JP4956906B2 - 燃料電池システムおよび水素漏れ検出方法 - Google Patents
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Description
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と、を備え、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間内の加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、前記漏れの検出を行うことを要旨とする。
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の状態量の変化に基づき、前記漏れを検出するものとしてもよい。
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の平均圧力を求め、前記一部の期間において算出した前記水素の漏れ量を、前記平均圧力に基づき、前記加圧期間の完了時における漏れ量に補正するものとしてもよい。
前記漏れ検出部は、前記加圧期間の完了時に前記漏れを検出するものとしてもよい。
前記加圧期間内の異なる2時点において、前記算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき前記水素の漏れ量をそれぞれ算出し、前記2時点における各漏れ量の差から、前記燃料電池内の電解質膜を介してアノードからカソードへと透過する水素の透過量を推定する透過量推定部を備えるものとしてもよい。
前記燃料電池には、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路が接続されており、
該アノードオフガス流路は、前記アノードオフガスを前記水素供給流路に循環させるための循環装置を介して前記水素供給流路に接続され、
前記加圧期間中に、前記循環装置を制御して、前記水素供給手段から供給される水素を前記アノードオフガス流路に逆流させて供給する手段を備えるものとしてもよい。
前記水素供給流路中の、前記流量検出手段と前記燃料電池との間に、少なくとも一つのシャットバルブを備えており、
前記状態量検出手段は、前記シャットバルブによって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記各シャットバルブは、初期状態で閉状態となっており、
前記漏れ検出部は、
前記シャットバルブを、前記流量検出手段側に設けられたシャットバルブから前記燃料電池側に設けられたシャットバルブに向けて順に開弁する手段と、
前記開弁したシャットバルブと、未開弁のシャットバルブまたは前記燃料電池のうち該開弁したシャットバルブの前記燃料電池側に位置する直近のものとの間に位置する区間に備えられた前記状態量検出手段によって、該区間中の前記水素の状態量を検出するとともに、該状態量に基づき前記水素供給手段から該区間に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、該区間における水素の漏れを検出する手段とを備えるものとしてもよい。
前記水素供給流路は、少なくとも一つの調圧弁を備えており、
前記状態量検出手段および前記流量検出手段は、前記調圧弁によって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記漏れ検出部は、前記区間毎に、前記漏れの検出を行うものとしてもよい。
更に、前記水素供給流路中の、前記状態量検出手段と前記水素供給手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出手段によって前記漏れが検出されなかった場合に、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の圧力が、前記燃料電池の発電に適した所定の圧力よりも低いときに前記調圧弁が故障したと判定する故障判定部を備えるものとしてもよい。
該燃料電池システムは車両に搭載されており、前記漏れ検出部による漏れの検出結果および前記故障判定部による故障の判定結果の少なくともいずれか一方に応じて、前記車両の運転モードを設定する運転モード設定部を備えるものとしてもよい。
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段とを備えており、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する
水素漏れ検出方法である。
A.第1実施例:
(A1)燃料電池システムの全体構成:
(A2)異常検知処理:
(A3)第1実施例の変形例:
B.第2実施例:
C.変形例:
(A1)燃料電池システムの全体構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム100は、図示するように、車両90に搭載されており、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池10や、水素ガスを貯蔵する水素タンク20、燃料電池10に空気を供給するブロワ30、燃料電池10によって発電された電気により充電される二次電池40、燃料電池10によって発電された電力によって車軸55を駆動するモータ50、車両90や燃料電池システム100を全般的に制御する制御コンピュータ400等を備えている。
