JP2008034380A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は燃料電池システムおよびその運転方法に関し、より特定的には、保護機能を備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof, and more particularly to a fuel cell system having a protection function and an operation method thereof.
燃料電池システムでは、水溶液ポンプによって燃料水溶液が燃料電池のアノードに、エアポンプによって酸素を含む空気が燃料電池のカソードにそれぞれ供給される。水溶液ポンプは、電気エネルギで駆動されるモータの回転動力をポンプ本体に回転軸を介して伝達することによって駆動される。ここで、回転軸が折れてモータの動力がポンプ本体に伝達されなくなると燃料水溶液の供給が停止するといった異常や、モータの劣化によりモータの性能が低下すると燃料水溶液の供給量が減少するといった異常が想定される。 In the fuel cell system, the aqueous fuel solution is supplied to the anode of the fuel cell by the aqueous solution pump, and the air containing oxygen is supplied to the cathode of the fuel cell by the air pump. The aqueous solution pump is driven by transmitting the rotational power of a motor driven by electric energy to the pump body via a rotating shaft. Here, when the rotating shaft breaks and the power of the motor is not transmitted to the pump body, the supply of the aqueous fuel solution stops, or the supply amount of the aqueous fuel solution decreases when the motor performance deteriorates due to deterioration of the motor. Is assumed.
このような異常が発生するとアノードに燃料が偏在し電解質膜が劣化してしまう。また、燃料水溶液の供給量が減少すると燃料電池の出力が低下するといった問題が発生する。 When such an abnormality occurs, fuel is unevenly distributed in the anode and the electrolyte membrane is deteriorated. Further, when the supply amount of the aqueous fuel solution decreases, there arises a problem that the output of the fuel cell decreases.
また、燃料水溶液の流路としてのパイプが折れるといった異常や、上記パイプに穴が開くといった異常も想定される。このような異常が発生すると、燃料水溶液の供給が停止したり減少したりすることによって、上記のポンプの異常時と同様の問題が発生する。 Also, an abnormality such as a broken pipe as a flow path of the aqueous fuel solution or an abnormality such as a hole in the pipe is assumed. When such an abnormality occurs, the supply of the aqueous fuel solution stops or decreases, thereby causing the same problem as when the pump is abnormal.
燃料水溶液の流路に配置された流量センサや圧力センサの検出結果に基づいて上記の異常を判定することが考えられる。特許文献1には燃料電池冷却系の異常を冷媒流量および冷媒圧力に基づいて検出する燃料電池システムが開示されている。
しかし、特許文献1に開示されている技術を水溶液供給手段の異常を判定するために用いると、新たに流量検出のためのセンサと圧力検出のためのセンサとを設けなければならない。
However, if the technique disclosed in
それゆえにこの発明の主たる目的は、異常判定用の新たなセンサを設けることなく水溶液供給手段の異常を判定することができる、燃料電池システムおよびその運転方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a main object of the present invention is to provide a fuel cell system and its operating method capable of determining an abnormality of an aqueous solution supply means without providing a new sensor for determining an abnormality.
上述の目的を達成するために、燃料電池、燃料電池に燃料水溶液を供給するための水溶液供給手段、水溶液供給手段に設けられ、燃料水溶液の物理的特性に基づいて燃料水溶液の濃度情報を検出する濃度検出手段、および濃度検出手段の検出結果に基づいて水溶液供給手段の異常を判定する判定手段を備える、燃料電池システムが提供される。 In order to achieve the above object, the fuel cell, the aqueous solution supply means for supplying the aqueous fuel solution to the fuel cell, and the aqueous solution supply means are provided to detect the concentration information of the aqueous fuel solution based on the physical characteristics of the aqueous fuel solution. A fuel cell system is provided that includes a concentration detection unit and a determination unit that determines an abnormality of the aqueous solution supply unit based on a detection result of the concentration detection unit.
また、燃料電池と燃料電池に燃料水溶液を供給するための水溶液供給手段とを含む燃料電池システムの運転方法であって、燃料水溶液の物理的特性に基づいて燃料水溶液の濃度情報を検出する濃度検出工程、および濃度検出工程での検出結果に基づいて水溶液供給手段の異常を判定する判定工程を備える、燃料電池システムの運転方法が提供される。 A method for operating a fuel cell system comprising a fuel cell and an aqueous solution supply means for supplying an aqueous fuel solution to the fuel cell, wherein the concentration detection detects concentration information of the aqueous fuel solution based on physical characteristics of the aqueous fuel solution There is provided a method for operating a fuel cell system, comprising a determination step for determining an abnormality of the aqueous solution supply means based on the detection result in the step and the concentration detection step.
上述の発明では、水溶液供給手段、たとえば流路に異常が発生し、燃料水溶液中に外部から空気が混入し、濃度検出手段に気体が導入されてしまうと、燃料水溶液の物理的特性を利用した濃度情報の検出が不能となる。この現象を利用することによって濃度情報の検出結果に基づいて水溶液供給手段の異常を判定することができる。特に、水溶液供給手段のうち濃度検出手段(濃度検出箇所)より上流側の異常を好適に検出することができる。また、このように燃料濃度の検出結果を利用するので、異常検出用に新たなセンサを設けることなく水溶液供給手段の異常を判定することができる。 In the above-described invention, when an abnormality occurs in the aqueous solution supply unit, for example, the flow path, air is mixed into the aqueous fuel solution from the outside, and gas is introduced into the concentration detection unit, the physical characteristics of the aqueous fuel solution are used. The density information cannot be detected. By utilizing this phenomenon, the abnormality of the aqueous solution supply means can be determined based on the detection result of the concentration information. In particular, an abnormality upstream of the concentration detection means (concentration detection location) in the aqueous solution supply means can be suitably detected. Further, since the detection result of the fuel concentration is used in this way, it is possible to determine the abnormality of the aqueous solution supply means without providing a new sensor for detecting the abnormality.
好ましくは、水溶液供給手段は水溶液ポンプを含み、濃度検出手段は、水溶液供給手段のうち水溶液ポンプの停止時に気体が存在する位置に設けられる。この場合、水溶液ポンプが異常により停止すると、燃料水溶液を濃度検出手段に供給できなくなりあるいは供給量が減少し、濃度検出手段に気体が導入されてしまう。その結果、燃料水溶液の物理的特性を利用した濃度情報の検出が不能となる。この現象を利用することによって濃度情報の検出結果に基づいて水溶液供給手段の異常を判定することができる。特に、水溶液ポンプの異常を好適に検出することができる。 Preferably, the aqueous solution supply means includes an aqueous solution pump, and the concentration detection means is provided in the aqueous solution supply means at a position where gas is present when the aqueous solution pump is stopped. In this case, if the aqueous solution pump stops due to an abnormality, the aqueous fuel solution cannot be supplied to the concentration detection means, or the supply amount decreases, and gas is introduced into the concentration detection means. As a result, it becomes impossible to detect the concentration information using the physical characteristics of the aqueous fuel solution. By utilizing this phenomenon, the abnormality of the aqueous solution supply means can be determined based on the detection result of the concentration information. In particular, an abnormality of the aqueous solution pump can be detected suitably.
