JP2006079981A - 異常検出処理をする燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 再起動時に短時間に発電を開始できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 システム起動時に異常検出処理をする燃料電池システムであって、当該システム内の異常を検出する異常検出手段（ＳＶ１〜ＳＶ３、Ｐ１、Ｐ２、４０）を備え、当該システムの停止指令から所定時間内に当該システムが起動された場合には、当該システム起動時の異常検出処理を禁止することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム起動時の異常検出に関する。

燃料電池システムは、水素ガスを用いるものであるため、遮断弁の故障等による水素ガスの漏洩が無いか等のシステム異常検出処理を定期的に行う必要がある。このような異常検出処理は、システムの起動時等に実施される。例えば、特開平７−１７０６１３号公報には、燃料電池の始動時に安全性確認を実施し、安全性が確認された後に燃料電池の出力を上昇させる技術が開示されている（特許文献１）。

また運転中における異常検出処理は、例えば、特開平１０−１０３５４７号公報に記載されているように、系に圧力充填してガス漏れ検査が繰り返し実施されていた（特許文献３）。このようなガス漏れ検査方法による異常検出は、ガス管等の圧力変化を監視するものであるため、ある程度の処理時間の長さが必要である。
特開平７−１７０６１３号公報 特開２００２−２３８７３号公報 特開平１０−１０３５４７号公報（図２等）

しかしながら、電気自動車等の移動体に搭載されるような燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止処理をした直後に再起動されるようなことがたびたび生じる。このような再起動時に必ずシステム起動時処理の一貫としてガス漏れ検出等の異常検出処理を行うものとすれば、過剰に異常検出処理に時間が費やされ、速やかなシステム再起動ができない場合がある。

例えば、燃料電池システムの運転中に定期的に異常検出処理が繰り返されており、燃料電池システムの停止処理が異常検出処理直後に実施され、また直ぐシステムの再起動がされたような場合、前回の異常検出からは時間が殆ど経過していないにも拘わらず、再び異常検出処理のための待ち時間が増えることになる。

そこで、本発明は、再起動時に短時間に発電を開始できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、システム起動時に異常検出処理をする燃料電池システムであって、当該システム内の異常を検出する異常検出手段を備え、当該システムの停止指令から所定時間内に当該システムが起動された場合には、当該システム起動時の異常検出処理を禁止することを特徴とする。

この構成によれば、システム起動時の異常検出処理に先立って、直前のシステム停止指令から一定の時間が経過しているか否かが判断され、経過時間が所定時間以内である場合、すなわちシステム停止から短時間の再起動であった場合には異常検出処理を実施しないので、発電開始までの時間を短縮可能である。

また本発明は、当該システムの停止指令から所定時間内に当該システムが起動された場合であって、最後の前記異常検出において当該システムの異常が検出されていなかった場合には、当該システム起動時の異常検出を禁止する。

システム停止の直前に実施された異常検出において燃料電池システムに異常が検出されておらず、システム停止後すぐに再起動された場合、システムは異常が検出される状態とはなっていない。この構成によれば、システム停止から所定時間以内に再起動された場合で、前回の異常検出において異常が無い点検出されていれば、起動時の異常検出をしないので、発電開始までの時間を短縮可能である。逆に、前回の異常検出において異常が検出された場合には起動時の異常検出をするものとすれば、ガス漏れ等が発生している蓋然性の高い場合に、迅速に異常を検出することができる。

ここで、異常検出手段が当該システム内の異常を検出する周期は所定時間と略等しいことが考えられる。異常検出の周期は、ガス漏れ等のシステム異常が生じた場合にそれを初期に検知し安全策を講じるために妥当な期間に設定されている。特に異常な状態が検出されていない燃料電池システムでは、この周期より短い期間で連続して異常検出をすることは過剰な検査である。この点、本構成によれば、システム停止前の最後の異常検出からこの周期に相当する期間が経過しているか否かで異常検出の有無が判断されるので、過剰な検査を防止可能であり、発電開始までの時間を短縮可能である。

