JP2007234311A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサ駆動用モータのトルク−回転数の制限による空気流量不足をモータの大型化を伴うことなく解消して、出力性能を高い状態に維持し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の供給により発電を行う燃料電池本体１と、燃料電池本体１に水素を供給する水素系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池本体１の発電電力を用いて駆動するコンプレッサモータと、該コンプレッサモータにより駆動する空気コンプレッサ１１と、を備え、燃料電池本体１に空気を供給する空気系（酸化剤ガス供給手段）と、を有する燃料電池システムにおいて、コントローラ（制御手段）４３により、コンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、コンプレッサ駆動用モータのトルク−回転数の制限による空気流量不足をモータの大型化を伴うことなく解消して、出力性能を高い状態に維持し得る燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池自体の出力性能は、運転圧力を高くするほど向上するが、空気コンプレッサの駆動損失も大きくなってしまう。つまり、燃料電池システム全体として見た場合には、空気の供給圧力を高くすると、逆に燃料電池システム全体としてのエネルギー効率は低くなる。

そこで、例えば、特開平８−４５５２５号公報に開示の「燃料電池の制御装置」では、燃料電池に加圧空気を供給するコンプレッサと、加圧空気の供給状態を制御するコンプレッサ制御手段と、燃料電池の出力状態を検出する出力状態検出手段と、を備えて、燃料電池の出力状態に応じてコンプレッサ制御手段により燃料電池への加圧空気の供給状態を制御し、燃料電池の出力を制御することとして、供給圧力を高くした方が全体としてのエネルギー効率が向上する領域では、空気の供給圧力を高くして燃料電池の高い出力特性によるエネルギー効率の改善を図り、その領域までの比較的低い出力状態では、空気の供給圧力を低くしてコンプレッサの駆動損失を低減することによってエネルギー効率の低下を防止するようにしている。
特開平８−４５５２５号公報

上述した特許文献１に開示された技術のように、従来技術においては、燃料電池システムの運転圧力は、燃料電池本体のグロス出力、並びに、補機類（特に、消費電力の大きい空気供給系のコンプレッサ駆動用モータ）の消費電力に基づき、ネット出力とネット効率が最大となるように決定されるのが一般的である。

しかしながら、外気温度や外気圧力が変化した場合には、燃料電池本体の運転点が同じでも、吐出圧力比や体積流量が変化するため、コンプレッサ駆動用モータのトルクと回転数の必要量は変化する。そして、場合によっては、コンプレッサ駆動用モータのトルク−回転数の制限（一般的に、モータには駆動できるトルクと回転数に上限がある）により、所定圧力のまま燃料電池が必要とする空気流量を供給することができず、燃料電池システムから出力を取り出すことができなくなるという事情があった。

このモータのトルク−回転数の制限による空気流量不足の問題は、コンプレッサ駆動用モータを大型化すれば解決するが、特に車載用燃料電池システムの場合には、コンプレッサ駆動用モータの小型化要求があり、この大型化の解決手法は採用できない。また、燃料電池の出力を絞ると車両の動力性能へ影響が出てしまうという事情もある。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、コンプレッサ駆動用モータのトルク−回転数の制限による空気流量不足をモータの大型化を伴うことなく解消して、出力性能を高い状態に維持し得る燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の発電電力を用いて駆動するコンプレッサモータと、該コンプレッサモータにより駆動されるコンプレッサを備えた前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記コンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、外気温度や外気圧力等によって常に変化するコンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定するので、コンプレッサモータの回転数およびトルクの限界性能ギリギリまでの使用が可能となり、出力性能を高い状態に維持し得る燃料電池システムを実現することができる。

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものである。

本実施例の燃料電池システムの概略的構成は、図１に示すように、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（空気）の供給により発電を行う燃料電池本体１を備える。なお、燃料電池本体１の単位セルの概念図を図２に示す。

