JP6642322B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池の空気極に供給される空気の圧力を圧力センサにより検出し、検出した圧力と目標圧力との差分値が所定値を上回ったと判定したときに、空気極の排出側配管に設けられた調圧弁が実際の全閉位置から開方向にずれている（脱調している）として、不良警告を発する構成が知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−３３１８６２号公報 特開２００９−１１７１６９号公報

この種の燃料電池システムでは、空気極に供給する空気の目標圧力を算出し、目標圧力に対する実際の空気圧力の偏差が小さくなるように、調圧弁の開度をフィードバック制御する場合がある。この場合、前記の背景技術では、圧力センサにより検出した圧力と目標圧力とが乖離することがないため、目標圧力に対する検出圧力の差を所定値と比較しても調圧弁の脱調を検出できないという問題があった。そのため、燃料電池システムにおいて、調圧弁の開度をフィードバック制御する構成を備える場合にも、調圧弁の脱調を確実に検出できる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と；前記燃料電池に空気を供給する空気供給部と；ステッピングモータと弁体とを有し、前記ステッピングモータによって前記弁体が駆動されることによって、前記燃料電池に供給される空気の圧力を調整する調圧弁と；前記燃料電池に供給される空気の流量を取得する空気流量取得部と；前記燃料電池に供給される空気の圧力を取得する空気圧取得部と；前記調圧弁を制御する制御部と；を備える。前記制御部は；前記燃料電池への出力要求値に応じて決まる前記空気の目標圧力に対する、前記取得された空気の圧力の偏差が小さくなるように、前記調圧弁をフィードバック制御し；前記ステッピングモータに対する指令値を用いて、前記調圧弁の開度を推定開度として推定し；前記空気流量取得部によって取得された空気の流量と前記空気圧取得部によって取得された空気の圧力とに基づいて、前記調圧弁の適正開度を求め；前記適正開度に対する前記推定開度の差に基づいて、前記調圧弁における前記弁体の位置が異常であるか否かを判定する。

この構成の燃料電池システムによれば、調圧弁のフィードバック制御によって、燃料電池に供給される空気の圧力が制御されていた場合であっても、その際の調圧弁の開度が推定開度として求められ、推定開度の適正開度に対する差によって、弁体の位置の異常を判定することができる。したがって、この構成の燃料電池システムは、調圧弁の開度をフィードバック制御する構成を備える場合にも、調圧弁の脱調を確実に検出できるという効果を奏する。

本発明は、装置（システム）以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載する車両、船舶、飛行機などの移動体、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的な記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの流路構成を示す説明図である。 調圧弁の概略構成を示す説明図である。 ＦＣ−ＥＣＵによって実行される調圧弁脱調除去ルーチンを示すフローチャートである。 適正開度算出用マップを示す説明図である。 調圧弁に脱調が生じてない正常時における、空気流量、空気圧力、現在開度推定値等の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 調圧弁に脱調が生じている異常時における、空気流量、空気圧力、現在開度推定値等の時間変化の一例を示すタイムチャートである。 弁体突き当て処理における調圧弁の動作を示すタイムチャートである。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の流路構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池車両は、例えば、四輪自動車である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、空気供給排出部３０と、水素ガス供給排出部５０と、冷媒循環部７０と、制御部８０と、スタートスイッチ９０と、アクセル踏込量センサ９２と、を備える。

燃料電池スタック２０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルを積層して形成される。各単セルは、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極（カソード、アノード）を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体の両外側に配置されるセパレータと、を備える。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池スタック２０は、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。燃料電池スタック２０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「燃料電池」に相当する。

空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスとしての空気を供給する機能と、燃料電池スタック２０のカソード側から排出される排水とカソード排ガスとを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の上流側に、空気供給用配管３１と、エアクリーナ３２と、エアコンプレッサ３３と、過給により上昇した吸気温度を低下するインタクーラ３４と、分流弁３５と、空気分流用配管３７と、を備える。

空気供給用配管３１は、燃料電池スタック２０のカソード側の入口に接続されている配管であり、外部の空気を取り込む吸気口側から下流に向かって、エアクリーナ３２、エアコンプレッサ３３、インタクーラ３４、分流弁３５が、この順に設けられている。

エアクリーナ３２は、空気供給用配管３１における吸気口側に設けられ、取り入れた空気を清浄する。エアクリーナ３２の近傍には、エアクリーナ３２を通過した空気の流量を計測するエアフロメータ９５が備えられている。エアフロメータ９５は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「空気流量取得部」に相当する。

