JP2006179469A - ガス漏れ検知装置および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システム100の燃料ガスの漏れを検知するために、まず、アノードガス供給流路24において供給される水素ガス流量を検出し、燃料電池10で消費される水素ガスの消費量を算出し、検出した水素ガス流量から水素ガス消費量を減算して、差分ガス量を算出する。一方、漏れ検知流路内Cxにおける燃料ガスの圧力を検出し、検出した燃料ガスの圧力の変化を求め、その燃料ガスの圧力変化に起因して生じる漏れ検知流路Cxに流れ込む燃料ガスの増減量を求める。そして、算出した差分ガス量から、求めた燃料ガスの増減量を減算することにより差分ガス量を補正し、それが所定値以上の場合に、漏れ検知流路Cxにおいて燃料ガスの漏れを検知する。
【選択図】 図2
Description
燃料電池システムのガス漏れを検知するガス漏れ検知装置であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
を備え、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の3つの流路をガス漏れ検知流路とした際に、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記ガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを要旨とする。
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の位置と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の位置とに接続され、前記排出流路から前記供給流路に前記燃料排ガスを前記燃料ガスとして環流するための循環流路を備え、
前記ガス漏れ検知流路は、前記循環流路を含むようにしてもよい。
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出される前記燃料ガス供給量を、前記循環ポンプによる脈動の影響を緩和するように補正する脈動補正部を備え、
前記差分量算出部は、
補正された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算することにより前記差分ガス量を算出するようにしもよい。
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記圧力検出部が前記燃料ガスの圧力を検出する際に、前記循環ポンプを停止させるポンプ停止部を備えるようにしてもよい。
前記燃料電池の燃料極側から酸素極側に透過する燃料ガス量を求める透過燃料ガス量検知部を備え、
前記差分量算出部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量と、求めた前記透過燃料ガス量とを減算することにより前記差分ガス量を算出するようにしてもよい。
前記パージ弁が開弁されている場合には、前記パージ弁から外部に排出されるパージガス量を検出するパージ量検出部を備え、
前記差分量算出部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量と、検出した前記パージガス量とを減算することにより前記差分ガス量を算出するようにしてもよい。
前記ガス漏れ検知流路は、
圧力が異なる複数の区間に区分され、
前記圧力検出部は、
前記ガス漏れ検知流路において、各区間内における前記燃料ガスの圧力をそれぞれ検出し、
前記圧力変化増減量算出部は、
検出された各区間ごとの前記燃料ガスの圧力の変化を求め、それら各区間の前記燃料ガスの圧力変化に起因して生じる各区間内に流れ込む前記燃料ガスの増減量をそれぞれ求め、
求めた各区間ごとの前記燃料ガスの各増減量の和を前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量として算出するようにしてもよい。
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスを減圧させる減圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置に対して、前記減圧弁を挟んだ反対側の位置で、前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が同程度である場合において、前記燃料ガス漏れ検知部による前記燃料ガスの漏れ判定の実行を許可する漏れ判定許可部と、
を備えるようにしてもよい。
前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が共に一定であるが、前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量が同程度でない場合には、前記供給流路において前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置と、前記燃料ガス流量検出部が前記燃料ガス流量を検出する位置との間で、前記燃料ガスの漏れが生じていると判定するようにしてもよい。
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され前記燃料ガスの供給が遮断された状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向とは逆方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側であり、前記遮断弁よりも前記燃料ガスの供給方向に対して下流側の流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定するようにしてもよい。
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁と、