また、空気系（酸化剤ガス供給手段）として、（コンプレッサモータを備える）空気コンプレッサ１１、空気供給経路１２、空気系加湿装置１３、空気排気経路１４、空気調圧弁１５および空気圧力計１６を備え、水素系（燃料ガス供給手段）として、高圧水素タンク２１、水素供給経路２２、水素調圧弁２３、水素循環ポンプ２４、水素系加湿装置２５、水素循環経路２６、水素排気経路２７、水素排出弁２８および水素圧力計２９を備え、冷却水系として、冷却水ポンプ３１、冷却水循環経路３２、熱交換器３３および冷却水温度計３４を備えている。また、負荷系として、負荷装置４０、電圧計４１および電流計４２を備え、さらに制御系として、水素系、空気系、冷却水系および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素系、空気系、冷却水系および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ４３を備えた構成である。

次に、燃料電池本体１および各系について詳しく説明する。まず、燃料電池本体１は、酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極１ａと燃料ガスである水素が供給される燃料極１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、図２に示すような構成の燃料電池単セル１００を複数枚積層したものから成っており、燃料電池本体１の外部の水素系から供給された燃料ガス（水素）と空気系から供給された酸化剤ガス（空気）とが、それぞれ燃料ガス流路１０９と酸化剤ガス流路１１０とに供給され、電気化学反応により発電する。

図２において、燃料電池単セル１００は、例えば、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜１０２の両面に燃料極触媒層１０３および酸化剤極触媒層１０４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）１０１と、該ＭＥＡ１０１の両面にそれぞれ配置された燃料ガス拡散層１０５および酸化剤ガス拡散層１０６と、セパレータ１０７，１０８とを有し、セパレータ１０７と燃料ガス拡散層１０５との間に燃料ガス流路１０９が、セパレータ１０８と酸化剤ガス拡散層１０６との間に酸化剤ガス流路１１０がそれぞれ設けられた構造を備えている。

次に空気系において、空気コンプレッサ１１によって圧縮された空気は、空気供給経路１２を介して空気系加湿装置１３に送られ、加湿された後、燃料電池本体１の酸化剤極１ａに送られる。なお、空気コンプレッサ１１は、燃料電池本体１からの電力供給により回転駆動するコンプレッサモータ１０によって駆動されている。空気系では、燃料電池本体１内の電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気経路１４を通り、空気調圧弁１５で圧力が調整されてシステム外へ排気される。酸化剤極１ａに供給される空気の圧力は、酸化剤極１ａの入口に設けられた空気圧力計１６により検出されており、この圧力が所望の圧力となるように、コントローラ４３によって空気圧調整弁１５が制御される。なお、空気系加湿装置１３は、排気中の水分を利用する水蒸気交換膜を用いたものや、外部から純水を供給するものなどを用いることができる。

次に水素系において、高圧水素タンク２１によって供給された水素は、水素供給経路２２を通り、水素調圧弁２３で所望の圧力に調圧され、水素循環装置２４により循環している排水素と合流した後、水素系加湿装置２５で加湿されて、燃料電池本体１の燃料極１ｂに送られる。燃料極１ｂに供給される水素の圧力は、燃料極１ｂの入口に設けられた水素圧力計２９で検出されており、この圧力が所望の圧力となるように、コントローラ４３によって水素調圧弁２３が制御される。また、燃料電池本体１内の電気化学反応で水素が消費された後、余分に供給された水素は、水素循環経路２６を通り、水素循環装置２４により再び発電に利用される。

また、水素系には、運転中に酸化剤極１ａから燃料極１ｂに透過してくる窒素や高圧水素タンク２１中に含まれる不純物が蓄積してくるため、これらをシステム外部へ排出するための水素排出経路２７と水素排出弁２８を有している。

本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池本体１の発電によって発生した熱を除去し、燃料電池本体１を適温に保つために、冷却水系が設けられている。この冷却水系において、冷却水ポンプ３１によって圧送された冷却水は、燃料電池本体１を通り、熱を吸収した後、冷却水循環経路３２を通り、熱交換器３３でシステム外部へ熱を排熱して、再び冷却水ポンプ３１で燃料電池本体１へ圧送される。また、コントローラ４３によって冷却水温度計３４で冷却水温度をモニタしながら、燃料電池本体１の発電に適正な温度に温度調整される。

