JP2012209154A - 燃料電池システムを制御する制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の燃料ガス濃度センサによりクロスリークを精度よく検出することが可能な燃料電池システムを制御する制御装置を提供する。
【解決手段】燃料電池２０のカソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モード中に、換言すれば、カソードからアノードにクロスリークした水素がカソードで燃焼されにくい状況下で、カソード排ガス中の水素濃度Ｄｈを検出するようにしたので、僅かなリークでもカソード排気中の水素濃度Ｄｈが上昇しやすくなる結果、単一の水素濃度センサ７５により水素のクロスリークを精度よく検出することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムを制御する制御装置に関し、特に、アノードに供給された燃料ガスの一部がカソード側に透過するクロスリークを好適に検出する燃料電池システムを制御する制御装置に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。

上記のように、燃料電池では、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸化剤ガスとは、電解質膜によって分離されているが、一部の燃料ガスはアノード側からカソード側に透過し、一部の酸化剤ガスは、逆にカソード側からアノード側に電解質膜を透過している。

電解質を透過するガスの量、すなわちクロスリーク量は、電解質膜の劣化が進むにつれて増大し、燃料電池の発電性能が低下してしまう。

したがって、燃料電池においては、クロスリーク量を把握しておくことが重要である。

そこで、例えば、特許文献１に開示される燃料電池システムは、燃料電池のカソードオフガスの流れ方向に沿ってカソードオフガスの配管中に直列に第１及び第２の２つの水素濃度センサを設置し、第１の水素濃度センサによる検出濃度が所定濃度になったときから第２の水素濃度センサによる検出濃度が前記所定濃度になるまでの遅延時間を測定し、遅延時間が短い程、カソードオフガス配管中の水素濃度が高いと判定している。すなわち、電解質膜の劣化度合い、すなわちクロスリークが大きいと判定している。

特開２００５−１５０００７号公報（図１、［００１５］、［００２０］〜［００２３］）

しかしながら、特許文献１に係る技術では、クロスリークを検出するために複数の水素濃度センサを設置しておく必要があるため、コストが上昇するとともに、燃料電池システムが複雑な構成になるという問題がある。

この発明はこの種の課題を考慮してなされたものであり、単一の燃料ガス濃度センサによりクロスリークを精度よく検出することが可能な燃料電池システムを制御する制御装置を提供することを目的とする。

この発明は、カソード側に供給される酸化剤ガスとアノード側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記カソードから排出されるカソード排ガス中の前記燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、を備える燃料電池システムを制御する制御装置において、前記制御装置は、前記燃料電池の前記カソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モードを備え、前記酸素リーン発電モード中に前記燃料ガス濃度センサにより検出される前記燃料ガスの濃度が、予め定められる閾値以上の場合に、前記燃料電池にクロスリークが発生していると判定するクロスリーク判定手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料電池の前記カソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モード中に、換言すれば、カソードからアノードにクロスリークした水素がカソードで燃焼されにくい状況下で、カソード排ガス中の水素濃度を検出するようにしたので、僅かなリークでもカソード排気中の水素濃度が上昇しやすくなる結果、単一の水素濃度センサにより水素のクロスリークを精度よく検出することができる。

この場合、前記酸素リーン発電モードは、前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止する停止時発電モードを備え、前記クロスリーク判定手段は、前記停止時発電モードで前記停止時発電処理が実施されているとき、前記燃料ガス濃度センサにより検出される前記燃料ガスの濃度に基づきクロスリークが発生しているか否かを判定することを特徴とする。

停止時発電処理を行うことによりカソード側が窒素ガスで充満して劣化が防止されるが、この劣化防止処理中にカソード中の水素ガス、すなわちクロスリークガスの濃度を併せて検出することができるので効率的である。

なお、前記燃料電池の前記カソード中の触媒は、Ｐｔ触媒、又はＰｔ−Ｃｏ触媒であることを特徴とする。カソード中のＰｔ触媒、又はＰｔ−Ｃｏ触媒は、水素を酸素と反応させて燃焼させる燃焼触媒としても機能するため、カソードガス中に十分な酸素が含まれている通常発電中は、クロスリークした水素はカソード触媒上で酸素と反応して燃焼してしまう。このときには、カソードオフガス中の水素濃度はほとんど上昇せず、水素濃度からクロスリークの発生を判定することができない。

