(57)【要約】【課題】  定常運転中に燃料供給系の破損等大きな漏れが生じた時でも、燃料ガスの漏れ検知と漏れ箇所の特定を可能とする。【解決手段】  定常運転中に燃料供給系１の複数箇所にて圧力を検出し、その検出値が第１のフェール圧力（略大気圧）を下回った検出箇所のうち燃料供給系１の最上流に位置する圧力センサＰ６と、該圧力センサＰ６よりも上流に位置する圧力センサであってその検出値が第２のフェール圧力（調圧弁Ｒｅｇ５の調圧値）を下回った圧力センサＰ５との間を漏れ箇所として特定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給源からの燃料ガスを調圧して燃料電池に供給する燃料供給系と、
該燃料供給系に設けられた複数の圧力検出手段と、
これら圧力検出手段の出力が第１及び第２の所定値（ただし、第１の所定値＜第２の所定値）を下回ったか否かを定常運転中に判定する判定手段と、
前記第１の所定値を下回った圧力検出手段のうち燃料供給系の最上流に位置する圧力検出手段Ａと、該圧力検出手段Ａよりも上流に位置する圧力検出手段であってその出力が前記第２の所定値を下回った圧力検出手段Ｂとの間を漏れ箇所として特定する特定手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記特定手段は、前記圧力検出手段Ａの出力が略大気圧を示している場合に、当該圧力検出手段Ａと前記圧力検出手段Ｂとの間を破断箇所として特定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
定常運転中に燃料供給系の複数箇所にて圧力を検出し、
その検出値が第１の所定値を下回った検出箇所のうち燃料供給系の最上流に位置する検出箇所Ａと、該検出箇所Ａよりも上流に位置する検出箇所であってそこでの検出値が第２の所定値（ただし、第１の所定値＜第２の所定値）を下回った検出箇所Ｂとの間を漏れ箇所として特定する燃料電池システムにおける燃料漏れ箇所の特定方法。
【請求項４】
前記検出箇所Ａでの検出値が略大気圧を示している場合には、当該検出箇所Ａと前記検出箇所Ｂとの間を破断箇所として特定する請求項３に記載の燃料電池システムにおける燃料漏れ箇所の特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその燃料漏れ箇所の特定方法に関し、特に、定常運転中に燃料供給系の破損等大きな漏れが生じた時でも、燃料ガスの漏れ検知及び漏れ箇所の特定が可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を動力源とする燃料電池搭載車両の開発が行われている。この種車両に搭載される燃料電池システムにおいては、特に運転中に燃料ガスの漏れを正確に検知することが非常に重要である。かかる要請に応えるべく、特許文献１には、燃料電池の電気負荷が閾値よりも小さいときに燃料電池の出力電流を遮断し、このときの燃料電池を含む燃料ガス供給循環系の閉空間における圧力状態に基づいて、該閉空間における燃料ガスのガス漏れを検知する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３０８８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この特許文献１では、微小な漏れを検知するものであるため、燃料電池の出力電流が小さい時に発電を止めてガス漏れ検知を行う。つまり、車両制動時等に発電を止めてガス漏れ検知を行うので、定常運転中に燃料供給循環系に破損等の大きな漏れが生じた時には、漏れの検知及び漏れ箇所の特定は困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、定常運転中に燃料供給系の破損等大きな漏れが生じた時でも、燃料ガスの漏れ検知と漏れ箇所の特定が可能な燃料電池システム及び漏れ箇所の特定方法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】
【０００５】
燃料供給源からの燃料ガスを調圧して燃料電池に供給する燃料供給系に、例えば配管破断が生じた場合には、その破断箇所は大気開放されるので、破断箇所よりも下流に位置する圧力検出手段は、定常運転中であっても大気圧（ゲージ圧）を示す。ここで、破断箇所の下流に調圧弁等の調圧手段が設けられている場合であっても、少なくとも破断箇所−調圧手段間に位置する圧力検出手段については、大気圧を示す。
【０００６】
一方、破断箇所よりも上流に位置する圧力検出手段のうち、当該圧力検出手段と破断箇所との間に調圧手段が設けられている場合には、当該圧力検出手段は定常運転時の調圧値よりも低い圧力を示すものの、大気圧を示すことはない。
