(57)【要約】【課題】センサの劣化によるシステムの運転の支障を防止すると共にシステム起動時の異常判定を迅速に行なう。【解決手段】水素の循環系のポンプ３２を駆動する電動機３４にセンサレスのものを用いる。この結果、水素脆性によるセンサの劣化に基づく電動機３４の駆動制御の破綻を回避することができる。システムの起動時には、過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常などの電動機３４の駆動に関する異常を判定し、いずれかの異常の結果、所定回のシステムの再起動を伴うときには、逆止弁３６の固着などによる水素の循環系の異常であると判定し、システムを停止する。この結果、同一の異常を所定回に亘って判定するものに比して、システム起動時の異常判定を迅速に終了することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給タンクから気体燃料を燃料電池に供給する供給装置を備える燃料電池システムであって、
前記供給装置は、少なくとも回転位置を検出するセンサを有しないセンサレスの電動機によって駆動されるポンプを備える
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記供給装置は、前記燃料供給タンクから供給される気体燃料を循環路により前記燃料電池に循環させて該燃料電池に気体燃料を供給する装置であり、
前記ポンプは、前記気体燃料を前記循環路に循環させるポンプである
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記電動機の駆動に関する異なる複数種類の異常を検出する異常検出手段と、
システムの起動が指示されてから所定時間経過するまでに前記異常検出手段により異常の種類に拘わらず異常が所定回検出されたとき、前記供給装置に異常が発生したと判定する異常判定手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記供給装置は、前記ポンプの吐出側に取り付けられる逆止弁を備え、
前記異常判定手段は、前記供給装置の異常として前記逆止弁の固着を判定する手段である
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、
外気温を検出する外気温出手段を備え、
前記異常判定手段は、前記外気温検出手段により検出された外気温に基づいて前記逆止弁の固着を判定する手段である
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または５記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプの吐出側の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記異常判定手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力に基づいて前記逆止弁の固着を判定する手段である
燃料電池システム。
【請求項７】
前記異常判定手段により前記逆止弁の異常が判定されたとき、システムを停止するシステム停止手段を備える請求項３ないし６いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記異常検出手段により異常が検出されたとき、前記異常判定手段により前記供給装置の異常が判定されるまではシステムの再起動を指示する再起動指示手段を備える請求項３ないし７いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記電動機の駆動に関する異なる複数種類の異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により所定時間内に異常の種類に拘わらず異常が所定回検出されたとき、システムを停止するシステム停止手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１０】
前記異常検出手段により異常が検出されたとき、前記システム停止手段によりシステムが停止されるまではシステムの再起動を指示する再起動指示手段を備える請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記異常検出手段は、前記電動機の過電流異常，前記電動機の素子短絡電流異常，前記電動機のロック異常の少なくとも一つを前記複数の異常の一つとして検出する手段である請求項３ないし１０いずれか記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料供給タンクから気体燃料を燃料電池に供給する供給装置を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料供給装置から供給される水素を水素系循環路を用いて燃料電池に循環させると共に酸化剤供給装置から供給される酸素を酸素系循環路を用いて燃料電池に循環させるものが提案されている（特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池で消費されなかった水素や酸素を循環路を用いて循環させることにより燃料供給装置や酸化剤供給装置から供給される水素や酸素の利用率の向上を図っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２４０２２０号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした燃料電池システムでは、水素や酸素を循環させるために循環ポンプが用いられ、この循環ポンプを駆動するのに電動機が用いられる。電動機の駆動制御には、電動機の回転位置を正確に検出するためにレゾルバなどの回転位置センサが用いられるのが一般的であるが、水素系の循環ポンプに用いる電動機の駆動制御に回転位置センサを用いると、水素脆性等によるセンサの劣化により電動機を駆動制御できない場合が生じ、システムの運転に支障をきたす場合がある。
