JP5810992B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
水素欠乏状態診断手段(100a)は、
複数の水素濃度センサ(181)の検出値の平均値(Savg)が予め定められた平均基準濃度(Y1)以下である場合に、複数の単位セル(10)の全てで水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
複数の水素濃度センサ(181)の検出値の平均値(Savg)が平均基準濃度(Y1)より高く、かつ、複数の水素濃度センサ(181)の検出値の少なくとも1つが所定の部分基準濃度(Y2)以下である場合に、複数の単位セル(10)の一部で水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする。
そして、請求項3に記載の発明では、燃料電池(1)の内部に設けられて複数の単位セル(10)それぞれに燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド(16)と、燃料電池(1)の内部に設けられて複数の単位セル(10)それぞれから排出された燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド(17)と、燃料ガス排出マニホールド(17)の内部、または、単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に配置されて燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子(182)を有する水素濃度検出手段(18)と、
複数の濃度反応素子(182)の抵抗値に対応する燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布に基づいて、燃料電池(1)の内部における水素欠乏状態が、複数の単位セル(10)の全てで水素が欠乏した全体欠乏、および複数の単位セル(10)の一部で水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段(100a)と、を備え、
複数の濃度反応素子(182)は、電気的に直列接続された直列接続体を構成し、水素濃度検出手段(18)は、直列接続体における抵抗値の変化を前記水素濃度の分布として検出することを特徴とする。
これによれば、燃料ガス排出マニホールド(17)、または、単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に、水素濃度検出手段(18)を構成する複数の濃度反応素子(182)を配置し、各濃度反応素子(182)の抵抗値から燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布を検出することで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別することができる。この結果、水素欠乏状態に応じて燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することが可能となる。
また、請求項5に記載の発明では、請求項1、3に記載の発明と同様に、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル(10)が複数積層された燃料電池(1)を備え、燃料電池(1)に対して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路(20)に燃料電池(1)から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路(22)が接続された燃料電池システムを対象としている。
そして、請求項5に記載の発明では、燃料電池(1)の内部に設けられて複数の単位セル(10)それぞれに燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド(16)と、燃料電池(1)の内部に設けられて複数の単位セル(10)それぞれから排出された燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド(17)と、燃料ガス排出マニホールド(17)の内部、または、単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に配置されて燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する濃度反応素子(182)を有し、複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の変化を水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段(18)と、
複数の濃度反応素子(182)の抵抗値に対応する燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布に基づいて、燃料電池(1)の内部における水素欠乏状態が、複数の単位セル(10)の全てで水素が欠乏した全体欠乏、および複数の単位セル(10)の一部で水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段(100a)と、を備え、
水素欠乏状態診断手段(100a)は、複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)が予め定められた第1基準閾値(Rref1)より大きく、かつ、第1基準閾値(Rref1)よりも大きい値に設定された第2基準閾値(Rref2)より大きい場合に、複数の単位セル(10)の全てで水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)が第1基準閾値(Rref1)より大きく、かつ、第2基準閾値(Rref2)以下である場合に、複数の単位セル(10)の一部で水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする。
これによれば、燃料ガス排出マニホールド(17)、または、単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に、水素濃度検出手段(18)を構成する複数の濃度反応素子(182)を配置し、各濃度反応素子(182)の抵抗値変化から燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布を検出し、各濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)を第1基準閾値(Rref1)および第2基準閾値(Rref2)と比較することで、水素欠乏が全体欠乏なのか、部分欠乏なのかを判別することができる。この結果、水素欠乏状態に応じて燃料電池内部の水素濃度を適切に調整することが可能となる。