この発明では、燃料電池のカソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モード中に、換言すれば、カソードからアノードにクロスリークした水素がカソードで燃焼されにくい状況下で、カソード排ガス中の水素濃度を検出するようにしたので、僅かなリークでもカソード排気中の水素濃度が上昇しやすくなる結果、単一の水素濃度センサにより水素のクロスリークを精度よく検出することができる。

この発明の実施形態に係る制御装置により制御される燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。 燃料電池システムの運転停止時の動作説明に供されるタイミングチャートである。 酸素リーン発電処理（停止時発電処理）の模式的説明図である。 クロスリーク検出の測定タイミングの説明に供されるフローチャートである。 クロスリーク検出の測定タイミングの説明に供されるタイミングチャートである。

図１に示すように、この発明の実施形態に係る制御装置（制御部）としてのコントローラ１８により制御される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池スタック１２に接続自由なバッテリ（蓄電装置）１７と、燃料電池システム１０全体の制御を行う前記のコントローラ１８とを備える。

コントローラ１８は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、時計、計時部としてのタイマ１９等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池（セル又はセルペアともいう。）２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。ここでカソード中の触媒としては、Ｐｔ触媒（白金触媒）、又はＰｔ−Ｃｏ触媒（白金合金触媒）であることが好ましい。

電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。

燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう。）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう。）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設される。空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するためのバタフライ弁等の開度調整可能な背圧制御弁（単に、背圧弁ともいう。）５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）制御弁により構成されることが好ましい。空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留し開閉弁であるインタンク電磁弁６３が一体的に設けられた水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。

この水素供給流路６４には、開閉弁である遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。

希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続される。なお、排出流路７４には、水素濃度センサ７５が配設される。水素濃度センサ７５は、例えば、検出素子として酸化触媒（アルミナ担体にＰｄ−Ｐｔ酸化触媒を焼結）表面で可燃性ガス、ここでは水素ガスが燃焼する際の発熱量（燃焼反応熱）を利用し、水素濃度に比例して燃焼反応熱が増大することで前記検出素子の素子温度が上昇し抵抗値が増加する接触燃焼式ガスセンサが用いることができる。つまり、抵抗値が水素濃度に比例する水素濃度センサ７５を用いることができる。排出流路７４は、図示しない貯蔵バッファを経て大気に連通する。

コントローラ１８は、各種制御処理を実行するために、水素供給流路６４に設けられたアノード圧力Ｐａを検出する圧力センサ１０２、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に設けられたカソード圧力Ｐｋを検出する圧力センサ１０３、燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に設けられた水素温度Ｔｈを検出する温度センサ１０４、図示しない冷却媒体入口連通孔に設けられた冷媒温度Ｔｃを検出する温度センサ１０６、排出流路７４に設けられた水素濃度センサ７５、各燃料電池２０の電圧（セル電圧又はセルペア電圧という。）Ｖｃを検出する電圧センサ１０８、及び燃料電池スタック１２から流れ出る電流の電流値（負荷電流）Ｉｏを検出する電流センサ１１０の各信号を取り込み、後述するＦＣコンタクタ８６のオン（閉）オフ（開）、遮断弁６５等の弁の開閉及び開度制御、及びエアポンプ５０の流量（風量）の調整等のアクチュエータの制御等を行う。

図２に示すように、燃料電池スタック１２には、主電力線８０の一端が接続されるとともに、前記主電力線８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、主電力線８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記主電力線８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。

主電力線８０には、ＦＣコンタクタ（主電源開閉器、燃料電池スタック開閉器）８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。主電力線８０には、電力線８８の一端が接続され、電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンタクタ（蓄電装置開閉器）９２を介してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の通常運転時（通常発電時、又は通常発電処理時ともいう。）には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。

使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧制御弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。

一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、希釈ボックス６０内で空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ（図示せず）に排出される。

次に、燃料電池システム１０における燃料電池２０のクロスリーク（ここでは、アノードに供給された燃料ガスの一部が発電に消化されずに、電解質膜・電極構造体２８を通じてカソードに透過することをいう。）の検知を行う運転停止時の動作について、図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。

図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常発電運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフされると、コントローラ１８は、これを停止指令として検出し（時点ｔ１）、燃料電池システム１０の運転停止処理を開始する。

