JP4211000B2 - ガス漏れ判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料ガスのガス漏れを検出するためのガス漏れ検出方法の改良に関する。

燃料電池システムにおける水素ガスのガス漏れ検出方法としては、例えば特開平８―３２９９６５号公報に記載されているように、燃料電池の上流と下流に元止め弁と先止め弁を設け、発電運転開始前に燃料ガスを封入してその圧力変化を圧力報知手段で検知して封入圧力の低下から漏洩の発生を検知していた（特許文献１）。また特開平１０―１０３５４７号公報に記載の方法では、弁開閉による圧力が安定する所定時間経過後にガス漏れ検査のための圧力測定を行うべく、待機タイマで所定時間を計測して、その後に圧力測定して漏れ判定を行っていた（特許文献２）。

ガス漏れ量が多い程封入圧力が下がるため、このような方法によってガス漏れの存在を察知することができていた。
特開平８―３２９９６５号公報 特開平１０―１０３５４７号公報

しかしながら、レギュレータや遮断弁における応答速度にはバラツキがあり、また、閉弁不良が生じる場合があり、閉弁直後では封入したガスの圧力が安定しておらず、このような不安定な状態でガス漏れ検出を実施すると誤検出する可能性があった。一方、このようなことに対処するため一定期間待ち時間を設ける特許文献２の公知技術では、余裕を見た待ち時間設定をせざるを得なかったため、無駄な待ち時間が発生することがあり、迅速な測定が行えなかった。また、閉弁不良で長い期間圧力が安定しなかった場合にもガス漏れ判定が実施されてしまい、誤判定となることがあった。

そこで本発明は、このような課題に鑑み、レギュレータや遮断弁のバラツキや動作不良があっても、可能な限り短時間に、かつ、誤り無くガス漏れを検出することが可能なガス漏れ判定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ガス流通システムのガス漏れを検出するガス漏れ判定装置であって、ガス漏れの検査対象となる検査対象区間のガスの流通を遮断し、当該検査対象区間におけるガスの過渡状態における状態変化量を監視する監視手段と、ガスの状態変化量が所定値以下となった場合に、当該検査対象区間におけるガス漏れ検査を実行する検査手段と、を備えることを特徴とする。

ガスを扱うシステムがガス漏れ判定その他の事情で特定の検査対象区間のガス流通を遮断すると、その遮断にかかる調圧弁や遮断弁の応答特性やガスの性質から、ガスの状態が安定するまでにガスの状態が変化し続ける過渡期間が発生する。上記構成によれば、監視手段がこの状態変化を監視し、状態変化量が所定値以下になったこと、すなわち過渡的な状態遷移がガス漏れ測定可能な程度に収束したことを検出してからガス漏れ検査が実行される。このため、過渡期間における状態変化が終了し次第ガス漏れ検査ができるので、無駄な待ち時間が無く迅速であり、また、過渡期間における状態変化中にガス漏れ検査されてしまうことによる誤検出も防止できる。

ここで「ガス流通システム」は任意のガス（水素、プロパン等の燃料ガス、空気等の混合ガス等）を流通させるシステムであり、安全性や環境に対する配慮からガス漏れを判定する必要があるシステムをいう。

また「検査対象区間」とは、ガス漏れの有無を確かめたいシステムの区間をいい、純粋な配管の一部区間をいう他、一以上の部材（ポンプ、電池、弁類等）を含んで構成される広範な区間をも含む。例えばこの区間は調圧弁や遮断弁によって遮断される。

また「状態変化量」とはガスの遮断に纏わる過渡的な変化を定量化できる指標であり、例えば圧力変化量や流量変化量が挙げられるが、限定はない。

ここで、本発明における監視は、当該ガス流通システムの間欠運転におけるシステム停止期間に行われる。例えば燃料電池システムでは間欠運転が実施される。この間欠運転のうちシステム休止時に本発明のガス漏れ判定を行えば、システム休止期間を有効に使える。

本発明では、監視において、一定時間以上ガス漏れ検査が実行できなかった場合には異常処理を実行する。もしもある程度以上の規模のガス漏れが発生していた場合に本発明におけるガスの状態変化を監視すると、いつまでもガス圧が下がり続けることになり、ガス漏れ検査自体に入れない。この点、この構成によれば、ガス漏れが原因でガスの状態変化が何時までも継続していても、一定時間経過後にはその事実を検出して何らかの異常が起こっているものとして異常処理が行える。

