JP5899000B2 - Method for judging leakage abnormality of fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムの漏れ異常判定方法に関するものである。 The present invention relates to a leakage abnormality determination method for a fuel cell system.
従来から、例えば車両に搭載される燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池(以下、単位セルという。)を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック(以下、燃料電池という。)としたものが知られている。 Conventionally, as a fuel cell mounted on a vehicle, for example, a membrane electrode structure is formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane from both sides with an anode electrode and a cathode electrode, and a pair of separators are arranged on both sides of the membrane electrode structure. A flat unit fuel cell (hereinafter referred to as a unit cell) is configured, and a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack (hereinafter referred to as a fuel cell).
具体的には、アノード電極に面するアノード流路に燃料として水素ガスを供給するとともに、カソード電極に面するカソード流路に酸化剤として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。 Specifically, hydrogen gas is supplied as a fuel to the anode flow channel facing the anode electrode, and air is supplied as an oxidant to the cathode flow channel facing the cathode electrode. As a result, hydrogen ions generated by the catalytic reaction at the anode electrode pass through the solid polymer electrolyte membrane and move to the cathode electrode, causing an electrochemical reaction with oxygen in the air at the cathode electrode, thereby generating power.
このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、発電停止中において流路内に酸素が残存していると、燃料電池が劣化するとともに、次回システム起動時の発電安定性が低下するという問題がある。そこで、水素と酸素のモル比が所望の条件を満たした状態で各流路を遮断するため、各流路に封止弁を設ける技術が提案されている。 In a fuel cell system equipped with such a fuel cell, if oxygen remains in the flow path when power generation is stopped, there is a problem that the fuel cell deteriorates and power generation stability at the next system startup decreases. . Therefore, a technique has been proposed in which a sealing valve is provided in each channel in order to shut off each channel in a state where the molar ratio of hydrogen and oxygen satisfies a desired condition.
しかしながら、封止弁が劣化してシール部に損傷が発生した場合などには、封止弁の封止性能が低下する。これ以外にも、配管の継ぎ手に損傷が発生した場合や、燃料電池スタックの締結荷重が減少した場合などには、各流路の封止性能が低下し、燃料電池システムの流路封止に漏れ異常が発生する。アノード流路の流路封止に漏れ異常が発生すると、燃料電池の発電停止中にアノード流路から水素ガスが流出して空気が流入する。これにより、燃料電池の次回起動に際し、最初のガス状態として両極に空気が豊富(酸素リッチ)に導入されている状態で起動(以下「エア・エア起動」と言う。)することになる。このエア・エア起動の回数が多くなると、両極を構成する触媒の劣化を引き起こすという問題がある。一方、カソード流路の流路封止に漏れ異常が発生すると、燃料電池停止中にカソード流路に空気が流入して残存し、燃料電池が劣化するとともに、次回システム起動時の発電安定性が低下するとともに、という問題がある。そのため、各流路における漏れ異常の発生を早期に検出することが重要である。 However, when the sealing valve is deteriorated and the seal portion is damaged, the sealing performance of the sealing valve is lowered. In addition to this, when the pipe joint is damaged or when the fastening load of the fuel cell stack is reduced, the sealing performance of each flow path deteriorates, and the flow path sealing of the fuel cell system is reduced. Leakage abnormality occurs. When a leakage abnormality occurs in the anode channel, the hydrogen gas flows out from the anode channel and the air flows in while the fuel cell power generation is stopped. As a result, when the fuel cell is next started, the fuel cell is started in a state where air is abundant (oxygen-rich) in both electrodes as the first gas state (hereinafter referred to as “air / air start”). When the number of times of air / air activation is increased, there is a problem that the catalyst constituting both electrodes is deteriorated. On the other hand, if a leakage abnormality occurs in the cathode flow channel seal, air flows into the cathode flow channel while the fuel cell is stopped, the fuel cell deteriorates, and power generation stability at the next system startup is reduced. There is a problem that it decreases. Therefore, it is important to detect the occurrence of leakage abnormality in each flow channel at an early stage.
特許文献1には、燃料電池発電中に燃料循環系の気密異常の判定を行うことが記載されている。しかしながら引用文献1には、燃料電池停止中に漏れ異常を検知することが記載されていない。燃料電池停止中であれば、燃料循環系だけでなく、カソード極の漏れ異常も考慮する必要がある。
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 describes performing a determination of an airtight abnormality of the fuel circulation system during fuel cell power generation. However, the cited
特許文献2には、燃料電池の電圧の変化に基づいて、燃料電池システムの異常を検知することが記載されている。しかしながら、燃料電池の電圧だけで漏れ異常を判定するのは困難である。例えば、アノード側封止弁の封止性能が大きく低下した場合には、アノード流路が酸素リッチになり、カソード流路が水素リッチになって、転極(逆電位)が発生する。この転極が、ガスマニホールドの接続部付近の単位セルのみで発生すると、燃料電池の総電圧は0Vに接近する。しかしながら、電解質膜を挟んだガスのクロスオーバーが大きくなった場合にも、アノード流路21およびカソード流路22の両方が水素リッチまたは酸素リッチになるので、燃料電池11の総電圧は0Vになる。このように、アノード流路の封止性能が低下した場合と、電解質膜のクロスリークが発生した場合とで、同じ電圧を示すことがあるため、燃料電池の電圧の変化のみに基づいて漏れ異常を判定するのは困難である。
Patent Document 2 describes that an abnormality of the fuel cell system is detected based on a change in the voltage of the fuel cell. However, it is difficult to determine a leakage abnormality only by the voltage of the fuel cell. For example, when the sealing performance of the anode-side sealing valve is greatly reduced, the anode flow path becomes oxygen-rich, the cathode flow path becomes hydrogen-rich, and inversion (reverse potential) occurs. When this inversion occurs only in the unit cells near the connection portion of the gas manifold, the total voltage of the fuel cell approaches 0V. However, even when the gas crossover across the electrolyte membrane increases, both the
本発明は、燃料電池の停止時において、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することが可能な、燃料電池システムの漏れ異常判定方法の提供を課題とする。 An object of the present invention is to provide a leakage abnormality determination method for a fuel cell system that can easily and reliably determine the occurrence of a leakage abnormality in each flow path when the fuel cell is stopped.
上記課題を解決するために、本発明は、燃料供給源(例えば、実施形態における水素タンク30)からアノード流路(例えば、実施形態におけるアノード流路21)に燃料を供給され、カソード流路(例えば、実施形態におけるカソード流路22)に空気を供給されて発電する燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池11)と、前記アノード流路を封止する第1封止手段(例えば、実施形態における遮断弁25およびパージ弁52)と、前記カソード流路を封止する第2封止手段(例えば、実施形態における封止弁56,57)と、前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段(例えば、実施形態における電圧センサ42)と、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマー(例えば、実施形態におけるタイマー46)を有する制御部(例えば、実施形態におけるECU45)と、を備える燃料電池システム(例えば、実施形態における燃料電池システム10)において、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第1所定経過時間(例えば、実施形態における所定経過時間TMSORKERまたは第1所定経過時間T1)前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値(例えば、実施形態における総電圧変化幅閾値Vfcva)を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
In order to solve the above-described problems, the present invention is configured such that fuel is supplied from a fuel supply source (for example, the
燃料電池の発電停止後に相当時間が経過すると、アノード流路およびカソード流路のガスリークに起因して、燃料電池の総電圧が上昇に転じ、各流路の圧力が低下から上昇に転じ、各流路の酸素濃度が急上昇する現象が発生する。なお、各流路封止が正常な場合でも、不可避的なガスリークに起因して、燃料電池が発電停止してから所定経過時間後には前記各現象が発生する。一方で、その所定経過時間前に前記各現象が発生した場合には、各流路封止に過剰なガスリーク(漏れ異常)が発生していると判定できる。
そこで本発明は、燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池の総電圧、アノード流路の圧力、カソード流路の圧力、アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。これにより、第1封止手段および第2封止手段の封止性能の低下をはじめ、各流路の封止性能の低下を一括で検知できる。したがって、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することができる。
When a considerable amount of time elapses after power generation of the fuel cell is stopped, the total voltage of the fuel cell starts to increase due to gas leaks in the anode flow path and the cathode flow path, and the pressure in each flow path changes from a decrease to an increase. A phenomenon occurs in which the oxygen concentration in the road rapidly increases. Even when each flow path seal is normal, the above-described phenomena occur after a predetermined elapsed time since the power generation of the fuel cell is stopped due to inevitable gas leakage. On the other hand, when the above-mentioned phenomena occur before the predetermined elapsed time, it can be determined that an excessive gas leak (leak abnormality) has occurred in each channel seal.
