JP5321959B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムでは、安定した運転を実現するために、燃料電池に供給する酸化ガスの流量や圧力を調整しながら燃料電池内の含水量を最適に維持する必要がある。そのためには、燃料電池内の酸化ガスの圧力を調整する調圧弁を正確に作動させることが重要となる。ところで、調圧弁を駆動するモータとしてステッピングモータを用いた場合には、電源投入時等にロータが位置ずれを起こすことがある。そして、この位置ずれを解消しなければ、システム側が認識している開度と調圧弁の開度とがずれてしまい、調圧弁を正確に作動させることができなくなる。下記特許文献1には、ロータの位置ずれを解消する技術が開示されている。具体的には、ステッピングモータの回転に伴って直線移動する可動体と、この可動体の基準位置に配置される基準壁とを設け、ステッピングモータの原点位置制御を行う際に、可動体を基準壁に突き当ててステッピングモータを脱調させる、いわゆる突き当てを繰り返すことでステッピングモータの原点位置を規定し、ロータの位置ずれを解消している。
特開2004−357409号公報
ところで、特許文献1の技術では、突き当てを繰り返している間は、調圧弁を運転状態に合わせて制御することができない。したがって、燃料電池システムの運転時にステッピングモータの原点位置を規定することは難しく、位置ずれが生じたまま運転を継続させてしまうと、燃料電池における酸化ガスの圧力を適切に調整することができなくなり、不安定な運転を招くおそれがある。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池システムを運転させながら調圧弁の開度を補正することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、前記酸化オフガス排出流路に設けられ、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力を調整するための調圧弁と、前記調圧弁よりも前記酸化オフガス排出流路の上流側に設けられ、前記燃料電池と前記調圧弁との間における前記酸化ガスの圧力を測定する圧力センサと、前記コンプレッサによる前記酸化ガスの供給量、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力、および前記調圧弁の開度を対応付けて記憶するテーブルを格納する記憶部と、前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給量および前記燃料電池における前記酸化ガスの目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、前記テーブルから抽出し、抽出した開度で作動させるための作動指示を前記調圧弁に送出する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差に応じて前記調圧弁の開度を補正することを特徴とする。
この発明によれば、圧力センサにより測定された燃料電池における酸化ガスの圧力と、その目標圧力との差に応じて調圧弁の開度を補正することができるため、例えば、調圧弁の開度とシステムが認識する開度との間にずれが生じ、酸化ガスの供給量と調圧弁の開度とによって決定される酸化ガスの圧力が目標圧力からずれた場合には、測定圧力が目標圧力に近づくように調圧弁の開度を補正することが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差以上である場合に、前記テーブルに記憶されている各前記調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新することができる。
これにより、例えば、調圧弁の開度にずれが生じて酸化ガスの圧力が目標圧力からずれた場合には、テーブルに記憶されている各調圧弁の開度を、測定圧力が目標圧力に近づくように所定開度ずつ変更して更新させることができるため、以降は、更新されたテーブルの開度に基づいて調圧弁を正確に作動させながら運転させることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記調圧弁に前記作動指示を送出するたびに、送出後における前記測定圧力、送出時の前記目標圧力および前記調圧弁の開度を対応付けて一時的に記憶させ、当該記憶の回数が所定回数に到達したときに、一時的に記憶させた前記測定圧力および当該測定圧力に対応して一時的に記憶させた前記目標圧力との差の平均値を算出し、算出した平均値が所定圧力差以上である場合に、前記テーブルに記憶されている各前記調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新することができる。
これにより、運転状態等に応じて測定値等に多少の誤差が生じたとしても、誤差を均したうえで調圧弁の開度を補正することができるため、補正の精度を向上させることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、システム起動時またはシステム停止時に、予め定められた規定開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出し、かつ、予め定められた規定供給量で作動させるための指示を前記コンプレッサに送出した後に、前記圧力センサにより測定された測定圧力を受信し、受信した測定圧力が所定範囲外である場合に、前記テーブルに記憶されている各前記調圧弁の開度をそれぞれ所定開度ずつ変更して更新するとともに、現時点の前記調圧弁の開度を前記所定開度変更させた後の開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出する、開度補正処理を実行することができる。
これにより、運転時のみならず、起動時や停止時にも調圧弁の開度を補正することができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記測定圧力が所定範囲内に収まるまで、前記開度補正処理を繰り返し実行することができる。
これにより、調圧弁の開度に大きなずれが生じた場合であっても、開度のずれを解消させてから起動または停止させることができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記記憶部は、前記テーブルを複数格納し、前記制御手段は、前記目標供給量および前記目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、複数の前記テーブルのうち、前記調圧弁の開度を制御するときの参照用に設定されている一の前記テーブルから抽出し、抽出した開度で作動するように前記調圧弁に指示を送出し、前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差以上である場合に、前記調圧弁の開度を、所定開度変更させ、その後、前記目標供給量および前記目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を各前記テーブルからそれぞれ抽出し、抽出した開度の中から前記変更後の前記調圧弁の開度に最も近い開度を選択し、選択した開度に対応する前記テーブルを前記参照用のテーブルとして設定することができる。
