JP2019133806A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】空気供給流路６の途中から分岐しており、コンプレッサ４が吐出した空気を、燃料電池スタック３０を通さずに排出流路１０へ導くバイパス流路８に備えられたバイパス弁２０を、空気供給流路６の圧力センサ１３のチェックに利用する。【解決手段】燃料電池システム２は、燃料電池スタック３０と、空気供給流路６と、バイパス流路８を備えている。空気供給流路６は、コンプレッサ４が吐出した空気を燃料電池スタック３０へ導く。バイパス流路８にはバイパス弁２０が設けられている。バイパス弁２０は、上流側の圧力が設定圧を超えると開くように構成されている。コントローラ３は、バイパス弁２０が開くまでコンプレッサ４を駆動し、バイパス弁２０が開いたときの設定圧と圧力センサ１３の計測値との圧力差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合に異常を通知する信号を出力する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に、燃料電池システムが開示されている。その燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、調圧弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、圧力センサと、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気（酸素）を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。調圧弁は、燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開く。圧力センサは、空気供給流路に設けられている。コントローラは、圧力センサの計測値が目標空気圧に一致するように、調圧弁とコンプレッサの一方を制御する。

特開２０１７−１２６５４０号公報

本明細書が開示する技術は、バイパス弁を使って圧力センサの異常を検知する機能を備えた燃料電池システムを提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、排出流路と、圧力センサと、バイパス流路と、バイパス弁と、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。圧力センサは、空気供給流路の圧力を計測する。排出流路は、燃料電池スタックから残留空気を排出する。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧以上になると開くように構成されている。コントローラは、コンプレッサを制御する。コントローラは、圧力センサをチェックするため、バイパス弁が開くまでコンプレッサを駆動する。そしてコントローラは、バイパス弁が開いたときの圧力センサの計測値と設定圧の圧力差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合に異常を通知する信号を出力する。なお、圧力差は、圧力センサの計測値と設定圧の圧力差の絶対値を用いる。

バイパス弁が開いたとき、空気供給流路の圧力は設定圧に等しい。従って、バイパス弁が開いたとき、圧力センサの計測値と設定圧との圧力差は、空気供給流路の実際の圧力と計測値の圧力差に等しい。別言すれば、圧力センサの計測値と設定圧の圧力差は、圧力センサの計測誤差に等しい。コントローラは、バイパス弁が開いたときの圧力センサの計測値と設定圧の圧力差、即ち計測誤差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合、圧力センサの異常を通知する信号を出力する。この燃料電池システムは、バイパス弁を圧力センサの異常検知に用いることができる。

圧力センサの計測値と設定圧との圧力差が圧力差閾値よりも小さかった場合には、コントローラは、圧力センサの計測値を補正して用いることも好適である。具体的には、コントローラは、圧力差が圧力差閾値よりも小さい場合、圧力差に基づいて圧力センサの計測値を補正する。コントローラは、補正後の計測値が、燃料電池スタックへ供給すべき空気の目標空気圧に一致するようにコンプレッサを制御する。この燃料電池システムは、圧力センサの計測値を補正することによって、適切な圧力の空気を燃料電池スタックに供給することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池システムのブロック図である。 バイパス弁の一例を示す模式的構造図である。 実施例のシステムのコントローラが実行する圧力センサチェック処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。図１に、燃料電池システム２のブロック図を示す。燃料電池システム２は、燃料電池スタック３０にて水素と酸素の電気化学反応により電気を生成する発電システムである。図１における破線は信号線を表している。

燃料電池システム２は、走行用のモータを有する自動車に搭載されている。自動車は、燃料電池システム２で発電した電力でモータを駆動し、走行する。

実施例の燃料電池スタック３０は、セルと呼ばれる多数の発電単位を直列に接続したものである。燃料電池スタック３０は、燃料極（アノード）に水素が供給され、空気極（カソード）に酸素（空気）が供給されると発電する。

水素は、水素タンク３１から水素供給流路３２を通じて燃料電池スタック３０の燃料極に送られる。水素供給流路３２には、封止弁３３とインジェクタ３４と圧力センサ３５が備えられている。封止弁３３は、水素タンク３１の口を開いたり閉じたりする弁である。燃料電池システム２が停止している間、封止弁３３は閉じられている。インジェクタ３４は、燃料電池スタック３０に供給する水素ガス（燃料ガス）の供給量を調整する弁である。圧力センサ３５は、水素供給流路３２において、インジェクタ３４の下流側に設けられている。圧力センサ３５が計測する圧力は、インジェクタ３４の下流側の圧力、即ち、燃料電池スタック３０の燃料極へ供給される水素の圧力である。

