特許 5979305 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5979305

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月24日

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20160817BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20160817BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20160817BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/04 A

   !H01M8/10

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-506655(P2015-506655)

(86)(22)【出願日】2014年2月14日

(86)【国際出願番号】JP2014053431

(87)【国際公開番号】WO2014148164

(87)【国際公開日】20140925

【審査請求日】2015年9月1日

(31)【優先権主張番号】特願2013-59817(P2013-59817)

(32)【優先日】2013年3月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100148231

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 謙治

(74)【代理人】

【識別番号】100194940

【弁理士】

【氏名又は名称】高山 昇一

(72)【発明者】

【氏名】冨田 要介

(72)【発明者】

【氏名】筑後 隼人

【審査官】 高田 基史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２５１６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２３５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０３２５０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノードガスとカソードガスとを供給するとともに、負荷に応じた両ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池スタックのカソードガスの圧力を調整する調圧弁と、
前記燃料電池スタックに対する発電要求に基づいて目標カソード圧力を設定する目標カソード圧力設定手段と、
前記目標カソード圧力に基づいて前記コンプレッサの操作量と調圧弁開度とを制御する制御手段と、
前記コンプレッサの実回転数を検出する手段と、
コンプレッサ入口温度と、コンプレッサトルクとの２つのパラメータに基づいて、前記コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度を制限する制限手段と、を備え
前記制限手段は、前記２つのパラメータに基づいて前記コンプレッサの制限回転数を設定するとともに、前記制限回転数と実回転数とに基づいて制限圧力を算出し、当該制限圧力に基づいて前記コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度を制限する、
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックに対する発電要求に基づいて第１目標流量を設定する第１目標流量設定手段と、
前記制限圧力に基づいて、カソードガスの第２目標流量を演算する第２目標流量演算手段と、
前記第１目標流量及び前記第２目標流量の小さいほうに基づいて、コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度によってカソード流量を制御するカソード流量制御手段と、
を備える燃料電池システム。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２目標流量は、前記調圧弁が全開となったときに、前記燃料電池スタックに対する発電要求に基づいて算出される第１目標流量よりも小さな値である、
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制限手段は、大気圧が大きいほど前記コンプレッサの制限回転数が小さくなるように、前記コンプレッサトルクを補正する、
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの実カソード圧力を検出する検出手段と、
カソードガス流量を検出するカソードガス流量検出手段と、を備え、
前記カソードガス流量と前記実カソード圧力とに基づいて、燃料電池の出力を制限する、
燃料電池システム。

【請求項6】

燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池スタックのカソードガスの圧力を調整する調圧弁と、を備え、アノードガスとカソードガスとを供給するとともに、負荷に応じた両ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに対する発電要求に基づいて目標カソード圧力を設定する圧力設定ステップと、
前記目標カソード圧力に基づいて前記コンプレッサの操作量と調圧弁開度とを制御する制御ステップと、
前記コンプレッサの実回転数を検出する検出ステップと、
コンプレッサ入口温度と、コンプレッサトルクとの２つのパラメータに基づいて、前記コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度を制限する制限ステップと、を備え、
前記制限ステップでは、前記２つのパラメータに基づいて前記コンプレッサの制限回転数を設定するとともに、前記制限回転数と実回転数とに基づいて制限圧力を算出し、当該制限圧力に基づいて前記コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度を制限する、
燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｊ２０１２−００３９５７Ａの燃料電池システムは、カソードガス供給通路に設けたコンプレッサによってカソードガスの流量を制御し、カソードガス排出通路に設けた調圧弁によってカソードガスの圧力を制御する。

【発明の概要】

【0003】

外気温が高い環境で登坂走行するシーンでは、外気温が高く、コンプレッサが吐出する空気の温度も高くなる虞がある。このため、コンプレッサ吐出温度の高温化に対し、コンプレッサ下流部品の耐熱保護の観点から、コンプレッサが吐出する空気の温度を上限温度に制限することが重要である。

