JP2004179072A - 燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池1と、前記燃料電池1に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサ13を有するエア供給システム3とを備えた燃料電池装置に適用され、前記コンプレッサ13の回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システム3の故障と判定する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤ガス(例えば酸素あるいは空気)を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【0003】
この種の燃料電池を用いた燃料電池装置としては、燃料電池の燃料極へ供給される改質ガスの組成の変動を検知することで、改質器の異常の早期発見を図るものがある(特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平6−260195号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池においては、エア供給システムが故障すると、発電に適切な流量や圧力のエアを燃料電池に供給することが困難となるため、エア故障の判定を適切に行うことが燃料電池装置の信頼性を維持する上で非常に重要である。
【0006】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、エア供給システムの故障を確実に判定することができ、燃料電池装置の信頼性を維持することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項1に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池(例えば、実施の形態における燃料電池1)と、前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサ(例えば、実施の形態におけるコンプレッサ13)を有するエア供給システム(例えば、実施の形態におけるエア供給システム3)とを備えた燃料電池装置に適用され、前記コンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする。
【0008】
この発明によれば、前記エア供給システムが正常な場合には前記コンプレッサの回転数が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となり、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【0009】
また、請求項2に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤としてのエアの圧力を調整する圧力制御弁(例えば、実施の形態における圧力制御弁11)を有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、前記圧力制御弁の開度と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする。
【0010】
この発明によれば、前記エア供給システムが正常な場合には前記圧力制御弁の開度が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となり、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【0011】
また、請求項3に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを備えたエア供給システムと、前記燃料電池を冷却する冷却システム(例えば、実施の形態における冷却システム4)とを備えた燃料電池装置に適用され、前記燃料電池の発電電流が所定値以下であってかつ前記燃料電池におけるエア圧力と冷媒圧力との差の絶対値が所定値以上の状態が、所定時間経過した場合には、エア供給システムの故障と判定することを特徴とする。
【0012】
この発明によれば、前記エア供給システムが正常な場合には前記発電電流が所定値以下で、前記絶対値が所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となり、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態を図1の図面を参照して説明する。
図1は、本発明の適用される燃料電池装置の概略構成図である。
燃料電池1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
【0014】
前記燃料電池1には、燃料供給システム2が燃料供給流路17を介して接続されている。前記燃料供給システム2は、燃料(例えば水素ガス)を貯蔵する燃料供給源を備え、該供給源から燃料供給流路17を介して燃料電池1のアノードに水素ガスを供給する。
【0015】
また、前記燃料電池1には、エア供給システム3がエア供給流路15を介して接続されている。前記エア供給システム3はエアコンプレッサ13を備え、該エアコンプレッサ13から前記エア供給流路15を介して燃料電池1のカソードにエア(酸化剤ガス)を供給する。
【0016】
前記燃料電池1は、アノードに燃料として水素ガスを供給され、カソードに酸化剤として酸素を含むエア(空気)を供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
前記空気は発電に供された後、燃料電池1のカソードからオフガスとして排出され、エア排出流路16を介して排出される。
【0017】
前記エア排出流路16には、圧力制御弁(背圧弁)11が設けられている。この圧力制御弁11の開度を調整することにより、前記燃料電池1に供給されるエアの圧力が制御される。
【0018】
前記エア供給流路15には、エア流量センサ8やエア圧力センサ9が設けられている。前記エア流量センサ8は、前記エアコンプレッサ13から燃料電池1に供給するエア流量を検出するためのものである。また、前記エア圧力センサ9は、前記燃料電池1に供給するエア圧力を検出するためのものである。後述するように、これらのセンサ8,9にて検出されたエア流量やエア圧力に基づいて、エア供給システム3の状態が判定される。このエア供給システム3は、前記エアの流路15、流路16、エアコンプレッサ13や圧力制御弁11を備えて構成されている。
【0019】
