JP2012089306A - Fuel cell system and cross leakage detection method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アノード側に燃料ガスが供給される一方、カソード側に酸化剤ガスが供給されて発電する複数のセルが積層された燃料電池と、1の前記セル毎又は2以上の前記セルを含むセルユニット毎にセル電圧を検出するセル電圧検出部とを備える燃料電池システム及びそのクロスリーク検出方法に関する。 The present invention provides a fuel cell in which a fuel gas is supplied to the anode side while an oxidant gas is supplied to the cathode side and a plurality of cells that generate power are stacked, and each of the cells or two or more of the cells. The present invention relates to a fuel cell system including a cell voltage detection unit that detects a cell voltage for each cell unit including the cell unit and a cross leak detection method thereof.
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode side electrode and a cathode side electrode are disposed on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is provided by a pair of separators. The unit cell is sandwiched. This type of fuel cell is usually used as an in-vehicle fuel cell stack, for example, by stacking a predetermined number of unit cells.
上記の燃料電池では、例えば、固体高分子電解質膜に損傷が発生してカソード側からアノード側に酸化剤ガス(酸素)が流入する、所謂、クロスリークが発生する場合がある。アノード側では、燃料ガスである水素に酸素が混在することにより、前記水素が固体高分子電解質膜に接する面積が減少するとともに、前記酸素と前記水素との反応により該水素が減少し、セル電圧が低下するという問題がある。 In the above fuel cell, for example, damage may occur in the solid polymer electrolyte membrane, and so-called cross leak may occur in which oxidant gas (oxygen) flows from the cathode side to the anode side. On the anode side, when hydrogen is mixed with the fuel gas, the area where the hydrogen is in contact with the solid polymer electrolyte membrane is reduced, and the hydrogen is reduced due to the reaction between the oxygen and the hydrogen. There is a problem that decreases.
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とが電解質膜を挟んで対向配置されてなる燃料電池セルを複数積層して構成され、前記燃料電池セルの燃料極に水素を含有する燃料ガスが供給され、前記燃料電池セルの酸化剤極に酸素を含有する酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池セルの燃料極に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段と、前記燃料電池セルの酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整手段と、前記燃料電池セルの電圧を各燃料電池セル毎又は複数の燃料電池セルからなるセル群毎に計測するセル電圧計測手段と、前記燃料ガス圧力調整手段と前記酸化剤ガス圧力調整手段との少なくとも一方を制御して、前記燃料電池セルの燃料極と酸化剤極との間に燃料極側の圧力の方が酸化剤極側の圧力よりも高くなる差圧を発生させ、且つ、当該差圧の大きさを変化させる差圧制御手段と、前記差圧制御手段が前記差圧を単調増加させている間に、前記セル電圧計測手段により計測される前記燃料電池セルの電圧挙動に基づいて、電解質膜を介して燃料極側から酸化剤極側へとガスが流入しているリークセルの有無を判定するリーク判定手段とを備えることを特徴としている。
Thus, for example, a fuel cell system disclosed in
上記の特許文献1では、異常なセル電圧の低下速度が、正常なセル電圧の低下速度よりも速くなることから、リークセル(クロスリークが発生したセル)の有無を判定している。
In
しかしながら、セル電圧の低下は、クロスリークの場合の他に、ガス流路に水が滞留することによるフラッディングの場合にも発生している。このため、燃料電池セルには、単にフラッディングが発生しているのに関わらず、クロスリークが発生していると誤認し、前記燃料電池セルを交換する作業が行われるという問題がある。フラッディングの場合には、掃気処理、パージ処理又はガス流量の増量等により解消させることができ、引き続き燃料電池セルを経済的に使用することが可能になるからである。 However, a drop in cell voltage occurs not only in the case of cross leak but also in the case of flooding due to water remaining in the gas flow path. For this reason, there is a problem that the fuel cell is misunderstood that a cross leak has occurred regardless of whether flooding has occurred, and the operation of replacing the fuel cell is performed. This is because in the case of flooding, it can be eliminated by scavenging, purging or increasing the gas flow rate, and the fuel cell can be used economically.
本発明はこの種の問題を解決するものであり、クロスリークによるセル電圧の低下とフラッディングによるセル電圧の低下とを、簡単且つ確実に判別することが可能な燃料電池システム及びそのクロスリーク検出方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this type of problem, and a fuel cell system capable of easily and reliably discriminating between a cell voltage drop due to cross leak and a cell voltage drop due to flooding, and a cross leak detection method therefor The purpose is to provide.
