JP5092335B2

JP5092335B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システム制御方法

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Publication number: JP5092335B2
Application number: JP2006272459A
Authority: JP
Inventors: 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2006-10-04
Publication date: 2012-12-05
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Description

本発明は、アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池を備える燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムを高地で運転する場合においては、高地では空気の密度が平地よりも低いので、平地と同量の空気量を燃料電池に供給するためには、燃料電池に空気を供給するエアーコンプレッサの回転数を平地よりも上昇させる必要がある。かかる場合において、燃料電池から負荷に供給する発電電流の目標値が大きくなると、それに応じて燃料電池に供給すべき空気の量も大きくなり、その結果エアーコンプレッサの回転数が許容回転数を超えてしまい、エアーコンプレッサ過負荷状態を招く場合がある。

エアーコンプレッサが過負荷状態にならないように大気圧と気温の検出値に応じて許容発電電流値を求め、発電電流目標値が該許容発電電流値を越えるときは、発電電流目標値は該許容発電電流値に設定することとし、高地において安定した発電を行うようにする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１６５０８７号公報

しかし、燃料電池システムを高地で運転する場合において、エアーコンプレッサの過負荷状態を防止するために発電電流を制限すると、その制限された発電電流値よりも大きい値の発電電流が必要であっても、その必要な発電電流を得ることはできず、燃料電池システムの出力を高く設定することができないことになる。例えば燃料電池システムを搭載した車両においては、高地走行時に発電電流値を制限してしまうと、走行に必要な出力を十分に得ることができないという課題があった。

本発明は、アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記カソードに酸化剤ガスを供給するエアーコンプレッサと、前記燃料電池から取り出そうとする目標発電電流を得るために理論上必要とされる理論酸化剤ガス量と、前記目標発電電流を前記燃料電池から取り出すために前記カソードに実際に供給すべき酸化剤ガス供給量との割合を表すガス過剰率α＝酸化剤ガス供給量／理論酸化剤ガス量が１より大きくなるように前記エアーコンプレッサを制御する制御手段と、前記エアーコンプレッサが過負荷状態であるか否かを検出する負荷検出手段と、前記燃料電池の温度を調整する温度調整手段と、を備え、前記負荷検出手段において前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断された場合に、前記温度調整手段は前記燃料電池の温度を上昇させるとともに、前記制御手段は前記ガス過剰率αをシステム通常運転時よりも小さいが１より大きい値に減少させて前記エアーコンプレッサから前記カソードへ供給される酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする。

本発明によれば、例えば燃料電池システムを搭載した車両が高地を走行している場合において、燃料電池に酸化剤である空気を供給するエアーコンプレッサが過負荷状態となったときでも、燃料電池車両の出力を低下することなくエアーコンプレッサの過負荷状態を解消することが可能となる。

本発明において、負荷検出手段によってエアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、制御手段は前記燃料電池の温度をその判断時点における前記燃料電池の温度の１．０７倍〜１．３倍に上昇させることが好適である。

本発明において、負荷検出手段によってエアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、制御手段はガス過剰率αをその判断時点におけるガス過剰率αの０．８倍〜０．９４倍として酸化剤ガス供給量を減少させることが好適である。

本発明において、負荷検出手段は、外気の圧力を検出する外気圧検出手段又は車両用ナビゲーションシステムによって燃料電池システムが高地で使用されていると判断されたときは、エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することが好適である。

かかる構成によれば、例えば燃料電池システムを搭載した車両が高地を走行中であるときは、高地では空気の密度が平地よりも低く、酸化剤である空気を燃料電池に供給するエアーコンプレッサは過負荷状態となる可能性が高いため、車両が高地走行中であると判断されたときは、エアーコンプレッサは過負荷状態であるとみなして空気量制御を行うことでエアーコンプレッサが過負荷状態となるのを未然に防止することができる。

本発明において、負荷検出手段は、エアーコンプレッサを駆動させる駆動手段の温度を検出する温度検出手段又はエアーコンプレッサの出口の酸化剤ガス温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段によって検出された温度が、所定基準値を超えているときは、前記エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することが好適である。

