(57)【要約】【課題】安価なエアーフローメーターを利用して、燃料電池へのエアーの供給流量を精度よく制御する。【解決手段】シャットバルブを閉じた状態でエアーコンプレッサーを作動させて、その際のエアーフローメーターの指示値と、圧力センサーの指示値を、あらかじめ設定した一定時間の間記録する。エアーフローメーターの指示値を一定時間で積分して、エアーフローメーターの指示値に基づく第１の計算上の空気流量を算出する。エアーコンプレッサーからシャットバルブまでのシステム容積と、圧力センサーの指示値の変化から求められる、システム容積内の空気の圧力上昇値と、大気圧と、に基づく第２の計算上の空気流量を算出する。第２の計算上の空気流量に対する第１の計算上の空気流量の比を求めることにより、エアーフローメーターの指示値の誤差に対応する補正係数を求める。【選択図】図２
2011096533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に対して前記酸化ガスとして用いられる空気を供給するエアーコンプレッサーと、
前記燃料電池から排出される排気ガスとしての空気の外部への排出を遮断するシャットバルブと、
前記燃料電池へ供給される供給空気の供給流量を測定するエアーフローメーターと、
前記供給空気の圧力を少なくとも測定する圧力センサーと、
前記燃料電池の発電反応を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
ｉ）前記シャットバルブを閉じた状態で、一定時間の間前記エアーコンプレッサーを作動させて、その際の前記エアーフローメーターの指示値および前記圧力センサーの指示値を記録し、
ｉｉ）前記エアーフローメーターの指示値を前記一定時間で積分することにより、前記エアーフローメーターの指示値に基づく第１の計算上の空気流量を算出し、
ｉｉｉ）前記エアーコンプレッサーから前記シャットバルブまでのシステム容積と、前記圧力センサーの指示値に基づいて求められる前記システム容積内の空気の圧力上昇値と、大気圧と、に基づく第２の計算上の空気流量を算出し、
ｉｖ）前記第２の計算上の空気流量に対する前記第１の計算上の空気流量の比を求めることにより、前記エアーフローメーターの指示値の誤差に対応する補正係数を求め、
ｖ）前記エアーフローメーターの指示値に前記補正係数を乗じることにより求められる空気流量が、所望の空気流量となるように、前記エアーコンプレッサーの動作を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムにおいて、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池へ供給される前記酸化ガスとして用いられる空気の供給流量の補正方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池に対して前記酸化ガスとして用いられる空気を供給するエアーコンプレッサーと、
前記燃料電池から排出される排気ガスとしての空気の外部への排出を遮断するシャットバルブと、
前記燃料電池へ供給される供給空気の供給流量を測定するエアーフローメーターと、
前記供給空気の圧力を測定する圧力センサーと、を備え、
ｉ）前記シャットバルブを閉じた状態で、一定時間の間前記エアーコンプレッサーを作動させて、その際の前記エアーフローメーターの指示値および前記圧力センサーの指示値を記録し、
ｉｉ）前記エアーフローメーターの指示値を前記一定時間で積分することにより、前記エアーフローメーターの指示値に基づく第１の計算上の空気流量を算出し、
ｉｉｉ）前記エアーコンプレッサーから前記シャットバルブまでのシステム容積と、前記圧力センサーの指示値に基づいて求められる前記システム容積内の空気の圧力上昇値と、大気圧と、に基づく第２の計算上の空気流量を算出し、
ｉｖ）前記第２の計算上の空気流量に対する前記第１の計算上の空気流量の比を求めることにより、前記エアーフローメーターの指示値の誤差に対応する補正係数を求め、
ｖ）前記エアーフローメーターの指示値に前記補正係数を乗じることにより求められる空気流量が、所望の空気流量となるように、前記エアーコンプレッサーの動作を制御する
