(57)【要約】【課題】燃料電池システム停止時に、エアコンプレッサ等の高電圧補機を運転することなく、酸化剤ガスを燃料電池に供給し、排出するための酸化剤ガス流路に設けられた開閉バルブの異常を判断できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムが停止していて、空気入口遮断弁（２１）及び空気出口遮断弁（２２）が共に閉状態のときに、カソード極の劣化を検出したときは、空気入口遮断弁（２１）及び空気出口遮断弁（２２）は異常であると判断することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、排出するための酸化剤ガス流路と、
前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、
前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、
前記第１又は第２の開閉バルブの異常を判断する判断部と、を備え、
前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記カソード極の劣化を検出したときは、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断す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、
前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記カソード極の電位が所定基準値以上のときは、前記カソード極が劣化していることを検出し、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとの間の酸化剤ガス流路内における二酸化炭素濃度が、所定濃度値以上のときは、前記カソード極が劣化していることを検出し、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、排出するための酸化剤ガス流路と、
前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、
前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、
前記第１又は第２の開閉バルブの異常を判断する判断部と、を備え、
前記判断部は、前記第１又は第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとの間の酸化剤ガス流路内の圧力が、所定基準値以上であるときは、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態になると、その時点から第１の所定期間が経過するまでの期間においては、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であるか否かの判断を行い、前記第１の所定期間が経過した時点から第２の所定期間が経過するまでの期間においては、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であるかどうかの判断を行わず、前記第２の所定期間が経過した時点から前記第１及び第２の開閉バルブが再び開状態になるまでの期間においては、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であるか否かの判断を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記判断部を含む制御ユニットを備え、
前記制御ユニットは、前記第１又は第２の開閉バルブが共に閉状態になると電源がオフ状態になり、電源がオフ状態になってから前記第１又は第２の開閉バルブが再び開状態になるまでの間は、所定期間毎に電源がオン状態になるように設定されており、前記制御ユニットの電源がオン状態になったときに、前記判断部は、前記第１又は第２の開閉バルブの異常を判断し、その判断が終了すると前記制御ユニットの電源は再びオフ状態になるように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４から６の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記所定基準値は、
前記第１又は第２の開閉バルブが共に閉状態になってからの期間に応じて変更されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から７の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断されると、前記第１又は第２の開閉バルブを開状態にして、その後再度前記第１又は第２の開閉バルブを閉状態にすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断されると、アノード極に燃料ガスを供給す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関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池本体への燃料ガス供給ライン及び酸化剤ガス供給ライン、燃料電池本体からの燃料ガス排出ライン及び酸化剤ガス排出ラインに、それぞれ開閉バルブを設けた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいては、発電運転を停止したとき、上記開閉バルブを閉状態として、燃料電池本体の内部のガス空間を密閉することができる。
