JP6313352B2 - 燃料電池システムの検査方法及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
それぞれが前記燃料ガスを貯蔵するメインタンク及びサブタンクから構成され、前記サブタンクの容量は、前記メインタンク及び前記サブタンクの総容量の30%以下の容量である燃料ガスタンク群と、
前記メインタンク及び前記サブタンクが並列に接続されると共に、前記メインタンク及び前記サブタンクからの前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給経路と、
前記メインタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第1開閉弁と、
前記サブタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第2開閉弁と、
前記第2開閉弁よりも前記燃料電池側において前記供給経路に設けられて前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁の開状態及び閉状態を制御する開閉弁制御装置と
を含む燃料電池システムの検査方法であって、
前記第2開閉弁の固着を検出する固着検出装置を設け、
前記固着検出装置は、前記開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する両開閉弁開状態の後、前記開閉弁制御装置からのオフ信号に応じて前記第1開閉弁が閉じ且つ前記開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する第2開閉弁開状態における前記圧力センサの検出値の変化によって前記第2開閉弁の固着を検出する
ことを特徴とする。
前記第1開閉弁に接続されるメインタンク側分岐路と、
前記第2開閉弁に接続されるサブタンク側分岐路と、
前記メインタンク側分岐路及び前記サブタンク側分岐路の合流点から前記燃料電池側に延在する合流経路と
を有してもよい。
燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
それぞれが前記燃料ガスを貯蔵するメインタンク及びサブタンクから構成され、前記サブタンクの容量は、前記メインタンク及び前記サブタンクの総容量の30%以下の容量である燃料ガスタンク群と、
前記メインタンク及び前記サブタンクが並列に接続されると共に、前記メインタンク及び前記サブタンクからの前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給経路と、
前記メインタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第1開閉弁と、
前記サブタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第2開閉弁と、
前記第2開閉弁よりも前記燃料電池側において前記供給経路に設けられて前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと
を備えるものであって、
開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する両開閉弁開状態の後、前記開閉弁制御装置からのオフ信号に応じて前記第1開閉弁が閉じ且つ前記開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する第2開閉弁開状態における前記圧力センサの検出値の変化によって前記第2開閉弁の固着を検出する固着検出装置をさらに備える
ことを特徴とする。
<A−1.構成>
[A−1−1.全体構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10(以下「FCシステム10」という。)の概略全体構成図である。図1に示すように、FCシステム10は、燃料電池ユニット14(以下「FCユニット14」ともいう。)を備える燃料電池車両12(以下「FC車両12」又は「車両12」という。)と、外部診断機16とを有する。FC車両12は、燃料電池ユニット14に加え、走行モータ、高電圧バッテリ(いずれも図示せず)、表示部18、表示電子制御装置20(以下「表示ECU20」という。)等を有する。
FCスタック30は、アノード系32から供給される燃料ガス(水素)と、カソード系から供給される酸化剤ガス(空気)とを用いて発電を行う。例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル(以下「FCセル」という。)を積層した構造を有する。
(A−1−3−1.アノード系32の概要)
上記のように、アノード系32は、FCスタック30のアノードに対して燃料ガス(水素)を供給する。アノード系32は、燃料ガスタンク群40、第1電磁弁42、第2電磁弁44、供給経路46、充填口48、レギュレータ50、遮断弁52、インジェクタ54、ガスポンプ56(水素ポンプ)、パージ弁58、キャッチタンク60、ドレイン弁62及び圧力センサ64を有する。
燃料ガスタンク群40は、それぞれが燃料ガスを貯蔵するメインタンク80及びサブタンク82を有する。メインタンク80の容量L1[m3]とサブタンク82の容量L2を足した容量をFCシステム10の総容量Ltとするとき、メインタンク80の容量L1は総容量Ltの70%を上回り、サブタンク82の容量L2は総容量Ltの30%以下である。
第1電磁弁42(第1開閉弁)は、ECU34からの制御信号(駆動信号S1)に基づいてメインタンク80からの燃料ガスの供給及び遮断を行う。本実施形態の第1電磁弁42は、メインタンク80の内部に配置されたインタンク電磁弁である。同様に、第2電磁弁44(第2開閉弁)は、ECU34からの制御信号(駆動信号S2)に基づいてサブタンク82からの燃料ガスの供給及び遮断を行う。本実施形態の第2電磁弁44は、サブタンク82の内部に配置されたインタンク電磁弁である。
