JP2010272433A

JP2010272433A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2010272433A
Application number: JP2009124853A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Hasegawa; 貴彦長谷川; Takahiro Umehara; 孝宏梅原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: JP5353441B2

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料ガス漏れ判定を行える構成において、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを防止することである。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と昇圧コンバータ４６と制御部４０と電流センサとを備える。電流センサは、昇圧コンバータ４６または昇圧コンバータ４６と燃料電池スタック１２との間を流れる電流を検出する。制御部４０は、燃料ガス供給流路２２での水素ガス漏れを判定する手段であって、燃料ガス供給流路２２内の圧力を上昇させ、その後の圧力変動に応じて水素ガス漏れを判定するガス漏れ判定処理を行うガス漏れ判定手段７４と、ガス漏れ判定処理中での、電流センサの検出電流値または検出電流値に基づく電流時間積算値が閾値以上である場合に、昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定する短絡故障判定手段７６とを含む。

【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス供給源から燃料ガス流路を通じて燃料ガスが供給され、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の出力電圧を変換する電圧変換装置とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層することにより構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。

このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電気化学反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成される。

従来から、燃料電池システムでは、安全性の観点から、システム起動時に燃料ガスを流す配管等の燃料ガス流路からの燃料ガスの漏れがあるか否かを検出する漏れ検出を実施することが考えられている。例えば、水素供給源から燃料ガス流路を通じて燃料電池に水素ガスを供給するようにしているシステムで、起動時に、制御部により、燃料ガス流路内に水素を供給することにより燃料ガス流路内を加圧し、圧力センサによる検出圧力を監視し、圧力が閾値よりも低下した場合に水素ガス漏れがあり、異常が発生していると判定し、圧力が閾値以上である場合に正常であると判定する。

例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池に水素を供給する水素供給源と、水素供給源と燃料電池の水素供給口との間に設けられた燃料供給路と、燃料供給路に設けられた遮断弁と、遮断弁の下流側に設けられた水素調圧弁と、燃料供給路の水素ガス圧力を検出する圧力センサと、制御部とを備える燃料電池システムが知られている。制御部は、システム起動時における燃料供給路の加圧処理を実施するに際し、遮断弁から下流側の燃料供給路の加圧値が、上流側の水素調圧弁の調圧値以下、かつ、下流側の水素調圧弁の調圧値以上となる値となるように遮断弁の開閉状態を制御し、圧力センサで圧力を所定周期で検出し、所定時間経過後の圧力変化量または圧力変化率が所定の漏れ判定閾値以上である場合に、遮断弁の下流の燃料系配管内にガス漏れが発生していると判定するとされている。

特開２００７−１３４２００号公報

このように水素ガスの漏れ検出を行う燃料電池システムにおいて、配管等の燃料ガス流路に異常がないのに誤って水素ガス漏れがあると判定される、という誤判定される可能性があることが分かった。本発明者は、その原因として、燃料電池に電圧変換装置である昇圧コンバータを接続し、昇圧コンバータで燃料電池から出力された電圧を変換している場合において、昇圧コンバータでの異常が発生していると、水素ガス漏れの誤判定をされる可能性があると考えた。すなわち、このような構成で、昇圧コンバータの回路内で、互いに非接触で配置される複数のバスバーが接触したり、素子が破損する等により短絡故障が発生すると、水素ガス漏れ判定を行う際の、燃料電池への水素ガスの供給時に、水素ガスの供給とともに水素ガスと酸化ガスとの反応により電流が発生してしまい、水素ガスが消費されて燃料ガス流路内の圧力低下に結びつく可能性がある。従来のシステムで、このような原因により圧力低下が生じた場合には、昇圧コンバータの回路短絡という故障モードであり、燃料ガス流路は正常であるのにもかかわらず、水素ガス漏れがあると誤判定される可能性がある。この場合に、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて燃料ガス流路についての無駄な点検修理作業が発生する可能性がある。例えば、作業者が正常な部品を間違って部品交換してしまう可能性がある。

