JP4756465B2 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給系にインジェクタを備えた燃料電池システム及び該燃料電池システムを備えた移動体に関する。

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供給するための燃料供給流路が設けられている。

そして、一般には、燃料供給源（例えば、７０ＭＰａの高圧ガスタンク）からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合に、この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が燃料供給流路に設けられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３４２３８６号公報

しかし、前記特許文献１に記載されているような調圧弁では、その構造上、燃料ガスの供給圧が固定されるため、運転状況に応じて燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である（すなわち応答性が低い）上に、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であった。

また、供給圧力の高い燃料供給源を備えた燃料供給流路においては、その燃料供給系における異常検出が重要であり、この異常を検出する方法として、圧力降下法などの調圧器故障検知方法があるが、この検知方法では、調圧弁を閉じて系を閉鎖して圧力を安定させる必要があり、燃料電池の発電中における異常検出が難しいばかりか、異常検出に時間がかかってしまう。

このため、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、しかも、燃料電池の発電中においてもガス供給系における異常検出を迅速に行うことが可能なシステムが要求されている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転状態に応じて反応ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、しかも、ガス供給系における異常検出を燃料電池の発電中においても容易に行うことが可能な燃料電池システム及び移動体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ガス供給系と、この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インジェクタと、該インジェクタを前記燃料電池の運転状態に応じて駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記インジェクタの目標作動量と前記ガス供給系の検出物理量とに基づいて前記ガス供給系の異常を判断する判断手段を備えたものである。

前記判断手段は、前記インジェクタの目標噴射量と前記ガス供給系の検出圧力とに基づいて前記ガス供給系の異常を判断してもよい。

以上の構成によれば、燃料電池の運転状態（燃料電池の発電量（電力、電流、電圧）、燃料電池の温度、燃料電池システムの異常状態、燃料電池本体の異常状態等）に応じてインジェクタの作動状態（インジェクタの弁体の開度（ガスの通過面積）、インジェクタの弁体の開放時間（ガスの噴射時間）等）を設定することができる。従って、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。

さらに、判断手段は、インジェクタの目標作動量（例えば、目標開度、目標開弁時間、目標圧力、目標流量、目標噴射量、あるいは目標噴射時間）とガス供給系の検出物理量（例えば、検出圧力、検出温度、検出流量、あるいはこれらの変化量）とに基づいてガス供給系の異常を判断するため、燃料電池の発電中においてもガス供給系における異常検出を迅速に行うことができる。

なお、「ガス状態」とは、ガスの状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含む。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス供給系内の圧力を検出する圧力検出手段を前記インジェクタの下流側に備えてもよい。

かかる構成を採用すると、判断手段が、圧力検出手段からの検出結果に基づいて、インジェクタの下流側における圧力を実測し、この圧力変化の実測値とインジェクタの目標噴射量とに基づいてガス供給系の異常をより正確に判断することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記インジェクタの目標噴射量から求めた推定圧力と前記ガス供給系における検出圧力との偏差に基づいて前記インジェクタにおける目標噴射量を補正する補正機能を備えていてもよい。

かかる構成を採用すると、インジェクタや圧力検出手段などの個体差や経時変化によらず、ガス供給系におけるより正確な異常検出を行うことができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記判断手段によって水素ガス供給系の異常を判断することが好ましい。

かかる構成を採用すると、水素ガス供給系における配管からのガス漏れ、弁故障、インジェクタ故障などによる異常を燃料電池の発電中に短時間で検出し、この異常に対して迅速に対処して燃料電池の良好な発電状態を維持させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記判断手段によって前記インジェクタの異常を判断することが望ましい。

かかる構成を採用すると、インジェクタにおける開弁異常（開故障）、閉弁異常（閉故障）などの作動不良を燃料電池の発電中に短時間で検出し、この異常に対して迅速に対処して燃料電池の良好な発電状態を維持させることができる。

本発明の移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。

このような構成によれば、応答性の高い燃料電池システムを搭載した移動体において、燃料電池の発電中にガス供給系における異常検出を迅速に行うことができる。

本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて反応ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電中においてもガス供給系における異常検出を迅速に行うことが可能となる。

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（制御手段、判断手段）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２１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。

本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５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３５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３５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３５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３５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３５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３５の応答性の低下を抑制することができる。

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等のガス状態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、噴射孔の開口面積を２段階、多段階、連続的（無段階）、又はリニア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、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。

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３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５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タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０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３５を配置するようにする。

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。

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。

上記の燃料電池システム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。本実施形態においては、このような通常運転時において燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。