先ず、後述する酸素リーン発電処理（ディスチャージ処理、低酸素ストイキ発電処理、停止時発電処理、Ｏ２リーン処理、又はＯ２リーン発電処理ともいう。）後に、燃料電池スタック１２内の燃料ガス圧力（アノード圧力Ｐａ）が設定圧力に維持されるように、水素ガス（燃料ガス）の供給圧力が、予め、設定される。

酸素リーン発電処理時には、空気は、酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。

具体的には、低酸素ストイキは、値１前後に設定される。なお、酸素ストイキは、通常発電時には、１．２〜３．０の間に収まることが好ましい。一方、酸素リーン発電処理時に、水素ガスは、供給が停止される。アノード圧力Ｐａ１は、ディスチャージ完了時に、一定圧力Ｐａ２以上に維持されるように設定される。一定圧力Ｐａ２は、水素の不足や過剰が発生しない程度の圧力である。

図３に示すように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフにされると（時点ｔ１）、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５の開放作用下に燃料電池スタック１２に水素ガスが供給され、燃料電池スタック１２内の圧力がアノード圧力Ｐａ１まで上昇する（時点ｔ１〜ｔ２：昇圧処理）。

昇圧処理が終了すると（時点ｔ２）、インタンク電磁弁６３が閉じられ、インタンク電磁弁６３の故障検知処理に移行する。この故障検知処理では、インタンク電磁弁６３の直下流の圧力変化の有無により故障検知が行われる。圧力が低下した場合には、インタンク電磁弁６３が正常とされる。すなわち、正常に閉弁されたと判断する。

インタンク電磁弁６３の故障検知処理が終了すると（時点ｔ３）と、カソード掃気処理が行われる。このカソード掃気処理では、カソード側の水滴を含む液滴等を吹き飛ばすため、及び希釈ボックス６０に残留している水素を完全に希釈するための空気による（酸化剤ガス供給装置１４による）掃気処理が行われる。この際、高回転数［ｒｐｍ］に設定されるエアポンプ５０を駆動するのに不足する電力は補充される。

カソード掃気処理後には、背圧制御弁５８の開度制御が一旦停止されて開放されることで大気に連通し、カソード圧力ＰｋがＰｋ＝０［ｋＰａｇ：ｇはゲージ圧を意味する。］にされる状態が作られる（時点ｔ４〜ｔ５）。さらに、カソード掃気処理終了時点（時点ｔ４）で、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。そして、圧力センサ１０３の学習処理（０点補正）がなされる。

その後、時点ｔ５〜ｔ７において、背圧制御弁５８の開度を調整することで、圧力センサ１０３により検出されるカソード圧力Ｐｋが、低酸素ストイキに対応する所定の低圧力Ｐｋ１とされ、さらに、その低圧力Ｐｋ１での背圧制御弁５８の学習処理がなされる（時点ｔ５〜ｔ６）。以降、エアポンプ５０のオフ時点（時点ｔ７）まで、低圧力Ｐｋ１に制御される。

一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続されている（時点ｔ１〜ｔ７）。

背圧制御弁５８の学習処理（時点ｔ５〜ｔ６）後の酸素リーン発電処理では、燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンタクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。

上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が供給される一方、遮断弁６５の閉塞（時点ｔ３）により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。パージ弁７２も閉じられている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ（図３中、酸素リーン発電処理）される。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。

これにより、燃料電池スタック１２内では、酸素リーン発電処理（時点ｔ６〜ｔ７）の間にアノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力（アノード圧力Ｐａ）が所定の圧力Ｐａ２以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンタクタ９２がオフされる（時点ｔ７）。

このため、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される（時点ｔ７〜ｔ８）。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（図３中、Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、ＦＣコンタクタ８６がオフされる（時点ｔ８）。これにより燃料電池システム１０は、運転停止状態、いわゆるソーク状態となる。

上述したように、イグニッションスイッチがオフされると（時点ｔ１）、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２内のアノード圧力Ｐａがアノード圧力Ｐａ１まで上昇された後（時点ｔ２）、背圧制御弁５８、エアポンプ５０、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が操作されている。従って、燃料電池スタック１２では、この燃料電池スタック１２内に残存する水素ガスと低酸素ストイキの空気とにより発電が行われ、発電電力がバッテリ１７に供給されてディスチャージされている（時点ｔ２〜ｔ７）。

これにより、停止時発電処理を模式的に説明する図４に示すように、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素残量が低下して水素濃度が減少するとともに、カソード側では、低酸素ストイキであるので酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇している。

