JP2014002930A - Method for detecting fault in circulation flow passage valve - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに設けられる循環流路弁の故障検知方法に関する。 The present invention relates to a failure detection method for a circulation flow path valve provided in a fuel cell system.
燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時にアノード側の水素が膜(イオン交換膜)を介してカソード側に移動し、逆にカソード側の空気が膜を介してアノード側に移動するクロスリークが生じることがある。クロスリークが生じると、燃料電池の水素と酸素とが反応してOHラジカルが発生し、燃料電池の劣化を招く。 In the fuel cell system, when the power generation of the fuel cell is stopped, hydrogen on the anode side moves to the cathode side through the membrane (ion exchange membrane), and conversely, air on the cathode side moves to the anode side through the membrane. May occur. When the cross leak occurs, hydrogen and oxygen of the fuel cell react with each other to generate OH radicals, leading to deterioration of the fuel cell.
このようなクロスリークを防止するものとして、例えば、特許文献1に記載の技術が知られている。すなわち、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、アノードへの燃料ガスの供給を停止した後、カソード流路再利用弁を開いて再循環ループに燃料ガスを導入する。そして、当該再循環ループに設けられる燃焼器で酸素と水素とを反応させてカソード流路を窒素で置換し、その後、パージ弁を介してアノード流路も窒素で置換する。
As a technique for preventing such cross leak, for example, a technique described in
特許文献1に記載の技術では、例えば、カソード流路再利用弁が閉故障した場合(つまり、開弁指令を入力しても弁体が閉じたままになる場合)、カソード圧力が上昇し、燃料電池や配管の破損につながる虞がある。
また、カソード流路再利用弁が開故障した場合(つまり、閉弁指令を入力しても弁体が開いたままになる場合)、通常発電を行う際、カソード流路の上流側にカソードオフガスが回り込むため、ストイキ不足(反応に供する酸素量に対する、供給酸素量の不足)になりやすいという問題がある。
また、故障検知機能を有するカソード流路再利用弁を設置すると、コストがかかるという問題もある。
In the technique described in
In addition, when the cathode flow path reuse valve fails to open (that is, the valve body remains open even when a valve closing command is input), the cathode off-gas is placed upstream of the cathode flow path during normal power generation. However, there is a problem that stoichiometric shortage (insufficient amount of supplied oxygen with respect to the amount of oxygen supplied to the reaction) tends to occur.
In addition, if a cathode flow path reuse valve having a failure detection function is installed, there is a problem that costs are increased.
そこで、本発明は、低コストで適切に循環流路弁の故障を検知できる循環流路弁の故障検知方法を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a failure detection method for a circulation passage valve that can appropriately detect the failure of the circulation passage valve at low cost.
前記課題を解決するために、本発明に係る循環流路弁の故障検知方法は、アノード流路にアノードガスが供給され、カソード流路にカソードガスが供給されて発電する燃料電池と、前記カソード流路の流入口に接続されるカソードガス供給流路と、前記カソード流路の流出口に接続されるカソードオフガス排出流路と、前記カソードガス供給流路に設けられ、前記カソード流路の流入口に向けてカソードガスを送出するカソードガス送出手段と、前記カソードオフガス排出流路に設けられる封止弁と、前記封止弁よりも上流側の前記カソードオフガス排出流路から分岐し、前記カソードガス送出手段よりも上流側の前記カソードガス供給流路に接続される戻り流路と、前記戻り流路に設けられる循環流路弁と、を備えるとともに、前記カソードガス供給流路に設けられる第1圧力検出手段と、前記カソードガス供給流路に設けられる酸素濃度検出手段と、前記アノード流路の流入口に接続されるアノードガス供給流路に設けられる第2圧力検出手段と、前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出手段と、のうち少なくとも1つを含むシステム状態量検出手段と、前記システム状態量検出手段によって検出されるシステム状態量に基づいて、前記循環流路弁の故障判定を行う制御手段と、を備える燃料電池システムで実行される循環流路弁の故障検知方法であって、前記制御手段は、前記封止弁を閉弁し、前記循環流路弁を開弁させる指令信号を出力するとともに、前記カソードガス送出手段を駆動し、前記戻り流路を介してカソードオフガスを循環させるカソードオフガス循環ステップと、前記燃料電池からの放電を行う放電ステップと、前記システム状態量検出手段によって検出されるシステム状態量に基づいて前記循環流路弁の故障判定を行う故障判定ステップと、を実行することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a failure detection method for a circulation flow path valve according to the present invention includes a fuel cell in which an anode gas is supplied to an anode flow path and a cathode gas is supplied to a cathode flow path to generate power, and the cathode A cathode gas supply channel connected to the inlet of the channel; a cathode offgas discharge channel connected to the outlet of the cathode channel; and a cathode gas supply channel connected to the cathode gas supply channel. Cathode gas delivery means for delivering cathode gas toward the inlet, a sealing valve provided in the cathode offgas discharge channel, a branch from the cathode offgas discharge channel upstream of the sealing valve, and the cathode A return channel connected to the cathode gas supply channel upstream of the gas delivery means, and a circulation channel valve provided in the return channel, A first pressure detection means provided in the gas supply flow path; an oxygen concentration detection means provided in the cathode gas supply flow path; and a second pressure provided in the anode gas supply flow path connected to the inlet of the anode flow path. Based on the system state quantity detected by the system state quantity detection means, the system state quantity detection means including at least one of the pressure detection means, and the generated current detection means for detecting the generated current of the fuel cell. And a control means for determining a failure of the circulation flow path valve, and a failure detection method of the circulation flow path valve executed in a fuel cell system, wherein the control means closes the sealing valve, A command signal for opening the circulation flow path valve is output, and the cathode gas delivery means is driven to circulate the cathode off gas through the return flow path. Performing a step, a discharging step for discharging from the fuel cell, and a failure determining step for determining a failure of the circulation flow path valve based on a system state quantity detected by the system state quantity detecting means. It is characterized by.
かかる構成によれば、カソードオフガス循環ステップにおいて封止弁を閉弁し、循環流路弁を開弁し、カソードガス送出手段を駆動すると、次のようにしてカソードオフガスが循環する。すなわち、燃料電池のカソード流路から流出したカソードオフガスは、カソードガス送出手段からの負圧により、カソードオフガス排出流路、戻り流路及びカソードガス供給流路を介してカソード流路に戻る。
このようにカソードオフガスを循環させつつアノードガスと反応させることで、カソードガスの濃度を低減できる。
According to this configuration, when the sealing valve is closed in the cathode off gas circulation step, the circulation flow path valve is opened, and the cathode gas delivery means is driven, the cathode off gas is circulated as follows. That is, the cathode off gas flowing out from the cathode flow path of the fuel cell returns to the cathode flow path through the cathode off gas discharge flow path, the return flow path, and the cathode gas supply flow path due to the negative pressure from the cathode gas delivery means.
Thus, the cathode gas concentration can be reduced by reacting with the anode gas while circulating the cathode off-gas.
また、放電ステップにおいて燃料電池からの放電を行うことで、電極反応によって生成された電荷が放出されるとともに電極反応が進み、カソードガス及びアノードガスが消費される。
さらに、故障判定ステップにおいて、システム状態量に基づいて循環流路弁の故障判定を行う。ここで、システム状態量は、第1圧力検出手段と、酸素濃度検出手段と、第2圧力検出手段と、発電電流検出手段と、のうち少なくとも1つを含んでいる。このようなシステム状態量の挙動に基づいて循環流路弁の故障を検知するため、循環流路弁自体に故障検知機能を設ける必要がなくなる。したがって、低コストで適切に循環流路弁の故障を検知できる。
Further, by discharging from the fuel cell in the discharging step, the charge generated by the electrode reaction is released and the electrode reaction proceeds, and the cathode gas and the anode gas are consumed.
Further, in the failure determination step, the failure determination of the circulation flow path valve is performed based on the system state quantity. Here, the system state quantity includes at least one of first pressure detection means, oxygen concentration detection means, second pressure detection means, and generated current detection means. Since the failure of the circulation channel valve is detected based on the behavior of the system state quantity, it is not necessary to provide a failure detection function in the circulation channel valve itself. Therefore, the failure of the circulation flow path valve can be detected appropriately at low cost.
