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JP4956906B2 - Fuel cell system and hydrogen leak detection method - Google Patents
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect abnormality such as leakage of hydrogen gas, component failures, or the like before starting power generation by a fuel cell. <P>SOLUTION: A control computer 400 integrates the flow rate of supplied hydrogen by a hydrogen flowmeter 300 if an opening and closing valve 200 is opened to start pressurizing the inside of a hydrogen supply passage 24. Then, it measures the pressure of hydrogen when a period for pressurization is completed to compute the flow rate of hydrogen which has flown into the hydrogen supply passage 24 from the measured pressure. The control computer 400 finds the difference between the integrated value of the flow rate measured by using the flowmeter 300 and the flow rate computed from the pressure condition to compute the leaked amount of hydrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムにおいて、水素ガスの漏れや部品故障等を検知する技術に関する。   The present invention relates to a technique for detecting leakage of hydrogen gas, component failure, and the like in a fuel cell system.

燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムでは、その安全性を向上させるため、燃料電池のアノードに供給する水素ガスの漏れを検知する技術が種々検討されている。   In a fuel cell system in which hydrogen and oxygen are supplied to a fuel cell to generate power, various techniques for detecting leakage of hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell have been studied in order to improve safety.

例えば、特許文献1には、燃料電池の出力電流値に基づき算出した水素ガスの消費量と、流量センサによって測定した水素ガスの供給量とに基づき水素ガスの漏れを検知する技術が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a technique for detecting leakage of hydrogen gas based on the consumption of hydrogen gas calculated based on the output current value of the fuel cell and the supply amount of hydrogen gas measured by a flow sensor. Yes.

特開2004−281132号公報JP 2004-281132 A 特開2004−158274号公報JP 2004-158274 A 特開2004−265667号公報JP 2004-265667 A

しかし、このような従来の技術では、燃料電池の出力電流値に基づき水素ガスの消費量を算出していたため、燃料電池によって実際に発電が行われている最中にしか水素ガスの漏れを検知することができなかった。   However, with such conventional technology, hydrogen gas consumption is calculated based on the output current value of the fuel cell, so hydrogen gas leakage is detected only while the fuel cell is actually generating power. I couldn't.

そこで、本発明は、燃料電池による発電開始前において、水素ガスの漏れや部品故障等の異常を検知することを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to detect abnormalities such as hydrogen gas leakage and component failure before power generation by a fuel cell is started.

上記目的を踏まえ、本発明の燃料電池システムを次のように構成した。すなわち、燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と、を備え、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間内の加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、前記漏れの検出を行うことを要旨とする。
Based on the above object, the fuel cell system of the present invention was configured as follows. That is, a fuel cell system for generating power by supplying hydrogen and oxygen to a fuel cell,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen to the fuel cell;
A hydrogen supply flow path connecting the hydrogen supply means and the fuel cell;
A flow rate detection means provided in the hydrogen supply flow path for detecting the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply means to the fuel cell;
State quantity detection means provided in the hydrogen supply flow path for detecting at least one of the state quantities of hydrogen supplied to the fuel cell;
A pressurization period before the start of power generation by the fuel cell and until the pressure in the hydrogen supply flow path reaches a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell from the start of supply of hydrogen by the hydrogen supply means The flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the fuel cell is calculated based on the hydrogen state quantity detected by the state quantity detection unit, and the calculated flow rate and the flow rate detection unit detect A leakage detection unit that detects leakage of the hydrogen based on the flow rate ,
The gist of the leak detection unit is to detect the leak in at least a part of the period until pressurization within the pressurization period ends .

このような構成の本発明の燃料電池システムによれば、供給された水素の実際の流量と、水素の状態量に基づき算出した流量との差を求めることで、燃料電池の発電開始前においても迅速に水素の漏れを検出することができる。水素の状態量とは、例えば、水素の圧力や温度などである。また、このような構成であれば、加圧期間内の加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、漏れの検出を行うため、更に短時間のうちに漏れの発生を検知することができる。なお、燃料電池内では、電解質膜を介してアノードからカソードに水素が透過する性質があるが、この透過量はアノード側の水素圧力に比例して増加する。従って、加圧期間中のできるだけ圧力の低い一部の期間において漏れ量を算出すれば、水素の透過による影響を抑えて漏れの検出を行うことができる。 According to the fuel cell system of the present invention having such a configuration, the difference between the actual flow rate of the supplied hydrogen and the flow rate calculated based on the hydrogen state quantity is obtained, so that even before the fuel cell power generation starts. Hydrogen leakage can be detected quickly. The hydrogen state quantity is, for example, the pressure or temperature of hydrogen. In addition, with such a configuration, since the leak is detected in at least a part of the period until the pressurization within the pressurization period is completed, the occurrence of the leak can be detected in a shorter time. it can. In the fuel cell, hydrogen permeates from the anode to the cathode through the electrolyte membrane, but the permeation amount increases in proportion to the hydrogen pressure on the anode side. Therefore, if the amount of leakage is calculated in a part of the pressurization period where the pressure is as low as possible, the influence of hydrogen permeation can be suppressed to detect the leakage.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の状態量の変化に基づき、前記漏れを検出するものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The leak detection unit may detect the leak based on a change in the hydrogen state quantity in the partial period.

このような構成であれば、より短期間に水素漏れを検知することができる。   With such a configuration, hydrogen leakage can be detected in a shorter time.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の平均圧力を求め、前記一部の期間において算出した前記水素の漏れ量を、前記平均圧力に基づき、前記加圧期間の完了時における漏れ量に補正するものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The state quantity detection means includes means for detecting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell, and the leak detection unit obtains an average pressure of the hydrogen in the partial period, and in the partial period The calculated hydrogen leakage amount may be corrected to the leakage amount at the completion of the pressurization period based on the average pressure.

こうすることにより、水素圧力の上昇に伴う電解質膜のクロスリークの影響を抑えて水素の漏れ量を精度良く算出することが可能になる。また、水素の漏れ量を加圧期間完了時における漏れ量に補正することで、加圧期間の全期間に亘って漏れの検出を行う場合に用いる漏れの基準値と共通の基準値によって漏れの判定を行うことができる。   By doing so, it becomes possible to accurately calculate the amount of hydrogen leakage while suppressing the influence of the cross leak of the electrolyte membrane accompanying the increase in the hydrogen pressure. In addition, by correcting the leak amount of hydrogen to the leak amount at the completion of the pressurization period, the leak reference value and the common reference value used when detecting leaks over the entire pressurization period are used. Judgment can be made.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間の完了時に前記漏れを検出するものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The leak detection unit may detect the leak when the pressurization period is completed.

このような構成であれば、加圧期間全体にわたり流量を測定することができるので、漏れ量の算出に誤差が生じることを低減することができる。   With such a configuration, since the flow rate can be measured over the entire pressurization period, it is possible to reduce the occurrence of errors in the calculation of the leakage amount.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記加圧期間内の異なる2時点において、前記算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき前記水素の漏れ量をそれぞれ算出し、前記2時点における各漏れ量の差から、前記燃料電池内の電解質膜を介してアノードからカソードへと透過する水素の透過量を推定する透過量推定部を備えるものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The hydrogen leak amount is calculated based on the calculated flow rate and the flow rate detected by the flow rate detection means at two different time points within the pressurization period, and the difference between the leak rates at the two time points is calculated. A permeation amount estimation unit that estimates the permeation amount of hydrogen permeating from the anode to the cathode through the electrolyte membrane in the fuel cell may be provided.

このような構成であれば、水素の漏れ量だけではなく、電解質膜を透過する水素のクロスリーク量も推定することができる。   With such a configuration, not only the amount of hydrogen leakage but also the amount of hydrogen cross leakage that permeates the electrolyte membrane can be estimated.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池には、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路が接続されており、
該アノードオフガス流路は、前記アノードオフガスを前記水素供給流路に循環させるための循環装置を介して前記水素供給流路に接続され、
前記加圧期間中に、前記循環装置を制御して、前記水素供給手段から供給される水素を前記アノードオフガス流路に逆流させて供給する手段を備えるものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The fuel cell is connected to an anode off gas flow path for discharging the anode off gas,
The anode off gas channel is connected to the hydrogen supply channel via a circulation device for circulating the anode off gas to the hydrogen supply channel,
During the pressurization period, the circulation device may be controlled to supply the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit in a reverse flow to the anode off-gas channel.

このような構成によってアノードオフガス流路にも水素を逆流させて供給することにより、燃料電池付近における水素圧力の均一化を図ることができるため、燃料電池内の流路によって発生する圧力損失による影響を低減することができ、漏れの検知を精度良く行うことが可能になる。循環装置としては、例えば、エジェクタやポンプを用いることができる。   By supplying hydrogen back to the anode off-gas flow path with such a configuration, the hydrogen pressure in the vicinity of the fuel cell can be made uniform, so the influence of pressure loss generated by the flow path in the fuel cell. This makes it possible to accurately detect leaks. For example, an ejector or a pump can be used as the circulation device.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記水素供給流路中の、前記流量検出手段と前記燃料電池との間に、少なくとも一つのシャットバルブを備えており、
前記状態量検出手段は、前記シャットバルブによって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記各シャットバルブは、初期状態で閉状態となっており、
前記漏れ検出部は、
前記シャットバルブを、前記流量検出手段側に設けられたシャットバルブから前記燃料電池側に設けられたシャットバルブに向けて順に開弁する手段と、
前記開弁したシャットバルブと、未開弁のシャットバルブまたは前記燃料電池のうち該開弁したシャットバルブの前記燃料電池側に位置する直近のものとの間に位置する区間に備えられた前記状態量検出手段によって、該区間中の前記水素の状態量を検出するとともに、該状態量に基づき前記水素供給手段から該区間に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、該区間における水素の漏れを検出する手段とを備えるものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
In the hydrogen supply channel, at least one shut valve is provided between the flow rate detecting means and the fuel cell,
The state quantity detection means is provided for each section in the hydrogen supply flow path partitioned by the shut valve,
Each shut valve is closed in the initial state,
The leak detector is
Means for sequentially opening the shut valve from a shut valve provided on the flow rate detecting means side toward a shut valve provided on the fuel cell side;
The state quantity provided in a section located between the opened shut valve and an unopened shut valve or the nearest one of the fuel cells located on the fuel cell side of the opened shut valve The state quantity of the hydrogen in the section is detected by the detection means, the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply means to the section is calculated based on the state quantity, and the calculated flow rate and the flow rate are calculated. Based on the flow rate detected by the detection means, a means for detecting hydrogen leakage in the section may be provided.

