JP3899811B2

JP3899811B2 - Protection device for fuel cell system

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Publication number: JP3899811B2
Application number: JP2000383693A
Authority: JP
Inventors: 則夫久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: JP2002184435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムの保護装置に係り、特に、温度異常が検出される以前に冷却系の故障を検出することができる燃料電池システムの保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源、あるいは動力源として、燃料電池技術が注目されている。
【０００３】
燃料電池は、その燃料となる水素あるいは水素濃度の高いガス、および酸化剤となる酸素、あるいは酸素を含んだ空気を電解質と電極触媒との複合体であるスタックに供給し、電気化学反応を起こして、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるエネルギー変換システムである。燃料電池の中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が自動車等の移動体用動力源として注目されている。
【０００４】
燃料電池は、スタック内の燃料と酸素との反応熱を外部へ強制的に放出しなければ、スタック温度が上昇し、電解質等の燃料電池構成部材の耐熱温度を超えるため、冷媒をスタック内に循環させることで、スタック温度を制御している。固体高分子電解質型燃料電池は、スタック温度が約８５℃以下になるよう制御されるのが一般的なため、冷媒には水を用いることが多い。
【０００５】
図１６は、従来の燃料電池システムの冷却系を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池スタック１０３は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１上には、冷媒ポンプ２０２と、燃料電池スタック１０３の入口付近に温度センサ３００、同出口付近に温度センサ３０１とが設けられている。そして、燃料電池スタック１０３の内部の冷媒通路と冷媒配管２０１とラジエータ２００との内部には、冷媒が充填され、冷媒ポンプ２０２により、これらの間を冷媒が循環して、燃料電池スタック１０３を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ２００から外部へ放熱するようになっている。
【０００６】
制御装置４００へは、温度センサ３００、３０１からの温度計測信号が入力される一方、制御装置４００から、冷媒ポンプ２０２と、ラジエータファン２０３とに対して制御信号を出力し、それぞれ冷媒流量、ラジエータ２００の通風量を制御可能となっている。
【０００７】
通常運転時には、制御装置４００は、温度センサ３００、３０１が検出する温度が所定の範囲内となるように、冷媒ポンプ２０２、ラジエータファン２０３を制御することにより、燃料電池スタック１０３の動作温度を所定範囲に維持している。一方、冷却系や制御系に異常が生じて、温度センサ３００または３０１の検出する温度が所定値を超えた場合には、制御装置４００により温度異常判定がなされ、燃料電池システムの停止などによる処置を行い、燃料電池スタック１０３の内部温度上昇による寿命低下を回避する。
【０００８】
また、燃料電池システムには、空気を圧縮して酸素分圧を高めた圧縮空気を用いるタイプがあり、このタイプの従来例のシステム構成を図１７に示す。同図において、空気圧縮装置１００は燃料電池で使用する空気を圧縮し、断熱圧縮されて温度が上昇した空気を熱交換装置１０１で冷却し、冷却した空気を加湿装置１０２により加湿し、加湿された空気を燃料電池スタック１０３に供給し、燃料電池スタック１０３から排出される空気流量を空気流量制御弁１０４により制御している。
【０００９】
熱交換装置１０１は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１上には、冷媒ポンプ２０２と、熱交換装置１０１の冷媒入口付近に冷媒温度センサ３０１が設けられている。そして、熱交換装置１０１の内部の冷媒通路と冷媒配管２０１とラジエータ２００との内部には、冷媒が充填され、冷媒ポンプ２０２により、これらの間を冷媒が循環して、熱交換装置１０１を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ２００から外部へ放熱するようになっている。
【００１０】
制御装置４００へは、空気温度センサ３００、冷媒温度センサ３０１からの温度計測信号が入力される一方、制御装置４００から、冷媒ポンプ２０２と、ラジエータファン２０３とに対して制御信号を出力し、それぞれ冷媒流量、ラジエータ２００の通風量を制御可能となっている。
【００１１】
通常運転時には、制御装置４００は、空気温度センサ３００、冷媒温度センサ３０１が検出する温度が所定の範囲内となるように、冷媒ポンプ２０２、ラジエータファン２０３を制御することにより、加湿装置１０２に供給される空気の温度を所定範囲に維持している。一方、冷却系や制御系に異常が生じて、空気温度センサ３００または冷媒温度センサ３０１の検出する温度が所定値を超えた場合には、制御装置４００により温度異常判定がなされ、空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などによる異常処置を行い、空気温度の異常上昇による加湿装置１０２や燃料電池スタック１０３の寿命低下を回避する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池を冷却する冷媒温度が徐々に上昇するような故障モードに対しては、温度センサが温度異常を検出したことにより、異常時の処置を行っても燃料電池の寿命低下を回避することができた。しかしながら、冷媒回路の瞬時閉塞、冷媒漏れ、エアロック、冷媒ポンプの瞬時停止等の突然故障が生じた場合には、温度センサが温度異常を検出したときには、既に燃料電池スタック内部の温度が寿命低下限界を超えていて、燃料電池の寿命低下が避けられないという問題点があった。
【００１３】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、温度センサによる温度異常検出前に、燃料電池システムの冷却系の異常を検出し、寿命低下限界温度を超える前に異常制御を行って、突発的な異常発生に基づく寿命低下を回避することができる燃料電池システムの保護装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料電池の発熱部とラジエータとの間に冷媒を循環させる冷媒ポンプを備えた燃料電池システムの保護装置であって、前記冷媒ポンプ出口付近に設けられ前記冷媒の圧力値を検出する第１の圧力検出手段と、前記冷媒ポンプ出口から前記燃料電池の発熱部の冷媒入口までの冷媒流路以外の冷媒流路に設けられ前記冷媒の圧力値を検出する第２の圧力検出手段と、第１、第２の圧力検出手段の検出した圧力値の差分に基づいて前記冷媒の流量値を推定する流量検出手段と、これら圧力検出手段及び流量検出手段による圧力値及び流量値が正常か異常かを判定する判定手段と、この判定手段が異常と判定したとき燃料電池の出力を制限又は運転を停止させることにより前記発熱部の発熱を制限する異常制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムの保護装置において、前記判定手段による判定に際し、前記圧力値に対する前記流量値が正常範囲より少ない方へ偏移、または前記流量値に対する前記圧力値が正常範囲より高い方へ偏移している場合、前記冷媒の流路の閉塞故障または冷媒ポンプの故障があると判定し、前記圧力値に対する前記流量値が正常範囲より多い方へ偏移、または前記流量値に対する前記圧力値が正常範囲より低い方へ偏移している場合、前記冷媒の漏洩故障またはエアロック故障があると判定することを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、燃料電池の発熱部とラジエータとの間に冷媒を循環させる冷媒ポンプを備えた燃料電池システムの保護装置であって、前記冷媒ポンプの駆動トルク値を検出するトルク検出手段と、前記冷媒ポンプの回転速度値を検出する回転速度検出手段と、これら検出された駆動トルク値および回転速度値が正常か異常かを判定する判定手段と、この判定手段が異常と判定したとき、燃料電池の出力を制限又は運転を停止させる異常制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃料電池システムの保護装置において、前記判定手段は、前記冷媒ポンプの回転速度が一定でない場合に、前記駆動トルク値を補正して正常か異常かを判定することを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載の燃料電池システムの保護装置において、前記判定手段による判定に際し、前記回転速度値に対する前記駆動トルク値が正常範囲より駆動トルク値が大きい方へ偏移している場合、前記冷媒の流路の閉塞故障または冷媒ポンプ故障があると判定し、前記回転速度値に対する前記駆動トルク値が正常範囲より駆動トルク値が小さい方へ偏移している場合、前記冷媒の漏洩故障またはエアロック故障があると判定することを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムの保護装置において、前記判定手段による故障状況の判定結果を記憶する記憶手段を更に備えたことを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システムの保護装置において、前記燃料電池の発熱部は、燃料電池スタックであることを要旨とする。
【００２２】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システムの保護装置において、前記燃料電池の発熱部は、燃料電池スタックに供給する圧縮空気を冷却する冷却器であることを要旨とする。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、冷却系に異常が生じた場合、温度が寿命低下限界に至る前に、確実且つ速やかに寿命低下回避のための異常制御を行うことができるとともに、第１、第２の圧力検出手段の検出した圧力値の差分に基づいて冷媒の流量値を推定するようにしたので、第１及び第２の圧力検出手段により、冷媒の圧力値および流量値を検出できるようになり、直接冷媒流量を検出することが困難な構成においても燃料電池システムの保護装置の検出手段の構成を簡素化し、コスト低減を可能にするという効果がある。
【００２５】
請求項２記載の発明によれば、冷却系に異常が生じた場合、温度が寿命低下限界に至る前に、確実且つ速やかに寿命低下回避のための異常制御を行うことができるとともに、前記判定手段による判定に際し、前記圧力値に対する前記流量値が正常範囲より少ない方へ偏移、または前記流量値に対する前記圧力値が正常範囲より高い方へ偏移している場合、前記冷媒の流路の閉塞故障または冷媒ポンプの故障があると判定し、前記圧力値に対する前記流量値が正常範囲より多い方へ偏移、または前記流量値に対する前記圧力値が正常範囲より低い方へ偏移している場合、前記冷媒の漏洩故障またはエアロック故障があると判定するようにしたので、故障修理時の故障モード判別を容易とすることができるという効果がある。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、燃料電池の発熱部とラジエータとの間に冷媒を循環させる冷媒ポンプを備えた燃料電池システムの保護装置であって、前記冷媒ポンプの駆動トルク値を検出するトルク検出手段と、前記冷媒ポンプの回転速度値を検出する回転速度検出手段と、これら検出された駆動トルク値および回転速度値が正常か異常かを判定する判定手段と、この判定手段が異常と判定したとき、燃料電池の出力を制限又は運転を停止させる異常制御手段と、を備えたので、冷媒の漏洩原因となる圧力及び流量の検出センサ類のための冷媒回路接続部を増加させることなく、冷却系に異常が生じた場合温度が寿命低下限界に至る前に、確実且つ速やかに寿命低下回避のための異常制御を行うことができるという効果がある。特に、冷媒ポンプの制御装置が既にトルク検出手段と回転速度検出手段とを備えている場合には、燃料電池システムの保護装置の構成を簡素化しコスト低減を可能にするという効果も加えられる。
【００２７】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、前記判定手段は、前記冷媒ポンプの回転速度が一定でない場合に、前記駆動トルク値を補正して正常か異常かを判定するようにしたので、冷媒ポンプが一定速度でなく、加速時または減速時にも正確な冷媒圧力を推定して、異常判定を行うことができるという効果がある。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、請求項３または請求項４記載の発明の効果に加えて、前記判定手段による判定に際し、前記回転速度値に対する前記駆動トルク値が正常範囲より駆動トルク値が大きい方へ偏移している場合、前記冷媒の流路の閉塞故障または冷媒ポンプ故障があると判定し、前記回転速度値に対する前記駆動トルク値が正常範囲より駆動トルク値が小さい方へ偏移している場合、前記冷媒の漏洩故障またはエアロック故障があると判定するようにしたので、故障修理時の故障モード判別を容易とすることができるという効果がある。
【００２９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５に記載の発明の効果に加えて、前記判定手段による故障状況の判定結果を記憶する記憶手段を更に備えたので、燃料電池システムの修理時に、記憶された故障状況の判定結果を読み出して、故障原因追求を容易にするという効果がある。
【００３０】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし請求項６に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池の発熱部は、燃料電池スタックであるとしたので、燃料電池スタックの温度上昇が検出されるよりも早期に冷媒循環系の故障を検出し、燃料電池スタックの温度上昇により引き起こされる寿命低下を回避することができるという効果がある。
【００３１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし請求項６に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池の発熱部は、燃料電池スタックに供給する圧縮空気を冷却する冷却器であるとしたので、圧縮空気の温度上昇が検出されるよりも早期に圧縮空気冷却系の異常を検出し、圧縮空気の温度上昇により引き起こされる燃料電池システムの寿命低下を回避することができるという効果がある。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。まず、第１ないし第５実施形態において、冷却対象となる燃料電池の発熱部を燃料電池スタックとした実施形態を説明し、次いで、第６実施形態ないし第９実施形態において冷却対象となる燃料電池の発熱部を圧縮空気冷却器とした実施形態を説明する。
【００３３】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第１実施形態を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池スタック１０３は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１には、冷媒を循環させる冷媒ポンプ２０２と、冷媒ポンプ２０２の流量を検出する流量検出器３０２と、冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を検出する圧力検出器３０３と、燃料電池スタック１０３の入口付近の温度を計測する温度センサ３００と、同出口付近の温度を計測する温度センサ３０１とが設けられている。