本発明は、アノード側に燃料ガスが供給される一方、カソード側に酸化剤ガスが供給されて発電する複数のセルが積層された燃料電池と、1の前記セル毎又は2以上の前記セルを含むセルユニット毎にセル電圧を検出するセル電圧検出部とを備える燃料電池システム及びそのクロスリーク検出方法に関するものである。 The present invention provides a fuel cell in which a fuel gas is supplied to the anode side while an oxidant gas is supplied to the cathode side and a plurality of cells that generate power are stacked, and each of the cells or two or more of the cells. The present invention relates to a fuel cell system including a cell voltage detection unit that detects a cell voltage for each cell unit including the cell unit, and a cross leak detection method thereof.
この燃料電池システムは、システム起動時、システム停止時又はアイドルストップ時のいずれかの状態で、セル又はセルユニットのセル電圧を検出する際、検出された最低セル電圧が、閾値以下であるか否かを判定する最低セル電圧判定部と、前記最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットの周辺で検出されたセル電圧が、該最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターンを形成する際、該最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットにクロスリークが惹起されたと判定するクロスリーク判定部とを備えている。 When this fuel cell system detects a cell voltage of a cell or a cell unit at any time during system startup, system shutdown, or idle stop, whether or not the detected minimum cell voltage is below a threshold value. A minimum cell voltage determination unit that determines whether the cell voltage detected in the periphery of the cell or the cell unit in which the minimum cell voltage is detected is increased in a direction away from the minimum cell voltage. A cross-leak determination unit that determines that a cross-leak has occurred in the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected when forming a voltage pattern;
また、このクロスリーク検出方法は、システム起動時、システム停止時又はアイドルストップ時のいずれかの状態で、セル又はセルユニットのセル電圧を検出する工程と、検出された最低セル電圧が、閾値以下であるか否かを判定する工程と、前記最低セル電圧が、前記閾値以下であると判定された際、前記最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットの周辺で検出されたセル電圧が、該最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターンを形成するか否かを判定する工程と、前記最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットの周辺で検出されたセル電圧が、前記傾斜電圧パターンを形成すると判定された際、該最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットにクロスリークが惹起されたと判定する工程とを有している。 Further, this cross leak detection method includes a step of detecting a cell voltage of a cell or a cell unit in a state of system startup, system shutdown, or idle stop, and the detected minimum cell voltage is less than a threshold value. A cell voltage detected in the vicinity of the cell or the cell unit in which the minimum cell voltage is detected when it is determined that the minimum cell voltage is not more than the threshold value. Determining whether or not to form a ramp voltage pattern that is boosted in a direction away from the lowest cell voltage, and is detected in the vicinity of the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected. When it is determined that the measured cell voltage forms the ramp voltage pattern, a cross leak is caused in the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected. And a step of determining that.
さらに、このクロスリーク検出方法では、クロスリークが惹起されたと判定された際、少なくともアノード側又はカソード側のガス供給流路中のガスを入れ替える工程と、前記ガスの入れ替えを行った後、最低セル電圧が、閾値以下であるか否かを判定する工程と、前記最低セル電圧が、前記閾値を超えていると判定された際、クロスリーク判定をリセットする工程とを有することが好ましい。 Further, in this cross leak detection method, when it is determined that a cross leak has occurred, at least the step of replacing the gas in the gas supply flow path on the anode side or the cathode side, and after replacing the gas, the lowest cell Preferably, the method includes a step of determining whether or not the voltage is equal to or lower than a threshold value, and a step of resetting the cross leak determination when it is determined that the minimum cell voltage exceeds the threshold value.
さらにまた、このクロスリーク検出方法では、最低セル電圧が検出されたセル又はセルユニットが、燃料電池の積層方向端部に配置されている際、クロスリークが惹起されていないと判定することが好ましい。 Furthermore, in this cross leak detection method, it is preferable that when the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected is arranged at the stacking direction end of the fuel cell, it is determined that no cross leak is caused. .
また、このクロスリーク検出方法では、最低セル電圧が検出されたセル又はセルユニットに隣接して、最低セル電圧の次に低圧な第1セル電圧と、前記第1セル電圧の次に低圧な第2セル電圧とが検出された際、クロスリークが惹起されていると判定することが好ましい。 In this cross leak detection method, the first cell voltage having the lowest voltage next to the lowest cell voltage and the second voltage having the lowest voltage next to the first cell voltage are adjacent to the cell or cell unit in which the lowest cell voltage is detected. When a two-cell voltage is detected, it is preferable to determine that a cross leak has occurred.
さらに、このクロスリーク検出方法では、システム起動時、システム停止時及びアイドルストップ時には、燃料電池のディスチャージ処理を行うとともに、セル電圧を検出することが好ましい。 Further, in this cross leak detection method, it is preferable to perform the discharge process of the fuel cell and detect the cell voltage at the time of system startup, system stop, and idle stop.
