(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する供給流路と、
前記供給流路に設けられた第１遮断弁と、
前記第１遮断弁を制御する弁制御手段と、
前記燃料電池の発電を制御し、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を制御する消費量制御手段と、
前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
前記第１遮断弁の下流の前記供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池における燃料ガス消費量とに基づいて、前記第１遮断弁の開閉状態を判定する開閉状態判定手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電停止信号を受信したことにより、前記弁制御手段が前記第１遮断弁を閉じるように制御した後、
前記消費量制御手段は、前記燃料電池を発電させ、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を、前記第１遮断弁の検査用の検査用消費量に制御し、
前記圧力制御手段は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、前記第１遮断弁の閉制御時の前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御目標値として維持するように制御し、
前記開閉状態判定手段は、前記圧力検出手段が検出した実際の燃料ガスの圧力と、前記第１遮断弁の閉制御時において前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力及び前記燃料電池の前記検査用消費量に基づいて予測される燃料ガスの圧力との差が、所定値以下でない場合、前記第１遮断弁は閉じていないと判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１遮断弁と前記燃料ガス流路との間に第２遮断弁を備え、
前記圧力検出手段は前記第１遮断弁と前記第２遮断弁との間に配置されており、
前記第１遮断弁が閉じるように制御された後において、前記圧力検出手段が検出する燃料ガスの圧力に基づいて、前記第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断された場合、前記弁制御手段は、前記第２遮断弁を閉じるように制御する
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３】
前記燃料ガス供給源は燃料ガスが高圧で封入された高圧タンクであり、
前記第１遮断弁が前記高圧タンク内に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する供給流路と、
前記供給流路に設けられた第１遮断弁と、
前記第１遮断弁を制御する弁制御手段と、
前記燃料電池の発電を制御し、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を制御する消費量制御手段と、
前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
前記第１遮断弁の下流の前記供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池における燃料ガス消費量とに基づいて、前記第１遮断弁の開閉状態を判定する開閉状態判定手段と、
を備える燃料電池システムにおける遮断弁の開閉状態判定方法であって、
前記燃料電池の発電停止信号を受信したことにより、前記弁制御手段が前記第１遮断弁を閉じるように制御した後、
前記消費量制御手段は、前記燃料電池を発電させ、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を、前記第１遮断弁の検査用の検査用消費量に制御し、
前記圧力制御手段は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、前記第１遮断弁の閉制御時の前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御目標値として維持するように制御し、
前記開閉状態判定手段は、前記圧力検出手段が検出した実際の燃料ガスの圧力と、前記第１遮断弁の閉制御時において前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力及び前記燃料電池の前記検査用消費量に基づいて予測される燃料ガスの圧力との差が、所定値以下でない場合、前記第１遮断弁は閉じていないと判定する
ことを特徴とする遮断弁の開閉状態判定方法。
【請求項５】
前記燃料電池システムは前記第１遮断弁と前記燃料ガス流路との間に第２遮断弁を備え、前記圧力検出手段が前記第１遮断弁と前記第２遮断弁との間に配置されており、
前記第１遮断弁が閉じるように制御された後において、前記圧力検出手段が検出する燃料ガスの圧力に基づいて、前記第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断された場合、前記弁制御手段は、前記第２遮断弁を閉じるように制御する
ことを特徴とする請求項４に記載の遮断弁の開閉状態判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び遮断弁の開閉状態判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
【０００３】
このような水素は、水素が高圧で封入された水素タンクから、燃料電池に供給され、水素タンクと燃料電池との間の水素供給流路には、複数の遮断弁や減圧弁が設けられる。遮断弁は、通常、常閉型で電磁式の遮断弁が使用され、外部から燃料電池に対して発電要求があった場合に開かれる。すなわち、発電要求がない場合、水素の漏洩等を防止するため、遮断弁を確実に閉じておく必要がある。