本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、燃料ガス流路内を加圧してその後の圧力変動を監視することにより燃料ガス漏れ判定を行える構成において、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを防止することである。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガス供給源から燃料ガス流路を通じて燃料ガスが供給され、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の出力電圧を変換する電圧変換装置とを備える燃料電池システムであって、燃料電池システムの起動時において、燃料ガス流路での燃料ガス漏れを判定するガス漏れ判定手段であって、燃料ガス流路内の圧力を上昇させ、その後の圧力変動に応じて燃料ガス漏れを判定するガス漏れ判定処理を行うガス漏れ判定手段と、燃料電池と電圧変換装置との間を流れる電流、または電圧変換装置を流れる電流を検出する電流検出手段と、ガス漏れ判定処理中での、電流検出手段の検出電流値または検出電流値に基づく電流時間積算値が閾値以上である場合に、電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定する短絡故障判定手段とを備える燃料電池システムである。

本発明の燃料電池システムによれば、ガス漏れ判定手段により、燃料電池システムの起動時において、燃料ガス流路を加圧してその後の圧力変動を監視することにより燃料ガス漏れ判定を行える。しかも、短絡故障判定手段により、ガス漏れ判定処理中での、電流検出手段の検出電流値または検出電流値に基づく電流時間積算値が閾値以上である場合に、電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定するので、短絡故障発生したと判定された場合にガス漏れ判定手段の判定結果の出力を中止させる等により、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを防止できる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、短絡故障判定手段により電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定された場合に、ガス漏れ判定手段の判定結果の出力を中止させる短絡故障時処理手段を備える。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、短絡故障判定手段により電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定された場合に、短絡故障の発生を報知する報知手段を備える。

上記構成によれば、燃料電池システムまたは燃料電池システムを搭載した車両の運転者が、電圧変換装置の短絡故障の発生を認識でき、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを防止できる。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、短絡故障判定手段により電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定された場合に、燃料電池の発電運転を停止させる運転停止手段を備える。

上記構成によれば、電圧変換装置の短絡故障発生時に燃料電池の発電運転を自動で停止できるため、燃料電池に電圧変換装置を介して接続された負荷の不安定な動作を防止できる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス流路内を加圧してその後の圧力変動を監視することにより燃料ガス漏れ判定を行える構成において、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを抑制できる。

本発明の実施の形態の１例の燃料電池システムの基本構成を示す図である。図１のシステムにおいて、燃料電池スタックにより負荷である走行用モータを駆動するための電気回路を示す図である。図１のシステムにおいて、昇圧コンバータの正常時に昇圧コンバータに設けられた電流センサでの電流発生がない様子を示す略図である。図１のシステムにおいて、昇圧コンバータの回路短絡時に昇圧コンバータに設けられた電流センサで電流発生がある様子を示す略図である。図１のシステムを用いてガス漏れ判定を実行する場合の、上半部の図は燃料ガス流路内水素圧力の時間変化の１例を示す図であり、下半部の図は電流センサ部分を流れる電流の時間変化の１例を示す図である。図１のシステムを用いてガス漏れ判定とともに、短絡回路判定を行う起動時制御方法を示すフローチャートのメインフローを示す図である。図６のメインフローとともに実行するサブルーチンを示す図である。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態の１例につき詳細に説明する。図１から図７は、本発明の実施の形態の１例を示している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層すると共に、燃料電池スタック１２の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。

各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極（以下、単に「アノード」という。）には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極（以下、単に「カソード」という。）には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオン、すなわちプロトンを、電解質膜を介してカソードまで移動させ、カソードで酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノードからカソードへ外部の電気回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。すなわち、図１に示す、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１２は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。

酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けている。燃料電池スタック１２から電気化学反応に供された後の空気である空気オフガスを排出するために、酸化ガス系排出流路１６を設けている。酸化ガス供給流路１４の上流部に、酸化ガス供給部であるエアコンプレッサ１８を設けている。そして、エアコンプレッサ１８により加圧された空気が、加湿器２０で加湿された後、燃料電池スタック１２のカソード側の酸化ガス流路に供給されるようにしている。燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出流路１６を通じて排出された後、加湿器２０を通過してから大気に放出される。加湿器２０は、燃料電池スタック１２から排出された後の空気オフガスから得た水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。

一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために燃料ガス流路である、燃料ガス供給流路２２を設けている。燃料ガス供給流路２２の上流部に、高圧水素タンク等の燃料ガス供給源２４を設けている。燃料ガス供給流路２２にこの流路２２と燃料ガス供給源２４との間を遮断または接続するための電磁弁である開閉弁２６を設けている。燃料ガス供給源２４から開閉弁２６を介して燃料電池スタック１２に水素ガスが供給される。また、燃料電池スタック１２から電気化学反応に供された後の水素である水素オフガスを排出するために燃料ガス系排出流路２８を設けている。水素オフガスには、未反応の水素も含まれる。