本発明によれば、閾値以下の最低セル電圧が検出されたセル又はセルユニットの周辺のセル電圧が、前記最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターンを形成する際、該最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットにクロスリークが惹起されたと判定している。このため、クロスリークによるセル電圧の低下とフラッディングによるセル電圧の低下とを、簡単且つ確実に判別することが可能になる。 According to the present invention, when forming a ramp voltage pattern in which the cell voltage around the cell or cell unit in which the lowest cell voltage below the threshold is detected is boosted in a direction away from the lowest cell voltage, It is determined that a cross leak has occurred in the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected. For this reason, it is possible to easily and reliably discriminate between a decrease in cell voltage due to cross leak and a decrease in cell voltage due to flooding.
図1に示すように、本発明の実施形態に燃料電池システム10は、燃料電池スタック12と、前記燃料電池スタック12に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置14と、前記燃料電池スタック12に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置16と、前記燃料電池スタック12に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置(図示せず)と、前記燃料電池システム10全体を制御するコントローラ18とを備える。この燃料電池システム10は、例えば、図示しない燃料電池車両に搭載される。
As shown in FIG. 1, a
燃料電池スタック12は、複数の燃料電池セル20を積層して構成される。燃料電池セル20の積層方向両端には、ターミナルプレート22a、22b、絶縁プレート24a、24b及びエンドプレート26a、26bが配設され、前記エンドプレート26a、26b間には、積層方向に締め付け荷重が付与される。
The
図2に示すように、燃料電池セル20は、電解質膜・電極構造体30が、第1及び第2セパレータ32、34に挟持される。第1及び第2セパレータ32、34は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属プレートやカーボンプレート等により構成される。
As shown in FIG. 2, in the
燃料電池セル20の矢印B方向の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔36a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔38aが、矢印C方向に配列して設けられる。
An oxidant gas
燃料電池セル20の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔38b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔36bが、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
燃料電池セル20の矢印C方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔40a、及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔40bが設けられる。
A pair of cooling medium
第1セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、酸化剤ガス入口連通孔36aと酸化剤ガス出口連通孔36bとに連通する酸化剤ガス流路42が設けられる。
An oxidant
第2セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、燃料ガス入口連通孔38aと燃料ガス出口連通孔38bとに連通する燃料ガス流路44が設けられる。
A
互いに隣接する燃料電池セル20を構成する第1セパレータ32の面32bと、第2セパレータ34の面34bとの間には、冷却媒体入口連通孔40aと冷却媒体出口連通孔40bとを連通する冷却媒体流路46が設けられる。
The cooling medium
第1セパレータ32の面32a、32bには、第1シール部材48が、一体的又は個別に設けられるとともに、第2セパレータ34の面34a、34bには、第2シール部材50が、一体的に又は個別に設けられる。
A
第1及び第2シール部材48、50は、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
The first and
電解質膜・電極構造体30は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜52と、前記固体高分子電解質膜52を挟持するカソード側電極54及びアノード側電極56とを備える。
The electrolyte membrane /
カソード側電極54及びアノード側電極56は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜52の両面に形成されている。
The
第1セパレータ32は、長辺の中央部に一対の冷却媒体出口連通孔40bの間(又は一対の冷却媒体入口連通孔40aの間)に位置して、外方に突出するセル電圧監視用端子58が金属プレートに一体に形成される。セル電圧監視用端子58は、各燃料電池セル20毎に設けられているが、2以上の前記燃料電池セル20を含むセルユニット毎に設けられていてもよい。
The
図1に示すように、酸化剤ガス供給装置14は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ(ポンプ又はスーパーチャージャでも可)60を備え、前記エアコンプレッサ60が空気供給流路62に配設される。空気供給流路62は、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口連通孔36aに連通するとともに、前記空気供給流路62の途上から空気分岐流路64a、64bが分岐される。
