JP2004259670A - Fuel cell system - Google Patents

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Toshiyuki Sugiura
敏行 杉浦
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Nissan Motor Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect a failure of a pressure detection system with a minimum configuration without duplication of means for detecting or estimating pressure of each fluid supplied to a fuel cell stack. <P>SOLUTION: An air pressure estimation part of a control computer 2 estimates a pressure Pa of the air supplied to the fuel cell stack 1, based on the power consumption of a motor 4 of a compressor 3, and the rotation rate of the compressor. A pressure sensor 10 detects a pressure Pb of hydrogen supplied to the fuel cell stack 1. A differential pressure sensor 12 detects a pressure difference DPab between the air pressure Pa and the hydrogen pressure Pb. The control computer 2 calculates a difference α between Pb and a sum of Pa and DPab. If α is within a predetermined range, the pressure detection system is determined to be normal, and if α is not within the predetermined range, one of the air pressure estimation part, the pressure sensor 10 or the differential pressure sensor 12 is determined to be failed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体、加湿用純水等の燃料電池スタックに供給される流体の圧力検出手段の故障検出を改善した燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【0003】
車両用等の負荷が変動する燃料電池の用途において、運転状態に応じて燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力流量を最適に制御すると、酸化剤ガスを供給するポンプやコンプレッサ等の消費電力を削減し、燃料電池の燃費性能を向上させることができる。
【0004】
このため、一般に燃料ガスや酸化剤ガスの圧力を検出する圧力センサをガス供給系に設け、これらセンサ類の検出値が目標値となるように制御している。このような圧力センサ類の故障診断に関する従来技術としては、例えば特許文献1記載の技術が知られている。
【0005】
特許文献1によると、燃料電池システムの供給流体のバルブ気密性等を検出するために圧力センサと複数のバルブを用いて行なうことが示されている。バルブを複数使うことにより所望の圧力に変動する部屋を作り、この圧力変動を圧力センサで検出することで初期診断を行なってから、その次に各バルブの漏れ状態の有無等の診断を行なっている。この方法では通常運転中の圧力センサの故障診断ができなく、また圧力変動を作り出すために診断用のバルブを増やす必要があった。
【0006】
ところで燃料電池システムに供給する流体の圧力制御には、燃料電池スタックの故障を回避するために高精度の圧力制御が要求されている。今までの方法は、通常運転時に圧力センサの故障を検出するために、一つの圧力測定ポイントに複数の圧力センサを設置する冗長構成とし、各圧力センサで検出された圧力値の差が規定範囲を逸脱すると圧力センサの故障と判断するしていた。
【0007】
ところがこの方法では、制御で使用する圧力センサの他に故障検出用の圧力センサを別途設置する必要があり、これらの故障検出用圧力センサのために配線を増やしたり制御用コンピュータを大型化したりする等多くの対応が必要になることから、結果的に燃料電池システムのコストを引き上げていた。
【0008】
特許文献1を含めて今迄の方法では、故障検出または診断用として、通常の圧力制御用以外の部品を多数設けなければならず、部品点数が増加することによって故障要因を増加させてしまう懸念もあった。
【0009】
【特許文献1】
特開平9−22711号公報(第4頁、図1)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、圧力値制御用のためのバルブや制御用の圧力センサ以外に、診断用のバルブや故障検出用又は診断用の圧力センサ等、多くの部品が必要になっていた。
【0011】
これらは、すなわち診断用のシステムを流体の圧力流量制御用とは別に用意しなければならないことであり、部品点数や構成要素の数が増大して、故に故障要因が増えることで故障率が増加するという問題点があった。
【0012】
また、診断用圧力センサ等の診断専用のシステムを付帯しなければならないことで、燃料電池システム全体のコストを引き上げるという問題点もあった。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体及び加湿用純水の内から少なくとも2種類の流体を燃料電池スタックに供給する経路を有する燃料電池システムにおいて、前記複数種類の流体の内の第1の流体の圧力値を検出または推定して出力する第1圧力検出手段と、前記複数種類の流体の内の第2の流体の圧力値を検出または推定して出力する第2圧力検出手段と、第1の流体の圧力に対する第2の流体の圧力である圧力差を検出する圧力差検出手段とを備えて成り、前記第1圧力検出手段の出力値に前記圧力差検出手段の検出値を加算した値と、前記第2圧力検出手段の出力値との比較結果に基づいて、第1圧力検出手段及び第2圧力検出手段及び前記圧力差検出手段の故障検出を行うことを要旨とする。
【0014】
【発明の効果】
本発明によれば、第1圧力検出手段の出力値に圧力差検出手段の検出値を加算した値と、第2圧力検出手段の出力値とを比較し、両者の差が所定範囲を超えた場合、第1圧力検出手段または第2圧力検出手段または圧力差検出手段の何れかが故障したと判断できるので、各圧力検出手段を二重化することなく圧力検出手段の故障を検出することができるという効果がある。
【0015】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
次に、図1乃至図7を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を詳細に説明する。
【0016】
図1は、第1実施形態の燃料電池システムを説明するシステム構成図、図2は、第1実施形態における圧力の相関図、図3は、比較対照としての従来の燃料電池システムのシステム構成図、図4は、従来例における圧力の相関図、図5は、本実施形態における供給経路aの過給圧と消費電流の特性図、図6は、大気圧力を推定するために用いる供給経路aにおけるコンプレッサ一定回転速度での消費電流と大気圧との特性図、図7は、本実施形態における通常の診断手順を表したフローチャートである。
【0017】
図1のシステム構成図において、燃料電池システムは、発電を行なう燃料電池スタック1と、圧力センサ及び圧力推定手段の故障検出及び診断を含めたシステム全体の制御を行なう制御用コンピュータ2と、流体aである空気を加圧して燃料電池スタック1に供給する流体機械であるコンプレッサ3と、コンプレッサ3を駆動するモータ4と、流体aをコンプレッサ3に導く供給経路5と、同排出する経路6と、流体bである水素の供給経路7と、同排出経路8と、燃料電池スタック1からの電力取り出し回路9と、流体bの圧力検出手段としての圧力センサ10と、流体aの圧力推定値11と、流体aと流体bとの圧力差(差圧値)を検出する差圧センサ12と、制御用ハーネス13と、燃料電池スタック1へ供給する流体aの圧力を調整する圧力調整バルブ14と、を備えて構成されている。
【0018】
尚、図示しないが水素の供給経路7には、例えば、高圧水素タンクと圧力調整弁が接続され、制御用コンピュータ2から圧力調整弁を制御することにより、所望の圧力の水素ガスを供給経路7に供給することができるようになっている。
【0019】
第1実施形態においては、燃料電池スタック1に供給する流体の内から、第1流体として流体a(空気)、第2流体として流体b(水素)を例示している。
【0020】
