JP2009140658A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知の精度を向上させる。
【解決手段】燃料電池２と、燃料供給源２１から供給される燃料ガスを燃料電池２へと流すための供給流路２２と、燃料電池２から排出されるガスを流すための排出流路２３と、排出流路２３内のガスを外部に排出するための排出弁３１と、供給流路２２の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するように所定の駆動周期で駆動制御される開閉弁２８と、を備える燃料電池システム１において、開閉弁２８の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて排出弁３１からのガス漏れを検知するガス漏れ検知手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、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の燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排出弁を設け、この排出弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術（パージ技術）が提案されている。

また、現在においては、排出弁（又はこれを含む流路）におけるガス漏れを検知するための技術が種々提案されている。例えば、近年においては、燃料電池への燃料ガス供給量と、燃料電池における燃料ガス消費量と、検知対象流路（排出弁を含む流路）内の燃料ガスの圧力変化と、に基づいてガス漏れ検知を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−１７９４６９号公報

ところで、燃料ガスの供給圧力を調整するための電磁式開閉弁を備える燃料電池システムにおいては、開閉弁の開閉動作に起因するノイズを低減させるために、低負荷運転時における開閉弁の駆動周期を通常運転時における駆動周期よりも長く設定する制御を実施する場合がある。このように開閉弁の駆動周期を長く設定すると、流路内における燃料ガスの圧力変化が大きくなるため、前記特許文献１に記載したような従来の技術を採用しても高精度なガス漏れ検知を実現させることが困難となる場合がある。

また、前記した従来の技術を採用して高精度なガス漏れ検知を実現させようとすると、燃料電池の発電電流や流路内のガス圧力変化を常時監視する必要があり、制御がきわめて複雑になるという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知精度を向上させ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、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供給流路と、燃料電池から排出されるガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁と、供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するように所定の駆動周期で駆動制御される開閉弁と、を備える燃料電池システムにおいて、開閉弁の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて排出弁からのガス漏れを検知するガス漏れ検知手段を備えるものである。

かかる構成を採用すると、開閉弁の一駆動周期間における開閉弁下流側のガス状態に基づいて、排出弁からのガス漏れを検知することができる。開閉弁の一駆動周期間においては、ガス漏れ検知のために必要なガス状態を精度良く検出（算出）することができるため、比較的簡易な制御でガス漏れ検知精度を高めることが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味する。また、「開閉弁下流側のガス状態」には、開閉弁から燃料電池へのガス供給量、燃料電池におけるガス消費量、供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値等が含まれるものとする。

前記燃料電池システムにおいて、駆動周期毎に駆動許可指令を送出して開閉弁を駆動制御する制御手段を備えるとともに、駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始するガス漏れ検知手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、一駆動周期間におけるガス供給量（開閉弁から燃料電池へのガス供給量）から、一駆動周期間におけるガス消費量（燃料電池におけるガス消費量）と、ガス圧力値（供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値）から算出される流路内のガス残存量と、を減算することによりガス漏れ量を算出し、算出したガス漏れ量が所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定するガス漏れ検知手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過した時点におけるガス圧力値（供給流路の開閉弁下流側におけるガス圧力値）が所定圧力値に達しない場合に、ガス漏れが発生したものと判定するガス漏れ検知手段を採用することもできる。

かかる構成を採用すると、開閉弁下流側におけるガス圧力値が、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過しても上昇しない（所定圧力値に達しない）場合に、排出弁からのガス漏れ量が開閉弁からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを開閉弁として採用することができる。

インジェクタとは、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（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を高精度に制御することが可能となる。

本発明によれば、燃料ガスの供給圧力を調整するための開閉弁と、システム内の不純物を外部に排出するための排出弁と、を備える燃料電池システムにおいて、比較的簡易な制御を採用しながら排出弁のガス漏れ検知精度を向上させることが可能となる。

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〜図３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２、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、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５、システムの電力を充放電する電力系６、システム全体を統括制御する制御部７等を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、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、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、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、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、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。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出されたガスを水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内のガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

水素供給源２１は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧の水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に所定の低圧まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、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、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。

水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する圧力センサ２９及び図示していない温度センサが設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、各種制御に用いられる。

