JP2022150810A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス漏れ誤検出の場合に、燃料電池の発電が停止されてしまうことを回避する燃料電池システムを提供する。【解決手段】ＦＣＥＣＵ７０は、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２により燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の途絶を検出したときに、燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給量を制限し、燃料ガスの供給量を制限した後に、前記燃料ガスの漏れ、あるいは検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の途絶が確定した場合に、前記燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給を遮断する。【選択図】図１

Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池からの前記燃料ガスの漏れを検知するガスセンサの検出信号に基づき、前記燃料ガスの供給状態を制御する燃料電池システムに関する。

例えば、特許文献１には、燃料電池車両のダッシュボード前方のモータルーム内に設けられた燃料電池を収容するケース内に４個のガスセンサが配置された燃料電池システムが開示されている。

この燃料電池システムでは、前記ガスセンサにより燃料ガスの漏れが検出された場合、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料タンクの止め弁及びインジェクタの少なくとも一方を閉弁するように構成されている（特許文献１の図１、[００６４]、［００６４］）。

特開２０１７－１５７２９７号公報

一般に、燃料電池は、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給が開始される発電開始と、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給が遮断される発電停止と、のサイクル回数（発電開始・停止サイクル数）の増加により経年劣化することが知られている。

従って、経年劣化低減の観点から燃料電池では、発電開始・停止サイクル数を増加させないことが好ましい。

ところで、燃料電池車両に搭載されたガスセンサは、検知信号（ガス漏れの有無）を、コネクタ及び通信線を介して制御装置に送出するように構成されている。

この場合、前記燃料電池車両では、前記通信線等に混入するノイズ、又はコネクタの瞬間的な接触不良等により、検知信号にノイズが混入し、実際にはガス漏れが発生していない（ガス漏れ無し）のにも関わらず、検知信号が瞬間的にガス漏れを検知する側（ガス漏れ有り）に振れる。この場合には、誤検出が発生する虞がある。

ところが、上記特許文献１に開示された燃料電池システムでは、ガスセンサにより燃料ガスの漏れが検出された場合、一律に、燃料電池の発電を停止するように構成されている（特許文献１の図４のステップＳ６、［００７７］）。このため、誤検出の場合にも、燃料電池の発電が停止されてしまい、ひいては燃料電池の経年劣化が促進されてしまうという課題がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、誤検出の場合に、燃料電池の発電が停止されてしまうことを回避し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

この発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池からの前記燃料ガスの漏れを検知するガスセンサと、前記ガスセンサからの検出信号に基づき、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給状態を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出信号により前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは前記検出信号の途絶を検出したときに、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給量を制限し、前記燃料ガスの供給量を制限した後に、前記燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶が確定した場合に、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給を遮断する。

この発明によれば、制御装置は、ガスセンサの検出信号による燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶を検出したとき、誤検出か否かを見極めるために、直ぐには、燃料ガスの供給を遮断しないで燃料ガスの供給量を制限するようにしている。

このようにして誤検出で燃料ガスを遮断してしまうことによる燃料電池の発電の停止を回避して燃料電池の経年劣化を防止することができる。

一方、誤検出ではないことが確定したときには、燃料ガスを遮断するので、燃料ガスの漏れを防止することができる。

図１は、実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池車両の構成を示す模式的ブロック図である。 図２は、実施形態に係る燃料電池システムに実装された水素漏れ検出・遮断システムの構成を示す模式的ブロック図である。 図３は、通常制御発電の動作説明に供されるフローチャートである。 図４は、水素漏れ検出・遮断システムの動作説明に供されるフローチャートである。 図５は、判定テーブルの説明図である。 図６は、ＩＮＪ流量制限制御発電の動作説明に供されるフローチャートである。 図７は、水素漏れ検出・遮断システムの動作説明に供されるタイミングチャートである。 図８は、通常発電制御にＩＮＪ流量制限制御を組み込んだ発電制御の動作説明に供されるフローチャートである。

この発明に係る燃料電池システムについて実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。

［構成］
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１４が組み込まれた燃料電池車両１０の概略構成を示す模式的ブロック図である。

燃料電池車両１０は、該燃料電池車両１０全体を制御する制御装置１２と、燃料電池システム１４と、燃料電池システム１４に電気的に接続される出力部２０と、水素漏れ検出・遮断システム１００と、から構成される。

燃料電池システム１４は、基本的には、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう。）１６と、水素タンク１８と、酸化剤ガス系デバイス２２と、燃料ガス系デバイス２４とから構成される。

酸化剤ガス系デバイス２２には、エアポンプ２６及び加湿器（ＨＵＭ）２８が含まれる。
燃料ガス系デバイス２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３０、エジェクタ（ＥＪＴ）３２及び気液分離器３４が含まれる。

燃料電池車両１０において、燃料電池システム１４は、基本的には、水素タンク１８及び高圧バッテリ８２を除き、燃料電池車両１０のフロントフード下のモータ室内に配設される。

