(57)【要約】【課題】  本発明は、エアフィルタの前後に圧力センサを設定することなく、高い確度でエアフィルタの詰まりを検出できる構成を備える燃料電池システムの提供を目的とする。【解決手段】  酸化剤ガス供給用のコンプレッサ４２の上流側に酸化剤ガス中の不純物を除去するエアフィルタ４４を有する燃料電池システムにおいて、コンプレッサの動作時に消費されるコンプレッサの実消費動力を測定する実消費動力測定手段と、同コンプレッサの動作時に測定される前記実消費動力以外のパラメータに基づいて、コンプレッサの消費動力を推定演算する消費動力推定手段と、前記実消費動力の測定値と前記消費動力の推定演算値との対応関係に基づいて、エアフィルタの詰まり異常を検出するエアフィルタ異常検出手段とを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス供給用のコンプレッサの上流側に酸化剤ガス中の不純物を除去するエアフィルタを有する燃料電池システムにおいて、
コンプレッサの動作時に消費されるコンプレッサの実消費動力を測定する実消費動力測定手段と、
同コンプレッサの動作時に測定される前記実消費動力以外のパラメータに基づいて、コンプレッサの消費動力を推定演算する消費動力推定手段と、
前記実消費動力の測定値と前記消費動力の推定演算値との対応関係に基づいて、エアフィルタの詰まり異常を検出するエアフィルタ異常検出手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記消費動力推定手段は、コンプレッサの回転数の測定値、燃料電池の制御圧の測定値、コンプレッサの吸気温度の測定値、及び、コンプレッサの吸気圧の測定値に基づいて、前記推定演算値としてコンプレッサの理論消費動力の演算を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
エアフィルタ異常検出手段は、エアフィルタの下流側で且つコンプレッサの上流側に設けられる流量検出手段の検出値と、コンプレッサの送気流量との偏差が所定基準以下の場合に、前記対応関係に基づいてエアフィルタの詰まり異常を検出する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
エアフィルタ異常検出手段は、燃料電池の制御圧に異常が無い場合に、前記対応関係に基づいてエアフィルタの詰まり異常を検出する請求項1から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス供給用のコンプレッサの上流側に酸化剤ガス中の不純物を除去するエアフィルタを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の燃料電池システムにおいて、ガス供給経路に設けられる空気フィルタに光触媒を設定し、空気フィルタの前後に設定した圧力検出手段の検出値の差が所定圧力差以上のときに光触媒に光を照射することにより不純物の除去を最適な時期に行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３７３６９６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、一般的に、水素リッチの燃料ガスと空気を主とする酸化剤ガスとを電気化学反応させて起電力を得る固体高分子型燃料電池では、ガス中のオイルやダスト等の不純物が燃料電池（スタック）内に蓄積して燃料電池の性能低下が起こるのを防止するために、燃料電池（スタック）へのガス供給経路に不純物除去用のエアフィルタが設けられる。しかしながら、このエアフィルタに目詰まりが生じると、燃料電池の性能低下が生ずるので、エアフィルタの洗浄または交換といったメンテナンスのために、エアフィルタの目詰まりを検出する構成が必要となる。
【０００４】
この点、上記の従来技術のようにエアフィルタの前後に圧力センサを設定してその圧力差をモニタすることは、比較的高い精度でエアフィルタの詰まりを検出できる反面、必然的に２個必要となる圧力センサによりコストが嵩んでしまうという問題点がある。
【０００５】
そこで、本発明は、エアフィルタの前後に圧力センサを設定することなく、高い確度でエアフィルタの詰まりを検出できる構成を備える燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明によれば、酸化剤ガス供給用のコンプレッサの上流側に酸化剤ガス中の不純物を除去するエアフィルタを有する燃料電池システムにおいて、