ここで異常検出手段は、燃料ガス配管内の圧力を制御することによって燃料ガス漏れを検出するものである。このような圧力制御による異常検出は圧力変化を監視してガス漏れを検知するものであるため、比較的ガス漏れ検出に時間がかかる。このような圧力を制御することによる異常検出において本発明の起動時の発電開始までの時間を短縮する効果が大きい。

本発明によれば、燃料電池システムの起動時にシステム停止前の異常検出から所定時間経過していない場合には起動時の異常検出を省略するように構成したので、燃料ガス漏れを検出する際にシステム内の空気の流れを抑制するように構成したので、発電開始までの時間を短縮し、迅速な燃料電池システム稼働が可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、本発明の例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。
図１に、本発明のシステム起動方法を実施可能に構成された燃料電池システムを搭載した自動車に関する実施形態のシステムブロック図を示す。図１に示すように、本自動車は、燃料電池スタック１０に、燃料ガスである水素ガスを供給する水素ガス供給系１、酸化ガスである空気を供給する空気供給系２、燃料電池スタック１０を冷却する冷却系３、これらの系を制御し本発明の異常検出方法を実施するための制御部４０を備えている。

燃料電池スタック１０は、単セルという発電構造体を複数積層したスタック構造を備える。各単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）といわれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路が設けられたセパレータ一対によって挟み込んだ構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んで構成されている。アノードはアノード用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、カソードはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

水素ガス供給系１は、水素ガスの供給源から順に、水素タンク１１、元（遮断）弁ＳＶ１、調圧弁ＲＧ、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２、燃料電池スタック１０を経て燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、気液分離器１２及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、パージ遮断弁ＳＶ５、並びに逆止弁ＲＶを備えている。圧力センサＰ１は、区間ＳＶ１〜ＳＶ２（ＲＧ）間の圧力変化を検出し、センサＰ２は、区間ＳＶ２〜ＳＶ３間の圧力変化を検出する。センサＰ３は、循環系の圧力変化を検出する。本実施形態では、各遮断弁を遮断させて閉鎖された管の内圧変化によって水素ガス漏れを検知する異常検出方法を実施するが、客室等に設けたガス濃度センサによって水素ガスの濃度を検出し、水素ガスの漏洩を検知可能に構成してもよい。

水素タンク１１は、高圧水素タンクとしての構造を有する。高圧水素タンクに代えて、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するタンク、液化ガス燃料を貯蔵するタンク等を適用可能である。

元弁ＳＶ１は、水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御する。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、遮断弁ＳＶ２より上流側である調圧弁ＲＧまでの配管を遮断する。燃料電池スタック１０に供給された水素ガスは、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの燃料ガス流路を流れて、ＭＥＡのアノードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池出口遮断弁ＳＶ３は、遮断弁ＳＶ３から燃料電池入口遮断弁ＳＶ２までを遮断する。遮断弁ＳＶ１〜ＳＶ３は、燃料電池スタック１０内のガス漏れ判定時や停止時、ガス漏れによる異常検出時に遮断される。気液分離器１２は、通常運転時において燃料電池スタック１０の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出する。水素ポンプ１３は、遮断弁ＳＶ２、ＳＶ３、逆止弁ＲＶを経る水素ガスの循環経路において水素ガスを強制循環させる。パージ遮断弁ＳＶ５は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び配管内ガス漏れ判定時には遮断されている。逆止弁ＲＶは水素ガスの逆流を防止する。パージ遮断弁ＳＶ５からパージされた水素オフガスは図示しない希釈器を含む排気系で処理される。

空気供給系２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３等を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２３は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。燃料電池スタック１０に供給された空気は、マニホールド経由で各単セルに供給され、セパレータの空気流路を流れて、ＭＥＡのカソードにおいて電気化学反応を生じるようになっている。燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスは図示しない希釈器においてパージ遮断弁ＳＶ５からの水素オフガスを希釈して排気系に排出される。

冷却系３は、ラジエタ３１、ファン３２、及び冷却ポンプ３３を備え、冷却液が燃料電池スタック１０内部に循環供給されるようになっている。具体的には冷却液は燃料電池スタック１０内に入るとマニホールド経由で各単セルに供給されセパレータの冷却液流路を発電による熱を奪うように流れる。