このような構成であれば、シャットバルブや燃料電池によって区画されている区間毎に水素漏れが発生しているか否かを検出することができるので、漏れの発生場所を大まかに特定することが可能になる。   With such a configuration, it is possible to detect whether or not hydrogen leakage has occurred in each section partitioned by a shut valve or a fuel cell, so it is possible to roughly specify the location of the leakage. become.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記水素供給流路は、少なくとも一つの調圧弁を備えており、
前記状態量検出手段および前記流量検出手段は、前記調圧弁によって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記漏れ検出部は、前記区間毎に、前記漏れの検出を行うものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The hydrogen supply channel includes at least one pressure regulating valve;
The state quantity detection means and the flow rate detection means are provided for each section in the hydrogen supply flow path partitioned by the pressure regulating valve,
The leak detection unit may detect the leak for each section.

このような構成であれば、水素供給手段から供給される水素の圧力が調圧弁によって段階的に減圧されるシステムであっても、最も低圧となる燃料電池直前の区間が、燃料電池の発電に適した圧力に到達するのを待つことなく、各区間の圧力がその区間に適した圧力に到達した段階で水素漏れを検出することができるので、迅速に水素漏れの検出を行うことが可能になる。また、各区間毎に漏れの検出を行うので、漏れの発生場所の大まかな特定も行うことができる。   With such a configuration, even in a system in which the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply means is reduced stepwise by the pressure regulating valve, the section immediately before the fuel cell that has the lowest pressure is used for power generation by the fuel cell. Without waiting for a suitable pressure to be reached, hydrogen leakage can be detected when the pressure in each section reaches the pressure suitable for that section, so that hydrogen leakage can be detected quickly. Become. In addition, since leakage is detected for each section, it is possible to roughly specify the location where the leakage occurs.

上述した種々の構成の燃料電池システムにおいて、
更に、前記水素供給流路中の、前記状態量検出手段と前記水素供給手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出手段によって前記漏れが検出されなかった場合に、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の圧力が、前記燃料電池の発電に適した所定の圧力よりも低いときに前記調圧弁が故障したと判定する故障判定部を備えるものとしてもよい。
In the fuel cell system having various configurations described above,
Furthermore, a pressure regulating valve for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply means is provided between the state quantity detection means and the hydrogen supply means in the hydrogen supply flow path,
The state quantity detection means comprises means for detecting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell,
When the leak is not detected by the leak detection means, the pressure regulating valve fails when the hydrogen pressure detected by the state quantity detection means is lower than a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell. It is good also as a thing provided with the failure determination part which determines with having carried out.

このような構成であれば、水素漏れが検出されない場合であっても、調圧弁に発生する加圧不良等の故障を検知することができる。   With such a configuration, it is possible to detect a failure such as a pressurization failure occurring in the pressure regulating valve even when hydrogen leakage is not detected.

上記構成の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは車両に搭載されており、前記漏れ検出部による漏れの検出結果および前記故障判定部による故障の判定結果の少なくともいずれか一方に応じて、前記車両の運転モードを設定する運転モード設定部を備えるものとしてもよい。
In the fuel cell system configured as described above,
The fuel cell system is mounted on a vehicle, and an operation mode for setting an operation mode of the vehicle according to at least one of a leakage detection result by the leakage detection unit and a failure determination result by the failure determination unit A setting unit may be provided.

このような構成であれば、燃料電池による発電開始前に、水素漏れや故障の有無に応じて車両の運転モードを最適なモードに設定することができる。   With such a configuration, the driving mode of the vehicle can be set to the optimum mode according to the presence or absence of hydrogen leakage or failure before the start of power generation by the fuel cell.

例えば、前記運転モード設定部は、前記漏れ検出部によって前記漏れが検出された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池による発電を禁止するとともに前記車両に備えられた二次電池による走行を許容する二次電池運転モードに設定するものとしてもよい。   For example, the operation mode setting unit prohibits power generation by the fuel cell and travels by a secondary battery provided in the vehicle when the leak is detected by the leak detection unit. The allowable secondary battery operation mode may be set.

このような構成であれば、水素漏れを検出した際に水素の供給を停止して発電を禁止するので、水素が漏れ出すことを抑制しつつ、二次電池に蓄電された電力の範囲内で車両を自走させることができる。   With such a configuration, when hydrogen leakage is detected, the supply of hydrogen is stopped and power generation is prohibited, so that hydrogen can be prevented from leaking and within the range of power stored in the secondary battery. The vehicle can be driven by itself.

また、前記運転モード設定部は、前記故障判定部によって故障が発生したと判定された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池に対して出力制限をかけつつ走行を許容するリンプフォーム運転モードに設定するものとしてもよい。   In addition, when the failure determination unit determines that a failure has occurred, the operation mode setting unit sets the operation mode to a limp-form operation mode that allows traveling while limiting output to the fuel cell. It is good also as what is set to.

このような構成であれば、調圧弁の故障に伴って燃料電池に供給される水素量が少なくなっても、燃料電池の出力を制限して発電を継続し、最寄りの修理工場等まで緊急的に車両を走行させることができる。   With such a configuration, even if the amount of hydrogen supplied to the fuel cell decreases due to a malfunction of the pressure regulating valve, power generation is continued by limiting the output of the fuel cell, and an emergency is made to the nearest repair shop, etc. It is possible to drive the vehicle.

本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成以外にも、次のような水素漏れ検出方法としても構成することができる。すなわち、燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、水素漏れを検出する水素漏れ検出方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段とを備えており、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する
水素漏れ検出方法である。
In addition to the configuration as the fuel cell system described above, the present invention can also be configured as the following hydrogen leak detection method. That is, in a fuel cell system for generating power by supplying hydrogen and oxygen to a fuel cell, a hydrogen leak detection method for detecting hydrogen leak,
The fuel cell system is provided in the hydrogen supply channel, a hydrogen supply unit that supplies the hydrogen to the fuel cell, a hydrogen supply channel that connects the hydrogen supply unit and the fuel cell, and the hydrogen supply channel A flow rate detection means for detecting a flow rate of hydrogen supplied from the supply means to the fuel cell; and a state in which at least one of the state quantities of hydrogen supplied to the fuel cell is provided in the hydrogen supply flow path A quantity detecting means,
A pressurization period before the start of power generation by the fuel cell and until the pressure in the hydrogen supply flow path reaches a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell from the start of supply of hydrogen by the hydrogen supply means The flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the fuel cell is calculated based on the hydrogen state quantity detected by the state quantity detection unit, and the calculated flow rate and the flow rate detection unit detect The hydrogen leak detection method detects the hydrogen leak based on the measured flow rate.

このような漏れ検出方法によっても、供給された水素の実際の流量と、水素の状態量に基づき算出した流量との差を求めることで、燃料電池の発電開始前においても迅速に水素の漏れを検出することができる。   Even with such a leak detection method, by obtaining the difference between the actual flow rate of the supplied hydrogen and the flow rate calculated based on the hydrogen state quantity, hydrogen leaks can be detected quickly even before the start of power generation by the fuel cell. Can be detected.

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
A.第1実施例:
(A1)燃料電池システムの全体構成:
(A2)異常検知処理:
(A3)第1実施例の変形例:
B.第2実施例:
C.変形例:
Hereinafter, in order to further clarify the operations and effects of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples in the following order.
A. First embodiment:
(A1) Overall configuration of fuel cell system:
(A2) Abnormality detection processing:
(A3) Modification of the first embodiment:
B. Second embodiment:
C. Variations:

A.第1実施例:
(A1)燃料電池システムの全体構成:
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池システム100の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム100は、図示するように、車両90に搭載されており、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池10や、水素ガスを貯蔵する水素タンク20、燃料電池10に空気を供給するブロワ30、燃料電池10によって発電された電気により充電される二次電池40、燃料電池10によって発電された電力によって車軸55を駆動するモータ50、車両90や燃料電池システム100を全般的に制御する制御コンピュータ400等を備えている。
A. First embodiment:
(A1) Overall configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a fuel cell system 100 as a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the fuel cell system 100 of this embodiment is mounted on a vehicle 90, and generates a fuel cell 10 that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a hydrogen tank 20 that stores hydrogen gas, and a fuel cell 10. A blower 30 that supplies air to the battery, a secondary battery 40 that is charged by electricity generated by the fuel cell 10, a motor 50 that drives the axle 55 by the power generated by the fuel cell 10, a vehicle 90, and the fuel cell system 100 are provided. A control computer 400 for overall control is provided.

燃料電池10は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル(図示せず)を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極(以下、アノードと呼ぶ)と酸素極(以下、カソードと呼ぶ)とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池10で生じた電力は、燃料電池10に接続された二次電池40やモータ50に供給される。   The fuel cell 10 is a solid polymer electrolyte type fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of unit cells (not shown) are stacked. Each single cell has a configuration in which a hydrogen electrode (hereinafter referred to as an anode) and an oxygen electrode (hereinafter referred to as a cathode) are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying hydrogen gas to the anode side of each single cell and supplying air containing oxygen to the cathode side, an electrochemical reaction proceeds and an electromotive force is generated. The electric power generated in the fuel cell 10 is supplied to the secondary battery 40 and the motor 50 connected to the fuel cell 10.

ブロワ30は、燃料電池10のカソードに空気を供給するための装置である。ブロワ30は、空気供給流路34を介して燃料電池10のカソードに接続されている。電気化学反応に供された後の空気(以下、カソードオフガスと呼ぶ)は、カソードオフガス流路36を通じて外部に排出される。   The blower 30 is a device for supplying air to the cathode of the fuel cell 10. The blower 30 is connected to the cathode of the fuel cell 10 via the air supply channel 34. The air (hereinafter referred to as cathode offgas) after being subjected to the electrochemical reaction is discharged to the outside through the cathode offgas flow path 36.

水素タンク20には、数十MPaの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵される。この水素タンク20は、水素供給流路24を通じて燃料電池10のアノードに接続されている。水素供給流路24の流路中には、水素タンク20から近い順番に、開閉弁200と、第1調圧弁210と、水素流量計300と、第2調圧弁220とが設けられている。開閉弁200が制御コンピュータ400による制御によって開弁状態になると、水素タンク20から水素供給流路24を通じて燃料電池10に水素ガスが供給される。なお、図中に破線で示したシャットバルブ250は後述する変形例で用いられるものであり、本実施例では用いられない。   The hydrogen tank 20 stores high-pressure hydrogen gas having a pressure of several tens of MPa. The hydrogen tank 20 is connected to the anode of the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 24. In the flow path of the hydrogen supply flow path 24, an on-off valve 200, a first pressure regulating valve 210, a hydrogen flow meter 300, and a second pressure regulating valve 220 are provided in order from the hydrogen tank 20. When the on-off valve 200 is opened by control by the control computer 400, hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 20 to the fuel cell 10 through the hydrogen supply channel 24. Note that the shut valve 250 indicated by a broken line in the drawing is used in a modified example described later, and is not used in the present embodiment.

