JP2006294504A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電解質膜の劣化判定を正確に行う燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノードから排出される排出燃料ガスを循環流路によって再びアノードに環流し、カソードの圧力をアノードの圧力よりも高くして、発電を行っている燃料電池スタックの発電電圧を検出して、検出電圧が所定電圧よりも低い場合には、水素流量と空気流量を増加させて発電電圧を検出し、その検出電圧が所定電圧よりも低い場合に、電解質膜の劣化と判定する。
【選択図】図3

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に電解質膜の劣化判定に関するものである。
従来アノードに供給する水素圧力をカソードに供給する空気圧力よりも高くし、開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)、または活性化過電圧領域における電圧を測定し、測定した電圧が所定の電圧以下であった場合に電解質膜が劣化し、ガスが漏れていると判定するものが、特許文献1に開示されている。
特開2003−045466号公報
しかし、上記の発明では、アノードの圧力をカソードの圧力よりも大きくしているので、電解質膜が劣化し、例えばカソード出口近傍に細孔が生じた場合には、カソードに混入する水素がそのまま燃料電池システムの外部へ排出される。そのため燃料電池の発電電力の変化が微小となり、電解質膜に劣化が生じても電解質膜の劣化を正確に検出することが困難である、という問題がある。
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電解質膜の劣化が生じる箇所によらず、電解質膜の劣化判定を可能とすることを目的とする。
本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極と、を有する燃料電池と、アノード電極に水素を供給する燃料ガス供給手段と、アノード電極から排出された排出水素をアノード電極に環流させる循環流路と、循環流路を流れる排出水素の流量を制御する循環流量制御手段と、カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、カソード電極の圧力をアノード電極の圧力よりも高くする圧力制御手段と、カソード電極の圧力がアノード電極の圧力よりも高い状態で、燃料電池が発電を行っているときに電解質膜の劣化判定を行う電解質膜劣化判定手段と、を備える。
本発明によると、カソード電極の圧力をアノード電極の圧力よりも高くし、アノード電極から排出された排出水素を循環流路によってアノード電極に環流させるので、電解質膜が劣化した場合に、電解質膜の劣化箇所によらずに電解質膜の劣化判定を行うことができる。
本発明の第1実施形態の燃料電池システムについて図1の概略構成図を用いて説明する。
この実施形態では燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1のアノード2に水素供給路10を介して水素を供給する水素ボンベ(燃料ガス供給手段)3と、燃料電池スタック1のカソード4に空気供給路15を介して空気(酸化剤ガス)を供給するコンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)5と、アノード2から排出された排出水素を循環させる電気駆動ポンプ(循環流量制御手段)6と、燃料電池スタック1の電圧を検出する電圧センサ7を備える。
燃料電池スタック1は単位セル30を例えば100〜200枚程度積層して構成される。単位セル30について図2に示す構成概略図を用いて説明する。
単位セル30は、電解質膜31と、電解質膜31を挟持するアノード触媒層32とカソード触媒層33と、アノード触媒層32の外側に設けたアノードガス拡散層34と、カソード触媒層33の外側に設けたカソードガス拡散層35と、を備える。また、アノードガス拡散層34の外側に設けられ、水素流路40を有するアノードセパレータ37と、カソードガス拡散層35の外側に設けられ、空気流路41を有するカソードセパレータ38を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール39を備える。なお、この実施形態ではアノード触媒層32とアノードガス拡散層34をアノード(アノード電極)2とし、カソード触媒層33とカソードガス拡散層35をカソード(カソード電極)4とする。
