JP2004281132A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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関するものであり、特に、燃料ガスの漏洩を的確に判断し得る燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード極に水素を含有する燃料ガス、カソード極に酸素を含有する酸化剤ガス(空気)をそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【0003】
燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックとしては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池スタックが知られている。この固体高分子タイプの燃料電池スタックは、アノード極とカソード極との間に、電解質として膜状の固体高分子が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池スタックでは、アノード極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、カソード極で酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を通ってカソード極へと移動することになる。
【0004】
ところで、このように水素と酸素との反応により発電電力を得る燃料電池システムにおいては、水素の分子量が小さいため、完全なシールが困難であり、燃料ガスを供給するための配管の隙間や、燃料電池スタックの各発電セルを構成する積層体の隙間等から燃料ガスが漏洩することが想定される。例えば車載用の燃料電池システムの場合、燃料電池スタックの動作温度の変化や、燃料電池スタックや燃料供給系に振動や衝撃が加わることにより、配管の継ぎ目や僅かな隙間等から水素を含有する燃料ガスが漏洩してしまう事態も想定される。
【0005】
したがって、このような燃料電池システムにおいては、燃料ガスの漏洩が発生した場合にそれを迅速且つ的確に判断して、必要な対策を講じることが極めて重要であり、このような観点から、燃料ガスの漏洩を判断する手法が種々検討されている(例えば、特許文献1等を参照)。
【0006】
特許文献1に記載の技術では、燃料電池スタックの出力電流値に基づいて燃料電池スタックにおける燃料ガス消費量を算出し、この燃料ガス消費量から燃料ガスボンベ内の燃料ガス圧力を算出すると共に、この算出ガス圧力と実際の燃料ガスボンベ内の圧力センサによって検出されたガス圧力とを比較することにより、燃料ガスの漏洩を判断している。
【0007】
【特許文献1】
特開平11−224681号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子タイプの燃料電池スタックを用いた燃料電池システムにおいては、固体高分子膜の両端のガス分圧差が大きいほど固体高分子膜を透過するガスの流量が多くなることが知られている。したがって、固体高分子膜の両端のガス分圧差が大きい場合には、固体高分子膜を透過してアノード側からカソード側へと流出する燃料ガス透過量も多くなり、燃料ガスの漏洩を判断する際に、この燃料ガス透過量が無視できないレベルになることも想定される。
【0009】
しかしながら、特許文献1にて開示される技術では、このような燃料ガス透過量については全く考慮されていないので、燃料ガス漏洩判断に用いる閾値を大きく設定する必要があり、燃料ガス漏洩判断の精度が低くなる虞れがある。燃料ガス漏洩判断の精度が低いと、場合によっては誤った判断を行ってしまい、燃料電池システムの不要な運転停止や過大な燃料ガス漏洩を招く場合があり、燃料電池システムの信頼性を著しく損なう結果となる。
【0010】
また、特許文献1にて開示される技術では、急激な負荷変動時において、一時的な燃料ガス消費に対する燃料ガス供給の遅れによって燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなり、燃料ガス漏洩の誤診断を引き起こす可能性もある。
【0011】
本発明は、以上のような従来技術の有する課題を解決するために提案されたものであり、燃料ガスの漏洩の判断を精度良く行って、高い信頼性が得られるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【0012】
【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、電解質として固体高分子膜を有し、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を検出する燃料ガス供給量検出手段と、燃料電池スタックの出力電流を検出する出力電流検出手段と、燃料ガスの漏洩を判断する燃料ガス漏洩判断手段とを備える。そして、燃料ガス漏洩判断手段が、出力電流検出手段から検出された出力電流に基づいて燃料電池スタックにおける燃料ガス消費量を算出するとともに、燃料電池スタックのアノード側へ供給された燃料ガスが固体高分子膜を通りカソード側へ流出する燃料ガス透過量を推定し、これら燃料ガス消費量算出値及び燃料ガス透過量推定値と、パージによって燃料電池スタックから排出される燃料ガス排出量算出値、及び燃料ガス供給量検出手段により検出される燃料ガス供給量検出値とから燃料ガスの漏洩を判断することを特徴としている。
【0013】
このように、本発明の燃料電池システムでは、燃料ガス漏洩判断手段が、燃料電池スタックのアノード側から固体高分子膜を通ってカソード側へと流出する燃料ガス透過量を推定して、燃料ガス消費量やパージによる燃料ガス排出量、燃料ガス供給量に加えて、この燃料ガス透過量をも考慮して燃料ガスの漏洩を判断するようにしている。したがって、精度良い燃料ガスの漏洩判断が実現されることになる。
