燃料電池のクロスリーク判定方法と燃料電池システム
【課題】燃料電池のクロスリーク判定精度を向上する。
【解決手段】アノード３に水素ガスが供給されカソード４に酸素を含む空気が供給されて発電を行う燃料電池１のクロスリーク判定方法であって、燃料電池１を停止している間は遮断弁１８とパージ弁２２を閉じてアノード３に通じる流路を封止しておき、燃料電池１の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力をアノード圧力センサ３３で測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に燃料電池１がクロスリークしていると判定する燃料電池のクロスリーク判定方法である。
【解決手段】アノード３に水素ガスが供給されカソード４に酸素を含む空気が供給されて発電を行う燃料電池１のクロスリーク判定方法であって、燃料電池１を停止している間は遮断弁１８とパージ弁２２を閉じてアノード３に通じる流路を封止しておき、燃料電池１の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力をアノード圧力センサ３３で測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に燃料電池１がクロスリークしていると判定する燃料電池のクロスリーク判定方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のクロスリーク判定方法と、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を有し、アノードに水素（燃料ガス）が供給され、カソードに酸素（酸化剤ガス）を含む空気が供給されて発電をする燃料電池では、固体高分子電解質膜が破損してピンホール等が生じると、水素や空気がこうした破損箇所を通って固体高分子電解質膜を透過し（以下、膜破損によるリークをクロスリークという）、燃料電池の発電性能を低下させるので好ましくない。よって、固体高分子電解質膜の破損を検知することは、燃料電池の管理上、極めて重要である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、前記クロスリークを判定する方法として、燃料電池システムの低負荷時に燃料電池システム中の蓄電手段から補機等への電力供給を行い燃料電池の発電を一時休止させる間欠運転中、燃料電池の劣化を抑制する電流掃引が実施されている場合に、該電流掃引による消費水素に基づき燃料電池のアノードにおける水素圧力を補正し、補正後の水素圧力に基づいて、その圧力降下によりクロスリークの判定を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１７２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電流掃引に要する時間は極めて短時間であり、アノードの圧力降下時間も短いため、圧力降下を正確に検知することが困難で、その結果、判定精度が低く、誤判定をする場合があった。
【０００６】
そこで、この発明は、判定精度が高い燃料電池のクロスリーク判定方法と、このクロスリーク判定方法の実施に直接使用する燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定方法と燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、
アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、後述する実施例における水素タンク１５等）と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７等）と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段（例えば、後述する実施例における遮断弁１８、パージ弁２２）と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段（例えば、後述する実施例におけるアノード圧力センサ３３）と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備える燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１００）であって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマー（例えば、後述する実施例におけるタイマー５１）と、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段（例えば、後述する実施例における圧力把握部５２）と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段（例えば、後述する実施例における最大負圧値検出部５３）と、
前記最大負圧値検出手段で求めた最大負圧値の絶対値が閾値よりも小さい場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段（例えば、後述する実施例におけるクロスリーク判定部５４）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、
アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、後述する実施例における水素タンク１５等）と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７等）と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段（例えば、後述する実施例における遮断弁１８、パージ弁２２）と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段（例えば、後述する実施例におけるアノード圧力センサ３３）と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備える燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１００）であって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマー（例えば、後述する実施例におけるタイマー５１）と、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段（例えば、後述する実施例における圧力把握部５２）と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段（例えば、後述する実施例における最大負圧値検出部５３）と、
前記最大負圧値検出手段が前記最大負圧値を検出してから、前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測する負圧維持時間計測手段（例えば、後述する実施例における負圧維持時間計測部５６）と、
前記負圧維持時間計測手段により計測された負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段（例えば、後述する実施例におけるクロスリーク判定部５４）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記制御部は、前記最大負圧値検出手段により検出された最大負圧値に基づいて、燃料電池における燃料ガスのクロスリーク量を推定し、該クロスリーク量が多いほど該燃料電池システム起動時の酸化剤ガスの供給量を多くするように酸化剤ガス供給量を算出する起動時酸化剤ガス供給量算出手段（例えば、後述する実施例における起動時空気供給量算出部５６）を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に前記燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法である。
【００１１】
請求項５に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