そして、燃料電池システム1は、第1の流体である流体a(空気)の圧力を推定する第1圧力検出手段として制御用コンピュータ2、第2の流体である流体b(水素)の圧力を検出する第2圧力検出手段として圧力センサ10、第1の流体の圧力に対する第2の流体の圧力である差圧を検出する圧力差検出手段として差圧センサ12を備え、第1圧力検出手段の出力値に圧力差検出手段の検出値を加算した値と、第2圧力検出手段の出力値とを比較して、こられの故障検出を行うものである。
【0021】
尚、以下の説明では、第1圧力検出手段としての制御用コンピュータ2と、第2圧力検出手段としての圧力センサ10と、圧力差検出手段としての差圧センサ12を圧力検出系とも呼ぶ。
【0022】
次に、第1実施形態における圧力検出系の故障検出方法を、相関図である図2と、コンプレッサの過給特性を示す図5と、大気圧を推定するための特性を示す図6及び診断用の制御フローを示す図7を用いて説明する。比較対照として従来の燃料電池システムにおける圧力センサの故障検出方法を、図3と図4を用いて説明し、第1実施形態との違いを比較する。
【0023】
第1実施形態の場合、供給流体bである水素は、通常圧縮された状態で保存されている場合が多く、コンプレッサ等の流体機械による加圧の必要性がなく、レギュレータ等で減圧して使用することが殆どである。このため、この供給経路においては、流体機械の負荷等の基づいて圧力値を推定することが困難であり、真空からの圧力値(Pb[kPa]) を直接圧力センサ10にて検出している。
【0024】
本実施形態においては、モータによりコンプレッサやポンプ等の流体機械を運転して空気や冷却液を供給しているので、モータの消費電力値や電圧一定下での電流値を検出することでコンプレッサ等のエネルギ消費量を検出することができ、またコンプレッサ等の供給流体の流量制御で使用しているインバータの回転指令値のデータを検出することで、モータの回転速度を知ることができる。
【0025】
モータの回転速度が分かれば、モータとコンプレッサ等の間にある伝達装置の仕様により、コンプレッサ等の回転速度が分かるため、コンプレッサ等の流体の吐出量を知ることができる。燃料電池へ供給される流体の吐出量とエネルギ変換量が分かると、実験等から任意の回転速度における圧力と消費電流の関係式や、気体の状態方程式等の演算により、間接的に燃料電池スタックに供給される流体の圧力値を推定することができる。
【0026】
供給流体aである空気の経路は、コンプレッサとモータを用いて過給することを前提にしている。コンプレッサの駆動に消費される電気エネルギとコンプレッサの回転速度、コンプレッサのエネルギ変換効率から、コンプレッサが出力する推定圧力値(Pa‘[kPa]) が得られる。この過給圧力と、コンプレッサ駆動用モータの供給電圧一定における消費電流値には図5に示すような関係がある。この特性の関係式から消費される電流値によって過給される圧力値の推定ができる。
【0027】
実際には、モータの回転速度によって、消費電流と過給圧力が異なるので、図6に示すような回転速度と消費電流とに基づいて過給圧力を求めるマップを予め記憶しておき、これを検索して過給圧を求める。これにより、空気供給経路に圧力センサを設けることなく、燃料電池スタックに供給される空気の圧力を推定することができる。
【0028】
しかし、過給圧が同じであっても、過給される前の大気圧によってコンプレッサが出力する過給圧が異なるので、車両用等、高地へ移動可能な燃料電池システムでは、大気圧を知る必要がある。
【0029】
ところで減圧する時の状況すなわち圧力損失が分かれば、その反対に過給される時の状況が分かるので、この方法により圧力値の推定ができる。
【0030】
そこで流体aである空気の圧力損失要因である燃料電池スタック1の圧力損失を、圧力調整バルブ14を全開にすることで圧力損失を一定にし、更にアイドリング等で燃料電池スタック1の発電状態を一定の状態にすることで、空気の供給経路全体の圧力損失を一定の状態にできる。
【0031】
燃料電池の起動から停止までの一連の運転状態において、起動直後、停止直前及びアイドリングストップ直前等においては発電の必要性が少なく、供給経路のバルブ開度状態を任意に設定できる。このためバルブ開度を制御して圧力損失を一定の状態にすることが可能になり、正確に大気圧の推定ができるようになる。
【0032】
即ち、圧力損失を一定の状態にしてコンプレッサ3を一定回転で運転にすることによって、大気圧に応じたコンプレッサの消費電流を検出し、消費電流と大気圧との関係から大気圧の推定ができる。Pa’に、この大気圧の推定から得られた所定の係数を掛けて相対圧力Pa’ を絶対圧力Paに変換する。
【0033】
こうして、圧力推定値または圧力検出値に、大気圧に対する相対圧力と絶対圧力とが混在していても、PaとPbとの基準圧を揃えることで相互の圧力値の比較による故障検出や診断が可能になる。
【0034】
尚、通常制御における燃料電池スタックに供給される流体の圧力制御はこのPaとPbを使用することにより、それぞれの流体の供給経路における圧力管理を実現している。
【0035】
第1実施形態においては、真空からの絶対圧を基準にして各圧力値を考慮している。流体aの圧力検出値または圧力推定値と、流体bの圧力検出値または圧力推定値と、流体aと流体bの圧力差を測る差圧センサからの差圧値との三者の関係を示すと以下の(1)式となり、(1)式から(2)式が導かれる。
【0036】
【数1】
Pa+DPab=Pb+α …(1)
α=Pa+DPab−Pb …(2)
ここで、Pa[kPa] :流体aの圧力検出値または圧力推定値
Pb[kPa] :流体bの圧力検出値または圧力推定値
DPab[kPa]:流体aの圧力に対する流体bの圧力(差圧値)
α[kPa] :誤差
(1)式の関係を表したのが図2であり、PaとDPabを加算したものがPbに相当することが示されている。
【0037】
また、(1)、(2)式中の誤差αが所定範囲内であれば、システム全体で整合が取れて、圧力検出系には故障が無く通常運転可能と判断できる。一方、誤差αが所定範囲を逸脱している時は、PaまたはPbまたはDPabのいずれかの圧力値に誤りがあり、その圧力値を検出または推定している圧力検出手段又は差圧センサが故障していると判断できる。
【0038】
この誤差αが正常か異常かを判定するための所定範囲は、各圧力センサの特性または圧力推定方法の入力誤差及び推定方法の特性に基づいて、流体aの圧力値Pa[kPa]の許容誤差(公差)と、流体bの圧力値Pb[kPa]の許容誤差と、差圧値DPab[kPa]の許容誤差とから予め算出して決定されているものとする。
【0039】
ところで、従来の圧力センサを二重化したシステム構成における圧力センサの故障検出を行なう場合には、図3の様に制御用圧力センサと同じ場所に診断用圧力センサを設けている。そして、流体b圧力センサ10の検出値と同診断用圧力センサ11の検出値、流体a圧力センサ12の検出値と同診断用圧力センサ13の検出値、をそれぞれ直接比較して故障診断を行っており、この状態を示したのが図4の相関図になる。
【0040】
従来の方法では制御用の圧力センサの他に診断専用の圧力センサを追加することになり、診断専用の部品点数が増えることで故障要因も増え、そのことでシステム全体を複雑に高価にしていた。
【0041】
次に、図7のフローチャートを参照して、本実施形態における通常運転時の故障検出のための診断動作について説明する。
【0042】
まず、通常運転時の診断が開始されると、ステップS12において、コンプレッサで消費される電力とコンプレッサの回転速度とコンプレッサのエネルギ変換効率から流体a(空気)の圧力Pa’(相対圧力)を推定する。次いで、ステップS14で大気圧の推定と、推定した大気圧によって、圧力Pa’(相対圧力)を補正して圧力Pa(絶対圧力)を求める。この大気圧の推定には、車両のアイドリング時等、燃料電池スタックの発電状態を一定にすることにより、空気の供給経路全体の圧力損失を一定の状態にして、コンプレッサを一定回転速度で回転させ、そのときのコンプレッサの消費電力から大気圧を推定する。車両の状態がアイドリング時でなければ、予め記憶した前回の大気圧推定値を用いる。
【0043】
次いでステップS16で、流体b(水素)の圧力センサによりPb(絶対圧力)を検出し、ステップS18で流体a.b 間の差圧センサにより差圧値DPabを検出する。
【0044】
次いで、ステップS20で、Pa、Pb、DPabに基づいて、(2)式により誤差αを算出し、ステップS22で誤差αが所定範囲内か否かを判定する。ステップS22の判定で、誤差αが所定範囲内(許容内)であれば、ステップS24へ移り圧力検出系は正常であるとして終了する。ステップS22の判定で、誤差αが所定範囲外であれば、ステップS26へ移り、圧力検出系は故障状態であるとして終了する。
【0045】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタックに供給される第1、第2流体の圧力検出をそれぞれ二重化することなく、各流体の圧力を検出または推定する圧力検出手段の故障を検出することができるという効果がある。
【0046】
〔第2実施形態〕
第2実施形態の構成は、図1に示した第1実施形態と同じである。第2実施形態では、特に流体の供給経路毎の圧力値を診断して、各流体の圧力値を検出または推定する圧力検出手段や圧力差検出手段の何れが故障しているかの特定を行なう診断機能を有することが第2実施形態の特徴である。