しかも、請求項5に記載の発明によれば、水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する濃度反応素子(182)を用いて、水素濃度検出手段(18)の構成を簡素化することができる。
本発明の第1実施形態について図1〜図10に基づいて説明する。図1は本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図であり、図2は、単位セル10の要部の断面図(積層方向の断面図)を示している。この燃料電池システムは、電気自動車の一種である、所謂燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ(図示略)等の電気負荷に電力を供給するものである。
(空気極側:カソード側)2H++1/2O2+2e−→H2O
なお、燃料電池1から出力される電気エネルギは、燃料電池1全体として出力される電圧を検出する電圧センサ(図示略)、および、燃料電池1全体として出力される電流を検出する電流センサ(図示略)によって計測される。なお、電圧センサおよび電流センサは、後述する制御装置100に接続されており、各センサの検出値が制御装置100に入力される。
次に、本発明の第2実施形態について図11に基づいて説明する。図11は、本実施形態に係る制御装置100が実行する水素濃度調整処理の流れを示すフローチャートである。なお、本実施形態では、第1実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、水素濃度検出装置18の検知部として、水素濃度に相関して抵抗値(物理量)が変化する濃度反応素子182を用いている。濃度反応素子182は、水素濃度の低下に伴って抵抗値が増大する素子を用いている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
10 単位セル
16 水素供給用マニホールド(燃料ガス供給マニホールド)
17 水素排出用マニホールド(燃料ガス排出マニホールド)
18 水素濃度検出装置(水素濃度検出手段)
181 水素濃度センサ(検知部)
182 濃度反応素子(検知部)
20 水素供給配管(燃料ガス供給流路)
21 水素排出配管(燃料オフガス排出流路)
22 水素循環配管(燃料オフガス循環流路)
25 (燃料ガス供給圧力調整手段)
26 排出弁(燃料オフガス排出手段)
27 (燃料オフガス循環手段)
100 制御装置
100a 水素欠乏状態診断手段
100b 燃料オフガス排出制御手段
100c 燃料オフガス循環制御手段
100d 燃料ガス供給圧力制御手段
Claims (8)
- 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル(10)が複数積層された燃料電池(1)を備え、前記燃料電池(1)に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路(20)に前記燃料電池(1)から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路(22)が接続された燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池(1)の内部に設けられて前記複数の単位セル(10)それぞれに前記燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド(16)と、
前記燃料電池(1)の内部に設けられて前記複数の単位セル(10)それぞれから排出された前記燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド(17)と、
前記燃料ガス排出マニホールド(17)の内部、または、前記単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に配置されて前記燃料オフガスにおける水素濃度を検知する複数の水素濃度センサ(181)を有し、前記複数の水素濃度センサ(181)の検出値の変化を前記水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段(18)と、
前記複数の水素濃度センサ(181)の検出値に対応する前記燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布に基づいて、前記燃料電池(1)の内部における水素欠乏状態が、前記複数の単位セル(10)の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏、および前記複数の単位セル(10)の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段(100a)と、を備え、
前記水素欠乏状態診断手段(100a)は、
前記複数の水素濃度センサ(181)の検出値の平均値(Savg)が予め定められた平均基準濃度(Y1)以下である場合に、前記複数の単位セル(10)の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
前記複数の水素濃度センサ(181)の検出値の平均値(Savg)が前記平均基準濃度(Y1)より高く、かつ、前記複数の水素濃度センサ(181)の検出値の少なくとも1つが所定の部分基準濃度(Y2)以下である場合に、前記複数の単位セル(10)の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記部分基準濃度(Y2)は、前記燃料ガス排出マニホールド(17)における燃料オフガス流れの上流側から下流側に向かって高くなるように設定されてい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。
- 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル(10)が複数積層された燃料電池(1)を備え、前記燃料電池(1)に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路(20)に前記燃料電池(1)から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路(22)が接続された燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池(1)の内部に設けられて前記複数の単位セル(10)それぞれに前記燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド(16)と、
前記燃料電池(1)の内部に設けられて前記複数の単位セル(10)それぞれから排出された前記燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド(17)と、
前記燃料ガス排出マニホールド(17)の内部、または、前記単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に配置されて前記燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子(182)を有する水素濃度検出手段(18)と、
