WO2016013320A1

WO2016013320A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの圧力損失推定方法

Info

Publication number: WO2016013320A1
Application number: PCT/JP2015/066908
Authority: WO
Inventors: 一秀島田; 祥朋浅井
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-01-28
Also published as: JPWO2016013320A1; JP6428777B2

Abstract

　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カソードガスを供給するコンプレッサと、コンプレッサが供給するカソードガスの流量を検出するエアフローセンサと、コンプレッサ及び燃料電池スタック間のカソードガス供給通路に設けられた加湿器と、エアフローセンサが検出する流量に基づき、コンプレッサ及び燃料電池スタック間で発生するカソードガスの圧力損失を推定するコントローラと、を備える。コントローラは、流量が所定流量より大きい場合に、圧力損失を所定値とする。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの圧力損失推定方法

　本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの圧力損失推定方法に関する。

　ＪＰ２００８－７７９５５Ａには、燃料電池スタックよりも下流側の空気オフガスの圧力を検出する出口側ガス検出用圧力センサの異常を判定する技術が開示されている。この技術では、エアコンプレッサの吐出側で燃料電池スタックよりも上流側の空気の圧力を検出し、検出した圧力からシステム内部圧力損失を減じた値を用いて、出口側ガス検出用圧力センサの異常を判定する。システム内部圧力損失は、エアコンプレッサのガス吐出流量に基づき推定される。

　燃料電池入口の圧力は、燃料電池に流体を供給する供給部出口の圧力と、当該供給部及び燃料電池間で発生する流体の圧力損失と、に基づき推定することができる。圧力損失は、燃料電池に供給する流体の流量に基づき推定することができる。

　ところが、一般に流量検出センサは、検出する流体の流量が大きい場合ほど、検出誤差が大きくなる。このため、流体の流量が大きい場合ほど、圧力損失は実際より必要以上に大きく推定される虞がある。

　本発明は上記に鑑みてなされてものであり、圧力損失が実際より必要以上に大きく推定されることを防止可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの圧力損失推定方法を提供することを目的とする。

　本発明のある態様の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に流体を供給する供給部と、前記供給部が供給する流体の流量を検出する流量検出部と、前記供給部及び前記燃料電池間の流体供給通路に設けられ、前記供給部が供給する流体に圧力損失を生じさせる圧力損失部と、前記流量検出部が検出する流体の流量に基づき、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を推定する圧力損失推定部と、を備える。そして、前記圧力損失推定部は、前記流量検出部が検出する流体の流量が所定流量より大きい場合に、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を所定値とする。

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。図２は、第１実施形態の圧力損失のマップデータを模式的に示す図である。図３は、コントローラが行う制御の一例をフローチャートで示す図である。図４は、アノード入口圧、カソード入口圧の差圧と発電電流の関係を示す図である。図５は、目標発電電流に応じたアノードガスの圧力変動幅を示す図である。図６は、第２実施形態の圧力損失のマップデータを模式的に示す図である。図７は、加湿器バイパス弁の開度の設定例を示す図である。図８は、加湿器バイパス弁の流量係数の設定例を示す図である。図９は、加湿器で発生する圧力損失の特性変化を示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。いくつかの図面を通して付された同じ符号は、同一又は対応する構成を示す。

（第１実施形態）
　燃料電池は燃料極であるアノード電極と、酸化剤極であるカソード電極とによって電解質膜を挟み込んだ構造を有する。燃料電池は、燃料ガスとして水素を含有するアノードガスをアノード電極に、酸化剤ガスとして酸素を含有するカソードガスをカソード電極にそれぞれ供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

　　　アノード電極　：　　２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- 　　…(１)
　　　カソード電極　：　　４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ　　…(２)
　この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

　このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きい。このためこの場合には、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして燃料電池を使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

　図１は、燃料電池システム１００の概略構成図である。

　燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、コントローラ５と、を備える。

　燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池を積層した積層電池であり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。そして、発電した電力を車両駆動用モータなど各種の電装部品に供給する。

　アノードガス給排装置２は、タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、アノードガス排出通路２４と、排出弁２５と、圧力センサ２６と、を備える。

　タンク２１は、アノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。タンク２１は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。

　アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスが流れる通路である。アノードガス供給通路２２は、その一端がタンク２１に接続され、その他端が燃料電池スタック１のアノード極側入口１１に接続される。

　調圧弁２３は、アノードガス供給通路２２に設けられる。調圧弁２３は、タンク２１からアノードガス供給通路２２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

　アノードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路２４は、その一端が燃料電池スタック１のアノード極側出口１２に接続され、その他端がカソードガス給排装置３のカソードガス排出通路３２に接続される。

　アノードオフガスは、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からリークしてきた窒素などの不活性ガスとの混合ガスである。アノードオフガスは、発電過程で生じる水分を含む。

　排出弁２５は、アノードガス排出通路２４に設けられる。排出弁２５は、アノードガス排出通路２４におけるアノードオフガスや凝縮水の流通の制限及び制限の解除を行う。流通を制限することは、流通を禁止することを含む。