燃料電池スタック１２のアノード側の燃料ガス流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素オフガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス系排出流路２８を通じて排出される。燃料ガス系排出流路２８には気液分離器３０を介して燃料ガス還流路３２を接続している。燃料ガス還流路３２は、燃料電池スタック１２から排出された、未反応の水素ガスを含む水素オフガスを、燃料ガス供給流路２２に戻すために設けている。また、燃料ガス還流路３２に燃料ガス循環ポンプである、水素ポンプ３４を設けている。水素ポンプ３４は、水素オフガスを、燃料ガス還流路３２を通じて燃料ガス供給流路２２に戻し、燃料ガス供給源２４から送られる新たな水素ガスと合流させてから、再び燃料電池スタック１２に供給する。水素ポンプ３４は、二次電池３６に接続され、二次電池３６から電力を供給されて駆動する。また、燃料電池システム１０に、燃料ガス供給流路２２の圧力を検出する圧力検出手段である圧力センサ３８を設けている。圧力センサ３８の検出信号は制御部４０に入力される。

燃料電池スタック１２から排出された水素オフガスは、気液分離器３０で、水分を除去されてから、燃料ガス還流路３２に送られる。気液分離器３０に排気排水流路４２を接続しており、排気排水流路４２の途中に排気排水弁であり、電磁弁であるパージ弁４４を設けている。制御部４０からの指令によりパージ弁４４を作動させることにより、水分及び水素オフガスを外部へ排出する。この排出動作を間欠的に行うことにより、水素オフガス中の不純物濃度が増加することによる燃料電池セルの電圧低下を防止できる。なお、パージ弁を設けた排気流路を燃料ガス系排出流路２８の気液分離器３０から外れた部分に接続することもできる。

また、燃料電池スタック１２からの出力電圧は、電圧変換装置である昇圧コンバータ４６で昇圧するように変換してから、負荷であるモータ４８側に出力する。このために燃料電池システム１０は、昇圧コンバータ４６と、インバータ５０と、モータ４８と、二次電池３６とを備える。燃料電池スタック１２と、昇圧コンバータ４６と、インバータ５０と、モータ４８とにより、電気回路であるモータ駆動回路５２を構成している。モータ４８は、例えば燃料電池システム１０を燃料電池車に搭載して使用する場合に、車両を駆動する駆動源である走行用モータとして使用する。

二次電池３６は、例えば１２Ｖ等の電圧を有するもので、燃料電池スタック１２の運転停止状態でモータ４８を駆動する場合に、二次電池３６からの出力電圧を昇圧コンバータ４６で昇圧してからインバータ５０を介してモータ４８に供給することもできる。これにより、モータ４８は、燃料電池スタック１２の運転停止状態でも二次電池３６により駆動可能となる。例えば、二次電池３６と昇圧コンバータ４６との間に図示しないスイッチを設け、燃料電池スタック１２の運転時にはこのスイッチをオフし、燃料電池スタック１２の運転停止状態でモータ４８を駆動する場合にはこのスイッチをオンするように制御部４０により制御する。

図２は、モータ駆動回路５２を詳しく示している。燃料電池スタック１２とモータ４８との間に昇圧コンバータ４６を接続している。なお、図２ではインバータ５０（図１）の図を省略している。昇圧コンバータ４６は、正極側母線Ｌａと負極側母線Ｌｂとの間に互いに並列に接続された第１コンデンサ５４及び第２コンデンサ５６と、正極母線Ｌａの第１コンデンサ５４及び第２コンデンサ５６の接続位置の間に設けられたリアクトル５８と、正極母線Ｌａのリアクトル５８よりもモータ４８側のノードＮ１と負極母線のノードＮ２との間に接続された第１スイッチング素子６０とを備える。第１スイッチング素子６０は、例えば、トランジスタ、ＩＧＢＴ等である。第１スイッチング素子６０にはダイオードを並列に接続している。第１コンデンサ５４は、正極母線Ｌａと負極母線ＬｂとにノードＮ３，Ｎ４で接続している。図１に示す制御部４０が、第１スイッチング素子６０のオンオフスイッチングを制御することにより、燃料電池スタック１２の出力電圧が所望の大きさに昇圧され、モータ４８側に出力される。

