(57)【要約】【課題】大気圧が変化した場合であっても反応空気の圧力が適切になるように制御し、必要な反応空気の流量を確実に確保する。【解決手段】燃料電池システムは、コントローラ１５により、燃料電池スタック１１に要求される要求発電量に対して設定すべきバルブ１４の開度を設定し、圧力センサ１３によって検出された実測圧力に基づいて、コンプレッサ１２から吐出する空気の吐出流量を制御して圧力調整を行う。これにより、燃料電池システムは、要求発電量に応じて流路の断面積を設定するので、圧力を保持するためには、燃料電池スタック１１に対して必要な空気流量を供給しなければ、圧力を確保することができない。したがって、燃料電池システムにおいては、大気圧が変化した場合であっても、空気圧力が適切となるように制御することで、圧力を確保するとともに、反応流量も確保することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して前記空気を供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサから吐出された前記空気の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記コンプレッサから吐出された前記空気が大気へと放出されるまでの経路を構成する流路の断面積を変化させる流路断面積可変手段と、
前記燃料電池スタックの発電反応を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックに要求される要求発電量に対して設定すべき前記流路断面積可変手段の開度を設定し、前記圧力検出手段によって検出された実測圧力に基づいて、前記コンプレッサから吐出する前記空気の吐出流量を制御して圧力調整を行うこと
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記コンプレッサから吐出する前記空気の吐出流量に基づいて大気圧の推定を行い、前記流路断面積可変手段の開度を補正すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。
【０００３】
このような燃料電池を用いた燃料電池システムを車両の動力源として用いる場合、当該車両は、高度差がある走行経路を走行し、場合によっては非常に高地を走行する可能性もあるので、燃料電池システムにおいては、車両が走行する可能性がある様々な走行経路を考慮しておく必要がある。ここで、大気圧は、高度が１０００ｍ上昇する毎に、約１００ｍｂ程度低下する。したがって、このような高地を走行する車両に搭載される燃料電池システムにおいては、空気を酸化剤ガスとして用いる場合には、外部から反応空気を吸引する吸引側における気圧の変化が、空気極へと反応空気を吐出する吐出側における当該空気の気圧に直接影響を及ぼすので、大気圧が低下するのにともない、空気極に供給する反応空気の圧力が低下する。このような場合、燃料電池システムにおいては、空気極に供給する反応空気の圧力の低下にともなう空気供給流量の減少により、酸素利用率を一定に保ちつつ発電を持続することが困難となり、ガス不足状態となって酸素利用率が上昇することになる。
【０００４】
これに対応するために、燃料電池システムとしては、大気圧の変化によらず空気供給流量を一定に保ち、酸素利用率が上昇するのを抑制するものが、下記の特許文献１などにて提案されている。
【０００５】
この特許文献１には、供給される燃料ガス中の水素利用率、及び供給される反応空気中の酸素利用率を、それぞれ、一定の利用率に保持して発電を行う燃料電池において、大気圧の変化を検出し、得られた大気圧の変化量に逆比例して空気の供給量を制御する技術が開示されている。この燃料電池においては、大気圧を検出し、反応空気を吐出するコンプレッサの吐出量を大気圧の変化量の逆比例で与えることにより、大気圧の変化にかかわらず、反応空気の供給量を一定に保つように制御して、高い酸素利用率での運転状態となることを防止することができるとしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２４３８８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、大気圧が変化した場合には、反応空気の供給量を制御することはできるものの、反応空気の圧力を適切な値とすることができないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、大気圧が変化した場合であっても、反応空気の圧力が適切になるように制御し、必要な反応空気の流量を確実に確保することができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料電池スタックに要求される要求発電量に対して設定すべき流路断面積可変手段の開度を設定し、圧力検出手段によって検出された実測圧力に基づいて、コンプレッサから吐出する空気の吐出流量を制御して圧力調整を行うことで、上述の課題を解決する。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、要求発電量に応じて流路の断面積を設定するので、圧力を保持するためには、燃料電池スタックに対して必要な空気流量を供給しなければ、圧力を確保することができない。したがって、燃料電池システムにおいては、大気圧が変化した場合であっても、空気圧力が適切となるように制御することで、圧力を確保するとともに、反応流量も確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