　圧力センサ２６は、アノードガス供給通路２２に設けられる。圧力センサ２６は、アノードガス供給通路２２のうち調圧弁２３及び燃料電池スタック１間の部分に設けられる。圧力センサ２６は、アノード極側入口１１の圧力であるアノード入口圧を検出する。

　カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、カソードガス排出通路３２と、フィルタ３３と、エアフローセンサ３４と、コンプレッサ３５と、加湿器３６と、を備える。また、加湿器バイパス通路３７と、加湿器バイパス弁３８と、システムバイパス通路３９と、システムバイパス弁４０と、圧力センサ４１と、を備える。

　カソードガス供給通路３１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路３１は、その一端がフィルタ３３に接続され、その他端が燃料電池スタック１のカソード極側入口１３に接続される。

　カソードガス排出通路３２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路３２は、その一端が燃料電池スタック１のカソード極側出口１４に接続され、その他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気との混合ガスである。

　フィルタ３３、エアフローセンサ３４及びコンプレッサ３５は、カソードガス供給通路３１に設けられる。フィルタ３３は、カソードガスに含まれる異物を除去する。カソードガスは具体的には、空気である。エアフローセンサ３４は、カソードガス供給通路３１のうちコンプレッサ３５より上流の部分に設けられる。エアフローセンサ３４は、コンプレッサ３５が供給するカソードガスの流量Ｑを検出する。コンプレッサ３５は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。

　加湿器３６は、カソードガス供給通路３１及びカソードガス排出通路３２に設けられる。加湿器３６は、カソードガス供給通路３１においてコンプレッサ３５及び燃料電池スタック１間に設けられる。加湿器３６は、カソードガスを加湿する。加湿器３６は具体的には、カソードオフガスに含まれる水分を回収し、回収した水分でカソードガスを加湿する。加湿器３６は、カソードガスに圧力損失を生じさせる。

　加湿器バイパス通路３７は、カソードガス供給通路３１のうち加湿器３６の上流及び下流の部分を接続する。

　加湿器バイパス弁３８は、加湿器バイパス通路３７に設けられる。加湿器バイパス弁３８は、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量を調整する。加湿器バイパス弁３８はカソードガスの流量を調整することで、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの湿度を調整する。

　システムバイパス通路３９は、カソードガス供給通路３１のうち加湿器３６より上流の部分、及びカソードガス排出通路３２のうち加湿器３６より下流の部分を接続する。システムバイパス通路３９は具体的には、カソードガス供給通路３１のうち加湿器バイパス通路３７が接続する部分より上流、且つコンプレッサ３５より下流の部分に接続される。また、カソードガス排出通路３２のうち加湿器３６より下流、且つアノードガス排出通路２４が接続する部分より上流の部分に接続される。システムバイパス通路３９は、カソードガス供給通路３１から加湿器３６及び燃料電池スタック１を迂回してカソードガス排出通路３２にカソードガスを流通させる。

　システムバイパス弁４０は、システムバイパス通路３９に設けられる。システムバイパス弁４０は、システムバイパス通路３９を流通するカソードガスの流量を調整する。

　圧力センサ４１は、カソードガス供給通路３１に設けられる。圧力センサ４１は具体的には、カソードガス供給通路３１のうちコンプレッサ３５及び加湿器３６間の部分に設けられる。当該部分はさらに具体的には、システムバイパス通路３９が接続する部分より上流の部分となっている。圧力センサ４１は、コンプレッサ３５出口のカソードガスの圧力であるカソード供給圧を検出する。

　コントローラ５は電子制御装置であり、マイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、圧力センサ２６や、エアフローセンサ３４や、圧力センサ４１からの信号が入力される。コントローラ５は、調圧弁２３や、排出弁２５や、コンプレッサ３５や、加湿器バイパス弁３８や、システムバイパス弁４０を制御する。また、圧力損失Ｌの推定を行う。

　圧力損失Ｌは、コンプレッサ３５及び燃料電池スタック１間で発生するカソードガスの圧力損失である。圧力損失Ｌは、加湿器３６で発生するカソードガスの圧力損失を含む。圧力損失Ｌは、加湿器３６で発生するカソードガスの圧力損失であってもよい。つまり、カソードガス供給通路３１が生じさせる圧力損失を無視した圧力損失であってもよい。

　図２は第１実施形態の圧力損失のマップデータＭを模式的に示す図である。太線で示す設定Ａは、本実施形態のマップデータＭの設定例を示す。破線で示す設定Ａ´は、エアフローセンサ３４で発生する検出誤差を考慮しない場合の設定例を示す。設定Ａより細い線で示す設定Ｂは、設定Ａの変形例を示す。

