(57)【要約】【課題】本明細書は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに排出流路へ導くバイパス流路に備えられたバイパス弁を、空気供給流路の圧力を推定するセンサとして活用する。【解決手段】燃料電池システム２は、燃料電池スタック３０と、コンプレッサ４と、空気供給流路６と、バイパス流路８と、バイパス弁２０と、開度センサ７と、コントローラ３を備える。空気供給流路６は、コンプレッサ４が吐出した空気を燃料電池スタック３０へ導く。バイパス流路８は、空気供給流路６の途中から分岐しており、コンプレッサ４が吐出した空気を、燃料電池スタック３０を通さずに排出流路１０へ導く。バイパス弁２０は、バイパス流路８に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開くように構成されている。コントローラ３は、バイパス弁２０の開度に基づいて空気供給流路６の圧力を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに空気を送るコンプレッサと、
前記コンプレッサが吐出した空気を前記燃料電池スタックへ導く空気供給流路と、
前記燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている調圧弁と、
前記空気供給流路の途中から分岐しており、前記コンプレッサが吐出した空気を、前記燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導くバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開くバイパス弁と、
前記バイパス弁の開度を計測する開度センサと、
前記バイパス弁の開度に基づいて、前記空気供給流路の圧力を推定するコントローラと、を備えている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記コントローラは、推定された圧力に基づいて、前記コンプレッサと前記調圧弁の少なくとも一方を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記空気供給流路内の圧力を計測する圧力センサをさらに備えており、
前記コントローラは、推定された圧力と前記圧力センサの計測値の差が所定の圧力差閾値を超えていた場合、異常を通知する信号を出力する、請求項１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】
本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、燃料電池システムが開示されている。その燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、調圧弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、圧力センサと、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気（酸素）を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。調圧弁は、燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに前記排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開く。圧力センサは、空気供給流路に設けられている。コントローラは、圧力センサの計測値が目標空気圧に一致するように、調圧弁とコンプレッサの一方を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１２６５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書が開示する技術は、バイパス弁を、空気供給流路の圧力を推定するセンサとして活用する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、コンプレッサと、空気供給流路と、調圧弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、開度センサと、コントローラを備えている。コンプレッサは、燃料電池スタックに空気を送る。空気供給流路は、コンプレッサが吐出した空気を燃料電池スタックへ導く。調圧弁は、燃料電池スタックから残留空気を排出する排出流路に設けられている。バイパス流路は、空気供給流路の途中から分岐しており、コンプレッサが吐出した空気を、燃料電池スタックを通さずに排出流路へ導く。バイパス弁は、バイパス流路に設けられており、上流側の圧力が設定圧を超えると開くように構成されている。開度センサは、バイパス弁の開度を計測する。コントローラは、バイパス弁の開度に基づいて空気供給流路の圧力を推定する。