【0014】
また、本発明の燃料電池システムにおいては、燃料ガス漏洩判断手段が、燃料ガス消費量の算出に際して、燃料ガス供給量検出手段から燃料電池スタックまでの応答特性に対応した補正を加えたり、所定時間に対する燃料電池スタックの発電量変化の傾きが所定値以上となる急激な負荷変動時において、燃料ガスの漏洩診断を中止するようにしてもよい。これにより、急激な負荷変動時において一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなることに起因する燃料ガス漏洩の誤診断を防止することもできる。
【0015】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックのアノード側から固体高分子膜を通ってカソード側へと流出する燃料ガス透過量が推定され、この推定された燃料ガス透過量をも考慮して燃料ガスの漏洩が判断されるので、燃料ガスの漏洩の判断を精度良く行うことが可能である。また、燃料ガス消費量の算出に際して、燃料ガス供給量検出手段から燃料電池スタックまでの応答特性に対応した補正を加えたり、所定時間に対する燃料電池スタックの発電量変化の傾きが所定値以上となる急激な負荷変動時において、燃料ガスの漏洩診断を中止することにより、急激な負荷変動時において一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなることに起因する燃料ガス漏洩の誤診断も防止することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照ながら詳細に説明する。
【0017】
本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を図1に概略的に示す。この燃料電池システムは、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素との反応により発電を行う燃料電池スタック1を備えている。なお、ここでは燃料電池スタック1に供給する燃料ガスとして水素ガスを用いる、いわゆるダイレクト水素方式の燃料電池システムに本発明を適用した場合を例に挙げて説明するが、本発明は、この例に限定されるものではなく、水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いるもの等、他の方式の燃料電池システムに対しても有効に適用可能である。
【0018】
燃料電池スタック1は、燃料ガスである水素が供給されるアノード極1aと酸化剤ガスである空気が供給されるカソード極1bとが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック1の各発電セルでは、アノード極1aに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極1bにそれぞれ移動する。カソード極1bでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【0019】
燃料電池スタック1の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【0020】
燃料電池スタック1で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルのアノード極1aやカソード極1bに供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として燃料供給系及び空気供給系が設けられている。
【0021】
燃料供給系は、例えば水素供給源である水素タンク2、水素ガス供給弁3、水素供給流路4、エゼクタ5、水素循環流路6、アノード排ガス排気流路7及び水素パージバルブ8等から構成され、水素タンク2から供給される水素が、水素ガス供給弁3にて減圧され、水素供給路4及びエゼクタ5を通って、燃料電池スタック1での発電量に応じて必要な供給量だけ燃料電池スタック1のアノード極1aに送り込まれるようになっている。また、燃料電池スタック1での発電に寄与しなかった余剰分の水素は、水素循環流路6を通ってエゼクタ5により循環され、新たに水素タンク2から供給される水素と混合されて、再び燃料電池スタック1のアノード極1aに供給されるようになっている。
【0022】
また、この燃料供給系では、水素を循環させることによって燃料電池スタック1の内部や水素循環流路6内に窒素等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック1の効率低下に繋がるので、このような場合には、アノード排ガス排気流路7に設けられた水素パージバルブ8を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に系外に排出するようになっている。
【0023】
一方、空気供給系は、例えば燃料電池1のカソード極1bに空気を送り込むためのコンプレッサ及び空気供給流路と、カソード極1bから排ガスを排出するためのカソード排ガス排気流路及び排気バルブ等から構成される。なお、この空気供給系については、本発明の特徴とはあまり関わりがない部分であるので、図示及び詳細な説明は省略する。
【0024】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、水素タンク2にはタンク内圧力センサ9が設けられ、水素供給流路4中には流量センサ10が設けられている。また、燃料電池スタック1には圧力センサ11及び温度センサ12がそれぞれ設けられ、さらに燃料電池スタック1から電流を取り出す出力電流経路13には電流計14が設けられている。そして、以上の各検出手段によってそれぞれ必要な情報が検出され、検出された情報が、燃料電池システム全体の制御を行う図示しないコントロールユニットに供給されるようになっている。