Therefore, the present invention provides at least one of the total voltage of the fuel cell, the pressure of the anode channel, the pressure of the cathode channel, the oxygen concentration of the anode channel, and the oxygen concentration of the cathode channel with respect to the elapsed time after the power generation of the fuel cell is stopped. From any one state change, it was set as the structure which determines the leakage abnormality of the flow-path sealing of a fuel cell system. Thereby, the fall of the sealing performance of each flow path including the fall of the sealing performance of the 1st sealing means and the 2nd sealing means can be detected collectively. Therefore, it is possible to easily and reliably determine the occurrence of leakage abnormality in each flow path.
燃料電池の総電圧が総電圧変化幅閾値を超えた場合には、燃料電池の総電圧の変化幅が大きくなっているので、燃料電池の総電圧が上昇に転じたと判断できる。そして、この現象が第1所定経過時間前に発生した場合には、燃料電池システムの流路封止に漏れ異常があると判定することができる。 When the total voltage of the fuel cell exceeds the total voltage change width threshold value, the change width of the total voltage of the fuel cell is large, it can be determined that the total voltage of the fuel cell is turned upward. If this phenomenon occurs before the first predetermined elapsed time, it can be determined that there is a leakage abnormality in the flow path sealing of the fuel cell system.
本発明は、燃料供給源からアノード流路に燃料を供給され、カソード流路に空気を供給されて発電する燃料電池と、前記アノード流路を封止する第1封止手段と、前記カソード流路を封止する第2封止手段と、前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第2所定経過時間(例えば、実施形態における所定経過時間TMSORKERまたは第2所定経過時間T2)前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じる現象が、第2所定経過時間前に発生したと判断された場合には、燃料電池システムの流路封止に漏れ異常があると判定することができる。
The present invention includes a fuel cell that is supplied with fuel from a fuel supply source to an anode flow path and is supplied with air to a cathode flow path to generate power, a first sealing means that seals the anode flow path, and the cathode flow path. A fuel cell comprising: a second sealing unit that seals a path; a voltage detection unit that detects a total voltage of the fuel cell; and a control unit that includes a timer that measures an elapsed time after power generation of the fuel cell is stopped. In the system, the control unit is configured to stop the power generation of the fuel cell and maintain the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means . Prior to the second predetermined elapsed time (for example, the predetermined elapsed time TMSORKER or the second predetermined elapsed time T2 in the embodiment) after the power generation stop, the pressure of the anode flow path and the pressure of the cathode flow path When at least one Chi is turned to the pressure increase from the pressure drop may be leakage abnormality and determines configuration of the channel seal of the fuel cell system.
If it is determined that a phenomenon in which at least one of the pressure of the anode flow path and the pressure of the cathode flow path changes from a pressure drop to a pressure rise occurs before the second predetermined elapsed time, the flow path of the fuel cell system It can be determined that there is a leakage abnormality in the seal.
本発明は、燃料供給源からアノード流路に燃料を供給され、カソード流路に空気を供給されて発電する燃料電池と、前記アノード流路を封止する第1封止手段と、前記カソード流路を封止する第2封止手段と、前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間(例えば、実施形態における所定経過時間TMSORKERまたは第3所定経過時間T3)前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値(例えば、実施形態におけるアノード側酸素濃度変化幅閾値O2anvaまたはカソード側酸素濃度変化幅閾値O2cava)を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
アノード流路の酸素濃度の変化幅およびカソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えた場合には、酸素濃度の変化幅が大きくなっているので、酸素濃度が急上昇したと判断できる。そして、この現象が第3所定経過時間前に発生した場合には、各流路封止の漏れ異常があると判定する。
The present invention includes a fuel cell that is supplied with fuel from a fuel supply source to an anode flow path and is supplied with air to a cathode flow path to generate power, a first sealing means that seals the anode flow path, and the cathode flow path. A fuel cell comprising: a second sealing unit that seals a path; a voltage detection unit that detects a total voltage of the fuel cell; and a control unit that includes a timer that measures an elapsed time after power generation of the fuel cell is stopped. In the system, the control unit is configured to stop the power generation of the fuel cell and maintain the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means . elapsed time after the power generation stop third predetermined elapsed time (e.g., a predetermined time elapsed TMSORKER or third predetermined elapsed time T3 in the embodiment) in front, with respect to an elapsed time after the power generation stop of the fuel cell, the anode At least one of the change width of the oxygen concentration of the cathode flow path and the change width of the oxygen concentration of the cathode flow path is an oxygen concentration change width threshold value (for example, the anode side oxygen concentration change width threshold value O2anva or the cathode side oxygen concentration change in the embodiment) A configuration may be adopted in which when the width threshold value O2cava) is exceeded, it is determined that the fuel cell system has a leakage of the channel sealing.
When at least one of the change width of the oxygen concentration in the anode flow path and the change width of the oxygen concentration in the cathode flow path exceeds the oxygen concentration change width threshold, the change width of the oxygen concentration is large. Can be judged to have soared. When this phenomenon occurs before the third predetermined elapsed time, it is determined that there is a leakage abnormality of each flow path seal.
本発明は、燃料供給源からアノード流路に燃料を供給され、カソード流路に空気を供給されて発電する燃料電池と、前記アノード流路を封止する第1封止手段と、前記カソード流路を封止する第2封止手段と、前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間(例えば、実施形態における所定経過時間TMSORKERまたは第3所定経過時間T3)前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えた場合には、酸素濃度の絶対値が大きくなっているので、酸素濃度が急上昇したと判断できる。そして、この現象が第3所定経過時間前に発生した場合には、各流路封止の漏れ異常があると判定する。
The present invention includes a fuel cell that is supplied with fuel from a fuel supply source to an anode flow path and is supplied with air to a cathode flow path to generate power, a first sealing means that seals the anode flow path, and the cathode flow path. A fuel cell comprising: a second sealing unit that seals a path; a voltage detection unit that detects a total voltage of the fuel cell; and a control unit that includes a timer that measures an elapsed time after power generation of the fuel cell is stopped. In the system, the control unit is configured to stop the power generation of the fuel cell and maintain the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means . elapsed time after the power generation stop third predetermined elapsed time (e.g., a predetermined time elapsed TMSORKER or third predetermined elapsed time T3 in the embodiment) in front, with respect to an elapsed time after the power generation stop of the fuel cell, the anode When at least one of oxygen concentration and the oxygen concentration of the cathode channel of the de passage exceeds the oxygen concentration threshold may be leakage abnormality and determines configuration of the channel seal of the fuel cell system.
