JP6137329B2 - 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。
従来の燃料電池システムとして、コンプレッサから吐出された発電に不要な余剰のカソードガスの一部を、バイパス通路に設けたバイパス弁の開度を制御することで燃料電池をバイパスさせてカソードガス排出通路に排出するカソードガスバイパス式のカソードガス供給系を備えるものがある（ＪＰ２００９−１２３５５０Ａ参照）。
現在開発中のカソードガスバイパス式のカソードガス供給系を備える燃料電池システムでは、燃料電池の要求から定まるカソードガスの目標流量と、燃料電池システムの要求から定まるカソードガスの下限流量と、の大きい方をコンプレッサの目標供給流量として設定している。そして、コンプレッサの供給流量を検出するセンサの検出値が目標供給流量となるようにコンプレッサを制御している。
ここで、下限流量がコンプレッサの目標供給流量として設定されたときは、燃料電池が要求する目標流量以上のカソードガスがコンプレッサから供給されることになる。そこで、燃料電池にとって不要な余剰のカソードガスをバイパス通路に流すために、燃料電池側に別途に設けたセンサで燃料電池に供給されるカソードガスの供給流量を検出し、このセンサの検出値が目標流量となるように、バイパス弁の開度を制御している。
そのため、これらのセンサに万一異常が生じると、上記のコンプレッサ及びバイパス弁の制御を目標通りに実施できなくなるので、これらのセンサの検出値の整合を図って異常を検知する必要がある。
しかしながら、コンプレッサの供給流量を検出するセンサ、及び、燃料電池に供給されるカソードガスの供給流量を検出するセンサは、それぞれバイパス前のコンプレッサ側の通路とバイパス後の燃料電池側の通路に備えられているため、バイパス弁が開いた状態ではこれらのセンサの検出値が異なるものになる。そのため、バイパス弁が開いた状態では整合を図ることができず、異常を検知することができないという問題点があった。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、カソードガスバイパス式のカソードガス供給系を備える燃料電池システムにおいて、コンプレッサの供給流量を検出するセンサ、及び、燃料電池に供給されるカソードガスの供給流量を検出するセンサの整合をとって異常を検知することを目的とする。
本発明のある態様によれば、カソードガス供給通路に設けられたコンプレッサから吐出されるカソードガスの一部を、バイパス通路を介して燃料電池をバイパスさせるカソードガスバイパス式のカソードガス供給系を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、バイパス通路との接続部よりも上流のカソードガス供給通路に設けられ、コンプレッサが供給するカソードガスの流量を検出する第１流量センサと、バイパス通路との接続部よりも下流のカソードガス供給通路に設けられ、燃料電池に供給されるカソードガスの流量を検出する第２流量センサと、バイパス通路に設けられ、バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するバイパス弁と、を備える。そして、燃料電池システムは、運転状態に応じてバイパス弁を開閉制御し、バイパス弁が全閉のときの第１流量センサ及び第２流量センサの検出値に基づいて、両センサの検出値の不整合を検知する。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるカソードコンプレッサ及びバイパス弁の制御ブロック図である。 図３は、目標バイパス弁開度算出部の詳細について説明するフローチャートである。 図４は、バイパス弁全閉判定処理の内容について説明するフローチャートである。 図５は、希釈要求コンプレッサ供給流量算出部の詳細について説明するフローチャートである。 図６は、フェールセーフ制御について説明するフローチャートである。 図７は、本実施形態による湿潤度制御要求スタック供給流量算出部の詳細について説明するフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
燃料電池セルは電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池セルは１ボルト程度の起電力を生じる。
燃料電池セルを自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池としての燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガス（空気）を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、コンプレッサとしてのカソードコンプレッサ２４と、インタークーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、カソード調圧弁２７と、バイパス通路２８と、バイパス弁２９と、第１流量センサとしての第１エアフローセンサ４１と、第２流量センサとしての第２エアフローセンサ４２と、カソード圧力センサ４３と、温度センサ４４と、を備える。
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。
ＷＲＤ２６は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
カソード調圧弁２７は、ＷＲＤ２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２７は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁２７を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。
バイパス通路２８は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２２に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２８は、一端がカソードコンプレッサ２４とインタークーラ２５との間のカソードガス供給通路２１に接続され、他端がカソード調圧弁２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。
バイパス弁２９は、バイパス通路２８に設けられる。バイパス弁２９は、コントローラ４によって開閉制御されて、バイパス通路２８を流れるカソードガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を調節する。
第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４に供給されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ供給流量」という。）を検出する。以下では、この第１エアフローセンサ４１の検出値を「検出コンプレッサ供給流量」という。
