JP6992601B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池システムにおける風速導出方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムにおける風速導出方法に関する。
燃料電池システムにおいて行なわれる制御として、燃料電池システムに含まれる配管である対象配管の温度または外気温度を測定し、測定した温度と閾値との比較により、対象配管における凍結防止操作の必要の有無を判断する制御が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７－１５７４３２号公報
こうした制御において、対象配管の温度を直接測定する場合には、風によって配管温度が変化することに起因して制御が影響を受けることを抑えることができる。しかしながら、対象配管ごとに温度センサを設ける必要があるため、部品点数およびコストが上昇して採用し難い場合がある。これに対して、対象配管の温度を求めるために外気温度を測定する場合には、配管に特別に温度センサを設ける必要はないが、風の影響によって配管温度が変化し得るため、配管の温度検出精度が不十分になる可能性があった。このような風に起因して温度検出精度が低下する問題は、風速を測定することにより解消可能であるが、風速センサの設置は、燃料電池システムの構造の複雑化およびコストの上昇を招き得るため、採用し難い場合がある。そのため、構造の複雑化を伴うことなく、燃料電池システムが受けた風の風速を検出可能な技術が望まれていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；燃料電池と；前記燃料電池に接続されて、酸化ガスとしての空気を前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と；前記燃料電池に接続されて、前記燃料電池から排出された酸化排ガスが流れる酸化ガス排出流路と；前記酸化ガス供給流路に設けられて、前記燃料電池へと空気を吐出するコンプレッサであって、前記コンプレッサの停止時には、前記コンプレッサを介して、前記コンプレッサに接続される前記酸化ガス供給流路の上流側と下流側とが連通されるコンプレッサと；前記酸化ガス供給流路における前記コンプレッサが配置された箇所よりも下流の部位と、前記酸化ガス排出流路とを接続するバイパス流路と；前記燃料電池の発電時に、前記コンプレッサを経由して前記酸化ガス供給流路に取り込まれる空気の流量を測定可能な流量センサと；前記コンプレッサの停止時に、前記コンプレッサと前記バイパス流路とを経由して前記酸化ガス供給流路から前記酸化ガス排出流路に空気が流れる状態で、前記流量センサが測定した前記空気の流量を取得し、前記燃料電池システムが受ける風の風速を導出する風速導出部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサの停止時に、コンプレッサとバイパス流路とを経由して酸化ガス供給流路から酸化ガス排出流路に流れる空気の流量を求めることにより、燃料電池システムが受けた風の風速を求めることができる。そのため、特別な風速センサを設けて構造を複雑化することなく、燃料電池システムが受けた風の風速を求めることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記コンプレッサの停止時に、前記コンプレッサと前記バイパス流路とを経由して前記酸化ガス供給流路から前記酸化ガス排出流路に流れる空気の流量と、前記燃料電池システムが受ける風の風速と、の関係を予め記憶する記憶部を備え；前記風速導出部は、前記流量センサから取得した前記空気の流量と、前記記憶部に記憶した前記関係とを用いて、前記燃料電池システムが受ける風の風速を導出することとしてもよい。このような形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムが受ける風の風速を導出する精度を、より高めることができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記風速導出部が導出した前記燃料電池システムが受ける風の風速を用いて、前記燃料電池システムを構成する構成部の温度を導出する温度導出部と；前記温度導出部が導出した前記構成部の温度を用いて、前記構成部における液水の滞留を抑制する処理を実行する滞留抑制部と；を備えることとしてもよい。このような形態の燃料電池システムによれば、構造を複雑化することなく、構成部の温度を精度よく導出できると共に、構成部における液水の滞留を抑制する処理を適切に実行可能になる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサは、ターボコンプレッサであることとしてもよい。このような形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサの停止時には、コンプレッサを介して、コンプレッサに接続される酸化ガス供給流路の上流側と下流側とを容易に連通させることができる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を経由した空気の流通を可能にするためのバイパス弁と；前記酸化ガス供給流路において、前記バイパス流路との接続部よりも下流に設けられ、前記燃料電池への空気の流入を遮断可能な遮断弁と；前記風速導出部が前記風速を導出する際には、前記遮断弁を閉弁して、前記燃料電池への空気の流入を遮断すると共に、前記バイパス弁を開弁する流路制御部と；を備えることとしてもよい。このような形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサの停止時に、燃料電池内の酸化ガスの流路における圧損の影響を抑えて、燃料電池システムが受ける風の風速を導出できる。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムにおける風速導出方法、燃料電池システムを構成する構成部の温度導出方法、あるいは、燃料電池システムを搭載する移動体等の形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。 