　流量範囲Ｒ１は、流量Ｑが所定流量Ｑ１以下の場合であり、燃料電池システム１００の運転負荷が小さい場合を示す。流量範囲Ｒ２は、流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合であり、燃料電池システム１００の運転負荷が大きい場合を示す。これは、流量Ｑと燃料電池システム１００の運転負荷とが比例関係にあるためである。燃料電池システム１００の運転負荷は、換言すれば発電電流である。

　コントローラ５は、マップデータＭを備える。コントローラ５は、マップデータＭを利用して、流量Ｑに基づき圧力損失Ｌを推定する。マップデータＭでは、設定Ａに示すように流量Ｑに応じて圧力損失Ｌが予め設定されている。

　圧力損失Ｌは、流量Ｑが大きい場合ほど大きくなる。このため、マップデータＭでは、流量Ｑが所定流量Ｑ１以下の場合に、つまり流量範囲Ｒ１において、流量Ｑが大きい場合ほど圧力損失Ｌが大きくなるように設定される。

　所定流量Ｑ１は、流量範囲Ｒ１において、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とするときの流量Ｑである。すなわち、所定流量Ｑ１は、所定値Ｌ１に対応させて設定される流量である。所定値Ｌ１は、設計上の最大値、つまり設計上発生し得る圧力損失Ｌの最大値である。所定値Ｌ１は、一定値である。所定流量Ｑ１及び所定値Ｌ１は、実験などに基づき予め設定することができる。

　マップデータＭではさらに、流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合に、つまり流量範囲Ｒ２において、圧力損失Ｌは所定値Ｌ１に設定される。このため、コントローラ５は、流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合には、圧力損失Ｌが所定値Ｌ１であるとする。

　コントローラ５は、流量Ｑとしてエアフローセンサ３４の出力に基づき、圧力損失Ｌを推定する。ところが、エアフローセンサ３４では検出誤差が発生する。このため、エアフローセンサ３４の出力に基づき圧力損失Ｌを推定する場合、エアフローセンサ３４で発生する検出誤差を考慮しない設定Ａ´に基づき圧力損失Ｌを推定すると、エアフローセンサ３４で発生する検出誤差の分だけ、圧力損失Ｌが異なる値に推定される。

　このため、マップデータＭでは、設定Ａに示すように、圧力損失Ｌがさらにエアフローセンサ３４で発生する検出誤差を考慮した値に設定される。具体的には、エアフローセンサ３４で発生する検出誤差に応じた分だけ、圧力損失Ｌが大きくなるように設定される。検出誤差は、例えば±数％というかたちで示される。検出誤差には、エアフローセンサ３４で発生するマイナス側の検出誤差であって、大きさが最大の検出誤差を用いることができる。検出誤差は、さらにセンサ個体差を考慮した値とされてもよい。

　所定流量Ｑ１は具体的には、このようにエアフローセンサ３４で発生する検出誤差を考慮した設定Ａにおいて、流量範囲Ｒ１で圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とするときの流量Ｑとされる。

　マップデータＭでは、流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合でも、設定Ｂに示すように、流量Ｑが大きい場合ほど圧力損失Ｌが大きくなるように設定されてもよい。

　この場合、コントローラ５は、推定した圧力損失Ｌに基づき、当該圧力損失Ｌが所定値Ｌ１より大きいと判定される場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とするように構成することができる。この場合も、コントローラ５は、流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合に圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とすることになる。推定した圧力損失Ｌが所定値Ｌ１より大きいか否かは、コントローラ５で判定することができる。

　所定流量Ｑ１は、エアフローセンサ３４で発生する検出誤差を考慮せずに、流量Ｑに応じて圧力損失Ｌを設定した場合において、つまり、図２に示す設定Ａ´において、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１と推定するときの流量Ｑであってもよい。

　次にコントローラ５が行う制御の一例を図３に示すフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１で、コントローラ５はカソードガスの流量Ｑを検出する。流量Ｑは、エアフローセンサ３４の出力に基づき検出することができる。

　ステップＳ２で、コントローラ５は、圧力損失Ｌを推定する。コントローラ５は具体的には、マップデータＭを参照し、検出した流量Ｑに対応する圧力損失Ｌを取得することで、圧力損失Ｌを推定する。

　ステップＳ３で、コントローラ５はカソード供給圧を検出する。カソード供給圧は、圧力センサ４１の出力に基づき検出できる。

　ステップＳ４で、コントローラ５は、ステップＳ２で推定した圧力損失Ｌと、ステップＳ３で検出したカソード供給圧とに基づき、カソード極側入口１３のカソードガスの圧力であるカソード入口圧を推定する。コントローラ５は具体的には、ステップＳ３で検出したカソード供給圧からステップＳ２で推定した圧力損失Ｌ分の圧力を減算することで、カソード入口圧を推定する。

　ステップＳ５で、コントローラ５はアノードガスの上限圧であるアノード上限圧を算出する。コントローラ５は具体的には、ステップＳ４で推定したカソード入口圧に後述する所定差圧分の圧力を加算することで、アノード上限圧を算出する。ステップＳ５の後には、本フローチャートの処理は終了する。

