JP2007149496A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の水素供給口から上流側にレギュレータと遮断弁と一体型遮断弁付き水素タンクとが順に設けられた燃料電池システムにおいて、遮断弁が開故障したとき、水素ガス圧力残存による燃料電池の劣化を抑制する。
【解決手段】エアインジェクタ６６のオンオフ制御による信号圧の調整により出口圧の調整が可能なレギュレータ５２を採用し、停止時に、圧力センサ４８による中圧Ｐ２と、圧力センサ５４による入口圧Ｐ１との変化に基づき、遮断弁５０の開故障を確実に検知し、開故障を検知したとき、エアインジェクタ６６を全開して信号圧供給流路６７を大気に開放してレギュレータ５２の内部の弁を閉弁する。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料ガス供給手段と燃料電池との間に設けられる燃料ガス遮断弁の開故障を検出し、開故障を検出したときに適切な応急対策を可能とした燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池システムにおいて、燃料ガスタンクから燃料ガス供給流路を通じ、燃料電池内の前記燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガス供給流路を通じ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

このような燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスタンクと前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給流路に燃料ガスの流通を遮断する遮断弁が設けられる（特許文献１）。燃料電池システムのシステム停止中、この遮断弁を閉弁することで、例えば、前記電解質膜・電極構造体が保護される。すなわち、燃料電池が保護される。

また、車両用ガス燃料供給システムにおいて、燃料ガス供給流路中に設けられた遮断弁の他、燃料ガスタンクに一体的に設けられた、いわゆるインタンク遮断弁（一体型遮断弁）を備えた構成が開示されている（特許文献２）。

特開２００３−３０８８６８号公報（段落［００２７］） 特開２０００−２７４３１１号公報（段落［００３０］）

ところで、燃料電池システムにおいては、システムの停止時に、前記電解質膜・電極構造体の保護等の観点から、遮断弁が開弁した状態のままになること（開故障）を検出することが必要である。この開故障を検出するために、遮断弁の下流側に圧力センサが設けられる。システムの停止時に遮断弁に開弁指令を供給したにも拘わらず、前記圧力センサにより検出される圧力が低下しない場合には、遮断弁の開故障と判断される。

上記特許文献１の構成において遮断弁の下流側に圧力センサを設けることで、遮断弁の開故障を検出することはできるが、遮断弁の開故障状態が継続していると、システムの停止時においては酸化剤ガス流路が大気に開放されカソード電極面側（カソード電極経路）の圧力が低下しているにも拘らず、アノード電極面側（アノード電極経路）には燃料ガス圧力がかかったままになることから前記電解質膜・電極構造体を保護することができなくなり、燃料電池が劣化するという問題がある。

また、上記特許文献２の構成において、遮断弁の下流側に圧力センサを設けた場合でも、システムの停止時に上流側の一体型遮断弁が閉弁されると、実際には遮断弁が開故障しているにも拘らず、圧力センサにより検出される圧力が低下することから、遮断弁が正常であると判断されてしまうという誤検出が発生する。

この発明は、上記した課題を考慮してなされたものであって、遮断弁が開故障しても、燃料電池の劣化を抑制することを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、この発明は、遮断弁の上流側に、燃料ガス供給手段に一体型遮断弁が設けられた燃料電池システムにおいても、遮断弁の開故障を確実に検出することを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の一例の符号の一部を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段４２と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段３６と、前記燃料ガス供給手段から燃料ガス供給流路２８を通じてアノード電極に供給される前記燃料ガスと前記酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガス供給流路３４を通じてカソード電極に供給される前記酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１４と、を備える燃料電池システムにおいて、以下の（１）〜（５）の特徴を有する。

（１）前記燃料ガス供給流路２８中に設けられ、前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁５０と、前記燃料ガス供給流路中、前記遮断弁の下流側に設けられ、基準信号に応じて前記燃料電池の入口圧を調整する第１圧力調整手段５２、５２Ａと、前記遮断弁の開故障を検出する開故障検出手段７０と、前記燃料電池システムの停止時に、前記開故障検出手段により前記遮断弁の開故障を検出したとき、前記基準信号を調整し前記第１圧力調整手段を代替遮断弁として動作させる代替遮断制御手段７０と、を備えることを特徴とする。

