JP2018152287A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２へ水素ガスを供給する水素供給経路４１と、燃料電池２と水素供給経路４１とに接続された水素循環経路４２に設けられ、所定方向へ回転することで燃料電池２からのオフガス中の未反応の水素ガスを水素供給経路４１へ送り込む水素ポンプ４４と、水素供給経路４１に設けられた圧力を検出する圧力センサ４３と、を備え、水素ポンプ４４の回転数を増加させることで、圧力センサ４３からの検出値に基づいて水素ポンプ４４の回転数の増加前後の圧力差Ｐ２−Ｐ１を計測し、圧力差Ｐ２−Ｐ１が、予め設定された所定値Ｐｓ以下である場合に、水素ポンプ４４が所定方向と逆方向に回転していると判定する制御部６を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、ポンプを駆動させることで、燃料電池から排出されるオフガス中の未反応の水素ガスを再度燃料電池へ送り込んで燃料として利用する水素循環経路を有している。この水素循環経路を有する燃料電池システムとして、レゾルバなどの回転位置を検出するセンサを備えないセンサレスの電動機で駆動するポンプを用い、センサ劣化による制御破綻を回避するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５２７２９号公報

ところで、センサレスの電動機で駆動するポンプは、回転位置を検出するセンサがないことから、この種のポンプを制御する場合には、ポンプ内のモータの制御に必要な回転数などを推定する。回転数の推定方法としては、モータの回転による誘導起電力を利用して推定演算する方法などがあるが、モータの回転が一方向であることを前提としたポンプでは、推定値が正の値としてのみ扱われ、回転方向は判断できないのが一般的である。このため、ポンプが逆回転しているか否かなどの回転状態を検出して円滑に水素ガスの循環制御を行うことが困難となるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する供給経路と、
前記燃料電池と前記供給経路とに接続された循環経路と、
前記循環経路に設けられ、所定方向へ回転することで前記燃料電池から排出されるオフガス中の未反応の前記燃料ガスを前記供給経路へ送り込むポンプと、
前記供給経路に設けられ、前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
を備えた燃料電池システムであって、
前記ポンプの回転数を増加させることで、前記圧力センサからの検出値に基づいて前記ポンプの回転数の増加前後の圧力差を計測し、前記圧力差が、予め設定された所定値以下である場合に、前記ポンプが前記所定方向と逆方向に回転していると判定する制御部を備える。

この構成の燃料電池システムによれば、制御部が、ポンプの回転数を増加させることで、圧力センサからの検出値に基づいてポンプの回転数の増加前後の圧力差が予め設定された所定値以下である場合に、ポンプが逆回転していると判定する。このように、燃料電池への燃料ガスの供給圧を検出するために元々備わっている圧力センサの検出値に基づいて制御部がポンプの逆回転を判定するので、回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することが可能な燃料電池システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 制御部による回転状態判定処理を説明するフローチャートである。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスである水素ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給経路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出経路３３とを有する。

水素ガス配管系４は、水素タンク等の燃料供給源の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給経路（供給経路）４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給経路４１に戻すための水素循環経路（循環経路）４２とを有する。

水素供給経路４１には、調圧弁４８が設けられている。この調圧弁４８が開閉することで、燃料供給源から燃料電池２への水素ガスの供給量の調整が行われる。また、水素供給経路４１には、燃料電池２への水素ガスの供給圧を検出する圧力センサ４３が設けられている。この圧力センサ４３は、水素供給経路４１における水素循環経路４２の接続箇所よりも燃料電池２側に配置されることで、水素供給経路４１における水素循環経路４２より下流の位置に設けられている。なお、水素供給経路４１には、調圧弁４８に代えてインジェクタを設け、このインジェクタを開閉制御することで、燃料供給源から燃料電池２への水素ガスの供給量の調整を行う構成としてもよい。

水素循環経路４２には、水素オフガスを加圧して水素供給経路４１側へ送り出す水素ポンプ（ポンプ）４４が設けられている。また、水素循環経路４２には、気液分離器４５および排気排水弁４６を介して排出経路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから未反応の水素ガス以外のガス及び水などの液体を回収して貯留する。排気排水弁４６は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４５で貯留されたガス及び液体を排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された排気は、空気排出経路３３内の酸化オフガスと合流する。

水素循環経路４２に設けられた水素ポンプ４４は、レゾルバなどの回転位置を検出するセンサを備えない電動機を駆動源としたセンサレスのポンプである。このセンサレスの水素ポンプ４４を用いることで、低コスト化とともに、センサが劣化することによる制御破綻の回避が可能である。

制御部６は、燃料電池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等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、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３１や水素ポンプ４４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、オーディオ等が含まれる。

制御部６には、コンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６および調圧弁４８等が接続されており、制御部６は、これらのコンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６および調圧弁４８等を制御する。また、制御部６には、圧力センサ４３が接続されており、この圧力センサ４３から制御部６へ検出信号が送信される。

