JP2004192919A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2004192919A
JP2004192919A JP2002358561A JP2002358561A JP2004192919A JP 2004192919 A JP2004192919 A JP 2004192919A JP 2002358561 A JP2002358561 A JP 2002358561A JP 2002358561 A JP2002358561 A JP 2002358561A JP 2004192919 A JP2004192919 A JP 2004192919A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel cell
time
pressure value
piping system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002358561A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4238572B2 (en
Inventor
Katsuhiko Nishiyama
克彦 西山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2002358561A priority Critical patent/JP4238572B2/en
Publication of JP2004192919A publication Critical patent/JP2004192919A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4238572B2 publication Critical patent/JP4238572B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel gas leakage detection technique for a fuel cell system suitable for a vehicular on-board generator. <P>SOLUTION: In stopping this system, a gas pressure value of a piping system of the fuel cell is previously stored in a nonvolatile memory. When the system is started, the present gas pressure value of the piping system is detected, and compared with the gas pressure value stored in the nonvolatile memory to obtain a pressure drop rate. When the pressure drop rate is smaller than a threshold value corresponding to the elapsed time during the system stop, it is determined to be fuel gas leakage. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムのガス漏洩検出技術に関し、特に、車載用燃料電池システムに好適な燃料ガス漏洩検出技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池は電解質膜を介して対向配置されるアノード極(水素極)と、カソード極(酸素極)からなる単セルを積層したスタック構造を備えている。アノード極には水素を含有する燃料ガスが供給される一方で、カソード極には酸素を含有する酸化ガスが供給され、各々の電極上で生じる電気化学反応によって起電力を得る。経年劣化などによって電解質膜が損傷し、両電極間で燃焼ガスの漏洩透過が生じると、局所的な発熱反応などが生じて燃料電池が損焼する虞がある。改質器においても同様に燃料ガスが漏洩すると触媒で異常燃焼が生じて損焼する虞がある。このため、燃料電池システムを運用するには燃料ガスの漏洩対策が必要となる。燃料ガスの漏洩対策技術として、特開平8−329965号公報(特許文献1)、及び特開平3−250564号公報(特許文献2)には、ガス漏洩を検知する圧力検知手段を備えた燃料電池発電システムが開示されている。燃料電池の配管系統のガス圧力変化を検出することで、ガス漏洩を検出することができる。
【特許文献1】
特開平8−329965号公報
【特許文献2】
特開平3−250564号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術は、負荷変動の少ないプラント用燃料電池システムを前提としており、負荷変動の大きい車載用燃料電池システムに適用することは困難である。つまり、車載用燃料電池システムをオンボード発電機として運用する場合、走行負荷などに応じて燃料ガスや酸化ガスの流量を適宜調整する必要があるため、燃料電池に供給されるガス圧力は絶えず動的に変動する環境下にある。
このような環境下においては、システム運用時に燃料電池内部のガス圧力変動を検出しても、燃料ガスの漏洩を検出することは困難である。
そこで、本発明は燃料電池システムを車両のオンボード発電機として運用する場合に好適な燃料ガス漏洩検出技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、システム停止状態の時間経過を計測する時間経過計測手段と、前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、システム制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶させる一方、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、前記時間経過計測手段が計測した時間経過との関係からガス漏洩の有無を判断する。かかる構成により、システム起動後の第一及び第二の配管系統内のガス圧力値の変動から燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。
好ましくは、前記制御部は、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記制御部は、システム起動時に前記圧力センサが検出するガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。システム起動時点での圧力変動量とガス漏洩の判断基準となる閾値とを比較することで、システム起動を許可しても安全か否かを判断できる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、システム停止時点からの時間経過を計測する時間経過計測手段と、前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、システム制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶し、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断する。かかる構成により、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記制御部は、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記圧力変動量は、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、システム停止から所定時間経過した時点における前記圧力センサが検出するガス圧力値との比である。システム停止時点のガス圧力値と、システム停止から所定時間経過後(例えば、次回のシステム起動時点)のガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
好ましくは、前記制御部は、ガス漏洩が生じていると判断すると、システム再起動を制限する。ガス漏洩が生じていると判断した場合に、システム再起動を制限することで、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記制御部は、システム停止時において、前記第一の配管系統の残留ガス圧が前記第二の配管系統の残留ガス圧よりも高くなるように前記弁機構を制御する。かかる構成により、ガス漏洩が生じている箇所が燃料電池の水素極側のみであるか、或いは水素極側と酸素極側の両方で生じているかを検出することができる。
好ましくは、前記燃料電池システムは、車載搭載用の発電システムである。車載用の発電システムはシステム運転とシステム停止を交互に頻繁に繰り返すため、システム停止期間におけるガス圧力変動を検出することで、ガス漏洩を検出できる。
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料電池システムを車両駆動に供する電力発電源として備える。かかる構成により、信頼性及び安全性に優れた燃料電池自動車を提供できる。
本発明のコンピュータプログラムは、燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止指令が入力された場合に、燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、を実行させる一方、システム停止中にシステム起動指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム起動指令が入力された場合に、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止時間との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、を実行させる。燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに上記のステップを実行させることで、システム起動時に燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、システム停止時間に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点におけるガス圧力値との比である。システム停止時のガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点のガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
本発明のコンピュータシステムは、燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、前記システム停止指令が入力された場合に、燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、予め定められた一定時間経過したか否かを判定するステップと、前記一定時間経過した場合に、前記一定時間経過後の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、を実行させる。燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに上記のステップを実行させることで、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、前記一定時間に達した時点での前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである。ガス漏洩の判断基準となる閾値と圧力変動量との関係からより正確にガス漏洩の有無を判断できる。
好ましくは、前記ガス漏洩の有無を判断するステップにおいて、ガス漏洩が生じていると判断すると、前記コンピュータシステムに、システム再起動を制限するステップをさらに実行させる。ガス漏洩が生じていると判断した場合に、システム再起動を制限させるステップをコンピュータシステムに実行させることで、燃料電池システムの安全性を高めることができる。
好ましくは、前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止から前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比である。
システム停止時のガス圧力値と、前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比を求めることで、ガス圧がどの程度低下しているかを定量的に把握することができ、ガス漏洩の有無の判断に好適である。
本発明のプログラムを記録するコンピュータ読取り可能な記録媒体として、例えば、光記録媒体(CD−RAM、CD−ROM、DVD−RAM、DVD−ROM、DVD−R、PDディスク、MDディスク、MOディスク等の光学的にデータの読み取りが可能な記録媒体)や、磁気記録媒体(フレキシブルディスク、磁気カード、磁気テープ等の磁気的にデータの読み取りが可能な記録媒体)、或いはメモリ素子(DRAM等の半導体メモリ素子、FRAM等の強誘電体メモリ素子)を備えたメモリカートリッジ等の可搬性記録媒体等が好適である。
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施の形態について説明する。
図1は本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両(燃料電池自動車)の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車10は、主に、オンボード発電機として機能する燃料電池システム20と、補助電力源として機能する二次電池30と、電力変換制御を行うパワーコントロールユニット40と、パワーコントロールユニット40を介して燃料電池システム20又は二次電池30から供給される電力で駆動輪51,52を駆動するモータ50とを備えて構成されている。燃料電池自動車10は前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪53,54が配置されている。
燃料電池システム20は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料と水をそれぞれ別途貯蔵するタンク21と、タンク21から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器22と、改質器22から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池23と、燃料電池システム20全体を制御する制御部24とを備えて構成されている。制御部24は後述するシステムコントローラ43と通信を行うことで、燃料電池システム20に配設されているエアコンプレッサ、ウォータポンプの作動回転数制御、及び電磁弁の開閉制御などを行い、発電量が要求電力を満たすようにシステム制御する。燃料電池システム20のエア流路には、エアクリーナ56、及びエアポンプ55が配設されており、エアクリーナ56で濾過された発電用エア(酸化ガス)はエアポンプ55で加圧され、燃料電池23の酸素極に供給される。
燃料電池23は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
パワーコントロールユニット40は、アクセル開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ50への供給電力量を演算するシステムコントローラ43と、直流電圧を変圧するDC/DCコンバータ41と、直流電流を交流電流に変換してモータ50に供給するインバータ42とを備えて構成されている。インバータ42は、パワースイッチ素子を主要回路素子として構成され、直流電流を三相交流に変換する。DC/DCコンバータ41及びインバータ42における電力変換はシステムコントローラ43によって制御される。
二次電池30は燃料電池システム20の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車10の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池30の容量は、燃料電池自動車10の走行条件、走行性能(最高速度、走行距離など)、車重などに応じて適宜設定できる。モータ50としては三相同期モータが好適である。
上述した構成により、システムコントローラ43は、車両走行負荷などを基にモータ50に供給されるべき電力を演算し、燃料電池システム20にて所望の発電量を得るための必要な指示を制御部24に与える。制御部24は、燃料電池23に供給されるべき燃料ガスと酸化ガスの流量を適宜調整し、走行に必要な電力を得る。燃料電池システム20にて生成された電力はパワーコントロールユニット40を介してモータ50その他の補機類などに供給される。
図2は燃料電池23の構成単位である単セル60の分解斜視図である。単セル60は、電解質膜61と、アノード極62と、カソード極63と、セパレータ64,65から構成されている。アノード極62及びカソード極63は電解質膜61を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ64,65は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極62及びカソード極63との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ64の両面には断面凹状のリブ64a,64bが互いに直交する向きに形成されている。リブ64aはアノード極62に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、燃料ガス流路を形成する。リブ64bは隣接する単セル間で酸化ガス流路を形成する。セパレータ65の両面には断面凹状のリブ65a,65bが互いに直交する向きに形成されている。リブ65aはカソード極63に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、酸化ガス流路を形成する。リブ65bは隣接する単セル間で燃料ガス流路を形成する。
但し、リブ64b,65bは必ずしも必須ではなく、適宜省略することも可能である。
アノード極62は多孔質支持層62aと水素極触媒層62bから構成されており、カソード極63は多孔質支持層63aと酸素極触媒層63bから構成されている。多孔質支持層62a,63aはともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。
水素極触媒層62b及び酸素極触媒層63bは、触媒としての白金、又は白金と他の金属からなる合金が電解質膜61の表面に塗布されたものである。より具体的には、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜61上にスクリーン印刷したものである。電解質膜61は固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。本実施形態では、膜厚20〜70μmのナフィオン膜を使用した。電解質膜61、アノード極62、及びカソード極63によって膜・電極接合体(MEA)が形成される。
図3は燃料電池システムの要部を中心とするシステム構成図である。同図に示すように、改質器22は、原燃料を気化させるための蒸発部22aと、気化した原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部22bと、燃料ガス中に含まれている一酸化炭素(CO)を除去するCO低減部22cとを備えて構成されている。蒸発部22aは燃焼ガスと液相の原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置である。蒸発部22a内に配設された冷媒側の原燃料流路には、前述したタンク21から原燃料が供給される。
原燃料としては、メタン(CH)、エタン(C)、プロパン(C)、ブタン(C10)、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール(CHOH)、エタノール(COH)、DME(CHOCH)、アセトン(CHC(=O)CH)などを利用できるが、ここでは、メタノールを利用する場合を例示する。メタノールと水の混合溶液からなる原燃料の比率、つまり、水/メタノールのモル比は1.0〜5.0の範囲が好ましく、1.5〜3.0の範囲がより好ましい。
一方、蒸発部22a内に配設された燃焼側の燃焼ガス流路には、燃料と空気との混合ガスが供給され、当該流路内に配設された電気触媒加熱ヒータの作用によって燃焼する。燃焼ガスは下流方向に移動する過程において、原燃料との間で熱交換を行いつつ、外部に放出される。燃料としては、メタノール、ガソリン、或いは燃料電池23から排出される水素オフガスなどが好適である。蒸発部22aに投入される発熱量は燃料の重量と燃焼用エアコンプレッサ76の回転数によって制御される。
蒸気化した原燃料ガスは改質部22bに供給され、水蒸気改質と部分酸化改質を併用したオートサーマル方式によって水素リッチな燃料ガスに改質される。改質部22bの内部には、銅−亜鉛系触媒(Cu−Zn系触媒)、銅−亜鉛−クロム系触媒(Cu−Zn−Cr系触媒)、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒(Cu−Zn−Al系触媒)、亜鉛−クロム系触媒(Zn−Cr系触媒)などの改質触媒が充填されており、併用改質に適した温度範囲(200〜600℃)に保たれている。部分酸化改質に必要な酸素(改質用エア)は改質エア用遮断弁86の開弁作動により改質部22b内に導入できる。
改質部22bにおいて生成された水素リッチな燃料ガスはCO低減部22cに供給される。CO低減部22cには一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第1元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。一酸化炭素の選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアは精製用エア遮断弁87の開弁作動によりCO低減部22c内に導入できる。燃料電池23における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中の一酸化炭素濃度は数ppm程度以下が望ましい。
次に、燃料電池23を中心とした配管構成について説明する。燃料電池23には、燃料ガスをアノード極に導入するための燃料ガス導入管71と、電池反応に供した水素オフガスを排出するための排気管72と、燃料電池23と並列に配管されたバイパス配管73と、カソード極に酸化ガスを供給するための酸化ガス導入管74と、電池反応に供した酸素オフガスを排出するための排気管75とが各々配設され、システムの配管系統を構成している。
本明細書では、燃料電池23へ供給される燃料ガスの入力経路と、燃料電池23から排出される水素オフガスの出力経路を総称して第一の配管系統と称する場合がある。本実施形態では、第一の配管系統は燃料ガス導入管71、排気管72、及びバイパス配管73によって構成されている。また、燃料電池23へ供給される酸化ガスの入力経路と、燃料電池23から排出される酸素オフガスの出力経路を総称して第二の配管系統と称する場合がある。本実施形態では、第二の配管系統は酸化ガス導入管74、及び排気管75によって構成されている。ここで、第一の配管系統、及び第二の配管系統はシステム構成に応じて適宜設計変更することができ、上述の構成に限られるものではない。また、同図には図示してないが、排気管75の下流には凝縮水回収器が配設されており、電池反応によって生じた生成水を含有する酸素オフガスを凝縮させることで、水を回収し、タンク21に還流させている。
燃料ガス導入管71の上流端は改質器22の燃料ガス放出孔に接続する一方で、その下流端は燃料電池23内部の燃料ガス流路に接続している。燃料ガス導入管71の流路上には、上流から下流にかけて改質器圧力調整弁81と、燃料ガス遮断弁82とが順次配置されている。改質器圧力調整弁81は燃料電池23に供給される燃料ガス流量を調整するためのものであり、燃料ガス導入管71とバイパス配管73の合流点より上流側に配設されている。燃料ガス遮断弁82は燃料ガス導入管71上に設けられた遮断弁であり、燃料ガス導入管71とバイパス配管73の合流点より下流側に配設されている。一方、排気管72の上流端は燃料電池23内部の燃料ガス流路に接続しており、その下流はバイパス配管73に合流している。排気管72の流路上には、水素オフガスの流量を調整するための水素極圧力調整弁83が排気管72とバイパス配管73の合流点より上流側に配設されている。
バイパス配管73の流路上には燃料ガス排気弁84が配設されており、その閉弁作動によってバイパス配管73を流れる燃料ガスを遮断する。燃料ガス遮断弁82を閉弁した状態で燃料ガス排気弁84を開弁すると、燃料ガス導入管71に導入された燃料ガスは燃料電池24を迂回して排気管72を通過し、蒸発部22aに還流する。酸化ガス導入管74の上流端には発電用エアコンプレッサ77が配設されており、その下流端は燃料電池23内部の酸化ガス流路に接続している。発電用エアコンプレッサ77の回転数を調整することで、電源負荷に応じた発電を行うに足りる酸化ガスを燃料電池23に供給できる。排気管75の上流端は燃料電池23内部の酸化ガス流路に接続しており、その下流端は図示しない凝縮水回収器に接続している。排気管75の流路には、酸素オフガスの流量を調整するための酸素極圧力調整弁85が配設されている。
上記の構成において、システム起動時の過度状態では、改質器圧力調整弁81、水素極圧力調整弁83、及び酸素極圧力調整弁85の開度を適度に調整しつつ、燃料ガス排気弁84を開弁する一方で燃料ガス遮断弁82を閉弁した状態に保持し、システムが十分に暖機するまで待機する。改質器22で生成された燃料ガスは燃料ガス導入管71、バイパス配管73、及び排気管72を介して蒸発部22aへ導入され、原燃料の気化に利用される。システムが十分に暖機するまでは、発熱反応を生じる部分酸化反応をメインにシステム制御するのが望ましい。
システムが十分な温度に昇温し、改質反応が十分な速度で進行できる定常状態に遷移すると、燃料ガス排気弁84を開弁状態から閉弁状態に切り替える一方で、燃料ガス遮断弁82を閉弁状態から開弁状態に切り替える。すると、燃料ガス導入管71を介して燃料電池23に供給された燃料ガスは電池反応に供された後、水素オフガスとなって排気管72を介して燃料電池23から放出される。この水素オフガスは蒸発部22aでの燃料ガス生成用の燃料として再利用される。また、酸化ガス導入管74に導入された酸化ガスは燃料電池23を経由し、電池反応に供された後、排気管75を介して燃料電池23から放出される。
一方、システム停止時には、改質器圧力調整弁81、燃料ガス遮断弁82、水素極圧力調整弁83、燃料ガス排気弁84、酸素極圧力調整弁85、改質エア用遮断弁86、精製用エア遮断弁87などの各種の弁機構を閉弁することで、システムを気密状態とし、燃料ガスがシステム外に漏出しないよう構成されている。
さらに、燃料電池23を中心とする各種の配管には、燃料ガスの漏洩検出手段として、複数の圧力センサ91〜95が配設されている。圧力センサ91は改質器22と改質器圧力調整弁81との間の配管区間内における燃料ガス導入管71のガス圧を検出する。圧力センサ92は燃料電池23と燃料ガス遮断弁82との間の配管区間における燃料ガス導入管71のガス圧を検出する。圧力センサ93は燃料電池23と水素極圧力調整弁83との間の配管区間における排気管72のガス圧を検出する。圧力センサ94は燃料電池23と発電用エアコンプレッサ77との間の配管区間における酸化ガス導入管74のガス圧を検出する。圧力センサ95は燃料電池23と酸素極圧力調整弁85との間の配管区間における排気管75のガス圧を検出する。
