JP2011159538A

JP2011159538A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2011159538A
Application number: JP2010021250A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Fujita; 信雄藤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、簡易な構造で、燃料ガス流路に配置される圧力センサを点検することができるようにする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、高圧用減圧弁２０と、高圧用減圧弁２０の上流側に配置される第１圧力センサ２４と、高圧用減圧弁２０の下流側に配置される第２圧力センサ２６と、高圧用減圧弁２０をバイパスするバイパス路２８と、バイパス路２８に配置されたバイパス弁３０と、第１及び第２圧力センサ２４，２６の異常を検出する異常検出部３２とを有する。異常検出部３２は、バイパス弁３０の開弁によりバイパス路２８を通じて高圧用減圧弁２０の上流側と下流側の燃料ガス流路１４を連通させたときに、第１及び第２圧力センサ２４，２６により検出される圧力の検出値の差が所定値以上の場合、これらのセンサ２４，２６の異常を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池システムに関する。

従来から、反応ガスである燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）を電気化学反応させて発電を行う燃料電池システムが知られている。

燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス源と、燃料ガス源と燃料電池とを接続し、燃料ガスが流れる燃料ガス流路とを有する。燃料ガス流路には、燃料ガスを減圧する減圧弁と、減圧弁より上流側の燃料ガスの圧力を検出する第１圧力センサと、減圧弁より下流側の燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサとがそれぞれ配置される例がある。

下記特許文献１には、燃料電池と、酸化ガス源であるエアコンプレッサと、エアコンプレッサと燃料電池とを接続する酸化ガス流路と、燃料電池から酸化ガスのオフガスを排出する排出路とを有する燃料電池システムが記載されている。酸化ガス流路には、酸化ガスの圧力を検出する圧力センサが設けられ、排出路には、オフガスの圧力を検出する圧力センサが設けられている。このシステムにおいては、エアコンプレッサの出力が無いときにこれらの圧力センサにより検出された圧力の検出値の差が所定値以上である場合、オフガスの圧力を検出する圧力センサが凍結などにより不具合が生じていることを検出している。

特開２００８−７７９５５号公報

従来の燃料電池システムにおいては、燃料ガス流路に配置される第１及び第２圧力センサにより検出される検出値に基づいて、システム内の各機器の状態が判断され、各機器が制御される。例えば、第２圧力センサの検出値が所定値以上である場合、減圧弁によって燃料ガスが正常に減圧されていないと判断され、燃料ガス源の主止弁が閉じられる。

しかしながら、第１または第２圧力センサに不具合が発生し、それに気付かない場合、その不具合の圧力センサの検出値に基づいて、システム内の各機器の状態が判断され各機器が制御され、システム全体に不具合が生じてしまう可能性がある。

本発明の目的は、簡易な構造で、燃料ガス流路に配置される圧力センサを点検することができる燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池システムにおいて、燃料ガス源と燃料電池を接続し、燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、燃料ガス流路に配置され、この流路を流れる燃料ガスを減圧する減圧弁と、減圧弁の上流側の燃料ガス流路に配置され、燃料ガスの圧力を検出する第１圧力センサと、減圧弁の下流側の燃料ガス流路に配置され、燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、減圧弁の上流側と下流側の燃料ガス流路を接続し、減圧弁をバイパスするバイパス路と、バイパス路に配置されたバイパス弁と、第１及び第２圧力センサの異常を検出する異常検出部と、を有し、異常検出部は、バイパス弁の開弁によりバイパス路を通じて減圧弁の上流側と下流側の燃料ガス流路を連通させたときに、第１及び第２圧力センサにより検出される圧力の検出値の差が所定値以上の場合、これらのセンサの異常を検出することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構造で、燃料ガス流路に配置される圧力センサを点検することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システムの圧力センサの点検作業の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図を用いて説明する。一例として、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムを挙げ、この燃料電池システムについて説明する。

まず、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１０について図１を用いて説明する。燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池１２を有する。なお、燃料電池システム１０に用いられる燃料ガスは水素であり、酸化ガスは空気である。