を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され、前記燃料電池の発電が停止した状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することようにしてもよい。
前記燃料ガス漏れ検知部により前記燃料ガスの漏れ判定を行っている最中に、外部から前記燃料電池の出力増加の要求が合った場合には、前記燃料ガス漏れ検知部による前記燃料ガスの漏れ判定を中止するようにしてもよい。
前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第1の差圧検出部と、
前記第1の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部の前記検出位置を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第1の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第1の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断するようにしてもよい。
前記燃料電池システムは、
前記供給流路の前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側又は下流側に設けられる調圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記調圧弁のある位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第2の差圧検出部を備え、
前記第2の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記調圧弁を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第2の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第2の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断するようにしてもよい。
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の3つの流路から成るガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
を備え、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを要旨とする。
A.第1の実施例:
A1.装置全体の構成:
A2.水素漏れ検知処理:
B.第2の実施例:
C.第3の実施例:
D.変形例:
A1.装置全体の構成:
図1は、本発明の第1の実施例における燃料電池システム100の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム100は、主に燃料電池10と、水素タンク20と、水素流量計(以下、HFM300と呼ぶ。)と、圧力センサ310,340と、電流センサ320と、温度センサ330と、ブロワ30と、制御部400と、加湿器60と、循環ポンプ250とを備えている。
図3は、本実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。本実施例の水素漏れ検知処理は、燃料電池10の運転中に、予め決められた一定間隔のタイミング(以下、漏れ検知タイミングと呼ぶ。)ごとに行われるように設定されている。そして、この水素漏れ検知処理では、漏れ検知タイミングになると、それからα秒の間、漏れ検知流路Cxにおいて水素ガスの漏れがあるかどうかの検知を行う。なお、以下では、このα秒間は漏れ検知を行っている期間なので、漏れ検知期間Xとも呼ぶ。この水素漏れ検知処理を行っている場合には、燃料電池10が運転中であるので、前提条件として、遮断弁200が開弁され、水素タンク20からアノードガス供給流路24へ水素ガスが供給されている。この前提条件は、後述する第2の実施例においても同様である。
図5は、本発明の第2の実施例における燃料電池システム110の構成を示すブロック図である。
次に、第2の実施例について説明する。本実施例の燃料電池システム110は、図5に示すように、第1の実施例の燃料電池システム100において、アノードガス供給流路24における、レギュレータ220よりも水素ガスの供給方向に対して下流側であり、ガス循環流路28との接続部よりも上流側の位置に、HFM300とは別の水素流量計(以下では、HFM500と呼ぶ。)が追加されている。このHFM500は、レギュレータ220によって2回目の調圧を受けた後の水素ガスの単位時間水素流量を測定する。漏れ検知実行部410は、HFM500から単位時間水素流量を検出する。また、漏れ検知実行部410は、以下に示す本実施例の水素漏れ検知処理およびその前提処理を行う。
図6Bは、本実施例における水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。
本実施例の燃料電池システム110では、漏れ検知流路内に圧力変化があるような場合、すなわち、漏れ検知流路内が非定常状態であるような場合、第1の実施例と同様の水素漏れ検知処理を行う。そして、さらに、漏れ検知流路内が定常状態である場合(前提処理:図6A)には、図6Bに示す水素漏れ検知処理を行う。以下に、本実施例における水素漏れ検知処理(図6B)およびその前提処理(図6A)について説明する。
本実施例では、図7に示すように、水素ガスの漏れ検知を実施する漏れ検知流路は、第1の実施例における漏れ検知流路Cxと同様となっている。ただし、本実施例では、漏れ検知流路Cxにおいて、アノードガス供給流路24でHFM300とHFM500に挟まれた流路をHFM間流路Cx1と呼び、HFM間流路Cx1以外の流路、すなわち、アノードガス供給流路24においてHFM500よりも水素ガスの供給方向に対して下流側の流路等を低圧部HFM下流流路Cx2と呼ぶ。
