JP3879631B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP3879631B2 JP3879631B2 JP2002251596A JP2002251596A JP3879631B2 JP 3879631 B2 JP3879631 B2 JP 3879631B2 JP 2002251596 A JP2002251596 A JP 2002251596A JP 2002251596 A JP2002251596 A JP 2002251596A JP 3879631 B2 JP3879631 B2 JP 3879631B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow rate
- oxidizing gas
- value
- gas flow
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 73
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 80
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 76
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 48
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 35
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 16
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 claims description 15
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 11
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 20
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 20
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 7
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 4
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量センサに異常があっても安定した酸化ガス供給制御を行うことができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおける酸化ガスの供給制御に関する従来技術としては、特開２０００−４８８３９号公報に記載の技術が知られている。この従来技術によれば、燃料ガスの供給量または発電量に基づいて外部から取り込む空気の量を算出する一方、気温及び気圧を計測し、この計測した気温及び気圧に基づいて送風ファンの回転速度をフィードフィードフォワード制御していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、フィードフォワードで制御を行うための供給酸素量を算出しているが、フィードバックで制御を行うための構成ではないため、空気流量センサやコンプレッサの劣化等で目標酸素供給量が供給されなくてもコンプレッサ回転速度を修正できないので、燃費の低下や期待しない動作がおこるという問題点があった。
【０００４】
また内燃機関のエアフローメータのような酸化ガス流量センサを燃料電池に適用することも考えられるが、酸化ガス流量センサの故障時には、燃料電池の発電が継続できなくなるという問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガスを供給する燃料供給装置と、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、前記燃料供給装置から供給される燃料と前記酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスとを用いて発電する燃料電池本体と、前記酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量センサと、前記燃料ガスと酸化ガスとの流量を制御するコントローラと、を備えた燃料電池システムであって、前記コントローラは、前記酸化ガス流量センサが検出した酸化ガス流量検出値ＱＳが燃料電池の運転状態に基づいて算出される正常範囲内であれば、酸化ガス流量検出値ＱＳを用いて酸化ガス流量のフィードバック制御を行い、酸化ガス流量検出値ＱＳが前記正常範囲外へ逸脱したときは、酸化ガス流量のフィードフォワード制御を行うように切り替えることを要旨とする。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、通常時には、酸化ガス流量センサによる酸化ガス流量検出値ＱＳを用いてフィードバック制御することにより高精度な酸化ガス流量制御を行うと共に、酸化ガス流量センサの検出値が燃料電池の運転状態に基づく正常範囲を逸脱した異常時には、酸化ガス流量制御をフィードフォワード制御に切り替えて行うようにしたので、常に安定した燃料電池の運転を継続することができるという効果がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが燃料電池車両１に適用した例を示している。同図において、燃料電池車両１は、アクセルペダル２と、アクセルペダル２の操作量を検出するアクセルセンサ３と、燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給装置４と、酸化ガスである空気を供給するコンプレッサ５と、水素供給装置４からの水素及びコンプレッサ５からの空気を用いて発電する燃料電池本体６と、燃料電池本体６に供給される空気流量を検出する空気流量センサ７と、燃料電池本体６の出力電流を検出する電流センサ８と、燃料電池本体６が発電した電力を交流電力に変換するインバータ９と、インバータ９の交流電力で駆動される走行用モータ１０と、走行用モータ１０の駆動力を分配する差動装置１１と、差動装置１１から駆動力を伝える駆動軸１２と、駆動軸１２で回転駆動される駆動輪１３と、駆動輪１３の回転速度を検出する車速センサ１４と、アクセルセンサ３の検出値及び車速センサ１４の検出値及び空気流量センサ７の検出値に基づいてコンプレッサ５の目標回転速度を出力するコントローラ１５とを備えている。
【０００８】
アクセルセンサ３は、アクセルペダル２の操作量（踏込量）を検出してアナログ信号を発生するセンサであり、レーザー変位計、ポテンションメータなどが考えられる。
【０００９】
水素供給装置４は、例えば、高圧水素ガスタンクや水素吸蔵合金タンクに水素を貯蔵し、コントローラ１５からの指令に従って、水素ガスの圧力及び流量を制御して燃料電池本体６に供給する装置である。
【００１０】
コンプレッサ５は、図示しないエアフィルタにより濾過した空気を圧縮して酸化ガスとして燃料電池本体６へ供給する酸化ガス供給装置である。本実施形態ではコンプレッサ５にサーボ回路を有し、コントローラ１５が計算したコンプレッサ回転速度指令値[rpm] をシリアル通信などでコンプレッサ５に送信し、コンプレッサ５は、その回転速度指令値[rpm] に従った回転速度で動作するものとする。
【００１１】
燃料電池本体６は、電解質として固体高分子電解質（例えば、パーフルオロカーボンスルフォン酸）膜を備えた高分子電解質型の燃料電池セルを数百積層した燃料電池スタックである。
【００１２】
燃料電池本体６は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して備え、アノードへは水素供給装置４から燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソードへはコンプレッサ５から酸化ガスとしての空気を供給する。
【００１３】
そして、燃料電池本体６は、アノード，カソードの両電極において以下に示す電気化学反応が生じる。