また好ましくは、水溶液供給手段は、燃料電池に供給すべき燃料水溶液を保持する水溶液保持手段、燃料電池につながる主流路、および主流路から分岐し気体源に接続される副流路を含み、濃度検出手段は、水溶液ポンプの停止時に水溶液保持手段の液面より高い位置に設けられる。この場合、水溶液ポンプが異常により停止すると、気体源からの気体が副流路を介して主流路に導入され、主流路の液面を水溶液保持手段の液面まで低下させる。これにより、濃度検出手段には気体が導入され、水溶液ポンプの異常を容易に検出できる。 Preferably, the aqueous solution supply means includes an aqueous solution holding means for holding an aqueous fuel solution to be supplied to the fuel cell, a main flow path connected to the fuel cell, and a sub flow path branched from the main flow path and connected to a gas source, The detection means is provided at a position higher than the liquid level of the aqueous solution holding means when the aqueous solution pump is stopped. In this case, when the aqueous solution pump stops due to an abnormality, the gas from the gas source is introduced into the main channel via the sub-channel, and the liquid level of the main channel is lowered to the level of the aqueous solution holding means. Thereby, gas is introduced into the concentration detection means, and abnormality of the aqueous solution pump can be easily detected.
さらに好ましくは、濃度検出手段は副流路に設けられる。この場合、副流路に燃料水溶液を流入させることによって、燃料水溶液の流速を小さくした状態でまたは燃料水溶液を止めて濃度情報を検出できる。これによって燃料電池への燃料水溶液の供給を止めずに精度よく水溶液ポンプの異常を検出することができる。 More preferably, the concentration detection means is provided in the sub-flow channel. In this case, the concentration information can be detected by flowing the aqueous fuel solution into the sub-flow channel in a state where the flow rate of the aqueous fuel solution is reduced or by stopping the aqueous fuel solution. As a result, it is possible to accurately detect an abnormality of the aqueous solution pump without stopping the supply of the aqueous fuel solution to the fuel cell.
好ましくは、燃料電池システムは副流路への燃料水溶液の流入を制御する流入制御手段をさらに備える。この場合、主流路から副流路に流入される燃料水溶液の量を容易に制御できる。このため、主流路内の燃料水溶液を燃料電池へ円滑に供給しつつ、副流路で水溶液ポンプの異常を円滑に検出できる。 Preferably, the fuel cell system further includes inflow control means for controlling inflow of the aqueous fuel solution into the sub-flow path. In this case, it is possible to easily control the amount of the aqueous fuel solution flowing from the main channel into the sub channel. For this reason, it is possible to smoothly detect an abnormality of the aqueous solution pump in the sub-channel while smoothly supplying the aqueous fuel solution in the main channel to the fuel cell.
また好ましくは、気体源は水溶液保持手段の気層である。この場合、副流路を水溶液保持手段の気層に接続するだけで容易に気体源が得られる。 Preferably, the gas source is a gas layer of the aqueous solution holding means. In this case, a gas source can be easily obtained simply by connecting the sub-flow channel to the gas layer of the aqueous solution holding means.
さらに好ましくは、水溶液供給手段は、燃料電池に供給すべき燃料水溶液を保持する水溶液保持手段を含み、燃料水溶液を燃料電池に循環供給可能に構成される。この発明は、このように燃料水溶液を燃料電池に循環供給可能な燃料電池システムに好適に用いられる。 More preferably, the aqueous solution supply means includes an aqueous solution holding means for holding an aqueous fuel solution to be supplied to the fuel cell, and is configured to be able to circulate and supply the aqueous fuel solution to the fuel cell. The present invention is suitably used for a fuel cell system capable of circulatingly supplying an aqueous fuel solution to the fuel cell in this way.
なお、上述のように水溶液供給手段が燃料水溶液を循環供給可能に構成される場合において、「濃度検出手段の上流」とは、濃度検出手段から水溶液保持手段を介して燃料電池のアノード出口までをいう。 In the case where the aqueous solution supply unit is configured to be able to circulate and supply the aqueous fuel solution as described above, “upstream of the concentration detection unit” means from the concentration detection unit to the anode outlet of the fuel cell via the aqueous solution holding unit. Say.
好ましくは、水溶液保持手段内の液量を検出する液量検出手段をさらに備え、判定手段は、濃度検出手段の検出結果と液量検出手段の検出結果とに基づいて水溶液供給手段の異常を判定する。このように水溶液保持手段の液量検出結果をも考慮することによって、水溶液供給手段の異常をより正確に判定できる。特に、水溶液保持手段から濃度検出手段(濃度検出箇所)までの間の異常を好適に検出できる。 Preferably, the apparatus further comprises a liquid amount detection means for detecting the liquid amount in the aqueous solution holding means, and the determination means determines an abnormality of the aqueous solution supply means based on the detection result of the concentration detection means and the detection result of the liquid amount detection means. To do. In this way, the abnormality of the aqueous solution supply means can be more accurately determined by taking into account the liquid amount detection result of the aqueous solution holding means. In particular, an abnormality between the aqueous solution holding means and the concentration detection means (concentration detection location) can be suitably detected.
また好ましくは、濃度検出手段は、超音波を発信する発信部と超音波を受信する受信部とを含む超音波センサである。この場合、発信部からの超音波を受信部で受信して得られる超音波の伝搬時間(伝搬速度)に基づいて燃料水溶液の濃度情報が検出される。しかし、水溶液供給手段に異常が発生すると、発信部と受信部との間に気体が導入されてしまい濃度情報を検出できなくなる。したがって、超音波センサを利用することによって水溶液供給手段の異常を簡単かつ確実に判定することができる。 Preferably, the concentration detection means is an ultrasonic sensor including a transmission unit that transmits ultrasonic waves and a reception unit that receives ultrasonic waves. In this case, the concentration information of the aqueous fuel solution is detected based on the propagation time (propagation speed) of the ultrasonic wave obtained by receiving the ultrasonic wave from the transmission unit at the reception unit. However, if an abnormality occurs in the aqueous solution supply means, gas is introduced between the transmitter and the receiver, and concentration information cannot be detected. Therefore, the abnormality of the aqueous solution supply means can be easily and reliably determined by using the ultrasonic sensor.
好ましくは、燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給手段、および判定手段の判定結果に基づいて空気供給手段の動作を制御する空気供給制御手段をさらに備える。水溶液供給手段に異常があり燃料水溶液が供給されないまたは供給量が低下した状態で空気を供給すると、燃料電池の一部分で燃料水溶液が不足し、燃料電池の発電反応に偏りが生じてしまう。これは電解質膜の劣化を引き起こす原因となる。このため、水溶液供給手段が異常と判定された場合、空気供給手段を停止させることによって電解質膜の劣化を防止することができる。また、起動時において、濃度情報の検出結果に基づいて水溶液供給手段に異常が無いことを確認してから空気供給手段を駆動するように制御すると、確実に電解質膜の劣化を防止することができる。 Preferably, air supply means for supplying air containing oxygen to the fuel cell, and air supply control means for controlling the operation of the air supply means based on the determination result of the determination means are further provided. If air is supplied in a state where the aqueous solution supplying means is abnormal and the aqueous fuel solution is not supplied or the supply amount is reduced, the aqueous fuel solution is insufficient in a part of the fuel cell, and the power generation reaction of the fuel cell is biased. This causes deterioration of the electrolyte membrane. For this reason, when it is determined that the aqueous solution supply means is abnormal, the deterioration of the electrolyte membrane can be prevented by stopping the air supply means. In addition, when the air supply unit is controlled to be driven after confirming that there is no abnormality in the aqueous solution supply unit based on the detection result of the concentration information at the time of start-up, the deterioration of the electrolyte membrane can be surely prevented. .
また好ましくは、判定手段の判定結果を報知する報知手段をさらに備える。水溶液供給手段の異常を報知することによって燃料電池システムの利便性が向上する。 Preferably, the information processing apparatus further includes notification means for notifying the determination result of the determination means. By notifying the abnormality of the aqueous solution supply means, the convenience of the fuel cell system is improved.
