JP2005235453A

JP2005235453A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005235453A
Application number: JP2004040327A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okuyoshi; 雅宏奥吉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: JP4826060B2

Abstract

【課題】本発明は燃料電池システムに関し、燃料電池への燃料ガスの供給の異常を迅速に検出できるようにする。
【解決手段】燃料ガス通路４に配置される複数の流体機器６，１０（その少なくとも一つは燃料電池２の負荷に応じて燃料ガスの供給に係わる構造或いは動作が変化する可変型の流体機器１０である）間における燃料ガスの実供給状態を取得するとともに、燃料電池２の負荷から複数の流体機器６，１０間における燃料ガスの目標供給状態を求める。そして、実供給状態と目標供給状態とのずれから燃料ガス通路４における異常の発生を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料ガス通路における異常の発生を判定する異常判定技術に関する。

電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触しカソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。燃料電池の出力は燃料ガスの供給量によって決まり、負荷に応じた電流を燃料電池に出力させるためには、負荷に応じた量の燃料ガスを燃料電池に供給する必要がある。燃料電池をモータ等の作動要素の電源として用いる燃料電池システムでは、高圧水素タンク等の燃料ガス供給源と燃料電池とを燃料ガス通路によって接続するとともに、レギュレータやエジェクタ等の複数の流体機器を介して燃料電池への燃料ガスの供給量を燃料電池の負荷に応じた所望の供給量に調整している。

ところで、上記のように燃料ガス通路に複数の流体機器が配置された構成では、流体機器の故障に起因して燃料ガス通路に何らかの異常が発生し、所望の量の燃料ガスを燃料電池に供給できなくなる可能性が存在する。燃料ガスの供給量は燃料電池の出力に影響するため、燃料ガスの供給量の所望供給量からのずれは燃料電池システムの運転性能を低下させることになる。したがって、何等かの原因により燃料電池への燃料ガスの供給に異常が発生した場合、その影響が燃料電池に及ぶ前に燃料ガスの供給の異常をいち早く検出できるようにしたい。

燃料ガスの供給の異常を検出するための従来技術としては、例えば特許文献１に記載された異常判定技術を用いることができる。この従来技術では、燃料電池の作動流体が流れる管路を複数の区間に分割し、各区間の上流側、下流側のそれぞれに圧力センサを配置して各圧力センサの検出値と所定値とのずれからその区間における異常の発生を判定するようになっている。
特開平３−２５０５６４号公報特開２００１−１００３３４号公報

しかしながら、上記の従来技術では、場合によっては異常の検出に遅れが生じる可能性がある。例えば、エジェクタ等の流体機器の配置により区間の途中で流路が絞られている場合、その絞りの上流域において生じた圧力変動が下流の圧力センサに及ぶまでには少なからぬ時間を要する。このため、絞りの上流域で何らかの異常が生じた場合には、それが下流の圧力センサで検出されるまでに時間遅れが生じ、異常の検出が遅れてしまうことになる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池への燃料ガスの供給の異常を迅速に検出できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、前記燃料ガス通路に配置された複数の流体機器とを含み、前記複数の流体機器の少なくとも一つは前記燃料電池の負荷に応じて前記燃料ガスの供給に係わる構造或いは動作が変化する可変型の流体機器であり、前記可変型流体機器の作動により前記燃料電池への前記燃料ガスの供給状態が変化する燃料電池システムにおいて、
前記複数の流体機器間における前記燃料ガスの実供給状態を取得する実供給状態取得手段と、
前記燃料電池の負荷から前記複数の流体機器間における前記燃料ガスの目標供給状態を求める目標供給状態演算手段と、
前記実供給状態と前記目標供給状態とのずれから前記燃料ガス通路における異常の発生を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記複数の流体機器は調圧弁と前記調圧弁の下流に配置されるエジェクタであり、
前記実供給状態取得手段は、前記調圧弁と前記エジェクタとの間における前記燃料ガス通路内の圧力及び温度と、前記エジェクタの流路面積とから前記実供給状態を求めるように構成され、
前記目標供給状態演算手段は、前記燃料電池の負荷に応じて要求される前記燃料電池の出力電流値から前記目標供給状態を求めるように構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、流体機器の故障に起因して燃料ガス通路に異常が発生した場合、流体機器間における燃料ガスの実供給状態と目標供給状態とのずれに基づく異常判定により、異常の発生を迅速に検出することができる。したがって、本発明によれば、燃料ガス通路に発生した異常の影響が燃料電池に及ぶ前に燃料ガスの供給の異常をいち早く検出することが可能になる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の燃料電池システムは、例えば車両に搭載される車両用燃料電池システムに適用することができる。ただし、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。

図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池システムの概略構成図である。この図に示すように、本燃料電池システムは、電力供給手段として燃料電池２を備えている。燃料電池２は、水素イオン透過性の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。