【0025】
以上のように構成される燃料電池システムでは、コントロールユニットによる制御のもとで、燃料電池スタック1の発電量に応じて必要な水素ガスが水素タンク2から取り出され、水素ガス供給弁3によって減圧されて水素供給流路3を通って燃料電池スタック1のアノード極1aに供給される。ここで燃料電池スタック1のアノード極1aに供給される水素ガスの流量が図1中に示す水素供給量である。
【0026】
燃料電池スタック1のアノード極1aに供給された水素ガスは、アノード極1aにおいて水素イオンと電子とに分解されて電力として消費される。この電力として消費される水素量は燃料電池スタック1からの出力電流に相当する値となり、図1中に示す水素消費量である。また、このとき、燃料電池スタック1のアノード極1aに供給された水素ガスの一部は、固体高分子電解質膜によって仕切られるアノード極1aとカソード極1bとのガス分圧差によって、水素ガスのまま固体高分子電解質膜を透過して、アノード極1a側からカソード極1b側へと流出する。この水素ガスのまま固体高分子電解質膜を透過する水素量が、図1中に示す水素透過量である。
【0027】
また、水素パージバルブ8の開放時においては、水素ガスがアノード排ガス排気流路7から窒素等の不純物質と共に外部に排出されるが、この水素パージバルブ8の開放によって外部に排出される水素量が図1中に示すパージ時水素排出量である。
【0028】
以上のような燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の動作温度の変化や、燃料電池スタック1や燃料供給系に振動や衝撃が加わることにより、配管の継ぎ目や僅かな隙間等から分子量の小さな水素(燃料ガス)が漏洩することも想定される。そこで、本発明を適用した燃料電池システムでは、コントロールユニットに水素の漏洩を判断する機能を持たせ、水素の漏洩が発生した場合には水素供給バルブ3を閉じて水素ガスの供給を停止させるようになっている。
【0029】
ここで、上述した構成の燃料電池システムにおいて、水素漏れ量は、図1中に示した水素供給量、水素消費量、水素透過量、パージ時水素排出量から、以下のように表すことができる。
【0030】
水素漏れ量=水素供給量−(水素消費量+水素透過量+パージ時水素排出量)そして、水素消費量は、出力電流経路13に設置された電流計14によって検出される燃料電池スタック1での出力電流値に基づいて算出される。また、一般に固体高分子電解質膜を透過するガスの透過性はその両端のガスの分圧差とガスの温度に依存することが知られており、水素透過量は、燃料電池スタック1内部の圧力センサ11による検出値や温度センサ12による検出値から推定される。また、パージ時水素排出量は、燃料電池スタック1内部の圧力センサ11の検出値と水素排出量との関係などの実験結果から導き出すことができる。さらに、水素供給量は、水素供給流路4に設置された流量センサ10によって得られた検出値から知ることができる。
【0031】
したがって、コントロールユニットでは、以上のように求められる水素消費量算出値と水素透過量推定値と水素排出量算出値とを足し合わせたものと、水素供給量とを比較することによって、水素漏洩有無の判断を精度良く行うことができ、本発明を適用した燃料電池システムでは、コントロールユニットが以上のような手法で高精度な水素漏洩有無の判断を常時行って、水素の漏洩が発生した場合には水素供給バルブ3を閉じて水素ガスの供給を停止させるようにしている。
【0032】
図2は、燃料電池スタック1の急激な負荷変動時における水素供給量と水素消費量の関係を示すものである。この図2から分かるように、急激な負荷変動時には、電流取出指令後の水素消費応答に対して、供給応答にΔT(むだ時間)だけ遅れが生じる。これは、水素ガス供給弁3の応答性や、流量センサ10の応答性、水素供給流路4の配管長さ等の影響によるものである。これにより、急激な負荷変動時においては、一時的に水素供給量と水素消費量とに大きな差が生じ、水素供給量−水素消費量が水素漏洩判断の閾値を越えてしまい、水素漏洩がなく正常な運転状態であっても水素漏洩が発生したと誤診断をしてしまう可能性があった。
【0033】
そこで、本発明を適用した燃料電池システムにおいては、コントロールユニットが、水素消費量の算出を行うに際し、流量センサ10から燃料電池スタック1までの応答特性に対応した補正を加えることで、流量センサ10から燃料電池スタック1までの応答特性による水素の供給遅れの影響を小さくし、水素漏洩の検出精度を高めるようにしている。具体的には、コントロールユニットは、一時遅れやむだ時間を考慮して、水素消費量算出値をHC、一次遅れの時定数をT、比例ゲインをK、むだ時間をΔTとしたときに、水素消費量補正値を下記の式により算出する。
【0034】
HC×K/(Ts+1)×e−ΔT・s
このように水素消費量の算出を行うに際し必要な補正を加えることにより、図3に示すように、急激な負荷変動時において水素消費応答に大して供給応答がΔT(むだ時間)だけ遅れが生じた場合であっても、これに起因して水素供給量−水素消費量が水素漏洩判断の閾値を越えてしまうことがなく、水素漏洩の誤診断を有効に防止することができる。
【0035】
また、このとき、一次遅れの時定数T、比例ゲインK及びむだ時間ΔTを燃料電池スタック1の運転状態や燃料電池システムのレイアウトによって変化させるようにすれば、負荷変動の大きさが異なる場合においても水素の供給遅れの影響を小さくすることができる。これにより、水素ガス配管が長くなり、水素供給の応答遅れが大きくなっても、水素ガス経路の広範囲に亘って精度良く水素漏洩の判断を行うことができる。
【0036】
