JP2006294255A - 燃料電池システム及び該燃料電池システムのガス漏れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システム及び当該燃料電池システムのガス漏れ検出方法を提供する。
【解決手段】 水素ガス供給源１と、燃料電池２及び当該燃料電池２に連結される水素ガス流路９０と、水素ガス流路９０内の圧力を検出すべき圧力検出手段１０と、水素ガス流路９０内の圧力を調節すべき調圧弁２０と、調圧弁２０の動作を制御すべき制御手段３０とを備える燃料電池システム１００であって、ガス漏れ検出実行決定時における燃料電池２の発電電流をＥ、通常運転時の発電電流がＥである場合に、調圧弁２０によって設定される水素ガス圧をＸ、ガス漏れ検出の実行開始時に調圧弁２０によって設定されている水素ガス圧をＹ、とするとき、Ｙ＞Ｘである、燃料電池システム１００とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び当該燃料電池システムのガス漏れ検出方法に関し、特に、水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システム及び当該燃料電池システムのガス漏れ検出方法に関する。

燃料電池は、電解質層と、当該電解質層の両側に配設される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、外部に取り出している。燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。

かかるＰＥＦＣでは、アノードに水素含有ガス（以下において、「水素」と記述することがある。）を、カソードに酸素含有ガスをそれぞれ供給することにより、ＭＥＡで電気化学反応を起こすため、その運転時に水素を取り扱う。そして、水素は可燃性であることから、充分な安全性を確保するために、ガス漏れ対策を施すことが必要とされる。

ＰＥＦＣに適用される従来のガス漏れ対策としては、ガス漏れ時に過流防止弁を作動させてガスラインを塞ぐ技術や、ガスライン内のガス圧力を検出する圧力センサの検出値に基づいてガスの供給を遮断する技術等を挙げることができる。しかし、前者の過流防止弁を備える技術では、わずかなガス漏れを検知し難いという問題がある。そのため、かかる問題を解決可能な対策として、後者の圧力センサの検出値に基づくガス漏れ対策が注目されている。なお、上記後者の対策では、圧力センサにより検出した圧力値に基づいてガスラインの圧力降下量を算出し、この圧力降下量が所定の圧力降下量以上になるとガスラインの供給を遮断するように構成されている。

圧力センサの検出値に基づくガス漏れ対策に関する技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、低電流時にＦＣの出力電流及び燃料ガスの供給を遮断し、この時のＦＣを含む燃料ガス循環供給系の閉空間における圧力状態に基づいて、閉空間における燃料ガス漏れを検知する技術（以下において、「圧力降下法」と記述する。）が開示されており、かかる技術によれば、漏れのみに影響される圧力状態からガス漏れの有無を検知することが可能になるとしている。なお、特許文献１における燃料ガスは、上記水素を意味している。また、特許文献２には、水素供給路内の圧力降下量が燃料電池の運転状態から算出される圧力降下量よりも大きいときに、水素が漏れていると判断する（以下において、「流量差法」と記述する。）、燃料供給装置に関する技術が開示されており、かかる技術によれば、わずかなガス漏れを精度良く検知することができる燃料供給装置が提供されるとしている。
特開２００３−３０８８６６号公報 特開２００３−１４８２５２号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、ガス漏れ検知の精度が不十分であるため、水素漏れ検出時に閉空間内の圧力（水素ガスの圧力）が低いと、圧力降下の度合いが少ない結果、ガス漏れ発生の判定を誤る虞があるという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術によれば、圧力降下量が少ないと、ガス漏れの検知精度も低下するという問題があった。

そこで本発明は、水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システム及び当該燃料電池システムのガス漏れ検出方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、水素ガス供給源と、燃料電池及び当該燃料電池に連結される水素ガス流路と、水素ガス流路内の圧力を検出すべき圧力検出手段と、水素ガス流路内の圧力を調節すべき調圧弁と、調圧弁の設定圧力を制御すべき制御手段とを備える燃料電池システムであって、ガス漏れ検出実行決定時における燃料電池の発電電流をＥ、通常運転時の発電電流がＥである場合に、調圧弁によって設定される水素ガス圧をＸ、ガス漏れ検出の実行開始時に調圧弁によって設定されている水素ガス圧をＹ、とするとき、Ｙ＞Ｘであることを特徴とする、燃料電池システムにより、上記課題を解決する。