燃料電池スタック３０において反応で残った残留水素ガスは、水素排出流路３６を通じて燃料電池スタック３０から排出される。水素排出流路３６は後述する排出流路１０に合流している。水素排出流路３６には、排出弁１１が備えられている。

水素ガスとの反応には、空気に含まれている酸素が用いられる。空気取り入れ口５から取り込んだ空気は、コンプレッサ４で圧縮され、空気供給流路６を通じて燃料電池スタック３０の空気極に供給される。水素との反応で残った残留空気は、排出流路１０を通じて大気へ排出される。排出流路１０の途中には調圧弁９が備えられている。排出流路１０の下流にはマフラ１２が接続されている。空気供給流路６には、圧力センサ１３と封止弁１５が備えられている。

空気供給流路６の途中にバイパス流路８が接続されている。バイパス流路８は、空気供給流路６の途中から分岐し、排出流路１０に接続している。バイパス流路８は、コンプレッサ４が圧縮した空気を、燃料電池スタック３０を通さずに排出流路１０へ導く。バイパス流路８の途中にバイパス弁２０が備えられている。また、バイパス弁２０には、弁の開状態と閉状態を検知する弁センサ７が備えられている。

コンプレッサ４、封止弁１５、封止弁３３、インジェクタ３４、調圧弁９、排出弁１１、バイパス弁２０は、コントローラ３によって制御される。コントローラ３は、燃料電池スタック３０の目標出力から水素ガスの圧力（目標水素圧）を決定する。コントローラ３は、燃料電池システム２のメインスイッチが入れられると、封止弁３３を開き、燃料電池スタック３０への水素ガスの供給を開始する。コントローラ３は、燃料電池スタック３０に供給される水素ガスの圧力が、決定した目標水素圧に一致するようにインジェクタ３４を制御する。コントローラ３は、インジェクタ３４の下流に設けられている圧力センサ３５の計測値をフィードバックし、燃料電池スタック３０に供給される水素ガスの圧力が、目標水素圧に一致するようにインジェクタ３４を制御する。

また、コントローラ３は、封止弁１５を開き、空気を燃料電池スタック３０へ供給できるようにする。コントローラ３は、燃料電池スタック３０の内部での水素ガスと空気の圧力が等しくなるように、燃料電池スタック３０に供給する空気の圧力（目標空気圧）を決定する。水素ガスの圧力と空気の圧力に差があると、燃料電池スタック３０の劣化が進んでしまうからである。コントローラ３は、燃料電池スタック３０に供給される空気圧（即ち、空気供給流路６の圧力）が目標空気圧に一致するように、コンプレッサ４と調圧弁９の少なくとも一方を制御する。コントローラ３は、空気供給流路６に設けられている圧力センサ１３の計測値をフィードバックし、燃料電池スタック３０に供給される空気の圧力（即ち、空気供給流路６の圧力）が、目標空気圧に一致するようにコンプレッサ４を制御する。なお、コントローラ３は、空気供給流路６の圧力が目標空気圧に一致するように、コンプレッサ４とともに調圧弁９を（あるいは調圧弁９のみを）制御してもよい。

反応で残った空気は排出流路１０とマフラ１２を通じて大気に放出される。コントローラ３は、排出弁１１を制御し、反応で残った水素ガスを適度な割合で排出流路１０に流し、残留空気と混合し、マフラ１２を通じて排出する。

バイパス弁２０を備えるバイパス流路８には、２つの役割がある。ひとつは、燃料電池スタック３０を停止した後、高圧空気を、燃料電池スタック３０を通さずにマフラ１２に送り、マフラ１２に残った水分を排出することである。もうひとつは、空気供給流路６の圧力が過度に高くなったときに内圧を下げるリリーフ弁としての役割である。

さらに、本実施例の燃料電池システム２では、バイパス弁２０を、圧力センサ１３のチェック用にも利用する。バイパス弁２０の上流は空気供給流路６につながっており、バイパス弁２０の上流側の圧力は空気供給流路６の圧力に等しい。燃料電池システム２では、バイパス弁２０の設定圧に所定の圧力値を設定し、バイパス弁が開いたときの圧力センサ１３の計測値と設定圧から、圧力センサ１３が適切に動作しているか否かをチェックする。