レギュレータ２７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２７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。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ２８の上流側にレギュレータ２７を２個配置することにより、インジェクタ２８の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ２８の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ２８の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ２８の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ２８の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ２８の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ２８の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ２８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２８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２８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。制御部７から出力される制御信号によってインジェクタ２８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２８は、弁（弁体及び弁座）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。

インジェクタ２８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２８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２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２８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２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８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２８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。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０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３１は、制御部７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含むガスと、を外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内のガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給されるガス中の水素濃度が上がる。循環流路２３は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁３１は本発明における排出弁の一実施形態である。

排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出されるガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路１２内のガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（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６４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６４のほかに、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１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、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。

制御部７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が読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。

具体的には、制御部７は、図２に示すように、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２で消費される水素ガスの流量（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、発電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、制御部７の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。

また、制御部７は、燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）とともに、目標パージ量（排気排水弁３１からの水素オフガスの目標排出量）を算出する。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。

また、制御部７は、算出した目標圧力値と、圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８の下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能：Ｂ３）。そして、制御部７は、算出した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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出機能：Ｂ４）。また、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ５）。

そして、制御部７は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出し、この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２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。この際、制御部７は、駆動周期毎に駆動許可指令（開弁指令）を送出してインジェクタ２８を駆動制御する。すなわち、制御部７は、本発明における制御手段として機能する。なお、駆動周期とは、図３（Ａ）に示すように、インジェクタ２８の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期ｔ₀を意味する。本実施形態においては、システムの運転状態と駆動周期との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に駆動周期を算出して更新することとしている。

また、制御部７は、前記したインジェクタ２８のフィードバック制御を行うと同時に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、循環流路２３内の水分及びガスを排気排水弁３１から外部に排出する。この際、制御部７は、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁３１からのガスのパージ量（総排出量）Ｑを算出し（パージ量算出機能：Ｂ６）、算出したパージ量Ｑが所定の目標パージ量Ｑ₀以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能：Ｂ７）。そして、制御部７は、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀以上である場合には排気排水弁３１を閉鎖する（パージ制御機能：Ｂ８）。

また、制御部７は、インジェクタ２８下流側のガス状態に基づいて、排気排水弁３１からのガス漏れを検知する。具体的には、制御部７は、所定検出時間ｔ内におけるインジェクタ２８から燃料電池２への水素ガスの噴射総量（ガス供給量Ｑ_INJ）から、所定検出時間ｔ内における燃料電池２における水素ガスの消費総量（ガス消費量Ｑ_FC）と、インジェクタ２８の下流側における水素ガスの圧力値から算出される循環系流路内のガス残存量ＱΔ_Pと、を減算することによりガス漏れ量Ｑ_Lを算出し、算出したガス漏れ量Ｑ_Lが所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定する（ガス漏れ検知機能：Ｂ９）。すなわち、制御部７は、本発明におけるガス漏れ検知手段としても機能する。

ここで、所定検出時間ｔ(s)内におけるガス供給量Ｑ_INJ(NL/min)、ガス消費量Ｑ_FC(NL/min)及びガス残存量ＱΔ_P(NL/min)は、各々、以下の式（Ａ）〜式（Ｃ）により算出される。また、所定検出時間ｔ(s)内におけるガス漏れ量Ｑ_L(NL/min)は、式（Ｄ）により算出される。

式（Ａ）において、Ｎはインジェクタ２８の噴射回数を意味し、Ｖ_INJ(NL/噴射)はインジェクタ２８の各噴射時（各駆動周期）における噴射量を意味する。式（Ｂ）において、ｔ_C(s)は制御部７の制御周期（ｔ_C＜ｔ₀）を意味し、Ｖ_FC(NL/ｔ_C )は制御部７の各制御周期ｔ_C(s)における水素ガスの消費量を意味する。式（Ｃ）において、ｋ（＝1/101.3）は単位変換係数を意味し、Ｖ(L)は循環系流路の体積（水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、から構成される流路の体積）を意味し、Ｔ(℃)は水素供給流路２２のインジェクタ２８下流側における水素ガスの温度を意味する。また、式（Ｃ）において、Ｐ₁(kPa.abs)は所定検出時間ｔの開始時点において圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８下流側における水素ガスの圧力値を意味し、Ｐ₂(kPa.abs)は所定検出時間ｔの終了時点において圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８下流側における水素ガスの圧力値を意味する。

