JP2006086025A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことのできる燃料電池システムを提案する。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム（１０）は、燃料ガス供給系統（３１，３２）のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池（２０）の発電によって消費し、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力低下代に基づいてガス漏れ判定を行う判定手段（５０）を備えたシステムであって、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料ガス供給系統（３１，３２）の外にパージすることによってガス漏れ検出部位の圧力を低下させる排気手段（Ｈ５１）を備える。ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを電力発電で消費するだけでなく、燃料ガス供給系統の外にパージすることによってガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることができ、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を短時間で精度良く行うための改良技術に関する。
燃料電池車両の発電システムとして、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池システムが用いられている。この種の燃料電池システムにおいては、水素供給源から燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路に各種の遮断弁（例えば、高圧水素タンクバルブ、水素供給バルブ、ＦＣスタック入口バルブ、ＦＣスタック出口バルブ、パージバルブ等）が配設されている。これら各種の遮断弁の故障診断を行うための手法として、例えば、特開２０００−２７４３１１号公報には、車両の燃料ガス供給路に配設された遮断弁を閉弁することによって燃料ガス供給路内に閉空間を作り出し、その閉空間の時間経過に対する圧力低下率が圧力低下率閾値よりも小さいときに弁故障を判定する技術が提案されている。ところが、遮断弁下流側の圧力低下速度は車両の運転状態、即ち、燃料量消費率によって変動する。このため、車両の運転状態によって燃料消費率が低くなる場合には、遮断弁下流側の圧力低下に多くの時間を要し、迅速な故障診断を行うことができない。このような技術的背景に鑑みて、特開２００３−３０８８６８号公報には、遮断弁の故障診断を行う際に電力消費部（モータ等）の消費電力を増加させることによって、燃料電池の燃料消費量を増大させ、遮断弁下流側の圧力を短時間で低下させる技術が提案されている。
特開２０００−２７４３１１号公報 特開２００３−３０８８６８号公報
しかし、電力消費部の消費電力の増加のみによって燃料消費量を増大させたのでは、燃料電池を循環する水素オフガスの不純物濃度が高くなり、セル電圧低下を回避することができない。セル電圧が低下すると、燃料消費量が目標値よりも少なくなり、遮断弁下流側の圧力を低下させるのに時間を要する。また、特開２００３−３０８８６８号公報に記載の技術では、故障診断によって得られる電力をエネルギー保存手段に蓄電できるように、故障診断前に予めエネルギー保存手段のエネルギー保存量を低下させておく必要があるので、迅速な故障診断を行うことができない。
そこで、本発明はこのような問題を解決し、燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス供給系統のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費し、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力変化状態に基づいてガス漏れ判定を行う判定手段を備えた燃料電池システムであって、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料ガス供給系統の外にパージすることによってガス漏れ検出部位の圧力を低下させる排気手段を備える。ここで、「圧力変化状態」とは、圧力変化に関連する物理量をいい、例えば、圧力低下代等が好適である。ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費するだけでなく、燃料ガス供給路の外にパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることができ、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことができる。また、燃料ガスをパージすることによって、燃料ガスの不純物濃度の上昇を抑えることができるので、セル電圧の低下を抑制できる。
ここで、排気手段は燃料ガスをパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力を下回る場合には燃料ガスのパージを制限するように構成するのが好ましい。ここで、「制限」とは、燃料ガスのパージ量を少量に減少させたり、或いは燃料ガスのパージを禁止する意味である。これにより、ガス漏れ検出部位の圧力を目標圧力に近づけることができる。
また、排気手段はガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にしてもよい。例えば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが多い場合には燃料ガスのパージ量を多くすることで、ガス漏れ検出部位の圧力を迅速に目標圧力付近に近づけることができる。一方、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが少ない場合には燃料ガスのパージ量は少量となる。