これにより、例えば、調圧弁の開度にずれが生じて酸化ガスの圧力が目標圧力からずれた場合には、測定圧力が目標圧力に近づくように調圧弁の開度を所定開度変更させ、この変更後の調圧弁の開度に対応するテーブルを参照用のテーブルとして設定することができるため、以降は、新たに設定されたテーブルの開度に基づいて調圧弁を正確に作動させながら運転させることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差未満になるまで、前記調圧弁の開度の変更を繰り返すことができる。
これにより、調圧弁の開度に大きなずれが生じた場合であっても、調圧弁の開度のずれを解消させることができ、調圧弁を正確に作動させることが可能なテーブルを参照用のテーブルとして設定することができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記調圧弁に指示を送出するたびに、その後、前記測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差未満になったときの前記目標供給量、前記目標圧力および前記調圧弁の開度を対応付けて一時的に記憶させ、当該記憶の回数が所定回数に到達したときに、一時的に記憶させた前記目標供給量および当該目標供給量に対応して一時的に記憶させた前記目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、各前記テーブルからそれぞれ抽出し、抽出した前記調圧弁の開度の中から、抽出に用いた前記目標供給量および前記目標圧力に対応させて一時的に記憶させた前記調圧弁の開度に最も近い前記調圧弁の開度を選択し、選択した前記調圧弁の開度に対応する前記テーブルを前記参照用のテーブルとして設定することができる。
これにより、運転状態等に応じて測定値等に多少の誤差が生じたとしても、誤差を均したうえで調圧弁の開度を補正することができるため、補正の精度を向上させることが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、システム起動時またはシステム停止時に、予め定められた規定開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出し、かつ、予め定められた規定供給量で作動させるための指示を前記コンプレッサに送出した後に、前記圧力センサにより測定された測定圧力を受信し、受信した測定圧力が所定範囲外である場合に、各前記テーブルに記憶されている前記規定流量および予め定められた規定圧力に対応する前記調圧弁の開度の中から前記調圧弁の開度を所定開度変更させた後の開度に最も近い前記調圧弁の開度を選択し、選択した前記調圧弁の開度に対応する前記テーブルを前記参照用のテーブルとして設定するとともに、現時点の前記調圧弁の開度を前記所定開度変更させた後の開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出する、開度補正処理を実行することができる。
これにより、運転時のみならず、起動時や停止時にも調圧弁の開度を補正することができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記測定圧力が所定範囲内に収まるまで、前記開度補正処理を繰り返し実行することができる。
これにより、調圧弁の開度に大きなずれが生じた場合であっても、調圧弁の開度のずれを解消させてから起動または停止させることができる。
本発明によれば、燃料電池システムを運転させながら調圧弁の開度を補正することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な各実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
[第1実施形態]
まず、図1を参照して、第1実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図1は、第1実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
同図に示すように、燃料電池システム1は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素を燃料電池2に供給する水素ガス配管系4と、燃料電池2に冷却水を循環供給する冷却系5と、システム全体を統括制御する制御部6(制御手段)とを有する。
燃料電池2は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極(空気極)を有し、他方の面にアノード極(燃料極)を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
酸化ガス配管系3は、フィルタを介して取り込まれる大気中の酸化ガスを圧縮してから送出するコンプレッサ31と、酸化ガスを燃料電池2に供給するための空気供給流路32(酸化ガス供給流路)と、燃料電池2から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路33(酸化オフガス排出流路)とを有する。コンプレッサ31には、コンプレッサ31から吐出される酸化ガスの流量を測定する流量センサNが設けられている。
空気排出流路33には、燃料電池2内の酸化ガスの圧力を調整するための調圧弁34が設けられている。調圧弁34は、例えば、2相励磁のステッピングモータで駆動する弁であり、制御部6に電気的に接続されている。調圧弁34の開度は、制御部6によって制御される。
空気排出流路33のうち、燃料電池2の出口側には、燃料電池2と調圧弁34との間における酸化ガスの圧力を測定する圧力センサPおよび酸化ガスの温度を測定する温度センサT1が設けられている。
水素ガス配管系4は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク40と、水素タンク40の水素ガスを燃料電池2に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路41と、燃料電池2から排出された水素オフガスを水素供給流路41に戻すための水素循環流路42とを有する。水素供給流路41には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ43とが設けられている。水素循環流路42には、水素循環流路42内の水素オフガスを加圧して水素供給流路41側へ送り出す水素ポンプ44が設けられている。
