(57)【要約】【課題】中圧系の圧力を測定する第１の圧力測定器の異常と、圧力制御弁の異常との判別を可能にする。【解決手段】制御部は、第１の圧力測定器の測定値が予め定められた基準範囲を外れ、第２の圧力測定器および燃料ガス供給装置が正常に作動している場合に、前記第２の圧力測定器により測定された測定圧力値と、前記低圧系の推定圧力値とを用いて、前記第１の圧力測定器と前記圧力制御弁のいずれが異常であるかを判定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管であって、前記燃料電池側へ向かって、高圧系、中圧系および低圧系に区画している燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管における、前記高圧系と前記中圧系の間に配置されている圧力制御弁と、
前記燃料ガス供給管における、前記中圧系と前記低圧系の間に配置されている燃料ガス供給装置と、
前記燃料ガス供給管の前記中圧系の圧力を測定する第１の圧力測定器と、
前記燃料ガス供給管の前記低圧系の圧力を測定する第２の圧力測定器と、
前記第１の圧力測定器の測定値が予め定められた基準範囲を外れ、前記第２の圧力測定器および前記燃料ガス供給装置が正常に作動している場合に、前記第２の圧力測定器により測定された測定圧力値と、前記低圧系の推定圧力値とを用いて、前記第１の圧力測定器と前記圧力制御弁のいずれが異常であるかを判定する制御部と、を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、１次圧センサ、２次圧センサおよび３次圧センサによって検出された圧力値を用いて、中圧リリーフ弁や燃料噴射弁といった各種弁の故障を検出する故障検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０６２９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の技術においては、１次圧センサ、２次圧センサおよび３次圧センサが正常であることが前提とされており、例えば、中圧リリーフ弁とインジェクタの間の２次圧センサに異常が発生している場合には、異常の原因が２次圧センサにあるのか中圧リリーフ弁にあるのかを判別することができない。
【０００５】
したがって、中圧系の圧力測定器と圧力制御弁の異常を判別することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管であって、前記燃料電池側へ向かって、高圧系、中圧系および低圧系に区画している燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管における、前記高圧系と前記中圧系の間に配置されている圧力制御弁と、前記燃料ガス供給管における、前記中圧系と前記低圧系の間に配置されている燃料ガス供給装置と、前記燃料ガス供給管の前記中圧系の圧力を測定する第１の圧力測定器と、前記燃料ガス供給管の前記低圧系の圧力を測定する第２の圧力測定器と、前記第１の圧力測定器の測定値が予め定められた基準範囲を外れ、前記第２の圧力測定器および前記燃料ガス供給装置が正常に作動している場合に、前記第２の圧力測定器により測定された測定圧力値と、前記低圧系の推定圧力値とを用いて、前記第１の圧力測定器と前記圧力制御弁のいずれが異常であるかを判定する制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、第２の圧力測定器により測定された測定圧力値と、低圧系の推定圧力値とを用いて、第１の圧力測定器又は圧力制御弁のいずれが異常であるかの判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】中圧系の圧力測定器の異常判定処理を示すフローチャート。
【図３】低圧系特性が正常である場合の中圧系の圧力測定器の異常判定処理を示すフローチャート。
【図４】低圧系特性の異常判定処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
第１実施形態：
［燃料電池システムの構成］
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動用電動機を駆動するための電力を出力する。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス系３０と、アノードガス系５０と、を備える。
【００１０】
燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有する（図示せず）。各単セルは、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極が配置されている発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレーター（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を含有する湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。