前記アノード圧力が最大負圧値となったときから、前記アノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測し、
この負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池システムの停止中に所定時間毎に燃料電池システムを一時的に起動してクロスリーク判定を行うので、燃料電池システムの消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定の精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池システムの停止中に所定時間毎に燃料電池システムを一時的に起動してクロスリーク判定を行うので、燃料電池システムの消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定の精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池にクロスリークが生じている場合にも、燃料電池システムの起動時に排出されるガス中の燃料ガス濃度を許容範囲内に収めることができる。また、希釈用の酸化剤ガスの過剰供給を防止することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の停止中に所定時間毎にアノード圧力を測定しクロスリーク判定を行うので、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができ、その結果、クロスリーク判定の精度を高めることができ、誤判定をなくすことができる。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の停止中に所定時間毎にアノード圧力を測定しクロスリーク判定を行うので、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができ、その結果、クロスリーク判定の精度を高めることができ、誤判定をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例１における概略構成図である。
【図２】この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定の原理を説明する図である。
【図３】この発明に係る燃料電池システムの実施例２における電子制御装置の構成図である。
【図４】実施例１および実施例２における燃料電池システムの停止から起動までのフローチャートである
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定方法と、このクロスリーク判定方法の実施に直接使用する燃料電池システムの実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様であり、燃料電池車両は、燃料電池システムの燃料電池で発電した電気で走行用駆動モータを駆動し走行する。
【００１９】
＜実施例１＞
図１は、実施例１における燃料電池システム１００の概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図示の都合上、図１では単セルのみ示す）、アノード３に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード４に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電をする。
【００２０】
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１内の酸化剤流通路６に導入され、各セルのカソード４に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１から空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈ボックス１１へ排出される。この実施例１において、コンプレッサ７、空気供給流路８は、酸化剤ガス供給手段を構成する。
【００２１】
一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１６を介して燃料電池１内の燃料流通路５に導入され、各セルのアノード３に供給される。水素ガス供給流路１６には、上流側から順に、ガス供給弁１７、遮断弁１８、レギュレータ１９、エゼクタ２０が設けられており、水素タンク１５から供給された水素ガスはレギュレータ１９によって所定圧力に減圧されて燃料電池１の燃料流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２１を通ってエゼクタ２０に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１の燃料流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２１、およびエゼクタ２０よりも下流の水素ガス供給流路１６を通って、燃料電池１を循環する。この実施例１において、水素タンク１５、水素ガス供給流路１６、エゼクタ２０、アノードオフガス流路２１は、燃料ガス供給手段を構成する。
【００２２】
エゼクタ２０よりも下流の水素ガス供給流路１６には、燃料電池１のアノード３に供給される水素ガスの圧力を検出するためのアノード圧力センサ（アノード圧力測定手段）３３と、該水素ガスの温度を検出するための温度センサ３４が設けられており、アノード圧力センサ３３と温度センサ３４は、それぞれ検出値に応じた電気信号を電子制御装置５０に出力する。なお、アノード圧力センサ３３で検出される水素ガスの圧力は、燃料電池１のアノード３における水素ガス圧力と殆ど同圧であり、この実施例１ではアノード圧力センサ３３によってアノード圧力を検知している。
【００２３】
また、アノードオフガス流路２１からは、パージ弁２２を備えたパージ流路２３が分岐し、希釈ボックス１１に接続されている。
パージ弁２２は、燃料電池１の発電時において、通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いて、アノードオフガス中に含まれる不純物をアノードオフガスとともに希釈ボックス１１へ排出する。
また、希釈ボックス１１には空気供給流路８から分岐した希釈ガス流路３１が接続されている。希釈ガス流路３１に設けられた開閉弁３２は、燃料電池１を通さずに希釈ガス（空気）を希釈ボックス１１に供給する場合に開かれる。
【００２４】
そして、パージ流路２３を介して希釈ボックス１１に排出されたアノードオフガスは、空気排出流路９または希釈ガス流路３１を介して希釈ボックス１１に流入する空気によって希釈され、希釈されたガスが希釈ボックス１１から排気管３３を介して大気に排出される。
【００２５】
電子制御装置（制御部）５０は、スタートスイッチ３５から入力したオン・オフ信号に基づいて燃料電池システム１００の起動・停止を制御し、燃料電池１の出力制御等、制御内容に応じて、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、ガス供給弁１７、遮断弁１８、パージ弁２２、開閉弁３２等を制御する。なお、図１ではこれらの制御信号線を省略している。
【００２６】
この燃料電池システム１００では、電子制御装置５０は、燃料電池システム１００の停止時に遮断弁１８とパージ弁２２を閉じる制御を行い、アノード系の流路を封止して、燃料電池１のアノード３側に所定圧力の水素ガスを封じ込めた状態にする。なお、カソード系の流路については、燃料電池システム停止によりコンプレッサ７が停止されるが、特に封止することはなく、コンプレッサ７を介して大気開放の状態とする。この実施例１において、遮断弁１８とパージ弁２２は封止手段を構成する。
【００２７】
また、この燃料電池システム１００では、電子制御装置５０が、燃料電池システム１００の停止後に自動的に、燃料電池１の固体高分子電解質膜２の破損により水素ガスがクロスリークしているか否かの判定（以下、クロスリーク判定と略す）を行う。
【００２８】
ここで、クロスリーク判定の原理を図２の図面を参照して説明する。
