JP6458869B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、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搭載した車両は、例えば、高地等の空気密度の低い地域を走行する場合には車両が停止してアイドル運転中でも燃料電池に空気（酸化ガス）を供給するためのコンプレッサの回転数が高い状態に維持される。従って、コンプレッサの軸受け、ギヤを潤滑、冷却するためのオイル温度が上昇してしまい、フェールが生じる可能性がある。
特許文献１には、空気密度が低い環境下において酸化ガス供給手段の作動を制限することが記載されている。しかし、特許文献１では、空気圧力が低下した際に、コンプレッサの回転数の上限を制限する制御を実施して騒音を低減することを目的としており、システムに生じるフェールについて言及されていない。
また、特許文献２には、燃料電池の圧力を調整するために水素圧力を制御し、且つコンプレッサの出力を制限することについて記載されている。しかし、特許文献２では空気圧力が低下した場合の対処について開示されていない。
特開２０１２−２２７０４４号公報 特開２００３−１７３８０７号公報
上述したように、特許文献１、特許文献２に開示された従来例では、燃料電池システムを搭載した車両が高地等の空気密度の低い地域を走行する際に、コンプレッサのオイル温度が上昇することに起因してシステムが停止するという課題を完全に払しょくするものではなかった。
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、空気密度が低い環境で使用する場合であっても、コンプレッサのオイル温度の上昇を抑制して安定的に燃料電池を作動させることが可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することにある。
本発明は、車両に搭載され、酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、コンプレッサのオイル温度を検出するオイル温度検出部と、コンプレッサの駆動を制御し、且つ、燃料電池に供給する酸化ガスの圧力、及び燃料ガスの圧力を制御するコントローラを有する。コントローラは、オイル温度がオイル閾値温度を上回った場合には、コンプレッサの回転数を低下させる制御を実行し、更に、酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力をバランスさせる制御を実行する。
本発明では、コンプレッサのオイル温度が高まった場合には、コンプレッサの回転数を低下させ、更に、回転数低下後の酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力をバランスする制御を実行するので、コンプレッサのオイル温度の上昇を抑制し、安定的に燃料電池を作動させることが可能となる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、オイル温度、コンプレッサ回転数、カソード圧力、アノード圧力、冷却水ポンプの回転数、冷却水圧力、及び冷却水温度の時間変動を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、オイル温度、コンプレッサ回転数、カソード圧力、アノード圧力、冷却水ポンプの回転数、冷却水圧力、及び冷却水温度の時間変動を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、オイル温度、コンプレッサ回転数、カソード圧力、アノード圧力、冷却水ポンプの回転数、冷却水圧力、及び冷却水温度の時間変動を示すタイミングチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る燃料電池システムは、車両等の移動体に搭載され、酸化ガス及び燃料ガスを電気化学的に反応させて、モータを駆動させるための電力を発生する。
［第１実施形態の説明］
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、主として燃料電池１１と、冷却水流路１６と、コントローラ１４と、コンプレッサ１２と、水素タンク１３と、ラジエータ１５と、冷却水ポンプ１７、及び水素循環ポンプ１８を備えている。
燃料電池１１は、アノード１１ａ、及びカソード１１ｂを備えており、アノード１１ａに供給される空気（酸化ガス）とカソード１１ｂに供給される水素（燃料ガス）の化学反応により発電する。また、該燃料電池１１は、パワーマネージャ１９に接続されている。
パワーマネージャ１９は、燃料電池１１より出力された電力をモータ２１に供給する。また、パワーマネージャ１９は、二次電池２０への充電、或いは二次電池２０より出力される電力をモータ２１に供給する制御を行う。
二次電池２０は、燃料電池１１で発電された電力の余剰分を充電するものであり、該二次電池２０の充電量（満充電に対する充電量の比率）であるＳＯＣの情報をコントローラ１４に出力する。
アノード１１ａの入口側流路は、水素供給弁２２を介して水素タンク１３に接続されている。出口側流路は二系統に分岐され、一つ目の分岐路は水素循環ポンプ１８により入口側流路に戻され、二つ目の分岐路は、パージ弁２４を介して外気に開放されている。アノード１１ａの入口側流路の適所には、アノード１１ａの内部の圧力を検出するためのアノード圧力センサ２７が設けられている。即ち、アノード圧力センサ２７は、水素タンク１３より供給される水素（燃料ガス）の圧力を検出する。水素供給弁２２、及びアノード圧力センサ２７は、コントローラ１４に接続されている。