【化１】
アノード：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- …▲１▼
カソード：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 →Ｈ2Ｏ …▲２▼
【００１４】
アノードに水素ガスが供給されると、▲１▼の反応式が進行して水素が水素イオンと電子に解離する。アノードで生成した水素イオンは、Ｈ+ (xＨ2Ｏ)の水和状態で固体高分子電解質膜を透過（拡散）してカソードに至る。また電子は、アノードから外部回路（インバータ９）を通って、カソードに至る。
【００１５】
カソードに酸化ガス含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは▲２▼の反応式が進行する。この▲１▼，▲２▼の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を呈することになる。本実施形態では、燃料電池本体６で発電した電力をインバータ９で交流電力に変換して走行用モータ１０を駆動させる。
【００１６】
空気流量センサ７には、例えばホットワイヤ式エアフローメータやホットフィルム式エアフローメータを使用可能である。ホットワイヤ式エアフローメータにおいては、高温に熱せられたワイヤー（ホットワイヤー）の周囲を吸入空気の流れが吹き抜けていく。このワイヤーは、電気的なブリッジ回路の一部を形成しており、ワイヤー温度が吸気温度より一定の温度だけ高くなるように電流が流されている。
【００１７】
そしてホットワイヤーからの放熱量は、吸入空気の流速が速いほど多くなるので、温度差を一定に保つための電流値も多くなる。従ってワイヤーの電流値を検出すれば、吸入空気量を計測することができる。尚、ホットワイヤー式エアフローメータは、吸入空気量の検出を質量流量で行っているため、温度や気圧による吸入空気の密度補正を行わなくても済むという利点がある。
【００１８】
空気流量センサとしては、その他に、可動式センサフラップやカルマン渦流式体積流量センサ等がある。
【００１９】
コントローラ１５は、アクセルセンサ３のアナログ検出値をデジタル検出値に変換するアクセル操作量変換部２１と、車速センサ１４の検出パルスから車速を算出する車速演算部２２と、デジタルアクセル操作量及び車速に基づいて目標空気流量ＱＥを演算する目標空気流量演算部２３と、電流センサ８の検出値ＱＳに基づいて推定空気流量ＱＧを演算する推定空気流量演算部２４と、推定空気流量ＱＧに基づいて空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲を算出する空気流量センサ正常範囲演算部２５と、空気流量センサ７の検出値ＱＳが正常か異常かを空気流量センサ正常範囲演算部２５の演算結果に基づいて判定する空気流量センサ監視部２６と、目標空気流量ＱＥに基づいてコンプレッサ５の回転速度をフィードフォワード制御するＦＦ制御部２７と、目標空気流量ＱＥ及び空気流量センサ７の検出値ＱＳの基づいてコンプレッサ５の回転速度をフィードバック制御するＦＢ制御部２８と、空気流量センサ監視部２６の判定結果に基づいてＦＦ制御部２７またはＦＢ制御部２８を切り替えてコンプレッサ５を制御する空気流量制御切替部２９とを備えている。
【００２０】
コントローラ１５は、特に限定されないが、本実施形態では、ＣＰＵとメモリと周辺インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２１】
次に、図１に示した燃料電池車両１の動作を説明する。アクセルペダル２の操作量は、アクセルセンサ３によりアナログアクセル操作量信号（例えば０〜５[V] ）に変換されてコントローラ１５のアクセル操作量変換部２１へ入力される。アクセル操作量変換部２１は、アナログアクセル操作量信号をデジタルアクセル操作量信号に変換して、目標空気流量演算部２３へ出力する。
【００２２】
一方、車速センサ１４は、駆動軸１２の回転速度[rpm] に比例したパルス頻度を持つパルス信号をコントローラ１５の車速演算部２２へ出力する。車速演算部２２は、図示しない波形整形器及びパルスカウンタによりデジタル車速信号[km/h]を生成し、これを目標空気流量演算部２３や空気流量センサ正常範囲演算部２５へ出力する。
【００２３】
目標空気流量演算部２３は、デジタルアクセル操作量信号及びデジタル車速信号に基づいて、コンプレッサ５から燃料電池本体６へ供給する目標空気流量ＱＥ[mol/sec] を演算する。
【００２４】
この目標空気流量ＱＥの算出過程は、まずデジタルアクセル操作量信号及びデジタル車速信号から燃料電池に対する要求電力[W] （または要求電流[A]）を算出し、この要求電力[W] （または要求電流[A] ）を発電するために必要な酸素流量[mol/sec] を算出し、必要酸素流量にストイキ比（ＳＲ）を乗じた酸素流量を供給する空気流量を目標空気流量ＱＥ[mol/sec] としている。ストイキ比ＳＲは、酸化ガス過剰率、または空気過剰率とも呼ばれ、一般に使用される酸化ガス利用率Ｕｏの逆数であり、通常１を超える値である。
【００２５】
【数１】
ＳＲ＝１／Ｕｏ …（１）
ここで、目標空気流量算出時にストイキ比を乗じる理由は、燃料電池本体６の図示しない空気極出口付近でも充分発電可能な酸化ガス分圧を保持するために、過剰な空気を供給することによる。燃料の水素ガスについても同様な制御を行う。
【００２６】
ＦＦ制御部２７は、目標空気流量演算部２３が演算した目標空気流量ＱＥに基づいて、予め記憶した制御マップ等を参照して、フィードフォワード制御時のコンプレッサ５の回転速度指令値を算出する。この算出には、特に限定されないが、図示しない気温センサ、気圧センサ等からの気象条件を入力して空気密度補正を行っても良い。
【００２７】
ＦＢ制御部２８は、目標空気流量演算部２３が演算した目標空気流量ＱＥと、空気流量センサ７が検出した空気流量の検出値とに基づいて、フィードバック制御時のコンプレッサ５の回転速度指令値[rpm] を算出する。このフィードバック制御の制御方法には、ＰＩ制御やＰＩＤ制御等の一般的なフィードバック制御を利用できる。
【００２８】
一方、推定空気流量演算部２４は、電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流値[A] を入力し、この電流値を発電するために消費した酸素流量に相当する空気流量を演算して、これを推定空気流量[mol/sec] として出力する。
【００２９】
空気流量センサ正常範囲演算部２５は、推定空気流量演算部２４が演算した推定空気流量から、空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲を上限値と下限値との組として算出する。このとき、目標空気流量演算部２３からの目標空気流量ＱＥで上限値又は下限値を補正することもできる。
【００３０】
空気流量センサ監視部２６は、空気流量センサ７の検出値ＱＳが前記正常範囲内か否かを監視し、空気流量センサ７の検出値ＱＳが上限値を超えるか、または下限値を下回った場合、空気流量センサ７に異常が発生したと判断し、空気流量制御切替部２９へ通知する。
【００３１】
空気流量制御切替部２９は、空気流量センサ監視部２６の判断に基づいて、コンプレッサ５の回転速度を指令する空気流量制御をＦＦ制御で行うか、ＦＢ制御で行うかを切り替える。空気流量センサ監視部２６が正常と判断している間は、ＦＢ制御部２８の出力により正確な空気流量制御を行う。一方、空気流量センサ監視部２６が異常と判断したときには、ＦＦ制御部２７に切り替えて、空気流量センサ７の検出値ＱＳを用いることなく、空気流量制御する。
【００３２】
本実施形態では、コンプレッサ５にサーボ回路を有し、コントローラ１５で計算したコンプレッサ回転速度指令値[rpm] をシリアル通信などでコンプレッサ５に送信し、コンプレッサ５は、この回転速度指令値[rpm] に従った回転速度で動作するものとする。
【００３３】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態におけるコントローラ１５の制御動作を説明する。尚、図２のフローチャート中に、二本の平行線（＝）で示す記号は、並列処理記号（ＪＩＳ Ｘ0121参照）であり、コントローラ１５がマルチプロセッサ構成であれば並列処理できることを示す。コントローラ１５がシングルプロセッサの場合、並列処理可能なステップ同士の処理順序は任意である。