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、センサの劣化によるシステムの運転の支障を防止することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、供給系や循環系の異常を判定することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池システムは、システム起動時の異常判定を迅速に行なうことを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、
燃料供給タンクから気体燃料を燃料電池に供給する供給装置を備える燃料電池システムであって、
前記供給装置は、少なくとも回転位置を検出するセンサを有しないセンサレスの電動機によって駆動されるポンプを備える
ことを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池システムでは、センサレスの電動機によってポンプを駆動するから、水素脆性等によるセンサの劣化に伴って生じるシステムの運転の支障を防止することができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて前記供給装置は前記燃料供給タンクから供給される気体燃料を循環路により前記燃料電池に循環させて該燃料電池に気体燃料を供給する装置であり、前記ポンプは前記気体燃料を前記循環路に循環させるポンプであるものとすることもできる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記電動機の駆動に関する異なる複数種類の異常を検出する異常検出手段と、システムの起動が指示されてから所定時間経過するまでに前記異常検出手段により異常の種類に拘わらず異常が所定回検出されたとき、前記供給装置に異常が発生したと判定する異常判定手段と、を備えるものとすることもできる。こうすれば、システム起動時に電動機の駆動に関する異常に基づいて供給装置の異常を迅速に検出することができる。ここで、異常を所定回検出するのは、電動機の異常と供給装置の異常とを判別するためと、誤判定を抑制するためである。したがって、所定回は２回以上であれば何回であっても構わない。
【００１１】
この電動機の駆動に関する異常に基づいて供給装置の異常を判定する態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記供給装置は前記ポンプの吐出側に取り付けられる逆止弁を備え、前記異常判定手段は前記供給装置の異常として前記逆止弁の固着を判定する手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、外気温を検出する外気温検出手段を備え、前記異常判定手段は前記外気温検出手段により検出された外気温に基づいて前記逆止弁の固着を判定する手段であるものとすることもできるし、前記ポンプの吐出側の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記異常判定手段は、前記圧力検出手段により検出された圧力に基づいて前記逆止弁の固着を判定する手段であるものとすることもできる。このように外気温や圧力を用いて判定することにより、逆止弁の固着を精度よく検出することができる。
【００１２】
また、電動機の駆動に関する異常に基づいて供給装置の異常を判定する態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記逆止弁異常判定手段により前記逆止弁の異常が判定されたとき、システムを停止するシステム停止手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、迅速に検出された供給装置の異常に基づいて早期にシステムを停止することができる。
【００１３】
さらに、電動機の駆動に関する異常に基づいて供給装置の異常を判定する態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記異常検出手段により異常が検出されたとき、前記異常判定手段により前記供給装置の異常が判定されるまではシステムの再起動を指示する再起動指示手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、誤判定によるシステムの停止を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記電動機の駆動に関する異なる複数種類の異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により所定時間内に異常の種類に拘わらず異常が所定回検出されたとき、システムを停止するシステム停止手段と、を備えるものとすることもできる。こうすれば、何らかの異常が発生したときに迅速にシステムを停止することができる。なお、異常検出を所定回必要とするのは、誤検出によるシステムの停止を抑制するためである。したがって、所定回は２回以上であれば何回であっても構わない。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記異常検出手段により異常が検出されたとき、前記システム停止手段によりシステムが停止されるまではシステムの再起動を指示する再起動指示手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、誤検出によるシステムの停止を抑制することができる。