冷却系5は、冷却水を冷却するラジエータ51と、冷却水を燃料電池2およびラジエータ51に循環供給する冷却水循環流路52と、冷却水を冷却水循環流路52に循環させる冷却水循環ポンプ53とを有する。冷却水循環流路52のうち、燃料電池2の出口側には、冷却水の温度を測定する温度センサT2が設けられている。
制御部6は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(例えば、アクセル)の操作量を測定し、加速要求値(例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ31や水素ポンプ44、冷却水循環ポンプ53のモータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等が含まれる。
制御部6は、物理的には、例えば、CPUと、メモリ61(記憶部)と、入出力インターフェースとを有する。メモリ61には、例えば、CPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサP、温度センサT1、T2、流量センサN等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ31、調圧弁34、水素ポンプ44および冷却水循環ポンプ53等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
CPUは、ROMに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの測定結果を受信し、RAM内の各種データ等を用いて処理することで、後述する調圧弁開度補正処理等を制御する。また、CPUは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム1全体を制御する。以下に、制御部6によって行われる調圧弁34の制御について説明する。
制御部6は、コンプレッサ31による酸化ガスの目標供給量および燃料電池2における酸化ガスの目標圧力に対応する調圧弁34の開度を、メモリ61に格納されている弁開度マップから抽出する。制御部6は、抽出した調圧弁の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する。これにより、調圧弁34は、作動指示に含まれる開度で作動することになる。弁開度マップは、コンプレッサ31による酸化ガスの供給量と、燃料電池2における酸化ガスの圧力と、調圧弁34の開度とを対応付けて記憶するテーブルである。
制御部6は、圧力センサPにより測定された測定圧力と、燃料電池2における酸化ガスの目標圧力との差に応じて、調圧弁34の開度を補正するための調圧弁開度補正処理を実行する。以下に、第1実施形態における調圧弁開度補正処理を実行する制御部6について説明する。
制御部6は、上記測定圧力と上記目標圧力との差が所定圧力差以上である場合に、弁開度マップに記憶されている各調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新する。調圧弁の開度は、測定圧力と目標圧力との差が小さくなる方向に変更する。
上記所定圧力差には、測定圧力と目標圧力との差がこれ以上大きくなると、燃料電池の出力特性が許容範囲を超えて低下してしまう等のように燃料電池の運転に悪影響を及ぼしかねなくなる値を設定することができる。この所定圧力差は実験等により求められる。例えば、調圧弁34のステッピングモータが、4ステップで1サイクル動作する2相励磁のステッピングモータである場合には、実際の調圧弁の開度と目標開度との間に1ステップ分に相当するずれが生じたときの酸化ガスの測定圧力と目標圧力との差を、所定圧力差として設定することができる。
上記所定開度としては、例えば、調圧弁34のステッピングモータが、4ステップで1サイクル動作する2相励磁のステッピングモータである場合には、1ステップ分に相当する開度が該当する。所定開度は実験等により求められる。
なお、上記所定開度は、上記所定圧力差に応じて設定することができる。例えば、所定圧力差として、実際の調圧弁の開度と目標開度との間に2ステップ分に相当するずれが生じたときの酸化ガスの測定圧力と目標圧力との差が設定された場合には、所定開度として2ステップ分に相当する開度を設定する。
調圧弁34の開度の変更、更新は、例えば、以下のように行うことができる。制御部6は、調圧弁34に作動指示を送出するたびに、作動指示送出後における測定圧力と、作動指示送出時の目標圧力と、調圧弁の開度とを対応付けて一時的にメモリ61に記憶させる。制御部6は、この記憶の回数が所定回数に到達したときに、メモリ61に一時的に記憶させた測定圧力と当該測定圧力に対応して記憶させた目標圧力との差(絶対値)を所定回数分算出するとともに、これらの差の平均値を算出する。制御部6は、算出した平均値が上記所定圧力差以上であるか否かを判定し、平均値が所定圧力差以上である場合に、弁開度マップの各調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新する。
調圧弁34の開度を変更する方向は、以下のように決定することができる。一時的に記憶させた測定圧力が目標圧力よりも小さい場合には、調圧弁34の開度を所定開度分開ける方向に変更する。一方、一時的に記憶させた測定圧力が目標圧力よりも大きい場合には、調圧弁34の開度を所定開度分閉める方向に変更する。これにより、平均値が所定圧力差未満になる方向に調圧弁34の開度を変更させることができる。
上記所定回数は、1以上の任意の回数を設定することができる。これは、燃料電池システムの運転状態等によって測定値等に多少の誤差が生じ得るため、予め実験等によって誤差を均すことができる回数を求める等して任意に設定できることとしたものである。この所定回数を増加させることで、補正の精度を向上させることが可能となる。
制御部6は、システム起動時またはシステム停止時に、予め定められた規定開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出するとともに、予め定められた規定供給量で作動させるための指示をコンプレッサ31に送出する。その後、制御部6は、圧力センサPにより測定された測定圧力を受信し、この受信した測定圧力が所定範囲内であるか否かを判定する。制御部6は、測定圧力が所定範囲外であると判定した場合に、弁開度マップに記憶されている各調圧弁の開度をそれぞれ所定開度ずつ変更して更新するとともに、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する、開度補正処理を実行する。制御部6は、測定圧力が所定範囲内に収まるまで、上記開度補正処理を繰り返し実行する。
