JP4288625B2 - 燃料電池システムおよび反応ガスの供給量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび反応ガスの供給量制御方法に関する。

燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いている。燃料電池を効率的に運転させるためには、燃料電池に供給される反応ガスの供給量を様々な状況に適合させて制御する必要がある。反応ガスの供給量を制御する手法として、例えば、反応ガスを燃料電池に供給する配管上に圧力センサを設け、この圧力センサの検出値に基づいて反応ガスの供給量を制御するものがある（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００４−３４２４７５号公報

ところで、圧力センサとして用いられる絶対圧センサは製造に手間がかかる。したがって、絶対圧センサよりも製造が容易なゲージ圧センサを圧力センサとして用いることで工数を削減することができる。しかしながら、ゲージ圧センサを用いた場合には、センサで検出したゲージ圧に大気圧を加算して絶対圧に変換する必要がある。したがって、この場合には大気圧を測定するための大気圧センサが別途必要となる。

ここで、大気圧センサが断線やショート等によって故障した場合には、大気圧センサの検出値を用いて算出される絶対圧が実際の絶対圧とは異なる値になってしまう。つまり、この場合には燃料電池に対する反応ガスの供給量を効率よく制御することができなくなる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、労力を軽減させつつ、反応ガスの供給量を効率よく制御させることができる燃料電池システムおよび反応ガスの供給量制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、反応ガスを給排する給排機構と、給排機構における反応ガスの圧力を検出する圧力センサと、大気圧を検出する大気圧センサと、大気圧センサにより検出された検出値を補正する補正手段と、圧力センサにより検出された検出値、および補正手段により補正された補正値を用いて燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る反応ガスの供給量制御方法は、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する方法であって、反応ガスを給排する給排機構における反応ガスの圧力を検出する圧力検出工程と、大気圧を検出する大気圧検出工程と、記大気圧検出工程において検出された検出値を補正する補正工程と、圧力検出工程において検出された検出値、および補正工程において補正された補正値を用いて燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御工程と、を含むことを特徴とする。

これらの発明によれば、大気圧センサにより検出された値が補正手段によって補正され、この補正値と、給排機構における反応ガスの圧力値とを用いて燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御させることができる。これにより、圧力センサとしてゲージ圧センサを用いることができるうえ、大気圧センサが故障等により実際の大気圧とは異なる値を出力した場合であってもその値を補正することができる。それゆえに、労力を軽減させつつ、反応ガスの供給量を効率よく制御させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記補正手段は、大気圧センサにより検出された検出値を、ローパスフィルタを通して補正することができる。

このようにすることで、例えば、大気圧センサの故障等により検出値が急激に変化した場合であっても、その変化の度合いを和らげることができるため、反応ガスの供給量の急激な変化を抑制させることができる。

また、上記燃料電池システムにおいて、上記補正手段は、補正値に上限および下限を設けることができる。

このようにすることで、例えば、大気圧センサが故障等して実際の大気圧としてはあり得ないような値が出力された場合であっても、設定された上限と下限の範囲内に補正することができる。

また、上記燃料電池システムにおいて、上記補正手段は、大気圧センサにより検出された検出値が所定範囲に収まらない場合に、検出値を予め定められた代替値に置きかえることで補正することができる。

このようにすることで、例えば、大気圧センサが故障等して検出値が所定範囲に収まらない場合には、代替値に置きかえることができるため、大気圧センサの故障等により実際の大気圧からかけ離れた値が出力された場合であっても、標準的な大気圧を示す代替値に置きかえることができる。

また、上記燃料電池システムにおいて、上記補正手段は、大気圧センサにより検出された検出値が所定の範囲に収まらない状態が所定時間継続した場合に、検出値の代替値への置きかえを開始することができる。

このようにすることで、例えば、大気圧センサが故障以外の要因により一時的に所定範囲に収まらない検出値を出力する場合には、代替値への置きかえが行われないように制限することができる。

また、上記燃料電池システムにおいて、上記補正手段は、検出値の代替値への置きかえを開始した後に、大気圧センサにより検出された検出値が所定時間継続して所定範囲に収まる場合に、検出値の代替値への置きかえを終了させることができる。

このようにすることで、一旦、検出値の代替値への置きかえが開始された場合であっても、大気圧センサが正常な状態に回復した場合には、再び大気圧センサの検出値を用いて制御させることができる。