次に負荷系において、燃料電池本体１の発電電力を消費する負荷装置４０は、本実施例の燃料電池システムが例えば燃料電池車両にて適用される場合には、車両駆動モータに電力を供給するインバータ装置である。燃料電池本体１の発電電圧は、電圧計４１で検出され、燃料電池本体１から負荷装置４０へ供給される電流は、電流計４２により検出される。

さらに制御系において、コントローラ４３は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、燃料電池本体１を含む燃料電池システム全体を制御する。また、コントローラ４３は、空気圧力計１６、水素圧力計２９、冷却水温度計３４、コンプレッサモータの回転数およびトルク情報、電圧計４１並びに電流計４２の検出信号等に基づいて、燃料電池本体１をあらかじめ設定されている最適な圧力・温度・流量・負荷にするために、コンプレッサモータおよび空気コンプレッサ１１、空気調圧弁１５、水素調圧弁２３、水素排出弁２８、冷却水ポンプ３１並びに負荷装置４０へ制御信号を出力する。

また、コントローラ４３は、特許請求の範囲にいう制御手段に該当し、コンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定する機能を持つ。また、燃料電池本体１に要求される負荷電流未満で、コンプレッサモータの回転数およびトルクの限界点に達した場合に、当該燃料電池システムの運転圧力を低下させる（運転圧力制御）と共に、負荷電流を増加させる（負荷電流制御）機能を持つ。なお、これら機能はＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりとして実現される。

次に、以上の構成を備えた本実施例の燃料電池システムにおける運転制御（運転圧力制御および負荷電流制御）について、図３〜図１２を参照しながら説明する。

まず、本実施例の燃料電池システムにおける運転制御を説明する前に。従来、一般的に行われている運転圧力の設定方法について、図３〜図６を参照しながら説明する。ここで、図３は燃料電池システムにおけるグロス出力およびコンプレッサモータ消費電力と運転圧力の関係を説明する説明図であり、図４は燃料電池システムにおけるネット出力（ネット効率）と運転圧力の関係を説明する説明図であり、図５は燃料電池の負荷電流と運転圧力の関係を説明する説明図であり、図６はコンプレッサモータの回転数とコンプレッサモータのトルクの関係を説明する説明図である。

図３に示すように、燃料電池本体１のグロス出力Ｌ１は、取り出し電流が一定の場合には、運転圧力が上昇すると向上し、運転圧力が高くなるに従ってその上昇傾きは緩くなる。また、コンプレッサモータが消費する電力Ｌ２は、運転圧力が高いほど大きく、運転圧力が高くなるに従ってその上昇傾きは急になる。

また、コンプレッサモータの消費電力は、燃料電池システム全体の補機類の消費電力の殆どを占めるため、燃料電池システムのネット出力および効率は、図４に示すように、ネット出力および効率が大となる方向に凸となる特性曲線（Ｌ３）となり、燃料電池システムの運転が効率良く、且つ出力性能が高い状態を保つために、該特性曲線Ｌ３が極大となる点（Ｐ）を運転点として設定することとなる。なお、燃料電池システムのネット出力は、燃料電池のグロス出力からコンプレッサモータの消費電力を差し引いた値であり、燃料電池システムのネット効率は、燃料電池システムのネット出力を投入エネルギーで割った値である。

そして、燃料電池本体１の各負荷電流毎に運転圧力を設定すると、図５に示すように、燃料電池の負荷電流が大きくなるに従って運転圧力も高くなるような推移となる。

さらに、コンプレッサモータの回転数は燃料電池本体１の負荷の増加と共に増大する空気流量に対応し、コンプレッサモータのトルクは燃料電池本体１の負荷の増加と共に増大するコンプレッサ吐出圧力比（＝コンプレッサ出口圧力 / コンプレッサ入口圧力）、即ち燃料電池システムの運転圧力に対応して、図６に示すように、コンプレッサモータの回転数が大きくなるに従ってコンプレッサモータのトルクも高くなる。