また、本発明の燃料電池システムは、ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料電池の発電電流を可変にする制御手段を更に備えるのが好ましい。例えば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが多い場合には電力発電による燃料ガスの消費量を多くすることで、ガス漏れ検出部位の圧力を迅速に目標圧力付近に近づけることができる。一方、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスが少ない場合には電力発電による燃料ガスの消費量は少量となる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池が発電した電力を蓄電する蓄電手段を更に備え、排気手段は蓄電手段の充電量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にするのが好ましい。例えば、蓄電手段の充電量が少ない場合にはガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを消費することによって得られた電力を多く充電することができるので、燃料ガスのパージ量は少量となる。一方、蓄電手段の充電量が多い場合にはガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを消費することによって得られた電力を充電することができないので、燃料ガスのパージ量は多くした方がよい。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、燃料電池から排出されるカソード極オフガスと排気手段からパージされる燃料ガスとを混合希釈する希釈器とを更に備え、酸化ガス供給手段は排気手段からパージされる燃料ガスのページ量に対応して酸化ガスの供給量を変更するのが好ましい。これにより、排気燃料ガス濃度を低減できる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの漏洩を検出する燃料ガスセンサを更に備え、排気手段からパージされる燃料ガスの１回あたりのパージ量は燃料ガスセンサが検出する漏れ検出閾値範囲内であることが好ましい。これにより、燃料ガスセンサによる誤判定を避けることができる。
また、本発明の燃料電池システムにおいて、ガス漏れ検出部位は燃料ガス供給系統に配設されたバルブが閉弁することによって形成された略密閉空間であり、判定手段はバルブが閉弁してから略密閉空間の圧力が安定するのに要する時間が経過してからガス漏れ判定を行うのが好ましい。これにより、正確なガス漏れ判定を行うことができる。
本発明によれば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを電力発電で消費するだけでなく、燃料ガス供給路の外にパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることができ、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことができる。また、燃料ガスをパージすることによって、燃料ガスの不純物濃度の上昇を抑えることができるので、セル電圧の低下を抑制できる。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示している。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池車両（ＦＣＥＶ）の車載発電システムとして用いる例を示すが、定置用発電システムとしても用いることができる。燃料電池（セルスタック）２０は複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を備えており、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。
燃料電池２０の燃料ガス供給系統（燃料ガス配管系統）には、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、及び燃料ガス循環路３２が配設されている。ここで、燃料ガス供給系統とは、燃料ガス供給源３０から燃料電池２０に燃料ガスを供給する経路上に配設されたガス配管やバルブ等を総称するものであり、例えば、燃料ガス供給源３０と、燃料ガス供給源３０と燃料電池２０とを接続する燃料ガス供給路３１と、燃料ガス供給路３１に設けられた開閉弁やレギュレータ等を含む構成である。また、燃料電池２０から排出される燃料ガスを燃料ガス供給路３１に循環させるシステム構成を採用する場合には、燃料ガス供給系統は、更に燃料ガス循環路３２を含む構成であってもよい。燃料ガス供給源３０は、例えば、高圧水素タンク又は水素貯蔵タンク等の水素貯蔵源、或いは改質原料を水素リッチガスに改質する改質器等によって構成される。燃料ガス供給路３１は燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、及びＦＣスタック入口バルブＨ２１が各々配設されている。高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池２０に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣスタック出口バルブＨ２２、水素ポンプ６３、及び逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。燃料電池２０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ６３によって適度に加圧され、燃料ガス供給路３１に導かれる。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給路３１から燃料ガス循環路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。アノードオフガス流路３３は燃料電池２０から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブ（排気手段）Ｈ５１が配設されている。