When at least one of the oxygen concentration in the anode flow channel and the oxygen concentration in the cathode flow channel exceeds the oxygen concentration threshold value, it can be determined that the oxygen concentration has rapidly increased because the absolute value of the oxygen concentration has increased. When this phenomenon occurs before the third predetermined elapsed time, it is determined that there is a leakage abnormality of each flow path seal.
本発明は、燃料供給源からアノード流路に燃料を供給され、カソード流路に空気を供給されて発電する燃料電池と、前記アノード流路を封止する第1封止手段と、前記カソード流路を封止する第2封止手段と、前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、(1)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第1所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えたとき、(2)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第2所定経過時間前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたとき、(3)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えたとき、(4)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたとき、の(1)ないし(4)の条件のうち、2つ以上の条件が成立したときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する構成としてもよい。
これにより、各流路封止の漏れ異常の発生を精度よく判定することができる。
The present invention includes a fuel cell that is supplied with fuel from a fuel supply source to an anode flow path and is supplied with air to a cathode flow path to generate power, a first sealing means that seals the anode flow path, and the cathode flow path. A fuel cell comprising: a second sealing unit that seals a path; a voltage detection unit that detects a total voltage of the fuel cell; and a control unit that includes a timer that measures an elapsed time after power generation of the fuel cell is stopped. In the system, the control unit maintains the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means while stopping the power generation of the fuel cell, (1) When an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell is a first predetermined elapsed time before a change width of the total voltage of the fuel cell with respect to an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell exceeds a total voltage change width threshold, (2) Power generation of the fuel cell When at least one of the pressure in the anode flow path and the pressure in the cathode flow path changes from a pressure decrease to a pressure increase before the second predetermined elapsed time after the stop, (3) Power generation of the fuel cell An elapsed time after the stop before a third predetermined elapsed time is at least one of a change width of the oxygen concentration of the anode flow path and a change width of the oxygen concentration of the cathode flow path with respect to the elapsed time after power generation stop of the fuel cell. When one exceeds the oxygen concentration change width threshold, (4) the anode flow path with respect to the elapsed time after the fuel cell power generation stop before the third predetermined elapsed time before the fuel cell power generation stop time When at least one of the oxygen concentration and the oxygen concentration in the cathode flow channel exceeds the oxygen concentration threshold, when two or more of the conditions (1) to (4) are satisfied, Charge may leak abnormality determining configuration of the channel seal of the battery system.
Thereby, it is possible to accurately determine the occurrence of leakage abnormality in each flow path seal.
前記制御部は、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定したときに警告信号を発生する構成としてもよい。
これにより、漏れ異常の発生を燃料電池システムの利用者に警告して、修理を促すことができる。
The control unit may be configured to generate a warning signal when it is determined that there is an abnormality in leakage of the flow path seal of the fuel cell system.
As a result, it is possible to warn the user of the fuel cell system of the occurrence of a leakage abnormality and prompt repair.
前記制御部は、前記燃料電池の起動時の負荷接続前に、前記アノード流路および前記カソード流路のうち少なくとも一方に対する流体導入排出処理(例えば、実施形態におけるOCVパージ処理)を行い、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量よりも多く設定する構成としてもよい。
前記燃料電池システムには、前記アノード流路の出口から入口に燃料を循環させる燃料循環手段(例えば、実施形態における水素ポンプ26)が設けられ、前記制御部は、前記燃料循環手段を動作させて前記アノード流路に対する前記流体導入排出処理を行い、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量よりも多く設定する構成としてもよい。
これにより、各流路封止に漏れ異常が発生した場合でも、アノード流路に残存する酸素ガスを確実に水素ガスで置換して、エア・エア起動を回避することができる。
The controller performs a fluid introduction / discharge process (for example, OCV purge process in the embodiment) on at least one of the anode flow path and the cathode flow path before connecting the load at the time of starting the fuel cell, and the fuel The fluid introduction / discharge at the next fuel cell start-up when the amount of processing of the fluid introduction / discharge process at the next fuel cell start-up when it is determined as a leakage abnormality of the channel seal of the battery system is not determined as a leak abnormality It is good also as a structure which sets more than the processing amount of a process.
The fuel cell system is provided with a fuel circulation means (for example, a
Thus, even when leakage abnormality occurs in each flow path seal, the oxygen gas remaining in the anode flow path can be surely replaced with hydrogen gas, and air / air activation can be avoided.
前記制御部は、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合に、前記第1封止手段による前記アノード流路の封止を解除して、前記アノード流路に対する掃気処理を実行する構成としてもよい。
これにより、アノード流路内の水分が除去されるので、燃料電池の次回起動時におけるアノード流路の水素ガスへの置換が水分によって阻害されるのを抑制することができる。したがって、エア・エア起動による影響を少なくすることができる。
When the control unit determines that the fuel cell system has a channel sealing leak abnormality, the control unit releases the sealing of the anode channel by the first sealing unit and performs a scavenging process on the anode channel. It may be configured to execute.
As a result, moisture in the anode channel is removed, so that the replacement of the anode channel with hydrogen gas at the next start-up of the fuel cell can be suppressed from being inhibited by moisture. Therefore, the influence by the air / air activation can be reduced.
本発明によれば、燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池の総電圧、アノード流路の圧力、カソード流路の圧力、アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。これにより、第1封止手段および第2封止手段の封止性能の低下をはじめ、各流路の封止性能の低下を一括で検知できる。したがって、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することができる。 According to the present invention, of the total voltage of the fuel cell, the pressure of the anode channel, the pressure of the cathode channel, the oxygen concentration of the anode channel, and the oxygen concentration of the cathode channel with respect to the elapsed time after the power generation of the fuel cell is stopped The configuration is such that the leakage abnormality of the flow path seal of the fuel cell system is determined from at least one of the state changes. Thereby, the fall of the sealing performance of each flow path including the fall of the sealing performance of the 1st sealing means and the 2nd sealing means can be detected collectively. Therefore, it is possible to easily and reliably determine the occurrence of leakage abnormality in each flow path.
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合を例にしている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the case where the fuel cell system is mounted on a vehicle is taken as an example.
(燃料電池システム)
図1は燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム10の燃料電池11は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。具体的には、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルが形成され、この単位セルを複数積層して燃料電池(スタック)11が形成されている。各単位セルにおいて、アノード電極とセパレータとの間にアノード流路21が形成され、カソード電極とセパレータとの間にカソード流路22が形成されている。
(Fuel cell system)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system.