燃料電池システム20を制御する制御部24は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム(後述する燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを含む)及び各種データを記憶したROM25と、ROM25に書き込まれているプログラムを読み取って適宜これを実行するCPU26と、CPU26のワークメモリとして機能するRAM27と、上述した圧力センサ91〜95からの検出信号を入力するとともに、上述の弁機構の開閉作動や燃焼用エアコンプレッサ76、及び発電用エアコンプレッサ77の回転速度を制御するための信号を出力する入出力ポート28と、圧力センサ91〜95によって検出されたガス圧力値を書き込むための記憶手段としてのEEPROM(不揮発性メモリ)29と、システム停止時間を計測する時間経過計測手段としてのタイマ31を備えて構成されている。制御部24は燃料ガスの漏洩を検出すると、警報手段32を作動させて、運転手に注意を促す。警報手段32としては、警報音や音声出力などで聴覚的に注意を促す手段、或いは警告ランプやディスプレイ表示などで視覚的に注意を促す手段などが好適である。
次に、図4を参照して燃料ガスの漏洩検出処理の概要を説明する。同図は、燃料電池23を中心とした配管系統内の圧力変動特性をグラフに記したものである。何れの圧力センサ91〜95においても、同図に示すグラフに類似した圧力変動を示すことが確認されている。同図に示すように、システムが運転している間は、負荷変動に応じて絶えずガス圧が変動している。システムに運転停止指令が入力されると、予め定められた手順で上述の弁機構が閉弁状態に保持され、システムは停止状態に遷移する。すると、配管系統内の残留ガス圧は時間経過とともに次第に降圧する。システムの配管系統、又は燃料電池23内部の損傷、劣化に起因して燃料ガスが漏洩している異常状態では、残留ガス圧の降圧率は大きくなる。一方、システムの配管系統、又は燃料電池23内部に損傷などが生じておらず、燃料ガスが漏洩してない正常状態では、残留ガス圧の降圧率は小さくなる。
このような特性を考慮して、CPU26はシステム停止時点の配管系統内のガス圧を予めEEPROM29に記憶しておき、システムが起動するときのガス圧を計測することによって、どれだけガス圧が低下したかを判断することで、ガス漏洩の有無をチェックすることができる。ガス漏洩有無の判断基準として、同図に示すような時間経過とともに降圧率が小さくなる閾値を設定しておく。CPU26はシステム起動時の残留ガスの圧力値が閾値未満であると判断すると、システム異常状態と判断し、システムの起動を制限する。一方、CPU26はシステム起動時の残留ガスの圧力値が閾値以上であると判断すると、システム正常状態と判断し、システムの起動を許可する。ガス漏洩有無の判断基準となる閾値の値はシステムが停止していた時間経過に応じて異なるため、前回のシステム停止時にEEPROM29などにシステム停止時刻を書き込み、次にシステムが起動するときの時刻からシステム停止期間の時間経過を計測するように構成するのが望ましい。
この閾値は、図5に示すように、時間経過に対するマップ値として保持してもよく、さらには、exp(−時間経過/時定数)のように所定の計算式にパラメータ(時間経過)を代入して求めるよう構成してもよい。図5において、「圧力低下率」とは、{(システム停止から所定時間経過後のガス圧力値)/(システム停止時のガス圧力値)}×100[%]を表しており、圧力残存率と称することもできる。圧力低下率は100%に近い方がガス漏れが少なく、システムが正常状態と判断できるのに対し、圧力低下率が0%に近い方がガス漏れが多く、システムが異常状態と判断できる。閾値を求めるためのこれらのマップ値、或いは計算式は予めROM25に書き込まれている。システム異常判定の精度を高めるには、残留ガスの圧力値に温度補償を施すことも可能である。このように構成する場合、上述の圧力センサ91〜95に加えて、配管系統のガス温度を検出する温度センサを適宜配設すればよい。
図6はシステム起動時に実行される燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを記述したフローチャートである。本ルーチンは、システム起動時にROM25から読み出されてCPU26によって実行される。まず、CPU26は、改質器22における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、前回のシステム停止時にEEPROM29に書き込まれた圧力センサ91のガス圧力値P1を読み取り、システム起動時の圧力センサ91から取得した残留ガスの圧力値P2と比較して圧力低下率(P2/P1)を計算する(ステップS101)。次いで、EEPROM29に書き込まれた前回のシステム停止時刻T1を読み取り、タイマ31の現在時刻T2と比較して時間経過(T2−T1)を求める。時間経過を求めたならば、予め定められた計算式に代入するなどして閾値を求める(ステップS102)。圧力低下率が閾値未満である場合には(ステップS103;YES)、改質器22に燃料ガスの漏洩が生じていると判断し(ステップS104)、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知してシステム起動を制限する(ステップS105)。ここで、本ルーチンは終了となる。予めシステム起動を制限することで、燃料電池システム20の損焼などを防止できる。
尚、ここでは、システム停止時刻をEEPROM29に書き込むことによって、システム停止期間の時間経過を計測する例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、システム停止中においてもタイマ31を作動状態に維持し、システム停止期間の時間経過を計測するように構成してもよい。
一方、圧力低下率が閾値以上である場合には(ステップS103;NO)、CPU26は、燃料電池23における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、前回のシステム停止時にEEPROM29に書き込まれた圧力センサ92又は93のガス圧力値P3を読み取り、システム起動時の圧力センサ92又は93から取得した残留ガスの圧力値P4と比較して水素極側の圧力低下率(P4/P3)を計算する(ステップS106)。次いで、上述した時間経過(T2−T1)に対応した閾値を求める(ステップS107)。水素極側の圧力低下率が閾値未満である場合には(ステップS108;YES)、燃料電池23の水素極側から燃料ガスの漏洩が生じている可能性があるため、圧力センサ94又は95の検出圧力と大気圧とを比較する(ステップS109)。後述するように、システム停止時において、酸化ガス導入管74と排気管75は管内のガス圧が大気圧とほぼ同じ程度になるよう気密されているため、圧力センサ94又は95の検出圧力と大気圧とを比較することで、燃料電池23の酸素極側のガス漏洩を検出できる。
圧力センサ94又は95の検出圧力が大気圧未満である場合には(ステップS109;NO)、水素極側にのみ燃料ガス漏洩が生じていると判断し(ステップS110)、システム起動を制限する(ステップS111)。圧力センサ94又は95の検出圧力が大気圧以上である場合には(ステップS109;YES)、電解質膜61の損傷又は劣化などの原因により、クロスオーバーが生じていると判断し(ステップS112)、システム起動を制限する(ステップS111)。ステップS111の処理後、本ルーチンは終了となる。
一方、燃料電池23の水素極側における圧力低下率が閾値以上である場合には(ステップS108;NO)、燃料電池23に燃料ガスの漏洩が生じてないと考えられるため、システム起動が許可されて、通常の運転シーケンスに移行する(ステップS113)。CPU26は、システム停止指令が入力されたか否かを一定時間毎に監視する(ステップS114)。システム停止指令が検出できない場合には(ステップS114;NO)、ステップS113〜ステップS114間でループを形成し、これらのステップを繰り返し実行する。
CPU26は、システム停止指令を検出すると(ステップS114;YES)、改質器22側に配設されている改質エア用遮断弁86及び精製用エア遮断弁87と、燃料電池23側に配設されている燃料ガス遮断弁82及び燃料ガス排気弁84を閉弁し、さらに、改質器圧力調整弁81及び水素極圧力調整弁83の開度を全閉状態に制御する(ステップS115)。これにより、燃料電池23の水素極側は与圧された状態に保持される。次いで、発電用エアコンプレッサ77を停止し、酸素極圧力調整弁85を全開状態に制御して燃料電池23の酸素極側を開放する(ステップS116)。燃料電池23の酸素極側のガス圧を一定時間毎にチェックし、当該ガス圧が大気圧以上である場合には(ステップS117;NO)、当該ガス圧が大気圧と同程度になるまで酸素極圧力調整弁85を全開状態に保持する(ステップS117)。燃料電池23の酸素極側のガス圧が大気圧程度になると(ステップS117;YES)、CPU26は、酸素極圧力調整弁85を全閉状態に制御し(ステップS118)、各々の圧力センサ91〜95のガス圧力値とタイマ31の現在時刻をEEPROM29に書き込み(ステップS119)、システム停止状態に遷移する(ステップS120)。ここで、本ルーチンは終了となる。
燃料電池システム20を燃料電池自動車10のオンボード発電機として使用する場合、システム運転状態とシステム停止状態とが頻繁に交互に繰り返される特性があるため、燃料ガス漏洩の有無をチェックするためにシステムを長期間停止することは、車両としての用途を考えると、好ましくない。しかし、上述の本実施形態によれば、システム停止期間のガス圧力変動をチェックするだけで、燃料ガス漏洩の有無をチェックできるため、車載用燃料電池システムの燃料ガス漏洩検出に好適である。特に、システム立ち上げ時の初期チェックとして前回停止時からの圧力低下を測定するだけで燃料ガス漏洩検出が可能となるため、システム構成を簡易化することができる。但し、システム停止期間が長い場合には、正常とみなされる僅かなガス漏洩だけでも、圧力が大きく低下してしまうため、燃料ガス漏洩検出が困難となる。このような場合には、システム停止から一定期間は少なくとも制御部24と圧力センサ91〜95を作動させ、燃料ガス漏洩検出処理を行うように構成することも可能である。
図7はシステム停止時に実行される燃料ガス漏洩検出処理ルーチンを記述したフローチャートである。本ルーチンは、システム停止時にROM25から読み出されてCPU26によって実行される。CPU26は、まず、通常の運転シーケンスで動作している(ステップS201)。システム停止指令を検出すると(ステップS202;YES)、改質器22側に配設されている改質エア用遮断弁86及び精製用エア遮断弁87と、燃料電池23側に配設されている燃料ガス遮断弁82及び燃料ガス排気弁84を閉弁し、さらに、改質器圧力調整弁81及び水素極圧力調整弁83の開度を全閉状態に制御する(ステップS203)。これにより、燃料電池23の水素極側は与圧された状態に保持される。次いで、発電用エアコンプレッサ77を停止し、酸素極圧力調整弁85を全開状態に制御して燃料電池23の酸素極側を開放する(ステップS204)。
燃料電池23の酸素極側のガス圧を一定時間毎にチェックし、当該ガス圧が大気圧以上である場合には(ステップS205;NO)、当該ガス圧が大気圧と同程度になるまで酸素極圧力調整弁85を全開状態に保持する(ステップS205)。燃料電池23の酸素極側のガス圧が大気圧程度になると(ステップS205;YES)、CPU26は、酸素極圧力調整弁85を全閉状態に制御し(ステップS206)、各々の圧力センサ91〜95のガス圧力値P5をEEPROM29に書き込む(ステップS207)。ここで、システムの大部分は作動を停止するが、少なくともCPU26と圧力センサ91〜95は作動状態を一定期間維持する。
CPU26は予め定められた一定時間経過が経過すると(ステップS208;YES)、改質器22における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、ステップS207でEEPROM29に書き込まれた圧力センサ91のガス圧力値P5を読み取り、現在の圧力センサ91から取得した残留ガスの圧力値P6と比較して圧力低下率(P6/P5)を計算する(ステップS209)。次いで、予め定められた前記一定期間に対応する閾値を求める(ステップS210)。圧力低下率が閾値未満である場合には(ステップS211;YES)、改質器22に燃料ガスの漏洩が生じていると判断し(ステップS212)、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する(ステップS213)。ここで、本ルーチンは終了となる。
一方、圧力低下率が閾値以上である場合には(ステップS211;NO)、CPU26は、燃料電池23における燃料ガス漏洩の有無を検出するため、ステップS207でEEPROM29に書き込まれた圧力センサ92又は93のガス圧力値P7を読み取り、現在の圧力センサ92又は93から取得した残留ガスの圧力値P8と比較して水素極側の圧力低下率(P8/P7)を計算する(ステップS214)。次いで、予め定められた前記一定期間に対応する閾値を求める(ステップS215)。燃料電池23の水素極側における圧力低下率が閾値以上である場合には(ステップS216;NO)、燃料電池23に燃料ガスの漏洩が生じてないと考えられるため、正常にシステムを停止し(ステップ217)、本ルーチンを終了する。
一方、水素極側の圧力低下率が閾値未満である場合には(ステップS216;YES)、燃料電池23の水素極側から燃料ガスの漏洩が生じている可能性があるため、圧力センサ94又は95の検出圧力と大気圧とを比較する(ステップS218)。圧力センサ94又は95の検出圧力が大気圧未満である場合には(ステップS218;NO)、水素極側に燃料ガス漏洩が生じていると判断し(ステップS219)、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する(ステップS220)。ここで、本ルーチンを終了する。
圧力センサ94又は95の検出圧力が大気圧以上である場合には(ステップS218;YES)、電解質膜61の損傷又は劣化などの原因により、クロスオーバーが生じていると判断し(ステップS221)、警告ランプを点灯させるなどして運転手に異常を通知するとともに、次回のシステム起動を制限する(ステップS220)。ここで、本ルーチンを終了する。
このように、システム停止期間が長い場合は、システム停止から一定期間経過後のガス圧力変動をチェックすることで、より正確に燃料ガス漏洩の有無を判定することが可能となる。また、燃料ガスの漏洩チェックを行ってからシステムを停止するため、燃料ガスの漏洩が検出された場合は、次回のシステム起動を制限することで、システムの安全性を高めることができる。
尚、上記の説明では、ガス漏洩の有無を判断するために圧力低下率を用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、システム停止時における第1及び第2の配管系統のガス圧力値と、システム停止から所定時間経過後の同配管系統におけるガス圧力値とから圧力変動量を求め、この圧力変動量からガス漏洩の有無を判別するように構成することも可能である。「圧力変動量」とは、ガス圧の変動量を定量的に評価する値をいい、例えば、システム停止時における第1及び第2の配管系統のガス圧力値PXと、システム停止から所定時間経過後の同配管系統におけるガス圧力値PYを所定の関数f(PX,PY)に代入して得られる値を圧力変動量として用いることができる。
ここで、f(PX,PY)=PY/PXとすれば、上述の圧力低下率となる。関数f(PX,PY)の他の具体例としては、例えば、f(PX,PY)=(PX−PY)/PX,f(PX,PY)=PX−PY,f(PX,PY)=PX/PY,f(PX,PY)=PX/(PX−PY),f(PX,PY)=1/(PX−PY)など任意の関数を用いることが可能である。また、ガス漏洩の有無を判断する際に、上述の閾値は必ずしも必須ではなく、関数f(PX,PY)の値からガス漏洩の有無を判断してもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、システム起動時に燃料ガスの漏洩を検出できるため、車載用燃料電池システムに好適である。また、システム停止期間が長期間にわたる場合でも、一定期間経過後のガス圧力変化率から燃料ガスの漏洩を検出できるため、システムの安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の燃料電池システムを搭載した車両の主要ブロック図である。
【図2】燃料電池の構成単位である単セルの分解斜視図である。
【図3】燃料電池システムの要部を中心とするシステム構成図である。
【図4】燃料電池を中心とした配管系統内のガス圧力変動特性をグラフである。
【図5】燃料ガス漏洩検出を行うための閾値の時間経過に対応したマップ値である。
【図6】システム起動時に実行する燃料ガス漏洩検出処理のフローチャートである。
【図7】システム停止時に実行する燃料ガス漏洩検出処理のフローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池自動車
20…燃料電池システム
21…タンク
22…改質器
22a…蒸発部
22b…改質部
22c…CO低減部
23…燃料電池
24…制御部
25…ROM
26…CPU
27…RAM
28…入出力ポート
29…EEPROM
30…二次電池
31…タイマ
32…警報手段
40…パワーコントロールユニット
50…モータ
60…単セル
61…電解質膜
62…アノード極
62a…多孔質支持層
62b…水素極触媒層
63…カソード極
63a…多孔質支持層
63b…酸素極触媒層
64,65…セパレータ
71…燃料ガス導入管
72…排気管
73…バイパス配管
74…酸化ガス導入管
75…排気管
81…改質器圧力調整弁
82…燃料ガス遮断弁
83…水素極圧力調整弁
84…燃料ガス排気弁
85…酸素極圧力調整弁
91〜95…圧力センサ
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas leak detection technique for a fuel cell system, and more particularly to a fuel gas leak detection technique suitable for an in-vehicle fuel cell system.
[Prior art]
The fuel cell has a stack structure in which a single cell composed of an anode electrode (hydrogen electrode) and a cathode electrode (oxygen electrode) which are arranged to face each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. A fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode, while an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode, and an electromotive force is obtained by an electrochemical reaction occurring on each electrode. If the electrolyte membrane is damaged due to aging or the like, and leakage and permeation of the combustion gas occurs between the two electrodes, a local exothermic reaction or the like may occur and the fuel cell may be damaged. Similarly, in the reformer, if the fuel gas leaks, abnormal combustion may occur in the catalyst, and the fuel may be burned. Therefore, in order to operate the fuel cell system, it is necessary to take measures against fuel gas leakage. JP-A-8-329965 (Patent Literature 1) and JP-A-3-250564 (Patent Literature 2) disclose a fuel cell provided with a pressure detecting means for detecting gas leakage. A power generation system is disclosed. Gas leakage can be detected by detecting a change in gas pressure in the piping system of the fuel cell.
[Patent Document 1]
JP-A-8-329965
[Patent Document 2]
JP-A-3-250564
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described prior art is based on a plant fuel cell system having a small load change, and is difficult to apply to a vehicle-mounted fuel cell system having a large load change. In other words, when the on-board fuel cell system is operated as an on-board generator, it is necessary to appropriately adjust the flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas according to the traveling load and the like, so that the gas pressure supplied to the fuel cell constantly changes. In an environment that fluctuates.
Under such an environment, it is difficult to detect fuel gas leakage even when detecting gas pressure fluctuations inside the fuel cell during system operation.
Therefore, an object of the present invention is to propose a fuel gas leak detection technique suitable for operating a fuel cell system as an onboard generator of a vehicle.
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives power of a fuel gas and an oxidizing gas to generate power, an input path of a fuel gas supplied to the fuel cell, and an output of a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell. A first piping system that constitutes a path, an input path for an oxidizing gas supplied to the fuel cell, a second piping system that constitutes an output path for oxygen off-gas discharged from the fuel cell, The piping system, and a pressure sensor that detects a gas pressure value of the second piping system, the first piping system, and a valve mechanism that shuts off the gas flow of the second piping system, and a system stopped state Time lapse measurement means for measuring the time lapse, storage means for storing the gas pressure value detected by the pressure sensor, and a control unit for performing system control, the control unit, when the system is stopped, the control unit, the valve mechanism System While shutting off the gas flow path of the first piping system and the second piping system and storing the gas pressure value detected by the pressure sensor when the system is stopped, The presence or absence of gas leakage is determined from the relationship between the gas pressure value detected by the pressure sensor after the lapse of time, the gas pressure value stored in the storage means, and the lapse of time measured by the time lapse measurement means. With this configuration, it is possible to detect the leakage of the fuel gas from the fluctuations in the gas pressure values in the first and second piping systems after the system is started, so that the fuel cell system is suitable for an in-vehicle fuel cell system.
