JP2004179127A - 燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の状態を検出するセンサのいずれかが故障した場合であっても、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１と、これに酸化剤を供給する回転式の酸化剤供給器３と、前記酸化剤供給器３から供給される酸化剤の温度を検出する酸化剤吸入温度センサ１３と、前記酸化剤供給流路７の酸化剤流量を検出する酸化剤流量センサ１６と、これらを制御する制御装置１４と、を備え、該制御装置１４が、前記酸化剤流量センサ１６の故障を検知した際、前記酸化剤供給器３に対する回転数指令値を用いて酸化剤体積流量を算出し、前記酸化剤吸入温度センサ１３からの信号値と前記酸化剤体積流量とから酸化剤質量流量を推定して、燃料電池システムの諸制御に用いる。
【選択図】 図１

Description

【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センサ代替推定制御装置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、燃料電池に反応ガス（水素ガス、エア）や冷却剤を供給する流路に各種センサを設け、これらのセンサでの検出値に応じて、燃料電池の運転を制御するものがある。
また、特許文献１には、燃料電池に供給される加熱空気の滞留を防いで、高温を嫌う検知器（センサ）の故障を低減する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２０３８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、何らかの原因で、燃料電池の状態を検出するセンサのいずれかが故障した場合には、上述した燃料電池の運転を制御できず、燃料電池の機能や信頼性を確保する上で障害となる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、燃料電池の状態を検出するセンサのいずれかが故障した場合であっても、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置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、前記燃料電池に酸化剤を供給する回転式の酸化剤供給器（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ３）と、前記酸化剤供給器から供給される酸化剤の温度を検出する酸化剤吸入温度センサ（例えば、実施の形態におけるエア温度センサ１３）と、前記酸化剤供給流路（例えば、実施の形態におけるエア供給流路７）の酸化剤流量を検出する酸化剤流量センサ（例えば、実施の形態におけるエア流量センサ１６）と、これらを制御する制御装置（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１４）と、を備え、該制御装置が、前記酸化剤流量センサの故障を検知した際、前記酸化剤供給器に対する回転数指令値を用いて酸化剤体積流量を算出し、前記酸化剤吸入温度センサからの信号値と前記酸化剤体積流量とから酸化剤質量流量を推定して、燃料電池システムの諸制御に用いることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記酸化剤流量センサの故障を検知した際に、前記酸化剤体積流量と前記信号値とから酸化剤質量流量を推定することができるため、この推定した酸化剤質量流量により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料貯蔵器と、前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流センサと、前記燃料電池に供給される燃料圧力を検出する燃料入口圧センサと、前記燃料電池から排出される燃料圧力を検出する燃料出口圧センサと、これらを制御する制御装置とを備え、該制御装置が、前記燃料入口圧センサの故障を検知した際、前記発電電流センサからの信号値から燃料電池での燃料圧力損失値を算出して、該燃料圧力損失値と前記燃料出口圧センサからの信号値とから燃料電池入口燃料圧を推定して、燃料電池システムの諸制御に用いることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記燃料入口圧センサの故障を検知した際に、前記発電電流からの信号値から算出された燃料圧力損失値と、前記出口圧センサからの信号値とにより燃料電池入口燃料圧を推定することができるため、この推定した燃料電池入口燃料圧により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、燃料電池と、前記燃料電池に冷却剤を供給する回転式の冷却剤供給器と、前記燃料電池に供給される冷却剤圧力を検出する冷却剤入口圧センサと、前記燃料電池から排出される冷却剤圧力を検出する冷却剤出口圧センサと、これらを制御する制御装置と、を備え、該制御装置が、前記冷却剤入口圧センサの故障を検知した際、前記冷却剤供給器に対する回転数指令値を用いて燃料電池での冷却剤圧力損失値を算出し、該冷却剤圧力損失値と前記冷却剤出口圧センサからの信号値とから燃料電池入口冷却剤圧を推定して、燃料電池システムの諸制御に用いることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記冷却剤入口圧センサの故障を検知した際に、算出された冷却剤圧力損失値と、前記出口圧センサからの信号値とにより燃料電池入口冷却剤圧を推定することができるため、この推定した燃料電池入口冷却剤圧により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる。
【００１３】
【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１の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、水素供給システム２が水素ガス供給流路６を介して接続されている。前記水素供給システム２は、水素タンク等の水素供給源を備え、該水素供給源から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。