水素タンク１８は、例えば、後部床下部に、高圧バッテリ８２は、例えば、乗員室の床下部に、それぞれ配設される。

前記モータ室内には、ハウジングとしての水素隔離カバー５６が設置され、該水素隔離カバー５６内に、燃料電池スタック１６を含むスタックアセンブリ１６Ａ等が配設される。水素隔離カバー５６の上方の２箇所には、燃料電池スタック１６からの燃料ガス（水素）のガス漏れを検出するガスセンサＡ、Ｂが配設される。

ガスセンサＡ、Ｂには、低圧バッテリ８３からＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の信号線（ＣＡＮ信号線）６０、６２を通じて電力が供給される。また、ガスセンサＡ、Ｂは、ＣＡＮ信号線６０、６２を通じてガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２を制御装置１２に送る。検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２には、それぞれガス濃度（燃料ガス濃度）が含まれる。なお、実際上、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２は、後述するＦＣＥＣＵ７０に送出される。

ＦＣＥＣＵ７０は、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の状態に基づき判定テーブル７８を参照して、ガス漏れ（水素漏れ）判定を行う。このガス漏れ判定結果に応じて、主止弁１３８の開弁・閉弁制御、インジェクタ３０の吐出量（ＩＮＪ流量という。）の制御（吐出遮断の制御も含む。）、及びインストルメントパネルに配されたガス漏れの警告灯８５の点灯制御等を行う。

水素タンク１８の近傍には、燃料ガスの燃料電池スタック１６への遮断・供給を行う、電動作動式の主止弁１３８が設けられ、燃料ガスは、管路１４０を介して、水素隔離カバー５６内の燃料電池スタック１６に供給される。

燃料電池スタック１６は、複数の発電セル４０が積層される。発電セル４０は、電解質膜・電極構造体４４と、該電解質膜・電極構造体４４を挟持するセパレータ４５、４６とを備える。

電解質膜・電極構造体４４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜４１と、前記固体高分子電解質膜４１を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４３とを備える。

カソード電極４２及びアノード電極４３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４１の両面に形成される。

一方のセパレータ４５の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１１６と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）４７が形成される。

他方のセパレータ４６の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には、燃料ガス入口連通口１４６と燃料ガス出口連通口１４８とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）４８が形成される。

アノード電極４３では、燃料ガスが供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜４１を透過してカソード電極４２に移動する一方、水素分子から電子が解放される。

水素分子から解放された電子は、負極端子８６から出力調整器８０及び外部負荷を通じ、正極端子８８を介してカソード電極４２に移動する。

出力調整器８０は、発電電力を高圧バッテリ８２及び低圧バッテリ８３に充電する。この場合、出力調整器８０は、高圧バッテリ８２のＳＯＣ（残容量）、燃料電池スタック１６の発電電力を調整してモータ８４やエアポンプ２６に電力を供給する。

カソード電極４２では、触媒の作用によって水素イオン及び電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
エアポンプ２６は、大気（空気）を取り込んで加圧し、加湿器２８に供給する機能を有する。

加湿器２８は、酸化剤ガス（乾燥した空気）が流通する流路５２と、燃料電池スタック１６のカソード流路４７からの排出ガス（湿潤な酸化剤排ガス及び後述する燃料排ガス）が、燃料電池スタック１６の酸化剤ガス出口連通口１０２及び管路１０４を通じて流通する流路５４を有する。

加湿器２８は、エアポンプ２６から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有している。すなわち、加湿器２８は、前記排出ガス中に含まれる水分を、多孔質膜を介して供給ガス（酸化剤ガス）に移動させる。
エアポンプ２６の吸入口側は、管路１０８を通じて大気に連通する。

エアポンプ２６の吐出口側は、管路１１０、１１２を通じて加湿器２８の流路５２の一端側に連通する。加湿器２８の流路５２の他端側は、管路１１４の一端側に連通し、管路１１４の他端側は、酸化剤ガス入口連通口１１６を通じて燃料電池スタック１６内のカソード流路４７に連通する。

管路１１４には、該管路１１４に流通する酸化剤ガスの圧力をカソード入口圧力Ｐｃｉ［ｋＰａ］として検出するカソード入口圧力センサ６７が設けられる。

加湿器２８の流路５４の吐出側には、管路１１７、１１８を通じて希釈器６６の一方の入口側に連通する。

エアポンプ２６の吐出口側の管路１１０は、分岐し、一方は、管路１１２に連通すると共に、他方は、バイパス管路１２０、バイパス弁１２２を介して管路１１８に連通する。

水素タンク１８は、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。
水素タンク１８から吐出される燃料ガスは、主止弁１３８、管路１４０、水素隔離カバー５６内のインジェクタ３０、管路１４２、エジェクタ３２、管路１４４を通じ、燃料ガス入口連通口１４６を介して燃料電池スタック１６のアノード流路４８の入口に供給される。

