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JP2013246984A - Fuel cell system and method for operating the same - Google Patents

Fuel cell system and method for operating the same Download PDF

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JP2013246984A
JP2013246984A JP2012120163A JP2012120163A JP2013246984A JP 2013246984 A JP2013246984 A JP 2013246984A JP 2012120163 A JP2012120163 A JP 2012120163A JP 2012120163 A JP2012120163 A JP 2012120163A JP 2013246984 A JP2013246984 A JP 2013246984A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that has many opportunities for determining gas leakage in an anode system, and to provide a method for operating the same.SOLUTION: A fuel cell system comprises: a fuel cell stack 10; a fuel gas supply passage through which hydrogen flows; an injector 24 that is provided in the fuel gas supply passage and controls the flow rate of hydrogen; a fuel off-gas discharge passage through which anode off-gas flows; a purge valve 27 that is provided in the fuel off-gas discharge passage and discharges/blocks anode off-gas; load determination means that determines whether or not a load of the fuel cell stack 10 is constant; and gas leakage determination means that determines whether or not gas leaks, on the basis of gas pressure between the injector 24 and the purge valve 27. When a valve-closing command has been issued to the purge valve 27 in a case in which the load determination means determines that the load of the fuel cell stack 10 is constant, the injector 24 makes the flow rate of fuel gas constant, and the gas leakage determination means executes gas leakage determination.

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.

燃料電池車等の電源として、水素(燃料ガス)及び酸素を含む空気(酸化剤ガス)が供給されることで発電する燃料電池が注目されている。そして、アノードの上流にインジェクタを設け、負荷(要求発電量等)に対応してインジェクタをPWM制御することで水素を噴射し、燃料電池への水素の流量を制御する方法が提案されている(特許文献1参照)。   As a power source for a fuel cell vehicle or the like, a fuel cell that generates electric power by supplying hydrogen (fuel gas) and oxygen-containing air (oxidant gas) has attracted attention. Then, a method has been proposed in which an injector is provided upstream of the anode, hydrogen is injected by PWM control of the injector corresponding to a load (required power generation amount, etc.), and the flow rate of hydrogen to the fuel cell is controlled ( Patent Document 1).

そして、特許文献1では、インジェクタの動作量に対するアノード系のアノード圧力の上昇量(上昇幅、変化量)に基づいて、燃料電池内のアノード流路を含むアノード系において、ガスが漏れているか否か判定している。   In Patent Document 1, whether or not gas is leaking in the anode system including the anode flow path in the fuel cell based on the amount of increase (increase, change) in the anode pressure of the anode system with respect to the operation amount of the injector. Judging.

特開2007−165237号公報JP 2007-165237 A

ところが、特許文献1では、例えば負荷の増加時のようにアノード圧力を上昇させる場合のみ、ガス漏れ判定を実行するので、判定機会が少なくなってしまう。   However, in Patent Document 1, since the gas leak determination is executed only when the anode pressure is increased, for example, when the load is increased, the determination opportunities are reduced.

そこで、本発明は、アノード系におけるガス漏れ判定の機会の多い燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system with many opportunities for determining gas leakage in an anode system and an operation method thereof.

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に設けられ、燃料オフガスを排出/遮断するパージ弁と、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する一定判定手段と、前記燃料ガス流量制御手段と前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定手段と、を備え、前記一定判定手段が一定であると判定した場合において前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、前記燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とし、前記ガス漏れ判定手段がガス漏れ判定を実行することを特徴とする燃料電池システムである。   As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell having a fuel gas flow path, which generates power when fuel gas is supplied to the fuel gas flow path, and an inlet of the fuel gas flow path. A fuel gas supply channel that is connected and through which fuel gas flows toward the fuel gas channel; a fuel gas flow rate control unit that is provided in the fuel gas supply channel and controls the flow rate of the fuel gas; and the fuel gas A fuel off-gas discharge channel connected to an outlet of the channel and through which fuel off-gas from the fuel gas channel flows to the outside; a purge valve provided in the fuel off-gas discharge channel and configured to discharge / shut off the fuel off-gas; Based on the constant determination means for determining whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant, and the gas pressure between the fuel gas flow control means and the purge valve, gas leaks. Or A gas leakage determination means for determining whether the constant determination means is constant, and when the closing command is input to the purge valve, the fuel gas flow rate control means is configured to control the flow rate of the fuel gas. The fuel cell system is characterized in that the gas leakage determination means executes a gas leakage determination.

ここで、燃料電池の負荷は、燃料電池に要求される要求発電量(要求電力、目標電流、等)だけでなく、燃料電池が実際に出力する出力値(実測電力、実測電流、等)、負荷と相関関係を有するパラメータを含む。このパラメータは、例えば、実測燃料ガス圧力(実測アノード圧力)や、燃料電池システムが燃料電池車に搭載された構成である場合、アクセル開度、バッテリでアシストしていないときにおける車速、を含む。   Here, the load of the fuel cell is not only the required power generation amount (required power, target current, etc.) required for the fuel cell, but also the output value (actual power, actual current, etc.) actually output by the fuel cell, It includes parameters that correlate with the load. This parameter includes, for example, measured fuel gas pressure (actually measured anode pressure), accelerator opening when the fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle, and vehicle speed when the battery is not assisting.

ここで、燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とするとは、(1)燃料電池の負荷を一定にして燃料電池における燃料ガス消費量を一定としたうえで、燃料ガスの流量(供給量)を一定とする場合(ストイキ比も一定となる)と、(2)燃料電池の負荷(要求発電量(要求電力、目標電流等)が変動しても、燃料ガスのストイキ比が一定となるように、つまり、負荷に対する燃料ガスの流量(供給量)の比率が一定となるように、負荷変動に対応して燃料ガスの流量を変動させる場合と、を含む。   Here, the fuel gas flow rate control means that the flow rate of the fuel gas is constant means that (1) the fuel gas flow rate (supply) is made after the load of the fuel cell is made constant and the fuel gas consumption in the fuel cell is made constant. (2) The fuel gas stoichiometric ratio is constant even if the load of the fuel cell (required power generation amount (required power, target current, etc.) fluctuates) That is, the case where the flow rate of the fuel gas is changed in response to the load change so that the ratio of the flow rate (supply amount) of the fuel gas to the load is constant is included.

このような構成によれば、一定判定手段が燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力は一定であると判定する機会は、負荷の増加時などの燃料ガスの圧力(アノード圧力)を上昇させる機会よりも多くなる。すなわち、燃料電池車に搭載された構成である場合、負荷の増加時は燃料電池車の加速時に限られるが、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定となるのは、アイドリング時(アイドル時)、一定速度でのクルージング時(定速走行時)等、多数存在する他、制御方法によって容易に機会を作ることができる。   According to such a configuration, the opportunity for the constant determination means to determine that the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant is greater than the opportunity to increase the fuel gas pressure (anode pressure) such as when the load increases. Will also increase. That is, in the case of a configuration mounted on a fuel cell vehicle, the load is increased only when the fuel cell vehicle is accelerated, but the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant during idling (during idling). ), There are many such as when cruising at a constant speed (during constant speed driving), and opportunities can be easily created by the control method.

そして、パージ弁には、通常、閉弁指令が入力されるので、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力は一定であると判定される場合において、パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、も多数存在する。次いで、このようなとき、燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とし、ガス漏れ判定手段がガス漏れ判定を実行する。このようにして、アノード系におけるガス漏れ判定の機会が多くなる。
なお、ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とするので、ガスが漏れていた場合、燃料ガス流量制御手段とパージ弁との間におけるガスの圧力の変化量が大きくなり、高精度でガス漏れ判定できる。
Since the valve closing command is normally input to the purge valve, when it is determined that the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant, the valve closing command is input to the purge valve. , There are many. Next, in such a case, the fuel gas flow rate control unit makes the flow rate of the fuel gas constant, and the gas leak determination unit executes the gas leak determination. In this way, the chance of gas leak determination in the anode system increases.
Note that when the gas leak determination is performed by the gas leak determination means, the fuel gas flow rate control means keeps the flow rate of the fuel gas constant, so that if there is a gas leak, the gas between the fuel gas flow rate control means and the purge valve The amount of change in pressure increases, and it is possible to determine gas leakage with high accuracy.

前記燃料電池システムにおいて、外部負荷に対して前記燃料電池と並列であると共に、電力を蓄電する蓄電手段と、前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、を備え、前記一定判定手段は、前記蓄電手段の蓄電量に基づいて前記外部負荷からの要求電気エネルギを前記蓄電手段でアシストした場合において、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定することが好ましい。   The fuel cell system includes: a storage unit that is parallel to the fuel cell with respect to an external load; and that stores power; and a storage amount detection unit that detects a storage amount of the storage unit; and the constant determination unit Determining whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant when the electrical storage means assists the required electrical energy from the external load based on the amount of electrical storage of the electrical storage means. preferable.

このような構成によれば、一定判定手段が、蓄電手段の蓄電量に基づいて外部負荷(後記する実施形態ではモータ)からの要求電気エネルギ(総電気エネルギ)を蓄電手段でアシスト(補助)した場合において、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する。したがって、蓄電手段の蓄電量が大きいほど、蓄電手段で要求電気エネルギ(総電気エネルギ)の一部をアシスト(補助)し易くなり、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定となる機会が多くなる。   According to such a configuration, the constant determination means assists (assists) the required electric energy (total electric energy) from the external load (in the embodiment described later, a motor) based on the amount of power stored in the power storage means. In the case, it is determined whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant. Therefore, the larger the amount of electricity stored in the electricity storage means, the easier it is to assist (assist) a part of the required electric energy (total electric energy) with the electricity storage means, and there are more opportunities for the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure to be constant. Become.

また、蓄電手段の蓄電量に対応して、蓄電手段によるアシスト量を可変することもできる。これにより、燃料電池の負荷(要求電力、目標電流等の要求発電量、実測電力、実測電流等の出力値、目標燃料ガス圧力、実測燃料ガス圧力、等)を可変することもできる。したがって、アシスト量を可変し、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定となる機会を多くできる。   Further, the assist amount by the power storage means can be varied in accordance with the power storage amount of the power storage means. As a result, the load of the fuel cell (required power, required power generation amount such as target current, output value such as actual power, actual current, target fuel gas pressure, actual fuel gas pressure, etc.) can be varied. Therefore, the amount of assist can be varied to increase the opportunities for the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure to be constant.

前記燃料電池システムにおいて、車両に搭載され、前記車両の車速を検出する車速検出手段を備え、前記一定判定手段は、前記車速検出手段の検出する車速が、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力の通常範囲の下限値に対応した所定車速以下である場合であって、その後に前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力を変動させずに前記車両の走行が維持されると判断される所定車速以下である場合、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定することが好ましい。   The fuel cell system includes vehicle speed detection means that is mounted on a vehicle and detects the vehicle speed of the vehicle, and the constant determination means determines whether the vehicle speed detected by the vehicle speed detection means is a load of the fuel cell or a target fuel gas pressure. A predetermined vehicle speed that is determined to maintain the vehicle running without changing the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure after the vehicle speed is below a predetermined vehicle speed corresponding to the lower limit value of the normal range of When it is below, it is preferable to determine that the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant.

このような構成によれば、車速検出手段の検出する車速が、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力の通常範囲の下限値に対応した所定車速以下である場合であって、その後に燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力を変動させずに車両の走行が維持されると判断される所定車速以下である場合、一定判定手段は燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定する。このようにして、車速に基づいて、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定でき、一定である場合、ガス漏れ判定を実行できる。   According to such a configuration, the vehicle speed detected by the vehicle speed detecting means is not more than a predetermined vehicle speed corresponding to the lower limit value of the load of the fuel cell or the normal range of the target fuel gas pressure, and thereafter the fuel cell When the vehicle speed is equal to or lower than a predetermined vehicle speed at which it is determined that the running of the vehicle is maintained without changing the load or the target fuel gas pressure, the constant determination unit determines that the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant. Thus, based on the vehicle speed, it can be determined whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant, and if it is constant, the gas leak determination can be executed.

なお、車両の車速を検出する車速検出手段は、車輪の回転速度等に基づいて車速を直接的に検出する車速センサだけでなく、ナビゲーション装置やGPS等からの車両の位置情報に基づいて車速を間接的に算出する手段も含む。すなわち、車速センサからの車速と、ナビゲーション装置やGPS等からの車両の位置情報に基づいて算出される車速と、に基づくことにより、一定判定手段が一定であるか否か高精度で判定できる。   The vehicle speed detecting means for detecting the vehicle speed is not only a vehicle speed sensor that directly detects the vehicle speed based on the rotational speed of the wheel, but also the vehicle speed based on the vehicle position information from a navigation device, GPS, or the like. A means for calculating indirectly is also included. That is, based on the vehicle speed from the vehicle speed sensor and the vehicle speed calculated based on the position information of the vehicle from the navigation device or GPS, it can be determined with high accuracy whether or not the constant determination means is constant.

前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の電力を蓄電する蓄電手段と、前記燃料電池の発電を制御すると共に、前記蓄電手段への蓄電を制御する電力制御手段と、を備え、前記電力制御手段が、前記燃料電池を一定の電力で発電させ、当該燃料電池の一定の電力を前記蓄電手段に蓄電している場合、前記一定判定手段は、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定することが好ましい。   In the fuel cell system, the power control means includes: power storage means for storing power of the fuel cell; and power control means for controlling power generation of the fuel cell and controlling power storage in the power storage means. When the fuel cell is generated with constant power and the constant power of the fuel cell is stored in the power storage means, the constant determination means has a constant load or target fuel gas pressure of the fuel cell. Is preferably determined.