第２エアフローセンサ４２は、バイパス通路２８との接続部より下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。第２エアフローセンサ４２は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。スタック供給流量は、コンプレッサ供給流量からバイパス流量を引いた流量である。以下では、この第２エアフローセンサ４２の検出値を「検出スタック供給流量」という。
カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側近傍のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側近傍のカソードガスの圧力を検出する。以下では、このカソード圧力センサ４３の検出値を「検出カソード圧力」という。
温度センサ４４は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ４４は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、アノード圧力センサ４５と、を備える。
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガス（水素）を高圧状態に保って貯蔵する。高圧タンク３１の供給口には、システム停止時等にアノードガスの供給を停止するための遮断弁３１１が設けられる。
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１の供給口に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３４は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスが含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。所定濃度は、水素の可燃濃度となる４％以下の値に設定される。
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ４によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を調節する。
アノード圧力センサ４５は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。以下では、このアノード圧力センサ４５の検出値を「検出アノード圧力」という。
コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。本実施の形態において、コントローラ４は、パイパス弁制御手段、不整合診断手段、コンプレッサ制御手段、目標カソードガス流量算出手段、下限流量算出手段、目標湿潤度算出手段、及び目標湿潤度補正手段として機能する。
コントローラ４には、前述した第１エアフローセンサ４１等の他にも、燃料電池スタック１から取り出される電流（出力電流）を検出する電流センサ４６や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ４７、アクセルペダルの踏込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４８、図示しないバッテリの充電量を検出するＳＯＣセンサ４９などの各種センサからの信号が入力される。
コントローラ４は、車両駆動用の走行モータ（図示せず）の要求電力やカソードコンプレッサ２４等の補機の要求電力、バッテリ（図示せず）の充放電要求に基づいて目標出力電力を算出する。そして、目標出力電力に基づいて、予め定められた燃料電池スタック１のＩＶ特性から目標出力電流を算出する。
またコントローラ４は、スタック要求及び希釈要求を同時に満足するように、カソードコンプレッサ２２及びバイパス弁２９をフィードバック制御する。ここでいうスタック要求は、目標出力電力を発電するにあたって、酸素分圧の確保や電解質膜の湿潤状態等を考慮し、最適な状態で燃料電池スタック１を発電させるという要求である。希釈要求は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガス中の水素濃度を所定濃度以下にするという要求である。
つまりコントローラ４は、スタック要求を満足させるために必要なコンプレッサ供給流量（以下「スタック要求コンプレッサ供給流量」という。）、及び、希釈要求を満足させるために必要なコンプレッサ供給流量（以下「希釈要求コンプレッサ供給流量」という。）のうち、大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定し、検出コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４をフィードバック制御する。
そして、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されたときは、スタック要求コンプレッサ供給流量以上のカソードガスをカソードコンプレッサ２４によって供給しなければならなくなる。そのため、発電に不要な余剰なカソードガスが燃料電池スタック１に供給されることになる。
そこでコントローラ４は、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されたときは、発電に不要な余剰なカソードガスがバイパス通路２８へ流れるようにバイパス弁２９を制御する。具体的には、コントローラ４は、検出スタック供給流量が、スタック要求を満足させるために必要なスタック供給流量（以下「目標スタック供給流量」という。）となるようにバイパス弁２９を制御する。
このように、本実施形態では、カソードコンプレッサ２４の制御に第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）を使用し、バイパス弁２９の制御に第２エアフローセンサ４２の検出値（検出スタック供給流量）を使用している。
したがって、これらのセンサ４１，４２に万一異常が生じると、カソードコンプレッサ２４及びバイパス弁２９の制御を目標通りに実施できなくなる。特に第１エアフローセンサ４１の検出値が正常時よりも高い値を示すような異常が生じたときは、コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量よりも少なくなってしまう。そのため、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されていた場合は、希釈要求を十分に満足できなくなるおそれがある。したがって、カソードガス供給通路２１に設けられたこれら２つのセンサ４１，４２の検出値の不整合を検知する不整合診断を実施したい。