図２は燃料電池システム停止時にアノード系の流路を封止した状態でシステム停止状態を保持したときに、燃料電池１のアノード３におけるアノード圧力が時間経過とともにどの様に変化するかを調べた実験結果である。
燃料電池１の固体高分子電解質膜２は、破損していない正常な状態においても、微量ながらガスが透過することが知られている。以下、正常な固体高分子電解質膜におけるガスの透過をクロスオーバーと称し、膜破損に起因するクロスリークと区別する。また、固体高分子電解質膜２は、空気よりも水素ガスの方が透過し易いことも知られている。
【００２９】
この固体高分子電解質膜２の特性により、燃料電池システム停止時のアノード圧力を大気圧よりも若干高くしてアノード系の流路を封止しておいても、燃料電池１の固体高分子電解質膜２が正常な場合には、初めにアノード３側の水素ガスが固体高分子電解質膜２をクロスオーバーしてカソード４側へ移動するため、アノード圧力が時間経過にしたがって徐々に低下していき、大気圧よりも低い負圧値まで下がっていく。このように負圧値となるのは、水素ガスの膜透過性が良いことによる。そして、ある程度まで水素のクロスオーバーが進行してアノード３側が最大負圧値に達すると、今度はカソード４側の空気が固体高分子電解質膜２をクロスオーバーしてアノード３側へ移動していくようになり、その結果、アノード圧力は徐々に上昇し、最終的にカソード４側の圧力、すなわち大気圧と平衡となる。
【００３０】
これに対して、固体高分子電解質膜２の破損によりクロスリークが生じているときには、燃料電池システム停止時におけるアノード圧力値が同じであっても、水素ガスのクロスオーバーによってアノード３側に生じる負圧状態を、破損部分があるために保持することができなくなり、アノード圧力の最大負圧値が小さくなり（最大負圧値の絶対値が小さくなり）、その後、直ぐに大気圧に近づいき大気圧と平衡となる。また、クロスリークが生じていると、カソード４側への水素ガスの移動量が多くなる。
【００３１】
そして、クロスリークの程度の異なる固体高分子電解質膜２に対して上記実験を多数行った結果、クロスリークが大きいほど、アノード圧力の最大負圧値の絶対値が小さくなること（換言すると、大気圧に近くなること）、および、アノード圧力が最大負圧値から大気圧と平衡となるまでの時間が短くなることが判明した。また、クロスリークの程度（固体高分子電解質膜２の破損程度）が大きいほど、カソード４側への水素ガスの移動量が大きいことが判明した。
そこで、アノード圧力の最大負圧値の絶対値が閾値以下である場合には燃料電池１においてクロスリークが生じていると判定する（実施例１）。あるいは、アノード圧力が最大負圧値から大気圧（あるいは大気圧から所定範囲内の圧力）と平衡となるまでの時間が閾値以下である場合には、燃料電池１においてクロスリークが生じていると判定する（後述する実施例２）。
【００３２】
このクロスリーク判定を行うために、実施例１の電子制御装置５０は、タイマー５１と、圧力把握部（圧力把握手段）５２と、最大負圧値検出部（最大負圧値検出手段）５３と、クロスリーク判定部（クロスリーク判定手段）５４とを備えている。
タイマー５１は、燃料電池システム１００の停止中に所定時間毎に燃料電池システム１００の一部を一時的に起動させるためのタイマーであり、燃料電池システム１００の停止中、電子制御装置５０のタイマー５１だけは作動している。このように、燃料電池システム１００の停止中に所定時間毎に一時的に燃料電池システム１００の一部を起動させる制御をＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）制御と称す。
【００３３】
圧力把握手段５２は、前記タイマー５１のタイムアップにより燃料電池システム１００のを一部を一時的に起動させたときに、アノード圧力センサ３３により検出したアノード圧力を取り込む。
最大負圧値検出部５３は、圧力把握手段５２で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、所定時間毎に求められたアノード圧力の負圧値から最大負圧値を求める。詳述すると、最大負圧値検出部５３は、圧力把握手段５２に取り込まれたアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、この負圧値（以下、今回負圧値という）と、前回のＲＴＣ制御において最大負圧値検出部５３が求めた負圧値（以下、前回負圧値という）とを比較し、今回負圧値の絶対値が前回負圧値の絶対値よりも大きい場合には、今回負圧値を前回負圧値に置き換えて記憶し、今回負圧値の絶対値が前回負圧値の絶対値よりも小さい場合には、前回負圧値を最大負圧値として判定する。
【００３４】
クロスリーク判定部５４は、最大負圧値検出部５３で求めた最大負圧値の絶対値が閾値よりも小さい場合に、燃料電池２が固体高分子電解質膜２の破損によりクロスリークしていると判定し、最大負圧値検出部５３で求めた最大負圧値の絶対値が前記閾値以上の場合には、燃料電池１はクロスリークしていないと判定する。
【００３５】
つまり、この実施例１では、燃料電池１を停止している間はアノード３に通じる流路を封止しておき、燃料電池１の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に燃料電池１がクロスリークしていると判定する。
【００３６】
この実施例１の燃料電池システム１００および燃料電池のクロスリーク判定方法によれば、燃料電池システム１００の停止中のＲＴＣ起動によりクロスリーク判定を行うので、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００３７】
そして、電子制御装置５０は、クロスリーク判定部５４がクロスリークであると判定した場合には、燃料電池システム１００の起動前に図示しない警報手段により警報を発する。なお、クロスリーク判定部５４によりクロスリークであると判定された回数が所定回数となったときに、初めて警報を発するようにしてもよい。
また、電子制御装置５０は、起動時空気供給量算出部（起動時酸化剤ガス供給量算出手段）５５を備えている。起動時空気供給量算出部５５は、クロスリーク判定部５４がクロスリークであると判定した場合には、最大負圧値検出部５３により検出された最大負圧値に基づいてアノード３側からカソード４側へクロスリークした水素ガス量を、予め求めておいたマップ等を参照して推定し、推定されたクロスリーク量が多いほど燃料電池システム１００の起動時における供給空気量が多くなるように、燃料電池システム起動時の供給空気量を算出する。
【００３８】
そして、電子制御装置３０は、クロスリーク判定部５４によって燃料電池１がクロスリークしていると判定された後の燃料電池システム起動時に、起動時空気供給量算出部５５で算出された空気量の供給空気が燃料電池１のカソード４に供給されるように、コンプレッサ７を制御する。これにより、カソード４側にクロスリークした水素を、正常時よりも多量に供給される供給空気によって、希釈ボックス１１において許容水素濃度まで希釈することができ、且つ、希釈用の空気の過剰供給を防止することができる。なお、この場合、希釈ガス流路３１の開閉弁３２を開き、供給空気の増量分を希釈ガス流路３１を介して希釈ボックス１１に導入するようにしてもよい。
【００３９】
また、電子制御装置３０は、燃料電池システム１００の起動時にパージ弁２２を開いて水素ガスを排出する場合には、供給空気量の前記増量制御の実施と同時に、パージ弁２２から排出される水素ガスの排出量を低減するようにパージ弁の開度制御を行う。これにより、パージ弁２２から排出される水素ガスを、希釈ボックス１１において許容水素濃度まで希釈することができる。
【００４０】
＜実施例２＞
次に、この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定方法と燃料電池システム１００の実施例２を図３の図面を参照して説明する。
実施例２では、前述したように、アノード圧力が最大負圧値から大気圧（あるいは大気圧から所定範囲内の圧力）と平衡となるまでの時間が閾値以下である場合に、燃料電池１においてクロスリークが生じていると判定する。
【００４１】
この実施例２の燃料電池システム１００が実施例１の燃料電池システム１００と相違する点は、電子制御装置５０の構成にある。その他の構成は実施例１と同じであるので、該その他の構成については図１を援用して説明を省略する。