【０００４】
そこで、燃料電池の発電停止指令が発せられ、遮断弁を閉じるように制御した後、所定時間にて、燃料電池の発電を継続させることにより、水素を消費し、遮断弁の下流における水素の圧力が下がった場合、遮断弁は閉じていると判定する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２３０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高負荷状態において、燃料電池の発電停止指令が発せられた場合、燃料電池による水素消費量を下げると共に、この下げられた水素消費量に対応して目標水素圧力（制御目標値）を下げると、高負荷状態であったため多量に存在する水素の消費に時間を要し、遮断弁が閉じているか否か判定するために時間を要していた。
一方、低負荷状態において、燃料電池の発電停止指令が発せられた場合、燃料電池による水素消費量を上げると共に、この上げられた水素消費量に対応して目標水素圧力（制御目標値）を上げると、低負荷状態であったため少量しか存在しない水素が直ちに消費されてしまい、その結果、遮断弁の下流側の水素の圧力が急激に低下し、遮断弁が実際に閉じていたとき、遮断弁の上流側の圧力と、下流側の圧力との圧力差が大きくなり、遮断弁に内蔵されるシール（例えばＯリング）等に、大きな圧力差が作用し、シールが損傷する虞があった。
【０００７】
なお、高負荷状態とは、外部からの発電要求量が大きいため、これに対応して、燃料電池の出力電流が大きく、燃料電池に供給される水素の圧力が高い状態を意味する。一方、低負荷状態とは、外部からの発電要求量が小さく、これに対応して、燃料電池の出力電流が小さく、燃料電池に供給される水素の圧力が低い状態を意味する。
【０００８】
そこで、本発明は、遮断弁に内蔵されるシールを損傷させずに、遮断弁の開閉状態を容易に判定可能な燃料電池システム及び遮断弁の開閉状態判定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する供給流路と、前記供給流路に設けられた第１遮断弁と、前記第１遮断弁を制御する弁制御手段と、前記燃料電池の発電を制御し、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を制御する消費量制御手段と、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、前記第１遮断弁の下流の前記供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池における燃料ガス消費量とに基づいて、前記第１遮断弁の開閉状態を判定する開閉状態判定手段と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電停止信号を受信したことにより、前記弁制御手段が前記第１遮断弁を閉じるように制御した後、前記消費量制御手段は、前記燃料電池を発電させ、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を、前記第１遮断弁の検査用の検査用消費量に制御し、前記圧力制御手段は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、前記第１遮断弁の閉制御時の前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御目標値として維持するように制御し、前記開閉状態判定手段は、前記圧力検出手段が検出した実際の燃料ガスの圧力と、前記第１遮断弁の閉制御時において前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力及び前記燃料電池の前記検査用消費量に基づいて予測される燃料ガスの圧力との差が、所定値以下でない場合、前記第１遮断弁は閉じていないと判定することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
ここで、第１遮断弁の検査用の検査用消費量は、燃料電池の大きさ、燃料ガスが通流する供給流路の容積、第１遮断弁に内蔵されるシールの耐圧性等に基づいて、閉指令を受けた第１遮断弁が正常に閉じたと仮定した場合において、第１遮断弁の下流で圧力検出手段の検出する燃料ガスの圧力が速やかに低下すると共に、急激に低下せず前記シールが損傷しない消費量に設定される。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、弁制御手段が第１遮断弁を閉じるように制御した後、消費量制御手段が燃料電池による燃料ガスの消費量を検査用消費量に制御する。
そして、圧力制御手段が、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、第１遮断弁の閉制御時の圧力を制御目標値として維持するように制御する。つまり、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力は、燃料電池の発電停止信号を受信後において、燃料電池が消費する燃料ガスの消費量の変化に関わらず、第１遮断弁の閉制御時の圧力を制御目標値として維持するように制御される。
【００１２】
すなわち、高負荷状態で燃料電池の発電停止信号を受信した場合、圧力制御手段が、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、第１遮断弁の閉制御時の圧力（高負荷状態に対応した高い圧力）を、制御目標値として維持するように制御するので、第１遮断弁が正常に閉じていたとき、第１遮断弁の下流の燃料ガスの圧力が速やかに低下する。これにより、開閉状態判定手段が、第１遮断弁の開閉状態を速やかに判定でき、時間を要することはない。
【００１３】
