JP2019036440A

JP2019036440A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2019036440A
Application number: JP2017156040A
Authority: JP
Inventors: 諭安藤; Satoshi Ando
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-03-07

Abstract

【課題】燃料電池での負電圧の発生を抑制する燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する供給経路と、前記供給経路上に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する調整弁と、前記供給経路上に設けられ、前記調整弁よりも下流側に配置された第１及び第２圧力センサと、前記第１及び第２圧力センサの検出値の差分が閾値を超えている場合に、最初に前記第１及び第２圧力センサの検出値のうち小さい方に基づいて前記調整弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池への燃料ガスの供給量を制御するために、燃料電池に燃料ガスを供給する供給経路上に設けられた開閉弁を、供給経路上であって開閉弁の下流側に設けられた下流側センサの検出値に基づいて制御することが知られている。特許文献１には、下流側センサが故障した場合に、開閉弁の上流側に配置された上流側センサの検出値を下流側センサの検出値に対応させるマップを参照することにより推定値を算出し、推定値に基づいて開閉弁を制御する技術が開示されている。

特開２００８−０７１７３４号公報

このような推定値には誤差が生じる場合がある。例えば推定値が実際の圧力値よりも大きい場合に、このような推定値に基づいて燃料ガスの供給量が制御されると、実際の燃料ガスの供給量が所望の供給量に対して不足し、これに起因して燃料電池の一部のセルに負電圧が発生する可能性がある。これにより、負電圧が発生したセルの性能が低下する可能性がある。

本発明は、燃料電池での負電圧の発生を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する供給経路と、前記供給経路上に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する調整弁と、前記供給経路上に設けられ、前記調整弁よりも下流側に配置された第１及び第２圧力センサと、前記第１及び第２圧力センサの検出値の差分が閾値を超えている場合に、最初に前記第１及び第２圧力センサの検出値のうち小さい方に基づいて前記調整弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、燃料電池での負電圧の発生を抑制する燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの概略図である。図２Ａは、センサ異常判定制御の一例を示したフローチャートであり、図２Ｂは、異常時発電制御の一例を示したフローチャートである。図３は、比較例の異常時発電制御の一例を示したフローチャートである。

図１は、燃料電池システム１（以下、システムと称する）の概略図である。システム１は、本実施例では車両に搭載されているがこれに限定されない。システム１は、制御装置１０、燃料電池２０、及び水素ガス供給系３０等を含む。システム１は、燃料電池２０の発電電力を不図示のモータ等に供給する。制御装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、複数のセルを積層したスタック構造を備えている。尚、システム１は、燃料電池２０に酸化剤ガスである空気を供給する不図示の空気供給系や燃料電池２０の発電電力を制御する電力制御系、燃料電池２０を冷却する冷却系を含む。

水素ガス供給系３０は、燃料ガスである水素ガスを燃料電池２０に供給する。具体的には、水素ガス供給系３０は、タンクＴ、供給経路３１、循環経路３２、放出経路３３、タンク弁３４、調圧弁３５、噴射弁３６、循環ポンプ３７、気液分離器３８、開閉弁３９を備えている。

水素ガスは、タンクＴから供給経路３１を介して燃料電池２０に供給される。タンク弁３４、調圧弁３５、及び噴射弁３６は、供給経路３１の上流側から順に設けられている。循環経路３２は、燃料電池２０から排出された燃料オフガスを供給経路３１に循環させる。水素ガスの供給量は、アクセルペダルＡＰの操作に基づいて、制御装置１０により各種弁の開閉が制御されることによって調整される。

循環ポンプ３７及び気液分離器３８は、循環経路３２上に設けられ、循環ポンプ３７は、気液分離器３８で分離した燃料オフガスを供給経路３１に循環させる。気液分離器３８で分離した水分と一部の燃料オフガスは、気液分離器３８から分岐した放出経路３３及び開閉弁３９を介して放出経路３３から外部へ放出される。