しかしながら、第１エアフローセンサ４１は、バイパス通路２８との接続部よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられ、第２エアフローセンサ４２は、バイパス通路２８との接続部よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられている。そのため、バイパス弁２９が開いた状態では、これら２つのセンサ４１，４２の検出値が異なる値となるので、これらのセンサ４１，４２の検出値の整合をとることができず、不整合診断を実施することができない。
そこで本実施形態では、バイパス弁２９が閉じられた状態のときにこれらのセンサ４１，４２の検出値の整合をとって不整合診断を実施すると共に、必要に応じてバイパス弁２９を強制的に閉じて不整合診断を実施する。そして、これら２つのセンサ４１，４２に不整合が生じていた場合でも希釈要求が守れるように燃料電池システム１００を制御する。以下、この不整合診断を含む燃料電池システム１００の制御について説明する。
図２は、本実施形態によるカソードコンプレッサ２４及びバイパス弁２９の制御ブロック図である。
酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部１０１には、目標出力電流が入力される。酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部１０１は、目標出力電流に基づいて、酸素分圧確保要求スタック供給流量を算出する。この酸素分圧確保要求スタック供給流量は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量の目標値である。酸素分圧確保要求スタック供給流量は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが多くなる。
湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２には、例えば交流インピーダンス法によって算出された燃料電池スタック１のインピーダンス（ＨＦＲ）と、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて算出される目標インピーダンスと、が入力される。燃料電池スタック１のインピーダンスは、電解質膜の湿潤度と相関関係にあり、インピーダンスが小さいときほど電解質膜の湿潤度（含水率）が高い状態となる。湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのスタック供給流量の目標値を、湿潤度制御要求スタック供給流量として算出する。この湿潤度制御要求スタック供給流量は、換言すれば、電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なスタック供給流量である。
目標スタック供給流量設定部１０３には、酸素分圧確保要求スタック供給流量と、湿潤度制御要求スタック供給流量と、が入力される。目標スタック供給流量設定部１０３は、これらの２つのうち、大きい方を目標スタック供給流量として設定する。
目標バイパス弁開度算出部１０４には、検出スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、が入力される。目標バイパス弁開度算出部１０４は、これらの入力値に基づいて、目標バイパス弁開度を算出する。目標バイパス弁開度算出部１０４の詳細については、図３及び図４のフローチャートを参照して後述する。
バイパス弁制御部１０５には、目標バイパス弁開度が入力される。バイパス弁制御部１０５は、バイパス弁２９の開度を目標バイパス弁開度に制御する。
スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０６には、検出スタック供給流量及び目標スタック供給流量が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０６は、検出スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、検出スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのコンプレッサ供給流量の目標値を、スタック要求コンプレッサ供給流量として算出する。このスタック要求コンプレッサ供給流量は、酸素分圧確保要求や湿潤度制御要求などの燃料電池スタック１の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量である。
希釈要求コンプレッサ供給流量算出部１０７には、目標出力電流、検出コンプレッサ供給流量及び検出スタック供給流量が入力される。希釈要求コンプレッサ供給流量算出部１０７は、これらの入力値に基づいて、希釈要求コンプレッサ供給流量を算出する。この希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池スタック１の要求ではなく、排出ガス中の水素濃度を所定濃度以下にするという燃料電池システム１００の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量である。希釈要求コンプレッサ供給流量算出部１０７の詳細については、図５のフローチャートを参照して後述する。
目標コンプレッサ供給流量設定部１０８には、スタック要求コンプレッサ供給流量と、希釈要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量設定部１０８は、これら２つの入力値のうち、大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定する。
カソードコンプレッサ制御部１０９には、コンプレッサ供給流量と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部１０９は、コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量との偏差に基づいてカソードコンプレッサ２４に対するトルク指令値を算出し、このトルク指令値に応じてカソードコンプレッサ２４を制御する。
図３は、目標バイパス弁開度算出部１０４の詳細について説明するフローチャートである。
ステップＳ１において、コントローラ４は、検出スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、検出スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのバイパス弁２９の開度を、制御目標バイパス弁開度として算出する。