この特徴（１）を有する発明によれば、開故障検出手段により遮断弁の開故障を検出したとき、代替遮断制御手段により、前記遮断弁の下流側に設けられた第１圧力調整手段を代替遮断弁として動作させるようにしているので、遮断弁が開故障しても、アノード電極経路の燃料ガス圧力を低下させることができ燃料電池の劣化を抑制することができる。

（２）上記特徴（１）を有する発明において、前記第１圧力調整手段は、前記酸化剤ガス供給流路に接続される信号圧供給流路６７を介して供給される酸化剤ガス圧力を信号圧として、前記入口圧を調整し、かつ信号圧供給流路が大気に開放されたとき、前記燃料ガス供給流路を遮断する構成とされており、前記代替遮断制御手段は、前記遮断弁の開故障を検出したとき、前記信号圧供給流路を前記大気に開放することを特徴とする。

この特徴（２）を有する発明によれば、第１圧力調整手段は、酸化剤ガス圧力を信号圧として燃料電池に供給される燃料ガスの入口圧を調整し、かつ信号圧供給流路が大気に開放されたとき前記燃料ガス供給流路を遮断する構成とされていることから、前記代替遮断制御手段により前記遮断弁の開故障が検出されたとき、前記信号圧供給流路を大気に開放することで、前記燃料ガス供給流路を遮断し、燃料電池に対する燃料ガスの供給を遮断することができる。

なお、この特徴（２）を有する第１圧力調整手段は、信号圧が大気圧のときにバネ圧力により弁が閉弁する、いわゆるノーマルクローズとなる弁を有する空気圧式のレギュレータ５２を使用することができる。レギュレータは、ノーマルクローズとなる弁を有する電気式のレギュレータ５２Ａを使用することもできる。

（３）上記特徴（２）を有する発明において、さらに、前記信号圧供給流路６７にガスインジェクタ６６が設けられ、前記代替遮断制御手段は、前記ガスインジェクタからの前記酸化剤ガスの噴出量を制御することで前記信号圧を調整するとともに、前記遮断弁の開故障を検出したとき、前記ガスインジェクタに全開信号供給し、前記信号圧供給流路を、前記ガスインジェクタを介して前記大気に開放することを特徴とする。

この特徴（３）を有する発明によれば、前記遮断弁の開故障を検出したときに、前記ガスインジェクタを介して前記信号圧供給流路を大気に開放するようにしているので、第１圧力調整手段が代替遮断弁として動作し、燃料ガス供給流路を遮断することができる。

（４）上記特徴（１）〜（３）のいずれかを有する発明において、前記燃料ガス供給手段に一体的に設けられた一体型遮断弁４３と、前記燃料ガス供給流路中、前記遮断弁の上流側に設けられる第２圧力調整手段４６と、前記燃料ガス供給流路中、前記第１圧力調整手段５２の下流側に設けられる第１圧力検出手段５４と、前記燃料ガス供給流路中、前記遮断弁５０と前記第２圧力調整手段との間に設けられる第２圧力検出手段４８と、をさらに備え、前記開故障検出手段７０は、前記一体型遮断弁と前記遮断弁に閉弁指令が供給されているときに、前記第１圧力検出手段により検出される圧力Ｐ１の変化と、前記第２圧力検出手段により検出される圧力Ｐ２の変化とに基づいて前記遮断弁の開故障を検出することを特徴とする。

この特徴（４）を有する発明によれば、開故障検出手段は、一体型遮断弁と遮断弁とに閉弁指令が供給されているときに、第１圧力検出手段により検出される圧力の変化と、第２圧力検出手段により検出される圧力の変化とに基づいて遮断弁の開故障を検出するようにしているので、一体型遮断弁が開故障していることを、一体型遮断弁に閉弁指令が供給された以降の第２圧力検出手段の圧力の変化に基づいて検出でき、遮断弁が開故障していることを、遮断弁に閉指令が供給された以降の前記第１圧力検出手段により検出される圧力の変化と、前記第２圧力検出手段により検出される圧力の変化とに基づいて確実に検出することができる。

この発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給を遮断する遮断弁が開故障しても、第１圧力調整手段を代替遮断弁として動作させるようにしているので、アノード電極経路の燃料ガス圧力を低下させることができ燃料電池の劣化を抑制することができる。

また、この発明によれば、遮断弁の上流側に一体型遮断弁が設けられた燃料電池システムにおいても、遮断弁と燃料ガス供給手段との間に第２圧力調整手段が設けられているとき、遮断弁の上流側及び第１圧力調整手段の下流側の圧力変化を検出することで、遮断弁の開故障の誤検出を解消して、遮断弁の開故障を確実に検出することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０の概略構成図である。

