JP2007134168A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの水素漏れ検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管に減圧弁を備えた燃料電池システムにおいて、減圧弁の下流側で発生した水素漏れを検知することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池２に水素ガスを供給する水素供給配管に減圧弁５が設置され、この減圧弁５の上流に設置されて水素ガスの供給を遮断する上流遮断弁６と、減圧弁５の下流に設置されて水素ガスの供給を遮断する下流遮断弁７とを備え、上流遮断弁６と下流遮断弁７の開閉を制御することにより減圧弁５の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて減圧弁５下流の水素漏れを検知することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管に減圧弁を備えた燃料電池システムに係り、特に減圧弁の下流側で発生した水素漏れを検知する燃料電池システム及びその方法に関する。

燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより発電する装置であり、現在では車両に搭載されて駆動モータ等の負荷に電力を供給するために利用されている。

このような燃料電池の水素供給系では、水素貯蔵タンクから水素タンク元弁や減圧弁、水素調圧弁などを通じて燃料電池のアノードに水素ガスが供給されており、水素貯蔵タンクから供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素調圧弁の開度を調節することによって燃料電池における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。

ところが、燃料電池に水素ガスを供給する経路では水素漏れが生じる場合があり、このような水素漏れを検知する必要があった。

そこで、従来では制御弁などを開閉して配管内の圧力変化からガス漏れを判定することが行なわれており、このような故障診断装置の従来例として、例えば特開平１１−３５１０７８号公報（特許文献１）が開示されている。
特開平１１−３５１０７８号公報

ところが、燃料に水素ガスを使用し、配管に減圧弁が設置されている場合には、水素ガスを封入する際に減圧弁の下流で水素漏れがあると、減圧弁が下流の圧力を一定の圧力に保つように減圧弁上流から水素ガスを流入させるので、減圧弁下流の圧力が降下するまでに一定時間の遅れを生じてしまう。

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、配管に減圧弁が設置されていた場合に生じる時間遅れを積極的に防止することは考慮されていないので、配管に減圧弁が設置されていると早期にガス漏れを検知することができないという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管と、前記水素供給配管を流れる水素ガスの圧力を減圧する減圧弁とを備えた燃料電池システムであって、前記減圧弁の上流に設置され、水素ガスの供給を遮断する上流遮断弁と、前記減圧弁の下流に設置され、水素ガスの供給を遮断する下流遮断弁と、前記上流遮断弁と前記下流遮断弁の開閉を制御することにより前記減圧弁の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて前記減圧弁下流の水素漏れを検知する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムの水素漏れ検知方法は、水素ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管と、前記水素供給配管を流れる水素ガスの圧力を減圧する減圧弁とを備えた燃料電池システムの水素漏れ検知方法であって、前記減圧弁の上流に水素ガスの供給を遮断する上流遮断弁を設置し、前記減圧弁の下流に水素ガスの供給を遮断する下流遮断弁を設置し、前記上流遮断弁と前記下流遮断弁の開閉を制御することにより前記減圧弁の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて前記減圧弁下流の水素漏れを検知することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、上流遮断弁と下流遮断弁の開閉を制御することにより減圧弁の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて減圧弁下流の水素漏れを検知するので、早期に減圧弁下流の水素漏れを検知することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池システム１を制御するコントローラ（制御手段）３と、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンク４と、水素貯蔵タンク４から水素供給配管を通じて供給される高圧水素を減圧する減圧弁５と、減圧弁５の上流に設置されて水素ガスの供給を遮断する上流遮断弁６と、減圧弁５の下流に設置されて水素ガスの供給を遮断する下流遮断弁７と、燃料電池２に供給される水素ガスの流量を調整する流量調整弁８と、減圧弁５の上流における水素ガスの圧力を検出する上流圧力センサ９と、減圧弁５の下流における水素ガスの温度を検出する下流温度センサ（温度検出手段）１０と、減圧弁５の下流における水素ガスの圧力を検出する下流圧力センサ１１と、燃料電池２で消費されなかった水素ガスを再循環させる燃料循環路１２とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１は燃料電池車などの車両に搭載されたシステムであり、発電した電力を駆動モータなどの負荷に供給している。