上記所定範囲には、例えば燃料電池の出力特性が許容範囲に収まっているときの測定圧力の範囲等のように燃料電池の運転に悪影響を及ぼさない範囲を設定することができる。この所定範囲は実験等により求められる。例えば、調圧弁34のステッピングモータが、4ステップで1サイクル動作する2相励磁のステッピングモータである場合には、実際の起動時用の開度と目標開度とのずれが1ステップ分に相当する開度よりも小さいときに圧力センサPによって測定され得る圧力の範囲を、所定範囲として設定することができる。
次に、図2に示すフローチャートを用いて、第1実施形態における運転時用の調圧弁開度補正処理について説明する。この調圧弁開度補正処理は、予め設定された開始条件を満たしたときに開始される。開始条件としては、例えば、前回処理時から所定時間経過したことや、所定の運転状況に該当したこと等が該当する。
最初に、記憶回数のカウンタとして用いる変数nに初期値である1をセットする(ステップS101)。続いて、制御部6は、燃料電池2に対する要求発電量と温度センサT1により測定された燃料電池2の温度を用いて、メモリ61に記憶させているガス供給量マップとガス圧力マップから、酸化ガスの目標供給量と酸化ガスの目標圧力をそれぞれ抽出する(ステップS102)。
ここで、ガス供給量マップは、燃料電池2に対する要求発電量と、燃料電池2の温度と、酸化ガスの供給量とを対応付けて記憶するテーブルであり、ガス圧力マップは、燃料電池2に対する要求発電量と、燃料電池2の温度と、酸化ガスの圧力とを対応付けて記憶するテーブルである。なお、燃料電池2の温度を測定するセンサとして、冷却水の温度を測定する温度センサT2を用いることとしてもよい。
続いて、制御部6は、抽出した酸化ガスの目標供給量と酸化ガスの目標圧力を用いて、弁開度マップから調圧弁の開度を抽出する(ステップS103)。続いて、制御部6は、抽出した調圧弁の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する(ステップS104)。
続いて、制御部6は、圧力センサPによって測定された酸化ガスの圧力を測定圧力として受信する(ステップS105)。続いて、制御部6は、酸化ガスの測定圧力と、酸化ガスの目標圧力と、調圧弁の開度とを対応付けて一時的にメモリ61に記憶させる(ステップS106)。
続いて、制御部6は、変数nが所定回数Nに到達していないと判定した場合(ステップS107;NO)には、変数nに1を加算して(ステップS108)、処理を上述したステップS102に移行する。
一方、制御部6は、変数nが所定回数Nに到達していると判定した場合(ステップS107;YES)には、一時的に記憶させたN回分の酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差の平均値を算出し、算出した平均値が所定圧力差以上であるか否かを判定する(ステップS109)。この判定がNOの場合(ステップS109;NO)には、調圧弁開度補正処理を終了する。
一方、ステップS109の判定で、酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差の平均値が所定圧力差以上であると判定された場合(ステップS109;YES)に、制御部6は、弁開度マップに記憶されている各調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新する(ステップS110)。これ以降は、ステップS110で更新された弁開度マップを用いて調圧弁34の開度が制御される。
これにより、例えば、酸化ガスの測定圧力と目標圧力との差が、実際の調圧弁34の開度と目標開度とが1ステップ分ずれたときに生ずる酸化ガスの測定圧力と目標圧力との差以上ある場合には、弁開度マップの各調圧弁の開度を、圧力差が縮小する方向に1ステップ分ずれる開度で変更して更新させることができる。したがって、燃料電池システムの運転中であっても、調圧弁34の開度を補正して酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差を縮小させることが可能となる。
次に、図3に示すフローチャートを用いて、第1実施形態における起動時用の調圧弁開度補正処理について説明する。
最初に、制御部6は、イグニッションONを検知する(ステップS201)と、予め定められた起動時用の開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出する(ステップS202)とともに、予め定められた起動時用の供給量で作動させるための指示をコンプレッサ31に送出する(ステップS203)。続いて、制御部6は、圧力センサPによって測定された酸化ガスの圧力を測定圧力として受信する(ステップS204)。
続いて、制御部6は、受信した測定圧力が所定範囲内であるか否かを判定する(ステップS205)。この判定がNOの場合(ステップS205;NO)に、制御部6は、弁開度マップに記憶されている各調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新する(ステップS206)。
続いて、制御部6は、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する(ステップS207)。そして、処理を上述したステップS204に移行する。
一方、上述したステップS205の判定で、受信した測定圧力が所定範囲内であると判定された場合(ステップS205;YES)に、制御部6は、燃料電池システム1を起動させ(ステップS208)、起動時用の調圧弁開度補正処理を終了する。
これにより、例えば、酸化ガスの測定圧力が、実際の起動時用の開度と目標開度とが1ステップ分以上ずれたときに測定される圧力に該当する場合には、弁開度マップの各調圧弁の開度を、測定圧力が所定範囲内に収まる方向に1ステップ分ずれる開度で変更して更新させることができ、この変更・更新処理を測定圧力が所定範囲内に収まるまで繰り返すことができる。したがって、燃料電池システムの起動時においても調圧弁34の開度を補正して酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差を縮小させることが可能となる。
次に、図4に示すフローチャートを用いて、第1実施形態における停止時用の調圧弁開度補正処理について説明する。