制御部４０は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路等を汎用コンピュータとしての構成を備えている。制御部４０は、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、主として水素ガス供給系１、空気供給系２、冷却系３を含む燃料電池システム全体を制御する他、当該燃料電池システムに本発明の異常検出方法を実施させることが可能になっている。制御部４０には、ユーザが操作するキーに対応して生成されるＩＧオン信号（電気系統オン信号）Ｃ_IG、ＳＴオン信号（発電オン信号）Ｃ_STが入力されている。

図２及び図３のフローチャートを参照しながら本実施形態における異常検出方法を説明する。当該フローチャートは、本発明の異常検出方法の単なる例示である。図２は、本燃料電池システム運転時における異常検出処理の周期を説明するフローチャートである。図３は、本発明に係るシステム起動時における異常検出処理、いわゆるイニシャルチェックの動作を説明するフローチャートである。

この異常検出方法は、本燃料電池システムの停止指令から所定時間Ｔ内にこの燃料電池システムが起動された場合には、当該燃料電池システム起動時の異常検出処理を禁止することを特徴としている。また本異常検出方法では、本燃料電池システムの停止指令から所定時間Ｔ内に当該システムが起動された場合であって、最後の異常検出において当該燃料電池システムの異常が検出されていなかった場合には、当該システム起動時の異常検出を禁止するも特徴としている。

図２に示すように、当該燃料電池システムが運転中であって発電を継続している間、前回のシステム異常検出処理から一定の時間Ｔが経過したか否かが検査される（Ｓ１）。そして前回の異常検出処理から時間Ｔが経過した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、すなわち周期Ｔごとに、システム異常検査処理が実行される（Ｓ２）。この処理は、本燃料電池システムが停止するまで実行されるので、ユーザの操作により、または、システムの要求によって燃料電池システムの停止指令が出るまで実行される。ここで、制御部４０には不揮発性の電源によってバックアップされたシステムクロックの情報が入力されており、少なくともシステム停止命令が出された時刻が絶対時間として不揮発メモリに記録されるようになっている。

異常検出方法（ガス漏れ検知方法）には種々の方法が存在するが、本実施形態では、圧力変化によるガス漏れ検知を実施するよう構成されている。圧力変化によるガス漏れ検知は、例えば配管内の圧力減少または流量増加を測定してガス漏れを判定するものである。この方法では、遮断弁ＳＶ１〜ＳＶ３を開放して水素ガス供給系１に水素ガスを所定時間供給して一定の飽和圧力または積算流量にしてから総ての遮断弁を閉弁し、経過時間とともに圧力センサＰ１〜Ｐ３で検出される圧力や流量がどのように変化するかを監視する。一定値以上の圧力減少や流量増加が観察された場合にはガス漏れが発生していると判定することが可能である。このような圧力変化によるガス漏れ検知は、圧力変化を監視するものであるため確実なガス漏れ検知方法であるが待ち時間が必要であるため、一定の検査時間が必要である。このため、本実施形態では、システム起動時にガス漏れ検知が不必要だと判断される条件の場合にはガス漏れ検知を省略可能になっている。

なお、圧力変化によるガス漏れ検知の他に、ガス濃度センサによって水素ガスが所定のしきい値以上の濃度に達しているか否かを判定することでガス漏れの存在を検知するように構成してもよい。このガス濃度センサによるガス漏れ検知は、しきい値異常の水素ガス濃度が連続して一定回数検出された場合に水素ガスが漏れていると判断するものである。

さて、燃料電池システムの停止指令が出され、所定のシステム停止シーケンスが実行され、当該システムの運転が停止したとする。ユーザが当該システムを再起動させようとしてキーを操作すると、それに対応してＩＧオン信号（電気系統オン信号）Ｃ_IG、ＳＴオン信号（発電オン信号）Ｃ_STが生成され制御部４０に入力される。通常は、システム安全性を確認する異常検出がイニシャルチェックの一環として実行されるが、本実施形態では、前回のシステム停止から短い期間で再起動された場合には、次の処理により異常検出処理を省略するように動作する。