一方、低負荷状態で燃料電池の発電停止信号を受信した場合、圧力制御手段が、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、第１遮断弁の閉制御時の圧力（低負荷状態に対応した低い圧力）を、制御目標値として維持するように制御するので、第１遮断弁が正常に閉じていたとき、第１遮断弁の下流における燃料ガスの圧力が急激に低下しない。これにより、遮断弁に内蔵されるシールに大きな圧力差が作用することもなく、シールが損傷することもない。
【００１４】
また、前記第１遮断弁と前記燃料ガス流路との間に第２遮断弁を備え、前記圧力検出手段は前記第１遮断弁と前記第２遮断弁との間に配置されており、前記第１遮断弁が閉じるように制御された後において、前記圧力検出手段が検出する燃料ガスの圧力に基づいて、前記第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断された場合、前記弁制御手段は、前記第２遮断弁を閉じるように制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、圧力検出手段が検出する燃料ガスの圧力に基づいて、第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断された場合、弁制御手段が第２遮断弁を閉じるように制御するので、第１遮断弁の下流における燃料ガスの圧力が、その後、低下することはない。これにより第１遮断弁のシールに、大きな圧力差が作用することはなく、シールが損傷することもない。
なお、第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断される場合とは、例えば、第１遮断弁の下流における燃料ガスの低下率が所定低下率以上である場合や、第１遮断弁に作用する圧力差が所定圧力差以上となる場合である。
【００１６】
また、前記燃料ガス供給源は燃料ガスが高圧で封入された高圧タンクであり、前記第１遮断弁が前記高圧タンク内に配置されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、高圧タンク内に配置され、外部から直接視認不能である第１遮断弁のシールの損傷を防止できる。これにより、第１遮断弁を精密に検査するため、高圧タンクから第１遮断弁を取り出す検査頻度等を延ばすことができる。
【００１８】
また、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する供給流路と、前記供給流路に設けられた第１遮断弁と、前記第１遮断弁を制御する弁制御手段と、前記燃料電池の発電を制御し、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を制御する消費量制御手段と、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段と、前記第１遮断弁の下流の前記供給流路に設けられ、燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力と、前記燃料電池における燃料ガス消費量とに基づいて、前記第１遮断弁の開閉状態を判定する開閉状態判定手段と、を備える燃料電池システムにおける遮断弁の開閉状態判定方法であって、前記燃料電池の発電停止信号を受信したことにより、前記弁制御手段が前記第１遮断弁を閉じるように制御した後、前記消費量制御手段は、前記燃料電池を発電させ、当該燃料電池による燃料ガスの消費量を、前記第１遮断弁の検査用の検査用消費量に制御し、前記圧力制御手段は、前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、前記第１遮断弁の閉制御時の前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を制御目標値として維持するように制御し、前記開閉状態判定手段は、前記圧力検出手段が検出した実際の燃料ガスの圧力と、前記第１遮断弁の閉制御時において前記圧力検出手段が検出した燃料ガスの圧力及び前記燃料電池の前記検査用消費量に基づいて予測される燃料ガスの圧力との差が、所定値以下でない場合、前記第１遮断弁は閉じていないと判定することを特徴とする遮断弁の開閉状態判定方法である。
【００１９】
このような遮断弁の開閉状態判定方法によれば、弁制御手段が第１遮断弁を閉じるように制御した後、消費量制御手段が燃料電池による燃料ガスの消費量を検査用消費量に制御する。
そして、圧力制御手段が、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、第１遮断弁の閉制御時の圧力を制御目標値として維持するように制御する。つまり、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力は、燃料電池の発電停止信号を受信後において、燃料電池が消費する燃料ガスの消費量の変化に関わらず、第１遮断弁の閉制御時の圧力を制御目標値として維持するように制御される。
【００２０】
すなわち、高負荷状態で燃料電池の発電停止信号を受信した場合、圧力制御手段が、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、第１遮断弁の閉制御時の圧力（高負荷状態に対応した高い圧力）を、制御目標値として維持するように制御するので、第１遮断弁が正常に閉じていたとき、第１遮断弁の下流の燃料ガスの圧力が速やかに低下する。これにより、開閉状態判定手段が、第１遮断弁の開閉状態を速やかに判定でき、時間を要することはない。
【００２１】
一方、低負荷状態で燃料電池の発電停止信号を受信した場合、圧力制御手段が、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力を、第１遮断弁の閉制御時の圧力（低負荷状態に対応した低い圧力）を、制御目標値として維持するように制御するので、第１遮断弁が正常に閉じていたとき、第１遮断弁の下流における燃料ガスの圧力が急激に低下しない。これにより、遮断弁に内蔵されるシールに大きな圧力差が作用することもなく、シールが損傷することもない。