本発明において、燃料電池を冷却する冷却媒体を前記燃料電池に供給する燃料電池冷却手段を更に備え、負荷検出手段によってエアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、燃料電池冷却手段は冷却媒体をシステム通常運転時よりも増量してエアーコンプレッサ用駆動手段に供給するように制御手段によって制御されることが好適である。

かかる構成によれば、エアーコンプレッサが過負荷状態であるときに、燃料電池を冷却する冷却媒体をシステム通常運転時よりも増量してエアーコンプレッサ用駆動手段に供給することにより、過負荷状態を解消させることができる。

本発明は、アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池から取り出そうとする目標発電電流を得るために理論上必要とされる理論酸化剤ガス量と、前記目標発電電流を前記燃料電池から取り出すために前記カソードに実際に供給すべき酸化剤ガス供給量との割合を表すガス過剰率α＝酸化剤ガス供給量／理論酸化剤ガス量が１より大きくなるように前記カソードに酸化剤ガスを供給するエアーコンプレッサを制御し、エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、燃料電池温度を所定温度上昇させるとともに、ガス過剰率αをシステム通常運転時よりも小さいが１より大きい値に減少させてエアーコンプレッサからカソードに供給される酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする。

本発明において、エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、制御手段は燃料電池温度をその判断時点における燃料電池温度の１．０７倍〜１．３倍に上昇させることが好適である。

本発明において、エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、ガス過剰率αをその判断時点におけるガス過剰率αの０．８倍〜０．９４倍として酸化剤ガス供給量を減少させることが好適である。

本発明において、外気の圧力を検出する外気圧検出手段又は車両用ナビゲーションシステムによって燃料電池システムが高地で使用されていると判断されたときは、エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することが好適である。

本発明において、エアーコンプレッサを駆動させる駆動手段の温度を検出する温度検出手段又はエアーコンプレッサの出口の酸化剤ガス温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段によって検出された温度が、所定基準値を超えているときは、前記エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することが好適である。

本発明において、エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体をシステム通常運転時よりも増量してエアーコンプレッサ用駆動手段に供給することが好適である。

本発明によれば、酸化剤ガスを燃料電池に供給するエアーコンプレッサが過負荷状態のときに、燃料電池の発電電流を低下させることなく過負荷状態の解消を図ることができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本発明の燃料電池システムは、燃料電池１０、エアーコンプレッサ（以下、「ＡＣＰ」という）１８、制御部３０、冷却装置８０を備えている。本実施形態においては、本発明の燃料電池システムは燃料電池車両に搭載されている。

燃料電池１０は、単セルを複数積層して構成されている。個々の単セルは、電解質膜（例えば高分子膜）が、アノード電極とカソード電極で挟持され、さらにその両側をセパレータで挟み込む構造となっている。上記単セルの構造は、従来より広く知られている燃料電池の単セル構造と同様である。

燃料電池１０は、燃料である水素ガス及び酸化剤である空気の供給を受けて電力を発電する。本実施形態においては、水素ガス及び空気の循環経路は図１によって示される構成としたが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。

燃料ガスである水素ガスは、図示しない水素タンクから燃料電池１０を構成する複数の各セルの燃料極（アノード）に供給される。

酸化剤である空気はＡＣＰ１８によって燃料電池１０に供給され、燃料電池１０を構成する複数の各セルの空気極（カソード）に供給される。そして、空気極での反応（２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）によって生成される水は、空気極からの排気ガスと共に排出される。ＡＣＰ１８の入口は、ＡＣＰ入口側空気ライン２６に接続されている。ＡＣＰ１８の出口は、ＡＣＰ出口側空気ライン２８に接続されている。ＡＣＰ出口側空気ライン２８は燃料電池１０に接続されている。

