JP4981538B2 - 圧力センサの較正装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサの較正装置および前記較正装置を備えた燃料電池システムに関する。

例えば、燃料電池システムでは、水素と酸素とを効率的に反応させるために、燃料電池に対して水素と酸素とを適切な割合で供給することが必要である。この水素や酸素の割合は、圧力に基づいて変動するため、燃料電池システムの所定の位置に圧力センサを設けて水素や酸素のガス供給量を制御することが一般的に行われている。

また、燃料電池システムでは、ガスの供給圧力の変化のレンジが運転停止時と運転中との間で非常に広くなっているため、燃料電池システムに搭載される圧力センサは、測定可能レンジの広いものが使用されている。しかし、一般に測定可能レンジの広い圧力センサは、分解能が低いことが多いため、数十ｋＰａ程度の低い領域の圧力変動を精度よく検出することができない問題がある。

そこで、特許文献１に記載の圧力センサでは、高圧領域での支配的な圧力を基準圧力として利用し、基準圧力とセンサ圧力との差が最小となるように圧力センサの特性曲線を補正することが提案されている。また、特許文献２に記載の圧力センサでは、大気圧状態のときに補正量を求めて、その補正量をセンサ補正のタイミングで随時求めることが提案されている。
特開２００３−５３５３１３号公報（図２） 特開２００４−３４２４７５号公報（請求項１）

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、圧力センサの誤差を考慮してシステムが成立するように、燃料電池システムを構築した場合、低圧領域および高圧領域に対応した別々のセンサ制御、またデバイスの追加等が必要になり、システムの重量増やコスト高となる問題があった。

また、特許文献２に記載の技術では、大気圧で一律出力値をオフセットさせているため、高圧力領域での誤差が大きくなる問題があった。この点について、図６を参照して以下に説明する。図６は圧力（ゲージ圧）とセンサ誤差との関係を示すグラフである。なお、図６において、実線で示す直線Ａおよび直線Ｂは、誤差範囲内にあり、かつ、最も誤差が大きくなる場合の出力値の変化を示している。この場合、直線Ａについてゼロ点（大気圧）での補正量を全領域で補正した場合、図６の破線で示す直線Ｃのようになり、センサ誤差が誤差範囲内から外れて誤差が拡大するという問題がある。なお、直線Ｂについてもゼロ点で補正した場合、同様に誤差が拡大する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、検出誤差を低減することができる圧力センサの較正装置およびこの較正装置を搭載した燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池システムのガス流路の流体圧を測定する圧力センサの較正装置であって、前記圧力センサよりも測定可能レンジが狭く、大気圧を測定する大気圧センサを備え、前記圧力センサにより測定される流体圧が大気圧状態のときに、前記圧力センサの出力値（Ｐ０ｆ）と前記大気圧センサの検出値である大気圧（Ｐ０）との差に相当する基準補正量（Ｐ０ｒ）を算出し、前記圧力センサの大気圧状態における出力値（Ｐ０ｆ）を前記基準補正量（Ｐ０ｒ）にて補正するとともに、前記圧力センサの大気圧状態より大きい出力値（Ｐｆ）に対しては、その出力値（Ｐｆ）が大きければ大きいほど、前記基準補正量（Ｐ０ｒ）を小さくした補正量（Ｐｒ）により補正し、前記補正量（Ｐｒ）は、前記圧力センサの測定可能レンジにおける中間点（Ｐｍ）においてゼロとなるように予め前記基準補正量（Ｐ０ｒ）に対して定められ、前記出力値（Ｐｆ）が前記大気圧（Ｐ０）以下である場合、前記補正量（Ｐｒ）を前記圧力センサの大気圧状態での出力値（Ｐ０ｆ）に設定することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、大気圧近傍では精度よく補正ができ、誤差を有する圧力センサの中で誤差が大きな圧力センサであっても、高圧側では補正による誤差の増加を防止することができる。
請求項１に係る発明によれば、誤差が大きな圧力センサを想定した場合であっても、大気圧から圧力センサの測定可能レンジの中間点までは精度よく補正することが可能になる。
請求項１に係る発明によれば、測定可能レンジの狭い大気圧センサを用いることにより、大気圧の検出精度が高まるので、精度よく基準補正量を求めることができ、精度の高い補正が可能になる。