Preferably, the control unit obtains a pressure fluctuation amount from a gas pressure value detected by the pressure sensor after a predetermined time has elapsed from a system stop, and a gas pressure value stored in the storage means, The presence or absence of gas leakage is determined from the relationship between the pressure fluctuation amount and the threshold value, which serves as a gas leakage determination criterion corresponding to the elapsed time measured. The presence / absence of gas leakage can be more accurately determined from the relationship between the threshold value and the pressure fluctuation amount, which are the criteria for determining gas leakage.
Preferably, the control unit obtains a pressure fluctuation amount from a gas pressure value detected by the pressure sensor at the time of starting the system and a gas pressure value stored in the storage unit, and calculates a time lapse amount measured by the time lapse measurement unit. The presence or absence of gas leakage is determined from the relationship between a threshold value serving as a gas leakage determination reference corresponding to the pressure fluctuation amount and the pressure fluctuation amount. By comparing the amount of pressure fluctuation at the time of starting the system with a threshold that is a criterion for determining gas leakage, it is possible to determine whether it is safe to permit the start of the system.
Further, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates power by receiving a supply of a fuel gas and an oxidizing gas, an input path of the fuel gas supplied to the fuel cell, and a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell. A first piping system constituting an output path of, an input path of oxidizing gas supplied to the fuel cell, a second piping system constituting an output path of oxygen off gas discharged from the fuel cell, A pressure sensor for detecting a gas pressure value of the first piping system and the second piping system, a valve mechanism for shutting off a gas flow of the first piping system and the second piping system, and a system stop Time lapse measuring means for measuring the lapse of time from a point in time, storage means for storing a gas pressure value detected by the pressure sensor, and a control unit for performing system control, the control unit, when the system is stopped, While controlling a mechanism to cut off the gas flow path of the first piping system and the second piping system, a gas pressure value detected by the pressure sensor when the system is stopped is stored in the storage means, The presence or absence of gas leakage is determined based on the relationship between the gas pressure value detected by the pressure sensor at the time when the elapsed time measured by the progress measuring means reaches a predetermined time and the gas pressure value stored in the storage means. Judge. With this configuration, even when the system suspension period is long, the leakage of the fuel gas can be detected from the gas pressure change rate after the lapse of a certain period, so that the safety of the system can be improved.
Preferably, the control unit includes: a gas pressure value detected by the pressure sensor at a point in time when a time lapse measured by the time lapse measurement unit reaches a predetermined time; and a gas stored in the storage unit. The pressure fluctuation amount is obtained from the pressure value, and the presence or absence of gas leakage is determined from the relationship between the threshold value serving as a gas leakage determination reference and the pressure fluctuation amount. The presence / absence of gas leakage can be more accurately determined from the relationship between the threshold value and the pressure fluctuation amount, which are the criteria for determining gas leakage.
Preferably, the pressure fluctuation amount is a ratio between a gas pressure value stored in the storage means and a gas pressure value detected by the pressure sensor at a point in time when a predetermined time has elapsed since the system was stopped. By calculating the ratio between the gas pressure value at the time of system stop and the gas pressure value after a lapse of a predetermined time from the system stop (for example, the next system start time), it is possible to quantitatively determine how much the gas pressure has dropped. It can be grasped and is suitable for determining the presence or absence of gas leakage.
Preferably, when the control unit determines that a gas leak has occurred, the control unit limits the restart of the system. When it is determined that a gas leak has occurred, the safety of the fuel cell system can be improved by limiting the restart of the system.
Preferably, the control unit controls the valve mechanism such that the residual gas pressure in the first piping system is higher than the residual gas pressure in the second piping system when the system is stopped. With this configuration, it is possible to detect whether the gas leak occurs only on the hydrogen electrode side of the fuel cell or on both the hydrogen electrode side and the oxygen electrode side.
Preferably, the fuel cell system is a power generation system mounted on a vehicle. Since a vehicle-mounted power generation system alternately and frequently repeats system operation and system shutdown, gas leakage can be detected by detecting gas pressure fluctuations during the system shutdown period.
The fuel cell vehicle of the present invention includes the fuel cell system of the present invention as an electric power source for driving a vehicle. With this configuration, it is possible to provide a fuel cell vehicle having excellent reliability and safety.
A computer program according to the present invention includes: a computer system that controls a fuel cell system; determining whether a system stop command is input during system operation; and Controlling a valve mechanism disposed in a first piping system constituting an input path of a supplied fuel gas and an output path of a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell to cut off a gas flow; Controlling the valve mechanism disposed in the second piping system constituting the input path of the oxidizing gas supplied to the battery and the output path of the oxygen off-gas discharged from the fuel cell, and blocking the gas flow; Storing the gas pressure values in the first piping system and the second piping system when the system is stopped. Determining whether or not a start command is input; and, when the system start command is input, the gas in the first piping system and the second piping system at the time when the system start command is input. A step of determining the presence or absence of gas leakage from the relationship between the pressure value, the gas pressure value stored at the time of the system stop, and the system stop time. By causing the computer system that controls the fuel cell system to execute the above steps, the leakage of the fuel gas can be detected at the time of starting the system, so that the system is suitable for an in-vehicle fuel cell system.
Preferably, the step of judging the presence / absence of gas leakage includes storing the gas pressure values in the first piping system and the second piping system at the time when a system start command is input, and storing the gas pressure values when the system is stopped. In this step, the pressure fluctuation amount is determined from the gas pressure value, and the presence or absence of gas leakage is determined from the relationship between the pressure fluctuation amount and a threshold value serving as a gas leakage determination reference corresponding to the system stop time. The presence / absence of gas leakage can be more accurately determined from the relationship between the threshold value and the pressure fluctuation amount, which are the criteria for determining gas leakage.
Preferably, the pressure fluctuation amount is a ratio between a gas pressure value stored when the system is stopped and a gas pressure value at the time when a system start command is input. By calculating the ratio between the gas pressure value when the system is stopped and the gas pressure value when the system start command is input, it is possible to quantitatively grasp how much the gas pressure has dropped, It is suitable for determining the presence or absence of
The computer system of the present invention includes a step of determining whether or not a system stop command is input during system operation to a computer system that controls the fuel cell system; and Controlling a valve mechanism disposed in a first piping system constituting an input path of a supplied fuel gas and an output path of a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell to cut off a gas flow; Controlling the valve mechanism disposed in the second piping system constituting the input path of the oxidizing gas supplied to the battery and the output path of the oxygen off-gas discharged from the fuel cell, and blocking the gas flow; Storing a gas pressure value in the first piping system and the second piping system when the system is stopped; and determining whether a predetermined time has elapsed. And the gas pressure values in the first piping system and the second piping system after the lapse of the certain time, and the gas pressure value stored when the system is stopped after the lapse of the certain time. Determining the presence or absence of gas leakage from the relationship. By causing the computer system that controls the fuel cell system to execute the above steps, even if the system shutdown period is long, the fuel gas leak can be detected from the gas pressure change rate after a certain period, so that the safety of the system can be improved. Can be enhanced.
Preferably, the step of judging the presence or absence of the gas leak is a gas pressure value in the first piping system and the second piping system at the time when the certain time is reached, and stored when the system is stopped. In this step, the amount of pressure fluctuation is determined from the gas pressure value, and the presence or absence of gas leakage is determined from the relationship between the threshold value serving as a gas leakage determination reference and the amount of pressure fluctuation. The presence / absence of gas leakage can be more accurately determined from the relationship between the threshold value and the pressure fluctuation amount, which are the criteria for determining gas leakage.
Preferably, when it is determined in the step of determining the presence or absence of gas leakage that a gas leakage has occurred, the computer system further executes a step of restricting system restart. When it is determined that a gas leak has occurred, the step of restricting the restart of the system is performed by the computer system, whereby the safety of the fuel cell system can be improved.
Preferably, the pressure fluctuation amount is a ratio between a gas pressure value stored when the system is stopped and a gas pressure value at a point in time when the certain period has elapsed since the system was stopped.
By calculating the ratio between the gas pressure value when the system is stopped and the gas pressure value at the time when the certain period has elapsed, it is possible to quantitatively grasp how much the gas pressure has dropped, and to determine whether there is gas leakage. It is suitable for the judgment.
As a computer-readable recording medium for recording the program of the present invention, for example, an optical recording medium (CD-RAM, CD-ROM, DVD-RAM, DVD-ROM, DVD-R, PD disk, MD disk, MO disk, etc.) A magnetic recording medium such as a flexible disk, a magnetic card, and a magnetic tape, or a memory element (a semiconductor such as a DRAM). A portable recording medium such as a memory cartridge provided with a memory element and a ferroelectric memory element such as an FRAM) is suitable.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a main block diagram of a vehicle (fuel cell vehicle) equipped with the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell vehicle 10 mainly includes a fuel cell system 20 functioning as an on-board generator, a secondary battery 30 functioning as an auxiliary power source, and a power control unit 40 performing power conversion control. And a motor 50 that drives driving wheels 51 and 52 with electric power supplied from the fuel cell system 20 or the secondary battery 30 via the power control unit 40. The fuel cell vehicle 10 employs a front wheel drive system, and driven wheels 53 and 54 are arranged at the rear of the vehicle.