エアコンプレッサの概略構成を示す断面模式図である。 システム停止時風速導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。 エアフロメータの検出値と風速との関係を示す説明図である。 システム起動時風速導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。 液水滞留抑制処理ルーチンを表わすフローチャートである。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を模式的に表わす説明図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、電気自動車に搭載されて駆動用電源として用いられている。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２０と、燃料ガス系５０と、酸化ガス系３０と、冷媒系７０と、制御部８０と、を備える。
燃料電池２０は、単セルが複数積層されたスタック構成を有しており、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて発電する。本実施形態の燃料電池２０は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスが流れる流路（アノード側流路）が形成され、カソード側に酸化ガスが流れる流路（カソード側流路）が形成されている。また、燃料電池２０の内部には、燃料電池２０を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。なお、燃料電池２０としては、固体高分子形燃料電池に限らず、固体酸化物形燃料電池等、他種の燃料電池を採用してもよい。
燃料ガス系５０は、水素タンク５２と、燃料ガス供給流路５１と、燃料ガス排出流路６１と、燃料ガス循環流路６３と、主止弁５３と、可変調圧弁５４と、インジェクタ５５と、気液分離器６２と、燃料ガスポンプ６４と、を備える。水素タンク５２は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵装置である。水素タンク５２に貯蔵された水素ガスは、主止弁５３を経た後、可変調圧弁５４によって減圧されて、インジェクタ５５を介して、燃料電池２０のセル内燃料ガス流路に接続される燃料ガス供給流路５１に供給される。
燃料ガス排出流路６１は、燃料電池２０から排出される燃料排ガスが流れる流路である。燃料ガス循環流路６３は、燃料ガス排出流路６１と、燃料ガス供給流路５１におけるインジェクタ５５よりも下流側の部位と、に接続されており、燃料排ガスを燃料ガス供給流路５１に再循環させる。すなわち、燃料電池２０から燃料ガス排出流路６１に排出された燃料排ガスは、燃料ガス循環流路６３を経由して、再び燃料ガス供給流路５１に導かれる。そのため、燃料電池システム１００において、燃料ガスは、発電により水素が消費されつつ、燃料ガス排出流路６１、燃料ガス循環流路６３、燃料ガス供給流路５１の一部、および、燃料電池２０内に形成される燃料ガスの流路を循環する。燃料ガス循環流路６３には、燃料排ガスを燃料ガス供給流路５１に流入させるための駆動力を生じる燃料ガスポンプ６４が設けられている。
燃料ガス排出流路６１と燃料ガス循環流路６３との接続部には、気液分離器６２が設けられている。燃料排ガスには、発電で消費されなかった水素と共に、窒素や水蒸気等の不純物が含まれる。気液分離器６２は、燃料排ガス中の水と、ガス（水素および窒素等）とを分離する。気液分離器６２には、パージ弁６６を備える燃料ガス放出流路６５が接続されており、パージ弁６６を開弁することにより、気液分離器６２から水とガスとが排出される。
酸化ガス系３０は、エアクリーナ３２と、エアコンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、酸化ガス供給流路３１と、酸化ガス排出流路４１と、バイパス流路３７と、外気温センサ３６と、エアフロメータ９５と、圧力センサ９６と、開閉弁４４と、調節弁４３と、バイパス弁３５と、マフラ４６と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、酸化ガスとして、空気を用いる。
酸化ガス供給流路３１には、エアクリーナ３２、エアコンプレッサ３３、インタークーラ３４、圧力センサ９６、開閉弁４４が、上流側からこの順で設けられている。エアクリーナ３２は、酸化ガス供給流路３１の吸気口近傍において、酸化ガス供給流路３１に取り入れた空気から塵埃などの異物を除去する。エアクリーナ３２の近傍には、エアクリーナ３２を通過した空気の流量を計測するエアフロメータ９５と、外気温センサ３６とが備えられている。エアフロメータ９５は、燃料電池２０の通常の発電時には、燃料電池２０に対して要求発電量に応じた量の空気を供給するためのフィードバック制御を行なう際に、燃料電池２０に実際に供給された空気量を測定するために用いられる。エアコンプレッサ３３は、空気を圧縮し、酸化ガス供給流路３１を介して、燃料電池２０のカソード側流路に向かって空気を吐出する装置である。インタークーラ３４は、エアコンプレッサ３３による圧縮で上昇した空気の温度を低下させる。圧力センサ９６は、酸化ガス供給流路３１を流れる空気の圧力を検出する。開閉弁４４は、酸化ガス供給流路３１において、燃料電池２０への酸化ガスの供給を遮断可能にするための弁である。開閉弁４４は、遮断弁とも呼ぶ。
酸化ガス排出流路４１は、燃料電池２０から排出される酸化排ガスを、燃料電池システム１００の外部に導く流路である。酸化ガス排出流路４１には、調節弁４３とマフラ４６とが、上流側からこの順で設けられている。調節弁４３の開度を調節することによって、燃料電池２０内における酸化ガスの圧力（背圧）および流量を変更できる。酸化ガス排出流路４１における調節弁４３よりも下流の箇所には、既述した燃料ガス放出流路６５が接続されている。パージ弁６６が開弁されるときには、気液分離器６２から排出された水とガスとは、酸化ガス排出流路４１において酸化排ガスによって希釈されて、燃料電池システム１００の外部に排出される。