水素供給路10には、水素ボンベ3と循環流路11が水素供給路10と連結する箇所との間に水素ボンベ3からアノード2への水素供給流量を調整する流量制御弁13を備え、アノード2の直上流には圧力センサ(第1圧力センサ)20を備える。また、アノード2から排出された排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する水素排出路12には、燃料電池システムの外部とアノード2との連通状態を選択的に切り換える切換弁14を備える。
水素ボンベ3から供給された水素は、水素供給路10を通りアノード2に供給され、燃料電池スタック1の発電反応に利用されなかった排出水素は循環流路11を通り、再び水素流路10に供給される。なお、排出水素中に例えば窒素などの水素以外の物質が多く含まれ場合には水素排出路12から排出水素を燃料電池システムの外部へ排出する。
コンプレッサ3から供給された空気は、空気供給路15を通りカソード4に供給され、燃料電池スタック1の発電反応に使用されなかった排出空気は、空気排出路16を通り、外部へ排出される。空気排出路16にはカソード4の圧力を調整する圧力調整弁17を備える。空気供給路15のカソード4の直上流には圧力センサ21を備える。なお、空気供給路15に空気を加湿する加湿器(図示しない)を設けても良く、加湿器において空気排出路16を流れる比較的湿度の高い排出空気によって加湿しても良い。
また、流量制御弁13などを制御し、圧力センサ20、21によって検出したアノード2、カソード4の圧力により電解質膜31の劣化判定を行うコントロールユニット50を備える。
以上の構成により、燃料電池スタック1の電解質膜31の劣化判定を行うことができる。
燃料電池システムの運転時には、電解質膜31を介してカソード4の空気がアノード2に混入し、またはアノード2の水素がカソード4に混入する。例えばアノード2に空気が混入すると、アノード2の水素濃度が低下するので、燃料電池スタック1の発電効率が低下する。アノード2に混入した空気中の酸素はアノード触媒32上で水素との反応によって消費されるが、窒素は消費されない。そのためアノード2から排出される排出水素を循環流路11によってアノード2に再び供給すると、次第にアノード2から排出する排出水素中の窒素濃度が高くなり、燃料電池スタック1の発電効率が低下する。
そのため、例えば燃料電池スタック1に要求された負荷の積算量が所定値を超えると切替弁14を開き、水素排出路12から窒素濃度の高い排出水素を燃料電池システムの外部へと排出する。これによりアノード2の水素濃度の低下を抑制し、燃料電池システムの発電効率の低下を抑制する。なお、切替弁14の開閉制御はこれに限られることはなく、燃料電池システムの運転状態に応じて制御する。
しかし、電解質膜31が劣化し、例えば細孔が生じると、アノード2とカソード4とが連通し、アノード2に混入する空気量、またはカソード4に混入する水素量が増加する。そのため更に燃料電池スタック1の発電効率が低下する。
また、燃料電池スタック1にフラッディングが生じている場合にも、燃料スタック1の発電効率が低下する。
この実施形態では、電解質膜31が劣化した場合に、電解質膜31の劣化によるアノード2への空気の混入を早期に検出する。
次にこの実施形態の電解質膜31の劣化判定(電解質膜劣化判定手段)について図3のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの通常運転時には、圧力センサ20、21から検出する信号を基に流量制御弁13、電気駆動ポンプ6、圧力調整弁17を制御し、アノード2の圧力よりもカソード4の圧力が高くなるように運転を行う(流量制御弁13、電気駆動ポンプ6、圧力調整弁17が圧力制御手段を構成する)。劣化判定は予め設定された所定時間毎に行う。
ステップS100では電圧センサ7によって燃料電池スタック1の電圧Vを検出する(ステップS100が発電状態検出手段を構成する)。
ステップS101では燃料電池スタック1の電圧Vと所定電圧(目標発電状態)V1を比較し、燃料電池スタック1の電圧Vが所定電圧V1よりも低い場合にはステップS102へ進み、燃料電池スタック1の電圧Vが所定電圧V1より高い場合には燃料電池スタック1の電解質膜31が劣化していないと判定する。所定電圧V1は、燃料電池スタック1に要求される負荷毎に設定される水素と空気中の酸素による燃料電池スタック1の発電電圧であり、燃料電池スタック1の温度、測定誤差、または切替弁14の開閉による通常時の発電電圧などから設定される燃料電池スタック1の最低発電電圧である。つまり、燃料電池スタック1の電解質膜31が劣化していない場合に、燃料電池システムの運転状態によって予め設定される燃料電池スタック1の最低発電電圧である。なお所定電圧V1は予め設定されたマップから読み出す。
