JP5316834B2 - 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。

近年、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いる燃料電池システムの開発が行われている。このような燃料電池システムを搭載した車両では、燃料供給源である水素タンク内の水素ガスが所定のガス欠判定閾値に到達すると、ガス欠表示をして燃料電池を停止させ、車両は走行を継続することができなくなる。従来、水素タンク内の水素ガスがガス欠判定閾値に到達したか否かを、水素タンク内の圧力を検出する圧力センサの値に基づいて判定するものがあった（下記特許文献１参照）。しかしながら、水素タンク内に設けられる圧力センサは、検出レンジが広く検出精度が低いため、下記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、より検出精度が高い燃料供給流路内の圧力センサを用いてガス欠の判定を行っている。
特開２００５−３２５９５０号公報 特開２００６−１４０１３２号公報

ところで、燃料供給流路における流路内圧力は、配管での圧力損失の影響を受けるため、燃料供給源である水素タンクにおける供給圧力よりも低くなる。したがって、流路内圧力に基づいてガス欠を判定してしまうと、水素タンク内に貯留されている水素ガスにはまだ余裕があるにもかかわらず、ガス欠であると判定され、燃料電池の出力が停止されてしまうため、水素ガスを使い切ることができなくなってしまう。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料供給源の燃料を無駄なく使い切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。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料供給流路における燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、圧力センサにより検出された燃料ガスの圧力がガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する判定手段と、燃料供給流路における燃料ガスの圧力損失に基づいてガス欠判定閾値を変更する変更手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ガス欠であるか否かを判定する際の判定基準となるガス欠判定閾値を、燃料供給流路における圧力損失に基づいて変更することができるため、燃料供給流路における燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、圧力損失を考慮して変更されるガス欠判定閾値とを用いてガス欠判定を行うことが可能となる。これにより、圧力損失を考慮する必要がない燃料供給源における燃料ガスの圧力値を用いてガス欠判定を行った場合と同等の結果を、より高精度に得ることが可能となるため、燃料を無駄なく使い切ることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記変更手段は、ガス欠判定閾値を、燃料電池の出力が停止しているときの基準ガス欠判定閾値から圧力損失により低下する燃料ガスの圧力分を減算した値に変更することができる。

このようにすることで、基準ガス欠判定閾値から圧力損失により低下する燃料ガスの圧力分を減算したガス欠判定閾値を用いてガス欠判定を行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の出力電流を検出する電流センサをさらに備え、上記変更手段は、電流センサにより検出された燃料電池の出力電流に応じてガス欠判定閾値を変更することができる。このようにすることで、燃料電池の出力電流を用いて圧力損失を容易に算出することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料供給流路に流れる燃料ガスの流量を検出する流量センサをさらに備え、上記変更手段は、流量センサにより検出された燃料ガスの流量に応じてガス欠判定閾値を変更することができる。このようにすることで、燃料ガスの流量を用いて圧力損失を容易に算出することが可能となる。

本発明によれば、燃料供給源の燃料を無駄なく使い切ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本実施形態における燃料電池システムは、燃料供給流路の圧力センサによって検出された燃料ガスの圧力に基づいてガス欠であるか否かを判定する際に、燃料電池の出力に対応する圧力損失に基づいてガス欠判定閾値を変更させることで、燃料ガスを無駄なく使い切ることを可能としたものである。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）によって降圧され、バッテリーである二次電池（不図示）に充電される。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサＡが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４、４５と、水素ガスの流量や圧力を調整するインジェクタ４６とが設けられている。また、レギュレータ４５の下流側およびレギュレータ４４の下流側には、水素供給流路４１における水素ガスの圧力を検出する圧力センサＰ１および圧力センサＰ２がそれぞれ設けられている。

循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４７が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４８及び排気排水弁４９を介して排出流路５０が接続されている。気液分離器４８は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４９は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４８で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４９から排出された水素オフガスは、希釈器５１によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４７のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部５は、圧力センサＰ１のセンサ値が、ガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する。ガス欠判定閾値は、ガス欠であると判定するときの水素ガスの残圧値である。したがって、制御部５は、圧力センサＰ１のセンサ値がガス欠判定閾値以下である場合には、ガス欠であると判定し、ガス欠表示をさせて燃料電池２の出力を停止させる。

制御部５は、ガス欠判定閾値を、電流センサＡにより検出された燃料電池２の出力電流に応じて変更する。具体的には、ガス欠判定閾値を、燃料電池２の出力が停止しているときの基準ガス欠判定閾値から圧力損失により低下する圧力値を減算した値に変更する。燃料電池２の出力が停止するときとしては、例えば、停車時や低負荷走行時、回生ブレーキ中などが該当する。

