JP4238572B2 - 燃料改質装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムのガス漏洩検出技術に関し、特に、車載用燃料電池システムに好適な燃料ガス漏洩検出技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池は電解質膜を介して対向配置されるアノード極（水素極）と、カソード極（酸素極）からなる単セルを積層したスタック構造を備えている。アノード極には水素を含有する燃料ガスが供給される一方で、カソード極には酸素を含有する酸化ガスが供給され、各々の電極上で生じる電気化学反応によって起電力を得る。経年劣化などによって電解質膜が損傷し、両電極間で燃焼ガスの漏洩透過が生じると、局所的な発熱反応などが生じて燃料電池が損焼する虞がある。改質器においても同様に燃料ガスが漏洩すると触媒で異常燃焼が生じて損焼する虞がある。このため、燃料電池システムを運用するには燃料ガスの漏洩対策が必要となる。燃料ガスの漏洩対策技術として、特開平８−３２９９６５号公報（特許文献１）、及び特開平３−２５０５６４号公報（特許文献２）には、ガス漏洩を検知する圧力検知手段を備えた燃料電池発電システムが開示されている。燃料電池の配管系統のガス圧力変化を検出することで、ガス漏洩を検出することができる。
【特許文献１】
特開平８−３２９９６５号公報
【特許文献２】
特開平３−２５０５６４号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術は、負荷変動の少ないプラント用燃料電池システムを前提としており、負荷変動の大きい車載用燃料電池システムに適用することは困難である。つまり、車載用燃料電池システムをオンボード発電機として運用する場合、走行負荷などに応じて燃料ガスや酸化ガスの流量を適宜調整する必要があるため、燃料電池に供給されるガス圧力は絶えず動的に変動する環境下にある。このような環境下においては、システム運用時に燃料電池内部のガス圧力変動を検出しても、燃料ガスの漏洩を検出することは困難である。
そこで、本発明は燃料電池システムを車両のオンボード発電機として運用する場合に好適な燃料ガス漏洩検出技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、システム停止状態の時間経過を計測する時間経過計測手段と、前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、システム制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶させる一方、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、前記時間経過計測手段が計測した時間経過との関係からガス漏洩の有無を判断する。かかる構成により、システム起動後の第一及び第二の配管系統内のガス圧力値の変動から燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。
好ましくは、前記制御部は、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記制御部は、システム起動時に前記圧力センサが検出するガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。システム起動時点での圧力変動量とガス漏洩の判断基準となる閾値とを比較することで、システム起動を許可しても安全か否かを判断できる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、システム停止時点からの時間経過を計測する時間経過計測手段と、前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、システム制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶し、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断する。かかる構成により、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記制御部は、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記圧力変動量は、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、システム停止から所定時間経過した時点における前記圧力センサが検出するガス圧力値との比である。システム停止時点のガス圧力値と、システム停止から所定時間経過後（例えば、次回のシステム起動時点）のガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
好ましくは、前記制御部は、ガス漏洩が生じていると判断すると、システム再起動を制限する。ガス漏洩が生じていると判断した場合に、システム再起動を制限することで、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記制御部は、システム停止時において、前記第一の配管系統の残留ガス圧が前記第二の配管系統の残留ガス圧よりも高くなるように前記弁機構を制御する。かかる構成により、ガス漏洩が生じている箇所が燃料電池の水素極側のみであるか、或いは水素極側と酸素極側の両方で生じているかを検出することができる。
好ましくは、前記燃料電池システムは、車載搭載用の発電システムである。車載用の発電システムはシステム運転とシステム停止を交互に頻繁に繰り返すため、システム停止期間におけるガス圧力変動を検出することで、ガス漏洩を検出できる。
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料電池システムを車両駆動に供する電力発電源として備える。かかる構成により、信頼性及び安全性に優れた燃料電池自動車を提供できる。
本発明のコンピュータプログラムは、燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止指令が入力された場合に、燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、を実行させる一方、システム停止中にシステム起動指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム起動指令が入力された場合に、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止時間との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、を実行させる。燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに上記のステップを実行させることで、システム起動時に燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、システム停止時間に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点におけるガス圧力値との比である。システム停止時のガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点のガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
本発明のコンピュータシステムは、燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止指令が入力された場合に、燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、予め定められた一定時間経過したか否かを判定するステップと、前記一定時間経過した場合に、前記一定時間経過後の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、を実行させる。燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに上記のステップを実行させることで、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、前記一定時間に達した時点での前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップにおいて、ガス漏洩が生じていると判断すると、前記コンピュータシステムに、システム再起動を制限するステップをさらに実行させる。ガス漏洩が生じていると判断した場合に、システム再起動を制限させるステップをコンピュータシステムに実行させることで、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止から前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比である。システム停止時のガス圧力値と、前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
本発明のプログラムを記録するコンピュータ読取り可能な記録媒体として、例えば、光記録媒体（ＣＤ−ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＰＤディスク、ＭＤディスク、ＭＯディスク等の光学的にデータの読み取りが可能な記録媒体）や、磁気記録媒体（フレキシブルディスク、磁気カード、磁気テープ等の磁気的にデータの読み取りが可能な記録媒体）、或いはメモリ素子（ＤＲＡＭ等の半導体メモリ素子、ＦＲＡＭ等の強誘電体メモリ素子）を備えたメモリカートリッジ等の可搬性記録媒体等が好適である。
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
図１は本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両（燃料電池自動車）の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車１０は、主に、オンボード発電機として機能する燃料電池システム２０と、補助電力源として機能する二次電池３０と、電力変換制御を行うパワーコントロールユニット４０と、パワーコントロールユニット４０を介して燃料電池システム２０又は二次電池３０から供給される電力で駆動輪５１，５２を駆動するモータ５０とを備えて構成されている。燃料電池自動車１０は前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪５３，５４が配置されている。
燃料電池システム２０は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料と水をそれぞれ別途貯蔵するタンク２１と、タンク２１から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器２２と、改質器２２から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池２３と、燃料電池システム２０全体を制御する制御部２４とを備えて構成されている。制御部２４は後述するシステムコントローラ４３と通信を行うことで、燃料電池システム２０に配設されているエアコンプレッサ、ウォータポンプの作動回転数制御、及び電磁弁の開閉制御などを行い、発電量が要求電力を満たすようにシステム制御する。燃料電池システム２０のエア流路には、エアクリーナ５６、及びエアポンプ５５が配設されており、エアクリーナ５６で濾過された発電用エア（酸化ガス）はエアポンプ５５で加圧され、燃料電池２３の酸素極に供給される。
燃料電池２３は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