バイパス流路３７は、酸化ガス供給流路３１における開閉弁４４よりも上流側の箇所と、酸化ガス排出流路４１とを接続する流路である。バイパス流路３７には、バイパス弁３５が設けられており、バイパス弁３５を開弁することにより、酸化ガスがバイパス流路３７を流通可能になる。バイパス弁３５は、燃料電池２０の発電時には閉弁することとしてもよい。あるいは、バイパス弁３５を、開度によって流量を変更可能にする流量調整弁として構成し、燃料電池２０の発電時に、エアコンプレッサ３３が取り込んだ空気の一部をバイパス流路３７に流すこととしてもよい。なお、本実施形態では、燃料電池２０の発電停止時には、バイパス弁３５を一旦閉弁状態にしている。
冷媒系７０は、ラジエータ７２と、冷媒ポンプ７４と、冷媒流路７１と、を備える。冷媒流路７１は、ラジエータ７２と、燃料電池２０内の冷媒流路とを接続する流路であり、ラジエータ７２と燃料電池２０との間で冷媒を循環させる。ラジエータ７２は、ラジエータファン７３を備えており、冷媒流路６２内を流れる冷媒を冷却する。冷媒ポンプ７４は、冷媒流路７１内で冷媒を流すための駆動力を生じる。
制御部８０は、マイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力ポートと、を有する。制御部８０は、燃料電池システム１００の発電制御を行なうと共に、燃料電池車両全体の制御を行なう。制御部８０は、燃料電池車両の各部に設けられたセンサ（燃料電池システム１００の各部に設けたセンサ、アクセル開度センサ、ブレーキペダルセンサ、シフトポジションセンサ、および車速センサを含む）からの出力信号を取得する。そして、制御部８０は、燃料電池車両における発電や走行等に係る各部に駆動信号を出力する。本実施形態において、制御部８０は、「流路制御部」、「風速導出部」、「温度導出部」および「滞留抑制部」として機能する。なお、上記した機能を果たす制御部８０は、単一の制御部として構成される必要はない。例えば、燃料電池システム１００の動作に係る制御部や、燃料電池車両の走行に係る制御部や、走行に関わらない車両補機の制御を行なう制御部など、複数の制御部によって構成し、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしても良い。
本実施形態では、燃料電池システム１００を構成する各構成部のうちの大部分は、燃料電池車両においてフロントコンパートメント内に配置されている。フロントコンパートメントとは、燃料電池車両において、車室およびダッシュパネルの前方に設けられた空間である。具体的には、水素タンク５２を除く燃料ガス系５０の大部分、マフラ４６等の酸化ガス排出流路４１の下流側を除く酸化ガス系３０の大部分、および冷媒系７０が、フロントコンパートメント内に配置されている。
なお、本実施形態の燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両は、駆動用電源として、さらに図示しない２次電池を備える。燃料電池車両は、燃料電池２０と２次電池の双方を駆動用電源として用いて走行することも可能であり、また、燃料電池２０と２次電池のうちの一方のみを駆動用電源として用いて走行することも可能である。
Ｂ．エアコンプレッサの構成：
本実施形態の燃料電池システム１００では、エアコンプレッサ３３を用いて、燃料電池システム１００が受けた風の風速を求めている。風速を求める動作の説明に先立って、以下では、エアコンプレッサ３３の構成を説明する。
図２は、エアコンプレッサ３３の概略構成を示す断面模式図である。エアコンプレッサ３３は、シャフト１２０と、シャフト１２０に取り付けられた回転体１６０と、回転体１６０を収容する回転体収容部１７０と、回転体１６０を駆動するモータ１９０と、モータ１９０を収容するモータ収容部１５０とを備える。本実施形態では、回転体１６０としてインペラを用いるが、異なる構成であってもよい。モータ１９０は、ソレノイド１１０と、ロータ１３０と、マグネット１４０とを備える。
モータ収容部１５０は、オイル１５５により一部が満たされている。オイル１５５は、図示しないポンプによって、モータ収容部１５０内を循環している。また、エアコンプレッサ３３は、モータ収容部１５０から回転体収容部１７０へオイル１５５が染み出すことを抑止するために、モータ収容部１５０に固定された固定環１８２と、シャフト１２０に固定された回転環１８４と、を有するメカニカルシール１８０を備える。上記のようなエアコンプレッサ３３は、ターボコンプレッサであり、慣性モーメントが比較的小さいので応答性が良く、稼動開始時の消費電力が他の種類のエアコンプレッサに比べて小さく、回転数を変更させる際の動作が俊敏であるという特徴を有する。エアコンプレッサ３３が停止するときには、回転体収容部１７０によって、回転体収容部１７０に接続する酸化ガス供給流路３１の上流側部分と、回転体収容部１７０に接続する酸化ガス供給流路３１の下流側部分とが、連通された状態になる。
Ｃ．燃料電池車両の停止時における風速の導出：
図３は、本実施形態の燃料電池車両および燃料電池システム１００が非起動状態（停止状態）であるときに、制御部８０のＣＰＵにおいて実行されるシステム停止時風速導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池車両および燃料電池システム１００が停止状態であるときに行なわれるウェイクアップ処理の一つとして実行される。すなわち、本実施形態の制御部８０では、燃料電池車両の起動状態のオンオフを指示入力するための起動スイッチがオフにされて燃料電池システム１００が停止状態になると、ウェイクアップタイマがセットされる。そして、ウェイクアップタイマの計測時間に基づいて、予め定めた基準の時間間隔で制御部８０のＣＰＵが起動されて、図３に示すシステム停止時風速導出処理ルーチンが繰り返し実行される。なお、上記したウェイクアップ処理が実行される際には、燃料電池２０の発電は停止されているため、制御部８０等で要する電力は、既述した２次電池から供給される。
