(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、少なくとも上記燃料電池からの電力で充電する２次電池と、少なくとも上記燃料電池からの電力で車両を駆動するモータと、上記燃料電池へ水素を供給する装置と、上記燃料電池へ空気を供給する圧縮機と、を備えた車両用燃料電池システムにおいて、
上記圧縮機を、それぞれ最大効率発生流量の異なる大小複数の圧縮機とし、上記燃料電池に要求される出力に対応して、上記複数の圧縮機の内、少なくとも一つの圧縮機を制御して、上記燃料電池へ空気を送るように制御する制御手段を備えたことを特徴とする車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置。
【請求項２】
上記制御手段は、
上記燃料電池に要求される出力に相当する空気流量が上記小圧縮機の最大効率発生流量以下である第１領域では上記小圧縮機のみを作動させ、
上記要求される出力に相当する空気流量が上記小圧縮機の最大効率発生流量より大で、かつ上記大圧縮機の効率が上記小圧縮機の最大効率以下の流量範囲である第２領域では上記大小両圧縮機を切り替えて作動させ、
上記要求される出力に相当する空気流量が、上記大圧縮機の効率が上記小圧縮機の最大効率以上の流量範囲である第３領域では上記大圧縮機のみを作動させるように制御するものである、ことを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置。
【請求項３】
上記第２領域における上記大圧縮機と上記小圧縮機の切り替え制御は、２次電池の充電状態に応じて、上記２次電池の充電が必要な状態では上記大圧縮機を作動させ、上記２次電池の放電が必要な状態では上記小圧縮機を作動させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置。
【請求項４】
上記第２領域における上記大圧縮機と上記小圧縮機との切り替えポイントを上記燃料電池の実際の出力と車両走行状態から要求されている出力との差に応じて変化させることを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置。
【請求項５】
上記大圧縮機の最大効率発生流量と上記小圧縮機の最大効率発生流量とを加算した値が上記燃料電池の定格出力となるように設定し、上記大圧縮機の最大効率発生流量以上の流量の領域では、上記大圧縮機と上記小圧縮機とを同時に作動させるモードを有することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両駆動用の燃料電池における圧縮機制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用燃料電池システムにおいては、燃料電池に必要な空気を圧縮機を用いて供給している。そして従来の燃料電池システムにおいては、圧縮機を１つだけ設け、燃料電池の定格出力（最大出力）近傍の空気供給量において圧縮機が最大効率点（最大効率発生流量）になるように設定している。しかし、車両用の燃料電池システムでは部分負荷領域の方が使用頻度が高いので、上記のように制御すると全体の効率が低下してしまう。例えば図１０は、上記のごとき従来の圧縮機制御を行なった場合における空気流量・燃料電池負荷と効率との関係を示す特性図である。図１０に示すように、圧縮機の効率を定格負荷付近で最大となるように設定した場合には、使用頻度の高い低負荷域で、燃料電池スタック効率は上がるものの、圧縮機効率が大幅に低下するので、燃料電池システム全体の効率は低下してしまう。この原因は、燃料電池スタック効率を目減りさせる補機駆動力の大半を、圧縮機が占めているからである。
【０００３】
また、低負荷域の効率を向上させるため、２次電池をバッファとして用い、燃料電池システムをシステムの最大効率点で断続的に使用する方法（圧縮機も燃料電池システムに合わせて断続的に運転する）が考えられる。しかし、この方法では実用上次のごとき問題がある。