　次に本実施形態の燃料電池システム１００の主な作用効果について説明する。ここで、燃料電池システム１００では、アノード入口圧と、アノード入口圧よりも低いカソード入口圧との差圧を所定差圧内に収める必要がある。このためには、アノード入口圧とカソード入口圧とを管理する必要がある。

　ところが、加湿器３６及びカソード極側入口１３間のカソードガス供給通路３１には、加湿器３６で加湿されたカソードガスが流通する。このため、カソード入口圧を圧力センサで直接検出しようとすると、低温環境下で水分が付着し凍結する可能性がある。

　このような場合、カソード入口圧を直接検出するのではなく、カソード入口圧を推定するのが有効である。カソード入口圧は、カソード供給圧と、圧力損失Ｌとに基づき推定することができる。圧力損失Ｌは、エアフローセンサ３４が検出する流量Ｑに基づき推定することができる。

　ところが、エアフローセンサ３４では、検出する流量Ｑが大きい場合ほど、検出誤差が大きくなるので、圧力損失Ｌが実際より必要以上に大きく推定され得る。結果、圧力損失Ｌが設計上の最大値を超えた値に推定され得る。

　このような事情に鑑み、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、コンプレッサ３５と、エアフローセンサ３４と、加湿器３６と、エアフローセンサ３４が検出する流量Ｑに基づき圧力損失Ｌを推定するコントローラ５と、を備える。そして、コントローラ５は、エアフローセンサ３４が検出する流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とする。

　上記構成の燃料電池システム１００によれば、次に説明するように圧力損失Ｌが実際より必要以上に大きく推定されることを防止できる。

　すなわち、例えば図２に示す流量範囲Ｒ１においては、センサ誤差やセンサ故障に対するロバスト性を高める観点や、演算の複雑化を避ける観点から、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とすることもできる。ところがこの場合には、圧力損失Ｌが実際より必要以上に大きく推定されてしまう。

　また、図２に示す流量範囲Ｒ２においては、設定Ｂで示すように、エアフローセンサ３４が検出する流量Ｑに基づき、圧力損失Ｌを推定することもできる。ところがこの場合には、予め検出誤差を考慮した圧力損失Ｌを推定する結果、圧力損失Ｌが実際より必要以上に大きく推定されてしまう。

　これらの場合と比較し、上記構成の燃料電池システム１００によれば、流量Ｑが所定流量Ｑ１より大きい場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１とするので、圧力損失Ｌが設計上の最大値を超えることがない。

　このため、上記構成の燃料電池システム１００によれば、圧力損失Ｌをこれらの場合よりも小さな値として推定することができる。結果、これらの場合と比較し、圧力損失Ｌが実際より必要以上に大きく推定されることを防止できる。

　コントローラ５は、推定した圧力損失Ｌに基づき、当該圧力損失Ｌが所定値Ｌ１より大きいと判定される場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１としてもよい。また、エアフローセンサ３４が検出する流量Ｑに基づき、当該流量が所定流量Ｑ１より大きいと判定される場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ１としてもよい。これらの場合にも、圧力損失Ｌが実際より必要以上に大きく推定されることを防止できる。

　燃料電池システム１００では、コンプレッサ３５が燃料電池スタック１にカソードガスを供給し、加湿器３６がカソードガスに圧力損失を生じさせ、圧力センサ４１がカソード供給圧を検出する。そして、コントローラ５は、圧力センサ４１が検出するカソード供給圧と、推定した圧力損失Ｌとに基づき、カソード入口圧を推定する。

　このような構成の燃料電池システム１００によれば、圧力損失Ｌとして設計上の最大値を超えた値をカソード入口圧の推定に用いることがない。このため、カソード入口圧が実際より必要以上に小さく推定されることを防止できる。

　ところで、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の発電過程で生じる水が、アノード電極で発電を阻害する。このため、燃料電池スタック１の発電過程で生じる水を燃料電池スタック１から排出する必要がある。次にこの点について説明する。

　図４は、アノード入口圧及びカソード入口圧の差圧と発電電流の関係を示す図である。（ａ）は、燃料電池システム１００の運転時間に応じたアノード入口圧及びカソード入口圧の差圧と発電電流の変化を示す。（ｂ）は、燃料電池システム１００の運転時間に応じたアノード入口圧及びカソード入口圧の変化を示す。

　アノード電極で発電を阻害する生成水は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスに脈動を発生させることで、排出し易くすることができる。このため、アノード入口圧は、脈動を発生させるべく図４に示すように変動する。アノード入口圧はカソード入口圧より大きく設定される。

　アノード電極で発電を阻害する生成水は、さらにアノードガスの流速を高めることで、排出し易くすることができる。ところが、燃料電池システム１００では、アノード入口圧とカソード入口圧との差圧を所定差圧内に収める必要がある。そして、発電電流が小さい場合、つまり燃料電池システム１００の運転負荷が低い場合には、カソード入口圧も低くなる。