上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣスタック入口バルブＨ２１、ＦＣスタック出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１は各ガス流路３１〜３３又は燃料電池２０へ燃料ガスを供給し、或いは遮断するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。このような電磁弁として、例えば、オンオフ弁、或いはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。
燃料電池２０の酸化ガス供給系統（酸化ガス供給系統）には、エアコンプレッサ（酸化ガス供給源）４０、酸化ガス供給路４１、及びカソードオフガス流路４２が配設されている。エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮エアを酸化ガスとして燃料電池２０のカソード極に供給する。燃料電池２０の電池反応に供した後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。酸素オフガスは燃料電池２０での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール６２は酸化ガス供給路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池２０に供給される酸化ガスの背圧はカソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ４によって調圧される。カソードオフガス流路４２の下流は希釈器６４に連通しており、希釈器６４に酸素オフガスを供給する。希釈器６４はアノードオフガス流路３３の下流にも連通しており、水素オフガスを酸素オフガスによって混合希釈した後にシステム外に排気するように構成されている。
燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、二次電池（蓄電手段）５４に充電される。二次電池５４は車両制動時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池２０と二次電池５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータＭ４は後述の水素循環ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称している。
制御部５０はアクセルセンサ５５が検出したアクセル開度、車速センサ５６が検出した車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように燃料電池システム１０を制御する。具体的には、制御部５０はエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１の回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプ６３を駆動するモータＭ２の回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。更に、制御部５０はＤＣ／ＤＣコンバータ５３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように調整する。
尚、燃料ガス供給系統は、高圧部（タンクバルブＨ２０１〜水素供給バルブＨ２００の区間）、低圧部（水素供給バルブＨ２００〜ＦＣスタック入口バルブＨ２１の区間）、ＦＣ部（スタック入り口バルブＨ２１〜ＦＣスタック出口バルブＨ２２の区間）、循環部（ＦＣスタック出口バルブＨ２２〜逆止弁Ｈ５２の区間）の４つのセクションから構成されており、各部には燃料ガスの圧力を検出する圧力センサＰ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ６１，Ｐ５，Ｐ１０，Ｐ１１が配設されている。より詳細には、圧力センサＰ６は燃料ガス供給源３０の燃料ガス供給圧を検出する。圧力センサＰ７は高圧レギュレータＨ９の二次圧を検出する。圧力センサＰ９は低圧レギュレータＨ１０の二次圧を検出する。圧力センサＰ６１は燃料ガス供給路３１の低圧部の圧力を検出する。圧力センサＰ５はスタック入口の圧力を検出する。圧力センサＰ１０は水素循環ポンプ６３の入力ポート側（上流側）の圧力を検出する。圧力センサＰ１１は水素循環ポンプ６３の出力ポート側（下流側）の圧力を検出する。
本実施形態では、燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を各々のセクション毎（高圧部、低圧部、ＦＣ部、及び循環部）に行う。即ち、各セクションはガス漏れ検出部位となる。制御部５０は後述するガス漏れ判定（Ｓ１０２，Ｓ１０６，Ｓ１０８）を行う判定手段として機能する他、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを消費するために燃料電池の発電電流を制御する制御手段としても機能する。各々のガス漏れ検出部位の容積は異なるため、そこに内在する燃料ガスの量も異なる。制御部５０はガス漏れ検出部位の容積（燃料ガスの量）に応じて、燃料電池２０の発電電流を制御するのが好ましい。例えば、ガス漏れ検出部位の容積が大きい場合には発電電流の値を大きくし、ガス漏れ検出部位の容積が小さい場合には発電電流の値を小さくする等して燃料ガスの消費を制御する。