JP4791753B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、このような燃料電池システムによれば、開閉弁を通り抜けたガスが燃料電池によって希釈等されない前に、ガス検出手段によって検出することができる。これにより、開閉弁の作動状態を良好に検出することができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスタンクと前記連結流路の接続点との間の前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁を備え、前記燃料電池の通常発電時、前記故障判定手段が前記開閉弁は故障していると判定した場合、前記制御手段は、前記遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させることが好ましい。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスタンクと前記連結流路の接続点との間の前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁を備え、前記燃料電池の通常発電時、前記故障判定手段が前記開閉弁は故障していると判定した場合、前記制御手段は、前記遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させることが好ましい。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の掃気時、前記制御手段が前記開閉弁に開指令を送っている場合において、前記酸化剤ガス濃度検出手段の検出する実測酸化剤ガス濃度が所定酸化剤ガス濃度以下であるとき、前記故障判定手段は前記開閉弁が故障していると判定し、前記制御手段は前記コンプレッサを停止させることが好ましい。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記開閉弁の故障を報知する警告ランプを備え、前記故障判定手段が前記開閉弁は故障していると判定した場合、前記制御手段は、前記警告ランプを作動させることが好ましい。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム1A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10と、燃料電池10のアノード12に水素ガス(燃料ガス、反応ガス)を供給・排出するアノード系20と、燃料電池10のカソード13に加湿空気(酸化剤ガス、反応ガス)を供給・排出するカソード系30と、燃料電池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のアノード側に導入する掃気ガス導入系40(連結系)と、これらを制御するECU50(Electronic Control Unit、制御装置)と、を主に備えている。なお、燃料電池10の掃気時とは、燃料電池10の発電停止時や発電開始時である。すなわち、燃料電池自動車の場合、燃料電池10の掃気時とは、イグニッションスイッチ(IGSW)のON時やOFF時である。
燃料電池10(燃料電池スタック)は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜11の両面をアノード12(燃料極)およびカソード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、MEAを挟持するセパレータ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。セパレータには、電解質膜11の全面に水素ガス、加湿空気をそれぞれ供給するための溝や、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されている。そして、アノード12に水素ガスが、カソード13に加湿空気が供給されると、前記膜電極接合体において電位差が発生し、燃料電池10の出力端子に接続した走行モータなどの外部負荷からの電力要求に応じて、燃料電池10が発電するようになっている。
アノード系20は、燃料電池10のアノード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10のアノード12に通じる燃料供給口12aに接続している。配管22aには、図示しない減圧弁が設けられている。遮断弁22は、後記するECU50の制御部51と電気的に接続しており、制御部51は遮断弁22を所望に開/閉するようになっている。
したがって、遮断弁22を開くと、水素タンク21から、水素ガスが所定に減圧された後、燃料電池10のアノード12に供給されるようになっている。
なお、本実施形態において、アノード12に供給される水素ガスが流通する水素ガス供給流路(燃料ガス供給流路)は、配管21aと、遮断弁22と、配管22aと、エゼクタ23と、配管23aとによって構成されている(燃料ガス供給流路手段)。
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25(掃気弁)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。
また、気液分離器24は、冷媒が流通する冷媒配管(図示しない)などを備えており、配管24aを介して、内部に導入されたアノードオフガスを所定に冷却し、未反応の水素ガスと水とに気液分離するようになっている。ただし、気液分離器24の気液分離方式はこれに限定されず、例えば遠心力により分離する方式であってもよい。
希釈器26の下流側には、希釈された水素ガスや、気液分離器24により分離され希釈器26に導入された水を含むドレン水を、外部に排出する配管26aが、適所に設けられている。
カソード系30は、燃料電池10のカソード13に加湿空気(掃気時は非加湿空気)を供給・排出する系であり、コンプレッサ31(ポンプ)と、水素センサ32(ガス検出手段)と、を主に備えている。
