JP2004022299A

JP2004022299A - Method for detecting deterioration of hydrogen sensor provided in fuel cell system

Info

Publication number: JP2004022299A
Application number: JP2002174624A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Machida; 町田　博; Tsutomu Eguchi; 江口　強; Takashi Sasaki; 佐々木　孝; Yasushi Kojima; 児島　泰
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP4131801B2

Abstract

【課題】燃料電池の作動時において水素センサの劣化状態を容易に検知する。
【解決手段】記憶装置３には、燃料電池１０の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力等に応じた、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を格納した。制御装置２は、酸素極側の出口側配管１４に取り付けられた第１の水素センサ１５ａと、筐体１０ａに取り付けられた第２の水素センサ１５ｂとに接続され、後述するように、各センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される検出値と、記憶装置３に格納されている判定閾値との比較結果に応じて、各センサ１５ａ，１５ｂが劣化しているか否かを判定し、劣化していると判定した際には、警報装置４によって各センサ１５ａ，１５ｂの交換を促す警報等を出力する。
【選択図】　　　図１An object of the present invention is to easily detect a state of deterioration of a hydrogen sensor during operation of a fuel cell.
A storage device (3) stores a map of a predetermined determination threshold value for a detection value of each sensor (15a, 15b) according to an operation state of a fuel cell (10), for example, a gap pressure or an operation pressure. The control device 2 is connected to a first hydrogen sensor 15a attached to the outlet pipe 14 on the oxygen electrode side and a second hydrogen sensor 15b attached to the housing 10a. It is determined whether or not each of the sensors 15a and 15b has deteriorated according to the comparison result between the detection value output for each of the sensors 15a and 15b and the determination threshold value stored in the storage device 3, and the sensors 15a and 15b have deteriorated. When the determination is made, the warning device 4 outputs a warning or the like urging the replacement of the sensors 15a and 15b.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
このような固体高分子膜型燃料電池等の燃料電池において、従来、例えば特開平６−２２３８５０号公報に開示された燃料電池の保護装置のように、燃料電池の酸素極側の排出系に水素センサを備え、この水素センサによって、燃料極側の水素が固体高分子電解質膜を通じて酸素極側に漏洩したことを検知したときは、燃料の供給を遮断する保護装置が知られている。
また、水素センサとしては、例えば白金等の触媒からなるガス検出素子と温度補償素子とを一対備え、水素が白金等の触媒に接触した際の燃焼により発生する熱によってガス検出素子が相対的に高温の状態になったときに、例えば雰囲気温度下等の相対的に低温の状態の温度補償素子との間に生じる電気抵抗の差異に応じて、水素ガスの濃度を検出するガス接触燃焼式の水素センサが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなガス接触燃焼式の水素センサにおいては、例えば触媒のシリコン被毒や硫黄被毒、水分の吸着等により感度低下等の劣化が生じる場合がある。
この場合、例えば燃料電池システムの異常等によって排出系に含まれる水素ガス量が増大しても、劣化した水素センサではこの増大を検知できない虞があり、燃料電池の作動時における適宜のタイミングで水素センサの劣化状態を検知することが望まれる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の作動時において水素センサの劣化状態を容易に検知することが可能な燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法は、反応ガスとして、水素を燃料極へ供給し、酸素を酸素極へ供給し、電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池１０）を備える燃料電池システムに具備される水素センサ（例えば、実施の形態での第１の水素センサ１５ａ、第２の水素センサ１５ｂ）の劣化検知方法であって、前記水素センサから出力される検出値と前記燃料電池の作動状態に応じて設定した所定の判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記水素センサが劣化しているか否かを判定する判定ステップ（例えば、実施の形態でのステップＳ０４）を含むことを特徴としている。
【０００６】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、例えば燃料電池の所定作動状態に対して予め設定された判定閾値や、例えば燃料電池の作動状態に応じて予め設定された判定閾値のマップ等が適宜の記憶手段に記憶されている。判定ステップでは、燃料電池の作動状態に応じて設定された判定閾値を記憶手段から取得し、水素センサから出力される検出値と判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて水素センサが劣化しているか否かを判定し、例えば劣化していると判定した場合には、報知手段によって水素センサの交換を促す警報等を出力する。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法では、前記燃料電池システムは前記燃料電池の酸素極から排出されるオフガスを流通させるカソードオフガス流通管（例えば、実施の形態での酸素極側の出口側配管１４）を備え、前記水素センサは前記カソードオフガス流通管に設けられ、前記オフガス中の水素を検出するものであり、前記判定ステップは、前記判定閾値を、前記燃料極と前記酸素極との前記反応ガスの圧力差に応じて設定することを特徴としている。
