(57)【要約】      （修正有）【課題】低温環境下において排出弁の凍結を防止しつつ燃料供給路内の所定領域の圧力を減圧して当該領域のガス漏れ検出を行うことのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料ガス供給源３０からの燃料ガスを複数の開閉弁３３、３４Ａ、３４Ｂ、３５を介して燃料電池１０に供給する燃料供給路３１と、燃料電池１０からの燃料オフガスを、排出弁３７を介して排出する排出路３２と、複数の開閉弁で区切られる領域５の圧力を減圧し、減圧後の圧力変化に基づいてガス漏れを検出する検出手段と、を備えた燃料電池システム１を構成する。制御装置４は、ガス漏れ検出の際に排出弁３７の凍結可能性を判断し、凍結可能性があると判断した場合には、排出弁３７の開弁を行わずに領域５の圧力を減圧する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料ガス供給源からの燃料ガスを複数の開閉弁を介して前記燃料電池に供給する燃料供給路と、
前記燃料電池からの燃料オフガスを、排出弁を介して排出する排出路と、
前記複数の開閉弁で区切られる領域の圧力を減圧し、減圧後の圧力変化に基づいてガス漏れを検出する検出手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記検出手段は、ガス漏れ検出の際に前記排出弁の凍結可能性を判断し、凍結可能性があると判断した場合には、前記排出弁の開弁を行わずに前記領域の圧力を減圧する燃料電池システム。
【請求項２】
前記領域の下流側の開閉弁は、インジェクタであり、
前記検出手段は、前記排出弁の凍結可能性があると判断した場合は、前記インジェクタの低圧側の調圧目標値を上げることで、当該インジェクタを開弁させまたは開弁状態を維持させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出手段は、前記排出弁の凍結可能性がないと判断した場合は、前記排出弁を介して燃料オフガスを排出して前記インジェクタの低圧側の燃料ガスの圧力を下げることで、当該インジェクタを開弁させまたは開弁状態を維持させる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス漏れ検出を、システム起動時に行う請求項１乃至３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば車両等の移動体に搭載される燃料電池システムにおけるガス漏れ検出の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給路が設けられている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては燃料ガスとして例えば水素が用いられているため、取り扱いについては安全性を十分に考慮する必要がある。そこで、従来、ガス漏れを検出するために、燃料供給路に複数の開閉弁を設けておき、開閉弁と開閉弁との間の配管領域において燃料ガス（水素）を所定圧まで減圧し、減圧後の圧力変化から燃料ガス漏れを判断している（例えば、特許文献１）。この場合、燃料ガスの減圧は、燃料電池の発電により燃料ガスを消費するか、または、排出弁により燃料オフガスを放出することで行っている。
【特許文献１】特開２００７−１２１２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の減圧法によるガス漏れ検出は、低温環境下においては十分に機能しないことがある。とりわけ、システム起動時においては、燃料電池の発電による燃料ガスの消費はできないし、一方で、排出弁により燃料オフガスを放出し減圧しようとしても、排出弁に冷却水が存在していると、排出弁の開動作やその放出圧力により、冷却水が排出弁に飛散し凝結し、排出弁が開いた状態または閉じた状態で瞬間的に凍結してしまい、これにより燃料電池システムの起動自体ができなくなってしまう可能性もある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、低温環境下において排出弁の凍結を防止しつつ燃料供給路内の所定領域の圧力を減圧して当該領域のガス漏れ検出を行うことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、燃料ガス供給源からの燃料ガスを複数の開閉弁を介して前記燃料電池に供給する燃料供給路と、前記燃料電池からの燃料オフガスを、排出弁を介して排出する排出路と、前記複数の開閉弁で区切られる領域の圧力を減圧し、減圧後の圧力変化に基づいてガス漏れを検出する検出手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記検出手段は、ガス漏れ検出の際に前記排出弁の凍結可能性を判断し、凍結可能性があると判断した場合には、前記排出弁の開弁を行わずに前記領域の圧力を減圧する燃料電池システムを構成する。