なお、目標コンプレッサ供給流量算出部１０８において、スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として算出されているときは、バイパス弁２９が全閉の状態で検出スタック供給流量と目標スタック供給流量が一致するので、制御目標バイパス弁開度はゼロ（全閉）となる。
一方で、目標コンプレッサ供給流量算出部１０８において、希釈要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として算出されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量よりも多いカソードガスをカソードコンプレッサ２４によって供給する必要がある。そのため、バイパス弁２９が全閉の状態では検出スタック供給流量と目標スタック供給流量が一致しなくなり、制御目標バイパス弁開度はゼロよりも大きい値となる。これにより、バイパス弁２９が開かれて、燃料電池スタック１にとって不要な流量分（＝希釈要求コンプレッサ供給流量−スタック要求コンプレッサ供給流量）がバイパス通路２８に流されることになる。
このように、制御目標バイパス弁開度は、検出スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に応じてゼロから全開値までの全ての値を取り得る。
ステップＳ２において、コントローラ４は、バイパス弁２９が開かれている状態が第１所定時間継続されたか否かを判定する。具体的には、コントローラ４は、バイパス弁開弁時間Ｔｏｐが第１所定時間よりも大きくなったか否かを判定する。コントローラ４は、バイパス弁開弁時間Ｔｏｐが第１所定時間よりも大きければステップＳ３の処理を行い、第１所定時間以下であればステップＳ４の処理を行う。
ステップＳ３において、コントローラ４は、バイパス弁２９を強制的に全閉にして、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値の整合をとるために、目標バイパス弁開度をゼロ（全閉）とする。
ステップＳ４において、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値の整合をとる必要がまだないと判断して、目標バイパス弁開度を制御目標バイパス弁開度とする。
ステップＳ５において、コントローラ４は、バイパス弁全閉判定処理を実施する。バイパス弁全閉判定処理は、バイパス弁２９の制御遅れを考慮し、バイパス弁２９が完全に全閉状態になっているかを判定するための処理である。バイパス弁全閉判定処理の詳細については、図４のフローチャートを参照して後述する。
ステップＳ６において、コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓがＯＮに設定されているか否かを判定する。バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓは、バイパス弁２９が完全に全閉状態になっていると判定されたときにＯＮに設定されるフラグである。コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓがＯＮに設定されていればステップＳ７の処理を行い、ＯＦＦに設定されていればステップＳ８の処理を行う。
ステップＳ７において、コントローラ４は、バイパス弁開弁時間Ｔｏｐをゼロにする。
ステップＳ８において、コントローラ４は、バイパス弁開弁時間Ｔｏｐの前回値に、コントローラ４の演算周期Ｔｓｍｐを足したものをバイパス弁開弁時間Ｔｏｐとする。
図４は、バイパス弁全閉判定処理の内容について説明するフローチャートである。
ステップＳ５１において、コントローラ４は、目標バイパス弁開度がゼロか否かを判定する。コントローラ４は、目標バイパス弁開度がゼロであればステップＳ５２の処理を行い、そうでなければステップＳ５６の処理を行う。
ステップＳ５２において、コントローラ４は、バイパス弁閉弁時間Ｔｃｌｓが第２所定時間より大きいか否かを判定する。第２所定時間は、バイパス弁２９の応答遅れを考慮して設定される所定値である。コントローラ４は、バイパス弁閉弁時間Ｔｃｌｓが第２所定時間よりも大きければステップＳ５３の処理を行い、第２所定時間以下であればステップＳ５４の処理を行う。
ステップＳ５３において、コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓをＯＮに設定する。このように、目標バイパス弁開度がゼロに設定されてから第２所定時間経過した後に、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓをＯＮにすることで、バイパス弁２９が完全に全閉状態になる前に不整合診断が実施されるのを防止している。
ステップＳ５４において、コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓをＯＦＦに設定する。
ステップＳ５５において、コントローラ４は、バイパス弁閉弁時間Ｔｃｌｓの前回値に演算周期Ｔｓｍｐを足したものをバイパス弁閉弁時間Ｔｃｌｓとする。
ステップＳ５６において、コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓをＯＦＦに設定する。
ステップＳ５７において、コントローラ４は、バイパス弁閉弁時間Ｔｃｌｓをゼロに戻す。
図５は、希釈要求コンプレッサ供給流量算出部１０７の詳細について説明するフローチャートである。
ステップＳ１１において、コントローラ４は、目標出力電流に基づいて、基本希釈要求コンプレッサ供給流量を算出する。基本希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、所定濃度以下にするために必要なコンプレッサ供給流量である。本実施形態では、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが基本希釈要求コンプレッサ供給流量を多くしているが、目標出力電流にかかわらず一定値としても構わない。
ステップＳ１２において、コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓを読み込み、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓがＯＮであればステップＳ１３の処理を行い、ＯＦＦであればステップＳ１７の処理を行う。
ステップＳ１３において、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値の不整合診断を実施する。具体的には、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２のそれぞれの検出値から所定誤差を引いた真値の偏差の絶対値が、予め想定される真値の偏差の最大値（以下「想定最大値」という。）よりも大きくなったか否かを判定する。コントローラ４は、真値の偏差の絶対値が想定最大値よりも大きければステップＳ１４の処理を行い、想定最大値以下であればステップＳ１６の処理を行う。