アノード2、カソード4において燃料電池スタック1の発電反応により生成された水、または電解質膜31の劣化によりアノード触媒層32、カソード触媒層33で生成された水によってフラッディングが生じ、このフラッディングが原因で燃料電池スタック1の発電電圧が低下している可能性がある。
ステップS102では、水素ボンベ3から供給する水素の流量と循環流路11を流れる排出水素の流量の合計流量と、コンプレッサ5から供給する空気流量とを燃料電池スタック1に要求された負荷に応じて設定された流量よりもそれぞれ多くする。以下において、水素ボンベ3から供給される水素の流量を水素流量とし、電気駆動ポンプ6によって循環流路11を循環する排出水素の流量を循環流量とし、アノード2に供給される水素流量と循環流量の合計値を燃料ガス流量とする。燃料ガス流量と空気流量を多くすることで、アノード2とカソード4を燃料ガスまたは空気によってパージする。なお、増加する燃料ガス流量と空気流量は予め設定された流量であり、アノード2とカソード4に滞留する水をパージすることができる流量である。アノード2については電気駆動ポンプ6による循環流量を多くすることで燃料ガス流量を多くする(ステップS102がパージ手段を構成する)。
ステップS103では、ステップS102において増加した燃料ガス流量と空気流量を元の流量に戻す、つまり燃料電池スタック1に要求される負荷に応じて設定された循環流量と空気流量とする。
ステップS104では、再び電圧センサ7によって燃料電池スタック1の発電電圧Vを検出する。
ステップS105では、ステップS104によって検出した燃料電池スタック1の電圧VとステップS101で比較した所定電圧V1とを比較する。そして燃料電池スタック1の電圧Vが所定電圧V1よりも低い場合にはステップS106へ進み、燃料電池スタック1の電圧Vが所定電圧V1よりも高い場合には燃料電池スタック1の電解質膜31が劣化していないと判定する。なお、燃料電池システムに要求されている負荷が変化している場合には、所定電圧V1は燃料電池システムに要求されている負荷に応じて設定する。
ステップ102で燃料ガス流量と空気流量を一旦増加してフラッディングによる燃料電池スタック1の発電の低下を防止した後に燃料ガス流量と空気流量を元に戻し、再度燃料電池スタック1の発電電圧Vと所定電圧V1とを比較することで、電解質膜31の劣化判定を正確に行うことができる。
ステップS106では電解質膜31が劣化し、カソード4からアノード2へ空気が混入し、燃料電池スタック1の発電効率が低下していると判定し、警告灯などによって電解質膜31の劣化を告知する。ステップS102によって燃料ガス流量と空気流量を増加し、アノード2、カソード4をパージするのでフラッディングによる燃料電池スタック1の電圧低下と電解質膜31の劣化による燃料電池スタック1の電圧低下とを正確に区別することができる(ステップS103からステップS106が第1劣化判定手段を構成する)。
以上の制御によってカソード4の圧力をアノード2の圧力よりも大きくし、循環流路11によって排出燃料ガスをアノード2に循環させることにより、電解質膜31の劣化箇所に関わらず、正確な電解質膜31の劣化判定をおこなうことができる。
次に燃料電池システムの停止時に行う電解質膜31の劣化判定について図4のフローチャートを用いて説明する。
ステップS200では、燃料電池システムの停止、つまり燃料電池スタック1の発電終了信号を受けると、水素ボンベ3からアノード2への水素の供給を停止し、コンプレッサ5からカソード4への空気の供給を停止する。
ステップS201では、例えば抵抗(水素消費手段)などを燃料電池スタック1に接続しアノード2に残った水素を発電反応によって燃料電池スタック1の発電電圧が所定電圧V2となるまで消費する。これによってアノード2の圧力が減少する。なお、所定電圧V2は予め設定された値であり、アノード2の水素が消費された場合の電圧である。
ステップS202では、圧力センサ20によってアノード2の圧力Pを検出し、アノードの圧力Pが所定圧力P1まで回復したかどうか判定する。そして圧力Pが所定圧力P1となるとステップS203へ進む。
ステップS203では圧力Pが所定圧力P1に回復するまでの圧力回復時間tを算出する。電解質膜31が劣化している場合には、カソード4から空気が混入するので、アノード2の圧力回復時間tが短くなる。所定圧力P1をここでは大気圧とする(ステップS203が第3時間算出手段を構成する)。