パワーコントロールユニット４０は、アクセル開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ５０への供給電力量を演算するシステムコントローラ４３と、直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、直流電流を交流電流に変換してモータ５０に供給するインバータ４２とを備えて構成されている。インバータ４２は、パワースイッチ素子を主要回路素子として構成され、直流電流を三相交流に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１及びインバータ４２における電力変換はシステムコントローラ４３によって制御される。
二次電池３０は燃料電池システム２０の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車１０の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池３０の容量は、燃料電池自動車１０の走行条件、走行性能（最高速度、走行距離など）、車重などに応じて適宜設定できる。モータ５０としては三相同期モータが好適である。
上述した構成により、システムコントローラ４３は、車両走行負荷などを基にモータ５０に供給されるべき電力を演算し、燃料電池システム２０にて所望の発電量を得るための必要な指示を制御部２４に与える。制御部２４は、燃料電池２３に供給されるべき燃料ガスと酸化ガスの流量を適宜調整し、走行に必要な電力を得る。燃料電池システム２０にて生成された電力はパワーコントロールユニット４０を介してモータ５０その他の補機類などに供給される。
図２は燃料電池２３の構成単位である単セル６０の分解斜視図である。単セル６０は、電解質膜６１と、アノード極６２と、カソード極６３と、セパレータ６４，６５から構成されている。アノード極６２及びカソード極６３は電解質膜６１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ６４，６５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極６２及びカソード極６３との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ６４の両面には断面凹状のリブ６４ａ，６４ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ６４ａはアノード極６２に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、燃料ガス流路を形成する。リブ６４ｂは隣接する単セル間で酸化ガス流路を形成する。セパレータ６５の両面には断面凹状のリブ６５ａ，６５ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ６５ａはカソード極６３に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、酸化ガス流路を形成する。リブ６５ｂは隣接する単セル間で燃料ガス流路を形成する。但し、リブ６４ｂ，６５ｂは必ずしも必須ではなく、適宜省略することも可能である。
アノード極６２は多孔質支持層６２ａと水素極触媒層６２ｂから構成されており、カソード極６３は多孔質支持層６３ａと酸素極触媒層６３ｂから構成されている。多孔質支持層６２ａ，６３ａはともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。水素極触媒層６２ｂ及び酸素極触媒層６３ｂは、触媒としての白金、又は白金と他の金属からなる合金が電解質膜６１の表面に塗布されたものである。より具体的には、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜６１上にスクリーン印刷したものである。電解質膜６１は固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。本実施形態では、膜厚２０〜７０μｍのナフィオン膜を使用した。電解質膜６１、アノード極６２、及びカソード極６３によって膜・電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。
図３は燃料電池システムの要部を中心とするシステム構成図である。同図に示すように、改質器２２は、原燃料を気化させるための蒸発部２２ａと、気化した原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部２２ｂと、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ低減部２２ｃとを備えて構成されている。蒸発部２２ａは燃焼ガスと液相の原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置である。蒸発部２２ａ内に配設された冷媒側の原燃料流路には、前述したタンク２１から原燃料が供給される。
原燃料としては、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ5）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ3ＯＣＨ3）、アセトン（ＣＨ3Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ3）などを利用できるが、ここでは、メタノールを利用する場合を例示する。メタノールと水の混合溶液からなる原燃料の比率、つまり、水／メタノールのモル比は１．０〜５．０の範囲が好ましく、１．５〜３．０の範囲がより好ましい。
一方、蒸発部２２ａ内に配設された燃焼側の燃焼ガス流路には、燃料と空気との混合ガスが供給され、当該流路内に配設された電気触媒加熱ヒータの作用によって燃焼する。燃焼ガスは下流方向に移動する過程において、原燃料との間で熱交換を行いつつ、外部に放出される。燃料としては、メタノール、ガソリン、或いは燃料電池２３から排出される水素オフガスなどが好適である。蒸発部２２ａに投入される発熱量は燃料の重量と燃焼用エアコンプレッサ７６の回転数によって制御される。
蒸気化した原燃料ガスは改質部２２ｂに供給され、水蒸気改質と部分酸化改質を併用したオートサーマル方式によって水素リッチな燃料ガスに改質される。改質部２２ｂの内部には、銅−亜鉛系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ系触媒）、銅−亜鉛−クロム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒）、亜鉛−クロム系触媒（Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）などの改質触媒が充填されており、併用改質に適した温度範囲（２００〜６００℃）に保たれている。部分酸化改質に必要な酸素（改質用エア）は改質エア用遮断弁８６の開弁作動により改質部２２ｂ内に導入できる。
改質部２２ｂにおいて生成された水素リッチな燃料ガスはＣＯ低減部２２ｃに供給される。ＣＯ低減部２２ｃには一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアは精製用エア遮断弁８７の開弁作動によりＣＯ低減部２２ｃ内に導入できる。燃料電池２３における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。
次に、燃料電池２３を中心とした配管構成について説明する。燃料電池２３には、燃料ガスをアノード極に導入するための燃料ガス導入管７１と、電池反応に供した水素オフガスを排出するための排気管７２と、燃料電池２３と並列に配管されたバイパス配管７３と、カソード極に酸化ガスを供給するための酸化ガス導入管７４と、電池反応に供した酸素オフガスを排出するための排気管７５とが各々配設され、システムの配管系統を構成している。
本明細書では、燃料電池２３へ供給される燃料ガスの入力経路と、燃料電池２３から排出される水素オフガスの出力経路を総称して第一の配管系統と称する場合がある。本実施形態では、第一の配管系統は燃料ガス導入管７１、排気管７２、及びバイパス配管７３によって構成されている。また、燃料電池２３へ供給される酸化ガスの入力経路と、燃料電池２３から排出される酸素オフガスの出力経路を総称して第二の配管系統と称する場合がある。本実施形態では、第二の配管系統は酸化ガス導入管７４、及び排気管７５によって構成されている。ここで、第一の配管系統、及び第二の配管系統はシステム構成に応じて適宜設計変更することができ、上述の構成に限られるものではない。また、同図には図示してないが、排気管７５の下流には凝縮水回収器が配設されており、電池反応によって生じた生成水を含有する酸素オフガスを凝縮させることで、水を回収し、タンク２１に還流させている。
燃料ガス導入管７１の上流端は改質器２２の燃料ガス放出孔に接続する一方で、その下流端は燃料電池２３内部の燃料ガス流路に接続している。燃料ガス導入管７１の流路上には、上流から下流にかけて改質器圧力調整弁８１と、燃料ガス遮断弁８２とが順次配置されている。改質器圧力調整弁８１は燃料電池２３に供給される燃料ガス流量を調整するためのものであり、燃料ガス導入管７１とバイパス配管７３の合流点より上流側に配設されている。燃料ガス遮断弁８２は燃料ガス導入管７１上に設けられた遮断弁であり、燃料ガス導入管７１とバイパス配管７３の合流点より下流側に配設されている。一方、排気管７２の上流端は燃料電池２３内部の燃料ガス流路に接続しており、その下流はバイパス配管７３に合流している。排気管７２の流路上には、水素オフガスの流量を調整するための水素極圧力調整弁８３が排気管７２とバイパス配管７３の合流点より上流側に配設されている。
バイパス配管７３の流路上には燃料ガス排気弁８４が配設されており、その閉弁作動によってバイパス配管７３を流れる燃料ガスを遮断する。燃料ガス遮断弁８２を閉弁した状態で燃料ガス排気弁８４を開弁すると、燃料ガス導入管７１に導入された燃料ガスは燃料電池２４を迂回して排気管７２を通過し、蒸発部２２ａに還流する。酸化ガス導入管７４の上流端には発電用エアコンプレッサ７７が配設されており、その下流端は燃料電池２３内部の酸化ガス流路に接続している。発電用エアコンプレッサ７７の回転数を調整することで、電源負荷に応じた発電を行うに足りる酸化ガスを燃料電池２３に供給できる。排気管７５の上流端は燃料電池２３内部の酸化ガス流路に接続しており、その下流端は図示しない凝縮水回収器に接続している。排気管７５の流路には、酸素オフガスの流量を調整するための酸素極圧力調整弁８５が配設されている。
上記の構成において、システム起動時の過度状態では、改質器圧力調整弁８１、水素極圧力調整弁８３、及び酸素極圧力調整弁８５の開度を適度に調整しつつ、燃料ガス排気弁８４を開弁する一方で燃料ガス遮断弁８２を閉弁した状態に保持し、システムが十分に暖機するまで待機する。改質器２２で生成された燃料ガスは燃料ガス導入管７１、バイパス配管７３、及び排気管７２を介して蒸発部２２ａへ導入され、原燃料の気化に利用される。システムが十分に暖機するまでは、発熱反応を生じる部分酸化反応をメインにシステム制御するのが望ましい。
システムが十分な温度に昇温し、改質反応が十分な速度で進行できる定常状態に遷移すると、燃料ガス排気弁８４を開弁状態から閉弁状態に切り替える一方で、燃料ガス遮断弁８２を閉弁状態から開弁状態に切り替える。すると、燃料ガス導入管７１を介して燃料電池２３に供給された燃料ガスは電池反応に供された後、水素オフガスとなって排気管７２を介して燃料電池２３から放出される。この水素オフガスは蒸発部２２ａでの燃料ガス生成用の燃料として再利用される。また、酸化ガス導入管７４に導入された酸化ガスは燃料電池２３を経由し、電池反応に供された後、排気管７５を介して燃料電池２３から放出される。
一方、システム停止時には、改質器圧力調整弁８１、燃料ガス遮断弁８２、水素極圧力調整弁８３、燃料ガス排気弁８４、酸素極圧力調整弁８５、改質エア用遮断弁８６、精製用エア遮断弁８７などの各種の弁機構を閉弁することで、システムを気密状態とし、燃料ガスがシステム外に漏出しないよう構成されている。
さらに、燃料電池２３を中心とする各種の配管には、燃料ガスの漏洩検出手段として、複数の圧力センサ９１〜９５が配設されている。圧力センサ９１は改質器２２と改質器圧力調整弁８１との間の配管区間内における燃料ガス導入管７１のガス圧を検出する。圧力センサ９２は燃料電池２３と燃料ガス遮断弁８２との間の配管区間における燃料ガス導入管７１のガス圧を検出する。圧力センサ９３は燃料電池２３と水素極圧力調整弁８３との間の配管区間における排気管７２のガス圧を検出する。圧力センサ９４は燃料電池２３と発電用エアコンプレッサ７７との間の配管区間における酸化ガス導入管７４のガス圧を検出する。圧力センサ９５は燃料電池２３と酸素極圧力調整弁８５との間の配管区間における排気管７５のガス圧を検出する。
燃料電池システム２０を制御する制御部２４は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム（後述する燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを含む）及び各種データを記憶したＲＯＭ２５と、ＲＯＭ２５に書き込まれているプログラムを読み取って適宜これを実行するＣＰＵ２６と、ＣＰＵ２６のワークメモリとして機能するＲＡＭ２７と、上述した圧力センサ９１〜９５からの検出信号を入力するとともに、上述の弁機構の開閉作動や燃焼用エアコンプレッサ７６、及び発電用エアコンプレッサ７７の回転速度を制御するための信号を出力する入出力ポート２８と、圧力センサ９１〜９５によって検出されたガス圧力値を書き込むための記憶手段としてのＥＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）２９と、システム停止時間を計測する時間経過計測手段としてのタイマ３１を備えて構成されている。制御部２４は燃料ガスの漏洩を検出すると、警報手段３２を作動させて、運転手に注意を促す。警報手段３２としては、警報音や音声出力などで聴覚的に注意を促す手段、或いは警告ランプやディスプレイ表示などで視覚的に注意を促す手段などが好適である。
次に、図４を参照して燃料ガスの漏洩検出処理の概要を説明する。同図は、燃料電池２３を中心とした配管系統内の圧力変動特性をグラフに記したものである。何れの圧力センサ９１〜９５においても、同図に示すグラフに類似した圧力変動を示すことが確認されている。同図に示すように、システムが運転している間は、負荷変動に応じて絶えずガス圧が変動している。システムに運転停止指令が入力されると、予め定められた手順で上述の弁機構が閉弁状態に保持され、システムは停止状態に遷移する。すると、配管系統内の残留ガス圧は時間経過とともに次第に降圧する。システムの配管系統、又は燃料電池２３内部の損傷、劣化に起因して燃料ガスが漏洩している異常状態では、残留ガス圧の降圧率は大きくなる。一方、システムの配管系統、又は燃料電池２３内部に損傷などが生じておらず、燃料ガスが漏洩してない正常状態では、残留ガス圧の降圧率は小さくなる。
このような特性を考慮して、ＣＰＵ２６はシステム停止時点の配管系統内のガス圧を予めＥＥＰＲＯＭ２９に記憶しておき、システムが起動するときのガス圧を計測することによって、どれだけガス圧が低下したかを判断することで、ガス漏洩の有無をチェックすることができる。ガス漏洩有無の判断基準として、同図に示すような時間経過とともに降圧率が小さくなる閾値を設定しておく。ＣＰＵ２６はシステム起動時の残留ガスの圧力値が閾値未満であると判断すると、システム異常状態と判断し、システムの起動を制限する。一方、ＣＰＵ２６はシステム起動時の残留ガスの圧力値が閾値以上であると判断すると、システム正常状態と判断し、システムの起動を許可する。ガス漏洩有無の判断基準となる閾値の値はシステムが停止していた時間経過に応じて異なるため、前回のシステム停止時にＥＥＰＲＯＭ２９などにシステム停止時刻を書き込み、次にシステムが起動するときの時刻からシステム停止期間の時間経過を計測するように構成するのが望ましい。
この閾値は、図５に示すように、時間経過に対するマップ値として保持してもよく、さらには、ｅｘｐ（−時間経過／時定数）のように所定の計算式にパラメータ（時間経過）を代入して求めるよう構成してもよい。図５において、「圧力低下率」とは、｛（システム停止から所定時間経過後のガス圧力値）／（システム停止時のガス圧力値）｝×１００［％］を表しており、圧力残存率と称することもできる。圧力低下率は１００％に近い方がガス漏れが少なく、システムが正常状態と判断できるのに対し、圧力低下率が０％に近い方がガス漏れが多く、システムが異常状態と判断できる。閾値を求めるためのこれらのマップ値、或いは計算式は予めＲＯＭ２５に書き込まれている。システム異常判定の精度を高めるには、残留ガスの圧力値に温度補償を施すことも可能である。このように構成する場合、上述の圧力センサ９１〜９５に加えて、配管系統のガス温度を検出する温度センサを適宜配設すればよい。
図６はシステム起動時に実行される燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを記述したフローチャートである。本ルーチンは、システム起動時にＲＯＭ２５から読み出されてＣＰＵ２６によって実行される。まず、ＣＰＵ２６は、改質器２２における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、前回のシステム停止時にＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９１のガス圧力値Ｐ１を読み取り、システム起動時の圧力センサ９１から取得した残留ガスの圧力値Ｐ２と比較して圧力低下率（Ｐ２／Ｐ１）を計算する（ステップＳ１０１）。次いで、ＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた前回のシステム停止時刻Ｔ１を読み取り、タイマ３１の現在時刻Ｔ２と比較して時間経過（Ｔ２−Ｔ１）を求める。時間経過を求めたならば、予め定められた計算式に代入するなどして閾値を求める（ステップＳ１０２）。圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、改質器２２に燃料ガスの漏洩が生じていると判断し（ステップＳ１０４）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知してシステム起動を制限する（ステップＳ１０５）。ここで、本ルーチンは終了となる。予めシステム起動を制限することで、燃料電池システム２０の損焼などを防止できる。
尚、ここでは、システム停止時刻をＥＥＰＲＯＭ２９に書き込むことによって、システム停止期間の時間経過を計測する例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、システム停止中においてもタイマ３１を作動状態に維持し、システム停止期間の時間経過を計測するように構成してもよい。
一方、圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ＣＰＵ２６は、燃料電池２３における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、前回のシステム停止時にＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９２又は９３のガス圧力値Ｐ３を読み取り、システム起動時の圧力センサ９２又は９３から取得した残留ガスの圧力値Ｐ４と比較して水素極側の圧力低下率（Ｐ４／Ｐ３）を計算する（ステップＳ１０６）。次いで、上述した時間経過（Ｔ２−Ｔ１）に対応した閾値を求める（ステップＳ１０７）。水素極側の圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）、燃料電池２３の水素極側から燃料ガスの漏洩が生じている可能性があるため、圧力センサ９４又は９５の検出圧力と大気圧とを比較する（ステップＳ１０９）。後述するように、システム停止時において、酸化ガス導入管７４と排気管７５は管内のガス圧が大気圧とほぼ同じ程度になるよう気密されているため、圧力センサ９４又は９５の検出圧力と大気圧とを比較することで、燃料電池２３の酸素極側のガス漏洩を検出できる。
圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧未満である場合には（ステップＳ１０９；ＮＯ）、水素極側にのみ燃料ガス漏洩が生じていると判断し（ステップＳ１１０）、システム起動を制限する（ステップＳ１１１）。圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧以上である場合には（ステップＳ１０９；ＹＥＳ）、電解質膜６１の損傷又は劣化などの原因により、クロスオーバーが生じていると判断し（ステップＳ１１２）、システム起動を制限する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１の処理後、本ルーチンは終了となる。
一方、燃料電池２３の水素極側における圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ１０８；ＮＯ）、燃料電池２３に燃料ガスの漏洩が生じてないと考えられるため、システム起動が許可されて、通常の運転シーケンスに移行する（ステップＳ１１３）。ＣＰＵ２６は、システム停止指令が入力されたか否かを一定時間毎に監視する（ステップＳ１１４）。システム停止指令が検出できない場合には（ステップＳ１１４；ＮＯ）、ステップＳ１１３〜ステップＳ１１４間でループを形成し、これらのステップを繰り返し実行する。
ＣＰＵ２６は、システム停止指令を検出すると（ステップＳ１１４；ＹＥＳ）、改質器２２側に配設されている改質エア用遮断弁８６及び精製用エア遮断弁８７と、燃料電池２３側に配設されている燃料ガス遮断弁８２及び燃料ガス排気弁８４を閉弁し、さらに、改質器圧力調整弁８１及び水素極圧力調整弁８３の開度を全閉状態に制御する（ステップＳ１１５）。これにより、燃料電池２３の水素極側は与圧された状態に保持される。次いで、発電用エアコンプレッサ７７を停止し、酸素極圧力調整弁８５を全開状態に制御して燃料電池２３の酸素極側を開放する（ステップＳ１１６）。燃料電池２３の酸素極側のガス圧を一定時間毎にチェックし、当該ガス圧が大気圧以上である場合には（ステップＳ１１７；ＮＯ）、当該ガス圧が大気圧と同程度になるまで酸素極圧力調整弁８５を全開状態に保持する（ステップＳ１１７）。燃料電池２３の酸素極側のガス圧が大気圧程度になると（ステップＳ１１７；ＹＥＳ）、ＣＰＵ２６は、酸素極圧力調整弁８５を全閉状態に制御し（ステップＳ１１８）、各々の圧力センサ９１〜９５のガス圧力値とタイマ３１の現在時刻をＥＥＰＲＯＭ２９に書き込み（ステップＳ１１９）、システム停止状態に遷移する（ステップＳ１２０）。ここで、本ルーチンは終了となる。
燃料電池システム２０を燃料電池自動車１０のオンボード発電機として使用する場合、システム運転状態とシステム停止状態とが頻繁に交互に繰り返される特性があるため、燃料ガス漏洩の有無をチェックするためにシステムを長期間停止することは、車両としての用途を考えると、好ましくない。しかし、上述の本実施形態によれば、システム停止期間のガス圧力変動をチェックするだけで、燃料ガス漏洩の有無をチェックできるため、車載用燃料電池システムの燃料ガス漏洩検出に好適である。特に、システム立ち上げ時の初期チェックとして前回停止時からの圧力低下を測定するだけで燃料ガス漏洩検出が可能となるため、システム構成を簡易化することができる。但し、システム停止期間が長い場合には、正常とみなされる僅かなガス漏洩だけでも、圧力が大きく低下してしまうため、燃料ガス漏洩検出が困難となる。このような場合には、システム停止から一定期間は少なくとも制御部２４と圧力センサ９１〜９５を作動させ、燃料ガス漏洩検出処理を行うように構成することも可能である。
図７はシステム停止時に実行される燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを記述したフローチャートである。本ルーチンは、システム停止時にＲＯＭ２５から読み出されてＣＰＵ２６によって実行される。ＣＰＵ２６は、まず、通常の運転シーケンスで動作している（ステップＳ２０１）。システム停止指令を検出すると（ステップＳ２０２；ＹＥＳ）、改質器２２側に配設されている改質エア用遮断弁８６及び精製用エア遮断弁８７と、燃料電池２３側に配設されている燃料ガス遮断弁８２及び燃料ガス排気弁８４を閉弁し、さらに、改質器圧力調整弁８１及び水素極圧力調整弁８３の開度を全閉状態に制御する（ステップＳ２０３）。これにより、燃料電池２３の水素極側は与圧された状態に保持される。次いで、発電用エアコンプレッサ７７を停止し、酸素極圧力調整弁８５を全開状態に制御して燃料電池２３の酸素極側を開放する（ステップＳ２０４）。
燃料電池２３の酸素極側のガス圧を一定時間毎にチェックし、当該ガス圧が大気圧以上である場合には（ステップＳ２０５；ＮＯ）、当該ガス圧が大気圧と同程度になるまで酸素極圧力調整弁８５を全開状態に保持する（ステップＳ２０５）。燃料電池２３の酸素極側のガス圧が大気圧程度になると（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）、ＣＰＵ２６は、酸素極圧力調整弁８５を全閉状態に制御し（ステップＳ２０６）、各々の圧力センサ９１〜９５のガス圧力値Ｐ５をＥＥＰＲＯＭ２９に書き込む（ステップＳ２０７）。ここで、システムの大部分は作動を停止するが、少なくともＣＰＵ２６と圧力センサ９１〜９５は作動状態を一定期間維持する。
ＣＰＵ２６は予め定められた一定時間経過が経過すると（ステップＳ２０８；ＹＥＳ）、改質器２２における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、ステップＳ２０７でＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９１のガス圧力値Ｐ５を読み取り、現在の圧力センサ９１から取得した残留ガスの圧力値Ｐ６と比較して圧力低下率（Ｐ６／Ｐ５）を計算する（ステップＳ２０９）。次いで、予め定められた前記一定期間に対応する閾値を求める（ステップＳ２１０）。圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ２１１；ＹＥＳ）、改質器２２に燃料ガスの漏洩が生じていると判断し（ステップＳ２１２）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する（ステップＳ２１３）。ここで、本ルーチンは終了となる。
一方、圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ２１１；ＮＯ）、ＣＰＵ２６は、燃料電池２３における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、ステップＳ２０７でＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９２又は９３のガス圧力値Ｐ７を読み取り、現在の圧力センサ９２又は９３から取得した残留ガスの圧力値Ｐ８と比較して水素極側の圧力低下率（Ｐ８／Ｐ７）を計算する（ステップＳ２１４）。次いで、予め定められた前記一定期間に対応する閾値を求める（ステップＳ２１５）。燃料電池２３の水素極側における圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ２１６；ＮＯ）、燃料電池２３に燃料ガスの漏洩が生じてないと考えられるため、正常にシステムを停止し（ステップ２１７）、本ルーチンを終了する。
一方、水素極側の圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ２１６；ＹＥＳ）、燃料電池２３の水素極側から燃料ガスの漏洩が生じている可能性があるため、圧力センサ９４又は９５の検出圧力と大気圧とを比較する（ステップＳ２１８）。圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧未満である場合には（ステップＳ２１８；ＮＯ）、水素極側に燃料ガス漏洩が生じていると判断し（ステップＳ２１９）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する（ステップＳ２２０）。ここで、本ルーチンを終了する。
圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧以上である場合には（ステップＳ２１８；ＹＥＳ）、電解質膜６１の損傷又は劣化などの原因により、クロスオーバーが生じていると判断し（ステップＳ２２１）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する（ステップＳ２２０）。ここで、本ルーチンを終了する。
このように、システム停止期間が長い場合は、システム停止から一定期間経過後のガス圧力変動をチェックすることで、より正確に燃料ガス漏洩の有無を判定することが可能となる。また、燃料ガスの漏洩チェックを行ってからシステムを停止するため、燃料ガスの漏洩が検出された場合は、次回のシステム起動を制限することで、システムの安全性を高めることができる。
尚、上記の説明では、ガス漏洩の有無を判断するために圧力低下率を用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、システム停止時における第１及び第２の配管系統のガス圧力値と、システム停止から所定時間経過後の同配管系統におけるガス圧力値とから圧力変動量を求め、この圧力変動量からガス漏洩の有無を判別するように構成することも可能である。「圧力変動量」とは、ガス圧の変動量を定量的に評価する値をいい、例えば、システム停止時における第１及び第２の配管系統のガス圧力値ＰＸと、システム停止から所定時間経過後の同配管系統におけるガス圧力値ＰＹを所定の関数ｆ（ＰＸ，ＰＹ）に代入して得られる値を圧力変動量として用いることができる。
ここで、ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＹ／ＰＸとすれば、上述の圧力低下率となる。関数ｆ（ＰＸ，ＰＹ）の他の具体例としては、例えば、ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝（ＰＸ−ＰＹ）／ＰＸ，ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＸ−ＰＹ，ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＸ／ＰＹ，ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＸ／（ＰＸ−ＰＹ），ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝１／（ＰＸ−ＰＹ）など任意の関数を用いることが可能である。また、ガス漏洩の有無を判断する際に、上述の閾値は必ずしも必須ではなく、関数ｆ（ＰＸ，ＰＹ）の値からガス漏洩の有無を判断してもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、システム起動時に燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。また、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両の主要ブロック図である。
【図２】燃料電池の構成単位である単セルの分解斜視図である。
【図３】燃料電池システムの要部を中心とするシステム構成図である。
【図４】燃料電池を中心とした配管系統内のガス圧力変動特性をグラフである。
【図５】燃料ガス漏洩検出を行うための閾値の時間経過に対応したマップ値である。
【図６】システム起動時に実行する燃料ガス漏洩検出処理のフローチャートである。
【図７】システム停止時に実行する燃料ガス漏洩検出処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池自動車
２０…燃料電池システム
２１…タンク
２２…改質器
２２ａ…蒸発部
２２ｂ…改質部
２２ｃ…ＣＯ低減部
２３…燃料電池
２４…制御部
２５…ＲＯＭ
２６…ＣＰＵ
２７…ＲＡＭ
２８…入出力ポート
２９…ＥＥＰＲＯＭ
３０…二次電池
３１…タイマ
３２…警報手段
４０…パワーコントロールユニット
５０…モータ
６０…単セル
６１…電解質膜
６２…アノード極
６２ａ…多孔質支持層
６２ｂ…水素極触媒層
６３…カソード極
６３ａ…多孔質支持層
６３ｂ…酸素極触媒層
６４，６５…セパレータ
７１…燃料ガス導入管
７２…排気管
７３…バイパス配管
７４…酸化ガス導入管
７５…排気管
８１…改質器圧力調整弁
８２…燃料ガス遮断弁
８３…水素極圧力調整弁
８４…燃料ガス排気弁
８５…酸素極圧力調整弁
９１〜９５…圧力センサ
本発明は燃料電池システムのガス漏洩検出技術に関し、特に、車載用燃料電池システムに好適な燃料ガス漏洩検出技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池は電解質膜を介して対向配置されるアノード極（水素極）と、カソード極（酸素極）からなる単セルを積層したスタック構造を備えている。アノード極には水素を含有する燃料ガスが供給される一方で、カソード極には酸素を含有する酸化ガスが供給され、各々の電極上で生じる電気化学反応によって起電力を得る。経年劣化などによって電解質膜が損傷し、両電極間で燃焼ガスの漏洩透過が生じると、局所的な発熱反応などが生じて燃料電池が損焼する虞がある。改質器においても同様に燃料ガスが漏洩すると触媒で異常燃焼が生じて損焼する虞がある。このため、燃料電池システムを運用するには燃料ガスの漏洩対策が必要となる。燃料ガスの漏洩対策技術として、特開平８−３２９９６５号公報（特許文献１）、及び特開平３−２５０５６４号公報（特許文献２）には、ガス漏洩を検知する圧力検知手段を備えた燃料電池発電システムが開示されている。燃料電池の配管系統のガス圧力変化を検出することで、ガス漏洩を検出することができる。
【特許文献１】
特開平８−３２９９６５号公報
【特許文献２】
特開平３−２５０５６４号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術は、負荷変動の少ないプラント用燃料電池システムを前提としており、負荷変動の大きい車載用燃料電池システムに適用することは困難である。つまり、車載用燃料電池システムをオンボード発電機として運用する場合、走行負荷などに応じて燃料ガスや酸化ガスの流量を適宜調整する必要があるため、燃料電池に供給されるガス圧力は絶えず動的に変動する環境下にある。このような環境下においては、システム運用時に燃料電池内部のガス圧力変動を検出しても、燃料ガスの漏洩を検出することは困難である。
そこで、本発明は燃料電池システムを車両のオンボード発電機として運用する場合に好適な燃料ガス漏洩検出技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、システム停止状態の時間経過を計測する時間経過計測手段と、前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、システム制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶させる一方、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、前記時間経過計測手段が計測した時間経過との関係からガス漏洩の有無を判断する。かかる構成により、システム起動後の第一及び第二の配管系統内のガス圧力値の変動から燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。
好ましくは、前記制御部は、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記制御部は、システム起動時に前記圧力センサが検出するガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。システム起動時点での圧力変動量とガス漏洩の判断基準となる閾値とを比較することで、システム起動を許可しても安全か否かを判断できる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、システム停止時点からの時間経過を計測する時間経過計測手段と、前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、システム制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶し、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断する。かかる構成により、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記制御部は、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記圧力変動量は、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、システム停止から所定時間経過した時点における前記圧力センサが検出するガス圧力値との比である。システム停止時点のガス圧力値と、システム停止から所定時間経過後（例えば、次回のシステム起動時点）のガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
好ましくは、前記制御部は、ガス漏洩が生じていると判断すると、システム再起動を制限する。ガス漏洩が生じていると判断した場合に、システム再起動を制限することで、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記制御部は、システム停止時において、前記第一の配管系統の残留ガス圧が前記第二の配管系統の残留ガス圧よりも高くなるように前記弁機構を制御する。かかる構成により、ガス漏洩が生じている箇所が燃料電池の水素極側のみであるか、或いは水素極側と酸素極側の両方で生じているかを検出することができる。
好ましくは、前記燃料電池システムは、車載搭載用の発電システムである。車載用の発電システムはシステム運転とシステム停止を交互に頻繁に繰り返すため、システム停止期間におけるガス圧力変動を検出することで、ガス漏洩を検出できる。
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料電池システムを車両駆動に供する電力発電源として備える。かかる構成により、信頼性及び安全性に優れた燃料電池自動車を提供できる。
本発明のコンピュータプログラムは、燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止指令が入力された場合に、燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、を実行させる一方、システム停止中にシステム起動指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム起動指令が入力された場合に、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止時間との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、を実行させる。燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに上記のステップを実行させることで、システム起動時に燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、システム停止時間に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点におけるガス圧力値との比である。システム停止時のガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点のガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
本発明のコンピュータシステムは、燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止指令が入力された場合に、燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、予め定められた一定時間経過したか否かを判定するステップと、前記一定時間経過した場合に、前記一定時間経過後の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、を実行させる。燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに上記のステップを実行させることで、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、前記一定時間に達した時点での前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップにおいて、ガス漏洩が生じていると判断すると、前記コンピュータシステムに、システム再起動を制限するステップをさらに実行させる。ガス漏洩が生じていると判断した場合に、システム再起動を制限させるステップをコンピュータシステムに実行させることで、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止から前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比である。システム停止時のガス圧力値と、前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
本発明のプログラムを記録するコンピュータ読取り可能な記録媒体として、例えば、光記録媒体（ＣＤ−ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＰＤディスク、ＭＤディスク、ＭＯディスク等の光学的にデータの読み取りが可能な記録媒体）や、磁気記録媒体（フレキシブルディスク、磁気カード、磁気テープ等の磁気的にデータの読み取りが可能な記録媒体）、或いはメモリ素子（ＤＲＡＭ等の半導体メモリ素子、ＦＲＡＭ等の強誘電体メモリ素子）を備えたメモリカートリッジ等の可搬性記録媒体等が好適である。
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
図１は本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両（燃料電池自動車）の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車１０は、主に、オンボード発電機として機能する燃料電池システム２０と、補助電力源として機能する二次電池３０と、電力変換制御を行うパワーコントロールユニット４０と、パワーコントロールユニット４０を介して燃料電池システム２０又は二次電池３０から供給される電力で駆動輪５１，５２を駆動するモータ５０とを備えて構成されている。燃料電池自動車１０は前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪５３，５４が配置されている。
燃料電池システム２０は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料と水をそれぞれ別途貯蔵するタンク２１と、タンク２１から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器２２と、改質器２２から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池２３と、燃料電池システム２０全体を制御する制御部２４とを備えて構成されている。制御部２４は後述するシステムコントローラ４３と通信を行うことで、燃料電池システム２０に配設されているエアコンプレッサ、ウォータポンプの作動回転数制御、及び電磁弁の開閉制御などを行い、発電量が要求電力を満たすようにシステム制御する。燃料電池システム２０のエア流路には、エアクリーナ５６、及びエアポンプ５５が配設されており、エアクリーナ５６で濾過された発電用エア（酸化ガス）はエアポンプ５５で加圧され、燃料電池２３の酸素極に供給される。
燃料電池２３は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
パワーコントロールユニット４０は、アクセル開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ５０への供給電力量を演算するシステムコントローラ４３と、直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、直流電流を交流電流に変換してモータ５０に供給するインバータ４２とを備えて構成されている。インバータ４２は、パワースイッチ素子を主要回路素子として構成され、直流電流を三相交流に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１及びインバータ４２における電力変換はシステムコントローラ４３によって制御される。
二次電池３０は燃料電池システム２０の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車１０の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池３０の容量は、燃料電池自動車１０の走行条件、走行性能（最高速度、走行距離など）、車重などに応じて適宜設定できる。モータ５０としては三相同期モータが好適である。
上述した構成により、システムコントローラ４３は、車両走行負荷などを基にモータ５０に供給されるべき電力を演算し、燃料電池システム２０にて所望の発電量を得るための必要な指示を制御部２４に与える。制御部２４は、燃料電池２３に供給されるべき燃料ガスと酸化ガスの流量を適宜調整し、走行に必要な電力を得る。燃料電池システム２０にて生成された電力はパワーコントロールユニット４０を介してモータ５０その他の補機類などに供給される。
図２は燃料電池２３の構成単位である単セル６０の分解斜視図である。単セル６０は、電解質膜６１と、アノード極６２と、カソード極６３と、セパレータ６４，６５から構成されている。アノード極６２及びカソード極６３は電解質膜６１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ６４，６５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極６２及びカソード極６３との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ６４の両面には断面凹状のリブ６４ａ，６４ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ６４ａはアノード極６２に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、燃料ガス流路を形成する。リブ６４ｂは隣接する単セル間で酸化ガス流路を形成する。セパレータ６５の両面には断面凹状のリブ６５ａ，６５ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ６５ａはカソード極６３に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、酸化ガス流路を形成する。リブ６５ｂは隣接する単セル間で燃料ガス流路を形成する。但し、リブ６４ｂ，６５ｂは必ずしも必須ではなく、適宜省略することも可能である。