本ルーチンが起動されると、制御部８０のＣＰＵは、バイパス弁３５に駆動信号を出力して、バイパス弁３５を開弁させる（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０におけるバイパス弁３５の開度は、予め定めた一定値とすればよいが、バイパス流路３７における流路抵抗を抑える観点から、バイパス弁３５を全開にすることが望ましい。バイパス弁３５を開弁させることで、酸化ガス供給流路３１と酸化ガス排出流路４１とが、バイパス流路３７を介して連通される。既述したように、エアコンプレッサ３３では、エアコンプレッサ３３の回転体収容部１７０を介して、酸化ガス供給流路３１の上流側部分と下流側部分とが連通されている。そのため、ステップＳ１１０を実行した後に、燃料電池システム１００が風を受けると、受けた風の流速に応じた流量の空気が、エアコンプレッサ３３内に流入して、酸化ガス供給流路３１、バイパス流路３７、および酸化ガス排出流路４１を流れる。なお、本実施形態のエアコンプレッサ３３は、既述したように、燃料電池車両のフロントコンパートメント内に配置されている。燃料電池車両の使用環境において風が吹く場合には、フロントコンパートメント内に対しては、主として車両の走行方向前方からの風が流入する。そのため、フロントコンパートメント内に配置された燃料電池システム１００を構成する各構成部は、主として車両の走行方向前方からの風を受ける。そして、ステップＳ１１０においてバイパス弁３５を開弁させることにより、主として車両の走行方向前方からの風による空気の流入が、エアコンプレッサ３３を介して起こるようになる。
本実施形態のステップＳ１１０では、制御部８０のＣＰＵは、さらに、開閉弁４４を閉弁させている。これにより、エアコンプレッサ３３から流入した空気は、燃料電池２０内を経由することなく、バイパス流路３７のみを流れることとなる。
本実施形態のエアコンプレッサ３３は、既述したように、燃料電池車両のフロントコンパートメント内に配置されている。そのため、本実施形態のステップＳ１１０では、図示しないグリルシャッタの開度を大きくする（以下、閉じた状態から開いた状態に変更することを含む）動作をさらに行なっている。グリルシャッタは、フロントコンパートメント内への風（例えば走行風）の流入量を変更するための構造であり、車体のフロントバンパーの下部に設けられている。グリルシャッタの開度をより大きくすることで、フロントコンパートメント内に流入する風の流量を増大させることができる。グリルシャッタの開度を大きくして、フロントコンパートメント内への風の流入量を増加させることで、エアコンプレッサ３３への空気の流入が、より容易になる。
ステップＳ１１０の後、制御部８０のＣＰＵは、エアフロメータ９５の検出信号を取得することで、エアコンプレッサ３３を経由して酸化ガス供給流路３１に流入した空気の流量を測定する（ステップＳ１２０）。本実施形態では、エアコンプレッサ３３を経由して流入した空気の流量を測定するために、エアコンプレッサ３３よりも上流に配置したエアフロメータ９５を用いているが、異なる構成としてもよい。例えば、バイパス流路３７や酸化ガス排出流路４１において流量センサが設けられていれば、これを利用してもよい。燃料電池２０の発電時に、エアコンプレッサ３３を経由して酸化ガス供給流路３１に取り込まれる空気の流量を測定可能な流量センサであれば、エアフロメータ９５と同様に利用することができる。ステップＳ１２０の後、制御部８０のＣＰＵは、ステップＳ１２０で測定した空気の流量を用いて、燃料電池システム１００が受ける風の風速を求めて（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。
図４は、本実施形態の燃料電池車両における、エアフロメータ９５の検出値（センサ値）と、燃料電池システム１００が受けた風の風速との関係を示す説明図である。本実施形態では、予め、燃料電池車両の条件（例えば、バイパス弁３５の開度やグリルシャッタの開度を含む）を一定にして、燃料電池車両に対して種々の風速にて風を当ててセンサ値を実験的に求めている。そして、得られた測定結果に基づいて、センサ値と風速との関係を示す近似曲線（近似直線を含む）ＡＬを求め、制御部８０のメモリ（記憶部とも呼ぶ）内に記憶している。図４では、風速に対するセンサ値の実測値のプロットと、センサ値と風速との関係を表わす近似直線と、の一例を示している。ステップＳ１３０では、上記した近似曲線（近似直線を含む）ＡＬを参照して、ステップＳ１２０で測定したセンサ値に基づいて、燃料電池システム１００が受けた風の風速を求めている。なお、図４に示すように風速とセンサ値との関係を求める際には、風速として、燃料電池車両が受けた風の風速ではなく、燃料電池システム１００が設置されるフロントコンパートメント内の風速を用いることが望ましい。この場合には、上記関係を求める際に、フロントコンパートメント内に風速計を設置すればよい。
本実施形態では、制御部８０のＣＰＵは、ステップＳ１３０において風速を求めて本ルーチンを終了した後には停止状態に復帰し、その後、ウェイクアップタイマが計測する経過時間が予め定めた基準時間に達したときに再び起動されて、システム停止時風速導出処理ルーチンを実行する。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１００によれば、エアコンプレッサ３３の停止時に、エアコンプレッサ３３とバイパス流路３７とを経由して酸化ガス供給流路３１から酸化ガス排出流路４１に流れる空気の流量を求めることにより、燃料電池車両および燃料電池システム１００が非起動状態のときに、燃料電池システム１００が受けた風の風速を求めることができる。そのため、特別な風速センサを設けて構造を複雑化することなく、燃料電池システム１００が受けた風の風速を求めることができる。特に、本実施形態では、エアコンプレッサ３３の停止時の空気の流量を測定するために、燃料電池２０の発電時に空気の流量を測定するためのエアフロメータ９５を用いるため、空気の流量測定に起因して構造が複雑化することを抑えることができる。
