JP2009146651A - 燃料電池システムおよび燃料ガス漏れ判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微量な燃料ガス漏れが生じている場合であっても、精度良くガス漏れを判定させる。
【解決手段】制御部５は、燃料電池２が停止した場合に、シャットバルブ３５，３６，４５，４６を閉じる。制御部５は、各シャットバルブを閉じてガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高いか否かを判定し、この判定がＹＥＳである場合に、水素ガス漏れが発生していると判定し、警告ランプを点灯させ、燃料電池２が起動しないように制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料ガス漏れ判定方法に関する。

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。下記特許文献１および２には、燃料電池システムのガス配管系における圧力変化を検出することでガス漏れを監視する技術が開示されている。
特開２００５−１１７０３号公報 特開２００４−１９２９１９号公報

ところで、燃料電池システムには、微量な水素ガスが電解質膜を透過する、いわゆるクロスリークが存在する。したがって、このクロスリークよりもさらに微量な、例えば、１ｃｃ／ｍｉｎ程度の水素ガス漏れが生じている場合には、ガス配管系における圧力の低下がクロスリークによるものなのか水素ガス漏れによるものなのかを区別することは極めて難しい。

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、微量な燃料ガス漏れが生じている場合であっても、精度良くガス漏れ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ガス漏れ判定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当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料電池に供給される燃料ガスの供給流路および燃料電池から排出される燃料オフガスの排出流路を有するアノード側給排機構と、燃料電池に供給される酸化ガスの供給流路および燃料電池から排出される酸化オフガスの排出流路を有するカソード側給排機構と、アノード側給排機構およびカソード側給排機構におけるガス流を遮断する弁機構と、アノード側給排機構における圧力をアノード側圧力として検出するアノード側圧力検出手段と、カソード側給排機構における圧力をカソード側圧力として検出するカソード側圧力検出手段と、燃料電池が停止するときに、弁機構を制御してガス流を遮断させる弁制御手段と、弁制御手段によってガス流が遮断されてから当該遮断が解除されるまでの間であって、ガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高い場合には燃料ガスが漏れていると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料ガス漏れ判定方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料電池に供給される燃料ガスの供給流路および燃料電池から排出される燃料オフガスの排出流路を有するアノード側給排機構と、燃料電池に供給される酸化ガスの供給流路および燃料電池から排出される酸化オフガスの排出流路を有するカソード側給排機構と、アノード側給排機構およびカソード側給排機構におけるガス流を遮断する弁機構と、アノード側給排機構における圧力をアノード側圧力として検出するアノード側圧力検出手段と、カソード側給排機構における圧力をカソード側圧力として検出するカソード側圧力検出手段と、を有する燃料電池システムにおいて燃料ガス漏れを判定する方法であって、上記燃料電池システムが、燃料電池が停止するときに、弁機構を制御してガス流を遮断させる弁制御工程と、弁制御工程においてガス流が遮断されてから当該遮断が解除されるまでの間であって、ガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高い場合には燃料ガスが漏れていると判定する判定工程と、を含むことを特徴とする。

これらの発明によれば、燃料電池が停止している際であって、ガス流が遮断されてから所定の期間経過後に、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高い場合には燃料ガスが漏れていると判定することができる。これは、燃料電池が停止してガス流が遮断された場合には、燃料ガスがアノード極からカソード極に透過してアノード側圧力がカソード側圧力よりも低下することになるが、燃料ガスが漏れている場合には、その後、燃料ガスが漏れている箇所から入り込む空気の影響によってアノード側圧力の方がカソード側圧力よりも早く大気圧に近付くことになり、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高くなることに着目したものである。これにより、微量な燃料ガス漏れが生じている場合であっても、精度良くガス漏れを判定させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の期間は、弁制御手段によってガス流が遮断された後に、アノード側圧力がカソード側圧力以下に低下するまでに要した時間に基づいて設定されることとしてもよい。これにより、設定された時間を基準にして燃料ガス漏れの判定を開始させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記判定手段は、弁制御手段によってガス流が遮断された後に、アノード側圧力がカソード側圧力以下に低下したときに、所定の期間が経過したと判定することができる。これにより、ガス流が遮断されてアノード側圧力がカソード側圧力以下に低下した時点を基準にして燃料ガス漏れの判定を開始させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記弁制御手段は、燃料電池が起動するときに、弁機構を制御してガス流の遮断を解除することができる。これにより、燃料電池が起動されたときに燃料ガスおよび酸化ガスの供給を再開させることができるとともに、燃料ガス漏れの判定を終了させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記判定手段によって燃料ガスが漏れていると判定された場合に、燃料ガスが漏れている旨を報知する報知手段を、さらに備えることができる。これにより、燃料ガス漏れが検知された場合に、その旨を使用者に確実に報知することができる。

