JP6667418B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックに供給される空気の供給量を調節する空気調圧弁を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、一般的に、燃料電池スタックと、水素ガスを供給可能な水素タンクと、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサを備えている。燃料電池スタックの有する各発電セルのアノード極に水素ガスが、カソード極に空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スタックで発電が行われる。燃料電池スタックの発電状態の調整は、燃料電池スタックのカソード極における空気の圧力（カソード圧）を調整することで行うことができる。

特許文献１に示すような空気調圧弁が、カソード圧を調節するため燃料電池スタックの排気側の管路に設けられている。この空気調圧弁は、ステッピングモータの回転を直線運動に変換して、開度の調節を行っている。

特開２０１３−８７８０１号公報

燃料電池システムが車両に搭載される場合、その燃料電池システムの燃費を向上させるため、車両のアイドリング時や低速走行時等の低負荷運転時に燃料電池スタックへの空気の供給を停止して発電を停止させ、バッテリからの電力供給によって車両の要求電力をまかなう「間欠運転」と呼ばれる運転方法が行われている。

間欠運転時には燃料電池スタックで発電を行わないため、燃料電池スタックへの水素ガスの供給を停止するとともに、エアコンプレッサを停止して空気の供給を停止し、空気調圧弁を例えば開状態等の開度に固定する。これにより、間欠運転時に発電セルへの空気の流通を確保する。このとき、ステッピングモータには、空気調圧弁の開度を開状態に固定して保持するために必要な電流である保持電流だけが流れる。

また、従来の燃料電池システムは、ステッピングモータの配線が断線すると空気調圧弁が動作しなくなり、燃料電池スタックの発電状態の調整が不可能になるため、断線を早期に検知するために断線検出回路を備えている。断線検出には、断線検出回路に一定以上の電流を流す必要がある。しかし、間欠運転時にステッピングモータに流れる保持電流は、断線検出に必要な電流よりも小さい。そのため、間欠運転時にステッピングモータの断線検出を行うことができない。

一方、従来の燃料電池システムが通常の発電運転をしているときには、ステッピングモータに流れる電流は比較的大きい。しかし、カソード圧の調圧のために空気調圧弁の開度の調節をする必要があるため、ステッピングモータの回転方向も空気調圧弁の開度の調節に合わせて変化する。これにより、ステッピングモータに流れる電流の方向も変化するため、断線検出中にステッピングモータに流れる電流の方向が変化した場合にはステッピングモータの断線検出ができない。

したがって、従来の燃料電池システムでは、例えば燃料電池システムの使用開始時の自己診断等の、通常の発電運転時及び間欠運転時以外の場合にしか、ステッピングモータの断線検出を行うことができないという問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、間欠運転等の発電を停止している場合に、空気調圧弁の開度を調節するステッピングモータの断線検出を行うことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される、酸素を含む空気の圧力を調節する空気調圧弁と、空気調圧弁の開度を調節し、電流を流すことで保持するモータとを備え、燃料電池スタックが発電を停止している状態において、空気調圧弁の開度を固定するために必要な電流よりも大きい電流をモータに流すことで、モータが備える配線の断線を検出することを特徴とする。

また、燃料電池スタックが発電している状態から発電を停止している状態へ切り替わった直後に、配線の断線を検出してもよい。

また、モータは、ステッピングモータを使用してもよい。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックが発電を停止している状態において、空気調圧弁の開度を固定するために必要な電流よりも大きい電流をモータに流すことで、モータが備える配線の断線を検出するので、間欠運転前に発電を停止して、空気調圧弁の開度を調節するモータの断線検出を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略図である。 図１に示すステッピングモータ及び断線検出部の概略図である。 この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２に係る燃料電池システムのタイミングチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図面を参照して説明する。
この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略の構成を、図１に示す。燃料電池システム１は、図示しない産業車両に搭載されており、燃料電池スタック２と、水素ガスを供給可能な水素タンク３と、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサ４とを備えている。ここで、産業車両としては、例えばフォークリフトや牽引車等が挙げられる。燃料電池スタック２の有する各発電セルのアノード極に水素タンク３から供給される水素ガスが供給され、カソード極にエアコンプレッサ４から空気が供給される。各発電セル内で水素と酸素とが化学反応を起こすことによって、燃料電池スタック２で発電が行われる。

燃料電池スタック２と水素タンク３との間には、燃料電池スタック２に供給される水素ガス量を調節するための水素調節弁５が設けられている。また、エアコンプレッサ４から供給された燃料電池スタックのカソード極における空気の圧力（カソード圧）を調節するための空気調圧弁６が排気側の管路に設けられている。