【００３４】
流量検出器３０２は、特に限定されないが、冷媒配管２０１の内部に翼車やスクリュー等の回転体を設けて流体速度を回転体の回転速度に変換して検出する速度式流量計、流れの順逆両方向の音速を測定して流量を検出する超音波流量計、ベルヌーイの定理及び連続の式に基づく差圧流量計等を利用することができる。
【００３５】
圧力検出器３０３は、特に限定されないが、ダイヤフラムの変位を静電容量の変化として検出する容量式圧力センサ、半導体ダイアフラムの歪みにより圧力を検出する半導体圧力センサ等を利用することができる。特に後者は、温度補償回路や増幅回路等も含めて半導体チップに集積化したもので、実装上好ましい。
【００３６】
そして、燃料電池スタック１０３の内部の冷媒通路と冷媒配管２０１とラジエータ２００との内部には、冷媒が充填され、冷媒ポンプ２０２により、これらの間を冷媒が循環して、燃料電池スタック１０３を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ２００から外部へ放熱するようになっている。
【００３７】
流量検出器３０２、圧力検出器３０３、温度センサ３００、及び温度センサ３０１からの計測信号は、それぞれ制御装置４００へ入力される。制御装置４００は、正常流量範囲データ、正常吐出圧力範囲データ、及び正常温度範囲データを記憶する内部データ記憶部を内蔵し、これらセンサ類からの計測信号を内部データと照合して、正常範囲か否かの判断ができるようになっている。また、制御装置４００から、冷媒ポンプ２０２と、ラジエータファン２０３とに対して制御信号を出力し、それぞれ冷媒流量、ラジエータ２００の通風量を制御可能となっている。
【００３８】
通常運転時には、制御装置４００は、温度センサ３００、３０１が検出する温度が所定の範囲内となるように、冷媒ポンプ２０２、ラジエータファン２０３を制御することにより、燃料電池スタック１０３の動作温度を所定範囲に維持している。
【００３９】
一方、冷却系や制御系に異常が生じて、流量検出器３０２が検出する流量、または圧力検出器３０３が検出する圧力、または流量と圧力との組合せが所定の正常範囲から外れた場合には、制御装置４００により冷却系異常判定がなされ、燃料電池システムの出力制限や発電停止などによる処置を行い、燃料電池スタック１０３の内部温度上昇による寿命低下を回避するようになっている。
【００４０】
図２は、第１実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートである。制御装置４００は、この異常検出動作以外に、燃料電池の出力や冷媒温度に応じた冷媒ポンプ２０２の駆動制御及びラジエータファン２０３の制御等の主制御動作を行っているが、本発明の要旨とは直接関係がないので説明を省略する。
【００４１】
図２のフローチャートによる動作は、特に限定されないが、例えば、前記主制御動作の中から一定時間（例えば、０．０５ｓｅｃ）毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。
【００４２】
図２において、まず、流量検出器３０２により冷媒ポンプ２０２による冷媒の流量が検出され（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）、検出された流量が内部データと照合されて、例えば燃料電池出力に応じた正常流量範囲か否かが判定される（Ｓ１２）。正常流量範囲でなければ、Ｓ２０の異常判定へ移る。
【００４３】
正常流量範囲であれば、次いで圧力検出器３０３により冷媒ポンプ２０２の吐出圧力が検出され（Ｓ１４）、検出された吐出圧力が内部データと照合されて、流量に応じた正常吐出圧力範囲か否かが判定される（Ｓ１６）。正常吐出圧力範囲でなければ、Ｓ２０の異常判定へ移る。正常吐出圧力範囲であれば、異常はないとして処理を終了し、メインルーチンへリターンする。
【００４４】
Ｓ２０の異常判定では、冷媒流量異常（多／少）を検出したのか、冷媒吐出圧力異常（高／低）を検出したのか、或いは流量に対する吐出圧力異常（高／低）を検出したのかを示す故障モードを修理時の参考のために、図示しない不揮発性メモリに記憶する。
【００４５】
冷媒流量が正常範囲より多い場合、冷媒回路の漏洩故障または冷媒ポンプ及びその制御の故障のモードとし、冷媒流量が正常範囲より少ない場合、冷媒回路の閉塞故障または冷媒ポンプ及びその制御の故障のモードとして記憶する。
【００４６】
冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より高い場合、冷媒回路の詰まり、または閉塞故障のモードとし、冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より低い場合、冷媒回路の漏れ、またはエアロック故障のモードとして記憶する。
【００４７】
次いで、冷却系に異常が検出された場合の異常処置、例えば、燃料電池の出力制限、燃料電池の運転停止等を行い、図示しない警告ランプの点灯または点滅、図示しない警報ブザーの鳴動等により運転者に異常発生を告知して（Ｓ２２）、メインルーチンへリターンする。
【００４８】
図３は、冷媒ポンプの吐出圧力と吐出流量との関係を説明するグラフである。図中、正常圧力上限線Ａは流量に対する正常圧力の上限を示し、正常圧力下限線Ｂは流量に対する正常圧力の下限を示す。ＡとＢとに挟まれた領域が正常運転範囲である。
【００４９】
また、閉塞判定線Ｃは、この線を圧力が超えれば、冷媒回路に閉塞が生じたか、或いは圧力損失異常上昇若しくはポンプ故障が生じたと判定する基準である。漏洩判定線Ｄは、この線より圧力が低下すれば、冷媒回路に漏れが生じたか、或いはエアロック故障若しくはポンプ故障が生じたと判定する基準である。
【００５０】
正常運転範囲の上下に沿って存在する領域、即ちＡとＣとで挟まれた領域と、ＢとＣとで挟まれた領域とは、正常／異常の判定を保留する判定保留領域としてもよい。この判定保留領域において、測定温度が正常温度の上限に達したという他の冷却系異常の兆候があれば、直ちに異常判定を行って、異常制御へ移る。
【００５１】
尚、判定保留領域を設けず、正常圧力上限線Ａと閉塞判定線Ｃとを一致させ、正常圧力下限線Ｂと漏洩判定線Ｄとを一致させた制御を行うことも可能である。
【００５２】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第２実施形態を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池スタック１０３は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１には、冷媒を循環させる冷媒ポンプ２０２と、燃料電池スタック１０３の入口付近の温度を計測する温度センサ３００と、同出口付近の温度を計測する温度センサ３０１と、冷媒ポンプ２０２の回転数（回転速度）を検出する回転数検出器３０２と、冷媒ポンプ２０２の駆動トルクを検出するトルク検出器３０３とが設けられている。
【００５３】
回転数検出器３０２は、冷媒ポンプ２０２を駆動する電動機等の回転数を検出することで冷媒ポンプ２０２の回転数を検出するものであってもよい。通常、冷媒ポンプ２０２を駆動する電動機には、回転数制御のための回転数検出器が設けられているので、別途冷媒ポンプ２０２のための回転数検出器３０２を設けることなく、前記検出器の出力を用いてもよい。
【００５４】
トルク検出器３０３は、冷媒ポンプ２０２の駆動トルクを検出するもので、上記のように電動機を駆動源をとして用いる場合、電動機の駆動電流値から負荷である冷媒ポンプ２０２の駆動トルクを検出することができる。
【００５５】
そして、燃料電池スタック１０３の内部の冷媒通路と冷媒配管２０１とラジエータ２００との内部には、冷媒が充填され、冷媒ポンプ２０２により、これらの間を冷媒が循環して、燃料電池スタック１０３を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ２００から外部へ放熱するようになっている。
【００５６】
回転数検出器３０２、トルク検出器３０３、温度センサ３００、及び温度センサ３０１からの計測信号は、それぞれ制御装置４００へ入力される。
【００５７】
制御装置４００は、冷媒ポンプ２０２の目標回転数範囲データ、冷媒ポンプ２０２の回転数を冷媒流量に変換するポンプ特性データ、冷媒ポンプ２０２のトルクを冷媒吐出圧力に変換するポンプ特性データ、正常流量範囲データ、正常吐出圧力範囲データ、及び正常温度範囲データを記憶する内部データ記憶部を内蔵し、これらセンサ類からの計測信号を内部データと照合して、正常範囲か否かの判断ができるようになっている。また、制御装置４００から、冷媒ポンプ２０２と、ラジエータファン２０３とに対して制御信号を出力し、それぞれ冷媒流量、ラジエータ２００の通風量を制御可能となっている。
【００５８】
通常運転時には、制御装置４００は、温度センサ３００、３０１が検出する温度が所定の範囲内となるように、冷媒ポンプ２０２、ラジエータファン２０３を制御することにより、燃料電池スタック１０３の動作温度を所定範囲に維持している。
【００５９】
一方、冷却系や制御系に異常が生じて、回転数検出器３０２が検出する冷媒ポンプ回転数、または冷媒ポンプ回転数に基づく冷媒流量、またはトルク検出器３０３が検出する冷媒ポンプ駆動トルクに基づく冷媒吐出圧力と前記冷媒流量との組合せが所定の正常範囲から外れた場合には、制御装置４００により冷却系異常判定がなされ、燃料電池システムの出力制限や発電停止などによる処置を行い、燃料電池スタック１０３の内部温度上昇による寿命低下を回避するようになっている。
【００６０】
図５は、第２実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートであり、特に限定されないが、第１実施形態で説明したように、一定時間（例えば、０．０５ｓｅｃ）毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。
【００６１】
図５において、まず、回転数検出器３０２により冷媒ポンプ２０２の回転数が検出され（Ｓ３０）、検出された回転数が制御装置４００に記憶された目標回転数範囲データと照合されて、目標回転数範囲か否かが判定される（Ｓ３２）。目標回転数範囲でなければ、Ｓ４６の異常判定へ移る。
【００６２】
目標回転数範囲であれば、トルク検出器３０３により冷媒ポンプ２０２の駆動トルクが検出される（Ｓ３４）。次いで前記回転数と制御装置４００内部に記憶されたポンプ特性データとを使用して、冷媒ポンプ２０２の流量を推定し（Ｓ３６）、前記トルクとポンプ特性データとを使用して冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を推定し（Ｓ３８）、推定した流量が正常流量範囲か否かを判定する（Ｓ４０）。正常流量範囲でなければ、Ｓ４６の異常判定へ移る。正常流量範囲であれば、次いで正常吐出圧力範囲か否かが判定され（Ｓ４２）、正常吐出圧力範囲でなければ、Ｓ４６の異常判定へ移る。正常吐出圧力範囲であれば、異常はないとして処理を終了し、メインルーチンへリターンする。
【００６３】
Ｓ４６の異常判定では、冷媒ポンプ回転数異常（高／低）を検出したのか、冷媒流量異常（多／少）を検出したのか、冷媒吐出圧力異常（高／低）を検出したのか、或いは流量に対する吐出圧力異常（高／低）を検出したのかを示す故障モードを修理時の参考のために、図示しない不揮発性メモリに記憶する。
【００６４】
冷媒ポンプ２０２の回転数が目標回転数範囲と異なる場合、冷媒ポンプ若しくは冷媒ポンプ制御装置の故障モードとして記憶する。
【００６５】
冷媒流量が正常範囲より多い場合、冷媒回路の漏洩故障または冷媒ポンプ及びその制御の故障のモードとし、冷媒流量が正常範囲より少ない場合、冷媒回路の閉塞故障または冷媒ポンプ及びその制御の故障のモードとして記憶する。
【００６６】
冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より高い場合、冷媒回路の詰まり、または閉塞故障のモードとし、冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より低い場合、冷媒回路の漏れ、またはエアロック故障のモードとして記憶する。
【００６７】
次いで、冷却系に異常が検出された場合の異常処置、例えば、燃料電池の出力制限、燃料電池の運転停止等を行い、図示しない警告ランプの点灯または点滅、図示しない警報ブザーの鳴動等により運転者に異常発生を告知して（Ｓ４８）、メインルーチンへリターンする。
【００６８】
〔第３実施形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第３実施形態の動作を説明するフローチャートである。第３実施形態の構成は、図４に示した第２実施形態の構成と同様である。第３実施形態では、冷媒ポンプ２０２の回転数が定常状態ではなく、加速または減速過程にある場合に、冷媒及び冷媒ポンプの慣性エネルギが変化することにより生じる、冷媒ポンプ２０２の駆動トルクと冷媒ポンプ２０２の吐出圧力との相関ずれを補正し、冷媒ポンプ回転数が変化過程にあっても精度よく冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を推定可能としたものである。
【００６９】
このため、図６のＳ３４の次に、冷媒ポンプ回転数変化速度検出ステップ（Ｓ３５）が追加されている。
【００７０】
Ｓ３０における最初の冷媒ポンプ回転数をＮ１、Ｓ３５における冷媒ポンプ回転数をＮ２、Ｓ３０の実行時刻からＳ３５の実行時刻までの時間をｔとすれば、冷媒ポンプ回転数の変化速度（変化率）αは、次の式（１）で示される。
【００７１】
【数１】
α＝（Ｎ２−Ｎ１）／ｔ …（１）
そして、Ｓ３８における冷媒ポンプ吐出圧力推定において、この変化速度αを参照して、この変化速度αが正の時は、その変化速度に応じて冷媒及び冷媒ポンプを加速するために駆動トルクが使われるので、冷媒吐出圧力はその分だけ低く推定し、逆に変化速度αが負の時は、その変化速度に応じて冷媒及び冷媒ポンプの慣性力が働くために、駆動トルクに比べて冷媒吐出圧力はその分だけ高く推定する。
【００７２】
このような冷媒ポンプ回転数変化速度に応じた冷媒ポンプ吐出圧力推定値の補正値は、冷媒回路のシミュレーション結果や燃料電池装置における実験値等に基づいて作成し、制御装置４００の内部データとして記憶しておくものとする。
【００７３】
その他のステップは、第２実施形態の同じステップ番号が付与されたステップと同じ動作であるので、説明を省略する。
【００７４】
本実施形態によれば、冷媒ポンプ回転数が一定速度ではなく、加速または減速している場合にも冷媒吐出圧力を正確に推定して、燃料電池スタックの温度上昇が検出されるよりも早期に冷媒循環系の故障を検出し、燃料電池スタックの温度上昇により引き起こされる寿命低下を回避することができる。
【００７５】
〔第４実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第４実施形態を説明する。本実施形態における流量検知手段は、冷媒ポンプ出口付近に設けた第１の圧力検出手段と、該第１の圧力検出手段とは異なる冷媒流路の位置に設けた第２の圧力検出手段とを備え、第１、第２の圧力検出手段の検出した圧力値の差分に基づいて冷媒の流量値を推定するものである。
【００７６】
図７は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第４実施形態を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池スタック１０３は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１には、冷媒を循環させる冷媒ポンプ２０２と、燃料電池スタック１０３の入口付近の温度を計測する温度センサ３００と、同出口付近の温度を計測する温度センサ３０１と、冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段である圧力検出器３０２と、第２の圧力検出手段である燃料電池スタック１０３の出口付近の冷媒圧力を検出する圧力検出器３０３とが設けられている。
【００７７】
