特許 7567860 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04664 20160101AFI20241008BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04791 20160101ALI20241008BHJP

   H01M 8/04828 20160101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04664

H01M8/04225

H01M8/04228

H01M8/04302

H01M8/04303

H01M8/04746

H01M8/0438

H01M8/04791

H01M8/04828

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022082927

(22)【出願日】2022-05-20

(65)【公開番号】P2023170859

(43)【公開日】2023-12-01

【審査請求日】2024-01-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】戸井田 政史

(72)【発明者】

【氏名】高橋 学

(72)【発明者】

【氏名】田野 裕

【審査官】橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２２７１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２７０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４９５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１２３４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１２８９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２２８６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７１７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０５９５７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
燃料タンクと、
前記燃料電池スタックと前記燃料タンクを繋いでいる燃料管と、
前記燃料管に配置されており、前記燃料タンクから前記燃料電池スタックのアノード極に供給される燃料ガスの流量を調整する燃料レギュレータと、
前記燃料管に配置されている燃料ストップバルブと、
前記燃料ストップバルブと前記燃料タンクの間で前記燃料管に取り付けられている燃料タンクバルブと、
前記燃料電池スタックのアノード極ガス出口からのガスの排出を止める排燃料バルブと、
コントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
前記燃料電池スタックの起動時または停止時に、
（１）前記燃料ストップバルブと前記燃料レギュレータを開き、
（２）前記燃料電池スタックのアノード内圧が所定の第１アノード圧になったら前記燃料ストップバルブと前記燃料レギュレータを閉め、
（３）所定時間後の前記アノード内圧が所定の第２アノード圧まで低下していたら燃料漏れ発生を示す信号を出力し、
前記コントローラは、さらに、
前記燃料電池スタックの停止時、前記（１）から前記（３）の処理を実行する前に、前記燃料タンクバルブと前記燃料ストップバルブと前記排燃料バルブを開いて前記アノード極に残った水を前記燃料電池スタックから排出し、
前記燃料ストップバルブと前記排燃料バルブを閉じ、前記燃料ストップバルブの上流側の前記燃料管の内圧が前記第１アノード圧を超えるアノード上限圧に達したら前記燃料タンクバルブを閉じる、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記コントローラは、前記燃料電池システムから排出される排ガスに含まれる燃料の濃度が所定の放出上限濃度を下回るように、前記排ガスに酸素含有のガスを混合する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

燃料電池スタックと、
燃料タンクと、
酸素タンクと、
前記燃料電池スタックと前記燃料タンクを繋いでいる燃料管と、
前記燃料電池スタックと前記酸素タンクを繋いでいる酸素管と、
前記燃料管に配置されており、前記燃料タンクから前記燃料電池スタックのアノード極に供給される燃料ガスの流量を調整する燃料レギュレータと、
前記酸素管に配置されており、前記酸素タンクから前記燃料電池スタックのカソード極に供給される酸素の流量を調整する酸素レギュレータと、
前記燃料管に配置されている燃料ストップバルブと、
前記酸素管に配置されている酸素ストップバルブと、
コントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
前記燃料電池スタックの起動時または停止時に、
（１）前記燃料ストップバルブと前記燃料レギュレータを開き、
（２）前記燃料電池スタックのアノード内圧が所定の第１アノード圧になったら前記燃料ストップバルブと前記燃料レギュレータを閉め、
（３）所定時間後の前記アノード内圧が所定の第２アノード圧まで低下していたら燃料漏れ発生を示す信号を出力し、
前記コントローラは、さらに、前記燃料電池スタックの起動時、前記（１）から前記（３）の処理を実行した後に、
（４）前記酸素ストップバルブと前記酸素レギュレータを開き、
（５）前記燃料電池スタックのカソード内圧が所定の第１カソード圧になったら前記酸素ストップバルブと前記酸素レギュレータを閉め、
（６）所定時間後の前記カソード内圧が所定の第２カソード圧まで低下していたら酸素漏れ発生を示す信号を出力する、
燃料電池システム。

【請求項4】

前記コントローラは、前記燃料電池スタックの停止時、前記（１）から前記（３）の処理を実行する前に、前記（４）から（６）の処理を実行する、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記酸素ストップバルブと前記酸素タンクの間で前記酸素管に取り付けられている酸素タンクバルブと、
前記燃料電池スタックのカソード極ガス出口からのガスの排出を止める排酸素バルブと、を更に備えており、
前記コントローラは、前記燃料電池スタックの停止時、
前記（４）から前記（６）の処理を実行する前に、前記酸素タンクバルブと前記酸素ストップバルブと前記排酸素バルブを開いて前記カソード極に残った水を前記燃料電池スタックから排出し、
前記酸素ストップバルブと前記排酸素バルブを閉じ、前記酸素ストップバルブの上流側の前記酸素管の内圧が前記第１カソード圧を超えるカソード上限圧に達したら前記酸素タンクバルブを閉じる、請求項４に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