【0047】
本実施形態では、燃料電池起動直後の発電要求のないタイミングに各流体の供給経路毎に圧力値の異常を検出することにより、燃料電池システムの圧力検出系の故障箇所の特定ができるようになる。
【0048】
その際に、供給経路bの水素の診断は最後に実施して圧力を大気に開放する等で減圧することなく、そのまま通常の運転制御や、通常の故障診断に移行できるようにしている。これにより燃料である水素を無駄に捨てることなく、燃料電池の起動時診断が可能となり、燃料電池の燃費性能を向上させることができる。
【0049】
第2実施形態の場合、起動直後に最初に水素の経路はそのまま低圧の状態で一定の状態にしておき、最初に空気の経路だけを圧力調整バルブ14を所定の開度に閉じることで空気を加圧することによって、空気の圧力値変化分と水素と空気の差圧値の変化分とを比較し、先ずはこの段階で空気の供給経路の故障診断を実施し良否判定を行なう。
【0050】
この後判定の結果に関わらず判定結果だけ記録し、燃料電池スタックとコンプレッサ等空気の供給経路の運転状態を一定にしたまま、空気の圧力を保持する。次に水素の供給回路の加圧を行い、水素の圧力値変化分と水素と空気の差圧値の変化分とを比較し、空気の経路同様に水素の経路でも同様に故障診断を行なうことで良否判定を行なう。
【0051】
二回の良否判定で、双方の診断とも問題なければ故障の無い状態であり、このまま通常運転及び、通常圧力診断に移行する。空気経路だけの失陥状態であると判定された時は空気経路の圧力を推定する手段の故障状態であり、水素経路だけの失陥であると判定された時は水素経路の圧力検出手段の故障状態である。
【0052】
双方の診断にも問題がある場合には、差圧値を検出する圧力差検出手段か、制御コンピュータの異常等と判定する。故障状態によりシステムに与える重要度合いが異なるので、それぞれの故障状態に応じて判定以後のフェールセーフ制御を多様化することが可能になる。
【0053】
図8は、第2実施形態における圧力検出系の故障箇所の特定を行なう初期診断の動作フローチャートである。
【0054】
まず、初期診断が開始されると、ステップS32において、コンプレッサ3により、流体aである空気の供給経路を加圧する。次いで、ステップS34において、コンプレッサで消費される電力とコンプレッサの回転速度とコンプレッサのエネルギ変換効率から流体a(空気)の圧力Pa’(相対圧力)を推定し、流体bの圧力センサが検出する大気の圧力値によって、圧力Pa’(相対圧力)を補正して圧力Pa(絶対圧力)を求める。ここで、流体bとしての水素は、未だ供給を開始されていないので、水素供給通路の圧力は、大気圧となっている。
【0055】
次いでステップS36で、流体a.b 間の差圧センサにより差圧値DPabを検出する。次いで、ステップS38で、Pa、Pb、DPabに基づいて、(2)式により誤差αを算出し、ステップS40で誤差αが所定範囲内か否かを判定する。
【0056】
ステップS40の判定がNo、即ち誤差αが所定範囲外であれば、ステップS42へ移り、流体aを供給する空気供給経路の圧力を推定する圧力検出手段は故障状態であることを記憶して、ステップS44へ移る。
【0057】
ステップS40の判定がYes、即ち誤差αが所定範囲内(許容内)であれば、ステップS44へ移り、空気供給経路の圧力を保持する。
【0058】
次いで、ステップS46で、水素圧力調整弁を開いて水素ガスを流体b供給経路7を加圧し、ステップS48で流体b(水素)圧力センサ10の圧力値を読み込む。ステップS50で、再度、流体a.b 間の差圧センサにより差圧値DPabを検出する。ステップS52で、Pa、Pb、DPabに基づいて、(2)式により誤差αを算出し、ステップS54で誤差αが所定範囲内か否かを判定する。
【0059】
ステップS54の判定で、誤差αが所定範囲内(許容内)であれば、ステップS56へ移り流体bの供給経路の圧力検出系は正常であるとして終了する。ステップS54の判定で、誤差αが所定範囲外であれば、ステップS58へ移り、流体bの供給経路の圧力検出系は故障状態であるとして終了する。
【0060】
尚、本実施形態においては、停止時も起動時の場合と同様に、供給径路を一つずつ減圧しながら圧力値の変化分を比較することで故障判定ができる。不整合となる圧力値が1箇所であれば、その流体の供給経路圧力値に誤りがある状態であり、不整合となる供給経路の圧力値が2箇所ある場合においては、これら流体の供給経路の差圧値に誤りがある状態である。それぞれの流体の供給経路ごとに上記診断方法を行なうことで、圧力値の相関が保てず不整合となる組み合わせを分析することにより故障箇所を特定することができる。
【0061】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システムの起動直後や停止直前の発電を行わない時に、各流体の供給経路を順番に加圧することで、各流体の供給経路の圧力を検出または推定する圧力検出手段または流体供給経路間の圧力差を検出する圧力差検出手段のいずれが故障しているかを診断し、故障箇所の特定が可能になる。
【0062】
〔第3実施形態〕
図9は、本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態を説明したシステム構成図、図10は第3実施形態における圧力の相関図である。
【0063】
図9において、燃料電池スタック1に供給する流体a(空気)と流体b(水素)と流体c(冷却水)における圧力検出系の診断方法の構成を示しており、第3実施形態の燃料電池システムにおける圧力センサの診断方法を図10と合わせて説明する。
【0064】
第3実施形態の場合、供給流体aである空気の圧力は第1実施形態と同様にコンプレッサで消費される電力から推定する。供給流体cである冷却水においても、供給流体aのコンプレッサの代わりに供給流体cではポンプを使用する点だけが異なり、図5及び図6に示すような特性の係数が異なるだけで同じように供給圧力値を推定でき、Pa、Pcを求めることができる。
【0065】
更に流体aとbの圧力差DPabと、流体bとcの圧力差DPbcを得ることで、以下の(3)式における誤差βを評価することで故障検出することができる。
【0066】
【数2】
Pa+DPab+DPbc=Pc+β …(3)
ここで、Pa[kPa] :流体aの圧力検出値または圧力推定値
Pc[kPa] :流体cの圧力検出値または圧力推定値
DPab[kPa]:流体aとbの圧力差検出値(差圧値)
DPbc[kPa]:流体bとcの圧力差検出値(差圧値)
β[kPa] :誤差
全ての圧力値(検出値、及び推定値)に問題がなければ、誤差βが所定範囲内となる。何れかの圧力値が誤っていれば、誤差βが所定範囲外となり、どこか一箇所の圧力センサまたは圧力推定手段が故障状態であることを判断できる。誤差βが正常か異常かを判定する所定範囲は、第1実施形態と同様に、各圧力センサの特性または圧力推定方法の入力誤差及び推定方法の特性に基づいて、流体aの圧力値Pa[kPa] の許容誤差(公差)と、流体cの圧力値Pc[kPa] の許容誤差と、差圧値DPab[kPa] の許容誤差と、差圧値DPac[kPa] の許容誤差と、から予め算出して決定されているものとする。
【0067】
ところで第3実施形態では、流体bの圧力Pb[kPa] を求めるのに、次の(4)、(5)式を使うことを特徴にしており、通常制御においてはこのPbの値により圧力制御を行なっている。
【0068】
【数3】
Pb=Pa+DPab …(4)
Pb=Pc−DPbc …(5)
故障検出の方法は第1実施形態と同様であり、上記(3)式のβが所定範囲を逸脱した場合に故障と判断する。また故障箇所を特定する診断方法についても、第2実施形態と同様に、燃料電池システムの起動直後の発電を行わない時に、各流体の供給経路を順番に加圧することで、各流体の供給経路の圧力を検出または推定する圧力検出手段または流体供給経路間の圧力差を検出する圧力差検出手段のいずれが故障しているか故障箇所の特定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明するシステム構成図である。
【図2】第1実施形態における圧力の相関図である。
【図3】従来の燃料電池システムのシステム構成図である。
【図4】従来の構成における圧力の相関図である。
【図5】供給経路aの過給圧と消費電流の特性図である。
【図6】大気圧力を推定するために用いる供給経路aにおけるコンプレッサ一定回転速度での消費電流と大気圧との特性図である。
【図7】第1実施形態における通常運転時の検査手順を説明するフローチャートである。
【図8】第2実施形態における故障箇所を特定する初期診断の手順を説明するフローチャートである。
【図9】本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態を説明するシステム構成図である。
【図10】第3実施形態における圧力の相関図である。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック
2…制御用コンピュータ
3…コンプレッサ
4…モータ
5…流体a(空気)供給経路
6…流体a排出経路
7…流体b(水素)供給経路
8…流体b排出経路
9…電力出力回路
10…流体b圧力センサ
11…流体a推定圧力
12…流体a−b間差圧センサ
13…制御用ハーネス