As shown in FIG. 1, the oxidant
空気分岐流路64a、64bには、開閉弁66a、66bが配設される。空気分岐流路64aは、希釈ボックス(排出ガスを空気により希釈する)68に連通する一方、空気分岐流路64bは、後述するように、燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔38aに連通する。
On-off
酸化剤ガス供給装置14は、酸化剤ガス出口連通孔36bに連通する空気排出流路70を備える。この空気排出流路70には、燃料電池スタック12に供給される空気の流量を制御するための背圧制御弁71が接続される。空気排出流路70は、希釈ボックス68に接続される。
The oxidant
燃料ガス供給装置16は、高圧水素(水素含有ガス)を貯留する水素タンク72を備え、この水素タンク72は、水素供給流路74を介して燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔38aに連通する。水素供給流路74には、レギュレータ76、エゼクタ78及び水素ポンプ80が設けられるとともに、前記エゼクタ78と前記水素ポンプ80との間には、空気分岐流路64bが接続される。
The fuel
燃料ガス供給装置16は、燃料ガス出口連通孔38bに連通する燃料ガス排出流路82を備える。燃料ガス排出流路82は、気液分離器84を介装するとともに、エゼクタ78に接続される。
The fuel
燃料ガス排出流路82の途上から分岐流路86a、86bが分岐され、前記分岐流路86aは、パージ弁88aを介装して希釈ボックス68に接続される一方、前記分岐流路86bは、エア排出弁88bを介装して前記希釈ボックス68に接続される。気液分離器84には、ドレイン流路90が接続される。このドレイン流路90は、ドレイン弁88cを介装して希釈ボックス68に接続される。
The
燃料電池スタック12を構成する各燃料電池セル20のセル電圧監視用端子58には、コネクタ92が接続されるとともに、前記コネクタ92は、ケーブル94を介してセル電圧モニタ(セル電圧測定装置)96に接続される。このセル電圧モニタ96は、コントローラ18に接続される。
A
コントローラ18は、システム起動時、システム停止時又はアイドルストップ時のいずれかの状態で、燃料電池セル20の各セル電圧を検出するセル電圧検出部98と、検出された最低セル電圧が、閾値以下であるか否かを判定する最低セル電圧判定部100と、前記最低セル電圧が検出された前記燃料電池セル20の周辺で検出されたセル電圧が、該最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターン(後述する)を形成する際、該最低セル電圧が検出された前記燃料電池セル20にクロスリークが惹起されたと判定するクロスリーク判定部102と、アノード側のガスを燃料ガスから酸化剤ガスにガス入れ替えを行うか否かを判断するガス入れ替え判断部104とを備える。
The
このように構成される燃料電池システム10の動作について、第1の実施形態に係るクロスリーク検出方法との関連で、図3に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
The operation of the
先ず、図示しないイグニッションスイッチがオンされると(ステップS1)、燃料電池システム10の起動時に、電流を取り出さない状態で、燃料電池セル20のセル電圧、すなわち、開回路電圧(OCV)が検出されたか否かが判断される(ステップS2)。OCVチェックが行われた、すなわち、システム起動時であると判断されると(ステップS2中、YES)、ステップS3に進んでクロスリーク判定処理が行われる。システム起動時には、燃料電池スタック12のディスチャージ処理が行われる。クロスリーク判定処理は、図4に示されている。
First, when an ignition switch (not shown) is turned on (step S1), the cell voltage of the
一方、OCVチェックが行われないと判断されると(ステップS2中、NO)、ステップS4に進んで、アイドルストップか否かが判断される。アイドルストップ時とは、停車中に燃料ガス供給装置16から燃料電池スタック12に燃料ガスの供給を停止している状態をいう。そして、アイドルストップ時であると判断されると(ステップS4中、YES)、燃料電池スタック12のディスチャージ処理が行われるとともに、ステップS3のクロスリーク判定処理が行われる。
On the other hand, if it is determined that the OCV check is not performed (NO in step S2), the process proceeds to step S4, and it is determined whether or not an idle stop is performed. The idle stop means a state in which the supply of fuel gas from the fuel
OCVチェックでは、セル電圧モニタ96により各燃料電池セル20毎の開回路電圧(以下、セル電圧ともいう)が検出され、この検出結果は、コントローラ18のセル電圧検出部98に送られる。セル電圧検出部98では、燃料電池スタック12内の各燃料電池セル20毎に、それぞれのセル電圧をそれぞれの積層位置に対応して検出する。
In the OCV check, an open circuit voltage (hereinafter also referred to as a cell voltage) for each
そこで、セル電圧検出部98により検出されたセル電圧の中、最低セル電圧が、閾値以下であると判断されると(ステップS11中、YES)、ステップS12に進む。ステップS12では、最低セル電圧が検出された燃料電池セル20の周辺で検出されたセル電圧が、前記最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターンを形成するか否かを判定する。
Therefore, if it is determined that the lowest cell voltage among the cell voltages detected by the
図5に示すように、最低セル電圧Vlowは、閾値電圧Vset以下であるとともに、この最低セル電圧Vlowが検出された燃料電池セル20の積層方向両側に配置されているそれぞれ複数の燃料電池セル20の検出電圧Vは、前記積層方向両側に向かうに従って略V字状のパターン(傾斜電圧パターン)で昇圧されている。
As shown in FIG. 5, the minimum cell voltage Vlow is equal to or lower than the threshold voltage Vset, and each of the plurality of
