JP2009037884A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードガスの漏れを確実かつ安全に検知できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、アノードガスとカソードガスとを反応させて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０に供給されるアノードガスおよび燃料電池１０から排出されるアノードガスが流通するアノードガス流路と、アノードガス流路内のアノードガスの圧力を検出する圧力センサ６１と、燃料電池１０に対するアノードガスの供給が停止した後、少なくともアノードガス流路のうち燃料電池１０を含む密封部分７０を密封する密封制御部３２と、密封部分７０について、圧力センサ６１により検出したアノードガス消費によるアノードガスの圧力の推移を監視する圧力推移監視部３３と、圧力推移監視部３３によるアノードガスの圧力の監視結果に基づいて、密封部分７０からアノードガスが漏れているか否かを判定するガス漏れ判定部３５と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、アノード電極（陽極）に反応ガスとしてのアノードガス（水素ガス）を供給し、カソード電極（陰極）に反応ガスとしてのカソードガス（空気）を供給すると、電気化学反応により発電する。

ここで、燃料電池には、アノードガス供給流路が接続され、アノードガスは、このアノードガス供給流路を通して、燃料電池に供給される。また、燃料電池には、アノードガス排出流路が接続され、アノードガスは、このアノードガス排出流路を通して、燃料電池から排出される。

ところで、アノードガス供給流路やアノードガス排出流路等のガス流路は、複数の配管やバルブで構成されており、そのため、これら配管のフランジ同士の隙間やバルブからアノードガスが漏れる可能性がある。

この問題を解決するため、アノードガスを供給してガス流路内を加圧し、この加圧時のアノードガスの流量に基づいて、アノードガスが漏れているか否かを判定する手法が提案されている（特許文献１参照）。
具体的には、アノードガスを供給してガス流路内を加圧し、この加圧時のアノードガスの流量を測定する。また、ガス流路内のアノードガスの圧力や温度等の変化に基づいて、基準となる流量を算出しておく。そして、測定した流量と基準となる流量との差分を求め、この差分が所定値以上である場合には、アノードガスが漏れていると判定する。

この提案によれば、アノードガスの漏れを確実に検知して、燃料効率を維持し、さらには安全を確保できる。
特開２００６−２７８０８８号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、ガス流路内を加圧するため、実際にアノードガスが漏れている場合、このアノードガスの漏れを促進させてしまうおそれがあった。

本発明は、アノードガスの漏れを確実かつ安全に検知できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとを反応させて発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池に供給されるアノードガスおよび前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス流路（例えば、後述のアノードガス供給路４３、アノードガス排出路４４、アノードガス還流路４５）と、前記アノードガス流路内のアノードガスの圧力を検出する圧力検出手段（例えば、後述の圧力センサ６１）と、を有し、前記燃料電池に対するアノードガスの供給が停止した後、少なくとも前記アノードガス流路のうち前記燃料電池を含む部分を密封するガス流路密封手段（例えば、後述の密封制御部３２）と、当該ガス流路密封手段により密封された部分について、前記圧力検出手段により検出したアノードガス消費によるアノードガスの圧力の推移を監視する圧力推移監視手段（例えば、圧力推移監視部３３）と、当該ガス圧力推移監視手段によるアノードガスの圧力の監視結果に基づいて、前記ガス流路密封手段により密封された部分からアノードガスが漏れているか否かを判定する密封部分ガス漏れ判定手段（例えば、後述のガス漏れ判定部３５）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池に対するアノードガスの供給が停止した後、少なくともアノードガス流路のうち燃料電池を含む部分を密封する。そして、密封された部分について、アノードガス消費によるアノードガスの圧力の推移を監視する。このアノードガスの圧力の監視結果に基づいて、密封された部分からアノードガスが漏れているか否かを判定する。

アノードガス流路のうち燃料電池を含む部分を密封すると、この密封された部分に残留したアノードガスが消費されて、燃料電池が発電することになる。その結果、アノードガス流路内の密封された部分の圧力は低下し、外部の圧力に対して負圧となる。したがって、アノードガス流路内の密封された部分からアノードガスが外部に漏れることがないため、アノードガスの漏れを確実かつ安全に検知できる。