ＡＣＰ１８はＡＣＰ駆動用モータ２０によって駆動される。ＡＣＰ駆動用モータ２０は制御部３０に接続されている。ＡＣＰ駆動用モータ２０には該ＡＣＰ駆動用モータ２０の温度を検出するためのＡＣＰ駆動用モータ温度センサ５２が設けられている。ＡＣＰ駆動用モータ温度センサ５２は制御部３０と接続されている。ＡＣＰ入口側空気ライン２６にはＡＣＰ１８に取り込まれる空気量を検出するためのエアーフローメータ２２が設けられている。エアーフローメータ２２は制御部３０と接続されている。ＡＣＰ出口側空気ライン２８にはＡＣＰから圧送される空気の温度を検出するためのＡＣＰ出口空気温度センサ５０が設けられている。ＡＣＰ出口空気温度センサ５０は制御部３０と接続されている。

冷却装置８０は、放熱器１２、流量調整用三方弁１４、冷却水循環ポンプ１６、燃料電池出口流路６２、冷却水バイパス流路６４、放熱器入口流路６６、放熱器出口流路６８、冷却水循環ポンプ入口流路７０、冷却水循環ポンプ出口流路７２を備える。冷却装置８０は、燃料電池１０を冷却するための冷却媒体を燃料電池１０と放熱器１２との間で循環させて燃料電池１０を冷却し、その排熱を外気に放出させるための装置である。なお、本実施形態においては、冷却媒体は水としているが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。

冷却水循環ポンプ１６の出口は冷却水循環ポンプ出口流路７２に接続されている。冷却水循環ポンプ出口流路７２は燃料電池１０に接続されている。燃料電池１０を冷却した後の冷却水は、燃料電池１０に接続されている燃料電池出口流路６２を通り、放熱器１２へと流れる。燃料電池出口流路６２は、放熱器１２の入口の上流側で冷却水バイパス流路６４と放熱器入口流路６６とに分岐する。放熱器１２の入口は、放熱器入口流路６６に接続されている。放熱器１２の出口は放熱器出口流路６８に接続されている。放熱器出口流路６８と冷却水バイパス流路６４との合流地点には、流量調整用三方弁１４が配置されている。また、流量調整用三方弁１４は、冷却水循環ポンプ入口流路７０と接続されている。

冷却水循環ポンプ１６は、冷却水を燃料電池１０に供給する。冷却水循環ポンプ１６は、制御部３０に接続されている。放熱器１２は、冷却水を外気と熱交換させ、冷却水が保有する熱を外部に放出させる。流量調整用三方弁１４は、弁の開度を調整して、放熱器１２を通過する冷却水流量と冷却水バイパス流路６４を流れる冷却水量とを任意の割合で調整する。流量調整用三方弁１４は、制御部３０と接続されている。また、冷却水循環ポンプ出口流路７２から分岐しているＡＣＰ冷却水供給流路７４は、ＡＣＰ冷却水流量調整弁２４を介してＡＣＰ駆動用モータ２０と接続されている。ＡＣＰ駆動用モータ２０を冷却した後の冷却水が通るＡＣＰ冷却水出口流路７６は、燃料電池出口流路６２に接続されている。ＡＣＰ冷却水流量調整弁２４は制御部３０と接続されている。

また、冷却装置８０は、燃料電池入口側温度センサ４２、燃料電池出口側温度センサ４４、バイパス温度センサ４６、放熱器出口温度センサ４８を備えている。上記センサ４２〜４８は制御部３０に接続されている。

また、制御部３０にはアクセル開度センサ３２、大気圧センサ３４、車両用ナビゲーションシステム３６がそれぞれ接続されている。アクセル開度センサ３２は車両のアクセル開度を検出するためのセンサである。大気圧センサ３４は外気の圧力を検出するためのセンサである。車両用ナビゲーションシステム３６はＧＰＳ（全地球測位システム）等を利用して車両の走行時に運転者に対してディスプレイ画面上に現在位置や目的地への走行経路案内を行うためのシステムである。これらのアクセル開度センサ３２、大気圧センサ３４、車両用ナビゲーションシステム３６は、制御に不要な場合には備えていなくとも良い。