ステップS12では、具体的には、最低セル電圧Vlowが検出された燃料電池セル20の積層方向両側に隣接して、それぞれ最低セル電圧Vlowの次に低圧な第1セル電圧と、前記第1セル電圧の次に低圧な第2セル電圧とが検出された際(ステップS12中、YES)、ステップS13に進む。
In step S12, specifically, the first cell voltage having the lowest voltage next to the lowest cell voltage Vlow is adjacent to both sides in the stacking direction of the
従って、クロスリーク判定部102は、燃料電池セル20にクロスリークが惹起されたと判定し、クロスリークが確定される。そして、ステップS14に進む。一方、ステップS11において、最低セル電圧が、閾値以下でないと判断されると(ステップS11中、NO)、直接、ステップS14に進む。
Therefore, the cross
また、図6に示すように、最低セル電圧Vlowが検出された燃料電池セル20の積層方向両側の燃料電池セル20のセル電圧が、正常である際には(ステップS12中、NO)、ステップS14に進む。これは、単一の燃料電池セル20にのみフラッディングが発生しており、他の燃料電池セル20は、通常運転可能な状態を示している。
Further, as shown in FIG. 6, when the cell voltages of the
一方、図5に示す状態は、クロスリークが発生しており、例えば、カソード側からアノード側に酸素が流入することによって、前記アノード側では、燃料ガスである水素に酸素が混在してしまう。これにより、水素が固体高分子電解質膜52に接する面積が減少するとともに、前記酸素と前記水素との反応により該水素が減少し、最低セル電圧Vlowが検出された燃料電池セル20に隣接する燃料電池セル20のセル電圧も低下する。このため、検出電圧Vが略V字状の傾斜電圧パターンを示すことになる。
On the other hand, in the state shown in FIG. 5, cross leak has occurred. For example, when oxygen flows from the cathode side to the anode side, oxygen is mixed with hydrogen as fuel gas on the anode side. As a result, the area where hydrogen comes into contact with the solid
特に、システム起動時又はアイドルストップ時の状態で、燃料電池スタック12のディスチャージ処理が行われている。従って、ストイキ比(供給反応ガス量と実際に消費される反応ガス量との比)が低い状態で、ディスチャージされており、クロスリークにより酸素と水素とが混在してストイキ比がさらに低下した部位では、抵抗値が大きくなって検出電圧Vの電圧挙動が一層顕著になる。これにより、クロスリークの検知精度が良好に向上するという利点がある。
In particular, the discharge process of the
ステップS14では、クロスリークの判定結果があり、且つアノード掃気が実施されたか否かが判断される。このアノード掃気は、図1に示すように、空気分岐流路64bに配置されている開閉弁66bが開放された状態で、酸化剤ガス供給装置14を構成するエアコンプレッサ60が駆動される。
In step S14, it is determined whether or not there is a cross leak determination result and anode scavenging has been performed. In the anode scavenging, as shown in FIG. 1, the
従って、エアコンプレッサ60により圧送される空気(酸化剤ガス)は、水素供給流路74から燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔38aに供給される。このため、燃料電池スタック12内では、空気が各燃料電池セル20の燃料ガス流路44を流通して燃料ガス出口連通孔38bから排出される。これにより、アノード掃気が行われる。
Accordingly, the air (oxidant gas) pumped by the
クロスリークの判定結果があり、且つアノード掃気が実施されたと判断されると(ステップS14中、YES)、ステップS15に進んで、再度、クロスリークがあると判定されたか否かが判断される。このステップS15では、上記のステップS11及びステップS12と同様の工程が行われる。 When it is determined that there is a cross-leak determination result and anode scavenging has been performed (YES in step S14), the process proceeds to step S15, and it is determined again whether it is determined that cross-leak is present. In step S15, the same processes as in steps S11 and S12 are performed.
そして、クロスリークがあると判定されると(ステップS15中、YES)、ステップS16に進んで、クロスリークが確定される。一方、クロスリークがないと判定されると(ステップS15中、NO)、ステップS17に進んで、クロスリークの確定がリセットされる。なお、クロスリークが確定された際には、燃料電池車両のメータ類等に警告を表示し、ユーザに故障を通知することが好ましい。 If it is determined that there is a cross leak (YES in step S15), the process proceeds to step S16 and the cross leak is determined. On the other hand, if it is determined that there is no cross leak (NO in step S15), the process proceeds to step S17, and the confirmation of the cross leak is reset. When the cross leak is confirmed, it is preferable to display a warning on the meters of the fuel cell vehicle and notify the user of the failure.