水素タンク20から水素供給流路24へ供給された高圧の水素ガスは、第1調圧弁210によって調圧され、400K〜2MPa程度の中圧状態に減圧される。こうして調圧された水素ガスは、水素流量計300を通過後、更に、第2調圧弁により調圧され、100K〜250KPa程度の低圧状態まで減圧される。そして、この低圧状態の水素ガスが、燃料電池10のアノードへ供給される。以下の説明では、第1調圧弁210と第2調圧弁220とによって異なる圧力状態となった水素供給流路24中の区間をそれぞれ、図示するように、高圧部HS、中圧部MS、低圧部LSと呼ぶ。   The high-pressure hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 20 to the hydrogen supply passage 24 is regulated by the first pressure regulating valve 210 and is reduced to an intermediate pressure state of about 400 K to 2 MPa. The hydrogen gas thus regulated is further regulated by the second pressure regulating valve after passing through the hydrogen flow meter 300, and the pressure is reduced to a low pressure state of about 100 K to 250 KPa. The low-pressure hydrogen gas is supplied to the anode of the fuel cell 10. In the following description, the sections in the hydrogen supply flow path 24 that are in different pressure states depending on the first pressure regulating valve 210 and the second pressure regulating valve 220 are respectively shown in the high pressure part HS, the intermediate pressure part MS, and the low pressure part. This is called part LS.

水素流量計300は、調圧弁210によって減圧された水素ガスが水素供給流路24中を流れる単位時間当りの流量を計測する。この水素流量計300は、制御コンピュータ400に接続されており、後述する異常検知処理において水素ガスの流量を検出する際に用いられる。   The hydrogen flow meter 300 measures the flow rate per unit time through which the hydrogen gas decompressed by the pressure regulating valve 210 flows in the hydrogen supply flow path 24. The hydrogen flow meter 300 is connected to the control computer 400 and is used when detecting the flow rate of hydrogen gas in an abnormality detection process described later.

水素供給流路24中の高圧部HSと中圧部MSと低圧部LSとには、それぞれその区間を流れる水素ガスの圧力を計測するために、圧力センサ310,320,330が備えられている。各圧力センサ310〜330は、制御コンピュータ400に接続されており、後述する異常検知処理において各圧力部の圧力を検出する際に用いられる。   The high pressure section HS, the intermediate pressure section MS, and the low pressure section LS in the hydrogen supply flow path 24 are respectively provided with pressure sensors 310, 320, and 330 for measuring the pressure of hydrogen gas flowing through the sections. . Each of the pressure sensors 310 to 330 is connected to the control computer 400, and is used when detecting the pressure of each pressure part in an abnormality detection process described later.

燃料電池10のアノード側の出口には、アノードオフガス流路26が接続されている。このアノードオフガス流路26には、気液分離器60が接続されている。アノードオフガス中には、電解質膜を介してカソード側から透過してくる水分が含まれる場合があり、気液分離器60によって、この水分がアノードオフガス中から分離され、外部に排出される。   An anode off gas flow path 26 is connected to the anode side outlet of the fuel cell 10. A gas-liquid separator 60 is connected to the anode off gas passage 26. The anode off gas may contain moisture that permeates from the cathode side through the electrolyte membrane. The moisture is separated from the anode off gas by the gas-liquid separator 60 and discharged to the outside.

気液分離器60には、水素循環流路28とパージ弁240とが接続されている。アノードオフガス中には、水分以外にも、燃料電池10による発電に供しきれなかった水素ガスが残存している場合があり、この水素ガスを水素循環流路28を介して、再度、水素供給流路24に供給することで、効率的に水素ガスを利用することができる。水素供給流路24と水素循環流路28の接合部には、水素ガスを循環させるための循環装置70が設けられている。この循環装置70としては、例えば、エジェクタやポンプを用いることができる。   A hydrogen circulation channel 28 and a purge valve 240 are connected to the gas-liquid separator 60. In the anode off gas, there may be a case where hydrogen gas that has not been used for power generation by the fuel cell 10 may remain in addition to moisture, and this hydrogen gas is again supplied to the hydrogen supply flow through the hydrogen circulation passage 28. By supplying to the path 24, hydrogen gas can be used efficiently. A circulation device 70 for circulating hydrogen gas is provided at a joint portion between the hydrogen supply channel 24 and the hydrogen circulation channel 28. For example, an ejector or a pump can be used as the circulation device 70.

パージ弁240は、制御コンピュータ400による制御によって定期的に開弁される。アノードオフガスには、前述したように水分やカソードから電解質膜を介して透過する空気中の窒素等の不純物が含まれるため、これらを、定期的に外部に排出するためである。なお、制御コンピュータ400は、アノードオフガス中の不純物の濃度を測定もしくは燃料電池の発電量等から推定して、パージ弁240を開弁するものとしてもよい。   The purge valve 240 is periodically opened under the control of the control computer 400. This is because the anode off gas contains moisture and impurities such as nitrogen in the air that passes through the electrolyte membrane from the cathode as described above, and these are periodically discharged to the outside. Note that the control computer 400 may open the purge valve 240 by measuring the concentration of impurities in the anode off-gas or estimating the amount of power generated by the fuel cell.

制御コンピュータ400は、CPUやROM、RAM、入出力ポートを備えている。ROMには、後述する異常検知処理を行うためのプログラムや、車両90や燃料電池システム100の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。CPUは、これらのプログラムをRAMに展開して実行する。入出力ポートには、水素流量計300や圧力センサ310〜340等が接続され、また、開閉弁200やパージ弁240、ブロワ30、イグニションスイッチ等も接続される。   The control computer 400 includes a CPU, ROM, RAM, and input / output ports. The ROM stores a program for performing an abnormality detection process, which will be described later, and a program for controlling the operation of the vehicle 90 and the fuel cell system 100. The CPU develops these programs in the RAM and executes them. A hydrogen flow meter 300, pressure sensors 310 to 340, and the like are connected to the input / output port, and an on-off valve 200, a purge valve 240, a blower 30, an ignition switch, and the like are also connected.

(A2)異常検知処理:
図2は、上述した制御コンピュータ400がROMに記録されたプログラムに基づき実行する異常検知処理のフローチャートである。この異常検知処理は、運転者によるイグニションスイッチのオン操作後、燃料電池10による発電開始前に、水素供給流路24やアノードオフガス流路26、水素循環流路28(以下、これらをまとめて「水素系」と呼ぶ)に水素漏れや部品故障が発生していないかを検知するための処理である。なお、かかる処理の前提として、初期状態では、開閉弁200とパージ弁240とは閉状態であり、水素系は閉じた状態であるものとする。
(A2) Abnormality detection processing:
FIG. 2 is a flowchart of an abnormality detection process executed by the control computer 400 described above based on a program recorded in the ROM. This abnormality detection process is performed after the ignition switch is turned on by the driver and before the power generation by the fuel cell 10 is started, the hydrogen supply channel 24, the anode offgas channel 26, and the hydrogen circulation channel 28 (hereinafter collectively referred to as “ This is a process for detecting whether a hydrogen leak or component failure has occurred in the hydrogen system). As a premise of such processing, in the initial state, the on-off valve 200 and the purge valve 240 are closed, and the hydrogen system is closed.

この異常検知処理が実行されると、まず、制御コンピュータ400は、圧力センサ310〜330のいずれかを用いて水素供給流路24内の圧力P0を測定する(ステップS200)。こうして測定された圧力P0は概ね大気圧程度である。なお、各圧力センサによって測定された圧力の平均値を水素供給流路24内の圧力P0としてもよい。圧力P0を測定すると、制御コンピュータ400は、開閉弁200を開く(ステップS210)。すると、高圧の水素ガスが水素供給流路24中に供給され、水素供給流路24内の圧力が加圧されることになる。加圧が開始されると、制御コンピュータ400は、水素流量計300を用いて水素タンク20から供給される水素ガスの流量を検出し(ステップS220)、その流量を積算する(ステップS230)。 When the abnormality detection process is executed, first, the control computer 400 measures the pressure P 0 in the hydrogen supply flow path 24 using any of the pressure sensors 310 to 330 (step S200). The pressure P 0 measured in this way is about atmospheric pressure. The average value of the pressure measured by each pressure sensor may be used as the pressure P 0 in the hydrogen supply channel 24. When the pressure P 0 is measured, the control computer 400 opens the on-off valve 200 (step S210). Then, high-pressure hydrogen gas is supplied into the hydrogen supply channel 24, and the pressure in the hydrogen supply channel 24 is increased. When pressurization is started, the control computer 400 detects the flow rate of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 20 using the hydrogen flow meter 300 (step S220), and integrates the flow rate (step S230).

次に、制御コンピュータ400は、上記ステップS100によって加圧を開始してから、現在までに経過した時間が、標準加圧時間tnを経過したか否かを判定する。(ステップS240)。標準加圧時間tnとは、水素供給流路24中の低圧部LSにおける水素圧力が燃料電池10による発電に適した圧力に達するまでにかかる水素の供給開始からの標準的な時間である。この標準加圧時間tnの値は、予めROMに記憶されている。制御コンピュータ400は、現在までの経過時間が標準加圧時間tnに達していないと判断した場合には(ステップS240:No)、上記ステップS220に処理を戻し、水素供給流路24内の加圧を継続する。   Next, the control computer 400 determines whether the time elapsed from the start of pressurization in step S100 until the present time has passed the standard pressurization time tn. (Step S240). The standard pressurization time tn is a standard time from the start of hydrogen supply until the hydrogen pressure in the low pressure part LS in the hydrogen supply channel 24 reaches a pressure suitable for power generation by the fuel cell 10. The value of this standard pressurization time tn is stored in advance in the ROM. When the control computer 400 determines that the elapsed time up to the present time has not reached the standard pressurization time tn (step S240: No), the control computer 400 returns the process to step S220 and pressurizes the hydrogen supply flow path 24. Continue.

