JP2009259519A - Fuel cell system and cross leak detecting method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びそれを用いたクロスリーク検出方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system and a cross leak detection method using the same.
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下「単位セル」という。)を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。
この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。
In a fuel cell, a membrane electrode structure is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode from both sides, and a pair of separators are arranged on both sides of the membrane electrode structure to form a flat unit fuel. A battery (hereinafter referred to as “unit cell”) is configured, and a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack.
In this fuel cell, hydrogen gas is supplied as a fuel gas to a fuel gas passage formed between the anode electrode and the anode-side separator, and an oxidizing gas passage formed between the cathode electrode and the cathode-side separator. Is supplied with air as an oxidizing gas. As a result, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode permeate the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode electrode, and the cathode electrode causes an electrochemical reaction with oxygen in the air to generate power.
この種の燃料電池では、固体高分子電解質膜の劣化に伴ってクロスリークが発生する場合がある。クロスリークとは、発電停止時に、燃料電池内に残留するアノード側の水素ガスが固体高分子電解質膜を透過してカソード側へ、また、カソード側の空気中の酸素ガスや窒素ガスが固体高分子電解質膜を透過してアノード側へ移動する現象である。このクロスリークが生じると、アノード側で水素と酸素とが反応し、固体高分子電解質膜が損傷する虞がある。 In this type of fuel cell, a cross leak may occur as the solid polymer electrolyte membrane deteriorates. Cross-leakage means that when power generation is stopped, hydrogen gas on the anode side remaining in the fuel cell passes through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode side, and oxygen gas and nitrogen gas in the air on the cathode side are solid high. This is a phenomenon that passes through the molecular electrolyte membrane and moves to the anode side. When this cross leak occurs, hydrogen and oxygen react on the anode side and the solid polymer electrolyte membrane may be damaged.
そこで、例えば特許文献1に示すように、燃料電池スタックに接続された配管内に燃料ガスを供給し、この配管を密閉して配管の圧力変化や開放電圧に基づいてクロスリークを判定するような構成が知られている。具体的には、燃料電池スタックの全てのセルの開放端電圧を検出し、所定監視時間中において、これらの中の最低のセル電圧が0より大きいか否かを判定する。そして、検出した最低セル電圧が0以下、つまり逆電位が検出されることで、クロスリークが有ったと判定するようになっている。
ところで、上述した従来技術にあっては、各単位セル毎にそれぞれ電圧センサ(セル電圧検出手段)を設置していたため、電圧センサ自体のコストや組み付け工数の増加等により、燃料電池のコスト増を招いていた。
そこで、近年では、燃料電池のコストを低減するために、各セル毎にそれぞれ電圧センサを設置するのではなく、複数の単位セル(例えば、2枚)を1つのセル群とし、これらセル群に対して1つの電圧センサを設置する構成が知られている。この場合、電圧センサにより検出される電圧は、各セル群毎の電圧、つまり複数の単位セルの合計セル電圧として検出される。
By the way, in the above-described prior art, voltage sensors (cell voltage detection means) are installed for each unit cell. Therefore, the cost of the fuel cell is increased by increasing the cost of the voltage sensor itself and the number of assembly steps. I was invited.
Therefore, in recent years, in order to reduce the cost of the fuel cell, instead of installing a voltage sensor for each cell, a plurality of unit cells (for example, two) are made into one cell group, and these cell groups On the other hand, a configuration in which one voltage sensor is installed is known. In this case, the voltage detected by the voltage sensor is detected as a voltage for each cell group, that is, a total cell voltage of a plurality of unit cells.
しかしながら、合計セル電圧に基づいてクロスリークを判定する場合、複数の単位セルのうち、何れかの単位セルにクロスリークが生じている場合でも、実際にクロスリークが生じているか否かを判定し難いという問題がある。例えば、2枚の単位セルをセルペアとし、各セルペア毎に合計セル電圧(以下、合計セルペア電圧という)を検出する構成の場合、合計セルペア電圧が平均値(以下、平均セルペア電圧という)の半分以下に低下しても、この電圧低下の原因を確定することができない。 However, when determining the cross leak based on the total cell voltage, it is determined whether or not the cross leak actually occurs even if the cross leak occurs in any of the unit cells. There is a problem that it is difficult. For example, in the case of a configuration in which two unit cells are used as a cell pair and the total cell voltage (hereinafter referred to as total cell pair voltage) is detected for each cell pair, the total cell pair voltage is less than half of the average value (hereinafter referred to as average cell pair voltage). However, the cause of this voltage drop cannot be determined.
具体的には、電圧低下の原因が実際にクロスリークによるものか、それとも生成水が発電面を覆ってしまう等、単に発電性能の低下によるものかを判定し難いという問題がある。つまり、クロスリークにより一方のセルのみが逆電位になっている場合と、発電性能の低下により両セルの電圧が半分以下に低下している場合とで、合計セルペア電圧が同等になり得る場合がある。
そして、誤ってクロスリークの生じていない単位セルを交換することで、単位セルの交換作業や単位セル自体のロスになる一方、クロスリークが発生した単位セルを放置しておくと、単位セルの損傷が段々大きくなり、周囲の単位セルに対してもダメージを受けるという問題がある。
Specifically, there is a problem that it is difficult to determine whether the cause of the voltage drop is actually due to a cross leak or simply due to a decrease in power generation performance such as the generated water covers the power generation surface. In other words, there are cases where the total cell-pair voltage can be the same in the case where only one cell is at a reverse potential due to cross leakage and the case where the voltage of both cells is reduced to less than half due to the decrease in power generation performance. is there.
Then, by replacing the unit cell in which the cross leak does not occur accidentally, the unit cell replacement work or the unit cell itself is lost. On the other hand, if the unit cell in which the cross leak occurs is left unattended, There is a problem that the damage is gradually increased and the surrounding unit cells are also damaged.