その上、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの供給圧力を、アノード圧力Ｐａ１まで上昇させている（時点ｔ２）。このため、燃料電池スタック１２内に適正な量の水素が充填された状態で、低酸素ストイキによる発電（酸素リーン発電処理）が良好に遂行され、ディスチャージ完了後に、燃料電池スタック１２内に過剰な水素ガスが残存したり、水素ガス不足が発生したりすることを、確実に阻止することができるという効果が得られる。

さらに、エアポンプ５０を停止することにより（時点ｔ７）、空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電されている（図３中、Ｄ/Ｖ ＤＣＨＧ）。

このため、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、燃料電池スタック１２内に止まるのに対し、エアポンプ５０を停止した後、燃料電池スタック１２の発電を行うと、燃料電池スタック１２の入口側まで窒素ガスによる置換範囲が拡大される。これにより、燃料電池システム１０のカソード側は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。

ここで、複数の水素濃度センサを設置することなく、クロスリークを検知する処理について、さらに、図５のフローチャート及び図６のタイムチャートを参照して詳しく説明する。

ステップＳ１において、発電停止指令を検出する。この発電停止指令には、燃料電池車両のイグニッションスイッチのオン状態からオフ状態への遷移の他、アイドリングストップ（アイドル停止）指令も含めてもよい。アイドリングストップ指令は、例えば、コントローラ１８により、イグニッションスイッチングがオン状態で、かつ燃料電池車両が数秒停止したことを検知したときに発せられる。

ステップＳ１の判断が肯定的となったとき、ステップＳ２ａにおいて遮断弁６５が閉じられるとともに、エアポンプ５０の回転数が極低流量エア供給（通常発電中の最低回転数での最低流量よりも低い回転数での流量）となるよう設定される（図３中、時点ｔ４〜ｔ７の回転数。）。さらに、ステップＳ２ｂにおいて、通常より低い酸素ストイキとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を通じてバッテリ１７に小さな充電電流（負荷電流）を供給するように設定する。

一般的に説明すると、図６に示すように、通常発電中と酸素リーン発電処理とを比較すると、停止指令（時点ｔｓｃ）が発生される前は、エアポンプ５０は、負荷に応じて、例えば、数万［ｒｐｍ］程度以下に設定され、酸素リーン発電中は、例えば、数十以上〜数千［ｒｐｍ］程度以下に設定される。負荷電流Ｉｏは、通常発電中は、要求に応じて、例えば、ゼロ以上〜千［Ａ］程度以下に設定され、酸素リーン発電中は、例えば、ゼロを超え〜数十［Ａ］程度以下に設定される。

排気される水素濃度Ｄｈは、通常発電中は、パージ弁７２を間欠的に開放することで水素濃度Ｄｈが変動するが、酸素リーン発電中は、数秒程度で安定するので、酸素リーン発電モードに入ってからクロスリーク判定のための水素濃度Ｄｈを検出までの時間は、１０秒程度から６０秒程度の間の時間に設定される。

そこで、ステップＳ３において、ステップＳ２で設定された酸素リーン発電モードでの経過時間（時点ｔｓｃからの経過時間）が規定時間（所定時間）Ｔｔｈ（時点ｔｓｃから時点ｔｍまでの時間）を経過したか否かがタイマ１９により判定される。規定時間Ｔｔｈは、予め車種毎に決められる。アイドリングストップ時と図３に示した停止処理時では異なる値に設定してもよい。通常、上述したように、１０秒程度から６０秒程度の時間に設定される。

次いで、ステップＳ４において、時点ｔｍ以降、時点ｔｓｔｏｐまでの時間の間に、水素濃度センサ７５により排出ガス中の水素濃度Ｄｈを検出し、この水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを上回る濃度であるか否かを判定する。水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを下回る濃度である場合には、ステップＳ５で正常と判断し、コントローラ１８のメモリ（点検表）に判断時と、水素濃度Ｄｈと、判断結果を記憶する。

その一方、ステップＳ４の判定において、水素濃度Ｄｈが閾値濃度Ｄｔｈを上回る濃度であった場合には、ステップＳ６において、クロスリークが発生しているとして、同様に、メモリ（点検表）に判断時と、水素濃度Ｄｈと、判断結果を記憶する。

［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態係るコントローラ１８（制御装置）は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池２０に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、を制御する。