現在までの経過時間が、標準加圧時間tnを経過したと判断すると(ステップS240:Yes)、制御コンピュータ400は、圧力センサ310〜330を用いて、水素供給流路24中の各圧力部の圧力をそれぞれ検出する(ステップS250)。以下では、ここで検出した高圧部HSの圧力をP1、中圧部MSの圧力をP2、低圧部LSの圧力をP3とする。 If it is determined that the elapsed time up to the present time has passed the standard pressurization time tn (step S240: Yes), the control computer 400 uses the pressure sensors 310 to 330 to set each pressure part in the hydrogen supply flow path 24. Each pressure is detected (step S250). Hereinafter, the pressure of the high pressure part HS detected here is P 1 , the pressure of the intermediate pressure part MS is P 2 , and the pressure of the low pressure part LS is P 3 .

次に、制御コンピュータ400は、上記ステップS230で積算した水素ガスの総流量と、上記ステップS250で検出した各圧力部の圧力とに基づき、水素ガスの漏れ量Qleakを算出する(ステップS260)。かかる漏れ量Qleakは、下記式(1)に基づき算出することができる。なお、下記式において、V1,V2…は、水素供給流路24中の各圧力部の体積を表しており、Qflowは、水素流量計300によって検出された水素ガスの流量を表している。かかる式(1)の左辺の第1項は、水素系に供給された水素の総量を水素流量計300によって計測した値となり、第2項は、水素系に存在する水素の総量を各圧力部の圧力から算出した値となる。 Next, the control computer 400 calculates the hydrogen gas leakage amount Q leak based on the total flow rate of hydrogen gas accumulated in step S230 and the pressure of each pressure portion detected in step S250 (step S260). . The leak amount Q leak can be calculated based on the following formula (1). In the following equation, V 1 , V 2 ... Represent the volume of each pressure part in the hydrogen supply flow path 24, and Q flow represents the flow rate of hydrogen gas detected by the hydrogen flow meter 300. Yes. The first term on the left side of the equation (1) is a value obtained by measuring the total amount of hydrogen supplied to the hydrogen system with the hydrogen flow meter 300, and the second term is the total amount of hydrogen existing in the hydrogen system for each pressure part. It is a value calculated from the pressure.

Figure 0004956906
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なお、上記式(1)は、次のような式(1b)のように表すこともできる。かかる式を用いる場合には、各圧力部に温度センサが設けられているものとする。なお、zは圧縮係数、Rは気体定数、T1,T2…は各圧力部の温度である。 The above formula (1) can also be expressed as the following formula (1b). When using this formula, it is assumed that a temperature sensor is provided in each pressure part. Here, z is a compression coefficient, R is a gas constant, T 1 , T 2 ... Are the temperatures of the pressure parts.

Figure 0004956906
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制御コンピュータ400は、こうして算出した漏れ量Qleakが基準値(例えば、ゼロ)を超えている場合には(ステップS270:漏れ量>基準値)、水素漏れが発生していると判断し、開閉弁200を閉じる(ステップS280)。そして、燃料電池10による発電を禁止し(ステップS290)、車両の運転モードを、二次電池40による運転のみを許容するEV運転モードに設定する(ステップS300)。こうすることにより、水素が漏れ出すことを抑制しつつ、二次電池に蓄電された電力の範囲内で車両を安全な場所まで自走させることができる。なお、漏れの判定に用いる基準値は、ゼロ以外にも、漏れ量Qleakの算出誤差を考慮し、所定量α(>0)としてもよい。 When the leak amount Q leak calculated in this way exceeds a reference value (for example, zero) (step S270: leak amount> reference value), the control computer 400 determines that a hydrogen leak has occurred and opens / closes it. The valve 200 is closed (step S280). Then, power generation by the fuel cell 10 is prohibited (step S290), and the operation mode of the vehicle is set to an EV operation mode that allows only the operation by the secondary battery 40 (step S300). By doing so, it is possible to drive the vehicle to a safe place within the range of the electric power stored in the secondary battery while suppressing leakage of hydrogen. The reference value used for determining the leak may be a predetermined amount α (> 0) in addition to zero in consideration of the calculation error of the leak amount Q leak .

一方、上記ステップS260において算出した漏れ量Qleakが基準値以下の場合には(ステップS270:漏れ量≦基準値)、制御コンピュータ400は、水素漏れは発生していないと判断する。そして、更に、低圧部LSの圧力P2が、燃料電池による発電に適した正常な圧力(例えば、200KPa)まで上昇しているか否かを判断する(ステップS310)。その結果、圧力P2が正常な圧力に達していない場合には(ステップS310:No)、水素供給流路24中に設けられたいずれかの部品(例えば、第1調圧弁210や第2調圧弁220)の故障により加圧不良等が発生していると判断し、車両の運転モードをリンプフォーム運転モードに設定する(ステップS320)。そして、制御コンピュータ400は、出力制限を行いつつ、燃料電池10による発電を開始する(ステップS330)。このように、調圧弁等の故障時においてリンプフォーム運転モードに設定し、燃料電池の出力制限を行えば、調圧弁等の故障に伴って、燃料電池に供給される水素量が少なくなっても、燃料電池の出力を制限して発電を継続することで、最寄りの修理工場等まで緊急的に車両を走行させることができる。また、上述したように、リンプフォーム運転モード設定時には、水素漏れまでは発生していないため、燃料電池を停止する必要はなく、EV運転モード時よりも比較的長距離自走させることができる。 On the other hand, when the leak amount Q leak calculated in step S260 is equal to or less than the reference value (step S270: leak amount ≦ reference value), the control computer 400 determines that no hydrogen leak has occurred. Further, it is determined whether or not the pressure P 2 of the low-pressure part LS has increased to a normal pressure suitable for power generation by the fuel cell (for example, 200 KPa) (step S310). As a result, when the pressure P 2 does not reach the normal pressure (step S310: No), any component (for example, the first pressure regulating valve 210 or the second pressure regulating valve) provided in the hydrogen supply flow path 24 is used. It is determined that a pressurization failure or the like has occurred due to a failure of the pressure valve 220), and the operation mode of the vehicle is set to the limp foam operation mode (step S320). Then, the control computer 400 starts power generation by the fuel cell 10 while performing output restriction (step S330). As described above, if the pressure regulating valve or the like is set to the limp foam operation mode and the output of the fuel cell is limited, even if the amount of hydrogen supplied to the fuel cell decreases due to the malfunction of the pressure regulating valve or the like. By restricting the output of the fuel cell and continuing the power generation, the vehicle can be urgently run to the nearest repair shop or the like. Further, as described above, when the limp foam operation mode is set, hydrogen leakage does not occur, so there is no need to stop the fuel cell, and the self-run can be performed for a relatively longer distance than in the EV operation mode.

上記ステップS310において、圧力P2が正常な圧力であると判断した場合には(ステップS310:Yes)、制御コンピュータ400は、水素供給流路24中に水素漏れや部品故障が発生していないと判断する。そして、運転モードを通常運転モードに設定し(ステップS340)、燃料電池10による発電を開始する(ステップS350)。制御コンピュータ400は、以上で説明した異常検知処理を終了すると、上記ステップS300、S320、S340において設定された運転モードに基づき、車両90の運転制御を行う。 In the step S310, the in the case where the pressure P 2 is determined to be a normal pressure (step S310: Yes), the control computer 400, when the hydrogen leak or component failure in the hydrogen supply flow path 24 does not occur to decide. Then, the operation mode is set to the normal operation mode (step S340), and power generation by the fuel cell 10 is started (step S350). When the control computer 400 finishes the abnormality detection process described above, the control computer 400 controls the operation of the vehicle 90 based on the operation mode set in steps S300, S320, and S340.

以上で説明した第1実施例の燃料電池システム100によれば、水素漏れや部品故障など、水素系に発生している異常を、燃料電池10による発電開始前に迅速に検出することができる。そのため、燃料電池システムの安全性を向上させることができる。燃料電池の発電開始前に水素タンク20から供給された水素は燃料電池によって消費されず、その供給量は水素供給流路内の状態量(圧力や温度等)の変化として現れる。そのため、このような状態量の変化を利用して水素漏れや部品故障の検知を行うことにより、燃料電池10による発電開始前の加圧期間中において水素漏れや部品故障など、水素系に発生している異常を精度良く迅速に検出することができるのである。また、本実施例では、燃料電池10の発電開始前に水素漏れ等の検知を行うことができるため、従来のように、水素漏れの検知のために、燃料電池を一旦運転させてから停止させるという動作が不要であるため、燃料電池の耐久性を向上させることもできる。   According to the fuel cell system 100 of the first embodiment described above, abnormalities occurring in the hydrogen system, such as hydrogen leakage and component failures, can be quickly detected before the power generation by the fuel cell 10 is started. Therefore, the safety of the fuel cell system can be improved. The hydrogen supplied from the hydrogen tank 20 before the start of power generation by the fuel cell is not consumed by the fuel cell, and the supply amount appears as a change in the state quantity (pressure, temperature, etc.) in the hydrogen supply channel. For this reason, hydrogen leaks and component failures are detected in the hydrogen system during the pressurization period before the start of power generation by the fuel cell 10 by detecting hydrogen leaks and component failures using such state quantity changes. It is possible to detect an abnormal condition with high accuracy and speed. Further, in this embodiment, since hydrogen leaks and the like can be detected before the power generation of the fuel cell 10 is started, the fuel cell is once operated and stopped for detection of hydrogen leaks as in the prior art. Therefore, the durability of the fuel cell can be improved.

(A3)第1実施例の変形例:
上述した第1実施例では、標準加圧時間tn(図2:ステップS240参照)の経過後に、漏れの判定を行うものとした。しかし、この標準加圧時間tn内の一部の期間で漏れの検知を行うものとしてもよい。燃料電池10内の電解質膜は、水素ガスをアノードからカソードに透過する性質があるが、この透過量は、アノード側の水素圧力に比例して多くなる。そのため、標準加圧時間tn内における、加圧開始から加圧途中までの低圧状態で漏れ量を検出すれば、電解質膜による水素透過の影響を抑制して迅速に水素漏れの検出を行うことができる。この場合、図2のステップS270における漏れの判定で用いる基準値や、ステップS310において低圧部の圧力と比較する正常圧力は、その一部の期間に応じてその値を設定することができる。
(A3) Modification of the first embodiment:
In the first embodiment described above, the leakage is determined after the standard pressurization time tn (see FIG. 2: step S240). However, leak detection may be performed during a part of the standard pressurization time tn. The electrolyte membrane in the fuel cell 10 has the property of permeating hydrogen gas from the anode to the cathode, but the permeation amount increases in proportion to the hydrogen pressure on the anode side. Therefore, if the amount of leakage is detected in a low pressure state from the start of pressurization to the middle of pressurization within the standard pressurization time tn, the effect of hydrogen permeation through the electrolyte membrane can be suppressed and hydrogen leak detected quickly. it can. In this case, the reference value used in the leakage determination in step S270 in FIG. 2 and the normal pressure compared with the pressure in the low pressure portion in step S310 can be set according to a part of the period.

