JP2011204411A - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】タンク内の圧力を測定する圧力センサに測定誤差が発生することを抑制する燃料電池システム及び移動体を提供する。
【解決手段】タンク40内の燃料ガスを、供給路41を介して燃料電池2に供給する燃料電池システムであって、供給路上に設けられ、タンクから供給される燃料ガスを所定の減圧値まで減圧する減圧装置411と、減圧装置の上流側に設けられ、上流側の燃料ガス圧を検出する第1の圧力センサP1と、減圧装置の下流側に設けられ、下流側の燃料ガス圧を検出する第2の圧力センサP2と、減圧装置の上流側の燃料ガス圧が所定の減圧値以下になった場合に、第2の圧力センサの検出値に基づいて第1の圧力センサを校正する校正装置5と、を備えた燃料電池システムを提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関するものである。
近年、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。燃料電池システムは、例えば車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として利用可能である。
燃料電池システムは、燃料ガスを高圧で充填したタンクを備え、このタンクから供給路を介して燃料電池に燃料ガスを供給するようになっている。燃料電池システムの駆動に伴いタンクに残存する燃料ガスの充填量が少なくなってきた場合は、燃料電池システムの外部の燃料供給ステーション等からタンクに燃料ガスを充填するようになっている。
燃料ガスの充填に際しては、タンクへの燃料ガスの充填速度や充填流量を決定するために、予めタンク内に残留する燃料ガスの圧力を検出することが望ましい。例えば、特許文献1においては、水素供給ステーションから車載タンクに水素の充填を開始する際に、車載タンク内の圧力を検出し、車載タンク内の燃料ガスと水素ステーションの貯蔵タンク内の燃料ガスの圧力差をできるだけ小さくして水素の充填を行うことが提案されている。
特開2005−69333号公報
しかしながら、タンク内の圧力を測定するための圧力センサは、高圧の燃料ガス環境に晒されるため、使用期間の長期化に伴って測定誤差が生じてしまうことが判明した。この場合、タンク内の燃料ガスの残留量を正確に把握できなくなってしまい、燃料ガスの充填時において、適切な充填量や充填速度を選択できなくなってしまう。また、燃料電池システムの駆動時においては、実際の燃料ガス残量と測定値とが乖離することになるので、予期せず燃料電池システムが停止してしまうといった事態を招いてしまう可能性もある。
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、タンク内の圧力を測定する圧力センサに測定誤差が発生することを抑制する燃料電池システム及び移動体を提供することを目的とする。
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、タンク内の燃料ガスを、供給路を介して燃料電池に供給する燃料電池システムであって、前記供給路上に設けられ、前記タンクから供給される燃料ガスを所定の減圧値まで減圧する減圧装置と、前記減圧装置の上流側に設けられ、前記上流側の燃料ガス圧を検出する第1の圧力センサと、前記減圧装置の下流側に設けられ、前記下流側の燃料ガス圧を検出する第2の圧力センサと、前記減圧装置の上流側の燃料ガス圧が前記所定の減圧値以下になった場合に、前記第2の圧力センサの検出値に基づいて前記第1の圧力センサを校正する校正装置と、を備えた燃料電池システムを構成する。
また、本発明の他の態様によれば、タンク内の燃料ガスを、供給路を介して燃料電池に供給する燃料電池システムを搭載した移動体であって、前記供給路上に設けられ、前記タンク内の燃料ガスを所定の減圧値まで減圧する減圧装置と、前記減圧装置の上流側に設けられ、前記上流側の燃料ガス圧を検出する第1の圧力センサと、前記減圧装置の下流側に設けられ、前記下流側の燃料ガス圧を検出する第2の圧力センサと、前記移動体の駆動停止時の前記減圧装置の上流側の燃料ガス圧が前記所定の減圧値以下になった場合に、前記第2の圧力センサの検出値に基づいて前記第1の圧力センサを校正する校正装置と、を備えた移動体を構成する。
減圧装置の上流側の燃料ガス圧が減圧装置の所定の減圧値以下になった場合には、減圧装置の上流側の燃料ガスの圧力と下流側の燃料ガスの圧力とは等しくなる(または減圧装置における圧力損失がある場合はその圧力損失分の差のみとなる)ので、第2の圧力センサの検出値に基づいて減圧装置の上流側の燃料ガスのガス圧を算出できる。すなわち、第2の圧力センサの検出値から第1の圧力センサを校正することが可能になる。ここで、第2の圧力センサは第1の圧力センサに比べて高圧雰囲気に晒されないことから、長期間の使用においても誤差が生じにくい。すなわち、上記構成によれば、減圧装置の上流側の圧力が減圧装置の所定の減圧値以下になった場合に、より誤差の生じにくい第2の圧力センサの検出値に基づく校正がなされるので、使用期間の長期化に伴って第1の圧力センサに測定誤差が発生することが抑制される。
