JP4662313B2 - ガス漏れ検出装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に水素タンクの元弁からのガス漏れを検出する技術に関する。

従来の燃料電池システムのために、燃料ガスである水素ガスの漏洩を検出する技術が開発されていた。例えば、特開２００２−１５１１２６号公報では、水素タンクの圧力を検出して水素ガスの使用量を検出する一方、過去の走行履歴から現在の水素ガスの使用量を推定し、検出された水素ガスの使用量と推定された水素ガスの使用量に基づいてガス漏れを検出している。

また特開２００３−３０８８６８号公報には、遮断弁を閉弁後に圧力センサからの圧力情報と経過時間とに基づいて圧力低下率を算出し、圧力低下率が所定のしきい値より小さいにときに遮断弁が故障状態であると判断する発明が開示されている。

特開２００２−１５１１２６号公報 特開２００３−３０８８６８号公報

しかしならが、圧力センサには測定可能な圧力レンジがあり、一般に高い圧力レンジで利用可能な圧力センサは測定できる圧力範囲が広い一方で、その測定精度は低い。逆に比較的低い圧力レンジで利用可能な圧力センサは測定できる圧力範囲が狭いものの、その測定精度は相対的に高くなる。

したがって、このような特性を有する圧力検出手段の状況を踏まえずに圧力検出を行っても精度の高いガス漏れ判定ができないことになる。このような点について、上記従来技術は考慮されていない。

そこで本発明は、水素供給源の元弁からのガス漏れを、燃料ガス供給路の圧力状況に応じて高精度に検出可能なガス漏れ検出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、本発明のガス漏れ検出装置は、燃料ガス供給源に元弁を備える燃料電池システムのガス漏れ検出装置であって、元弁の下流の燃料ガス供給路に設けられる遮断弁と、元弁と遮断弁との間において燃料ガス供給路の圧力を監視するための、圧力レンジの異なる複数の圧力監視装置と、燃料ガス供給路内を減圧処理する減圧処理装置と、元弁と遮断弁とが閉鎖された後に元弁と遮断弁との間に形成される燃料ガス供給路の封止空間の圧力変化を監視して封止空間の圧力変化に基づいて元弁の動作状態を判定する判定装置と、を備える。そして、減圧処理では、複数の圧力監視装置における圧力監視が可能な圧力レンジに入るまで燃料ガス供給路が減圧されることを特徴とする。

また本発明のガス漏れ検出装置は、燃料ガス供給源と、燃料ガス供給源からの燃料ガスを遮断する元弁と、元弁の下流の燃料ガス供給路に設けられる遮断弁と、

元弁と遮断弁との間において燃料ガス供給路の圧力を監視するための、圧力レンジの異なる複数の圧力監視手段と、燃料ガス供給路内を減圧処理する減圧処理手段と、元弁と遮断弁とが閉鎖された後に元弁と遮断弁との間に形成される燃料ガス供給路の封止空間の圧力変化を監視して当封止空間の圧力変化に基づいて元弁の動作状態を判定する判定手段と、を備える。そして、減圧処理では、複数の圧力監視手段における圧力監視が可能な圧力レンジに燃料ガス供給路内の圧力が減圧されることを特徴とする。

さらに本発明のガス漏れ検出方法は、燃料ガス供給源に元弁を備える燃料電池システムのガス漏れ検出方法であって、燃料ガス供給路の下流側を減圧処理しながら元弁を閉鎖処理するステップと、下流側を減圧処理しながら燃料ガス供給路に設けられた遮断弁を閉鎖処理するステップと、元弁と遮断弁とが閉鎖処理された後に、元弁と遮断弁との間に形成される燃料ガス供給路の封止空間の圧力変化を監視するステップと、封止空間の圧力変化に基づいて元弁の動作状態を判定するステップと、を備える。そして、燃料ガス供給路に圧力レンジの異なる複数の圧力センサが設けられている。圧力変化を監視するステップでは、封止空間における圧力に応じて、いずれか一の圧力センサが圧力検出のために選択される。遮断弁を閉鎖処理するステップでは、封止空間における圧力を検出する圧力センサにおける圧力検出が可能な圧力レンジにまで封止空間の圧力が減圧された場合に遮断弁が遮断される。

本発明によれば、閉じられた元弁の下流側が減圧処理されるため、元弁の上流側と下流側とには差圧が生じる。もしも元弁に欠陥、例えば弁の開閉異常やシールが不完全になっている等の欠陥が生じているとその差圧によって元弁から燃料ガスが漏れ出る。この減圧された元弁の下流側は遮断弁を閉じることによって封止空間となっているので、元弁から燃料ガスが漏れ出ていれば当該封止空間の圧力が変化するはずである。この圧力変化を監視することにより元弁のシール状態を監視することが可能である。

特に本発明によれば、減圧処理において、圧力監視装置や圧力センサにおける圧力監視が可能な圧力レンジにまで燃料ガス供給路内の圧力が減圧されるので、圧力の検出に適する圧力条件が認識されており、圧力検出手段の特性に応じた環境設定が可能となる。特に、圧力監視装置や圧力センサにおける圧力レンジが、比較的低い圧力レンジで測定可能なものであれば、精度の高い圧力検出が可能となり、元弁や遮断弁のように微量のガス漏れを正しく検出可能である。