このような構成によれば、電力制御手段が、燃料電池を一定の電力で発電させ、燃料電池の一定の電力を蓄電手段に蓄電している場合、一定判定手段は、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定する。このようにして、燃料電池の発電状態と、蓄電手段の蓄電状態とに基づいて、燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定でき、一定である場合、ガス漏れ判定を実行できる。   According to such a configuration, when the power control means generates the fuel cell with constant power and stores the constant power of the fuel cell in the power storage means, the constant determination means determines whether the fuel cell load or target It is determined that the fuel gas pressure is constant. In this way, it is possible to determine whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant based on the power generation state of the fuel cell and the power storage state of the power storage means. Can be executed.

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、前記燃料ガス流量制御手段は、燃料ガスの流量をガス漏れ判定用流量とすることが好ましい。   In the fuel cell system, it is preferable that the fuel gas flow rate control unit sets the flow rate of the fuel gas as a gas leak determination flow rate when the gas leak determination unit performs the gas leak determination.

このような構成によれば、ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量をガス漏れ判定用流量とする。つまり、ガス漏れ判定の実行時、燃料ガスの流量は予め定められたガス漏れ判定用流量となる。   According to such a configuration, when the gas leak determination unit performs the gas leak determination, the fuel gas flow rate control unit sets the flow rate of the fuel gas as the gas leak determination flow rate. That is, when the gas leak determination is performed, the flow rate of the fuel gas becomes a predetermined gas leak determination flow rate.

これにより、燃料ガス流量制御手段とパージ弁との間におけるガスの圧力は、ガスが漏れていない場合、略一定、または、燃料電池による燃料ガスの消費に対応して変化することになる。一方、ガスが漏れている場合、ガスの圧力は、略一定とならず、または、燃料ガスの消費に対応して変化しないことになる。したがって、ガスが漏れているか否か判断基準となるガス漏れ判定閾値として、事前試験やシミュレーションによって予め求められた値を使用できる。ゆえに、ガス漏れ判定処理が簡便となる。   As a result, the gas pressure between the fuel gas flow rate control means and the purge valve is substantially constant when the gas is not leaking, or changes corresponding to the consumption of the fuel gas by the fuel cell. On the other hand, when the gas is leaking, the gas pressure is not substantially constant or does not change corresponding to the consumption of the fuel gas. Therefore, a value obtained in advance by a preliminary test or a simulation can be used as a gas leak determination threshold value that is a criterion for determining whether or not gas is leaking. Therefore, the gas leak determination process becomes simple.

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス漏れ判定用流量は、発電する前記燃料電池が消費する燃料ガス消費量に基づいて設定されていることが好ましい。   In the fuel cell system, it is preferable that the gas leak determination flow rate is set based on a fuel gas consumption amount consumed by the fuel cell that generates power.

このような構成によれば、ガス漏れ判定用流量は、燃料電池が消費する燃料ガス消費量に基づいて設定されているので、燃料ガス流量制御手段とパージ弁との間におけるガスの圧力の変化は、ガス漏れの有無に依存し易くなる。これにより、良好にガス漏れ判定できる。   According to such a configuration, since the gas leak determination flow rate is set based on the fuel gas consumption amount consumed by the fuel cell, the change in the gas pressure between the fuel gas flow rate control means and the purge valve Tends to depend on the presence or absence of gas leakage. Thereby, gas leak determination can be performed satisfactorily.

前記燃料電池システムにおいて、前記ガス漏れ判定用流量は、発電する前記燃料電池が消費する燃料ガス消費量と、前記燃料電池の前記燃料ガス流路から酸化剤ガス流路にリークする燃料ガスリーク量と、に基づいて設定されていることが好ましい。   In the fuel cell system, the gas leak determination flow rate includes: a fuel gas consumption amount consumed by the fuel cell to generate power; and a fuel gas leak amount leaking from the fuel gas flow channel of the fuel cell to the oxidant gas flow channel. Are preferably set based on the above.

このような構成によれば、ガス漏れ判定用流量は、燃料電池が消費する燃料ガス消費量と、燃料電池の燃料ガス流路から酸化剤ガス流路にリークする燃料ガスリーク量(クロスリーク量)と、に基づいて設定されているので、燃料ガス流量制御手段とパージ弁との間におけるガスの圧力の変化は、ガス漏れの有無に依存し易くなる。これにより、良好にガス漏れ判定できる。   According to such a configuration, the flow rate for gas leak determination includes the fuel gas consumption amount consumed by the fuel cell and the fuel gas leak amount (cross leak amount) leaking from the fuel gas flow channel of the fuel cell to the oxidant gas flow channel. Therefore, the change in the gas pressure between the fuel gas flow rate control means and the purge valve tends to depend on the presence or absence of gas leakage. Thereby, gas leak determination can be performed satisfactorily.

ここで、燃料ガスリーク量は、燃料ガスがガス状態のままで燃料電池を構成する電解質膜を透過する量(クロスリーク量)を意味する。そして、燃料ガスリーク量は、燃料電池を構成する電解質膜の状態(温度、含水量、使用時間(累積発電量)等)、燃料ガス流路の燃料ガス状態(燃料ガス圧力、燃料ガス濃度等)、に依存するので、電解質膜の状態や、燃料ガス流路の燃料ガス状態に基づいて補正することが好ましい。   Here, the fuel gas leak amount means the amount (cross leak amount) that the fuel gas permeates through the electrolyte membrane constituting the fuel cell while being in a gas state. The amount of fuel gas leak includes the state of the electrolyte membrane constituting the fuel cell (temperature, water content, usage time (cumulative power generation amount), etc.), fuel gas state of the fuel gas flow path (fuel gas pressure, fuel gas concentration, etc.) Therefore, it is preferable to correct based on the state of the electrolyte membrane and the fuel gas state of the fuel gas flow path.

例えば、電解質膜の温度は燃料電池の温度と略同一であるので、燃料電池から排出されたガスや冷媒等の温度を介して、電解質膜の温度は検出される。なお、電解質膜の温度が高くなるにつれて、含水量が多くなるにつれて、使用時間(累積発電量)が長くなるにつれて、燃料ガス(水素ガス等)が透過し易くなるので、燃料ガスリーク量は増加する傾向となる。   For example, since the temperature of the electrolyte membrane is substantially the same as the temperature of the fuel cell, the temperature of the electrolyte membrane is detected via the temperature of the gas or refrigerant discharged from the fuel cell. As the temperature of the electrolyte membrane increases, the moisture content increases as the moisture content increases, and as the usage time (cumulative power generation amount) increases, the fuel gas (hydrogen gas or the like) becomes more easily permeable. It becomes a trend.

前記燃料電池システムにおいて、前記パージ弁の上流の前記燃料オフガス排出流路と前記燃料ガス流量制御手段の下流の前記燃料ガス供給流路とを接続し、燃料ガスを含む燃料オフガスを前記燃料オフガス排出流路から前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、作動することで、前記燃料ガス流路及び前記燃料ガス循環流路を経由するように燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ポンプと、を備え、前記燃料ガス循環ポンプは、前記ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、ガス漏れ判定の非実行時である通常時に対して、ガスの循環量を大きくすることが好ましい。   In the fuel cell system, the fuel off-gas discharge channel upstream of the purge valve is connected to the fuel gas supply channel downstream of the fuel gas flow rate control means, and fuel off-gas containing fuel gas is discharged from the fuel off-gas. The fuel gas is circulated through the fuel gas passage and the fuel gas circulation passage by operating the fuel gas circulation passage for returning the fuel gas from the passage to the fuel gas supply passage and circulating the fuel gas. A fuel gas circulation pump, and the fuel gas circulation pump increases the amount of gas circulation with respect to the normal time when the gas leak judgment is performed by the gas leak judgment means and when the gas leak judgment is not performed. It is preferable to do.

このような構成によれば、ガス漏れ判定の実行時、燃料ガス流量制御手段がその直下流における燃料ガスの流量を一定としつつ、燃料ガス循環ポンプが通常時に対してガスの循環量を大きくするので、燃料電池において燃料ガス不足となり難くなる。   According to such a configuration, when the gas leak determination is performed, the fuel gas flow rate control unit makes the flow rate of the fuel gas immediately downstream thereof constant, and the fuel gas circulation pump increases the gas circulation rate relative to the normal time. Therefore, it becomes difficult for the fuel cell to become short of fuel gas.

本発明によれば、アノード系におけるガス漏れ判定の機会の多い燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system with many opportunities of the gas leak determination in an anode system, and its operating method can be provided.

第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. FIG. 第1実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation example of the fuel cell system which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows one operation example of the fuel cell system concerning a 2nd embodiment.

≪第1実施形態≫
本発明の第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
<< First Embodiment >>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(車両、移動体)に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (vehicle, moving body) (not shown). The fuel cell vehicle is, for example, an automobile, a tricycle, a motorcycle, a unicycle, a train, or the like. However, the structure mounted in the other mobile body, for example, a ship, an aircraft, may be sufficient.

燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、セル電圧モニタ15と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電を制御する電力制御系と、これらを電子制御するECU70(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。   The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, a cell voltage monitor 15, an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas and reactive gas) to and from the anode of the fuel cell stack 10, and a cathode of the fuel cell stack 10. In contrast, a cathode system that supplies and discharges air containing oxygen (oxidant gas and reaction gas), a power control system that controls power generation of the fuel cell stack 10, and an ECU 70 (Electronic Control Unit, electronic control device) that electronically controls these systems ) And.

<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セル11が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル11は電気的に直列で接続されている。単セル11は、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack 10 is a stack formed by stacking a plurality of (for example, 200 to 400) solid polymer type single cells 11, and the plurality of single cells 11 are electrically connected in series. The single cell 11 includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) and two conductive separators sandwiching the MEA. The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane or the like, and an anode and a cathode (electrode) that sandwich the membrane.

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)と、を含んでいる。   The anode and the cathode include a porous body having conductivity such as carbon paper, and a catalyst (Pt, Ru, etc.) supported on the anode and causing an electrode reaction in the anode and the cathode.

各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路12(燃料ガス流路)、カソード流路13(酸化剤ガス流路)として機能している。   Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a passage 12 (fuel gas passage) and a cathode passage 13 (oxidant gas passage).

そして、アノード流路12を介して各アノードに水素が供給されると、式(1)の電極反応が起こり、カソード流路13を介して各カソードに空気が供給されると、式(2)の電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCV(Open Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック10とモータ51等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。   When hydrogen is supplied to each anode via the anode flow path 12, the electrode reaction of Formula (1) occurs, and when air is supplied to each cathode via the cathode flow path 13, Formula (2) Thus, a potential difference (OCV (Open Circuit Voltage), open circuit voltage) is generated in each single cell. Next, when the fuel cell stack 10 and an external circuit such as the motor 51 are electrically connected and a current is taken out, the fuel cell stack 10 generates power.

2H→4H+4e …(1)
+4H++4e→2HO …(2)
2H 2 → 4H + + 4e (1)
O 2 + 4H ++ 4e → 2H 2 O (2)

<セル電圧モニタ>
セル電圧モニタ15は、燃料電池スタック10を構成する複数の単セル11毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。
<Cell voltage monitor>
The cell voltage monitor 15 is a device that detects a cell voltage for each of the plurality of single cells 11 constituting the fuel cell stack 10, and includes a monitor main body and a wire harness that connects the monitor main body and each single cell. .

モニタ本体は、所定周期で全ての単セル11をスキャニングし、各単セル11のセル電圧を検出し、平均セル電圧、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体(セル電圧モニタ15)は、平均セル電圧、最低セル電圧をECU70に出力するようになっている。   The monitor body scans all the single cells 11 at a predetermined period, detects the cell voltage of each single cell 11, and calculates the average cell voltage and the lowest cell voltage. The monitor main body (cell voltage monitor 15) outputs an average cell voltage and a minimum cell voltage to the ECU 70.

<アノード系>
アノード系は、水素タンク21(燃料ガス供給源)と、常閉型の遮断弁22と、機械式の第1レギュレータ23と、インジェクタ24と、エゼクタ25と、パージ弁27と、を備えている。
<Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21 (fuel gas supply source), a normally closed shut-off valve 22, a mechanical first regulator 23, an injector 24, an ejector 25, and a purge valve 27. .

水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、第1レギュレータ23、配管23a、インジェクタ24、配管24a、エゼクタ25、配管25aを介して、アノード流路12の入口に接続されている。そして、遮断弁22が開いた状態で、インジェクタ24が水素を噴射すると、水素タンク21の水素が配管21a等を通って、アノード流路12に供給されるようになっている。   The hydrogen tank 21 is connected to the inlet of the anode flow path 12 through a pipe 21a, a shutoff valve 22, a pipe 22a, a first regulator 23, a pipe 23a, an injector 24, a pipe 24a, an ejector 25, and a pipe 25a. When the injector 24 injects hydrogen with the shut-off valve 22 open, the hydrogen in the hydrogen tank 21 is supplied to the anode flow path 12 through the pipe 21a and the like.