【０００８】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、判定ステップでは、燃料電池の酸素極から排出されるオフガス中の水素を検知する水素センサに対しては、燃料電池の作動状態として、特に、燃料極と酸素極との反応ガスの圧力差とされる極間差圧に応じて設定された判定閾値に基づいて水素センサが劣化しているか否かを判定する。これにより、例えばオフガス中に含まれる水素量が極間差圧に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
【０００９】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法では、前記燃料電池システムは前記燃料電池を内部に収容する筐体（例えば、実施の形態での筐体１０ａ）を備え、前記水素センサは前記筐体に設けられ、前記筐体内の水素を検出するものであり、前記判定ステップは、前記判定閾値を、前記燃料電池の作動時における前記反応ガスの供給圧力に応じて設定することを特徴としている。
【００１０】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、判定ステップは、燃料電池を収容する筐体内の水素を検知する水素センサに対しては、燃料電池の作動状態として、特に、燃料極に供給される水素の圧力、あるいは、酸素極に供給される酸素を含むガスの圧力等の作動圧力に応じて設定された判定閾値に基づいて水素センサが劣化しているか否かを判定する。これにより、例えば筐体内に含まれる水素量が作動圧力に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
【００１１】
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法では、前記判定ステップは、前記燃料電池の所定安定作動時において、前記水素センサから出力される検出値と、前記燃料電池の前記所定安定作動時に対して設定した前記判定閾値とを比較し、この比較結果に応じて前記水素センサが劣化しているか否かを判定することを特徴としている。
【００１２】
上記の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、判定ステップは、例えば燃料電池システムが燃料電池車両等の車両に電源として搭載されている場合には、車両のアイドル運転時や燃料電池の発電電流が所定の安定状態である場合等の所定安定作動時に劣化判定を行う。これにより、水素センサの劣化状態を精度良く判定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置（以下、単に、劣化検知装置と呼ぶ）１は、例えば、制御装置２と、記憶装置３と、警報装置４と、燃料電池１０と、燃料電池１０に接続された各配管１１，…，１４のうち、酸素極側の出口側配管１４に設けられた第１の水素センサ１５ａと、燃料電池１０を内部に収容する筐体１０ａに設けられた第２の水素センサ１５ｂとを備えて構成されている。
【００１４】
燃料電池１０は、例えば電気自動車等の動力源として車両に搭載されており、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極で挟持した電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セル（図示略）を多数組積層して構成されている。
燃料極に入口側配管１１から供給された水素などの燃料ガスは、触媒電極上で水素がイオン化され、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介して酸素極へと移動する、その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。酸素極には、例えば、酸素などの酸化剤ガスあるいは空気が入口側配管１２を介して供給されているために、この酸素極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、燃料極側、酸素極側共に出口側配管１３、１４から反応済みのいわゆるオフガスが系外に排出される。
【００１５】
ここで、燃料電池１０の燃料極側の入口側配管１１には、燃料極側に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出器１１ａが備えられ、燃料電池１０の酸素極側の入口側配管１２には、酸素極側に供給される酸素などの酸化剤ガスあるいは空気の圧力を検出する圧力検出器１２ａが備えられ、各圧力検出器１１ａ，１２ａから出力される検出信号は制御装置２に入力されている。
また、燃料電池１０から取り出される発電電流は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成される電流制御器５に入力されており、この電流制御器５には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる蓄電装置６が接続されている。
電流制御器５は、制御装置２から出力される電流指令値、つまり燃料電池１０に対する発電指令に基づいて、燃料電池１０から取り出される発電電流の電流値を制御すると共に、実際に燃料電池１０から取り出される発電電流を検出し、この検出値を制御装置２へと入力している。
【００１６】
ここで、酸素極側の出口側配管１４には、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式の第１の水素センサ１５ａが取り付けられ、この第１の水素センサ１５ａにより酸素極側の出口側配管１４内の水素ガスを検知できるようになっている。
また、燃料電池１０を内部に収容する筐体１０ａには、その鉛直方向上側にガス接触燃焼式の第２の水素センサ１５ｂが取り付けられ、この第２の水素センサ１５ｂにより筐体１０ａ内の水素ガスを検知できるようになっている。
【００１７】
例えば図２に示すように、各水素センサ１５ａ，１５ｂは出口側配管１４の長手方向等に沿って長い直方形状のケース１９を備えている。ケース１９は、例えばポリフェニレンサルファイド製であって、長手方向両端部にフランジ部２０を備えている。フランジ部２０にはカラー１７を取り付けてあり、例えば図３に示すように、このカラー１７内にボルト２１を挿入して、前記出口側配管１４および筐体１０ａの各取付座１６に締め付け固定されるようになっている。
【００１８】
例えば図３に示すように、ケース１９の下面には、出口側配管１４および筐体１０ａの各貫通孔に外側から挿通される筒状部２２が形成されている。ケース１９内には図示しない回路基板が設けられ、この回路基板に後述する検出素子２９と温度補償素子３０が接続されている。筒状部２２の内部はガス検出室２４として形成され、筒状部２２の端部がガス導入部２５として開口形成されている。
【００１９】
また、筒状部２２の外周面にはシール材２６が取り付けられ、出口側配管１４および筐体１０ａの各貫通孔の内周壁に密接して気密性を確保している。そして、この筒状部２２の内部に検出素子２９と温度補償素子３０とが装着されている。
検出素子２９と温度補償素子３０は回路基板に接続されガス検出室２４内で同一高さで所定間隔を隔てて一対設けられたものである。
検出素子２９は周知の素子であって、例えば図４に示すように、電気抵抗に対する温度係数が高い白金等を含む金属線のコイル２９ａの表面を、被検出ガスとされる水素に対して活性な貴金属等からなる触媒２９ｂを坦持するアルミナ等の坦体で被覆されて形成されている。
温度補償素子３０は、被検出ガスに対して不活性とされ、例えば検出素子２９と同等のコイル３０ａを備えて構成されている。
そして、被検出ガスである水素が検出素子２９の触媒２９ｂに接触した際に生じる燃焼反応の発熱により高温となった検出素子２９と、被検出ガスによる燃焼反応が発生せず雰囲気温度下の温度補償素子３０との間に電気抵抗値の差が生ずることを利用し、雰囲気温度による電気抵抗値の変化分を相殺して水素濃度を検出することができるようになっている。
【００２０】
例えば図４に示すように、検出素子２９（抵抗値Ｒ４）及び温度補償素子３０（抵抗値Ｒ３）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）及び固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）が直列接続されてなる枝辺とが、電源４３に対して並列に接続されてなるブリッジ回路において、検出素子２９と温度補償素子３０同志の接続点ＰＳと、固定抵抗４１，４２同志の接続点ＰＲとの間に電圧計４４が接続されている。