なお、元弁や遮断弁の閉弁時には、下流側で減圧処理されていることが好ましいが、減圧処理と元弁や遮断弁の閉鎖処理とはどちらが先でもまたは同時でもよい。

「元弁」は、水素供給源（高圧タンク等）の燃料ガス出入口部またはその近傍のガス供給路に設けられた（タンク）開閉弁または遮断弁ともいう。

ここで「燃料ガス供給源」には、限定はなく、高圧水素タンク、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、液化燃料タンク等、種々のものが挙げられる。

「減圧処理」は供給路の燃料ガス圧力を減じることができる処理の総てを意味し、例えば、燃料電池を稼働させて燃料ガスを消費する処理、パージ弁を備えていればそれを開弁して圧力を抜く処理、リリーフ弁を備えていればそれを開弁する処理等をいう。

「圧力監視装置」は、圧力センサのような圧力検出手段そのものを含むが、圧力検出手段からの情報に基づいて圧力変化の推移をモニターする制御装置までも含めた概念である。

さらに、燃料ガス供給路に圧力レンジの異なる複数の圧力監視装置が設けられており、燃料ガス供給路の減圧された圧力の大きさに応じていずれか一の圧力監視装置が圧力監視をするために選択されるようにしてもよい。高圧用、低圧用等、圧力レンジに対応して圧力監視装置が設けられている場合に、減圧後のガス供給路内の圧力に対応してその圧力において精度の良い検出ができる圧力監視装置を選択するので、漏れ判定制度を向上させることができる。

本発明では、例えば、封止空間の圧力変化が、所定量以上圧力が上昇するものであった場合に元弁の異常と判定することができる。高圧の燃料ガス供給源から元弁を通して燃料ガスが漏れ出ていれば封止空間の圧力が上昇するはずだからである。

また例えば、封止空間の圧力変化量が、所定量以上圧力が下降するものであった場合に燃料ガス供給路からのガス漏れであると判定する。例えばガス配管における穴あき等の亀裂によるガス漏れであると判定することができる。元弁の閉鎖が完全であった場合にもしも供給路にガス漏れが生じてれば当該供給路の圧力は下がる。また、元弁から若干のガス漏れがあったとしても当該封止空間を形成している供給路に元弁からのガス流入を超える量のガス漏れが生じていればその圧力は下がるはずだからである。

本発明では、燃料ガス供給路を流通する燃料ガスを回収する回収タンクと、減圧処理時に回収タンクに燃料ガスを回収する駆動手段とを備えている。上記構成によれば、供給路に残留している燃料ガスを駆動手段によって回収タンクに回収して貯留することができ、次の始動時に当該回収タンクに貯留されていた燃料ガスを燃料電池に供給することが可能である。

ここで「駆動手段」とは、強制的に燃料ガスを回収する構成物をいい、ポンプやコンプレッサ、タービンのようなものを含む。

また遮断弁および元弁は、当該遮断弁の下流における減圧処理の継続中に閉鎖されることが好ましい。遮断弁や元弁は例えばパイロット式ソレノイドバルブを構成していることがあり、このような構成のバルブは下流側の圧力を減じながら遮断処理することでシールが確実に行えるからである。

本実施形態１に係る燃料電池システムのブロック。 本実施形態１に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート（その１）。 本実施形態１に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート（その２）。 本実施形態１に係る始動時の動作フローチャート。 本実施形態２に係る燃料電池システムのブロック。 本実施形態２に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態２に係る始動時の動作フローチャート。 本発明における機能ブロック図。

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。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。

（実施形態１）
実施形態１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検出装置を適用したものである。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に燃料ガスである水素ガスを供給するための系統と、酸素源である空気を供給するための系統と、燃料電池スタック１０を冷却するための系統と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上に設けてあり、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。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極（カソード）である燃料極側には燃料ガスである水素ガスが供給され、陽極（アノード）である空気極側には酸素を含んだガス（空気）が供給され、燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）

燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための系統は、本発明の水素ガス供給源に相当する水素タンク１１、元弁（遮断弁）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及び気液分離器用遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、循環路遮断弁ＳＶ６、回収タンク１５、及び循環路遮断弁ＳＶ７を備えている。水素ガスは、元弁ＳＶ１から燃料電池スタック１０に至る水素ガス供給路によって供給される他、当該供給路と一部重なる調圧弁ＲＧ、遮断弁ＳＶ２、ＳＶ３、気液分離器１２、水素ポンプ１３、遮断弁ＳＶ６、回収タンク１５、及び循環遮断弁ＳＶ７を循環する循環経路Ｒによっても供給される。

水素タンク１１には高圧の水素ガスが充填されている。水素タンクとしては高圧水素タンクの他に、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、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。水素タンク１１の供給口には本発明に係る元弁ＳＶ１が設けられている。元弁ＳＶ１は制御部２０の制御信号によって開閉が制御され、水素ガスを供給路に供給するかまたは遮断するかが選択される。調圧弁ＲＧの調整量は、空気極側のコンプレッサ２２の運転状態によって定まるようになっている。すなわち制御部２０によるコンプレッサ２２の駆動、遮断弁ＳＶ８及びＳＶ９に対する操作により循環経路Ｒの圧力が調整される。例えば、遮断弁ＳＶ８を開くことによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を上昇させ循環経路Ｒへの供給圧力を上昇させ、遮断弁ＳＶ９を開くことによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を下降させ循環経路Ｒへの供給圧力を下降させる。

燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、燃料電池の発電停止時等、本発明のガス漏れ検出実施の際に制御部２０の制御信号に基づいて閉鎖される。元弁ＳＶ１及び遮断弁ＳＶ２が閉鎖された場合の元弁ＳＶ１―遮断弁ＳＶ２間に形成される封止空間の圧力変化は、本発明の圧力監視装置の一部となる圧力センサｐ１または圧力センサｐ２で検出されるようになっている。燃料電池出口遮断弁ＳＶ３も燃料電池の発電停止時に閉鎖される。

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ものである。水素ポンプ１３は、制御部２０の制御信号に基づいて、水素ガスの循環経路Ｒ中に水素ガスを強制循環させる。特に、水素ポンプ１３は発電停止時にも水素ガスを強制的に送り出し、回収タンク１５内に蓄積させるように動作する。パージ遮断弁ＳＶ５は、循環経路Ｒに接続されパージ時に開放される他、発電停止時に開放され循環経路Ｒ内の圧力を下げるようになっている。パージ遮断弁ＳＶ５から排出された水素オフガスは希釈器１４に供給され、空気オフガスによって希釈されるようになっている。燃料電池スタック１０、回収タンク１５、およびパージ遮断弁ＳＶ５等のうち１以上の協働動作が、遮断弁や元弁の下流の圧力を下降させる減圧処理手段に相当している。

回収タンク１５は循環経路Ｒ内に滞留している水素を貯留可能な容積を備え、発電停止時には水素ポンプ１３の駆動に循環経路Ｒ中に滞留している水素ガスを集中して貯留するようになっている。遮断弁ＳＶ６は通常運転時には開放されているが、発電停止シーケンスにおいて回収タンク１５に水素ガスが貯留された後は制御部２０の制御信号によって遮断されるようになっている。また始動時に回収タンク１５内の水素ガスが消費されるまでの間も閉鎖されるようになっている。圧力センサｐ３は遮断弁ＳＶ６が閉鎖された後の回収タンク１５の圧力を検出可能になっている。循環遮断弁ＳＶ７は、発電停止時に遮断されるが、始動時に回収タンク１５に貯留されている水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する場合や通常運転時には開放されるようになっている。

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の制御信号に基づいて圧縮することによって燃料電池スタック１０に供給され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は圧縮された空気と空気オフガスと間で水分の交換を行って適度な湿度を加える。コンプレッサ２２により圧縮された空気の一部は燃料系の調圧弁制御のために供給され、遮断弁ＳＶ８−ＳＶ９間の区間の空気圧が調圧弁ＲＧのダイアフラムに印加されるようになっている。燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスは希釈器１４に供給され、水素オフガスを希釈するようになっている。

燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ３１、ファン３２、及び冷却ポンプ３３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（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が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検出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２〜４）によって、制御部２０は、元弁ＳＶ１を閉鎖し、元弁ＳＶ１の下流の燃料ガス供給路内を減圧処理し、燃料ガス供給路の下流に設けられた燃料電池入口遮断弁ＳＶ２を閉鎖して元弁と当該遮断弁との間に封止空間を形成し、封止空間の圧力変化を監視して当該封止空間の圧力変化に基づいて元弁ＳＶ１が閉鎖されているか否かを判定するものである。

なお、上記各遮断弁の構造には限定はないが、例えばパイロット式ソレノイドを利用した遮断弁を利用するものとする。このタイプの弁では本発明を実施した際に締結力が高まることが期待できるからである。すなわち、水素タンクを高圧化するとバルブ自体の締結力も高くなるため開弁時の力も大きくなる。この開弁時に消費される電力を小さくするためには本実施形態のように、パイロット式ソレノイドを利用することが好ましい。このタイプのバルブでは、閉鎖時にはソレノイドへの電流供給が停止され残留磁束とスプリングの力のバランスによって定まる速度で閉弁する。このとき弁体のシールの強さはスプリングの付勢力に依存するが、もしここでバルブ下流の圧力が小さければ、弁体にこのバルブ前後の差圧分だけ力が強く加わりシールの確実性が向上する。この点、本実施形態で遮断弁（元弁）を閉弁する場合には下流側の減圧処理を開始してから閉弁の制御信号を供給している。このため、本実施形態のように遮断弁の下流を減圧しながら閉弁することが、高いシール性を確保する上で好ましいのである。

次に、本実施形態１における動作を図２〜４のフローチャートを参照しながら説明する。当該フローチャートは電源が投入されている間、適当なインターバルで繰り返し実行されるものである。

図８に本発明で実現される機能ブロック図を示す。図８における各機能は、上記フローチャートに基づいて制御部２０が制御することによって実現されるものである。すなわち、本発明は、燃料ガス供給源１（水素タンク１１に相当）からの燃料ガスを遮断する元弁２（ＳＶ１に相当）と、元弁２の下流の燃料ガス供給路３に設けられる遮断弁４（ＳＶ２やＳＶ３に相当）と、元弁２と遮断弁４との間において燃料ガス供給路３の圧力を監視する圧力監視手段５（圧力センサｐ１、ｐ２と制御部２０に相当）と、燃料ガス供給路３内を減圧処理する減圧処理手段６（燃料電池スタック１０、回収タンク１５、およびパージ遮断弁ＳＶ５等に相当）と、元弁２と遮断弁４とが閉鎖された後に元弁２と遮断弁４との間に形成される燃料ガス供給路３の封止空間７の圧力変化を監視して封止空間７の圧力変化に基づいて元弁２の動作状態を判定する判定手段８（制御部２０に相当）とを備える。そして、減圧処理では、圧力監視装置５における圧力監視が可能な圧力レンジに燃料ガス供給路３内の圧力が減圧されるものである。

