(57)【要約】【課題】燃料電池の信頼性を維持することができる燃料電池システムの酸化剤圧力制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池１と、酸化剤供給流路１０と、背圧弁１４と、供給酸化剤流量センサ１２と、電流センサ１３と、温度センサ６と、燃料電池出力指令手段と、制御装置７と、を備え、これは、前記燃料電池出力指令手段からの信号を受けて前記燃料電池発電電流指令値を求め、前記センサ１３による電流値を用いて算出される燃料電池消費酸化剤量で、前記燃料電池発電電流指令値を除し、この除算値に、前記センサ６による信号値を用いて求まる補正係数を乗じて補正酸化剤流量を決め、該補正酸化剤ガス流量を用いて背圧弁１４の開度を調整することにより、供給酸化剤圧力を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池の酸化剤圧力を調整する背圧弁と、
前記酸化剤供給流路の酸化剤流量を検出する供給酸化剤流量センサと、
前記燃料電池の発電電流を検出する電流センサと、
前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池に出力の指令を行う燃料電池出力指令手段と、
制御装置と、を備え、
該制御装置は、
前記燃料電池出力指令手段からの信号を受けて前記燃料電池発電電流指令値を求め、
前記酸化剤流量センサにて検出される酸化剤質量流量から、
前記電流センサにて検出される電流値に基づいて算出される燃料電池消費酸化剤量を減算して、この減算値に、
温度センサによる信号値を用いて求まる補正係数を乗じて補正酸化剤流量を決め、
該補正酸化剤流量を用いて背圧弁の開度を調整することにより、供給酸化剤圧力を制御することを特徴とする燃料電池システムの酸化剤圧力制御方法。
【請求項２】
前記燃料電池の上流に配され供給酸化剤の圧力を計測する圧力センサを備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池発電電流指令値を用いて酸化剤圧力指令値を求め、
該酸化剤圧力指令値と前記補正酸化剤流量とを用いて予め求められたマップ値により背圧弁開度を決め、
該背圧弁開度に前記圧力センサからの信号を用いたフィードバックによる背圧弁開度値を加算することで、背圧弁開度を定めて供給酸化剤圧力を制御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酸化剤圧力制御方法。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記酸化剤圧力指令値と、前記圧力センサからの実測圧力値とを比較して、その比較値が所定値以下の状態で所定時間継続した場合には、前記背圧弁開度を既に定められた背圧弁開度とす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酸化剤圧力制御方法。
【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酸化剤圧力制御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、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力バランスを保つために、燃料ガスや酸化剤ガスの供給流路に圧力制御手段を設けたものがある（特許文献１参照）。
また、酸化剤ガスの流路の流路上であって燃料電池の下流の位置に背圧弁を設けて、背圧弁の開度をフィードバック制御により酸化剤ガスの圧力や流量を調整する技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３０２６０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池での発電電流は、酸化剤ガスの圧力や流量に加えて、酸化剤ガスの温度にも依存する。酸化剤ガスの温度は流路の部位により異なり、特に酸化剤ガスの流量が変動するような過渡状態においては顕著である。このような過渡状態においては、要求される酸化剤圧力と検出される酸化剤ガス圧力との差が大きくなってしまう。このような場合に、上述のようにフィードバック制御を行うのみでは、その大幅な変動に追従させるように背圧弁開度や酸化剤ガスを供給するコンプレッサの回転数を制御することが困難であり、応答性が悪いという問題があった。
また、前記酸化剤ガスの圧力および流量制御に伴い、前記コンプレッサの回転数が必要以上に変動し、これによる騒音が増大するため違和感や不快感を与える虞があ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、過渡状態において酸化剤圧力と流量とを適切かつ迅速に制御することができるとともに、定常状態において酸化剤圧力と流量とを安定させて制御することができ、燃料電池システムの機能や信頼性、快適性を維持することができる燃料電池システムの酸化剤圧力制御方法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１０）と、前記燃料電池の酸化剤圧力を調整する背圧弁（例えば、実施の形態における背圧弁１４）と、前記酸化剤供給流路の酸化剤流量を検出する供給酸化剤流量センサ（例えば、実施の形態におけるエア流量センサ１２）と、前記燃料電池の発電電流を検出する電流センサ（例えば、後述する実施の形態における電流センサ１３）と、前記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６）と、前記燃料電池に出力の指令を行う燃料電池出力指令手