この実施の形態では、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷装置として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムについて説明する。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
まず、燃料電池システムの空気系の構成について説明する。
【００１４】
燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に対して空気を供給するコンプレッサ１２と、このコンプレッサ１２から吐出された空気の圧力を検出する圧力検出手段である圧力センサ１３と、コンプレッサ１２から吐出された空気が大気へと放出されるまでの経路を構成する流路の断面積を変化させる流路断面積可変手段であるバルブ１４と、各部の動作を制御して燃料電池スタック１１の発電反応を制御する制御手段であるコントローラ１５とを備える。
【００１５】
燃料電池スタック１１は、燃料電池車両の主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとしての空気が供給されることによって発電するものである。具体的には、この燃料電池スタック１１は、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスを供給する図示しない空気極と燃料ガスを供給する図示しない水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００１６】
コンプレッサ１２は、図示しないコンプレッサモータによって駆動されて外気を取り込んで昇圧し、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１１に圧送する。このとき、コンプレッサ１２は、コントローラ１５の制御に従った回転数で駆動され、必要な吐出流量で酸化剤ガスとしての空気を吐出する。
【００１７】
圧力センサ１３は、燃料電池スタック１１の空気入口側に設けられ、コンプレッサ１２から吐出された空気の圧力を検出する。この圧力センサ１３によって検出された圧力を示すセンサ信号は、コントローラ１５に読み取られる。
【００１８】
バルブ１４は、例えば燃料電池スタック１１の空気出口側に設けられ、コントローラ１５の制御に従って開度調整がなされ、コンプレッサ１２から吐出された空気が大気へと放出されるまでの経路を構成する流路の断面積を変化させる。
【００１９】
コントローラ１５は、例えば図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷装置に電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池起動プログラムを格納し、当該燃料電池起動プログラムを図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等によって実行することにより、各部の動作を制御して燃料電池スタック１１の発電反応を制御する。
【００２０】
このような各部を備える燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスとしての空気は、コンプレッサ１２によって昇圧されて圧送されることで、燃料電池スタック１１に供給される。このとき、コントローラ１５は、外部からの燃料電池スタック１１の発電要求に応じて、コンプレッサ１２の駆動量及びバルブ１４の開度（開口面積）を制御し、空気流量及び空気圧力を制御する。そして、空気は、燃料電池スタック１１の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック１１から排出され、バルブ１４を介して大気へと放出される。また、燃料電池システムにおいては、コントローラ１５によって圧力センサ１３からのセンサ信号を読み込み、この値に応じて、空気極における空気圧力を、負荷装置に要求される電力に応じた圧力とするように制御する。
【００２１】
一方、燃料ガスは、図示しないが、例えば高圧水素貯蔵タンク等の図示しない水素供給系に蓄積され、コントローラ１５の制御に従って圧力調整されて燃料電池スタック１１に供給される。このとき、コントローラ１５は、水素極の入り口付近に設けられた図示しない圧力センサからのセンサ信号を読み込み、この値に応じて、水素極における水素圧力を負荷装置に応じた圧力とするように制御し、燃料ガス流量及び燃料ガス圧力を制御する。そして、燃料ガスは、空気とともに燃料電池スタック１１の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック１１から排出され、バルブや燃焼器等を介して大気へと放出される。
