JP6583301B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
このような燃料電池システムによれば、水素タンクと水素供給流路内の圧力差は、水素供給流路内が第1圧力値に減圧された後に水素漏れの疑い無しと判定された場合には、水素供給流路内が第2圧力値に減圧された後に水素漏れの有無が判定される場合よりも小さくなるため、次回の燃料電池の始動時に弁体を開く際に、圧力差によって発生する音を低減することができる。
内部漏れがある場合には水素供給流路内の圧力が上昇することが考えられるが、この形態によれば、内部漏れの疑いがある場合に、水素供給流路内を第2圧力値まで減圧した後に水素漏れの有無を判定するため、水素漏れの有無の判定に用いられる圧力値の変化を大きくすることができ、水素漏れの判定精度を向上させることができる。
この形態によれば、第2判定時間は第1判定時間よりも長いので、水素漏れがある場合には、第2判定時間における圧力値の変化は、第1判定時間における圧力値の変化よりも大きくなる。そのため、水素供給流路内が第2圧力値に減圧された後の水素漏れの判定精度を第1圧力値に減圧された後の判定精度よりも向上させることができる。また、第1圧力値に減圧された後に水素漏れ疑いなしと判定された場合には、水素漏れ判定が終了するまでの時間を短くすることができる。
この形態によれば、センサ誤差や水素漏れ判定を行う領域の大小に関わらず水素漏れを判定することができるので、判定の精度を向上させることができる。そのため、水素供給流路内を第1圧力値まで減圧する際の減圧の程度を小さくすることができるので、水素タンクと水素供給流路との圧力差をより小さくすることができ、第1圧力値に減圧された後に水素漏れの疑い無しと判定された場合には、次回の燃料電池の始動時に弁体を開く際に、圧力差によって発生する音をより低減することができる。
この形態によれば、燃料電池における水素のクロスリークの影響を排除して水素漏れを判定することができるので、判定の精度を向上させることができる。そのため、水素供給流路内を第1圧力値まで減圧する際の減圧の程度を小さくすることができるので、水素タンクと水素供給流路との圧力差をより小さくすることができ、第1圧力値に減圧された後に水素漏れの疑い無しと判定された場合には、次回の燃料電池の始動時に弁体を開く際に、圧力差によって発生する音をより低減することができる。
外部漏れがある場合には、水素供給流路内の圧力が低下することが考えられるが、この形態によれば、外部漏れの疑いがある場合に、水素供給流路内の圧力を第3圧力値まで加圧した後に水素漏れの有無を判定するため、水素漏れの判定に用いられる圧力値の変化を大きくすることができ、水素漏れの判定精度を向上させることができる。また、加圧処理が行われた後に水素漏れなしと判定された場合には、加圧処理によって水素タンクと水素供給流路との圧力差が、加圧処理を行われる前に比べて減少しているので、次回の燃料電池の始動時に弁体を開く際に、圧力差によって発生する音をより低減することができる。
この形態によれば、外部漏れの疑いがあり、水素供給流路内が第3圧力値よりも低い場合に加圧処理を行うので、水素供給流路内の不要な加圧を抑制することができる。
この形態によれば、第3判定時間は第1判定時間よりも長いので、水素漏れがある場合には、第3判定時間における圧力値の変化は、第1判定時間における圧力値の変化よりも大きくなる。そのため、水素供給流路内が第3圧力値まで加圧された後の水素漏れの判定精度を、第1圧力値に減圧された後の判定精度よりも向上させることができる。また、第1圧力値に減圧された後に水素漏れ疑いなしと判定された場合には、水素漏れ判定が終了するまでの時間を短くすることができる。
この形態によれば、センサ誤差や水素漏れ判定を行う領域の大小に関わらず水素漏れを判定することができるので、判定の精度を向上させることができる。そのため、水素供給流路内を第1圧力値まで減圧する際の減圧の程度を小さくすることができるので、水素タンクと水素供給流路との圧力差をより小さくすることができ、第1圧力値に減圧された後に水素漏れの疑い無しと判定された場合には、次回の燃料電池の始動時に弁体を開く際に、圧力差によって発生する音をより低減することができる。
水素漏れの疑いありと判定されて第2圧力値に減圧された後は、第1圧力値において水素漏れの疑い無しと判定された場合と比べて、水素タンクと水素供給流路との圧力差が大きく、次回の燃料電池の始動時に発生する音も大きくなる。しかし、この形態によれば、一つの弁体が開かれることにより一つの水素タンクと水素供給流路内の圧力差が減少した後に他の弁体が開かれるため、複数の弁体が同時に開かれる場合と比較して、水素タンクと水素供給流路内の圧力差によって発生する音を低減することができる。
A1.燃料電池システムの構成:
図1は本発明の一実施形態としての燃料電池システム20の概略構成を示す図である。燃料電池システム20は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム20は、複数の燃料電池を備える燃料電池スタック40と、水素供給排出機構50と、空気供給排出機構30と、冷却水循環機構80と、制御部90とを備える。燃料電池システム20は、パワースイッチ5のON操作によって始動し、OFF操作によって停止する。パワースイッチ5は、エンジン自動車におけるイグニッションスイッチに相当し、燃料電池システム20の停止状態と始動状態とを切り替えるための入力インタフェースである。
