JP4603427B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
〈実施形態1〉
図1は、本発明の実施形態1に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1は、燃料電池自動車に搭載されたシステムであって、燃料電池としての燃料電池スタック10と、この燃料電池スタック10のアノード極12に燃料ガスとしての水素ガスを供給・排出するアノード系20と、燃料電池スタック10のカソード極13に酸化剤ガスとしての加湿空気を供給・排出するカソード系30と、燃料電池スタック10の上流側でアノード系20とカソード系30とを連結し、燃料電池スタック10の掃気時に掃気ガス(非加湿の空気)をカソード系30からアノード系20側に導入する掃気ガス導入系40と、これらを制御する制御装置(ECU)50と、を主に備えている。
燃料電池スタック10は、主として、一価の陽イオン交換型の高分子電解質膜(以下、「電解質膜」という)11の両面をアノード極12(燃料極)およびカソード極13(空気極)で挟持してなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体)と、この膜電極接合体を挟持するセパレータ(不図示)とからなる単セルが、複数積層されることで構成されている。なお、図1では、前記単セルの構成を示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続して所定の電圧が得られるように構成されている。
アノード系20は、燃料電池スタック10のアノード極12に水素ガスを供給・排出する系である。以下、アノード系20の水素ガス供給側、水素ガス排出側の順で説明する。
アノード系20の水素供給側は、下流側(燃料電池スタック10側)に向かって、水素ガスが貯蔵された水素タンク21と、遮断弁22と、エゼクタ23とを主に備えている。水素タンク21は、配管21aを介して遮断弁22に接続しており、遮断弁22は配管22aを介してエゼクタ23に接続している。そして、エゼクタ23は、配管23aを介して燃料電池スタック10のアノード極12に通じる燃料供給口12aに接続している。遮断弁22は、制御装置50と電気的に接続しており、制御装置50からの信号により遮断弁22を所望に開/閉するようになっている。なお、配管22aには減圧弁(不図示)が設けられている。
アノード系20の水素排出側は、気液分離器24と、水素パージ弁(掃気弁)25と、未反応の水素ガスを希釈する希釈器26とを主に備えている。
カソード系30は、燃料電池スタック10のカソード極13に加湿空気(掃気時は非加湿空気)を供給・排出する系である。以下、カソード系30の空気供給側、空気排出側の順で説明する。
カソード系30の空気供給側は、下流側(燃料電池スタック側)に向かって、コンプレッサ31と、配管31aとを主に備えている。コンプレッサ31は、配管31aを介して燃料電池スタック10のカソード極13に通じる空気供給口13aに接続している。コンプレッサ31で圧縮された外気(空気)は、配管31aと空気供給口13aを通して燃料電池スタック10のカソード極13に供給されるようになっている。また、配管31aには、加湿器(不図示)が設けられており、燃料電池スタック10の通常発電時は空気を加湿可能となっている。なお、本実施形態において、カソード極13に供給される加湿空気(酸化剤ガス)が流通する加湿空気供給流路としての酸化剤ガス供給流路は、配管31aによって構成されている。
カソード系30の空気排出側である、燃料電池スタック10のカソード極13に連通する空気排出口13bは、前記配管31bを介して希釈器26に接続している。これにより、空気排出口13bから排出されたカソードオフガス(通常発電時は加湿空気+生成された水、掃気時は掃気ガス(非加湿の空気)+押し出された水)が、配管31bを介して希釈器26に供給されるようになっている。また、配管31bには、背圧弁(不図示)が設けられており、その背圧を調整することで、燃料電池スタック10におけるアノード極12側に供給される水素ガスの圧力と、カソード極13側に供給される空気の圧力とをバランスさせるようになっている。これにより、電解質膜11の寿命を延ばすことができる。
掃気ガス導入系40は、アノード系20の前記配管23aとカソード系30の前記配管31aとを連結する連結流路としての配管41a,41bと、これらの配管41a,41bの間に設けられた開閉弁としての空気導入弁42とを備えている。空気導入弁42は、制御装置50と電気的に接続しており、制御装置50からの信号により開/閉するようになっている。なお、燃料電池スタック10の通常発電時は、この空気導入弁42は閉じられているが、燃料電池スタック10の掃気時は、この空気導入弁42は開弁し、カソード系30から配管41a,41bを介してアノード系20に掃気ガス(非加湿の空気)が導入されるようになっている。