次に、第3の実施例について説明する。本実施例の燃料電池システム120は、第1の実施例の燃料電池システム100のアノードガス供給流路24上にHFM500を追加した第2の実施例の燃料電池システム110(図5)と同様の構成である。なお、本実施例におけるHFM300およびHFM500は、各水素流量計(HFM)を流れる水素ガスの方向も検出する機能を有する。すなわち、各水素流量計(HFM)において、単位時間水素流量が正の流量を示せば、水素ガスがHFM内を燃料電池10の方向に流れていることを示し、単位時間水素流量が負の流量を示せば、水素ガスが水素流量計(HFM)内を水素タンク20の方向へ流れていることを示す。
本実施例の燃料電池システム120は、燃料電池10の運転中において、漏れ検知流路内に圧力変化があるような場合、すなわち、漏れ検知流路内が非定常状態であるような場合には、第1の実施例の水素漏れ検知処理を行い、また、漏れ検知流路内が定常状態である場合には、第2の実施例の水素漏れ検知処理(図6B)を行う。そして、さらに、本実施例の燃料電池システム120は、燃料電池10の運転停止時において、図8に示すように、上記実施例とは異なる水素漏れ検知処理を行う。なお、漏れ検知実行部410が、この水素漏れ検知処理を行う。以下に、本実施例における水素漏れ検知処理について説明する。
本実施例では、図9に示すように、水素ガスの漏れ検知を実施する漏れ検知流路Czは、第1の実施例における漏れ検知流路Cxに加えて、アノードガス供給流路24においてHFM300とレギュレータ210とに挟まれた流路(以下では、中圧部HFM上流流路Cz1と呼ぶ。図9:左下斜線領域)からなる。この漏れ検知流路Czにおいて、第1の実施例における漏れ検知流路Cxと同様の流路のうち、アノードガス供給流路24においてレギュレータ220とHFM300に挟まれた流路をHFM間上流流路Cz2(図9:右下斜線領域)と呼び、アノードガス供給流路24においてHFM500とレギュレータ220に挟まれた流路をHFM間下流流路Cz3(図9:編線領域)と呼び、500HFMよりも水素ガスの供給方向に対して下流の流路を低圧部HFM下流流路Cz4(図9:点ハッチング)と呼ぶ。
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
上記実施例の何れかの水素流量計(HFM300若しくはHFM500)において、以下の2つの方法で、水素流量計の動作検定を行ってもよい。以下では、動作検定を行う水素流量計を検定HFMと呼ぶ。また、漏れ検知実行部410が、この検定HFMの動作検定を行うこととする。
上記第1または第2の実施例において、水素タンク20から供給される水素ガスを、水素流量計(HFM300若しくはHFM500)により測定するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。水素タンク20から供給される水素ガスを、上記変形例1において、検定HFMを流れる水素流量(推定水素流量Qh若しくは推定水素流量Qm(Nl/min))を推定したのと同様の方法で推定し、その推定水素流量を第1または2の実施例における水素漏れ検知処理で用いるようにしてもよい。このようにすれば、水素流量計を用いることなく、水素漏れの検知をすることができる。
上記実施例において、第1または第2の実施例における水素漏れ検知処理中に、燃料電池10の出力が増加したときには、その水素漏れ検知処理を中断するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池10の出力の増大に起因する水素漏れの検出精度の低下を防ぐことができ、誤検知を防止することができる。
上記第1または第2の実施例では、燃料電池10の電流を検出する電流センサは1つしか配置されていないが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、電流の検出レンジの異なる電流センサを燃料電池10に複数配置するようにしてもよい。この場合、漏れ検知実行部410は、第1または2の実施例における水素漏れ検知処理を行う場合において、燃料電池10の出力に合わせて、その出力にあった検出レンジに対応する電流センサから電流値を検出するようにしてもよい。このようにすれば、より正確な発電消費水素流量を算出することができる。従って、水素漏れの検知精度を向上させることができる。
上記第1の実施例において、水素漏れ検知処理は、一定間隔で行うようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池10の間欠運転時や、起動時、および、停止時等、電流センサ320の検出電流値がほとんどない状態で、水素漏れ検知処理を行うようにしてもよい。また、パージ弁240を開弁中、すなわち、パージ動作中は、この水素漏れ検知処理を行わないようにしてもよい。このようにすれば、水素漏れ仮定量の算出の際に考慮していた発電消費水素流量またはパージ量または圧力変化増減水素流量を考慮しなくてよいので、水素漏れ検知の精度が向上する。
上記第1または第2の実施例において、カソード側から電解質膜を介してアノード流路25内へ窒素や水蒸気などの不要ガスが透過してくる場合がある。このような場合に、以下のようにしてもよい。すなわち、透過してくる不要ガス(以下では、通過不要ガスと呼ぶ。)の透過量を予め実験的に求めておいたアレニウスプロットなどにより求め、さらに、漏れ検知流路Cx内における透過不要ガスの分圧を求め、膜透過水素量Q2やパージ量Q3や圧力変化増減水素流量Q4に対して、全圧から通過不要ガスの分圧を除き水素ガスのみの割合を乗じる。そして、全圧から通過不要ガスの分圧を除き水素ガスのみの割合を乗じた膜透過水素量Q2やパージ量Q3や圧力変化増減水素流量Q4に基づいて、水素漏れ仮定量ΔQxを算出する。このようにすれば、透過不要ガスを考慮して、水素漏れの検知を行うことができ、水素漏れ検知の精度が向上する。
