JP2004152657A

JP2004152657A - 燃料供給弁の状態検知装置

Info

Publication number: JP2004152657A
Application number: JP2002317709A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Ueda; 健一郎上田; Shinji Yoshikawa; 慎司吉川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP4141796B2

Abstract

【課題】燃料電池へ燃料を供給する燃料供給系に設けられた燃料供給弁の実際の作動状態を検知する。
【解決手段】制御装置２０は、第１バルブ１４または第２バルブ１５が閉弁された状態で燃料電池１１の発電を継続した際における平均発電電流と、水素の圧力の時間変化に対する下限閾値である圧力変化量閾値との関係を示す所定のテーブル等を予め保持し、第１バルブ１４または第２バルブ１５の閉弁を指示する指令を出力した状態で燃料電池１１の発電を継続し、検出された水素の圧力の時間変化がテーブル検索により算出された圧力変化量閾値以下である場合には、第１バルブ１４または第２バルブ１５が開状態であると判定する。制御装置２０は、パージ弁１８の弁開度を指示する指令に基づき、パージ弁１８の開弁状態が継続される積算時間に応じて圧力変化量閾値を補正する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料供給弁の状態検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
ところで、従来、例えば圧縮天然ガス等の高圧ガスを燃料とする車両において、燃料供給流路における燃料の流通を遮断可能な遮断弁を備え、燃料供給流路に設けられたレギュレータ等の供給圧力調整装置における燃料の圧力に応じて、燃料の供給を遮断する安全装置を備える車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような安全装置を、上述したような燃料電池を具備する燃料電池システムの燃料供給系に備え、燃料電池の発電停止時等において遮断弁を閉状態に設定することで、燃料電池への水素の供給を遮断することが望まれている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１８３８４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような安全装置において、単に、遮断弁に対する閉弁を指示する閉指令を出力するだけでは、実際に遮断弁が閉弁状態となっているか否かを確認することができないため、遮断弁の実際の状態を検知することが望まれている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池へ燃料を供給する燃料供給系に設けられた燃料供給弁の実際の作動状態を検知することが可能な燃料供給弁の状態検知装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料供給弁の状態検知装置は、燃料電池へ燃料を供給する燃料供給流路に設けられ、前記燃料の流通を遮断可能な燃料供給弁（例えば、実施の形態での第１バルブ１４、第２バルブ１５）と、前記燃料供給流路での前記燃料の流通方向において前記燃料供給弁の下流側に設けられ、前記燃料の圧力を検出する圧力検出器（例えば、実施の形態での第１圧力センサ２２、第２圧力センサ２３）と、前記燃料供給弁の閉弁を指示する閉弁指示手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０４、ステップＳ２４）と、前記閉弁指示手段により前記燃料供給弁の閉弁が指示されている状態において、前記燃料電池の発電を継続し、前記圧力検出器により検出される前記燃料の圧力の時間変化を検出する圧力変化検出手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０９、ステップＳ２９）と、前記燃料の供給が遮断された状態で前記燃料電池の前記発電を継続した際の燃料消費量に応じた前記燃料の圧力の時間変化を示すデータを予め記憶する記憶手段（例えば、実施の形態での制御装置２０）と、前記圧力変化検出手段により検出される前記燃料の圧力の低下速度が、前記データにおける前記燃料消費量に応じた前記燃料の圧力の低下速度以下であるときに、前記燃料供給弁が開弁状態であると判定する開弁判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１３およびステップＳ１５、ステップＳ３３およびステップＳ３５）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料供給弁の状態検知装置によれば、予め、燃料電池への燃料供給を遮断した状態で所定の発電を継続した場合における燃料消費量に応じた燃料の圧力の時間変化、つまり圧力低下の時間変化を示すデータを記憶手段に記憶しておき、閉弁指示手段により燃料供給弁の閉弁が指示された状態で、圧力変化検出手段によって燃料電池の発電を継続し、燃料の圧力変化を検出する。ここで、開弁判定手段は、検出された圧力変化の低下速度が、データにより得られる圧力変化の低下速度以下であれば、燃料供給弁が開弁状態であって、燃料が燃料電池へ供給され続けていると判断する。