最初に、制御部6は、イグニッションOFFを検知する(ステップS301)と、予め定められた停止時用の開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出する(ステップS302)とともに、予め定められた停止時用の供給量で作動させるための指示をコンプレッサ31に送出する(ステップS303)。続いて、制御部6は、圧力センサPによって測定された酸化ガスの圧力を測定圧力として受信する(ステップS304)。
続いて、制御部6は、受信した測定圧力が所定範囲内であるか否かを判定する(ステップS305)。この判定がNOの場合(ステップS305;NO)に、制御部6は、弁開度マップに記憶されている各調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新する(ステップS306)。
続いて、制御部6は、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する(ステップS307)。そして、処理を上述したステップS304に移行する。
一方、上述したステップS305の判定で、受信した測定圧力が所定範囲内であると判定された場合(ステップS305;YES)に、制御部6は、燃料電池システム1を停止させ(ステップS308)、停止時用の調圧弁開度補正処理を終了する。
これにより、例えば、酸化ガスの測定圧力が、実際の停止時用の開度と目標開度とが1ステップ分以上ずれたときに測定される圧力に該当する場合には、弁開度マップの各調圧弁の開度を、測定圧力が所定範囲内に収まる方向に1ステップ分ずれる開度で変更して更新させることができる。したがって、燃料電池システムの停止時においても調圧弁34の開度を補正して酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差を縮小させることが可能となる。
上述してきたように、第1実施形態における燃料電池システム1によれば、圧力センサPにより測定された燃料電池2における酸化ガスの圧力と、その目標圧力との差に応じて調圧弁34の開度を補正することができる。したがって、例えば、調圧弁の開度とシステムが認識する開度との間にずれが生じ、酸化ガスの供給量と調圧弁34の開度とによって決定される酸化ガスの圧力が目標圧力からずれた場合には、弁開度マップに記憶されている各調圧弁34の開度を、測定圧力が目標圧力に近づくように所定開度ずつ変更して更新させることができるため、これ以降は、更新された弁開度マップの開度に基づいて調圧弁を正確に作動させながら運転させることが可能となる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態について説明する。上述した第1実施形態における燃料電池システムでは、調圧弁の開度を補正する際に、弁開度マップの開度を直接変更して更新しているが、第2実施形態における燃料電池システムでは、調圧弁の開度を補正する際に、予め用意された複数の弁開度マップから補正後の開度に最も近い開度を有する一のマップを選択し、調圧弁の開度を制御するときの参照用として設定されている一の弁開度マップ(以下、「参照用の弁開度マップ」という。)を、上記選択した弁開度マップに変更する点で両者は異なる。
第2実施形態における燃料電池システムは、複数の弁開度マップが予めメモリ61に格納されている点で第1実施形態における燃料電池システムの構成と異なるが、それ以外の構成については、第1実施形態における燃料電池システムの各構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第1実施形態との相違点について説明する。
制御部6は、コンプレッサ31による酸化ガスの目標供給量および燃料電池2における酸化ガスの目標圧力に対応する調圧弁34の開度を、メモリ61に格納されている複数の弁開度マップのうちの参照用の弁開度マップから抽出する。制御部6は、抽出した調圧弁の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する。これにより、調圧弁34は、作動指示に含まれる開度で作動することになる。
ここで、制御部6が、圧力センサPにより測定された測定圧力と、燃料電池2における酸化ガスの目標圧力との差に応じて、調圧弁34の開度を補正するための調圧弁開度補正処理を実行する点については、上述した第1実施形態における制御部6と同じであるが、調圧弁開度補正処理の内容については異なる。したがって、以下に第2実施形態における調圧弁開度補正処理を実行する制御部6について詳述する。
制御部6は、調圧弁34に上記作動指示を送出した後に、圧力センサPにより測定された測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差以上であるか否かを判定する。制御部6は、測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差以上であると判定した場合に、調圧弁34の開度を所定開度変更させる。所定圧力差および所定開度については、上述した第1実施形態における所定圧力差および所定開度と同様であるため、その説明を省略する。制御部6は、測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差未満になるまで、調圧弁34の開度を所定開度変更させる処理を繰り返す。
なお、測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差以上であるか否かは、測定圧力と目標圧力との差の絶対値が所定圧力差以上であるか否かにより判定してもよいし、「測定圧力−目標圧力」または「目標圧力−測定圧力」が所定の範囲外であるか否かにより判定してもよい。この所定の範囲の下限値は、上記所定圧力差の負の値となり、所定の範囲の上限値は、上記所定圧力差の正の値となる。
制御部6は、測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差未満になったときの目標供給量と目標圧力と調圧弁の開度とを対応付けて一時的にメモリ61に記憶させる。制御部6は、この記憶の回数が所定回数に到達するまで、上述した参照用の弁開度マップに基づいて作動指示を調圧弁34に送出し、測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差以上であるか否かを判定する処理を繰り返す。所定回数については、上述した第1実施形態における所定回数と同様であるため、その説明を省略する。
制御部6は、記憶の回数が所定回数に到達したときに、一時的にメモリ61に対応させて記憶させた目標供給量および目標圧力に対応する調圧弁の開度を、各弁開度マップからそれぞれ抽出する。制御部6は、抽出した調圧弁の開度の中から、抽出に用いた目標供給量および目標圧力に対応させて一時的に記憶させた調圧弁の開度に最も近い調圧弁の開度を選択する。制御部6は、選択した調圧弁の開度に対応する弁開度マップを参照用の弁開度マップとして設定する。