カソード系30の空気供給側について説明すると、コンプレッサ31は、外気を取り込み、圧縮し、カソード13に送る機器である。コンプレッサ31は、配管31aを介して、燃料電池10のカソード13に通じる空気供給口13aに接続している。また、配管31aには、加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池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(酸化剤ガス供給流路)は、配管31aによって構成されている(酸化剤ガス供給流路手段)。
これにより、水素センサ32が、開閉弁42を通り抜け、燃料電池10に流れ込む前の水素ガスを検出するようになっている。すなわち、開閉弁42を通過した直後の水素ガスが速やかに検出される。
カソード系30の空気排出側について説明すると、燃料電池10のカソード13に連通する空気排出口13bは、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+生成した水、掃気時は掃気ガス+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(図示しない)が設けられており、その背圧を調整することで、燃料電池10におけるアノード12側の水素ガスの圧力と、カソード13側の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の寿命は延ばされる。
掃気ガス導入系40(連結系)は、配管23aと配管31aとを接続する配管41(燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路とを連結する連結流路)と、配管41に設けられた開閉弁42とを備えている(掃気ガス導入手段)。そして、開閉弁42は、制御部51と電気的に接続しており、制御部51は開閉弁42を開/閉するようになっている。なお、燃料電池10の通常発電時、開閉弁42は閉じられ、配管41内のガスの流通が遮断される。一方、燃料電池10の掃気時、開閉弁42は開かれ、カソード系30からアノード系20に掃気ガス(非加湿の空気)が導入される。
ECU50は、制御部51(制御手段、故障判定部)と、制御データ記憶部52(故障判定データ記憶部)とを備えており、これらはCPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路、各種記憶媒体などから構成されている。
制御部51は、遮断弁22と、コンプレッサ31と、開閉弁42と電気的に接続しており、これらを所望に制御するようになっている。制御部51は、水素センサ32と電気的に接続しており、水素センサ32による実測水素ガス濃度を監視している。また、制御部51は、後記する警告ランプ61と電気的に接続しており、警告ランプ61を適宜にON/OFFするようなっている。さらに、制御部51は、燃料電池自動車のIGSWと接続しており、IGSWのON/OFFに連動するようになっている。
制御部51は、開閉弁42が故障しているか否かを判定する故障判定機能を有している(図2、S101)。具体的に説明すると、燃料電池10の通常発電時において、開閉弁42に閉指令を発している場合において、水素センサ32による実測水素ガス濃度と、制御データ記憶部52の所定水素ガス濃度とを比較して、「実測水素ガス濃度>所定水素ガス濃度」のとき、開閉弁42を通り抜けて、アノード系20からカソード系30に水素ガスが流れており、開閉弁42が故障していると判定するようになっている(図2、S101・Yes)。
制御データ記憶部52には、予備実験などにより求められた所定水素ガス濃度が記憶されている。所定水素ガス濃度とは、開閉弁42に閉指令が送られている場合において、開閉弁42が故障しているか否かと判定するため、基準となる水素ガス濃度である。制御データ記憶部52は、制御部51と電気的に接続しており、制御部51は、所定水素ガス濃度を適宜参照可能となっている。
その他、燃料電池システム1Aは、インストルメントパネルに設けられた警告ランプ61を備えている。警告ランプ61は、制御部51と電気的に接続しており、制御部51は警告ランプ61を適宜にON/OFFするようになっている。
次に、図1に加えて図2を参照して、制御部51に設定されたフローチャートと共に、燃料電池システム1Aの燃料電池10の通常発電時における動作について説明する。なお、制御部51は、図2に示すフローチャートの各ステップの処理を繰り返して行っている。
ここで、燃料電池10の通常発電時、燃料電池自動車のIGSWはONされ、燃料電池システム1Aは起動している。また、この通常発電時において、遮断弁22は開かれ、水素タンク21からアノード12に水素ガスが送られると共に、コンプレッサ31は作動し、この作動するコンプレッサ31からカソード13に加湿空気が送られている。一方、制御部51は、開閉弁42に閉指令を送っている。さらに、ここでは、通常発電時において、アノード12に供給される水素ガスの圧力が、カソード13に供給される加湿空気の圧力より高い場合について説明する。
具体的には、制御部51は、水素センサ32が検出した実測水素濃度と、制御データ記憶部52に記憶された所定水素濃度とを比較して、「実測水素ガス濃度>所定水素ガス濃度」の場合、開閉弁42が故障していると判定し(S101・Yes)、ステップS102に進む。
一方、「実測水素ガス濃度≦所定水素ガス濃度」の場合(S101・No)、処理はリターンに進んだ後、スタートに戻る。
ステップS102において、制御部51は、警告ランプ61をONする。これにより、燃料電池自動車の運転者が、開閉弁42が故障していることを視認することができる。
これと共に、制御部51は、遮断弁22を閉じ、コンプレッサ31をOFFし、燃料電池システム1Aを停止させる。これにより、開閉弁42を通り抜けた水素ガスがカソード13に供給された状態での燃料電池10の発電が停止する。すなわち、電解質膜11の両側に水素ガスが存在する状況下での燃料電池10の発電は停止され、電解質膜11などの劣化は防止される。
10 燃料電池
11 電解質膜
12 アノード
13 カソード
20 アノード系
22 遮断弁
27 酸素センサ(ガス検出手段)
30 カソード系
31 コンプレッサ