図３に示すように、制御部４０はイニシャルチェックの冒頭で、前回のシステム停止指令からの経過時間ｔを算出する（Ｓ１０）。前回のシステム停止指令の時刻は制御部４０内の不揮発性メモリに記録されているため、制御部４０は、現在の時刻をシステムクロックに問い合わせ、不揮発メモリに記録されている前回のシステム停止指令の時刻を減算することにより、前回のシステム停止からの経過時間を計算する。

ここで最近のシステム異常検出処理において異常が無かった場合には、システム起動時にガス漏れ等のシステム異常が発生している蓋然性が低いと考えられ、発電開始前に再び異常検出処理をする必要性が低い。そのため、まず制御部４０は、前回のシステム異常検出で異常が検出されたか否かを調べる（Ｓ１１）。そして前回のシステム異常検出処理で異常が無かった場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１０で計算した前回のシステム停止指令からの経過時間ｔが一定の時間、ここでは前記異常検出処理の実行周期Ｔより短いか否かを検査する（Ｓ１２）。

そして前回のシステム停止指令からの経過時間が運転時の異常検出周期Ｔより短い場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、すなわち極めて短い停止の後に直ぐ再起動されたような場合には、イニシャルチェックにおけるガス漏れ検知等の異常検出を省略して、直ぐにシステム起動許可処理（Ｓ１３）に移行する。このシステム起動許可処理は、燃料電池スタック１０に発電を開始させるための準備処理であり、水素ガス系１においては各遮断弁を開放して水素ポンプ１３を起動して所定量の燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給し、酸化ガス系２においては、コンプレッサ２２を駆動して空気を燃料電池スタック１０に供給するものである。

発電可能になれば、発電処理に移行させる（Ｓ１４）。発電処理では、負荷条件に応じた動作点が求められ、燃料電池スタック１０によって電力を発生させ、トラクションモータを駆動させたり、バッテリーに発電電力を充電させたりするものである。

さて、ステップＳ１１において、システム停止時に実行された最近のシステム異常検出処理において異常が検出されていた場合（Ｓ１１：ＮＯ）、すなわち燃料ガスが漏れている可能性が指摘されていた場合、このまま燃料電池スタック１０に発電させることは好ましくない。このため、このように異常が存在する蓋然性の高い場合には、前回のシステム停止指令からの経過時間がどのようなものであっても、例えばシステム停止後直ぐに再起動された場合であっても、念のためにシステム異常検査処理を実行する（Ｓ１５）。その結果、システムに結局異常が無かったと判定されれば（Ｓ１６：ＹＥＳ）、システム起動許可処理（Ｓ１３）、そして発電処理（Ｓ１４）に移動することができる。

また、システム異常検出処理（Ｓ１５）によりシステム異常が発見された場合には（Ｓ１６：ＮＯ）、ガス漏れ等の異常が検出されているので、システム停止処理（Ｓ１７）を実行する。このシステム停止処理（Ｓ１７）は、必要なら遮断弁を遮断し、ユーザに対する警告表示を行うものである。

一方、システム停止指令時のシステム異常検出処理において異常が無かった場合であっても（Ｓ１１：ＹＥＳ）、システム停止指令から周期Ｔ以上の時間が経過していた場合には、システム内に万一ガス漏れが発生していたとすれば、その燃料ガスが蓄積している可能性がある。このため、システム停止指令からの再起動が周期Ｔ以上であれば、通常のイニシャルチェック処理と同様にシステム異常検査処理を実行し（Ｓ１５）、この結果に応じた処理を実行する（Ｓ１６〜）。

図４に、本実施形態における処理を説明するタイムチャートを示す。図４に示すように、図２のフローチャートによれば通常運転時には、周期Ｔごとにシステム異常検出処理が繰り返される。図４では、時刻ｔ１とｔ２とにシステム異常検出処理が実行されている。

ここで時刻ｔ２のシステム異常検出処理の直後の時刻ｔ３にシステム停止指令が出されたとすると、必要な停止処理の後、時刻ｔ４にシステムが完全に停止する。時刻ｔ５において、ユーザがシステム停止直後に直ぐ、システムを再起動したとすると、図３のフローチャートに従う起動時処理１が時刻ｔ６に行われる。