図4乃至図6は、本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示したものである。ここで、コントロールユニットは、水素透過量の推定を行うに際し、燃料電池スタック1内部の燃料ガス圧力に応じて水素ガス透過量推定値を変化させ、または燃料電池スタック1内部の温度に応じて水素ガス透過量推定値を変化させ、またはこれら双方に応じて水素ガス透過量推定値を変化させるようにしている。
【0037】
図4は、燃料電池スタック1内部の温度が一定であると仮定できる場合に、燃料電池スタック1内部の燃料ガス圧力を示す圧力センサ11からの検出値に基づいて水素透過量を推定して、水素の漏洩を判断するようにした例を示している。この例では、先ず、流量センサ10の検出値から水素供給量を求め、これをプラスの値としてカウントする。次に、電流計14によって検出される燃料電池スタック1での出力電流値に基づいて水素消費量を算出し、上述した補正を加えてマイナスの値としてカウントする。さらに、燃料電池スタック1内部の圧力センサ11の検出値に基づいてパージ時水素排出量を算出してマイナスの値としてカウントし、圧力センサ11の検出値に基づいて水素透過量を推定してマイナスの値としてカウントする。そして、それらの差し引き値が閾値を越えるか否かで水素漏洩の有無を判断する。
【0038】
図5は、燃料電池スタック1の圧力が一定であると仮定できる場合に、燃料電池スタック1内部の温度を示す温度センサ12からの検出値に基づいて水素透過量を算出して、水素の漏洩を判断するようにした例を示している。この例においても、図4に示した例と同様に、水素供給量、水素消費量、パージ時水素排出量、水素透過量の差し引き値が閾値を越えるか否かで水素漏洩の有無を判断されるが、この例では、水素透過量が温度センサ12の検出値に基づいて推定される。
【0039】
図6は、燃料電池スタック1内部の燃料ガス圧力を示す圧力センサ11からの検出値と、燃料電池スタック1内部の温度を示す温度センサ12からの検出値との双方に基づいて水素透過量を算出して、水素の漏洩を判断するようにした例を示している。この例においても、図4や図5に示した例と同様に、水素供給量、水素消費量、パージ時水素排出量、水素透過量の差し引き値が閾値を越えるか否かで水素漏洩の有無を判断されるが、この例では、水素透過量が圧力センサ11の検出値と温度センサ12の検出値との双方に基づいて推定される。
【0040】
ここで、本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実行される水素漏洩判断の一連の処理の流れを、図7のフローチャートを参照して説明する。
【0041】
燃料電池スタック1の運転が開始され、水素ガス供給弁3が開かれると(ステップS1)、水素タンク2からの水素ガスが燃料電池スタック1のアノード極1aに供給される。そして、水素ガス供給弁3が開いているのが確認された段階で、コントロールユニットによる水素漏洩判断が開始される。
【0042】
水素漏洩判断に際しては、先ず、電流計14によって燃料電池スタック1の出力電流が検出され(ステップS2)、上述した水素供給応答遅れ分により補正された水素消費量が算出される(ステップS3)。また、燃料電池スタック1内の圧力(及び/または温度)が圧力センサ11(及び/または温度センサ12)によって検出され(ステップS4)、水素ガスのカソード極1a側への透過量が推定される(ステップS5)。
【0043】
ここで、水素パージバルブ8が閉じた状態であるかどうかが確認され(ステップS6)、水素パージバルブ8が開いていれば、圧力センサ11からの検出値に基づき、実験等で得られたデータからマップ等を活用してパージ時水素排出量が算出される(ステップS7)。また、流量センサ10により水素供給量が算出され(ステップS8)、以上のように求めた水素消費量と水素透過量とパージ時水素排出量の合計と、水素供給量とを比較することによって、水素漏洩量が算出される(ステップS9)。
【0044】
そして、算出された水素漏洩量が所定の閾値以下となっているかどうかが判断され(ステップS10)、算出された水素漏洩量が閾値以下であれば、水素の漏洩がないと判断されてステップS1にリターンする。一方、算出された水素漏洩量が閾値を越えている場合には、水素の漏洩が発生していると判断して水素ガス供給弁3が閉じられ(ステップS11)、燃料電池スタック1の運転が停止されて水素漏洩判断が終了する。
【0045】
以上説明したように、本発明を適用した燃料電池システムにおいては、コントロールユニットが、燃料電池スタック1のアノード極1aから固体高分子電解質膜を透過してカソード極1b側へと流出する水素透過量を推定し、水素消費量やパージ時水素排出量、水素供給量に加えて、この水素透過量をも考慮して燃料ガスである水素の漏洩を判断するようにしているので、水素の漏洩判断を精度良く行うことができる。
【0046】
また、水素透過量は、燃料電池スタック1に設けられた圧力センサ11による検出値や温度センサ12による検出値、或いはこれら双方からの検出値に基づいて推定することができ、また水素消費量は、電流計14によって検出される燃料電池スタック1での出力電流値に基づいて算出することができ、また、パージ時水素排出量は、圧力センサ11の検出値と水素排出量との関係などの実験結果から導き出すことができ、さらに、水素供給量は、流量センサ10による検出値から求めることができるので、燃料電池システムの構成を変更することなく、精度の良い水素の漏洩判断を実現することができる。
【0047】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料電池スタック1内部の圧力の大きさに応じてカソード極1b側への水素透過量推定値を変化させるようにすれば、燃料電池スタック1の圧力が高く、水素透過量が多い状況においても、水素漏洩有無の判断を正確に行うことができる。さらに、燃料電池スタック1内部の温度に応じてカソード極1b側への水素透過量推定値を変化させるようにすれば、燃料電池スタック1の温度が高く、水素透過量が多い状況においても、水素漏洩有無の判断を正確に行うことができる。
