JP2017091625A - 燃料電池システム用センサの異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサのドリフトを検出することができる異常検出方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム用センサの異常検出方法であって、燃料供給流路３１に２つのインジェクタ３５Ａ、３５Ｂを並列に配置し、インジェクタ下流側に燃料ガスの物理量を検出する圧力センサ４１を配置し、第一のインジェクタ３５Ａのみを作動させた状態におけるセンサ４１での検出値（第一の検出値）及び第二のインジェクタ３５Ｂのみを作動させた状態におけるセンサ４１での検出値（第二の検出値）を取得する。２つのインジェクタ３５Ａ、３５Ｂの何れか一方のみを作動させた状態においてセンサ４１で検出されることが想定される理論値と第一の検出値と第二の検出値とを比較し、第一の検出値と第二の検出値とが同一であり、かつ、第一及び第二の検出値がいずれも理論値と異なる場合に、センサ４１が異常であると判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム用センサの異常検出方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。現在においては、燃料ガスの供給圧力を変化させるインジェクタを燃料供給流路に配置するとともにインジェクタの下流側に圧力センサを配置し、この圧力センサでの検出値に基づいてインジェクタを制御する技術が提案されている。

ところで、圧力センサでの検出値に基づいてインジェクタを制御する燃料電池システムにおいて、断線や短絡等に起因して圧力センサが異常状態に陥った場合には、インジェクタを正常に制御することが不可能となる。そこで、近年においては、圧力センサでの検出値が所定の下限値未満となる場合又は所定の上限値を超える場合に、圧力センサが異常状態に陥ったものと判定してインジェクタの開閉動作を停止させる技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術を採用すると、圧力センサの異常に起因したインジェクタの誤動作を抑制することができる、とされている。

特開２００８−１９８５３５号公報

しかし、特許文献１に記載された技術は、検出値が所定の下限値未満となる場合又は所定の上限値を超える場合にセンサが異常状態に陥ったものと判定するものであるため、センサのドリフト（実際の値よりも検出される値が低目にシフトしたり高目にシフトしたりするセンサの特性異常）のような症状を検出することができないという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、センサのドリフトのような症状を検出することができる異常検出方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る方法は、燃料電池システムに設けられるセンサの異常を検出する方法であって、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路に、第一及び第二のインジェクタを並列に配置するインジェクタ配置工程と、燃料供給流路のインジェクタの下流側に、燃料供給流路内を流れる燃料ガスの所定の物理量を検出するセンサを配置するセンサ配置工程と、第一のインジェクタを所定の態様で作動させかつ第二のインジェクタを所定開度で停止させた状態においてセンサで検出された第一の検出値を取得する第一検出工程と、第二のインジェクタを所定の態様で作動させかつ第一のインジェクタを所定開度で停止させた状態においてセンサで検出された第二の検出値を取得する第二検出工程と、第一及び第二のインジェクタの何れか一方を所定の態様で作動させかつ他方を所定開度で停止させた状態においてセンサで検出されることが想定される理論値と、第一検出工程で取得した第一の検出値と、第二検出工程で取得した第二の検出値と、を比較する比較工程と、第一の検出値と第二の検出値とが同一であり、かつ、第一及び第二の検出値がいずれも理論値と異なる場合に、センサが異常であると判定する判定工程と、を含むものである。

かかる方法を採用すると、第一のインジェクタのみを所定の態様で作動させた状態においてセンサで検出された値（第一の検出値）と、第二のインジェクタのみを所定の態様で作動させた状態においてセンサで検出された値（第二の検出値）と、の双方を理論値と比較してセンサの異常を検出することができる。従って、センサのドリフト（実際の値よりも検出される値が低目にシフトしたり高目にシフトしたりするセンサの特性異常）のような症状を検出することが可能となる。

本発明によれば、センサのドリフトのような症状を検出することができる異常検出方法を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムに設けられた圧力センサの異常検出方法を説明するためのフローチャートである。