また、正極母線Ｌａのリアクトル５８とノードＮ１との間のノードＮ５と、負極母線ＬｂのノードＮ６との間に第１ダイオード６２と第３コンデンサ６４とを直列に接続している。また、ノードＮ３とリアクトル５８との間のノードＮ７と、第１ダイオード６２及び第３コンデンサ６４の中点との間に、第２スイッチング素子６６と、第２ダイオード６８と、第２リアクトル７０とを直列に接続している。第２スイッチング素子６６は、例えばトランジスタ、ＩＧＢＴ等である。また、第２スイッチング素子６６に第２並列ダイオードを並列に接続している。第２スイッチング素子６６と、第１、第２各ダイオード６２，６８と、第２リアクトル７０とを含む部分は、昇圧コンバータ４６による昇圧動作を効率よく行わせるためのソフトスイッチング機能を有する。第２スイッチング素子６６のオンオフスイッチングも、第１スイッチング素子６０と同様、制御部４０（図１）により制御される。また、正極母線ＬａのノードＮ１よりもモータ４８側に第３ダイオード７１を接続している。

また、正極母線ＬａのノードＮ３とノードＮ７との間に電流検出手段である電流センサ７２を設けている。なお、電流センサ７２の配置位置は、図示の位置に限定するものではない。例えば負極母線Ｌｂに設けることもできる。また、燃料電池スタック１２と昇圧コンバータ４６との間に電流センサ７２を設けることもできる。

図１に示す制御部４０は、例えば車両のアクセル開度信号等の負荷要求を表す信号、燃料電池スタック１２や流路内の状態を検出するための圧力センサ、温度センサ等の各種のセンサの検知情報を表す信号を取得して、昇圧コンバータ４６及びインバータ５０を制御し、モータ４８の運転状態を制御する機能を有する。制御部４０はＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。

また、制御部４０は、燃料電池スタック１２の発電運転時に、水素ポンプ３４及びエアコンプレッサ１８の駆動状態、及び、開閉弁２６の開閉状態を制御する。また、制御部４０は、ガス漏れ判定手段７４と、短絡故障判定手段７６と、短絡故障時処理手段７８と、報知手段８０と、運転停止手段８２とを有する。

ガス漏れ判定手段７４は、燃料電池システム１０の始動時において、燃料ガス供給流路２２等の燃料ガス流路での水素ガス漏れを判定する機能を有する。また、ガス漏れ判定手段７４は、起動時に、燃料ガス供給源２４から燃料ガス供給流路２２に水素ガスを供給することにより燃料ガス供給流路２２内の圧力を上昇させ、その後の圧力変動に応じて水素ガス漏れを判定するガス漏れ判定処理を行う。すなわち、ガス漏れ判定処理の開始時に、ガス漏れ判定手段７４は、開閉弁２６を開弁させることにより、燃料ガス供給流路２２内を加圧する。そして、圧力センサ３８により検出した検出圧力が予め設定した第１閾値以上に達したならば、開閉弁２６を閉弁させ、その後の圧力センサ３８の検出圧力を監視する。開閉弁２６の閉弁時から予め設定したガス漏れ検出期間終了時までの間に検出圧力が予め設定したガス漏れ判定用の第２閾値以下に低下したならばガス漏れがあると判定し、第２閾値以下に低下しない場合にガス漏れがない正常時であると判定する。ガス漏れがあると判定された場合、制御部４０は、例えば燃料電池スタック１２の運転を停止させ、ガス漏れありを車両の運転席周辺部のディスプレイや、警告灯等の表示部により表示させるように、対応する装置に判定結果を出力する。これに対してガス漏れなしの判定結果が得られた場合には、燃料電池スタック１２の通常の発電運転に移行する。