また、上記構成において、前記所定の減圧値における前記第2の圧力センサの測定精度が、前記所定の減圧値における前記第1の圧力センサの測定精度よりも高いようにしてもよい。
上記構成によれば、校正時の燃料ガス雰囲気の下で、第2の圧力センサの測定精度が、第1の圧力センサの測定精度よりも高いのでより精度の高い校正を行うことができる。
また、上記構成において、前記校正装置は、前記第1の圧力センサの検出値が前記所定の減圧値以下になった場合に、当該第1の圧力センサの検出値が前記第2の圧力センサの検出値に前記減圧装置の圧力損失を加えた値になるように、前記第1の圧力センサの校正を行うようにしてもよい。
上記構成によれば、減圧装置の上流側の圧力が減圧装置の所定の減圧値以下になったか否かを第1の圧力センサにより判断することができるとともに、第2の圧力センサの検出値と減圧装置の圧力損失とにより、第1の圧力センサの校正を行うことができる。
本発明によれば、タンク内の圧力を測定する圧力センサに測定誤差が発生することを抑制する燃料電池システム及び移動体を提供することができる。
燃料電池システムを搭載した車両の構成を示す模式図。 圧力センサP1の校正処理を説明するためのフローチャート。 圧力センサP1の校正前と校正後の電圧−圧力の関係を示す図。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムを例に説明する。もちろん、本実施の形態に係る燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムとしても用いることが可能である。
(燃料電池システムの全体構成)
まず、図1を用いて、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを搭載した車両1の全体構成について説明する。図1に示すように、燃料電池システムを搭載した車両1は、燃料電池2、酸化ガス配管系3、燃料ガス配管系4、ECU5、充填用ECU6、通信機7等を備えている。
燃料電池2は、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電する単セルを積層して構成したスタック構造を有している。単セルはいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成されている。カソードには、酸化ガス配管系3により酸化ガスとしての空気が供給される。アノードには燃料ガス配管系4により燃料ガスとしての水素が供給される。この両ガス(水素及び酸素)の電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。燃料電池2で発生した電力は、DC‐DCコンバータやインバータ等から構成されるPCU(Power Control Unit)10を介して、トラクションモータ12に供給される。トラクションモータ12は、車両1の車輪(図示せず)に連結されて車両1の主動力源を構成する。
酸化ガス配管系3は、加湿器30により加湿された酸化ガス(空気)を燃料電池2に供給する酸化ガス供給路31と、燃料電池2から排出された酸化オフガスを加湿器30に導く酸化ガス排出路32と、加湿器30から希釈器34介して外部に酸化オフガスを導くための酸化オフガス排出路33と、を備えている。酸化ガス供給路31には、大気中の空気を取り込んで加湿器30に圧送するコンプレッサ35が設けられている。酸化ガス排出路32には、燃料電池2内の酸化ガス(空気)の圧力を調整する背圧弁36が配置されている。背圧弁36は、例えばバタフライ弁で構成され、ECU5からの制御信号により開閉が制御される。
燃料ガス配管系4は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク40と、水素タンク40の水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス供給路41と、燃料電池2から排出された水素オフガスを燃料ガス供給路41に戻すための循環路42と、排気排水路43と、を備えている。
水素タンク40は、例えば二層構造を有し、内部に貯留空間が形成されるように中空状に構成されたライナと、そのライナの外面を覆う補強層としてのFRP層とを有している。貯留空間には、例えば最大70MPaの高圧で水素を充填することが可能である。この水素タンク40は、例えば、ガソリンスタンド等に設置される水素供給ステーション100から水素ガスが補給可能である。なお、水素タンク40に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧するタンクとを燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