すなわち、実用的なシステムでは、メタノール等の燃料から改質器（触媒装置）を用いて水素を発生させる装置を用いる場合があるが、この場合には、燃料ポンプを停止させても配管内に残った燃料からしばらく水素が発生し続けるため、燃料電池を断続的に停止させると、その間の水素は無駄に排気することになり、システム効率は上がらないことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の燃料電池システムにおける圧縮機の制御は、車両用として使用頻度の高い部分負荷域でシステム全体の効率が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、使用頻度の高い低負荷域を含めた全体の領域で燃料電池システムの効率を向上させることの出来る車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち請求項１に記載の発明においては、それぞれ最大効率発生流量の異なる大小複数の圧縮機を備え、燃料電池に要求される出力に対応して、上記複数の圧縮機を切替えて燃料電池へ空気を送るように制御するものである。例えば、小圧縮機は部分負荷域（例えば都市走行モード域：車両にもよるが通常、燃料電池出力が１０ｋＷ以下の領域）に最大効率発生流量を設定し、大圧縮機は定格点（最大馬力発生域）近傍に最大効率発生流量を設定し、燃料電池が要求する出力値と大小の圧縮機の最大効率発生流量に応じて大小の圧縮機を切り替えて使用することにより、使用頻度の高い低負荷域を含めた全体の運転領域で常に圧縮機を効率の良い状態で作動させることが出来る。また燃料電池の運転を断続することがないので、前記従来例のように水素が無駄になることもなくなる。
【０００７】
また、請求項２〜請求項４に記載の発明は、請求項１における圧縮機制御の具体的な構成を示すものである。なお、上記の構成は例えば後記第１の実施の形態に相当する。
【０００８】
また、請求項５に記載の発明は、大圧縮機の最大効率発生流量と小圧縮機の最大効率発生流量とを加算した値が燃料電池の定格出力となるように設定し、大圧縮機の最大効率発生流量以上の領域では、大圧縮機と小圧縮機とを同時に作動させるモードを有するように構成している。このように構成することにより、大圧縮機の容量を定格出力よりも小さく設定できるので、小型化が可能である。なお、上記の構成は例えば後記第２の実施の形態に相当する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、全体の運転領域で、効率の落ち込みが無く、高い燃料電池システム効率を実現することができる、という効果が得られる。
また、請求項５に記載の発明においては、大圧縮機を小型化することができる、という効果が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図１は、この発明の一実施の形態の構成を示すブロック図である。
まず構成を説明すると、燃料電池４への空気供給は、大圧縮機１と小圧縮機２の吐出空気を切替え器３で切替えて行なう。なお、大圧縮機１は空気流量の大きな圧縮機であり、小圧縮機２はそれよりも空気流量の小さな圧縮機であって、例えば大圧縮機１は定格点（最大馬力発生域）近傍に最大効率発生流量を有するものであり、小圧縮機２は部分負荷域（例えば都市走行モード域：車両にもよるが通常、燃料電池出力が１０ｋＷ以下の領域）に最大効率発生流量を有するものである。上記圧縮機の駆動用モータは図示していないが、上記圧縮機に含まれるものとする。一方、燃料電池４への水素供給は、メタノール等の燃料を改質器（触媒装置）５で改質したものを使用する例を示したが、水素貯蔵合金や水素タンクからの水素供給でも勿論かまわない。この場合には改質器５は不要である。また、燃料電池４には空気や水素を発電に必要な量よりもやや多めに供給するので、余剰の空気や水素が排気される。
【００１１】
燃料電池４の出力は、コントローラ１０からの運転指示信号Ｓ１により電圧変換器６で所定の電圧に調整され、車両を駆動するためのモータ７およびバッファ用のバッテリ８に供給される。バッテリ８にはバッテリの放電深度ＤＯＤ（全放電で１００％、満充電で０％）を検出するＤＯＤセンサ９が設けられており、バッテリ８の充電（放電）状態はコントローラ１０に入力されている。
【００１２】
さらにコントローラ１０は、たとえばアクセル開度信号Ｓ６、アクセル開度変化率信号Ｓ７および車速信号Ｓ８に基づいて、予め定められた演算を行なって燃料電池４の出力を決定し、改質器５、切替え器３および大圧縮機１、小圧縮機２へ所定量の空気と水素を燃料電池４へ供給するように運転指示信号Ｓ２〜Ｓ５を出力する。そしてコントローラ１０には燃料電池４の出力信号Ｓ９がフィードバックされる。なお、上記の各信号Ｓ６〜Ｓ９はそれぞれのセンサから与えられるが、それらのセンサは図示を省略している。
【００１３】
次に作用を説明する。