【0004】

このような事情に鑑み、コンプレッサの下流に温度センサを設けて、そこで検出される温度センサの検出値を用いてコンプレッサの出口温度が上限温度となるように、コンプレッサの空気圧力を調整することが考えられる。また、コンプレッサの下流に温度センサを設けるのではなく、コンプレッサの上流圧力及び下流圧力を検出するセンサを設けて、圧力比を演算し、圧力比から温度上昇量を演算して、温度上昇量をコンプレッサの入口温度に加算することで、コンプレッサの出口温度を推定することも考えられる。

【0005】

しかしながら、コンプレッサ下流に温度センサを設けても、または、コンプレッサの上流及び下流に圧力センサを設けても、無用なコストアップを招いてしまう。

【0006】

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、コンプレッサ下流の温度センサや、コンプレッサ上下流の圧力センサを用いるのではなく、異なる手法でコンプレッサ下流の温度を上限温度に制限する方策を提供することにある。

【0007】

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、アノードガスとカソードガスとを供給するとともに、負荷に応じた両ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムである。そして、燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池スタックのカソードガスの圧力を調整する調圧弁と、を備える。また、燃料電池システムでは、燃料電池スタックに対する発電要求に基づいて目標カソード圧力を設定し、目標カソード圧力に基づいてコンプレッサ操作量と調圧弁開度とを制御する。そしてコンプレッサ入口温度と、コンプレッサトルクとの２つのパラメータに基づいて、コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度を制限することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの基本的な構成を示す図である。

【図2A】図２Ａは、燃料電池スタックにおける膜電極接合体を示す模式図である。

【図2B】図２Ｂは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。

【図3】図３は、本実施形態の制御内容を示す制御ブロック図である。

【図4】図４は、ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックの詳細な内容について説明する図である。

【図5】図５は、コンプレッサ出口温度一定の場合の大気圧，コンプレッサトルク，コンプレッサ回転数の相関を示す図である。

【図6】図６は、コンプレッサ出口温度一定の場合の吸気温度，コンプレッサトルク，コンプレッサ回転数の相関を示す図である。

【図7】図７は、スタック制限流量演算ブロックの詳細な内容について説明する図である。

【図8】図８は、本実施形態の制御を実行したときの作用効果を示すタイムチャートである。

【図9】図９は、本発明の第２実施形態におけるＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックの詳細な内容について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

【0010】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの基本的な構成を示す図である。

【0011】

最初に図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの基本的な構成について説明する。

【0012】

燃料電池スタック１０は、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されつつ反応ガス(カソードガス、アノードガス)が供給されて発電する。このようにするために、燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、が接続される。

【0013】

カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスが流れる。カソードライン２０には、コンプレッサ２１と、インタークーラ２２と、ＷＲＤ(Water Recovery Device)２３と、調圧弁２４と、が設けられる。またカソードライン２０には、ブリードライン２００が並設される。ブリードライン２００は、コンプレッサ２１よりも下流であってインタークーラ２２よりも上流から分岐して、調圧弁２４よりも下流に合流する。このような構成になっているので、コンプレッサ２１で送風された空気の一部がブリードライン２００に流れて、燃料電池スタック１０を迂回する。ブリードライン２００には、ブリード弁２１０が設けられる。

【0014】

コンプレッサ２１は、本実施形態では、たとえば遠心式のターボコンプレッサである。コンプレッサ２１は、インタークーラ２２よりも上流のカソードライン２０に配置される。コンプレッサ２１は、モーターによって駆動される。コンプレッサ２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスの流量を調整する。カソードガスの流量は、コンプレッサ２１の回転速度及びトルクによって調整される。

【0015】

インタークーラ２２は、コンプレッサ２１よりも下流であってＷＲＤ２３よりも上流に設けられる。インタークーラ２２は、コンプレッサ２１から吐出されて燃料電池スタック１０に導入される空気を冷却する。

【0016】

ＷＲＤ２３は、燃料電池スタック１０に導入される空気を加湿する。ＷＲＤ２３は、加湿対象となるガスが流れる被加湿部と、加湿源となる水含有ガスが流れる加湿部と、を含む。被加湿部には、コンプレッサ２１によって導入された空気が流れる。加湿部には、燃料電池スタック１０を通流して水を含有しているガスが流れる。