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数枚のセルの合計セル電圧を検出する場合であっても、正確にクロスリークを検出することができる燃料電池システム及びそれを用いたクロスリーク検出方法を提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a fuel cell system capable of accurately detecting a cross leak even when the total cell voltage of a plurality of cells is detected. A cross leak detection method using the same is provided.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、アノードガス(例えば、実施形態における水素ガス)とカソードガス(例えば、実施形態における酸化ガス)とを供給し発電を行うセル(例えば、実施形態におけるセル55)を積層して構成された燃料電池スタック(例えば、実施形態における燃料電池1)と、前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段(例えば、実施形態におけるエアポンプ7)と、複数枚の前記セルをセル群(例えば、実施形態におけるセルペア)として、該セル群毎の合計セル電圧(例えば、実施形態における合計セルペア電圧)を検出するセル電圧検出手段(例えば、実施形態におけるセル電圧モニタ41)と、を有する燃料電池システム(例えば、実施形態における燃料電池システム100)であって、前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止手段(例えば、実施形態におけるカソードガス供給停止手段67)と、該カソードガス供給停止手段により、前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去手段(例えば、実施形態におけるカソードガス除去手段68)と、該カソードガス除去手段により前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第1最低セル電圧として検出する第1最低セル電圧検出手段(例えば、実施形態における第1最低セル電圧検出手段64)と、前記第1最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第1判断手段(例えば、実施形態における第1判断手段61)と、該第1判断手段によりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第1最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第2セル電圧として検出する第2セル電圧検出手段(例えば、実施形態における第2セル電圧検出手段65)と、前記第1最低セル電圧と前記第2セル電圧とを比較して、前記第2セル電圧が前記第1最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第2判断手段(例えば、実施形態における第2判断手段62)と、該第2判断手段の結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力手段(例えば、実施形態におけるクロスリーク信号出力手段63)と、を有することを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, the invention described in claim 1 is a cell that generates electricity by supplying an anode gas (for example, hydrogen gas in the embodiment) and a cathode gas (for example, the oxidizing gas in the embodiment). For example, a fuel cell stack (for example, the fuel cell 1 in the embodiment) configured by stacking the cells 55) in the embodiment, and a cathode gas supply unit (for example, the embodiment) that supplies the cathode gas to the fuel cell stack. And an air pump 7) and a cell voltage detection means (for example, a cell pair voltage in the embodiment) for detecting a total cell voltage (for example, a total cell pair voltage in the embodiment) for each cell group. For example, the
請求項2に記載した発明は、前記セル群毎の前記合計セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの平均セル群電圧を算出する平均セル電圧検出手段(例えば、実施形態における平均セル電圧検出手段66)を有し、前記第1判断手段は、前記セル群における前記セルの枚数をnとして、前記第1最低セル電圧が前記平均セル群電圧の(n−1)/n以下である場合に、クロスリークが発生している可能性があると判断することを特徴とする。 The invention described in claim 2 is an average cell voltage detecting means for calculating an average cell group voltage of the fuel cell stack based on the total cell voltage for each cell group (for example, the average cell voltage detecting means in the embodiment). 66), wherein the first determination means is the case where the number of the cells in the cell group is n and the first lowest cell voltage is not more than (n−1) / n of the average cell group voltage. It is characterized in that it is determined that there is a possibility that a cross leak has occurred.
請求項3に記載した発明は、前記カソードガス除去手段は、前記燃料電池スタック内部に残存する前記カソードガスをディスチャージさせることにより前記カソードガスを除去することを特徴とする。 The invention described in claim 3 is characterized in that the cathode gas removing means removes the cathode gas by discharging the cathode gas remaining inside the fuel cell stack.
請求項4に記載した発明は、前記第2判断手段は、前記第1最低セル電圧と前記第2セル電圧とを比較して、第2セル電圧が前記第1最低セル電圧以上である場合には、クロスリークの発生はないと判断することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the second determination means compares the first lowest cell voltage with the second cell voltage, and the second cell voltage is equal to or higher than the first lowest cell voltage. Is characterized in that it is determined that no cross leak occurs.
請求項5に記載した発明は、前記クロスリーク信号出力手段は、前記第2判断手段により所定回数以上クロスリークが発生していると判断された場合に、前記特定セル群におけるクロスリークの発生を確定して異常信号を出力することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, when the cross leak signal output unit determines that the cross leak has occurred a predetermined number of times or more by the second determination unit, the cross leak signal is generated in the specific cell group. It is determined and an abnormal signal is output.
請求項6に記載した発明は、前記クロスリーク信号出力手段は、前記第2判断手段により前記第2セル電圧が前記第1最低セル電圧に比べ所定値以上低下していると検出された場合には、前記第2判断手段により前記所定回数以上クロスリークが発生していると判断されていなくても、前記特定セル群におけるクロスリークの発生を確定し、異常信号を出力することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, when the cross leak signal output means detects that the second cell voltage is lower than the first lowest cell voltage by a predetermined value or more by the second determination means. Is characterized in that the occurrence of cross leak in the specific cell group is determined and an abnormal signal is output even if it is not determined by the second determination means that the cross leak has occurred more than the predetermined number of times. .
請求項7に記載した発明は、アノードガスとカソードガスとを供給し発電を行うセルを積層して構成された燃料電池スタックと、前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段と、複数枚の前記セルをセル群として、該セル群毎の合計セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、を有する燃料電池システムを用いて前記セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出方法であって、前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止ステップと、前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去ステップと、該カソードガス除去ステップにより前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第1最低セル電圧として検出する第1最低セル電圧検出ステップと、該第1最低セル電圧検出ステップで検出した前記第1最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第1判断ステップと、該第1判断ステップによりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第1最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第2セル電圧として検出する第2セル電圧検出ステップと、前記第1最低セル電圧と前記第2セル電圧とを比較して、前記第2セル電圧が前記第1最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第2判断ステップと、該第2判断ステップの結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力ステップと、を有することを特徴とする。
The invention described in
請求項1,7に記載した発明によれば、第1最低セル電圧と第2セル電圧とを比較して、第2セル電圧が第1最低セル電圧より低い場合、つまり最低セル電圧の変化量に基づいて、クロスリークの発生を判断することができる。具体的には、電圧低下の原因が発電性能低下の場合には、外部からカソード極にカソードガスが侵入して再び発電が行われたり、発電性能が回復したりすることで、第1最低セル電圧に比べ第2セル電圧が増加する。一方、クロスリークが発生している場合には、時間が経過するにつれクロスリークの影響が大きくなるため、アノード極側におけるアノードガスとカソードガスとの反応が促進され、逆電位が増加する。そのため、第1最低セル電圧に比べ第2セル電圧が低下する。これにより、複数枚のセルからなるセル群毎に合計セル電圧を検出する構成であっても、クロスリークにより発生する電圧低下を正確に検出することができる。 According to the first and seventh aspects of the present invention, the first lowest cell voltage and the second cell voltage are compared, and when the second cell voltage is lower than the first lowest cell voltage, that is, the amount of change in the lowest cell voltage. The occurrence of cross leak can be determined based on the above. Specifically, if the cause of the voltage drop is a decrease in power generation performance, the cathode gas enters the cathode electrode from the outside and power generation is performed again, or the power generation performance is restored. The second cell voltage increases compared to the voltage. On the other hand, when a cross leak occurs, the influence of the cross leak increases as time elapses. Therefore, the reaction between the anode gas and the cathode gas on the anode electrode side is promoted, and the reverse potential increases. Therefore, the second cell voltage is lower than the first lowest cell voltage. Thereby, even if it is the structure which detects a total cell voltage for every cell group which consists of a several cell, the voltage fall which generate | occur | produces by cross leak can be detected correctly.
請求項2に記載した発明によれば、第1最低セル電圧が平均セル群電圧の(n−1)/n以下である場合には、セル群のうち何れかのセルに逆電位が生じている可能性が高いので、クロスリークの発生を正確に判断することができる。これにより、無駄にクロスリークの検出を行う必要がなくなるため、クロスリーク検出の為の消費エネルギーを削減することができる。 According to the invention described in claim 2, when the first lowest cell voltage is (n−1) / n or less of the average cell group voltage, a reverse potential is generated in any cell of the cell group. Therefore, the occurrence of cross leak can be accurately determined. This eliminates the need for wasteful detection of cross leaks, thereby reducing energy consumption for cross leak detection.