【0048】
さらにまた、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料ガス消費量を算出する際に、流量センサ10から燃料電池スタック1までの応答特性に対応した補正を加えるようにしているので、急激な負荷変動時において一時的に水素消費量と水素供給量の差が大きくなることに起因して水素漏洩の誤診断を招くといった不都合を有効に防止することができる。このとき、燃料電池スタック1の運転状況に応じて応答特性に対応する補正値を変化させるようにすれば、燃料電池スタック1の運転状況により負荷変動の大きさが異なる場合においても、水素供給遅れの影響を小さくすることができる。
【0049】
なお、以上は本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットで水素漏洩判断を行う手法について具体的な例を挙げて説明したが、コントロールユニットが行う水素漏洩判断については、以上の例に限らず、種々の変形が可能である。例えば、以上の例では、急激な負荷変動時において一時的に水素供給量と水素消費量とに大きな差ができる状況では、燃料ガス消費量を算出する際に、流量センサ10から燃料電池スタック1までの応答特性に対応した補正を加えるようにしているが、このような状況においては水素漏洩判断を行わないようにすることも可能である。
【0050】
この場合には、コントロールユニットは、所定の時間に対する燃料電池スタック1の発電量変化の傾きを検出して、この発電量変化の傾きが所定値以上となる場合に、急激な負荷変動が生じていると判断して、水素漏洩判断を中止すればよい。このように、急激な負荷変動時には水素漏洩判断を行わないようにすることによっても、一時的に燃料ガス消費量と燃料ガス供給量の差が大きくなることに起因して、水素漏洩の誤診断が生じる不都合を有効に防止することができる。
【0051】
また、以上の例では、流量センサ10の検出値に基づいて水素ガス供給量の算出を行うようにしているが、水素ガス供給量の算出は、タンク内圧力センサ9によって検出される水素タンク2の残圧力の変化に対し、燃料電池スタック1と水素タンク2の温度差による補正を加えて行うようにしてもよい。この場合においても、コントロールユニットは、水素供給量を正確に把握することができ、水素の漏洩判断を精度良く行うことができる。
【0052】
また、以上の例では、燃料電池スタック1に設けられた圧力センサ11からの検出値に基づき、実験等で得られたデータからマップ等を活用してパージ時水素排出量を算出するようにしているが、パージ時水素排出量は、燃料電池スタック1に設けられた圧力センサ11及び温度センサ12からの検出値を用い、水素パージバルブ8の上下差圧と水素パージバルブ8の開口面積からオリフィスの式を用いて算出するようにしてもよい。この場合においても、コントロールユニットは、パージ時水素排出量を正確に把握することができ、水素の漏洩判断を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図2】急激な負荷変動時における水素供給遅れの様子を示す図である。
【図3】水素供給遅れを考慮して水素消費量を補正した場合の水素供給量−水素消費量の変化の様子を示す図である。
【図4】コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示す図であり、燃料電池スタックの温度が一定であると仮定できる場合の例を示すものである。
【図5】コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示す図であり、燃料電池スタックの圧力が一定であると仮定できる場合の例を示すものである。
【図6】コントロールユニットが水素漏洩を判断する方法を概念的に示す図であり、燃料電池スタック内部のガス圧力と温度の双方の検出値に基づいて水素透過量を推定する例を示すものである。
【図7】コントロールユニットにより実行される水素漏洩判断の一連の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 水素タンク
3 水素ガス供給弁
4 水素供給流路
8 水素パージバルブ
10 流量センサ
11 圧力センサ
12 温度センサ
14 電流計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of accurately determining leakage of fuel gas.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell system, a fuel gas containing hydrogen is supplied to an anode of a fuel cell stack, and an oxidizing gas (air) containing oxygen is supplied to a cathode, and hydrogen and oxidizing gas in these fuel gases are oxidized through an electrolyte membrane. This is to obtain generated power by electrochemically reacting oxygen in the agent gas. Such fuel cell systems are expected to be put to practical use, for example, as power sources for automobiles, and research and development for practical use are being actively conducted.