燃料電池２はアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
また、上述した構成の燃料電池システム１では、水素貯蔵タンク４から水素供給配管を通じて燃料電池２のアノードに水素ガスが供給されており、水素貯蔵タンク４から供給される高圧水素は、減圧弁５で機械的に所定の圧力まで減圧され、流量調整弁８の開度を調節することによって燃料電池２に供給される水素ガスの流量が制御されている。また、燃料電池２のアノードで消費されなかった水素ガスは燃料循環路１２を通じて燃料電池２のアノードに再循環されている。

コントローラ３は、上流圧力センサ９及び下流圧力センサ１１で検出された水素ガスの圧力に基づいて上流遮断弁６と下流遮断弁７の開閉を制御して減圧弁５の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて減圧弁５の下流の水素漏れを検知している。また、下流温度センサ１０で検出された水素ガス温度に基づいて減圧弁５の下流における水素ガスの圧力値を補正している。

次に、減圧弁５の構造を図２に基づいて説明する。図２に示すように、減圧弁５は、ダイヤフラム室２０と、ダイヤフラム室２０を密閉して変形可能なダイヤフラム２１と、水素貯蔵タンク４からの高圧水素が供給される高圧通路２２と、燃料電池２のアノードに通じる低圧通路２３と、高圧通路２２と低圧通路２３との間に設けられた絞り孔２４と、絞り孔２４の開度を調節する可動バルブ２５とを備えている。さらに、ダイヤフラム２１を付勢するダイヤフラムバネ２６と、可動バルブ２５を付勢するバルブバネ２７とが設けられている。

このような構造の減圧弁５は、高圧通路２２の圧力が次第に高圧に変化すると、可動バルブ２５が絞り孔２４に近づいて絞り孔２４の開度を次第に減少させて低圧通路２３の圧力が減圧されるように調整している。

ここで、上述した燃料電池システム１において、上流遮断弁６と減圧弁５との間のガス漏れを検知するためには、上流遮断弁６と下流遮断弁７を閉じてガスの流れを止め、ガスを封圧すれば上流圧力センサ９の値が即座に下降し始めるので、早期にガス漏れを検知することが可能である。

一方で、減圧弁５の下流のガス漏れを検知するためには、上流遮断弁６と下流遮断弁７を閉じてガスの流れを止め、ガスを封圧したとしても減圧弁５の働きによって減圧弁５上流の配管内に残ったガスが減圧弁５の下流へ流れ込んでしまうので、減圧弁５下流の圧力は一定の圧力に保たれてしまう。この結果、図３の実線で示すように上流遮断弁６と下流遮断弁７を閉じてからある一定の時間が経過するまで圧力が降下しなくなってしまう。これによりガス漏れを検知するまでに遅れが生じてしまう。

そこで、図３の点線で示すように減圧弁５下流の圧力を意図的に減圧弁５の制御圧力より高くなるようにオーバーシュートさせ、その後の圧力変動を測定することによりガス漏れを即座に検知できるようにする。このように減圧弁５の下流側の配管内圧力を減圧弁５の設定圧力以上に高くしておけば、減圧弁５の機能によって減圧弁５の上流からガスが流れ込むことがなくなり、減圧弁５下流の圧力は減圧弁５の設定圧力まで低下する。したがって、減圧弁５の下流側の配管にガス漏れがあった場合には、この圧力変動を検出することにより、ガス漏れを早期に検知することが可能になる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による水素漏れ検知処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。図４に示すように、まず水素漏れの検知を実行するか否かを判断する（Ｓ４０１）。水素漏れの検知を実行するときには遮断弁を閉じる必要があるので、水素ガスの供給が停止して燃料電池２において発電が行えなくなってしまう。そこで、水素漏れの検知を実行するタイミングは、燃料電池２で必ずしも発電を行わなくてもよい、車両の起動時及び車両停車時、車両停止時に制限する。車両の起動時はイグニッションキーがＯＮになった後に水素漏れの検知を開始し、車両停車時は車速センサ等により車速が０になったときに水素漏れの検知を開始し、車両停止時はイグニッションキーがＯＦＦになった後に水素漏れの検知を開始する。ただし、車両停車状態において診断終了前にアクセルがＯＮとなった場合には診断を中断し、通常制御に戻すなどの制御を実行する。