ここで、被検出ガスである水素が存在しないときにはブリッジ回路はバランスしてＲ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３の状態にあり、電圧計４４の出力がゼロとなる。一方、水素が存在すると、検出素子２９の触媒２９ｂにおいて水素が燃焼し、コイル２９ａの温度が上昇し、抵抗値Ｒ４が増大する。これに対して温度補償素子３０においては水素は燃焼せず、抵抗値Ｒ３は変化しない。これにより、ブリッジ回路の平衡が破れて電圧計４４に、水素濃度の増大変化に応じて増大傾向に変化する適宜の電圧が印加される。この電圧計４４から出力される電圧の検出値は、例えば後述する制御装置２へ入力され、この電圧の検出値の変化に応じて予め設定された水素濃度のマップ等に基づいて、水素濃度が算出される。
【００２１】
また、例えば図２に示すように、上記ガス検出室２４内には検出素子２９と温度補償素子３０との間に、両者を遮るようにして被検出ガスの流入方向に沿って立てられた状態で四角形で板状のヒータ２７が配置されている。このヒータ２７はガス検出室２４内を加熱するもので、放熱面２７Ｃを検出素子２９と温度補償素子３０とに指向した状態で配置されている。つまりヒータ２７は各面が放熱面２７Ｃとして構成されている。このヒータ２７により流入する被検出ガスが検出素子２９と温度補償素子３０とに振り分けられるようにして均等に分配される。また、ガス検出室２４にはガス検出室２４内の温度を検出する温度センサ２８が取り付けられている。
【００２２】
制御装置２は、酸素極側の出口側配管１４に取り付けられた第１の水素センサ１５ａと、筐体１０ａに取り付けられた第２の水素センサ１５ｂとに接続され、後述するように、各センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される検出値と、記憶装置３に格納されている判定閾値との比較結果に応じて、各センサ１５ａ，１５ｂが劣化しているか否かを判定し、劣化していると判定した際には、警報装置４によって各センサ１５ａ，１５ｂの交換を促す警報等を出力する。
ここで、記憶装置３は、燃料電池１０の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力や発電電流等に応じた、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値に対する所定の判定閾値のマップ等を記憶しており、制御装置２は、各圧力検出器１１ａ，１２ａから入力される検出信号に基づいて算出した極間差圧や作動圧力、電流制御器５から入力される発電電流の検出信号に応じて、記憶装置３に格納されている判定閾値を検索する。
【００２３】
本実施の形態による劣化検知装置１は上記構成を備えており、次に、この劣化検知装置１の動作について添付図面を参照しながら説明する。
先ず、図５に示すステップＳ０１においては、燃料電池１０の作動時において、燃料電池１０の作動状態として、各圧力検出器１１ａ，１２ａから入力される検出信号を取得し、例えば極間差圧や作動圧力等を算出したり、電流制御器５から入力される発電電流の検出信号を取得する。
そして、ステップＳ０２においては、第１および第２の水素センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される電圧の検出値を取得する。
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池１０の作動状態に応じた各判定閾値を記憶装置３から取得する。
【００２４】
そして、ステップＳ０４においては、各水素センサ１５ａ，１５ｂ毎に出力される電圧の検出値が、燃料電池１０の作動状態に応じて記憶装置３から取得した各判定閾値未満であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進み、警報装置４によって各センサ１５ａ，１５ｂの交換を促す警報等を出力し、一連の処理を終了する。
【００２５】
上述したように、本実施の形態による劣化検知方法によれば、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値が燃料電池１０の作動状態に応じて設定された各判定閾値未満である場合に、各センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定することにより、燃料電池１０の作動時であっても各センサ１５ａ，１５ｂに発生する感度低下等を確実に検知することができる。
特に、酸素極側の出口側配管１４に設けられた第１の水素センサ１５ａに対しては、極間差圧に応じた判定閾値を設定し、筐体１０ａに設けられた第２の水素センサ１５ｂに対しては、作動圧力に応じた判定閾値を設定し、各センサ１５ａ，１５ｂの配置位置に応じた適切な作動状態量に基づいて劣化判定を行うことにより、判定精度を向上させることができる。
【００２６】
なお、上述した本実施の形態において、制御装置２は、燃料電池１０の作動状態に対する検出値に応じて記憶装置３の判定閾値をマップ検索することにより、燃料電池１０の作動時における適宜のタイミングで劣化判定の処理を行うとしたが、これに限定されず、例えば上述した燃料電池システムが燃料電池車両等の車両に電源として搭載されている場合には、車両始動時のアイドル運転時等の所定安定作動時に劣化判定を行うように設定し、記憶装置３には、この所定安定作動状態に対する所定の判定閾値のみを記憶してもよい。なお、この場合には、例えば電流制御器５から制御装置２へ入力される発電電流の検出信号に基づいて燃料電池１０が所定安定作動状態か否かを判定することができる。
また、上述した本実施の形態において、ステップＳ０４の判定処理では、記憶装置３から取得した判定閾値に対して、例えば各センサ１５ａ，１５ｂの検出誤差や判定閾値に対する許容範囲等からなる補正値を適宜に設定可能とし、この補正値によって補正して得た判定閾値と、各センサ１５ａ，１５ｂの検出値とを比較してもよい。
【００２７】
なお、上述した本実施の形態において、燃料電池１０の作動状態として、極間差圧や作動圧力の検出値を取得するとしたが、これに限定されず、他の作動状態量、例えば燃料電池１０の燃料極や酸素極に供給される反応ガスの流量や、固体高分子電解質膜の温度等の検出値を取得し、これらの検出値に応じた判定閾値を記憶装置３から取得するように設定してもよい。
また、上述した本実施の形態においては、各水素センサ１５ａ，１５ｂから出力される電圧の検出値を所定の判定閾値と比較するとしたが、これに限定されず、各水素センサ１５ａ，１５ｂから出力される電圧の検出値に基づいて算出した水素濃度値と所定の判定閾値とを比較し、算出された水素濃度値が判定閾値未満の時に、各水素センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定してもよい。この場合には、記憶装置３に燃料電池１０の作動状態、例えば極間差圧や作動圧力等に応じた水素濃度値を所定の判定閾値として記憶していればよい。
【００２８】
また、上述した本実施の形態において、各水素センサ１５ａ，１５ｂは、各素子２９，３０及び固定抵抗４１，４２からなるブリッジ回路における所定接点間の電圧の検出値を出力するとしたが、これに限定されず、少なくとも検出素子２９を備えるその他の回路にて検出した電圧や電流の検出値を出力してもよい。要するに、検出素子２９の抵抗値Ｒ４に関連した状態量を検出し、出力することにより、例えば検出素子２９の表面に水分が付着する等によって、例えば触媒２９ｂを坦持する坦体の損傷や破損等が生じ、水素濃度の増大に応じた抵抗値Ｒ４の増大が生じなくなったり、例えば感度低下等の劣化により水素濃度の増大に応じた抵抗値Ｒ４の増大量が低減することを検出できるものであればよい。