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ７）と、制御装置（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ７）と、を備え、該制御装置は、前記燃料電池出力指令手段からの信号を受けて前記燃料電池発電電流指令値を求め、前記酸化剤流量センサにて検出される酸化剤質量流量から、前記電流センサにて検出される電流値に基づいて算出される燃料電池消費酸化剤量を減算して、この減算値に、温度センサによる信号値を用いて求まる補正係数を乗じて補正酸化剤流量を決め、該補正酸化剤ガス流量を用いて背圧弁の開度を調整することにより、供給酸化剤圧力を制御することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記燃料電池消費酸化剤量や温度を加味して決めた補正酸化剤流量を用いて、背圧弁の開度を調整するため、供給酸化剤圧力が出力指令の変動に追従するように制御することが可能となる。したがって、燃料電池出力指令等が変動する過渡状態であっても、酸化剤圧力と流量とを適切かつ迅速に制御することができるとともに、定常状態であっても酸化剤圧力と流量とを安定させて制御することができ、燃料電池の信頼性を維持することができる。また、これにより、制御すべき酸化剤圧力と流量とが定まるため、酸化剤を供給する機器（コンプレッサ）の回転数の大幅な変動に伴う騒音を防止でき、システム使用者に対する快適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、前記燃料電池の上流に配され供給酸化剤の圧力を計測する圧力センサ（例えば、実施の形態における圧力センサ１６）を備え、前記制御装置は、前記燃料電池発電電流指令値を用いて酸化剤圧力指令値を求め、該酸化剤圧力指令値と前記補正酸化剤流量とを用いて予め求められたマップ値により背圧弁開度を決め、該背圧弁開度に前記圧力センサからの信号を用いたフィードバックによる背圧弁開度値を加算することで、背圧弁開度を定めて供給酸化剤圧力を制御することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記マップ値により背圧弁開度を決めているため、前記燃料電池出力指令を満足するように前記背圧弁開度を決めることができ、前記背圧弁開度に、フィードバックによる背圧弁開度を加算することで、より精度の高い背圧弁開度に微調整を行うことができる。
【００１１】
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、前記制御装置は、前記酸化剤圧力指令値と、前記圧力センサからの実測圧力値とを比較して、その比較値が所定値以下の状態で所定時間継続した場合には、前記背圧弁開度を既に定められた背圧弁開度とすることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記酸化剤圧力指令値と実測圧力値との比較値が所定値以下の状態で所定時間継続した場合に、圧力指令値の微妙な変動を防止して、安定させた状態で圧力指令値を維持させることができるため、圧力調整に要する消費電力を低減させることができる。また、酸化剤を供給する機器（コンプレッサ）の回転数を一定に保持できるため、該回転数の変動に伴う騒音を防止でき、システム使用者に対する快適性をさらに高めることができる。ここで、比較値は、前記指令値を圧力値から減算して算出してもよいし、前記指令値を圧力値で除算して算出してもよい。
【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、高圧水素供給システム（図示せず）が接続され、これにより燃料電池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、エア供給システム３がエア供給流路１０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１０を介して燃料電池１のカソードにエア（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、燃料電池１の下流の位置に設けられたエア排出流路１５にエアオフガスとして排出される。前記エア排出流路１５には、圧力調整弁（背圧弁）１４が設けられ、該背圧弁１４により前記燃料電池１のエア圧力を調整する。
【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（図示せず）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。
【００１７】
前記エア供給システム３のエア供給流路１０には、インタークーラー（熱交換器）４、加湿器８が設けられている。前記インタークーラー４は、エア供給システム３から供給されるエアの温度を燃料電池１に対して適正な温度となるように調整する。また、加湿器８は、燃料電池１の電解質の乾燥を防ぐため、燃料電池１に供給するエアを適度に加湿する。
【００１８】
前記エア供給流路１０のエア供給システム３上流側には、流量センサ１２が設けられ、該センサ１２によりエア流量ＱＡを検出する。また、前記エア供給流路１０の加湿器８下流側には、エア圧力センサ１６が設けられ、該センサ１６により燃料電池１に供給されるエア圧力ＰＡを検出する。また、燃料電池１のエア排出流路には、温度センサ６が設けられ、該センサ６によりエアの温度ＴＡを検出する。また、燃料電池１には電流センサ１３が設けられ、該センサ１３により発電電流ＩＦＣを検出する。
【００１９】