燃料電池１２には、これのアノード（図示せず）に燃料ガスを供給する燃料ガス流路１４と、燃料電池１２のカソード（図示せず）に酸化ガスを供給する酸化ガス流路（図示せず）とが接続されている。

燃料電池１２は、例えばフッ素樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する固体高分子型の燃料電池である。この電池の単位セル（図示せず）は、電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、二枚のセパレータでさらに挟んで構成される。この単位セルを複数積層することにより、燃料電池１２が構成される。

燃料電池システム１０は、燃料ガスを燃料電池１２に供給する燃料ガス源として、タンク１６を３個有する。タンク１６は、燃料ガスを高圧状態（例えば７０ＭＰａ）にして貯蔵する。タンク１６と燃料電池１２は、燃料ガス流路１４で接続される。なお、タンク１６の数は一例であって、本発明はタンク１６の数３個に限定されない。

燃料ガス流路１４は、各タンク１６に接続するマニホールド１４ａを有する。燃料ガス流路１４には、タンク１６から燃料電池１２に向けて主止弁１８と高圧用減圧弁２０と低圧用減圧弁２２とが順に取り付けられている。

主止弁１８は、マニホールド１４ａと各タンク１６との間にそれぞれ取り付けられる。主止弁１８は、電気信号により電磁石を駆動して弁を開閉する電磁弁である。主止弁１８は、自動車の停止時、具体的にはイグニッションスイッチがオフである場合、閉状態となり、自動車の運転時、具体的にはイグニッションスイッチがオンである場合、開状態となるように制御される。また、主止弁１８は、例えば第２圧力センサ２６からの電気信号により弁を開閉することもできる。

高圧用及び低圧用減圧弁２０，２２は、タンク１６から導入される燃料ガスの圧力（例えば７０ＭＰａ）を、燃料ガスの供給先である燃料電池１２に適した圧力（例えば１ＭＰａ）まで順次減圧する装置である。なお、これらの減圧弁２０，２２の減圧値は調整することができる。

また、主止弁１８と高圧用減圧弁２０の間の燃料ガス流路１４には、燃料ガスの圧力を検出する第１圧力センサ２４が設けられる。具体的には、第１圧力センサ２４は、マニホールド１４ａに取り付けられる。しかし、本発明はこの構成に限定されず、高圧用減圧弁２０より上流側であれば、マニホールド１４ａと高圧用減圧弁２０の間の燃料ガス流路１４に第１圧力センサ２４を取り付けることができる。そして、高圧用減圧弁２０と低圧用減圧弁２２の間の燃料ガス流路１４には、燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサ２６が設けられる。

本実施形態の燃料電池システム１０は、高圧用減圧弁２０をバイパスするバイパス路２８と、バイパス路２８に配置されたバイパス弁３０と、第１及び第２圧力センサ２４，２６の異常を検出する異常検出部３２とを有する。

バイパス路２８は、図１に示されるように、これの一端が高圧用減圧弁２０の上流側の燃料ガス流路１４に接続され、他端が高圧用減圧弁２０の下流側の燃料ガス流路１４に接続されて構成される。

バイパス弁３０は、電気信号により電磁石を駆動して弁を開閉する電磁弁である。なお、本発明はこの構成に限定されず、バイパス弁３０が、手動により弁を開閉する手動弁であってもよい。

異常検出部３２は、第１及び第２圧力センサ２４，２６に信号線を介してそれぞれ接続されている。そして、異常検出部３２は、バイパス弁３０の開弁によりバイパス路２８を通じて高圧用減圧弁２０の上流側と下流側の燃料ガス流路１４を連通させたときに、第１及び第２圧力センサ２０，２２により検出される圧力の検出値の差が所定値以上の場合、これらのセンサ２０，２２の異常を検出する。