【０００６】
推定された圧力は、空気供給流路の圧力調整に用いられたり、別途備えられている圧力センサの異常検知に用いることができる。前者の場合、コントローラは、推定された圧力に基づいて、コンプレッサと調圧弁の少なくとも一方を制御する。コントローラは、推定された圧力が目標空気圧に一致するように、コンプレッサと調圧弁の少なくとも一方を制御する。後者の場合は、コントローラは、空気供給流路に備えられた圧力センサの計測値と推定された圧力の差が所定の圧力差閾値を超えていた場合、異常を通知する信号を出力する。
【０００７】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施例の燃料電池システムのブロック図である。
【図２】バイパス弁の一例を示す模式的構造図である。
【図３】第１実施例のシステムのコントローラが実行する空気圧調整処理のフローチャートである。
【図４】第２実施例の燃料電池システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の燃料電池システム２を説明する。図１に、燃料電池システム２のブロック図を示す。燃料電池システム２は、燃料電池スタック３０にて水素と酸素の電気化学反応により電気を生成する発電システムである。図１における破線は信号線を表している。
【００１０】
燃料電池システム２は、走行用のモータを有する自動車に搭載されている。自動車は、燃料電池システム２で発電した電力でモータを駆動し、走行する。
【００１１】
実施例の燃料電池スタック３０は、セルと呼ばれる多数の発電単位を直列に接続したものである。燃料電池スタック３０は、燃料極（アノード）に水素が供給され、空気極（カソード）に酸素（空気）が供給されると発電する。
【００１２】
水素は、水素タンク３１から水素供給流路３２を通じて燃料電池スタック３０の燃料極に送られる。水素供給流路３２には、主止弁３３とインジェクタ３４と圧力センサ３５が備えられている。主止弁３３は、水素タンク３１の口を開いたり閉じたりする弁である。インジェクタ３４は、燃料電池スタック３０に供給する水素ガス（燃料ガス）の供給量を調整する弁である。反応で残った残留水素ガスは、水素排出流路３６を通じて燃料電池スタック３０から排出される。水素排出流路３６は後述する排出流路１０に合流している。水素排出流路３６には、排出弁１１が備えられている。圧力センサ３５は、水素供給流路３２において、インジェクタ３４の下流側に設けられている。圧力センサ３５が計測する圧力は、インジェクタ３４の下流側の圧力、即ち、燃料電池スタック３０の燃料極へ供給される水素の圧力である。
【００１３】
水素ガスとの反応には、空気に含まれている酸素が用いられる。空気取り入れ口５から取り込んだ空気は、コンプレッサ４で圧縮され、空気供給流路６を通じて燃料電池スタック３０の空気極に供給される。水素との反応で残った残留空気は、排出流路１０を通じて大気へ排出される。排出流路１０の途中には調圧弁９が備えられている。排出流路１０の下流にはマフラ１２が接続されている。
【００１４】
空気供給流路６の途中にバイパス流路８が接続されている。バイパス流路８は、空気供給流路６の途中から分岐し、排出流路１０に接続している。バイパス流路８は、コンプレッサ４が圧縮した空気を、燃料電池スタック３０を通さずに排出流路１０へ導く。バイパス流路８の途中にバイパス弁２０が備えられている。また、バイパス弁２０には、弁の開度を検出する開度センサ７が備えられている。
【００１５】
コンプレッサ４、主止弁３３、インジェクタ３４、調圧弁９、排出弁１１、バイパス弁２０は、コントローラ３によって制御される。コントローラ３は、燃料電池スタック３０の目標出力から水素ガスの圧力（目標水素圧）を決定する。コントローラ３は、燃料電池システム２のメインスイッチが入れられると、主止弁３３を開き、燃料電池スタック３０への水素ガスの供給を開始する。コントローラ３は、燃料電池スタック３０に供給される水素ガスの圧力が、決定した目標水素圧に一致するようにインジェクタ３４を制御する。コントローラ３は、インジェクタ３４の下流に設けられている圧力センサ３５の計測値をフィードバックし、燃料電池スタック３０に供給される水素ガスの圧力が、目標水素圧に一致するようにインジェクタ３４を制御する。
【００１６】
