JP2019071183A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおける圧力センサの数を少なくする。【解決手段】燃料電池システムは、複数の減圧弁と、前記複数の減圧弁のそれぞれに対応して前記複数の減圧弁の下流に設けられ接続される複数の燃料電池スタックと、前記減圧弁と前記減圧弁に対応する燃料電池スタックとの間に設けられ、前記減圧弁に対応する燃料電池スタックに燃料ガスを噴射するインジェクタと、前記複数の減圧弁の上流を連通する連通管を有する高圧配管部と、前記高圧配管部に設けられた圧力センサと、主止弁を介して前記高圧配管部に接続されるガスタンクと、前記燃料電池スタックの運転中において、前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を停止させ、その後、前記主止弁を開弁状態から閉弁状態に閉じたときの前記圧力センサの単位時間当たりの圧力の減少量から前記複数の減圧弁のうちの故障している減圧弁の数を判定する判定部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に用いる燃料ガスを供給する配管に設けた２つの弁の間に圧力センサを設け、これらの２つの弁を閉弁した状態で圧力センサにより検出された圧力値の傾きによって弁の漏れの有無、及び、弁に漏れがある場合には、どちらの弁に漏れが生じているか否かを判定している。

特開２００４−１７０３２１号公報

燃料電池バスのような大型車両では、燃料電池スタックを有する燃料電池システム系を複数有する燃料電池システムが用いられる。このような燃料電池システムでは、複数の燃料ガスタンクの主止弁と減圧弁との間を連通管により連通している。減圧弁の下流には、インジェクタがあり、インジェクタを全閉にしてガスが流れないようにすると、減圧弁の下流の圧力が上昇し、減圧弁が閉状態となる。この場合、連通管により複数の燃料電池システム系が連通しているため、いずれの燃料電池システム系でも主止弁と減圧弁の間の圧力は、同じになる。従って、減圧弁の故障を検知しようとしても、各減圧弁の下流にも圧力センサを設けないと減圧弁の故障が検知できず、圧力センサの数が多くなるという問題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の減圧弁と、前記複数の減圧弁のそれぞれに対応して前記複数の減圧弁の下流に設けられ接続される複数の燃料電池スタックと、前記減圧弁と前記減圧弁に対応する燃料電池スタックとの間に設けられ、前記減圧弁に対応する燃料電池スタックに燃料ガスを噴射するインジェクタと、前記複数の減圧弁の上流を連通する連通管を有する高圧配管部と、前記高圧配管部に設けられた圧力センサと、主止弁を介して前記高圧配管部に接続されるガスタンクと、前記燃料電池スタックの運転中において、前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を停止させ、その後、前記主止弁を開弁状態から閉弁状態に閉じたときの前記圧力センサの単位時間当たりの圧力の減少量から前記複数の減圧弁のうちの故障している減圧弁の数を判定する判定部と、を備える。

この形態によれば、圧力センサの単位時間当たりの圧力の減少量は、故障（この場合は、リーク故障）している減圧弁の数に依存するので、圧力センサの単位時間当たりの圧力の減少量から複数の減圧弁のうちの故障している減圧弁の数を判定できる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池搭載車両、減圧弁の検査方法等の種々の形態で実現することができる。

燃料電池システムを搭載する車両の構成を模式的に示す説明図である。 減圧弁の故障数を検査するフローチャートである。 減圧弁の上流の圧力の遷移を示すグラフである。

・実施形態：
図１は、燃料電池システム２５を搭載する車両１０の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池システム２５は、独立して動作可能な第１の燃料電池システム系２０と、第２の燃料電池システム系２１と、連通管２２４と、圧力センサ３２０と、制御部３００と、を備える。

第１の燃料電池システム系２０は、ガスタンク２００と、主止弁２１０と、高圧配管２２０と、減圧弁２３０と、中圧配管２４０と、インジェクタ２５０と、低圧配管２６０と、燃料電池スタック２７０と、を備える。ガスタンク２００は、燃料ガスを貯蔵する。この実施形態では、燃料ガスとして水素を用いる。主止弁２１０は、ガスタンク２００からの燃料ガスの供給をオン・オフする弁である。高圧配管２２０は、主止弁２１０の下流と、減圧弁２３０の上流を接続する。減圧弁２３０は、ガスタンク２００から供給された高圧の燃料ガスの圧力を所定の圧力（中圧）に減圧して下流に供給する。中圧配管２４０は、減圧弁２３０の下流とインジェクタ２５０の上流を接続する。インジェクタ２５０は、燃料ガスの圧力と量とを調整して低圧配管２６０に噴射する。図１に示す形態では、インジェクタ２５０の本数は３本であるが、１本以上であれば、何本でも良い。低圧配管２６０は、インジェクタ２５０の下流と燃料電池スタック２７０とを接続し、噴射された燃料ガスを燃料電池スタック２７０に供給する。