尚、車両の起動時であれば、燃料電池２の発電状態を任意の状態にすることができるので、定常運転をして流量を一定にしたり遮断弁を閉じたりすることで水素漏れの診断に必要な流量制御を実行することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では燃料循環路１２により水素ガスをリサイクルするように構成してあるので、水素漏れの診断時に下流遮断弁７を遮断しても、燃料電池２に供給される水素量は一気に遮断されることはなく、例えば燃料電池２内の圧力等を規定値内に保つような制御は追従することが可能なので、燃料電池２に悪影響を与えることはない。

こうして水素漏れの検知を実行することになると、次に水素ガスの流量を制御する（Ｓ４０２）。まず、水素の供給量が減圧弁５の流量制御可能範囲内で最大流量となるように、燃料電池２の発電量を最大にするとともに、上流圧力センサ９で検出される圧力降下代（時間的な変化）に基づいて水素流量を算出し、その値が一定となるよう流量調整弁８の開度を制御する。ここで、圧力降下代が大きいほど水素ガス貯蔵タンク４内の圧力降下が大きくなり大流量で水素を供給していることになる。

こうして水素ガスの流量を制御したら、次に上流及び下流遮断弁６、７を閉じる制御を実施する（Ｓ４０３）。この制御により減圧弁５の下流の圧力が減圧弁５の制御圧力以上へとオーバーシュートする。そして、このとき即座に下流圧力センサ１１の値を読み取る。

ここで、オーバーシュートを起こすためには減圧弁５の弁部ができる限り開いた状態を作り出し、その状態から一気にガスの流れを止めてやることが必要である。この弁部ができる限り開いた状態を作り出すためには、大流量のガスを流すことが一番簡単であるが、減圧弁５下流の圧力を意図的に低くなるようにしても弁部を大きく開いた状態にすることはできる。

また、減圧弁５の上流の圧力が低くても（但し、減圧弁５によって制御される下流の圧力以上）オーバーシュート現象を起こすことは可能である。これは上流遮断弁６を閉じると、下流にガスを送るために減圧弁５の弁部ができるかぎり開こうとするからで、この状態で下流遮断弁７を閉じると、減圧弁５下流の圧力が急激に上昇する。この後、減圧弁５の弁部は閉じようとするが、このとき減圧弁５の弁部が完全に閉じるまでの間に、下流に水素ガスが必要以上に流れ込み、減圧弁５下流の圧力はオーバーシュートする。

このように、オーバーシュート現象は減圧弁５の弁部が開から閉となるまでの時間遅れにより発生する。減圧弁５は下流の圧力が低くなろうとすると開になり、ある一定の圧力まで上昇すると閉になる。このとき弁部は機械的に動作するので、当然全開から全閉になるまでに一定の時間を必要とし、そのため減圧弁５の弁部が開いた状態で下流遮断弁７を閉じ、かつ減圧弁５が閉じ始めてから全閉となるまでの間に必要以上のガスを減圧弁５下流に流し込めれば、オーバーシュートさせることができる。

したがって、オーバーシュートさせるためには大流量の水素ガスを流す方法だけではなく、減圧弁５の弁部ができる限り開いた状態をつくり出した後に、減圧弁５の下流で流れを急激に止め、減圧弁５の弁部が閉じきるまでの間に減圧弁５の下流にできるだけ多くのガスを流し込むようにすればよい。

そこで、上流遮断弁６と下流遮断弁７に時間差を設けて開閉するようにしてもよい。例えば、上流遮断弁６を閉じて減圧弁５上流の圧力が所定値まで減少した後に下流遮断弁７を閉じるようにしてもよいし、上流遮断弁６を閉じて減圧弁上流の圧力が所定値まで減少した後に上流遮断弁６を開放し、その直後に下流遮断弁７を閉じるようにしてもよい。

このように上流及び下流遮断弁６、７を制御してオーバーシュートを発生させたら、次に水素漏れの診断を行なう（Ｓ４０４）。この水素漏れの診断方法を図５に基づいて説明する。

まず、減圧弁５と下流遮断弁７との間に水素漏れがない場合には、Ｄの圧力波形に示すようにオーバーシュートしたときの圧力値は高い値となり、下流遮断弁７が閉じているので圧力は低下せず一定値を保っている。これは、図２で示した遮断弁５の構造においてダイヤフラム２１に常に設定値以上の圧力がかかるためである。