この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の発電中に、前記アノードガス流路からアノードガスが漏れているか否かを推定するガス漏れ推定手段（例えば、後述のガス漏れ推定部３１）をさらに有し、前記ガス漏れ推定手段により、前記アノードガス流路からアノードガスが漏れていると推定される場合に、前記密封部分ガス漏れ判定手段により、前記ガス流路密封手段により密封された部分からアノードガスが漏れているか否かを判定することが好ましい。

従来では、燃料電池の発電中、例えば、アノードガスセンサによりアノードガスを検出した場合に、アノードガスの漏れを検出する。また、電流センサや電圧センサを用いて燃料電池の発電量を測定し、この発電量がアノードガスの供給量に見合う発電量でない場合に、アノードガスの漏れを検出する。

ところが、アノードガスセンサによるアノードガスの検出に基づいて、アノードガスの漏れを検出した場合には、このアノードガスセンサで生じた電気ノイズをアノードガスの漏れとして誤検出するおそれがある。また、アノードガスの供給量に見合う発電量が得られないことに基づいて、アノードガスの漏れを検出した場合には、アノードガスの漏れとは異なる要因により発電量が低下している可能性があり、誤検出するおそれがある。

そこで、この発明によれば、アノードガスセンサ、電流センサ、および電圧センサ等を用いて、ガス漏れ推定手段によりアノードガスの漏れを検出した場合に、上述のガス漏れ判定手段によりアノードガスが漏れているか否かを判定した。よって、ガス漏れ推定手段によるアノードガスの漏れの検出が正しいか否かを正確に判定できる。

また、上述のようにガス漏れ推定手段によりアノードガスの漏れを検出した場合にのみ、上述のガス漏れ判定手段によりアノードガスが漏れているか否かを判定したので、無条件でガス漏れ判定手段を動作させることはなく、電力消費量を抑えることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス流路密封手段による密封後、密封された部分のアノードガスが前記燃料電池の反応により自然消費され、前記密封部分ガス漏れ判定手段は、この自然消費されたアノードガス量が所定量以上であると判定されると、アノードガスが漏れているか否かを判定することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池においてアノードガスを自然消費させたので、アノードガスが漏れているか否かを判定する際に、アノードガス流路内の密封部分の圧力を低下させるために特別な装置を必要としない。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス流路密封手段による密封後、密封された部分のアノードガスが前記燃料電池の強制発電（例えば、後述のガス消費制御部３６により実施される）により消費され、前記密封部分ガス漏れ判定手段は、この消費されたアノードガス量が所定量以上であると判定されると、アノードガスが漏れているか否かを判定することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の強制発電つまりディスチャージによりアノードガスを消費させたので、自然消費に比べて早急にアノードガスが漏れているか否かを判定できる。

本発明によれば、アノードガス流路のうち燃料電池を含む部分を密封すると、アノードガス流路に残留したアノードガスが消費されて、燃料電池が発電することになる。その結果、アノードガス流路内の密封された部分の圧力は低下し、外部の圧力に対して負圧となる。したがって、アノードガス流路からアノードガスが外部に漏れることがないため、アノードガスの漏れを確実かつ安全に検知できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、反応ガスを反応させて発電する燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしてのアノードガスやカソードガスを供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０および供給装置２０を制御する制御装置３０と、を有する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にカソードガスを供給するカソードガスポンプ２１と、アノード電極側にアノードガスを供給するアノードガスタンク２２およびイジェクタ２３と、燃料電池１０から排出されたガスを処理する希釈器２４と、を含んで構成される。

カソードガスポンプ２１は、カソードガス供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。

燃料電池１０のカソード電極側には、カソードガス排出路４２が接続され、このカソードガス排出路４２は、燃料電池１０で利用されたカソードガスを排出する。カソードガス排出路４２の途中には、上述の希釈器２４が設けられ、さらに、カソードガス排出路４２の希釈器２４よりも燃料電池１０側には、背圧弁４２１が設けられる。

アノードガスタンク２２は、アノードガス流路としてのアノードガス供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。上述のイジェクタ２３は、このアノードガス供給路４３に設けられている。アノードガスタンク２２には、インタンク電磁弁４３１が設けられ、さらに、アノードガス供給路４３のアノードガスタンク２２とイジェクタ２３との間には、２次遮断弁４３２が設けられている。

燃料電池１０のアノード電極側には、アノードガス流路としてのアノードガス排出路４４が接続され、このアノードガス排出路４４は、希釈器２４に接続される。このアノードガス排出路４４の先端側には、パージ弁４４１が設けられている。また、アノードガス排出路４４のうちパージ弁４４１よりも燃料電池側では、アノードガス排出路４４が分岐されてアノードガス流路としてのアノードガス還流路４５となり、このアノードガス還流路４５は、上述のイジェクタ２３に接続されている。