　このため、発電電流が小さい場合には、発電電流が大きい場合より、アノード入口圧の高圧側の変動圧が低く設定される。したがって、当該変動圧が低く設定される分、排水性も低くなる。さらに、アノードガスの消費量は、燃料電池システム１００の運転負荷が低い場合ほど、少なくなる。したがって、運転負荷が低い場合には、アノードガスの供給量も少なくなる分、排水性も低下する。

　このような事情に鑑み、燃料電池システム１００では、タンク２１が燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。そして、コントローラ５は、推定したカソード入口圧に基づき、タンク２１が供給するアノード上限圧を算出する。具体的には、推定したカソード入口圧に所定差圧を加算することで、アノード上限圧を算出する。

　このような構成の燃料電池システム１００によれば、実際より必要以上に小さく推定されたカソード入口圧をアノード上限圧の算出に用いることがない。したがって、所定差圧を確保するために、アノード上限圧が必要以上に小さく制限されることもない。このため、上記構成の燃料電池システム１００によれば、排水性を高めることができる。

　上記構成の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の運転負荷と比例関係にあるカソードガスの流量Ｑに基づき圧力損失Ｌを推定する。このため、運転負荷が低い場合ほど、圧力損失Ｌが小さくなる分、カソード入口圧を高く推定することができる。したがって、運転負荷が低い場合ほど、アノード上限圧も高く算出することができる。

　図５は目標発電電流に応じたアノードガスの圧力変動幅Ｗを示す図である。曲線Ｃ１はアノード上限圧を、曲線Ｃ２はアノードガスの下限圧であるアノード下限圧を示す。図５に示すように、上記構成の燃料電池システム１００によれば、目標発電電流が低い場合、すなわち運転負荷が低い場合に、圧力変動幅Ｗを大きくすることができる。結果、運転負荷が低い場合に、排水性を確保することができる。

　燃料電池システム１００は、加湿器バイパス通路３７と、加湿器バイパス弁３８と、を備える。そして、コントローラ５は、加湿器バイパス弁３８の流量調整状態、つまり加湿器バイパス弁３８の開度に関わらず、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量をゼロとみなして圧力損失Ｌを推定する。

　このような構成の燃料電池システム１００によれば、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量を検出するためのセンサを不要化することができる。結果、圧力損失Ｌを推定するにあたり、使用するセンサの数を低減する分、センサ誤差やセンサ故障に対するロバスト性を高めることができる。

　この場合、エアフローセンサ３４で検出したカソードガスの流量Ｑのすべてが加湿器３６に流れるとみなして、圧力損失Ｌを推定することになる。結果、圧力損失Ｌは実際より大きく推定されることになる。したがって、カソード入口圧は実際より低く推定されることになる。

　但し、この場合には、カソード入口圧が実際より低く推定されるので、実際のカソード入口圧が所定差圧の範囲内にある間に、差圧が所定差圧になると判断される。このため、差圧が実際に所定差圧になる前に早めに所定差圧になると判断することができる。したがって、差圧が所定差圧内であるか否かの判断を厳しく行うことができる分、差圧を安全に確保することができる。

　燃料電池システム１００では、コントローラ５が、エアフローセンサ３４で発生するマイナス側の検出誤差に応じた分だけ、圧力損失Ｌを大きく推定する。

　このような構成の燃料電池システム１００によれば、エアフローセンサ３４の検出誤差によって、圧力損失Ｌが実際より小さく推定されることを防止することができる。したがって、カソード入口圧が実際より高く推定されることを防止できるので、差圧を安全に確保することができる。

　エアフローセンサ３４では具体的には、質量流量が得られるのに対し、圧力損失Ｌは厳密には体積流量で求められる。つまり、圧力損失Ｌには、質量流量に加えカソードガスの圧力及び温度が影響する。

　このため、圧力損失Ｌを設定する際には、さらにカソードガスの圧力及び温度を考慮した値に圧力損失Ｌを設定することが好ましい。カソードガスの圧力及び温度は具体的には例えば、コンプレッサ３５出口におけるカソードガスの圧力及び温度である。カソードガスの圧力及び温度には、圧力損失Ｌが最も大きくなる条件を構成するカソードガスの圧力及び温度を適用することができる。

　これにより、カソードガスの圧力及び温度によって、圧力損失Ｌが実際より小さく推定されることを防止することができる。したがって、カソード入口圧が実際より高く推定されることを防止できるので、差圧を安全に確保することができる。

　カソードガスの圧力及び温度を考慮するには、圧力センサ４１などカソードガスの圧力を検出するセンサの出力、及びカソードガスの温度を検出するセンサの出力に基づき、カソードガスの圧力及び温度の影響が反映されていない圧力損失Ｌを補正してもよい。

（第２実施形態）
　本実施形態では、コントローラ５がさらに、エアフローセンサ３４が検出するカソードガスの流量Ｑが所定流量Ｑ２より小さい場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ２とする。また、これに関連し、マップデータＭが次に説明するように設定される。これらの点を除き、本実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成される。