これにより、燃料供給弁の閉弁を指示する閉指令が出力されている状態で、実際に燃料供給弁が閉弁状態であるか否かを確実に判定することができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料供給弁の状態検知装置は、前記燃料電池から排出される前記燃料を流通させる排出燃料流路から外部に排出される前記燃料の排出量に応じて、前記データにおける前記燃料消費量に応じた前記燃料の圧力の時間変化を補正する補正手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１２、ステップＳ３２）を備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成の燃料供給弁の状態検知装置によれば、燃料電池への燃料供給を遮断した状態で所定の発電を継続した場合における燃料消費量に応じた燃料の圧力の時間変化、つまり圧力低下の時間変化を示すデータに対して、外部へ排出される燃料の排出量が増大するのに伴い、圧力の低下度合いが増大するように補正を行うことで、データの精度を向上させることができる。
これにより、燃料供給弁の閉弁を指示する閉指令が出力されている状態で、実際に燃料供給弁が閉弁状態であるか否かを、より精度良く、判定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料供給弁の状態検知装置ついて添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料供給弁の状態検知装置１０は、例えば燃料電池車両等の車両に駆動用電源として搭載される燃料電池システムに備えられ、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、エアーコンプレッサ１２と、水素タンク１３と、第１および第２バルブ１４，１５と、第１および第２レギュレータ１６，１７と、パージ弁１８と、電流制御器１９と、制御装置（ＥＣＵ）２０と、電流センサ２１と、第１および第２圧力センサ２２，２３とを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜３１を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）３２と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）３３とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
そして、電解質電極構造体と対向する各セパレータの表面上には凹溝が形成されており、各凹溝と電解質電極構造体とによってアノード流路およびカソード流路が形成されている。
【００１１】
燃料電池１１のアノード３２には、アノード流路に接続された入口側配管から高圧の水素タンク１３によって水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノード３２のアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜３１を介してカソード３３へと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路（図示略）に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード３３には、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気が、カソード流路に接続された入口側配管からエアーコンプレッサ１２によって供給され、このカソード３３において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。そして、アノード流路に接続された出口側配管およびカソード流路に接続された出口側配管から未反応の反応ガスを含む排出ガスが燃料電池１１の外部に排出される。
【００１２】
ここで、水素タンク１３と、燃料電池１１のアノード３２の入口側配管とを接続する燃料供給流路１３ａには、例えば水素の流通方向に沿って順次、第１バルブ１４と、第１圧力センサ２２と、第１レギュレータ１６と、第２バルブ１５と、第２レギュレータ１７と、第２圧力センサ２３とが配置されている。