上記第1の実施例において、漏れ検知実行部410は、漏れ検知期間Xの間、循環ポンプ250を停止するようにしてもよい。このようにすれば、HFM300において循環ポンプ250の脈動の影響を低減することができる。従って、漏れ検知実行部410は、単位時間水素流量をHFM300からより正確に検出することができる。その結果、水素漏れ検知の精度が向上する。また、このようにすれば、漏れ検知実行部410は、漏れ検知流路Cx内の圧力変化が抑制されるので、圧力変化増減水素流量Q4を精度よく算出することができる。その結果、水素漏れ検知の精度が向上する。なお、この場合、漏れ検知実行部410は、請求項におけるポンプ停止部に該当する。
上記第1または第2の実施例における水素漏れ検知処理において、漏れ検知実行部410は、HFM300またはHFM500から検出される単位時間水素流量が表す波形(以下では、検出水素流量波形と呼ぶ。)に、循環ポンプ250の脈動に合わせたフィルタをかけるようにしてもよい。具体的には、漏れ検知実行部410は、循環ポンプ250のポンプ回転数から、発生する脈動波形を推定し、その波形の位相をπずらした波形を、検出水素流量波形に重ねる。このようにすれば、漏れ検知実行部410は、循環ポンプ250を停止することなく、HFM300において循環ポンプ250の脈動の影響を低減することができる。従って、HFM300からより正確に単位時間水素流量を検出することができる。その結果、水素漏れ検知の精度が向上する。
上記実施例における燃料電池システムを、所定の2次電池と組み合わせてハイブリットシステムとしてもよい。このようにすれば、適宜状況に応じて、燃料電池10を定常状態で動かすことができ、すなわち、漏れ検知流路Cx内を定常状態に容易することができる。従って、水素漏れの検知精度が向上する。なお、上記2次電池は、例えば、所定のバッテリーとしてもよいし、上記実施例と同様の燃料電池としてもよい。
上記第1の実施例の水素漏れ検知処理において、ステップS150(図3)の処理で水素漏れ仮定量ΔQxと閾値Fとが同程度である場合には、水素漏れ検知処理中に水素漏れがあるかどうかの決定をすぐにはせず、その後に水素漏れ検知処理のステップS100〜ステップS150の処理を所定回数ほど繰り返し行って、その度に算出される水素漏れ仮定量ΔQxと閾値Fの大小の傾向を検討してから、漏れ検知流路Cxにおいて、水素漏れが発生しているかどうかの判定をするようにしてもよい。このようにすれば、水素漏れ仮定量ΔQxが閾値Fと同程度の場合において、水素漏れの誤検知を抑制することができ、水素漏れ検知の精度を向上させることができる。また、この場合、水素漏れ仮定量ΔQxが閾値Fより大幅に大きい場合には、一度で、漏れ検知流路Cxにおいて水素漏れが発生していると判定するようにしてもよいし、水素漏れ仮定量ΔQxが閾値Fより大幅に小さい場合には、一度で、漏れ検知流路Cxにおいて水素漏れが発生していないと判定するようにしてもよい。このようにすれば、素早く水素漏れ検知を行うことができる。
上記第3の実施例では、水素流量計(HFM300およびHFM500)は、アノードガス供給流路24上に2つ設けられているが本実施例は、これに限られるものではなく、アノードガス供給流路24に3つ以上の水素流量計を設けてもよい。そして、設置された各水素流量計からそれぞれ単位時間水素流量を検出して、第3の実施例の水素漏れ検知処理のごとく、それらの検出結果を検討することにより、漏れ検知流路Czにおいて、水素漏れを検知することができる。さらに、検出結果の検討結果に基づいて、詳細な漏れ位置の特定をすることができる。
上記第2の実施例において、2つの水素流量計(HFM300およびHFM500)を設けて、これらの流量から定常状態を判定するようにしていたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、水素流量計を3つ以上設けて、これらから水素ガスの流量を検出し、検出した水素流量から定常状態を判定するようにしてもよい。このようにすれば、より正確に定常状態を判定することができる。また、定常状態と判定した場合に、水素流量計間に流量差がある場合には、流量差がある水素流量計間を水素漏れの位置として特定することができる。
上記第2および第3実施例において、第2の実施例の燃料電池システム110と第3の実施例の燃料電池システム120は、同様の構成であるので、第2の実施例における水素漏れ検知処理と、第3の実施例における水素漏れ検知処理を併用するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池10の運転中、もしくは、停止中のいずれにおいても、随時、水素漏れの検知を行うことができる。
上記第1の実施例の水素漏れ検出処理において、漏れ検知期間Xにおけるパージ量Q3(Nl)は、低圧部における圧力変化の積分値(式(3)、(4))から算出しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、漏れ検知実行部410は、以下のようにして、漏れ検知期間Xにおけるパージ量Q3(Nl)を算出するようにしてもよい。すなわち、予め実験的に、燃料電池10の様々な運転状況(燃料電池の発電出力やアノード系内の圧力、温度など)を想定し、それらそれぞれの運転状況について、パージ弁240を開弁した時のガスの単位時間当りのパージ量(以下では、単位時間当りパージ量と呼ぶ。)を求め、それらの結果から運転状況と単位時間当りのパージ量とを対応させたMAP(以下では、パージMAPと呼ぶ。)を作成し、それを所定のメモリ(図示せず)に記憶しておく。そして、漏れ検知実行部410は、メモリからパージMAPを読み出し、そのパージMAPに基づいて、漏れ検知期間Xの運転状況に対応する単位時間パージ量を求める。また、漏れ検知実行部410は、漏れ検知期間Xの間にパージ弁240が開弁されていた時間(秒)、すなわち、ガスの排出(パージ)が行われていた時間(以下、パージ時間と呼ぶ。)を検出する。このようにすれば、漏れ検知実行部410は、求めた単位時間パージ量と、検出したパージ時間とから、漏れ検知期間Xにおけるパージ量Q3を算出することができる。
