(57)【要約】【課題】燃料ガスの漏洩判断を精度良く行い、急激な負荷変動時において一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなる場合でも、燃料ガス漏洩の誤診断が生じないようにする。【解決手段】燃料電池スタックからの出力電流値に基づいて水素消費量を算出するとともに、燃料電池スタックのアノード極に供給された水素が固体高分子電解質膜を透過してカソード極側へ流出する水素透過量を推定する。そして、これら水素消費量算出値及び水素透過量推定値と、パージによって燃料電池スタックから排出されるパージ時水素排出量、流量センサにより検出される水素供給量検出値とから水素の漏洩を判断する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質として固体高分子膜を有し、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出手段と、
前記燃料電池スタックの出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記燃料ガスの漏洩を判断する燃料ガス漏洩判断手段とを備え、
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記出力電流検出手段から検出された出力電流に基づいて前記燃料電池スタックにおける燃料ガス消費量を算出するとともに、前記燃料電池スタックのアノード側へ供給された燃料ガスが前記固体高分子膜を通りカソード側へ流出する燃料ガス透過量を推定し、これら燃料ガス消費量算出値及び燃料ガス透過量推定値と、パージによって前記燃料電池スタックから排出される燃料ガス排出量算出値、及び前記燃料ガス供給量検出手段により検出される燃料ガス供給量検出値とから燃料ガスの漏洩を判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記燃料ガス透過量の推定を行うに際し、少なくとも前記燃料電池スタック内部の燃料ガス圧力に応じて前記燃料ガス透過量推定値を変化させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記燃料ガス透過量の推定を行うに際し、少なくとも前記燃料電池スタック内部の温度に応じて前記燃料ガス透過量推定値を変化させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記燃料ガス消費量の算出を行うに際し、前記燃料ガス供給量検出手段から前記燃料電池スタックまでの応答特性に対応した補正を加えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記燃料ガス消費量算出値に対し、一次遅れとむだ時間を加えた補正を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記燃料ガス消費量算出値をＨＣ、一次遅れの時定数をＴ、比例ゲインをＫ、むだ時間をΔＴとしたときに、燃料ガス消費量補正値を下記式により算出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
ＨＣ×Ｋ／（Ｔｓ＋１）×ｅ−ΔＴ・ｓ
【請求項７】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記一次遅れの時定数Ｔ、比例ゲインＫ、むだ時間ΔＴを燃料電池スタックの運転状態や燃料電池システムのレイアウトによって変化させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス漏洩判断手段は、所定時間に対する前記燃料電池スタックの発電量変化の傾きが所定値以上となる急激な負荷変動時においては、燃料ガスの漏洩診断を中止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス供給量検出手段は、燃料ガスタンクの残圧力の変化に対し、前記燃料電池スタックと前記燃料ガスタンクとの温度差による補正を加えて前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
パージによって前記燃料電池スタックから排出される燃料ガス排出量は、前記燃料電池スタックに設けられた圧力センサ及び温度センサにおける検出値を用い、パージ弁上下差圧とパージ弁開口面積からオリフィスの式を用いて算出されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【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ものであり、特に、燃料ガスの漏洩を的確に判断し得る燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード極に水素を含有する燃料ガス、カソード極に酸素を含有する酸化剤ガス（空気）をそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックとしては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池スタックが知られている。この固体高分子タイプの燃料電池スタックは、アノード極とカソード極との間に、電解質として膜状の固体高分子が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池スタックでは、アノード極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、カソード極で酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を通ってカソード極へと移動することになる。
