JP7531538B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特に、該燃料電池システムの起動時に電動補機を適切に制御可能な燃料電池システムに関する。

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池（ＦＣ）に関する研究開発が行われている。

例えば、特許文献１の図３の（ａ）、（ｂ）には、酸化剤ガスを燃料電池に供給するコンプレッサの起動時にピーク電力（突入電力）が発生しないよう、コンプレッサの起動時に回転数加速レートを低く設定する技術が開示されている。

特開２００３－１６８４６４号公報

しかしながら、コンプレッサの起動時に回転数加速レートを低くする上記従来技術では、コンプレッサの起動時間が長くなるという課題がある。

この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

この発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの発電運転に供される電動補機と、該電動補機に電力を供給可能な蓄電装置と、前記電動補機の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、起動時に前記電動補機をフィードフォワード制御により駆動する際、前記蓄電装置の許容放電電力が、前記電動補機の定常電力の目標設定で発生するピーク電力以上か未満かを判定し、以上である場合には、前記定常電力に至るための定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動し、未満である場合には、ピーク電力を前記許容放電電力未満の許容ピーク電力まで低下させるために、前記電動補機の定常電力を低下させた低定常電力に至るための低定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動する。

この発明によれば、燃料電池システムの起動時において、蓄電装置の許容放電電力が、フィードフォワード制御で駆動される電動補機の定常電力で発生するピーク電力以上であると判定した場合には、前記電動補機の定常電力を低下させた低定常電力及び定常動作レートを低下させた低定常動作レートの目標設定により前記電動補機を前記フィードフォワード制御で駆動するようにしたので、前記電動補機の起動時に発生するピーク電力を許容放電電力未満に低下させることができる。

これにより、前記蓄電装置の過剰放電（過負荷）を回避しつつ前記電動補機の起動時間が徒に長くなることを防止して、燃料電池システムの起動時間を短くすることができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池自動車の概略構成図である。 図２は、燃料電池システムの起動時の動作説明に供されるフローチャート（１／２）である。 図３は、燃料電池システムの起動時の動作説明に供されるフローチャート（２／２）である。 図４は、電動補機であるコンプレッサの起動時の過渡応答波形例を示すタイミングチャートである。 図５は、制御装置の記憶部に記録されているコンプレッサの回転数加速レートの算出用マップである。

［実施形態］
［構成］
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システム（ＦＣＳ）１０が組み込まれた燃料電池自動車（ＦＣＶ）１２の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車１２以外の船舶、航空機、ロボット等の他の移動体にも組み込み可能である。

燃料電池自動車１２は、該燃料電池自動車１２全体を制御する制御装置１５と、燃料電池システム１０と、該燃料電池システム１０に電気的に接続される出力部１６とから構成される。制御装置１５は、一つではなく、例えば、燃料電池システム１０用と出力部１６用等、二つ以上の制御装置としてもよい。

出力部１６には、駆動部４２、インバータ４５及びモータ（電動機）４６が含まれる。燃料電池自動車１２は、モータ４６が発生する駆動力により走行する。

駆動部４２の負荷には、電動主機である前記モータ４６の他に、電動補機であるコンプレッサ２８が含まれる。電動補機には、コンプレッサ２８の他、後述する冷媒ポンプ３８、不図示のエアコンディショナ等が含まれる。

駆動部４２とコンプレッサ２８との間に高圧のバッテリである蓄電装置４４が組み込まれている。蓄電装置４４には、該蓄電装置４４のＳＯＣ［％］を測定するＳＯＣセンサ５４が取り付けられている。

ＳＯＣセンサ５４は、蓄電装置４４のＳＯＣ｛蓄電状態［％］＝（現在の残容量）÷（満充電容量量）×１００｝を検出し、該蓄電装置４４のＳＯＣに依存する最大放電可能電力である、蓄電装置４４の現在の許容放電電力Ｐｂｃ［Ｗ］を算出する。

ＳＯＣセンサ５４は、蓄電装置４４の温度、入出力電流（充放電電流）及び蓄電電圧Ｖｂから満充電容量に対する残容量であるＳＯＣ［％］を算出する。ＳＯＣセンサ５４は、算出したＳＯＣ及び温度に応じた現在の許容放電電力Ｐｂｃを制御装置１５に通知する。

蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃは、蓄電装置４４のＳＯＣに依存する蓄電電圧Ｖｂが大きい程、大きな値になる。また、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃは、蓄電装置４４の内部抵抗が小さい程、大きな値になる。なお、許容放電電力Ｐｂｃは、ＳＯＣセンサ５４で算出するのではなく、制御装置１５で算出してもよい。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（ＦＣスタック、単に、燃料電池ともいう）１８と、燃料タンク（水素タンク）２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、冷媒供給装置２６とから構成される。