The fuel cell system 20 includes a tank 21 that separately stores a hydrocarbon-based raw fuel such as methanol or natural gas and water, and a hydrogen-rich mixture obtained by reforming a mixed solution of the raw fuel and water supplied from the tank 21. The fuel cell system includes a reformer 22 that generates fuel gas, a fuel cell 23 that converts chemical energy of the fuel gas supplied from the reformer 22 into electric energy, and a control unit 24 that controls the entire fuel cell system 20. It is configured. The control unit 24 communicates with a system controller 43 to be described later to control the operating speed of an air compressor and a water pump provided in the fuel cell system 20 and to control the opening and closing of a solenoid valve. System control is performed to satisfy the required power. An air cleaner 56 and an air pump 55 are provided in the air flow path of the fuel cell system 20. The power generation air (oxidizing gas) filtered by the air cleaner 56 is pressurized by the air pump 55, and the oxygen of the fuel cell 23 is increased. Supplied to the pole.
The fuel cell 23 is a solid polymer electrolyte type fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. Polymer electrolyte fuel cells have the advantages of being able to start at room temperature, have a short start-up time, obtain a high current density at room temperature, can operate at low loads, and can be reduced in size and weight. It has excellent characteristics as a battery.
The power control unit 40 includes a system controller 43 that detects a running load from an accelerator opening, a vehicle speed, a shift position, a brake depression amount, and the like to calculate an amount of electric power supplied to the motor 50, and a DC / DC converter that transforms a DC voltage. 41, and an inverter 42 that converts a DC current into an AC current and supplies the AC current to the motor 50. Inverter 42 includes a power switch element as a main circuit element, and converts a DC current into a three-phase AC. Power conversion in the DC / DC converter 41 and the inverter 42 is controlled by the system controller 43.
The secondary battery 30 serves as a power source for starting the fuel cell system 20, a regenerative energy storage source during brake regeneration, and an energy buffer when a load changes due to acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle 10. Cadmium storage batteries, nickel-metal hydride storage batteries, lithium secondary batteries and the like are suitable. The capacity of the secondary battery 30 can be appropriately set according to the driving conditions, the driving performance (the maximum speed, the driving distance, and the like) of the fuel cell vehicle 10, the vehicle weight, and the like. As the motor 50, a three-phase synchronous motor is preferable.
With the above-described configuration, the system controller 43 calculates the electric power to be supplied to the motor 50 based on the vehicle running load and the like, and issues an instruction necessary to obtain a desired power generation amount in the fuel cell system 20 to the control unit 24. Give to. The control unit 24 appropriately adjusts the flow rates of the fuel gas and the oxidizing gas to be supplied to the fuel cell 23, and obtains electric power required for traveling. The electric power generated by the fuel cell system 20 is supplied to the motor 50 and other accessories via the power control unit 40.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a single cell 60 which is a structural unit of the fuel cell 23. The single cell 60 includes an electrolyte membrane 61, an anode 62, a cathode 63, and separators 64 and 65. The anode electrode 62 and the cathode electrode 63 are diffusion electrodes having a sandwich structure with the electrolyte membrane 61 sandwiched from both sides. The separators 64 and 65 composed of gas-impermeable conductive members form fuel gas and oxidizing gas channels between the anode electrode 62 and the cathode electrode 63 while sandwiching the sandwich structure from both sides. . On both surfaces of the separator 64, ribs 64a and 64b having a concave cross section are formed in directions orthogonal to each other. The rib 64a closes the groove-shaped opening by contacting the anode electrode 62 to form a fuel gas flow path. The rib 64b forms an oxidizing gas flow path between adjacent single cells. On both surfaces of the separator 65, ribs 65a and 65b having a concave cross section are formed in directions orthogonal to each other. The rib 65a abuts the cathode electrode 63 to close the groove-shaped opening, thereby forming an oxidizing gas flow path. The rib 65b forms a fuel gas flow path between adjacent single cells.
However, the ribs 64b and 65b are not necessarily required, and can be omitted as appropriate.
The anode electrode 62 is composed of a porous support layer 62a and a hydrogen electrode catalyst layer 62b, and the cathode electrode 63 is composed of a porous support layer 63a and an oxygen electrode catalyst layer 63b. The porous support layers 62a, 63a are both formed of carbon cloth, carbon paper, or carbon felt woven with carbon fiber yarns.
The hydrogen electrode catalyst layer 62b and the oxygen electrode catalyst layer 63b are formed by applying platinum as a catalyst or an alloy made of platinum and another metal to the surface of the electrolyte membrane 61. More specifically, a powder obtained by dispersing carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and another metal in an appropriate organic solvent, adding an appropriate amount of an electrolyte solution to form a paste, and screen-printing on the electrolyte film 61 It is. The electrolyte membrane 61 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. In this embodiment, a Nafion film having a thickness of 20 to 70 μm is used. A membrane-electrode assembly (MEA) is formed by the electrolyte membrane 61, the anode 62, and the cathode 63.
FIG. 3 is a system configuration diagram mainly showing a main part of the fuel cell system. As shown in the figure, the reformer 22 includes an evaporator 22a for vaporizing the raw fuel, a reformer 22b for reforming the vaporized raw fuel to a hydrogen-rich fuel gas, and a fuel gas contained in the fuel gas. And a CO reduction unit 22c for removing carbon monoxide (CO). The evaporator 22a is a heat exchange device that exchanges heat between the combustion gas and the liquid-phase raw fuel to vaporize the raw fuel. The raw fuel is supplied from the above-described tank 21 to the raw fuel flow path on the refrigerant side provided in the evaporating section 22a.
The raw fuel is methane (CH 4 ), Ethane (C 2 H 5 ), Propane (C 3 H 8 ), Butane (C 4 H 10 ), Gasoline, light oil, natural gas, methanol (CH 3 OH), ethanol (C 2 H 5 OH), DME (CH 3 OCH 3 ), Acetone (CH 3 C (= O) CH 3 ) Can be used, but the case where methanol is used is exemplified here. The ratio of the raw fuel composed of a mixed solution of methanol and water, that is, the molar ratio of water / methanol is preferably in the range of 1.0 to 5.0, and more preferably in the range of 1.5 to 3.0.
On the other hand, a mixed gas of fuel and air is supplied to a combustion gas passage on the combustion side provided in the evaporating section 22a, and is burned by the action of an electrocatalyst heater provided in the passage. . In the process of moving downstream, the combustion gas is released to the outside while performing heat exchange with the raw fuel. As the fuel, methanol, gasoline, hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 23, or the like is preferable. The amount of heat generated in the evaporator 22a is controlled by the weight of the fuel and the number of revolutions of the combustion air compressor 76.
The vaporized raw fuel gas is supplied to the reforming section 22b, and is reformed into a hydrogen-rich fuel gas by an autothermal method using both steam reforming and partial oxidation reforming. Inside the reforming unit 22b, a copper-zinc-based catalyst (Cu-Zn-based catalyst), a copper-zinc-chromium-based catalyst (Cu-Zn-Cr-based catalyst), and a copper-zinc-aluminum-based catalyst (Cu-Zn-based catalyst) are provided. -Al-based catalyst) and a reforming catalyst such as a zinc-chromium-based catalyst (Zn-Cr-based catalyst), and are kept in a temperature range (200 to 600 ° C) suitable for combined reforming. Oxygen (reforming air) necessary for partial oxidation reforming can be introduced into the reforming section 22b by opening the reforming air shut-off valve 86.
The hydrogen-rich fuel gas generated in the reforming unit 22b is supplied to the CO reducing unit 22c. The CO reduction unit 22c is filled with a carrier carrying a platinum catalyst, a ruthenium catalyst, a palladium catalyst, a gold catalyst, or an alloy catalyst using these as the first element, which are selective oxidation catalysts for carbon monoxide. Purification air containing oxygen required for the selective oxidation reaction of carbon monoxide can be introduced into the CO reduction unit 22c by opening the purification air shut-off valve 87. In order to favorably promote the cell reaction in the fuel cell 23, the concentration of carbon monoxide in the fuel gas is desirably about several ppm or less.
Next, a piping configuration centering on the fuel cell 23 will be described. The fuel cell 23 has a fuel gas introduction pipe 71 for introducing a fuel gas to the anode, an exhaust pipe 72 for discharging hydrogen off-gas used for the cell reaction, and a bypass provided in parallel with the fuel cell 23. A pipe 73, an oxidizing gas introduction pipe 74 for supplying an oxidizing gas to the cathode electrode, and an exhaust pipe 75 for discharging the oxygen off gas used for the battery reaction are provided, respectively, and constitute a piping system of the system. ing.
In this specification, the input path of the fuel gas supplied to the fuel cell 23 and the output path of the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 23 may be collectively referred to as a first piping system. In the present embodiment, the first piping system includes a fuel gas introduction pipe 71, an exhaust pipe 72, and a bypass pipe 73. Further, the input path of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 23 and the output path of the oxygen off-gas discharged from the fuel cell 23 may be collectively referred to as a second piping system. In this embodiment, the second piping system includes an oxidizing gas introduction pipe 74 and an exhaust pipe 75. Here, the first piping system and the second piping system can be appropriately designed and changed according to the system configuration, and are not limited to the above-described configuration. Although not shown in the figure, a condensed water recovery device is provided downstream of the exhaust pipe 75, and condenses oxygen off-gas containing water generated by the battery reaction, thereby removing water. It is collected and returned to the tank 21.
An upstream end of the fuel gas introduction pipe 71 is connected to a fuel gas discharge hole of the reformer 22, while a downstream end thereof is connected to a fuel gas flow path inside the fuel cell 23. On the flow path of the fuel gas introduction pipe 71, a reformer pressure adjusting valve 81 and a fuel gas cutoff valve 82 are sequentially arranged from upstream to downstream. The reformer pressure adjusting valve 81 is for adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell 23, and is disposed upstream of the junction of the fuel gas introduction pipe 71 and the bypass pipe 73. The fuel gas shut-off valve 82 is a shut-off valve provided on the fuel gas introduction pipe 71, and is disposed downstream from a junction of the fuel gas introduction pipe 71 and the bypass pipe 73. On the other hand, the upstream end of the exhaust pipe 72 is connected to a fuel gas flow path inside the fuel cell 23, and the downstream thereof joins a bypass pipe 73. On the flow path of the exhaust pipe 72, a hydrogen electrode pressure adjusting valve 83 for adjusting the flow rate of the hydrogen off-gas is provided upstream of the junction of the exhaust pipe 72 and the bypass pipe 73.