通常の燃料電池システムは、燃料タンクの燃料を燃料電池スタックへ供給するのにインジェクタを用いる（例えば特許文献１）。また、多くの燃料電池システムは大気中の酸素を用いるが、例えば特許文献２の燃料電池システムのように、酸素タンクの酸素を用いる燃料電池システムも存在する。酸素タンクを用いる場合には、酸素タンクの酸素を燃料電池スタックへ供給するのにもインジェクタが使われることが予想される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２１－０９９９３５号公報

【文献】特開２０２１－０３４１３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

典型的なインジェクタは、次の構造を有している。インジェクタは、ガス噴射口を塞ぐニードルと、ニードルを動かすソレノイドを備える。ニードルはバネでガス噴射口に押し付けられており、ソレノイド非通電時にガス噴射口を塞ぐ。ソレノイドに通電するとニードルが後退してガス噴射口が開く。ソレノイドの通電を止めるとニードルが戻ってガス噴射口を閉じる。このとき打音が生じる。

【0005】

燃料電池スタックの内圧を調整するのにインジェクタを頻繁にオンオフしなければならない。インジェクタを頻繁にオンオフすると、ニードルがガス噴射口の縁に頻繁に当たって打音のノイズが生じる。

【0006】

本明細書は、インジェクタを使わない燃料電池システムを開示する。本明細書が開示する燃料電池システムは、インジェクタを使わないので静音性に優れる。本明細書が開示する燃料電池システムは、インジェクタのかわりにストップバルブとレギュレータを用いる。さらに、本明細書は、ストップバルブとレギュレータを用いた燃料漏れチェックの技術を提供する。なお、以下では、説明を簡単にするために、「燃料電池」を「ＦＣ」と表記する。「燃料電池システム」は「ＦＣシステム」と表記し、「燃料電池スタック」は「ＦＣスタック」と表記する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本明細書が開示するＦＣシステム（燃料電池システム）は、ＦＣスタック（燃料電池スタック）、燃料タンク、ＦＣスタックと燃料タンクを繋いでいる燃料管、燃料管に配置されている燃料レギュレータと燃料ストップバルブを備える。燃料レギュレータは、燃料タンクからＦＣスタックのアノード極に供給される燃料ガスの流量を調整する。燃料レギュレータと燃料ストップバルブがインジェクタの代わりにＦＣスタックのアノード内圧を調整する。レギュレータは、流路の面積を変化させて流量を調整するバルブである。レギュレータは、インジェクタのようにソレノイドで進退するニードルを有さないのでインジェクタよりも静音性に優れる。

【0008】

本明細書が開示するＦＣシステムのコントローラは、ＦＣスタックの起動時または停止時に次の燃料漏れチェック処理を実行する。すなわち、コントローラは、（１）燃料ストップバルブと燃料レギュレータを開き、（２）ＦＣスタックのアノード内圧（アノード極の中の圧力）が所定の第１アノード圧になったら燃料ストップバルブと燃料レギュレータを閉め、（３）所定時間後のアノード内圧が所定の第２アノード圧まで低下していたら燃料漏れを示す信号を出力する。本明細書が開示するＦＣシステムは、燃料ストップバルブと燃料レギュレータを使って燃料漏れチェックを実施することができる。

【0009】

本明細書が開示するＦＣシステムは、さらに、酸素タンク、ＦＣスタックと酸素タンクを繋いでいる酸素管、酸素管に配置されている酸素レギュレータと酸素ストップバルブを備えていてもよい。酸素レギュレータは、酸素タンクからＦＣスタックのカソード極に供給される酸素ガスの流量を調整する。その場合、コントローラは、ＦＣスタックを起動する際、前述の（１）から（３）の処理を実行した後に、次の処理を実行するとよい。コントローラは、（４）酸素ストップバルブと酸素レギュレータを開き、（５）ＦＣスタックのカソード内圧（カソード極の中の圧力）が所定の第１カソード圧になったら酸素ストップバルブと酸素レギュレータを閉め、（６）所定時間後のカソード内圧が所定の第２カソード圧まで低下していたら酸素漏れを示す信号を出力する。あるいはコントローラは、ＦＣスタックを停止する際、前述の（１）から（３）の処理を実行する前に、上記（４）から（６）の処理を実行するようにしてもよい。

【0010】

上記のＦＣシステムは、酸素を供給するのにもインジェクタを使わないから静音性に優れる。また、コントローラは、ＦＣスタック起動の際には燃料漏れチェック処理（１）～（３）の後に酸素漏れチェック処理（４）～（６）を行い、ＦＣスタック停止の際にて燃料漏れチェック処理（１）～（３）の前に酸素漏れチェック処理（４）～（６）の処理を実施する。そのような順序で燃料漏れチェック処理と酸素漏れチェック処理を行うことで、ＦＣスタックに酸素を供給するときには常にＦＣスタックに水素が供給されている状態を作ることができる。そうすることで、ＦＣスタック内で酸素が残っているが水素が不足する事態を避けることができ、ＦＣスタックの劣化を抑えることができる。