供給経路46は、メインタンク80及びサブタンク82からの燃料ガスを燃料電池30に供給する。供給経路46は、メインタンク側分岐路90、サブタンク側分岐路92、合流経路94及び充填口分岐路96を含む。メインタンク側分岐路90は、第1電磁弁42に接続され、サブタンク側分岐路92は第2電磁弁44に接続される。合流経路94は、メインタンク側分岐路90及びサブタンク側分岐路92の合流点100から燃料電池30側に延在する。充填口分岐路96は、充填口48と合流経路94とを接続する。メインタンク側分岐路90及びサブタンク側分岐路92を設けることで、メインタンク80及びサブタンク82は、供給経路46に対して並列に接続される。
レギュレータ50は、メインタンク80及びサブタンク82の少なくとも一方から供給される燃料ガスの圧力を所定値まで減圧して燃料電池30側に供給する。すなわち、レギュレータ50は、図示しない配管を介して入力されるカソード側の空気の圧力(パイロット圧)に応じて、下流側の圧力(アノード側の水素の圧力)を制御する。従って、アノード側の燃料ガスの圧力は、カソード側の空気の圧力に連動し、酸素濃度を変化させるべくカソード系のエアポンプ(図示せず)の回転数等を変化させると、アノード側の燃料ガスの圧力も変化する。
圧力センサ64は、第2電磁弁44よりも燃料電池30側において供給経路46に設けられて燃料ガスの圧力P(以下「検出値P」、「圧力検出値P」又は「アノード側圧力P」ともいう。)を検出してECU34に出力する。本実施形態において、圧力センサ64は、メインタンク側分岐路90及びサブタンク側分岐路92の合流点100とレギュレータ50の間に配置される。
(A−1−4−1.FC ECU34の概要)
FC ECU34(固着検出装置)は、FCユニット14全体を制御する。例えば、ECU34は、図示しない統合電子制御装置(統合ECU)からのFC出力指令に基づいてFC30の出力を制御する。また、ECU34は、第2電磁弁44の固着を検出する電磁弁固着検出制御(以下「固着検出制御」ともいう。)を実行する。固着検出制御については図3及び図4を参照して後述する。
演算部112は、充填量算出部130と、弁制御部132(開閉弁制御装置)と、ポンプ制御部134と、電磁弁固着検出部136とを備える。
表示部18は、表示ECU20からの指令に基づいて所定の表示を行う。本実施形態における所定の表示としては、第2電磁弁44における固着の有無に関する情報と、燃料ガスタンク群40の総充填量Qtに関する情報とを含む。車両12の燃費に関する情報を含んでもよい。表示部18として、例えば、メータ表示部、ナビゲーション装置用モニタ又はヘッドアップディスプレイを用いることができる。表示ECU20は、FC ECU34からの指令に基づいて表示部18に所定の表示を行わせる。
外部診断機16は、ECU34に対して固着検出制御の実行を指令し、ECU34から実行結果を受信する。図1に示すように、外部診断機16は、入出力部150と、演算部152と、記憶部154と、表示部156とをハードウェアとして有する。
[A−2−1.電磁弁固着検出制御の検出原理]
図2は、本実施形態の電磁弁固着検出制御の検出原理を説明するための図である。図2の縦軸では、燃料電池30の出力電流Ifc(以下「FC電流Ifc」ともいう。)[A]と、圧力センサ64が検出したアノード側圧力Pとが示されている。図2の横軸は時間である。
図3は、本実施形態の電磁弁固着検出制御のフローチャートである。図4は、本実施形態の電磁弁固着検出制御におけるタイムチャートである。固着検出制御は、外部診断機16が車両12に接続された状態において、外部診断機16からの指令に基づいてECU34が実行する。或いは、車両12の走行中又は停車中における所定のタイミングにおいて、ECU34が実行してもよい。
以上説明したように、本実施形態によれば、両電磁弁開状態(両開閉弁開状態)後の第2電磁弁開状態(第2開閉弁開状態)における圧力センサ64の検出値Pの変化によって第2電磁弁44の固着を検出する(図3及び図4)。また、圧力センサ64は、サブタンク82用の第2電磁弁44よりも燃料電池30側に設けられる(図1)。このため、例えば、メインタンク80及びサブタンク82両方からの供給圧力(合計圧力)を検出する圧力センサ64の検出値Pを、サブタンク82用第2電磁弁44における固着の検出にも利用可能となる。従って、例えば、サブタンク82内の圧力を検出する別の圧力センサを省略することが可能となり、車体重量増による燃費低下又はコスト増加を防止することが可能となる。
第1電磁弁42に接続されるメインタンク側分岐路90と、
第2電磁弁44に接続されるサブタンク側分岐路92と、
メインタンク側分岐路90及びサブタンク側分岐路92の合流点100から燃料電池30側に延在する合流経路94と
を有する(図1)。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記実施形態では、FCシステム10をFC車両12に適用したが、これに限らず、例えば、少なくとも2つの燃料ガスタンク(メインタンク80及びサブタンク82の組み合わせ等)を備える別の対象に搭載してもよい。例えば、FCシステム10を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。
[B−2−1.第1電磁弁42及び第2電磁弁44]
上記実施形態では、第1電磁弁42をインタンク電磁弁とした(図1)。しかしながら、例えば、メインタンク80からの燃料ガスの供給及び遮断を行う観点からすれば、これに限らない。例えば、第1電磁弁42をメインタンク側分岐路90に設けることも可能である。同様に、例えば、第2電磁弁44をサブタンク側分岐路92に設けることも可能である。
