JP4159860B2 - 燃料電池システムの故障検知方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムの故障検知方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤ガス(例えば酸素あるいは空気)を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【0003】
この種の燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池を構成するセルのうち、最小のセル電圧が所定以下の時に発電制限するもの(特許文献1参照)や、最小のセル電圧が所定以下の時に水素供給量を増加する(特許文献2参照)等、燃料電池のセル電圧を検出して燃料電池の状態を判断し、各種の制御を行うものがある。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−210346号公報
【特許文献2】
特開2002−164068号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように燃料電池システムの制御を行うにあたっては、燃料電池を構成するセルの電圧を検出するセル電圧検出手段を設けて、この検出手段により検出された電圧に基づいて制御を行うことが一般的である。このとき、セル電圧検出手段が何らかの原因で故障すると、上述した各種の制御ができなくなるという問題があった。
【0006】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、検出された電圧値に基づいて、燃料電池セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出手段が故障した場合とを判別することができる燃料電池システムの故障検知方法を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項1に係る発明は、燃料電池を構成する各セルの電圧をセル電圧検出手段(例えば、後述する実施の形態におけるセル電圧検出センサ8)により検出し、検出した各セルの電圧の少なくともいずれかが所定値(例えば、後述する実施の形態における電圧所定値V1)以下の場合には、燃料電池の出力電流(例えば、後述する実施の形態における出力電流IFC)を制限し(例えば、後述する実施の形態におけるステップS26、ステップS32)、前記出力電流の制限により燃料電池が開放電圧状態になったときに前記セル電圧検出手段により前記所定値以下の電圧が検出された場合には(例えば、後述する実施の形態におけるステップS30、ステップS34)、前記セル電圧検出手段の故障と判定する(例えば、後述する実施の形態におけるステップS38)ことを特徴とする燃料電池システムの故障検知方法である。
【0008】
この発明によれば、前記セル電圧検出手段にて検出した各セルの電圧の少なくともいずれかが所定値以下の場合には、燃料電池の出力電流を制限していくことで、燃料電池の特性(出力電流を減少させると電圧が上昇する電流−電圧特性)を利用してセル電圧を上昇させていき、前記出力電流の制限により燃料電池が開放電圧(OCV:Open circuit voltage)状態になったときでも前記所定値以下の電圧が検出された場合には、上述した燃料電池の特性に反するため、前記セル電圧検出システムの故障と判定することができ、これにより、燃料電池セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出手段が故障した場合とを判別することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における燃料電池システムを図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
前記燃料電池システムが備える燃料電池1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
【0010】
前記燃料電池1には、燃料供給システム2、エア供給システム3が接続されている。燃料供給システム2は、例えば高圧で水素を保持する高圧水素タンクを備えており、燃料電池1のアノードに水素を供給する。エア供給システム3は、エアコンプレッサを備えており、燃料電池1のカソードに酸化剤である空気(エア)を供給する。
【0011】
これらのシステム2,3から反応ガス(水素、エア)が燃料電池1に供給されると、アノードの反応面(図示せず)に供給された水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソードの方に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。燃料電池1には走行モータなどの負荷6が接続されており、該負荷6に燃料電池1からの出力(発電電力)が供給される。
【0012】
また、前記燃料電池1には、燃料電池1を構成する燃料電池セルの電圧Vを検出するセル電圧検出センサ8や電流検出センサ9が接続され、これらのセンサ8、9により各燃料電池セルの電圧Vや負荷6に供給する出力電流IFCを検出している。
【0013】
前記燃料供給システム2、エア供給システム3、負荷6、セル電圧検出センサ8、電流検出センサ9には制御装置(ECU)7が接続してある。この制御装置7は、負荷6の作動に必要な電力を算出して、この算出した電力に基づいて燃料供給システム2、エア供給システム3にそれぞれ制御信号を送信する。これにより、燃料供給システム2,エア供給システム3から供給される反応ガスの量が調整され、燃料電池1での発電量が制御される。また、制御装置7は、セル電圧検出センサ8で検出された燃料電池1の各セル電圧Vや、電流検出センサ9で検出された電流IFCを受信する。そして、この受信した各セル電圧Vや出力電流IFCに基づいて、前記セル電圧検出センサ8の状態を判定する。これについて図2を用いて説明する。
【0014】
図2は燃料電池システムの故障検知制御を示すフローチャートである。同図に示したように、ステップS12で、燃料電池1の各セルにおいて、検出された電圧(セル電圧)の中に電圧所定値(回復電圧判定値)V1[V]以下のものがあるかどうかを判定し、判定結果がNOの場合、すなわち、全てのセル電圧がV1以上で発電が安定している時にはステップS14の処理に進む。また、ステップS12の判定結果がYESの場合、すなわち、発電が不安定の時にはステップS24の処理に進む。
【0015】