上記実施例において、漏れ検知実行部410は、制御プログラムによりソフトウェア的に実現してもよく、一部、又は、全てをハードウェア的に実現してもよい。
上記第2の実施例の燃料電池システム110において、第1の実施例の燃料電池システム100の構成に対して、アノードガス供給流路24においてレギュレータ220よりも水素ガスの供給方向に対して下流側の位置に、新たにHFM500を設けるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム110は、アノードガス供給流路24においてレギュレータ210よりも水素ガスの供給方向に対して上流側の位置に、HFM500を設けるようにしてもよい。この場合においても、上記第2の実施例同様、アノードガス供給流路24でHFM300とHFM500に挟まれた流路をHFM間流路Cx1と呼ぶ。なお、このHFM間流路Cx1は、上記第2の実施例における漏れ検知流路内Cx内に形成されるのではなく、アノードガス供給流路24において、漏れ検知流路Cxと連続して形成される。また、この場合、漏れ検知実行部410は、上記第2の実施例における前提処理(図6B)および水素漏れ検知処理(図6B)と同様の処理を行う。このようにすれば、上記第2の実施例における水素漏れ検知処理と同様、漏れ検知流路Cx内へ流れ込んだ水素ガスの増減量等を考慮する必要がないので、精度よく水素漏れ検知を行うことができ、また、HFM間流路Cx1において、水素漏れが発生しているがどうかを容易に判定することができる。さらに、このようにすれば、本変形例における水素ガスの漏れを検知することが可能な流路は、漏れ検知流路内CxとHFM間流路Cx1とを合わせた流路とすることができ、第2の実施例と比較して、アノード系流路において、広範な範囲で水素ガスの漏れ検知を行うことができる。
20…水素タンク
24…アノードガス供給流路
25…アノード流路
26…アノード排ガス流路
28…ガス循環流路
30…ブロワ
34…カソードガス供給流路
36…カソード排ガス流路
60…加湿器
100〜120…燃料電池システム
200…遮断弁
210,220…レギュレータ
240…パージ弁
250…循環ポンプ
310,340…圧力センサ
320…電流センサ
330…温度センサ
400…制御部
410…漏れ検知実行部
Claims (12)
- 燃料電池システムのガス漏れを検知するガス漏れ検知装置であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
を備え、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の3つの流路をガス漏れ検知流路とした際に、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記ガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の位置と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の位置とに接続され、前記排出流路から前記供給流路に前記燃料排ガスを前記燃料ガスとして環流するための循環流路を備え、
前記ガス漏れ検知流路は、前記循環流路を含むことを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項2に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出される前記燃料ガス供給量を、前記循環ポンプによる脈動の影響を緩和するように補正する脈動補正部を備え、
前記差分量算出部は、
補正された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算することにより前記差分ガス量を算出することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項2に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記循環流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記排出流路から前記供給流路へ送り出すための循環ポンプを備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記圧力検出部が前記燃料ガスの圧力を検出する際に、前記循環ポンプを停止させるポンプ停止部を備えることを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記ガス漏れ検知流路は、
圧力が異なる複数の区間に区分され、
前記圧力検出部は、
前記ガス漏れ検知流路において、各区間内における前記燃料ガスの圧力をそれぞれ検出し、
前記圧力変化増減量算出部は、
検出された各区間ごとの前記燃料ガスの圧力の変化を求め、それら各区間の前記燃料ガスの圧力変化に起因して生じる各区間内に流れ込む前記燃料ガスの増減量をそれぞれ求め、
求めた各区間ごとの前記燃料ガスの各増減量の和を前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量として算出することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスを減圧させる減圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置に対して、前記減圧弁を挟んだ反対側の位置で、前記燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量検出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が同程度である場合において、前記燃料ガス漏れ検知部による前記燃料ガスの漏れ判定の実行を許可する漏れ判定許可部と、