【００２２】
また、前記燃料電池システムは前記第１遮断弁と前記燃料ガス流路との間に第２遮断弁を備え、前記圧力検出手段が前記第１遮断弁と前記第２遮断弁との間に配置されており、
前記第１遮断弁が閉じるように制御された後において、前記圧力検出手段が検出する燃料ガスの圧力に基づいて、前記第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断された場合、前記弁制御手段は、前記第２遮断弁を閉じるように制御することを特徴とする遮断弁の開閉状態判定方法である。
【００２３】
このような遮断弁の開閉状態判定方法によれば、圧力検出手段が検出する燃料ガスの圧力に基づいて、第１遮断弁のシールが損傷する虞があると判断された場合、弁制御手段が第２遮断弁を閉じるように制御するので、第１遮断弁の下流における燃料ガスの圧力が、その後、低下することはない。これにより第１遮断弁のシールに、大きな圧力差が作用することはなく、シールが損傷することもない。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、遮断弁に内蔵されるシールを損傷させずに、遮断弁の開閉状態を容易に判定可能な燃料電池システム及び遮断弁の開閉状態判定方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
【００２６】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２７】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００２８】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２９】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３０】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ（燃料電池自動車の動力源）等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３１】
＜アノード系＞
アノード系は、水素が高圧で封入された水素タンク２１（燃料ガス源）と、常閉型の第１遮断弁２２と、第１減圧弁２３と、常閉型の第２遮断弁２４と、第２減圧弁２５と、エゼクタ２８と、常閉型のパージ弁２９（燃料ガス排出弁）と、第１圧力センサ３１、第２圧力センサ３２及び第３圧力センサ３３（圧力検出手段）を備えている。
【００３２】
水素タンク２１は、水素が高圧で封入されたタンクである。第１遮断弁２２は、水素タンク２１内、詳細には、水素の出口となる水素タンク２１の口金部内に配置されたインタンク電磁弁である。
水素タンク２１は、第１遮断弁２２、配管２２ａ、第１減圧弁２３、配管２３ａ、第２遮断弁２４、配管２４ａ、第２減圧弁２５、配管２５ａ、エゼクタ２８、配管２８ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。つまり、水素タンク２１からアノード流路１２に向かう水素が通流する水素供給流路は、配管２２ａと、配管２３ａと、配管２４ａと、配管２５ａと、配管２８ａとを備えて構成されており、この水素供給流路に第１遮断弁２２及び第２遮断弁２４が設けられている。また、第１遮断弁２２及び第２遮断弁２４は、閉弁時に弁体が着座する弁座にシール（いずれも図示しない）を内蔵している。
そして、ＥＣＵ７０（弁制御手段）によって、第１遮断弁２２及び第２遮断弁２４が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２２ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。
【００３３】
また、第２減圧弁２５には、コンプレッサ４１からカソード流路１３に向かう空気の圧力が、オリフィス２６が設けられた配管２６ａを介して、信号圧（パイロット圧）として入力されるようになっている。そして、第２減圧弁２５は、入力された空気の圧力に基づいて、水素の圧力を制御する構成となっている。
【００３４】
さらに、配管２６ａは、配管２７ａを介して、常閉型のインジェクタ２７に接続されている。インジェクタ２７は、リリーフ弁として機能し、ＥＣＵ７０からの開指令に従って開くと、空気が外部に噴射され、配管２６ａ及び配管２７ａの圧力、つまり、第２減圧弁２５に入力されるパイロット圧が下がるようになっている。すなわち、ＥＣＵ７０が、インジェクタ２７を適宜に制御することで、第２減圧弁２５に入力されるパイロット圧が変化し、これにより、第２減圧弁２５の二次側圧力（アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４）が制御されるようになっている。つまり、アクセルの踏み込み量が大きく、運転者からの発電要求量が大きい場合（高負荷状態）、アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４は高くなるように制御され、一方、アイドリング等、発電要求量が小さい場合（低負荷状態）、アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４は低くなるように制御される。
よって、アノード流路１２における水素の圧力を制御する圧力制御手段は、第２減圧弁２５と、インジェクタ２７と、ＥＣＵ７０とを備えて構成されている。
【００３５】
アノード流路１２の出口は、配管２８ｂ（燃料ガス循環ライン）を介して、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２８の吸込口に接続されている。これにより、アノード流路１２（アノード）から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスは、エゼクタ２８に戻され、その結果、水素が循環するようになっている。