【0011】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例のＦＣシステムのブロック図である。

【図2】ＦＣスタック起動時のガス漏れチェック処理のメインフローチャートである。

【図3】燃料漏れチェック処理のフローチャートである。

【図4】酸素漏れチェック処理のフローチャートである。

【図5】ＦＣスタック停止時のガス漏れチェック処理のメインフローチャートである。

【図6】カソード掃気処理のフローチャートである。

【図7】アノード掃気処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図面を参照して実施例のＦＣシステム２（燃料電池システム２）を説明する。図１に、ＦＣシステム２のブロック図を示す。ＦＣシステム２は、ＦＣスタック３と燃料タンク１１を備える。燃料タンク１１には燃料ガス（水素ガス）が貯蔵されている。よく知られているように、ＦＣスタック３は水素と酸素を反応させて電力を得る。多くのＦＣシステムでは空気中の酸素を用いるが、実施例のＦＣシステム２は酸素タンク２１を備えており、酸素タンク２１の酸素と燃料タンク１１の燃料ガスを反応させて電力を得る。酸素タンク２１に貯蔵されるガスは、酸素と他の分子の混合ガスでもよい。例えば、酸素タンク２１は、７８％の窒素、２１％の酸素、１％のその他の成分を含有する混合ガス（すなわち空気）を貯蔵するタンクであってもよい。

【0014】

ＦＣシステム２は、複数のバルブ（燃料タンクバルブ１９など）と、複数の圧力センサ１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、複数の温度センサ（不図示）などを備えている。全てのバルブは、コントローラ１０によって制御される。全てのセンサの計測値はコントローラ１０に送られる。

【0015】

ＦＣシステム２の燃料系を説明する。燃料タンク１１とＦＣスタック３は、燃料管１２で接続されている。良く知られているように、ＦＣスタック３の内部はアノード極３ａ（燃料極）とカソード極３ｃ（酸素極）に分かれている。燃料管１２は、燃料タンク１１とＦＣスタック３のアノード極３ａを繋いでおり、燃料タンク１１からアノード極３ａへ燃料ガスを送る。

【0016】

燃料管１２には燃料タンクバルブ１９、燃料ストップバルブ１３、燃料レギュレータ１４が備えられている。燃料タンクバルブ１９は燃料管１２の最上流（燃料タンク１１に最も近い位置）に配置されており、燃料タンク１１からの燃料ガスの流出を止める。ＦＣスタック３が停止しているときには燃料タンクバルブ１９が閉じられ、ＦＣシステム２の安全が確保される。

【0017】

燃料レギュレータ１４は燃料管１２の下流側（ＦＣスタック３に最も近い位置）に配置されており、アノード極３ａに供給する燃料ガスの流量を調整する。燃料ストップバルブ１３は、燃料管１２の燃料レギュレータ１４と燃料タンクバルブ１９の間に取り付けられている。

【0018】

燃料タンクバルブ１９と燃料ストップバルブ１３は、全開と全閉の切換のみができるバルブである。燃料レギュレータ１４は、流路の面積を連続的に変化せることができるバルブであり、燃料ガスの流量を調整することができる。燃料レギュレータ１４と燃料ストップバルブ１３が、従来のインジェクタの機能を担う。すなわち、コントローラ１０は、ＦＣスタック３を作動させる際、燃料ストップバルブ１３を開き、ＦＣスタック３のアノード内圧（アノード極３ａの中の圧力）が所定のアノード圧適正範囲に保持されるように、燃料レギュレータ１４を制御する。

【0019】

燃料ストップバルブ１３は、ＦＣスタック３の運転中に何等かの異常が生じた場合にＦＣスタック３への燃料供給を素早く止めるのに用いられる。

【0020】

燃料管１２は、燃料タンク１１とＦＣスタック３を連結しているが、説明の便宜上、燃料管１２のうち、ＦＣスタック３と燃料ストップバルブ１３の間の部分を低圧燃料管１２ａと称し、燃料ストップバルブ１３と燃料タンクバルブ１９の間の部分を高圧燃料管１２ｂと称する。

【0021】

低圧燃料管１２ａと高圧燃料管１２ｂのそれぞれに圧力センサ１５ａ、１５ｂが取り付けられている。圧力センサ１５ａは、低圧燃料管１２ａの内圧を計測する。低圧燃料管１２ａの内圧は、アノード内圧に等しい。圧力センサ１５ｂは、高圧燃料管１２ｂの内圧を計測する。コントローラ１０は、圧力センサ１５ａの計測値を用いて、アノード内圧が所定のアノード圧適正範囲に保持されるように、燃料レギュレータ１４を制御する。