ステップS14では、後述するステップS32でセル電圧低下時に低下させていた電流制限値を、所定量ΔI2ずつ回復させる。電流制限値に電流所定値ΔI2を加えて新たな電流制限値とする。この電流制限値により、燃料電池1の発電出力の上限が定まる。そして、ステップS16で、燃料電池1の発電電流を通常時の値IFCBSに設定する。各セルの発電が安定している場合には、出力制限が不要の状態であるので、ステップS18で、出力制限開始フラグに、出力制限不要を示す、「0」を代入する。
【0016】
ステップS20で、タイマーTMを所定の基準値T1にセットする。後述するように、このタイマーTMの値がセル電圧検出センサ8の故障判定に必要な時間となる。
ステップS22においては、電流制限値のリミット処理を行う。すなわち、求められた電流制限値に基づいて、燃料電池1の発電量を制限する。上述した電流制限値が、下限値0を下回った場合には下限値0に、上限値である定格電流値IFCBSを上回った場合には該定格電流値IFCBSに、電流制限値を補正する制御を行う。これにより、電流制限値が無制限に拡大される等の不具合を防止でき、電流制限値を適正範囲内に設定することができる。そして、一連の処理を終了する。
【0017】
また、ステップS24では、上述した出力制限開始フラグが「0」かどうかを判定する。この判定結果がYESの場合、すなわち、セル電圧がV1以下に低下したことを今回初めて検出した時にはステップS26の処理に進む。また、ステップS24の判定結果がNOの場合には、すなわち、セル電圧がV1以下に低下したことを二度以上連続して検出した時にはステップS30の処理に進む。
ステップS26では、電流制限値の基本量であるIFCBSから、電流所定値ΔI1を減算して、新たな電流制限値とする。これにより、燃料電池1の発電出力が制限されるため、各セルに対する保護が図られる。そして、ステップS28で、出力制限開始フラグに、セル電圧の低下が検出されたことを示す、「1」を代入する。そして、上述したステップS20以降の処理を行って、一連の処理を終了する。したがって、セル電圧の中に所定値V1以下のものがあることが検出されたときには、まず、電流制限値が電流所定値ΔI1だけ制限されるととともに、出力制限開始フラグが「0」から「1」に切り替わる。
【0018】
また、ステップS30では、電流制限値の値が「0」かどうかを判定し、判定結果がYESの場合、すなわち発電電流を0まで低下させた場合、にはステップS34の処理に進み、判定結果がNOの場合にはステップS32の処理に進む。ステップS32では、電流制限値から電流所定値ΔI1を減算して、新たな電流制限値とする。そして、上述したステップS20以降の処理を行って、一連の処理を終了する。したがって、上述した出力制限開始フラグが「1」に切り替わった後は、全てのセル電圧が電圧所定値V1以上に回復しなければ、電流制限値が実質的に0になるまで電流所定値ΔI1ずつ制限され、これにより燃料電池1の各セルの発電出力を制限していく。そして、電流制限値が実質的に0になると、発電出力も0となり、負荷6への電流供給が停止される。このときの電圧が、開放電圧(OCV)となる。
【0019】
また、ステップS34では、タイマーTMの値が「0」かどうかを判定し、判定結果がYESの場合にはステップS38の処理に進み、判定結果がNOの場合にはステップS36の処理に進む。ステップS36では、前記タイマーTMの値を所定値で減算して、新たなタイマーTMの値を設定する。このようにして、電流制限値が0になってからの継続時間を計測する。
そして、上述したステップS22の処理を行って、一連の処理を終了する。このように、電流制限値が0(出力電流が0)になった場合(OCV状態)には、タイマーTMの値が0になるまでセル電圧検出センサ8の故障判定を保留して、故障判定の精度を高めている。
【0020】
そして、タイマーTMの値が0になった場合には、ステップS38で、セル電圧監視システム(この場合はセル電圧検出センサ8)故障と判定する。これについて、図3を用いて説明する。
図3は図1に示した燃料電池1のセルにおける電流と電圧の関係を示すグラフである。同図のラインaは、通常状態でのセル出力の一例を示し、ラインbは不調状態でのセル出力の一例を示す。ラインaに示したように、燃料電池の各セルは、所定の電流−電圧特性をもっており、発電電流を増加させると電流は低下するが、電流値をほぼゼロ(開放電圧:OCV状態)まで低下させると電圧が上昇することがわかる。また、ラインbに示したように、不調状態においては前記通常状態の場合に比べて電圧が低下しているが、上記開放電圧(OCV状態)まで電流値を制限すると、同様に、電圧が上昇して通常特性の値に近いところまで回復することがわかる。
よって、発電制限によってほぼ開放電圧(OCV状態)まで制限電流を低下させたときに、各セル電圧が所定の回復判定電圧(V1)まで回復していない時は、セル電圧検出回路が故障して電圧が回復したことが認識できなかった状態であると判定するものである。
これにより、燃料電池1セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出センサ8が故障した場合とを判別することができる。
【0021】
そして、ステップS40のセル電圧の中で回復判定電圧V1[V]以下のものを制御から外す(マスクする)処理を行い、上述したステップS22の処理を行って、一連の処理を終了する。これにより、故障したセル電圧検出センサ8で検出された電圧値に基づいて燃料電池1を制御することを防止するとともに、該センサ8以外の正常なセル電圧検出センサ8に基づいて燃料電池1を制御することができる。
【0022】
なお、本発明における燃料電池システムの故障検知方法は、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途にも適用することができるのはもちろんである。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、燃料電池セルの状態が不調な場合と、セル電圧検出手段が故障した場合とを判別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図2】 図1に示した燃料電池システムの故障検知制御を示すフローチャートである。
【図3】 図1に示した燃料電池における電流と電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 燃料電池
8 セル電圧検出センサ
9 電流検出センサ
Claims (1)
- 燃料電池を構成する各セルの電圧をセル電圧検出手段により検出し、
検出した各セルの電圧の少なくともいずれかが所定値以下の場合には、燃料電池の出力電流を制限し、
前記出力電流の制限により燃料電池が開放電圧状態になったときに前記セル電圧検出手段により前記所定値以下の電圧が検出された場合には、前記セル電圧検出手段の故障と判定することを特徴とする燃料電池システムの故障検知方法。
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