エアコンプレッサ３３は、空気を取り込んで、圧縮した空気を燃料電池スタックのカソード側に供給する。インタクーラ３４は、エアコンプレッサ３３により上昇した吸気温度を低下する。

分流弁３５は、インタクーラ３４と燃料電池スタック２０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３によって圧縮されインタクーラ３４によって冷却された空気を、燃料電池スタック２０側と、空気分流用配管３７を介して後述するカソード排ガス用配管４１側とに分流する。空気供給用配管３１におけるインタクーラ３４と分流弁３５との間には、圧力センサ９６が設けられている。圧力センサ９６は、燃料電池スタック２０に供給される空気の圧力Ｐ１を検出する。圧力センサ９６は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「空気圧取得部」に相当する。

空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の下流側に、カソード排ガス用配管４１と、調圧弁４３と、マフラー４６と、を備える。

カソード排ガス用配管４１は、燃料電池スタック２０のカソード側の出口に接続されている配管であり、排水及びカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出可能である。

調圧弁４３は、カソード排ガス用配管４１に備えられ、カソード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０のカソード側の背圧）を調整する。カソード排ガス用配管４１における調圧弁４３より下流に、空気分流用配管３７の分流先のポートが接続されている。こうした構成の空気供給排出部３０は、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「空気供給部」に相当する。

水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給する機能と、燃料電池スタック２０から排出されるアノード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の上流側に、水素ガス供給配管５１と、水素タンク５２と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池スタック２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、水素ガス供給配管５１を介して燃料電池スタック２０のアノード側の入口に接続されている。

水素ガス供給配管５１には、さらに、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、水素タンク５２から水素供給装置５５への水素の流入を調整する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。

水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の下流側に、アノード排ガス用配管６１と、気液分離部６２と、水素ガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水用配管６５と、排水弁６６と、を備える。アノード排ガス用配管６１は、燃料電池スタック２０のアノード側の出口と気液分離部６２とを接続する配管である。

気液分離部６２は、水素ガス循環配管６３と、アノード排水用配管６５とに接続されている。アノード排ガス用配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分は水素ガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水用配管６５へと誘導される。

水素ガス循環配管６３は、水素ガス供給配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。水素ガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられている。水素循環用ポンプ６４は、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を水素ガス供給配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。

アノード排水用配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部８０からの指令に応じて開閉する。制御部８０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水用配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス用配管４１に合流されている。前記の所定の排水タイミングや、不活性ガスの排出タイミングでは、分流弁３５はカソード排ガス用配管４１側へ１００％開いており、アノード側の排水とアノード排ガスとは、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合されることで希釈され、排出される。

冷媒循環部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、循環ポンプ７４と、を備える。冷媒用配管７１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の出口とラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の入口とラジエータ７２の出口とを接続する。

ラジエータ７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ７４は、下流側配管７１ｂに設けられており、冷媒は、循環ポンプ７４の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。

スタートスイッチ９０は、運転者によって操作される車両の起動スイッチであり、燃料電池システム１００を始動する旨の始動信号Ｓｔを制御部８０に送信する。アクセル踏込量センサ９２は、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出し、検出された踏込量（以下、「アクセル踏込量」と呼ぶ）Ｔ１を制御部８０に送信する。

制御部８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部８０は、ＰＭ−ＥＣＵ（パワーマネジメントＥＣＵ）８１と、ＦＣ−ＥＣＵ（燃料電池ＥＣＵ）８２と、を含んでいる。ＦＣ−ＥＣＵ８２が、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「制御部」に相当する。

ＰＭ−ＥＣＵ８１は、スタートスイッチ９０から送信される始動信号Ｓｔを受信すると、燃料電池システム１００を始動する旨の指令を他のＥＣＵに対して送信する。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、始動する旨の指令を受信すると、空気供給排出部３０を駆動する処理、水素ガス供給排出部５０を駆動する処理、等を実行することによって、燃料電池スタック２０の運転を開始する。

ＰＭ−ＥＣＵ８１は、アクセル踏込量センサ９２から送信されるアクセル踏込量Ｔ１を受信すると、アクセル踏込量Ｔ１に基づいて、車両全体の要求電力を求め、その要求電力の実現に必要な種々の要求や指令を他のＥＣＵに対して送信する。具体的には、ＦＣ−ＥＣＵ８２に対しては燃料電池スタック２０に分担されるＦＣ要求電力を決定し、そのＦＣ出力要求電力ＰｆをＦＣ−ＥＣＵ８２に対して送信する。

