(57)【要約】【課題】燃料電池システムの機能や信頼性を維持することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池１と、前記燃料電池１に燃料を供給する燃料タンク２と、前記燃料タンク２の圧力を検出するタンク圧センサ９と、これらを制御する制御装置１６とを備えた燃料電池システムに適用され、前記タンク圧センサ９の故障が検出された際に、その所定時間前のタンク圧力と、前記故障が検出された後の燃料消費量及び燃料排出量を算出し、これらを用いてタンク圧力を推定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンクと、
前記燃料タンクの圧力を検出するタンク圧センサと、
これらを制御する制御装置とを備えた燃料電池システムに適用され、
前記タンク圧センサの故障が検出された際に、その検出時から所定時間前のタンク圧力と、前記故障が検出された後の燃料消費量及び燃料排出量を算出し、これらを用いてタンク圧力を推定することを特徴とする燃料電池システムの機能維持方法。
【請求項２】
前記推定されたタンク圧力が所定値以下となった際に前記燃料電池の発電を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの機能維持方法。
【請求項３】
前記燃料電池システムは燃料電池の燃料排出量を制御する排出弁を備え、
該排出弁を開く燃料排出処理の有無に応じて前記燃料排出量を定めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの機能維持方法。
【請求項４】
前記燃料電池システムは燃料電池の温度を検出する温度センサを備え、
該温度センサにより検出された温度に基づいて前記燃料消費量及び前記燃料排出量を定めることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムの機能維持方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムの機能維持方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、複数の貯蔵タンク（燃料タンク）を備え、それぞれの流出入口に開閉バルブを設けると共に、該開閉バルブに接続された流路に圧力センサを取り付け、該圧力センサで検出された圧力に応じて貯蔵タンクを切り替えて、水素の供給を連続的に行うものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２９５９９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧力センサが故障してしまうと、燃料タンクの圧力が監視できなくなるため、そのまま発電を継続すると燃料タンク内の燃料を使い果たしてしまう虞があり、燃料電池システムの機能や信頼性を維持する上で好ましくないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料タンクの圧力センサが故障した場合であっても、燃料タンクの圧力を推定することができ、燃料電池システムの機能や信頼性を維持することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料タンク（例えば、実施の形態における高圧水素タンク２）と、前記燃料タンクの圧力を検出するタンク圧センサ（例えば、実施の形態におけるタンク圧力センサ９）と、これらを制御する制御装置とを備えた燃料電池システムに適用され、前記タンク圧センサの故障が検出された際に、その検出時から所定時間前のタンク圧力（例えば、実施の形態におけるタンク圧力Ｐ１）と、前記故障が検出された後の燃料消費量（例えば、実施の形態における発電水素消費量ＱＨ１）及び燃料排出量（例えば、実施の形態における水素排出量ＱＨ２）を算出し、これらを用いてタンク圧力を推定することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記タンク圧センサの故障が検出された場合であっても、前記燃料消費量や燃料排出量を用いて燃料タンクのタンク圧力を推定し、これにより燃料タンクの残容量を推定することができるため、前記推定されたタンク圧力に応じた燃料電池の制御を行うことができるとともに、燃料電池システムの機能を維持した運転が可能となり、燃料電池システムの機能や信頼性を高めることができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記推定されたタンク圧力が所定値以下となった際に前記燃料電池の発電を停止することを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料タンク内に確実に一定量以上の燃料を保持させた状態で燃料電池を稼働させることができるため、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記燃料電池システムは燃料電池の燃料排出量を制御する排出弁（例えば、実施の形態における排出弁１３）を備え、該排出弁を開く燃料排出処理の有無に応じて前記燃料排出量を定めることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記燃料排出量を燃料排出処理の有無に応じて定めることにより、燃料タンクの圧力をより高い精度で推定することができるため、燃料電池のよりきめ細かい制御が可能となり、燃料電池システムの機能や信頼性をより高めることができる。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記燃料電池システムは燃料電池の温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施の形態における温度センサ１０）を備え、該温度センサにより検出された温度に基づいて前記燃料消費量及び前記燃料排出量を定めることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記燃料消費量及び前記燃料排出量を温度に応じて定めることにより、燃料タンクの圧力をより高い精度で推定することができるため、燃料電池のよりきめ細かい制御が可能となり、燃料電池システムの機能や信頼性をより高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
前記燃料電池１には、高圧水素タンク２が水素ガス供給流路６を介して接続されている。前記高圧水素タンク２は、燃料である水素を貯蔵し、前記水素ガス供給流路６を介して燃料電池１のアノードに水素ガスを供給する。
【００１５】
また、前記燃料電池１には、エア供給システム３がエア供給流路７を介して接続されている。前記エア供給システム３は、エアコンプレッサ等のエア供給源を備え、該エア供給源から前記エア供給流路７を介して燃料電池１のカソードに空気（酸化剤ガス）を供給する。
【００１６】
前記燃料電池１は、アノードに燃料として水素ガスを供給され、カソードに酸化剤として酸素を含むエアを供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
前記水素ガス、エアはそれぞれ発電に供された後、水素ガス排出流路１４、エア排出流路１５を介してそれぞれオフガスとして排出される。