なお、本実施形態のステップＳ１１０では、バイパス弁３５の開弁と共に、開閉弁４４を閉弁しているが、開閉弁４４の閉弁は必須ではない。風速を求める際に、開閉弁４４を開弁状態にして、エアコンプレッサ３３を介して流入する空気の一部を、燃料電池２０内のカソード側流路内に導くこととしてもよい。ただし、燃料電池２０内のカソード側流路内に液水等が滞留している場合には、カソード側流路内を空気が流れる際の圧損が上昇して、エアコンプレッサ３３を介して流入する空気の流量が変動し得る。そのため、風速を求める精度を向上させる観点からは、ステップＳ１１０において、開閉弁４４を閉弁することが望ましい。
Ｄ．走行時の風速の導出：
図５は、本実施形態の燃料電池車両および燃料電池システム１００が起動状態であるときに、制御部８０のＣＰＵにおいて実行されるシステム起動時風速導出処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池車両の起動状態のオンオフを指示入力するための起動スイッチがオンにされた後に、繰り返し実行される。
本ルーチンが起動されると、制御部８０のＣＰＵは、燃料電池２０が、発電を停止しているか否かを判断する（ステップＳ１００）。燃料電池２０が発電を停止しているか否かは、例えば、燃料電池２０と、燃料電池車両における図示しない駆動モータあるいは２次電池とを接続する配線に設けられた、電流センサや電圧センサの検出信号により判断することができる。燃料電池２０が発電を停止しているときとは、例えば、燃料電池車両が一時的に停車している場合や、燃料電池車両に搭載した２次電池のみを駆動動力源として用いて走行している場合が挙げられる。
燃料電池２０が発電中である（ステップＳ１００：ＮＯ）場合には、制御部８０のＣＰＵは、燃料電池２０の発電を停止可能であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。燃料電池車両が走行中のときには、例えば、２次電池の残存容量（ＳＯＣ）が、２次電池を単独の駆動動力源として用いて走行可能と判断できる基準値以上である場合に、燃料電池２０の発電を停止可能と判断する。また、燃料電池２０によって２次電池を充電中の場合には、２次電池の残存容量（ＳＯＣ）が、予め定めた基準値に達するまでは、燃料電池２０の発電を停止不可と判断してもよい。あるいは、燃料電池２０が発電することによって、優先度の高い何らかの処理が実行されている場合には、燃料電池２０の発電を停止不可と判断してもよい。
ステップＳ１０２において、燃料電池２０の発電を停止不可（ステップＳ１０２：ＮＯ）と判断した場合には、制御部８０のＣＰＵは、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ１０２において、燃料電池２０の発電を停止可能（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）と判断したときには、制御部８０のＣＰＵは、燃料電池２０の発電を停止する（ステップＳ１０４）。これにより、エアコンプレッサ３３も停止される。
制御部８０のＣＰＵは、ステップＳ１０４において燃料電池２０の発電を停止した後、あるいは、ステップＳ１００において燃料電池２０が発電を停止している（ステップＳ１００：ＹＥＳ）と判断した後には、図３のシステム停止時風速導出処理と同様のステップＳ１１０～ステップＳ１３０を実行し、本ルーチンを終了する。これにより、燃料電池車両および燃料電池システム１００が起動状態であるときの、燃料電池システム１００が受けた風の風速が求められる。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１００によれば、エアコンプレッサ３３の停止時に、エアコンプレッサ３３とバイパス流路３７とを経由して酸化ガス供給流路３１から酸化ガス排出流路４１に流れる空気の流量を求めることにより、燃料電池車両および燃料電池システム１００が起動状態のときに、燃料電池システム１００が受けた風の風速を求めることができる。そのため、特別な風速センサを設けて構造を複雑化することなく、燃料電池システム１００が受けた風の風速を求めることができる。
なお、燃料電池車両が走行中であるとき、例えば、２次電池のみを駆動動力源として走行中に、上記のようにして求めた風速は、燃料電池車両が走行する環境において吹いている風の風速（以下、環境風速とも呼ぶ）と、車両の走行に起因して生じる走行風の風速とを合わせた値となる。
Ｅ．風速を用いた温度の導出と液水の滞留抑制処理：
本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池システム１００を構成する各構成部の温度が測定される。温度測定の対象となる、装置、部品、配管などの構成部ごとに温度センサを設けると、部品点数が増加して構造が複雑になり、コストが上昇する。そのため、本実施形態では、燃料電池車両が備える外気温センサ３６が検出した外気温の値を用いて、各構成部の温度を求めている。
また、燃料電池システム１００においては、上記のようにして求めた各構成部の温度を用いて種々の制御が行なわれる。以下では、構成部の温度を導出する動作と共に、構成部の温度を用いた制御の一例として、構成部における液水の滞留を抑制する処理について説明する。
図６は、制御部８０のＣＰＵにおいて実行される液水滞留抑制処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池車両における既述した起動スイッチがオンにされた後に、繰り返し実行される。また、燃料電池車両および燃料電池システム１００が停止状態であるときには、既述したウェイクアップ処理が行なわれる際に、既述した風速を導出する処理と共に実行される。
本ルーチンが起動されると、制御部８０のＣＰＵは、燃料電池システム１００が受ける風の風速を取得する（ステップＳ２００）。本実施形態では、図３および図５に示す風速導出処理により風速を導出したときには、制御部８０内のメモリに導出した風速を一時的に記憶している。ステップＳ２００において制御部８０のＣＰＵは、上記メモリから、図３および図５に示した風速導出処理により導出された最新の風速を呼び出す。その後、制御部８０のＣＰＵは、ステップＳ２００で取得した風速を用いて、燃料電池システム１００を構成する構成部の温度を導出する（ステップＳ２１０）。以下では、ステップＳ２１０で実行される、風速を用いた構成部の温度導出の動作について説明する。