本実施形態における制御部７は、インジェクタ２８の駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始し、インジェクタ２８の一駆動周期ｔ₀間において排気排水弁３１からのガス漏れを検知する。具体的には、制御部７は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、インジェクタ２８の駆動許可指令が送出された時点（駆動周期ｔ₀の開始時点）から駆動周期ｔ₀の終了時点までガス供給量Ｑ_INJ及びガス消費量Ｑ_FCの算出を行う。また、制御部７は、図３（Ａ）及び図３（Ｄ）に示すように、インジェクタ２８の駆動許可指令が送出された時点（駆動周期ｔ₀の開始時点）と、駆動周期ｔ₀の終了時点と、の双方においてインジェクタ２８の下流側圧力Ｐ₁、Ｐ₂を検出し、これらの値を用いて循環系流路内のガス残存量ＱΔ_Pの算出を行う。そして、駆動周期ｔ₀におけるガス漏れ量Ｑ_Lを算出してガス漏れ判定を行う。

図３（Ｄ）に示すように、駆動周期ｔ₀の開始時点及び終了時点におけるインジェクタ２８の下流側圧力Ｐ₁、Ｐ₂は略同一の値となるため、これらの値を用いて式（Ｃ）に基づいて算出されるガス残存量ＱΔ_Pの値は略零となる。従って、検出時間の開始時点及び終了時点におけるインジェクタ２８の下流側圧力の偏差に起因したガス漏れ量Ｑ_Lの算出誤差を、極力抑えることができる。制御部７は、このようにインジェクタ２８の一駆動周期ｔ₀間において排気排水弁３１からのガス漏れを検知するため、ガス漏れ量Ｑ_Lを精確に算出することができ、ガス漏れ判定精度を向上させることができる。

また、制御部７は、ガス漏れ検知開始時点から所定時間（例えば数秒間）経過した時点におけるインジェクタ２８の下流側の圧力値が所定圧力値に達しない場合には、排気排水弁３１からのガス漏れ量がインジェクタ２８からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定する。

続いて、図４のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素供給源２１から水素ガスが水素供給流路２２を介して燃料電池２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１１を介して燃料電池２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２から引き出すべき電力（要求電力）が制御部７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２内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時に、インジェクタ２８のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁３１からのガス漏れを検知する。

まず、図４のフローチャートに示すように、燃料電池システム１の制御部７は、電流センサ２ａを用いて燃料電池２の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。次いで、制御部７は、検出した電流値に基づいて、燃料電池２における水素消費量を算出する（水素消費量算出工程：Ｓ２）とともに、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出工程：Ｓ３）。

次いで、制御部７は、圧力センサ２９を用いて、インジェクタ２８の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ４）。次いで、制御部７は、目標圧力値算出工程Ｓ３で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ４で検出した圧力値（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（フィードバック補正流量）を算出し、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出する(噴射流量算出工程：Ｓ５)。そして、制御部７は、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出し、この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２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する（フィードバック制御工程：Ｓ６）。

制御部７は、前記したフィードバック制御工程Ｓ６を実現させながら、排気排水弁３１からのガス漏れを検知する。制御部７は、ガス漏れ検知が可能か否かを判定する（漏れ検知許可判定工程：Ｓ７）。本実施形態においては、インジェクタ２８の駆動許可指令が送出され、かつ、インジェクタ２８の下流側における水素ガスの圧力値が所定の基準圧力値（例えば図３（Ｄ）におけるＰ₀）を所定時間継続して下回った場合に、ガス漏れ検知が可能であると判定する。

制御部７は、漏れ検知許可判定工程Ｓ７においてガス漏れ検知が不能であると判定した場合には、それ以降の工程を経ることなく制御動作を終了する。一方、制御部７は、漏れ検知許可判定工程Ｓ７においてガス漏れ検知が可能であると判定した場合には、インジェクタ２８の駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始し、インジェクタ２８の一駆動周期ｔ₀間におけるガス漏れ量Ｑ_L（ガス供給量Ｑ_INJ、ガス消費量Ｑ_FC、ガス残存量ＱΔ_P）を算出する（ガス漏れ量算出工程：Ｓ８）。そして、制御部７は、算出したガス漏れ量Ｑ_Lが所定の閾値を上回るか否か、又は、インジェクタ２８の下流側圧力値が所定圧力値に達しない状態（圧力低下状態）がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続したか否か、を判定する（ガス漏れ判定工程：Ｓ９）。