ＦＣ―ＥＣＵ８２は、ＰＭ−ＥＣＵ８１からＦＣ出力要求電力Ｐｆを受信すると、燃料電池スタック２０の発電量がＦＣ出力要求電力Ｐｆに一致するように、燃料電池スタック２０を運転する。具体的には、空気供給排出部３０、水素ガス供給排出部５０、および冷媒循環部７０の前述した構成部品を制御することによって、燃料電池スタック２０への水素ガスや空気の供給制御、燃料電池スタック２０からの排水制御、燃料電池スタック２０で発生した排熱の冷却制御を行い、燃料電池スタック２０を運転する。空気供給排出部３０を制御するに際して、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、エアフロメータ９５によって検出される空気流量Ｑ１や、圧力センサ９６によって検出される空気圧力Ｐ１を取得し、エアコンプレッサ３３や、分流弁３５、調圧弁４３等を制御する。

ＦＣ−ＥＣＵ８２は、調圧弁４３について、フィードバック制御も行なっている。具体的には、ＰＭ−ＥＣＵ８１から受信したＦＣ出力要求電力Ｐｆに応じて、燃料電池スタック２０に供給する空気の目標圧力Ｐｔを算出し、目標圧力Ｐｔに対する、圧力センサ９６から取得した空気の圧力Ｐ１の偏差が小さくなるように、調圧弁４３の開度をフィードバック制御する。

ＦＣ−ＥＣＵ８２は、燃料電池システム１００の各部を制御して、燃料電池スタック２０の運転状態の切り替えも行っている。具体的には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、燃料電池スタック２０の通常運転と間欠運転との切り替えを行う。ここでの「燃料電池スタック２０の通常運転」とは、燃料電池スタック２０が発電電力を外部負荷に供給可能な状態を意味しており、例えば、燃料電池スタック２０の停止時や間欠運転時等が除かれる。「燃料電池スタック２０の間欠運転」とは、ＦＣ出力要求電力Ｐｆが所定値（例えば、高電位回避制御等をするのに必要な量）以下となる状態を意味している。間欠運転中には、分流弁３５の開度を所定開度に固定した上で、調圧弁４３を制御することによって、燃料電池スタック２０側へ送られる量を、０（ゼロ）もしくは微小な量とする。

Ａ−２．調圧弁の構成：
図２は、カソード排ガス用配管４１に備えられる調圧弁４３の概略構成を示す説明図である。調圧弁４３は、ステッピングモータ１３２と、弁体１３４と、弁体１３４を内部に収容するボディ１３６と、ステッピングモータ１３２と弁体１３４とを接続するシャフト１３８と、シャフト１３８周りに備え付けられるスプリング１４０と、を備える。

ボディ１３６には、カソード排ガス用配管４１の上流側（燃料電池スタック２０側）から空気（カソード排ガス）を導入する導入ポート１３６ａと、カソード排ガス用配管４１の下流側（マフラー４６側）へ空気（カソード排ガス）を導出する導出ポート１３６ｂと、が設けられている。弁体１３４は、導出ポート１３６ｂを開閉する。具体的には、導出ポート１３６ｂの周りには弁座１４２が設けられ、弁体１３４にはリング状の弾性体（例えばゴム）からなる弁部材１４４が設けられ、弁部材１４４が弁座１４２に着座することにより、導出ポート１３６ｂを完全に閉じることが可能になる。

弁体１３４はシャフト１３８を介して、ステッピングモータ１３２によって駆動される。ステッピングモータ１３２が回転することによって、シャフト１３８が図中の上下方向に移動し、弁体１３４は開閉動作する。具体的には、ステッピングモータ１３２は、ＦＣ−ＥＣＵ８２から受信するパルス信号に従って駆動される。パルス信号のパルス数が大きくなると、ステッピングモータ１３２は正方向に回転し、弁体１３４は開側に制御される。パルス信号のパルス数が小さくなると、ステッピングモータ１３２は負方向に回転し、弁体１３４は閉側に制御される。スプリング１４０は、弁体１３４を閉弁方向に付勢する。