また、燃料電池１１のアノード３２の出口側配管に接続された排出燃料流路１１ｂにはパージ弁１８が配置されている。
そして、各バルブ１４，１５およびパージ弁１８の各弁開度は制御装置２０により制御されている。
【００１３】
燃料電池１１から取り出される発電電流は電流制御器１９に入力されており、この電流制御器１９には、例えば走行用モータ等の電気的な負荷４２や例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサからなるキャパシタ等が接続されている。
電流制御器１９は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成されており、制御装置２０から出力される電流指令値つまり燃料電池１１に対する発電指令に基づいて、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を制御する。
【００１４】
制御装置２０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池１１のアノード３２に供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノード３２から排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの出力電圧であるセル電圧や、燃料電池１１から取り出される発電電流等に基づき、エアーコンプレッサ１２および水素タンク１３から燃料電池１１へ供給される各反応ガスの流量に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御すると共に、燃料電池１１に対する発電指令を電流制御器１４へ出力し、燃料電池１１から取り出される発電電流の電流値を制御する。
【００１５】
さらに、制御装置２０は、後述するように、例えば車両の作動を指示するＩＧスイッチ４１がオフ状態とされた場合等において、燃料電池１１の発電停止が指示された場合に、第１バルブ１４または第２バルブ１５に対する閉弁指令を出力すると共に燃料電池１１での発電を継続し、第１バルブ１４または第２バルブ１５と燃料電池１１のアノード３２との間における水素の圧力の時間変化に基づき、第１バルブ１４または第２バルブ１５の状態を判定する。
例えば、制御装置２０は、第１バルブ１４または第２バルブ１５が閉弁された状態で燃料電池１１の発電を継続した際における平均発電電流と、水素の圧力の時間変化に対する下限閾値である圧力変化量閾値との関係を示す所定のテーブル等を予め記憶する。そして、検出された水素の圧力の時間変化がテーブル検索により算出された圧力変化量閾値以下である場合には、第１バルブ１４または第２バルブ１５が開状態であると判定する。このとき、制御装置２０は、パージ弁１８の弁開度を指示する指令に基づき、例えばパージ弁１８の開弁状態が継続される積算時間等に応じて圧力変化量閾値を補正する。
なお、所定のテーブルにおいて、圧力変化量閾値は、例えば平均発電電流の増大に伴い、増大傾向に変化するように設定されている。
【００１６】
このため、制御装置２０には、例えば、第１バルブ１４と第２バルブ１５との間に配置された第１圧力センサ２２から出力される検出信号と、第２バルブ１５と燃料電池１１のアノード３２との間に配置された第２圧力センサ２３から出力される検出信号と、電流制御器１９から負荷４２へ供給される発電電流の電流値を検出する電流センサ２１から出力される検出信号と、ＩＧスイッチ４１から出力されるオン状態またはオフ状態を示す信号とが入力されている。
【００１７】
本実施の形態による燃料供給弁の状態検知装置１０は上記構成を備えており、次に、この燃料供給弁の状態検知装置１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。
【００１８】
以下に、第１バルブ１４の状態を判定する処理について説明する。
先ず、例えば図２に示すステップＳ０１においては、例えば車両の作動を指示するＩＧスイッチ４１がオフ状態とされた場合等に出力される、燃料電池１１の発電停止指令が有るか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ０４に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０２に進む。
次に、ステップＳ０２においては、減算タイマーである第１タイマーのタイマー値ＴＭ１に所定のタイマー値＃ＴＭ１を設定し、第１タイマーをリセットする。
【００１９】
次に、ステップＳ０３においては、この時点で第１圧力センサ２２により検出された検出値Ｐ１をＰ１初期値に設定し、一連の処理を終了する。
また、ステップＳ０４においては、第１バルブ１４の閉弁を指示する閉指令を出力する。