本発明によれば、微量な燃料ガス漏れが生じている場合であっても、精度良くガス漏れ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ガス漏れ判定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、燃料電池が停止した後にガス流を遮断し、この遮断が解除されるまでの間であって、ガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、アノード側の圧力とカソード側の圧力を監視し、アノード側の圧力がカソード側の圧力よりも高い場合には、燃料ガス漏れがあると判定する点に特徴がある。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。

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、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２のカソード極側の給排機構であるカソード側給排機構を構成する。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。

空気供給流路３２のうち、燃料電池２の入口側には、コンプレッサ３１から燃料電池２への酸化ガスの供給を遮断または許容するシャットバルブ３５（弁機構）が設けられ、燃料電池２の出口側には、燃料電池２から排出される酸化オフガスのガス流を遮断または許容するシャットバルブ３６（弁機構）が設けられている。このシャットバルブ３５および３６は、例えば、電磁弁によって構成されている。シャットバルブ３５の下流側には、空気供給流路３２内の酸化ガスの圧力であるカソード側圧力を検出する圧力センサＰ１（カソード側圧力検出手段）が設けられている。なお、カソード側圧力を検出する圧力センサは、シャットバルブ３６の上流側に設けてもよい。

水素ガス配管系４は、燃料電池２のアノード極側の給排機構であるアノード側給排機構を構成する。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シャットバルブ４５（弁機構）とが設けられている。シャットバルブ４５の下流側には、水素供給流路４１内の水素ガスの圧力であるアノード側圧力を検出する圧力センサＰ２（アノード側圧力検出手段）が設けられている。なお、アノード側圧力を検出する圧力センサは、後述するシャットバルブ４６の上流側に設けてもよい。

循環流路４２には、燃料電池２から排出される水素オフガスのガス流を遮断または許容するシャットバルブ４６（弁機構）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（弁制御手段）は、燃料電池２が停止するときに、シャットバルブ３５，３６，４５，４６を閉弁させ、カソード側給排機構およびアノード側給排機構におけるガス流を遮断させる。制御部５は、燃料電池２が起動するときに、シャットバルブ３５，３６，４５，４６を開弁させ、カソード側給排機構およびアノード側給排機構におけるガス流の遮断を解除する。これにより、燃料電池２が起動されたときに水素ガスおよび酸化ガスの供給を再開させることができる。

制御部５（判定手段）は、燃料電池２の停止時に、カソード側給排機構およびアノード側給排機構におけるガス流が遮断されてからこの遮断が解除されるまでの間であって、ガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、アノード側圧力とカソード側圧力とを比較しながら監視し、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高くなった場合に、水素ガスが漏れていると判定する。

一般に、燃料電池２の運転中は、アノード側圧力が上昇するため、アノード側圧力の方がカソード側圧力よりも高くなる。そして、燃料電池が停止してから所定の期間が経過するまでの間も、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高い状態が継続する。しかしながら、燃料電池が停止してから所定の期間が経過すると、アノード側圧力がカソード側圧力よりも低い状態が継続する。