【０００３】
燃料電池システム停止時に、酸化剤ガス流路に設けられた開閉バルブが、故障等により正常に閉状態でない場合は、その故障している開閉バルブを通じて、酸化剤ガス流路内に空気が入り込んでくる。そうすると、カソード極中のカーボンが酸化される、いわゆるカーボン酸化が発生する。このカーボン酸化が起きると、カソード極が劣化して発電性能が低下するため、好ましくない。
【０００４】
そこで、上記開閉バルブの異常の有無を判定する方法が必要とされる。例えば、燃料電池システム運転時に、開閉バルブが設けられているガスラインが加圧されている状態で、開閉バルブを開閉動作させ、その圧力変化を検出して、開閉バルブの異常の有無を判定するという方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３１０５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、燃料電池システム停止時に、上記の方法で開閉バルブの異常の有無を判定しようとすると、燃料電池システム運転時と同様に開閉バルブが設けられているガスラインを、加圧状態に保つ必要がある。
【０００７】
そうすると、燃料電池システム停止時であっても、開閉バルブが設けられているガスラインを加圧状態に保つために、エアコンプレッサ等の高電圧補機を運転する必要があるので、電力消費が大きくなるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、排出するための酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、前記第１又は第２の開閉バルブの異常を判断する判断部と、を備え、前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記カソード極の劣化を検出したときは、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、燃料電池システム停止時に、エアコンプレッサ等の高電圧補機を運転することなく、開閉バルブの異常を判断できるので、無駄な電力消費を抑えることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムであって、前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記カソード極の電位が所定基準値以上のときは、前記カソード極が劣化していることを検出し、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することが好適である。
【００１１】
かかる構成によれば、カソード極の電位が高くなっていることを検出することによって、カソード極に空気が入り込んでカソード極の劣化を引き起こしていることを検出し、開閉バルブが正常に閉状態になっていないことを判断できる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムであって、前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとの間の酸化剤ガス流路内における二酸化炭素濃度が、所定濃度値以上のときは、前記カソード極が劣化していることを検出し、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することが好適である。
【００１３】
かかる構成によれば、二酸化炭素が発生していることを検知することによって、カソード極に空気が入り込んでカソード極の劣化を引き起こしていることを検出し、開閉バルブが正常に閉状態になっていないことを判断できる。
【００１４】
本発明は、アノード極に燃料ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、排出するための酸化剤ガス流路と、
前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉バルブと、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉バルブと、前記第１又は第２の開閉バルブの異常を判断する判断部と、を備え、前記判断部は、前記第１又は第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１の開閉バルブと前記第２の開閉バルブとの間の酸化剤ガス流路内の圧力が、所定基準値以上であるときは、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断することを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間の酸化剤ガス流路内の圧力が上昇していることを検出することによって、酸化剤ガス流路内に外部から気体が入り込んでいることを検出し、開閉バルブの異常を判断できる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムであって、前記判断部は、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態になると、その時点から第１の所定期間が経過するまでの期間においては、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であるか否かの判断を行い、前記第１の所定期間が経過した時点から第２の所定期間が経過するまでの期間においては、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であるかどうかの判断を行わず、前記第２の所定期間が経過した時点から前記第１及び第２の開閉バルブが再び開状態になるまでの期間においては、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であるか否かの判断を行うことが好適である。