【0017】

調圧弁２４は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。調圧弁２４は、カソードライン２０を流れるカソードガスの圧力を調整する。カソードガスの圧力は、調圧弁２４の開度によって調整される。

【0018】

コンプレッサ２１に吸入されるカソードガスの温度は、カソード温度センサ２０１で検出される。このカソード温度センサ２０１は、コンプレッサ２１よりも上流に設けられる。

【0019】

コンプレッサ２１に吸入されるカソードガスの流量は、カソード流量センサ２０２で検出される。このカソード流量センサ２０２は、コンプレッサ２１よりも上流に設けられる。カソード流量センサ２０２で検出された値は、燃料電池システムのコントローラに入力され、例えばコントローラは、カソード流量センサ２０２の検出値が、コンプレッサ２１から吐出する流量の目標値となるようにコンプレッサ２１を制御する。

【0020】

ＷＲＤ２３の入口のカソードガスの温度は、カソード温度センサ２０３で検出される。このカソード温度センサ２０３は、インタークーラ２２よりも下流であってＷＲＤ２３よりも上流に設けられる。ＷＲＤ２３の入口のカソードガスの圧力（ＷＲＤ入口圧力）は、カソード圧力センサ２０４で検出される。このカソード圧力センサ２０４は、インタークーラ２２よりも下流であってＷＲＤ２３よりも上流に設けられる。

【0021】

なお本実施形態では、ＷＲＤ２３があるので、センサ２０３，２０４の検出値は、厳密には燃料電池スタックの直前の値とは、異なる。しかしながら、ＷＲＤ２３による圧力損失などは、既知であるので、これらの検出信号から、燃料電池スタックに供給するカソードガスの圧力などがわかる。すなわち請求項のカソード圧力，カソード流量は、ＷＲＤ入口圧力，ＷＲＤ入口流量と同義であると考えてよい。

【0022】

ＷＲＤ２３の入口のカソードガスの流量（ＷＲＤ入口流量）は、スタック流量センサ２０５で検出される。このスタック流量センサ２０５は、インタークーラ２２よりも下流であってＷＲＤ２３よりも上流に設けられる。なお燃料電池スタック１０に流れるカソードガスの流量は、このスタック流量センサ２０５で検出される流量と同じである。スタック流量センサ２０５で検出された値は、コントローラに入力され。コントローラは、例えば、水素希釈要求によってコンプレッサ２１に要求される供給流量が、燃料電池スタック１０の発電に必要とされるスタック要求流量よりも大きい場合には、スタック流量センサ２０５の検出値がスタック要求流量となるようにブリード弁２１０の開度を制御する。

【0023】

ブリード弁２１０は、ブリードライン２００に設けられる。ブリード弁２１０は、ブリードライン２００に逃がすカソードガスの流量を調整することで、燃料電池スタック１０に流すカソードガスの流量を調整する。

【0024】

アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスが流れる。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、パージ弁３３と、が設けられる。パージ弁３３よりも下流のアノードライン３０が、調圧弁２４よりも下流のカソードライン２０に合流する。

【0025】

ボンベ３１には、アノードガス(水素Ｈ２)が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。

【0026】

アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスの圧力を調整する。アノードガスの圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。

【0027】

パージ弁３３は、燃料電池スタック１０の下流に設けられる。パージ弁３３が開くと、アノードガスがパージされる。

【0028】

図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。

【0029】

燃料電池スタック１０は、反応ガス(水素Ｈ２及び空気中の酸素Ｏ２)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。そのうちの１枚のＭＥＡが図２Ａに示される。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)、対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)、対角側から排出される(アノードアウト)、という例が示されている。

【0030】

各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。

【0031】

【化1】

【0032】

図２Ｂに示すように、反応ガス(空気中の酸素Ｏ２)がカソード流路を流れるにつれて上式(1-2)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(水素Ｈ２)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。

【0033】

ところで、コンプレッサ２１から吐出されるカソードガスの温度が高すぎると、コンプレッサ下流部品の耐熱温度を超えてしまう場合がある。このような場合には、コンプレッサが吐出するカソードガスの温度を下げることが望まれる。温度を下げるには、コンプレッサが吐出するカソードガスの圧力を下げればよい。コンプレッサの吐出温度は、コンプレッサの出口に温度センサを設けたり、コンプレッサの入口圧力及び出口圧力を検出するセンサを設ければ、検出できる。

