JP2021190235A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エア供給系の異常を精度良く判定できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスとが供給されて発電する燃料電池１０と、酸化ガスを燃料電池１０に供給する酸化ガス供給部３０と、燃料電池１０の発電量を決定する発電量決定部２１と、発電量決定部２１により決定された発電量を燃料電池１０で発電するために必要な酸化ガス量を表す酸化ガス指令値を算出するエア流量指令値演算部２２と、酸化ガス指令値に応じて酸化ガス供給部３０が燃料電池１０に供給した酸化ガス流量と、酸化ガス指令値との差分が所定値以上の場合に酸化ガス供給部３０の異常を検知する異常判定部２８と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムにおいて、酸化ガスを供給するエアコンプレッサの回転数と指令値との差の絶対値が所定値以上で、所定時間経過した場合に、エア供給系の故障と判定することが開示されている。

特開２００４−１７９０７２号公報

しかし、特定の場合では、エア供給系の異常でなくともエアコンプレッサの回転数とその指令値とに差が生じることがあるため、特許文献１などに記載の従来手法ではエア供給系異常検知の誤判定を生じる可能性がある。

本開示は、エア供給系の異常を精度良く判定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態の一観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給部と、前記燃料電池の発電量を決定する発電量決定部と、前記発電量決定部により決定された前記発電量を前記燃料電池で発電するために必要な酸化ガス量を表す酸化ガス指令値を算出する酸化ガス流量指令部と、前記酸化ガス指令値に応じて前記酸化ガス供給部が前記燃料電池に供給した酸化ガス流量と、前記酸化ガス指令値との差分が所定値以上の場合に前記酸化ガス供給部の異常を検知する異常判定部と、を備える。

本開示によれば、エア供給系の異常を精度良く判定できる燃料電池システムを提供することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図 図１中の制御部の機能ブロック図 本実施形態のエア供給系の異常判定処理のフローチャート 発電量に基づくエアコンプレッサの制御の流れを示す図 発電量に基づくエアバルブの制御の流れを示す図

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。図２は、図１中の制御部２０の機能ブロック図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、酸化ガス流路３０と、燃料ガス流路５０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。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（燃料ガス）と空気（酸化ガス）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。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。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、膜電極接合体を狭持する１組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９０を介してバッテリ９２に蓄電される。バッテリ９２には、種々の負荷９３が接続されている。後述するエアコンプレッサ３２や循環用ポンプ６４、各種弁には、燃料電池１０またはバッテリ９２から電力が供給され、駆動される。

酸化ガス流路３０は、燃料電池１０に酸化ガスを供給するための流路である。酸化ガス流路３０は、酸化ガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、開閉弁３４と、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、を備える。また、酸化ガス流路３０には、燃料電池１０内のカソード側の流路が含まれる。なお、以下の説明では、酸化ガス流路３０を「酸化ガス供給部」や「ガス供給系」とも表記する場合がある。

エアコンプレッサ３２は、酸化ガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、酸化ガスとして燃料電池１０に供給する。

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、酸化ガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管３１に供給されたときに開く。

カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソードから排出されたカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、制御部２０からの制御信号に応じて、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０の背圧）を調整する。なお、以下の説明では、酸化ガス流路３０に設けられるバルブである開閉弁３４及び調圧弁４３を纏めて「エアバルブ」と表記する場合がある。

燃料ガス流路５０ は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための流路である。燃料ガス流路５０は、燃料ガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、圧力センサ５６と、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、循環配管６３と、循環用ポンプ６４と、排水配管６５と、排水弁６６とを備える。また、燃料ガス流路５０には、燃料電池１０内のアノード側の流路が含まれる。

水素タンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池１０に供給する。開閉弁５３、レギュレータ５４、インジェクタ５５、圧力センサ５６は、燃料ガス配管５１に、この順序で上流側、つまり水素タンク５２に近い側、から設けられている。

開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時には開閉弁５３は閉じられる。レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素の量を制御する。

アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管である。アノード排ガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。

気液分離部６２は、循環配管６３と排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離する。気液分離部６２は、気体成分については、循環配管６３へと誘導し、水分については排水配管６５へと誘導する。

循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動される循環用ポンプ６４が設けられている。この循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素が、燃料ガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、排水配管６５に設けられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定されたタイミングで排水弁６６を開き、燃料ガス流路５０中の水やアノード排ガス中の不純物を排出する。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。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、後述する各種処理を実現するほか、燃料電池システム１００の運転制御を行う。

制御部２０には、エア流量センサ７０と、コンプレッサ回転数センサ７１と、コンプレッサトルクセンサ７２と、エアバルブ開度センサ７３と、が接続されており、各センサからの情報が入力される。

