JP6922765B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。
特許文献1に、燃料電池システムが開示されている。その燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、調圧弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、圧力センサと、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気(酸素)を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。調圧弁は、燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開く。圧力センサは、空気供給流路に設けられている。コントローラは、圧力センサの計測値が目標空気圧に一致するように、調圧弁とコンプレッサの一方を制御する。
特開2017−126540号公報
本明細書が開示する技術は、バイパス弁を、空気供給流路の圧力を推定するセンサとして活用する技術を提供する。
本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、調圧弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、開度センサと、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。調圧弁は、燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開くように構成されている。開度センサは、バイパス弁の開度を計測する。コントローラは、バイパス弁の開度に基づいて空気供給流路の圧力を推定する。
推定された圧力は、空気供給流路の圧力調整に用いられたり、別途備えられている圧力センサの異常検知に用いることができる。前者の場合、コントローラは、推定された圧力に基づいて、コンプレッサと調圧弁の少なくとも一方を制御する。コントローラは、推定された圧力が目標空気圧に一致するように、コンプレッサと調圧弁の少なくとも一方を制御する。後者の場合は、コントローラは、空気供給流路に備えられた圧力センサの計測値と推定された圧力の差が所定の圧力差閾値を超えていた場合、異常を通知する信号を出力する。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
第1実施例の燃料電池システムのブロック図である。 バイパス弁の一例を示す模式的構造図である。 第1実施例のシステムのコントローラが実行する空気圧調整処理のフローチャートである。 第2実施例の燃料電池システムのブロック図である。
(第1実施例)図面を参照して第1実施例の燃料電池システム2を説明する。図1に、燃料電池システム2のブロック図を示す。燃料電池システム2は、燃料電池スタック30にて水素と酸素の電気化学反応により電気を生成する発電システムである。図1における破線は信号線を表している。
燃料電池システム2は、走行用のモータを有する自動車に搭載されている。自動車は、燃料電池システム2で発電した電力でモータを駆動し、走行する。
実施例の燃料電池スタック30は、セルと呼ばれる多数の発電単位を直列に接続したものである。燃料電池スタック30は、燃料極(アノード)に水素が供給され、空気極(カソード)に酸素(空気)が供給されると発電する。
水素は、水素タンク31から水素供給流路32を通じて燃料電池スタック30の燃料極に送られる。水素供給流路32には、主止弁33とインジェクタ34と圧力センサ35が備えられている。主止弁33は、水素タンク31の口を開いたり閉じたりする弁である。インジェクタ34は、燃料電池スタック30に供給する水素ガス(燃料ガス)の供給量を調整する弁である。反応で残った残留水素ガスは、水素排出流路36を通じて燃料電池スタック30から排出される。水素排出流路36は後述する排出流路10に合流している。水素排出流路36には、排出弁11が備えられている。圧力センサ35は、水素供給流路32において、インジェクタ34の下流側に設けられている。圧力センサ35が計測する圧力は、インジェクタ34の下流側の圧力、即ち、燃料電池スタック30の燃料極へ供給される水素の圧力である。
水素ガスとの反応には、空気に含まれている酸素が用いられる。空気取り入れ口5から取り込んだ空気は、コンプレッサ4で圧縮され、空気供給流路6を通じて燃料電池スタック30の空気極に供給される。水素との反応で残った残留空気は、排出流路10を通じて大気へ排出される。排出流路10の途中には調圧弁9が備えられている。排出流路10の下流にはマフラ12が接続されている。
空気供給流路6の途中にバイパス流路8が接続されている。バイパス流路8は、空気供給流路6の途中から分岐し、排出流路10に接続している。バイパス流路8は、コンプレッサ4が圧縮した空気を、燃料電池スタック30を通さずに排出流路10へ導く。バイパス流路8の途中にバイパス弁20が備えられている。また、バイパス弁20には、弁の開度を検出する開度センサ7が備えられている。
コンプレッサ4、主止弁33、インジェクタ34、調圧弁9、排出弁11、バイパス弁20は、コントローラ3によって制御される。コントローラ3は、燃料電池スタック30の目標出力から水素ガスの圧力(目標水素圧)を決定する。コントローラ3は、燃料電池システム2のメインスイッチが入れられると、主止弁33を開き、燃料電池スタック30への水素ガスの供給を開始する。コントローラ3は、燃料電池スタック30に供給される水素ガスの圧力が、決定した目標水素圧に一致するようにインジェクタ34を制御する。コントローラ3は、インジェクタ34の下流に設けられている圧力センサ35の計測値をフィードバックし、燃料電池スタック30に供給される水素ガスの圧力が、目標水素圧に一致するようにインジェクタ34を制御する。
