(57)【要約】【課題】エアコンプレッサ下流の圧力測定値と、エアコンプレッサ下流の圧力推定値とを用いて、エアフロメータが異常であるかの判定を可能にする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、吸気配管と、排気配管と、吸気配管と排気配管を接続するバイパス配管と、制御部と、吸気配管上に、エアフロメータと、エアコンプレッサと、圧力測定器と、シャットバルブと、排気配管上に、排気調圧バルブと、を備える。制御部は、吸気配管からバイパス配管を経由して、排気配管へ空気を供給して、エアフロメータの異常判定を行う。【選択図】図３
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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、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を供給するための吸気配管と、
前記吸気配管上に、前記燃料電池スタックに向かって上流側から順に、空気流量を計測するエアフロメータと、
前記燃料電池スタックに空気を供給するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサの下流に配置される圧力測定器と、
前記燃料電池スタックの入口に配置されるシャットバルブと、
前記燃料電池スタックから空気を排出するための排気配管と、
前記排気配管上に配置される排気調圧バルブと、
前記吸気配管のうち、前記圧力測定器の下流側であって、前記シャットバルブの上流側から、前記排気配管の前記排気調圧バルブの下流側に接続されるバイパス配管と、
前記吸気配管から前記バイパス配管を経由して、前記排気配管へ空気を供給し、前記圧力測定器の測定値と、前記エアフロメータが示す空気流量実測値を用いて算出された前記エアコンプレッサの下流の圧力推定値を用いて、前記エアフロメータ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】
従来より、車両の燃料電池システムにおいては、一般的にエアコンプレッサによって燃料電池スタックに対して、空気が供給される（例えば、特許文献１）。エアコンプレッサにより供給される空気量はエアフローセンサーによる測定結果を用いてフィードバック制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１４０３９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、エアフローセンサーの特性異常により計測値と実際の流量に乖離が生じた場合、燃料電池に供給する空気量に過不足が生じ、燃料電池の出力不足や電圧の異常上昇等が発生する可能性がある。したがって、エアフローセンサーの異常を検出するシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに空気を供給するための吸気配管と、前記吸気配管上に、前記燃料電池スタックに向かって上流側から順に、空気流量を計測するエアフロメータと、前記燃料電池スタックに空気を供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサの下流に配置される圧力測定器と、前記燃料電池スタックの入口に配置されるシャットバルブと、前記燃料電池スタックから空気を排出するための排気配管と、前記排気配管上に配置される排気調圧バルブと、前記吸気配管のうち、前記圧力測定器の下流側であって、前記シャットバルブの上流側から、前記排気配管の前記排気調圧バルブの下流側に接続されるバイパス配管と、前記吸気配管から前記バイパス配管を経由して、前記排気配管へ空気を供給し、前記圧力測定器の測定値と、前記エアフロメータが示す空気流量実測値を用いて算出された前記エアコンプレッサの下流の圧力推定値を用いて、前記エアフロメータ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、エアコンプレッサ下流の圧力測定値と、エアコンプレッサ下流の圧力推定値とを用いて、エアフローセンサーが異常であるかの判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池システムの始動手順を示す図。
【図３】燃料電池システムの起動時、高電圧回路接続後におけるエアフロメータの異常判定を示すフローチャート。
【図４】燃料電池システムの停止手順を示す図。
【図５】燃料電池システムの始動開始から、高電圧回路接続後におけるエアフロメータの異常判定を示すフローチャート。
【図６】燃料電池システムの停止時におけるエアフロメータの異常判定を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ.  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、燃料電池スタック２０と、アノードガス系３０と、カソードガス系４０と、を備える。
【０００９】
燃料電池スタック２０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。各単セルは、それぞれが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。
【００１０】