図３は、実施例２における電子制御装置５０の構成図である。実施例２の電子制御装置５０は、実施例１の電子制御装置５０の構成に加えて、負圧維持時間計測部（負圧維持時間計測手段）５６をさらに有している。
タイマー５１、圧力把握部５２、最大負圧値検出部５３、起動時空気供給量算出部５５については、実施例１の電子制御装置５０におけるものと同じであるので説明を省略する。
【００４２】
負圧維持時間計測部５６は、最大負圧値検出部５３が最大負圧値を検出してから、アノード圧力の大気圧に対する負圧値が、大気圧あるいは大気圧から所定範囲内の圧力と等圧となるまでの時間である負圧維持時間を計測する。詳述すると、最大負圧値検出部５３が最大負圧値を検出した後も、タイマー５１によるＲＴＣ起動時に、圧力把握手段５２で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、この負圧値と大気圧との差圧が所定の閾値以下となるまでアノード圧力の負圧値を求め続ける。ここで、大気圧との差圧が所定の閾値となるアノード圧力の負圧値とは、負圧維持時間の判断に利用できる大気圧付近の圧力である。そして、負圧維持時間計測部５６は、最大負圧値検出部５３が最大負圧値を検出してから、アノード圧力の負圧値と大気圧との差圧が前記閾値以下となるまでに要した時間、すなわち負圧維持時間を計測する。
【００４３】
クロスリーク判定部５４は、負圧維持時間計測部５６により計測された負圧維持時間が閾値以下である場合に、燃料電池１にクロスリークが生じていると判定し、負圧維持時間計測部５６により計測された負圧維持時間が前記閾値を越える場合には、燃料電池１にクロスリークが生じていないと判定する。
【００４４】
つまり、この実施例２では、燃料電池１を停止している間はアノード３に通じる流路を封止しておき、燃料電池１の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、アノード圧力が最大負圧値となったときから、アノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測し、この負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池１がクロスリークしていると判定する。
【００４５】
この実施例２の燃料電池システム１００および燃料電池のクロスリーク判定方法によれば、燃料電池システム１００の停止中のＲＴＣ起動によりクロスリーク判定を行うので、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００４６】
図４は、実施例１および実施例２における燃料電池システム１００の停止から起動までのフローチャートである。
スタートスイッチ３５のオフ信号により燃料電池システム１００が停止されると、ＲＴＣ制御が開始され（ステップＳ１０１）、タイマー５１が所定時間を計時する毎に、前述したクロスリーク判定処理が実行される（ステップＳ１０２）。
次に、起動時に供給空気量を増量する必要があるか否かの起動時供給空気量増加判定処理を行い、供給空気量の増量が必要な場合には増加量を算出する（ステップＳ１０３）。すなわち、クロスリークありと判断された場合には、燃料電池システム１００の起動時に供給空気量を増量する必要があるので、増加量を算出し、クロスリークなしと判断された場合には、燃料電池システム１００の起動時に供給空気量を増量する必要はないので、増加量を算出しない。
【００４７】
次に、ステップＳ１０４において、燃料電池システム１００が停止中か否かを判定し、停止中である場合にはステップＳ１０１に戻る。
一方、燃料電池システム１００が停止中でない場合には、燃料電池システム１００が起動開始となり（ステップＳ１０５）、燃料電池１のアノード３側に封止されていた水素ガスの排出に対して、空気供給による希釈処理を行う（ステップＳ１０６）。この希釈処理において、ステップＳ１０３において供給空気の増加量が算出されている場合には、その増加量による供給空気で希釈処理を実行する。
希釈処理の終了後、燃料電池１における発電を開始する（ステップＳ１０７）。
【００４８】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、アノード圧力を求める際に、アノード圧力センサ３３で検出されたアノード圧力に対して、温度センサ３４で検出された温度に基づき温度補正をしてアノード圧力を求めるようにすると、クロスリークの判定精度をさらに高めることができる。
また、前述した各実施例では、アノード圧力センサ３３で検出されたアノード圧力から負圧値を求めているが、アノード圧の負圧値を直接検出するアノード圧力測定手段（例えば真空計）を用いてもよい。
また、燃料電池システムの停止後に燃料電池のカソード側の圧力（以下、カソード圧力という）が負圧になる場合には、前述した各実施例においてアノード圧力に代えてカソード圧力を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
７ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
８ 空気供給流路（酸化剤ガス供給手段）
１５ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
１６ 水素ガス供給流路（燃料ガス供給手段）
２０ エゼクタ（燃料ガス供給手段）
２１ アノードオフガス流路（燃料ガス供給手段）
１８ 遮断弁（封止手段）
２２ パージ弁（封止手段）
３３ アノード圧力センサ（アノード圧力測定手段）
５０ 電子制御装置（制御部）
５１ タイマー
５２ 圧力把握部（圧力把握手段）
５３ 最大負圧値検出部（最大負圧値検出手段）
５４ クロスリーク判定部（クロスリーク判定手段）
５５ 起動時空気供給量算出部（起動時酸化剤ガス供給量算出手段）
５６ 負圧維持時間計測部（負圧維持時間計測手段）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のクロスリーク判定方法と、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を有し、アノードに水素（燃料ガス）が供給され、カソードに酸素（酸化剤ガス）を含む空気が供給されて発電をする燃料電池では、固体高分子電解質膜が破損してピンホール等が生じると、水素や空気がこうした破損箇所を通って固体高分子電解質膜を透過し（以下、膜破損によるリークをクロスリークという）、燃料電池の発電性能を低下させるので好ましくない。よって、固体高分子電解質膜の破損を検知することは、燃料電池の管理上、極めて重要である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、前記クロスリークを判定する方法として、燃料電池システムの低負荷時に燃料電池システム中の蓄電手段から補機等への電力供給を行い燃料電池の発電を一時休止させる間欠運転中、燃料電池の劣化を抑制する電流掃引が実施されている場合に、該電流掃引による消費水素に基づき燃料電池のアノードにおける水素圧力を補正し、補正後の水素圧力に基づいて、その圧力降下によりクロスリークの判定を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１７２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電流掃引に要する時間は極めて短時間であり、アノードの圧力降下時間も短いため、圧力降下を正確に検知することが困難で、その結果、判定精度が低く、誤判定をする場合があった。
【０００６】
そこで、この発明は、判定精度が高い燃料電池のクロスリーク判定方法と、このクロスリーク判定方法の実施に直接使用する燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定方法と燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、
アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、後述する実施例における水素タンク１５等）と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７等）と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段（例えば、後述する実施例における遮断弁１８、パージ弁２２）と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段（例えば、後述する実施例におけるアノード圧力センサ３３）と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備える燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１００）であって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマー（例えば、後述する実施例におけるタイマー５１）と、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段（例えば、後述する実施例における圧力把握部５２）と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段（例えば、後述する実施例における最大負圧値検出部５３）と、
前記最大負圧値検出手段で求めた最大負圧値の絶対値が閾値よりも小さい場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段（例えば、後述する実施例におけるクロスリーク判定部５４）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、
アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、後述する実施例における水素タンク１５等）と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７等）と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段（例えば、後述する実施例における遮断弁１８、パージ弁２２）と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段（例えば、後述する実施例におけるアノード圧力センサ３３）と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備える燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１００）であって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマー（例えば、後述する実施例におけるタイマー５１）と、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段（例えば、後述する実施例における圧力把握部５２）と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段（例えば、後述する実施例における最大負圧値検出部５３）と、
前記最大負圧値検出手段が前記最大負圧値を検出してから、前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測する負圧維持時間計測手段（例えば、後述する実施例における負圧維持時間計測部５６）と、
前記負圧維持時間計測手段により計測された負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段（例えば、後述する実施例におけるクロスリーク判定部５４）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記制御部は、前記最大負圧値検出手段により検出された最大負圧値に基づいて、燃料電池における燃料ガスのクロスリーク量を推定し、該クロスリーク量が多いほど該燃料電池システム起動時の酸化剤ガスの供給量を多くするように酸化剤ガス供給量を算出する起動時酸化剤ガス供給量算出手段（例えば、後述する実施例における起動時空気供給量算出部５６）を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に前記燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法である。
【００１１】
請求項５に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施例におけるアノード３）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施例におけるカソード４）に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
前記アノード圧力が最大負圧値となったときから、前記アノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測し、
この負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池システムの停止中に所定時間毎に燃料電池システムを一時的に起動してクロスリーク判定を行うので、燃料電池システムの消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定の精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池システムの停止中に所定時間毎に燃料電池システムを一時的に起動してクロスリーク判定を行うので、燃料電池システムの消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定の精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池にクロスリークが生じている場合にも、燃料電池システムの起動時に排出されるガス中の燃料ガス濃度を許容範囲内に収めることができる。また、希釈用の酸化剤ガスの過剰供給を防止することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の停止中に所定時間毎にアノード圧力を測定しクロスリーク判定を行うので、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができ、その結果、クロスリーク判定の精度を高めることができ、誤判定をなくすことができる。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の停止中に所定時間毎にアノード圧力を測定しクロスリーク判定を行うので、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができ、その結果、クロスリーク判定の精度を高めることができ、誤判定をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例１における概略構成図である。
【図２】この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定の原理を説明する図である。
【図３】この発明に係る燃料電池システムの実施例２における電子制御装置の構成図である。
【図４】実施例１および実施例２における燃料電池システムの停止から起動までのフローチャートである
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定方法と、このクロスリーク判定方法の実施に直接使用する燃料電池システムの実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様であり、燃料電池車両は、燃料電池システムの燃料電池で発電した電気で走行用駆動モータを駆動し走行する。
【００１９】
＜実施例１＞
図１は、実施例１における燃料電池システム１００の概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図示の都合上、図１では単セルのみ示す）、アノード３に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード４に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電をする。