A fuel gas exhaust valve 84 is provided on the flow path of the bypass pipe 73, and shuts off the fuel gas flowing through the bypass pipe 73 by closing the fuel gas. When the fuel gas exhaust valve 84 is opened with the fuel gas shut-off valve 82 closed, the fuel gas introduced into the fuel gas introduction pipe 71 bypasses the fuel cell 24 and passes through the exhaust pipe 72, and the evaporator 22a Reflux. An air compressor 77 for power generation is disposed at an upstream end of the oxidizing gas introduction pipe 74, and a downstream end thereof is connected to an oxidizing gas flow path inside the fuel cell 23. By adjusting the number of revolutions of the power generation air compressor 77, it is possible to supply the fuel cell 23 with an oxidizing gas sufficient to generate power according to the power supply load. An upstream end of the exhaust pipe 75 is connected to an oxidizing gas flow path inside the fuel cell 23, and a downstream end thereof is connected to a condensed water collector (not shown). An oxygen pole pressure regulating valve 85 for regulating the flow rate of the oxygen off-gas is provided in the flow path of the exhaust pipe 75.
In the above configuration, in an excessive state at the time of starting the system, the fuel gas exhaust valve 84 is adjusted while the opening degrees of the reformer pressure adjusting valve 81, the hydrogen electrode pressure adjusting valve 83, and the oxygen electrode pressure adjusting valve 85 are adjusted appropriately. While the fuel gas shutoff valve 82 is kept closed, and waits until the system is sufficiently warmed up. The fuel gas generated by the reformer 22 is introduced into the evaporator 22a through the fuel gas introduction pipe 71, the bypass pipe 73, and the exhaust pipe 72, and is used for vaporizing the raw fuel. Until the system is sufficiently warmed up, it is desirable to control the system mainly on the partial oxidation reaction that causes an exothermic reaction.
When the system rises to a sufficient temperature and transitions to a steady state in which the reforming reaction can proceed at a sufficient speed, the fuel gas exhaust valve 84 is switched from the open state to the closed state while the fuel gas shutoff valve 82 is Switch from the closed state to the open state. Then, the fuel gas supplied to the fuel cell 23 via the fuel gas introduction pipe 71 is subjected to a cell reaction, and then becomes a hydrogen off-gas and is discharged from the fuel cell 23 via the exhaust pipe 72. This hydrogen off-gas is reused as fuel for generating fuel gas in the evaporator 22a. The oxidizing gas introduced into the oxidizing gas introduction pipe 74 passes through the fuel cell 23, is subjected to a cell reaction, and is discharged from the fuel cell 23 through the exhaust pipe 75.
On the other hand, when the system is stopped, the reformer pressure adjusting valve 81, the fuel gas shutoff valve 82, the hydrogen electrode pressure adjusting valve 83, the fuel gas exhaust valve 84, the oxygen electrode pressure adjusting valve 85, the reforming air shutoff valve 86, By closing various valve mechanisms such as the air cutoff valve 87, the system is made airtight and the fuel gas is prevented from leaking out of the system.
Further, a plurality of pressure sensors 91 to 95 are disposed in various pipes centering on the fuel cell 23 as a fuel gas leak detecting means. The pressure sensor 91 detects the gas pressure of the fuel gas introduction pipe 71 in the pipe section between the reformer 22 and the reformer pressure regulating valve 81. The pressure sensor 92 detects the gas pressure of the fuel gas introduction pipe 71 in a pipe section between the fuel cell 23 and the fuel gas cutoff valve 82. The pressure sensor 93 detects a gas pressure of the exhaust pipe 72 in a pipe section between the fuel cell 23 and the hydrogen electrode pressure regulating valve 83. The pressure sensor 94 detects a gas pressure of the oxidizing gas introduction pipe 74 in a pipe section between the fuel cell 23 and the power generation air compressor 77. The pressure sensor 95 detects the gas pressure of the exhaust pipe 75 in a pipe section between the fuel cell 23 and the oxygen electrode pressure regulating valve 85.
The control unit 24 that controls the fuel cell system 20 is configured as a computer system centered on a microcomputer, and stores various programs (including a fuel gas leak detection processing routine described later) and various data necessary for system control. The stored ROM 25, a CPU 26 that reads a program written in the ROM 25 and appropriately executes the program, a RAM 27 that functions as a work memory of the CPU 26, and inputs detection signals from the above-described pressure sensors 91 to 95. The input / output port 28 that outputs a signal for controlling the opening / closing operation of the valve mechanism and the rotation speed of the combustion air compressor 76 and the power generation air compressor 77, and the gas pressure values detected by the pressure sensors 91 to 95 EEPRO as storage means for writing And (nonvolatile memory) 29, is configured to include a timer 31 serving as a time measuring means for measuring the system downtime. When detecting the leakage of the fuel gas, the control unit 24 activates the alarm means 32 to call the driver's attention. As the warning means 32, a means for audibly calling attention with a warning sound or a sound output, or a means for visually calling attention with a warning lamp, a display, or the like is preferable.
Next, an outline of the fuel gas leak detection process will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing pressure fluctuation characteristics in a piping system centering on the fuel cell 23. It has been confirmed that any of the pressure sensors 91 to 95 exhibits pressure fluctuation similar to the graph shown in FIG. As shown in the figure, during the operation of the system, the gas pressure constantly fluctuates according to the load fluctuation. When an operation stop command is input to the system, the above-described valve mechanism is held in a closed state by a predetermined procedure, and the system transits to a stopped state. Then, the residual gas pressure in the piping system gradually decreases with time. In an abnormal state in which fuel gas is leaking due to damage or deterioration of the piping system of the system or the inside of the fuel cell 23, the pressure drop rate of the residual gas pressure increases. On the other hand, in a normal state in which no damage or the like has occurred in the piping system of the system or the inside of the fuel cell 23 and the fuel gas has not leaked, the pressure drop rate of the residual gas pressure is small.
In consideration of such characteristics, the CPU 26 stores in advance the gas pressure in the piping system at the time of system stop in the EEPROM 29 and measures the gas pressure when the system starts up. By judging whether or not the gas has leaked, it is possible to check whether or not gas has leaked. As a criterion for determining the presence or absence of gas leakage, a threshold value at which the step-down rate decreases with time as shown in FIG. When the CPU 26 determines that the pressure value of the residual gas at the time of starting the system is less than the threshold value, it determines that the system is in an abnormal state and limits the start of the system. On the other hand, if the CPU 26 determines that the pressure value of the residual gas at the time of starting the system is equal to or higher than the threshold value, it determines that the system is in a normal state and permits the system to start. Since the value of the threshold value used as a criterion for determining the presence or absence of gas leakage differs according to the passage of time during which the system has been stopped, the system stop time is written to the EEPROM 29 or the like at the time of the previous system stop, and the time when the system is next started up It is desirable to configure so as to measure the passage of time during the system suspension period.
As shown in FIG. 5, this threshold value may be held as a map value with respect to the passage of time, and further, a parameter (time passage) is substituted into a predetermined formula such as exp (-time passage / time constant). Alternatively, it may be configured to obtain the above. In FIG. 5, the “pressure drop rate” represents {(gas pressure value after elapse of a predetermined time from system stoppage) / (gas pressure value at system stoppage)} × 100 [%], and the residual pressure rate Can also be called. When the pressure drop rate is close to 100%, the gas leakage is small, and the system can be determined to be normal. On the other hand, when the pressure drop rate is close to 0%, the gas leakage is large, and the system can be determined to be abnormal. These map values or calculation formulas for obtaining the threshold value are stored in the ROM 25 in advance. To enhance the accuracy of the system abnormality determination, it is possible to perform temperature compensation on the pressure value of the residual gas. In such a configuration, in addition to the above-described pressure sensors 91 to 95, a temperature sensor for detecting the gas temperature of the piping system may be appropriately provided.
FIG. 6 is a flowchart describing a fuel gas leak detection processing routine executed when the system is started. This routine is read from the ROM 25 when the system is started and is executed by the CPU 26. First, the CPU 26 reads the gas pressure value P1 of the pressure sensor 91 written in the EEPROM 29 at the time of the previous system stop, and acquires the gas pressure value P1 from the pressure sensor 91 at the time of starting the system in order to detect the presence or absence of fuel gas leakage in the reformer 22. The pressure decrease rate (P2 / P1) is calculated by comparing with the pressure value P2 of the residual gas (step S101). Next, the previous system stop time T1 written in the EEPROM 29 is read, and the elapsed time (T2-T1) is obtained by comparing with the current time T2 of the timer 31. After the passage of time is obtained, a threshold is obtained by substituting it into a predetermined formula (step S102). If the pressure decrease rate is less than the threshold value (step S103; YES), it is determined that the fuel gas has leaked to the reformer 22 (step S104), and a warning lamp is turned on to notify the driver. An abnormality is notified to limit system startup (step S105). Here, this routine ends. By restricting the system startup in advance, it is possible to prevent the fuel cell system 20 from burning out.
Here, an example is shown in which the system stop time is written in the EEPROM 29 to measure the elapse of the system stop period. However, the present invention is not limited to this, and the timer 31 is operated even during the system stop. The state may be maintained, and the elapsed time of the system suspension period may be measured.
On the other hand, if the pressure decrease rate is equal to or greater than the threshold value (step S103; NO), the CPU 26 detects the presence or absence of fuel gas leakage in the fuel cell 23, so that the pressure sensor 92 written in the EEPROM 29 at the time of the previous system stoppage is used. Or 93, and reads the gas pressure value P3 of the hydrogen electrode side (P4 / P3) by comparing with the pressure value P4 of the residual gas acquired from the pressure sensor 92 or 93 when the system is started (step S106). ). Next, a threshold value corresponding to the above-mentioned elapsed time (T2-T1) is obtained (step S107). If the pressure drop rate on the hydrogen electrode side is less than the threshold value (step S108; YES), there is a possibility that fuel gas has leaked from the hydrogen electrode side of the fuel cell 23, so the pressure sensor 94 or 95 The detected pressure is compared with the atmospheric pressure (step S109). As will be described later, when the system is stopped, the oxidizing gas introduction pipe 74 and the exhaust pipe 75 are hermetically sealed so that the gas pressure in the pipes becomes approximately the same as the atmospheric pressure. By comparing the pressure with the atmospheric pressure, a gas leak on the oxygen electrode side of the fuel cell 23 can be detected.
If the detected pressure of the pressure sensor 94 or 95 is lower than the atmospheric pressure (step S109; NO), it is determined that the fuel gas leaks only on the hydrogen electrode side (step S110), and the system startup is restricted (step S110). Step S111). If the pressure detected by the pressure sensor 94 or 95 is equal to or higher than the atmospheric pressure (step S109; YES), it is determined that a crossover has occurred due to damage or deterioration of the electrolyte membrane 61 (step S112). The system activation is restricted (step S111). After the processing in step S111, the present routine ends.