また、前記循環流路弁の故障検知方法において、前記制御手段は、前記故障判定ステップで、前記第1圧力検出手段によって検出される圧力が所定値を超える場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定することが好ましい。 Further, in the failure detection method for the circulation flow path valve, the control means may cause a failure of the circulation flow path valve when the pressure detected by the first pressure detection means exceeds a predetermined value in the failure determination step. It is preferable to determine that
かかる構成によれば、循環流路弁が閉故障であった場合、カソードオフガス循環ステップでカソードガス送出手段を駆動すると、カソードオフガスが循環する流路が遮断されるため、カソードガス供給流路の圧力が上昇する。したがって、カソードガス供給流路に設けられる第1圧力検出手段の検出値が所定値を超える場合、循環流路弁が閉故障であると判定できる。 According to such a configuration, when the circulation flow path valve is closed, when the cathode gas delivery means is driven in the cathode off gas circulation step, the flow path through which the cathode off gas circulates is blocked. Pressure increases. Therefore, when the detection value of the first pressure detection means provided in the cathode gas supply flow path exceeds a predetermined value, it can be determined that the circulation flow path valve is closed.
また、前記循環流路弁の故障検知方法において、前記制御手段は、前記放電ステップで、前記燃料電池の出力電圧が所定値になるように制御しつつ、前記故障判定ステップで、前記発電電流検出手段によって検出される発電電流が所定値を超える場合、及び/又は、前記発電電流の積算値である発電電流積算値が所定値を超える場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定することが好ましい。 Further, in the failure detection method of the circulation flow path valve, the control means controls the output voltage of the fuel cell to be a predetermined value in the discharge step, and detects the generated current in the failure determination step. When the generated current detected by the means exceeds a predetermined value and / or when the generated current integrated value that is an integrated value of the generated current exceeds a predetermined value, it is determined that the circulation flow path valve has a closed failure. It is preferable.
かかる構成によれば、循環流路弁が閉故障であった場合、放電ステップで燃料電池の出力電圧が所定値になるように制御することで、燃料電池の発電電流値が上昇する。したがって、発電電流検出手段によって検出される発電電流値が所定値を超える場合、及び/又は、発電電流積算値が所定値を超える場合、循環流路弁が閉故障であると判定できる。 According to this configuration, when the circulation flow path valve is closed, the generated current value of the fuel cell is increased by controlling the output voltage of the fuel cell to be a predetermined value in the discharging step. Therefore, when the generated current value detected by the generated current detection means exceeds a predetermined value and / or when the generated current integrated value exceeds a predetermined value, it can be determined that the circulation flow path valve is closed.
また、前記循環流路弁の故障検知方法において、前記制御手段は、前記放電ステップが終了した後、前記故障判定ステップで、前記酸素濃度検出手段によって検出される酸素濃度が所定値を超える場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定することが好ましい。 Further, in the failure detection method of the circulation flow path valve, the control means, when the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection means exceeds a predetermined value in the failure determination step after the discharge step ends, It is preferable to determine that the circulation flow path valve has a closed failure.
かかる構成によれば、循環流路弁が閉故障であった場合、戻り流路を介したカソードオフガスの循環が遮断される。また、カソードガス送出手段によってカソードガスがカソード流路に供給されるため、カソードガス供給流路の酸素濃度はほとんど低下しない。したがって、酸素濃度検出手段によって検出される酸素濃度が所定値を超える場合、循環流路弁が閉故障であると判定できる。 According to this configuration, when the circulation channel valve is closed, the cathode off-gas circulation through the return channel is blocked. Further, since the cathode gas is supplied to the cathode channel by the cathode gas delivery means, the oxygen concentration in the cathode gas supply channel hardly decreases. Therefore, when the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection means exceeds a predetermined value, it can be determined that the circulation flow path valve is closed.
また、前記循環流路弁の故障検知方法において、前記制御手段は、前記放電ステップが終了した後、前記故障判定ステップで、前記第2圧力検出手段によって検出される圧力値が所定値未満である場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定することが好ましい。 Further, in the failure detection method of the circulation flow path valve, the control means, after the discharge step is finished, the pressure value detected by the second pressure detection means in the failure determination step is less than a predetermined value. In this case, it is preferable to determine that the circulation flow path valve is closed.
かかる構成によれば、循環流路弁が閉故障であった場合、燃料電池での電極反応によってアノードガスが消費されるため、アノードガス供給流路の圧力が低下する。したがって、第2圧力検出手段によって検出される圧力値が所定値未満である場合、循環流路弁が閉故障であると判定できる。 According to such a configuration, when the circulation flow path valve is closed, the anode gas is consumed by the electrode reaction in the fuel cell, so that the pressure in the anode gas supply flow path decreases. Therefore, when the pressure value detected by the second pressure detection means is less than the predetermined value, it can be determined that the circulation flow path valve is closed.
また、前記循環流路弁の故障検知方法において、前記制御手段は、前記放電ステップが終了した後、前記故障判定ステップで、前記循環流路弁に閉弁指令を出力してから第1所定時間経過後、前記第1圧力検出手段によって検出される圧力値が第1所定値未満である場合、前記循環流路弁が開故障であると判定することが好ましい。 Further, in the circulation channel valve failure detection method, after the discharge step is completed, the control means outputs a valve closing command to the circulation channel valve in the failure determination step for a first predetermined time. When the pressure value detected by the first pressure detecting means is less than a first predetermined value after the passage, it is preferable to determine that the circulation flow path valve is in an open failure.
かかる構成によれば、循環流路弁が開故障であった場合、第2圧力検出手段が設置されているカソードガス供給流路は、カソード流路と、カソードオフガス排出流路と、戻り流路と、を介して外部空間と連通する(つまり、大気開放系になる)。
つまり、放電ステップが終了した後もカソード側が大気開放系となっているため、第1圧力検出手段の検出値は大気圧と略同一となる。したがって、第1圧力検出手段によって検出される圧力値が第1所定値未満である場合、循環流路弁が開故障であると判定できる。なお、前記第1所定時間及び第1所定値は、循環流路弁が正常である場合と開故障である場合とを区別し得るように適宜設定する。
According to such a configuration, when the circulation channel valve is in an open failure, the cathode gas supply channel in which the second pressure detecting means is installed is the cathode channel, the cathode offgas discharge channel, and the return channel. And communicates with the external space through (that is, the atmosphere is open to the atmosphere).
That is, even after the discharge step is completed, the cathode side is in the atmosphere open system, so the detection value of the first pressure detection means is substantially the same as the atmospheric pressure. Therefore, when the pressure value detected by the first pressure detection means is less than the first predetermined value, it can be determined that the circulation flow path valve is open. The first predetermined time and the first predetermined value are appropriately set so that the case where the circulation passage valve is normal and the case where it is an open failure can be distinguished.
また、前記循環流路弁の故障検知方法において、前記放電ステップが終了した後、前記故障判定ステップで、前記循環流路弁に閉弁指令を出力してから、前記第1所定時間よりも長い第2所定時間経過後、前記第1圧力検出手段によって検出される圧力値が第2所定値を超える場合、前記循環流路弁が開故障であると判定することが好ましい。 Further, in the failure detection method for the circulation flow path valve, after the discharge step is completed, the failure determination step outputs a valve closing command to the circulation flow path valve and is longer than the first predetermined time. When the pressure value detected by the first pressure detection means exceeds the second predetermined value after the second predetermined time has elapsed, it is preferable to determine that the circulation flow path valve is open.
前記したように、循環流路弁が開故障であった場合、第2圧力検出手段が設置されるカソードガス供給流路は大気開放系になる。したがって、第1所定時間よりも長い第2所定時間経過後、第1圧力検出手段によって検出される圧力値が第2所定値を超える場合、前記循環流路弁が開故障であると判定できる。なお、前記第2所定時間及び第2所定値は、循環流路弁が正常である場合と開故障である場合とを区別し得るように適宜設定する。 As described above, when the circulation flow path valve is in an open failure, the cathode gas supply flow path in which the second pressure detecting means is installed is an open system. Therefore, if the pressure value detected by the first pressure detection means exceeds the second predetermined value after the elapse of the second predetermined time longer than the first predetermined time, it can be determined that the circulation flow path valve is in an open failure. The second predetermined time and the second predetermined value are appropriately set so that the case where the circulation flow path valve is normal and the case where it is an open failure can be distinguished.
本発明によれば、低コストで適切に循環流路弁の故障を検知できる循環流路弁の故障検知方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the failure detection method of the circulation channel valve which can detect the failure of a circulation channel valve appropriately at low cost can be provided.
本発明の各実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
以下、燃料電池システムが燃料電池自動車に搭載される場合について説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶、航空機などの移動体、家庭用や業務用の定置式のものなどにも適用できる。
Each embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
Hereinafter, the case where the fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to this. For example, a mobile body such as a ship or an aircraft, a stationary type for home use or business use, etc. Is also applicable.