制御部6は、システム起動時またはシステム停止時に、予め定められた規定開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出するとともに、予め定められた規定流量で作動させるための指示をコンプレッサ31に送出する。その後、制御部6は、圧力センサPにより測定された測定圧力を受信し、この受信した測定圧力が所定範囲内であるか否かを判定する。制御部6は、測定圧力が所定範囲外であると判定した場合に、各弁開度マップに記憶されている規定流量および予め定められた規定圧力に対応する調圧弁の開度の中から、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度に最も近い調圧弁の開度を選択し、選択した調圧弁の開度に対応する弁開度マップを参照用の弁開度マップとして設定するとともに、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出する、開度補正処理を実行する。制御部6は、測定圧力が所定範囲内に収まるまで、上記開度補正処理を繰り返し実行する。所定範囲については、上述した第1実施形態における所定範囲と同様であるため、その説明を省略する。
次に、図5に示すフローチャートを用いて、第2実施形態における運転時用の調圧弁開度補正処理について説明する。この調圧弁開度補正処理は、予め設定された開始条件を満たしたときに開始される。開始条件としては、例えば、前回処理時から所定時間経過したことや、所定の運転状況に該当したこと等が該当する。
最初に、記憶回数のカウンタとして用いる変数nに初期値である1をセットする(ステップS401)。続いて、制御部6は、燃料電池2に対する要求発電量と温度センサT1により測定された燃料電池2の温度を用いて、メモリ61に記憶させているガス供給量マップとガス圧力マップから、酸化ガスの目標供給量と酸化ガスの目標圧力をそれぞれ抽出する(ステップS402)。
続いて、制御部6は、抽出した酸化ガスの目標供給量と酸化ガスの目標圧力を用いて、参照用の弁開度マップから調圧弁の開度を抽出する(ステップS403)。続いて、制御部6は、抽出した開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する(ステップS404)。続いて、制御部6は、圧力センサPによって測定された酸化ガスの圧力を測定圧力として受信する(ステップS405)。
続いて、制御部6は、酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差が所定圧力差以上であるか否かを判定する(ステップS406)。この判定がYESの場合(ステップS406;YES)に、制御部6は、調圧弁の開度を所定開度変更させるための指示を調圧弁34に送出し(ステップS407)、処理を上述したステップS405に移行する。
一方、上記ステップS406の判定で、測定圧力と目標圧力との差が所定圧力差未満であると判定された場合(ステップS406;NO)に、制御部6は、酸化ガスの目標供給量と、酸化ガスの目標圧力と、調圧弁の開度と、測定圧力とを対応付けて一時的に記憶させる(ステップS408)。
続いて、制御部6は、変数nが所定回数Nに到達していないと判定した場合(ステップS409;NO)には、変数nに1を加算して(ステップS410)、処理を上述したステップS402に移行する。
一方、制御部6は、変数nが所定回数Nに到達していると判定した場合(ステップS409;YES)には、一時的に記憶させたN回分の酸化ガスの目標供給量と酸化ガスの目標圧力を用いて、複数の弁開度マップからそれぞれN個の調圧弁の開度を抽出する(ステップS411)。
続いて、制御部6は、一時的に記憶させたN回分の調圧弁の開度と、上記ステップS411で抽出した各調圧弁の開度とを比較して、N回分の調圧弁の開度に最も近いN個の調圧弁の開度を抽出した弁開度マップを選択する(ステップS412)。
続いて、制御部6は、選択した弁開度マップを、参照用の弁開度マップとして設定する(ステップS413)。これ以降は、ステップS413で設定された参照用のマップを用いて開度が制御される。
これにより、例えば、酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差が、実際の調圧弁34の開度と目標開度とが1ステップ分ずれているときに生ずる酸化ガスの測定圧力と目標圧力との差以上ある場合には、調圧弁34の開度を制御するときに参照する一の弁開度マップを、圧力差が縮小する方向に1ステップ分ずれる開度が設定されている弁開度マップに変更することができる。したがって、燃料電池システムの運転中であっても、調圧弁34の開度を補正して酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差を縮小させることが可能となる。
次に、図6に示すフローチャートを用いて、第2実施形態における起動時用の調圧弁開度補正処理について説明する。
最初に、制御部6は、イグニッションONを検知する(ステップS501)と、予め定められた起動時用の開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出する(ステップS502)とともに、予め定められた起動時用の供給量で作動させるための指示をコンプレッサ31に送出する(ステップS503)。続いて、制御部6は、圧力センサPによって測定された酸化ガスの圧力を測定圧力として受信する(ステップS504)。
続いて、制御部6は、受信した測定圧力が所定範囲内であるか否かを判定する(ステップS505)。この判定がNOの場合(ステップS505;NO)に、制御部6は、各弁開度マップに記憶されている起動時用の流量および予め定められた起動時用の圧力に対応する調圧弁の開度のうち、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度に最も近い調圧弁の開度を選択し、この選択した調圧弁の開度に対応する弁開度マップを参照用の弁開度マップとして設定する(ステップS506)。
続いて、制御部6は、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する(ステップS507)。そして、処理を上述したステップS504に移行する。
一方、上述したステップS505の判定で受信した測定圧力が所定範囲内であると判定された場合(ステップS505;YES)に、制御部6は、燃料電池システム1を起動させ(ステップS508)、起動時用の調圧弁開度補正処理を終了する。