圧力検出器３０２、３０３は、特に限定されないが、ダイヤフラムの変位を静電容量の変化として検出する容量式圧力センサ、半導体ダイアフラムの歪みにより圧力を検出する半導体圧力センサ等を利用することができる。特に後者は、温度補償回路や増幅回路等も含めて半導体チップに集積化したもので、実装上好ましい。
【００７８】
圧力検出器３０２は、冷媒ポンプ２０２の出口付近に設けられ、冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を検出する。圧力検出器３０３は、圧力検出器３０２とは異なる冷媒配管２０１の位置に設けられている。そして、制御装置４００は、第１の圧力検出器３０２の設置位置から第２の圧力検出器３０３の設置位置までの冷媒回路の回路圧損に関するデータを記憶し、圧力検出器３０２、３０３からの圧力信号の差分と回路圧損データにより、冷媒流量を推定可能となっている。
【００７９】
そして、燃料電池スタック１０３の内部の冷媒通路と冷媒配管２０１とラジエータ２００との内部には、冷媒が充填され、冷媒ポンプ２０２により、これらの間を冷媒が循環して、燃料電池スタック１０３を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ２００から外部へ放熱するようになっている。
【００８０】
温度センサ３００、３０１、及び圧力検出器３０２、３０３からの計測信号は、それぞれ制御装置４００へ入力される。制御装置４００は、正常流量範囲データ、正常吐出圧力範囲データ、及び正常温度範囲データを記憶する内部データ記憶部を内蔵し、これらセンサ類からの計測信号を内部データと照合して、正常範囲か否かの判断ができるようになっている。また、制御装置４００から、冷媒ポンプ２０２と、ラジエータファン２０３とに対して制御信号を出力し、それぞれ冷媒流量、ラジエータ２００の通風量を制御可能となっている。
【００８１】
通常運転時には、制御装置４００は、温度センサ３００、３０１が検出する温度が所定の範囲内となるように、冷媒ポンプ２０２、ラジエータファン２０３を制御することにより、燃料電池スタック１０３の動作温度を所定範囲に維持している。
【００８２】
一方、冷却系や制御系に異常が生じて、圧力検出器３０２が検出する冷媒ポンプ吐出圧力、または圧力検出器３０２と３０３との検出値の差圧に基づく冷媒流量、または流量と圧力との組合せが所定の正常範囲から外れた場合には、制御装置４００により冷却系異常判定がなされ、燃料電池システムの出力制限や発電停止などによる処置を行い、燃料電池スタック１０３の内部温度上昇による寿命低下を回避するようになっている。
【００８３】
図８は、第４実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートであり、特に限定されないが、第１実施形態で説明したように、一定時間（例えば、０．０５ｓｅｃ）毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。
【００８４】
図８において、まず、圧力検出器３０２により冷媒ポンプ２０２の吐出圧力が検出され（Ｓ５０）、検出された圧力が内部データと照合されて、正常吐出圧力範囲か否かが判定される（Ｓ５２）。正常吐出圧力範囲でなければ、Ｓ６２の異常判定へ移る。
【００８５】
正常吐出圧力範囲であれば、次いで圧力検出器３０３により燃料電池スタック１０３の出口付近の冷媒圧力が検出され（Ｓ５４）、この検出された圧力及びＳ５０で検出された冷媒ポンプ吐出圧力の差圧と、冷媒回路の回路圧損とに基づいて、冷媒ポンプ流量を推定し（Ｓ５６）、推定された冷媒流量と内部データとを照合して、正常流量範囲か否かを判定する（Ｓ５８）。正常流量範囲でなければ、Ｓ６２の異常判定へ移る。正常流量範囲であれば、異常はないとして処理を終了し、メインルーチンへリターンする。
【００８６】
Ｓ６２の異常判定では、冷媒流量異常（多／少）を検出したのか、冷媒吐出圧力異常（高／低）を検出したのか、或いは流量に対する吐出圧力異常（高／低）を検出したのかを示す故障モードを修理時の参考のために、図示しない不揮発性メモリに記憶する。
【００８７】
冷媒流量が正常範囲より多い場合、冷媒回路の漏洩故障または冷媒ポンプ及びその制御の故障のモードとし、冷媒流量が正常範囲より少ない場合、冷媒回路の閉塞故障または冷媒ポンプ及びその制御の故障のモードとして記憶する。
【００８８】
冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より高い場合、冷媒回路の詰まり、または閉塞故障のモードとし、冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より低い場合、冷媒回路の漏れ、またはエアロック故障のモードとして記憶する。
【００８９】
次いで、冷却系に異常が検出された場合の異常処置、例えば、燃料電池の出力制限、燃料電池の運転停止等を行い、図示しない警告ランプの点灯または点滅、図示しない警報ブザーの鳴動等により運転者に異常発生を告知して（Ｓ６４）、メインルーチンへリターンする。
【００９０】
本実施形態によれば、冷媒ポンプ吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段と、冷媒回路の他の部分の圧力を検出する第２の圧力検出手段により、冷媒の圧力値および流量値を検知できるようになり、直接冷媒流量を検出することが困難な構成においても燃料電池システムの保護装置の検出手段の構成を簡素化し、コスト低減を可能にするという効果がある。
【００９１】
尚、第１の圧力検出手段である圧力検出器３０２は、冷媒ポンプの吐出圧力を検出するために冷媒ポンプ２０２の出口付近に配置したが、冷媒流量を推定するための差圧を得るための第２の圧力検出手段である圧力検出器３０３は、冷媒回路内で安定した圧力損失特性が得られる限りにおいて、取付部位は任意に設定することができる。
【００９２】
〔第５実施形態〕
図９は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第５実施形態を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池スタック１０３は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１には、冷媒を循環させる冷媒ポンプ２０２と、燃料電池スタック１０３の入口付近の温度を計測する温度センサ３００と、同出口付近の温度を計測する温度センサ３０１と、冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を検出する圧力検出器３０２とが設けられている。
【００９３】
本実施形態と第４実施形態との構成上の相違は、第４実施形態における第２の圧力検出手段である圧力検出器３０３が削除されていることと、制御装置４００に、冷媒ポンプ２０２の回転数制御値（ほぼ流量に対応する）に対して決まる正常吐出圧力範囲を内部データとして記憶していることである。その他の構成は、第９実施形態と同様である。
【００９４】
図１０は、第５実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートであり、特に限定されないが、第１実施形態で説明したように、一定時間（例えば、０．０５ｓｅｃ）毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。
【００９５】
図１０において、まず、圧力検出器３０２により冷媒ポンプ２０２の吐出圧力が検出され（Ｓ８０）、検出された圧力と、そのときの冷媒ポンプ回転数制御値に対応する正常吐出圧力範囲を示す内部データとの照合により、正常吐出圧力範囲か否かを定する（Ｓ８２）。正常吐出圧力範囲でなければ、Ｓ８６の異常判定へ移る。
【００９６】
正常吐出圧力範囲であれば、正常判定として（Ｓ８４）、処理を終了し、メインルーチンへリターンする。
【００９７】
Ｓ８６の異常判定では、冷媒吐出圧力異常（高／低）を検出したのか、或いは冷媒ポンプ回転数制御値に対する吐出圧力異常（高／低）を検出したのかを示す故障モードを修理時の参考のために、図示しない不揮発性メモリに記憶する。
【００９８】
冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より高い場合、冷媒回路の詰まり、または閉塞故障のモードとし、冷媒ポンプ流量に対する冷媒ポンプ吐出圧力が正常範囲より低い場合、冷媒回路の漏れ、またはエアロック故障のモードとして記憶する。
【００９９】
次いで、冷却系に異常が検出された場合の異常処置、例えば、燃料電池の出力制限、燃料電池の運転停止等を行い、図示しない警告ランプの点灯または点滅、図示しない警報ブザーの鳴動等により運転者に異常発生を告知して（Ｓ８８）、メインルーチンへリターンする。
【０１００】
本実施形態によれば、従来の冷却系に対して、冷媒ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出器と、制御装置の内部データ及び僅かのプログラムの追加だけで、冷却系に異常が生じた場合、温度が寿命低下限界に至る前に、確実且つ速やかに寿命低下回避のための異常制御を行うことができるという効果がある。
【０１０１】
また本実施形態によれば、第１ないし第４実施形態のような詳細な故障モードの判定は困難であるが、簡易的に冷媒システムの故障状況の記憶が可能であり、費用対効果の点からも適用性が高い。
【０１０２】
〔第６実施形態〕
図１１は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第６実施形態を説明するシステム構成図である。同図において、空気圧縮装置１００は燃料電池で使用する空気を圧縮し、断熱圧縮されて温度が上昇した空気を熱交換装置１０１で冷却し、冷却した空気を加湿装置１０２により加湿し、加湿された空気を燃料電池スタック１０３に供給し、燃料電池スタック１０３から排出される空気流量を空気流量制御弁１０４により制御している。
【０１０３】
熱交換装置１０１は、内部に冷却のための冷媒通路を有し、この冷媒通路とラジエータ２００との間は、冷媒配管２０１により接続されている。また冷媒配管２０１上には、冷媒ポンプ２０２と、熱交換装置１０１の冷媒入口付近に冷媒温度センサ３０１が設けられている。そして、熱交換装置１０１の内部の冷媒通路と冷媒配管２０１とラジエータ２００との内部には、冷媒が充填され、冷媒ポンプ２０２により、これらの間を冷媒が循環して、熱交換装置１０１を冷媒により冷却するとともに、冷媒の熱をラジエータ２００から外部へ放熱するようになっている。
【０１０４】
制御装置４００へは、空気温度センサ３００、冷媒温度センサ３０１からの温度計測信号が入力される一方、制御装置４００から、冷媒ポンプ２０２と、ラジエータファン２０３とに対して制御信号を出力し、それぞれ冷媒流量、ラジエータ２００の通風量を制御可能となっている。
【０１０５】
通常運転時には、制御装置４００は、熱交換装置１０１から加湿装置１０２に供給される空気温度を検出する空気温度センサ３００、冷媒温度センサ３０１が検出する温度が所定の範囲内となるように、冷媒ポンプ２０２、ラジエータファン２０３を制御することにより、加湿装置１０２に供給される空気の温度を所定範囲に維持している。
【０１０６】
一方、冷却系や制御系に異常が生じて、流量検出器３０２が検出する流量、または圧力検出器３０３が検出する圧力、または流量と圧力との組合せが所定の正常範囲から外れた場合には、制御装置４００により冷却系異常判定がなされ、空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などによる異常処置を行い、空気温度の異常上昇による加湿装置１０２や燃料電池スタック１０３の寿命低下を回避するようになっている。
【０１０７】
第６実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートは、第１実施形態で説明した図２とほぼ同様であるが、Ｓ２２の異常処置・告知の内、異常処置が空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などに置き換わる点が第１実施形態と異なる。
【０１０８】
〔第７実施形態〕
図１２は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第７実施形態を説明するシステム構成図である。図１２において、第６実施形態（図１１）の流量検出器３０２及び圧力検出器３０３に代えて、冷媒ポンプ２０２の回転数を検出する回転数検出器３０２及び同駆動トルクを検出するトルク検出器３０３が設けられている点が異なる。その他の構成要素は同じである。
【０１０９】
回転数検出器３０２は、冷媒ポンプ２０２を駆動する電動機等の回転数を検出することで冷媒ポンプ２０２の回転数を検出するものであってもよい。通常、冷媒ポンプ２０２を駆動する電動機には、回転数制御のための回転数検出器が設けられているので、別途冷媒ポンプ２０２のための回転数検出器３０２を設けることなく、前記検出器の出力を用いてもよい。
【０１１０】
トルク検出器３０３は、冷媒ポンプ２０２の駆動トルクを検出するもので、上記のように電動機を駆動源をとして用いる場合、電動機の駆動電流値から負荷である冷媒ポンプ２０２の駆動トルクを検出することができる。
【０１１１】
第７実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートは、第２実施形態で説明した図５とほぼ同様であるが、Ｓ４８の異常処置・告知の内、異常処置が空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などに置き換わる点が第２実施形態と異なる。
【０１１２】
〔第８実施形態〕
第８実施形態の構成は、図１２に示した第７実施形態の構成と同様である。第８実施形態では、冷媒ポンプ２０２の回転数が定常状態ではなく、加速または減速過程にある場合に、冷媒及び冷媒ポンプの慣性エネルギが変化することにより生じる、冷媒ポンプ２０２の駆動トルクと冷媒ポンプ２０２の吐出圧力との相関ずれを補正し、冷媒ポンプ回転数が変化過程にあっても精度よく冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を推定可能としたものである。
【０１１３】
第８実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートは、第３実施形態で説明した図６とほぼ同様であるが、Ｓ４８の異常処置・告知の内、異常処置が空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などに置き換わる点が第３実施形態と異なる。
【０１１４】
〔第９実施形態〕
図１３は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第９実施形態を説明するシステム構成図である。第４実施形態と同様に、本実施形態における流量検知手段は、冷媒ポンプ出口付近に設けた第１の圧力検出手段と、該第１の圧力検出手段とは異なる冷媒流路の位置に設けた第２の圧力検出手段とを備え、第１、第２の圧力検出手段の検出した圧力値の差分に基づいて冷媒の流量値を推定するものである。
【０１１５】
図１３において、第６実施形態（図１１）の流量検出器３０２及び圧力検出器３０３に代えて、冷媒ポンプ２０２の吐出圧力を検出する第１の圧力検出手段である圧力検出器３０２及び熱交換装置１０１の出口付近の冷媒圧力を検出する第２の圧力検出手段である圧力検出器３０３が設けられている点が異なる。その他の構成要素は同じである。
【０１１６】
図１４は、第９実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートである。同図は、第４実施形態で説明した図８とほぼ同様であるが、図８のＳ５４に代えて図１４のＳ５５で熱交換装置出口の冷媒圧力を検出していること、及びＳ６４の異常処置・告知の内、異常処置が空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などに置き換わる点が第４実施形態と異なる。
【０１１７】
〔第１０実施形態〕
図１５は、本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第１０実施形態を説明するシステム構成図である。