≪第1実施形態≫
<燃料電池システムの構成>
図1に示す燃料電池システム1は、燃料電池10と、燃料電池10のアノードに対して水素(アノードガス)を供給するアノード系と、燃料電池10のカソードに対して酸素を含む空気(カソードガス)を供給するカソード系と、燃料電池10の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御するECU51と、を備えている。
<< First Embodiment >>
<Configuration of fuel cell system>
A
(1.燃料電池)
燃料電池10は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)であり、膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を一対の導電性のセパレータ(図示せず)で挟持してなる単セル(図示せず)を複数積層して構成されている。
燃料電池10の各セパレータには、それぞれの膜/電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がカソード流路11、アノード流路12として機能している。なお、セパレータには、燃料電池10を冷却するための冷媒(例えば、エチレングリコールを含む水)を通流させる冷媒流路(図示せず)も形成されている。
(1. Fuel cell)
The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and a membrane / electrode assembly (MEA) is sandwiched between a pair of conductive separators (not shown). A plurality of unit cells (not shown) are stacked.
Each separator of the fuel cell 10 is formed with grooves and through holes for supplying hydrogen or oxygen to the entire surface of each membrane / electrode assembly, and these grooves and through holes serve as the
燃料電池10では、アノード流路12を介して水素が供給されると、(式1)の電極反応が起こり、カソード流路11を介して酸素を含む空気が供給されると、(式2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(Open Circuit Voltage:OCV)が発生する。
In the fuel cell 10, when hydrogen is supplied via the
2H2→4H++4e−・・・(式1)
O2+4H++4e−→2H2O・・・(式2)
2H 2 → 4H + + 4e − (Formula 1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (Formula 2)
(2.カソード系)
カソード系は、コンプレッサ21と、加湿器22と、入口封止弁23と、出口封止弁24と、循環流路弁25と、背圧弁26と、オリフィス27と、DILアシスト流路弁28と、STKバイパス流路弁29と、希釈器30と、第1圧力センサPCと、酸素濃度計Dと、を備えている。
(2. Cathode system)
The cathode system includes a
コンプレッサ21(カソードガス送出手段)は、吸入側が配管a1を介して系外(車外)と連通し、吐出側が配管a2を介して加湿器22に接続されている。コンプレッサ21はカソード供給流路に設けられ、ECU51からの指令に従って内部の羽根車(図示せず)を回転させることにより系外から空気を吸引・圧縮し、カソード流路11の流入口に向けて送出するものである。
なお、「カソードガス供給流路」は、配管a1〜a4を含んで構成され、カソード流路11の流入口に接続されている。
The compressor 21 (cathode gas delivery means) has a suction side communicating with the outside of the system (outside the vehicle) via a pipe a1, and a discharge side connected to the
The “cathode gas supply channel” includes pipes a1 to a4 and is connected to the inlet of the
加湿器22は、カソード流路11に向かうカソードガスを加湿するものであり、配管a3を介して入口封止弁23に接続されている。加湿器22は、配管a2を介して流入する低湿潤の空気(カソードガス)と、配管a6を介して流入する高湿潤のカソードオフガスとの間で、中空糸膜(図示せず)を介した水分交換を行う。
The
入口封止弁23は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、配管a4を介してカソード流路11の流入口に接続されている。つまり、入口封止弁23は、カソードガス供給流路に設けられ、閉状態において燃料電池10の空気供給側の配管a4を締め切る機能を有している。
出口封止弁24(封止弁)は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、配管a5を介してカソード流路11の流出口に接続されている。つまり、出口封止弁24は、カソードオフガス排出流路に設けられ、閉状態において燃料電池10のカソードオフガス排出側の配管a5を締め切る機能を有している。
ここで、「カソードオフガス排出流路」は、配管a5〜a8を含んで構成され、カソード流路11の流出口に接続されている。なお、出口封止弁24の下流側は、配管a6を介して加湿器22に接続されている。
The
The outlet sealing valve 24 (sealing valve) is, for example, an electromagnetically operated on / off valve, and is connected to the outlet of the
Here, the “cathode off-gas discharge channel” is configured to include the pipes a5 to a8 and is connected to the outlet of the
そして、入口封止弁23と出口封止弁24とをそれぞれ閉弁することによって、燃料電池10のカソード流路11が封止されることとなる。
ちなみに、入口封止弁23及び出口封止弁24は、常閉型の弁であってもよいし、常開型の弁であってもよい。
And the
Incidentally, the
循環流路弁25は、例えば電磁式の開閉弁であり、出口封止弁24よりも上流側のカソードオフガス排出流路(配管a5)から分岐し、コンプレッサ21よりも上流側のカソードガス供給流路(配管a1)に接続される戻り流路に設けられている。
なお、「戻り流路」は、配管b1,b2を含んで構成される。配管b1の一端は、カソード流路11の流出口と出口封止弁24との間の配管a5に接続され、他端は、循環流路弁25に接続されている。また、配管b2の一端は、循環流路弁25に接続され、他端はコンプレッサ21よりも上流側の配管a1に接続されている。循環流路弁25は、後記するオフガス再循環処理(Exhaust Gas Recirculation:EGR)を行う際に開弁される。
なお、以下の説明において「カソードオフガス循環流路」は、配管a5,b1,b2,a1〜a4,及びカソード流路11を含んで構成される。
The circulation
The “return channel” includes the pipes b1 and b2. One end of the pipe b <b> 1 is connected to the pipe a <b> 5 between the outlet of the
In the following description, the “cathode off-gas circulation channel” includes the pipes a5, b1, b2, a1 to a4, and the
背圧弁26は、その開度を調整することによって燃料電池10のカソード流路11を通流する空気の圧力(背圧)を制御するものであり、上流側は配管a7を介して加湿器22に接続され、下流側は配管a8を介して希釈器30に接続されている。
The
オリフィス27は、DIL(Diluter)アシスト流路に設けられ、コンプレッサ21から供給される空気の流れ込み量を制限するものである。
ここで、「DILアシスト流路」は、配管c3〜c5を含んで構成される。ちなみに、配管c3の一端は配管a2に接続され、他端はオリフィス27の上流側に接続されている。
DILアシスト流路弁28は、例えば、電磁式の開閉弁であり、配管c4を介してオリフィス27の下流側に接続され、配管c5を介して希釈器30に接続されている。
なお、DILアシスト流路弁28は、コンプレッサ21から供給される空気によって希釈器30を掃気する際に開弁される(図5参照)。
The
Here, the “DIL assist flow path” includes the pipes c3 to c5. Incidentally, one end of the pipe c3 is connected to the pipe a2, and the other end is connected to the upstream side of the
The DIL assist
The DIL assist
STK(Stack)バイパス流路弁29は、例えば、電磁式の開閉弁であり、STKバイパス流路に設けられている。
ここで、「STKバイパス流路」は、配管c1,c2を含んで構成される。配管c1の一端は配管a2に接続され、他端はSTKバイパス流路弁29に接続されている。また、配管c2の一端はSTKバイパス流路弁29に接続され、他端は配管a8に接続されている。
なお、STKバイパス流路弁29は、コンプレッサ21から供給される空気によって希釈器30を掃気する際に開弁される(図5参照)。
The STK (Stack) bypass
Here, the “STK bypass channel” includes the pipes c1 and c2. One end of the pipe c1 is connected to the pipe a2, and the other end is connected to the STK
The STK
希釈器30は、配管a8を介して背圧弁26に接続され、配管d9を介してパージ弁36に接続されている。希釈器30は、パージ弁36が開いた場合に配管d9を介して流入するアノードオフガスを、配管a8(及び配管c2,c5)を介して流入するカソードオフガスで希釈し、配管d10を介して系外に排出する機能を有している。
第1圧力センサPC(第1圧力検出手段)は、配管a4を通流する空気の圧力を検出し、ECU51に出力する機能を有している。
酸素濃度計D(酸素濃度検出手段)は、配管a4を通流する空気に含まれる酸素(カソードガス)の濃度を検出し、ECU51に出力する機能を有している。
The
The first pressure sensor P C (first pressure detection means) has a function of detecting the pressure of the air flowing through the pipe a4 and outputting it to the
The oxygen concentration meter D (oxygen concentration detection means) has a function of detecting the concentration of oxygen (cathode gas) contained in the air flowing through the pipe a4 and outputting it to the
(2.アノード系)
アノード系は、水素タンク31と、遮断弁32と、インジェクタ33と、エゼクタ34と、水素ポンプ35と、第2圧力センサPAと、パージ弁36と、を備えている。
(2. Anode system)
The anode system includes a
水素タンク31は、配管d1を介して遮断弁32に接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。
遮断弁32は、配管d2を介してインジェクタ33に接続され、ECU51からの指令によって開かれると、水素タンク31からの水素がアノード供給流路を介して燃料電池10のアノード流路12に供給されるようになっている。
なお、「アノード供給流路」は、配管d1〜d4を含んで構成される。
The
The shut-off
The “anode supply channel” is configured to include the pipes d1 to d4.