【００３４】
図２において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０の燃料電池発電電流測定部と、Ｓ１２のアクセル操作量演算部と、Ｓ１４の車速演算部と、Ｓ１６の空気流量測定部が並列に処理可能である。
【００３５】
Ｓ１０の燃料電池発電電流測定部は、電流センサ８から燃料電池本体６の発電電流値を読み込み、デジタル電流値に変換する。次いで、Ｓ１８の推定空気流量演算部は、電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流に基づいて、この発電電流のために消費される推定酸素流量を算出し、この推定酸素流量を空気流量に換算して、推定空気流量ＱＧを算出する。
【００３６】
【数２】
推定酸素流量［mol/sec］＝（（1/2）×Ｎst×Ｉ)／(２Ｆ) …（２）
ここで、（１／２）は化学式▲２▼の酸素の係数、Ｎstはスタックを構成する直列セル数、Ｉは電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流[A]であり、２は化学式▲２▼の電子の係数、Ｆはファラデー定数（電子の電荷量ｅ×アボガドロ数ＮA）である。また、ある酸素の質量流量を得るための空気の質量流量は、空気の成分比と各成分の原子量から酸素質量流量の約４．３倍となる。
【００３７】
Ｓ１２のアクセル操作量演算部は、アクセルセンサ３から入力したアナログアクセル操作量をデジタルアクセル操作量に変換する。Ｓ１４の車速演算部は、車速センサ１４から入力した車速パルスに基づいて、車両の速度を演算する。Ｓ１６の空気流量測定部は、空気流量センサ７から読み込んだアナログ空気流量をデジタル空気流量に変換する。
【００３８】
Ｓ１２及びＳ１４が終了すると、Ｓ２０の目標発電量演算部が実行可能となる。目標空気流量演算部は、Ｓ１２で算出したアクセル操作量から、図３に示すようなトルク×アクセル操作量マップを参照して要求トルクを算出する。またＳ１４で算出した車速からモータ回転速度を算出し、モータ回転速度と要求トルクから図４のモータ軸出力×モータ軸トルク×モータ回転速度マップを用いてモータ軸出力を算出し、そのモータ軸出力をインバータ及びモータの効率で割って必要発電電力を算出する。
【００３９】
次いで、Ｓ２２の目標空気量演算部で目標発電量から目標空気流量ＱＥを算出する。目標発電量から目標空気流量ＱＥの算出には、目標発電量を発電したときに燃料電池本体で消費される必要酸素流量[mol/sec] を算出し、必要酸素流量にストイキ比（ＳＲ）を乗じた酸素流量を供給する空気流量を目標空気流量ＱＥ[mol/sec] としている。
【００４０】
上記カソード反応の化学式▲２▼より、必要酸素流量は式（３）により、算出される。
【数３】
必要酸素流量［mol/sec］＝（（1/2）×Ｎst×ｉ)／(２Ｆ) …（３）
【００４１】
ここで、（１／２）は化学式▲２▼の酸素の係数、Ｎstはスタックを構成する直列セル数、ｉは燃料電池本体６の目標発電電流[A]であり、２は化学式▲２▼の電子の係数、Ｆはファラデー定数（電子の電荷量ｅ×アボガドロ数ＮA）である。また、ある酸素の質量流量を得るための空気の質量流量は、空気の成分比と各成分の原子量から酸素の質量流量の約４．３倍となる。
【００４２】
また、ストイキ比ＳＲは、図６に示すような車速に応じたストイキ比のマップをコントローラ１５に記憶しておき、これを読み出して使用する。
【００４３】
Ｓ１８及びＳ２２が終了すると、Ｓ２４の空気流量センサ正常範囲演算部が実行可能となる。空気流量センサ正常範囲演算部は、Ｓ１８で算出した推定空気流量と、Ｓ２２で算出した目標空気流量ＱＥとに基づいて、運転状態に応じた空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲の上限値と下限値とを算出する。
【００４４】
図７（ａ）は、推定空気流量ＱＧ（実線）と、推定空気流量ＱＧ×ストイキ比ＳＲ（破線）と、アクセル操作量に基づいて算出される目標空気流量ＱＥ（一点鎖線）の時間変化例を示すグラフである。
【００４５】
Ｓ２４で算出する正常範囲の上限値と下限値とは、運転状態に応じて次のように算出する。上限値は、Ｓ１８で算出した推定空気流量ＱＧにストイキ比ＳＲを乗じた値とし、下限値は、Ｓ１８で算出した推定空気流量ＱＧとすることを基本とする。この基本下限値を図７（ｂ）に実線で示し、基本上限値を図７（ｂ）に破線で示す。
【００４６】
本発明においては、これらの基本上限値及び基本下限値でもよいが、本実施形態では、基本の上限値及び下限値に以下の補正を行って、より正確な上限値及び下限値を算出している。
【００４７】
上限値の補正では、目標空気流量ＱＥ×ストイキ比ＳＲの値が推定空気流量ＱＧ×ストイキ比ＳＲの値を超えたときに、上限値を目標空気流量ＱＥ×ストイキ比ＳＲとする。下限値の補正では、目標空気流量ＱＥの値が推定空気流量ＱＧの値を下回ったときに、下限値を目標空気流量ＱＥとする。この補正後の上限値及び下限値の様子を図７（ｃ）に示す。ストイキ比ＳＲは、図６に示すような車速に応じたストイキ比のマップをコントローラ１５に記憶しておき、これを読み出して使用する。
【００４８】
Ｓ２４の空気流量センサ正常範囲の算出が終了すると、次いで、Ｓ２６の空気流量センサ７の検出値ＱＳが正常範囲か否かの判定を行う。即ち、下限値以上、かつ上限値以下であれば正常と判定し、下限値未満、または上限値を超えていた場合異常と判定する。Ｓ２６の判定で、正常範囲と判定されれば、Ｓ２８へ進み、空気流量センサ７の検出値ＱＳとＳ２２で算出した目標空気流量ＱＥとを用いたフィードバック制御によるコンプレッサ５の制御量、即ち目標回転速度の演算を行い、Ｓ３２へ進む。
【００４９】
Ｓ２６の判定で、正常範囲外、即ち異常と判定されると、Ｓ３０へ進み、空気流量センサ７の検出値ＱＳを用いることなく、Ｓ２２で算出した目標空気流量ＱＥを用いて、フィードフォワード制御によるコンプレッサ５の制御量、即ち目標回転速度の演算を行い、Ｓ３２へ進む。Ｓ３２では、目標回転速度をコンプレッサ５へ出力する。
【００５０】
Ｓ２８及びＳ３０における目標空気流量ＱＥから目標コンプレッサ回転速度の算出において、図５に示すような制御マップを用いても良い。
【００５１】
以上の制御により、空気流量センサ７の検出値ＱＳが正常範囲の下限値を下回った場合のフィードバック制御からフィードフォワード制御への切替例のタイムチャートを図８に示す。
【００５２】
図８（ａ）の実線は、空気流量センサ７の検出値ＱＳであり、一点鎖線は目標空気流量ＱＥ、２本の破線は、それぞれ空気流量検出値の上限値及び下限値である。
【００５３】
図８（ａ）の実線に示すように、ある時刻に空気流量センサ７の検出値ＱＳが急激に低下して、空気流量下限値より小さくなったとする。これにより空気流量制御部２９は、ＦＢ制御からＦＦ制御に切り替えるので、図８（ｂ）に示すフィードバック制御は、ＯＮからＯＦＦに切り替えられ、これとは逆に図８（ｃ）に示すフィードフォワード制御は、ＯＦＦからＯＮに切り替えられる。これにより、空気流量制御は、図８（ｄ）に示すようにＦＢ制御からＦＦ制御に切り替えて継続されるので、空気流量センサ７の故障が生じても燃料電池の運転は、支障無く継続される。
【００５４】
尚、空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲を上限値と下限値で判定し、正常の場合ＦＢ制御、異常の場合ＦＦ制御として切替を行うと、空気流量センサ７の異常モードによっては、正常範囲と異常との間を頻繁に往復し、これによってＦＢ制御とＦＦ制御とが頻繁に切り替えられる事態が生じる。これを避けるために、前記正常範囲に含まれ、かつ正常範囲よりも狭いＦＢ制御復帰範囲を設け、空気流量センサ７の検出値ＱＳがこのＦＢ制御復帰範囲に戻ったときに、ＦＦ制御からＦＢ制御に切り替えるようにしてもよい。
【００５５】
このＦＢ制御復帰範囲は、前記上限値より小さい第１のフィードバック制御復帰値と、前記下限値より大きく第１のフィードバック制御復帰値より小さい第２のフィードバック制御復帰値との間の範囲である。