請求項２に係る発明は、前記出力値（Ｐｆ）が前記大気圧（Ｐ０）以下でない場合、前記補正量（Ｐｒ）を以下の式に基づいて設定することを特徴とする。
Ｐｒ＝Ｐ０ｒ＋（（０−Ｐ０ｒ）／（Ｐｍ−Ｐ０ｆ））×（Ｐｆ−Ｐ０ｆ）
［または、Ｐｒ＝Ｐ０ｒ＋（（０−Ｐ０ｒ）／（Ｐｍ−Ｐ０））×（Ｐｆ−Ｐ０）］

請求項３に係る発明は、燃料電池システムのガス流路の流体圧を測定する圧力センサの較正装置と、所定のガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記ガスを供給するガス給排機構と、を備え、前記ガス給排機構が大気圧に開放されている状態のときに、前記圧力センサの基準補正量を算出することを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池システムのガス給排機構では、ガス圧力の変化が広く、精度を高めるために複数の圧力センサを用いることも考えられているが、燃料電池システムのガス給排機構が大気圧に開放されている状態のときに、随時基準補正量を算出して更新することができるので、圧力センサの経年変化に対しても精度のよい補正が可能となる。

本発明によれば、検出誤差を低減することができる圧力センサの較正装置およびこの較正装置を搭載した燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の圧力センサの較正装置を搭載した燃料電池システムを示す全体構成図、図２は圧力補正の制御を示すフローチャート、図３は圧力と補正量との関係を示すグラフ、図４は本実施形態の燃料電池システムにおける圧力補正の制御を示すフローチャート、図５は大気圧で補正した場合と補正しない場合の圧力と誤差の絶対値との関係を示すグラフである。なお、本実施形態の燃料電池システム１は、自動車、船舶、航空機、据え置き型電源などあらゆるものに適用できる。また、図５に示す圧力はゲージ圧である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、ガス給排機構２０、圧力センサ３０、大気圧センサ４０、制御部５０などを備えて構成されている。なお、制御部５０は、圧力センサ３０の較正装置を含んで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜の一面側を触媒を含むアノード（水素極）、他面側を触媒を含むカソード（空気極）でそれぞれ挟んで膜電極接合体を構成し、この膜電極接合体の両面を導電性のセパレータで挟み、これを複数積層した構造となっている。このような構造の燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに空気（所定のガス）が供給されることで、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。

前記ガス給排機構２０は、カソード系を構成し、燃料電池１０のカソードに空気を供給し、かつ、燃料電池１０のカソードから空気を排出する機能を有し、エアコンプレッサ２１、背圧制御弁２２、配管２３ａ，２３ｂなどで構成されている。

前記エアコンプレッサ２１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、空気流入口から取り込んだ空気を圧縮して、この圧縮空気を、配管２３ａを介して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有している。

前記背圧制御弁２２は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度を変化させることによって燃料電池１０のカソードに供給される空気の供給圧を制御できるようになっている。なお、そのときの開度は、後記する圧力センサ３０の出力値に基づいて適宜制御される。また、背圧制御弁２２は、配管２３ｂを介して燃料電池１０のカソードの出口と接続され、背圧制御弁２２の下流側は、燃料電池システム１の外部（大気中）と連通するように構成されている。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、水素タンク２５、遮断弁２６、エゼクタ２７、パージ弁２８、配管２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ，２９ｅなどで構成されたアノード系を有している。

前記水素タンク２５は、高純度の水素を高圧で貯蔵するものである。また、遮断弁２６は、例えば電磁作動式のものであり、配管２９ａを介して水素タンク２５と接続されている。

前記エゼクタ２７は、真空ポンプの一種であり、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０のアノードの入口に供給して循環させる機能を有している。なお、エゼクタ２７は、配管２９ｂを介して遮断弁２６と接続され、配管２９ｃを介して燃料電池１０のアノードの入口と接続されている。また、エゼクタ２７は、燃料電池１０のアノードの出口に接続された配管２９ｄに分岐して形成された配管２９ｅと接続されている。

前記パージ弁２８は、適宜開放して、配管２９ｃ，２９ｄ，２９ｅによって構成された循環流路に蓄積された不純物を系外（外部）に排出する機能を有している。なお、不純物とは、燃料電池１０のカソードから電解質膜を介してアノードに透過した空気に含まれる窒素などを意味している。