第２の燃料電池システム系２１の構成は、第１の燃料電池システム系２０の構成と同じ構成であるので、説明を省略する。なお、図１では、第２の燃料電池システム系２１の各構成には、第１の燃料電池システム系２０の対応する構成の符号番号に１を加えた符号番号を付している。

連通管２２４は、第１の燃料電池システム系２０の高圧配管２２０と第２の燃料電池システム系２１の高圧配管２２１とを連通している。このため、ガスタンク２００の燃料ガスを燃料電池スタック２７１で使用することや、ガスタンク２０１の燃料ガスを燃料電池スタック２７０で使用することが可能である。なお、連通管２２４の圧力は、高圧配管２２０、２２１の圧力と同じである。そのため、実施形態では、高圧配管２２０、２２１と連通管２２４とを合わせて、「高圧配管部２２５」と呼ぶ。連通管２２４には、圧力センサ３２０が設けられている。但し、圧力センサ３２０は、高圧配管２２０あるいは高圧配管２２１に設けられていても良い。すなわち、圧力センサ３２０は、高圧配管部２２５のどこかに設けられていれば良い。

制御部３００は、車両１０全体の制御を司り、車両１０の運転者の要求に応じて、主止弁２１０、２１１、インジェクタ２５０、２５１の動作を制御する。制御部３００は、判定部３１０を備える。判定部３１０は、圧力センサ３２０で測定された圧力の単位時間当たりの減少量を用いて、減圧弁２３０、２３１のリーク故障の有無を判定し、リーク故障がある場合には、さらに、リーク故障に至っている減圧弁の数を判定する。また、判定部３１０は、減圧弁２３０、２３１のリーク故障の数に応じて、発電可能な燃料電池スタック２７０、２７１の数を把握し、車両１０がそのまま走行可能か否かを判断する。例えば、判定部３１０は、減圧弁２３０、２３１にリーク故障があっても、その一方しかリーク故障していない場合には、車両１０がそのまま走行可能と判断する。この場合、判定部３１０は、警告を発すると共に、その旨を判定部３１０のメモリに格納し、車両１０をそのまま走行させても良い。減圧弁２３０、２３１の漏れは、燃料電池システム２５の外部に燃料ガスが漏れるものではないからである。また、全ての減圧弁２３０、２３１がリーク故障している場合には、判定部３１０は、車両１０がそのまま走行可能できないと判定し、警告を発すると共に、二次電池（図示せず）による走行に切り換えても良い。

図２は、減圧弁２３０、２３１の故障数を検査するフローチャートである。この検査フローは、燃料電池システム２５の運転中に実行される。ステップＳ１００では、判定部３１０は、インジェクタ２５０、２５１を停止可能か、否かを判断する。例えば、燃料電池システム２５に要求される発電量が予め定められた電力量以下の場合には、インジェクタ２５０、２５１の停止が可能である。なお、燃料電池システム２５の運転中は、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力は、減圧弁２３０、２３１のシール圧Ｐｓよりも低い圧力であり、減圧弁２３０、２３１を介して中圧配管２４０、２４１、インジェクタ２５０、２５１に燃料ガスが供給される。一般に、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がある圧力まで上昇すると、減圧弁２３０、２３１は閉弁する。この「ある圧力」を「シール圧」と呼ぶ。従って、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓ未満の時には、減圧弁２３０、２３１は、開弁状態であり、燃料ガスを通す。一方、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓ以上の時には、減圧弁２３０、２３１は、閉弁状態であり、燃料ガスを通さない。

ステップＳ１１０では、判定部３１０は、制御部３００に、インジェクタ２５０、２５１の駆動を停止させる。これにより、中圧配管２４０からインジェクタ２５０、２５１を介して下流に燃料ガスが流れなくなる。一方、ガスタンク２００、２０１から減圧弁２３０、２３１を介して燃料ガスが供給されるため、中圧配管２４０、２４１の圧力が上昇する。中圧配管２４０、２４１の下流の圧力が減圧弁２３０、２３１のシール圧Ｐｓに達すると、減圧弁２３０、２３１は、異物の噛み込みなどのリーク故障が無い限り燃料ガスを通さなくなる。なお、減圧弁２３０、２３１の上流、つまり高圧配管部２２５における燃料ガスの圧力は、主止弁２１０、２１１が開いているため、元々高いが、インジェクタ２５０、２５１が閉じ、あるいは減圧弁２３０、２３１が燃料ガスを通さなくなると、ガスタンク２００、２０１の圧力まで上昇する。