【０００７】
この構成によれば、低温環境下において排出弁の凍結可能性がある場合には、排出弁を用いた領域内の減圧が行われず、言い換えれば、排出弁の開閉が禁止されるので、ガス漏れ検出の際に、燃料オフガスの放出圧力によって排出弁が凍結してしまうことが防止できる。また、ガス漏れ検出の際に排出弁が既に凍結していた場合に、無理に排出弁の開弁がされることも防止できる。これにより、ガス漏れ検出によって排出弁に不具合が生じ、以降の燃料電池システムの動作（例えば起動等）ができなくなることを防止できる。
【０００８】
なお、本明細書において、「凍結可能性」とは、排出弁がガス漏れ検出の際に凍結している可能性と、ガス漏れ検出の際の開弁により凍結してしまう可能性の双方を含み、凍結可能性の判断は、例えば、燃料電池システムの温度環境、当該温度環境下に燃料電池システムがおかれた時間、排出弁からの排出圧力の見込み等に基づいて行われる。
【０００９】
また、上記構成において、前記領域の下流側の開閉弁は、インジェクタであり、前記検出手段は、前記排出弁の凍結可能性があると判断した場合は、前記インジェクタの低圧側の調圧目標値を上げることで、当該インジェクタを開弁させまたは開弁状態を維持させるようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、インジェクタの低圧側の調圧目標を上げることで、インジェクタの下流において燃料ガスの圧力を実際に下げなくとも、すなわち、排出弁を開弁して燃料オフガスを排出しなくとも、インジェクタが開弁される（または開弁状態が維持される）。これにより、排出弁を用いずに、インジェクタ上流の領域の燃料ガス圧力を減圧することができる。また、インジェクタを用いることで、上記調圧目標の設定に対する精度、応答性が向上する。
【００１１】
なお、本明細書において、燃料供給源と燃料電池との間で、燃料供給源側を「上流」、燃料電池側を「下流」とし、インジェクタの上流を「インジェクタの高圧側」、下流を「インジェクタの低圧側」とする。また、インジェクタは、典型的には、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁として構成される。
【００１２】
また、上記構成において、前記検出手段は、前記排出弁の凍結可能性がないと判断した場合は、前記排出弁を介して燃料オフガスを排出して前記インジェクタの低圧側の燃料ガスの圧力を下げることで、当該インジェクタを開弁させまたは開弁状態を維持させるようにしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、あらかじめ排出弁の凍結可能性を判断した上で、凍結可能性がない場合にのみ排出弁を開弁させて、インジェクタが開弁される（または開弁状態が維持される）。これにより、排出弁の凍結のおそれなくインジェクタ上流の領域の燃料ガス圧力を減圧することができる。
【００１４】
また、上記構成において、前記ガス漏れ検出を、システム起動時に行うようにしてもよい。
【００１５】
システム起動時には、低温環境下において排出弁の凍結可能性が高く、また一方で、燃料電池にて燃料ガスを消費することもできないので、上記構成を用いる有用性が特に高い。
【００１６】
なお、本明細書において、「システム起動時」とは、一定期間以上停止されている燃料電池システムの運転が開始されるときを示す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低温環境下において排出弁の凍結を防止しつつ燃料供給路内の所定領域の圧力を減圧して当該領域のガス漏れ検出を行うことのできる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１９】
（燃料電池システムの全体構成）
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１の全体構成について説明する。この燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００２０】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００２１】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための空気排出路２３と、を備えている。空気供給路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００２２】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給路としての水素供給路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを排出する排出路３２及び水素オフガスを水素供給路３１に戻すための循環路３８と、を備えている。
【００２３】