コンプレッサの動作時に消費されるコンプレッサの実消費動力を測定する実消費動力測定手段と、
同コンプレッサの動作時に測定される前記実消費動力以外のパラメータに基づいて、コンプレッサの消費動力を推定演算する消費動力推定手段と、
前記実消費動力の測定値と前記消費動力の推定演算値との対応関係に基づいて、エアフィルタの詰まり異常を検出するエアフィルタ異常検出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【０００７】
本発明において、前記消費動力推定手段は、コンプレッサの回転数の測定値、燃料電池の制御圧の測定値、コンプレッサの吸気温度の測定値、及び、コンプレッサの吸気圧の測定値に基づいて、前記推定演算値としてコンプレッサの理論消費動力の演算を行うものであってよい。
【０００８】
エアフィルタ異常検出手段は、エアフィルタの下流側で且つコンプレッサの上流側に設けられる流量検出手段の検出値と、コンプレッサの送気流量との偏差が所定基準以下の場合に、前記対応関係に基づいてエアフィルタの詰まり異常を検出するものであってよい。
【０００９】
エアフィルタ異常検出手段は、燃料電池の制御圧に異常が無い場合に、前記対応関係に基づいてエアフィルタの詰まり異常を検出するものであってよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上の通り本発明によれば、コンプレッサの実消費動力の測定値と消費動力の推定演算値との対応関係に基づいて、エアフィルタの詰まり異常が検出されるので、燃料電池システムにおいてエアフィルタの前後に圧力センサを設定することなく、高い確度でエアフィルタの詰まりを検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【００１２】
図１は、本発明による燃料電池システムの一実施例を示す要部構成図である。燃料電池システムは、複数の単セル２０を積層したスタック構造を有する燃料電池１０（例えば固体高分子型燃料電池）を備える。単セル２０は、電解質膜の両側にアノードとカソードとを有し、アノード及びカソードの外側にはセパレータが設けられる。各単セル２０は、一方のアノード側が他方のカソード側と対向するように積層され、各単セル２０同士はセパレータを介して離隔される。
【００１３】
燃料電池システムには、水素または水素リッチの燃料ガスを生成・供給する水素システム３０や、燃料電池システムで発生する熱を外部に放出する冷却システム３２が設けられる。燃料電池１０の上流側には、空気又は酸化剤を含有するガス（以下、「酸化剤ガス」という）を供給する酸化剤ガス供給システム４０が配置される。酸化剤ガスは、エアクリーナー４４を介してエアコンプレッサ４２に供給される。従って、エアコンプレッサ４２には、エアクリーナー４４によりガス中の不純物が除去された酸化剤ガスが供給されることになる。エアクリーナー４４は、所望の不純物除去機能を発揮できる限り、如何なるタイプのフィルタであってもよく、燃料電池１０の酸化剤ガス供給経路に一般的に設けられる通常的なエアフィルタであってよい。
【００１４】
エアコンプレッサ４２の上流側で且つエアクリーナー４４の下流側には、流量センサ（エアフローメータ）４５が設けられる。流量センサ４５は、経路を流れる流体の質量流量（マスフロー）や質量流量を検出する如何なる方式の流量検出手段であってよい。
【００１５】
エアコンプレッサ４２は、電子制御ユニット４１（以下、コンプレッサECU４１）により制御され、モータ４２ａを動力源として、入口側（エアクリーナー４４側）から吸気した酸化剤ガスを圧縮して出口側に吐出する。エアコンプレッサ４２から圧送される酸化剤ガスは、インタークーラー４６により冷却され、加湿モジュール４８にて水分（蒸気）を付与され、燃料電池１０に供給される。
【００１６】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールドを介して各単セル２０に分配・供給され、各単セル２０の陽極側で進行する電気化学反応に供される。尚、アノード側では、同様に、燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールドを介して各単セル２０の燃料ガス流路に分配・供給され、各単セル２０の陰極側で進行する電気化学反応に供される。このようにして各単セル２０で発生する起電力は、単セル２０の積層体（スタック）の端部付近に設けられる出力端子（図示せず）を介して取り出される。