例えば、燃料電池システム１００が停止されてある程度の時間が経過すると、燃料電池システム１００を構成する各構成部の温度は、環境温度（外気温センサ３６の検出温度）とほぼ同じになる。その後、燃料電池システム１００が起動されて燃料電池２０の発電が開始されると、燃料電池２０が発熱して昇温する。それと共に、燃料電池２０の周辺に配置された燃料電池システム１００を構成する各構成部は、熱源である燃料電池２０からの伝熱によって昇温する。燃料電池２０からの伝熱による、各構成部の単位時間当たりの上昇温度ΔＴＵは、以下の（１）式で表わすことができる。
ΔＴＵ＝受熱係数 ×（燃料電池温度－構成部の温度） … （１）
上記（１）式において、燃料電池温度は、燃料電池２０の発電時には、冷媒系７０の冷媒流路７１を流れる冷媒温度として取得できる。また、燃料電池２０の発電停止時には、燃料電池２０が発電を停止したときの燃料電池２０の温度（冷媒温度）を初期値として、後述する放熱による単位時間当たりの低下温度ΔＴＤから導かれる温度低下量を積算することにより、求めることができる。上記（１）式において、構成部の温度は、この構成部の温度を求める動作を繰り返すサイクルにおいて、先回のサイクルで求めた構成部の温度とすればよい。受熱係数は、主として、燃料電池温度、燃料電池温度と構成部の温度との温度差、燃料電池から構成部へと伝熱する経路を構成する部材の熱容量、により定まる値である。受熱係数は、例えば、構成部ごとに予め実験的に求めて、燃料電池温度、および燃料電池温度と構成部の温度との温度差をパラメータとするマップとして、制御部８０内のメモリに記憶しておけばよい。
また、各構成部は、上記のように伝熱により昇温すると共に、放熱により降温する。放熱による、構成部の単位時間当たりの低下温度ΔＴＤは、以下の（２）式で表わすことができる。
ΔＴＤ＝放熱係数 ×（構成部の温度－外気温） … （２）
上記（２）式において、構成部の温度は、（１）式と同様である。外気温は、外気温センサ３６が検出した温度である。放熱係数は、主として、構成部の温度、および、構成部の温度と外気温との温度差により定まる値である。また、構成部は、構成部（燃料電池システム１００）が風を受けるときには、温度がより大きく低下する。そのため、本実施形態では、放熱係数は、構成部（燃料電池システム１００）が受ける風の風速をさらに考慮して設定されている。放熱係数は、例えば、構成部ごとに予め実験的に求めて、構成部の温度、構成部の温度と外気温との温度差、燃料電池システム１００が受ける風の風速をパラメータとするマップとして、制御部８０内のメモリに記憶しておけばよい。そして、構成部の単位時間当たりの低下温度ΔＴＤを求める際には、燃料電池システム１００が受けた風の風速として、既述したように、燃料電池２０の発電停止時にエアコンプレッサ３３を介して流入する空気の流量を用いて求めた値を利用する。
構成部の温度は、上記した単位時間当たりの上昇温度ΔＴＵと、単位時間当たりの低下温度ΔＹＤと、の差に応じて、昇温あるいは降温する。すなわち、上記した単位時間当たりの上昇温度ΔＴＵと、単位時間当たりの低下温度ΔＹＤと、の差が、構成部における温度の変化速度となる。そのため、ステップＳ２１０では、上記した温度の変化速度および温度導出処理のサイクル時間から導かれる温度変化量を、先回のサイクルで求めた構成部の温度に積算して、現在の構成部の温度を算出する動作を繰り返すことにより、構成部に温度センサを設けることなく、構成部の温度を経時的に算出している。
ステップＳ２１０で構成部の温度を導出した後、制御部８０のＣＰＵは、導出した構成部の温度を、予め設定して制御部８０内のメモリに記憶しておいた基準温度と比較する（ステップＳ２２０）。この基準温度は、構成部ごとに、後述する液水の滞留抑制処理を行なうか否かの判断のための基準として定められている。
ステップＳ２２０において、構成部の温度が基準値以下だと判断したときには（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、制御部８０のＣＰＵは、構成部において液水の滞留を抑制するための滞留抑制処理を実行し（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ２２０において、構成部の温度が基準値を越えると判断したときには（ステップＳ２２０：ＮＯ）、制御部８０のＣＰＵは、滞留抑制処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。以下では、構成部ごとに行なわれる滞留抑制処理について説明する。
構成部が燃料電池２０であるときには、発電を停止した後の燃料電池２０の温度は、既述したように、発電停止時の燃料電池２０の温度を初期値として、単位時間当たりの低下温度ΔＴＤから求められる温度低下量を積算することにより求めることができる。そして、燃料電池２０の温度が、予め定めた基準温度以下になったときには、滞留抑制処理として、掃気処理を行なう。具体的には、例えば、制御部８０のＣＰＵがエアコンプレッサ３３を駆動することにより、酸化ガスの配管を掃気して、配管中の水分を除去することとすればよい。あるいは、制御部８０のＣＰＵがインジェクタ５５や燃料ガスポンプ６４を駆動することにより、燃料ガスの配管を掃気して、配管中の水分を除去することとすればよい。このような掃気処理を行なうことで、燃料電池２０内のガス流路において、液水の滞留を抑制することができ、ガス流路における結露や凍結を抑制することができる。
また、構成部が燃料ガスポンプ６４である場合には、燃料ガスポンプ６４の温度が予め定めた基準温度以下になったときに、燃料ガスポンプ６４を駆動することで、燃料ガスポンプ６４内における液水の滞留を抑制し、結露や凍結を抑えればよい。
あるいは、燃料電池２０の発電停止中に、構成部の温度が予め定めた基準温度以下になったときには、制御部８０のＣＰＵは、燃料電池２０の発電を一時的に行なうことにより、構成部を加熱することとしてもよい。構成部が、燃料電池２０や燃料ガスポンプ６４、あるいは、燃料電池２０に接続された流体の配管等である場合のように、燃料電池２０の発熱の影響を受けるならば、燃料電池２０を発熱させることにより、構成部を昇温させることができる。
