JP6788225B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素タンクからの高圧の水素を調圧弁及びインジェクタにより圧力を下げてから燃料電池に供給している。インジェクタの上流側及び下流側には圧力センサが設けられており、この圧力センサによる検出圧力とインジェクタの目標噴射量とに基づいて、水素配管系の異常を判断するようにしている。

特開２００７−１６５２３７号公報

しかし、水素配管系に異常があると判断されたとしても、その異常原因についてまでは特定できていない。例えば、インジェクタの下流側の圧力センサが上限異常を検知した場合、圧力センサの異常であるのか、インジェクタの異常（例えば開故障）であるのか、異常原因を切り分けることができない。このため、水素配管系に異常があると判断された場合、例えば水素配管系のユニットをすべて交換する必要が生じてしまう。

本発明は、インジェクタの異常と圧力センサの異常とを切り分けて判定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する。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池への燃料ガスを減圧可能に構成された複数のインジェクタと、複数のインジェクタの上流又は下流に設けられた圧力センサと、複数のインジェクタを順に駆動させた場合の駆動パターンから算出された圧力期待値と圧力センサにより取得される圧力値とを用いて、複数のインジェクタ又は圧力センサの異常を判定する制御装置と、を備え、制御装置は、複数のインジェクタを順に駆動させ、（１）複数のインジェクタの全てについて、圧力センサにより取得された圧力値が圧力期待値に対し所定の閾値以上異なっていた場合には、圧力センサの異常であると判定する一方、（２）複数のインジェクタのうちの一部のインジェクタについて、圧力センサにより取得された圧力値が圧力期待値に対し所定の閾値以上異なっていた場合には、当該一部のインジェクタの異常であると判定する。

この態様によれば、複数のインジェクタを順に駆動させたときに、その全てが同じ傾向で所定の閾値以上ずれている場合には圧力センサの異常と判定し、一部が所定の閾値以上ずれている場合にはその一部に該当するインジェクタの異常と判定している。これにより、圧力センサの異常とインジェクタの異常とを切り分けて判定することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムにおける正常時及び異常検知時の圧力挙動を示す模式図である。 図１の燃料電池システムにおける異常検知・判定の制御フローを示すフローチャートである。 図１の燃料電池システムにおける異常判定の具体例を示す表である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極に供給する酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２０のアノード極に供給する燃料ガス供給系４０と、システム全体を統合制御する制御装置６０と、を備えている。燃料電池２０は、例えば複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックで構成される。酸化ガス供給系３０は、酸化ガス供給流路３１及び酸化オフガス流路３２を有し、酸化ガス供給流路３１には、フィルタ３３を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３４と、酸化ガスを加湿する加湿器３５と、酸化ガス供給量を調整する絞り弁３６と、が設けられている。酸化オフガス流路３２には、酸化ガス供給圧を調整する背圧調整弁３７が設けられている。加湿器３５は、酸化ガスと酸化オフガスとの間で水分交換することにより、酸化ガスを加湿する。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路４２と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給流路４２に帰還させるための循環流路４３と、を有している。燃料ガス供給源４１は、高圧の水素、例えば３５ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素を貯留するものであり、例えば水素タンク又は水素吸蔵合金などで構成される。循環流路４３には、気液分離器７１及び排気排水弁７２を介して、排気排水流路７３が接続されている。排気排水弁７２は制御装置６０からの指令によって、燃料電池２０の発電運転中に適宜開くことにより、気液分離器７１で回収した水分と、循環流路４３内の不純物を含む燃料オフガスと、を排気排水流路７３に排出（パージ）する。また、循環流路４３には、循環流路４３内の燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給流路４２の下流側へ送り出すポンプ７５が設けられている。

燃料ガス供給流路４２には、遮断弁４４、調圧弁４５及びインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ（以下、総称して「４６」と付することもある。）が設けられている。遮断弁４４は、燃料ガス供給源４１の元栓バルブとして機能する。調圧弁４５は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に減圧する。調圧弁４５は、機械式、電気式及び電磁式のいずれの構成も採用し得るが、ここでは機械式のものが採用されている。インジェクタ４６は、燃料ガスを減圧可能に構成されている。具体的には、インジェクタ４６は、燃料電池２０への燃料ガスの供給圧力及び供給流量を高精度に調整することが可能な開閉弁である。インジェクタ４６は、例えば電磁駆動式からなり、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより、上記の調整を行う。インジェクタ４６は、燃料ガス供給流路４２に複数設けることができ、ここでは、３つのインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃが並列に設けられている。