ここで、アノード流路12の入口に接続され、アノード流路12に供給される水素が通流する燃料ガス供給流路は、配管21aと、配管22aと、配管23aと、配管24aと、配管25aとを備えて構成されている。そして、この燃料ガス供給流路にインジェクタ24が設けられている。   Here, the fuel gas supply channel that is connected to the inlet of the anode channel 12 and through which hydrogen supplied to the anode channel 12 flows is a pipe 21a, a pipe 22a, a pipe 23a, a pipe 24a, and a pipe. 25a. An injector 24 is provided in the fuel gas supply channel.

水素タンク21は、水素が高圧で貯蔵された容器である。   The hydrogen tank 21 is a container in which hydrogen is stored at a high pressure.

遮断弁22は、常閉型の電磁弁であって、ECU70の指令に従って開/閉することで、水素を供給/遮断する弁である。   The shutoff valve 22 is a normally closed electromagnetic valve, and is a valve that supplies / shuts off hydrogen by opening / closing in accordance with a command from the ECU 70.

第1レギュレータ23は、水素タンク21からの水素の圧力(高圧)を所定の中圧に低下させる機械的な減圧弁である。   The first regulator 23 is a mechanical pressure reducing valve that reduces the pressure (high pressure) of hydrogen from the hydrogen tank 21 to a predetermined medium pressure.

インジェクタ24は、ECU70に電子制御されることで、水素を間欠的(断続的)に噴射する噴射装置である。よって、目標電流(要求発電量)に対応して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段は、インジェクタ24と、インジェクタ24を制御するECU70と、を備えて構成されている。なお、インジェクタ24、遮断弁22や、後記するコンプレッサ41等は、燃料電池スタック10及び/又は後記するバッテリ55を電源としている。   The injector 24 is an injection device that injects hydrogen intermittently (intermittently) by being electronically controlled by the ECU 70. Therefore, the fuel gas supply means for supplying the fuel gas corresponding to the target current (required power generation amount) includes the injector 24 and the ECU 70 that controls the injector 24. The injector 24, the shutoff valve 22, the compressor 41 described later, and the like are powered by the fuel cell stack 10 and / or the battery 55 described later.

また、インジェクタ24は、水素の噴射/停止を繰り返すことで、その二次側圧力を調整する調圧手段(第2レギュレータ)としての機能も備えている。   The injector 24 also has a function as pressure regulating means (second regulator) for adjusting the secondary side pressure by repeatedly injecting / stopping hydrogen.

エゼクタ25は、インジェクタ24からの新規水素を噴射することで負圧を発生させるノズル25bと、新規水素と前記負圧で吸引された配管26b(燃料オフガス循環流路)のアノードオフガスとを混合し、配管25a(アノード流路12)に向けて供給するディフューザ25cと、を備えている。   The ejector 25 mixes the nozzle 25b that generates negative pressure by injecting new hydrogen from the injector 24, and the anode off-gas of the pipe 26b (fuel off-gas circulation passage) sucked at the negative pressure. , And a diffuser 25c that supplies the pipe 25a (the anode flow path 12).

アノード流路12の出口は、配管26a、逆止弁26、配管26bを介して、エゼクタ25の吸気口に接続されている。そして、アノード流路12から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス(燃料オフガス)が、エゼクタ25(燃料ガス供給流路)に戻されるようになっている。よって、アノード流路12から排出されたアノードオフガスをエゼクタ25に戻すことで水素を循環させる燃料ガス循環流路は、配管26aと配管26bとを備えて構成されている。   The outlet of the anode channel 12 is connected to the intake port of the ejector 25 via a pipe 26a, a check valve 26, and a pipe 26b. Then, anode offgas (fuel offgas) containing unconsumed hydrogen discharged from the anode channel 12 is returned to the ejector 25 (fuel gas supply channel). Therefore, the fuel gas circulation flow path for circulating hydrogen by returning the anode off-gas discharged from the anode flow path 12 to the ejector 25 includes the pipe 26a and the pipe 26b.

逆止弁26は、アノードオフガスの逆流を防止する弁である。なお、配管26aには、アノードオフガスに同伴する液状の水分を分離する気液分離器(図示しない)が設けられている。   The check valve 26 is a valve that prevents the backflow of the anode off gas. The pipe 26a is provided with a gas-liquid separator (not shown) that separates liquid water accompanying the anode off gas.

配管26aの途中は、配管27a、パージ弁27、配管27bを介して、後記する希釈器44に接続されている。すなわち、アノード流路12から車外(外部)に向かうアノードオフガスが通流する燃料オフガス排出流路は、配管26aの一部と、配管27aと、配管27bと、配管44aとを備えて構成され、この燃料オフガス排出流路にパージ弁27が設けられている。パージ弁27は、開/閉することで、アノードオフガスを排出/遮断する常閉型の電磁弁である。   The middle of the pipe 26a is connected to a diluter 44 described later via a pipe 27a, a purge valve 27, and a pipe 27b. That is, the fuel off-gas discharge passage through which the anode off-gas that flows from the anode passage 12 toward the outside of the vehicle (external) flows includes a part of the pipe 26a, the pipe 27a, the pipe 27b, and the pipe 44a. A purge valve 27 is provided in the fuel off-gas discharge passage. The purge valve 27 is a normally closed electromagnetic valve that discharges / blocks the anode off gas by opening / closing.

具体的には、パージ弁27は、燃料電池スタック10の発電時に、配管26aを循環するアノードオフガスに含まれる不純物(水蒸気、窒素等)を排出(パージ)する場合や、システム起動時にアノード流路12を水素に置換する場合、ECU70によって開かれる。なお、ECU70は、例えば、セル電圧モニタ15を介して検出される最低セル電圧が不純物を排出すべき所定電圧以下である場合、パージ弁27を開くようになっている。   Specifically, the purge valve 27 discharges (purges) impurities (water vapor, nitrogen, etc.) contained in the anode off-gas circulating through the pipe 26a during power generation of the fuel cell stack 10, or when the system is started up. When replacing 12 with hydrogen, it is opened by the ECU 70. Note that the ECU 70 opens the purge valve 27 when, for example, the lowest cell voltage detected via the cell voltage monitor 15 is equal to or lower than a predetermined voltage at which impurities are to be discharged.

配管26aの途中は、配管28a、水素循環ポンプ28、配管28bを介して、配管25aに接続されている。水素循環ポンプ28は、駆動することで、配管28b、配管25a、アノード流路12、配管26a、配管28aで構成させる循環回路にガス流れを生じさせ、アノードにおけるフラッディングを防止するものである。   The middle of the pipe 26a is connected to the pipe 25a via the pipe 28a, the hydrogen circulation pump 28, and the pipe 28b. The hydrogen circulation pump 28 is driven to generate a gas flow in a circulation circuit constituted by the pipe 28b, the pipe 25a, the anode flow path 12, the pipe 26a, and the pipe 28a, and prevent flooding in the anode.

圧力センサ31は、インジェクタ24の下流であってアノード流路12の上流の配管25aに取り付けられている。そして、圧力センサ31は、配管25a内の圧力(実測アノード圧力P2)を検出し、ECU70に出力するようになっている。   The pressure sensor 31 is attached to a pipe 25 a downstream of the injector 24 and upstream of the anode flow path 12. The pressure sensor 31 detects the pressure (measured anode pressure P2) in the pipe 25a and outputs it to the ECU 70.

圧力センサ32は、アノード流路12の下流の配管26aに取り付けられている。そして、圧力センサ32は、配管26a内の圧力(実測アノード圧力P3)を検出し、ECU70に出力するようになっている。   The pressure sensor 32 is attached to the pipe 26 a downstream of the anode flow path 12. The pressure sensor 32 detects the pressure (measured anode pressure P3) in the pipe 26a and outputs the detected pressure to the ECU 70.

圧力センサ33は、インジェクタ24の上流の配管23aに取り付けられている。そして、圧力センサ33は、配管23a内の圧力を検出し、ECU70に出力するようになっている。   The pressure sensor 33 is attached to the pipe 23 a upstream of the injector 24. And the pressure sensor 33 detects the pressure in the piping 23a, and outputs it to ECU70.

<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ41と、加湿器42と、常開型の背圧弁43と、希釈器44と、常閉型の空気バイパス弁45と、を備えている。
コンプレッサ41の吐出口は、配管41a、加湿器42、配管42aを介して、カソード流路13の入口に接続されている。そして、コンプレッサ41は、ECU70の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管41a等を介して、カソード流路13に供給するようになっている。
<Cathode system>
The cathode system includes a compressor 41, a humidifier 42, a normally open back pressure valve 43, a diluter 44, and a normally closed air bypass valve 45.
The discharge port of the compressor 41 is connected to the inlet of the cathode channel 13 via a pipe 41a, a humidifier 42, and a pipe 42a. When the compressor 41 operates in accordance with a command from the ECU 70, it takes in oxygen-containing air and supplies it to the cathode flow path 13 through the piping 41a and the like.

加湿器42は、水分が透過可能な中空糸膜42dを備えている。そして、加湿器42は、中空糸膜42dを介して、カソード流路13に向かう新規空気と多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、新規空気を加湿する。   The humidifier 42 includes a hollow fiber membrane 42d that is permeable to moisture. Then, the humidifier 42 exchanges moisture between the new air heading toward the cathode flow path 13 and the humid cathode offgas via the hollow fiber membrane 42d to humidify the new air.

カソード流路13の出口には、配管42b、加湿器42、配管43a、背圧弁43、配管43b、希釈器44、配管44aが順に接続されている。そして、カソード流路13からのカソードオフガスは、配管42b等を通って、車外に排出されるようになっている。   A pipe 42b, a humidifier 42, a pipe 43a, a back pressure valve 43, a pipe 43b, a diluter 44, and a pipe 44a are connected to the outlet of the cathode channel 13 in this order. And the cathode off gas from the cathode flow path 13 is discharged | emitted out of a vehicle through piping 42b etc. As shown in FIG.

背圧弁43は、例えばバタフライ弁で構成される。そして、背圧弁43の開度がECU70の指令に従って制御されることで、その背圧(カソード流路13の圧力)が制御されるようになっている。   The back pressure valve 43 is constituted by a butterfly valve, for example. And the back pressure (pressure of the cathode flow path 13) is controlled by controlling the opening degree of the back pressure valve 43 in accordance with a command of the ECU 70.

希釈器44は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガス(希釈用ガス)で希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。   The diluter 44 is a container that mixes the anode off-gas and the cathode off-gas and dilutes the hydrogen in the anode off-gas with the cathode off-gas (dilution gas), and has a dilution space therein.

配管41aの途中は、配管45a、空気バイパス弁45、配管45bを介して、配管43bに接続されている。そして、ECU70によって空気バイパス弁45が開かれると、コンプレッサ41からの空気が、配管45a等を通って、つまり、加湿器42及び燃料電池スタック10をバイパスし、配管43bに流入するようになっている。   The middle of the pipe 41a is connected to the pipe 43b through the pipe 45a, the air bypass valve 45, and the pipe 45b. When the air bypass valve 45 is opened by the ECU 70, the air from the compressor 41 passes through the pipe 45a or the like, that is, bypasses the humidifier 42 and the fuel cell stack 10, and flows into the pipe 43b. Yes.

<電力制御系>
電力制御系は、モータ51(外部負荷)と、PDU52(Power Drive Unit)と、電力制御器53と、出力検出器54と、バッテリ55(蓄電手段)と、SOCセンサ56(特電量検出手段)と、を備えている。モータ51は、PDU52、電力制御器53、出力検出器54を介して、燃料電池スタック10の出力端子(図示しない)に接続されており、バッテリ55は、電力制御器53に接続されている。すなわち、モータ51に対して、バッテリ55と燃料電池スタック10とは、電気的に並列で接続されている。
<Power control system>
The power control system includes a motor 51 (external load), a PDU 52 (Power Drive Unit), a power controller 53, an output detector 54, a battery 55 (power storage means), and an SOC sensor 56 (special electric energy detection means). And. The motor 51 is connected to an output terminal (not shown) of the fuel cell stack 10 via the PDU 52, the power controller 53, and the output detector 54, and the battery 55 is connected to the power controller 53. That is, the battery 55 and the fuel cell stack 10 are electrically connected to the motor 51 in parallel.

モータ51は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。   The motor 51 is an electric motor that generates a driving force for running the fuel cell vehicle.

PDU52は、ECU70の指令に従って、電力制御器53からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ51に供給するインバータである。   The PDU 52 is an inverter that converts DC power from the power controller 53 into three-phase AC power and supplies it to the motor 51 in accordance with a command from the ECU 70.

電力制御器53は、ECU70の指令に従って、(1)燃料電池スタック10の出力(発電電力、電流値、電圧値)を、一定を含めて制御する機能と、(2)バッテリ55の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器53は、DC−DCチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。   The power controller 53 follows (1) a function of controlling the output (generated power, current value, voltage value) of the fuel cell stack 10 including a certain value and (2) charging / discharging of the battery 55 in accordance with a command from the ECU 70. And a function to control. Such a power controller 53 includes various electronic circuits such as a DC-DC chopper circuit.

出力検出器54は、燃料電池スタック10の負荷である実際の出力(実測電流値、実測電圧値)を検出する機器であり、電流センサと、電圧センサとを備えている。そして、出力検出器54は、検出した実測電流値及び実測電圧値をECU70に出力するようになっている。   The output detector 54 is a device that detects an actual output (measured current value, measured voltage value) that is a load of the fuel cell stack 10, and includes a current sensor and a voltage sensor. The output detector 54 outputs the detected actual measurement current value and actual measurement voltage value to the ECU 70.