水素供給弁２２は、コントローラ１４の制御下で開度が制御され、アノード１１ａに供給する水素量を調整する。
カソード１１ｂの入口側流路は、コンプレッサ１２に接続され、出口側流路は空気調圧弁２３を介して外気に開放されている。また、入口側流路の適所には、カソード１１ｂ内の圧力を検出するためのカソード圧力センサ２６が設けられている。即ち、カソード圧力センサ２６は、コンプレッサ１２より出力される空気（酸化ガス）の圧力を検出する。カソード圧力センサ２６は、コントローラ１４に接続されており、検出された圧力の情報はコントローラ１４に出力される。
コンプレッサ１２は、空気（酸化ガス）を加圧してカソード１１ｂに供給する。該コンプレッサ１２は、コントローラ１４に接続され、該コントローラ１４により駆動、停止、及び駆動時の回転数が制御される。また、コンプレッサ１２の駆動機構を冷却、潤滑するためのオイル温度（これを「Ｔｃ」とする）を測定するオイル温度センサ２９（オイル温度検出部）が設けられている。オイル温度センサ２９で検出されるオイル温度Ｔｃは、コントローラ１４に出力される。
冷却水流路１６は、冷却水を循環させることにより燃料電池１１を冷却する。冷却水流路１６の出口側はラジエータ１５に接続され、更に、冷却水ポンプ１７を経由して、該冷却水流路１６の入口側に接続される。従って、冷却水ポンプ１７より送出される冷却水は、冷却水流路１６内を流れることにより燃料電池１１を冷却し、その後、ラジエータ１５にて冷却されて、再度冷却水流路１６に戻されることになる。
冷却水流路１６の出口側の適所には、冷却水の温度を検出するための冷却水温度センサ２５（冷却水温度検出部）が設けられている。該冷却水温度センサ２５で検出される冷却水温度（これを「Ｔout」とする）の情報は、コントローラ１４に出力される。また、ラジエータ１５には、冷却用のラジエータファン２８が設けられている。
コントローラ１４は、燃料電池システム１００を総括的に制御する。具体的には、コンプレッサ１２に設けられるオイル温度センサ２９で検出されるオイル温度Ｔｃが上昇して予め設定したオイル閾値温度Ｔ１に達した際に、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を実行する。更に、コンプレッサ１２の回転数を低下させることに起因してカソード１１ｂの圧力が低下した場合には、アノード１１ａの圧力及び冷却水流路１６に流れる冷却水量がカソード１１ｂの圧力にバランスするように、水素の供給量、及び冷却水の供給量を制御する。更に、冷却水温度センサ２５で検出される冷却水温度Ｔoutを取得し、該冷却水温度Ｔoutが予め設定した冷却水閾値温度Ｔ２を上回った際には、コンプレッサ１２の回転数を上昇させる制御を行う。
なお、コントローラ１４は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。
次に、上述のように構成された第１実施形態に係る燃料電池システム１００の作用を、図２に示すフローチャート、及び図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。図２は、高地等の空気密度が低い環境下を車両が走行する場合で、特に、車両が信号待ち等で停車している際に、コントローラ１４により実行されるコンプレッサ１２の回転数制御を示すフローチャートである。
初期的に燃料電池１１は、安定的に作動しているものとする。即ち、アノード１１ａの圧力、カソード１１ｂの圧力が定常運転時の圧力とされ、冷却水の温度が定常運転時の温度とされている。
図２のステップＳ１１において、コントローラ１４は、オイル温度センサ２９で検出されるコンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃを取得する。そして、オイル温度Ｔｃと上述したオイル閾値温度Ｔ１を比較し、オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１を上回っているか否かを判断する。即ち、「Ｔｃ＞Ｔ１」であるか否かを判断する。「Ｔｃ＞Ｔ１」でない場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、本処理を終了する。即ち、オイル温度Ｔｃが上昇していない場合には、このままコンプレッサ１２の駆動を継続させても問題は無いと判断し、コンプレッサ１２の回転数制御を実行しない。
一方、「Ｔｃ＞Ｔ１」である場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ステップＳ１２において、コントローラ１４は、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を行う。即ち、例えば、車両が高地を走行している場合等、周囲の空気密度が低い場合には、燃料電池１１に所望する量の空気（酸化ガス）を供給するためには回転数を高める必要がある。これに伴ってコンプレッサ１２の回転軸系を冷却、潤滑するオイルのオイル温度Ｔｃが上昇する可能性がある。そこで、オイル温度Ｔｃとオイル閾値温度Ｔ１を比較し、「Ｔｃ＞Ｔ１」となった場合には、コンプレッサ１２の回転数を低下させる処理を実行する。
