JP2009093953A - 燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、精度良くガス漏れの有無を判定させる。
【解決手段】制御部５は、燃料電池２の起動要求を受信すると、主止弁４３を開いて水素タンク４０から燃料電池２への水素ガスの供給を開始させる。続いて、制御部５は、水素ガス配管系４におけるガス漏れ判定処理を実行する。このガス漏れ判定処理において、ガス漏れが発生していると判定された場合には、ガス漏れ警報を出力して燃料電池２の起動を中止させる。一方、ガス漏れ判定処理において、ガス漏れが発生していないと判定された場合には、コンプレッサ３１を起動させて燃料電池２への酸化ガスの供給を開始させ、燃料電池２の運転を継続させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法に関する。

燃料電池システムでは、安全性の確保の観点等から、水素ガス（燃料ガス）がガス配管や燃料電池から漏洩していないかどうかを監視する必要がある。一方、燃料電池システムで発電が行われているときには、燃料電池内で水素ガスが消費されるため、水素ガスの消費量を考慮したうえでガス漏れの有無を判定する必要がある。

下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、ガス供給流路に供給される水素ガス流量から、燃料電池で消費される水素ガスの消費量と漏れ検知流路内に流れ込む水素ガスの増減量とを減算して求められた差分ガス量を用いてガス漏れの有無を判定している。
特開２００６−１７９４６９号公報

ところで、水素ガスの消費量は、様々な変動要素に起因して変動するため、これらの変動要素を加味して精度良く算出することは難しい。したがって、このような水素ガスの消費量を用いてガス漏れの有無を精度良く判定しようとすると、システムの構成が複雑になってしまう。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、簡易な構成で、精度良くガス漏れの有無を判定させることができる燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、燃料電池の起動時に、燃料電池に対する燃料ガスの供給を開始させてから当該燃料電池の燃料極側における燃料ガス漏れの有無を判定し、当該判定終了後に燃料電池に対する酸化ガスの供給を開始させる制御手段を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池の起動方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムにおける燃料電池の起動方法であって、燃料電池の起動時に、燃料電池に対する燃料ガスの供給を開始させてから当該燃料電池の燃料極側における燃料ガス漏れの有無を判定し、当該判定終了後に燃料電池に対する酸化ガスの供給を開始させることを特徴とする。

これらの発明によれば、燃料電池を起動させるときに、燃料電池に燃料ガスの供給が開始されてから酸化ガスの供給が開始されるまでの間に、燃料ガス漏れの有無を判定させることができる。つまり、燃料電池で燃料ガスが消費される前に、燃料ガス漏れの有無を判定させることができる。したがって、燃料電池での燃料ガスの消費量を考慮することなく燃料ガス漏れの有無を判定させることができるため、簡易な構成で、精度良くガス漏れの有無を判定させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、燃料ガスを貯留する燃料供給源から燃料電池に燃料ガスを供給させるための燃料供給流路をさらに備え、上記制御手段は、燃料供給流路に設けられた弁を開くことで燃料ガスの供給を開始させ、弁を閉じてから上記燃料ガス漏れの有無を判定させることができる。また、上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給源を起動させることで、上記酸化ガスの供給を開始させることができる。

本発明によれば、簡易な構成で、精度良くガス漏れの有無を判定させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を起動させるときに、燃料電池に燃料ガスの供給が開始されてから酸化ガスの供給が開始されるまでの間に、燃料ガス漏れの有無を判定させることによって、簡易な構成で、精度良くガス漏れの有無を判定させる点に特徴がある。燃料電池を起動させるときとしては、例えば、エンジンの始動時や、間欠運転モードから通常運転モードに復帰するときが該当する。つまり、燃料電池への反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給が停止または休止している状態から反応ガスの供給が開始または再開されるときが該当する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９１によって降圧され、二次電池９２（バッテリー）に充電される。トラクションインバータ９３は、燃料電池２と二次電池９２の双方またはいずれか一方から供給される直流電力を交流電力に変換し、トラクションモータ９４に交流電力を供給する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２１が取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１（酸化ガス供給源）と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３（弁）と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４と、水素供給流路４１から燃料電池２への水素ガスの供給を遮断または許容する第一遮断弁４５（弁）とが設けられている。また、第一遮断弁４５の下流側には、水素供給流路４１内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられている。

循環流路４２には、燃料電池２から循環流路４２への水素オフガスの流出を遮断または許容する第二遮断弁４６（弁）と、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４７とが設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４８及び排気排水弁４９を介して排出流路５０が接続されている。気液分離器４８は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４９は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４８で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４９から排出された水素オフガスは、希釈器５１によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ９４等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ９４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４７のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部５は、燃料電池２が起動されるときに、燃料電池２に水素ガスを供給させてガス漏れの有無を判定し、この判定が終了してから酸化ガスを燃料電池２に供給させる「燃料電池の起動処理」を制御する。具体的には、まず、燃料電池２が起動されるときに、主止弁４３を開いて水素タンク４０から燃料電池２への水素ガスの供給を開始させる。続いて、水素ガス配管系４におけるガス漏れ判定処理（後述）を実行する。このガス漏れ判定処理の結果、ガス漏れが発生していないと判定された場合に、コンプレッサ３１を起動させて燃料電池２への酸化ガスの供給を開始させる。これにより、燃料電池システム１の運転が開始される。

ここで、燃料電池２を起動させる手順としては、本実施形態で採用する水素ガスの供給を開始してから酸化ガスの供給を開始させる手順の他に、酸化ガスの供給を開始してから水素ガスの供給を開始させる手順や、酸化ガスと水素ガスの供給を同時に開始させる手順もある。しかしながら、これらの手順では、水素ガスの供給を開始した直後に燃料電池２で発電が行われるため、燃料電池２内に電流が発生し、燃料電池２に供給された水素ガスが消費されてしまう。したがって、これらの手順で燃料電池２を起動させてガス漏れの有無を判定する場合には、水素ガスの消費量を考慮しなければならない。

これに対して、本実施形態における制御部５は、燃料電池２が起動されるときに、水素ガスの供給を開始させてから酸化ガスの供給を開始させ、さらに、水素ガスの供給開始から酸化ガスの供給開始までの間にガス漏れの有無を判定している。水素ガスの供給開始から酸化ガスの供給開始までの間は、燃料電池２で発電が行われないため、燃料電池２内に電流が発生しない。つまり、本実施形態における燃料電池システム１では、燃料電池２の起動時にガス漏れの有無を判定する際に、水素ガスの消費量を考慮する必要がなく、これにより精度の高いガス漏れ判定を行うことが可能となる。

前述したガス漏れ判定処理としては、従来の燃料電池システムで採用されている各種のガス漏れ判定処理を適用することができる。例えば、以下のガス漏れ判定処理を適用することができる。まず、第一遮断弁４５および第二遮断弁４６を閉じることで第一遮断弁４５と第二遮断弁４６との間で形成される閉空間の圧力変化を圧力センサＰ１によって検出させ、この検出結果を用いてガス漏れ量を測定する。そして、測定したガス漏れ量が、予め登録されている閾値よりも大きい場合には、水素ガス配管系４で水素ガスのガス漏れが発生していると判定する。一方、ガス漏れ量が、予め登録されている閾値以下である場合には、水素ガス配管系４で水素ガスのガス漏れが発生していないと判定する。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、第一遮断弁４５、第二遮断弁４６、水素ポンプ４７および排気排水弁４９等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰ１での検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、水素ガス配管系４におけるガス漏れの有無を判定する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池２の起動処理について説明する。

まず、例えば、イグニッションスイッチがオンになったときや、間欠運転時に所定の復帰条件を満たしたときに、制御部５は、燃料電池２の起動要求を受信する（ステップＳ１）。続いて、制御部５は、主止弁４３を開いて水素タンク４０から燃料電池２への水素ガスの供給を開始させる（ステップＳ２）。

続いて、制御部５は、水素ガス配管系４におけるガス漏れ判定処理を実行する（ステップＳ３）。このガス漏れ判定処理において、ガス漏れが発生していると判定された（ステップＳ４；ＹＥＳ）場合に、制御部５は、ガス漏れ警報を出力して燃料電池２の起動を中止させる（ステップＳ５）。

一方、上記ガス漏れ判定処理において、ガス漏れが発生していないと判定された（ステップＳ４；ＮＯ）場合に、制御部５は、コンプレッサ３１を起動させて燃料電池２への酸化ガスの供給を開始させ（ステップＳ６）、燃料電池２の運転を継続させる（ステップＳ７）。

なお、上述した燃料電池の起動処理では、ガス漏れが発生していると判定された（ステップＳ４；ＹＥＳ）場合に、燃料電池２の起動を中止させているが、必ずしも起動を中止させる必要はない。例えば、ガス漏れ量に応じた点検処理等を実行し、燃料電池２を起動・運転するための所定項目の確認を行ったうえで、問題がなければ燃料電池２の運転を継続させることとしてもよい。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２を起動させるときに、燃料電池２に水素ガスの供給が開始されてから酸化ガスの供給が開始されるまでの間に、ガス漏れの有無を判定させることができる。つまり、燃料電池２で水素ガスが消費される前に、ガス漏れの有無を判定させることができる。したがって、燃料電池２での水素ガスの消費量を考慮することなくガス漏れの有無を判定させることができるため、簡易な構成で、精度良くガス漏れの有無を判定させることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池の起動処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、２１…電流センサ、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…第一遮断弁、４６…第二遮断弁、４７…水素ポンプ、４８…気液分離器、４９…排気排水弁、５０…排出流路、５１…希釈器、９１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、９２…二次電池、９３…トラクションインバータ、９４…トラクションモータ、Ｐ１…圧力センサ。

Claims (4)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給を開始させてから当該燃料電池の燃料極側における燃料ガス漏れの有無を判定し、当該判定終了後に前記燃料電池に対する酸化ガスの供給を開始させる制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガスを貯留する燃料供給源から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給させるための燃料供給流路をさらに備え、
   前記制御手段は、前記燃料供給流路に設けられた弁を開くことで前記燃料ガスの供給を開始させ、前記弁を閉じてから前記燃料ガス漏れの有無を判定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. 前記制御手段は、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給源を起動させることで、前記酸化ガスの供給を開始させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムにおける燃料電池の起動方法であって、
   前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給を開始させてから当該燃料電池の燃料極側における燃料ガス漏れの有無を判定し、当該判定終了後に前記燃料電池に対する酸化ガスの供給を開始させることを特徴とする燃料電池の起動方法。

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