エア流量センサ７０は、燃料電池に供給される酸化ガスの流量を計測する。エア流量センサ７０は、例えば、酸化ガス配管３１のうちエアコンプレッサ３２より上流側に設置される。

コンプレッサ回転数センサ７１と、コンプレッサトルクセンサ７２は、それぞれエアコンプレッサ３２の回転数とトルクとを計測する。

エアバルブ開度センサ７３は、エア供給系３０に設けられるエアバルブ３４、４３の開度を測定する。図１の例では、開閉弁３４と調圧弁４３とがエアバルブに含まれる。

制御部２０は、エア流量センサ７０、コンプレッサ回転数センサ７１、コンプレッサトルクセンサ７２、エアバルブ開度センサ７３、などから入力されるシステムの各種情報に基づき、エアコンプレッサ３２やエアバルブ３４、４３などのシステムの各要素の動作を制御する。特に本実施形態では、制御部２０は、エア流量の目標値と計測値とを比較することでエア供給系３０の異常判定を行う。

制御部２０は、特に上記の機能に関して、例えば図２に示すように、発電量決定部２１と、エア流量指令値演算部２２（酸化ガス流量指令部）と、コンプレッサ回転数指令値演算部２３と、コンプレッサトルク指令値演算部２４と、エアバルブ開度指令値演算部２５と、コンプレッサ制御部２６と、エアバルブ制御部２７と、異常判定部２８と、を備える。

発電量決定部２１は、燃料電池の発電量を決定する。

エア流量指令値演算部２２は、発電量決定部２１により決定された発電量を燃料電池で発電するために必要な酸化ガス量を表すエア流量指令値（酸化ガス指令値）を算出する。

コンプレッサ回転数指令値演算部２３は、エア流量指令値演算部２２により算出されたエア流量指令値をエアコンプレッサ３２で出力するために必要なコンプレッサ回転数を表すコンプレッサ回転数指令値を算出する。

コンプレッサトルク指令値演算部２４は、コンプレッサ回転数指令値演算部２３により算出されたコンプレッサ回転数指令値をエアコンプレッサ３２で出力するために必要なトルクを表すコンプレッサトルク指令値を算出する。

エアバルブ開度指令値演算部２５は、発電量決定部２１により発電量が決まるのに応じて、エアバルブ３４、４３の開度の指令値を算出する。エアバルブ開度指令値は、例えば燃費やＮ／Ｖ比などが最適になるように設定される。

コンプレッサ制御部２６は、コンプレッサトルク指令値演算部２４により算出されたコンプレッサトルク指令値に基づき、エアコンプレッサ３２の動作を制御する。

エアバルブ制御部２７は、エアバルブ開度指令値演算部２５により算出されたエアバルブ開度指令値に基づき、エアバルブ３４、４３の動作を制御する。

異常判定部２８は、エア流量指令値演算部２２により算出されたエア流量指令値と、このエア流量指令値に応じてエア供給系３０が燃料電池１０に供給した実際のエア流量（エア流量センサ７０による測定値）とを比較して、エア流量測定値とエア流量指令値との差分が所定値以上の場合に、エア供給系３０の異常を検知する。なお、異常判定部２８は、エア供給系３０の異常を検知したときに、その旨を外部に報知する構成でもよい。

図３は、本実施形態のエア供給系３０の異常判定処理のフローチャートである。

ステップＳ０１にて発電量決定部２１により燃料電池の発電量が決定されると、ステップＳ０２では、エア流量指令値演算部２２により、ステップＳ０１で決定された発電量に基づきエア流量指令値が算出される。次いで、ステップＳ０３では、コンプレッサ回転数指令値演算部２３により、ステップＳ０２で算出されたコンプレッサ（ＡＣＰ）回転数指令値に基づきコンプレッサ回転数指令値が算出される。

ステップＳ０２、Ｓ０３と並行して、ステップＳ０４では、エアバルブ開度指令値演算部２５によりエアバルブ開度指令値が算出され、ステップＳ０５では、異常判定部２８により、この算出されたエアバルブ開度指令値が発電量に伴う指令値か否かが判定される。

ここで、ステップＳ０４にて算出されたエアバルブ開度指令値が、発電量より優先度が高い機能による制限や介入を受けて上書きされる場合がある。この場合、算出されたエアバルブ開度指令値は発電量のみに基づく指令値ではないので、実際のエア流量が指令値に対し変化してしまい、エア供給系３０の異常ではないのにも関わらず測定値と指令値とが乖離してしまい、異常発生と誤検知してしまう虞がある。このため本実施形態では、ステップＳ０５にて、算出されたエアバルブ開度指令値が発電量のみに基づく指令値ではないと判定された場合（ステップＳ０５のＮｏ）には、以降の異常判定処理を実施せずに本制御フローを終了する。