当該発明によれば、監視手段がガスの状態変化を監視し、状態変化量が所定値以下になったことを検出してからガス漏れ検査が実行されるため、過渡期間における状態変化が終了し次第、ガス漏れ検査ができるので、無駄な待ち時間が無く迅速である。また、過渡期間中の状態変化中にガス漏れ検査がされてしまうことによる誤検出を防止できる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明のガス漏れ判定装置を適用したものである。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。本発明の漏れ判定の対象となるガスとして水素ガスの場合を例示してある。

図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図１に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック１０に燃料である水素ガスを供給するための系統、空気を供給するための系統、及び燃料電池スタック１０を冷却するための系統を備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための系統は、水素ガスの供給源から順に、水素タンク１１、元弁ＳＶ１、調圧弁ＲＧ、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２、燃料電池スタック１０を経て燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、気液分離器１２及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、パージ遮断弁ＳＶ５、及び逆止弁ＲＶを備えている。

本実施形態では、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２と燃料電池出口遮断弁ＳＶ３とで区分される検査対象区間におけるガス漏れ判定を例示するが、検査対象区間が元弁ＳＶ１−調圧弁ＲＧ間、調圧弁ＲＧ−燃料電池入口遮断弁ＳＶ２間、燃料電池出口遮断弁ＳＶ３−水素ポンプ１３間であっても同様に検査可能である。

圧力センサＰ１は元弁ＳＶ１−調圧弁ＲＧ間の圧力を検出する。圧力センサＰ２は燃料電池入口遮断弁ＳＶ２−燃料電池出口遮断弁ＳＶ３間の圧力（燃料電池スタック１０の内圧）を、温度センサＴ１はその区間の温度を検出する。圧力センサＰ３は燃料電池出口遮断弁ＳＶ３−水素ポンプ１３入口間の圧力を検出する。

水素タンク１１は、高圧水素タンクであるが、高圧水素タンクに代えて、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するタンク、液化ガス燃料を貯蔵するタンク等を適用可能である。

元弁ＳＶ１は、水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御する。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、遮断弁ＳＶ２より上流側である調圧弁ＲＧまで、さらに調圧弁ＲＧをほぼ開放状態とした場合には元弁ＳＶ１までの検査対象区間のガス漏れ判定時に遮断される。燃料電池出口遮断弁ＳＶ３は、遮断弁ＳＶ３から燃料電池入口遮断弁ＳＶ２まで、すなわち燃料電池スタック１０内を検査対象区間とした場合のガス漏れ判定時に遮断される。気液分離器１２は、通常運転時において燃料電池スタック１０の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出する。水素ポンプ１３は、遮断弁ＳＶ２、ＳＶ３、逆止弁ＲＶを経る水素ガスの循環経路において水素ガスを強制循環させる。パージ遮断弁ＳＶ５は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び本発明のガス漏れ判定時には遮断されている。逆止弁ＲＶは水素ガスの逆流を防止する。パージ遮断弁ＳＶ５からパージされた水素オフガスは図示しない希釈器を含む排気系で処理される。

燃料電池スタック１０に空気を供給するための系統としては、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３等を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２３は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスは図示しない希釈器においてパージ制御弁ＳＶ５からの水素オフガスを希釈して排気系に排出される。

燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ１１、ファン１２、及び冷却ポンプ１３を備え、冷却水が燃料電池スタック１０内部に循環供給されるようになっている。

制御部２０はＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、複数のコンピュータの相互通信によって構成されていてもよい。これらコンピュータは、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、当該システムを本発明のガス漏れ判定装置として動作させることが可能になっている。すなわち、後に説明する手順（図２）によって、制御部２０は、各弁ＳＶ１〜５の開閉を制御する制御信号及び水素ポンプ１３やコンプレッサ２２の駆動量を決定する制御信号を出力し、圧力センサＰ１〜Ｐ３からの検出信号に基づいてガス漏れ判定を実行するようになっている。

次に図２のフローチャートを参照しながら本実施形態におけるガス漏れ判定方法を説明する。当該フローチャートにおけるガス漏れ判定方法は単なる例示である。また、図３にこのようなガス漏れ判定方法に関係して、制御部２０内部におけるフラグのセット・リセットがどのように行われているか、圧力センサＰ１及びＰ２、温度センサＴ１によるガス圧や燃料電池内部温度Ｔｆｃがどのように変化していくかのタイミングチャートを示す。

