(57)【要約】【課題】部品点数やコストの増加を抑制しつつ、駆動モータ、水素ポンプ、及びエアコンプレッサの回転数を高精度に取得することのできる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  水素ポンプと、エアコンプレッサと、水素ポンプ及びコンプレッサの駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置と、燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、駆動装置は、水素ポンプとコンプレッサの駆動モータと、駆動モータからの動力を水素ポンプとコンプレッサへ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構と、を有し、制御装置は、コンプレッサの吸気流量及びコンプレッサから燃料電池への供給空気圧力からコンプレッサの回転数を算出し、コンプレッサの回転数、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び動力分配機構の回転数分配比に基づいて、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数における他方の回転数を算出する。【選択図】図３
2017027769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ポンプと、エアコンプレッサと、該水素ポンプ及びエアコンプレッサの駆動装置と、該駆動装置を制御する制御装置と、前記水素ポンプから送出される水素ガス及び前記エアコンプレッサから送出される空気により発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
前記駆動装置は、前記水素ポンプと前記エアコンプレッサを駆動する駆動モータと、前記駆動モータからの動力を前記水素ポンプと前記エアコンプレッサへ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構と、を有し、
前記制御装置は、
前記エアコンプレッサの吸気流量及び前記エアコンプレッサから前記燃料電池に供給される空気の圧力である供給空気圧力から前記エアコンプレッサの回転数を算出し、
前記エアコンプレッサの回転数、前記駆動モータの回転数又は前記水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び前記動力分配機構の回転数分配比に基づいて、前記駆動モータの回転数又は前記水素ポンプの回転数における他方の回転数を算出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であって、
前記駆動モータと前記動力分配機構の間には、前記駆動モータから入力される動力を変速して前記動力分配機構に出力する変速機構が設けられ、
前記制御装置は、前記他方の回転数の算出に、前記変速機構の変速比情報を用いる燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記吸気流量及び前記供給空気圧力をコンプレッサ作動特性図に適用して前記エアコンプレッサの回転数を算出する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記動力分配機構は、遊星歯車機構で構成され、
前記制御装置は、前記駆動モータの回転数の検出値から求められる前記動力分配機構への入力動力の回転数又は前記水素ポンプの回転数の検出値の何れか一方の値と、前記エアコンプレッサの回転数と、を遊星歯車機構の共線図に適用して、前記他方の回転数を算出する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を含有するアノードガス（水素ガス）を燃料電池に送出する水素ポンプと、空気（カソードガス）を燃料電池に送出するエアコンプレッサと、これらを駆動する単一の駆動モータを備えた燃料電池ガス供給システムを有する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
上述の燃料電池システムにおいては、駆動モータによる水素ポンプ及びエアコンプレッサの回転を制御するために、駆動モータの回転数、水素ポンプの回転数、及びエアコンプレッサの回転数を制御パラメータとして検出する必要がある。これら回転数は、各所に設けられる回転数センサにより行う。
【０００４】
