JP4609630B2

JP4609630B2 - 燃料電池のバルブ異常判定制御装置

Info

Publication number: JP4609630B2
Application number: JP2004125671A
Authority: JP
Inventors: 定夫高木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: JP2005310550A

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムのバルブ異常判定を行う制御装置に関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。この燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを用いて電気化学反応により電力を発生する。
この燃料電池には種々のバルブが用いられている。例えば、水素循環系に設けられた排気シャットバルブは開閉制御されることで、燃料電池スタックの燃料極からの排気を燃料電池システムの外部に放出する。

この燃料極からの排気には燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により生成した水蒸気が多く含まれており、低温条件下では排気シャットバルブが氷結してしまうことがある。このような氷結が生ずると、排気シャットバルブは一時的に固着してしまい、開弁若しくは閉弁することができないという問題が生ずる。
このような問題に関連するものとして、例えば特開２００３−９２１２５号公報には、燃料電池システムの水素パージバルブの故障を、アノードの目標圧力値と実際値とを比較して開故障と閉故障を判定する技術が開示されている。

特開２００３−９２１２５号公報

ところで、排気シャットバルブ等のバルブの異常は、リセット操作等によってバルブを再作動させるだけで正常に復帰できるような一時的な異常であることが多く、電気的または機械的に回復が困難な恒久的な異常（すなわち、故障）であることは少ない。しかしながら、上記特許文献１等に開示された従来技術においては、たとえバルブに発生した異常が一時的な異常であったとしても、故障であると判定してしまい、かえって燃料電池システムの動作に支障をきたしてしまうという問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、正常復帰が可能な一時的な異常の故障判定を少なくして燃料電池システムの利便性を向上させる燃料電池制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、燃料電池システムに設けられたバルブの異常検知を行う燃料電池制御装置において、複数回のバルブ開閉動作において連続的にバルブの異常を検知した場合に、当該バルブは故障していると判定する。かかる構成を採用することで、不要な故障判定を抑制することができる。

上記燃料電池制御装置において、前記バルブは、排気シャットバルブであることが望ましい。排気シャットバルブは低温条件下で氷結または氷を噛み込んで不良動作が生じることもあるが、バルブを再度駆動すると正常に復帰することも多いので、本発明を適用することが極めて有効である。

上記燃料電池制御装置において、上記バルブの異常を検知する場合には１回のバルブ開閉動作につき、バルブ開放指令が与えられたときの圧力とバルブ閉鎖指令が与えられたときの圧力との圧力差を検出し、これに基づきバルブ異常を検知する態様が望ましい。バルブ開度を直接測定してもよいが、圧力戻り量を用いることでより簡易な構成でバルブ故障を判定することができる。

本発明によれば、正常復帰が可能な一時的な異常の故障判定を少なくして燃料電池システムの利便性を向上させる燃料電池制御装置を提供することができる。

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１．第１実施形態の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。なお、第１実施形態では自動車などの車両に該燃料電池システムを適用するが、船舶や飛行機など、あらゆる移動体に燃料電池システムを適用することができる。

同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ１１、空気を加圧するコンプレッサ１２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器１３が設けられている。なお、エアフィルタには図示しない空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁１４及び加湿器１３の熱交換器が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）１４は燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０はコンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を調整する水素調圧弁３２、遮断弁４１、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁３９、遮断弁３３及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５の水素調圧弁３２の下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、水素オフガスの排出を制御する遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁４０が設けられている。水素ポンプ３７の出口には圧力センサ５７が設けられている。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁４０は燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。圧力センサ５７の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

水素循環路７６は排気シャットバルブ（パージ弁）３８を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。排気シャットバルブ３８は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって水素オフガスの不純物濃度の増加を抑制し、また、セル電圧が低下することを抑制することができる。

更に、燃料電池２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）２１、冷却水を加圧して循環させるポンプ２２及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。

＜２．バルブ開閉時の圧力変化＞
図２は、上記燃料電池システムの排気シャットバルブ３８を開閉したときの挙動例を示すグラフである。上段は排気シャットバルブ３８の駆動信号で、矩形パルスの立上がり時に排気シャットバルブ３８を開弁し立下がり時に閉弁する。下段は水素ポンプ出口の圧力変動（圧力センサ５７の出力）を示し、排気シャットバルブ３８が開弁すると排気が放出されて圧力が下がり、該バルブが正常であれば閉弁すると図に点線で示すように元の圧力に戻る。しかし、排気シャットバルブ３８の異常により該バルブが閉まらない場合、図に実線で示すように圧力は下がったまま元の圧力まで充分に上がらなくなる。そこで、圧力低下時（開弁時）から圧力上昇時（閉弁時）までの間にどれだけ圧力が上昇したか（以下、上昇した圧力量を圧力戻り量という）により、排気シャットバルブ３８の異常を検知する。