【０００４】
ところで、このように水素と酸素との反応により発電電力を得る燃料電池システムにおいては、水素の分子量が小さいため、完全なシールが困難であり、燃料ガスを供給するための配管の隙間や、燃料電池スタックの各発電セルを構成する積層体の隙間等から燃料ガスが漏洩することが想定される。例えば車載用の燃料電池システムの場合、燃料電池スタックの動作温度の変化や、燃料電池スタックや燃料供給系に振動や衝撃が加わることにより、配管の継ぎ目や僅かな隙間等から水素を含有する燃料ガスが漏洩してしまう事態も想定される。
【０００５】
したがって、このような燃料電池システムにおいては、燃料ガスの漏洩が発生した場合にそれを迅速且つ的確に判断して、必要な対策を講じることが極めて重要であり、このような観点から、燃料ガスの漏洩を判断する手法が種々検討されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、燃料電池スタックの出力電流値に基づいて燃料電池スタックにおける燃料ガス消費量を算出し、この燃料ガス消費量から燃料ガスボンベ内の燃料ガス圧力を算出すると共に、この算出ガス圧力と実際の燃料ガスボンベ内の圧力センサによって検出されたガス圧力とを比較することにより、燃料ガスの漏洩を判断している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２２４６８１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子タイプの燃料電池スタックを用いた燃料電池システムにおいては、固体高分子膜の両端のガス分圧差が大きいほど固体高分子膜を透過するガスの流量が多くなることが知られている。したがって、固体高分子膜の両端のガス分圧差が大きい場合には、固体高分子膜を透過してアノード側からカソード側へと流出する燃料ガス透過量も多くなり、燃料ガスの漏洩を判断する際に、この燃料ガス透過量が無視できないレベルになることも想定される。
【０００９】
しかしながら、特許文献１にて開示される技術では、このような燃料ガス透過量については全く考慮されていないので、燃料ガス漏洩判断に用いる閾値を大きく設定する必要があり、燃料ガス漏洩判断の精度が低くなる虞れがある。燃料ガス漏洩判断の精度が低いと、場合によっては誤った判断を行ってしまい、燃料電池システムの不要な運転停止や過大な燃料ガス漏洩を招く場合があり、燃料電池システムの信頼性を著しく損なう結果となる。
【００１０】
また、特許文献１にて開示される技術では、急激な負荷変動時において、一時的な燃料ガス消費に対する燃料ガス供給の遅れによって燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなり、燃料ガス漏洩の誤診断を引き起こす可能性もある。
【００１１】
本発明は、以上のような従来技術の有する課題を解決するために提案されたものであり、燃料ガスの漏洩の判断を精度良く行って、高い信頼性が得られるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、電解質として固体高分子膜を有し、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出手段と、燃料電池スタックの出力電流を検出する出力電流検出手段と、燃料ガスの漏洩を判断する燃料ガス漏洩判断手段とを備える。そして、燃料ガス漏洩判断手段が、出力電流検出手段から検出された出力電流に基づいて燃料電池スタックにおける燃料ガス消費量を算出するとともに、燃料電池スタックのアノード側へ供給された燃料ガスが固体高分子膜を通りカソード側へ流出する燃料ガス透過量を推定し、これら燃料ガス消費量算出値及び燃料ガス透過量推定値と、パージによって燃料電池スタックから排出される燃料ガス排出量算出値、及び燃料ガス供給量検出手段により検出される燃料ガス供給量検出値とから燃料ガスの漏洩を判断することを特徴としている。
【００１３】
このように、本発明の燃料電池システムでは、燃料ガス漏洩判断手段が、燃料電池スタックのアノード側から固体高分子膜を通ってカソード側へと流出する燃料ガス透過量を推定して、燃料ガス消費量やパージによる燃料ガス排出量、燃料ガス供給量に加えて、この燃料ガス透過量をも考慮して燃料ガスの漏洩を判断するようにしている。したがって、精度良い燃料ガスの漏洩判断が実現されることになる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムにおいては、燃料ガス漏洩判断手段が、燃料ガス消費量の算出に際して、燃料ガス供給量検出手段から燃料電池スタックまでの応答特性に対応した補正を加えたり、所定時間に対する燃料電池スタックの発電量変化の傾きが所定値以上となる急激な負荷変動時において、燃料ガスの漏洩診断を中止するようにしてもよい。これにより、急激な負荷変動時において一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなることに起因する燃料ガス漏洩の誤診断を防止することもできる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックのアノード側から固体高分子膜を通ってカソード側へと流出する燃料ガス透過量が推定され、この推定された燃料ガス透過量をも考慮して燃料ガスの漏洩が判断されるので、燃料ガスの漏洩の判断を精度良く行うことが可能である。