バッテリ55は、電力を充電(蓄電)/放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。   The battery 55 is a power storage device that charges (accumulates) / discharges electric power, and includes, for example, an assembled battery formed by combining a plurality of lithium ion type cells.

SOCセンサ56は、バッテリ55のSOC(State Of Charge、充電量(%)、蓄電量)を検出し、ECU70に出力するようになっている。   The SOC sensor 56 detects the SOC (State Of Charge, charge amount (%), charged amount) of the battery 55 and outputs it to the ECU 70.

<その他機器>
IG61は、燃料電池システム1(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG61はECU70と接続されており、ECU70はIG61のON信号(システム起動信号)、OFF信号(システム停止信号)を検知するようになっている。
<Other equipment>
The IG 61 is a start switch of the fuel cell system 1 (fuel cell vehicle), and is provided around the driver's seat. The IG 61 is connected to the ECU 70, and the ECU 70 detects an ON signal (system start signal) and an OFF signal (system stop signal) of the IG 61.

アクセル開度センサ62は、アクセルペダル(図示しない)の踏み込み量であるアクセル開度を検出するセンサである。そして、アクセル開度センサ62は、アクセル開度をECU70に出力するようになっている。   The accelerator opening sensor 62 is a sensor that detects an accelerator opening that is a depression amount of an accelerator pedal (not shown). The accelerator opening sensor 62 outputs the accelerator opening to the ECU 70.

警告ランプ63は、ガス漏れを運転者に報知するランプであり、運転席周りに設けられている。   The warning lamp 63 is a lamp for informing the driver of gas leakage, and is provided around the driver's seat.

<ECU>
ECU70は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
<ECU>
The ECU 70 is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU, ROM, RAM, various interfaces, electronic circuits, and the like, and controls various devices according to programs stored therein. However, various processes are executed.

<ECU−インジェクタ制御(燃料ガス供給)機能>
ECU70(制御手段)は、インジェクタ24を開閉制御(PWM制御)し、目標電流(要求電力、要求発電量)に対応して、アノード流路12に向けて水素を供給する機能を備えている。すなわち、ECU70は、インジェクタ24について、開時間と閉時間との比(デューティ比)を可変して、インジェクタ24による水素の噴射量を、0を含めて可変する機能を備えている。
<ECU-Injector Control (Fuel Gas Supply) Function>
The ECU 70 (control means) has a function of opening and closing the injector 24 (PWM control) and supplying hydrogen toward the anode flow path 12 corresponding to the target current (required power and required power generation amount). That is, the ECU 70 has a function of changing the ratio (duty ratio) between the opening time and the closing time of the injector 24 and changing the amount of hydrogen injected by the injector 24 including zero.

これにより、アノード流路12を通流する水素の流量(L/min)が0を含めて可変されるようになっている。また、このようにインジェクタ24による水素の噴射量を可変することで、その二次側圧力、つまり、アノード流路12を含み、インジェクタ24とパージ弁27との間の流路におけるガス(水素を含む)の圧力が制御(調整)されるようになっている。   As a result, the flow rate (L / min) of hydrogen flowing through the anode flow path 12 is varied including zero. In addition, by varying the amount of hydrogen injected by the injector 24 in this way, the secondary pressure, that is, the gas (hydrogen) in the flow path including the anode flow path 12 and between the injector 24 and the purge valve 27 is included. Pressure) is controlled (adjusted).

なお、インジェクタ24の噴射する水素の流量は、インジェクタ24の前後差圧と開時間とに基づいて算出される。インジェクタ24の前後差圧は、圧力センサ33の検出する圧力と、圧力センサ31の検出する実測アノード圧力P2との差で与えられる。そして、ECU70には、インジェクタ24の前後差圧と、開時間と、噴射量とが関連付けられたマップが予め記憶されており、ECU70は、このマップを参照してインジェクタ24を制御するようになっている。   Note that the flow rate of hydrogen injected by the injector 24 is calculated based on the differential pressure across the injector 24 and the opening time. The differential pressure across the injector 24 is given by the difference between the pressure detected by the pressure sensor 33 and the measured anode pressure P2 detected by the pressure sensor 31. The ECU 70 stores in advance a map in which the differential pressure across the injector 24, the opening time, and the injection amount are associated with each other, and the ECU 70 controls the injector 24 with reference to this map. ing.

<ECU−一定判定機能>
ECU70(一定判定手段)は、燃料電池スタック10の負荷(実測値、目標値を含む)、目標アノード圧力P1(目標燃料ガス圧力)が一定であるか否か判定する機能を備えている。
<ECU-fixed determination function>
The ECU 70 (constant determination means) has a function of determining whether or not the load (including the actual measurement value and the target value) of the fuel cell stack 10 and the target anode pressure P1 (target fuel gas pressure) are constant.

ここで、燃料電池スタック10の実測電流値及び/又は目標電流値と、アノード流路12を通流するガス(水素)の目標アノード圧力P1及び/又は実測アノード圧力P2と、コンプレッサ41の回転速度及び/又はカソード流路13を通流するガス(空気)の圧力と、アクセル開度と、車速とは、相関関係を有している。つまり、負荷が大きくなるにつれて、実測電流値及び/又は目標電流値が大きくなり、ガス(水素、空気)の目標アノード圧力P1及び/又は実測アノード圧力P2と、コンプレッサ41の回転速度が高くなり、アクセル開度が大きくなり、車速が高くなる関係となっている。   Here, the measured current value and / or target current value of the fuel cell stack 10, the target anode pressure P 1 and / or measured anode pressure P 2 of the gas (hydrogen) flowing through the anode flow path 12, and the rotational speed of the compressor 41. And / or the pressure of the gas (air) flowing through the cathode flow path 13, the accelerator opening, and the vehicle speed have a correlation. That is, as the load increases, the measured current value and / or target current value increases, the target anode pressure P1 and / or measured anode pressure P2 of the gas (hydrogen, air), and the rotational speed of the compressor 41 increase. The accelerator opening increases and the vehicle speed increases.

そして、本実施形態では、目標アノード圧力P1の所定時間Δt1における圧力変化量ΔP1が所定値(所定変化量)以下である場合、燃料電池スタック10の負荷が一定であると判断する構成を例示するが(図3参照)、その他のパラメータ(実測電流値、目標電流値、実測アノード圧力P2、コンプレッサ41の回転速度、アクセル開度、車速等)に基づいて判断してもよい。   The present embodiment exemplifies a configuration in which it is determined that the load of the fuel cell stack 10 is constant when the pressure change amount ΔP1 of the target anode pressure P1 at the predetermined time Δt1 is equal to or less than a predetermined value (predetermined change amount). However (see FIG. 3), the determination may be made based on other parameters (measured current value, target current value, measured anode pressure P2, rotational speed of the compressor 41, accelerator opening, vehicle speed, etc.).

<ECU−ガス漏れ判定機能>
ECU70(ガス漏れ判定手段)は、アノード漏れが発生しているか否か判定する機能を備えている。アノード漏れとは、アノード系のインジェクタ24とパージ弁27との間に留まるべきガスが外部に漏れていることを意味する。なお、インジェクタ24とパージ弁27との間において、パージ弁27が開故障(正常に閉じない)したり、アノード系を構成する配管や燃料電池スタック10、各種弁のシール性が低下したりすると、アノード漏れが発生する。
<ECU-Gas leak judgment function>
The ECU 70 (gas leakage determination means) has a function of determining whether or not anode leakage has occurred. Anode leakage means that gas that should remain between the anode injector 24 and the purge valve 27 is leaking to the outside. In addition, when the purge valve 27 fails to open (not close normally) between the injector 24 and the purge valve 27, or the sealing performance of the piping, the fuel cell stack 10, and various valves constituting the anode system decreases. Anode leakage occurs.

詳細には、ECU70は、圧力センサ31を介して検出される実測アノード圧力P2の初期値(t0)と現在値との差である変化量Δt2と、ガス漏れ判定閾値ΔP5とに基づいて、ガスが漏れているか否か判定する。具体的な判定方法は後で説明する。   Specifically, the ECU 70 determines the gas based on the change Δt2 that is the difference between the initial value (t0) of the actually measured anode pressure P2 detected via the pressure sensor 31 and the current value, and the gas leak determination threshold ΔP5. It is determined whether or not there is a leak. A specific determination method will be described later.

これに加えて又は代えて、アノード流路12の下流に設けられ、かつ、圧力センサ31よりもパージ弁27に近い圧力センサ32の検出する実測アノード圧力P3に基づいて、アノード漏れする構成としてもよい。このような構成とすれば、仮にパージ弁27が開故障していた場合、圧力センサ32の検出する実測アノード圧力P3が実測アノード圧力P2よりも速やかに低下するので、所定時間Δt2を短縮できる。   In addition to or instead of this, the anode leakage may be provided based on the measured anode pressure P3 that is provided downstream of the anode flow path 12 and detected by the pressure sensor 32 that is closer to the purge valve 27 than the pressure sensor 31. Good. With such a configuration, if the purge valve 27 has an open failure, the actual measurement anode pressure P3 detected by the pressure sensor 32 decreases more quickly than the actual measurement anode pressure P2, so that the predetermined time Δt2 can be shortened.

≪燃料電池システムの動作・効果≫
次に、燃料電池システム1の動作・効果について、図2を主に参照して説明する。
≪Operation and effect of fuel cell system≫
Next, the operation and effect of the fuel cell system 1 will be described with reference mainly to FIG.

第1実施形態に係る燃料電池システム1の運転方法は、燃料電池スタック10のアノード流路12内の目標圧力(目標アノード圧力P1、目標燃料ガス圧力)が一定であるか否か判定する圧力変化判定ステップ(S103、一定判定ステップ)と、圧力変化判定ステップにおいて燃料電池スタック10のアノード流路12内の目標圧力(目標アノード圧力P1)は一定であると判定した場合(S103・Yes)であってパージ弁27に閉弁指令が入力されているとき(S102・No)、燃料電池スタック10の実測電流(負荷)を一定としたまま、インジェクタ24(燃料ガス流量制御手段)によって水素の流量を一定とし、インジェクタ24とパージ弁27との間における圧力センサ31の検出する実測アノード圧力P2に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定ステップ(S108)と、を含む。   In the operation method of the fuel cell system 1 according to the first embodiment, the pressure change for determining whether or not the target pressure (target anode pressure P1, target fuel gas pressure) in the anode flow path 12 of the fuel cell stack 10 is constant. In the determination step (S103, constant determination step) and the pressure change determination step, the target pressure (target anode pressure P1) in the anode flow path 12 of the fuel cell stack 10 is determined to be constant (Yes in S103). When the valve closing command is input to the purge valve 27 (S102, No), the flow rate of hydrogen is controlled by the injector 24 (fuel gas flow rate control means) while keeping the measured current (load) of the fuel cell stack 10 constant. Based on the measured anode pressure P2 detected by the pressure sensor 31 between the injector 24 and the purge valve 27, Scan included in the determining whether gas leakage judgment step is leaking (S108), the.

すなわち、ここでは、燃料電池スタック10の実測電流(負荷)及び水素の流量を一定とし、水素のストイキ比を一定とした状態で、ガスが漏れているか否か判定する構成を例示する。ただし、その他に例えば、アクセル開度に対応して燃料電池スタック10の実測電流(目標電流、負荷)を変化させると共に、水素のストイキ比を一定としつつ、燃料電池スタック10の実測電流(目標電流、負荷)に対応して水素の流量を変化させる状態で、ガスが漏れているか否か判定する構成としてもよい。この構成とした場合においてガスが漏れていないとき、圧力センサ31の検出する実測アノード圧力P2は一定となる。   That is, here, a configuration in which it is determined whether or not gas is leaking in a state where the measured current (load) and the hydrogen flow rate of the fuel cell stack 10 are constant and the hydrogen stoichiometric ratio is constant is illustrated. However, for example, the measured current (target current, load) of the fuel cell stack 10 is changed corresponding to the accelerator opening, and the measured current (target current) of the fuel cell stack 10 is kept constant while maintaining the hydrogen stoichiometric ratio. It is also possible to determine whether or not gas is leaking in a state where the flow rate of hydrogen is changed in response to the load. In this configuration, when no gas leaks, the measured anode pressure P2 detected by the pressure sensor 31 is constant.

初期状態として、IG61はONされ、燃料電池スタック10に水素及び空気が供給されており、燃料電池スタック10は発電している。なお、燃料電池システム1は、後記するステップS121においても、初期状態と同様に運転している。   As an initial state, the IG 61 is turned on, hydrogen and air are supplied to the fuel cell stack 10, and the fuel cell stack 10 is generating electric power. The fuel cell system 1 is also operated in the same manner as in the initial state in step S121 described later.

具体的には、ECU70は、アクセル開度に基づいて燃料電池スタック10に出力させるべき目標電流(要求電気エネルギ)を算出している。アクセル開度が大きくなるにつれて、目標電流は大きくなる関係となっている。なお、目標電流は、ECU70が電力制御器53に指令する指令電流となる。また、ここでは、バッテリ55で燃料電池スタック10をアシストしない場合を例示する。   Specifically, the ECU 70 calculates a target current (required electric energy) to be output to the fuel cell stack 10 based on the accelerator opening. The target current increases as the accelerator opening increases. Note that the target current is a command current that the ECU 70 commands the power controller 53. Here, a case where the battery 55 does not assist the fuel cell stack 10 is illustrated.

