JP3942534B2 - Fuel gas supply control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて起電力を生成する燃料電池に対する前記燃料ガスの供給制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、燃料電池に対して燃料ガスを供給し、前記燃料ガスを酸化剤ガスと反応させることで得られるエネルギを電気エネルギに変換する燃料電池システムが知られている。
【0003】
燃料電池としては、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜(電解質)・電極構造体をセパレータによって挟持した固体高分子型燃料電池がある。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0004】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【0005】
ところで、このような燃料電池では、稼動状況によって、アノード電極に供給された水素ガスの一部が発電に寄与することなく排出されてしまうことがある。また、電解質膜の状態によっては、水素ガスがカソード電極側から排出されてしまうおそれもある。この場合、水素ガスの排出量が多いと、燃料消費率が上昇するため、不経済である。
【0006】
そこで、例えば、特許文献1に開示された従来技術では、燃料電池のガス排出ラインに水素ガス検知器を接続し、水素ガス検知器が水素ガスの排出を検知した際、水素含有ガスの燃料電池への供給を遮断するようにしている。
【0007】
また、特許文献2に開示された従来技術では、燃料電池が比較的短い期間で起動および停止が繰り返し行われているか否かを履歴として保持しておき、その履歴に基づいて次回の起動の可否を判断し、排出される水素ガスの濃度が高くなる可能性がある場合、燃料電池の起動を禁止するようにしている。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−223850号公報(要約書、図1)
【特許文献2】
特開2002−198075号公報(要約書、図1)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、特許文献1の構成では、水素ガスの検出閾値が低すぎると、排出検知感度は向上するものの、燃料電池に供給する水素含有ガスの遮断が頻繁に発生する可能性が高くなり、燃料電池を効率的に稼動できなくなるおそれがある。
【0010】
また、特許文献2の構成では、燃料電池の起動および停止の履歴のみに基づいて起動の可否判断を行うようにしているため、水素ガスが実際に過剰排出されるような事態に対して確実に対処できないおそれがある。
【0011】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池に対する燃料ガスの供給の可否を適切に判定して制御することができるとともに、燃料ガスの消費率を低く抑え、燃料電池を効率的に稼動させることを可能とする燃料ガス供給制御装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明では、燃料電池から排出される燃料ガスの排出値を排出値検出部で検出し、第1判定部がその排出値を第1判定値よりも大きいと判定した場合、供給制御部は、排出異常であるとして燃料電池に対する燃料ガスの供給を禁止する。また、第2判定部が排出値を第1判定値よりも小さい第2判定値と比較し、第2判定値よりも大きいと判定し、且つ、前回の判定結果として排出異常のあったことが判定結果記憶部に記憶されている場合においても、供給制御部は、排出異常であるとして燃料電池に対する燃料ガスの供給を禁止する。この結果、燃料ガスが過剰に排出される事態を事前に回避することができる。
【0013】
一方、排出値が第1判定値よりも小さく、且つ、前回の判定結果として排出異常が判定結果記憶部に記憶されていない場合には、燃料ガスの供給を許容し、燃料電池による起電力の生成を可能とする。また、前回の判定結果として排出異常が判定結果記憶部に記憶されているが、排出値が第2判定値よりも小さい場合には、排出異常が回避されているものと想定されるため、燃料ガスの供給を許容する。従って、燃料電池に燃料ガスが供給され、効率的に起電力を生成することが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の燃料ガス供給制御装置が適用される燃料電池システム10を示す。なお、図1において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【0015】
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12(燃料電池)と、燃料電池スタック12に対する燃料ガスの供給制御を行う燃料ガス供給制御装置14とを備える。
【0016】