【００２２】
［燃料電池システムの制御内容］
上述したように構成された燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１１に要求される要求発電量は、例えば燃料電池車両に燃料電池スタック１１が搭載された場合であれば、当該燃料電池車両の運転状態、外気温度、燃料電池スタック１１の冷却水温度等に基づいて決定される。
【００２３】
燃料電池システムにおいては、例えば図２に示すように、この燃料電池スタック１１への要求発電量が大きくなるのにともない、当該燃料電池スタック１１へ供給する空気の設定圧力を高くするように、コントローラ１５によって制御する。
【００２４】
また、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１１への要求発電量の増加にともない、発電反応に使用される水素及び酸素も増加するので、この酸素を増加させる分だけ、供給する空気流量も比例的に増加させる必要がある。したがって、燃料電池システムにおいては、例えば図３に示すように、この燃料電池スタック１１への要求発電量が大きくなるのにともない、コンプレッサ１２から吐出する空気の必要吐出流量を増加させるように、コントローラ１５によって制御する。
【００２５】
さらに、燃料電池システムにおいては、バルブ１４の開口面積を、当該バルブ１４を通過する空気流量に比例して大きくする必要がある。これに加え、燃料電池システムにおいては、バルブ１４の上流と下流との差圧を大きくするためには、例えば図４に示すように、空気の設定圧力を高めるのにともない、バルブ１４を閉塞して開口面積を小さくする必要がある。したがって、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１１への要求発電量に応じて、コントローラ１５によってバルブ１４の開度（開口面積）を設定する。
【００２６】
燃料電池システムにおいては、これらのことを考慮することにより、空気の設定圧力とバルブ１４の開口面積との関係をマッピングしておいて、マップデータとして保持しておく。
【００２７】
更に、燃料電池システムにおいては、大気圧が低下すると、空気の濃度が減少するので、バルブ１４の開度が一定の場合には、例えば図５に示すように、大気圧が大気圧Ａから大気圧Ｂに低下するのにともない、コンプレッサ１２の回転数を上げて空気の吐出流量を増加させる必要がある。
【００２８】
このように、燃料電池システムにおいては、圧力センサ１３によって検出された実測圧力と目標とする設定圧力との偏差に基づいて、実測圧力が設定圧力よりも高い場合には、コンプレッサ１２の回転数を下げ、実測圧力が設定圧力よりも低い場合には、コンプレッサ１２の回転数を上げるようにし、実測圧力が設定圧力に一致するように、コントローラ１５によってフィードバック制御を行う。これにより、燃料電池システムにおいては、空気の設定圧力を確保するとともに、燃料電池スタック１１が反応に必要とする空気流量を同時に確保することができる。
【００２９】
［燃料電池システムによるコンプレッサ制御処理］
具体的には、燃料電池システムは、図６に示すような一連のコンプレッサ制御処理をコントローラ１５により行うことにより、コンプレッサ１２から吐出する空気の吐出流量を決定するための制御を行う。
【００３０】
すなわち、ステップＳ１においては、コントローラ１５により、例えば車両の動力源としてモータに与える電力やその他の補機等に使用される消費電力に基づいて、燃料電池スタック１１から取り出す電力量、すなわち、上述した要求発電量を算出する。
【００３１】
続いて、燃料電池システムは、ステップＳ２において、コントローラ１５により、ステップＳ１にて算出した要求発電量に対して目標として設定すべき空気の設定圧力Ｐｔを、先に図２に示した関係を記したマップデータを参照して算出する。
【００３２】
続いて、燃料電池システムは、ステップＳ３において、圧力センサ１３によって空気の実測圧力Ｐｍを検出してコントローラ１５に供給し、ステップＳ４において、コントローラ１５により、この実測圧力ＰｍとステップＳ２にて算出した設定圧力Ｐｔとの偏差ΔＰを算出する。
【００３３】
続いて、燃料電池システムは、ステップＳ５において、コントローラ１５により、設定圧力Ｐｔに対して設定すべきバルブ１４の開度（開口面積）を、先に図４に示した関係を記したマップデータを参照して決定し、バルブ１４の開度を設定する。
【００３４】
そして、燃料電池システムは、ステップＳ６において、コントローラ１５により、ステップＳ４にて算出された偏差ΔＰに基づいて、コンプレッサ１２から吐出する空気の吐出流量（回転数）Ｎｃ（＝ｆ（ΔＰ））を算出し、コンプレッサ１２の回転数を制御する。すなわち、燃料電池システムは、コントローラ１５により、偏差ΔＰ＝設定圧力Ｐｔ−実測圧力Ｐｍ＞０であると判定した場合には、コンプレッサ１２の回転数を大きくする一方で、ΔＰ＜０であると判定した場合には、コンプレッサ１２の回転数を小さくするようなフィードバック制御を行う（例えばＰＩ制御でもよい。）。
【００３５】
燃料電池システムは、このような一連の工程を経ることにより、コンプレッサ１２から吐出する空気の吐出流量を決定する。そして、燃料電池システムは、コントローラ１５により、偏差が所定の設定値ａ以内となったと判定した場合（｜ΔＰ｜≦ａ）には、図７中ステップＳ１１において、コントローラ１５により、コンプレッサ１２の回転数と制御圧との関係に基づいて、大気圧の算出を行う。すなわち、燃料電池システムは、先に図５に示したようなマップデータを制御圧毎に保持しており、現在の制御圧に対応するマップデータを参照して、大気圧の算出を行う。
【００３６】
そして、燃料電池システムは、ステップＳ１２において、コントローラ１５により、この大気圧と制御圧とに基づいて、バルブ１４の開度（開口面積）を補正する。すなわち、燃料電池システムは、コントローラ１５により、大気圧から補正量ΔＡを算出し、大気圧よりも低下した場合には、現在のバルブ１４の開口面積を補正量ΔＡだけ小さくするように補正を与える。
【００３７】
これにより、燃料電池システムは、常に設定圧力Ｐｔとなるように、空気圧力を制御することができ、且つ発電反応に必要な空気流量も確保することができる。
【００３８】
なお、これに対して、燃料電池スタックに要求される要求発電量に基づいて、コンプレッサの吐出量を設定し、検出された圧力に基づいて、バルブによる可変絞りの操作量を決定して圧力制御を行うシステムにおいては、大気圧が低下した場合には、可変絞りの操作量を絞ることによっては圧力を確保することはできるものの、反応流量を満たすことは不可能となる。
【００３９】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、燃料電池システムにおいては、コントローラ１５により、燃料電池スタック１１に要求される要求発電量に対して設定すべきバルブ１４の開度を設定し、圧力センサ１３によって検出された実測圧力に基づいて、コンプレッサ１２から吐出する空気の吐出流量を制御して圧力調整を行うことにより、要求発電量に応じて流路の断面積を設定するので、燃料電池スタック１１に必要な空気流量を供給しなければ、圧力を確保することができない。ここで、燃料電池システムにおいては、例えば大気圧が低下した場合には、空気圧力が適切となるように制御するので、空気流量が増加されることになる。したがって、燃料電池システムにおいては、大気圧が変化した場合であっても、空気圧力が適切となるように制御することで、圧力を確保するとともに、反応流量も確保することができる。
【００４０】
さらに、燃料電池システムは、コントローラ１５により、コンプレッサ１２から吐出する空気の吐出流量に基づいて大気圧の推定を行い、バルブ１４の開度を補正することにより、常に設定圧力となるように、空気圧力を制御することができ、且つ反応流量も確保することができる。また、燃料電池システムは、大気圧を検出する図示しない大気圧センサが設けられている場合であって当該大気圧センサが故障した場合や、大気圧センサを設けていない場合であっても、圧力センサ１３が正常に動作していれば、大気圧にかかわらず、必要な空気圧力及び空気流量を確保することができる。
【００４１】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの空気系の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムが備える燃料電池スタックへの要求発電量と、設定圧力との関係を示す図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムが備える燃料電池スタックへの要求発電量と、同燃料電池システムが備えるコンプレッサから吐出する空気の必要吐出流量との関係を示す図である。
【図４】設定圧力と、同燃料電池システムが備えるバルブの開口面積との関係を示す図である。
【図５】大気圧と、同燃料電池システムが備えるコンプレッサから吐出する空気の吐出流量との関係を示す図である。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムが備えるコンプレッサから吐出する空気の吐出流量を決定するコンプレッサ制御処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムが備えるバルブの開口面積を補正する際の処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１  燃料電池スタック
１２  コントローラ
１３  コンプレッサ
１４  バルブ
１５  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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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