燃料電池システムを輸送機器に搭載する場合には、構成部品を少なくしシステムを小さくすることが望まれる。この発明では、異常判定用の新たなセンサを設けることなく水溶液供給手段の異常を判定でき、構成部品を増やすことなくシステムを小さく構成できる。このため、この発明は輸送機器に好適に用いられる。 When the fuel cell system is mounted on transportation equipment, it is desirable to reduce the number of components and the system. In this invention, it is possible to determine the abnormality of the aqueous solution supply means without providing a new sensor for abnormality determination, and it is possible to configure the system small without increasing the number of components. For this reason, this invention is used suitably for transportation equipment.
この発明によれば、燃料水溶液の濃度情報の検出結果を利用することによって、異常判定用の新たなセンサを設けることなく水溶液供給手段の異常を判定することができる。 According to the present invention, by using the detection result of the concentration information of the aqueous fuel solution, it is possible to determine the abnormality of the aqueous solution supply means without providing a new sensor for determining the abnormality.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。ここでは、この発明の燃料電池システム100を、輸送機器の一例である自動二輪車10に搭載した場合について説明する。
まず、自動二輪車10について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、自動二輪車10のシートにドライバーがそのハンドル24に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, a case where the
First, the
図1を参照して、自動二輪車10は車体フレーム12を有する。車体フレーム12は、ヘッドパイプ14、ヘッドパイプ14から後方へ斜め下方に延びる縦断面I字型のフロントフレーム16、フロントフレーム16の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム18、およびリヤフレーム18の上端部に取り付けられるシートレール20を備えている。
Referring to FIG. 1, a
フロントフレーム16は、上下方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びかつ左右方向に対して直交する板状部材16aと、それぞれ板状部材16aの上端縁および下端縁に形成されかつ左右方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びるフランジ部16bおよび16cと、板状部材16aの両表面に突設される補強リブ16dとを備えている。補強リブ16dは、フランジ部16bおよび16cと共に板状部材16aの両表面を区画して、後述する燃料電池システム100の構成部材を収納する収納スペースを形成している。
The
一方、リヤフレーム18は、それぞれ前後方向に幅を有して後方へ斜め上方に延びかつフロントフレーム16の後端部を挟むように左右に配置される一対の板状部材を含む。なお、図1には、リヤフレーム18の左側の板状部材が示されている。
On the other hand, the
ヘッドパイプ14内には、車体方向変更用のステアリング軸22が回動自在に挿通されている。ステアリング軸22の上端にはハンドル24が固定されたハンドル支持部26が取り付けられている。ハンドル支持部26の上端には表示操作部28が配置されている。
A steering
図3をも参照して、表示操作部28は、自動二輪車10を駆動する電動モータ44(後述)の各種データを計測表示するためのメータ28a、走行状態等の各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成される表示部28b、および各種指示や各種情報入力用の入力部28cを一体的に設けたものである。入力部28cには、リレー176を切り替えることで電動モータ44等の外部負荷とセルスタック102および二次電池126(後述)とを接続するための始動ボタン30a、運転停止指示後にセルスタック102の発電停止を指示するための停止ボタン30b、および停止ボタン30bを点灯させるためのバックライト30cが設けられている。
Referring also to FIG. 3, the
また、図1に示すように、ステアリング軸22の下端には左右一対のフロントフォーク32が取り付けられており、フロントフォーク32それぞれの下端には、前輪34が前車軸36を介して取り付けられている。前輪34は、フロントフォーク32によって緩衝懸架された状態で前車軸36によって回転自在に軸支されている。
As shown in FIG. 1, a pair of left and right
一方、リヤフレーム18の上端部には、前後方向に延びるフレーム状のシートレール20がたとえば溶接によって固設されている。シートレール20上には図示しないシートが開閉自在に設けられている。
On the other hand, a frame-
また、リヤフレーム18の下端部には、スイングアーム(リヤアーム)38がピボット軸40を介して揺動自在に支持されている。スイングアーム38の後端部38aには、後輪42に連結されかつ後輪42を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ44が内蔵されている。また、スイングアーム38には、電動モータ44に電気的に接続される駆動ユニット46が内蔵されている。駆動ユニット46は、電動モータ44の回転駆動を制御するためのコントローラ48、および二次電池126の蓄電量を検出する蓄電量検出器50を含む。スイングアーム38および後輪42は、図示しないリヤクッションによってリヤフレーム18に対して緩衝懸架されている。
A swing arm (rear arm) 38 is swingably supported on the lower end portion of the
このような自動二輪車10には、車体フレーム12に沿って燃料電池システム100の構成部材が配置されている。燃料電池システム100は、電動モータ44や補機類等を駆動するための電気エネルギを生成する。
In such a
以下、図1および図2を参照して、燃料電池システム100について説明する。
燃料電池システム100は、メタノール(メタノール水溶液)を改質せずにダイレクトに電気エネルギの生成(発電)に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
Hereinafter, the
The
燃料電池システム100は、燃料電池セルスタック(以下、単にセルスタックという)102を含む。図1に示すように、セルスタック102は、フランジ部16cから吊るされ、フロントフレーム16の下方に配置されている。
The
図2に示すように、セルスタック102は、メタノールに基づく水素イオンと酸素との電気化学反応によって発電できる燃料電池(燃料電池セル)104を、セパレータ106を挟んで複数個積層(スタック)して構成されている。セルスタック102を構成する各燃料電池104は、固体高分子膜等から構成される電解質膜104aと、電解質膜104aを挟んで互いに対向するアノード(燃料極)104bおよびカソード(空気極)104cとを含む。アノード104bおよびカソード104cはそれぞれ、電解質膜104a側に設けられる白金触媒層を含む。
As shown in FIG. 2, the
また、図1に示すように、フロントフレーム16の下方でありかつセルスタック102の上方には、ラジエータユニット108が配置されている。ラジエータユニット108は、その前面が下向きに配置され、走行時に風を十分に受けることができる。
Further, as shown in FIG. 1, a
図2に示すように、ラジエータユニット108は、水溶液用のラジエータ108aと気液分離用のラジエータ108bとを一体的に設けたものである。ラジエータユニット108の裏面側には、ラジエータ108aを冷却するためのファン110と、ラジエータ108bを冷却するためのファン112(図3参照)とが設けられている。なお、図1においては、ラジエータ108aと108bとが左右に配置されているものとし、左側のラジエータ108aを冷却するためのファン110が示されている。
As shown in FIG. 2, the