その結果、図３（ａ）に示すように、例えば車両停止時にオイル温度Ｔｃが上昇し、時刻ｔ１にて「Ｔｃ＞Ｔ１」となった場合には、図３（ｂ）に示すように、コンプレッサ１２の回転数を低下させる。
ステップＳ１３において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力を低減させて、発電量を低下させる制御を実行する。この処理では、コンプレッサ１２の回転数を低下させたことに起因して、カソード１１ｂの圧力（酸化ガスの圧力）が低下するので、このカソード圧力とバランスするように、アノード圧力（燃料ガスの圧力）を調整する。具体的には、図１に示した水素供給弁２２の開度を狭めることによりアノード１１ａに供給される水素の圧力を低下させ、カソード圧力とアノード圧力がバランスするように制御する。更に、冷却水ポンプ１７による冷却水の供給量を低下させる。
その結果、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、時刻ｔ１にてカソード圧力、及びアノード圧力が低下し、図３（ｅ）、（ｆ）に示すように、時刻ｔ１にて冷却水ポンプ１７の回転数が低下し、これに伴って冷却水圧力が低下する。即ち、コントローラ１４（制御部）は、オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１を上回った場合には、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を実行し、更に、酸化ガスの圧力（カソード圧力）と燃料ガスの圧力（アノード圧力）をバランスさせる制御を実行する。
ステップＳ１４において、コントローラ１４は、冷却水温度センサ２５で検出される冷却水温度Ｔoutと、予め設定した冷却水閾値温度Ｔ２を比較する。即ち、「Ｔout＞Ｔ２」であるか否かを判断する。そして、「Ｔout＞Ｔ２」でない場合には（ステップＳ１４でＮＯ）、ステップＳ１２に処理を戻す。また、冷却水温度が上昇し、「Ｔout＞Ｔ２」となった場合には（ステップＳ１４でＹＥＳ）、燃料電池１１の温度が過熱状態となる可能性が高まるので、これを防止するためにステップＳ１５において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力を上昇させ、発電量を上昇させる制御を実行する。具体的には、コンプレッサ１２の回転数を上昇させて、カソード圧力を上昇させる。更に、カソード圧力の上昇に対して、アノード圧力をバランスさせるために、水素供給弁２２の開度を広げてアノード圧力を上昇させる。また、冷却水ポンプ１７の出力を上昇させることにより、冷却水流路１６に供給する冷却水量を増加させる。
即ち、図３（ｇ）に示すように、時刻ｔ１で冷却水温度Ｔoutが上昇を開始し、時刻ｔ３にて冷却水閾値温度Ｔ２に達すると、図３（ｂ）に示すように、コンプレッサ１２の回転数を上昇させる。これに伴って図３（ａ）に示すようにオイル温度Ｔｃが上昇に転じる。また、図３（ｃ）に示すようにカソード圧力が上昇に転じ、この圧力変化に対してバランスするように、アノード圧力及び冷却水圧力が制御される。従って、アノード圧力は、図３（ｄ）に示すように時刻ｔ３にて減少から増加に転じ、冷却水ポンプ回転数は図３（ｅ）に示すように時刻ｔ３にて低下から増加に転じる。更に、冷却水圧力は図３（ｆ）に示すように時刻ｔ３にて減少から増加に転じる。また、図３（ｇ）に示すように、冷却水温度Ｔoutは、時刻ｔ３にて温度の上昇率（傾き）が低下する。
ステップＳ１６において、コントローラ１４は、冷却水温度Ｔoutが予め設定した閾値温度Ｔ３（但し、Ｔ３＞Ｔ２）を上回ったか否かを判断する。即ち、「Ｔout＞Ｔ３」であるか否かが判断される。「Ｔout＞Ｔ３」でない場合には（ステップＳ１６でＮＯ）、ステップＳ１５に処理を戻し、「Ｔout＞Ｔ３」である場合には（ステップＳ１６でＹＥＳ）、ステップＳ１７に処理を進める。
ステップＳ１７において、コントローラ１４は、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１未満となったか否かを判断する。そして、「Ｔｃ＜Ｔ１」でないと判断された場合には（ステップＳ１７でＮＯ）、ステップＳ１２に処理を戻す。即ち、再度コンプレッサ１２の回転数を低下させる処理を繰り返す。一方、「Ｔｃ＜Ｔ１」である場合には（ステップＳ１７でＹＥＳ）、本処理を終了する。こうして、オイル温度Ｔｃが上昇した場合には、コンプレッサ１２の回転数を低下させ、且つ、燃料電池１１の圧力をバランスさせる処理を実行する。その後、冷却水温度が上昇した場合には、コンプレッサ１２の回転数を上昇させ、且つ、燃料電池１１の圧力をバランスさせる処理を実行する。そして、上記の２つの処理を繰り返すことにより、燃料電池システム１００を安定的、且つシームレスに運転させることができるのである。
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃを検出し、該オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１まで上昇した場合には、コンプレッサ１２の回転数を低下させる。これにより、オイル温度Ｔｃを低下させることができるので、コンプレッサが過熱状態になることを防止でき、ひいてはコンプレッサ１２がフェールすることを防止できる。