空気調圧弁６を動作させてその開度を調節するために、空気調圧弁６の図示しないバルブシャフトに、モータを構成するステッピングモータ７の回転軸が接続されている。バルブシャフトは、空気調圧弁６内部の図示しないバルブ部材に取り付けられている。ステッピングモータ７が回転することによりバルブシャフトが回転し、バルブ部材が空気調圧弁６内で動作することで空気調圧弁６の開度が調節される。水素調節弁５とステッピングモータ７とエアコンプレッサ４とは、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）８によって制御される。また、ステッピングモータ７には、ステッピングモータ７の断線を検出するための断線検出部９が接続されている。

燃料電池スタック２の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を介して車両負荷１１に接続されている。

車両負荷１１は、産業車両を駆動するためのモータや荷役モータ等から構成されており、燃料電池システム１から供給される電力により駆動することで、産業車両の走行動作や荷役動作が行われる。

また、燃料電池システムには、燃料電池システム制御をするためのＥＣＵ８が設けられている。ＥＣＵ８は、燃料電池スタック２の発電状態等を監視し、エアコンプレッサ４や空気調圧弁６などを制御する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力には、車両負荷１１並列に、キャパシタ１３が接続されている。

図２に、ステッピングモータ７及び断線検出部９の構成を示す。図を簡略にするため、ステッピングモータ７の巻線７０は一相のみ表しているが、他の相も同じ構成を有している。巻線７０と巻線７０に接続される配線とが、ステッピングモータ７の配線７１を構成している。断線検出部９は、配線７１が抵抗９０を介して接地されるように構成されている。また、配線７１に流れる電流Ｉにより抵抗９０に生じる電圧を、断線検出電圧Ｖ_ｅとして検出できるようにＥＣＵ８が接続されている。

次に、この実施の形態１に係る燃料電池システム１の動作を、図１、図２及び図３のタイミングチャートを用いて説明する。なお、説明を簡略にするためにステッピングモータ７の一相について動作を説明するが、他の相も同じ動作である。
燃料電池スタック２で発電が行われる発電運転では、図１に示す水素タンク３から供給される水素ガスと、エアコンプレッサ４が大気から取り込んだ空気とが、燃料電池スタック２に供給される。詳細に説明すると、ＥＣＵ８は、水素調節弁５を制御して水素タンク３から燃料電池スタック２に供給される水素量を調節する。また、ＥＣＵ８は、エアコンプレッサ４を制御して大気からの空気の取り込み量を調節し、さらにステッピングモータ７を制御して空気調圧弁６の開度を調節し、燃料電池スタック２のカソード極における空気の圧力（カソード圧）を調節する、すなわち調圧動作を行う。

燃料電池スタック２に水素及び酸素が供給されることで、燃料電池スタック２で発電が行われる。燃料電池スタック２の発電状態の調整は、前述した燃料電池スタック２のカソード圧を空気調圧弁６が調整することで行うことができる。燃料電池スタック２が発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０により降圧されて車両負荷１１に出力される。

燃料電池スタック２の発電電力が車両負荷１１の必要電力よりも大きい場合は、余剰の電力がキャパシタ１３に充電される。また、燃料電池スタック２の発電電力が車両負荷１１の必要電力よりも小さい場合は、不足分の電力がキャパシタ１３から放電される。

発電運転中にはＥＣＵ８の制御により、エアコンプレッサ４による空気の取り込み状況や、燃料電池スタック２の発電状態や、空気調圧弁６を流通する空気の量や速度に応じて、ステッピングモータ７が駆動して、空気調圧弁６の開度を調節し又は保持する。

図３のタイミングチャートは、ステッピングモータ７の配線７１（図２参照）が断線していない場合の、燃料電池スタック２の発電状態と、空気調圧弁６の調圧動作と、配線７１に流れる電流Ｉと時間ｔとの関係を示している。

説明を簡単にするために、時間ｔのうち、燃料電池システム１の燃料電池スタック２が発電している状態である発電運転Ａの間は、電流Ｉの値は一定の値の駆動電流Ｉ_ｄとして表されている。実際には、発電運転Ａ中に図２に示す配線７１を流れる電流Ｉの大きさは、ステッピングモータ７の駆動電流の最小値Ｉ_ａと最大値Ｉ_ｂとの間で変動する。