【０００７】
したがって、例えば、第１の所定値として大気圧あるいはそれに近い圧力を設定する一方で、第２の所定値として定常運転時の調圧値あるいはそれに近い圧力を設定した場合には、第１の所定値を下回った圧力検出手段のうち燃料供給系の最上流に位置する圧力検出手段Ａと、該圧力検出手段Ａよりも上流に位置する圧力検出手段であってその出力が第２の所定値を下回った圧力検出手段Ｂとの間に、漏れ箇所が存在することになる。
【０００８】
そこで、本発明の燃料電池システムは、燃料供給源からの燃料ガスを調圧して燃料電池に供給する燃料供給系と、該燃料供給系に設けられた複数の圧力検出手段と、これら圧力検出手段の出力が第１及び第２の所定値（ただし、第１の所定値＜第２の所定値）を下回ったか否かを定常運転中に判定する判定手段と、前記第１の所定値を下回った圧力検出手段のうち燃料供給系の最上流に位置する圧力検出手段Ａと、該圧力検出手段Ａよりも上流に位置する圧力検出手段であってその出力が前記第２の所定値を下回った圧力検出手段Ｂとの間を漏れ箇所として特定する特定手段と、を備える構成を採用した。
【０００９】
かかる構成において、前記特定手段は、前記圧力検出手段Ａの出力が略大気圧を示している場合に、当該圧力検出手段Ａと前記圧力検出手段Ｂとの間を破断箇所として特定してもよい。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムにおける燃料漏れ箇所の特定方法は、定常運転中に燃料供給系の複数箇所にて圧力を検出し、その検出値が第１の所定値を下回った検出箇所のうち燃料供給系の最上流に位置する検出箇所Ａと、該検出箇所Ａよりも上流に位置する検出箇所であってそこでの検出値が第２の所定値（ただし、第１の所定値＜第２の所定値）を下回った検出箇所Ｂとの間を漏れ箇所として特定する構成を採用した。
【００１１】
かかる構成においては、前記検出箇所Ａでの検出値が略大気圧を示している場合には、当該検出箇所Ａと前記検出箇所Ｂとの間を破断箇所として特定してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、定常運転中に燃料供給系の破損等大きな漏れが生じた時でも、燃料供給系に閉空間を形成することなく、燃料ガス漏れの早期検知及びガス漏れ箇所の早期特定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜第１の実施形態＞
図１に第１の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図を示す。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１４】
同図に示すように、この燃料電池システムは、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、空気を供給するための系統２、及び燃料電池スタック１０を冷却するための系統（不図示）を備えて構成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための燃料供給系１は、水素ガスの供給源から順に、並設された複数（４本）の水素タンク（燃料供給源）１１、水素タンク１１と燃料電池スタック１０とを連通する配管１ａ、主止弁ＳＶ１〜４、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間の管路圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４、調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ５間の管路圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ５、調圧弁Ｒｅｇ５、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間の管路圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ６、調圧弁Ｒｅｇ６、調圧弁Ｒｅｇ６−燃料電池スタック１０間の管路圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）Ｐ７、制御部（判定手段、特定手段）２０等を備えている。
【００１７】
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。
【００１８】