As shown in FIG. 1, the
燃料電池11のアノード流路21の入口側にはアノードガス供給配管23が連結され、その上流端部には水素タンク30が接続されている。また、アノード流路21の出口側にはアノードオフガス排出配管35が連結されている。一方、燃料電池11のカソード流路22の入口側にはカソードガス供給配管24が連結され、その上流端部にはエアポンプ33が接続されている。また、カソード流路22の出口側にはカソードオフガス排出配管38が連結されている。本実施形態では、アノード流路21、アノードガス供給配管23、およびアノードオフガス排出配管35がアノードガス流通路61を構成し、カソード流路22、カソードガス供給配管24、およびカソードオフガス排出配管38がカソードガス流通路62を構成している。
An anode
水素ガス(アノードガス)は、水素タンク30からアノードガス供給配管23を流通し、レギュレータ(不図示)により減圧された後、燃料電池11のアノード流路21に供給される。また、アノードガス供給配管23における水素タンク30の近傍には、電磁駆動式の遮断弁25が設けられている。遮断弁25により、水素タンク30からの水素ガスの供給および遮断を切り換えることができる。
Hydrogen gas (anode gas) flows from the
水素ガスが発電に供された後、燃料電池11からアノードオフガスとしてアノードオフガス排出配管35に排出される。そのアノードオフガス排出配管35には、気液分離器としてキャッチタンク53が設けられている。またアノードオフガス排出配管35は、水素ポンプ26を介してアノードガス供給配管23に接続されている。この水素ポンプ26は燃料循環手段として機能し、燃料電池11を通過し排出されたアノードオフガスを、燃料電池11のアノードガスとして再利用できるようになっている。なお、アノードオフガス排出配管35のアノードガス供給配管23への接続部にエゼクタ(不図示)を配置してもよい。さらに、アノードオフガス排出配管35からパージガス排出配管37が分岐され、希釈ボックス31に接続されている。そして、パージガス排出配管37には電磁駆動式のパージ弁52が設けられている。このパージ弁52と、上述した遮断弁25とは、アノード流路21内にアノードガスを封止する封止弁として機能する。
After the hydrogen gas is used for power generation, it is discharged from the
空気(カソードガス)は、エアフローセンサ32を通過した後、エアポンプ33によって加圧され、カソードガス供給配管24を流通し、燃料電池11のカソード流路22に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池11からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管38に排出される。カソードオフガス排出配管38は、希釈ボックス31に接続されている。希釈ボックス31においてアノードオフガスがカソードオフガスによって希釈され、外部へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管38には背圧弁(不図示)が設けられている。また、カソードガス供給配管24とカソードオフガス排出配管38との間に加湿器39が架け渡されている。加湿器39においてカソードオフガスに含まれる水分がカソードガスに移動することにより、カソードガスが加湿されるようになっている。さらに、カソードガス供給配管24およびカソードオフガス排出配管38には、それぞれ電磁駆動式の封止弁56,57が設けられており、カソード流路22内にカソードガスを封止することができるように構成されている。
After passing through the
エアポンプ33と燃料電池11との間を繋ぐカソードガス供給配管24には、掃気ガス導入配管54の一端が接続されている。掃気ガス導入配管54の他端は、アノードガス供給配管23に接続されている。つまり掃気ガスとして、エアポンプ33にて加圧された空気を、燃料電池11のアノード流路21に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管54には電磁弁55が設けられており、エアポンプ33からアノード流路21への空気の供給を遮断できるように構成されている。
One end of a scavenging
アノードガス供給配管23には、アノード流路21内のアノードガス圧力を検出可能な圧力センサ41aが設けられている。またカソードガス供給配管24には、カソード流路22内のカソードガス圧力を計測する圧力センサ41cが設けられている。さらに燃料電池11には、総電圧を計測する電圧センサ42が設けられている。加えてアノードガス供給配管23には、アノード流路21内の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ43aが設けられている。またカソードガス供給配管24には、カソード流路22内の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ43cが設けられている。酸素濃度センサとして、ジルコニア式酸素濃度計のほか、電極式酸素濃度計を採用することができる。
The anode
ECU45は、燃料電池システム10の各構成要素の動作を制御する。具体的に、ECU45は、イグニッションスイッチからのON/OFF信号に基づいて、燃料電池システムの起動および停止を制御する。またECU45は、燃料電池11への要求出力に応じてエアポンプ33および遮断弁25を制御し、所定量の空気および水素ガスを燃料電池11に供給して発電を行わせる。
The
ECU45は、燃料電池システムの停止中に、アノード流路21内の水分の除去等を目的として、アノード掃気処理を行う。具体的には、電磁弁55およびパージ弁52を開弁しアノード流路の封止を解除した上でエアポンプ33を駆動し、カソードガス供給配管24、掃気ガス導入配管54およびアノードガス供給配管23を介してアノード流路21に空気を導入する。アノード流路21内の水分は、導入された空気とともに、アノードオフガス排出配管35およびパージガス排出配管37を通って外部に排出される。
The
ECU45は、燃料電池システムの起動時において、発電の早期安定等を目的として、OCVパージ(流体導入排出処理)を行う。具体的には、まず遮断弁25を開弁して水素ガスをアノード流路21に導入する。アノード流路21の圧力が上昇したところでパージ弁52を開くと、アノード流路21内の残留ガスが、アノードオフガス排出配管35およびパージガス排出配管37を通って排出される。これにより、アノード流路21内の残留ガスが水素ガスで置換される。なお水素ポンプ26を駆動すれば、水素ガスでの置換が促進される。
The
上述した圧力センサ41a,41c、電圧センサ42および酸素濃度センサ43a,43cの計測結果(センサ出力)は、ECU(制御部)45へ入力される。ECU45は、燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマー46を有している。ECU45は、燃料電池の発電停止後の経過時間と、各センサの計測結果とに基づいて、燃料電池システム10の流路封止の漏れ異常を判定する。漏れ異常の判定方法については後に詳述する。ECU45には、車両の搭乗者等に漏れ異常を報知する警報手段47が接続されている。ECU45は、漏れ異常と判定したとき、警報手段47に警告信号を出力して漏れ異常を報知させる。
The measurement results (sensor outputs) of the
(漏れ異常の判定原理)
本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常判定方法は以下の知見に基づいている。
燃料電池の発電停止時には、イグニッションスイッチのOFF信号に基づいて、ECU45が以下の制御を行う。すなわち、エアポンプ33を停止して空気の供給を停止するとともに、遮断弁25を閉弁して水素ガスの供給を停止する。また、アノード側の封止弁(遮断弁25およびパージ弁52)を閉弁してアノード流路21に水素ガスを封止するとともに、カソード側の封止弁56,57を閉弁してカソード流路22に空気を封止する。このとき、燃料電池の劣化を抑制するため、水素ガスと空気中の酸素ガスとのモル比が2以上となるように(水素ガスが過剰となるように)封止する。
(Judgment principle of leakage abnormality)
The fuel cell system leakage abnormality determination method according to the present embodiment is based on the following knowledge.
