(57)【要約】【課題】短時間で精度良くガス漏れ検知を行うことが可能な燃料電池システム及び燃料電池システムのガス漏れ検知方法を提供すること。【解決手段】水素供給源３０と、その下流に設けられた遮断弁Ｈ１００と、さらにその下流に設けられた水素調圧弁Ｈ９，Ｈ１０と、遮断弁Ｈ１００と水素調圧弁Ｈ９との間に設けられた圧力センサＰ６と、水素調圧弁Ｈ９と水素調圧弁Ｈ１０との間に設けられ圧力センサＰ６よりも検出上限が低い圧力センサＰ９と、を備えた燃料電池システムの起動時に、圧力センサＰ９の検出範囲で燃料供給路７４を加圧しつつ、圧力センサＰ９の検出圧力に基づき燃料供給系のガス漏れ検知を行う【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源の下流に設けられた主止弁と、
前記主止弁の下流に設けられた第１の調圧弁と、
前記第１の調圧弁の下流に設けられた第２の調圧弁と、
前記主止弁と前記第１の調圧弁との間に設けられた第１の圧力センサと、
前記第１の調圧弁と前記第２の調圧弁との間に設けられ、前記第１の圧力センサよりも検出上限が低い第２の圧力センサと、を備えた燃料電池システムであって、
システム起動時、前記第１の調圧弁の調圧値以下、かつ前記第２の調圧弁の調圧値以上に加圧をしつつ、前記第２の圧力センサの検出結果に基づき、ガス漏れ検知を行うガス漏れ検知手段を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料供給源は、高圧水素タンクである請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池に燃料を供給する燃料供給源と、前記燃料供給源の下流に設けられた主止弁と、前記主止弁の下流に設けられた第１の調圧弁と、前記第１の調圧弁の下流に設けられた第２の調圧弁と、前記主止弁と前記第１の調圧弁との間に設けられた第１の圧力センサと、前記第１の調圧弁と前記第２の調圧弁との間に設けられ、前記第１の圧力センサよりも検出上限が低い第２の圧力センサと、を備えた燃料電池システムのガス漏れ検知方法であって、
システム起動時、前記第１の調圧弁の調圧値以下、かつ前記第２の調圧弁の調圧値以上に加圧をしつつ、前記第２の圧力センサの検出結果に基づき、ガス漏れ検知を行う燃料電池システムのガス漏れ検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムとそのガス漏れ検知方法に係り、特に、システム起動時に燃料供給系のガス漏れ検知を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池（セル）をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。従来の燃料電池システムにおいては、システムを起動させる際に以下のように燃料ガスの漏れの有無を判定している。
【０００３】
まず、燃料ガスタンクの主止弁を開き、燃料系配管内を燃料ガスによって十分に加圧する。次いで、一旦主止弁を閉止し、最上流の圧力調整要素（圧力調整弁）よりも上流に設けられている圧力センサにより、配管内の圧力変化を監視する。そして、圧力が降下した場合には、ガス漏れと判定する。
【特許文献１】特開平９−２２７１１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、最上流の圧力センサは、検出上限が高く検出範囲が広いため、精度が低く、圧力センサ自身が持つ誤差も非常に大きい。例えば７０ＭＰａの検出範囲で誤差が１％であるとすると、７ＭＰａの誤差となり、ガス漏れによるわずかな圧力変化を検出するためには、時間をかけて前記誤差以上（７ＭＰａ以上）の圧力変化を検出しなければならない、という課題がある。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は、短時間で精度良くガス漏れ検知を行うことが可能な燃料電池システム及び燃料電池システムのガス漏れ検知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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に燃料を供給する燃料供給源と、前記燃料供給源の下流に設けられた主止弁と、前記主止弁の下流に設けられた第１の調圧弁と、前記第１の調圧弁の下流に設けられた第２の調圧弁と、前記主止弁と前記第１の調圧弁との間に設けられた第１の圧力センサと、前記第１の調圧弁と前記第２の調圧弁との間に設けられ、前記第１の圧力センサよりも検出上限が低い第２の圧力センサと、を備えた燃料電池システムであって、システム起動時、前記第１の調圧弁の調圧値以下、かつ前記第２の調圧弁の調圧値以上に加圧をしつつ、前記第２の圧力センサの検出結果に基づき、ガス漏れ検知を行うガス漏れ検知手段を備えたものである。
【０００７】
この構成において、ガス漏れ検知手段は、第１の圧力センサよりも検出上限が低い第２の圧力センサによる検出結果に基づいて、当該第２の圧力センサの検出範囲（第１の調圧弁の調圧値以下、かつ第２の調圧弁の調圧値以上）でガス漏れ検知を行う。したがって、第１の圧力センサを用いてガス漏れ検知を行う場合と比較して、より短時間で精度良くガス漏れ検知を行うことが可能となる。なお、第２の調圧弁は、燃料供給系に複数設けられていてもよいし、単数でもよい。