ただし、排気シャットバルブ３８の異常には、リセット操作等によって排気シャットバルブを再作動させるだけで正常に復帰できるような一時的な異常と、電気的または機械的に回復が困難な恒久的な異常（すなわち、故障）が存在する。そして、この排気シャットバルブ３８の異常がいずれの種類の異常であるのかを短時間で正確に判断することが極めて重要である。かりに、燃料電池の運転状態や周囲の環境状態等を何ら考慮せずにシャットバルブの異常を判断すれば、復帰容易な一時的な異常であるにもかかわらず、異常に対応して燃料電池の運転を制限（禁止）してしまう等の問題が生ずる（従来技術等参照）。

そこで、本実施形態においては、複数回のバルブ開閉動作において連続的にバルブの異常を検知（以下、仮判断）した場合にのみ、当該バルブは故障していると判定（以下、故障判定）する。かかる構成を採用することで故障判定を少なくすることができる。なお、本実施形態では、圧力センサ５７の検出信号をもとに制御部５０にて算出される圧力戻り量が設定された異常判断基準値（例えば２０ｋＰａ）を超えたか否か、また、仮判断の回数が設定された故障判定基準回数（２以上の所定回数）を超えたか否かを判断するが、これら異常判断基準値や故障判定基準回数については、水素ポンプの動力や必要とされる故障判定精度等に応じて適宜変更可能である（詳細は後述）。また、排気シャットバルブ３８の上下流の圧力差から該バルブの異常を判断するだけでなく、水素や酸素などの流体の流量や濃度（流体の状態量）から該バルブの異常を判断するようにしても良い。

＜３．制御フロー＞
次に、図３に示すフローチャートを参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による排気シャットバルブ３８の開故障検知動作について説明する。制御部５０は上述のように制御用コンピュータによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。

本実施形態では、制御部（仮判断部）５０が排気シャットバルブ３８に対して開放指令を与えたときの圧力と、閉鎖指令を与えたときの圧力との圧力差（すなわち圧力戻り量）を検出し、さらに、制御部（故障判断部）５０が連続して故障判定基準回数だけ異常発生を検知（すなわち仮判断）した場合に排気シャットバルブ３８の故障と判定する。なお、以下の説明では、制御部５０が排気シャットバルブ３８に与える開放指令及び閉鎖指令をまとめて開閉指令と呼ぶ。

制御部５０は、まず、仮判定フラグを参照し（ステップ１）、仮判定フラグが“１”ならステップ４へ、“０”ならステップ２に進む。初回の判定では仮判定フラグが“０”にセットされているため（ステップ１：ＮＯ）、制御部５０はステップ２に進み、排気シャットバルブ３８の開閉動作時の圧力戻り量が異常判断基準値未満であるか否かを判定する（ステップ２）。制御部５０は、圧力戻り量が異常判断基準値以上であれば（ステップ２：ＮＯ）排気シャットバルブ３８は正常であるから一連の処理を終了して次の開閉動作を待つ。一方、制御部５０は、圧力戻り量が異常判断基準値未満であれば（ステップ２：ＹＥＳ）、仮判定フラグを“０”から“１”に変え（ステップ３）、開閉指令を排気シャットバルブ３８に与えた後、ステップ１に戻る。

制御部５０は、仮判定フラグが“１”であると判断すると（ステップ１：ＹＥＳ）、次回の排気シャットバルブ３８の開閉動作における圧力戻り量が異常判断基準値未満であるか否かを判定する（ステップ４）。またも基準値未満であった場合（ステップ４：ＹＥＳ）、制御部５０は、異常発生カウンタをカウントアップする（ステップ５）。ここまでで既に２回連続して異常発生を検出（いいかえれば２回連続して排気シャットバルブ３８の異常を仮判断）しているので、例えば異常発生カウンタのカウント値をｎ＝２とする。制御部５０は、異常発生カウンタのカウント値ｎが故障判定基準回数Ｎを超えないうちは（ステップ６：ＮＯ）、ステップ１→ステップ４→ステップＳ５→ステップＳ６といった一連の処理を繰り返し実行する。なお、故障判定基準回数（所定回数）Ｎは、上述したように、例えば２以上の整数で任意に決めることができる。

制御部５０は、異常発生カウンタのカウント値ｎが故障判定回数Ｎを超えたことを検出すると（ステップ６：ＹＥＳ）、排気シャットバルブ３８の開故障判定を確定して一連の処理を終了する（ステップ７）。
なお、ステップ４において圧力戻り量が異常判断基準値以上となった場合には（ステップ４：ＮＯ）、異常発生カウンタのカウント値ｎの如何に関わらず、仮判定フラグ及び異常発生カウンタのカウント値ｎを何れも“０”に戻して（ステップ８）ステップ１に戻る。
以上の動作により、制御部（故障判断部）５０は、連続して故障判定基準回数だけ異常発生を検知した場合にのみ排気シャットバルブ３８の故障と判定する。