これは、水素ガスの主成分である水素分子は、酸化ガスの主成分である窒素分子に比べて非常に小さいため、アノード極からカソード極への水素透過スピードは、カソード極からアノード極への窒素透過スピードに比べて速い。そして、この透過スピードに差があることで、燃料電池停止後のアノード側圧力が徐々に低下していき、負圧になる。つまり、通常は、燃料電池が停止してから所定の期間が経過すると、アノード側圧力がカソード側圧力よりも低下し、その状態が継続することになる。

これに対して、例えば、クロスリークよりも微量な水素ガス漏れが発生している場合には、燃料電池が停止してから所定の期間が経過した後に、一旦、アノード側圧力がカソード側圧力よりも低下するが、その後は、水素ガスが漏れている箇所から入り込む空気の影響によってアノード側圧力の方がカソード側圧力よりも早く大気圧に近付くことになり、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高くなる。本願発明は、このような原理に基づいて水素ガス漏れを検知するものである。

ここで、上述した所定の期間には、例えば、所定の時間に到達するまでの期間と、所定の条件が満たされるまでの期間とが含まれ、所定の期間が経過したか否かは、例えば、以下のように判定することができる。

第一の判定方法は、ガス流が遮断された後に、所定の時間が経過したときに所定の期間が経過したと判定する。この所定の時間は、ガス流が遮断された後に、アノード側圧力がカソード側圧力以下に低下するまでに要した低下時間に基づいて設定される。設定方法としては、例えば、過去に要した低下時間をメモリに蓄積し、その蓄積した低下時間の平均時間や最長時間等を所定の時間として設定することができる。この所定の時間は、上記低下時間をメモリに蓄積するたびに算出してこの算出結果で設定値を更新することとしてもよいし、予め燃料電池システムごとに上記低下時間を試算しておき、この試算結果を設定値として初期登録することとしてもよい。これにより、設定された時間を基準にして水素ガス漏れの判定を開始させることができる。

第二の判定方法は、ガス流が遮断された後に、所定の条件が満たされたときに所定の期間が経過したと判定する。所定の条件としては、アノード側圧力がカソード側圧力以下に低下することが該当する。つまり、第二の判定方法は、ガス流が遮断された後に、アノード側圧力がカソード側圧力以下に低下したときに、所定の期間が経過したと判定する。これにより、ガス流が遮断されてからアノード側圧力がカソード側圧力以下に低下した時点を基準にして水素ガス漏れの判定を開始させることができる。

第三の判定方法は、上述した第一の判定方法と第二の判定方法を組み合わせた方法である。すなわち、ガス流が遮断された後に、上述した所定の時間が経過したとき、または、アノード側圧力がカソード側圧力以下に低下したときに、所定の期間が経過したと判定する。

制御部５（報知手段）は、水素ガスが漏れていると判定した場合に、警告ランプを点灯させて水素ガスが漏れている旨を報知する。これにより、水素ガス漏れが検知された場合に、その旨を運転者に確実に報知することができる。なお、水素ガスが漏れている旨を報知する方法は、警告ランプを点灯させることには限定されず、例えば、音や映像を用いて警告することとしてもよい。

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、Ｐ２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、シャットバルブ３５，３６，４５，４６、主止弁４３、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、Ｐ２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における水素ガス漏れを判定する。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水素ガス漏れ判定処理について説明する。

まず、制御部５は、燃料電池２が停止したか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１；ＮＯ）には、上記ステップＳ１の判定を繰り返す。

一方、上記ステップＳ１の判定で燃料電池２が停止したと判定された（ステップＳ１；ＹＥＳ）場合に、制御部５は、シャットバルブ３５，３６，４５，４６を閉じる（ステップＳ２）。

続いて、制御部５は、シャットバルブ３５，３６，４５，４６を閉じてガス流が遮断されてから所定の期間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３；ＮＯ）に、制御部５は、燃料電池２の起動指令を受信したか否かを判定する（ステップＳ４）。このステップＳ４の判定がＮＯである場合（ステップＳ４；ＮＯ）には、処理を上記ステップＳ３に移行する。