ステップS204では、ステップS203で算出した圧力回復時間tと所定時間(第3所定時間)T1とを比較し、圧力回復時間tが所定時間T1よりも短い場合にはステップS205へ進み、圧力回復時間tが所定時間T1よりも長い場合には電解質膜31が劣化していないと判定する。所定時間T1は電解質膜31が劣化していない場合に、アノード2が所定圧力P1となる圧力回復時間である。
ステップS205では、電解質膜31が劣化し、カソード4からアノード2へ空気が混入していると判定し、警告灯などによって電解質膜31の劣化を告知する(ステップS204と205が第3劣化判定手段を構成する)。
以上の制御によって燃料電池システムを停止する際にも電解質膜31の劣化判定を行うことができる。
なお、図5に示すように循環流路11に、アノード2から排出される排出燃料ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ23を備え、水素濃度に基づいてステップS105で行う電解質膜31の劣化判定を行っても良い。ここでは水素濃度の時間あたりの変化量が所定値よりも大きい場合に電解質膜31が劣化していると判定する。排出燃料ガス中の水素濃度を検出することで、電解質膜31の劣化判定をより正確に行うことができる。
本発明の第1実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、アノード2から排出された排出燃料ガスを再びアノード2に供給する循環流路11を備え、カソード4の圧力をアノード2の圧力よりも高くして、燃料電池システムを運転する。これにより電解質膜31が劣化し、例えば電解質膜31に細孔が開いた場合にはカソード4からアノード2へ空気が混入し、混入した空気は循環流路11を流れて、アノード2を循環する。そのため電解質膜31の劣化が生じた場合に、劣化が生じた箇所に関わらず、例えば水素流路40の下流側と対峙する箇所の電解質膜31が劣化し、細孔が生じた場合でも電解質膜31の劣化を検出することができる。
電解質膜31の劣化判定を行う場合に、アノード2に供給する燃料ガス流量と、カソード4に供給する空気流量を一旦増加し、アノード2とカソード4をパージした後に電解質膜31の劣化判定を行うので、フラッディングによる燃料電池スタック1の発電電圧の低下と、電解質膜31の劣化による燃料電池スタック1の発電電圧の低下とを区別し、電解質膜31の劣化判定を正確に行うことができる。
燃料電池システムの停止時に、アノード2に残った水素を消費し、圧力を低下させた後に、アノード2の圧力回復時間tを算出し、電解質膜31が劣化していない場合の回復時間である所定時間T1よりも短い場合には電解質膜31が劣化し、カソード4から空気が混入していると判定する。これよって、燃料電池システムの停止時にも電解質膜31の劣化判定を行うことができる。
次に本発明の第2実施形態について図6の概略構成図を用いて説明する。
この実施形態は、カソード4の直下流の循環流路11に圧力センサ(第2圧力センサ)22を備える。その他の構成は第1実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。この構成によって電解質膜31の劣化判定を行うことができる。
電解質膜31が劣化し、カソード4からアノード2に空気が混入すると、アノード2を循環するガス中の窒素濃度が高くなるので、アノード2を循環するガスの平均密度は水素が多い場合と比較して高くなる。この場合に電気駆動ポンプ6では抵抗が大きくなるので、ポンプ回転速度が減少し、電気駆動ポンプ6から排出される循環流量が減少するが、このような場合に一般的には電気駆動ポンプ6のポンプ回転速度を増加し、循環流量が所望する流量となるように電気駆動ポンプ6は制御される。
循環流量に基づいて電気駆動ポンプ6を制御すると、同一の循環流量でアノード2に燃料ガスを供給しても、アノード2に空気が混入していない場合の燃料ガスの密度と比較して、電解質膜31が劣化してアノード2に空気が混入している場合の燃料ガスの密度が大きくなるのでアノード2での圧力損失が大きくなる。つまりアノード2の上流と下流での圧力差が大きくなる。
この実施形態では、アノード2の上流と下流の圧力を圧力センサ20、22によって検出し、アノード2の上流と下流との圧力差を算出することで電解質膜31の劣化判定を行う。
次にこの実施形態の電解質膜31の劣化判定(電解質膜劣化判定手段)について図7のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの通常運転時には、アノード2の圧力よりもカソード4の圧力が高くなるように運転を行う。劣化判定は予め設定された所定時間毎に行う。