このフローチャートに示すガス漏れ判定方法は、定期的に（例えば周期Ｔとする）繰り返し実行されるものである。総てのフラグはシステム初期状態においてリセットされているものとする。

以下の処理では間欠フラグと漏れ判定条件フラグという二つのフラグを参照する。前者の間欠フラグは、システムが間欠運転の休止期間に入るべきか否かを示すフラグである。また後者の漏れ判定条件フラグは本発明に係り、弁手段の閉鎖直後に生ずる過渡状態が収束したか否かを示すものである。

まず、制御部２０は、間欠フラグがセットされているか否かを検査する（Ｓ１）。間欠フラグの状態によって、間欠運転の休止期間に入ったと判断される場合には（ＮＯ）、当該ガス漏れ判定処理には移行しないが、間欠運転の休止期間に入ったと判断された場合には（ＹＥＳ）、ガス漏れ判定処理のために各弁やポンプの遮断・休止措置を取る（Ｓ２：時刻ｔ０）。制御部２０は、各種制御信号を出力して、遮断弁ＳＶ１を閉鎖し、水素ポンプ１３の運転を停止させ、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２及び出口遮断弁ＳＶ３を閉鎖し、パージ遮断弁ＳＶ５を閉鎖する。

図３に示すように、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２が閉鎖されると、この弁の応答特性に応じて水素タンク１１からのガス供給が絞られていき、元弁ＳＶ１の下流側の圧力が下がり始める。一方、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２の二次側の圧力が上昇していく。これらの圧力状態が安定するまで若干の期間を要する。

本実施形態では、この過渡状態を圧力変化量から監視する（Ｓ３）。過渡状態が終了したら漏れ判定条件フラグがセットされるが、それまではリセットされた状態である。制御部２０は、漏れ判定条件フラグがセットされていれば（Ｓ３：ＹＥＳ）漏れ判定を実行するが（Ｓ１０）、漏れ判定条件フラグがリセットされている場合には（Ｓ３：ＮＯ）、水素ガスの圧力変化を監視する期間中であると判断して監視処理に移行する。

圧力センサＰ２からの検出信号を参照して、制御部２０は燃料電池入口遮断弁ＳＶ２の下流の圧力ｐ２を検出する（Ｓ４）。次いで前回測定された圧力ｐ２’と今回測定された圧力ｐ２との差分を計算して圧力変化量Δｐを演算する（Ｓ５）。間欠動作の休止期間に入って初めて圧力を測定した場合には、前回測定の圧力ｐ２’はゼロであるとして計算する。

その結果、圧力変化量Δｐが所定のしきい値Ｐｔｈ以下になっていた場合には（Ｓ６：ＹＥＳ）、過渡状態がほぼ終わり、圧力が安定してきたことを意味している。そこで、制御部２０は漏れ条件フラグをセットし（Ｓ９）、ガス漏れ判定処理への移行を許可する。ここでしきい値Ｐｔｈは、ガス漏れ判定を行っても誤検出の無い程度の圧力変化率を識別可能な値に選択する。

図３において、圧力変化量がΔｐ１であった場合、まだ圧力変化の過渡状態でありガス漏れ判定を判定するには圧力が急激に変化しすぎている。一方、圧力変化量がΔｐ２のようになれば、圧力変化が極めて緩慢になっており、ガス漏れ判定をしても差し支えない。しきい値Ｐｔｈはこのような圧力変化の状態を識別可能なように設定する。

漏れ判定条件フラグがセットされガス漏れ判定が可能ならば、制御部２０は公知のガス漏れ判定処理を実行する（Ｓ１０）。そしてガス漏れ判定が終了したならば（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ガス漏れ判定完了フラグをセットしてこれ以降のガス漏れ判定を禁止する（Ｓ１２）。ガス漏れ判定の最中であるならば（Ｓ１１：ＮＯ）、引き続き次のルーチン実行タイミングまで待つ。

さて、希にガス漏れが発生しておりその規模が大きいため、上記ステップＳ６で計算される前回測定の圧力と今回測定の圧力との差分である圧力差Δｐがいつまで経っても下がらない場合がある。つまり、ガス漏れが継続的に発生しているため、閉弁後も配管の圧力が低下し続ける場合である。このような場合はステップＳ１０におけるガス漏れ判定を待たずに異常であると判定できる。