なお、配管２８ｂには気液分離器（図示しない）が設けられており、この気液分離器によって、循環する水素に同伴する水分が分離されるようになっている。
【００３６】
配管２８ｂは、その途中で、配管２９ａ、パージ弁２９、配管２９ｂを介して、希釈器（図示しない）に接続されている。パージ弁２９は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２８ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ７０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ７０は、例えば、単セル１１の電圧を検出するセル電圧モニタ（図示しない）から入力される最低セル電圧が、所定最低セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２９を開く設定となっている。
【００３７】
第１圧力センサ３１は、水素タンク２１内に設けられており、水素タンク２１内の圧力（実測圧力Ｐ１）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
第２圧力センサ３２は、第１遮断弁２２と第１減圧弁２３との間の配管２２ａに設けられており、配管２２ａ内の圧力（実測圧力Ｐ２）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
第３圧力センサ３３は、第１減圧弁２３と第２遮断弁２４との間の配管２３ａに設けられており、配管２３ａ内の圧力（実測圧力Ｐ３）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
【００３８】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ４１（酸化剤ガス供給手段）と、背圧弁４３と、希釈器（図示しない）とを備えている。
【００３９】
コンプレッサ４１は、配管４１ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ４１は、ＥＣＵ７０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。なお、コンプレッサ４１の回転速度は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するべく、高められる設定となっている。
【００４０】
また、配管４１ａには、カソード流路１３に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させるようになっている。
【００４１】
カソード流路１３の出口は、配管４３ａ、背圧弁４３、配管４３ｂを介して、希釈器（図示しない）に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管４３ａ等を介して、希釈器に排出され、希釈器は、カソードオフガスによって、配管２９ｂから導入されるアノードオフガス中の水素を希釈した後、車外に排出するようになっている。
【００４２】
背圧弁４３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ７０によって制御される。詳細には、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、ＥＣＵ７０は、空気を高圧で供給するべく、背圧弁４３の開度は小さく制御される。
【００４３】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ５１と、ＶＣＵ５２（Voltage Control Unit、電流制御手段）と、高圧バッテリ５３とを備えている。走行モータ５１は、ＶＣＵ５２を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。高圧バッテリ５３はＶＣＵ５２に接続されている。なお、走行モータ５１とＶＣＵ５２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。
【００４４】
走行モータ５１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ５２は、ＥＣＵ７０から送られる指令電流に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御（制限）する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。すなわち、ＶＣＵ５２への指令電流が大きくなると、燃料電池スタック１０から取り出される電流が大きくなり、燃料電池スタック１０で消費される水素及び空気の消費量が多くなる。つまり、燃料電池スタック１０による水素の消費量を制御する消費量制御手段は、ＶＣＵ５２とＥＣＵ７０とを備えて構成されている。
また、ＶＣＵ５２は、高圧バッテリ５３の電力を制御、つまり、高圧バッテリ５３の充電／放電を制御する機能も備えている。
【００４５】
＜ＩＧ等＞
ＩＧ６１は、燃料電池システム及び燃料電池自動車の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ６１は、ＯＮ信号（発電開始信号）、ＯＦＦ信号（発電停止信号）をＥＣＵ７０に出力するようになっている。
警告ランプ６２は、第１遮断弁２２が故障していると判定される場合、運転者に故障を知らせるために点灯するランプであり、インストルメント・パネルに配置されている。
【００４６】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を適宜に制御するようになっている。
また、ＥＣＵ７０（開閉状態判定手段）は、第２圧力センサ３２から入力される実測圧力Ｐ２と、後記する予測圧力Ｐ２´とに基づいて、第１遮断弁２２の開閉状態を判定する機能を備えている。