また、リヤフレーム18の一対の板状部材の間には、上方から順に燃料タンク114、水溶液タンク116および水タンク118が配置されている。
Further, a
燃料タンク114は、シートレール20の下側に配置され、シートレール20の後端部に取り付けられている。燃料タンク114は、セルスタック102の電気化学反応の燃料となる高濃度(たとえば、メタノールを約50wt%含む)のメタノール燃料(高濃度メタノール水溶液)を収容している。燃料タンク114にはレベルセンサ120が装着され、燃料タンク114内のメタノール燃料の液面の高さひいては液量が検出される。
The
水溶液タンク116は、燃料タンク114の下側に配置され、リヤフレーム18に取り付けられている。水溶液タンク116は、燃料タンク114からのメタノール燃料をセルスタック102の電気化学反応に適した濃度(たとえば、メタノールを約3wt%含む)に希釈したメタノール水溶液を収容している。水溶液タンク116にはレベルセンサ122が装着され、水溶液タンク116内のメタノール水溶液の液面の高さひいては液量が検出される。
The
水タンク118は、セルスタック102の後側に配置され、リヤフレーム18に取り付けられている。水タンク118にはレベルセンサ124が装着され、水タンク118内の水面の高さひいては水量が検出される。
The
また、燃料タンク114の前側でありかつフロントフレーム16のフランジ部16bの上側には、二次電池126が配置されている。二次電池126は、セルスタック102からの電力を蓄え、コントローラ142(後述)の指令に応じて電気構成部材に電力を供給する。
Further, a
二次電池126の上側かつシートレール20の下側には、燃料ポンプ128が配置されている。また、燃料タンク114の前側かつ二次電池126の後方斜め上側には、キャッチタンク130が配置されている。
A
フロントフレーム16とセルスタック102とラジエータユニット108とによって囲まれた空間には、気体に含まれる塵等の異物を除去するためのエアフィルタ132が配置され、エアフィルタ132の後方斜め下側には水溶液フィルタ134が配置されている。
In a space surrounded by the
フロントフレーム16の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ136およびエアポンプ138が収納されている。エアポンプ138の左側にはエアチャンバ140が配置されている。
In the storage space on the left side of the
フロントフレーム16の右側の収納スペースには、コントローラ142、防錆用バルブ144および水ポンプ146が配置されている。
In the storage space on the right side of the
フロントフレーム16には、フロントフレーム16の収納スペースを右側から左側に貫通するようにメインスイッチ148が設けられている。メインスイッチ148がオンされることによってコントローラ142に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ148がオフされることによってコントローラ142に運転停止指示が与えられる。
The
図2に示すように、燃料タンク114と燃料ポンプ128とはパイプP1によって連通され、燃料ポンプ128と水溶液タンク116とはパイプP2によって連通され、水溶液タンク116と水溶液ポンプ136とはパイプP3によって連通され、水溶液ポンプ136と水溶液フィルタ134とはパイプP4によって連通され、水溶液フィルタ134とセルスタック102とはパイプP5によって連通されている。パイプP5はセルスタック102のアノード入口I1に接続され、水溶液ポンプ136を駆動させることによってセルスタック102にメタノール水溶液が供給される。セルスタック102のアノード入口I1付近にはメタノール水溶液の温度を検出する温度センサ150が設けられている。温度センサ150がセルスタック102内を流れるメタノール水溶液の温度を検出することによって、セルスタック102の温度を検出できる。
As shown in FIG. 2, the
セルスタック102と水溶液用のラジエータ108aとはパイプP6によって連通され、ラジエータ108aと水溶液タンク116とはパイプP7によって連通されている。パイプP6はセルスタック102のアノード出口I2に接続されている。
上述したパイプP1〜P7は主として燃料の流路となる。
The
The pipes P1 to P7 described above mainly serve as fuel flow paths.
また、エアフィルタ132とエアチャンバ140とはパイプP8によって連通され、エアチャンバ140とエアポンプ138とはパイプP9によって連通され、エアポンプ138と防錆用バルブ144とはパイプP10によって連通され、防錆用バルブ144とセルスタック102とはパイプP11によって連通されている。パイプP11はセルスタック102のカソード入口I3に接続されている。燃料電池システム100の発電時には防錆用バルブ144を開いておき、その状態でエアポンプ138を駆動させることによって、酸素を含む空気が外部から吸入される。防錆用バルブ144は、燃料電池システム100の停止時には閉じられており、エアポンプ138への水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ138の錆を防止する。エアフィルタ132付近には、外気温度を検出する外気温度センサ152が設けられている。
Further, the
セルスタック102と気液分離用のラジエータ108bとはパイプP12によって連通され、ラジエータ108bと水タンク118とはパイプP13によって連通され、水タンク118にはパイプ(排気管)P14が設けられている。
上述したパイプP8〜P14は主として酸化剤の流路となる。
The
The pipes P8 to P14 described above mainly serve as an oxidant flow path.
さらに、水タンク118と水ポンプ146とはパイプP15によって連通され、水ポンプ146と水溶液タンク116とはパイプP16によって連通されている。
上述したパイプP15,P16は水の流路となる。
Further, the
The pipes P15 and P16 described above serve as a water flow path.
また、パイプP4の分岐部Aには、パイプP4を流れるメタノール水溶液の一部が流入するようにパイプP17が接続されている。パイプP17には超音波センサ154が取り付けられている。超音波センサ154は、メタノール濃度に応じて超音波の伝搬時間(伝搬速度)が変化することを利用して、メタノール水溶液のメタノール濃度(メタノール水溶液におけるメタノールの割合)を検出するために用いられる。超音波センサ154は、発信部154aと受信部154bとを含み、発信部154aから発信した超音波を受信部154bで受信してパイプP17内での超音波伝搬時間を検出し、その伝搬時間に相当する電圧値を物理的な濃度情報とする。コントローラ142は、その濃度情報に基づいて、パイプP17内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。超音波センサ154は、水溶液供給手段の異常時に超音波センサ154内に気体が導入されるような位置に設けられている。言い換えると、超音波センサ154は、水溶液供給手段の異常時の液面高さよりも高い位置に設けられる。図2に示す例では、通常運転時にたとえば水溶液ポンプ136が停止し、濃度測定のために検出用バルブ156が開かれると水溶液タンク116内の気体がパイプP18を介してパイプP17およびP4に導入される。これによって主流路(パイプP3〜P5)の液面は水溶液タンク116の液面にまで低下する。このとき、超音波センサ154は主流路の液面ひいては水溶液タンク116の液面よりも高い位置にあり、超音波センサ154には気体が存在する。
Further, a pipe P17 is connected to the branch part A of the pipe P4 so that a part of the methanol aqueous solution flowing through the pipe P4 flows. An
パイプP17には検出用バルブ156が接続され、検出用バルブ156と水溶液タンク116の気層116aとはパイプP18によって連通されている。メタノール濃度の検出時には検出用バルブ156が閉じられ、パイプP17内でのメタノール水溶液の流れが止められる。メタノール濃度の測定後、検出用バルブ156が開けられ、濃度検出済みのメタノール水溶液が水溶液タンク116に戻される。
上述したパイプP17,P18は主として濃度検出用の流路となる。
A
The pipes P17 and P18 described above mainly serve as a concentration detection flow path.
さらに、水溶液タンク116とキャッチタンク130とはパイプP19,P20によって連通され、キャッチタンク130とエアチャンバ140とはパイプP21によって連通されている。
上述したパイプP19〜P21は主として燃料処理用の流路となる。
Further, the
The pipes P19 to P21 described above mainly serve as fuel processing flow paths.