次に、以上説明した一般的な運転圧力の設定方法の問題点について、図７および図８を参照しながら説明する。ここで、図７は一般的な電気モータの駆動できるトルクおよび回転数の上限である回転数−トルク限界線を説明する説明図であり、図８はコンプレッサモータの回転数およびトルクと回転数−トルク上限との関係を説明する説明図である。

まず、一般的な電気モータでは、図７に示すように、モータトルクとモータ回転数の積がある上限（回転数−トルク限界線ＲＴＬ）を超えて運転することはできない。この回転数−トルク限界線ＲＴＬを、図６のコンプレッサモータの回転数およびトルクの関係説明図に併せて示すと、図８のようになる。

図８において、通常の運転では、燃料電池本体１の定格電流点Ｑは、その回転数−トルクの上限ＲＴＬ以下となるように設定されている。しかしながら、空気コンプレッサ１１が吸入する吸入空気温度や吸入空気圧力が変化した場合、つまり外気温度や外気圧力が変化した場合には、燃料電池本体１の運転点が同じでも、コンプレッサモータが必要とするトルクおよび回転数が変化するため、状況によっては、回転数−トルク上限ＲＴＬを超えないと運転できない場合（図中Ｑ’）が存在してしまい、所定の圧力のままで燃料電池本体１が必要とする空気流量を供給することができず、燃料電池本体１から出力を取り出すことができなくなってしまう。なお、トルクおよび回転数の変化は、外気温度および外気圧力が上昇すると空気が膨張するので、同じ質量流量を流すために回転数が上昇し、また、外気圧力が降下すると圧力比が大きくなってトルクが増加することにより起こる。

このコンプレッサモータの回転数−トルク上限ＲＴＬによる空気流量不足の問題は、単純にコンプレッサモータを大型化すれば解決するが、特に車載用燃料電池システムの場合には、コンプレッサモータの小型化要求がある。また、燃料電池本体１からの出力を絞ると車両の動力性能へ影響が出てしまうという問題もあった。

次に、本実施例の燃料電池システムにおける運転圧力の設定方法について、図９および図１０を参照しながら説明する。ここで、図９および図１０は燃料電池の負荷電流と運転圧力の関係に回転数−トルク上限を併せて示す説明図であり、図１０は運転点が回転数−トルク上限に達した場合の本実施例における運転圧力および負荷電流の設定を説明する説明図である。

まず、図９に示すように、現在の運転点Ｒ１（負荷電流Ｉ１、運転圧力Ｐ１）が回転数−トルク上限ＲＴＬに対して下回っている状態では、従来と同様に、燃料電池本体１に要求される負荷電流未満で燃料電池システムのネット出力およびネット効率が極大となる運転点の運転圧力に設定される。

上述したように、外気温度や外気圧力が変化すると、図１０に示す如く、運転点Ｒ１（負荷電流Ｉ１、運転圧力Ｐ１）が回転数−トルク上限ＲＴＬに対して上回る状態が起こり得る。

このような状態で、従来は、回転数−トルク上限ＲＴＬを満足する運転点Ｒ２（負荷電流Ｉ２、運転圧力Ｐ２）まで出力（負荷電流）を落として出力制限を行っていた。これに対して、本実施例では、新たな運転点Ｒ３（負荷電流Ｉ１、運転圧力Ｐ３）を設定し、負荷電流を本来の運転点Ｒ１における負荷電流Ｉ１のまま一定として出力制限を行わず、運転圧力を回転数−トルク上限ＲＴＬを満足する運転圧力Ｐ３まで低下させることとしている。

実際の制御シーケンスでは、車両等から燃料電池システムに対して負荷要求が来た場合に、燃料電池本体１への負荷電流を上げていき、コンプレッサモータのモータ回転数とモータトルクが、回転数−トルク上限ＲＴＬに達した場合に、運転圧力を低下させるというシーケンスとなる。