管路１４４には、該管路１４４に流通する燃料ガスの圧力をアノード入口圧力Ｐａｉ［ｋＰａ］として検出するアノード入口圧力センサ６８が設けられる。

アノード流路４８の出口は、燃料ガス出口連通口１４８、管路１５０を通じて気液分離器３４の入口１５１に連通され、該気液分離器３４にアノード流路４８から水素含有ガスである燃料排ガス（アノードオフガス）が供給される。

気液分離器３４は、前記燃料排ガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料排ガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３４の気体排出口１５２から排出され、管路１５４を通じてエジェクタ３２に供給される一方、必要時に、ブリード弁１５８が開弁されると、燃料排ガスは、連絡管路１５６（連絡流路）、ブリード弁１５８を介し、酸化剤ガスの管路１１４にも供給される。

なお、ブリード弁１５８は、カソード流路４７に存在する窒素ガスが電解質膜・電極構造体４４を透過してアノード流路４８内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極４３の劣化を防止するために開弁される。すなわち、ブリード弁１５８は、走行時等の通常発電時に、アノード流路４８内の水素濃度が低下したと判断したときに開弁される。

ブリード弁１５８が開弁されることで、酸化剤ガスの管路１１４に供給された燃料排ガスは、管路１１４内でエアポンプ２６から供給される酸化剤ガスと混合されて酸化剤ガス入口連通口１１６を通じて燃料電池スタック１６のカソード流路４７に供給される。

カソード流路４７に供給された燃料排ガスの一部は、カソード電極４２の触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料排ガスは酸化剤ガス出口連通口１０２から窒素と共に排出され、管路１０４、流路５４、管路１１８を通じて希釈器６６から排出される際に、バイパス管路１２０から供給される酸化剤ガスにより希釈され、管路１１８、希釈器６６及び管路１２４を介して燃料電池車両１０の外部（大気）に排出される。

前記エジェクタ３２には、その上流側に設けられたインジェクタ３０から管路１４２を介して燃料ガスが供給される。このため、気液分離器３４を介して供給されている燃料排ガス（前記気体成分）は、エジェクタ３２で吸引され燃料ガスと混合された状態で、燃料電池スタック１６の管路１４４を通じ燃料ガス入口連通口１４６を介して燃料電池スタック１６のアノード流路４８に供給される。

燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３４の液体排出口１６０から管路１６２、ドレン弁１６４、及び管路１６６を通じ、希釈器６６を経て、管路１２４から燃料電池車両１０の外部に排出される。

実際上、ドレン弁１６４から管路１６６には、液体成分と共に、一部の燃料排ガスが排出される。この燃料排ガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、エアポンプ２６から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス管路１２０、管路１１８を通じて希釈器６６に供給されている。
よって、希釈器６６の中で燃料排ガス中の水素ガスが希釈されて外部に排出される。

燃料電池スタック１６は、該燃料電池スタック１６に設けられた冷却媒体流路（不図示）に、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体供給流路７４ａ及び冷却媒体排出流路７４ｂがさらに付設されている。

制御装置１２は、ＣＰＵ（不図示）、記憶部（ＲＯＭとＲＡＭ）等を備えるマイクロコンピュータを含んだＥＣＵ（電子制御ユニット）で構成される。

制御装置１２は、燃料電池システム１４全体を制御するＦＣＥＣＵ（燃料電池電子ユニット）７０の他、燃料電池スタック１６の電力及び高圧バッテリ８２の電力の他、エアポンプ２６、モータ８４や図示しない空調装置の消費電力を管理するマネージメントＥＣＵ（不図示）及び出力調整器８０を通じてモータ８４を制御するモータＥＣＵ（不図示）を備える。

記憶部には、当該燃料電池車両１０、燃料電池システム１４及び水素漏れ検出・遮断システム１００（後述）の制御プログラムの他、詳細を後述する判定テーブル７８等が記憶される。

［水素漏れ検出・遮断システム］
図２は、図１の燃料電池システム１４に実装された水素漏れ検出・遮断システム１００の構成を示す模式的ブロック図である。

燃料電池車両１０のモータルーム内に配設された水素隔離カバー５６の内部に、燃料電池スタック１６、エジェクタ３２、気液分離器３４、加湿器２８及び希釈器６６等から構成されるスタックアセンブリ（スタック組立体）１６Ａが固設されている。

なお、水素漏れ検出・遮断システム１００の理解の便宜のために、スタックアセンブリ１６Ａは、単に燃料電池スタック１６という場合もある。

スタックアセンブリ１６Ａの管路１４２には、水素タンク１８から主止弁１３８、管路１４０、インジェクタ３０を介して燃料ガスが供給される。
また、スタックアセンブリ１６Ａの管路１１２には、エアポンプ２６から酸化剤ガスが供給される。

図１において、燃料電池スタック１６は、燃料ガスと酸化剤ガスとによる電気化学反応により発電し、発電電力を、出力調整器８０を通じて外部負荷（高圧バッテリ８２も含む。）に供給する。