一方、減圧弁５と下流遮断弁７との間に水素漏れがある場合には、オーバーシュートしたときの圧力波形のピーク値はＤの圧力波形よりも低くなり、ガス漏れの程度が大きくなるほど圧力波形のピーク値は小さい値となる。

ここで、Ａの圧力波形で示すように、圧力波形のピーク値が圧力上昇時のガス漏れ診断値Ｘよりも小さい場合には即座に大きいガス漏れがあると判断することができる。

一方、圧力波形のピーク値が圧力上昇時の洩れ診断値Ｘよりも大きい場合には、その後の圧力低下を検知することによってガス漏れを診断することができ、Ｃの圧力波形で示すように予め設定された所定の期間内に圧力降下が生じて、圧力下降時のガス漏れ診断値Ｙを下回った場合には、微少であるがガス漏れがあると判断することができる。

また、Ｂの圧力波形で示すように、オーバーシュートしたときに圧力波形のピーク値が圧力上昇時のガス漏れ診断値Ｘよりは大きくなったものの、圧力下降時のガス漏れ診断値Ｙに達しなかった場合には、少ないガス漏れがあると判断することができる。

尚、所定流量時にオーバーシュートさせて下流遮断弁７を閉じる操作を行ったときに、基準となる減圧弁下流の圧力波形を予め測定しておいてマップとして持っておき、この圧力波形に対して、測定した圧力波形が異なっていれば、そのパターンからガス漏れの状態を判定するようにしてもよい。

また、下流温度センサ１０の検出値を用いて、圧力値を０℃時の圧力に換算してガス漏れの有無を判断するようにしてもよい。さらに、圧力値と下流温度センサ１０の検出値と減圧弁５の下流から下流遮断弁７までの配管容積とに基づいて水素質量を算出し、この水素質量値によってガス漏れの有無を判断するようにしてもよい。

さらに、オーバーシュートしてから所定時間経過後の減圧弁５下流の圧力値に基づいて水素漏れ量を算出し、この水素漏れ量に基づいて水素漏れの診断を行ってもよい。例えば、オーバーシュートしてから所定時間内における減圧弁５下流の圧力値の時間積分値から水素漏れ量を算出し、この水素漏れ量に基づいて水素漏れの診断を行うようにする。これにより、圧力センサのノイズなどによる圧力値の外乱の影響をなくし、精度良く水素漏れを検出することができる。