供給経路３１上であって噴射弁３６よりも下流側に圧力センサＰ１が配置され、圧力センサＰ１よりも下流側に圧力センサＰ２が配置されている。圧力センサＰ１及びＰ２の間には、圧力を変化させる弁や絞り部等は存在しておらず、圧力センサＰ１及びＰ２の双方が正常の場合には、両センサの検出値は略同じ値となる。圧力センサＰ１は供給経路３１と循環経路３２との合流地点よりも上流側であり、圧力センサＰ２は合流地点よりも下流側にあるが、これに限定されない。また、循環経路３２及び循環ポンプ３７は設けられていなくてもよい。圧力センサＰ１及びＰ２は、制御装置１０に電気的に接続されている。圧力センサＰ１及びＰ２は、噴射弁３６よりも下流側の供給経路３１内の圧力、即ち制御装置１０に供給される燃料ガスの圧力を検出する。制御装置１０は、詳しくは後述するが圧力センサＰ１及びＰ２の一方の検出値を用いて調圧弁３５及び噴射弁３６を制御する。圧力センサＰ１及びＰ２は、供給経路３１上に設けられ、調圧弁３５及び噴射弁３６よりも下流側に配置された第１及び第２圧力センサの一例である。尚、調圧弁３５及び噴射弁３６は、供給経路３１上に設けられ燃料電池２０に供給される燃料ガスの圧力を調整する調整弁の一例である。

また制御装置１０は、後述する異常時発電制御を実行可能である。この異常時発電制御は、制御装置１０のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びメモリにより機能的に実現される制御部により実行される。異常時発電制御については詳しくは後述する。

次に、制御装置１０が実行するセンサ異常判定制御について説明する。図２Ａは、センサ異常判定制御の一例を示したフローチャートである。本処理は、所定の時間毎に繰り返し実行される。最初に、圧力センサＰ１及びＰ２の検出値の差分が閾値を超えた状態が所定期間以上継続しているか否かが判定される（ステップＳ１）。否定判定の場合には、圧力センサＰ１及びＰ２の何れも正常であるとして本処理は終了する。肯定判定の場合には、圧力センサＰ１及びＰ２の何れか一方が異常であると判定される（ステップＳ３）。

次に、上記のようにセンサ異常と判定された場合に制御装置１０が実行する異常時発電制御について説明する。図２Ｂは、異常時発電制御の一例を示したフローチャートである。最初に、圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が小さい圧力センサに基づいて、各種機器が制御され、燃料電池２０の発電処理が実行される（ステップＳ１１）。具体的には、検出値が小さい圧力センサに基づいて、少なくとも調圧弁３５及び噴射弁３６の開度が制御される。即ち、燃料電池２０に供給される燃料ガスの圧力が調整される。ステップＳ１１の処理は、圧力センサＰ１及びＰ２の検出値の差分が閾値を超えている場合に、圧力センサＰ１及びＰ２の検出値のうち小さい方に基づいて調圧弁３５及び噴射弁３６を制御する制御部が実行する処理の一例である。

このような状態で、燃料電池２０の実際の出力電圧と、各センサの検出値から想定される燃料電池２０の出力電圧（以下、想定電圧と称する）との差分が、所定値以上か否かが判定される（ステップＳ１３）。燃料電池２０の実際の出力電圧は、燃料電池２０に接続された不図示の電圧センサに基づいて取得される。各センサの検出値には、上記のように燃料電池２０の発電処理に用いられている圧力センサの検出値を含む。また、燃料電池２０の想定電圧は、予め実験により取得され、各センサの検出値に基づいて燃料電池２０の電圧を規定したマップに基づいて算出される。このマップは、制御装置１０に記憶されている。

ステップＳ１３で否定判定の場合には、本処理は終了する。この場合、圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が小さい圧力センサは正常であるとして、検出値が小さい圧力センサに基づいて燃料電池２０の発電処理が継続される。ステップＳ１３で肯定判定の場合には、圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が小さい圧力センサは異常と判定され（ステップＳ１５）、圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が大きい圧力センサに基づいて燃料電池２０の発電処理が実行される（ステップＳ１７）。

次に、比較例の異常時発電制御について説明する。図３は、比較例の異常時発電制御の一例を示したフローチャートである。尚、上述した本実施例の異常時発電制御と同一の処理には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。比較例での異常時発電制御では、最初に圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が大きい圧力センサに基づいて、燃料電池２０の発電処理が実行される（ステップＳ１１ｘ）。また、ステップＳ１３で肯定判定の場合には、圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が大きい圧力センサは異常と判定され（ステップＳ１５ｘ）、圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が小さい圧力センサに基づいて燃料電池２０の発電処理が実行される（ステップＳ１７ｘ）。

本実施例及び比較例の何れの場合にも、最終的には正常である圧力センサに基づいて発電処理が実行される。しかしながら比較例においては、最初に圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が大きい圧力センサに基づいて発電処理が実行されるため（ステップＳ１１ｘ）、検出値が大きい圧力センサが異常であった場合には、この検出値は実際の圧力値よりも大きなものとなる。このため、この検出値に基づいて発電処理が実行されると、燃料電池２０への実際の燃料ガスの供給量が所望の供給量に対して不足し、これに起因して燃料電池２０の一部のセルに負電圧が発生する可能性がある。負電圧となるセルでは、他のセルと同じだけの電流が流れようとするため、触媒を構成するカーボンが酸化して発電性能が不可逆的に低下する可能性がある。このような負電圧が生じ得る状況は、ステップＳ１７ｘで正常な圧力センサに基づいて発電処理が実行されるまで継続する。

これに対して本実施例では、最初に圧力センサＰ１及びＰ２のうち検出値が小さい圧力センサに基づいて発電処理が実行されるため（ステップＳ１１）、検出値が小さい圧力センサが異常であった場合には、この検出値は実際の圧力値よりも小さなものとなる。このため、この検出値に基づいて発電処理が実行された場合、燃料電池２０への実際の燃料ガスの供給量が所望の供給量に対して過剰になり燃費が一時的に悪化する可能性はあるが、上述したような負電圧の発生は抑制される。このため、本実施例によれば、負電圧の発生に起因した燃料電池２０の発電性能の低下が抑制される。

尚、比較例でのステップＳ１３の処理では、例えば発電処理の継続中での燃料電池２０の最低電圧が閾値未満であるか否かを判定してもよい。この閾値は、正常な圧力センサに基づいて発電処理が実行されている場合での燃料電池２０の最低電圧よりも低い値である。

尚、上記のような同一箇所の圧力を検出する圧力センサが３つ以上設けられている場合には、上述したステップＳ１１及びＳ１３の処理を実行せずに、圧力センサ同士の検出値を比較することにより異常のある圧力センサを判別できる。しかしながらこの場合、３つ以上の圧力センサが必要となるためコストが増大する。本実施例では、２つのみの圧力センサＰ１及びＰ２が設けられているため、コストの増大を抑制しつつ、上述したステップＳ１１及びＳ１３の処理の実行により異常のある圧力センサを判別できる。

上記実施例では、圧力センサＰ２は圧力センサＰ１よりも下流側に配置されているが、これに限定されず、圧力センサＰ２は圧力センサＰ１よりも上流側に配置されていてもよいし、圧力センサＰ１及びＰ２の双方が略同じ位置に配置されていてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１燃料電池システム
１０制御装置（制御部）
２０燃料電池
３１供給経路
３５調圧弁（調整弁）
３６噴射弁（調整弁）
Ｐ１及びＰ２圧力センサ（第１及び第２圧力センサ）

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する供給経路と、
前記供給経路上に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する調整弁と、
前記供給経路上に設けられ、前記調整弁よりも下流側に配置された第１及び第２圧力センサと、
前記第１及び第２圧力センサの検出値の差分が閾値を超えている場合に、最初に前記第１及び第２圧力センサの検出値のうち小さい方に基づいて前記調整弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システム。