燃料ガス供給路41は、主止弁410、レギュレータ411、インジェクタ412、エジェクタ413等が設けられており、これらの弁の開閉をECU5からの制御信号に応じて制御することで、燃料電池2への水素ガスの供給量やタイミングを制御する。
主止弁410は、弁の開閉により水素タンク40から燃料ガス供給路41に水素ガスを供給又は遮断する。レギュレータ411は、水素タンク40から供給される高圧(例えば、70MPa)の水素ガスを所定の減圧値(例えば、1MPa)まで減圧する。レギュレータ411としては、例えば、筐体にダイヤフラムを隔てて背圧室と調圧室とを形成し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。レギュレータ411の上流側の水素ガスの圧力(水素タンク40内の水素ガスの圧力に一致する)を検出するために、レギュレータ411の上流側には圧力センサP1が配置されている。また、レギュレータ411における減圧後の水素ガスの圧力を検出するために、レギュレータ411の下流側には圧力センサP2が配置されている。圧力センサP1、P2は、流路内を流れる水素ガスの圧力に応じた測定レンジを有する。本実施形態においては、圧力センサP1の測定レンジは、例えば、0〜100MPaであり、圧力センサP2の測定レンジは、例えば、0〜10MPaである。圧力センサP2の測定レンジは、圧力センサP1の測定レンジよりも狭く、その分、低圧時(例えば、0〜1MPa)の測定精度が圧力センサP1よりも高い。圧力センサP1、P2としては、例えば、圧力変化に起因する歪抵抗変化を検出する半導体ダイヤフラム型の圧力センサを用いることができる。レギュレータ411は、本発明の減圧装置として機能し、また、圧力センサP1、P2は、本発明の第1の圧力センサ、第2の圧力センサとして機能する。
インジェクタ412は、電磁駆動式の開閉弁であり、ECU5からの制御信号に従って、燃料電池2に供給する水素ガスの流量及び圧力を高精度に制御することができる。エジェクタ413は、インジェクタ412から供給された水素ガスを燃料電池2に噴射することで負圧を発生させ、この負圧により、循環路42から水素オフガスを吸引する。これによりエジェクタ413は、インジェクタ412から供給される新たな水素ガスと、燃料電池2から排出された水素オフガスを合流させて、燃料電池2に供給する。
循環路42には、気液分離器420及び排気排水弁421を介して、排気排水路43が接続されている。気液分離器420は、水素オフガスから水分を回収するものであり、排気排水弁421は、気液分離器420で回収した水分と、循環路42内の不純物を含む水素オフガスとを、排気排水路43を介して外部に排出(パージ)するものである。排気排水路43を介して排出される水素オフガスは、酸化オフガス排出路33を流れる酸化オフガスと希釈器34において合流することで希釈され、外部に排出される。
ECU5は、車両1に設けられた加速操作部材(アクセル等)の操作量から算出される加速要求値や、負荷装置からの発電要求値等の制御情報を受けて、燃料電池2から所望の電力が出力されるように、車両1内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータ12のほかに、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ、水素ポンプ、冷却ポンプのモータ等)、車両1の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を含む。ECU5は、物理的には、例えば、CPUと、このCPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、ディスプレイやスイッチ等のユーザーインターフェースや電圧センサ、電流センサおよび圧力センサ等の各種センサが接続されている。後述するように、ECU5は本発明における校正装置として機能する。
充填用ECU6は、水素タンク40への水素ガスの充填を制御するために、ECU5とは別に設けられた専用の制御装置である。充填用ECU6は、水素ガスの充填時(例えば、車両1のフューエルカバーがあけられた時)に電源がONされる。そして、充填用ECU6は、圧力センサP1及び図示しない温度センサによりレギュレータ411の上流側の水素ガスの圧力及び温度を検出し、通信機7を介して水素供給ステーション100の通信機101に送信する。水素供給ステーション100は、通信機101において受信した水素ガスの温度、圧力から水素タンク40内の水素ガスの残留量を算出し、この残留量と、別途ユーザから入力される所望充填量とに基づいて、水素供給ステーション100から水素タンク40に供給する水素ガスの充填量や充填速度を決定する。なお、充填用ECU6の物理的な構造は、ECU5と同様であり説明は省略する。