このようにして水素漏れの診断が行なわれたら、減圧弁５の下流に異常があるか否かが判断され（Ｓ４０５）、水素漏れがなく異常なしと判断された場合には通常制御に戻して（Ｓ４０６）本実施形態の燃料電池システム１による水素漏れ検知処理を終了し、水素漏れを検知して異常ありと判断された場合には、運転者に警告するなどの処置をとる。特に水素漏れの程度が大きい場合には上流遮断弁６と下流遮断弁７を閉じたままにし続けるなどの処置を実施して本実施形態の燃料電池システム１による水素漏れ検知処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、上流遮断弁６と下流遮断弁７の開閉を制御することにより減圧弁５の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて減圧弁５下流の水素漏れを検知するので、早期に減圧弁５下流の水素漏れを検知することが可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせることにより圧力変動を発生させるので、確実に圧力変動を発生させて早期に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、大流量で水素ガスを供給している状態で下流遮断弁７を閉じることにより減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせるので、オーバーシュートしたときのピーク値を高くすることができ、より確実に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、水素ガスの流量が所定値以上となるように流量調整弁８の開度を調整してから下流遮断弁７を閉じることにより減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせるので、オーバーシュートしたときのピーク値を一定に制御することができ、より確実に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁上流の圧力降下代が所定値以上となるように流量調整弁８の開度を調整してから下流遮断弁７を閉じることにより減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせるので、オーバーシュートしたときのピーク値を一定に制御することができ、より確実に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、上流遮断弁６と下流遮断弁７とを時間差を設けて開閉させることにより減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせるので、水素ガスを大量に供給することなく、オーバーシュートしたときのピーク値を高くすることができ、無駄なく確実に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、上流遮断弁６を閉じて減圧弁５上流の圧力が所定値まで減少した後に下流遮断弁７を閉じることにより減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせるので、水素ガスを大量に供給することなく、オーバーシュートしたときのピーク値を一定に制御することができ、無駄なく確実に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、上流遮断弁６を閉じて減圧弁５上流の圧力が所定値まで減少した後に上流遮断弁６を開放し、その直後に下流遮断弁７を閉じることにより減圧弁５下流の圧力をオーバーシュートさせるので、水素ガスを大量に供給することなく、オーバーシュートしたときのピーク値を一定に制御することができ、無駄なく確実に減圧弁５下流の水素漏れを検知することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力がオーバーシュートしたときの圧力変動に基づいて水素漏れの程度を診断するので、水素漏れが大量であるのか、あるいは微量であるのかを検出することができ、安全性を向上させことができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力がオーバーシュートしたときの圧力上昇値が所定値以下のときに水素漏れと診断するので、大量の水素漏れを即座に検出することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力がオーバーシュートして上昇した後に所定値以下まで下降したときに水素漏れと診断するので、微量の水素漏れを検出することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力がオーバーシュートしてから所定時間経過後の減圧弁５下流の圧力値に基づいて水素漏れ量を算出し、この水素漏れ量に基づいて水素漏れの診断を行うので、水素漏れが少ない場合であっても減圧弁５下流の水素漏れを早期に検出することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力がオーバーシュートしてから所定時間内における減圧弁５下流の圧力値の時間積分値から水素漏れ量を算出し、この水素漏れ量に基づいて水素漏れの診断を行うので、圧力センサのノイズなどによる圧力値の外乱の影響をなくし、精度良く水素漏れ量を予測することができ、これによって減圧弁５下流の水素漏れをより早期に検出することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力値を水素ガス温度で補正するので、オーバーシュートしたときの圧力変化のパターンが温度によって変化することがなくなり、より正確に減圧弁５下流の水素漏れを検出することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、減圧弁５下流の圧力がオーバーシュートしたときの圧力値と、水素ガス温度と、水素供給配管の容積とから算出される水素ガス質量の変動値に基づいて水素漏れを診断するので、気体の状態方程式により質量換算することができ、これによって減圧弁５下流の水素漏れを精度良く検出することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、車両の運転状態に応じて水素漏れの検知を実行するか否かを判断するので、車両の走行に支障をきたすことなく減圧弁５下流の水素漏れを診断することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２に供給される水素ガスの流量が一定となる運転状態のときに水素漏れの検知を実行するので、車両の走行に支障をきたすことなく減圧弁５の流量変動を制御して水素漏れを診断することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、車両の起動時に水素漏れの検知を実行するので、車両が走行状態にない起動時に水素漏れの診断を行うことができ、車両の走行に支障をきたすことなく減圧弁５下流の水素漏れを診断することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、車両の停車時に水素漏れの検知を実行するので、車両が走行状態にない停車時に水素漏れの診断を行うことができ、車両の走行に支障をきたすことなく減圧弁５下流の水素漏れを診断することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、車両の停車時に発電量を一定に制御して水素ガスの流量を一定にしてから水素漏れの検知を実行するので、水素ガスが一定となる条件を容易に作り出すことができ、車両の走行に支障をきたすことなく減圧弁５下流の水素漏れを診断することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、車両の停止時に水素漏れの検知を実行するので、車両が走行状態にない停止時に水素漏れの診断を行うことができ、車両の走行に支障をきたすことなく減圧弁５下流の水素漏れを診断することができる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管に減圧弁を備えた燃料電池システムに係り、特に減圧弁の下流側で発生した水素漏れを検知するための技術として極めて有用である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムに設置された減圧弁の構造を説明するための断面図である。 遮断弁を閉じたときの減圧弁下流の圧力変化を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムによる水素漏れ検知処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムによる水素漏れの診断方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コントローラ（制御手段）
４ 水素貯蔵タンク
５ 減圧弁
６ 上流遮断弁
７ 下流遮断弁
８ 流量調整弁
９ 上流圧力センサ
１０ 下流温度センサ（温度検出手段）
１１ 下流圧力センサ
１２ 燃料循環路
２０ ダイヤフラム室
２１ ダイヤフラム
２２ 高圧通路
２３ 低圧通路
２４ 絞り孔
２５ 可動バルブ
２６ ダイヤフラムバネ
２７ バルブバネ