14…流体a圧力調整バルブ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system with improved failure detection of a pressure detecting means for a fluid supplied to a fuel cell stack such as a fuel gas, an oxidizing gas, a cooling medium, and pure water for humidification. .
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, a fuel gas such as a hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted via an electrolyte, and electric energy is directly extracted from between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has drawn attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, etc., and sends hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell to react. Then, the electric energy taken out of the fuel cell drives the motor connected to the driving wheels, and is the ultimate clean vehicle that emits only water.
[0003]
In fuel cell applications where the load fluctuates, such as for vehicles, if the pressure flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell is optimally controlled according to the operating conditions, pumps and compressors that supply the oxidizing gas, etc. The power consumption can be reduced, and the fuel efficiency of the fuel cell can be improved.
[0004]
Therefore, generally, a pressure sensor for detecting the pressure of the fuel gas or the oxidizing gas is provided in the gas supply system, and control is performed such that the detection values of these sensors become the target values. As a conventional technique relating to such a failure diagnosis of pressure sensors, for example, a technique described in Patent Document 1 is known.
[0005]
According to Patent Literature 1, it is disclosed that a pressure sensor and a plurality of valves are used to detect a valve airtightness or the like of a supply fluid of a fuel cell system. Create a room that fluctuates to the desired pressure by using a plurality of valves, perform an initial diagnosis by detecting this pressure fluctuation with a pressure sensor, and then perform a diagnosis such as the presence or absence of a leak state of each valve I have. In this method, failure diagnosis of the pressure sensor during normal operation cannot be performed, and it is necessary to increase the number of valves for diagnosis in order to generate pressure fluctuation.
[0006]
By the way, pressure control of the fluid supplied to the fuel cell system requires high-precision pressure control in order to avoid failure of the fuel cell stack. The conventional method has a redundant configuration in which multiple pressure sensors are installed at one pressure measurement point in order to detect a failure of the pressure sensor during normal operation, and the difference between the pressure values detected by each pressure sensor is within a specified range. If it deviates, the pressure sensor is determined to be faulty.
[0007]
However, in this method, it is necessary to separately install a pressure sensor for failure detection in addition to the pressure sensor used in the control, and the number of wirings and the size of the control computer are increased for these failure detection pressure sensors. As a result, the cost of the fuel cell system has been raised.
[0008]
In the conventional methods including Patent Literature 1, a large number of parts other than those for normal pressure control must be provided for failure detection or diagnosis, and there is a concern that the increase in the number of parts may increase failure factors. There was also.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-9-22711 (page 4, FIG. 1)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned conventional technology, many parts such as a valve for diagnosis and a pressure sensor for failure detection or diagnosis are required in addition to a valve for pressure value control and a pressure sensor for control.
[0011]
This means that a diagnostic system must be prepared separately from the one for controlling the pressure and flow rate of the fluid.The number of parts and components increases, and therefore the failure rate increases due to an increase in failure factors. There was a problem of doing.