インジェクタ33は、配管d3を介してエゼクタ34に接続され、ECU51からの指令に従って水素を噴射するものである。すなわち、インジェクタ33は、配管d2を介して供給される水素を、配管d3を介して間欠的に噴射することで、アノード流路12に水素を供給する。
The
エゼクタ34は、配管d4を介してアノード流路12の流入口に接続され、水素タンク31から供給される水素をノズル(図示せず)から噴射することによって、ノズルの周囲に負圧を発生させるものである。これによって、アノード流路12の流出口から排出されるアノードオフガス(未反応の水素を含む)が、配管d5を介して吸引される。
The
水素ポンプ35は、アノード流路12から流出したアノードオフガスを吸引し、アノード流路12の流入口に向けて圧送するポンプである。なお、水素ポンプ35の吸入側に接続される配管d6は、配管d5に接続されている。また、水素ポンプ35の吐出口に接続される配管d7は、配管d4に接続されている。
第2圧力センサPA(第2圧力検出手段)は、配管d4を通流する水素(及びアノードオフガス)の圧力を検出するセンサである。なお、第2圧力センサPAによって検出された圧力値は、ECU51に出力される。
なお、配管d7には、通流する水素の逆流を防止する逆止弁が設けられている。
The
The second pressure sensor P A (second pressure detection means) is a sensor that detects the pressure of hydrogen (and anode offgas) flowing through the pipe d4. Incidentally, a pressure value detected by the second pressure sensor P A is output to the
The pipe d7 is provided with a check valve for preventing the backflow of flowing hydrogen.
パージ弁36は、配管d5から分岐する配管d8に接続され、配管d9を介して希釈器30に接続されている。パージ弁36は、ECU51からの指令に従って開弁することにより、アノード側に蓄積した不純物(窒素、水分など)を希釈器30に排出する機能を有している。
The
<電力消費系>
電力消費系は、出力検出器41と、VCU42と、走行モータ43と、を備えている。
出力検出器41(発電電流検出手段)は、電流センサ(図示せず)及び電圧センサ(図示せず)を備え、燃料電池10の出力電流、出力電圧をそれぞれ検出してECU51に出力する機能を有している。
VCU42(Voltage Control Unit)は、ECU51からの指令に従って燃料電池10の発電電力やバッテリ(図示せず)の充放電を制御するものであり、DC/DCチョッパ、DC/DCコンバータなどの電子回路が内蔵されている。
走行モータ43は、燃料電池10及び/又はバッテリ(図示せず)から供給される電力によって回転する電動モータであり、燃料電池10が搭載される移動体の動力源となる。
なお、図1では、出力検出器41とVCU42との間に設置され、これらを電気的に接続するコンタクタの図示を省略している。また、図1では、VCU42と走行モータ43との間に設置され、直流電力を三相交流電力に変換するインバータの図示を省略している。
<Power consumption system>
The power consumption system includes an
The output detector 41 (generated current detection means) includes a current sensor (not shown) and a voltage sensor (not shown), and has a function of detecting the output current and output voltage of the fuel cell 10 and outputting them to the
The VCU 42 (Voltage Control Unit) controls the generated power of the fuel cell 10 and the charge / discharge of a battery (not shown) according to a command from the
The
In FIG. 1, a contactor that is installed between the
<制御系>
ECU51(Electric Control Unit)は、CPU、RAM、ROM、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
ECU51には、図1に示す第1圧力センサPC、第2圧力センサPA、酸素濃度計D、及び出力検出器41を含むセンサ類からの検出信号や、IG61のON/OFF信号などが入力される。そして、ECU51は、入力される各信号に応じて各弁の開閉、各ポンプの駆動、VCU42の動作などを制御する。
<Control system>
The ECU 51 (Electric Control Unit) is configured to include electronic circuits such as a CPU, a RAM, a ROM, and various interfaces, and performs various functions according to programs stored therein.
The
ECU51は、配管b1,b2を介してカソードオフガスをカソードガス供給流路に再循環させる処理(排出ガス再循環処理:EGR)を行う際、出口封止弁24を閉弁し、循環流路弁25を開弁するとともに、コンプレッサ21を駆動する機能を有している。これによって、戻り流路(配管b1,b2)を介してカソードオフガスが循環する(カソードオフガス循環ステップ)。
The
また、ECU51は、VCU42によって出力電圧を略一定に制御しつつ、コンタクタ(図示せず)を介して燃料電池10からの発電電流を放電させ、負荷及び/又はバッテリ(図示せず)に供給する機能を有している(放電ステップ)。
Further, the
さらに、ECU51は、第1圧力検出手段、第2圧力検出手段、酸素濃度計D、及び出力検出器41のうち、少なくとも1つの検出値に基づいて、循環流路弁25の故障判定を行う機能を有している(故障判定ステップ)。
Further, the
<その他>
IG61(Ignition Switch)は、燃料電池10が搭載された燃料電池車の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、IG61は、そのON/OFF信号をECU51に出力するようになっている。
その他、燃料電池システム1は、冷媒ポンプを駆動することによって燃料電池10の冷媒流路に冷媒を循環させ、燃料電池10の温度を調整する冷媒系を備えている。
<Others>
IG61 (Ignition Switch) is a start switch of a fuel cell vehicle on which the fuel cell 10 is mounted, and is arranged around the driver's seat. The
In addition, the
<燃料電池システムの動作>
循環流路弁25の故障検知について説明する前に、循環流路弁25が正常に機能している場合における燃料電池システム1の動作について説明する。
図2、図3の時刻t0では、IG61(図1参照)がON状態になっている。このとき、入口封止弁23及び出口封止弁24は開弁され(図2(b)、図2(c)参照)、STKバイパス流路弁29及びDILアシスト流路弁28は閉弁された状態で(図2(f)、図2(g)参照)、コンプレッサ21が駆動している(図2(a)参照)。これによって、燃料電池10のカソード流路11に空気が供給される。また、遮断弁32は開弁され(図3(a)参照)、水素タンク31から供給される水素がインジェクタ33から噴射される(図3(b)参照)。なお、当該水素は、エゼクタ34を介してアノード流路12に供給される。
<Operation of fuel cell system>
Before describing the failure detection of the circulation
At time t0 in FIGS. 2 and 3, the IG 61 (see FIG. 1) is in the ON state. At this time, the
(1.オフガス再循環処理)
燃料電池10の発電停止時におけるクロスリーク(OHラジカルによって燃料電池が劣化する現象)を防止するため、また、高電圧状態になって単セルが劣化するのを防止するため、ECU51は、以下に示すオフガス再循環処理(Exhaust Gas Recirculation:EGR)を実行する。
(1. Off-gas recirculation treatment)
In order to prevent a cross leak (a phenomenon in which the fuel cell deteriorates due to OH radicals) when power generation of the fuel cell 10 is stopped, and to prevent the single cell from deteriorating due to a high voltage state, the
図2に示すタイムチャートの時刻t1においてIG61がONからOFFに切替えられると、ECU51はEGR準備処理を開始する。すなわち、ECU51は、出口封止弁24を閉弁し(図2(c)参照)、背圧弁26を全閉状態とし(図2(d)参照)、循環流路弁25を開弁する(図2(e)参照)。これによって、希釈器30を介して系外(車外)に連通していた流路が遮断される。
また、ECU51は遮断弁32を閉弁し(図3(a)参照)、燃料電池10への水素供給を止める。また、ECU51はインジェクタ33及び水素ポンプ35を駆動することで(図3(c)参照)、アノード流路12にアノードオフガスを送り込み、アノード圧力を所定値P1まで上昇させる(図3(d)参照)。このようにアノード圧力を上昇させる。
When the
Further, the
次に、図2、図3の時刻t2においてECU51は、燃料電池システム1のオフガス再循環処理(EGR)を開始する。すなわち、ECU51は、前記したEGR準備処理の状態からインジェクタ33を停止し(図3(b)参照)、VCU42によって燃料電池10の出力電圧を所定値V1とするように制御する定電圧制御を実行する(図3(f)参照)。なお、「定電圧制御」には、燃料電池10の目標出力電力を一定値にする場合のほか、燃料電池10の出力電力を低下させ、予め設定された所定範囲内に収まるように電圧制御を行う場合も含まれる。
ちなみに、オフガス再循環処理を行う際、図2(c)の破線で示すように、出口封止弁24を開弁してもよい。この場合、全閉状態となっている背圧弁26が「封止弁」としての機能も果たす。
Next, at time t <b> 2 in FIGS. 2 and 3, the
Incidentally, when performing the off-gas recirculation process, the
図4は、オフガス再循環処理(EGR)時における燃料電池システムの説明図であり、太線はアノードオフガスの流れと、カソードオフガスの流れとを示している。また、各種弁のうち閉弁しているものを黒く塗りつぶしている(図5も同様)。
図4に示すように、カソード流路11から流出したカソードオフガスは、コンプレッサ21の吸入側の負圧によって、配管a5,b1、循環流路弁25、配管b2,a1を介してコンプレッサ21に流入し、前記したカソードオフガス循環流路を循環する。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the fuel cell system at the time of off-gas recirculation (EGR), and the thick lines indicate the flow of anode off-gas and the flow of cathode off-gas. Further, among the various valves, those that are closed are painted black (the same applies to FIG. 5).