特許文献１には、コンプレッサ羽根車等の回転検出物の回転数を検出する回転数センサが記載されている。特許文献１の回転数センサでは、回転検出対象に渦電流を発生させ、励磁に用いるコイルのインダクタンス変化に基づいて回転検出物の回転数を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−３４７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記燃料電池システムにおいて特許文献１に代表される従来の回転数センサを、駆動モータ、水素ポンプ、及びエアコンプレッサの各所に設置すると、部品点数の増加やコストアップが生じるという問題がある。一方で、この部品点数の増加やコストアップを防ぐために、回転数をパラメータとして用いるのではなく、燃料電池の出力電流やインピーダンス等の測定パラメータを制御パラメータとして代用することも考えられる。しかしながら、このような代用の制御パラメータを用いると、制御精度の低下や応答性の悪化が懸念される。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数やコストの増加を抑制しつつ、駆動モータ、水素ポンプ、及びエアコンプレッサの回転数を高精度に取得することのできる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様による燃料電池システムは、水素ポンプと、エアコンプレッサと、該水素ポンプ及びエアコンプレッサの駆動装置と、該駆動装置を制御する制御装置と、水素ポンプから送出される水素ガス及びエアコンプレッサから送出される空気により発電する燃料電池と、を備える。また、駆動装置は、水素ポンプとエアコンプレッサを駆動する駆動モータと、駆動モータからの動力を水素ポンプとエアコンプレッサへ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構を有する。そして、制御装置は、エアコンプレッサの吸気流量及びエアコンプレッサから燃料電池に供給される空気の圧力である供給空気圧力からエアコンプレッサの回転数を算出する。さらに、駆動装置は、算出されたエアコンプレッサの回転数、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び動力分配機構の回転数分配比に基づいて、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数における他方の回転数を算出する。
【発明の効果】
【０００９】
上記燃料電池ガス供給システムによれば、エアコンプレッサの吸気流量及び供給空気圧力からエアコンプレッサの回転数を算出することができるので、エアコンプレッサの回転センサを省略することができる。そして、このように算出されたエアコンプレッサの回転数、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び動力分配機構の回転数分配比に基づいて、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の他方の回転数を算出するので、少なくとも駆動モータ又は水素ポンプの一方の回転センサを省略することができる。したがって、回転センサの多数設置による部品点数及びコストの増加を防止することができるとともに、上述の代用パラメータではなく要求されるパラメータそのものである回転数を取得することができるので、制御精度の低下や応答性の悪化も防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池ガス供給システムの構成を説明する図である。
【図３】図３は、エアコンプレッサ及び水素ポンプの回転数を算出する流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、コンプレッサマップの一例を示す図である。
【図５】図５は、遊星歯車機構の共線図の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態による車両用の燃料電池システム１００の構成を説明する図である。
【００１３】
図示のように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、水素供給源１２と、燃料電池ガス供給システム１と、コントローラ２２と、吸気流量検出センサ９０と、空気圧力センサ９２と、を有している。
【００１４】
燃料電池１０は、例えば複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックとして構成される。燃料電池１０は、アノードガス（水素ガス）及びカソードガス（空気）の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、例えば燃料電池システム１００を始動状態で作動する図示しない各種の補機や車輪駆動用モータで使用される。
【００１５】