また、短絡故障判定手段７６は、ガス漏れ判定処理中での、電流センサ７２の検出電流値に基づく電流時間積算値Ａが予め設定した閾値Ｘ以上（Ａ≧Ｘ）である場合に、昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定する機能を有する。これについて図３から図５を用いて説明する。図３、図４は燃料電池スタック１２に接続された昇圧コンバータ４６を示している。なお、以下では、図１、図２に示した要素と同一の要素には同一符号を付して説明する。図３は、昇圧コンバータ４６内で回路短絡がない正常時を、図４は、昇圧コンバータ４６で回路短絡が発生している異常時を、それぞれ示している。システム起動時のガス漏れ判定時には、第１、第２各スイッチング素子６０，６６（６６は図２参照）をオフにした状態で、ガス漏れ判定手段７４により、燃料ガス供給流路２２内を加圧させる。この場合、昇圧コンバータ４６では昇圧動作がされず、電流センサ７２には電流が発生しない。例えば、燃料電池スタック１２の電圧を３００Ｖとし、モータ４８の駆動電圧を６００Ｖ等、燃料電池スタック１２の電圧よりも高い電圧とする。

これに対して、図４に太線αで示すように、第１スイッチング素子６０の破損等の何らかの原因により、昇圧コンバータ４６の回路の一部に短絡が発生すると、第１、第２各スイッチング素子６０，６６のオフからオンへの切り替えがないのにもかかわらず回路が短絡されるため、図４に矢印β方向に流れる電流が発生して、電流センサ７２に電流が発生する。このように電流が発生すると、燃料電池スタック１２内で水素ガスが酸化ガスとともに消費されて、燃料ガス供給流路２２内の圧力が低下する。また、昇圧コンバータ４６の短絡は、第１スイッチング素子６０の破損に限定するものではなく、例えば、図２に戻って、第２スイッチング素子６６及び第２ダイオード６８の中点と、負極母線ＬｂのノードＮ４とノードＮ６との間の破線γで示した部分が、バスバーの短絡等により接続されることにより、回路短絡が生じる可能性もある。いずれにしてもこのような原因でガス漏れ判定処理中に燃料ガス供給流路２２内の圧力が低下すると、水素ガス漏れがないのにもかかわらず、水素ガス漏れがあると誤判定される可能性がある。

本実施の形態は、このような場合でも誤判定に基づいて無駄な点検修理作業の防止を図るために、短絡故障判定手段７６を設けている。短絡故障判定手段７６は、ガス漏れ判定処理中に電流センサ７２から取得される電流検出値に基づく電流時間積算値を演算し、ガス漏れ判定処理中での、電流時間積算値Ａが予め設定した閾値Ｘ以上であるか否かを判定する。「電流時間積算値」とは、所定時間間隔で検出した検出電流と時間との関係から、電流の時間変化曲線を求め、その時間変化曲線に基づいて時間積分して得られた値をいう。もし電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上（Ａ≧Ｘ）である場合には、短絡故障判定手段７６は、短絡故障が発生したと判定する。一方、ガス漏れ判定処理終了時でも、電流時間積算値Ａが閾値Ｘ未満（Ａ＜Ｘ）である場合には、短絡故障判定手段７６は短絡故障の発生がないと判定する。

図５は、燃料電池システム１０の起動時に、通常の発電運転制御に移行する前に、水素ガス漏れ判定及び短絡故障判定を行う場合の、燃料ガス供給流路２２内の圧力と電流センサ７２部分を流れる電流との時間変化の１例を示す図である。図５の上半部の図の実線及び図５の下半部の図は、昇圧コンバータ４６の回路中で、図２に破線γで示した部分が短絡した場合を表している。この場合、ガス漏れ判定手段７４により燃料ガス供給流路２２にガスを供給することにより、この流路２２内を加圧すると、時間ｔ１で圧力センサ３８により検出した燃料ガス供給流路２２内の圧力が徐々に上昇する。その後、時間ｔ２で電流が発生し、徐々に上昇する。この理由は、昇圧コンバータ４６の回路が短絡した状態で、水素ガスと空気との反応により昇圧コンバータ４６に電流が発生するためである。次いで、燃料ガス供給流路２２内の圧力が第１閾値Ｐ１に達した時点ｔ３で、ガス漏れ判定手段７４は開閉弁２６を閉弁させる。そして、ガス漏れ判定手段７４により、ガス漏れ検出期間終了時である、時間ｔ４に達した時点で、燃料ガス供給流路２２内の圧力Ｐａが予め設定した第２閾値Ｐ２以下となっている（Ｐａ≦Ｐ２）と判定されたならば、通常はガス漏れ発生ありと判定する。一方、図５の上半部の図において、一点鎖線δは、燃料ガス供給流路２２も昇圧コンバータ４６もいずれも正常である正常時を表している。この場合には、時間ｔ４でも燃料ガス供給流路２２内の圧力が第２閾値Ｐ２以下となることはなく、ガス漏れ発生なしと判定する。