When power generation of the fuel cell is stopped, the
図2は、燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路のガス濃度との関係を示すグラフである。燃料電池の発電停止直後において、アノード流路21は水素濃度が酸素濃度より大きい水素リッチの状態であり、空気で満たされたカソード流路22は酸素濃度が水素濃度より大きい酸素リッチの状態である。これらの水素ガスおよび酸素ガスは電解質膜を介した電気化学反応により消費されるが、水素ガスが過剰に封止されているため、アノード流路21には水素ガスが残留する。その後、この水素ガスの一部が電解質膜を透過してカソード流路22に移動するため、図2に示すようにアノード流路21の水素濃度は低下する。燃料電池の発電停止後の時間経過とともに、アノード側封止弁25,52の僅かなリークにより、空気がアノード流路21に流入する。そして、流入した空気中の酸素ガスとアノード流路21に残留する水素ガスとが反応して水素ガスが消費されるので、アノード流路21の水素濃度はさらに低下する。なお、反応後のアノード流路21には窒素ガス等が残存している。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell and the gas concentration in the anode channel. Immediately after stopping the power generation of the fuel cell, the
図3は、燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路の圧力との関係を示すグラフである。燃料電池の発電停止後の時間経過とともに、アノード流路21の水素濃度が低下するため、アノード流路21の圧力は低下する。
カソード流路22の圧力も、図3のグラフと同様に変化する。上述したように、燃料電池の発電停止後、アノード流路21の水素ガスの一部が、電解質膜を透過してカソード流路22に移動している。燃料電池の停止時間の経過とともに、カソード側の封止弁56,57の僅かなリークにより、カソード流路22に空気が流入する。そして、流入した空気中の酸素とカソード流路22に存在する水素ガスとが反応して消費されるので、図3のグラフと同様にカソード流路22の圧力は低下する。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell and the pressure in the anode flow path. Since the hydrogen concentration in the
The pressure in the
ここで、カソード流路22の水素ガスが消費されて少なくなると、その後にカソード流路22に流入した酸素ガスは、消費されることなくカソード流路22に残存する。そのため、第2所定経過時間T2の後には、カソード流路22の圧力が低下から上昇に転じることになる(現象2C)。
図4は、燃料電池の発電停止後の経過時間と各流路の酸素濃度との関係を示すグラフである。第3所定経過時間T3の後には、カソード流路22に酸素が残存するようになるため、酸素濃度が急上昇している(現象3C)。
Here, when the hydrogen gas in the
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell and the oxygen concentration in each channel. After the third predetermined elapsed time T3, oxygen remains in the
図5は、燃料電池の発電停止後の経過時間と総電圧との関係を示すグラフである。第1所定経過時間T1の前は、アノード流路21およびカソード流路22ともに水素リッチの状態なので、燃料電池の総電圧は0Vである。これに対して第1所定経過時間T1の後には、カソード流路22が酸素リッチの状態になる。この場合でも、アノード流路21には水素ガスが残っているので、アノード流路21の水素ガスとカソード流路22の酸素ガスとが、電解質膜を介して反応する。したがって、第1所定経過時間T1の後に燃料電池の総電圧は上昇に転じる(現象1)。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell and the total voltage. Before the first predetermined elapsed time T1, both the
このように、アノード流路21の水素ガスがカソード流路22の酸素ガスと反応するため、アノード側の封止弁25,52からアノード流路21に流入した酸素ガスは、水素ガスと反応せずにアノード流路21に残存するようになる。そのため図3に示すように、第2所定経過時間T2の後には、アノード流路21の圧力が低下から上昇に転じることになる(現象2A)。また図4に示すように、第3所定経過時間T3の後には、アノード流路21の酸素濃度が急上昇する(現象3A)。
Thus, since the hydrogen gas in the
図2に戻り、所定経過時間TMSOAKERの後には、アノード流路21において水素ガスが少なくなり酸素ガスが多くなる。これにより、アノード流路21およびカソード流路22ともに酸素ガスが多くなる。そのため、所定時間経過後の燃料電池の次回起動は、最初のガス状態として両極に空気が豊富(酸素リッチ)に導入されている状態で起動する(エア・エア起動する)ことになる。
Returning to FIG. 2, after the predetermined elapsed time TMSO A KER, the hydrogen gas is reduced and the oxygen gas is increased in the
上述した現象1〜3は、封止弁の僅かなリークによりアノード流路21およびカソード流路22に空気が流入することで発生する。なお封止性能が正常な封止弁でも、不可避的に僅かなリークが存在するので、上述した現象1〜3が発生する。アノード側およびカソード側における封止弁の封止性能が正常な場合、図5の第1所定経過時間T1、図3の第2所定経過時間T2、並びに図4の第3所定経過時間T3は、ほぼ同じ値(所定経過時間TMSOAKER)になる。なお、アノード流路21の水素ガスが完全になくなってから酸素濃度が顕著に上昇すると考えられるので、第3所定経過時間T3は、第1所定経過時間T1および第2所定経過時間T2より長くなる場合もある。
これに対して、アノード側およびカソード側における封止弁の封止性能に不均衡があると、各所定経過時間は異なる値になる。例えば、アノード側の封止性能が大幅に低下すると、アノード流路21の水素ガスが流出するため、総電圧の上昇(現象1)は発生せず、各流路の圧力上昇(現象2)および酸素濃度の急上昇(現象3)が先に発生する。この場合の第1所定経過時間T1は、第2所定経過時間T2および第3所定経過時間T3より長くなる。
The
On the other hand, when there is an imbalance in the sealing performance of the sealing valve on the anode side and the cathode side, each predetermined elapsed time becomes a different value. For example, when the anode-side sealing performance is significantly reduced, the hydrogen gas in the
図6は燃料電池の発電停止後の経過時間とアノード流路のガス濃度との関係を示す模式的なグラフであり、図6(a)は封止弁の封止性能が正常の場合であり、図6(b)は封止弁の封止性能が低下した場合である。なお図6(a)は、図2のグラフを模式的に示したものである。
図6(a)に示すように、燃料電池の発電停止後の経過時間(ソーク時間)が所定経過時間TMSOAKERより前のアノード流路21は水素リッチな状態であるが、所定経過時間TMSOAKERより後のアノード流路21は酸素リッチな状態になり、エア・エア起動となる。なお所定経過時間TMSOAKERは、封止性能が正常な封止弁によりエア・エア起動とならないように封止できる封止有効期間と言える。
FIG. 6 is a schematic graph showing the relationship between the elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell and the gas concentration in the anode flow path, and FIG. 6A shows the case where the sealing performance of the sealing valve is normal. FIG. 6B shows the case where the sealing performance of the sealing valve is lowered. FIG. 6 (a) schematically shows the graph of FIG.
As shown in FIG. 6 (a), the
図6(b)に示すように、封止弁の封止性能が低下してリークが大きくなると、アノード流路21に多量の空気が流入し、空気中の酸素ガスが水素ガスと反応する。そのため、水素濃度が急低下する。また、アノード流路21に酸素ガスが残存しやすくなるので、酸素濃度が急上昇する。そのため、アノード流路21が酸素リッチになる時間は、図6(a)の所定経過時間TMSOAKERより短くなっている。この場合には、エア・エア起動となる回数が増加して、燃料電池の劣化が促進されることになる。そのため、所定経過時間TMSOAKERより前のソーク時間TMSOAKにおいて、上述した現象1〜3が発生した場合には、封止弁の封止性能が低下した(漏れ異常がある)と判断することができる。
As shown in FIG. 6B, when the sealing performance of the sealing valve is reduced and the leak becomes large, a large amount of air flows into the
(燃料電池システムの漏れ異常判定方法)
図7は、本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常判定方法のフローチャートである。最初に、燃料電池システムの運転を停止する(S10)。具体的には、イグニッションスイッチのOFF信号に基づいて、ECU45が以下の制御を行う。すなわち、エアポンプ33を停止して空気の供給を停止するとともに、遮断弁25を閉弁して水素ガスの供給を停止する。また、アノード側の封止弁(遮断弁25およびパージ弁52)を閉弁してアノード流路21に水素ガスを封止するとともに、カソード側の封止弁56,57を閉弁してカソード流路22に空気を封止する。そして、ECU45のタイマー46を作動させる。
(Fuel cell system leakage abnormality judgment method)
FIG. 7 is a flowchart of a leakage abnormality determination method for the fuel cell system according to this embodiment. First, the operation of the fuel cell system is stopped (S10). Specifically, the
次に、燃料電池の発電停止後の経過時間(ソーク時間)TMSOAKを計測する(S12)。ソーク時間の計測は、燃料電池が発電停止してから所定時間ごとに定期的に、タイマー46の経過時間を読み取ることによって行う。
次に、各センサにより燃料電池の状態量を計測する(S14)。具体的には、圧力センサ41aによりアノード流路21内の圧力Panを計測し、圧力センサ41cによりカソード流路22内の圧力Pcaを計測する。また、電圧センサ42により燃料電池11の総電圧Vfcを計測する。さらに、酸素濃度センサ43aによりアノード流路21内の酸素濃度O2anを計測するとともに、酸素濃度センサ43cによりカソード流路22内の酸素濃度O2caを計測する。
Then, the elapsed time after the power generation stop of the fuel cell (soak time) TMSO A K measures the (S12). The soak time is measured by reading the elapsed time of the
Next, the state quantity of the fuel cell is measured by each sensor (S14). Specifically, the pressure Pan in the
次に、燃料電池の状態量の変化幅(変化率)を算出する(S16)。具体的には次の各式により、今回計測した状態量と前回計測した状態量との差分を算出する。
dPan =Pan −Pan1
dPca =Pca −Pca1
dVfc =Vfc −Vfc1
dO2an=O2an−O2an1
dO2ca=O2ca−O2ca1
各式の左辺は状態量の変化幅であり、右辺第1項は今回計測した状態量であり、右辺第2項は前回計測した状態量である。
Next, the change width (change rate) of the state quantity of the fuel cell is calculated (S16). Specifically, the difference between the state quantity measured this time and the state quantity measured last time is calculated by the following equations.
dPan = Pan -Pan1
dPca = Pca -Pca1
dVfc = Vfc−Vfc1
dO2an = O2an-O2an1
dO2ca = O2ca-O2ca1
The left side of each expression is the change amount of the state quantity, the first term on the right side is the state quantity measured this time, and the second term on the right side is the state quantity measured last time.