【０１１８】
本実施形態と第９実施形態との構成上の相違は、第９実施形態における第２の圧力検出手段である圧力検出器３０３が削除されていることと、制御装置４００に、冷媒ポンプ２０２の回転数制御値（ほぼ流量に対応する）に対して決まる正常吐出圧力範囲を内部データとして記憶していることである。その他の構成は、第９実施形態と同様である。
【０１１９】
第１０実施形態における制御装置４００による冷却系の異常検出動作を説明するフローチャートは、第５実施形態で説明した図１０とほぼ同様であるが、Ｓ８８の異常処置・告知の内、異常処置が空気圧縮装置１００の停止や空気流量制御弁１０４の開放などに置き換わる点が第５実施形態と異なる。
【０１２０】
以上、好ましい実施の形態について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。特に、各実施形態で示した、冷媒の圧力値を検出または推定する圧力検知手段と、冷媒の流量値を検出または推定する流量検知手段とは、対象システムに応じて適宜選択されるべきものであり、具体的な手段や組合せは任意である。
【０１２１】
また、流量検知手段として、冷媒ポンプ出口付近に設けた第１の圧力検出手段と、該第１の圧力検出手段とは異なる冷媒流路の位置に設けた第２の圧力検出手段と、を備え、第１、第２の圧力検出手段の検出した圧力値の差分に基づいて冷媒の流量値を推定する場合、第２の圧力検出手段は、冷媒回路内で安定した圧力損失特性が得られる限りにおいて、取付位置は任意に設定することができる。
【０１２２】
また、冷媒ポンプの流量と圧力とによる異常判定においては、正常運転範囲と故障判定範囲との間に第２領域である判定保留領域を設けてもよい。そして、流量及び圧力の判定結果が判定保留領域となった場合、直ちに燃料電池システムの停止処置を行わず、出力制限して運転を継続し、温度検知信号など他の診断信号が該信号の判定保留領域となるなど、さらに異常の兆候が現れたとき、運転停止処置を行うようにすると、さらに信頼性の高いシステムを構築することができる。
【０１２３】
さらに、実施形態においては、冷媒ポンプの回転数と駆動トルクとを検出し、これらに基づいて冷媒ポンプの流量と吐出圧力とを推定し、流量及び吐出圧力が正常運転範囲か否かを判定したが、回転数と駆動トルクから流量と吐出圧力を推定する過程を省略し、冷媒ポンプの回転数や駆動トルクそのもの値の正常運転範囲との比較に基づいて異常判定を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第１実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図３】冷媒ポンプ吐出流量と冷媒ポンプ吐出圧力との正常運転範囲、異常範囲、判定を保留する第２領域をそれぞれ示す図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第２、第３実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図５】第２実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図６】第３実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第４実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図８】第４実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第５実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１０】第５実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第６実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１２】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第７、第８実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１３】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第９実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１４】第９実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図１５】本発明に係る燃料電池システムの保護装置の第１０実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１６】第１の従来技術の構成を示すシステム構成図である。
【図１７】第２の従来技術の構成を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
１０３燃料電池スタック
２００ラジエータ
２０１冷媒配管
２０２冷媒ポンプ
２０３ラジエータファン
３００温度センサ
３０１温度センサ
３０２流量検出器
３０３圧力検出器
４００制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a protection device for a fuel cell system, and more particularly to a protection device for a fuel cell system that can detect a failure in a cooling system before a temperature abnormality is detected.
[0002]
[Prior art]
Fuel cell technology is attracting attention as a power source or power source that enables clean exhaust and high energy efficiency against recent environmental problems, especially air pollution caused by automobile exhaust and global warming caused by carbon dioxide Has been.
[0003]
A fuel cell supplies hydrogen or a gas with a high hydrogen concentration as fuel, oxygen as an oxidizer, or air containing oxygen to a stack, which is a composite of an electrolyte and an electrode catalyst, to cause an electrochemical reaction. It is an energy conversion system that converts chemical energy into electrical energy. Among fuel cells, a solid polymer electrolyte fuel cell having a particularly high output density has attracted attention as a power source for moving bodies such as automobiles.
[0004]
If the fuel cell does not forcibly release the reaction heat between the fuel and oxygen in the stack to the outside, the stack temperature rises and exceeds the heat resistance temperature of the fuel cell components such as the electrolyte. The stack temperature is controlled by circulation. Since a solid polymer electrolyte fuel cell is generally controlled to have a stack temperature of about 85 ° C. or lower, water is often used as a refrigerant.
[0005]
FIG. 16 is a system configuration diagram illustrating a cooling system of a conventional fuel cell system. In the figure, the fuel cell stack 103 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. On the refrigerant pipe 201, a refrigerant pump 202 and a temperature sensor 300 near the inlet of the fuel cell stack 103 and a temperature sensor 301 near the outlet are provided. The refrigerant path inside the fuel cell stack 103, the refrigerant pipe 201, and the radiator 200 are filled with refrigerant, and the refrigerant is circulated between them by the refrigerant pump 202. And the heat of the refrigerant is radiated from the radiator 200 to the outside.
[0006]
While the temperature measurement signals from the temperature sensors 300 and 301 are input to the control device 400, control signals are output from the control device 400 to the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203, and the refrigerant flow rate and the radiator are respectively output. The amount of ventilation of 200 can be controlled.
[0007]
During normal operation, the control device 400 controls the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the temperatures detected by the temperature sensors 300 and 301 are within a predetermined range, thereby setting the operating temperature of the fuel cell stack 103 to a predetermined value. Maintained in range. On the other hand, when an abnormality occurs in the cooling system or the control system and the temperature detected by the temperature sensor 300 or 301 exceeds a predetermined value, a temperature abnormality determination is made by the control device 400, and measures such as stopping the fuel cell system are performed. To avoid a decrease in life due to an increase in the internal temperature of the fuel cell stack 103.
[0008]
In addition, there are types of fuel cell systems that use compressed air in which air is compressed to increase the partial pressure of oxygen. A system configuration of this type of conventional example is shown in FIG. In the figure, an air compressor 100 compresses air used in a fuel cell, cools air that has been adiabatically compressed and rises in temperature by a heat exchanger 101, humidifies the cooled air by a humidifier 102, and is humidified. The air flow is supplied to the fuel cell stack 103, and the air flow rate discharged from the fuel cell stack 103 is controlled by the air flow rate control valve 104.
[0009]
The heat exchange device 101 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. On the refrigerant pipe 201, a refrigerant pump 202 and a refrigerant temperature sensor 301 are provided near the refrigerant inlet of the heat exchange device 101. The refrigerant passage, the refrigerant pipe 201, and the radiator 200 inside the heat exchange device 101 are filled with refrigerant, and the refrigerant is circulated between them by the refrigerant pump 202. And the heat of the refrigerant is radiated from the radiator 200 to the outside.
[0010]
While the temperature measurement signals from the air temperature sensor 300 and the refrigerant temperature sensor 301 are input to the control device 400, the control device 400 outputs control signals to the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203, respectively. The refrigerant flow rate and the ventilation rate of the radiator 200 can be controlled.