燃料ガス供給源４１から燃料電池２０へと供給される燃料ガスは、調圧弁４５及びインジェクタ４６によって減圧される。例えば、燃料ガス供給源４１からの３５ＭＰａ〜７０ＭＰａの燃料ガスは、調圧弁４５により１．５ＭＰａ程度に減圧され、さらに、インジェクタ４６により２００ｋＰａ程度に減圧される。このように二段階で減圧される燃料ガスの各段階の圧力の大きさに着目すると、燃料ガス供給流路４２は、燃料ガス供給源４１から遮断弁４４を介して調圧弁４５に至る高圧流路４２Ａと、調圧弁４５からインジェクタ４６に至る中圧流路４２Ｂと、インジェクタ４６から燃料電池２０に至る低圧流路４２Ｃと、からなる流路に区分けされる。高圧流路４２Ａ、中圧流路４２Ｂ及び低圧流路４２Ｃのそれぞれには、対応する各流路内の燃料ガスの圧力を検知する高圧圧力センサＰ１、中圧圧力センサＰ２及び低圧圧力センサＰ３が設けられている。圧力センサＰ１、Ｐ２及びＰ３は、例えば、それぞれ以下の範囲内の圧力値を示す限りにおいては正常であると設定されている。
圧力センサＰ１：１ＭＰａ〜７０ＭＰａ
圧力センサＰ２：１．２ＭＰａ〜１．６ＭＰａ
圧力センサＰ３：０〜３００ｋＰａ

制御装置６０は、ＣＰＵ６１、メモリ６２及び入出力インタフェース６３を備える電子制御ユニットであり、例えばマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵ６１は、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、種々の処理や制御を行う。メモリ６２は、例えばＲＯＭ及びＲＡＭを有する。ＲＯＭは、ＣＰＵ６１で処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。入出力インタフェース６３には、燃料電池システム１の各部を構成する機器、例えばエアコンプレッサ３４、圧力センサＰ１〜Ｐ３、遮断弁４４、インジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、排気排水弁７２、ポンプ７５が接続される。このような構成により、制御装置６０は、圧力センサＰ１〜Ｐ３等の各種センサからの入力信号を受けて、各種負荷に指示信号を送り、燃料電池システム１全体を制御する。

ところで、燃料電池システム１の運転中に、インジェクタ４６の開故障（例えば異物のつまり等により、弁体が弁座を完全に当接できない現象）が発生した場合、インジェクタ４６の下流側の圧力が上昇し、圧力センサＰ３が上限異常（圧力センサＰ３が正常時に検出する圧力範囲よりも高い値）を検出し得る。他方、圧力センサＰ３の故障（例えばドリフト）が発生した場合も、圧力センサＰ３は上限異常を検出し得る。したがって、圧力センサＰ３が上限異常を検出した場合、その検出値だけでは、圧力センサＰ３及びインジェクタ４６のどちらが故障しているのかを特定することができない。この点、圧力センサＰ３が下限異常を検出した場合も同様である。さらに、インジェクタ４６が故障していた場合に、複数（インジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃ）のうちのどれが故障しているのかを特定することもできない。そこで、本実施形態の制御装置６０は、所定の制御フローを実行することで、圧力センサＰ３及びインジェクタ４６のうちのどちらが異常であるのか、また、複数のインジェクタ４６のうちのどれが異常であるのかを特定するようにしている。

図２は、燃料電池システム１における正常時及び異常検知時の圧力挙動を模式的に示している。図２に示すように、正常時に、インジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃについて、この順に時間間隔をあけて開弁するように駆動させた場合、圧力センサＰ３により取得される圧力値は圧力期待値Ｐ_estimateに沿って段階的に上昇する。圧力期待値Ｐ_estimateは、複数のインジェクタ４６を順に駆動させた場合の駆動パターンから算出されたものであり、インジェクタ４６の個数と同じ数の一定の圧力期待値を含んでいる。ここでは、３個のインジェクタ４６に対応して、圧力期待値Ｐ_estimateは、まずインジェクタ４６ａを駆動させるタイミングｔ１で上昇し始めて一定となった第１の圧力期待値Ｐ_es1と、続いてインジェクタ４６ｂを駆動させるタイミングｔ２で再度上昇し始めて一定となった第２の圧力期待値Ｐ_es2と、次いでインジェクタ４６ｃを駆動させるタイミングｔ３で再度上昇し始めて一定となった第３の圧力期待値Ｐ_es3と、を含んでいる。なお、始動時のような、燃料電池２０の発電による水素消費がないタイミングで複数のインジェクタ４６を単品ずつ順に事前に定めた駆動パターンで動作させることで、精度のよい圧力期待値Ｐ_estimateを算出しておくことができる。

