JP2018085220A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサの損傷を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、カソードガス供給管と、燃料電池からカソード排ガスを排出する排気管と、カソードガス供給管のコンプレッサの下流側かつ燃料電池の上流側と排気管とを接続するバイパス配管と、バイパス配管に設けられたバイパス弁と、コンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、バイパス弁の開閉を制御するバイパス弁制御部とを備え、コンプレッサ制御部とバイパス弁制御部は、一方から他方にコンプレッサの回転数と流量と駆動電力のうちの少なくとも１つのパラメータを通知する通信を実行し、バイパス弁が開いている状態で通信に異常が検出された場合には、バイパス弁制御部は、異常が検出される直前のパラメータの値に応じて遅延時間を算出し、遅延時間の経過後、バイパス弁を閉じる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池に空気を供給するためのコンプレッサの下流に、燃料電池を迂回して排出管に空気を流すバイパス配管を備える燃料電池システムが知られている（特許文献１）。

特開２００８−１２５２１４号公報

燃料電池システムでは、コンプレッサを制御するＥＣＵとバイパス配管のバイパス弁を制御するＥＣＵを別個に設ける場合がある。これらのＥＣＵの間の通信エラーが発生すると、フェールセーフ処理としてバイパス弁が閉じられる場合がある。しかし、通信エラーが発生したときにコンプレッサが高回転で回転している場合、バイパス弁が閉じられるとカソードガス供給管の内部圧力が急増し、コンプレッサを損傷するおそれがあった。

本発明は、上述の課題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。

（１）本発明の一形態によれば、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、前記燃料電池にカソードガスを供給するためのコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池とを接続するカソードガス供給管と、前記燃料電池からカソード排ガスを排出する排気管と、前記カソードガス供給管の前記コンプレッサの下流側かつ前記燃料電池の上流側の箇所と、前記排気管と、を接続するバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたバイパス弁と、前記コンプレッサの動作を制御するコンプレッサ制御部と、前記バイパス弁の開閉を制御するバイパス弁制御部と、を備える。前記コンプレッサ制御部と前記バイパス弁制御部は、一方から他方へ前記コンプレッサの回転数と流量と駆動電力のうちの少なくとも１つのパラメータを通知する通信を実行し、前記バイパス弁が開いている状態で前記コンプレッサ制御部と前記バイパス弁制御部との間の通信に異常が検出された場合には、前記バイパス弁制御部は、異常が検出される直前の前記パラメータの値に応じて遅延時間を算出し、前記遅延時間が経過した後、前記バイパス弁を閉じる。
この形態によれば、前記バイパス弁が開いている状態でコンプレッサ制御部とバイパス弁制御部との間の通信に異常が検出された場合、フェールセーフ処理として、バイパス弁が閉じられるが、異常が検出される直前のパラメータの値に応じた遅延時間の経過後、バイパス弁が閉じられるので、カソードガス供給管の圧力により、コンプレッサが損傷することを抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池スタック用ケース、燃料電池車両等の形態で実現することができる。

燃料電池システムのカソード系を示す説明図。 コンプレッサ制御部の制御フローチャート。 ＦＣ弁制御部の制御フローチャート。 コンプレッサの回転数と遅延時間との関係を示すグラフ。

図１は、燃料電池システム１０のカソード系回路２０を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、カソード系回路２０と、アノード系回路（図示せず）と、冷却系回路（図示せず）と、ＦＣ制御部２００（図では「ＦＣ−ＥＣＵ」と記載）と、コンプレッサ制御部２１０（図では、「ＣＯＭＰ−ＥＣＵ」と記載）と、を備える。燃料電池１００は、アノードガスとカソードガスとを反応させて電力を発生させる装置である。本実施形態では、アノードガスとして水素を用い、カソードガスとして空気（空気中の酸素）を用いている。