本発明によれば、労力を軽減させつつ、反応ガスの供給量を効率よく制御させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムおよび反応ガスの供給量制御方法の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本実施形態における燃料電池システムは、反応ガスを供給または排出する給排流路における反応ガスの圧力をゲージ圧センサで検出し、このゲージ圧センサの検出値と、大気圧センサの検出値を補正して得られた値とを用いて絶対圧を算出し、この絶対圧に基づいて燃料電池への反応ガスの供給量を制御するものである。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの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（給排機構）と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４（給排機構）と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）によって降圧され、バッテリーである二次電池（不図示）に充電される。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１（酸化ガス供給源）と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路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流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から背圧調整弁３４を介して排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３５が設けられている。この加湿器３５で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。また、背圧調整弁３４の上流側には、酸化ガス配管系３における酸化ガスの圧力を検出するための圧力センサＰ１が設けられている。この圧力センサＰ１は、ゲージ圧センサである。ゲージ圧センサは、絶対圧センサに比して製造が容易な圧力センサである。

水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路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流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４、４５と、水素供給流路４１から燃料電池２に向けた水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁４６とが設けられている。また、レギュレータ４５の下流側には、水素ガス配管系４における水素ガスの圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられている。この圧力センサＰ２は、ゲージ圧センサである。

循環流路４２には、燃料電池２から循環流路４２への水素オフガスの流出を遮断または許容する遮断弁４７と、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４８とが設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４９及び排気排水弁５０を介して排出流路５１が接続されている。気液分離器４９は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁５０は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４９で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁５０から排出された水素オフガスは、希釈器５２によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部５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４８のモータ等）、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５は、大気圧を測定するための大気圧センサＰ３によって検出された値（以下、大気圧検出値という。）に基づいて補正値（以下、大気圧補正値という。）を出力し、この大気圧補正値と、圧力センサＰ１、Ｐ２によって検出された値（以下、圧力検出値という。）をゲージ圧に変換した値（以下、ゲージ圧力値という。）とを加算することで得られる絶対圧値を用いて燃料電池２に供給される酸化ガスまたは水素ガスの供給量を制御する。大気圧センサＰ３は、例えば、エンジンルーム内に配置される。

図２を参照して、大気圧検出値と大気圧補正値との関係について具体的に説明する。制御部５は、大気圧センサＰ３によって検出された大気圧検出値[Ｖ]を大気圧値[ｋＰａ．ａｂｓ]に変換してからローパスフィルタを通すことで大気圧補正値[ｋＰａ．ａｂｓ]を出力する。図２に示すＡが大気圧検出値を示し、Ｂが大気圧補正値を示す。

制御部５は、大気圧検出値Ａが第１閾値〜第２閾値（例えば、０．６Ｖ〜４．４８Ｖ）の範囲に収まらない状態が、例えば、５０ｍｓ以上継続したか否かを判定し、５０ｍｓ以上継続した場合には、代替値出力処理を開始する。代替値出力処理とは、大気圧補正値Ｂの代替値として標準大気圧である１０１．３ｋＰａ．ａｂｓを出力する処理をいう。図２に示すＴｓは、大気圧検出値Ａが０．６Ｖ未満になってから５０ｍｓ経過するまでの期間を示しており、この期間経過後に、大気圧補正値Ｂとして、１０１．３ｋＰａ．ａｂｓが出力されている。

制御部５は、代替値出力処理を開始した後に、大気圧検出値Ａが第１閾値〜第２閾値（例えば、０．６Ｖ〜４．４８Ｖ）の範囲に収まる状態が、例えば、６０００ｍｓ以上継続したか否かを判定し、６０００ｍｓ以上継続した場合には、代替値出力処理を終了させ、通常の大気圧補正値Ｂを出力する。図２に示すＴｅは、大気圧検出値Ａが０．６Ｖ〜４．４８Ｖの範囲に収まってから６０００ｍｓ経過するまでの期間を示しており、この期間経過後に、大気圧補正値Ｂとして、大気圧検出値Ａを大気圧値に変換してからローパスフィルタを通すことで算出される通常の大気圧補正値が出力されている。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１、Ｐ２および大気圧センサＰ３等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、遮断弁４６、４７、水素ポンプ４８および排気排水弁５０等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰ１、Ｐ２および大気圧センサＰ３での検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池２に対する反応ガスの供給量を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池への反応ガスの供給量制御処理について説明する。この反応ガスの供給量制御処理は、燃料電池２が起動してから停止または間欠運転により休止するまでの間に繰り返し行われる処理である。

