JP2010251082A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度が高い燃料ガスが外部に放出されることを回避しつつ、燃料ガス流路の圧力センサの補正処理を行う。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路３２，３３と、燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサ３８と、燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、圧力センサ３８の出力を補正するための補正処理を行う手段と、当該補正処理の際に、上記排出される燃料ガスを希釈する手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムおよびその制御装置に関する。

燃料ガス（例えば水素）および酸化剤ガス（例えば酸素）を用いて発電する燃料電池システムがある（例えば特許文献１参照）。

特許文献１には、燃料電池システムの酸素極（カソード）側の配管を大気圧に解放した状態で、カソード側の圧力センサの補正を行うことが記載されている。また、燃料極（アノード）からの排気（アノードオフガス）を外部に排出するための排出バルブを解放し、アノード側の配管を大気圧に解放して、アノード側の圧力センサの補正を行うことも可能である旨が記載されている。

特開２００４−３４２４７５号公報

燃料電池に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、当該燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサとを有する燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給精度を向上させる等の観点より、上記圧力センサの補正を行いたいという要望がある。

この場合、燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、圧力センサの補正処理を行う方法が考えられる。例えば、特許文献１に記載されているように、燃料ガス流路内の燃料ガスを外部に排出して、燃料ガス流路を大気圧に開放した状態で、大気圧を基準として、圧力センサの補正処理を行うことが考えられる。

しかし、上記方法では、濃度が高い燃料ガスが外部（例えば大気中）に放出されてしまい、好ましくない。

本発明は、濃度が高い燃料ガスが外部に放出されることを回避しつつ、燃料ガス流路の圧力センサの補正処理を行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置を提供する。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサと、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、前記圧力センサの出力を補正するための補正処理を行う手段と、前記補正処理の際に、前記排出される燃料ガスを希釈する手段と、を有することを特徴とする。

本発明の一態様では、前記希釈する手段は、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための手段を用いて、前記燃料ガスに酸化剤ガスを与えることにより、前記燃料ガスを希釈する。

また、本発明の一態様では、前記補正処理の終了後、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給して、前記燃料ガス流路内のガスの圧力を所定圧力に上げる手段をさらに有する。

本発明に係る燃料電池システムの制御装置は、燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサと、を有する燃料電池システムの制御装置であって、前記燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、前記圧力センサの出力を補正するための補正処理を行う補正処理手段と、前記補正処理の際に、前記排出される燃料ガスを希釈する制御を行う希釈制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、濃度が高い燃料ガスが外部に放出されることを回避しつつ、燃料ガス流路の圧力センサの補正処理を行うことができる。

実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。 実施の形態に係る制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態に係る制御装置の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成の一例を示す概略図である。この燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電するシステムであり、本実施の形態では、燃料電池自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム１は、燃料電池自動車以外に適用されてもよく、例えば据え置き型などであってもよい。

図１において、燃料電池システム１は、燃料電池１０、酸化剤ガス給排系２０、燃料ガス給排系３０、大気圧センサ４０、および制御装置５０を含む。

燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する。図１の例では、燃料ガスは水素を含むガスであり、酸化剤ガスは酸素を含む空気等のガスであり、燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する。具体的には、燃料電池１０は、多数のセルが積層されたスタック構造を有し、各セルは、電解質膜を挟んで燃料極（以下、「アノード」と称す）と酸化剤極（以下、「カソード」と称す）とが配置された構成を有する。セルは、例えば、固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルである。ただし、燃料電池１０としては、他のタイプのものが利用されてもよい。

酸化剤ガス給排系２０は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスとしての空気を供給し、燃料電池１０からの排気であるカソードオフガスを外部（具体的には大気）に排出する。酸化剤ガス給排系２０は、燃料電池１０に酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路と、燃料電池１０に供給される酸化剤ガスの量を制御するための要素とを含む。

具体的には、酸化剤ガス給排系２０は、外部から取り込んだ空気を圧縮するエアコンプレッサ２１と、当該エアコンプレッサ２１で圧縮された空気を燃料電池１０のカソードに導くための空気供給配管２２と、燃料電池１０のカソードからの排気であるカソードオフガスを外部に排出するための空気排出配管２３とを含む。空気排出配管２３には、空気の圧力を調整するための調圧バルブ２４が設けられている。

さらに、図１の例では、空気供給配管２２には、エアコンプレッサ２１からの空気を燃料電池１０を通さずに外部に導くためのバイパス配管２５が接続されている。このバイパス配管２５には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するためのバルブが設けられてもよい。