上記のように大小二つの圧縮機を備えた場合における圧縮機制御の最も簡単な例としては、図９に特性図を示すように、大圧縮機１は定格点（最大出力発生域）近傍に最大効率点を設定し、小圧縮機２は部分負荷域に最大効率点を設定し、走行状態から要求される燃料電池システムの出力に対応した空気量を、効率良く発生できる方の圧縮機を動作させるように制御する方法が考えられる。しかし、その場合には、大小圧縮機の切替え点Ａの近傍での圧縮機効率が最大効率点に比較して、かなり低下するため、大小圧縮機の最大効率発生点間、特にその切替え点Ａに相当する出力領域において燃料電池システムの効率が低下してしまう。そのため本実施の形態においては、以下に説明するように構成している。
【００１４】
図２は、第１の実施の形態における空気流量・燃料電池負荷と効率との関係を示す特性図である。本実施の形態では、大小二つの圧縮機を図２のように切替えて、システム全体の効率を向上させるものである。
【００１５】
まず、車両走行状態に応じて燃料電池４に要求される空気流量Ｇ０が、小圧縮機２の最大効率発生流量Ｇ１よりも小さい範囲では、小圧縮機２を単独運転する。その方法は、例えば回転数制御を行って小圧縮機２の吐出流量をＧ０に合わせるように制御する。なお、大圧縮機１の最大効率発生流量は定格近傍に設定するが、小圧縮機２は最大効率発生流量を車両の都市走行モードに必要な燃料電池出力１０ｋＷ以下の領域に設定する。
【００１６】
また、通常、大圧縮機１の最大効率は小圧縮機の最大効率よりも高くなる。そこで大圧縮機１の効率が小圧縮機２の最大効率よりも低い範囲（Ｇ１＜Ｇ０＜Ｇ２）では、大小の圧縮機を切替えて最大効率点で運転する。この具体的な切替え方は後述する。この範囲における圧縮機効率はＥ１に示すようになり、燃料電池システム全体の効率はＥ２に示すようになる。したがって図２に「燃料電池システム効率向上代」と記載した範囲の分だけ前記図９の特性よりも効率が向上する。
【００１７】
また、Ｇ０≧Ｇ２の範囲では、大圧縮機１を単独運転する。その方法は前記Ｇ１≧Ｇ０の場合と同様に、回転数制御を行って大圧縮機１の吐出流量をＧ０に合わせる。
【００１８】
なお、一般に大圧縮機１の最大効率は小圧縮機の最大効率よりも高いので、前記のようにＧ２を定めているが、仮りに大圧縮機１の最大効率が小圧縮機２の最大効率と同等ないし小さい場合には、Ｇ２＝大圧縮機１の最大効率発生流量と定義する。
【００１９】
大小の圧縮機を上記のように運転することで、システム効率は、図２のＥ２ようになり、前記図９に示した単純に効率の高い方の圧縮機を切替えて使用した場合に比べて、落ち込みが無く全域で高効率となる。また、常に大小いずれかの圧縮機を駆動させて燃料電池で発電を続けるため、前述のように、燃料電池の発電を停止した後に水素が発生し続け、結果としてシステム効率が下がってしまうということも無い。
【００２０】
次に、前記Ｇ１＜Ｇ０＜Ｇ２の領域における大小圧縮機の切替え方における第１の実施の形態について、図３および図４に示すフローチャートに基づいて具体的に説明する。図３と図４は（Ａ）〜（Ｇ）の個所でそれぞれ接続されており、一つのフローチャートとなっている。なお、通常のシステムコントロールはメインルーチンに記述されているものとし、本発明に関わる圧縮機の切替え部分のみをこのサブルーチンとして記述したものである。
【００２１】
図３と図４において、圧縮機切替えフラグのｎＳ（小圧縮機に相当）とｎＢ（大圧縮機に相当）は車両始動（キーオン）の際に初期化されて０であるとする。また、車走行状態（たとえばアクセル開度信号Ｓ６、アクセル開度変化率信号Ｓ７、車速信号Ｓ８）に基づいてコントローラ１０が決める燃料電池４の出力をＷ０、その際に燃料電池４が必要とする空気流量をＧ０とする。そして、Ｗ０やＧ０はメインルーチンで計算されているものとする。またＤＯＤ信号もメインルーチンで読み取られているものとする。
【００２２】
圧縮機作動サブルーチンでは、まずブロック１１でＧ０の値がＧ１以下かどうかを判断する。“ｙｅｓ”の場合には、前述のように小圧縮機２を単独運転させることになり、ブロック１２に進む。ここではフラグｎＳをチエックして、小圧縮機２がまだ運転を開始していないか、どうかを判断する。“ｎｏ”（ｎＳ＝１）の場合、すでに小圧縮機２が運転されていると判断してメインルーチンにリターンする。“ｙｅｓ”の場合は、ブロック１３で小圧縮機２をＧ０に合わせて運転する指示を出す。具体的には例えば回転数を指示する。
【００２３】