上記したとおり、圧力センサP1による水素ガス圧の測定値は、水素タンク40内の水素ガスの残留量を算出する基礎となる。そのため、圧力センサP1の測定値に誤差があると、水素タンク40内の水素ガスの残留量を正確に把握できなくなってしまう。この場合、例えば、水素充填時においては、水素供給ステーション100が適切な充填量や充填速度を選択できなくなってしまうし、車両1の駆動時(すなわち燃料電池2の発電時)においては、実際の水素ガスの残量と測定値とが乖離することになるので、予期せずして、車両1が燃料切れにより停止してしまうといった事態を招いてしまう可能性もある。従って、圧力センサP1には高い測定精度が求められる。
しかしながら、圧力センサP1は、高圧雰囲気(例えば、最大で70MPa)に晒されるため、使用期間の長期化に伴って測定値に誤差が生じてしまう。そこで、本実施形態においては、ECU5が校正装置として機能し、車両1の停止後に圧力センサP1を自動的に校正するようになっている。これを以下、図2及び図3を用いて詳述する。
(圧力センサP1の校正処理)
図2は、圧力センサP1の校正処理を説明するためのフローチャートである。
はじめに、ユーザが車両1のイグニッションキーをオフにし、車両1の駆動停止指令がECU5に入力されると(ステップS1)、ECU5は、燃料電池2の発電を停止させるために、コンプレッサ35の運転停止及び主止弁40の全閉により、酸化ガス供給路31及び燃料ガス供給路41から燃料電池2への反応ガスの供給を停止するとともに、以下に示す校正処理を開始する。
まず、ECU5は、圧力センサP1を用いてレギュレータ411の上流側の水素ガス圧(水素タンク40内の水素ガスの圧力に一致する)を検出する(ステップS2)。
ECU5は、検出した水素ガス圧がレギュレータ411の所定の減圧値(例えば1MPa)以下である場合(ステップS2:YES)は、レギュレータ411の上流側の圧力が所定の減圧値以下になった場合であると判断し、圧力センサP1の校正を行うためにステップS4の処理に進む。一方、ECU5は、検出した水素ガス圧がレギュレータ411の所定の減圧値より高い場合(ステップS2:NO)は、レギュレータ411の上流側の圧力が所定の減圧値以下になっていないと判断し、圧力センサP1の校正は行わず、校正処理を終了する(ステップS6:END)。
ステップS4において、ECU5は、圧力センサP2を用いてレギュレータ411の下流側の水素ガス圧を検出する。そして、ECU5は、この圧力センサP2の検出値に基づいて、圧力センサP1の校正を行う(ステップS5)。
ステップS5における圧力センサP1の校正を、図3を用いてより詳細に説明する。ここで、図3は、圧力センサP1の校正前と校正後の電圧−圧力の関係を示す図である。図3において、Lは、校正前の電圧−圧力換算線、L’は、校正後の電圧−圧力換算線である。
ところで、圧力センサP1は、感圧素子の変形量に応じて変化する電圧を検出し、この電圧を内部のメモリ等に保持された電圧−圧力換算式により圧力に換算することで圧力を検出している。しかしながら、圧力センサP1の感圧素子は、高圧雰囲気に長期間晒されることで変形するため、初期状態において最適化された電圧−圧力換算式は使用期間の長期化とともに実情と乖離していってしまう。そこで、ECU5は、この電圧−圧力換算式を修正し校正を行う。
より具体的には、圧力センサP1における検出電圧をV1、校正前の電圧−圧力換算式(図3においてLで表した直線)による換算圧力をP1、圧力センサP2による検出圧力をP2、レギュレータ411に固有の圧力損失をΔPとしたとき、ECU5は、検出電圧V1における圧力が、P1ではなく、P2+ΔPとなるように、電圧−圧力換算式を修正する。より詳細には、ECU5は、電圧−圧力換算式のオフセットをV0からV0’に修正する(図3においてL’で表した直線)。圧力センサP1はこの新たな電圧−圧力換算式を内部のメモリ等に保存し、以降の圧力測定の基礎とする。これにより圧力センサP1の校正がなされ、ECU5は、校正処理を終了する(ステップS6)。
上記圧力センサP1の校正は、原理的には、(i)レギュレータ411の上流側の圧力がレギュレータ411の所定の減圧値以下になっている場合は、このレギュレータ411の上流側の圧力(P1)は、レギュレータの下流側の圧力(P2)にレギュレータにおける圧力損失(ΔP)を加えた値に等しくなっていること、及び(ii)圧力センサP2の測定精度は、圧力センサP1の測定精度よりも高いこと、に基づくものである。ここで、圧力センサP2の測定精度が圧力センサP1の測定精度よりも高いのは、(i)圧力センサP2は圧力センサP1に比べて高圧雰囲気に晒されないことから長期間の使用においても誤差が生じにくいこと、及び(ii)圧力センサP2の測定レンジ(例えば、0〜10MPa)は、圧力センサP1の測定レンジ(例えば、0〜100MPa)よりも狭いため、レギュレータ411の減圧値以下の雰囲気(例えば、0〜1MPa)において、圧力センサP2のほうが圧力センサP1より精緻な検出を行うことができること、によるものである。