水素供給源１２は、燃料電池１０にアノードガスを供給する供給源であり、アノードガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器として構成される。アノードガスは、アノードガス供給通路３０に設けられた図示しないアノードガス調圧弁により水素供給源１２から燃料電池１０への供給量が調整される。
【００１６】
また、アノードガス供給通路３０には、エゼクタ３１が配置されている。エゼクタ３１は、水素供給源１２から供給されるアノードガスを該エゼクタ３１内の図示しない絞り部により高速化して、循環アノードガス供給流路３４を流れるアノードガスに巻き込み力を作用させる。
【００１７】
燃料電池ガス供給システム１は、水素ポンプ１４と、エアコンプレッサ１６と、駆動装置１８と、を有している。
【００１８】
水素ポンプ１４は、燃料電池１０において消費されずに排出されたアノードオフガスをアノードオフガス循環通路３２を介して取り込み、循環アノードガス供給流路３４を介してアノードガス供給通路３０に供給する。すなわち、水素ポンプ１４はアノードガスを燃料電池１０に対して循環させる。
【００１９】
エアコンプレッサ１６は、外気を吸入し、カソードガス供給通路３６を介して燃料電池１０に空気を圧送する。なお、カソードガス供給通路３６には、必要により、エアコンプレッサ１６から排出される空気中の異物をトラップするガスフィルタ、及びカソードガスを冷却するガスクーラ等が設けられる。
【００２０】
駆動装置１８は、水素ポンプ１４及びエアコンプレッサ１６の駆動する装置である。駆動装置１８の構成の詳細については後述する。
【００２１】
また、駆動装置１８と水素ポンプ１４の間には、水素ポンプ側クラッチ２１が設けられている。さらに、駆動装置１８とエアコンプレッサ１６の間には、コンプレッサ側クラッチ２３が設けられている。これにより、水素ポンプ側クラッチ２１及びコンプレッサ側クラッチ２３をそれぞれ締結・遮断することにより、駆動装置１８から水素ポンプ１４及びエアコンプレッサ１６への動力の伝達・非伝達を切り替えることができる。
【００２２】
コントローラ２２は、例えばＩ／Ｏポート等の入出力手段、ＭＰＵ等の演算・制御手段、及びメモリ等の記憶手段を有するマイクロコンピュータで構成され、水素ポンプ１４及びエアコンプレッサ１６の目標回転数に基づく回転数制御等の燃料電池システム１００における各種制御を行う。また、コントローラ２２は、水素ポンプ側クラッチ２１及びコンプレッサ側クラッチ２３の締結・遮断、及びコンプレッサ入力軸ブレーキ４３、サーボブレーキ機構７２、及び水素ポンプ入力軸ブレーキ８２の制動に係る制御を行う。
【００２３】
吸気流量検出センサ９０は、エアコンプレッサ１６の外気取り込み口に設けられ、外気からエアコンプレッサ１６に吸入される空気の流量を検出し、この検出値（以下では吸気流量検出値Ｑintとも記載する）をコントローラ２２に出力する。空気圧力センサ９２は、カソードガス供給通路３６に設けられ、エアコンプレッサ１６から燃料電池１０に供給される圧縮空気の圧力を検出し、この検出値（以下では供給空気圧力検出値Ｐproとも記載する）をコントローラ２２に出力する。
【００２４】
図２は、燃料電池ガス供給システム１の構成を説明する図である。
【００２５】
図示のように、燃料電池ガス供給システム１の駆動装置１８は、主として、駆動モータ４０と、この駆動モータ４０に接続された変速用遊星歯車機構４２と、変速用遊星歯車機構４２に接続された動力分配機構としての動力分配用遊星歯車機構４４と、を有する。そして、駆動装置１８において、コンプレッサ１６の入力軸であるコンプレッサ入力軸４１が、駆動モータ４０、変速用遊星歯車機構４２、及び動力分配用遊星歯車機構４４の中央部を貫くように伸長している。また、駆動装置１８のコンプレッサ１６寄り位置には、コンプレッサ入力軸４１の回転速度を減速させる湿式多板ブレーキ等で構成されたコンプレッサ入力軸ブレーキ４３が配置されている。
【００２６】
駆動モータ４０は、図示しない巻線が巻回された円筒状のステータ４５と、円筒状のステータ４５の中央に配されるロータとしてのモータ出力軸４６と、を有している。この駆動モータ４０は、コントローラ２２からの指令に基づいてインバータ４９により回転数及び回転方向の制御が行われ、例えば燃料電池システム１００内に設けられた図示しない強電バッテリにより駆動される。また、駆動モータ４０のモータ出力軸４６には、該モータ出力軸４６の回転数であるモータ回転数を検出するモータ回転数センサ５１が設けられている。
【００２７】
モータ出力軸４６には、オイルポンプ４７が設置されている。オイルポンプ４７はモータ出力軸４６の回転駆動力を受けて選択的に駆動され、モータ出力軸４６にオイルを供給して回転の円滑化を図る。
【００２８】