制御部７は、ガス漏れ判定工程Ｓ９において、ガス漏れ量Ｑ_Lが所定の閾値を上回る（又は圧力低下状態がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続する）ものと判定した場合には、排気排水弁３１においてガス漏れが発生したものと判定して所定の処理を行い（ガス漏れ処理工程：Ｓ１０）、制御動作を終了する。一方、制御部７は、ガス漏れ判定工程Ｓ９において、ガス漏れ量Ｑ_Lが所定の閾値以下であり、かつ、圧力低下状態がガス漏れ検知開始時点から所定時間継続していないものと判定した場合には、排気排水弁３１においてガス漏れは発生していないと判定し、そのまま制御動作を終了する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ２８の一駆動周期間におけるインジェクタ２８下流側のガス状態に基づいて、排気排水弁３１からのガス漏れを検知することができる。インジェクタ２８の一駆動周期間においては、ガス漏れ検知のために必要なガス状態を精度良く検出（算出）することができるため、比較的簡易な制御でガス漏れ検知精度を高めることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ２８下流側におけるガス圧力値が、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過しても上昇しない（所定圧力値に達しない）場合に、排気排水弁３１からのガス漏れ量がインジェクタ２８からのガス供給量を上回るものと推定して、ガス漏れが発生したものと判定することができる。

なお、以上の実施形態においては、循環流路２３に水素ポンプ２４を設けた例を示したが、水素ポンプ２４に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３１を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器３０で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部７で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。

また、以上の実施形態においては、水素供給流路２２に遮断弁２６及びレギュレータ２７を設けた例を示したが、インジェクタ２８は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁２６やレギュレータ２７を設けなくてもよい。従って、インジェクタ２８を採用すると遮断弁２６やレギュレータ２７を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池２の発電電流値に基づいて水素消費量や目標圧力値を設定した例を示したが、燃料電池２の運転状態を示す他の物理量（燃料電池２の発電電圧値や発電電力値、燃料電池２の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量や目標圧力値を設定してもよい。また、燃料電池２が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態にあるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。

また、以上の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。

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部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部のガス漏れ判定機能を説明するためのタイムチャートであり、（Ａ）はインジェクタの駆動許可指令の時間履歴を、（Ｂ）はインジェクタからのガス供給量の時間履歴を、（Ｃ）は燃料電池におけるガス消費量の時間履歴を、（Ｄ）はインジェクタ下流側圧力の時間履歴を、各々示すものである。 図１に示した燃料電池システムの排気排水弁のガス漏れ判定方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（制御手段、ガス漏れ検知手段）、２１…水素供給源（燃料供給源）、２２…水素供給流路（供給流路）、２３…循環流路（排出流路）、２８…インジェクタ（開閉弁）、３１…排気排水弁（排出弁）。

Claims (5)

1. 燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記燃料電池から排出されるガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁と、前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するように所定の駆動周期で駆動制御される開閉弁と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記開閉弁の一駆動周期間における前記開閉弁下流側のガス状態に基づいて前記排出弁からのガス漏れを検知するガス漏れ検知手段を備える、
   燃料電池システム。
2. 駆動周期毎に駆動許可指令を送出して前記開閉弁を駆動制御する制御手段を備え、
   前記ガス漏れ検知手段は、前記駆動許可指令が送出された時点からガス漏れ検知を開始するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記開閉弁下流側のガス状態は、前記開閉弁から前記燃料電池へのガス供給量と、前記燃料電池におけるガス消費量と、前記供給流路の前記開閉弁下流側におけるガス圧力値と、を含むものであり、
   前記ガス漏れ検知手段は、前記一駆動周期間における前記ガス供給量から、前記一駆動周期間における前記ガス消費量と、前記ガス圧力値から算出される流路内のガス残存量と、を減算することによりガス漏れ量を算出し、算出したガス漏れ量が所定の閾値を超えた場合にガス漏れが発生したものと判定するものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス漏れ検知手段は、ガス漏れ検知開始時点から所定時間経過した時点における前記ガス圧力値が所定圧力値に達しない場合に、ガス漏れが発生したものと判定するものである、
   請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記開閉弁は、インジェクタである、
   請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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