JP2016100277A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムのコストを低く維持しつつ、ドライアップの発生を阻止しながら回生器による制動力を確保する。
【解決手段】燃料電池スタック１０、コンプレッサ４４、カソード流れ制御弁４７、バイパス制御弁４１ｂ、及び、コンプレッサ上流の空気供給管４１内に配置された吐出圧制御弁４９を備える。吐出圧制御弁の開度を維持しかつバイパス制御弁を開弁しかつカソード流れ制御弁を閉弁した状態で回生エネルギをコンプレッサで消費したと仮定したときのバイパス制御弁の前後差圧が上限差圧よりも大きいときには、前後差圧が上限差圧以下になるように吐出圧制御弁の開度を低減すると共に、バイパス制御弁を開弁しかつカソード流れ制御弁を閉弁した状態で回生エネルギをコンプレッサに供給し、消費する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

水素ガスと空気との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された空気通路の入口に連結された空気供給管と、空気供給管内に配置され、空気を供給するためのコンプレッサと、空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガス管内に配置されたカソード流れ制御弁と、コンプレッサ下流の空気供給管とカソード流れ制御弁下流のカソードオフガス管とを互いに連結するバイパス管と、バイパス管内に配置されたバイパス制御弁と、蓄電器と、を備え、車両の回生器により回生された回生エネルギを蓄電器に蓄えるようにした、燃料電池システムが公知である。この場合、回生器では、車両の運動エネルギが電気エネルギの形で回生され、それにより車両制動力が得られる。

ところが、蓄電器の蓄電量が多くなって回生エネルギを蓄電器に蓄電できなくなると、車両の運動エネルギを回生できず、したがって制動力が得られなくなる。そこで、蓄電器の蓄電量があらかじめ定められた上限蓄電量を越えたときに、回生エネルギをコンプレッサに供給してコンプレッサで消費するようにした、燃料電池システムも公知である。

ところが、回生エネルギをコンプレッサで消費するようにすると、すなわち回生エネルギでもってコンプレッサを作動させると、コンプレッサから多量の空気が吐出されるおそれがあり、この多量の空気が燃料電池スタックに供給されると、燃料電池スタックにドライアップが生ずるおそれがある。そこで、回生エネルギをコンプレッサで消費すべきときには、バイパス制御弁を開弁すると共にカソード流れ制御弁を閉弁した状態で回生エネルギをコンプレッサに供給するようにした、燃料電池システムが公知である（例えば特許文献１参照）。このようにすると、コンプレッサから吐出された多量の空気がバイパス管内に送り込まれ、燃料電池スタックに供給されなくなる。その結果、燃料電池スタックにドライアップが生ずるのが阻止される。

特開２０１０−１４６７４９号公報

しかしながら、特許文献１のように回生エネルギでもってコンプレッサを作動させると、コンプレッサの吐出圧、すなわちコンプレッサ下流の空気供給管内の圧力が過度に高くなるおそれがあり、したがってバイパス制御弁の前後差圧が過度に大きくなるおそれがある。ところが、バイパス制御弁の前後差圧が過度に大きいと、この過度に大きな前後差圧に抗してバイパス制御弁を開弁状態に切り換える又は維持することが困難になる。バイパス制御弁を開弁状態にできなければ、コンプレッサから吐出された多量の空気が燃料電池スタックに送り込まれてしまい、ドライアップが生ずるおそれがある。過度に大きな前後差圧に抗してバイパス制御弁を開弁状態にできるバイパス制御弁を用いれば、この課題は解決されるけれども、このようなバイパス制御弁は高価になってしまう。