カソード系回路２０は、カソードガス供給管１１０と、エアフローメータ１１５と、コンプレッサ１２０と、モータ１２５と、回転数取得部１２７と、インタークーラ１３０と、燃料電池入口弁１４０と、排気管１５０と、圧力計１５５と、背圧弁１６０と、マフラ１７０と、バイパス配管１８０と、バイパス弁１９０と、を備える。カソードガス供給管１１０は、コンプレッサ１２０と燃料電池１００とを接続している。エアフローメータ１１５は、カソードガス供給管１１０を流れる空気の量を測定する。コンプレッサ１２０は、取り込んだ空気を燃料電池１００に送るための装置である。モータ１２５は、コンプレッサ１２０を駆動するための駆動装置である。回転数取得部１２７は、モータ１２５の回転数を取得する。回転数取得部１２７は、回転数センサを備えていてもよく、モータ１２５のセンサレス駆動で用いられる方法で回転数を取得してもよい。センサレス駆動の場合には、回転数取得部１２７は、モータ１２５の駆動電流、駆動電圧の変化から電気角を測定して回転数を取得することができる。コンプレッサ１２０の回転数は、モータ１２５の回転数から算出できる。インタークーラ１３０は、コンプレッサ１２０により圧縮された空気の温度を下げるための装置である。燃料電池入口弁１４０は、カソードガス供給管１１０の燃料電池１００の入口直前に設けられた弁である。燃料電池入口弁１４０は、燃料電池１００の通常運転中は開となり、燃料電池１００の停止中は、閉となる。

排気管１５０は、燃料電池１００からカソード排ガスを排出するための管である。圧力計１５５は、燃料電池１００出口の圧力（背圧）を測定する。背圧弁１６０は、燃料電池１００の背圧を調整するための弁である。マフラ１７０は、カソード排ガスの排出音を低減する消音装置である。バイパス配管１８０は、コンプレッサ１２０の下流側かつ燃料電池１００の上流側の箇所と、排気管１５０と、を接続する。より正確には、バイパス配管１８０は、インタークーラ１３０の下流側且つ燃料電池入口弁１４０の上流側の箇所と、排気管１５０の背圧弁１６０の下流側且つマフラ１７０の上流側の箇所と、の間を接続する。バイパス弁１９０は、バイパス配管１８０に設けられている。

ＦＣ制御部２００は、燃料電池１００の制御を行い、本実施形態では、燃料電池入口弁１４０と、背圧弁１６０と、バイパス弁１９０の開閉の制御を行う。すなわち、ＦＣ制御部２００は、バイパス弁制御部の機能を有する。コンプレッサ制御部２１０は、コンプレッサ１２０の回転数の制御（より正確には、モータ１２５の回転数の制御）を行う。ＦＣ制御部２００とコンプレッサ制御部２１０とは、その一方から他方へコンプレッサ１２０の回転数を通知する通信を実行する。例えば、コンプレッサ制御部２１０は、一定時間毎に、ＦＣ制御部２００にコンプレッサ１２０の回転数を送ってもよく、あるいは、ＦＣ制御部２００がコンプレッサ１２０の回転数の指令値を決定し、コンプレッサ制御部２１０に送ってもよい。

バイパス弁１９０は、ＦＣ制御部２００により、燃料電池システム１０の通常運転中に、
必要に応じて開閉される。バイパス弁１９０が開いているときに、ＦＣ制御部２００とコンプレッサ制御部２１０との間の通信に異常が生じた場合には、フェールセーフ処理として、バイパス弁１９０を閉める処理が行われる。しかし、コンプレッサ１２０の回転数が高回転の場合に直ちにバイパス弁１９０が閉められると、カソードガス供給管１１０の圧力が高くなり、コンプレッサ１２０や、カソード供給管１１０に損傷を与えるおそれがある。なお、本実施形態では、バイパス弁１９０が開いているときに、ＦＣ制御部２００とコンプレッサ制御部２１０との間の通信に異常が生じた場合には、ＦＣ制御部２００は、通信異常が発生する直前のコンプレッサ１２０の回転数に応じた遅延時間を算出し、その遅延時間が経過した後、バイパス弁１９０を閉じる。

