(57)【要約】【課題】回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２と水素供給経路４１とに接続された水素循環経路４２に設けられ、所定方向へ回転することで燃料電池２からのオフガス中の未反応の水素ガスを水素供給経路４１へ送り込む水素ポンプ４４と、オフガスから液体を分離して貯留する気液分離器４５と、気液分離器４５に設けられた排気排水弁４６と、燃料電池２の出力電圧を計測する電圧センサ２１と、を備え、排気排水弁４６を開弁させ、電圧センサ２１からの検出値に基づいて測定した開弁前後の電圧差Ｖ２−Ｖ１が予め設定された所定値Ｖｓ以下である場合に、水素ポンプ４４が所定方向と逆方向に回転していると判定する制御部６を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する供給経路と、
前記燃料電池と前記供給経路とに接続された循環経路と、
前記循環経路に設けられ、所定方向へ回転することで前記燃料電池から排出されるオフガス中の未反応の前記燃料ガスを前記供給経路へ送り込むポンプと、
前記循環経路に設けられ、前記オフガスから液体を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に設けられ、開弁されることで貯留された液体及び前記オフガスの少なくとも一部を排出する排気排水弁と、
前記燃料電池の出力電圧を計測する電圧センサと、
を備えた燃料電池システムであって、
前記排気排水弁を開弁させることで、前記電圧センサからの検出値に基づいて前記排気排水弁の開弁前後における前記燃料電池の出力電圧の電圧差を測定し、前記電圧差が、予め設定された所定値以下である場合に、前記ポンプが前記所定方向と逆方向に回転していると判定する制御部を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、ポンプを駆動させることで、燃料電池から排出されるオフガス中の未反応の水素ガスを再度燃料電池へ送り込んで燃料として利用する水素循環経路を有している。この水素循環経路を有する燃料電池システムとして、レゾルバなどの回転位置を検出するセンサを備えないセンサレスの電動機で駆動するポンプを用い、センサ劣化による制御破綻を回避するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１５２７２９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、センサレスの電動機で駆動するポンプは、回転位置を検出するセンサがないことから、この種のポンプを制御する場合には、ポンプ内のモータの制御に必要な回転数などを推定する。回転数の推定方法としては、モータの回転による誘導起電力を利用して推定演算する方法などがあるが、モータの回転が一方向であることを前提としたポンプでは、推定値が正の値としてのみ扱われ、回転方向は判断できないのが一般的である。このため、ポンプが逆回転しているか否かなどの回転状態を検出して円滑に水素ガスの循環制御を行うことが困難となるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する供給経路と、
前記燃料電池と前記供給経路とに接続された循環経路と、
前記循環経路に設けられ、所定方向へ回転することで前記燃料電池から排出されるオフガス中の未反応の前記燃料ガスを前記供給経路へ送り込むポンプと、
前記循環経路に設けられ、前記オフガスから液体を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に設けられ、開弁されることで貯留された液体及び前記オフガスの少なくとも一部を排出する排気排水弁と、
前記燃料電池の出力電圧を計測する電圧センサと、
を備えた燃料電池システムであって、
前記排気排水弁を開弁させることで、前記電圧センサからの検出値に基づいて前記排気排水弁の開弁前後における前記燃料電池の出力電圧の電圧差を測定し、前記電圧差が、予め設定された所定値以下である場合に、前記ポンプが前記所定方向と逆方向に回転していると判定する制御部を備える。
【０００７】
この構成の燃料電池システムによれば、制御部が、排気排水弁を開弁させることで、電圧センサからの検出値に基づいて排気排水弁の開弁前後の電圧差が予め設定された所定値以下である場合に、ポンプが逆回転していると判定する。このように、燃料電池の出力電圧を検出するために元々備わっている電圧センサの検出値に基づいて制御部がポンプの逆回転を判定するので、回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、回転位置を検出するセンサを備えた高価なポンプを用いることなく、ポンプの回転状態を検出して円滑に運転することが可能な燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】制御部による回転状態判定処理を説明するフローチャートである。