【００４７】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作及び遮断弁の開閉状態の判定方法について、図２を主に参照して説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＦＦされ、ＥＣＵ７０がＩＧ６１のＯＦＦ信号（発電停止信号）を受信すると、図２のフローチャートの処理が開始する。また、初期状態において、ＶＣＵ５２は外部からの発電要求に応じて制御され、燃料電池スタック１０は発電している。
【００４８】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、第１遮断弁２２に閉指令を送り、第１遮断弁２２を閉じるように制御する。
【００４９】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６１のＯＦＦ時において、第２圧力センサ３２から入力された実測圧力Ｐ２を、内部メモリ等に記憶する。
【００５０】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０による水素消費量を、第１遮断弁２２の検査（診断）用の検査用水素消費量（Ｌ／ｓ）に制御する。この検査用水素消費量は、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
さらに説明すると、検査用水素消費量（Ｌ／ｓ）は、燃料電池スタック１０の大きさ、水素が通流する供給流路（配管２２ａ等）の容積、第１遮断弁２２に内蔵されるシールの耐圧性等に基づいて、閉指令を受けた第１遮断弁２２が正常に閉じたと仮定した場合において、第１遮断弁２２の下流で第２圧力センサ３２が検出する実測圧力Ｐ２が、速やかに低下すると共に、急激に低下せず前記シールが損傷しない消費量に設定されている。
【００５１】
また、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４を、ステップＳ１０１における第１遮断弁２２の閉制御時の圧力（ＩＧ６１のＯＦＦ時における圧力）を、制御目標値として維持するように制御する。すなわち、第１遮断弁２２の閉制御後において、アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４は、燃料電池スタック１０による水素消費量の変化に関わらず、第１遮断弁２２の閉制御時の圧力となるように制御される。
【００５２】
つまり、高負荷状態で、ＩＧ６１がＯＦＦされ、第１遮断弁２２を閉制御した場合、第１遮断弁２２の閉制御後も、アノード流路１２の圧力Ｐ４は、高負荷状態に対応した高い圧力で維持されるように制御する。一方、低負荷状態で、ＩＧ６１がＯＦＦされ、第１遮断弁２２を閉制御した場合、第１遮断弁２２の閉制御後も、アノード流路１２の圧力Ｐ４は、低負荷状態に対応した低い圧力が維持されるように制御する。
【００５３】
具体的には、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０で水素が検査用水素消費量で消費されるようにＶＣＵ５２を適宜に制御、つまり、燃料電池スタック１０の出力電流を検査用水素消費量に対応した検査用電流とする。すなわち、検査用水素消費量が多くなると、検査用電流が大きくなる関係となる。
【００５４】
また、ＥＣＵ７０は、アノード流路１２における水素の圧力が、第１遮断弁２２の閉制御時の圧力で維持されるように、インジェクタ２７を適宜に制御する。
【００５５】
さらに、ＥＣＵ７０は、検査用水素消費量、アノード流路１２の圧力Ｐ４、検査用電流に対応して、カソード流路１３に空気が供給されるように、コンプレッサ４１の回転速度、背圧弁４３の開度を制御する。すなわち、検査用水素消費量が多く、アノード流路１２の圧力Ｐ４が高く、検査用電流が大きくなると、コンプレッサ４１の回転速度は高められ、背圧弁４３の開度は閉方向に制御される。
【００５６】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を継続させる。なお、燃料電池スタック１０の発電電力は、例えば、高圧バッテリ５３に充電される。その他、外部の図示しない放電抵抗（ディスチャージ抵抗）によって消費される。
【００５７】
そして、このように燃料電池スタック１０を発電すると、水素が消費され、アノード流路１２の圧力が下がり、第２減圧弁２５が開く。そうすると、配管２３ａ及び配管２４ａ内の圧力（第３圧力センサ３３が検出する実測圧力Ｐ３）が下がり、第１減圧弁２３が開く。これにより、第１遮断弁２２がステップＳ１０１で正常に閉じていた場合、第２圧力センサ３２が検出する実測圧力Ｐ２が下がることになる。
【００５８】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、第１圧力センサ３１から入力される実測圧力Ｐ１と、第２圧力センサ３２から入力される実測圧力Ｐ２との差、つまり、第１遮断弁２２に作用する圧力差が、所定圧力差ΔＰ０以上であるか否か判定する。所定圧力差ΔＰ０は、第１遮断弁２２に内蔵されるシール（Ｏリング等）の耐圧性に基づいて設定され、実測圧力Ｐ１と実測圧力Ｐ２との差がこれ以上であると前記シールが損傷し、シールに不具合が生じる虞がある値に設定される。このような所定圧力差ΔＰ０は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００５９】
実測圧力Ｐ１と実測圧力Ｐ２との差が所定圧力差ΔＰ０以上であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０９に進む。その後、ステップＳ１０９においてＥＣＵ７０が第２遮断弁２４を閉じることにより、配管２２ａ内の圧力がその後に下がることはなく、前記シールが損傷することはない。
一方、実測圧力Ｐ１と実測圧力Ｐ２との差が所定圧力差ΔＰ０以上でないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。