これに対して、本実施の形態では、短絡故障判定手段７６により、時間ｔ１から時間ｔ４までのガス漏れ判定処理中での、検出電流に基づく電流時間積算値、すなわち、経過時点までの図５の下半部の曲線の時間積算値を演算する。そして、短絡故障判定手段７６により、電流時間積算値Ａが予め設定した閾値Ｘ以上である（Ａ≧Ｘ）と判定された場合には、昇圧コンバータ４６に短絡故障が発生したと判定する。このように短絡故障発生ありと判定された場合に、短絡故障時処理手段７８は、ガス漏れ判定手段７４の判定結果の対応する装置、例えば、ガス漏れ判定結果を表示する表示部等への出力を中止する。また、報知手段８０は、短絡故障発生ありと判定された場合に、短絡故障の発生を、ディスプレイ、警告灯等の表示部により表示し、報知する。また、運転停止手段８２は、短絡故障発生ありと判定された場合に、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させる。なお、図５では、燃料ガス供給流路２２内の圧力が第１閾値Ｐ１に達した時点からガス漏れ判定を行っているが、ガス検出値が安定する時間を考慮して、Ｐ１に達した時点から所定期間経過後からガス漏れ判定を行うこともできる。

図６、図７は、このような水素ガス漏れ判定及び短絡故障判定を行う場合の、制御方法を説明するためのフローチャートである。例えば、制御部４０は、２の演算部である第１ＣＰＵと第２ＣＰＵとを含む複数のＣＰＵを有するものとする。図６に示すメインフローは、第１ＣＰＵにより実行させ、図７に示すサブルーチンは、第２ＣＰＵにより実行させる。この場合、ガス漏れ判定手段７４は第１ＣＰＵにより構成し、短絡故障判定手段７６は第２ＣＰＵにより構成する。図６、図７に示すフローチャートはパラレルに実行する。その際、図７のサブルーチンは、図６のメインフローの実行時に第２ＣＰＵが、第１ＣＰＵから始動タイミングとしてのサブルーチン開始信号を取得することにより実行が開始される。また、第２ＣＰＵが、第１ＣＰＵから停止タイミングとしてのサブルーチン停止信号を取得することにより、演算した電流時間積算値が閾値以下でないのであれば実行を終了する。

まず、図６に示すようにステップＳ１０で燃料電池システム１０が図示しない起動スイッチのオンに応じて起動されると、第１ＣＰＵによりメインフローが実行され、ステップＳ１２で燃料ガス供給流路２２の開閉弁２６を開弁することにより、この流路２２内の加圧が開始される。そして、第１ＣＰＵはサブルーチン開始信号を第２ＣＰＵに出力し（ステップＳ１４）、後述する図７のサブルーチンの実行が開始される。次いで、図５の時間ｔ３で加圧が完了されると（ステップＳ１６）、ガス漏れ判定手段７４によりガス漏れ検出が開始され（ステップＳ１８）、ガス漏れ検出期間終了時である時間ｔ４でガス漏れ検出を完了し、ガス漏れの有無を判定する（ステップＳ２０）。そして、第１ＣＰＵはサブルーチン停止信号を第２ＣＰＵに出力する（ステップＳ２２）。次いで、ステップＳ２２で第２ＣＰＵから回路短絡信号を取得したか否かを判定し、取得したと判定されたならば、ステップＳ２４で、短絡故障時処理手段７８により、ガス漏れ判定手段７４によるガス漏れ判定結果の出力を中止し、終了する。これに対して、ステップＳ２２で回路短絡信号を取得していないと判定されたならば、通常のガス漏れ判定後処理に移行させることを表す信号を出力し、それを取得した制御部４０のガス漏れ判定後処理手段が処理を実行し、ガス漏れ判定処理を終了する。例えば、ガス漏れ判定後処理手段は、ガス漏れが発生したと判定された場合に、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させ、ガス漏れの発生を、ディスプレイ、警告灯等の表示部により報知させる。これに対して、ガス漏れ発生がないと判定された場合には、燃料電池スタック１２の通常の発電運転処理に移行する。