燃料電池２のアノード入口には燃料ガス通路４が接続されている。燃料ガス通路４の上流側には高圧水素タンクや改質器などの図示しない燃料ガス供給装置が接続されており、燃料電池２は燃料ガス供給装置から燃料ガスの供給を受けるようになっている。燃料ガス通路４には低圧レギュレータ６が配置されており、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスは低圧レギュレータ６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。

また、燃料電池２には燃料ガスのオフガス（燃料オフガス）を排出するための燃料オフガス通路８が接続されている。燃料オフガス通路８の下流側は、エジェクタ１０を介して燃料ガス通路４における低圧レギュレータ６の下流側に接続されている。燃料オフガス通路８には図示しないポンプが配置されており、ポンプによって駆動されることで燃料オフガスは燃料電池２から燃料オフガス通路８に引き出され、エジェクタ１０を介して再び燃料ガス通路４に送り出される。これにより、本燃料電池システムでは、燃料電池２の運転時には燃料ガスは燃料ガス通路４と燃料オフガス通路８を通って循環する。

エジェクタ１０としては流量を可変調整できる可変エジェクタが用いられている。エジェクタ１０は、ニードル弁により流路面積を変化させることができる可変ノズルを備えており、可変ノズルの作動により流量を調整できるようになっている。ニードル弁の位置決めはステッピングモータによって行われ、ステッピングモータの回転量によってエジェクタ１０の流路面積が制御されている。

なお、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための酸化ガス通路が接続されている。また、カソード出口には酸化ガスのオフガスを排出するための酸化オフガス通路が接続されている。ただし、これらについては本燃料電池システムの特徴部分ではないので図１中での表示は省略している。

本燃料電池システムは、燃料電池２に供給される燃料ガスの流量を調整するための制御装置２０を備えている。制御装置２０の出力側にはエジェクタ１０のステッピングモータが接続されている。制御装置２０は燃料電池２の負荷に応じて要求される燃料電池２の出力電流値から燃料ガスの目標流量を求め、エジェクタ１０の流路面積が目標流量に応じた流路面積になるようにステッピングモータの回転量を制御している。燃料電池２の負荷は、例えば、本燃料電池システムが車両用燃料電池システムの場合には、モータの回転数やアクセル開度から求めることができる。

ところで、本燃料電池システムのような低圧レギュレータ６やエジェクタ１０のような流体機器を介して燃料ガスを供給するシステムでは、流体機器の故障によって所望の量の燃料ガスを燃料電池２に供給できなくなるおそれがある。燃料ガスの供給量は燃料電池２の出力に影響するため、燃料ガスの供給に異常が発生した場合には、その異常の発生を早期に検出することが望まれる。そこで、本燃料電池システムでは、燃料ガスの供給の異常を早期に検出するための異常判定機能を制御装置２０に具備させている。以下、制御装置２０の異常判定機能について詳細に説明する。

制御装置２０は、以下の式（１）で表される異常指標Ｘを所定の判定値Ａと比較することで燃料ガスの供給の異常を判定している。
Ｘ＝Ｐ×Ｓ／Ｉ・・・（１）
上記の式（１）において、Ｐは圧力センサ２２によって検出される圧力である。圧力センサ２２は低圧レギュレータ６とエジェクタ１０との間に配置され、その区間における燃料ガス通路４内の圧力を検出して制御装置２０に出力している。Ｓはエジェクタ１０の流路面積であり、エジェクタ１０の可変ノズルを駆動するステッピングモータの回転量から算出される。Ｉは燃料電池２の要求出力電流値であり、燃料電池２の負荷から算出される。なお、制御装置２０には、図示しない電流計によって検出される燃料電池２の実出力電流値も入力されている。制御装置２０は、負荷から求められる要求出力電流値Ｉと電流計により検出される実出力電流値とを比較し、要求出力電流値Ｉに対する実出力電流値の追従状態を監視することで、要求出力電流値Ｉの信頼性を担保している。

上記の異常指標Ｘは次のようにして求められたものである。まず、エジェクタ１０を通過できる燃料ガスの最大流量Ｑは、以下の式（２）で表される。
Ｑ＝ｋ₁×Ｐ×Ｓ／Ｔ^1/2 ・・・（２）
上記の式（２）において、Ｔは温度センサ２４によって検出される温度である。温度センサ２４は低圧レギュレータ６とエジェクタ１０との間に配置され、その区間における燃料ガス通路４内の温度を検出して制御装置２０に出力している。ｋ₁は定数である。この最大流量Ｑは、レギュレータ６とエジェクタ１０との間における燃料ガスの実供給状態を表している。