また、制御部５０はガス漏れ検出部位の容積に応じて、パージバルブＨ５１からパージされる燃料ガスの量（パージ量）を制御するのが好ましい。例えば、ガス漏れ検出部位の容積が大きい場合にはパージ量を大きくし、ガス漏れ検出部位の容積が小さい場合にはパージ量を小さくする等してガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力に近づくように制御する。更に、制御部５０は二次電池５４のＳＯＣ（State Of Charge）に応じて燃料ガスのパージ量を制御するのが好ましい。例えば、二次電池５４のＳＯＣが高い場合には、燃料電池２０を発電させて燃料ガスを消費しても、その発電電力を二次電池５４に充電することができないので、燃料ガスのパージ量を多くし、二次電池５４のＳＯＣが低い場合には、燃料電池２０の発電電力を二次電池５４に充電することができるので、燃料ガスのパージ量を少なくする。
尚、燃料電池システム１０に燃料ガスの漏洩を検出する燃料ガスセンサ（例えば、水素センサ）が配設されている場合には、パージバルブＨ５１からパージされる燃料ガスの１回あたりのパージ量は燃料ガスセンサが検出する漏れ検出閾値範囲内（ガス漏れを検出できる最低濃度以下）が好ましい。これにより、燃料ガスセンサの誤判定を避けることができる。
図２は制御部５０が実行するシステム制御を記述したメインルーチンである。同図を参照してシステム制御の概要を説明した後に各サブルーチンについて説明する。燃料電池システム１０が起動すると（Ｓ１０１；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を行う（Ｓ１０２）。ここで、ガス漏れがなく、正常に発電できると判定されると（Ｓ１０３；ＹＥＳ）、通常発電制御が行われる（Ｓ１０４）。このようにして通常運転が継続され、予め定められた間欠運転開始条件が満たされると（Ｓ１０５；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を行う（Ｓ１０６）。間欠運転とは、アイドリング時、低速走行時、或いは回生制動時等のように低負荷運転時に燃料電池２０の発電を一時的に休止し、二次電池５４から供給される電力で走行する運転モードをいう。そして、システム停止が行われる場合には（Ｓ１０７；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料ガス供給系統のガス漏れ判定を行い（Ｓ１０８）、システム停止処理を行う（Ｓ１０９）。ガス漏れが検出された場合には（Ｓ１１０；ＹＥＳ）、異常停止処理を行う（Ｓ１１１）。
次に、各サブルーチンについて詳述する。
図３はシステム起動時のガス漏れ判定処理ルーチン（Ｓ１０２）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０はタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣスタック入口バルブＨ２１、及びＦＣスタック出口バルブＨ２２を開き、燃料ガス供給路３１を通じて燃料電池２０に燃料ガスを供給する（Ｓ２０１）。次いで、制御部５０は燃料ガス供給系統に配設されている全ての圧力センサＰ５〜Ｐ６のそれぞれの圧力値が所定の圧力値Ｐｊ１〜Ｐｊ７以上であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。全ての圧力センサＰ５〜Ｐ６のそれぞれが所定の圧力値Ｐｊ１〜Ｐｊ７以上に達し、燃料ガス供給路３１及び燃料ガス循環路３２の圧力がガス漏れ判定を行える状態にまで昇圧すると（Ｓ２０２；ＹＥＳ）、制御部５０はタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣスタック入口バルブＨ２１、及びＦＣスタック出口バルブＨ２２を閉弁し（Ｓ２０３）、燃料ガス供給路３１及び燃料ガス循環路３２を密封する。そして、密封状態から所定時間ｔ１経過後に（Ｓ２０４）、制御部５０は圧力センサＰ５〜Ｐ６の圧力値をＰ５Ｐ〜Ｐ６Ｐとして記憶する（Ｓ２０５）。更に、密封状態から所定時間ｔ２経過すると（Ｓ２０６）、制御部５０は記憶済みの圧力値Ｐ５Ｐ〜Ｐ６Ｐと、所定時間ｔ２経過時点で圧力センサＰ５〜Ｐ６が検出した圧力値との差圧ΔＰ５〜ΔＰ６を演算する（Ｓ２０７）。ここで求めた差圧ΔＰ５〜ΔＰ６は時間（ｔ２−ｔ１）の圧力低下量に相当する。制御部５０はそれぞれの差圧ΔＰ５〜ΔＰ６が所定の圧力値ｐｊ８〜Ｐｊ１４以上であるか否かを判定する（Ｓ２０８）。差圧ΔＰ５〜ΔＰ６の全てが所定の圧力値ｐｊ８〜Ｐｊ１４以下である場合には（Ｓ２０８；ＮＯ）、ガス漏れがないと考えられるので、システム起動を完了し、通常発電を開始する（Ｓ２０９）。一方、差圧ΔＰ５〜ΔＰ６のうち何れか一つでも所定の圧力値ｐｊ８〜Ｐｊ１４以上である場合には（Ｓ２０８；ＹＥＳ）、制御部５０はガス漏れが生じていると判定する（Ｓ２１０）。
図４は通常運転時の発電制御ルーチン（Ｓ１０４）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は燃料ガス供給系統の各バルブ（タンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣスタック入口バルブＨ２１、及びＦＣスタック出口バルブＨ２２）を開弁する（Ｓ３０１）。次いで、アクセル開度、車速等を基に車両要求パワー（システム要求電力）を演算し（Ｓ３０２）、燃料電池２０の出力電力と二次電池５４の出力電力の比を決定する（Ｓ３０３）。制御部５０は燃料電池発電量―エア・ストイキ・マップを参照して、所望の流量の酸化ガスが燃料電池２０に供給されるようにモータＭ１の回転数を制御する（Ｓ３０４）。更に、制御部５０は燃料電池発電量―水素・ストイキ・マップを参照して、所望の流量の燃料ガスが燃料電池２０に供給されるようにモータＭ２の回転数を制御する（Ｓ３０５）。次いで、制御部５０は燃料電池発電量―燃料ガスパージ頻度マップを参照してパージバルブＨ５１の開閉制御を行う（Ｓ３０６）。以下、本発電制御ルーチンを所定のインターバルで繰り返し実行することで、通常運転が継続的に実行される。