前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値に対応する前記燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布に基づいて、前記燃料電池(1)の内部における水素欠乏状態が、前記複数の単位セル(10)の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏、および前記複数の単位セル(10)の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段(100a)と、を備え、
前記複数の濃度反応素子(182)は、電気的に直列接続された直列接続体を構成し、
前記水素濃度検出手段(18)は、前記直列接続体における抵抗値の変化を前記水素濃度の分布として検出することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記水素欠乏状態診断手段(100a)は、
前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)が予め定められた第1基準閾値(Rref1)より大きく、かつ、前記第1基準閾値(Rref1)よりも大きい値に設定された第2基準閾値(Rref2)より大きい場合に、前記複数の単位セル(10)の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)が前記第1基準閾値(Rref1)より大きく、かつ、前記第2基準閾値(Rref2)以下である場合に、前記複数の単位セル(10)の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 - 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる単位セル(10)が複数積層された燃料電池(1)を備え、前記燃料電池(1)に対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路(20)に前記燃料電池(1)から排出された燃料オフガスを戻すための燃料オフガス循環流路(22)が接続された燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池(1)の内部に設けられて前記複数の単位セル(10)それぞれに前記燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールド(16)と、
前記燃料電池(1)の内部に設けられて前記複数の単位セル(10)それぞれから排出された前記燃料オフガスを集合させる燃料ガス排出マニホールド(17)と、
前記燃料ガス排出マニホールド(17)の内部、または、前記単位セル(10)における燃料ガス流路(15a)の出口部に配置されて前記燃料オフガスにおける水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する複数の濃度反応素子(182)を有し、前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の変化を水素濃度の分布として検出する水素濃度検出手段(18)と、
前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値に対応する前記燃料ガス排出マニホールド(17)における水素濃度の分布に基づいて、前記燃料電池(1)の内部における水素欠乏状態が、前記複数の単位セル(10)の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏、および前記複数の単位セル(10)の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏を診断する水素欠乏状態診断手段(100a)と、を備え、
前記水素欠乏状態診断手段(100a)は、
前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)が予め定められた第1基準閾値(Rref1)より大きく、かつ、前記第1基準閾値(Rref1)よりも大きい値に設定された第2基準閾値(Rref2)より大きい場合に、前記複数の単位セル(10)の全てで前記水素が欠乏した全体欠乏であると判定し、
前記複数の濃度反応素子(182)の抵抗値の合算値(R)が前記第1基準閾値(Rref1)より大きく、かつ、前記第2基準閾値(Rref2)以下である場合に、前記複数の単位セル(10)の一部で前記水素が欠乏した部分欠乏であると判定することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料オフガス循環流路(22)から分岐されて前記燃料オフガスを外部に排出するための燃料オフガス排出流路(21)と、
前記燃料オフガス排出流路(21)に設けられ、前記燃料オフガスを外部に排出する燃料オフガス排出手段(26)と、
前記燃料オフガス排出手段(26)の作動を制御する燃料オフガス排出制御手段(100b)と、を備え、
前記燃料オフガス排出制御手段(100b)は、前記水素欠乏状態診断手段(100a)にて前記全体欠乏と判定された場合に、前記燃料オフガス排出流路(21)を介して前記燃料オフガスを外部に排出するように前記燃料オフガス排出手段(26)を制御することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料オフガス循環流路(22)に設けられ、前記燃料ガス供給流路(20)に前記燃料オフガスを戻す燃料オフガス循環手段(27)と、
前記燃料オフガス循環手段(27)の作動を制御する燃料オフガス循環制御手段(100c)と、を備え、
前記燃料オフガス循環制御手段(100c)は、前記水素欠乏状態診断手段(100a)にて前記部分欠乏と判定された場合に、前記燃料ガス供給流路(20)に戻す前記燃料オフガスの循環量が増大するように前記燃料オフガス循環手段(27)を制御することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料ガス供給流路(20)に設けられ、前記燃料ガス供給マニホールド(16)への前記燃料ガスの供給圧力を調整する燃料ガス供給圧力調整手段(25)と、
前記燃料ガス供給圧力調整手段(25)の作動を制御する燃料ガス供給圧力制御手段(100d)と、を備え、
前記燃料ガス供給圧力制御手段(100d)は、前記水素欠乏状態診断手段(100a)にて前記部分欠乏と判定された場合に、前記燃料ガス供給マニホールド(16)に供給する前記燃料ガスの供給圧力が増大するように前記燃料ガス供給圧力調整手段(25)を制御することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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