一方、図７に示すように、第２ＣＰＵが、ステップＳ３０で第１ＣＰＵからサブルーチン開始信号を取得したと判定されると、サブルーチンの実行が開始される。そして、ステップＳ３２で第１ＣＰＵからサブルーチン停止信号を取得したか否かが判定され、取得していない場合には、ステップＳ３４で電流センサ７２からの時間に応じた検出電流を取得し、それまでの検出電流をベースにした電流時間積算値Ａを演算する。次いでステップＳ３６で電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上であるか否かを判定し、閾値Ｘ以上でない場合にはステップＳ３２からＳ３６の処理を繰り返す。ステップＳ３６で電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上であると判定されたならば、ステップＳ３８で昇圧コンバータ４６の回路短絡を確定し、ステップＳ４０で、第１ＣＰＵに回路短絡信号を出力し、報知手段８０に回路短絡報知信号を出力し、運転停止手段８２に燃料電池停止信号を出力する。報知手段８０が回路短絡報知信号を取得すると、ディスプレイ等の表示部により短絡故障の発生を燃料電池システム１０の運転者等に報知する。運転停止手段８２が燃料電池停止信号を取得すると、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させる。

一方、ステップＳ３２でサブルーチン停止信号を取得したと判定された場合には、ステップＳ３６と同様、ステップＳ４２で電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上であるか否かを判定し、閾値Ｘ以上でない場合には短絡故障判定処理を終了する。これに対して、ステップＳ４２で電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上であると判定されたならば、上記と同様に、ステップＳ３８に移行し、ステップＳ４０の処理を行う。

上記の燃料電池システムによれば、ガス漏れ判定手段７４により、燃料電池システム１０の起動時において、燃料ガス供給流路２２を加圧してその後の圧力変動を監視することにより水素ガス漏れ判定を行える。しかも、短絡故障判定手段７６により、ガス漏れ判定処理中での、電流センサ７２の検出電流に基づく電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上である場合に、昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定するので、短絡故障と判定された場合にガス漏れ判定手段７４の判定結果の出力を中止する等により、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを防止できる。

また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、短絡故障判定手段７６により昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定された場合に、短絡故障の発生を報知する報知手段８０を備える。このため、燃料電池システムまたは燃料電池システムを搭載した車両の運転者が、昇圧コンバータ４６の短絡故障の発生を認識でき、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのをより有効に防止できる。

また、本実施の形態によれば、短絡故障判定手段７６により昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定された場合に、燃料電池スタック１２の発電運転を停止させる運転停止手段８２を備える。このため、昇圧コンバータ４６の短絡故障発生時に燃料電池スタック１２の発電運転を自動で停止できるため、燃料電池スタック１２に昇圧コンバータ４６を介して接続されたモータ４８の不安定な動作を防止できる。燃料電池スタック１２の運転停止後にモータ４８を駆動させる場合には、例えば、制御部４０により二次電池３６の電力をモータ４８へ供給するように二次電池３６と昇圧コンバータ４６との間に接続されたスイッチを、オフからオンへ切り替える。

なお、本実施の形態では、短絡故障判定手段７６は、ガス漏れ判定処理中での、電流センサ７２の検出電流値に基づく電流時間積算値Ａが閾値Ｘ以上である場合に、昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定する機能を有するものとしている。ただし、本実施の形態では、このような構成に限定するものではなく、短絡故障判定手段７６により、ガス漏れ判定処理中での、電流センサ７２の検出電流値それ自体の大きさが予め設定した閾値電流値以上となった場合に、昇圧コンバータ４６の短絡故障が発生したと判定する機能を有するように構成することもできる。この場合、短絡故障判定手段７６は、電流の時間積算値を演算することなく、検出電流自体が閾値電流値以上であると判定した場合に、昇圧コンバータ４６で短絡故障が発生したと判定し、ガス漏れ判定処理終了時においても、検出電流が閾値電流値未満である場合には短絡故障の発生はないと判定する。この場合、例えば、図７に示したサブルーチンでステップＳ３４の電流の時間積算演算処理を省略し、ステップＳ３６で検出電流が閾値電流値以上であるかを判定し、閾値電流値未満であると判定されたならばステップＳ３２に戻り、閾値電流値以上であると判定されたならばステップＳ３８に移行する。