主止弁ＳＶ１〜４は、各水素タンク１１からの水素ガス供給の有無を制御する。調圧弁Ｒｅｇ１〜４はタンク内圧力を所定の高圧（例えば、３Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ５はこの高圧に減圧された水素ガスを中圧（例えば、１Ｍｐａ）に減圧し、調圧弁Ｒｅｇ６はこの中圧に減圧された水素ガスを低圧（例えば、０．２ＭＰａ）に減圧する。
【００１９】
燃料電池スタック１０に空気を供給する系統２は、図１では図示を省略しているが、外気を浄化して燃料電池システムに取り入れるエアクリーナ、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コンプレッサ、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加湿器等を備えており、燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ、ファン、及び冷却ポンプを備えている。
【００２０】
制御部２０は、ＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、コンプレッサ等各種補機類の駆動量を決定する制御信号を出力したり、燃料供給系１の各所に配設された圧力センサＰ１〜Ｐ７からの検出信号に基づき、各主止弁ＳＶ１〜４及び調圧弁Ｒｅｇ１〜６の開閉を制御する制御信号を出力する他、後に説明する手順（図２）に従い、定常運転中に燃料供給系１における水素ガスの漏れ検知と漏れ箇所を特定する処理を実行する。
【００２１】
つまり、本実施形態の制御部２０は、圧力センサＰ１〜７の出力が第１のフェール圧力（第１の所定値）Ｐ＿fail１及び第２のフェール圧力（第２の所定値）Ｐ＿fail２（ただし、第１のフェール圧力Ｐ＿fail１＜第２のフェール圧力Ｐ＿fail２）を下回ったか否かを定常運転中に判定する判定手段として機能する他、第１のフェール圧力Ｐ＿fail１を下回った圧力センサＰ１〜７のうち燃料供給系１の最上流に位置する圧力センサＰ１〜７と、該圧力センサＰ１〜７よりも上流に位置する圧力センサＰ１〜７であってその出力が第２のフェール圧力Ｐ＿fail２を下回った圧力センサＰ１〜７との間を漏れ箇所として特定する特定手段としても機能する。
【００２２】
なお、「定常運転中」とは、少なくとも燃料供給系１に閉区間が形成されてない状態をいい、水素ガスが燃料電池スタック１０に継続的に供給されている状態である。
【００２３】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、この燃料電池システムにおいて定常運転中に実行される、燃料供給系１における水素ガスの漏れ検知と漏れ箇所を特定するための処理の一例について説明する。ただし、ここでは図１に示すように、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間に配管破断が生じている場合について説明する。なお、図２に示す処理は、所定周期毎あるいは所定イベントの発生に対応して実行される。
【００２４】
まず、ステップＳ１において、調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ５間の管路圧力Ｐ５と、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間の管路圧力Ｐ６と、調圧弁Ｒｅｇ６−燃料電池スタック１０間の管路圧力Ｐ７を、それぞれ圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ７にて検出する。続くステップＳ３では、圧力センサＰ５〜７の出力、つまり管路圧力Ｐ５〜７に基づいて、燃料供給系１における水素ガスの漏れ検知を行う。
【００２５】
具体的には、各管路圧力Ｐ５〜Ｐ７が第１のフェール圧力Ｐ＿failを下回っているか否かを判定する。第１のフェール圧力Ｐ＿failは、検知及び特定したいガス漏れの規模、言い換えれば、破損の程度に応じて適宜設定される。本実施形態では、配管破断によるガス漏れの検知及び漏れ箇所の特定を行うので、第１のフェール圧力Ｐ＿failは、例えば略ゲージ圧（大気圧）に設定される。
【００２６】
本処理例では、図１に示すように、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間の配管であって、さらに圧力センサＰ６よりも上流位置にて配管破断が生じている。その破断箇所は大気開放されているので、少なくとも、破断箇所よりも下流かつ調圧弁Ｒｅｇ６よりも上流に位置する圧力センサＰ６については、定常運転中であっても略ゲージ圧を示すことになる。
【００２７】