前記構成の調圧弁４３では、弁部材１４４を構成する弾性体（ゴム）が弁座１４２に貼り付くことによって、開弁不良が発生する。開弁不良が発生すると、ステッピングモータ１３２において、ＦＣ−ＥＣＵ８２から受信したパルス信号とモータ回転との同期が失われることがある。このような現象を脱調という。具体的には、弁体１３４が完全に閉じられた状態から図中、破線に示すように開き始めるときに、弁部材１４４が弁座１４２に貼り付いていた場合、ステッピングモータ１３２が空回りして、制御上は開いているつもりでも、弁体１３４の実開度は閉じ側に留まってしまう。これを、特に「調圧弁の閉じ側脱調」と呼ぶ。

Ａ−３．調圧弁脱調除去ルーチンについて：
図３は、ＦＣ−ＥＣＵ８２によって実行される調圧弁脱調除去ルーチンを示すフローチャートである。調圧弁脱調除去ルーチンは、ステッピングモータ１３２の上述した調圧弁４３の脱調を除去するための処理である。調圧弁脱調除去ルーチンは、燃料電池スタック２０の運転が開始されてから所定時間毎に繰り返し実行される。なお、この調圧弁脱調除去ルーチンが実行されるときには、分流弁３５の開度は一定値（例えば、１００％）であるものとする。分流弁３５の開度は、燃料電池スタック２０側のポートへの開弁比率として示される。なお、ここで言う「運転」とは、上述した通常運転と間欠運転とを含む。

処理が開始されると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、エアフロメータ９５から空気流量Ｑ１を取得し（ステップＳ１１０）、次いで、空気供給用配管３１に備えられた圧力センサ９６から空気圧力Ｐ１を取得する(ステップＳ１２０)。

続いて、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、調圧弁４３についての現在開度推定値Ｈ１を取得する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１８０では、別ルーチンによって求められた現在開度推定値Ｈ１を取得する。別ルーチンでは、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、調圧弁４３（より詳細には、ステッピングモータ１３２）に対して出力した指令値と、指令値を出力してからの経過時間と、指令値とともに調圧弁４３に対して指定された調圧弁４３の駆動速度と、に基づいて、調圧弁４３の現在の開度（現在開度推定値）Ｈ１を推定している。経過時間は、図示しないタイマによって計測する。ステップＳ１８０では、この推定した現在開度推定値Ｈ１を取得する。

続いて、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ１１０で取得した空気流量Ｑ１とステップＳ１２０で取得した空気圧力Ｐ１とに基づいて、調圧弁４３の適正開度Ｈ０を求める（ステップＳ１４０）。具体的には、ＰＭ−ＥＣＵ８１の有するメモリに予め記憶された適正開度算出用マップを用いて適正開度Ｈ０を求める。「適正開度」とは、調圧弁４３に脱調等の不具合が生じていない正常時に取り得る開度である。

図４は、適正開度算出用マップＭＰを示す説明図である。図示するように、適正開度算出用マップＭＰは、横軸に空気流量Ｑ１をとり、縦軸に空気圧力Ｐ１をとり、横軸の値と縦軸の値とに対応する適正開度Ｈ０をマッピングした２次元マップデータである。空気流量Ｑ１と空気圧力Ｐ１と適正開度Ｈ０との関係を、予め実験的にあるいはシミュレーションにより求めることで、適正開度算出用マップＭＰは作成されており、ＲＯＭに格納されている。なお、図４中の「・・・」は、適正開度Ｈ０の数値が格納されていることを意味し、便宜的に一部のセルに記載したが、実際は全てのセルに数値が格納されている。ステップＳ１４０では、この適正開度算出用マップＭＰにステップＳ１１０で取得した空気流量Ｑ１とステップＳ１２０で取得した空気圧力Ｐ１とを照らし合わせることによって、空気流量Ｑ１と空気圧力Ｐ１とに対応した適正開度Ｈ０を求める。

ステップＳ１４０の実行後、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ１３０で取得した現在開度推定値Ｈ１からステップＳ１４０で取得した適正開度Ｈ０を引いた差が、予め定められた所定値ＨＴを上回るか否かを判定する（ステップＳ１５０）。所定値ＨＴは、前記の差が許容できる範囲である。具体的には、調圧弁４３の部品ばらつきを考慮した上で、調圧弁４３に脱調が発生したときに、弁部材１４４を構成する弾性体（ゴム）が弁座１４２から剥がれ始めるまでの開度（現在開度推定値Ｈ１）が取り得る最大値を、実験的にまたはシミュレーションによって予め求め、この最大値を所定値ＨＴとした。なお、所定値ＨＴは、前記の構成に替えて、前述した調圧弁４３のフィードバック制御によって、後述する突き当て処理によってフィードバックされる制御量を予め想定して、その制御量としてもよい。