以下、本実施形態１の構成に従った動作を具体的に説明する。
通常運転時（燃料電池の発電時）、当該燃料電池システムでは、元弁ＳＶ１を開放し水素ガスを水素ガス供給路に供給する他、遮断弁ＳＶ８及びＳＶ９の開閉により調圧弁ＲＧのダイアフラムにかかる空気圧が調整され、循環経路Ｒ内の水素ガスの圧力が所望の燃料ガス圧力に制御される。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２及び出口遮断弁ＳＶ３、遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７が開放され、水素ガスが循環経路Ｒ内を循環しながら燃料電池スタック１０の燃料極に供給される。また、コンプレッサ２２が適宜駆動され、加湿器２３で湿度が加えられた空気が燃料電池スタック１０の空気極に加えられ、空気オフガスが希釈器１４に排出される。適当なタイミングで開閉されるパージ遮断弁ＳＶ５を経由して水分等を含んだ水素オフガスが希釈器１４に供給され、空気オフガスによって希釈され排出される。

本発明のガス漏れ判定実施は、通常燃料電池システムの停止時に実施される。但し運転中であっても一時的に発電を停止できる状態であれば本発明のガス漏れ判定を実施することが可能である。

図２に示すように、ガス漏れ判定実施がされるタイミングまでは（Ｓ１：ＮＯ）、他の発電処理が実行される。ガス漏れ判定を実施するタイミングになったら（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御部２０はそれまで続けていた発電を持続するか、あるいはさらに発電量上げたり下げたりして、燃料電池スタック１０における燃料系の水素ガス消費を持続させる（Ｓ２）。水素ガス供給路にはある程度の量の水素ガスが残留しており、これを消費させてしまうことが好ましいからである。燃料電池スタック１０における水素ガスの消費を継続させることで、燃料ガス供給路は減圧処理が開始される。

次に、制御部２０は高圧水素タンク１１の元弁ＳＶ１を閉鎖する（Ｓ３）。燃料ガス供給源である高圧水素タンクからの水素ガスの供給を止めて発電を停止させるためである。このとき、既に水素ガスの消費が継続した状態で元弁ＳＶ１が閉弁されるので、元弁がパイロット式ソレノイドバルブであった場合等には、そのシールをより確実なものにできる。本実施形態では、このときに元弁ＳＶ１の閉弁が完全に行われたのか否かの判定を以下の手順で検出する。

まず、循環経路Ｒ中に残留している水素ガスを回収タンク１５に集める。このため、制御部はまず循環遮断弁ＳＶ７を閉鎖し（Ｓ４）、水素ポンプ１３の回転数を増加させて（Ｓ６）、循環経路Ｒ中に残留している水素ガスを回収タンク１５内に送り込む。同時に、パージ遮断弁ＳＶ５を開放して（Ｓ５）循環経路Ｒ内の圧力を下げさせる。パージ遮断弁ＳＶ５の開放によりパージがされるため、排出される水素ガスの濃度を下げる必要が出てくる。そこで制御部２０は、コンプレッサ２２の回転数を増加させて（Ｓ８）、希釈器１４でパージされた水素オフガスを希釈するための空気量を増加させる。回収タンク１５への水素ガスの回収および／またはパージ遮断弁ＳＶ５による水素ガスのパージにより、循環経路Ｒはさらに減圧処理が進められる。

制御部２０は、回収ポンプ１５の手前にある圧力センサｐ３の圧力を監視し（Ｓ９）、回収タンク１５内の圧力が所定の圧力Ｐｃ１に達したか否かを判定する。ここで、圧力Ｐｃ１は、回収タンク１５が十分水素充填に耐えられると予想される容器保護圧力であり、回収タンク１５の耐圧によって決定する。例えば耐圧の１．５倍に設定することができる。回収タンク１５の圧力がこの圧力Ｐｃ１より低い場合には（Ｓ９：ＮＯ）、回収タンク１５が十分耐えられる圧力である判断して次回の判断に委ねる。万一、回収タンク１５の圧力がこの耐圧Ｐｃ１以上に達した場合には（Ｓ９：ＹＥＳ）、不都合な状態となることを避けるため、制御部２０は水素ポンプ１３の駆動を即時停止して（Ｓ１０）回収タンク１５からの逆流を防止するために回収タンク入口の遮断弁ＳＶ６を閉鎖する（Ｓ１１）。通常は回収タンク１５の耐圧までは上がらないと考えられる。

以上の処理によって、元弁ＳＶ１の下流側の燃料ガス経路が減圧処理されることになる。減圧処理後は、本発明の圧力監視装置、すなわち圧力センサｐ１およびｐ２とその検出信号に基づいて判断する制御部２０によって、圧力変動が測定される。

図３に示すように、制御部２０は元弁ＳＶ１直下の圧力センサｐ１の検出信号に基づいて、経路内圧力が所定の圧力Ｐｃ２以下になったか否かを判定する（Ｓ２０）。ここで、この所定の圧力Ｐｃ２として、本実施形態におけるガス漏れ判定を行うために充分な差圧が元弁ＳＶ１の上流と下流との間に発生するような圧力に設定する。圧力センサｐ１により検出された経路内圧力がこの圧力Ｐｃ２より大きい場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、まだ減圧処理を続けるべきと判断して次回の判断に委ねる。