【００２０】
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１内の酸化剤流通路６に導入され、各セルのカソード４に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１から空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈ボックス１１へ排出される。この実施例１において、コンプレッサ７、空気供給流路８は、酸化剤ガス供給手段を構成する。
【００２１】
一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１６を介して燃料電池１内の燃料流通路５に導入され、各セルのアノード３に供給される。水素ガス供給流路１６には、上流側から順に、ガス供給弁１７、遮断弁１８、レギュレータ１９、エゼクタ２０が設けられており、水素タンク１５から供給された水素ガスはレギュレータ１９によって所定圧力に減圧されて燃料電池１の燃料流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２１を通ってエゼクタ２０に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１の燃料流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２１、およびエゼクタ２０よりも下流の水素ガス供給流路１６を通って、燃料電池１を循環する。この実施例１において、水素タンク１５、水素ガス供給流路１６、エゼクタ２０、アノードオフガス流路２１は、燃料ガス供給手段を構成する。
【００２２】
エゼクタ２０よりも下流の水素ガス供給流路１６には、燃料電池１のアノード３に供給される水素ガスの圧力を検出するためのアノード圧力センサ（アノード圧力測定手段）３３と、該水素ガスの温度を検出するための温度センサ３４が設けられており、アノード圧力センサ３３と温度センサ３４は、それぞれ検出値に応じた電気信号を電子制御装置５０に出力する。なお、アノード圧力センサ３３で検出される水素ガスの圧力は、燃料電池１のアノード３における水素ガス圧力と殆ど同圧であり、この実施例１ではアノード圧力センサ３３によってアノード圧力を検知している。
【００２３】
また、アノードオフガス流路２１からは、パージ弁２２を備えたパージ流路２３が分岐し、希釈ボックス１１に接続されている。
パージ弁２２は、燃料電池１の発電時において、通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いて、アノードオフガス中に含まれる不純物をアノードオフガスとともに希釈ボックス１１へ排出する。
また、希釈ボックス１１には空気供給流路８から分岐した希釈ガス流路３１が接続されている。希釈ガス流路３１に設けられた開閉弁３２は、燃料電池１を通さずに希釈ガス（空気）を希釈ボックス１１に供給する場合に開かれる。
【００２４】
そして、パージ流路２３を介して希釈ボックス１１に排出されたアノードオフガスは、空気排出流路９または希釈ガス流路３１を介して希釈ボックス１１に流入する空気によって希釈され、希釈されたガスが希釈ボックス１１から排気管３３を介して大気に排出される。
【００２５】
電子制御装置（制御部）５０は、スタートスイッチ３５から入力したオン・オフ信号に基づいて燃料電池システム１００の起動・停止を制御し、燃料電池１の出力制御等、制御内容に応じて、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、ガス供給弁１７、遮断弁１８、パージ弁２２、開閉弁３２等を制御する。なお、図１ではこれらの制御信号線を省略している。
【００２６】
この燃料電池システム１００では、電子制御装置５０は、燃料電池システム１００の停止時に遮断弁１８とパージ弁２２を閉じる制御を行い、アノード系の流路を封止して、燃料電池１のアノード３側に所定圧力の水素ガスを封じ込めた状態にする。なお、カソード系の流路については、燃料電池システム停止によりコンプレッサ７が停止されるが、特に封止することはなく、コンプレッサ７を介して大気開放の状態とする。この実施例１において、遮断弁１８とパージ弁２２は封止手段を構成する。
【００２７】
また、この燃料電池システム１００では、電子制御装置５０が、燃料電池システム１００の停止後に自動的に、燃料電池１の固体高分子電解質膜２の破損により水素ガスがクロスリークしているか否かの判定（以下、クロスリーク判定と略す）を行う。
【００２８】
ここで、クロスリーク判定の原理を図２の図面を参照して説明する。
図２は燃料電池システム停止時にアノード系の流路を封止した状態でシステム停止状態を保持したときに、燃料電池１のアノード３におけるアノード圧力が時間経過とともにどの様に変化するかを調べた実験結果である。
燃料電池１の固体高分子電解質膜２は、破損していない正常な状態においても、微量ながらガスが透過することが知られている。以下、正常な固体高分子電解質膜におけるガスの透過をクロスオーバーと称し、膜破損に起因するクロスリークと区別する。また、固体高分子電解質膜２は、空気よりも水素ガスの方が透過し易いことも知られている。
【００２９】
この固体高分子電解質膜２の特性により、燃料電池システム停止時のアノード圧力を大気圧よりも若干高くしてアノード系の流路を封止しておいても、燃料電池１の固体高分子電解質膜２が正常な場合には、初めにアノード３側の水素ガスが固体高分子電解質膜２をクロスオーバーしてカソード４側へ移動するため、アノード圧力が時間経過にしたがって徐々に低下していき、大気圧よりも低い負圧値まで下がっていく。このように負圧値となるのは、水素ガスの膜透過性が良いことによる。そして、ある程度まで水素のクロスオーバーが進行してアノード３側が最大負圧値に達すると、今度はカソード４側の空気が固体高分子電解質膜２をクロスオーバーしてアノード３側へ移動していくようになり、その結果、アノード圧力は徐々に上昇し、最終的にカソード４側の圧力、すなわち大気圧と平衡となる。
【００３０】
これに対して、固体高分子電解質膜２の破損によりクロスリークが生じているときには、燃料電池システム停止時におけるアノード圧力値が同じであっても、水素ガスのクロスオーバーによってアノード３側に生じる負圧状態を、破損部分があるために保持することができなくなり、アノード圧力の最大負圧値が小さくなり（最大負圧値の絶対値が小さくなり）、その後、直ぐに大気圧に近づいき大気圧と平衡となる。また、クロスリークが生じていると、カソード４側への水素ガスの移動量が多くなる。
【００３１】
そして、クロスリークの程度の異なる固体高分子電解質膜２に対して上記実験を多数行った結果、クロスリークが大きいほど、アノード圧力の最大負圧値の絶対値が小さくなること（換言すると、大気圧に近くなること）、および、アノード圧力が最大負圧値から大気圧と平衡となるまでの時間が短くなることが判明した。また、クロスリークの程度（固体高分子電解質膜２の破損程度）が大きいほど、カソード４側への水素ガスの移動量が大きいことが判明した。
そこで、アノード圧力の最大負圧値の絶対値が閾値以下である場合には燃料電池１においてクロスリークが生じていると判定する（実施例１）。あるいは、アノード圧力が最大負圧値から大気圧（あるいは大気圧から所定範囲内の圧力）と平衡となるまでの時間が閾値以下である場合には、燃料電池１においてクロスリークが生じていると判定する（後述する実施例２）。
【００３２】
このクロスリーク判定を行うために、実施例１の電子制御装置５０は、タイマー５１と、圧力把握部（圧力把握手段）５２と、最大負圧値検出部（最大負圧値検出手段）５３と、クロスリーク判定部（クロスリーク判定手段）５４とを備えている。
タイマー５１は、燃料電池システム１００の停止中に所定時間毎に燃料電池システム１００の一部を一時的に起動させるためのタイマーであり、燃料電池システム１００の停止中、電子制御装置５０のタイマー５１だけは作動している。このように、燃料電池システム１００の停止中に所定時間毎に一時的に燃料電池システム１００の一部を起動させる制御をＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）制御と称す。