ステップＳ１５０で、適正開度Ｈ０に対する現在開度推定値Ｈ１の差（＝Ｈ１−Ｈ０）が所定値ＨＴを上回ると判定した場合は、現在開度推定値Ｈ１が適正開度Ｈ０から外れたと判断できる。差（＝Ｈ１−Ｈ０）が所定値ＨＴを以下であると判定した場合は、現在開度推定値Ｈ１が適正開度Ｈ０とほぼ一致していると判断できる。

図５は、調圧弁４３に脱調が生じてない正常時における、空気流量Ｑ１、空気圧力Ｐ１、現在開度推定値Ｈ１等の時間変化の一例を示すタイムチャートである。図６は、調圧弁４３に脱調が生じている異常時における、空気流量Ｑ１、空気圧力Ｐ１、現在開度推定値Ｈ１等の時間変化の一例を示すタイムチャートである。図５に示すように、正常時には、アクセル踏込量Ｔ１が１００％となったときに、空気流量Ｑ１は所定値Ｑａとなり、空気圧力Ｐ１は所定値Ｐａとなる。このとき、現在開度推定値Ｈ１は所定値Ｈａとなる。一方、図６に示すように、調圧弁４３に脱調が生じている異常時には、アクセル踏込量Ｔ１が１００％となり、空気流量Ｑ１が所定値Ｑａとなり、空気圧力Ｐ１が所定値Ｐａとなったとき、現在開度推定値Ｈ１は、所定値Ｈａより大きい所定値Ｈｂとなる。

図５および図６から、空気流量Ｑ１が最大、空気圧力Ｐ１が最大である同一条件下で、調圧弁４３の現在の開度が正常時の開度に比べて大きく開いた場合に、調圧弁４３が閉じ側に脱調していることがわかる。この知見は、実験によって本発明の発明者によって見出されたものである。したがって、ステップＳ１５０で、現在開度推定値Ｈ１が適正開度Ｈ０から外れたと判断した場合に、調圧弁４３に脱調が生じていると判断できる。ステップＳ１５０で、現在開度推定値Ｈ１が適正開度Ｈ０とほぼ一致していると判断した場合に、調圧弁４３に脱調が生じていないと判断できる。

図３に戻り、ステップＳ１５０で否定判定、すなわち、調圧弁４３に脱調が生じていないと判断した場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、この調圧弁脱調除去ルーチンを一旦終了する。一方、ステップＳ１５０で肯定判定、すなわち、調圧弁４３に脱調が生じていると判断した場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ１６０に処理を進める。

ステップＳ１６０では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、間欠フラグＦが”１”であるか否かを判定する。間欠フラグＦは、燃料電池スタック２０の運転モードが上述した間欠運転であるときに、”１”にセットされるフラグである。ステップＳ１６０で、間欠フラグＦが”１”である、すなわち、燃料電池スタック２０が間欠運転中であると判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステップＳ１７０に処理を進めて、調圧弁４３の脱調を除去する脱調除去処理を実行する。

ステップＳ１７０の脱調除去処理は、弁体突き当て処理（ステップＳ１７２）と、原点位置学習処理（ステップＳ１７４）と、を含む。ステップＳ１７２の弁体突き当て処理では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステッピングモータ１３２（図２）を負方向に回転させ、弁体１３４（図２）を閉位置まで移動させ、弁座１４２（図２）に突き当てる。

図７は、弁体突き当て処理における調圧弁４３の動作を示すタイムチャートである。燃料電池スタック２０の動作モードが通常運転から間欠運転に切り替わった以後（時刻ｔ１）、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、ステッピングモータ１３２（図２）に指令する指令開度を閉じ側に制御する。指令開度は、前述した調圧弁４３のフィードバック制御が実行されることによって、現在開度推定値Ｈ１と等しい値となる。指令開度を閉じ側に制御すると、調圧弁４３の実開度は、図中の破線に示すように徐々に閉じ側に切り替えられる。指令開度上では，時刻ｔ３において０点（０ｓｔｅｐ）に達すると想定されるが、実際には、実開度では、時刻ｔ３より前の時刻ｔ２で全閉する。すなわち、弁体１３４は、時刻ｔ２で弁座１４２に突き当たる。このとき、図中の開度幅ＨＷ分だけ、調圧弁４３は脱調（閉じ側脱調）していることになる。