燃料電池スタック１８には、酸化剤ガス入口１０１と、酸化剤オフガス出口１０２と、燃料ガス入口１０３と、燃料オフガス出口１０４と、出力電極（正負出力電極）１０５と、冷媒出口１０６と、冷媒入口１０７とが設けられる。
酸化剤ガス供給装置２２には、電動補機としてのコンプレッサ（ＣＰ）２８が含まれる。

燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ３２が含まれる。インジェクタ３２は、降圧弁に代替してもよい。

燃料ガス入口１０３と燃料タンク２０との間には、燃料タンク２０側から順に遮断弁３０、インジェクタ３２及び燃料ガス供給路７１が設けられる。

酸化剤ガス入口１０１とコンプレッサ２８の酸化剤ガス吐出端との間には、コンプレッサ２８側から順に酸化剤ガス吐出流路７２、酸化剤ガスの入力側の供給側封止弁１１８、酸化剤ガス供給流路７３が設けられる。
酸化剤オフガス出口１０２には、酸化剤オフガス流路７６が連通する。

酸化剤オフガス流路７６は、背圧弁としても機能する排出側封止弁１１０を介して酸化剤オフガスの排出流路１１２に連通する。

上記した酸化剤ガス吐出流路７２は、分岐して、バイパス弁１２２を有するバイパス流路７５の入口側に連通する。バイパス流路７５の出口側は、前記排出流路１１２に連通する。

燃料オフガス出口１０４には、燃料オフガスの排出流路１１６が連通する。

前記冷媒出口１０６と、前記冷媒入口１０７との間には、冷媒出口１０６から順にラジエータ４０及び冷媒ポンプ３８が設けられる。

燃料電池スタック１８は、ＰＥＦＣ型燃料電池スタックであって、複数の発電セル（不図示）が積層される。

燃料電池スタック１８は、酸化剤ガス入口１０１から供給される酸化剤ガスと燃料ガス入口１０３から供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電し、直流電力である発電電力を出力電極１０５から駆動部４２に供給する。

駆動部４２は、ステップアップタイプのＤＣ－ＤＣコンバータである昇圧コンバータ５１と、ステップアップダウンタイプのＤＣ－ＤＣコンバータである昇降圧コンバータ５２とを有する。

昇圧コンバータ５１は、燃料電池スタック１８の発電電力の発電電圧を昇圧し、インバータ４５の直流端に供給すると共に、昇圧コンバータ５１により昇圧した発電電圧を昇降圧コンバータ５２の昇圧端に供給する。

インバータ４５は、直流端に供給された発電電力を３相交流電力に変換してモータ４６に供給し、モータ４６に走行駆動力を発生させる。燃料電池自動車１２は、モータ４６の走行駆動力により走行する。

一方、インバータ４５は、燃料電池自動車１２の減速時には、モータ４６に発生した３相交流の回生電力を直流電力に変換して昇降圧コンバータ５２の昇圧端に供給する。

昇降圧コンバータ５２は、昇圧端に供給される前記回生電力又は燃料電池スタック１８の余剰の発電電力の各電圧を降圧して蓄電装置４４に充電する。

燃料電池システム１０の起動時には、蓄電装置４４の直流電力がコンプレッサ２８及び駆動部４２の動作用電力（なお、駆動部４２の動作用電力は、コンプレッサ２８の動作用電力に比較して非常に小さい電力である）に供給される。

燃料電池スタック１８の発電に供された酸化剤ガスは、酸化剤オフガス出口１０２から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤オフガス流路７６、排出側封止弁１１０、排出流路１１２を介して外部に排出される。

燃料電池スタック１８の発電に供された燃料ガスは、燃料オフガス出口１０４から燃料オフガスとして排出され、排出流路１１６及び図示しない希釈器を通じて酸化剤ガスと混合されて外部に排出される。

コンプレッサ２８は、機械式の過給器等で構成され、該過給器を駆動するコンプレッサ用同期モータ（一例）と該コンプレッサ用同期モータを駆動するコンプレッサ用インバータとにより構成される。該コンプレッサ用インバータの直流端に、蓄電装置４４の直流電圧である蓄電電圧Ｖｂが印加される。

コンプレッサ２８の前記コンプレッサ用同期モータの回転数（コンプレッサ２８の回転数）Ｎ［ｒｐｍ］及び回転数加速レートＡ［ｒｐｍ／ｓｅｃ］は、制御装置１５が、前記コンプレッサ用インバータを制御することで制御可能である。