図2は、燃料電池システム20によって実行される水素漏れ判定処理を示す工程図である。水素漏れ判定処理は、燃料電池スタック40の発電停止時に、燃料電池システム20における水素漏れの有無を判定する処理である。本実施形態では、水素漏れ判定処理は、制御部90に、パワースイッチ5から燃料電池システム20を停止する旨の信号が入力されると実行される。本実施形態では、燃料電池システム20は、高圧系HS及び中圧系MSにおける水素漏れ判定を行う。
本実施形態の燃料電池システム20によれば、水素タンク70と水素供給流路60内の圧力差は、水素供給流路60内が第1圧力値に減圧された後に水素漏れの疑い無しと判定された場合には、水素供給流路60内が第2圧力値に減圧された後に水素漏れの有無が判定される場合よりも小さくなるため、次回の燃料電池の始動時に弁体71を開く際に、圧力差によって発生する音を低減することができる。
制御部90は、第2判定において、圧力センサP1、P2から取得した圧力値の変化の正負を用いて、水素漏れは、内部漏れであるか外部漏れであるかを判定してもよい。例えば、制御部90は、第2判定時間t2が経過した際の圧力値が第2圧力値よりも増加している場合に内部漏れであると判定し、第2判定時間t2が経過した際の圧力値が第2圧力値よりも低下している場合に外部漏れであると判定してもよい。
B1.水素漏れ判定処理:
図6は、第2実施形態における水素漏れ判定処理について示す工程図である。図6に示した水素漏れ判定処理のステップS10a〜S30a、及び、ステップS50a〜S80aの処理は、図2に示した第1実施形態における水素漏れ判定処理のステップS10〜S30、及び、ステップS50〜S80と同様のため、説明を省略する。
内部漏れがある場合には水素供給流路内の圧力が上昇することが考えられるが、本実施形態によれば、制御部90は、内部漏れの疑いがある場合に、水素供給流路60内を第2圧力値まで減圧した後に水素漏れの有無を判定するため、水素漏れの有無の判定に用いられる圧力値の変化を大きくすることができ、水素漏れの判定精度を向上させることができる。
第2実施形態では、制御部90は、水素漏れの疑いが内部漏れの疑いであることを、圧力値の変化量ΔPが正であることにより判定しているが、第1判定時間t1が経過した際の圧力値が第1圧力値よりも増加していることにより判定してもよい。また、制御部90は、水素漏れの疑いが外部漏れの疑いであることを、圧力値の変化量ΔPが負であることにより判定しているが、第1判定時間t1が経過した際の圧力値が第1圧力値よりも減少していることにより判定してもよい。また、制御部90は、圧力値の変化量ΔPを用いて算出される、上述の式(1)で表される流量Qの正負により、水素漏れの疑いが内部漏れの疑いであるか外部漏れの疑いであるかを判定してもよい。
図8は、第3実施形態における燃料電池システム20dの概略構成を示す図である。本実施形態における燃料電池システム20dは、複数の水素タンク70d、70eと、複数の弁体71d、71eと、を備える。制御部90dは、水素漏れ判定処理において、水素漏れの有無を判定した後(図2、ステップS70)、次回の燃料電池の始動時に、一つの弁体71dを開いた後、他の弁体71eを開く。なお、燃料電池システム20dは、水素タンク70eを2つ以上備え、それぞれの水素タンク70eに弁体71eが設けられていてもよい。燃料電池システム20dのその他の構成は、上述の実施形態の燃料電池システム20と同様であるため説明を省略する。
D1.変形例1:
上述の種々の実施形態における水素漏れ判定処理は、燃料電池システム20が起動されて燃料電池が始動する前の燃料電池の発電停止時に行われてもよい。なお、燃料電池システム20、20dを備える車両において、パワースイッチ5がOFFされて燃料電池スタック40による発電の停止後に行われれば、第2判定時間t2及び第3判定時間t3を長くして判定精度を高めつつ、水素漏れ判定処理によって発電開始が遅延することを抑制することができる。
上述の種々の実施形態では、制御部90は、圧力値の変化量ΔPを用いて上述の式(1)で表される水素漏れ流量Qの絶対値により、水素漏れの有無を判定している。これに対し、制御部90は、圧力値の変化により水素漏れの有無を判定してもよい。制御部90は、例えば、第1圧力値に減圧後、圧力センサP1、P2から取得した圧力値が第1圧力値よりも上昇した場合に水素漏れの疑いありと判定してもよいし、第1圧力値にセンサ誤差相当圧力値Perrを加えた値よりも上昇した場合に水素漏れありと判定してもよい。また、制御部90は、第1圧力値に減圧後、圧力センサP1、P2から取得した圧力値が第1圧力値よりも低下した場合に水素漏れありと判定してもよいし、第1圧力値からセンサ誤差相当圧力値Perrを引いた値よりも低下した場合に水素漏れの疑いありと判定してもよい。
上述の種々の実施形態では、制御部90は、圧力値の変化量ΔPを用いて上述の式(1)で表される水素漏れ流量Qの絶対値により、水素漏れの有無を判定している。これに対し、制御部90は、水素漏れ流量Qを算出せず、圧力値の変化量ΔPにより水素漏れの有無を判定してもよい。