On the other hand, if the pressure decrease rate on the hydrogen electrode side of the fuel cell 23 is equal to or higher than the threshold value (step S108; NO), it is considered that no fuel gas leaks from the fuel cell 23, and the system startup is permitted. Then, the process proceeds to a normal operation sequence (step S113). The CPU 26 monitors at regular time intervals whether a system stop command has been input (step S114). If a system stop command cannot be detected (step S114; NO), a loop is formed between step S113 and step S114, and these steps are repeatedly executed.
When the CPU 26 detects the system stop command (Step S114; YES), the CPU 26 arranges the reforming air shut-off valve 86 and the purification air shut-off valve 87 provided on the reformer 22 side and the fuel cell 23 side. The fuel gas cutoff valve 82 and the fuel gas exhaust valve 84 are closed, and the opening degrees of the reformer pressure adjusting valve 81 and the hydrogen electrode pressure adjusting valve 83 are controlled to the fully closed state (step S115). Thereby, the hydrogen electrode side of the fuel cell 23 is maintained in a pressurized state. Next, the power generation air compressor 77 is stopped, and the oxygen electrode pressure regulating valve 85 is controlled to the fully open state to open the oxygen electrode side of the fuel cell 23 (step S116). The gas pressure on the oxygen electrode side of the fuel cell 23 is checked at regular intervals, and if the gas pressure is equal to or higher than the atmospheric pressure (step S117; NO), the oxygen pressure is maintained until the gas pressure becomes approximately equal to the atmospheric pressure. The extreme pressure regulating valve 85 is held in a fully open state (step S117). When the gas pressure on the oxygen electrode side of the fuel cell 23 becomes about atmospheric pressure (step S117; YES), the CPU 26 controls the oxygen electrode pressure regulating valve 85 to a fully closed state (step S118), and the pressure sensors 91 to 91 are controlled. The gas pressure value of 95 and the current time of the timer 31 are written in the EEPROM 29 (step S119), and the system transits to a system stop state (step S120). Here, this routine ends.
When the fuel cell system 20 is used as an on-board generator of the fuel cell vehicle 10, the system operation state and the system stop state are frequently repeated alternately. It is not preferable to stop the vehicle for a long time in view of the use as a vehicle. However, according to the above-described embodiment, the presence / absence of fuel gas leakage can be checked only by checking the gas pressure fluctuation during the system stop period, so that it is suitable for detecting fuel gas leakage of the vehicle-mounted fuel cell system. In particular, it is possible to detect a fuel gas leak only by measuring the pressure drop from the previous stop as an initial check at the start of the system, so that the system configuration can be simplified. However, if the system suspension period is long, even a slight gas leak that is considered normal will cause a significant drop in pressure, making it difficult to detect fuel gas leaks. In such a case, at least the control unit 24 and the pressure sensors 91 to 95 may be operated for a certain period after the system is stopped to perform the fuel gas leak detection process.
FIG. 7 is a flowchart describing a fuel gas leak detection processing routine executed when the system is stopped. This routine is read from the ROM 25 when the system is stopped and executed by the CPU 26. First, the CPU 26 operates in a normal operation sequence (step S201). When the system stop command is detected (Step S202; YES), the shutoff valve 86 for reforming air and the shutoff valve 87 for purification provided on the reformer 22 side and the fuel cell 23 side are provided. The fuel gas cutoff valve 82 and the fuel gas exhaust valve 84 are closed, and the openings of the reformer pressure adjusting valve 81 and the hydrogen electrode pressure adjusting valve 83 are controlled to be fully closed (Step S203). Thereby, the hydrogen electrode side of the fuel cell 23 is maintained in a pressurized state. Next, the power generation air compressor 77 is stopped, and the oxygen electrode pressure regulating valve 85 is controlled to the fully open state to open the oxygen electrode side of the fuel cell 23 (step S204).
The gas pressure on the oxygen electrode side of the fuel cell 23 is checked at regular intervals, and if the gas pressure is equal to or higher than the atmospheric pressure (step S205; NO), the oxygen pressure is maintained until the gas pressure becomes substantially equal to the atmospheric pressure. The extreme pressure regulating valve 85 is held in a fully opened state (step S205). When the gas pressure on the oxygen electrode side of the fuel cell 23 becomes about atmospheric pressure (step S205; YES), the CPU 26 controls the oxygen electrode pressure regulating valve 85 to a fully closed state (step S206), and the pressure sensors 91 to 91 are controlled. The 95 gas pressure value P5 is written into the EEPROM 29 (step S207). Here, most of the system stops operating, but at least the CPU 26 and the pressure sensors 91 to 95 maintain the operating state for a certain period.
When a predetermined period of time has elapsed (step S208; YES), the CPU 26 detects the presence or absence of fuel gas leakage in the reformer 22 so that the gas pressure value P5 of the pressure sensor 91 written in the EEPROM 29 in step S207 is detected. Is read, and the pressure reduction rate (P6 / P5) is calculated by comparing with the current pressure value P6 of the residual gas acquired from the pressure sensor 91 (step S209). Next, a threshold value corresponding to the predetermined period is determined (step S210). If the pressure decrease rate is less than the threshold value (step S211; YES), it is determined that the fuel gas has leaked to the reformer 22 (step S212), and a warning lamp is turned on to notify the driver. An abnormality is notified and the next system startup is restricted (step S213). Here, this routine ends.
On the other hand, if the pressure decrease rate is equal to or greater than the threshold (step S211; NO), the CPU 26 detects the presence or absence of fuel gas leakage in the fuel cell 23, so that the pressure sensor 92 or 93 written in the EEPROM 29 in step S207. The gas pressure value P7 is read, and the pressure drop rate (P8 / P7) on the hydrogen electrode side is calculated by comparing with the current pressure value P8 of the residual gas obtained from the pressure sensor 92 or 93 (step S214). Next, a threshold value corresponding to the predetermined period is determined (step S215). When the pressure drop rate on the hydrogen electrode side of the fuel cell 23 is equal to or higher than the threshold value (step S216; NO), it is considered that no fuel gas leaks to the fuel cell 23, and the system is normally stopped ( Step 217), this routine ends.
On the other hand, if the pressure drop rate on the hydrogen electrode side is less than the threshold value (step S216; YES), there is a possibility that fuel gas has leaked from the hydrogen electrode side of the fuel cell 23, so the pressure sensor 94 or The detected pressure at step 95 is compared with the atmospheric pressure (step S218). If the pressure detected by the pressure sensor 94 or 95 is lower than the atmospheric pressure (step S218; NO), it is determined that a fuel gas leak has occurred on the hydrogen electrode side (step S219), and a warning lamp is turned on. Then, the driver is notified of the abnormality, and the next system activation is restricted (step S220). Here, this routine ends.
If the detected pressure of the pressure sensor 94 or 95 is equal to or higher than the atmospheric pressure (step S218; YES), it is determined that a crossover has occurred due to damage or deterioration of the electrolyte membrane 61 (step S221). The driver is notified of the abnormality by turning on a warning lamp or the like, and the next system activation is restricted (step S220). Here, this routine ends.
As described above, when the system suspension period is long, it is possible to more accurately determine the presence or absence of fuel gas leakage by checking the gas pressure fluctuation after a lapse of a certain period from the system suspension. In addition, since the system is stopped after the fuel gas leak check is performed, if the leak of the fuel gas is detected, the safety of the system can be enhanced by restricting the next start of the system.
In the above description, the pressure drop rate is used to determine the presence or absence of gas leakage. However, the present invention is not limited to this, and the gas pressure in the first and second piping systems when the system is stopped It is also possible to determine the pressure fluctuation amount from the value and the gas pressure value in the same piping system after a lapse of a predetermined time from the stop of the system, and determine the presence or absence of gas leakage from the pressure fluctuation amount. The “pressure fluctuation amount” refers to a value for quantitatively evaluating the fluctuation amount of the gas pressure. For example, the gas pressure value PX of the first and second piping systems when the system is stopped, and a predetermined time after the system is stopped. A value obtained by substituting the gas pressure value PY in the same piping system later into a predetermined function f (PX, PY) can be used as the pressure fluctuation amount.
Here, if f (PX, PY) = PY / PX, the above-described pressure drop rate is obtained. As another specific example of the function f (PX, PY), for example, f (PX, PY) = (PX−PY) / PX, f (PX, PY) = PX−PY, f (PX, PY) = Any function such as PX / PY, f (PX, PY) = PX / (PX-PY), f (PX, PY) = 1 / (PX-PY) can be used. Further, when judging the presence or absence of gas leakage, the above-described threshold is not necessarily required, and the presence or absence of gas leakage may be determined from the value of the function f (PX, PY).
【The invention's effect】
According to the present invention, since leakage of fuel gas can be detected at the time of starting the system, it is suitable for an in-vehicle fuel cell system. Further, even when the system suspension period is long, the leakage of the fuel gas can be detected from the gas pressure change rate after the lapse of a certain period, so that the safety of the system can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main block diagram of a vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a single cell which is a structural unit of the fuel cell.
FIG. 3 is a system configuration diagram mainly showing a main part of the fuel cell system.
FIG. 4 is a graph showing gas pressure fluctuation characteristics in a piping system centering on a fuel cell.
FIG. 5 is a map value corresponding to a lapse of time of a threshold value for detecting fuel gas leakage.
FIG. 6 is a flowchart of a fuel gas leak detection process executed when the system is started.
FIG. 7 is a flowchart of a fuel gas leak detection process executed when the system is stopped.
[Explanation of symbols]
10. Fuel cell vehicle
20 Fuel cell system
21 ... Tank
22 ... Reformer
22a ... Evaporation section
22b ... reforming section
22c: CO reduction unit
23 ... Fuel cell
24 ... Control unit
25 ... ROM
26 ... CPU
27 ... RAM
28 ... I / O port
29… EEPROM
30 ... secondary battery
31 ... Timer
32 Alarm means
40 ... Power control unit
50 ... motor
60 ... single cell
61 ... Electrolyte membrane
62 ... Anode
62a: porous support layer
62b: hydrogen electrode catalyst layer
63 ... cathode electrode
63a: porous support layer
63b: oxygen electrode catalyst layer
64, 65 ... separator
71 ... Fuel gas inlet pipe
72 ... exhaust pipe
73 ... Bypass piping
74 oxidizing gas introduction pipe
75 ... exhaust pipe
81: Reformer pressure regulating valve
82 ... Fuel gas shutoff valve
83… Hydrogen electrode pressure regulating valve
84 ... fuel gas exhaust valve
85 ... Oxygen pressure control valve
91 to 95 ... Pressure sensor