なお、酸化剤ガス給排系２０の具体的構成は上記に限られず、適宜、要素の追加、変更、削除等がなされてもよい。例えば、酸化剤ガス給排系２０には、配管内のガスの圧力を検出するための圧力センサや、配管内のガスの温度を検出するための温度センサ、燃料電池１０に供給される空気を加湿する加湿器などが設けられてもよい。また、バイパス配管２５は省略されてもよい。

燃料ガス給排系３０は、燃料電池１０に対して燃料ガスとしての水素を供給し、燃料電池１０からの排気であるアノードオフガスを外部（具体的には大気）に排出する。燃料ガス給排系３０は、燃料電池１０に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、燃料電池１０に供給される燃料ガスの量を制御するための要素とを含む。

具体的には、燃料ガス給排系３０は、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク３１と、当該水素タンク３１から供給される水素を燃料電池１０のアノードに導くための水素供給配管３２と、燃料電池１０のアノードからの排気であるアノードオフガスを水素供給配管３２に戻すための水素循環配管３３とを含む。

水素供給配管３２には、水素供給配管３２と水素循環配管３３との合流部よりも上流側に、燃料電池１０に供給される水素の圧や量を制御するためのインジェクタ３４が設けられている。また、水素循環配管３３には、アノードオフガスを加圧して水素を循環させるための水素ポンプ３５が設けられている。また、水素循環配管３３には、アノードオフガスを外部に導くための水素排出配管３６が接続されており、この水素排出配管３６には、アノードオフガスの排出を制御するための排出バルブ３７が設けられている。この排出バルブ３７は、アノードオフガスおよび水分を排出するための排気排水弁であってよい。排出バルブ３７が閉じられている場合には、アノードオフガスは水素循環配管３３を介して水素供給配管３２に戻されて燃料電池１０に循環供給される。したがって、水素供給配管３２のインジェクタ３４の下流側部分と、燃料電池１０内の水素流路と、水素循環配管３３とは、水素を循環させる流路である水素循環流路を構成する。一方、排出バルブ３７が開かれると、アノードオフガスは、水素排出配管３６を通って外部に排出され、これにより不純物の低減が図られる。

水素排出配管３６は、排出バルブ３７の下流側において、空気排出配管２３およびバイパス配管２５と合流した後、不図示のマフラを介して外部（外気）に連通している。

燃料ガス給排系３０は、燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサを含む。図１の例では、水素供給配管３２には、当該配管内のガスの圧力を検出するための圧力センサ３８が設けられている。ただし、圧力センサ３８は、水素循環配管３３など、他の部分に配置されてもよい。

なお、燃料ガス給排系３０の具体的構成は上記に限られず、適宜、要素の追加、変更、削除等がなされてもよい。例えば、水素供給配管３２のインジェクタ３４の上流側には、水素の供給を遮断するためのシャットバルブや、水素の圧力を調整するための調圧バルブが設けられてもよい。また、水素タンク３１に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

大気圧センサ４０は、大気圧を検出するためのセンサである。具体的な一態様では、大気圧センサ４０は、圧力センサ３８よりも計測範囲が狭く、計測の分解能または精度が高い特性を有している。

制御装置５０は、燃料電池システム１の動作を制御する。制御装置５０は、具体的には、各種の入力情報（圧力センサの出力やアクセル開度など）に基づき、被制御装置（エアコンプレッサ２１、圧力調整バルブ２４、インジェクタ３４、水素ポンプ３５、排出バルブ３７など）を制御する。

制御装置５０は、圧力センサ３８の出力に基づき、燃料電池１０に対する水素の供給を制御する。ここで、圧力センサ３８の出力には、経年変化その他の要因により、誤差が生じる可能性がある。このように誤差を含んだ状態で、圧力センサ３８の出力に基づき水素の供給を制御すると、燃料電池１０に対する水素の供給量の過不足を招き、効率的な発電を阻害する場合がある。

そこで、本実施の形態では、制御装置５０は、圧力センサ３８の出力を補正するための制御を行う。

図２には、本実施の形態に係る制御装置５０の機能構成の一例が示されている。図２において、制御装置５０は、補正処理部５１、希釈制御部５２、および燃料ガス供給制御部５３を含む。

補正処理部５１は、燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、圧力センサ３８の出力を補正するための補正処理を行う。一つの態様では、補正処理部５１は、燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、燃料ガス流路を大気に開放した状態で（すなわち燃料ガス流路を大気圧にした状態で）、圧力センサ３８の補正処理を行う。より具体的には、補正処理部５１は、排出バルブ３７を開き、水素循環流路内のガスを水素排出配管３６およびマフラを介して大気中に放出し、水素循環流路を大気開放した状態で、圧力センサ３８の補正処理を行う。