次に、ブロック１４では小圧縮機２を運転し、大圧縮機１を停止することをフラグに反映（ｎＳ＝１、ｎＢ＝０）させる。そしてブロック１５で大圧縮機１に対して停止指令を出し、ブロック１６で切替え器３を、小圧縮機２の吐出空気が燃料電池４に導かれるよう切替える。
【００２４】
一方、ブロック１１で“ｎｏ”だった場合には、ブロック１７に進み、Ｇ０の値がＧ２よりも大きいかどうかを判断する。“ｙｅｓ”の場合は、前述のように大圧縮機１を単独運転させることになり、ブロック１８に進む。ここではフラグｎＢをチェックして、大圧縮機１がまだ運転を開始していないか、どうかを判断する。“ｎｏ”（ｎＢ＝１）の場合、すでに大圧縮機１が運転されているのでメインルーチンにリターンする。“ｙｅｓ”の場合は、ブロック１９で大圧縮機１をＧ０に合わせて運転する指示を出す。具体的には回転数を指示する。次のブロック２０では、大圧縮機１を運転し、小圧縮機２を停止することをフラグに反映（ｎＢ＝１、ｎＳ＝０）させる。そしてブロック２１で小圧縮機２に対して停止指令を出し、ブロック２２で切替え器３を、大圧縮機１の吐出空気が燃料電池４に導かれるよう切替える。
【００２５】
ブロック１７で“ｎｏ”の場合は、Ｇ１＜Ｇ０＜Ｇ２ということであり、大圧縮機１と小圧縮機２とをその最大効率発生点で適宜切替ながら運転することになる。この状態において、大圧縮機１を運転しているときは、燃料電池４が発生する出力Ｗｍは要求されている出力Ｗ０よりも大きいから、その差△Ｗはバッテリ８に蓄えられることになる（充電）。逆に、小圧縮機２を運転しているときは△Ｗだけ、バッテリ８より持ち出すことになる（放電）。Ｇ１＜Ｇ０＜Ｇ２の領域では、△Ｗの大きさによってバッテリ８の充放電速度が変わるから、バッテリ８が放電しきって車両が走行できなくなったり、満充電になって回生エネルギーを蓄えられなくならないように、充電（大圧縮機１運転）から放電（小圧縮機２運転）ないしその逆の切替えポイントを図５に示すように変えてやる必要がある。図５においては△Ｗの値が大きくなるほどＤＯＤが０％ないし１００％より遠いところで切替えるよう充電開始ラインと放電開始ラインを直線的に変化させている。
【００２６】
図３および図４に戻って説明を続けると、Ｇ１≦Ｇ０＜Ｇ２の場合（ブロック１７で“ｎｏ”の場合）には、ブロック２３で△Ｗを計算する。次にブロック２４で、図５のマップを読み取りながらＤＯＤの値が放電開始ラインより小さい（満充電に近い状態）かどうかを判断する。“ｙｅｓ”の場合は大圧縮機１を停止して小圧縮機２を運転させることになる。なお、ブロック２５〜２９の機能は前述のブロック１２〜１６と同様なので説明を省略する。
【００２７】
ブロック２４で“ｎｏ”の場合には、ブロック３０に進み、図５のマップを読み取りながらＤＯＤの値が充電開始ラインより大きい（放電完了に近い状態）かどうかを判断する。“ｙｅｓ”の場合は小圧縮機２を停止して大圧縮機１を運転させることになる。なお、ブロック３１〜３５の機能も前述のブロック１８〜２２と同様なので説明を省略する。
【００２８】
ブロック３０で“ｎｏ”の場合には、ＤＯＤの値は充電開始ラインと放電開始ラインの中間にあって圧縮機の切替え操作は不要ということになり、そのままメインルーチンにリターンする。
【００２９】
次に、図６および図７は、本発明における圧縮機制御の第２の実施の形態における制御内容を示すフローチャートである。図６と図７は（Ａ）〜（Ｋ）の個所でそれぞれ接続されており、一つのフローチャートとなっている。なお、通常のシステムコントロールはメインルーチンに記述されているものとし、本発明に関わる圧縮機の切替え部分のみをこのサブルーチンとして記述したものである。
【００３０】
この実施の形態は、大圧縮機１の最大効率発生流量を定格よりも小さく設定し、定格では大小圧縮機を二つとも作動させて燃料電池４に必要な空気量を確保するというものである。こうすることで、前記第１の実施の形態に比べて大圧縮機１を一回り小さくすることができるという利点がある。
【００３１】
前記第１の実施の形態と同様に、ここでも基本的には、大圧縮機１の最大効率は小圧縮機２の最大効率よりも高いとし、大圧縮機１の効率が小圧縮機２の最大効率よりも低い範囲を（Ｇ１＜Ｇ０＜Ｇ２）とし、大圧縮機１の最大効率発生流量＝Ｇ３と定義しているが、仮りに大圧縮機１の最大効率が小圧縮機２の最大効率と同等ないし低い場合は、Ｇ２＝Ｇ３＝大圧縮機１の最大効率発生流量と定義する。この場合には大圧縮機１の単独運転領域は無くなる。
【００３２】
図６および図７に示すフローチャートは、基本的には前記図３および図４と同様であるが、大圧縮機１の単独運転領域および大圧縮機１＋小圧縮機２の運転領域を判断するために、ブロック３６〜ブロック４５を追加してあるので、この部分のみを説明する。