次に、状態量の変化幅が変化幅閾値より大きいか、また状態量自体が閾値より大きいか、次の各式により判断する(S18)。
dPan >Panva ・・・(1)
dPca >Pcava ・・・(2)
dVfc >Vfcva ・・・(3)
dO2an>O2anva ・・・(4)
dO2ca>O2cava ・・・(5)
O2an >O2an2 ・・・(6)
O2ca >O2ca2 ・・・(7)
(1)〜(5)式の右辺は状態量の変化幅閾値であり、(6)、(7)式の右辺は酸素濃度自体の閾値である。各変化幅閾値および各閾値は、上述した現象1〜3の発生が判断できるように、予め実験等で求めておく。
Next, it is determined by the following formulas whether the change width of the state quantity is larger than the change width threshold or whether the state quantity itself is larger than the threshold (S18).
dPan> Panva (1)
dPca> Pcava (2)
dVfc> Vfcva (3)
dO2an> O2anva (4)
dO2ca> O2cava (5)
O2an> O2an2 (6)
O2ca> O2ca2 (7)
The right side of Equations (1) to (5) is a state amount change width threshold, and the right side of Equations (6) and (7) is the threshold of oxygen concentration itself. Each change width threshold and each threshold are obtained in advance by experiments or the like so that the occurrence of the above-described
S18の判断は、(1)〜(7)のうち、いずれか1式の成立を条件としてもよいし、複数式の成立を条件としてもよい。複数式の成立を条件とした場合には、各流路封止の漏れ異常の発生を精度よく判定することができる。
S18の判断がNoの場合は、上述した現象1〜3が発生していないと判断できる。この場合はS20に進み、前回計測した状態量を今回計測した状態量で置換して、S12以下を繰り返す。
The determination in S18 may be made on the condition that any one of (1) to (7) is satisfied, or may be made on the condition that a plurality of expressions are satisfied. When the establishment of a plurality of conditions is a condition, it is possible to accurately determine the occurrence of a leakage abnormality in each flow path seal.
If the determination in S18 is No, it can be determined that the above-described
一方、S18の判断がYesの場合は、上述した現象1〜3が発生したと判断できる。
ただし、流路封止が正常でも所定経過時間後には不可避的に現象1〜3が発生するのであるから、直ちに漏れ異常があると判定することはできない。そこでS22に進み、現在のソーク時間TMSOAKが、封止性能が正常な封止弁の所定経過時間TMSOAKERより短いか判断する。図6(b)を用いて説明したように、所定経過時間TMSOAKERより前に現象1〜3が発生した場合には、封止弁の漏れ異常があると判断できる。そこで、S22の判断がYesの場合はS24に進み、各流路封止の漏れ異常(リーク故障)があると判定する。
On the other hand, when the determination in S18 is Yes, it can be determined that the above-described
However, even if the flow path sealing is normal,
すなわち、S18において(1)式が成立した場合(アノード流路の圧力の変化幅がアノード側圧力変化幅閾値を超えた場合)には、アノードガス圧力Panの変化幅が大きくなっているので、図3のようにアノードガス圧力が低下から上昇に転じた(現象2Aが発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象2Aが第2所定経過時間T2より前に発生したと判断された場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
また、S18において(2)式が成立した場合(カソード流路の圧力の変化幅がカソード側圧力変化幅閾値を超えた場合)には、カソードガス圧力Pcaの変化幅が大きくなっているので、図3と同様にカソードガス圧力が低下から上昇に転じた(現象2Cが発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象2Cが第2所定経過時間T2より前に発生した場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
That is, when the expression (1) is established in S18 (when the change width of the pressure in the anode flow path exceeds the anode side pressure change width threshold value), the change width of the anode gas pressure Pan is large. As shown in FIG. 3, it can be determined that the anode gas pressure has changed from a decrease to an increase (phenomenon 2A has occurred). If it is determined in S22 that this phenomenon 2A has occurred before the second predetermined elapsed time T2, it is determined in S24 that there is a leakage abnormality in each flow path seal.
Further, when the expression (2) is established in S18 (when the change width of the cathode flow path pressure exceeds the cathode side pressure change width threshold value), the change width of the cathode gas pressure Pca is large. As in FIG. 3, it can be determined that the cathode gas pressure has changed from a decrease to an increase (phenomenon 2C has occurred). In S22, when this phenomenon 2C occurs before the second predetermined elapsed time T2, it is determined in S24 that there is a leakage abnormality in each flow path seal.
