）しやすい。かかるクロスリークは、燃料ガスの分圧と差圧の２つの要因に支配されるため、透過性の低い方の酸化ガスの背圧を上げ、酸化ガスの内圧を上げることで該クロスリークは低減され、これにより精度の高い気密異常の判定を行うことが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と電極からなる膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体のアノード極側に燃料ガスを通流する燃料ガス通路と、カソード極側に酸化ガスを通流する酸化ガス通路と、を含む燃料電池と、前記燃料電池のガス通路のガス状態量に基づいてガス通路の異常を検出する異常検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記異常検出手段により一方のガス通路の異常を検出するとき、他方のガス通路の内圧を大きくする内圧制御手段を備えることを特徴とする異常判定装置。
【請求項２】
前記一方のガス通路は燃料ガス通路であり、前記他方のガス通路は酸化ガス通路であることを特徴とする請求項１に記載の異常判定装置。
【請求項３】
前記内圧制御手段は、前記酸化ガス通路の内圧が前記燃料ガス通路の内圧と同等、または前記燃料ガス通路の内圧よりも高くすることを特徴とする請求項２に記載の異常判定装置。
【請求項４】
前記内圧制御手段は、前記燃料電池からの酸化オフガスを外部へ放出する量を調整する調整手段をさらに備え、
前記内圧制御手段は、前記調整手段によって前記酸化オフガスの外部への放出量を減らすことにより、前記酸化ガス通路の内圧と同等、または前記燃料ガス通路の内圧よりも高くすることを特徴とする請求項３に記載の異常判定装置。
【請求項５】
前記異常検出手段は、前記電解質膜と前記ガス通路を含む閉空間を形成し、該閉空間における内圧の変化からガス通路の異常を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の異常判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの異常を検知するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代における環境対応自動車として燃料である水素ガス（燃料ガス）と酸化ガスを化学反応させて電気を発生し、発電した電気を動力源として走行する燃料電池自動車の開発が進められている。この燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムにおいては、当該システムに生じた異常（例えば、燃料ガス漏れの異常など）を迅速かつ正確に検知することが非常に重要である。
【０００３】
かかる要請に応えるべく、燃料電池自動車の現在の走行状態及び道路状態から燃料ガスの使用量を推定するとともに、水素タンクの圧力に基づいて実際の燃料ガス使用量を検出し、推定した燃料ガスの使用量と検出した実際の燃料ガスの使用量とを比較することにより、燃料ガス配管の割れや弁の開閉異常に基づく燃料ガス漏れの異常を検知する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１５１１２６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、実際には供給される燃料ガス全てが燃料電池の発電に使用されるわけではない。具体的には、当該システムに固有の燃料ガス漏れにより、供給される燃料ガスの一部は発電に使用されることなく外部に放出される。この固有の燃料ガス漏れとしては、例えば燃料電池の電解質膜を介したアノード極からカソード極への微量な燃料ガス透過（いわゆるクロスリーク）等があり、かかるクロスリークを考慮することなく燃料ガス漏れの異常を検知した場合には、当該システムに異常が生じていないにもかかわらず、異常が生じていると判定してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、ガス通路の異常など、燃料電池システムの異常の検出精度を向上させることが可能な異常判定装置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】
上述した問題を解決するため、本発明に係る異常判定装置は、電解質膜と電極からなる膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体のアノード極側に燃料ガスを通流する燃料ガス通路と、カソード極側に酸化ガスを通流する酸化ガス通路と、を含む燃料電池と、前記燃料電池のガス通路のガス状態量に基づいてガス通路の異常を検出する異常検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記異常検出手段により一方のガス通路の異常を検出するとき、他方のガス通路の内圧を大きくする内圧制御手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、一方のガス通路の異常を検出するとき、異常検出を行わない他方のガス通路の内圧を大きくすることでクロスリーク等は抑制され、この結果、従来に比して検知精度の高い異常判定を行うことが可能となる。