ことを特徴とする燃料電池への空気の供給流量の補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安価なエアーフローメーターを利用して、燃料電池への空気（エアー）の供給流量の高精度化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、例えば、酸化ガスとして用いられる空気と、燃料ガスとしての水素とを、電気化学反応させることにより発電するものである。ただし、燃料電池のカソードへの酸化ガスとしての空気の供給流量が不足すると、発電効率が低下してしまう。また、燃料電池の重要なコンポーネントである電解質膜は、通常、湿潤状態で発電効率が高くなる性質を有しているため、空気の供給流量が多すぎても、この空気の流れによって、電解質膜の湿潤状態を低下させてしまい、発電効率が低下してしまう。このため、燃料電池のカソードへの空気の供給流量を、エアーフローメーター（空気流量計：ＡＦＭ）を用いて測定して、常に適切な状態なるように制御することが重要となる。
【０００３】
そして、この燃料電池を搭載した車両（燃料電池搭載車）の開発が進められている。この燃料電池搭載車の普及のためには、燃料電池システムのコンポーネントの低コスト化が重要であり、上述したエアーフローメーターも低コスト化の重要な要素である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２５３２０８号公報
【特許文献２】特開２００８−０９１３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、安価なエアーフローメーターは、高価なエアーフローメーターと比較して測定精度の低下は否めず、高精度な供給流量制御のネックとなる。また、エアーフローメーターの経時劣化による測定誤差の増大も、高精度な供給流量制御のネックとなる。
【０００６】
そこで本発明は、燃料電池システムにおいて、安価なエアーフローメーターを利用して、燃料電池への空気の供給流量を精度よく制御することが可能な技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に対して前記酸化ガスとして用いられる空気を供給するエアーコンプレッサーと、
前記燃料電池から排出される排気ガスとしての空気の外部への排出を遮断するシャットバルブと、
前記燃料電池へ供給される供給空気の供給流量を測定するエアーフローメーターと、
前記供給空気の圧力を少なくとも測定する圧力センサーと、
前記燃料電池の発電反応を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
ｉ）前記シャットバルブを閉じた状態で、一定時間の間前記エアーコンプレッサーを作動させて、その際の前記エアーフローメーターの指示値および前記圧力センサーの指示値を記録し、
ｉｉ）前記エアーフローメーターの指示値を前記一定時間で積分することにより、前記エアーフローメーターの指示値に基づく第１の計算上の空気流量を算出し、
ｉｉｉ）前記エアーコンプレッサーから前記シャットバルブまでのシステム容積と、前記圧力センサーの指示値に基づいて求められる前記システム容積内の空気の圧力上昇値と、大気圧と、に基づく第２の計算上の空気流量を算出し、
ｉｖ）前記第２の計算上の空気流量に対する前記第１の計算上の空気流量の比を求めることにより、前記エアーフローメーターの指示値の誤差に対応する補正係数を求め、
ｖ）前記エアーフローメーターの指示値に前記補正係数を乗じることにより求められる空気流量が、所望の空気流量となるように、前記エアーコンプレッサーの動作を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、エアーフローメーターの誤差を補正して、燃料電池に対して適切な供給流量で空気を供給することができる。また、経時劣化によってエアーフローメーターの指示値の誤差が増大しても、エアーフローメーターの誤差を補正して、燃料電池に対して適切な供給流量で空気を供給することができる。従って、安価なエアーフローメーターを利用して、燃料電池へのエアーの供給流量を精度よく制御することが可能である。
【０００９】
［適用例２］
燃料電池システムにおいて、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池へ供給される前記酸化ガスとして用いられる空気の供給流量の補正方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池に対して前記酸化ガスとして用いられる空気を供給するエアーコンプレッサーと、
前記燃料電池から排出される排気ガスとしての空気の外部への排出を遮断するシャットバルブと、
前記燃料電池へ供給される供給空気の供給流量を測定するエアーフローメーターと、
前記供給空気の圧力を測定する圧力センサーと、を備え、
ｉ）前記シャットバルブを閉じた状態で、一定時間の間前記エアーコンプレッサーを作動させて、その際の前記エアーフローメーターの指示値および前記圧力センサーの指示値を記録し、