一方、破断箇所よりも上流側においては、圧力センサＰ５と破断箇所との間に調圧弁Ｒｅｇ５が介在しているので、配管破断による圧力低下の影響は少ない。したがって、圧力センサＰ５は、定常運転時における調圧弁Ｒｅｇ５の調圧値よりも若干低い圧力を示すものの、大気圧近くまで低下することはない。つまり、通常運転時の調圧値を第２のフェール圧力Ｐ＿fail２とすると、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間は、「第１のフェール圧力Ｐ＿fail１＜管路圧力Ｐ５＜第２のフェール圧力Ｐ＿fail２」の状態になっている。
【００２８】
また、破断箇所と圧力センサＰ１〜Ｐ４との間には、調圧弁Ｒｅｇ５に加えて調圧弁Ｒｅｇ１〜４も介在しているので、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間への配管破断による圧力低下の影響は更に少ない。したがって、主止弁ＳＶ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間は、「第２のフェール圧力Ｐ＿fail２＜管路圧力Ｐ１〜４」の状態になっている。
【００２９】
以上より、第１のフェール圧力Ｐ＿failを下回った圧力センサのうち、燃料供給系１の最上流に位置する圧力センサは、圧力センサＰ６となる。また、この圧力センサＰ６よりも上流に位置する圧力センサであってその出力が第２のフェール圧力Ｐ＿fail２を下回った圧力センサは、圧力センサＰ５となる。かかる結果に基づき、圧力センサＰ５−圧力センサＰ６間にて水素ガス漏れを生じていることが特定される（ステップＳ５）。
【００３０】
しかる後、制御部２０は、主止弁ＳＶ１〜４を遮断し（ステップＳ７）、燃料電池スタック１０への水素ガス供給を止める。
【００３１】
調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ５間の配管、調圧弁Ｒｅｇ５−燃料電池スタック１間の配管についても、上記と同様にして、水素ガス漏れの検知及び漏れ箇所の特定が可能である。
【００３２】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムによれば、定常運転中に燃料供給系１の配管破断等大きな漏れが生じた時でも、燃料供給系１に閉空間を形成することなく、燃料ガス漏れの早期検知及びガス漏れ箇所の早期特定が可能となる。
【００３３】
＜他の実施形態＞
本発明は、上記実施形態（図１）のような、複数の水素タンク１１に対してそれと同数の調圧弁Ｒｅｇ１〜４を備えた燃料電池システムへの適用に限定されるわけではない。例えば、図３に示すように、複数（同図では２つ）の水素タンク１１に対して１つの調圧弁Ｒｅｇ１，Ｒｅｇ３を備えた燃料電池システムへの適用も可能である。さらに、主止弁ＳＶ１〜４と調圧弁Ｒｅｇ１〜４の位置関係を逆にしてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、圧力センサＰ１〜７を主止弁ＳＶ１−調圧弁Ｒｅｇ１〜４間、調圧弁Ｒｅｇ１〜４−調圧弁Ｒｅｇ５間、調圧弁Ｒｅｇ５−調圧弁Ｒｅｇ６間、及び調圧弁Ｒｅｇ６−燃料電池スタック１０間の配管に各１つ設けた構成となっているが、これらの配管に複数の圧力センサを設けてもよい。
【００３５】
例えば、図１の圧力センサ６と破断箇所との間に圧力センサ（説明の便宜上、以下、「圧力センサＰ１０」という。）を設けた場合には、該圧力センサＰ１０もゲージ圧を示すので、第１のフェール圧力Ｐ＿fail１を下回った圧力センサＰ６，Ｐ１０は複数存在する。そのうち燃料供給系１の最上流に位置する圧力センサは、圧力センサＰ１０となる。かかる場合には、燃料供給系１の圧力センサＰ１０−圧力センサＰ５間に漏れ箇所が特定されるので、漏れ箇所をより狭い範囲に絞り込むことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図。
【図２】同燃料電池システムの定常運転中に実行される、燃料供給系における水素ガスの漏れ検知と漏れ箇所を特定する処理を示すフローチャート。
【図３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料供給系、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、１１…水素タンク（燃料供給源）、２０…制御部（判定手段、特定手段）、Ｐ１〜Ｐ７…圧力センサ（圧力検出手段）、Ｒｅｇ１〜６…調圧弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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