【００１１】
カソードガス系３０は、燃料電池２０のカソード側にカソードガスを供給する供給部と、燃料電池２０のカソード側から排出される排水およびカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する排出部と、を有する。
【００１２】
アノードガス系５０は、燃料電池２０のアノード側にアノードガスを供給する供給部と、燃料電池２０のアノード側から排出されるアノード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出し、アノードオフガスを燃料電池システム１００において循環させる排出循環部と、を有する。アノードガス系５０の供給部は、燃料ガス供給管５１と、水素タンク５２と、圧力制御弁５４と、第１の圧力測定器５５と、燃料ガス供給装置５６と、第２の圧力測定器５７とを備える。水素タンク５２には、燃料電池２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、燃料ガス供給管５１を介して燃料電池２０の燃料ガス供給口に接続されている。
【００１３】
燃料ガス供給管５１は、燃料電池２０側へ向かって、高圧系、中圧系および低圧系に区画されている。燃料ガス供給管５１には、圧力制御弁５４と、第１の圧力測定器５５と、燃料ガス供給装置５６と、第２の圧力測定器５７とが、この順序で、上流側、すなわち、水素タンク５２側から燃料電池２０側へ向かって配置されている。なお、第１の圧力測定器５５は中圧圧力系の中圧圧力測定器、第２の圧力測定器５７は低圧圧力系の低圧圧力測定器ともいう。燃料ガス供給管５１において、水素タンク５２および圧力制御弁５４によって高圧圧力系が規定され、圧力制御弁５４および燃料ガス供給装置５６によって中圧圧力系が規定され、燃料ガス供給装置５６および燃料電池２０によって低圧圧力系が規定される。
【００１４】
圧力制御弁５４は、燃料ガス供給装置５６の上流側における水素の圧力を予め定められた圧力、すなわち中圧圧力系として所望の圧力に調整するための機械式の減圧弁である。
【００１５】
燃料ガス供給装置５６は、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成されている。本実施形態においては、燃料ガス供給装置５６として、３本のインジェクタが並列配置され、各インジェクタの作動状態を用いて、いずれか１本のインジェクタに異常が発生しているか否かを自己診断できる構成を備えている。なお、燃料ガス供給装置５６は、インジェクタの数が３本に限られず、１本、２本または４本以上であってもよい。自己診断を実行するためには２本以上が望ましいが、正常なインジェクタの判断をするためには、３本以上が望ましい。
【００１６】
第１の圧力測定器５５は、圧力制御弁５４の下流側であって燃料ガス供給装置５６の上流側の水素の圧力、すなわち、中圧圧力系の圧力を計測する。
【００１７】
第２の圧力測定器５７は、燃料ガス供給装置５６の下流側の水素の圧力、すなわち、低圧圧力系の圧力を計測する。
【００１８】
アノードガス系５０の排出循環部は、アノード排ガス配管６１と、燃料ガス循環管６３と、水素循環ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排気排水弁６６と、を備える。
【００１９】
燃料ガス循環管６３の一端は水素循環ポンプ６４に接続され、他端は燃料ガス供給装置５６より下流の位置にて燃料ガス供給管５１に接続されている。燃料ガス供給管５１に送出されたアノード排ガスは、水素タンク５２からの燃料ガスと共に燃料電池２０に投入される。
【００２０】
アノード排水配管６５には排気排水弁６６が設けられている。排気排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排気排水弁６６を閉じておき、予め定められた排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排気排水弁６６を開く。
【００２１】
制御部１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部１０は、主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池２０に出力要求に応じた電力を発電させるための燃料電池２０の運転制御を実行する。例えば、制御部１０は、燃料ガス供給装置５６、排気排水弁６６と制御信号線で接続されており、開閉弁信号を送る。また、制御部１０は、水素循環ポンプ６４と制御信号線で接続されており、水素循環ポンプ６４の駆動信号を送る。さらに、制御部１０は、第１の圧力測定器５５、第２の圧力測定器５７と制御信号線で接続されており、第１の圧力測定器５５および第２の圧力測定器５７から測定値を取得する。また、本実施形態において、制御部１０は、中圧圧力系における異常判定を実行する。
【００２２】