また、モータ出力軸４６は、その先端４６ａの外周側に正転ワンウェイクラッチ４８が係合されており、先端４６ａの内周側に逆転ワンウェイクラッチ５０が係合されている。
【００２９】
正転ワンウェイクラッチ４８は、スプラグ式又はカム式等で構成される公知のワンウェイクラッチであり、モータ出力軸４６の正転（ステータ４５から見て反時計回り方向）時にのみ当該モータ出力軸４６の動力を第１インターナルギア５２に伝達する。すなわち、正転ワンウェイクラッチ４８は、モータ出力軸４６の逆転（ステータ４５から見て時計回り方向）時には、モータ出力軸４６から第１インターナルギア５２への動力を伝達させない。
【００３０】
逆転ワンウェイクラッチ５０は、スプラグ式又はカム式等で構成される公知のワンウェイクラッチであり、モータ出力軸４６の内周面に係合するとともにコンプレッサ入力軸４１の外周面に係合する。そして、逆転ワンウェイクラッチ５０は、モータ出力軸４６の逆転時にのみ当該モータ出力軸４６の動力をコンプレッサ入力軸４１に伝達する。すなわち、逆転ワンウェイクラッチ５０は、モータ出力軸４６の正転時には、モータ出力軸４６からコンプレッサ入力軸４１への動力を伝達させない。
【００３１】
変速用遊星歯車機構４２は、正転ワンウェイクラッチ４８に内周側一端５２ａで係合する第１インターナルギア５２と、第１インターナルギア５２の他端５２ｂの内周側で係合する第１プラネタリギア５４と、第１プラネタリギア５４の内周に噛合される第１サンギア５６と、を有している。
【００３２】
第１インターナルギア５２は、その一端５２ａの内周側に噛合された正転ワンウェイクラッチ４８の回転に従動する。これにより、正転ワンウェイクラッチ４８から第１インターナルギア５２に伝達される動力は、第１インターナルギア５２の他端５２ｂの内周側に噛合された第１プラネタリギア５４に伝達される。
【００３３】
第１プラネタリギア５４は、第１インターナルギア５２に従動して自転又は公転する。そして、この第１プラネタリギア５４の動力は、第１プラネタリギア５４に噛合されている第１サンギア５６に伝達される。
【００３４】
また、第１プラネタリギア５４には第１プラネタリキャリア５７が設けられている。さらに、第１プラネタリキャリア５７には、当該第１プラネタリキャリア５７の回転を制止して第１プラネタリギア５４の公転を停止させる第１プラネタリキャリア用ブレーキ６０が設けられている。すなわち、第１プラネタリキャリア用ブレーキ６０により第１プラネタリキャリア５７の回転が制止されると、第１プラネタリギア５４の自転のみが許容されることとなる。
【００３５】
なお、本実施形態では、基本的に、変速用遊星歯車機構４２をモータ出力軸４６の回転を増速させるために用いることを想定しており、この場合、第１プラネタリキャリア用ブレーキ６０により第１プラネタリキャリア５７の回転が固定された状態に維持され、第１プラネタリギア５４の自転のみが許容された状態となる。
【００３６】
第１サンギア５６は、その外周側に噛合された第１プラネタリギア５４の自転及び公転に従動される。また、第１サンギア５６は、その第１サンギア軸５６ａを介して後述する動力分配用遊星歯車機構４４の第２インターナルギア７０と一体化されている。したがって、第１プラネタリギア５４から第１サンギア５６に伝達される動力は、第１サンギア軸５６ａを介して第２インターナルギア７０に伝達される。
【００３７】
なお、本実施形態において、変速用遊星歯車機構４２の第１インターナルギア５２、第１プラネタリギア５４、及び第１サンギア５６の歯数等に基づいて定まる変速比情報がコントローラ２２の記憶領域に記憶されている。ここで、変速比情報とは、各ギア５２、５４、及び５６の歯数等から算出される、変速用遊星歯車機構４２への入力の回転数に対する出力の回転数の比である。
【００３８】
動力分配用遊星歯車機構４４は、上述のように第１サンギア軸５６ａを介して第１サンギア５６と一体化された第２インターナルギア７０と、第２インターナルギア７０の内周歯に噛合する第２プラネタリギア７４と、第２プラネタリギア７４に内周側で噛合する第２サンギア７６と、を有する。
【００３９】
第２インターナルギア７０は、上述のように第１サンギア５６と第１サンギア軸５６ａを介した一体化されて構成されるので、第１サンギア５６と同一の回転速度で駆動される。また、第２インターナルギア７０の外周にはサーボブレーキ機構７２が配置されている。サーボブレーキ機構７２は、必要に応じて第２インターナルギア７０の回転を制止し固定状態とする。
【００４０】
第２プラネタリギア７４は、上述のように第２インターナルギア７０の内周歯に噛合されるので、第２インターナルギア７０に従動して自転又は公転する。さらに、第２プラネタリギア７４は、第２プラネタリキャリア７８に支持されている。この第２プラネタリキャリア７８は水素ポンプ１４の水素ポンプ入力軸８０と一体化されている。したがって、このように水素ポンプ入力軸８０と一体化された第２プラネタリキャリア７８が第２プラネタリギア７４の公転に従動して回転されることで、水素ポンプ１４に動力が伝達される。