図５乃至図１０は間欠運転時、又はシステム停止時のガス漏れ判定処理ルーチン（Ｓ１０６，Ｓ１０８）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０はタンクバルブＨ２０１を閉弁し（Ｓ４０１）、高圧部のパージ判定を行う（Ｓ４０２）。パージ判定とは、燃料ガスをパージするか否かを判定することである。まず、圧力センサＰ６が検出した圧力と高圧部の目標圧力Ｐ６Ａとの差圧に基づいて、高圧部の圧力を目標圧力Ｐ６Ａに一致させるために必要な燃料ガス消費量を演算する（Ｓ４０３）。次いで、パージバルブＨ５１の一回あたりのパージ量と高圧部の容積との比から減圧度ΔＰＱを算出し（Ｓ４０４）、高圧部の圧力と目標圧力Ｐ６Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）以下である場合には（Ｓ４０５；ＹＥＳ）、燃料ガスをパージすると、高圧部の圧力が目標圧力Ｐ６Ａを低下してしまうため、パージを禁止する（Ｓ４０６）。一方、高圧部の圧力と目標圧力Ｐ６Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）を超える場合には（Ｓ４０５；ＮＯ）、燃料ガスをパージしても、高圧部の圧力が目標圧力Ｐ６Ａ以下になることはないので、パージを許可する（Ｓ４０７）。
次いで、低圧部のパージ判定を行う（Ｓ４０８）。まず、圧力センサＰ６１が検出した圧力と高圧部の目標圧力Ｐ６１Ａとの差圧に基づいて、低圧部の圧力を目標圧力Ｐ６１Ａに一致させるために必要な燃料ガス消費量を演算する（Ｓ４０９）。次いで、パージバルブＨ５１の一回あたりのパージ量と低圧部の容積との比から減圧度ΔＰＱを算出し（Ｓ４１０）、低圧部の圧力と目標圧力Ｐ６１Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）以下である場合には（Ｓ４１１；ＹＥＳ）、燃料ガスをパージすると、低圧部の圧力が目標圧力Ｐ６１Ａを低下してしまうため、パージを禁止する（Ｓ４１２）。一方、低圧部の圧力と目標圧力Ｐ６１Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）を超える場合には（Ｓ４１１；ＮＯ）、燃料ガスをパージしても、低圧部の圧力が目標圧力Ｐ６１Ａ以下になることはないので、パージを許可する（Ｓ４１３）。
次いで、ＦＣ部のパージ判定を行う（Ｓ４１４）。まず、圧力センサＰ５が検出した圧力と高圧部の目標圧力Ｐ５Ａとの差圧に基づいて、ＦＣ部の圧力を目標圧力Ｐ５Ａに一致させるために必要な燃料ガス消費量を演算する（Ｓ４１５）。次いで、パージバルブＨ５１の一回あたりのパージ量とＦＣ部の容積との比から減圧度ΔＰＱを算出し（Ｓ４１６）、ＦＣ部の圧力と目標圧力Ｐ５Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）以下である場合には（Ｓ４１７；ＹＥＳ）、燃料ガスをパージすると、ＦＣ部の圧力が目標圧力Ｐ５Ａを低下してしまうため、パージを禁止する（Ｓ４１８）。一方、ＦＣ部の圧力と目標圧力Ｐ５Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）を超える場合には（Ｓ４１７；ＮＯ）、燃料ガスをパージしても、ＦＣ部の圧力が目標圧力Ｐ５Ａ以下になることはないので、パージを許可する（Ｓ４１９）。
次いで、循環部のパージ判定を行う（Ｓ４２０）。まず、発電を禁止する（Ｓ４２１）。次いで、パージバルブＨ５１の一回あたりのパージ量と循環部の容積との比から減圧度ΔＰＱを算出し（Ｓ４２２）、循環部の圧力と目標圧力Ｐ１０Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）以下である場合には（Ｓ４２３；ＹＥＳ）、燃料ガスをパージすると、循環部の圧力が目標圧力Ｐ１０Ａを低下してしまうため、パージを禁止する（Ｓ４２４）。一方、循環部の圧力と目標圧力Ｐ１０Ａとの差圧がΔＰＱ＋所定値（余裕度）を超える場合には（Ｓ４２３；ＮＯ）、燃料ガスをパージしても、循環部の圧力が目標圧力Ｐ１０Ａ以下になることはないので、パージを許可する（Ｓ４２５）。
各セクションのパージ判定が終了すると、次に、制御部５０は水素消費量―燃料電池発電量マップを参照して、Ｓ４０３，Ｓ４０９，Ｓ４１５で求めた燃料ガスを消費するための燃料電池２０の発電量を求める（Ｓ４２６）。更に、燃料電池発電量―エア・ストイキ・マップを参照して、所望の発電量を得るために必要な酸化ガスが燃料電池２０に供給されるようにモータＭ１の回転数を調整する（Ｓ４２７）。そして、水素供給バルブＨ２００が開弁している場合には（Ｓ４２８；ＹＥＳ）、制御部５０は燃料電池発電量―水素ストイキ・マップを参照して所望の発電量を得るために必要な燃料ガス流量が燃料電池２０に供給されるようにモータＭ２の回転数を調整する（Ｓ４２９）。更に、制御部５０は燃料電池発電量―パージ頻度マップを参照してパージバルブＨ５１を開閉制御する（Ｓ４３０）。このとき、パージが禁止されている場合には（Ｓ４０６，Ｓ４１２，Ｓ４１８，Ｓ４２４）、パージバルブＨ５１は閉弁状態を維持する。一方、水素供給バルブＨ２００が閉弁している場合には（Ｓ４２８；ＮＯ）、制御部５０は水素ポンプ６３を停止し（Ｓ４３１）、燃料電池発電量―パージ頻度マップを参照してパージバルブＨ５１を開閉制御する（Ｓ４３２）。パージバルブＨ５１を開閉する際には、パージバルブＨ５１の１次圧、２次圧、及び開弁時間に基づいて１回あたりのパージ量を演算する（Ｓ４３３）。ここで、パージバルブＨ５１の１次圧は圧力センサＰ１１が検出した圧力値によって求めることができる。パージバルブＨ５１の２次圧はカソードオフガス流路４２を流れる酸素オフガスの流量によって求めることができる。