図２において、スタックアセンブリ１６Ａの上方あって、水素隔離カバー５６のルーフ部には、スタックアセンブリ１６Ａから漏れる可能性のある燃料ガス（水素）の濃度を検出し、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２としてＦＣＥＣＵ７０に出力する複数のガスセンサＡ、Ｂが取着されている。ガスセンサＡ、Ｂは、いずれか一方でもよい。

ＦＣＥＣＵ７０は、ＣＰＵがプログラムを実行することで機能する演算部として、水素漏れ判定部７１、信号途絶診断部７２及び吐出制御部７３を備える。また、ＦＣＥＣＵ７０は、後述する判定時間Ｔｄを計時するための計時器であるタイマ７９を備える。

信号途絶診断部７２は、ガスセンサＡ、Ｂから送出される検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の信号状態に基づき検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２が途絶（理解の便宜のためＣＡＮ信号途絶という。）したか否かを判定し、判定結果を含む途絶情報Ｉｄｉｓを水素漏れ判定部７１に送る。

水素漏れ判定部７１は、途絶情報Ｉｄｉｓ及び検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２に基づきガス漏れ（水素漏れ）を判定し、判定結果に応じた動作指令Ｃｏｐを吐出制御部７３に送る。

吐出制御部７３は、動作指令Ｃｏｐに応じて主止弁１３８の閉弁信号を主止弁１３８に送出すると共に、インジェクタ３０の吐出停止信号｛ＰＷＭ（パルス幅変調）信号のデューティがゼロ値の信号｝をインジェクタ３０に送出し、且つ、ガス漏れ（ガス漏れ可能性）の警告灯８５を点灯制御する。

［通常制御発電動作］
燃料電池車両１０の走行制御を行うために、制御装置１２には、図示しないアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ（不図示）からのアクセル開度、図示しない車速センサからの車速、高圧バッテリ８２のＳＯＣ（残容量）を検出する図示しないＳＯＣセンサからのＳＯＣ等に基づきモータ要求電流を算出する。

制御装置１２は、モータ要求電流に基づき、出力調整器８０を通じて発電電力と高圧バッテリ８２の電力の供給割合を決定し、燃料電池スタック１６及びモータ８４を駆動制御することで燃料電池車両１０の走行を制御する。

制御装置１２は、モータ８４を駆動制御する際に、前記発電電力の割合、すなわち燃料電池車両１０側からの前記モータ要求電流を含む要求電流値に基づき、エアポンプ２６の吐出流量及びインジェクタ３０のＩＮＪ流量（ＰＷＭ信号のデューティ）を制御することで、燃料電池システム１４の発電量（発電電流値）を制御する。

図３は、通常制御発電動作に供されるフローチャートである。
ステップＳ１にて、燃料電池車両１０側からの要求電流値に対して、予め定められた「発電電流値に対する燃料電池スタック１６内の必要圧力値（この実施形態では、アノード入口圧力センサ６８により検出されるアノード入口圧力Ｐａｉと、カソード入口圧力センサ６７により検出されるカソード入口圧力Ｐｃｉ［ｋＰａ］）のマップ（特性）」を参照してスタック内目標圧力値Ｐｔａｒを算出する。

ステップＳ２にて、現在の圧力値（Ｐａｉ、Ｐｃｉ）と目標圧力値Ｐｔａｒの偏差及び燃料電池スタック１６内で発電に消費される水素量の予想値によりインジェクタ３０による現在の吐出燃料ガス量（ＩＮＪ流量という。）Ｑｎに対する増減流量ｄＱを決定する。

ステップＳ３にて、インジェクタ３０の吐出流量であるＩＮＪ流量がＱｎからＱｎ＋ｄＱに変更されるように、インジェクタ３０の制御端子に供給されるＰＷＭ信号のデューティを変更する。

ステップＳ４にて、現在の圧力値（Ｐａｉ、Ｐｃｉ）が目標圧力値Ｐｔａｒになったか否かを確認し、否（ステップＳ４：ＮＯ）の場合、ステップＳ２～Ｓ４の処理をステップＳ４の判定が成立する（ステップＳ４：ＹＥＳ）までフィードバック制御し、判定が成立した（ステップＳ４：ＹＥＳ）とき、処理を終了し、ステップＳ１以降の通常制御発電を継続する。

[要部動作]
次に、基本的には以上のように構成され動作する燃料電池システム１４の要部である水素漏れ検出・遮断システム１００の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１１にて、燃料電池システム１４は、通常、図３のフローチャートを参照して説明した通常制御発電を行う。

この通常制御発電中、ステップＳ１２にて、水素漏れ判定部７１及び信号途絶診断部７２は、供給される２つのガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の内容を連続的に監視し、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の状態に基づき、判定テーブル７８を参照してガス漏れ判定（燃料ガスである水素漏れ判定）を行う。