また、コントローラ3は、燃料電池スタック30の内部での水素ガスと空気の圧力が等しくなるように、燃料電池スタック30に供給する空気の圧力(目標空気圧)を決定する。水素ガスの圧力と空気の圧力に差があると、燃料電池スタック30の劣化が進んでしまうからである。コントローラ3は、燃料電池スタック30に供給される空気圧(即ち、空気供給流路6の圧力)が目標空気圧に一致するように、コンプレッサ4と調圧弁9の少なくとも一方を制御する。なお、空気圧の調整については後述する。
反応で残った空気は排出流路10とマフラ12を通じて大気に放出される。コントローラ3は、排出弁11を制御し、反応で残った水素ガスを適度な割合で排出流路10に流し、残留空気と混合し、マフラ12を通じて排出する。
バイパス弁20を備えるバイパス流路8には、2つの役割がある。ひとつは、燃料電池スタック30を停止した後、高圧空気を、燃料電池スタック30を通さずにマフラ12に送り、マフラ12に残った水分を排出することである。もうひとつは、空気供給流路6の内圧が過度に高くなったときに内圧を下げるリリーフ弁としての役割である。
さらに、本実施例の燃料電池システム2では、バイパス弁20を圧力センサとしても利用する。バイパス弁20の上流は空気供給流路6につながっており、バイパス弁20の上流側の圧力は空気供給流路6の圧力に等しい。燃料電池システム2では、バイパス弁20の開度から、空気供給流路6の圧力を推定し、燃料電池スタック30へ供給する空気の圧力調整に用いる。
図2に、バイパス弁20の一例の模式的構造を示す。バイパス弁20は、上流28の側の圧力(上流圧)が設定圧を超えると弁21が開くようになっている。弁21の回転軸にはモータ22が取り付けられている。また、弁21にはバネ23が取り付けられている。バネ23は、弁21をストッパ24に向けて付勢する。弁21がストッパ24に押し当てられた状態が、弁21が閉じている状態である。モータ22は、弁21に対して、開弁方向のトルクを加える。バネ23が弁21に加えるトルク(バネトルク)から、モータ22が弁21に加えるトルク(モータトルク)を差し引いたトルクが、弁21を閉状態に保持する保持トルクに相当する。上流圧が保持トルクを上回ると、弁21が開く。即ち、保持トルクが、バイパス弁20の設定圧に相当する。モータトルクを調整することで、バイパス弁20の設定圧を変更することができる。即ち、バイパス弁20は、上流28の側の圧力が設定圧を超えると開く弁であり、その設定圧が変更可能である。
バイパス弁20は、上流圧が設定圧を超えているとき、上流圧が大きくなるにつれて弁21の開度が大きくなるように構成されている。バイパス弁20には、弁21の開度を計測する開度センサ7が付随しており、開度センサ7が計測した開度はコントローラ3に送られる。コントローラ3は、バイパス弁20の開度から、空気供給流路6の圧力を推定することができる。
コントローラ3は、バイパス弁20の弁21の開度から推定した圧力(空気供給流路6の圧力)に基づいて、コンプレッサ4を制御する。次に、コントローラ3が実行する空気圧の調整処理を説明する。
図3に、空気圧調整処理のフローチャートを示す。先に述べたように、コントローラ3は、目標発電量から、燃料電池スタック30に供給する水素の圧力(目標水素圧)を決定する(ステップS3)。そして、コントローラ3は、燃料電池スタック30の内部での空気圧が目標水素圧に等しくなるように、供給する空気の圧力(目標空気圧)を決定する(ステップS4)。目標空気圧が、空気供給流路6の圧力の目標値に相当する。
コントローラ3は、バイパス弁20の設定圧として、目標空気圧から所定のマージンを引いた値を決定する(ステップS5)。そして、決定した設定圧を超えるとバイパス弁20が開くように、バイパス弁20のモータ22を制御する。
先に述べたように、バイパス弁20は、上流側の圧力(上流圧)が設定圧を超えている場合、上流圧の大きさに応じて弁21の開度が変化する。上流圧が大きいほど、弁21の開度は大きくなる。即ち、弁21の開度と上流圧の間には正の相関が成立する。別言すれば、弁21の開度は上流圧の推定値と等価である。コントローラ3は、弁21の目標開度Atを決定する(ステップS6)。目標開度Atは、目標空気圧に等価な開度である。
コントローラ3は、開度センサ7からバイパス弁20の開度Asを取得する(ステップS7)。そして、取得した開度Asを目標開度Atと比較する(ステップS8)。取得した開度Asがゼロの場合(即ち、バイパス弁20が全閉状態の場合)、空気供給流路6の圧力はまだ目標空気圧に達していないので、コントローラ3は、コンプレッサ4の出力を上げる(ステップS9)。
コントローラ3は、図3の処理を繰り返し実行する。繰り返されるステップS8の処理において、開度センサ7から取得した開度Asが目標開度Atを超えている場合がある。その場合、空気供給流路6の圧力が目標空気圧を超えていることになるので、コントローラ3は、コンプレッサ4の出力を下げる(ステップS10)。コントローラ3は、開度Asがゼロより大きく、目標開度At以下である場合、空気供給流路6の圧力が目標空気圧にほぼ等しいとして、コンプレッサ4の出力を維持する。図3の処理を繰り返すうち、空気供給流路6の圧力は目標空気圧にほぼ等しくなる。