ステップＳ１４において、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値に想定以上の不整合が生じているとして警告灯の表示を行う。
ステップＳ１５において、コントローラ４は、基本希釈要求コンプレッサ供給流量の補正値を算出する。具体的には、コントローラ４は、以下の（３）式に示すように、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）から第２エアフローセンサ４２の検出値（検出スタック供給流量）を引いた値と、ゼロと、の大きい方を補正値として算出する。
補正値＝ＭＡＸ（（検出コンプレッサ供給流量−検出スタック供給流量），０）…（３）
ステップＳ１６において、コントローラ４は、補正値をゼロに戻す。
ステップＳ１７において、コントローラ４は、補正値の前回値をそのまま今回の補正値とする。
ステップＳ１８において、コントローラ４は、基本希釈要求コンプレッサ供給流量に補正値を足して、希釈要求コンプレッサ供給流量を算出する。
以下、このように基本希釈要求コンプレッサ供給流量に補正値を足したものを希釈要求コンプレッサ供給流量としている理由について説明する。
バイパス弁２９を全閉にしているにもかかわらず、検出スタック供給流量が検出スタック供給流量よりも大きい値を示したときは、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２のいずれかのセンサに異常が生じている可能性がある。
このとき、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）の方が正しい値であると仮定して、例えば基本希釈要求コンプレッサ供給流量を目標コンプレッサ供給流量に設定し、検出コンプレッサ供給流量が基本希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４をフィードバック制御すると、以下のような問題が生じる。
すなわち、第２エアフローセンサ４２の検出値（検出スタック供給流量）の方が正しい値であった場合には、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）は実際よりも高い値を示していることになる。そうすると、検出コンプレッサ供給流量が基本希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサを制御してしまうと、実際のコンプレッサ供給流量が基本希釈要求コンプレッサ供給流量よりも少なくなってしまい、希釈要求を十分に満足できなくなる。
そこで本実施形態では、第２エアフローセンサ４２の検出値（検出スタック供給流量）の方が正しい値であると仮定して、検出コンプレッサ供給流量が検出スタック供給流量よりも大きい値を示しているときは、その偏差分を補正値として基本希釈要求コンプレッサ供給流量に上乗せしたものを希釈要求コンプレッサ供給流量としたのである。
これにより、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）が実際よりも高い値を示していたとしても、高くなっている分が補正値として上乗せされたものが希釈要求コンプレッサ供給流量となっているので、検出コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４をフィードバック制御すれば、希釈要求を満足させることができる。
また、仮に第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）の方が正しい値であったとしても、検出コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４をフィードバック制御しておけば、コンプレッサ供給流量は必ず基本希釈要求コンプレッサ供給流量よりも多くなるので、希釈要求を満足させることができる。
次に、図６を参照して上記の制御と並行して行われているフェールセーフ制御について説明する。このフェール制御は、希釈空気が不足しているか否かを診断し、不足していると診断した場合には、アノードガスの供給を停止する制御である。
図６は、フェールセーフ制御について説明するフローチャートである。
ステップＳ３１において、コントローラ４は、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓを読み込み、バイパス弁全閉フラグＦｃｌｓがＯＮであればステップＳ３２の処理を行い、ＯＦＦであればステップＳ３３の処理を行う。
ステップＳ３２において、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）の補正値を算出する。具体的には、コントローラ４は、前述した（３）式に基づいて、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）から第２エアフローセンサ４２の検出値（検出スタック供給流量）を引いた値と、ゼロと、の大きい方を補正値として算出する。
ステップＳ３３において、コントローラ４は、補正値の前回値をそのまま今回の補正値とする。
ステップＳ３４において、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）から補正値を引いた値を、補正検出コンプレッサ供給流量として算出する。
ステップＳ３５において、コントローラ４は、補正検出コンプレッサ供給流量が所定の診断閾値よりも小さいか否かを判定する。診断閾値は、コンプレッサ供給流量がこの診断閾値を下回ると、排出ガス中の水素濃度が所定濃度又は可燃濃度よりも高くなる値に設定される。診断閾値としては、例えば基本希釈要求コンプレッサ供給流量を用いることができる。コントローラ４は、補正検出コンプレッサ供給流量が診断閾値未満であればステップＳ３６の処理を行い、診断閾値以上であればステップＳ３７の処理を行う。
ステップＳ３６において、コントローラ４は、希釈空気不足診断時間Ｔｄｉａｇの前回値に演算周期Ｔｓｍｐを足したものを希釈空気不足診断時間Ｔｄｉａｇとする。
ステップＳ３７において、コントローラ４は、希釈空気不足診断時間Ｔｄｉａｇをゼロに戻す。
ステップＳ３８において、コントローラ４は、希釈空気不足診断時間Ｔｄｉａｇが第３所定時間よりも大きければステップＳ３９の処理を行い、そうでなければ今回の処理を終了する。
ステップＳ３９において、コントローラ４は、希釈要求を満足するための十分なカソードガスが供給できてない（希釈空気量不足）と判断し、フェールセーフとして遮断弁３１１及びパージ弁３４を全閉にする。