【００１５】
電動機の駆動に関する異常に基づいて供給装置の異常を判定する態様や電動機の駆動に関する異常に基づいてシステムを停止する態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記異常検出手段は、前記電動機の過電流異常，前記電動機の素子短絡電流異常，前記電動機のロック異常の少なくとも一つを前記複数の異常の一つとして検出する手段であるものとすることもできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０は、図示するように、循環路３０に循環する水素と供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池２２と、循環路３０に水素を供給する水素タンク２４と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット５０とを備える。なお、燃料電池システム２０は、この他、空気を燃料電池２２に供給するブロアや空気や水素を加湿する加湿器，燃料電池２２を冷却する冷却系統，燃料電池２２の発電電力を所望の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータなどの機器も備えるが、本発明の中核をなさないから、その図示と詳細な説明については省略した。
【００１７】
循環路３０には、燃料電池２２から排出される未反応の水素を加圧するポンプ３２と、その吐出側に加圧された水素の逆流を防止する逆止弁３６とが取り付けられている。ポンプ３２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センサレスの電動機３４により駆動されており、この電動機３４には直流電源４０からの直流電力がインバータ４２により三相交流電力に変換されて供給されている。ここで、電動機３４にセンサレスのものを用いるのは、水素脆性によるセンサの劣化に基づく電動機３４の駆動制御の破綻を回避するためである。なお、直流電源４０は、実施例では、燃料電池２２による発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧調整されたものやこの電圧調節された電力により充電された二次電池などのシステム内のものを用いるものとした。
【００１８】
電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ５６と、図示しない入出力ポートとを備える。電子制御ユニット５０には、直流電源４０からインバータ４２に供給される電力線に取り付けられ素子短絡電流（ＩＰＭ）を検出するＩＰＭセンサ６０からの信号やインバータ４２と電動機３４とを接続する三相電力ラインのｕ相とｖ相に取り付けられた電流センサ６２，６４からの相電流Ｉｕ，Ｉｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、水素タンク２４から循環路３０へ水素を供給する供給管に取り付けられた調節弁２６への駆動信号やインバータ４２へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電動機３４に印加される相電流は、その総和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）は値０となるから、相電流としてはｕ相の電流Ｉｕとｖ相の電流Ｉｖとを検出すれば、ｗ相の電流Ｉｗは計算により求めることができる。
【００１９】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に起動時の水素の循環系における異常を検出する動作および異常を検出したときの動作について説明する。図２は、起動指示がなされたときに電子制御ユニット５０により実行される循環系起動処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、電流センサ６２，６４により検出される相電流Ｉｕ，ＩｖやＩＰＭセンサ６０により検出される信号を読み込み（ステップＳ１００）、読み込んだ相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて過電流異常およびロック異常を判定すると共に読み込んだＩＰＭ信号に基づいて素子短絡電流異常（ＩＰＭ異常）を判定する（ステップＳ１１０）。過電流異常は、相電流Ｉｕ，Ｉｖや相電流Ｉｕ，Ｉｖから計算される相電流Ｉｗに基づいて電動機３４に印加される実効電流が定格値から定まる値を超えているか否かなどの手法により判定することができ、ロック異常は、起動からの時間の経過に伴って想定される電動機３４の回転数と相電流Ｉｕ，Ｉｖの変化に基づいて推定される電動機３４の回転数との偏差によって判定することができる。また、ＩＰＭ異常は、ＩＰＭセンサ６０からの信号により直接判定することができる。