そこで制御部２０は、圧力変化量Δｐがしきい値Ｐｔｈ以下に下がらない場合であって（Ｓ６：ＮＯ）、監視を開始してから一定時間を経過していた場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、何らかのガス漏れが継続的に発生しているものとして異常処理をする（Ｓ８）。この異常処理としては、警告ランプの点灯や次回の運転再開時における水素ガス圧の低減、もしくは運転開始の禁止などがある。なお、圧力変化量Δｐがしきい値Ｐｔｈより大きいがまだ一定時間が経過していない場合には（Ｓ７：ＮＯ）、引き続き監視を続行する。

ここで一定時間は、おおよそ異常の無いシステムであれば十分に圧力が安定するであろうと考えられる程度の時間に設定する。この時間はシステムごとに異なるものである。

上記処理では圧力変化の監視処理とそれに基づくガス漏れ判定処理とを一つのルーチンで行っているが、別個のルーチンで実施してもよい。

本実施形態によれば、図３のフラグＦ０のタイミングに示すように、監視処理によってガスの圧力変化量が所定のしきい値Ｐｔｈに入り次第、ガス漏れが実施できるので、正確なガス漏れ判定を遅滞なく実施できる。このため、フラグＦ１に示すように、圧力変化の激しい過渡状態においてガス漏れ判定が実施されガス漏れと誤判定したり、従来技術と同様にフラグＦ２に示すように、一定の待ち時間Ｔｗ待ってからガス漏れ判定をすることにより、本来ガス漏れ可能な状態になってからさらに過剰な時間Ｔｄだけガス漏れ判定が遅延することとなったりすることを防止できる。

したがって、過渡期間における状態変化が終了し次第、ガス漏れ判定できるので、無駄な待ち時間が無く迅速である。また、過渡期間中の状態変化中にガス漏れ検査がされてしまうことによる誤検出を防止できる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。

例えば、上記実施形態は燃料電池システムに当該ガス漏れ判定装置を適用した例であったが、燃料電池以外のガスを利用するシステムにも本ガス漏れ判定装置を適用することが可能である。

また水素ガスの圧力変化量判定も圧力センサに限定されることなく、圧力の大小に対応して変化する物理量（例えば温度や水蒸気量）を参照して圧力判定を行ってもよい。

またガスの状態変化としては、圧力変化に限らず、他のパラメータ、例えば流量変化を検出することも可能である。

またフローチャート図２も単なる例示であり、システムの構成によって処理判断の順序や内容は種々変更可能である。

実施形態に係る燃料電池システムのブロック図。 実施形態に係るガス漏れ判定処理を説明するフローチャート。 実施形態に係るガス漏れ判定処理における圧力変化の説明図。

符号の説明

ＳＶ１…元弁、ＳＶ２…燃料電池入口遮断弁、ＳＶ３…燃料電池出口遮断弁、ＳＶ４…遮断弁、ＳＶ５…パージ遮断弁、ＲＶ…逆止弁、ＲＧ…調圧弁、Ｐ１〜Ｐ３…圧力センサ、１０…燃料電池スタック、２０…制御部、１１…水素タンク、１２…気水分離器、１３…水素ポンプ、２１…エアクリーナ、２２…コンプレッサ、２３…加湿器、３１…ラジエタ、３２…ファン、３３…冷却水ポンプ

Claims (1)

1. 燃料電池スタックにガスを供給するための系統を有する燃料電池システムにおいてガス漏れを検出するガス漏れ判定装置であって、
   燃料電池システムの間欠運転におけるシステム停止期間に移行したときに、前記系統に設けられた所定の弁を閉鎖してガス漏れの検査対象となる検査対象区間のガスの流通を遮断する手段と、
   前記検査対象区間内にある圧力センサからの検出信号を参照して圧力を測定する手段と、
   前回測定された圧力と今回測定された圧力との差分を計算して圧力変化量を演算する手段と、
   前記圧力変化量が所定のしきい値以下になった場合に、漏れ条件フラグをセットする手段と、
   前記漏れ判定条件フラグがセットされている場合に、前記検査対象区間におけるガス漏れ判定処理を実行する手段と、
   前記圧力変化量がしきい値以下に下がらない場合であって、システム停止期間に移行してから一定時間を経過した場合には、異常処理を実行する手段と、
   を備えることを特徴とするガス漏れ判定装置。

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