(57)【要約】【課題】複数の流量検知手段の個体差に起因する、空気の供給量のバラツキを低減することを目的とする。【解決手段】燃料電池５１に空気を圧送する空気コンプレッサ１３と、空気コンプレッサ１３を通過した空気量を検出する吸気流量検知手段１２と、空気コンプレッサ１３の出口と燃料電池５１のカソード極とを連通するカソードガス供給配管３１と、カソードガス供給配管３１から分岐するバイパス配管４１と、バイパス流量調整弁４２と、バイパス配管４１中を流れる空気量を検出するバイパス流量検知手段４３と、カソード極への空気の供給を遮断する遮断手段３２と、燃料電池５１が発電していないときに、遮断手段３２でカソード極への空気の供給を遮断し、バイパス流量調整弁４２を開弁し、空気コンプレッサ１３を作動させた状態で、吸気流量検知手段１２とバイパス流量検知手段４２の出力値を一致させるよう補正する補正手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気中に含まれる酸素との化学反応により発電する燃料電池に、外部より吸入した空気を圧送する空気コンプレッサと、
当該空気コンプレッサの吸入した空気量を検出する吸気流量検知手段と、
前記空気コンプレッサの出口と前記燃料電池のカソード極とを連通するカソードガス供給配管と、
当該カソードガス供給配管から分岐するバイパス配管と、
当該バイパス配管を流れる空気量を調節するバイパス流量調整弁と、
前記バイパス配管を流れる空気量を検出するバイパス流量検知手段と、
前記カソード極への空気の供給を遮断する遮断手段と、
前記燃料電池が発電していないときに、前記遮断手段で前記カソード極への空気の供給を遮断し、前記バイパス流量調整弁を開弁し、前記空気コンプレッサを作動させた状態で、前記吸気流量検知手段と前記バイパス流量検知手段の出力値を一致させるよう補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の空気供給装置。
【請求項２】
前記カソードガス供給配管の前記バイパス配管の分岐点より下流かつ前記燃料電池より上流に遮断弁を設け、この遮断弁を閉じることで前記カソード極への空気の供給を遮断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項３】
前記補正手段が、前記吸気流量検知手段の出力を前記バイパス流量検知手段の出力に合わせるように出力補正を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項４】
前記補正手段が、前記空気コンプレッサの回転数毎の流量特性を予め記憶しており、前記吸気流量検知手段及び前記バイパス流量検知手段の出力を、前記回転数毎の流量特性に合わせるように出力補正を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項５】
前記補正手段が、前記出力補正を、燃料電池システムを起動する際、燃料電池システムを停止する際、またはアイドルストップ中に行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池の空気供給装置。
【請求項６】
前記補正手段が、前記出力補正を、所定の運転時間毎または所定の走行距離毎に行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池の空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの空気供給装置に関し、特に、コンプレッサを用いる空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と空気中の酸素の化学反応により発電を行う燃料電池システムでは、各反応ガスの圧力が増大するほど性能が向上する傾向がある。そこで、反応ガスの圧力を高めるために、コンプレッサを用いることが一般化している。例えば、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、改質器からの排気ガスでタービンを駆動し、このタービンと連結されたコンプレッサを駆動させて反応ガスを圧縮するターボコンプレッサを用いている。そして、コンプレッサの出口とタービンの入口とをバイパス通路を介して連通させ、このバイパス通路に流量制御弁を設け、燃料電池や改質器への空気の供給が少ないときには、流量制御弁を解放して、コンプレッサのサージングを防止する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１６０５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の燃料電池システムにおいて空気が流れるのは、燃料電池への供給経路、改質器への供給経路、及びバイパス経路であり、これら各経路には流量調整弁が備えられている。このため、燃料電池システムの運転中には、複数の経路の空気流量を同時に検知して制御する必要がある。