最初に、燃料電池２が起動すると、制御部５は、圧力センサＰ１、Ｐ２で検出された各圧力検出値[Ｖ]と大気圧センサＰ３で検出された大気圧検出値[Ｖ]とをそれぞれのセンサから読み込む（ステップＳ１）。

続いて、制御部５は、上記ステップＳ１で読み込まれた大気圧検出値に基づいて、大気圧検出値が０．６Ｖ〜４．４８Ｖの範囲に収まらない状態が５０ｍｓ以上継続しているか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２；ＮＯ）に、制御部５は、大気圧検出値[Ｖ]を大気圧値[ｋＰａ．ａｂｓ]に変換してからローパスフィルタを通すことで大気圧補正値[ｋＰａ．ａｂｓ]を出力する（ステップＳ３）。

続いて、制御部５は、上記ステップＳ１で読み込まれた各圧力検出値[Ｖ]をゲージ圧力値[ｋＰａ．Ｇ]にそれぞれ変換し、各ゲージ圧力値に大気圧補正値[ｋＰａ．ａｂｓ]をそれぞれ加算することで酸化ガス配管系３および水素ガス配管系４における反応ガスの絶対圧[ｋＰａ．ａｂｓ]を算出する。そして、これらの絶対圧に基づいて燃料電池２に対する反応ガスの供給量を制御する（ステップＳ４）。その後、処理を上述したステップＳ１に移行する。

一方、上述したステップＳ２の判定において、上記状態が５０ｍｓ以上継続していると判定された場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）に、制御部５は、大気圧補正値として代替値である１０１．３ｋＰａ．ａｂｓを出力する（ステップＳ５）。

続いて、制御部５は、各センサから読み込んだ各圧力検出値[Ｖ]をゲージ圧力値[ｋＰａ．Ｇ]にそれぞれ変換し、各ゲージ圧力値に大気圧補正値である１０１．３ｋＰａ．ａｂｓをそれぞれ加算することで酸化ガス配管系３および水素ガス配管系４における絶対圧[ｋＰａ．ａｂｓ]を算出する。そして、これらの絶対圧に基づいて燃料電池２に対する反応ガスの供給量を制御する（ステップＳ６）。

続いて、制御部５は、圧力センサＰ１、Ｐ２で検出された各圧力検出値[Ｖ]と大気圧センサＰ３で検出された大気圧検出値[Ｖ]とをそれぞれのセンサから読み込む（ステップＳ７）。

続いて、制御部５は、上記ステップＳ７で読み込まれた大気圧検出値に基づいて、大気圧検出値が０．６Ｖ〜４．４８Ｖの範囲に収まる状態が６０００ｍｓ以上継続しているか否かを判定する（ステップＳ８）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ８；ＮＯ）には、処理を上述したステップＳ５に移行する。

一方、上述したステップＳ８の判定において、上記状態が６０００ｍｓ以上継続していると判定された場合（ステップＳ８；ＹＥＳ）には、処理を上述したステップＳ３に移行する。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、大気圧センサＰ３により検出された大気圧検出値が補正され、補正後の大気圧補正値と、給排機構である酸化ガス配管系３および水素ガス配管系４における反応ガスの圧力値とを用いて燃料電池２に対する反応ガスの供給量を制御させることができる。これにより、絶対圧センサよりも製造が容易なゲージ圧センサＰ１、Ｐ２を圧力センサとして用いることができるうえ、大気圧センサＰ３が故障等により実際の大気圧とは異なる値を出力した場合であってもその値を補正することができる。それゆえに、労力を軽減させつつ、反応ガスの供給量を効率よく制御させることが可能となる。

また、大気圧センサＰ３により検出された大気圧検出値が所定範囲（例えば、０．６Ｖ〜４．４８Ｖの範囲）に収まらない場合に、大気圧補正値を代替値（例えば、１０１．３ｋＰａ．ａｂｓ）に置きかえることによって、大気圧センサＰ３が故障等して実際の大気圧からかけ離れた値を出力した場合であっても、標準的な大気圧を示す代替値に置きかえることができる。

一方、大気圧センサＰ３により検出された大気圧検出値が所定範囲（例えば、０．６Ｖ〜４．４８Ｖの範囲）に収まらない状態が所定時間（例えば、５０ｍｓ）以上継続した場合に限定して代替値への置きかえを行うことで、大気圧センサＰ３が故障以外の要因により一時的に所定範囲に収まらない検出値を出力する場合には、代替値への置きかえが行われないように制限することができる。