制御部５０は二次電池５４のＳＯＣが所定値（例えば、８０％〜９０％）以上である場合には（Ｓ４３４；ＹＥＳ）、燃料ガスの消費によって発電した電力を二次電池５４に蓄電することができないので、制御部５０は燃料電池２０の発電量を減少させ、且つ燃料ガスのパージ量を増加させる（Ｓ４３５）。また、燃料ガスのパージ頻度が所定頻度より多くなると（Ｓ４３６；ＹＥＳ）、システム外に排気される燃料ガス濃度が高くなるので、排気燃料ガス濃度を低減させるためにエアコンプレッサ４０の回転数を増加させて、カソードオフガス流路４２を流れる酸素オフガスの流量を増量し、希釈器６４で希釈される排気燃料ガス濃度を低減する（Ｓ４３７）。即ち、燃料ガスのパージ量の増加（排気燃料ガス濃度の増加）に対応して、燃料電池２０のカソード極への酸化ガス供給量を増加させることにより、希釈器６４に導入されるカソード極オフガス（酸化ガス）を増加させる。この結果、パージされる燃料ガスの濃度を希釈できる。尚、希釈器６４の代わりに触媒を有する燃焼器でパージガスを酸化させてもよい。
このように、電力発電による燃料ガスの消費と、燃料ガスのパージ操作を実行することで（Ｓ４２６〜Ｓ４３７）、燃料ガス供給系統の各セクション（ガス漏れ検出部位）の圧力を迅速に低下させることができる。より詳細には、高圧部、低圧部、及びＦＣ部の圧力は電力発電による燃料ガス消費と燃料ガスのパージ操作によって低下させることができ、循環部の圧力は燃料ガスのパージ操作によって低下させることができる。各セクションのガス漏れ判定は、例えば、燃料ガス供給系統に配設されている各バルブを閉弁し、閉空間（略密閉空間）を形成して当該閉空間の圧力低下代を検出することにより行うのがよい。ガス漏れ判定はバルブが閉弁するのに要する時間と、略密閉空間の圧力が安定するのに要する時間とが経過してからガス漏れ判定を行うのが好ましい。これにより、ガス漏れ検出精度を高めることができる。
圧力センサＰ６の検出圧力が目標圧力Ｐ６Ａ以下になると（Ｓ４３８；ＹＥＳ）、高圧部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０は水素供給バルブＨ２００を閉弁する（Ｓ４３９）。これにより高圧部は密封状態になる。次いで、水素供給バルブＨ２００の下流側に配設されている圧力センサＰ６１の検出圧力が所定圧力ＰＪＡ１以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ４４０）。所定圧力ＰＪＡ１は、水素供給バルブＨ２００が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサＰ６１の検出圧力が所定圧力ＰＪＡ１以下になると（Ｓ４４０：ＹＥＳ）、高圧部のガス漏れ判定を行うために、水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ３が経過したか否かを判定する（Ｓ４４１）。所定時間ｔ３が経過すると（Ｓ４４１：ＹＥＳ）、圧力センサＰ６の検出圧力をＰ６Ｐとして記憶する（Ｓ４４２）。更に水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ４が経過したか否かを判定し（Ｓ４４３）、所定時間ｔ４が経過すると（Ｓ４４３；ＹＥＳ）、記憶済みの圧力Ｐ６Ｐと圧力センサＰ６の検出圧力との差圧（圧力低下代）ΔＰ６を演算する（Ｓ４４４）。ここで、差圧ΔＰ６が所定の閾値圧力Ｐｊ１５以上である場合には（Ｓ４４５；ＹＥＳ）、高圧部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４４６）。ガス漏れの原因としては、タンクバルブＨ２０１或いは水素供給バルブＨ２２の開故障、又はレギュレータＨ９、Ｈ１０或いは燃料ガス供給路３１の破損等が考えられる。ここで、開故障とは、バルブが開いたままになって、閉弁できなくなる故障状態をいう。
一方、水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ３が経過していない場合（Ｓ４４１；ＮＯ）、或いは所定時間ｔ４が経過していない場合（Ｓ４４３；ＮＯ）、又は差圧ΔＰ６が所定の閾値圧力Ｐｊ１５未満である場合（Ｓ４４５；ＮＯ）には、制御部５０は低圧部のガス漏れ判定を許可する（Ｓ４４７）。これは、水素供給バルブＨ２００の閉弁時から所定時間ｔ３又はｔ４が経過していなくても、既に水素供給バルブＨ２００が閉弁している以上、高圧部のガス漏れ判定と並行して低圧部のガス漏れ判定を行うことができるためである。
そして、圧力センサＰ６１の検出圧力が目標圧力Ｐ６１Ａ以下になると（Ｓ４４８；ＹＥＳ）、低圧部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０はＦＣスタック入口バルブＨ２１を閉弁する（Ｓ４４９）。これにより低圧部は密封状態になる。次いで、ＦＣスタック入口バルブＨ２１の下流側に配設されている圧力センサＰ５，Ｐ１１の検出圧力がそれぞれ所定圧力ＰＪＡ２，ＰＪＡ３以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ４５０）。所定圧力ＰＪＡ２，ＰＪＡ３は、ＦＣスタック入口バルブＨ２１が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサＰ５，Ｐ１１の検出圧力がそれぞれ所定圧力ＰＪＡ２，ＰＪＡ３以下になると（Ｓ４５０：ＹＥＳ）、低圧部のガス漏れ判定を行うために、ＦＣスタック入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ５が経過したか否かを判定する（Ｓ４５１）。所定時間ｔ５が経過すると（Ｓ４５１：ＹＥＳ）、圧力センサＰ６１の検出圧力をＰ６１Ｐとして記憶する（Ｓ４５２）。更にＦＣスタック入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ６が経過したか否かを判定し（Ｓ４５３）、所定時間ｔ６が経過すると（Ｓ４５３；ＹＥＳ）、記憶済みの圧力Ｐ６１Ｐと圧力センサＰ６１の検出圧力との差圧（圧力低下代）ΔＰ６１を演算する（Ｓ４５４）。ここで、差圧ΔＰ６１が所定の閾値圧力Ｐｊ１６以上である場合には（Ｓ４５５；ＹＥＳ）、低圧部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４５６）。ガス漏れの原因としては、水素供給バルブＨ２２或いはＦＣスタック入口バルブＨ２１の開故障、又は燃料ガス供給路３１或いは燃料ガス循環路３２の破損等が考えられる。