また、燃料ガス消費量の算出に際して、燃料ガス供給量検出手段から燃料電池スタックまでの応答特性に対応した補正を加えたり、所定時間に対する燃料電池スタックの発電量変化の傾きが所定値以上となる急激な負荷変動時において、燃料ガスの漏洩診断を中止することにより、急激な負荷変動時において一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなることに起因する燃料ガス漏洩の誤診断も防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照ながら詳細に説明する。
【００１７】
本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を図１に概略的に示す。この燃料電池システムは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素との反応により発電を行う燃料電池スタック１を備えている。なお、ここでは燃料電池スタック１に供給する燃料ガスとして水素ガスを用いる、いわゆるダイレクト水素方式の燃料電池システムに本発明を適用した場合を例に挙げて説明するが、本発明は、この例に限定されるものではなく、水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いるもの等、他の方式の燃料電池システムに対しても有効に適用可能である。
【００１８】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード極１ａと酸化剤ガスである空気が供給されるカソード極１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノード極１ａに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極１ｂにそれぞれ移動する。カソード極１ｂでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１９】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００２０】
燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルのアノード極１ａやカソード極１ｂに供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として燃料供給系及び空気供給系が設けられている。
【００２１】
燃料供給系は、例えば水素供給源である水素タンク２、水素ガス供給弁３、水素供給流路４、エゼクタ５、水素循環流路６、アノード排ガス排気流路７及び水素パージバルブ８等から構成され、水素タンク２から供給される水素が、水素ガス供給弁３にて減圧され、水素供給路４及びエゼクタ５を通って、燃料電池スタック１での発電量に応じて必要な供給量だけ燃料電池スタック１のアノード極１ａに送り込まれるようになっている。また、燃料電池スタック１での発電に寄与しなかった余剰分の水素は、水素循環流路６を通ってエゼクタ５により循環され、新たに水素タンク２から供給される水素と混合されて、再び燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給されるようになっている。
【００２２】
また、この燃料供給系では、水素を循環させることによって燃料電池スタック１の内部や水素循環流路６内に窒素等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がるので、このような場合には、アノード排ガス排気流路７に設けられた水素パージバルブ８を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に系外に排出するようになっている。
【００２３】
一方、空気供給系は、例えば燃料電池１のカソード極１ｂに空気を送り込むためのコンプレッサ及び空気供給流路と、カソード極１ｂから排ガスを排出するためのカソード排ガス排気流路及び排気バルブ等から構成される。なお、この空気供給系については、本発明の特徴とはあまり関わりがない部分であるので、図示及び詳細な説明は省略する。
【００２４】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、水素タンク２にはタンク内圧力センサ９が設けられ、水素供給流路４中には流量センサ１０が設けられている。また、燃料電池スタック１には圧力センサ１１及び温度センサ１２がそれぞれ設けられ、さらに燃料電池スタック１から電流を取り出す出力電流経路１３には電流計１４が設けられている。そして、以上の各検出手段によってそれぞれ必要な情報が検出され、検出された情報が、燃料電池システム全体の制御を行う図示しないコントロールユニットに供給されるようになっている。
【００２５】
以上のように構成される燃料電池システムでは、コントロールユニットによる制御のもとで、燃料電池スタック１の発電量に応じて必要な水素ガスが水素タンク２から取り出され、水素ガス供給弁３によって減圧されて水素供給流路３を通って燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給される。ここで燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給される水素ガスの流量が図１中に示す水素供給量である。