図５は、２つのガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の検出状態による水素漏れ判定（水素漏れ有り、水素漏れ無し）を示すと共に、検出した状態（検出状態ともいう。）Ｉ～ＩＶに応じた動作指令Ｃｏｐの内容を示す判定テーブル７８の説明図である。

２つのガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の検出状態により両方ともに水素濃度が閾値（僅かなノイズによる検出濃度を無効とする閾値）未満である（状態Ｉ）場合には、水素漏れは無いものとして動作指令Ｃｏｐを発出しない。この場合、処理を終了し、ステップＳ１１に戻る。

２つのガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の検出状態により少なくとも１つの水素濃度が閾値以上である（状態ＩＩ）場合又は検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２共にＣＡＮ信号途絶となった（状態ＩＩＩ）場合には、次に説明する動作指令Ｃｏｐの発出待機状態として、ステップＳ１４に進む。

すなわち、状態ＩＩ又は状態ＩＩＩの場合、水素漏れが有るものとして警告灯８５を点灯させる動作指令Ｃｏｐと共に、燃料ガスの燃料電池スタック１６への供給を遮断するための主止弁１３８を閉弁する動作指令及びインジェクタ３０による吐出動作を停止させる動作指令Ｃｏｐの発出待機状態とする。

ＣＡＮ信号途絶は、信号途絶診断部７２により診断され、ＣＡＮのバスレベル（バス電圧）が、ＣＡＮ信号線の断線あるいはＣＡＮコネクタの外れ等によりレセシブ又はドミナントの正常な電圧を呈しなくなった場合等に信号途絶と判定し、信号途絶情報Ｉｄｉｓを水素漏れ判定部７１に送出する。

２つのガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の検出状態により一方のガスセンサが故障又はＣＡＮ信号途絶状態にあり、他方のガスセンサが閾値未満である（状態ＩＶ）場合には、水素漏れは無いものとするが、警告灯８５を点灯させる動作指令Ｃｏｐを発出する。この場合、ステップＳ１３にて警告灯８５を点灯させて処理を終了し、ステップＳ１１に戻る。

燃料ガスの燃料電池スタック１６への供給を遮断するための主止弁１３８を閉弁する動作指令Ｃｏｐ及びインジェクタ３０による吐出動作を停止させる動作指令Ｃｏｐの発出待機状態となったとき、ステップＳ１４にて、ＣＡＮ途絶確定（水素漏れ確定）の判定のための数秒程度の判定時間Ｔｄのタイマ７９によるダウン計時を開始する。タイマ７９は、ＦＣＥＣＵ７０によるソフトウエアタイマであるが、ハードウエアのタイマとしてもよい。

このステップＳ１４では、判定時間Ｔｄの間、２つのガスセンサＡ、Ｂの検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の状態を、確定判定のために継続的に取得し、監視する。すなわち、判定時間Ｔｄの間、状態検知を継続する。

なお、判定時間Ｔｄは、仮に燃料電池スタック１６が破損して燃料ガスが漏れたとしても、主止弁１３８の閉弁及びインジェクタ３０の吐出停止までの総漏洩量が所定量以下となるように予め定められた時間に設定されている。

次いで、ステップＳ１５にて、通常制御発電動作を、以下に説明するＩＮＪ流量制限制御発電動作に切り替える。
通常制御発電動作を、ＩＮＪ流量制限制御発電動作に切り替える理由を説明する。

判定時間Ｔｄの間は、主止弁１３８は開弁され、インジェクタ３０は、状態検知直後は、通常制御発電動作での吐出量（ＩＮＪ流量）に設定されたままである。万一、燃料電池スタック１６が燃料電池車両１０の衝突等により破断して内部の燃料ガスが漏れた場合、アノード入口圧力Ｐａｉが低下する。

そうすると、アノード入口圧力Ｐａｉを目標圧力値に戻そうと制御される（図３のステップＳ４：ＮＯ→ステップＳ２、Ｓ３）ので、自動的にＩＮＪ流量が上昇し、燃料ガス漏れが助長される虞がある。この燃料ガス漏れの助長を「ＩＮＪ流量制限制御発電動作」により未然に回避し、総漏洩量が前記所定量よりもさらに少量になるようにする。

［ＩＮＪ流量制限制御発電動作］
図６は、ＩＮＪ流量制限制御発電動作に供されるフローチャートである。
ステップＳ３１にて、漏洩のない正常状態の燃料電池スタック１６についての発電電流値に対するＩＮＪ流量のマップ（特性）を呼び出す。

ステップＳ３２にて、燃料電池車両１０側からの要求電流値に応じたＩＮＪ流量（ＰＷＭ信号デューティ）を算出する。

ステップＳ３３にて、ステップＳ２２で算出したＩＮＪ流量と現在のＩＮＪ流量とを比較し、増減流量ｄＱを決定する。

ステップＳ２４にて、インジェクタ３０の吐出流量であるＩＮＪ流量がＱｎからＱｎ＋ｄＱに変更されるように、インジェクタ３０の制御端子に供給されるＰＷＭ信号のデューティを変更する。