Claims (22)

1. 水素ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管と、前記水素供給配管を流れる水素ガスの圧力を減圧する減圧弁とを備えた燃料電池システムであって、
   前記減圧弁の上流に設置され、水素ガスの供給を遮断する上流遮断弁と、
   前記減圧弁の下流に設置され、水素ガスの供給を遮断する下流遮断弁と、
   前記上流遮断弁と前記下流遮断弁の開閉を制御することにより前記減圧弁の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて前記減圧弁下流の水素漏れを検知する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせることにより圧力変動を発生させ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. 前記制御手段は、大流量の水素ガスを供給している状態で前記下流遮断弁を閉じることにより前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素供給配管に水素ガスの流量を調整する流量調整弁を設置し、前記制御手段は水素ガスの流量が所定値以上となるように前記流量調整弁の開度を調整してから前記下流遮断弁を閉じることにより前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記減圧弁上流の圧力降下代が所定値以上となるように前記流量調整弁の開度を調整してから前記下流遮断弁を閉じることにより前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせ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。
6. 前記制御手段は、前記上流遮断弁と前記下流遮断弁とを時間差を設けて開閉させることにより前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記上流遮断弁を閉じて前記減圧弁上流の圧力が所定値まで減少した後に前記下流遮断弁を閉じることにより前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記上流遮断弁を閉じて前記減圧弁上流の圧力が所定値まで減少した後に前記上流遮断弁を開放し、その直後に前記下流遮断弁を閉じることにより前記減圧弁下流の圧力をオーバーシュートさせることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力がオーバーシュートしたときの圧力変動に基づいて、水素漏れの程度を診断することを特徴とする請求項２から請求項８にいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力がオーバーシュートしたときの圧力上昇値が所定値以下のときに水素漏れと診断することを特徴とする請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力がオーバーシュートして上昇した後に所定値以下まで下降したときに水素漏れと診断することを特徴とする請求項２から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力がオーバーシュートしてから所定時間経過後の前記減圧弁下流の圧力値に基づいて水素漏れ量を算出し、この水素漏れ量に基づいて水素漏れの診断を行うことを特徴とする請求項２から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力がオーバーシュートしてから所定時間内における前記減圧弁下流の圧力値の時間積分値から水素漏れ量を算出し、この水素漏れ量に基づいて水素漏れの診断を行うことを特徴とする請求項２から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記減圧弁下流の水素ガス温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力値を水素ガス温度で補正することを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記制御手段は、前記減圧弁下流の圧力がオーバーシュートしたときの圧力値と、水素ガス温度と、水素供給配管の容積とから算出される水素ガス質量の変動値に基づいて水素漏れを診断することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 当該燃料電池システムを車両に搭載し、前記制御手段は前記車両の運転状態に応じて水素漏れの検知を実行するか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
17. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給される水素ガスの流量が一定となる運転状態のときに水素漏れの検知を実行することを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
18. 前記制御手段は、前記車両の起動時に水素漏れの検知を実行することを特徴とする請求項１６または１７のいずれかに記載の燃料電池システム。
19. 前記制御手段は、前記車両の停車時に水素漏れの検知を実行することを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
20. 前記制御手段は、前記車両の停車時に発電量を一定に制御して水素ガスの流量を一定にしてから水素漏れの検知を実行することを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 前記制御手段は、前記車両の停止時に水素漏れの検知を実行することを特徴とする請求項１６から請求項２０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
22. 水素ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給配管と、前記水素供給配管を流れる水素ガスの圧力を減圧する減圧弁とを備えた燃料電池システムの水素漏れ検知方法であって、
    前記減圧弁の上流に水素ガスの供給を遮断する上流遮断弁を設置し、前記減圧弁の下流に水素ガスの供給を遮断する下流遮断弁を設置し、
    前記上流遮断弁と前記下流遮断弁の開閉を制御することにより前記減圧弁の下流に圧力変動を発生させ、この圧力変動に基づいて前記減圧弁下流の水素漏れを検知することを特徴とする燃料電池システムの水素漏れ検知方法。

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