【００２６】
燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給された水素ガスは、アノード極１ａにおいて水素イオンと電子とに分解されて電力として消費される。この電力として消費される水素量は燃料電池スタック１からの出力電流に相当する値となり、図１中に示す水素消費量である。また、このとき、燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給された水素ガスの一部は、固体高分子電解質膜によって仕切られるアノード極１ａとカソード極１ｂとのガス分圧差によって、水素ガスのまま固体高分子電解質膜を透過して、アノード極１ａ側からカソード極１ｂ側へと流出する。この水素ガスのまま固体高分子電解質膜を透過する水素量が、図１中に示す水素透過量である。
【００２７】
また、水素パージバルブ８の開放時においては、水素ガスがアノード排ガス排気流路７から窒素等の不純物質と共に外部に排出されるが、この水素パージバルブ８の開放によって外部に排出される水素量が図１中に示すパージ時水素排出量である。
【００２８】
以上のような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の動作温度の変化や、燃料電池スタック１や燃料供給系に振動や衝撃が加わることにより、配管の継ぎ目や僅かな隙間等から分子量の小さな水素（燃料ガス）が漏洩することも想定される。そこで、本発明を適用した燃料電池システムでは、コントロールユニットに水素の漏洩を判断する機能を持たせ、水素の漏洩が発生した場合には水素供給バルブ３を閉じて水素ガスの供給を停止させるようになっている。
【００２９】
ここで、上述した構成の燃料電池システムにおいて、水素漏れ量は、図１中に示した水素供給量、水素消費量、水素透過量、パージ時水素排出量から、以下のように表すことができる。
【００３０】
水素漏れ量＝水素供給量−（水素消費量＋水素透過量＋パージ時水素排出量）そして、水素消費量は、出力電流経路１３に設置された電流計１４によって検出される燃料電池スタック１での出力電流値に基づいて算出される。また、一般に固体高分子電解質膜を透過するガスの透過性はその両端のガスの分圧差とガスの温度に依存することが知られており、水素透過量は、燃料電池スタック１内部の圧力センサ１１による検出値や温度センサ１２による検出値から推定される。また、パージ時水素排出量は、燃料電池スタック１内部の圧力センサ１１の検出値と水素排出量との関係などの実験結果から導き出すことができる。さらに、水素供給量は、水素供給流路４に設置された流量センサ１０によって得られた検出値から知ることができる。
【００３１】
したがって、コントロールユニットでは、以上のように求められる水素消費量算出値と水素透過量推定値と水素排出量算出値とを足し合わせたものと、水素供給量とを比較することによって、水素漏洩有無の判断を精度良く行うことができ、本発明を適用した燃料電池システムでは、コントロールユニットが以上のような手法で高精度な水素漏洩有無の判断を常時行って、水素の漏洩が発生した場合には水素供給バルブ３を閉じて水素ガスの供給を停止させるようにしている。
【００３２】
図２は、燃料電池スタック１の急激な負荷変動時における水素供給量と水素消費量の関係を示すものである。この図２から分かるように、急激な負荷変動時には、電流取出指令後の水素消費応答に対して、供給応答にΔＴ（むだ時間）だけ遅れが生じる。これは、水素ガス供給弁３の応答性や、流量センサ１０の応答性、水素供給流路４の配管長さ等の影響によるものである。これにより、急激な負荷変動時においては、一時的に水素供給量と水素消費量とに大きな差が生じ、水素供給量−水素消費量が水素漏洩判断の閾値を越えてしまい、水素漏洩がなく正常な運転状態であっても水素漏洩が発生したと誤診断をしてしまう可能性があった。
【００３３】
そこで、本発明を適用した燃料電池システムにおいては、コントロールユニットが、水素消費量の算出を行うに際し、流量センサ１０から燃料電池スタック１までの応答特性に対応した補正を加えることで、流量センサ１０から燃料電池スタック１までの応答特性による水素の供給遅れの影響を小さくし、水素漏洩の検出精度を高めるようにしている。具体的には、コントロールユニットは、一時遅れやむだ時間を考慮して、水素消費量算出値をＨＣ、一次遅れの時定数をＴ、比例ゲインをＫ、むだ時間をΔＴとしたときに、水素消費量補正値を下記の式により算出する。
【００３４】
ＨＣ×Ｋ／（Ｔｓ＋１）×ｅ−ΔＴ・ｓ
このように水素消費量の算出を行うに際し必要な補正を加えることにより、図３に示すように、急激な負荷変動時において水素消費応答に大して供給応答がΔＴ（むだ時間）だけ遅れが生じた場合であっても、これに起因して水素供給量−水素消費量が水素漏洩判断の閾値を越えてしまうことがなく、水素漏洩の誤診断を有効に防止することができる。
【００３５】
また、このとき、一次遅れの時定数Ｔ、比例ゲインＫ及びむだ時間ΔＴを燃料電池スタック１の運転状態や燃料電池システムのレイアウトによって変化させるようにすれば、負荷変動の大きさが異なる場合においても水素の供給遅れの影響を小さくすることができる。これにより、水素ガス配管が長くなり、水素供給の応答遅れが大きくなっても、水素ガス経路の広範囲に亘って精度良く水素漏洩の判断を行うことができる。