上述の実施形態において、水素供給流路60中を減圧する減圧部は、インジェクタ54である。これに対し、減圧部は、水素供給流路60に設けられた弁であってもよく、燃料電池システム20は、弁を開くことにより水素供給流路60中を減圧してもよい。
上述の実施形態において、燃料電池側の水素供給流路60に設けられて燃料電池へ供給される水素を遮断する遮断部は、インジェクタ54である。これに対し、遮断部は、水素供給流路60中の弁であってもよく、燃料電池システム20は、弁を閉じることにより燃料電池スタック40へ供給される水素を遮断してもよい。
上述の実施形態では、制御部90は、高圧系HS及び中圧系MSにおける水素漏れ判定を行っている。これに対し、制御部90は、排水シャットバルブ57を閉じて、低圧系LSの圧力値を圧力センサP3で取得し、水素供給流路60の水素漏れ判定を行うこととしてもよい。この場合には、排水シャットバルブ57を減圧部として用いてもよい。この場合には、制御部90は、圧力センサP1、P2、P3から取得される圧力値の変化量の合計値を用いて上記種々の判定を行ってもよい。
上述の実施形態では、第2判定時間t2及び第3判定時間t3は、第1判定時間t1よりも長い。これに対し、第1判定時間t1は、第2判定時間t2及び第3判定時間t3以上であってもよい。
20、20d…燃料電池システム
30…空気供給排出機構
31…コンプレッサ
33…空気供給流路
34…分流弁
36…調圧弁
37…バイパス流路
38…空気排出流路
40…燃料電池スタック
50…水素供給排出機構
51…レギュレータ
52…リリーフ弁
54…インジェクタ
55…水素ポンプ
56…気液分離部
57…排水シャットバルブ
58…排出流路
60…水素供給流路
70、70d、70e…水素タンク
71、71d、71e…弁体
80…冷却水循環機構
81…ラジエータ
82…冷却水ポンプ
83…冷却水排出流路
84…冷却水供給流路
90、90d…制御部
HS…高圧系
MS…中圧系
LS…低圧系
ΔP…圧力変化量
P1…高圧系圧力センサ
P2…中圧系圧力センサ
P3…低圧系圧力センサ
Perr…センサ誤差相当圧力値
Pn…直線
Q1a、Q1b、Q2c、Q2d、Qerr…流量
Qth…閾値
V…容積
t1…第1判定時間
t2…第2判定時間
t3…第3判定時間
Claims (10)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
水素を貯蔵する水素タンクと、
前記水素タンクと前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
閉じられることで前記水素タンクから前記水素供給流路への水素の供給を遮断する弁体と、
前記水素供給流路内の圧力値を検出する圧力センサと、
前記水素供給流路内を減圧する減圧部と、
前記燃料電池の発電停止時に前記燃料電池システムの水素漏れの有無を判定する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記弁体を閉じるとともに前記減圧部により前記水素供給流路内を第1圧力値まで減圧し、
前記第1圧力値まで減圧した後、前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて水素漏れの疑いの有無を判定し、
前記水素漏れの疑いありと判定した場合に、前記減圧部により前記水素供給流路内を前記第1圧力値よりも低い第2圧力値まで減圧し、
前記第2圧力値まで減圧した後、前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて、水素漏れの有無を判定する、
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、
前記制御部は、
前記圧力センサから取得された圧力値の変化を用いて、前記水素漏れの疑いは、前記弁体から前記水素供給流路への水素漏れである内部漏れの疑いであるか否かを判定し、
前記内部漏れの疑いであると判定した場合に、前記減圧部により前記水素供給流路内の圧力値を前記第2圧力値まで減圧する、燃料電池システム。 - 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記水素供給流路内を前記第1圧力値まで減圧してから第1判定時間が経過するまでにおける、前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて、前記水素漏れの疑いの有無を判定し、
前記水素供給流路内を前記第2圧力値まで減圧してから前記第1判定時間よりも長い第2判定時間が経過するまでにおける、前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて、水素漏れの有無を判定する、燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記水素供給流路内を前記第1圧力値まで減圧してから経過した時間までにおける前記圧力センサから取得した圧力値の変化量の絶対値及び前記圧力センサが圧力値を検出する前記水素供給流路の容積を用いて算出される第1水素漏れ流量と、前記圧力センサの誤差に相当する圧力値の絶対値及び前記容積を用いて算出されるセンサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第1判定時間が経過するまでに予め定められた値以下となった場合に、前記水素漏れの疑い無しと判定し、