図２は、コンプレッサ制御部２１０の制御フローチャートである。ステップＳ１００では、コンプレッサ制御部２１０は、ＦＣ制御部２００との通信に異常が生じたか否かを検出する。コンプレッサ制御部２１０は、例えば、コンプレッサ１２０の回転数をＦＣ制御部２００に送信した後、ＦＣ制御部２００からその応答を受信出来なかったときには、コンプレッサ制御部２１０は、ＦＣ制御部２００との通信に異常が生じたことを検出できる。なお、ＦＣ制御部２００がコンプレッサ１２０の回転数を決定している場合には、コンプレッサ制御部２１０は、予め定められた一定期間の間にＦＣ制御部２００からコンプレッサ１２０の回転数の指令値を取得できなかったときには、ＦＣ制御部２００との通信に異常が生じたことを検出できる。

通信に異常が生じていない場合には、ステップＳ１１０に移行して、通常処理を実行する。通常処理では、コンプレッサ制御部２１０は、燃料電池１００に要求される電力に応じて、コンプレッサ１２０の回転数を制御する。通信に異常が生じている場合には、ステップＳ１２０に移行して、コンプレッサ１２０の回転を停止する。

図３は、ＦＣ制御部２００の制御フローチャートである。ステップＳ２００では、ＦＣ制御部２００は、コンプレッサ制御部２１０との通信に異常が生じたか否かを検出する。コンプレッサ制御部２１０は、予め定められた一定期間の間に、コンプレッサ１２０の回転数をＦＣ制御部２００から受信できなかったときには、ＦＣ制御部２００は、コンプレッサ制御部２１０との間の通信に異常が生じたことを検出できる。また、ＦＣ制御部２００がコンプレッサ１２０の回転数を決定している場合には、ＦＣ制御部２００は、コンプレッサ制御部２１０にコンプレッサ１２０の回転数の指令値を送った後、その応答を取得できなかったときには、コンプレッサ制御部２１０との通信に異常が生じたことを検出できる。

通信に異常が生じていない場合には、ステップＳ２１０に移行して、通常処理を実行する。通常処理では、ＦＣ制御部２００は、燃料電池１００に要求される電力に応じて、燃料電池入口弁１４０と、背圧弁１６０と、バイパス弁１９０の開閉の制御を行う。通信に異常が生じている場合には、ステップＳ２２０に移行する。

ステップＳ２２０では、ＦＣ制御部２００は、通信に異常が生じる直前のコンプレッサ１２０の回転数の値（コンプレッサの回転数の前回値）を取得する。ステップＳ２３０では、ＦＣ制御部２００は、バイパス弁１９０を閉じるときの遅延時間を算出する。

図４は、コンプレッサ１２０の回転数の前回値Ｎと遅延時間との関係を示すグラフである。遅延時間Ｔは、コンプレッサ１２０の回転数の前回値Ｎが大きくなると、長くなる。時間ｔ１は、コンプレッサ１２０の回転数の前回値Ｎから遅延時間Ｔを算出するのに必要な時間である。一般に係数をαとしたとき、遅延時間Ｔは、以下の式（１）で表される。
Ｔ＝α×Ｎ＋ｔ１ …（１）
なお、図４に示す例では、コンプレッサ１２０の回転数の前回値Ｎと遅延時間Ｔとの間は、線形の関係としているが、曲線の関係としてもよい。

図３のステップＳ２４０では、ＦＣ制御部２００は、ステップＳ２３０で算出した遅延時間Ｔが経過したか否かを判断する。遅延時間が経過している場合には、ＦＣ制御部２００は、ステップＳ２５０に移行し、バイパス弁１９０を閉じる（より正確には、バイパス弁１９０に対してバイパス弁１９０を閉じるように指令を発する）。

以上、本実施形態によれば、バイパス弁１９０が開いている状態でコンプレッサ制御部（コンプレッサ制御部２１０）とバイパス弁制御部（ＦＣ制御部２００）との間の通信に異常が検出された場合には、バイパス弁制御部（ＦＣ制御部２００）は、異常が検出される直前のコンプレッサ１２０の回転数に応じて遅延時間Ｔを算出し、遅延時間Ｔが経過した後、バイパス弁１９０を閉じる。その結果、バイパス弁１９０が開いている状態でコンプレッサ１２０の回転数が高いときに通信異常が生じても、バイパス弁１９０を通してカソードガス供給管１１０の圧力を下げることができるので、カソードガス供給管１１０の圧力により、コンプレッサ１２０が損傷することを抑制できる。また、バイパス弁１９０を閉じるので、フェールセーフ処理も有効である。