ここで、本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の高地走行時において、ＡＣＰ１８が過負荷状態となった場合のＡＣＰ空気量制御について説明する。以下の説明では、最初にＡＣＰ１８によってカソードに実際に供給されるＡＣＰ空気量の算出方法について説明し、次にＡＣＰ空気量制御について詳細に説明する。

先ず、ＡＣＰ空気量の算出方法について説明する。図２は、アクセル開度Ａと目標発電電流Ｉａとの対応関係を示すものである。上記対応関係を示す第１のマップは制御部３０に予め記憶されている。

図３は、目標発電電流Ｉａと該目標発電電流Ｉａを得るために理論上必要な理論空気量との対応関係を示すものである。上記対応関係を示す第２のマップは制御部３０に予め記憶されている。

図４は、目標発電電流Ｉａと、その目標発電電流Ｉａを得るために理論上必要とされる理論空気量とその目標発電電流Ｉａを燃料電池１０から取り出すためにカソードに実際に供給すべき空気量との割合を示す空気過剰率α＝空気供給量／理論空気量との対応関係を示すものである。理論的には、目標発電電流Ｉａを得るためにはその目標発電電流Ｉａに対応した理論空気量分の空気を燃料電池１０のカソードに供給すれば足りるが、本実施形態においては、制御部３０は、カソードで発生する水を排気側に押し出すために、ＡＣＰ１８からカソードへ実際に供給されるＡＣＰ空気量はそのときの目標発電電流Ｉａに対応した理論空気量よりも大きくなるように設定している。すなわち、制御部３０は、空気過剰率αが１よりも大きくなるようにＡＣＰ駆動用モータ２０を制御している。

燃料電池システムが通常の運転を行っているときは、目標発電電流Ｉａと空気過剰率αとの対応関係は図４の実線に示される対応関係となるように設定されている。図４の実線で示される対応関係は第３のマップとして予め制御部３０に記憶されている。また、後述するＡＣＰ空気量制御が実行されたときの目標発電電流Ｉａと空気過剰率αとの対応関係は、図４の点線に示されるような対応関係となるように設定されている。図４の点線で示される対応関係は第４のマップとして予め制御部３０に記憶されている。

制御部３０は、上記説明したそれぞれのマップから、燃料電池車両の運転中のアクセル開度Ａに対応した目標発電電流Ｉａと、該目標発電電流Ｉａを得るために必要な理論空気量と、該目標発電電流Ｉａに対応した空気過剰率αとを求める。そして、制御部３０は、上記理論空気量と上記空気過剰率αとを乗算して、該目標発電電流Ｉａを燃料電池１０から取り出すためのＡＣＰ空気量を求める。そして、制御部３０は、上記のようにして求められたＡＣＰ空気量を制御目標値に設定し、エアーフローメータ２２からの検出信号をフィードバックしながらＡＣＰ駆動用モータ２０を制御する。

本実施形態においては、上記第１〜第４のマップは制御部３０に予め記憶されている態様としたが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論であり、例えば制御部３０とは別の装置のメモリ等に上記第１〜第４のマップを記憶させておく態様であっても良い。

次に、本発明に係るＡＣＰ空気量制御について説明する。ＡＣＰ空気量制御は、制御部３０がＡＣＰ１８は過負荷状態であると判断したときに開始される。本実施形態においては、ＡＣＰ駆動用モータ温度センサ５２によって検出されるＡＣＰ駆動用モータ２０の温度が所定基準値を超えている否かによって、ＡＣＰ１８が過負荷状態であるか否かが判断される。

本実施形態においては駆動用モータ２０の温度を検出してＡＣＰ１８が過負荷状態であるか否かを判断する態様としているが、例えばＡＣＰ出口空気温度センサ５０によって検出されるＡＣＰ出口空気温度が所定基準値を越えているときにＡＣＰ１８は過負荷状態であると判断する態様であっても良い。また、大気圧センサ３４によって検出される大気圧の値や車両用ナビゲーションシステム３６からの車両の位置情報によって、燃料電池車両が高地を走行していると判断されたときは、ＡＣＰ１８が過負荷状態に至る可能性が高いため、かかる場合にはＡＣＰ１８は過負荷状態であるとみなしてＡＣＰ空気量制御を開始する態様であっても良く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能であることは勿論である。