[0011]
During normal operation, the control device 400 supplies the humidifier 102 by controlling the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the temperatures detected by the air temperature sensor 300 and the refrigerant temperature sensor 301 are within a predetermined range. The air temperature is maintained within a predetermined range. On the other hand, when an abnormality occurs in the cooling system or the control system and the temperature detected by the air temperature sensor 300 or the refrigerant temperature sensor 301 exceeds a predetermined value, the control device 400 makes a temperature abnormality determination, and the air compressor 100 Is stopped or the air flow rate control valve 104 is opened, and the life of the humidifier 102 and the fuel cell stack 103 due to an abnormal increase in air temperature is avoided.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional fuel cell system, for a failure mode in which the temperature of the refrigerant that cools the fuel cell gradually rises, the temperature sensor detects a temperature abnormality, so that the fuel can be removed even if an abnormality is taken. A decrease in battery life could be avoided. However, if a sudden failure such as instantaneous blockage of the refrigerant circuit, refrigerant leakage, air lock, or instantaneous stop of the refrigerant pump occurs, the temperature inside the fuel cell stack has already been reduced when the temperature sensor detects an abnormal temperature. There was a problem that the life of the fuel cell was inevitably reduced because the limit was exceeded.
[0013]
In view of the above problems, the object of the present invention is to detect an abnormality in the cooling system of the fuel cell system before detecting the temperature abnormality by the temperature sensor, and perform abnormal control before exceeding the lifetime reduction limit temperature. It is an object of the present invention to provide a protection device for a fuel cell system capable of avoiding a decrease in life due to occurrence of abnormal abnormality.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a protective device for a fuel cell system comprising a refrigerant pump for circulating a refrigerant between a heat generating portion of the fuel cell and a radiator,A first pressure sensor provided near a refrigerant pump outlet for detecting a pressure value of the refrigerant;Pressure testOutMeans,A second pressure detecting means provided in a refrigerant flow path other than the refrigerant flow path from the refrigerant pump outlet to the refrigerant inlet of the heat generating portion of the fuel cell; and first and second pressures; Based on the difference between the pressure values detected by the detection means,Refrigerant flow valueRecommendFlow rate detectionOutMeans and these pressure sensorsOutMeans and flow rate detectionOutA determination means for determining whether the pressure value and the flow rate value by the means are normal or abnormal, and an abnormality for limiting the heat generation of the heat generating part by limiting the output of the fuel cell or stopping the operation when the determination means determines that it is abnormal And a control means.
[0016]
  In order to achieve the above object, the claims2In the protective device for a fuel cell system according to claim 1, in the determination by the determination means, the flow rate value with respect to the pressure value shifts to a direction smaller than a normal range, or the pressure value with respect to the flow rate value. Is shifted to a higher side than the normal range, it is determined that there is a blockage failure of the refrigerant flow path or a failure of the refrigerant pump, and the flow rate value with respect to the pressure value is shifted to a higher side than the normal range, Alternatively, when the pressure value with respect to the flow rate value is shifted to a lower side than a normal range, it is determined that there is a leakage leak of the refrigerant or an air lock failure.
[0017]
  In order to achieve the above object, the claims3The invention described is a protection device for a fuel cell system including a refrigerant pump that circulates a refrigerant between a heat generating portion of a fuel cell and a radiator, and a torque detection unit that detects a driving torque value of the refrigerant pump; Rotation speed detection means for detecting the rotation speed value of the refrigerant pump, determination means for determining whether the detected drive torque value and rotation speed value are normal or abnormal, and when the determination means determines that the fuel is abnormal, The present invention includes an abnormality control means for limiting the output of the battery or stopping the operation.
[0018]
  In order to achieve the above object, the claims4The described invention is claimed.3The gist of the protective device of the fuel cell system described above is that the determination means determines whether the driving torque value is normal or abnormal when the rotational speed of the refrigerant pump is not constant.
[0019]
  In order to achieve the above object, the claims5The described invention is claimed.3 or claim 4In the protection device for a fuel cell system described above, when the determination by the determination unit is performed, when the driving torque value with respect to the rotation speed value is shifted to a larger driving torque value than a normal range, When it is determined that there is a blockage failure or a refrigerant pump failure and the drive torque value with respect to the rotation speed value is shifted to a smaller drive torque value than the normal range, there is a refrigerant leakage failure or an airlock failure. The gist is to determine.
[0020]
  In order to achieve the above object, the claims6The invention described in claim 1 to claim 15The protection device for a fuel cell system according to any one of the above, further comprising storage means for storing a determination result of the failure status by the determination means.
[0021]
  In order to achieve the above object, the claims7The invention described in claim 1 to claim 16In the protective device for a fuel cell system according to any one of the above, the heat generating part of the fuel cell is a fuel cell stack.
[0022]
  In order to achieve the above object, the claims8The invention described in claim 1 to claim 16In the protective device for a fuel cell system according to any one of the above, the heat generating part of the fuel cell is a cooler that cools the compressed air supplied to the fuel cell stack.
[0024]
【The invention's effect】
  Claim1According to the described invention,When an abnormality occurs in the cooling system, before the temperature reaches the life reduction limit, it is possible to reliably and quickly perform abnormality control for avoiding the life reduction,Since the flow rate value of the refrigerant is estimated based on the difference between the pressure values detected by the first and second pressure detection means, the pressure value and flow rate value of the refrigerant are determined by the first and second pressure detection means. InspectionOutEven in a configuration in which it is difficult to directly detect the refrigerant flow rate, the configuration of the detection means of the protection device of the fuel cell system can be simplified and the cost can be reduced.
[0025]
  Claim2According to the described invention,When an abnormality occurs in the cooling system, before the temperature reaches the life reduction limit, it is possible to reliably and quickly perform abnormality control for avoiding the life reduction,In the determination by the determination means, when the flow rate value with respect to the pressure value is shifted to a smaller range than the normal range, or the pressure value with respect to the flow rate value is shifted to a higher range than the normal range, the flow of the refrigerant It is determined that there is a passage blockage failure or a refrigerant pump failure, and the flow rate value with respect to the pressure value shifts to a larger side than the normal range, or the pressure value with respect to the flow rate value shifts to a lower side than the normal range. In this case, since it is determined that there is a refrigerant leakage failure or an airlock failure, it is possible to easily determine the failure mode during failure repair.
[0026]
  Claim3According to the described invention, the protection device of the fuel cell system includes the refrigerant pump that circulates the refrigerant between the heat generating portion of the fuel cell and the radiator, and the torque detection means detects the driving torque value of the refrigerant pump. Rotation speed detection means for detecting the rotation speed value of the refrigerant pump, determination means for determining whether the detected drive torque value and rotation speed value are normal or abnormal, and when the determination means determines that the abnormality is abnormal And an abnormal control means for limiting the output of the fuel cell or stopping the operation, so that the cooling system without increasing the refrigerant circuit connection for the pressure and flow rate detection sensors causing the leakage of the refrigerant. When an abnormality occurs, there is an effect that the abnormal control for avoiding the decrease in the life can be performed surely and promptly before the temperature reaches the life decrease limit. In particular, when the control device for the refrigerant pump already includes the torque detection means and the rotation speed detection means, the effect of simplifying the configuration of the protection device of the fuel cell system and enabling cost reduction is also added.
[0027]
  Claim4According to the described invention, the claims3In addition to the effects of the invention described above, the determination means corrects the drive torque value to determine whether the refrigerant pump is normal or abnormal when the rotational speed of the refrigerant pump is not constant. There is an effect that it is possible to make an abnormality determination by estimating the accurate refrigerant pressure not only at the speed but also at the time of acceleration or deceleration.
[0028]
  Claim5According to the described invention, the claims3 or claim 4In addition to the effect of the invention described above, when the determination by the determination unit is performed, if the drive torque value with respect to the rotation speed value is shifted to a larger drive torque value than a normal range, the refrigerant flow path is blocked. When it is determined that there is a failure or a refrigerant pump failure, and the drive torque value with respect to the rotation speed value has shifted to a smaller drive torque value than the normal range, there is a refrigerant leakage failure or an airlock failure Since the determination is made, there is an effect that it is possible to easily determine the failure mode at the time of failure repair.
[0029]
  Claim6According to the described invention, claims 1 to5In addition to the effects of the invention described in (2), the storage device further includes a storage unit that stores the determination result of the failure state by the determination unit. Therefore, when the fuel cell system is repaired, the stored determination result of the failure state is read and It has the effect of facilitating the cause search.
[0030]
  Claim7According to the described invention, claims 1 to6In addition to the effects of the invention described in (1), since the heat generating part of the fuel cell is a fuel cell stack, the failure of the refrigerant circulation system is detected earlier than the temperature rise of the fuel cell stack is detected, There is an effect that it is possible to avoid a decrease in the life caused by the temperature rise of the fuel cell stack.
[0031]
  Claim8According to the described invention, claims 1 to6In addition to the effects of the invention described above, since the heat generating part of the fuel cell is a cooler that cools the compressed air supplied to the fuel cell stack, the temperature rise of the compressed air is detected earlier than detected. There is an effect that it is possible to detect an abnormality in the compressed air cooling system and to avoid a decrease in the life of the fuel cell system caused by an increase in the temperature of the compressed air.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, in the first to fifth embodiments, an embodiment will be described in which the heat generating portion of the fuel cell to be cooled is a fuel cell stack, and then the fuel cell to be cooled in the sixth to ninth embodiments. An embodiment in which the heat generating part is a compressed air cooler will be described.
[0033]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a first embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention. In the figure, the fuel cell stack 103 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. The refrigerant pipe 201 includes a refrigerant pump 202 that circulates refrigerant, a flow rate detector 302 that detects the flow rate of the refrigerant pump 202, a pressure detector 303 that detects the discharge pressure of the refrigerant pump 202, and a fuel cell stack 103. A temperature sensor 300 that measures the temperature near the entrance and a temperature sensor 301 that measures the temperature near the exit are provided.
[0034]
The flow rate detector 302 is not particularly limited, but is a speed type flow meter that provides a rotating body such as an impeller or a screw inside the refrigerant pipe 201 and converts the fluid speed into the rotational speed of the rotating body, and detects the flow in the reverse direction. An ultrasonic flow meter that measures the sound velocity in both directions and detects a flow rate, a differential pressure flow meter based on Bernoulli's theorem, and a continuous equation can be used.
[0035]
The pressure detector 303 is not particularly limited, and a capacitive pressure sensor that detects the displacement of the diaphragm as a change in capacitance, a semiconductor pressure sensor that detects pressure by distortion of the semiconductor diaphragm, and the like can be used. In particular, the latter is preferably integrated in a semiconductor chip including a temperature compensation circuit and an amplifier circuit, and is preferable in terms of mounting.
[0036]
The refrigerant path inside the fuel cell stack 103, the refrigerant pipe 201, and the radiator 200 are filled with refrigerant, and the refrigerant is circulated between them by the refrigerant pump 202. And the heat of the refrigerant is radiated from the radiator 200 to the outside.
[0037]
Measurement signals from the flow rate detector 302, the pressure detector 303, the temperature sensor 300, and the temperature sensor 301 are input to the control device 400, respectively. The control device 400 has an internal data storage unit for storing normal flow rate range data, normal discharge pressure range data, and normal temperature range data, and compares the measurement signals from these sensors with the internal data to determine whether the normal range. It is possible to judge whether or not. In addition, a control signal is output from the control device 400 to the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the refrigerant flow rate and the air flow rate of the radiator 200 can be controlled.
[0038]
During normal operation, the control device 400 controls the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the temperatures detected by the temperature sensors 300 and 301 are within a predetermined range, thereby setting the operating temperature of the fuel cell stack 103 to a predetermined value. Maintained in range.
[0039]
On the other hand, when an abnormality occurs in the cooling system or the control system, the flow rate detected by the flow rate detector 302, the pressure detected by the pressure detector 303, or the combination of the flow rate and the pressure is out of a predetermined normal range. The control device 400 determines that the cooling system is abnormal, and performs measures such as limiting the output of the fuel cell system or stopping power generation to avoid a decrease in life due to an increase in the internal temperature of the fuel cell stack 103.
[0040]
FIG. 2 is a flowchart for explaining an abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the first embodiment. In addition to this abnormality detection operation, the control device 400 performs main control operations such as drive control of the refrigerant pump 202 and control of the radiator fan 203 in accordance with the output of the fuel cell and the refrigerant temperature. Since there is no direct relationship, explanation is omitted.
[0041]
Although the operation according to the flowchart of FIG. 2 is not particularly limited, for example, the operation is configured as a subroutine that is called from the main control operation every predetermined time (for example, 0.05 sec).