【００２０】
過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常の判定の結果（ステップＳ１２０）、いずれの異常も判定されなかったときには、起動指示がなされてから所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ１３０）、所定時間経過していないときにはステップＳ１００に戻って過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常の判定を繰り返し、所定時間経過しているときには循環系の起動完了と判断し、本ルーチンを終了する。ここで、所定時間は、システムの再起動を所定回（例えば、２回や３回など）行なって過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常の判定を最初のシステム起動と合わせて所定回＋１回行なうことができる時間として設定されている。この所定回については更に後述する。
【００２１】
一方、過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常の判定の結果（ステップＳ１２０）、いずれかの異常が判定されたときには、異常検出回数Ｎを値１だけインクリメントして（ステップＳ１４０）、異常検出回数Ｎが閾値Ｎｒｅｆ以上であるか否かを判定し（ステップＳ１５０）、異常検出回数Ｎが閾値Ｎｒｅｆ未満のときにはシステムを再起動して（ステップＳ１６０）、ステップＳ１００に戻り、異常検出回数Ｎが閾値Ｎｒｅｆ以上のときにはシステムを停止して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。ここで、異常検出回数Ｎにはシステム起動時に初期値として値０が設定されており、閾値Ｎｒｅｆには前述した所定時間を設定する際に用いたシステムの再起動の所定回の値より値１だけ多い値かその値より小さな値が設定されている。例えば、所定時間がシステムの再起動を２回行なって過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常の判定を最初のシステム起動と合わせて３回行なうことができる時間として設定されている場合には、閾値Ｎｒｅｆには値３や値２が設定される。こうした閾値Ｎｒｅｆと所定時間との関係や過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常のいずれかの異常が判定されるとステップＳ１６０によりシステムが再起動されることを考慮すると、異常検出回数Ｎは、システムの起動指示がなされてから所定時間経過するまでにシステムが起動される毎に上述のいずれかの異常が判定されることによって閾値Ｎｒｅｆ以上の値となる。
【００２２】
いま、凍結などの原因により逆止弁３６が固着してポンプ３２の圧送によっては循環路３０に水素が循環されない循環系の異常の状態を考える。この場合、システム起動により電動機３４を駆動してポンプ３２により燃料電池２２から排出される未反応の水素を圧送しようとすると、逆止弁３６の固着によりポンプ３２の吐出側が高圧になり、電動機３４の駆動ではポンプ３２が通常想定される回転数より低い回転数でしか回転できない状態やポンプ３２を回転させることができない状態が生じる。この状態では、電動機３４には、過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常がランダムに判定されるようになる。したがって、システム起動時に電動機３４の駆動に対して過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常が判定されたときには、水素の循環系の異常が発生したと推定することができる。実施例では、こうした電動機３４の駆動に関する異常の判定をシステムの再起動を伴って複数回行なうことにより、ノイズによる誤検出を防止して異常検出の精度を高め、所定時間内に閾値Ｎｒｅｆの値の数だけ異常を検出したときには、水素の循環系の異常が判定されたとして、システムを停止するのである。通常、異常の判定は、ノイズ等による誤判定を回避するために、所定回（例えば３回）の異常判定に基づいて行なう手法が採られており、複数種類の異常の判定の場合には、同一の異常の所定回の判定に基づいて行なわれる。上述の逆止弁３６の固着の場合には、電動機３４の駆動に対する過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常がランダムに判定されるから、同一の異常の３回の判定に基づく手法を採用すると、異常が均等に出現するものとすれば７回のシステムの起動が必要となり、システム起動時の異常判定に時間を要するものとなる。一方、実施例では、いずれかの異常の３回の判定により水素の循環系の異常が判定されたとしてシステムを停止するから、２回のシステムの再起動でよいことになる。即ち、実施例では、システム起動時の異常判定に要する時間を短くすることができるのである。
【００２３】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、水素の循環系のポンプ３２を駆動する電動機３４にセンサレスのものを用いるから、水素脆性によるセンサの劣化に基づく電動機３４の駆動制御の破綻を回避することができる。この結果、システムの安定性および耐久性を向上させることができる。
【００２４】
また、実施例の燃料電池システム２０によれば、システムの起動時には、過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常などの電動機３４の駆動に関する異常を判定し、いずれかの異常の結果、所定回のシステムの再起動を伴うときには、水素の循環系の異常であると判定し、システムを停止するから、システム起動時の異常判定を迅速に終了することができる。このように、システム起動時の異常判定を迅速に終了することができるから、実施例の燃料電池システム２０は、車両搭載用のシステムとして好適なものとなる。
【００２５】
実施例の燃料電池システム２０では、過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常などの電動機３４の駆動に関する異常を判定し、いずれかの異常の結果、所定回のシステムの再起動を伴うときには、水素の循環系の異常と判定するものとしたが、所定回の異常の判定がすべて同一の異常であるときには、電動機３４の駆動に関する異常であると判定し、所定回の異常の判定が同一の異常でないときには、水素の循環系の異常であると判定するものとしてもよい。また、図３の変形例の燃料電池システム２０Ｂに例示するように、循環路３０のポンプ３２の吐出側に圧力計６６を取り付け、所定回の異常が判定されたときの圧力計６６により検出される圧力Ｐに基づいて電動機３４の駆動に関する異常であるか水素の循環系の異常であるかを判定するものとしてもよい。この場合、所定回の異常が判定されたときの圧力Ｐが水素系の循環系に異常がないときに想定される圧力より大きな値として設定された閾値Ｐｒｅｆ未満のときには電動機３４の駆動に関する異常であると判定し、閾値Ｐｒｅｆ以上のときには逆止弁３６の固着による水素の循環系の異常と判定することができる。また、図３の変形例の燃料電池システム２０Ｂに示すように、システムに外気温センサ６８を取り付け、所定回の異常が判定されたときの外気温センサ６８により検出される外気温Ｔに基づいて電動機３４の駆動に関する異常であるか水素の循環系の異常であるかを判定するものとしてもよい。この場合、所定回の異常が判定されたときの外気温Ｔが逆止弁３６の凍結が予想される温度より低い温度に設定された所定温度Ｔｒｅｆ以下のときには、凍結を原因とする逆止弁３６の固着による水素の循環系の異常であると判断し、所定温度Ｔｒｅｆより高いときには凍結以外の原因による水素の循環系の異常であるか電動機３４の駆動に関する異常であると判定するものとしてもよい。こうした循環路３０のポンプ３２の吐出側の圧力Ｐや外気温Ｔを考慮して異常の判定を行なう場合、図２の起動時処理ルーチンに代えて図４の起動時処理ルーチンを実行すればよい。このルーチンでは、異常検出回数Ｎが閾値Ｎｒｅｆ以上のときに、外気温Ｔが所定温度Ｔｒｅｆ以下のときや（ステップＳ２７０）、外気温Ｔが所定温度Ｔｒｅｆより高くても循環路３０のポンプ３２の吐出側の圧力Ｐが閾値Ｐｒｅｆ以上のときには（ステップＳ２８０）、逆止弁３６の固着による水素の循環系の異常と判定して（ステップＳ２９０）、システムを停止し（ステップＳ３１０）、外気温Ｔが所定温度Ｔｒｅｆより高く循環路３０のポンプ３２の吐出側の圧力Ｐが閾値Ｐｒｅｆ未満のときには電動機の駆動に関する異常と判定し（ステップＳ３００）、システムを停止する（ステップＳ３１０）。こうすれば、水素の循環系の異常であるか、電動機３４の駆動に関する異常であるかを判別することができるから、異常への対処に役立たせることができる。
【００２６】
実施例の燃料電池システム２０では、電動機３４の駆動に関する異常として過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常を判定するものとしたが、水素の循環系の異常に伴って電動機３４の駆動に関して生じる異常であれば他の異常を含めるものとしてもよい。また、実施例の燃料電池システム２０では、電動機３４の駆動に関する異常として過電流異常やロック異常，ＩＰＭ異常を判定するものとしたが、過電流異常については判定しないものとしたり、ロック異常については判定しないもの、あるいは、ＩＰＭ異常については判定しないものとしても差し支えない。
【００２７】
実施例の燃料電池システム２０では、水素の循環系の異常に適用したが、燃料電池２２に酸化剤としての純酸素を循環させる酸素の循環系を備えるシステムでは、酸素の循環系の異常についても適用することができる。また、実施例の燃料電池システム２０では、水素の循環系の異常に適用したが、水素の供給系の異常に適用するものとしてもよい。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】起動時に電子制御ユニット５０により実行される起動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図４】変形例の起動時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ  燃料電池システム、２２  燃料電池、２４  水素タンク、２６調節弁、３０  循環路、３２  ポンプ、３４  電動機、３６  逆止弁、４０  直流電源、４２  インバータ、５０  電子制御ユニット、５２  ＣＰＵ、５４  ＲＯＭ、５６  ＲＡＭ、６０  ＩＰＭセンサ、６２，６４  電流センサ、６６  圧力計、６８  外気温センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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