【0034】

しかしながら、無闇にセンサを増やしては、コストアップを招いてしまう。

【0035】

そこで本実施形態では、コンプレッサ下流の温度センサや、コンプレッサ上下流の圧力センサを用いるのではなく、異なる手法でコンプレッサの吐出圧力を制限する方策を提供する。
具体的な手法は、以下に説明される。

【0036】

図３は、本実施形態の制御内容を示す制御ブロック図である。図３には、燃料電池システムのコントローラに備えられる機能を制御ブロックにより示している。

【0037】

目標ＷＲＤ入口圧力演算ブロックＢ１１０は、酸素分圧を確保するために最低限要求される空気圧力を演算する。燃料電池スタックは、カソードガスとして、空気を供給する。空気中の酸素Ｏ２が上式(1-2)のように反応して、発電反応が生じる。燃料電池スタック１０に対する目標発電電流(目標スタック電流)が大きいほど、大きな発電反応が必要となり、多くの反応ガス(水素Ｈ２及び空気中の酸素Ｏ２)が必要となる。空気中には、窒素Ｎ２なども含まれているので、発電反応に必要な酸素Ｏ２が確保できるように、このブロックＢ１１０では、酸素分圧を確保するために最低限要求される空気圧力を演算する。具体的には、ブロックＢ１１０は、大気圧及び目標スタック電流に基づいて、目標ＷＲＤ入口圧力を演算する。

【0038】

ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０は、コンプレッサが吐出する空気の温度が過温度状態にならないようにするために必要なＷＲＤ２３の入口の圧力制限値を演算する。上述のように、コンプレッサが吐出する空気の温度が高いと、燃料電池の電解質膜が乾燥しやすい。そこで、コンプレッサが吐出する空気の温度を下げることが望まれる。吐出空気の温度を下げるには、コンプレッサが吐出する空気の圧力を下げればよい。そこで、このブロックＢ１２０で、圧力制限値を演算する。具体的には、ブロックＢ１２０は、コンプレッサ２１の回転数，空気温度，トルク，大気圧に基づいて、圧力制限値を演算する。さらに詳細な内容は、後述される。

【0039】

ミニマムセレクトブロックＢ１３０は、目標ＷＲＤ入口圧力演算ブロックＢ１１０から出力される目標ＷＲＤ入口圧力と、ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０から出力される圧力制限値と、を比較して、小さいほうを目標ＷＲＤ入口圧力として出力する。すなわち、ブロックＢ１１０の目標ＷＲＤ入口圧力が圧力制限値よりも大きければ、圧力制限値で制限する。

【0040】

目標スタック流量演算ブロックＢ２１０は、酸素分圧を確保するために最低限要求される空気流量を演算する。具体的には、ブロックＢ２１０は、目標スタック電流、燃料電池スタック１０の入口及び出口の冷却水温度に基づいて、目標スタック流量を演算する。

【0041】

スタック制限流量演算ブロックＢ２２０は、ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０から出力される制限圧力によって要求されるスタック供給空気流量の制限値を演算する。具体的には、ブロックＢ２２０は、制限圧力，大気圧，燃料電池スタックの入口及び出口の冷却水温度に基づいて、制限流量を演算する。さらに詳細な内容は、後述される。

【0042】

ミニマムセレクトブロックＢ２３０は、目標スタック流量演算ブロックＢ２１０から出力される目標スタック流量と、スタック制限流量演算ブロックＢ２２０から出力される流量制限値と、を比較して、小さいほうを目標スタック供給空気流量として出力する。すなわち、ブロックＢ２１０の目標スタック流量が流量制限値よりも大きければ、流量制限値で制限する。

【0043】

制御ブロックＢ３００は、コンプレッサトルク演算ブロックＢ３１０と、調圧弁開度演算ブロックＢ３２０と、を含む。

【0044】

コンプレッサトルク演算ブロックＢ３１０は、目標ＷＲＤ入口圧力と、ＷＲＤ入口圧力センサ値と、スタック流量センサ値と、目標スタック流量と、に基づいて、コンプレッサ２１に指令するトルクを演算する。コンプレッサ２１は、この指令値に基づいて制御される。