ここに、「通常運転時の発電電流がＥである場合に、調圧弁によって設定される水素ガス圧」とは、通常運転時の燃料電池の発電電流がＥである場合に、当該燃料電池へと供給される水素ガスの圧力を意味し、水素ガス圧が発電電流に応じて決定される場合には、発電電流Ｅに対応する水素ガス圧を意味している。また、「調圧弁によって設定される水素ガス圧」とは、水素ガス圧が、制御手段の動作指令に応じて作動する調圧弁を介して設定されることを意味している。
なお、本発明において、ガス漏れの有無は、例えば、ガス漏れが発生していない時の水素ガス圧状態及び水素ガス流量状態を基に、制御手段における処理を介して判別される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、水素ガス流路を封止すべき封止弁をさらに備え、ガス漏れ検出が圧力降下法によって行われることを特徴とする。

ここに、圧力降下法とは、空間の少なくとも一端を封止することにより形成した閉空間における、時間経過に応じた圧力状態を検出することにより、圧力降下量が一定量以上である場合にガス漏れが発生していることを判別する、ガス漏れ検出方法を意味している。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、水素ガス流路内の水素ガス流量を測定すべき水素流量計をさらに備え、ガス漏れ検出が、圧力検出手段による検出結果と水素流量計による測定結果とを用いて行われることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、燃料電池及び当該燃料電池に連結される水素ガス流路と、水素ガス流路内の圧力を検出すべき圧力検出手段と、水素ガス流路内の圧力を調節すべき調圧弁と、調圧弁の設定圧力を制御すべき制御手段と、を備える燃料電池システムの水素ガス漏れ検出方法であって、ガス漏れ検出実行決定時における燃料電池の発電電流をＥ、通常運転時の発電電流がＥである場合に、調圧弁によって設定される水素ガス圧をＸ、ガス漏れ検出の実行開始時に調圧弁によって設定されている水素ガス圧をＹ、とするとき、Ｙ＞Ｘとする工程を含むことを特徴とする、燃料電池システムのガス漏れ検出方法により、上記課題を解決する。

請求項１に記載の発明によれば、通常運転時の水素ガス圧よりも、ガス漏れ検出実行開始時の水素ガス圧が高圧であるため、ガス漏れ発生箇所から漏れる水素ガス流量を従来よりも増加させることが可能になり、ガス漏れを検出することが容易になる。したがって、請求項１に記載の発明によれば、水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供することが可能になる。

請求項２に記載の発明によれば、ガス漏れ検出が圧力降下法によって行われる。圧力降下法では、ガス漏れ検出時間内に低下する圧力の度合いによりガス漏れの有無を検出するため、ガス漏れ検出開始時の水素ガス圧を高圧とすれば、ガス漏れ流量が増加する結果、圧力の降下量を増加させることが可能になり、ガス漏れの有無を容易に判別することが可能になる。したがって、請求項２に記載の発明によれば、圧力降下法による水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供することが可能になる。

請求項３に記載の発明によれば、ガス漏れ検出が流量差法によって行われる。流量差法では、例えば、水素ガス供給源から供給される水素ガス流量と、調圧弁によって調整された水素ガス流路内の圧力を基に算出可能な水素ガス流路内の水素ガス流量とを用いて、ガス漏れ流量を導出することが可能である。ここで、ガス漏れ検出開始時の水素ガス圧が高圧になれば、ガス漏れ流量が増加するため、ガス漏れを検出することが容易になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、流量差法による水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システムを提供することが可能になる。

請求項４に記載の発明によれば、ガス漏れ検出実行開始時の水素ガス圧を高圧にする工程が含まれているので、通常運転時よりも高圧の水素ガスが供給された状態でガス漏れ検出を行うことが可能になる。かかる状態でガス漏れ検出を行えば、ガス漏れ流量を増加させることが可能になるため、水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システムのガス漏れ検出方法を提供することが可能になる。

ＰＥＦＣを備える燃料電池システムでは、燃料として水素が使用される。水素は、可燃性ガスであるため、燃料電池システムから水素が漏洩した場合には、かかる漏洩を精度良く検出することが望まれる。これまでに、燃料電池システムにおける水素ガス漏れ検出方法（以下において、単に「漏れ検出」と記述することがある。）としては、水素ガス流路を封止して水素ガスの漏れを検出する圧力降下法や、水素ガス供給源から供給される水素ガス流量と、水素ガス流路内を流れる水素ガス流量との差を用いて水素ガス漏れの有無を判断する流量差法等が知られている。

しかし、圧力降下法により漏れ検出を実施する場合には、上述のように、水素ガス流路を封止する必要があり、かかる漏れ検出をＰＥＦＣの高出力時に実施すると、ＰＥＦＣの発電性能に及ぼす影響が大きいため、一般に、圧力降下法による漏れ検出は、低出力時（又は、出力停止時。以下において同じ。）、具体的には、主に低水素ガス圧・低水素ガス流量時に実施される。そのため、燃料電池システムで水素ガスの漏洩が発生していても、かかる低水素ガス流量時に漏れるガス流量は少ない。したがって、ガス漏れ流量が検出限界以下である場合には、実際にガス漏れが発生していてもそれを検出できないという問題があった。さらに、流量差法においても、これと同様の問題があった。

本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、その要旨は、ガス漏れ検出を実施する前に水素ガスを昇圧し、ガス漏れ発生箇所から漏れるガス流量を増加させることで、水素ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能な、燃料電池システム及び当該燃料電池システムのガス漏れ検出方法を提供することにある。

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムのガス漏れ検出方法ついてさらに具体的に説明する。

１．燃料電池システム
１．１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池システムの一部を示す概略図である。図示のように、第１実施形態にかかる燃料電池システム１００は、水素ガス供給源としての水素タンク１と、調圧弁２０と、封止弁４０と、圧力検出手段１０と、スタック形態のＰＥＦＣ（以下において、「ＦＣスタック」と記述する。）２と、これらに連結されるとともにＦＣスタック２へ供給される水素を流すべき水素ガス供給路９０ａと、気液分離器３及び水抜きバルブ４と、水素ポンプ５と、これらに連結され、ＦＣスタック２から排出される水素等が流れるとともに水素ガス供給路９０ａへと接続される水素ガス排出路９０ｂと、制御手段３０とを備えている。そして、水素ガス流路９０は水素ガス供給路９０ａ及び水素ガス排出路９０ｂを備えており、ＦＣスタック２から排出された水は、気液分離器３で分離され、水抜きバルブ４を介して排出される。なお、図１では、水素ガス漏れ検出に関連する部位のみを概略的に示しており、空気供給路等は省略している。以下、図１を適宜参照しつつ、本発明について説明する。

ＦＣスタック２の作動時には、水素タンク１から水素が供給され、かかる水素は水素ガス供給路９０ａを経てＦＣスタック２へと供給される。ここで、一般に、ＦＣスタック２内では、高出力時に反応ガスとしての水素及び空気が大量に消費される一方、低出力時に消費される反応ガスは、比較的少ない。そのため、高出力時には、一般に、水素ガス供給路９０ａ内の水素流量及び水素の圧力（以下において、「水素圧」と記述する。）を増加させてＦＣスタック２へと供給される水素量を増加させる。これに対し、低出力時には、消費される水素量に合わせた水素を供給することでＦＣスタック２に備えられるユニットセルの構成部材に加えられる外力を低減する等の観点から、水素ガス供給路９０ａ内の水素流量及び水素圧を低く設定し、ＦＣスタック２へと供給される水素量を低減している。

一方、水素ガス漏れ検出法として、特定の空間における圧力が一定以上低下した場合にガス漏れと判断する、「圧力降下法」が知られている。この圧力降下法を用いて燃料電池システムから漏れる水素を検出する場合、ガス漏れ検出時間中は、水素ガス流路を封止して閉空間とする必要がある。そのため、圧力降下法によるガス漏れ検出を実施する場合には、ＦＣスタック２へと供給される水素が一定時間に亘って滞る結果、ＦＣスタック２の出力が低下する。したがって、ＦＣスタック２の出力に与える影響を最小限に抑える等の観点から、圧力降下法によるガス漏れ検出は、一般に、低出力時、すなわち、水素ガス流路内を流れる水素量及び水素圧が低い状態の時に行われる。

上記のように、圧力降下法によるガス漏れ検出は、水素量及び水素圧が低い状態の時、例えば、始動直後や、停止直前等に行われることが多い。そのため、ガス漏れが発生しても、検出時間中に漏洩箇所から漏洩する水素量が比較的少なく、ガス漏れ発生と判断し得るだけの圧力降下が生じない場合がある。そこで、本発明では、水素ガス流路内を流れる水素の圧力を通常運転時の設定圧力よりも上げた後、ガス漏れ検出を実施する。このようにすることで、漏洩箇所からガス漏れ検出時間中に流出する水素量を増加させることが可能になるため、ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能になる。さらに、ガス漏れ流量が増加することで圧力降下が生じやすくなるため、ガス漏れ検出の時間を短縮することが可能になる。
なお、圧力降下法によりガス漏れを検出する場合、封止された水素ガス流路内に存在する水素は、ＦＣスタック２内で発電用に使用される。そのため、ガス漏れが生じていない場合であっても、ＦＣスタック２の出力がゼロでない限り、圧力は降下し得る。したがって、圧力降下法によるガス漏れ検出は、ガス漏れが生じていない場合の圧力状態と、実際に検出された圧力検出結果とを比較する等の方法により、行われる。

本実施形態にかかる燃料電池システム１００において、水素圧は、制御手段３０によって動作を制御された調圧弁２０によって調節される。制御手段３０には、水素圧制御等を実行するＣＰＵ３３と、そのＣＰＵ３３に対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ３３は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ３３に対する記憶装置は、例えば、水素圧制御や圧力検出結果の解析に必要なプログラム及び各種データを記憶するＲＯＭ３４と、ＣＰＵ３３の作業領域として機能するＲＡＭ３５等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ３３が、ＲＯＭ３４に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の燃料電池システム１００における制御手段３０が機能する。

燃料電池システム１００において、圧力降下法によるガス漏れ検出が実行される場合には、まず、制御手段３０のＣＰＵ３３から出力ポート３２を介して調圧弁２０へと信号が送られることにより、調圧弁２０が作動し、水素ガス流路９０内の水素が昇圧される。そして、さらに、ＣＰＵ３３からの信号が封止弁４０へと送られることにより封止弁４０が作動し、水素ガス流路９０が封止される。封止された水素ガス流路９０内の水素圧検出は、圧力検出手段１０により行われ、その検出結果に関する信号は、制御手段３０に備えられる入力ポート３１を経てＣＰＵ３３へと達し、当該圧力検出結果は、制御手段３０に記憶されたプログラムに基づいて解析される。さらに、制御手段３０は、出力ポート３２を介して解析した圧力検出結果を外部へ出力するとともに、ガス漏れ検出終了後には、封止弁４０による封止を解除すべく封止弁４０に対する動作指令を制御するとともに、水素圧を元に戻すべく、調圧弁２０に対する動作指令を制御する。そして、封止弁４０は、ＣＰＵ３３から与えられた動作指令に応じて封止動作を解除するとともに、調圧弁２０は、ＦＣスタック２へと供給されるべき水素圧を元に戻す。

図２に、通常運転時における水素ガス流路内の設定圧力例と、本発明によるガス漏れ検出を実施する際の同設定圧力例を、概略的に示す。図２において、縦軸は水素圧（Ｐａ）、横軸はＦＣスタックの発電電流（Ａ／ｃｍ^２）である。
上述のように、圧力降下法によるガス漏れ検出は、通常、低出力時に行われる。当該ガス漏れ検出が実施される際の発電電流をＥ（Ａ／ｃｍ^２）とすると、低出力時にＦＣスタック２へと送られる水素量は少ないため、通常運転時の発電電流がＥである場合の設定水素圧は、Ｘ（Ｐａ）と低い。これに対し、本発明では、ガス漏れ検出前に、水素を昇圧し、ガス漏れ検出開始時の設定水素圧を、上記Ｘよりも高圧のＹ（Ｐａ）とする。このように、ガス漏れ検出が実施される発電電流Ｅの場合における水素圧を、ＸからＹへと昇圧することで、漏洩箇所から漏れる水素流量を増加することが可能になり、ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能になる。

なお、以下において、設定水素圧について言及する場合には、従来の設定水素圧としてＸ（Ｐａ）を、本発明の設定水素圧としてＹ（Ｐａ）を、適宜使用する。

図３に、圧力降下法によるガス漏れ検出時における圧力降下形態例を概略的に示す。図３において、縦軸は水素圧（Ｐａ）、横軸は時間（ｍｉｎ）である。

図３に示すように、これまで、ガス漏れ検出を開始する際の水素圧は、Ｘ（Ｐａ）と低圧であった。上述のように、圧力降下法におけるガス漏れ検出は低出力時等に行われるため、ガス漏れが生じていても当該漏洩箇所から流出する水素量が少なく、ガス漏れ検出時間Ｔの中に生じる圧力降下量はΔＰ２であった。これに対し、本発明では、ガス漏れ検出前に、水素圧をＸよりも高圧のＹまで昇圧させる。そのため、ガス漏れ検出時間Ｔの間に生じる圧力降下量を、ΔＰ２よりも大きいΔＰ１とすることが可能になる。

ここで、ガス漏れの発生を判断可能な圧力降下量をΔＰ３（ただし、ΔＰ３＜ΔＰ１、ΔＰ２＜ΔＰ３）と仮定とすると、従来は、ΔＰ２＜ΔＰ３より認識できなかったガス漏れを、本発明によればΔＰ３＜ΔＰ１より検出することが可能になる。そのため、本発明によれば、ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能になる。さらに、本発明によれば、上記時間ＴでΔＰ１の圧力降下が生じるので、上記時間Ｔよりも短い時間でΔＰ３の圧力降下が生じる。したがって、本発明によれば、上記効果に加えて、ガス漏れ検出に要する時間を短縮することも可能になる。

１．２．第２実施形態
図４は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池システムの一部を示す概略図である。図示のように、第２実施形態にかかる燃料電池システム２００は、水素ガス供給源としての水素タンク１と、水素流量計５０と、調圧弁２０と、圧力検出手段１０と、ＦＣスタック２と、これらに連結されるとともにＦＣスタック２へ供給される水素を流すべき水素ガス供給路９０ａと、気液分離器３及び水抜きバルブ４と、水素ポンプ５と、これらに連結され、ＦＣスタック２から排出される水素等が流れるとともに水素ガス供給路９０ａへと接続される水素ガス排出路９０ｂと、制御手段３０とを備えている。なお、図４において、図１に示す燃料電池システムの構成部位と略同様の構成を採る部位には、図１で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。また、図４は、図１と同様に、水素ガス漏れ検出に関連する部位のみを概略的に示しており、空気供給路等は省略している。以下、図４を適宜参照しつつ、本発明について説明する。

図示の燃料電池システム２００は、水素流量計５０による測定結果及び圧力検出手段１０による検出結果を用いてガス漏れを検出する際に好適に用いることが可能である。すなわち、燃料電池システム２００は、流量差法によってガス漏れを検出したい場合に、特に適している。

流量差法によるガス漏れ検出は、上記圧力降下法のように水素ガス流路を封止する必要がないため、低出力時のみならず、高出力時等においても実施することが可能である。以下に、燃料電池システム２００を用いて流量差法によるガス漏れ検出を実施する場合の形態例について説明する。

燃料電池システム２００を用いて流量差法によりガス漏れ検出を実施する場合には、例えば、予め、圧力検出手段によって検出された水素ガス流路９０内の水素圧に関する信号が、制御手段８０へと送られる。そして、当該制御手段８０によって、調圧弁２０及びＦＣスタック２により囲まれる循環系の水素ガス流路９０内の水素圧が略一定となるように、調圧弁２０の動作が制御された後、水素圧をＸからＹへと昇圧することにより、ガス漏れ検出を開始する。

本実施形態にかかる燃料電池システム２００において、ガス漏れ流量は、制御手段８０によって解析される。制御手段８０には、圧力検出結果の信号を用いた水素量の解析及びガス漏れ流量の解析、並びに、調圧弁２０の動作制御等を実行するＣＰＵ８３と、そのＣＰＵ８３に対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ８３は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ８３に対する記憶装置は、例えば、上記解析及び制御に必要なプログラム及び各種データを記憶するＲＯＭ８４と、ＣＰＵ８３の作業領域として機能するＲＡＭ８５等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ８３が、ＲＯＭ８４に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の燃料電池システム２００における制御手段８０が機能する。

燃料電池システム２００において、上記流量差法によるガス漏れ流量の解析は、水素流量計５０による測定結果に関する信号と、圧力検出手段１０による検出結果に関する信号とを用いて行われる。水素流量計５０は、水素タンク１から供給される水素量を計測し、その計測結果に関する信号は、制御手段８０の入力ポート８１を経てＣＰＵ８３へと達する。一方で、圧力検出手段１０によって水素ガス流路９０内の水素圧が検出され、この検出結果に関する信号も、制御手段８０の入力ポート８１を経てＣＰＵ８３へと達する。そして、上記圧力検出結果が制御手段８０に記憶されたプログラムに基づいて解析されることにより、調圧弁２０及びＦＣスタック２に挟まれた水素ガス流路９０内の水素量が算出される。さらに、かかる算出結果及び水素流量計５０による測定結果、並びに、ガス漏れが生じていない場合における水素量等が、制御手段８０に記憶されたプログラムに基づいて解析されることにより、ガス漏れ流量が解析される。このようにして解析されたガス漏れ流量に関する信号は、出力ポート８２を介して外部へ出力されるとともに、ガス漏れ検出終了後には、水素圧を元に戻すべく、ＣＰＵ８３によって調圧弁２０に対する動作指令が制御される。そして、調圧弁２０は、ＣＰＵ８３から与えられた動作指令に応じて、ＦＣスタック２へと供給されるべき水素圧を制御する。

図５に、流量差法によって求められるガス漏れ流量形態例を概略的に示す。図５において、縦軸はガス漏れ流量（Ｌ／ｍｉｎ）、横軸は時間（ｍｉｎ）である。

図５に示すように、これまで、流量差法によってガス漏れ検出を行う場合も、ガス漏れ検出開始時の水素圧はＸ（Ｐａ）であり、低圧であった。そのため、制御手段８０によって解析され得るガス漏れ流量が少なく、当該ガス漏れ流量が、ガス漏れの発生を判断可能な閾値流量に達しない場合があった。これに対し、本発明によれば、ガス漏れ検出開始時の水素圧がＹ（Ｐａ）と高く、ガス漏れ検出時間が従来と同時間である場合には、特に、ガス漏れの発生を判断しやすい。したがって、本発明によれば、ガス漏れ検出の精度を向上させることが可能になる。なお、第２実施形態にかかる燃料電池システム２００によっても、上記第１実施形態にかかる燃料電池システム１００と同様に、ガス漏れ検出に要する時間を短縮することが可能になる。

なお、上記説明では、水素ガス供給路９０ａに圧力検出手段、調圧弁、封止弁、及び水素流量計が備えられている形態を示した図を用いたが、本発明はかかる形態に限定されるものではなく、水素ガス流路内であればどこに備えられていても良い。

２．燃料電池システムのガス漏れ検出方法
以下、本発明の燃料電池システムのガス漏れ検出方法について、図６、図７に示すフローチャートを参照しつつ説明する。図６は、圧力降下法によるガス漏れ検出を行う場合のガス漏れ検出方法の流れを簡略化して示すフローチャートであり、図７は、流量差法によるガス漏れ検出を行う場合のガス漏れ検出方法を簡略化して示すフローチャートである。
本発明の燃料電池システムのガス漏れ検出方法（以下において、単に「検出方法」と記述する。）は、ガス漏れ検出実行前に、水素ガス流路内を流れる水素の圧力を増す点に特徴を有する。

２．１．第１実施形態（圧力降下法）
図６に示すように、第１実施形態にかかる圧力降下法による検出方法では、まず、ガス漏れ検出を実行するタイミングであるかどうかが判断される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、肯定判断された場合には、水素圧を上記ＸからＹへと変更すべく、制御手段のＣＰＵから調圧弁へ動作指令が送られることにより水素圧Ｙへと昇圧され（ステップＳ１２）、さらに、ＣＰＵからの動作指令に基づいて封止弁が作動することにより水素ガス流路が封止され（ステップＳ１３）、ガス漏れ検出が実行される（ステップＳ１４）。そして、ガス漏れ検出が終了すると、ＣＰＵからの動作指令に基づいて封止弁が作動することにより水素ガス流路の封止が解除され（ステップＳ１５）、さらに、調圧弁へ動作指令が送られることにより、水素圧がＹからＸへと戻され（ステップＳ１６）、処理が終了する。一方、ステップＳ１１において、否定判断された場合には、水素圧は通常運転時の設定圧力Ｘに維持され（ステップＳ１７）、処理が終了する。

２．２．第２実施形態（流量差法）
図７に示すように、第２実施形態にかかる流量差法による検出方法では、まず、ガス漏れ検出を実行するタイミングであるかどうかが判断される（ステップＳ２１）。ステップＳ２１において、肯定判断された場合には、水素圧を上記ＸからＹへと変更すべく、制御手段のＣＰＵから調圧弁へ動作指令が送られることにより水素圧Ｙに昇圧され（ステップＳ２２）、ガス漏れ検出が実行される（ステップＳ２３）。そして、ガス漏れ検出が終了すると、ＣＰＵからの動作指令に基づいて調圧弁が作動することにより水素圧がＹからＸへと戻され（ステップＳ２４）、処理が終了する。一方、ステップＳ２１において、否定判断された場合には、水素圧は通常運転時の設定圧力Ｘに維持され（ステップＳ２５）、処理が終了する。

なお、上記説明では、ガス漏れ検出実行後に水素圧が通常運転時の設定圧力へと戻される形態について記述したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、ガス漏れ検出実行後の水素圧は適当な値とすることが可能である。また、ガス漏れ検出実行前に設定される水素圧Ｙは、上記水素圧Ｘよりも高圧であれば特に限定されるものではない。水素圧Ｙは、調圧弁の性能や水素タンクの耐圧等を勘案して適当な値とすることが可能であり、その具体例としては、最高出力時にＦＣスタックへと供給される水素圧Ｘ’よりも大きい、もしくは同等の圧力（例えば、１．１×Ｘ’程度）等を挙げることができる。

第１実施形態にかかる本発明の燃料電池システムの一部を示す概略図である。 水素ガス流路内の設定圧力例を示す概略図である。 圧力降下法によるガス漏れ検出時における圧力降下形態例を示す概略図である。 第２実施形態にかかる本発明の燃料電池システムの一部を示す概略図である。 流量差法によって求められるガス漏れ流量形態例を示す概略図である。 第１実施形態にかかる本発明の燃料電池システムのガス漏れ検出方法を示す図である。 第２実施形態にかかる本発明の燃料電池システムのガス漏れ検出方法を示す図である。

符号の説明

１ 水素ガス供給源（水素タンク）
２ 燃料電池（ＦＣスタック）
１０ 圧力検出手段
２０ 調圧弁
３０、８０ 制御手段
４０ 封止弁
５０ 水素流量計
９０ 水素ガス流路
１００、２００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 水素ガス供給源と、燃料電池及び該燃料電池に連結される水素ガス流路と、前記水素ガス流路内の圧力を検出すべき圧力検出手段と、前記水素ガス流路内の圧力を調節すべき調圧弁と、該調圧弁の動作を制御すべき制御手段とを備える燃料電池システムであって、
   ガス漏れ検出実行決定時における前記燃料電池の発電電流をＥ、
   通常運転時の前記発電電流がＥである場合に、前記調圧弁によって設定される水素ガス圧をＸ、
   前記ガス漏れ検出の実行開始時に前記調圧弁によって設定されている水素ガス圧をＹ、とするとき、Ｙ＞Ｘであることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記水素ガス流路を封止すべき封止弁をさらに備え、
   前記ガス漏れ検出が圧力降下法によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素ガス流路内の水素ガス流量を測定すべき水素流量計をさらに備え、
   前記ガス漏れ検出が、前記圧力検出手段による検出結果と前記水素流量計による測定結果とを用いて行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池及び該燃料電池に連結される水素ガス流路と、前記水素ガス流路内の圧力を検出すべき圧力検出手段と、前記水素ガス流路内の圧力を調節すべき調圧弁と、該調圧弁の設定圧力を制御すべき制御手段と、を備える燃料電池システムの水素ガス漏れ検出方法であって、
   ガス漏れ検出実行決定時における前記燃料電池の発電電流をＥ、
   通常運転時の前記発電電流がＥである場合に、前記調圧弁によって設定される水素ガス圧をＸ、
   前記ガス漏れ検出の実行開始時に前記調圧弁によって設定されている水素ガス圧をＹ、とするとき、Ｙ＞Ｘとする工程を含むことを特徴とする、燃料電池システムのガス漏れ検出方法。

Images