なお、図示していないが、カソード系には、圧縮空気を加湿するための加湿器が設けられ、また、アノード系には水素タンク２５から放出された高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。

前記圧力センサ３０は、燃料電池１０のカソードに流れる空気の圧力（流体圧）を測定する機能を有し、例えば燃料電池１０のカソードの出口近傍に設けられている。また、この圧力センサ３０は、運転停止時と運転中のいずれでも検出できるように、検出可能レンジの非常に広いものが用いられる。

前記大気圧センサ４０は、大気圧を検出する機能を有し、例えば燃料電池システム１の外部に前記圧力センサ３０よりも測定可能レンジが狭く、計測の分解能および測定精度が高い特性を有しているものである。

前記制御部５０は、ＣＰＵ、メモリ、プログラムなどで構成され、本実施形態の圧力センサ３０の較正装置を含んで構成されている。また、本実施形態の圧力センサ３０の較正装置は、前記大気圧センサ４０を含んで構成されている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について、図２ないし図５を参照（適宜、図１を参照）して説明する。まず、図２および図３を参照して、制御部５０（圧力センサ３０の較正装置）における圧力補正について説明する。

図２に示すように、ステップＳ１において、制御部５０は、測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）を算出する。なお、ステップＳ１の式において、Ｐｈは測定可能レンジの上限値であり、Ｐｌは測定可能レンジの下限値である。すなわち、中間点（Ｐｍ）は、測定可能レンジの上限値から下限値を減算し、得られた値を２で除算することにより求められる。なお、ステップＳ１は、あらかじめメモリに登録してあるＰｍの値をメモリから読み出すステップとしてもよい。

そして、ステップＳ２に進み、制御部５０は、Ｐｆ≦Ｐｍであるか否かを判断する。なお、Ｐｆは圧力センサ３０の生値（以下、出力値とする；実際に検出される値）である。すなわち、圧力センサ３０の出力値（Ｐｆ）が測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）以下であるかどうかを判断する。

ステップＳ２において、制御部５０は、Ｐｆ≦Ｐｍであると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３に進み、Ｐｆ≦Ｐ０であるか否かを判断する。なお、Ｐ０は大気圧であり、大気圧センサ４０によって検出される値である。

ステップＳ３において、制御部５０は、Ｐｆ≦Ｐ０でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４に進み、補正量（Ｐｒ）を求める。この補正量（Ｐｒ）は、次式（１）によって求められる。なお、Ｐ０ｒは大気圧補正量（基準補正量）であり、Ｐ０ｆは大気圧状態での圧力センサ３０の生値である。この式（１）は、大気圧状態で補正した量に対して測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）で補正量をゼロ（０）とし、その間を直線補間した式である。また、式（１）において、Ｐ０ｆに替えてＰ０としてもよい。
Ｐｒ＝Ｐ０ｒ＋（（０−Ｐ０ｒ）／（Ｐｍ−Ｐ０ｆ））＊（Ｐｆ−Ｐ０ｆ）・・（１）

なお、前記式（１）における大気圧補正量（Ｐ０ｒ）は、圧力センサ３０としてゲージ圧センサを用いた場合には、次式（２）により求められる。また、圧力センサ３０として絶対圧センサを用いた場合には次式（３）により求められる。
Ｐ０ｒ＝ ０−Ｐｆ・・・（２）
Ｐ０ｒ＝Ｐ０−Ｐｆ・・・（３）

そして、ステップＳ７に進み、制御部５０は、補正後の圧力（Ｐｄ）を算出する。なお、補正後の圧力（Ｐｄ）は、圧力センサ３０の出力値に、ステップＳ４で算出した補正量（Ｐｒ）を加算することにより求められる。

また、ステップＳ３において、制御部５０は、Ｐｆ≦Ｐ０であると判断した場合、つまり圧力センサ３０の出力値が大気圧（Ｐ０）以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５に進み、補正量（Ｐｒ）を大気圧状態での圧力センサ３０の生値（Ｐ０ｆ）に設定する。すなわち、負圧状態において必要以上に補正をする可能性がある場合には、補正量（Ｐｒ）を大気圧相当に設定する。なお、図２のフローチャートのステップＳ３およびステップＳ５は、必要であれば追加する。

