JP2017130253A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力制御技術に関する。 The present invention relates to a pressure control technique for fuel gas supplied to a fuel cell.
燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を備える燃料電池システムとして、燃料電池へ水素ガスを供給する流路に水素ガスの圧力を計測するための複数の圧力センサが配置されたシステムが知られている。一般に、燃料電池システムに搭載される水素貯蔵用ガスタンクには、非常に高圧の水素ガスが充填されている。燃料電池に水素ガスを供給する際には、燃料電池に対する要求電流値を実現することおよび電解質膜の破損を防止することを目的として、燃料電池入り口近傍の圧力センサで燃料電池入り口での水素ガスの圧力を計測し、その圧力値に基づいて水素ガスの圧力を調整している。 As a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen gas as a fuel gas and oxygen contained in air as an oxidant gas, the pressure of the hydrogen gas is applied to a flow path for supplying the hydrogen gas to the fuel cell. A system in which a plurality of pressure sensors for measurement is arranged is known. In general, a hydrogen storage gas tank mounted on a fuel cell system is filled with very high-pressure hydrogen gas. When supplying hydrogen gas to the fuel cell, the pressure sensor near the fuel cell inlet is used to achieve the required current value for the fuel cell and to prevent damage to the electrolyte membrane. The pressure of hydrogen gas is measured and the pressure of hydrogen gas is adjusted based on the pressure value.
ここで、燃料電池入り口近傍の圧力センサが故障した場合には、燃料電池入り口近傍の水素ガス圧力を計測できないので、適切な圧力となるように水素ガス圧力を調整することができないまま、燃料電池に水素ガスを供給するおそれがある。特許文献１には、このような場合に、燃料電池入り口近傍の圧力センサに代えて他の圧力センサの測定値に基づいて燃料電池入り口近傍の水素ガス圧力を推測することにより、燃料電池に供給する水素ガス圧力の制御を行う技術が開示されている。 Here, when the pressure sensor near the fuel cell entrance fails, the hydrogen gas pressure near the fuel cell entrance cannot be measured, so the fuel cell cannot be adjusted to an appropriate pressure, and the fuel cell cannot be adjusted. There is a risk of supplying hydrogen gas to the tank. In such a case, in Patent Document 1, in place of the pressure sensor in the vicinity of the fuel cell inlet, the hydrogen gas pressure in the vicinity of the fuel cell inlet is estimated based on the measured value of the other pressure sensor, thereby supplying the fuel cell. A technique for controlling the hydrogen gas pressure is disclosed.
しかしながら、燃料電池入り口近傍の圧力センサに加え、代替の他の圧力センサにも異常が発生した場合には、燃料電池入り口近傍の水素ガス圧力の推測を行うことができなくなる。この場合も、燃料電池へ適切な圧力の水素ガスを供給できなくなるので、燃料電池システムの運転を停止せざるを得ない状況となる。例えば、この燃料電池システムが車両に搭載されていた場合には、上記状況では、二次電池からの供給電力で車輪駆動用モーターを駆動することとなり、航続距離が短くなるといった問題や、実現可能な出力（トルク）が制限されるといった問題が発生し得る。このため、水素ガス圧力を計測するセンサの故障時に、燃料電池に供給する水素ガスの圧力を精度よく特定可能な技術が望まれている。 However, when an abnormality occurs in another alternative pressure sensor in addition to the pressure sensor in the vicinity of the fuel cell inlet, the hydrogen gas pressure in the vicinity of the fuel cell inlet cannot be estimated. In this case as well, hydrogen gas at an appropriate pressure cannot be supplied to the fuel cell, so that the operation of the fuel cell system must be stopped. For example, when this fuel cell system is mounted on a vehicle, in the above situation, the wheel driving motor is driven by the power supplied from the secondary battery, and the cruising distance is shortened. A problem that the output (torque) is limited. For this reason, there is a demand for a technique capable of accurately identifying the pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell when a sensor that measures the hydrogen gas pressure fails.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
（１）本発明の一実施形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、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供給流路と；前記燃料ガス供給流路において前記燃料電池の入り口に配置され、前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの圧力値を計測するセンサと；前記燃料電池から排出されたアノード側オフガスを、前記燃料ガス供給流路へ送り出す循環ポンプと；前記循環ポンプの消費電力量を特定し、前記燃料電池に対する要求電流値と前記圧力値とに基づき少なくとも前記循環ポンプの回転数を制御することにより、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの供給量を制御する制御部と；を備え、前記制御部は、前記センサの異常時には、前記要求電流値として一定値を設定すると共に前記循環ポンプの回転数を一定に制御し、特定された前記消費電力量が増加した場合に前記圧力値が上昇したものと推測し、特定された前記消費電力量が減少した場合に前記圧力値が減少したものと推測する。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池へ供給する燃料ガスの圧力値を計測するセンサの異常時に、燃料電池に対する要求電流値を一定値に設定するとともに循環ポンプの回転数を一定に制御することにより、循環ポンプの消費電力量が増加した場合に燃料電池へ供給する燃料ガスの圧力値が上昇したものと推測し、循環ポンプの消費電力量が減少した場合に燃料電池へ供給する燃料ガスの圧力値が減少したものと推測するので、燃料電池へ供給する燃料ガスの圧力の増減を精度よく特定できる。燃料電池に対する要求電流値を一定値に設定し、循環ポンプの回転数を一定に制御することで、循環ポンプの消費電力量は、燃料電池入り口近傍の燃料ガスの圧力に比例するからである。
(1) According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system includes: a fuel cell; a fuel gas supply channel for supplying fuel gas to the fuel cell; and an inlet of the fuel cell in the fuel gas supply channel, and is supplied to the fuel cell A sensor for measuring the pressure value of the fuel gas; a circulation pump for sending the anode-side off-gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply flow path; A control unit that controls a supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell by controlling at least the number of revolutions of the circulation pump based on a required current value for the battery and the pressure value. When the sensor is abnormal, a constant value is set as the required current value and the rotation speed of the circulation pump is controlled to be constant. It was assumed that the pressure value has risen when pressurized, is presumed that the pressure value has decreased when the power consumption amount specified is reduced.