アノード極６２は多孔質支持層６２ａと水素極触媒層６２ｂから構成されており、カソード極６３は多孔質支持層６３ａと酸素極触媒層６３ｂから構成されている。多孔質支持層６２ａ，６３ａはともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。水素極触媒層６２ｂ及び酸素極触媒層６３ｂは、触媒としての白金、又は白金と他の金属からなる合金が電解質膜６１の表面に塗布されたものである。より具体的には、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜６１上にスクリーン印刷したものである。電解質膜６１は固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。本実施形態では、膜厚２０〜７０μｍのナフィオン膜を使用した。電解質膜６１、アノード極６２、及びカソード極６３によって膜・電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。
図３は燃料電池システムの要部を中心とするシステム構成図である。同図に示すように、改質器２２は、原燃料を気化させるための蒸発部２２ａと、気化した原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部２２ｂと、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ低減部２２ｃとを備えて構成されている。蒸発部２２ａは燃焼ガスと液相の原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置である。蒸発部２２ａ内に配設された冷媒側の原燃料流路には、前述したタンク２１から原燃料が供給される。
原燃料としては、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ5）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ3ＯＣＨ3）、アセトン（ＣＨ3Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ3）などを利用できるが、ここでは、メタノールを利用する場合を例示する。メタノールと水の混合溶液からなる原燃料の比率、つまり、水／メタノールのモル比は１．０〜５．０の範囲が好ましく、１．５〜３．０の範囲がより好ましい。
一方、蒸発部２２ａ内に配設された燃焼側の燃焼ガス流路には、燃料と空気との混合ガスが供給され、当該流路内に配設された電気触媒加熱ヒータの作用によって燃焼する。燃焼ガスは下流方向に移動する過程において、原燃料との間で熱交換を行いつつ、外部に放出される。燃料としては、メタノール、ガソリン、或いは燃料電池２３から排出される水素オフガスなどが好適である。蒸発部２２ａに投入される発熱量は燃料の重量と燃焼用エアコンプレッサ７６の回転数によって制御される。
蒸気化した原燃料ガスは改質部２２ｂに供給され、水蒸気改質と部分酸化改質を併用したオートサーマル方式によって水素リッチな燃料ガスに改質される。改質部２２ｂの内部には、銅−亜鉛系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ系触媒）、銅−亜鉛−クロム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒）、亜鉛−クロム系触媒（Ｚｎ−Ｃｒ系触媒）などの改質触媒が充填されており、併用改質に適した温度範囲（２００〜６００℃）に保たれている。部分酸化改質に必要な酸素（改質用エア）は改質エア用遮断弁８６の開弁作動により改質部２２ｂ内に導入できる。
改質部２２ｂにおいて生成された水素リッチな燃料ガスはＣＯ低減部２２ｃに供給される。ＣＯ低減部２２ｃには一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアは精製用エア遮断弁８７の開弁作動によりＣＯ低減部２２ｃ内に導入できる。燃料電池２３における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。
次に、燃料電池２３を中心とした配管構成について説明する。燃料電池２３には、燃料ガスをアノード極に導入するための燃料ガス導入管７１と、電池反応に供した水素オフガスを排出するための排気管７２と、燃料電池２３と並列に配管されたバイパス配管７３と、カソード極に酸化ガスを供給するための酸化ガス導入管７４と、電池反応に供した酸素オフガスを排出するための排気管７５とが各々配設され、システムの配管系統を構成している。
本明細書では、燃料電池２３へ供給される燃料ガスの入力経路と、燃料電池２３から排出される水素オフガスの出力経路を総称して第一の配管系統と称する場合がある。本実施形態では、第一の配管系統は燃料ガス導入管７１、排気管７２、及びバイパス配管７３によって構成されている。また、燃料電池２３へ供給される酸化ガスの入力経路と、燃料電池２３から排出される酸素オフガスの出力経路を総称して第二の配管系統と称する場合がある。本実施形態では、第二の配管系統は酸化ガス導入管７４、及び排気管７５によって構成されている。ここで、第一の配管系統、及び第二の配管系統はシステム構成に応じて適宜設計変更することができ、上述の構成に限られるものではない。また、同図には図示してないが、排気管７５の下流には凝縮水回収器が配設されており、電池反応によって生じた生成水を含有する酸素オフガスを凝縮させることで、水を回収し、タンク２１に還流させている。
燃料ガス導入管７１の上流端は改質器２２の燃料ガス放出孔に接続する一方で、その下流端は燃料電池２３内部の燃料ガス流路に接続している。燃料ガス導入管７１の流路上には、上流から下流にかけて改質器圧力調整弁８１と、燃料ガス遮断弁８２とが順次配置されている。改質器圧力調整弁８１は燃料電池２３に供給される燃料ガス流量を調整するためのものであり、燃料ガス導入管７１とバイパス配管７３の合流点より上流側に配設されている。燃料ガス遮断弁８２は燃料ガス導入管７１上に設けられた遮断弁であり、燃料ガス導入管７１とバイパス配管７３の合流点より下流側に配設されている。一方、排気管７２の上流端は燃料電池２３内部の燃料ガス流路に接続しており、その下流はバイパス配管７３に合流している。排気管７２の流路上には、水素オフガスの流量を調整するための水素極圧力調整弁８３が排気管７２とバイパス配管７３の合流点より上流側に配設されている。
バイパス配管７３の流路上には燃料ガス排気弁８４が配設されており、その閉弁作動によってバイパス配管７３を流れる燃料ガスを遮断する。燃料ガス遮断弁８２を閉弁した状態で燃料ガス排気弁８４を開弁すると、燃料ガス導入管７１に導入された燃料ガスは燃料電池２４を迂回して排気管７２を通過し、蒸発部２２ａに還流する。酸化ガス導入管７４の上流端には発電用エアコンプレッサ７７が配設されており、その下流端は燃料電池２３内部の酸化ガス流路に接続している。発電用エアコンプレッサ７７の回転数を調整することで、電源負荷に応じた発電を行うに足りる酸化ガスを燃料電池２３に供給できる。排気管７５の上流端は燃料電池２３内部の酸化ガス流路に接続しており、その下流端は図示しない凝縮水回収器に接続している。排気管７５の流路には、酸素オフガスの流量を調整するための酸素極圧力調整弁８５が配設されている。
上記の構成において、システム起動時の過度状態では、改質器圧力調整弁８１、水素極圧力調整弁８３、及び酸素極圧力調整弁８５の開度を適度に調整しつつ、燃料ガス排気弁８４を開弁する一方で燃料ガス遮断弁８２を閉弁した状態に保持し、システムが十分に暖機するまで待機する。改質器２２で生成された燃料ガスは燃料ガス導入管７１、バイパス配管７３、及び排気管７２を介して蒸発部２２ａへ導入され、原燃料の気化に利用される。システムが十分に暖機するまでは、発熱反応を生じる部分酸化反応をメインにシステム制御するのが望ましい。
システムが十分な温度に昇温し、改質反応が十分な速度で進行できる定常状態に遷移すると、燃料ガス排気弁８４を開弁状態から閉弁状態に切り替える一方で、燃料ガス遮断弁８２を閉弁状態から開弁状態に切り替える。すると、燃料ガス導入管７１を介して燃料電池２３に供給された燃料ガスは電池反応に供された後、水素オフガスとなって排気管７２を介して燃料電池２３から放出される。この水素オフガスは蒸発部２２ａでの燃料ガス生成用の燃料として再利用される。また、酸化ガス導入管７４に導入された酸化ガスは燃料電池２３を経由し、電池反応に供された後、排気管７５を介して燃料電池２３から放出される。
一方、システム停止時には、改質器圧力調整弁８１、燃料ガス遮断弁８２、水素極圧力調整弁８３、燃料ガス排気弁８４、酸素極圧力調整弁８５、改質エア用遮断弁８６、精製用エア遮断弁８７などの各種の弁機構を閉弁することで、システムを気密状態とし、燃料ガスがシステム外に漏出しないよう構成されている。
さらに、燃料電池２３を中心とする各種の配管には、燃料ガスの漏洩検出手段として、複数の圧力センサ９１〜９５が配設されている。圧力センサ９１は改質器２２と改質器圧力調整弁８１との間の配管区間内における燃料ガス導入管７１のガス圧を検出する。圧力センサ９２は燃料電池２３と燃料ガス遮断弁８２との間の配管区間における燃料ガス導入管７１のガス圧を検出する。圧力センサ９３は燃料電池２３と水素極圧力調整弁８３との間の配管区間における排気管７２のガス圧を検出する。圧力センサ９４は燃料電池２３と発電用エアコンプレッサ７７との間の配管区間における酸化ガス導入管７４のガス圧を検出する。圧力センサ９５は燃料電池２３と酸素極圧力調整弁８５との間の配管区間における排気管７５のガス圧を検出する。
燃料電池システム２０を制御する制御部２４は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム（後述する燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを含む）及び各種データを記憶したＲＯＭ２５と、ＲＯＭ２５に書き込まれているプログラムを読み取って適宜これを実行するＣＰＵ２６と、ＣＰＵ２６のワークメモリとして機能するＲＡＭ２７と、上述した圧力センサ９１〜９５からの検出信号を入力するとともに、上述の弁機構の開閉作動や燃焼用エアコンプレッサ７６、及び発電用エアコンプレッサ７７の回転速度を制御するための信号を出力する入出力ポート２８と、圧力センサ９１〜９５によって検出されたガス圧力値を書き込むための記憶手段としてのＥＥＰＲＯＭ（不揮発性メモリ）２９と、システム停止時間を計測する時間経過計測手段としてのタイマ３１を備えて構成されている。制御部２４は燃料ガスの漏洩を検出すると、警報手段３２を作動させて、運転手に注意を促す。警報手段３２としては、警報音や音声出力などで聴覚的に注意を促す手段、或いは警告ランプやディスプレイ表示などで視覚的に注意を促す手段などが好適である。
次に、図４を参照して燃料ガスの漏洩検出処理の概要を説明する。同図は、燃料電池２３を中心とした配管系統内の圧力変動特性をグラフに記したものである。何れの圧力センサ９１〜９５においても、同図に示すグラフに類似した圧力変動を示すことが確認されている。同図に示すように、システムが運転している間は、負荷変動に応じて絶えずガス圧が変動している。システムに運転停止指令が入力されると、予め定められた手順で上述の弁機構が閉弁状態に保持され、システムは停止状態に遷移する。すると、配管系統内の残留ガス圧は時間経過とともに次第に降圧する。システムの配管系統、又は燃料電池２３内部の損傷、劣化に起因して燃料ガスが漏洩している異常状態では、残留ガス圧の降圧率は大きくなる。一方、システムの配管系統、又は燃料電池２３内部に損傷などが生じておらず、燃料ガスが漏洩してない正常状態では、残留ガス圧の降圧率は小さくなる。