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサと、前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置されたカソード流れ制御弁と、前記コンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管と前記カソード流れ制御弁下流のカソードオフガス管とを互いに連結するバイパス管と、前記バイパス管内に配置されたバイパス制御弁であって、前記バイパス制御弁の前後差圧があらかじめ定められた上限差圧以下のときに開弁状態にできるバイパス制御弁と、車両の回生器により回生された回生エネルギを前記コンプレッサで消費すべきときには、前記バイパス制御弁を開弁しかつ前記カソード流れ制御弁を閉弁した状態で前記回生エネルギを前記コンプレッサに供給する制御器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサ上流の前記酸化剤ガス供給管内に配置され、前記コンプレッサ下流の酸化剤ガス供給管内の圧力を制御する吐出圧制御弁を更に備え、前記制御器は、前記吐出圧制御弁の開度を維持しかつ前記バイパス制御弁を開弁しかつ前記カソード流れ制御弁を閉弁した状態で前記回生エネルギを前記コンプレッサで消費したと仮定したときの前記バイパス制御弁の前後差圧が前記上限差圧よりも大きいときには、前記前後差圧が前記上限差圧以下になるように前記吐出圧制御弁の開度を低減すると共に、前記バイパス制御弁を開弁しかつ前記カソード流れ制御弁を閉弁した状態で前記回生エネルギを前記コンプレッサに供給する、燃料電池システムが提供される。

燃料電池システムのコストを低く維持しつつ、ドライアップの発生を阻止しながら回生器による制動力を確保することができる。

燃料電池システムの全体図である。 バイパス制御弁の概略図である。 吐出圧制御弁の開度θＰＰとバイパス制御弁の上流側の圧力ＰＢＵとの関係を示す線図である。 本発明による実施例の回生制御を説明するタイムチャートである。 推定上流側圧力ＰＢＵＡのマップを示す図である。 吐出圧制御弁の目標開度θＰＰＴのマップを示す図である。 回生制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。

図１を参照すると、電動車両駆動用の燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向ＬＳに沿って互いに積層された複数の燃料電池単セル１０ａを備える。各燃料電池単セル１０ａは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。

燃料電池単セル１０ａのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、積層方向ＬＳに関し最も外側のアノード極及びカソード極は燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、各燃料電池単セル１０ａ内には、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス流通路３０ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気流通路４０ａとがそれぞれ形成され、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１０ａ同士間には燃料電池単セル１０ａに冷却水を供給するための冷却水流通路（図示しない）が形成される。複数の燃料電池単セル１０ａの水素ガス流通路３０ａ、空気流通路４０ａ、及び冷却水流通路をそれぞれ並列に接続することにより、燃料電池スタック１０内に水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路（図示しない）がそれぞれ形成される。図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路の入口及び出口はそれぞれ、燃料電池スタック１０の積層方向ＬＳ一端に配置される。

図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス流通路３０ａの入口及び空気流通路４０ａの出口が積層方向軸線ＬＳの一側に配置され、水素ガス流通路３０ａの出口及び空気流通路４０ａの入口が積層方向軸線ＬＳの他側に配置される。したがって、水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ逆向きになっている。すなわち、燃料電池スタック１０は向流式の燃料電池スタックから構成される。図示しない別の実施例では、水素ガス流通路３０ａの入口及び出口と、空気流通路４０ａの入口及び出口がそれぞれ隣接配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ同じ向きになっている。すなわち、図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０は並流式の燃料電池スタックから構成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源、例えば水素タンク３２に連結される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、電磁式の遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガス供給器３５と、が配置される。図１に示される燃料電池システムＡでは水素ガス供給器３５は電磁式の水素ガス供給弁から構成される。この水素ガス供給弁はニードル弁を備えており、したがって水素ガスは水素ガス供給弁から間欠的に供給される。一方、水素ガス通路３０の出口にはバッファタンク３６を介してパージ管３７が連結される。パージ管３７内には電磁式のパージ制御弁３８が配置される。遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはバッファタンク３６内に流入し、バッファタンク３６内に蓄積される。パージ制御弁３８は通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁３８が開弁されると、バッファタンク３６内のアノードオフガスがパージ管３７を介して大気に排出され、すなわちパージ処理が行われる。