【０００５】
しかしながら、空気流量を検知するための流量センサには、個体差による検知値のバラツキがあるため、コンプレッサ上流側とバイパス通路の吸気流量でそれぞれ吸気流量を検知して流量調整弁を制御する場合には、検知値のバラツキにより、燃料電池への空気の供給量のバラツキが増大し、燃料電池のドライアウトやフラッティングという問題が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明では、複数の流量センサの個体差に起因する、空気の供給量のバラツキを低減して、ドライアウトやフラッティングを回避し得る燃料電池用の空気供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池の空気供給装置は、水素と空気中に含まれる酸素との化学反応により発電する燃料電池に、外部より吸入した空気を圧送する空気コンプレッサと、当該空気コンプレッサの吸入した空気量を検知する吸気流量検知手段と、空気コンプレッサの出口と前記燃料電池のカソード極とを連通するカソードガス供給配管と、カソードガス供給配管から分岐するバイパス配管と、バイパス配管を流れる空気量を調節するバイパス流量調整弁と、バイパス配管を流れる空気量を検知するバイパス流量検知手段と、カソード極への空気の供給を遮断する遮断手段と、燃料電池が発電していないときに、遮断手段でカソード極への空気の供給を遮断し、バイパス流量調整弁を開弁し、空気コンプレッサを作動させた状態で、前記吸気流量検知手段と前記バイパス流量検知手段の出力値を一致させるよう補正する補正手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上記構成により、吸気流量検知手段とバイパス流量検知手段の出力補正をするときには、空気コンプレッサが吸気した空気量と、バイパス配管を流れる空気量が同一になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態を適用する燃料電池システムの空気供給システムについての構成図である。
【図２】流量センサの出力補正制御のフローチャートである。
【図３】第２実施形態を適用する燃料電池システムの空気供給システムについての構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態を適用する燃料電池システムの空気供給システムについての構成図である。
【００１２】
空気供給システムには、上流側から順に、異物や有害物質等を除去するためのフィルタ１１、空気流量を検知するための流量センサ１２、空気を所定圧まで昇圧させる空気コンプレッサ１３、昇圧によって温度上昇した空気を所定温度まで低下させる熱交換器１４、このシステムにより供給される空気と、図示しない水素供給システムから供給される水素の化学反応により発電する燃料電池５１、空気の圧力を調整するカソード圧力調整弁３２を配置する。また、熱交換機１４と燃料電池５１の間のカソードガス供給配管２１から分岐するバイパス配管４１を設け、このバイパス配管４１には、上流側から順に、バイパス配管４１を流れる空気流量を調整するためのバイパス流量調整弁４２と、空気流量を検知するための流量センサ４３を配置する。
【００１３】
上記のような構成の空気供給システムでは、外気はフィルタ１１によって異物や有害物質等が除去され、流量センサ１２によって空気コンプレッサ吸気流量Ｑｉｎが測定された後に、空気コンプレッサ１３により昇圧され、その後で熱交換機１４によって冷却される。
【００１４】
その後は、カソード圧力調整弁３２及びバイパス流量調整弁４２のいずれも開弁していれば、カソードガス供給配管２１とバイパス配管４１に分岐する。分岐後は、燃料電池５１には燃料電池供給流量Ｑｆｃが供給され、化学反応後のカソードガスは、カソード排出配管３１を通り、カソード圧力調整弁３２を介して排出される。
【００１５】
一方、バイパス配管４１にはバイパス流量Ｑｂｐが流れ、バイパス流量調整弁４２を通過後に流量センサ４３で流量が測定された後で排出される。
【００１６】
また、燃料電池供給流量Ｑｆｃは、式（１）により求め、システムの運転条件に応じて定まる燃料電池の目標出力に基づいて定まる流量になるようにコントロールユニット７１によって制御される。
【００１７】
Ｑｆｃ＝Ｑｉｎ−Ｑｂｐ      ・・・（１）
なお、流量センサ１２及び流量センサ４３は、熱線式、差圧式、カルマン渦式、またはフロート式等のいずれであってもよい。また、カソードガス圧力調整弁３２は、弁回転式、ソレノイド式、または可変オリフィス式等のいずれであってもよい。
【００１８】
図２は、コントロールユニット７１が実行する流量センサ１２、４３の出力補正のための制御のフローチャートである。
【００１９】
センサ類は一般的に個体差によるバラツキを有しており、流量センサ１２、４３も同様である。このバラツキが、式（１）により算出する燃料電池供給流量Ｑｆｃの実流量をばらつかせる要因となっている。