また、大気圧検出値の代替値への置きかえが開始された後に、大気圧センサＰ３により検出された大気圧検出値が所定時間（例えば、６０００ｍｓ）以上継続して所定範囲（例えば、０．６Ｖ〜４．４８Ｖの範囲）に収まる場合には、大気圧検出値の代替値への置きかえを終了させることで、大気圧センサＰ３が正常な状態に回復した場合には、大気圧センサＰ３の検出値を用いて制御させることができる。

なお、上述した実施形態においては、大気圧補正値を算出する際に、大気圧検出値から変換された大気圧値をローパスフィルタに通しているが、必ずしもローパスフィルタに通す必要はない。ただし、ローパスフィルタを通すことによって大気圧検出値に含まれるノイズが除去されるとともに、大気圧センサの故障等により大気圧検出値が急激に変化した場合であっても、その変化の度合いを和らげることができる。これにより、反応ガスの供給量が急激に変化してしまう事態を抑制することができ、反応ガスの供給量制御の効率をより向上させることができる。また、ローパスフィルタに通す場合には、ローパスフィルタのカットオフ周波数を低めに設定するのが好ましい。例えば、大気圧補正値の演算周期が８．１９２ｍｓ毎である場合には、周波数の基準時間が１９９８．８４８ｍｓ（８．１９２×２４４）となる周波数をカットオフ周波数とすることができる。カットオフ周波数を低めに設定することによって、大気圧検出値の急激な変化をより和らげることができる。

また、上述した実施形態における大気圧補正値に上限と下限を設けることとしてもよい。この上限と下限は、大気圧として取り得る値の上限と下限付近に設定するのが好ましい。例えば、上限として１１０ｋＰａ．ａｂｓ、下限として６５ｋＰａ．ａｂｓを設定することができる。これにより、大気圧センサＰ３が故障等して、大気圧としてはあり得ないような値が出力された場合であっても、大気圧補正値を大気圧として取り得る値の範囲内に収めることができる。

また、上述した実施形態においては、代替値出力処理を開始させる際や代替値出力処理を終了させる際に、所定の継続時間（５０ｍｓまたは６０００ｍｓ）を設けているが、この継続時間は、任意に設定することができ、例えば、０ｍｓであってもよい。また、代替値出力処理を開始させる際や代替値出力処理を終了させる際の条件の一つとして、大気圧検出値の範囲を０．６Ｖ〜４．４８Ｖに設定しているが、大気圧検出値の範囲はこれに限定されず、任意に設定可能である。この大気圧検出値の範囲は、大気圧として取り得る値の範囲に設定することが好ましい。

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 大気圧検出値と大気圧補正値との関係を示す図である。 図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池への反応ガスの供給量制御処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…背圧調整弁、３５…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４、４５…レギュレータ、４６、４７…遮断弁、４８…水素ポンプ、４９…気液分離器、５０…排気排水弁、５１…排出流路、５２…希釈器、Ｐ１、Ｐ２…圧力センサ、Ｐ３…大気圧センサ。

Claims (6)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   反応ガスを給排する給排機構と、
   前記給排機構における前記反応ガスの圧力を検出するゲージ圧センサと、
   大気圧を検出する大気圧センサと、
   前記大気圧センサにより検出された検出値を、ローパスフィルタを通して補正する補正手段と、
   前記ゲージ圧センサにより検出された検出値と、前記補正手段により補正された補正値とを加算した値を用いて前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記補正手段は、前記補正値に上限および下限を設けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記補正手段は、前記大気圧センサにより検出された検出値が所定範囲に収まらない場合に、前記検出値を予め定められた代替値に置きかえることで補正することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記補正手段は、前記大気圧センサにより検出された検出値が所定の範囲に収まらない状態が所定時間継続した場合に、前記検出値の前記代替値への置きかえを開始することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記補正手段は、前記検出値の前記代替値への置きかえを開始した後に、前記大気圧センサにより検出された検出値が所定時間継続して所定範囲に収まる場合に、前記検出値の前記代替値への置きかえを終了させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する方法であって、
   反応ガスを給排する給排機構における前記反応ガスの圧力を検出するゲージ圧検出工程と、
   大気圧を検出する大気圧検出工程と、
   前記大気圧検出工程において検出された検出値を、ローパスフィルタを通して補正する補正工程と、
   前記ゲージ圧検出工程において検出された検出値と、前記補正工程において補正された補正値とを加算した値を用いて前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を制御する制御工程と、
   を含むことを特徴とする反応ガスの供給量制御方法。

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