前記第1水素漏れ流量と、前記センサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第1判定時間が経過するまでに前記予め定められた値以下とならない場合に、前記水素漏れの疑いありと判定し、
前記水素供給流路内を前記第2圧力値まで減圧してから経過した時間までにおける前記圧力センサから取得した圧力値の変化量の絶対値及び前記容積を用いて算出される第2水素漏れ流量と、前記センサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第2判定時間を経過するまでに前記予め定められた値以下となった場合に、水素漏れ無しと判定し、
前記第2水素漏れ流量と、前記センサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第2判定時間を経過するまでに前記予め定められた値以下とならない場合に、水素漏れありと判定する、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力センサよりも前記燃料電池側の前記水素供給流路に設けられて前記燃料電池へ供給される水素を遮断する遮断部を備え、
前記制御部は、前記水素タンクから前記遮断部までの前記水素供給流路内の水素漏れを判定する、燃料電池システム。 - 請求項2又は請求項2に従属する請求項3から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記水素漏れの疑い有と判定した場合に、前記圧力センサから取得した圧力値の変化の正負を用いて、前記水素漏れの疑いは、前記内部漏れの疑いであるか、前記水素供給流路から前記水素供給流路外部への水素漏れである外部漏れの疑いであるか、を判定し、
前記外部漏れの疑いであると判定した場合に、前記弁体を開いて前記水素供給流路内を第3圧力値まで加圧する加圧処理を行い、
前記加圧処理後、前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて、水素漏れの有無を判定する、燃料電池システム。 - 請求項6に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記外部漏れの疑いであると判定した場合に、前記圧力センサから取得した圧力値が前記第3圧力値よりも低いか否かを判定し、
前記第3圧力値よりも低い場合に、前記加圧処理を行う、燃料電池システム。 - 請求項6又は請求項7に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記水素供給流路内を前記第1圧力値まで減圧してから第1判定時間が経過するまでにおける前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて前記水素漏れの疑いの有無を判定し、
前記水素供給流路内を前記第3圧力値まで加圧してから、前記第1判定時間よりも長い第3判定時間が経過するまでの前記圧力センサから取得した圧力値の変化を用いて水素漏れの有無を判定する、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、
前記制御部は、
前記水素供給流路内を前記第1圧力値まで減圧してから経過した時間までにおける前記圧力センサから取得した圧力値の変化量の絶対値及び前記圧力センサが圧力値を検出する前記水素供給流路の容積を用いて算出される第1水素漏れ流量と、前記圧力センサの誤差に相当する圧力値の絶対値及び前記容積を用いて算出されるセンサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第1判定時間が経過するまでに予め定められた値以下となった場合に、前記水素漏れの疑い無しと判定し、
前記第1水素漏れ流量と、前記センサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第1判定時間が経過するまでに前記予め定められた値以下とならない場合に、水素漏れの疑いありと判定し、
前記水素供給流路内を前記第3圧力値まで加圧してから経過した時間までにおける前記圧力センサから取得した圧力値の変化量の絶対値及び前記容積を用いて算出される第3水素漏れ流量と、前記センサ誤差相当流量と、を足した値が、前記第3判定時間が経過するまでに前記予め定められた値以下となった場合に、水素漏れ無しと判定し、
前記第3水素漏れ流量と、前記センサ誤差相当流量と、を足した値が、前記予め定められた値以下とならない場合に、水素漏れありと判定する、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
複数の前記水素タンクと、複数の前記水素タンクのそれぞれから前記水素供給流路への水素の供給をそれぞれ遮断する複数の前記弁体と、を備え、
前記制御部は、水素漏れの有無を判定した後、前記燃料電池の始動時に、複数の前記弁体のうち一つの前記弁体を開いた後、他の前記弁体を開く、燃料電池システム。
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