ステップS300では、圧力センサ20と圧力センサ22によってアノード2の上流と下流の圧力を検出し、アノード2の上流と下流の圧力差ΔPを検出する(ステップS300が発電状態検出手段を構成する)。
ステップS301では、圧力差ΔPと、予め設定された所定圧力差(目標発電状態)P2を比較する。そして圧力差ΔPが所定圧力差ΔP2よりも大きい場合には、ステップS302へ進み、圧力差ΔPが所定圧力差ΔP2よりも小さい場合には、電解質膜31が劣化しておらず、燃料電池スタック1の発電性能が低下していないと判定する。所定圧力差ΔP2は電解質膜31が劣化していない場合の燃料電池システムに要求される負荷の積算値と切替弁14の制御状態に応じて設定される圧力差であり、圧力センサ20、22などの誤差などを考慮して設定される圧力差である。
ステップS302では、アノード2に供給する燃料ガス流量とカソード4に供給する空気流量とを燃料電池スタック1に要求された負荷に応じて設定された流量よりもそれぞれ多くする。これによって例えば燃料電池スタック1の通常の発電反応により生成された水によってアノード2またはカソード4にフラッディングが生じ、このフラッディングが原因で燃料電池スタック1の発電電圧が低下している場合に、水素と空気の流量を多くすることで、アノード2とカソード4をパージすることができる。なお、増加する燃料ガス流量と空気流量は予め設定された流量であり、アノード2とカソード4に滞留する水をパージすることができる流量である。なお、アノード2については電気駆動ポンプ6による循環流量を多くする(ステップS302がパージ手段を構成する)。
ステップS303では、ステップS302において増加した燃料ガス流量と空気流量を元の流量に戻す、つまり燃料電池スタック1に要求される負荷に応じて電気駆動ポンプ6またはコンプレッサ5によって供給される循環流量と空気流量とする。
ステップS304では、再び圧力センサ20、22によってアノード2の上流と下流の圧力を検出し、圧力差ΔPを算出する。
ステップS305では、ステップS304で算出した圧力差ΔPとステップS301で比較した所定圧力差ΔP2とを比較する。そして圧力差ΔPが所定圧力差ΔP2よりも大きい場合にはステップS306へ進み、圧力差ΔPが所定圧力差ΔP2よりも小さい場合には電解質膜31が劣化していないと判定する。なお、燃料電池システムに要求されている負荷が変化している場合には、所定圧力差ΔP2は燃料電池システムに要求されている負荷に応じて設定する。
ステップS306では電解質膜31が劣化し、カソード4からアノード2へ空気がリークしていると判定し、警告灯などによって電解質膜31の劣化を告知する。ステップS102によって燃料ガス流量と空気流量を増加し、アノード2、カソード4をパージするのでフラッディングによる燃料電池スタック1の電圧低下と電解質膜31の劣化による燃料電池スタックの電圧低下とを正確に区別することができる(ステップS303からステップS306が第1劣化判定を構成する)。
また、燃料電池スタック1の温度が所定温度よりも低い場合には、電気駆動ポンプ6による循環流量を燃料電池システムに要求される負荷に応じた循環流量よりも多くしてもよい。燃料電池スタック1の温度が低い場合には、アノード2における圧力損失が小さくなるので、電気駆動ポンプ6による循環流量を増加することで、アノード2における圧力損失を大きくし、電解質膜31の劣化判定を正確に行うことができる。所定温度は、例えば実験などにより予め設定された温度である。
なお、この実施形態では通常の燃料電池システムの運転時にカソード4の圧力をアノード2の圧力よりも高くしたが、アノード2とカソード4の圧力を略同一、またはアノード2の圧力を高くしても良く、この場合には予め設定された所定時間毎にコンプレッサ5、または圧力調整弁17によってカソード4の圧力を高くして電解質膜31の劣化判定を行う。これによって燃料電池システムの通常運転時のコンプレッサ5による消費電力を少なくすることができる。
また、燃料電池スタック1に要求されている負荷が所定負荷(所定状態)よりも小さい場合にのみカソード4の圧力をアノード2の圧力よりも高くして劣化判定を行い、燃料電池スタック1に要求されている負荷が所定負荷よりも大きい場合に劣化判定を行わないようにしても良い。燃料電池スタック1に要求される負荷が大きい場合には、カソード4の昇圧に必要なコンプレッサ5の昇圧能力が大きくなるために、大型のコンプレッサ5が必要となる。しかし、燃料電池スタック1に要求される負荷が小さい場合にはカソード4の昇圧に必要なコンプレッサ5の昇圧能力に余裕があるため小型のコンプレッサ5を用いて電解質膜31の劣化判定を行うことができる。これにより燃料電池システムを小型にすることができる。