一方、ステップＳ０５にて、算出されたエアバルブ開度指令値が発電量のみに基づく指令値であると判定された場合（ステップＳ０５のＹｅｓ）には、ステップＳ０６に進む。

次に、ステップＳ０６では、ステップＳ０３にて算出されたコンプレッサ回転数指令値がエア流量指令値に伴う指令値か否かが判定される。

上記のステップＳ０５の場合と同様に、ステップＳ０３にて算出されたコンプレッサ回転数指令値が、エア流量指令値より優先度が高い機能による制限や介入を受けて上書きされる場合がある。この場合、算出されたコンプレッサ回転数指令値はエア流量指令値のみに基づく指令値ではないので、実際のエア流量が指令値に対し変化してしまい、エア供給系３０の異常ではないのにも関わらず測定値と指令値とが乖離してしまい、異常発生と誤検知してしまう虞がある。そこで、ステップＳ０６にて、算出されたコンプレッサ回転数指令値がエア流量指令値のみに基づく指令値ではないと判定された場合（ステップＳ０６のＮｏ）には、以降の異常判定処理を実施せずに本制御フローを終了する。

一方、ステップＳ０６にて、算出されたコンプレッサ回転数指令値がエア流量指令値のみに基づく指令値であると判定された場合（ステップＳ０６のＹｅｓ）には、ステップＳ０７に進む。

ステップＳ０７では、コンプレッサトルク指令値演算部２４により、ステップＳ０３にて算出されたコンプレッサ回転数指令値に基づきコンプレッサ（ＡＣＰ）トルク指令値が算出される。

次に、ステップＳ０８では、ステップＳ０７にて算出されたコンプレッサトルク指令値がコンプレッサ回転数指令値に伴う指令値か否かが判定される。

上記のステップＳ０５、Ｓ０６の場合と同様に、ステップＳ０７にて算出されたコンプレッサトルク指令値が、コンプレッサ回転数指令値より優先度が高い機能による制限や介入を受けて上書きされる場合がある。この場合、算出されたコンプレッサトルク指令値はコンプレッサ回転数指令値のみに基づく指令値ではないので、実際のエア流量が指令値に対し変化してしまい、エア供給系３０の異常ではないのにも関わらず測定値と指令値とが乖離してしまい、異常発生と誤検知してしまう虞がある。そこで、ステップＳ０８にて、算出されたコンプレッサトルク指令値がコンプレッサ回転数指令値のみに基づく指令値ではないと判定された場合（ステップＳ０８のＮｏ）には、以降の異常判定処理を実施せずに本制御フローを終了する。

一方、ステップＳ０８にて、算出されたコンプレッサトルク指令値がコンプレッサ回転数指令値のみに基づく指令値であると判定された場合（ステップＳ０８のＹｅｓ）には、ステップＳ０９に進む。

ステップＳ０９では、異常判定部２８により、ステップＳ０２にて決定されたエア流量指令値と、エア流量センサ７０により測定されたエア流量測定値（すなわち実際にエア供給系３０から燃料電池１０に供給されたエア流量）との間に所定値以上の偏差があるか否かが判定される。

エア流量指令値とエア流量測定値との間に偏差がある場合（ステップＳ０９のＹｅｓ）、バルブ指令値、コンプレッサ回転数指令値、コンプレッサトルク指令値のすべての決定時に何ら他の制限や介入がなく、本来ならばエア流量指令値とエア流量測定値との間に偏差が生じ得ない条件下で偏差が生じている。このためステップＳ１０にて、異常判定部２８によりエア供給系３０のエア流量制御に何らかの異常が発生していることが検知される。

また、ステップＳ１０において、異常判定部２８による異常検知に併せて、エア供給系３０の異常が検知された旨を外部に報知してもよい。

図３のフローチャートの手法により、エア流量センサ７０の異常、酸化ガス配管３１またはカソード排ガス配管４１内の異物詰まり、酸化ガス配管３１の入口からエアコンプレッサ３２までの区間の配管抜け、などに起因するエア供給系３０の異常の検知が可能となる。

図４、図５を参照して、本実施形態のエア供給系の異常検知手法の特徴をさらに説明する。図４は、発電量に基づくエアコンプレッサ３２の制御の流れを示す図である。図５は、発電量に基づくエアバルブ３４、４３の制御の流れを示す図である。