燃料電池スタック12は、水素ガスを含む燃料ガスが供給されるアノード電極16と、酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給されるカソード電極18とを電解質膜20を介して結合してなる多数のセルを直列に接続して構成される。アノード電極16の燃料ガス供給側には、燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給弁22が配設される。また、アノード電極16の燃料ガス排出側には、排出される燃料ガスである水素ガスを検出する燃料ガスセンサ24(排出値検出部)が配設される。
【0017】
燃料ガス供給制御装置14は、燃料ガスセンサ24によって検出された水素ガスの検出値(排出値)からガス濃度Dを算出するガス濃度算出部26と、算出されたガス濃度D、第1判定値DTH1、第2判定値DTH2(DTH1>DTH2)およびガス漏れ履歴の記録を用いてガス漏れの有無を判定するガス漏れ判定部28(第1判定部、第2判定部)と、ガス漏れ判定部28による判定結果に基づいて燃料ガス供給弁22を制御する燃料電池制御部30(供給制御部)とを備える。
【0018】
ガス漏れ判定部28には、予め設定された第1判定値DTH1および第2判定値DTH2を記憶する判定値記憶部32と、ガス漏れ判定部28によるガス漏れ判定結果をガス漏れ履歴として記憶するガス漏れ履歴記憶部34(判定結果記憶部)と、ガス漏れ判定部28での判定処理における各種フラグを記憶するフラグ記憶部36とが接続される。また、燃料電池制御部30には、燃料電池スタック12を始動させるための始動スイッチ38が接続される。
【0019】
本実施形態の燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について図2〜図4に示すフローチャートに従って説明する。
【0020】
操作者により燃料電池スタック12の始動スイッチ38が操作されると、図2に示す燃料電池制御ルーチンが起動され、先ず、ガス漏れ判定処理が行われる(ステップS1)。この処理は、図3および図4に示すガス漏れ判定ルーチンによって実行される。
【0021】
すなわち、燃料ガスセンサ24は、アノード電極16から排出される燃料ガスである水素ガスの排出値を測定し、ガス濃度算出部26に供給する(ステップS21)。ガス濃度算出部26は、燃料ガスセンサ24からの測定信号より水素ガスのガス濃度Dを算出し、ガス漏れ判定部28に供給する(ステップS22)。
【0022】
ガス漏れ判定部28は、フラグ記憶部36に記憶されている始動時判定処理済フラグの状態を確認する(ステップS23)。この場合、始動時判定処理済フラグは、始動スイッチ38の操作後、ガス漏れ判定部28において既にガス漏れの判定を行っている場合にはONとなり、まだ判定を行っていない場合にはOFFに設定されるものとする。
【0023】
始動時判定処理済フラグがOFFのとき、ガス漏れ判定部28は、ガス漏れ履歴記憶部34にガス漏れ履歴が有るか否かを判定し(ステップS24、図4参照)、ガス漏れ履歴がない場合、検出されたガス濃度Dと判定値記憶部32に記憶された第1判定値DTH1とを比較する(ステップS25)。
【0024】
D≦DTH1の場合、燃料電池スタック12から許容濃度以上の燃料ガスである水素ガスが漏れていないと判定し(ステップS26)、ガス漏れ有フラグをOFFに設定する(ステップS27)。また、ステップS26でガス漏れ判定が行われたため、始動時判定処理済フラグをONに設定する(ステップS28)。これらのガス漏れ有フラグおよび始動時判定処理済フラグは、フラグ記憶部36に記憶される。
【0025】
D>DTH1の場合には、燃料電池スタック12から許容濃度以上の燃料ガスが漏れていると判定し(ステップS29)、その判定結果を排出異常としてガス漏れ履歴記憶部34に記憶する(ステップS30)。次いで、ガス漏れ有フラグをONに設定するとともに(ステップS31)、始動時判定処理済フラグをONに設定する(ステップS28)。
【0026】
一方、ガス漏れ履歴記憶部34に既に排出異常としてのガス漏れ履歴が記憶されている場合(ステップS24)、ガス漏れ判定部28は、検出されたガス濃度Dと判定値記憶部32に記憶された第1判定値DTH1よりも小さい第2判定値DTH2とを比較する(ステップS32)。
【0027】
D>DTH2の場合、燃料ガスの漏れが継続しており、排出される燃料ガスの濃度が高くなる可能性があるため、ガス漏れ有と判定し(ステップS29)、排出異常の判定結果をガス漏れ履歴記憶部34に記憶し(ステップS30)、ガス漏れ有フラグおよび始動時判定処理済フラグをONに設定する(ステップS31、S28)。
【0028】
D≦DTH2の場合には、ガス漏れ履歴が記憶されていたとしても、検出されたガス濃度Dが極めて低いため、ガス漏れ無しと判定し(ステップS33)、ガス漏れ有フラグをOFFに設定する(ステップS34)。また、ステップS33でガス漏れ判定が行われたため、始動時判定処理済フラグをONに設定する(ステップS28)。
【0029】