【００５６】
例えば、上限値算出に用いたストイキ比ＳＲの値をＳＲ1 としたときに、第１のフィードバック制御復帰値を上限値×〔１−（ＳＲ1 −１）／４〕とし、第２のフィードバック制御復帰値を下限値×〔１＋（ＳＲ1 −１）／４〕としてもよい。
【００５７】
また、第２のフィードバック制御復帰値の算出を以下のように行ってもよい。実際に発電した発電量をもとに推定空気流量ＱＧを算出する際に、燃料電池本体６内部の温度と圧力の値を考えられる最大の推定空気流量になるように仮定して算出し、その最大推定空気流量ＱＧmaxを第２のフィードバック制御復帰値とする。そして、空気流量センサ７の検出値ＱＳがこの値を上回ったら、ＦＦ制御からＦＢ制御に空気流量制御を復帰させるように切り替える。
【００５８】
図９は、正常範囲の下限値として推定空気流量、第２のフィードバック制御復帰値として推定空気流量＋αとしたときの、ＦＢ制御とＦＦ制御相互の切替を説明するタイムチャートである。
【００５９】
まずＦＢ制御実行中に、空気流量センサの検出値が低下し、下限値である推定空気流量を下回ったときに、ＦＢ制御からＦＦ制御に切替える。次に、ＦＦ制御中に、空気流量センサの検出値が第２のフィードバック制御復帰値である推定空気流量＋αを上回ったときに、ＦＢ制御に復帰する。
【００６０】
このように、空気流量センサの検出値に対して、異常判定値と正常復帰値とを異なるように設定してヒステリシスを設けると、頻繁なＦＢ制御とＦＦ制御との相互切替の頻度を減少させ、空気流量制御を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態である燃料電池車両の概略構成を説明するブロック図である。
【図２】実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図３】アクセル操作量に対する要求トルクのマップ図である。
【図４】モータ軸出力、モータ軸トルク、モータ回転速度の関係を説明するマップ図である。
【図５】目標空気流量に対するコンプレッサ回転速度のマップ図である。
【図６】車速に対するストイキ比（ＳＲ）のマップ図である。
【図７】空気流量センサ検出値の正常範囲の上限値及び下限値の説明図である。
【図８】空気流量制御におけるＦＢ制御からＦＦ制御への切り替えを説明するタイミング図である。
【図９】空気流量制御におけるＦＦ制御からＦＢ制御への復帰を説明するタイミング図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池車両
２ アクセルペダル
３ アクセルセンサ
４ 水素供給装置
５ コンプレッサ
６ 燃料電池本体
７ 空気流量センサ
８ 電流センサ
９ インバータ
１０ 走行用モータ
１１ 差動装置
１２ 駆動軸
１３ 駆動輪
１４ 車速センサ
１５ コントローラ
２１ アクセル操作量変換部
２２ 車速演算部
２３ 目標空気量演算部
２４ 推定空気流量演算部
２５ 空気流量センサ正常範囲演算部
２６ 空気流量センサ監視部
２７ ＦＦ制御部
２８ ＦＢ制御部
２９ 空気流量制御切替部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量センサに異常があっても安定した酸化ガス供給制御を行うことができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおける酸化ガスの供給制御に関する従来技術としては、特開２０００−４８８３９号公報に記載の技術が知られている。この従来技術によれば、燃料ガスの供給量または発電量に基づいて外部から取り込む空気の量を算出する一方、気温及び気圧を計測し、この計測した気温及び気圧に基づいて送風ファンの回転速度をフィードフィードフォワード制御していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、フィードフォワードで制御を行うための供給酸素量を算出しているが、フィードバックで制御を行うための構成ではないため、空気流量センサやコンプレッサの劣化等で目標酸素供給量が供給されなくてもコンプレッサ回転速度を修正できないので、燃費の低下や期待しない動作がおこるという問題点があった。
【０００４】
また内燃機関のエアフローメータのような酸化ガス流量センサを燃料電池に適用することも考えられるが、酸化ガス流量センサの故障時には、燃料電池の発電が継続できなくなるという問題点があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガスを供給する燃料供給装置と、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、前記燃料供給装置から供給される燃料と前記酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスとを用いて発電する燃料電池本体と、前記酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量センサと、前記燃料ガスと酸化ガスとの流量を制御するコントローラと、を備えた燃料電池システムであって、前記コントローラは、前記酸化ガス流量センサが検出した酸化ガス流量検出値ＱＳが燃料電池の運転状態に基づいて算出される正常範囲内であれば、酸化ガス流量検出値ＱＳを用いて酸化ガス流量のフィードバック制御を行い、酸化ガス流量検出値ＱＳが前記正常範囲外へ逸脱したときは、酸化ガス流量のフィードフォワード制御を行うように切り替えることを要旨とする。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、通常時には、酸化ガス流量センサによる酸化ガス流量検出値ＱＳを用いてフィードバック制御することにより高精度な酸化ガス流量制御を行うと共に、酸化ガス流量センサの検出値が燃料電池の運転状態に基づく正常範囲を逸脱した異常時には、酸化ガス流量制御をフィードフォワード制御に切り替えて行うようにしたので、常に安定した燃料電池の運転を継続することができるという効果がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが燃料電池車両１に適用した例を示している。同図において、燃料電池車両１は、アクセルペダル２と、アクセルペダル２の操作量を検出するアクセルセンサ３と、燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給装置４と、酸化ガスである空気を供給するコンプレッサ５と、水素供給装置４からの水素及びコンプレッサ５からの空気を用いて発電する燃料電池本体６と、燃料電池本体６に供給される空気流量を検出する空気流量センサ７と、燃料電池本体６の出力電流を検出する電流センサ８と、燃料電池本体６が発電した電力を交流電力に変換するインバータ９と、インバータ９の交流電力で駆動される走行用モータ１０と、走行用モータ１０の駆動力を分配する差動装置１１と、差動装置１１から駆動力を伝える駆動軸１２と、駆動軸１２で回転駆動される駆動輪１３と、駆動輪１３の回転速度を検出する車速センサ１４と、アクセルセンサ３の検出値及び車速センサ１４の検出値及び空気流量センサ７の検出値に基づいてコンプレッサ５の目標回転速度を出力するコントローラ１５とを備えている。
【０００８】
アクセルセンサ３は、アクセルペダル２の操作量（踏込量）を検出してアナログ信号を発生するセンサであり、レーザー変位計、ポテンションメータなどが考えられる。
【０００９】
水素供給装置４は、例えば、高圧水素ガスタンクや水素吸蔵合金タンクに水素を貯蔵し、コントローラ１５からの指令に従って、水素ガスの圧力及び流量を制御して燃料電池本体６に供給する装置である。
【００１０】
コンプレッサ５は、図示しないエアフィルタにより濾過した空気を圧縮して酸化ガスとして燃料電池本体６へ供給する酸化ガス供給装置である。本実施形態ではコンプレッサ５にサーボ回路を有し、コントローラ１５が計算したコンプレッサ回転速度指令値[rpm] をシリアル通信などでコンプレッサ５に送信し、コンプレッサ５は、その回転速度指令値[rpm] に従った回転速度で動作するものとする。
【００１１】