As shown in FIG. 4, the cathode off gas flowing out from the
また、アノード側では遮断弁32が閉弁され、インジェクタ33が停止した状態で水素ポンプ35を駆動することで、アノードオフガス循環流路(配管d4、アノード流路12、配管d5〜d7)をアノードオフガスが循環する。
In addition, on the anode side, the
なお、燃料電池10での電極反応によって生成された電荷は、コンタクタ(図示せず)及びVCU42を介して放電(ディスチャージ)される。なお、当該電力は、バッテリ(図示せず)に充電されるか、負荷に供給されるか、又はディスチャージ用の抵抗で消費される。また、前記電極反応によって生成される水は、コンプレッサ21から流入する空気の流れに同伴し、カソード流路11から流出する。
このようにして、燃料電池10内での電極反応と、カソードオフガスの再循環とによって、燃料電池10のカソード側で酸素を消費し、アノード側で水素が消費しつつ、放電(ディスチャージ)を行う。
In addition, the electric charge produced | generated by the electrode reaction in the fuel cell 10 is discharged (discharged) via a contactor (not shown) and VCU42. The electric power is charged in a battery (not shown), supplied to a load, or consumed by a discharge resistor. Further, the water generated by the electrode reaction is accompanied by the flow of air flowing in from the
In this way, by the electrode reaction in the fuel cell 10 and the cathode off-gas recirculation, oxygen is consumed on the cathode side of the fuel cell 10 and hydrogen is consumed on the anode side while discharging (discharge) is performed. .
(2.希釈器の掃気)
図2、図3の時刻t3において、ECU51は希釈器30の掃気を開始する。すなわち、ECU51は、入口封止弁23及び循環流路弁25を閉弁し(図2(b)、図2(e)参照)、STKバイパス流路弁29及びDILアシスト流路弁28(図2(f)、図2(g)参照)を開弁する。また、ECU51は、コンプレッサ21の回転速度を所定値r1まで上昇させる(図2(a)参照)。
さらに、ECU51は、水素ポンプ35の駆動を停止し(図3(c)参照)、コンタクタ(図示せず)をONからOFFに切り替え(図3(e)参照)、燃料電池10と負荷とを切り離す。
(2. Diluter scavenging)
2 and 3, the
Further, the
そうすると、図5に示すように、コンプレッサ21から配管a2を介して送出された空気は、配管c1、STKバイパス流路弁29、及び配管c2を介して希釈器30に流入する。このように、STKバイパス流路を介して希釈器30に空気を流入させることで、希釈器30に貯留されている水素が外部に押し出される。
Then, as shown in FIG. 5, the air sent from the
また、コンプレッサ21から配管a2を介して送出された空気は、配管c3を介してオリフィス27に流入し、このオリフィス27によって所定の流量に制限される。さらに、オリフィス27から流出した空気は、配管c4、DILアシスト流路弁28、及び配管c5を介して希釈器30に流入する。このように、DILアシスト流路を介して希釈器30に空気を流入させることで、DILアシスト流路弁28の開度に応じて希釈器30に流入する空気の流量が調整される。
The air sent from the
そして、希釈器30の掃気が終了すると、図3の時刻t4においてECU51はコンプレッサ21の駆動を停止するとともに(図2(a)参照)、STKバイパス流路弁29及びDILアシスト流路弁28(図2(f)、図2(g)参照)を閉弁し、燃料電池システム1を停止状態(つまり、ソーク状態)にする。
このように、オフガス再循環処理を実行した後、カソード流路11を封鎖することで、酸素がほとんど残っていない状態でカソード流路11を封鎖できる。したがって、クロスリークを抑制し、燃料電池10が備える単セルの劣化を防止できる。
When the scavenging of the
As described above, after the off-gas recirculation process is performed, the
<循環流路弁の故障検知>
以下では、図6、図7のフローチャートを参照しながら、循環流路弁25の閉故障検知と、開故障検知とについて順次説明する。
なお、「閉故障」とは、ECU51から開弁指令が入力されても循環流路弁25が閉じたままの状態である故障を意味している。
また、「開故障」とは、ECU51から閉弁指令が入力されても循環流路弁25が開いたままの状態である故障を意味している。
<Fault detection of circulation flow path valve>
Hereinafter, the closed failure detection and the open failure detection of the circulation
“Closed failure” means a failure in which the circulation
The “open failure” means a failure in which the circulation
図6に示す「START」において、IG61(図1参照)はOFF状態であり、前記したEGR準備処理(図2、図3の時刻t1〜t2参照)が終了しているものとする。
ステップS101においてECU51は、オフガス再循環処理(EGR)を開始する。なお、オフガス再循環処理については、図4を用いて説明したものと同様である。
ステップS102においてECU51は、圧力センサ(図示せず)によって検出される大気圧Patmを記憶手段(図示せず)に格納する。
次に、ステップS103においてECU51は、閉故障検知処理1を実行する。
In “START” shown in FIG. 6, IG 61 (see FIG. 1) is in an OFF state, and the above-described EGR preparation processing (see times t1 to t2 in FIGS. 2 and 3) is completed.
In step S101, the
In step S102, the
Next, in step S103, the
(1.閉故障検知処理1)
図7(a)のステップS1031においてECU51は、第1圧力センサPCによって検出されるカソード圧力PCが、前記した大気圧Patmに所定値ΔPC(≧0)を加えた値を超えているか否かを判定する。ちなみに、所定値ΔPCは、予め設定された値(例えば、10kPaG)であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
(1. Closed failure detection process 1)
In step S1031 of FIG. 7 (a)
図4に示すEGR時において、カソードオフガス循環流路弁25が閉故障している場合、カソード流路11の下流側が、出口封止弁24及び循環流路弁25によって締め切られる。つまり、コンプレッサ21から空気が供給されても、カソードオフガスが流出する通路が閉じているため、配管a4を通流するカソードガスの圧力が上昇する。
エア圧PCが、(大気圧Patm+所定値ΔPC)を超えている場合(S1031→Yes)、ECU51の処理はステップS1035に進む。
一方、エア圧PCが、(大気圧Patm+所定値ΔPC)以下である場合(S1031→No)、ECU51の処理はステップS1032に進む。
At the time of EGR shown in FIG. 4, when the cathode offgas
Air pressure P C is, if it exceeds the (atmospheric pressure P atm + predetermined value ΔP C) (S1031 → Yes) , the processing of the ECU51 advances to step S1035.
On the other hand, the air pressure P C is, if (the atmospheric pressure P atm + predetermined value [Delta] P C) or less (S1031 → No), the processing of the ECU51 advances to step S1032.