ｉｉ）前記エアーフローメーターの指示値を前記一定時間で積分することにより、前記エアーフローメーターの指示値に基づく第１の計算上の空気流量を算出し、
ｉｉｉ）前記エアーコンプレッサーから前記シャットバルブまでのシステム容積と、前記圧力センサーの指示値に基づいて求められる前記システム容積内の空気の圧力上昇値と、大気圧と、に基づく第２の計算上の空気流量を算出し、
ｉｖ）前記第２の計算上の空気流量に対する前記第１の計算上の空気流量の比を求めることにより、前記エアーフローメーターの指示値の誤差に対応する補正係数を求め、
ｖ）前記エアーフローメーターの指示値に前記補正係数を乗じることにより求められる空気流量が、所望の空気流量となるように、前記エアーコンプレッサーの動作を制御する
ことを特徴とする燃料電池への空気の供給流量の補正方法。
燃料電池システムにおいて、この方法によれば、エアーフローメーターの誤差を補正して、燃料電池に対して適切な供給流量で空気を供給することができる。また、経時劣化によってエアーフローメーターの指示値の誤差が増大しても、エアーフローメーターの誤差を補正して、燃料電池に対して適切な供給流量で空気を供給することができる。従って、安価なエアーフローメーターを利用して、燃料電池へのエアーの供給流量を精度よく制御することが可能である。
【００１０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや燃料電池システムにおける燃料電池への空気の供給流量の補正方法などの種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例としての燃料電池システムのうち酸化ガスとして用いられる空気の給排系の部分のみの概略構成を示したブロック図である。
【図２】エアーフローメーターの誤差に対応する補正係数を求める手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ａ．燃料電池システムの構成概要：
図１は、実施例としての燃料電池システムのうち酸化ガスとして用いられる空気（エアー）の給排系の部分のみの概略構成を示したブロック図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、エアー給排系２００と、制御部３００と、を備えている。
【００１３】
燃料電池１００は、図示しないアノードに供給される燃料ガス（水素）と、カソードに供給される空気（より詳細には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。この燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池等の種々の燃料電池を用いることができる。なお、通常、燃料電池１００は、複数の燃料電池セルを積層したスタック構造とされる。
【００１４】
エアー給排系２００は、空気の吸気口２１０、エアークリーナー２２０、エアーフローメーター２３０、エアーコンプレッサー２４０、エアー加湿器２５０、エアー出口シャットバルブ２６０、マフラー２７０、および、排気口２８０を備えている。
【００１５】
エアーコンプレッサー２４０を作動させることにより、吸気口２１０から空気が取り込まれ、エアークリーナー２２０、エアーフローメーター２３０を介して、エアーコンプレッサー２４０からエアー加湿器２５０に送られる。エアーコンプレッサー２４０からエアー加湿器２５０に送気された空気は、加湿されて燃料電池１００のカソードに送られる。燃料電池１００における反応に供された空気は、燃料電池１００から排出され、再びエアー加湿器２５０に送られる。この排出された空気の熱は、空気を加湿するための水蒸気も生成にも利用される。そして、エアー加湿器２５０から排出された排出空気は、エアー出口シャットバルブ２６０が開いている場合には、マフラー２７０を介して排気口２８０から排気ガスとして排気される。一方、エアー出口シャットバルブ２６０が閉じているときには、排出されないことになる。この結果、エアーコンプレッサー２４０からエアー出口シャットバルブ２６０までの空気のシステム容積に対して、エアーコンプレッサー２４０から燃料電池１００へ空気が供給されるのみとなり、システム容積内の空気の圧力が上昇することになる。なお、エアーコンプレッサー２４０とエアー加湿器２５０との間の配管、および、エアー加湿器２５０とエアー出口シャットバルブ２６０との間の配管には、圧力センサー２９０ｉ、２９０ｏが設けられており、これらの圧力センサー２９０ｉ，２９０ｏによって、システム容積内の空気の圧力上昇を測定することができる。
【００１６】
