JP4692869B2 - 燃料電池システムの異常検出装置 - Google Patents
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Description
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図1は第1実施形態に関わる燃料電池システム10の主要構成図である。同システム10は燃料電池電気自動車搭載用の発電システムであり、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて電力発電を行う燃料電池(セルスタック)20を備えている。燃料電池20はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜21の両面にアノード極22とカソード極23をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体(MEA)24を備えている。膜・電極接合体24の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極22及びカソード極23との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル25及びカソードガスチャンネル26を形成している。ここでは説明の便宜上、膜・電極接合体24、アノードガスチャンネル25、及びカソードガスチャンネル26から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
図3は第2実施形態に関わるガス状態量検出手段の構成図である。本実施形態においては水素オフガスの圧力を検出する圧力センサS2を水素排気バルブA3の下流側の排気通路33に設置している。マップデータ90aには水素排気バルブA3にガス漏れが生じてないときの検出圧力Pを基準圧力とし、この基準圧力からの圧力上昇分に対応するガス漏れ量が記録されている。制御部(異常判断手段)90は水素排気バルブA3に開閉制御信号を与え、開閉制御信号が与えられる前後の圧力変動を検出し、マップデータ90aを参照して水素排気バルブA3の開閉異常を判断する。
図4は第3実施形態に関わるガス状態量検出手段の構成図である。本実施形態においては水素オフガスの温度を検出する温度センサS3を水素排気バルブA3の上流側の排気通路33に設置し、温度センサS4を水素排気バルブA3の下流側の排気通路33に設置している。温度センサS3の検出温度をTX、温度センサS4の検出温度をTYとすると、水素排気バルブA3が開弁している状態ではTX=TYとなる。一方、水素排気バルブA3が閉弁している状態では、電池反応によって生じた熱によって水素オフガスは昇温しているため、TX>TYとなる。TX,TYの温度差を検出することによって、水素排気バルブA3のガス漏れを検出することができる。マップデータ90bには温度差(TX−TY)に対するガス漏れ量が記録されている。温度差(TX−TY)が小さい程、ガス漏れが多く、温度差(TX−TY)が大きい程、ガス漏れが少ない。
図5は第4実施形態に関わるガス状態量検出手段の構成図である。本実施形態においては対向配置された一対の電極S5,S6を混合室50内部に設置している。混合室50に外部ガスのみが導入されている状態と、水素オフガスが外部ガスに混合している状態とでは、ガスの誘電率が異なるため、電極S5,S6間のキャパシタ容量変化を読み取ることにより、水素排気バルブA3の開閉異常を判断できる。制御部(異常判断手段)90は水素排気バルブA3に開閉制御信号を与え、開閉制御信号が与えられる前後のキャパシタ容量変化を検出して、水素排気バルブA3の開閉異常を判断する。
図6は第5実施形態に関わるガス状態量検出手段の構成図である。本実施形態においては電圧源Vに接続する熱線抵抗RXを混合室50内部に設置し、ジュール熱によって熱線抵抗RXを発熱させる。混合室50に外部ガスのみが導入されている状態よりも、水素オフガスが外部ガスに混合している状態の方が熱線抵抗RXの熱伝導率が高いため、熱線抵抗RXの抵抗値Rは低下する。水素排気バルブA3に開閉故障が生じ、水素オフガスが漏れると、熱線抵抗RXの抵抗値Rは減少するため、抵抗値Rを検出することにより、水素排気バルブA3の開閉故障を判断できる。抵抗値Rは電圧源Vの出力電圧を電流センサS7で読み取った電流値で除することにより求めることができる。マップデータ90cには熱線抵抗RXの抵抗値Rに対するガス漏れ量が記録されている。制御部(異常判断手段)90は水素排気バルブA3に開閉制御信号を与え、開閉制御信号が与えられる前後の抵抗値Rの変化量を求め、マップデータ90cを参照して水素排気バルブA3の開閉異常を判断する。