アノードガス系３０は、燃料電池スタック２０のアノード側にアノードガスを供給する供給部と、燃料電池スタック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、燃料電池スタック２０のアノード側から排出される排水およびアノ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。
【００１１】
カソードガス系４０は、燃料電池スタック２０に空気を供給する吸気ライン４００と、燃料電池スタック２０から空気を排出する排気ライン５００と、吸気ライン４００から排気ライン５００へ燃料電池スタック２０を経ることなく空気を流入させるバイパスライン６００を備える。
【００１２】
吸気ライン４００は、吸気配管４８と、吸気配管４８上に、燃料電池スタック２０に供給される空気の流れの上流から順に、エアフロメータ４２を備えたエアクリーナ４１と、エアコンプレッサ４３と、インタークーラー４４と、圧力測定器４５と、温度センサ４６と、シャットバルブ４７を備える。
【００１３】
エアフロメータ４２は、外部から吸入される空気の流量を計測する。計測された空気の流量は、燃料電池スタック２０の運転を制御する制御部１０に出力される。
【００１４】
エアコンプレッサ４３は、モータを駆動源としており、モータの回転数に応じた空気量で空気を吐出する。制御部１０に出力されたエアフロメータ４２による空気流量実測値は、エアコンプレッサ４３のモータ制御に利用される。
【００１５】
外部から取り込まれた空気は、エアクリーナ４１で浄化され、エアフロメータ４２、エアコンプレッサ４３を経て、インタークーラー４４により冷却されて燃料電池スタック２０、または、バイパス配管６１上のバイパス弁６０を経由して排気配管５１へと流入する。
【００１６】
圧力測定器４５および温度センサ４６からの検知信号は、制御部１０に出力され、各種バルブなどの制御に利用されている。
【００１７】
シャットバルブ４７は、燃料電池スタック２０の入口に配置され、燃料電池スタック２０に供給する空気の圧力を調整するために使われる。
【００１８】
排気ライン５００は、排気配管５１と、排気配管５１上に、燃料電池スタック２０側から順に、排気調圧バルブ５０、マフラ７０を備える。
【００１９】
燃料電池スタック２０から排出されたカソード排ガスは、排気調圧バルブ５０を経て、マフラ７０から外部へ排出される。
【００２０】
排気調圧バルブ５０は、シャットバルブ４７と連動して、運転要求に応じて変動する排気配管５１の圧力を予め定められた範囲内に調整する。
【００２１】
バイパスライン６００は、バイパス配管６１と、バイパス配管６１上に、バイパス弁６０を備える。バイパス弁６０は、バルブの開度により流量を調整する。バイパスライン６００は、温度センサ４６の下流側であってシャットバルブ４７の上流側で吸気ライン４００と接続される。バイパスライン６００は、排気調圧バルブ５０の下流側であってマフラ７０の上流側で排気ライン５００と接続される。
【００２２】
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の各構成部の運転制御を実行する。例えば、制御部１０は、シャットバルブ４７、排気調圧バルブ５０、バイパス弁６０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、エアフロメータ４２、圧力測定器４５、温度センサ４６と制御信号線で接続されており、測定値を取得する。さらに、制御部１０は、エアコンプレッサ４３と制御信号線で接続されており、空気を吐出する。
【００２３】
図２は、燃料電池システム１００の始動手順を示す。制御部１０は、燃料電池システム１００の起動を開始すると、高電圧回路接続し、その後の発電準備まで燃料電池スタック２０へのエア供給は行われない。制御部１０は、燃料電池システム１００の発電前にエアフロメータ４２の異常を検知することにより、燃料電池システム１００の安定した運転を可能とする。
【００２４】
図３は、燃料電池システム１００の起動時（ステップＳ１００）、高電圧回路接続後（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）に実行されるエアフロメータ４２の異常判定を示すフローチャートである。燃料電池スタック２０へのエア供給は遮断されており、制御部１０は、バイパス弁６０を開く（ステップＳ１２０）。制御部１０は、バイパスライン６００を経て排気ライン５００へ一定流量のエアを供給開始する（ステップＳ１３０）。
【００２５】
制御部１０は、吸気ライン４００からバイパスライン６００を経て、排気ライン５００へ一定流量のエア供給開始後、インタークーラー４４の出口圧力算出値Ｐｏｕｔｅｓｔを算出する（ステップＳ１４０）。インタークーラー４４の出口圧力算出値Ｐｏｕｔｅｓｔは、以下のように算出される。
Ｐｏｕｔｅｓｔ＝Ｐａｔｍ×（１−Ｋｌｏｓｓ１）×Ｋｃｏｍｐ×（１−Ｋｌｏｓｓ２）
Ｐａｔｍ［ｋＰａ］は大気圧を表わしている。また、Ｋｌｏｓｓ１は、エアクリーナ４１からエアコンプレッサ４３の１次側までの圧損係数、Ｋｌｏｓｓ２は、エアコンプレッサ４３の２次側からインタークーラー４４の２次側までの圧損係数を示している。Ｋｌｏｓｓ２は、圧力測定器４５までの圧力損失を加味している。Ｋｃｏｍｐは、１次側と２次側の圧力比を示し、エアフロメータ４２の流量とエアコンプレッサ４３の回転数を用いて求められる。
【００２６】