一方、S18において(3)式が成立した場合(燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えた場合)には、燃料電池の総電圧の変化幅が大きくなっているので、図5のように燃料電池の総電圧が上昇に転じた(現象1が発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象1が第1所定経過時間T1より前に発生した場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
On the other hand, when the expression (3) is satisfied in S18 (when the change width of the total voltage of the fuel cell exceeds the total voltage change width threshold value), the change width of the total voltage of the fuel cell is large. As shown in FIG. 5, it can be determined that the total voltage of the fuel cell has started to increase (
一方、S18において(4)式が成立した場合(アノード流路の酸素濃度の変化幅がアノード側酸素濃度変化幅閾値を超えた場合)には、アノード流路21の酸素濃度O2anの変化幅が大きくなっているので、図4のようにアノード流路21の酸素濃度が急上昇した(現象3Aが発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象3Aが第3所定経過時間T3より前に発生した場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
また、S18において(5)式が成立した場合(カソード流路の酸素濃度の変化幅がカソード側酸素濃度変化幅閾値を超えた場合)には、カソード流路22の酸素濃度O2caの変化幅が大きくなっているので、図4のようにカソード流路22の酸素濃度が急上昇した(現象3Cが発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象3Cが第3所定経過時間T3より前に発生した場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
On the other hand, when the expression (4) is established in S18 (when the change width of the oxygen concentration in the anode flow path exceeds the anode-side oxygen concentration change width threshold value), the change width of the oxygen concentration O2an in the
Further, when the expression (5) is established in S18 (when the change width of the oxygen concentration in the cathode flow path exceeds the cathode side oxygen concentration change width threshold value), the change width of the oxygen concentration O2ca in the
一方、S18において(6)式が成立した場合(アノード流路の酸素濃度がアノード側酸素濃度閾値を超えた場合)には、アノード流路21の酸素濃度O2anの絶対値が大きくなっているので、図4のようにアノード流路21の酸素濃度が急上昇した(現象3Aが発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象3Aが第3所定経過時間T3前に発生した場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
また、S18において(7)式が成立した場合(カソード流路の酸素濃度がカソード側酸素濃度閾値を超えた場合)には、カソード流路22の酸素濃度O2caの絶対値が大きくなっているので、図4のようにカソード流路22の酸素濃度が急上昇した(現象3Cが発生した)と判断できる。そしてS22において、この現象3Cが第3所定経過時間T3前に発生した場合には、S24において各流路封止の漏れ異常があると判定する。
On the other hand, when the expression (6) is established in S18 (when the oxygen concentration in the anode channel exceeds the anode oxygen concentration threshold), the absolute value of the oxygen concentration O2an in the
In addition, when the expression (7) is established in S18 (when the oxygen concentration in the cathode channel exceeds the cathode-side oxygen concentration threshold), the absolute value of the oxygen concentration O2ca in the
図8は、燃料電池システムの停止温度と所定経過時間との関係を示すグラフである。所定経過時間TMSOAKERは、封止弁の封止性能が正常な場合に現象1〜3が発生するまでの時間であって、一定値である。ただし燃料電池の温度が高くなると、シール各部のガス透過性が高まるため、封止性能が低下する。この場合には、図6(b)を用いて説明したように、現象1〜3が発生するまでの時間が短くなる。図8のグラフでは、燃料電池システムの停止温度が高くなるほど、ソーク中の燃料電池の温度が高くなるため、所定経過時間TMSOAKERが短くなっている。そこで、図8のグラフから算出した所定経過時間TMSOAKERを用いれば、漏れ異常の判定を精度よく行うことができる。なお、燃料電池システムの停止温度としては、燃料電池の発電停止時における冷媒温度を用いることができる。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the stop temperature of the fuel cell system and the predetermined elapsed time. The predetermined elapsed time TMSO A KER is a time until the
S24において漏れ異常(リーク故障)があると判定した場合には、警報手段47に警告信号を出力して漏れ異常を報知させるほか、燃料電池の次回起動時におけるOCVパージ(流体導入排出処理)の処理量を、漏れ異常と判定しなかった場合のOCVパージの処理量よりも多く設定する。具体的には、遮断弁25を開弁し、パージ弁52の開弁時間を延長して、アノード流路21への水素ガスの供給量を増加させ、アノード流路21に残存する酸素ガスを確実に水素ガスで置換する。また、水素ポンプ26の回転数や運転時間等の動作量を増加させて、水素ガスへの置換を促進させる。これにより、燃料電池システムに漏れ異常が発生した場合でも、アノード流路21に残存する酸素ガスを確実に水素ガスで置換して、エア・エア起動を回避できるので、燃料電池の劣化を防止することができる。
If it is determined in S24 that there is a leakage abnormality (leak failure), a warning signal is output to the alarm means 47 to notify the leakage abnormality, and an OCV purge (fluid introduction / discharge process) at the next startup of the fuel cell is performed. The processing amount is set to be larger than the processing amount of the OCV purge when it is not determined that there is a leakage abnormality. Specifically, the
なお、S24において漏れ異常(リーク故障)があると判定した場合には、ソーク中にアノード掃気を行うことが望ましい。アノード掃気により、アノード流路21内の水分が除去されるので、燃料電池の次回起動時に、アノード流路21の水素ガスへの置換が水分によって阻害されるのを抑制することができる。これにより、エア・エア起動による影響を少なくできるので、燃料電池の劣化を防止することができる。
以上により、本実施形態に係る燃料電池システムの漏れ異常の判定処理を終了する。
When it is determined in S24 that there is a leakage abnormality (leak failure), it is desirable to perform anode scavenging during the soak. Since the water in the
Thus, the leakage abnormality determination process for the fuel cell system according to this embodiment is completed.
以上に詳述したように、本実施形態に係る燃料電池システム10の漏れ異常判定方法は、燃料電池11の発電停止とともに、アノード側封止弁25,52とカソード側封止弁56,57とによる燃料電池システム10の流路封止を維持した状態で、燃料電池11の停止後経過時間に対する、燃料電池11の総電圧、アノード流路21の圧力、カソード流路22の圧力、アノード流路21の酸素濃度およびカソード流路22の酸素濃度のうち、少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システム10の流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。
As described above in detail, the leakage abnormality determination method for the
燃料電池の発電停止後に相当時間が経過すると、アノード流路21およびカソード流路22のガスリークに起因して、燃料電池11の総電圧が上昇に転じ、各流路21,22の圧力が低下から上昇に転じ、各流路21,22の酸素濃度が急上昇する現象が発生する。なお、各流路封止が正常な場合でも、不可避的なガスリークに起因して、燃料電池が発電停止してから所定経過時間後には前記各現象が発生する。一方で、その所定経過時間前に前記各現象が発生した場合には、各流路封止に過剰なガスリーク(漏れ異常)が発生していると判定できる。
When a considerable time elapses after the power generation of the fuel cell is stopped, the total voltage of the
そこで本実施形態では、燃料電池11の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池11の総電圧、アノード流路21の圧力、カソード流路22の圧力、アノード流路21の酸素濃度およびカソード流路22の酸素濃度のうち、少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システム10の流路封止の漏れ異常を判定する構成とした。これにより、各封止弁の封止性能の低下をはじめ、各流路の封止性能の低下を一括で検知できる。したがって、各流路における漏れ異常の発生を、簡単かつ確実に判定することができる。これに伴って、燃料電池の次回起動がエア・エア起動となるのを回避する措置を取ることができるので、燃料電池の劣化を抑制することができる。
Therefore, in this embodiment, the total voltage of the
なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態の構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、燃料電池システム10の構成は、実施形態の構成に限られず、他の構成としてもよい。
また、実施形態では遮断弁25およびパージ弁52をアノード側の封止弁として機能させたが、遮断弁25およびパージ弁52以外の弁を封止弁として機能させてもよく、カソード側と同様に専用の封止弁を設けてもよい。
It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the configuration of the above-described embodiment is merely an example, and can be changed as appropriate.
For example, the configuration of the
In the embodiment, the shut-off
また、実施形態では所定経過時間TMSOAKERより前のソーク時間TMSOAKにおいて、上述した現象1〜3が発生した場合には、流路封止の漏れ異常があると判定した。これに対して、一律に所定経過時間TMSOAKERを使用することなく、現象1については第1所定経過時間T1を使用し、現象2については第2所定経過時間T2を使用し、現象3については第3所定経過時間T3を使用して判定してもよい。
In the embodiment, when the above-described
10…燃料電池システム 11…燃料電池 21…アノード流路 22…カソード流路 25…遮断弁(第1封止手段) 26…水素ポンプ(燃料循環手段) 30…水素タンク(燃料供給源) 42…電圧センサ(電圧検知手段) 45…ECU(制御部) 46…タイマー 47…警報手段 52…パージ弁(第1封止手段) 56…封止弁(第2封止手段) 57…封止弁(第2封止手段)
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記アノード流路を封止する第1封止手段と、
前記カソード流路を封止する第2封止手段と、
前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第1所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 A fuel cell that is supplied with fuel from the fuel supply source to the anode flow path and is supplied with air to the cathode flow path;
First sealing means for sealing the anode flow path;
A second sealing means for sealing the cathode channel;
Voltage detecting means for detecting the total voltage of the fuel cell;
A control unit having a timer for measuring an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell;
In a fuel cell system comprising:
The controller is
With the power generation stop of the fuel cell, while maintaining the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means,
When the change width of the total voltage of the fuel cell with respect to the elapsed time after the stoppage of power generation of the fuel cell exceeds the total voltage change width threshold before the first predetermined elapsed time before the stoppage of power generation of the fuel cell In addition, it is determined that the fuel cell system has a flow path sealing leak abnormality.