一方、ＦＣスタック入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ５が経過していない場合（Ｓ４５１；ＮＯ）、或いは所定時間ｔ６が経過していない場合（Ｓ４５３；ＮＯ）、又は差圧ΔＰ６１が所定の閾値圧力Ｐｊ１６未満である場合（Ｓ４５５；ＮＯ）には、制御部５０はＦＣ部のガス漏れ判定を許可する（Ｓ４５７）。これは、ＦＣスタック入口バルブＨ２１の閉弁時から所定時間ｔ５又はｔ６が経過していなくても、既にＦＣスタック入口バルブＨ２１が閉弁している以上、低圧部のガス漏れ判定と並行してＦＣ部のガス漏れ判定を行うことができるためである。
そして、圧力センサＰ５の検出圧力が目標圧力Ｐ５Ａ以下になると（Ｓ４５８；ＹＥＳ）、ＦＣ部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０はＦＣスタック出口バルブＨ２２を閉弁する（Ｓ４５９）。これによりＦＣ部は密封状態になる。次いで、ＦＣスタック出口バルブＨ２２の下流側に配設されている圧力センサＰ１０の検出圧力が所定圧力ＰＪＡ４以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ４６０）。所定圧力ＰＪＡ４は、ＦＣスタック出口バルブＨ２２が確実に閉弁しているか否かを判定するための圧力である。圧力センサＰ１０の検出圧力がそれぞれ所定圧力ＰＪＡ４以下になると（Ｓ４６０：ＹＥＳ）、ＦＣ部のガス漏れ判定を行うために、ＦＣスタック出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ７が経過したか否かを判定する（Ｓ４６１）。所定時間ｔ７が経過すると（Ｓ４６１：ＹＥＳ）、圧力センサＰ５の検出圧力をＰ５Ｐとして記憶する（Ｓ４６２）。更にＦＣスタック出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ８が経過したか否かを判定し（Ｓ４６３）、所定時間ｔ８が経過すると（Ｓ４６３；ＹＥＳ）、記憶済みの圧力Ｐ５Ｐと圧力センサＰ５の検出圧力との差圧（圧力低下代）ΔＰ５を演算する（Ｓ４６４）。ここで、差圧ΔＰ５が所定の閾値圧力Ｐｊ１７以上である場合には（Ｓ４６５；ＹＥＳ）、ＦＣ部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４６６）。ガス漏れの原因としては、ＦＣスタック入口バルブＨ２１或いはＦＣスタック出口バルブＨ２２の開故障、又は燃料ガス供給路３１或いは燃料ガス循環路３２の破損等が考えられる。
一方、ＦＣスタック出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ７が経過していない場合（Ｓ４６１；ＮＯ）、或いは所定時間ｔ８が経過していない場合（Ｓ４６３；ＮＯ）、又は差圧ΔＰ５が所定の閾値圧力Ｐｊ１７未満である場合（Ｓ４６５；ＮＯ）には、制御部５０は循環部のガス漏れ判定を許可する（Ｓ４６７）。これは、ＦＣスタック出口バルブＨ２２の閉弁時から所定時間ｔ７又はｔ８が経過していなくても、既にＦＣスタック出口バルブＨ２２が閉弁している以上、ＦＣ部のガス漏れ判定と並行して循環部のガス漏れ判定を行うことができるためである。
そして、圧力センサＰ１０の検出圧力が目標圧力Ｐ１０Ａ以下になると（Ｓ４６８；ＹＥＳ）、循環部の圧力がガス漏れ判定に好適な圧力に達したことを示しているので、制御部５０はパージバルブＨ５１の開閉を禁止する（Ｓ４６９）。これにより循環部は密封状態になる。循環部のガス漏れ判定を行うために、制御部５０はパージバルブＨ５１の開閉を禁止した時点（又はＦＣスタック出口バルブＨ２２の閉弁時）から所定時間ｔ９が経過したか否かを判定する（Ｓ４７０）。所定時間ｔ９が経過すると（Ｓ４７０：ＹＥＳ）、圧力センサＰ１０検出圧力をＰ１０Ｐとして記憶する（Ｓ４７１）。更に、パージバルブＨ５１の開閉を禁止した時点（又はＦＣスタック出口バルブＨ２２の閉弁時）から所定時間ｔ１０が経過したか否かを判定し（Ｓ４７２）、所定時間ｔ１０が経過すると（Ｓ４７２；ＹＥＳ）、記憶済みの圧力Ｐ１０Ｐと圧力センサＰ１０の検出圧力との差圧（圧力低下代）ΔＰ１０を演算する（Ｓ４７３）。ここで、差圧ΔＰ１０が所定の閾値圧力Ｐｊ１８以上である場合には（Ｓ４７４；ＹＥＳ）、循環部にガス漏れが生じていると判定する（Ｓ４７５）。ガス漏れの原因としては、ＦＣスタック出口バルブＨ２２或いは逆止弁Ｈ５２の開故障、又は燃料ガス循環路３２の破損等が考えられる。一方、圧ΔＰ１０が所定の閾値圧力Ｐｊ１８未満である場合には（Ｓ４７４；ＮＯ）、循環部にガス漏れが生じてないと判定し、ガス漏れ判定を完了する（Ｓ４７６）。
図１１はシステム停止処理ルーチン（Ｓ１０９）を記述したフローチャートである。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は循環部のガス漏れ判定が完了したか否かを判定する（Ｓ５０１）。循環部のガス漏れ判定が完了したならば（Ｓ５０１；ＹＥＳ）、制御部５０はＦＣスタック入口バルブＨ２１、及びＦＣスタック出口バルブＨ２２を開弁し、燃料ガス供給路３１及び燃料ガス循環路３２に残留している燃料ガスを燃料電池２０に導く（Ｓ５０２）。これと同時に、制御部５０はエアコンプレッサ４０を回転させて燃料電池２０に酸化ガスを供給する。燃料電池２０に導入された燃料ガスは電力発電によって消費される。更に、制御部５０は適当な時間間隔でパージバルブＨ５１を開弁することにより、燃料ガスをパージし、燃料電池２０を循環する燃料ガスの不純物濃度を低減する。そして、圧力センサＰ５の検出圧力が目標圧力Ｐ５ＡＥ以下に降圧したか否かを判定する（Ｓ５０３）。目標圧力Ｐ５ＡＥとしては、システム停止時に燃料ガスがカソード側にクロスリークしない程度の圧力が好ましい。圧力センサＰ５の検出圧力が目標圧力Ｐ５ＡＥ以下に降圧すると（Ｓ５０３；ＹＥＳ）、制御部５０はＦＣスタック入口バルブＨ２１、ＦＣスタック出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１を閉弁し、エアコンプレッサ４０と水素ポンプ６３を停止させて、発電を停止する（Ｓ５０４）。