また、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、カソード圧力が低下する。この際、コントローラ１４は、低下するカソード圧力にバランスするように、アノード圧力及び冷却水流量を低下させる。従って、コンプレッサ１２の回転数を低下させた場合でも、安定的に燃料電池１１を作動させることができる。従って、燃料電池１１を停止させることなく、シームレスな運転が可能となる。また、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、騒音を低減し、且つ、消費電力を低減することができる。更には、水素の消費量を低減することができる。
更に、冷却水温度Ｔoutが上昇して冷却水閾値温度Ｔ２に達した場合には、コンプレッサ１２の回転数を増加させる。この際、カソード圧力が上昇する。コントローラ１４は、上昇するカソード圧力にバランスするように、アノード圧力及び冷却水量を増加させる。従って、コンプレッサ１２の回転数が増加に転じた場合でも、燃料電池１１が過熱状態になることを防止でき、該燃料電池１１を安定的に作動させることが可能となる。
また、オイル閾値温度Ｔ１、及び冷却水閾値温度Ｔ２を所望の温度に設定できるので、車両の走行に影響を与えない温度条件を設定することができる。
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。システム構成は、前述した図１と同様であるので、構成説明を省略する。以下、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順を、図４に示すフローチャート、及び図５に示すタイミングチャートを参照して説明する。
第１実施形態と同様に、初期的に燃料電池１１は、安定的に作動しているものとする。即ち、アノード１１ａの圧力、カソード１１ｂの圧力が定常運転時の圧力とされ、冷却水の温度が定常運転時の温度とされている。
図４のステップＳ２１において、コントローラ１４は、オイル温度センサ２９で検出されるコンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃを取得する。そして、オイル温度Ｔｃとオイル閾値温度Ｔ１を比較し、オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１を上回っているか否かを判断する。即ち、「Ｔｃ＞Ｔ１」であるか否かを判断する。「Ｔｃ＞Ｔ１」でない場合には（ステップＳ２１でＮＯ）、本処理を終了する。即ち、オイル温度Ｔｃが上昇していない場合には、このままコンプレッサ１２の駆動を継続させても問題は無いと判断し、コンプレッサ１２の回転数制御を実行しない。
一方、「Ｔｃ＞Ｔ１」である場合には（ステップＳ２１でＹＥＳ）、ステップＳ２２において、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を行う。その結果、例えば図５（ａ）に示すように、例えば車両停止時にオイル温度Ｔｃが上昇し、時刻ｔ１にて「Ｔｃ＞Ｔ１」となった場合には、図５（ｂ）に示すように、コンプレッサ１２の回転数を低下させる。
ステップＳ２３において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力を低減させる制御を実行する。この処理では、コンプレッサ１２の回転数を低下させたことに起因して、カソード１１ｂの圧力が低下するので、このカソード圧力とバランスするように、アノード圧力を調整する。具体的には、水素供給弁２２の開度を狭めることによりアノード１１ａに供給される水素の圧力を低下させ、カソード圧力とアノード圧力がバランスするように制御する。更に、冷却水ポンプ１７による冷却水の供給量を低下させる。
その結果、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、時刻ｔ１にてカソード圧力、及びアノード圧力が低下し、図５（ｅ）、（ｆ）に示すように、時刻ｔ１にて冷却水ポンプ１７の回転数が低下し、これに伴って冷却水圧力が低下する。
ステップＳ２４において、コントローラ１４は、冷却水温度センサ２５で検出される冷却水温度Ｔoutと、冷却水閾値温度Ｔ２を比較する。そして、「Ｔout＞Ｔ２」でない場合には（ステップＳ２４でＮＯ）、ステップＳ２８において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力低下制御の制御量を増加する処理を実行する。具体的には、コンプレッサ１２の回転数をより低下させる処理を実行する。その結果、図５（ｂ）の時刻ｔ２に示すように、コンプレッサ１２の回転数が更に低下する。これに伴い、図５（ｃ）〜（ｆ）に示すように、カソード圧力、アノード圧力、冷却水ポンプ１７の回転数、及び冷却水圧力が低下する。また、図５（ｇ）に示すように、時刻ｔ２にて冷却水温度の上昇率が若干上昇する。その後、ステップＳ２２に処理を戻す。
冷却水温度が上昇し、「Ｔout＞Ｔ２」となった場合には（ステップＳ２４でＹＥＳ）、ステップＳ２５において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力を上昇させ、発電量を上昇させる制御を実行する。具体的には、コンプレッサ１２の回転数を上昇させて、カソード圧力を上昇させる。更に、カソード圧力の上昇に対して、アノード圧力をバランスさせるために、水素供給弁２２の開度を広げて、アノード圧力を上昇させる。また、冷却水ポンプ１７の出力を上昇させることにより、冷却水流路１６に供給する冷却水量を増加させる。