【００１７】
また、前記水素ガス供給流路６には、遮断弁８、レギュレータ５が設けられている。前記遮断弁８を制御することにより、燃料電池１に供給される水素の流量が調整される。前記レギュレータ５は、レギュレータ５出口の水素ガスが、燃料電池１に供給されるエアに対して所定圧力範囲内となるように圧力制御する。
【００１８】
また、前記水素ガス供給流路６には、前記遮断弁８とレギュレータ５との間に、タンク圧力センサ９、温度センサ１０が設けられ、これらのセンサ９，１０によりタンク２から供給される水素圧力Ｐ１、水素温度Ｔ１を検出する。そして、前記水素ガス供給流路６には、前記レギュレータ５と燃料電池１との間に、アノード圧力センサ１１が設けられ、このセンサ１１により燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの圧力を検出する。
【００１９】
また、水素ガス排出流路１４には排出弁１３が設けられ、該排出弁１３の開閉により水素排出処理が行われる。燃料電池１には電流センサ１２が設けられ、該センサ１２により燃料電池１で発電する発電電流ＩＦＣを検出する。
【００２０】
また、燃料電池システムは制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１６を備えている。このＥＣＵ１６は、各センサ９、１０、１１、１２での検出値（Ｐ１、Ｔ１、Ｐ２、ＩＦＣ）に基づいて、エア供給システム３、遮断弁８、排出弁１３等の機器を制御する。
【００２１】
このように構成された燃料電池システムにおける機能維持制御について、図２を用いて説明する。
図２は図１に示した燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１２で、タンク圧力センサ９が故障しているかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ１４に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１８に進む。前記圧力センサ９が故障しているかどうかは、前記圧力センサ９で検出される信号電圧の値により判定することができる。
【００２２】
ステップＳ１４では、Ｐ１の所定時間Ｔ１前の値を初期圧力値ＰＩＮＩに設定し、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、全体消費量ＶＨの値を０として、一連の処理を終了する。この全体消費量ＶＨは、タンク圧力センサ９故障後の水素消費量である。これについては、後述する。
【００２３】
ステップＳ１２でタンク圧力センサ９の故障が検知されると、ステップＳ１８で、発電水素消費量ＱＨ１を算出する。これは、前記電流センサ１２で検出された発電電流ＩＦＣに係数Ｋ１を乗じることにより行う。そして、ステップＳ２０に進み、水素排出処理中かどうかを判定する。この判定は、排出弁１３の開閉状態を検出することにより行う。
【００２４】
ステップＳ２０の判定結果がＹＥＳの場合（排出弁１３が開いている場合）には、ステップＳ２４で、テーブル１（図３参照）により、アノード圧力センサ１１で検出されたアノード圧力Ｐ２から水素排出量ＱＨ２の算出して、ステップＳ２６に進む。
また、ステップＳ２０の判定結果がＮＯの場合（排出弁１３が閉じている場合）には、水素排出処理を行っていない状態であるので、ステップＳ２６で水素排出量ＱＨ２に０を代入して、ステップＳ２６に進む。
こうした判定結果への対応によって、水素（燃料）排出量は定められる。
【００２５】
ステップＳ２６では、全体消費量ＶＨの算出を行う。これは、前回算出した全体消費量ＶＨに、発電水素消費量ＱＨ１と水素排出量ＱＨ２とを加えることにより行う。上述したように、全体消費量ＶＨを算出する際に、水素排出量ＱＨ２を加味しているため、算出される全体消費量ＶＨの精度を高めることができ、これに応じて燃料電池１に対するきめ細やかな制御が可能となる。
【００２６】
そして、ステップＳ２８では、前記温度センサ１０にて検出された温度Ｔ１での消費量ＶＨＴＮＫを、全体消費量ＶＨから式（１）により算出する。
式（１）：ＶＨＴＮＫ＝ＶＨ×（２７３＋Ｔ１）／２７３
これにより、温度変化を加味した全体消費量（温度補正値）ＶＨＴＮＫを算出することができ、水素消費量推定の精度をより高めることができ、これに応じて燃料電池１に対するよりきめ細やかな制御が可能となる。
【００２７】
ステップＳ３０では、テーブル２（図４参照）により、温度補正値ＶＨＴＡＮＫからタンク圧変化量ΔＰ１ＣＡＬを算出する。そして、ステップＳ３２で、初期圧力値ＰＩＮＩからタンク圧変化量ΔＰ１ＣＡＬを減算して、推定圧力値Ｐ１ＣＡＬを算出する補正を行う。
そして、ステップＳ３４で、推定圧力値Ｐ１ＣＡＬが所定値（判定基準値）Ｐ１以下かどうかを判定する。推定圧力値とタンク内水素残容量とは略比例するため、ステップＳ３４の判定結果がＹＥＳであれば、タンク内水素残容量が少ないと推定されるので、ステップＳ３６で発電を停止して一連の処理を終了する。また、ステップＳ３４の判定結果がＮＯであれば、タンク内水素残容量が十分あると推定されるので、発電を継続した状態で一連の処理を終了する。
このように、前記水素タンク２内に確実に一定量以上の水素を保持させておくことができるため、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【００２８】
なお、本発明における燃料電池システムは、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途、例えば燃料電池搭載のオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができるのはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、前記推定されたタンク圧力に応じた燃料電池の制御を行うことができるとともに、燃料電池システムの機能を維持した運転が可能となり、燃料電池システムの機能や信頼性を高めることができる。
請求項２に係る発明によれば、前記燃料タンク内に確実に一定量以上の燃料を保持させた状態で燃料電池を稼働させることができるため、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
請求項３、請求項４に係る発明によれば、燃料電池のよりきめ細かい制御が可能となり、燃料電池システムの機能や信頼性をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムにおける機能維持制御を示すフローチャートである。
【図３】図２のテーブル１に用いられる、水素排出量と水素圧力の関係を示すグラフである。
【図４】図２のテーブル２に用いられる、タンク圧変化量と水素消費量温度補正値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  高圧水素タンク
３  エア供給システム
５  レギュレータ
６  水素ガス供給流路
７  エア供給流路
９  タンク圧力センサ
１０  温度センサ
１３  排出弁
１６  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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