コンプレッサ２８は、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧した空気（過給吸気）を、供給側封止弁１１８を介し、酸化剤ガス供給流路７３及び酸化剤ガス入口１０１を通じて燃料電池スタック１８に供給する。

また、コンプレッサ２８は、加圧した空気を、バイパス弁１２２を介して排出流路１１２に供給する。バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。

外気取入口１１３とコンプレッサ２８とに連通する流路１１４には、外気（空気）の温度を吸気温Ｔａとして検出する温度センサである吸気温度取得部８３と、大気圧Ｐａを検出する圧力センサである大気圧取得部８４とが設けられる。
冷媒出口１０６には、冷媒の出口温度を検出する温度センサである冷媒温度取得部８５が設けられる。

以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置１５によって統括制御される。制御装置１５には、燃料電池自動車１２の電源スイッチ１２０が接続される。

電源スイッチ１２０は、ＯＮ状態で、燃料電池スタック１８の発電運転を開始乃至継続させて燃料電池自動車１２を走行可能状態又は走行状態とし、ＯＦＦ状態で、燃料電池スタック１８の発電運転を終了させ、燃料電池自動車１２を停止状態（ソーク状態）にする。

制御装置１５には、上記したＳＯＣセンサ５４、大気圧取得部８４、吸気温度取得部８３等の他、図示しないアクセル開度センサ、車速センサ等が接続される。

制御装置１５は、電源スイッチ１２０のＯＮ・ＯＦＦ情報及び前記した各種取得部及び各種センサで取得した物理量に基づき、駆動部４２及び各種弁の開閉・開度等を制御すると共に、コンプレッサ２８、冷媒ポンプ３８等の電動補機及び電動主機であるモータ４６を制御する。

制御装置１５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。ＥＣＵは、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ（記憶装置）、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶されたプログラムを実行する。

メモリには、燃料電池スタック１８及び燃料電池自動車１２制御用の各種マップが記録されている。図１においては、制御装置１５のブロックの中に、後述する回転数加速レート算出用のマップ２１０を描いている。

制御装置１５のプロセッサ（ＣＰＵ）は、取得した物理量に基づき前記プログラムに従って前記マップを参照し演算を実行することで、燃料電池自動車１２及び燃料電池システム１０の運転制御を行う。

［動作］
この実施形態に係る燃料電池システム１０を有する燃料電池自動車１２は、基本的には以上のように構成される。以下、図２及び図３のフローチャートを参照しながら、燃料電池システム１０の起動時の動作について説明する。

ステップＳ１にて、制御装置１５は、電源スイッチ１２０がＯＮ状態になったか否かを検出し、ＯＮ状態（ステップＳ１：ＹＥＳ）を検出したとき、バイパス弁１２２を開弁して、処理をステップＳ２に進める。

なお、電源スイッチ１２０がＯＮ状態になる前のＯＦＦ状態において、供給側封止弁１１８、排出側封止弁１１０、バイパス弁１２２及び遮断弁３０は、全て閉弁状態にされている。

ステップＳ２にて、制御装置１５は、ＳＯＣセンサ５４で検出されている、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃ［ｋＷ］を取得し、処理をステップＳ３に進める。

ステップＳ３にて、制御装置１５は、（１）式に示すように、取得した許容放電電力Ｐｂｃが、コンプレッサ２８が定常電力Ｐｒ［ｋＷ］の目標設定であるときの該定常電力Ｐｒに、該定常電力Ｐｒでのオーバーシュート量（定常オーバーシュート量）ＯＳｒ［ｋＷ］を加算した値であるピーク電力（許容ピーク電力）Ｐｐｋｒ［ｋＷ］を上回る値か否かを判定する。
Ｐｂｃ＞Ｐｐｋｒ＝（Ｐｒ＋ＯＳｒ） …（１）

なお、（１）式の右辺から幾らかの余裕量を減算してもよい。起動時間を短くする観点からは、余裕量が小さい方が好ましいがノイズ等の混入により、（１）式が非成立とならないように余裕量を決定する。

なお、この実施形態において、コンプレッサ２８の定常電力Ｐｒは、コンプレッサ２８の定格消費電力である。この定格消費電力においてコンプレッサ２８は、定格回転数（最大連続回転数）である定常回転数Ｎｒで回転を持続させることができる。