例えば、検出素子２９と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とを具備する直列回路に所定電圧を印加した状態で、検出素子２９の端子間電圧を検出する場合には、検出素子２９が劣化すると、この直列回路において検出素子２９での電圧降下が相対的に低下するため、この端子間電圧の検出値が所定の判定閾値未満の時に、各水素センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定することができる。
また、例えば、検出素子２９と、水素濃度の増大に応じて抵抗値が増大する適宜の素子とが並列に接続されてなる並列回路に定電流バイアス回路等によって所定の電流を供給する状態で、検出素子２９に通電される電流を検出する場合には、検出素子２９が劣化すると、この並列回路において検出素子２９に通電される電流が相対的に増大するため、この電流の検出値が所定の判定閾値よりも大きい時に、各水素センサ１５ａ，１５ｂが劣化していると判定することができる。
【００２９】
また、上述した本実施の形態において、各センサ１５ａ，１５ｂは、ガス接触燃焼式のガスセンサをなすとしたが、これに限定されず、その他のセンサ、例えば被検出ガスの熱伝導率の差異を利用して水素ガスを検知する気体熱伝導式水素センサや、例えば超音波式ガスセンサ等であってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、燃料電池の作動状態に応じて設定された判定閾値により、燃料電池の作動時の適宜のタイミングで、水素センサの劣化状態を容易に検知することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、オフガス中に含まれる水素量が極間差圧に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
【００３１】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、筐体内に含まれる水素量が作動圧力に応じて変化する場合であっても、水素センサの劣化状態を適切に判定することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知方法によれば、水素センサの劣化状態の判定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置の構成図である。
【図２】図１に示す水素センサの平面図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。
【図４】検出素子および温度補償素子が接続されてなるブリッジ回路を示す図である。
【図５】図１に示す燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池システムに具備される水素センサの劣化検知装置
１０　燃料電池
１０ａ　筐体
１４　酸素極側の出口側配管（カソードオフガス流通管）
１５ａ　第１の水素センサ
１５ｂ　第２の水素センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting deterioration of a hydrogen sensor provided in a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell has a stack (hereinafter, referred to as a stack) formed by stacking a plurality of cells with respect to a cell formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between a fuel electrode and an oxygen electrode from both sides. A fuel cell), hydrogen is supplied to the fuel electrode as fuel, air is supplied to the oxygen electrode as an oxidant, and hydrogen ions generated by a catalytic reaction at the fuel electrode form a solid polymer electrolyte membrane. It passes through to the oxygen electrode and generates an electrochemical reaction with oxygen at the oxygen electrode.
[0003]
In a fuel cell such as such a polymer electrolyte membrane fuel cell, conventionally, for example, as in a fuel cell protection device disclosed in JP-A-6-223850, hydrogen is supplied to a discharge system on the oxygen electrode side of the fuel cell. There is known a protective device that includes a sensor and shuts off fuel supply when the hydrogen sensor detects that hydrogen on the fuel electrode side leaks to the oxygen electrode side through the solid polymer electrolyte membrane.
Further, the hydrogen sensor includes, for example, a pair of a gas detecting element made of a catalyst such as platinum and a temperature compensating element, and the gas detecting element is relatively heated by heat generated by combustion when hydrogen comes into contact with the catalyst such as platinum. When a high temperature state is reached, for example, a gas contact combustion type of detecting the concentration of hydrogen gas in accordance with the difference in electrical resistance between the temperature compensation element and a temperature compensation element in a relatively low temperature state such as under an ambient temperature. Hydrogen sensors are known.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the gas contact combustion type hydrogen sensor as described above, for example, there is a case where deterioration such as a decrease in sensitivity occurs due to poisoning of the catalyst with silicon or sulfur, adsorption of moisture, or the like.