【００３３】
圧力把握手段５２は、前記タイマー５１のタイムアップにより燃料電池システム１００のを一部を一時的に起動させたときに、アノード圧力センサ３３により検出したアノード圧力を取り込む。
最大負圧値検出部５３は、圧力把握手段５２で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、所定時間毎に求められたアノード圧力の負圧値から最大負圧値を求める。詳述すると、最大負圧値検出部５３は、圧力把握手段５２に取り込まれたアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、この負圧値（以下、今回負圧値という）と、前回のＲＴＣ制御において最大負圧値検出部５３が求めた負圧値（以下、前回負圧値という）とを比較し、今回負圧値の絶対値が前回負圧値の絶対値よりも大きい場合には、今回負圧値を前回負圧値に置き換えて記憶し、今回負圧値の絶対値が前回負圧値の絶対値よりも小さい場合には、前回負圧値を最大負圧値として判定する。
【００３４】
クロスリーク判定部５４は、最大負圧値検出部５３で求めた最大負圧値の絶対値が閾値よりも小さい場合に、燃料電池２が固体高分子電解質膜２の破損によりクロスリークしていると判定し、最大負圧値検出部５３で求めた最大負圧値の絶対値が前記閾値以上の場合には、燃料電池１はクロスリークしていないと判定する。
【００３５】
つまり、この実施例１では、燃料電池１を停止している間はアノード３に通じる流路を封止しておき、燃料電池１の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に燃料電池１がクロスリークしていると判定する。
【００３６】
この実施例１の燃料電池システム１００および燃料電池のクロスリーク判定方法によれば、燃料電池システム１００の停止中のＲＴＣ起動によりクロスリーク判定を行うので、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００３７】
そして、電子制御装置５０は、クロスリーク判定部５４がクロスリークであると判定した場合には、燃料電池システム１００の起動前に図示しない警報手段により警報を発する。なお、クロスリーク判定部５４によりクロスリークであると判定された回数が所定回数となったときに、初めて警報を発するようにしてもよい。
また、電子制御装置５０は、起動時空気供給量算出部（起動時酸化剤ガス供給量算出手段）５５を備えている。起動時空気供給量算出部５５は、クロスリーク判定部５４がクロスリークであると判定した場合には、最大負圧値検出部５３により検出された最大負圧値に基づいてアノード３側からカソード４側へクロスリークした水素ガス量を、予め求めておいたマップ等を参照して推定し、推定されたクロスリーク量が多いほど燃料電池システム１００の起動時における供給空気量が多くなるように、燃料電池システム起動時の供給空気量を算出する。
【００３８】
そして、電子制御装置３０は、クロスリーク判定部５４によって燃料電池１がクロスリークしていると判定された後の燃料電池システム起動時に、起動時空気供給量算出部５５で算出された空気量の供給空気が燃料電池１のカソード４に供給されるように、コンプレッサ７を制御する。これにより、カソード４側にクロスリークした水素を、正常時よりも多量に供給される供給空気によって、希釈ボックス１１において許容水素濃度まで希釈することができ、且つ、希釈用の空気の過剰供給を防止することができる。なお、この場合、希釈ガス流路３１の開閉弁３２を開き、供給空気の増量分を希釈ガス流路３１を介して希釈ボックス１１に導入するようにしてもよい。
【００３９】
また、電子制御装置３０は、燃料電池システム１００の起動時にパージ弁２２を開いて水素ガスを排出する場合には、供給空気量の前記増量制御の実施と同時に、パージ弁２２から排出される水素ガスの排出量を低減するようにパージ弁の開度制御を行う。これにより、パージ弁２２から排出される水素ガスを、希釈ボックス１１において許容水素濃度まで希釈することができる。
【００４０】
＜実施例２＞
次に、この発明に係る燃料電池のクロスリーク判定方法と燃料電池システム１００の実施例２を図３の図面を参照して説明する。
実施例２では、前述したように、アノード圧力が最大負圧値から大気圧（あるいは大気圧から所定範囲内の圧力）と平衡となるまでの時間が閾値以下である場合に、燃料電池１においてクロスリークが生じていると判定する。
【００４１】
この実施例２の燃料電池システム１００が実施例１の燃料電池システム１００と相違する点は、電子制御装置５０の構成にある。その他の構成は実施例１と同じであるので、該その他の構成については図１を援用して説明を省略する。
図３は、実施例２における電子制御装置５０の構成図である。実施例２の電子制御装置５０は、実施例１の電子制御装置５０の構成に加えて、負圧維持時間計測部（負圧維持時間計測手段）５６をさらに有している。
タイマー５１、圧力把握部５２、最大負圧値検出部５３、起動時空気供給量算出部５５については、実施例１の電子制御装置５０におけるものと同じであるので説明を省略する。
【００４２】
負圧維持時間計測部５６は、最大負圧値検出部５３が最大負圧値を検出してから、アノード圧力の大気圧に対する負圧値が、大気圧あるいは大気圧から所定範囲内の圧力と等圧となるまでの時間である負圧維持時間を計測する。詳述すると、最大負圧値検出部５３が最大負圧値を検出した後も、タイマー５１によるＲＴＣ起動時に、圧力把握手段５２で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、この負圧値と大気圧との差圧が所定の閾値以下となるまでアノード圧力の負圧値を求め続ける。ここで、大気圧との差圧が所定の閾値となるアノード圧力の負圧値とは、負圧維持時間の判断に利用できる大気圧付近の圧力である。そして、負圧維持時間計測部５６は、最大負圧値検出部５３が最大負圧値を検出してから、アノード圧力の負圧値と大気圧との差圧が前記閾値以下となるまでに要した時間、すなわち負圧維持時間を計測する。
【００４３】
クロスリーク判定部５４は、負圧維持時間計測部５６により計測された負圧維持時間が閾値以下である場合に、燃料電池１にクロスリークが生じていると判定し、負圧維持時間計測部５６により計測された負圧維持時間が前記閾値を越える場合には、燃料電池１にクロスリークが生じていないと判定する。
【００４４】
つまり、この実施例２では、燃料電池１を停止している間はアノード３に通じる流路を封止しておき、燃料電池１の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、アノード圧力が最大負圧値となったときから、アノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測し、この負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池１がクロスリークしていると判定する。
【００４５】
この実施例２の燃料電池システム１００および燃料電池のクロスリーク判定方法によれば、燃料電池システム１００の停止中のＲＴＣ起動によりクロスリーク判定を行うので、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。また、外乱がない状態でアノード圧力を検出することができるので、クロスリーク判定精度が高く、誤判定をなくすことができる。
【００４６】
図４は、実施例１および実施例２における燃料電池システム１００の停止から起動までのフローチャートである。
スタートスイッチ３５のオフ信号により燃料電池システム１００が停止されると、ＲＴＣ制御が開始され（ステップＳ１０１）、タイマー５１が所定時間を計時する毎に、前述したクロスリーク判定処理が実行される（ステップＳ１０２）。
次に、起動時に供給空気量を増量する必要があるか否かの起動時供給空気量増加判定処理を行い、供給空気量の増量が必要な場合には増加量を算出する（ステップＳ１０３）。すなわち、クロスリークありと判断された場合には、燃料電池システム１００の起動時に供給空気量を増量する必要があるので、増加量を算出し、クロスリークなしと判断された場合には、燃料電池システム１００の起動時に供給空気量を増量する必要はないので、増加量を算出しない。