上記実施形態では、ＦＣ制御部２００は、コンプレッサ制御部２１０とＦＣ制御部２００との間の通信に異常が検出された場合には、燃料電池入口弁１４０と、背圧弁１６０の開閉をどう制御するかについては説明していない。ＦＣ制御部２００は、燃料電池入口弁１４０と、背圧弁１６０について、異常が検出された時に、閉じてもよく、閉じなくてもよい。但しフェールセーフ処理の観点からは、少なくともバイパス弁１９０と同時に、あるいはバイパス弁１９０を閉める前に閉めることが好ましい。

上記実施形態では、ＦＣ制御部２００やコンプレッサ制御部２１０は、コンプレッサ１２０の回転数を取得できないとき、あるいは、回転数を送った後の応答がなかったときに通信異常が発生したと検出した。しかし、異常の発生の検出は、これ以外の方法で検出してもよい。例えば、ＦＣ制御部２００とコンプレッサ制御部２１０は、ＦＣ制御部２００とコンプレッサ制御部２１０との間の通信データに加えてそのチェックサムを送り、通信データとチェックサムの値が対応しない場合には、通信異常があったと検出してもよい。

上記実施形態では、ＦＣ制御部２００とコンプレッサ制御部２１０とは、その一方から他方へコンプレッサ１２０の回転数を通知する通信を実行しているが、通信されるパラメータは、コンプレッサ１２０の回転数以外のパラメータであってもよい。例えば、パラメータは、コンプレッサ１２０の回転数の他、コンプレッサ１２０の流量、駆動電力等であってもよい。ここで、コンプレッサ１２０の流量は、エアフローメータ１１５等の流量計で測定可能である。コンプレッサ１２０の駆動電力は、モータ１２５に掛かる電圧を測定するセンサとモータ１２５に流れる電流を測定するセンサを設けることで容易に測定できる。通信されるパラメータは、コンプレッサ１２０の回転数、流量、駆動電力のうちの１つには限られず、コンプレッサ１２０の回転数と流量と駆動電力のうちの少なくとも１つのパラメータを含んでいればよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池システム
２０…カソード系回路２０
１００…燃料電池
１１０…カソードガス供給管
１１５…エアフローメータ
１２０…コンプレッサ
１２５…モータ
１２７…回転数取得部
１３０…インタークーラ
１４０…燃料電池入口弁
１５０…排気管
１５５…圧力計
１６０…背圧弁
１７０…マフラ
１８０…バイパス配管
１９０…バイパス弁
２００…ＦＣ制御部（バイパス弁制御部）
２１０…コンプレッサ制御部（コンプレッサ制御部）

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記コンプレッサと前記燃料電池とを接続するカソードガス供給管と、
   前記燃料電池からカソード排ガスを排出する排気管と、
   前記カソードガス供給管の前記コンプレッサの下流側かつ前記燃料電池の上流側の箇所と、前記排気管と、を接続するバイパス配管と、
   前記バイパス配管に設けられたバイパス弁と、
   前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御部と、
   前記バイパス弁の開閉を制御するバイパス弁制御部と、
   を備え、
   前記コンプレッサ制御部と前記バイパス弁制御部は、一方から他方へ前記コンプレッサの回転数と流量と駆動電力のうちの少なくとも１つのパラメータを通知する通信を実行し、
   前記バイパス弁が開いている状態で前記コンプレッサ制御部と前記バイパス弁制御部との間の通信に異常が検出された場合には、前記バイパス弁制御部は、異常が検出される直前の前記パラメータの値に応じて遅延時間を算出し、前記遅延時間が経過した後、前記バイパス弁を閉じる、燃料電池システム。

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