コンプレッサ２８は、定常回転数Ｎｒよりも低い一定回転数範囲内で、回転数がふらつかずに安定に動作可能である。コンプレッサ２８が、定常回転数Ｎｒで回転する定常電力Ｐｒ（定格消費電力）よりも低い一定範囲内の低定常電力Ｐｒｌｏｗにおいて、コンプレッサ２８は定常回転数Ｎｒよりも低い回転数（低定常回転数という）Ｎｒｌｏｗで安定に回転を持続させることができる。

コンプレッサ２８の低定常電力Ｐｒｌｏｗ及び該低定常電力Ｐｒｌｏｗを消費して持続回転可能な低定常回転数Ｎｒｌｏｗは、例として、コンプレッサ２８が正常動作する下限値に目標設定する。

図４は、コンプレッサ２８の起動時における応答波形（過渡応答波形）のマップ（横軸は時間、縦軸は、コンプレッサ２８の消費電力［ｋＷ］又は回転数［ｒｐｍ］）の例を示すタイミングチャートである。該応答波形マップ（過渡応答マップともいう）は、予め制御装置１５の記憶装置に記録されている。

コンプレッサ２８は、起動時には、回転数が目標回転数（定常回転数Ｎｒ又は低定常回転数Ｎｒｌｏｗ）となるまで、フィードフォワード制御により駆動される。

図４中、一点鎖線で示す、点０→点ａ→点ｂ→点ｃに沿うコンプレッサ２８の消費電力の過渡応答（過渡応答マップ）２０１は、コンプレッサ２８が定常電力Ｐｒ［ｋＷ］の目標設定である場合の応答波形を示している。この場合、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃ［ｋＷ］は、Ｐｂｃ＝Ｐｂｃｈと、前記ピーク電力Ｐｐｋｒ（点ａでのコンプレッサ２８の消費電力）を上回っている（図４中、許容放電電力Ｐｂｃｈ＞Ｐｐｋｒ）。

Ｐｂｃ＝Ｐｂｃｈ＞Ｐｐｋｒの場合、振幅の大きなオーバーシュート量ＯＳｒが許容可能であるので、定常電力Ｐｒ［ｋＷ］の目標設定である場合、コンプレッサ２８の起動時点ｔ０から安定的な定常回転数Ｎｒ（点ｄに対応する時点ｔ１以降の一定回転数）に至るまでの起動時間Ｔｒは、Ｔｒ＝（ｔ1－ｔ０）と、最も短い起動時間になる。

実際上、許容放電電力Ｐｂｃは、図４中、許容放電電力Ｐｂｃｈ、許容放電電力Ｐｂｃｒ（ａ点でピーク電力Ｐｐｋｒに等しい電力になる）及び許容放電電力Ｐｂｃｌ（ｅ点でピーク電力Ｐｐｋｌに等しい電力になる）の各右下がりの直線に示すように、時点ｔ０から時間の経過と共にＳＯＣの低下に応じて低下する。燃料電池スタック１８が発電していない起動時には、発電電力Ｐｆｃにより蓄電装置４４の充電ができないからである。

ステップＳ３の判定が肯定的（ステップＳ３：ＹＥＳ）である（許容放電電力Ｐｂｃ＞ピーク電力Ｐｐｋｒ）場合、処理をステップＳ４に進める。否定的（ステップＳ３：ＮＯ）である（許容放電電力Ｐｂｃ≦ピーク電力Ｐｐｋｒ）場合、処理をステップＳ５に進める。

ステップＳ４にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８を定常電力Ｐｒの目標設定での起動（定常電力起動）に決定し、処理をステップＳ６に進める。この場合、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃｒ以上の電力によりコンプレッサ２８の定常電力Ｐｒでのオーバーシュート量ＯＳｒを許容可能である。

ステップＳ５にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８を定常電力Ｐｒよりも低い低定常電力Ｐｒｌｏｗの目標設定での起動（低定常電力起動）に決定し、処理をステップＳ６に進める。

すなわち、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃｌでは、コンプレッサ２８の定常電力Ｐｒでのオーバーシュート量ＯＳｒを許容できないので、オーバーシュート量ＯＳをオーバーシュート量ＯＳｌｏｗとする必要がある。すなわち、ＯＳｌｏｗ＝Ｐｐｋｌ（許容ピーク電力であるピーク電力）－Ｐｒｌｏｗ（低定常電力）となる定常電力Ｐｒを低下させた、実線で示す過渡応答（過渡応答マップ）２０２を呈する低定常電力Ｐｒｌｏｗの目標設定での起動に決定する。