According to the fuel cell system of this embodiment, when the sensor for measuring the pressure value of the fuel gas supplied to the fuel cell is abnormal, the required current value for the fuel cell is set to a constant value and the rotation speed of the circulation pump is controlled to be constant. As a result, when the power consumption of the circulation pump increases, it is assumed that the pressure value of the fuel gas supplied to the fuel cell has increased, and when the power consumption of the circulation pump decreases, the fuel supplied to the fuel cell Since it is presumed that the gas pressure value has decreased, the increase or decrease in the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell can be accurately identified. This is because the power consumption of the circulation pump is proportional to the pressure of the fuel gas in the vicinity of the fuel cell inlet by setting the required current value for the fuel cell to a constant value and controlling the rotation speed of the circulation pump to be constant.
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備えた車両の形態においても実現できる。 The present invention can be realized in various forms. For example, the present invention can be realized in the form of a control method for a fuel cell system and a vehicle including the fuel cell system.
Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池システム１００の全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤ガス供給排出部２０と、燃料ガス供給排出部４０と、制御部９０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０と、バッテリ７１と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、車両に搭載され、車両の電力源として利用される。具体的には、カーナビゲーション装置や車載エアコン装置等の補機類や、車輪駆動用モーター等の負荷７２に対し、燃料電池１０またはバッテリ７１から電力を供給する。
A. Embodiment:
A1. Overall configuration of the fuel cell system 100:
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスおよび酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０を介してバッテリ７１または負荷７２に供給される。バッテリ７１には、負荷７２が接続されており、バッテリ７１から負荷７２に給電可能に構成されている。
The
酸化剤ガス供給排出部２０は、空気を外気から取り入れて酸化剤ガスとしての酸素を燃料電池１０に供給する。酸化剤ガス供給排出部２０は、酸化剤ガス配管２１と、エアコンプレッサ２２と、開閉弁２３と、カソード側オフガス配管３１と、調圧弁３２と、を備える。
The oxidant gas supply /
酸化剤ガス配管２１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通する。エアコンプレッサ２２は、酸化剤ガス配管２１に接続されている。エアコンプレッサ２２は、制御部９０からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮し、酸化剤ガスとしての酸素を燃料電池１０に供給する。
The oxidant gas pipe 21 communicates with an oxidant gas supply manifold formed inside the
開閉弁２３は、エアコンプレッサ２２と燃料電池１０との間に配置されており、エアコンプレッサ２２から燃料電池１０への空気の供給の実行および停止を行う。
The on-off valve 23 is disposed between the
カソード側オフガス配管３１は、燃料電池１０の内部に形成されたカソード側オフガス排出マニホールドと連通する。カソード側オフガス配管３１は、各セル１１から排出されたカソード側オフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁３２は、制御部９０からの制御信号に応じて、カソード側オフガス配管３１におけるカソード側オフガスの圧力を調整する。
The cathode-
燃料ガス供給排出部４０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給する。燃料ガス供給排出部４０は、燃料ガス配管４１と、水素ガスタンク４２と、第１の水素ガス圧センサ４３と、減圧弁４４と、第２の水素ガス圧センサ４５と、インジェクタ４６と、低圧リリーフ弁４７と、第３の水素ガス圧センサ４８と、アノード側オフガス配管５１と、気液分離部５２と、循環配管５３と、循環ポンプ５４と、排気排水弁５６と、を備える。
The fuel gas supply /