請求項3に記載した発明によれば、燃料電池スタック内部に残存するカソードガスをディスチャージにより消費させることにより、例えばアイドル停止中等における燃料電池スタックを低電位に保持することができる。これにより、アイドル停止中等に燃料電池スタックが高電位で維持されることにより生じる、セルの固体高分子電解質膜の劣化を防ぐことができる。さらに、このディスチャージ中にクロスリークの検出を行うため、クロスリーク検出のために無駄にディスチャージを行わなくても良い。 According to the third aspect of the present invention, the cathode gas remaining in the fuel cell stack is consumed by discharging, so that the fuel cell stack can be kept at a low potential, for example, during idling stop. Thereby, it is possible to prevent the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane of the cell, which is caused by maintaining the fuel cell stack at a high potential during idle stop or the like. Furthermore, since the cross leak is detected during the discharge, it is not necessary to perform a wasteful discharge for the cross leak detection.
請求項4に記載した発明によれば、クロスリークが発生している場合には、第2セル電圧が第1セル電圧以上となることは少ない。つまり、第2セル電圧が第1最低セル電圧以上である場合、すなわち電圧が回復した場合に、クロスリーク以外が原因であると判断することで、クロスリークの誤検出を防止できる。 According to the fourth aspect of the present invention, when the cross leak occurs, the second cell voltage is rarely higher than the first cell voltage. That is, when the second cell voltage is equal to or higher than the first lowest cell voltage, that is, when the voltage is recovered, it is possible to prevent erroneous detection of cross leak by determining that the cause is other than cross leak.
請求項5に記載した発明によれば、誤差の影響を排除することが可能になり、正確にクロスリークの発生を検出できる。 According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to eliminate the influence of errors and accurately detect the occurrence of cross leaks.
請求項6に記載した発明によれば、セルの固体高分子電解質膜に大きな穴が開いていた場合、つまりクロスリークが大きい場合には、電圧低下量は大きくなる。この時、電圧低下量が所定以上の場合には、その時点でクロスリークの発生を判断することで、所定回数クロスリークを検出することなく、早期にクロスリークを検出できる。そのため、クロスリークが発生した場合において、周囲のセルにまでダメージを与えることを防ぐことができる。 According to the invention described in claim 6, when a large hole is opened in the solid polymer electrolyte membrane of the cell, that is, when the cross leak is large, the amount of voltage drop is large. At this time, if the voltage drop amount is greater than or equal to a predetermined value, it is possible to detect the cross leak early without detecting the cross leak a predetermined number of times by determining the occurrence of the cross leak at that time. Therefore, when a cross leak occurs, it is possible to prevent damage to surrounding cells.
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(燃料電池セル)
図2は、セルの断面図である。
図2に示すように、本実施形態の燃料電池1は、固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、単位燃料電池としてのセル55を複数積層して構成される燃料電池スタックからなる。セル55は、例えばペルフルオロスルホン酸ポリマー(登録商標「ナフィオン」)等の固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜51をアノード52とカソード53とで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ54,54で挟持して形成される。また、各セル55は、燃料ガスとして水素ガス(アノードガス)が供給される水素ガス通路56と、酸化ガスとして酸素を含む空気(カソードガス)が供給される空気通路57と、冷却液が供給される冷却液通路58とを備えている。そして、アノード52で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜51を透過してカソード53まで移動し、カソード53で酸素と電気化学反応を起こして発電する。この発電に伴う発熱により燃料電池1が所定温度を越えないように、冷却液通路58を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Fuel battery cell)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the cell.
As shown in FIG. 2, the fuel cell 1 of the present embodiment is a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell, and includes a fuel cell stack configured by stacking a plurality of
また、この燃料電池1においては、セル55の出力電圧を検出するためのセル電圧モニタ(V)41が、n枚(但し、n≧2)のセル55(本実施形態においては、n=2)に対して1つ接続されている。具体的には、セル電圧モニタ41の一端が、一方のセル55の外側のセパレータ54に接続されるとともに、他端が他方のセル55の外側のセパレータ54に接続されている。つまり、本実施形態の燃料電池1においては、2枚のセル55を1つのセルペア(セル群)として構成し、各セル電圧モニタ41によって各セルペアの合計セル電圧(以下、合計セルペア電圧)を検出する。そして、セル電圧モニタ41の出力信号は、セル電圧情報(図1参照)としてECU39の後述する電圧検出手段60に入力されるようになっている。
Further, in this fuel cell 1, the cell voltage monitor (V) 41 for detecting the output voltage of the
(燃料電池システム)
図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、この燃料電池システム100における燃料電池1は、燃料電池車両(不図示)に搭載されたものであって、上述した燃料電池スタックで構成されている。なお、図1においては、上述したセル電圧モニタ41を1つのみ示している。
燃料電池システム100は、酸化ガスである空気を所定圧力に加圧するスーパーチャージャー等のエアポンプ7を備えている。このエアポンプ7は、酸化ガス供給路8を介して、燃料電池1の入口に接続されている。なお酸化ガス供給路8には、空気の冷却装置や加湿器等(いずれも不図示)を設けることが望ましい。一方、燃料電池1における酸化ガスの排出(出口)側には、背圧制御弁10を備えたカソードオフガス排出路9が接続されている。燃料電池1において発電に供された空気は、カソード53(図2参照)側の生成水と共に、カソードオフガス排出路9を通って希釈器30に供給される。
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 in the
The
また、燃料電池システム100は、燃料ガスである水素ガスが貯留された水素タンク(カソードガス供給手段)15を備えている。この水素タンク15は、燃料ガス供給路17を介して、燃料電池1の入口に接続されている。燃料ガス供給路17には、燃料ガス遮断弁20と、水素ガスを所定圧力に減圧する減圧弁(不図示)と、アノードオフガスを燃料ガス供給路17に合流させるエゼクタ19とが設けられている。
The
一方、燃料電池1における燃料ガスの排出(出口)側には、アノードオフガス循環路18が接続されている。燃料電池1において消費されなかった未反応の水素ガスは、アノードオフガス循環路18を通ってエゼクタ19に吸引され、再び燃料電池1の燃料ガス供給路17に供給される。
また、アノードオフガス循環路18からは、水素排出弁21を備えたアノードオフガス排出路22が分岐している。水素排出弁21は、燃料電池1を循環する水素ガス中の不純物(水分や窒素等)の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。水素排出弁21から排出されたアノードオフガスは希釈器30へ排出され、希釈器30においてカソードオフガスによって希釈される。
On the other hand, an anode off-
Further, an anode off-
また、燃料電池1は、ディスチャージ用出力リード線43を介してオーディオ、バッテリ等の電力消費デバイス42に接続されている。ディスチャージ用出力リード線43には、車両のアイドル停止中や回生中、イグニッションOFF時等のカソードガス供給停止中において、燃料電池1をディスチャージする際に燃料電池1で発電された電力が供給されるようになっている。
The fuel cell 1 is connected to a
なお、ディスチャージとは、カソード53に残存する酸化ガスを反応させて除去し、燃料電池1の電位を下げることである。これにより、カソードガス供給停止中において、カソード53に残存する酸化ガスによって固体高分子電解質膜51に負荷がかからないようにすることができる。そして、ディスチャージによって燃料電池1で発電された電力は、電力消費デバイス42に供給され、オーディオを再生したり、バッテリに蓄電されたりするようになっている。なお、ディスチャージ用リード線43において、燃料電池1と電力消費デバイス42との間には、電流計55が接続されている。この電流計55は、電力消費デバイス42に供給される電流(電力)を検出するものであって、この電流計55の出力信号は電流情報としてECU39に入力される。
Discharge means that the oxidizing gas remaining at the
(ECU)
上述したセル電圧モニタ41および電流計55は、燃料電池システム100を統括的に制御するECU39に接続されている。
図3は、ECUのブロック図である。
図3に示すように、ECU39は、上述したカソードガス供給停止中に燃料電池1のクロスリークの発生を検出するため、電圧検出手段60と、第1判断手段61と、第2判断手段62と、クロスリーク信号出力手段63と、カソードガス供給停止手段67と、カソードガス除去手段68とを備えている。なお、図示しないがECU39は、後述する各セルペア電圧や各判断結果を記憶するメモリ部も備えている。
(ECU)
The cell voltage monitor 41 and the
FIG. 3 is a block diagram of the ECU.