実際に弁体１３４が弁座１４２に接触する時刻ｔ２は、突き当てのために必要な理論的なパルス数（すなわち、指令開度で定めたパルス数）から予め定めた値（所定値）を引くことによって推定する。本実施形態では、前記所定値は、図６で示した所定値Ｈｂから図５で示した所定値Ｈａを引いた差と等しい値とした。すなわち、本実施形態では、空気流量Ｑ１が最大、空気圧力Ｐ１が最大である条件下で、調圧弁４３が閉じ側脱調した場合の正常時との調圧弁開度の差を考慮して、実際に弁体１３４が弁座１４２に接触する時刻ｔ２を知る。ＦＣ−ＥＣＵ８２は、時刻ｔ２における現在開度推定値Ｈ１を記憶する。

図３に戻り、ステップＳ１７４の原点位置学習処理では、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、上記時刻ｔ２において記憶した現在開度推定値Ｈ１、すなわち、実際に弁体１３４が弁座１４２に接触したとき（時刻ｔ２）の現在開度推定値Ｈ１の値を、ＦＣ−ＥＣＵ８２による制御上の全閉開度（原点位置）として設定（学習）する。なお、原点位置学習は、初期化、またはゼロ点調整と換言されることもある。ステップＳ１７４の原点位置学習処理が完了すると、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、この調圧弁脱調除去ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１６０で、間欠フラグＦが”１”でない、すなわち、燃料電池スタック２０が間欠運転中でないと判定された場合には、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、この調圧弁脱調除去ルーチンを一旦終了する。すなわち、燃料電池スタック２０が間欠運転中である場合に、ステップＳ１７０の脱調除去処理を実行し、燃料電池スタック２０が間欠運転中でない場合には、脱調除去処理は行わない。

本実施形態では、スタートスイッチ９０がオン状態に切り替えられてからオフ状態に切り替えるまでのワントリップ期間において、ステップＳ１７０の脱調除去処理は１回までしか行われない構成とした。すなわち、ステップＳ１７０の脱調除去処理が一度実行されると、スタートスイッチ９０が一旦オフされるまで、調圧弁脱調除去ルーチンの実行は禁止される。

Ａ−４．実施形態の作用・効果：
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１００によれば、調圧弁４３のフィードバック制御によって、燃料電池スタック２０に供給される空気の圧力が制御されていた場合であっても、その際の調圧弁４３の開度が現在開度推定値Ｈ１として求められ、適正開度Ｈ０に対する現在開度推定値Ｈ１の差によって、調圧弁４３の弁体１３４の位置の異常を判定することができる。したがって、この構成の燃料電池システム１００は、調圧弁４３の開度をフィードバック制御する構成を備える場合にも、調圧弁４３の脱調を確実に検出できるという効果を奏する。

また、本実施形態では、弁体突き当て処理を行う脱調除去処理を燃料電池スタック２０の間欠運転中にだけ実行するようにしていることから、弁体突き当て処理によって弁体１３４が全閉となっても、燃料電池スタック２０内における空気圧力が異常上昇することもない。さらに、弁体突き当て処理と原点位置学習処理は、例えば１秒以内というように短時間で完了するため、燃料電池スタック２０の内部に残留する空気によって、燃料電池スタック２０の出力電圧（ＦＣ電圧）は、図７に示すように維持される。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、スタートスイッチ９０がオン状態に切り替えられてからオフ状態に切り替えるまでのワントリップ期間において、ステップＳ１７０の脱調除去処理は１回までしか行われない構成とした。このため、弁体突き当て処理の実行回数を制限することができるため、調圧弁４３の弁部材１４４を構成するゴムが摩耗したり、へたるのを防止することができる。なお、弁部材１４４が弁座１４２に貼り付くことは頻繁に起こるものではないことから、ワントリップ期間において１回、脱調除去処理を行えば、効果は十分である。

Ｂ．第２実施形態：
本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１００と比較して次の点が異なり、残余の点については同一である。なお、同一の構成要素については、以下、同一の符号をつけて呼ぶ。

第１実施形態の燃料電池システム１００では、弁体突き当て処理を行うが、その際の弁体１３４の移動速度、すなわちステッピングモータ１３２のパルスレート［ＰＰＳ］については特に言及していなかった。これに対して、第２実施形態の燃料電池システム１００では、弁体突き当て処理の際のステッピングモータ１３２のパルスレートを閉弁途中で切り替える構成とした。閉弁期間を２つの期間に分け、前側の第１の期間では第１のパルスレートでステッピングモータ１３２を駆動し、後側の第２の期間では第１のパルスレートよりも遅い第２のパルスレートでステッピングモータ１３２を駆動する構成とした。