次に、ステップS1032においてECU51は、出力検出器41(図1参照)によって検出される燃料電池10の発電電流IFCが、閾値I1を超えているか否かを判定する。ちなみに、閾値I1は予め設定された値であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
EGR時において循環流路弁25が閉故障している場合、コンプレッサ21の駆動によって大気から空気を吸い込み、カソード流路11に供給される(押し込まれる)。当該空気はカソードオフガスに比べて酸素濃度が高い。したがって、比較的高圧で新鮮な空気が供給されるため、前記(式2)の電極反応が促進される。さらに、このような状態でVCU42によって定電圧制御されることにより、循環流路弁25が正常である場合と比較して、発電電流の値が大きくなる。
Next, in step S1032, the
When the circulation
図8(a)は、循環流路弁が正常である場合の発電電流の時間的変化を示すグラフであり、図8(b)は、循環流路弁が閉故障である場合の発電電流の時間的変化を示すグラフである。なお、当該図8(a)、図8(b)の横軸は、オフガス再循環処理を開始してからの経過時間であり、縦軸は出力検出器41によって検出される燃料電池10の発電電流である。
図8(a)に示すように、循環流路弁25が正常である場合、燃料電池10の発電電流は閾値I1未満の範囲で変化する。一方、図8(b)に示すように、循環流路弁25が閉故障である場合、燃料電池10の発電電流は、経過時間tC〜tD付近において閾値I1を超える。
したがって、前記したステップS1032の判定処理は、循環流路弁25が閉故障である場合に閾値I1を超えるタイミング(例えば、経過時間tS)で行うことが好ましい。
FIG. 8A is a graph showing a temporal change in the generated current when the circulation flow path valve is normal, and FIG. 8B is a graph of the generated current when the circulation flow path valve is closed. It is a graph which shows a time change. 8A and 8B, the horizontal axis represents the elapsed time since the start of the off-gas recirculation process, and the vertical axis represents the power generation of the fuel cell 10 detected by the
As shown in FIG. 8A, when the circulation
Therefore, it is preferable that the determination process in step S1032 described above is performed at a timing (for example, elapsed time t S ) exceeding the threshold value I1 when the circulation
再び、図7に戻って説明を続ける。ステップS1032において発電電流IFCが閾値I1を超えている場合(S1032→Yes)、ECU51の処理はステップS1035に進む。一方、発電電流IFCが閾値I1以下である場合(S1032→No)、ECU51の処理はステップS1033に進む。
Returning to FIG. 7, the description will be continued. When the generated current I FC exceeds the threshold value I1 in step S1032 (S1032 → Yes), the process of the
次に、ステップS1033においてECU51は、燃料電池10の発電電流積算値IFC(SUM)が閾値I2を超えているか否かを判定する。ちなみに、閾値I2は、予め設定された値であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
前記したように、循環流路弁25が閉故障している場合、発電電流の値が大きくなるため、発電電流積算値も大きくなる。なお、発電電流積算値は、例えば、オフガス再循環(EGR)を開始した時刻からの発電電流の積算値である。
Next, in step S1033, the
As described above, when the circulation
図9(a)は、循環流路弁が正常である場合の発電電流積算値の時間的変化を示すグラフであり、図9(b)は、循環流路弁が閉故障である場合の発電電流積算値の時間的変化を示すグラフである。なお、当該図9(a)、図9(b)の横軸は、オフガス再循環処理を開始してからの経過時間であり、縦軸はオフガス再循環処理を開始してからの発電電流の積算値である。 FIG. 9A is a graph showing a temporal change in the generated current integrated value when the circulation flow path valve is normal, and FIG. 9B is a graph showing power generation when the circulation flow path valve is closed. It is a graph which shows the time change of an electric current integrated value. 9A and 9B, the horizontal axis represents the elapsed time since the start of the off-gas recirculation process, and the vertical axis represents the generated current after the start of the off-gas recirculation process. It is an integrated value.
図9(a)に示すように、循環流路弁25が正常である場合、燃料電池10の発電電流積算値は閾値I2未満の範囲で変化する。一方、図9(b)に示すように、循環流路弁25が閉故障である場合、燃料電池10の発電電流積算値は、経過時間tE以後では閾値I2を超える。
したがって、前記したステップS1033の判定処理は、循環流路弁25が閉故障である場合に閾値I2を超えるタイミング(オフガス再循環処理を開始してから時間tE以後)で行うことが好ましい。
As shown in FIG. 9A, when the
Therefore, the determination process of step S1033 described above is preferably carried out in excess of threshold I2 when the circulation
再び、図7に戻って説明を続ける。ステップS1033において発電電流積算値IFC(SUM)が閾値I2を超えている場合(S1033→Yes)、ECU51の処理はステップS1035に進む。一方、発電電流積算値IFC(SUM)が閾値I2以下である場合(S1033→No)、ECU51の処理はステップS1034に進む。
ステップS1034においてECU51は、閉故障判定フラグをOFFにする。また、ステップS1035においてECU51は、閉故障判定フラグをONにする。つまり、ステップS1031〜S1033のうち少なくとも1つの条件が成立した場合、ECU51は閉故障判定フラグをONにする。
Returning to FIG. 7, the description will be continued. When the generated current integrated value I FC (SUM) exceeds the threshold value I2 in step S1033 (S1033 → Yes), the process of the
In step S1034, the
次に、図6のステップS104においてECU51は、循環流路弁25が閉故障であるか否かを判定する。なお、当該判定は、前記した閉故障判定フラグがONであるか否かによって行う。
循環流路弁25が閉故障である場合(S104→Yes)、ECU51の処理はステップS105に進む。ステップS105においてECU51は、オフガス再循環処理を中断する。ステップS106においてECU51は、循環流路弁25が閉故障である旨をユーザに報知する。なお、当該報知は、例えば故障ランプの点灯や音声などにより行う。
Next, in step S104 of FIG. 6, the
When the circulation
一方、S103の閉故障検知処理1では循環流路弁25の閉故障が検知されなかった場合(S104→No)、ECU51の処理はステップS107に進む。ステップS107においてECU51は、オフガス再循環処理が終了したか否かを判定する。なお、当該判定は、例えば、オフガス再循環処理の開始から所定時間が経過したか否かにより行う。
オフガス再循環の処理が終了した場合(S107→Yes)、ECU51の処理はステップS108に進む。一方、オフガス再循環の処理が終了していない場合(S107→No)、ECU51の処理はステップS107の処理を繰り返す。
次に、ステップS108においてECU51は、閉故障検知処理2を実行する。
On the other hand, in the closed
When the off-gas recirculation process ends (S107 → Yes), the process of the
Next, in step S108, the
(2.閉故障検知処理2)
図7(b)のステップS1081においてECU51は、第2圧力センサPA(図1参照)によって検出されるアノード圧が閾値P1を下回っているか否かを判定する。なお、アノード圧とは、アノード流路12の内圧を意味している。また、閾値P1は予め設定された値であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
(2. Closed fault detection processing 2)
In step S1081 in FIG. 7 (b)
前記したように、循環流路弁25が閉故障である場合において定電圧制御を行うと、燃料電池10の電極反応が促進されて発電電流の値が大きくなる(図7(a)のステップS1032)。当該電極反応によって水素の消費量が多くなる一方、遮断弁32が閉弁されているため、アノード流路12の水素が徐々に減少する。したがって、循環流路弁25が閉故障である場合、正常時と比較してアノード圧が低下する。
アノード圧が閾値P1未満である場合(S1081→Yes)、ECU51の処理はステップS1084に進む。一方、アノード圧が閾値P1以上である場合(1081→No)、ECU51の処理はステップS1082に進む。
As described above, when constant voltage control is performed when the circulation
When the anode pressure is less than the threshold value P1 (S1081 → Yes), the process of the
次に、ステップS1082においてECU51は、酸素濃度計D(図1参照)によって検出される酸素濃度D(O2)が閾値D1を超えているか否かを判定する。なお、閾値D1は予め設定された値であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
循環流路弁25が閉故障である場合、前記したカソードオフガス循環流路を介してカソードオフガスが循環しないものの、コンプレッサ21によってオフガスを含まない新鮮な空気が圧送されてくる。したがって、酸素濃度計Dによって検出される酸素濃度はほとんど低下しない。
酸素濃度D(O2)が閾値D1を超えている場合(S1082→Yes)、ECU51の処理はステップS1084に進む。一方、酸素濃度D(O2)が閾値D1以下である場合(S1082→No)、ECU51の処理はステップS1083に進む。
Next, in step S1082, the
When the
When the oxygen concentration D (O 2 ) exceeds the threshold value D1 (S1082 → Yes), the process of the
次に、ステップS1083においてECU51は、閉故障判定フラグをOFFにする。また、ステップS1084においてECU51は、閉故障判定フラグをONにする。つまり、ステップS1081,S1082のうち少なくとも1つの条件が成立した場合、ECU51は閉故障判定フラグをONにする。
次に、図6のステップS109において、ECU51は閉故障であるか否かを判定する。なお、当該判定は、前記した閉故障判定フラグがONであるか否かによって行う。
循環流路弁25が閉故障である場合(S109→Yes)、ECU51の処理はステップS106に進む。一方、循環流路弁25が閉故障でない場合(S109→No)、ECU51の処理はステップS110に進む。
Next, in step S1083, the
Next, in step S109 of FIG. 6, the
If the circulation
(3.開故障判定処理)
ステップS110においてECU51は、循環流路弁25に閉弁指令を出力してから所定時間ΔtA(第1所定時間)が経過したか否かを判定する。なお、所定時間ΔtAは、後記する開故障判定処理を適切に行うために予め設定された値であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
循環流路弁25に閉弁指令を出力してから所定時間ΔtAが経過した場合(S110→Yes)、ECU51の処理はステップS111に進む。一方、循環流路弁25に閉弁指令を出力してから所定時間ΔtAが経過していない場合(S110→No)、ECU51はステップS110の処理を繰り返す。
(3. Open failure judgment processing)
In step S110, the
When the predetermined time Δt A has elapsed since the valve closing command was output to the circulation flow path valve 25 (S110 → Yes), the process of the
次に、ステップS111においてECU51は、圧力センサ(図示せず)によって検出される大気圧Patmを記憶手段(図示せず)に格納する。
ステップS112においてECU51は、カソード圧力PCが(大気圧Patm+所定値ΔPα:第1所定値)未満であるか否かを判定する。なお、所定値ΔPα(≧0)は、予め設定された値(例えば、10kPaG)であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
循環流路弁25が開故障である場合、入口封止弁23及び出口封止弁24を閉弁したとしても、循環流路弁25が開状態のままとなる。したがって、第1圧力センサPCが設置されている配管a4は、カソード流路11、配管a5,b1,循環流路弁25、配管b2,a1を介して系外と連通する(つまり、大気開放系になる)。
そうすると、オフガス再循環処理が終了した後も、前記流路を介して空気が流入するため、第1圧力センサPCの検出値は、大気圧に略等しくなる。
Next, in step S111, the
In
When the circulation
Then, even after the off-gas recirculation process is completed, because the air flows through the flow path, the detection value of the first pressure sensor P C is approximately equal to the atmospheric pressure.