As shown in FIG. 3, the
電圧検出手段60は、上述したセル電圧モニタ41から出力された出力信号(図1中セル電圧情報)を受信するものであり、第1最低セル電圧検出手段64と、第2セル電圧検出手段65と、平均セル電圧検出手段66とを備えている。
第1最低セル電圧検出手段64は、上述したディスチャージ完了後にセル電圧モニタ41から出力された出力信号に基づいて、各電圧センサ40で検出された各セルペアの合計セルペア電圧のうち、合計セルペア電圧が最低となるセルペア(特定セルペア)の合計セルペア電圧を第1最低セルペア電圧として検出する。そして、検出された第1最低セルペア電圧の出力信号を、第1判断手段61及び第2判断手段62に向けて出力する。
The voltage detection means 60 receives an output signal (cell voltage information in FIG. 1) output from the above-described cell voltage monitor 41, and includes a first lowest cell voltage detection means 64 and a second cell voltage detection means 65. And an average cell
The first lowest cell voltage detection means 64 calculates the total cell pair voltage out of the total cell pair voltage of each cell pair detected by each voltage sensor 40 based on the output signal output from the cell voltage monitor 41 after completion of the above-described discharge. The total cell pair voltage of the lowest cell pair (specific cell pair) is detected as the first lowest cell pair voltage. Then, an output signal of the detected first lowest cell pair voltage is output toward the first determination means 61 and the second determination means 62.
平均セル電圧検出手段66は、燃料電池1全体の合計セルペア電圧、つまり各セルペアの合計セルペア電圧に基づいて、燃料電池1における平均のセルペア電圧(以下、平均セルペア電圧という)を算出する。そして、算出された平均セルペア電圧の出力信号を、第1判断手段61に向けて出力する。
第2セル電圧検出手段65は、第1最低セルペア電圧の検出後、またはディスチャージ完了後から所定時間(図5〜7中時間T3)経過後に、セル電圧モニタ41から出力された出力信号に基づいて、各電圧センサ40で検出された合計セルペア電圧のうち、上述した特定セルペアの合計セルペア電圧を第2セルペア電圧として検出する。そして、検出された第2セルペア電圧の出力信号を、第2判断手段62に向けて出力する。
The average cell
The second cell voltage detection means 65 is based on the output signal output from the cell voltage monitor 41 after the first lowest cell pair voltage is detected or after a predetermined time (time T3 in FIGS. 5 to 7) has elapsed since the completion of the discharge. Among the total cell pair voltages detected by each voltage sensor 40, the total cell pair voltage of the specific cell pair described above is detected as the second cell pair voltage. Then, the output signal of the detected second cell pair voltage is output toward the second determination means 62.
カソードガス供給停止手段67は、車両がアイドル停止中や回生中、イグニッションOFF時等になった場合に、エアポンプ7に向けてエア停止指令信号を出力し、エアポンプ7によるカソードガスの供給を停止させる。
カソードガス除去手段68は、カソードガス供給が停止した際に、電力消費デバイス42にディスチャージ指令信号を出力し、電力消費デバイス42によって上述したディスチャージを行わせる。すなわち、カソードガスの供給を停止した状態で、燃料電池1から電力を取り出し、電力消費デバイス42に消費させる。
The cathode gas supply stopping means 67 outputs an air stop command signal to the
The cathode
第1判断手段61は、第1最低セル電圧検出手段64から出力された第1最低セルペア電圧の出力信号に基づいて、燃料電池1においてクロスリークが発生しているかを判断する。具体的には、ディスチャージ完了後の第1最低セルペア電圧が、平均セルペア電圧の1/2−α(α:検出誤差)以下である場合に、クロスリークが発生している可能性があると判断する。
The
第2判断手段62は、第1最低セル電圧検出手段64と第2セル電圧検出手段65とのそれぞれから出力された第1最低セルペア電圧の出力信号と第2セルペア電圧の出力信号とを比較する。そして、第2セルペア電圧の値が、第1最低セルペア電圧の値よりも低い場合に、クロスリークの発生を判断する。そして、第2判断手段62における判断結果の出力信号を、クロスリーク信号出力手段63に向けて出力する。
The second determination means 62 compares the output signal of the first lowest cell pair voltage and the output signal of the second cell pair voltage output from each of the first lowest cell voltage detection means 64 and the second cell voltage detection means 65. . Then, when the value of the second cell pair voltage is lower than the value of the first lowest cell pair voltage, occurrence of cross leak is determined. Then, the output signal of the determination result in the
クロスリーク信号出力手段63は、第2判断手段62から出力されたクロスリーク発生の出力信号に基づいて、運転者に対して警告音や警告表示等のクロスリーク発生の異常信号を出力するものである。具体的には、第2判断手段62で算出された第2セルペア電圧と第1最低セルペア電圧との差分が所定値より小さい場合は、この状態がカソードガス供給停止毎(例えば、アイドル停止毎)に連続で複数回(例えば、5回)検出された場合に、クロスリークの発生を確定する。一方、第2セルペア電圧と第1最低セルペア電圧との差分が所定値以上である場合は、その時点でクロスリークの発生を確定する。そして、クロスリークの発生を確定したら、運転者に対して警告音や警告表示等の異常信号を出力する。
The cross leak signal output means 63 outputs an abnormal signal of cross leak occurrence such as a warning sound or a warning display to the driver based on the output signal of the cross leak occurrence output from the second determination means 62. is there. Specifically, when the difference between the second cell pair voltage calculated by the
(クロスリーク検出方法)
次に、本実施形態に係るクロスリーク検出方法について説明する。図4はクロスリーク検出方法を示すフローチャートである。本実施形態におけるクロスリークの検出は、カソードガス供給停止中、つまり車両のアイドル停止中や回生中、イグニッションOFF時等に行うものである。
まず、車両がアイドル停止中や回生中、イグニッションOFF時等になった場合に、カソードガス供給停止手段67からエアポンプ7に向けてエア停止指令信号を出力し、エアポンプ7によるカソードガスの供給を停止させる。
(Cross leak detection method)
Next, a cross leak detection method according to this embodiment will be described. FIG. 4 is a flowchart showing a cross leak detection method. The detection of the cross leak in this embodiment is performed when the cathode gas supply is stopped, that is, when the vehicle is idling or regenerating, when the ignition is OFF, or the like.