[0042]
In FIG. 2, first, the flow rate of the refrigerant by the refrigerant pump 202 is detected by the flow rate detector 302 (step 10; hereinafter, step is abbreviated as S), and the detected flow rate is collated with internal data, for example, to the fuel cell output. It is determined whether or not the normal flow rate range is satisfied (S12). If it is not in the normal flow range, the process proceeds to S20 for abnormality determination.
[0043]
If it is in the normal flow range, then the discharge pressure of the refrigerant pump 202 is detected by the pressure detector 303 (S14), and the detected discharge pressure is checked against the internal data to determine whether or not the normal discharge pressure range is in accordance with the flow rate. Is determined (S16). If it is not in the normal discharge pressure range, the process proceeds to S20 for abnormality determination. If it is within the normal discharge pressure range, it is determined that there is no abnormality, the process is terminated, and the process returns to the main routine.
[0044]
In the abnormality determination of S20, whether the refrigerant flow rate abnormality (high / low) is detected, the refrigerant discharge pressure abnormality (high / low) is detected, or the discharge pressure abnormality (high / low) with respect to the flow rate is detected is shown. The failure mode is stored in a nonvolatile memory (not shown) for reference during repair.
[0045]
When the refrigerant flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit leakage failure or the failure mode of the refrigerant pump and its control is set. When the refrigerant flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit blockage failure or the failure mode of the refrigerant pump and its control is set. Remember as.
[0046]
When the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit is clogged or clogged, and when the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit leaks or air locks. Store as failure mode.
[0047]
Next, when an abnormality is detected in the cooling system, for example, the fuel cell output is limited, the fuel cell operation is stopped, etc., and a warning lamp (not shown) is turned on or blinking, an alarm buzzer (not shown) is operated. An abnormality is notified to the person (S22), and the process returns to the main routine.
[0048]
FIG. 3 is a graph for explaining the relationship between the discharge pressure and the discharge flow rate of the refrigerant pump. In the figure, the normal pressure upper limit line A indicates the upper limit of the normal pressure with respect to the flow rate, and the normal pressure lower limit line B indicates the lower limit of the normal pressure with respect to the flow rate. A region between A and B is a normal operation range.
[0049]
The blockage determination line C is a reference for determining that the blockage of the refrigerant circuit has occurred, or that the pressure loss has increased abnormally or that the pump has failed if the pressure exceeds this line. Leakage determination line D is a reference for determining that a leak has occurred in the refrigerant circuit, or that an air lock failure or a pump failure has occurred if the pressure drops below this line.
[0050]
A region that exists along the upper and lower sides of the normal operation range, that is, a region sandwiched between A and C, and a region sandwiched between B and C may be a determination suspension region in which normal / abnormal determination is suspended. . If there is another cooling system abnormality sign that the measured temperature has reached the upper limit of the normal temperature in this determination suspension region, the abnormality determination is performed immediately and the control proceeds to abnormality control.
[0051]
In addition, it is also possible to perform control in which the normal pressure upper limit line A and the blockage determination line C are made to coincide with each other and the normal pressure lower limit line B and the leakage judgment line D are made to coincide without providing the determination hold area.
[0052]
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a system configuration diagram illustrating a second embodiment of the protection device for the fuel cell system according to the present invention. In the figure, the fuel cell stack 103 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. The refrigerant pipe 201 includes a refrigerant pump 202 that circulates refrigerant, a temperature sensor 300 that measures the temperature near the inlet of the fuel cell stack 103, a temperature sensor 301 that measures the temperature near the outlet, and a refrigerant pump 202. A rotation speed detector 302 that detects the rotation speed (rotation speed) and a torque detector 303 that detects the driving torque of the refrigerant pump 202 are provided.
[0053]
The rotation speed detector 302 may detect the rotation speed of the refrigerant pump 202 by detecting the rotation speed of an electric motor or the like that drives the refrigerant pump 202. Usually, the electric motor that drives the refrigerant pump 202 is provided with a rotational speed detector for controlling the rotational speed. Therefore, the rotational speed detector 302 for the refrigerant pump 202 is not separately provided. Output may be used.
[0054]
The torque detector 303 detects the driving torque of the refrigerant pump 202. When the electric motor is used as a driving source as described above, the torque detector 303 detects the driving torque of the refrigerant pump 202 as a load from the driving current value of the electric motor. Can do.
[0055]
The refrigerant path inside the fuel cell stack 103, the refrigerant pipe 201, and the radiator 200 are filled with refrigerant, and the refrigerant is circulated between them by the refrigerant pump 202. And the heat of the refrigerant is radiated from the radiator 200 to the outside.
[0056]
Measurement signals from the rotational speed detector 302, the torque detector 303, the temperature sensor 300, and the temperature sensor 301 are input to the control device 400, respectively.
[0057]
The control device 400 includes target rotation speed range data of the refrigerant pump 202, pump characteristic data for converting the rotation speed of the refrigerant pump 202 into the refrigerant flow rate, pump characteristic data for converting the torque of the refrigerant pump 202 into the refrigerant discharge pressure, and a normal flow rate range. Built-in internal data storage unit for storing data, normal discharge pressure range data, and normal temperature range data, so that measurement signals from these sensors can be checked against internal data to determine whether they are in the normal range It has become. In addition, a control signal is output from the control device 400 to the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the refrigerant flow rate and the air flow rate of the radiator 200 can be controlled.
[0058]
During normal operation, the control device 400 controls the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the temperatures detected by the temperature sensors 300 and 301 are within a predetermined range, thereby setting the operating temperature of the fuel cell stack 103 to a predetermined value. Maintained in range.
[0059]
On the other hand, when an abnormality occurs in the cooling system or the control system, the refrigerant pump rotation speed detected by the rotation speed detector 302, the refrigerant flow rate based on the refrigerant pump rotation speed, or the refrigerant pump driving torque detected by the torque detector 303 is detected. When the combination of the refrigerant discharge pressure and the refrigerant flow rate deviates from a predetermined normal range, the control device 400 makes a cooling system abnormality determination, and takes measures such as limiting the output of the fuel cell system or stopping power generation. The life of the stack 103 is prevented from decreasing due to an increase in the internal temperature.
[0060]
FIG. 5 is a flowchart for explaining an abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the second embodiment. Although not particularly limited, as described in the first embodiment, a certain time (for example, 0.05 sec) It is configured as a subroutine that is called every time.
[0061]
In FIG. 5, first, the rotational speed detector 302 detects the rotational speed of the refrigerant pump 202 (S30), and the detected rotational speed is collated with the target rotational speed range data stored in the control device 400 to obtain the target rotational speed. It is determined whether the number is within a range (S32). If it is not within the target rotational speed range, the routine proceeds to S46 for abnormality determination.
[0062]
If it is within the target rotational speed range, the torque detector 303 detects the driving torque of the refrigerant pump 202 (S34). Next, the flow rate of the refrigerant pump 202 is estimated using the rotational speed and the pump characteristic data stored in the control device 400 (S36), and the discharge of the refrigerant pump 202 is performed using the torque and the pump characteristic data. The pressure is estimated (S38), and it is determined whether the estimated flow rate is in the normal flow rate range (S40). If it is not in the normal flow range, the process proceeds to S46 for determining an abnormality. If it is within the normal flow rate range, it is then determined whether or not it is within the normal discharge pressure range (S42). If it is within the normal discharge pressure range, it is determined that there is no abnormality, the process is terminated, and the process returns to the main routine.
[0063]
In the abnormality determination of S46, whether the refrigerant pump rotation speed abnormality (high / low) is detected, the refrigerant flow rate abnormality (high / low) is detected, the refrigerant discharge pressure abnormality (high / low) is detected, or the flow rate A failure mode indicating whether an abnormal discharge pressure (high / low) is detected is stored in a nonvolatile memory (not shown) for reference at the time of repair.
[0064]
When the rotation speed of the refrigerant pump 202 is different from the target rotation speed range, it is stored as a failure mode of the refrigerant pump or the refrigerant pump control device.
[0065]
When the refrigerant flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit leakage failure or the failure mode of the refrigerant pump and its control is set. When the refrigerant flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit blockage failure or the failure mode of the refrigerant pump and its control is set. Remember as.
[0066]
When the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit is clogged or clogged, and when the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit leaks or air locks. Store as failure mode.
[0067]
Next, when an abnormality is detected in the cooling system, for example, the fuel cell output is limited, the fuel cell operation is stopped, etc., and a warning lamp (not shown) is turned on or blinking, an alarm buzzer (not shown) is operated. An abnormality is notified to the person (S48), and the process returns to the main routine.
[0068]
[Third Embodiment]
FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the third embodiment of the protection device for a fuel cell system according to the present invention. The configuration of the third embodiment is the same as the configuration of the second embodiment shown in FIG. In the third embodiment, when the rotational speed of the refrigerant pump 202 is not in a steady state but is in an acceleration or deceleration process, the driving torque of the refrigerant pump 202 and the refrigerant pump that are generated when the inertia energy of the refrigerant and the refrigerant pump changes. The correlation deviation with the discharge pressure of 202 is corrected so that the discharge pressure of the refrigerant pump 202 can be accurately estimated even when the refrigerant pump rotation speed is changing.
[0069]
For this reason, a refrigerant pump rotation speed change speed detection step (S35) is added after S34 in FIG.
[0070]
If the initial refrigerant pump speed in S30 is N1, the refrigerant pump speed in S35 is N2, and the time from the execution time of S30 to the execution time of S35 is t, the change rate (change rate) α of the refrigerant pump speed Is represented by the following equation (1).
[0071]
[Expression 1]
α = (N2−N1) / t (1)
In the refrigerant pump discharge pressure estimation in S38, the change speed α is referred to. When the change speed α is positive, the drive torque is used to accelerate the refrigerant and the refrigerant pump according to the change speed. Therefore, the refrigerant discharge pressure is estimated to be lower by that amount. Conversely, when the change speed α is negative, the inertial force of the refrigerant and the refrigerant pump works according to the change speed. Is estimated higher by that amount.
[0072]
The correction value of the refrigerant pump discharge pressure estimated value according to the refrigerant pump rotation speed change speed is created based on the simulation result of the refrigerant circuit, the experimental value in the fuel cell device, and the like, and is stored as internal data of the control device 400. Shall be kept.
[0073]
The other steps are the same as the steps assigned with the same step numbers in the second embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0074]
According to the present embodiment, the refrigerant discharge pressure is accurately estimated even when the refrigerant pump rotation speed is not constant, but is accelerating or decelerating, and earlier than the temperature rise of the fuel cell stack is detected. It is possible to detect a failure of the refrigerant circulation system and to avoid a decrease in life caused by a temperature increase of the fuel cell stack.
[0075]
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the protection device for the fuel cell system according to the present invention will be described. The flow rate detection means in the present embodiment includes a first pressure detection means provided in the vicinity of the refrigerant pump outlet, and a second pressure detection means provided at a position of the refrigerant flow path different from the first pressure detection means. And the flow rate value of the refrigerant is estimated based on the difference between the pressure values detected by the first and second pressure detection means.
[0076]
FIG. 7 is a system configuration diagram for explaining a fourth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention. In the figure, the fuel cell stack 103 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. The refrigerant pipe 201 includes a refrigerant pump 202 that circulates refrigerant, a temperature sensor 300 that measures the temperature near the inlet of the fuel cell stack 103, a temperature sensor 301 that measures the temperature near the outlet, and a refrigerant pump 202. A pressure detector 302 that is a first pressure detecting means for detecting the discharge pressure, and a pressure detector 303 for detecting the refrigerant pressure near the outlet of the fuel cell stack 103 that is a second pressure detecting means are provided. .
[0077]
The pressure detectors 302 and 303 are not particularly limited, and a capacitive pressure sensor that detects the displacement of the diaphragm as a change in capacitance, a semiconductor pressure sensor that detects pressure by distortion of the semiconductor diaphragm, and the like can be used. In particular, the latter is preferably integrated in a semiconductor chip including a temperature compensation circuit and an amplifier circuit, and is preferable in terms of mounting.