図２に、バイパス弁２０の一例の模式的構造を示す。バイパス弁２０は、上流２８の側の圧力（上流圧）が設定圧を超えると弁２１が開くようになっている。弁２１の回転軸にはモータ２２が取り付けられている。また、弁２１にはバネ２３が取り付けられている。バネ２３は、弁２１をストッパ２４に向けて付勢する。弁２１がストッパ２４に押し当てられた状態が、弁２１が閉じている状態である。モータ２２は、弁２１に対して、開弁方向のトルクを加える。バネ２３が弁２１に加えるトルク（バネトルク）から、モータ２２が弁２１に加えるトルク（モータトルク）を差し引いたトルクが、弁２１を閉状態に保持する保持トルクに相当する。上流圧が保持トルクを上回ると、弁２１が開く。即ち、保持トルクが、バイパス弁２０の設定圧に相当する。モータトルクを調整することで、バイパス弁２０の設定圧を変更することができる。即ち、バイパス弁２０は、上流２８の側の圧力が設定圧を超えると開く弁であり、その設定圧が変更可能である。

バイパス弁２０は、上流圧が設定圧を超えているとき、上流圧が大きくなるにつれて弁２１の開度が大きくなるように構成されている。バイパス弁２０には、弁２１が閉状態であるか、開状態であるかを検知する弁センサ７が付随しており、弁センサ７の検知結果はコントローラ３に送られる。

コントローラ３は、バイパス弁２０を使って圧力センサ１３の状態をチェックする。次に、コントローラ３が実行する圧力センサチェック処理を説明する。図３と図４に、圧力センサチェック処理のフローチャートを示す。図３、図４の処理は、例えば、燃料電池システム２を起動するとき、あるいは、停止するときに実施される。なお、後に、燃料電池スタック３０の発電中に実行することができる圧力センサチェック処理についても言及する。

まず、コントローラ３は、適当な設定圧を決定する（ステップＳ３）。設定圧は、例えば、燃料電池スタック３０の発電中によく採用される目標空気圧であってよい。次にコントローラ３は、決定された設定圧がバイパス弁２０で実現されるように、モータ２２を駆動する（ステップＳ４）。そして、コントローラ３は、バイパス弁２０が開くまで、コンプレッサ４を駆動する（ステップＳ５、Ｓ６：ＮＯ、Ｓ５）。コンプレッサ４の制御パラメータは、回転数であってもよいし、消費電力であってもよいし、空気吐出量であってもよい。また、先に述べたように、コントローラ３は、弁センサ７からの情報により、バイパス弁２０が開いたか否かを検知することができる。また、このとき、封止弁１５は閉じておく。

バイパス弁２０が開いたら（ステップＳ６：ＹＥＳ）、コントローラ３は、圧力センサ１３の計測値と、バイパス弁２０の設定圧との圧力差を、所定の圧力差閾値と比較する（ステップＳ７）。ここでの圧力差とは、圧力センサ１３の計測値と設定圧との圧力差の絶対値を意味する。以下、圧力センサ１３の計測値と設定圧との圧力差を圧力差ｄＰｓと称し、所定の圧力差閾値を圧力差閾値ｄＰｔと称する。圧力差ｄＰｓは、圧力センサ１３の計測値と設定圧との圧力差の絶対値で与えられる。圧力差閾値ｄＰｔは、例えば２０［ｋＰａ］に設定される。

バイパス弁２０が開いたということは、そのときの空気供給流路６の実際の圧力が設定圧に等しいことを意味する。そのときの圧力センサ１３の計測値が設定圧からずれているということは、圧力センサ１３の計測値が正確ではないことを意味する。圧力差ｄＰｓが、空気供給流路６の実際の圧力と圧力センサ１３の計測値との差（誤差）に相当する。圧力差ｄＰｓが圧力差閾値ｄＰｔよりも大きい場合、即ち、計測値の誤差が圧力差閾値ｄＰｔよりも大きい場合は、コントローラ３は、圧力センサ１３の計測値が全く使えないと判断し、異常を通知する信号を出力する（ステップＳ７：ＹＥＳ、ステップＳ８）。異常を通知する信号は、例えば、コントローラ３に接続されている表示装置１４に送られる。信号を受けた表示装置１４は、圧力センサ１３で異常が発生したことを知らせるメッセージを表示する。

一方、圧力差ｄＰｓが圧力差閾値ｄＰｔよりも小さい場合、コントローラ３は、圧力差ｄＰｓを補正用オフセットとして記憶する（ステップＳ７：ＮＯ、Ｓ９）。コントローラ３は、燃料電池スタック３０へ空気を送る際、圧力センサ１３の計測値に補正用オフセットを加算した値を圧力センサ１３の補正値として用いる。なお、補正用オフセットとして用いる圧力差ｄＰｓは、「設定圧−計測値」であり、この場合は正負の符号を含めて用いる。即ち、計測値よりも設定圧が大きい場合は、オフセットは正値となり、計測値よりも設定圧が小さい場合は、オフセットは負値となる。