First, when the vehicle is idle stopped, regenerated, or when the ignition is off, an air stop command signal is output from the cathode gas supply stop means 67 to the
そして、図4に示すように、ECU39により、カソードガス(酸化ガス)の供給が停止中か否かを判定する(ステップS1)。ステップS1の判定結果が「NO」の場合(カソードガス供給中、つまり車両走行中等)には、クロスリークの検出は行わず、フローを終了する。
一方、ステップS1の判定結果が「YES」の場合には、カソードガス供給停止中であると判断し、ステップS2に進む。
Then, as shown in FIG. 4, the
On the other hand, when the determination result of step S1 is “YES”, it is determined that the cathode gas supply is stopped, and the process proceeds to step S2.
次に、ECU39により、カソード53側がカソードガス欠乏状態であるか否かを判定する(ステップS2)。なお、この時点でアノード52側には、アノードガス(水素ガス)が充分に存在している。ステップS2の判定結果が「NO」の場合(カソード53にカソードガスが残存している場合)には、カソードガス除去手段68から電力消費デバイス42に向けてディスチャージ指令信号を出力する。そして、ディスチャージ指令信号を受信した電力消費デバイス42は、上述したディスチャージを行う。ディスチャージ完了の判断は、電流計55から出力される電流情報によって判断する。また、カソード53側に残存するカソードガスを除去するには、所定時間(例えば、2,3秒〜10秒程度)放置してアノード52側に存在するアノードガスと、カソード53に残存するカソードガスとを反応させて行うことも可能である。これにより、カソード53側に残存している酸化ガスが除去される。
一方、ステップS2の判定結果が「YES」の場合には、カソード53側がカソードガス欠乏状態であると判断してステップS3に進む。
Next, the
On the other hand, if the determination result in step S2 is “YES”, it is determined that the
次に、燃料電池1全体の合計セルペア電圧を検出する。具体的には、各電圧センサ40により、各セルペア(2つのセル55間)の合計セルペア電圧をそれぞれ検出し、この検出結果の出力信号(セル電圧情報)をセル電圧モニタ41からECU39の電圧検出手段60に出力する。そして、各セルペアの合計セルペア電圧の検出結果に基づいて、平均セル電圧検出手段66により、燃料電池1の平均セルペア電圧を算出する。
一方、合計セルペア電圧の検出結果に基づいて、第1最低セル電圧検出手段64により、第1最低セルペア電圧を検出する。具体的には、各セルペアの合計セルペア電圧のうち、最も低い合計セルペア電圧を第1最低セルペア電圧として検出する。そして、これら平均セルペア電圧及び第1最低セルペア電圧をECU39のメモリ部に記憶させておく(ステップS3)。
Next, the total cell pair voltage of the entire fuel cell 1 is detected. Specifically, the total cell pair voltage of each cell pair (between two cells 55) is detected by each voltage sensor 40, and the output signal (cell voltage information) of the detection result is detected from the cell voltage monitor 41 to the voltage detected by the
On the other hand, the first lowest cell pair voltage is detected by the first lowest cell voltage detection means 64 based on the detection result of the total cell pair voltage. Specifically, the lowest total cell pair voltage among the total cell pair voltages of each cell pair is detected as the first lowest cell pair voltage. Then, the average cell pair voltage and the first lowest cell pair voltage are stored in the memory unit of the ECU 39 (step S3).
このように、ディスチャージ完了後(カソード53側がカソードガス欠乏状態)に合計セルペア電圧を検出することで、各セルペアの合計セルペア電圧を同一条件で検出することが可能である。つまり、何らかの異常が発生しているセルペアが存在する場合には、その合計セルペア電圧の変化が顕著に表れる。これにより、良好な電圧性能を維持しているセルペアと何らかの異常が発生しているセルペアとの変化を判断し易くなる。
Thus, by detecting the total cell pair voltage after completion of the discharge (the
ここで、図5〜7は、時間Tに対するセル電圧(セルペア電圧)を示すタイムチャートであり、図5は正常時、図6は生成水等の影響によるセルペア電圧低下時、図7はクロスリーク発生によるセルペア電圧低下時を示している。
図5〜7に示すように、時間T1において、カソードガス供給を停止した後、ディスチャージ等を行うことでカソード53側に残存するカソードガスが消費されて、平均セルペア電圧及び最低セルペア電圧が低下する(時間T2)。
図5に示すように、正常時、つまり生成水やクロスリークによる影響がない場合においては、時間T2からさらに時間が経過するにつれ(例えば、図5中T3)、外部からカソード53にカソードガスが侵入して再び発電が行われるので、平均セルペア電圧及び最低セルペア電圧が増加する。
5 to 7 are time charts showing the cell voltage (cell pair voltage) with respect to time T. FIG. 5 is normal, FIG. 6 is when the cell pair voltage is lowered due to the influence of generated water, and FIG. 7 is cross leak. The cell pair voltage drop due to occurrence is shown.
As shown in FIGS. 5 to 7, at time T <b> 1, after the cathode gas supply is stopped, by performing discharge or the like, the cathode gas remaining on the
As shown in FIG. 5, in the normal state, that is, when there is no influence of generated water or cross leak, as the time further elapses from time T2 (for example, T3 in FIG. 5), the cathode gas is externally applied to the
続いて、図4のフローチャートに戻り、時間T2(図5〜7参照)において、第1判断手段61により第1最低セルペア電圧が、平均セルペア電圧の1/2−α(α:検出誤差)以下であるか否かを判定する(ステップS4)。カソードガス供給が停止された状態において、クロスリークが発生しているセル55には、0Vの電位または逆電位が生じる。つまり、第1最低セルペア電圧が平均セルペア電圧の1/2−α以下であるということは、セルペアのうち一方のセル55の電位が0Vまたは逆電位が生じている可能性がある。なお逆電位とは、クロスリークによりカソード53側からアノード52側に移動した酸素と、アノード52側に存在する水素とが、アノード52側で反応し、この反応によって生じる電位であり、正常な発電時に生じる電位に対して逆転する現象である。
Subsequently, returning to the flowchart of FIG. 4, at time T <b> 2 (see FIGS. 5 to 7), the
このように、第1最低セルペア電圧が平均セルペア電圧の1/2−α以下である場合には、セルペアのうち一方のセル55に逆電位が生じている可能性が高いので、クロスリークの発生を正確に判断することができる。つまり、第1最低セルペア電圧が平均セルペア電圧のセルペアの1/2−α以下であるということは、クロスリークにより逆電位が生じている場合であるか、発電性能の低下によりセルペアのうち両セル55の電圧が半分以下に低下している場合である。これにより、無駄にクロスリークの検出を行う必要がなくなるため、クロスリーク検出の為の消費エネルギーを削減することができる。
As described above, when the first lowest cell pair voltage is ½−α or less of the average cell pair voltage, it is highly possible that a reverse potential is generated in one
そして、ステップS4の判定結果が「NO」の場合(第1最低セルペア電圧が平均セルペア電圧の1/2−α以上)には、ステップS8に進みクロスリーク故障の可能性無しと判断する。クロスリーク故障の可能性無しと判断した場合には、クロスリークの検出フローを終了する。
一方、ステップS4の判定結果が「YES」の場合には、クロスリークの可能性有りと判断してステップS5に進む。
If the determination result in step S4 is “NO” (the first lowest cell pair voltage is equal to or greater than 1 / 2−α of the average cell pair voltage), the process proceeds to step S8 to determine that there is no possibility of a cross leak failure. If it is determined that there is no possibility of a cross leak failure, the cross leak detection flow is terminated.