【００２０】
そこで、燃料電池供給流量Ｑｆｃの実流量の精度を高めて、燃料電池５１のドライアウトやフラッディングの発生を防止し、安定した発電性能を得るために、流量センサ１２、４３の出力補正を行う。
【００２１】
ステップＳ１００では、出力補正条件が成立しているか否かを判定する。成立している場合はステップＳ１１０へ進み、そうでない場合は処理を終了する。
【００２２】
ここで、出力補正条件が成立していると判定されるのは、現在の状況が、システム起動信号が入力後かつ起動制御シーケンス終了前（システム起動時）、システム停止信号が入力後かつ停止制御シーケンス終了前（システム停止時）、またはアイドルストップ中のいずれかの場合である。出力補正を行う際には、後述するようにカソードガス供給を必要としない運転条件で行う必要がある。したがって、燃料電池５１が発電していない状態、つまりシステム起動時、システム停止時またはアイドルストップ中であることが、出力補正を実行するための条件となる。
【００２３】
ステップＳ１１０からステップＳ１３０では、カソード圧力調整弁３２を閉弁し、バイパス流量調整弁４２を開弁して、空気コンプレッサ１３を作動させる。
【００２４】
カソード圧力調整弁３２を閉弁すると、カソードガス供給配管２１から燃料電池５１に流れ込んだ空気の行き場がなくなるので、空気コンプレッサ１３から圧送される空気は、全量がバイパス配管４１へ流れ込む。したがって、流量センサ１２と流量センサ４３は、同量の空気量を測定することになる。
【００２５】
なお、一般的な燃料電池システムにおいても、システムの圧力制御を目的として、ガス流路面積の可変制御を行うためのバタフライ弁等が用いられている。したがって、カソード圧力調整弁３２でこのシステムの圧力制御を行うようにすれば、本制御を実行するために新たな部品を追加することなく、空気の供給を遮断することができる。
【００２６】
そしてステップＳ１４０で流量センサ１２と流量センサ４３の出力の、個体差によるバラツキを低減するための出力補正を行う。具体的には、流量センサ１２の検出値を、流量センサ４３の検出値に合わせるように補正する。流量センサ４３の検出値を基準にするのは、次のような理由による。
【００２７】
空気コンプレッサ１３に流入する空気量を検出する流量センサ１２と、バイパス配管４１を通過する空気量を検出する流量センサ４３とを比較すると、流量センサ１２の方がシステム運転時に通過する積算流量が多いため、センサ素子等の経時劣化が発生し易い。逆に、流量センサ４３は通過する積算流量が少ないため、劣化が発生し難い。そこで、劣化の発生し難い流量センサ４３の出力に合わせるように補正すれば、流量センサ１２の劣化の影響をキャンセルし、燃料電池５１への空気供給量の精度を向上することができる。
【００２８】
また、式（１）で求まる燃料電池供給流量Ｑｆｃは、空気コンプレッサ供給流量Ｑｉｎとバイパス流量Ｑｂｐのいずれか一方が真値に対してプラス方向、他方が真値に対してマイナス方向にずれている場合に、真値からのずれが大きくなる。この場合に、いずれか一方の検出値に合わせるように補正することで、両者の真値に対するずれの方向を、プラス方向またはマイナス方向のいずれか一方に規制することができ、その結果、燃料電池５１への空気供給量の精度を向上させることができる。
【００２９】
ところで、出力補正を行う場合に、システム起動時であれば、例えば燃料電池５１に空気を供給し始める前の起動時シーケンスにおいて、２次電池の電力により空気コンプレッサ１３を作動させ、出力補正を実行することができる。また、システム停止時であれば、例えば、燃料電池発電停止後の停止制御シーケンスにおいて、同様に出力補正を実行することができる。また、アイドルストップ時においては、燃料電池５１への空気供給は必要ないため、同様に出力補正を実行することができる。
【００３０】
以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。
【００３１】
（１）燃料電池５１に、外部より吸入した空気を圧送する空気コンプレッサ１３と、空気コンプレッサ１３の吸入した空気量を検出する吸気流量センサ１２と、空気コンプレッサ１３の出口と燃料電池５１のカソード極とを連通するカソードガス供給配管２１と、カソードガス供給配管２１から分岐するバイパス配管４１と、バイパス配管４１を流れる空気量を調節するバイパス流量調整弁４２と、バイパス配管４１を流れる空気量を検出するバイパス流量センサ４３と、カソード極への空気の供給を遮断する遮断手段と、燃料電池５１が発電していないときに、遮断手段でカソード極への空気の供給を遮断し、バイパス流量調整弁４２を開弁し、空気コンプレッサ１３を作動させた状態で、吸気流量センサ１２とバイパス流量検知手段の出力値を一致させるよう補正する補正手段と、を備えるので、燃料電池５１に供給する空気の供給量のバラツキを低減できる。
【００３２】