図１に示される燃料電池システムＡでは、パージ管３７の出口は大気に連通されている。すなわち、水素ガス通路３０の出口は水素ガス供給管３１に連通されず、したがって水素ガス供給管３１から分離されている。このことは、水素ガス通路３０の出口から流出するアノードオフガスが水素ガス供給管３１に戻されない、ということを意味している。言い換えると、図１に示される燃料電池システムＡは水素ガス非循環式である。図示しない別の実施例では、水素ガス通路３０の出口が水素ガス戻し管を介して例えばレギュレータ３４と水素ガス供給弁３５との間の水素ガス供給管３１に連結される。水素ガス戻し管内には上流側から順に、気液分離器と、気液分離器により分離された水素ガスを水素ガス供給管３１に送り込む水素ガス戻しポンプと、が配置される。この場合、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス戻し管を介して水素ガス供給管３１に戻される。その結果、水素ガス源３２からの水素ガスと水素ガス戻し管からの水素ガスとの混合体が水素ガス供給弁３５から燃料電池スタック１０に供給される。すなわち、図示しない別の実施例では、燃料電池システムＡは水素ガス循環式である。この図示しない別の実施例との比較において、図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス戻し管、水素ガス戻しポンプ等が省略されているということになる。その結果、図１に示される燃料電池システムＡでは、構成が簡素化され、コストが低減され、水素ガス戻し管等のための空間を必要としない。

また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源、例えば大気４２に連結される。空気供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送するコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。図１に示される実施例では、コンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。また、コンプレッサ４４上流の空気供給管４１内には、コンプレッサ４４の吐出圧、すなわちコンプレッサ４４下流の空気供給管４１内の圧力を制御する電磁式の吐出圧制御弁４９が配置される。吐出圧制御弁４９は通常は全開に保持されている。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内には上流側から順に、電磁式のカソード流れ制御弁４７と、希釈器４８とが配置される。この希釈器４８には上述したパージ管３７が連結される。その結果、パージ管３７からのパージガス中の水素ガスがカソードオフガスによって希釈される。図１に示される燃料電池システムＡでは更に、インタークーラ４５下流の空気供給管４１から分岐してカソード流れ制御弁４７下流のカソードオフガス管４６に到るバイパス管４１ａと、バイパス管４１ａ内に配置された電磁式のバイパス制御弁４１ｂとが設けられる。バイパス制御弁４１ｂは通常は閉弁されている。なお、本発明による実施例では、カソード流れ制御弁４７が全閉にされても、わずかな量のカソードオフガスがカソード流れ制御弁４７を通過し、したがってわずかな量の空気が空気通路４０に流入することが可能になっている。このようにすると、カソード流れ制御弁４７のコストを低減することができる。

上述した燃料電池スタック１０内の冷却水通路の入口には冷却水供給管（図示しない）の一端が連結され、冷却水通路の出口には冷却水供給管の他端が連結される。冷却水供給管内には冷却水を圧送する冷却水ポンプと、ラジエータとが配置される。冷却水ポンプが駆動されると、冷却水ポンプから吐出された冷却水は冷却水供給管を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路内に流入し、次いで冷却水通路を通って冷却水供給管内に流入し、ラジエータを介して冷却水ポンプに戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。蓄電器１４には蓄電器１４の蓄電量を検出するための蓄電量センサ１４ｑが設けられる。また、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する電圧計１６ｖ及び電流計１６ｉが設けられる。コンプレッサ４４下流の空気供給管４１には、コンプレッサ４４下流の空気供給管４１内の圧力、すなわちコンプレッサ４４の吐出圧を検出するための圧力センサ７０が設けられる。コンプレッサ４４下流の空気供給管４１内の圧力はバイパス制御弁４１ｂの上流側の圧力を表している。更に、カソード流れ制御弁４７下流のカソードオフガス管４６には、カソード流れ制御弁４７下流のカソードオフガス管４６内の圧力を検出するための圧力センサ７１が設けられる。カソード流れ制御弁４７下流のカソードオフガス管４６内の圧力はバイパス制御弁４１ｂの下流側の圧力を表している。更に、車両のアクセルペダル（図示しない）の踏み込み量を検出する負荷センサ７２が設けられる。蓄電量センサ１４ｑ、電圧計１６ｖ、電流計１６ｉ、圧力センサ７０，７１、及び負荷センサ７２の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５にそれぞれ入力される。更に、車両の速度を表すパルスを発生する車速センサ７３が設けられ、車速センサ７３からの出力パルスは入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガス供給弁３５、パージ制御弁３８、バイパス制御弁４１ｂ、コンプレッサ４４、カソード流れ制御弁４７、吐出圧制御弁４９に電気的に接続される。図示しない別の実施例では、大気圧センサが設けられる。大気圧センサにより検出された大気圧はバイパス制御弁４１ｂの下流側の圧力を表している。