On the other hand, if the determination result of step S4 is “YES”, it is determined that there is a possibility of cross leak, and the process proceeds to step S5.
次に、第1最低セル電圧検出手段64による第1最低セルペア電圧の検出(時間T2)後から、所定時間(図5〜7における時間T3)経過したか否かを判定する(ステップS5)。ステップS5の判定結果が「NO」の場合(図5〜7における時間T3に至ってない)には、所定時間経過するまで待機する。
一方、ステップS5の判定結果が「YES」の場合には、第1最低セルペア電圧の検出後から所定時間経過したと判断し、ステップS6に進む。
Next, it is determined whether or not a predetermined time (time T3 in FIGS. 5 to 7) has elapsed since the detection of the first lowest cell pair voltage (time T2) by the first lowest cell voltage detection means 64 (step S5). If the determination result in step S5 is “NO” (not reaching time T3 in FIGS. 5 to 7), the process waits until a predetermined time elapses.
On the other hand, when the determination result of step S5 is “YES”, it is determined that a predetermined time has elapsed after the detection of the first lowest cell pair voltage, and the process proceeds to step S6.
次に、第2セル電圧検出手段65により、第2セルペア電圧を検出する。具体的には、時間T3(図5〜7参照)においてセル電圧モニタ41から出力されたセルペア電圧の出力信号(セル電圧情報)に基づいて、合計セルペア電圧のうち、上述した特定セルペアの合計セルペア電圧を第2セルペア電圧として検出する。そして、検出された第2セルペア電圧をECU39のメモリ部に記憶する(ステップS6)。 Next, the second cell voltage detection means 65 detects the second cell pair voltage. Specifically, based on the cell pair voltage output signal (cell voltage information) output from the cell voltage monitor 41 at time T3 (see FIGS. 5 to 7), the total cell pair of the specific cell pair described above among the total cell pair voltages. The voltage is detected as the second cell pair voltage. And the detected 2nd cell pair voltage is memorize | stored in the memory part of ECU39 (step S6).
ところで、合計セルペア電圧に基づいてクロスリークを判定する場合、複数のセルのうち、何れかのセルにクロスリークが生じている場合でも、実際にクロスリークが生じているか否かを判定し難いという問題がある。例えば、合計セルペア電圧を検出する構成の場合、合計セルペア電圧が半分以下に低下しても、この電圧低下の原因を確定することができない。具体的には、電圧低下の原因が実際にクロスリークによるものか、それとも生成水が発電面を覆ってしまう等、発電性能の低下によるものかが判定し難いという問題がある。つまり、上述したようにクロスリークにより一方のセルのみが逆電位になっている場合と、発電性能の低下により両セルの電圧が半分以下に低下している場合とで、合計セルペア電圧が同等になり得る場合がある。 By the way, when determining the cross leak based on the total cell pair voltage, it is difficult to determine whether or not the cross leak actually occurs even if the cross leak occurs in any of the plurality of cells. There's a problem. For example, in the configuration for detecting the total cell pair voltage, even if the total cell pair voltage decreases to half or less, the cause of this voltage decrease cannot be determined. Specifically, there is a problem that it is difficult to determine whether the cause of the voltage drop is actually due to a cross leak or due to a drop in power generation performance such as the generated water covers the power generation surface. In other words, as described above, the total cell pair voltage is the same between the case where only one cell is at a reverse potential due to cross leakage and the case where the voltage of both cells is reduced to half or less due to a decrease in power generation performance. It may be possible.
ここで、本実施形態では、ステップS6で検出した第2セルペア電圧が、ステップS4で検出した第1最低セルペア電圧以下であるか否かを判定する(ステップS7)。
ステップS7の判定結果が「NO」の場合(第2セルペア電圧が第1最低セルペア電圧以上)には、ステップS8に進みクロスリーク故障なしと判断する。クロスリーク故障なしと判断した場合には、クロスリークの検出フローを終了する。
Here, in the present embodiment, it is determined whether or not the second cell pair voltage detected in step S6 is equal to or lower than the first lowest cell pair voltage detected in step S4 (step S7).
If the determination result in step S7 is “NO” (the second cell pair voltage is equal to or higher than the first lowest cell pair voltage), the process proceeds to step S8 and it is determined that there is no cross leak failure. If it is determined that there is no cross leak failure, the cross leak detection flow is terminated.
つまり、クロスリークが発生している場合には、第2セルペア電圧が第1セルペア電圧以上となることは少ない。クロスリークが発生している場合には、時間が経過するにつれクロスリークの影響が大きくなるため、アノード52側におけるアノードガスとカソードガスとの反応が促進され、逆電位が増加する。そのため、第1最低セルペア電圧に比べ第2セル電圧が低下する。
That is, when the cross leak occurs, the second cell pair voltage is unlikely to be higher than the first cell pair voltage. When the cross leak occurs, the influence of the cross leak increases as time elapses. Therefore, the reaction between the anode gas and the cathode gas on the
これに対して、図6に示すように、時間T1から時間T2におけるセルペア電圧の低下の原因が、生成水等による発電性能低下である場合には、カソード53にエアが拡散すること等により発電面に存在する生成水が除去されれば、時間T3において発電性能は回復する。これにより、第1最低セルペア電圧に比べ第2セルペア電圧が増加する。また、上述したように外部からカソード53にカソードガスが侵入して再び発電が行われることによっても、第1最低セルペア電圧に比べ第2セルペア電圧が増加する。
このように、時間T3における最低セルペア電圧が、時間T2における最低セルペア電圧に比べて増加している場合、すなわち最低セルペア電圧が回復した場合には、時間T2における最低セルペア電圧の低下が生成水等による発電性能の低下であったと判断する。
On the other hand, as shown in FIG. 6, when the cause of the decrease in the cell pair voltage from the time T1 to the time T2 is a decrease in the power generation performance due to the generated water or the like, power is If the generated water present on the surface is removed, the power generation performance recovers at time T3. As a result, the second cell pair voltage increases compared to the first lowest cell pair voltage. In addition, as described above, the second cell pair voltage is increased compared to the first lowest cell pair voltage also when the cathode gas enters the
As described above, when the lowest cell pair voltage at time T3 is increased as compared with the lowest cell pair voltage at time T2, that is, when the lowest cell pair voltage is recovered, the decrease in the lowest cell pair voltage at time T2 is generated water or the like. Judged that the power generation performance was reduced.