そして、ステップＳ７に進み、制御部５０は、補正後の圧力（Ｐｄ）を算出する。補正後の圧力（Ｐｄ）は、圧力センサ３０の出力値（Ｐｆ）に、ステップＳ５で設定した補正量（Ｐｒ＝Ｐ０ｆ）を加算して求める。

また、ステップＳ２において、制御部５０は、Ｐｆ≦Ｐｍ以下ではないと判断した場合、つまり圧力センサ３０の出力値（Ｐｆ）が測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）より大きいと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６に進み、補正量（Ｐｒ）をゼロ（０）に設定する。

そして、ステップＳ７に進み、制御部５０は、補正後の圧力（Ｐｄ）を算出する。この場合、ステップＳ６においてＰｒ＝０に設定されているので、補正後の圧力（Ｐｄ）は、圧力センサ３０の生値（Ｐｆ）となる。

図３に示すように、圧力センサ３０の出力値（Ｐｆ）の変化に応じた補正量（Ｐｒ）はグラフのようになる。なお、図３に示す斜めの直線が、ステップＳ４の補正量の算出式（前記式（１））に相当する。すなわち、測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）において、補正量（Ｐｒ）がゼロ（０）となるように設定し、測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）以下の場合には、式（１）に基づいて補正量（Ｐｒ）を求め、測定可能レンジの中間点（Ｐｍ）より大きい場合には、補正量（Ｐｒ）をゼロ（０）とする。

次に、本実施形態の圧力センサ３０の較正装置を搭載した燃料電池システム１の動作について図４を参照（適宜、図２および図３を参照）して説明する。まず、燃料電池システム１の運転停止時には、エアコンプレッサ２１が停止されて燃料電池１０のカソードへの空気の供給が停止し、遮断弁２６およびパージ弁２８が閉じられて燃料電池１０のアノードへの水素の供給が停止している。また、燃料電池システム１の運転停止時には、背圧制御弁２２が開かれている。

図４に示すように、ステップＳ１０において、制御部５０は、燃料電池システム１のガス給排機構２０が大気圧開放状態であるか否かを判断する。なお、大気圧開放状態であるかの判断は、背圧制御弁２２が開放状態であるかによって判断できる。大気圧開放状態の判定タイミングは、種々設定できるが、例えば、燃料電池システム１に対して運転停止され、背圧制御弁２２が開弁して所定時間が経過した後としてもよい。なお、このときの所定時間とは、ガス給排機構２０が大気圧まで下がるのに要する時間である。

ステップＳ１０において、制御部５０は、ガス給排機構２０が大気圧開放状態であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０に進み、大気圧状態で大気圧補正量（基準補正量）を算出（１回目の場合）する。なお、大気圧補正量を２回目に算出する場合には、前回の大気圧補正量を更新する。

なお、ステップＳ２０において、大気圧補正量（Ｐ０ｒ；基準補正量）を求める場合、前記したように、圧力センサ３０がゲージ圧センサのときには、式（２）Ｐ０ｒ＝０−Ｐｆによって求め、また圧力センサ３０が絶対圧センサのときには、式（３）Ｐ０ｒ＝Ｐ０−Ｐｆによって求める。

一方、ステップＳ１０において、制御部５０は、ガス給排機構２０が大気圧開放状態でない、つまり燃料電池システム１が運転中であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０に進み、前回算出した補正量に基づいて圧力補正を実行する。なお、例えば燃料電池システム１の運転開始直後の場合には、新規に補正量を算出する。

そして、フローには図示省略しているが、ステップＳ３０で算出した補正後の圧力（Ｐｄ）に基づいて、エアコンプレッサ２１のモータの回転速度を制御し、また背圧制御弁２２の開度を調整して、燃料電池１０のカソードへの空気の供給量（ガス供給量）を制御する。

このように本実施形態によれば、従来の技術では、圧力センサを大気圧で補正して出力値を一律にオフセットした場合に高圧領域での誤差が大きくなる可能性があったが（図６参照）、図５において実線で示すように、高圧領域の誤差を増加させることなく低圧領域のみ誤差の低減が可能になる。

また、本実施形態によれば、圧力センサ３０の測定可能レンジの中間点において補正量がゼロとなるように大気圧補正量（基準補正量）に対して定めることにより、誤差が大きな圧力センサを使用した場合であっても、大気圧から中間点までは精度よく補正することが可能になる。

また、本実施形態によれば、圧力センサ３０より測定可能レンジの狭い大気圧センサを用いて、その検出値を用いて基準補正量を設定することにより、精度の高い補正が可能になる。

また、本実施形態によれば、前記した圧力センサ３０の較正装置を搭載して燃料電池システム１を構築した場合、従来の技術では、低圧領域と高圧領域のそれぞれに対応した別センサ制御、またはデバイス（圧力センサ）の追加等が必要であったが、これらが不要になり、燃料電池システム１の小型軽量化やコストダウンが可能になる。

また、本実施形態によれば、前記した圧力センサ３０の較正装置を搭載して燃料電池システム１を構築して、基準補正量（大気圧補正量）を随時更新し、随時補正量を更新できるので、圧力センサ３０の経年変化に対しても、精度よく補正することが可能になる。

なお、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。例えば、前記した実施形態では、カソード側の圧力センサ３０の圧力を較正する場合を例に挙げて説明したが、アノード側の圧力センサに適用することもできる。ただし、この場合には、例えば、燃料電池システム１の運転停止時にパージ弁２８を開いて、アノード側のガス給排機構を大気圧に開放することが好ましい。

本実施形態の圧力センサの較正装置を搭載した燃料電池システムを示す全体構成図である。 圧力補正の制御を示すフローチャートである。 圧力と補正量との関係を示すグラフである。 本実施形態の燃料電池システムにおける圧力補正の制御を示すフローチャートである。 大気圧で補正した場合と補正しない場合の圧力と誤差の絶対値との関係を示すグラフである。 従来の圧力補正の制御における、圧力とセンサ誤差との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ ガス給排機構
３０ 圧力センサ
４０ 大気圧センサ
５０ 制御部

Claims (3)

1. 燃料電池システムのガス流路の流体圧を測定する圧力センサの較正装置であって、
   前記圧力センサよりも測定可能レンジが狭く、大気圧を測定する大気圧センサを備え、
   前記圧力センサにより測定される流体圧が大気圧状態のときに、前記圧力センサの出力値（Ｐ０ｆ）と前記大気圧センサの検出値である大気圧（Ｐ０）との差に相当する基準補正量（Ｐ０ｒ）を算出し、
   前記圧力センサの大気圧状態における出力値（Ｐ０ｆ）を前記基準補正量（Ｐ０ｒ）にて補正するとともに、前記圧力センサの大気圧状態より大きい出力値（Ｐｆ）に対しては、その出力値（Ｐｆ）が大きければ大きいほど、前記基準補正量（Ｐ０ｒ）を小さくした補正量（Ｐｒ）により補正し、
   前記補正量（Ｐｒ）は、前記圧力センサの測定可能レンジにおける中間点（Ｐｍ）においてゼロとなるように予め前記基準補正量（Ｐ０ｒ）に対して定められ、
   前記出力値（Ｐｆ）が前記大気圧（Ｐ０）以下である場合、前記補正量（Ｐｒ）を前記圧力センサの大気圧状態での出力値（Ｐ０ｆ）に設定することを特徴とする燃料電池システムのガス流路の流体圧を測定する圧力センサの較正装置。
2. 前記出力値（Ｐｆ）が前記大気圧（Ｐ０）以下でない場合、前記補正量（Ｐｒ）を以下の式に基づいて設定す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のガス流路の流体圧を測定する圧力センサの較正装置。
   Ｐｒ＝Ｐ０ｒ＋（（０−Ｐ０ｒ）／（Ｐｍ−Ｐ０ｆ））×（Ｐｆ−Ｐ０ｆ）
   ［または、Ｐｒ＝Ｐ０ｒ＋（（０−Ｐ０ｒ）／（Ｐｍ−Ｐ０））×（Ｐｆ−Ｐ０）］
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムのガス流路の流体圧を測定する圧力センサの較正装置と、
   所定のガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記ガスを給排するガス給排機構と、を備え、
   前記ガス給排機構が大気圧に開放されている状態のときに、前記圧力センサの基準補正量を算出す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。

Images