In this case, even if the amount of hydrogen gas contained in the discharge system increases due to, for example, an abnormality in the fuel cell system, the deteriorated hydrogen sensor may not be able to detect the increase, and hydrogen may be detected at an appropriate timing during operation of the fuel cell. It is desired to detect the deterioration state of the sensor.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for detecting deterioration of a hydrogen sensor included in a fuel cell system capable of easily detecting the state of deterioration of the hydrogen sensor during operation of the fuel cell. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve the object, a method for detecting deterioration of a hydrogen sensor provided in a fuel cell system according to the present invention according to claim 1 supplies hydrogen as a reaction gas to a fuel electrode, A hydrogen sensor (for example, a first sensor in the embodiment) provided in a fuel cell system including a fuel cell (for example, the fuel cell 10 in the embodiment) that supplies oxygen to the oxygen electrode and generates power by an electrochemical reaction. This is a method for detecting deterioration of the hydrogen sensor 15a and the second hydrogen sensor 15b), and compares a detection value output from the hydrogen sensor with a predetermined determination threshold value set in accordance with an operation state of the fuel cell. It is characterized by including a determination step (for example, step S04 in the embodiment) for determining whether or not the hydrogen sensor has deteriorated according to the comparison result.
[0006]
According to the method of detecting the deterioration of the hydrogen sensor included in the fuel cell system, for example, a determination threshold value that is set in advance for a predetermined operation state of the fuel cell, or a determination threshold value that is set in advance according to the operation state of the fuel cell, for example A map of the determination threshold value or the like is stored in an appropriate storage unit. In the determination step, a determination threshold value set according to the operating state of the fuel cell is obtained from the storage unit, and the detection value output from the hydrogen sensor is compared with the determination threshold value. It is determined whether or not the battery is deteriorated. For example, when it is determined that the battery is deteriorated, an alarm or the like for urging the replacement of the hydrogen sensor is output by the notification means.
[0007]
Further, in the method for detecting deterioration of the hydrogen sensor provided in the fuel cell system according to the present invention, the fuel cell system may include a cathode off-gas flow pipe for flowing off gas discharged from an oxygen electrode of the fuel cell. For example, an outlet-side pipe 14) on the oxygen electrode side in the embodiment is provided, and the hydrogen sensor is provided in the cathode off-gas flow pipe, and detects hydrogen in the off-gas. The determination threshold is set in accordance with the pressure difference between the fuel electrode and the oxygen electrode in the reaction gas.
[0008]
According to the method for detecting the deterioration of the hydrogen sensor included in the fuel cell system, in the determination step, the operation of the fuel cell is performed with respect to the hydrogen sensor that detects hydrogen in the off gas discharged from the oxygen electrode of the fuel cell. As the state, in particular, it is determined whether or not the hydrogen sensor has deteriorated based on a determination threshold value set in accordance with the pressure difference between the reaction gas between the fuel electrode and the oxygen electrode, which is a pressure difference. Thus, for example, even when the amount of hydrogen contained in the off-gas changes according to the pressure difference between the electrodes, the deterioration state of the hydrogen sensor can be appropriately determined.
[0009]
Further, in the method for detecting deterioration of a hydrogen sensor provided in a fuel cell system according to the present invention, the fuel cell system may include a housing for housing the fuel cell therein (for example, the housing in the embodiment). Wherein the hydrogen sensor is provided in the housing and detects hydrogen in the housing, and the determining step sets the determination threshold value to a value of the reaction gas during operation of the fuel cell. It is characterized in that it is set according to the supply pressure.
[0010]
According to the method for detecting the deterioration of the hydrogen sensor included in the fuel cell system, the determination step includes, as a fuel cell operating state, a hydrogen sensor that detects hydrogen in a housing housing the fuel cell. It is determined whether the hydrogen sensor is deteriorated based on a determination threshold set according to an operating pressure such as a pressure of hydrogen supplied to the fuel electrode or a pressure of a gas containing oxygen supplied to the oxygen electrode. judge. Thus, for example, even when the amount of hydrogen contained in the housing changes according to the operating pressure, the deterioration state of the hydrogen sensor can be appropriately determined.
[0011]
Furthermore, in the method for detecting deterioration of a hydrogen sensor included in a fuel cell system according to the present invention, the determining step includes detecting a detected value output from the hydrogen sensor during a predetermined stable operation of the fuel cell. And the determination threshold value set for the predetermined stable operation of the fuel cell, and it is determined whether or not the hydrogen sensor has deteriorated according to the comparison result.
[0012]
According to the method for detecting the deterioration of the hydrogen sensor included in the fuel cell system, for example, when the fuel cell system is mounted as a power source in a vehicle such as a fuel cell vehicle, the determination step is performed when the vehicle is idling. The deterioration is determined during a predetermined stable operation such as when the power generation current of the fuel cell is in a predetermined stable state. Thereby, the deterioration state of the hydrogen sensor can be accurately determined.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a method for detecting deterioration of a hydrogen sensor included in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The hydrogen sensor deterioration detection device (hereinafter, simply referred to as a deterioration detection device) 1 provided in the fuel cell system according to the present embodiment includes, for example, a control device 2, a storage device 3, an alarm device 4, , 14 connected to the fuel cell 10, a first hydrogen sensor 15 a provided on the outlet-side pipe 14 on the oxygen electrode side, and a housing for housing the fuel cell 10 therein. And a second hydrogen sensor 15b provided on the body 10a.
[0014]
The fuel cell 10 is mounted on a vehicle as a power source of, for example, an electric vehicle, and further includes, for example, an electrolyte electrode structure in which a solid polymer electrolyte membrane such as a solid polymer ion exchange membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. It is constituted by laminating many sets of fuel cells (not shown) sandwiched between a pair of separators.