また、コントローラ３は、燃料電池スタック３０の内部での水素ガスと空気の圧力が等しくなるように、燃料電池スタック３０に供給する空気の圧力（目標空気圧）を決定する。水素ガスの圧力と空気の圧力に差があると、燃料電池スタック３０の劣化が進んでしまうからである。コントローラ３は、燃料電池スタック３０に供給される空気圧（即ち、空気供給流路６の圧力）が目標空気圧に一致するように、コンプレッサ４と調圧弁９の少なくとも一方を制御する。なお、空気圧の調整については後述する。
【００１７】
反応で残った空気は排出流路１０とマフラ１２を通じて大気に放出される。コントローラ３は、排出弁１１を制御し、反応で残った水素ガスを適度な割合で排出流路１０に流し、残留空気と混合し、マフラ１２を通じて排出する。
【００１８】
バイパス弁２０を備えるバイパス流路８には、２つの役割がある。ひとつは、燃料電池スタック３０を停止した後、高圧空気を、燃料電池スタック３０を通さずにマフラ１２に送り、マフラ１２に残った水分を排出することである。もうひとつは、空気供給流路６の内圧が過度に高くなったときに内圧を下げるリリーフ弁としての役割である。
【００１９】
さらに、本実施例の燃料電池システム２では、バイパス弁２０を圧力センサとしても利用する。バイパス弁２０の上流は空気供給流路６につながっており、バイパス弁２０の上流側の圧力は空気供給流路６の圧力に等しい。燃料電池システム２では、バイパス弁２０の開度から、空気供給流路６の圧力を推定し、燃料電池スタック３０へ供給する空気の圧力調整に用いる。
【００２０】
図２に、バイパス弁２０の一例の模式的構造を示す。バイパス弁２０は、上流２８の側の圧力（上流圧）が設定圧を超えると弁２１が開くようになっている。弁２１の回転軸にはモータ２２が取り付けられている。また、弁２１にはバネ２３が取り付けられている。バネ２３は、弁２１をストッパ２４に向けて付勢する。弁２１がストッパ２４に押し当てられた状態が、弁２１が閉じている状態である。モータ２２は、弁２１に対して、開弁方向のトルクを加える。バネ２３が弁２１に加えるトルク（バネトルク）から、モータ２２が弁２１に加えるトルク（モータトルク）を差し引いたトルクが、弁２１を閉状態に保持する保持トルクに相当する。上流圧が保持トルクを上回ると、弁２１が開く。即ち、保持トルクが、バイパス弁２０の設定圧に相当する。モータトルクを調整することで、バイパス弁２０の設定圧を変更することができる。即ち、バイパス弁２０は、上流２８の側の圧力が設定圧を超えると開く弁であり、その設定圧が変更可能である。
【００２１】
バイパス弁２０は、上流圧が設定圧を超えているとき、上流圧が大きくなるにつれて弁２１の開度が大きくなるように構成されている。バイパス弁２０には、弁２１の開度を計測する開度センサ７が付随しており、開度センサ７が計測した開度はコントローラ３に送られる。コントローラ３は、バイパス弁２０の開度から、空気供給流路６の圧力を推定することができる。
【００２２】
コントローラ３は、バイパス弁２０の弁２１の開度から推定した圧力（空気供給流路６の圧力）に基づいて、コンプレッサ４を制御する。次に、コントローラ３が実行する空気圧の調整処理を説明する。
【００２３】
図３に、空気圧調整処理のフローチャートを示す。先に述べたように、コントローラ３は、目標発電量から、燃料電池スタック３０に供給する水素の圧力（目標水素圧）を決定する（ステップＳ３）。そして、コントローラ３は、燃料電池スタック３０の内部での空気圧が目標水素圧に等しくなるように、供給する空気の圧力（目標空気圧）を決定する（ステップＳ４）。目標空気圧が、空気供給流路６の圧力の目標値に相当する。
【００２４】
コントローラ３は、バイパス弁２０の設定圧として、目標空気圧から所定のマージンを引いた値を決定する（ステップＳ５）。そして、決定した設定圧を超えるとバイパス弁２０が開くように、バイパス弁２０のモータ２２を制御する。
【００２５】
先に述べたように、バイパス弁２０は、上流側の圧力（上流圧）が設定圧を超えている場合、上流圧の大きさに応じて弁２１の開度が変化する。上流圧が大きいほど、弁２１の開度は大きくなる。即ち、弁２１の開度と上流圧の間には正の相関が成立する。別言すれば、弁２１の開度は上流圧の推定値と等価である。コントローラ３は、弁２１の目標開度Ａｔを決定する（ステップＳ６）。目標開度Ａｔは、目標空気圧に等価な開度である。
【００２６】
コントローラ３は、開度センサ７からバイパス弁２０の開度Ａｓを取得する（ステップＳ７）。そして、取得した開度Ａｓを目標開度Ａｔと比較する（ステップＳ８）。取得した開度Ａｓがゼロの場合（即ち、バイパス弁２０が全閉状態の場合）、空気供給流路６の圧力はまだ目標空気圧に達していないので、コントローラ３は、コンプレッサ４の出力を上げる（ステップＳ９）。
【００２７】