図４に示すように、エアコンプレッサ３２の制御では、発電量決定（図３のステップＳ０１）→エア流量指令値演算（Ｓ０２）→コンプレッサ（ＡＣＰ）回転数指令値演算（Ｓ０３）→コンプレッサトルク指令値演算（Ｓ０７）→コンプレッサトルク指令値に基づくコンプレッサ３２駆動→トルク出力（コンプレッサトルクセンサ７２で測定値取得可能）→回転数出力（コンプレッサ回転数センサ７１で測定値取得可能）→エア流量発生（エア流量センサ７０で測定値取得）→エア供給系３０から供給された酸化ガスを用いて燃料電池１０で発電、の流れとなる。

図５に示すように、エアバルブ３４、４３の制御では、発電量決定（図３のステップＳ０１）→バルブ開度指令値演算（Ｓ０４）→エアバルブ開度指令値に基づくエアバルブ３４、４３駆動→バルブ開度出力（エアバルブ開度センサ７３で測定値取得可能）→エア供給系３０から供給された酸化ガスを用いて燃料電池１０で発電、の流れとなる。

図４、図５に示す制御系の中で、本実施形態ではエア流量指令値とエア流量測定値とを比較して、両者の間の偏差が所定の閾値以上あるとき、エア供給系３０の異常を検知する（Ｓ９、Ｓ１０）。

一方、図４に矢印Ａで示すように、特許文献１などの従来手法では、コンプレッサ回転数の指令値と測定値の偏差に基づき異常検知を行っていた。しかし、コンプレッサ回転数の指令値通りにトルクの指令値が出ない場合（トルク制限やトルク値を別の目的で上書きされる、等）や、指令通りにエアバルブ３４、４３が閉まっている時など、エア供給系３０の異常ではない状態でもコンプレッサ回転数の指令値と測定値との間に偏差が生じる場合がある。このため、上記のような状態ではエア供給系３０の異常発生を誤検知する可能性がある。

これに対して本実施形態ではエア流量指令値とエア流量測定値とを比較する構成とすることによって、エア供給系３０の異常を精度良く判定できる。

また、本実施形態では、図４に示すように、コンプレッサ回転数の最終的な指令値に、他の機能等による介入や制限が加えられない場合（図３のステップＳ０６のＹｅｓ）、コンプレッサトルクの最終的な指令値に、他の機能等による介入や制限が加えられない場合（Ｓ０８のＹｅｓ）、かつ、図５に示すように、エアバルブのバルブ開度の最終的な指令値に、他の機能等による介入や制限が加えられない場合（Ｓ０５のＹｅｓ）、すなわち、流量指令通りのコンプレッサ回転数やトルク、エアバルブ開度の指令ができている場合に、上記のエア流量指令値とエア流量測定値との偏差に基づくエア供給系３０の異常判定を行う。これにより、異常発生の誤検知が生じやすい状況を除外してエア供給系３０の異常判定を行うことができ、エア供給系３０の異常検知の精度をより一層向上できる。

なお、燃料電池システム１００がエア供給系３０にバルブを設けない構成にも本実施形態のエア供給系の異常検知手法を適用できる。この場合、バルブ開度指令値に基づく異常判定回避の要否の判断、すなわち図３のフローチャートからステップＳ０４、Ｓ０５の処理を除外すればよい。

また、燃料電池システム１００が、流量偏差が生じた時にコンプレッサ３２のフィードバック制御により流量偏差を小さくする制御を備える場合がある。この場合、上記の本実施形態の異常検知手法に、「回転数のフィードバック量の最大値である時」の条件を追加することで、エア流量異常発生時の非検知を防止できる。例えば、図３のフローチャートにおいて、ステップＳ０９とＳ１０との間に、（処理１）「コンプレッサ３２のフィードバック制御によりコンプレッサ指令値増加」→（処理２）「回転数のフィードバック量の最大値でも、エア流量指令値とエア流量測定値に偏差あり？」の処理ブロックを追加し、処理２でＹＥＳの場合にステップＳ１０に進んでエア流量異常と判定し、処理２でＮＯの場合には異常判定せずに終了とすればよい。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１００ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２１ 発電量決定部
２２ エア流量指令値演算部（酸化ガス流量指令部）
２８ 異常判定部
３０ 酸化ガス流路（エア供給系、酸化ガス供給部）

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給部と、
   前記燃料電池の発電量を決定する発電量決定部と、
   前記発電量決定部により決定された前記発電量を前記燃料電池で発電するために必要な酸化ガス量を表す酸化ガス指令値を算出する酸化ガス流量指令部と、
   前記酸化ガス指令値に応じて前記酸化ガス供給部が前記燃料電池に供給した酸化ガス流量と、前記酸化ガス指令値との差分が所定値以上の場合に前記酸化ガス供給部の異常を検知する異常判定部と、
   を備える燃料電池システム。
   

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