図１２は異常停止処理ルーチン（Ｓ１１１）を記述したフローチャートである。上述のガス漏れ判定（Ｓ１０２，Ｓ１０６，Ｓ１０８）において、ガス漏れが生じていると判定されると（Ｓ２１０，Ｓ４４６，Ｓ４５６，Ｓ４４６，Ｓ４７５）、異常停止処理ルーチンが呼び出される。同ルーチンが呼び出されると、制御部５０は燃料ガス供給系統に配設されている全てのバルブ、即ち、タンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣスタック入口バルブＨ２１、ＦＣスタック出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１を全て閉弁し、更にエアコンプレッサ４０と水素ポンプ６３を停止させて、発電を停止する（Ｓ６０１）。
本実施形態によれば、ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを電力発電で消費するだけでなく、燃料ガス供給路の外にパージすることによって、ガス漏れ検出部位の圧力を短時間で目標圧力に近づけることが可能になり、ガス漏れ判定を短時間で精度良く行うことができる。また、燃料ガスをパージすることによって、燃料ガスの不純物濃度の上昇を抑えることができるので、セル電圧の低下を抑制できる。
本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。 システム制御のメインルーチンである。 システム起動時のガス漏れ判定処理ルーチンである。 通常発電制御ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 ガス漏れ判定処理ルーチンである。 システム停止処理ルーチンである。 異常停止処理ルーチンである。
符号の説明
１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３０…燃料ガス供給源 ３１…燃料ガス供給路 ３２…燃料ガス循環路 ３３…アノードオフガス流路 ４０…エアコンプレッサ ４１…酸化ガス流路 ４２…カソードオフガス流路 ５０…制御部 ５４…二次電池 Ｈ２０１…タンクバルブ Ｈ９…高圧レギュレータ Ｈ１０…低圧レギュレータ Ｈ２００…水素供給バルブ Ｈ２１…ＦＣスタック入口バルブ Ｈ２２…ＦＣスタック出口バルブ Ｈ５１…パージバルブ

Claims (8)

  1. 燃料ガス供給系統のガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを燃料電池のアノード極で消費し、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスの圧力変化状態に基づいてガス漏れ判定を行う判定手段を備えた燃料電池システムであって、前記ガス漏れ検出部位に内在する燃料ガスを前記燃料ガス供給系統の外にパージすることによって前記ガス漏れ検出部位の圧力を低下させる排気手段を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記排気手段は燃料ガスをパージすることによって、前記ガス漏れ検出部位の圧力が目標圧力を下回る場合には燃料ガスのパージを制限するように構成されている、燃料電池システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記排気手段は前記ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にする、燃料電池システム。
  4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、前記ガス漏れ検出部に内在する燃料ガスの消費量に応じて前記燃料電池の発電電流を可変にする制御手段を更に備える、燃料電池システム。
  5. 請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池が発電した電力を蓄電する蓄電手段を更に備え、前記排気手段は前記蓄電手段の充電量に応じて燃料ガスのパージ量を可変にする、燃料電池システム。
  6. 請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池から排出されるカソード極オフガスと前記排気手段からパージされる燃料ガスとを混合希釈する希釈器とを更に備え、前記酸化ガス供給手段は前記排気手段からパージされる燃料ガスのページ量に対応して酸化ガスの供給量を変更する、燃料電池システム。
  7. 請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、燃料ガスの漏洩を検出する燃料ガスセンサを更に備え、前記排気手段からパージされる燃料ガスの１回あたりのパージ量は前記燃料ガスセンサが検出する漏れ検出閾値範囲内である、燃料電池システム。
  8. 請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、前記ガス漏れ検出部位は前記燃料ガス供給系統に配設されたバルブが閉弁することによって形成された略密閉空間であり、前記判定手段は前記バルブが閉弁してから前記略密閉空間の圧力が安定するのに要する時間が経過してからガス漏れ判定を行う、燃料電池システム。
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