[0078]
The pressure detector 302 is provided in the vicinity of the outlet of the refrigerant pump 202 and detects the discharge pressure of the refrigerant pump 202. The pressure detector 303 is provided at a position of the refrigerant pipe 201 different from that of the pressure detector 302. The control device 400 stores data relating to the circuit pressure loss of the refrigerant circuit from the installation position of the first pressure detector 302 to the installation position of the second pressure detector 303, and the pressure from the pressure detectors 302 and 303. The refrigerant flow rate can be estimated from the signal difference and the circuit pressure loss data.
[0079]
The refrigerant path inside the fuel cell stack 103, the refrigerant pipe 201, and the radiator 200 are filled with refrigerant, and the refrigerant is circulated between them by the refrigerant pump 202. And the heat of the refrigerant is radiated from the radiator 200 to the outside.
[0080]
Measurement signals from the temperature sensors 300 and 301 and the pressure detectors 302 and 303 are input to the control device 400, respectively. The control device 400 has an internal data storage unit for storing normal flow rate range data, normal discharge pressure range data, and normal temperature range data, and compares the measurement signals from these sensors with the internal data to determine whether the normal range. It is possible to judge whether or not. In addition, a control signal is output from the control device 400 to the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the refrigerant flow rate and the air flow rate of the radiator 200 can be controlled.
[0081]
During normal operation, the control device 400 controls the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203 so that the temperatures detected by the temperature sensors 300 and 301 are within a predetermined range, thereby setting the operating temperature of the fuel cell stack 103 to a predetermined value. Maintained in range.
[0082]
On the other hand, when an abnormality occurs in the cooling system or the control system, the refrigerant flow rate based on the refrigerant pump discharge pressure detected by the pressure detector 302 or the differential pressure between the detected values of the pressure detectors 302 and 303, or the flow rate and the pressure When the combination is out of the predetermined normal range, the control device 400 determines that the cooling system is abnormal, takes measures such as limiting the output of the fuel cell system or stopping power generation, and reducing the life due to the internal temperature increase of the fuel cell stack 103. To avoid.
[0083]
FIG. 8 is a flowchart for explaining an abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the fourth embodiment. Although not particularly limited, as described in the first embodiment, a certain time (for example, 0.05 sec) It is configured as a subroutine that is called every time.
[0084]
In FIG. 8, first, the discharge pressure of the refrigerant pump 202 is detected by the pressure detector 302 (S50), and the detected pressure is collated with the internal data to determine whether it is within the normal discharge pressure range (S52). . If it is not in the normal discharge pressure range, the routine proceeds to S62 for abnormality determination.
[0085]
If within the normal discharge pressure range, the pressure detector 303 then detects the refrigerant pressure near the outlet of the fuel cell stack 103 (S54), and the differential pressure between the detected pressure and the refrigerant pump discharge pressure detected in S50. Then, based on the circuit pressure loss of the refrigerant circuit, the refrigerant pump flow rate is estimated (S56), and the estimated refrigerant flow rate is compared with the internal data to determine whether or not it is within the normal flow rate range (S58). If it is not in the normal flow range, the process proceeds to S62 for abnormality determination. If it is within the normal flow rate range, it is determined that there is no abnormality and the process is terminated and the process returns to the main routine.
[0086]
The abnormality determination in S62 indicates whether a refrigerant flow rate abnormality (high / low) is detected, a refrigerant discharge pressure abnormality (high / low) is detected, or a discharge pressure abnormality (high / low) with respect to the flow rate is detected. The failure mode is stored in a nonvolatile memory (not shown) for reference during repair.
[0087]
When the refrigerant flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit leakage failure or the failure mode of the refrigerant pump and its control is set. When the refrigerant flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit blockage failure or the failure mode of the refrigerant pump and its control is set. Remember as.
[0088]
When the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit is clogged or clogged, and when the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit leaks or air locks. Store as failure mode.
[0089]
Next, when an abnormality is detected in the cooling system, for example, the fuel cell output is limited, the fuel cell operation is stopped, etc., and a warning lamp (not shown) is turned on or blinking, an alarm buzzer (not shown) is operated. An abnormality is notified to the user (S64), and the process returns to the main routine.
[0090]
According to this embodiment, the refrigerant pressure value and the flow rate value are detected by the first pressure detection means for detecting the refrigerant pump discharge pressure and the second pressure detection means for detecting the pressure of the other part of the refrigerant circuit. Even in a configuration in which it is difficult to directly detect the refrigerant flow rate, the configuration of the detection means of the protection device of the fuel cell system can be simplified and the cost can be reduced.
[0091]
The pressure detector 302 as the first pressure detecting means is arranged near the outlet of the refrigerant pump 202 in order to detect the discharge pressure of the refrigerant pump, but is used to obtain a differential pressure for estimating the refrigerant flow rate. As long as the pressure detector 303 which is a 2nd pressure detection means can obtain the stable pressure loss characteristic in a refrigerant circuit, an attachment site | part can be set arbitrarily.
[0092]
[Fifth Embodiment]
FIG. 9 is a system configuration diagram illustrating a fifth embodiment of the protection device for the fuel cell system according to the present invention. In the figure, the fuel cell stack 103 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. The refrigerant pipe 201 includes a refrigerant pump 202 that circulates refrigerant, a temperature sensor 300 that measures the temperature near the inlet of the fuel cell stack 103, a temperature sensor 301 that measures the temperature near the outlet, and a refrigerant pump 202. A pressure detector 302 for detecting the discharge pressure is provided.
[0093]
The difference in configuration between the present embodiment and the fourth embodiment is that the pressure detector 303 which is the second pressure detecting means in the fourth embodiment is deleted, and that the control device 400 includes the refrigerant pump 202. The normal discharge pressure range determined with respect to the rotation speed control value (which substantially corresponds to the flow rate) is stored as internal data. Other configurations are the same as those of the ninth embodiment.
[0094]
FIG. 10 is a flowchart for explaining an abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the fifth embodiment. Although not particularly limited, as described in the first embodiment, a certain time (for example, 0.05 sec) It is configured as a subroutine that is called every time.
[0095]
In FIG. 10, first, the discharge pressure of the refrigerant pump 202 is detected by the pressure detector 302 (S80), and internal data indicating the detected pressure and the normal discharge pressure range corresponding to the refrigerant pump rotation speed control value at that time. To determine whether the pressure is within the normal discharge pressure range (S82). If it is not in the normal discharge pressure range, the process proceeds to S86 for abnormality determination.
[0096]
If it is within the normal discharge pressure range, it is determined as normal (S84), the process is terminated, and the process returns to the main routine.
[0097]
In the abnormality determination of S86, a failure mode indicating whether a refrigerant discharge pressure abnormality (high / low) is detected or a discharge pressure abnormality (high / low) with respect to the refrigerant pump rotation speed control value is detected is a reference at the time of repair. Therefore, it is stored in a non-volatile memory (not shown).
[0098]
When the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is higher than the normal range, the refrigerant circuit is clogged or clogged, and when the refrigerant pump discharge pressure with respect to the refrigerant pump flow rate is lower than the normal range, the refrigerant circuit leaks or air locks. Store as failure mode.
[0099]
Next, when an abnormality is detected in the cooling system, for example, the fuel cell output is limited, the fuel cell operation is stopped, etc., and a warning lamp (not shown) is turned on or blinking, an alarm buzzer (not shown) is operated. An abnormality is notified to the person (S88), and the process returns to the main routine.
[0100]
According to the present embodiment, when an abnormality occurs in the cooling system only by adding a pressure detector that detects the discharge pressure of the refrigerant pump, the internal data of the control device, and a few programs to the conventional cooling system. There is an effect that the abnormal control for avoiding the life reduction can be performed surely and promptly before the temperature reaches the life reduction limit.
[0101]
Further, according to the present embodiment, it is difficult to determine the detailed failure mode as in the first to fourth embodiments, but it is possible to easily store the failure status of the refrigerant system, which is cost-effective. The applicability is high.
[0102]
[Sixth Embodiment]
FIG. 11 is a system configuration diagram for explaining a sixth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention. In the figure, an air compressor 100 compresses air used in a fuel cell, cools air that has been adiabatically compressed and rises in temperature by a heat exchanger 101, humidifies the cooled air by a humidifier 102, and is humidified. The air flow is supplied to the fuel cell stack 103, and the air flow rate discharged from the fuel cell stack 103 is controlled by the air flow rate control valve 104.
[0103]
The heat exchange device 101 has a refrigerant passage for cooling inside, and the refrigerant passage and the radiator 200 are connected by a refrigerant pipe 201. On the refrigerant pipe 201, a refrigerant pump 202 and a refrigerant temperature sensor 301 are provided near the refrigerant inlet of the heat exchange device 101. The refrigerant passage, the refrigerant pipe 201, and the radiator 200 inside the heat exchange device 101 are filled with refrigerant, and the refrigerant is circulated between them by the refrigerant pump 202. And the heat of the refrigerant is radiated from the radiator 200 to the outside.
[0104]
While the temperature measurement signals from the air temperature sensor 300 and the refrigerant temperature sensor 301 are input to the control device 400, the control device 400 outputs control signals to the refrigerant pump 202 and the radiator fan 203, respectively. The refrigerant flow rate and the ventilation rate of the radiator 200 can be controlled.
[0105]
During the normal operation, the control device 400 uses the air temperature sensor 300 that detects the air temperature supplied from the heat exchange device 101 to the humidifying device 102, and the refrigerant temperature sensor 301 so that the temperature detected by the refrigerant temperature sensor 301 is within a predetermined range. By controlling the pump 202 and the radiator fan 203, the temperature of the air supplied to the humidifier 102 is maintained within a predetermined range.
[0106]
On the other hand, when an abnormality occurs in the cooling system or the control system, the flow rate detected by the flow rate detector 302, the pressure detected by the pressure detector 303, or the combination of the flow rate and the pressure is out of a predetermined normal range. Then, the control device 400 determines that the cooling system is abnormal, performs an abnormal measure by stopping the air compressor 100 or opening the air flow control valve 104, and reducing the life of the humidifier 102 or the fuel cell stack 103 due to an abnormal increase in air temperature. To avoid.
[0107]
The flowchart for explaining the abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the sixth embodiment is almost the same as that in FIG. 2 described in the first embodiment, but the abnormality treatment / notification in S22 is air treatment. The difference from the first embodiment is that the compressor 100 is stopped or the air flow rate control valve 104 is opened.
[0108]
[Seventh Embodiment]
FIG. 12 is a system configuration diagram illustrating a seventh embodiment of the protection device for the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 12, instead of the flow rate detector 302 and the pressure detector 303 of the sixth embodiment (FIG. 11), a rotational speed detector 302 for detecting the rotational speed of the refrigerant pump 202 and a torque detector for detecting the driving torque. The difference is that 303 is provided. Other components are the same.
[0109]
The rotation speed detector 302 may detect the rotation speed of the refrigerant pump 202 by detecting the rotation speed of an electric motor or the like that drives the refrigerant pump 202. Usually, the electric motor that drives the refrigerant pump 202 is provided with a rotational speed detector for controlling the rotational speed. Therefore, the rotational speed detector 302 for the refrigerant pump 202 is not separately provided. Output may be used.
[0110]
The torque detector 303 detects the driving torque of the refrigerant pump 202. When the electric motor is used as a driving source as described above, the torque detector 303 detects the driving torque of the refrigerant pump 202 as a load from the driving current value of the electric motor. Can do.
[0111]
The flowchart for explaining the abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the seventh embodiment is almost the same as that in FIG. 5 explained in the second embodiment, but the abnormality treatment is air in the abnormality treatment / notification of S48. The second embodiment is different from the second embodiment in that the compressor 100 is stopped or the air flow control valve 104 is opened.
[0112]
[Eighth Embodiment]
The configuration of the eighth embodiment is the same as the configuration of the seventh embodiment shown in FIG. In the eighth embodiment, when the rotational speed of the refrigerant pump 202 is not in a steady state but is in an acceleration or deceleration process, the driving torque of the refrigerant pump 202 and the refrigerant pump generated by changes in the inertia energy of the refrigerant and the refrigerant pump. The correlation deviation with the discharge pressure of 202 is corrected so that the discharge pressure of the refrigerant pump 202 can be accurately estimated even when the refrigerant pump rotation speed is changing.
[0113]
The flowchart for explaining the abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the eighth embodiment is almost the same as that in FIG. 6 explained in the third embodiment, but the abnormality treatment / notification in S48 is the abnormality treatment. The third embodiment is different from the third embodiment in that the compressor 100 is stopped or the air flow rate control valve 104 is opened.