アノード側の制御について説明する。
ECU70は、目標電流に基づいて、アノード流路12に向かって通流させるべき目標水素流量Qと、アノード流路12において目標とするべき目標アノード圧力P1を算出している。目標電流が大きくなるにつれて、目標水素流量Qが多くなり、目標アノード圧力P1が高くなる関係となっている。
The anode side control will be described.
Based on the target current, the ECU 70 calculates a target hydrogen flow rate Q to be passed toward the anode flow path 12 and a target anode pressure P1 to be targeted in the anode flow path 12. As the target current increases, the target hydrogen flow rate Q increases and the target anode pressure P1 increases.

そして、ECU70は、目標水素流量Q、目標アノード圧力P1となるように、インジェクタ24を開閉制御(PWM制御)している。すなわち、ECU70は、目標水素流量Q、目標アノード圧力P1が大きくなるにつれて、開時間(ONデューティ)が長くなるようにインジェクタ24を制御している。   The ECU 70 performs open / close control (PWM control) of the injector 24 so that the target hydrogen flow rate Q and the target anode pressure P1 are obtained. That is, the ECU 70 controls the injector 24 so that the open time (ON duty) becomes longer as the target hydrogen flow rate Q and the target anode pressure P1 increase.

さらに具体的に、目標水素流量Qは、例えば式(3)に従って算出される。
目標水素流量Q=基本水素流量Q10+フィードバック量Q20 …(3)
More specifically, the target hydrogen flow rate Q is calculated according to the equation (3), for example.
Target hydrogen flow rate Q = basic hydrogen flow rate Q10 + feedback amount Q20 (3)

フィードバック量Q20は、PID制御において補正すべき水素量であり、目標アノード圧力と圧力センサ31の検出する実測アノード圧力P2との差分に基づいて算出される。例えば、実測アノード圧力P2が目標アノード圧力P1よりも低い場合、フィードバック量Q20はプラス側(増加側)で算出され、実測アノード圧力P2が目標アノード圧力P1よりも高い場合、フィードバック量Q20はマイナス側(減少側)で算出される。   The feedback amount Q20 is a hydrogen amount to be corrected in the PID control, and is calculated based on a difference between the target anode pressure and the actually measured anode pressure P2 detected by the pressure sensor 31. For example, when the measured anode pressure P2 is lower than the target anode pressure P1, the feedback amount Q20 is calculated on the plus side (increase side), and when the measured anode pressure P2 is higher than the target anode pressure P1, the feedback amount Q20 is minus side. (Decrease side)

基本水素流量Q10は、前回周期の算出値に対して、目標アノード圧力P1が一定である場合、式(4)で与えられ、目標アノード圧力P1が上昇している場合、式(5)で与えられ、目標アノード圧力P1が低下している場合、式(6)で与えられる。   The basic hydrogen flow rate Q10 is given by Expression (4) when the target anode pressure P1 is constant with respect to the calculated value of the previous cycle, and is given by Expression (5) when the target anode pressure P1 is increasing. When the target anode pressure P1 is reduced, it is given by equation (6).

基本水素流量Q10=電流水素流量Q11+圧力維持用水素流量Q12 …(4)
基本水素流量Q10=電流水素流量Q11+圧力上昇用水素流量Q13 …(5)
基本水素流量Q10=電流水素流量Q11 …(6)
Basic hydrogen flow rate Q10 = current hydrogen flow rate Q11 + pressure maintaining hydrogen flow rate Q12 (4)
Basic hydrogen flow rate Q10 = current hydrogen flow rate Q11 + hydrogen flow rate Q13 for pressure increase (5)
Basic hydrogen flow rate Q10 = Current hydrogen flow rate Q11 (6)

電流水素流量Q11は、燃料電池スタック10が前記した目標電流で発電した場合において、燃料電池スタック10が消費する水素消費量に基づいて算出される。目標電流が大きくなるにつれて、水素消費量、電流水素流量Q11が大きくなる関係となっている。   The current hydrogen flow rate Q11 is calculated based on the amount of hydrogen consumed by the fuel cell stack 10 when the fuel cell stack 10 generates power at the target current described above. As the target current increases, the hydrogen consumption and the current hydrogen flow rate Q11 increase.

圧力維持用水素流量Q12は、インジェクタ24とパージ弁27との間の圧力を一定で維持するために必要な水素流量である。例えば、燃料電池システム1の総運転時間が長くなると、ガス漏れ防止用のシール材(Oリング等)のシール性が低下するので、前記総運転時間が長くなるにつれて、圧力維持用水素流量Q12は大きくなる関係となっている。   The pressure maintaining hydrogen flow rate Q12 is a hydrogen flow rate necessary for maintaining a constant pressure between the injector 24 and the purge valve 27. For example, when the total operation time of the fuel cell system 1 is increased, the sealing performance of the sealing material (O-ring or the like) for preventing gas leakage is deteriorated. Therefore, as the total operation time is increased, the pressure maintaining hydrogen flow rate Q12 is It is a growing relationship.

圧力上昇用水素流量Q13は、インジェクタ24とパージ弁27との間の目標アノード圧力P1を上昇させるのに必要な水素流量である。圧力の上昇程度(上昇割合)が大きくなるにつれて、圧力上昇用水素流量Q13が大きくなる関係となっている。   The pressure increasing hydrogen flow rate Q13 is a hydrogen flow rate necessary for increasing the target anode pressure P1 between the injector 24 and the purge valve 27. The relationship is such that the pressure increase hydrogen flow rate Q13 increases as the degree of pressure increase (increase rate) increases.

なお、後記する一連のガス漏れ判定処理(S104〜S107)を実行する場合、ECU70は、フィードバック制御を実行せず、式(7)に従って、目標水素流量Qを算出するように設定されている。なぜなら、フィードバック制御を実行している場合においてアノード漏れが存在するとき、水素流量が増加して、実測アノード圧力P2が低下し難くなり、ガス漏れ判定し難くなるからである。
目標水素流量Q=基本水素流量Q10 …(7)
When executing a series of gas leak determination processes (S104 to S107) described later, the ECU 70 is set to calculate the target hydrogen flow rate Q according to the equation (7) without executing the feedback control. This is because when the anode leakage is present when the feedback control is executed, the hydrogen flow rate increases, and the measured anode pressure P2 becomes difficult to decrease, making it difficult to determine the gas leakage.
Target hydrogen flow rate Q = Basic hydrogen flow rate Q10 (7)

カソード側の制御について説明する。
ECU70は、目標電流に基づいて、カソード流路13に向かって通流させるべき目標空気流量と、カソード流路13において目標とするべき目標カソード圧力を算出している。そして、ECU70は、目標空気流量及び目標カソード圧力に基づいて、コンプレッサ41の回転速度及び背圧弁43の開度を制御している。なお、目標空気流量が多くなるにつれて、目標カソード圧力が高くなるにつれて、コンプレッサ41の回転速度が高くなり、背圧弁43の開度が小さくなる関係となっている。
The cathode side control will be described.
Based on the target current, the ECU 70 calculates a target air flow rate to be passed toward the cathode flow path 13 and a target cathode pressure to be targeted in the cathode flow path 13. The ECU 70 controls the rotational speed of the compressor 41 and the opening of the back pressure valve 43 based on the target air flow rate and the target cathode pressure. As the target air flow rate increases, the rotational speed of the compressor 41 increases and the opening degree of the back pressure valve 43 decreases as the target cathode pressure increases.

図2に示すフローチャートの各処理について具体的に説明する。
ステップS101において、ECU70は、アノード(ガス)漏れ判定を実行するか否か判定する。アノード漏れ判定とは、アノード系のインジェクタ24とパージ弁27との間においてガス漏れが発生しているか否かに係る一連の判定処理(S104〜S107)である。
Each process of the flowchart shown in FIG. 2 will be specifically described.
In step S101, the ECU 70 determines whether or not to execute anode (gas) leakage determination. The anode leak determination is a series of determination processes (S104 to S107) relating to whether or not a gas leak has occurred between the anode injector 24 and the purge valve 27.

具体的に例えば、ECU70は、前回のアノード漏れ判定に係る一連の処理(S103・Yes〜S107・No)から、所定時間(例えば10分〜60分)経過した場合や、IG61のON後、パージ弁27の開閉によるパージ実行後等、システムの運転状態が漏れ判定が必要と予め定められた運転状態である場合、アノード漏れ判定を実行すると判断する。   Specifically, for example, the ECU 70 performs a purge after a predetermined time (for example, 10 minutes to 60 minutes) has elapsed from a series of processing (S103 · Yes to S107 · No) related to the previous anode leakage determination, or after the IG 61 is turned on. When the operation state of the system is a predetermined operation state that the leak determination is necessary, such as after the purge is performed by opening and closing the valve 27, it is determined that the anode leakage determination is performed.

アノード漏れ判定を実行すると判定した場合(S101・Yes)、ECU70の処理はステップS102に進む。アノード漏れ判定を実行しないと判定した場合(S101・No)、ECU70の処理はステップS121に進む。   When it is determined that the anode leakage determination is to be executed (S101 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S102. When it is determined not to execute the anode leakage determination (No in S101), the process of the ECU 70 proceeds to step S121.

ステップS102において、ECU70は、パージ中であるか否か、つまり、パージ弁27が開弁中であるか否か判定する。なお、パージ弁27は、セル電圧モニタ15から入力される最低セル電圧が所定セル電圧以下である場合や負荷等の運転状態に応じた設定時間毎に、水蒸気等の不純物を排出するため、ECU70によって間欠的(断続的)に開かれる。   In step S102, the ECU 70 determines whether or not the purge is being performed, that is, whether or not the purge valve 27 is being opened. The purge valve 27 discharges impurities such as water vapor when the minimum cell voltage input from the cell voltage monitor 15 is equal to or lower than a predetermined cell voltage or every set time corresponding to the operating state such as a load. Is opened intermittently.

パージ中であると判定した場合(S102・Yes)、ECU70の処理はステップS121に進む。パージ中でないと判定した場合(S102・No)、ECU70の処理はステップS103に進む。   If it is determined that the purge is being performed (S102: Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S121. When it determines with not purging (S102 * No), the process of ECU70 progresses to step S103.

なお、ステップS102、ステップS103の順序は逆でもよい。また、パージ弁27の閉弁直後は実測アノード圧力P2が安定していない虞があるので、パージ弁27の閉弁から実測アノード圧力P2が安定したと判断される所定時間を経過した場合、ECU70の処理がステップS103に進む構成としてもよい。   Note that the order of step S102 and step S103 may be reversed. Further, the measured anode pressure P2 may not be stable immediately after the purge valve 27 is closed. Therefore, when a predetermined time has elapsed since the purge valve 27 is closed, it is determined that the measured anode pressure P2 is stable. The process may proceed to step S103.

ステップS103において、ECU70は、現在から直前の所定時間Δt1において、目標アノード圧力P1の圧力変化量ΔP1が所定値以下であるか否か判定する。   In step S103, the ECU 70 determines whether or not the pressure change amount ΔP1 of the target anode pressure P1 is equal to or less than a predetermined value at a predetermined time Δt1 immediately before the current time.

圧力変化量ΔP1は所定値以下であると判定した場合(S103・Yes)、ECU70の処理はステップS104に進む。このようにステップS104に進む場合、ECU70は、燃料電池スタック10のアノード流路12内の圧力が一定であると判断し、アノード漏れ判定を実行するガス漏れ判定モードを開始、つまり、今回のアノード漏れ判定に係る一連の処理(S104〜S107)を開始する。   When it is determined that the pressure change amount ΔP1 is equal to or less than the predetermined value (S103 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S104. When the process proceeds to step S104 as described above, the ECU 70 determines that the pressure in the anode flow path 12 of the fuel cell stack 10 is constant, and starts the gas leak determination mode for executing the anode leak determination, that is, the current anode A series of processing (S104 to S107) related to leakage determination is started.

圧力変化量ΔP1が所定値以下でないと判定した場合(S103・No)、ECU70の処理はステップS121に進む。   If it is determined that the pressure change amount ΔP1 is not less than or equal to the predetermined value (S103, No), the process of the ECU 70 proceeds to step S121.

ステップS104において、ECU70は、燃料電池スタック10に出力させる目標電流(電力制御器53への指令電流)を一定とする。なお、一定とする目標電流の値(目標電流値)は、例えば、ステップS104に進んだ時点における目標電流(指令電流)とする。これにより、その後において、発電する燃料電池スタック10の消費する水素の消費割合が一定となり、ガス漏れ判定が容易となる。
その他に例えば、目標電流(指令電流)を高め又は低めに変更した後に一定とするとしてもよい。
In step S104, the ECU 70 makes the target current (command current to the power controller 53) to be output to the fuel cell stack 10 constant. Note that the constant target current value (target current value) is, for example, the target current (command current) at the time of proceeding to step S104. Thereby, after that, the consumption ratio of hydrogen consumed by the fuel cell stack 10 to generate electricity becomes constant, and the gas leak determination becomes easy.
In addition, for example, the target current (command current) may be constant after being changed to be higher or lower.

また、ステップS104において、ECU70は、パージ弁27に閉弁指令を継続的に出力し、パージを禁止する。   In step S104, the ECU 70 continuously outputs a valve closing command to the purge valve 27, and prohibits purging.