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）７を備えている。ＥＣＵ７は、上述した各センサ１２、１６、１３、６での検出値（ＱＡ、ＰＡ、ＩＦＣ、ＴＡ）に基づいて、エア供給システム３の制御を行う。これについて図２を用いて説明する。
【００２０】
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、エア圧力指令値ＰＣＭＤとエア実圧力ＰＡの差分が、所定値（必要調圧精度）ΔＰ以内となる状態が一定時間ΔＴ（図３参照）継続したかどうかを判定する。この判定結果が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Ｓ１６に進む（図４の時刻０〜Ｔ１参照）。
【００２１】
ステップＳ１６では、エア圧力指令値ＰＣＭＤを決定する。エア圧力指令値ＰＣＭＤは、燃料電池１での発電電流が前記燃料電池１に要求される必要発電電流を満たすように算出される。
そして、ステップＳ２０で、背圧弁１４の開度を決定するためのエア体積流量値（補正酸化剤流量）ＱＡを式（１）により算出する。
【００２２】
式（１）：ＱＡ＝（ＭＡ−ＭＡｌｏｓｓ）×ｋ
ここで、ＭＡは流量センサ１２で検出されるエア質量流量であり、ＭＡｌｏｓｓは電流センサ１３で検出される電流値ＩＦＣから得られる発電消費エア質量流量であり、ｋは前記温度センサ６で検出されるエア温度ＴＡから求められる比例係数である。
【００２３】
そして、ステップＳ２２で、エア体積流量ＱＡと、エア圧力指令値ＰＣＭＤとを用いて予め求められたマップに基づいて、背圧弁１４のベース開度を決定する。このように、前記燃料電池１の質量流量ＭＡや温度ＴＡを加味して決めた補正酸化剤流量ＱＡを用いて背圧弁１４のベース開度を調整することで、供給エア圧力ＰＡが出力指令の変動に追従するように制御することが可能となる。
【００２４】
そして、ステップＳ２４で、前記圧力センサ１６からの信号を用いたフィードバック制御（Ｆ／Ｂ）による開度分を算出し、ステップＳ２６で、背圧弁１４ベース開度とフィードバック開度とを合わせた値を背圧弁開度指令値として、一連の処理を終了する。
【００２５】
このように、前記燃料電池出力指令を満足するように前記ベース開度を決めるとともに、前記ベース開度に、フィードバックによる背圧弁開度を加算することで、より精度の高い背圧弁開度に微調整を行うことができる。なお、前記ベース開度は前記燃料電池出力指令を満足するように決められているため、フィードバックによる制御は微調整で済み、従来と異なり迅速かつ確実な制御が可能となる。
【００２６】
また、ステップＳ１４では、フィードバック開度に既に定められた（この場合は前回の）フィードバック値をそのまま代入して、フィードバック開度を固定（ホールド）する。そして、ステップＳ１８で、背圧弁開度指令値に前回の背圧弁開度指令値をそのまま代入して、背圧弁開度指令値を固定（ホールド）する（図４の時刻Ｔ１以降参照）。すなわちここでは、背圧弁開度を変更することなく、前回の処理で既に定められた背圧弁開度としている。そして、一連の処理を終了する。
これにより、圧力指令値の微妙な変動を防止することができ、安定させた状態で維持させることができる。また、エアを供給する機器（コンプレッサ）の回転数を一定に保持できるため、回転数の変動に伴う騒音を防止でき、システム使用者に対する快適性をさらに高めることができる。
【００２７】
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。例えば、実施の形態においては、減算したが、除算してもよい。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。
【００２８】
【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、燃料電池出力指令が変動する過渡状態であっても、酸化剤圧力と流量とを適切かつ迅速に制御することができるとともに、定常状態であっても酸化剤圧力と流量とを安定させて制御することができ、燃料電池の信頼性を維持することができる。また、これにより、制御すべき酸化剤圧力と流量とが定まるため、酸化剤を供給する機器の回転数の大幅な変動に伴う騒音を防止でき、システム使用者に対する快適性を高めることができる。
【００２９】
請求項２に係る発明によれば、前記燃料電池出力指令を満足するように前記背圧弁開度を決めることができ、前記背圧弁開度に、フィードバックによる背圧弁開度を加算することで、より精度の高い背圧弁開度に微調整を行うことができる。
【００３０】
請求項３に係る発明によれば、圧力指令値の微妙な変動を防止することができ、安定させた状態で維持させることができるため、圧力調整に要する消費電力を低減させることができ、酸化剤を供給する機器の回転数の変動に伴う騒音を防止でき、システム使用者に対する快適性をさらに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酸化剤圧力制御を示すフローチャートである。
【図３】圧力や背圧弁開度指令値の時間変化を示すタイムチャートである。
【図４】体積変換係数とエア温度センサ値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  燃料電池
３  エア供給システム
６  温度センサ
７  ＥＣＵ
１２  エア流量センサ
１３  電流センサ
１４  背圧弁
１６  エア圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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