アノードガス排出路４４のうち燃料電池１０とアノードガス還流路４５の分岐点との間には、内部のアノードガスの圧力を計測する圧力検出手段としての圧力センサ６１が設けられている。

アノードガス排出路４４には、パージ弁４４１が設けられている。このパージ弁４４１を開くことにより、アノードガス供給路４３、アノードガス排出路４４、およびアノードガス還流路４５内のアノードガスを、希釈器２４において、カソードガス排出路４２内のカソードガスに合流させる。

イジェクタ２３は、アノードガス還流路４５を通して、アノードガス排出路４４に排出されたアノードガスを回収し、アノードガス供給路４３に還流する。

また、燃料電池システム１には、アノードガス供給路４３、アノードガス排出路４４、およびアノードガス還流路４５の外部に、アノードガスを検出するアノードガスセンサ６４が設けられる。

燃料電池１０には、燃料電池１０で発電した電流値を計測する電流センサ６２と、その際の電圧値を計測する電圧センサ６３とが設けられている。
また、燃料電池１０には、この燃料電池１０で発電した電力により駆動する補機５０が接続されている。

上述のインタンク電磁弁４３１、２次遮断弁４３２、およびパージ弁４４１は、制御装置３０により制御される。また、圧力センサ６１、電流センサ６２、電圧センサ６３、およびアノードガスセンサ６４は、制御装置３０に接続される。

図２は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、ガス漏れ推定手段としてのガス漏れ推定部３１と、ガス流路密封手段としての密封制御部３２と、圧力推移監視手段としての圧力推移監視部３３と、ガス消費量算出部３４と、密封部分ガス漏れ判定手段としてのガス漏れ判定部３５と、を有する。

ガス漏れ推定部３１は、燃料電池１０の発電中に、アノードガスセンサ６４によりアノードガスが検出されると、アノードガス供給路４３、アノードガス排出路４４、およびアノードガス還流路４５からアノードガスが漏れていると推定する。

なお、ガス漏れ推定部３１は、アノードガスセンサ６４によりアノードガスが検出されると、アノードガスが漏れていると推定したが、これに限らない。すなわち、電流センサ６２および電圧センサ６３により燃料電池１０の発電量を測定し、この発電量がアノードガスの供給量に見合う発電量でない場合に、アノードガスが漏れていると推定してもよい。

密封制御部３２は、ガス漏れ推定部３１により、アノードガス供給路４３、アノードガス排出路４４、およびアノードガス還流路４５からアノードガスが漏れていると推定され、かつ、燃料電池１０に対するアノードガスの供給が停止した後、インタンク電磁弁４３１およびパージ弁４４１を閉じることにより、燃料電池１０を含んでアノードガス供給路４３、アノードガス排出路４４、およびアノードガス還流路４５を密封する。以降、インタンク電磁弁４３１およびパージ弁４４１により密封した部分を、密封部分７０と呼ぶ。

なお、密封制御部３２は、インタンク電磁弁４３１およびパージ弁４４１を閉じたが、これに限らず、２次遮断弁４３２およびパージ弁４４１を閉じてもよい。

なお、アノードガスが漏れていると推定され、かつ、燃料電池１０に対するアノードガスの供給が停止した後、密封制御部３２を動作させたが、これに限らず、ガス漏れ推定部３１により特に多量のアノードガスが漏れていると推定される場合には、直ちにイグニッションをＯＦＦとし、燃料電池１０に対するアノードガスの供給を停止してもよい。

圧力推移監視部３３は、密封部分７０について、圧力センサ６１により検出したアノードガスの圧力値を受信し、その推移を監視する。

ガス消費量算出部３４は、密封制御部３２により密封部分７０が密封された後、燃料電池１０でアノードガスが自然消費された量を算出し、所定量のアノードガスが消費されたか否かを判別する。具体的には、自然消費によるアノードガスの消費速度と、経過時間と、に基づいて算出する。

なお、ガス消費量算出部３４は、自然消費によるアノードガスの消費速度と、経過時間と、に基づいて燃料電池１０でアノードガスが消費された量を算出したが、これに限らない。すなわち、電流センサ６２および電圧センサ６３により計測した発電量の積算値に基づいて算出してもよい。

