JP6155795B2 - 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。

従来の燃料電池システムとして、水素タンクと燃料電池とを接続するアノードガス供給通路に、上流から順に遮断弁及び調圧弁を設けたものがある。この従来の燃料電池システムは、燃料電池システムの停止要求があった後、遮断弁に閉弁指令を出すとともに燃料電池を一定の負荷で継続して発電させ、閉弁指令から所定時間経過したときの調圧弁上流の圧力変化量ΔＰに基づいて、遮断弁の開固着診断を実施していた。具体的には、圧力変化量ΔＰが基準圧力変化量以上であれば遮断弁が正常に閉じられていると診断し、基準圧力変化量未満であれば閉弁指令を出したにもかかわらず、遮断弁が正常に閉じられていない開固着状態になっていると診断していた（特許文献１参照）。

特開２００５−１２３０７６号公報

このような方法で遮断弁の開固着診断を実施する場合、その診断精度を確保するには基準圧力変化量を大きくすることが望ましい。

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、調圧弁として機械式減圧弁を使用していた。機械式減圧弁は、２次側（調圧弁下流側）の圧力を一定圧力に維持するものなので、燃料電池で発電を継続させることによって燃料電池内のアノードガスを消費させると、その消費分のアノードガスが１次側（調圧弁上流側）から２次側へと流れることになる。したがって、遮断弁が閉弁指令に基づき閉じられていれば、燃料電池内でのアノードガスの消費速度に比例して、調圧弁上流の圧力が低下することになる。

ここで、燃料電池内でのアノードガスの消費速度は、燃料電池の負荷が高くなるほど早くなる。ところが、燃料電池システムの停止要求後は、燃料電池で発電した電力を消費できる電気部品（すなわち駆動可能な電気部品）が限られるため、燃料電池の負荷をある一定以上の負荷にはできない。

そのため、調圧弁として機械式減圧弁を使用した場合は、調圧弁上流の圧力低下速度をある一定以上にすることができず、診断精度を確保するために基準圧力変化量を大きくすると、遮断弁の開固着診断の診断時間が長くなるという問題点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、遮断弁の開固着診断の診断時間を短くすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料供給源及び燃料電池を接続する燃料供給通路と、燃料供給通路に設けられる遮断弁と、遮断弁よりも下流の燃料供給通路に設けられ、燃料電池に供給する燃料の圧力を調節する調圧弁と、調圧弁の上流圧力を検出する上流圧力検出手段と、調圧弁の下流圧力を検出する下流圧力検出手段と、を備える燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが、調圧弁の下流圧力が燃料電池の負荷に応じた所定圧力となるように、燃料電池の負荷に応じて調圧弁の開度を制御する調圧弁制御手段と、遮断弁に閉弁指令を出すとともに、燃料電池の負荷を所定負荷にして燃料を消費させ、閉弁指令を出した後の上流圧力の変化に基づいて、遮断弁の開固着診断を行う診断手段と、遮断弁の開固着診断を行う開固着診断時には、遮断弁に閉弁指令を出した後、調圧弁の下流圧力が、燃料電池の負荷に応じた所定圧力よりも高くなるように、調圧弁の開度を制御する診断時調圧弁制御手段と、を備えることを特徴とする。

この態様によれば、開固着診断時には、調圧弁の下流圧力を、通常時に燃料電池の負荷に応じて設定される圧力よりも高くなるようにした。これにより、調圧弁の下流圧力を燃料電池の負荷に応じて設定した圧力にした場合と比較して、調圧弁の上流圧力の低下速度を早くすることができる。よって、遮断弁の開固着診断の診断時間を短くすることができる

本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本発明の一実施形態による遮断弁及びアノード調圧弁の制御について説明するフローチャートである。 遮断弁及びアノード調圧弁の通常処理について説明するフローチャートである。 燃料電池スタックの目標発電電力に基づいて、目標制御用アノード圧ｔＰ２を算出するテーブルである。 遮断弁の開固着診断処理について説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態による開固着診断処理の動作を説明するタイムチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を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。

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ため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。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、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。なお、燃料電池スタック１を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、駆動モータ（図示せず）や補機類（バッテリや各種コンプレッサ、ヒータ等）などの、車両の駆動に必要な各種の電気部品に供給するための電力を発電する。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、カソードコンプレッサ２４と、インタクーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、カソード調圧弁２７と、を備える。