この燃料電池システム１０は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４に燃料ガス｛この実施形態では水素（Ｈ₂）ガス｝を供給する燃料ガス供給手段としての高圧の水素タンク４２と、前記燃料電池１４に酸化剤ガスを含む空気を供給する酸化剤ガス供給手段としてのエアコンプレッサ３６と、燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４の発電電力により充電されるバッテリ１６と、走行用の駆動モータ等を含む負荷１８とから構成される。ここでバッテリ１６は、キャパシタに代替することも可能である。

燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

燃料電池１４には、水素ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２２と、燃料電池１４に、空気を供給するための空気供給口２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。

水素供給口２０には、燃料ガス供給流路としての水素供給流路２８が連通される。

水素タンク４２と一体的にインタンク電磁弁の一体型遮断弁４３が設けられている。この水素タンク４２を、一体型遮断弁付き水素タンク４２ともいう。

水素タンク４２と燃料電池１４の水素供給口２０のとの間の水素供給流路２８には、水素ガス供給の上流側（水素タンク４２側）から下流側（燃料電池１４側）に向かって、高圧Ｐｈを検出する圧力センサ４４と、出口圧固定のレギュレータ（第２圧力調整手段）４６と、中圧Ｐ２を検出する圧力センサ（第２圧力検出手段）４８と、水素ガスの供給を遮断する遮断弁５０と、出口圧（燃料出口１４の入口圧）が可変のレギュレータ（第１圧力調整手段、代替遮断弁）５２と、燃料電池１４の入口圧Ｐ１を検出する圧力センサ（第１圧力検出手段）５４とが設けられる。

水素タンク４２から水素供給流路２８を介し、水素供給口２０を通じて燃料電池１４に水素ガスが供給され、燃料電池１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスが水素排出口２２から水素排出流路５６に供給される。

水素排出流路５６には、燃料電池１４のアノード電極経路に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極経路に混入した窒素ガスを含む燃料ガスを水素パージ流路５８、希釈ボックス６０及び排出流路６２を介して外部（外気・大気）に排出して発電安定性を確保するために通常発電運転時等に適宜開放される比較的大流量の水素パージ弁３０が設けられる他、図示しないキャッチタンクに溜まった水等を水素ガスを含む排出ガスとともに、排出流路６４、希釈ボックス６０及び排出流路６２を介して大気に排出するための比較的小流量のドレイン弁３２が設けられている。

一方、空気供給口２４には、空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）３４が連通され、この空気供給流路３４には、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となったエアコンプレッサ３６が設けられるとともに、エアコンプレッサ３６から吐出された圧縮空気（酸化剤ガス圧力）を信号圧（基準信号）としてレギュレータ５２の信号圧入力端に供給する信号圧供給流路６７が設けられている。

信号圧供給流路６７には、レギュレータ５２の出口圧を調整するガスインジェクタとしての空気噴出装置であるエアインジェクタ６６が設けられている。

エアインジェクタ６６には、図示しない信号圧開放弁を通じて信号圧開放流路６８が設けられている。前記信号圧開放弁をオンオフ制御することで、信号圧供給流路６７から信号圧入力端に供給される信号圧を変化させてレギュレータ５２の弁の開度を調整する。エアインジェクタ６６の前記信号圧開放弁が開放されると、信号圧開放流路６８を通じて信号圧が大気に抜かれてレギュレータ５２に信号圧がかからないようになる。換言すれば、レギュレータ５２に供給される信号圧が大気圧になる。

レギュレータ５２は、バネ圧力によりノーマルクローズとなる弁を有しているので、信号圧供給流路６７から供給される信号圧がエアインジェクタ６６の信号圧開放流路６８を通じて大気に抜かれると、レギュレータ５２のノーマルクローズとなる弁が閉弁し水素供給流路２８を遮断する構成となっている。

空気排出口２６は、空気排出流路４０、希釈ボックス６０及び排出流路６２を通じて大気に連通している。

なお、希釈ボックス６０は、水素パージ流路５８及び排出流路６４を通じて供給される燃料ガス（排ガス）を空気排出流路４０から供給される酸化剤ガスにより希釈し、排出流路６２を通じて外部に排出する機能を有する。

