JP4159860B2

JP4159860B2 - 燃料電池システムの故障検知方法

Info

Publication number: JP4159860B2
Application number: JP2002342218A
Authority: JP
Inventors: 健一郎上田; 慎司吉川; 義一村上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP2004178899A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムの故障検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池を構成するセルのうち、最小のセル電圧が所定以下の時に発電制限するもの（特許文献１参照）や、最小のセル電圧が所定以下の時に水素供給量を増加する（特許文献２参照）等、燃料電池のセル電圧を検出して燃料電池の状態を判断し、各種の制御を行うものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１０３４６号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６４０６８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように燃料電池システムの制御を行うにあたっては、燃料電池を構成するセルの電圧を検出するセル電圧検出手段を設けて、この検出手段により検出された電圧に基づいて制御を行うことが一般的である。このとき、セル電圧検出手段が何らかの原因で故障すると、上述した各種の制御ができなくなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、検出された電圧値に基づいて、燃料電池セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出手段が故障した場合とを判別することができる燃料電池システムの故障検知方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料電池を構成する各セルの電圧をセル電圧検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるセル電圧検出センサ８）により検出し、検出した各セルの電圧の少なくともいずれかが所定値（例えば、後述する実施の形態における電圧所定値Ｖ１）以下の場合には、燃料電池の出力電流（例えば、後述する実施の形態における出力電流ＩＦＣ）を制限し（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ２６、ステップＳ３２）、前記出力電流の制限により燃料電池が開放電圧状態になったときに前記セル電圧検出手段により前記所定値以下の電圧が検出された場合には（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ３０、ステップＳ３４）、前記セル電圧検出手段の故障と判定する（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ３８）ことを特徴とする燃料電池システムの故障検知方法である。
【０００８】
この発明によれば、前記セル電圧検出手段にて検出した各セルの電圧の少なくともいずれかが所定値以下の場合には、燃料電池の出力電流を制限していくことで、燃料電池の特性（出力電流を減少させると電圧が上昇する電流−電圧特性）を利用してセル電圧を上昇させていき、前記出力電流の制限により燃料電池が開放電圧（ＯＣＶ：Open circuit voltage）状態になったときでも前記所定値以下の電圧が検出された場合には、上述した燃料電池の特性に反するため、前記セル電圧検出システムの故障と判定することができ、これにより、燃料電池セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出手段が故障した場合とを判別することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における燃料電池システムを図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
前記燃料電池システムが備える燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
【００１０】
前記燃料電池１には、燃料供給システム２、エア供給システム３が接続されている。燃料供給システム２は、例えば高圧で水素を保持する高圧水素タンクを備えており、燃料電池１のアノードに水素を供給する。エア供給システム３は、エアコンプレッサを備えており、燃料電池１のカソードに酸化剤である空気（エア）を供給する。
【００１１】
これらのシステム２，３から反応ガス（水素、エア）が燃料電池１に供給されると、アノードの反応面（図示せず）に供給された水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソードの方に移動する。こ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ーとして利用される。燃料電池１には走行モータなどの負荷６が接続されており、該負荷６に燃料電池１からの出力（発電電力）が供給される。
【００１２】
また、前記燃料電池１には、燃料電池１を構成する燃料電池セルの電圧Ｖを検出するセル電圧検出センサ８や電流検出センサ９が接続され、これらのセンサ８、９により各燃料電池セルの電圧Ｖや負荷６に供給する出力電流ＩＦＣを検出している。
【００１３】
前記燃料供給システム２、エア供給システム３、負荷６、セル電圧検出センサ８、電流検出センサ９には制御装置（ＥＣＵ）７が接続してある。この制御装置７は、負荷６の作動に必要な電力を算出して、この算出した電力に基づいて燃料供給システム２、エア供給システム３にそれぞれ制御信号を送信する。これにより、燃料供給システム２，エア供給システム３から供給される反応ガスの量が調整され、燃料電池１での発電量が制御される。また、制御装置７は、セル電圧検出センサ８で検出された燃料電池１の各セル電圧Ｖや、電流検出センサ９で検出された電流ＩＦＣを受信する。そして、この受信した各セル電圧Ｖや出力電流ＩＦＣに基づいて、前記セル電圧検出センサ８の状態を判定する。これについて図２を用いて説明する。
【００１４】
図２は燃料電池システムの故障検知制御を示すフローチャートである。同図に示したように、ステップＳ１２で、燃料電池１の各セルにおいて、検出された電圧（セル電圧）の中に電圧所定値（回復電圧判定値）Ｖ１［Ｖ］以下のものがあるかどうかを判定し、判定結果がＮＯの場合、すなわち、全てのセル電圧がＶ１以上で発電が安定している時にはステップＳ１４の処理に進む。また、ステップＳ１２の判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、発電が不安定の時にはステップＳ２４の処理に進む。
【００１５】