以上のようにして、始動スイッチ38が操作された直後における初期のガス漏れ判定処理が行われた後、ガス漏れ判定部28は、燃料電池スタック12がまだ始動状態になっていないため(ステップS2)、フラグ記憶部36に記憶されているガス漏れ有フラグを確認する(ステップS3)。ガス漏れ有フラグがONに設定されているときには、燃料電池制御部30に対して燃料電池スタック12の始動を禁止する禁止指令信号を出力する(ステップS4)。この場合、燃料電池制御部30は、燃料ガス供給弁22を閉弁状態に維持する。従って、燃料ガスが燃料電池スタック12に供給されることやガス漏れが発生することがなく、また、燃料電池スタック12による発電も行われない。
【0030】
一方、ステップS3で確認したガス漏れ有フラグがOFFの場合には、ガス漏れのおそれがないものと判断できるため、ガス漏れ判定部28は、燃料電池制御部30に対して燃料電池スタック12の始動を許可する許可指令信号を出力する。燃料電池制御部30は、この許可指令信号と始動スイッチ38からの始動信号とに基づき、燃料ガス供給弁22を開弁する(ステップS5)。この場合、燃料ガスが燃料ガス供給弁22を介して燃料電池スタック12のアノード電極16に供給されることにより、発電が開始される(ステップS6)。
【0031】
次に、再びガス漏れ判定処理が実行される(ステップS1)。この場合、図3に示すガス漏れ処理ルーチンのステップS23において、始動時判定処理済フラグがONに設定されていることが確認される。そこで、ガス漏れ判定部28は、フラグ記憶部36に記憶されているガス漏れ有フラグを確認する(ステップS35)。この場合、ガス漏れ有フラグがONに設定されていれば、ガス漏れ判定処理を終了する。
【0032】
ガス漏れ有フラグがOFFの場合、ステップS21で検出したガス濃度Dと第1判定値DTH1とを比較する(ステップS36)。D>DTH1の場合には、燃料電池スタック12から許容濃度以上の燃料ガスが漏れていると判定し(ステップS39)、その判定結果を排出異常としてガス漏れ履歴記憶部34に記憶する(ステップS40)。次いで、ガス漏れ有フラグをONに設定する(ステップS41)。また、D≦DTH1の場合には、ガス漏れ無しと判定し(ステップS37)、ガス漏れ有フラグをOFFに設定する(ステップS38)。
【0033】
次に、ステップS6において燃料電池スタック12の発電が開始されている場合(ステップS2)、ガス漏れ有フラグを確認し(ステップS7)、ガス漏れ有フラグがONに設定されているときには、燃料電池制御部30に対して燃料電池スタック12の発電を禁止する禁止指令信号を出力する。燃料電池制御部30は、この禁止指令信号に基づき、燃料ガス供給弁22を閉弁する(ステップS8)。従って、燃料電池スタック12のアノード電極16に対する燃料ガスの供給が停止され、発電が停止される(ステップS9)。また、ガス漏れ有フラグがOFFの場合には(ステップS7)、発電状態が継続される(ステップS10)。
【0034】
以上のように、本実施形態では、燃料電池スタック12に対する燃料ガスとしての水素ガスの供給を制御することにより、許容以上の水素ガスを外部に排出することなく、燃料消費率を低く抑えて効率的に発電を行うことができる。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガスの排出値と第1判定値との比較結果に従って燃料ガスの供給の可否を判定する一方、前回の判定結果が排出異常である場合には、前記第1判定値よりも小さい第2判定値を用いて燃料ガスの供給の可否を判定することにより、燃料ガスの供給の可否を適切に判定して制御することができる。従って、燃料ガスの排出量を抑えて燃料消費率を低下させることができるとともに、燃料電池を効率的に稼動させて起電力を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図2】図1に示す燃料電池システムにおける燃料電池制御ルーチンのフローチャートである。
【図3】図1に示す燃料電池システムにおけるガス漏れ判定ルーチンのフローチャートである。
【図4】図1に示す燃料電池システムにおけるガス漏れ判定ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
10…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…燃料ガス供給制御装置 22…燃料ガス供給弁
24…燃料ガスセンサ 26…ガス濃度算出部
28…ガス漏れ判定部 30…燃料電池制御部
32…判定値記憶部 34…ガス漏れ履歴記憶部
36…フラグ記憶部 38…始動スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel gas supply control device for a fuel cell that generates an electromotive force using a fuel gas and an oxidant gas.
[0002]
[Prior art]
For example, a fuel cell system is known in which fuel gas is supplied to a fuel cell and energy obtained by reacting the fuel gas with an oxidant gas is converted into electric energy.