一方、上記ステップＳ３の判定でガス流が遮断されてから所定の期間が経過したと判定された場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）に、制御部５は、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高いか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ５；ＮＯ）には、処理を上記ステップＳ４に移行する。

一方、上記ステップＳ５の判定でアノード側圧力がカソード側圧力よりも高いと判定された場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）に、制御部５は、水素ガス漏れが発生していると判定し（ステップＳ６）、警告ランプを点灯させ（ステップＳ７）、燃料電池２が起動しないように制限する（ステップＳ８）。

一方、上記ステップＳ４の判定で燃料電池２の起動指令を受信したと判定した場合（ステップＳ４；ＹＥＳ）に、制御部５は、シャットバルブ３５，３６，４５，４６を開いて（ステップＳ９）、燃料電池２を起動させる（ステップＳ１０）。

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が停止している際に、ガス流が遮断されてから所定の期間経過後に、アノード側圧力がカソード側圧力よりも高くなった場合には、水素ガスが漏れていると判定し、その旨を確実に運転者に報知することができる。したがって、例えば、クロスリークよりも微量な水素ガス漏れが生じている場合であっても、精度良くガス漏れを判定させ、報知させることができる。

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水素ガス漏れ判定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、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、３５、３６…シャットバルブ、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、４６…シャットバルブ、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、Ｐ１、Ｐ２…圧力センサ。

Claims (6)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの供給流路および前記燃料電池から排出される燃料オフガスの排出流路を有するアノード側給排機構と、
   前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの供給流路および前記燃料電池から排出される酸化オフガスの排出流路を有するカソード側給排機構と、
   前記アノード側給排機構および前記カソード側給排機構におけるガス流を遮断する弁機構と、
   前記アノード側給排機構における圧力をアノード側圧力として検出するアノード側圧力検出手段と、
   前記カソード側給排機構における圧力をカソード側圧力として検出するカソード側圧力検出手段と、
   前記燃料電池が停止するときに、前記弁機構を制御して前記ガス流を遮断させる弁制御手段と、
   前記弁制御手段によって前記ガス流が遮断されてから当該遮断が解除されるまでの間であって、前記ガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、前記アノード側圧力が前記カソード側圧力よりも高い場合には前記燃料ガスが漏れていると判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記所定の期間は、前記弁制御手段によって前記ガス流が遮断された後に、前記アノード側圧力が前記カソード側圧力以下に低下するまでに要した時間に基づいて設定さ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. 前記判定手段は、前記弁制御手段によって前記ガス流が遮断された後に、前記アノード側圧力が前記カソード側圧力以下に低下したときに、前記所定の期間が経過したと判定す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. 前記弁制御手段は、前記燃料電池が起動するときに、前記弁機構を制御して前記ガス流の遮断を解除することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記判定手段によって前記燃料ガスが漏れていると判定された場合に、前記燃料ガスが漏れている旨を報知する報知手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの供給流路および前記燃料電池から排出される燃料オフガスの排出流路を有するアノード側給排機構と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの供給流路および前記燃料電池から排出される酸化オフガスの排出流路を有するカソード側給排機構と、前記アノード側給排機構および前記カソード側給排機構におけるガス流を遮断する弁機構と、前記アノード側給排機構における圧力をアノード側圧力として検出するアノード側圧力検出手段と、前記カソード側給排機構における圧力をカソード側圧力として検出するカソード側圧力検出手段と、を有する燃料電池システムにおいて燃料ガス漏れを判定する方法であって、
   前記燃料電池システムが、
   前記燃料電池が停止するときに、前記弁機構を制御して前記ガス流を遮断させる弁制御工程と、
   前記弁制御工程において前記ガス流が遮断されてから当該遮断が解除されるまでの間であって、前記ガス流が遮断されてから所定の期間が経過した後に、前記アノード側圧力が前記カソード側圧力よりも高い場合には前記燃料ガスが漏れていると判定する判定工程と、
   を含むことを特徴とする燃料ガス漏れ判定方法。

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