また、構成部が、燃料電池２０から離間して配置される場合には、燃料電池２０の発電中、例えば燃料電池車両の走行中であっても、単位時間当たりの低下温度ΔＴＤが単位時間当たりの上昇温度ΔＴＵを上回ることにより、構成部の温度が上記基準温度以下になる場合が有り得る。このような場合には、燃料電池２０の発熱量を一時的に増加させることにより、上記構成部を加熱することとしてもよい。また、制御部８０のＣＰＵは、既述したグリルシャッタを閉状態にして、フロントコンパートメント内に配置される構成部の保温を図ってもよい。このように、構成部を加熱し、あるいは保温を図ることにより、構成部における液水の滞留を抑えて、構成部における結露や凍結を抑えることができる。
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池システム１００が受けた風の風速を用いて、構成部の単位時間当たりの低下温度ΔＴＤを求めて、構成部の温度を算出するため、構造を複雑化することなく、構成部の温度を精度よく導出できる。そして、導出した構成部の温度を用いて、滞留抑制処理を行なうか否かを判断するため、燃料電池システム１００の構造を複雑化することなく、滞留抑制処理を適切に実行可能になる。
なお、燃料電池車両の走行中に、構成部の温度の算出処理を継続する際に、ステップＳ１０２において、燃料電池２０の発電を停止不可である状態が継続して、風速を求めることができない状態が継続する場合がある。このような場合には、次回に風速を導出できるようになるまでの間、先回のシステム起動時風速導出処理により求めた最新の風速の値を用いて、既述した単位時間当たりの低下温度ΔＴＤを求めて構成部の温度を算出すればよい。具体的な動作の概要は、以下の通りである。
すなわち、燃料電池車両の走行中には、ステップＳ１３０において求められる風速は、環境風速と、車両の走行に起因して生じる走行風の風速とをあわせた値となる。そして、走行風の風速は、燃料電池車両の車速を用いて求めることができる。具体的には、燃料電池車両の車速と、走行（車速）に起因して生じる走行風の風速との関係を予め実験的に求めて制御部８０内に記憶しておけばよい。そして、上記関係を参照して、現在の車速を用いて現在の走行風の風速を求め、ステップＳ１３０で得られた風速から減算することにより、環境風速を求めることができる。その後、ステップＳ１３０において新たに風速を求められない場合には、その時点における車速から求められる走行風の風速に、上記した環境風速を加算することにより、燃料電池システム１００が受けた風の風速とすればよい。
また、燃料電池車両および燃料電池システム１００が停止状態であるときには、既述したようにウェイクアップ処理により、燃料電池システム１００が受ける風の風速が導出され、各構成部の温度が導出される。このとき、例えば燃料電池車両が搭載する２次電池の残存容量（ＳＯＣ）が不十分である場合など、ウェイクアップ処理を実行できない場合が生じ得る。このような場合には、風速を考慮した構成部の温度の導出ができなくなり、その結果、導出した温度に基づいて構成部における液水の滞留を抑える処理を実行することが困難になる。このような場合には、予め定めたフェールセーフの処理を実行すればよい。具体的には、例えば、予測される最も厳しい条件であっても構成部における液水の滞留を抑制できるタイミングで、既述した掃気等の処理を実行すればよい。
Ｆ．風速を用いたその他の制御の例：
ステップＳ１３０において求めた風速を用いて、燃料電池システム１００を構成する各構成部の温度の導出以外の処理を行なってもよい。例えば、燃料電池車両が進行方向前方からの風を受けると、走行抵抗を生じる。そのため、ステップＳ１３０で求める風速と、燃料電池車両で生じる走行抵抗との関係を予め求めておけば、ステップＳ１３０で求めた風速を用いて、燃料電池車両で生じる走行抵抗を導出可能になる。このような場合には、アクセル開度に基づいて燃料電池２０に対する要求発電量を設定する際に、導出された走行抵抗が大きいほど要求発電量が多くなるように、要求発電量を補正することができる。これにより、特別な風速センサを設けることなく、アクセル開度に応じた加速感を得る制御を行なうことが可能になる。
また、燃料電池システム１００では、パージ弁６６を開弁することにより、気液分離器６２から、水と水素を含むガスとを排出する際に、エアコンプレッサ３３の駆動量をより多くしている。これにより、酸化ガス排出流路４１を流れる酸化排ガスの流量が増加するため、パージ弁６６を介して排出される水素が、より希釈されやすくなる。このとき、燃料電池システム１００が受ける風の風速が速いほど、パージ弁６６を介して排出される水素が、より希釈されやすくなる。そのため、ステップＳ１３０で求めた風速が、予め定めた基準値以上のときには、パージ弁６６を開弁するときにエアコンプレッサ３３の駆動量を増加させる程度を、より少なくする制御を行なうことができる。
Ｇ．他の実施形態：
上記した実施形態では、エアコンプレッサ３３として、図２に示したような、いわゆるターボコンプレッサを用いているが、異なる構成としてもよい。エアコンプレッサの入口と出口に密閉性がなく、エアコンプレッサの停止時に、エアコンプレッサに接続される酸化ガス供給流路の上流側と下流側の間が連通されて、燃料電池システム１００が受けた風の風速に応じた流量の空気が流入可能であればよい。ターボコンプレッサのほか、例えば、往復式のコンプレッサであってもよく、気密性がなければ同様に用いることができる。
上記した実施形態では、図４に示すように、エアコンプレッサ３３の停止時にエアコンプレッサ３３とバイパス流路３７とを経由して流れる空気の流量と、燃料電池システム１００が受ける風の風速と、の関係を予め記憶し、この関係を用いて、燃料電池システム１００が受けた風の風速を導出しているが、異なる構成としてもよい。例えば、流量センサ（エアフロメータ９５）の検出値を用いて、燃料電池システム１００が受けた風の風速の強弱の程度を段階的に把握することにより、風速の導出を行なってもよい。そして、導出した風速の強弱の段階に応じて、例えば、既述した車両走行時における要求発電量の補正や、パージ弁６６の開弁時におけるエアコンプレッサ３３の駆動量の補正を行なえばよい。