【0022】

ＦＣスタック３のアノード極ガス出口４には気液分離器１７が接続されている。気液分離器１７は、アノード極ガス出口４から排出されるガスの中から未反応の燃料ガスを分離する。分離された燃料ガスは還流路１６で低圧燃料管１２ａに戻され、再利用される。還流路１６にはポンプ１８が備えられており、ポンプ１８が未反応の燃料ガスを強制的に低圧燃料管１２ａに戻す。

【0023】

気液分離器１７のガス出口には排ガス管３４が接続されており、排ガス管３４の途中にはマフラ３５が取り付けられている。気液分離器１７で分離された不純物は、排ガス管３４とマフラ３５を通じて外部へ放出される。マフラ３５には、酸素タンク２１からバイパス管４２を通じて酸素も送られる。バイパス管４２にもレギュレータ４１が取り付けられている。気液分離器１７から排出される不純物の中にも少しの燃料が残っている。気液分離器１７から排出される不純物の中の燃料を以下では残燃料と称する。コントローラ１０は、マフラ３５から外へ放出される排ガス（すなわち、ＦＣシステム２から外へ放出される排ガス）の中の残燃料の濃度を推定する（あるいは計測する）。コントローラ１０は、排ガスに含まれる残燃料の濃度が所定の放出上限濃度を下回るように、酸素タンク２１からバイパス管４２を通じてマフラ３５へ送られる酸素の量を調整する。酸素タンク２１からマフラ３５へ送られる酸素の量は、レギュレータ４１によって調整される。

【0024】

排ガス管３４の途中には排燃料バルブ３３が取り付けられている。排燃料バルブ３３は、排ガス管３４を閉鎖し、残燃料を含む排ガスが外へ出ることを止める。

【0025】

ＦＣシステム２の酸素系を説明する。酸素タンク２１とＦＣスタック３のカソード極３ｃ（酸素極）は、酸素管２２で接続されており、酸素タンク２１からカソード極３ｃへ酸素を送る。

【0026】

酸素管２２には酸素タンクバルブ２９、酸素ストップバルブ２３、酸素レギュレータ２４が備えられている。酸素タンクバルブ２９は酸素管２２の最上流（酸素タンク２１に最も近い位置）に配置されており、酸素タンク２１からの酸素の流出を止める。ＦＣスタック３が停止しているときには酸素タンクバルブ２９が閉じられ、酸素の無駄な流出が抑えられる。

【0027】

酸素レギュレータ２４は酸素管２２の下流側（ＦＣスタック３に最も近い位置）に配置されており、カソード極３ｃに供給する酸素の流量を調整する。酸素ストップバルブ２３は、酸素管２２の酸素レギュレータ２４と酸素タンクバルブ２９の間に取り付けられている。

【0028】

酸素タンクバルブ２９と酸素ストップバルブ２３は、全開と全閉の切換のみができるバルブである。酸素レギュレータ２４は、流路の面積を連続的に変化せることができるバルブであり、酸素の流量を調整することができる。酸素レギュレータ２４と酸素ストップバルブ２３がインジェクタの機能を担う。コントローラ１０は、ＦＣスタック３を作動させる際、酸素ストップバルブ２３を開き、ＦＣスタック３のカソード内圧（カソード極３ｃの中の圧力）が所定のカソード圧適正範囲に保持されるように、酸素レギュレータ２４を制御する。

【0029】

酸素ストップバルブ２３は、ＦＣスタック３の運転中に何等かの異常が生じた場合にＦＣスタック３への酸素供給を素早く止めるのに用いられる。

【0030】

酸素管２２は、酸素タンク２１とＦＣスタック３を連結しているが、説明の便宜上、酸素管２２のうち、ＦＣスタック３と酸素ストップバルブ２３の間の部分を低圧酸素管２２ａと称し、酸素ストップバルブ２３と酸素タンクバルブ２９の間の部分を高圧酸素管２２ｂと称する。

【0031】

低圧酸素管２２ａと高圧酸素管２２ｂのそれぞれに圧力センサ２５ａ、２５ｂが取り付けられている。圧力センサ２５ａは、低圧酸素管２２ａの内圧を計測する。低圧酸素管２２ａの内圧は、カソード内圧に等しい。圧力センサ２５ｂは、高圧酸素管２２ｂの内圧を計測する。コントローラ１０は、圧力センサ２５ａの計測値を用いて、カソード内圧が所定のカソード圧適正範囲に保持されるように、酸素レギュレータ２４を制御する。

【0032】

ＦＣスタック３のカソード極ガス出口５には気液分離器２７が接続されている。気液分離器２７は、カソード極ガス出口５から排出されるガスの中から未反応の酸素を分離する。分離された酸素は還流路２６で低圧酸素管２２ａに戻され、再利用される。還流路２６にはストップバルブ２８が備えられている。気液分離器２７で分離された酸素を低圧酸素管２２ａに戻す必要がない場合には、ストップバルブ２８が閉じられる。