【0045】

調圧弁開度演算ブロックＢ３２０は、目標ＷＲＤ入口圧力と、ＷＲＤ入口圧力センサ値と、スタック流量センサ値と、目標スタック流量と、に基づいて、調圧弁２４に指令する開度を演算する。調圧弁２４は、この指令値に基づいて制御される。

【0046】

図４は、ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０の詳細な内容について説明する図である。

【0047】

補正値演算ブロックＢ１２１は、ＲＯＭ定数を大気圧力で除算して、コンプレッサ２１の制限回転数を補正するための補正値を求める。本実施形態ではコンプレッサ２１の吐出温度を一定の温度、例えば２００℃に制限するためにコンプレッサ２１に生じるトルクに基づいて、コンプレッサ２１の回転数を制限する。この制限回転数は、コンプレッサ２１のトルクが一定であっても燃料電池システムが使用される環境、例えば大気圧の違いによって変わる。

【0048】

図５は、コンプレッサ２１に吸入されるカソードガスの吸気温度（入口温度）が一定の場合における大気圧とコンプレッサ２１のトルク及び回転数との相関を説明するための図である。図５には、互い異なる大気圧においてコンプレッサ２１の吐出温度を同一の温度に制限したときのコンプレッサ２１のトルクと回転数の相関関係が例示されている。

【0049】

図５に示すように、大気圧が一定であれば、コンプレッサ２１のトルクが大きくなるほど、コンプレッサ２１の回転数が大きくなる。このコンプレッサ２１のトルクと回転数の相関関係は、大気圧が高くなるほど、コンプレッサ２１のトルクが大きくなる方向（図中右方向）にシフトする。このようにコンプレッサ２１のトルクが全体的に大きくなると、コンプレッサ２１の吐出温度が上昇してしまうので、コンプレッサ２１の回転数を低く制限する必要がある。

【0050】

このため、仮に一定のトルクでコンプレッサ２１を駆動するような場合には、大気圧が高くなるほど、コンプレッサ２１の回転数を低く制限しないと、コンプレッサ２１の吐出温度が上限温度を超えてしまう。この要因としては、大気圧が高くなるほど、コンプレッサ２１に吸入されるカソードガスの密度が高くなることが原因であると推測される。

【0051】

この対策として補正値演算ブロックＢ１２１は、ＲＯＭ定数を大気圧力で除算して補正値を求める。ＲＯＭ定数は、コンプレッサ２１の実トルクを補正する際の基準となる大気圧の値であり、本実施形態では１０１．３ｋＰａ（キロパスカル）に設定される。また大気圧力は、燃料電池システム又は車室内に設けられた大気圧センサにより検出される。

【0052】

補正値演算ブロック１２１は、大気圧が高いほど補正値を小さくし、大気圧が低いほど補正値を大きくする。そして補正値演算ブロック１２１は、補正値を補正トルク演算ブロックＢ１２２に出力する。

【0053】

補正トルク演算ブロックＢ１２２は、コンプレッサ２１の実トルクに補正値を乗算して補正トルクを求める。なお、コンプレッサ２１の実トルクは、例えばコンプレッサ２１に設けられたトルクセンサによって検出される。

【0054】

補正トルク演算ブロックＢ１２２は、大気圧が高くなるほど、コンプレッサ２１の制限回転数が小さくなるように補正トルクを小さくし、大気圧が低いほど、コンプレッサ２１の制限回転数が大きくなるように補正トルクを大きくする。

【0055】

制限回転数演算ブロックＢ１２３は、吸気温度及び補正トルクに基づいてコンプレッサ２１の制限回転数を求める。コンプレッサ２１の制限回転数は、大気圧の違いだけでなく、コンプレッサ２１に吸入される空気の吸気温度の違いによっても変化する。