燃料ガス配管４１は、燃料電池１０の内部に形成された燃料ガス供給マニホールドと連通する。水素ガスタンク４２は、燃料ガス配管４１に接続されている。水素ガスタンク４２の内部には、予め水素ガスが充填されている。本実施形態において、水素ガスタンク４２内の水素ガスの圧力は、約７０ＭＰａである。第１の水素ガス圧センサ４３と、減圧弁４４と、第２の水素ガス圧センサ４５と、インジェクタ４６と、低圧リリーフ弁４７と、第３の水素ガス圧センサ４８は、この順序で水素ガスタンク４２に近い側から燃料電池１０に近づくように燃料ガス配管４１に配置されている。以下、燃料ガス配管４１において、水素ガスタンク４２に近い側を「上流側」、燃料電池１０に近い側を「下流側」と呼ぶ場合がある。
The
第１の水素ガス圧センサ４３は、燃料ガス配管４１において最も上流側に配置されている。第１の水素ガス圧センサ４３は、水素ガスタンク４２と減圧弁４４との間における水素ガスの圧力を計測し、計測した圧力値を示す信号を制御部９０に送信する。
The first hydrogen
減圧弁４４は、制御部９０からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク４２からインジェクタ４６への水素ガスの流入量を制御することにより、インジェクタ４６に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力まで低減する。本実施形態では、減圧弁４４により、水素ガスの圧力が約７０ＭＰａから約１ＭＰａに低減される。
The
第２の水素ガス圧センサ４５は、減圧弁４４とインジェクタ４６との間における水素ガスの圧力を計測する。第２の水素ガス圧センサ４５により計測された水素ガスの圧力値は、水素ガスのガス漏れを検知するために用いられる。
The second hydrogen
インジェクタ４６は、制御部９０からの制御信号に応じて、制御部９０が設定した駆動周期および開閉期間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池１０に供給すると共にその供給量を調整する。このような水素ガスの供給量の調整および上述したエアコンプレッサ２２による空気の供給量の調整が行われることにより、燃料電池１０に対する要求電流値が実現される。
The
低圧リリーフ弁４７は、インジェクタ４６の異常等により、インジェクタ４６の下流側において水素ガスの圧力を所定の圧力にまで下げることができなかった場合に、水素ガスを排出して減圧する。これにより、燃料電池１０の入り口における水素ガスの圧力が各セル１１の耐圧以上の圧力となることを抑制し、各セル１１の損傷を抑制できる。なお、本実施形態において、各セル１１の耐圧は、６００ＭＰａであり、燃料電池１０の入り口における水素ガスの圧力は、通常１００〜２５０ＫＰａに制御される。
The low
第３の水素ガス圧センサ４８は、燃料ガス供給排出部４０において最も下流側、より具体的には、燃料電池１０の入り口近傍に配置されている。第３の水素ガス圧センサ４８は、燃料電池１０へ供給する水素ガスの圧力値を計測する。第３の水素ガス圧センサ４８で計測した水素ガスの圧力値は、上述したインジェクタ４６における水素ガス供給量を決定する際に制御部９０によって参照される。第３の水素ガス圧センサ４８は、第２の水素ガス圧センサ４５と同様に水素ガスのガス漏れを検知するためにも用いられる。
The third hydrogen
アノード側オフガス配管５１は、燃料電池１０の内部に形成されたアノード側オフガス排出マニホールドと連通する。アノード側オフガス配管５１は、気液分離部５２と接続し、発電反応に用いられなかった水素ガスを含むアノード側オフガスは、アノード側オフガス配管５１を通り、気液分離部５２へと流入する。
The anode-
気液分離部５２は、循環配管５３と排気排水配管５５とに接続されている。気液分離部５２は、アノード側オフガスに含まれる水素ガスを含むガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管５３へ流入させ、水を排気排水配管５５へ流入させる。
The gas-
循環配管５３は、低圧リリーフ弁４７よりも下流側において燃料ガス配管４１と接続している。循環配管５３には、制御部９０からの制御信号に応じて駆動される循環ポンプ５４が配置されている。循環ポンプ５４は、気液分離部５２において分離された水素ガスを含むガスを燃料ガス配管４１に送り出す。循環配管５３および循環ポンプ５４は、アノード側オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素ガスを無駄なく利用するために用いられる。本実施形態において、循環ポンプ５４は、ルーツ式のポンプである。なお、ルーツ式に代えて、ベーン式、クロ−式等他の任意の形式のポンプを用いてもよい。
The
排気排水配管５５は、気液分離部５２において分離された水分（水）を燃料電池システム１００の外部へ排出するための流路である。排気排水弁５６は、排気排水配管５５に設けられており、制御部９０からの制御信号に応じて開閉する。排気排水弁５６が開放した際に、燃料電池１０のアノード側は、アノード側オフガス配管５１、気液分離部５２、排気排水弁５６および排気排水配管５５を介して、外部（大気）と連通する。したがって、この場合、燃料電池１０のアノード側の圧力は大気圧に近づく。
The
制御部９０は、ＣＰＵと、メモリと、上述した各装置が接続される回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部９０のＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００の運転制御、例えば、後述する水素ガス供給制御や電力供給制御を行うための各種機能を備える。具体的には、制御部９０は、循環ポンプ５４の消費電力を特定する機能、燃料電池１０に対する要求電力値や循環ポンプ５４の水素ガス圧力値に基づいて循環ポンプ５４の回転数を制御する機能、燃料電池に供給する水素ガスの供給量を制御する機能等を有する。制御部９０には、イグニッションスイッチ８０が接続されている。イグニッションスイッチ８０は、車両の運転者が燃料電池システム１００の起動および停止を制御するためのスイッチである。イグニッションスイッチ８０がオンに設定されると、制御部９０が起動し、燃料電池システム１００の運転制御が開始される。
The
上述の実施形態において、燃料ガス配管４１は、請求項における燃料ガス供給流路の下位概念に相当する。
In the above-described embodiment, the
Ａ２．燃料電池システム１００における水素ガス供給制御：