　図６は第２実施形態の圧力損失のマップデータＭを模式的に示す図である。流量範囲Ｒ３は、流量Ｑが所定流量Ｑ２より小さい場合であり、圧力損失Ｌが発生しないか、或いはごく小さい圧力損失Ｌを発生させる流量の範囲である。このため、流量範囲Ｒ３は、流量Ｑがゼロの場合を含む。流量範囲Ｒ３は、流量範囲Ｒ１に含まれる。

　本実施形態のマップデータＭではさらに、設定Ａで示すように、流量Ｑが所定流量Ｑ２より小さい場合に、つまり流量範囲Ｒ３において、圧力損失Ｌが所定値Ｌ２になるように設定される。所定流量Ｑ２は、所定流量Ｑ１より小さい値に設定される。所定流量Ｑ２は、流量範囲Ｒ３を設定する流量である。所定値Ｌ２は、流量範囲Ｒ３に対応させて設定される圧力損失Ｌである。所定値Ｌ２は一定値であり、具体的にはゼロである。所定値Ｌ２は、ごく小さい流量で発生する圧力損失Ｌであってもよい。所定値Ｌ２は、少なくとも設定Ｂに基づき推定される圧力損失Ｌより小さい値とすることができる。所定値Ｌ３は、所定流量Ｑ２に対応させて設定される圧力損失Ｌである。所定流量Ｑ２、所定値Ｌ２及び所定値Ｌ３は、実験などに基づき予め設定することができる。

　コントローラ５は、エアフローセンサ３４が検出するカソードガスの流量Ｑに基づき、上記のように作成されたマップデータＭを参照することで、流量Ｑが所定流量Ｑ２より小さい場合には、圧力損失Ｌを所定値Ｌ２とする。

　次に本実施形態の燃料電池システム１００の主な作用効果について説明する。ここで、第１実施形態で説明したように、圧力損失Ｌをエアフローセンサ３４の誤差を考慮した値に設定すると、流量Ｑがごく小さい場合に、圧力損失Ｌが必要以上に大きく推定される可能性がある。

　このような事情に鑑み、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ５は、流量Ｑが所定流量Ｑ２より小さい場合には、圧力損失Ｌを所定値Ｌ２とする。このような構成の燃料電池システム１００によれば、流量Ｑがごく小さい場合でも、圧力損失Ｌが必要以上に大きく推定されることを防止できる。

　コントローラ５は、推定した圧力損失Ｌに基づき、当該圧力損失Ｌが所定値Ｌ３より小さいと判定される場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ２としてもよい。また、エアフローセンサ３４が検出する流量Ｑに基づき、当該流量が所定流量Ｑ２以下であると判定される場合に、圧力損失Ｌを所定値Ｌ２としてもよい。これらの場合にも、流量Ｑがごく小さい場合に、圧力損失Ｌが必要以上に大きく推定されることを防止できる。

（第３実施形態）
　本実施形態では、コントローラ５が、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量である加湿器バイパス流量を推定する。また、流量Ｑに加えて、さらにこのようにして推定したカソードガスの加湿器バイパス流量に基づき、圧力損失Ｌを推定する。これらの点を除き、本実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成される。同様の変更は、第２実施形態の燃料電池システム１００に適用されてもよい。

　加湿器バイパス流量は、コンプレッサ３５が供給する流体の流量や、加湿器バイパス弁３８の開度に応じて変化する。このため、コントローラ５は具体的には、コンプレッサ３５が供給する流体の流量や、加湿器バイパス弁３８の開度に基づき、加湿器バイパス流量を推定する。

　図７は、加湿器バイパス弁３８の開度設定例を示す図である。図８は、加湿器バイパス通路３７の流量係数設定例を示す図である。図７に示すように、加湿器バイパス弁３８の開度は、目標発電電流に応じて設定される。具体的には、目標発電電流が大きい場合ほど小さくなるように設定される。図８に示すように、加湿器バイパス通路３７の流量係数は、加湿器バイパス弁３８の開度が大きい場合ほど、大きくなるように設定される。

　コントローラ５は、図７及び図８に示す関係を予め設定したマップデータを備えることで、目標発電電流に基づき、加湿器バイパス弁３８の開度、さらには加湿器バイパス通路３７の流量係数を把握することができる。そして、把握した流量係数や、コンプレッサ３５が供給する流体の流量に基づき、加湿器バイパス流量を推定することができる。コントローラ５は、加湿器バイパス弁３８の開度の代わりに、加湿器バイパス弁３８の開度と相関関係を有するパラメータの一例である目標発電電流に基づき、加湿器バイパス流量を推定してもよい。

　ところで、加湿器３６は、燃料電池システム１００において圧力損失Ｌを発生させる主な要素である。そして、カソードガスが加湿器バイパス通路３７を流通する場合、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量分だけ、加湿器３６を流通するカソードガスの流量は減少する。