【図３】水素ポンプが逆回転している際の排気排水弁の開閉による出力電圧の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスである水素ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。
【００１２】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００１３】
酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給経路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出経路３３とを有する。
【００１４】
水素ガス配管系４は、水素タンク等の燃料供給源の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給経路（供給経路）４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給経路４１に戻すための水素循環経路（循環経路）４２とを有する。
【００１５】
水素供給経路４１には、インジェクタ４８が設けられている。このインジェクタ４８の弁が開閉することで、燃料供給源から燃料電池２への水素ガスの供給量の調整が行われる。また、水素供給経路４１には、燃料電池２への水素ガスの供給圧を検出する圧力センサ４３が設けられている。この圧力センサ４３は、水素供給経路４１における水素循環経路４２の接続箇所よりも燃料電池２側に配置されることで、水素供給経路４１における水素循環経路４２より下流の位置に設けられている。なお、水素供給経路４１には、インジェクタ４８に代えて調圧弁を設け、この調圧弁を開閉制御することで、燃料供給源から燃料電池２への水素ガスの供給量の調整を行う構成としてもよい。
【００１６】
水素循環経路４２には、水素オフガスを加圧して水素供給経路４１側へ送り出す水素ポンプ（ポンプ）４４が設けられている。また、水素循環経路４２には、気液分離器４５および排気排水弁４６を介して排出経路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから液体を回収して貯留する。排気排水弁４６は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４５で貯留された液体及び前記オフガスの少なくとも一部を排出（パージ）する。排気排水弁４６から排出された排気は、空気排出経路３３内の酸化オフガスと合流する。
【００１７】
水素循環経路４２に設けられた水素ポンプ４４は、レゾルバなどの回転位置を検出するセンサを備えない電動機を駆動源としたセンサレスのポンプである。このセンサレスの水素ポンプ４４を用いることで、低コスト化とともに、センサが劣化することによる制御破綻の回避が可能である。
【００１８】
制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００１９】
制御部６には、コンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６およびインジェクタ４８等が接続されており、制御部６は、これらのコンプレッサ３１、水素ポンプ４４、排気排水弁４６およびインジェクタ４８等を制御する。また、制御部６には、圧力センサ４３及び燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサ２１が接続されており、これらの圧力センサ４３及び電圧センサ２１から制御部６へ検出信号が送信される。
【００２０】
上記構成の燃料電池システム１では、制御部６が要求に応じてインジェクタ４８を開閉制御することで、燃料供給源からの水素ガスの供給量を調整して燃料電池２へ供給し、燃料電池２で発電させる。
【００２１】
また、上記燃料電池システム１は、センサレスの水素ポンプ４４を制御する場合、制御部６は、例えば、制御に必要な回転数などを推定してセンサレスの水素ポンプ４４を駆動させる。この水素ポンプ４４の回転数は、例えば、電動機の回転による誘導起電力に基づいて演算して推定する。しかし、この回転数の推定方法は、一方向の回転（正の値）のみを前提としているので、回転方向が逆であるかなどの回転状態を判定することはできない。
【００２２】
このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御部６が電圧センサ２１からの検出信号に基づいて以下の回転状態判定処理を行うことで、水素ポンプ４４の回転状態を判定する。
【００２３】
図２は、制御部による回転状態判定処理を説明するフローチャートである。
まず、電圧センサ２１からの検出信号に基づいて、燃料電池２の出力電圧を計測し、この計測値を開弁前の出力電圧Ｖ１とする（ステップＳＰ１）。
【００２４】
次に、排気排水弁４６を駆動させて開弁させる（ステップＳＰ２）。