制御部３００は、エアーフローメーター２３０の指示値や、圧力センサー２９０ｉ，２９０ｏの指示値、その他図示しない温度センサーや大気圧センサー等の種々のセンサーの指示値や、あらかじめ定められている種々の設定条件に基づいて、エアーコンプレッサー２４０、エアー加湿器２５０、エアー出口シャットバルブ２６０等の各システム要素の動作を制御して、燃料電池システム１０の動作を制御する。
【００１７】
Ｂ．エアーフローメーターの補正：
燃料電池システム１０の通常の動作は、従来の燃料電池システムと同じであるので説明を省略し、以下では、エアーフローメーター２３０の指示値の誤差を補正して、所望の空気流量となるように、エアーコンプレッサー２４０の動作を制御することについて説明する。
【００１８】
図２は、エアーフローメーター２３０の誤差に対応する補正係数を求める手順を示すフローチャートである。なお、この操作は、燃料電池システム１０の始動時や、定期検査時、一定間隔等の種々のタイミングで行なうことができる。ただし、燃料電池１００の温度とエアーフローメーター２３０を含むエアー給排系２００の温度とが所定の温度範囲、例えば５度程度内であることが好ましい。これは、燃料電池１００の温度が高く、エアーフローメーター２３０を通過する空気の温度と大きな差があると、後述するシステム容積内の圧力上昇に基づいて計算される空気流量の計算に誤差が生じてしまうからである。従って、この操作の開始時には、温度センサーで温度が所定範囲内にあることを確認することが好ましい。この点を考えると、燃料電池システムの始動時に行なうのが、効果的であると考えられる。
【００１９】
この操作を開始すると、まず、エアー出口シャットバルブ２６０を閉じた状態とする（ステップＳ１０）。そして、一定の計測期間Ｔｔｓｔの間、エアーコンプレッサー２４０を作動させて、その間の圧力センサー２９０ｉ，２９０ｏおよびエアーフローメーター２３０の指示値を記録する（ステップＳ２０）。
【００２０】
次に、エアーフローメーター２３０の指示値Ｆａｆｍを計測期間Ｔｔｓｔで積分し、空気供給流量の指示値に基づく指示送気量Ｖａｆｍを求める（ステップＳ３０）。この指示送気量が本発明の第１の計算上の空気流量に相当する。
Ｖａｆｍ＝∫Ｆａｆｍ・ｄｔ  …（１）
【００２１】
また、計測期間（一定時間）Ｔｔｓｔの間の圧力上昇量Δｐとシステム容積Ｖｆｃと大気圧Ｐａとから、実際にシステム容積に供給された空気の推定供給量Ｖｐｒｓを求める（ステップＳ４０）。なおシステム容積Ｖｆｃは、予め実験により容易に測定しておくことができる。なお、この推定供給量Ｖｐｒｓが本発明の第２の計算上の空気流量に相当する。
Ｖｐｒｓ＝Ｖｆｃ×Δｐ÷Ｐａ（１０１．４ｋＰａ）  …（２）
【００２２】
そして、この推定供給量Ｖｐｒｓに対する送気量Ｖａｆｍの比Ａを求める（ステップＳ５０）。
Ａ＝Ｖｐｒｓ÷Ｖａｆｍ  …（３）
【００２３】
上記のようにして、求めた比Ａがエアーフローメーター２３０の誤差に相当するので、この比Ａを補正係数として記憶し（ステップ６０）、この操作を終了する。
【００２４】
以降、燃料電池システムを動作させる際には、記憶した補正係数Ａを用いて、エアーフローメーター２３０の指示値Ｆａｆｍが、下式で表される値となるように、エアーコンプレッサー２４０の動作を制御すればよい。
Ｆａｆｍ＝Ｆ÷Ａ  …（４）
【００２５】
以上、説明したように、システム始動時等の種々のタイミングで、エアーフローメーター２３０の誤差に対応する補正係数Ａを求めておき、エアーフローメーター２３０の指示値Ｆａｆｍが、所望の空気の供給量に対応する指示値となるように、エアーコンプレッサー２４０を動作させることができる。これにより、エアーフローメーター２３０の物理的なバラツキや経時劣化等に対して安定で高性能なシステムを提供することが可能である。
【００２６】
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００２７】
上記実施例で推定供給量Ｖｐｒｓを求めた（２）式は、ＰＶ＝一定で表される理想気体の状態方程式を利用したものであるが、（Ｐ＋ａ／Ｖ２）（Ｖ−ｂ）＝一定で表される実在気体の式（ファンデルワールスの状態方程式）を利用してもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
２００…エアー給排系
２１０…吸気口
２２０…エアークリーナー
２３０…エアーフローメーター
２４０…エアーコンプレッサー
２５０…エアー加湿器
２６０…エアー出口シャットバルブ
２７０…マフラー
２８０…排気口
２９０ｉ，２９０ｏ…圧力センサー
３００…制御部
【図１】
2011096533.tif 000003
【図２】
2011096533.tif 000004