[0003]
As a fuel cell stack used in a fuel cell system, a solid polymer type fuel cell stack is known as a fuel cell stack particularly suitable for mounting on an automobile. In this solid polymer type fuel cell stack, a film-like solid polymer is provided as an electrolyte between an anode and a cathode. In the polymer electrolyte fuel cell stack, a reaction occurs in which hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons at the anode, and a reaction occurs to generate water from oxygen, hydrogen ions, and electrons at the cathode. At this time, the solid polymer membrane functions as an ion conductor, and hydrogen ions move to the cathode through the solid polymer membrane.
[0004]
By the way, in the fuel cell system which obtains the generated power by the reaction between hydrogen and oxygen as described above, it is difficult to seal completely because the molecular weight of hydrogen is small. It is assumed that fuel gas leaks from gaps or the like in the stacks constituting each power generation cell of the battery stack. For example, in the case of an in-vehicle fuel cell system, a change in the operating temperature of the fuel cell stack, or vibration or impact applied to the fuel cell stack or the fuel supply system causes fuel containing hydrogen from a joint or a slight gap in the piping. It is assumed that gas leaks.
[0005]
Therefore, in such a fuel cell system, it is extremely important to quickly and accurately determine when a fuel gas leak has occurred and to take necessary countermeasures. Various methods for judging the leakage have been studied (for example, see Patent Document 1).
[0006]
According to the technology described in
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-11-224681
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a fuel cell system using a solid polymer type fuel cell stack, it is known that the larger the gas partial pressure difference between both ends of the solid polymer membrane, the larger the flow rate of gas permeating the solid polymer membrane. I have. Therefore, when the gas partial pressure difference between both ends of the solid polymer membrane is large, the amount of permeated fuel gas permeating through the solid polymer membrane and flowing from the anode side to the cathode side also increases, and it is determined that fuel gas is leaking. In this case, it is assumed that the fuel gas permeation amount becomes a level that cannot be ignored.
[0009]
However, in the technique disclosed in
[0010]
Further, in the technique disclosed in
[0011]
The present invention has been proposed in order to solve the problems of the conventional technology as described above, and a fuel cell system capable of accurately determining fuel gas leakage to obtain high reliability. It is intended to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention has a solid polymer membrane as an electrolyte, and receives a supply of a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen to generate power, and a fuel cell stack. A fuel gas supply amount detecting means for detecting a supply amount of the fuel gas, an output current detecting means for detecting an output current of the fuel cell stack, and a fuel gas leak determining means for determining fuel gas leakage. Then, the fuel gas leak determining means calculates the fuel gas consumption in the fuel cell stack based on the output current detected from the output current detecting means, and determines whether the fuel gas supplied to the anode side of the fuel cell stack is high in solid state. The fuel gas permeation amount flowing out to the cathode side through the molecular membrane is estimated, and the fuel gas consumption amount calculation value and the fuel gas permeation amount estimation value, and the fuel gas discharge amount calculation value discharged from the fuel cell stack by purging, and Leakage of fuel gas is determined from a fuel gas supply amount detection value detected by the fuel gas supply amount detection means.
[0013]
As described above, in the fuel cell system of the present invention, the fuel gas leak determination means estimates the amount of permeated fuel gas flowing from the anode side of the fuel cell stack to the cathode side through the solid polymer membrane, and The leakage of the fuel gas is determined in consideration of the fuel gas permeation amount in addition to the consumption amount, the fuel gas discharge amount due to the purge, and the fuel gas supply amount. Therefore, accurate fuel gas leak determination is realized.