【００３６】
図４乃至図６は、本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示したものである。ここで、コントロールユニットは、水素透過量の推定を行うに際し、燃料電池スタック１内部の燃料ガス圧力に応じて水素ガス透過量推定値を変化させ、または燃料電池スタック１内部の温度に応じて水素ガス透過量推定値を変化させ、またはこれら双方に応じて水素ガス透過量推定値を変化させるようにしている。
【００３７】
図４は、燃料電池スタック１内部の温度が一定であると仮定できる場合に、燃料電池スタック１内部の燃料ガス圧力を示す圧力センサ１１からの検出値に基づいて水素透過量を推定して、水素の漏洩を判断するようにした例を示している。この例では、先ず、流量センサ１０の検出値から水素供給量を求め、これをプラスの値としてカウントする。次に、電流計１４によって検出される燃料電池スタック１での出力電流値に基づいて水素消費量を算出し、上述した補正を加えてマイナスの値としてカウントする。さらに、燃料電池スタック１内部の圧力センサ１１の検出値に基づいてパージ時水素排出量を算出してマイナスの値としてカウントし、圧力センサ１１の検出値に基づいて水素透過量を推定してマイナスの値としてカウントする。そして、それらの差し引き値が閾値を越えるか否かで水素漏洩の有無を判断する。
【００３８】
図５は、燃料電池スタック１の圧力が一定であると仮定できる場合に、燃料電池スタック１内部の温度を示す温度センサ１２からの検出値に基づいて水素透過量を算出して、水素の漏洩を判断するようにした例を示している。この例においても、図４に示した例と同様に、水素供給量、水素消費量、パージ時水素排出量、水素透過量の差し引き値が閾値を越えるか否かで水素漏洩の有無を判断されるが、この例では、水素透過量が温度センサ１２の検出値に基づいて推定される。
【００３９】
図６は、燃料電池スタック１内部の燃料ガス圧力を示す圧力センサ１１からの検出値と、燃料電池スタック１内部の温度を示す温度センサ１２からの検出値との双方に基づいて水素透過量を算出して、水素の漏洩を判断するようにした例を示している。この例においても、図４や図５に示した例と同様に、水素供給量、水素消費量、パージ時水素排出量、水素透過量の差し引き値が閾値を越えるか否かで水素漏洩の有無を判断されるが、この例では、水素透過量が圧力センサ１１の検出値と温度センサ１２の検出値との双方に基づいて推定される。
【００４０】
ここで、本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実行される水素漏洩判断の一連の処理の流れを、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００４１】
燃料電池スタック１の運転が開始され、水素ガス供給弁３が開かれると（ステップＳ１）、水素タンク２からの水素ガスが燃料電池スタック１のアノード極１ａに供給される。そして、水素ガス供給弁３が開いているのが確認された段階で、コントロールユニットによる水素漏洩判断が開始される。
【００４２】
水素漏洩判断に際しては、先ず、電流計１４によって燃料電池スタック１の出力電流が検出され（ステップＳ２）、上述した水素供給応答遅れ分により補正された水素消費量が算出される（ステップＳ３）。また、燃料電池スタック１内の圧力（及び／または温度）が圧力センサ１１（及び／または温度センサ１２）によって検出され（ステップＳ４）、水素ガスのカソード極１ａ側への透過量が推定される（ステップＳ５）。
【００４３】
ここで、水素パージバルブ８が閉じた状態であるかどうかが確認され（ステップＳ６）、水素パージバルブ８が開いていれば、圧力センサ１１からの検出値に基づき、実験等で得られたデータからマップ等を活用してパージ時水素排出量が算出される（ステップＳ７）。また、流量センサ１０により水素供給量が算出され（ステップＳ８）、以上のように求めた水素消費量と水素透過量とパージ時水素排出量の合計と、水素供給量とを比較することによって、水素漏洩量が算出される（ステップＳ９）。
【００４４】
そして、算出された水素漏洩量が所定の閾値以下となっているかどうかが判断され（ステップＳ１０）、算出された水素漏洩量が閾値以下であれば、水素の漏洩がないと判断されてステップＳ１にリターンする。一方、算出された水素漏洩量が閾値を越えている場合には、水素の漏洩が発生していると判断して水素ガス供給弁３が閉じられ（ステップＳ１１）、燃料電池スタック１の運転が停止されて水素漏洩判断が終了する。
【００４５】
以上説明したように、本発明を適用した燃料電池システムにおいては、コントロールユニットが、燃料電池スタック１のアノード極１ａから固体高分子電解質膜を透過してカソード極１ｂ側へと流出する水素透過量を推定し、水素消費量やパージ時水素排出量、水素供給量に加えて、この水素透過量をも考慮して燃料ガスである水素の漏洩を判断するようにしているので、水素の漏洩判断を精度良く行うことができる。
【００４６】
また、水素透過量は、燃料電池スタック１に設けられた圧力センサ１１による検出値や温度センサ１２による検出値、或いはこれら双方からの検出値に基づいて推定することができ、また水素消費量は、電流計１４によって検出される燃料電池スタック１での出力電流値に基づいて算出することができ、また、パージ時水素排出量は、圧力センサ１１の検出値と水素排出量との関係などの実験結果から導き出すことができ、さらに、水素供給量は、流量センサ１０による検出値から求めることができるので、燃料電池システムの構成を変更することなく、精度の良い水素の漏洩判断を実現することができる。