【０００８】
また、前記燃料供給源は、高圧水素タンクであってもよい。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムのガス漏れ検知方法は、燃料電池に燃料を供給する燃料供給源と、前記燃料供給源の下流に設けられた主止弁と、前記主止弁の下流に設けられた第１の調圧弁と、前記第１の調圧弁の下流に設けられた第２の調圧弁と、前記主止弁と前記第１の調圧弁との間に設けられた第１の圧力センサと、前記第１の調圧弁と前記第２の調圧弁との間に設けられ、前記第１の圧力センサよりも検出上限が低い第２の圧力センサと、を備えた燃料電池システムのガス漏れ検知方法であって、システム起動時、前記第１の調圧弁の調圧値以下、かつ前記第２の調圧弁の調圧値以上に加圧をしつつ、前記第２の圧力センサの検出結果に基づき、ガス漏れ検知を行うものである。
【００１０】
このような構成によれば、第１の圧力センサよりも検出上限が低い第２の圧力センサを用いて、当該第２の圧力センサの検出範囲（第１の調圧弁の調圧値以下、かつ第２の調圧弁の調圧値以上）でガス漏れ検知を行うので、第１の圧力センサを用いてガス漏れ検知を行う場合と比較して、より短時間で精度良くガス漏れ検知を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、短時間で精度良くシステム起動時のガス漏れ検知を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。
【００１３】
図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部（ガス漏れ検知手段）５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。
【００１４】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。
【００１５】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１６】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源（燃料供給源）３０から燃料供給路（燃料供給系）７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１７】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（主止弁）Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサ（第１の圧力センサ）Ｐ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を所定の調圧値に減圧して調整する第１の水素調圧弁Ｈ９、第２の水素調圧弁Ｈ１０、およびその下流の水素調圧弁Ｈ１１、各々水素調圧弁Ｈ９，Ｈ１０の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサ（第２の圧力センサ）Ｐ９，Ｐ１０、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００１８】
これら水素調圧弁Ｈ９〜Ｈ１１のうち燃料供給路７４の最上流に設けられた水素調圧弁Ｈ９とその下流に設けられた水素調圧弁Ｈ１０との間に設けられた圧力センサＰ９の検出上限は、遮断弁Ｈ１００と水素調圧弁Ｈ９との間に設けられた圧力センサＰ６の検出上限未満である。また、水素調圧弁Ｈ９〜Ｈ１１の各調圧値は、燃料供給路７４の上流側から順に、つまり、水素調圧弁Ｈ９，Ｈ１０，Ｈ１１の順に、次第に低くなるように設定されている。
【００１９】
例えば、図２に示すように、水素供給源３０内の第１の圧力（例えば、７０ＭＰａ、３５ＭＰａ）は、水素調圧弁Ｈ９によって当該水素調圧弁Ｈ９の調圧値である第２の圧力（例えば、３ＭＰａ）に減圧（調圧）される。また、この第２の圧力は、水素調圧弁Ｈ１０によって当該水素調圧弁Ｈ１０の調圧値である第３の圧力（例えば、１ＭＰａ）に減圧（調圧）される。さらに、この第３の圧力は、水素調圧弁Ｈ１１によって当該水素調圧弁Ｈ１１の調圧値である第４の圧力（例えば、２００ｋＰａ）に減圧（調圧）される。
【００２０】
なお、水素調圧弁Ｈ９の上流側圧力（一次圧）が当該水素調圧弁Ｈ９の調圧値以下の場合には、水素調圧弁Ｈ９の開度は全開となり、その下流の水素調圧弁Ｈ１０まで同圧となる。このような弁特性は、他の水素調圧弁Ｈ１０，Ｈ１１についても同様である。
【００２１】
水素調圧弁Ｈ９〜Ｈ１１としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９，Ｐ１０の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。