The fuel gas such as hydrogen supplied from the inlet pipe 11 to the fuel electrode is generated while the hydrogen is ionized on the catalyst electrode and moves to the oxygen electrode via the moderately humidified solid polymer electrolyte membrane. The collected electrons are taken out to an external circuit and used as DC electric energy. Since an oxidizing gas such as oxygen or air is supplied to the oxygen electrode through the inlet pipe 12, for example, hydrogen ions, electrons, and oxygen react at the oxygen electrode to generate water. . Then, the reacted so-called off-gas is discharged out of the system from the outlet pipes 13 and 14 on both the fuel electrode side and the oxygen electrode side.
[0015]
Here, a pressure detector 11a for detecting the pressure of the fuel gas supplied to the fuel electrode side is provided in the fuel-cell-side inlet pipe 11 on the fuel electrode side. The pipe 12 is provided with a pressure detector 12a for detecting the pressure of an oxidizing gas such as oxygen supplied to the oxygen electrode side or the pressure of air, and the detection signals output from the pressure detectors 11a and 12a are transmitted to the control device 2a. Has been entered.
Further, the generated current taken out of the fuel cell 10 is input to a current controller 5 including, for example, a DC-DC chopper and the like. The current controller 5 includes, for example, an electric double layer capacitor and an electrolytic capacitor. And the like.
The current controller 5 controls the current value of the power generation current extracted from the fuel cell 10 based on the current command value output from the control device 2, that is, the power generation command for the fuel cell 10, and actually controls the current value of the fuel cell 10. The power generation current taken out is detected, and the detected value is input to the control device 2.
[0016]
Here, a gas contact combustion type first hydrogen sensor 15a is attached to the outlet side pipe 14 on the oxygen electrode side on the upper side in the vertical direction, and the first hydrogen sensor 15a detects the outlet pipe 14 on the oxygen electrode side. It can detect hydrogen gas inside.
Further, a second gas sensor 15b of a gas contact combustion type is mounted on the upper side in the vertical direction of the case 10a that houses the fuel cell 10 therein, and the second hydrogen sensor 15b controls the hydrogen inside the case 10a. Gas can be detected.
[0017]
For example, as shown in FIG. 2, each of the hydrogen sensors 15 a and 15 b includes a rectangular case 19 that is long along the longitudinal direction of the outlet pipe 14 and the like. The case 19 is made of, for example, polyphenylene sulfide, and has flange portions 20 at both ends in the longitudinal direction. A collar 17 is attached to the flange portion 20. For example, as shown in FIG. 3, a bolt 21 is inserted into the collar 17 and fastened and fixed to the outlet side pipe 14 and each mounting seat 16 of the housing 10a. It has become so.
[0018]
For example, as shown in FIG. 3, on the lower surface of the case 19, there is formed a tubular portion 22 that is inserted from the outside into each of the through holes of the outlet pipe 14 and the housing 10a. A circuit board (not shown) is provided in the case 19, and a detection element 29 and a temperature compensation element 30, which will be described later, are connected to the circuit board. The inside of the tubular portion 22 is formed as a gas detection chamber 24, and an end of the tubular portion 22 is formed as an opening as a gas introduction portion 25.
[0019]
A seal member 26 is attached to the outer peripheral surface of the cylindrical portion 22, and is in close contact with the outlet side pipe 14 and the inner peripheral wall of each through hole of the housing 10a to ensure airtightness. The detection element 29 and the temperature compensation element 30 are mounted inside the cylindrical portion 22.
The detecting element 29 and the temperature compensating element 30 are connected to a circuit board, and are provided in a pair at the same height and at predetermined intervals in the gas detecting chamber 24.
The detection element 29 is a well-known element. As shown in FIG. 4, for example, as shown in FIG. It is formed by being covered with a carrier such as alumina carrying a catalyst 29b made of a noble metal or the like.
The temperature compensating element 30 is made inactive with respect to the gas to be detected, and includes, for example, a coil 30a equivalent to the detecting element 29.
Then, the temperature of the detection element 29, which is high due to the heat generated by the combustion reaction generated when hydrogen as the gas to be detected comes into contact with the catalyst 29b of the detection element 29, and the temperature under the ambient temperature where the combustion reaction by the gas to be detected does not occur. Utilizing the fact that a difference in electric resistance value occurs with the compensating element 30, the change in electric resistance value due to the ambient temperature can be offset to detect the hydrogen concentration.
[0020]
For example, as shown in FIG. 4, a branch formed by connecting the detecting element 29 (resistance value R4) and the temperature compensating element 30 (resistance value R3) in series, a fixed resistor 41 (resistance value R1), and a fixed resistor 42 (resistance value). In a bridge circuit in which the branch connected in series with the value R2) is connected in parallel to the power supply 43, a connection point PS between the detecting element 29 and the temperature compensating element 30 and a fixed resistor 41 and 42 are connected. A voltmeter 44 is connected to the connection point PR.
Here, when there is no hydrogen as the gas to be detected, the bridge circuit is balanced and in a state of R1 × R4 = R2 × R3, and the output of the voltmeter 44 becomes zero. On the other hand, when hydrogen is present, the hydrogen burns in the catalyst 29b of the detection element 29, the temperature of the coil 29a increases, and the resistance value R4 increases. On the other hand, in the temperature compensation element 30, hydrogen does not burn and the resistance value R3 does not change. As a result, the balance of the bridge circuit is broken, and an appropriate voltage is applied to the voltmeter 44, which changes in a tendency to increase in accordance with an increase in the hydrogen concentration. The detected value of the voltage output from the voltmeter 44 is input to, for example, the control device 2 described later, and the hydrogen concentration is determined based on a map of the hydrogen concentration set in advance in accordance with the change in the detected value of the voltage. Is calculated.