ここで、上記燃料電池システム１では、燃料電池１０への水素ガスの供給時に、制御装置４が、水素ガス配管系３における異常の有無を検知（異常を判断）する異常検知処理を行う。本実施形態では、インジェクタ３５の故障検知処理について、図３のフローチャートに沿って説明する。

まず、制御装置４は、インジェクタ３５の下流側である二次側における正常圧力範囲の推定を行う（ステップＳ０１）。この正常圧力範囲を推定するには、まず、インジェクタ３５による目標インジェクタ噴射量Ｑ「ＮＬ／ｍｉｎ」を求める。具体的には、前述した演算周期ごとに、基本噴射時間と無効噴射時間とを加算して求めた総噴射時間を積算し、この総噴射時間に基づいて単位時間（ここでは、１分間）あたりのインジェクタ噴射量（目標噴射量）Ｑ「ＮＬ／ｍｉｎ」を求める。

なお、このインジェクタ噴射量Ｑは、インジェクタ３５の上流側である一次側の圧力と温度によって変動するので、制御装置４は、インジェクタ噴射量Ｑを求める際に、一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２で検出されるインジェクタ３５の上流側である一次側の圧力と温度を加味する。

そして、制御装置４は、求めたインジェクタ噴射量Ｑに対して、図４（ａ）に示すように、破線で表わされた誤差を含む上限値及び下限値を設定する。さらに、制御装置４は、上限値及び下限値を設定したインジェクタ噴射量Ｑを積分することにより、図４（ｂ）に示すように、破線で表わされた上限及び下限を有するインジェクタ噴射量積算値Ｖ「ＮＬ」を演算する。

次に、制御装置４は、上限及び下限を有するインジェクタ噴射量積算値Ｖとともに、水素供給流路３１、燃料電池１０内及び循環流路３２を含むインジェクタ３５の下流側である二次側の配管容積及び温度等を用い、予め求めた換算式から、図４（ｃ）に示すように、破線で表わされた上限及び下限を有する圧力上昇ΔＰを推定する。

そして、制御装置４は、上限及び下限を有する圧力上昇ΔＰを加圧前の二次側の圧力Ｐに当てはめ、図４（ｄ）に示すように、破線で表わされた上限及び下限を有する正常圧力（推定圧力）Ｐの範囲Ｐｓを推定する。

上記のようにして正常圧力Ｐの範囲Ｐｓを推定したら、制御装置４は、二次側圧力センサ４３からのデータに基づいて、二次側圧力の実測値（検出圧力）Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓよりも大きいか否かを判定する（図３：ステップＳ０２）。

そして、この判定の結果、図５（ａ）に示すように、二次側の圧力の実測値Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓよりも大きいと判定したら、制御装置４は、インジェクタ３５の弁が開いたままとなっているＯＰＥＮ側作動不良（開故障）であると判断し、例えば、エラー信号を出力してその旨を警報によって知らせる（図３：ステップＳ０３）。

また、制御装置４は、判定の結果、二次側の圧力の実測値Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓよりも大きくないと判定したら、二次側圧力の実測値Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓよりも小さいか否かを判定する（図３：ステップＳ０４）。

そして、この判定の結果、図５（ｂ）に示すように、二次側の圧力の実測値Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓよりも小さいと判定したら、制御装置４は、インジェクタ３５の弁が閉じたままとなっているＣＬＯＳＥ側作動不良（閉故障）であると判断し、例えば、エラー信号を出力してその旨を警報によって知らせる（図３：ステップＳ０５）。

さらに、制御装置４は、図５（ｃ）に示すように、二次側の圧力の実測値Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓよりも小さくないと判定したら、上記判定（ステップＳ０２、Ｓ０４）の結果、二次側の圧力の実測値Ｐｒが正常圧力Ｐの範囲Ｐｓ内であることより、インジェクタ３５が正常であると判断し、上記判定を終了してインジェクタ故障検知処理を終了する。

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、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。

すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

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、制御装置４は、インジェクタ３５の目標噴射量であるインジェクタ噴射量Ｑから導き出した推定の正常圧力Ｐの範囲Ｐｓと水素ガス配管系３における実測の圧力Ｐとから、水素ガス配管系３の異常としてインジェクタ３５の異常（故障）を判断するため、燃料電池１０の発電中においても水素ガス配管系３に配置されたインジェクタ３５の故障検出を迅速に行うことができる。

すなわち、水素配管系３に配置される減圧（調圧）部として従来の機械式レギュレータを採用した場合に比して、インジェクタ３５を採用した場合には、インジェクタ３５の噴射量（あるいは噴射時間）を上記の如く把握することができるので、従来の圧力降下法等のように、異常の有無を判断する際に水素ガス配管系３のガス圧が安定するまで待つ必要がなく、水素配管系３のガス圧が安定するまでにかかる期間中に異常の有無を短時間で診断することができる。