このような特性を考慮して、ＣＰＵ２６はシステム停止時点の配管系統内のガス圧を予めＥＥＰＲＯＭ２９に記憶しておき、システムが起動するときのガス圧を計測することによって、どれだけガス圧が低下したかを判断することで、ガス漏洩の有無をチェックすることができる。ガス漏洩有無の判断基準として、同図に示すような時間経過とともに降圧率が小さくなる閾値を設定しておく。ＣＰＵ２６はシステム起動時の残留ガスの圧力値が閾値未満であると判断すると、システム異常状態と判断し、システムの起動を制限する。一方、ＣＰＵ２６はシステム起動時の残留ガスの圧力値が閾値以上であると判断すると、システム正常状態と判断し、システムの起動を許可する。ガス漏洩有無の判断基準となる閾値の値はシステムが停止していた時間経過に応じて異なるため、前回のシステム停止時にＥＥＰＲＯＭ２９などにシステム停止時刻を書き込み、次にシステムが起動するときの時刻からシステム停止期間の時間経過を計測するように構成するのが望ましい。
この閾値は、図５に示すように、時間経過に対するマップ値として保持してもよく、さらには、ｅｘｐ（−時間経過／時定数）のように所定の計算式にパラメータ（時間経過）を代入して求めるよう構成してもよい。図５において、「圧力低下率」とは、｛（システム停止から所定時間経過後のガス圧力値）／（システム停止時のガス圧力値）｝×１００［％］を表しており、圧力残存率と称することもできる。圧力低下率は１００％に近い方がガス漏れが少なく、システムが正常状態と判断できるのに対し、圧力低下率が０％に近い方がガス漏れが多く、システムが異常状態と判断できる。閾値を求めるためのこれらのマップ値、或いは計算式は予めＲＯＭ２５に書き込まれている。システム異常判定の精度を高めるには、残留ガスの圧力値に温度補償を施すことも可能である。このように構成する場合、上述の圧力センサ９１〜９５に加えて、配管系統のガス温度を検出する温度センサを適宜配設すればよい。
図６はシステム起動時に実行される燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを記述したフローチャートである。本ルーチンは、システム起動時にＲＯＭ２５から読み出されてＣＰＵ２６によって実行される。まず、ＣＰＵ２６は、改質器２２における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、前回のシステム停止時にＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９１のガス圧力値Ｐ１を読み取り、システム起動時の圧力センサ９１から取得した残留ガスの圧力値Ｐ２と比較して圧力低下率（Ｐ２／Ｐ１）を計算する（ステップＳ１０１）。次いで、ＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた前回のシステム停止時刻Ｔ１を読み取り、タイマ３１の現在時刻Ｔ２と比較して時間経過（Ｔ２−Ｔ１）を求める。時間経過を求めたならば、予め定められた計算式に代入するなどして閾値を求める（ステップＳ１０２）。圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、改質器２２に燃料ガスの漏洩が生じていると判断し（ステップＳ１０４）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知してシステム起動を制限する（ステップＳ１０５）。ここで、本ルーチンは終了となる。予めシステム起動を制限することで、燃料電池システム２０の損焼などを防止できる。
尚、ここでは、システム停止時刻をＥＥＰＲＯＭ２９に書き込むことによって、システム停止期間の時間経過を計測する例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、システム停止中においてもタイマ３１を作動状態に維持し、システム停止期間の時間経過を計測するように構成してもよい。
一方、圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ＣＰＵ２６は、燃料電池２３における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、前回のシステム停止時にＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９２又は９３のガス圧力値Ｐ３を読み取り、システム起動時の圧力センサ９２又は９３から取得した残留ガスの圧力値Ｐ４と比較して水素極側の圧力低下率（Ｐ４／Ｐ３）を計算する（ステップＳ１０６）。次いで、上述した時間経過（Ｔ２−Ｔ１）に対応した閾値を求める（ステップＳ１０７）。水素極側の圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）、燃料電池２３の水素極側から燃料ガスの漏洩が生じている可能性があるため、圧力センサ９４又は９５の検出圧力と大気圧とを比較する（ステップＳ１０９）。後述するように、システム停止時において、酸化ガス導入管７４と排気管７５は管内のガス圧が大気圧とほぼ同じ程度になるよう気密されているため、圧力センサ９４又は９５の検出圧力と大気圧とを比較することで、燃料電池２３の酸素極側のガス漏洩を検出できる。
圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧未満である場合には（ステップＳ１０９；ＮＯ）、水素極側にのみ燃料ガス漏洩が生じていると判断し（ステップＳ１１０）、システム起動を制限する（ステップＳ１１１）。圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧以上である場合には（ステップＳ１０９；ＹＥＳ）、電解質膜６１の損傷又は劣化などの原因により、クロスオーバーが生じていると判断し（ステップＳ１１２）、システム起動を制限する（ステップＳ１１１）。ステップＳ１１１の処理後、本ルーチンは終了となる。
一方、燃料電池２３の水素極側における圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ１０８；ＮＯ）、燃料電池２３に燃料ガスの漏洩が生じてないと考えられるため、システム起動が許可されて、通常の運転シーケンスに移行する（ステップＳ１１３）。ＣＰＵ２６は、システム停止指令が入力されたか否かを一定時間毎に監視する（ステップＳ１１４）。システム停止指令が検出できない場合には（ステップＳ１１４；ＮＯ）、ステップＳ１１３〜ステップＳ１１４間でループを形成し、これらのステップを繰り返し実行する。
ＣＰＵ２６は、システム停止指令を検出すると（ステップＳ１１４；ＹＥＳ）、改質器２２側に配設されている改質エア用遮断弁８６及び精製用エア遮断弁８７と、燃料電池２３側に配設されている燃料ガス遮断弁８２及び燃料ガス排気弁８４を閉弁し、さらに、改質器圧力調整弁８１及び水素極圧力調整弁８３の開度を全閉状態に制御する（ステップＳ１１５）。これにより、燃料電池２３の水素極側は与圧された状態に保持される。次いで、発電用エアコンプレッサ７７を停止し、酸素極圧力調整弁８５を全開状態に制御して燃料電池２３の酸素極側を開放する（ステップＳ１１６）。燃料電池２３の酸素極側のガス圧を一定時間毎にチェックし、当該ガス圧が大気圧以上である場合には（ステップＳ１１７；ＮＯ）、当該ガス圧が大気圧と同程度になるまで酸素極圧力調整弁８５を全開状態に保持する（ステップＳ１１７）。燃料電池２３の酸素極側のガス圧が大気圧程度になると（ステップＳ１１７；ＹＥＳ）、ＣＰＵ２６は、酸素極圧力調整弁８５を全閉状態に制御し（ステップＳ１１８）、各々の圧力センサ９１〜９５のガス圧力値とタイマ３１の現在時刻をＥＥＰＲＯＭ２９に書き込み（ステップＳ１１９）、システム停止状態に遷移する（ステップＳ１２０）。ここで、本ルーチンは終了となる。
燃料電池システム２０を燃料電池自動車１０のオンボード発電機として使用する場合、システム運転状態とシステム停止状態とが頻繁に交互に繰り返される特性があるため、燃料ガス漏洩の有無をチェックするためにシステムを長期間停止することは、車両としての用途を考えると、好ましくない。しかし、上述の本実施形態によれば、システム停止期間のガス圧力変動をチェックするだけで、燃料ガス漏洩の有無をチェックできるため、車載用燃料電池システムの燃料ガス漏洩検出に好適である。特に、システム立ち上げ時の初期チェックとして前回停止時からの圧力低下を測定するだけで燃料ガス漏洩検出が可能となるため、システム構成を簡易化することができる。但し、システム停止期間が長い場合には、正常とみなされる僅かなガス漏洩だけでも、圧力が大きく低下してしまうため、燃料ガス漏洩検出が困難となる。このような場合には、システム停止から一定期間は少なくとも制御部２４と圧力センサ９１〜９５を作動させ、燃料ガス漏洩検出処理を行うように構成することも可能である。
図７はシステム停止時に実行される燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを記述したフローチャートである。本ルーチンは、システム停止時にＲＯＭ２５から読み出されてＣＰＵ２６によって実行される。ＣＰＵ２６は、まず、通常の運転シーケンスで動作している（ステップＳ２０１）。システム停止指令を検出すると（ステップＳ２０２；ＹＥＳ）、改質器２２側に配設されている改質エア用遮断弁８６及び精製用エア遮断弁８７と、燃料電池２３側に配設されている燃料ガス遮断弁８２及び燃料ガス排気弁８４を閉弁し、さらに、改質器圧力調整弁８１及び水素極圧力調整弁８３の開度を全閉状態に制御する（ステップＳ２０３）。これにより、燃料電池２３の水素極側は与圧された状態に保持される。次いで、発電用エアコンプレッサ７７を停止し、酸素極圧力調整弁８５を全開状態に制御して燃料電池２３の酸素極側を開放する（ステップＳ２０４）。
燃料電池２３の酸素極側のガス圧を一定時間毎にチェックし、当該ガス圧が大気圧以上である場合には（ステップＳ２０５；ＮＯ）、当該ガス圧が大気圧と同程度になるまで酸素極圧力調整弁８５を全開状態に保持する（ステップＳ２０５）。燃料電池２３の酸素極側のガス圧が大気圧程度になると（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）、ＣＰＵ２６は、酸素極圧力調整弁８５を全閉状態に制御し（ステップＳ２０６）、各々の圧力センサ９１〜９５のガス圧力値Ｐ５をＥＥＰＲＯＭ２９に書き込む（ステップＳ２０７）。ここで、システムの大部分は作動を停止するが、少なくともＣＰＵ２６と圧力センサ９１〜９５は作動状態を一定期間維持する。
ＣＰＵ２６は予め定められた一定時間経過が経過すると（ステップＳ２０８；ＹＥＳ）、改質器２２における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、ステップＳ２０７でＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９１のガス圧力値Ｐ５を読み取り、現在の圧力センサ９１から取得した残留ガスの圧力値Ｐ６と比較して圧力低下率（Ｐ６／Ｐ５）を計算する（ステップＳ２０９）。次いで、予め定められた前記一定期間に対応する閾値を求める（ステップＳ２１０）。圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ２１１；ＹＥＳ）、改質器２２に燃料ガスの漏洩が生じていると判断し（ステップＳ２１２）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する（ステップＳ２１３）。ここで、本ルーチンは終了となる。
一方、圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ２１１；ＮＯ）、ＣＰＵ２６は、燃料電池２３における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、ステップＳ２０７でＥＥＰＲＯＭ２９に書き込まれた圧力センサ９２又は９３のガス圧力値Ｐ７を読み取り、現在の圧力センサ９２又は９３から取得した残留ガスの圧力値Ｐ８と比較して水素極側の圧力低下率（Ｐ８／Ｐ７）を計算する（ステップＳ２１４）。次いで、予め定められた前記一定期間に対応する閾値を求める（ステップＳ２１５）。燃料電池２３の水素極側における圧力低下率が閾値以上である場合には（ステップＳ２１６；ＮＯ）、燃料電池２３に燃料ガスの漏洩が生じてないと考えられるため、正常にシステムを停止し（ステップ２１７）、本ルーチンを終了する。