【００４７】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内部の圧力の大きさに応じてカソード極１ｂ側への水素透過量推定値を変化させるようにすれば、燃料電池スタック１の圧力が高く、水素透過量が多い状況においても、水素漏洩有無の判断を正確に行うことができる。さらに、燃料電池スタック１内部の温度に応じてカソード極１ｂ側への水素透過量推定値を変化させるようにすれば、燃料電池スタック１の温度が高く、水素透過量が多い状況においても、水素漏洩有無の判断を正確に行うことができる。
【００４８】
さらにまた、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料ガス消費量を算出する際に、流量センサ１０から燃料電池スタック１までの応答特性に対応した補正を加えるようにしているので、急激な負荷変動時において一時的に水素消費量と水素供給量の差が大きくなることに起因して水素漏洩の誤診断を招くといった不都合を有効に防止することができる。このとき、燃料電池スタック１の運転状況に応じて応答特性に対応する補正値を変化させるようにすれば、燃料電池スタック１の運転状況により負荷変動の大きさが異なる場合においても、水素供給遅れの影響を小さくすることができる。
【００４９】
なお、以上は本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットで水素漏洩判断を行う手法について具体的な例を挙げて説明したが、コントロールユニットが行う水素漏洩判断については、以上の例に限らず、種々の変形が可能である。例えば、以上の例では、急激な負荷変動時において一時的に水素供給量と水素消費量とに大きな差ができる状況では、燃料ガス消費量を算出する際に、流量センサ１０から燃料電池スタック１までの応答特性に対応した補正を加えるようにしているが、このような状況においては水素漏洩判断を行わないようにすることも可能である。
【００５０】
この場合には、コントロールユニットは、所定の時間に対する燃料電池スタック１の発電量変化の傾きを検出して、この発電量変化の傾きが所定値以上となる場合に、急激な負荷変動が生じていると判断して、水素漏洩判断を中止すればよい。このように、急激な負荷変動時には水素漏洩判断を行わないようにすることによっても、一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなることに起因して、水素漏洩の誤診断が生じる不都合を有効に防止することができる。
【００５１】
また、以上の例では、流量センサ１０の検出値に基づいて水素ガス供給量の算出を行うようにしているが、水素ガス供給量の算出は、タンク内圧力センサ９によって検出される水素タンク２の残圧力の変化に対し、燃料電池スタック１と水素タンク２の温度差による補正を加えて行うようにしてもよい。この場合においても、コントロールユニットは、水素供給量を正確に把握することができ、水素の漏洩判断を精度良く行うことができる。
【００５２】
また、以上の例では、燃料電池スタック１に設けられた圧力センサ１１からの検出値に基づき、実験等で得られたデータからマップ等を活用してパージ時水素排出量を算出するようにしているが、パージ時水素排出量は、燃料電池スタック１に設けられた圧力センサ１１及び温度センサ１２からの検出値を用い、水素パージバルブ８の上下差圧と水素パージバルブ８の開口面積からオリフィスの式を用いて算出するようにしてもよい。この場合においても、コントロールユニットは、パージ時水素排出量を正確に把握することができ、水素の漏洩判断を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】急激な負荷変動時における水素供給遅れの様子を示す図である。
【図３】水素供給遅れを考慮して水素消費量を補正した場合の水素供給量−水素消費量の変化の様子を示す図である。
【図４】コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示す図であり、燃料電池スタックの温度が一定であると仮定できる場合の例を示すものである。
【図５】コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示す図であり、燃料電池スタックの圧力が一定であると仮定できる場合の例を示すものである。
【図６】コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示す図であり、燃料電池スタック内部のガス圧力と温度の双方の検出値に基づいて水素透過量を推定する例を示すものである。
【図７】コントロールユニットにより実行される水素漏洩判断の一連の処理の流れを示す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  水素タンク
３  水素ガス供給弁
４  水素供給流路
８  水素パージバルブ
１０  流量センサ
１１  圧力センサ
１２  温度センサ
１４  電流計
【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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