なお、図５の下半部の電流センサ７２部分を流れる電流の時間変化を示す図において、電流センサ７２の検出値が、スイッチング素子６０，６６のオフ時でもある正の値となる、すなわち上側に、ある量オフセットしている場合には、電流時間積算値もそのオフセット量に対応して大きくなる。ただし、この場合には、電流時間積算値を演算する場合にオフセット分を原点に戻す学習処理を行うことにより信頼性の高い短絡故障判定を行える。また、電流センサ７２や圧力センサ３８の異常発生時には、各センサ７２，３８の正常異常を判定する図示しないセンサ異常判定部（センサダイアグ）が異常値を検出した場合にそのセンサの検出値を無効としたり、センサの異常を知らせる処理を行うようにすることにより、信頼性の高い短絡故障判定を行える。

なお、本実施の形態の別例として、本実施の形態において、図７のサブルーチンのステップＳ３８で昇圧コンバータ４６の回路短絡を確定した場合に、ステップＳ４０での回路短絡信号を出力することなく、報知手段８０に回路短絡報知信号を出力することもできる。この場合には、図６のメインフローでガス漏れ判定後処理で昇圧コンバータ４６の短絡故障であるのにもかかわらず、ガス漏れ発生ありと報知される可能性がある。ただし、報知手段８０により回路短絡発生が報知されるので、運転者は、昇圧コンバータ４６の短絡故障の発生を認識でき、誤ったガス漏れ判定結果に基づいて無駄な点検修理作業が発生するのを防止できる。

なお、二次電池３６と燃料電池スタック１２とで昇圧コンバータ４６を共用化せず、二次電池３６用の昇圧コンバータ４６と燃料電池スタック１２用の昇圧コンバータ４６とを別に設けることもできる。また、本実施の形態では、燃料ガス供給流路２２の圧力を検出する圧力センサ３８を設けて、ガス漏れ判定処理時に圧力センサ３８の検出圧力を監視しているが、燃料ガス系排出流路２８等、別のガス流路の圧力を検出する圧力センサを設けて、ガス漏れ判定処理時にこの圧力センサ３８の検出圧力を監視することもできる。

なお、昇圧コンバータの回路構成や、燃料電池にガスを供給、排出する構成自体は本実施の形態に限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の構成を採用できる。

１０燃料電池システム、１２燃料電池スタック、１４酸化ガス供給流路、１６酸化ガス系排出流路、１８エアコンプレッサ、２０加湿器、２２燃料ガス供給流路、２４燃料ガス供給源、２６開閉弁、２８燃料ガス系排出流路、３０気液分離器、３２燃料ガス還流路、３４水素ポンプ、３６二次電池、３８圧力センサ、４０制御部、４２排気排水流路、４４パージ弁、４６昇圧コンバータ、４８モータ、５０インバータ、５２モータ駆動回路、５４第１コンデンサ、５６第２コンデンサ、５８リアクトル、６０第１スイッチング素子、６２第１ダイオード、６４第３コンデンサ、６６第２スイッチング素子、６８第２ダイオード、７０第３ダイオード、７１第３ダイオード、７２電流センサ、７４ガス漏れ判定手段、７６短絡故障判定手段、７８短絡故障時処理手段、８０報知手段、８２運転停止手段。

Claims

燃料ガス供給源から燃料ガス流路を通じて燃料ガスが供給され、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の出力電圧を変換する電圧変換装置とを備える燃料電池システムであって、
燃料電池システムの起動時において、燃料ガス流路での燃料ガス漏れを判定するガス漏れ判定手段であって、燃料ガス流路内の圧力を上昇させ、その後の圧力変動に応じて燃料ガス漏れを判定するガス漏れ判定処理を行うガス漏れ判定手段と、
燃料電池と電圧変換装置との間を流れる電流、または電圧変換装置を流れる電流を検出する電流検出手段と、
ガス漏れ判定処理中での、電流検出手段の検出電流値または検出電流値に基づく電流時間積算値が閾値以上である場合に、電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定する短絡故障判定手段とを備える燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
短絡故障判定手段により電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定された場合に、ガス漏れ判定手段の判定結果の出力を中止させる短絡故障時処理手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
短絡故障判定手段により電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定された場合に、短絡故障の発生を報知する報知手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
短絡故障判定手段により電圧変換装置の短絡故障が発生したと判定された場合に、燃料電池の発電運転を停止させる運転停止手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。