【００１７】
かかる構成によれば、燃料電池システム停止時に発生するガスリークによって、第１の開閉バルブと第２の開閉バルブとの間の酸化剤ガス流路内の圧力が変動している時期には、開閉バルブが異常か否かを判断しないので、誤検出を防止することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムであって、前記判断部を含む制御ユニットを備え、前記制御ユニットは、前記第１又は第２の開閉バルブが共に閉状態になると電源がオフ状態になり、電源がオフ状態になってから前記第１又は第２の開閉バルブが再び開状態になるまでの間は、所定期間毎に電源がオン状態になるように設定されており、前記制御ユニットの電源がオン状態になったときに、前記判断部は、前記第１又は第２の開閉バルブの異常を判断し、その判断が終了すると前記制御ユニットの電源は再びオフ状態になるように設定されていることが好適である。
【００１９】
かかる構成によれば、制御ユニットの無駄な電力消費を防止することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムであって、前記所定基準値は、前記第１又は第２の開閉バルブが共に閉状態になってからの期間に応じて変更されることが好適である。
【００２１】
かかる構成によれば、例えば燃料電池システムの停止時間が長期間に渡ることにより、酸化剤ガス流路内に、開閉バルブを通じて外部から気体が徐々に入り込み、酸化剤ガス流路内の圧力が上昇している場合にも、そのときの状態に応じた圧力基準値を設定することができるので、検出信頼性を確保することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムであって、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断されると、前記第１又は第２の開閉バルブを開状態にして、その後再度前記第１又は第２の開閉バルブを閉状態にすることが好適である。
【００２３】
かかる構成によれば、例えば、凍結等によって弁が固着していた場合には、空気遮断弁を開閉動作させることによって弁の動きをスムーズにし、正常な状態に復帰させることができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムであって、前記第１及び第２の開閉バルブが共に閉状態のときに、前記第１又は第２の開閉バルブが異常であると判断されると、アノード極に燃料ガスを供給することが好適である。
【００２５】
かかる構成によれば、アノード極に燃料ガスを供給することにより、燃料ガスが相対的に不足している状態が解消され、カソード極におけるカーボン酸化を防止することができる
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、燃料電池システム停止時に、エアコンプレッサ等の高電圧補機を運転することなく、開閉バルブの異常を判断できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
「実施形態１」
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に従って説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１０、エアーコンプレッサ（以下、「ＡＣＰ」という）２０、制御部３０を備えている。
【００２９】
燃料電池１０は、単セルを複数積層して構成されている。個々の単セルは、電解質膜（例えば高分子膜）が、アノード電極とカソード電極で挟持され、さらにその両側をセパレータで挟み込む構造となっている。上記単セルの構造は、従来より広く知られている燃料電池の単セル構造と同様である。
【００３０】
燃料電池１０は、燃料である水素ガス及び酸化剤である空気の供給を受けて発電する。  燃料ガスである水素ガスは、図示しない水素タンクから水素ガス流路１１を通って、燃料電池１０を構成する複数の各セルの燃料極（アノード極）に供給される。水素ガス流路１１の、燃料電池１０本体への供給側には、水素ガス入口遮断弁１２が設けられ、水素ガス流路１１の、燃料電池１０本体からの排出側には、水素ガス出口遮断弁１３が設けられている。水素ガス入口遮断弁１２、水素ガス出口遮断弁１３は、制御部３０に接続されている。水素ガス入口遮断弁１２及び水素ガス出口遮断弁１３は、制御部３０からの制御信号によって開状態又は閉状態にされる。燃料電池システム運転時においては、制御部３０からの制御信号によって、水素ガス入口遮断弁１２及び水素ガス出口遮断弁１３は共に開状態にされる。一方、燃料電池システムが停止すると、制御部３０からの制御信号によって、水素ガス入口遮断弁１２及び水素ガス出口遮断弁１３は共に閉状態にされる。
【００３１】