一方、燃料電池２が要求出力電流値Ｉを実現するのに必要な燃料ガスの流量（目標流量）Ｑ′は、以下の式（３）で表される。
Ｑ′ ＝ｋ₂×Ｉ・・・（３）
上記の式（２）において、ｋ₂は定数である。この目標流量Ｑ′は、レギュレータ６とエジェクタ１０との間における燃料ガスの目標供給状態を表している。

燃料電池２の負荷に応じた燃料ガスを供給するためには、エジェクタ１０を通過する燃料ガスの最大流量Ｑが目標流量Ｑ′以上になっていなければならない。したがって、燃料ガスが正常に供給されているときには、以下の式（４）が成立することになる。
ｋ₁×Ｐ×Ｓ／Ｔ^1/2 ≧ ｋ₂×Ｉ・・・（４）
上記の式（４）を変形することにより、以下の式（５）が得られる。
Ｐ×Ｓ／Ｉ ≧ （ｋ₂／ｋ₁）×Ｔ^1/2 ・・・（５）
上記の式（５）は、燃料ガスが正常に供給されているときに成り立つ関係式であり、燃料ガスの供給に異常が発生しているときには、以下の式（６）が成立する。
Ｐ×Ｓ／Ｉ＜（ｋ₂／ｋ₁）×Ｔ^1/2 ・・・（６）

先に述べた異常指標Ｘは上記の式（５）、式（６）の左辺であり、式（５）、式（６）の右辺が判定値Ａとなる。制御装置２０は、このようにして設定される異常指標Ｘと判定値Ａとに基づき、図２のフローチャートで示されるルーチンに従い異常判定を行う。なお、判定値Ａは温度Ｔの関数であり、制御装置２０は温度Ｔと判定値Ａとの関係をマップ化して記憶している。

まず、最初のステップ１００では、要求出力電流値Ｉが算出されるとともに、圧力Ｐ、温度Ｔ、及び流路面積Ｓが検出される。そして、次のステップ１０２では、要求出力電流値Ｉ、圧力Ｐ、及び流路面積Ｓから異常指標Ｘが算出されるとともに、温度Ｔに応じた判定値Ａがマップから算出される。

ステップ１０４では、異常指標Ｘと判定値Ａとが比較される。上述のように、低圧レギュレータ６やエジェクタ１０の故障により燃料ガスの供給に異常が生じているときには、燃料ガスの最大流量Ｑが目標流量Ｑ′未満となり、異常指標Ｘは判定値Ａ未満となる。具体的な故障の事例としては、低圧レギュレータ６の故障によって下流に燃料ガスが流れなくなった場合が想定される。この場合、圧力Ｐが下がるために異常指標Ｘの値は小さくなる。また、エジェクタ１０の故障により流路面積Ｓを拡大すべきときに拡大できなかった場合も想定される。この場合、流路面積Ｓを拡大すべきときとは要求出力電流値Ｉが大きくなったときであるので、流路面積Ｓが拡大せず要求出力電流値Ｉのみが増大することで異常指標Ｘの値は小さくなる。ただし、燃料電池２の負荷が変化したときのような過渡状態では、一時的に燃料ガスの最大流量Ｑが目標流量Ｑ′を下回ってしまう可能性がある。このような一時的な現象を異常と誤判定してしまうことがないよう、何らかの処置を施しておく必要がある。

そこで、異常指標Ｘが判定値Ａ未満の場合には、さらにステップ１０６の判定が行われる。ステップ１０６では、異常指標Ｘが判定値Ａ未満となる状態が所定時間持続したか否か判定される。所定時間続いて異常指標Ｘが判定値Ａを下回っている場合には、一時的な現象ではなく燃料ガスの供給に異常が生じていると判断できるので、このような場合にはステップ１０８に進み、燃料ガスの供給に異常が生じていると判定する。判定結果は、例えば、本燃料電池システムが車両用燃料電池システムの場合には、車室内の異常監視モニタへの表示を介してドライバに認知させる。

以上のような異常判定ルーチンを実行することで、低圧レギュレータ６或いはエジェクタ１０の故障に起因する燃料ガスの供給の異常を迅速に検出することが可能になる。異常の迅速な検出を可能にしているのは、一つに、低圧レギュレータ６とエジェクタ１０との間の燃料ガスの供給状態（燃料ガス流量）に特化して燃料ガスの供給の異常を判定していることによる。従来の燃料電池システムには、燃料電池２のアノード入口に圧力センサを備え、燃料電池２の入口圧から燃料ガスの低圧異常を検出するものもあるが、低圧レギュレータ６やエジェクタ１０で故障が発生した場合、エジェクタ１０にはノズルが設けられているため、故障に伴う圧力変動が下流の圧力センサに及ぶまでに時間を要し、異常の検出が遅れてしまう。これに対し、本燃料電池システムでは、低圧レギュレータ６とエジェクタ１０との間の燃料ガスの供給状態に特化して異常判定を行うので、迅速な検出が可能になる。