以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３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３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０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高圧ガスタンクと、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。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、２つのインジェクタ（第一のインジェクタ３５Ａ及び第二のインジェクタ３５Ｂ）と、が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａの上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４１が設けられている。圧力センサ４１は、本発明におけるセンサの一実施形態に相当するものである。本実施形態においては、同規格の２つのインジェクタ（第一のインジェクタ３５Ａ及び第二のインジェクタ３５Ｂ）を水素供給流路３１に並列に配置している。以下、第一のインジェクタ３５Ａ及び第二のインジェクタ３５Ｂを区別せずに「インジェクタ３５」と称することがある。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に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。

インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０で排気流路２３内の酸化オフガスと合流して希釈されるようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０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２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両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総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（水素消費量）を算出するとともに、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する。次いで、制御装置４は、算出した目標圧力値と、圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５下流位置の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する。続いて、制御装置４は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することによりインジェクタ３５の噴射流量を算出し、この噴射流量に基づいてインジェクタ３５の噴射時間を算出する。そして、制御装置４は、算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を送出することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。このように、制御装置４は、圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５下流位置の検出圧力値を参照して、インジェクタ３５を制御している。

また、制御装置４は、圧力センサ４１の異常判定を行う。具体的には、制御装置４は、第一のインジェクタ３５Ａを所定の態様で作動させかつ第二のインジェクタ３５Ｂを所定開度で停止させた状態において圧力センサ４１で検出された値（第一の検出値Ｐ₁）を取得する。また、制御装置４は、第二のインジェクタ３５Ｂを所定の態様で作動させかつ第一のインジェクタ３５Ａを所定開度で停止させた状態において圧力センサ４１で検出された値（第二の検出値Ｐ₂）を取得する。続いて、制御装置４は、第一及び第二のインジェクタ３５Ａ、３５Ｂの何れか一方を所定の態様で作動させかつ他方を所定開度で停止させた状態において圧力センサ４１で検出されることが想定される理論値Ｐ₀と、取得した第一の検出値Ｐ₁と、取得した第二の検出値Ｐ₂と、を比較する。そして、制御装置４は、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とが同一であり、かつ、第一及び第二の検出値Ｐ₁、Ｐ₂がいずれも理論値Ｐ₀と異なる場合に、圧力センサ４１が異常であると判定する。理論値Ｐ₀は、インジェクタ３５の特性（噴射流量Ｑ（NL/min））、インジェクタ３５の噴射時間Ａ(msec)、水素供給流路３１のインジェクタ３５下流側部分の容積Ｖ(ml)等に基づいて算出することができる。

続いて、図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１に設けられた圧力センサ１の異常検出方法について説明する。

まず、ユーザは、図１に示すように、燃料電池システム１の水素供給流路３１に同規格の２つのインジェクタ（第一のインジェクタ３５Ａ及び第二のインジェクタ３５Ｂ）を並列に配置する（インジェクタ配置工程：Ｓ１）とともに、インジェクタ３５下流側に、水素供給流路３１内を流れる水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４１を配置する（センサ配置工程：Ｓ２）。