図４中、実線で示す、点０→点ｅ→点ｆ→点ｇに沿うコンプレッサ２８の消費電力の過渡応答（過渡応答マップ）２０２は、コンプレッサ２８が低定常電力Ｐｒｌｏｗ［ｋＷ］の目標設定での応答波形を示している。

実際上、定常電力Ｐｒ（ここでは、定格消費電力）及び低定常電力Ｐｒｌｏｗ下で、定常回転数Ｎｒ及び低定常回転数Ｎｒｌｏｗは、空気の密度の変化により修正する必要がある。標準状態、例えば、吸気温Ｔａ＝２５［℃］（常温）、大気の圧力Ｐａ＝１０１３［ｈＰａ］（常圧）での定常回転数Ｎｒは、理想気体の状態方程式より、吸気温Ｔａに比例し、圧力Ｐａに負比例して変化する。

そこで、ステップＳ６にて、制御装置１５は、大気圧取得部８４及び吸気温度取得部８３から大気圧Ｐａ及び吸気温Ｔａを取得し、処理をステップＳ７又はステップＳ７´に進める。

以下の説明において、ステップＳ７～Ｓ１２は、コンプレッサ２８の定常電力Ｐｒの目標設定での起動処理（ステップＳ４）を説明し、ステップＳ７´～Ｓ１２´は、コンプレッサ２８の低定常電力Ｐｒｌｏｗの目標設定での起動処理（ステップＳ５）を説明している。以下、煩雑となるのを回避するために、並列的に説明する。

ステップＳ７（Ｓ７´）にて、制御装置１５は、ステップＳ４で決定した定常電力起動での回転数指令値である定常回転数Ｎｒ［ｒｐｍ］又はステップＳ５で決定した低定常電力起動での回転数指令値である低定常回転数Ｎｒｌｏｗを、大気圧Ｐａ及び吸気温Ｔａに応じて修正し、修正後の定常回転数Ｎｒ又は修正後の低定常回転数Ｎｒｌｏｗを算出して、処理をステップＳ８（Ｓ８´）に進める。

ステップＳ８（Ｓ８´）にて、制御装置１５は、ステップＳ４で決定した定常電力起動での定常電力Ｐｒ、又はステップＳ５で決定した低定常電力起動での低定常電力Ｐｒｌｏｗを、大気圧Ｐａ及び吸気温Ｔａに応じて修正し、修正後の定常電力Ｐｒ又は修正後の低定常電力Ｐｒｌｏｗを算出して処理をステップＳ９（Ｓ９´）に進める。

ステップＳ９にて、制御装置１５は、（２）式で示すように、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃｒ（ピーク電力Ｐｐｋｒ）から修正後の定常電力Ｐｒを引いたオーバーシュート量（許容オーバーシュート量）ＯＳｒを算出して、処理を図３のステップＳ１０に進める。
ＯＳｒ＝Ｐｂｃｒ（Ｐｐｋｒ）－Ｐｒ …（２）

ステップＳ９´にて、制御装置１５は、（３）式で示すように、蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃｌ（ピーク電力Ｐｐｋｌ）から修正後の低定常電力Ｐｒｌｏｗを引いたオーバーシュート量（許容オーバーシュート量）ＯＳｌｏｗを算出して処理をステップＳ１０´に進める。
ＯＳｌｏｗ＝Ｐｂｃｌ（Ｐｐｋｌ）－Ｐｒｌｏｗ …（３）

図５は、制御装置１５の記憶部に記録されている回転数加速レートＡ［ｒｐｍ／ｓｅｃ］の算出用のマップ２１０を示している。横軸はオーバーシュート量ＯＳ［ｋＷ］、縦軸は回転数加速レートＡ［ｒｐｍ／ｓｅｃ］である。

オーバーシュート量ＯＳ［ｋＷ］が大きい程、回転数加速レートＡ［ｒｐｍ／ｓｅｃ］を大きくしてもよいことが分かる。換言すれば、コンプレッサ２８のオーバーシュート量ＯＳは、回転数加速レートＡに略比例して大きくなる。

ステップＳ１０にて、制御装置１５は、マップ２１０を参照して、許容オーバーシュート量ＯＳｒに応じた定常回転数加速レートＡｒを算出して、処理をステップＳ１１に進める。

ステップＳ１０´にて、制御装置１５は、許容オーバーシュート量ＯＳｌｏｗに応じた低定常回転数加速レートＡｒｌｏｗを算出して、処理をステップＳ１１´に進める。

図４において、定常回転数加速レートＡｒは、時点ｔ０～時点ｔ１間で回転数０から定常回転数Ｎｒに至るまでの傾きに対応し、低定常回転数加速レートＡｒｌｏｗは、時点ｔ０～時点ｔ２間で回転数０から低定常回転数Ｎｒｌｏｗに至るまでの傾きに対応する。