本実施形態における水素ガス供給の制御は、第３の水素ガス圧センサ４８の正常稼働時においては、以下の手順で実行される。第３の水素ガス圧センサ４８により計測した燃料電池１０入り口の水素ガスの圧力値に基づいて、燃料電池１０に対する要求電流値を満たすために必要な水素ガス量を算出し、インジェクタ４６の駆動周期および開閉期間、循環ポンプ５４の回転数を制御することにより、水素ガスの供給量を制御する。具体的には、制御部９０は、アクセル開度等から燃料電池１０に対する要求電流値を決定する。制御部９０は、例えば、制御部９０のメモリに記憶されている要求電流値と水素ガス量との関係を示すマップ等を参照して、燃料電池１０に対する要求電流値を満たす水素ガス量（以下、「目標水素ガス量」と呼ぶ）を決定する。制御部９０は、第３の水素ガス圧センサ４８から燃料電池１０の入り口における水素ガスの圧力値（以下、「圧力実測値」と呼ぶ）を取得する。制御部９０は、圧力実測値と目標水素ガス量に基づいて、インジェクタ４６の駆動周期および開閉期間を決定するとともに、循環ポンプ５４の回転数を決定する。制御部９０は、インジェクタ４６と循環ポンプ５４に制御信号を送り、水素ガスの供給を制御する。なお、本実施形態において、燃料電池１０に対する要求電流値は、０〜５００（Ａ）の範囲内になるように制御されており、この要求電流値を満たす水素ガス量を燃料電池１０に供給するには、圧力実測値は、１００〜２５０（ｋＰａ）の範囲内を推移することが望ましい。また、かかる圧力実測値を満たすために循環ポンプ５４の回転数は、本実施形態では、０〜６０００（ｒｐｍ）の範囲内で決定される。以下、上述した水素ガス供給制御を「第１の水素ガス供給制御」と呼ぶ。
A2. Hydrogen gas supply control in the fuel cell system 100:
The control of the hydrogen gas supply in the present embodiment is executed according to the following procedure when the third hydrogen
第３の水素ガス圧センサ４８の異常時においては、制御部９０は、第３の水素ガス圧センサ４８により圧力実測値を取得することができないため、第１の水素ガス供給制御を継続することができない。詳細な処理フローは後述するが、この場合、制御部９０は、燃料電池１０に対する要求電流値および循環ポンプ５４の回転数を一定に制御することにより、循環ポンプ５４の消費電力量を特定する。制御部９０は、特定した循環ポンプ５４の消費電力量に基づいて、消費電力量が増加した場合には、圧力実測値が上昇したものと推測し、消費電力量が減少した場合には、圧力実測値が減少したものと推測することにより、水素ガスの供給を制御する。以下、燃料電池システム１００における水素ガス供給制御の詳細な手順を説明する。
When the third hydrogen
図２は、本実施形態における水素ガス供給制御の処理手順を示すフローチャートである。イグニッションスイッチ８０がオンに設定されると、制御部９０において、水素ガス供給制御が実行される。制御部９０は、第３の水素ガス圧センサ４８が故障しているか否かを判定する（ステップＳ２００）。本実施形態において、第３の水素ガス圧センサ４８からの出力信号は、正常稼働時には、０Ｖ〜５Ｖの範囲で測定圧力に応じて変化する。したがって、制御部９０は、かかる出力信号が０Ｖのまま変化しない場合および５Ｖのまま変化しない場合には、第３の水素ガス圧センサ４８は故障していると判定し、一方そうでない場合には第３の水素ガス圧センサ４８は、故障していないと判定する。第３の水素ガス圧センサ４８が故障していないと判定された場合（ステップＳ２００：ＮＯ）、制御部９０は、上述の第１の水素ガス供給制御を実行する（ステップＳ２０１）。第３の水素ガス圧センサ４８が故障していると判定された場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、制御部９０は、水素ガス圧力の一定制御を実行する（ステップＳ２０２）。以下、ステップＳ２０２における水素ガス供給制御を「第２の水素ガス供給制御」と呼ぶ。
FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure of hydrogen gas supply control in the present embodiment. When the
第２の水素ガス供給制御では、制御部９０は、以下の処理を行う。循環ポンプ５４の回転数を一定に制御する。インジェクタ４６の駆動周期および開閉期間を一定に制御することにより、水素ガス供給量を一定に制御する。水素ガスの排気を一定に制御する。燃料電池に対する要求電流の出力を一定に制御する。このように各種パラメータの一定制御を行うのは、水素ガス圧力の変動に伴う循環ポンプ５４の消費電力量の増加あるいは減少を特定することを可能にするためである。具体的には、第１の水素ガス供給制御において、制御部９０は、燃料電池１０に対する要求電流値を０〜５００（Ａ）の範囲内になるよう制御していたが、第２の水素ガス供給制御では、これを一定値である１００（Ａ）に制御（設定）する。制御部９０は、目標水素ガス量を燃料電池１０に供給するために循環ポンプ５４の回転数を所定回転数で制御する。さらに、制御部９０は、水素ガス供給（インジェクタ４６の駆動）および燃料電池システム１００からの水素ガスの排気を所定の間隔ごとに行う。燃料電池システム１００からの水素ガスの排気とは、排気排水弁５６を開放して、アノード側オフガスを外部へと排出することを意味する。
In the second hydrogen gas supply control, the
ステップＳ２０２の実行後、制御部９０は、循環ポンプ５４の消費電力の増加あるいは減少があるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。制御部９０は、循環ポンプに供給する電流値を測定し、その測定した電流値から循環ポンプ５４の消費電力を特定する。
After execution of step S202, the