次いで、ユーザは、燃料電池システム１の制御装置４を用いて、圧力センサ４１での検出値の取得、比較、判定を行う。

具体的には、制御装置４は、第一のインジェクタ３５Ａを所定の態様で作動させ（例えば所定時間内に開度０％から１００％へと移行させ）かつ第二のインジェクタ３５Ｂを所定開度（例えば開度０％）で停止させた状態において、圧力センサ４１で検出された値（第一の検出値Ｐ₁）を取得する（第一検出工程：Ｓ３）。また、制御装置４は、第二のインジェクタ３５Ｂを所定の態様（第一検出工程Ｓ３における第一のインジェクタ３５Ａの作動態様と同一の態様）で作動させかつ第一のインジェクタ３５Ａを所定開度（第一検出工程Ｓ３における第二のインジェクタ３５Ｂの開度と同一の開度）で停止させた状態において、圧力センサ４１で検出された値（第二の検出値Ｐ₂）を取得する（第二検出工程）。ここで、第一の検出値Ｐ₁に代えて、第一のインジェクタ３５Ａのみを所定の態様で作動させたときの作動前と作動後の圧力差（ΔＰ₁）を採用し、第二の検出値Ｐ₂に代えて、第二のインジェクタ３５Ｂのみを所定の態様で作動させたときの作動前と作動後の圧力差（ΔＰ₂）を採用することもできる。かかる場合には、理論値として、第一及び第二のインジェクタ３５Ａ、３５Ｂの何れか一方のみを所定の態様で作動させたときに想定される作動前と作動後の圧力差（ΔＰ₀）を採用することができる。

続いて、制御装置４は、第一及び第二のインジェクタ３５Ａ、３５Ｂの何れか一方を所定の態様（第一及び第二検出工程Ｓ３、Ｓ４における作動態様と同一の態様）で作動させかつ他方を所定開度（第一及び第二検出工程Ｓ３、Ｓ４における開度と同一の開度）で停止させた状態において圧力センサ４１で検出されることが想定される理論値Ｐ₀と、第一検出工程Ｓ３で取得した第一の検出値Ｐ₁と、第二検出工程Ｓ４で取得した第二の検出値Ｐ₂と、を比較する（比較工程：Ｓ５）。そして、制御装置４は、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とが同一であり、かつ、第一及び第二の検出値Ｐ₁、Ｐ₂がいずれも理論値Ｐ₀と異なる場合に、圧力センサ４１が異常であると判定する（判定工程：Ｓ６）。

ここで、比較工程Ｓ５（Ｓ５１〜Ｓ５４）及び判定工程Ｓ６（Ｓ６１〜Ｓ６４）について具体的に説明する。

まず、制御装置４は、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とを比較し（第一比較工程：Ｓ５１）、これら検出値Ｐ₁とＰ₂とが同一の場合には、第一の検出値Ｐ₁と理論値Ｐ₀とを比較し（第二比較工程：Ｓ５２）、第一の検出値Ｐ₁が理論値Ｐ₀と異なる場合には、第二の検出値Ｐ₂と理論値Ｐ₀とを比較する（第三比較工程：Ｓ５３）。そして、第二の検出値Ｐ₂と理論値Ｐ₀とが異なる場合に、圧力センサ４１が異常であると判定する（センサ異常判定工程：Ｓ６１）。これに対し、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とが同一であって、第一の検出値Ｐ₁及び第二の検出値Ｐ₂が理論値Ｐ₀と同一である場合には、圧力センサ４１が正常であると判定する（センサ正常判定工程：Ｓ６２）。

また、制御装置４は、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とが異なる場合においても、第一の検出値Ｐ₁と理論値Ｐ₀とを比較する（第四比較工程：Ｓ５４）。そして、第四比較工程Ｓ５４で比較を行った結果、第一の検出値Ｐ₁が理論値Ｐ₀と異なる場合には、第一のインジェクタ３５Ａが異常であると判定し（第一インジェクタ異常判定：Ｓ６３）、第一の検出値Ｐ₁が理論理Ｐ₀と同一である場合には、第二のインジェクタ３５Ｂが異常であると判定する（第二インジェクタ異常判定：Ｓ６４）。

なお、本実施形態において、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とが「同一」であるとは、第一の検出値Ｐ₁と第二の検出値Ｐ₂とが一致するだけでなく、両者の差が所定の閾値未満であることを含むものとする。また、第一の検出値Ｐ₁（又は第二の検出値Ｐ₂）と理論値Ｐ₀とが「同一」であるとは、第一の検出値Ｐ₁（又は第二の検出値Ｐ₂）と理論値Ｐ₀が一致するだけでなく、両者の差が所定の閾値未満であることを含むものとする。