酸化剤である空気は、空気中の微粒子を除去するためのエアフィルタ１４を通ってＡＣＰ２０に供給される。ＡＣＰ２０に供給された空気は、ＡＣＰ２０によって加圧されて、ＡＣＰ出口流路１５を通って加湿器１６に供給される。そして、加湿器１６で所要の水分を加えられた後に、空気流路１７を通って、燃料電池１０を構成する複数の各セルの空気極（カソード極）に供給される。そして、空気極での反応（Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ）によって生成される水は、空気極からの排気ガスと共に空気流路１７から加湿器１６を通り、排気ガス流路１８を通って、外部に排出される。
【００３２】
ＡＣＰ２０はＡＣＰ駆動用モータ１９によって駆動される。ＡＣＰ駆動用モータ１９は制御部３０に接続されている。空気流路１７の、燃料電池１０本体への供給側ラインには、空気入口遮断弁２１が設けられている。空気流路１７の、燃料電池１０本体からの排出側ラインには、空気出口遮断弁２２が設けられている。空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２は、制御部３０に接続されている。空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２は、制御部３０からの制御信号によって開状態又は閉状態にされる。燃料電池システム運転時においては、制御部３０からの制御信号によって、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２は共に開状態にされる。一方、燃料電池システムが停止すると、制御部３０からの制御信号によって、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２は共に閉状態にされる。
【００３３】
燃料電池１０には、セルのカソード極の電位を検出するための電位センサ２３が設けられている。この電位センサ２３は、制御部３０に接続されている。電位センサ２３は、燃料電池１０を構成する複数のセルのうちの、１又は複数の代表セルのカソード極に設けても良いし、全てのセルのカソード極に設けても良いし、種々の変更が可能である。
【００３４】
ここで、本実施形態に係る燃料電池システムが停止したときに、空気遮断弁の異常を判断する制御動作について説明する。最初に、故障等により空気遮断弁が正常に閉状態になっていないときに発生する不具合について説明し、その後で、空気遮断弁の異常を判断する制御動作について説明する。
【００３５】
先ず、故障等により空気遮断弁が正常に閉状態になっていないときに発生する不具合について説明する。燃料電池システムが停止すると、上述したように、制御部３０からの制御信号によって、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２は共に閉状態にされ、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７は、密閉状態になる。
【００３６】
このとき、燃料電池１０の内部では、アノード極に残留している水素ガスは電解質膜を通ってカソード極に移動し、カソード極に残留している空気中の酸素（Ｏ2）と反応して水が生成される。この電池反応が進行して、カソード極に残留している空気中の酸素が消費されると、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力は、大気圧よりも低い負圧状態となる。
【００３７】
空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が正常に閉状態であれば、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内は密閉状態であるため、そこに外部から空気が流入してくることはない。しかし、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が故障等により正常に閉状態になっていない場合には、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内に、その故障している空気遮断弁を通じて空気が入り込んでくる。
【００３８】
そうすると、燃料電池１０のカソード極に存在する空気中の酸素の量は、アノード極から移動してくる水素ガス量よりも大きくなり、水素ガスは相対的に不足している状態となる。燃料電池１０内において、水素ガスが不足した状態で、上記電池反応による電流が流れると、カソード極中のカーボン（Ｃ）は、次式（１）で示される反応によって酸化され、いわゆるカーボン酸化が起きる。このとき、カソード極の電位は、燃料電池システムの運転時よりも高い値を示す。
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-  ・・・（１）
【００３９】
上記カーボン酸化が起きると、カソード極が劣化することによって、発電性能が低下するため、好ましくない。
【００４０】
次に、燃料電池システム停止時に、空気遮断弁の異常を判断する制御動作について説明する。上述したように、システム停止時に、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が、故障等により正常に閉状態でない場合は、その故障している空気遮断弁を通じて外部から空気がカソード極に入り込んでくる。そうすると、カソード極に含まれるカーボン（Ｃ）は酸化され、カソード極の電位は、燃料電池システムの運転時よりも高い値を示す。
【００４１】