燃料電池本体６は、電解質として固体高分子電解質（例えば、パーフルオロカーボンスルフォン酸）膜を備えた高分子電解質型の燃料電池セルを数百積層した燃料電池スタックである。
【００１２】
燃料電池本体６は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して備え、アノードへは水素供給装置４から燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソードへはコンプレッサ５から酸化ガスとしての空気を供給する。
【００１３】
そして、燃料電池本体６は、アノード，カソードの両電極において以下に示す電気化学反応が生じる。
【化１】
アノード：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- …▲１▼
カソード：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 →Ｈ2Ｏ …▲２▼
【００１４】
アノードに水素ガスが供給されると、▲１▼の反応式が進行して水素が水素イオンと電子に解離する。アノードで生成した水素イオンは、Ｈ+ (xＨ2Ｏ)の水和状態で固体高分子電解質膜を透過（拡散）してカソードに至る。また電子は、アノードから外部回路（インバータ９）を通って、カソードに至る。
【００１５】
カソードに酸化ガス含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは▲２▼の反応式が進行する。この▲１▼，▲２▼の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を呈することになる。本実施形態では、燃料電池本体６で発電した電力をインバータ９で交流電力に変換して走行用モータ１０を駆動させる。
【００１６】
空気流量センサ７には、例えばホットワイヤ式エアフローメータやホットフィルム式エアフローメータを使用可能である。ホットワイヤ式エアフローメータにおいては、高温に熱せられたワイヤー（ホットワイヤー）の周囲を吸入空気の流れが吹き抜けていく。このワイヤーは、電気的なブリッジ回路の一部を形成しており、ワイヤー温度が吸気温度より一定の温度だけ高くなるように電流が流されている。
【００１７】
そしてホットワイヤーからの放熱量は、吸入空気の流速が速いほど多くなるので、温度差を一定に保つための電流値も多くなる。従ってワイヤーの電流値を検出すれば、吸入空気量を計測することができる。尚、ホットワイヤー式エアフローメータは、吸入空気量の検出を質量流量で行っているため、温度や気圧による吸入空気の密度補正を行わなくても済むという利点がある。
【００１８】
空気流量センサとしては、その他に、可動式センサフラップやカルマン渦流式体積流量センサ等がある。
【００１９】
コントローラ１５は、アクセルセンサ３のアナログ検出値をデジタル検出値に変換するアクセル操作量変換部２１と、車速センサ１４の検出パルスから車速を算出する車速演算部２２と、デジタルアクセル操作量及び車速に基づいて目標空気流量ＱＥを演算する目標空気流量演算部２３と、電流センサ８の検出値ＱＳに基づいて推定空気流量ＱＧを演算する推定空気流量演算部２４と、推定空気流量ＱＧに基づいて空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲を算出する空気流量センサ正常範囲演算部２５と、空気流量センサ７の検出値ＱＳが正常か異常かを空気流量センサ正常範囲演算部２５の演算結果に基づいて判定する空気流量センサ監視部２６と、目標空気流量ＱＥに基づいてコンプレッサ５の回転速度をフィードフォワード制御するＦＦ制御部２７と、目標空気流量ＱＥ及び空気流量センサ７の検出値ＱＳの基づいてコンプレッサ５の回転速度をフィードバック制御するＦＢ制御部２８と、空気流量センサ監視部２６の判定結果に基づいてＦＦ制御部２７またはＦＢ制御部２８を切り替えてコンプレッサ５を制御する空気流量制御切替部２９とを備えている。
【００２０】
コントローラ１５は、特に限定されないが、本実施形態では、ＣＰＵとメモリと周辺インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２１】
次に、図１に示した燃料電池車両１の動作を説明する。アクセルペダル２の操作量は、アクセルセンサ３によりアナログアクセル操作量信号（例えば０〜５[V] ）に変換されてコントローラ１５のアクセル操作量変換部２１へ入力される。アクセル操作量変換部２１は、アナログアクセル操作量信号をデジタルアクセル操作量信号に変換して、目標空気流量演算部２３へ出力する。
【００２２】
一方、車速センサ１４は、駆動軸１２の回転速度[rpm] に比例したパルス頻度を持つパルス信号をコントローラ１５の車速演算部２２へ出力する。車速演算部２２は、図示しない波形整形器及びパルスカウンタによりデジタル車速信号[km/h]を生成し、これを目標空気流量演算部２３や空気流量センサ正常範囲演算部２５へ出力する。
【００２３】
目標空気流量演算部２３は、デジタルアクセル操作量信号及びデジタル車速信号に基づいて、コンプレッサ５から燃料電池本体６へ供給する目標空気流量ＱＥ[mol/sec] を演算する。
【００２４】
この目標空気流量ＱＥの算出過程は、まずデジタルアクセル操作量信号及びデジタル車速信号から燃料電池に対する要求電力[W] （または要求電流[A]）を算出し、この要求電力[W] （または要求電流[A] ）を発電するために必要な酸素流量[mol/sec] を算出し、必要酸素流量にストイキ比（ＳＲ）を乗じた酸素流量を供給する空気流量を目標空気流量ＱＥ[mol/sec] としている。ストイキ比ＳＲは、酸化ガス過剰率、または空気過剰率とも呼ばれ、一般に使用される酸化ガス利用率Ｕｏの逆数であり、通常１を超える値である。
【００２５】
【数１】
ＳＲ＝１／Ｕｏ …（１）
ここで、目標空気流量算出時にストイキ比を乗じる理由は、燃料電池本体６の図示しない空気極出口付近でも充分発電可能な酸化ガス分圧を保持するために、過剰な空気を供給することによる。燃料の水素ガスについても同様な制御を行う。
【００２６】
ＦＦ制御部２７は、目標空気流量演算部２３が演算した目標空気流量ＱＥに基づいて、予め記憶した制御マップ等を参照して、フィードフォワード制御時のコンプレッサ５の回転速度指令値を算出する。この算出には、特に限定されないが、図示しない気温センサ、気圧センサ等からの気象条件を入力して空気密度補正を行っても良い。
【００２７】
ＦＢ制御部２８は、目標空気流量演算部２３が演算した目標空気流量ＱＥと、空気流量センサ７が検出した空気流量の検出値とに基づいて、フィードバック制御時のコンプレッサ５の回転速度指令値[rpm] を算出する。このフィードバック制御の制御方法には、ＰＩ制御やＰＩＤ制御等の一般的なフィードバック制御を利用できる。
【００２８】
一方、推定空気流量演算部２４は、電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流値[A] を入力し、この電流値を発電するために消費した酸素流量に相当する空気流量を演算して、これを推定空気流量[mol/sec] として出力する。
【００２９】
空気流量センサ正常範囲演算部２５は、推定空気流量演算部２４が演算した推定空気流量から、空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲を上限値と下限値との組として算出する。このとき、目標空気流量演算部２３からの目標空気流量ＱＥで上限値又は下限値を補正することもできる。
【００３０】
空気流量センサ監視部２６は、空気流量センサ７の検出値ＱＳが前記正常範囲内か否かを監視し、空気流量センサ７の検出値ＱＳが上限値を超えるか、または下限値を下回った場合、空気流量センサ７に異常が発生したと判断し、空気流量制御切替部２９へ通知する。
【００３１】
空気流量制御切替部２９は、空気流量センサ監視部２６の判断に基づいて、コンプレッサ５の回転速度を指令する空気流量制御をＦＦ制御で行うか、ＦＢ制御で行うかを切り替える。空気流量センサ監視部２６が正常と判断している間は、ＦＢ制御部２８の出力により正確な空気流量制御を行う。一方、空気流量センサ監視部２６が異常と判断したときには、ＦＦ制御部２７に切り替えて、空気流量センサ７の検出値ＱＳを用いることなく、空気流量制御する。