判定手段としての制御装置50は、前記した遮断弁22、水素パージ弁25、ドレイン弁28、空気導入弁42のそれぞれの開/閉制御と、コンプレッサ31の運転/停止制御を含む燃料電池システム1全体の動作を制御し、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス等で構成されている。また、この制御装置50は、燃料電池スタック10の発電時における総発電電圧(出力電圧)を検出する電圧検出手段としての電圧計51から入力される電圧情報に基づいて、空気導入弁42の故障の有無を診断する機能を有しており、燃料電池スタック10の通常発電時に、電圧計51からの電圧情報に基づいて空気導入弁42に故障が発生したと判定した場合は、前記遮断弁22を閉弁するとともに前記コンプレッサ31の運転を停止し、さらに、空気導入弁42用の警告ランプ52aをON(点灯)する等の制御を実行する(詳細は後記する)。なお、警告ランプ52bは、後記する実施形態2において、燃料電池スタック10のアノード極12側とカソード極13側との間でクロスリークが発生したときにON(点灯)される警告ランプである。
次に、燃料電池システム1の燃料電池スタック10の通常発電時における動作を、図1および図2を参照して説明する。図2は、燃料電池スタック10の通常発電時における制御装置50の動作を示すフローチャートである。
ステップS2において、制御装置50は、以下のような空気導入弁42の故障判定時の処理を行う。すなわち、警告ランプ52aをON(点灯)させ、運転者(乗員)に空気導入弁42が故障していることを報知する。さらに、これと同時に、制御装置50は、遮断弁22を閉弁するとともに、コンプレッサ31の運転を停止し、燃料電池スタック10の発電動作を停止させる。
本実施形態に係る燃料電池システムは、図1に示した実施形態1の燃料電池システムと同様に構成されており、重複する説明は省略する。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 電解質膜
12 アノード極
13 カソード極
22 遮断弁
31 コンプレッサ
42 空気導入弁(開閉弁)
50 制御装置(判定手段)
51 電圧計(電圧検出手段)
52a,52b 警告ランプ
Claims (2)
- アノード極に燃料ガスが、カソード極に酸化剤ガスが、それぞれ供給され、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの反応により発電をする燃料電池と、
前記アノード極に供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、
前記カソード極に供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路と、
前記連結流路に設けた開閉弁と、
前記燃料電池の発電時における発電電圧の値を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段からの電圧情報に基づいて、システムに異常が発生しているか否かを判定する判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記判定手段は、前記開閉弁が閉弁状態で、外部の負荷と電気的に接続された前記燃料電池が発電し前記負荷に電力を供給しているときにおいて、前記電圧検出手段からの電圧情報に基づいて発電電圧の値が所定値以下になったと判定したときに、前記開閉弁が開弁している故障状態、及び、前記燃料電池の前記アノード極と前記カソード極との間でクロスリークが発生している状態、の少なくとも一方である、と判定し、
前記所定値は、前記燃料電池から取り出されている現在の電流値に基づいて設定される
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁と、
前記酸化剤ガス供給流路を介して前記カソード極に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
警告ランプと、
を備え、
前記判定手段は、
前記開閉弁が開弁している故障状態、及び、前記燃料電池の前記アノード極と前記カソード極との間でクロスリークが発生している状態、の少なくとも一方である、と判定した場合、
前記警告ランプを点灯し、前記遮断弁を閉弁し、前記コンプレッサを停止し、前記燃料電池の発電を停止する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
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