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、カソードガス供給通路２１に設けられたカソードコンプレッサ２４から吐出されるカソードガスの一部を燃料電池スタック１に供給せずに、バイパス通路２８を介してバイパスさせることができるカソードガスバイパス式のカソードガス供給系を備える。
この燃料電池システム１００は、バイパス通路２８との接続部よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられた第１エアフローセンサ４１によって、カソードコンプレッサ２４が供給するカソードガスの流量を検出する。また、バイパス通路２８との接続部よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられた第２エアフローセンサ４２によって、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。さらに、バイパス通路２８に設けられたバイパス弁２９によって、バイパス通路２８を流れるカソードガスの流量を調節する。
そして、このように構成された燃料電池システム１００において、コントローラ４は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてバイパス弁２９を開閉制御し、バイパス弁２９が全閉のときの第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値に基づいて、これらのセンサ４１，４２の不整合を検知することとした。
この構成によれば、バイパス弁２９が全閉のときには第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値がそれぞれ略同一となるので、本実施形態のようにこれらのセンサ４１，４２の検出値の整合をとることで、これらのセンサ４１，４２の異常を検知することができる。
また、本実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ４により、バイパス弁２９が開かれている時間が第１所定時間を越えたときは、強制的にバイパス弁２９を全閉にして、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の不整合診断が実施できるようにした。
これにより、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の不整合診断の実施頻度を確保して、燃料電池システム１００の信頼性を確保することができる。
また、本実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ４は、スタック要求及び希釈要求を同時に満足するようにカソードコンプレッサ２４を制御する。このとき、さらに不整合診断の結果に考慮して、カソードコンプレッサ２４を制御する。
具体的には、コントローラ４は、スタック要求コンプレッサ供給流量と希釈要求コンプレッサ供給流量との大きい方を目標コンプレッサ供給流量として設定し、目標コンプレッサ供給流量と第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）とに基づいてカソードコンプレッサ２４を制御する。そして、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１の検出値が第２エアフローセンサ４２の検出値よりも大きくなる不整合が生じていたときは、両センサ４１，４２の検出値の偏差に基づいて、希釈要求コンプレッサ供給流量を増大補正する。
これにより、第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）が実際
よりも高い値を示していたとしても、高くなっている分（偏差分）が補正値として上乗せされたものが希釈要求コンプレッサ供給流量となっているので、検出コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４をフィードバック制御すれば、希釈要求を満足させることができる。
また、仮に第１エアフローセンサ４１の検出値（検出コンプレッサ供給流量）が正しい値を示していたとしても、検出コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２４をフィードバック制御しておけば、コンプレッサ供給流量は必ず希釈に必要なコンプレッサ供給流量（基本希釈要求コンプレッサ供給流量）よりも多くなるので、希釈要求を満足させることができる。
なお、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値に不整合が生じているときに、第２エアフローセンサ４２が正しい値を示していると仮定してカソードコンプレッサ２４を制御する場合、上記のように希釈要求コンプレッサ供給流量、つまり、コンプレッサ供給流量の目標値に対して補正を施す以外にも、例えば以下のような措置を取っても良い。
すなわち、コントローラ４は、第１エアフローセンサ４１及び第２エアフローセンサ４２の検出値に不整合が生じているときは、第１エアフローセンサ４１の検出値に換えて、第２エアフローセンサ４２の検出値（検出スタック供給流量）と目標コンプレッサ供給流量とに基づいて前記コンプレッサを制御しても良い。
しかしながら、カソードコンプレッサ２４の制御に使用しているセンサを制御中に切り替えると、その切り替え時に制御が不安定となるおそれがある。したがって、本実施形態のようにコンプレッサ供給流量の目標値に対して補正を施すことで、両センサ４１，４２の検出値に不整合が生じた場合であっても、制御を不安定にすることなく希釈要求を満足させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、強制的にバイパス弁２９を全閉にする前に、予め電解質膜の湿潤度を高くする点で第１実施形態を相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
第１実施形態では、バイパス弁２９が開かれている時間が第１所定時間を越えたときは、強制的にバイパス弁２９を全閉にして、不整合診断の頻度を確保していた。
しかしながら、バイパス弁２９が開かれているときは、燃料電池スタック１にとって不要な流量分（＝希釈要求コンプレッサ供給流量−スタック要求コンプレッサ供給流量）をバイパス通路２８に流している状態である。すなわち、スタック要求以上のカソードガスをカソードコンプレッサ２４が供給している状態である。
そのため、強制的にバイパス弁２９を閉じてしまうと、燃料電池スタック１にスタック要求以上のカソードガスが供給されることになる。そうすると、電解質膜が乾燥してしまい、燃料電池スタック１の発電効率が低下するおそれがある。