燃料電池システム１００は、車両の駆動用電源として用いる他、車両以外の移動体の駆動用電源として用いてもよい。あるいは、燃料電池システム１００は、定置型の発電装置としてもよい。例えば、定置型であっても、風を受けることで各構成部の温度の低下の程度が大きくなるため、構成部の温度を対象とした同様の制御を行なうことができる。あるいは、パージ弁６６を開弁する際のエアコンプレッサ３３の駆動量増加の制御を、同様に行なうことができる。なお、実施形態で示した燃料電池システム１００とは異なり、燃料電池システムが、車両の走行方向前方等の特定方向以外の方向から吹く風の影響を大きく受ける場合がある。このような場合には、例えば、酸化ガス供給流路３１の吸気口の形状等により、種々の方向からの風を酸化ガス供給流路３１内に流入可能にすればよい。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
２０…燃料電池
３０…酸化ガス系
３１…酸化ガス供給流路
３２…エアクリーナ
３３…エアコンプレッサ
３４…インタークーラ
３５…バイパス弁
３６…外気温センサ
３７…バイパス流路
４１…酸化ガス排出流路
４３…調節弁
４４…開閉弁
４６…マフラ
５０…燃料ガス系
５１…燃料ガス供給流路
５２…水素タンク
５３…主止弁
５４…可変調圧弁
５５…インジェクタ
６１…燃料ガス排出流路
６２…気液分離器
６３…燃料ガス循環流路
６４…燃料ガスポンプ
６５…燃料ガス放出流路
６６…パージ弁
７０…冷媒系
７１…冷媒流路
７２…ラジエータ
７３…ラジエータファン
７４…冷媒ポンプ
８０…制御部
９５…エアフロメータ
９６…圧力センサ
１００…燃料電池システム
１１０…ソレノイド
１２０…シャフト
１３０…ロータ
１４０…マグネット
１５０…モータ収容部
１５５…オイル
１６０…回転体
１７０…回転体収容部
１８０…メカニカルシール
１８２…固定環
１８４…回転環
１９０…モータ

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池に接続されて、酸化ガスとしての空気を前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
    前記燃料電池に接続されて、前記燃料電池から排出された酸化排ガスが流れる酸化ガス排出流路と、
    前記酸化ガス供給流路に設けられて、前記燃料電池へと空気を吐出するコンプレッサであって、前記コンプレッサの停止時には、前記コンプレッサを介して、前記コンプレッサに接続される前記酸化ガス供給流路の上流側と下流側とが連通されるコンプレッサと、
    前記酸化ガス供給流路における前記コンプレッサが配置された箇所よりも下流の部位と、前記酸化ガス排出流路とを接続するバイパス流路と、
    前記燃料電池の発電時に、前記コンプレッサを経由して前記酸化ガス供給流路に取り込まれる空気の流量を測定可能な流量センサと、
    前記コンプレッサの停止時に、前記コンプレッサと前記バイパス流路とを経由して前記酸化ガス供給流路から前記酸化ガス排出流路に空気が流れる状態で、前記流量センサが測定した前記空気の流量を取得し、前記燃料電池システムが受ける風の風速を導出する風速導出部と、
    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、さらに、
    前記コンプレッサの停止時に、前記コンプレッサと前記バイパス流路とを経由して前記酸化ガス供給流路から前記酸化ガス排出流路に流れる空気の流量と、前記燃料電池システムが受ける風の風速と、の関係を予め記憶する記憶部を備え、
    前記風速導出部は、前記流量センサから取得した前記空気の流量と、前記記憶部に記憶した前記関係とを用いて、前記燃料電池システムが受ける風の風速を導出する
    燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記風速導出部が導出した前記燃料電池システムが受ける風の風速を用いて、前記燃料電池システムを構成する構成部の温度を導出する温度導出部と、
    前記温度導出部が導出した前記構成部の温度を用いて、前記構成部における液水の滞留を抑制する処理を実行する滞留抑制部と、
    を備える燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記コンプレッサは、ターボコンプレッサである
    燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を経由した空気の流通を可能にするためのバイパス弁と、
    前記酸化ガス供給流路において、前記バイパス流路との接続部よりも下流に設けられ、前記燃料電池への空気の流入を遮断可能な遮断弁と、
    前記風速導出部が前記風速を導出する際には、前記遮断弁を閉弁して、前記燃料電池への空気の流入を遮断すると共に、前記バイパス弁を開弁する流路制御部と、
    を備える燃料電池システム。
  6. 燃料電池を備える燃料電池システムにおける風速導出方法であって、
    前記燃料電池に対して酸化ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサが停止されているときに、前記コンプレッサを介して取り込まれた空気の少なくとも一部を、前記燃料電池をバイパスさせて流すと共に、前記コンプレッサを介して取り込まれる空気の流量を測定し、
    前記コンプレッサの停止時に、前記コンプレッサを介して取り込まれる空気の流量と、前記燃料電池システムが受ける風の風速と、の関係を予め記憶部に記憶し、
    前記記憶部に予め記憶した前記関係と、測定した前記空気の流量とを用いて、前記燃料電池システムが受けた風の風速を導出する
    風速導出方法。
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