[0003]
As a fuel cell, a solid polymer type in which an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is sandwiched by separators There is a fuel cell. This type of fuel cell is usually used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of electrolyte membrane / electrode structures and separators.
[0004]
In a fuel cell, a fuel gas supplied to an anode electrode, for example, a hydrogen-containing gas, moves to the cathode electrode side through an electrolyte membrane that is appropriately humidified and hydrogen is ionized on the electrode catalyst. The electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, hydrogen ions, electrons, and oxygen gas react to generate water at the cathode electrode.
[0005]
By the way, in such a fuel cell, a part of hydrogen gas supplied to the anode electrode may be discharged without contributing to power generation, depending on the operating condition. Further, depending on the state of the electrolyte membrane, hydrogen gas may be discharged from the cathode electrode side. In this case, if the amount of hydrogen gas discharged is large, the fuel consumption rate increases, which is uneconomical.
[0006]
Therefore, for example, in the prior art disclosed in Patent Document 1, when a hydrogen gas detector is connected to the gas discharge line of the fuel cell, and the hydrogen gas detector detects the discharge of the hydrogen gas, the hydrogen-containing gas fuel cell The supply to is cut off.
[0007]
Further, in the prior art disclosed in Patent Document 2, it is stored as a history whether or not the fuel cell has been repeatedly activated and stopped in a relatively short period, and whether or not the next activation can be performed based on the history. If there is a possibility that the concentration of the discharged hydrogen gas may increase, the fuel cell is prohibited from starting.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-6-223850 (abstract, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP 2002-198075 (abstract, FIG. 1)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In this case, in the configuration of Patent Document 1, if the detection threshold of hydrogen gas is too low, the discharge detection sensitivity is improved, but the possibility of frequent interruption of the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell increases. There is a possibility that the battery cannot be operated efficiently.
[0010]
Further, in the configuration of Patent Document 2, since it is determined whether or not the fuel cell can be started based only on the start and stop history of the fuel cell, it is ensured against a situation where hydrogen gas is actually excessively discharged. There is a possibility that it cannot be dealt with.
[0011]
The present invention solves this type of problem, and can appropriately determine whether or not fuel gas can be supplied to the fuel cell and control the fuel cell. Also, the fuel gas consumption rate can be kept low, and the fuel cell can be made efficient. It is an object of the present invention to provide a fuel gas supply control device that can be operated in an automated manner.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, when the emission value of the fuel gas discharged from the fuel cell is detected by the emission value detection unit, and the first determination unit determines that the emission value is larger than the first determination value, the supply The control unit prohibits the supply of the fuel gas to the fuel cell because the discharge is abnormal. In addition, the second determination unit compares the discharge value with a second determination value that is smaller than the first determination value, determines that the discharge value is larger than the second determination value, and that there has been a discharge abnormality as a previous determination result. Even when the determination result is stored in the determination result storage unit, the supply control unit prohibits the supply of the fuel gas to the fuel cell on the assumption that the discharge is abnormal. As a result, it is possible to avoid in advance a situation in which the fuel gas is excessively discharged.
[0013]
On the other hand, when the emission value is smaller than the first determination value and the discharge abnormality is not stored in the determination result storage unit as the previous determination result, the fuel gas is allowed to be supplied and the electromotive force of the fuel cell is reduced. Enable generation. Further, since although discharge abnormality is stored in the determination result storage section as a previous determination result, the discharge value is smaller than the second determination value, which is assumed to discharge abnormality is avoided, fuel Allow supply of gas. Accordingly, the fuel gas is supplied to the fuel cell, and the electromotive force can be efficiently generated.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a
[0015]
The
[0016]
The
[0017]
The fuel gas
[0018]
In the gas
[0019]
The
[0020]
When the
[0021]
That is, the
[0022]
The gas
[0023]
When the start determination flag is OFF, the gas
[0024]
When D ≦ DTH1, it is determined that hydrogen gas, which is a fuel gas having an allowable concentration or more, does not leak from the fuel cell stack 12 (step S26), and the gas leak flag is set to OFF (step S27). Further, since the gas leak determination is performed in step S26, the start determination processing completion flag is set to ON (step S28). The gas leak flag and the start-time determination process completion flag are stored in the
[0025]
When D> DTH1, it is determined that fuel gas having an allowable concentration or more is leaking from the fuel cell stack 12 (step S29), and the determination result is stored in the gas leakage
[0026]
On the other hand, when the gas leak history as the discharge abnormality is already stored in the gas leak history storage unit 34 (step S24), the gas
[0027]
If D> DTH2, the fuel gas leak continues and the concentration of the discharged fuel gas may increase. Therefore, it is determined that there is a gas leak (step S29), and the determination result of the discharge abnormality is the gas. The data is stored in the leakage history storage unit 34 (step S30), and the gas leakage present flag and the start time determination processing flag are set to ON (steps S31 and S28).