そこで本実施形態では、バイパス弁２９が開かれている時間が第１所定時間よりも短い補正開始時間以上になったときは、燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて算出される目標インピーダンスを補正し、予め電解質膜の湿潤度を通常時よりも高くなるようにすることとした。
図７は、本実施形態による湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２の詳細について説明するフローチャートである。
ステップＳ４１において、コントローラ４は、燃料電池スタック１の目標出力電流に基づいて、目標インピーダンスを算出する。
ステップＳ４２において、コントローラ４は、バイパス弁開弁時間Ｔｏｐが所定の補正開始時間以上になったか否かを判定する。補正開始時間は、第１所定時間よりも短い時間に設定され、電解質膜の湿潤度変化の過渡応答性を考慮して予め実験等で定められる。コントローラ４は、バイパス弁開弁時間Ｔｏｐが補正開始時間以上であればステップＳ４３の処理を行い、補正開始時間未満であればステップＳ４６の処理を行う。
ステップＳ４３において、コントローラ４は、現在のバイパス弁開度に基づいて、湿潤度補正値を算出する。湿潤度補正値は、バイパス弁開度が小さいときと比べて、大きいときのほうが大きくなる。なお、現在のバイパス流量（検出コンプレッサ供給流量−検出スタック供給流量）に基づいて、湿潤度補正値を算出しても良い。この場合も、湿潤度補正値は、バイパス流量が小さいときと比べて、大きいときのほうが大きくなる。
ステップＳ４４において、コントローラ４は、目標インピーダンスから湿潤度補正値を引いたものを補正目標インピーダンスとして算出する。これは、目標インピーダンスを小さくするほど、電解質膜の湿潤度が高くなるためである。
ステップＳ４５において、コントローラ４は、インピーダンスと補正目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを補正目標インピーダンスにするためのスタック供給流量の目標値を、湿潤度制御要求スタック供給流量として算出する。
ステップＳ４６において、コントローラ４は、バイパス弁２９の強制閉弁中か否かを判定する。コントローラ４は、バイパス弁２９の強制閉弁中であればステップＳ４５の処理を行い、そうでなければステップＳ４７の処理を行う。
ステップＳ４７において、コントローラ４は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのスタック供給流量の目標値を、湿潤度制御要求スタック供給流量として算出する。
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ４は、燃料電池スタック１の目標出力電流（負荷）に基づいて、燃料電池スタック１の目標インピーダンス（電解質膜の目標湿潤度）を算出する。そして、コントローラ４は、バイパス弁２９が開かれている時間が第１所定時間よりも短い補正開始時間（第２所定期間）以上になったときは、電解質膜の湿潤度が増大するように目標インピーダンスを補正する。
これにより、不整合診断のために強制的にバイパス弁２９を閉じた場合でも、電解質膜を最適な湿潤状態に維持することができる。よって、燃料電池スタック１の発電効率の低下を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
前述したように、強制的にバイパス弁２９を閉じてしまうと、燃料電池スタック１にスタック要求以上のカソードガスが供給されることになるので、一時的に燃料電池スタック１内におけるカソード側の圧力が増加する。電解質膜は、燃料電池スタック１内においてアノード側及びカソード側からそれぞれ圧力を受けている。そのため、電解質膜を介したアノード側とカソード側との圧力差（以下「膜間差圧」という。）が大きくなったり、急変したりすると、電解質膜に想定外の応力が加わり、燃料電池を劣化させる原因となる。
したがって、例えば強制的にバイパス弁２９を全閉にするときは、バイパス弁２９を全閉にする前のバイパス弁開度又はバイパス流量に基づいて、カソード調圧弁２７の開度を、バイパス弁２９を全閉にする前の開度よりも大きくしても良い。これにより、燃料電池スタック１内におけるカソード側の圧力変動を抑制できるので、電解質膜に想定外の応力が加わることによる燃料電池の劣化を抑制することができる。
また上記の各実施形態において、燃料電池スタック１の要求として、酸素分圧確保要求や湿潤度制御要求を例示したが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック１の耐圧保護の要求に基づくスタック供給流量の上限値を、目標スタック供給流量設定部１０３に入力しても良い。
また、燃料電池システム１００の要求として、希釈要求を例示したがこれに限られるものではない。例えば、コンプレッサ保護要求として、カソードコンプレッサ２４でサージが発生するのを防止するためのコンプレッサ供給流量の下限値を、目標コンプレッサ供給流量設定部１０８に入力しても良い。
本願は２０１３年１０月８日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−２１１３１９に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

  1. カソードガス供給通路に設けられたコンプレッサから吐出されるカソードガスの一部を、バイパス通路を介して燃料電池をバイパスさせるカソードガスバイパス式のカソードガス供給系を備える燃料電池システムであって、
    前記バイパス通路との接続部よりも上流の前記カソードガス供給通路に設けられ、前記コンプレッサが供給するカソードガスの流量を検出する第１流量センサと、
    前記バイパス通路との接続部よりも下流の前記カソードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を検出する第２流量センサと、
    前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するバイパス弁と、
    前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記バイパス弁を開閉制御するバイパス弁制御手段と、
    前記バイパス弁が全閉のときの、前記第１流量センサ及び前記第２流量センサの検出値に基づいて、両センサの検出値の不整合を検知する不整合診断手段と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の要求に基づいて前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御手段を備え、
    前記コンプレッサ制御手段は、