このＩＮＪ流量制限制御発電動作では、通常制御発電動作で行っていた現在の圧力値を目標圧力値にするためのフィードバック制御を行わないので、すなわちフィードフォワード制御としているので、燃料ガス漏れの助長を未然に回避し、総漏洩量を前記所定量よりも少量に抑制できる。

なお、図示はしないが、インジェクタ３０が並列に設けられている燃料電池システム１４の場合には、「ＩＮＪ流量制限制御」に代替して、一方のインジェクタ３０による吐出を停止するように制御（インジェクタ３０並列吹き解除制御）してもよい。

さらに、「ＩＮＪ流量制限制御」又はインジェクタ３０の並列吹き解除制御に加えて図示しない空調機等の補機の電流使用量を増加させることで、水素隔離カバー５６内又はモータルーム内への燃料ガスの漏洩をさらに少量に抑制することができる。

図４のステップＳ１６にて、タイマ７９による判定時間Ｔｄの計時が終了したか否かを判定し、計時終了まで、ステップＳ１５でのＩＮＪ流量制限制御発電を行い、判定時間Ｔｄの計時が終了したとき、ステップＳ１７の確定判定に進む。

ステップＳ１７にて、状態が正常に復帰したか否かの確定判定を行う。この場合、図５の判定テーブル７８を参照して説明したように、判定時間Ｔｄの計時終了時の２つのガスセンサＡ、Ｂの状態が、検出状態ＩＩ、ＩＩＩ（水素漏れ判定有り）から検出状態Ｉ、ＩＶ（水素漏れ判定無し）に遷移しているか否かが判定される。

状態Ｉ、ＩＶに遷移していた場合、正常に復帰している（誤検知でありガス漏れではなかった）（ステップＳ１７：ＹＥＳ）とされる。

この場合、ステップＳ１８にて検出状態が、検出状態Ｉ（ガスセンサＡ、Ｂとも検出値が閾値未満）に戻っている場合には、ステップＳ１９にて、警告灯８５を消灯してステップＳ１１に戻る。

一方、ステップＳ１８にて、検出状態が検出状態ＩＶにもどっている場合には、ステップＳ１１の通常制御発電に戻る。

なお、検出状態ＩＩ、ＩＩＩが検出状態Ｉ、ＶＩに戻る理由は、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２へのノイズの混入やコネクタの瞬時の接触不良等による低圧バッテリ８３からの電源の遮断等が挙げられる。

これに対して、ステップＳ１７の判定にて、検出状態ＩＩ、ＩＩＩから遷移しなかった場合、ガス漏れを確定し、ステップＳ２０にて、動作指令Ｃｏｐにより主止弁１３８を閉弁すると共に、インジェクタ３０の作動を停止させる（ＰＷＭ信号のデューティをゼロ値にする）。

次いで、ステップＳ２１にて、エアポンプ２６等の補機の動作を停止させ、燃料電池システム１４の動作を停止させる。

このように上記した実施形態によれば、判定時間Ｔｄ未満で状態が復帰する瞬間的な誤検知の場合には、燃料電池システム１４を停止しないで発電を継続させるので、燃料電池スタック１６の経年劣化を防止し得る。一方、判定時間Ｔｄでガス漏れが確定された場合には、漏れ量を助長させずに、燃料ガスの供給を遮断することができる。

［タイミングチャートによる説明］
図４のフローチャートにより説明した水素漏れ検出・遮断システム１００の動作の一例を図７のタイミングチャートを参照して説明する。
時点ｔ０にて、衝突等を原因として、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の実際の途絶が発生する。

タイムラグＴｄ１後の時点ｔ１にて、検出信号ＣＡＮ１、ＣＡＮ２の途絶（検出状態ＩＩ、又は検出状態ＩＩＩ）がＦＣＥＣＵ７０にて検出される。
その時点ｔ１にてタイマ７９が起動され判定時間Ｔｄのダウン計時が開始される。

時点ｔ１～時点ｔ２（先行アクション確定時間Ｔｄ２）を経過しても検出状態ＩＩ又は検出状態ＩＩＩが継続している場合、時点ｔ２にて先行アクションを確定し、ステップＳ１５のＩＮＪ流量制限制御発電を開始するために、ＦＣＥＣＵ７０からの動作指令Ｃｏｐによりインジェクタ３０へのＰＷＭ信号のデューティを低下させることで、インジェクタ３０への供給電力を低下させる。タイムラグＴｄ３後の時点ｔ３にてＩＮＪ流量が制限される。

判定時間Ｔｄの計時が終了した時点ｔ４にて、ＣＡＮ途絶又は水素漏れ（状態ＩＩ又はＩＩＩ）が確定されると、動作指令Ｃｏｐによりインジェクタ３０への供給電力を遮断する。
これにより、タイムラグＴｄ４後の時点ｔ５にてＩＮＪ流量はゼロ値とされる。