ステップＳ１２０では、判定部３１０は、圧力センサ３２０から、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ１を取得する。ステップＳ１３０では、判定部３１０は、圧力Ｐ１からシール圧Ｐｓを引いた値が、ΔＰを越えているか、否か、を判断する。この実施形態では、減圧弁２３０、２３１の下流に圧力センサを備えていないため、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えたか、否か、を直接判断できない。ΔＰは、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力から減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えるか、否か、を判断するための圧力である。すなわち、判定部３１０は、圧力Ｐ１からシール圧Ｐｓを引いた値が、ΔＰを越えていれば、減圧弁２３０、２３１を通って燃料ガスが下流に流れ、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えると判断できる。一方、ΔＰを越えていない場合には、減圧弁２３０、２３１を通って燃料ガスが下流に流れ、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えないと判断できる。減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えない場合には、減圧弁２３０、２３１が閉弁しない。なお、ΔＰは、例えば、実験的に求められる。

ステップＳ１３０で圧力Ｐ１からシール圧Ｐｓを引いた値がΔＰを越えている場合には、ステップＳ１４０に移行し、越えていない場合には、処理を終了する。圧力Ｐ１からシール圧Ｐｓを引いた値がΔＰを越えている場合には、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えると判断でき、減圧弁２３０、２３１が閉弁状態になると判断できる。圧力Ｐ１からシール圧Ｐｓを引いた値がΔＰ以下の場合には、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えず、減圧弁２３０、２３１が閉じないため、異物の噛み込みが無くても、減圧弁２３０、２３１が完全な閉弁状態とならない可能性があると判断できる。そのため、処理を終了する。

ステップＳ１４０では、判定部３１０は、制御部３００に対して、主止弁２１０、２１１を閉じさせるように指示し、制御部３００は、主止弁２１０、２１１を閉じる。

ステップＳ１５０では、判定部３１０は、主止弁２１０、２１１の閉弁から予め定められた時間Δｔが経過したかを判断し、主止弁２１０、２１１の閉弁から予め定められた時間Δｔが経過した場合には、ステップＳ１６０に移行する。Δｔの長さは、例えば、実験等により、減圧弁２３０、２３１にリーク故障がある時と無い時で圧力の変化を調べることにより、予め設定されている。ステップＳ１６０では、判定部３１０は、主止弁２１０、２１１の閉弁後の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ２を圧力センサ３２０から取得する。ステップＳ１７０では、判定部３１０は、圧力Ｐ１、Ｐ２及び経過時間Δｔから単位時間当たりの圧力減少量を算出する。ステップＳ１８０では、判定部３１０は、単位時間当たりの圧力減少量から減圧弁２３０、２３１のうちいくつの減圧弁がリーク故障しているか、故障数を判定する。

主止弁２１０、２１１の閉弁後は、ガスタンク２００、２０１からの燃料ガスの供給がないため、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力は、そのまま維持するか、減少するか、のいずれかである。また、主止弁２１０、２１１を閉じたときには、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えている。そのため、減圧弁２３０、２３１に異物の噛み込みなどのリーク故障が無ければ、減圧弁２３０、２３１は燃料ガスを通さないので、主止弁２１０、２１１の閉弁後の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力は、そのまま維持される。一方、減圧弁２３０、２３１に異物の噛み込みなどのリーク故障があれば、その個数に応じて、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力は、減少する。従って、減圧弁２３０、２３１の上流の単位時間当たりの圧力減少量から減圧弁２３０、２３１のうちいくつの減圧弁がリーク故障しているか、そのリーク故障数を判定することができる。

図３は、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力の遷移を示すグラフである。時刻ｔ１は、図２のステップＳ１１０のインジェクタ２５０、２５１の駆動が停止された時刻である。なお、図示していないが、減圧弁２３０、２３１を通って燃料ガスが下流に流れるため、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力が上昇する。減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓに達すると、減圧弁２３０、２３１は閉弁するので、燃料ガスは下流に流れなくなる。