制御部３０は、ＡＣＰ１８は過負荷状態であると判断すると、冷却水の燃料電池入口温度の制御目標値をその判断時点における温度の１．０７倍〜１．３倍の温度に設定して、燃料電池１０の温度を上昇させる。そして、制御部３０は、燃料電池出口側温度センサ４４、バイパス温度センサ４６、放熱器出口側温度センサ４８からの検出信号に基づき、流量調整用三方弁１４の開度を決定する。また、燃料電池入口側温度センサ４２からの検出信号をフィードバックしながら、流量調整用三方弁１４の開度を制御する。

冷却水の燃料電池入口温度が制御目標値に到達すると、制御部３０は、図４の点線で示される第４のマップから、上記判断時点における目標発電電流Ｉａに対応する空気過剰率αを求める。該空気過剰率αは、図４の実線で示される第３のマップから求められる空気過剰率αの０．８倍〜０．９４倍に減少される。燃料電池１０の温度を上昇させると、燃料電池１０の内部が乾燥状態となり、カソードで発生する水の量が低減される。そうすると、カソードで発生する水を排気側に押し出すために必要な過剰空気量を低減することができるという原理に基づくものである。また、上記減少の程度は上記判断時点における目標発電電流Ｉａの値によって異なる。なお、本実施形態においては、冷却水の燃料電池入口温度が制御目標値に到達するまでは、制御部３０は、図４の実線で示される第３のマップから空気過剰率を求めてＡＣＰ空気量を決定する態様としているが、例えば図４の実線と点線で囲まれた領域内で、冷却水の燃料電池入口温度毎に目標発電電流Ｉａと空気過剰率との対応関係を予め求めておき、上記温度上昇中のある時点での冷却水温度における目標発電電流Ｉａと空気過剰率との対応関係から空気過剰率αを求める態様であっても良く、種々の変更が可能であることは勿論である。

制御部３０は、第２のマップから上記判断時点における目標発電電流Ｉａに対応する理論空気量を求め、該理論空気量に図４の点線で示される第４のマップから求められた空気過剰率αを乗算して、ＡＣＰ空気量を決定する。制御部３０は、該決定されたＡＣＰ空気量を制御目標値としてＡＣＰ駆動用モータ２０を制御する。該決定されたＡＣＰ空気量は、燃料電池システムが通常の運転を行っていた上記判断時点におけるＡＣＰ空気量よりも少なくなるので、ＡＣＰ１８の過負荷状態を解消することができる。また、図４の点線で示される第４のマップから求められる空気過剰率αは１より大きい値となるように設定されているため、目標発電電流Ｉａは低下せず、本実施形態における燃料電池車両の出力が低下することもない。

また、制御部３０は、上記ＡＣＰ空気量制御の実行に併せて、ＡＣＰ冷却水流量調整弁２４の弁開度を開方向に制御し、冷却水循環ポンプ１６から供給されるＡＣＰ駆動用モータ２０の冷却水量を増大させる。ＡＣＰ１８が過負荷状態となることで、ＡＣＰ駆動用モータ２０の温度が上昇し、モータ巻線の焼結等を引き起こす恐れがあるため、それを防止するためである。

次に、制御部３０で実行されるＡＣＰ空気量制御について説明する。図５は、制御部３０によって実行されるＡＣＰ空気量制御の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１０１においては、ＡＣＰ１８が過負荷状態であるか否かが判断され、ＡＣＰが過負荷状態であると判断されたときは次のステップＳ１０２に進み、ＡＣＰ１８が過負荷状態ではないと判断されたときはＡＣＰ空気量制御は開始されない。上述したように制御部３０は、ＡＣＰ駆動用モータ２０の温度が所定基準値を超えている否かによって、ＡＣＰ１８が過負荷状態であるか否かを判断する。