本発明の第2実施形態の効果について説明する。
電解質膜31が劣化した場合には、アノード2に供給されるガス中の窒素濃度が高くなるために燃料ガスの密度が高くなり、アノード2における圧力損失が大きくなる。そこでアノード2の上流と下流の圧力差ΔPを算出し、圧力差ΔPと所定圧力差ΔP2とを比較し、圧力差ΔPが所定圧力差ΔP2よりも大きい場合には、電解質膜31が劣化していると判定する。これによって電解質膜31の劣化判定を行うことができる。
次に本発明の第3実形態について用いて説明する。
この実施形態の構成については第2実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
この実施形態の電解質膜31の劣化判定について図8のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システムの通常運転時には、カソード4の圧力よりもアノード2の圧力が高くなるように運転を行う。
ステップS400では、圧力センサ20と圧力センサ22によってアノード2の上流と下流の圧力を検出し、アノード2の上流と下流の圧力差ΔPを検出する(ステップS400が発電状態検出手段を構成する)。
ステップS401では、圧力差ΔPと、予め設定された所定圧力差ΔP3を比較する。そして圧力差ΔPが所定圧力差ΔP3よりも大きい場合にはステップS402へ進む。所定圧力差ΔP3は、電解質膜31が劣化していない場合の燃料電池システムに要求される負荷の大きさと燃料電池システムに要求される負荷の積算値と切替弁12の制御状態に応じて設定される圧力差であり、圧力センサ20、22などの誤差などを考慮して設定される圧力差である。
ステップS402では、切替弁12を開き、排出燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排出する。また、アノード2に供給する燃料ガス流量とカソード4に供給する空気流量とを増加する。これによって例えば燃料電池スタック1の通常の発電反応により生成された水によってアノード2またはカソード4にフラッディングが生じ、このフラッディングが原因で燃料電池スタック1の発電電圧が低下している場合に、アノード2とカソード4をパージすることができる(ステップS402がパージ手段を構成する)。
ステップS403では、切替弁12を閉じ、アノード2に供給する燃料ガス流量とカソード4に供給する空気流量を予め設定された燃料ガス流量(所定流量)、空気流量とする。
ステップS404では、タイマ(図示しない)などによって切替弁12を閉じてからの時間の積算を開始する。
ステップS405では、圧力センサ20と圧力センサ22によってアノード2の上流と下流の圧力を検出し、アノード2の上流と下流との圧力差ΔPを再度検出する。そして圧力差ΔPが所定圧力差ΔP4よりも大きくなると、ステップS406へ進む。所定圧力差ΔP4は予め設定された圧力差であり、ステップS403で設定された燃料ガス流量と空気流量によって所定時間T1を経過した後に、電解質膜31が劣化している場合に生じる圧力差である。
ステップS406では、切替弁12を閉じてから圧力差ΔPが所定圧力差ΔP4を超えるまでの積算時間t1を算出する(ステップS404からステップS406が第1時間算出手段を構成する)。
ステップS407では、積算時間t1と所定時間(第1所定時間)T2とを比較し、積算時間t1が所定時間T2よりも短い場合、つまりアノード2の上流と下流との圧力差ΔPが所定圧力差ΔP4となるまでの時間が短い場合には、ステップS408へ進む。また、積算時間t1が所定時間T2よりも長い場合、つまりアノード2の圧力差ΔPが所定圧力差ΔP4となるまでの時間が長い場合には、電解質膜31が劣化していないと判定し、燃料電池スタック1の運転状態に応じて燃料ガス流量、空気流量を設定する。
ステップS408では、アノード2の上流と下流との圧力差ΔP4となるまでの積算時間t1が所定時間T2よりも短いので、電解質膜31が劣化していると判定し、警告灯などによって電解質膜31の劣化を告知する。その後、燃料電池スタック1の運転状態に応じて燃料ガス流量、空気流量を設定する。
一方、ステップS405における圧力差ΔPを検出すると同時に、ステップS409では切替弁12を閉じてからの積算時間t1を算出する。この実施形態ではステップS405とステップS409以降の制御を平行して行う。