次に、本実施例の燃料電池システムにおける具体的な運転制御（運転圧力制御および負荷電流制御）について、図１１および図１２を参照しながら説明する。ここで、図１１は本実施例の運転圧力制御（負荷電流制御を含む）を説明するフローチャートであり、図１２は本実施例の燃料電池の運転圧力とネット出力の関係を説明する説明図である。

図１１において、まず、当該燃料電池システムへ負荷取り出しの指示が与えられる（ステップＳ１０１）。負荷取り出しの要求は、燃料電池車両の場合、アクセル開度や車速によって車両側から要求されるものである。

次に、空気コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータの回転数−トルクが、あらかじめ決められた回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達しているか否かについて判断する（ステップＳ１０２）。コンプレッサモータの回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達していない場合には、問題なく負荷を取り出すことができるので終了する。

また、ステップＳ１０２において、コンプレッサモータの回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達している場合には、ステップＳ１０３に進んで、燃料電池本体１へ要求される負荷電流に到達したか否かの判断を行う。要求される負荷電流に到達している場合には、回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達しているものの、燃料電池本体１からこれ以上の負荷を取り出す必要がないため、終了する。

また、ステップＳ１０３において、要求される負荷電流に到達していない場合には、ステップＳ１０４に進み、空気調圧弁１５を制御して、運転圧力を低下させ、次のステップＳ１０５で、燃料電池本体１から取り出す負荷電流量を増加させる。

次に、再度、空気コンプレッサ１１を駆動するコンプレッサモータの回転数−トルクが回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達しているか否かの判断を行い（ステップＳ１０６）、コンプレッサモータの回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達していない場合には、運転圧力低下措置（ステップＳ１０４）および負荷電流増加措置（ステップＳ１０５）を実施する。つまり、コンプレッサモータの回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達するまで、運転圧力低下措置（ステップＳ１０４）および負荷電流増加措置（ステップＳ１０５）を繰り返し行い、コンプレッサモータの回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達した場合には終了する。

ステップＳ１０２およびステップＳ１０６での判断は、例えば、コンプレッサモータの回転数およびトルクを検出するセンサ等を備えて（図１に図示せず）、あらかじめ回転数−トルク上限（ＲＴＬ）を、設計的または実験的に求めてコントローラ４３内部にテーブルとして記憶しておくことで実現できる。

以上のような運転圧力制御を実施したとき、本実施例における燃料電池システムのネット出力（ネット効率）と運転圧力の関係（従来は図４を参照）は、図１２に示すように、負荷電流Ｉ１，Ｉ２毎に示されることになる。

図１２において、運転点Ｒ１およびＲ２は、それぞれ負荷電流Ｉ１およびＩ２において、ネット出力が極大となるようにあらかじめ設定されたものであり、そのときのネット出力は、それぞれネット出力Ｎ１およびＮ２となる。つまり、図１１の運転圧力制御により、運転点Ｒ１より、負荷電流をＩ１のまま一定にして、運転圧力をＰ１からＰ３まで低下させた場合、ネット出力はＮ３へと移行する。

コンプレッサモータの回転数−トルク上限ＲＴＬに達するような状況では、比較的運転圧力が高く、この場合、図３に示したように、運転圧力の低下による燃料電池本体１の出力性能低下代は小さいため、負荷電流を一定に保つ（負荷電流を低下させない）効果の方が大きく、ネット出力の関係は「Ｎ１＞Ｎ３＞Ｎ２」となり、本実施例の運転圧力制御によって出力性能を改善することができる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素（燃料ガス）および空気（酸化剤ガス）の供給により発電を行う燃料電池本体１と、燃料電池本体１に水素を供給する水素系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池本体１の発電電力を用いて駆動するコンプレッサモータと、該コンプレッサモータにより駆動する空気コンプレッサ１１と、を備え、燃料電池本体１に空気を供給する空気系（酸化剤ガス供給手段）と、を有する燃料電池システムにおいて、コントローラ（制御手段）４３により、コンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定するようにしている。