なお、燃料電池1に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池1のアノードから水素オフガス循環流路(図示せず)に排出され、燃料電池1のアノードに再び供給されるようになっている。
【0020】
前記燃料電池1には、冷却システム4が接続されている。前記冷却システム4は、冷却媒体を循環させるためのポンプ等を備え、前記燃料電池1のセル間に冷却媒体(例えば水などの冷媒)を供給する。このように冷却媒体を燃料電池1に循環させることで燃料電池1を冷却し、発電時の発熱による燃料電池1の温度上昇を抑制して、燃料電池1を適正な温度で運転させることができる。また、冷却システム4には、冷媒圧力センサ5が接続され、該冷媒圧力センサ5により燃料電池1に供給される冷媒の圧力を検出する。
【0021】
また、燃料電池1は負荷(例えばモータやエアコンディショナ等)6に接続され、該負荷6に燃料電池1で発電した電力を供給する。そして、燃料電池1と負荷6とを接続する経路に電流センサ10が設けられ、この電流センサ10により燃料電池1から負荷6に供給される発電電流IFCを検出する。
【0022】
また、燃料電池装置は制御装置(ECU:Electric Control Unit)7を備えており、このECU7により上述した機器を制御する。すなわち、ECU7は、前記センサ5、8、9、10における各検出値(冷媒圧力PW、エア流量QA、エア圧力PA、発電電流IFC)に基づいて、前記システム2、3、4や負荷6の制御を行う。このECU7が行う制御のうち、エア供給システム3の故障判定制御について、図2〜図4を用いて説明する。
【0023】
図2は図1に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。まず、ステップS12で、エア流量センサ8が故障しているかどうかを判定する。ステップS12の判定結果がNOの場合(センサ8が正常に作動している場合)には、ステップS14のエア供給システム故障判定処理を行う。また、ステップS12の判定結果がYESの場合(センサ8が故障している場合)には、ステップS14の前記故障判定処理を行わずにステップS18に進む。このように、エア流量センサ8が正常と判定された場合にのみ前記故障判定を行うことで、エア供給システム3の状態を確実に判定することができる。エア流量センサ8の故障判定は、センサ8で検出される信号電圧の状態により行うことができる。また、後述する他のセンサ9、5の故障判定も同様にして行うことができる。
【0024】
ステップS14では、エアコンプレッサ13の回転数の指令値に対するフィードバック量(回転数と指令値の差分)の絶対値が、所定値(判定基準値)NFB以上かどうかを判定する。この回転数は、前記流量センサ8により検出された流量QAに基づいて算出される。なお、エアコンプレッサ13の回転数を直接検出してもよい。
ステップS14での判定結果がYESであればステップS16に進み、ステップS14での判定結果がNOであればステップS18に進む。
【0025】
ステップS18では、故障判定タイマー1に所定時間(故障判定時間)T1を設定する。そして、ステップS24でエア供給システム故障なしと判定し、一連の処理を終了する。
【0026】
ステップS16では、故障判定タイマー1の設定時間が0かどうかを判定する。この判定結果がYESであればステップS20に進み、判定結果がNOであればステップS22に進む。ステップS22では、タイマー1の設定時間を一定時間減算する。そして、ステップS24に進み、一連の処理を終了する。このようにして、前記絶対値が所定値NFB以上になってからの継続時間を計測する。
【0027】
また、タイマー1が0になった場合には、ステップS20で、エア供給システム3が故障と判定し、一連の処理を終了する。このように、前記エア供給システム3が正常な場合には前記コンプレッサ13の回転数が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システム3の故障を適切に判断することができる。これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となる。すなわち、このフローチャートにおいて、エア供給システム3が故障と判定された場合には、エアの流路15、16の閉塞や、エア流量センサ8上流でのエア流出、コンプレッサ8の異常等に原因を特定することができるため、これらの部位に対して故障に対する対処を施すことで、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【0028】
図3は図1に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示す他のフローチャートである。まず、ステップS32で、エア圧力センサ9が故障しているかどうかを判定する。ステップS32の判定結果がNOの場合(センサ9が正常に作動している場合)には、ステップS34のエア供給システム故障判定処理を行う。また、ステップS32の判定結果がYESの場合(センサ9が故障している場合)には、ステップS34の前記故障判定処理を行うことなくステップS38に進む。このように、エア圧力センサ9が正常と判定された場合にのみエア供給システム故障判定を行うことで、エア供給システム3の状態を確実に判定することができる。
【0029】
ステップS34では、圧力制御弁11の開度の指令値に対するフィードバック量(開度と指令値の差分)の絶対値が、所定値(判定基準値)AFB以上かどうかを判定する。この圧力制御弁11の開度は、前記圧力センサ9により検出された圧力PAに基づいて算出される。なお、圧力制御弁11の開度を直接検出してもよい。
【0030】
ステップS34での判定結果がYESであればステップS36に進み、ステップS34での判定結果がNOであればステップS38に進む。
ステップS38では、故障判定のタイマー2に所定時間(故障判定時間)T2を設定する。そして、ステップS44でエア供給システム故障なしと判定し、一連の処理を終了する。
【0031】
ステップS36では、故障判定タイマー2の設定時間が0かどうかを判定する。この判定結果がYESであればステップS40に進み、判定結果がNOであればステップS42に進む。ステップS42では、タイマー2の設定時間を一定時間減算する。そして、ステップS44に進み、一連の処理を終了する。このようにして、前記絶対値が所定値AFB以上になってからの継続時間を計測する。
【0032】
また、タイマー2が0になった場合には、ステップS40で、エア供給システム3が故障と判定し、一連の処理を終了する。このように、前記エア供給システム3が正常な場合には前記圧力制御弁11の開度が前記指令値に対して所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システム3の故障を適切に判断することができる。これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となる。すなわち、このフローチャートにおいて、エア供給システム3が故障と判定された場合には、エア圧力センサ9下流のエアの流路15、16の閉塞や、前記圧力制御弁11上流でのエア流出、あるいは圧力制御弁11の異常等に原因を特定することができるため、これらの部位に対して故障に対する対処を施すことで、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【0033】
図4は図1に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。まず、ステップS52で、エア圧力センサ9あるいは冷媒圧力センサ5が故障しているかどうかを判定する。ステップS52の判定結果がNOの場合(センサ9,5が正常に作動している場合)には、ステップS54に進む。また、ステップS52の判定結果がYESの場合(センサ9,5のいずれかが故障している場合)には、後述するエア供給システム故障判定処理を行わずにステップS58に進む。このように、エア圧力センサ9、冷媒圧力センサ5のいずれかが故障と判定された場合には、前記故障判定を行わない。これにより、センサ9,5の故障による誤判定を防止することができる。
【0034】
ステップS54では、前記電流センサ10で検出された燃料電池1の発電電流IFCが所定値I1以下かどうかを判定する。ステップS54の判定結果がYESの場合にはステップS56の故障判定処理に進み、ステップS54の判定結果がNOの場合には、ステップS56の故障判定処理を行わずにステップS58に進む。発電電流IFCが大きい場合には燃料電池1に供給されるエア流量が増加し、これに伴いエア圧力と冷媒との差圧も大きくなるので、この場合の誤判定を防止するためである。
【0035】
ステップS56では、エア圧力PAと冷媒圧力PWの差が所定値(判定基準値)PD1以上かどうかを判定する。この判定結果がYESであればステップS60に進み、判定結果がNOであればステップS58に進む。
ステップS58では、故障判定タイマー3の設定時間を所定時間T3に設定する。そして、ステップS66でエア供給システム故障なしと判定し、一連の処理を終了する。
【0036】
ステップS60では、故障判定タイマー3の設定時間が0かどうかを判定する。この判定結果がYESであればステップS62に進み、判定結果がNOであればステップS64に進む。ステップS64では、タイマー3の設定時間を一定時間減算する。そして、ステップS64に進み、一連の処理を終了する。このようにして、前記エア圧力PAと冷媒圧力PWとの差の絶対値が所定値PD1以上になってからの継続時間を計測する。
【0037】
また、タイマー3が0になった場合には、ステップS62で、エア供給システム3が故障と判定し、一連の処理を終了する。このように、前記エア供給システム3が正常な場合には前記発電電流IFCが所定値以下で、前記絶対値が所定時間以内に所定値以内に制御されることに基づいて判定を行うため、前記前記エア供給システム3の故障を適切に判断することができる。これにより故障に応じた適切な処置をとることが可能となる。すなわち、このフローチャートにおいて、エア供給システム3が故障と判定された場合には、エアの流路15、16の閉塞や等に原因を特定することができるため、これらの部位に対して故障に対する対処を施すことで、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【0038】
なお、本発明は、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池装置は、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途、例えば燃料電池搭載のオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池装置にも適用することができるのはもちろんである。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、前記前記エア供給システムの故障を適切に判断することができ、燃料電池装置の信頼性の維持を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の適用される燃料電池装置を示す概略構成図である。
【図2】図1に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。
【図3】図1に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。
【図4】図1に示した燃料電池装置におけるエア供給システム故障判定制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 燃料供給システム
3 エア供給システム
4 冷却システム
5 冷媒圧力センサ
7 ECU
8 流量センサ
9 エア圧力センサ
10 電流センサ
11 圧力制御弁
13 コンプレッサ
Claims (3)
- 燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、
前記コンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法。 - 燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤としてのエアの圧力を調整する圧力制御弁を有するエア供給システムとを備えた燃料電池装置に適用され、
前記圧力制御弁の開度と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合には、前記エア供給システムの故障と判定することを特徴とする燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法。 - 燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤としてエアを供給するコンプレッサを備えたエア供給システムと、
前記燃料電池を冷却する冷却システムとを備えた燃料電池装置に適用され、
前記燃料電池の発電電流が所定値以下であってかつ前記燃料電池におけるエア圧力と冷媒圧力との差の絶対値が所定値以上の状態が、所定時間経過した場合には、エア供給システムの故障と判定することを特徴とする燃料電池装置のエア供給システム故障判定方法。
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