【0056】

吸気温度，補正トルク，コンプレッサの回転数の間には、たとえば図６の関係がある。これについて説明する。コンプレッサの吐出温度は、たとえば２００℃にすることが望まれる。大気圧(１０１．３ｋＰａ)の環境下で、吸気温度ごとにコンプレッサのトルクと回転数との相関を取ると、図６のようになる。

【0057】

図６に示すように、吸気温度が一定であれば、トルクが大きいほど回転数が大になる。またトルクが一定であれば、吸気温度が低いほど回転数が大になる。このような特性を利用して、制限回転数演算ブロックＢ１２３は、コンプレッサ２１の制限回転数を求める。

【0058】

具体的には、補正トルクごとに、コンプレッサ２１の吸気温度と制限回転数との関係を示す制限回転数テーブルが制限回転数演算ブロックＢ１２３に予め記憶されている。そして制限回転数演算ブロックＢ１２３は、吸気温度と補正トルクとを取得すると、補正トルクで特定された制限回転数テーブルを参照し、吸気温度に対応付けられた制限回転数を算出する。

【0059】

偏差演算ブロックＢ１２４は、コンプレッサ２１の実回転数と制限回転数との偏差を演算する。

【0060】

フィードバック制御ブロックＢ１２５は、偏差演算ブロックＢ１２４で出力される偏差がゼロになるように、ＷＲＤ入口制限圧力を設定する。

【0061】

このようにＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０は、ＷＲＤ入口制限圧力を求めるために、コンプレッサ２１のトルクと、コンプレッサ２１に吸入されるカソードガスの状態すなわち吸気温度及び大気圧と、に基づいて制限回転数を算出する。

【0062】

具体的には、ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０は、吸気温度及び実トルクを取得すると、大気圧が大きくなるほどコンプレッサ２１の制限回転数が小さくなるように実トルクを補正する。そしてＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０は、コンプレッサ２１の吐出温度の上限値に基づいて作成された制限回転数テーブルを参照し、補正トルクと吸気温度とに基づいてコンプレッサ２１の制限回転数を算出する。

【0063】

これにより、コンプレッサ２１に吸入されるカソードガスの状態に応じて、コンプレッサ２１の吐出温度が上限値を超えないようにＷＲＤ入口制限圧力を適切に設定することができる。

【0064】

図７は、スタック制限流量演算ブロックＢ２２０の詳細な内容について説明する図である。

【0065】

ゲージ圧演算ブロックＢ２２１は、ＷＲＤ入口制限圧力(絶対圧)と大気圧とに基づいて、ＷＲＤ入口制限圧力(ゲージ圧)を演算する。

【0066】

制限流量演算ブロックＢ２２２は、ＷＲＤ入口制限圧力の絶対圧及びゲージ圧に基づいてコンプレッサ２１の制限流量(基本値)を求める。

【0067】

マキシマムセレクトブロックＢ２２３は、燃料電池スタックの入口及び出口の冷却水温度のうち大きいほうを出力する。

【0068】

流量補正値演算ブロックＢ２２４は、ＷＲＤ入口制限圧力(絶対圧)と、マキシマムセレクトブロックＢ２２３から出力される冷却水温度とに基づいて、流量補正値を求める。

【0069】

制限流量演算ブロックＢ２２５は、制限流量演算ブロックＢ２２２から出力される制限流量(基本値)に、流量補正値演算ブロックＢ２２４から出力される流量補正値を乗算して、スタック制限流量を求める。

【0070】

図８は、本制御を実行したときの作用効果を示すタイムチャートである。

【0071】

図８では、コンプレッサの出口温度が徐々に上昇している状況である。何ら制御しなければ、破線のように出口温度が過昇温してしまう。

【0072】

これに対して、本実施形態では、コンプレッサの出口温度が上限温度(たとえば２００℃)に達した時刻ｔ１で、コンプレッサの回転数を、制限回転数演算ブロックＢ１２３で演算された制限回転数で制限する。これによってＷＲＤ入口圧力の過剰な上昇が防止され、コンプレッサ出口温度が上限温度に維持される。