【００２５】
排気排水弁４６の開弁後に、電圧センサ２１からの検出信号に基づいて、燃料電池２の出力電圧を計測し、この計測値を開弁後の出力電圧Ｖ２とする（ステップＳＰ３）。
【００２６】
排気排水弁４６の開弁後の出力電圧Ｖ２と開弁前の出力電圧Ｖ１との電圧差Ｖ２−Ｖ１が予め定めた閾値である所定値Ｖｓ以下であるか否かの電圧差判定を行う（ステップＳＰ４）。つまり、Ｖ２−Ｖ１≦Ｖｓであるか否かを判定する。
【００２７】
この電圧差判定（ステップＳＰ４）の結果、電圧差Ｖ２−Ｖ１が所定値Ｖｓより大きい（Ｖ２−Ｖ１＞Ｖｓ）場合（ステップＳＰ４：Ｎｏ）、水素ポンプ４４が逆回転していないとし、排気排水弁４６を閉じて（ステップＳＰ５）回転状態判定処理を終了する。
【００２８】
電圧差判定（ステップＳＰ４）の結果、電圧差Ｖ２−Ｖ１が所定値Ｖｓ以下（Ｖ２−Ｖ１≦Ｖｓ）である場合（ステップＳＰ４：Ｙｅｓ）、水素ポンプ４４に逆回転が生じていると判定する（ステップＳＰ６）。
【００２９】
水素ポンプ４４に逆回転が生じていると判定すると（ステップＳＰ６）、排気排水弁４６を閉じて（ステップＳＰ７）燃料電池システム１を停止させる（ステップＳＰ８）。
【００３０】
ここで、電圧差判定（ステップＳＰ４）での水素ポンプ４４の回転方向の判定について説明する。
図３は、水素ポンプが逆回転している際の排気排水弁の開閉による出力電圧の変化を示すグラフである。
【００３１】
燃料電池システム１では、水素ポンプ４４の回転方向が正常の場合、水素ガスはインジェクタ４８を通して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出された未反応の水素ガス（消費されなかった水素ガス）は水素ポンプ４４で循環され、インジェクタ４８を通して供給される水素ガスと合流して再び燃料電池２に供給される。また、燃料電池２から排出されるオフガスには水素ガス以外の成分（水蒸気や窒素）も含まれるため、これらの水素ガス以外の成分を、排気排水弁４６を適切なタイミングで開閉させて排出している。
【００３２】
これに対して、水素ポンプ４４が逆回転している場合、インジェクタ４８を通して供給される水素ガスが水素ポンプ４４によって水素循環経路４２に吸入される。水素循環経路４２に吸入された水素ガスは、排気排水弁４６が閉じていれば燃料電池２に供給されるが、排気排水弁４６が開くと燃料電池２に供給される前に排気されてしまう。
【００３３】
このため、図３に示すように、水素ポンプ４４が逆回転している状態では、排気排水弁４６が開弁することで、燃料電池２に供給される水素ガスが不足し、燃料電池２は、出力電流が一定の定常運転時において、総出力電圧や燃料電池２を構成する積層された複数のセルのセル出力電圧が低下してバラツキが生じる。したがって、燃料電池２の総出力電圧、あるいは複数のセルのうちの特定のセル出力電圧などを判定対象として水素ポンプ４４の回転状態を判定することが可能である。なお、判定対象とする特定のセルは、例えば、水素ガスが減った時に影響をうけやすい積層の奥側のセルなどのセル出力電圧が最低となるものなどである。
【００３４】
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、制御部６が、排気排水弁４６を開弁させることで、電圧センサ２１からの検出値に基づいて排気排水弁４６の開弁前後の電圧差Ｖ２−Ｖ１が予め設定された所定値Ｖｓ以下である場合に、水素ポンプ４４が逆回転していると判定する。このように、制御部６が、燃料電池２の出力電圧を検出するために元々備わっている電圧センサ２１の検出値に基づいて、水素ポンプ４４の逆回転を判定するので、回転位置を検出するセンサを備えた高価な水素ポンプを用いることなく、水素ポンプ４４の回転状態を検出して円滑に運転することができる。
【００３５】
なお、上記の回転状態判定処理は、出力電圧が大きく変動する燃料電池２の過渡時以外の出力電圧変動が小さいタイミングで実施するのが好ましい。つまり、回転状態判定処理は、例えば、ユーザが運転操作を開始する前の燃料電池システム１の起動直後や出力電圧が安定している定常発電中に行うのが好ましい。
【００３６】
また、正常に回転している水素ポンプ４４が突然逆回転し始めることはないと考えられるため、回転状態判定処理は、上記のタイミングで１回程度実施する頻度でよく、また、バッテリのクリア判定後のみに上記のタイミングのいずれかで１回程度実施してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
６  制御部
２１  電圧センサ
４１  水素供給経路（供給経路）
４２  水素循環経路（循環経路）
４４  水素ポンプ（ポンプ）
４５  気液分離器
４６  排気排水弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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