【００１４】
また、前記燃料電池１には、エアコンプレッサ３がエア供給流路７を介して接続されている。前記エアコンプレッサ３は、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。
【００１５】
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。
前記エアは発電に供された後、燃料電池１のカソードからエアオフガスとしてエア排出流路２１を介して排気部（図示せず）に排出される。
【００１６】
なお、燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池１のアノードから水素オフガス循環流路１８に排出され、再び燃料電池１のアノードに供給されるようになっている。また、前記循環流路１８は排出流路（図示せず）に接続され、該排出流路を介して水素オフガスの一部が排気部（図示せず）に排出される。
【００１７】
前記燃料電池１には、冷却ポンプ４が冷却水循環流路９を介して接続されている。前記冷却ポンプ４により、前記冷却水循環流路９内の冷却水が燃料電池１のセル間に供給される。このように冷却剤である冷却水を燃料電池１に循環させることで、発電時の発熱による燃料電池１の温度上昇を抑制して、燃料電池１を適正な温度で運転させることができる。
【００１８】
燃料電池システムには、各種センサが設けられている。すなわち、エア供給流路７の、エアコンプレッサ３の上流側には、エア流量センサ１６と、エア温度センサ１３とが設けられている。前記エア流量センサ１６、エア温度センサ１３は、燃料電池のカソード極に供給されるエア流量ＱＮＡ、エア温度ＴＡをそれぞれ検出する。
【００１９】
また、前記水素ガス供給流路６、水素オフガス循環流路１８には、それぞれ水素入口圧力センサ１５、水素出口圧力センサ１９が設けられている。これらのセンサ１５、１９は、燃料電池のアノード極に供給、排出される水素圧力ＰＨＩＮ、ＰＨＯＵＴをそれぞれ検出する。
【００２０】
また、前記冷却水循環流路９の燃料電池１入口側と出口側には、それぞれ冷却水入口圧力センサ１７、冷却水出口圧力センサ２０が設けられている。これらのセンサ１７、２０は、燃料電池１に供給、排出される冷却水圧力ＰＷＩＮ、ＰＷＯＵＴをそれぞれ検出する。
【００２１】
また、燃料電池１には電流センサ１２が設けられ、この電流センサ１２は燃料電池１での発電電流ＩＦＣを検出する。
【００２２】
本実施の形態における燃料電池システムは、制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１４を備えている。該ＥＣＵ１４は、上述した各センサ１６、１３、１５、１９、１７、２０、１２での検出値に基づいて、各機器３、４の制御を行う。
【００２３】
このように構成された燃料電池システムにおけるセンサ代替制御について、図２〜図４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エア流量センサ代替制御を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１２で、エア流量センサ（ＱＮＡセンサ）９が故障しているかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ１４に進み、以下に示す代替制御を行う。また、ステップＳ１２の判定結果がＮＯであれば、代替制御を行う必要はないので一連の処理を終了する。なお、センサ９の故障は、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。例えば、正常機能時に０．５Ｖ〜４．５Ｖの信号電圧を示すセンサが、信号送信系の故障では５Ｖのみしか示さなくなり、センサ電源系の故障では０Ｖのみしか示さなくなる等の事象を利用して故障判定が可能である。こうした故障判定の手法については、後述するセンサ１５、１７においても同様である。
【００２４】
ステップＳ１４では、燃料電池１での目標発電量を所定値Ｉ１以下に制限する。これにより、燃料電池の機能や信頼性を確保した状態で運転させることができる。そして、ステップＳ１６で、テーブル１によりコンプレッサ回転数指令値ＮＣからエア体積流量ＱＡを算出する（図５参照）。
そして、ステップＳ１８で式（１）によりエア質量流量ＱＮＡを算出する。
式（１）：ＱＮＡ＝ＱＡ×２７３／ＴＡ
そして、一連の処理を終了する。この算出したエア質量流量により、燃料電池１の諸制御（燃料電池１の発電電流制限、コンプレッサ３の回転数のフィードバック制御等）を行う。
【００２５】
このように、前記エア流量センサ１６が故障しても、エア質量流量を推定することができるため、推定したエア質量流量により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池１の信頼性を確保することができる。
【００２６】
図３は図１に示した燃料電池システムの水素入口圧力センサ代替制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２２で、水素入口圧力センサ（ＰＨＩＮセンサ）１５が故障しているかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ２４に進み、以下に示す代替制御を行う。また、ステップＳ２４の判定結果がＮＯであれば、代替制御を行う必要はないので、一連の処理を終了する。
【００２７】
ステップＳ２４では、燃料電池１での目標発電量を所定値Ｉ２以下に制限する。これにより、燃料電池の機能や信頼性を確保した状態で運転させることができる。そして、ステップＳ２６で、テーブル２により発電電流ＩＦＣからアノード極圧力損失ＰＤＨを算出する（図６参照）。そして、ステップＳ２８で、出口水素圧力ＰＨＯＵＴとアノード極圧力損失ＰＤＨとを加算して入口水素圧力ＰＷＩＮを算出する。そして、一連の処理を終了する。この算出した入口水素圧力により、燃料電池１の諸制御（燃料電池１の差圧保護制限、発電電流制限等）を行う。
【００２８】
このように、前記水素入口圧力センサ１５が故障しても、水素入口圧力を推定することができるため、推定した水素入口圧力により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池１の信頼性を確保することができる。