ついで、図3を参照して、燃料電池システム100の電気的構成について説明する。
燃料電池システム100のコントローラ142は、必要な演算を行い燃料電池システム100の動作を制御するためのCPU158、CPU158にクロックを与えるクロック回路160、燃料電池システム100の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納するための、たとえばEEPROMからなるメモリ162、外部負荷にセルスタック102を接続するための電気回路164における電圧を検出するための電圧検出回路166、燃料電池104ひいてはセルスタック102を流れる電流を検出するための電流検出回路168、電気回路164を開閉するためのON/OFF回路170、電気回路164に設けられるダイオード172、および電気回路164に所定の電圧を供給するための電源回路174を含む。
Next, the electrical configuration of the
The
このようなコントローラ142のCPU158には、レベルセンサ120,122および124からの検出信号、ならびに温度センサ150、外気温度センサ152および超音波センサ154からの検出信号が入力される。また、CPU158には、電源をオン/オフするためのメインスイッチ148からの入力信号や、入力部28cの始動ボタン30aおよび停止ボタン30bからの入力信号が入力される。また、CPU158には蓄電量検出器50からの検出信号が入力される。CPU158は、蓄電量検出器50からの検出信号と二次電池126の容量に関する情報とを用いて二次電池126の蓄電率(二次電池126の容量に対する蓄電量の割合)を算出する。さらに、CPU158には電圧検出回路166からの電圧検出値および電流検出回路168からの電流検出値が入力される。CPU158は、電圧検出値と電流検出値とを用いてセルスタック102の出力を算出する。
Detection signals from the
また、CPU158によって、燃料ポンプ128、水溶液ポンプ136、エアポンプ138、水ポンプ146、ファン110,112、防錆用バルブ144および検出用バルブ156等の補機類が制御される。また、CPU158によって、各種情報を表示し自動二輪車10のドライバーに各種情報を報知するための表示部28bが制御される。さらに、CPU158によって、入力部28cのバックライト30cの点灯/消灯が制御される。
The
セルスタック102には二次電池126および駆動ユニット46が接続される。二次電池126および駆動ユニット46はリレー176を介して電動モータ44等の外部負荷に接続される。二次電池126は、セルスタック102からの出力を補完するものであり、セルスタック102からの電力によって充電され、その放電によって電動モータ44、駆動ユニット46および補機類等に電力を与える。
A
電動モータ44には、電動モータ44の各種データを計測するためのメータ28aが接続され、メータ28aによって計測されたデータや電動モータ44の状況は、インターフェイス回路178を介してCPU158に与えられる。
A
また、インターフェイス回路178には充電器200が接続可能であり、充電器200は外部電源(商用電源)202に接続できる。インターフェイス回路178に充電器200を介して外部電源202が接続されている場合には、インターフェイス回路178を介してCPU158に外部電源接続信号が与えられる。充電器200のスイッチ200aはCPU158によってオン/オフできる。
In addition, a
メモリ162には、図5〜図7に示す動作を実行するためのプログラムが格納されている。また、メモリ162には、NG回数、NG回数の閾値となる所定回数、液量回復処理フラグ、閾値となる第1所定時間および第2所定時間、演算データ、ならびに図4に示すような超音波の伝搬時間(濃度情報)と液温と燃料濃度との対応関係を示すテーブルデータ等が格納されている。
The
図4には、4つの濃度(0wt%、1.9wt%、2.9wt%および4.6wt%)における伝搬時間と液温との対応関係(曲線)しか示されていないが、実際には伝搬時間と液温とが決まれば対応する燃料濃度を決定できるように5つ以上の曲線に対応するテーブルデータが用いられる。 FIG. 4 shows only the correspondence relationship (curve) between the propagation time and the liquid temperature at four concentrations (0 wt%, 1.9 wt%, 2.9 wt% and 4.6 wt%). Table data corresponding to five or more curves is used so that the fuel concentration corresponding to the propagation time and the liquid temperature can be determined.
すなわち、濃度情報と液温とが得られると、CPU158は上記テーブルデータを参照してメタノール水溶液の濃度を検出する。
That is, when the concentration information and the liquid temperature are obtained, the
この実施形態では、水溶液供給手段は、パイプP3〜P7,P17およびP18、水溶液タンク116、水溶液ポンプ136、水溶液フィルタ134ならびに水溶液用ラジエータ108aを含み、メタノール水溶液をセルスタック102に循環供給可能に構成される。水溶液タンク116が水溶液保持手段に相当する。超音波センサ154が濃度検出手段に相当する。レベルセンサ122が液量検出手段に相当する。パイプP3〜P5が主流路に相当し、パイプP17およびP18が副流路に相当する。検出用バルブ156およびCPU158が流入制御手段に相当する。空気供給手段はエアポンプ138を含む。CPU158は判定手段および空気供給制御手段に相当する。水溶液タンク116の気層116aが気体源に相当する。表示部28bが報知手段に相当する。
In this embodiment, the aqueous solution supply means includes pipes P3 to P7, P17 and P18, an
ついで、燃料電池システム100の運転時の主要動作について説明する。
燃料電池システム100は、メインスイッチ148がオンされることを契機として、コントローラ142を起動し、運転を開始する。そして、コントローラ142の起動後に始動ボタン30aが押されることを契機として、リレー176の切り替えが行われ、電動モータ44等の外部負荷がセルスタック102および二次電池126に接続される。また、二次電池126の蓄電率が所定値以下となると、二次電池126からの電力によって水溶液ポンプ136やエアポンプ138等の補機類を駆動し、セルスタック102の発電を開始する。
Next, main operations during operation of the
The
なお、外部負荷とは、セルスタック102の発電を維持するために必要な電力を除いた電力を消費する負荷をいう。具体的に、この実施形態においては電動モータ44や自動二輪車10のヘッドライト等が外部負荷に挙げられる。
The external load refers to a load that consumes electric power excluding electric power necessary for maintaining the power generation of the
図2を参照して、水溶液タンク116内のメタノール水溶液は、水溶液ポンプ136の駆動によってパイプP3,P4を介して水溶液フィルタ134に供給される。そして、水溶液フィルタ134で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプP5、アノード入口I1を介してセルスタック102を構成する各燃料電池104のアノード104bにダイレクトに供給される。
Referring to FIG. 2, the aqueous methanol solution in
また、水溶液タンク116内にある気体(主に、二酸化炭素、気化したメタノールおよび水蒸気)は、パイプP19を介してキャッチタンク130に与えられる。キャッチタンク130内では気化したメタノールと水蒸気とが冷却される。そして、キャッチタンク130内で得られたメタノール水溶液は、パイプP20を介して水溶液タンク116に戻される。また、キャッチタンク130内の気体(二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気)は、パイプP21を介してエアチャンバ140に与えられる。
Further, the gas (mainly carbon dioxide, vaporized methanol and water vapor) in the
一方、エアポンプ138の駆動によってエアフィルタ132から吸入された空気(エア)は、パイプP8を介してエアチャンバ140に流入することによって消音される。そして、エアチャンバ140に与えられた空気およびキャッチタンク130からの気体が、パイプP9を介してエアポンプ138に流入し、さらに、パイプP10、防錆用バルブ144、パイプP11およびカソード入口I3を介してセルスタック102を構成する各燃料電池104のカソード104cに供給される。
On the other hand, air (air) sucked from the
各燃料電池104のアノード104bでは、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応し、二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質膜104aを介してカソード104cに流入し、そのカソード104c側に供給された空気中の酸素と電気化学反応して水(水蒸気)および電気エネルギが生成される。つまり、セルスタック102において発電が行われる。セルスタック102からの電力は、二次電池126への充電や自動二輪車10の走行駆動等に利用される。セルスタック102は、電気化学反応に伴って発生する熱によって温度上昇する。セルスタック102の出力はその温度上昇に伴って上昇し、セルスタック102は約60℃で定常的に発電可能となる。つまり、燃料電池システム100は、セルスタック102の温度が約60℃で定常運転に移行する。
In the anode 104b of each
各燃料電池104のアノード104bで生成された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、上記電気化学反応に伴って発生する熱によって温度上昇し(たとえば約65℃〜70℃となる)、未反応メタノール水溶液の一部は気化される。二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、セルスタック102のアノード出口I2、パイプP6を介して水溶液用のラジエータ108aに与えられ、ラジエータ108aで冷却される(たとえば約40℃となる)。ラジエータ108aによる二酸化炭素および未反応メタノールの冷却動作は、ファン110を動作させることによって行われる。冷却された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、パイプP7を介して水溶液タンク116に戻される。