（２）吸気流量センサ１２の出力をバイパス流量センサ４３の出力に合わせるように出力補正を行うので、センサ素子等の経時的な性能低下が相対的に小さい方のセンサ出力に合わせることとなり、空気量供給量の精度を高めることができる。
【００３３】
（３）出力補正を、燃料電池システムを起動する際、燃料電池システムを停止する際、またはアイドルストップ中に行うので、燃料電池５１の発電を妨げることなく出力補正を行うことが可能である。
【００３４】
なお、上述した流量センサ１２、４３の出力補正は、オンボードまたはオフボードのいずれの状態で行ってもよい。オンボードの状態で行えば、燃料電池システムの分解等を行う必要がなく、出力補正に要する時間を低減することができる。また、所定のシステム運転条件等に定期的に出力補正をすることが可能になるので、出力のずれを定期的または不定期に補正することが可能となる。
【００３５】
一方、燃料電池システムの点検時等にオフボードの状態で行えば、外部のマスター流量計の出力に合わせる等、更なる精度向上を図ることができる。
【００３６】
第２実施形態について説明する。
【００３７】
図３は、本実施形態を適用する燃料電池システムの、空気供給システムについての構成図である。図１との相違点は、バイパス配管４１への分岐点よりも下流側かつ燃料電池５１よりも上流側に、遮断弁６１を備える点である。
【００３８】
流量センサ１２、４３の出力補正制御については、基本的には図２と同様であるが、図２のステップＳ１１０及びＳ１４０に相当するステップの内容が異なる。
【００３９】
カソード圧力調整弁３２は、システムの目標圧力に応じて流路面積を可変に制御する必要があるため、一般的には、弁体がスムーズに動くよう、弁体とその周りのボディの間に所定のクリアランスが設けてあり、全閉時でも完全には空気の流れが遮断されない構成になっている場合が多い。
【００４０】
このため、流量センサ１２、４３の出力補正をする場合に、空気コンプレッサ吸気流量Ｑｉｎとバイパス流量Ｑｂｐの間にずれが生じるおそれがある。そこで、燃料電池５１への空気の供給を遮断するための遮断弁６１を設け、ステップＳ１１０で遮断弁６１を閉弁することで、このような、ずれの発生を防止することができる。
【００４１】
次に、図２のステップＳ１４０に相当するステップでの、流量センサ出力補正について説明する。
【００４２】
ここでは、コントロールユニット７１に空気コンプレッサ１３の回転数毎の流量特性を予め記憶しておく。そして、流量センサ１２、４３の出力補正を行う際には、空気コンプレッサ１３の回転数を検出し、当該回転数における流量特性として記憶されている流量に合わせるように補正する。これにより、各流量センサ１２、４３の個体差によるバラツキをキャンセルして、空気供給量の精度を上げることができる。
【００４３】
なお、ステップＳ１００において出力補正条件が成立しているか否かの判定を行う代わりに、所定の運転時間または走行距離ごとに出力補正を行うようにしてもよい。これは、初回の出力補正以降は、各流量センサ１２、４３の経時変化に伴って出力精度が低下するが、その低下速度は緩やかなものであるため、通常は頻繁な出力補正は必要とされないからである。経時変化の程度を考慮した任意の運転時間または走行距離ごとに出力補正を行うようにすることで、出力補正の頻度を減らすことができる。
【００４４】
以上により本実施形態では、次の効果が得られる。
【００４５】
（１）カソードガス供給配管２１のバイパス配管４１の分岐点より下流かつ燃料電池５１より上流に遮断弁６１を設け、この遮断弁６１を閉じることでカソード極への空気の供給を遮断するので、出力補正時に空気が燃料電池５１方向へ洩れることを防止でき、より精度の高い出力補正が可能となる。
【００４６】
（２）コントロールユニット７１に空気コンプレッサ１３の回転数毎の流量特性を予め記憶しておいて、吸気流量センサ１２及びバイパス流量センサ４３の出力を、回転数毎の流量特性に合わせるように出力補正を行うので、各流量センサ１２、４３の個体差によるバラツキをキャンセルし、燃料電池５１へのカソードガス供給流量の精度を向上できる。
【００４７】
（３）出力補正を、所定の運転時間毎または所定の走行距離毎に行うので、出力補正の頻度を抑制することができる。この結果、出力補正のための消費電力を抑制することができる。
【００４８】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１１  フィルタ
１２  流量センサ
１３  空気コンプレッサ
１４  熱交換器
２１  カソードガス供給配管
３１  カソード排出配管
３２  カソード圧力調整弁
４１  バイパス配管
４２  バイパス流量調整弁
４３  流量センサ
５１  燃料電池
６１  遮断弁
７１  コントロールユニット
【図１】
2010251149.tif 000003
【図２】
2010251149.tif 000004
【図３】
2010251149.tif 000005