時刻ｔ２は、図２のステップＳ１２０の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ１の取得と、Ｓ１４０の主止弁２１０、２１１の閉弁が行われた時刻である。主止弁２１０、２１１が閉弁されると、減圧弁２３０、２３１の上流に燃料ガスが供給されなくなる。その後、減圧弁２３０、２３１に異物の噛み込みなどのリーク故障が無ければ、主止弁２１０、２１１の閉弁後の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力は、そのまま維持される。一方、減圧弁２３０、２３１に異物の噛み込みなどのリーク故障があれば、その個数に応じて、減圧弁２３０、２３１の下流に燃料ガスが流れるため、主止弁２１０、２１１の閉弁後の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力は、減少する。

時刻ｔ３は、図２のステップＳ１６０の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ２の取得行われた時刻である。グラフからわかるように、減圧弁２３０、２３１にリーク故障が無い場合には、主止弁２１０、２１１の閉弁後の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ２は、主止弁２１０、２１１の閉弁前の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ１とほぼ同じ圧力である。これに対し、減圧弁２３０、２３１にリーク故障があると、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力Ｐ２はリーク故障数に応じて減少している。すなわち、リーク故障数が１個よりも２個の方が、圧力がより減少している。よって、判定部３１０は、単位時間当たりの減圧弁２３０、２３１の上流の圧力の減少量によって、減圧弁２３０、２３１のリーク故障の有無及びリーク故障数を判定できる。

以上、上記実施形態によれば、主止弁２１０、２１１を閉弁した後の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力の単位時間当たりの減少量から、減圧弁２３０、２３１のリーク故障の有無及びリーク故障数を判定できる。そして、判定部３１０は、減圧弁２３０、２３１のリーク故障数に応じて、発電可能な燃料電池スタック２７０、２７１の数を把握し、車両１０がそのまま走行可能か否かを判断することができる。なお、減圧弁２３０、２３１の上流の圧力の単位時間当たりの減少量、すなわち、圧力の低下速度が分かれば、Δｔは必ずしも一定である必要は無い。

上記実施形態では、燃料ガスは、ガスステーションのガスタンクからガスタンクに充填されるので、ガスタンク中には、減圧弁２３０、２３１に大きなリークを引き起こす不純物がほとんど含まれていない。なお、減圧弁２３０、２３１の上流側に大きなリークを引き起こす不純物を濾過するフィルターを設けても良い。こうすれば、減圧弁２３０、２３１に大きな不純物が噛み込んで、大きなリークを引き起こす故障を抑制できる。

上記実施形態において、Δｔとして十分な時間が確保できるならば、判定部３１０は以下のように判定してもよい。

高圧配管部２２５の体積をＶａ、中圧配管２４０、２４１の体積をＶｂ、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がＰｓに達したときの高圧配管部２２５の圧力をＰ１、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がＰｓに達したときの高圧配管部２２５中の燃料ガスのモル数をｎａ、中圧配管２４０、２４０中の燃料ガスのモル数をｎｂ、温度をＴとすると、以下の状態方程式が成り立つ。
Ｐ１Ｖａ＝ｎａＲＴ ⇒ ｎａ＝Ｐ１Ｖａ／ＲＴ ・・・（１）
ＰｓＶｂ＝ｎｂＲＴ ⇒ ｎｂ＝ＰｓＶｂ／ＲＴ ・・・（２）

（ａ）減圧弁２３０、２３１に故障がないとき、Δｔが経過しても高圧配管部２２５の圧力はＰ１で変わらない。すなわち、
Ｐ２＝Ｐ１ ・・・（３）
となる。

（ｂ）減圧弁２３０、２３１の一方に故障がある場合、以下の状態方程式が成り立つ。
Ｐ２（Ｖａ＋Ｖｂ）＝（ｎａ＋ｎｂ）ＲＴ ・・・（４）
よって、
Ｐ２＝（Ｐ１Ｖａ＋ＰｓＶｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ） ・・・（５）
となる。

（ｃ）減圧弁２３０、２３１の両方に故障があるときは、以下の状態方程式が成り立つ。
Ｐ２（Ｖａ＋２Ｖｂ）＝（ｎａ＋２ｎｂ）ＲＴ ・・・（６）
よって
Ｐ２＝（Ｐ１Ｖａ＋２ＰｓＶｂ）／（Ｖａ＋２Ｖｂ） ・・・（７）
となる。

Ｖａ、Ｖｂ、Ｐｓは既知である。したがって、判定部３１０は、測定したＰ２の値から、故障の有無及び、上式（５）、（７）のいずれに合致しているかにより、いくつの減圧弁が故障しているかを判定できる。なお、中圧配管２４０の体積と中圧配管２４１の体積に差を設けておけば、判定部３１０は、測定したＰ２の値から、どちらの減圧弁が故障しているかを判定できる。