【００３２】
本実施形態では、コンプレッサ５にサーボ回路を有し、コントローラ１５で計算したコンプレッサ回転速度指令値[rpm] をシリアル通信などでコンプレッサ５に送信し、コンプレッサ５は、この回転速度指令値[rpm] に従った回転速度で動作するものとする。
【００３３】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態におけるコントローラ１５の制御動作を説明する。尚、図２のフローチャート中に、二本の平行線（＝）で示す記号は、並列処理記号（ＪＩＳ Ｘ0121参照）であり、コントローラ１５がマルチプロセッサ構成であれば並列処理できることを示す。コントローラ１５がシングルプロセッサの場合、並列処理可能なステップ同士の処理順序は任意である。
【００３４】
図２において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０の燃料電池発電電流測定部と、Ｓ１２のアクセル操作量演算部と、Ｓ１４の車速演算部と、Ｓ１６の空気流量測定部が並列に処理可能である。
【００３５】
Ｓ１０の燃料電池発電電流測定部は、電流センサ８から燃料電池本体６の発電電流値を読み込み、デジタル電流値に変換する。次いで、Ｓ１８の推定空気流量演算部は、電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流に基づいて、この発電電流のために消費される推定酸素流量を算出し、この推定酸素流量を空気流量に換算して、推定空気流量ＱＧを算出する。
【００３６】
【数２】
推定酸素流量［mol/sec］＝（（1/2）×Ｎst×Ｉ)／(２Ｆ) …（２）
ここで、（１／２）は化学式▲２▼の酸素の係数、Ｎstはスタックを構成する直列セル数、Ｉは電流センサ８が検出した燃料電池本体６の発電電流[A]であり、２は化学式▲２▼の電子の係数、Ｆはファラデー定数（電子の電荷量ｅ×アボガドロ数ＮA）である。また、ある酸素の質量流量を得るための空気の質量流量は、空気の成分比と各成分の原子量から酸素質量流量の約４．３倍となる。
【００３７】
Ｓ１２のアクセル操作量演算部は、アクセルセンサ３から入力したアナログアクセル操作量をデジタルアクセル操作量に変換する。Ｓ１４の車速演算部は、車速センサ１４から入力した車速パルスに基づいて、車両の速度を演算する。Ｓ１６の空気流量測定部は、空気流量センサ７から読み込んだアナログ空気流量をデジタル空気流量に変換する。
【００３８】
Ｓ１２及びＳ１４が終了すると、Ｓ２０の目標発電量演算部が実行可能となる。目標空気流量演算部は、Ｓ１２で算出したアクセル操作量から、図３に示すようなトルク×アクセル操作量マップを参照して要求トルクを算出する。またＳ１４で算出した車速からモータ回転速度を算出し、モータ回転速度と要求トルクから図４のモータ軸出力×モータ軸トルク×モータ回転速度マップを用いてモータ軸出力を算出し、そのモータ軸出力をインバータ及びモータの効率で割って必要発電電力を算出する。
【００３９】
次いで、Ｓ２２の目標空気量演算部で目標発電量から目標空気流量ＱＥを算出する。目標発電量から目標空気流量ＱＥの算出には、目標発電量を発電したときに燃料電池本体で消費される必要酸素流量[mol/sec] を算出し、必要酸素流量にストイキ比（ＳＲ）を乗じた酸素流量を供給する空気流量を目標空気流量ＱＥ[mol/sec] としている。
【００４０】
上記カソード反応の化学式▲２▼より、必要酸素流量は式（３）により、算出される。
【数３】
必要酸素流量［mol/sec］＝（（1/2）×Ｎst×ｉ)／(２Ｆ) …（３）
【００４１】
ここで、（１／２）は化学式▲２▼の酸素の係数、Ｎstはスタックを構成する直列セル数、ｉは燃料電池本体６の目標発電電流[A]であり、２は化学式▲２▼の電子の係数、Ｆはファラデー定数（電子の電荷量ｅ×アボガドロ数ＮA）である。また、ある酸素の質量流量を得るための空気の質量流量は、空気の成分比と各成分の原子量から酸素の質量流量の約４．３倍となる。
【００４２】
また、ストイキ比ＳＲは、図６に示すような車速に応じたストイキ比のマップをコントローラ１５に記憶しておき、これを読み出して使用する。
【００４３】
Ｓ１８及びＳ２２が終了すると、Ｓ２４の空気流量センサ正常範囲演算部が実行可能となる。空気流量センサ正常範囲演算部は、Ｓ１８で算出した推定空気流量と、Ｓ２２で算出した目標空気流量ＱＥとに基づいて、運転状態に応じた空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲の上限値と下限値とを算出する。
【００４４】
図７（ａ）は、推定空気流量ＱＧ（実線）と、推定空気流量ＱＧ×ストイキ比ＳＲ（破線）と、アクセル操作量に基づいて算出される目標空気流量ＱＥ（一点鎖線）の時間変化例を示すグラフである。
【００４５】
Ｓ２４で算出する正常範囲の上限値と下限値とは、運転状態に応じて次のように算出する。上限値は、Ｓ１８で算出した推定空気流量ＱＧにストイキ比ＳＲを乗じた値とし、下限値は、Ｓ１８で算出した推定空気流量ＱＧとすることを基本とする。この基本下限値を図７（ｂ）に実線で示し、基本上限値を図７（ｂ）に破線で示す。
【００４６】
本発明においては、これらの基本上限値及び基本下限値でもよいが、本実施形態では、基本の上限値及び下限値に以下の補正を行って、より正確な上限値及び下限値を算出している。
【００４７】
上限値の補正では、目標空気流量ＱＥ×ストイキ比ＳＲの値が推定空気流量ＱＧ×ストイキ比ＳＲの値を超えたときに、上限値を目標空気流量ＱＥ×ストイキ比ＳＲとする。下限値の補正では、目標空気流量ＱＥの値が推定空気流量ＱＧの値を下回ったときに、下限値を目標空気流量ＱＥとする。この補正後の上限値及び下限値の様子を図７（ｃ）に示す。ストイキ比ＳＲは、図６に示すような車速に応じたストイキ比のマップをコントローラ１５に記憶しておき、これを読み出して使用する。
【００４８】
Ｓ２４の空気流量センサ正常範囲の算出が終了すると、次いで、Ｓ２６の空気流量センサ７の検出値ＱＳが正常範囲か否かの判定を行う。即ち、下限値以上、かつ上限値以下であれば正常と判定し、下限値未満、または上限値を超えていた場合異常と判定する。Ｓ２６の判定で、正常範囲と判定されれば、Ｓ２８へ進み、空気流量センサ７の検出値ＱＳとＳ２２で算出した目標空気流量ＱＥとを用いたフィードバック制御によるコンプレッサ５の制御量、即ち目標回転速度の演算を行い、Ｓ３２へ進む。
【００４９】
Ｓ２６の判定で、正常範囲外、即ち異常と判定されると、Ｓ３０へ進み、空気流量センサ７の検出値ＱＳを用いることなく、Ｓ２２で算出した目標空気流量ＱＥを用いて、フィードフォワード制御によるコンプレッサ５の制御量、即ち目標回転速度の演算を行い、Ｓ３２へ進む。Ｓ３２では、目標回転速度をコンプレッサ５へ出力する。
【００５０】
Ｓ２８及びＳ３０における目標空気流量ＱＥから目標コンプレッサ回転速度の算出において、図５に示すような制御マップを用いても良い。
【００５１】
以上の制御により、空気流量センサ７の検出値ＱＳが正常範囲の下限値を下回った場合のフィードバック制御からフィードフォワード制御への切替例のタイムチャートを図８に示す。
【００５２】
図８（ａ）の実線は、空気流量センサ７の検出値ＱＳであり、一点鎖線は目標空気流量ＱＥ、２本の破線は、それぞれ空気流量検出値の上限値及び下限値である。
【００５３】
図８（ａ）の実線に示すように、ある時刻に空気流量センサ７の検出値ＱＳが急激に低下して、空気流量下限値より小さくなったとする。これにより空気流量制御部２９は、ＦＢ制御からＦＦ制御に切り替えるので、図８（ｂ）に示すフィードバック制御は、ＯＮからＯＦＦに切り替えられ、これとは逆に図８（ｃ）に示すフィードフォワード制御は、ＯＦＦからＯＮに切り替えられる。これにより、空気流量制御は、図８（ｄ）に示すようにＦＢ制御からＦＦ制御に切り替えて継続されるので、空気流量センサ７の故障が生じても燃料電池の運転は、支障無く継続される。
【００５４】