図２は、バイパス制御弁４１ｂの一例を示している。バイパス制御弁４１ｂは、バイパス管４１ａに連結されたケーシング８０と、ケーシング８０の内部空間を二分する仕切り壁８１と、仕切り壁８１に形成された連通孔８２と、連通孔８２を開放及び遮断可能な弁体８３と、弁体８３を移動させるアクチュエータ８４と、を備える。弁体８３が連通孔８２を遮断するとバイパス制御弁４１ｂが閉弁され、弁体８３が連通孔８２を開放するとバイパス制御弁４１ｂが開弁される。このようなバイパス制御弁４１ｂでは、バイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢ、すなわちバイパス制御弁４１ｂの下流側の圧力ＰＢＤに対するバイパス制御弁４１ｂの上流側の圧力ＰＢＵの差（ΔＰＢ＝ＰＢＵ−ＰＢＤ）に応じた大きさの閉弁方向の力が弁体８３に作用する。したがって、バイパス制御弁４１ｂを閉弁状態から開弁状態に切り換え又は維持するために、アクチュエータ８４はこの閉弁方向の力に抗して弁体８３を開弁方向に付勢する必要がある。このため、前後差圧ΔＰＢが小さければバイパス制御弁４１ｂを開弁状態にできるが、前後差圧ΔＰＢが大きいとバイパス制御弁４１ｂを開弁状態にできない。したがって、バイパス制御弁４１ｂは、バイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢがあらかじめ定められた上限差圧ΔＰＢＸ以下であると開弁状態にでき、前後差圧ΔＰＢが上限差圧ΔＰＢＸよりも大きいと開弁状態にできない弁であるということになる。

ここで、上限差圧ΔＰＢＸはアクチュエータ８４の性能に依存する。すなわち、アクチュエータ８４が高性能であり大きな駆動力を発生しうる場合には、前後差圧ΔＰＢが大きくてもバイパス制御弁４１ｂは開弁可能であるので、上限差圧ΔＰＢＸは大きくなる。これに対し、アクチュエータ８４が低性能であり大きな駆動力を発生できない場合には、上限差圧ΔＰＢＸは小さくなる。一般に、安価なバイパス制御弁のアクチュエータ８４は低性能であるので、安価なバイパス制御弁を用いた場合には上限差圧ΔＰＢＸは小さくなる。

一方、図３は、コンプレッサ４４から吐出される空気量を一定に維持しつつ吐出圧制御弁４９の開度θＰＰを変化させたときのコンプレッサ４４の吐出圧、すなわちバイパス制御弁４１ｂの上流側の圧力ＰＢＵを示している。図３からわかるように、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰが小さくなるにつれてバイパス制御弁４１ｂの上流側の圧力ＰＢＵは低くなる。したがって、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰが小さくなるにつれてバイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢは小さくなる。このように、吐出圧制御弁４９の開度を制御することにより前後差圧ΔＰＢを制御することができる。

さて、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池スタック１０において電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。

一方、例えば車両減速時にはモータジェネレータ１３が回生器ないし発電機として作動し、すなわち車両の運動エネルギが電気エネルギの形で回生される。その結果、モータジェネレータ１３により車両制動力が得られる。このとき回生された電気エネルギ、すなわち回生エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。ところが、蓄電器１４がほぼ飽和しているときには、もはや回生エネルギを蓄えることができず、したがって回生作用を行うことができなくなる。その結果、車両制動力を得ることができなくなる。