＜変形例１＞
上述した第１実施形態では、排気シャットバルブ３８に適用した場合を説明したが、燃料電池システムを構成している全てのバルブ、例えば、燃料電池２０の水素ガス側出入口に設けた遮断弁３３、３４、４１や空気ガス側に設けた圧力調整弁１４、気液分離器３５に設けられた排水弁３６など、水素ガス側または空気ガス側のガス供給通路若しくはガス排出通路（流体通路）に設けられた各ガスの流通状態を制御するバルブ（特に電磁弁）に適用可能である。

＜変形例２＞
また、上述した第１実施形態では、異常判断基準値や故障判定基準回数を一意に設定する場合について説明したが、例えば燃料電池２０の運転状態（燃料電池の温度、ガス温度、ガス圧力等）若しくは燃料電池２０の周囲の環境状態（特に、外気温度）のいずれか一方に基づいて変更しても良い。
理由を説明すると、例えば燃料電池の温度が低い場合にはバルブが氷結しやすく、また、ガス圧力が低ければバルブの氷結は解除されにくい。これとは逆に、燃料電池２０の温度が高い場合にはバルブの氷結は発生しにくく、また、ガス圧力が高ければ、その圧力によりバルブに発生した氷結が排除されやすくなる。これは氷結に限ったことではなく、氷結以外の異物の噛み込みにおいても、燃料電池２０の運転状態または周囲の環境状態によって発生度合いは変化する。

そこで、本変形例は、異常判断基準値や故障判定基準回数を燃料電池２０の運転状態若しくは燃料電池２０の周囲の環境状態のいずれか一方に基づいて変更することで、故障判定の精度向上と判定時間の短縮を図っている。好ましい態様として、例えば検出される燃料電池２０の温度が低い場合には、氷結の可能性が高いため、故障判定基準回数Ｎを大きな値に設定する。このように、燃料電池２０の温度が低い場合には、バルブの開閉動作の繰り返し回数を増やすことで、氷結などの一時的な異常の排除を期待することができる。これとは逆に、燃料電池２０の温度が高い場合には、氷結の可能性が低いため、故障判定基準回数Ｎを小さな値に設定する。これにより、迅速に故障判定を行うことが可能となる。同様に、ガス圧力が低ければ（つまり燃料電池２０の発電が小さければ）氷結の除去の可能性は低いため、故障判定基準回数Ｎを大きな値に設定する。一方、ガス圧力が高ければ氷結の除去の可能性は高いため、故障判定基準回数Ｎを小さな値に設定する。なお、異常判断基準値を設定・変更する場合の動作等については、上記とほぼ同様に説明することができるため、説明を割愛する。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。排気シャットバルブを開閉したときの挙動例を示すグラフである。上記実施形態の燃料電池システムによるシャットバルブ開故障の検知手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２０燃料電池、３２水素調圧弁、３３、３４、４１遮断弁、３５気液分離器、３７水素ポンプ、３８排気シャットバルブ、４０逆流阻止弁、５７圧力センサ、７１空気供給路、７２排気路、７４冷却路、７５燃料供給路、７６水素循環路、７７パージ流路

Claims

燃料電池システムに供給または排出される流体の流体通路と、この流体通路に設けられ流体の流通状態を制御するバルブと、バルブの異常検知を行う異常検知部とを備えた燃料電池制御装置において、
前記異常検知部は、バルブ開閉動作に伴うバルブ上下流のうち少なくとも一方の流体の状態量と異常判断値とを比較してバルブの異常を仮判断する仮判断部と、２以上の所定回数、前記仮判断がなされた場合に当該バルブを故障と判断する故障判断部とを具備し、
前記バルブは、与えられる開放指令若しくは閉鎖指令に従って開閉動作を行い、
前記仮判断部は、前記バルブに開放指令が与えられたときの圧力と前記バルブに閉鎖指令が与えられたときの圧力との圧力差を検出し、この圧力差と異常判断値とを比較してバルブの異常を仮判断することを特徴とする燃料電池制御装置。
前記バルブは、前記燃料電池システムのガス供給通路上若しくはガス排出通路上に設けられたガス制御バルブであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
前記故障判断部は、前記仮判断が複数回連続してなされた場合に当該バルブを故障と判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池制御装置。
前記異常判断値若しくは前記所定回数のうち少なくとも一方は、前記燃料電池システムを構成する燃料電池の運転状態によって定められる値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池制御装置。
前記異常判断値若しくは前記所定回数のうち少なくとも一方は、前記燃料電池システムを構成する燃料電池の周囲の環境状態によって定められる値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の燃料電池制御装置。