ガス欠判定閾値を燃料電池２の出力電流に応じて変更させる方法としては、例えば、図２に示すガス欠判定閾値マップを用いる方法がある。図２は、ガス欠判定閾値マップを示す図であり、横軸が燃料電池２の出力電流[Ａ]を示し、縦軸がガス欠判定閾値 [ｋＰａ]を示す。図２に示すガス欠判定閾値マップでは、燃料電池２の出力が停止しているとき、すなわち燃料電池２の出力電流が０Ａであるときの基準ガス欠判定閾値がＰＡに設定されており、燃料電池２の出力電流が増加するほどガス欠判定閾値が低下することが表わされている。すなわち、燃料電池２の出力電流が増大するほど圧力損失ＰＬが大きくなることが表されている。

図２に示すガス欠判定閾値マップは、以下のように作成することができる。まず、燃料電池２の出力電流に対応する圧力損失ＰＬを算出する。続いて、基準ガス欠判定閾値ＰＡから圧力損失ＰＬを減ずることでガス欠判定閾値を算出する。このように、燃料電池２の出力電流ごとに求められるガス欠判定閾値を算出していきグラフ化することで、図２に示すガス欠判定閾値マップを作成することができる。なお、ガス欠判定閾値マップに示される各値は、実験結果等に応じて適宜修正される。

ここで、燃料電池２の出力電流は燃料である水素ガスの流量と比例関係にあり、燃料電池２の出力電流が増大するほど水素ガスの流量が多くなる関係にある。一方、水素ガスの流量と圧力損失は、水素ガスの流量が多いほど圧力損失が大きくなる関係にある。したがって、燃料電池の出力電流が増大するほど、圧力損失が大きくなり、水素供給流路４１における水素ガスの圧力が低下することになる。

制御部５は、ガス欠判定閾値マップを参照して、電流センサＡにより検出された燃料電池２の出力電流に対応するガス欠判定閾値を導出し、圧力センサＰ１のセンサ値がガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する。この判定において、圧力センサＰ１のセンサ値がガス欠判定閾値以下であると判定された場合には、ガス欠表示がなされ燃料電池の出力が停止される。一方、圧力センサＰ１のセンサ値がガス欠判定閾値以下ではないと判定された場合には、燃料電池の出力が継続される。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１、Ｐ２および電流センサＡ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、水素ポンプ４７および排気排水弁４９等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して電流センサＡや圧力センサＰ１での検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１のガス欠判定処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システムのガス欠判定処理について説明する。このガス欠判定処理は、イグニッションキーをＯＮにしてからＯＦＦにするまでの間に繰り返し行われる。

最初に、制御部５が電流センサＡから燃料電池２の出力電流値を受信する（ステップＳ１）と、制御部５は、ガス欠判定閾値マップを参照して、燃料電池２の出力電流値に対応するガス欠判定閾値を導出する（ステップＳ２）。制御部５は、ガス欠判定処理で用いるガス欠判定閾値を、ステップＳ２で導出した値に変更する（ステップＳ３）。

続いて、制御部５が水素供給流路４１における水素ガスの圧力値を圧力センサＰ１から受信する（ステップＳ４）と、制御部５は、受信した圧力値がステップＳ３で変更したガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５）。

この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）に、制御部５は、ガス欠表示をさせて燃料電池の出力を停止させる（ステップＳ６）。一方、ステップＳ５の判定がＮＯである場合（ステップＳ５；ＮＯ）に、制御部５は、燃料電池２の出力を継続させる（ステップＳ７）。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、ガス欠であるか否かを判定する際の判定基準となるガス欠判定閾値を、基準ガス欠判定閾値から圧力損失により低下する水素ガスの圧力分を減算したガス欠判定閾値で変更することができるため、水素タンク４０内に設けられる圧力センサよりも高精度な圧力センサＰ１と、圧力損失を考慮して変更されるガス欠判定閾値とを用いてガス欠判定を行うことができる。これにより、圧力損失を考慮する必要がない水素ガスタンク４０における水素ガスの圧力値を用いてガス欠判定を行った場合と同等の結果を、より高精度に得ることができるため、燃料を無駄なく使い切ることができる。