【0033】

気液分離器２７のガス出口には排酸素管４４が接続されており、排酸素管４４の途中には排酸素バルブ４３が取り付けられている。気液分離器２７で分離された不純物を排出する必要があるときには排酸素バルブ４３を開く。不純物が極めて少ない場合は排出する必要がないため、排酸素バルブ４３は閉じられる。気液分離器２７で分離された不純物は、マフラ３５に送られ、燃料側の気液分離器１７から排出された不純物と混合されて外部へ排出される。

【0034】

ＦＣシステム２には圧力センサ１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂの他にも幾つかの圧力センサ、および温度センサが備えられているが、それらの図示と説明は省略する。

【0035】

先に述べたように、コントローラ１０は、ＦＣシステム２の複数のバルブを制御する。コントローラ１０は、上位コントローラ５０からの出力指令に基づいて、ＦＣスタック３が所定の目標電力を出力するように、ＦＣスタック３へ供給される燃料ガスの流量と酸素の流量を調整する。コントローラ１０は、燃料ストップバルブ１３と燃料レギュレータ１４を制御することによってＦＣスタック３のアノード極３ａに供給する燃料ガスの流量とアノード内圧を調整し、酸素ストップバルブ２３と酸素レギュレータ２４を制御することによってカソード極３ｃに供給する酸素の流量とカソード内圧を調整する。

【0036】

ＦＣシステム２では、ＦＣスタック３を起動するのに先立って、および、ＦＣスタック３を停止した直後に、ＦＣスタック３と燃料管１２と酸素管２２でガス漏れが生じていないかチェックする。ＦＣスタック３のアノード極３ａと燃料管１２における燃料ガス漏れのチェック処理を以下では燃料漏れチェック処理と称し、ＦＣスタック３のカソード極３ｃと酸素管２２における酸素漏れのチェック処理を以下では酸素漏れチェック処理と称する。燃料漏れチェック処理と酸素漏れチェック処理の両方を合わせてガス漏れチェック処理と称する。コントローラ１０は、ＦＣスタック３を起動する前と停止した後にガス漏れチェック処理を行う。ＦＣスタック３の起動と停止は、上位コントローラ５０からの指令に基づいてコントローラ１０が実行する。

【0037】

また、コントローラ１０は、ＦＣスタック３を停止する際にはアノード極３ａとカソード極３ｃの掃気処理も行う。掃気処理とは、ＦＣスタック３の内部に残った水（水素／酸素反応で生じた水）を排出する処理である。アノード極３ａの側の掃気処理をアノード掃気処理と称し、カソード極３ｃの側の掃気処理をカソード掃気処理と称する。

【0038】

図２に、ＦＣスタック３の起動時にコントローラ１０が実行するガス漏れチェック処理のメインフロチャートを示す。図２の処理は、コントローラ１０が上位コントローラ５０からＦＣスタック３の起動指令を受けると実行される。コントローラ１０は、起動指令を受信すると、燃料漏れチェック処理（ステップＳ２）と、酸素漏れチェック処理（ステップＳ３）を実行する。

【0039】

コントローラ１０は、燃料漏れチェック処理（ステップＳ２）にて燃料漏れ発生が検知された場合、または、酸素漏れチェック処理（ステップＳ３）にて酸素漏れ発生が検知された場合、漏れ発生を示す信号を上位コントローラ５０へ出力する。漏れ発生を示す信号を受けた上位コントローラ５０は、漏れ発生に対応した処理（異常対応処理）を実行する（ステップＳ４：ＹＥＳ、Ｓ５）。異常対応処理については説明を省略する。

【0040】

図３に燃料漏れチェック処理のフローチャートを示す。コントローラ１０は、燃料ストップバルブ１３と燃料レギュレータ１４を開く（ステップＳ１２）。コントローラ１０は、低圧燃料管１２ａの内圧（すなわち、アノード内圧）が第１アノード圧に達したら、燃料ストップバルブ１３と燃料レギュレータ１４を閉じる（ステップＳ１３：ＹＥＳ、Ｓ１４）。低圧燃料管１２ａの内圧（すなわち、アノード内圧）は、圧力センサ１５ａによって計測される。

【0041】

燃料ストップバルブ１３と燃料レギュレータ１４を閉じた後、コントローラ１０は、第１待機時間の間、待機する（ステップＳ１５）。第１待機時間の待機の後、コントローラ１０は、低圧燃料管１２ａの内圧（すなわちアノード内圧）を圧力センサ１５ａから取得し、取得したアノード内圧を第２アノード圧と比較する（ステップＳ１６）。第２アノード圧は、第１アノード圧よりも低い値に設定されている。

【0042】

第１待機時間の後のアノード内圧が第２アノード圧を下回っていたら、アノード極３ａもしくは低圧燃料管１２ａで燃料が漏れていることが判明する。その場合、コントローラ１０は、上位コントローラ５０へ、燃料漏れ発生を示す信号を出力する（ステップＳ１６：ＹＥＳ、ステップＳ１８）。