【００４１】
さらに、水素ポンプ入力軸８０には、水素ポンプ入力軸ブレーキ８２と、水素ポンプ側クラッチ２１と、が配置されている。水素ポンプ入力軸ブレーキ８２は例えば、多板湿式ブレーキで構成されており、第２プラネタリキャリア７８の回転を制止する。水素ポンプ入力軸ブレーキ８２により第２プラネタリキャリア７８の回転が制止されると、上述した第２インターナルギア７０から第２プラネタリギア７４に伝達された動力は、第２プラネタリキャリア７８に伝達されず、後述の第２サンギア７６にのみ伝達されることとなる。また、水素ポンプ側クラッチ２１は、締結・遮断により水素ポンプ１４への動力の伝達状態・非伝達状態を切り替える。
【００４２】
本実施形態では第２サンギア７６は、エアコンプレッサ１６のコンプレッサ入力軸４１の先端に一体形成されており、第２プラネタリギア７４の内周側に噛合する。したがって、第２サンギア７６が第２プラネタリギア７４の自転又は公転に従動して回転することで、コンプレッサ入力軸４１を介してエアコンプレッサ１６に動力が伝達される。また、コンプレッサ入力軸４１には、コンプレッサ入力軸ブレーキ４３と、コンプレッサ側クラッチ２３が設けられている。
【００４３】
コンプレッサ入力軸ブレーキ４３は、例えば、多板湿式ブレーキで構成されており、コンプレッサ入力軸４１の回転を制止する。コンプレッサ入力軸ブレーキ４３によりコンプレッサ入力軸４１の回転が制止されると、第２サンギア７６の回転が固定されることとなり、上述した第２インターナルギア７０から第２プラネタリギア７４に伝達された動力は、第２サンギア７６には伝達されず、第２プラネタリキャリア７８のみに伝達されることとなる。なお、本実施形態では、コンプレッサ入力軸ブレーキ４３は、コンプレッサ入力軸４１の回転に対する制動力を連続的に調節可能であり、この制動力の調節により第２プラネタリギア７４から第２サンギア７６への動力伝達量及び第２プラネタリギア７４から第２プラネタリキャリア７８への動力伝達量を任意に調節することもできる。
【００４４】
本実施形態において、燃料電池システム１００の通常起動時又は起動後の通常運転時には、コントローラ２２は駆動モータ４０を正転させる。
【００４５】
駆動モータ４０の正転時には、モータ４０の動力は、モータ出力軸４６、正転ワンウェイクラッチ４８、第１インターナルギア５２、第１プラネタリギア５４、第１サンギア５６、第１サンギア軸５６ａ、第２インターナルギア７０、第２プラネタリギア７４、第２プラネタリキャリア７８、及び水素ポンプ入力軸８０を介して水素ポンプ１４に伝達される。一方で、第２プラネタリギア７４に伝達された動力は、第２サンギア７６を介してコンプレッサ入力軸４１にも伝達される。
【００４６】
これにより、駆動モータ４０の正転による回転は、正転ワンウェイクラッチ４８を介して、第１インターナルギア５２、第１プラネタリギア５４、及び第１サンギア５６から構成される変速用遊星歯車機構４２で変速（増速）される。
【００４７】
そして、本実施形態において、動力分配用遊星歯車機構４４の第２インターナルギア７０、第２プラネタリギア７４、及び第２サンギア７６の歯数等に基づいて定まる回転数の分配比情報がコントローラ２２の記憶領域に記憶されている。ここで、回転数の分配比情報とは、各ギア７０、７４、及び７６の歯数等から算出される、動力分配用遊星歯車機構４４への入力の回転数に対して、コンプレッサ入力軸４１へ出力される動力の回転数（コンプレッサ回転数Ｎcに相当）と水素ポンプ入力軸８０へ出力される動力の回転数（水素ポンプ回転数Ｎhに相当）の比率である。
【００４８】
特に、本実施形態では、コンプレッサ入力軸ブレーキ４３によりコンプレッサ入力軸ブレーキ４３の制動力の調整を行うことで、エアコンプレッサ１６への動力伝達量を調整することできる。また、水素ポンプ入力軸ブレーキ８２による水素ポンプ入力軸８０の制止量を調節できるようにして、水素ポンプ１４への動力伝達量を調節しても良い。
【００４９】
したがって、コンプレッサ入力軸ブレーキ４３による制動力及び水素ポンプ入力軸ブレーキ８２による制動力を適宜調節することで、第２プラネタリギア７４から第２プラネタリキャリア７８等を介して水素ポンプ１４に伝達される動力の回転数と、第２プラネタリギア７４から第２サンギア７６等を介してエアコンプレッサ１６に伝達される動力の回転数と、の配分を好適に調節することができる。
【００５０】