【００１７】
燃料電池システムには、排気システム６０が設けられる。排気システム６０では、排気管６１が燃料電池１０の排気マニホールドに調圧弁６２を介して接続される。調圧弁６２と燃料電池１０との間には、圧力センサ６４が設けられる。調圧弁６２は、適切なコントローラ（ECU）により、圧力センサ６４の検出値に基づいて、燃料電池１０内を所定の圧力（制御圧）に調整するように開閉制御される。
【００１８】
燃料電池システムの動作時、コンプレッサECU４１は、例えば燃料電池１０に対する要求出力値（目標発電量）に応じて、エアコンプレッサ４２の仕事量を制御する。即ち、コンプレッサECU４１は、燃料電池１０に対する要求出力値に応じたエアコンプレッサ４２の回転数の指示値を求め、この回転数指示値に応じてエアコンプレッサ４２（モータ４２ａ）の回転数を制御する。これにより、エアクリーナー４４で不純物が除去された酸化剤ガスは、燃料電池１０に対する要求出力値に応じた流量（送気流量V［L/min］）で燃料電池１０の排気マニホールドへと供給されていく。
【００１９】
尚、本発明は、特に上述の酸化剤ガス供給システム４０における各種部品の配置態様や構成に限定されることは無く、エアクリーナー４４を備える如何なるタイプの酸化剤ガス供給システム４０に対して適用可能である。例えば、図１において加湿モジュール４８は必ずしも必要でなく、この場合、排気管６１は、バルブを介してエアコンプレッサ４２の前段に分岐・接続されてよい。この場合、燃料電池１０から排出される酸化剤ガスの一部がエアコンプレッサ４２の前段で混入されるカソード循環システムが構成される。カソード循環システムでは、比較的水分の多い排気ガスにより燃料電池１０に導入される酸化剤ガスに湿気が付与されるので、インタークーラー４６と燃料電池１０との間に加湿モジュールを設けることが不要となる。また、本発明は、燃料電池１０の発電制御方法を特定するものでなく、如何なる発電制御方法に対しても適用可能であり、同様に、エアコンプレッサ４２の回転制御についても、フィードバック又はフィードフォワード制御を含む如何なる制御方法に対しても適用可能である。
【００２０】
次に、本発明による燃料電池システムの特徴的な構成として、エアクリーナー４４の詰まりを検出するための構成について説明する。図２は、コンプレッサECU４１の演算部（ＣＰＵ）で実行される主要処理の一実施例を示すフローチャートである。
【００２１】
先ず、ステップ１００では、コンプレッサECU４１は、エアコンプレッサ４２の実消費動力Pmesの計測値を取得する。エアコンプレッサ４２の実消費動力Pmesは、エアコンプレッサ４２（モータ４２ａ）の動作時に消費される動力（電力）であり、モータ４２ａの駆動電力又は駆動電流値等に基づいて計測される。
【００２２】
続くステップ１１０では、コンプレッサECU４１は、エアコンプレッサ４２の動作時におけるエアコンプレッサ４２の消費動力の推定値Pest（以下、「理論消費動力Pest」という）を演算する。尚、エアコンプレッサ４２の消費動力の理論消費動力Pestと実消費動力Pmesとは、互いに同期した時系列（期間）におけるそれぞれの消費動力である。
【００２３】
本ステップ１１０において、コンプレッサECU４１は、先ず、エアコンプレッサ４２の回転数REV（以下、「エアコンプレッサ回転数REV」という）と、エアコンプレッサ４２の送気流量V［L/min］と、エアコンプレッサ４２の吸気側の酸化剤ガスの温度（以下、「吸気温度Tin[K]」という）と、コンプレッサ吸気側の酸化剤ガスの圧力（以下、「吸気圧力Pin」という）とを取得する。
【００２４】
エアコンプレッサ４２の送気流量Vは、エアコンプレッサ回転数REVとの所定の関係式（典型的な比例式でよい）から求めることができる。エアコンプレッサ回転数REVは、エアコンプレッサ４２に設けられ、エアコンプレッサ４２の回転数を実測する回転計の測定値が用いられてよい。或いは、エアコンプレッサ４２を制御するコンプレッサECU４１によるエアコンプレッサ４２のモータ４２ａに対する回転数指示値（目標回転数）に基づく値が用いられてもよい。吸気温度Tinは、エアコンプレッサ４２の上流側に設けられる温度センサ７０による測定値が用いられる。尚、図１に示す温度センサ７０は、酸化剤ガス用の吸気管４７の入口（大気側）付近に設けられているが、エアコンプレッサ４２より上流側であればいかなる適切な場所に設定されてもよく、例えば、エアコンプレッサ４２の直前に設けられてもよい。吸気圧力Pinは、同様に、エアコンプレッサ４２の上流側に設けられる圧力センサ７２による測定値が用いられる。尚、図１に示す圧力センサ７２は、酸化剤ガスの供給管の入口（大気側）付近に設けられているが、エアコンプレッサ４２より上流側であればいかなる適切な場所に設定されてもよく、例えば、エアコンプレッサ４２の直前に設けられてもよい。