上記したように、元弁ＳＶ１下流の減圧処理としては、燃料電池スタック１０による水素ガスの消費処理やパージ処理による減圧、回収タンク１５への水素ガス回収処理によって達成される。いずれか一つの処理であっても減圧は実行されるが、複数組み合わせることによってより早く減圧が行える。

さて、経路内圧力が圧力Ｐｃ２以下に下がった場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、本発明のガス漏れ判定に移行する。制御部２０は、元弁ＳＶ１の下流側の遮断弁を閉じ、経路内圧力の時間変化を測定する。すなわち、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２が閉鎖され（Ｓ２１）、水素ポンプ１３の駆動が停止され（Ｓ２２）、パージ遮断弁ＳＶ５が閉鎖され（Ｓ２３）、燃料電池出口遮断弁ＳＶ３が閉鎖される（Ｓ２４）。

燃料電池入口遮断弁ＳＶ２の閉弁時に、その下流の減圧処理を継続しておけば、遮断弁ＳＶ２のシールをより完全なものにできる。すなわち、遮断弁ＳＶ２がパイロット式ソレノイドバルブである場合、下流側の圧力を減じながら遮断処理することで、構造上、シールが確実なものになる。

そして、一定時間ｔ１が経過するまで待って（Ｓ２５：ＮＯ）、時間ｔ１が経過したら（Ｓ２５：ＹＥＳ）、再び圧力センサｐ１で測定される経路内圧力に変動が生じたか否かが検査される（Ｓ２６）。ここで時間ｔ１だけ待つのは、制御信号を出力してから実際に遮断動作が完了するまでの遮断弁の応答遅れを考慮した他、遮断弁を閉じてからの循環経路Ｒ内の圧力変動が安定するまで待つ必要があるからである。

次のステップとして、減圧処理によって達した圧力値に応じて圧力変動を測定するための圧力センサを切り変える。通常、圧力センサは、測定可能な圧力範囲が個別に定められている。相対的に高圧のレンジを測定可能に調整された圧力センサであればその高圧のレンジにおける圧力を測定可能であり、相対的に低圧のレンジを測定可能に調整された圧力センサであればその低圧のレンジにおける圧力を測定可能である。一般に、高圧対応の圧力センサほど測定精度は低くなり、低圧対応の圧力センサほど測定精度が高くなる。これは、低圧に対応する圧力センサほど測定可能な圧力レンジが小さくなるため、より小さな圧力変化まで識別可能となるためである。

例えば、本実施形態では、比較的高圧を測定する圧力センサｐ１は高圧を測定可能であるが比較的精度が低いのに対し、比較的低圧である調圧弁ＲＧの下流側の圧力を測定する圧力センサｐ２は測定できる圧力レンジは小さいが比較的精度が高くなるのである。精度の高い圧力センサｐ２で測定する方が僅かな圧力変動を検出可能であるため好ましいが、期待どおりに水素ガス供給路を減圧できない場合がある。例えば、元弁ＳＶ１のシールが不全となっていて元弁を閉める制御信号を出力しても元弁の閉弁が不十分で比較的多くの水素ガスが漏れ出て来てしまっている場合、減圧処理をしたにも関わらず水素ガス供給路の圧力が十分下がらないことが考えられる。このような場合には多少精度が低下しても高圧用の圧力センサｐ１を使わざるを得ないのである。

この判定のため、制御部２０は圧力センサｐ１を用いて水素ガス供給路の圧力が所定の圧力Ｐｃ３以下か否かを判定する（Ｓ２６）。ここで、この圧力Ｐｃ３は、低圧用の圧力センサｐ２を用いた方がよいか、高圧用の圧力センサｐ１を用いた方がよいかを識別するためのしきい値とする。例えば、低圧用の圧力センサｐ２で識別可能な最大圧力より小さく設定する。

低圧用の圧力センサｐ２を利用すべき場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、制御部２０は一定時間圧力センサｐ２の検出信号に基づく圧力変動を監視する（Ｓ３０）。例えば、ある時間に圧力センサｐ２によって検出された圧力を記憶し、その後一定時間待って再び圧力センサｐ２によって検出される圧力を記憶する。そして両圧力の差分を求めて変化量を求める。または３回以上測定してその平均を計算し、より確実な圧力変動を求めるようにしてもよい。その結果、圧力が上昇しておりその変化量が所定の圧力差Ｐｃ４以上であった場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、圧力が上昇しているので元弁ＳＶ１の閉弁異常を十分推定できるため、元弁シールＳＶ１異常対応処理を実施する（Ｓ３２）。この処理は燃料電池システムの構成によって種々に考えられるが、例えば燃料電池を停止したり、警告ランプをこの電気自動車の内室に点灯させてユーザにサービスの必要性を警告したりするような処理が考えられる。なお、圧力差Ｐｃ４は、低圧時における元弁ＳＶ１からのガス漏れによる圧力上昇を十分識別可能なしきい値に設定する。