【0043】

また、コントローラ１０は、第１待機時間の待機の後、圧力センサ１５ｂから高圧燃料管１２ｂの内圧を取得する。第１待機時間の期間における高圧燃料管１２ｂの圧力の低下量が、所定の許容低下量を下回っていたら、高圧燃料管１２ｂで燃料が漏れていることが判明する。その場合も、コントローラ１０は、上位コントローラ５０へ、燃料漏れ発生を示す信号を出力する（ステップＳ１７：ＹＥＳ、Ｓ１８）。

【0044】

図３の処理により、アノード極３ａおよび燃料管１２の燃料漏れをチェックできる。なお、コントローラ１０は、燃料漏れチェック処理に先立って、燃料タンクバルブ１９を開き、高圧燃料管１２ｂの内圧をアノード上限圧まで高めておく。高圧燃料管１２ｂの内圧がアノード上限圧に達したら、コントローラ１０は燃料タンクバルブ１９を閉じ、図３の処理を開始する。

【0045】

続いて図４を参照して酸素漏れチェック処理を説明する。コントローラ１０は、酸素ストップバルブ２３と酸素レギュレータ２４を開く（ステップＳ２２）。コントローラ１０は、低圧酸素管２２ａの内圧（すなわち、カソード内圧）が第１カソード圧に達したら、酸素ストップバルブ２３と酸素レギュレータ２４を閉じる（ステップＳ２３：ＹＥＳ、Ｓ２４）。低圧酸素管２２ａの内圧（すなわち、カソード内圧）は、圧力センサ２５ａによって計測される。

【0046】

酸素ストップバルブ２３と酸素レギュレータ２４を閉じた後、コントローラ１０は、第２待機時間の間、待機する（ステップＳ２５）。第２待機時間の待機の後、コントローラ１０は、低圧酸素管２２ａの内圧（すなわちカソード内圧）を圧力センサ２５ａから取得し、取得したカソード内圧を第２カソード圧と比較する（ステップＳ２６）。第２カソード圧は、第１カソード圧よりも低い値に設定されている。

【0047】

第２待機時間の後のカソード内圧が第２カソード圧を下回っていたら、カソード極３ｃもしくは低圧酸素管２２ａで酸素が漏れていることが判明する。その場合、コントローラ１０は、上位コントローラ５０へ、酸素漏れ発生を示す信号を出力する（ステップＳ２６：ＹＥＳ、Ｓ２８）。

【0048】

また、コントローラ１０は、第２待機時間の待機の後、圧力センサ２５ｂから高圧酸素管２２ｂの内圧を取得する。第２待機時間の期間における高圧酸素管２２ｂの圧力の低下量が、所定の許容低下量を下回っていたら、高圧酸素管２２ｂで酸素が漏れていることが判明する。その場合も、コントローラ１０は、上位コントローラ５０へ、酸素漏れ発生を示す信号を出力する（ステップＳ２７：ＹＥＳ、Ｓ２８）。

【0049】

コントローラ１０は、酸素漏れチェック処理（ステップＳ３３）にて酸素漏れ発生が検知された場合、または、燃料漏れチェック処理（ステップＳ３５）にて燃料漏れ発生が検知された場合、漏れ発生を示す信号を上位コントローラ５０へ出力する。漏れ発生を示す信号を受けた上位コントローラ５０は、漏れ発生に対応した処理（異常対応処理）を実行する（ステップＳ４：ＹＥＳ、Ｓ５）。異常対応処理については説明を省略する。

【0050】

図４の処理により、カソード極３ｃおよび酸素管２２の酸素漏れをチェックできる。なお、コントローラ１０は、酸素漏れチェック処理に先立って、酸素タンクバルブ２９を開き、高圧酸素管２２ｂの内圧をカソード上限圧まで高めておく。高圧酸素管２２ｂの内圧がカソード上限圧に達したら、コントローラ１０は酸素タンクバルブ２９を閉じ、図４の処理を開始する。

【0051】

図５に、ＦＣスタック３を停止する際のガス漏れチェック処理のメインフローチャートを示す。ＦＣスタック３を停止する際には、コントローラ１０は、燃料漏れチェック処理（ステップＳ３５）の前に酸素漏れチェック処理（ステップＳ３３）を実行する。燃料漏れチェック処理は図３に示した通りであり、酸素漏れチェック処理は図４に示した通りである。

【0052】

また、コントローラ１０は、ＦＣスタック３を停止する際には、酸素漏れチェック処理（ステップＳ３３）の前にカソード掃気処理（ステップＳ３２）を行い、燃料漏れチェック処理（ステップＳ３５）の前にアノード掃気処理（ステップＳ３４）を実行する。

【0053】

図６を参照してカソード掃気処理を説明する。コントローラ１０は、酸素タンクバルブ２９、酸素ストップバルブ２３、酸素レギュレータ２４、排酸素バルブ４３を開く（ステップＳ４２）。これらのバルブを開くと、ＦＣスタック３のカソード極３ｃの中を酸素が勢いよく流れ、カソード極３ｃに残っていた水が排出される。カソード極３ｃを通過した酸素は、マフラ３５を通じて外部へ排出される。