【００２５】
次に、コンプレッサECU４１は、酸化剤ガスの制御圧からエアコンプレッサ４２の吐出側の酸化剤ガスの圧力（以下、「吐出圧力Pout」という）を取得する。吐出圧力Poutは、上述の調圧弁６２と燃料電池１０の間に設けられた圧力センサ６４による測定値との所定の関係式から求めることができる。この関係式は、システム特有のものでありえ、マップ形式として予め用意されてよく、コンプレッサECU４１のメモリに記憶される。
【００２６】
そして、コンプレッサECU４１は、上記計測若しくは算出した各値、すなわち送気流量V、吐出圧力Pout、吸気圧力Pin、及び吸気温度Tinから理論断熱圧縮仕事Wad［kW］を算出する。
【００２７】
ここで、理論断熱圧縮仕事Wadは、次式により求められる。
Wad＝Gc＊hc／1000
＝Fair＊ρair＊Cp＊ΔTc／60／1000／1000    式（１）
＝Fair＊ρair＊Cp＊Tin＊{γ＾（κ−１／κ）−１}／60／1000／1000    式（２）
但し、
Gｃ［kg/sec］：質量流量
hc[J/kg]：断熱ヘッド
Fair［NL/min］：酸化剤ガスの体積流量
ρair[kg/m3]：酸化剤ガスの密度
Cp[J/kg・K]：酸化剤ガスの比熱
ΔTc[K]：理論温度上昇
κ：酸化剤ガスの比熱比
であり、以上は既知の値である。尚、酸化剤ガスの物性値ρair、κ等は、酸化剤のキャリアガス（空気又は水蒸気）の同物性値を用いて計算されたものが用いられてよく、簡易的に、例えばκは空気の比熱比約1.4が用いられてよい。
【００２８】
本実施例では、上記式（２）を用いて理論断熱圧縮仕事Wadを演算することができる。即ち、体積流量Fairは、エアコンプレッサ４２の送気流量Vを、吸気温度Tinと吸気圧力Pinとを用いて気体の状態方程式により標準状態に換算することにより求められる。そして、演算された理論断熱圧縮仕事Wadは、エアコンプレッサ４２の理論消費動力Pestとして後述のステップ１４９で用いられる。
【００２９】
続くステップ１２０では、コンプレッサECU４１は、エアクリーナー４４の詰まり異常以外の要因を考慮するため、流体偏差及び制御圧の何れかに異常があるか否かを判定する。流体偏差とは、エアクリーナー４４の下流側で且つエアコンプレッサ４２の上流側に設けられる流量センサ４５の検出値と、エアコンプレッサ４２の送気流量Vとの偏差であってよい。また、制御圧の異常は、例えば、エアコンプレッサ４２の仕事量（例えばエアコンプレッサ回転数REV）に対する制御圧（圧力センサ６４の検出値）の変化態様（例えば仕事量が大きいにもかかわらず圧力センサ６４の検出値が低い状態や、一定の規定値を目標値として制御圧を制御している状況下で圧力センサ６４の検出値が当該規定値に満たない状態）に基づいて判断されてよい。流体偏差及び制御圧の何れかに異常があると判断された場合、それぞれに対する手当てのための処理ルーチンへと移行する（ステップ１３０）。一方、流体偏差及び制御圧の何れも異常がないと判断された場合、ステップ１４０に進む。
【００３０】
ステップ１４０では、コンプレッサECU４１は、上記のステップ１００にて計測したエアコンプレッサ４２の実消費動力Pmesと、上記のステップ１１０にて算出したエアコンプレッサ４２の理論消費動力Pest（＝理論断熱圧縮仕事Wad）との対応関係に基づいて、エアクリーナー４４に詰まり異常が生じているか否かを判定する。例えば、図２の示す例では、実消費動力Pmesが理論消費動力Pestより大きい場合、エアクリーナー４４に詰まり異常が生じていると判定される。エアクリーナー４４に詰まり異常が生じていると判定されると、エアクリーナー４４の詰まり異常を手当てするための処理ルーチンへと移行する（ステップ１５０）。このステップ１５０では、コンプレッサECU４１は、例えばエアクリーナー４４の交換を促す警告が出力され、或いは、光触媒などでエアクリーナー４４の清浄処理が実行されてもよい。
【００３１】