コントローラ１８は、燃料電池２０の前記カソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モード（ステップＳ２ａ、Ｓ２ｂ）を備え、前記酸素リーン発電モード中に、燃料ガス濃度センサである水素濃度センサ７５により検出される水素濃度Ｄｈが、予め定められる閾値Ｄｔｈ以上の場合に、燃料電池２０にクロスリークが発生していると判定するクロスリーク判定手段（ステップＳ４）を備える。

このように、燃料電池２０の前記カソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モード中に、換言すれば、カソードからアノードにクロスリークした水素がカソードで燃焼されにくい状況下で、カソード排ガス中の水素濃度を検出するようにしたので、僅かなリークでもカソード排気中の水素濃度が上昇しやすくなる結果、単一の水素濃度センサ７５により水素のクロスリークを精度よく検出することができる。

この場合、前記酸素リーン発電モードは、燃料電池２０の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池２０に供給しながら、燃料電池２０を発電させる停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止する停止時発電モード（図３：時点ｔ６〜ｔ７、図６：時点ｔｓｃ〜ｔｓｔｏｐ）を備え、クロスリーク判定手段（ステップＳ４）は、前記停止時発電モードで前記停止時発電処理が実施されているとき、前記燃料ガス濃度センサにより検出される前記燃料ガスの濃度に基づきクロスリークが発生しているか否かを判定する。

停止時発電処理を行うことによりカソード側が窒素ガスで充満して劣化が防止されるが、この劣化防止処理中にカソード中の水素ガス、すなわちクロスリークガスの濃度を併せて検出することができるので効率的である。

なお、燃料電池２０の前記カソード中の触媒は、Ｐｔ触媒、又はＰｔ−Ｃｏ触媒としているが、カソード中のＰｔ触媒、又はＰｔ−Ｃｏ触媒は、水素を酸素と反応させて燃焼させる燃焼触媒としても機能するため、カソードガス中に十分な酸素が含まれている通常発電中は、クロスリークした水素はカソード触媒上で酸素と反応して燃焼してしまう。このときには、カソードオフガス中の水素濃度はほとんど上昇せず、水素濃度からクロスリークの発生を判定することができないが、アイドル停止中、あるいは発電停止直後に、カソードに極低流量のエアを供給する状態を作り出し、その際単一の水素濃度センサ７５により検出される排気水素の濃度Ｄｈの値によって、クロスリークを精度よく検知することができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採りうることができる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１７…バッテリ １８…コントローラ
１９…タイマ ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ５０…エアポンプ
５２…空気供給流路 ５４…加湿器
５６…空気排出流路 ５８…背圧制御弁
５９…排出弁 ６０…希釈ボックス
６２…水素タンク ６３…インタンク電磁弁
６４…水素供給流路 ６５…遮断弁
６６…エゼクタ ６８…水素循環路
７０…オフガス流路 ７２…パージ弁
７４…排出流路 ７５…水素濃度センサ
８６…ＦＣコンタクタ ９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…バッテリコンタクタ ９６…ダウンバータ
９８…１２Ｖ電源 １０２、１０３…圧力センサ
１０４、１０６…温度センサ １０８…電圧センサ
１１０…電流センサ

Claims (3)

1. カソード側に供給される酸化剤ガスとアノード側に供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記カソードから排出されるカソード排ガス中の前記燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度センサと、
   を備える燃料電池システムを制御する制御装置において、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の前記カソード中の酸素濃度がストイキ状態よりも希薄な状態で発電を行う酸素リーン発電モードを備え、
   前記酸素リーン発電モード中に前記燃料ガス濃度センサにより検出される前記燃料ガスの濃度が、予め定められる閾値以上の場合に、前記燃料電池にクロスリークが発生していると判定するクロスリーク判定手段を備える
   ことを特徴とする燃料電池システムを制御する制御装置。
2. 請求項１記載の燃料電池システムを制御する制御装置において、
   前記酸素リーン発電モードは、
   前記燃料電池の運転停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止する停止時発電モードを備え、
   前記クロスリーク判定手段は、
   前記停止時発電モードで前記停止時発電処理が実施されているとき、前記燃料ガス濃度センサにより検出される前記燃料ガスの濃度に基づきクロスリークが発生しているか否かを判定する
   ことを特徴とする燃料電池システムを制御する制御装置。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムを制御する制御装置において、
   前記燃料電池の前記カソード中の触媒は、Ｐｔ触媒、又はＰｔ−Ｃｏ触媒である
   ことを特徴とする燃料電池システムを制御する制御装置。

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