上記のクロスリーク判定処理が終了すると、図3中、ステップS5に進んで、燃料電池スタック12が発電中であるか否かが判断される。燃料電池スタック12の発電時には、図1に示すように、燃料ガス供給装置16を構成する水素タンク72から水素供給流路74に燃料ガス(水素ガス)が供給される。この燃料ガスは、レギュレータ76で減圧された後、エゼクタ78及び水素ポンプ80から燃料電池スタック12の燃料ガス入口連通孔38aに供給される。
When the cross leak determination process is completed, the process proceeds to step S5 in FIG. 3 to determine whether or not the
このため、燃料ガス流路44に充填されている空気は、燃料ガスに伴って前記燃料ガス流路44から燃料ガス出口連通孔38bを通って燃料ガス排出流路82に排出される。排出された空気及び燃料ガスは、必要に応じて希釈ボックス68に送られる。
Therefore, the air filled in the
そして、この燃料ガスの供給が開始されて所定の時間だけ経過した後、各酸化剤ガス流路42への酸化剤ガスの供給が開始される。所定の時間とは、燃料ガス流路44が燃料ガスにより置換されるのに要する時間であり、予め時間を計測することにより設定される。
Then, after a predetermined time has elapsed since the start of the supply of the fuel gas, the supply of the oxidant gas to each oxidant
酸化剤ガス供給装置14では、エアコンプレッサ60が駆動されるため、空気(酸化剤ガス)は、空気供給流路62から燃料電池スタック12の各酸化剤ガス入口連通孔36aに供給される。従って、空気は、図2に示すように、各酸化剤ガス入口連通孔36aから各酸化剤ガス流路42に供給される。酸化剤ガス流路42から排出される空気は、空気排出流路70を通って希釈ボックス68に送られる(図1参照)。
In the oxidant
これにより、図2に示すように、電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極54に供給される空気と、アノード側電極56に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
As a result, as shown in FIG. 2, in the electrolyte membrane /
電解質膜・電極構造体30のアノード側電極56に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔38bに沿って排出される。この燃料ガスは、燃料ガス排出流路82に排出され、気液分離器84でガス成分と水分とに分離される。ガス成分は、エゼクタ78に吸引されることにより、燃料ガスとして燃料電池スタック12に供給される。
The fuel gas consumed by being supplied to the
一対の冷却媒体入口連通孔40aに供給された冷却媒体は、図2に示すように、第1セパレータ32及び第2セパレータ34間の冷却媒体流路46に導入される。冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔40bに排出される。
The cooling medium supplied to the pair of cooling medium
そして、燃料電池スタック12による発電が停止されると(ステップS5中、YES)、ステップS6に進んで、クロスリーク判定の結果がバックアップされる。これにより、燃料電池セル20には、フラッディングではなく、クロスリークが発生していることが確実に識別される。
When power generation by the
この場合、第1の実施形態では、システム起動時又はアイドルストップ時の状態で、図5に示すように、閾値Vset以下の最低セル電圧Vlowが検出された燃料電池セル20の積層方向両側に配置されているそれぞれ複数の燃料電池セル20の検出電圧Vが、前記積層方向両側に向かうに従って略V字状のパターン(傾斜電圧パターン)で昇圧されている際、クロスリークが惹起されたと判定している。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 5, the
このため、クロスリークによるセル電圧の低下(図5参照)と、フラッディングによるセル電圧の低下(図6参照)とを、簡単且つ確実に判別することが可能になる。従って、燃料電池セル20に、単にフラッディングが発生しているのに関わらず、クロスリークが発生していると誤認し、前記燃料電池セル20を交換する作業が行われることを確実に阻止することができる。これにより、燃料電池システム10全体を効率的且つ経済的に運転制御することが可能になるという効果が得られる。
Therefore, it is possible to easily and reliably discriminate between a cell voltage drop due to cross leak (see FIG. 5) and a cell voltage drop due to flooding (see FIG. 6). Accordingly, it is possible to reliably prevent the
しかも、クロスリークが惹起されたと判定された際(ステップS13)、ステップS14に進んで、アノード掃気が実施された後、ステップS15に進んで、再度、クロスリークがあるか否かが判定されている。このため、アノード掃気によりフラッディング状態が解消されるため、クロスリーク判定が一層精度よく遂行されるという利点が得られる。 Moreover, when it is determined that a cross leak has occurred (step S13), the process proceeds to step S14, and after anode scavenging is performed, the process proceeds to step S15, where it is determined again whether there is a cross leak. Yes. For this reason, since the flooding state is eliminated by the anode scavenging, there is an advantage that the cross leak determination is performed with higher accuracy.