【００３３】
ブロック１７で“ｙｅｓ”の場合、ブロック３６に進んでＧ０がＧ３以上かどうかを判断する。“ｎｏ”の場合には、Ｇ２＜Ｇ０＜Ｇ３ということで、大圧縮機１を単独運転させるためブロック１８に進む。ここから先は基本的には前記第１の実施の形態と同じであるが、本実施の形態では大圧縮機１と小圧縮機２とを同時に運転させる領域があるので、ブロック１２、１８、２５、３１、３９、４５等のフラグの判断ステップにおいては、ｎＳとｎＢの両方について判断するようになっている。
【００３４】
次に、ブロック３６で“ｙｅｓ”の場合（Ｇ０≧Ｇ３）には、大圧縮機１を運転し、かつブロック３７で計算する△Ｗの値と、ブロック３８〜４４で読みとるＤＯＤと△Ｗのマップ（前記図５）上で小圧縮機２の運転の要否を判断する。この領域（Ｇ０≧Ｇ３）の大圧縮機１の単独運転（Ｇ３に対応）では、バッテリ８は放電状態となり、大圧縮機１（Ｇ３に対応）＋小圧縮機２（Ｇ１に対応）の運転ではバッテリ８は充電状態となる。つまり、ブロック３８で“ｙｅｓ”の場合には、バッテリ８を放電する必要があり、ブロック３９〜４３で大圧縮機１を単独運転するように指令を出す。
【００３５】
ブロック３８が“ｎｏ”でブロック４４が“ｙｅｓ”の場合には、バッテリ８を充電する必要があり、ブロック４５〜４９で大圧縮機１＋小圧縮機２の運転を行なうように指令を出す。なお、このとき、ブロック４９で指示する切替え器３には、大小二つの圧縮機の吐出空気が同時に燃料電池４に流れ込むようなモードを持っている必要がある。したがって本実施の形態における切替え器３には、第１の実施の形態のように単なる三方切替弁を使うことはできない。
【００３６】
図８は、上記第２の実施の形態における空気流量・燃料電池負荷と効率との関係を示す特性図である。図８に示すように、この実施の形態においては、Ｇ３以上の領域では、大圧縮機１と小圧縮機２とが両方動作する場合と大圧縮機１のみが動作する場合とがある。圧縮器効率はＥ３に示すようになり、Ｇ１＜Ｇ０＜定格（大圧縮機１＋小圧縮機２）の範囲において、圧縮機の効率はほぼ平坦になる。
【００３７】
なお、Ｅ３の左半分の太線の部分は、大圧縮機１と小圧縮機２とを切り替えて運転する領域の効率であり、右半分は大圧縮機は常時作動し、小圧縮機は断続運転する領域における効率である。また、そのときの燃料電池システム全体の効率はＥ４に示すようになる。
【００３８】
また、この実施の形態においては、大圧縮機１＋小圧縮機２の最大効率発生流量を定格出力に合わせればよいので、大圧縮機１の最大効率発生流量を定格よりも小さく設定することが出来る、という利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施の形態における空気流量・燃料電池負荷と効率との関係を示す特性図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における圧縮機制御の内容を示すフローチャートの一部。
【図４】本発明の第１の実施の形態における圧縮機制御の内容を示すフローチャートの他の一部。
【図５】充電と放電との切替特性を示す特性図。
【図６】本発明の第２の実施の形態における圧縮機制御の内容を示すフローチャートの一部。
【図７】本発明の第２の実施の形態における圧縮機制御の内容を示すフローチャートの他の一部。
【図８】第２の実施の形態における空気流量・燃料電池負荷と効率との関係を示す特性図。
【図９】大小二つの圧縮機を備えた場合における圧縮機制御の一例を示す特性図。
【図１０】従来の圧縮機制御を行なった場合における空気流量・燃料電池負荷と効率との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…大圧縮機                          ２…小圧縮機
３…切替え器                          ４…燃料電池
５…改質器                            ６…電圧変換器
７…モータ                            ８…バッテリ
９…ＤＯＤセンサ                    １０…コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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