本実施形態においては、制御部３０は、電位センサ２３によって検出されたカソード極の電位が、所定基準値以上であるときは、カソード極においてカーボン酸化が発生していることを検出し、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が正常に閉状態になっていないと判断することを特徴とする。かかる構成によれば、燃料電池システム停止時に、エアコンプレッサ等の高電圧補機を運転して、空気流路１７内を加圧状態にすることなく、空気遮断弁の異常を判断することができる。また、カソード極の電位が高くなっていることを検出することによって、カソード極への空気流入によるカーボン酸化の発生を検出し、空気遮断弁が正常に閉状態になっていないことを確実に検出することができる。
【００４２】
次に、制御部３０によって実行される空気遮断弁異常判定制御について説明する。図２は、制御部３０により実行される空気遮断弁異常判定制御の一例を示すフローチャートである。
【００４３】
ステップＳ１０１においては、燃料電池システムが停止状態であるか否かが判断され、燃料電池システムが停止状態であると判断されたときは、次のステップＳ１０２に進む。燃料電池システムが停止状態ではないと判断されたときは、空気遮断弁異常判定制御は実行されない。
【００４４】
ステップＳ１０２においては、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２は、制御部３０からの制御信号によって閉状態にされる。その処理が終了すると、次のステップＳ１０３に進む。
【００４５】
ステップＳ１０３においては、燃料電池１０のカソード極の電位が所定基準値以上であるか否かが判断される。カソード極の電位が所定基準値以上であると判断されたときは、次のステップＳ１０４に進み、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２は正常に閉状態になっていないと判断され、空気遮断弁異常判定制御は終了する。一方、カソード極の電位が所定基準値以上でないと判断されたときは、上記制御が繰り返し実行される。
【００４６】
「実施形態２」
図３は、本発明の別の実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本実施形態においては、電位センサ２３の代わりに、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７にＣＯ2濃度センサ２４が設けられている。その他の構成は上述した実施形態１と同一であるため、重複する部分については説明を省略する。
【００４７】
燃料電池システム停止時に、空気遮断弁の異常を判断する制御動作について説明する。上述したように、システム停止時において、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が、故障等により正常に閉状態になっていない場合は、その故障している空気遮断弁を通じて空気がカソード極に入り込んでくる。そうすると、カソード極中のカーボン（Ｃ）は酸化され、ＣＯ2が発生する。
【００４８】
本実施形態においては、制御部３０は、ＣＯ2濃度センサ２４によって検出された、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内におけるＣＯ2濃度が所定濃度値以上であるときは、カソード極においてカーボン酸化が発生していることを検出し、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が正常に閉状態になっていないと判断することを特徴とする。かかる構成によれば、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内におけるＣＯ2濃度を検出することによって、カソード極への空気流入によるカーボン酸化の発生を検出し、空気遮断弁が正常に閉状態になっていないことを確実に検出することができる。
【００４９】
次に、本実施形態において、制御部３０によって実行される空気遮断弁異常判定制御について説明する。図４は、制御部３０により実行される空気遮断弁異常判定制御の一例を示すフローチャートである。
【００５０】
ステップＳ２０１及びステップＳ２０２は、上述した実施形態１における空気遮断弁異常判定制御のステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同一であるため、説明を省略する。ステップＳ２０３においては、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内におけるＣＯ2濃度が、所定濃度値以上であるか否かが判断される。空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内におけるＣＯ2濃度が、所定濃度値以上であると判断されたときは、次のステップＳ２０４に進み、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２は正常に閉状態になっていないと判断され、空気遮断弁異常判定制御は終了する。一方、空気流路１７内におけるＣＯ2濃度が、所定濃度値以上ではないと判断されたときは、上記制御が繰り返し実行される。
【００５１】
「実施形態３」
図５は、本発明の別の実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本実施形態においては、電位センサ２３、ＣＯ2濃度センサ２４の代わりに、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７に圧力センサ２５が設けられている。その他の構成は上述した実施形態１及び実施形態２と同一であるため、重複する部分については説明を省略する。
【００５２】