ステップS105において、ECU70は、圧力センサ31を介して検出される実測アノード圧力P2(t0)を初期値として記憶する(図3参照)。   In step S105, the ECU 70 stores the measured anode pressure P2 (t0) detected via the pressure sensor 31 as an initial value (see FIG. 3).

ステップS106において、ECU70は、インジェクタ24を制御して、噴射する水素の流量を、通常時とは異なるノード漏れ判定用の水素流量Q1に変更し一定で維持する(図3参照)。   In step S106, the ECU 70 controls the injector 24 to change the flow rate of injected hydrogen to a hydrogen flow rate Q1 for determining node leakage different from the normal time, and keep it constant (see FIG. 3).

アノード漏れ判定用の水素流量Q1は、例えば、前記した式(7)に基づいて算出される。すなわち、アノード漏れ判定用の水素流量Q1は、式(3)におけるフィードバック量Q20を考慮しないので、小さい流量に変更されることになる(図3参照)。   The hydrogen flow rate Q1 for determining anode leakage is calculated based on the above-described equation (7), for example. That is, the hydrogen flow rate Q1 for determining anode leakage is changed to a small flow rate because the feedback amount Q20 in the equation (3) is not taken into consideration (see FIG. 3).

この場合において、アノード漏れ判定用の水素流量Q1は、一定の目標電流で発電する燃料電池スタック10が消費する水素消費量のみに対応した流量とすることが好ましい。このようにすれば、その後の実測アノード圧力P2の変化量ΔP2が、ガス漏れの有無のみに対応して変化することになり、良好にガス漏れ判定できる。また、ガス漏れ判断の基準となるガス漏れ判定閾値ΔP5を、ガス漏れ判定中において一定とできる。ガス漏れ判定閾値ΔP5は、事前試験等によって求められ、ECU70に予め記憶されている。   In this case, the hydrogen flow rate Q1 for determining anode leakage is preferably set to a flow rate corresponding only to the hydrogen consumption amount consumed by the fuel cell stack 10 that generates power at a constant target current. In this way, the amount of change ΔP2 of the subsequent measured anode pressure P2 changes corresponding to only the presence or absence of gas leakage, and a gas leakage determination can be made satisfactorily. In addition, the gas leak determination threshold value ΔP5 that serves as a reference for the gas leak determination can be constant during the gas leak determination. The gas leak determination threshold value ΔP5 is obtained by a preliminary test or the like and stored in the ECU 70 in advance.

また、アノード漏れ判定用の水素流量Q1を、一定の目標電流で発電する燃料電池スタック10が消費する水素消費量と、ガス漏れ判定中にアノード流路12からカソード流路13にクロスリークする水素クロスリーク量(燃料ガスクロスリーク量)と、に基づいて設定する構成としてもよい。このようにすれば、実測アノード圧力P2の変化量ΔP2が、さらに高精度でガス漏れの有無のみに対応して変化することになり、さらに良好にガス漏れ判定できる。   Further, the hydrogen flow rate Q1 for anode leakage determination is consumed by the fuel cell stack 10 that generates power at a constant target current, and the hydrogen that cross leaks from the anode channel 12 to the cathode channel 13 during the gas leakage determination. It is good also as a structure set based on the amount of cross leaks (fuel gas cross leak amount). In this way, the amount of change ΔP2 of the actually measured anode pressure P2 changes with high accuracy only in correspondence with the presence or absence of gas leakage, and a gas leakage determination can be made better.

なお、例えば、電解質膜の温度が高くなるにつれて、電解質膜の含水量が多くなるにつれて、水素クロスリーク量が増加するので、ガス漏れ判定時における燃料電池スタック10の温度に基づいて、水素クロスリーク量を算出することが好ましい。ここで、燃料電池スタック10の温度は、例えば、燃料電池スタック10から排出された冷却用の冷媒の温度を介して推定される。   For example, as the temperature of the electrolyte membrane increases, the amount of hydrogen cross leak increases as the water content of the electrolyte membrane increases. Therefore, the hydrogen cross leak is determined based on the temperature of the fuel cell stack 10 at the time of gas leak determination. It is preferred to calculate the amount. Here, the temperature of the fuel cell stack 10 is estimated, for example, via the temperature of the cooling refrigerant discharged from the fuel cell stack 10.

ステップS107において、ECU70は、ステップS106の後(ガス漏れ判定モードの開始後)、初期の実測アノード圧力P2(t0)と現在の実測アノード圧力P2(現在)との差である変化量ΔP2が、ガス漏れ判定閾値ΔP5以上の状態が所定時間Δt2以上継続したか否か判定する(図3参照)。   In step S107, after step S106 (after the start of the gas leakage determination mode), the ECU 70 obtains a change amount ΔP2 that is a difference between the initial measured anode pressure P2 (t0) and the current measured anode pressure P2 (current). It is determined whether or not the gas leak determination threshold value ΔP5 or more has continued for a predetermined time Δt2 or more (see FIG. 3).

ここで、水素流量Q1及び目標電流を一定とするので、インジェクタ24とパージ弁27との間において、ガスが漏れていない合、実測アノード圧力P2は略一定となる。変化量ΔP2はガスが漏れてなく正常である場合に想定されない変化量であり、所定時間Δt2は、予期できない圧力変動誤差などによる誤検知を防止するために設定された故障判断時間である。そして、変化量ΔP2、所定時間Δt2は、事前試験等によって求められ、ECU70に予め記憶されている。   Here, since the hydrogen flow rate Q1 and the target current are made constant, the measured anode pressure P2 becomes substantially constant when no gas leaks between the injector 24 and the purge valve 27. The change amount ΔP2 is a change amount that is not assumed when the gas is normal without leaking, and the predetermined time Δt2 is a failure determination time set to prevent erroneous detection due to an unexpected pressure fluctuation error. The change amount ΔP2 and the predetermined time Δt2 are obtained by a preliminary test or the like and stored in the ECU 70 in advance.

変化量ΔP2がガス漏れ判定閾値ΔP5以上の状態が所定時間Δt2以上継続したと判定した場合(S107・Yes)、ECU70の処理はステップS108に進む。このようにステップS108に進む場合は、例えばパージ弁27が正常に閉じておらず開故障しており、インジェクタ24とパージ弁27との間に留まるべき水素を含むガスが、パージ弁27を通って下流に流出したり、アノード系を構成する配管や燃料電池スタック10、各種弁のシール性が低下することで、アノード漏れの発生している虞があると判断される場合である。   When it is determined that the state where the change amount ΔP2 is greater than or equal to the gas leakage determination threshold ΔP5 has continued for the predetermined time Δt2 or longer (S107: Yes), the processing of the ECU 70 proceeds to step S108. When the process proceeds to step S108 in this way, for example, the purge valve 27 is not normally closed and has an open failure, and the gas containing hydrogen that should remain between the injector 24 and the purge valve 27 passes through the purge valve 27. This is a case where it is determined that there is a possibility that anode leakage may occur due to outflowing downstream or deterioration of the sealing performance of the piping, fuel cell stack 10 and various valves constituting the anode system.

変化量ΔP2がガス漏れ判定閾値ΔP5以上の状態が所定時間Δt2以上継続していないと判定した場合(S107・No)、ECU70の処理はステップS121に進む。このようにステップS121に進む場合は、アノード漏れが発生していないと判断される場合である。   When it is determined that the state where the change amount ΔP2 is greater than or equal to the gas leakage determination threshold ΔP5 has not continued for the predetermined time Δt2 or longer (S107, No), the processing of the ECU 70 proceeds to step S121. In this way, the process proceeds to step S121 when it is determined that no anode leakage has occurred.

ステップS108において、ECU70は、警告ランプ63を点灯させ、水素が漏れている(アノード漏れがある)ことを運転者に報知する。   In step S108, the ECU 70 turns on the warning lamp 63 to notify the driver that hydrogen is leaking (there is an anode leak).

ステップS109において、ECU70は、空気バイパス弁45を開く。これにより、コンプレッサ41からの空気が、配管45a及び配管45bを通り、加湿器42及びカソード流路13(燃料電池スタック10)をバイパスし、配管43bに流入する。   In step S109, the ECU 70 opens the air bypass valve 45. Thereby, the air from the compressor 41 passes through the piping 45a and the piping 45b, bypasses the humidifier 42 and the cathode flow path 13 (fuel cell stack 10), and flows into the piping 43b.

ここで、加湿器42及びカソード流路13は流路断面積が小さく圧力損失が大きいので、空気が加湿器42及びカソード流路13をバイパスすることで、希釈器44に流入する空気の流量が増加する。したがって、パージ弁27が完全に閉じておらず、水素が配管27bを通って希釈器44に流入していたとしても、この水素は流量の増加した空気によって良好に希釈されるので、高濃度のまま車外に排出されることはない。   Here, since the humidifier 42 and the cathode channel 13 have a small channel cross-sectional area and a large pressure loss, the air flows into the diluter 44 by bypassing the humidifier 42 and the cathode channel 13. To increase. Therefore, even if the purge valve 27 is not completely closed and hydrogen flows into the diluter 44 through the pipe 27b, this hydrogen is well diluted by the air having an increased flow rate. It will not be discharged outside the vehicle.

ここで、ステップS107における変化量ΔP2が大きくなるにつれて、水素の漏れ量が多くなると予想されるので、バイパスして希釈器44に流入する空気を増加させるため、変化量ΔP2が大きくなるにつれて、コンプレッサ41の回転速度を高める構成としてもよい。   Here, as the amount of change ΔP2 in step S107 increases, the amount of hydrogen leakage is expected to increase. Therefore, in order to increase the amount of air that bypasses and flows into the diluter 44, the compressor increases as the amount of change ΔP2 increases. It is good also as a structure which raises the rotational speed of 41. FIG.

その後、ECU70の処理はエンドに進み、一連の処理を終了する。
なお、このように水素漏れの虞がある場合には、空気量を多くして確実に希釈するので、燃料電池スタック10の発電を継続することができ、燃料電池車は燃料電池スタック10の出力する電力で自走可能であり、また、バッテリ55の電力でも自走可能(バッテリ走行可能)であるため、運転者は修理工場等に燃料電池車を持ち込むことができる。この場合において、水素漏れの虞がある旨の判断(S107・Yes)から所定時間経過したとき、又は、バッテリ走行に切り替えたとき、水素漏れを確実に停止するため、遮断弁22を閉じる構成としてもよい。
Thereafter, the processing of the ECU 70 proceeds to the end, and a series of processing ends.
When there is a risk of hydrogen leakage in this way, the amount of air is increased and dilution is performed reliably, so that power generation of the fuel cell stack 10 can be continued, and the fuel cell vehicle can output the fuel cell stack 10. The vehicle can be self-propelled by the electric power to be driven, and can also be self-propelled by the electric power of the battery 55 (battery can be driven), so the driver can bring the fuel cell vehicle to a repair shop or the like. In this case, the shutoff valve 22 is closed when the predetermined time has elapsed from the determination that there is a risk of hydrogen leakage (Yes in S107) or when switching to battery running so that the hydrogen leakage is reliably stopped. Also good.

ステップS121において、ECU70は、燃料電池システム1を通常モードで運転する。
具体的には、ECU70は、アクセル開度に基づいて目標電流を通常に算出し、この目標電流を電力制御器53に指令値として出力する。なお、アクセル開度が大きくなるにつれて目標電流が大きくなる関係となっている。
In step S121, the ECU 70 operates the fuel cell system 1 in the normal mode.
Specifically, ECU 70 normally calculates a target current based on the accelerator opening, and outputs this target current to power controller 53 as a command value. Note that the target current increases as the accelerator opening increases.

また、ECU70は、パージ弁27を通常に制御する。パージ弁27を通常に制御するとは、パージ弁27によるパージの禁止を解除し、例えば、セル電圧モニタ15を介して検出される最低セル電圧が所定セル電圧以下である場合、循環する不純物(水蒸気、窒素等)を排出するため、パージ弁27を所定の開弁時間にて開く制御を意味する。   The ECU 70 controls the purge valve 27 normally. The purge valve 27 is normally controlled when the prohibition of purge by the purge valve 27 is canceled. For example, when the minimum cell voltage detected via the cell voltage monitor 15 is equal to or lower than a predetermined cell voltage, circulating impurities (water vapor , Nitrogen, etc.) to discharge the purge valve 27 at a predetermined valve opening time.

その後、ECU70の処理はリターンを通ってスタートに戻る。   Thereafter, the processing of the ECU 70 returns to the start through a return.

このように燃料電池システム1によれば、ステップS103において、圧力変化量ΔP1は所定値以下であり、燃料電池スタック10のアノード流路12内の圧力が一定であると判断した場合、アノード(ガス)漏れ判定に係る一連処理(S104〜S107)を実行する。ここで、圧力変化量ΔP1は所定値以下となるのは、信号待ちや人待ち等のアイドル時、一定速度でのクルージング時(定速走行時)等、多数存在する。そして、パージ弁27には、通常、閉弁指令が入力されるので、アノード漏れ判定の機会が多くなる。   As described above, according to the fuel cell system 1, when it is determined in step S103 that the pressure change amount ΔP1 is equal to or less than the predetermined value and the pressure in the anode flow path 12 of the fuel cell stack 10 is constant, the anode (gas ) A series of processing (S104 to S107) related to leakage determination is executed. Here, the pressure change amount ΔP1 is a predetermined value or less in many cases, such as when idling such as waiting for a signal or waiting for a person, or when cruising at a constant speed (during constant speed travel). Since the purge valve 27 normally receives a valve closing command, the chance of anode leakage determination increases.

≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。また、後記する実施形態と適宜に組み合わせることもできる。
≪Modification≫
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, it can change as follows. Moreover, it can also combine suitably with embodiment mentioned later.

前記した実施形態におけるステップS102とステップS103との間に、次の処理を付加してもよい。
ECU70は、アクセル開度に基づいて、モータ51(外部負荷)から燃料電池スタック10及びバッテリ55に要求される総要求電力(要求電気エネルギ)を算出する。
次いで、ECU70は、SOCセンサ56を介して検出されるSOCを考慮して、総要求電力の一部又は全部をバッテリ55でアシスト(補助)した場合における目標アノード圧力P1(燃料電池スタック10の負荷)を算出する。この場合において、目標アノード圧力P1が連続して一定となるように、バッテリ55のアシスト量(放電量)を算出する。
次いで、ECU70は、ステップS103において、アシストした場合における目標アノード圧力に基づいて判定処理を実行する。
The following processing may be added between step S102 and step S103 in the above-described embodiment.
The ECU 70 calculates the total required power (required electric energy) required for the fuel cell stack 10 and the battery 55 from the motor 51 (external load) based on the accelerator opening.
Next, the ECU 70 considers the SOC detected via the SOC sensor 56, and the target anode pressure P1 (load of the fuel cell stack 10) when a part or all of the total required power is assisted (assisted) by the battery 55 is considered. ) Is calculated. In this case, the assist amount (discharge amount) of the battery 55 is calculated so that the target anode pressure P1 is continuously constant.
Next, in step S103, the ECU 70 executes a determination process based on the target anode pressure when assisting.

このような構成とすれば、アクセル開度が変動していたとしても、バッテリ55のSOCが十分高ければ、アシスト量を可変して、目標アノード圧力P1を連続して一定とできる。これにより、ステップS103・Yesとなる機会が多くなり、アノード漏れ判定の機会が多くなる。   With such a configuration, even if the accelerator opening varies, if the SOC of the battery 55 is sufficiently high, the assist amount can be varied and the target anode pressure P1 can be made constant continuously. Thereby, the opportunity to become step S103 · Yes increases, and the chance of anode leakage determination increases.

この他に例えば、燃料電池車の停止中、燃料電池スタック10の発電電力をバッテリ55に充電している場合、アノード漏れ判定を実行する構成としてもよい。
具体的に例えば、燃料電池車に搭載された車速センサ(図示しない、車速検出手段)を介して検出される車速が0である場合において、SOCセンサ56を介して検出されるSOCが、上限SOC(例えば80%)未満であるとき、ECU70は、バッテリ55のSOCを高め満充電状態に近づけるため、電力制御器53等を制御し、燃料電池スタック10を一定の電力(電流)で発電させ、この電力をバッテリ55に充電する。そして、ECU70は、このように燃料電池スタック10を一定の電力(電流)で発電させる場合、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力P1が一定であると判定し、図2のステップS103・Yes以降のステップS104〜S107の処理を実行する。
In addition, for example, when the fuel cell stack 10 is charged with the generated power of the fuel cell stack 10 while the fuel cell vehicle is stopped, the anode leakage determination may be performed.
Specifically, for example, when the vehicle speed detected via a vehicle speed sensor (vehicle speed detection means, not shown) mounted on the fuel cell vehicle is 0, the SOC detected via the SOC sensor 56 is the upper limit SOC. When it is less than (for example, 80%), the ECU 70 controls the power controller 53 and the like to increase the SOC of the battery 55 and bring it close to a fully charged state, thereby generating the fuel cell stack 10 with a constant power (current), The battery 55 is charged with this electric power. The ECU 70 determines that the load or the target anode pressure P1 of the fuel cell stack 10 is constant when the fuel cell stack 10 is generated with constant power (current) in this way, and step S103 · Yes in FIG. The subsequent steps S104 to S107 are executed.

また、燃料電池車が極低速で走行している場合において、その後、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力P1が一定であると判断される場合、アノード漏れ判定を実行する構成としてもよい。
具体的に例えば、車速が、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)の通常範囲の下限値に対応した所定車速(例えば、5km/h)以下である場合であって、その後に燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)を変動させずに燃料電池車の走行が維持されると判断される所定車速以下である場合、つまり、燃料電池スタック10に対しての要求電力が、燃料電池スタック10の通常発電領域の下限値未満であって、その後に燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)を変動させる可能性が低い場合、燃料電池スタック10の負荷又は目標アノード圧力(目標燃料ガス圧力)が一定であると判定し、アノード漏れ判定を実行する。
Further, when the fuel cell vehicle is traveling at an extremely low speed, if it is subsequently determined that the load of the fuel cell stack 10 or the target anode pressure P1 is constant, the anode leakage determination may be executed.
Specifically, for example, when the vehicle speed is equal to or lower than a predetermined vehicle speed (for example, 5 km / h) corresponding to the lower limit value of the normal range of the load of the fuel cell stack 10 or the target anode pressure (target fuel gas pressure), Thereafter, when the fuel cell stack 10 is below the predetermined vehicle speed at which it is determined that the traveling of the fuel cell vehicle is maintained without changing the load or the target anode pressure (target fuel gas pressure), that is, in the fuel cell stack 10 When the required power for the fuel cell stack 10 is less than the lower limit value of the normal power generation region of the fuel cell stack 10 and there is a low possibility that the load of the fuel cell stack 10 or the target anode pressure (target fuel gas pressure) is subsequently changed, It is determined that the load of the fuel cell stack 10 or the target anode pressure (target fuel gas pressure) is constant, and the anode leakage determination is executed.

前記した実施形態では、図2のステップS107において、所定時間Δt2における実測アノード圧力P2の変化量ΔP2に基づいてガス漏れ判定を実行する構成としたが、その他に例えば、微小時間(例えば1〜3秒)における実測アノード圧力P2の変化割合(Pa/min)を連続的に監視し、燃料電池スタック10の水素消費に基づくよりも大きい実測アノード圧力P2の変化割合(Pa/min)が、所定時間連続して検知された場合、アノード漏れが発生していると判断する構成としてもよい。   In the above-described embodiment, the gas leak determination is performed based on the change ΔP2 of the actually measured anode pressure P2 at the predetermined time Δt2 in step S107 in FIG. The change rate (Pa / min) of the actually measured anode pressure P2 in seconds) is continuously monitored, and the change rate (Pa / min) of the actually measured anode pressure P2 that is larger than that based on the hydrogen consumption of the fuel cell stack 10 is a predetermined time. When continuously detected, it may be configured to determine that anode leakage has occurred.

前記した実施形態では、燃料電池車に搭載された燃料電池システム1を例示したが、適用箇所はこれに限定されず、例えば、定置型の燃料電池システムに組み込まれた構成でもよい。   In the above-described embodiment, the fuel cell system 1 mounted on the fuel cell vehicle is exemplified, but the application location is not limited to this, and for example, a configuration incorporated in a stationary fuel cell system may be used.

≪第2実施形態≫
次に、本発明の第2実施形態について、図4〜図5を参照して説明する。なお、第1実施形態と異なる部分を説明する。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, a different part from 1st Embodiment is demonstrated.

第2実施形態において、ECU70の処理は、ステップS104からステップS201に進む。
ステップS201において、ECU70は、目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を上昇させた後、一定とする(図5参照)。目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力の上昇幅は、事前試験等により求められ、ECU70に予め記憶されている。そして、ECU70は、上昇後の目標アノード圧力P1、目標カソード圧力となるように、インジェクタ24、コンプレッサ41、背圧弁43を制御する。なお、水素流量は、上昇した後、一定となる。
In the second embodiment, the process of the ECU 70 proceeds from step S104 to step S201.
In step S201, the ECU 70 increases the target anode pressure P1 and the target cathode pressure and then keeps them constant (see FIG. 5). The increase ranges of the target anode pressure P1 and the target cathode pressure are obtained by a preliminary test or the like and stored in the ECU 70 in advance. Then, the ECU 70 controls the injector 24, the compressor 41, and the back pressure valve 43 so that the increased target anode pressure P1 and target cathode pressure are obtained. The hydrogen flow rate becomes constant after increasing.

このように、目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を連動して上昇させることで、燃料電池スタック10内における極間差圧(アノード流路12とカソード流路13との間における圧力差)を所定値以下に維持することができ、MEAを保護できる。また、目標カソード圧力を高めるためにコンプレッサ41の回転速度を高めることで、カソードオフガスの流量も増加する。よって、仮に水素が漏れていたとしても、希釈器44で良好に希釈される。
なお、これとは逆に、目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を連動して低下する構成としてもよい。
In this way, by increasing the target anode pressure P1 and the target cathode pressure in conjunction with each other, the inter-electrode differential pressure (pressure difference between the anode channel 12 and the cathode channel 13) in the fuel cell stack 10 is predetermined. It can be kept below the value and the MEA can be protected. Further, by increasing the rotational speed of the compressor 41 in order to increase the target cathode pressure, the cathode off-gas flow rate also increases. Therefore, even if hydrogen leaks, it is diluted well by the diluter 44.
On the contrary, the target anode pressure P1 and the target cathode pressure may be decreased in conjunction with each other.

また、ECU70は、通常時に対して、水素循環ポンプ28の回転速度を増加させる。これにより、燃料電池スタック10において水素不足となり難くなる。さらに、ECU70は、現在の実測アノード圧力P2(t0)を初期値として記憶する。   Further, the ECU 70 increases the rotation speed of the hydrogen circulation pump 28 with respect to the normal time. This makes it difficult for the fuel cell stack 10 to be short of hydrogen. Further, the ECU 70 stores the current measured anode pressure P2 (t0) as an initial value.

ステップS202において、ステップS201から所定時間Δt3経過したか否か判定する。所定時間Δt3は、事前試験等によって求められ、ECU70に予め記憶されている。   In step S202, it is determined whether or not a predetermined time Δt3 has elapsed since step S201. The predetermined time Δt3 is obtained by a preliminary test or the like and stored in the ECU 70 in advance.

所定時間Δt3経過したと判定した場合(S202・Yes)、ECU70の処理はステップS203に進む。所定時間Δt3経過していないと判定した場合(S202.No)、ECU70はステップS202の判定を繰り返す。   When it is determined that the predetermined time Δt3 has elapsed (S202 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S203. When it is determined that the predetermined time Δt3 has not elapsed (S202: No), the ECU 70 repeats the determination in step S202.

ステップS203において、ECU70は、実測アノード圧力P2の変化量ΔP2が所定変化量ΔP6以下であるか否か判定する。所定変化量ΔP6は、事前試験等により求められ、ECU70に記憶されている。   In step S203, the ECU 70 determines whether or not the change amount ΔP2 of the measured anode pressure P2 is equal to or less than a predetermined change amount ΔP6. The predetermined change amount ΔP6 is obtained by a preliminary test or the like and is stored in the ECU 70.

変化量ΔP2は所定変化量ΔP6以下であると判定した場合(S203・Yes)、ECU70の処理はステップS204に進む。このようにステップS204に進む場合、ステップS201で目標アノード圧力P1を上昇しているにも関わらず、実測アノード圧力P2が上昇していないので、アノード漏れの虞がある場合である(図5参照)。   When it is determined that the change amount ΔP2 is equal to or less than the predetermined change amount ΔP6 (S203 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S204. When the process proceeds to step S204 as described above, the measured anode pressure P2 does not increase although the target anode pressure P1 is increased in step S201, and there is a possibility of anode leakage (see FIG. 5). ).

変化量ΔP2は所定変化量ΔP6以下でないと判定した場合(S203・No)、ECU70の処理はステップS205に進む。   When it is determined that the change amount ΔP2 is not equal to or less than the predetermined change amount ΔP6 (S203, No), the process of the ECU 70 proceeds to step S205.

ステップS204において、ECU70は、ガス漏れ判定フラグ(カウンタ)を「+1」する。ガス漏れ判定フラグは、今回の一連のガス漏れ判定処理において、ステップS203・Yesとなった回数を数えるためのものである。   In step S204, the ECU 70 increments the gas leak determination flag (counter) by “+1”. The gas leak determination flag is used to count the number of times that the step S203 is Yes in the current series of gas leak determination processing.

ステップS205において、ECU70は、今回の一連のガス漏れ判定処理において、ステップS203の判定を所定回数(例えば3〜5回)にて繰り返したか否か判定する。   In step S205, the ECU 70 determines whether or not the determination in step S203 has been repeated a predetermined number of times (for example, 3 to 5 times) in the current series of gas leakage determination processes.

所定回数繰り返したと判定した場合(S205・Yes)、ECU70の処理はステップS206に進む。所定回数繰り返していないと判定した場合(S205・No)、ECU70の処理はステップS207に進む。   If it is determined that the process has been repeated a predetermined number of times (Yes in S205), the process of the ECU 70 proceeds to step S206. When it is determined that the predetermined number of times has not been repeated (No at S205), the process of the ECU 70 proceeds to step S207.

ステップS206において、ECU70は、ガス漏れ判定フラグ(カウンタ)が所定値(例えば2〜4)以上であるか否か判定する。所定値は、ステップS205において繰り返し回数の判断基準となる所定回数(例えば3〜5回)に対応して設定される。   In step S206, the ECU 70 determines whether or not the gas leak determination flag (counter) is a predetermined value (for example, 2 to 4) or more. The predetermined value is set corresponding to a predetermined number (for example, 3 to 5 times) which is a criterion for determining the number of repetitions in step S205.