[0114]
[Ninth Embodiment]
FIG. 13 is a system configuration diagram illustrating a ninth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention. Similar to the fourth embodiment, the flow rate detecting means in the present embodiment is provided in the position of the first pressure detecting means provided in the vicinity of the refrigerant pump outlet and the position of the refrigerant flow path different from that of the first pressure detecting means. And a second pressure detecting means for estimating the flow rate value of the refrigerant based on the difference between the pressure values detected by the first and second pressure detecting means.
[0115]
In FIG. 13, instead of the flow rate detector 302 and the pressure detector 303 of the sixth embodiment (FIG. 11), the pressure detector 302 that is a first pressure detecting means for detecting the discharge pressure of the refrigerant pump 202 and the heat exchange. The difference is that a pressure detector 303 is provided as second pressure detecting means for detecting the refrigerant pressure in the vicinity of the outlet of the apparatus 101. Other components are the same.
[0116]
FIG. 14 is a flowchart for explaining an abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the ninth embodiment. This figure is substantially the same as FIG. 8 described in the fourth embodiment, except that the refrigerant pressure at the outlet of the heat exchanger is detected in S55 in FIG. 14 instead of S54 in FIG. 8, and the abnormality in S64. Among the measures / notifications, the difference from the fourth embodiment is that the abnormality treatment is replaced by stopping the air compressor 100 or opening the air flow control valve 104.
[0117]
[Tenth embodiment]
FIG. 15 is a system configuration diagram illustrating a tenth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention.
[0118]
The difference in configuration between the present embodiment and the ninth embodiment is that the pressure detector 303 which is the second pressure detecting means in the ninth embodiment is deleted, and that the control device 400 includes the refrigerant pump 202. The normal discharge pressure range determined with respect to the rotation speed control value (which substantially corresponds to the flow rate) is stored as internal data. Other configurations are the same as those of the ninth embodiment.
[0119]
The flowchart describing the abnormality detection operation of the cooling system by the control device 400 in the tenth embodiment is almost the same as that in FIG. 10 described in the fifth embodiment, but the abnormality treatment is the air in the abnormality treatment / notification of S88. The fifth embodiment is different from the fifth embodiment in that the compressor 100 is stopped or the air flow rate control valve 104 is opened.
[0120]
The preferred embodiments have been described above, but these do not limit the present invention. In particular, the pressure detection means for detecting or estimating the refrigerant pressure value and the flow rate detection means for detecting or estimating the refrigerant flow value shown in each embodiment should be appropriately selected according to the target system. Yes, specific means and combinations are arbitrary.
[0121]
In addition, as the flow rate detection means, a first pressure detection means provided near the refrigerant pump outlet and a second pressure detection means provided at a position of the refrigerant flow path different from the first pressure detection means are provided. When estimating the flow rate value of the refrigerant based on the difference between the pressure values detected by the first and second pressure detection means, the second pressure detection means is capable of obtaining a stable pressure loss characteristic in the refrigerant circuit. The mounting position can be arbitrarily set.
[0122]
In addition, in the abnormality determination based on the flow rate and pressure of the refrigerant pump, a determination suspension region that is the second region may be provided between the normal operation range and the failure determination range. When the determination result of the flow rate and pressure is in the determination suspension region, the fuel cell system is not immediately stopped, the output is limited and the operation is continued, and other diagnostic signals such as a temperature detection signal are determined by the signal. A more reliable system can be constructed if an operation stop procedure is performed when signs of abnormality appear, such as entering a holding area.
[0123]
Furthermore, in the embodiment, the rotational speed and driving torque of the refrigerant pump are detected, and based on these, the flow rate and discharge pressure of the refrigerant pump are estimated, and it is determined whether the flow rate and discharge pressure are within the normal operating range. However, the process of estimating the flow rate and the discharge pressure from the rotation speed and the drive torque may be omitted, and the abnormality determination may be performed based on a comparison with the normal operation range of the rotation speed of the refrigerant pump and the drive torque itself.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram showing the configuration of a first embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a normal operation range, an abnormal range, and a second region in which determination is suspended for the refrigerant pump discharge flow rate and the refrigerant pump discharge pressure.
FIG. 4 is a system configuration diagram showing configurations of second and third embodiments of a protection device for a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the second embodiment.
FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation of the third embodiment.
FIG. 7 is a system configuration diagram showing a configuration of a fourth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the fourth embodiment.
FIG. 9 is a system configuration diagram showing a configuration of a fifth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 10 is a flowchart for explaining the operation of the fifth embodiment.
FIG. 11 is a system configuration diagram showing a configuration of a sixth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 12 is a system configuration diagram showing configurations of seventh and eighth embodiments of the protection device for the fuel cell system according to the present invention.
FIG. 13 is a system configuration diagram showing a configuration of a ninth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention;
FIG. 14 is a flowchart for explaining the operation of the ninth embodiment.
FIG. 15 is a system configuration diagram showing the configuration of a tenth embodiment of a protection device for a fuel cell system according to the present invention;
FIG. 16 is a system configuration diagram showing the configuration of the first prior art.
FIG. 17 is a system configuration diagram showing the configuration of the second prior art.
[Explanation of symbols]
103 Fuel cell stack
200 Radiator
201 Refrigerant piping
202 Refrigerant pump
203 radiator fan
300 Temperature sensor
301 Temperature sensor
302 Flow rate detector
303 Pressure detector
400 Controller

Claims

燃料電池の発熱部とラジエータとの間に冷媒を循環させる冷媒ポンプを備えた燃料電池システムの保護装置であって、
前記冷媒ポンプ出口付近に設けられ前記冷媒の圧力値を検出する第１の圧力検出手段と、
前記冷媒ポンプ出口から前記燃料電池の発熱部の冷媒入口までの冷媒流路以外の冷媒流路に設けられ前記冷媒の圧力値を検出する第２の圧力検出手段と、
第１、第２の圧力検出手段の検出した圧力値の差分に基づいて前記冷媒の流量値を推定する流量検出手段と、
これら圧力検出手段及び流量検出手段による圧力値及び流量値が正常か異常かを判定する判定手段と、
この判定手段が異常と判定したとき燃料電池の出力を制限又は運転を停止させることにより前記発熱部の発熱を制限する異常制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの保護装置。A protection device for a fuel cell system comprising a refrigerant pump for circulating a refrigerant between a heat generating portion of the fuel cell and a radiator,
A first pressure detection means for detecting a pressure value of the refrigerant is provided in the vicinity of the coolant pump outlet,
Second pressure detecting means provided in a refrigerant flow path other than the refrigerant flow path from the refrigerant pump outlet to the refrigerant inlet of the heat generating part of the fuel cell, and detecting a pressure value of the refrigerant;
First, a flow rate detecting means to estimate the flow rate value of the refrigerant on the basis of the difference between the detected pressure value of the second pressure detecting means,
Determining means for determining pressure values and the flow rate value is normal or abnormal by these pressure detecting means and the flow rate detecting means,
An abnormality control means for restricting the heat generation of the heat generating part by restricting the output of the fuel cell or stopping the operation when it is determined that the judging means is abnormal;
A protective device for a fuel cell system, comprising:

燃料電池の発熱部とラジエータとの間に冷媒を循環させる冷媒ポンプを備えた燃料電池システムの保護装置であって、A protection device for a fuel cell system comprising a refrigerant pump for circulating a refrigerant between a heat generating portion of the fuel cell and a radiator,
冷媒の圧力値を検出または推定する圧力検出手段と、  Pressure detecting means for detecting or estimating the pressure value of the refrigerant;
冷媒の流量値を検出または推定する流量検出手段と、  Flow rate detection means for detecting or estimating the flow rate value of the refrigerant;
これら圧力検出手段及び流量検出手段による圧力値及び流量値が正常か異常かを判定する判定手段と、  Determination means for determining whether the pressure value and flow rate value by these pressure detection means and flow rate detection means are normal or abnormal,
この判定手段が異常と判定したとき燃料電池の出力を制限又は運転を停止させることにより前記発熱部の発熱を制限する異常制御手段と、を備え、  An abnormality control means for limiting the heat generation of the heat generating part by restricting the output of the fuel cell or stopping the operation when the judging means judges that it is abnormal,
前記判定手段による判定に際し、  In the determination by the determination means,
前記圧力値に対する前記流量値が正常範囲より少ない方へ偏移、または前記流量値に対する前記圧力値が正常範囲より高い方へ偏移している場合、前記冷媒の流路の閉塞故障または冷媒ポンプの故障があると判定し、  When the flow rate value with respect to the pressure value deviates to a direction less than the normal range, or when the pressure value with respect to the flow rate value deviates to a direction higher than the normal range, the refrigerant flow path blockage failure or the refrigerant pump It is determined that there is a malfunction
前記圧力値に対する前記流量値が正常範囲より多い方へ偏移、または前記流量値に対する前記圧力値が正常範囲より低い方へ偏移している場合、前記冷媒の漏洩故障またはエアロック故障があると判定することを特徴とする燃料電池システムの保護装置。  When the flow rate value with respect to the pressure value deviates toward a greater range than the normal range, or when the pressure value with respect to the flow rate value deviates toward a lower range than the normal range, there is a refrigerant leakage failure or an air lock failure. A protective device for a fuel cell system, characterized in that

燃料電池の発熱部とラジエータとの間に冷媒を循環させる冷媒ポンプを備えた燃料電池システムの保護装置であって、A protection device for a fuel cell system comprising a refrigerant pump for circulating a refrigerant between a heat generating portion of the fuel cell and a radiator,
前記冷媒ポンプの駆動トルク値を検出するトルク検出手段と、  Torque detecting means for detecting a driving torque value of the refrigerant pump;
前記冷媒ポンプの回転速度値を検出する回転速度検出手段と、  A rotational speed detecting means for detecting a rotational speed value of the refrigerant pump;
これら検出された駆動トルク値および回転速度値が正常か異常かを判定する判定手段と、  Determination means for determining whether the detected drive torque value and rotation speed value are normal or abnormal;
この判定手段が異常と判定したとき、燃料電池の出力を制限又は運転を停止させる異常制御手段と、  An abnormality control means for restricting the output of the fuel cell or stopping the operation when the determination means determines that an abnormality has occurred;
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの保護装置。  A protective device for a fuel cell system, comprising:

前記判定手段は、The determination means includes
前記冷媒ポンプの回転速度が一定でない場合に、前記駆動トルク値を補正して正常か異常かを判定することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの保護装置。 4. The protection device for a fuel cell system according to claim 3, wherein when the rotational speed of the refrigerant pump is not constant, the drive torque value is corrected to determine whether it is normal or abnormal.

前記判定手段による判定に際し、In the determination by the determination means,
前記回転速度値に対する前記駆動トルク値が正常範囲より駆動トルク値が大きい方へ偏移している場合、前記冷媒の流路の閉塞故障または冷媒ポンプ故障があると判定し、 When the driving torque value with respect to the rotational speed value has shifted to a larger driving torque value than the normal range, it is determined that there is a blockage failure of the refrigerant flow path or a refrigerant pump failure,
前記回転速度値に対する前記駆動トルク値が正常範囲より駆動トルク値が小さい方へ偏 The drive torque value with respect to the rotation speed value is biased toward a smaller drive torque value than a normal range. 移している場合、前記冷媒の漏洩故障またはエアロック故障があると判定することを特徴とする請求項３または請求項４記載の燃料電池システムの保護装置。5. The protection device for a fuel cell system according to claim 3, wherein when the refrigerant is transferred, it is determined that there is a leakage failure or an airlock failure of the refrigerant.

前記判定手段による故障状況の判定結果を記憶する記憶手段を更に備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムの保護装置。6. The protection device for a fuel cell system according to claim 1, further comprising storage means for storing a determination result of the failure status by the determination means.

前記燃料電池の発熱部は、燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システムの保護装置。7. The protection device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the heat generating portion of the fuel cell is a fuel cell stack.

前記燃料電池の発熱部は、燃料電池スタックに供給する圧縮空気を冷却する冷却器であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システムの保護装置。7. The protection device for a fuel cell system according to claim 1, wherein the heat generating part of the fuel cell is a cooler that cools the compressed air supplied to the fuel cell stack.