また、圧力が下降しておりその変化量が所定の圧力差Ｐｃ６以上であった場合（Ｓ３１：ＮＯ，Ｓ３３：ＹＥＳ）、本来下がらないはずの圧力が低下しているので経路のどこかに漏れが生じたおそれがある。そこで水素漏れ対応処理（Ｓ３４）を実施する。当該処理は、燃料電池を停止したりユーザにサービスの必要性を警告したりする警告ランプの点灯の他、ガス漏れを最小限に抑えるために、以後の水素ガス供給路や循環経路Ｒの圧力上限を下げる等の措置が考えられる。また、修理が完遂されるまで燃料電池システムの稼働を禁止することが考えられる。なお、所定の圧力差Ｐｃ６は低圧下において水素漏れが十分推測されるような圧力下降量を識別可能なしきい値とする。

一方、高圧用の圧力センサｐ１を利用すべきと判断された場合（Ｓ２６：ＮＯ）、制御部２０は同様に一定時間圧力センサｐ１によって検出される圧力変動を監視する（Ｓ４０）。監視の仕方は上記圧力センサｐ２と同様である。その結果、圧力が上昇しておりその変化量が所定の圧力差Ｐｃ５以上であった場合（Ｓ４１：ＹＥＳ）、圧力が上昇しているので元弁ＳＶ１の閉弁異常を十分推定できるため、元弁シールＳＶ１異常対応処理を実施する（Ｓ４２）。この処理については、ステップＳ３２と同様に考えられる。なお、圧力差Ｐｃ５は、高圧時における元弁ＳＶ１からのガス漏れによる圧力上昇を十分識別可能なしきい値に設定する。

また、圧力が下降しておりその変化量が所定の圧力差Ｐｃ７以上であった場合（Ｓ４１：ＮＯ，Ｓ４３：ＹＥＳ）、本来下がらないはずの圧力が低下しているので経路のどこかに欠陥が生じたおそれがある。そこで水素漏れ対応処理（Ｓ４４）を実施する。当該処理については、ステップＳ３４と同様に考えられる。なお所定の圧力差Ｐｃ７は高圧下において水素漏れが十分推測されるような圧力下降量を識別可能なしきい値とする。

上記いずれにも該当しない場合（Ｓ３３：ＮＯ，Ｓ４３：ＮＯ）、元弁ＳＶ１の閉弁異常や水素ガス供給路におけるガス漏れは存在しないものとして、処理を終了する。

以上で本実施形態のガス漏れ判定は終了するが、次回の電気自動車（燃料電池システム）の始動時、回収タンク１５に収容された水素ガスを優先使用しなければならない。そこで図４に示すような処理で水素ガスを利用する。まず起動が指示されると（Ｓ５０：ＹＥＳ）、制御部２０は、それまで閉じられていた循環遮断弁ＳＶ７、回収タンク遮断弁ＳＶ６、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２、及び燃料電池出口遮断弁ＳＶ３を開放させる（Ｓ５２）。以上の処理によって、回収タンク１５の出口から収容されていた水素ガスが水素ガス供給路に供給され、その水素ガスで発電が開始される。

回収タンク１５に水素ガスが残っている限り（Ｓ５２：ＮＯ）、水素ポンプ１３の出口圧力（回収タンクの圧力）ｐ３は下がらない。そこで、当該水素ポンプ出口圧力ｐ３が所定の圧力Ｐｃ９より大きい場合には（Ｓ５２：ＮＯ）回収タンク１５内の水素ガスを利用した発電が実行され、水素ポンプの出口圧力ｐ３がＰｃ９以下になった場合に（Ｓ５２：ＹＥＳ）、初めて高圧タンク１１の元弁ＳＶ１が開放されるような制御信号が供給される（Ｓ５３）。同時に水素ポンプ１３を駆動する制御信号も出力される。なお、回収タンク１５の圧力を判定するしきい値Ｐｃ５は回収タンク１５内の水素ガスが残留しているのか総て供給されたのかを識別可能なしきい値に設定する。

以上の本実施形態１によれば、元弁のガス漏れが適切に判断できるので、水素タンク１１を高圧化しても対応することができる。

また本実施形態１によれば、水素タンク１１を高圧化することによって水素ガス供給路や循環経路Ｒ内に多量の水素ガスが滞留するようになっても、運転停止時に経路内の水素ガスを回収タンク１５に送り込むので、運転停止時の循環経路Ｒ内を水素ガスが極めて少ない安全な状態に保つことができる。

特に本実施形態によれば、減圧処理後の水素ガス供給路内の圧力に応じて圧力変動を監視する圧力センサを選択するので、その時の圧力に応じてより精度の高い圧力センサが選択され、高精度で正確に元弁ＳＶ１からの水素ガス漏れが検出可能である。

また減圧処理しながら、遮断弁ＳＶ２やＳＶ３、ＳＶ６、及びＳＶ７が閉じられるので、これら遮断弁に例えばパイロット式ソレノイドバルブ、またはそれに類似の構造を備えている弁を利用した場合にシール効果を高めることができる。これらバルブは後流側の圧力を減じながら遮断処理することでシール性能を向上させることができるからである。

さらに、密封した元弁ＳＶ１の下流の圧力変化量が所定値以上の圧力であれば元弁の不良と所定値以下の圧力であれば水素ガス供給路の欠陥と判断するので、圧力変化の態様によって複数のガス漏れ態様を検出することができる。

また始動時にはまず回収タンク１５から水素ガスを供給できるので、経済的である。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、上記実施形態１の回収タンクを元弁ＳＶ１に設けた構造に関する。図５に本実施形態２における燃料電池システムのシステム全体図を示す。