上記のとおり、本実施の形態においては、レギュレータ411の上流側の水素ガス圧がレギュレータ411の所定の減圧値以下になる毎に、より測定精度の高い圧力センサP2の検出値に基づいて自動的に圧力センサP1の校正がなされるので、使用期間の長期化に伴って圧力センサP1に測定誤差が発生することを抑制することができる。
(変形例)
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。
例えば、上記実施形態においては、圧力センサP1の校正において、レギュレータ411の圧力損失ΔPを加味しているが、圧力損失ΔPが無視できる程度に小さい場合は、圧力損失ΔPの値は考慮しなくともよいし、また一方で、圧力センサP1と圧力センサP2との間にその他の圧力損失が発生している場合は、その圧力損失も考慮するようにしてもよい。
また例えば、上記実施形態においては、圧力センサP1の校正を、圧力センサP1の検出値がレギュレータ411の所定の減圧値以下になる毎に行うようにしているが、これに限られず、例えば、工場出荷時から所定の期間が経過するとはじめて上記校正ルーチンが開始されるようにしてもよいし、または、圧力センサP1の検出値がレギュレータ411の所定の減圧値以下になる回数をカウントして、所定回数おきに校正を行うようにしてもよい。
また、例えば、上記実施形態においては、レギュレータ411を1つだけ設ける校正を示したが、レギュレータ411の下流側に複数のレギュレータを設けて、多段階で圧力を減圧するようにしてもよい。この場合、レギュレータ411での減圧値を高く設定(例えば、5Mpa)できるので、圧力センサP1の校正を、水素タンク40の残留量が極端に少なくなる前に行うことができる。
また例えば、上記実施の形態においては、ECU5により校正を行っているが、これに限られず、専用の校正装置を別体で設けてもよいし、またECU5と充填用ECU6を一つのECUに統合して、この統合したECUにおいて、校正を行うようにしてもよい。
1……車両、2……燃料電池、3……酸化ガス配管系、31……酸化ガス供給路、32……酸化ガス排出路、33……酸化オフガス排出路、34……希釈器、35……コンプレッサ、36……背圧弁、4……燃料ガス配管系、40……水素タンク、41……燃料ガス供給路、410……主止弁、411……レギュレータ、412……インジェクタ、413……エジェクタ、42……循環路、420……気液分離器、421……排気排水弁、5……ECU、6……充填用ECU、7……通信機、10……PCU、12……トラクションモータ、100……水素ステーション、101……通信機、P1、P2……圧力センサ

Claims (4)

  1. タンク内の燃料ガスを、供給路を介して燃料電池に供給する燃料電池システムであって、
    前記供給路上に設けられ、前記タンクから供給される燃料ガスを所定の減圧値まで減圧する減圧装置と、
    前記減圧装置の上流側に設けられ、前記上流側の燃料ガス圧を検出する第1の圧力センサと、
    前記減圧装置の下流側に設けられ、前記下流側の燃料ガス圧を検出する第2の圧力センサと、
    前記減圧装置の上流側の燃料ガス圧が前記所定の減圧値以下になった場合に、前記第2の圧力センサの検出値に基づいて前記第1の圧力センサを校正する校正装置と、
    を備えた燃料電池システム。
  2. 前記所定の減圧値における前記第2の圧力センサの測定精度が、前記所定の減圧値における前記第1の圧力センサの測定精度よりも高い、請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記校正装置は、前記第1の圧力センサの検出値が前記所定の減圧値以下になった場合に、当該第1の圧力センサの検出値が前記第2の圧力センサの検出値に前記減圧装置の圧力損失を加えた値になるように、前記第1の圧力センサの校正を行う請求項1又は請求項2のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  4. タンク内の燃料ガスを、供給路を介して燃料電池に供給する燃料電池システムを搭載した移動体であって、
    前記供給路上に設けられ、前記タンク内の燃料ガスを所定の減圧値まで減圧する減圧装置と、
    前記減圧装置の上流側に設けられ、前記上流側の燃料ガス圧を検出する第1の圧力センサと、
    前記減圧装置の下流側に設けられ、前記下流側の燃料ガス圧を検出する第2の圧力センサと、
    前記移動体の駆動停止時の前記減圧装置の上流側の燃料ガス圧が前記所定の減圧値以下になった場合に、前記第2の圧力センサの検出値に基づいて前記第1の圧力センサを校正する校正装置と、を備えた移動体。
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