そこで本発明による実施例では、回生作用を行うべきときに蓄電器１４の蓄電量ＱＥＳがあらかじめ定められた上限蓄電量ＱＥＳＸよりも多いときには、回生エネルギをコンプレッサ４４に供給してコンプレッサに４４で消費するようにしている。その結果、蓄電器１４がほぼ飽和しているときにも、車両制動力を確実に得ることができる。

回生エネルギをコンプレッサ４４で消費するようにすると、すなわち回生エネルギでもってコンプレッサ４４を作動させると、コンプレッサ４４から多量の空気が吐出されるおそれがある。この多量の空気が燃料電池スタック１０に供給されると、燃料電池スタック１０、特に膜電極接合体２０の湿潤度合いが低くなる。燃料電池スタック１０の湿潤度合いが過度に低くなると、プロトン導電性が低下し膜抵抗又は触媒層抵抗が増加することにより燃料電池スタック１０の発電性能が低下する、いわゆるドライアップが発生してしまう。そこで本発明による実施例では、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費すべきときには、バイパス制御弁４１ｂを開弁すると共にカソード流れ制御弁４７を閉弁した状態で回生エネルギをコンプレッサ４４に供給するようにしている。その結果、コンプレッサ４４から吐出された多量の空気がバイパス管４１ａ内に送り込まれ、燃料電池スタック１０に供給されなくなる。その結果、燃料電池スタック１０にドライアップが生ずるのが阻止される。

ところが、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費するようにすると、コンプレッサ４４の吐出圧、すなわちバイパス管４１ａの入口における圧力が高くなるおそれがあり、したがってバイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢが大きくなるおそれがある。この場合、前後差圧ΔＰＢが上述した上限差圧ΔＰＢＸよりも大きいと、バイパス制御弁４１ｂを開弁することができず、このとき多量の空気が燃料電池スタック１０に送られてしまう。

そこで本発明による実施例では、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費すべきときには、まず、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰを維持しかつバイパス制御弁４１ｂを開弁しかつカソード流れ制御弁４７を閉弁した状態で回生エネルギをコンプレッサ４４で消費したと仮定したときのバイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢＡが推定される。次いで、この推定差圧ΔＰＢＡが上限差圧ΔＰＢＸよりも大きいときには、バイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢが上限差圧ΔＰＢＸ以下になるように吐出圧制御弁４９の開度θＰＰが低減され、この状態において回生エネルギがコンプレッサ４４に供給され、したがってコンプレッサ４４で消費される。その結果、バイパス制御弁４１ｂが確実に開弁され、したがってコンプレッサ４４から吐出された多量の空気が確実にバイパス管４１ａに送られる。このため、ドライアップの発生を確実に阻止しながら制動力を確保することができる。このことは、安価なバイパス制御弁４１ｂが用いられしたがって上限差圧ΔＰＢＸが小さいときであっても、何ら変わらない。すなわち、燃料電池システムＡのコストを低く維持しつつ、ドライアップの発生を阻止しながら回生器による制動力を確保することができる。

図４は、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費すべきときに推定差圧ΔＰＢＡが上限差圧ΔＰＢＸよりも大きいときのバイパス制御弁４１ｂの開度θＢ、カソード流れ制御弁４７の開度θＣＦ及び吐出圧制御弁４９の開度θＰＰを示している。各開度θＢ，θＣＦ，θＰＰは全閉を表すゼロと全開を表す１との間で変更可能になっている。図４を参照すると、回生作用が行われないときには、図４にＸで示されるように、バイパス制御弁４１ｂの開度θＢＰは全閉（０）に維持され、カソード流れ制御弁４７の開度θＣＦは、例えば空気通路４０内の圧力を目標圧力にするための目標開度θＣＦＴに設定される。また、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰは全開（１）に維持される。

次いで、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費するときに推定差圧ΔＰＢＡが上限差圧ΔＰＢＸよりも大きいときには、図４にＹで示されるように、バイパス制御弁４１ｂの開度θＢＰが全開（１）に切り換えられ、カソード流れ制御弁４７の開度θＣＦが全閉（０）に切り換えられる。また、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰは、バイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢを上限差圧ΔＰＢＸ以下にするのに必要な目標開度θＰＰＴに設定される。次いで、回生作用がされると、図４にＺで示されるように、バイパス制御弁４１ｂの開度θＢ、カソード流れ制御弁４７の開度θＣＦ及び吐出圧制御弁４９の開度θＰＰがそれぞれ戻される。

なお、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費する場合には、上述したように燃料電池スタック１０への空気の供給が停止される。このとき、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給も停止される。したがって、燃料電池スタック１０での発電が一時的に停止される。このようにしても、車両減速時であり、また、蓄電器１４の蓄電量は多いので、問題とならない。

これに対し、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費すべきときに推定差圧ΔＰＢＡが上限差圧ΔＰＢＸ以下のときには、バイパス制御弁４１ｂの開度θＢＰは全開に切り換えられ、カソード流れ制御弁４７の開度θＣＦは全閉に切り換えられる。また、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰは全開に維持される。

一方、回生エネルギが蓄電器１４に蓄えられるときにはバイパス制御弁４１ｂの開度θＢＰは全閉に維持され、カソード流れ制御弁４７の開度θＣＦは目標開度θＣＦＴに維持され、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰは全開に維持される。この場合、燃料電池スタック１０での発電は継続して行われる。図示しない別の実施例では、燃料電池スタック１０での発電が例えば間欠的に停止される。

推定差圧ΔＰＢＡは例えば次のようにして求められる。すなわち、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰを維持しかつバイパス制御弁４１ｂを開弁しかつカソード流れ制御弁４７を閉弁した状態で回生エネルギをコンプレッサ４４で消費したと仮定したときのバイパス制御弁４１ｂの上流側の圧力ＰＢＵの推定値ＰＢＵＡが求められる。推定上流側圧力ＰＢＵＡは単位時間当たりの回生エネルギ量ｑＥＲに依存する。具体的には、単位時間当たりの回生エネルギ量ｑＥＲが多くなるにつれて推定上流側圧力ＰＢＵＡは高くなる。一方、単位時間当たりの回生エネルギ量ｑＥＲは車速Ｖに依存する。具体的には車速Ｖが高くなるにつれて単位時間当たりの回生エネルギ量ｑＥＲは多くなる。そこで、本発明による実施例では、推定上流側圧力ＰＢＵＡと車速Ｖとの関係を図５に示されるマップの形であらかじめ求めておき、検出された車速Ｖに基づいて推定上流側圧力ＰＢＵＡが算出される。推定上流側圧力ＰＢＵＡが算出されると、検出されたバイパス制御弁４１ｂの下流側の圧力ＰＢＤを用いて、推定差圧ΔＰＢＡが算出される（ΔＰＢＡ＝ＰＢＵＡ−ＰＢＤ）。なお、図５に示されるマップはＲＯＭ６２内に記憶されている。

一方、回生エネルギをコンプレッサ４４で消費するときの吐出圧制御弁４９の目標開度θＰＰＴは、バイパス制御弁４１ｂの前後差圧ΔＰＢを上限差圧ΔＰＢＸ以下、例えば上限差圧ΔＰＢＸにするのに必要な吐出圧制御弁４９の開度であり、図６に示されるように上述の推定差圧ΔＰＢＡが大きくなるにつれて小さくなる。目標開度θＰＴＴは図６に示されるマップの形でＲＯＭ６２内に記憶されている。