ステップＳ１１にて、制御装置１５は、回転数Ｎ＝０からコンプレッサ２８の定常回転数加速レートＡｒを守りながら定常回転数Ｎｒまでのコンプレッサ２８の回転数Ｎのフィードフォワード制御による上昇制御を行い、処理をステップＳ１２に進める。

ステップＳ１１´にて、制御装置１５は、回転数Ｎ＝０からコンプレッサ２８の低定常回転数加速レートＡｒｌｏｗを守りながら低定常回転数Ｎｒｌｏｗまでの回転数Ｎのフィードフォワード制御による上昇制御を行い、処理をステップＳ１２´に進める。

ステップＳ１２にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８の回転数Ｎが、定常回転数Ｎｒに到達したか否かを判定し、到達するまで、ステップＳ１２：ＮＯ→ステップＳ１１の処理を繰り返し、到達したとき（図４の時点ｔ１）、処理をステップＳ１３に進める。この場合、コンプレッサ２８の起動時間Ｔｒ（ｔ１－ｔ０）は、オーバーシュート量ＯＳｒを許容しているので、オーバーシュートを発生させない起動処理技術（オーバーシュート量ＯＳ＝０）に比較して短くすることができる。

ステップＳ１２´にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８の回転数Ｎが、低定常回転数Ｎｒｌｏｗに到達したか否かを判定し、到達するまで、ステップＳ１２´：ＮＯ→ステップＳ１１´の処理を繰り返し、到達したとき（図４の時点ｔ２）、処理をステップＳ１３に進める。この場合、コンプレッサ２８の起動時間Ｔｒｌｏｗ（ｔ２－ｔ０）は、オーバーシュート量ＯＳｌｏｗを許容しているので、オーバーシュートを発生させない起動処理技術（オーバーシュート量ＯＳ＝０）に比較して短くすることができる。

なお、ステップＳ１にて電源スイッチ１２０がＯＮ状態にされた時点で、バイパス弁１２２を開弁しているので、ステップＳ１１、Ｓ１２（ステップＳ１１´、Ｓ１２´）の燃料電池システム１０の起動時の回転数加速レート制御処理時に、コンプレッサ２８からバイパス弁１２２を通じて酸化剤オフガスの排出流路１１２に供給される酸化剤ガスにより燃料電池システム１０に残存している燃料オフガスを希釈して外気に排出することができる。

コンプレッサ２８の回転数Ｎの上昇制御は、コンプレッサ用インバータを例えばデューティ制御することにより行うことができる。

ステップＳ１２：ＹＥＳ（ステップＳ１２´：ＹＥＳ）の肯定的な判定結果により、コンプレッサ２８の起動処理が完了する（時点ｔ１又は時点ｔ２）。

ステップＳ１３にて、制御装置１５は、供給側封止弁１１８及び排出側封止弁１１０を閉弁状態から開弁状態とし、且つバイパス弁１２２を閉弁状態にして、処理をステップＳ１４に進める。

ステップＳ１４にて、制御装置１５は、燃料電池自動車１２の要求発電電力に応じて、燃料電池スタック１８に供給する酸化剤ガス流量目標値を決定し、該目標値となるように、コンプレッサ２８の回転数Ｎをフィードバック制御（Ｆ／Ｂ制御）すると共に、燃料電池スタック１８に供給する燃料ガス流量目標値を決定し、該目標値となるように、インジェクタ３２のデューティをフィードバック制御（Ｆ／Ｂ制御）することで、通常発電運転を行う。