ガス漏れ判定フラグ(カウンタ)は所定値以上であると判定した場合(S206・Yes)、ECU70の処理はステップS108に進む。このようにステップS108に進む場合、アノード漏れの虞があると判断される場合である。   When it is determined that the gas leak determination flag (counter) is equal to or greater than the predetermined value (S206 / Yes), the process of the ECU 70 proceeds to step S108. Thus, when it progresses to step S108, it is a case where it is judged that there exists a possibility of anode leakage.

ガス漏れ判定フラグ(カウンタ)は所定値以上でないと判定した場合(S206・No)、ECU70の処理はステップS121に進む。このようにステップS121に進む場合、アノード漏れの虞がないと判断される場合であり、今回の一連のガス漏れ判定処理が終了する。   If it is determined that the gas leak determination flag (counter) is not equal to or greater than the predetermined value (No at S206), the process of the ECU 70 proceeds to step S121. Thus, when it progresses to step S121, it is a case where it is judged that there is no possibility of an anode leak, and this series of gas leak determination processes are complete | finished.

ステップS207において、ECU70は、目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を低下させる。なお、ステップS201において目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を低下させている場合、ステップS207において目標アノード圧力P1及び目標カソード圧力を上昇させる。   In step S207, the ECU 70 decreases the target anode pressure P1 and the target cathode pressure. If the target anode pressure P1 and the target cathode pressure are reduced in step S201, the target anode pressure P1 and the target cathode pressure are increased in step S207.

ステップS208において、ECU70は、ステップS205・Noの後、所定時間Δt4経過したか否か判定する。所定時間Δt4は、実測アノード圧力P2及び実際のカソード圧力が初期状態に低下する時間に設定される。   In step S208, the ECU 70 determines whether or not a predetermined time Δt4 has elapsed after step S205 · No. The predetermined time Δt4 is set to a time during which the measured anode pressure P2 and the actual cathode pressure are reduced to the initial state.

所定時間Δt4経過したと判定した場合(S208・Yes)、ECU70の処理はステップS201に進む。所定時間Δt4経過していないと判定した場合(S208・No)、ECU70はステップS208の判定を繰り返す。   If it is determined that the predetermined time Δt4 has elapsed (S208, Yes), the processing of the ECU 70 proceeds to step S201. When it is determined that the predetermined time Δt4 has not elapsed (S208, No), the ECU 70 repeats the determination in step S208.

このような第2実施形態によれば、一連のガス漏れ判定処理(S201〜S204)を所定回数にて繰り返した場合において(S205・Yes)、ガス漏れフラグ(カウンタ)が所定値以上であるとき(S206・Yes)、ガス漏れが発生していると判断するので、誤判断を防止できる。   According to the second embodiment, when the series of gas leak determination processes (S201 to S204) is repeated a predetermined number of times (Yes in S205), the gas leak flag (counter) is equal to or greater than a predetermined value. (S206 / Yes) Since it is determined that a gas leak has occurred, erroneous determination can be prevented.

≪変形例≫
前記した実施形態では、目標アノード圧力P1を上昇又は低下させてから、所定時間Δt3経過後の実測アノード圧力P2に基づいて、アノード系においてガスが漏れているか否か(故障しているか否か)判断する構成を例示したが、その他に例えば、実測アノード圧力P2に加えて/代えて、水素の供給量(例えば、インジェクタ24の動作量(水素噴射量))に基づいて、判断する構成としてもよい。
≪Modification≫
In the above-described embodiment, whether or not gas has leaked in the anode system (whether or not it has failed) based on the measured anode pressure P2 after the predetermined time Δt3 has elapsed since the target anode pressure P1 has been increased or decreased. Although the configuration for determining is exemplified, for example, in addition to / in place of the actually measured anode pressure P2, the configuration may be determined based on the supply amount of hydrogen (for example, the operation amount (hydrogen injection amount) of the injector 24). Good.

また、ガス漏れ判定する場合、目標アノード圧力P1を一定としたときの水素供給量に基づいて判断する構成としてもよい。なお、目標アノード圧力P1を一定とした場合において、ガスが漏れているとき、水素供給量が予想以上に増加することになる。   Moreover, when determining gas leak, it is good also as a structure judged based on the hydrogen supply amount when the target anode pressure P1 is made constant. When the target anode pressure P1 is constant, the hydrogen supply amount increases more than expected when gas is leaking.

1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック(燃料電池)
11 単セル(燃料電池)
12 アノード流路(燃料ガス流路)
13 カソード流路(酸化剤ガス流路)
21a、22a、23a、24a、25a 配管(燃料ガス供給流路)
24 インジェクタ(燃料ガス流量制御手段)
26a、28a、28b 配管(燃料ガス循環流路)
28 水素循環ポンプ(燃料ガス循環ポンプ)
26a、27a、27b、44a 配管(燃料オフガス排出流路)
27 パージ弁
31、32、33 圧力センサ(圧力検出手段)
51 モータ(外部負荷)
55 バッテリ(蓄電手段)
56 SOCセンサ(蓄電量検出手段)
70 ECU(一定判定手段、ガス漏れ判定手段)
P1 目標アノード圧力
P2、P3 実測アノード圧力
1 Fuel Cell System 10 Fuel Cell Stack (Fuel Cell)
11 Single cell (fuel cell)
12 Anode channel (fuel gas channel)
13 Cathode channel (oxidant gas channel)
21a, 22a, 23a, 24a, 25a Piping (fuel gas supply flow path)
24 injector (fuel gas flow rate control means)
26a, 28a, 28b Piping (fuel gas circulation flow path)
28 Hydrogen circulation pump (fuel gas circulation pump)
26a, 27a, 27b, 44a Piping (fuel off gas discharge flow path)
27 Purge valve 31, 32, 33 Pressure sensor (pressure detection means)
51 Motor (external load)
55 Battery (electric storage means)
56 SOC sensor (electric storage amount detection means)
70 ECU (constant judgment means, gas leak judgment means)
P1 Target anode pressure P2, P3 Actual measured anode pressure

Claims (9)

燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、
前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
前記燃料オフガス排出流路に設けられ、燃料オフガスを排出/遮断するパージ弁と、
前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する一定判定手段と、
前記燃料ガス流量制御手段と前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定手段と、
を備え、
前記一定判定手段が一定であると判定した場合において前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、
前記燃料ガス流量制御手段が燃料ガスの流量を一定とし、前記ガス漏れ判定手段がガス漏れ判定を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a fuel gas channel, and generating power by supplying fuel gas to the fuel gas channel;
A fuel gas supply channel connected to an inlet of the fuel gas channel and through which a fuel gas directed to the fuel gas channel flows;
A fuel gas flow rate control means for controlling the flow rate of the fuel gas, provided in the fuel gas supply flow path;
A fuel off-gas discharge passage connected to an outlet of the fuel gas passage and through which fuel off-gas flows from the fuel gas passage to the outside;
A purge valve provided in the fuel off-gas discharge flow path for discharging / blocking the fuel off-gas;
Constant determination means for determining whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant;
Gas leakage determination means for determining whether or not gas is leaking based on the pressure of the gas between the fuel gas flow rate control means and the purge valve;
With
When the valve closing command is input to the purge valve when the constant determining unit determines that the constant is constant,
The fuel gas flow rate control means makes the flow rate of the fuel gas constant, and the gas leak judgment means executes gas leak judgment.
外部負荷に対して前記燃料電池と並列であると共に、電力を蓄電する蓄電手段と、
前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、
を備え、
前記一定判定手段は、前記蓄電手段の蓄電量に基づいて前記外部負荷からの要求電気エネルギを前記蓄電手段でアシストした場合において、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Power storage means for storing power in parallel with the fuel cell with respect to an external load;
A storage amount detection means for detecting a storage amount of the storage means;
With
The constant determination means determines whether or not the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant when the electric storage means assists the required electric energy from the external load based on the storage amount of the electric storage means. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is determined.
車両に搭載され、
前記車両の車速を検出する車速検出手段を備え、
前記一定判定手段は、
前記車速検出手段の検出する車速が、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力の通常範囲の下限値に対応した所定車速以下である場合であって、その後に前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力を変動させずに前記車両の走行が維持されると判断される所定車速以下である場合、
前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Mounted on the vehicle,
Vehicle speed detecting means for detecting the vehicle speed of the vehicle,
The constant determination means includes
The vehicle speed detected by the vehicle speed detecting means is not more than a predetermined vehicle speed corresponding to the lower limit of the normal range of the load or target fuel gas pressure of the fuel cell, and thereafter the load of the fuel cell or target fuel gas When the vehicle speed is less than or equal to a predetermined vehicle speed that is determined to maintain the running of the vehicle without changing the pressure,
The fuel cell system according to claim 1, wherein it is determined that a load of the fuel cell or a target fuel gas pressure is constant.
前記燃料電池の電力を蓄電する蓄電手段と、
前記燃料電池の発電を制御すると共に、前記蓄電手段への蓄電を制御する電力制御手段と、
を備え、
前記電力制御手段が、前記燃料電池を一定の電力で発電させ、当該燃料電池の一定の電力を前記蓄電手段に蓄電している場合、
前記一定判定手段は、前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であると判定する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Power storage means for storing power of the fuel cell;
Power control means for controlling power generation of the fuel cell, and for controlling power storage in the power storage means;
With
When the power control means causes the fuel cell to generate power with constant power and stores the constant power of the fuel cell in the power storage means,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the constant determination unit determines that the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant.
前記ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、
前記燃料ガス流量制御手段は、燃料ガスの流量をガス漏れ判定用流量とする
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
When performing the gas leak determination by the gas leak determination means,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel gas flow rate control means sets a flow rate of the fuel gas as a flow rate for gas leakage determination.
前記ガス漏れ判定用流量は、発電する前記燃料電池が消費する燃料ガス消費量に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 5, wherein the gas leak determination flow rate is set based on a fuel gas consumption amount consumed by the fuel cell that generates power.
前記ガス漏れ判定用流量は、発電する前記燃料電池が消費する燃料ガス消費量と、前記燃料電池の前記燃料ガス流路から酸化剤ガス流路にリークする燃料ガスリーク量と、に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
The gas leak determination flow rate is set based on a fuel gas consumption amount consumed by the fuel cell to generate power and a fuel gas leak amount leaking from the fuel gas flow channel of the fuel cell to the oxidant gas flow channel. The fuel cell system according to claim 5, wherein:
前記パージ弁の上流の前記燃料オフガス排出流路と前記燃料ガス流量制御手段の下流の前記燃料ガス供給流路とを接続し、燃料ガスを含む燃料オフガスを前記燃料オフガス排出流路から前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
作動することで、前記燃料ガス流路及び前記燃料ガス循環流路を経由するように燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ポンプと、
を備え、
前記燃料ガス循環ポンプは、前記ガス漏れ判定手段によるガス漏れ判定の実行時、ガス漏れ判定の非実行時である通常時に対して、ガスの循環量を大きくする
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel off-gas discharge channel upstream of the purge valve is connected to the fuel gas supply channel downstream of the fuel gas flow rate control means, and fuel off-gas containing fuel gas is passed from the fuel off-gas discharge channel to the fuel gas. A fuel gas circulation flow path for returning to the supply flow path and circulating the fuel gas;
A fuel gas circulation pump that circulates the fuel gas so as to pass through the fuel gas flow path and the fuel gas circulation flow path by operating;
With
The fuel gas circulation pump increases the amount of gas circulation when the gas leak determination unit executes the gas leak determination and when the gas leak determination is not executed, which is normal. The fuel cell system according to claim 4.
燃料ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の入口に接続され、前記燃料ガス流路に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に設けられ、燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御手段と、
前記燃料ガス流路から外部に向かう燃料オフガスが通流する燃料オフガス排出流路と、
前記燃料オフガス排出流路に設けられ、燃料オフガスを排出/遮断するパージ弁と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の負荷又は目標燃料ガス圧力が一定であるか否か判定する一定判定ステップと、
前記一定判定ステップにおいて一定であると判定した場合であって前記パージ弁に閉弁指令が入力されているとき、前記燃料ガス流量制御手段によって燃料ガスの流量を一定とし、前記燃料ガス流量制御手段と前記パージ弁との間におけるガスの圧力に基づいて、ガスが漏れているか否か判定するガス漏れ判定ステップと、
を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell having a fuel gas channel, and generating power by supplying fuel gas to the fuel gas channel;
A fuel gas supply channel connected to an inlet of the fuel gas channel and through which a fuel gas directed to the fuel gas channel flows;
A fuel gas flow rate control means for controlling the flow rate of the fuel gas, provided in the fuel gas supply flow path;
A fuel off-gas discharge channel through which the fuel off-gas flowing from the fuel gas channel to the outside flows;
A purge valve provided in the fuel off-gas discharge flow path for discharging / blocking the fuel off-gas;
A method for operating a fuel cell system comprising:
A constant determination step of determining whether the load of the fuel cell or the target fuel gas pressure is constant;
When it is determined to be constant in the constant determination step and when a valve closing command is input to the purge valve, the fuel gas flow rate control means makes the flow rate of the fuel gas constant, and the fuel gas flow rate control means A gas leakage determination step for determining whether or not gas is leaking based on the pressure of the gas between the gas and the purge valve;
A method for operating a fuel cell system, comprising:
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