燃料電池システム停止時に、空気遮断弁の異常を判断するための制御動作について説明する。上述したように、燃料電池システム停止時においては、カソード極に残留している空気中の酸素は、アノード極からリークしてくる残留水素ガスと反応することによって消費される。そして、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力は、大気圧よりも低い負圧状態となる。
【００５３】
このとき、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が正常に閉状態であるときは、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内は密閉状態であり、空気流路１７内の圧力は、大気圧よりも低い負圧状態に保たれる。一方、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が、故障等により正常に閉状態になっていない場合は、その故障している空気遮断弁を通じて、空気流路１７内に外部から空気が入り込んでくる。そうすると、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力は上昇してくる。
【００５４】
本実施形態においては、制御部３０は、圧力センサ２５によって検出された、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力が、基準圧力値以上のときは、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２が正常に閉状態になっていないと判断することを特徴とする。かかる構成によれば、空気流路１７内の圧力が上昇していることを検出することによって、空気流路１７内に外部から空気が入り込んでいることを検出し、空気遮断弁の異常を確実に判断することができる。
【００５５】
ここで、上記基準圧力値は、大気圧よりも低い負圧の値に設定される。上記基準圧力値は、空気遮断弁の異常を判断するという目的を達成できる範囲内で、種々の変更が可能である。例えば、上記基準圧力値と大気圧との圧力差が圧力センサの誤差以上の圧力差であれば空気遮断弁は正常であると判断するという態様であっても良い。
【００５６】
図６は、燃料電池システムが停止していて、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が正常に閉状態であるときの、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力の時間変化を示すグラフである。図６におけるグラフの縦軸は、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力を示し、横軸は時間を示している。なお、図６のグラフにおいては、燃料電池システムが停止したときの時間を０としている。
【００５７】
燃料電池システムが停止し、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が閉状態になると、カソード極に残留している空気中の酸素は、アノード極からリークしてくる残留水素ガスと反応することによって消費され、図６に示すように空気流路１７内の圧力は急に減少していく。後述するように、アノード極に残留している水素ガスの量は、カソード極に残留している空気中に含まれる酸素の量よりも大きいので、上記反応が進み、カソード極に残留している空気中の酸素が全て消費された後は、アノード極からリークしてくる水素ガスが未反応のままカソード極に入り込んでくる。そうすると、図６に示すように減少していた空気流路１７内の圧力は、減少傾向から増加傾向に転じて増加してくる。
【００５８】
ここで、アノード極に残留している水素ガスの量は、カソード極に残留している空気中に含まれる酸素の量よりも大きい理由について説明する。標準大気中に含まれる酸素ガスの割合は、水蒸気成分を除くと約２割程度である。システム停止直後、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内に存在する酸素ガス量（ｍｏｌ）は、その空気流路１７内の容積をＡとした場合、以下のようにして求められる。
Ａ×０．２×（停止時の空気流路内の圧力／１０１．３）／２２．４・・・（１）
同様に、システム停止直後、水素ガス入口遮断弁１２と水素ガス出口遮断弁１３との間の水素ガス流路内に存在する水素ガス量（ｍｏｌ）は、その水素ガス流路内の容積をＢとした場合、以下のようにして求められる。
Ｂ×０．５×（停止時の水素ガス流路内の圧力／１０１．３）／２２．４・・（２）
上記式（２）における０．５の値については、水素ガス入口遮断弁１２と水素ガス出口遮断弁１３との間の水素ガス流路内における水素ガスの濃度であり、通常であれば０．５以上は確保されている。上記式（１）（２）において、ＡとＢの値はほぼ同等と考えて良い。また、システムが停止すると、空気流路１７内を加圧していたＡＣＰ２０は停止するので、空気流路１７内の圧力は大気圧近くまで減少する。一方、水素ガスは高圧の水素ガスタンクから供給されているため、システムが停止しても水素ガス流路内の圧力は直ちには減少しない。そのため、停止時の水素ガス流路内の圧力は、停止時の空気流路内の圧力よりも高い。上記式（１）（２）より、アノード極に残留している水素ガスの量は、カソード極に残留している空気中に含まれる酸素の量よりも大きいということが分かる。
【００５９】