【0054】

コントローラ１０は、排酸素バルブ４３を開いてから所定時間が経過したら、排酸素バルブ４３、酸素ストップバルブ２３、酸素レギュレータ２４を閉じる（ステップＳ４３：ＹＥＳ、Ｓ４４）。所定時間は、カソード極３ｃから水が十分に排出されるのに要する時間であり、ＦＣスタック３の構造などから予め定められている。

【0055】

ステップＳ３４で酸素ストップバルブ２３を閉じるが、酸素タンクバルブ２９は開いたままなので、高圧酸素管２２ｂの内圧が上昇する。コントローラ１０は、高圧酸素管２２ｂの内圧が所定のカソード上限圧に達したら酸素タンクバルブ２９を閉じる（ステップＳ４５：ＹＥＳ、Ｓ４６）。カソード上限圧は、前述した第１カソード圧を超える値に設定されている。高圧酸素管２２ｂの内圧は圧力センサ２５ｂによって計測される。

【0056】

続いて酸素漏れチェック処理（図５のステップＳ３３）が実行される。酸素漏れチェック処理
の具体的な内容は図４に示した。酸素漏れチェック処理（ステップＳ３３）に先立つカソード掃気処理（Ｓ３２）にて、高圧酸素管２２ｂの内圧はカソード上限圧（＞第１カソード圧）に高められている。それゆえ、酸素漏れチェック処理の最初の処理（図４のステップＳ２２）にて酸素ストップバルブ２３と酸素レギュレータ２４を開くと、低圧酸素管２２ａの内圧が上昇する。低圧酸素管２２ａはＦＣスタック３のカソード極３ｃに通じているため、低圧酸素管２２ａの内圧は、カソード極３ｃの中の圧力（カソード内圧）に等しい。カソード掃気処理にて高圧酸素管２２ｂの内圧をカソード上限圧まで高めておくことで、次に実行する酸素漏れチェック処理がスムーズに行える。

【0057】

酸素漏れチェック処理（ステップＳ３３）に続いてアノード掃気処理（ステップＳ３４）が実行さる。

【0058】

図７に、アノード掃気処理のフローチャートを示す。コントローラ１０は、燃料タンクバルブ１９、燃料ストップバルブ１３、燃料レギュレータ１４、排燃料バルブ３３を開く（ステップＳ５２）。これらのバルブを開くと、ＦＣスタック３のアノード極３ａの中を燃料ガスが勢いよく流れ、アノード極３ａに残っていた水が排出される。

【0059】

アノード極３ａを通過した燃料ガスは、マフラ３５を通じて外部へ排出される。コントローラ１０は、外部へ排出される排ガスに含まれる燃料の濃度が所定の放出上限濃度を下回るように、酸素タンク２１の酸素を排ガスに混合する（ステップＳ５３）。具体的には、コントローラ１０は、酸素タンクバルブ２９とレギュレータ４１を開き、バイパス管４２を通じてマフラ３５に酸素を供給する。なお、外部に排出される排ガスに含まれる燃料の濃度は、燃料タンク１１から出力される燃料ガスの流量と、酸素タンク２１から出力される酸素の流量から推定することができる。コントローラ１０は、外部へ排出される排ガスに含まれる燃料の濃度が所定の放出上限濃度を下回るよう、レギュレータ４１の開度を調整する。

【0060】

コントローラ１０は、排燃料バルブ３３を開いてから所定時間が経過したら、排燃料バルブ３３、燃料ストップバルブ１３、燃料レギュレータ１４を閉じる（ステップＳ５４：ＹＥＳ、Ｓ５５）。所定時間は、アノード極３ａから水が十分に排出されるのに要する時間であり、ＦＣスタック３の構造などから予め定められている。

【0061】

ステップＳ５５で燃料ストップバルブ１３を閉じるが、燃料タンクバルブ１９は開いたままなので、高圧燃料管１２ｂの内圧が上昇する。コントローラ１０は、高圧燃料管１２ｂの内圧が所定のアノード上限圧に達したら燃料タンクバルブ１９を閉じる（ステップＳ５６：ＹＥＳ、Ｓ５７）。アノード上限圧は、前述した第１アノード圧を超える値に設定されている。高圧燃料管１２ｂの内圧は圧力センサ１５ｂによって計測される。

【0062】

続いて燃料漏れチェック処理（図５のステップＳ３５）が実行される。燃料漏れチェック処理の具体的な内容は図３に示した。燃料漏れチェック処理に先立つアノード掃気処理（ステップＳ３４）にて、高圧燃料管１２ｂの内圧はアノード上限圧（＞第１アノード圧）に高められている。それゆえ、燃料ストップバルブ１３と燃料レギュレータ１４を開くと、低圧燃料管１２ａの内圧が上昇する。低圧燃料管１２ａはＦＣスタック３のアノード極３ａに通じているため、低圧燃料管１２ａの内圧は、アノード極３ａの中の圧力（アノード内圧）に等しい。アノード掃気処理にて高圧燃料管１２ｂの内圧をアノード上限圧まで高めておくことで、次に実行する燃料漏れチェック処理がスムーズに行える。