これにより、例えば、酸化ガスの測定圧力が、実際の起動時用の開度と目標開度とが1ステップ分以上ずれているときに測定される圧力に該当する場合には、調圧弁34の開度を制御するときに参照する一の弁開度マップを、測定圧力が所定範囲内に収まる方向に1ステップ分ずれる開度が設定されている弁開度マップに変更することができ、この変更処理を測定圧力が所定範囲内に収まるまで繰り返すことができる。したがって、燃料電池システムの起動時においても調圧弁34の開度を補正して酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差を縮小させることが可能となる。
次に、図7に示すフローチャートを用いて、第2実施形態における停止時用の調圧弁開度補正処理について説明する。
最初に、制御部6は、イグニッションOFFを検知する(ステップS601)と、予め定められた停止時用の開度で作動させるための指示を調圧弁34に送出する(ステップS602)とともに、予め定められた停止時用の供給量で作動させるための指示をコンプレッサ31に送出する(ステップS603)。続いて、制御部6は、圧力センサPによって測定された酸化ガスの圧力を測定圧力として受信する(ステップS604)。
続いて、制御部6は、受信した測定圧力が所定範囲内であるか否かを判定する(ステップS605)。この判定がNOの場合(ステップS605;NO)に、制御部6は、各弁開度マップに記憶されている停止時用の流量および予め定められた停止時用の圧力に対応する調圧弁の開度のうち、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度に最も近い調圧弁の開度を選択し、この選択した調圧弁の開度に対応する弁開度マップを参照用の弁開度マップとして設定する(ステップS606)。
続いて、制御部6は、現時点の調圧弁34の開度を所定開度変更させた後の開度で作動させるための作動指示を調圧弁34に送出する(ステップS607)。そして、処理を上述したステップS604に移行する。
一方、上述したステップS605の判定で受信した測定圧力が所定範囲内であると判定された場合(ステップS605;YES)に、制御部6は、燃料電池システム1を停止させ(ステップS608)、停止時用の調圧弁開度補正処理を終了する。
これにより、例えば、酸化ガスの測定圧力が、実際の停止時用の開度と目標開度とが1ステップ分以上ずれているときに測定される圧力に該当する場合には、調圧弁34の開度を制御するときに参照する一の弁開度マップを、測定圧力が所定範囲内に収まる方向に1ステップ分ずれる開度が設定されている弁開度マップに変更することができ、この変更処理を測定圧力が所定範囲内に収まるまで繰り返すことができる。したがって、燃料電池システムの停止時においても調圧弁の開度を補正して酸化ガスの測定圧力と酸化ガスの目標圧力との差を縮小させることが可能となる。
上述してきたように、第2実施形態における燃料電池システム1によれば、圧力センサPにより測定された燃料電池2における酸化ガスの圧力と、その目標圧力との差に応じて調圧弁34の開度を補正することができる。したがって、例えば、調圧弁34の開度とシステムが認識する開度との間にずれが生じ、酸化ガスの供給量と調圧弁34の開度とによって決定される酸化ガスの圧力が目標圧力からずれた場合には、測定圧力が目標圧力に近づくように調圧弁34の開度を所定開度変更させ、この変更後の調圧弁34の開度に対応する弁開度マップを参照用の弁開度マップとして設定することができるため、以降は、新たに設定された弁開度マップの開度に基づいて調圧弁34を正確に作動させながら運転させることが可能となる。
なお、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 第1実施形態における運転時用の調圧弁開度補正処理を説明するためのフローチャートである。 第1実施形態における起動時用の調圧弁開度補正処理を説明するためのフローチャートである。 第1実施形態における停止時用の調圧弁開度補正処理を説明するためのフローチャートである。 第2実施形態における運転時用の調圧弁開度補正処理を説明するためのフローチャートである。 第2実施形態における起動時用の調圧弁開度補正処理を説明するためのフローチャートである。 第2実施形態における停止時用の調圧弁開度補正処理を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…酸化ガス配管系、4…水素ガス配管系、5…冷却系、6…制御部、31…コンプレッサ、32…空気供給流路、33…空気排出流路、34…調圧弁、61…メモリ、P…圧力センサ、T1,T2…温度センサ。

Claims (9)

  1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
    前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
    前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
    前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、
    前記酸化オフガス排出流路に設けられ、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力を調整するための調圧弁と、
    前記調圧弁よりも前記酸化オフガス排出流路の上流側に設けられ、前記燃料電池と前記調圧弁との間における前記酸化ガスの圧力を測定する圧力センサと、
    前記コンプレッサによる前記酸化ガスの供給量、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力、および前記調圧弁の開度を対応付けて記憶するテーブルを格納する記憶部と、
    前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給量および前記燃料電池における前記酸化ガスの目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、前記テーブルから抽出し、抽出した開度で作動させるための作動指示を前記調圧弁に送出する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差に応じて前記調圧弁の開度を補正し、