【００４７】
次に、ステップＳ１０４において、燃料電池システム１００が停止中か否かを判定し、停止中である場合にはステップＳ１０１に戻る。
一方、燃料電池システム１００が停止中でない場合には、燃料電池システム１００が起動開始となり（ステップＳ１０５）、燃料電池１のアノード３側に封止されていた水素ガスの排出に対して、空気供給による希釈処理を行う（ステップＳ１０６）。この希釈処理において、ステップＳ１０３において供給空気の増加量が算出されている場合には、その増加量による供給空気で希釈処理を実行する。
希釈処理の終了後、燃料電池１における発電を開始する（ステップＳ１０７）。
【００４８】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、アノード圧力を求める際に、アノード圧力センサ３３で検出されたアノード圧力に対して、温度センサ３４で検出された温度に基づき温度補正をしてアノード圧力を求めるようにすると、クロスリークの判定精度をさらに高めることができる。
また、前述した各実施例では、アノード圧力センサ３３で検出されたアノード圧力から負圧値を求めているが、アノード圧の負圧値を直接検出するアノード圧力測定手段（例えば真空計）を用いてもよい。
また、燃料電池システムの停止後に燃料電池のカソード側の圧力（以下、カソード圧力という）が負圧になる場合には、前述した各実施例においてアノード圧力に代えてカソード圧力を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
７ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
８ 空気供給流路（酸化剤ガス供給手段）
１５ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
１６ 水素ガス供給流路（燃料ガス供給手段）
２０ エゼクタ（燃料ガス供給手段）
２１ アノードオフガス流路（燃料ガス供給手段）
１８ 遮断弁（封止手段）
２２ パージ弁（封止手段）
３３ アノード圧力センサ（アノード圧力測定手段）
５０ 電子制御装置（制御部）
５１ タイマー
５２ 圧力把握部（圧力把握手段）
５３ 最大負圧値検出部（最大負圧値検出手段）
５４ クロスリーク判定部（クロスリーク判定手段）
５５ 起動時空気供給量算出部（起動時酸化剤ガス供給量算出手段）
５６ 負圧維持時間計測部（負圧維持時間計測手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマーと、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段と、
前記最大負圧値検出手段で求めた最大負圧値の絶対値が閾値よりも小さい場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマーと、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段と、
前記最大負圧値検出手段が前記最大負圧値を検出してから、前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測する負圧維持時間計測手段と、
前記負圧維持時間計測手段により計測された負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記最大負圧値検出手段により検出された最大負圧値に基づいて、燃料電池における燃料ガスのクロスリーク量を推定し、該クロスリーク量が多いほど該燃料電池システム起動時の酸化剤ガスの供給量を多くするように酸化剤ガス供給量を算出する起動時酸化剤ガス供給量算出手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に前記燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法。
【請求項５】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
前記アノード圧力が最大負圧値となったときから、前記アノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測し、
この負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法。
【請求項１】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマーと、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段と、
前記最大負圧値検出手段で求めた最大負圧値の絶対値が閾値よりも小さい場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノードに通じる流路を封止する封止手段と、
前記封止手段により封止されたアノード系内のアノード圧力を測定するアノード圧力測定手段と、
システム停止中は燃料ガスが流通不可となるように前記封止手段を封止制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
該燃料電池システムの停止後に所定時間毎に該燃料電池システムの一部を一時的に起動させるタイマーと、
前記タイマーによる起動時に前記アノード圧力測定手段を用いてアノード圧力を把握する圧力把握手段と、
前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、前記所定時間毎に求められた前記負圧値から最大負圧値を求める最大負圧値検出手段と、
前記最大負圧値検出手段が前記最大負圧値を検出してから、前記圧力把握手段で把握したアノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測する負圧維持時間計測手段と、
前記負圧維持時間計測手段により計測された負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定するクロスリーク判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記最大負圧値検出手段により検出された最大負圧値に基づいて、燃料電池における燃料ガスのクロスリーク量を推定し、該クロスリーク量が多いほど該燃料電池システム起動時の酸化剤ガスの供給量を多くするように酸化剤ガス供給量を算出する起動時酸化剤ガス供給量算出手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
この最大負圧値の絶対値が閾値より小さい場合に前記燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法。
【請求項５】
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池のクロスリークを判定する方法であって、
前記燃料電池を停止している間は前記アノードに通じる流路を封止しておき、
前記燃料電池の停止後に所定時間毎に、封止されたアノード系内のアノード圧力を測定し、該アノード圧力の大気圧に対する負圧値を求め、
さらに、前記所定時間毎に求めた前記負圧値から最大負圧値を求め、
前記アノード圧力が最大負圧値となったときから、前記アノード圧力の大気圧に対する負圧値が大気圧から所定の範囲内に入ったときまでの時間である負圧維持時間を計測し、
この負圧維持時間が閾値以下である場合に燃料電池がクロスリークしていると判定することを特徴とする燃料電池のクロスリーク判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１３３９９７（Ｐ２０１２−１３３９９７Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８４９０８（Ｐ２０１０−２８４９０８）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]