一方、カソード極に残留している空気中の窒素は、電解質膜を通過してアノード極へリークしていく。燃料電池システムが停止してから暫くの期間は、アノード極からカソード極へリークする水素ガスの量は、カソード極からアノード極へリークする窒素の量よりも相対的に大きい。窒素の分子量（Ｎ2＝２８）は、水素の分子量（Ｈ2＝２）よりも大きいので、電解質膜の通過に要する時間は、窒素の方が水素ガスよりも長く、窒素のリーク速度の方が水素ガスのリーク速度よりも小さいためである。
【００６０】
上述したように、カソード極に残留している空気中の酸素が、カソード極へリークしてくる水素ガスと反応して消費された後は、空気流路１７内の圧力は、カソード極へリークしてくる水素ガスによって上昇する。水素ガスのリークが落ち着いてくると、その後は窒素のリークによって、空気流路１７内の圧力は徐々に減少していく。そして、リークする水素ガスと窒素とが平衡状態になると、空気流路１７内の圧力は大気圧よりも低い負圧状態で安定する。
【００６１】
本実施形態においては、制御部３０は、燃料電池システムが停止してから、空気流路１７内の圧力が、減少傾向から増加傾向に転じて圧力基準値を超えるまでの期間は、空気遮断弁が異常であるか否かの判断を行う。制御部３０は、空気流路１７内の圧力が減少傾向から増加傾向に転じて圧力基準値を超えた時点から、その後徐々に減少して圧力基準値を下回るまでの期間は、空気遮断弁が異常であるか否かを判断しない。図６の斜線部分で示す範囲が、空気遮断弁が異常であるか否かを判断しない、マスク期間に相当する。制御部３０は、空気流路１７内の圧力が徐々に減少して圧力基準値を下回った後は、再び空気遮断弁が異常であるか否かの判断を行う。
【００６２】
上記のとおり、本実施形態においては、燃料電池システム停止時に空気遮断弁が異常であるか否かを判断する際に、空気遮断弁が異常であるか否かを判断しない、マスク期間を設けるものとしても良い。かかる構成によれば、アノード極に残留している水素ガス及びカソード極に残留している空気中の窒素のリークによって、空気流路１７内の圧力が不安定な状態である時期には、空気遮断弁が異常か否かを判断しないので、誤検出を防止して検出信頼性の向上を図ることができる。
【００６３】
また、例えば上記マスク期間は、システムが停止してから、空気流路１７内の圧力が、減少傾向から増加傾向に転じて圧力基準値を超えるまでの期間の１〜５倍程度の期間としても良い。
【００６４】
また、本実施形態においては、上記圧力基準値は、燃料電池システムが停止し、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が共に閉状態になってからの期間に応じて変更されるものとしても良い。例えば、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が共に閉状態になってから１週間を経過したときは、上記圧力基準値は大気圧に近い１００ｋＰａに変更されるとしても良い。
【００６５】
燃料電池システム停止時において、空気遮断弁が正常に閉状態であっても、外部から空気流路１７内へ流入してくる空気を完全に遮断することはできず、空気遮断弁を通じて微小量の空気が空気流路１７内に入り込んでくる。システム停止期間が短い場合は、そのようにしてリークしてくる空気は無視することができる程度のレベルであるが、システム停止期間が長期に渡る場合には、リークしてくる空気によって空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力は上昇してくる。上記圧力基準値を常にある一定の負圧値に設定していると、システム停止期間が長期に渡るときは、リークしてくる空気によって空気流路１７内の圧力が徐々に上昇し、その圧力基準値を超えてしまう場合がある。そうすると、空気遮断弁は正常であるときにも異常と判断されてしまい、検出信頼性を損なう恐れがある。
【００６６】
本実施形態によれば、システムの停止時間が長期間に渡ることにより、空気流路１７内に、空気遮断弁を通じて外部から空気が徐々に入り込み、空気流路１７内の圧力が上昇している場合にも、そのときの状態に応じた圧力基準値を設定することができる。そうすると、誤検出を防止して検出信頼性を確保することができる。
【００６７】
なお、燃料電池システムが停止し、空気入口遮断弁２１及び空気出口遮断弁２２が共に閉状態になってからの期間に応じて、上記圧力基準値が変更されるという態様については、誤検出を防止して検出信頼性を確保するという目的を達成できる範囲内で種々の変更が可能である。
【００６８】
次に、本実施形態において、制御部３０によって実行される空気遮断弁異常判定制御について説明する。図７は、制御部３０により実行される空気遮断弁異常判定制御の一例を示すフローチャートである。
【００６９】
ステップＳ３０１及びステップＳ３０２は、上述した実施形態１における空気遮断弁異常判定制御のステップＳ１０１及びステップＳ１０２と同一であるため、説明を省略する。ステップＳ３０３においては、現時点がマスク期間中であるか否かが判断され、現時点がマスク期間中ではないと判断されたときは、次のステップＳ３０４に進む。現時点がマスク期間中であると判断されたときは、空気遮断弁が異常であるか否かの判断は行われない。
【００７０】
ステップＳ３０４においては、圧力センサ２５によって検出された、空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力が、基準圧力値以上であるか否かが判断される。空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力が、基準圧力値以上であると判断されたときは、次のステップＳ３０５に進み、空気入口遮断弁２１又は空気出口遮断弁２２は正常に閉状態になっていないと判断され、空気遮断弁異常判定制御は終了する。空気入口遮断弁２１と空気出口遮断弁２２との間の空気流路１７内の圧力が、基準圧力値以上ではないと判断されたときは、上記制御が繰り返し行われる。本実施形態においては、上述した空気遮断弁異常判定制御は、一例として、数ｍｓｅｃ毎に繰り返し実行されるが、かかる繰り返しの期間は変更しても良い。