即ち、図５（ｇ）に示すように、時刻ｔ１で冷却水温度Ｔoutが上昇を開始し、時刻ｔ３にて冷却水閾値温度Ｔ２に達すると、図５（ｂ）に示すように、コンプレッサ１２の回転数を上昇させる。これに伴って図５（ａ）に示すようにオイル温度Ｔｃが上昇に転じる。また、図５（ｃ）に示すようにカソード圧力が上昇に転じ、この圧力変化に対してバランスするように、アノード圧力及び冷却水圧力が制御される。従って、アノード圧力は、図５（ｄ）に示すように時刻ｔ３にて減少から増加に転じ、冷却水ポンプ回転数は図５（ｅ）に示すように時刻ｔ３にて低下から増加に転じる。更に、冷却水圧力は図５（ｆ）に示すように時刻ｔ３にて減少から増加に転じる。また、図５（ｇ）に示すように、冷却水温度Ｔoutは、温度の上昇率（傾き）が低下する。
ステップＳ２６において、コントローラ１４は、冷却水温度Ｔoutが閾値温度Ｔ３を上回ったか否かを判断する。即ち、「Ｔout＞Ｔ３」であるか否かが判断される。「Ｔout＞Ｔ３」でない場合には（ステップＳ２６でＮＯ）、ステップＳ２５に処理を戻し、「Ｔout＞Ｔ３」である場合には（ステップＳ２６でＹＥＳ）、ステップＳ２７に処理を進める。
ステップＳ２７において、コントローラ１４は、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１未満となったか否かを判断する。そして、「Ｔｃ＜Ｔ１」でないと判断された場合には（ステップＳ２７でＮＯ）、ステップＳ２２に処理を戻す。即ち、再度コンプレッサ１２の回転数を低下させる処理を繰り返す。一方、「Ｔｃ＜Ｔ１」である場合には（ステップＳ２７でＹＥＳ）、本処理を終了する。
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１００では、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃを検出し、該オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１に達した場合には、コンプレッサ１２の回転数を低下させる。この際、冷却水温度Ｔoutが冷却水閾値温度Ｔ２まで低下しない場合には、図４のステップＳ２８の処理を実行することにより、燃料電池１１の運転圧力低下制御の制御量を徐々に増加させる。従って、応答性良くコンプレッサ１２の回転数を低下させることができるので、コンプレッサ１２がフェールすることを防止できる。
また、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、カソード圧力が低下する。この際、コントローラ１４は、低下するカソード圧力にバランスするように、アノード圧力及び冷却水流量を低下させる。従って、コンプレッサ１２の回転数を低下させた場合でも、安定的に燃料電池１１を作動させることができる。また、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、騒音を低減することができる。
更に、冷却水温度Ｔoutが上昇して冷却水閾値温度Ｔ２に達した場合には、コンプレッサ１２の回転数を増加させる。この際、カソード圧力が上昇する。コントローラ１４は、上昇するカソード圧力にバランスするように、アノード圧力及び冷却水流量を増大させる。従って、コンプレッサ１２の回転数を増加に転じた場合でも、燃料電池１１を安定的に作動させることが可能となる。
［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。システム構成は、前述した図１と同様であるので、構成説明を省略する。以下、第３実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順を、図６に示すフローチャート、及び図７に示すタイミングチャートを参照して説明する。
第１、第２実施形態と同様に、初期的に燃料電池１１は、安定的に作動しているものとする。即ち、アノード１１ａの圧力、カソード１１ｂの圧力が定常運転時の圧力とされ、冷却水の温度が定常運転時の温度とされている。
図６のステップＳ３１において、コントローラ１４は、オイル温度センサ２９で検出されるコンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃを取得する。そして、オイル温度Ｔｃとオイル閾値温度Ｔ１を比較し、オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１を上回っているか否かを判断する。即ち、「Ｔｃ＞Ｔ１」であるか否かを判断する。「Ｔｃ＞Ｔ１」でない場合には（ステップＳ３１でＮＯ）、本処理を終了する。即ち、オイル温度Ｔｃが上昇していない場合には、このままコンプレッサ１２の駆動を継続させても問題は無いと判断し、コンプレッサ１２の回転数制御を実行しない。
一方、「Ｔｃ＞Ｔ１」である場合には（ステップＳ３１でＹＥＳ）、ステップＳ３２において、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を行う。その結果、例えば図７（ａ）に示すように、車両停止時にオイル温度Ｔｃが上昇し、時刻ｔ１にて「Ｔｃ＞Ｔ１」となった場合には、図７（ｂ）に示すように、コンプレッサ１２の回転数を低下させる。