上記のように、標準加圧時間tn内の一部の期間において漏れ量Qleakを算出する場合には、この期間中の水素の平均圧力を用いることで、図2のステップS260において算出する漏れ量を補正し、標準状態における漏れ量に換算することができる。このように、漏れ量を標準状態における漏れ量に換算すれば、図2のステップS270で用いる基準値や、ステップS310で用いる正常圧力は、第1実施例と同じ値を用いることができる。かかる換算は、次のように行うことができる。 As described above, when the leak amount Q leak is calculated in a partial period within the standard pressurization time tn, the leak calculated in step S260 of FIG. 2 is used by using the average pressure of hydrogen during this period. The amount can be corrected and converted into a leakage amount in a standard state. Thus, if the leakage amount is converted into the leakage amount in the standard state, the same value as in the first embodiment can be used as the reference value used in step S270 in FIG. 2 and the normal pressure used in step S310. Such conversion can be performed as follows.

例えば、漏れの発生している部分をオリフィスとみなすと、このオリフィスを通過する水素流量Qは、一般的に、次の式(2)で表される。ただし、αはオリフィス係数、F0は開口面積、γは気体密度である。これらは、漏れ部の大きさで一意に決まる値である。 For example, if a portion where leakage occurs is regarded as an orifice, the hydrogen flow rate Q passing through the orifice is generally expressed by the following equation (2). Where α is the orifice coefficient, F 0 is the opening area, and γ is the gas density. These values are uniquely determined by the size of the leakage portion.

Figure 0004956906
Figure 0004956906

上記式(2)によれば、漏れ部を通過する水素ガスの流量Qleakは、次式(3)のような関係を有することになる。 According to the above formula (2), the flow rate Q leak of hydrogen gas passing through the leaking portion has a relationship as shown in the following formula (3).

Figure 0004956906
Figure 0004956906

そのため、補正後の漏れ量Qleak2は、次式(4)によって求めることができる。ただし、Paveは、標準加圧時間tn内の一部の期間における平均圧力、Paは外気圧、Qleakは上記式(1)もしくは(1b)によって求めた水素漏れ量、Pbは燃料電池での発電に適した水素圧力である。 Therefore, the corrected leak amount Q leak2 can be obtained by the following equation (4). However, P ave is the average pressure, P a is the outside air pressure in a partial period in between the standard pressurization time tn, Q leak above formula (1) or (1b) by the obtained hydrogen leakage amount, P b is the fuel Hydrogen pressure suitable for battery power generation.

Figure 0004956906
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B.第2実施例:
上述した第1実施例では、図2のステップS240で示したように、標準加圧時間tnの経過後に漏れ量Qleakの算出を行った。そのため、水素供給流路24内の加圧が完了するまでの比較的長い期間にわたり水素の流量を検出することができることになり、測定誤差の発生を低減することができる。これに対して、本実施例では、標準加圧時間tn内の微小な時間内における水素の流量と圧力変化との関係から瞬時に水素漏れを検出することを目的とする。燃料電池システム100の全体構成は、図1で示した構成と同様である。
B. Second embodiment:
In the first embodiment described above, as shown in step S240 of FIG. 2, the leak amount Q leak is calculated after the standard pressurization time tn has elapsed. Therefore, the flow rate of hydrogen can be detected over a relatively long period until the pressurization in the hydrogen supply flow path 24 is completed, and the occurrence of measurement errors can be reduced. On the other hand, the present embodiment aims to detect hydrogen leakage instantaneously from the relationship between the flow rate of hydrogen and the pressure change within a minute time within the standard pressurization time tn. The overall configuration of the fuel cell system 100 is the same as the configuration shown in FIG.

図3は、第2実施例における異常検知処理のフローチャートである。制御コンピュータ400は、この異常検知処理を実行すると、まず、水素供給流路24内の圧力P0を測定する(ステップS400)。そして、開閉弁200を開き、水素供給流路24内の加圧を開始する(ステップS410)。 FIG. 3 is a flowchart of the abnormality detection process in the second embodiment. When executing the abnormality detection process, the control computer 400 first measures the pressure P 0 in the hydrogen supply flow path 24 (step S400). Then, the on-off valve 200 is opened, and pressurization in the hydrogen supply flow path 24 is started (step S410).

加圧開始後、制御コンピュータ400は、水素流量計300を用いて、微小時間dtにおける水素ガスの流量Qflowを検出する(ステップS420)。この微小時間dtは、例えば、水素流量計300が測定可能な最小の単位時間とすることができる。また、0.1秒や0.01秒など、予め定めた所定の微小時間とすることもできる。 After the start of pressurization, the control computer 400 uses the hydrogen flow meter 300 to detect the hydrogen gas flow rate Q flow in the minute time dt (step S420). The minute time dt can be set to the minimum unit time that can be measured by the hydrogen flow meter 300, for example. Moreover, it is also possible to set a predetermined minute time such as 0.1 seconds or 0.01 seconds.

制御コンピュータ400は、水素ガスの流量の検出と同時に、微小時間dtにおける水素供給流路24内の圧力変化量dpを検出する(ステップS430)。加圧中の初期の段階では、第1調圧弁210や第2調圧弁220は全開状態のため、各圧力部は連通した状態となり、それぞれの圧力状態は同じである。従って、圧力変化を測定するセンサは、水素流量計300よりも下流に位置していればよく、例えば、中圧部MSの圧力センサ320を用いてもよいし、低圧部LSの圧力センサ330を用いてもよい。   The control computer 400 detects the pressure change amount dp in the hydrogen supply flow path 24 at the minute time dt simultaneously with the detection of the flow rate of the hydrogen gas (step S430). At the initial stage of pressurization, the first pressure regulating valve 210 and the second pressure regulating valve 220 are fully open, so that the pressure parts are in communication with each other and the pressure states are the same. Therefore, the sensor for measuring the pressure change only needs to be positioned downstream of the hydrogen flow meter 300. For example, the pressure sensor 320 of the intermediate pressure part MS may be used, or the pressure sensor 330 of the low pressure part LS may be used. It may be used.

次に、制御コンピュータ400は、水素ガスの漏れ量Qleakを算出する(ステップS440)。V0、V’0を標準状態に換算した場合における水素の体積、Vを水素流量計300よりも下流における水素供給流路24の体積とすると、図3のステップS430中に示した圧力Pおよび圧力P’における水素の状態は、それぞれ、次のように表すことができる。 Next, the control computer 400 calculates a hydrogen gas leakage amount Q leak (step S440). Assuming that V 0 and V ′ 0 are the volume of hydrogen when converted to the standard state, and V is the volume of the hydrogen supply flow path 24 downstream of the hydrogen flow meter 300, the pressure P shown in step S430 in FIG. The state of hydrogen at the pressure P ′ can be expressed as follows.

PV=P00
P’V=P0V’0
PV = P 0 V 0
P′V = P 0 V ′ 0

上記2式の左辺および右辺をそれぞれ減算すると、
ΔPV=P0ΔV0
すなわち、
ΔP=(ΔV00)/V
となる。更に、この式を変形すると、流量Qは、次のように表される。
Subtracting the left side and right side of the above two formulas,
ΔPV = P 0 ΔV 0
That is,
ΔP = (ΔV 0 P 0 ) / V
It becomes. Furthermore, when this equation is transformed, the flow rate Q is expressed as follows.

Figure 0004956906
Figure 0004956906

従って、水素流量計300によって測定した流量をQflowとすると、漏れ量Qleakは次のように算出することができる。
leak=Qflow−Q
Therefore, if the flow rate measured by the hydrogen flow meter 300 is Q flow , the leakage amount Q leak can be calculated as follows.
Q leak = Q flow -Q

制御コンピュータ400は、こうして算出した漏れ量Qleakが基準値(例えば、ゼロ)を超える場合には(ステップS450:漏れ量>基準値)、漏れが発生していると判断し、図2に示したステップS280〜S300と同様の処理を行い、水素ガスの供給を停止する。一方、漏れ量Qleakが基準値以下の場合には(ステップS450:漏れ量≦基準値)、漏れが発生していないと判断し、上記ステップS410において水素ガスの供給を開始してから現在までに経過した時間が、標準加圧時間tnを経過したか否かを判定する(ステップS460)。その結果、標準加圧時間tnを経過した場合には(ステップS460:Yes)、図2に示したステップS310〜S350と同様の処理を行う。 When the leak amount Q leak calculated in this way exceeds a reference value (for example, zero) (step S450: leak amount> reference value), the control computer 400 determines that a leak has occurred and is shown in FIG. Then, the same processing as in steps S280 to S300 is performed, and the supply of hydrogen gas is stopped. On the other hand, if the leak amount Q leak is less than or equal to the reference value (step S450: leak amount ≦ reference value), it is determined that no leak has occurred, and from the start of hydrogen gas supply in step S410 to the present It is determined whether or not the elapsed time has passed the standard pressurization time tn (step S460). As a result, when the standard pressurization time tn has elapsed (step S460: Yes), the same processing as steps S310 to S350 shown in FIG. 2 is performed.

以上で説明した第2実施例によれば、燃料電池10による発電開始前であって、更に、水素系の加圧が完了する前に、瞬間的に水素漏れを検出することができる。そのため、水素漏れが発生していた場合には、水素ガスの供給を迅速に停止することが可能になる。   According to the second embodiment described above, hydrogen leakage can be detected instantaneously before the start of power generation by the fuel cell 10 and before the pressurization of the hydrogen system is completed. Therefore, when hydrogen leakage has occurred, the supply of hydrogen gas can be stopped quickly.

なお、燃料電池10内の電解質膜は、アノードからカソードに水素ガスを透過する性質があり、この透過量は、アノード側の水素圧力に比例して多くなる。従って、上記異常検知処理のステップS420およびステップS430を、水素供給流路24の加圧開始直後に実行するものとすれば、電解質膜によるクロスリークの影響を抑制して迅速に水素漏れを検知することができる。   The electrolyte membrane in the fuel cell 10 has the property of permeating hydrogen gas from the anode to the cathode, and the permeation amount increases in proportion to the hydrogen pressure on the anode side. Therefore, if Step S420 and Step S430 of the abnormality detection process are performed immediately after the start of pressurization of the hydrogen supply flow path 24, the influence of cross leak due to the electrolyte membrane is suppressed and hydrogen leak is detected quickly. be able to.