図7は第6実施形態に関わるガス状態量検出手段の構成図である。本実施形態においては水素排気バルブA3の下流側であって、かつ水素センサS1の上流側における排気通路33に気液分離器60を設置し、水素オフガスに含まれる水分を気液分離している。水素センサS1に水滴などが付着すると、水素濃度検出に支承を来たすが、このように水素オフガスを予め気液分離しておくことで、精度の高い水素濃度測定を可能にできる。気液分離器60としては、水素オフガスを高速旋回させることによって水分を遠心方向に飛翔させて気液分離するサイクロン式分離器や、空冷又は水冷による熱交換式の気液分離器などを用いることができる。
Claims (7)
- 燃料電池から排出される水素オフガスを前記燃料電池のアノード極に還流させるための水素オフガス循環流路と、
前記水素オフガス循環流路を循環する水素オフガスの一部を前記水素オフガス循環流路から排気するための排気通路と、
前記排気通路に設けられた水素排気バルブと、
前記排気通路から排気された水素オフガスを被混合ガスと混合させるための混合室と、
前記水素排気バルブの開閉異常を判断する異常判断手段と、を備え、
前記異常判断手段は、前記水素排気バルブの開閉を指令する開閉制御信号の入力前後における前記混合室にて前記被混合ガスと混合された前記水素オフガスの水素濃度変化と、開故障を判断する目安となる第一の閾値濃度及び閉故障を判断する目安となる第二の閾値濃度との比較に基づいて前記水素排気バルブの開閉異常を判断する、燃料電池システムの異常検出装置。 - 燃料電池から排出される水素オフガスを前記燃料電池のアノード極に還流させるための水素オフガス循環流路と、
前記水素オフガス循環流路を循環する水素オフガスの一部を前記水素オフガス循環流路から排気するための排気通路と、
前記排気通路に設けられた水素排気バルブと、
前記排気通路から排気された水素オフガスを被混合ガスと混合させるための混合室と、
前記水素排気バルブの開閉異常を判断する異常判断手段と、を備え、
前記異常判断手段は、前記水素排気バルブの開閉を指令する開閉制御信号の入力前後における前記混合室にて前記被混合ガスと混合された前記水素オフガスの誘電率変化に基づいて前記水素排気バルブの開閉異常を判断する、燃料電池システムの異常検出装置。 - 燃料電池から排出される水素オフガスを前記燃料電池のアノード極に還流させるための水素オフガス循環流路と、
前記水素オフガス循環流路を循環する水素オフガスの一部を前記水素オフガス循環流路から排気するための排気通路と、
前記排気通路に設けられた水素排気バルブと、
前記排気通路から排気された水素オフガスを被混合ガスと混合させるための混合室と、
前記混合室に設けられた熱線抵抗と、
前記水素排気バルブの開閉異常を判断する異常判断手段と、を備え、
前記異常判断手段は、前記水素排気バルブの開閉を指令する開閉制御信号の入力前後における前記熱線抵抗の抵抗値変化に基づいて前記水素排気バルブの開閉異常を判断する、燃料電池システムの異常検出装置。 - 請求項1乃至請求項3のうち何れか1項に記載の燃料電池システムの異常検出装置であって、
前記被混合ガスは、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化ガスの一部である、燃料電池システムの異常検出装置。 - 請求項1乃至請求項4のうち何れか1項に記載の燃料電池システムの異常検出装置であって、
前記水素オフガスを気液分離するための気液分離手段を更に備え、
前記気液分離手段は、前記混合室の上流側の前記排気通路に設けられている、燃料電池システムの異常検出装置。 - 燃料電池から排出される水素オフガスを前記燃料電池のアノード極に還流させるための水素オフガス循環流路と、
前記水素オフガス循環流路を循環する水素オフガスの一部を前記水素オフガス循環流路から排気するための排気通路と、
前記排気通路に設けられた水素排気バルブと、
前記水素排気バルブの開閉異常を判断する異常判断手段と、を備え、
前記異常判断手段は、前記水素排気バルブの開閉を指令する開閉制御信号の入力前後における前記水素排気バルブの上流側の前記排気通路内の温度と前記水素排気バルブの下流側の前記排気通路内の温度との温度差に基づいて前記水素排気バルブの開閉異常を判断する、燃料電池システムの異常検出装置。 - 請求項1乃至請求項6のうち何れか1項に記載の燃料電池システムの異常検出装置であって、
前記燃料電池に水素ガスを供給するための水素供給装置からの水素供給を遮断する遮断弁を更に備え、
前記異常判断手段は、前記水素排気バルブの開閉異常を検出した場合に、前記遮断弁を閉弁する、燃料電池システムの異常検出装置。
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