以上説明した実施形態に係る異常検出方法においては、第一のインジェクタ３５Ａのみを所定の態様で作動させた状態において圧力センサ４１で検出された値（第一の検出値Ｐ₁）と、第二のインジェクタ３５Ｂのみを所定の態様で作動させた状態において圧力センサ４１で検出された値（第二の検出値Ｐ₂）と、の双方を理論値Ｐ₀と比較して圧力センサ４１の異常を検出することができる。従って、圧力センサ４１のドリフト（実際の値よりも検出される値が低目にシフトしたり高目にシフトしたりする圧力センサ４１の特性異常）のような症状を検出することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る異常検出方法においては、第一のインジェクタ３５Ａのみを作動させたときの圧力検出値（第一の検出値Ｐ₁）と、第二のインジェクタ３５Ｂのみを作動させたときの圧力検出値（第二の検出値Ｐ₂）と、理論値Ｐ₀と、を比較することにより、圧力センサ４１に異常があるのか、第一のインジェクタ３５Ａ（又は第二のインジェクタ３５Ｂ）に異常があるのか、を判別することができる。

なお、以上の実施形態においては、水素供給流路３１のインジェクタ３５下流側に、水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４１を配置し、この圧力センサ４１の異常を検出する方法を例示したが、同様の方法を用いて、水素ガスの他の物理量（例えば流量や濃度）を検出するセンサの異常を検出することもできる。

また、以上の実施形態においては、同規格の２つのインジェクタを並列に配置した例を示したが、同規格の３つ以上のインジェクタを並列に配置し、これら３つ以上のインジェクタのうち２つを第一検出工程Ｓ３以下で使用してもよい。

また、以上の実施形態においては、第二のインジェクタ３５Ｂの開度を０％に設定し、第一のインジェクタ３５Ａを所定時間内に開度０％から１００％へと移行させる態様で作動させた例を示したが、インジェクタの開度や作動態様はこれに限られるものではない。例えば、第二のインジェクタ３５Ｂの開度を１００％に設定し、第一のインジェクタ３５Ａを所定時間内に開度１００％から０％へと移行させる態様で作動させることもできる。また、第二のインジェクタ３５Ｂの開度を５０％に設定し、第一のインジェクタ３５Ａを所定時間内に開度５０％から１００％（又は０％）へと移行させる態様で作動させてもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
３１…水素供給流路（燃料供給流路）
３５Ａ…第一のインジェクタ
３５Ｂ…第二のインジェクタ
４１…圧力センサ
Ｓ１…インジェクタ配置工程
Ｓ２…センサ配置工程
Ｓ３…第一検出工程
Ｓ４…第二検出工程
Ｓ５…比較工程
Ｓ６…判定工程

Claims (1)

1. 燃料電池システムに設けられるセンサの異常を検出する方法であって、
   燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路に、第一及び第二のインジェクタを並列に配置するインジェクタ配置工程と、
   前記燃料供給流路の前記インジェクタの下流側に、前記燃料供給流路内を流れる前記燃料ガスの所定の物理量を検出するセンサを配置するセンサ配置工程と、
   前記第一のインジェクタを所定の態様で作動させかつ前記第二のインジェクタを所定開度で停止させた状態において前記センサで検出された第一の検出値を取得する第一検出工程と、
   前記第二のインジェクタを所定の態様で作動させかつ前記第一のインジェクタを所定開度で停止させた状態において前記センサで検出された第二の検出値を取得する第二検出工程と、
   前記第一及び第二のインジェクタの何れか一方を所定の態様で作動させかつ他方を所定開度で停止させた状態において前記センサで検出されることが想定される理論値と、前記第一検出工程で取得した第一の検出値と、前記第二検出工程で取得した第二の検出値と、を比較する比較工程と、
   前記第一の検出値と前記第二の検出値とが同一であり、かつ、前記第一及び第二の検出値がいずれも前記理論値と異なる場合に、前記センサが異常であると判定する判定工程と、
   を含む、燃料電池システム用センサの異常検出方法。

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