JP2008171623A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガスの漏れを検知することが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、燃料電池１０に反応ガスを供給するための反応ガス供給系３と、反応ガス供給系３の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する反応ガス供給手段３５と、反応ガス供給手段３５を駆動制御する制御手段４と、反応ガス供給手段３５よりも上流側の反応ガス漏れを検知する漏れ検知手段４とを備え、反応ガス供給手段３５は下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定であり、漏れ検知手段４は、反応ガス供給手段３５における下流側への単位時間当たりのガス供給流量と、反応ガス供給手段３５のガス供給に伴う該反応ガス供給手段３５よりも上流側のガス状態量変化とから、反応ガス供給手段３５よりも上流側のガス漏れを検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定の反応ガス供給手段を備えた燃料電池システムに関する。

現在、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流路が設けられており、この燃料供給流路に、上流側のガス状態を調整して下流側に供給する燃料供給手段として、燃料ガスの供給を高い応答性で適切に制御可能なインジェクタを設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３０２５６３号公報

ところで、燃料電池システムにおいては、燃料ガスの漏れを検知する必要があり、特に燃料ガスの圧力が高い燃料供給手段よりも上流側の燃料ガスの漏れを検知することが必要になってくるが、上記した技術には、インジェクタの故障時の対応制御についての開示はあるものの、このような燃料供給手段よりも上流側の燃料ガスの漏れを検知する点についての開示はなかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス（特に、燃料ガス）の漏れを検知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。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給系と、該反応ガス供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する反応ガス供給手段と、該反応ガス供給手段の動作を制御する制御手段と、前記反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス漏れを検知する漏れ検知手段と、を備える燃料電池システムであって、前記反応ガス供給手段は下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定であり、前記漏れ検知手段は、前記反応ガス供給手段における下流側への単位時間当たりのガス供給流量と、前記反応ガス供給手段のガス供給に伴う該反応ガス供給手段よりも上流側のガス状態量変化と、に基づいて該反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス漏れを検知するものである。

かかる構成によれば、反応ガス供給手段が下流側に反応ガスを供給するとそのガス供給流量に応じて、反応ガス供給手段よりも上流側のガス状態量が変化することになるため、反応ガス供給手段として下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定のものを用いることで、反応ガス供給手段による下流側へのガス供給流量を割り出し、これと、これに伴う上流側のガス状態量の変化と、に基づいて反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス漏れを検知することができる。

前記漏れ検知手段は、前記単位時間当たりのガス供給流量から前記ガス状態量変化を減じて得られる反応ガス漏れ量が所定の基準値よりも大きいときに、前記反応ガス漏れが有ると判断してもよい。

前記反応ガスは、例えば燃料ガスである。また、前記反応ガス供給手段は、弁体を電磁駆動力で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可能な電磁駆動式の開閉弁、例えばインジェクタでもよい。

本発明によれば、反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス（例えば、燃料ガス）の漏れを検知することができる。

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１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム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。

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。

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流路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に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路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。

水素ガス配管系３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流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。水素ガス配管系３は、本発明における反応ガス供給系の一実施形態である。

なお、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。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、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。

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。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。

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（開口状態）を２段階以上の多段階又は無段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。

インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路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、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。

また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路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及び排出流路３８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排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（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制御手段として機能する他、本実施形態においては更に、インジェクタ３５よりも上流側の燃料ガス漏れを検知する漏れ検知手段としても機能する。

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。

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。

具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。

ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。すなわち、インジェクタ３５は、当該インジェクタ３５よりも下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定の反応ガス供給手段である。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。

次に、燃料電池システム１の制御装置４によるインジェクタ（燃料供給手段）３５よりも上流側の水素ガス（燃料ガス）の漏れ検知について説明する。

インジェクタ３５は、開作動時の単位時間当たりの噴射量つまりガス供給流量が既定であるため、制御装置４は、図３に示すように、所定の検知開始タイミングであるｔ１時点から所定の検知終了タイミングであるｔ２時点までの間のインジェクタ３５の各開作動によるガス供給流量を積算することで、ｔ１時点からｔ２時点までの間のインジェクタ３５による下流側へのガス供給流量ΔＱ_inj〔ＮＬ〕を算出する。

一方、上記したインジェクタ３５のｔ１時点からｔ２時点までの噴射で、インジェクタ３５よりも上流側のｔ１時点での状態量Ｑ_t1が、ｔ２時点には状態量Ｑ_t2に変化することになり、この状態量変化ΔＱ_t2-t1＝Ｑ_t2−Ｑ_t1〔ＮＬ〕を以下のように求める。

インジェクタ３５よりも上流側の容積Ｖは既定であるため、これとインジェクタ３５の上流側の一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２により検出されるｔ１時点の水素ガスの圧力Ｐ_t1及び温度Ｔ_t1とから、ｔ１時点でのガス状態量Ｑ_t1を気体の状態方程式に基づく次式により算出する。