    前記制御手段は、前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差以上である場合に、前記テーブルに記憶されている各前記調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新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、前記調圧弁に前記作動指示を送出するたびに、送出後における前記測定圧力、送出時の前記目標圧力および前記調圧弁の開度を対応付けて一時的に記憶させ、当該記憶の回数が所定回数に到達したときに、一時的に記憶させた前記測定圧力および当該測定圧力に対応して一時的に記憶させた前記目標圧力との差の平均値を算出し、算出した平均値が所定圧力差以上である場合に、前記テーブルに記憶されている各前記調圧弁の開度を、それぞれ所定開度ずつ変更して更新することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御手段は、システム起動時またはシステム停止時に、予め定められた規定開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出し、かつ、予め定められた規定供給量で作動させるための指示を前記コンプレッサに送出した後に、前記圧力センサにより測定された測定圧力を受信し、受信した測定圧力が所定範囲外である場合に、前記テーブルに記憶されている各前記調圧弁の開度をそれぞれ所定開度ずつ変更して更新するとともに、現時点の前記調圧弁の開度を前記所定開度変更させた後の開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出する、開度補正処理を実行することを特徴とする請求項または記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、前記測定圧力が所定範囲内に収まるまで、前記開度補正処理を繰り返し実行することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。
  5. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
    前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
    前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
    前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、
    前記酸化オフガス排出流路に設けられ、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力を調整するための調圧弁と、
    前記調圧弁よりも前記酸化オフガス排出流路の上流側に設けられ、前記燃料電池と前記調圧弁との間における前記酸化ガスの圧力を測定する圧力センサと、
    前記コンプレッサによる前記酸化ガスの供給量、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力、および前記調圧弁の開度を対応付けて記憶するテーブルを格納する記憶部と、
    前記コンプレッサによる前記酸化ガスの目標供給量および前記燃料電池における前記酸化ガスの目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、前記テーブルから抽出し、抽出した開度で作動させるための作動指示を前記調圧弁に送出する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差に応じて前記調圧弁の開度を補正し、
    前記記憶部は、前記テーブルを複数格納し、
    前記制御手段は、
    前記目標供給量および前記目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、複数の前記テーブルのうち、前記調圧弁の開度を制御するときの参照用に設定されている一の前記テーブルから抽出し、抽出した開度で作動するように前記調圧弁に指示を送出し、
    前記圧力センサにより測定された測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差以上である場合に、前記調圧弁の開度を、所定開度変更させ、その後、前記目標供給量および前記目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を各前記テーブルからそれぞれ抽出し、抽出した開度の中から前記変更後の前記調圧弁の開度に最も近い開度を選択し、選択した開度に対応する前記テーブルを前記参照用のテーブルとして設定することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、前記測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差未満になるまで、前記調圧弁の開度の変更を繰り返すことを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、前記調圧弁に指示を送出するたびに、その後、前記測定圧力と前記目標圧力との差が所定圧力差未満になったときの前記目標供給量、前記目標圧力および前記調圧弁の開度を対応付けて一時的に記憶させ、当該記憶の回数が所定回数に到達したときに、一時的に記憶させた前記目標供給量および当該目標供給量に対応して一時的に記憶させた前記目標圧力に対応する前記調圧弁の開度を、各前記テーブルからそれぞれ抽出し、抽出した前記調圧弁の開度の中から、抽出に用いた前記目標供給量および前記目標圧力に対応させて一時的に記憶させた前記調圧弁の開度に最も近い前記調圧弁の開度を選択し、選択した前記調圧弁の開度に対応する前記テーブルを前記参照用のテーブルとして設定することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御手段は、システム起動時またはシステム停止時に、予め定められた規定開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出し、かつ、予め定められた規定供給量で作動させるための指示を前記コンプレッサに送出した後に、前記圧力センサにより測定された測定圧力を受信し、受信した測定圧力が所定範囲外である場合に、各前記テーブルに記憶されている前記規定流量および予め定められた規定圧力に対応する前記調圧弁の開度の中から前記調圧弁の開度を所定開度変更させた後の開度に最も近い前記調圧弁の開度を選択し、選択した前記調圧弁の開度に対応する前記テーブルを前記参照用のテーブルとして設定するとともに、現時点の前記調圧弁の開度を前記所定開度変更させた後の開度で作動させるための指示を前記調圧弁に送出する、開度補正処理を実行することを特徴とする請求項のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御手段は、前記測定圧力が所定範囲内に収まるまで、前記開度補正処理を繰り返し実行することを特徴とする請求項記載の燃料電池システム。
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