ステップＳ３３において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力を低減させて発電量を低下させる制御を実行する。この処理では、コンプレッサ１２の回転数を低下させたことに起因して、カソード１１ｂの圧力が低下するので、このカソード圧力とバランスするように、アノード圧力を調整する。具体的には、水素供給弁２２の開度を狭めることによりアノード１１ａに供給される水素の圧力を低下させ、カソード圧力とアノード圧力がバランスするように制御する。更に、冷却水ポンプ１７による冷却水の供給量を低下させる。
その結果、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、時刻ｔ１にてカソード圧力、及びアノード圧力が低下し、図７（ｅ）、（ｆ）に示すように、時刻ｔ１にて冷却水ポンプ１７の回転数が低下し、これに伴って冷却水圧力が低下する。
ステップＳ３４において、コントローラ１４は、冷却水温度センサ２５で検出される冷却水温度Ｔoutと、冷却水閾値温度Ｔ２を比較する。即ち、「Ｔout＞Ｔ２」であるか否かを判断する。そして、「Ｔout＞Ｔ２」でない場合には（ステップＳ３４でＮＯ）、ステップＳ３８において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力低下制御の制御量を増加する処理を実行する。具体的には、コンプレッサ１２の回転数をより低下させる処理を実行する。その結果、図７（ｂ）の時刻ｔ２に示すように、コンプレッサ１２の回転数が更に低下する。これに伴い、図７（ｃ）〜（ｆ）に示すように、カソード圧力、アノード圧力、冷却水ポンプ１７の回転数、及び冷却水圧力が低下する。また、図７（ｇ）に示すように、時刻ｔ２にて冷却水温度の上昇率が若干上昇する。その後、ステップＳ３２に処理を戻す。
冷却水温度が上昇し、「Ｔout＞Ｔ２」となった場合には（ステップＳ３４でＹＥＳ）、ステップＳ３５において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力を上昇させ、発電量を上昇させる制御を実行する。具体的には、コンプレッサ１２の回転数を上昇させてカソード圧力を上昇させる。更に、カソード圧力の上昇に対して、アノード圧力をバランスさせるために、水素供給弁２２の開度を広げてアノード圧力を上昇させる。また、冷却水ポンプ１７の出力を上昇させることにより、冷却水流路１６に供給する冷却水量を増加させる。そして、発電量を上昇させる。
即ち、図７（ｇ）に示すように、時刻ｔ１で冷却水温度Ｔoutが上昇を開始し、時刻ｔ３にて冷却水閾値温度Ｔ２に達すると、図７（ｂ）に示すように、コンプレッサ１２の回転数を上昇させる。これに伴って図７（ａ）に示すようにオイル温度Ｔｃが上昇に転じる。また、図７（ｃ）に示すようにカソード圧力が上昇に転じ、この圧力変化に対してバランスするように、アノード圧力及び冷却水圧力が制御される。従って、アノード圧力は、図７（ｄ）に示すように時刻ｔ３にて減少から増加に転じ、冷却水ポンプ回転数は図７（ｅ）に示すように時刻ｔ３にて低下から増加に転じる。更に、冷却水圧力は図７（ｆ）に示すように時刻ｔ３にて減少から増加に転じる。また、図７（ｇ）に示すように、冷却水温度Ｔoutは、時刻ｔ３にて温度の上昇率（傾き）が低下する。
ステップＳ３６において、コントローラ１４は、冷却水温度Ｔoutが閾値温度Ｔ３を上回ったか否かを判断する。即ち、「Ｔout＞Ｔ３」であるか否かが判断される。「Ｔout＞Ｔ３」でない場合には（ステップＳ３６でＮＯ）、ステップＳ３９において、コントローラ１４は、燃料電池１１の運転圧力上昇制御の制御量を増加する処理を実行する。具体的には、コンプレッサ１２の回転数をより上昇させる処理を実行する。その結果、図７（ｂ）の時刻ｔ４に示すように、コンプレッサ１２の回転数が更に上昇する。これに伴い、図７（ｃ）〜（ｆ）に示すように、カソード圧力、アノード圧力、冷却水ポンプ１７の回転数、及び冷却水圧力が上昇する。また、図７（ｇ）に示すように、時刻ｔ４にて冷却水温度の上昇率が若干低下する。その後、ステップＳ３５に処理を戻す。
冷却水温度が上昇して、「Ｔout＞Ｔ３」であると判断された場合には（ステップＳ３６でＹＥＳ）、ステップＳ３７において、コントローラ１４は、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１未満となったか否かを判断する。そして、「Ｔｃ＜Ｔ１」でないと判断された場合には（ステップＳ３７でＮＯ）、ステップＳ３２に処理を戻す。一方、「Ｔｃ＜Ｔ１」である場合には（ステップＳ３７でＹＥＳ）、本処理を終了する。
このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム１００では、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃを検出し、該オイル温度Ｔｃがオイル閾値温度Ｔ１に達した場合には、コンプレッサ１２の回転数を低下させる。この際、冷却水温度Ｔoutが冷却水閾値温度Ｔ２まで低下しない場合には、図６のステップＳ３８の処理を実行することにより、燃料電池１１の運転圧力低下制御の制御量を徐々に増加させる。従って、応答性良くコンプレッサ１２の回転数を低下させることができるので、コンプレッサ１２がフェールすることを防止できる。