【０００９】
ここで、上記構成にあっては、前記一方のガス通路は燃料ガス通路であり、前記他方のガス通路は酸化ガス通路である態様が好ましい。
【００１０】
また、上記構成にあっては、前記内圧制御手段は、前記酸化ガス通路の内圧が前記燃料ガス通路の内圧と同等、または前記燃料ガス通路の内圧よりも高くすることが好ましく、さらに、前記内圧制御手段は、前記燃料電池からの酸化オフガスを外部へ放出する量を調整する調整手段をさらに備え、前記内圧制御手段は、前記調整手段によって前記酸化オフガスの外部への放出量を減らすことにより、前記酸化ガス通路の内圧と同等、または前記燃料ガス通路の内圧よりも高くする態様がより好ましい。
【００１１】
また、前記異常検出手段は、前記電解質膜と前記ガス通路を含む閉空間を形成し、該閉空間における内圧の変化からガス通路の異常を検出する態様が好ましい。
【００１２】
また、別の観点から、前記他方のガス通路は、電解質膜に対して透過性の低い方のガス（例えばカソードガス）を供給するガス通路であることが望ましい。このように、電解質膜に対して透過性の低い方のガス（例えばカソードガス）を供給する他方のガス通路（例えばカソードガス通路）の内圧を上げ、この状態で一方のガス通路（例えばアノードガス通路）の異常を検出する場合には、確実にクロスリークを抑制することができ、この結果、従来に比して検知精度の高い異常判定を行うことが可能となる。
さらに、前記アノードガス通路には、複数の圧力センサが設けられ、前記異常検出手段は、前記アノードガス通路の最も上流に配置された圧力センサによって検知されるアノードガス通路の内圧変化に基づいてガス通路の異常を検知しても良い。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池システムの異常の検出精度を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する前に、本発明の概要について説明する。
【００１５】
＜概要＞
本発明は、燃料ガス供給源（ガスタンク、水素吸蔵タンク、水素改質器など）から燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給配管と、燃料電池のアノード極から排出される燃料オフガスを外部に排出するための燃料オフガス配管と、場合によっては燃料オフガスを燃料ガス供給配管に合流させるための燃料オフガス循環配管（これらを総称して燃料ガス配管）とを含む１つの燃料ガス系内における気密異常を検出するための装置に関するものである。
【００１６】
詳細には、燃料ガス系内で流体（主に燃料ガス）が気密状態とされる条件において、燃料ガス配管そのもの、またはその配管に設置される各弁の異常を系内の流体状態（例えば圧力変化）に基づいて気密異常を検出する。なお、この気密異常には、燃料ガス配管の割れや、燃料ガス配管に設けた各弁の開閉異常に基づく燃料ガス漏れの異常のほか、例えば燃料ガス配管の詰まりに基づく燃料ガス詰まりの異常があるが、以下に示す実施形態では燃料ガス漏れの異常を想定する。
【００１７】
ところで、このような燃料ガス系を備える燃料電池システムにおいては、当該システムに固有の燃料ガス漏れが存在する（従来技術の項参照）。詳述すると、燃料電池の電解質膜を介したアノード極からカソード極への燃料ガスの透過（いわゆるクロスリーク）などが存在するが、かかるクロスリークをなんら考慮せずに、単に閉じた燃料ガス系の流体状態から系内の気密異常を判断すると、誤判断するおそれがある。
【００１８】
そこで、本発明では燃料ガス系内で流体（主に燃料ガス）が気密状態とされる条件において、前述したクロスリークを可能な限り抑制し、クロスリークを低減した状態で気密異常の判断を行う。これにより、誤判断は抑制され、気密異常の検知精度を向上することができる。以下、クロスリークを低減した状態で気密異常を判断する燃料電池システムの詳細を説明する。
【００１９】
Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係わる燃料電池システム１０の概略構成を示している。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）の車載発電システムとして用いる例を示すが、各種移動体（例えば、船舶や飛行機など）に搭載される発電システムや定置用発電システムとして用いることができる。燃料電池（セルスタック）２０は、電解質膜と電極からなる膜・電極接合体と、この膜・電極接合体のアノード極側に燃料ガスを通流する燃料ガス通路と、カソード極側に酸化ガスを通流する酸化ガス通路などを備えている。この燃料電池２０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。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０に接続された燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。燃料電池２０の燃料ガス循環供給系（燃料ガス通路）は、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、燃料電池２０、燃料ガス循環路３２、及びアノードオフガス流路３３を含んで構成され、燃料ガス供給路３１、燃料ガス循環路３２、アノードオフガス流路３３は、それぞれ燃料ガス供給配管、燃料オフガス循環配管、燃料オフガス配管によって構成されている。