バイパス路２８を通じて高圧用減圧弁２０の上流側と下流側の燃料ガス流路１４を連通させることにより、これらの領域の燃料ガス流路１４内における燃料ガスの圧力は同じになる。すなわち、第１及び第２圧力センサ２４，２６がともに正常であれば、これらの圧力センサ２４，２６により検出される圧力の検出値が同じになる。しかし、第１及び第２圧力センサ２４，２６のいずれか一方が異常である場合、２つの検出値は同じ値にならず、差が生じてしまう。異常検出部３２は、この差が所定値以上の場合、第１及び第２圧力センサ２４，２６のいずれか一方が異常であると判断して異常を検出する。このような簡易な構成により、各圧力センサ２０，２２を点検することができる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の圧力センサの点検作業について、図２を用いて説明する。ここで、燃料電池システム１０は、通常の運転を行なう通常運転モードと、第１及び第２圧力センサ２４，２６を点検するモードである圧力センサ点検モードとを有し、モードが通常運転モードから圧力センサ点検モードに切り替えられたときに実施される点検作業について説明する。

まず、ステップＳ１０１において、燃料電池システム１０を制御する制御部（図示せず）が主止弁１８を閉弁させる。これにより、タンク１６から燃料ガス流路１４への燃料ガスの供給が止まる。そして、ステップＳ１０２において、制御部が燃料電池１２を起動させる。これにより、燃料電池１２の電気化学反応において燃料ガスが消費され、燃料ガス流路１４全体における燃料ガスの圧力が低下する。

次に、ステップＳ１０３において、第１圧力センサ２４により検出される圧力の検出値が閾値まで下がったか否かが判断される。閾値とは、高圧用減圧弁２０の圧力損失以上の値であり、任意に設定可能である。検出値が閾値まで下がったと判断された場合、ステップＳ１０４に進む。一方、検出値がまだ閾値を超えている場合、ステップＳ１０２に戻る。高圧用減圧弁２０より下流側の燃料ガス流路１４に、高圧の燃料ガスが供給されてしまうことを防止するためである。

ステップＳ１０４では、制御部が燃料電池１２を停止させ、ステップＳ１０５で制御部がバイパス弁２８を開弁させる。これにより、バイパス路２８を通じて高圧用減圧弁２０の上流側と下流側の燃料ガス流路１４が連通し、これらの領域の燃料ガスの圧力が同じになる。

そして、ステップＳ１０６において、第１及び第２圧力センサ２４，２６により検出された圧力の検出値の差が所定値以上であるか否かが判断される。検出値の差が所定値未満である場合、両センサ２４，２６は正常であると判断され、制御動作が終了する。一方、検出値の差が所定値以上の場合、両センサ２４，２６のいずれか一方が異常であると判断され、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、異常検出部３２が異常を検出し、ステップＳ１０８で、作業員が燃料ガス流路１４内の燃料ガスを抜いて、この流路１４内を大気圧にして両センサ２４，２６を検査する。そして、ステップＳ１０９において、作業員が異常のセンサを正常なものに交換し、点検作業が終了する。

本実施形態においては、燃料ガス流路１４に高圧用及び低圧用減圧弁２０，２２が設けられる場合について説明したが、この構成に限定されない。燃料ガス流路１４に、減圧弁の上流側と下流側に、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサがあれば、減圧弁は１個であっても、３個以上であってもよい。

１０燃料電池システム、１２燃料電池、１４燃料ガス流路、１６タンク、１８主止弁、２０高圧用減圧弁、２２低圧用減圧弁、２４第１圧力センサ、２６第２圧力センサ、２８バイパス路、３０バイパス弁、３２異常検出部。

Claims

燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池システムにおいて、
燃料ガス源と燃料電池を接続し、燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
燃料ガス流路に配置され、この流路を流れる燃料ガスを減圧する減圧弁と、
減圧弁の上流側の燃料ガス流路に配置され、燃料ガスの圧力を検出する第１圧力センサと、
減圧弁の下流側の燃料ガス流路に配置され、燃料ガスの圧力を検出する第２圧力センサと、
減圧弁の上流側と下流側の燃料ガス流路を接続し、減圧弁をバイパスするバイパス路と、
バイパス路に配置されたバイパス弁と、
第１及び第２圧力センサの異常を検出する異常検出部と、
を有し、
異常検出部は、バイパス弁の開弁によりバイパス路を通じて減圧弁の上流側と下流側の燃料ガス流路を連通させたときに、第１及び第２圧力センサにより検出される圧力の検出値の差が所定値以上の場合、これらのセンサの異常を検出する、
ことを特徴とする燃料電池システム。