JP2015072736A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス、カソード電極に酸素を含有するカソードガスを供給することによって発電する。 A fuel cell generates electricity by sandwiching an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode, and supplying an anode gas containing hydrogen to the anode electrode and a cathode gas containing oxygen to the cathode electrode.
ここで、電解質膜の損傷や経時劣化によって、例えば電解質膜に部分的に孔が生じると、その部分を介してアノード側からカソード側に漏れ出すアノードガス量（以下「水素クロスリーク量」という。）が増加する。そうすると、カソード電極から排出されるカソードオフガス中の水素濃度が増大し、最終的に大気中に排出されるカソードオフガスを含む排出ガス中の水素濃度が可燃濃度を越えてしまうおそれがある。 Here, for example, when a hole is partially formed in the electrolyte membrane due to damage or deterioration with time, the amount of anode gas leaked from the anode side to the cathode side through the portion (hereinafter referred to as “hydrogen cross leak amount”). ) Will increase. Then, the hydrogen concentration in the cathode off gas discharged from the cathode electrode increases, and the hydrogen concentration in the exhaust gas including the cathode off gas finally discharged into the atmosphere may exceed the combustible concentration.
したがって、水素クロスリーク量の増加によって排出ガス中の水素濃度が増大している可能性がある場合には、燃料電池システムを停止することが望ましい。そのため、従来から水素クロスリーク量の増加を検知する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。 Therefore, when there is a possibility that the hydrogen concentration in the exhaust gas has increased due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, it is desirable to stop the fuel cell system. Therefore, conventionally, a fuel cell system that detects an increase in the amount of hydrogen cross leak has been proposed (see Patent Document 1).
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、水素クロスリーク量が増加していることは検知できるものの、電解質膜のどこから水素クロスリークが生じているかまでは検知することができなかった。 However, although the above-described conventional fuel cell system can detect an increase in the amount of hydrogen cross leak, it cannot detect where the hydrogen cross leak occurs from the electrolyte membrane.
発明者の鋭意研究の結果、水素クロスリーク量が増加していたとしても、燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていた場合には、カソード側に漏れ出した水素がカソード電極で酸素と反応して消費され、排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないことが知見された。一方で、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていた場合には、カソード側に漏れ出した水素がカソード電極で酸素と反応することなく、そのままカソード電極から排出されるので排出ガス中の水素濃度が増大するこが知見された。 As a result of the inventor's earnest research, even if the hydrogen cross leak amount has increased, if hydrogen cross leak has occurred outside the cathode side in the fuel cell, the hydrogen leaked to the cathode side is It was found that the hydrogen concentration in the exhaust gas hardly increased as a result of the reaction with oxygen. On the other hand, if a hydrogen cross leak has occurred downstream of the cathode in the fuel cell, the hydrogen leaked to the cathode will not be reacted with oxygen at the cathode but will be discharged from the cathode as it is. It has been found that the hydrogen concentration in the medium increases.
したがって、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システムを停止させるのではなく、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていた場合に燃料電池システムを停止させたい。なぜなら、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システムを停止させると、燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていた場合には排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないので、不必要に燃料電池システムを停止させたことになるからである。 Therefore, instead of stopping the fuel cell system uniformly when the amount of hydrogen cross leak increases, it is desirable to stop the fuel cell system when hydrogen cross leak occurs downstream of the cathode in the fuel cell. This is because if the fuel cell system is uniformly stopped when the amount of hydrogen cross leak increases, the hydrogen concentration in the exhaust gas is almost zero if hydrogen cross leak occurs outside the downstream of the cathode in the fuel cell. This is because the fuel cell system is stopped unnecessarily because it does not increase.
そのため、水素クロスリーク量が増加している場合において、不必要な燃料電池システムの停止を防止するためには、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じているかを検知する必要性がある。 Therefore, in order to prevent unnecessary stoppage of the fuel cell system when the amount of hydrogen cross leak increases, it is necessary to detect whether hydrogen cross leak occurs downstream of the cathode in the fuel cell. is there.
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、水素クロスリーク量が増加している場合に、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じているかを検知することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a problem. When the amount of hydrogen cross leak increases, the present invention detects whether hydrogen cross leak occurs downstream of the cathode in the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷に応じて発電させる燃料電池システムが提供される。そして、この燃料電池システムは、燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも高くし、アノードガスの供給を停止するガス制御手段と、ガス制御手段によってアノードガスの供給が停止された後のアノード側の圧力低下速度に基づいて、アノード側からカソード側への水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定するリーク判定手段と、水素クロスリーク量が増加していると判定された場合において、燃料電池の電圧低下を検出しなかったときは、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定する第１リーク位置判定手段と、
を備える。
According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to a fuel cell and generates electric power according to a load. In this fuel cell system, the pressure on the anode side in the fuel cell is made higher than the pressure on the cathode side, and the supply of the anode gas is stopped by the gas control means for stopping the supply of the anode gas and the gas control means. Based on the subsequent pressure decrease rate on the anode side, it is determined that there is a leak determination means for determining whether or not the hydrogen cross leak amount from the anode side to the cathode side is increasing, and that the hydrogen cross leak amount is increasing. In the case where the fuel cell voltage drop is not detected, the first leak position determination means for determining that a hydrogen cross leak has occurred downstream of the cathode side in the fuel cell;
Is provided.
この態様によれば、まずはアノード側の圧力低下速度に基づいて水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定する。そして、水素クロスリーク量が増加していると判定したときは、そのときに電圧低下があったか否かを判定する。 According to this aspect, first, it is determined whether or not the hydrogen cross leak amount is increasing based on the pressure decrease rate on the anode side. When it is determined that the hydrogen cross leak amount is increasing, it is determined whether or not there is a voltage drop at that time.
燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリーク量が増加していた場合は、カソード側に漏れ出した水素がそのままカソード電極から排出されるので、その漏れ出した水素がカソード電極で酸素と反応することはなく、カソード電極における酸素濃度も低下しないので、燃料電池の電圧が低下することはない。 If the amount of hydrogen cross leak increases downstream of the cathode in the fuel cell, the hydrogen leaking to the cathode is discharged from the cathode as it is, so that the leaked hydrogen reacts with oxygen at the cathode. The oxygen concentration at the cathode electrode does not decrease, and the voltage of the fuel cell does not decrease.
したがって、本態様のように、水素クロスリーク量が増加していると判定したときの電圧低下をみることで、燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じているのかを検知することができる。 Therefore, as in this embodiment, it is possible to detect whether a hydrogen cross leak has occurred downstream of the cathode in the fuel cell by looking at the voltage drop when it is determined that the hydrogen cross leak amount has increased. it can.
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。 The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１は、燃料電池１０の概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池１０のII−II断面図である。
1 and 2 are diagrams illustrating the configuration of a
燃料電池１０は、ＭＥＡ１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
The
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
The
電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。 The electrolyte membrane 111 is a proton-conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin. The electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.
アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
The
カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。
Similarly to the
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。
The
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。
The
アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に逆方向に流れる。互いに平行に同一方向に流れるようにしても良い。
The anode gas flowing through the anode
このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
When such a
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、電力系４と、コントローラ５と、を備える。
The
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１ａと、カソード電極側出力端子１ｂと、を備える。
The
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、エアフローセンサ２４と、カソードコンプレッサ２５と、カソード圧力センサ２６と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソード調圧弁２８と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。
The cathode gas supply /
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
The cathode
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
The cathode
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
The
エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ２４は、カソードコンプレッサ２５に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「カソード流量」という。）を検出する。
The
カソードコンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２５は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
The
カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２５とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口部近傍のカソードガスの圧力を検出する。本実施形態では、このカソード圧力センサ２６の検出値を、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）として代用する。
The
ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
The
カソード調圧弁２８は、ＷＲＤ２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
The cathode
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧水素タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、アノード圧力センサ３６と、を備える。
The anode gas supply /
高圧水素タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
The high-pressure hydrogen tank 31 stores the anode gas supplied to the
アノードガス供給通路３２は、高圧水素タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧水素タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
The anode
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ５によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
The anode
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
The anode
アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
The anode off gas discharged to the cathode
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ５によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
The
アノード圧力センサ３６は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３６は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。
The
電力系４は、電流センサ４１と、電圧センサ４２と、走行モータ４３と、インバータ４４と、バッテリ４５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、を備える。
The power system 4 includes a
電流センサ４１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。
The
電圧センサ４２は、アノード電極側出力端子１ａとカソード電極側出力端子１ｂの間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出できるようにすると尚良い。さらに、複数枚おきに電圧を検出できるようにしても良い。
The
走行モータ４３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ４３は、燃料電池スタック１及びバッテリ４５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
The traveling
インバータ４４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ４４の半導体スイッチは、コントローラ５によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ４４は、走行モータ４３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ４５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ４３に供給する。一方で、走行モータ４３を発電機として機能させるときは、走行モータ４３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ４５に供給する。
The
バッテリ４５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ４３の回生電力を充電する。バッテリ４５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２５などの補機類及び走行モータ４３に供給される。
The
ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
The DC /
コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
The
コントローラ５には、前述したエアフローセンサ２４等のセンサ類の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ５１やカソードコンプレッサ２５の回転速度を検出する回転速度センサ５２、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ５３などの燃料電池システム１００の運転状態を検出するための各種センサ類からの信号が入力される。コントローラ５は、これらの入力信号に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。
In addition to the sensors such as the
ここで、ＭＥＡ１１の損傷や経時劣化によって、例えば電解質膜１１１に部分的に孔が生じると、その孔を介してアノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１へと漏れ出すアノードガス量（水素クロスリーク量）が増加する。水素クロスリーク量が増加すると、カソードガス流路１３１からカソードガス排出通路２２に排出されるカソードオフガス中の水素濃度が増大し、最終的に大気中に排出される排出ガス中の水素濃度が可燃濃度を超えるおそれがある。
Here, for example, when a hole is partially generated in the electrolyte membrane 111 due to damage or deterioration with time of the
したがって、水素クロスリーク量の増加によって排出ガス中の水素濃度が増大している可能性がある場合には、燃料電池システム１００を停止することが望ましい。そのため従来は、水素クロスリーク量が増加しているか否かを検知し、水素クロスリーク量の増加を検知したときには燃料電池システム１００を停止していた。
Therefore, when there is a possibility that the hydrogen concentration in the exhaust gas has increased due to an increase in the amount of hydrogen cross leak, it is desirable to stop the
しかしながら、発明者の鋭意研究の結果、水素クロスリーク量が増加していたとしても、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリーク（孔開き）が生じていた場合には、カソードガス流路１３１に漏れ出した水素（以下「リーク水素」という。）がカソード電極１１３で酸素と反応して消費され、排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないことが知見された。一方で、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていた場合には、カソードガス流路１３１に漏れ出した水素がカソード電極１１３で酸素と反応することなく、そのままカソードガス排出通路２２に排出されるので、排出ガス中の水素濃度が増大するこが知見された。
However, as a result of the inventors' extensive research, even if the hydrogen cross leak amount has increased, if a hydrogen cross leak (perforation) has occurred outside the downstream region of the cathode
したがって、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システム１００を停止させるのではなく、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていた場合に燃料電池システム１００を停止させたい。なぜなら、水素クロスリーク量が増加している場合に一律に燃料電池システム１００を停止させると、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていた場合には排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しないので、不必要に燃料電池システム１００を停止させたことになるからである。
Therefore, the
このような不必要な燃料電池システム１００の停止を防止するためには、水素クロスリーク量の増加を検知するだけでなく、さらにカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを検知する必要がある。
In order to prevent such an unnecessary stop of the
そこで本実施形態では、水素クロスリーク量の増加を検知したときは、さらにカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているかを検知する。以下、この本実施形態による水素クロスリーク診断について説明する。
Therefore, in this embodiment, when an increase in the amount of hydrogen cross leak is detected, it is further detected whether a hydrogen cross leak has occurred in the downstream region of the cathode
まず、図４Ａから図６Ｂを参照して、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているかを検知する方法について説明する。
First, with reference to FIGS. 4A to 6B, a method for detecting whether or not a hydrogen cross leak has occurred in the downstream region of the cathode
図４Ａは、カソードガス流路１３１の下流域以外、例えば上流域で水素クロスリークが生じている燃料電池１０にアノードガス及びカソードガスを供給したときの、各反応ガスの流れを示した図である。図４Ｂは、その燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。
FIG. 4A is a diagram showing the flow of each reaction gas when anode gas and cathode gas are supplied to the
図４Ａに示すように、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じた場合は、リーク水素がカソードガスと混合されながらカソードガス流路１３１を下流に向かって流れることになる。これにより、リーク水素とカソードガス中の酸素とがカソード電極１１３で反応し、それぞれが消費されることになる。
As shown in FIG. 4A, when a hydrogen cross leak occurs in a region other than the downstream region of the
そのため、前述したようにカソードガス流路１３１内でリーク水素が消費されることになるため、排出ガス中の水素濃度はほとんど増大しないが、その一方で、リーク水素と共に酸素も消費されることになる。
Therefore, as described above, leaked hydrogen is consumed in the cathode
そのため、水素クロスリークが生じていない正常な燃料電池に同流量のカソードガスを供給した場合と比較すると、リーク水素が多くなるほどカソードガス流路１３１内の酸素濃度が低下する。
Therefore, the oxygen concentration in the
その結果、図４Ｂに示すように、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じた場合は、カソードガスの流量にかかわらず、水素クロスリークが生じていない正常な燃料電池の開回路電圧（以下「基準開回路電圧」という。）（概ね０．９［Ｖ］〜１．０［Ｖ］）と比較して、酸素濃度の低下分だけ一律に開回路電圧が低下する。
As a result, as shown in FIG. 4B, when a hydrogen cross leak occurs in a region other than the downstream region of the cathode
これに対して、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていた場合は、下流域以外で生じていたときと比較して、開回路電圧の変化が異なる。
On the other hand, when the hydrogen cross leak occurs in the downstream region of the cathode
図５Ａ及び図５Ｂは、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じている燃料電池１０にアノードガス及びカソードガスを供給したときの、各反応ガスの流れを示した図である。なお、図５Ａは、カソードガスの流量が多いときの様子を示した図であり、図５Ｂは、カソードガスの流量が少ないときの様子を示した図である。図５Ｃは、その燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。
5A and 5B are diagrams showing the flow of each reaction gas when the anode gas and the cathode gas are supplied to the
図５Ａに示すように、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じた場合において、カソードガスの流量が多いときは、カソードガスの流れに沿って、リーク水素がカソード電極１１３で酸素と反応することなくそのままカソードガス排出通路２２に排出される。そのため、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じた場合は、カソードガス流路１３１内の酸素濃度は低下しない。
As shown in FIG. 5A, when a hydrogen cross leak occurs in the downstream region of the cathode
したがって、図５Ｃに示すように、開回路電圧は基準開回路電圧と同等の値となる。 Therefore, as shown in FIG. 5C, the open circuit voltage is equivalent to the reference open circuit voltage.
一方、図５Ｂに示すように、カソードガスの流量が少なくなってくると、リーク水素の一部がカソードガス流路１３１の下流域から上流域に向かって移動することが可能となって、カソードガスが押し戻される。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the flow rate of the cathode gas decreases, a part of the leaked hydrogen can move from the downstream region to the upstream region of the cathode
そのため、図５Ｃに示すように、カソードガスの流量が少なくなるにしたがって、カソード流路内がリーク水素で満たされていき、開回路電圧が０［Ｖ］に向かって急峻に低下する。 Therefore, as shown in FIG. 5C, as the flow rate of the cathode gas decreases, the cathode flow path is filled with leaked hydrogen, and the open circuit voltage sharply decreases toward 0 [V].
なお、下流域以外で水素クロスリークが生じた場合にカソードガスの流量を少なくしたときは、カソードガス流路内１３１のカソードガスが押し戻されるわけではない。そのため、リーク水素によってカソードガス流路内１３１の酸素が消費されて開回路電圧が０［Ｖ］に向かって低下するまでにはある程度の時間を要する。そのため、開回路電圧の変化が図４Ｂに示すようになっている。
In addition, when the flow rate of the cathode gas is reduced when a hydrogen cross leak occurs outside the downstream region, the cathode gas in the cathode
図６Ａは、カソードガス流路１３１の下流域のほか、下流域以外でも水素クロスリークが生じている燃料電池１０にアノードガス及びカソードガスを供給したときの、各反応ガスの流れを示した図である。図６Ｂは、その燃料電池１０に供給するカソードガスの流量を変化させたときの開回路電圧の変化を示した図である。
FIG. 6A is a diagram showing the flow of each reaction gas when the anode gas and the cathode gas are supplied to the
図６Ａに示すように、カソードガス流路１３１の下流域のほか、下流域以外でも水素クロスリークが生じた場合は、下流域以外から漏れ出したリーク水素が、カソードガスと混合されながらカソードガス流路１３１を下流に向かって流れることになる。そのため、この下流域以外から漏れ出したリーク水素量に応じて酸素濃度が低下する。
As shown in FIG. 6A, when hydrogen cross leak occurs not only in the downstream area but also in the downstream area of the cathode
したがって、図６Ｂに示すように、カソードガス流量が多いときは、酸素濃度の低下分だけ開回路電圧が基準開回路電圧よりも低下する。 Therefore, as shown in FIG. 6B, when the cathode gas flow rate is high, the open circuit voltage is lower than the reference open circuit voltage by the decrease in the oxygen concentration.
そして、カソードガス流量を少なくしていくと、カソードガス流路１３１の下流域から漏れ出したリーク水素によってカソードガスの流れが阻害され、リーク水素の一部がカソードガス流路１３１の上流域にまで移動することが可能となる。
When the cathode gas flow rate is decreased, the flow of the cathode gas is hindered by the leaked hydrogen leaked from the downstream region of the
そのため、図６Ｂに示すように、カソードガスの流量が少なくなるにしたがって、カソード流路内がリーク水素で満たされていき、開回路電圧が０［Ｖ］に向かって急峻に低下する。 Therefore, as shown in FIG. 6B, as the flow rate of the cathode gas decreases, the cathode flow path is filled with leaked hydrogen, and the open circuit voltage sharply decreases toward 0 [V].
このように、水素クロスリーク量の増加を検知したときは、まず開回路電圧が基準開回路電圧よりも低下しているか否かを判定することで、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定することができる。 Thus, when an increase in the amount of hydrogen cross leak is detected, it is first determined whether or not the open circuit voltage is lower than the reference open circuit voltage. It can be determined whether or not a leak has occurred.
具体的には、開回路電圧が基準開回路電圧のままであれば、カソードガス流路１３１の下流域でのみ水素クロスリークが生じていると判定することができる。一方で、開回路電圧が基準開回路電圧よりも低くなっていれば、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定することができる。
Specifically, if the open circuit voltage remains the reference open circuit voltage, it can be determined that a hydrogen cross leak has occurred only in the downstream region of the
そして、開回路電圧が基準開回路電圧よりも低くなった場合でも、下流域で水素クロスリークが生じている可能性はあるので、カソードガス流量を低下させて、開回路電圧がさらに低下するかを判定する。これにより、開回路電圧がさらに低下すれば、下流域でも水素クロスリークが生じていると判定できる。 And even if the open circuit voltage becomes lower than the reference open circuit voltage, there is a possibility that hydrogen cross leak occurs in the downstream region, so whether the open circuit voltage further decreases by reducing the cathode gas flow rate. Determine. As a result, if the open circuit voltage further decreases, it can be determined that hydrogen cross-leak has occurred even in the downstream region.
図７は、本実施形態による水素クロスリーク診断について説明するフローチャートである。コントローラ５は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。
FIG. 7 is a flowchart illustrating the hydrogen cross leak diagnosis according to the present embodiment. The
ステップＳ１において、コントローラ５は、燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止しているか否かを判定する。燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止している状態としては、例えば燃料電池システム１００の起動・停止処理時やアイドルストップ時などが挙げられる。コントローラ５は、燃料電池スタック１からの電力取り出しを禁止していればステップＳ２の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。
In step S <b> 1, the
ステップＳ２において、コントローラ５は、アノード圧力をカソード圧力よりも高くし、その後、アノード調圧弁３３を全閉にしてアノードガスの供給を停止するガス制御処理を実施する。ガス制御処理の詳細については、図８を参照して後述する。
In step S2, the
ステップＳ３において、コントローラ５は、水素クロスリーク量が増加しているか否かのリーク判定を実施する。具体的には、ガス制御処理でアノードガスの供給を停止した後のアノード圧力の低下速度がリーク判定閾値以上か否かを判定する。
In step S3, the
コントローラ５は、アノード圧力の低下速度が所定のリーク判定閾値以上であれば、例えば電解質膜１１１に部分的に孔が生じて正常時よりも水素クロスリーク量が増加していると判定し、ステップＳ４の処理を行う。一方でコントローラ５は、アノード圧力の低下速度がリーク判定閾値未満であれば、電解質膜１１１に特に異常はないと判定し、今回の処理を終了する。
If the decrease rate of the anode pressure is equal to or higher than a predetermined leak determination threshold, the
ステップＳ４において、コントローラ５は、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かの第１リーク位置判定を実施する。具体的には、現在の出力電圧が、基準開回路電圧よりも低いか否かを判定する。なお、基準開回路電圧については予め実験等によって設定すれば良いものであり、また、マージンをみて実際の開回路電圧よりもやや低い値に設定するなど、要求される判定精度に応じて適宜設定すれば良いものである。
In step S <b> 4, the
コントローラ５は、現在の出力電圧、すなわち水素クロスリーク量が増加したと判定された後の出力電圧が、基準開回路電圧よりも低ければステップＳ７の処理を行う。一方でコントローラ５は、現在の出力電圧が基準開回路電圧であればステップＳ５の処理を行う。
If the current output voltage, that is, the output voltage after it is determined that the hydrogen cross leak amount has increased, is lower than the reference open circuit voltage, the
ステップＳ５において、コントローラ５は、水素クロスリーク量が増加しているにもかかわらず、出力電圧が基準開回路電圧のままであるとして、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定する。
In step S5, the
カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じている場合は、カソードガス流路１３１に漏れ出した水素がカソード電極１１３で酸素と反応することなくそのままカソードガス排出通路２２に排出され、排出ガス中の水素濃度が増大するおそれが高い。
When a hydrogen cross leak occurs in the downstream region of the cathode
そこでコントローラ５は、ステップＳ６において、必要に応じて燃料電池スタック１の発電停止や、カソードガス流量の増量、燃料電池システム１００の起動禁止等の措置を実施する。
Therefore, in step S6, the
ステップＳ７において、コントローラ５は、水素クロスリーク量が増加した結果、出力電圧が基準開回路電圧よりも低下したとして、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定する。
In step S <b> 7, the
ステップＳ８において、コントローラ５は、カソード流量を低下させたときの出力電圧の変化に基づいて、カソードガス流路１３１の下流域でも水素クロスリークが生じているか否かを判定する第２リーク位置判定処理を実施する。第２リーク位置判定処理の詳細については、図９を参照して後述する。
In step S <b> 8, the
図８は、ガス制御処理について説明するフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart for explaining the gas control process.
ステップＳ２１において、コントローラ５は、目標カソード圧力を所定のリーク判定用カソード圧力に設定し、目標アノード圧力をリーク判定用カソード圧力よりも高い所定のリーク判定用アノード圧力に設定する。
In step S21, the
ステップＳ２２において、コントローラ５は、カソード圧力が目標カソード圧力となるようにカソードコンプレッサ２５及びカソード調圧弁２８を制御し、アノード圧力が目標アノード圧力となるように、アノード調圧弁３３を制御する。
In step S22, the
ステップＳ２３において、コントローラ５は、アノード圧力及びカソード圧力がそれぞれ目標アノード圧力及び目標カソード圧力に到達したか否かを判定する。コントローラ５は、アノード圧力及びカソード圧力がそれぞれ目標アノード圧力及び目標カソード圧力に到達していれば、ステップＳ２４の処理行い、そうでなければステップＳ２２の処理に戻る。
In step S23, the
ステップＳ２４において、コントローラ５は、アノード調圧弁３３を全閉にして、アノードガスの供給を停止する。
In step S24, the
図９は、第２リーク位置判定処理について説明するフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart illustrating the second leak position determination process.
ステップＳ８１において、コントローラ５は、カソードコンプレッサ２５を制御して、カソード流量を所定のリーク位置判定流量まで低下させる。リーク位置判定流量は、例えばゼロやゼロに近い低流量に設定される。
In step S81, the
ステップＳ８２において、コントローラ５は、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かの第２リーク位置判定を実施する。具体的には、カソード流量を低下させたことによって、出力電圧が所定値以上低下したか否かを判定する。所定値は、例えば図４Ｂに示した開回路電圧の変化に基づいて、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているかを判定できる大きさに適宜設定すれば良いものである。コントローラ５は、カソード流量を低下させたことによって出力電圧が所定値以上低下したときはステップＳ８５の処理を行い、そうでなければステップＳ８３の処理を行う。
In step S <b> 82, the
ステップＳ８３において、コントローラ５は、カソード流量を低下させても出力電圧の低下が所定値未満であるとして、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークは生じておらず、下流域以外でのみ水素クロスリークが生じていると判定する。カソードガス流路１３１の下流域以外でのみ水素クロスリークが生じていた場合には、リーク水素がカソード電極１１３で酸素と反応して消費され、排出ガス中の水素濃度がほとんど増大しない。
In step S83, the
そこでコントローラ５は、ステップＳ８４において、燃料電池システム１００の起動停止等の措置を取って走行不能な状態にするのではなく、以下のような措置を取って走行可能な状態とする。
Therefore, in step S84, the
例えば燃料電池スタック１の出力を制限することで、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量が所定量以上にならないようにする。これにより、カソードガス流路１３１内で全て消費される程度の水素クロスリーク量に抑える。また、例えば運転中におけるアノード圧力とカソード圧力との差圧を一定以下に制限することで、カソードガス流路１３１内で全て消費される程度の水素クロスリーク量に抑える。また、例えばカソード流量を増量補正することで、排出ガス中の水素濃度を可燃濃度未満に抑える。また、警告灯を表示して水素クロスリーク量が増加していることをドライバに知らせる。
For example, the output of the
ステップＳ８５において、コントローラ５は、カソードガス流路１３１の下流域でも水素クロスリークが生じていると判定する。
In step S <b> 85, the
ステップＳ８６において、コントローラ５は、前述したステップＳ６と同様に、必要に応じて燃料電池スタック１の発電停止や、カソードガス流量の増量、燃料電池システム１００の起動禁止等の措置を実施する。
In step S86, as in step S6 described above, the
以上説明した本実施形態による燃料電池システムは、アノード圧力をカソード圧力よりも高くし、アノード調圧弁３３を全閉にしてアノードガスの供給を停止するガス制御処理を実施する。そして、ガス制御処理でアノードガスの供給を停止した後のアノード圧力の低下速度に基づいて、水素クロスリーク量が増加しているか否かのリーク判定を実施する。そして、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出しなかったときは、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定する。
The fuel cell system according to the present embodiment described above performs the gas control process in which the anode pressure is made higher than the cathode pressure, the anode
このように、まずはアノード側の圧力低下速度に基づいて水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定し、水素クロスリーク量が増加していると判定したときは、そのときに電圧低下があったか否かを判定する。 As described above, first, it is determined whether or not the hydrogen cross leak amount is increasing based on the pressure decrease rate on the anode side. It is determined whether or not there was.
カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリーク量が増加していた場合は、カソードガス流路１３１の下流域に漏れ出したリーク水素がそのままカソードガス流路１３１から排出される。そのため、リーク水素がカソード電極１１３で酸素と反応することはなく、カソードガス流路１３１内の酸素濃度も低下しないので、出力電圧が低下することはない。
When the amount of hydrogen cross leak increases in the downstream area of the cathode
一方、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリーク量が増加していた場合は、カソードガス流路１３１の下流域に漏れ出したリーク水素がカソードガスと混合されながらカソードガス流路１３１を下流に向かって流れることになる。これにより、リーク水素とカソードガス中の酸素とがカソード電極１１３で反応し、それぞれが消費されることになる。そのため、水素リーク量が多くなるほどカソードガス流路１３１内の酸素濃度が低下し、出力電圧が低下する。
On the other hand, when the amount of hydrogen cross leak increases outside the downstream area of the cathode
したがって、本実施形態のように水素クロスリーク量が増加していると判定したときの電圧低下をみることで、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを検知することができる。
Therefore, by detecting a voltage drop when it is determined that the hydrogen cross leak amount is increasing as in the present embodiment, it is detected whether or not a hydrogen cross leak has occurred in the downstream region of the cathode
具体的には、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出しなかったときは、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定することができる。一方で出力電圧の低下を検出したときは、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定することができる。
Specifically, when it is determined by the leak determination that the hydrogen cross leak amount has increased, if a decrease in the output voltage is not detected, a hydrogen cross leak occurs in the downstream region of the cathode
また、本実施形態による燃料電池システム１００は、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させる。
Further, the
そして、カソードガスの供給流量を低下させた後に、さらに出力電圧の低下を検出したときも、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定する。一方で、カソードガスの供給流量を低下させても出力電圧の低下が検出できなかったときは、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定する。
Then, when a further decrease in the output voltage is detected after the cathode gas supply flow rate has been reduced, it is determined that a hydrogen cross leak has occurred in the downstream region of the cathode
前述したように、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、少なくともカソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じていると判定することができる。しかしながら、下流域で水素クロスリークが生じているかまでは分からない。
As described above, when it is determined that the amount of hydrogen cross leak is increased in the leak determination, if a decrease in the output voltage is detected, hydrogen cross leak occurs at least outside the downstream region of the cathode
そこで、リーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させて、さらに出力電圧が低下するか否かを判定することにしたのである。 Therefore, if a decrease in the output voltage is detected when it is determined in the leak determination that the hydrogen cross leak amount has increased, the supply flow rate of the cathode gas is decreased to determine whether the output voltage further decreases. It was decided to judge.
カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じている場合は、カソード流ル用を少なくすると、リーク水素によってカソードガスの流れが阻害され、リーク水素の一部がカソードガス流路１３１の上流域にまで移動することが可能となる。そのため、カソード流量が少なくなるにしたがって、カソード流路内がリーク水素で満たされていき、出力電圧が急峻に低下する。
If a hydrogen cross leak occurs in the downstream area of the cathode
したがって、本実施形態のようにリーク判定で水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に出力電圧の低下を検出したときは、カソードガスの供給流量を低下させ、さらに出力電圧が低下するか否かを判定することで、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じているか、又は、カソードガス流路１３１の下流域以外のほか、下流域でも水素クロスリークが生じているかを判別することができる。
Therefore, when a decrease in the output voltage is detected when it is determined that the hydrogen cross leak amount is increased in the leak determination as in the present embodiment, the supply flow rate of the cathode gas is decreased and the output voltage is further decreased. By determining whether or not to perform, a hydrogen cross leak occurs in a region other than the downstream region of the cathode
また、本実施形態による燃料電池システム１００は、カソードガス流路１３１の下流域以外で水素クロスリークが生じているときは、燃料電池スタック１の出力制限、運転中におけるアノード圧力とカソード圧力との差圧を一定以下に制限する差圧制限運転、カソード流量の増量補正、及び、警告灯の点灯のいずれか１つ以上の動作を実施する。
In addition, the
これにより、水素クロスリーク量が増加している場合であっても、車両の走行が可能となる。 As a result, the vehicle can travel even when the hydrogen cross leak amount is increased.
また、本実施形態による燃料電池システム１００は、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているときは、燃料電池スタック１の発電停止、カソード流量の増量補正、及び、燃料電池システム１００の再起動禁止のいずれか１つ以上の動作を実施する。
Further, in the
これにより、可燃濃度を超える水素濃度の排出ガスが外気に排出されるのを防止することができる。 Thereby, it is possible to prevent exhaust gas having a hydrogen concentration exceeding the combustible concentration from being discharged to the outside air.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば、上記実施形態では、リーク判定（Ｓ３）後、第１リーク位置判定（Ｓ４）を実施してから第２リーク位置判定処理（Ｓ７）を実施していたが、リーク判定後に第２リーク位置判定処理を実施して、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定しても良い。すなわち、水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量を変化させ、そのときの電圧変化が大きければ、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じていると判定するようにしても良い。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
For example, in the above-described embodiment, after the leak determination (S3), the first leak position determination (S4) is performed and then the second leak position determination process (S7) is performed. A determination process may be performed to determine whether a hydrogen cross leak has occurred in the downstream region of the cathode
また、上記実施形態では、判定精度向上のために燃料電池スタック１を無負荷状態にして開回路電圧の変化を見ていたが、低負荷状態での出力電圧の変化を見てカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを検知しても良い。
In the above embodiment, the change in the open circuit voltage is observed with the
また、上記実施形態では、カソードガスの流量を低下させたときの電圧変化を見てカソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定していたが、カソード流量を低流量から増加させていたっときの出力電圧の変化を見て判定しても良い。すなわち、カソード流量を変化させたときの出力電圧の変化を見ることで、カソードガス流路１３１の下流域で水素クロスリークが生じているか否かを判定することができる。
In the above embodiment, it is determined whether or not a hydrogen cross leak occurs in the downstream region of the cathode
また、上記実施形態ではカソード調圧弁２８を設けていたが、これオリフィス等の絞り部に置き換えても良い。
Further, although the cathode
また、上記実施形態において、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンクをアノードガス排出通路３４に設けても良いし、燃料電池スタック１の内部マニホールドをバッファタンクの代わりの空間としても良い。なお、ここでいう内部マニホールドとは、燃料電池内のアノードガス流路を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック１の内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路２２へと排出される。
In the above embodiment, a buffer tank as a space for storing the anode off gas may be provided in the anode
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
５ コントローラ（ガス制御手段、リーク判定手段、第１リーク位置判定手段、カ
ソードガス流量低下手段、第２リーク位置判定手段、リーク位
置判定手段）
１００ 燃料電池システム
1 Fuel cell stack (fuel cell)
5 Controller (gas control means, leak judgment means, first leak position judgment means,
Sword gas flow rate lowering means, second leak position determining means, leak position
Position determination means)
100 Fuel cell system
Claims (6)
前記燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも高くし、アノードガスの供給を停止するガス制御手段と、
前記ガス制御手段によってアノードガスの供給が停止された後の前記アノード側の圧力低下速度に基づいて、前記アノード側から前記カソード側への水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定するリーク判定手段と、
水素クロスリーク量が増加していると判定された場合において、前記燃料電池の電圧低下を検出しなかったときは、前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定する第１リーク位置判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system for supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell and generating electric power according to a load,
A gas control means for making the pressure on the anode side in the fuel cell higher than the pressure on the cathode side and stopping the supply of the anode gas;
A leak for determining whether or not the amount of hydrogen cross leak from the anode side to the cathode side is increasing based on the pressure drop rate on the anode side after the supply of anode gas is stopped by the gas control means A determination means;
When it is determined that the amount of hydrogen cross leak has increased, if no voltage drop of the fuel cell is detected, it is determined that hydrogen cross leak has occurred downstream of the cathode in the fuel cell. 1 leak position determination means;
A fuel cell system comprising:
前記カソードガス流量低下手段によってカソードガスの供給流量を低下させた後に、さらに前記燃料電池の電圧低下を検出したときは、前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定する第２リーク位置判定手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 In the case where it is determined that the hydrogen cross leak amount is increasing, when a voltage drop of the fuel cell is detected, a cathode gas flow rate reducing means for reducing the supply flow rate of the cathode gas;
After further decreasing the cathode gas supply flow rate by the cathode gas flow rate lowering means, if it is detected that the voltage of the fuel cell further decreases, it is determined that a hydrogen cross leak has occurred downstream of the cathode in the fuel cell. Second leak position determination means;
The fuel cell system according to claim 1, comprising:
前記カソードガス流量低下手段によってカソードガスの供給流量を低下させた後に、前記燃料電池の電圧低下を検出しなかったときは、前記燃料電池内のカソード側下流以外で水素クロスリークが生じていると判定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 The second leak position determination means includes
After the cathode gas supply rate is lowered by the cathode gas flow rate reducing means, if no voltage drop of the fuel cell is detected, a hydrogen cross leak has occurred outside the cathode side downstream in the fuel cell. judge,
The fuel cell system according to claim 2.
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。 When it is determined that hydrogen cross-leak has occurred outside the downstream side of the cathode in the fuel cell, the output of the fuel cell is limited, the operation for reducing the differential pressure between the anode side and the cathode side in the fuel cell, the fuel One or more operations of increasing the flow rate of the cathode gas supplied to the battery and lighting the warning light are performed.
The fuel cell system according to claim 3.
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。 When it is determined that a hydrogen cross leak has occurred downstream of the cathode in the fuel cell, power generation of the fuel cell is stopped, the amount of cathode gas supplied to the fuel cell is increased, and the fuel cell system Perform any one or more of the reboot prohibitions,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is provided.
前記燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力よりも高くし、アノードガスの供給を停止するガス制御手段と、
前記ガス制御手段によってアノードガスの供給が停止された後の前記アノード側の圧力低下速度に基づいて、前記アノード側から前記カソード側への水素クロスリーク量が増加しているか否かを判定するリーク判定手段と、
水素クロスリーク量が増加していると判定された場合に、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を変化させ、そのときの電圧変化が大きければ、前記燃料電池内のカソード側下流で水素クロスリークが生じていると判定するリーク位置判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system for supplying an anode gas and a cathode gas to a fuel cell and generating electric power according to a load,
A gas control means for making the pressure on the anode side in the fuel cell higher than the pressure on the cathode side and stopping the supply of the anode gas;
A leak for determining whether or not the amount of hydrogen cross leak from the anode side to the cathode side is increasing based on the pressure drop rate on the anode side after the supply of anode gas is stopped by the gas control means A determination means;
When it is determined that the amount of hydrogen cross leak is increasing, the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell is changed, and if the voltage change at that time is large, the hydrogen cross leak is reduced downstream of the cathode in the fuel cell. Leak position determining means for determining that a leak has occurred;
A fuel cell system comprising:
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170019198A (en) * | 2015-08-11 | 2017-02-21 | 현대자동차주식회사 | Method for measurement of degree of degradation of fuel cell system |
| CN110197916A (en) * | 2018-02-26 | 2019-09-03 | 丰田自动车株式会社 | The method of fuel cell system and control fuel cell |
| US11450870B2 (en) | 2020-05-29 | 2022-09-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| WO2023233842A1 (en) * | 2022-06-02 | 2023-12-07 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Compression device, operation method for compression device, and manufacturing method for compression device |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0927336A (en) * | 1995-07-13 | 1997-01-28 | Toshiba Corp | Fuel cell stack diagnostic method |
| JP2005197211A (en) * | 2003-12-09 | 2005-07-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2006032098A (en) * | 2004-07-15 | 2006-02-02 | Nissan Motor Co Ltd | Failure diagnostic apparatus for fuel cell |
| JP2006120375A (en) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell system and operation method of the same |
| JP2006294497A (en) * | 2005-04-13 | 2006-10-26 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2010287578A (en) * | 2010-08-02 | 2010-12-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell degradation diagnostic apparatus |
| US20110287327A1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-11-24 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Detection of small anode leaks in fuel cell systems |
| JP2012054148A (en) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Honda Motor Co Ltd | Film breakage detecting method for fuel battery |
-
2013
- 2013-10-01 JP JP2013206520A patent/JP6287011B2/en active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0927336A (en) * | 1995-07-13 | 1997-01-28 | Toshiba Corp | Fuel cell stack diagnostic method |
| JP2005197211A (en) * | 2003-12-09 | 2005-07-21 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| JP2006032098A (en) * | 2004-07-15 | 2006-02-02 | Nissan Motor Co Ltd | Failure diagnostic apparatus for fuel cell |
| JP2006120375A (en) * | 2004-10-20 | 2006-05-11 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell system and operation method of the same |
| JP2006294497A (en) * | 2005-04-13 | 2006-10-26 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
| US20110287327A1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-11-24 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Detection of small anode leaks in fuel cell systems |
| JP2010287578A (en) * | 2010-08-02 | 2010-12-24 | Toyota Motor Corp | Fuel cell degradation diagnostic apparatus |
| JP2012054148A (en) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Honda Motor Co Ltd | Film breakage detecting method for fuel battery |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170019198A (en) * | 2015-08-11 | 2017-02-21 | 현대자동차주식회사 | Method for measurement of degree of degradation of fuel cell system |
| KR101714189B1 (en) | 2015-08-11 | 2017-03-08 | 현대자동차주식회사 | Method for measurement of degree of degradation of fuel cell system |
| CN110197916A (en) * | 2018-02-26 | 2019-09-03 | 丰田自动车株式会社 | The method of fuel cell system and control fuel cell |
| JP2019149255A (en) * | 2018-02-26 | 2019-09-05 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel battery system and control method for fuel battery |
| JP6996340B2 (en) | 2018-02-26 | 2022-02-04 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system and fuel cell control method |
| CN110197916B (en) * | 2018-02-26 | 2022-05-24 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell system and method of controlling fuel cell |
| US11450870B2 (en) | 2020-05-29 | 2022-09-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system |
| WO2023233842A1 (en) * | 2022-06-02 | 2023-12-07 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Compression device, operation method for compression device, and manufacturing method for compression device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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