【００２１】
燃料ガス供給源３０は、燃料電池２０に水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。なお、以下の説明では、適宜、燃料ガスタンク３０と呼ぶ。燃料ガス供給路（他方のガス通路）３１は、燃料ガスタンク３０から放出される燃料ガスを燃料電池２０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バルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、及びＦＣ入口バルブＨ２１などの弁が配設されている。また、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、燃料電池２０の前段には、それぞれ圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３が配されている。
【００２２】
高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。高圧レギュレータＨ９にて減圧される前の燃料ガスの圧力は圧力センサＰ１により検知され、低圧レギュレータＨ１０にて低圧に減圧される前の燃料ガスの圧力は圧力センサＰ２により検知され、ＦＣ入口バルブＨ２１を介して燃料電池２０に供給される直前の燃料ガスの圧力は圧力センサＰ３により検知される。各圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３の検知結果は、制御部５０に通知される。
【００２３】
燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池２０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ＦＣ出口バルブＨ２２、水素ポンプ６３、及び逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。燃料電池２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ６３によって適度に加圧され、燃料ガス供給路３１に導かれる。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給路３１から燃料ガス循環路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。アノードオフガス流路３３は燃料電池２０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Ｈ５１が配設されている。
【００２４】
上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１は各ガス流路３１〜３３又は燃料電池２０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ＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。
【００２５】
燃料電池２０の酸化ガス供給系（酸化ガス通路）は、エアコンプレッサ４０、酸化ガス供給路（一方のガス通路）４１、及びカソードオフガス流路４２を含んで構成されている。
エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１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２０のカソード極に供給する。燃料電池２０の電池反応に供した後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。カソードオフガス流路４２には圧力センサＰ４、圧力調整弁Ａ４、加湿モジュール６２が配設されている。
【００２６】
エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１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２０のカソード極に供給する。燃料電池２０の電池反応に供した後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２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２０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６２は酸化ガス供給路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２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２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
【００２７】
ここで、燃料電池２０から排出される酸素オフガスの背圧や燃料電池２０に供給される酸化ガスの内圧は、カソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁（調整手段）Ａ４やエアコンプレッサ４０等の動作を制御することで調整する。例えば、圧力調整弁Ａ４によって酸化ガスの内圧を調整する場合、圧力調整弁Ａ４の弁開度を絞ると、酸素オフガスの背圧は上がり、これに伴い酸化ガスの内圧も上がる。一方、圧力調整弁Ａ４の弁開度を拡げると、酸素オフガスの背圧は下がり、これに伴い酸化ガスの内圧も下がる。このように、本実施形態では、圧力調整弁Ａ４の弁開度を絞って酸化ガスの内圧を上げることでクロスリークの低減を図っている（詳細は後述）。
【００２８】
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、バッテリ５４に充電される。トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池２０とバッテリ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Ｍ３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Ｍ４は後述の水素循環ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称している。なお、以下の説明では、燃料電池２０及びバッテリ５４のいずれか一方若しくは双方によって駆動されるものを負荷と総称する。
【００２９】
制御部５０はＲＯＭやハードディスクなどのメモリ（図示略）に内蔵されている各種制御プログラムを実行することにより、燃料システム１０の各部を中枢的に制御する。また、制御部５０は圧力センサＰ１〜Ｐ４を含む各センサから供給されるセンサ信号に基づいて燃料電池２０の発電を制御するとともに、燃料電池２０の発電停止時や間欠運転時、あるいは起動時、作動終了時などに燃料ガス循環供給系に気密異常が生じているか否かを判定する。以下、本実施形態に係る異常検知処理について詳細に説明する。
【００３０】
図２は、燃料電池２０の発電停止時に制御部５０によって間欠的に実行される異常検知処理を示すフローチャートである。
制御部５０は、まず、燃料ガス循環供給系に設けられた各弁の開閉を制御することで、検出対象となる閉空間を燃料ガス循環供給系に形成する（ステップＳ１）。次に、制御部（内圧制御手段）５０は、通常時（すなわち、異常検知処理を実行しない時）よりも酸素オフガスの背圧を上昇させるべく、圧力調整弁（調整手段）Ａ４の弁開度を絞る制御を行う（ステップＳ２）。上述したように、圧力調整弁Ａ４の弁開度を絞ると、酸素オフガスの背圧は上がり、これに伴い酸化ガスの内圧も上がる。このように、通常時よりも異常検知時の酸化ガスの内圧を上げることで、クロスリークは抑制される。
【００３１】
クロスリークが抑制されるメカニズムについて説明すると、周知のとおり、燃料ガスの主成分である水素は、酸化ガスの主成分である酸素よりも分子が小さいため、燃料ガスの方が酸化ガスよりも電解質膜を透過（クロスリーク）し易い。このクロスリーク量は、燃料ガスの分圧と差圧の２つの要因に支配されるため、本実施形態では、透過性の低い方のガス（本実施形態では酸化ガス）の背圧を上げ、燃料ガスの差圧を小さくすることでクロスリークの低減を図っている。ここで、分圧とはアノード側の燃料ガス分圧（例えば１（ｋＰａ））と、カソード側の燃料ガス分圧（例えば０（ｋＰａ））の差分を意味し、差圧とはアノード側の内圧（主に燃料ガス圧）と、カソード側の内圧（主に酸化ガス圧）との差分を意味する。なお、酸化オフガスの背圧はクロスリーク量を抑制することができる程度まで上げればよく、例えば酸化ガスの内圧と燃料ガスの内圧が略同程度（同等）となるように（あるいは酸化ガスの内圧が燃料ガスの内圧よりも高くなるように）、背圧を制御しても良い。ただし、酸化ガスの内圧は燃料ガスの内圧に対して電解質膜を損傷しない範囲で上げなければならない点に留意する。
【００３２】
制御部（異常検出手段）５０は、ステップＳ３に進むと、圧力センサ（異常検出手段）やタイマ（図示略）等を利用して上記閉空間の封止圧力（ガス状態量）の変化を検知する。かかる封止圧力変化を検知する際には、燃料ガス循環供給系に配置されている様々な圧力センサを使用することができるが、本実施形態ではガス圧が最も高い部分（本実施形態では最も上流側）に配置された圧力センサＰ１を利用する。このように、ガス圧が最も高い部分に配置された圧力センサを利用することで、上記閉空間の封止圧力変化の検知精度を高めることができる。