特に、水素ガス配管系３のインジェクタ３５における開故障、閉故障などの作動不良による異常を燃料電池１０の発電中に短時間で検出することにより、この異常に対して迅速に対処して燃料電池１０の良好な発電状態を維持させることができる。

また、水素ガス配管系３におけるインジェクタ３５の下流側に、二次側圧力センサ４３を設けたので、この二次側圧力センサ４３からの検出結果に基づいて、インジェクタ３５の下流側における圧力を実測し、この圧力の実測値とインジェクタ３５の目標噴射量とから水素ガス配管系３の異常（本実施形態では、インジェクタ３５の異常）をより正確に判断することができる。

上記燃料電池システム１における制御装置４による異常検知処理においては、インジェクタ３５における目標噴射量から求めた推定圧力と水素ガス配管系３における検出圧力との偏差に基づいてインジェクタ３５における目標噴射量を補正（設定）する補正機能を備えることが好ましい。

このような補正機能を備えると、インジェクタ３５や二次側圧力センサ４３などの個体差や経時変化によらず、水素ガス配管系３におけるより正確な異常検出を行うことができる。

次に、上記燃料電池システム１において、特に、水素ガス配管系３におけるガス漏れを検知（判断）する場合について説明する。

インジェクタ３５における一次側から二次側への水素ガスの噴射量Ｑは、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量であり、このガス消費量は、図６に示すように、正常時では、燃料電池１０における電流消費量Ｑｄと電解質膜を有するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）にて酸化極側へリークするクロスリーク量Ｑｃとから決まる。

これに対して、水素ガス配管系３におけるインジェクタ３５の下流側の二次側にて、ガス漏れなどの異常が生じていると、図６に示すように、インジェクタ噴射量Ｑがガス漏れ量Ｑｍの分だけ増加する。したがって、制御装置４は、このインジェクタ噴射量Ｑを監視し、インジェクタ噴射量Ｑが所定の閾値Ｑｓ以下である場合は、水素ガス配管系３におけるガス漏れ異常無しと判定する。

これに対して、インジェクタ噴射量Ｑが閾値Ｑｓを超えた場合は、水素ガス配管系３におけるガス漏れ異常有りと判定し、例えば、エラー信号を出力してその旨を警報によって知らせる。これにより、閾値Ｑｓの最大流量から正常時における最小の噴射量を差し引いた流量以上にガス漏れが生じた際の異常を全て検出することができる。

インジェクタ噴射量Ｑは、インジェクタ３５への噴射指令量（目標噴射量）の誤差、電流センサ１３における検出誤差及びＭＥＡの劣化に伴うクロスリークの増加に伴って多少変動する。したがって、ガス漏れを判定する際のインジェクタ噴射量Ｑの閾値Ｑｓを設定する場合は、図７に示すように、インジェクタ３５への噴射指令量の誤差Ｑｇ、電流センサ１３における検出誤差Ｑｄｇ及びＭＥＡの劣化に伴うクロスリークの増加量Ｑｃｇを考慮する。

このように、上記の実施形態に係る燃料電池システム１においては、制御装置４は、インジェクタ３５の目標噴射量と水素ガス配管系３におけるガス消費量との差から水素ガス配管系３におけるガス漏れ異常を判断するため、燃料電池１０の発電中においても加圧処理と同時に水素ガス配管系３における異常検出を迅速に行うことができ、ガス漏れ検知にかかる時間を短縮させることができる。

これにより、水素ガス配管系３におけるガス漏れによる異常を燃料電池１０の発電中に短時間で検出し、この異常に対して迅速に対処して燃料電池１０の良好な発電状態を維持させることができる。

次に、燃料電池システム１の水素ガス配管系３におけるガス漏れ検知方法の更に他の例について説明する。

ここでは、まず、インジェクタ３５における一次側から二次側への水素ガスの噴射量Ｑから、図８に示すように、二次側における圧力上昇見込み値Ｐｍを求める。次いで、実際にインジェクタ３５によって水素ガスを水素ガス配管系３の二次側へ噴射させた際の二次側圧力センサ４３から得られる二次側における圧力上昇実測値Ｐｒと、予め求めた圧力上昇見込み値Ｐｍとを比較する。

そして、これら圧力上昇見込み値Ｐｍに対して圧力上昇実測値Ｐｒが所定値以下に下回った場合に、水素ガス配管系３におけるガス漏れ有りと判定し、例えば、エラー信号を出力してその旨を警報によって知らせる。また、燃料電池システム１の通常運転時にて、ガス漏れがない場合のインジェクタ噴射量の値を常に学習して修正し、その噴射量の偏差を算出し、その偏差の範囲を判定範囲とし、この判定範囲に基づいてガス漏れを検知しても良い。