図５に示すように、本実施形態２における当該燃料電池システムは、ほぼ実施形態１におけるシステムと同様の構造を備えるが、回収タンク１５が元弁ＳＶ１の近傍に設けられている。

つまり、元弁ＳＶ１の下流に回収タンク１５への水素ガス供給路が接続しており、水素ポンプ１６、遮断弁ＳＶ１０、圧力センサｐ４、回収タンク１５、及び遮断弁ＳＶ１１からなる循環路が設けられている。また、循環経路Ｒでは、回収タンク１５及び循環遮断弁ＳＶ７に代えて逆止弁ＲＶが設けられている。循環経路Ｒの水素ガス供給路への接合点は調圧弁ＲＧの下流になっている。それ以外の構成については図１の実施形態１と同様である。

次に本実施形態２における動作を図６〜８のフローチャートを参照しながら説明する。当該フローチャートは電源が投入されている間、適当なインターバルで繰り返し実行されるものである。

通常運転時（燃料電池の発電時）の処理は前記したとおりです。まず、図６に示すように、ガス漏れ判定実施がされるタイミングまでは（Ｓ６１：ＮＯ）、他の発電処理が実行される。ガス漏れ判定を実施するタイミングになったら（Ｓ６１：ＹＥＳ）、制御部２０は実施形態１と同様、燃料系の水素ガス消費を持続させながら（Ｓ６２）、高圧水素タンク１１の元弁ＳＶ１を閉鎖する（Ｓ６３）。

本実施形態では循環経路Ｒ中の水素ガスは燃料電池スタック１０及びパージ制御弁ＳＶ５からのパージによって減圧される。制御部２０は、遮断弁ＳＶ６を閉鎖して循環経路Ｒを閉鎖し（Ｓ６４）、パージ遮断弁ＳＶ５を開放し（Ｓ６５）、コンプレッサ２２の回転数を増加させる（Ｓ６８）。

一方、回収タンク１５に調圧弁ＲＧの上流の水素ガス供給路へ滞留している水素ガスを収容するため、制御部２０は、水素ポンプ１６を駆動させ、遮断弁ＳＶ１０を開放させる（Ｓ６６）。次いで、制御部２０は、実施形態１と同様に、回収ポンプ１５の手前にある圧力センサｐ４の圧力を監視し（Ｓ６９）、回収タンク１５内の圧力が所定の圧力Ｐｃ１に達したか否かを判定する。そして、回収タンク１５の圧力がこの圧力Ｐｃ１より低い場合には（Ｓ６９：ＮＯ）、回収タンク１５が十分耐えられる圧力である判断して次回の判断に委ね、万一回収タンク１５の圧力がこの耐圧Ｐｃ１以上に達した場合には（Ｓ６９：ＹＥＳ）、水素ポンプ１６の駆動を即時停止して（Ｓ７０）回収タンク１５からの逆流を防止するために回収タンク入口の遮断弁ＳＶ１０を閉鎖する（Ｓ７１）。

以上の処理によって、元弁ＳＶ１の下流側の燃料ガス経路が減圧処理されることになる。減圧処理後は実施形態１とほぼ同様にして圧力変動が測定される（図３参照）。すなわち、制御部２０は、この減圧処理を継続させながら、ガス漏れ判定に係る封止空間を遮断するための遮断弁を遮断し、その封止空間における圧力変化を監視する。

さて、次回の電気自動車（燃料電池システム）の始動時、図７に示すような処理で回収タンク１５に収容された水素ガスが優先使用される。まず起動が指示されると（Ｓ１００：ＹＥＳ）、制御部２０は、それまで閉じられていた回収タンク１５の前後の遮断弁ＳＶ１０とＳＶ１１を開放させ、同時に循環経路Ｒの遮断弁ＳＶ６、燃料電池入口遮断弁ＳＶ２、及び燃料電池出口遮断弁ＳＶ３を開放させる（Ｓ１０１）。以上の処理によって、回収タンク１５の出口から収容されていた水素ガスが水素ガス供給路に供給され、調圧弁ＲＧで調圧されて燃料電池スタック１０に供給され、発電が開始される。

回収タンク１５に水素ガスが残っている限り（Ｓ１０２：ＮＯ）、水素ポンプ１６の出口圧力（回収タンクの圧力）ｐ４は下がらない。そこで、当該水素ポンプ出口圧力ｐ４が所定の圧力Ｐｃ９より大きい場合には（Ｓ１０２：ＮＯ）回収タンク１５内の水素ガスを利用した発電が実行され、水素ポンプの出口圧力ｐ４がＰｃ９以下になった場合に（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、初めて高圧タンク１１の元弁ＳＶ１が開放されるような制御信号が供給される（Ｓ１０３）。同時に循環経路Ｒの水素ポンプ１３を駆動する制御信号も出力される。

以上の本実施形態２によれば、循環経路Ｒ以外の元弁付近に回収タンクを設けても本発明を実施し、実施形態１と同様の各効果を奏することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々に変更して利用することができる。例えば、回収タンクを設ける位置は上記各実施形態に限定されず種々に設計変更することができる。回収タンクを設けないシステムに対しても、本発明のガス漏れ判定処理を適用することももちろん可能である。