ここで、ステップS14では、アノード掃気が行われているが、これに限定されるものではない。例えば、パージ弁88aを開放して分岐流路86aからパージ処理を行った後、ステップS11の判断を行ってもよく、また、ドレイン弁88cを開放してドレイン流路90から排水した後、ステップS11の判断を行ってもよい。また、カソード側の空気供給量を増量した後、あるいは、アノード側の燃料ガス流量を増量した後、ステップS11の判断を行ってもよい。
Here, in step S14, anode scavenging is performed, but the present invention is not limited to this. For example, after the
さらに、第1の実施形態では、セル電圧検出部98が、燃料電池スタック12内の各燃料電池セル20毎に、それぞれのセル電圧をそれぞれの積層位置に対応して検出している。従って、最低セル電圧が検出された燃料電池セル20が、燃料電池スタック12の積層方向端部に配置されている際、クロスリークが惹起されていないと判定することができる。
Furthermore, in the first embodiment, the cell
燃料電池スタック12の積層方向端部に配置されている燃料電池セル20は、他の燃料電池セル20に比べて温度低下が惹起され易く、フラッディングが発生し易い。これにより、予めフラッディングが発生したと判定することにより、クロスリーク判定が容易に遂行されるという効果がある。
The
さらにまた、最低セル電圧Vlowが検出された燃料電池セル20の積層方向両側に隣接して、それぞれ最低セル電圧Vlowの次に低圧な第1セル電圧と、前記第1セル電圧の次に低圧な第2セル電圧とが検出された際、クロスリークが発生したと判定している。このため、クロスリーク判定が一層確実に遂行されるという利点がある。
Furthermore, adjacent to both sides in the stacking direction of the
次いで、本発明の第2の実施形態に係るクロスリーク検出方法について、図7に示すフローチャートに沿って以下に説明する。 Next, a cross leak detection method according to a second embodiment of the present invention will be described below along the flowchart shown in FIG.
先ず、図示しないイグニッションスイッチがオフされると(ステップS21)、ステップS22に進んで、RTC(リアルタイムクロック)監視が行われているか否かが判断される。RTC監視が行われていると判断されると(ステップS22中、YES)、すなわち、システム停止時であると判断されると、所定の時間が経過した後、ステップS23に進んで、燃料電池スタック12のディスチャージ処理が行われるとともに、クロスリーク判定処理が行われる。クロスリークが発生した際には、ガス供給停止後の時間の経過に伴って、電圧の挙動(低下)が顕著になり、クロスリーク判定が確実に遂行されるからである。
First, when an ignition switch (not shown) is turned off (step S21), the process proceeds to step S22 to determine whether or not RTC (real time clock) monitoring is performed. If it is determined that RTC monitoring is being performed (YES in step S22), that is, if it is determined that the system is stopped, the process proceeds to step S23 after a predetermined time has elapsed, and the
なお、ステップS23の処理は、図4に示すステップS11〜ステップS17と同一の処理が行われる。次いで、ステップS24に進んで、クロスリーク判定の結果がバックアップされる。 Note that the processing in step S23 is the same as that in steps S11 to S17 shown in FIG. Next, the process proceeds to step S24, and the result of the cross leak determination is backed up.
また、RTC監視が行われていないと判断されると(ステップS22中、NO)、ステップS25に進んで、アノード掃気が実施されたか否かが判断される。アノード掃気が実施されていないと判断されると(ステップS25中、NO)、ステップS23に移行する一方、アノード掃気が実施されたと判断されると(ステップS25中、YES)、ステップS26に進んで、アノード掃気実施済みのバックアップがなされる。 If it is determined that RTC monitoring is not being performed (NO in step S22), the process proceeds to step S25 to determine whether or not anode scavenging has been performed. If it is determined that anode scavenging has not been performed (NO in step S25), the process proceeds to step S23, while if it is determined that anode scavenging has been performed (YES in step S25), the process proceeds to step S26. Then, a backup after the anode scavenging is performed.