このように上記実施形態では、制御装置１５は、電源スイッチ１２０のＯＮ遷移後の起動時に、ＳＯＣセンサ５４から通知された蓄電装置４４の許容放電電力Ｐｂｃ（Ｐｂｃｈ、Ｐｂｃｒ、Ｐｂｃｌ）に応じて
（ｉ）定常電力Ｐｒの目標設定での起動か、定常電力Ｐｒを抑制する低定常電力Ｐｒｌｏｗの目標設定での起動かを判定する。
（ｉｉ）定常電力Ｐｒの目標設定での起動の場合は、定常回転数Ｎｒの算出処理に、低定常電力Ｐｒｌｏｗの目標設定での起動の場合は、低定常回転数Ｎｒｌｏｗの算出処理に、それぞれ切り替える。
（ｉｉｉ）大気の圧力Ｐａ及び吸気温Ｔａに基づき、標準状態での定常回転数Ｎｒ、低定常回転数Ｎｒｌｏｗ、定常電力Ｐｒ及び低定常電力Ｐｒｌｏｗを修正する。
（ｉｖ）許容放電電力Ｐｂｃｒ（ピーク電力Ｐｐｋｒ）から修正後の定常電力Ｐｒを引いて許容オーバーシュート量ＯＳｒを算出し、算出した許容オーバーシュート量ＯＳｒに対応する定常回転数加速レートＡｒを、マップ２１０を参照して算出する。または、許容放電電力Ｐｂｃｌ（ピーク電力Ｐｐｋｌ）から修正後の低定常電力Ｐｒｌｏｗを引いて許容オーバーシュート量ＯＳｌｏｗを算出し、算出した許容オーバーシュート量ＯＳｌｏｗに対応する低定常回転数加速レートＡｒｌｏｗを、マップ２１０を参照して算出する。
（ｖ）フィードフォワード制御により定常回転数加速レートＡｒを守りながら修正後の定常回転数Ｎｒまで回転させる起動制御を行う。または、フィードフォワード制御により低定常回転数加速レートＡｒｌｏｗを守りながら修正後の低定常回転数Ｎｒｌｏｗまで回転させる起動制御を行う。
（ｖｉ）起動終了後、コンプレッサ２８の回転数Ｎでのフィードバック制御により燃料電池スタック１８での発電制御を開始する。

［実施形態から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には、上記実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。

［１］この発明に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタック１８と、該燃料電池スタックの発電運転に供される電動補機と、該電動補機に電力を供給可能な蓄電装置４４と、前記電動補機の動作を制御する制御装置１５と、を備え、前記制御装置は、起動時に前記電動補機をフィードフォワード制御により駆動する際、前記蓄電装置の許容放電電力Ｐｂｃが、前記電動補機の定常電力Ｐｒの目標設定で発生するピーク電力Ｐｐｋｒ以上か未満かを判定し、以上である場合には、前記定常電力に至るための定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動し、未満である場合には、ピーク電力を前記許容放電電力未満の許容ピーク電力Ｐｐｋｌまで低下させるために、前記電動補機の定常電力を低下させた低定常電力Ｐｒｌｏｗに至るための低定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動する。

この発明によれば、燃料電池システムの起動時において、蓄電装置の許容放電電力が、電動補機の定常電力で発生するピーク電力以上であると判定した場合には、起動時に発生する電動補機のピーク電力を前記許容放電電力未満に低下させるために、前記電動補機の定常電力を低下させた低定常電力及び定常動作レートを低下させた低定常動作レートの設定により前記電動補機を駆動するようにしている。

これにより、前記蓄電装置の過剰放電（過負荷）を回避しつつ前記電動補機の起動時間が徒に長くなることを防止して、燃料電池システムの起動時間を短くすることができる。延いてはエネルギの効率化に寄与する。

［２］また、燃料電池システムにおいては、前記電動補機が、大気から取り込んだ空気を圧縮して前記酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給するコンプレッサ２８であり、前記定常動作レートが前記コンプレッサの定常回転数加速レートＡｒであり、前記低定常動作レートが、前記定常回転数加速レートよりも低い低定常回転数加速レートＡｒｌｏｗにされる。

これにより、コンプレッサに適切な回転数加速レートを設定することができ、且つ蓄電装置の過剰放電（過負荷）を回避しつつコンプレッサの起動時間が徒に長くなることを防止される。

［３］さらに、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記ピーク電力から前記定常電力を減算した定常オーバーシュート量ＯＳｒを算出するか、前記許容ピーク電力から前記低定常電力を減算した低定常オーバーシュート量ＯＳｌｏｗを算出し、前記定常回転数加速レート及び前記低定常回転数加速レートを、予め記録されたオーバーシュートに対する回転数加速レートのマップ２１０を参照して算出する。

これにより、容易に、オーバーシュート量から定常回転数加速レート又は低定常回転数加速レートを算出することができる。

［４］さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記空気の温度を吸気温Ｔａとして取得する吸気温度取得部８３と、大気圧Ｐａを取得する大気圧取得部８４と、をさらに備え、前記制御装置は、前記吸気温及び前記大気圧に応じて、前記定常電力、前記低定常電力、前記定常回転数及び前記低定常回転数を修正することが好ましい。