図2は、上述した制御コンピュータ400がROMに記録されたプログラムに基づき実行する異常検知処理のフローチャートである。この異常検知処理は、運転者によるイグニションスイッチのオン操作後、燃料電池10による発電開始前に、水素供給流路24やアノードオフガス流路26、水素循環流路28(以下、これらをまとめて「水素系」と呼ぶ)に水素漏れや部品故障が発生していないかを検知するための処理である。なお、かかる処理の前提として、初期状態では、開閉弁200とパージ弁240とは閉状態であり、水素系は閉じた状態であるものとする。
上述した第1実施例では、標準加圧時間tn(図2:ステップS240参照)の経過後に、漏れの判定を行うものとした。しかし、この標準加圧時間tn内の一部の期間で漏れの検知を行うものとしてもよい。燃料電池10内の電解質膜は、水素ガスをアノードからカソードに透過する性質があるが、この透過量は、アノード側の水素圧力に比例して多くなる。そのため、標準加圧時間tn内における、加圧開始から加圧途中までの低圧状態で漏れ量を検出すれば、電解質膜による水素透過の影響を抑制して迅速に水素漏れの検出を行うことができる。この場合、図2のステップS270における漏れの判定で用いる基準値や、ステップS310において低圧部の圧力と比較する正常圧力は、その一部の期間に応じてその値を設定することができる。
上述した第1実施例では、図2のステップS240で示したように、標準加圧時間tnの経過後に漏れ量Qleakの算出を行った。そのため、水素供給流路24内の加圧が完了するまでの比較的長い期間にわたり水素の流量を検出することができることになり、測定誤差の発生を低減することができる。これに対して、本実施例では、標準加圧時間tn内の微小な時間内における水素の流量と圧力変化との関係から瞬時に水素漏れを検出することを目的とする。燃料電池システム100の全体構成は、図1で示した構成と同様である。
P’V=P0V’0
ΔPV=P0ΔV0
すなわち、
ΔP=(ΔV0P0)/V
となる。更に、この式を変形すると、流量Qは、次のように表される。
Qleak=Qflow−Q
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、以下のような変形が可能である。
燃料電池10内においてアノード側から電解質膜を介してカソード側に透過する水素ガスの透過量は、アノード側の水素分圧に比例して増加する。そのため、上記第1実施例で示した式(1)を用いれば、標準加圧時間tn内の異なる2時点における漏れ量の差を求めることにより、電解質膜を透過する水素ガスの透過量を推定することが可能である。
ΔQt=(ε・P1・S)−(ε・P2・S)
すなわち、
ΔQt=ε・ΔP・S
上述した第1実施例および第2実施例では、水素系で発生した水素漏れや部品故障等の異常を検出することが可能である。これに対して、図1内に破線で示したシャットバルブ250を用いることで、異常の発生した箇所の特定を行うことができる。図1に示すように、シャットバルブ250は、第2調圧弁220と水素流量計300の間に設けられている。
第1実施例や第2実施例では、1つの水素流量計300を用いて水素供給流路24全体の異常検知を行うものとした。これに対して、水素流量計を水素供給流路24中の各圧力部に配置することで、各圧力部についてそれぞれ水素漏れや部品故障の検知を行うことができる。
水素ガスを燃料電池10に供給する際には、燃料電池10内のアノード流路によって大きな圧力損失が発生する場合がある。そこで、上述した異常検知処理において、開閉バルブ200の開弁(ステップS210,S410)とともに燃料電池10のアノード入口と同時にアノード出口からも水素ガスを供給することで、水素系の圧力の均一化を図ることができ、異常検知の精度を向上させることができる。
上述した実施例や変形例では、水素供給流路24に供給される水素の流量を水素流量計300によって測定したが、水素流量計300を用いることなく種々の方法でその流量を推定することもできる。例えば、水素タンク20から供給された直後の水素ガスの圧力変化を測定することで、水素供給流路24に供給される水素ガスの流量を推定することができる。また、水素タンク20の直後に配置された部品(例えば、第1調圧弁)の前後に生じる差圧から水素流量を推定することもできる。
図2に示した異常検知処理のステップS300,S330,310における運転モードの設定は、水素漏れの有無および故障の有無に応じて運転モードが定義された所定の運転モードテーブルを参照することにより行うものとしてもよい。図9には、運転モードテーブルの一例を示した。図示する例には、水素漏れの有無および故障の有無についてのみ運転モードを定義してあるが、例えば、水素漏れの発生場所や故障の発生場所に応じてもそれぞれ運転モードを定義するものとしてもよい。このようなテーブルを用いれば、水素漏れの有無や故障の有無等に応じてきめ細かく運転モードを設定することができる。
20…水素タンク
24…水素供給流路
26…アノードオフガス流路
28…水素循環流路
30…ブロワ
34…空気供給流路
36…カソードオフガス流路
37…バイパス流路
38…シャットバルブ
39…三方弁
40…二次電池
50…モータ
55…車軸
60…気液分離器
70…循環装置
90…車両
100…燃料電池システム
200…開閉弁
210…第1調圧弁
220…第2調圧弁
240…パージ弁
250…シャットバルブ
300,301,302…水素流量計
310〜330…圧力センサ
400…制御コンピュータ
Claims (12)
- 燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と、を備え、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間において加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、前記漏れの検出を行う