コントローラ３は、燃料電池スタック３０で発電する際、圧力センサ１３の計測値の補正値（計測値＋オフセットｄＰｓ）が目標空気圧に一致するようにコンプレッサ４を制御する。補正用オフセットを採用することで、燃料電池スタック３０へ送る空気の圧力を正確に制御することができるようになる。燃料電池システム２は、バイパス弁２０を使って、圧力センサ１３の計測値が適正であるか否かをチェックすることができる。

図３のステップＳ９の後、補正用オフセットが適切か否かをチェックする処理を追加することも好適である。コントローラ３は、ステップＳ９でオフセットを設定した後、バイパス弁２０を全開状態にする。あるいは、コントローラ３は、封止弁１５と調圧弁９を全開状態にする。すなわち、空気供給流路６の圧力を大気圧と等しくする。そして、コントローラ３は、圧力センサ１３の計測値に補正用オフセットを加えた値が、大気圧に等しいか否かをチェックする。補正後の計測値が大気圧に等しければ、補正用オフセットが適切であることが確認できる。

燃料電池スタック３０の動作中に圧力センサ１３をチェックする方法について説明する。先に述べたように、コントローラ３は、燃料電池スタック３０の内部での水素ガスと空気の圧力が等しくなるように、燃料電池スタック３０に供給する空気の圧力（目標空気圧）を決定する。そして、コントローラ３は、圧力センサ１３の計測値（補正後の計測値）を使って、空気供給流路６の圧力が目標空気圧に一致するようにコンプレッサ４を駆動する。このとき、バイパス弁２０の設定圧を、目標空気圧にマージンを加えた値に設定しておく。コントローラ３、バイパス弁２０の上流側の圧力が設定圧になると開くように、モータ２２を制御する。

コントローラ３は、燃料電池スタック３０の動作中にバイパス弁２０が開いたら、そのときの圧力センサ１３の計測値を設定圧（即ち、目標空気圧＋マージン）と比較する。コントローラ３は、計測値と設定圧の圧力差（絶対値）が圧力差閾値よりも大きい場合、圧力センサ１３で異常が生じていることを示す信号を出力する。信号は表示装置１４に送られる。信号を受けた表示装置４は、圧力センサ１３で異常が生じている旨を示すメッセージを表示する。また、コントローラ３は、直ちにコンプレッサ４を停止し、封止弁１５、３３を閉じる。即ち、燃料電池スタック３０での発電を停止する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図２で示した構造は、バイパス弁２０の一例である。バイパス弁２０の構造は、図２の構造に限られるものではない。バイパス弁２０は、設定値を超える圧力が加わったときに開くことができ、設定値を変更できる構造であればよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池システム
３：コントローラ
４：コンプレッサ
５：空気取り入れ口
６：空気供給流路
７：開度センサ
８：バイパス流路
９：調圧弁
１０：排出流路
１１：排出弁
１２：マフラ
１３、３５：圧力センサ
１４：表示装置
１５、３３：封止弁
２０：バイパス弁
２１：弁
２２：モータ
２３：バネ
２４：ストッパ
２８：上流
３０：燃料電池スタック
３１：水素タンク
３２：水素供給流路
３４：インジェクタ
３６：水素排出流路

Claims (2)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに空気を送るコンプレッサと、
   前記コンプレッサが吐出した空気を前記燃料電池スタックへ導く空気供給流路と、
   前記燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路と、
   前記空気供給流路の圧力を計測する圧力センサと、
   前記空気供給流路の途中から分岐しており、前記コンプレッサが吐出した空気を、前記燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導くバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が所定の設定圧以上になると開くバイパス弁と、
   前記コンプレッサを制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、前記バイパス弁が開くまで前記コンプレッサを駆動し、
   前記バイパス弁が開いたときの前記設定圧と前記圧力センサの計測値との圧力差が所定の圧力差閾値よりも大きい場合に異常を通知する信号を出力する、燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、
   前記圧力差が前記圧力差閾値よりも小さい場合、前記圧力差に基づいて前記圧力センサの計測値を補正し、
   補正後の計測値が、燃料電池スタックへ供給すべき空気の目標空気圧に一致するように前記コンプレッサを制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。

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