さらに、燃料電池システム１０には、制御装置７０が設けられ、この制御装置７０には、燃料電池システム１０を起動させ、また停止させるイグニッションスイッチ（起動・停止信号供給手段）７６が接続されている。

制御装置７０は、一体型遮断弁４３、遮断弁５０、水素パージ弁３０、ドレイン弁３２の開弁・閉弁制御（指令）、エアコンプレッサ３６の吐出空気量の制御（指令）、燃料電池１４から出力される発電電力の負荷１８及びバッテリ１６への配分制御（指令）、エアインジェクタ６６を通じてのレギュレータ５２の弁開度の制御（指令）等を含め、燃料電池システム１０の全ての動作を制御する。

この実施形態において、制御装置７０は、コンピュータ（ＥＣＵ）により構成され、圧力センサ４４、４８、５４からの圧力Ｐｈ、Ｐ２、Ｐ１、燃料電池１４からのセル電圧Ｖｆｃ、イグニッションスイッチ７６のオンオフ操作等の各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで、上記した各種弁、エアインジェクタ６６、エアコンプレッサ３６、及び負荷１８を制御して各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置７０は、遮断弁５０の開故障を検出する開故障検出手段、遮断弁５０の開故障を検出したときに、レギュレータ５２を代替遮断手段として機能させる代替遮断制御手段の他、計時手段（カウンタ・タイマ）等として機能する。

なお、図１において、太い実線は電力線を示し、点線は信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。

基本的には、以上のように構成される燃料電池システム１０について、以下、主に、イグニッションスイッチ７６のオフ操作後の一体型遮断弁４３の故障検出処理、遮断弁５０の故障検出処理及び遮断弁５０が開故障していた場合の代替遮断制御について、Ａ．一体型遮断弁・遮断弁故障検出処理、Ｂ．代替遮断制御処理の順に動作を説明する。

Ａ．一体型遮断弁・遮断弁故障検出処理について、図２、図３のフローチャート及び図４のタイムチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、制御装置７０が、燃料電池システム１０のイグニッションスイッチ７６のオン操作を検出したとき、ステップＳ２において、通常発電運転が行われる。

燃料電池システム１０の通常発電運転時には、一体型遮断弁４３、遮断弁５０を開くとともに、エアコンプレッサ３６及びエアインジェクタ６６を負荷１８の大きさに応じて駆動することで、所定量の水素ガスと酸化剤ガスとが水素供給口２０及び空気供給口２４を通じて燃料電池１４に供給され、アノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される酸化剤ガスの酸素とが反応して発電が行われる。

この発電の過程について説明すると、アノード電極において水素ガスが水素イオン化され水素イオンと電子が発生する。水素イオンは電解質膜内を水分を伴ってカソード電極側に到達する。発生した電子は、アノード電極から発電電流Ｉｆｃとして出力され、外部負荷（負荷１８、バッテリ１６、及びエアコンプレッサ３６）を通じカソード電極に到達する。そして、電解質膜のカソード電極側で、酸素が水素イオン及び電子と結合して水になる。

ステップＳ２の通常発電中に、ステップＳ３において、イグニッションスイッチ７６のオフ操作を検出したとき（図４中、時点ｔ０）、負荷１８が無負荷とされ、ステップＳ４において、燃料電池１４の次回の起動のため等に、燃料電池１４の発電電流Ｉｆｃによりバッテリ１６が充電される。

このバッテリ充電が完了した時（時点ｔ１）、ステップＳ６において、一体型遮断弁４３に開弁指令を供給する。

次いで、ステップＳ６において、一体型遮断弁４３の故障検出処理が行われる。

この故障検出処理では、一体型遮断弁４３の出口側の圧力センサ４４により検出される高圧Ｐｈの時間的変化を監視する。一体型遮断弁４３が正常に閉弁していると、図４に示すように、時点ｔ１以降で圧力センサ４４により検出される高圧Ｐｈが徐々に低下する。

高圧Ｐｈが所定値低下した時点ｔ２で、一体型遮断弁４３が正常に閉弁したと判定し、ステップＳ７において、遮断弁５０に閉弁指令を供給する。

次いで、図３のフローチャートに詳細を示すステップＳ８の遮断弁故障検出処理を実行する。

ステップＳ８ａにおいて、時点ｔ２で、圧力センサＰ１、Ｐ２により入口圧Ｐ１と中圧Ｐ２を検出し、それそれ、初期入口圧Ｐ１ａ、初期中圧Ｐ２ａとしてメモリに記憶する。

次いで、ステップＳ８ｂにおいて、所定時間Ｔ１（時点ｔ２〜ｔ３）の経過を待つ。この所定時間Ｔ１の経過中、燃料電池１４の水素供給口２０側に設けられている圧力センサ５４により検出される入口圧Ｐ１の変化を監視するとともに、遮断弁５０の上流側に設けられている圧力センサ４８により検出される中圧Ｐ２の変化を監視する。