なお、上述した実施形態においては、ガス欠判定時に、圧力センサＰ１のセンサ値とガス欠判定閾値とを比較しているが、ガス欠判定閾値と比較する値は、これに限定されない。例えば、圧力センサＰ２のセンサ値とガス欠判定閾値とを比較することでガス欠判定を行ってもよい。ここで、圧力センサＰ２は、圧力センサＰ１の上流側に設けられているため、圧力損失が圧力センサＰ１に比べて少なくなる。したがって、圧力センサＰ２を用いた場合のガス欠判定閾値マップは、図２に示す圧力センサＰ１を用いた場合のガス欠判定閾値マップのガス欠判定閾値グラフよりも、圧力損失ＰＬが減少する分だけガス欠判定閾値グラフの傾斜が緩やかになる。すなわち、同じ出力電流である場合に、圧力センサＰ２を用いた場合のガス欠判定閾値は、圧力センサＰ１を用いた場合のガス欠判定閾値よりも基準ガス欠判定閾値ＰＡに近い値となる。

ここで、一般に、圧力センサＰ１の検出精度は、上流側の圧力センサＰ２の検出精度よりも高いため、ガス欠判定時に圧力センサＰ１を用いた方が精度良く判定することができる。したがって、圧力センサＰ２は、圧力センサＰ１に異常が発生した場合等に、予備的に使用することが好ましい。圧力センサＰ１で発生する異常としては、例えば、断線や短絡が該当し、圧力センサＰ１のセンサ値（電圧値）が所定範囲から逸脱した場合に、断線か短絡が発生したと判定することができる。

また、上述した実施形態においては、制御部５がガス欠判定閾値を燃料電池２の出力電流に応じて変更する際に、図２に示すガス欠判定閾値マップを参照しているが、ガス欠判定閾値の変更方法はこれに限定されない。例えば、ガス欠判定時に、その時点における燃料電池２の出力電流に対応する圧力損失を算出し、予め定められた基準ガス欠判定閾値から圧力損失分を減ずることでガス欠判定閾値を算出し、この算出したガス欠判定閾値でガス欠判定処理用のガス欠判定閾値を変更することとしてもよい。

また、上述した実施形態においては、ガス欠判定閾値を、燃料電池２の出力電流に対応させて算出しているが、水素ガスの流量に対応させて算出することとしてもよい。図４は、本変形例における燃料電池システム１を模式的に示した構成図である。図４に示す燃料電池システムが、上述した実施形態における燃料電池システムと異なる点は、インジェクタ４６の上流側に流量計Ｆがさらに設けられている点である。本変形例における制御部５は、ガス欠判定閾値を、流量計Ｆにより検出された水素ガスの流量に応じて変更する。具体的には、ガス欠判定閾値を、燃料電池２の出力が停止しているときの基準ガス欠判定閾値から圧力損失により低下する圧力値を減算した値に変更する。ガス欠判定閾値を水素ガスの流量に応じて変更させる方法としては、例えば、図２に示すガス欠判定閾値マップの横軸を水素ガスの流量に置き換えたガス欠判定閾値マップを用いる方法がある。ここで、水素ガスの流量は燃料電池２の出力電流と比例関係にあるため、上述した実施形態で説明した燃料電池２の出力電流に応じてガス欠判定閾値を変更させる場合と同様に処理することができる。

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 ガス欠判定閾値マップを示す図である。 図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のガス欠判定処理を説明するためのフローチャートである。 変形例における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４、４５…レギュレータ、４６…インジェクタ、４７…水素ポンプ、４８…気液分離器、４９…排気排水弁、５０…排出流路、５１…希釈器、Ａ…電流センサ、Ｐ１、Ｐ２…圧力センサ、Ｆ…流量計。

Claims (3)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記反応ガスのうちの燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料供給流路における前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサにより検出された前記燃料ガスの圧力が、燃料供給源に貯留されている前記燃料ガスがガス欠であると判定するときの燃料ガスの残圧値であるガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する判定手段と、
   前記燃料電池の出力が停止しているときの基準ガス欠判定閾値から、前記燃料供給流路における前記燃料ガスの圧力損失により低下する前記燃料ガスの圧力分である圧力損失値を減算した値に、前記ガス欠判定閾値を変更する変更手段と、を備え、
   前記圧力損失値は、前記燃料電池の出力電流または前記燃料供給流路に流れる前記燃料ガスの流量が、増えるほど大きくなり、
   前記判定手段は、前記燃料ガスの圧力が前記ガス欠判定閾値以下である場合に、ガス欠であると判定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサをさらに備え、
   前記変更手段は、前記電流センサにより検出された前記燃料電池の出力電流に応じて算出した前記圧力損失値を用いて、前記ガス欠判定閾値を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料供給流路に流れる前記燃料ガスの流量を検出する流量センサをさらに備え、
   前記変更手段は、前記流量センサにより検出された前記燃料ガスの流量に応じて算出した前記圧力損失値を用いて、前記ガス欠判定閾値を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

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