また、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、カソード圧力が低下する。この際、コントローラ１４は、低下するカソード圧力にバランスするように、アノード圧力及び冷却水量を低減する。従って、コンプレッサ１２の回転数を低下させた場合でも、安定的に燃料電池１１を作動させることができる。また、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、騒音を低減することができる。
更に、冷却水温度Ｔoutが上昇して冷却水閾値温度Ｔ２に達した場合には、コンプレッサ１２の回転数を増加させる。この際、冷却水温度Ｔoutが閾値温度Ｔ３まで上昇しない場合には、図６のステップＳ３９の処理を実行することにより、燃料電池１１の圧力上昇制御の制御量を徐々に増加させる。従って、応答性良く冷却水量を増加させることができ、燃料電池１１が過熱状態になることを回避できる。
また、コンプレッサ１２の回転数を上昇させることにより、カソード圧力が上昇する。コントローラ１４は、上昇するカソード圧力にバランスするように、アノード圧力及び冷却水量を増大させる。従って、コンプレッサ１２の回転数を増加に転じた場合でも、燃料電池１１を安定的に作動させることが可能となる。
［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。システム構成は、前述した図１と同様であるので、構成説明を省略する。以下、第４実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順を、図８に示すフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ４０にて、コントローラ１４は、車両の走行速度である車速Ｖｃを取得し、該車速Ｖｃと予め設定した閾値速度Ｖ１を比較する。そして、車速Ｖｃが閾値速度Ｖ１未満である場合には、ステップＳ４１に処理を移行し、車速Ｖｃが閾値速度Ｖ１以上である場合には、本処理を終了する。即ち、車両が停車している場合か、或いは閾値速度Ｖ１未満の低速で走行している場合にのみ、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を実行する。
なお、ステップＳ４１〜Ｓ４９の処理は、図６に示したステップＳ３１〜Ｓ３９の処理と同様であるので、説明を省略する。
そして、第４実施形態に係る燃料電池システム１００では、車速Ｖｃが閾値速度Ｖ１未満の場合にのみ、コンプレッサ１２の回転数を低減させる処理を実行するので、車両が通常に走行している際には、コンプレッサ１２の回転数は低下せず、安定的な発電量を得ることができる。その結果、車両を安定に走行させることができ、且つ、車両停止時や低速走行時にはコンプレッサ１２のオイル温度の上昇を抑制することが可能となる。
［第５実施形態の説明］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。システム構成は、前述した図１と同様であるので、構成説明を省略する。以下、第５実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順を、図９に示すフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ５０にて、コントローラ１４は、車両のアクセル開度Ｒｃを取得し、該アクセル開度Ｒｃと予め設定した閾値開度Ｒ１を比較する。そして、アクセル開度Ｒｃが閾値開度Ｒ１未満である場合には、ステップＳ５１に処理を進め、アクセル開度Ｒｃが閾値開度Ｒ１以上である場合には、本処理を終了する。即ち、車両が停車している場合や減速時等の、アクセル開度Ｒｃが閾値開度Ｒ１未満の状態で走行している場合にのみ、コンプレッサ１２の回転数を低下させる制御を実行する。
なお、ステップＳ５１〜Ｓ５９の処理は、図６に示したステップＳ３１〜Ｓ３９の処理と同様であるので、説明を省略する。
そして、第５実施形態に係る燃料電池システム１００では、アクセル開度Ｒｃが閾値開度Ｒ１未満の場合にのみ、コンプレッサ１２の回転数を低減させる処理を実行するので、車両を加速させる場合等、アクセル開度Ｒｃが大きい状態で走行している際には、コンプレッサ１２の回転数は低下せず、安定的な発電量を得ることができる。その結果、車両を安定に走行させることができ、且つ、車両停止時や低速走行時等のアクセル開度Ｒｃが小さい場合には、コンプレッサ１２のオイル温度の上昇を抑制することが可能となる。
［第６実施形態の説明］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。システム構成は、前述した図１と同様であるので、構成説明を省略する。以下、第６実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順を、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。
図１０に示すフローチャートは、前述した第３実施形態で示した図６と対比して、ステップＳ６４ａ、Ｓ６４ｂの処理が追加されている点で相違する。それ以外の処理は、図６に示したフローチャートと同様である。即ち、図６に示したＳ３１〜Ｓ３９の処理は、図１０に示すＳ６１〜Ｓ６９の処理と同様であるので、説明を省略する。