図10は、循環流路弁が正常である場合、及び、開故障している場合のカソード圧力の時間的変化を示すグラフである。循環流路弁25が正常である場合、ソーク時において入口封止弁23、出口封止弁24、及び循環流路弁25が完全に閉弁される。したがって、封止されたカソード流路11に存在する酸素は、アノード側からの水素と反応して減少するため、カソード圧力はソーク時間の経過に伴って低下する。
一方、循環流路弁25が開故障である場合、前記したように、カソード流路11は大気開放系になるため、カソード圧力は大気圧Patmに略等しくなる。
FIG. 10 is a graph showing a temporal change in the cathode pressure when the circulation flow path valve is normal and when the open flow failure occurs. When the
On the other hand, when the circulation
したがって、循環流路弁25が開故障であった場合にカソード圧力が(大気圧Patm+ΔPα)=PG(図10参照)よりも高くなるタイミングでステップS112の判定を行うことが好ましい。つまり、前記所定時間ΔtA(ステップS111)の値を、図10に示すようにソーク時間0〜tFの間で設定することが好ましい。
再び、図6に戻って説明を続ける。ステップS112においてカソード圧力PCが(大気圧Patm+所定値ΔPα)未満である場合(S112→Yes)、ECU51の処理はステップS113に進む。一方、カソード圧力PCが(大気圧Patm−所定値ΔPα)以上である場合(S112→No)、ECU51の処理はステップS114に進む。
ステップS113においてECU51は、循環流路弁25が開故障である旨をユーザに報知する。なお、当該報知は、例えば故障ランプや音声などにより行う。
Therefore, it is preferable to perform the determination in step S112 at a timing when the cathode pressure becomes higher than (atmospheric pressure P atm + ΔP α ) = P G (see FIG. 10) when the circulation
Returning again to FIG. 6, the description will be continued. If the cathode pressure P C is less than (the atmospheric pressure P atm + predetermined value [Delta] P alpha) in step S112 (S112 → Yes), the processing of the ECU51 advances to step S113. On the other hand, cathode pressure P C is - is (atmospheric pressure P atm predetermined value [Delta] P alpha) or (S112 → No), the processing of the ECU51 advances to step S114.
In step S113, the
ステップS114においてECU51は、循環流路弁25に閉弁指令を出力してから所定時間ΔtB(第2所定時間)が経過したか否か判定する。なお、所定時間ΔtBは、ステップS110の所定時間ΔtAよりも長い時間であり、予め設定されている。
循環流路弁25に閉弁指令を出力してから所定時間ΔtBが経過した場合(S114→Yes)、ECU51の処理はステップS115に進む。一方、循環流路弁25に閉弁指令を出力してから所定時間ΔtBが経過していない場合(S114→No)、ECU51はステップS114の処理を繰り返す。
In step S114, the
When the predetermined time Δt B has elapsed since the valve closing command was output to the circulation flow path valve 25 (S114 → Yes), the process of the
次に、ステップS115においてECU51は、カソード圧力PCが(大気圧Patm−所定値ΔPβ:第2所定値)よりも高いか否かを判定する。なお、所定値ΔPβ(≧0)は予め設定された値であり、記憶手段(図示せず)に格納されている。
なお、循環流路弁25が開故障であった場合にカソード圧力が(大気圧Patm−ΔPβ)=PI(図10参照)未満となるタイミングでステップS115の判定を行うように、ステップS114の判定を行うことが好ましい。つまり、前記所定時間ΔtB(ステップS114)の値を、図10に示すようにソーク時間tI〜tJの間で設定することが好ましい。
カソード圧力PCが(大気圧Patm−所定値ΔPβ)よりも高い場合(S115→Yes)、ECU51の処理はステップS113に進む。一方、カソード圧力PCが(大気圧Patm−所定値ΔPα)以下である場合(S115→No)、ECU51は循環流路弁25の開故障検知処理を終了する。
Then,
When the circulation
Cathode pressure P C is - greater than (the atmospheric pressure P atm predetermined value ΔP β) (S115 → Yes) , the processing of the ECU51 advances to step S113. On the other hand, cathode pressure P C is (atmospheric pressure P atm - predetermined value [Delta] P alpha) when less is (S115 → No),
<効果>
本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、燃料電池システム1では、燃料電池10の発電電流値、カソード側の酸素濃度の変化、カソード圧力の変化、又はアノード圧力の変化に基づいて循環流路弁25の故障検知を行う。したがって、循環流路弁25に故障検知機能(リフトセンサなど)を設ける必要がなく、循環流路弁25として簡単な構成の汎用バルブを使用できる。したがって、本実施形態によれば、循環流路弁25にかかるコストを削減できる。
また、本実施形態では、戻り流路(配管b1,b2)を介してカソードオフガスをコンプレッサ21の上流側に戻す構成となっている。したがって、オフガス再循環処理を行うための追加のポンプを必要しないぶん、コストを削減できる。
<Effect>
The
That is, in the
Further, in the present embodiment, the cathode off gas is returned to the upstream side of the
また、本実施形態では、カソード圧力、アノード圧力、発電電流値、酸素濃度などのシステム状態量に基づいて循環流路弁25の故障を検知する。したがって、リフトセンサでは検知できない弁体の故障や、カソードオフガス循環流路の配管系の故障(配管の破損など)も適切に検知できる。
また、低温時に循環流路弁25の弁体が凍結して動かなくなった(つまり、開弁指令を入力しても閉じたままであったり、閉弁指令を入力しても開いたままであったりする)場合も、前記と同様の方法で適切に検知できる。
In the present embodiment, the failure of the circulation
Further, the valve body of the circulation
また、循環流路弁25の閉故障検知処理を実行するタイミングと、開故障検知処理を実行するタイミングが異なり、さらに、各故障を判定する際の基準も異なる。したがって、循環流路弁25の閉故障と開故障とを区別して検知できる。
また、循環流路弁25の開故障又は閉故障を検知した場合、ECU51は当該故障内容をユーザに報知する。したがって、ユーザは検知結果に応じて適切に対処できる。
Further, the timing for executing the closed failure detection process for the circulation
Further, when an open failure or a closed failure of the circulation
また、循環流路弁25による封止性能が低下した場合、前記した開故障の場合と同様の現象が生じるため、当該封止性能の低下も適切に検知できる。したがって、ソーク中、燃料電池10のカソード流路11に酸素が入りやすい状態になっていることを把握できるため、ユーザに対応を促すことによって燃料電池10の劣化を防止できる。
Further, when the sealing performance by the circulation
≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システム1について前記実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、前記実施形態では、燃料電池10の発電電流値、カソード側の酸素濃度の変化、カソード圧力の変化、及びアノード圧力の変化に基づいて循環流路弁25の故障検知を行う場合について説明したが、これに限らない。
すなわち、図7(a)のS1031(カソード圧力),S1032(発電電流値),S1033(発電電流積算値),図7(b)のS1081(アノード圧力),及びS1082(酸素濃度)のうちいずれか一つ又は複数の判定基準を用いて、循環流路弁25の閉故障を検知してもよい。
≪Modification≫
The
For example, in the above-described embodiment, the case where the failure detection of the
That is, any of S1031 (cathode pressure), S1032 (generated current value), S1033 (generated current integrated value) in FIG. 7A, S1081 (anode pressure), and S1082 (oxygen concentration) in FIG. A closed failure of the circulation
また、循環流路弁25の閉故障の検知を行う際、図8に示すように、発電電流が閾値I1よりも大きいか否かによって判定する場合について説明したが、これに限らない。例えば、発電電流が閾値IPよりも大きくなる時間(図8(a)では時間(tB−tA)、図8(b)では時間(tD−tC))が、所定時間Δtγよりも長いか否かによって、循環流路弁25の閉故障を検知してもよい。
なお、前記した所定時間tγは、循環流路弁25が正常である場合と閉故障である場合とを区別できるように設定する(つまり、tB−tA<Δtγ<tD−tC)。
Moreover, when detecting the closed failure of the circulation
Incidentally, the above-mentioned predetermined time t gamma,
また、前記実施形態では、加湿器22を入口封止弁23よりも上流側、出口封止弁24よりも下流側に設置する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、加湿器22を入口封止弁23よりも下流側、出口封止弁24よりも上流側の位置に設置してもよい。
Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the
1 燃料電池システム
10 燃料電池
11 カソード流路
12 アノード流路
21 コンプレッサ(カソードガス送出手段)
23 入口封止弁
24 出口封止弁(封止弁)
25 循環流路弁
26 背圧弁(封止弁)
41 出力検出器(発電電流検出手段)
51 ECU(制御手段)
PC 第1圧力センサ(第1圧力検出手段)
PA 第2圧力センサ(第2圧力検出手段)
D 酸素濃度計(酸素濃度検出手段)
DESCRIPTION OF
23
25 Circulating
41 Output detector (generated current detection means)
51 ECU (control means)
P C first pressure sensor (first pressure detecting means)
P A second pressure sensor (second pressure detection means)
D Oxygen concentration meter (oxygen concentration detection means)
Claims (7)
前記カソード流路の流入口に接続されるカソードガス供給流路と、
前記カソード流路の流出口に接続されるカソードオフガス排出流路と、
前記カソードガス供給流路に設けられ、前記カソード流路の流入口に向けてカソードガスを送出するカソードガス送出手段と、
前記カソードオフガス排出流路に設けられる封止弁と、
前記封止弁よりも上流側の前記カソードオフガス排出流路から分岐し、前記カソードガス送出手段よりも上流側の前記カソードガス供給流路に接続される戻り流路と、
前記戻り流路に設けられる循環流路弁と、を備えるとともに、
前記カソードガス供給流路に設けられる第1圧力検出手段と、前記カソードガス供給流路に設けられる酸素濃度検出手段と、前記アノード流路の流入口に接続されるアノードガス供給流路に設けられる第2圧力検出手段と、前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流検出手段と、のうち少なくとも1つを含むシステム状態量検出手段と、