ステップS410では、積算時間t1が所定時間(第2所定時間)T3よりも大きくなった場合には電解質膜31が劣化していないと判定する。所定時間T3は予め設定された時間であり、所定時間T2よりも長い時間である。電解質膜31に劣化が生じていない場合には、圧力差ΔPが所定圧力差ΔP4よりも大きくなるまでの時間が長くなる。そのためステップS403で設定した燃料ガス流量、空気流量を維持する時間が長くなるが、ステップS410において所定時間T3よりも積算時間t1が長くなると、ステップS406以降の制御を行わず、電解質膜31に劣化が生じていない、または電解質膜31の劣化が微小であると判定し、燃料電池スタック1の運転状態に応じて燃料ガス流量、空気流量とする。これにより、ステップS403で設定した燃料ガス流量、空気流量とする時間が長く継続されることを防ぐことができ、燃料電池スタック1の運転状態に応じた燃料ガス流量、空気流量とすることができる(ステップS409とステップS410が第2時間算出手段を構成し、ステップS405〜ステップS410が第2劣化判定手段を構成する)。
以上のように、切替弁12を閉じた後に、アノード2の上流と下流との圧力差ΔPが所定圧力差ΔP4を超えるまでの積算時間t1が所定時間T2よりも短い場合には電解質膜31が劣化していると判定する。また、積算時間t1が所定時間T2よりも長い場合、または切替弁12が閉じてからの積算時間t1が所定時間T3よりも長くなった場合には、電解質膜31に劣化が生じていない、または劣化が微小であると判定する。
なお、この実施形態ではステップS402において切替弁12によって排出燃料ガスを燃料電池システムの外部へ排出したが、燃料ガス流量、空気流量を一旦設定する流量に低下させ、その後ステップS403に示す設定する燃料ガス流量と空気流量を増加させても良い。
本発明の第3実施形態の効果について説明する。
この実施形態では、所定圧力差ΔP4となるまでの積算時間t1を算出し、積算時間t1と、電解質膜31が劣化している場合に所定圧力差ΔP4となるまでの所定時間T2と、を比較することで、電解質膜31の劣化判定を行うことができる。
また、積算時間t1が所定時間T2よりも長い所定時間T3よりも長くなった場合には電解質膜31が劣化していない、または劣化が微小であると判定することで、燃料ガス流量、空気流量を燃料電池の運転状態に応じた流量とすることができる。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
例えば燃料電池を搭載した燃料電池自動車に利用することができる。
本発明の第1実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第1実施形態の単位セルの概略説明図である。 本発明の第1実施形態の電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態の燃料電池システム停止時に行う電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態の燃料電池システムの変更例を示す概略構成図である。 本発明の第2実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第2実施形態の電解質膜劣化判定を示すフローチャートである。 本発明の第3実施形態の電解質膜劣化判定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 アノード(アノード電極)
3 水素ボンベ(水素供給手段)
4 カソード(カソード電極)
5 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段)
6 電気駆動ポンプ
7 電圧センサ
11 循環流路
20 圧力センサ(第1圧力センサ)
21 圧力センサ(第2圧力センサ)
22 圧力センサ
30 単位セル
31 電解質膜
50 コントロールユニット

Claims (10)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極と、を有する燃料電池と、
    前記アノード電極に水素を供給する燃料ガス供給手段と、
    前記アノード電極から排出された排出水素を前記アノード電極に環流させる循環流路と、
    前記循環流路を流れる前記排出水素の流量を制御する循環流量制御手段と、
    前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    前記カソード電極の圧力を前記アノード電極の圧力よりも高くする圧力制御手段と、
    前記カソード電極の圧力が前記アノード電極の圧力よりも高い状態で、前記燃料電池が発電を行っているときに前記電解質膜の劣化判定を行う電解質膜劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記電解質膜劣化判定手段は、