【0073】

さらに本実施形態では、以下の制御も行っている。すなわち、ＷＲＤ入口圧力が上がらないように制限するために、調圧弁の開度を大きくしているが(図８(Ｅ))、時刻ｔ２で調圧弁の開度が全開になったら、燃料電池スタックへ供給する空気の流量を制限するとともに(図８(Ｄ))、その空気制限に応じてスタック電流を制限する(図８(Ｆ))。このようにするので、コンプレッサ出口過温度を防止するために、圧力及び流量が制限されても発電を持続可能となるのである。

【0074】

以上説明したように、本実施形態によれば、コンプレッサ下流の温度センサを用いたり、コンプレッサ上下流の圧力センサを用いるのではなく、２つのパラメータ(コンプレッサ入口温度及びコンプレッサトルク)に基づいて、２１コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁２４の開度を制限することで、無闇にセンサを増やすことなく、コンプレッサの吐出温度(吐出圧力)を制限することができる。

【0075】

また本実施形態では、目標ＷＲＤ入口圧力(目標カソード圧力)及びＷＲＤ入口圧力センサ値(実カソード圧力)を用いて、コンプレッサ２１操作量と調圧弁開度とを制御するようにした。

【0076】

単に、直接コンプレッサの操作量(回転数)を制限するだけでは、燃料電池スタックに対する発電要求に基づく目標カソード圧力と実カソード圧力とに不整合が生じたままになってしまう。たとえば、フィードバック制御(ＰＩ制御)でコンプレッサが制御されるのであれば、積分項が最大値になりうる。このような状況で、制限が解除されると、発電要求に基づくコンプレッサの操作量と調圧弁の開度とが意図しない値になっていることからハンチングが生じる可能性がある。これに対して、本実施形態では、上記２つのパラメータに基づいて、目標カソード圧力を制限することにより、コンプレッサの操作量又は調圧弁開度の少なくとも一方が制限されるので、制限解除後であっても上記不都合を抑制できるのである。

【0077】

また本実施形態では、特に、上記２つのパラメータに基づいてコンプレッサ２１の制限回転数を設定するとともに、コンプレッサ２１の制限回転数と実回転数とに基づいて制限圧力(ＷＲＤ入口制限圧力)を算出するようにした。

【0078】

一般的にコンプレッサ２１は回転数を制御するために、回転数センサを用いることが多い。そして、回転数センサは、温度センサや圧力センサなどに比べてセンシング精度がよい。本実施形態では、このような回転数センサを流用することで、コンプレッサ下流の温度センサや、コンプレッサ上下流の圧力センサといったセンサを無闇に増やすことなく、コンプレッサ２１の吐出温度(吐出圧力)を精度よく守れるのである。

【0079】

また本実施形態では、燃料電池スタックに対する発電要求に基づいて設定された目標スタック流量(第１目標流量)と、制限圧力に基づいて演算されたカソードガスの制限流量(第２目標流量)と、のうち小さいほうに基づいて、コンプレッサの操作量及び／又は調圧弁開度によってカソード流量を制御するようにした。

【0080】

コンプレッサ２１よりも下流の耐熱温度を守るために圧力制限を行う場合、燃料電池スタック１０の出力増加に伴ってカソード流量が増加していくと、調圧弁２４を全開にしても、それ以上圧力が下げられなくなる可能性がある。調圧弁２４が全開となっても、カソード流量が増加してしまうと圧力が上昇し、コンプレッサ下流の温度を耐熱温度に維持できないことが懸念される。

【0081】

これに対して、本実施形態では、カソードガスの制限圧力に基づく制限流量を算出し、カソードガスの流量を制御するようにしたので、燃料電池スタック１０の出力増加に伴って調圧弁２４が全開になり、さらに出力増加に伴って流量を増やそうとした場合に、コンプレッサ２１の流量が制限され、上記の不都合を抑制できる。

【0082】

また本実施形態では、コンプレッサ２１の制限回転数を算出するのに用いられるコンプレッサ２１のトルク値を大気圧の変化に応じて補正することとした。燃料電池システムでは大気圧が高くなるほどコンプレッサ２１のトルクが全体的に大きくなり、コンプレッサ２１の吐出温度が上昇しやすくなる。この対策として大気圧が高くなるほど、コンプレッサ２１の制限回転数が小さくなるようにコンプレッサ２１のトルク値を補正する。これにより、大気圧が高い場合にはコンプレッサ２１の回転数が低く制限されるので、コンプレッサ２１の吐出温度が上限値を超過するのをより確実に防ぐことができる。