そして、ステップＳ０５においては、第１タイマーのタイマー値ＴＭ１がゼロか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ０９に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
【００２０】
そして、ステップＳ０６においては、第１タイマーのタイマー値ＴＭ１の減算を実行する。
次に、ステップＳ０７においては、発電電流ＩＦＣに対する電流指令値の積算値や、電流センサ２１により検出される発電電流ＩＦＣの検出値の積算値（ＩＦＣ積算値）を算出する。
次に、ステップＳ０８においては、パージ弁１８の開弁状態が継続される時間の積算値（パージ弁開時間積算値）を算出し、一連の処理を終了する。
【００２１】
また、ステップＳ０９においては、Ｐ１初期値から、この時点で第１圧力センサ２２により検出された検出値Ｐ１を減算して得た値を、圧力変化量ΔＰ１として設定する。
次に、ステップＳ１０においては、所定のタイマー値＃ＴＭ１を、一連の処理を繰り返し実行する際の制御周期で除算して得た値によって、さらに、ＩＦＣ積算値を除算して得た値を、発電電流ＩＦＣの時間平均値である平均発電電流ＩＦＣＡＶＥ１に設定する。
【００２２】
次に、ステップＳ１１においては、例えば平均発電電流ＩＦＣＡＶＥ１と、圧力変化量閾値ΔＰ１ＴＡＲとの関係を示す所定の第１テーブルのテーブル検索により、圧力変化量閾値ΔＰ１ＴＡＲを算出する。
次に、ステップＳ１２においては、パージ弁開時間積算値に所定の係数を乗算して得た値を、さらに、圧力変化量閾値ΔＰ１ＴＡＲに加算して得た値を、新たに圧力変化量閾値ΔＰ１ＴＡＲに設定する。
そして、ステップＳ１３においては、検出した圧力変化量ΔＰ１が、算出した圧力変化量閾値ΔＰ１ＴＡＲ以下か否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１４に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１５に進む。
【００２３】
ステップＳ１４においては、第１バルブ１４が閉弁状態であると判定し、一連の処理を終了する。
また、ステップＳ１５においては、第１バルブ１４が開弁状態であると判定し、一連の処理を終了する。
なお、上述したステップＳ０１〜ステップＳ１５の処理は、例えば所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものである。
【００２４】
以下に、水素の流通方向における第１バルブ１４の下流側に配置された第２バルブ１５の状態を判定する処理について説明する。
なお、以下に示すステップＳ２１〜ステップＳ３５の処理において、上述したステップＳ０１〜ステップＳ１５の処理と異なる点は、第１バルブ１４に係る各変数を第２バルブ１５に係る各変数へと変更した点と、ステップＳ０１での判定処理をステップＳ２１の判定処理へと変更した点である。
【００２５】
つまり、例えば図３に示すステップＳ２１においては、第１バルブ１４に対する閉指令が出力されているときに第１バルブ１４が開弁状態であると判定されたか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ２４に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２２に進む。
次に、ステップＳ２２においては、減算タイマーである第２タイマーのタイマー値ＴＭ２に所定のタイマー値＃ＴＭ２を設定し、第２タイマーをリセットする。
【００２６】
次に、ステップＳ２３においては、この時点で第２圧力センサ２３により検出された検出値Ｐ２をＰ２初期値に設定し、一連の処理を終了する。
また、ステップＳ２４においては、第２バルブ１５の閉弁を指示する閉指令を出力する。
そして、ステップＳ２５においては、第２タイマーのタイマー値ＴＭ２がゼロか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ２９に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２６に進む。
【００２７】
そして、ステップＳ２６においては、第２タイマーのタイマー値ＴＭ２の減算を実行する。
次に、ステップＳ２７においては、発電電流ＩＦＣに対する電流指令値の積算値や、電流センサ２１により検出される発電電流ＩＦＣの検出値の積算値（ＩＦＣ積算値）を算出する。
次に、ステップＳ２８においては、パージ弁１８の開弁状態が継続される時間の積算値（パージ弁開時間積算値）を算出し、一連の処理を終了する。
【００２８】
また、ステップＳ２９においては、Ｐ２初期値から、この時点で第２圧力センサ２３により検出された検出値Ｐ２を減算して得た値を、圧力変化量ΔＰ２として設定する。
次に、ステップＳ３０においては、所定のタイマー値＃ＴＭ２を、一連の処理を繰り返し実行する際の制御周期で除算して得た値によって、さらに、ＩＦＣ積算値を除算して得た値を、発電電流ＩＦＣの時間平均値である平均発電電流ＩＦＣＡＶＥ２に設定する。