補正処理は、圧力センサ３８の出力を補正するための処理であればよいが、一つの態様では、補正処理部５１は、燃料ガス流路を大気圧にした状態で、圧力センサ３８の検出値と大気圧値とに基づき、圧力センサ３８のオフセット誤差を補正するオフセット補正を行う。この場合、補正処理部５１は、圧力センサ３８の出力を補正するための補正値を求めてもよいし、圧力センサ３８自体を調整してもよい。例えば、圧力センサ３８の検出値と大気圧値との差をオフセット補正値として求めてもよいし、圧力センサ３８の検出値が大気圧値と一致するように圧力センサ３８自体のオフセット調整を行ってもよい。図１の例では、補正処理部５１は、上記大気圧値として、大気圧センサ４０の検出値を取得して利用する。ただし、補正処理部５１は、別の方法で大気圧値を取得してもよく、例えば、大気圧などの気象情報を提供するサーバからネットワーク経由で大気圧値を取得してもよいし、利用者からの大気圧値の入力を受け付けてもよい。このような場合には、大気圧センサ４０は省略されてもよい。

補正処理部５１は、一つの態様では、テストモードにて上記補正処理を実行する。ここで、テストモードは、例えば、車両を運転しない特殊なモード、パワースイッチをオン操作しても車両システムが起動しないモード、イグニションオン後に電力系のみを立ち上げるモードなどである。ただし、補正処理部５１は、上記以外のタイミングで補正処理を実行してもよい。例えば、車両の運転中に、一定時間発電をしない場合に補正処理を実行することも可能である。

希釈制御部５２は、上記補正処理の際に、排出される燃料ガスを希釈する制御を行う。例えば、希釈制御部５２は、所定の安全基準内の濃度の燃料ガスが大気へ放出されるように、燃料ガスの希釈を行う。

一つの態様では、希釈制御部５２は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するための手段を用いて、上記燃料ガスに酸化剤ガスを与えることにより、燃料ガスを希釈する。具体的には、希釈制御部５２は、エアコンプレッサ２１を起動させ、水素循環流路から排出された水素に空気を与え、水素を希釈して外部に排出する。この場合、エアコンプレッサ２１からの空気は、空気排出配管２３およびバイパス配管２５のうちの少なくとも一方を通って水素排出配管３６に合流し、水素循環流路から排出された水素は、上記合流した空気と混合されて希釈された後に、マフラを介して大気に放出される。

なお、水素が外部に放出される前に希釈することができれば、すなわち水素を希釈して外部に放出することができれば、上記以外の態様で水素を希釈してもよい。ここで、外部とは、高濃度の水素が放出されることが好ましくない領域である。したがって、例えば、エアコンプレッサ２１以外の機器によって空気を供給して水素を希釈してもよいし、空気以外のもので水素を希釈してもよい。また、上記のように水素循環流路から排出された水素を希釈するのではなく、水素循環流路内で水素を希釈した後に、水素循環流路から希釈後の水素を排出してもよい。

燃料ガス供給制御部５３は、補正処理部５１による補正処理の終了後、燃料ガス流路に燃料ガスを供給して、燃料ガス流路内のガスの圧力を所定圧力に上げる制御を行う。当該制御は、次回の起動時に燃料ガス不足にならないようにするものであり、好ましくは補正処理の終了直後に実施される。

具体的には、燃料ガス供給制御部５３は、圧力センサ３８の出力に基づき、インジェクタ３４を噴射させて、水素循環流路内に水素を供給し、水素循環流路内の圧力を所定圧力に上げる。

なお、制御装置５０は、一つの態様では、ハードウェア資源とソフトウェアとの協働により実現される。具体的には、制御装置５０の各種機能は、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記録媒体に記録されたプログラムが主記憶装置（メインメモリ）に読み出されて中央処理装置（CPU: Central Processing Unit）により実行されることによって実現される。上記プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されることも可能であるし、データ信号として通信により提供されることも可能である。ただし、制御装置５０は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置５０は、物理的に１つの装置により実現されてもよいし、複数の装置により実現されてもよい。

図３は、本実施の形態に係る制御装置５０の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図３を参照しながら、制御装置５０の動作を説明する。なお、図３の処理は、例えば、車両の整備場やディーラにおいて、テストモード時に実行される。

制御装置５０は、排出バルブ３７を開くとともに（Ｓ１）、エアコンプレッサ２１を回転させる（Ｓ２）。これにより、水素循環流路内のガスは、水素排出配管３６に排出され、エアコンプレッサ２１からの空気により希釈されて、マフラを介して大気中に放出される。なお、排出バルブ３７の開放およびエアコンプレッサ２１の回転のタイミングは、適宜に決められればよく、例えば、エアコンプレッサ２１を回転させた後、排出バルブ３７を開いてもよい。