また循環経路Ｒは必須の構成ではなく、燃料ガスを循環させない形式の燃料電池システムにも本発明を適用可能である。

さらに上記実施形態では元弁ＳＶ１についてのガス漏れの有無を検出していたが下流の遮断弁ＳＶ２やＳＶ３，ＳＶ６に対しても同様に弁の開弁またはシールの確実性を判定することが可能である。すなわち、下流の遮断弁ＳＶ２やＳＶ３，ＳＶ６の下流にそれぞれ圧力センサを設け、その遮断弁とその一つ下流側の遮断弁との間の経路に封止空間を形成し、その封止空間の圧力変動を圧力センサ等によって検出することにより、上流側の遮断弁の開弁異常、シール異常等によるガス漏れを検出することができる。その封止空間の圧力変動が圧力上昇の傾向にあれば上流側の遮断弁の異常を推測でき、圧力下降の傾向にあれば、当該経路区間のガス漏れが推測できる。

以上本発明によれば、閉じられた元弁の下流側が減圧処理され封止空間とされその圧力変化を監視するので、元弁の閉弁状態を確実に検出することが可能である。特に、圧力監視が高精度で行われる圧力レンジとなるように減圧処理が制御されるので、高精度でガス漏れを検出することが可能である。

したがって、本発明は、ガス漏れ検知が必要な燃料電池システム一般に適用可能である。その燃料電池システムが、車両のような地上移動体、船舶のような海上移動体、潜水艇のような海中移動体、航空機のような空中移動体に搭載されていても、発電プラントのような不動産として設置されていても、利用可能なものである。

Claims (8)

1. 燃料ガス供給源に元弁を備える燃料電池システムのガス漏れ検出装置であって、
   前記元弁の下流の燃料ガス供給路に設けられる遮断弁と、
   前記元弁と前記遮断弁との間において前記燃料ガス供給路の圧力を監視するための、圧力レンジの異なる複数の圧力監視装置と、
   前記燃料ガス供給路内を減圧処理する減圧処理装置と、
   前記元弁と前記遮断弁とが閉鎖された後に前記元弁と前記遮断弁との間に形成される前記燃料ガス供給路の封止空間の圧力変化を監視して前記封止空間の圧力変化に基づいて前記元弁の動作状態を判定する判定装置と、を備え、
   前記減圧処理では、前記複数の圧力監視装置における圧力監視が可能な圧力レンジに入るまで前記燃料ガス供給路が減圧されること、を特徴とするガス漏れ検出装置。
2. 前記燃料ガス供給路の減圧された圧力に応じていずれか位置の前記圧力監視装置が圧力を監視するために選択される、請求項１に記載のガス漏れ検出装置。
3. 前記封止空間の圧力変化が、所定量以上圧力が上昇するものであった場合に前記元弁の異常と判定する、請求項１に記載のガス漏れ検出装置。
4. 前記封止空間の圧力変化量が、所定量以上圧力が下降するものであった場合に前記燃料ガス供給路からのガス漏れであると判定する、請求項１に記載のガス漏れ検出装置。
5. さらに、前記燃料ガス供給路を流通する前記燃料ガスを回収する回収タンクと、
   前記減圧処理時に前記回収タンクに前記燃料ガスを回収する駆動手段とを備えた、請求項１に記載のガス漏れ検出装置。
6. 前記遮断弁および前記元弁は、下流における減圧中に閉鎖される、請求項１に記載のガス漏れ検出装置。
7. 燃料ガス供給源と、
   前記燃料ガス供給源からの燃料ガスを遮断する元弁と、
   前記元弁の下流の燃料ガス供給路に設けられる遮断弁と、
   前記元弁と前記遮断弁との間において前記燃料ガス供給路の圧力を監視するための、圧力レンジの異なる複数の圧力監視手段と、
   前記燃料ガス供給路内を減圧処理する減圧処理手段と、
   前記元弁と前記遮断弁とが閉鎖された後に前記元弁と前記遮断弁との間に形成される前記燃料ガス供給路の封止空間の圧力変化を監視して当前記封止空間の圧力変化に基づいて前記元弁の動作状態を判定する判定手段と、を備え、
   前記減圧処理では、前記複数の圧力監視手段における圧力監視が可能な圧力レンジに前記燃料ガス供給路内の圧力が減圧されること、を特徴とするガス漏れ検出装置。
8. 燃料ガス供給源に元弁を備える燃料電池システムのガス漏れ検出方法であって、
   燃料ガス供給路の下流側を減圧処理しながら前記元弁を閉鎖処理するステップと、
   下流側を減圧処理しながら前記燃料ガス供給路に設けられた遮断弁を閉鎖処理するステップと、
   前記元弁と前記遮断弁とが閉鎖処理された後に、前記元弁と前記遮断弁との間に形成される前記燃料ガス供給路の封止空間の圧力変化を監視するステップと、
   前記封止空間の圧力変化に基づいて前記元弁の動作状態を判定するステップと、を備え、
   前記燃料ガス供給路に圧力レンジの異なる複数の圧力センサが設けられており、
   前記圧力変化を監視するステップでは、前記封止空間における圧力に応じて、いずれか一の前記圧力センサが圧力検出のために選択され、
   前記遮断弁を閉鎖処理するステップでは、前記封止空間における圧力を検出する圧力センサにおける圧力検出が可能な圧力レンジにまで前記封止空間の圧力が減圧された場合に前記遮断弁が遮断される、ガス漏れ検出方法。

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