[0012]
In addition, there is a problem in that the cost of the entire fuel cell system is increased because a dedicated system for diagnosis such as a diagnostic pressure sensor must be provided.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a fuel cell system having a path for supplying at least two types of fluids from a fuel gas, an oxidizing gas, a cooling medium, and pure water for humidification to a fuel cell stack in order to solve the above problems. First pressure detecting means for detecting or estimating and estimating the pressure value of a first fluid of a plurality of types of fluids, and detecting or estimating a pressure value of a second fluid of the plurality of types of fluids A second pressure detecting means for outputting the pressure, and a pressure difference detecting means for detecting a pressure difference which is a pressure of the second fluid with respect to a pressure of the first fluid, wherein the output value of the first pressure detecting means is Failure detection of the first pressure detection means, the second pressure detection means, and the pressure difference detection means is performed based on a comparison result between a value obtained by adding the detection value of the pressure difference detection means and an output value of the second pressure detection means. The point is to perform
[0014]
【The invention's effect】
According to the present invention, the value obtained by adding the detection value of the pressure difference detection means to the output value of the first pressure detection means is compared with the output value of the second pressure detection means, and the difference between the two exceeds a predetermined range. In this case, it can be determined that one of the first pressure detecting means, the second pressure detecting means, and the pressure difference detecting means has failed, so that the failure of the pressure detecting means can be detected without duplicating each pressure detecting means. effective.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0016]
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a first embodiment, FIG. 2 is a correlation diagram of pressure in the first embodiment, and FIG. 3 is a system configuration diagram of a conventional fuel cell system as a comparative example. 4, FIG. 4 is a pressure correlation diagram in the conventional example, FIG. 5 is a characteristic diagram of the supercharging pressure and the consumption current of the supply route a in the present embodiment, and FIG. 6 is a supply route a used for estimating the atmospheric pressure. And FIG. 7 is a flowchart showing a normal diagnosis procedure in the present embodiment.
[0017]
In the system configuration diagram of FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 for generating electric power, a control computer 2 for controlling the entire system including failure detection and diagnosis of a pressure sensor and pressure estimating means, and a fluid a. A compressor 3 that is a fluid machine that pressurizes air and supplies the fuel to the fuel cell stack 1, a motor 4 that drives the compressor 3, a supply path 5 that guides the fluid a to the compressor 3, and a path 6 that discharges the fluid a. A supply path 7, a discharge path 8, a power extraction circuit 9 from the fuel cell stack 1, a pressure sensor 10 as a pressure detecting means of the fluid b, and a pressure estimation value 11 of the fluid a, The pressure difference between the fluid a and the fluid b (differential pressure value), the control harness 13, and the pressure of the fluid a supplied to the fuel cell stack 1 are adjusted. That the pressure control valve 14, and is configured with a.
[0018]
Although not shown, for example, a high-pressure hydrogen tank and a pressure control valve are connected to the hydrogen supply path 7, and the control computer 2 controls the pressure control valve to supply hydrogen gas of a desired pressure to the supply path 7. Can be supplied.
[0019]
In the first embodiment, the fluid a (air) is illustrated as the first fluid and the fluid b (hydrogen) is illustrated as the second fluid from the fluids supplied to the fuel cell stack 1.
[0020]
The fuel cell system 1 controls the control computer 2 as first pressure detecting means for estimating the pressure of the fluid a (air) as the first fluid, and detects the pressure of the fluid b (hydrogen) as the second fluid. A pressure sensor 10 is provided as second pressure detecting means for detecting a pressure difference of the second fluid with respect to a pressure of the first fluid, and a differential pressure sensor 12 is provided as a pressure difference detecting means for detecting a pressure difference between the first fluid and the output of the first pressure detecting means. The fault value is detected by comparing the value obtained by adding the detection value of the pressure difference detection means to the value and the output value of the second pressure detection means.
[0021]
In the following description, the control computer 2 as the first pressure detecting means, the pressure sensor 10 as the second pressure detecting means, and the differential pressure sensor 12 as the pressure difference detecting means are also called a pressure detecting system.
[0022]
Next, FIG. 2 which is a correlation diagram, FIG. 5 which shows a supercharging characteristic of a compressor, FIG. 6 which shows a characteristic for estimating the atmospheric pressure, and FIG. Will be described with reference to FIG. As a comparative example, a method of detecting a failure of a pressure sensor in a conventional fuel cell system will be described with reference to FIGS. 3 and 4, and a difference from the first embodiment will be compared.
[0023]
In the case of the first embodiment, hydrogen that is the supply fluid b is usually stored in a compressed state in many cases, and there is no need for pressurization by a fluid machine such as a compressor. Most of the time. For this reason, in this supply path, it is difficult to estimate the pressure value based on the load of the fluid machine and the like, and the pressure value (Pb [kPa]) from the vacuum is directly detected by the pressure sensor 10. .
[0024]
In the present embodiment, a fluid machine such as a compressor or a pump is operated by a motor to supply air or cooling fluid. Therefore, the compressor or the like is detected by detecting a power consumption value of the motor or a current value under a constant voltage. The amount of energy consumption of the motor can be detected, and the rotation speed of the motor can be known by detecting the data of the rotation command value of the inverter used for controlling the flow rate of the supply fluid such as the compressor.
[0025]
If the rotation speed of the motor is known, the rotation speed of the compressor or the like can be known from the specifications of the transmission device between the motor and the compressor or the like, so that the discharge amount of fluid from the compressor or the like can be known. When the discharge amount and the energy conversion amount of the fluid supplied to the fuel cell are known, the fuel cell stack is indirectly calculated by experiments such as a relational expression of pressure and current consumption at an arbitrary rotation speed, a gas state equation, and the like. Can be estimated.
[0026]
The path of the air as the supply fluid a is premised on supercharging using a compressor and a motor. An estimated pressure value (Pa ′ [kPa]) output from the compressor is obtained from the electric energy consumed for driving the compressor, the rotation speed of the compressor, and the energy conversion efficiency of the compressor. FIG. 5 shows a relationship between the supercharging pressure and the consumed current value when the supply voltage of the compressor driving motor is constant. The pressure value supercharged by the consumed current value can be estimated from the relational expression of this characteristic.
[0027]
Actually, the current consumption and the supercharging pressure are different depending on the rotation speed of the motor. Therefore, a map for obtaining the supercharging pressure based on the rotation speed and the current consumption as shown in FIG. Search and find the boost pressure. Thus, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack can be estimated without providing a pressure sensor in the air supply path.
[0028]
However, even if the supercharging pressure is the same, the supercharging pressure output from the compressor differs depending on the atmospheric pressure before supercharging. Therefore, in a fuel cell system that can be moved to high altitudes, such as for a vehicle, the atmospheric pressure is known. There is a need.
[0029]
By the way, if the situation at the time of pressure reduction, that is, the pressure loss is known, the situation at the time of supercharging can be known, and the pressure value can be estimated by this method.
[0030]
Therefore, the pressure loss of the fuel cell stack 1, which is a factor of the pressure loss of the air as the fluid a, is made constant by fully opening the pressure regulating valve 14, and the power generation state of the fuel cell stack 1 is made constant by idling or the like. In this state, the pressure loss of the entire air supply path can be kept constant.
[0031]
In a series of operating states from the start to the stop of the fuel cell, there is little need for power generation immediately after the start, immediately before the stop, immediately before the idling stop, and the like, and the valve opening state of the supply path can be set arbitrarily. For this reason, it becomes possible to control the valve opening to keep the pressure loss constant, and to accurately estimate the atmospheric pressure.