以上のように本実施例によれば、実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとを比較することで、エアクリーナー４４の前後に圧力センサをそれぞれ計２つ設けることなくエアクリーナー４４の詰まり異常を精度よく検出することができる。また、流体偏差及び制御圧の何れかに異常が無いことを前提として、エアクリーナー４４の詰まり異常が検出されるので、流体偏差及び制御圧の何れかに異常に起因して実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとの差が大きくなる場合に対して、誤ってエアクリーナー４４の詰まり異常が検出されるのが防止される。即ち、流体偏差を監視することで、エアコンプレッサ４２上流側でのガス漏れなどような、エアコンプレッサ４２上流側における、実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとの差が大きくなる他の要因を検出することができ、同様に、制御圧を監視することで、加湿モジュール４８の詰まりや配管のガス漏れなどような、エアコンプレッサ４２下流側における、実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとの差が大きくなる他の要因を検出することができ、これらの要因を排除することで、エアクリーナー４４の詰まり異常の検出精度が向上する。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３３】
例えば、上述の実施例では、実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとの大小の比較がなされているが、実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとの比などの他の対応関係が判定に用いられてよい。また、ノイズ等の影響を排除するため、所定周期以上継続して実消費動力Pmesと理論消費動力Pestとの差が大きくなる場合に、エアクリーナー４４の詰まり異常との判定がなされてもよい。
【００３４】
また、上述の実施例では、上記式（２）により理論消費動力Pest（＝Wad）が導出されているが、上記式（１）により理論消費動力Pestを導出することも可能である。この場合、理論温度上昇ΔTc[K]が、エアコンプレッサ４２の吸気温度Tinの測定値と、エアコンプレッサ４２の吐出される酸化剤ガスの温度（吐出温度）の測定値との差が用いられてよい。但し、この場合、吐出温度の測定のために、エアコンプレッサ４２の出口側（エアコンプレッサ４２の出口側とインタークーラー４６との間）に温度センサが必要となる。
【００３５】
また、上述の実施例では、上記式（１）、（２）のような理論式に測定値等を代入して理論消費動力Pestを導出しているが、導出した理論消費動力Pestに他の因子による補正を施してもよい。又は、同様の観点であるが、理論式に補正項を導入して実際により即した演算値Pestを導出してもよい。例えば、上記式（２）において、補正係数αが導入されてもよい。即ち、
Ｔout＝Tin＊γ＾（κ−１／κ）＊α
ここで、αは、エアコンプレッサ４２から発生する熱（エアコンプレッサ４２の効率により変化）に起因した吐出温度Ｔoutの温度上昇を考慮するために導入された補正係数であり、次のように表される。
α＝Ａ＊REV＋B
A,Bは、実験により得られるエアコンプレッサ回転数REVと、吐出温度Ｔoutの理論値に対する実測値の比との関係に適合するように線形近似することで決定されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施例を示す要部構成図である。
【図２】実施例1に係るコンプレッサECU４１の演算部（ＣＰＵ）で実行される主要処理の一実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１０    燃料電池
２０    単セル
３０    水素システム
３２    冷却システム
４０    酸化剤ガス供給システム
４１    コンプレッサECU
４２    エアコンプレッサ
４２ａ    モータ
４４    エアクリーナー
４５    流量センサ
４６    インタークーラー
６０    排気システム
６１    排気管
６２    調圧弁
６４    圧力センサ
７０    温度センサ
７２    圧力センサ
【図１】
2006216478.tif 000003
【図２】
2006216478.tif 000004