ステップＳ１０２においては、上述したように燃料電池冷却水の燃料電池入口温度の制御目標値をその判断時点における温度の１．０７倍〜１．３倍の温度に設定することにより、燃料電池１０の温度を上昇させ、次のステップＳ１０３に進む。ここで、燃料電池冷却水の燃料電池入口温度の制御目標値をその判断時点における温度の１．０７倍〜１．３倍の温度に設定しているのは、上記温度範囲は燃料電池１０の温度上昇によるセルの劣化防止とＡＣＰ空気量の減少との両立を達成することができる温度範囲だからである。

ステップＳ１０３においては、上述したように燃料電池１０の温度上昇に伴い、空気過剰率αは減少され、次のステップＳ１０４に進む。空気過剰率αが減少されることによって、ＡＣＰ空気量も減少し、ＡＣＰ１８の過負荷状態を解消することができる。

ステップＳ１０４においては、ＡＣＰ１８の過負荷状態が解消されたか否かが判断され、ＡＣＰ１８の過負荷状態が解消されたと判断されたときは、次のステップＳ１０５に進み、ＡＣＰ１８の過負荷状態が解消されていないと判断されたときは、ステップＳ１０７に進む。ＡＣＰ１８の過負荷状態が解消されたか否かを判断する方法としては、例えばＡＣＰ駆動用モータ温度センサ５２によって検出されるＡＣＰ駆動用モータ２０の温度が所定基準値を超えている否かによって判断することができるが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。

ステップＳ１０５においては、例えば車両運転中のアクセル開度Ａが変わり、燃料電池１０の目標発電電流Ｉａの値が減少したか否かが判断され、目標発電電流Ｉａの値が減少したと判断されたときは、次のステップＳ１０６に進む。目標発電電流Ｉａの値が減少していないと判断されたときは、燃料電池１０は温度上昇された状態を維持し、空気過剰率αの値は減少された値を維持することによって、継続してＡＣＰ１８の過負荷状態を防止するとともに車両の出力低下防止を図る。

ステップＳ１０６においては、ＡＣＰ空気量制御をリセットする。すなわち上昇させていた燃料電池１０の温度を元に戻すとともに、減少させていた空気過剰率αも元に戻す。目標発電電流Ｉａが減少したときは、それに応じてＡＣＰ空気量も減少するため、上記ＡＣＰ空気量制御を行わなくとも、ＡＣＰ１８の過負荷状態を解消することができるからである。

ステップＳ１０７においては、目標発電電流Ｉａの値を、ＡＣＰ１８が過負荷状態であると判断された時点における目標発電電流Ｉａの値よりも低い値に変更する。目標発電電流Ｉａの設定値を強制的に下げることにより、ＡＣＰ空気量を減少させてＡＣＰ１８の過負荷状態を解消させるためである。

上記本発明に係るＡＣＰ空気量制御は、燃料電池システム運転中において繰り返し実行される。

本実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを車両に搭載した例を中心に説明したが、例えば自家発電用の燃料電池発電システムを高地において使用する態様であっても良い。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成概略図である。本発明の実施形態に係るアクセル開度Ａと目標発電電流Ｉａとの対応関係を示す図である。本発明の実施形態に係る目標発電電流Ｉａと該目標発電電流Ｉａを得るために理論上必要な理論空気量との関係を示す図である。本発明の実施形態に係る目標発電電流Ｉａと空気過剰率αとの関係を示す図である。本発明の実施形態に係る制御部より実行されるＡＣＰ空気量制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池、１２放熱器、１４流量調整用三方弁、１６冷却水循環ポンプ、１８エアーコンプレッサ（ＡＣＰ）、２０ＡＣＰ駆動用モータ、２２エアーフローメータ、２４ＡＣＰ冷却水流量調整弁、２６ＡＣＰ入口側空気ライン、２８ＡＣＰ出口側空気ライン、３０制御部、３２アクセル開度センサ、３４大気圧センサ、３６車両用ナビゲーションシステム、４２燃料電池入口側温度センサ、４４燃料電池出口側温度センサ、４６バイパス温度センサ、４８放熱器出口温度センサ、５２ＡＣＰ駆動用モータ温度センサ、６２燃料電池出口流路、６４冷却水バイパス流路、６６放熱器入口流路、６８放熱器出口流路、７０冷却水循環ポンプ入口流路、７２冷却水循環ポンプ出口流路、７４ＡＣＰ冷却水供給流路、７６ＡＣＰ冷却水出口流路、８０冷却装置。