カソードガス供給通路２１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２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

カソードガス排出通路２２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２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、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２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

インタクーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタクーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。

ＷＲＤ２６は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソード調圧弁２７は、ＷＲＤ２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２７は、コントローラ４によってその開度が任意の開度に制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、遮断弁３３と、アノード調圧弁３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６と、診断用圧力センサ３７と、制御用圧力センサ３８と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

遮断弁３３は、コントローラ４によって開閉制御される電磁弁であって、アノードガス供給通路３２の最上流側に設けられる。コントローラ４からの開弁指令に基づき遮断弁３３が開かれると、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が開始される。一方で、コントローラ４からの閉弁指令に基づき遮断弁３３が閉じられると、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。

アノード調圧弁３４は、遮断弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３４は、コントローラ４によってその開度が任意の開度に制御される電磁弁であって、燃料電池スタック１に供給する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３５は、燃料電池スタック１から排出される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３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２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。

アノードガス排出通路３５を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガス（水素）が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、コントローラ４４によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

診断用圧力センサ３７は、遮断弁３３の開固着診断に使用する圧力、具体的には、遮断弁３３及びアノード調圧弁３４の間のアノードガス供給通路３２のアノードガス圧力（以下「診断用アノード圧」という。）Ｐ１を検出する。

制御用圧力センサ３８は、アノード調圧弁３４の開度制御に使用する圧力、具体的には、アノード調圧弁３４よりも下流のアノードガス供給通路３２のアノードガス圧力（以下「制御用アノード圧」という。）Ｐ２を検出する。本実施形態では、この制御用アノード圧を、燃料電池スタック１内部のアノードガス流路１１の圧力として代用している。

コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４には、前述した診断用圧力センサ３７や制御用圧力センサ３８の他にも、燃料電池スタック１の出力電流を検出する電流センサ４１や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」）を検出するアクセルストロークセンサ４３、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する流量センサ４４、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する圧力センサ４５などの各種センサからの信号が入力される。

コントローラ４は、燃料電池システム１００の停止要求が無ければ、遮断弁３３を開くと共に、これら各種センサの検出信号や補機類の作動状態等に基づいて燃料電池スタック１の負荷を算出し、制御用アノード圧Ｐ２が負荷に応じた適切な圧力となるように、負荷に応じてアノード調圧弁３４の開度を制御する（通常処理）。

一方、コントローラ４は、燃料電池システム１００の停止要求があったときは、コントローラ４は、遮断弁３３を閉じると共に、遮断弁３３が正常に閉じられているかどうかを診断するために、通常処理時とは異なる方法でアノード調圧弁３４の開度を制御する（開固着診断処理）。

以下、この本実施形態による遮断弁３３及びアノード調圧弁３４の制御について説明する。

図２は、本実施形態による遮断弁３３及びアノード調圧弁３４の制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラ４は、燃料電池システム１００の停止要求があるか否かを判定する。コントローラ４は、燃料電池システム１００の停止要求がなければステップＳ２の処理に移行し、停止要求があればステップＳ３の処理に移行する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、遮断弁３３及びアノード調圧弁３４の通常処理を実施する。通常処理の詳細については、図３を参照して後述する。

ステップＳ３において、コントローラ４は、遮断弁３３の開固着診断処理を実施する。遮断弁３３の開固着診断処理の詳細については、図５を参照して後述する。

図３は、遮断弁３３及びアノード調圧弁３４の通常処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ２１において、コントローラ４は、遮断弁３３に開弁指令を出して、遮断弁３３を開く。

ステップＳ２２において、コントローラ４は、燃料電池スタック１の負荷に基づいて、燃料電池スタック１の目標発電電力を算出する。具体的には、アクセル操作量に基づいて駆動モータの要求電力を算出すると共に、補機類の作動状態に応じて補機類の消費電力を算出し、駆動モータの要求電力と補機類の消費電力との合計値を燃料電池スタック１の目標発電電力として算出する。