前記システム状態量検出手段によって検出されるシステム状態量に基づいて、前記循環流路弁の故障判定を行う制御手段と、
を備える燃料電池システムで実行される循環流路弁の故障検知方法であって、
前記制御手段は、
前記封止弁を閉弁し、前記循環流路弁を開弁させる指令信号を出力するとともに、前記カソードガス送出手段を駆動し、前記戻り流路を介してカソードオフガスを循環させるカソードオフガス循環ステップと、
前記燃料電池からの放電を行う放電ステップと、
前記システム状態量検出手段によって検出されるシステム状態量に基づいて前記循環流路弁の故障判定を行う故障判定ステップと、を実行すること
を特徴とする循環流路弁の故障検知方法。 A fuel cell in which anode gas is supplied to the anode channel and cathode gas is supplied to the cathode channel to generate electricity;
A cathode gas supply channel connected to the inlet of the cathode channel;
A cathode offgas discharge channel connected to the outlet of the cathode channel;
Cathode gas delivery means that is provided in the cathode gas supply channel and sends cathode gas toward the inlet of the cathode channel;
A sealing valve provided in the cathode offgas discharge channel;
A return flow path branched from the cathode offgas discharge flow path upstream of the sealing valve and connected to the cathode gas supply flow path upstream of the cathode gas delivery means;
A circulation flow path valve provided in the return flow path,
First pressure detection means provided in the cathode gas supply flow path, oxygen concentration detection means provided in the cathode gas supply flow path, and an anode gas supply flow path connected to the inlet of the anode flow path. A system state quantity detecting means including at least one of a second pressure detecting means and a generated current detecting means for detecting a generated current of the fuel cell;
Control means for determining failure of the circulation flow path valve based on the system state quantity detected by the system state quantity detection means;
A fault detection method for a circulation flow path valve executed in a fuel cell system comprising:
The control means includes
Cathode off-gas circulation step of closing the sealing valve and outputting a command signal for opening the circulation channel valve, driving the cathode gas delivery means, and circulating the cathode off-gas through the return channel When,
A discharging step for discharging from the fuel cell;
And a failure determination step of determining a failure of the circulation flow path valve based on a system state quantity detected by the system state quantity detection means.
前記故障判定ステップで、前記第1圧力検出手段によって検出される圧力が所定値を超える場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定すること
を特徴とする請求項1に記載の循環流路弁の故障検知方法。 The control means includes
2. The circulation flow according to claim 1, wherein, in the failure determination step, when the pressure detected by the first pressure detection unit exceeds a predetermined value, it is determined that the circulation flow path valve has a closed failure. Road valve failure detection method.
前記放電ステップで、前記燃料電池の出力電圧が所定値になるように制御しつつ、
前記故障判定ステップで、前記発電電流検出手段によって検出される発電電流が所定値を超える場合、及び/又は、前記発電電流の積算値である発電電流積算値が所定値を超える場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の循環流路弁の故障検知方法。 The control means includes
In the discharging step, while controlling the output voltage of the fuel cell to be a predetermined value,
In the failure determination step, when the generated current detected by the generated current detection means exceeds a predetermined value and / or when the generated current integrated value that is an integrated value of the generated current exceeds a predetermined value, the circulating flow It is determined that the road valve is a closed fault. The fault detection method for the circulation flow path valve according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記放電ステップが終了した後、
前記故障判定ステップで、前記酸素濃度検出手段によって検出される酸素濃度が所定値を超える場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定すること
を特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の循環流路弁の故障検知方法。 The control means includes
After the discharging step is finished,
The said failure determination step WHEREIN: When the oxygen concentration detected by the said oxygen concentration detection means exceeds a predetermined value, it determines with the said circulation flow path valve being a closed failure. The fault detection method of the circulation channel valve as described in any one of Claims.
前記放電ステップが終了した後、
前記故障判定ステップで、前記第2圧力検出手段によって検出される圧力値が所定値未満である場合、前記循環流路弁が閉故障であると判定すること
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の循環流路弁の故障検知方法。 The control means includes
After the discharging step is finished,
The said failure determination step WHEREIN: When the pressure value detected by the said 2nd pressure detection means is less than predetermined value, it determines with the said circulation flow path valve being closed failure. The fault detection method for the circulation flow path valve according to any one of claims 4 to 5.
前記放電ステップが終了した後、
前記故障判定ステップで、前記循環流路弁に閉弁指令を出力してから第1所定時間経過後、前記第1圧力検出手段によって検出される圧力値が第1所定値未満である場合、前記循環流路弁が開故障であると判定すること
を特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の循環流路弁の故障検知方法。 The control means includes
After the discharging step is finished,
In the failure determination step, when a pressure value detected by the first pressure detecting means is less than a first predetermined value after a first predetermined time has elapsed since outputting a valve closing command to the circulation flow path valve, The method for detecting a failure of a circulation flow path valve according to any one of claims 1 to 5, wherein the circulation flow path valve is determined to be an open failure.
前記放電ステップが終了した後、
前記故障判定ステップで、前記循環流路弁に閉弁指令を出力してから、前記第1所定時間よりも長い第2所定時間経過後、前記第1圧力検出手段によって検出される圧力値が第2所定値を超える場合、前記循環流路弁が開故障であると判定すること
を特徴とする請求項6に記載の循環流路弁の故障検知方法。 The control means includes
After the discharging step is finished,
In the failure determination step, after a valve closing command is output to the circulation flow path valve, a second predetermined time longer than the first predetermined time elapses, and a pressure value detected by the first pressure detecting means is a first value. The method for detecting a failure of a circulation flow path valve according to claim 6, wherein when the predetermined value is exceeded, it is determined that the circulation flow path valve has an open failure.
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-
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