一方、水素極側の圧力低下率が閾値未満である場合には（ステップＳ２１６；ＹＥＳ）、燃料電池２３の水素極側から燃料ガスの漏洩が生じている可能性があるため、圧力センサ９４又は９５の検出圧力と大気圧とを比較する（ステップＳ２１８）。圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧未満である場合には（ステップＳ２１８；ＮＯ）、水素極側に燃料ガス漏洩が生じていると判断し（ステップＳ２１９）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する（ステップＳ２２０）。ここで、本ルーチンを終了する。
圧力センサ９４又は９５の検出圧力が大気圧以上である場合には（ステップＳ２１８；ＹＥＳ）、電解質膜６１の損傷又は劣化などの原因により、クロスオーバーが生じていると判断し（ステップＳ２２１）、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する（ステップＳ２２０）。ここで、本ルーチンを終了する。
このように、システム停止期間が長い場合は、システム停止から一定期間経過後のガス圧力変動をチェックすることで、より正確に燃料ガス漏洩の有無を判定することが可能となる。また、燃料ガスの漏洩チェックを行ってからシステムを停止するため、燃料ガスの漏洩が検出された場合は、次回のシステム起動を制限することで、システムの安全性を高めることができる。
尚、上記の説明では、ガス漏洩の有無を判断するために圧力低下率を用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、システム停止時における第１及び第２の配管系統のガス圧力値と、システム停止から所定時間経過後の同配管系統におけるガス圧力値とから圧力変動量を求め、この圧力変動量からガス漏洩の有無を判別するように構成することも可能である。「圧力変動量」とは、ガス圧の変動量を定量的に評価する値をいい、例えば、システム停止時における第１及び第２の配管系統のガス圧力値ＰＸと、システム停止から所定時間経過後の同配管系統におけるガス圧力値ＰＹを所定の関数ｆ（ＰＸ，ＰＹ）に代入して得られる値を圧力変動量として用いることができる。
ここで、ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＹ／ＰＸとすれば、上述の圧力低下率となる。関数ｆ（ＰＸ，ＰＹ）の他の具体例としては、例えば、ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝（ＰＸ−ＰＹ）／ＰＸ，ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＸ−ＰＹ，ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＸ／ＰＹ，ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝ＰＸ／（ＰＸ−ＰＹ），ｆ（ＰＸ，ＰＹ）＝１／（ＰＸ−ＰＹ）など任意の関数を用いることが可能である。また、ガス漏洩の有無を判断する際に、上述の閾値は必ずしも必須ではなく、関数ｆ（ＰＸ，ＰＹ）の値からガス漏洩の有無を判断してもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、システム起動時に燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。また、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両の主要ブロック図である。
【図２】燃料電池の構成単位である単セルの分解斜視図である。
【図３】燃料電池システムの要部を中心とするシステム構成図である。
【図４】燃料電池を中心とした配管系統内のガス圧力変動特性をグラフである。
【図５】燃料ガス漏洩検出を行うための閾値の時間経過に対応したマップ値である。
【図６】システム起動時に実行する燃料ガス漏洩検出処理のフローチャートである。
【図７】システム停止時に実行する燃料ガス漏洩検出処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池自動車
２０…燃料電池システム
２１…タンク
２２…改質器
２２ａ…蒸発部
２２ｂ…改質部
２２ｃ…ＣＯ低減部
２３…燃料電池
２４…制御部
２５…ＲＯＭ
２６…ＣＰＵ
２７…ＲＡＭ
２８…入出力ポート
２９…ＥＥＰＲＯＭ
３０…二次電池
３１…タイマ
３２…警報手段
４０…パワーコントロールユニット
５０…モータ
６０…単セル
６１…電解質膜
６２…アノード極
６２ａ…多孔質支持層
６２ｂ…水素極触媒層
６３…カソード極
６３ａ…多孔質支持層
６３ｂ…酸素極触媒層
６４，６５…セパレータ
７１…燃料ガス導入管
７２…排気管
７３…バイパス配管
７４…酸化ガス導入管
７５…排気管
８１…改質器圧力調整弁
８２…燃料ガス遮断弁
８３…水素極圧力調整弁
８４…燃料ガス排気弁
８５…酸素極圧力調整弁
９１〜９５…圧力センサ
Claims (18)
- 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、
システム停止状態の時間経過を計測する時間経過計測手段と、
前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、
システム制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶させる一方、
システム停止から経過した時間であって次回のシステム起動時までを上限とする所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、前記時間経過計測手段が計測した時間経過との関係からガス漏洩の有無を判断する、燃料電池システム。 - 前記制御部は、システム停止から経過した時間であって次回のシステム起動時までを上限とする所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、システム起動時に前記圧力センサが検出するガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、
システム停止中において、システム停止時点からの時間経過を計測する時間経過計測手段と、
前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、
システム制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶し、
前記時間経過計測手段が計測したシステム停止中における時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断する、燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記時間経過計測手段が計測したシステム停止中における時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する、請求項４に記載の燃料電池システム。
- 前記圧力変動量は、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、システム停止から経過した時間であって次回のシステム起動時までを上限とする所定時間経過した時点における前記圧力センサが検出するガス圧力値との比である、請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、ガス漏洩が生じていると判断すると、システム再起動を制限する、請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、システム停止時において、前記第一の配管系統の残留ガス圧が前記第二の配管系統の残留ガス圧よりも高くなるように前記弁機構を制御する、請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池システムは車載搭載用の発電システムである、請求項１乃至請求項８のうち何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 請求項１乃至請求項９のうち何れか１項に記載の燃料電池システムを車両駆動に供する電力発電源として備える、燃料電池自動車。
- 燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、
システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム停止指令が入力された場合に、
燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、を実行させる一方、
システム停止中にシステム起動指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム起動指令が入力された場合に、
システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止時間との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 - 前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、システム停止時間に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである、請求項１１に記載のコンピュータプログラム。
- 前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点におけるガス圧力値との比である、請求項１１又は請求項１２に記載のコンピュータプログラム。
- 燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、
システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム停止指令が入力された場合に、
燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、
システム停止中において、システム停止時点から予め定められた一定時間経過したか否かを判定するステップと、
前記一定時間経過した場合に、
前記一定時間経過後の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 - 前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、前記一定時間に達した時点での前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである、請求項１４に記載のコンピュータプログラム。
- 前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止から前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比である、請求項１４又は請求項１５に記載のコンピュータプログラム。
- 前記ガス漏洩の有無を判断するステップにおいて、ガス漏洩が生じていると判断すると、前記コンピュータシステムに、システム再起動を制限するステップをさらに実行させる、請求項１１乃至請求項１６のうち何れか１項に記載のコンピュータプログラム。
- 請求項１１乃至請求項１７のうち何れか１項に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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