尚、空気流量センサ７の検出値ＱＳの正常範囲を上限値と下限値で判定し、正常の場合ＦＢ制御、異常の場合ＦＦ制御として切替を行うと、空気流量センサ７の異常モードによっては、正常範囲と異常との間を頻繁に往復し、これによってＦＢ制御とＦＦ制御とが頻繁に切り替えられる事態が生じる。これを避けるために、前記正常範囲に含まれ、かつ正常範囲よりも狭いＦＢ制御復帰範囲を設け、空気流量センサ７の検出値ＱＳがこのＦＢ制御復帰範囲に戻ったときに、ＦＦ制御からＦＢ制御に切り替えるようにしてもよい。
【００５５】
このＦＢ制御復帰範囲は、前記上限値より小さい第１のフィードバック制御復帰値と、前記下限値より大きく第１のフィードバック制御復帰値より小さい第２のフィードバック制御復帰値との間の範囲である。
【００５６】
例えば、上限値算出に用いたストイキ比ＳＲの値をＳＲ1 としたときに、第１のフィードバック制御復帰値を上限値×〔１−（ＳＲ1 −１）／４〕とし、第２のフィードバック制御復帰値を下限値×〔１＋（ＳＲ1 −１）／４〕としてもよい。
【００５７】
また、第２のフィードバック制御復帰値の算出を以下のように行ってもよい。実際に発電した発電量をもとに推定空気流量ＱＧを算出する際に、燃料電池本体６内部の温度と圧力の値を考えられる最大の推定空気流量になるように仮定して算出し、その最大推定空気流量ＱＧmaxを第２のフィードバック制御復帰値とする。そして、空気流量センサ７の検出値ＱＳがこの値を上回ったら、ＦＦ制御からＦＢ制御に空気流量制御を復帰させるように切り替える。
【００５８】
図９は、正常範囲の下限値として推定空気流量、第２のフィードバック制御復帰値として推定空気流量＋αとしたときの、ＦＢ制御とＦＦ制御相互の切替を説明するタイムチャートである。
【００５９】
まずＦＢ制御実行中に、空気流量センサの検出値が低下し、下限値である推定空気流量を下回ったときに、ＦＢ制御からＦＦ制御に切替える。次に、ＦＦ制御中に、空気流量センサの検出値が第２のフィードバック制御復帰値である推定空気流量＋αを上回ったときに、ＦＢ制御に復帰する。
【００６０】
このように、空気流量センサの検出値に対して、異常判定値と正常復帰値とを異なるように設定してヒステリシスを設けると、頻繁なＦＢ制御とＦＦ制御との相互切替の頻度を減少させ、空気流量制御を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態である燃料電池車両の概略構成を説明するブロック図である。
【図２】実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図３】アクセル操作量に対する要求トルクのマップ図である。
【図４】モータ軸出力、モータ軸トルク、モータ回転速度の関係を説明するマップ図である。
【図５】目標空気流量に対するコンプレッサ回転速度のマップ図である。
【図６】車速に対するストイキ比（ＳＲ）のマップ図である。
【図７】空気流量センサ検出値の正常範囲の上限値及び下限値の説明図である。
【図８】空気流量制御におけるＦＢ制御からＦＦ制御への切り替えを説明するタイミング図である。
【図９】空気流量制御におけるＦＦ制御からＦＢ制御への復帰を説明するタイミング図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池車両
２ アクセルペダル
３ アクセルセンサ
４ 水素供給装置
５ コンプレッサ
６ 燃料電池本体
７ 空気流量センサ
８ 電流センサ
９ インバータ
１０ 走行用モータ
１１ 差動装置
１２ 駆動軸
１３ 駆動輪
１４ 車速センサ
１５ コントローラ
２１ アクセル操作量変換部
２２ 車速演算部
２３ 目標空気量演算部
２４ 推定空気流量演算部
２５ 空気流量センサ正常範囲演算部
２６ 空気流量センサ監視部
２７ ＦＦ制御部
２８ ＦＢ制御部
２９ 空気流量制御切替部
Claims (5)
- 燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
前記燃料供給装置から供給される燃料と前記酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスとを用いて発電する燃料電池本体と、
前記酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量センサと、
前記燃料ガスと酸化ガスとの流量を制御するコントローラと、
を備えた燃料電池システムであって、
前記コントローラは、前記酸化ガス流量センサが検出した酸化ガス流量検出値ＱＳが燃料電池の運転状態に基づいて算出される正常範囲内であれば、酸化ガス流量検出値ＱＳを用いて酸化ガス流量のフィードバック制御を行い、
酸化ガス流量検出値ＱＳが前記正常範囲外へ逸脱したときは、酸化ガス流量のフィードフォワード制御を行うように切り替えることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
前記燃料供給装置から供給される燃料と前記酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスとを用いて発電する燃料電池本体と、
前記酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスの流量値である酸化ガス流量値ＱＳを検出する酸化ガス流量センサと、
前記燃料ガスと酸化ガスとの流量を制御するコントローラと、
を備えた燃料電池システムであって、
前記コントローラは、
要求発電量に基づいて目標酸化ガス流量値ＱＥを演算する目標酸化ガス流量演算部と、
燃料電池の運転状態に基づいて前記酸化ガス流量検出値ＱＳの正常範囲を演算する流量センサ正常範囲演算部と、
前記目標酸化ガス流量値ＱＥと前記酸化ガス流量センサが検出した酸化ガス流量検出値ＱＳとを用いて前記酸化ガスの流量を制御するフィードバック制御器と、
前記目標酸化ガス流量値ＱＥを用いて前記酸化ガスの流量を制御するフィードフォワード制御器と、
前記酸化ガス流量検出値ＱＳが前記正常範囲内であれば、フィードバック制御を行い、前記酸化ガス流量検出値ＱＳが前記正常範囲外へ逸脱したときは、フィードフォワード制御を行うように、前記フィードバック制御器と前記フィードフォワード制御器とを切り替える制御切替器と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池本体に供給された酸化ガス流量を発電反応に必要な酸化ガス流量で除算した酸化ガス過剰率をストイキ比ＳＲとしたときに、
前記流量センサ正常範囲演算部は、
燃料電池の発電量検出手段が検出した発電量に基づいて推定酸化ガス流量値ＱＧを推定し、
推定酸化ガス流量値ＱＧとストイキ比ＳＲとの積（ＱＧ×ＳＲ）を前記正常範囲の上限値とし、
推定酸化ガス流量値ＱＧを前記正常範囲の下限値とすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。 - 前記流量センサ正常範囲演算部は、
前記目標酸化ガス流量値ＱＥとストイキ比ＳＲとの積（ＱＥ×ＳＲ）が前記推定酸化ガス流量値ＱＧとストイキ比ＳＲとの積（ＱＧ×ＳＲ）を上回ったとき、前記正常範囲の上限値を前記目標酸化ガス流量値ＱＥとストイキ比ＳＲとの積（ＱＥ×ＳＲ）とし、
目標酸化ガス流量値ＱＥが推定酸化ガス流量値ＱＧを下回ったとき、前記正常範囲の下限値を目標酸化ガス流量値ＱＥとすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。 - 前記流量センサ正常範囲演算部は、
燃料電池の運転状態に基づいて、前記上限値より小さい第１のフィードバック制御復帰値を算出するとともに、前記下限値より大きく第１のフィードバック制御復帰値より小さい第２のフィードバック制御復帰値を算出し、
前記制御切替器は、フィードフォワード制御中に、前記酸化ガス流量検出値ＱＳが第１のフィードバック制御復帰値と第２のフィードバック制御復帰値との間の値になった場合に、フィードバック制御に復帰するように切り替えることを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002251596A JP3879631B2 (ja) | 2002-08-29 | 2002-08-29 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002251596A JP3879631B2 (ja) | 2002-08-29 | 2002-08-29 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004095226A JP2004095226A (ja) | 2004-03-25 |
