JP2007005266A - 燃料電池システムとそのガス漏れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 システム起動時に燃料ガスの漏れ判定を精度良く行うことができる燃料電池システムとそのガス漏れ検出方法を提供する。
【解決手段】 燃料系配管１内に燃料ガスを供給しこの燃料系配管１を密閉して燃料系配管１内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行うことが可能な燃料電池システムであって、システム起動時に燃料電池スタック１０の一方の電極から他方の電極へのガスリークの有無を判定するとともに、その判定結果に基づいて漏れ検出時の燃料系配管１内への燃料ガスの供給時間を制御する制御部２０を有する。制御部２０は、燃料電池スタック１０の開放端電圧に基づいてクロスリークの有無を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムとそのガス漏れ検出方法に関し、特に、燃料ガスの漏れ判定を精度良く行うための改良技術に関する。

燃料電池システムにおいては、燃料ガスの漏れ判定を正確に行うことが非常に重要であることから、燃料電池よりも下流側の弁を閉じ、燃料ガスを供給した後に燃料電池よりも上流側の弁を閉じて燃料ガスを封入した状態とし、この状態で圧力低下を検出して漏れ検出を行う技術が開示されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平８−３２９９６５号公報

燃料電池システムを長期間停止状態にした場合に、燃料電池の燃料極と空気極との間でガスが透過するクロスリークという現象を生じることが知られているが、このクロスリークを生じた状態では燃料極側に窒素および酸素、空気極側に燃料ガスである水素がそれぞれ透過して残存していることになる。このため、システム起動時に燃料極側に燃料ガスである水素を供給すると、水素が燃料極表面で残存酸素と反応し消費されてしまう。

このような状況下で圧力低下の有無による水素の漏れ判定を行うと、漏れを生じていないにもかかわらず、水素の消費に伴い圧力低下が生じるので、漏れを生じていると判定してしまう可能性があった。

そこで、本発明は、システム起動時に燃料ガスの漏れ判定を精度良く行うことができる燃料電池システムとそのガス漏れ検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、ガス供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池に接続された配管とを備えてなり、該配管内に燃料ガスを供給し該配管を密閉して該配管内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行うことが可能な燃料電池システムであって、システム起動時に前記燃料電池の一方の電極から他方の電極へのガスリークの有無を判定するクロスリーク判定手段を備え、該クロスリーク判定手段の判定結果に基づいて前記漏れ検出の検出条件を変更することを特徴としている。
さらに、前記判定結果に基づいて前記漏れ検出時の前記配管内への燃料ガスの供給時間を制御する供給時間制御手段を有する構成としてもよい。

この構成では、システム起動時に配管内に燃料ガスを供給し、この配管を密閉して配管内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行う。この際に、燃料電池の一方の電極から他方の電極へのガスリーク（以下、クロスリーク）の有無をクロスリーク判定手段が判定し、この判定結果に基づいて漏れ検出時の配管内への燃料ガスの供給時間を供給時間制御手段が制御する。

そして、クロスリークが生じていると判定された場合には、燃料ガスの供給時間を長くすることで、クロスリークでの残留ガスによる燃料ガスの消費を終わらせてから、漏れ判定を行う。これにより、燃料ガスの漏れ判定を精度良く行うことができる。他方、クロスリークが生じていないと判定された場合には、燃料ガスの供給時間を短くすることで、漏れ検出に要する時間を短縮できる。

この場合、前記クロスリーク判定手段は、前記燃料電池の開放端電圧に基づいて、前記ガスリークの有無を判定することが好ましい。

一般的には、システム停止時間が長いほどクロスリークが発生している可能性は高くなるが、この構成によれば、システム停止時間とクロスリークとの関係が安定していない場合であっても、クロスリークを直接検出することができる。

本発明に係る燃料電池システムのガス漏れ検出方法は、システム起動時に、燃料電池と接続された配管内に燃料ガスを供給し該配管を密閉して該配管内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行う、燃料電池システムのガス漏れ検出方法であって、前記燃料電池の一方の電極から他方の電極へのガスリークの有無を判定し、その判定結果に基づいて前記漏れ検出の検出条件を変更することを特徴としている。
さらに、その判定結果に基づいて前記漏れ検出時の前記配管内への燃料ガスの供給時間を制御してもよい。

この構成では、燃料ガスの供給時間をクロスリークの有無に応じて可変させることができるので、残留ガスによる燃料ガスの消費を終わらせてから、漏れ判定を行うことが可能になる一方、燃料ガスの供給時間を短くして漏れ検出に要する時間を短縮することも可能となる。
本発明の漏れ検出の条件としては、例えば、漏れ検出を行う以前に配管経路内に燃料を供給する時間、漏れ検出を行う以前に配管経路内に供給する燃料の量、漏れ検出判定時の閾値、漏れ検出判定時の判定時間（配管内を密閉してから、圧力降下を測定するまでの時間）等の採用が可能である。

本発明によれば、たとえシステム停止中にクロスリークが生じていたとしても、かかるクロスリークに起因する漏れ検査時における圧力変動を抑制し得て、燃料ガスの漏れ判定を精度良く行うことができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。この実施形態は、燃料電池自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムであるが、本発明の一形態に過ぎず、その他の燃料電池システムに適用可能である。また、本発明の漏れ判定の対象となる燃料ガスとしては、水素ガスの場合を例示してある。

図１に本燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池）１０に燃料ガスである水素ガスを給排するための燃料系配管（配管）１、酸化ガスとしての空気を給排するための空気系配管２と、及び燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒系配管（不図示）を備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水（冷媒）の流路（以下、これらを単に「流体流路」ということがある。）を有しガス不透過の導電性材料からなるセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。

燃料系配管１は、水素ガスの供給源側から順に燃料電池スタック１０に至るまでは、水素タンク１１、主止弁ＳＶ１、圧力センサＰ１、調圧弁ＲＧ１、圧力センサＰ２、調圧弁ＲＧ２、圧力センサＰ３、調圧弁ＲＧ３、及び圧力センサＰ４を備えており、燃料電池スタック１０の下流側には水素ポンプ１３を備えている。水素ポンプ１３は、燃料電池スタック１０から合流部１５に至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。

圧力センサＰ１は、燃料系配管１のうちの主止弁ＳＶ１〜調圧弁ＲＧ１間、圧力センサＰ２は、燃料系配管１のうちの調圧弁ＲＧ１〜調圧弁ＲＧ２間、圧力センサＰ３は、燃料系配管１のうちの調圧弁ＲＧ２〜調圧弁ＲＧ３間、圧力センサＰ４は、燃料系配管１のうちの調圧弁ＲＧ３〜燃料電池スタック１０〜水素ポンプ１３〜合流部１５間の圧力をそれぞれ検出する。

水素タンク１１は、水素ガスを供給するための高圧水素タンクであるが、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。

主止弁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。つまり、主止弁ＳＶ１は、水素ガスの供給および遮断を行う。調圧弁ＲＧ１は高圧に圧縮された水素ガスを中圧に減圧する減圧弁であり、調圧弁ＲＧ２は中圧に減圧された水素ガスを低圧に減圧する減圧弁であって、調圧弁ＲＧ３は低圧に減圧された水素ガスを更に所定圧に減圧する減圧弁である。つまり、調圧弁ＲＧ１〜ＲＧ３は、高圧の水素ガスを所定の運転圧に調整する。

空気系配管２は、図１では図示を省略しているが、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れるエアクリーナ、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コンプレッサ、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加湿器等を備えている。

冷媒系配管は、図１では図示を省略しているが、ラジエタ、ファン、及び冷却ポンプ等を備えている。

制御部２０はＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、複数のコンピュータの相互通信によって構成されていてもよい。これらコンピュータは、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、この燃料電池システムにおいて水素ガスの漏れ検出処理を行うことが可能になっている。制御部２０は、主止弁ＳＶ１及び各調整弁ＲＧ１〜ＲＧ３の開閉を制御する制御信号及び水素ポンプ１３やコンプレッサの駆動量を決定する制御信号を出力する。

ここで、燃料電池スタック１０を構成する各セル３０は、図２に示す概略構成をなしており、電解質膜３１を燃料極（電極）３２および空気極（電極）３３で挟持して構成される上記したＭＥＡ３４をそれぞれ有している。電解質膜３１は、主として、水素ガスから供給された水素イオンを燃料極３２から空気極３３に移動させる機能を有する。

燃料極３２及び空気極３３は、それぞれ触媒層及び拡散層から構成されている。触媒層は、電解質膜３１に隣接配置され、例えば、固体電解質と、炭素粒子と、その炭素粒子に担持された触媒とを備えている。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。

一方、拡散層は、流体を通過させる機能と、触媒層及びセパレータを導通させる機能とを有する導電体であり、具体的には、セパレータの流体流路から供給されるガス（水素ガス、空気）を触媒層側へ移動させるための透水性を備えている。

燃料極３２は燃料系配管１と連通し、空気極３３は空気系配管２と連通している。そして、燃料極３２および空気極３３間の電位差を開放端電圧として検出する電位差検出センサ３６が各セル３０にそれぞれ個別に設けられており、これら電位差検出センサ３６は、検出した電位差信号をそれぞれ制御部２０に出力する。

この実施形態においては、制御部（クロスリーク判定手段，供給時間制御手段）２０が、システム起動時に、燃料系配管１内に水素ガスを供給し、燃料消費のない状態で燃料系配管１を密閉してその圧力変化、つまり所定の検出時間前後での圧力降下量に基づいて漏れ検出を行う。

その際に、制御部２０は、燃料電池スタック１０の各セル３０の開放端電圧を電位差検出センサ３６で検出し、この検出値に基づいてシステム起動前のシステム停止時間を判定して、このシステム停止時間の判定結果に基づいて燃料系配管１内への燃料ガスである水素ガスの供給時間を制御する。

次に、図３のフローチャートおよび図４のタイミングチャートを主に参照しながら、この燃料電池システムで実施されるガス漏れ検出処理についてさらに説明する。

まず、例えば運転者がイグニッションキーをＯＮにすると、制御部２０が主止弁ＳＶ１に対して開弁制御信号を出力し、主止弁ＳＶ１を開放して、燃料ガスである水素ガスの供給を開始する（図３におけるステップＳ１および図４におけるＴ０時点）。このとき、調整弁ＲＧ１〜ＲＧ３はすべて開状態とされる。主止弁ＳＶ１を開放すると、制御部２０は、燃料電池スタック１０のすべてのセル３０の開放端電圧を電位差検出センサ３６で検出し、所定の監視時間中において、これらの中の最低のセル電圧が０より大きいか否かを判定する（図３におけるステップＳ２）。

ステップＳ２において、すべてのセル電圧のなかの最低のセル電圧が０より大きいと、制御部２０は、燃料系配管１内への燃料ガスである水素ガスの供給、つまり主止弁ＳＶ１の開放状態の維持を、所定の燃料供給時間が経過するまで待ち（図３におけるステップＳ３）、この所定の燃料供給時間が経過すると、主止弁ＳＶ１に対して閉弁制御信号を出力し、主止弁ＳＶ２を閉鎖して燃料ガスである水素ガスの供給を中断し（図４（ａ）におけるＴ１１時点）、その後、所定の待機時間が経過するまで待機する（図３におけるステップＳ４および図４（ａ）におけるＴ１２時点）。

ここで、燃料電池システムを長期間停止状態にした場合に、セル３０の燃料極３２と空気極３３との間でガスが透過するクロスリークを生じることがあり、このクロスリークが生じていると、図５に模擬的に示すように燃料極３２側に酸素、空気極３３側に燃料ガスである水素がそれぞれ透過して残存していることになる。

この状態で燃料極３２側に燃料ガスである水素を供給すると、水素が燃料極３２の表面で酸素と反応し消費されてしまうと共に、このとき、図４（ｂ）に示すように、セル３０には正常な発電時に対し逆電位が生じることになる（図４（ｂ）におけるＴ０直後）。よって、制御部２０は、この逆電位の有無によってクロスリークの有無つまりシステム起動前のシステム停止時間の長短を判定するのである。

よって、ステップＳ２において、最低のセル電圧が０以下となる、つまり逆電位が検出されると、制御部２０は、例えばシステム起動前のシステム停止時間が長かった等の原因によってクロスリークが有ったと判定し、クロスリークの影響を排除するように、燃料系配管１内への燃料ガスである水素ガスの供給、つまり主止弁ＳＶ１の開放状態の維持を、上記した所定の燃料供給時間よりも長い所定の燃料供給延長時間が経過するまで待つ（図３におけるステップＳ５）。

この所定の燃料供給延長時間が経過すると、主止弁ＳＶ１に対して閉弁制御信号を出力し、主止弁ＳＶ２を閉鎖して燃料ガスである水素ガスの供給を中断し（図４（ｂ）におけるＴ２１時点）、その後、所定の待機時間が経過するまで待機する（図３におけるステップＳ４および図４（ｂ）におけるＴ２２時点）。

ここで、上記した所定の燃料供給延長時間は、上記した所定の燃料供給時間に対し、クロスリークによる影響を排除するのに十分な時間、つまり供給した水素が燃料極３２側に残存する酸素で反応し消費されるのに十分な時間分延長されている。

制御部２０は、上記したステップＳ４の時点（図４（ａ）におけるＴ１２時点および図４（ｂ）におけるＴ２２時点）の圧力から所定の検出時間経過後（図４（ａ）におけるＴ１３時点および図４（ｂ）におけるＴ２３時点）の圧力を減算した圧力降下量を圧力センサＰ１〜Ｐ４で検出し、この所定の検出時間経過による圧力降下量が所定の許容値を越えたか否かを判定する。つまり、燃料系配管１の漏れ検出を行う（ステップＳ６）。

圧力降下量が所定の許容値を越え、燃料系配管１に漏れがある場合に、制御部２０は、ステップＳ６において、例えば燃料電池システムを停止してアラームを発生させることになる。

他方、ステップＳ６において、圧力降下量が所定の許容値の範囲内にあり、燃料系配管１に漏れがない場合には、制御部２０が主止弁ＳＶ１に対して開弁制御信号を出力し、主止弁ＳＶ１を開放して、燃料ガスである水素ガスの供給を再開させる（図３におけるステップＳ７、図４（ａ）におけるＴ１３時点および図４（ｂ）におけるＴ２３時点）。

以上説明したとおり、本実施形態によれば、システム起動時に燃料系配管１内に水素ガスを供給し、燃料系配管１を密閉して燃料系配管１内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行う際に、制御部２０が、セル３０内でのクロスリークの有無を判定し、この判定結果に基づいて、漏れ検出時の燃料系配管１内への水素ガスの供給時間を制御するため、クロスリークが生じていると判定された場合には、水素ガスの供給時間を所定の燃料供給延長時間として長く設定することで、クロスリークでの残留ガスである酸素による水素ガスの消費を終わらせてから、つまり、反応を収束させてから漏れ判定を行うことができる。

よって、水素ガスの漏れ判定を精度良く行うことができる。また、これとは逆に、クロスリークが生じていないと判定された場合には、水素ガスの供給時間を所定の燃料供給時間として短く設定することで、漏れ検出に要する時間を短縮できる。

なお、クロスリークの有無と、燃料電池システムを停止してから再起動するまでのシステム停止時間との間には、システム停止時間が長いほどクロスリークが発生している可能性が高いといった一定の相関があるため、システム停止時間を計時手段等によって計時し、計時したシステム停止時間と所定の閾値とを比較することによって、クロスリークの有無を判定してもよい。

上記実施形態においては、制御部２０が燃料電池スタック１０の各セル３０の開放端電圧に基づいてクロスリークの有無を判定しているため、システム停止時間とクロスリークとの関係が安定していない場合であっても、クロスリークを直接検出することができ、燃料ガスの漏れ判定をより一層精度良く行うことができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池のセルを概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの漏れ検出処理の制御フローチャートである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの漏れ検出処理のタイミングチャートであって、（ａ）はシステム停止時間が短かった場合を、（ｂ）はシステム停止時間が長かった場合を示すものである。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池のセルを概略的に示す断面図であってクロスリークの発生状態を模擬的に示すものである。

符号の説明

１…燃料系配管（配管）、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、２０…制御部（クロスリーク判定手段，供給時間制御手段）、３２…燃料極（電極）、３３…空気極（電極）

Claims (5)

1. ガス供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池に接続された配管とを備えてなり、該配管内に燃料ガスを供給し該配管を密閉して該配管内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行うことが可能な燃料電池システムであって、
   システム起動時に前記燃料電池の一方の電極から他方の電極へのガスリークの有無を判定するクロスリーク判定手段を備え、
   該クロスリーク判定手段の判定結果に基づいて前記漏れ検出の検出条件を変更することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記判定結果に基づいて前記漏れ検出時の前記配管内への燃料ガスの供給時間を制御する供給時間制御手段を有す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. 前記クロスリーク判定手段は、前記燃料電池の開放端電圧に基づいて、前記ガスリークの有無を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. システム起動時に、燃料電池と接続された配管内に燃料ガスを供給し該配管を密閉して該配管内の圧力変化に基づいて漏れ検出を行う、燃料電池システムのガス漏れ検出方法であって、
   前記燃料電池の一方の電極から他方の電極へのガスリークの有無を判定し、その判定結果に基づいて前記漏れ検出の検出条件を変更する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。
5. 前記判定結果に基づいて前記漏れ検出時の前記配管内への燃料ガスの供給時間を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムのガス漏れ検出方法。