The carbon dioxide and unreacted methanol aqueous solution generated at the anode 104b of each
一方、各燃料電池104のカソード104cで生成された水蒸気の大部分は液化して水となってセルスタック102のカソード出口I4から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード出口I4から排出された水蒸気の一部は、パイプP12を介してラジエータ108bに与えられ、ラジエータ108bで冷却され露点以下となることによって液化される。ラジエータ108bによる水蒸気の液化動作は、ファン112を動作させることによって行われる。水分(水および水蒸気)、二酸化炭素および未反応の空気を含むカソード出口I4からの排気は、パイプP12、ラジエータ108bおよびパイプP13を介して水タンク118に与えられ、水タンク118に水が回収された後にパイプP14を介して外部に排出される。
On the other hand, most of the water vapor generated at the
また、各燃料電池104のカソード104cでは、キャッチタンク130からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソード104cに移動したメタノールが白金触媒層で酸素と反応して無害な水分と二酸化炭素とに分解される。メタノールから分解された水分と二酸化炭素とは、カソード出口I4から排出されラジエータ108bを介して水タンク118に与えられる。さらに、水のクロスオーバーによって各燃料電池104のカソード104cに移動した水分が、カソード出口I4から排出されラジエータ108bを介して水タンク118に与えられる。水タンク118に回収された水は、水ポンプ146の駆動によってパイプP15,P16を介して水溶液タンク116に適宜還流され、メタノール水溶液の水として利用される。
Further, in the
また、発電中の燃料電池システム100では、各燃料電池104の劣化を防ぎつつ各燃料電池104に効率よく発電させるために、メタノール水溶液の濃度検出処理が定期的に実行される。そして、その検出結果に基づいてセルスタック102に供給すべき水溶液タンク116内のメタノール水溶液のメタノール濃度がたとえば3wt%程度に調整される。具体的には、メタノール濃度の検出結果に基づいて燃料ポンプ128を駆動させ、燃料タンク114内のメタノール燃料がパイプP1,P2を介して水溶液タンク116に与えられる。また、メタノール濃度の検出結果に基づいて水ポンプ146を駆動させ、水タンク118内の水が水溶液タンク116へ還流される。
In addition, in the
ついで、図5を参照して、燃料電池システム100における水溶液供給手段の異常判定動作について説明する。
この動作は燃料電池システム100の発電中に行われる。
Next, the abnormality determination operation of the aqueous solution supply unit in the
This operation is performed during power generation of the
まず、CPU158からの指示に基づいて検出用バルブ156が開けられ(ステップS1)、所定時間(この実施形態では、超音波センサ154にメタノール水溶液が十分に供給される時間としてたとえば3秒)経過したか否かが判断される(ステップS3)。所定時間経過するまで待機し、所定時間経過すれば検出用バルブ156が閉じられる(ステップS5)。このようにして、超音波センサ154にメタノール水溶液が導入され、または超音波センサ154内のメタノール水溶液が入れ替えられる。
First, the
そして、超音波センサ154によって発信部154aからの超音波が受信部154bに伝搬するまでの伝搬時間すなわちメタノール水溶液の濃度情報が検出される(ステップS7)。この検出結果に基づいて、メタノール水溶液の濃度情報を検出できたか否か、すなわち超音波が発信部154aから受信部154bに伝搬されたか否かが判断される(ステップS9)。
Then, the propagation time until the ultrasonic wave from the transmitting
メタノール水溶液の濃度情報を検出できなければ、発信部154aと受信部154bとの間に気体が導入されており、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側に異常があると判断される。すなわちパイプP17のうち分岐部Aと受信部154bとの間、パイプP4のうち分岐部Aより上流側、水溶液ポンプ136、パイプP3、水溶液タンク116、パイプP7、水溶液用ラジエータ108aおよびパイプP6のいずれかに異常があり、その結果メタノール水溶液を正常に供給できていないと判断される。
If the concentration information of the aqueous methanol solution cannot be detected, it is determined that gas is introduced between the
ステップS9において濃度情報を検出できなければ、濃度情報を検出できなかった回数を示すNG回数がインクリメントされてメモリ162に記憶される(ステップS11)。そして、NG回数が所定回数(たとえば10回)を超えたか否かが判断される(ステップS13)。NG回数が所定回数を超えていなければステップS1に戻る。このようにステップS9において濃度情報検出不可と判断された場合でも、NG回数が1回では水溶液供給手段の異常とは判定しない。NG回数が所定回数に達するまでステップS1〜S11の処理が繰り返される。 If the density information cannot be detected in step S9, the NG count indicating the number of times the density information cannot be detected is incremented and stored in the memory 162 (step S11). Then, it is determined whether or not the number of NG times exceeds a predetermined number (for example, 10 times) (step S13). If the NG count does not exceed the predetermined count, the process returns to step S1. As described above, even when it is determined in step S9 that the concentration information cannot be detected, it is not determined that the aqueous solution supply unit is abnormal if the number of NG times is one. The processes in steps S1 to S11 are repeated until the number of NG times reaches a predetermined number.
なお、この実施形態において、ステップS3における所定時間を3秒、ステップS13における所定回数を10回とすると、30(=3×10)秒以上連続して濃度情報が検出できない場合にステップS13がYESになる。 In this embodiment, if the predetermined time in step S3 is 3 seconds and the predetermined number of times in step S13 is 10, the step S13 is YES when the density information cannot be detected continuously for 30 (= 3 × 10) seconds or more. become.
ここで、水溶液ポンプ136が停止しセルスタック102への燃料供給が絶たれた後でもセルスタック102内の燃料だけで約1分間発電できる。言い換えれば、燃料供給停止後1分を超えれば電解質膜104aを傷める恐れがある。したがって、ステップS13における所定回数を10回とし、異常ありと判断するための時間を1分以内に収まるように設定すれば、電解質膜104aを傷めることなく異常発生の有無を検出できる。
Here, even after the
ステップS13においてNG回数が所定回数を超えれば、CPU158は水溶液ポンプ136等を含む水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側に異常があると判定し、その判定結果が表示部28bに表示されることによって報知される(ステップS15)。そして、エアポンプ138の停止等を含むエラー処理が施され(ステップS17)、メモリされているNG回数がクリアされ(ステップS19)、終了する。
If the number of NG times exceeds the predetermined number in step S13, the
一方、ステップS9において濃度情報を検出できれば、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側に異常はないと判定され、メモリされているNG回数がクリアされ(ステップS19)、終了する。
On the other hand, if the concentration information can be detected in step S9, it is determined that there is no abnormality upstream of the
このように動作する燃料電池システム100によれば、たとえば水溶液ポンプ136の回転軸が破損しメタノール水溶液を供給できないといった異常が水溶液供給手段に発生すると、メタノール水溶液を超音波センサ154へ供給不能となりあるいは供給量が減少し、超音波センサ154に気体が導入されてしまう。その結果、メタノール水溶液の物理的特性を利用した濃度情報の検出が不能となる。この現象を利用することによって濃度情報の検出結果に基づいて水溶液供給手段のうち超音波センサ154(濃度検出箇所)より上流側の異常を判定(検出)することができる。また、このように燃料濃度の検出結果を利用するので、異常判定用に新たなセンサを設けることなく水溶液供給手段の異常を判定することができる。
According to the
また、水溶液ポンプ136が異常により停止すると、気体源である水溶液タンク116の気層116aからの気体が、副流路であるパイプP18,P17を介して主流路に導入される。この結果、主流路の液面が水溶液タンク116の液面まで低下する。これにより、超音波センサ154には気体が導入され、水溶液ポンプ136の異常を容易に検出できる。
When the
さらに、パイプP17およびP18からなる副流路にメタノール水溶液を流入させることによって、メタノール水溶液の流速を小さくした状態でまたはメタノール水溶液を止めて濃度情報を検出できる。これによってセルスタック102へのメタノール水溶液の供給を止めずに精度よく水溶液ポンプ136の異常を検出することができる。