次に、図１に示す燃料電池スタック２が発電を停止している状態である、間欠運転について説明する。間欠運転では、ＥＣＵ８により水素調節弁５が閉じられ、水素タンク３から燃料電池スタック２への水素ガスの供給が停止する。また、ＥＣＵ８によりエアコンプレッサ４が停止され、燃料電池スタック２への空気の供給が停止する。さらに、ＥＣＵ８により、空気調圧弁６の開度を開状態で固定するようにステッピングモータ７の回転角度が保持される。これにより、燃料電池システム１の消費電力を抑え、かつ燃料電池スタック２の通気を確保する。

このとき、ステッピングモータ７の回転角度を保持するために、図２に示す巻線７０及び配線７１に電流Ｉとして保持電流Ｉ_ｈが流れる。すなわち、保持電流Ｉ_ｈは空気調圧弁６の角度を固定するために必要な電流である。燃料電池システム１の消費電力を抑えるために、図３に示すように、保持電流Ｉ_ｈはステッピングモータ７の回転角度を保持することが可能であり且つなるべく小さな値に設定される。

そこで、図３に示す間欠運転Ｃの初め、具体的には発電運転Ａから間欠運転Ｃに移行した直後に、断線検出運転Ｂを所定の時間実施する。
具体的には、発電運転Ａを終了し、断線検出運転Ｂを開始する時には、直後にＥＣＵ８により水素調節弁５が閉じられ、水素タンク３から燃料電池スタック２への水素ガスの供給が停止する。また、ＥＣＵ８によりエアコンプレッサ４が停止され、燃料電池スタック２への空気の供給が停止する。これにより、燃料電池スタック２の発電が停止する。このように間欠運転Ｃに移行する。そして、断線検出運転Ｂでは、さらに、ＥＣＵ８により、配線７１の電流Ｉとして、配線７１の断線を検出する電流である断線検出電流Ｉ_ｅが流される。ここで、断線検出電流Ｉ_ｅの大きさは駆動電流Ｉ_ｄと同じである。すなわち、断線検出運転Ｂにおいては、通常の間欠運転Ｃの時に空気調圧弁６の開度を固定するために必要な保持電流Ｉ_ｈよりも大きい断線検出電流Ｉ_ｅがステッピングモータ７に流される。

次に配線７１に断線検出電流Ｉ_ｅが流された状態で、ＥＣＵ８は、空気調圧弁６の開度が開状態で固定されるようにステッピングモータ７の回転角度を保持する制御を行う。これにより、配線７１が断線していない場合には、断線検出電流Ｉ_ｅ＝駆動電流Ｉ_ｄが抵抗９０に流れることにより発生する駆動電圧Ｖ_ｄを断線検出電圧Ｖ_ｅ＝駆動電圧Ｖ_ｄとして検出することができる。すなわち、発電運転Ａから、燃料電池スタック２の発電が停止している状態である断線検出運転Ｂに切り替えた直後に、配線７１の断線を検出することができる。このとき、断線検出電流Ｉ_ｅにより生じる断線検出電圧Ｖ_ｅは、配線７１が断線している場合の断線検出電圧Ｖ_ｅ＝０より十分に大きいので、ＥＣＵ８が配線７１の断線により断線検出電圧Ｖ_ｅ＝０を検出したのか、駆動電圧Ｖ_ｄを検出したのかの誤判定が起こらなくなり、配線７１の断線の誤検出がなくなる。

次に、断線検出運転Ｂの開始から所定の時間が経過したら、ＥＣＵ８は配線７１に供給する電流Ｉを断線検出電流Ｉ_ｅから保持電流Ｉ_ｈとする。そうすると、燃料電池システム１の断線検出運転Ｂが終了し、通常の間欠運転Ｃとなる。配線７１の断線検出後に電流Ｉを小さくすることにより、燃料電池システム１の消費電力を低く抑えることが可能である。

このように、この実施の形態１の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に供給される、酸素を含む空気の圧力を調節する空気調圧弁６と、空気調圧弁６の開度を調節するステッピングモータ７とを備え、燃料電池スタック２が発電を停止している状態において、保持電流Ｉ_ｈよりも大きい断線検出電流Ｉ_ｅをステッピングモータ７に流すことで、ステッピングモータ７が備える配線７１の断線を検出するので、間欠運転前に発電を停止して、空気調圧弁６の開度を調節するステッピングモータ７の断線検出を行うことができる。