図２は、中圧圧力系における異常判定処理を示すフローチャートである。制御部１０は、第１の圧力測定器５５から測定圧力値を取得し、取得した測定圧力値が予め定められた基準範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。基準範囲は、中圧圧力系として予め定められている圧力範囲であり、制御部１０は、取得した圧力値がこの範囲から外れると異常であると判定する。制御部１０は、取得した圧力値が基準範囲内である場合（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、中圧系の圧力値は正常であると判定し、本処理ルーチンを終了する。
【００２３】
制御部１０は、測定圧力値が基準範囲を外れる場合（ステップＳ１００：Ｎｏ）、低圧系の特性が正常であるとの判定処理が完了しているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。低圧系の特性とは、低圧圧力系が示す圧力挙動を意味し、低圧系の圧力測定器の特性、排気排水弁の流量特性といった低圧系に配置されている各種機器の動作を意味する。低圧系の特性が正常かどうかを判定するのは、第１の圧力測定器５５の測定圧力値が予め定められた範囲内から外れているのは、低圧系特性の異常が原因であるとも考えられるからである。低圧系の特性が正常であるか否かの判定が完了していない場合（ステップＳ１１０：Ｎо）、制御部１０は、後述する低圧系特性の異常判定処理を行い（ステップ１２０）、低圧系特性を判定するステップ１３０へ進む。制御部１０は、低圧系の特性が正常であるか否かの判定が完了している場合（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、ステップ１３０へ進む。
【００２４】
低圧系の特性が正常でない場合（ステップＳ１３０：Ｎо）、制御部１０は、低圧系の特性が異常であると判定し（ステップＳ１６０）、処理を終了する。低圧系の特性が正常の場合（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、制御部１０は、第１の圧力測定器５５（中圧系の圧力測定器）の異常判定処理を行う（ステップＳ１４０）。具体的には、制御部１０は、図３のフローチャートに示される処理を行う。第１の圧力測定器５５が正常の場合（ステップＳ１５０：Ｙｅｓ）、制御部１０は、圧力制御弁５４が異常であると判定し（ステップＳ１７０）、処理を終了する。第１の圧力測定器５５が正常であるにもかかわらず、中圧系圧力測定値が予め定められた範囲から外れているのは、圧力制御弁５４の異常に起因すると考えられるからである。第１の圧力測定器５５が正常でない場合（ステップＳ１５０：Ｎо）、制御部１０は、第１の圧力測定器５５が異常であると判定し（ステップＳ１８０）、処理を終了する。第１の圧力測定器５５が異常の場合に、中圧系圧力測定値が予め定められた範囲から外れているのは、第１の圧力測定器５５の異常に起因すると考えられるからである。
【００２５】
図３は、第１の圧力測定器５５の異常判定処理を示すフローチャートであり、図２のステップ１４０の処理に相当する。中圧系の状態を安定させるため、制御部１０は、燃料ガス供給装置５６を停止させる（ステップＳ３００）。
【００２６】
制御部１０は、第２の圧力測定器５７および第１の圧力測定器５５の測定圧力値を取得し、後処理のため記憶する（ステップＳ３１０）。制御部１０は、排気排水弁６６を用い、低圧系圧力を予め定められた圧力に設定する（ステップ３２０）。制御部１０は、予め定められた開時間で、まず第１のインジェクタから順次動作させる（ステップＳ３３０）。制御部１０は、第２の圧力測定器５７から低圧系の圧力を取得して、圧力増加量を記憶する（ステップ３４０）。
【００２７】
制御部１０は、第１のインジェクタ〜第３のインジェクタの３本の各インジェクタについて、ステップＳ３１０からステップＳ３４０までの処理が終了したか否かについて判定する（ステップＳ３５０）。制御部１０は、３本の各インジェクタについて、ステップＳ３１０からステップＳ３４０までの処理が終了していれば（ステップＳ３５０：Ｙｅｓ）、ステップＳ３６０へ進む。制御部１０は、３本の各インジェクタについて、ステップＳ３１０からステップＳ３４０までの処理が終了していなければ（ステップＳ３５０：Ｎｏ）、ステップＳ３１０へ戻る。
【００２８】
制御部１０は、インジェクタの特性が正常であるか否かの判定を行う（ステップＳ３６０）。制御部１０は、インジェクタの少なくとも２本以上の記憶されている圧力増加量が同じ値を示していれば、インジェクタの特性は正常と判定する（ステップＳ３６０：Ｙｅｓ）。制御部１０は、インジェクタの少なくとも２本以上の記憶されている圧力増加量が同じ値を示していなければ、インジェクタの特性は異常と判定し（ステップＳ３６０：Ｎｏ）、処理を終了する。ここで処理を終了するのは、第１の圧力測定器５５の測定値が予め定められた範囲から外れているのは、インジェクタの特性異常に起因するとも考えられるからである。
【００２９】