    前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
    前記燃料電池の発電状態が前記燃料電池の目標発電状態に達していない場合に、前記アノード電極と前記カソード電極をパージするパージ手段と、
    前記パージ手段によって前記アノード電極と前記カソード電極をパージした後に、前記燃料電池の発電状態が前記目標発電状態に達していない場合に前記電解質膜が劣化していると判定する第1劣化判定手段と、を備え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。
  3. 前記発電状態検出手段は、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記発電状態検出手段は、
    前記アノード電極の上流の圧力を検出する第1圧力センサと、
    前記アノード電極の下流の圧力を検出する第2圧力センサと、を備え、
    前記アノード電極の上流と下流との圧力差を算出することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
  5. 前記電解質膜劣化判定手段は、
    前記アノード電極の上流の圧力を検出する第1圧力センサと、
    前記アノード電極の下流の圧力を検出する第2圧力センサと、
    前記アノード電極の上流と下流の圧力差が目標圧力差に達していない場合に、前記アノード電極と前記カソード電極をパージするパージ手段と、
    前記パージ手段によって前記アノード電極と前記カソード電極をパージした後に、前記アノード電極に供給する前記水素を含んだ燃料ガスの流量と前記酸化剤ガスの流量とを各所定流量とし、前記圧力差が所定圧力差となるまでの時間を算出する第1時間算出手段と、
    前記時間が第1所定時間よりも短い場合に前記電解質膜が劣化していると判定する第2劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
  6. 前記パージ手段によって前記アノード電極と前記カソード電極をパージした後に、前記アノード電極に供給する前記水素を含んだ燃料ガスの流量と前記酸化剤ガスの流量とを各所定流量としてからの時間を算出する第2時間算出手段を備え、
    前記第2劣化判定手段は、前記第2時間算出手段によって算出した前記時間が、第1所定時間よりも大きい第2所定時間よりも長い場合に前記電解質膜が劣化していないと判定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。
  7. 前記循環流量制御手段は、前記燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合に前記循環流量を、前記所定温度よりも高い場合に設定する前記循環流量よりも多くすることを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  8. 前記圧力制御手段は、前記目標発電状態が所定状態よりも大きい場合には前記アノード電極の圧力を前記カソード電極の圧力よりも高くし、
    前記目標発電状態が所定状態よりも大きい場合には前記電解質膜劣化判定手段による前記電解質膜の劣化判定を行わないことを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  9. 前記電解質膜劣化判定手段は、
    前記アノード電極の圧力を検出する圧力センサと、
    前記燃料電池の発電終了時に、前記アノード電極の水素を消費する水素消費手段と、
    前記水素消費手段によって前記アノード電極の水素を消費した後に前記アノード電極の圧力が所定圧力となるまでの時間を算出する第3時間算出手段と、
    前記第3時間算出手段によって算出した前記時間が第3所定時間よりも短い場合に前記電解質膜が劣化していると判定する第3劣化判定手段と、を備えたことを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  10. 前記圧力制御手段は、所定の時間毎に前記カソード電極の圧力を前記アノード電極の圧力よりも高くし、
    前記所定の時間毎に前記電解質膜劣化判定手段による前記電解質膜の劣化判定を行うことを特徴とする請求項1から9のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
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