Claims

アノードに燃料ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記カソードに酸化剤ガスを供給するエアーコンプレッサと、
前記燃料電池から取り出そうとする目標発電電流を得るために理論上必要とされる理論酸化剤ガス量と、前記目標発電電流を前記燃料電池から取り出すために前記カソードに実際に供給すべき酸化剤ガス供給量との割合を表すガス過剰率α＝酸化剤ガス供給量／理論酸化剤ガス量が１より大きくなるように前記エアーコンプレッサを制御する制御手段と、
前記エアーコンプレッサが過負荷状態であるか否かを検出する負荷検出手段と、
前記燃料電池の温度を調整する温度調整手段と、を備え、
前記負荷検出手段において前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断された場合に、前記温度調整手段は前記燃料電池の温度を上昇させるとともに、前記制御手段は前記ガス過剰率αをシステム通常運転時よりも小さいが１より大きい値に減少させて前記エアーコンプレッサから前記カソードへ供給される酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷検出手段によって前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、前記制御手段は前記燃料電池の温度をその判断時点における前記燃料電池の温度の１．０７倍〜１．３倍に上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷検出手段によって前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、前記制御手段はガス過剰率αをその判断時点におけるガス過剰率αの０．８倍〜０．９４倍として酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷検出手段は、外気の圧力を検出する外気圧検出手段又は車両用ナビゲーションシステムによって燃料電池システムが高地で使用されていると判断されたときは、前記エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記負荷検出手段は、前記エアーコンプレッサを駆動させる駆動手段の温度を検出する温度検出手段又は前記エアーコンプレッサの出口の酸化剤ガス温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段によって検出された温度が、所定基準値を超えているときは、前記エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から５の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池を冷却する冷却媒体を前記燃料電池に供給する燃料電池冷却手段を更に備え、
前記負荷検出手段によって前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、前記燃料電池冷却手段は冷却媒体をシステム通常運転時よりも増量して前記エアーコンプレッサ用駆動手段に供給するように前記制御手段によって制御されることを特徴とする燃料電池システム。
アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池から取り出そうとする目標発電電流を得るために理論上必要とされる理論酸化剤ガス量と、前記目標発電電流を前記燃料電池から取り出すために前記カソードに実際に供給すべき酸化剤ガス供給量との割合を表すガス過剰率α＝酸化剤ガス供給量／理論酸化剤ガス量が１より大きくなるように前記カソードに酸化剤ガスを供給するエアーコンプレッサを制御し、前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、燃料電池温度を所定温度上昇させるとともに、前記ガス過剰率αをシステム通常運転時よりも小さいが１より大きい値に減少させて前記エアーコンプレッサから前記カソードに供給される酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システム制御方法。
請求項７に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、前記制御手段は燃料電池温度をその判断時点における燃料電池温度の１．０７倍〜１．３倍に上昇させることを特徴とする燃料電池システム制御方法。
請求項７又は８に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、ガス過剰率αをその判断時点におけるガス過剰率αの０．８倍〜０．９４倍として酸化剤ガス供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システム制御方法。
請求項７から９の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
外気の圧力を検出する外気圧検出手段又は車両用ナビゲーションシステムによって燃料電池システムが高地で使用されていると判断されたときは、前記エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム制御方法。
請求項７から１０の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記エアーコンプレッサを駆動させる駆動手段の温度を検出する温度検出手段又は前記エアーコンプレッサの出口の酸化剤ガス温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段によって検出された温度が、所定基準値を超えているときは、前記エアーコンプレッサは過負荷状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム制御方法。
請求項７から１１の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記エアーコンプレッサが過負荷状態であると判断されたときは、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体をシステム通常運転時よりも増量して前記エアーコンプレッサ用駆動手段に供給することを特徴とする燃料電池システム制御方法。