[0028]
In the case of D ≦ DTH2, even if the gas leak history is stored, the detected gas concentration D is extremely low, so it is determined that there is no gas leak (step S33), and the gas leak flag is set to OFF. (Step S34). Further, since the gas leakage determination is performed in step S33, the start determination processing flag is set to ON (step S28).
[0029]
As described above, after the initial gas leak determination process immediately after the
[0030]
On the other hand, when the gas leak flag checked in step S3 is OFF, it can be determined that there is no risk of gas leak, so the gas
[0031]
Next, the gas leak determination process is executed again (step S1). In this case, in step S23 of the gas leakage processing routine shown in FIG. 3, it is confirmed that the start determination processing completion flag is set to ON. Therefore, the gas
[0032]
When the gas leak flag is OFF, the gas concentration D detected in step S21 is compared with the first determination value DTH1 (step S36). When D> DTH1, it is determined that fuel gas having an allowable concentration or more is leaking from the fuel cell stack 12 (step S39), and the determination result is stored in the gas leak
[0033]
Next, when power generation of the
[0034]
As described above, in the present embodiment, by controlling the supply of hydrogen gas as the fuel gas to the
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, the fuel gas supply value is determined according to the comparison result between the fuel gas discharge value and the first determination value. On the other hand, if the previous determination result is abnormal discharge, the first determination value is determined. By determining whether or not the fuel gas can be supplied using a smaller second determination value, whether or not the fuel gas can be supplied can be appropriately determined and controlled. Accordingly, it is possible to reduce the fuel gas emission rate and reduce the fuel consumption rate, and it is possible to efficiently operate the fuel cell and generate the electromotive force.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a fuel cell control routine in the fuel cell system shown in FIG.
3 is a flowchart of a gas leak determination routine in the fuel cell system shown in FIG.
4 is a flowchart of a gas leak determination routine in the fuel cell system shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの排出値を検出する排出値検出部と、
前記排出値を第1判定値と比較し、前記排出値が前記第1判定値よりも大きいとき、排出異常と判定する第1判定部と、
前記排出値を前記第1判定値よりも小さい第2判定値と比較し、前記排出値が前記第2判定値よりも大きいとき、排出異常と判定する第2判定部と、
前記第1判定部および前記第2判定部による判定結果を記憶する判定結果記憶部と、
前記第1判定部により排出異常と判定された場合、あるいは、前記第2判定部により排出異常と判定され、且つ、前記判定結果記憶部に排出異常としての判定結果が記憶されている場合、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給を禁止する一方、前記第2判定部が排出異常と判定せず、且つ、前記判定結果記憶部に排出異常として判定結果が記憶されている場合、あるいは、前記第1判定部が排出異常と判定せず、且つ、前記判定結果記憶部に排出異常としての判定結果が記憶されていない場合、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給を許容する供給制御部と、
を備えることを特徴とする燃料ガス供給制御装置。A fuel gas supply control device for a fuel cell that generates an electromotive force using a fuel gas and an oxidant gas,
An emission value detector for detecting an emission value of the fuel gas discharged from the fuel cell;
A first determination unit that compares the discharge value with a first determination value and determines a discharge abnormality when the discharge value is greater than the first determination value;
A second determination unit that compares the discharge value with a second determination value that is smaller than the first determination value, and determines that the discharge is abnormal when the discharge value is greater than the second determination value;
A determination result storage unit for storing determination results by the first determination unit and the second determination unit;
When the first determination unit determines that the discharge is abnormal, or when the second determination unit determines that the discharge is abnormal, and the determination result storage unit stores a determination result as discharge abnormality, While prohibiting the supply of the fuel gas to the fuel cell, the second determination unit does not determine that there is a discharge abnormality and the determination result storage unit stores a determination result as a discharge abnormality , or A supply control unit that allows the fuel gas to be supplied to the fuel cell when the determination unit does not determine that the discharge is abnormal and the determination result storage unit does not store the determination result as the discharge abnormality;
A fuel gas supply control device comprising:
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