このように、外気温度や外気圧力等によって常に変化するコンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定するので、コンプレッサモータの回転数およびトルクの限界性能ギリギリまでの使用が可能となり、出力性能を高い状態に維持し得る燃料電池システムを実現することができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）４３により、燃料電池に要求される負荷電流未満で、コンプレッサモータの回転数およびトルクの限界点、即ち回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達した場合には、当該燃料電池システムの運転圧力を低下させると共に、負荷電流を増加させる。

このように、外気圧力や外気温度等によって常に変化するコンプレッサモータのトルクおよび回転数に応じて、燃料電池システムの運転圧力を設定し、且つ、燃料電池本体へ要求される負荷電流未満の状態において、コンプレッサモータの運転点が回転数とトルクの限界点、即ち回転数−トルク上限（ＲＴＬ）に達した場合でも、適切な運転圧力に設定して負荷を取り出すので、コンプレッサモータの限界性能ギリギリまでの使用が可能となり、出力性能を高い状態に維持し得る燃料電池システムを実現することができる。

次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。

ただし、コントローラ（制御手段）４３において、当該燃料電池システムに対して要求される出力値が所定値以上の場合に、実施例１で説明した運転圧力制御および負荷電流制御を行い、要求される出力値が所定値未満の場合には、実施例１で説明した運転圧力制御および負荷電流制御を行わない点が実施例１とは異なる。

次に、本実施例の燃料電池システムにおける運転制御について、図１３および図１４を参照しながら説明する。ここで、図１３は本実施例の運転圧力制御（負荷電流制御を含む）を説明するフローチャートであり、図１４は本実施例の燃料電池の運転圧力とネット効率の関係を説明する説明図である。

図１３において、まず、当該燃料電池システムに対する負荷要求量が所定値以上であるか否かの判断を行う（ステップＳ２０１）。負荷要求量が所定値未満の場合には、実施例１で説明した運転圧力制御および負荷電流制御を行わずにそのまま終了する。

また、ステップＳ２０１において、負荷要求量が所定値以上の場合には、実施例１で説明した運転圧力制御および負荷電流制御（図１１のフローチャート参照）を実施して終了する。

なお、ステップＳ２０１における負荷要求量の所定値は、車両側のアクセル開度やその変化率、車速等の情報に基づき設定される。例えば、負荷要求量が所定値以上の場合とは、車両側が燃料電池システムに対して高い出力を要求している場合であり、出力性能を優先するような車両チューニングの場合には、低い出力値に設定することで対応できる。なお、車両側のアクセル開度やその変化率、車速等の情報に応じた負荷要求量の所定値は、あらかじめ実験的に求めてコントローラ４３内部に記憶しておく。

以上のような運転圧力制御を実施したとき、本実施例における燃料電池システムのネット効率と運転圧力の関係は、図１４に示すように、負荷電流Ｉ１，Ｉ２毎に示されることになる。

図１４において、運転点Ｒ１およびＲ２は、それぞれ負荷電流Ｉ１およびＩ２において、（ネット出力が極大となるようにあらかじめ設定されると同時に；実施例１の図１２参照）ネット効率が極大となるようにあらかじめ設定されたものであり、そのときのネット効率は、それぞれネット効率Ｅ１、Ｅ２となる。なお、燃料電池は負荷電流が小さいほど、効率が良いため、負荷電流Ｉ２での効率Ｅ２の方が、負荷電流Ｉ１での効率Ｅ１より高く（Ｅ２＞Ｅ１と）なる。

つまり、本実施例の運転制御により、運転点Ｒ１より、負荷電流をＩ１のまま一定にして、運転圧力をＰ１からＰ３まで低下させた場合、ネット効率はＥ３へと移行する。また、負荷電流をＩ１のまま固定して、運転圧力をＰ１からＰ３へと低下させたため、その時の効率Ｅ３とＥ１との関係は「Ｅ１＞Ｅ３」となり、結果として「Ｅ２＞Ｅ１＞Ｅ３」となる。