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の状態量の変化に基づき、前記漏れを検出する
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の平均圧力を求め、前記一部の期間において算出した前記水素の漏れ量を、前記平均圧力に基づき、前記加圧期間の完了時における漏れ量に補正する
燃料電池システム。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記一部の期間内の異なる2時点において、前記算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき前記水素の漏れ量をそれぞれ算出し、前記2時点における各漏れ量の差から、前記燃料電池内の電解質膜を介してアノードからカソードへと透過する水素の透過量を推定する透過量推定部を備える
燃料電池システム。 - 燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と、を備え、
前記燃料電池には、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路が接続されており、
該アノードオフガス流路は、前記アノードオフガスを前記水素供給流路に循環させるための循環装置を介して前記水素供給流路に接続され、
前記加圧期間中に、前記循環装置を制御して、前記水素供給手段から供給される水素を前記アノードオフガス流路に逆流させて供給する手段を備える
燃料電池システム。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水素供給流路中の、前記流量検出手段と前記燃料電池との間に、少なくとも一つのシャットバルブを備えており、
前記状態量検出手段は、前記シャットバルブによって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記各シャットバルブは、初期状態で閉状態となっており、
前記漏れ検出部は、
前記シャットバルブを、前記流量検出手段側に設けられたシャットバルブから前記燃料電池側に設けられたシャットバルブに向けて順に開弁する手段と、
前記開弁したシャットバルブと、未開弁のシャットバルブまたは前記燃料電池のうち該開弁したシャットバルブの前記燃料電池側に位置する直近のものとの間に位置する区間に備えられた前記状態量検出手段によって、該区間中の前記水素の状態量を検出するとともに、該状態量に基づき前記水素供給手段から該区間に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、該区間における水素の漏れを検出する手段とを備える
燃料電池システム。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水素供給流路は、少なくとも一つの調圧弁を備えており、
前記状態量検出手段および前記流量検出手段は、前記調圧弁によって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記漏れ検出部は、前記区間毎に、前記漏れの検出を行う
燃料電池システム。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
更に、前記水素供給流路中の、前記状態量検出手段と前記水素供給手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出手段によって前記漏れが検出されなかった場合に、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の圧力が、前記燃料電池の発電に適した所定の圧力よりも低いときに前記調圧弁が故障したと判定する故障判定部を備える
燃料電池システム。 - 請求項8に記載の燃料電池システムであって、
該燃料電池システムは車両に搭載されており、
前記漏れ検出部による漏れの検出結果および前記故障判定部による故障の判定結果の少なくともいずれか一方に応じて、前記車両の運転モードを設定する運転モード設定部を備える
燃料電池システム。 - 請求項9に記載の燃料電池システムであって、
前記運転モード設定部は、前記漏れ検出部によって前記漏れが検出された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池による発電を禁止するとともに前記車両に備えられた二次電池による走行を許容する二次電池運転モードに設定する
燃料電池システム。 - 請求項9または10に記載の燃料電池システムであって、
前記運転モード設定部は、前記故障判定部によって故障が発生したと判定された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池に対して出力制限をかけつつ走行を許容するリンプフォーム運転モードに設定する
燃料電池システム。 - 燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、水素漏れを検出する水素漏れ検出方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段とを備えており、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する検出工程を含み、
前記検出工程では、前記加圧期間において加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、前記漏れの検出を行う
水素漏れ検出方法。
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