[0014]
Further, in the fuel cell system of the present invention, the fuel gas leak determining means may add a correction corresponding to the response characteristic from the fuel gas supply amount detecting means to the fuel cell stack when calculating the fuel gas consumption, or The fuel gas leak diagnosis may be stopped when the load changes abruptly when the gradient of the change in the amount of power generation of the fuel cell stack exceeds a predetermined value. This can also prevent erroneous diagnosis of fuel gas leakage caused by a temporary difference between the fuel gas consumption and the fuel gas supply during a sudden load change.
[0015]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, the permeation amount of the fuel gas flowing from the anode side of the fuel cell stack to the cathode side through the solid polymer membrane is estimated, and the estimated permeation amount of the fuel gas is also taken into consideration. Thus, the leakage of the fuel gas is determined, so that the determination of the leakage of the fuel gas can be accurately performed. Further, when calculating the fuel gas consumption, a correction corresponding to the response characteristic from the fuel gas supply amount detecting means to the fuel cell stack is added, or the inclination of the change in the power generation amount of the fuel cell stack with respect to a predetermined time becomes equal to or more than a predetermined value. Stopping the fuel gas leak diagnosis at the time of a sudden load change causes an error in the fuel gas leakage due to the temporary difference between the fuel gas consumption and the fuel gas supply at the time of the sudden load change. Diagnosis can also be prevented.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 schematically shows a main configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied. This fuel cell system includes a
[0018]
The
[0019]
As the electrolyte of the
[0020]
In order to generate power in the
[0021]
The fuel supply system includes, for example, a
[0022]
Further, in this fuel supply system, impurities such as nitrogen may be accumulated in the
[0023]
On the other hand, the air supply system includes, for example, a compressor and an air supply channel for sending air to the cathode 1b of the
[0024]
In the fuel cell system to which the present invention is applied, the
[0025]
In the fuel cell system configured as described above, under the control of the control unit, the required hydrogen gas is taken out of the
[0026]
The hydrogen gas supplied to the anode 1a of the
[0027]
When the
[0028]
In the fuel cell system as described above, a change in the operating temperature of the
[0029]
Here, in the fuel cell system having the above-described configuration, the hydrogen leakage amount can be represented as follows from the hydrogen supply amount, the hydrogen consumption amount, the hydrogen permeation amount, and the purge hydrogen discharge amount shown in FIG. .
[0030]
Hydrogen leak amount = hydrogen supply amount− (hydrogen consumption amount + hydrogen permeation amount + purging hydrogen discharge amount) Then, the hydrogen consumption amount is detected by the
[0031]
Therefore, the control unit compares the calculated value of the hydrogen consumption, the estimated value of the hydrogen permeation amount, and the calculated value of the hydrogen emission with the hydrogen supply amount to determine whether or not there is a hydrogen leak. In the fuel cell system to which the present invention is applied, the control unit constantly determines the presence / absence of high-precision hydrogen leakage using the above-described method. Closes the
[0032]
FIG. 2 shows the relationship between the amount of hydrogen supplied and the amount of hydrogen consumed when the load of the
[0033]
Therefore, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the control unit performs a calculation corresponding to the response characteristics from the
[0034]
HC × K / (Ts + 1) × e−ΔT · s
By performing the necessary correction when calculating the hydrogen consumption in this way, as shown in FIG. 3, the supply response is delayed by ΔT (dead time) much more than the hydrogen consumption response at the time of a sudden load change. Even in this case, the hydrogen supply amount-hydrogen consumption amount does not exceed the threshold value of the hydrogen leak determination due to this, and erroneous diagnosis of the hydrogen leak can be effectively prevented.
[0035]
At this time, if the time constant T of the first-order lag, the proportional gain K, and the dead time ΔT are changed depending on the operating state of the
[0036]
FIGS. 4 to 6 conceptually show a method of determining hydrogen leakage by a control unit in a fuel cell system to which the present invention is applied. Here, when estimating the hydrogen permeation amount, the control unit changes the estimated value of the hydrogen gas permeation amount according to the fuel gas pressure inside the
[0037]
FIG. 4 estimates the hydrogen permeation amount based on the detection value from the
[0038]
FIG. 5 illustrates a case where it can be assumed that the pressure of the
[0039]
FIG. 6 shows the hydrogen permeation amount based on both the detection value from the
[0040]
Here, in the fuel cell system to which the present invention is applied, a flow of a series of processes of the hydrogen leak determination executed by the control unit will be described with reference to a flowchart of FIG.
