WO2006070917A1 - 燃料電池の異常検知装置、運転装置及び運転方法 - Google Patents

燃料電池の異常検知装置、運転装置及び運転方法 Download PDF

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an abnormality detection device, an operation device, and an operation method for a fuel cell provided with a membrane-one electrode assembly, and more particularly to a technique for suppressing a cross leak amount after an abnormality is detected.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell abnormality detection device, an operation device, and an operation method capable of suppressing the amount of cross leak after abnormality detection.
  • an abnormality detection device for a fuel cell comprises a membrane.
  • One-electrode assembly A device that detects an abnormality in a fuel cell that generates power by supplying fuel gas to the anode side and oxidizing gas to the cathode side of the one-electrode assembly.
  • the state changing means may change the oxidation gas supply state according to the voltage change, and further increase the back pressure set value on the cathode side as the voltage drop after the operation stops. Also good.
  • An operation method of the fuel cell system is an operation method of a fuel cell that generates power by supplying fuel gas to the anode side of the membrane-one electrode assembly and oxidant gas to the cathode side.
  • An abnormality detection process for detecting an abnormality from a voltage change after the operation is stopped, and a setting change process for changing the setting of the oxidant gas supply state when an abnormality of the fuel cell is detected.
  • the gas supply pressure to the cathode side may be increased as the voltage drop after the operation stops is larger.
  • the membrane of the membrane-electrode assembly After the supply of fuel gas and oxidant gas (hereinafter collectively referred to as “reactive gas”) to the fuel cell is stopped, the membrane of the membrane-electrode assembly has deteriorated and its anode side and cathode side When the reactive gas cross leaks between the two, the power generation voltage of the fuel cell decreases with time. Therefore, according to the fuel cell abnormality detection device and the fuel cell operation method, it is possible to detect a cross leak exceeding the normal range as an abnormality based on a voltage change after the operation is stopped.
  • reactive gas fuel gas and oxidant gas
  • the supply state of the oxidizing gas to the force sword side for example, by increasing the supply pressure on the force sword inlet side or the back pressure on the force sword outlet side
  • the power sword side pressure can be made closer to the anode side pressure set higher than the cathode side pressure, and the cross leak of fuel gas from the anode side to the cathode side is suppressed.
  • the membrane of the membrane-one-electrode assembly deteriorates, the voltage drop after the operation stops increases. Therefore, the larger the voltage drop, the higher the back pressure set value on the force sword outlet side. It is possible to more effectively suppress the fuel gas cross-leak from the anode side to the cathode side, which increases with the progress of this. !
  • a fuel cell operating device is a device for operating a fuel cell that generates power by supplying fuel gas to the anode side of the membrane-one electrode assembly and supplying oxidizing gas to the cathode side, the fuel gas or the oxidizing device
  • An estimation unit configured to estimate whether or not an amount of movement of gas from one of the anode side or the cathode side through the membrane to the other has increased, and when the result of the estimation is positive, the anode side
  • state changing means for changing the gas supply state to the fuel cell so as to reduce the pressure difference on the cathode side.
  • the fuel cell system operating method is a fuel cell operating method in which fuel gas is supplied to the anode side of the membrane-electrode assembly and oxidant gas is supplied to the cathode side to generate electric power.
  • An estimation step for estimating whether or not the amount of movement of the gas or the oxidizing gas from one of the anode side or the cathode side through the membrane to the other has increased, and the result of the estimation is positive
  • a setting change step of changing the setting of the gas supply state to the fuel cell so as to reduce the pressure difference between the anode side and the force sword side.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system including a fuel cell to be subjected to abnormality detection and operation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the processing contents of the cross leak determination and the change of the back pressure set value based on the voltage drop after the operation is stopped.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system including a fuel cell as a target of abnormality detection and operating according to an embodiment of the present first invention.
  • This fuel cell can be applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle, and can also be applied to, for example, a stationary power generation system.
  • air outside air
  • oxidizing gas is used as an air supply path.
  • the air supply path 7 1 includes an air filter A 1 that removes particulates from the air, a compressor A 3 that pressurizes the air, a pressure sensor P 4 that detects the supply air pressure, and a humidifier A 2 that adds the required moisture to the air. 1 is provided.
  • the compressor A 3 is driven by a motor (auxiliary machine).
  • the air off gas discharged from the fuel cell 2; 0 is discharged to the outside through the exhaust path 72.
  • the exhaust path 7 2 is provided with a pressure sensor P 1 for detecting the exhaust pressure, a pressure control valve A 4 and a heat exchanger for the humidifier A 21.
  • the pressure sensor P 1 is provided in the vicinity of the outlet on the power sword side of the fuel cell 20.
  • the pressure regulating valve A 4 functions as a pressure regulator for setting the supply air pressure to the fuel cell 20 by adjusting the pressure on the power sword outlet side of the fuel cell 20.
  • the detection signals of the pressure sensors P 4 and P 1 are sent to the control unit 50.
  • the control unit 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the compressor A 3 and the pressure adjusting valve A 4.
  • hydrogen gas as fuel gas ⁇ is supplied from the hydrogen supply source 30 to the anode inlet side of the fuel cell 20 via the fuel supply path 7 4.
  • the hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be a so-called fuel reformer or a hydrogen storage alloy.
  • An FC inlet valve H 21 and a pressure sensor P 5 for detecting the gas pressure on the anode inlet side of the fuel cell 20 are provided.
  • the detection signals of the pressure sensors Pi 5, P 6 and P 9 are supplied to the control unit 50.
  • the hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged as a hydrogen off gas to the hydrogen circulation path 75 and returned to the downstream side of the pressure regulating valve H 9 in the fuel supply path 74.
  • the hydrogen circulation path 7 5 has a temperature sensor T 3 1 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, a fuel cell 20 and an FC outlet valve H 2 2 that communicates / cuts off the circulation path 75, and recovers moisture from the hydrogen off-gas.
  • Gas-liquid separator H 4 2 2 Drain valve H 4 1 that collects the recovered product water in a circulation path 7 5 and other tanks not shown in the figure H 1
  • Hydrogen pump that pressurizes hydrogen off-gas H 5 0 and check valve H 5 2 Is provided.
  • F C inlet valve H 2 1 and F C outlet valve H 2 2 close the anode side of the fuel cell.
  • the detection signal of the temperature sensor T 3 1 is supplied to the control unit 50.
  • the operation of the hydrogen pump H 50 is controlled by the control j section 50.
  • the hydrogen off gas merges with the hydrogen gas in the fuel supply path 74, and is supplied to the fuel cell 20 for reuse.
  • the check valve H 52 prevents the hydrogen gas in the fuel supply path 74 from flowing backward to the hydrogen circulation path 75.
  • Various valves H I 0 0, H 21, and H 2 2 are driven by signals from the control unit 50.
  • Hydrogen circulation path 7 5 is exhausted by purge flow path 7 6 via purge valve H 51 7 Connected to 2.
  • the discharge control valve H 51 is an electromagnetic shut-off valve, and discharges (purges) hydrogen off-gas to the outside by operating in response to a command from the control unit 50.
  • a cooling passage 73 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20.
  • the cooling path 73 includes a temperature sensor T 1 that detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell 20, a radiator C 2 that dissipates the heat of the cooling water to the outside, and a pump that pressurizes and circulates the cooling water.
  • a temperature sensor T 2 for detecting the temperature of the cooling water supplied to C 1 and the fuel cell 20 is provided.
  • the radiator C 2 is provided with a cooling fan C 13 that is rotationally driven by a motor.
  • the fuel cell 20 is configured as a fuel cell stack in which a required number of cells that generate power by being supplied with fuel gas and oxidizing gas are stacked.
  • the cell includes a MEA (membrane-electrode assembly) and a pair of separators that sandwich the MEA, and has a laminated form as a whole.
  • MEA is composed of an electrolyte membrane made of a polymer material ion exchange membrane and a pair of electrodes (anode and force sword) sandwiching the electrolyte membrane from both sides.
  • the electric power generated by the fuel cell 20 is supplied to a power control unit (not shown).
  • the power control unit drives the drive motor of the vehicle (supplies power), and drives various auxiliary devices such as compressor motors and hydrogen pump motors (supplies power). It is equipped with a DC-DC converter that charges the battery and supplies power from the secondary battery to the motors.
  • the control unit 50 is configured by a control computer system such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and includes a required load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and a center of each part of the fuel cell system.
  • a control computer system such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display
  • a required load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and a center of each part of the fuel cell system.
  • control unit 50 receives control information from the sensors (pressure sensor, temperature sensor, flow sensor, output ammeter, output voltmeter, etc.) and controls the operation of valves and motors in each part of the system. Further, after the operation of the fuel cell 20 is stopped, the control unit 50 stops the operation based on a change in cell voltage (hereinafter, voltage change) for each cell or a predetermined number of cell groups detected by a cell monitor (not shown). In other words, in other words, the presence or absence of cross-leakage exceeding the normal range caused by the deterioration of the electrolyte membrane is judged (diagnostic). Change the back pressure setting value of pressure adjustment valve A: 4 according to the above voltage change.
  • control unit 50 of the present embodiment functions as an abnormality detection means (abnormality detection unit) that detects an abnormality of the fuel cell 20 based on a voltage change after the operation is stopped, in other words, a fuel gas or an oxidizing gas.
  • abnormality detection unit abnormality detection unit
  • the fuel cell abnormality detection device includes a cell monitor and a control unit 50.
  • Cross leak judgment and change of back pressure set value are based on, for example, starting the time from when the fuel cell 20 is shut down and decreasing the voltage from the start of the time until the predetermined time elapses, or from the start of the time measurement. Although it can be performed based on the time required to decrease the predetermined voltage, the following describes an example of cross leak determination processing and back pressure set value change processing based on voltage decrease per predetermined time. .
  • the control unit 50 executes the program shown in FIG. 2 during the stop process, for example, several seconds to several tens of seconds after detecting the ignition OFF signal.
  • step S 1 in the figure it is determined whether the innovation is “ON”. If it is “ON” (judgment result: YES), it is determined that the fuel cell 2 is in an operating state. If it is judged (Step S3) and it is not “ON” (judgment result: NO), all the processes after Step S3 are skipped, and this process ends.
  • step S5 it is determined whether the identification is “OFF”. If it is “0 FF” (judgment result: YES), the process of step S7 is executed, but if it is not “OFF” (judgment result: NO) skips all the processing after step S7, and this processing ends.
  • step S7 specifically, the circuit connecting the fuel cell 20 and the load such as the drive motor is electrically cut off to prevent power consumption, and the FC inlet valve H21 and the FC outlet After the valve H22 is shut off and the supply of hydrogen gas to the fuel cell 20 is stopped, the cell voltage measurement is started by the cell monitor.
  • step S 9 When a predetermined time has elapsed from the start of cell voltage measurement (step S 9), the voltage drop from the start of measurement (hereinafter simply referred to as “voltage drop”) at step S 11 (abnormality detection process) is the first. It is determined whether it is greater than or equal to one threshold VI (eg, l O Omv). If the voltage drop is less than the first threshold V I (judgment result: NO), that is, if the voltage drop is within the normal range, a normal judgment is made in step S 25, and this process ends.
  • VI eg, l O Omv
  • step SI 1 if the voltage drop is greater than or equal to the first threshold VI (judgment result: YES), the voltage drop is greater than or equal to the second threshold V2 (eg, 300 mv) in step S 1 3 (abnormality detection process). Is determined. If the voltage drop is less than or equal to the second threshold V 2 (judgment result: NO), that is, if “first threshold V 1 ⁇ voltage drop ⁇ second threshold V2”, step S 2 1 (setting change process ) After changing the back pressure set value of the pressure adjustment valve A4 in step S25, a normal judgment is made in step S25, and this processing is completed.
  • the second threshold V2 eg, 300 mv
  • the back pressure set value PA 1 after the change is larger than the back pressure set value P AO before the change (for example, 1 75 k PA), for example, set by multiplying the map value referred to when setting the back pressure by a predetermined value, etc. Is done.
  • step S13 if the voltage drop is greater than or equal to the second threshold V2 (judgment result: YE, S), the voltage drop is the third threshold V3 (example 1 ) in step S15 (abnormality detection process). For example, whether it is 500 mv) or more is determined.
  • step S23 If the voltage drop is less than the third threshold V3 (judgment result: NO), that is, if “second threshold V2 ⁇ voltage drop third threshold V3”, adjust the pressure in step S23 (setting change process). After changing the back pressure set value of the valve A 4, normality is determined in step S25, and this process ends.
  • the changed back pressure set value PA2 is larger than the back pressure set values PAO, PA1 (for example, 20 Ok PA).
  • PAO back pressure set values
  • PA1 for example, 20 Ok PA
  • the map value to be set is set by multiplying by a predetermined value.
  • step S15 if the voltage drop is greater than or equal to the third threshold value V3 (judgment result: YES), for example, if the electrolyte membrane is damaged, step S21, If proper operation cannot be performed even if the back pressure set value of pressure adjustment valve A4 is increased as in S23, an abnormality is judged in step S17 and lighting of the warning is performed. After executing the process, the process is terminated. .
  • a cross leak exceeding the normal range is detected as an abnormality based on a voltage change after the operation is stopped. can do.
  • the back pressure set value of the pressure regulating valve A 4 is changed (a predetermined multiple) to increase the back pressure on the force sword outlet side, thereby increasing the pressure on the cathode side of the fuel cell 20.
  • the pressure on the anode side can be made higher than that, and the fuel gas cross leak from the anode side to the cathode side is suppressed.
  • the voltage drop after the shutdown of the fuel cell 20 becomes larger as the deterioration of the electrolyte membrane, which is a cause of cross leakage exceeding the normal range, progresses.
  • the larger the voltage drop after the operation stop the higher the back pressure set value on the outlet side of the force sword.
  • the cross leak of the fuel gas can be further effectively suppressed.
  • the above-described embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to this.
  • Various components can be appropriately designed without departing from the gist thereof.
  • the back pressure set value of the pressure adjustment valve A 4 is changed.
  • the abnormality determination based on the voltage drop after the operation stop and the change of the oxidizing gas supply state are performed within a predetermined time after the detection of the idling OFF signal. Later, only the cell monitor may be periodically started, and the abnormality determination and the oxidizing gas supply state may be changed by a voltage drop in units of several hours, for example.
  • the diagnosis of whether the amount of movement of fuel, fuel gas or oxidant gas from one side of the anode side or the force sword side through the electrolyte membrane to the other side in other words, the diagnosis of cross leak
  • the method can be performed based on a gas component contained in the off-gas of the fuel cell 20. In other words, when at least one of the amount of fuel gas (anode gas) contained in air off gas (power sword off gas) and the amount of oxidizing gas (cathode gas) contained in hydrogen off gas (anode off gas) increases. It may be diagnosed that the cross leak amount (movement amount) has increased.
  • the cross leak can be diagnosed by the amount of change in pressure per unit time.
  • the pressure in the fuel gas piping fuel supply path 7 4, circulation path 7 5, etc.
  • the pressure in the fuel gas piping fuel supply path 7 4, circulation path 7 5, etc.
  • the following method may be adopted.
  • a fuel cell system in which the relation between the pressure on the power sword side (hereinafter referred to as force sword pressure) and the pressure on the anode side (hereinafter referred to as anode pressure) during normal power generation is controlled so as to satisfy the anode pressure that increases the force sword pressure.
  • force sword pressure the pressure on the power sword side
  • anode pressure the pressure on the anode side
  • the pressure difference between the anode side and the cathode side can be reduced by increasing the anode pressure, decreasing the force sword pressure, or increasing the anode pressure and decreasing the force sword pressure.
  • Cross leak can be suppressed.
  • the abnormality detection abnormality diagnosis
  • the gas supply state is changed when the abnormality is detected.
  • the amount of cross leak can be suppressed.
  • the present invention can be widely used for fuel cell abnormality detection devices, operation devices, and operation methods that have such requirements.

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Abstract

　本発明は、異常検出後、次の運転停止までのクロスリーク量を抑制するために、膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化ガスが供給されて発電する燃料電池の異常を運転停止後の電圧変化より検出する（ステップＳ１１，Ｓ１３，Ｓ１５）。燃料電池の異常を検出した場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）は、燃料電池のカソード出口側に設けられた圧力調整弁の背圧設定値を高めに変更する（ステップＳ２１，Ｓ２３）。

Description

明細書 燃料電池の異常検知装置、 運転装置及び運転方法 技術分野
本発明は、 膜一電極接合体を備えた燃料電池の異常検知装置、 運転装置及 び運転方法に係り、 特に、 異常検出後のクロスリーク量を抑制する技術に関 する。 背景技術
燃料電池は、 該燃料電池内に残留するアノード側の水素ガスが電解質膜を 透過して力ソード側へ、 また、 力ソード側の空気中の酸素ガスや窒素ガスが 電解質膜を透過してァノード側へ移動する、いわゆるクロスリークが生じる。 例えば特開 2003— 045467号公報には、 燃料電池停止後の電圧変化 に基づいて異常を診断する手法が開示されている。 発明の開示
この特開 2003-045467号公報によれば、異常判定の精度が高く、 しかも判定時間が短縮されるので、 燃料電池の異常を運転停止後早期に検出 することができる。 しかしながら、 異常検出後のクロスリーク対策について は何ら開示がない。 したがって、 電解質膜が劣化して通常範囲を超えるクロ スリークが発生していた場合には、 次の運転時にク口スリークの影響を受け てしまう。
そこで、 本発明は、 異常検出後のクロスリーク量を抑制することのできる 燃料電池の異常検出装置、 運転装置及び運転方法の提供を目的とする。
上記の課題を解決するため、 本発明に係る燃料電池の異常検出装置は、 膜 一電極接合体 :のアノード側に燃料ガス、 カソード側に酸化ガスが供給されて 発電する燃料電池の異常を検出する装置であって、 燃料電池の異常を運転停 止後の電圧変化より検出する異常検出手段と、 異常検出後の燃料電池への酸 化ガス供給状態を変更する状態変更手段とを備える。
かかる構成において、 前記状態変更手段は、 前記電圧変化に応じて酸化ガ ス供給状態を変更してもよく、 さらに、 運転停止後の電圧低下が大きいほど カソード側の背圧設定値を増加させてもよい。
また、 本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、 膜一電極接合体のァ ノード側に燃料ガス、 カソード側に酸化ガスが供給されて発電する燃料電池 の運転方法であって、 燃料電池の異常を運転停止後の電圧変化より検出する 異常検出工程と、 燃料電池の異常を検出した場合に、 酸化ガス供給状態の設 定を変更する設定変更工程とを備える。
かかる構成において、 前記設定変更工程では、 運転停止後の電圧低下が大 きいほどカソード側へのガス供給圧を高めてもよい。
燃料電池への燃料ガス及び酸化ガス （以下、 これらを総称して 「反応ガス」 ということがある。） の供給停止後、膜一電極接合体の膜が劣化していてその ァノード側とカソード側との間を反応ガスがクロスリークしている場合、 燃 料電池の発電電圧は時間経過に伴い低下する。 したがって、 上記燃料電池の 異常検知装置および燃料電池の運転方法によれば、 運転停止後の電圧変化に 基づいて、 通常範囲を超えるクロスリークを異常として検出することが可能 である。
しかも、 燃料電池の異常を検出した場合には、 力ソード側への酸化ガス供 給状態、 例えば力ソード入口側の供給圧あるいは力ソード出口側の背圧を高 めることにより、 燃料電池の力ソード側圧力を通常運転時は該カソード側圧 力よりも高めに設定されているアノード側圧力に近づけることが可能となり、 ァノード側からカソ一ド側への燃料ガスのクロスリークが抑制される。 また、 膜一電極接合体の膜が劣化しているほど運転停止後の電圧低下も大 きくなるので、 かかる電圧低下が大きいほど、 力ソード出口側の背圧設定値 を高めることにより、 膜劣化の進行に伴い増大するアノード側からカソード 側への燃料ガスのクロスリークをより一層効果的に抑制することが可能とな る。 ！
本発明に係る燃料電池の運転装置は、 膜一電極接合体のアノード側に燃料 ガス、 カソード側に酸化ガスが供給されて発電する燃料電池を運転する装置 であって、 前記燃料ガスまたは前記酸化ガスの前記膜を介した前記アノード 側または前記カソード側の一方から他方への移動量が増大したか否かを推定 する推定部と、 前記推定の結果が肯定的である場合に、 前記アノード側と前 記カソード側の圧力差を低減するように前記燃料電池へのガス供給状態を変 更する状態変更手段と、 を備えるものでもよレ、。
また、 本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、 膜一電極接合体のァ ノード側に燃料ガス、 カソード側に酸化ガスが供給されて発電する燃料電池 の運転方法で'あって、 前記燃料ガスまたは前記酸化ガスの前記膜を介した前 記アノード側または前記カソード側の一方から他方への移動量が増大したか 否かを推定する推定工程と、 前記推定の結果が肯定的である場合に、 前記ァ ノード側と前記力ソード側の圧力差を低減するように前記燃料電池へのガス 供給状態の設定を変更する設定変更工程と、 を備えるものでもよい。
これら燃料電池の異常検出装置および燃料電池システムの運転方法におい て、 燃料ガスまたは酸化ガスの膜を介したアノード側または力ソード側の一 方から他方への移動量が増大した場合には、 上記のようにカソード側への酸 化ガス供給状態を変更する他に、 アノード側への燃料ガス供給状態を変更す る、 さらには、 酸化ガスと燃料ガスの各供給状態を変更することにより、 前 記ァノ一ド側と前記力ソード側の圧力差を低減させてもよい。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明の一実施の形態による異常検出および運転の対象となる燃 料電池を含む燃料電池システムを示す概略構成図。
図 2は、 運転停止後の電圧低下に基づくクロスリークの判定および背圧設 定値の変更の処理内容を説明するフローチャート。
発明を実施するための最良の形態
図 1は、 本1発明の一実施の形態による異常検出および運転の対象となる燃 料電池を含む燃料電池システムを示す概略構成図である。 この燃料電池は、 燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、 例えば定置用発電シ ステムへの適用が可能である。 同図に示すように、 酸化ガスとしての例えば空気 （外気） は、 空気供給路
7 1を介して燃料電池 2 0のカソード入口側に供給される。 空気供給路 7 1 には空気から微粒子を除去するエアフィルタ A 1、 空気を加圧するコンプレ ッサ A 3、 供給空気圧を検出する圧力センサ P 4及び空気に所要の水分を加 える加湿器 A 2 1が設けられている。 コンプレッサ A 3はモータ （補機） に よって駆動される。
燃料電池 2 ; 0から排出される空気オフガスは排気路 7 2を経て外部に放出 される。 排気路 7 2には、 排気圧を検出する圧力センサ P 1、 圧力調整弁 A 4及び加湿器 A 2 1の熱交換器が設けられている。 圧力センサ P 1は燃料電 池 2 0の力ソード側出口近傍に設けられている。 圧力調整弁 A 4は、 燃料電 池 2 0の力ソード出口側の圧力を調整することにより、.燃料電池 2 0への供 給空気圧を設定する調圧器として機能する。
圧力センサ P 4及び P 1の検出信号は制御部 5 0に送られる。 制御部 5 0 はコンプレッサ A 3及び圧力調整弁 A 4を調整することによつて燃料電池 2 0への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
I ' 燃料ガス ^しての例えば水素ガスは、 水素供給源 3 0から燃料供給路 7 4 を介して燃料電池 2 0のアノード入口側に供給される。 水素供給源 3 0は、 例えば高圧水素タンクが該当するが、 いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等 であっても良い。
燃料供給路 7 4には、 水素供給源 3 0から水素を供給しあるいは供給を停 止する水素供給バルブ H I 0 0、 その下流のガス圧力を検出する圧力センサ P 6、 燃料電池 2 0への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁 H 9、 その下流のガス圧力を検出する圧力センサ P 9、 燃料電池 2 0のァノ ード側入口と燃料供給路 7 4間を開閉する F C入口弁 H 2 1、 及び燃料電池 2 0のアノード入口側ガス圧力を検出する圧力センサ P 5が設けられている。 圧力センサ Pi 5、 P 6及び P 9の検出信号は制御部 5 0に供給される。
燃料電池 2 0で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環 路 7 5に排出され、 燃料供給路 7 4の調圧弁 H 9の下流側に戻される。 水素 循環路 7 5には、 水素オフガスの温度を検出する温度センサ T 3 1、 燃料電 池 2 0と循環路 7 5を連通/遮断する F C出口弁 H 2 2、 水素オフガスから 水分を回収する気液分離器 H 4 2、 回収した生成水を循環路 7 5外の図示し ないタンク等に回収する排水弁 H 4 1、 水素オフガスを加圧する水素ポンプ H 5 0及び逆止弁 H 5 2が設けられている。
F C入ロ弁H 2 1及び F C出口弁 H 2 2は燃料電池のアノード側を閉鎖す る。 温度センサ T 3 1の検出信号は制御部 5 0に供給される。 水素ポンプ H 5 0は、 制御 j部 5 0によって動作が制御される。 水素オフガスは燃料供給路 7 4で水素ガスと合流し、 燃料電池 2 0に供給されて再利用される。 逆止弁 H 5 2は燃料供給路 7 4の水素ガスが水素循環路 7 5側に逆流することを防 止する。 各種の弁 H I 0 0、 H 2 1,、 H 2 2は制御部 5 0からの信号で駆動 される。
水素循環路 7 5はパージ弁 H 5 1を介してパージ流路 7 6によって排気路 7 2に接続される。 排出制御弁 H 5 1は電磁式の遮断弁であり、 制御部 5 0 からの指令によつて作動することにより水素オフガスを外部に排出（パージ） する。 ，
更に、 燃料電池 2 0の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路 7 3が 設けられている。 冷却路 7 3には、 燃料電池 2 0から排水される冷却水の温 度を検出する温度センサ T 1、冷却水の熱を外部に放熱するラジェータ C 2、 冷却水を加圧して循環させるポンプ C 1及び燃料電池 2 0に供給される冷却 水の温度を検出する温度センサ T 2が設けられている。 ラジェータ C 2には モータによって回転駆動される冷却ファン C 1 3が設けられている。
燃料電池 2 0は、 燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセルを所要数 積層した燃料電池スタックとして構成されている。 セルは、 M E A (膜一電 極接合体） と、 M E Aを挟持する一対のセパレータとを備えて構成され、 全 体として積層形態を有している。 M E Aは、 高分子材料のイオン交換膜から なる電解質膜と、 この電解質膜を両面から挟んだ一対の電極 （アノードおよ び力ソード） とで構成されている。
燃料電池 2 0が発生した電力は図示しないパワーコントロールュニットに 供給される。パワーコントロールュニットは車両の駆動モータを駆動する（電 力を供給する） インバータと、 コンプレッサモータや水素ポンプ用モータな どの各種の補機類を駆動する （電力を供給する） インバータと、 二次電池へ の充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行う D C— D Cコンバータ などが備えられている。
制御部 5 0は、 C P U、 R OM, R AM, H D D , 入出力インタフェース 及びデイスプレイなどの制御コンピュータシステムによつて構成され、 図示 しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセン
I
サ （圧力センサ、 温度センサ、 流量センサ、 出力電流計、 出力電圧計等） か ら制御情報を受け取り、 システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。 さらに制御部 5 0は、燃料電池 2 0の運転停止後に、セルモニタ （図示略） にて検出した各セルあるいは所定数のセル群ごとのセル電圧の変化 （以下、 電圧変化） に基づき運転停止後の異常判定、 言い換えれば、 電解質膜の劣化 に起因して生ずる通常範囲を超えるクロスリークの有無を判定 （診断） し、 かかるクロスリークを検出した場合には、酸化ガス供給状態の設定、つまり、 圧力調整弁 A:4の背圧設定値を上記電圧変化に応じて変更する。
つまり、 本'実施形態の制御部 5 0は、 燃料電池 2 0の異常を運転停止後の 電圧変化より検出する異常検出手段 （異常検出部） としての機能、 言い換え れば、 燃料ガスまたは酸化ガスの前記電解質膜を介したアノード側または力 ソード側の一方から他方への移動量が増大したか否かを推定する推定部とし ての機能と、 異常検出後の燃料電池 2 0への酸化ガス供給状態を変更する状 態変更手段 （状態変更部） としての機能、 言い換えれば、 前記推定部での推 定の結果が肯定的である場合に、 アノード側とカソード側の圧力差を低減す るように燃料電池 2 0へのガス供給状態を変更する状態変更部としての機能 を兼ね備えている。 また、 本実施形態による燃料電池の異常検出装置 （運転 装置） は、 セルモニタと制御部 5 0とを備えて構成されている。
クロスリークの判定および背圧設定値の変更は、 例えば、 燃料電池 2 0の 運転停止より計時を開始し、 計時開始から所定時間経過に至るまでの電圧低 下に基づいて、 あるいは、 計時開始から所定電圧低下するまでに要した時間 に基づいて行うことが可能であるが、 以下では、 所定時間あたりの電圧低下 に基づくクロスリークの判定処理および背圧設定値の変更処理を例に説明す る。
制御部 5 0は、 停止処理の最中、 例えば、 ィグニッシヨン O F Fの信号を 検知してから数秒ないし数十秒の間に、 図 2に示されるプログラムを実行す る。 同図のステップ S 1では、 イダニッシヨンが 「O N」 であるかが判定さ れ、 「O N」 の場合 （判定結果： Y E S ) は、 燃料電池 2が運転状態にあると 判定され （ステップ S 3)、 「ON」 でない場合 （判定結果： NO) は、 ステ ップ S 3以降の処理を全てスキップし、 この処理は終了する。
ステップ S 5では、 イダニッシヨンが 「OFF」 であるかが判定され、 「0 FF」 の場合（判定結果： YES) は、 ステップ S 7の処理を実行する一方、 「OFF」 でない場合 （判定結果： NO) は、 ステップ S 7以降の処理を全 てスキップし、 この処理は終了する。
ステップ S 7では、 具体的には、 燃料電池 20と駆動モータ等の負荷とを 接続している回路を電気的に遮断して電力消費をさせないようにすると共に、 FC入ロ弁H21及び FC出口弁 H22を遮断して燃料電池 20への水素ガ ス供給を停止した後に、 セルモニタにてセル電圧の測定を開始する。
そして、 セル電圧の測定開始から所定時間経過したら （ステップ S 9)、 ス テツプ S 1 1 (異常検出工程） にて測定開始からの電圧低下（以下、単に「電 圧低下」 という。） が第 1閾値 VI (例えば、 l O Omv) 以上であるかが判 定される。 電圧低下が第 1閾値 V I未満の場合 （判定結果： NO)、 つまり、 電圧低下が通常範囲内である場合はステップ S 25にて正常判定がなされ、 この処理は終了する'。
ステップ S I 1の判定において、 電圧低下が第 1閾値 V I以上の場合 （判 定結果： YES) は、 ステップ S 1 3 (異常検出工程） にて電圧低下が第 2 閾値 V2 (例えば、 300mv) 以上であるかが判定される。 電圧低下が第 2閾値 V 2未,満の場合 （判定結果： NO)、 つまり、 「第 1閾値 V 1≤電圧低 下 <第 2閾値 V2」 の場合は、 ステップ S 2 1 (設定変更工程） にて圧力調 整弁 A4の背圧設定値を変更した後、ステップ S 25にて正常判定がなされ、 この処理は終了する。
変更後の背圧設定値 P A 1は、変更前の背圧設定値 P AOよりも大きく（例 えば、 1 75 k P A)、例えば背圧設定時に参照されるマップ値を所定倍する 等によって設定される。 ステップ S 1 3の判定において、 電圧低下が第 2閾値 V 2以上の場合 （判 定結果： YE,S) は、 ステップ S 15 (異常検出工程） にて電圧低下が第 3 閾値 V3 (例1えば、 500mv) 以上であるかが判定される。 電圧低下が第 3閾値 V3未満の場合 （判定結果： NO)、 つまり、 「第 2閾値 V2≤電圧低 下く第 3閾値 V3」 の場合は、 ステップ S 23 (設定変更工程） にて圧力調 整弁 A 4の背圧設定値を変更した後、ステップ S 25にて正常判定がなされ、 この処理は終了する。
変更後の背圧設定値 PA2は、 上記背圧設定値 PAO, PA1よりも大き く （例えば、 20 O k PA)、 例えば上記背圧設定値 P A 1の設定と同様に、 背圧設定時に参照されるマップ値を所定倍する等によって設定される。
ステップ S 1 5の判定において、 電圧低下が第 3閾値 V 3以上の場合 （判 定結果： YES)、例えば、 電解質膜が破損している場合等のように電圧低下 が著しく、 ステップ S 21 , S 23のように圧力調整弁 A 4の背圧設定値を 増加させても適正な運転を行えないような場合には、 ステップ S 1 7にて異 常判定がなされ、 ゥオーニングを点灯する等の処理を実行した後、 この処理 を終了する。 .
以上説明したとおり、 本実施形態による燃料電池の異常検知装置 （運転装 置）および燃料電池の運転方法によれば、運転停止後の電圧変化に基づいて、 通常範囲を超えるクロスリークを異常として検出することができる。しかも、 かかるクロスリークを検出した場合には、 圧力調整弁 A 4の背圧設定値を変 更 （所定倍） して力ソード出口側の背圧を高めることにより、 燃料電池 20 のカソード側圧力を通常運転時はそれより,も高めに設定されているアノード 側圧力に近づけことができ、 ァノード側からカソ一ド側への燃料ガスのクロ スリークが抑制される。
また、 燃料電池 20の運転停止後の電圧低下は、 通常範囲を超えるクロス リークの一因である電解質膜の劣化が進行しているほど大きくなるのに対応 して、 本実施形態では、 当該運転停止後の電圧低下が大きいほど、 力ソード 出口側の背圧設定値を高めているので、 膜劣化の進行に伴い増大するァノー ド側からカソード側への燃料ガスのクロスリークをより一層効果的に抑制す ることができる。
(他の実施形態）
上記実施形'態は本発明を説明するための例示であり、 本発明をこれに限定 するものではなく、 その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計する ことができる。 例えば、 上記実施形態では、 圧力調整弁 A 4の背圧設定値を 変更しているが、 圧力調整弁 A 4に代わる燃料電池 2 0への酸化ガス供給状 態設定手段を備える構成では、 該設定手段の設定値を変更してもよい。
また、 上記実施形態では、 運転停止後の電圧低下に基づく異常判定および 酸化ガス供給状態の変更 （図 2 ) を、 イダニッシヨン O F Fの信号を検知し てから所定時間内に行っているが、 運転停止後にセルモニタのみを定期的に 起動し、 例えば数時間単位での電圧低下によって異常判定および酸化ガス供 給状態の変更を行うようにしてもよい。
さらに、 燃,料ガスまたは酸化ガスの電解質膜を介したァノード側または力 ソード側の一方から他方への移動量が増大したか否かの診断、言い換えれば、 クロスリークの診断は、 上記の電圧に基づく方法に限らず、 例えば、 燃料電 池 2 0のオフガスに含まれるガス成分に基づいて行うことも可能である。 つ まり、 空気オフガス （力ソードオフガス） に含まれる燃料ガス （アノードガ ス） の量と、 水素オフガス （アノードオフガス） に含まれる酸化ガス （カソ —ドガス） の量との少なくとも一方が増大した場合に、 クロスリーク量 （移 動量） が増大した診断してもよい。
また、 上記クロスリークの診断は、 単位時間あたりの圧力の変化量で診断 することも可能である。 この場合においては、 例えば、 運転停止後に、 大気 と遮断された燃料ガス配管 （燃料供給路 7 4、 循環路 7 5等） 内における圧 力の低下速度が速いほど、 クロスリークが多いと判断してもよい。
さらに、 アノード側と力ソード側の圧力差を低減させるには、 上記実施形 態のように力ソード側の供給圧を変更する他に、 以下の方法を採用してもよ レ、。 例えば、 通常発電時における力ソード側の圧力 （以下、 力ソード圧） と アノード側の圧力 （以下、 アノード圧） との関係が、 力ソード圧くアノード 圧を満たすように制御される燃料電池システムの場合には、 カソード圧を上 げる又はアノード圧を下げる。
また、 通常発電時における力ソード圧とアノード圧との関係が、 力ソード 圧〉ァノード圧を満たすように制御される燃料電池システムの場合には、 例
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えばアノード圧を上げる、 力ソード圧を下げる、 あるいはアノード圧を上げ ると共に力ソード圧を下げる等により、 アノード側とカソード側の圧力差を 低減させ得て、 カソ一ド側からァノード側へのクロスリークを抑制すること が可能となる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、 運転停止後に燃料電池の異常検出 （異常診断） を行うだ けでなく、 異常を検出した場合にはガス供給状態を変更するので、 異常検出 後、 次の運転停止までのクロスリ一ク量を抑制することができる。
よって、 本発明は、 そのような要求のある燃料電池の異常検知装置、 運転 装置及ぴ運転方法に広く利用することができる。

Claims

請求の範囲 j
1 . 膜一電極接合体のアノード側に燃料ガス、 力ソード側に酸化ガスが供 給されて発電する燃料電池の異常を検出する装置であって、
燃料電池の異常を運転停止後の電圧変化より検出する異常検出手段と、 異常検出後の燃料電池への酸化ガス供給状態を変更する状態変更手段と、 を備える燃料電池の異常検出装置。
2 . 請求項 1に記載の燃料電池の異常検出装置において、
前記状態変更手段は、前記電圧変化に応じて酸化ガス供給状態を変更する。
3 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池の異常検出装置において、
前記状態変更手段は、 運転停止後の電圧低下が大きいほどカソード側の背 圧設定値を増加する。
4 . 膜一電極接合体のァノード側に燃料ガス、 カソード側に酸化ガスが供 給されて発電する燃料電池を運転する装置であって、
前記燃料ガスまたは前記酸化ガスの前記膜を介した前記ァノ一ド側または 前記カソード側の一方から他方への移動量が増大したか否かを推定する推定 部と、
前記推定の結果が肯定的である場合に、 前記アノード側と前記力ソード側 の圧力差を低減するように前記燃料電池へのガス供給状態を変更する状態変 更手段と、 を備える燃料電池の運転装置。
5 . 膜一電極接合体のァノ一ド側に燃料ガス、 力ソード側に酸化ガスが供 給されて発電する燃料電池の運転方法であって、
燃料電池の異常を運転停止後の電圧変化より検出する異常検出工程と、 燃料電池の異常を検出した場合に、 酸化ガス供給状態の設定を変更する設 定変更工程と、 を備える燃料電池システムの運転方法。
6 . 請求項 5に記載の燃料電池システムの運転方法において、 前記設定変更工程では、 運転停止後の電圧低下が大きいほどカソード側へ のガス供給圧を高める。
7 . 膜—電極接合体のアノード側に燃料ガス、 力ソード側に酸化ガスが供 給されて発電する燃料電池の運転方法であって、
または前記酸化ガスの前記膜を介した前記ァノ一ド側または
Figure imgf000015_0001
前記カソード側の一方から他方への移動量が増大したか否かを推定する推定 工程と、
前記推定の結果が肯定的である場合に、 前記アノード側と前記カソード側 の圧力差を低減するように前記燃料電池へのガス供給状態の設定を変更する 設定変更工程と、 を備える燃料電池システムの運転方法。
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