図３は、本実施形態における水素ポンプ回転数、水素ポンプ消費電力および水素ガス圧力値の対応関係を示す説明図である。図３において横軸は、水素ガス圧力値（ｋＰａ）を示し、縦軸は、水素ポンプ消費電力（Ｗ）を示す。図３に示すように、水素ポンプの回転数が同じであれば、水素ガス圧力値が大きい程、水素ポンプ消費電力は大きい。水素ガスの圧力が大きい程、水素ポンプ駆動時の抵抗が大きくなり、水素ポンプの消費電力が増加するためである。また、図３に示すように、水素ガス圧力値が同じであれば、水素ポンプの回転数が大きい程、水素ポンプの消費電力は大きい。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing a correspondence relationship between the hydrogen pump rotation speed, the hydrogen pump power consumption, and the hydrogen gas pressure value in the present embodiment. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the hydrogen gas pressure value (kPa), and the vertical axis indicates the hydrogen pump power consumption (W). As shown in FIG. 3, if the rotation speed of the hydrogen pump is the same, the larger the hydrogen gas pressure value, the larger the power consumption of the hydrogen pump. This is because as the pressure of the hydrogen gas increases, the resistance when the hydrogen pump is driven increases, and the power consumption of the hydrogen pump increases. Moreover, as shown in FIG. 3, if the hydrogen gas pressure value is the same, the power consumption of the hydrogen pump increases as the rotation speed of the hydrogen pump increases.
第２の水素ガス供給制御においては、上述したように循環ポンプ５４の回転数は一定に制御されている。したがって、これに伴って、循環ポンプ５４の消費電力も一定範囲に収束すると考えられる。例えば、循環ポンプ５４の回転数が４０００（ｒｐｍ）で一定に制御されている場合、循環ポンプ５４の消費電力は、図３に示すｙ１±２０（Ｗ）の範囲に収束すると考えられる。なお、このとき水素ガスの圧力は、ｘ１±１０（ｋＰａ）となる。しかし、インジェクタ４６を構成する部品の製造誤差や劣化に伴う性能誤差により想定よりも水素ガスの供給量が減少してしまい水素ガスの圧力が減少した場合や、想定よりも少ない電力を負荷７２に供給したことにより燃料電池１０において水素ガスの消費量が想定よりも少なく水素ガスの圧力が増加した場合などには、上記の一定範囲を超えて循環ポンプ５４の消費電力の変化が起こる。そこで、制御部９０は、循環ポンプ５４の消費電力が上記の一定の範囲を上回った場合には、循環ポンプ５４の消費電力は増加していると判定し、一定の範囲を下回った場合には、循環ポンプ５４の消費電力は減少していると判定する。
In the second hydrogen gas supply control, the rotational speed of the
図２に示すように、循環ポンプ５４の消費電力の増加あるいは減少がないと判定された場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、制御部９０は、ステップＳ２００に戻って、第３の水素ガス圧センサ４８が故障しているか否かを判定する。循環ポンプ５４の消費電力の増加あるいは減少があると判定された場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、循環ポンプ５４の消費電力が増加したか否かを判定する（ステップＳ２０４）。なお、本実施形態において、制御部９０は、図３に示す、循環ポンプ５４の消費電力と水素ガス圧力値の対応関係をマップとしてメモリに記憶しており、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４において参照する。
As shown in FIG. 2, when it is determined that there is no increase or decrease in the power consumption of the circulation pump 54 (step S203: NO), the
循環ポンプ５４の消費電力が増加していると判定された場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、制御部９０は、燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力値が上昇したと推測し、燃料ガス配管４１を流れる水素ガスの圧力を減少させるために、水素ガス圧力の一定制御を中断する（ステップＳ２０５）。具体的には、制御部９０は、水素ガス供給の一定制御（インジェクタ４６の周期的な駆動）を停止する。これにより、燃料ガス配管４１においてインジェクタ４６より下流側に燃料ガスが供給されなくなる。また、制御部９０は、燃料電池１０に対する要求電流の出力を停止（ゼロ（Ａ）に設定）する。これにより、制御部９０は、燃料電池１０に対して水素ガスの供給が不要であると判定するので、燃料電池１０への水素ガスの供給を完全に停止できる。なお、第２の水素ガス供給制御（ステップＳ２０２）において実行していた、循環ポンプ５４の回転数の一定制御および水素ガス排気の一定制御は継続して実行する。以下、ステップＳ２０５における水素ガス供給制御を「第３の水素ガス供給制御」と呼ぶ。ステップＳ２０５の実行後、制御部９０は、ステップＳ２０３に戻って循環ポンプ５４の消費電力の増加あるいは減少があるか否かを判定する。
When it is determined that the power consumption of the