[0032]
That is, by operating the compressor 3 at a constant rotation with the pressure loss kept constant, the current consumption of the compressor according to the atmospheric pressure is detected, and the atmospheric pressure can be estimated from the relationship between the current consumption and the atmospheric pressure. . The relative pressure Pa ′ is converted into the absolute pressure Pa by multiplying Pa ′ by a predetermined coefficient obtained from the estimation of the atmospheric pressure.
[0033]
Thus, even if the relative pressure to the atmospheric pressure and the absolute pressure are mixed in the estimated pressure value or the detected pressure value, failure detection and diagnosis by comparing the pressure values can be performed by aligning the reference pressures of Pa and Pb. Will be possible.
[0034]
The pressure control of the fluid supplied to the fuel cell stack in the normal control uses the Pa and Pb to realize the pressure control in the supply path of each fluid.
[0035]
In the first embodiment, each pressure value is considered based on the absolute pressure from vacuum. The relation between the detected pressure value or estimated pressure value of the fluid a, the detected pressure value or estimated pressure value of the fluid b, and the differential pressure value from the differential pressure sensor that measures the pressure difference between the fluid a and the fluid b is shown. And the following equation (1), and equation (2) is derived from equation (1).
[0036]
(Equation 1)
Pa + DPab = Pb + α (1)
α = Pa + DPab−Pb (2)
Here, Pa [kPa]: the detected pressure value or estimated pressure value Pb [kPa] of the fluid a: the detected pressure value or estimated pressure value DPab [kPa] of the fluid b: the pressure of the fluid b relative to the pressure of the fluid a (differential pressure) value)
α [kPa]: FIG. 2 shows the relationship of error (1), and shows that the sum of Pa and DPab corresponds to Pb.
[0037]
If the error α in the equations (1) and (2) is within the predetermined range, it is possible to determine that normal operation is possible without any failure in the pressure detection system because the entire system is matched. On the other hand, when the error α is out of the predetermined range, there is an error in the pressure value of Pa, Pb, or DPab, and the pressure detecting means or the differential pressure sensor that detects or estimates the pressure value fails. You can judge that you are doing.
[0038]
The predetermined range for determining whether the error α is normal or abnormal is based on the characteristic of each pressure sensor or the input error of the pressure estimation method and the characteristic of the estimation method, and the allowable error of the pressure value Pa [kPa] of the fluid a. (Tolerance), the allowable error of the pressure value Pb [kPa] of the fluid b, and the allowable error of the differential pressure value DPab [kPa].
[0039]
By the way, when a failure of a pressure sensor is detected in a system configuration in which a conventional pressure sensor is duplicated, a diagnostic pressure sensor is provided at the same place as the control pressure sensor as shown in FIG. Then, the fault diagnosis is performed by directly comparing the detection value of the fluid b pressure sensor 10 and the detection value of the same pressure sensor 11 and the detection value of the fluid a pressure sensor 12 and the detection value of the same pressure sensor 13. This state is shown in the correlation diagram of FIG.
[0040]
In the conventional method, a pressure sensor dedicated to diagnosis is added in addition to the pressure sensor for control, and the number of components dedicated to diagnosis is increased, so that the number of failure factors is increased, thereby making the entire system complicated and expensive. .
[0041]
Next, a diagnosis operation for detecting a failure during normal operation in the present embodiment will be described with reference to a flowchart of FIG.
[0042]
First, when diagnosis during normal operation is started, in step S12, the pressure Pa ′ (relative pressure) of the fluid a (air) is estimated from the power consumed by the compressor, the rotation speed of the compressor, and the energy conversion efficiency of the compressor. I do. Next, in step S14, the atmospheric pressure is estimated, and the pressure Pa ′ (relative pressure) is corrected based on the estimated atmospheric pressure to obtain the pressure Pa (absolute pressure). To estimate the atmospheric pressure, the compressor is rotated at a constant rotational speed by keeping the pressure loss of the entire air supply path constant by keeping the power generation state of the fuel cell stack constant, such as when the vehicle is idling. The atmospheric pressure is estimated from the power consumption of the compressor at that time. If the state of the vehicle is not idling, the previous estimated atmospheric pressure value stored in advance is used.
[0043]
Next, in step S16, Pb (absolute pressure) is detected by the pressure sensor of the fluid b (hydrogen), and in step S18, the fluid a. The differential pressure value DPab is detected by the differential pressure sensor between b and b.
[0044]
Next, in step S20, based on Pa, Pb, and DPab, error α is calculated by equation (2), and it is determined in step S22 whether error α is within a predetermined range. If it is determined in step S22 that the error α is within the predetermined range (within the allowable range), the process proceeds to step S24, and the pressure detection system is determined to be normal, and the process ends. If it is determined in step S22 that the error α is out of the predetermined range, the process proceeds to step S26, and the pressure detection system ends as a failure state.
[0045]
According to the present embodiment described above, the failure of the pressure detecting means for detecting or estimating the pressure of each fluid is detected without duplicating the detection of the pressures of the first and second fluids supplied to the fuel cell stack. There is an effect that can be.
[0046]
[Second embodiment]
The configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. In the second embodiment, in particular, the diagnosis is performed by diagnosing the pressure value of each fluid supply path and specifying which of the pressure detecting means and the pressure difference detecting means for detecting or estimating the pressure value of each fluid is faulty. Having a function is a feature of the second embodiment.
[0047]
In the present embodiment, by detecting an abnormal pressure value for each supply path of each fluid at a timing when there is no power generation request immediately after the start of the fuel cell, it is possible to specify a failure point of the pressure detection system of the fuel cell system. .
[0048]
At this time, the diagnosis of the hydrogen in the supply path b is performed at the end, and the operation can be shifted to the normal operation control or the normal failure diagnosis without reducing the pressure by releasing the pressure to the atmosphere. As a result, the fuel cell can be diagnosed at the time of starting without wasting the fuel hydrogen, and the fuel efficiency of the fuel cell can be improved.
[0049]
In the case of the second embodiment, immediately after the start, the hydrogen path is initially kept at a low pressure and kept in a constant state, and only the air path is first closed by closing the pressure regulating valve 14 to a predetermined opening to release the air. By pressurizing, the amount of change in the air pressure value is compared with the amount of change in the differential pressure value between hydrogen and air. First, at this stage, a failure diagnosis of the air supply path is performed to determine the quality.
[0050]
Thereafter, only the determination result is recorded irrespective of the result of the determination, and the pressure of the air is held while the operating state of the air supply path such as the fuel cell stack and the compressor is kept constant. Next, pressurize the hydrogen supply circuit, compare the change in the hydrogen pressure value with the change in the differential pressure value between hydrogen and air, and perform a fault diagnosis on the hydrogen path as well as the air path. The pass / fail judgment is made.
[0051]
If there is no problem in both of the diagnoses in the pass / fail determination, there is no failure, and the operation proceeds to the normal operation and the normal pressure diagnosis. When it is determined that only the air path is in a failure state, it is a failure state of the means for estimating the pressure of the air path, and when it is determined that the failure is only in the hydrogen path, the pressure detection means of the hydrogen path is used. It is in a failure state.