　このため、コントローラ５は具体的には、流量Ｑ及び推定した加湿器バイパス流量に基づき、流量Ｑから当該加湿器バイパス流量を減じた流量を算出する。そして、流量Ｑの代わりに算出した流量に基づき、圧力損失Ｌを推定する。

　次に本実施形態の燃料電池システム１００の主な作用効果について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ５が、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量を推定する。また、流量Ｑと、推定した加湿器バイパス流量とに基づき、圧力損失Ｌを推定する。

　上記構成の燃料電池システム１００によれば、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量の影響を加味することで、より正確な圧力損失Ｌを推定できる。

　この場合、加湿器バイパス通路３７を流通するカソードガスの流量に応じた分だけ、圧力損失Ｌを小さく推定することができる。したがって、圧力損失Ｌを小さく推定する分、カソード入口圧を高く推定することもできる。また、カソード入口圧を高く推定する分、アノード上限圧を高く算出することもできる。

　上記構成の燃料電池システム１００では、圧力損失Ｌを推定するにあたり、加湿器バイパス流量を推定するので、加湿器バイパス流量を検出するためのセンサを不要化することもできる。結果、圧力損失Ｌを推定するにあたり、使用するセンサの数を低減する分、センサ誤差やセンサ故障に対するロバスト性を高めることができる。

（第４実施形態）
　本実施形態では、コントローラ５が、加湿器３６で発生する圧力損失の特性変化に基づき、所定値Ｌ１を変更する。この点を除き、本実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成される。同様の変更は、第２実施形態や第３実施形態の燃料電池システム１００に適用されてもよい。

　図９は、加湿器３６で発生する圧力損失の特性変化を示す図である。加湿器３６で発生する圧力損失の最大値ＭＡＸ及び最小値ＭＩＮの特性変化を示す。図９では、圧力損失の特性変化として、燃料電池システム１００の総運転時間に応じた圧力損失の特性変化、すなわち圧力損失の経時変化を示す。最大値ＭＡＸは、所定値Ｌ１相当の値であり、最小値ＭＩＮは、所定値Ｌ２相当の値である。

　図９に示すように、加湿器３６では、燃料電池システム１００の総運転時間が長くなるほど、圧力損失が小さくなる特性変化が発生する。このような特性変化は、実験などに基づき予め求めることができる。加湿器３６で発生する圧力損失の特性変化は、燃料電池システム１００の総運転時間が長くなるほど、圧力損失が大きくなる特性変化であってもよい。

　次に本実施形態の燃料電池システム１００の主な作用効果について説明する。本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ５が、加湿器３６で発生する圧力損失の特性変化に基づき、所定値Ｌ１を変更する。

　上記構成の燃料電池システム１００によれば、加湿器３６で圧力損失の特性変化が発生した場合でも、この影響を加味したより正確な圧力損失Ｌを推定できる。またこれにより、カソード入口圧をより正確に推定できるとともに、アノード上限圧をより正確に算出することができる。

　コントローラ５は、加湿器３６で発生する圧力損失の特性変化に基づき、所定値Ｌ１及び所定値Ｌ２のうち少なくともいずれかを変更するように構成されてもよい。この場合、所定値Ｌ２を変更することで、流量Ｑがごく小さい場合に、例えば圧力損失の特性変化に応じた分だけ、圧力損失Ｌが必要以上に大きく推定されることを防止できる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　上述した実施形態では、圧力損失が発生する流体がカソードガスである場合について説明した。しかしながら、圧力損失が発生する流体は、アノードガスや、燃料電池システム１００の冷却液であってもよい。圧力損失を流体に生じさせる構成も、加湿器３６以外の構成であってもよい。

　上述した実施形態では、アノードガス給排装置２がアノードオフガスを逆流させるようにして燃料電池スタック１に供給するデッドエンド型の装置である場合について説明した。しかしながら、アノードガス給排装置２は、アノードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１にアノードオフガスを還流させる循環型の装置として構成されてもよい。

　上述した実施形態では、マップデータＭを用いて圧力損失Ｌを推定する場合について説明した。しかしながら、圧力損失Ｌは、流量Ｑに基づき圧力損失Ｌを定義する圧力損失Ｌのモデル式を用いて推定されてもよい。

　上述した実施形態では、コントローラ５が、加湿器バイパス通路３７を、加湿器３６をバイパスするバイパス通路として圧力損失Ｌを推定する場合について説明した。しかしながら、コントローラ５は、システムバイパス通路３９を、加湿器３６をバイパスするバイパス通路として圧力損失Ｌを推定してもよい。

　すなわち、コントローラ５はシステムバイパス弁４０の流量調整状態に関わらず、システムバイパス通路３９を流通するカソードガスの流量をゼロとみなして圧力損失Ｌを推定してもよい。また、システムバイパス通路３９を流通するカソードガスの流量を推定し、流量Ｑに加えてさらにこのようにして推定した流量に基づき、圧力損失Ｌを推定してもよい。