Further, the concentration information can be detected by flowing the methanol aqueous solution into the sub-flow passage composed of the pipes P17 and P18 while the flow rate of the methanol aqueous solution is reduced or the methanol aqueous solution is stopped. As a result, the abnormality of the
また、主流路から副流路に流入されるメタノール水溶液の量を検出用バルブ156を用いて容易に制御できるので、主流路内のメタノール水溶液をセルスタック102へ円滑に供給しつつ、副流路で水溶液ポンプ136の異常を円滑に検出できる。
In addition, since the amount of aqueous methanol solution flowing from the main channel into the sub-channel can be easily controlled using the
さらに、副流路を水溶液タンク116の気層116aに接続するだけで容易に気体源が得られる。
Furthermore, a gas source can be easily obtained simply by connecting the sub-flow channel to the
この発明は、燃料電池システム100のようにメタノール水溶液をセルスタック102に循環供給可能な燃料電池システムに好適に用いられる。
The present invention is suitably used for a fuel cell system that can circulate and supply an aqueous methanol solution to the
さらに、超音波センサ154を利用することによって水溶液供給手段の異常を簡単かつ確実に判定することができる。
Furthermore, by using the
また、水溶液供給手段が異常と判定された場合、エアポンプ138を停止させることによって電解質膜104aの劣化を防止することができる。さらに、起動時において、濃度情報の検出結果に基づいて水溶液供給手段に異常が無いことを確認してからエアポンプ138を駆動するように制御すると、確実に電解質膜104aの劣化を防止することができる。
In addition, when the aqueous solution supply unit is determined to be abnormal, the deterioration of the electrolyte membrane 104a can be prevented by stopping the
さらに、水溶液供給手段の異常を報知することによって燃料電池システム100の利便性が向上する。
Furthermore, the convenience of the
また、この発明では、異常判定用の新たなセンサを設けることなく水溶液供給手段の異常を判定でき、構成部品を増やすことなく燃料電池システム100を小さく構成できるので、この発明は自動二輪車10に好適に用いられる。
Further, in the present invention, the abnormality of the aqueous solution supply means can be determined without providing a new sensor for abnormality determination, and the
ついで、図6および図7を参照して、燃料電池システム100の他の異常判定動作について説明する。この例では、図6および図7の各動作が燃料電池システム100の発電中に並行される。
Next, another abnormality determination operation of the
まず、図6の動作について説明する。
水溶液タンク116内の液量がレベルセンサ122によって検出され(ステップS101)、水溶液タンク116の液量が所定量以上か否かがCPU158によって判断される(ステップS103)。水溶液タンク116の液量が所定量未満であれば、燃料ポンプ128および/または水ポンプ146が駆動されて液量回復処理が行われ(ステップS105)、液量回復処理フラグが立てられる(ステップS107)。
First, the operation of FIG. 6 will be described.
The amount of liquid in the
ここで、液量回復処理とは、水ポンプ146を駆動して水溶液タンク116の液位を標準に戻し、その後燃料ポンプ128を駆動して濃度を所定の範囲に調整する動作をいう。
Here, the liquid amount recovery process is an operation of driving the
そして、液量回復処理フラグが立てられてから(フラグが0から1に切り替えられてから)第1所定時間(たとえば20秒)経過したか否かが判断される(ステップS109)。第1所定時間を経過していなければステップS101に戻る。一方、第1所定時間を経過すれば、CPU158は、水溶液系、すなわち燃料ポンプ128や水ポンプ146等の水溶液タンク116に燃料や水を供給する手段に異常があると判定し、その判定結果が表示部28bに表示されることによって報知される(ステップS111)。そして、水溶液系のエラー処理が行われた(ステップS113)後、液量回復処理フラグが消され(ステップS115)、終了する。
Then, it is determined whether or not a first predetermined time (for example, 20 seconds) has elapsed since the liquid amount recovery processing flag was set (after the flag was switched from 0 to 1) (step S109). If the first predetermined time has not elapsed, the process returns to step S101. On the other hand, when the first predetermined time elapses, the
一方、ステップS103において、水溶液タンク116の液量が所定量以上であれば、液量回復処理フラグが消され(ステップS115)、終了する。
On the other hand, if the liquid amount in the
ついで、図7の動作について説明する。
まず、CPU158からの指示に基づいて検出用バルブ156が開けられ(ステップS121)、第2所定時間(この実施形態では、超音波センサ154にメタノール水溶液が十分に供給される時間としてたとえば3秒)経過したか否かが判断される(ステップS123)。所定時間経過するまで待機し、所定時間経過すれば検出用バルブ156が閉じられる(ステップS125)。このようにして、超音波センサ154にメタノール水溶液が導入され、または超音波センサ154内のメタノール水溶液が入れ替えられる。
Next, the operation of FIG. 7 will be described.
First, the
そして、超音波センサ154によってメタノール水溶液の濃度情報が検出され(ステップS127)、メタノール水溶液の濃度情報を検出できたか否か、すなわち超音波が発信部154aから受信部154bに伝搬されたか否かが判断される(ステップS129)。
メタノール水溶液の濃度情報を検出できなければ、発信部154aと受信部154bとの間に気体が導入されており、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側に異常があり、その結果メタノール水溶液を正常に供給できないと判断される。
Then, the concentration information of the aqueous methanol solution is detected by the ultrasonic sensor 154 (step S127), and whether or not the concentration information of the aqueous methanol solution has been detected, that is, whether or not the ultrasonic wave has been propagated from the transmitting
If the concentration information of the aqueous methanol solution cannot be detected, a gas is introduced between the
ステップS129において濃度を検出できなければ、濃度情報を検出できなかった回数を示すNG回数がインクリメントされてメモリ162に記憶される(ステップS131)。そして、NG回数が所定回数(たとえば10回)を超えたか否かが判断される(ステップS133)。NG回数が所定回数を超えていなければステップS121に戻る。このようにステップS129において濃度情報検出不可と判断された場合でも、NG回数が1回では水溶液供給手段の異常とは判定しない。NG回数が所定回数に達するまでステップS121〜S131の処理が繰り返される。 If the density cannot be detected in step S129, the NG count indicating the number of times that the density information cannot be detected is incremented and stored in the memory 162 (step S131). Then, it is determined whether or not the number of NG times exceeds a predetermined number (for example, 10 times) (step S133). If the NG count does not exceed the predetermined count, the process returns to step S121. Thus, even if it is determined in step S129 that concentration information cannot be detected, it is not determined that the aqueous solution supply unit is abnormal if the number of NG times is one. The processes in steps S121 to S131 are repeated until the number of NG times reaches a predetermined number.