水素タンク３０は、高圧に圧縮された水素ガスが封入されたタンクであり、例えばその内部圧力は、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａとされている。この水素タンク３０は、図１に点線で示したように水素供給路Ａ２で連結される複数の水素タンクとしてもよい。また、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２４】
水素供給路３１には、上流側から下流側に向かって、水素タンク３０からの水素ガスの供給を供給し又は停止する主止弁３３、水素タンク３０からの水素ガスの供給圧力を検出する高圧圧力センサ４１、燃料電池１０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する一次減圧弁３４Ａ、一次減圧弁３４Ａの下流の水素ガス圧力を検出する中圧圧力センサ４２、水素ガスを更に減圧する二次減圧弁３４Ｂ、二次減圧弁３４Ｂの下流の水素ガス圧力を検出する低圧圧力センサ４３、水素ガスを更に減圧して燃料電池１０入口に供給するインジェクタ３５、及び水素ガスの燃料電池１０入口圧力を検出する入口圧力センサ４４が設けられている。
【００２５】
一次減圧弁３４Ａ、二次減圧弁３４Ｂとしては、本実施の形態においては、機械式の減圧弁を採用している。このような機械式の減圧弁は、例えば、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側に減圧弁を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させている。
【００２６】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。これにより、水素ガスの圧力を高精度に制御することができる。インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給路３１と循環路３８との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。
【００２７】
上述した水素供給路３１において、図１にて破線で囲まれた範囲、つまり主止弁３３からインジェクタ３５に至るまでの範囲がガス漏れ検知可能領域５である。
【００２８】
排出路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁（排気弁）３７を介して、循環路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）とを外部に排出（パージ）するものである。循環路３８には、循環路３８内の水素オフガスを加圧して水素供給路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて空気排出路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。
【００２９】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３０】
制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００３１】
本実施形態においては、制御装置４は、システム起動時の水素ガスの漏れ検出（ガス漏れ検出）を行う検出手段としても機能する。制御装置４は、システム起動時において、主止弁３３、一次減圧弁３４Ａ、二次減圧弁３４Ｂ、インジェクタ３５、排気排水弁３７の各開閉弁の開弁及び閉弁を制御し、ガス漏れ検知可能領域５における水素ガスの漏れを検出することができる。以下具体的に説明する。
【００３２】
（システム起動時の水素ガスの漏れ検出処理）
図２を用いて、制御装置４によるシステム起動時の水素ガスの漏れ検出を説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るシステム起動時の水素ガスの漏れ検出処理を示すフローチャートである。
【００３３】
制御装置４は、燃料電池システム１が起動されたことを判別すると（例えば、イグニッションキーがオンされた信号を受けると）、主止弁３３、一次減圧弁３４Ａ、二次減圧弁３４Ｂ、インジェクタ３５を開弁し、水素タンク３０から水素供給路３１への水素の供給を行い、水素ガスの漏れ検出処理を開始する（スタート）。
【００３４】
次に、制御装置４は、前回のシステム停止時において水素ガスの漏れ検出を行ったか否かを判断する（ステップＳ１）。
【００３５】
前回停止時において、水素ガスの漏れ検出を実施していた場合（ステップＳ１：ＮＯ）、システム起動時において水素ガスの漏れ検出を再度行う必要はないので、通常の起動処理を実施する（ステップＳ５）。
【００３６】