・他の実施形態：
上記実施形態において、時刻ｔ１（ステップＳ１１０）から時刻ｔ２（ステップＳ１４０）までの時間は限定していないが、この時間は短い方がよい。一般に、ガスタンク２００、２０１の内部の圧力は、高圧配管部２２５、中圧配管２４０、２４１の圧力よりも大きい。そのため、インジェクタ２５０、２５１を止めると、減圧弁２３０、２３１の圧力は直ぐシール圧Ｐｓに達する。ここで、減圧弁２３０、２３１に異物の噛み込みによるリーク故障がある場合には、減圧弁２３０、２３１を完全に閉弁できない。その結果、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力がシール圧Ｐｓを越えても、燃料ガスが減圧弁２３０、２３１を通って下流に流れ、減圧弁２３０、２３１の下流の圧力もシール圧Ｐｓを越えて上昇する。減圧弁２３０、２３１の下流の圧力が上がりすぎると、主止弁２１０、２１１を閉じた時の減圧弁２３０、２３１の上流の圧力と下流の圧力の差が小さいため、減圧弁２３０、２３１のリーク故障数が多くても、主止弁２１０、２１１を閉弁後の単位時間当たりの減圧弁２３０、２３１の上流の圧力の減少量が少なくなる。従って、時刻ｔ１（ステップＳ１１０）から時刻ｔ２（ステップＳ１４０）までの時間は、短い方がよい。

上記実施形態では、判定部３１０は、ステップＳ１００で、インジェクタ２５０、２５１を停止可能な場合、ステップＳ１１０で、インジェクタ２５０、２５１の駆動を停止している。ステップＳ１１０のインジェクタ２５０、２５１の駆動を停止する直前に、判定部３１０は、制御部３００に、インジェクタ２５０、２５１から大量の燃料ガスを噴射させるように指示し、制御部３００は、インジェクタ２５０、２５１に対して、燃料電池スタック２７０、２７１に向けて大量の燃料ガスを噴射させてもよい。こうすれば、低圧配管２６０、２６１及び燃料電池スタック２７０、２７１中に、燃料ガスを大量に存在させることができる。このため、以後に行われる減圧弁２３０、２３１の故障を検査するフローの処理中に、仮に、燃料電池システム２５への電力の要求があっても、燃料電池スタック２７０、２７１は、この燃料を用いて、発電して電力を供給することが可能である。すなわち、発電のために検査するフローを中断して、インジェクタ２５０、２５１の駆動する必要が無い。

上記実施形態では、第１の燃料電池システム系２０と、第２の燃料電池システム系２１の２つの燃料電池システム系を備えるものであったが、燃料電池システム系の数は、３以上であってもよい。

上記実施形態では、中圧配管２４０、２４１や低圧配管２６０、２６１に圧力センサを備えていないが、圧力センサを備えても良い。

本発明は、上述の実施形態や他の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…車両
２０…第１の燃料電池システム系
２１…第２の燃料電池システム系
２５…燃料電池システム
２００、２０１…ガスタンク
２１０、２１１…主止弁
２２０、２２１…高圧配管
２２４…連通管
２２５…高圧配管部
２３０、２３１…減圧弁
２４０、２４１…中圧配管
２５０、２５１…インジェクタ
２６０、２６１…低圧配管
２７０、２７１…燃料電池スタック
３００…制御部
３１０…判定部
３２０…圧力センサ

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の減圧弁と、
   前記複数の減圧弁のそれぞれに対応して前記複数の減圧弁の下流に設けられ接続される複数の燃料電池スタックと、
   前記減圧弁と前記減圧弁に対応する燃料電池スタックとの間に設けられ、前記減圧弁に対応する燃料電池スタックに燃料ガスを噴射するインジェクタと、
   前記複数の減圧弁の上流を連通する連通管を有する高圧配管部と、
   前記高圧配管部に設けられた圧力センサと、
   主止弁を介して前記高圧配管部に接続されるガスタンクと、
   前記燃料電池スタックの運転中において、前記インジェクタからの前記燃料ガスの噴射を停止させ、その後、前記主止弁を開弁状態から閉弁状態に閉じたときの前記圧力センサの単位時間当たりの圧力の減少量から前記複数の減圧弁のうちの故障している減圧弁の数を判定する判定部と、
   を備える、燃料電池システム。

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