ステップＳ２３において、コントローラ４は、図４のテーブルを参照し、燃料電池スタック１の目標発電電力に基づいて、目標制御用アノード圧ｔＰ２を算出する。図４に示すように、燃料電池スタック１の目標発電電力が大きくなるほど、目標制御用アノード圧ｔＰ２は高くなる。

ステップＳ２４において、コントローラ４は、制御用アノード圧Ｐ２が目標制御用アノード圧ｔＰ２となるように、アノード調圧弁３４の開度をフィードバック制御する。

図５は、遮断弁３３の開固着診断処理について説明するフローチャートである。

ステップＳ３１において、コントローラ４は、遮断弁３３に閉弁指令を出して、遮断弁３３を閉じる。しかしながら、閉弁指令を出しただけでは、実際に遮断弁３３が正常に閉じられたかどうかまでは分からないので、以下のステップで遮断弁３３が正常に閉じられたかどうかを診断する。

ステップＳ３２において、コントローラ４は、所定の開固着診断時用の一定の負荷で、燃料電池スタック１の発電を継続させる。具体的には、燃料電池システム１００の停止要求後に駆動可能な電気部品は限られるため、燃料電池での発電を継続させるために必要な補機類（例えばカソードコンプレッサ）のみを作動状態とし、それら補機類の消費電力を開固着診断時の目標発電電力として、燃料電池スタック１の発電を継続させる。

ステップＳ３３において、コントローラ４は、制御用アノード圧Ｐ２が、所定の開固着診断用アノード圧Ｐｘとなるように、アノード調圧弁３４の開度をフィードバック制御する。

開固着診断用アノード圧Ｐｘは、アノード調圧弁３４よりも下流のアノードガス供給通路３２や燃料電池スタック１などの各部品の耐圧を考慮して設定されるものであって、前述した開固着診断時の目標発電電力に基づき図４のテーブルを参照して得られる目標制御用アノード圧ｔＰ２よりも高い値に設定される。なお、本実施形態では、アノード調圧弁３４よちも下流の各部品の規格等から定めた最大許容耐圧Ｐｍａｘから、所定のマージンを引いた値を、開固着診断用アノード圧Ｐｘとしている。

このように、開固着診断用アノード圧Ｐｘは、通常処理時に燃料電池スタック１を開固着診断時用の負荷で発電させたときに設定される目標制御用アノード圧ｔＰ２よりも高い値に設定される。これにより、開固着診断の診断時間Ｔｄｉａｇを短縮させることができるが、その理由については図６を参照して後述する。

ステップＳ３４において、コントローラ４は、開固着診断処理を開始してからの診断用アノード圧Ｐ１の圧力変化量ΔＰが、所定の基準圧力変化量Ｐｂ以上になったか否かを判定する。コントローラ４は、診断用アノード圧Ｐ１の圧力変化量ΔＰが基準圧力変化量Ｐｂ以上であればステップＳ３５の処理に移行する。一方で、診断用アノード圧Ｐ１の圧力変化量ΔＰが基準圧力変化量Ｐｂ未満であればステップＳ３７の処理に移行する。

ステップＳ３５において、コントローラ４は、遮断弁３３が正常に閉じられていると判定する。

ステップＳ３６において、コントローラ４は、燃料電池スタック１での発電を停止させると共に、アノード調圧弁３４を全閉にする。

ステップＳ３７において、コントローラ４は、開固着診断処理を開始してからの経過時間Ｔが、所定の診断時間Ｔｄｉａｇを越えたか否かを判定する。コントローラ４は、経過時間Ｔが診断時間Ｔｄｉａｇを越えていればステップＳ３８の処理に移行し、超えていなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ３８において、コントローラ４は、遮断弁３３が正常に閉じられていない開固着状態になっていると判定する。

図６は、本実施形態による開固着診断処理の動作を説明するタイムチャートである。なお、発明の理解を容易にするために、開固着診断時に、制御用アノード圧Ｐ２を負荷に応じて算出された目標制御用アノード圧ｔＰ２に制御したときの動作を比較例として示した。

時刻ｔ１で、燃料電池システム１００の停止要求が出されると、遮断弁３３に閉弁指令が出され、遮断弁３３が閉じられる。

このとき、本実施形態の場合は、制御用アノード圧Ｐ２が、負荷に応じて算出される目標制御用アノード圧ｔＰ２よりも高い開固着診断用アノード圧Ｐｘとなるように、アノード調圧弁３４の開度が制御される。