Claims (18)

燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、
システム停止状態の時間経過を計測する時間経過計測手段と、
前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、
システム制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶させる一方、
システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、前記時間経過計測手段が計測した時間経過との関係からガス漏洩の有無を判断する、燃料電池システム。
A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas, an input path for the fuel gas supplied to the fuel cell, and a first pipe that constitutes an output path for hydrogen off-gas discharged from the fuel cell Strain and
An input path of the oxidizing gas supplied to the fuel cell, and a second piping system constituting an output path of the oxygen off-gas discharged from the fuel cell,
A pressure sensor that detects a gas pressure value of the first piping system, and the second piping system,
The first piping system, and a valve mechanism to shut off the gas flow of the second piping system,
A time lapse measuring means for measuring the time lapse of the system stop state;
Storage means for storing a gas pressure value detected by the pressure sensor,
And a control unit for performing system control,
The control unit controls the valve mechanism when the system is stopped to cut off the gas flow paths of the first piping system and the second piping system, and the gas pressure value detected by the pressure sensor when the system is stopped. Is stored in the storage means,
From the relationship between the gas pressure value detected by the pressure sensor after the elapse of a predetermined time from the system stop, the gas pressure value stored in the storage means, and the elapse of time measured by the time elapse measurement means, the presence or absence of gas leakage is determined. Judgment, fuel cell system.
前記制御部は、システム停止から所定時間経過後の前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する、請求項1に記載の燃料電池システム。The control unit obtains a pressure fluctuation amount from a gas pressure value detected by the pressure sensor after a predetermined time has elapsed from a system stop, and a gas pressure value stored in the storage unit, and the time variation measurement unit measures the pressure variation. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the presence or absence of gas leakage is determined based on a relationship between a threshold value serving as a gas leakage determination reference corresponding to a lapse of time and the pressure fluctuation amount. 3. 前記制御部は、システム起動時に前記圧力センサが検出するガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、前記時間経過計測手段が計測した時間経過に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する、請求項1に記載の燃料電池システム。The control unit obtains a pressure fluctuation amount from a gas pressure value detected by the pressure sensor at the time of system startup and a gas pressure value stored in the storage unit, and corresponds to a time lapse measured by the time lapse measurement unit. The fuel cell system according to claim 1, wherein the presence or absence of gas leakage is determined based on a relationship between a threshold value serving as a gas leakage determination reference and the pressure fluctuation amount. 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と、前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統と、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス圧力値を検出する圧力センサと、
前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流を遮断する弁機構と、
システム停止時点からの時間経過を計測する時間経過計測手段と、
前記圧力センサが検出したガス圧力値を記憶する記憶手段と、
システム制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、システム停止時に前記弁機構を制御して前記第一の配管系統、及び前記第二の配管系統のガス流路を遮断するとともに、システム停止時に前記圧力センサが検出するガス圧力値を前記記憶手段に記憶し、
前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断する、燃料電池システム。
A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidizing gas, an input path for the fuel gas supplied to the fuel cell, and a first pipe that constitutes an output path for hydrogen off-gas discharged from the fuel cell Strain and
An input path of the oxidizing gas supplied to the fuel cell, and a second piping system constituting an output path of the oxygen off-gas discharged from the fuel cell,
A pressure sensor that detects a gas pressure value of the first piping system, and the second piping system,
The first piping system, and a valve mechanism to shut off the gas flow of the second piping system,
A time lapse measuring means for measuring a time lapse from a time when the system is stopped;
Storage means for storing a gas pressure value detected by the pressure sensor,
And a control unit for performing system control,
The control unit controls the valve mechanism when the system is stopped to cut off the gas flow paths of the first piping system and the second piping system, and the gas pressure value detected by the pressure sensor when the system is stopped. Is stored in the storage means,
Gas leakage is determined from the relationship between the gas pressure value detected by the pressure sensor at the point in time when the time lapse measured by the time lapse measuring means has reached a predetermined time, and the gas pressure value stored in the storage means. Fuel cell system to determine the presence or absence of
前記制御部は、前記時間経過計測手段が計測した時間経過が予め定められた一定時間に達した時点での前記圧力センサが検出したガス圧力値と、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断する、請求項4に記載の燃料電池システム。The control unit, the gas pressure value detected by the pressure sensor at the time when the time elapsed measured by the time elapsed measuring means reaches a predetermined time, and the gas pressure value stored in the storage means 5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the pressure fluctuation amount is obtained from the pressure fluctuation amount, and the presence or absence of gas leakage is determined based on a relationship between a threshold value serving as a gas leakage determination reference and the pressure fluctuation amount. 前記圧力変動量は、前記記憶手段に記憶されたガス圧力値と、システム停止から所定時間経過した時点における前記圧力センサが検出するガス圧力値との比である、請求項1乃至請求項5のうち何れか1項に記載の燃料電池システム。6. The pressure change amount according to claim 1, wherein the pressure fluctuation amount is a ratio between a gas pressure value stored in the storage unit and a gas pressure value detected by the pressure sensor at a point in time when a predetermined time has elapsed since the system was stopped. The fuel cell system according to claim 1. 前記制御部は、ガス漏洩が生じていると判断すると、システム再起動を制限する、請求項1乃至請求項6のうち何れか1項に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the control unit limits a restart of the system when determining that a gas leak has occurred. 前記制御部は、システム停止時において、前記第一の配管系統の残留ガス圧が前記第二の配管系統の残留ガス圧よりも高くなるように前記弁機構を制御する、請求項1乃至請求項7のうち何れか1項に記載の燃料電池システム。The said control part controls the said valve mechanism so that the residual gas pressure of the said 1st piping system may become higher than the residual gas pressure of the said 2nd piping system at the time of a system stop. 8. The fuel cell system according to any one of items 7 to 7. 前記燃料電池システムは車載搭載用の発電システムである、請求項1乃至請求項8のうち何れか1項に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is a power generation system mounted on a vehicle. 請求項1乃至請求項9のうち何れか1項に記載の燃料電池システムを車両駆動に供する電力発電源として備える、燃料電池自動車。A fuel cell vehicle comprising the fuel cell system according to any one of claims 1 to 9 as a power generation power source for driving a vehicle. 燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、
システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム停止指令が入力された場合に、
燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、を実行させる一方、
システム停止中にシステム起動指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム起動指令が入力された場合に、
システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止時間との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。
The computer system that controls the fuel cell system
Determining whether a system stop command is input during system operation;
When the system stop command is input,
Controlling a valve mechanism disposed in a first piping system constituting an input path of a fuel gas supplied to the fuel cell and an output path of a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell to cut off a gas flow; ,
A step of controlling a valve mechanism disposed in a second piping system constituting an input path of an oxidizing gas supplied to the fuel cell and an output path of an oxygen off-gas discharged from the fuel cell to cut off a gas flow. When,
Storing a gas pressure value in the first piping system and the second piping system at the time of system stop, while executing
Determining whether or not a system start command is input while the system is stopped;
When the system start command is input,
Gas leakage from the relationship between the gas pressure values in the first piping system and the second piping system at the time when the system start command is input, the gas pressure value stored when the system is stopped, and the system stop time Determining the presence or absence of
A computer program that runs
前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、システム起動指令が入力された時点における前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、システム停止時間に対応するガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである、請求項11に記載のコンピュータプログラム。The step of judging the presence or absence of the gas leakage includes: a gas pressure value in the first piping system and the second piping system at a time when a system start command is input; and a gas pressure value stored when the system is stopped. 12. The computer program according to claim 11, wherein the computer program according to claim 11, wherein a pressure fluctuation amount is obtained from the above, and the presence or absence of gas leakage is determined from a relationship between a threshold value serving as a gas leakage determination reference corresponding to a system stop time and the pressure fluctuation amount. 前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム起動指令が入力された時点におけるガス圧力値との比である、請求項11又は請求項12に記載のコンピュータプログラム。13. The computer program according to claim 11, wherein the pressure fluctuation amount is a ratio between a gas pressure value stored when the system is stopped and a gas pressure value at the time when a system start command is input. 燃料電池システムを制御するコンピュータシステムに、
システム運転中にシステム停止指令が入力されか否かを判定するステップと、
前記システム停止指令が入力された場合に、
燃料電池へ供給される燃料ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される水素オフガスの出力経路を構成する第一の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスの入力経路と前記燃料電池から排出される酸素オフガスの出力経路を構成する第二の配管系統に配設された弁機構を制御してガス流を遮断するステップと、
システム停止時の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値を記憶するステップと、
予め定められた一定時間経過したか否かを判定するステップと、
前記一定時間経過した場合に、
前記一定時間経過後の前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値との関係からガス漏洩の有無を判断するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。
The computer system that controls the fuel cell system
Determining whether a system stop command is input during system operation;
When the system stop command is input,
Controlling a valve mechanism disposed in a first piping system constituting an input path of a fuel gas supplied to the fuel cell and an output path of a hydrogen off-gas discharged from the fuel cell to cut off a gas flow; ,
A step of controlling a valve mechanism disposed in a second piping system constituting an input path of an oxidizing gas supplied to the fuel cell and an output path of an oxygen off-gas discharged from the fuel cell to cut off a gas flow. When,
Storing a gas pressure value in the first piping system and the second piping system at the time of system stop,
Determining whether a predetermined period of time has elapsed; and
When the certain time has elapsed,
A step of determining the presence or absence of gas leakage from the relationship between the gas pressure value in the first piping system and the second piping system after the fixed time has elapsed, and the gas pressure value stored at the time of stopping the system,
A computer program that runs
前記ガス漏洩の有無を判断するステップは、前記一定時間に達した時点での前記第一の配管系統及び前記第二の配管系統内のガス圧力値と、前記システム停止時に記憶されたガス圧力値とから圧力変動量を求め、ガス漏洩判断基準となる閾値と前記圧力変動量との関係からガス漏洩の有無を判断するステップである、請求項14に記載のコンピュータプログラム。The step of judging the presence or absence of the gas leakage includes: a gas pressure value in the first piping system and the second piping system at the time when the predetermined time has been reached; and a gas pressure value stored when the system is stopped. 15. The computer program according to claim 14, wherein a pressure fluctuation amount is determined from the above, and the presence or absence of gas leakage is determined based on a relationship between a threshold value serving as a gas leakage determination reference and the pressure fluctuation amount. 前記圧力変動量は、システム停止時に記憶されたガス圧力値と、システム停止から前記一定期間経過した時点におけるガス圧力値との比である、請求項14又は請求項15に記載のコンピュータプログラム。The computer program according to claim 14, wherein the pressure fluctuation amount is a ratio between a gas pressure value stored when the system is stopped and a gas pressure value at the time when the certain period has elapsed since the system was stopped. 前記ガス漏洩の有無を判断するステップにおいて、ガス漏洩が生じていると判断すると、前記コンピュータシステムに、システム再起動を制限するステップをさらに実行させる、請求項11乃至請求項16のうち何れか1項に記載のコンピュータプログラム。17. The computer system according to claim 11, further comprising the step of, when judging the presence or absence of gas leakage, determining that gas leakage has occurred, causing the computer system to further execute a step of restricting system restart. Computer program according to paragraph. 請求項11乃至請求項17のうち何れか1項に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。A computer-readable recording medium recording the computer program according to any one of claims 11 to 17.
JP2002358561A 2002-12-10 2002-12-10 Fuel reformer and fuel cell system Expired - Lifetime JP4238572B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002358561A JP4238572B2 (en) 2002-12-10 2002-12-10 Fuel reformer and fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002358561A JP4238572B2 (en) 2002-12-10 2002-12-10 Fuel reformer and fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004192919A true JP2004192919A (en) 2004-07-08
JP4238572B2 JP4238572B2 (en) 2009-03-18