[0041]
When the operation of the
[0042]
In determining the hydrogen leakage, first, the output current of the
[0043]
Here, it is confirmed whether or not the
[0044]
Then, it is determined whether the calculated amount of hydrogen leakage is equal to or smaller than a predetermined threshold (step S10). If the calculated amount of hydrogen leakage is equal to or smaller than the threshold, it is determined that there is no hydrogen leakage and step S1 is performed. Return to On the other hand, if the calculated hydrogen leakage amount exceeds the threshold, it is determined that hydrogen leakage has occurred, the hydrogen
[0045]
As described above, in the fuel cell system to which the present invention is applied, the control unit controls the amount of hydrogen permeated from the anode 1a of the
[0046]
The amount of hydrogen permeation can be estimated based on the value detected by the
[0047]
Further, in the fuel cell system to which the present invention is applied, if the estimated value of the amount of hydrogen permeated to the cathode 1b is changed according to the pressure inside the
[0048]
Furthermore, in the fuel cell system to which the present invention is applied, when calculating the fuel gas consumption, a correction corresponding to the response characteristics from the
[0049]
In the above, a specific example of the method of performing the hydrogen leak determination in the control unit in the fuel cell system to which the present invention is applied has been described. However, the hydrogen leak determination performed by the control unit is not limited to the above example. Instead, various modifications are possible. For example, in the above example, when a large difference is temporarily generated between the hydrogen supply amount and the hydrogen consumption amount at the time of a sudden load change, when calculating the fuel gas consumption amount, the
[0050]
In this case, the control unit detects a gradient of a change in the amount of power generation of the
[0051]
In the above example, the supply amount of hydrogen gas is calculated based on the detection value of the
[0052]
Further, in the above example, based on the detection value from the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing a state of a delay in hydrogen supply when a sudden change in load occurs.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state of a change in a hydrogen supply amount-hydrogen consumption amount when a hydrogen consumption amount is corrected in consideration of a hydrogen supply delay.
FIG. 4 is a view conceptually showing a method of determining hydrogen leakage by a control unit, and shows an example in which it can be assumed that the temperature of the fuel cell stack is constant.
FIG. 5 is a diagram conceptually showing a method of determining hydrogen leakage by a control unit, and shows an example in which it can be assumed that the pressure of the fuel cell stack is constant.
FIG. 6 is a view conceptually showing a method of determining hydrogen leakage by a control unit, and shows an example of estimating a hydrogen permeation amount based on both detected values of gas pressure and temperature inside a fuel cell stack. is there.
FIG. 7 is a flowchart showing a flow of a series of processes for determining hydrogen leakage executed by the control unit.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Hydrogen tank
3 Hydrogen gas supply valve
4 Hydrogen supply channel
8 Hydrogen purge valve
10 Flow sensor
11 Pressure sensor
12 Temperature sensor
14 Ammeter
Claims (10)
前記燃料電池スタックの出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記燃料ガスの漏洩を判断する燃料ガス漏洩判断手段とを備え、
前記燃料ガス漏洩判断手段は、前記出力電流検出手段から検出された出力電流に基づいて前記燃料電池スタックにおける燃料ガス消費量を算出するとともに、前記燃料電池スタックのアノード側へ供給された燃料ガスが前記固体高分子膜を通りカソード側へ流出する燃料ガス透過量を推定し、これら燃料ガス消費量算出値及び燃料ガス透過量推定値と、パージによって前記燃料電池スタックから排出される燃料ガス排出量算出値、及び前記燃料ガス供給量検出手段により検出される燃料ガス供給量検出値とから燃料ガスの漏洩を判断することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell stack having a solid polymer membrane as an electrolyte, receiving power from a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen, and generating electricity, and a supply amount of the fuel gas to the fuel cell stack Fuel gas supply amount detecting means for detecting
Output current detection means for detecting an output current of the fuel cell stack;
Fuel gas leak determination means for determining the leakage of the fuel gas,
The fuel gas leak determination means calculates a fuel gas consumption amount in the fuel cell stack based on the output current detected from the output current detection means, and the fuel gas supplied to the anode side of the fuel cell stack is Estimating the fuel gas permeation amount flowing out to the cathode side through the solid polymer membrane, the fuel gas consumption amount calculation value and the fuel gas permeation amount estimation value, and the fuel gas discharge amount discharged from the fuel cell stack by purging A fuel cell system comprising: determining a fuel gas leak from a calculated value and a fuel gas supply amount detection value detected by the fuel gas supply amount detection means.
HC×K/(Ts+1)×e−ΔT・sThe fuel gas leak determination means calculates the fuel gas consumption correction value by the following equation when the calculated fuel gas consumption value is HC, the time constant of the first-order lag is T, the proportional gain is K, and the dead time is ΔT. The fuel cell system according to claim 5, wherein the calculation is performed.
HC × K / (Ts + 1) × e−ΔT · s
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