[0052]
If there is a problem in both of the diagnoses, it is determined that the pressure difference detecting means for detecting the differential pressure value or the control computer is abnormal. Since the degree of importance given to the system depends on the failure state, fail-safe control after the determination can be diversified according to each failure state.
[0053]
FIG. 8 is an operation flowchart of an initial diagnosis for specifying a failure location of the pressure detection system in the second embodiment.
[0054]
First, when the initial diagnosis is started, in step S32, the compressor 3 pressurizes the supply path of the air as the fluid a. Next, in step S34, the pressure Pa ′ (relative pressure) of the fluid a (air) is estimated from the power consumed by the compressor, the rotational speed of the compressor, and the energy conversion efficiency of the compressor, and the atmosphere detected by the pressure sensor of the fluid b is detected. The pressure Pa ′ (relative pressure) is corrected by the pressure value to obtain the pressure Pa (absolute pressure). Here, since the supply of the hydrogen as the fluid b has not been started yet, the pressure of the hydrogen supply passage is at the atmospheric pressure.
[0055]
Next, in step S36, the fluid a. The differential pressure value DPab is detected by the differential pressure sensor between b and b. Next, in step S38, based on Pa, Pb, and DPab, the error α is calculated by equation (2), and in step S40, it is determined whether the error α is within a predetermined range.
[0056]
If the determination in step S40 is No, that is, if the error α is out of the predetermined range, the process proceeds to step S42, in which the pressure detecting means for estimating the pressure of the air supply path for supplying the fluid a is stored in a failure state, Move to step S44.
[0057]
If the determination in step S40 is Yes, that is, if the error α is within a predetermined range (within tolerance), the process proceeds to step S44, and the pressure in the air supply path is maintained.
[0058]
Next, in step S46, the hydrogen pressure regulating valve is opened to pressurize the hydrogen gas in the fluid b supply path 7, and the pressure value of the fluid b (hydrogen) pressure sensor 10 is read in step S48. In step S50, the fluid a. The differential pressure value DPab is detected by the differential pressure sensor between b and b. In step S52, based on Pa, Pb, and DPab, error α is calculated by equation (2), and in step S54, it is determined whether error α is within a predetermined range.
[0059]
If it is determined in step S54 that the error α is within the predetermined range (within the allowable range), the process proceeds to step S56, and the pressure detection system of the supply path of the fluid b is determined to be normal, and the processing ends. If it is determined in step S54 that the error α is out of the predetermined range, the process proceeds to step S58, and the pressure detection system in the supply path of the fluid b ends as a failure.
[0060]
In the present embodiment, the failure can be determined by comparing the change in the pressure value while reducing the supply path one by one, as in the case of the start-up at the time of the stop. If there is one mismatched pressure value, there is an error in the supply path pressure value of the fluid. If there are two mismatched supply path pressure values, these fluid supply paths In this state, there is an error in the differential pressure value. By performing the above-described diagnostic method for each fluid supply path, a failure location can be identified by analyzing a combination that does not maintain a correlation between pressure values and is inconsistent.
[0061]
According to the present embodiment described above, the pressure of each fluid supply path is detected or estimated by sequentially pressurizing the supply path of each fluid when power generation is not performed immediately after the start or stop of the fuel cell system. It is possible to diagnose which of the pressure detection means for detecting the pressure difference and the pressure difference detection means for detecting the pressure difference between the fluid supply paths is faulty, and to specify the faulty part.
[0062]
[Third embodiment]
FIG. 9 is a system configuration diagram illustrating a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention, and FIG. 10 is a pressure correlation diagram in the third embodiment.
[0063]
FIG. 9 shows a configuration of a method for diagnosing a pressure detection system for a fluid a (air), a fluid b (hydrogen), and a fluid c (cooling water) to be supplied to the fuel cell stack 1. A method of diagnosing the pressure sensor in the system will be described with reference to FIG.
[0064]
In the case of the third embodiment, the pressure of the air that is the supply fluid a is estimated from the electric power consumed by the compressor, as in the first embodiment. Also in the cooling water which is the supply fluid c, the only difference is that a pump is used in the supply fluid c instead of the compressor of the supply fluid a, and the same applies except that the coefficients of the characteristics as shown in FIGS. 5 and 6 are different. The supply pressure value can be estimated, and Pa and Pc can be obtained.
[0065]
Further, by obtaining the pressure difference DPab between the fluids a and b and the pressure difference DPbc between the fluids b and c, a failure can be detected by evaluating the error β in the following equation (3).
[0066]
(Equation 2)
Pa + DPab + DPbc = Pc + β (3)
Here, Pa [kPa]: detected pressure value or estimated pressure value Pc [kPa] of fluid a: detected pressure value or estimated pressure value DPab [kPa] of fluid c: detected pressure difference value between fluids a and b (differential pressure) value)
DPbc [kPa]: Detected pressure difference between fluids b and c (differential pressure value)
β [kPa]: If there is no problem in the pressure values (detected value and estimated value) of all errors, the error β is within a predetermined range. If any of the pressure values is incorrect, the error β falls outside the predetermined range, and it can be determined that the pressure sensor or the pressure estimating means at any one place is in a failure state. The predetermined range for determining whether the error β is normal or abnormal is the pressure value Pa [of the fluid a based on the characteristics of each pressure sensor or the input error of the pressure estimation method and the characteristics of the estimation method, as in the first embodiment. kPa], the tolerance of the pressure value Pc [kPa] of the fluid c, the tolerance of the differential pressure value DPab [kPa], and the tolerance of the differential pressure value DPac [kPa]. It is assumed that it is calculated and determined.
[0067]
The third embodiment is characterized in that the following equations (4) and (5) are used to obtain the pressure Pb [kPa] of the fluid b. In normal control, the pressure control is performed based on the value of Pb. Has been done.
[0068]
[Equation 3]
Pb = Pa + DPab (4)
Pb = Pc-DPbc (5)
The method of failure detection is the same as that of the first embodiment. If β in the above equation (3) deviates from a predetermined range, it is determined that a failure has occurred. Also, as in the second embodiment, when the power generation is not performed immediately after the start of the fuel cell system, the supply path of each fluid is sequentially pressurized, and the supply path of each fluid is also determined. It is possible to specify a failure point as to which of the pressure detection means for detecting or estimating the pressure of the fluid supply pressure and the pressure difference detection means for detecting the pressure difference between the fluid supply paths has failed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a pressure correlation diagram in the first embodiment.
FIG. 3 is a system configuration diagram of a conventional fuel cell system.
FIG. 4 is a pressure correlation diagram in a conventional configuration.
FIG. 5 is a characteristic diagram of supercharging pressure and current consumption of a supply path a.
FIG. 6 is a characteristic diagram of current consumption and atmospheric pressure at a constant rotation speed of a compressor in a supply path a used for estimating atmospheric pressure.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an inspection procedure during normal operation according to the first embodiment.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a procedure of an initial diagnosis for specifying a fault location according to the second embodiment.