一方、ステップS7の判定結果が「YES」の場合(第2セルペア電圧が第1最低セルペア電圧以下)には、ステップS9に進む。
つまり図7に示すように、時間T2における合計セルペア電圧の低下の原因が、クロスリークによるものである場合には、上述したように時間が経過するにつれてアノード52側での反応が増え、逆電位が大きくなる。これにより、時間T3における合計セルペア電圧が、時間T2における合計セルペア電圧に比べてさらに低下している場合には、合計セルペア電圧の低下が発電性能の低下ではなく、クロスリークによるものであると判断することができる。
On the other hand, when the determination result of step S7 is “YES” (the second cell pair voltage is equal to or lower than the first lowest cell pair voltage), the process proceeds to step S9.
That is, as shown in FIG. 7, when the cause of the decrease in the total cell pair voltage at time T2 is due to cross leakage, the reaction on the
次に、ステップS7の判定結果に基づいてクロスリーク故障の発生を確定する(ステップS9)。クロスリーク発生の確定は、カソードガス供給停止毎(例えば、アイドル停止毎)に上述したフローを行い、複数回(例えば、5回)連続でクロスリーク発生が検出された時点で、クロスリーク故障が発生したと確定する。つまり、複数回連続でクロスリークを検出した場合に、クロスリークの発生を確定することで、誤差の影響を排除することが可能になり、クロスリークの誤検出を防止することができるため、クロスリークを正確に検出することができる。 Next, the occurrence of a cross leak failure is determined based on the determination result of step S7 (step S9). To confirm the occurrence of the cross leak, the above-described flow is performed every time the cathode gas supply is stopped (for example, every time the idle gas is stopped). Confirm that it occurred. In other words, when cross leaks are detected multiple times in succession, by confirming the occurrence of cross leaks, it is possible to eliminate the effects of errors and prevent false detection of cross leaks. A leak can be detected accurately.
また、ステップS7において、第2セルペア電圧と第1最低セルペア電圧との差分が所定値以上である場合には、その時点でクロスリーク故障が発生したと確定する。例えば、セル55の固体高分子電解質膜51に大きな穴が開いていた場合、つまりクロスリークが大きい場合には、電圧低下量は大きくなる。この時、電圧低下量が所定以上の場合には、その時点でクロスリーク故障の発生を判断することで、所定回クロスリークを検出することなく、早期にクロスリークを検出できる。そのため、クロスリーク故障が発生した場合において、周囲のセル55にまでダメージを与えることを防ぐことができる。
In step S7, if the difference between the second cell pair voltage and the first lowest cell pair voltage is greater than or equal to a predetermined value, it is determined that a cross leak failure has occurred at that time. For example, when a large hole is opened in the solid
クロスリーク故障の発生を確定した場合には、クロスリーク信号出力手段63から運転者に対して警告音や警告表示等の異常信号が出力される。そして、異常信号を受信したら、クロスリークの発生したセル55を直ちに交換する。したがって、複数のセル55においてクロスリークが発生している場合があっても、セル55を交換する時点で他のセル55におけるクロスリークの有無を確認すればよい。そのため、最低セルペア電圧を検出して最初にクロスリークが発生するセル55を検出すれば足りる。
以上により、クロスリークの検出フローを終了する。
When the occurrence of the cross leak failure is determined, an abnormal signal such as a warning sound or a warning display is output from the cross leak signal output means 63 to the driver. When the abnormal signal is received, the
This completes the cross leak detection flow.
このように、上述の実施形態によれば、第1最低セルペア電圧と第2セルペア電圧とを比較して、第2セルペア電圧が第1最低セルペア電圧より低い場合、クロスリークの発生を判断する構成とした。つまり、最低セルペア電圧の変化量に基づいて、クロスリークの発生を判断することができる。具体的には、第1判断手段61における電圧低下の原因が発電性能低下の場合には、外部からカソード53にカソードガスが侵入して再び発電が行われたり、発電性能が回復したりすることで、第1最低セルペア電圧に比べ第2セルペア電圧が増加する。一方、クロスリークが発生している場合には、時間が経過するにつれクロスリークの影響が大きくなるため、アノード52側におけるアノードガスとカソードガスとの反応が促進され、逆電位が増加する。そのため、第1最低セルペア電圧に比べ第2セル電圧が低下する。これにより、複数枚のセル55からなるセルペア毎に合計セルペア電圧を検出する構成であっても、クロスリークにより発生する電圧低下を正確に検出することができる。
そして、第2セルペア電圧が第1最低セルペア電圧よりも高い場合、つまり合計セルペア電圧が回復した場合には、クロスリーク以外が原因であると判断することで、クロスリークの誤検出を防止できる。
Thus, according to the above-described embodiment, the first lowest cell pair voltage is compared with the second cell pair voltage, and the occurrence of cross leakage is determined when the second cell pair voltage is lower than the first lowest cell pair voltage. It was. That is, the occurrence of cross leak can be determined based on the amount of change in the minimum cell pair voltage. Specifically, when the cause of the voltage drop in the first determining
When the second cell pair voltage is higher than the first lowest cell pair voltage, that is, when the total cell pair voltage is recovered, it is possible to prevent erroneous detection of cross leak by determining that the cause is other than cross leak.
また、燃料電池1内部に残存するカソードガスをディスチャージにより消費させることにより、例えばアイドル停止中等における燃料電池1を低電位に保持することができる。これにより、アイドル停止中等に燃料電池1が高電位で維持されることにより生じる、セル55の固体高分子電解質膜51の劣化を防ぐことができる。さらに、アイドル停止中等に行われるディスチャージ中にクロスリークの検出を行うため、クロスリーク検出のために無駄にディスチャージを行わなくても良い。
したがって、燃料電池1のコストを低減した上で、クロスリークによるセル55へのダメージを抑えることができる。
Further, by consuming the cathode gas remaining in the fuel cell 1 by discharging, the fuel cell 1 can be kept at a low potential, for example, during idling stop. Thereby, deterioration of the solid
Therefore, it is possible to reduce damage to the
ところで、クロスリークの検出方法としては、例えばカソードの出口側(希釈器の出口側)に水素センサを設け、この水素センサによりカソード側からの水素ガスの漏れ量を検出する構成も考えられる。しかしながら、この構成にあっては、カソードの出口側には、各セルから排出される酸化ガスが流出してくるため、水素ガスが大量に漏れなければ、クロスリークを判断することができない。また、クロスリークの発生箇所を判断することができない。
これに対して、本実施形態では、セルペア電圧の変化量に基づいてクロスリークを判断することで、水素センサを設ける必要もないため、燃料電池1の低コスト化が図ることができる。また、水素センサによる検出に比べて迅速に、かつ正確にクロスリークを判断することができる。
By the way, as a cross leak detection method, for example, a configuration in which a hydrogen sensor is provided on the cathode outlet side (diluter outlet side) and the amount of hydrogen gas leaked from the cathode side is detected by this hydrogen sensor is also conceivable. However, in this configuration, since the oxidizing gas discharged from each cell flows out to the cathode outlet side, a cross leak cannot be determined unless a large amount of hydrogen gas leaks. In addition, the location where the cross leak occurs cannot be determined.
On the other hand, in this embodiment, since it is not necessary to provide a hydrogen sensor by determining the cross leak based on the amount of change in the cell pair voltage, the cost of the fuel cell 1 can be reduced. Further, it is possible to determine the cross leak more quickly and accurately than the detection by the hydrogen sensor.