これによれば、大気圧と空気の温度（吸気温）に基づき、前記定常電力、前記低定常電力、前記定常回転数及び前記低定常回転数を修正することができる。

［５］さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記起動時に、前記コンプレッサの消費電力が、０値から上昇して前記ピーク電力となった後に下降し目標設定された前記定常電力又は前記低定常電力となったとき、前記フィードフォワード制御による起動を終了し、以降、前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給して発電を開始させ、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの流量が目標値となるように前記コンプレッサの回転数をフィードバック制御により駆動する。

これによれば、発電を開始するまでのコンプレッサの起動時間を短くできるので、パワースイッチのＯＮ時から燃料電池スタックの通常発電制御状態（燃料電池スタックの発電電力が、負荷の要求発電電力となるようにコンプレッサの消費電力及び回転数をフィードバック制御する発電制御状態）に至るまでの時間を短くすることができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１５…制御装置 １６…出力部
１８…燃料電池スタック ２０…燃料タンク
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…燃料ガス供給装置
２６…冷媒供給装置 ２８…コンプレッサ（電動補機）
４２…駆動部 ４４…蓄電装置
５１…昇圧コンバータ ５２…昇降圧コンバータ
５４…ＳＯＣセンサ ８３…吸気温度取得部
８４…大気圧取得部

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの発電運転に供される電動補機と、
   該電動補機に電力を供給可能な蓄電装置と、
   前記電動補機の動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記電動補機は、大気から取り込んだ空気を圧縮して前記酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給するコンプレッサであり、
   前記制御装置は、
   起動時に前記電動補機をフィードフォワード制御により駆動する際、前記蓄電装置の許容放電電力が、前記電動補機の定常電力の目標設定で発生するピーク電力以上か未満かを判定し、
   以上である場合には、前記定常電力に至るための定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動し、
   未満である場合には、前記ピーク電力を前記許容放電電力未満の許容ピーク電力まで低下させるために、前記電動補機の定常電力を低下させた低定常電力に至るための低定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動し、
   前記定常動作レートは前記コンプレッサの定常回転数加速レートであり、
   前記低定常動作レートは、前記定常回転数加速レートよりも低い低定常回転数加速レートであり、
   前記制御装置は、
   前記ピーク電力から前記定常電力を減算した定常オーバーシュート量を算出するか、前記許容ピーク電力から前記低定常電力を減算した低定常オーバーシュート量を算出し、
   前記定常オーバーシュート量が大きい程、前記定常回転数加速レートを大きくし、前記低定常オーバーシュート量が大きい程、前記低定常回転数加速レートを大きくする
   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において、
   前記制御装置は、
   前記定常回転数加速レート及び前記低定常回転数加速レートを、予め記録されたオーバーシュートに対する回転数加速レートのマップを参照して算出する
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記空気の温度を吸気温として取得する吸気温度取得部と、
   大気圧を取得する大気圧取得部と、をさらに備え、
   前記制御装置は、
   前記吸気温及び前記大気圧に応じて、前記定常電力、前記低定常電力、定常回転数及び低定常回転数を修正する
   燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記起動時に、前記コンプレッサの消費電力が、０値から上昇して前記ピーク電力となった後に下降し目標設定された前記定常電力又は前記低定常電力となったとき、前記フィードフォワード制御による起動を終了し、以降、前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給して発電を開始させ、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの流量が目標値となるように前記コンプレッサの回転数をフィードバック制御により駆動する
   燃料電池システム。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの発電運転に供される電動補機と、
   該電動補機に電力を供給可能な蓄電装置と、
   前記電動補機の動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記電動補機は、大気から取り込んだ空気を圧縮して前記酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給するコンプレッサであり、
   前記制御装置は、
   起動時に前記電動補機をフィードフォワード制御により駆動する際、前記蓄電装置の許容放電電力が、前記電動補機の定常電力の目標設定で発生するピーク電力以上か未満かを判定し、
   以上である場合には、前記定常電力に至るための定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動し、
   未満である場合には、前記ピーク電力を前記許容放電電力未満の許容ピーク電力まで低下させるために、前記電動補機の定常電力を低下させた低定常電力に至るための低定常動作レートの目標設定により前記電動補機を駆動し、
   前記定常動作レートが前記コンプレッサの定常回転数加速レートであり、
   前記低定常動作レートが、前記定常回転数加速レートよりも低い低定常回転数加速レートにされ、
   前記制御装置は、
   前記ピーク電力から前記定常電力を減算した定常オーバーシュート量を算出するか、前記許容ピーク電力から前記低定常電力を減算した低定常オーバーシュート量を算出し、
   前記定常回転数加速レート及び前記低定常回転数加速レートを、予め記録されたオーバーシュートに対する回転数加速レートのマップを参照して算出する
   燃料電池システム。

Images