A leakage abnormality determination method for a fuel cell system.
前記アノード流路を封止する第1封止手段と、
前記カソード流路を封止する第2封止手段と、
前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第2所定経過時間前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 A fuel cell that is supplied with fuel from the fuel supply source to the anode flow path and is supplied with air to the cathode flow path;
First sealing means for sealing the anode flow path;
A second sealing means for sealing the cathode channel;
Voltage detecting means for detecting the total voltage of the fuel cell;
A control unit having a timer for measuring an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell;
In a fuel cell system comprising:
The controller is
With the power generation stop of the fuel cell, while maintaining the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means,
When the fuel cell has stopped generating power before the second predetermined elapsed time, when at least one of the pressure in the anode flow path and the pressure in the cathode flow path has changed from a pressure drop to a pressure rise, It is determined that there is a leakage abnormality in the battery system flow path seal.
A leakage abnormality determination method for a fuel cell system.
前記アノード流路を封止する第1封止手段と、
前記カソード流路を封止する第2封止手段と、
前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 A fuel cell that is supplied with fuel from the fuel supply source to the anode flow path and is supplied with air to the cathode flow path;
First sealing means for sealing the anode flow path;
A second sealing means for sealing the cathode channel;
Voltage detecting means for detecting the total voltage of the fuel cell;
A control unit having a timer for measuring an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell;
In a fuel cell system comprising:
The controller is
With the power generation stop of the fuel cell, while maintaining the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means,
The elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell before the third predetermined elapsed time, the change width of the oxygen concentration in the anode channel and the oxygen concentration in the cathode channel with respect to the elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell. When at least one of the change widths exceeds an oxygen concentration change width threshold value, it is determined that the fuel cell system has a leakage of the channel seal.
A leakage abnormality determination method for a fuel cell system.
前記アノード流路を封止する第1封止手段と、
前記カソード流路を封止する第2封止手段と、
前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 A fuel cell that is supplied with fuel from the fuel supply source to the anode flow path and is supplied with air to the cathode flow path;
First sealing means for sealing the anode flow path;
A second sealing means for sealing the cathode channel;
Voltage detecting means for detecting the total voltage of the fuel cell;
A control unit having a timer for measuring an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell;
In a fuel cell system comprising:
The controller is
With the power generation stop of the fuel cell, while maintaining the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means,
At least one of the oxygen concentration in the anode flow channel and the oxygen concentration in the cathode flow channel with respect to the elapsed time after the power generation stop of the fuel cell before the third predetermined elapsed time before the power generation stop time of the fuel cell When the oxygen concentration threshold is exceeded, it is determined that the fuel cell system has a leakage of the channel seal.
A leakage abnormality determination method for a fuel cell system.
前記アノード流路を封止する第1封止手段と、
前記カソード流路を封止する第2封止手段と、
前記燃料電池の総電圧を検知する電圧検知手段と、
前記燃料電池の発電停止後の経過時間を計測するタイマーを有する制御部と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の発電停止とともに、前記第1封止手段と前記第2封止手段とによる前記燃料電池システムの流路封止を維持した状態で、
(1)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第1所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記燃料電池の総電圧の変化幅が総電圧変化幅閾値を超えたとき、
(2)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第2所定経過時間前に、前記アノード流路の圧力および前記カソード流路の圧力のうち少なくとも一方が圧力低下から圧力上昇に転じたとき、
(3)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度の変化幅および前記カソード流路の酸素濃度の変化幅のうち少なくとも一方が酸素濃度変化幅閾値を超えたとき、
(4)前記燃料電池の発電停止後の経過時間が第3所定経過時間前に、前記燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、前記アノード流路の酸素濃度および前記カソード流路の酸素濃度のうち少なくとも一方が酸素濃度閾値を超えたとき、
の(1)ないし(4)の条件のうち、2つ以上の条件が成立したときに、前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定する、
ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 A fuel cell that is supplied with fuel from the fuel supply source to the anode flow path and is supplied with air to the cathode flow path;
First sealing means for sealing the anode flow path;
A second sealing means for sealing the cathode channel;
Voltage detecting means for detecting the total voltage of the fuel cell;
A control unit having a timer for measuring an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell;
In a fuel cell system comprising:
The controller is
With the power generation stop of the fuel cell, while maintaining the flow path sealing of the fuel cell system by the first sealing means and the second sealing means,
(1) An elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell is before a first predetermined elapsed time, and a change width of the total voltage of the fuel cell with respect to an elapsed time after stopping the power generation of the fuel cell is set to a total voltage change width threshold value. When exceeded
(2) When at least one of the pressure in the anode flow path and the pressure in the cathode flow path changes from a pressure drop to a pressure rise before the second predetermined elapsed time before the fuel cell power generation stoppage,
(3) The change in oxygen concentration in the anode flow path and the change in the cathode flow path relative to the elapsed time after the fuel cell power generation stop before the third predetermined elapsed time before the fuel cell power generation stop. When at least one of the oxygen concentration change widths exceeds the oxygen concentration change width threshold,
(4) The oxygen concentration in the anode flow channel and the oxygen concentration in the cathode flow channel with respect to the elapsed time after the fuel cell power generation is stopped before the third predetermined elapsed time before the fuel cell power generation is stopped. When at least one of them exceeds the oxygen concentration threshold,
When two or more of the conditions (1) to (4) are satisfied, it is determined that the fuel cell system has a leakage of the channel seal.
A leakage abnormality determination method for a fuel cell system.
前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定したときに警告信号を発生する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 The controller is
A warning signal is generated when it is determined that the fuel cell system has a leakage of the channel seal.
Leakage abnormality determination method of a fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, characterized in that.
前記燃料電池の起動時の負荷接続前に、前記アノード流路および前記カソード流路のうち少なくとも一方に対する流体導入排出処理を行い、
前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記流体導入排出処理の処理量よりも多く設定する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 The controller is
Before connecting the load at the time of starting the fuel cell, perform a fluid introduction / discharge process for at least one of the anode flow path and the cathode flow path,
The fluid at the next start of the fuel cell when the amount of processing of the fluid introduction / discharge process at the next start of the fuel cell when it is determined as a leakage abnormality of the flow path seal of the fuel cell system is not determined as a leak abnormality Set more than the amount of introduction discharge processing,
The fuel cell system leakage abnormality determination method according to any one of claims 1 to 6 , characterized in that:
前記制御部は、
前記燃料循環手段を動作させて前記アノード流路に対する前記流体導入排出処理を行い、
前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量を、漏れ異常と判定しなかった場合の次回燃料電池起動時における前記燃料循環手段の動作量よりも多く設定する、
ことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 The fuel cell system is provided with fuel circulation means for circulating fuel from the outlet to the inlet of the anode flow path,
The controller is
The fluid circulation means is operated to perform the fluid introduction / discharge process with respect to the anode flow path,
The fuel circulation at the next start of the fuel cell when the operation amount of the fuel circulation means at the next start of the fuel cell when it is determined as a leakage abnormality of the flow path seal of the fuel cell system is not determined as a leak abnormality Set more than the amount of movement of the means,
The fuel cell system leakage abnormality determination method according to claim 7 .
前記燃料電池システムの流路封止の漏れ異常と判定した場合に、前記第1封止手段による前記アノード流路の封止を解除して、前記アノード流路に対する掃気処理を実行する、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池システムの漏れ異常判定方法。 The controller is
When it is determined that the fuel cell system has a channel sealing leakage abnormality, the anode channel sealing by the first sealing unit is released, and a scavenging process is performed on the anode channel.
The fuel cell system leakage abnormality determination method according to any one of claims 1 to 6 , characterized in that:
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