パルスレートを速くすることで、弁体突き当て処理全体の時間短縮が可能であり、パルスレートを遅くすることで、弁体突き当て処理の際の調圧弁４３のバウンスバック（跳ね上がり）を防止できる。この第２実施形態の構成によれば、弁体突き当て処理全体の時間短縮と調圧弁４３のバウンスバックの防止とを両立することができる。

弁体突き当て処理において弁体１３４を弁座１４２に突き当てる際には、その突き当てのために必要な理論的なパルス数（ステップ数）よりも多いパルス数を、ステップモータに印加することが望ましい。すなわち、突き当て量は、０ｓｔｅｐまでの量に、さらに押し込む分が加えられた量であることが望ましい。第２実施形態は、こうした構成となっており、その上、弁体１３４が弁座１４２に接触するまでの期間を前記第１の期間（速い第１のパルスレート）とし、弁体１３４が弁座１４２に接触してから押し込む間を前記第２の期間（遅い第２のパルスレート）とした。

パルスレートを切り替えるタイミング、すなわち、第１の期間と第２の期間とを区切るタイミングは、突き当てのために必要な理論的なパルス数（すなわち、指令開度で定めたパルス数）から予め定めた値（所定値）を引くことによって定めることができる。本実施形態では、前記所定値は、図６で示した所定値Ｈｂから図５で示した所定値Ｈａを引いた差と等しい構成とした。すなわち、本実施形態では、空気流量Ｑ１が最大、空気圧力Ｐ１が最大である条件下で、調圧弁４３が閉じ側脱調した場合の正常時との調圧弁開度の差を考慮して、前記パルスレートを切り替えるタイミングを設定した。すなわち、図７においては、ＦＣ−ＥＣＵ８２は、時刻ｔ１−ｔ２の期間において、速い第１のパルスレートでステッピングモータを駆動し、時刻ｔ２−ｔ３の期間において、遅い第２のパルスレートでステッピングモータを駆動する。

以上のように構成された第２実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態と同様に、調圧弁４３の開度をフィードバック制御する構成を備える場合にも、調圧弁４３の脱調を確実に検出できるという効果を奏する。さらに、弁体突き当て処理全体の時間短縮と調圧弁４３のバウンスバックの防止とを両立することができるという効果を奏する。

Ｃ．第３実施形態：
本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１００と比較して次の２点が異なり、残余の点については同一である。なお、同一の構成要素については、以下、同一の符号をつけて呼ぶ。

（ａ）燃料電池スタック２０の運転モードとして、通常運転、間欠運転の他に補機消費運転を有する。補機消費運転とは、車両の回生エネルギをエアコンプレッサ３３で消費するために、調圧弁４３を閉じて空気圧力を上げつつ、分流弁３５をカソード排ガス用配管４１側に一部開弁して、エアコンプレッサ３３によって供給する空気を分流している状態をいう。本実施形態では、燃料電池スタック２０の空気圧力の調整は行わず、調圧弁４３を全閉にして、エア圧力を上昇させている。

（ｂ）図３に示した調圧弁脱調除去ルーチンのステップＳ１６０において、間欠フラグを判定する構成に替えて、燃料電池スタック２０への回生電力消費要求が有るか否かを判定する構成とする。回生電力消費要求が有る場合、補機消費運転中であることを判断できるため、ステップＳ１７０の脱調除去処理は、燃料電池スタック２０の補機消費運転中にだけ実行される構成となる。

以上のように構成された第３実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態と同様に、調圧弁４３の開度をフィードバック制御する構成を備える場合にも、調圧弁４３の脱調を確実に検出できるという効果を奏する。

燃料電池スタック２０運転中において燃料電池スタック２０が非発電状態（高電位回避制御等をするのに必要な量以下の状態を含む）となる場合として、前述した間欠運転が該当するが、前述した補機消費運転も該当する。本実施形態では、弁体突き当て処理を行う脱調除去処理を、調圧弁４３に脱調が生じていると判断された後、燃料電池スタック２０の補機消費運転中にだけ実行するようにしていることから、弁体突き当て処理によって弁体１３４が全閉となっても、非発電状態であることから、機能的な背反はない。