この場合、制御装置４は、求めた判定範囲に対してインジェクタ噴射量が下回った場合に、水素ガス配管系３におけるガス漏れ有りと判定し、例えば、エラー信号を出力してその旨を警報によって知らせる。これにより、燃料電池１０の発電中においても加圧処理と同時に水素ガス配管系３における異常検出をより精度良く迅速に行うことができ、ガス漏れ検知にかかる時間を短縮させることができる。

さらに、燃料電池システム１を所定間隔による間欠運転時にて、ＭＥＡにおけるクロスリーク量を常に学習して修正し、そのクロスリークによる圧力降下量を算出し、この圧力降下量に基づいてガス漏れを検知しても良い。この場合、制御装置４は、クロスリークでの圧力降下量を超えて圧力が降下した場合に、水素ガス配管系３におけるガス漏れ有りと判定し、例えば、エラー信号を出力してその旨を警報によって知らせる。

この場合も、燃料電池１０の発電中においても加圧処理と同時に水素ガス配管系３における異常検出をより精度良く迅速に行うことができ、ガス漏れ検知にかかる時間を短縮させることができる。

以上のガス漏れ検知処理においては、インジェクタ３５の二次側における圧力を高くし、ガス漏れ検知の感度を高めることにより、より正確なガス漏れ検知を行えるようにしてもよい。

なお、上記実施形態における異常検出は、起動開始時における水素ガス配管系３での加圧時以外にも、通常運転時にて行われる間欠運転時における水素ガス配管系３での加圧時にも行えることは勿論であり、また、水素ガス配管系３に限定されることなく、例えば、酸素ガス配管系２にも適用することができる。

ここで、間欠運転とは、例えばアイドリング時、低速走行時、又は回生制動時等の低負荷運転時に燃料電池１０の発電を一時休止し、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段から負荷（車両モータおよび補機類等）への電力供給を行う運転モードをいう。

上記実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１のインジェクタ３５の下流位置（圧力調整位置：圧力調整が要求される位置）に二次側圧力センサ３１を配置した例を示したが、例えば、燃料電池１０の水素ガス入口近傍（水素供給流路３１上）や、燃料電池１０の水素ガス出口近傍（循環流路３２上）や、水素ポンプ３９の出口近傍（循環流路３２上）に二次側圧力センサを配置することもできる。さらには、インジェクタ３５の上流側に配置してもよい。

上記実施形態においては、インジェクタ３５の目標噴射量と水素ガス配管系３の検出圧力とに基づいて異常検知を行う例について示したが、インジェクタ３５の目標作動量として目標噴射量に代えて目標開度、目標開弁時間、目標圧力、目標流量、目標噴射量、あるいは目標噴射時間を採用してもよく、また、水素ガス配管系３の検出物理量として検出圧力に代えて検出温度、検出流量、あるいはこれらの変化量を採用してもよい。

上記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異常検出処理を説明するためのフローチャートである。 異常検出処理における制御装置での圧力推定の手順を説明するグラフ図である。 異常検出処理における制御装置での判定の仕方について説明するグラフ図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置によるガス漏れの検知手法について説明するグラフ図である。 ガス漏れの検知に用いる閾値の設定について説明するグラフ図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置によるガス漏れの検知手法の他の例を説明するグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…酸化ガス配管系（ガス供給系）、３…水素ガス配管系（ガス供給系）、４…制御装置（制御手段、判断手段）、１０…燃料電池、２１…空気供給流路（ガス供給流路）、３１…水素供給流路（ガス供給流路）、３５…インジェクタ、４３…二次側圧力センサ（圧力検出手段）

Claims (5)

1. 燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するためのガス供給系と、この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インジェクタと、前記燃料電池に供給される反応ガスの圧力が要求圧力になるように前記インジェクタの噴射量を求め、求められた噴射量が得られるように前記インジェクタを駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記インジェクタの目標噴射量と前記ガス供給系の検出圧力とに基づいて前記ガス供給系の異常を判断する判断手段を備え、
   前記制御手段は、前記インジェクタの目標噴射量から求めた推定圧力と前記ガス供給系における検出圧力との偏差に基づいて前記インジェクタにおける目標噴射量を補正する補正機能を備えた燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス供給系内の圧力を検出する圧力検出手段を前記インジェクタの下流側に備えた燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記判断手段によって水素ガス供給系の異常を判断する燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記判断手段によって前記インジェクタの異常を判断する燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システムを備えた移動体。

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