    前記第１流量センサの検出値が第２流量センサの検出値よりも大きくなる不整合が生じたときに、前記コンプレッサが供給するカソードガス流量を増加させる、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の要求及び前記燃料電池システムの要求を同時に満足するように、前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御手段を備え、
    前記コンプレッサ制御手段は、
    さらに不整合診断手段の診断結果を考慮して、前記コンプレッサを制御する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の要求に基づいて、前記燃料電池に供給すべき目標カソードガス流量を算出する目標カソードガス流量算出手段と、
    前記燃料電池システムの要求に基づいて、前記コンプレッサが供給するカソードガスの下限流量を算出する下限流量算出手段と、
    を備え、
    前記コンプレッサ制御手段は、
    前記目標カソードガス流量と前記下限流量との大きい方を前記コンプレッサの目標供給流量として設定し、その目標供給流量と前記第１流量センサの検出値とに基づいて前記コンプレッサを制御し、
    前記第１流量センサの検出値が前記第２流量センサの検出値よりも大きくなる不整合が生じたときは、前記両センサの検出値の偏差に基づいて、前記下限流量を増大補正する、
    燃料電池システム。
  5. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の要求に基づいて、前記燃料電池に供給すべき目標カソードガス流量を算出する目標カソードガス流量算出手段と、
    前記燃料電池システムの要求に基づいて、前記コンプレッサが供給するカソードガスの下限流量を算出する下限流量算出手段と、
    を備え、
    前記コンプレッサ制御手段は、
    前記目標カソードガス流量と前記下限流量との大きい方を前記コンプレッサの目標供給流量として設定し、その目標供給流量と前記第１流量センサの検出値とに基づいて前記コンプレッサを制御し、
    前記第１流量センサの検出値が前記第２流量センサの検出値よりも大きくなる不整合が生じたときは、前記第１流量センサの検出値に換えて、前記第２流量センサの検出値と前記目標供給流量とに基づいて前記コンプレッサを制御する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
    前記不整合診断手段は、
    前記バイパス弁が開かれている時間が第１所定時間を越えたときは、強制的に前記バイパス弁を全閉にして、前記両センサの検出値の不整合を検知する、
    燃料電池システム。
  7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池の電解質膜の目標湿潤度を算出する目標湿潤度算出手段と、
    前記バイパス弁が開かれている時間が前記第１所定時間よりも短い第２所定時間以上になったときは、前記目標湿潤度を増大補正する目標湿潤度補正手段と、
    を備える燃料電池システム。
  8. 請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を制御する調圧弁を備え、
    強制的に前記バイパス弁を全閉にするときは、前記バイパス弁を全閉にする前の前記バイパス弁開度、又は、前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量に基づいて、前記調圧弁の開度を、前記バイパス弁を全閉にする前の開度よりも大きくする、
    燃料電池システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6330832B2 (ja) * 2016-03-04 2018-05-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP6428720B2 (ja) * 2016-07-22 2018-11-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6447838B2 (ja) * 2016-11-21 2019-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
JP6758607B2 (ja) * 2017-03-15 2020-09-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
CN108177539B (zh) * 2017-12-28 2020-10-30 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法
CN113782789B (zh) * 2021-08-31 2022-03-18 金华氢途科技有限公司 一种燃料电池系统阳极压力保护方法
CN116387553B (zh) * 2023-06-05 2024-02-20 南昌大学 一种sofc系统温度控制装置及方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3702751B2 (ja) * 2000-05-30 2005-10-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007095434A (ja) * 2005-09-28 2007-04-12 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008016399A (ja) * 2006-07-10 2008-01-24 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5023743B2 (ja) * 2007-03-09 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2009123550A (ja) 2007-11-15 2009-06-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
TWI382583B (zh) * 2008-12-03 2013-01-11 Univ Yuan Ze Diagnosis system for internal state of fuel cell
JP2010251149A (ja) * 2009-04-16 2010-11-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の空気供給装置
JP2011159538A (ja) * 2010-02-02 2011-08-18 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
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