【００２２】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ１１の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２３】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２４】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２５】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２６】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２７】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２８】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する他、本実施形態では、遮断弁Ｈ１００よりも下流の燃料系配管（燃料供給路７４、燃料電池２０内のガス流路、及び水素循環路７５）のガス漏れ検知を行うガス漏れ検知手段としても機能する。
【００２９】
つまり、制御部５０は、システム起動時における燃料供給路７４の加圧処理を実施するに際し、遮断弁Ｈ１００から水素調圧弁Ｈ１０までの間の圧力が、水素調圧弁Ｈ９の調圧値以下かつ水素調圧弁Ｈ１０の調圧値以上の圧力となるように、遮断弁Ｈ１００の開閉状態を制御することにより、圧力センサＰ６よりも検出精度の高い圧力センサＰ９を用いて、燃料系配管のガス漏れを検知する。
【００３０】
なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御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などの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。
【００３１】
次に、制御部５０によるシステム起動時の動作について説明する。
【００３２】
制御部５０は、図示しない主制御プログラムにおいて起動動作を指令する命令（例えば、イグニッションＯＦＦ）の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、まず、遮断弁Ｈ１００を開き、水素供給源３０からの高圧水素によって燃料供給路７４を加圧するとともに、燃料供給路７４の圧力変化を圧力センサＰ５によって監視する。
【００３３】
そして、圧力センサＰ５の圧力が配管体積等システム毎に設計的に求められる所定の圧力値に到達したときに遮断弁Ｈ１００を閉じることにより、水素調圧弁Ｈ１１の上流側圧力を水素調圧弁Ｈ１０の調圧値である第３の圧力とすると共に、水素調圧弁Ｈ１０，Ｈ９の両上流側圧力を水素調圧弁Ｈ９の調圧値である第２の圧力よりも低い所定の加圧値、すなわち、圧力センサＰ９の検出範囲内の加圧値とする。なお、遮断弁Ｈ１００を閉じるタイミングは、当該遮断弁Ｈ１００の開弁時間で決めても良い。
【００３４】
すると、水素調圧弁Ｈ９，Ｈ１０の上流側圧力、つまり、システム起動時における遮断弁Ｈ１００から水素調圧弁Ｈ１０までの間の燃料供給路７４の加圧値は、図２に示すように、水素調圧弁Ｈ９の調圧値である第２の圧力以下、かつ、水素調圧弁Ｈ１０の調圧値である第３の圧力以上となる値、例えば水素調圧弁Ｈ９の調圧値が３ＭＰａである場合には２ＭＰａとなる。
【００３５】
このような加圧状態下で、制御部５０は、遮断弁Ｈ１００から水素調圧弁Ｈ１０までの間の圧力を圧力センサＰ９にて所定周期で検出し、所定時間経過後の圧力変化量又は圧力変化率が所定の漏れ判定閾値以上である場合に、遮断弁Ｈ１００の下流の燃料系配管内にガス漏れが発生していると判定する。
【００３６】
このときに用いる圧力センサＰ９の検出精度は圧力センサＰ６の検出精度よりも高く、しかも、圧力センサＰ９の検出上限は圧力センサＰ６の検出上限よりも低いので、遮断弁Ｈ１００から水素調圧弁Ｈ１０までの間のガス漏れ検知をより短時間で精度良く行うことが可能となり、ガス漏れ判定を伴うシステムの起動時間を短縮することができる。
【００３７】
なお、上記実施形態においては、水素調圧弁Ｈ９，Ｈ１０の調圧値を基準にしてシステム起動時における燃料供給路７４の加圧値を制御したが、更に下流の水素調圧弁Ｈ１０，Ｈ１１の調圧値を基準にして燃料供給路７４の加圧値を制御するようにしてもよい。この場合には、圧力センサＰ９よりも検出上限が低い圧力センサＰ１０を用いてガス漏れ検知を行うことになるので、より高精度なガス漏れ検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】図１に示した制御部によるガス漏れ検知時の圧力制御を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池システム、Ｈ９…水素調圧弁（第１の調圧弁）、Ｈ１０…水素調圧弁（第２の調圧弁）、Ｈ１００…遮断弁（主止弁）、Ｐ６…圧力センサ（第１の圧力センサ），Ｐ９…圧力センサ（第２の圧力センサ）、２０…燃料電池、３０…水素供給源（燃料供給源、高圧水素タンク）、５０…制御部（ガス漏れ検知手段）、７４…燃料供給路、７５…水素循環路
【図１】
2007134200.tif 000003
【図２】
2007134200.tif 000004