(57)【要約】【課題】水素ガスの供給を制御する制御部に異常が生じた場合であっても、水素ガスの供給を確実に遮断する。【解決手段】水素ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、水素ガスを水素ポンプ４０から燃料電池２に供給するための水素ガス供給流路４１と、水素ガス供給流路４１に設けられ、燃料電池２への水素ガスの供給を遮断または許容する水素サブバルブ４３および水素メインバルブ４４と、水素サブバルブ４３および水素メインバルブ４４の開閉を制御するとともに、水素サブバルブ４３への制御が可能であるか否かを判定する制御部５と、水素サブバルブ４３への制御が不能であると判定された場合に、水素メインバルブ４４を閉弁させる予備制御部６と、を備える燃料電池システム。【選択図】図１
2009117225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
前記燃料ガスを燃料供給源から前記燃料電池に供給するための燃料供給流路と、
前記燃料供給流路に設けられ、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を遮断または許容する制御弁と、
前記制御弁の開閉を制御する第一の制御手段と、
前記第一の制御手段による前記制御弁への制御が可能であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記制御弁への制御が不能であると判定された場合に、前記制御弁を閉弁させる第二の制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第一の制御手段と前記第二の制御手段は、それぞれ別個の制御ユニットに収納され、前記第二の制御手段を収納する制御ユニットは、前記第一の制御手段を収納する制御ユニットよりも、耐火性および耐衝撃性が高いことを特徴とする請求項１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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池内で可燃性の燃料ガスを消費する。したがって、安全性を確保するために燃料ガスの取り扱いに十分配慮する必要がある。下記特許文献１または２には、燃料電池を搭載した燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）において、車両の衝突を検知した場合または車両が衝突する可能性が高いと判断した場合には、燃料ガスの供給を遮断する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５７８６３号公報
【特許文献２】特開２００４−３４９１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料ガスの供給は、燃料供給流路に設けられた制御弁を開閉することによって制御される。この制御弁の開閉は、車両に搭載されたＥＣＵ（Engine Control Unit）によって制御される。したがって、燃料ガスを供給しているときにＥＣＵに異常が生じた場合には、制御弁を開閉することができなくなることも考えられ、そのような場合には燃料ガスの供給を遮断することができなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料ガスの供給を制御する制御手段に異常が生じた場合であっても、燃料ガスの供給を確実に遮断することが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】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料ガスを燃料供給源から燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料供給流路に設けられ、燃料電池への燃料ガスの供給を遮断または許容する制御弁と、制御弁の開閉を制御する第一の制御手段と、第一の制御手段による制御弁への制御が可能であるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって制御弁への制御が不能であると判定された場合に、制御弁を閉弁させる第二の制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、燃料電池への燃料ガスの供給を遮断または許容する制御弁を制御する第一の制御手段に異常が生じる等して、第一の制御手段によって実行される制御弁への制御が不能となった場合には、第二の制御手段によって制御弁を閉弁させることができる。すなわち、燃料ガスの供給を制御する第一の制御手段に異常が生じた場合であっても、燃料ガスの供給を確実に遮断することができる。
【０００７】
上記第一の制御手段と上記第二の制御手段を、それぞれ別個の制御ユニットに収納し、第二の制御手段を収納する制御ユニットは、第一の制御手段を収納する制御ユニットよりも、耐火性および耐衝撃性を高くすることができる。
【０００８】
このようにすることで、例えば、衝突等によって第一の制御手段による制御弁への制御が不能となった場合であっても、耐火性および耐衝撃性の高い制御ユニットに収納された第二の制御手段によって制御弁を制御することができるため、第一の制御手段に異常が生じた場合であっても燃料ガスの供給を遮断させる可能性を格段に高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料ガスの供給を制御する制御手段に異常が生じた場合であっても、燃料ガスの供給を確実に遮断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００１１】
本実施形態における燃料電池システムは、燃料ガスの供給を制御する制御部に異常が生じ、制御部が燃料ガスの供給を遮断することができなくなった場合であっても、制御部とは別に設けられた予備制御部によって燃料ガスの供給を確実に遮断させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。
【００１２】
図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
【００１３】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５と、制御部５の一部の機能を有する予備制御部６とを有する。燃料電池２および水素ガス配管系４により水素ガス供給機構が構成される。
【００１４】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）によって降圧され、バッテリである二次電池（不図示）に充電される。
【００１５】
酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００１６】
水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素タンク４０は、本発明における燃料供給源の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料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ができる。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することもできる。
【００１７】
水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する水素サブバルブ４３および水素メインバルブ４４と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４５と、が設けられている。水素サブバルブ４３は、水素タンク４０が複数ある場合に、水素供給流路４１のうち、水素タンク４０ごとに分岐した流路上に設けられる制御弁であり、水素メインバルブ４４は、水素タンク４０ごとに分岐した流路が合流した水素供給流路４１上に設けられる制御弁である。
【００１８】
循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４６が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４７および排気排水弁４８を介して排出流路４９が接続されている。気液分離器４７は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４８は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４７で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４８から排出された水素オフガスは、希釈器５０によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。