上記実施形態では、メインタンク側分岐路90及びサブタンク側分岐路92の合流点100から燃料電池30側に延在する合流経路94に圧力センサ64を配置した(図1)。しかしながら、例えば、メインタンク80及びサブタンク82からの燃料ガスの圧力Pを検出する観点からすれば、これに限らない。換言すると、サブタンク82を基準として第2電磁弁44よりも燃料電池30側であれば、これに限らない。例えば、メインタンク側分岐路90又はサブタンク側分岐路92に圧力センサ64を設けてもよい。
上記実施形態では、合流経路94に設けた圧力センサ64の検出値Pのみを用いて第2電磁弁44の固着を検出した(図3及び図4)。しかしながら、例えば、フェールセーフの観点からすれば、これに限らない。第2電磁弁44よりもサブタンク82側(サブタンク82内を含む。)に別の圧力センサ(第2圧力センサ)を設け、圧力センサ64に加え当該第2圧力センサの検出値も用いて第2電磁弁44の固着を検出してもよい。
34…FC ECU(固着検出装置) 40…燃料ガスタンク群
46…供給経路 42…第1電磁弁(第1開閉弁)
44…第2電磁弁(第2開閉弁) 50…レギュレータ
64…圧力センサ 80…メインタンク
82…サブタンク 90…メインタンク側分岐路
92…サブタンク側分岐路 94…合流経路
100…合流点 132…弁制御部(開閉弁制御装置)
L1…メインタンクの容量 L2…サブタンクの容量
Lt…総容量 P…圧力センサの検出値
Claims (4)
- 燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
それぞれが前記燃料ガスを貯蔵するメインタンク及びサブタンクから構成され、前記サブタンクの容量は、前記メインタンク及び前記サブタンクの総容量の30%以下の容量である燃料ガスタンク群と、
前記メインタンク及び前記サブタンクが並列に接続されると共に、前記メインタンク及び前記サブタンクからの前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給経路と、
前記メインタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第1開閉弁と、
前記サブタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第2開閉弁と、
前記第2開閉弁よりも前記燃料電池側において前記供給経路に設けられて前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁の開状態及び閉状態を制御する開閉弁制御装置と
を含む燃料電池システムの検査方法であって、
前記第2開閉弁の固着を検出する固着検出装置を設け、
前記固着検出装置は、前記開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する両開閉弁開状態の後、前記開閉弁制御装置からのオフ信号に応じて前記第1開閉弁が閉じ且つ前記開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する第2開閉弁開状態における前記圧力センサの検出値の変化によって前記第2開閉弁の固着を検出する
ことを特徴とする検査方法。 - 請求項1に記載の検査方法において、
前記燃料電池システムは、前記両開閉弁開状態の間、前記燃料電池の内部に残留している前記燃料ガス及び水を廃棄する
ことを特徴とする検査方法。 - 請求項1又は2に記載の検査方法において、
前記供給経路は、
前記第1開閉弁に接続されるメインタンク側分岐路と、
前記第2開閉弁に接続されるサブタンク側分岐路と、
前記メインタンク側分岐路及び前記サブタンク側分岐路の合流点から前記燃料電池側に延在する合流経路と
を有し、
前記メインタンク及び前記サブタンクの少なくとも一方から供給される前記燃料ガスの圧力を減圧して前記燃料電池側に供給するレギュレータが前記合流経路上に設けられ、
前記圧力センサは、前記メインタンク側分岐路及び前記サブタンク側分岐路の合流点と前記レギュレータの間に配置される
ことを特徴とする検査方法。 - 燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
それぞれが前記燃料ガスを貯蔵するメインタンク及びサブタンクから構成され、前記サブタンクの容量は、前記メインタンク及び前記サブタンクの総容量の30%以下の容量である燃料ガスタンク群と、
前記メインタンク及び前記サブタンクが並列に接続されると共に、前記メインタンク及び前記サブタンクからの前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給経路と、
前記メインタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第1開閉弁と、
前記サブタンクからの前記燃料ガスの供給及び遮断を行う第2開閉弁と、
前記第2開閉弁よりも前記燃料電池側において前記供給経路に設けられて前記燃料ガスの圧力を検出する圧力センサと
を備える燃料電池システムであって、
開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第1開閉弁及び前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する両開閉弁開状態の後、前記開閉弁制御装置からのオフ信号に応じて前記第1開閉弁が閉じ且つ前記開閉弁制御装置からのオン信号に応じて前記第2開閉弁が開いて前記燃料電池が発電する第2開閉弁開状態における前記圧力センサの検出値の変化によって前記第2開閉弁の固着を検出する固着検出装置をさらに備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
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