Ｑ_t1＝Ｚ（Ｐ_t1Ｖ）／（ＲＴ_t1）

ここで、Ｒは気体定数である。また、Ｚは圧縮係数であり、予め実験等で設定された圧縮係数Ｚと圧力Ｐ及び温度Ｔとの関係を示すマップからｔ１時点での圧力Ｐ_t1及び温度Ｔ_t1で決まるＺをマップから求めて代入する。

同様にして、ｔ２時点の水素ガスの圧力Ｐ_t2及び温度Ｔ_t2から、ｔ２時点でのガス状態量Ｑ_t2を、マップからｔ２時点での圧力Ｐ_t2及び温度Ｔ_t2で決まるＺを次式に代入して算出する。

Ｑ_t2＝Ｚ（Ｐ_t2Ｖ）／（ＲＴ_t2）

次に、ｔ１時点からｔ２時点までのインジェクタ３５のガス供給に伴うインジェクタ３５よりも上流側のガス状態量変化（物質量変化）ΔＱ_t2-t1を次式により算出する。

ΔＱ_t2-t1＝Ｑ_t2−Ｑ_t1〔ＮＬ〕

続いて、制御装置４は、上記のようにして求めたインジェクタ３５の噴射による下流側へのｔ１時点からｔ２時点までのガス供給流量ΔＱ_injと、インジェクタ３５の下流側へのガス噴射に伴うインジェクタ３５よりも上流側のガス状態量変化ΔＱ_t2-t1とから、インジェクタ３５よりも上流側の水素ガス漏れ量ΔＱ_Leakを次式により算出する。

ΔＱ_Leak＝ΔＱ_t2-t1−ΔＱ_inj〔ＮＬ〕

そして、インジェクタ３５よりも上流側に水素ガスの漏れがなければ、ΔＱ_t2-t1＝ΔＱ_injとなり、ΔＱ_Leak＝０となるため、制御装置４は、測定誤差等を考慮し水素ガスの漏れとして許容できる量として設定された基準値ΔＱ_jdg〔ＮＬ〕と、水素ガス漏れ量ΔＱ_Leakとの比較から、インジェクタ３５よりも上流側の水素ガス漏れの有無を判断する。

つまり、ΔＱ_Leak＞ΔＱ_jdgであれば、制御装置４は、インジェクタ３５よりも上流側に水素ガスの漏れがあると判定する。他方、ΔＱ_Leak＞ΔＱ_jdgでなければ、制御装置４は、インジェクタ３５よりも上流側に水素ガスの漏れはないと判定する。

あるいは、単位時間当たりの漏れ速度ΔＱ_Leak／（ｔ２−ｔ１）〔ＮＬ／ｓｅｃ〕を算出し、この漏れ速度が、測定誤差等を考慮して水素ガスの漏れ速度として許容できる基準速度よりも大きければ、インジェクタ３５よりも上流側に水素ガスの漏れがあると判定し、大きくなければ、インジェクタ３５よりも上流側に水素ガスの漏れがないと判定するようにしても良い。

そして、制御装置４は、水素ガスの漏れがあると判定した場合には、水素タンク３０の遮断弁３３を閉じて水素ガスの供給を停止するとともにアラームを発生させる等の処理を行う。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５が下流側にガスを供給するとそのガス供給流量に応じて、インジェクタ３５よりも上流側のガス状態量が変化することになるため、下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定のインジェクタ３５を用いていることを利用して、インジェクタ３５による下流側へのガス供給流量を割り出し、これと、これに伴う上流側のガス状態量の変化とに基づいてインジェクタ３５よりも上流側の水素ガス漏れを検知することができる。

なお、インジェクタ３５以外の反応ガス（燃料ガス）供給手段であっても、下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定のものを用いれば、上記した水素ガスの漏れ検知の方法を適用して当該反応ガス供給手段よりも上流側のガス漏れを検知することが可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置によるインジェクタよりも上流側の水素ガスの漏れ検知作動を説明するためのタイミングチャート図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（反応ガス供給系）、４…制御装置（制御手段、漏れ検知手段）、１０…燃料電池、３５…インジェクタ（反応ガス供給手段）。

Claims (4)

1. 燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給系と、該反応ガス供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する反応ガス供給手段と、該反応ガス供給手段の動作を制御する制御手段と、前記反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス漏れを検知する漏れ検知手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給手段は下流側への単位時間当たりのガス供給流量が既定であり、
   前記漏れ検知手段は、前記反応ガス供給手段における下流側への単位時間当たりのガス供給流量と、前記反応ガス供給手段のガス供給に伴う該反応ガス供給手段よりも上流側のガス状態量変化と、に基づいて該反応ガス供給手段よりも上流側の反応ガス漏れを検知する燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記漏れ検知手段は、前記単位時間当たりのガス供給流量から前記ガス状態量変化を減じて得られる反応ガス漏れ量が所定の基準値よりも大きいときに、前記反応ガス漏れが有ると判断する燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガスは燃料ガスである燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガス供給手段は、弁体を電磁駆動力で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可能なインジェクタである燃料電池システム。

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