Family

ID=32758245

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002358561A Expired - Lifetime JP4238572B2 (en) 2002-12-10 2002-12-10 Fuel reformer and fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4238572B2 (en)

Cited By (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005011703A (en) * 2003-06-19 2005-01-13 Toyota Motor Corp Fuel cell system and gas leakage detection method
JP2005174694A (en) * 2003-12-10 2005-06-30 Toyota Motor Corp Fuel cell degradation diagnostic apparatus
WO2006033426A1 (en) * 2004-09-21 2006-03-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system, abnormality detection method for the system, and movable body
JP2006100153A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Operation method of solid oxide fuel cell, and power generation facility of solid oxide fuel cell
WO2006070587A1 (en) * 2004-12-28 2006-07-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell system
WO2006082993A1 (en) * 2005-02-02 2006-08-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas leakage detection device and fuel cell system
WO2007013667A1 (en) * 2005-07-27 2007-02-01 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and gas leak detection device
WO2007018132A1 (en) * 2005-08-09 2007-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for judging fuel gas leakage in fuel cell system
JP2007055820A (en) * 2005-08-22 2007-03-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd Hydrocarbon reforming apparatus
JP2007134168A (en) * 2005-11-10 2007-05-31 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system and its hydrogen leak detection method
JP2007329105A (en) * 2006-06-09 2007-12-20 Toyota Motor Corp Abnormality detecting device of fuel cell system and abnormality detection method of the same
JP2008108446A (en) * 2006-10-23 2008-05-08 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell system
WO2008106992A1 (en) * 2007-03-06 2008-09-12 Daimler Ag Device for determining operating state-related variables in a fuel cell system
DE102008023624A1 (en) 2007-05-18 2008-12-11 Yamaha Hatsudoki K.K., Iwata Brennstoffzellensytem
WO2009041271A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
JP2010012959A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Suzuki Motor Corp Fuel gas detection device for vehicle
EP2207232A1 (en) * 2007-11-08 2010-07-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and hydrogen leak judgment method in the system
US7771854B2 (en) 2004-11-30 2010-08-10 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method of detecting failure in a fuel gas channel of fuel cell system
WO2011036716A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-31 株式会社 東芝 Fuel cell
JP2012133997A (en) * 2010-12-21 2012-07-12 Honda Motor Co Ltd Fuel cell cross leakage determination method and fuel cell system
CN102792504A (en) * 2009-10-30 2012-11-21 米其林企业总公司 Method for detecting the permeability state of the polymeric ion-exchange membrane of a fuel cell
CN105609832A (en) * 2014-11-13 2016-05-25 丰田自动车株式会社 Method of detecting leakage of reactive gas of fuel cell and fuel cell system
WO2017089015A1 (en) * 2015-11-23 2017-06-01 Robert Bosch Gmbh Leakage monitoring of a fuel cell system
US9711813B2 (en) * 2005-11-30 2017-07-18 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system and start up control method for the fuel cell system
CN109540409A (en) * 2017-09-22 2019-03-29 福特全球技术公司 System and method for Vehicular battery leak detection and alleviation
CN110534770A (en) * 2018-05-23 2019-12-03 松下知识产权经营株式会社 Fuel cell system
DE102019125554A1 (en) * 2019-09-23 2021-03-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for checking the tightness of a fuel cell system and motor vehicle

Cited By (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005011703A (en) * 2003-06-19 2005-01-13 Toyota Motor Corp Fuel cell system and gas leakage detection method
JP2005174694A (en) * 2003-12-10 2005-06-30 Toyota Motor Corp Fuel cell degradation diagnostic apparatus
JP4582390B2 (en) * 2003-12-10 2010-11-17 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell deterioration diagnosis device
WO2006033426A1 (en) * 2004-09-21 2006-03-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system, abnormality detection method for the system, and movable body
JP2006100153A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Operation method of solid oxide fuel cell, and power generation facility of solid oxide fuel cell
US7771854B2 (en) 2004-11-30 2010-08-10 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system and method of detecting failure in a fuel gas channel of fuel cell system
WO2006070587A1 (en) * 2004-12-28 2006-07-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell system
US8268494B2 (en) 2004-12-28 2012-09-18 Panasonic Corporation Fuel cell system
WO2006082993A1 (en) * 2005-02-02 2006-08-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas leakage detection device and fuel cell system
WO2007013667A1 (en) * 2005-07-27 2007-02-01 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and gas leak detection device
US8563191B2 (en) 2005-07-27 2013-10-22 Totota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and gas leakage detection device
US7829233B2 (en) 2005-08-09 2010-11-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for judging fuel gas leak in a fuel cell system
WO2007018132A1 (en) * 2005-08-09 2007-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and method for judging fuel gas leakage in fuel cell system
JP2007055820A (en) * 2005-08-22 2007-03-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd Hydrocarbon reforming apparatus
JP2007134168A (en) * 2005-11-10 2007-05-31 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system and its hydrogen leak detection method
US9711813B2 (en) * 2005-11-30 2017-07-18 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system and start up control method for the fuel cell system
JP2007329105A (en) * 2006-06-09 2007-12-20 Toyota Motor Corp Abnormality detecting device of fuel cell system and abnormality detection method of the same
JP2008108446A (en) * 2006-10-23 2008-05-08 Aisin Seiki Co Ltd Fuel cell system
WO2008106992A1 (en) * 2007-03-06 2008-09-12 Daimler Ag Device for determining operating state-related variables in a fuel cell system
US8142937B2 (en) 2007-05-18 2012-03-27 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Fuel cell system
DE102008023624A1 (en) 2007-05-18 2008-12-11 Yamaha Hatsudoki K.K., Iwata Brennstoffzellensytem
US8541142B2 (en) 2007-09-28 2013-09-24 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
WO2009041271A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
EP2207232A1 (en) * 2007-11-08 2010-07-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and hydrogen leak judgment method in the system
EP2207232A4 (en) * 2007-11-08 2012-07-25 Toyota Motor Co Ltd Fuel cell system and hydrogen leak judgment method in the system
US8343679B2 (en) 2007-11-08 2013-01-01 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system and hydrogen leak judgment method in the system
JP2010012959A (en) * 2008-07-04 2010-01-21 Suzuki Motor Corp Fuel gas detection device for vehicle
WO2011036716A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-31 株式会社 東芝 Fuel cell
US9252441B2 (en) 2009-10-30 2016-02-02 Compagnie Generale Des Establissements Michelin Method for detecting the permeability state of the ion exchanger polymer membrane of a fuel cell
CN102792504A (en) * 2009-10-30 2012-11-21 米其林企业总公司 Method for detecting the permeability state of the polymeric ion-exchange membrane of a fuel cell
JP2012133997A (en) * 2010-12-21 2012-07-12 Honda Motor Co Ltd Fuel cell cross leakage determination method and fuel cell system
KR101874678B1 (en) * 2014-11-13 2018-07-04 도요타지도샤가부시키가이샤 Method of detecting leakage of reactive gas of fuel cell and fuel cell system
JP2016095983A (en) * 2014-11-13 2016-05-26 トヨタ自動車株式会社 Method of detecting leakage of reactant gas in fuel battery and fuel battery system
CN105609832A (en) * 2014-11-13 2016-05-25 丰田自动车株式会社 Method of detecting leakage of reactive gas of fuel cell and fuel cell system
US10079397B2 (en) 2014-11-13 2018-09-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of detecting leakage of reactive gas of fuel cell and fuel cell system
WO2017089015A1 (en) * 2015-11-23 2017-06-01 Robert Bosch Gmbh Leakage monitoring of a fuel cell system
JP2018533187A (en) * 2015-11-23 2018-11-08 ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング Fuel cell system leak monitoring
US11196067B2 (en) 2015-11-23 2021-12-07 Robert Bosch Gmbh Leakage monitoring of a fuel cell system
CN109540409A (en) * 2017-09-22 2019-03-29 福特全球技术公司 System and method for Vehicular battery leak detection and alleviation
CN110534770A (en) * 2018-05-23 2019-12-03 松下知识产权经营株式会社 Fuel cell system
CN110534770B (en) * 2018-05-23 2024-04-19 松下知识产权经营株式会社 Fuel cell system
DE102019125554A1 (en) * 2019-09-23 2021-03-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for checking the tightness of a fuel cell system and motor vehicle

Also Published As

Publication number Publication date
JP4238572B2 (en) 2009-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4238572B2 (en) Fuel reformer and fuel cell system
JP7491259B2 (en) Fuel cell system and aircraft
US7718286B2 (en) Abnormality detecting device of fuel cell system
US8071243B2 (en) Fuel cell system
EP1339125A2 (en) Purging control of fuel cell anode effluent
US20100055521A1 (en) Fuel cell system
CA2866010C (en) Predictive fuel cell system
CA2698472C (en) Fuel cell system with high potential avoidance
JP5155734B2 (en) Fuel cell system and operation method thereof
KR20070035085A (en) Polymer humidification membrane control in fuel cells
CA2555928A1 (en) Fuel cell system and related method
WO2008072483A1 (en) Fuel cell system
JP2008282675A (en) Fuel cell system
JP2008282659A (en) Fuel cell system
US20150180070A1 (en) Fuel cell system
WO2008099743A1 (en) Fuel cell system
CA2518416C (en) Fuel cell system and method for stopping operation of fuel cell system
JP4141819B2 (en) Fuel cell system
JP2007242408A (en) Fuel cell system
JP2005063724A (en) Fuel cell system
JP2679298B2 (en) Phosphoric acid residual amount monitor for phosphoric acid fuel cell
JP4810872B2 (en) Fuel cell system
JP2012209154A (en) Control device for controlling fuel cell system
JP2005129243A (en) Fuel cell system and operation method of fuel cell
JP5030013B2 (en) Fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050602

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080324

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080422

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080623

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20080623

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080722

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081125

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20081208

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120109

Year of fee payment: 3

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 4238572

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120109

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130109

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130109

Year of fee payment: 4

EXPY Cancellation because of completion of term