【００１９】
制御部５は、燃料電池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等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２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３１や水素ポンプ４６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、オーディオ等が含まれる。
【００２０】
制御部５（第一の制御手段）は、水素サブバルブ４３および水素メインバルブ４４の開閉を制御する。
【００２１】
制御部５（判定手段）は、水素サブバルブ４３への制御が可能であるか否かを判定し、水素サブバルブ４３への制御が不能であると判定した場合に、後述する予備制御部６に水素メインバルブ４４を制御するように依頼する制御依頼信号を送信する。水素サブバルブ４３への制御が可能であるか否かを判定する方法としては、例えば、以下のような方法を採用することができる。制御部５が水素サブバルブ４３に閉弁指示信号を送信し、その応答として水素サブバルブ４３から閉弁完了信号を受信することができなかった場合に、水素サブバルブ４３への制御が不能であると判定する。
【００２２】
ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有し、これらの要素は制御ユニットであるＥＣＵに収納される。制御部５を物理的に構成する各要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサ、電流センサおよび電圧センサ等の各種センサや、後述する予備制御部６のＣＰＵとの通信モジュールが接続されているとともに、コンプレッサ３１、水素サブバルブ４３、水素メインバルブ４４、水素ポンプ４６および排気排水弁４８等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００２３】
制御部５のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサや電流センサ、電圧センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１の水素ガス遮断処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバや予備制御部６のＣＰＵに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００２４】
予備制御部６（第二の制御手段）は、制御部５から送信された制御依頼信号を受信した場合に、水素メインバルブ４４を閉弁させる。
【００２５】
ここで、予備制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースと、補助バッテリとを有し、これらの要素は耐火性および耐衝撃性の高い機器（例えば、水素漏れ検知器、炎検知器）と一体化された制御ユニットに収納される。予備制御部６を物理的に構成する各要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、制御部５のＣＰＵとの通信モジュールが接続されているとともに、水素メインバルブ４４等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００２６】
予備制御部６のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して制御部５のＣＰＵから制御依頼信号を受信し、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、水素メインバルブ４４等を制御する。また、予備制御部６のＣＰＵは、車両に搭載されているメインバッテリが出力不能になった場合に、補助バッテリを用いて水素メインバルブ４４を駆動させる。
【００２７】
次に、図２に示すフローチャートを用いて、実施形態における燃料電池システムの水素ガス遮断処理について説明する。
【００２８】
最初に、制御部５は、水素サブバルブ４３が制御可能であるか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１；ＹＥＳ）には、ステップＳ１の処理を繰り返す。
【００２９】
一方、上記ステップＳ１において水素サブバルブ４３が制御不能であると判定された場合（ステップＳ１；ＮＯ）に、制御部５は、水素メインバルブ４４を制御するように依頼する制御依頼信号を予備制御部６に送信する（ステップＳ２）。制御依頼信号を受信した予備制御部６は、水素メインバルブ４４を閉弁させる（ステップＳ３）。
【００３０】
上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２への水素ガスの供給を遮断または許容する水素サブバルブ４３および水素メインバルブ４４を制御する制御部５に異常が生じる等して、制御部５によって実行される水素サブバルブ４３への制御が不能となった場合には、予備制御部６によって水素サブバルブ４３を閉弁させることができる。すなわち、水素ガスの供給を制御する制御部５に異常が生じた場合であっても、水素ガスの供給を確実に遮断することができ、安全性を確保することができる。
【００３１】
また、制御部５を物理的に構成する各要素は、ＥＣＵに収納され、予備制御部６を物理的に構成する各要素は、耐火性および耐衝撃性の高い水素漏れ検知器や炎検知器と一体化された制御ユニットに収納されるため、例えば、衝突等によってＥＣＵと水素サブバルブ４３との間を接続するワイヤーハーネスがショートする等して、水素サブバルブ４３への制御が不能となった場合であっても、耐火性および耐衝撃性の高い機器と一体化されたことで衝突時の生存可能性が高い制御ユニットによって水素メインバルブ４４を閉弁することができる。それゆえに、ＥＣＵに異常が生じた場合であっても水素ガスの供給を遮断させる可能性を格段に高めることができる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、制御部５が予備制御部６に制御依頼信号を送信する際の要件として、水素サブバルブ４３への制御が不能になることを用いて説明しているが、これに限定されない。例えば、水素サブバルブ４３に加えて水素メインバルブ４４の制御も不能である場合に、制御依頼信号を送信することとしてもよい。すなわち、制御部５によって、燃料電池２への水素ガスの供給を遮断することができなくなった場合に、制御依頼信号を送信することができればよい。
【００３３】
また、上述した実施形態では、予備制御部６が閉弁させる対象として水素メインバルブ４４を用いて説明しているが、これに限定されず、水素供給流路４１上に設けられた水素バルブであればよい。すなわち、制御部５による水素バルブの制御が不能になったときに、燃料電池２への水素ガスの供給を遮断することができればよい。したがって、例えば、全ての水素サブバルブ４３を閉弁させることとしてもよい。ただし、閉弁させる水素バルブの位置が燃料電池２に近いほど、水素タンク４０と水素バルブとの間の水素供給流路４１が長くなるため、水素供給流路４１内に残留するより多くの水素ガスを密封させることができる。
【００３４】
また、上述した実施形態では、予備制御部６を物理的に構成する各要素が、耐火性および耐衝撃性の高い水素漏れ検知器や炎検知器と一体化された制御ユニットに収納されているが、これに限定されない。例えば、予備制御部６を物理的に構成する各要素を、ＥＣＵとは別体の制御ユニットであって、ＥＣＵよりも耐火性および耐衝撃性の高い制御ユニットに収納させることとしてもよい。
【００３５】
また、上述した各実施形態においては、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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。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することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】実施形態における燃料電池システムの水素ガス遮断処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、６…予備制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…水素サブバルブ、４４…水素メインバルブ、４５…レギュレータ、４６…水素ポンプ、４７…気液分離器、４８…排気排水弁、４９…排出流路、５０…希釈器。
【図１】
2009117225.tif 000003
【図２】
2009117225.tif 000004