制御部１０は、インジェクタの吐出流量推定値を算出する（ステップＳ３７０）。具体的には、インジェクタの開指令時間、インジェクタの開口断面積、一次圧（第１の圧力測定器５５によって測定される圧力）と二次圧（第２の圧力測定器５７によって測定される圧力）、すなわち記憶されている圧力増加量を用いて、インジェクタの吐出流量が求められる。
【００３０】
制御部１０は、低圧系の圧力増加量を推定する（ステップＳ３８０）。具体的には、制御部１０は、吐出流量推定値と低圧系の容積を用いて、低圧系の圧力増加量を算出する。低圧系の容積は、燃料ガス供給装置５６から燃料電池２０の導入口までの燃料ガス供給管５１の供給路、燃料電池２０内のアノード流路、燃料電池２０のアノード側の導出口からアノード排ガス配管６１を介して排気排水弁６６までのアノード排水配管６５の排路、燃料ガス循環管６３の循環路で画される容積である。制御部１０は、ステップＳ３４０で予め求められた測定圧力値の増加量と、推定値に基づく圧力増加量を比較して、一致するか否か判定する（ステップＳ３９０）。一致するならば（ステップＳ３９０：Ｙｅｓ）、制御部１０は、第１の圧力測定器５５、すなわち、中圧系の圧力測定器は正常であると判定し（ステップＳ４００）、処理を終了する。一致しなければ（ステップＳ３９０：Ｎо）、制御部１０は、第１の圧力測定器５５、すなわち、中圧系の圧力測定器が異常であると判定し（ステップＳ４１０）、処理を終了する。低圧系の圧力増加はインジェクタの吐出流量に基づいており、このインジェクタの吐出流量を求めるのに低圧系の圧力値だけでなく、中圧系の圧力値も用いられている。したがって、測定圧力値の増加量と推定値に基づく圧力増加量が一致する場合に、中圧系の圧力測定器が正常であると判定可能となる。
【００３１】
図４は、低圧系特性の異常判定処理を示すフローチャートであり、図２のステップ１２０の処理に相当する。低圧系の状態を安定させるため、制御部１０は、燃料ガス供給装置５６、排気排水弁６６を停止させる（ステップＳ２００）。制御部１０は、第２の圧力測定器５７の値、大気圧を取得する（ステップＳ２１０）。制御部１０は、後処理のために第２の圧力測定器５７の測定値を記憶する（ステップＳ２１０）。
【００３２】
制御部１０は、排気排水弁６６の開指令を行い（ステップＳ２２０）、排気排水弁６６の排気時間を計測する（ステップＳ２３０）。ここで、排気排水弁６６は弁開の初期に排水が実施される。その後、水が抜けた後に排気が行われるので、排気が始まり、低圧系の圧力低下が始まったところを開始として、実時間の計測を行う。
【００３３】
排気排水弁６６の排気流量を推定する（ステップＳ２４０）。具体的には、制御部１０は、排気排水弁６６の一次圧（低圧系圧力）、二次圧（大気圧）、排気排水弁６６の実開時間を用いて、排気排水弁６６の排気流量を推定する。制御部１０は、低圧系の圧力低下量の推定値を推定する（ステップＳ２５０）。具体的には、制御部１０は、排気流量推定値と低圧系の容積を用いて、低圧系の圧力低下量を算出する。
【００３４】
制御部１０は、排気処理後の第２の圧力測定器５７（低圧系の圧力測定器）を計測し、低圧系の圧力低下量を算出する（ステップＳ２６０）。具体的には、制御部１０は、事前の記憶値を用いて低圧系の圧力低下量を算出する。制御部１０は、計測値と推定値の圧力低下量を比較し（ステップＳ２７０）、一致する場合（ステップＳ２７０：Ｙｅｓ）、低圧系の特性は正常であると判定し（ステップＳ２９０）、処理を終了する。一致しない場合（ステップＳ２７０：Ｎо）、制御部１０は、低圧系の特性は異常であると判定し（ステップＳ２８０）、処理を終了する。なお、図４を用いて説明した方法でなく、低圧系センサの示す値が基準値の範囲内であるかによって異常判定してもよい。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、第１の圧力測定器５５により測定された測定圧力値と、中圧系の推定圧力値とを用いて、第１の圧力測定器と圧力制御弁のいずれが異常であるかを判定する。制御部１０は、測定圧力値と推定圧力値とが一致すれば、圧力制御弁５４が異常であると判定し、一致しなければ、第１の圧力測定器５５が異常であると判定することができる。中圧系圧力測定値が予め定められた範囲から外れた場合、制御部１０が第１の圧力測定器５５と圧力制御弁５４のどちらが異常であるかを判別可能となり、両方交換することが不要となる。
【００３６】
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…制御部 ２０…燃料電池 ３０…カソードガス系 ５０…アノードガス系 ５１…燃料ガス供給管 ５２…水素タンク ５４…圧力制御弁 ５５…第１の圧力測定器 ５６…燃料ガス供給装置 ５７…第２の圧力測定器 ６１…アノード排ガス配管 ６３…燃料ガス循環管 ６４…水素循環ポンプ ６５…アノード排水配管 ６６…排気排水弁  １００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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