上記構成の燃料電池システム１では、制御部６が要求に応じて調圧弁４８を開閉制御することで、燃料供給源からの水素ガスの供給量を調整して燃料電池２へ供給し、燃料電池２で発電させる。

また、上記燃料電池システム１は、センサレスの水素ポンプ４４を制御する場合、制御部６は、例えば、制御に必要な回転数などを推定してセンサレスの水素ポンプ４４を駆動させる。この水素ポンプ４４の回転数は、例えば、電動機の回転による誘導起電力に基づいて演算して推定する。しかし、この回転数の推定方法は、一方向の回転（正の値）のみを前提としているので、回転方向が逆であるかなどの回転状態を判定することはできない。

このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部６が圧力センサ４３からの検出信号に基づいて以下の回転状態判定処理を行うことで、水素ポンプ４４の回転状態を判定する。

図２は、制御部による回転状態判定処理を説明するフローチャートである。
まず、圧力センサ４３からの検出信号に基づいて、水素供給経路４１の水素圧力を計測し、この計測値を回転増加前の水素圧力Ｐ１とする（ステップＳＰ１）。

次に、水素ポンプ４４を制御し、水素ポンプ４４の回転数を増加させる（ステップＳＰ２）。

水素ポンプ４４の回転数の増加後に、圧力センサ４３からの検出信号に基づいて、水素供給経路４１の圧力を計測し、この計測値を回転増加後の水素圧力Ｐ２とする（ステップＳＰ３）。

回転増加後の水素圧力Ｐ２と回転増加前の水素圧力Ｐ１との圧力差Ｐ２−Ｐ１が予め定めた閾値である所定値Ｐｓ以下であるか否かの差圧判定を行う（ステップＳＰ４）。つまり、Ｐ２−Ｐ１≦Ｐｓであるか否かを判定する。

この差圧判定（ステップＳＰ４）の結果、圧力差Ｐ２−Ｐ１が所定値Ｐｓより大きい（Ｐ２−Ｐ１＞Ｐｓ）場合（ステップＳＰ４：Ｎｏ）、水素ポンプ４４が逆回転していないとして回転状態判定処理を終了する。

差圧判定（ステップＳＰ４）の結果、圧力差Ｐ２−Ｐ１が所定値Ｐｓ以下（Ｐ２−Ｐ１≦Ｐｓ）である場合（ステップＳＰ４：Ｙｅｓ）、水素ポンプ４４に逆回転が生じていると判定する（ステップＳＰ５）。

水素ポンプ４４に逆回転が生じていると判定すると（ステップＳＰ５）、燃料電池システム１を停止させる（ステップＳＰ６）。

以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、制御部６が、水素ポンプ４４の回転数を増加させることで、圧力センサ４３からの検出値に基づいて水素ポンプ４４の回転数の増加前後の圧力差Ｐ２−Ｐ１が予め設定された所定値Ｐｓ以下である場合に、水素ポンプ４４が逆回転していると判定する。このように、制御部６が、燃料電池２への水素ガスの供給圧を検出するために元々備わっている圧力センサ４３の検出値に基づいて、水素ポンプ４４の逆回転を判定するので、回転位置を検出するセンサを備えた高価な水素ポンプを用いることなく、水素ポンプ４４の回転状態を検出して円滑に運転することができる。

なお、上記の回転状態判定処理は、常に水素ガスの供給及び消費が行われて燃料電池２への水素ガスの供給のために圧力変動が大きくなる発電中以外の圧力変動が小さいタイミングで実施するのが好ましい。つまり、回転状態判定処理は、例えば、燃料電池システム１の起動時（発電開始前）や燃料電池システム１の間欠運転における非発電時に行うのが好ましい。

また、正常に回転している水素ポンプ４４が突然逆回転し始めることはないと考えられるため、回転状態判定処理は、上記のタイミングで１回程度実施する頻度でよく、また、バッテリのクリア判定後のみに上記のタイミングのいずれかで１回程度実施してもよい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
６ 制御部
４１ 水素供給経路（供給経路）
４２ 水素循環経路（循環経路）
４３ 圧力センサ
４４ 水素ポンプ（ポンプ）

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池へ燃料ガスを供給する供給経路と、
   前記燃料電池と前記供給経路とに接続された循環経路と、
   前記循環経路に設けられ、所定方向へ回転することで前記燃料電池から排出されるオフガス中の未反応の前記燃料ガスを前記供給経路へ送り込むポンプと、
   前記供給経路に設けられ、前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記ポンプの回転数を増加させることで、前記圧力センサからの検出値に基づいて前記ポンプの回転数の増加前後の圧力差を計測し、前記圧力差が、予め設定された所定値以下である場合に、前記ポンプが前記所定方向と逆方向に回転していると判定する制御部を備える、燃料電池システム。