[0021]
Further, as shown in FIG. 2, for example, a state is set in the gas detection chamber 24 between the detecting element 29 and the temperature compensating element 30 so as to block both of them and along the flowing direction of the gas to be detected. , A rectangular plate-like heater 27 is arranged. The heater 27 heats the inside of the gas detection chamber 24, and is disposed with the heat radiation surface 27 </ b> C directed toward the detection element 29 and the temperature compensation element 30. That is, each surface of the heater 27 is configured as a heat radiation surface 27C. The gas to be detected flowing in by the heater 27 is distributed equally to the detection element 29 and the temperature compensation element 30. Further, a temperature sensor 28 for detecting the temperature inside the gas detection chamber 24 is attached to the gas detection chamber 24.
[0022]
The control device 2 is connected to a first hydrogen sensor 15a attached to the outlet pipe 14 on the oxygen electrode side and a second hydrogen sensor 15b attached to the housing 10a. It is determined whether or not each of the sensors 15a and 15b has deteriorated according to the comparison result between the detection value output for each of the sensors 15a and 15b and the determination threshold value stored in the storage device 3, and the sensors 15a and 15b have deteriorated. When the determination is made, the warning device 4 outputs a warning or the like urging the replacement of the sensors 15a and 15b.
Here, the storage device 3 stores, for example, a map of a predetermined determination threshold value for the detection value of each of the sensors 15a and 15b according to the operating state of the fuel cell 10, for example, the gap pressure, the operating pressure, and the generated current. The control device 2 responds to the inter-electrode differential pressure and the operating pressure calculated based on the detection signals input from the pressure detectors 11a and 12a, and the detection signal of the generated current input from the current controller 5. , The determination threshold stored in the storage device 3 is searched.
[0023]
The deterioration detecting device 1 according to the present embodiment has the above-described configuration. Next, the operation of the deterioration detecting device 1 will be described with reference to the accompanying drawings.
First, in step S01 shown in FIG. 5, at the time of operation of the fuel cell 10, detection signals input from the respective pressure detectors 11a and 12a are acquired as the operation state of the fuel cell 10, and for example, The operating pressure and the like are calculated, and the detection signal of the generated current input from the current controller 5 is obtained.
Then, in step S02, a detected value of the voltage output for each of the first and second hydrogen sensors 15a and 15b is obtained.
Then, in step S03, each determination threshold corresponding to the operating state of the fuel cell 10 is obtained from the storage device 3.
[0024]
Then, in step S04, it is determined whether or not the detected value of the voltage output for each of the hydrogen sensors 15a and 15b is smaller than each of the determination thresholds obtained from the storage device 3 according to the operation state of the fuel cell 10. I do.
If the result of this determination is “NO”, the series of processing ends.
On the other hand, if the result of this determination is "YES", the operation proceeds to step S05, in which the alarm device 4 outputs an alarm or the like for prompting the replacement of the sensors 15a and 15b, and the series of processes ends.
[0025]
As described above, according to the deterioration detection method of the present embodiment, when the detection values of the sensors 15a and 15b are less than the respective determination thresholds set in accordance with the operation state of the fuel cell 10, each sensor 15a , 15b are degraded, it is possible to reliably detect a decrease in sensitivity or the like occurring in each of the sensors 15a, 15b even when the fuel cell 10 is operating.
In particular, for the first hydrogen sensor 15a provided in the outlet side pipe 14 on the oxygen electrode side, a determination threshold value according to the pressure difference between the electrodes is set, and the second hydrogen sensor provided in the housing 10a is set. It is possible to improve the determination accuracy by setting a determination threshold corresponding to the operating pressure for 15b and performing a deterioration determination based on an appropriate operation state amount according to the arrangement position of each sensor 15a, 15b. it can.
[0026]
In the above-described embodiment, the control device 2 searches the map for the determination threshold value of the storage device 3 in accordance with the detection value for the operation state of the fuel cell 10 so that the appropriate timing at the time of operation of the fuel cell 10 is obtained. However, the present invention is not limited to this. For example, when the above-described fuel cell system is mounted as a power supply on a vehicle such as a fuel cell vehicle, the deterioration determination process may be performed during idling at the time of starting the vehicle. The deterioration determination may be performed at the time of the predetermined stable operation, and the storage device 3 may store only the predetermined determination threshold value for the predetermined stable operation state. In this case, it is possible to determine whether the fuel cell 10 is in a predetermined stable operation state based on, for example, a detection signal of a generated current input from the current controller 5 to the control device 2.
In the above-described embodiment, in the determination process of step S04, a correction value including, for example, a detection error of each of the sensors 15a and 15b, an allowable range for the determination threshold, and the like is applied to the determination threshold acquired from the storage device 3. It may be set appropriately, and the determination threshold value corrected by the correction value may be compared with the detection value of each sensor 15a, 15b.
[0027]
In the above-described embodiment, the detected value of the differential pressure between electrodes or the operating pressure is acquired as the operating state of the fuel cell 10. However, the present invention is not limited to this. The detection values such as the flow rate of the reaction gas supplied to the fuel electrode and the oxygen electrode and the temperature of the solid polymer electrolyte membrane are acquired, and the determination threshold value according to these detection values is acquired from the storage device 3. May be.