ついで、制御装置５０は、圧力センサ３８の検出値が大気圧付近まで下がったか否かを判断する（Ｓ３）。例えば、制御装置５０は、圧力センサ３８の検出値と大気圧センサ４０の検出値との差が所定値以下となった場合に、大気圧付近まで下がったと判断する。ただし、判断条件はこれに限定されず、制御装置５０は、圧力センサ３８の検出値が予め記憶された所定値以下となった場合や、排出バルブ３７を開いてから所定時間が経過した場合に、大気圧付近まで下がったと判断してもよい。

制御装置５０は、圧力センサ３８の検出値が大気圧付近まで下がったと判断するまで待機し（Ｓ３：ＮＯ）、大気圧付近まで下がったと判断すると（Ｓ３：ＹＥＳ）、エアコンプレッサ２１の回転を停止させ（Ｓ４）、圧力センサ３８のオフセット補正処理を実施する（Ｓ５）。オフセット補正処理では、制御装置５０は、圧力センサ３８の検出値Ｐｓと、大気圧センサ４０の検出値Ｐａとを取得し、両者の圧力差ΔＰ（＝Ｐｓ−Ｐａ）を算出し、当該圧力差ΔＰを、圧力センサ３８の検出値を補正するための補正値Ｐｃとして設定する。

オフセット補正処理が終了すると、制御装置５０は、排出バルブ３７を閉じた後（Ｓ６）、インジェクタ３４の噴射を開始させる（Ｓ７）。

ついで、制御装置５０は、水素循環流路内の圧力が所定圧力まで上昇したか否かを判断する（Ｓ８）。具体的には、制御装置５０は、圧力センサ３８の検出値Ｐｓを補正値Ｐｃにより補正して、補正後の圧力値Ｐ（＝Ｐｓ−Ｐｃ）を求め、当該圧力値Ｐが所定圧力値以上となったか否かを判断する。

制御装置５０は、所定圧力まで上昇したと判断するまでインジェクタ３４の噴射を行い（Ｓ８：ＮＯ）、所定圧力まで上昇したと判断すると（Ｓ８：ＹＥＳ）、インジェクタ３４の噴射を停止させ（Ｓ９）、処理を終了させる。

以上のとおり、本実施の形態では、燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、当該燃料電池に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサとを有する燃料電池システムにおいて、燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、上記圧力センサの出力を補正するための補正処理を行い、当該補正処理の際に、上記排出される燃料ガスを希釈する。このため、本実施の形態によれば、濃度が高い燃料ガスが外部に放出されることを回避しつつ、燃料ガス流路の圧力センサの補正処理を行うことができ、燃料ガスの供給精度の向上を図ることができる。

また、本実施の形態では、燃料電池に酸化剤ガスを供給するための手段を用いて、燃料ガスに酸化剤ガスを与えることにより燃料ガスを希釈する。このため、簡易な構成で、または新たな機器を追加することなく、燃料ガスの希釈が可能となる。

また、本実施の形態では、圧力センサの補正処理の終了後、燃料ガス流路に燃料ガスを供給して、燃料ガス流路内のガスの圧力を所定圧力に上げる。このため、次回の燃料電池の発電に備えることができる。具体的には、次回の燃料電池の発電の際に燃料ガス不足となることを回避することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。

１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、２０ 酸化剤ガス給排系、２１ エアコンプレッサ、２２ 空気供給配管、２３ 空気排出配管、２４ 調圧バルブ、２５ バイパス配管、３０ 燃料ガス給排系、３１ 水素タンク、３２ 水素供給配管、３３ 水素循環配管、３４ インジェクタ、３５ 水素ポンプ、３６ 水素排出配管、３７ 排出バルブ、３８ 圧力センサ、４０ 大気圧センサ、５０ 制御装置、５１ 補正処理部、５２ 希釈制御部、５３ 燃料ガス供給制御部。

Claims (4)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサと、
   前記燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、前記圧力センサの出力を補正するための補正処理を行う手段と、
   前記補正処理の際に、前記排出される燃料ガスを希釈する手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記希釈する手段は、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための手段を用いて、前記燃料ガスに酸化剤ガスを与えることにより、前記燃料ガスを希釈することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記補正処理の終了後、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給して、前記燃料ガス流路内のガスの圧力を所定圧力に上げる手段をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路内のガスの圧力を検出するための圧力センサと、を有する燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料ガス流路内の燃料ガスを排出して、前記圧力センサの出力を補正するための補正処理を行う補正処理手段と、
   前記補正処理の際に、前記排出される燃料ガスを希釈する制御を行う希釈制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。

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