| JP3879631B2 true JP3879631B2 (ja) | 2007-02-14 |
Family
ID=32058146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002251596A Expired - Fee Related JP3879631B2 (ja) | 2002-08-29 | 2002-08-29 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3879631B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4556619B2 (ja) * | 2004-11-01 | 2010-10-06 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4751608B2 (ja) | 2004-12-24 | 2011-08-17 | アイシン精機株式会社 | カソード用ポンプまたはブロアの制御装置、および燃料電池システム |
| JP4372725B2 (ja) | 2005-06-17 | 2009-11-25 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| JP5039324B2 (ja) * | 2006-05-22 | 2012-10-03 | 三菱マテリアル株式会社 | 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法 |
| US9496572B2 (en) * | 2007-09-21 | 2016-11-15 | GM Global Technology Operations LLC | Closed-loop method for fuel cell system start-up with low voltage source |
| JP5262638B2 (ja) * | 2008-12-03 | 2013-08-14 | パナソニック株式会社 | 燃料電池発電システム |
| ES2785401T3 (es) * | 2013-06-28 | 2020-10-06 | Nuvera Fuel Cells Llc | Un método para controlar flujo de aire en un sistema de alimentación de celda de combustible |
| CN114335619B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-07-18 | 深蓝汽车科技有限公司 | 燃料电池进气流量传感器故障监测处理方法及系统、车辆 |
-
2002
- 2002-08-29 JP JP2002251596A patent/JP3879631B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004095226A (ja) | 2004-03-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3662872B2 (ja) | 燃料電池電源装置 | |
| US7485383B2 (en) | Fuel cell power supply | |
| CN101796679B (zh) | 燃料电池系统 | |
| US5877600A (en) | Process for determining a desired load value for a load-dependent current generating system in an electric vehicle | |
| KR101053991B1 (ko) | 연료전지시스템 및 전원제어방법 | |
| KR101086375B1 (ko) | 연료전지 시스템 및 그 운전방법 | |
| US9184456B2 (en) | Fuel cell system and method for limiting current thereof | |
| US7824814B2 (en) | Power generation control system for fuel cell | |
| JP2000012059A (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池制御方法 | |
| JP3822139B2 (ja) | 燃料電池電源装置 | |
| JP4525112B2 (ja) | 燃料電池車両の制御装置 | |
| JP4185671B2 (ja) | 燃料電池システムの制御装置 | |
| US6973393B2 (en) | Control apparatus for a fuel cell vehicle | |
| JPWO2008047944A1 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4569350B2 (ja) | 電動機システム及び電動機システムの制御方法 | |
| JP3879631B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4308479B2 (ja) | 燃料電池電源装置 | |
| JP4734821B2 (ja) | 燃料電池制御システム | |
| CN105190976A (zh) | 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 | |
| KR20070106334A (ko) | 연료전지 시스템의 공기공급기의 제어방법 | |
| JP2000357526A (ja) | 燃料電池発電装置およびそのセルスタックの劣化診断方法 | |
| JP2006351421A (ja) | 燃料電池システムおよび燃料電池制御方法 | |
| JP4682572B2 (ja) | 燃料電池の発電量制御装置 | |
| JP2006048483A (ja) | 電源装置およびその電力収支の補正方法並びに電源の電流電圧特性推定方法 | |
| JP2005150019A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050624 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060719 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060725 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20061017 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20061030 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3879631 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101117 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111117 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121117 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121117 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131117 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |