JP2018081845A - 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.
近年、燃料ガスと酸化ガスとを反応させることによって発電する燃料電池を用いたシステムが開発されている。この燃料電池は、FC(Fuel Cell)スタックを備えている。FCスタックは、固体高分子電解質膜に触媒を塗ったMEA(Membrane Electrode Assembly)の両面を2枚のセパレータではさんで構成される板状の「セル」を電気的に直列に接続することにより構成される。セルには、一方のセパレータに燃料ガスが供給され、他方のセパレータには酸化ガスが供給される。セルは、セパレータに供給された燃料ガスと酸化ガスとを、MEAを通じて反応させることによって発電する。1つのセルが発生させる電圧は1ボルト程度であり、FCスタックは、セルを数百枚積層させることにより、数百ボルトの電圧を発生させる。 In recent years, a system using a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas has been developed. This fuel cell includes an FC (Fuel Cell) stack. The FC stack is constructed by electrically connecting in series a plate-like “cell” consisting of two separators on both sides of a MEA (Membrane Electrode Assembly) with a solid polymer electrolyte membrane coated with a catalyst. Is done. In the cell, fuel gas is supplied to one separator, and oxidizing gas is supplied to the other separator. The cell generates power by reacting the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the separator through the MEA. The voltage generated by one cell is about 1 volt, and the FC stack generates a voltage of several hundred volts by stacking several hundred cells.
かかる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれFCスタック内へ供給するための供給路を備えている。同様に、燃料電池システムは、使用済みのガスを排出するための排出路を備えている。また、燃料電池システムは、各供給路及び排出路に流れるガスの流量を調整するためのバルブを備えている。燃料電池システムは、各供給路及び各排出路に備えるバルブを調整することにより、燃料電池システムを運転している。 Such a fuel cell system includes a supply path for supplying fuel gas and oxidizing gas into the FC stack. Similarly, the fuel cell system includes a discharge path for discharging used gas. In addition, the fuel cell system includes a valve for adjusting the flow rate of the gas flowing through each supply path and discharge path. The fuel cell system operates the fuel cell system by adjusting valves provided in each supply path and each discharge path.
このような燃料電池システムにおいては、各供給路及び各排出路に備えるバルブが正常に動作しているか否かを検出する手段が備わっている。特許文献1に記載の燃料電池システムは、ガス源と入口側バルブとの間の供給路に圧力検出手段が設けられ、入口側封止弁と出口側バルブとの間のガス流路に圧力検出手段が設けられている。そして、それぞれの検出手段により検出した圧力の時間変化を監視することにより、バルブの動作異常を検出する燃料電池システムが提案されている。 In such a fuel cell system, there is provided means for detecting whether or not valves provided in each supply passage and each discharge passage are operating normally. In the fuel cell system described in Patent Document 1, pressure detection means is provided in a supply path between a gas source and an inlet side valve, and pressure is detected in a gas flow path between the inlet side sealing valve and the outlet side valve. Means are provided. A fuel cell system has been proposed in which an abnormal operation of the valve is detected by monitoring a time change in pressure detected by each detection means.
しかしながら、かかる燃料電池システムにおいては、バルブの動作異常を検出することは可能であるものの、動作異常を起こしているのがどのバルブであるかを特定することができない場合がある。例えば、酸化ガスの供給路と、排出路との間には、FCスタックと、バイパス路とが、並列に接続されている。バイパス路にはバイパス路を通過する酸化ガスの流量を調整するためのバルブが備わっている。このような場合、入口側の圧力と、出口側の圧力の時間変化を監視するだけでは、どのバルブが動作異常を起こしているのかが特定できない可能性がある。 However, in such a fuel cell system, although it is possible to detect an abnormal operation of a valve, it may not be possible to specify which valve is causing the abnormal operation. For example, an FC stack and a bypass path are connected in parallel between an oxidizing gas supply path and a discharge path. The bypass passage is provided with a valve for adjusting the flow rate of the oxidizing gas passing through the bypass passage. In such a case, there is a possibility that it is not possible to specify which valve is operating abnormally only by monitoring the time variation of the pressure on the inlet side and the pressure on the outlet side.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、バイパス路を含めた各バルブの動作異常を検出することができる燃料電池システムを提供するものである。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a fuel cell system that can detect abnormal operation of each valve including a bypass.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを反応させることにより発電するセルを電気的に複数直列接続した燃料電池と、前記燃料電池の発電状態をモニタするセルモニタと、前記燃料電池に対して酸化ガスを供給するための供給路と、当該供給路を通過する酸化ガスの流量を調整する第1のバルブと、前記燃料電池を通過した酸化ガス及を排出するための排出路と、当該排出路を通過する酸化ガスの流量を調整する第2のバルブと、前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、当該バイパス路を通過する酸化ガスの流量を調整する第3のバルブと、前記第1のバルブ乃至第3のバルブが故障していることを検出する検出部と、を備える燃料電池システムであって、前記検出部は、前記第1のバルブ乃至第3のバルブの開閉状態と、前記燃料電池の前記発電状態とから、前記第1のバルブ乃至第3のバルブのうち、どのバルブが故障しているのかを検出するものである。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell in which a plurality of cells that generate electricity by reacting a fuel gas and an oxidizing gas are electrically connected in series, a cell monitor that monitors the power generation state of the fuel cell, and the fuel cell A supply path for supplying oxidant gas to the fuel cell, a first valve for adjusting the flow rate of the oxidant gas passing through the supply path, and a discharge path for discharging the oxidant gas passing through the fuel cell, A second valve that adjusts the flow rate of the oxidizing gas that passes through the discharge passage, a bypass passage that connects the supply passage and the discharge passage, and a third valve that adjusts the flow rate of the oxidizing gas that passes through the bypass passage. And a detection unit that detects that the first to third valves are malfunctioning, wherein the detection unit includes the first to third valves. valve An opening and closing state from said power generation state of the fuel cell, among the first valve to the third valve, in which any valve to detect whether faulty.
このような構成により、燃料電池システムは、各バルブの操作に応じた発電状態に基づいて、バルブの動作異常を検出する。 With such a configuration, the fuel cell system detects an abnormal operation of the valve based on the power generation state corresponding to the operation of each valve.
尚、ここでいう「発電状態」とは、各バルブの操作開始時における燃料電池20の発電量と、各バルブの操作開始時から所定の時間が経過した時における燃料電池20の発電量との相対的な変化をいう。また、かかる相対的な変化には、燃料電池20における酸化ガスの入口側における発電状態と、酸化ガスの出口側における発電状態との差を比較した結果が含まれる。例えば、発電状態には、所定の時間経過前後におけるFCスタック21内の各セルの発電量の分布が含まれる。
The “power generation state” here refers to the power generation amount of the
本発明により、バイパス路を含めた各バルブの動作異常を検出する燃料電池システムを提供するものである。 The present invention provides a fuel cell system that detects an abnormal operation of each valve including a bypass.
実施の形態
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態にかかる燃料電池システム1の構成図である。燃料電池システム1は、固体高分子燃料電池を利用したシステムであって、燃料ガスである水素と、酸化ガスである空気とを反応させて発電し、発電した電気を他のシステムに供給する。また、燃料電池システム1は、かかる反応により生成された水を排出する。燃料電池システム1は、水素タンク10、インジェクタ11、水素循環路12、水素循環ポンプ13、排気排水部14、排気排水弁15、燃料電池20、ラジエータ30、冷却水ポンプ31、冷却水循環路32、エアクリーナ40、エアコンプレッサ41、インタークーラ42、入口SV43、エア供給路44、エア排出路45、調圧SV46、マフラ47、バイパス路48、分流SV49、圧力計51、圧力計52を備える。
Embodiments Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system 1 according to an embodiment. The fuel cell system 1 is a system using a solid polymer fuel cell, which generates power by reacting hydrogen as a fuel gas and air as an oxidizing gas, and supplies the generated electricity to another system. Further, the fuel cell system 1 discharges water generated by such a reaction. The fuel cell system 1 includes a
続いて、燃料電池システム1の各構成について説明する。水素タンク10は、燃料ガスである水素を密閉して蓄えており、インジェクタ11に接続されている。インジェクタ11は、開閉弁であって、弁を開くことにより、水素タンク10から供給される水素ガスを適宜、水素循環路12に送り込む。
Next, each configuration of the fuel cell system 1 will be described. The
水素循環路12は、インジェクタ11から送られてきた水素を燃料電池20に送り込むことができるように配管されている燃料ガス循環路である。また、水素循環路12は、燃料電池20において反応しなかった水素ガスや、燃料電池20において生成された水分を回収した後に、再び燃料電池20に送り込むことができるように配管されている。また、水素循環路12は、水素循環ポンプ13及び排気排水部14に接続されている。
The
水素循環ポンプ13は、水素循環路12内における水分を含んだ水素の流量を制御する循環ポンプである。排気排水部14は、水素循環路12内に溜まった水及び水素を排出する機能を備える。排気排水部14は、排気排水弁15に接続されている。排気排水弁15は、排気排水部14に溜まった水及び水素を適宜排出する。排気排水弁15はマフラ47に接続されており、排出した水及び水素をマフラ47に送り出すことができるように配管されている。
The
燃料電池20は、FCスタック21、セルモニタ22、電極23を有している。FCスタック21は、固体高分子電解質膜に触媒を塗ったMEA(Membrane Electrode Assembly:膜/電極複合体)をセパレータではさんだセルを複数積層することにより構成されている。
The
セルモニタ22は、電圧計を有しており、各セルの電圧を測定する。セルモニタ22は、各セルの電圧を測定することにより、燃料電池20全体の発電量を算出することができる。また、セルモニタ22は、各セルの電圧を測定することにより、空気の入口側におけるセルの発電量と、空気の出口側におけるセルの発電量とをそれぞれ測定し、これらを比較することができる。
The
電極23は、燃料電池20が発電した電気を外部のシステムに接続するための電極である。例えば、図示しない昇圧コンバータ及びモータを電極23に接続する。これにより、燃料電池20はモータを駆動させる駆動源となる。
The
ラジエータ30は、冷却水循環路32に接続されており、冷却水が蓄積した熱を外気の熱と交換し、温まった冷却水の温度を下げる機能を備える。冷却水ポンプ31は、冷却水循環路32に接続されており、冷却水を循環させるポンプである。冷却水循環路32は、ラジエータ30、冷却水ポンプ31に接続され、冷却水が燃料電池20内を通過し、再びラジエータ30に循環するように配管されている。また、冷却水循環路32は、インタークーラ42にも接続しており、圧縮された空気を冷却する。
The
エアクリーナ40は、外気を取り込みエア供給路44に空気を送り込む。エアコンプレッサ41は、エアクリーナ40が取り込んだ空気を圧縮してインタークーラ42に送り込む。インタークーラ42は、エアコンプレッサ41によって圧縮された空気を受け取り、圧縮された空気の熱を冷却水によって冷却する。また、インタークーラ42は、エア供給路44に接続されている。
The
エア供給路44は、燃料電池20に空気を供給することができるように配管されている。エア排出路45は、発電に使用されなかった空気、及び、発電の際に生成された水を回収し、マフラ47に排出することができるように配管されている。マフラ47は、エア排出路45から供給された空気及び水と、排気排水部14から送り込まれた水及び水素を、外部へ排出する。
The
バイパス路48は、エア供給路44と、エア排出路45とを接続し、インタークーラ42から供給される空気が、入口SVに入る手前で分岐させ、燃料電池20を通過させずにマフラ47へ送り込むように配管されている。
The
入口SV43(SV=Shut-off Valve:封止弁)は、エア供給路44に設けられたバルブである。入口SV43は、開くことにより、燃料電池20に空気を供給する。また、入口SV43は、閉じることにより、燃料電池20への空気の供給を遮断する。
The inlet SV 43 (SV = Shut-off Valve) is a valve provided in the
調圧SV46は、エア排出路45に設けられたバルブである。調圧SV46は、開くことにより、燃料電池20から空気を排出する。また、調圧SV46は、閉じることにより、燃料電池20からの空気の排出を遮断する。
The
分流SV49は、バイパス路48に設けられたバルブである。分流SV49は、開くことにより、バイパス路48に空気を通過させる。分流SV49が開くことにより、バイパス路48を通過する空気の圧力損失が低下する。また、分流SV49は、閉じることにより、バイパス路を遮断する。バイパス路48を通過する空気の圧力損失が、入口SV43から燃料電池20を経由して調圧SV46を通過する空気の圧力損失を下回る場合、インタークーラ42から送り出された空気は、バイパス路48の方へ多く流れる。同様に、バイパス路48を通過する空気の圧力損失が、入口SV43から燃料電池20を経由して調圧SV46を通過する空気の圧力損失を上回る場合、インタークーラ42から送り出された空気は、燃料電池20の方へ多く流れる。このように、分流SV49は、燃料電池20を通過する空気と、バイパス路48を通過する空気との流量を調整する。
The
圧力計51は、インタークーラ42から送り出された空気の圧力を検出する。また、圧力計52は、燃料電池20から排出された空気の圧力を検出する。
The
燃料電池システム1は、以上に説明した構成に加えて、図示しない制御部を備える。制御部は、インジェクタ11、排気排水弁15、水素循環ポンプ13、冷却水ポンプ31、エアコンプレッサ41、入口SV43、調圧SV46、分流SV49をそれぞれ制御する。
The fuel cell system 1 includes a control unit (not shown) in addition to the configuration described above. The control unit controls the
また、燃料電池システム1は、図示しない検出部を備える。検出部は、各バルブの操作状態及びセルモニタ22が測定する燃料電池20の発電状態に基づいて、入口SV43、調圧SV46、分流SV49の動作異常を検出する。
The fuel cell system 1 includes a detection unit (not shown). The detection unit detects abnormal operation of the inlet SV43, the pressure regulation SV46, and the shunt SV49 based on the operation state of each valve and the power generation state of the
次に、燃料電池20の発電原理について概要を説明する。FCスタック21は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである空気とを、MEAを介して反応させることにより発電する。具体的には、FCスタック21において、以下の式に基づいた化学反応が起きている。
負極: H2→2H++2e−
正極: 4H++O2+4e−→2H2O
負極において、燃料ガスである水素は、プロトン(H+)と、電子(e−)とに分かれる。プロトンは、MEA内の電解質膜を通過して正極に移動する。また、この式からも分かるように、FCスタック21は、発電の際に水(H2O)を生成する。FCスタック21が生成した水は主にエア排出路45を通じて排出される。
Next, the outline of the power generation principle of the
Negative electrode: H 2 → 2H + + 2e −
Positive electrode: 4H + + O 2 + 4e − → 2H 2 O
In the negative electrode, the fuel gas, hydrogen, is divided into protons (H + ) and electrons (e − ). Protons move through the electrolyte membrane in the MEA to the positive electrode. Further, as can be seen from this equation, the
FCスタック21は、1つのセルで発電する際の電圧は、例えば1ボルト程度である。FCスタック21は、このセルを数百枚積層して電気的に直列接続することにより、数百ボルトの電圧を発生させる。
The voltage when the
次に、図2〜図4を参照しながら、バルブの動作チェック処理について説明する。燃料電池システムにおいて、バルブの開閉動作が故障している場合、故障したバルブは、燃料電池システムの運転に支障をきたすばかりでなく、エアコンプレッサなどを二次的に故障させる虞がある。そのため、二次的に故障が拡大する前に、バルブの動作異常を検出することが望まれる。バルブの動作チェック処理は、燃料電池システム1の起動時やアイドル状態などの運転に支障がない状態において行われる。 Next, the valve operation check process will be described with reference to FIGS. In the fuel cell system, when the opening / closing operation of the valve is broken, the broken valve not only interferes with the operation of the fuel cell system but also may cause a secondary failure of the air compressor or the like. For this reason, it is desirable to detect an abnormal operation of the valve before the failure expands secondarily. The valve operation check process is performed when the fuel cell system 1 is activated or in an idle state or the like.
尚、本実施の形態の説明においては、「開いた状態」とはバルブの全開状態をいい、「閉じた状態」とはバルブの全閉状態をいう。また、「開動作」とは、閉じた状態から開いた状態へ変化させる動作をいい、「閉動作」とは、開いた状態から閉じた状態へ変化させる動作をいう。 In the description of the present embodiment, the “open state” refers to the fully open state of the valve, and the “closed state” refers to the fully closed state of the valve. The “opening operation” refers to an operation for changing from a closed state to an open state, and the “closing operation” refers to an operation for changing from an open state to a closed state.
まず図2を参照しながら、バルブの動作チェック処理について説明する。図2は、実施の形態にかかる燃料電池システム1におけるバルブの動作チェックのフローチャートである。 First, the operation check process of the valve will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart of valve operation check in the fuel cell system 1 according to the embodiment.
まず制御部は、チェック対象となるバルブを操作する(ステップS101)。具体例を挙げると、入口SV43の閉動作についてチェックを行う場合、制御部は、入口SV43の閉動作を行う。すなわち、制御部は、入口SV43を開いた状態から閉じた状態に変化させる。 First, the control unit operates a valve to be checked (step S101). As a specific example, when checking the closing operation of the inlet SV43, the control unit performs the closing operation of the inlet SV43. That is, the control unit changes the entrance SV43 from an open state to a closed state.
次に、制御部は、燃料電池20に空気を供給する(ステップS102)。具体的には、制御部は、エアコンプレッサ41の回転数を上げる。これにより、制御部は、所定の流量よりも多い量の空気を燃料電池20に送り込む操作を行う。
Next, the control unit supplies air to the fuel cell 20 (step S102). Specifically, the control unit increases the rotation speed of the air compressor 41. As a result, the control unit performs an operation of sending a larger amount of air than the predetermined flow rate into the
次に、制御部は、燃料電池20の発電量を確認する(ステップS103)。具体的には、制御部は、燃料電池20全体の発電量、FCスタックの入口側の発電量、及び、FCスタックの出口側の発電量を取得し、所定の時間における変化量を計算する。
Next, the control unit confirms the power generation amount of the fuel cell 20 (step S103). Specifically, the control unit obtains the power generation amount of the
次に、制御部は、確認した発電量に基づき、検査結果が正常か否かを判定する(ステップS104)。制御部が、検査後発電量が正常であると判定した場合(ステップS104:Yes)、制御部は、検査が正常に完了したことをユーザに通知する(ステップS105)。例えば、入口SV43の閉動作について検査する場合、入口SV43が正常に閉動作を行うと、燃料電池20に空気が送られなくなる。すると、所定の時間経過後において、検査開始後の発電量は、検査開始前と比較して、所定量低下する。このような場合、制御部は検査対象バルブに問題がないことをユーザに通知したうえで、検査対象バルブの動作チェック処理を終了させる。
Next, the control unit determines whether or not the inspection result is normal based on the confirmed power generation amount (step S104). When the control unit determines that the post-inspection power generation amount is normal (step S104: Yes), the control unit notifies the user that the inspection has been normally completed (step S105). For example, when inspecting the closing operation of the inlet SV 43, if the inlet SV 43 normally closes, air is not sent to the
一方、制御部は、所定の時間経過後における発電状態が正常ではないと判定すると(ステップS104:No)、制御部が有する検出部は、検査対象バルブの動作に異常があるか否かを判定する(ステップS106)。例えば、入口SV43が正常に閉動作を行わず、開いた状態のまま固着してしまった場合、燃料電池20に空気が送り続けられる。すると、所定の時間経過後において、検査開始後の発電量は、検査開始前の発電量より上昇する。このような場合、燃料電池20の発電状態は正常ではない。
On the other hand, when the control unit determines that the power generation state after the lapse of a predetermined time is not normal (step S104: No), the detection unit included in the control unit determines whether or not the operation of the inspection target valve is abnormal. (Step S106). For example, when the inlet SV 43 does not normally close and sticks in an open state, air continues to be sent to the
続いて、検出部が、検査対象バルブの動作に異常があると判定した場合(ステップS106:Yes)、制御部は、その旨をユーザに通知する(ステップS107)。例えば、上述したように、入口SV43が正常に閉動作を行わず、開いた状態のまま固着してしまった場合、制御部は、入口SV43の閉動作が故障していることをユーザに通知する。 Subsequently, when the detection unit determines that the operation of the inspection target valve is abnormal (step S106: Yes), the control unit notifies the user to that effect (step S107). For example, as described above, when the inlet SV 43 does not normally close and is stuck in an open state, the control unit notifies the user that the closing operation of the inlet SV 43 has failed. .
一方、制御部は、燃料電池20の発電状態が正常ではなく、検査対象バルブの動作以外に異常があると判定した場合(ステップS106:No)、システムに異常があることをユーザに通知する(ステップS108)。
On the other hand, when it is determined that the power generation state of the
次に、図3を参照しながら、動作チェック処理における主要部の状態についてより詳細を説明する。図3は、実施の形態にかかる燃料電池システム1における、入口SV43の閉動作について説明するための図である。ここでは、図2を参照しながら説明した具体例である、入口SV43の閉動作について時間の流れに沿って詳細を説明する。図3において最も上段に示しているのは、入口SV43の開閉状態の時間的変化を示すグラフである。その下に示しているのは、エアコンプレッサ41の回転数の時間的変化を示すグラフである。さらにその下に示しているのは、燃料電池20における、エア供給路44に近い側である、空気の入口側において発電された入口側電圧の時間的変化を示すグラフである。最も下段に示しているのは、燃料電池20における、エア排出路45に近い側である、空気の出口側において発電された出口側電圧の時間的変化を示すグラフである。各グラフの実線S1、実線Vok1、実線Vok2は、入口SV43の動作が正常である場合の状態を示している。そして、二点鎖線S2、二点鎖線Vng1、二点鎖線Vng2は、入口SV43の動作が異常であって、開いた状態から変化しない場合の状態を示している。
Next, the state of the main part in the operation check process will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the closing operation of the inlet SV 43 in the fuel cell system 1 according to the embodiment. Here, the closing operation of the inlet SV 43, which is a specific example described with reference to FIG. 2, will be described in detail along the flow of time. In the uppermost part of FIG. 3, a graph showing a temporal change in the open / closed state of the inlet SV43 is shown. Shown below is a graph showing temporal changes in the rotational speed of the air compressor 41. Further shown below is a graph showing temporal changes in the inlet side voltage generated on the air inlet side, which is the side near the
まず、入口SV43の動作が正常である場合の状態について説明する。燃料電池システム1は、検査対象バルブである入口SV43の動作チェックを行う。そのため、時刻t0において、入口SV43は開いた状態である。 First, the state when the operation of the entrance SV 43 is normal will be described. The fuel cell system 1 checks the operation of the inlet SV43 that is a valve to be inspected. Therefore, at time t0, the entrance SV43 is open.
時刻t1において、図2におけるステップS101で説明したように、制御部は、検査対象バルブである入口SV43の操作を行う。すなわち、制御部は、時刻t1において、入口SV43の閉動作を開始し、時刻t2において閉動作を完了する。このとき、実線S1に示すように、入口SV43は閉じた状態となっている。 At time t1, as described in step S101 in FIG. 2, the control unit operates the inlet SV43 that is the inspection target valve. That is, the control unit starts the closing operation of the inlet SV43 at time t1, and completes the closing operation at time t2. At this time, as shown by the solid line S1, the inlet SV43 is in a closed state.
次に、時刻t2において、図2におけるステップS102で説明したように、制御部は、エアコンプレッサ41の回転数を上げる。すなわち、エアコンプレッサ41の回転数は、時刻t2において回転数R1から、時刻t3において回転数R2に上昇する。 Next, at time t2, as described in step S102 in FIG. 2, the control unit increases the rotation speed of the air compressor 41. That is, the rotational speed of the air compressor 41 increases from the rotational speed R1 at time t2 to the rotational speed R2 at time t3.
所で、エアコンプレッサ41の回転数が上昇する一方で、入口SV43は閉じた状態になっている。そのため、燃料電池20には空気が送り込まれることはない。そのため、時刻t2から、入口側電圧は徐々に低下する。すなわち、入口側電圧は、実線Vok1において示すように、時刻t2において、電圧V0から徐々に低下し、時刻t4において電圧V2になる。また、出口側電圧も同様に、実線Vok2において示すように、電圧V0から徐々に低下し、時刻t4において電圧V4になる。
Meanwhile, while the rotation speed of the air compressor 41 increases, the inlet SV43 is closed. Therefore, air is not sent into the
時刻t4において、制御部は、図2におけるステップS103で説明したように、発電状態を確認する。ここで説明した例の場合、検査対象バルブである入口SV43の閉動作の後、すなわち、所定時間(t4−t1)が経過後、入口側電圧が電圧V2であって、出口側電圧が電圧V4である。つまり、時刻t4において、燃料電池20の発電量は時刻t1における発電量と比べて低下しており、かつ、入口側電圧と、出口側電圧の差は所定の範囲内である。制御部は、この結果に基づき、入口SV43の閉動作は正常であると判定することができる。
At time t4, the control unit confirms the power generation state as described in step S103 in FIG. In the case of the example described here, after the closing operation of the inlet SV43 that is the inspection target valve, that is, after a predetermined time (t4-t1) has elapsed, the inlet side voltage is the voltage V2, and the outlet side voltage is the voltage V4. It is. That is, at time t4, the power generation amount of the
次に、入口SV43の動作が異常であって、開いた状態から変化しない場合について説明する。 Next, a case where the operation of the entrance SV 43 is abnormal and does not change from the opened state will be described.
時刻t1において、図2におけるステップS101で説明したように、制御部は、検査対象バルブである入口SV43の操作を行う。すなわち、制御部は、時刻t1において、入口SV43の閉動作を開始し、時刻t2において閉動作を完了する。このとき、二点鎖線S2に示すように、入口SV43は開いた状態のままとなっている。 At time t1, as described in step S101 in FIG. 2, the control unit operates the inlet SV43 that is the inspection target valve. That is, the control unit starts the closing operation of the inlet SV43 at time t1, and completes the closing operation at time t2. At this time, the inlet SV43 remains open as indicated by a two-dot chain line S2.
次に、時刻t2において、制御部は、エアコンプレッサ41の回転数を回転数R1から上昇させ、時刻t3において回転数R2にする。 Next, at time t2, the control unit increases the rotational speed of the air compressor 41 from the rotational speed R1, and sets the rotational speed to R2 at time t3.
この例の場合、入口SV43が開いた状態のままであるため、エアコンプレッサ41の回転数が上昇すると共に、燃料電池20にはより多くの空気が送り込まれる。そのため、時刻t2から、入口側電圧は徐々に上昇する。すなわち、入口側電圧は、二点鎖線Vng1において示すように、時刻t2において、電圧V0から徐々に上昇し、時刻t4において電圧V1になる。また、出口側電圧は、入口側電圧から少し遅れて、二点鎖線Vng2において示すように、電圧V0から徐々に上昇し、時刻t4において電圧V3になる。
In this example, since the inlet SV43 remains open, the rotation speed of the air compressor 41 increases and more air is sent into the
時刻t4において、制御部は、図2におけるステップS103で説明したように、発電状態を確認する。ここで説明した例の場合、検査対象バルブである入口SV43の閉動作の後、すなわち、所定時間(t4−t1)が経過後、入口側電圧が電圧V1であって、出口側電圧が電圧V3である。つまり、時刻t4において、燃料電池20の発電量は時刻t1における発電量と比べて上昇しており、かつ、入口側電圧と、出口側電圧の差は所定の範囲内である。制御部は、この結果に基づき、入口SV43の閉動作は故障していると判定することができる。
At time t4, the control unit confirms the power generation state as described in step S103 in FIG. In the case of the example described here, after the closing operation of the inlet SV43 that is the inspection target valve, that is, after a predetermined time (t4-t1) has elapsed, the inlet side voltage is the voltage V1, and the outlet side voltage is the voltage V3. It is. That is, at time t4, the power generation amount of the
次に、図4を参照しながら、検査対象バルブの動作チェックパターンについて説明する。図4は、実施の形態にかかる燃料電池システム1におけるバルブの動作チェックパターンを説明するための表である。チェック対象となるバルブは、入口SV43、分流SV49、及び、調圧SV46の3種類である。また、チェック対象となる動作パターンは、バルブが開いた状態から閉じた状態へ変化する閉動作と、バルブが閉じた状態から開いた状態へ変化する開動作の2種類である。すなわち、本実施の形態における検査対象バルブの動作チェックパターンは、チェック対象バルブの種類と、チェック対象の動作パターンとを掛け合わせた、パターンA〜パターンFの合計6パターンが存在する。 Next, the operation check pattern of the inspection target valve will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a table for explaining a valve operation check pattern in the fuel cell system 1 according to the embodiment. There are three types of valves to be checked: inlet SV43, branch flow SV49, and pressure regulation SV46. There are two types of operation patterns to be checked: a closing operation in which the valve changes from an open state to a closed state, and an opening operation in which the valve changes from a closed state to an open state. That is, the operation check pattern of the inspection target valve in the present embodiment includes a total of six patterns A to F obtained by multiplying the type of the check target valve and the operation pattern to be checked.
以下に、各パターンにおけるバルブの操作と燃料電池20の発電状態の関係について説明する。
Below, the relationship between the operation of the valve in each pattern and the power generation state of the
表において、パターンAは、入口SV43の閉動作における燃料電池20の発電状態を示したものである。これは図3において詳細を説明した通りである。すなわち、入口SV43の閉動作が正常である場合は、燃料電池20に供給される空気が遮断されるため、発電量が低下し、入口側と出口側の電圧差はない。ところが、入口SV43の閉動作が故障している場合は、燃料電池20に空気が多く供給されるため、発電量が上昇する。また、入口側と出口側の電圧差はない。これにより、入口SV43の閉動作が故障しているか否かを判定することができる。
In the table, pattern A shows the power generation state of the
パターンBは、入口SV43の開動作における燃料電池20の発電状態を示したものである。入口SV43の開動作が正常である場合は、燃料電池20は、空気が遮断された状態から供給されるため、発電量が上昇し、入口側と出口側の電圧差はない。ところが、入口SV43の開動作が故障している場合は、燃料電池20に空気が供給されないため、発電量が低下する。また、入口側と出口側の電圧差はない。これにより、入口SV43の開動作が故障しているか否かを判定することができる。
Pattern B shows the power generation state of the
パターンCは、分流SV49の閉動作における燃料電池20の発電状態を示したものである。分流SV49の閉動作が正常である場合は、燃料電池20は、空気がより多く供給されるため、発電量が上昇し、入口側と出口側の電圧差はない。ところが、分流SV49の閉動作が故障している場合は、空気がバイパス路48に流れるため、燃料電池20に供給される空気が目標に比べて少ない。そのため、発電量が目標に届かない。また、所定の時間経過後は、入口側の電圧が、出口側の電圧よりも高くなる。これにより、分流SV49の閉動作が故障しているか否かを判定することができる。
Pattern C shows the power generation state of the
パターンDは、分流SV49の開動作における燃料電池20の発電状態を示したものである。分流SV49の開動作が正常である場合は、バイパス路48に流れる空気が増加し、燃料電池20に供給される空気が減少するため、発電量が低下し、入口側と出口側の電圧差はない。ところが、分流SV49の開動作が故障している場合は、空気がバイパス路48に流れず、燃料電池20に供給される空気が増加する。そのため、所定の時間経過後は、発電量が上昇する。また、所定の時間経過後は、入口側と、出口側の電圧との差はない。これにより、分流SV49の開動作が故障しているか否かを判定することができる。
Pattern D shows the power generation state of the
パターンEは、調圧SV46の閉動作における燃料電池20の発電状態を示したものである。調圧SV46の閉動作が正常である場合は、所定時間の経過後において、燃料電池20の出口が遮断されることにより、供給される空気が増加するため、発電量が上昇する。また、入口側と出口側の電圧差はない。ところが、調圧SV46の閉動作が故障している場合は、燃料電池20に供給される空気よりも、燃料電池20から排出される空気の量が多くなる。そのため、所定の時間経過後は、発電量が低下する。また、所定の時間経過後は、入口側と、出口側の電圧との差はない。これにより、調圧SV46の閉動作が故障しているか否かを判定することができる。
Pattern E shows the power generation state of the
パターンFは、調圧SV46の開動作における燃料電池20の発電状態を示したものである。調圧SV46の開動作が正常である場合は、所定時間の経過後において、燃料電池20に供給される空気よりも燃料電池20から排出される空気の量が多くなる。そのため、発電量が低下する。また、入口側と出口側の電圧差はない。ところが、調圧SV46の開動作が故障している場合は、燃料電池20から排出される空気の出口が遮断され、燃料電池20に供給される空気が増加する。そのため、所定の時間経過後は、発電量が上昇する。また、所定の時間経過後は、出口側の空気に含まれる酸素の量が低下する。そのため、入口側の電圧に比べて出口側の電圧が小さくなる。これにより、調圧SV46の開動作が故障しているか否かを判定することができる。
Pattern F shows the power generation state of the
以上に説明したパターンA〜パターンFに基づいて、制御部は、検査対象バルブの動作が故障していることを検出する。 Based on the patterns A to F described above, the control unit detects that the operation of the inspection target valve has failed.
このような構成により、燃料電池システムは、各バルブの操作に応じた発電状態に基づいて、バルブの動作異常を検出する。これにより、バイパス路を含めた各バルブの動作異常を検出する燃料電池システムを提供することができる。 With such a configuration, the fuel cell system detects an abnormal operation of the valve based on the power generation state corresponding to the operation of each valve. Thereby, the fuel cell system which detects the operation | movement abnormality of each valve | bulb including a bypass path can be provided.
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
1 燃料電池システム
20 燃料電池
21 FCスタック
22 セルモニタ
41 エアコンプレッサ
43 入口SV
44 エア供給路
45 エア排出路
46 調圧SV
47 マフラ
48 バイパス路
49 分流SV
1
44
47
Claims (1)
前記燃料電池の発電状態をモニタするセルモニタと、
前記燃料電池に対して酸化ガスを供給するための供給路と、当該供給路を通過する酸化ガスの流量を調整する第1のバルブと、
前記燃料電池を通過した酸化ガス及を排出するための排出路と、当該排出路を通過する酸化ガスの流量を調整する第2のバルブと、
前記供給路と前記排出路とを接続するバイパス路と、当該バイパス路を通過する酸化ガスの流量を調整する第3のバルブと、
前記第1のバルブ乃至第3のバルブが故障していることを検出する検出部と、を備える燃料電池システムであって、
前記検出部は、
前記第1のバルブ乃至第3のバルブの開閉状態と、前記燃料電池の前記発電状態とから、前記第1のバルブ乃至第3のバルブのうち、どのバルブが故障しているのかを検出する、
燃料電池システム。 A fuel cell in which a plurality of cells that generate electricity by reacting a fuel gas and an oxidizing gas are electrically connected in series;
A cell monitor for monitoring the power generation state of the fuel cell;
A supply path for supplying an oxidizing gas to the fuel cell; a first valve for adjusting a flow rate of the oxidizing gas passing through the supply path;
A discharge path for discharging the oxidizing gas that has passed through the fuel cell, a second valve that adjusts the flow rate of the oxidizing gas that passes through the discharge path, and
A bypass path connecting the supply path and the discharge path, a third valve for adjusting the flow rate of the oxidizing gas passing through the bypass path,
A fuel cell system comprising: a detection unit that detects that the first to third valves are out of order;
The detector is
Detecting which one of the first to third valves is malfunctioning from the open / closed states of the first to third valves and the power generation state of the fuel cell;
Fuel cell system.
Priority Applications (1)
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JP2016224200A JP2018081845A (en) | 2016-11-17 | 2016-11-17 | Fuel cell system |
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JP2022143747A (en) * | 2021-03-18 | 2022-10-03 | 本田技研工業株式会社 | Fuel cell system and low temperature start method thereof |
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2016
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