【００３３】
制御部５０は、封止圧力変化を検知すると、クロスリーク量Ｑｓを推定する（ステップＳ４）。具体的には、単位時間当たりの封止圧力の変化量とクロスリーク量Ｑｓとを対応付けたクロスリーク量推定マップ（図示略）などを利用してクロスリーク量Ｑｓを推定する。
【００３４】
ステップＳ５に進むと、制御部（異常検出手段）５０は求めたクロスリーク量Ｑｓと、漏れ判定閾値量Ｑｉとを比較する（ステップＳ５）。ここで、漏れ判定閾値Ｑｉは、燃料ガス循環供給系に気密異常が生じていないか否か（すなわち、ガス通路またはガス通路に設けられた各弁に異常が生じていないか否か）を判定するための基準値である。この漏れ判定閾値Ｑｉについては、製品出荷時などに設定しても良いが、所定のタイミングで更新するようにしても良い。一例を挙げて説明すると、制御部５０は当該システムが間欠運転モードで運転されている間にクロスリーク量を求め、求めたクロスリーク量に基づいて漏れ判定閾値量Ｑｉを更新・記憶する。なお、間欠運転モードとは、燃料電池２０以外の発電機構（バッテリ５４など）が発生する電力によって負荷を駆動している状態をいい、クロスリーク量は間欠運転モード（間欠運転時）で運転されている間などに求めるのが好ましい。
【００３５】
制御部５０は、クロスリーク量Ｑｓが漏れ判定閾値Ｑｉよりも小さい場合には(ステップＳ５；ＹＥＳ）、ガス通路またはガス通路に設けられた各弁は正常であると判断し、処理を終了する。一方、制御部５０は、クロスリーク量Ｑｓが漏れ判定閾値Ｑｉ以上である場合には（ステップＳ５；ＮＯ）、ガス通路またはガス通路に設けられた各弁のいずれかに異常が生じていると判断し、警告ランプを点灯させる等して当該システムに異常が生じていることを報知した後（ステップＳ６）、処理を終了する。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、カソード側の酸素オフガスの背圧を上げてクロスリーク量を抑制し、かかる状態で気密異常を検知するため、従来に比して異常の検出精度を向上させることが可能となる。
【００３７】
ここで、上述した本実施形態では、アノード側からカソード側への燃料ガスのクロスリークを低減するために、カソード側の酸素オフガスの背圧を上げる制御を行ったが、カソード側からアノード側への酸化ガスや窒素ガス、水蒸気などのクロスリークも考えられる。よって、場合によっては、カソード側からアノード側へのガスのクロスリークを低減するべく、アノード側の水素ガスの背圧を上げるようにしても良い。
【００３８】
＜変形例＞
（１）上述した燃料ガス供給源３０が複数の燃料ガスタンクによって構成されている場合には、未使用の燃料ガスタンクを利用してタンク自体の漏れ判定を行うとともに、使用中の燃料ガスタンクを含むガス通路またはガス通路に設けられた各弁の異常判定を行うようにしても良い。
（２）また、燃料ガスの漏れを検知する方法として燃料ガス検知器（燃料ガス濃度計など）を利用する場合には、水素検知器を容器搭載位置の高い方に設定することで容器内の燃料ガス漏れを検知することができる。
（３）また、燃料ガス通路を構成する配管として樹脂配管（燃料ガスが透過する配管）を採用しても良い。かかる場合、例えばファンなどにより外気を導入し、排出ポートをエア排気管に導入することにより希釈した状態で燃料ガスを放出することが可能となる。
（４）また、上述した実施形態では、燃料ガス状態量の一例としてガス圧を例示したが、ガス流量、ガス濃度、ガス温度、ガス残存量などの燃料ガス状態量を検出し、これらの検出結果に基づいてガス通路の異常を検出しても良い。
【００３９】
Ｂ．その他
以上説明した各実施形態及び変形例に係る制御部の諸機能は、ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現されるため、かかるプログラムについてＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録して頒布したり、インターネット等の通信ネットワークを介して頒布しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係る異常検知処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池  ３０…燃料ガス供給源  ３１…燃料ガス供給路  ３２…燃料ガス循環路  ３３…アノードオフガス流路  ４０…エアコンプレッサ  ４１…酸化ガス流路  ４２…カソードオフガス流路  ５０…制御部  ５４…バッテリ  Ｈ２０１…タンクバルブ  Ｈ９…高圧レギュレータ  Ｈ１０…低圧レギュレータ  Ｈ２００…水素供給バルブ  Ｈ２１…ＦＣ入口バルブ  Ｈ２２…ＦＣ出口バルブ  Ｈ５１…パージバルブ  Ｐ１〜Ｐ４…圧力センサ。
【図１】
2006294447.tif 000003
【図２】
2006294447.tif 000004