を備えることを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項6に記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量検出部により検出された前記燃料ガス流量が共に一定であるが、前記燃料ガス供給量と前記燃料ガス流量が同程度でない場合には、前記供給流路において前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置と、前記燃料ガス流量検出部が前記燃料ガス流量を検出する位置との間で、前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され前記燃料ガスの供給が遮断された状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向とは逆方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側であり、前記遮断弁よりも前記燃料ガスの供給方向に対して下流側の流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路において、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの供給方向に対して上流側に位置し、閉弁することで前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁と、
を備え、
前記ガス漏れ検知装置の前記燃料ガス漏れ検知部は、
前記遮断弁が閉弁され、前記燃料電池の発電が停止した状態で、前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガスの供給方向に所定の流量より多い前記燃料ガスを検出した場合には、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第1の差圧検出部と、
前記第1の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記燃料ガス供給量検出部の前記検出位置を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第1の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第1の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 請求項1ないし請求項10のいずれかに記載のガス漏れ検知装置において、
前記燃料電池システムは、
前記供給流路の前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する検出位置において、前記燃料ガスの供給方向に対して上流側又は下流側に設けられる調圧弁を備え、
前記ガス漏れ検知装置は、
前記供給流路において、前記調圧弁のある位置よりも前記燃料ガスの供給方向に対して上流側の圧力と下流側の圧力を検出し、前記上流側圧力から前記下流側圧力を減算してそれらの差圧を求める第2の差圧検出部を備え、
前記第2の差圧検出部により求められた前記差圧に基づいて、前記供給流路における前記調圧弁を流れる前記燃料ガスの流量を推定する第2の燃料ガス流量推定部と、
を備え、
前記第2の燃料ガス流量推定部により推定された前記燃料ガス推定流量と、前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量との流量差の絶対値が所定の流量以上の場合には、前記燃料ガス供給量検出部が異常であると判断することを特徴とするガス漏れ検知装置。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池に導くための供給流路と、
前記供給流路において、供給される前記燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出部と、
前記燃料電池から排出された燃料排ガスを前記燃料電池の外部へ導くための排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記燃料排ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出する量を調節するためのパージ弁と、
前記燃料電池で消費される燃料ガスの消費量を算出する燃料ガス消費量算出部と、
前記供給流路において前記燃料ガスの供給方向に対して前記燃料ガス供給量検出部が前記燃料ガス供給量を検出する位置よりも下流側の流路と、前記燃料電池内における前記燃料ガスが流れる流路と、前記排出流路において前記パージ弁よりも前記燃料排ガスの排出方向に対して上流側の流路と、の3つの流路から成るガス漏れ検知流路内における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部と、
を備え、
前記圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力の変化を求め、その前記燃料ガスの前記圧力変化に起因して生じる前記ガス漏れ検知流路内に流れ込む前記燃料ガスの増減量を算出する圧力変化増減量算出部と、
前記燃料ガス供給量検出部により検出された前記燃料ガス供給量から、算出された前記燃料ガス消費量と、算出された前記燃料ガス増減量とを減算して、それらの差分ガス量を算出する差分量算出部と、
算出された前記差分ガス量が所定値以上の場合に、前記ガス漏れ検知流路において前記燃料ガスの漏れが生じていると判定する燃料ガス漏れ検知部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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