先に述べたように、バイパス弁20の開度Asは、バイパス弁20の上流側の圧力(即ち空気供給流路6の圧力)と正の相関がある。開度Asがゼロの場合は空気供給流路6の圧力が目標開度Atに対応する圧力よりも低いことを意味する。開度Asが目標開度Atを超えている場合は、空気供給流路6の圧力が目標開度Atに対応する圧力を超えていることを意味する。開度Asがゼロよりも大きく、目標開度At以下の場合は、空気供給流路6の圧力が目標開度Atに対応する圧力と等しいか、わずかに低いことを意味する。即ち、ステップS7において取得した開度Asを目標開度Atと比較することは、空気供給流路6の圧力を推定していることと等価である。燃料電池システム2は、バイパス弁20の開度から空気供給流路6の圧力を推定し、その推定値に基づいてコンプレッサ4を制御する。
なお、排出流路10に設けられた調圧弁9によっても、空気供給流路6の圧力を調整することができる。それゆえ、図3のステップS9、S10の処理において、制御対象をコンプレッサ4から調圧弁9に代えてもよい。コントローラ3は、開度Asがゼロの場合、調圧弁9を絞る。コントローラ3は、開度Asが目標開度Atを超えている場合、調圧弁9の開度を大きくする。あるいは、コントローラ3は、コンプレッサ4と調圧弁9の両方を用いて空気供給流路6の圧力を調整してもよい。
(第2実施例)図4に、第2実施例の燃料電池システム2aのブロック図を示す。第2実施例の燃料電池システム2aは、空気供給流路6に圧力センサ13を備えていることと、コントローラ3に表示装置14が接続されている点が、第1実施例の燃料電池システム2と異なる。その他の構成は第1実施例の燃料電池システム2と同じである。ただし、コントローラ3は実行する処理は異なる。
燃料電池システム2aは、空気供給流路6に圧力センサ13を備えているので、空気供給流路6の圧力調整には、圧力センサ13の計測値を用いる。バイパス弁20によって推定された圧力は、圧力センサ13のチェックに用いる。コントローラ3は、バイパス弁20が開いたとき、バイパス弁の開度Asから、バイパス弁20の上流側の圧力(即ち、空気供給流路6の圧力)を推定する。コントローラ3は、推定した圧力値と圧力センサ13の計測値を比較する。推定した圧力値と計測値の差が所定の圧力差閾値を超えていた場合、コントローラ3は、圧力センサ13の異常を通知する信号を表示装置14に出力する。信号を受けた表示装置14は、圧力センサ13で異常が発生したことを知らせるメッセージを表示する。なお、「推定した圧力値と計測値の差」とは、「推定した圧力値と計測値の差の絶対値」を意味する。
第2実施例の燃料電池システム2aは、バイパス弁20を使って圧力センサ13の異常を検知することができる。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。バイパス弁20は、設定値を超える圧力が加わったときに弁が開く。バイパス弁20は、上流側の圧力が高いほど大きく開く。即ち、バイパス弁20の開度は、上流側の圧力と正の相関がある。燃料電池システム2(2a)は、その相関を用いて空気供給流路6の圧力を推定する。
図2で示した構造は、バイパス弁20の一例である。バイパス弁20の構造は、図2の構造に限られるものではない。バイパス弁20は、設定値を超える圧力が加わったときに、上流側の圧力と開度の間に正の相関を有する構造であればよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2、2a:燃料電池システム
3:コントローラ
4:コンプレッサ
5:空気取り入れ口
6:空気供給流路
7:開度センサ
8:バイパス流路
9:調圧弁
10:排出流路
11:排出弁
12:マフラ
13:圧力センサ
14:表示装置
20:バイパス弁
21:弁
22:モータ
23:バネ
24:ストッパ
28:上流
30:燃料電池スタック
31:水素タンク
32:水素供給流路
33:主止弁
34:インジェクタ
35:圧力センサ
36:水素排出流路

Claims (3)

  1. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに空気を送るコンプレッサと、
    前記コンプレッサが吐出した空気を前記燃料電池スタックへ導く空気供給流路と、
    前記燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている調圧弁と、
    前記空気供給流路の途中から分岐しており、前記コンプレッサが吐出した空気を、前記燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導くバイパス流路と、
    前記バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開くバイパス弁と、
    前記バイパス弁の開度を計測する開度センサと、
    前記バイパス弁の開度に基づいて、前記空気供給流路の圧力を推定するコントローラと、を備えている、燃料電池システム。
  2. 前記コントローラは、推定された圧力に基づいて、前記コンプレッサと前記調圧弁の少なくとも一方を制御する、請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記空気供給流路内の圧力を計測する圧力センサをさらに備えており、
    前記コントローラは、推定された圧力と前記圧力センサの計測値の差が所定の圧力差閾値を超えていた場合、異常を通知する信号を出力する、請求項1に記載の燃料電池システム。
JP2018014101A 2018-01-30 2018-01-30 燃料電池システム Active JP6922765B2 (ja)

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