すなわち、本実施例の運転制御により、ネット出力は改善する方向となるが、ネット効率は改悪の方向となる。しかしながら、本実施例では、車両側からの負荷要求量が高い場合、即ち高い出力性能が要求される場合に、運転圧力制御を実施するため、負荷要求量が低い場合には効率優先とすることができ、それらを使い分けることができる点が優れている。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ（制御手段）４３において、当該燃料電池システムに対して要求される出力値が所定値以上の場合に、実施例１で説明した運転圧力制御および負荷電流制御を行う。

このように、燃料電池システムに求められる出力が大きい場合に、運転圧力制御および負荷電流制御を実施するので、出力性能が優先される場合には出力性能を高い状態に維持でき、また、出力性能が優先されない場合には燃料電池システムの効率を優先することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池本体１の単位セルの概念図である。 燃料電池システムにおけるグロス出力およびコンプレッサモータ消費電力と運転圧力の関係を説明する説明図である。 燃料電池システムにおけるネット出力（ネット効率）と運転圧力の関係を説明する説明図である。 燃料電池の負荷電流と運転圧力の関係を説明する説明図である。 コンプレッサモータの回転数とコンプレッサモータのトルクの関係を説明する説明図である。 一般的な電気モータの駆動できるトルクおよび回転数の上限である回転数−トルク限界線を説明する説明図である。 コンプレッサモータの回転数およびトルクと回転数−トルク上限との関係を説明する説明図である。 燃料電池の負荷電流と運転圧力の関係に回転数−トルク上限を併せて示す説明図である。 運転点が回転数−トルク上限に達した場合の実施例における運転圧力および負荷電流の設定を説明する説明図である。 実施例１の運転圧力制御（負荷電流制御を含む）を説明するフローチャートである。 実施例１の燃料電池の運転圧力とネット出力の関係を説明する説明図である。 実施例２の運転圧力制御（負荷電流制御を含む）を説明するフローチャートである。 実施例２の燃料電池の運転圧力とネット効率の関係を説明する説明図である。

符号の説明

１ 燃焼電池本体
１ａ 酸化剤極
１ｂ 燃料極
１１ 空気コンプレッサ（コンプレッサモータを具備）
１２ 空気供給経路
１３ 空気系加湿装置
１４ 空気排気経路
１５ 空気調圧弁
１６ 空気圧力計
２１ 高圧水素タンク
２２ 水素供給経路
２３ 水素調圧弁
２４ 水素循環装置
２５ 水素系加湿装置
２６ 水素循環経路
２７ 水素排気経路
２８ 水素排出弁
２９ 水素圧力計
３１ 冷却水ポンプ
３２ 冷却水循環経路
３３ 熱交換器
３４ 冷却水温度計
４０ 負荷装置
４１ 電圧計
４２ 電流計
４３ コントローラ（制御手段）
１００ 燃料電池単セル
１０１ ＭＥＡ
１０２ 電解質膜
１０３ 燃料極触媒層
１０４ 酸化剤極触媒層
１０５ 燃料極ガス拡散層
１０６ 酸化剤極ガス拡散層
１０７，１０８ セパレータ
１０９ 燃料ガス流路
１１０ 酸化剤ガス流路

Claims (3)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電電力を用いて駆動するコンプレッサモータと、
   該コンプレッサモータにより駆動されるコンプレッサを備えた前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記コンプレッサモータの回転数およびトルクを推定し、該推定したコンプレッサモータの回転数およびトルクに応じて当該燃料電池システムの運転圧力を設定する制御手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池に要求される負荷電流未満で、前記コンプレッサモータの回転数およびトルクの限界点に達した場合に、当該燃料電池システムの運転圧力を低下させると共に、負荷電流を増加させ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。
3. 前記制御手段は、当該燃料電池システムに対して要求される出力値が所定値以上の場合に、前記運転圧力制御または前記運転圧力制御および前記負荷電流制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の燃料電池システム。