図７は、本発明による実施例の回生制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図７を参照すると、ステップ１００では回生作用を行うべきか否かが判別される。本発明による実施例では、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量がゼロのときに回生作用を行うべきと判別され、それ以外は回生作用を行うべきでないと判別される。回生作用を行うべきでないと判別されたときにはステップ１０１に進み、カソード流れ制御弁４７の目標開度θＣＦＴが算出される。続くステップ１０２ではカソード流れ制御弁４７の開度θＣＦが目標開度θＣＦＴに制御される。続くステップ１０３では吐出圧制御弁４９が全開にされ、バイパス制御弁４１ｂが全閉にされる。回生作用を行うべきと判別されたときにはステップ１００からステップ１０４に進み、蓄電器１４の蓄電量ＱＥＳが上限蓄電量ＱＥＳＸよりも多いか否かが判別される。ＱＥＳ≦ＱＥＳＸのときには次いでステップ１０５に進み、カソード流れ制御弁４７の目標開度θＣＦＴが算出される。続くステップ１０６ではカソード流れ制御弁４７の開度θＣＦが目標開度θＣＦＴに制御される。続くステップ１０７では吐出圧制御弁４９が全開にされ、バイパス制御弁４１ｂが全閉にされる。続くステップ１０８では回生作用が行われると共にこのときの回生エネルギが蓄電器１４に蓄えられる。

これに対し、ＱＥＳ＞ＱＥＳＸのときにはステップ１０４からステップ１０９に進み、推定差圧ΔＰＢＡが算出される。続くステップ１１０では推定差圧ΔＰＢＡが上限差圧ΔＰＢＸよりも大きいか否かが判別される。ΔＰＢＡ＞ΔＰＢＸのときには次いでステップ１１１に進み、吐出圧制御弁４９の目標開度θＰＰＴが算出される。続くステップ１１２では吐出圧制御弁４９の開度θＰＰが目標開度θＰＰＴに制御される。次いでステップ１１３に進む。一方、ΔＰＢＡ≦ΔＰＢＸのときにはステップ１１０からステップ１１３にジャンプする。すなわち、吐出圧制御弁４９の開度θＰＰが維持される。ステップ１１３ではバイパス制御弁４１ｂが全開にされると共にカソード流れ制御弁４７が全閉にされる。続くステップ１１４では回生作用が行われると共にこのときの回生エネルギがコンプレッサ４４により消費される。

Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１３ モータジェネレータ
４０ 空気通路
４１ 空気供給管
４１ａ バイパス管
４１ｂ バイパス制御弁
４４ コンプレッサ
４６ カソードオフガス管
４７ カソード流れ制御弁

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、
   前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサと、
   前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
   前記カソードオフガス管内に配置されたカソード流れ制御弁と、
   前記コンプレッサ下流の前記酸化剤ガス供給管と前記カソード流れ制御弁下流のカソードオフガス管とを互いに連結するバイパス管と、
   前記バイパス管内に配置されたバイパス制御弁であって、前記バイパス制御弁の前後差圧があらかじめ定められた上限差圧以下のときに開弁状態にできるバイパス制御弁と、
   車両の回生器により回生された回生エネルギを前記コンプレッサで消費すべきときには、前記バイパス制御弁を開弁しかつ前記カソード流れ制御弁を閉弁した状態で前記回生エネルギを前記コンプレッサに供給する制御器と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記コンプレッサ上流の前記酸化剤ガス供給管内に配置され、前記コンプレッサ下流の酸化剤ガス供給管内の圧力を制御する吐出圧制御弁を更に備え、
   前記制御器は、前記吐出圧制御弁の開度を維持しかつ前記バイパス制御弁を開弁しかつ前記カソード流れ制御弁を閉弁した状態で前記回生エネルギを前記コンプレッサで消費したと仮定したときの前記バイパス制御弁の前後差圧が前記上限差圧よりも大きいときには、前記前後差圧が前記上限差圧以下になるように前記吐出圧制御弁の開度を低減すると共に、前記バイパス制御弁を開弁しかつ前記カソード流れ制御弁を閉弁した状態で前記回生エネルギを前記コンプレッサに供給する、
   燃料電池システム。

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