そのため、遮断弁３３が正常に閉じられていれば、診断用アノード圧Ｐ１を比較例よりも素早く低下させることができる。その結果、比較例では、診断用アノード圧Ｐ１の圧力変化量ΔＰが基準圧力変化量Ｐｂ以上になるのに時刻ｔ３までかかっていた時間を、本実施形態では時刻ｔ２までに短縮することができる。

したがって、遮断弁３３が開固着状態になっているかを判定するために必要な診断時間Ｔｄｉａｇを、比較例よりも短縮することができる。

以上説明した本実施形態によれば、開固着診断時には、制御用アノード圧Ｐ２が、通常処理時に燃料電池スタック１を開固着診断時用の負荷で発電させたときに設定される目標制御用アノード圧ｔＰ２よりも高い開固着診断用アノード圧Ｐｘとなるように、アノード調圧弁３４の開度を制御することとした。

これにより、アノード調圧弁３４上流の診断用アノード圧Ｐ１を素早く低下させることができるので、開固着診断の診断時間Ｔｄｉａｇを短くすることができる。また、開固着診断の診断時間Ｔｄｉａｇを短くできるので、基準圧力変化量Ｐｂも大きくすることができ、開固着診断の診断精度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、開固着診断用アノード圧Ｐｘを、アノード調圧弁３４よりも下流の各部品の耐圧を考慮して設定したので、各部品の耐久性や信頼性を確保することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、燃料電池システム１００の停止中におけるアノード電極内の残留水凍結を防止するために、本実施形態による開固着診断の後に、再度遮断弁３３及びアノード調圧弁３４を開いて高圧水素をアノード電極に供給し、残留水を燃料電池スタック外に排出してから燃料電池システム１００を完全に停止させるようにしても良い。

このような残留水の排出制御を開固着診断後に実施することで、開固着診断中の発電によって生じた生成水を確実に燃料電池スタック外に排出することができる。よって、燃料電池システム１００の停止中におけるアノード電極内の残留水凍結を防止することができる。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
４ コントローラ（調圧弁制御手段、診断手段、診断時調圧弁制御手段、残留水排出手段）
３１ 高圧タンク（燃料供給源）
３２ アノードガス供給通路（燃料供給通路）
３３ 遮断弁
３４ アノード調圧弁（調圧弁）
３７ 診断用圧力センサ（上流圧力検出手段）
３８ 制御用圧力センサ（下流圧力検出手段）

Claims (3)

1. 燃料供給源及び燃料電池を接続する燃料供給通路と、
   前記燃料供給通路に設けられる遮断弁と、
   前記遮断弁よりも下流の前記燃料供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給する燃料の圧力を調節する調圧弁と、
   前記調圧弁の上流圧力を検出する上流圧力検出手段と、
   前記調圧弁の下流圧力を検出する下流圧力検出手段と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記調圧弁の下流圧力が、前記燃料電池の負荷に応じた所定圧力となるように、前記燃料電池の負荷に応じて前記調圧弁の開度を制御する調圧弁制御手段と、
   前記遮断弁に閉弁指令を出すとともに、前記燃料電池の負荷を所定負荷にして燃料を消費させ、前記閉弁指令を出した後の前記上流圧力の変化に基づいて、前記遮断弁の開固着診断を行う診断手段と、
   前記遮断弁の開固着診断を行う開固着診断時には、前記遮断弁に前記閉弁指令を出した後、前記調圧弁の下流圧力が、前記燃料電池の負荷に応じた所定圧力よりも高くなるように、前記調圧弁の開度を制御する診断時調圧弁制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記診断時調圧弁制御手段は、
   前記調圧弁の下流圧力が、前記調圧弁の下流部品の耐圧を考慮して設定された圧力に上昇するまで、前記調圧弁の開度を大きくする、
   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. 前記燃料電池システムの停止要求があった後に、前記遮断弁及び前記調圧弁を開いて前記燃料電池の残留水を前記燃料電池外に排出する残留水排出手段を備え、
   前記診断手段は、
   前記燃料電池システムの停止要求があった後、前記残留水排出手段を実施する前に、前記遮断弁の開固着診断を行う、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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