【００６０】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０（開閉状態判定手段）は、第２圧力センサ３２から入力される実測圧力Ｐ２と、予測圧力Ｐ２´との差が、所定値以下であるか否か判定する。
【００６１】
予測圧力Ｐ２´（Ｐａ）は、ステップＳ１０１で第１遮断弁２２が正常に閉じたと仮定した場合において、式（３）に示すように、ステップＳ１０２で記憶したＩＧ６１のＯＦＦ時における実測圧力Ｐ２（Ｐａ）と、燃料電池スタック１０の検査用水素消費量（Ｌ／ｓ）及びこの量での発電時間（ｓ）と、に基づいて算出される。なお、式（３）におけるＫは、変換係数である。
予測圧力Ｐ２´（Ｐａ）＝ＯＦＦ時の実測圧力Ｐ２（Ｐａ）−Ｋ（Ｐａ／Ｌ）×検査用水素消費量（Ｌ／ｓ）×発電時間（ｓ）  …（３）
【００６２】
また、所定値は、第２圧力センサ３２の検出誤差や、第１遮断弁２２が正常に閉じた場合において、これを極少量の水素が流れたときを考慮して設定される。なお、所定値は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００６３】
実測圧力Ｐ２と予測圧力Ｐ２´との差（又は差の絶対値）が、所定値以下であると判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。
一方、実測圧力Ｐ２と予測圧力Ｐ２´との差（又は差の絶対値）が、所定値以下でないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１１に進む。なお、この場合は、閉指令を受けたにも関わらず、第１遮断弁２２が閉じておらず、開いたままである（開故障）虞がある場合である。
【００６４】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０６の判定結果が、所定回数（例えば３〜５回）、連続してＹｅｓとなったか否かを判定する。
連続してＹｅｓとなったと判定した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、連続してＹｅｓとなっていないと判定した場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０８に進む。
【００６５】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０７の判定の後、第１所定時間（例えば３〜１０秒）経過したか否か判定する。
第１所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、第１所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０８の判定を繰り返す。
【００６６】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７０は、第２遮断弁２４を閉じる。これにより、その後、配管２２ａ内の圧力が下がることはなく、第１遮断弁２２に内蔵されるシールに過大な圧力差が作用することはなく、シールが損傷することもなく、シールの劣化は防止される。
【００６７】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を停止する。具体的には、ＥＣＵ７０は、ＶＣＵ５２を制御して燃料電池スタック１０の出力電流を０にすると共に、コンプレッサ４１を停止する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドに進み、システム停止時の制御を終了する。
【００６８】
次に、ステップＳ１０６の判定結果がＮｏとなって進むステップＳ１１１について説明する。
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４で燃料電池スタック１０の発電を継続した後、第２所定時間経過したか否か判定する。第２所定時間は、ステップＳ１０６での誤判定を防止し、ステップＳ１０６の判定を複数回繰り返すために設定された時間である。このような所定時間は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００６９】
第２所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、第１遮断弁２２は閉じておらず開いたままである、つまり、開故障していると判定し、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１２に進む。一方、第２所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５に進む。
【００７０】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７０は、第１遮断弁２２が開故障していることを、例えばフラグで記憶する。そして、次回のシステム起動時において、ＥＣＵ７０は、このフラグを参照して、警告ランプ６２を点灯させ、運転者に第１遮断弁２２が故障していることを知らせる。
その後、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０９に進み、ＥＣＵ７０は第２遮断弁２４を閉じる。これにより、水素が水素タンク２１から供給され続けることを防止できる。
【００７１】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
ＩＧ６１のＯＦＦ信号（発電停止信号）を受信したＥＣＵ７０が、燃料電池スタック１０における水素の消費量を、第１遮断弁２２の検査用の検査用消費量に制御すると共に、アノード流路１２の圧力Ｐ４を、第１遮断弁２２の閉制御時の圧力を制御目標値として維持するように制御するので、閉指令を受けた第１遮断弁２２が正常に閉じていれば、第２圧力センサ３２が検出する実測圧力Ｐ２が速やかに下がると共に、急激に下がることもない。これにより、外部から視認不能な第１遮断弁２２の開閉状態を速やかに判定すると共に、第１遮断弁２２に内蔵されるシールに過大な圧力差が作用せず、シールの損傷を防止できる。