この場合、水素漏れ流量は、燃料電池スタック１６が破損した時点ｔ０では瞬間的に増加するが、ＰＷＭ信号のデューティが最大値（ＤｕｔｙＭａｘ）に設定されている場合、時点ｔ１以降、ＩＮＪ流量はデューティの最大値に対応する流量に収束する。

時点ｔ３でインジェクタ３０からのＩＮＪ流量に制限が加えられると、時点ｔ５までＩＮＪ流量が制限流量に維持される。なお、時点ｔ２～時点ｔ５の間では、補機、例えば、空調装置の消費電力を増加させることで電流負荷を上げ、燃料ガスの消費量を増加させることでモータルームへの漏洩燃料ガス量を低減させることができる。

［変形例］
上記実施形態における図６を参照して説明した「ＩＮＪ流量制限制御発電」を、図３を参照して説明した通常制御発電に一体的に組み込むことも可能である。

図８は、「ＩＮＪ流量制限制御発電」を、通常制御発電に組み込んだ「ＩＮＪ流量制限制御付き通常制御発電」のフローチャートを示している。

図８のフローチャートにおいて、図３、図６のフローチャートの処理と同一の処理あるいは対応する処理には同一のステップ番号に「Ｒ」を付けてその詳細な説明は省略する。
ステップＳ１Ｒでは、要求電力に対する目標圧力値を算出する。

ステップＳ２Ｒでは、現在の圧力値と目標圧力値の偏差等に基づき現在のＩＮＪ流量Ｑｎに対する増減流量ｄＱを決定する。

ステップＳ４１では、次の（１）式に示すように、決定したＱｎ＋ｄＱが、燃料電池車両１０の予め設定された運転動作毎の最大ＩＮＪ流量Ｑｍａｘ以下であるか否かが比較される。
Ｑｍａｘ≧（Ｑｎ＋ｄＱ） …（１）

なお、予め設定された運転動作とは、燃料電池車両１０のアイドリング時（停車時）、加速時、減速時及びクルーズ時（車速範囲毎）等の各運転動作である。

この中、ユーザのアクセルワークにより負荷変動が大きい加速時等の状態では、ＩＮＪ流量を最大ＩＮＪ流量Ｑｍａｘに制限すると、燃料電池車両１０の走行レスポンスの悪化につながることから、「ＩＮＪ流量制限制御付き通常制御発電」は、アイドリング時や、走行開始直後の暖機運転時等の運転動作における発電制御に組み込むことが好ましい。

ステップＳ４１の判定が否定的である（ステップＳ４１：ＮＯ）場合、ステップＳ４２にて、ＩＮＪ流量Ｑｎを最大ＩＮＪ流量Ｑｍａｘに変更してステップＳ１Ｒに戻る。

その一方、ステップＳ４１の判定が肯定的である（ステップＳ４１：ＹＥＳ）である場合には、ステップＳ３Ｒにて、インジェクタ３０の吐出流量であるＩＮＪ流量がＱｎからＱｎ＋ｄＱに変更されるように、インジェクタ３０の制御端子に供給されるＰＷＭ信号のデューティを変更する。

さらに、ステップＳ４Ｒにて、現在の圧力値（Ｐａｉ、Ｐｃｉ）が目標圧力値Ｐｔａｒになったか否かを確認し、否（ステップＳ４Ｒ：ＮＯ）の場合、ステップＳ２Ｒ、Ｓ４１、Ｓ３Ｒ及びＳ４Ｒの処理をステップＳ４Ｒの判定が成立する（ステップＳ４Ｒ：ＹＥＳ）までフィードバック制御し、判定が成立した（ステップＳ４：ＹＥＳ）とき、処理を終了し、ステップＳ１Ｒに戻る。

この変形例によれば、最大ＩＮＪ流量Ｑｍａｘに対応する運転状況下での漏洩総量の助長を防止することができる。

［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態及び変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には、上記実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。

この発明に係る燃料電池システム１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を有する燃料電池システム１４であって、前記燃料電池からの前記燃料ガスの漏れを検知するガスセンサＡ、Ｂと、前記ガスセンサからの検出信号に基づき、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給状態を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記検出信号により前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは前記検出信号の途絶を検出したときに、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給量を制限し、前記燃料ガスの供給量を制限した後に、前記燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶が確定した場合に、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給を遮断する。

この発明によれば、制御装置は、ガスセンサの検出信号による燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶を検出したとき、誤検出か否かを見極めるために、直ぐには、燃料ガスの供給を遮断しないで燃料ガスの供給量を制限するようにしている。

このようにして誤検出で燃料ガスを遮断してしまうことによる燃料電池の発電の停止を回避して燃料電池の経年劣化を防止することができる。

一方、誤検出ではないことが確定したときには、燃料ガスを遮断するので、燃料ガスの漏れを防止することができる。

また、この発明に係る燃料電池システムにおいては、さらに、タイマ７９を備え、前記制御装置は、前記検出信号により前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは前記検出信号の途絶を検出したときに、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給量を制限すると共に、前記タイマに判定時間をセットし、前記タイマにセットされた前記判定時間経過時に、前記検出信号による前記燃料ガスの漏れの検出が継続されている場合、あるいは前記検出信号の途絶の検出が継続されている場合には、前記燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶を確定するようにしてもよい。