ステップＳ１４では、後述するステップＳ３２でセル電圧低下時に低下させていた電流制限値を、所定量ΔＩ２ずつ回復させる。電流制限値に電流所定値ΔＩ２を加えて新たな電流制限値とする。この電流制限値により、燃料電池１の発電出力の上限が定まる。そして、ステップＳ１６で、燃料電池１の発電電流を通常時の値ＩＦＣＢＳに設定する。各セルの発電が安定している場合には、出力制限が不要の状態であるので、ステップＳ１８で、出力制限開始フラグに、出力制限不要を示す、「０」を代入する。
【００１６】
ステップＳ２０で、タイマーＴＭを所定の基準値Ｔ１にセットする。後述するように、このタイマーＴＭの値がセル電圧検出センサ８の故障判定に必要な時間となる。
ステップＳ２２においては、電流制限値のリミット処理を行う。すなわち、求められた電流制限値に基づいて、燃料電池１の発電量を制限する。上述した電流制限値が、下限値０を下回った場合には下限値０に、上限値である定格電流値ＩＦＣＢＳを上回った場合には該定格電流値ＩＦＣＢＳに、電流制限値を補正する制御を行う。これにより、電流制限値が無制限に拡大される等の不具合を防止でき、電流制限値を適正範囲内に設定することができる。そして、一連の処理を終了する。
【００１７】
また、ステップＳ２４では、上述した出力制限開始フラグが「０」かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合、すなわち、セル電圧がＶ１以下に低下したことを今回初めて検出した時にはステップＳ２６の処理に進む。また、ステップＳ２４の判定結果がＮＯの場合には、すなわち、セル電圧がＶ１以下に低下したことを二度以上連続して検出した時にはステップＳ３０の処理に進む。
ステップＳ２６では、電流制限値の基本量であるＩＦＣＢＳから、電流所定値ΔＩ１を減算して、新たな電流制限値とする。これにより、燃料電池１の発電出力が制限されるため、各セルに対する保護が図られる。そして、ステップＳ２８で、出力制限開始フラグに、セル電圧の低下が検出されたことを示す、「１」を代入する。そして、上述したステップＳ２０以降の処理を行って、一連の処理を終了する。したがって、セル電圧の中に所定値Ｖ１以下のものがあることが検出されたときには、まず、電流制限値が電流所定値ΔＩ１だけ制限されるととともに、出力制限開始フラグが「０」から「１」に切り替わる。
【００１８】
また、ステップＳ３０では、電流制限値の値が「０」かどうかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合、すなわち発電電流を０まで低下させた場合、にはステップＳ３４の処理に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ３２の処理に進む。ステップＳ３２では、電流制限値から電流所定値ΔＩ１を減算して、新たな電流制限値とする。そして、上述したステップＳ２０以降の処理を行って、一連の処理を終了する。したがって、上述した出力制限開始フラグが「１」に切り替わった後は、全てのセル電圧が電圧所定値Ｖ１以上に回復しなければ、電流制限値が実質的に０になるまで電流所定値ΔＩ１ずつ制限され、これにより燃料電池１の各セルの発電出力を制限していく。そして、電流制限値が実質的に０になると、発電出力も０となり、負荷６への電流供給が停止される。このときの電圧が、開放電圧（ＯＣＶ）となる。
【００１９】
また、ステップＳ３４では、タイマーＴＭの値が「０」かどうかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ３８の処理に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ３６の処理に進む。ステップＳ３６では、前記タイマーＴＭの値を所定値で減算して、新たなタイマーＴＭの値を設定する。このようにして、電流制限値が０になってからの継続時間を計測する。
そして、上述したステップＳ２２の処理を行って、一連の処理を終了する。このように、電流制限値が０（出力電流が０）になった場合（ＯＣＶ状態）には、タイマーＴＭの値が０になるまでセル電圧検出センサ８の故障判定を保留して、故障判定の精度を高めている。
【００２０】
そして、タイマーＴＭの値が０になった場合には、ステップＳ３８で、セル電圧監視システム（この場合はセル電圧検出センサ８）故障と判定する。これについて、図３を用いて説明する。
図３は図１に示した燃料電池１のセルにおける電流と電圧の関係を示すグラフである。同図のラインａは、通常状態でのセル出力の一例を示し、ラインｂは不調状態でのセル出力の一例を示す。ラインａに示したように、燃料電池の各セルは、所定の電流−電圧特性をもっており、発電電流を増加させると電流は低下するが、電流値をほぼゼロ（開放電圧：ＯＣＶ状態）まで低下させると電圧が上昇することがわかる。また、ラインｂに示したように、不調状態においては前記通常状態の場合に比べて電圧が低下しているが、上記開放電圧（ＯＣＶ状態）まで電流値を制限すると、同様に、電圧が上昇して通常特性の値に近いところまで回復することがわかる。
よって、発電制限によってほぼ開放電圧（ＯＣＶ状態）まで制限電流を低下させたときに、各セル電圧が所定の回復判定電圧（Ｖ１）まで回復していない時は、セル電圧検出回路が故障して電圧が回復したことが認識できなかった状態であると判定するものである。
これにより、燃料電池１セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出センサ８が故障した場合とを判別することができる。
【００２１】
そして、ステップＳ４０のセル電圧の中で回復判定電圧Ｖ１［Ｖ］以下のものを制御から外す（マスクする）処理を行い、上述したステップＳ２２の処理を行って、一連の処理を終了する。これにより、故障したセル電圧検出センサ８で検出された電圧値に基づいて燃料電池１を制御することを防止するとともに、該センサ８以外の正常なセル電圧検出センサ８に基づいて燃料電池１を制御することができる。
【００２２】
なお、本発明における燃料電池システムの故障検知方法は、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途にも適用することができるのはもちろんである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出手段が故障した場合とを判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの故障検知制御を示すフローチャートである。
【図３】図１に示した燃料電池における電流と電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１燃料電池
８セル電圧検出センサ
９電流検出センサ

Claims

燃料電池を構成する各セルの電圧をセル電圧検出手段により検出し、
検出した各セルの電圧の少なくともいずれかが所定値以下の場合には、燃料電池の出力電流を制限し、
前記出力電流の制限により燃料電池が開放電圧状態になったときに前記セル電圧検出手段により前記所定値以下の電圧が検出された場合には、前記セル電圧検出手段の故障と判定することを特徴とする燃料電池システムの故障検知方法。