時点ｔ２で遮断弁５０が正常に閉弁していると、図４に示すように、時点ｔ２以降でも中圧Ｐ２は変化せず、入口圧Ｐ１は徐々に低下する。

所定時間Ｔ１の経過時点ｔ３からステップＳ８ｃでの遮断弁５０の開故障検出計算（後述）を開始し、ステップＳ８ｄにおいて希釈掃気完了と判断する所定時間Ｔ２の経過時点ｔ４まで、開故障検出計算を連続的に実行する。

エアコンプレッサ３６は、イグニッションスイッチ７６がオフ操作された時点ｔ０〜ｔ４の間で、燃料電池１４内のカソード電極経路の液滴を吹き飛ばす等のために、酸化剤ガスの供給が増量されるように駆動される。この場合、時点ｔ０から時点ｔ２〜ｔ３の間の時点まで、この増量した酸化剤ガスにより燃料電池１４内のカソード電極経路に貯留する水分等を、空気排出口２６、空気排出流路４０、希釈ボックス６０、及び排出流路６２を通じて排出するカソード電極側掃気処理が行われる。そして、さらに、時点ｔ２と時点ｔ３の間の時点から時点ｔ４までの間に、ドレイン弁３２及び水素パージ弁３０が適宜開弁され、燃料電池１４内のアノード電極経路に残っている水素ガスが、希釈ボックス６０内で酸化剤ガスにより希釈されて排出流路６２を通じて大気に排出され、時点ｔ３で入口圧Ｐ１が所定圧力（閾値）Ｐ１ｔｈまで低下するとアノード圧力低下処理が完了とされ、その後、所定時間Ｔ２の経過後の時点ｔ４で希釈掃気処理が完了と判断される。この希釈掃気処理の完了は、この実施形態のように入口圧Ｐ１が所定圧力Ｐ１ｔｈまで低下してからの所定時間Ｔ２の計時、あるいは、希釈ボックス６０の排出流路６２に設けた水素濃度センサ（不図示）の値により判断することができる。

時点ｔ４で、エアコンプレッサ３６の駆動が停止され、空気供給流路３４は、燃料電池１４内の酸化剤ガス経路、空気排出流路４０、希釈ボックス６０、及び排出流路６２を通じて、外部（大気）に開放される。

そのため、時点ｔ４において、信号圧供給流路６７の信号圧がなくなり（大気圧になり）、ノーマルクローズ弁を有するレギュレータ５２も閉弁する。この時点ｔ４以降、レギュレータ５２とドレイン弁３２、水素パージ弁３０が閉弁していることにより燃料電池１４のアノード電極経路は、外部と連通しない閉経路となる。

時点ｔ４以降、さらに、負荷１８が無負荷状態（開放）から有負荷状態（ディスチャージ抵抗器が接続された状態）となり、燃料電池１４内に残存する水素ガスと酸化剤ガスとが反応して発電消費されることで入口圧Ｐ１がさらに徐々に低下する。

ここで、所定時間Ｔ１の経過時点ｔ３からステップＳ８ｃでの遮断弁５０の開故障検出計算を開始し、ステップＳ８ｄにおいて希釈掃気完了と判断する所定時間Ｔ２の経過時点ｔ４までの前記開故障検出計算について説明する。

遮断弁５０に閉弁指令を供給する時点ｔ２において圧力センサ５４により検出される入口圧Ｐ１を上述したように初期入口圧Ｐ１ａとし、時点ｔ３〜ｔ４の間に所定時間毎に連続的に検出される入口圧Ｐ１を、現在入口圧Ｐ１ｂとする。

また、時点ｔ２において圧力センサ４８により検出される中圧Ｐ２を上述したように初期中圧Ｐ２ａとし、時点ｔ３〜ｔ４の間に所定時間毎に連続的に検出される中圧Ｐ２を、現在中圧Ｐ２ｂとする。

この場合、所定時間Ｔ２の経過時点ｔ４で、次の（１）式に示す、初期入口圧Ｐ１ａと現在入口圧Ｐ１ｂとの差（入口圧力差）Ｐ１ａ−Ｐ１ｂが所定値ΔＰ１以上であって、かつ（２）式に示す、初期中圧Ｐ２ａと現在中圧Ｐ２ｂとの差（中圧圧力差）Ｐ２ａ−Ｐ２ｂが所定値ΔＰ２未満であるときに、ステップＳ８ｅで遮断弁５０が正常に閉弁したと判断し、所定時間Ｔ２を経過する前に、（１）式と（２）式のいずれか１方の式の関係が成立していなかった場合には、ステップＳ８ｆで遮断弁５０が開故障したと判断し、開故障フラグを立てる。
Ｐ１ａ−Ｐ１ｂ≧ΔＰ１ …（１）
Ｐ２ａ−Ｐ２ｂ＜ΔＰ２ …（２）

（１）、（２）式の入口圧Ｐ１と中圧Ｐ２の両方で遮断弁５０の開故障を判断する理由について説明する。

入口圧力差Ｐ１ａ−Ｐ１ｂが所定値ΔＰ１以上で正常と判断する（１）式のみの条件では、遮断弁５０の上流側に設けられている水素タンク４２の一体型遮断弁４３が閉弁していると、遮断弁５０が開故障していても、入口圧力差Ｐ１ａ−Ｐ１ｂが所定値ΔＰ１以上となるので誤検出となる。この場合、一体型遮断弁４３と遮断弁５０との間の水素供給流路２８の圧力である中圧Ｐ２の変化（Ｐ２ａ−Ｐ２ｂ）を監視することにより、遮断弁５０が閉弁していれば、仮に一体型遮断弁４３が開故障していても、中圧圧力差Ｐ２ａ−Ｐ２ｂが変化しないので所定値ΔＰ２未満であれば、遮断弁５０が閉弁していると判断することができる。

また、中圧圧力差Ｐ２ａ−Ｐ２ｂが所定値ΔＰ２未満という条件のみが成立することで遮断弁５０が閉弁していると判断すると、一体型遮断弁４３と遮断弁５０の両方が開故障しているときに、遮断弁５０の上流側に設けられている出口圧固定のレギュレータ４６の動作により中圧Ｐ２が低下しないので、同様に誤検出となる。

Ｂ．次に、ステップＳ８で遮断弁５０が開故障していると検出された場合のステップＳ９の代替遮断制御処理について、遮断弁５０が正常に閉弁している場合の処理も含めて、図５のフローチャート及び図６のタイムチャートを参照して説明する。

図６のタイムチャートにおいて、図４のタイムチャートの内容に対応する時点については、同一の時点を記載している。

図６のタイムチャートの時点ｔ０〜ｔ２の間は、図４のタイムチャートの時点ｔ０〜ｔ２の間の処理を省略して描いている。図６のイグニッションスイッチ７６がオフ操作されたことを検出した時点ｔ０で、エアコンプレッサ３６の出力流量の増量駆動が行われて、燃料電池１４の空気供給口２４の空気入口流量・圧力が、カソード電極経路の掃気処理のため等に増加されたこと分かる。

図６の時点ｔ２において、一体型遮断弁４３の故障検出が完了し、遮断弁５０に閉弁指令が供給される。

この時点ｔ２以降、ステップＳ９ａに示す、入口圧Ｐ１が所定圧Ｐ１ｔｈ以下の値となって（前記図４中の時点ｔ３）、かつ希釈掃気処理が完了（図４中の時点ｔ４）したかどうかが判断される。

ステップＳ９ａの判断が否定的であるとき、ステップＳ９ｂで上述したステップＳ８の遮断弁故障検知処理の結果、遮断弁５０の開故障フラグが立っているかどうかを確認し、開故障フラグが立っていた場合には、ステップＳ９ｃでのエアインジェクタ６６に全開指令が供給される（図６中、時点ｔ２ａ）。

時点ｔ２ａで、エアインジェクタ６６に全開指令が供給されると内部の信号圧開放弁が開放され、信号圧開放流路６８を通じて信号圧供給流路６７から信号圧が大気に抜かれ、レギュレータ５２に信号圧がかからないようになる。その結果、レギュレータ５２は、バネ圧力により内部の弁がノーマルクローズとなってレギュレータ５２が閉弁し、開故障している遮断弁５０に対してレギュレータ５２の閉弁が代替され水素供給流路２８が遮断される。

次いで、ステップＳ９ａに戻り、レギュレータ５２が閉弁されるとドレイン弁３２が開弁されることや（時点ｔ２ａ〜ｔ２ｂ）、残存する燃料電池１４内の水素ガスと酸化剤ガスによる反応による発電の継続（この発電エネルギは、エアコンプレッサ３６を作動させるのに利用される。）、並びに水素パージ弁３０の開弁（時点ｔ２ｂ〜ｔ３´）により入口圧Ｐ１が低下する。

この時点ｔ２以降、ステップＳ９ａに示す、入口圧Ｐ１が所定圧Ｐ１ｔｈ以下の値になって（図６中の時点ｔ３´）、かつ希釈掃気処理が完了（図６中の時点ｔ４´）したかどうかが判断され、入口圧Ｐ１の低下処理及び希釈掃気が完了すると、ステップＳ９ｄにおいて、エアコンプレッサ３６が停止されることで、エアインジェクタ６６の作動が停止し、信号圧開放弁がバネ力によりノーマルクローズ状態となる。すなわち、エアコンプレッサ３６が停止されることで、信号圧供給流路６７は、空気供給流路３４、燃料電池１４内のカソード電極経路、空気排出流路４０、希釈ボックス６０及び排出流路６２を通じて大気に連通していることからレギュレータ５２の信号圧が大気圧となり閉弁状態が保持される。

次いで、ステップＳ９ｅのディスチャージ処理が開始されると、時点ｔ４´以降、さらに、負荷１８が無負荷状態（開放）から有負荷状態（ディスチャージ抵抗器が接続された状態）となり、燃料電池１４内に残存する水素ガスと酸化剤ガスとが反応して水素ガスが発電消費されることで入口圧Ｐ１がさらに徐々に低下する。

このとき、時点ｔ５に示すように、発電電圧Ｖｆｃが所定電圧（閾値）Ｖｆｃｔｈまで低下するとディスチャージ完了とされて負荷１８が開放され発電電流Ｉｆｃがゼロ値となり燃料電池システム１０がシステム停止される。システム停止後、発電電流Ｉｆｃが負荷１８に対して引かれなくなるので発電電圧Ｖｆｃは、僅かに上昇する。

なお、ステップＳ８ｅにおいて、遮断弁５０が正常であって閉弁している場合には、図４中、時点ｔ４での希釈掃気が完了したとき、ステップＳ９ａの判断が肯定的となり、エアコンプレッサ３６が停止され（図６中、時点ｔ４´）、ステップＳ９ｅのディスチャージ完了時点ｔ５で燃料電池システム１０が停止される。

上述した実施形態において、代替遮断弁としても機能するレギュレータ５２は、基準信号として空気圧を信号圧とする空気圧式のレギュレータを利用しているが、図７に示すように、制御装置７０から供給される電気信号により出力圧が調整可能な電気式のレギュレータ５２Ａを用いてもよい。この電気式のレギュレータ５２Ａにおいても、電気信号が供給されなくなるとバネ圧力によりノーマルクローズとなる弁を有しているので、遮断弁５０の開故障を検出したとき、レギュレータ５２Ａへの基準信号の値をゼロ値とすることでレギュレータ５２Ａが閉弁して代替遮断弁として機能し、水素供給流路２８を遮断することができる。

以上説明したように上述した実施形態によれば、水素タンク４２と、エアコンプレッサ３６と、水素タンク４２から水素供給流路２８を通じてアノード電極に供給される水素ガスとエアコンプレッサ３６から空気供給流路３４を通じてカソード電極に供給される酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１４とを備える燃料電池システム１０において、水素供給流路２８中に、水素の供給を遮断する遮断弁５０と、この遮断弁５０と水素供給口２０との間にレギュレータ５２とを設け、遮断弁５０が開故障したとき、制御装置７０によりレギュレータ５２を代替遮断弁として動作させるようにしているので、遮断弁５０が開故障しても、燃料電池１４のアノード電極経路の圧力を低下させることができ、燃料電池１４の劣化を抑制することができる。

この場合、レギュレータ５２は、信号圧がゼロのときバネ圧力により弁が閉弁する、いわゆるノーマルクローズとなる弁を有する空気圧式のレギュレータ５２を使用することができる。なお、レギュレータとしては、ノーマルクローズとなる弁を有する電気式のレギュレータ５２Ａを使用することもできる。

レギュレータ５２は、酸化剤ガスを大気に噴出するエアインジェクタ６６が設けられた信号圧供給流路５７からの信号圧により駆動され、遮断弁５０の開故障が検出されたときには、レギュレータ５２の信号圧を調整するエアインジェクタ６６から信号圧を抜くようにしているのでレギュレータ５２が閉弁し、水素供給流路２８を遮断することができる。

また、水素タンク４２に一体型遮断弁４３が設けられている場合、一体型遮断弁４３と遮断弁５０との間の水素供給流路２８に出力圧固定のレギュレータ４６と、このレギュレータ４６の出口圧を中圧Ｐ２として検出する圧力センサＰ２とを設けるとともに、レギュレータ５２の出口圧、すなわち燃料電池１４の入口圧Ｐ１を検出する圧力センサ５４を設ける。この場合、制御装置７０は、一体型遮断弁４３と遮断弁５０とに閉弁指令が供給されているときに、入口圧Ｐ１の変化と中圧Ｐ２の変化とに基づいて、一体型遮断弁４３の開故障及び遮断弁５０の開故障を独立して確実に検出することができる。

この実施形態によれば、レギュレータ５２を代替遮断弁として動作させることで遮断弁５０の開故障に伴う水素圧力残存による燃料電池１４の劣化を抑制することができる。また、中圧Ｐ２及び入口圧Ｐ１の両圧力の変化を監視することにより、遮断弁５０の開故障の誤検出を防止することができる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 遮断弁故障検出処理の動作説明に供される全体フローチャートである。 遮断弁故障検出処理の詳細な動作説明に供されるフローチャートである。 遮断弁故障検出処理の動作説明に供されるタイムチャートである。 代替遮断制御処理の詳細な動作説明に供されるフローチャートである。 代替遮断制御処理の動作説明に供されるタイムチャートである。 この発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １４…燃料電池
２８…水素供給流路 ３６…エアコンプレッサ
４２…水素タンク ４３…一体型電磁弁
４４、４８、５４…圧力センサ ４６、５２、５２Ａ…レギュレータ
５０…遮断弁 ６６…エアインジェクタ
７０…制御装置

Claims (4)

1. 燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から燃料ガス供給流路を通じてアノード電極に供給される前記燃料ガスと前記酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガス供給流路を通じてカソード電極に供給される前記酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給流路中に設けられ、前記燃料ガスの供給を遮断する遮断弁と、
   前記燃料ガス供給流路中、前記遮断弁の下流側に設けられ、基準信号に応じて前記燃料電池の入口圧を調整する第１圧力調整手段と、
   前記遮断弁の開故障を検出する開故障検出手段と、
   前記燃料電池システムの停止時に、前記開故障検出手段により前記遮断弁の開故障を検出したとき、前記基準信号を調整し前記第１圧力調整手段を代替遮断弁として動作させる代替遮断制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１圧力調整手段は、前記酸化剤ガス供給流路に接続される信号圧供給流路を介して供給される酸化剤ガス圧力を信号圧として、前記入口圧を調整し、かつ信号圧供給流路が大気に開放されたとき、前記燃料ガス供給流路を遮断する構成とされており、
   前記代替遮断制御手段は、前記遮断弁の開故障を検出したとき、前記信号圧供給流路を前記大気に開放する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記信号圧供給流路にガスインジェクタが設けられ、
   前記代替遮断制御手段は、前記ガスインジェクタからの前記酸化剤ガスの噴出量を制御することで前記信号圧を調整するとともに、前記遮断弁の開故障を検出したとき、前記ガスインジェクタに全開信号供給し、前記信号圧供給流路を前記ガスインジェクタを介して前記大気に開放する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給手段に一体的に設けられた一体型遮断弁と、
   前記燃料ガス供給流路中、前記遮断弁の上流側に設けられる第２圧力調整手段と、
   前記燃料ガス供給流路中、前記第１圧力調整手段の下流側に設けられる第１圧力検出手段と、
   前記燃料ガス供給流路中、前記遮断弁と前記第２圧力調整手段との間に設けられる第２圧力検出手段と、をさらに備え、
   前記開故障検出手段は、前記一体型遮断弁と前記遮断弁に閉弁指令が供給されているときに、前記第１圧力検出手段により検出される圧力の変化と、前記第２圧力検出手段により検出される圧力の変化とに基づいて前記遮断弁の開故障を検出する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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