これにより、誤検出ではないことが確定されたときに、燃料ガスを遮断するので、燃料ガスの漏れを防止することができる。

さらに、この発明に係る燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記タイマにセットされた前記判定時間が経過する前に、前記検出信号による前記燃料ガスの漏れの検出が解消された場合には、前記燃料ガスの供給量の制限を解除するようにしてもよい。

この構成により、誤検出により燃料ガスを遮断してしまうことによる燃料電池の経年劣化を防止することができる。

さらにまた、この発明に係る燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記タイマにセットされた前記判定時間が経過する前に、前記検出信号の途絶が解消された場合には、前記燃料ガスの供給量の制限を解除するようにしてもよい。

この構成により、誤検出により燃料ガスを遮断してしまうことによる燃料電池の経年劣化を防止することができる。

さらにまた、この発明に係る燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサを設け、前記制御装置は、前記圧力センサにより検出される圧力が目標圧力となるように制御するものであり、前記燃料ガス供給装置により前記燃料ガスの供給量を制限する際、前記目標圧力を低下させることで、前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記燃料ガス量を制限するようにしてもよい。

この構成により、燃料ガスの供給量を制限する際、圧力センサにより検出される圧力が低下するように目標圧力を低下させるので、燃料ガス供給装置から前記燃料ガスに供給される前記燃料ガス量を確実に制限することができる。

さらにまた、この発明に係る燃料電池システムにおいては、前記ガスセンサは、複数設けられるものであり、前記制御装置は、前記複数の前記ガスセンサの中、少なくとも１つのガスセンサにより前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは複数の前記ガスセンサからの全ての検出信号の途絶を検出したとき、前記燃料ガスの供給量を制限することなく直ちに前記燃料ガスの供給を遮断するようにしてもよい。

ガスセンサを複数とすることで、ガス漏れ検出のロバスト性、冗長性を高め、供給している燃料ガスの遮断を、的確性を担保して直ちにできる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池車両 １２…制御装置
１４…燃料電池システム １６…燃料電池スタック
１６Ａ：スタックアセンブリ １８…水素タンク
２０…出力部 ２２：酸化剤ガス系デバイス
２４…燃料ガス系デバイス ２５…警告灯
２６…エアポンプ ３０…インジェクタ
５６…水素隔離カバー ６０…ケーブル
６２…ケーブル ６７…カソード入口圧力センサ
６８…アノード入口圧力センサ ７１…判定部
７２…信号途絶診断部 ７３…吐出制御部
７８…判定テーブル ７９…タイマ
８０…出力調整器 １００：水素漏れ検出・遮断システム
１３８：主止弁
Ａ、Ｂ…ガスセンサ ＣＡＮ１、ＣＡＮ２：検出信号
Ｃｏｐ…動作指令

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池からの前記燃料ガスの漏れを検知するガスセンサと、
   前記ガスセンサからの検出信号に基づき、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給状態を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記検出信号により前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは前記検出信号の途絶を検出したときに、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給量を制限し、
   前記燃料ガスの供給量を制限した後に、前記燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶が確定した場合に、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給を遮断する
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、タイマを備え、
   前記制御装置は、
   前記検出信号により前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは前記検出信号の途絶を検出したときに、前記燃料ガス供給装置による前記燃料ガスの供給量を制限すると共に、前記タイマに判定時間をセットし、
   前記タイマにセットされた前記判定時間経過時に、前記検出信号による前記燃料ガスの漏れの検出が継続されている場合、あるいは前記検出信号の途絶の検出が継続されている場合には、前記燃料ガスの漏れ、あるいは前記検出信号の途絶を確定する
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記タイマにセットされた前記判定時間が経過する前に、前記検出信号による前記燃料ガスの漏れの検出が解消された場合には、前記燃料ガスの供給量の制限を解除する
   燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記タイマにセットされた前記判定時間が経過する前に、前記検出信号の途絶が解消された場合には、前記燃料ガスの供給量の制限を解除する
   燃料電池システム。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサを設け、
   前記制御装置は、
   前記圧力センサにより検出される圧力が目標圧力となるように制御するものであり、
   前記燃料ガス供給装置により前記燃料ガスの供給量を制限する際、前記目標圧力を低下させることで、前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量を制限する
   燃料電池システム。
6. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガスセンサは、複数設けられるものであり、
   前記制御装置は、
   前記複数の前記ガスセンサの中、少なくとも１つのガスセンサにより前記燃料ガスの漏れを検出したとき、あるいは複数の前記ガスセンサからの全ての検出信号の途絶を検出したとき、前記燃料ガスの供給量を制限することなく直ちに前記燃料ガスの供給を遮断する
   燃料電池システム。

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