【００２９】
図４は図１に示した燃料電池システムの冷却水入口圧力センサ代替制御を示すフローチャートである。まず、ステップＳ３２で、冷却水入口圧力センサ（ＰＷＩＮセンサ）１７が故障しているかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ３４に進み、以下に示す代替制御を行う。また、ステップＳ３２の判定結果がＮＯであれば、代替制御を行う必要はないので一連の処理を終了する。
【００３０】
ステップＳ３４では、燃料電池１での目標発電量を所定値Ｉ３以下に制限する。これにより、燃料電池の機能や信頼性を確保した状態で運転させることができる。そして、ステップＳ３６で、テーブル３によりコンプレッサ回転数指令値ＮＷから冷却水圧力損失ＰＤＷを算出する（図７参照）。
そして、ステップＳ３８で出口冷却水圧力ＰＷＯＵＴと冷却水圧力損失ＰＤＷとを加算して、入口冷却水圧力ＰＷＩＮを算出する。そして、一連の処理を終了する。この算出した入口冷却水圧力により、燃料電池１の諸制御（燃料電池１の差圧保護制限等）を行う。
【００３１】
このように、前記冷却水入口圧力センサ１７が故障しても、冷却水入口圧力を推定することができるため、推定した冷却水入口圧力により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池１の信頼性を確保することができる。
【００３２】
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。
【００３３】
【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、前記酸化剤流量センサが故障しても、酸化剤質量流量を推定することができるため、推定した酸化剤質量流量により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる。
【００３４】
請求項２に係る発明によれば、前記燃料入口圧センサが故障しても、燃料電池入口燃料圧を推定することができるため、この推定した燃料電池入口燃料圧により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる。
【００３５】
請求項３に係る発明によれば、前記冷却剤入口圧センサが故障しても、冷却剤圧を推定することができるため、この推定した燃料電池入口冷却剤圧により燃料電池システムの諸制御を行うことができ、燃料電池の機能や信頼性を確保することができる。
【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のエア流量センサ代替制御を示すフローチャートである。
【図３】図１に示した燃料電池システムにおける水素入口圧力センサ代替制御を示すフローチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池システムにおける冷却水入口圧力センサ代替制御を示すフローチャートである。
【図５】図２に示したフローチャートに使用されるエア体積流量とコンプレッサ回転指令値の関係を示すグラフである。
【図６】図３に示したフローチャートに使用される水素極圧力損失と発電電流の関係を示すグラフである。
【図７】図４に示したフローチャートに使用される冷却ポンプ回転数指令と冷却水圧力損失の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 水素供給システム
３ エアコンプレッサ
４ 冷却ポンプ
６ 水素ガス供給流路
７ エア供給流路
９ 冷却剤循環流路
１４ ＥＣＵ
１５ 水素入口圧力センサ
１６ エア流量圧力センサ
１７ 冷却剤入口圧力センサ

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤を供給する回転式の酸化剤供給器と、
   前記酸化剤供給器から供給される酸化剤の温度を検出する酸化剤吸入温度センサと、
   前記酸化剤供給流路の酸化剤流量を検出する酸化剤流量センサと、
   これらを制御する制御装置と、を備え、
   該制御装置が、前記酸化剤流量センサの故障を検知した際、
   前記酸化剤供給器に対する回転数指令値を用いて酸化剤体積流量を算出し、
   前記酸化剤吸入温度センサからの信号値と前記酸化剤体積流量とから酸化剤質量流量を推定して、
   燃料電池システムの諸制御に用いることを特徴とする燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料を供給する燃料貯蔵器と、
   前記燃料電池の発電電流を検出する発電電流センサと、
   前記燃料電池に供給される燃料圧力を検出する燃料入口圧センサと、
   前記燃料電池から排出される燃料圧力を検出する燃料出口圧センサと、
   これらを制御する制御装置とを備え、
   該制御装置が、前記燃料入口圧センサの故障を検知した際、
   前記発電電流センサからの信号値から燃料電池での燃料圧力損失値を算出して、
   該燃料圧力損失値と前記燃料出口圧センサからの信号値とから燃料電池入口燃料圧を推定して、
   燃料電池システムの諸制御に用いることを特徴とする燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置。
3. 燃料電池と、
   前記燃料電池に冷却剤を供給する回転式の冷却剤供給器と、
   前記燃料電池に供給される冷却剤圧力を検出する冷却剤入口圧センサと、
   前記燃料電池から排出される冷却剤圧力を検出する冷却剤出口圧センサと、
   これらを制御する制御装置と、を備え、
   該制御装置が、前記冷却剤入口圧センサの故障を検知した際、
   前記冷却剤供給器に対する回転数指令値を用いて燃料電池での冷却剤圧力損失値を算出し、
   該冷却剤圧力損失値と前記冷却剤出口圧センサからの信号値とから燃料電池入口冷却剤圧を推定して、
   燃料電池システムの諸制御に用いることを特徴とする燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置。

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