一方、前回停止時において、水素ガスの漏れ検出を実施していない場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、起動のタイミングで水素ガスの漏れ検出を行う必要があり、制御装置４は、そのためにまず排気排水弁３７の凍結の可能性があるか否かを判断する（ステップＳ２）。具体的には、現在の排出路３２の温度、前回システム停止時の排出路３２の温度、前回システム停止時から今回の起動までの経過時間、排出路３２の水素オフガスの圧力等を燃料電池システム１及び／または燃料電池車両に設けた温度センサ等から算出し、当該算出値に基づいて、排気排水弁３７の凍結可能性（既に凍結している可能性、または、排気排水弁３７の開弁による排出圧力により、水素オフガスに含まれる水分が瞬間的に凍結する可能性）を判断する。典型的には、燃料電池車両が氷点下以下の低温環境に長く放置されていたような場合には、排気排水弁３７の凍結可能性があると判断され、逆に、室温程度の環境に燃料電池車両が置かれている場合や、前回システム停止時からほとんど時間がたっていないような場合には、排気排水弁３７の凍結可能性がないと判断される。
【００３７】
排気排水弁３７の凍結可能性があると判断した場合は（ステップＳ２：ＹＥＳ）、制御装置４は、排気排水弁を使用しない水素ガスの漏れ検出を行う（ステップＳ３）。
【００３８】
具体的には、制御装置４は、主止弁３３を閉弁させ、水素タンク３０から燃料供給路３１への水素ガスの供給を停止させる。そして、制御装置４は、ガス漏れ検知可能領域５を各圧力センサ４１乃至４３の圧力検出能力のたとえば限界値近傍となるまで減圧するために、インジェクタ３５の開弁を継続させ、燃料電池１０に水素ガスを供給させる。このとき、制御装置４は、排気排水弁３７を開弁してインジェクタ３５の低圧側の圧力を減少させてインジェクタ３５の開弁を継続させるかわりに、インジェクタ３５の下流側の調圧目標圧力を上げることで、インジェクタ３５の開弁を継続させる。上記限界値近傍圧力まで減圧が行われると、制御装置４は、インジェクタ３５を閉弁させて燃料電池１０への水素ガスの供給を停止する。すなわち、主止弁３３から、インジェクタ３５までが封止される。その後、制御装置４は、各圧力センサ４１乃至４３による検出値の変動を監視する。監視中に圧力が所定圧力以上に上昇した場合には、水素タンク３０の主止弁３３のガス封止不良と判定する。また、圧力が所定圧力以上に低下した場合は、ガス漏れ検知可能領域５から外部へ水素ガスの漏れが発生していると判定する。制御装置４は、これらの判定結果をユーザに即時通知する。水素ガスの漏れ検出が終了すると、制御装置４は、通常の起動処理を実施する（ステップＳ５）。
【００３９】
排気排水弁３７の凍結可能性ないと判断した場合は（ステップＳ２：ＮＯ）、制御装置４は、排気排水弁を使用して、水素ガスの漏れ検出を行う（ステップＳ４）。
【００４０】
ステップＳ４とステップＳ３との違いは、ガス漏れ検知可能領域５の減圧方法である。具体的には、ステップＳ４においては、制御装置４は、ガス漏れ検知可能領域５を減圧するために、排気排水弁３７を開弁してインジェクタ３５の低圧側の圧力を減少させることでインジェクタ３５の開弁を継続させ、ガス漏れ検知可能領域５を減圧する。ステップＳ４のそれ以外の動作は、ステップＳ３と同様であり、説明は省略する。
【００４１】
以上の通り、本実施形態においては、システム起動時に排気排水弁３７の凍結可能性がある場合には、排気排水弁３７を用いたガス漏れ検知可能領域５の減圧は行われず、凍結可能性がないときのみ排気排水弁３７を用いたガス漏れ検知可能領域５の減圧が行われる。これにより、低温環境下におけるシステム起動時における水素ガスの漏れ検出の際に、水素オフガスの放出圧力によって水素オフガスに含まれる水分が瞬間的に凝結して排気排水弁３７が凍結してしまうことや、排気排水弁３７が既に凍結していた場合に、無理に排気排水弁３７の開弁がされることが防止できる。
【００４２】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば、上記実施の形態では本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】燃料電池車両に搭載される燃料電池システム１の全体構成を示す構成図。
【図２】システム起動時の水素ガスの漏れ検出処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４４】
１  ……燃料電池システム、１０……燃料電池、１１……ＰＣＵ、１２……トランクションモータ、１３……電流センサ、２……酸化ガス配管系、２０……加湿器、２１……空気供給路、２２……空気排出路、２３……空気排出路、２４……コンプレッサ、３……水素ガス配管系（燃料供給路）、３０……水素タンク（燃料供給源）、３１……水素供給路、３２……排出路、３３……主止弁、３４Ａ……一次減圧弁、３４Ｂ……二次減圧弁、３５……インジェクタ、３６……気液分離器、３７……排気排水弁（排出弁）、３８……循環路、３９……水素ポンプ、４……制御装置、４０……希釈器、４１……高圧圧力センサ、４２……中圧圧力センサ、４３……低圧圧力センサ、４４……入口圧力センサ
【図１】
2010146978.tif 000003
【図２】
2010146978.tif 000004