【００７２】
また、第１遮断弁２２の開閉状態を判定している場合において、仮に、実測圧力Ｐ０と実測圧力Ｐ１との差が所定圧力差ΔＰ０以上である場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、第２遮断弁２４を閉じるので（Ｓ１０９）、第１遮断弁２２のシールに、大きな圧力差が作用することはなく、これが損傷することもない。
【００７３】
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の動作例について、図３、図４を参照して説明する。
【００７４】
＜高負荷状態でＩＧ６１がＯＦＦ、水素消費量を下げるケース＞
まず、図３を参照して、高負荷状態でＩＧ６１がＯＦＦされ、燃料電池スタック１０における水素の消費量を下げるケースについて説明する。なお、このようなケースは、燃料電池自動車が、水素消費量が多く、水素圧力が高くなる高速走行した直後、ＩＧ６１がＯＦＦされた場合等に生じる。
【００７５】
図３に示すように、ＩＧ６１のＯＦＦに連動して、第１遮断弁２２が閉じられる。これと共に、燃料電池スタック１０による水素の消費量は、検査用水素消費量に下げられる。また、アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４は、第１遮断弁２２の閉制御時の圧力を、制御目標値として維持するように制御される。
これにより、第１遮断弁２２が正常に閉じていた場合、第２圧力センサ３２が検出する実測圧力Ｐ２は、水素消費量に対応して水素の圧力Ｐ４を低下させる比較例に対して、速やかに下がる。したがって、第１遮断弁２２の開閉状態を速やかに判定できる。
【００７６】
＜低負荷状態でＩＧ６１がＯＦＦ、水素消費量を上げるケース＞
次に、図４を参照して、低負荷状態でＩＧ６１がＯＦＦされ、燃料電池スタック１０における水素の消費量を上げるケースについて説明する。なお、このようなケースは、水素消費量が少なく、水素圧力が低いアイドリング中の燃料電池自動車において、ＩＧ６１がＯＦＦされた場合等に生じる。
【００７７】
図４に示すように、ＩＧ６１のＯＦＦに連動して、第１遮断弁２２が閉じられる。これと共に、燃料電池スタック１０による水素の消費量は、検査用水素消費量に上げられる。また、アノード流路１２における水素の圧力Ｐ４は、第１遮断弁２２の閉制御時の圧力を、制御目標値として維持するように制御される。
これにより、第１遮断弁２２が正常に閉じていた場合、第２圧力センサ３２が検出する実測圧力Ｐ２は、水素消費量に対応して水素の圧力Ｐ４を上昇させる比較例に対して、緩やかに下がる。したがって、第１遮断弁２２の開閉状態を速やかに判定しつつ、第１遮断弁２２に過大な圧力差が作用することを防止できる。
【００７８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した実施形態では、図２のステップＳ１０５に示すように、実測圧力Ｐ１と実測圧力Ｐ０との差が所定圧力差ΔＰ０以上である場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、第１遮断弁２２のシールが損傷する虞があると判定して、第２遮断弁２４を閉じる構成を説明したが、ステップＳ１０５に代えて、又は、ステップＳ１０５の後に、第１遮断弁２２の下流の実測圧力Ｐ２の低下率が所定低下率以上である場合、第１遮断弁２２のシールが損傷する虞があると判定し、ステップＳ１０９に進み、第２遮断弁２４を閉じる構成としてもよい。
【００７９】
前記した実施形態では、第１遮断弁２２の閉制御後、第２圧力センサ３２が検出する実測圧力Ｐ２に基づいて、第１遮断弁２２が正常に閉じているか否か判定する構成としたが、その他に例えば、第３圧力センサ３３が検出する実測圧力Ｐ３に基づいて判定する構成としてもよい。この構成の場合、閉指令を受けた第１遮断弁２２が正常に閉じたとき、第３圧力センサ３３が検出する実測圧力Ｐ３は、第１減圧弁２３の上流の実測圧力Ｐ２と等しくなった後、下がるので、これを考慮して、図２の第２所定時間等は設定される。
【００８０】
前記した実施形態では、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１に、本発明を適用した場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システム、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに適用してもよい。また、その他のシステムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本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】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
１２    アノード流路（燃料ガス流路）
１３    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１    水素タンク（燃料ガス源）
２２    第１遮断弁
２２ａ、２３ａ、２４ａ、２５ａ、２８ａ  配管（供給流路）
２４    第２遮断弁
２５    第２減圧弁（圧力制御手段）
２７    インジェクタ（圧力制御手段）
３２    第２圧力センサ（圧力検出手段）
５１    走行モータ
５２    ＶＣＵ（消費量制御手段）
７０    ＥＣＵ（弁制御手段、消費量制御手段、圧力制御手段、開閉状態判定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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