また、燃料電池スタック２が発電している状態である発電運転Ａから発電を停止している状態である間欠運転Ｃへ切り替わった直後に、断線検出運転Ｂとして配線７１の断線を検出するので、燃料電池システム１の起動時だけでなく間欠運転Ｃの時に配線７１の断線検出をすることができる。

また、空気調圧弁６の開度を調節するモータとしてステッピングモータ７を使用するので、断線検出運転Ｂの時に、ステッピングモータ７の位相を変えることなく駆動電流Ｉ_ｄ大きくするだけで良いため、空気調圧弁６の開度を変えることなく断線検出運転Ｂをすることができる。さらに、ステッピングモータ７を使用することで、特別なセンサ等を設けずに空気調圧弁６の開度を制御することができるので、安価に燃料電池システム１を構成することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る燃料電池システムについて説明する。尚、以下の実施の形態において、図１〜図３の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この実施の形態２に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に対して、発電運転Ａの直後に断線検出運転Ｂに切り替わらず、間欠運転Ｃの開始後に所定の時間が経過したら断線検出運転Ｂを実施するものである。

この実施の形態２に係る燃料電池システム１の構成と、発電運転Ａまでの動作は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と同じである。

次に、図４のタイミングチャートに示すように、燃料電池システム１は発電運転Ａの直後に間欠運転Ｃを開始する。間欠運転Ｃ開始後、所定の時間が経過したら燃料電池システム１は断線検出運転Ｂに切り替わり、断線検出運転Ｂを所定の時間実施する。すなわち、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック２での発電が停止しており、配線７１に断線検出電流Ｉ_ｅ＝駆動電流Ｉ_ｄが流された状態で、空気調圧弁６の開度が開状態で固定されるようにステッピングモータ７の回転角度を保持する制御を行う。これにより、実施の形態１と同様に、配線７１が断線していない場合には、断線検出電流Ｉ_ｅが抵抗９０に流れることにより発生する断線検出電圧Ｖ_ｅ＝駆動電圧Ｖ_ｄとして検出することができる。したがって、間欠運転Ｃの開始後に、ＥＣＵ８が配線７１の断線の検出を誤検出無く行うことができる。

次に、断線検出運転Ｂの開始から所定の時間が経過したら、ＥＣＵ８は配線７１に供給する電流Ｉを断線検出電流Ｉ_ｅから保持電流Ｉ_ｈとする。そうすると、燃料電池システム１の断線検出運転Ｂが終了し、通常の間欠運転Ｃとなる。これにより、実施の形態１と同様に、燃料電池システム１の消費電力を低く抑えることが可能である。

また、実施の形態１又は２の燃料電池システム１では、断線検出運転Ｂのときに断線検出電流Ｉ_ｅ＝駆動電流Ｉ_ｄをステッピングモータ７に流していたが、保持電流Ｉ_ｈに対して十分高い電流であれば、断線検出電流Ｉ_ｅは駆動電流Ｉ_ｄより小さい値であってもよい。これにより、断線検出運転Ｂのときに断線検出電流Ｉ_ｅをステッピングモータ７に流すよりも、消費電力が小さくなる。

また、実施の形態１又は２では、ステッピングモータ７により空気調圧弁６の開度を調節していたが、例えばブラシレスモータ等の他の種類のモータを用いてもよい。

また、実施の形態１又は２では、断線検出運転Ｂ及び間欠運転Ｃを実施している時に、空気調圧弁の開度は開状態で固定されていたが、燃料電池スタック２の通気が確保できるのであれば、空気調圧弁６の開度は開状態に限定されず、任意の適当な開度であってもよい。

また、実施の形態１又は２では、燃料電池システム１は産業車両に設けられていたが、例えば乗用車等の産業車両以外の移動機器や、電力供給設備等に設けられていてもよい。

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池スタック、５ 水素調節弁、７ ステッピングモータ（モータ）、７１ 配線、Ａ 発電運転、Ｂ 断線検出運転、Ｉ_ｅ 断線検出電流、Ｉ_ｈ 保持電流。

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給される、酸素を含む空気の圧力を調節する空気調圧弁と、 前記空気調圧弁の開度を調節し、電流を流すことで保持するモータと、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックが発電を停止している状態において、前記空気調圧弁の開度を固定するために必要な電流よりも大きい電流を前記モータに流すことで、前記モータが備える配線の断線を検出する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックが発電している状態から前記発電を停止している状態へ切り替わった直後に、前記配線の断線を検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。
3. 前記モータは、ステッピングモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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