一方、異常時は、インジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃを上記の駆動パターンで駆動させても、圧力センサＰ３により取得される圧力値が圧力期待値Ｐ_estimateに沿って変化しない。例えば、インジェクタ４６ｂが異常である場合には、図２の挙動ライン２００に示すように、タイミングｔ２でインジェクタ４６ｂを駆動させても、圧力上昇が起きず、圧力センサＰ３により取得された圧力値は圧力値Ｐ_es1のままとなる。すなわち、インジェクタ４６が異常の場合にはそのインジェクタの駆動時に圧力変化が見られない。一方、圧力センサＰ３が異常である場合には、例えば図２の挙動ライン２１０に示すように、タイミングｔ１でインジェクタ４６ａを駆動したときの圧力上昇の度合いが大きくなり、圧力センサＰ３により取得された圧力値は、本来の圧力期待値Ｐ_es1よりも高い圧力値Ｐ_ab1となる。タイミングｔ２後も同様に、本来の圧力期待値Ｐ_es2よりも高い圧力値Ｐ_ab2が取得される。すなわち、圧力センサＰ３が異常の場合には、圧力期待値に対し係数を乗じた測定値（増減）が圧力センサＰ３により取得される。

図３は、制御装置６０が実行する所定の制御フローを示すフローチャートである。制御装置６０は、上記の駆動パターンに基づく圧力期待値Ｐ_estimateと圧力センサＰ３により実際に取得される圧力値とを用いて、複数のインジェクタ４６又は圧力センサＰ３の異常を判定する。

制御装置６０は、燃料電池２０の発電要求がある場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）や、低圧流路４２Ｃを加圧する目標がない場合（ステップＳ３０２：Ｎｏ）には、本制御フローを行わない。すなわち、燃料電池２０の発電要求がなく（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、低圧流路４２Ｃを加圧する目標がある場合（ステップＳ３０２：Ｙｅｓ）に、事前に定めた駆動パターンで複数のインジェクタ４６を順に駆動させる（ステップＳ３０３〜３０７）。この駆動パターンは、例えば、インジェクタ４６ａをタイミングｔ１で駆動させ、インジェクタ４６ｂをタイミングｔ２で駆動させ、インジェクタ４６ｃをタイミングｔ３で駆動させるパターンであり（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）、上記のメモリ６２に記憶されている。

具体的には、まず、インジェクタ４６ａをタイミングｔ１で駆動させ（ステップＳ３０３）、圧力センサＰ３により圧力値を取得する（ステップＳ３０４）。そして、この取得した圧力値と圧力期待値Ｐ_estimateとを比較する（ステップＳ３０５）。例えば、圧力センサＰ３により取得された圧力値が、第１の圧力期待値Ｐ_es1に対し所定の閾値以上異なっているか否かを比較する。ここで、所定の閾値は、実験又はシミュレーションにより設定することができる。例えば、圧力センサＰ３の上限異常（上記した一例では３００ｋＰａ）又はこれよりも大きな値を所定の閾値として設定することができる。比較結果は、メモリ６２に格納される（ステップＳ３０６）。なお、圧力センサＰ３により取得された圧力値が第１の圧力期待値Ｐ_es1に対し所定の閾値以上異なっている場合、上振れ及び下振れのどちらの方向に異なっているかの情報についてもメモリ６２に格納される。

未駆動のインジェクタ４６ｂ、４６ｃがある場合（ステップＳ３０７：Ｙｅｓ）、同様のシーケンス（ステップＳ３０３〜３０６）が繰り返される。すなわち、インジェクタ４６ｂをタイミングｔ２で駆動させ、圧力センサＰ３により圧力値を取得し、これを第２の圧力期待値Ｐ_es2と比較し、比較結果を格納する。次いで、インジェクタ４６ｃをタイミングｔ３で駆動させ、同様に比較結果を格納する。全てのインジェクタ４６について圧力挙動の比較が終わると（ステップＳ３０７：Ｎｏ）、格納した比較結果の情報から異常判定を実施する（ステップＳ３０８）。この異常判定は、例えば図４に示す表を参照して行う。図４は、インジェクタ４６が３つの場合の異常判定を定義している。圧力センサＰ３により取得される圧力値の、圧力期待値Ｐ_estimateに対する圧力変化量の態様として３通り（正常、上振れ及び下振れ）があるため、全部で２７通りのパターンがある。

図４に示すように、上記の比較結果が、複数のインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの全てについて同じ方向にずれていた（上振れ又は下振れしていた）ことを示す場合には、圧力センサＰ３の異常であると判定する。この場合、複数のインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃは正常であると判定される。なお、実際、複数のインジェクタ４６が全て同時に故障する可能性は極めて低いと考えられる。

一方、上記の比較結果が、複数のインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの一部について上振れ又は下振れしていたことを示す場合には、そのことを示すインジェクタが異常であると判定する。例えば、インジェクタ４６ａが正常で、インジェクタ４６ｂが上振れで、インジェクタ４６ｃが下振れしていたという比較結果の場合には、インジェクタ４６ｂ及び４６ｃの両方が異常であると判定する。この場合、インジェクタ４６ａ及び圧力センサＰ３は正常であると判定される。

他方、複数のインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの全てについて上振れ又は下振れしてはいるものの、それが同じ方向にはずれていないという比較結果の場合には、複数のインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃの全て及び圧力センサＰ３が異常であると判定する。

異常判定の実施後は、適切なダイアグを燃料電池システム１において行い、フェールセーフ処理を実行する（ステップＳ３０９）。例えば、複数のインジェクタ４６の一部が異常であると判定した場合、燃料電池システム１の運転中であれば、正常のインジェクタ４６を利用して燃料電池システム１の運転を継続することができる。その際、燃料電池２０の発電を制限してもよい。また、圧力センサＰ３が異常であると判定した場合、燃料電池システム１の運転中であれば、圧力センサＰ３により取得される検出値を無視して、燃料電池システム１の運転を継続してもよい。圧力センサＰ３が異常である場合には、燃料電池２０へ供給する燃料ガスの調整をインジェクタ４６で正常に行うことができるからである。

以上説明した実施形態の燃料電池システム１によれば、制御装置６０が、複数のインジェクタ４６ａ、４６ｂ、４６ｃを順に全て駆動させ、その全てについて、圧力センサＰ３により取得された圧力値が圧力期待値Ｐ_estimateに対して所定の閾値以上異なっていた場合には、圧力センサＰ３の異常であると判定する一方、一部のインジェクタ４６について、圧力センサＰ３により取得された圧力値が圧力期待値Ｐ_estimateに対して所定の閾値以上異なっていた場合には、その一部のインジェクタ４６の異常であると判定している。これにより、圧力センサＰ３及びインジェクタ４６のうちのどちらが異常であるのかを特定することができると共に、複数のインジェクタ４６のうちのどれが異常であるのかを特定することができる。

すなわち、本実施形態によれば、低圧流路４２Ｃにおける実際の圧力挙動の差分（圧力期待値Ｐ_estimateと圧力センサＰ３により取得された圧力値との差分）の発生状況から圧力センサＰ３又はインジェクタ４６の異常検知及び異常部品の特定（対象の切り分け）を行うことができる。異常部品の特定が可能であるため、低圧系ユニット（低圧流路４２Ｃにある部品一式）の一式交換から単部品の交換にすることができる。また、異常部位特定の切り分け作業（部位特定工数）の低減にもなる。それゆえ、修理等におけるコストの低減を図ることができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。例えば、図３の制御フローで用いる圧力センサの検出値として、インジェクタ４６の下流の圧力センサＰ３の検出値を用いたが、インジェクタ４６の上流の圧力センサＰ２の検出値を用いることも可能である。

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、２１…酸化ガス流路、２２…燃料ガス流路、３０…酸化ガス供給系、３１…酸化ガス供給流路、３２…酸化オフガス流路、３３…フィルタ、３４…エアコンプレッサ、３５…加湿器、３６…絞り弁、３７…背圧調整弁、４０…燃料ガス供給系、４１…燃料ガス供給源、４２…燃料ガス供給流路、４２Ａ…高圧流路、４２Ｂ…中圧流路、４２Ｃ…低圧流路、４３…循環流路、４４…遮断弁、４５…調圧弁、４６…インジェクタ、６０…制御装置、６１…ＣＰＵ、６２…メモリ、６３…入出力インタフェース、７１…気液分離器、７２…排気排水弁、７３…排気排水流路、７５…ポンプ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…圧力センサ

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池への燃料ガスを減圧可能に構成された複数のインジェクタと、
   前記複数のインジェクタの上流又は下流に設けられた圧力センサと、
   前記複数のインジェクタを順に駆動させた場合の駆動パターンから算出された圧力期待値と前記圧力センサにより取得される圧力値とを用いて、前記複数のインジェクタ又は前記圧力センサの異常を判定する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記複数のインジェクタを順に駆動させ、
   前記複数のインジェクタの全てについて、前記圧力センサにより取得された圧力値が前記圧力期待値に対し、所定の閾値以上異なっていた場合には、前記圧力センサの異常であると判定する一方、
   前記複数のインジェクタのうちの一部のインジェクタについて、前記圧力センサにより取得された圧力値が前記圧力期待値に対し、所定の閾値以上異なっていた場合には、当該一部のインジェクタの異常であると判定する、燃料電池システム。