この起動時処理１では、システム停止処理からの経過時間が周期Ｔよりも短い（ｔ６−ｔ３＜Ｔ）ので、システム異常検出処理が省略され、この場合には直ぐに発電処理に移行することになる。一方、再起動されたタイミングが時刻ｔ７であった場合、システム停止処理からの経過時間が周期Ｔ以上である（ｔ８−ｔ３＞Ｔ）。したがってこの場合にはシステム異常検出処理が実行されるのである。

ここで、上記実施形態では、前回のシステム停止処理からの経過時間を計算していたが、最近のシステム異常検出処理からの時刻（例えば図４では時刻ｔ２）からの経過時間を計算するようにプログラムしてもよい。

以上、本実施形態によれば、システム起動時の異常検出処理に先立って、直前のシステム停止指令から一定の時間Ｔが経過しているか否かが判断され、経過時間が時間Ｔより短い場合、すなわちシステム停止から短時間の再起動であった場合には異常検出処理を実施しないので、発電開始までの時間を短縮可能である。

また本実施形態によれば、システム停止指令から時間Ｔより短い経過時間で再起動された場合で、前回の異常検出において異常が無い点検出されていれば、起動時の異常検出をしないので、発電開始までの時間を短縮可能である。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば、実施形態では、取り扱う燃料ガスとして水素ガスを例にして説明しているが、ガス漏れに対して注意すべき高濃度の水素ガス（水素リッチガス）を含む改質ガスや、メタノールなどの燃料ガス（可燃ガス）であってもよい。

また、本発明は、車両、船舶、航空機などの移動体のみならず、ビル、家屋などの閉空間に定置された燃料電池システムにも適用することが出来る。つまり、燃料電池システムが自動車等の移動体に搭載されるか否かに拘わらず、システム停止からの再起動が短い時間にされる可能性のあるシステム一般に適用することが可能である。

さらに、上記実施形態では「異常検出」として燃料ガス漏れ検査を例示していたが本発明の「異常検出」はこれに限定されることはない。例えば、弁の開閉が正常に行われているか否かの弁開閉検査、漏電が存在するか否かの漏電検査等であってもよい。

本発明の燃料電池システムを搭載した自動車のブロック構成図 通常運転時のシステム異常検出処理の動作を説明するフローチャート 本発明のシステム起動時のシステム異常検出処理の動作を説明するフローチャート 実施形態のシステム起動に対応した以上検出処理の有無を説明するタイムチャート

符号の説明

１ 水素ガス供給系、２ 空気供給系、３ 冷却系、４ 制御系、１０ 燃料電池スタック、１１ 水素タンク、１２ 気液分離器、１３ 水素ポンプ、２０ 制御部、２１ エアクリーナ、２２ コンプレッサ、２３ 加湿器、３１ ラジエタ、３２ ファン、３３ 冷却ポンプ、４０ 制御部、Ｃ_IG 電源系統オン信号、Ｃ_ST 発電オン信号、ＲＧ 調圧弁、ＲＶ 逆止弁、ＳＶ１ 元弁、ＳＶ２ 燃料電池入口遮断弁、ＳＶ３ 燃料電池出口遮断弁、ＳＶ４ 遮断弁、ＳＶ５ パージ遮断弁

Claims (4)

1. システム起動時に異常検出処理をする燃料電池システムであって、
   当該システム内の異常を検出する異常検出手段を備え、
   当該システムの停止指令から所定時間内に当該システムが起動された場合には、当該システム起動時の異常検出処理を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
2. 当該システムの停止指令から所定時間内に当該システムが起動された場合であって、最後の前記異常検出において当該システムの異常が検出されていなかった場合には、当該システム起動時の異常検出を禁止する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記異常検出手段が当該システム内の異常を検出する周期が、前記所定時間と略等しい、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記異常検出手段は、燃料ガス配管内の圧力を制御することによって燃料ガス漏れを検出するものである、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
   
   

Images