　この場合、システムバイパス弁４０の開度には、図７に示す加湿器バイパス弁３８の開度設定と同様の設定を適用することができる。また、システムバイパス通路３９の流量係数には、図８に示す加湿器バイパス通路３７の流量係数設定と同様の設定を適用することができる。コントローラ５は、加湿器バイパス通路３７及びシステムバイパス通路３９それぞれを、加湿器３６をバイパスするバイパス通路として圧力損失Ｌを推定してよい。

　上述した実施形態では、圧力損失推定部や圧力推定部や算出部や変更部やバイパス流量推定部などの機能部をコントローラ５で実現する場合について説明した。しかしながら、圧力損失推定部や圧力推定部や算出部や変更部やバイパス流量推定部などの機能部は、複数のコントローラで実現されてもよい。

　本願は２０１４年７月２４日に日本国特許庁に出願された特願２０１４－１５１２６３に基づく優先権を主張し、この出願のすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　燃料電池と、
　前記燃料電池に流体を供給する供給部と、
　前記供給部が供給する流体の流量を検出する流量検出部と、
　前記供給部及び前記燃料電池間の流体供給通路に設けられ、前記供給部が供給する流体に圧力損失を生じさせる圧力損失部と、
　前記流量検出部が検出する流体の流量に基づき、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を推定する圧力損失推定部と、を備え、
　前記圧力損失推定部は、前記流量検出部が検出する流体の流量が所定流量より大きい場合に、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を所定値とする、
燃料電池システム。
　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
　前記圧力損失推定部は、推定した圧力損失に基づき、当該圧力損失が前記所定値より大きいと判定される場合に、圧力損失を前記所定値とする、
燃料電池システム。
　請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
　前記所定流量より小さい第２の所定流量と、前記所定値より小さい第２の所定値と、をさらに設定し、
　前記圧力損失推定部は、前記流量検出部が検出する流体の流量が前記第２の所定流量より小さい場合に、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を前記第２の所定値とする、
燃料電池システム。
　請求項３に記載の燃料電池システムであって、
　前記第２の所定流量に対応させて第３の所定値をさらに設定し、
　前記圧力損失推定部は、推定した圧力損失に基づき、当該圧力損失が前記第３の所定値より小さいと判定される場合に、圧力損失を前記第２の所定値とする、
燃料電池システム。
　請求項１から４いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
　前記圧力損失部で発生する圧力損失の特性変化に基づき、前記所定値を変更する変更部、
をさらに備える燃料電池システム。
　請求項１から５いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
　前記圧力損失推定部は、前記流量検出部で発生する検出誤差に応じた分だけ、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を大きく推定する、
燃料電池システム。
　請求項１から６いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
　前記供給部が前記燃料電池に供給する流体は、カソードガスであり、
　前記圧力損失部は、前記供給部が供給する流体を加湿する加湿器であり、
　前記供給部出口のカソードガスの圧力を検出する圧力検出部と、
　前記圧力検出部が検出するカソードガスの圧力と、前記圧力損失推定部が推定する圧力損失とに基づき、前記燃料電池入口のカソードガスの圧力を推定する圧力推定部と、
をさらに備える燃料電池システム。
　請求項７に記載の燃料電池システムであって、
　前記燃料電池にアノードガスを供給する第２の供給部と、
　前記圧力推定部が推定するカソードガスの圧力に基づき、前記第２の供給部が供給するアノードガスの上限圧を算出する算出部と、
をさらに備える燃料電池システム。
　請求項７又は８に記載の燃料電池システムであって、
　前記加湿器をバイパスするバイパス通路と、
　前記バイパス通路を流通するカソードガスの流量を調整する調整部と、
をさらに備え、
　前記圧力損失推定部は、前記調整部の流量調整状態に関わらず、前記バイパス通路を流通するカソードガスの流量をゼロとみなして前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を推定する、
燃料電池システム。
　請求項７又は８に記載の燃料電池システムであって、
　前記加湿器をバイパスするバイパス通路と、
　前記バイパス通路を流通するカソードガスの流量を調整する調整部と、
　前記バイパス通路を流通するカソードガスの流量を推定するバイパス流量推定部と、
をさらに備え、
　前記圧力損失推定部は、前記流量検出部が検出する流体の流量に加えてさらに前記バイパス流量推定部が推定するカソードガスの流量に基づき、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を推定する、
燃料電池システム。
　燃料電池と、前記燃料電池に流体を供給する供給部と、前記供給部が供給する流体の流量を検出する流量検出部と、前記供給部及び前記燃料電池間の流体供給通路に設けられ前記供給部が供給する流体に圧力損失を生じさせる圧力損失部と、を設け、
　前記流量検出部が検出する流体の流量に基づき、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を推定し、
　前記流量検出部が検出する流体の流量が所定流量より大きい場合に、前記供給部及び前記燃料電池間で発生する流体の圧力損失を所定値とする、
燃料電池システムの圧力損失推定方法。