また、低圧レギュレータ６或いはエジェクタ１０の故障に起因する燃料ガス通路４の異常が発生した場合に、その影響が燃料ガスの実供給状態を示す最大流量Ｑに速やかに反映されることも、異常の迅速な検出を可能にする要因になっている。本燃料電池システムでは、最大流量Ｑは、エジェクタ１０の流路面積Ｓと、低圧レギュレータ６とエジェクタ１０との間の燃料ガス通路４内の圧力Ｐ及び温度Ｔから求められるからである。これには、流量センサ等の新たな装置を追加することなく燃料ガス流量を求めることができるという利点もある。また、燃料電池２の実出力電流値ではなく、その将来値である要求出力電流値Ｉを目標流量Ｑ′の演算に用いていることも、異常の迅速な検出を可能にする要因になっている。

なお、上述の実施の形態においては、制御装置２０によるステップ１００，１０２の処理の実行により、第１の発明にかかる「実供給状態取得手段」及び「目標供給状態演算手段」が実現されている。また、制御装置２０によるステップ１０４，１０６，１０８の処理の実行により、第１の発明にかかる「異常判定手段」が実現されている。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上述の実施の形態では、最大流量Ｑの算出にかかる流量係数として定数ｋ₁を用いるが、正確にはエジェクタ１０の流量係数は定数ではなく流路面積Ｓに依存している。つまり、最大流量Ｑは正確には以下の式（７）で表される。
Ｑ＝Ｃｖ×Ｐ×Ｓ／Ｔ^1/2 ・・・（７）
上記の式（７）において、Ｃｖは流路面積Ｓに依存する流量係数であり、流路面積Ｓの増大に応じて増大する。上記の式（７）を用い、以下の式（８）が所定時間継続して成立したら、燃料ガスの供給に異常が発生していると判定するようにしてもよい。なお、式（８）におけるｋは定数である。この式（８）を用いた判定によれば、より正確な異常判定が可能になる。
Ｃｖ×Ｐ×Ｓ／Ｉ＜ｋ×Ｔ^1/2 ・・・（８）

また、上述の実施形態では、燃料ガスを循環させながら運転する形式の燃料電池システムに本発明を適用しているが、本発明は燃料オフガスを循環させずに排気する非循環式の燃料電池システムにも適用可能である。この場合は、流量調整手段としてエジェクタの代わりに例えば可変型の絞りを配置すればよい。絞りを通過する最大流量は、絞りの流路面積と、低圧レギュレータと可変絞りとの間の燃料ガス通路内の圧力及び温度から求めることができる。

また、上述の実施の形態では、エジェクタ１０と低圧レギュレータ６のうち、エジェクタ１０を可変型にしているが、エジェクタ１０は固定型にして低圧レギュレータ６を可変型にすることも可能である。具体的には、エジェクタ１０は流路面積を固定にし、低圧レギュレータ６は調圧値を燃料電池２の負荷に応じて可変にすることができる。非循環式の燃料電池システムであれば、絞りは固定型にして低圧レギュレータを可変型にしてもよい。燃料ガス通路に配置される複数の流体機器のうち、その少なくとも一つが燃料電池の負荷に応じて燃料ガスの供給に係わる構造或いは動作が変化する可変型の流体機器であれば、本発明を適用することができる。

本発明の実施の形態としての燃料電池システムの概略構成図である。本発明の実施の形態において実行される異常判定ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

２燃料電池
４燃料ガス通路
６低圧レギュレータ
８燃料オフガス通路
１０エジェクタ
２０制御装置
２２圧力センサ
２４温度センサ

Claims

燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、前記燃料ガス通路に配置された複数の流体機器とを含み、前記複数の流体機器の少なくとも一つは前記燃料電池の負荷に応じて前記燃料ガスの供給に係わる構造或いは動作が変化する可変型の流体機器であり、前記可変型流体機器の作動により前記燃料電池への前記燃料ガスの供給状態が変化する燃料電池システムにおいて、
前記複数の流体機器間における前記燃料ガスの実供給状態を取得する実供給状態取得手段と、
前記燃料電池の負荷から前記複数の流体機器間における前記燃料ガスの目標供給状態を求める目標供給状態演算手段と、
前記実供給状態と前記目標供給状態とのずれから前記燃料ガス通路における異常の発生を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記複数の流体機器は調圧弁と前記調圧弁の下流に配置されるエジェクタであり、
前記実供給状態取得手段は、前記調圧弁と前記エジェクタとの間における前記燃料ガス通路内の圧力及び温度と、前記エジェクタの流路面積とから前記実供給状態を求めるように構成され、
前記目標供給状態演算手段は、前記燃料電池の負荷に応じて要求される前記燃料電池の出力電流値から前記目標供給状態を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。