C.変形例:
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、以下のような変形が可能である。
C. Variations:
While various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and can of course be implemented in various forms without departing from the spirit of the present invention. . For example, the following modifications are possible.

(変形例1)
燃料電池10内においてアノード側から電解質膜を介してカソード側に透過する水素ガスの透過量は、アノード側の水素分圧に比例して増加する。そのため、上記第1実施例で示した式(1)を用いれば、標準加圧時間tn内の異なる2時点における漏れ量の差を求めることにより、電解質膜を透過する水素ガスの透過量を推定することが可能である。
(Modification 1)
In the fuel cell 10, the permeation amount of hydrogen gas that permeates from the anode side to the cathode side through the electrolyte membrane increases in proportion to the hydrogen partial pressure on the anode side. Therefore, if the equation (1) shown in the first embodiment is used, the permeation amount of hydrogen gas permeating the electrolyte membrane is estimated by obtaining the difference in leak amount at two different time points within the standard pressurization time tn. Is possible.

図4は、水素ガス透過量の推定方法を示す説明図である。図4(a)は、水素流量計300によって測定した水素流量の時間変化を表し、図4(b)は、低圧部LSの圧力センサ330によって検出した水素圧力の時間変化を表している。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a method for estimating the hydrogen gas permeation amount. FIG. 4A shows the time change of the hydrogen flow rate measured by the hydrogen flow meter 300, and FIG. 4B shows the time change of the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 330 of the low pressure part LS.

電解質膜によるガス透過量Qtは、アノード内の水素分圧に比例して増加する。すなわち、ガス透過量Qtとアノード内の圧力P(=低圧部LSの圧力)とは、次のような関係を有する。ただし、εはガス透過度、Sは電解質膜の面積である。 The gas permeation amount Q t through the electrolyte membrane increases in proportion to the hydrogen partial pressure in the anode. That is, the gas permeation amount Qt and the pressure P in the anode (= pressure of the low pressure part LS) have the following relationship. Where ε is the gas permeability and S is the area of the electrolyte membrane.

t=ε・P・S Q t = ε · P · S

図4(b)に示した時点t1,t2においてそれぞれ上記式(1)を用いて漏れ量Qleakを算出すると、漏れ量Qleakに差ΔQtが生じる。このΔQtは、電解質膜によってガスが透過したことによる差であるから、時点t1,t2におけるそれぞれの漏れ量Qleakを(漏れ量t1)、(漏れ量t2)と表すと、電解質膜を透過したガス量は、次のように表すことができる。 When the leak amount Q leak is calculated using the above equation (1) at the time points t1 and t2 shown in FIG. 4B, a difference ΔQ t occurs in the leak amount Q leak . Since this ΔQ t is a difference due to the permeation of gas through the electrolyte membrane, the leakage amount Q leak at time points t1 and t2 is expressed as (leakage amount t1) and (leakage amount t2). The amount of gas produced can be expressed as follows.

ΔQt=(漏れ量t1)−(漏れ量t2)
ΔQt=(ε・P1・S)−(ε・P2・S)
すなわち、
ΔQt=ε・ΔP・S
ΔQ t = (leakage amount t1) − (leakage amount t2)
ΔQ t = (ε · P1 · S) − (ε · P2 · S)
That is,
ΔQ t = ε ・ ΔP ・ S

Sは既定値であり、ΔPは圧力センサによって測定可能であるので、かかる式からガス透過度εが推定できる。従って、このガス透過度εを用いれば、図4(a)中に破線で示したグラフのように、電解質膜を透過する水素ガスの透過量を推定することができる。また、このガス透過度εの大きさにより、電解質膜の劣化度合いを推定することも可能である。   Since S is a predetermined value and ΔP can be measured by a pressure sensor, the gas permeability ε can be estimated from this equation. Therefore, by using this gas permeability ε, it is possible to estimate the amount of hydrogen gas that permeates the electrolyte membrane as shown by the broken line in FIG. Further, the degree of deterioration of the electrolyte membrane can be estimated from the magnitude of the gas permeability ε.

なお、例えば、上述した方法によって推定された水素ガスの透過量を用いれば、燃料電池10の発電中における水素ガスの漏れ量を精度よく推定することもできる。かかる場合における漏れ量Qleakは、次のような式によって求めることができる。 For example, if the hydrogen gas permeation amount estimated by the above-described method is used, the leakage amount of hydrogen gas during power generation of the fuel cell 10 can be accurately estimated. The leakage amount Q leak in such a case can be obtained by the following equation.

leak=Qflow−((燃料電池の出力電流から推定される水素消費量)+(パージ弁240からパージされる水素量)+(水素ガス透過量)) Q leak = Q flow -((hydrogen consumption estimated from output current of fuel cell) + (hydrogen amount purged from purge valve 240) + (hydrogen gas permeation amount))

(変形例2)
上述した第1実施例および第2実施例では、水素系で発生した水素漏れや部品故障等の異常を検出することが可能である。これに対して、図1内に破線で示したシャットバルブ250を用いることで、異常の発生した箇所の特定を行うことができる。図1に示すように、シャットバルブ250は、第2調圧弁220と水素流量計300の間に設けられている。
(Modification 2)
In the first and second embodiments described above, it is possible to detect abnormalities such as hydrogen leaks and component failures occurring in the hydrogen system. On the other hand, by using the shut valve 250 indicated by a broken line in FIG. As shown in FIG. 1, the shut valve 250 is provided between the second pressure regulating valve 220 and the hydrogen flow meter 300.

図5は、シャットバルブ250を用いて段階的に異常検知処理を実行する際のタイミングチャートである。まず、制御コンピュータ400は、シャットバルブ250を閉じた状態で、開閉弁200を開くと、シャットバルブ250よりも上流部分に水素ガスが供給される。すると、図示するように、水素流量計300によって中圧部MSに流れ込む水素の流量が検出され、圧力センサ320によって中圧部MSの圧力上昇が検出される。この期間中に、図2あるいは図3で示した異常検知処理を実行すれば、開閉弁200よりも下流側でシャットバルブ250よりも上流側に生じた水素漏れや部品故障を検出することができる。   FIG. 5 is a timing chart when the abnormality detection process is executed step by step using the shut valve 250. First, when the control computer 400 opens the on-off valve 200 with the shut valve 250 closed, hydrogen gas is supplied to the upstream portion of the shut valve 250. Then, as shown in the figure, the hydrogen flow meter 300 detects the flow rate of hydrogen flowing into the intermediate pressure part MS, and the pressure sensor 320 detects the pressure increase in the intermediate pressure part MS. If the abnormality detection process shown in FIG. 2 or FIG. 3 is executed during this period, it is possible to detect hydrogen leakage or component failure that occurs downstream from the on-off valve 200 and upstream from the shut valve 250. .

上述した1回目の異常検知処理によって水素漏れや部品故障が検出されなかった場合には、制御コンピュータ400は、シャットバルブ250を開く。すると、シャットバルブ250よりも下流に水素が供給されるため、水素流量計300によって低圧部LSに流れ込む流量が検出されると共に、圧力センサ330によって低圧部LSの圧力上昇が検出される。制御コンピュータ400は、かかる期間において2回目の異常検知処理を実行すれば、シャットバルブ250よりも下流側に生じた水素漏れや部品故障を検出することができる。   If no hydrogen leak or component failure is detected by the first abnormality detection process described above, the control computer 400 opens the shut valve 250. Then, since hydrogen is supplied downstream from the shut valve 250, the flow rate flowing into the low pressure part LS is detected by the hydrogen flow meter 300, and the pressure increase in the low pressure part LS is detected by the pressure sensor 330. If the control computer 400 executes the second abnormality detection process in such a period, the control computer 400 can detect hydrogen leakage or component failure that has occurred on the downstream side of the shut valve 250.

以上で説明したように、本変形例によれば、水素供給流路24中にシャットバルブを設け、段階的にそのシャットバルブを開いていくことで、水素漏れや部品故障の発生した部位をそのシャットバルブの位置に応じて検出することが可能になる。なお、本変形例では、シャットバルブを1つのみ配置した例を示したが、その数に制限はない。シャットバルブを複数個設けた場合には水素供給流路24の上流側から順にシャットバルブを開弁する。そして、開弁したシャットバルブの下流に直近して位置する区間において水素漏れ等の検知を行い、かかる検知が終了すれば、次のシャットバルブを開弁し、同様の処理を繰り返し行う。このように、複数個のシャットバルブを用いて異常検知処理を繰り返し実行すれば、異常発生の位置を正確に特定することができる。   As described above, according to this modification, a shut valve is provided in the hydrogen supply flow path 24, and the shut valve is opened in stages, so that a site where hydrogen leakage or component failure has occurred can be detected. It becomes possible to detect according to the position of the shut valve. In addition, in this modification, although the example which has arrange | positioned only one shut valve was shown, there is no restriction | limiting in the number. When a plurality of shut valves are provided, the shut valves are opened sequentially from the upstream side of the hydrogen supply flow path 24. Then, hydrogen leakage or the like is detected in a section located immediately downstream of the opened shut valve, and when the detection ends, the next shut valve is opened and the same process is repeated. Thus, if the abnormality detection process is repeatedly executed using a plurality of shut valves, the position of the abnormality occurrence can be accurately specified.

(変形例3)
第1実施例や第2実施例では、1つの水素流量計300を用いて水素供給流路24全体の異常検知を行うものとした。これに対して、水素流量計を水素供給流路24中の各圧力部に配置することで、各圧力部についてそれぞれ水素漏れや部品故障の検知を行うことができる。
(Modification 3)
In the first embodiment and the second embodiment, one hydrogen flow meter 300 is used to detect abnormality of the entire hydrogen supply flow path 24. In contrast, by disposing a hydrogen flow meter at each pressure part in the hydrogen supply flow path 24, it is possible to detect hydrogen leakage and component failure for each pressure part.

図6は、本変形例における燃料電池システム100の全体構成を示す説明図である。図示するように、本変形例では、図1に示した燃料電池システム100に対して、高圧部HSに水素流量計301を、低圧部LSに水素流量計302をそれぞれ加えた構成を採る。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing the overall configuration of the fuel cell system 100 in the present modification. As shown in the figure, the present modification employs a configuration in which a hydrogen flow meter 301 is added to the high-pressure part HS and a hydrogen flow meter 302 is added to the low-pressure part LS with respect to the fuel cell system 100 shown in FIG.

このような構成の燃料電池システムでは、制御コンピュータ400は、開閉弁200を開いた後に、各圧力部でそれぞれ、図2あるいは図3で示した異常検知処理を実行する。こうすることで、各圧力部における水素漏れや部品故障を検出することができる。つまり、上述した変形例2と同様に、異常の発生した場所の特定を行うことができる。また、本変形例では、上述した変形例2のように、段階的にシャットバルブを空ける処理が不要であるため、異常の発生場所の検出をより迅速に行うことができる。   In the fuel cell system having such a configuration, the control computer 400 performs the abnormality detection process shown in FIG. 2 or FIG. By doing so, it is possible to detect hydrogen leakage or component failure in each pressure part. That is, the location where the abnormality has occurred can be specified in the same manner as in the second modification described above. Further, in this modification, the process of opening the shut valve in stages as in Modification 2 described above is not necessary, so that the location where an abnormality has occurred can be detected more quickly.

(変形例4)
水素ガスを燃料電池10に供給する際には、燃料電池10内のアノード流路によって大きな圧力損失が発生する場合がある。そこで、上述した異常検知処理において、開閉バルブ200の開弁(ステップS210,S410)とともに燃料電池10のアノード入口と同時にアノード出口からも水素ガスを供給することで、水素系の圧力の均一化を図ることができ、異常検知の精度を向上させることができる。
(Modification 4)
When supplying hydrogen gas to the fuel cell 10, a large pressure loss may occur due to the anode flow path in the fuel cell 10. Therefore, in the above-described abnormality detection process, hydrogen gas is supplied from the anode outlet of the fuel cell 10 together with the opening of the opening / closing valve 200 (steps S210 and S410), thereby equalizing the hydrogen pressure. It is possible to improve the accuracy of abnormality detection.

例えば、循環装置70がエジェクタによって構成されていれば、エジェクタの開度を全開にして、かつエジェクタの1次圧を徐々に上昇させる。こうすることで循環装置70の循環能力を抑制することができるので、アノードオフガス流路26を水素が逆流することになり、アノード出口側にも水素ガスを供給することができる。   For example, if the circulation device 70 is constituted by an ejector, the opening degree of the ejector is fully opened and the primary pressure of the ejector is gradually increased. By doing so, the circulation capacity of the circulation device 70 can be suppressed, so that hydrogen flows backward through the anode off-gas flow path 26, and hydrogen gas can be supplied also to the anode outlet side.

また、循環装置70が水素ポンプによって構成されていれば、水素ポンプを逆回転させることで、水素循環流路28側に水素ガスを逆流させ、アノード出口に水素ガスを供給することができる。   Further, if the circulation device 70 is constituted by a hydrogen pump, by rotating the hydrogen pump in the reverse direction, the hydrogen gas can flow back to the hydrogen circulation flow path 28 side and the hydrogen gas can be supplied to the anode outlet.

その他、循環装置70を利用してアノード出口に水素ガスを供給する以外にも、アノード出口に水素ガスを供給するための専用の流路を別途設けるものとしてもよい。   In addition to supplying hydrogen gas to the anode outlet using the circulation device 70, a dedicated channel for supplying hydrogen gas to the anode outlet may be separately provided.

図7および図8は、アノード出口に水素ガスを供給するため専用の流路の例を示す説明図である。図7に示した燃料電池システム100では、水素供給流路24のアノード入口付近と、カソードオフガス流路36のアノード出口付近とをバイパス流路37によって接続し、このバイパス流路37中にシャットバルブ38を設けている。制御コンピュータ400は、異常検知処理の実行開始とともにこのシャットバルブ38を開弁することで、アノード出口側に対しても水素ガスを供給することができる。異常検知処理の終了時には、このシャットバルブ38は閉弁する。   FIG. 7 and FIG. 8 are explanatory views showing an example of a dedicated channel for supplying hydrogen gas to the anode outlet. In the fuel cell system 100 shown in FIG. 7, the vicinity of the anode inlet of the hydrogen supply channel 24 and the vicinity of the anode outlet of the cathode offgas channel 36 are connected by a bypass channel 37, and a shut valve is placed in the bypass channel 37. 38 is provided. The control computer 400 can supply hydrogen gas also to the anode outlet side by opening the shut valve 38 when the abnormality detection process is started. At the end of the abnormality detection process, the shut valve 38 is closed.

一方、図8に示した燃料電池システム100では、水素供給流路24のアノード入口付近に三方弁39を設け、この三方弁39に対して燃料電池10のアノード入口およびアノード出口にそれぞれ水素ガスを導入する流路41を接続している。このような構成であっても、異常検知処理の実行と同時に三方弁39を制御することで、燃料電池10のアノード出口に対して水素ガスを供給することができる。   On the other hand, in the fuel cell system 100 shown in FIG. 8, a three-way valve 39 is provided in the vicinity of the anode inlet of the hydrogen supply channel 24, and hydrogen gas is supplied to the anode inlet and the anode outlet of the fuel cell 10 with respect to the three-way valve 39. The flow path 41 to be introduced is connected. Even in such a configuration, the hydrogen gas can be supplied to the anode outlet of the fuel cell 10 by controlling the three-way valve 39 simultaneously with the execution of the abnormality detection process.

(変形例5)
上述した実施例や変形例では、水素供給流路24に供給される水素の流量を水素流量計300によって測定したが、水素流量計300を用いることなく種々の方法でその流量を推定することもできる。例えば、水素タンク20から供給された直後の水素ガスの圧力変化を測定することで、水素供給流路24に供給される水素ガスの流量を推定することができる。また、水素タンク20の直後に配置された部品(例えば、第1調圧弁)の前後に生じる差圧から水素流量を推定することもできる。
(Modification 5)
In the above-described embodiments and modifications, the flow rate of hydrogen supplied to the hydrogen supply flow path 24 is measured by the hydrogen flow meter 300. However, the flow rate may be estimated by various methods without using the hydrogen flow meter 300. it can. For example, the flow rate of the hydrogen gas supplied to the hydrogen supply flow path 24 can be estimated by measuring the pressure change of the hydrogen gas immediately after being supplied from the hydrogen tank 20. Further, the hydrogen flow rate can also be estimated from the differential pressure generated before and after a component (for example, the first pressure regulating valve) arranged immediately after the hydrogen tank 20.

(変形例6)
図2に示した異常検知処理のステップS300,S330,310における運転モードの設定は、水素漏れの有無および故障の有無に応じて運転モードが定義された所定の運転モードテーブルを参照することにより行うものとしてもよい。図9には、運転モードテーブルの一例を示した。図示する例には、水素漏れの有無および故障の有無についてのみ運転モードを定義してあるが、例えば、水素漏れの発生場所や故障の発生場所に応じてもそれぞれ運転モードを定義するものとしてもよい。このようなテーブルを用いれば、水素漏れの有無や故障の有無等に応じてきめ細かく運転モードを設定することができる。
(Modification 6)
The operation mode setting in steps S300, S330, and 310 of the abnormality detection process shown in FIG. 2 is performed by referring to a predetermined operation mode table in which the operation mode is defined according to the presence or absence of hydrogen leakage and the presence or absence of failure. It may be a thing. FIG. 9 shows an example of the operation mode table. In the illustrated example, the operation mode is defined only for the presence or absence of a hydrogen leak and the presence or absence of a failure. For example, the operation mode may be defined depending on the location of occurrence of a hydrogen leak or the location of a failure. Good. By using such a table, the operation mode can be set in detail according to the presence or absence of hydrogen leakage or the presence or absence of failure.

第1実施例としての燃料電池システム100の全体構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the whole structure of the fuel cell system 100 as 1st Example. 第1実施例における異常検知処理のフローチャートである。It is a flowchart of the abnormality detection process in 1st Example. 第2実施例における異常検知処理のフローチャートである。It is a flowchart of the abnormality detection process in 2nd Example. 水素ガス透過量の推定方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the estimation method of hydrogen gas permeation | transmission amount. シャットバルブ250を用いて段階的に異常検知処理を実行する際のタイミングチャートである。4 is a timing chart when executing abnormality detection processing step by step using a shut valve 250; 変形例3における燃料電池システム100の全体構成を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing an overall configuration of a fuel cell system 100 in Modification 3. アノード出口に水素ガスを供給するための流路を別途設けた例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which provided separately the flow path for supplying hydrogen gas to an anode exit. アノード出口に水素ガスを供給するための流路を別途設けた例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which provided separately the flow path for supplying hydrogen gas to an anode exit. 運転モードテーブルの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of an operation mode table.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池
20…水素タンク
24…水素供給流路
26…アノードオフガス流路
28…水素循環流路
30…ブロワ
34…空気供給流路
36…カソードオフガス流路
37…バイパス流路
38…シャットバルブ
39…三方弁
40…二次電池
50…モータ
55…車軸
60…気液分離器
70…循環装置
90…車両
100…燃料電池システム
200…開閉弁
210…第1調圧弁
220…第2調圧弁
240…パージ弁
250…シャットバルブ
300,301,302…水素流量計
310〜330…圧力センサ
400…制御コンピュータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 20 ... Hydrogen tank 24 ... Hydrogen supply flow path 26 ... Anode off gas flow path 28 ... Hydrogen circulation flow path 30 ... Blower 34 ... Air supply flow path 36 ... Cathode off gas flow path 37 ... Bypass flow path 38 ... Shut valve DESCRIPTION OF SYMBOLS 39 ... Three-way valve 40 ... Secondary battery 50 ... Motor 55 ... Axle 60 ... Gas-liquid separator 70 ... Circulating device 90 ... Vehicle 100 ... Fuel cell system 200 ... On-off valve 210 ... First pressure regulating valve 220 ... Second pressure regulating valve 240 ... Purge valve 250 ... Shut valve 300,301,302 ... Hydrogen flow meter 310-330 ... Pressure sensor 400 ... Control computer

Claims (12)

燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と、を備え、
前記漏れ検出部は、前記加圧期間において加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、前記漏れの検出を行う
燃料電池システム。
A fuel cell system for generating electricity by supplying hydrogen and oxygen to a fuel cell,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen to the fuel cell;
A hydrogen supply flow path connecting the hydrogen supply means and the fuel cell;
A flow rate detection means provided in the hydrogen supply flow path for detecting the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply means to the fuel cell;
State quantity detection means provided in the hydrogen supply flow path for detecting at least one of the state quantities of hydrogen supplied to the fuel cell;
A pressurization period before the start of power generation by the fuel cell and until the pressure in the hydrogen supply flow path reaches a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell from the start of supply of hydrogen by the hydrogen supply means The flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the fuel cell is calculated based on the hydrogen state quantity detected by the state quantity detection unit, and the calculated flow rate and the flow rate detection unit detect A leakage detection unit that detects leakage of the hydrogen based on the flow rate ,
The leak detection unit is a fuel cell system that detects the leak during at least a part of the pressurization period until pressurization ends .
請求項に記載の燃料電池システムであって、
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の状態量の変化に基づき、前記漏れを検出する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 ,
The leak detection unit detects the leak based on a change in the hydrogen state quantity in the partial period.
請求項に記載の燃料電池システムであって、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出部は、前記一部の期間における前記水素の平均圧力を求め、前記一部の期間において算出した前記水素の漏れ量を、前記平均圧力に基づき、前記加圧期間の完了時における漏れ量に補正する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 ,
The state quantity detection means comprises means for detecting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell,
The leak detection unit obtains an average pressure of the hydrogen in the partial period, and calculates the leak amount of hydrogen calculated in the partial period based on the average pressure at the time of completion of the pressurization period. Fuel cell system that compensates for quantity.
請求項1ないしのいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記一部の期間内の異なる2時点において、前記算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき前記水素の漏れ量をそれぞれ算出し、前記2時点における各漏れ量の差から、前記燃料電池内の電解質膜を介してアノードからカソードへと透過する水素の透過量を推定する透過量推定部を備える
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 ,
The hydrogen leakage amount is calculated based on the calculated flow rate and the flow rate detected by the flow rate detection means at two different time points within the partial period, and a difference between the leakage amounts at the two time points is calculated. And a permeation amount estimation unit for estimating a permeation amount of hydrogen permeating from the anode to the cathode through the electrolyte membrane in the fuel cell.
燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、
前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、
前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段と、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する漏れ検出部と、を備え、
前記燃料電池には、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス流路が接続されており、
該アノードオフガス流路は、前記アノードオフガスを前記水素供給流路に循環させるための循環装置を介して前記水素供給流路に接続され、
前記加圧期間中に、前記循環装置を制御して、前記水素供給手段から供給される水素を前記アノードオフガス流路に逆流させて供給する手段を備える
燃料電池システム。
A fuel cell system for generating electricity by supplying hydrogen and oxygen to a fuel cell,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen to the fuel cell;
A hydrogen supply flow path connecting the hydrogen supply means and the fuel cell;
A flow rate detection means provided in the hydrogen supply flow path for detecting the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply means to the fuel cell;
State quantity detection means provided in the hydrogen supply flow path for detecting at least one of the state quantities of hydrogen supplied to the fuel cell;
A pressurization period before the start of power generation by the fuel cell and until the pressure in the hydrogen supply flow path reaches a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell from the start of supply of hydrogen by the hydrogen supply means The flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the fuel cell is calculated based on the hydrogen state quantity detected by the state quantity detection unit, and the calculated flow rate and the flow rate detection unit detect A leakage detection unit that detects leakage of the hydrogen based on the flow rate,
The fuel cell is connected to an anode off gas flow path for discharging the anode off gas,
The anode off gas channel is connected to the hydrogen supply channel via a circulation device for circulating the anode off gas to the hydrogen supply channel,
A fuel cell system comprising means for controlling the circulation device during the pressurization period to supply the hydrogen supplied from the hydrogen supply means in a reverse flow to the anode off-gas flow path.
請求項1ないしのいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水素供給流路中の、前記流量検出手段と前記燃料電池との間に、少なくとも一つのシャットバルブを備えており、
前記状態量検出手段は、前記シャットバルブによって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記各シャットバルブは、初期状態で閉状態となっており、
前記漏れ検出部は、
前記シャットバルブを、前記流量検出手段側に設けられたシャットバルブから前記燃料電池側に設けられたシャットバルブに向けて順に開弁する手段と、
前記開弁したシャットバルブと、未開弁のシャットバルブまたは前記燃料電池のうち該開弁したシャットバルブの前記燃料電池側に位置する直近のものとの間に位置する区間に備えられた前記状態量検出手段によって、該区間中の前記水素の状態量を検出するとともに、該状態量に基づき前記水素供給手段から該区間に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、該区間における水素の漏れを検出する手段とを備える
燃料電池システム。
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 ,
In the hydrogen supply channel, at least one shut valve is provided between the flow rate detecting means and the fuel cell,
The state quantity detection means is provided for each section in the hydrogen supply flow path partitioned by the shut valve,
Each shut valve is closed in the initial state,
The leak detector is
Means for sequentially opening the shut valve from a shut valve provided on the flow rate detecting means side toward a shut valve provided on the fuel cell side;
The state quantity provided in a section located between the opened shut valve and an unopened shut valve or the nearest one of the fuel cells located on the fuel cell side of the opened shut valve The state quantity of the hydrogen in the section is detected by the detection means, the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply means to the section is calculated based on the state quantity, and the calculated flow rate and the flow rate are calculated. A fuel cell system comprising: means for detecting leakage of hydrogen in the section based on the flow rate detected by the detection means.
請求項1ないしのいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記水素供給流路は、少なくとも一つの調圧弁を備えており、
前記状態量検出手段および前記流量検出手段は、前記調圧弁によって区画された前記水素供給流路中の各区間毎に備えられ、
前記漏れ検出部は、前記区間毎に、前記漏れの検出を行う
燃料電池システム。
A fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 ,
The hydrogen supply channel includes at least one pressure regulating valve;
The state quantity detection means and the flow rate detection means are provided for each section in the hydrogen supply flow path partitioned by the pressure regulating valve,
The leak detection unit detects the leak for each of the sections.
請求項1ないしのいずれかに記載の燃料電池システムであって、
更に、前記水素供給流路中の、前記状態量検出手段と前記水素供給手段との間に、前記水素供給手段から供給される水素の圧力を調整する調圧弁を備え、
前記状態量検出手段は、前記燃料電池に供給される水素の圧力を検出する手段を備え、
前記漏れ検出手段によって前記漏れが検出されなかった場合に、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の圧力が、前記燃料電池の発電に適した所定の圧力よりも低いときに前記調圧弁が故障したと判定する故障判定部を備える
燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7 ,
Furthermore, a pressure regulating valve for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply means is provided between the state quantity detection means and the hydrogen supply means in the hydrogen supply flow path,
The state quantity detection means comprises means for detecting the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell,
When the leak is not detected by the leak detection means, the pressure regulating valve fails when the hydrogen pressure detected by the state quantity detection means is lower than a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell. A fuel cell system comprising a failure determination unit that determines that the failure has occurred.
請求項に記載の燃料電池システムであって、
該燃料電池システムは車両に搭載されており、
前記漏れ検出部による漏れの検出結果および前記故障判定部による故障の判定結果の少なくともいずれか一方に応じて、前記車両の運転モードを設定する運転モード設定部を備える
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 8 , wherein
The fuel cell system is mounted on a vehicle,
A fuel cell system, comprising: an operation mode setting unit that sets an operation mode of the vehicle according to at least one of a leak detection result by the leak detection unit and a failure determination result by the failure determination unit.
請求項に記載の燃料電池システムであって、
前記運転モード設定部は、前記漏れ検出部によって前記漏れが検出された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池による発電を禁止するとともに前記車両に備えられた二次電池による走行を許容する二次電池運転モードに設定する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 9 , wherein
The operation mode setting unit prohibits power generation by the fuel cell and travel by a secondary battery provided in the vehicle when the leak is detected by the leak detection unit. Fuel cell system set to secondary battery operation mode.
請求項または10に記載の燃料電池システムであって、
前記運転モード設定部は、前記故障判定部によって故障が発生したと判定された場合には、前記運転モードを、前記燃料電池に対して出力制限をかけつつ走行を許容するリンプフォーム運転モードに設定する
燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 9 or 10 , wherein
The operation mode setting unit sets the operation mode to a limp-form operation mode that allows traveling while limiting output to the fuel cell when the failure determination unit determines that a failure has occurred. Fuel cell system.
燃料電池に水素と酸素とを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、水素漏れを検出する水素漏れ検出方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記水素を供給する水素供給手段と、前記水素供給手段と前記燃料電池とを接続する水素供給流路と、前記水素供給流路中に設けられ、前記水素供給手段から前記燃料電池に供給される水素の流量を検出する流量検出手段と、前記水素供給流路中に設けられ、前記燃料電池に供給される水素の状態量の少なくとも一つを検出する状態量検出手段とを備えており、
前記燃料電池による発電開始前であって、前記水素供給手段による前記水素の供給開始から、前記水素供給流路内の圧力が前記燃料電池の発電に適した所定の圧力に達するまでの加圧期間中において、前記状態量検出手段によって検出した前記水素の状態量に基づき前記水素供給手段から前記燃料電池に供給された水素の流量を算出し、該算出された流量と、前記流量検出手段によって検出された流量とに基づき、前記水素の漏れを検出する検出工程を含み、
前記検出工程では、前記加圧期間において加圧が終了するまでの少なくとも一部の期間において、前記漏れの検出を行う
水素漏れ検出方法。
In a fuel cell system for generating power by supplying hydrogen and oxygen to a fuel cell, a hydrogen leak detection method for detecting hydrogen leak,
The fuel cell system is provided in the hydrogen supply channel, a hydrogen supply unit that supplies the hydrogen to the fuel cell, a hydrogen supply channel that connects the hydrogen supply unit and the fuel cell, and the hydrogen supply channel A flow rate detection means for detecting a flow rate of hydrogen supplied from the supply means to the fuel cell; and a state in which at least one of the state quantities of hydrogen supplied to the fuel cell is provided in the hydrogen supply flow path A quantity detecting means,
A pressurization period before the start of power generation by the fuel cell and until the pressure in the hydrogen supply flow path reaches a predetermined pressure suitable for power generation of the fuel cell from the start of supply of hydrogen by the hydrogen supply means The flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the fuel cell is calculated based on the hydrogen state quantity detected by the state quantity detection unit, and the calculated flow rate and the flow rate detection unit detect And a detection step of detecting leakage of the hydrogen based on the measured flow rate ,
In the detection step, a hydrogen leak detection method for detecting the leak in at least a part of the pressurization period until pressurization is completed .
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