【００２９】
次に、ステップＳ３１においては、例えば平均発電電流ＩＦＣＡＶＥ２と、圧力変化量閾値ΔＰ２ＴＡＲとの関係を示す所定の第２テーブルのテーブル検索により、圧力変化量閾値ΔＰ２ＴＡＲを算出する。
次に、ステップＳ３２においては、パージ弁開時間積算値に所定の係数を乗算して得た値を、さらに、圧力変化量閾値ΔＰ２ＴＡＲに加算して得た値を、新たに圧力変化量閾値ΔＰ２ＴＡＲに設定する。
そして、ステップＳ３３においては、検出した圧力変化量ΔＰ２が、算出した圧力変化量閾値ΔＰ２ＴＡＲ以下否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ３４に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ３５に進む。
【００３０】
ステップＳ３４においては、第２バルブ１５が閉弁状態であると判定し、一連の処理を終了する。
また、ステップＳ３５においては、第２バルブ１５が開弁状態であると判定し、一連の処理を終了する。
なお、上述したステップＳ２１〜ステップＳ３５の処理は、例えば所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものである。
【００３１】
上述したように、本実施の形態による燃料供給弁の状態検知装置１０によれば、各バルブ１４，１５の閉弁が指示された状態で、燃料電池１１の発電を継続しつつ検出した燃料の圧力変化の低下速度が、予め設定したデータにより得られる低下速度以下であれば、各バルブ１４，１５が実際には開弁状態であって、燃料電池１１へ燃料が供給され続けていると判断することによって、実際に各バルブ１４，１５が閉弁状態であるか否かを確実に判定することができる。
しかも、パージ弁１８を介して外部へ排出される燃料の排出量が増大することに伴い、予め設定したデータにおける圧力の低下速度が増大するように補正を行うことで、燃料電池１１の運転状態に応じて、各バルブ１４，１５の閉弁状態に対する判定精度を向上させることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料供給弁の状態検知装置によれば、燃料供給弁の閉弁を指示する閉指令が出力されている状態で、実際に燃料供給弁が閉弁状態であるか否かを確実に判定することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料供給弁の状態検知装置によれば、燃料供給弁が閉弁状態であるか否かを判定する際の判定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料供給弁の状態検知装置の構成図である。
【図２】図１に示す第１バルブの状態を判定する処理を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す第２バルブの状態を判定する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０燃料供給弁の状態検知装置
１４第１バルブ（燃料供給弁）
１５第２バルブ（燃料供給弁）
２０記憶装置（記憶手段）
２２第１圧力センサ（圧力検出器）
２３第２圧力センサ（圧力検出器）
ステップＳ０４、ステップＳ２４閉弁指示手段
ステップＳ０９、ステップＳ２９圧力変化検出手段
ステップＳ１２、ステップＳ３２補正手段
ステップＳ１３およびステップＳ１５開弁判定手段
ステップＳ３３およびステップＳ３５開弁判定手段

Claims

燃料電池へ燃料を供給する燃料供給流路に設けられ、前記燃料の流通を遮断可能な燃料供給弁と、
前記燃料供給流路での前記燃料の流通方向において前記燃料供給弁の下流側に設けられ、前記燃料の圧力を検出する圧力検出器と、
前記燃料供給弁の閉弁を指示する閉弁指示手段と、
前記閉弁指示手段により前記燃料供給弁の閉弁が指示されている状態において、前記燃料電池の発電を継続し、前記圧力検出器により検出される前記燃料の圧力の時間変化を検出する圧力変化検出手段と、
前記燃料の供給が遮断された状態で前記燃料電池の前記発電を継続した際の燃料消費量に応じた前記燃料の圧力の時間変化を示すデータを予め記憶する記憶手段と、
前記圧力変化検出手段により検出される前記燃料の圧力の低下速度が、前記データにおける前記燃料消費量に応じた前記燃料の圧力の低下速度以下であるときに、前記燃料供給弁が開弁状態であると判定する開弁判定手段と
を備えることを特徴とする燃料供給弁の状態検知装置。
前記燃料電池から排出される前記燃料を流通させる排出燃料流路から外部に排出される前記燃料の排出量に応じて、前記データにおける前記燃料消費量に応じた前記燃料の圧力の時間変化を補正する補正手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給弁の状態検知装置。