【0063】

ＦＣスタック３を停止する際のガス漏れチェック処理（図５）の後、コントローラ１０は、不図示の酸素消費処理を実行する。

【0064】

酸素消費処理を説明する。ガス漏れチェック処理が終了した時点でＦＣスタック３には燃料も酸素も供給されないが、ＦＣスタック３の内部に酸素が残っている。ＦＣスタック３の停止時には酸素漏れチェック処理（ステップＳ３３）の後に燃料漏れチェック処理（ステップＳ３５）が実行される。それゆえ、ＦＣスタック３の中には十分な燃料が残っている。酸素消費処理では、コントローラ１０は、ＦＣスタック３から電力を引き出し、ＦＣスタック３に残っている酸素と水素を反応させる。コントローラ１０は、酸素がほとんど消費されるまでＦＣスタック３から電力を引き出す。この酸素消費処理によって、ＦＣスタック３から酸素を排除することができる。なお、ＦＣスタック３から引き出された電力は例えばバッテリに蓄えられる。

【0065】

次に、ＦＣシステム２の特徴と利点を説明する。ＦＣシステム２は、インジェクタの代わりに燃料ストップバルブ１３（酸素ストップバルブ２３）と燃料レギュレータ１４（酸素レギュレータ２４）を用いる。打音を発するインジェクタの代わりに打音を発しないレギュレータとストップバルブを用いるので、ＦＣシステム２は静音性に優れている。

【0066】

ＦＣシステム２のコントローラ１０は、ＦＣスタック３を停止する際、燃料漏れチェック処理に先立ってアノード掃気処理を実行する。また、コントローラ１０は、酸素漏れチェック処理に先立ってカソード掃気処理を実行する。アノード掃気処理が終了すると高圧燃料管１２ｂの内圧がアノード上限圧（＞第１アノード圧）に保持される。高圧燃料管１２ｂの内圧が高い圧力に保持されるので、アノード掃気処理の後、直ちに燃料漏れチェック処理を開始できる。同様に、カソード掃気処理が終了すると高圧酸素管２２ｂの内圧がカソード上限圧（＞第１カソード圧）に保持される。高圧酸素管２２ｂの内圧が高い圧力に保持されるので、カソード掃気処理の後、直ちに酸素漏れチェック処理を開始できる。

【0067】

コントローラ１０は、アノード掃気処理の際、ＦＣシステム２から排出される排ガスに含まれる燃料の濃度が放出上限濃度を下回るように、排ガスに酸素ガスを混合する。この処理により、高濃度の燃料を含んだガスが大気に放出されない。

【0068】

ＦＣシステム２では、ＦＣスタック３を起動する際、燃料漏れチェック処理の後に酸素漏れチェック処理を行う（図２参照）。また、ＦＣスタック３を停止する際には燃料漏れチェック処理の前に酸素漏れチェック処理を行う（図５参照）。これら順序により、ＦＣスタック３の内部は常に酸素よりも燃料が多い状態が確保される。酸素は燃料を反応して水に変化する。酸素漏れチェック処理と燃料漏れチェック処理の順番を実施例の通りにすることで、ＦＣスタック３の内部に多くの酸素が残ることが回避される。ＦＣスタック３の触媒は酸素に触れると劣化が進行するが、実施例の処理によりＦＣスタック３には多くの酸素が残らないから触媒の劣化を抑えることができる。

【0069】

本明細書が開示する技術は、大気から酸素を取り込むＦＣシステムに対しても有効である。その場合、燃料側のインジェクタをストップバルブとレギュレータで置き換えたことによる利点が得られる。

【0070】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0071】

２：燃料電池システム ３：ＦＣスタック ３ａ：アノード極 ３ｃ：カソード極 ４：アノード極ガス出口 ５：カソード極ガス出口 １０：コントローラ １１：燃料タンク １２：燃料管 １２ａ：低圧燃料管 １２ｂ：高圧燃料管 １３：燃料ストップバルブ １４：燃料レギュレータ １５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ：圧力センサ １６、２６：還流路 １７、２７：気液分離器 １８：ポンプ １９：燃料タンクバルブ ２１：酸素タンク ２２：酸素管 ２２ａ：低圧酸素管 ２２ｂ：高圧酸素管 ２３：酸素ストップバルブ ２４：酸素レギュレータ ２８：ストップバルブ ２９：酸素タンクバルブ ３３：排燃料バルブ ３４：排ガス管 ３５：マフラ ４１：レギュレータ ４２：バイパス管 ４３：排酸素バルブ ４４：排酸素管 ５０：上位コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】