一方、ステップS133においてNG回数が所定回数を超えれば、液量回復処理フラグが立っているか否かが判断される(ステップS135)。液量回復処理フラグが立っていなければ、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側でありかつ水溶液タンク116までの間に異常があると判定される。すなわち、パイプP17のうち分岐部Aと受信部154bとの間、パイプP4のうち分岐部Aより上流側、水溶液ポンプ136およびパイプP3のいずれかに異常があり、その結果メタノール水溶液を正常に供給できていないと判定される。そして、その判定結果が表示部28bに表示されることによって報知され(ステップS137)、エアポンプ138の停止等を含むエラー処理が施され(ステップS139)、メモリされたNG回数がクリアされ(ステップS141)、終了する。
On the other hand, if the number of NG times exceeds the predetermined number in step S133, it is determined whether or not a liquid amount recovery processing flag is set (step S135). If the liquid amount recovery processing flag is not set, it is determined that there is an abnormality between the aqueous solution supply means upstream of the
ステップS135において液量回復処理フラグが立っていれば、メモリされたNG回数がクリアされ(ステップS143)、ステップS121に戻る。このように液量回復処理フラグが立っている場合には、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側でありかつ水溶液タンク116までの間に異常があるか否かがわからないので、NG回数をクリアし、ステップS121に戻る。
If the liquid amount recovery process flag is set in step S135, the stored NG count is cleared (step S143), and the process returns to step S121. When the liquid amount recovery processing flag is set as described above, it is not known whether there is an abnormality between the aqueous solution supply means upstream of the
一方、ステップS129において濃度情報を検出できれば、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側に異常はないと判定され、メモリされているNG回数がクリアされ(ステップS141)、終了する。
On the other hand, if the concentration information can be detected in step S129, it is determined that there is no abnormality upstream of the
このように動作する燃料電池システム100によれば、水溶液タンク116の液量検出結果をも考慮することによって、水溶液供給手段の異常をより正確に判定できる。特に、水溶液タンク116から超音波センサ154(濃度検出箇所)までの間の異常を好適に検出できる。
According to the
また、図5のように動作する場合と同様の効果も得られる。 Moreover, the same effect as the case of operating as shown in FIG. 5 can be obtained.
なお、検出用バルブ156はパイプP4とP17とが接続される分岐部Aに設けられてもよい。
The
また、報知手段は、表示部28bに限定されず、スピーカ等で音によって報知するようにしてもよい。
Further, the notification means is not limited to the
メタノール水溶液の温度検出は、温度センサ150によって検出される場合に限定されず、超音波センサ154の近傍に温度センサを設けてパイプP17内のメタノール水溶液の温度を検出するようにしてもよい。
The temperature detection of the aqueous methanol solution is not limited to the case where it is detected by the
超音波センサ154の位置は、パイプP17に限定されず、パイプP3〜P5のいずれに設けられてもよい。この場合、水溶液供給手段のうち超音波センサ154より上流側の異常を検出することができる。超音波センサ154がパイプP3(水溶液ポンプ136より上流側)に設けられる場合には、さらに水溶液ポンプ136の異常を検出することができる。
The position of the
上述の実施形態では、メタノール水溶液の物理的特性に基づいてメタノール水溶液の濃度を検出する濃度検出手段として超音波センサ154が用いられたが、これに限定されない。濃度検出手段としては、屈折率、誘電率、赤外線吸収率、粘度、凝固点などに基づいて濃度を物理的に検出する任意のセンサを用いることができる。これらのセンサは、水溶液供給手段の異常時にセンサ内に気体が導入されるような位置に設けられる。
In the above-described embodiment, the
また、気体源は、水溶液タンク116の気層116aに限定されず、燃料電池システム100の外気であってもよい。
The gas source is not limited to the
この発明の燃料電池システムは、自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器に好適に用いることができる。 The fuel cell system of the present invention can be suitably used not only for motorcycles but also for any transportation equipment such as automobiles and ships.
上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。 In the above embodiment, methanol is used as the fuel, and methanol aqueous solution is used as the fuel aqueous solution. However, the present invention is not limited to this. Good.
また、この発明は、液体燃料を用いるものであれば、改質器搭載タイプの燃料電池システムや、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器、小型電子機器等の燃料電池システムにも適用できる。 The present invention can be applied to a reformer-equipped fuel cell system and a stationary fuel cell system as long as liquid fuel is used. Further, the present invention can be applied to personal computers, portable devices, small electronic devices, etc. It can also be applied to a fuel cell system.
この発明が詳細に説明され図示されたが、それは単なる図解および一例として用いたものであり、限定であると解されるべきではないことは明らかであり、この発明の精神および範囲は特許請求の範囲の文言のみによって限定される。 Although the invention has been described and illustrated in detail, it is clear that the invention has been used merely as an illustration and example and should not be construed as limiting, the spirit and scope of the invention being claimed. Limited only by the wording of the scope.
10 自動二輪車
28b 表示部
100 燃料電池システム
102 燃料電池セルスタック
104 燃料電池(燃料電池セル)
108a 水溶液用ラジエータ
116 水溶液タンク
116a 気層
120,122,124 レベルセンサ
134 水溶液フィルタ
136 水溶液ポンプ
138 エアポンプ
142 コントローラ
154 超音波センサ
154a 発信部
154b 受信部
156 検出用バルブ
158 CPU
162 メモリ
P1〜P21 パイプ
DESCRIPTION OF
108a
162 Memory P1-P21 Pipe
Claims (13)
前記燃料電池に燃料水溶液を供給するための水溶液供給手段、
前記水溶液供給手段に設けられ、前記燃料水溶液の物理的特性に基づいて前記燃料水溶液の濃度情報を検出する濃度検出手段、および
前記濃度検出手段の検出結果に基づいて前記水溶液供給手段の異常を判定する判定手段を備える、燃料電池システム。 Fuel cell,
An aqueous solution supply means for supplying an aqueous fuel solution to the fuel cell;
Concentration detection means provided in the aqueous solution supply means for detecting concentration information of the aqueous fuel solution based on physical characteristics of the aqueous fuel solution, and determining abnormality of the aqueous solution supply means based on a detection result of the concentration detection means A fuel cell system comprising determination means for performing.
前記濃度検出手段は、前記水溶液供給手段のうち前記水溶液ポンプの停止時に気体が存在する位置に設けられる、請求項1に記載の燃料電池システム。 The aqueous solution supply means includes an aqueous solution pump,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the concentration detection unit is provided at a position where gas exists when the aqueous solution pump is stopped in the aqueous solution supply unit.
前記濃度検出手段は、前記水溶液ポンプの停止時に前記水溶液保持手段の液面より高い位置に設けられる、請求項2に記載の燃料電池システム。 The aqueous solution supply means includes an aqueous solution holding means for holding the aqueous fuel solution to be supplied to the fuel cell, a main flow path connected to the fuel cell, and a sub flow path branched from the main flow path and connected to a gas source,
The fuel cell system according to claim 2, wherein the concentration detection means is provided at a position higher than the liquid level of the aqueous solution holding means when the aqueous solution pump is stopped.
前記判定手段は、前記濃度検出手段の検出結果と前記液量検出手段の検出結果とに基づいて前記水溶液供給手段の異常を判定する、請求項7に記載の燃料電池システム。 A liquid amount detecting means for detecting the amount of liquid in the aqueous solution holding means;
The fuel cell system according to claim 7, wherein the determination unit determines an abnormality of the aqueous solution supply unit based on a detection result of the concentration detection unit and a detection result of the liquid amount detection unit.
前記判定手段の判定結果に基づいて前記空気供給手段の動作を制御する空気供給制御手段をさらに備える、請求項1に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell according to claim 1, further comprising: an air supply unit that supplies air containing oxygen to the fuel cell; and an air supply control unit that controls an operation of the air supply unit based on a determination result of the determination unit. system.
前記燃料水溶液の物理的特性に基づいて前記燃料水溶液の濃度情報を検出する濃度検出工程、および
前記濃度検出工程での検出結果に基づいて前記水溶液供給手段の異常を判定する判定工程を備える、燃料電池システムの運転方法。 A method for operating a fuel cell system comprising a fuel cell and an aqueous solution supply means for supplying an aqueous fuel solution to the fuel cell,
A concentration detection step of detecting concentration information of the aqueous fuel solution based on physical characteristics of the aqueous fuel solution, and a determination step of determining abnormality of the aqueous solution supply means based on a detection result in the concentration detection step Battery system operation method.
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