Further, in the above-described embodiment, the detected value of the voltage output from each of the hydrogen sensors 15a and 15b is compared with a predetermined determination threshold value. However, the present invention is not limited to this, and the output value from each of the hydrogen sensors 15a and 15b is not limited to this. The hydrogen concentration value calculated based on the detected voltage value is compared with a predetermined determination threshold value, and when the calculated hydrogen concentration value is less than the determination threshold value, it is determined that each of the hydrogen sensors 15a and 15b has deteriorated. May be. In this case, the storage device 3 only needs to store the operating state of the fuel cell 10, for example, a hydrogen concentration value corresponding to the gap pressure, the operating pressure, or the like, as a predetermined determination threshold.
[0028]
Further, in the present embodiment described above, each of the hydrogen sensors 15a and 15b outputs the detected value of the voltage between the predetermined contacts in the bridge circuit including each of the elements 29 and 30 and the fixed resistors 41 and 42. The present invention is not limited thereto, and a detected value of a voltage or current detected by another circuit including at least the detection element 29 may be output. In short, by detecting and outputting the state quantity related to the resistance value R4 of the detection element 29, for example, damage or breakage of the carrier carrying the catalyst 29b due to, for example, moisture adhering to the surface of the detection element 29. And the like, so that it is possible to detect that the resistance value R4 does not increase according to the increase in the hydrogen concentration, or that the increase amount of the resistance value R4 according to the increase in the hydrogen concentration decreases due to deterioration such as sensitivity reduction. I just need.
For example, when a voltage between terminals of the detection element 29 is detected in a state where a predetermined voltage is applied to a series circuit including the detection element 29 and an appropriate element whose resistance value increases as the hydrogen concentration increases. When the detection element 29 is deteriorated, the voltage drop at the detection element 29 in this series circuit is relatively reduced. Therefore, when the detected value of the inter-terminal voltage is less than a predetermined determination threshold, each of the hydrogen sensors 15a and 15b It can be determined that it has deteriorated.
Further, for example, in a state where a predetermined current is supplied by a constant current bias circuit or the like to a parallel circuit in which the detection element 29 and an appropriate element whose resistance value increases as the hydrogen concentration increases are connected in parallel, When the current supplied to the detection element 29 is detected, if the detection element 29 is deteriorated, the current supplied to the detection element 29 in this parallel circuit relatively increases. When it is larger than the determination threshold, it can be determined that each of the hydrogen sensors 15a and 15b has deteriorated.
[0029]
Further, in the above-described embodiment, each of the sensors 15a and 15b is a gas contact combustion type gas sensor. However, the present invention is not limited to this. A gas heat conduction type hydrogen sensor that detects hydrogen gas by utilizing it, or an ultrasonic gas sensor, for example, may be used.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for detecting deterioration of the hydrogen sensor provided in the fuel cell system according to the present invention, the fuel cell system according to the first aspect of the present invention uses the determination threshold value set in accordance with the operating state of the fuel cell. At an appropriate timing during operation, the deterioration state of the hydrogen sensor can be easily detected.
Furthermore, according to the method for detecting deterioration of the hydrogen sensor provided in the fuel cell system of the present invention, even when the amount of hydrogen contained in the off-gas changes according to the pressure difference between the electrodes. In addition, the deterioration state of the hydrogen sensor can be appropriately determined.
[0031]
Furthermore, according to the method for detecting deterioration of a hydrogen sensor provided in the fuel cell system of the present invention, even if the amount of hydrogen contained in the housing changes according to the operating pressure, hydrogen The deterioration state of the sensor can be appropriately determined.
Further, according to the method of detecting deterioration of the hydrogen sensor provided in the fuel cell system of the present invention, the accuracy of determining the deterioration state of the hydrogen sensor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a hydrogen sensor deterioration detection device provided in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the hydrogen sensor shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line AA shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing a bridge circuit in which a detection element and a temperature compensation element are connected.
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of a hydrogen sensor deterioration detection device provided in the fuel cell system shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deterioration detection device of hydrogen sensor provided in fuel cell system 10 Fuel cell 10a Housing 14 Outlet pipe on cathode side (cathode off-gas flow pipe)
15a first hydrogen sensor 15b second hydrogen sensor

Claims

As a reaction gas, hydrogen is supplied to the fuel electrode, oxygen is supplied to the oxygen electrode, a method for detecting deterioration of a hydrogen sensor included in a fuel cell system including a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction,
A detection value output from the hydrogen sensor is compared with a predetermined determination threshold value set according to an operation state of the fuel cell, and a determination is made based on the comparison result to determine whether the hydrogen sensor has deteriorated. A method for detecting deterioration of a hydrogen sensor included in a fuel cell system, comprising the steps of:

The fuel cell system includes a cathode off-gas flow pipe for flowing off gas discharged from an oxygen electrode of the fuel cell, and the hydrogen sensor is provided in the cathode off-gas flow pipe and detects hydrogen in the off gas. ,
2. The hydrogen sensor according to claim 1, wherein in the determining, the determination threshold is set according to a pressure difference between the fuel electrode and the oxygen electrode and the reaction gas. 3. Deterioration detection method.

The fuel cell system includes a housing that houses the fuel cell therein, the hydrogen sensor is provided in the housing, and detects hydrogen in the housing.
2. The deterioration of the hydrogen sensor provided in the fuel cell system according to claim 1, wherein the determining step sets the determination threshold according to a supply pressure of the reaction gas when the fuel cell operates. Detection method.

The determining step compares a detection value output from the hydrogen sensor with the determination threshold set for the predetermined stable operation of the fuel cell during a predetermined stable operation of the fuel cell. The method for detecting deterioration of a hydrogen sensor included in a fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein it is determined whether or not the hydrogen sensor has deteriorated in accordance with the condition.