一方、循環ポンプ５４の消費電力が減少していると判定された場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、制御部９０は、燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力値が減少したと推測し、水素ガス圧力の一定制御を中断する（ステップＳ２０６）。この場合、燃料ガス配管４１を流れる水素ガス量が目標水素ガス量よりも不足している状態であるので、燃料ガス配管４１を流れる水素ガスの圧力を上昇させる必要がある。そこで、ステップＳ２０６において、制御部９０は、水素ガス排気を停止する。これにより、燃料電池システム１００からアノード側オフガスが排出されなくなる。このとき、燃料電池に対する要求電流の出力を停止（ゼロ（Ａ）に設定）して、上記と同様に燃料電池１０への水素ガスの供給を完全に停止する。燃料電池１０における水素ガス量が不足している状態で燃料電池１０に水素ガスを供給し続けると、カーボン酸化反応が生じて燃料電池１０の触媒が劣化する問題が生じ得るためである。なお、第２の水素ガス供給制御（ステップＳ２０２）において実行していた、循環ポンプ５４の回転数の一定制御および水素ガス供給（インジェクタ４６の周期的な駆動）の一定制御を継続して実行することにより、水素ガス圧力を徐々に上昇させることができる。以下、ステップＳ２０６における水素ガス供給制御を「第４の水素ガス供給制御」と呼ぶ。ステップＳ２０６の実行後、制御部９０は、ステップＳ２０３に戻って、循環ポンプ５４の消費電力の増加あるいは減少があるか否かを判定する。
On the other hand, when it is determined that the power consumption of the
図４は、本実施形態における水素ガス供給制御が実行された場合の各種パラメータの変化の様子を模式的に示すタイミングチャートである。図４において、最上段は、第３の水素ガス圧センサ４８の出力信号を示す。上から２段目は、第３の水素ガス圧センサ４８の水素ガス圧力実測値（ｋＰａ）を示す。上から３段目は、循環ポンプ５４の回転数（ｒｐｍ）を示す。上から４段目は、循環ポンプ５４の消費電力（Ｗ）を示す。上から５段目は、水素ガス供給（インジェクタ４６の駆動周期）を示す。最下段は、燃料電池１０に対する要求電流の出力要求（Ａ）を示す。
FIG. 4 is a timing chart schematically showing how various parameters change when the hydrogen gas supply control in this embodiment is executed. In FIG. 4, the uppermost stage shows the output signal of the third hydrogen
第３の水素ガス圧センサ４８は、時刻ｔ１まで正常に稼働している。したがって、時刻ｔ１までは、第１の水素ガス供給制御が実行される（ステップＳ２０１）。時刻ｔ１において、第３の水素ガス圧センサ４８が故障と判定された場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、水素ガス圧力実測値の測定はできなくなるので、第２の水素ガス供給制御が実行され（ステップＳ２０２）、循環ポンプ５４の回転数は４０００（ｒｐｍ）で一定に制御され、水素ガス供給（インジェクタ４６の周期的な駆動）は一定に制御され、さらに燃料電池１０に対する要求電流の出力要求は１００（Ａ）で一定に制御される。上述したように循環ポンプ５４の回転数が一定に制御されることにより、循環ポンプ５４の消費電力は水素ガス圧力の変化が無い限り、２００（Ｗ）で一定に制御されることとなる。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間で循環ポンプ５４の消費電力が略定期的に若干増加および減少しているのは、定期的に排気排水弁５６が開放されて水素ガスの圧力が低下し、その後、水素ガスの供給に伴って水素ガスの圧力が上昇するためである。
The third hydrogen
時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけては、循環ポンプ５４の消費電力が増加していき、時刻ｔ３においては循環ポンプ５４の消費電力は２５０Ｗまで増加している。したがって、時刻ｔ３において、循環ポンプ５４の消費電力が増加していると判定され（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、水素ガスの圧力が上昇したものと推測され、第３の水素供給制御が実行される（ステップＳ２０５）。時刻ｔ１から時刻ｔ３までは、循環ポンプ５４の消費電力が増加あるいは減少していないので、燃料電池１０に対する要求電流の出力要求は１００（Ａ）に一定制御されていたが、時刻ｔ３において第３の水素供給制御を実行することにより、燃料電池１０に対する要求電流の出力要求は停止（ゼロ（Ａ）に設定）される。また、水素ガス供給（インジェクタ４６の周期的な駆動）を停止することで、循環ポンプ５４の消費電力が徐々に減少していき、時刻ｔ４において循環ポンプ５４の消費電力は、循環ポンプ５４の消費電力の増加前（時刻ｔ２）と同じ２００Ｗまで減少する。その後は、循環ポンプ５４の消費電力の増加あるいは減少と判定されるまでは第２の水素供給制御が実行される（ステップＳ２０２）。
From time t2 to time t3, the power consumption of the
Ａ３．燃料電池システム１００における電力供給制御：
本実施形態における負荷７２に対する給電の制御（以下、「電力供給制御」と呼ぶ）は、以下のように実行される。すなわち、第３の水素ガス圧センサ４８の正常稼働時においては、燃料電池１０に対して目標水素ガス量の水素ガスを供給することができるので、燃料電池１０およびバッテリ７１からの電力供給を行う。一方、第３の水素ガス圧センサ４８の異常時においては、上述したように、水素ガス供給の一定制御を行うことにより、燃料電池１０に対する目標水素ガス量が一定に制御されることから、車輪駆動に必要な電力量を燃料電池１０により供給することが難しい。そこで、この場合、バッテリ７１からの電力供給に切り替え、燃料電池１０はバッテリ７１に充電するために発電する。以下、詳細な処理手順を説明する。
A3. Power supply control in the fuel cell system 100:
Control of power supply to the
図５は、本実施形態における電力供給制御の処理手順を示すフローチャートである。イグニッションスイッチ８０がオンに設定されると、制御部９０において、電力供給制御が実行される。制御部９０は、第３の水素ガス圧センサ４８が故障しているか否かを判定する（ステップＳ３００）。故障しているか否かの判定は、上述した水素ガス供給制御のステップＳ２００と同様な処理により実行される。第３の水素ガス圧センサ４８が故障していないと判定された場合（ステップＳ３００：ＮＯ）、上述した第１の水素供給制御が実行されているため、燃料電池１０に対しては目標水素ガス量の水素ガスが供給されている。したがって、この場合、制御部９０は、燃料電池１０およびバッテリ７１からの電力供給を行う（ステップＳ３０１）。一方、第３の水素ガス圧センサ４８が故障していると判定された場合（ステップＳ３００：ＹＥＳ）、上述した第２から第４の水素供給制御により水素ガス圧力の一定制御が実行されているため、燃料電池１０に対しては目標水素ガス量の水素ガスが供給されていない。したがって、この場合、バッテリ７１からの電力供給に切り替え、燃料電池１０はバッテリ７１に充電するために発電する（ステップＳ３０２）。
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of power supply control in the present embodiment. When the
以上説明した、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、第３の水素ガス圧センサ４８の異常時に、燃料電池１０に対する要求電流値を一定値に設定するとともに循環ポンプ５４の回転数を一定に制御することにより、循環ポンプ５４の消費電力量が増加した場合に燃料電池１０へ供給する燃料ガスの圧力値が上昇したものと推測し、循環ポンプ５４の消費電力量が減少した場合に燃料電池１０へ供給する燃料ガスの圧力値が減少したものと推測するので、燃料電池１０へ供給する燃料ガスの圧力の増減を精度よく特定できる。燃料電池１０に対する要求電流値を一定値に設定し、循環ポンプ５４の回転数を一定に制御することで、循環ポンプ５４の消費電力量は、燃料電池１０入り口近傍の燃料ガスの圧力に比例するからである。また、第３の水素ガス圧センサ４８の異常時に、バッテリ７１からの電力供給に切り替えるため、実現可能な出力（トルク）が制限されることを抑制できる。加えて、燃料電池１０への水素ガスの供給を継続して行い、燃料電池１０で生じた電力をバッテリ７１に継続して蓄えることができるので、負荷７２への給電をバッテリ７１から行う場合において、かかる給電期間を長くできる。このため、航続距離が短くなることを抑制できる。
According to the
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、リン酸型、アルカリ型等の燃料電池を用いてもよい。これらの構成においても、実施形態と同様の効果を得ることができる。
B. Variations:
B1. Modification 1:
In the above embodiment, the
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態において、図５に示す電力供給制御の実行を省略し、第３の水素ガス圧センサ４８の異常時においても、継続して燃料電池１０とバッテリ７１とから負荷７２に給電してもよい。このような構成においても、燃料電池１０への水素ガスの供給を継続して行い、燃料電池１０で発電できるので、実施形態と同様の効果を得ることができる。
B2. Modification 2:
In the above embodiment, the execution of the power supply control shown in FIG. 5 is omitted, and even when the third hydrogen
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、水素ガス供給制御のステップＳ２０５において、制御部９０は、インジェクタ４６の駆動周期および開閉期間の一定制御を停止していたが、本発明はこれに限定されない。ステップＳ２０５では、水素ガスの圧力が上昇したものと推測し水素ガスの圧力を減少させることを目的とした制御を行えばよく、例えば、インジェクタ４６の駆動周期および開閉期間を長く制御し、水素ガス排気の間隔を短く制御し、循環ポンプ５４の回転数を減少させる制御を行ってもよい。このような構成においても、水素ガスの圧力を減少させることができるので、実施形態と同様な効果を奏する。
B3. Modification 3:
In the above embodiment, in step S205 of the hydrogen gas supply control, the
Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、水素ガス供給制御のステップＳ２０６において、制御部９０は、水素ガス排気を停止していたが、本発明はこれに限定されない。ステップＳ２０６では、水素ガスの圧力が減少したものと推測し水素ガスの圧力を上昇させることを目的とした制御を行えばよく、例えば、インジェクタ４６の駆動周期および開閉期間を長く制御し、水素ガス排気の間隔を長く制御してもよい。このような構成においても、水素ガスの圧力を徐々に上昇させることができるので、実施形態と同様な効果を奏する。
B4. Modification 4:
In the above embodiment, the
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、水素ガス供給制御のステップＳ２０５において、制御部９０は、燃料電池１０に対する要求電流の出力を停止（ゼロ（Ａ）に設定）していたが、本発明はこれに限定されない。ステップＳ２０６では、水素ガスの圧力が減少したものと推測し水素ガスの圧力を上昇させることを目的とした制御を行うので、例えば、水素ガスの圧力が上昇してカーボン酸化反応が生じない程度になった場合には、燃料電池１０に対する要求電流の出力を再開してもよい。このような構成においても、燃料電池１０により発電でき、実施形態と同様な効果を奏する。
B5. Modification 5:
In the above embodiment, in step S205 of the hydrogen gas supply control, the
Ｂ６．変形例６：
実施形態および変形例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータープログラム）は、コンピューター読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。この発明において、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピューター内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピューターに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、データを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。
B6. Modification 6:
In the embodiment and the modification, a part of the configuration realized by hardware may be replaced by software, and conversely, a part of the configuration realized by software may be replaced by hardware. Good. In addition, when part or all of the functions of the present invention are realized by software, the software (computer program) can be provided in a form stored in a computer-readable recording medium. In the present invention, the “computer-readable recording medium” is not limited to a portable recording medium such as a flexible disk or a CD-ROM, but an internal storage device in a computer such as various RAMs and ROMs, a hard disk, etc. It also includes an external storage device fixed to the computer. That is, the “computer-readable recording medium” has a broad meaning including an arbitrary recording medium in which data can be fixed instead of temporarily.
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments and the modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
１０…燃料電池
１１…セル
２０…酸化剤ガス供給排出部
２１…酸化剤ガス配管
２２…エアコンプレッサ
２３…開閉弁
３１…カソード側オフガス配管
３２…調圧弁
４０…燃料ガス供給排出部
４１…燃料ガス配管
４２…水素ガスタンク
４３…第１の水素ガス圧センサ
４４…減圧弁
４５…第２の水素ガス圧センサ
４６…インジェクタ
４７…低圧リリーフ弁
４８…第３の水素ガス圧センサ
５１…アノード側オフガス配管
５２…気液分離部
５３…循環配管
５４…循環ポンプ
５５…排気排水配管
５６…排気排水弁
７０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
７１…バッテリ
７２…負荷
８０…イグニッションスイッチ
９０…制御部
１００…燃料電池システム
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４…時刻
DESCRIPTION OF
Claims (1)
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供給流路と、
前記燃料ガス供給流路において前記燃料電池の入り口に配置され、前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの圧力値を計測するセンサと、
前記燃料電池から排出されたアノード側オフガスを、前記燃料ガス供給流路へ送り出す循環ポンプと、
前記循環ポンプの消費電力量を特定し、前記燃料電池に対する要求電流値と前記圧力値とに基づき少なくとも前記循環ポンプの回転数を制御することにより、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの供給量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記センサの異常時には、前記要求電流値として一定値を設定すると共に前記循環ポンプの回転数を一定に制御し、特定された前記消費電力量が増加した場合に前記圧力値が上昇したものと推測し、特定された前記消費電力量が減少した場合に前記圧力値が減少したものと推測する、
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A fuel gas supply channel for supplying fuel gas to the fuel cell;
A sensor that is disposed at an entrance of the fuel cell in the fuel gas supply flow path and measures a pressure value of the fuel gas supplied to the fuel cell;
A circulation pump for sending the anode-side off gas discharged from the fuel cell to the fuel gas supply flow path;
Supply amount of the fuel gas supplied to the fuel cell by specifying the power consumption amount of the circulation pump and controlling at least the number of revolutions of the circulation pump based on the required current value and the pressure value for the fuel cell A control unit for controlling
With
The controller sets a constant value as the required current value and controls the rotation speed of the circulation pump to be constant when the sensor is abnormal, and the pressure value is increased when the specified power consumption increases. Inferring that the pressure value has decreased when the specified power consumption is reduced
Fuel cell system.
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