なお、第３実施形態の変形例として、ステップＳ１５０の判定処理によって調圧弁４３に脱調が生じていると判断された後、燃料電池スタック２０の補機消費運転中と間欠運転中に、ステップＳ１７０の脱調除去処理を行う構成としてもよい。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記第１および第３実施形態では、ステップＳ１５０(図３)の判定処理によって調圧弁４３に脱調が生じていると判断された後、間欠運転中または補機消費運転中にステップＳ１７０の脱調除去処理を行う構成としていた。これに対して変形例として、ステップＳ１１０〜Ｓ１５０の処理を実行することなく、すなわち、調圧弁４３に脱調が生じているか否かの判定を行うことなく、間欠運転中または補機消費運転中に脱調除去処理を行う構成としてもよい。この構成によっても、第１および第３実施形態と同様に、調圧弁４３の開度をフィードバック制御する構成を備える場合にも、調圧弁４３の脱調を確実に検出できるという効果を奏する。

・変形例２：
前記第１〜第３実施形態では、制御部８０は、ＰＭ−ＥＣＵ８１と、ＦＣ−ＥＣＵ８２と、を含む構成とし、ＦＣ−ＥＣＵ８２が、調圧弁脱調除去ルーチンを実行する構成とした。これに対して、変形例として、制御部８０を一つのＥＣＵによって構成してもよい。また、制御部８０は、３つ、４つ等の他の数のＥＣＵによって構成してもよい。さらに、制御部８０の替わりに備えられた別の制御部が、機能の一部としてＦＣ−ＥＣＵ８２の機能を備えていてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

２０…燃料電池スタック
３０…空気供給排出部
３１…空気供給用配管
３２…エアクリーナ
３３…エアコンプレッサ
３４…インタクーラ
３５…分流弁
３７…空気分流用配管
４１…カソード排ガス用配管
４３…調圧弁
４６…マフラー
５０…水素ガス供給排出部
５１…水素ガス供給配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
６１…アノード排ガス用配管
６２…気液分離部
６３…水素ガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水用配管
６６…排水弁
７０…冷媒循環部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７４…循環ポンプ
８０…制御部
８１…ＰＭ−ＥＣＵ
８２…ＦＣ−ＥＣＵ
９０…スタートスイッチ
９２…アクセル踏込量センサ
９５…エアフロメータ
９６…圧力センサ
１００…燃料電池システム
１３２…ステッピングモータ
１３４…弁体
１３６…ボディ
１３６ａ…導入ポート
１３６ｂ…導出ポート
１３８…シャフト
１４０…スプリング
１４２…弁座
１４４…弁部材
Ｆ…間欠フラグ
Ｈ０…適正開度
Ｈ１…現在開度推定値
ＭＰ…適正開度算出用マップ
Ｐ１…空気圧力
Ｐｆ…ＦＣ出力要求電力
Ｑ１…空気流量
Ｓｔ…始動信号
Ｔ１…アクセル踏込量

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給部と、
   ステッピングモータと弁体とを有し、前記ステッピングモータによって前記弁体が駆動されることによって、前記燃料電池に供給される空気の圧力を調整する調圧弁と、
   前記燃料電池に供給される空気の流量を取得する空気流量取得部と、
   前記燃料電池に供給される空気の圧力を取得する空気圧取得部と、
   前記調圧弁を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池への出力要求値に応じて決まる前記空気の目標圧力に対する、前記取得された空気の圧力の偏差が小さくなるように、前記調圧弁をフィードバック制御し、
   前記ステッピングモータに対する指令値を用いて、前記調圧弁の開度を推定開度として推定し、
   前記空気流量取得部によって取得された空気の流量と前記空気圧取得部によって取得された空気の圧力とに基づいて、前記調圧弁の適正開度を求め、
   前記適正開度に対する前記推定開度の差に基づいて、前記調圧弁における前記弁体の位置が異常であるか否かを判定する、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記ステッピングモータに対する前記指令値および駆動速度と、前記指令値を出力してからの経過時間と、を用いて前記推定開度を推定する、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記適正開度は予め用意された、前記空気の流量と前記空気の圧力をパラメータとするマップを用いて求められる、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記調圧弁はさらに弁座を有し、
   前記制御部は、前記調圧弁における前記弁体の位置が異常であると判定し、前記燃料電池が間欠運転中であると判定すると、
   前記ステッピングモータに対する指令値として閉じ側指令開度を指示し、前記弁体が実際に前記弁座に接触した際の現在開度を推定し、推定した前記現在開度を全閉開度に設定する、燃料電池システム。

Images