なお、例えば水素ポンプ１４内において生成水の凍結が認められる場合においては、この水素ポンプ１４内の凍結を粉砕するために、駆動モータ４０を逆転させる「冷凍粉砕運転モード」により燃料電池システム１００を起動しても良い。この駆動モータ４０の逆転時には、モータ４０の動力は、モータ出力軸４６、逆転ワンウェイクラッチ５０、及びコンプレッサ入力軸４１を介して第２サンギア７６に伝達される。そして、第２サンギア７６に伝達された動力は、第２プラネタリギア７４、及び第２プラネタリキャリア７８（水素ポンプ入力軸８０）を介して水素ポンプ１４に伝達される。
【００５１】
上記構成を有する燃料電池ガス供給システム１では、コントローラ２２及びインバータ４９による駆動モータ４０の回転制御及び動力分配用遊星歯車機構４４による動力配分により、燃料電池システム１００の作動状態に応じて適宜、水素ポンプ１４とエアコンプレッサ１６に伝達される動力（回転数及トルク）を調節することができる。したがって、水素ポンプ１４とエアコンプレッサ１６を駆動させるためのモータをそれぞれ個別に設けることなく、一つの駆動モータ４０により水素ポンプ１４とエアコンプレッサ１６への動力伝達が可能となっている。
【００５２】
上記燃料電池ガス供給システム１においては、モータ回転数検出値Ｎmは取得されているが、これに加えてエアコンプレッサ１６のコンプレッサ回転数Ｎc及び水素ポンプ１４の水素ポンプ回転数Ｎhを、制御パラメータとして検出する必要がある。しかしながら、これら検出するために、エアコンプレッサ１６及び水素ポンプ１４にも回転数センサを設置すると、部品点数やコストの増加が懸念される。これに対して、本発明者は、エアコンプレッサ１６及び水素ポンプ１４に回転数センサの設置することなくこれらの回転数Ｎc及びＮhを取得することのできる方法に想到した。以下では、その詳細について説明する。
【００５３】
図３は、本実施形態に係るコンプレッサ回転数Ｎc及び水素ポンプ回転数Ｎhを算出する流れを説明するフローチャートである。
【００５４】
さらに、以下では燃料電池システム１００は作動中であって、水素ポンプ側クラッチ２１及びコンプレッサ側クラッチ２３がともに締結されて、駆動モータ４０が正転していることを想定する。なお、説明の簡略化のため、コンプレッサ入力軸ブレーキ４３及び水素ポンプ入力軸８０は双方とも非制動状態とされており、これらはエアコンプレッサ１６及び水素ポンプ１４の回転数の算出値に影響を与えないものとする。
【００５５】
ステップＳ１０１において、コントローラ２２は、モータ回転数センサ５１から駆動モータ４０のモータ回転数検出値Ｎmを取得する。
【００５６】
ステップＳ１０２において、コントローラ２２は、吸気流量検出センサ９０からエアコンプレッサ１６の吸気流量検出値Ｑintを取得する。
【００５７】
ステップＳ１０３において、コントローラ２２は、エアコンプレッサ１６から燃料電池１０に供給される圧縮空気の供給空気圧力検出値Ｐproを空気圧力センサ９２から取得する。
【００５８】
ステップＳ１０４において、コントローラ２２は、上記ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３で取得したモータ回転数検出値Ｎm、吸気流量検出値Ｑint、及び供給空気圧力検出値Ｐproに基づいてエアコンプレッサ１６のコンプレッサ回転数Ｎcを算出する。
【００５９】
具体的には、吸気流量検出値Ｑint、及び供給空気圧力検出値Ｐproを流量、圧力、及びコンプレッサ回転数の関係を表す公知のコンプレッサ作動特性図（コンプレッサマップ）に適用してコンプレッサ回転数Ｎcを求める。
【００６０】
図４には、エアコンプレッサ１６の特性に合致するコンプレッサマップの一例を示している。図から理解されるように、吸気流量検出値Ｑint、及び供給空気圧力検出値Ｐproが得られている場合には、当該吸気流量検出値Ｑintと、供給空気圧力検出値Ｐproを外気圧で除した給気圧力比と、を上記コンプレッサマップに適用すれば、コンプレッサ回転数Ｎcを求めることができる。
【００６１】
図３に戻り、ステップＳ１０５において、コントローラ２２は、ステップＳ１０１において取得したモータ回転数検出値Ｎm、ステップＳ１０４において算出したコンプレッサ回転数Ｎc、変速用遊星歯車機構４２の変速比情報、及び動力分配用遊星歯車機構４４の回転数の分配比情報に基づいて水素ポンプ回転数Ｎhを算出する。
【００６２】
具体的に、コントローラ２２は、先ず、モータ回転数検出値Ｎm及び変速用遊星歯車機構４２の変速比情報を参照し、図２に示すモータ出力軸４６から正転ワンウェイクラッチ４８を介して第１インターナルギア５２に入力される動力の回転数が、第１プラネタリギア５４を介して第１サンギア５６に出力される動力の回転数Ｎm´（＝第２インターナルギア７０に入力される動力の回転数）を算出する。
【００６３】
本実施形態では、上述のように第１プラネタリキャリア５７が第１プラネタリキャリア用ブレーキ６０により固定されているので、遊星歯車機構における公知の変速比態様に基づいて計算すると、第１インターナルギア５２からの動力は、Ｚc／Ｚa倍に増速されて第１サンギア５６に出力される。ただし、Ｚaは第１サンギア５６の歯数を意味し、Ｚcは第１インターナルギア５２の歯数を意味する。