FIG. 9 is a system configuration diagram illustrating a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 10 is a pressure correlation diagram in the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Control computer 3 ... Compressor 4 ... Motor 5 ... Fluid a (air) supply path 6 ... Fluid a discharge path 7 ... Fluid b (hydrogen) supply path 8 ... Fluid b discharge path 9 ... Electric power output Circuit 10 Fluid b pressure sensor 11 Fluid a estimated pressure 12 Fluid a-b differential pressure sensor 13 Control harness 14 Fluid a pressure regulating valve

Claims (7)

燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体及び加湿用純水の内から少なくとも2種類の流体を燃料電池スタックに供給する経路を有する燃料電池システムにおいて、
前記複数種類の流体の内の第1の流体の圧力値を検出または推定して出力する第1圧力検出手段と、
前記複数種類の流体の内の第2の流体の圧力値を検出または推定して出力する第2圧力検出手段と、
第1の流体の圧力に対する第2の流体の圧力である圧力差を検出する圧力差検出手段とを備えて成り、
前記第1圧力検出手段の出力値に前記圧力差検出手段の検出値を加算した値と、前記第2圧力検出手段の出力値との比較結果に基づいて、第1圧力検出手段及び第2圧力検出手段及び前記圧力差検出手段の故障検出を行うことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system having a path for supplying at least two kinds of fluids from a fuel gas, an oxidizing gas, a cooling medium, and pure water for humidification to a fuel cell stack,
First pressure detection means for detecting or estimating and outputting a pressure value of a first fluid of the plurality of types of fluids,
Second pressure detecting means for detecting or estimating and outputting a pressure value of a second fluid of the plurality of types of fluids,
Pressure difference detection means for detecting a pressure difference that is a pressure of the second fluid with respect to a pressure of the first fluid,
Based on a comparison result of a value obtained by adding a detection value of the pressure difference detection means to an output value of the first pressure detection means and an output value of the second pressure detection means, the first pressure detection means and the second pressure A fuel cell system for detecting a failure in a detecting means and the pressure difference detecting means.
前記複数種類の流体の内の第3の流体の圧力値を検出または推定して出力する第3圧力検出手段と、
第1の流体の圧力に対する第3の流体の圧力である圧力差を検出する第2圧力差検出手段とを更に備え、
前記第1圧力検出手段の出力値に前記第2圧力差検出手段の検出値を加算した値と、前記第3圧力検出手段の出力値との比較結果に基づいて、第1圧力検出手段及び第3圧力検出手段及び前記第2圧力差検出手段の故障検出を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Third pressure detecting means for detecting or estimating and outputting a pressure value of a third fluid among the plurality of types of fluids,
A second pressure difference detecting means for detecting a pressure difference that is a pressure of the third fluid with respect to a pressure of the first fluid,
Based on a comparison result of a value obtained by adding a detection value of the second pressure difference detection means to an output value of the first pressure detection means and an output value of the third pressure detection means, the first pressure detection means and the third pressure detection means 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein failure detection is performed on the three pressure detecting means and the second pressure difference detecting means.
前記第1または第2圧力検出手段は、
第1または第2の流体を燃料電池スタックに供給する流体機械を駆動するモータの消費電力または消費電流と、前記流体機械の回転速度と、流体機械系のエネルギ変換効率特性とに基づいて、前記圧力値を推定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The first or second pressure detecting means includes:
Based on power consumption or current consumption of a motor that drives a fluid machine that supplies the first or second fluid to the fuel cell stack, a rotation speed of the fluid machine, and an energy conversion efficiency characteristic of a fluid machine system. The fuel cell system according to claim 1, wherein the pressure value is estimated.
燃料電池スタックの圧力損失を一定な状態として、燃料電池スタックへ流体を供給する流体機械を運転し、該流体機械を駆動するモータの消費電力または消費電流と流体機械の回転速度とに基づいて大気圧を推定する大気圧推定手段を備えるとともに、
前記第1または第2圧力検出手段として、大気圧に対する圧力を検出または推定して出力する相対圧力検出手段と、絶対圧力を検出または推定して出力する絶対圧力検出手段とを混在して備え、
前記大気圧推定手段の推定値を用いて、相対圧力値と絶対圧力値との換算を行うことを特徴とする請求項1または請求項3に記載の燃料電池システム。
With the pressure loss of the fuel cell stack kept constant, a fluid machine that supplies fluid to the fuel cell stack is operated, and a large amount is determined based on the power consumption or current consumption of a motor that drives the fluid machine and the rotation speed of the fluid machine. With atmospheric pressure estimation means for estimating atmospheric pressure,
As the first or second pressure detecting means, a relative pressure detecting means for detecting or estimating and outputting a pressure with respect to an atmospheric pressure and an absolute pressure detecting means for detecting or estimating and outputting an absolute pressure are mixedly provided.
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein a conversion between a relative pressure value and an absolute pressure value is performed using an estimated value of the atmospheric pressure estimating means.
前記大気圧推定手段は、
燃料電池スタックの起動直後かまたは停止直前の発電を行なわない状態において、流体の供給経路の制御用各種バルブを所定の状態に固定し、流体の経路の圧力損失を一定にすることで大気圧の推定を行なうことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
The atmospheric pressure estimating means includes:
Immediately after the start or stop of the fuel cell stack, power generation is not performed, and various valves for controlling the supply path of the fluid are fixed in a predetermined state, and the pressure loss in the path of the fluid is kept constant to reduce the atmospheric pressure. The fuel cell system according to claim 4, wherein the estimation is performed.
前記複数種類の流体の一つずつを、起動直後においては順番に加圧しながら、停止直前においては順番に減圧しながら、前記第1圧力検出手段の検出値の変化分と、前記圧力差検出手段の検出値の変化分と、前記第2圧力検出手段の検出値の変化分との比較結果に基づいて、前記第1圧力検出手段または前記第2圧力検出手段または前記圧力差検出手段の何れが故障しているかを診断することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。Each of the plurality of types of fluids is sequentially pressurized immediately after startup, and sequentially depressurized immediately before stoppage, while changing the detection value of the first pressure detection unit and the pressure difference detection unit. Which of the first pressure detecting means or the second pressure detecting means or the pressure difference detecting means is based on a comparison result between the change in the detected value and the change in the detected value of the second pressure detecting means. The fuel cell system according to claim 5, wherein it is diagnosed whether or not the fuel cell is out of order. 起動直後に燃料ガスを燃料電池スタックに供給する経路を加圧した場合には、加圧後に減圧せずに、故障診断における基準圧として加圧状態を維持して診断を続けるか、または燃料ガスを最後に加圧して診断を行って、減圧のために燃料ガスを該供給経路から放出しないことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。If the path for supplying the fuel gas to the fuel cell stack is pressurized immediately after startup, the pressure is not reduced after the pressurization, and the diagnosis is continued by maintaining the pressurized state as the reference pressure in the failure diagnosis, or 7. The fuel cell system according to claim 6, wherein a diagnosis is performed by finally pressurizing the fuel cell, and the fuel gas is not released from the supply path for pressure reduction.
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