【００７１】
なお、上述したように、リークする水素ガスと窒素とが平衡状態になると、空気流路１７内の圧力は大気圧よりも低い負圧状態で安定する。そして、その後の空気流路１７内の圧力は殆ど変化しない状態となる。空気遮断弁が正常に閉状態になっていれば、空気遮断弁を通じて外部から入り込んでくる空気の量は殆ど無視できる程の微小な量に過ぎないためである。そうすると、本実施形態においては、空気流路１７内の圧力が安定した状態になった後は、上述した空気遮断弁異常判定制御の繰り返しの期間を変更しても良い。例えば、その繰り返しの期間を２時間などの比較的長い期間に変更しても良い。
【００７２】
また、本実施形態においては、制御部３０を図示しないコントロールユニットに搭載し、そのコントロールユニットは、システムが停止して空気遮断弁が閉状態になると電源がオフ状態になり、上記空気遮断弁異常判定制御が実行される所定期間毎に電源がオン状態になるように設定されるという態様であっても良い。そして、そのコントロールユニットの電源がオン状態になると、制御部３０は、空気遮断弁が異常であるか否かを判断し、その判断が終了するとコントロールユニットの電源は再びオフ状態になるという態様であっても良い。そのような態様によれば、制御部３０が搭載されたコントロールユニットの無駄な電力消費を防止することができる。また、この態様は、上述した空気遮断弁異常判定制御の繰り返しの期間が、長期間に変更される場合において、特に有効である。
【００７３】
実施形態１から実施形態３においては、制御部３０は、空気遮断弁が異常と判断したときは、空気遮断弁異常判定制御は終了することにしているが、例えば、制御部３０は、空気遮断弁が異常と判断したときは、一旦空気遮断弁を開状態にし、その後に再度空気遮断弁を閉状態にするという態様であっても良い。かかる態様によれば、例えば凍結等によって弁が固着していた場合には、空気遮断弁を開閉動作させることによって弁の動きをスムーズにし、正常な状態に復帰させることができる。
【００７４】
また、制御部３０は、空気遮断弁が異常と判断したときは、水素ガス入口遮断弁１２を開状態にしてアノード極に水素ガスを供給するという態様であっても良い。アノード極に水素ガスを供給することにより、水素ガスが相対的に不足している状態が解消され、カソード極におけるカーボン酸化を防止することができるためである。かかる態様によれば、空気遮断弁が異常である場合にも、そのことによって引き起こされる不具合を防止することができる。また、この態様は、空気遮断弁の異常時には、一旦空気遮断弁を開状態にし、その後に再度空気遮断弁を閉状態にするという上記態様と組み合わせることも可能であり、種々の変更が可能である。
【００７５】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、実施形態１と実施形態２を組み合わせて、制御部３０は、燃料電池システムが停止して空気遮断弁が閉状態のときに、カソード極の電位が所定基準値以上であって、かつ空気流路１７内におけるＣＯ2濃度が所定濃度値以上であるときに、空気遮断弁が異常であると判断する態様であっても良い。また、実施形態１から実施形態３を全て組み合わせるという態様であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成概略図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る制御部より実行される空気遮断弁異常判定制御を    説明するフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成概略図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る制御部より実行される空気遮断弁異常判定制御を    説明するフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの構成概略図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る空気流路内の圧力の時間変化を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３に係る制御部より実行される空気遮断弁異常判定制御を    説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１０  燃料電池、１１  水素ガス流路、１２  水素ガス入口遮断弁、１３  水素ガス出
口遮断弁、１４  エアフィルタ、１５  ＡＣＰ出口流路、１６  加湿器、１７  空気流
路、１８  排気ガス流路、１９  ＡＣＰ駆動用モータ、２０  ＡＣＰ、２１  空気入口
遮断弁、２２  空気出口遮断弁、２３  電位センサ、２４  ＣＯ2濃度センサ、２５  
圧力センサ、３０  制御部。
【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６】
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【図７】
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