【００６４】
したがって、駆動モータ４０の動力は、変速用遊星歯車機構４２を介して回転数がＺc／Ｚa倍されて第１サンギア５６から出力され、動力分配用遊星歯車機構４４の第２インターナルギア７０に入力されることとなる。
【００６５】
そして、コントローラ２２は、算出した動力分配用遊星歯車機構４４への入力動力の回転数Ｎm´、コンプレッサ回転数Ｎc、及び当該入力動力が動力分配用遊星歯車機構４４の回転数の分配比情報から、第２プラネタリキャリア７８（水素ポンプ入力軸８０）に出力される動力の回転数、すなわち、水素ポンプ回転数Ｎhを算出する。
【００６６】
本実施形態では特に、水素ポンプ回転数Ｎhが、動力分配用遊星歯車機構４４の回転数の分配比情報、特に第２インターナルギア７０、第２プラネタリギア７４、及び第２サンギア７６の歯数等に基づいて定まる遊星歯車機構の共線図を用いて算出される。
【００６７】
図５には、動力分配用遊星歯車機構４４の特性に合致する遊星歯車機構の共線図の一例を示している。図から理解されるように、コンプレッサ回転数Ｎc（第２サンギア７６の回転数）及び上記入力動力の回転数Ｎm´（第２インターナルギア７０の回転数）が定まれば、水素ポンプ回転数Ｎh（第２プラネタリキャリア７８の回転数）が定まることとなる。
【００６８】
上記した本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６９】
本実施形態に係る燃料電池システム１００では、水素ポンプ１４と、エアコンプレッサ１６と、該水素ポンプ１４及びエアコンプレッサ１６の駆動装置１８と、該駆動装置１８を制御するコントローラ２２と、水素ポンプ１４から送出される水素ガス及びエアコンプレッサ１６から送出される空気により発電する燃料電池１０と、を備える。駆動装置１８は、水素ポンプ１４とエアコンプレッサ１６を駆動する駆動モータ４０と、駆動モータ４０からの動力を水素ポンプ１４とエアコンプレッサ１６へ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構としての動力分配用遊星歯車機構４４と、を有する。また、制御装置であるコントローラ２２は、エアコンプレッサ１６の吸気流量である吸気流量検出値Ｑint及びエアコンプレッサ１６から燃料電池１０に供給される空気の圧力である供給空気圧力（供給空気圧力検出値Ｐpro）からエアコンプレッサ１６の回転数であるコンプレッサ回転数Ｎcを算出する（図３のステップＳ１０５）。さらに、コントローラ２２は、算出されたコンプレッサ回転数Ｎc、駆動モータ４０の回転数の検出値であるモータ回転数検出値Ｎm、及び動力分配用遊星歯車機構４４の回転数分配比に基づいて、水素ポンプ１４の回転数である水素ポンプ回転数Ｎhを算出する（ステップＳ１０６）。
【００７０】
これによれば、エアコンプレッサ１６の吸気流量検出値Ｑint及び供給空気圧力検出値Ｐproからコンプレッサ回転数Ｎcを算出することができるので、エアコンプレッサ１６に設ける回転センサを省略することができる。そして、このように算出されたコンプレッサ回転数Ｎc、モータ回転数検出値Ｎm、及び動力分配用遊星歯車機構４４の回転数分配比に基づいて、水素ポンプ回転数Ｎhを算出するので、水素ポンプ１４の回転センサを省略することができる。したがって、回転センサの多数設置による部品点数及びコストの増加を防止することができるとともに、代用パラメータではなく要求されるパラメータそのものである回転数を取得することができるので、制御精度の低下や応答性の悪化も防止される。
【００７１】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、駆動モータ４０と動力分配用遊星歯車機構４４の間には、駆動モータ４０から入力される動力を変速して動力分配用遊星歯車機構４４へ出力する変速機構としての変速用遊星歯車機構４２が設けられ、コントローラ２２は、上述の水素ポンプ回転数Ｎhの算出に、変速用遊星歯車機構４２の変速比情報を用いる（ステップＳ１０６）。
【００７２】
これによれば、駆動モータ４０の動力を変速用遊星歯車機構４２で変速することで駆動モータ４０の出力回転数と水素ポンプ１４やエアコンプレッサ１６の要求目標回転数との差を好適に補償しつつも、変速用遊星歯車機構４２の変速比情報を用いることで、モータ回転数検出値Ｎmから駆動モータ４０の動力の変速後の動力（すなわち動力分配用遊星歯車機構４４への入力動力）の回転数Ｎm´を求めることができるので、上述の水素ポンプ回転数Ｎhの算出精度も維持される。
【００７３】