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述の実施形態では、2枚のセルをセルペアとして、このセルペア毎の合計セルペア電圧を検出する構成について説明したが、複数枚のセルを1つのセル群として、このセル群毎の合計セル電圧を検出するような構成にしてもよい。この場合、セルの枚数をnとすると、上述したステップS4における判定は、第1最低セル電圧が平均セル電圧の(n−1)/n−αである場合に、クロスリークの可能性ありと判断する。
It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. In other words, the configuration described in the above-described embodiment is merely an example, and can be changed as appropriate.
For example, in the above-described embodiment, the configuration in which two cells are used as a cell pair and the total cell pair voltage for each cell pair is detected has been described. However, a plurality of cells are used as one cell group, and the total cell for each cell group is described. You may make it the structure which detects a voltage. In this case, assuming that the number of cells is n, the determination in step S4 described above is that there is a possibility of cross leak when the first lowest cell voltage is (n-1) / n-α of the average cell voltage. to decide.
また、上述の実施形態では、ステップS2においてカソード側がカソードガス欠乏状態でない場合に、ディスチャージを行うか、所定時間放置する場合について説明したが、カソード酸化ガス供給路に真空ポンプを接続し、カソードからエアを引く構成も可能である。 Further, in the above-described embodiment, the case where the discharge is performed when the cathode side is not in a cathode gas deficient state in step S2 or the case where the cathode side is left for a predetermined time has been described. A configuration that draws air is also possible.
1…燃料電池(燃料電池スタック) 42…電力消費デバイス(カソードガス除去手段) 52…アノード 53…カソード 55…セル 61…第1判断手段 62…第2判断手段 63…クロスリーク信号出力手段 64…第1最低セル電圧検出手段 65…第2セル電圧検出手段 66…平均セル電圧検出手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell (fuel cell stack) 42 ... Electric power consumption device (cathode gas removal means) 52 ...
Claims (7)
前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段と、
複数枚の前記セルをセル群として、該セル群毎の合計セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止手段と、
該カソードガス供給停止手段により、前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去手段と、
該カソードガス除去手段により前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第1最低セル電圧として検出する第1最低セル電圧検出手段と、
前記第1最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第1判断手段と、
該第1判断手段によりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第1最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第2セル電圧として検出する第2セル電圧検出手段と、
前記第1最低セル電圧と前記第2セル電圧とを比較して、前記第2セル電圧が前記第1最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第2判断手段と、
該第2判断手段の結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack configured by stacking cells for supplying power by supplying anode gas and cathode gas;
Cathode gas supply means for supplying the cathode gas to the fuel cell stack;
A plurality of the cells as a cell group, and a cell voltage detection means for detecting a total cell voltage for each cell group, and a fuel cell system comprising:
Cathode gas supply stop means for stopping supply of the cathode gas to the fuel cell stack;
A cathode gas removing means for removing the cathode gas present in the cathode electrode when the supply of the cathode gas is stopped by the cathode gas supply stopping means;
When the cathode gas is removed by the cathode gas removing means, a first lowest cell voltage that detects the total cell voltage of a specific cell group having the lowest total cell voltage among the plurality of cell groups as a first lowest cell voltage. Cell voltage detection means;
First determination means for determining whether or not there is a possibility of occurrence of a cross leak based on the first lowest cell voltage;
When it is determined by the first determining means that there is a possibility that a cross leak has occurred, the total cell voltage of the specific cell group is set to a first value after a predetermined time has elapsed since the detection of the first lowest cell voltage. A second cell voltage detecting means for detecting as a two-cell voltage;
The first lowest cell voltage and the second cell voltage are compared, and if the second cell voltage is lower than the first lowest cell voltage, it is determined that a cross leak has occurred in the specific cell group. Second judging means for
And a cross leak signal output means for outputting an abnormal signal in accordance with a result of the second determination means.
前記第1判断手段は、前記セル群における前記セルの枚数をnとして、前記第1最低セル電圧が前記平均セル群電圧の(n−1)/n以下である場合に、クロスリークが発生している可能性があると判断することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 Based on the total cell voltage for each cell group, an average cell voltage detection means for calculating an average cell group voltage of the fuel cell stack,
The first determination means generates a cross leak when the number of the cells in the cell group is n and the first lowest cell voltage is (n−1) / n or less of the average cell group voltage. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is determined to be possible.
前記カソードガスを前記燃料電池スタックに供給するカソードガス供給手段と、
複数枚の前記セルをセル群として、該セル群毎の合計セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、を有する燃料電池システムを用いて前記セルのクロスリークを検出するクロスリーク検出方法であって、
前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止するカソードガス供給停止ステップと、
前記カソードガスの供給が停止されている際に、カソード極に存在する前記カソードガスを除去するカソードガス除去ステップと、
該カソードガス除去ステップにより前記カソードガスを除去した際に、複数の前記セル群のうち前記合計セル電圧が最低となる特定セル群の前記合計セル電圧を第1最低セル電圧として検出する第1最低セル電圧検出ステップと、
該第1最低セル電圧検出ステップで検出した前記第1最低セル電圧に基づいてクロスリークが発生している可能性があるか否かを判断する第1判断ステップと、
該第1判断ステップによりクロスリークが発生している可能性があると判断された際に、前記第1最低セル電圧の検出後から所定時間経過後に、前記特定セル群の前記合計セル電圧を第2セル電圧として検出する第2セル電圧検出ステップと、
前記第1最低セル電圧と前記第2セル電圧とを比較して、前記第2セル電圧が前記第1最低セル電圧より低い場合には、前記特定セル群においてクロスリークが発生していると判断する第2判断ステップと、
該第2判断ステップの結果に応じて異常信号を出力するクロスリーク信号出力ステップと、を有することを特徴とするクロスリーク検出方法。 A fuel cell stack configured by stacking cells for supplying power by supplying anode gas and cathode gas;
Cathode gas supply means for supplying the cathode gas to the fuel cell stack;
A cross leak detection method for detecting a cross leak of the cell using a fuel cell system having a plurality of the cells as a cell group, and a cell voltage detecting means for detecting a total cell voltage for each cell group. ,
A cathode gas supply stop step of stopping supply of the cathode gas to the fuel cell stack;
A cathode gas removing step for removing the cathode gas present in the cathode electrode when the supply of the cathode gas is stopped;
When the cathode gas is removed by the cathode gas removal step, a first lowest cell voltage that detects the total cell voltage of a specific cell group having the lowest total cell voltage among the plurality of cell groups as a first lowest cell voltage. A cell voltage detection step;
A first determination step of determining whether or not there is a possibility of occurrence of a cross leak based on the first minimum cell voltage detected in the first minimum cell voltage detection step;
When it is determined by the first determination step that there is a possibility that a cross leak has occurred, the total cell voltage of the specific cell group is changed to a first value after a predetermined time has elapsed since the detection of the first lowest cell voltage. A second cell voltage detection step for detecting as a two-cell voltage;
The first lowest cell voltage and the second cell voltage are compared, and if the second cell voltage is lower than the first lowest cell voltage, it is determined that a cross leak has occurred in the specific cell group. A second determining step,
And a cross leak signal output step of outputting an abnormal signal in accordance with the result of the second determination step.
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