以下、図１０に示すステップＳ６４ａ、Ｓ６４ｂの処理について説明する。ステップＳ６４にて、「Ｔout＞Ｔ２」であると判断された場合には、ステップＳ６４ａにおいて、コントローラ１４は、図１に示す二次電池２０のＳＯＣ（Ｓｃ）が、予め設定した閾値ＳＯＣ（Ｓ１）未満であるか否かを判断する。即ち、「Ｓｃ＜Ｓ１」であるか否かを判断する。そして、「Ｓｃ＜Ｓ１」である場合には（ステップＳ６４ａでＹＥＳ）、ステップＳ６５に処理を進め、「Ｓｃ＜Ｓ１」でない場合、即ち閾値充電量以上の場合には（ステップＳ６４ａでＮＯ）、ステップＳ６４ｂに処理を進める。
ステップＳ６５の処理は、図６で説明した通りである。また、ステップＳ６４ｂにおいて、コントローラ１４は、アイドルストップ制御を実行する。詳細には、燃料電池１１を停止させる制御を実行する。
即ち、コンプレッサ１２の回転数を低下させることにより、冷却水温度Ｔoutが上昇して冷却水閾値温度Ｔ２に達した際に、ＳＯＣ（Ｓｃ）と閾値ＳＯＣ（Ｓ１）を比較し、「Ｓｃ＞Ｓ１」である場合には、二次電池２０に十分な電力が充電されていると判断し、燃料電池１１を停止させる。従って、コンプレッサ１２のオイル温度Ｔｃが過熱状態になることを防止できる。また、この場合には二次電池２０に充電されているバッテリを用いて車両を走行させることができるので、燃料電池１１を停止させても車両の走行に影響を与えることはないと判断できる。
以上、本発明の燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
１１ 燃料電池
１１ａ アノード
１１ｂ カソード
１２ コンプレッサ
１３ 水素タンク
１４ コントローラ
１５ ラジエータ
１６ 冷却水流路
１７ 冷却水ポンプ
１８ 水素循環ポンプ
１９ パワーマネージャ
２０ 二次電池
２１ モータ
２２ 水素供給弁
２３ 空気調圧弁
２４ パージ弁
２５ 冷却水温度センサ
２６ カソード圧力センサ
２７ アノード圧力センサ
２８ ラジエータファン
２９ オイル温度センサ
１００ 燃料電池システム

Claims (7)

  1. 車両に搭載され、酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
    前記酸化ガスを供給するコンプレッサのオイル温度を検出するオイル温度検出部と、
    前記コンプレッサの駆動を制御し、且つ、前記燃料電池に供給する酸化ガスの圧力、及び燃料ガスの圧力を制御するコントローラと、を有し、
    前記コントローラは、前記オイル温度がオイル閾値温度を上回った場合には、前記コンプレッサの回転数を低下させる制御を実行し、更に、酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力をバランスさせる制御を実行すること
    を特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池の冷却水温度を検出する冷却水温度検出部を備え、
    前記コントローラは、前記コンプレッサの回転数を低下させて、前記酸化ガスの圧力を低下させ、且つ、燃料ガスの圧力を低下させ、これに伴って前記燃料電池の冷却水圧力を低下させ、これに起因して、前記冷却水温度が上昇した際に、該冷却水温度が冷却水閾値温度に上昇するまで、前記コンプレッサの回転数の低下を継続すること
    を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池の冷却水温度を検出する冷却水温度検出部を備え、
    前記コントローラは、前記冷却水温度が冷却水閾値温度を上回った場合には、前記コンプレッサの回転数を上昇させ、更に、酸化ガスの圧力と燃料ガスの圧力をバランスさせる制御を実行すること
    を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記コントローラは、前記車両の走行速度を取得し、前記走行速度が予め設定した閾値速度未満である場合に、前記コンプレッサの回転数を低下させる制御を実行すること
    を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記コントローラは、車両のアクセル開度の情報を取得し、前記アクセル開度が予め設定した閾値開度未満である場合に、前記コンプレッサの回転数を低下させる制御を実行すること
    を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池の冷却水温度を検出する冷却水温度検出部を備え、前記コントローラは、車両に搭載される二次電池の充電量を取得し、前記冷却水温度が冷却水閾値温度を上回った場合には、二次電池の充電量が予め設定した閾値充電量以上である場合に、前記燃料電池の作動を停止させること
    を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 酸化ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムを制御する制御方法であって、
    前記燃料電池に酸化ガスを供給するコンプレッサのオイル温度を検出する工程と、
    前記オイル温度がオイル閾値温度を上回った際に、前記コンプレッサの回転数を低下させる工程と、
    前記コンプレッサの回転数を低下させた際に、酸化ガスと燃料ガスの圧力をバランスさせる制御を実行する工程と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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