なお、駆動モータ４０の出力回転数に比して水素ポンプ１４やエアコンプレッサ１６の要求目標回転数が高い値であることが一般的であるので、本実施形態のように変速用遊星歯車機構４２を駆動モータ４０の動力の増速に用いることが好ましい。
【００７４】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、コントローラ２２は、吸気流量検出値Ｑint及び供給空気圧力検出値Ｐproをコンプレッサ作動特性図（図４）に適用してコンプレッサ回転数Ｎcを算出する（ステップＳ１０５）。
【００７５】
これにより、吸気流量検出値Ｑint及び供給空気圧力検出値Ｐproに基づくコンプレッサ回転数Ｎcの算出を、複雑な計算を行うことなく既存のコンプレッサ作動特性図を用いて容易に行うことができる。
【００７６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、動力分配用遊星歯車機構４４が遊星歯車機構で構成されている。そして、コントローラ２２は、駆動モータ４０のモータ回転数検出値Ｎmから求められる動力分配用遊星歯車機構４４への入力動力の回転数Ｎm´、及びコンプレッサ回転数Ｎcを遊星歯車機構の共線図（図５）に適用して、水素ポンプ回転数Ｎhを算出する（ステップＳ１０６）。
【００７７】
これにより、動力分配用遊星歯車機構４４への入力動力の回転数Ｎm´、及びコンプレッサ回転数Ｎcに基づく水素ポンプ回転数Ｎhの算出を、複雑な計算を行うことなく既存の遊星歯車機構の共線図を用いて容易に行うことができる。
【００７８】
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。
【００７９】
例えば、本実施形態では、水素ポンプ１４に回転センサを設けることなく駆動モータ４０にモータ回転数センサ５１を設けてモータ回転数検出値Ｎmを取得し、このモータ回転数検出値Ｎm、コンプレッサ回転数Ｎc、変速用遊星歯車機構４２の変速比情報、及び動力分配用遊星歯車機構４４の回転数の分配比情報に基づいて水素ポンプ回転数Ｎhを算出している。
【００８０】
しかしながら、駆動モータ４０に回転センサ５１を設けることに代えて、水素ポンプ１４に回転センサを設けて水素ポンプ１４の回転数を検出しても良い。この場合、上述のステップＳ１０６に代えて、コントローラ２２は、水素ポンプ１４の回転数の検出値、コンプレッサ回転数Ｎc、及び図５に示した遊星歯車機構の共線図に基づき、動力分配用遊星歯車機構４４への入力動力の回転数Ｎm´を算出し、さらに変速用遊星歯車機構４２の変速比情報を参照してモータ出力軸４６の回転数（駆動モータ４０の回転数）を算出する工程を行う。
【００８１】
また、上記実施形態における変速用遊星歯車機構４２を省略しても良い。すなわち、正転ワンウェイクラッチ４８と第２インターナルギア７０を、一体の回転伝達部材で構成し、駆動モータ４０から正転ワンウェイクラッチ４８に伝達される動力を、当該回転伝達部材を介して第２インターナルギア７０に入力するようにしても良い。この場合、動力分配用遊星歯車機構４４への入力動力の回転数が、駆動モータの回転数に一致することとなるので、変速用遊星歯車機構４２の変速比情報を考慮する必要がなく、水素ポンプ回転数Ｎh又は駆動モータ４０の回転数の算出がより容易になる。
【００８２】
さらに、変速用遊星歯車機構４２や動力分配用遊星歯車機構４４における各インターナルギア５２、７０、各プラネタリギア５４、７４、及び各サンギア５６、７６の歯数等は、各モードにおいて駆動モータ４０のモータ回転数、水素ポンプ１４及びエアコンプレッサ１６で要求されるトルクや回転数に応じて適宜設定することができる。
【００８３】
また、本実施形態の変速用遊星歯車機構４２に代えて、他の既存の変速機構を用いるようにしても良い。さらに、動力分配用遊星歯車機構４４に代えて、他の既存の動力分配機構を用いるようにしても良い。
【符号の説明】
【００８４】
１    燃料電池ガス供給システム
１０    燃料電池
１４    水素ポンプ
１６    エアコンプレッサ
１８    駆動装置
２２    コントローラ（制御装置）
４０    駆動モータ
４１    コンプレッサ入力軸
４２    変速機構
４３    コンプレッサ入力軸ブレーキ
４４    動力分配用遊星歯車機構４４
４６    モータ出力軸
５１    モータ回転数センサ５１
８０    水素ポンプ入力軸
９０    吸気流量検出センサ
９２    空気圧力センサ
１００    燃料電池システム
【図１】
2017027769.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2017027769.tif 000006
【図５】
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