32 水素センサ(ガス検出手段)
40 掃気ガス導入系
42 開閉弁
50 ECU
51 制御部
52 制御データ記憶部
61 警告ランプ
Claims (7)
- アノードに燃料ガスが、カソードに酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
燃料ガスが貯蔵された燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクから前記アノードに向かう燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、
酸化剤ガスを吐出するコンプレッサと、
前記コンプレッサから前記カソードに向かう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られた開閉弁と、
前記開閉弁から前記カソード側かつ前記燃料電池より上流側に位置し、燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
前記開閉弁を制御する制御手段と、
前記開閉弁が故障しているか否か判定する故障判定手段と、
を備え、
前記燃料電池の掃気時、前記制御手段は、前記開閉弁に開指令を送って当該開閉弁を開き、前記コンプレッサからの酸化剤ガスを掃気ガスとして前記アノードに導入し、
前記燃料電池の通常発電時、前記制御手段が前記開閉弁に閉指令を送っている場合において、前記燃料ガス濃度検出手段の検出する実測燃料ガス濃度が所定燃料ガス濃度よりも高いとき、前記故障判定手段は、前記開閉弁は故障していると判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガスタンクと前記連結流路の接続点との間の前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁を備え、
前記開閉弁は閉状態を維持するためのシール部材を備え、
前記所定燃料ガス濃度は、前記シール部材が劣化しているか否かの判断基準となる第1所定燃料ガス濃度と、前記第1所定燃料ガス濃度よりも高く前記開閉弁が故障しているか否かの判断基準となる第2所定燃料ガス濃度と、を含み、
前記燃料電池の通常発電時、前記制御手段が前記開閉弁に閉指令を送っている場合において、
前記第2所定燃料ガス濃度>前記実測燃料ガス濃度>前記第1所定燃料ガス濃度、であるとき、前記故障判定手段は、前記シール部材が劣化していると判定し、前記制御手段は、前記遮断弁を継続して開いて前記燃料ガスタンクから前記アノードに燃料ガスを継続して供給すると共に、前記コンプレッサを継続して作動させ前記コンプレッサから前記カソードに酸化剤ガスを継続して供給し、
前記実測燃料ガス濃度>前記第2所定燃料ガス濃度、であるとき、前記故障判定手段は、前記開閉弁が故障していると判定し、前記制御手段は、前記遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料ガスタンクと前記連結流路の接続点との間の前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁を備え、
前記燃料電池の通常発電時、前記故障判定手段が前記開閉弁は故障していると判定した場合、前記制御手段は、前記遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - アノードに燃料ガスが、カソードに酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
燃料ガスが貯蔵された燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクから前記アノードに向かう燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、
酸化剤ガスを吐出するコンプレッサと、
前記コンプレッサから前記カソードに向かう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られた開閉弁と、
前記開閉弁から前記アノード側かつ前記燃料電池より上流側に位置し、酸化剤ガスの濃度を検出する酸化剤ガス濃度検出手段と、
前記開閉弁を制御する制御手段と、
前記開閉弁が故障しているか否か判定する故障判定手段と、
を備え、
前記燃料電池の掃気時、前記制御手段は、前記開閉弁に開指令を送って当該開閉弁を開き、前記コンプレッサからの酸化剤ガスを掃気ガスとして前記アノードに導入し、
前記燃料電池の通常発電時、前記制御手段が前記開閉弁に閉指令を送っている場合において、前記酸化剤ガス濃度検出手段の検出する実測酸化剤ガス濃度が所定酸化剤ガス濃度よりも高いとき、前記故障判定手段は、前記開閉弁は故障していると判定する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料ガスタンクと前記連結流路の接続点との間の前記燃料ガス供給流路に設けられた遮断弁を備え、
前記燃料電池の通常発電時、前記故障判定手段が前記開閉弁は故障していると判定した場合、前記制御手段は、前記遮断弁を閉じ、前記コンプレッサを停止させる
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の掃気時、前記制御手段が前記開閉弁に開指令を送っている場合において、前記酸化剤ガス濃度検出手段の検出する実測酸化剤ガス濃度が所定酸化剤ガス濃度以下であるとき、前記故障判定手段は前記開閉弁が故障していると判定し、前記制御手段は前記コンプレッサを停止させる
ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の燃料電池システム。 - 前記開閉弁の故障を報知する警告ランプを備え、
前記故障判定手段が前記開閉弁は故障していると判定した場合、前記制御手段は、前記警告ランプを作動させる
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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