ガス漏れ判定部３５は、ガス消費量算出部３４により所定量以上のアノードガスが消費されたと判別されると、圧力推移監視部３３により監視される密封部分７０内のアノードガスの圧力推移の監視結果に基づいて、図３に従い、密封部分７０からアノードガスが漏れているか否かを判定する。

図３は、密封部分７０が密封された後の時間経過と、この時間経過に伴う密封部分７０のアノードガスの圧力と、の関係を示す図である。
密封部分７０からアノードガスが漏れていない場合には、密封状態で燃料電池１０が反応することにより、密封部分７０のアノードガスは消費され、時間経過に従って、アノードガスの圧力は減少する。
一方、密封部分７０からアノードガスが漏れている場合には、アノードガスが漏れている部分より外気を引き込むため、圧力は漸減し、密封部分７０からアノードガスが漏れていない場合に比べて、圧力の低下が緩やかになる。

ガス漏れ判定部３５は、図３に従い、密封部分７０を密封した時刻をｔ０とすると、この時刻ｔ０から所定時間経過した時刻ｔ１において、圧力の減少量が判定閾値以下であれば、アノードガスが漏れており、圧力の減少量が判定閾値を超えていれば、アノードガスは漏れていないと判定する。

図４は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
Ｓ１では、イグニッションがＯＮであるか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、Ｓ１に再び戻り、この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ２に移る。

Ｓ２では、燃料電池システム１のイグニッションがＯＮとなり、燃料電池１０にアノードガスの供給が始まっているので、ガス漏れ推定部３１により、アノードガスが漏れているか否かを推定する。具体的には、アノードガスの検出量が所定量以上であるか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合には、所定量以上のアノードガスを検出しているので、Ｓ３に移り、Ｓ３では、ガス漏れフラグを１にセットする。一方、この判定がＮＯの場合には、所定量以上のアノードガスを検出していないので、Ｓ４に移り、Ｓ４では、ガス漏れフラグを０にセットする。

Ｓ５では、イグニッションがＯＦＦであるか否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、Ｓ２に戻り、この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ６に移る。このようにして、ガス漏れ推定部３１は、燃料電池システム１のイグニッションがＯＦＦになるまで、Ｓ２〜Ｓ５の処理を繰り返す。

Ｓ６では、ガス漏れフラグが１であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ７に移り、この判定がＮＯの場合には、アノードガスは漏れていないと判断し、処理を終了する。

Ｓ７では、密封制御部３２により、密封部分７０を密封し、続いて、Ｓ８では、圧力推移監視部３３により密封部分７０のアノードガスの圧力Ｐ１を測定する。

Ｓ９では、ガス消費量算出部３４により、所定量以上のアノードガスを消費したか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ１０に移り、この判定がＮＯの場合には、Ｓ９に戻る。

Ｓ１０では、所定量のアノードガスが燃料電池１０にて消費されているので、圧力推移監視部３３により、再び、密封部分７０のアノードガスの圧力Ｐ２を測定する。

Ｓ１１では、ガス漏れ判定部３５により、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差分が判定閾値以下であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ１２に移り、アノードガスが漏れていると判定する。一方、この判定がＮＯの場合には、Ｓ１３に移り、アノードガスが漏れていないと判定する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池１０に対するアノードガスの供給が停止した後、密封部分７０を密封する。そして、密封部分７０について、アノードガス消費によるアノードガスの圧力の推移を監視する。このアノードガスの圧力の監視結果に基づいて、密封部分７０からアノードガスが漏れているか否かを判定する。
密封部分７０を密封すると、この密封部分７０に残留したアノードガスが消費されて、燃料電池１０が発電することになる。その結果、密封部分７０の圧力は低下し、外部の圧力に対して負圧となる。したがって、密封部分７０からアノードガスが外部に漏れることがないため、アノードガスの漏れを確実かつ安全に検知できる。

（２）アノードガスセンサ６４、電流センサ６２、および電圧センサ６３等を用いて、ガス漏れ推定部３１によりアノードガスの漏れを検出した場合に、ガス漏れ判定部３５によりアノードガスが漏れているか否かを判定した。よって、ガス漏れ推定部３１によるアノードガスの漏れの検出が正しいか否かを正確に判定できる。

また、ガス漏れ推定部３１によりアノードガスの漏れを検出した場合にのみ、ガス漏れ判定部３５によりアノードガスが漏れているか否かを判定したので、無条件でガス漏れ判定部３５を動作させることはなく、電力消費量を抑えることができる。

（３）燃料電池１０においてアノードガスを自然消費させたので、アノードガスが漏れているか否かを判定する際に、密封部分７０の圧力を低下させるために特別な装置を必要としない。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、燃料電池１０により密封部分７０内のアノードガスを自然消費させず、燃料電池１０を強制発電させることにより密封部分７０内のアノードガスを強制的に消費した点が、第１実施形態と異なる。

図５は、制御装置３０Ａのブロック図である。
具体的には、制御装置３０Ａは、第１実施形態におけるガス消費量算出部３４に代えて、ガス消費制御部３６を備える。

ガス消費制御部３６は、密封制御部３２により密封部分７０が密封された後、補機５０を駆動する。これにより、燃料電池１０が強制発電つまりディスチャージされて、密封部分７０のアノードガスが消費される。そして、ガス消費制御部３６は、燃料電池１０でアノードガスが消費された量を算出し、所定量のアノードガスが消費されたか否かを判別する。具体的には、アノードガスの消費速度と経過時間とに基づいて算出する。

図６は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
本実施形態では、図４に示す第１実施形態のフローチャートにおけるＳ９の処理に代えて、Ｓ２１〜Ｓ２３の処理を行う。

Ｓ２１では、ガス消費制御部３６により、燃料電池１０の強制発電を開始し、密封部分７０のアノードガスを強制的に消費し始めた後、Ｓ２２に移る。

Ｓ２２では、ガス消費制御部３６により、所定量以上のアノードガスを消費したか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ２３に移り、この判定がＮＯの場合には、Ｓ２２に戻る。

Ｓ２３では、所定量のアノードガスが燃料電池１０にて消費されているので、ガス消費制御部３６による燃料電池１０の強制発電を終了し、Ｓ１０に移る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（４）燃料電池１０の強制発電つまりディスチャージによりアノードガスを消費させたので、自然消費に比べて早急にアノードガスが漏れているか否かを判定できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る密封部分が密封された後の時間経過と密封部分のアノードガスの圧力との関係を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３０、３０Ａ 制御装置
３１ ガス漏れ推定部（ガス漏れ推定手段）
３２ 密封制御部（ガス流路密封手段）
３３ 圧力推移監視部（圧力推移監視手段）
３４ ガス消費量算出部
３５ ガス漏れ判定部（密封部分ガス漏れ判定手段）
３６ ガス消費制御部
４３ アノードガス供給路（アノードガス流路）
４４ アノードガス排出路（アノードガス流路）
４５ アノードガス還流路（アノードガス流路）
７０ 密封部分

Claims (4)

1. アノードガスとカソードガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給されるアノードガスおよび前記燃料電池から排出されるアノードガスが流通するアノードガス流路と、
   前記アノードガス流路内のアノードガスの圧力を検出する圧力検出手段と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に対するアノードガスの供給が停止した後、少なくとも前記アノードガス流路のうち前記燃料電池を含む部分を密封するガス流路密封手段と、
   当該ガス流路密封手段により密封された部分について、前記圧力検出手段により検出したアノードガス消費によるアノードガスの圧力の推移を監視する圧力推移監視手段と、
   当該圧力推移監視手段によるアノードガスの圧力の監視結果に基づいて、前記ガス流路密封手段により密封された部分からアノードガスが漏れているか否かを判定する密封部分ガス漏れ判定手段と、を有する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電中に、前記アノードガス流路からアノードガスが漏れているか否かを推定するガス漏れ推定手段をさらに有し、
   前記ガス漏れ推定手段により、前記アノードガス流路からアノードガスが漏れていると推定される場合に、前記密封部分ガス漏れ判定手段により、前記ガス流路密封手段により密封された部分からアノードガスが漏れているか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス流路密封手段による密封後、密封された部分のアノードガスが前記燃料電池の反応により自然消費され、
   前記密封部分ガス漏れ判定手段は、この自然消費されたアノードガス量が所定量以上であると判定されると、アノードガスが漏れているか否かを判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス流路密封手段による密封後、密封された部分のアノードガスが前記燃料電池の強制発電により消費され、
   前記密封部分ガス漏れ判定手段は、この消費されたアノードガス量が所定量以上であると判定されると、アノードガスが漏れているか否かを判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

Images