コントローラ３は、図３の処理を繰り返し実行する。繰り返されるステップＳ８の処理において、開度センサ７から取得した開度Ａｓが目標開度Ａｔを超えている場合がある。その場合、空気供給流路６の圧力が目標空気圧を超えていることになるので、コントローラ３は、コンプレッサ４の出力を下げる（ステップＳ１０）。コントローラ３は、開度Ａｓがゼロより大きく、目標開度Ａｔ以下である場合、空気供給流路６の圧力が目標空気圧にほぼ等しいとして、コンプレッサ４の出力を維持する。図３の処理を繰り返すうち、空気供給流路６の圧力は目標空気圧にほぼ等しくなる。
【００２８】
先に述べたように、バイパス弁２０の開度Ａｓは、バイパス弁２０の上流側の圧力（即ち空気供給流路６の圧力）と正の相関がある。開度Ａｓがゼロの場合は空気供給流路６の圧力が目標開度Ａｔに対応する圧力よりも低いことを意味する。開度Ａｓが目標開度Ａｔを超えている場合は、空気供給流路６の圧力が目標開度Ａｔに対応する圧力を超えていることを意味する。開度Ａｓがゼロよりも大きく、目標開度Ａｔ以下の場合は、空気供給流路６の圧力が目標開度Ａｔに対応する圧力と等しいか、わずかに低いことを意味する。即ち、ステップＳ７において取得した開度Ａｓを目標開度Ａｔと比較することは、空気供給流路６の圧力を推定していることと等価である。燃料電池システム２は、バイパス弁２０の開度から空気供給流路６の圧力を推定し、その推定値に基づいてコンプレッサ４を制御する。
【００２９】
なお、排出流路１０に設けられた調圧弁９によっても、空気供給流路６の圧力を調整することができる。それゆえ、図３のステップＳ９、Ｓ１０の処理において、制御対象をコンプレッサ４から調圧弁９に代えてもよい。コントローラ３は、開度Ａｓがゼロの場合、調圧弁９を絞る。コントローラ３は、開度Ａｓが目標開度Ａｔを超えている場合、調圧弁９の開度を大きくする。あるいは、コントローラ３は、コンプレッサ４と調圧弁９の両方を用いて空気供給流路６の圧力を調整してもよい。
【００３０】
（第２実施例）図４に、第２実施例の燃料電池システム２ａのブロック図を示す。第２実施例の燃料電池システム２ａは、空気供給流路６に圧力センサ１３を備えていることと、コントローラ３に表示装置１４が接続されている点が、第１実施例の燃料電池システム２と異なる。その他の構成は第１実施例の燃料電池システム２と同じである。ただし、コントローラ３は実行する処理は異なる。
【００３１】
燃料電池システム２ａは、空気供給流路６に圧力センサ１３を備えているので、空気供給流路６の圧力調整には、圧力センサ１３の計測値を用いる。バイパス弁２０によって推定された圧力は、圧力センサ１３のチェックに用いる。コントローラ３は、バイパス弁２０が開いたとき、バイパス弁の開度Ａｓから、バイパス弁２０の上流側の圧力（即ち、空気供給流路６の圧力）を推定する。コントローラ３は、推定した圧力値と圧力センサ１３の計測値を比較する。推定した圧力値と計測値の差が所定の圧力差閾値を超えていた場合、コントローラ３は、圧力センサ１３の異常を通知する信号を表示装置１４に出力する。信号を受けた表示装置１４は、圧力センサ１３で異常が発生したことを知らせるメッセージを表示する。なお、「推定した圧力値と計測値の差」とは、「推定した圧力値と計測値の差の絶対値」を意味する。
【００３２】
第２実施例の燃料電池システム２ａは、バイパス弁２０を使って圧力センサ１３の異常を検知することができる。
【００３３】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。バイパス弁２０は、設定値を超える圧力が加わったときに弁が開く。バイパス弁２０は、上流側の圧力が高いほど大きく開く。即ち、バイパス弁２０の開度は、上流側の圧力と正の相関がある。燃料電池システム２（２ａ）は、その相関を用いて空気供給流路６の圧力を推定する。
【００３４】
図２で示した構造は、バイパス弁２０の一例である。バイパス弁２０の構造は、図２の構造に限られるものではない。バイパス弁２０は、設定値を超える圧力が加わったときに、上流側の圧力と開度の間に正の相関を有する構造であればよい。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３６】
２、２ａ：燃料電池システム
３：コントローラ
４：コンプレッサ
５：空気取り入れ口
６：空気供給流路
７：開度センサ
８：バイパス流路
９：調圧弁
１０：排出流路
１１：排出弁
１２：マフラ
１３：圧力センサ
１４：表示装置
２０：バイパス弁
２１：弁
２２：モータ
２３：バネ
２４：ストッパ
２８：上流
３０：燃料電池スタック
３１：水素タンク
３２：水素供給流路
３３：主止弁
３４：インジェクタ
３５：圧力センサ
３６：水素排出流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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