制御部１０は、インタークーラー４４の出口の圧力算出値と、インタークーラー４４の出口の圧力実測値すなわち圧力測定器４５の測定値との差の絶対値が、予め定められた値より大きいかどうかを判定する（ステップＳ１５０）。制御部１０は、インタークーラー４４の出口の圧力算出値と、圧力測定器４５の測定値との差の絶対値が、予め定められた値より大きい場合（ステップＳ１５０：Ｙｅｓ）、エアフロメータ４２は異常であると判定する（ステップＳ１７０）。制御部１０は、インタークーラー４４の出口の圧力算出値と、圧力測定器４５の測定値との差の絶対値が、予め定められた値以下である場合（ステップＳ１５０：Ｎｏ）、エア供給水準を移行するかどうか判定する（ステップＳ１６０）。制御部１０は、判定精度を向上させるために、複数の異なるエア流量供給水準（ｎ水準）でエアフロメータ４２の異常を判定する。複数の異なるエア流量供給水準とは、例えば、５００ＮＬ／ｍｉｎ、１０００ＮＬ／ｍｉｎといったエア流量である。制御部１０は、予め定められた回数、例えば、異なる３つのエア流量供給水準による処理が終わったかどうかを判定する。制御部１０は、エア供給水準を移行しない、すなわち、全水準（ｎ水準）で処理が終わったと判定した場合（ステップＳ１６０：Ｎｏ）、エアフロメータ４２は正常であると判定する（ステップＳ１８０）。
【００２７】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部１０は、圧力測定器４５により測定された測定圧力値と、エアコンプレッサ４３の下流の圧力推定値とを用いて、エアフロメータ４２が異常であるかを判定する。制御部１０は、エアコンプレッサ４３の下流の圧力算出値と、圧力測定器４５の測定値との差の絶対値が、予め定められた値より大きいならば、エアフロメータ４２が異常であると判定することができる。制御部１０は、エアコンプレッサ４３の下流の圧力算出値と、圧力測定器４５の測定値との差の絶対値が、複数の空気流量供給水準においても予め定められた値以下ならば、エアフロメータ４２は正常であると判定することができる。なお、インタークーラー４４は備えられていなくてもよい。インタークーラー４４が備えられていない場合、インタークーラー４４の圧損分を除いたＫｌｏｓｓ２を用いた圧力算出式Ｐｏｕｔｅｓｔを用いれば、インタークーラー４４の出口圧力算出値と同様に、エアコンプレッサ４３の下流の圧力算出値が求められる。
【００２８】
Ｂ. 第２実施形態：
第１実施形態のみでは空気流量供給水準が不足する場合は、制御部１０は、燃料電池システム１００の停止時にも同様の異常判定を行う。空気流量供給水準が不足する場合とは、高電圧回路接続後、制御部１０が、燃料電池スタック２０へ空気を供給するまでの時間が短くなる場合や商品性の観点で空気を供給するまでの時間が短くされた場合に、予め定められたｎ通りの空気流量供給水準で、エアフロメータ４２の異常判定処理を実行できなかった場合が該当する。
【００２９】
図４は、燃料電池システム１００の停止手順を示す。制御部１０は、バイパス弁６０の開度を調整してバイパスライン６００から排気ライン５００を利用した排気管の掃気処理を実施し、掃気の空気流量をエアフロメータ４２の異常検出に定めた複数の水準に順次変更して、燃料電池システム１００の停止時にも同様の判定を行う。高電圧回路遮断前の掃気実行中にエアフロメータ４２の異常検出が可能であり、第１実施形態だけでは空気流量供給水準が不足する場合に、エアフロメータ４２の異常判定の精度低下の抑制となる。
【００３０】
図５及び図６は、燃料電池システム１００の始動開始から、高電圧回路接続後におけるエアフロメータ４２の異常判定、かつ、燃料電池システム１００の停止時におけるエアフロメータ４２の異常判定を示すフローチャートである。図５に示される処理であるステップＳ２００からステップＳ２７０は、第１実施形態の図３に示されるステップＳ１００からＳ１７０までと同じ処理であることから、説明を省略する。なお、制御部１０は、始動時に、予め定められたｎ個の水準で処理を実行できたか否かを判定し、実行できなかった場合、エアフロメータ４２の異常判定精度を向上させるために、ステップＳ２８０へと処理を進める（ステップＳ２６０：Ｎｏ）。図６は、図５の処理の続きを示すフローチャートである。制御部１０は、燃料電池システム１００が停止しているならば（ステップＳ２８０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２９０へ処理を進める。制御部１０は、燃料電池システム１００が処理を停止していないならば、その後の処理を進めない（ステップＳ２８０：Ｎｏ）。図６におけるステップＳ２９０からステップＳ３５０は、図３におけるステップＳ１２０からステップＳ１８０までと同じ処理であることから、説明を省略する。なお、制御部１０は、予め定められたｎ個の水準で処理を実行した場合であっても、更なる判定精度向上のため、ステップＳ２６０からステップＳ２８０へと処理を進めてもよい。
【００３１】
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】
【００３２】
１０…制御部、２０…燃料電池スタック、３０…アノードガス系、４０…カソードガス系、４１…エアクリーナ、４２…エアフロメータ、４３…エアコンプレッサ、４４…インタークーラー、４５…圧力測定器、４６…温度センサ、４７…シャットバルブ、４８…吸気配管、５０…排気調圧バルブ、５１…排気配管、６０…バイパス弁、６１…バイパス配管、７０…マフラ、１００…燃料電池システム、４００…吸気ライン、５００…排気ライン、６００…バイパスライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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