この第2の実施形態では、クロスリーク判定処理が遂行されており、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。 In the second embodiment, cross leak determination processing is performed, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
なお、第1及び第2の実施形態では、システム起動時、システム停止時及びアイドルストップ時に、燃料電池スタック12のディスチャージ処理が行われていればよく、このディスチャージ処理のタイミングは、種々変更可能である。また、ディスチャージ処理は、必要に応じて行えばよい。
In the first and second embodiments, it is sufficient that the discharge process of the
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…酸化剤ガス供給装置 16…燃料ガス供給装置
18…コントローラ 20…燃料電池セル
30…電解質膜・電極構造体 32、34…セパレータ
36a…酸化剤ガス入口連通孔 36b…酸化剤ガス出口連通孔
38a…燃料ガス入口連通孔 38b…燃料ガス出口連通孔
42…酸化剤ガス流路 44…燃料ガス流路
52…固体高分子電解質膜 54…カソード側電極
56…アノード側電極 58…セル電圧監視用端子
60…エアコンプレッサ 62…空気供給流路
64a、64b…空気分岐流路 66a、66b…開閉弁
68…希釈ボックス 70…空気排出流路
71…背圧制御弁 72…水素タンク
74…水素供給流路 78…エゼクタ
86a、86b…分岐流路 88a…パージ弁
88b…エア排出弁 88c…ドレイン弁
90…ドレイン流路 96…セル電圧モニタ
98…セル電圧検出部 100…最低セル電圧判定部
102…クロスリーク判定部 104…ガス入れ替え判断部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
1の前記セル毎又は2以上の前記セルを含むセルユニット毎にセル電圧を検出するセル電圧検出部と、
を備える燃料電池システムであって、
システム起動時、システム停止時又はアイドルストップ時のいずれかの状態で、前記セル又は前記セルユニットのセル電圧を検出する際、検出された最低セル電圧が、閾値以下であるか否かを判定する最低セル電圧判定部と、
前記最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットの周辺で検出されたセル電圧が、該最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターンを形成する際、該最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットにクロスリークが惹起されたと判定するクロスリーク判定部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which a fuel gas is supplied to the anode side while an oxidant gas is supplied to the cathode side and a plurality of cells for generating electricity are stacked;
A cell voltage detector that detects a cell voltage for each cell unit or for each cell unit including two or more cells;
A fuel cell system comprising:
When detecting the cell voltage of the cell or the cell unit in the state of system start, system stop or idle stop, it is determined whether or not the detected minimum cell voltage is below a threshold value. A minimum cell voltage determination unit;
When the cell voltage detected in the periphery of the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected forms a ramp voltage pattern that is boosted in a direction away from the lowest cell voltage, the lowest cell voltage A cross leak determination unit that determines that a cross leak has been induced in the cell or the cell unit in which
A fuel cell system comprising:
1の前記セル毎又は2以上の前記セルを含むセルユニット毎にセル電圧を検出するセル電圧検出部と、
を備える燃料電池システムのクロスリーク検出方法であって、
システム起動時、システム停止時又はアイドルストップ時のいずれかの状態で、前記セル又は前記セルユニットのセル電圧を検出する工程と、
検出された最低セル電圧が、閾値以下であるか否かを判定する工程と、
前記最低セル電圧が、前記閾値以下であると判定された際、前記最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットの周辺で検出されたセル電圧が、該最低セル電圧から離間する方向に向かって昇圧される傾斜電圧パターンを形成するか否かを判定する工程と、
前記最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットの周辺で検出されたセル電圧が、前記傾斜電圧パターンを形成すると判定された際、該最低セル電圧が検出された前記セル又は前記セルユニットにクロスリークが惹起されたと判定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムのクロスリーク検出方法。 A fuel cell in which a fuel gas is supplied to the anode side while an oxidant gas is supplied to the cathode side and a plurality of cells for generating electricity are stacked;
A cell voltage detector that detects a cell voltage for each cell unit or for each cell unit including two or more cells;
A cross leak detection method for a fuel cell system comprising:
A step of detecting a cell voltage of the cell or the cell unit in a state of either a system startup, a system stop, or an idle stop;
Determining whether the detected lowest cell voltage is below a threshold;
When it is determined that the lowest cell voltage is equal to or lower than the threshold value, the cell voltage detected in the periphery of the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected is separated from the lowest cell voltage. Determining whether to form a ramp voltage pattern that is stepped up toward
The cell or cell unit in which the lowest cell voltage is detected when it is determined that the cell voltage detected in the periphery of the cell or the cell unit in which the lowest cell voltage is detected forms the ramp voltage pattern. A step of determining that a cross leak has occurred,
A cross leak detection method for a fuel cell system, comprising:
前記ガスの入れ替えを行った後、前記最低セル電圧が、前記閾値以下であるか否かを判定する工程と、
前記最低セル電圧が、前記閾値を超えていると判定された際、クロスリーク判定をリセットする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムのクロスリーク検出方法。 In the cross leak detection method according to claim 2, when it is determined that a cross leak has occurred, at least the gas in the gas supply flow path on the anode side or the cathode side is replaced,
Determining whether the lowest cell voltage is less than or equal to the threshold after the gas replacement;
Resetting the cross leak determination when it is determined that the minimum cell voltage exceeds the threshold; and
A cross leak detection method for a fuel cell system, comprising:
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