【0083】

さらに、標高の高い地域で燃料電池システムが使用される状況では、大気圧が低くなるため、コンプレッサ２１のトルク値が大きくなるように補正される。これにより、コンプレッサ２１の制限回転数が大きくなるので、コンプレッサ２１の回転数を過剰に制限することを抑制できる。

【0084】

また本実施形態では、スタック流量センサ値(カソードガス流量)とＷＲＤ入口圧力センサ値(実カソード圧力)とに基づいて、スタック電流(燃料電池の出力)を制限する。
何らかの原因により、コンプレッサ下流の温度が耐熱温度を超える場合に、この耐熱温度を守るために圧力、さらに流量を制限してしまうと、燃料電池に対する要求出力が大きい場合には、最低酸素分圧を守れない可能性がある。

【0085】

これに対して、本実施形態では、制限した圧力及び流量に応じた最適な出力に燃料電池を制御することで、耐熱保護のための圧力、流量制限時に最低酸素分圧をしたまわることを抑制できるのである。すなわち、コンプレッサ出口過温度を防止するために、圧力及び流量が制限されても発電を持続可能となるのである。

【0086】

なお、本実施形態ではＷＲＤ入口制限圧力を演算するために、コンプレッサ２１の吸気温度と実トルクとに基づいてコンプレッサ２１の制限回転数を算出する例について説明したが、次に示すように、実トルクに代えてトルク推定値を用いてもよい。

【0087】

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態におけるＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０を示す図である。ＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックＢ１２０は、図４に示したＷＲＤ入口制限圧力演算ブロックの構成に加えて、推定トルク算出ブロックＢ１２６を備えている。他の構成については、図４に示したものと同じであるため、同一符号が付してここでの説明を省略する。

【0088】

推定トルク算出ブロックＢ１２６には、コンプレッサ２１に設けられた回転数センサで検出される実回転数と、カソード流量センサ２０２で検出される実吸気流量とが入力される。推定トルク算出ブロックＢ１２６は、コンプレッサ２１の実回転数と実吸気流量とに基づいて、コンプレッサ２１のトルクを推定する。

【0089】

例えば、推定トルク算出ブロックＢ１２６には、コンプレッサ２１の回転数と吸気流量との運転点ごとにコンプレッサ２１のトルク推定値を対応付けたトルク推定マップが記憶されている。そして推定トルク算出ブロックＢ１２６は、コンプレッサ２１の実回転数と実吸気流量とを取得すると、トルク推定マップを参照し、実回転数と実吸気流量とで特定される運転点に対応付けられたトルク推定値を算出する。推定トルク算出ブロックＢ１２６は、そのトルク推定値をコンプレッサ２１のトルクとして補正トルク演算ブロックＢ１２２に出力する。なお、トルク推定マップは、実験データ等により定められる。

【0090】

以上説明した第２実施形態によれば、コンプレッサ２１に設けられている回転数センサ及び、コンプレッサ２１の上流に設けられているカソード流量センサ２０２を流用して、コンプレッサ２１のトルクを推定する。これにより、コンプレッサ２１に新たにトルクセンサを設けずにコンプレッサ２１のトルクを取得できるので、センサを増やすことなく、ＷＲＤ入口制限圧力を演算することかできる。

【0091】

なお、本実施形態ではコンプレッサ２１の実回転数及び実吸気流量に基づいてコンプレッサ２１のトルクを推定する例について説明したが、実回転数の代わりにコンプレッサ２１の下流圧力を用いてトルクを推定するようにしてもよい。

【0092】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0093】

例えば、本実施形態では目標スタック流量(第１目標流量)として、酸素分圧を確保するために最低限要求される空気流量を設定する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば目標スタック流量は、酸素分圧を確保するために最低限要求される空気流量の他に、電解質膜の湿潤度を維持するために必要な空気流量などの要求空気流量によって設定されてもよい。

【0094】

本願は、２０１３年３月２２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−５９８１７に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】