JP2006309976A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】流体制御手段の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止する。
【解決手段】水素圧力が第１所定値以下である場合、コントローラ２８が、第２流体操作量生成手段として機能することにより、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁１３が全閉状態となり騒音が発生しない動作点の範囲内になるように空気調圧弁１３の操作量を変化させる。これにより、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。

従来より、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムでは、要求負荷の変動に対する燃料電池の追従性を向上させるために、負荷量に応じて燃料電池に供給するガスの目標流量及び目標圧力を制御している（例えば、特許文献１を参照）。
特開平１−１４４５６９号公報

しかしながら、負荷量に応じて目標流量及び目標圧力を制御する場合、ガス流量が少ない状態にある時には、圧力制御弁の全閉状態付近でガス圧力を制御することになるために圧力制御弁は頻繁に振動的な全閉状態になる。そして、圧力制御弁が頻繁に振動的な全閉状態になる場合、圧力制御弁の操作量が制約されるために、圧力制御弁の制御性能が落ち、圧力制御弁が配管等に衝突することにより騒音が発生する可能性がある。また、燃料ガス圧力を酸化剤ガスの目標圧力するシステムでは、燃料ガス圧力の変動によって空気の圧力制御弁が振動し、より多くの騒音が発生する可能性がある。

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、その目的は、流体制御手段の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の負荷状態量を負荷パラメータとして検出し、負荷パラメータが所定値以下である場合、流体の状態量を制御する流体制御手段の動作点が所定範囲内になるように流体制御手段の操作量を変化させる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、流体の操作量に制約が掛かることがなくなるので、流体制御手段の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１を備える。なお、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素タンク２及び減圧弁３を備え、元弁４を介して水素タンク２から供給される水素の圧力を減圧弁３によって所定圧力まで機械的に減圧した後、可変弁である水素供給弁５によって燃料電池１の運転状態に応じた圧力まで減圧して燃料電池１のアノードに水素を供給する。なお、アノードに供給される水素の圧力は、圧力センサ２０により検出された水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素の圧力を所望の目標圧力に制御することにより、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われることになる。

アノードで未使用の水素は、水素循環流路６及びポンプ等の水素循環装置７を介してアノードの上流側へ循環される。水素循環流路６及び水素循環装置７を設けることにより、アノードで未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。なお、水素循環流路６及び水素循環装置７を介してアノードに戻る水素の循環流路には、カソード側からリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。

このため、アノードの出口側には、水素排出流路８とこれを開閉するパージ弁９が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁９を短時間開き、カソードから排出される空気を利用して排水素処理装置１０で不純物ガスや液水を希釈又は燃焼した後に系外へ排出するパージを行う。これにより、アノードを含む水素循環流路６内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、空気を圧縮して吐出するコンプレッサ１１を備え、コンプレッサ１１から吐出された空気は、加湿装置１２で加湿された後に燃料電池１のカソードに供給される。カソードで未使用の空気は、可変弁である空気調圧弁１３により圧力調整された後、排水素処理装置１０に送られる。なお、カソードに供給される空気の圧力は、圧力センサ２１により検出された空気圧力をフィードバックして空気調圧弁１３を駆動することによって制御される。

〔冷却系の構成〕
上記燃料電池システムは、冷却水を燃料電池１に圧送する冷却水ポンプ１４と、冷却水を冷却するラジエタ１５を経由するラジエタ側流路１６とラジエタ１５を経由しないバイパス流路１７との間で燃料電池１から排出された冷却水の流路を切り替える三方弁１８とを備え、燃料電池１に冷却水を供給することにより燃料電池１を適切な運転温度に保持する。なお、ラジエタ１５は、ラジエタファン１９から供給される冷風との熱交換によって内部を流れる冷却水を冷却する。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、アノードに供給される水素の圧力を検出する圧力センサ２０と、カソードに供給される空気の圧力を検出する圧力センサ２１と、燃料電池１の入口側の冷却水温度を検出する温度センサ２２と、燃料電池１の出口側の冷却水温度を検出する温度センサ２３と、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ２４と、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ２５と、コンプレッサ１１に供給される空気流量を検出する流量センサ２６と、燃料電池１から電力を取り出してモータ等の車両電気システムに電力を供給するパワーマネージャー２７と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ２８とを備える。

なお、この実施形態では、コントローラ２８は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成される。そして、コントローラ２８は、ＣＰＵがプログラムＲＯＭ内に記憶された制御プログラムを実行することにより、図２に示すような、本発明に係る負荷パラメータ変化率低減手段３１，第２流体目標値生成手段３２，第２流体操作量生成手段３３，及び第２流体操作量変化率低減手段３４の機能を実現する。なお、第２流体目標値生成手段３２は、第２流体最小目標値生成手段３５，第２流体発電目標値生成手段３６，第２流体目標値切替手段３７，及び第２流体目標値変化率低減手段３８を有する。なお、各手段の機能について後述する。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ２８が以下に示す圧力制御処理を実行することにより、空気調圧弁１３の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止する。以下、本発明の第１乃至第５の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ２８の動作について説明する。なお、本実施形態は、空気調圧弁１３の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止するものであるが、同様の方法により水素供給弁５の制御性能が落ちることによって騒音が発生することを防止できることは勿論である。

〔圧力制御処理〕

始めに、図３に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ２８の動作について説明する。

図３に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、コントローラ２８が、図２に示す第１流体状態量検知手段３９及び第２流体状態量検知手段４１としてそれぞれ機能する圧力センサ２０及び圧力センサ２１を利用して、アノード及びカソードの水素圧力及び空気圧力を検出する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ１の処理により検出された水素圧力が第１所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第１所定値以下でない場合、コントローラ２８は、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、目標空気圧力をステップＳ１の処理により検出された水素圧力に設定した後、圧力制御処理をステップＳ６の処理に進める。一方、水素圧力が第１所定値以下である場合には、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ３の処理に進める。なお、第１所定値は、予め実験により求められた、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁１３が全閉状態となり、騒音が発生しない値に設定されている。また、第１所定値は、予め実験により作成された空気の圧力と流量の関係を示すマップから算出するようにしてもよい。

ステップＳ３の処理では、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、目標空気圧力を第２所定値に設定する。なお、第２所定値は、予め実験により求められた、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁１３が全閉状態となり、騒音が発生しない値に設定されている。なお、第２所定値は第１所定値と同じ値であってもよい。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ１の処理により検出された水素圧力と空気圧力の差圧を算出し、算出された差圧が第３所定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、差圧が第３所定値以上でない場合、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ６の処理に進める。一方、差圧が第３所定値以上である場合には、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ５の処理に進める。なお、第３所定値は、予め実験により求められた、空気の圧力と流量が低下した時に、空気調圧弁１３が全閉状態となり騒音が発生しない値に設定されている。また、第３所定値は、予め実験により作成された空気の圧力と流量の関係を示すマップから算出するようにしてもよい。

ステップＳ５の処理では、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるようにステップＳ３の処理により設定された目標空気圧力（第２所定値）から値αを減算した値に目標空気圧力を設定する。なお、空気圧力が水素圧力よりも大きい場合、値αは正の値とし、逆に水素圧力が空気圧力よりも大きい場合には値αは負の値とすることにより、水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるように目標空気圧力を設定することができる。また、差圧が第３所定値を超えている時間に応じて値αの絶対値を変化させてもよい。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、コントローラ２８が、第２流体操作量生成手段３３として機能することにより、目標空気圧力とステップＳ１の処理により検出された空気圧力に従って空気調圧弁１３の操作量を演算する。なお、空気調圧弁１３の操作量はＰＩＤ制御等の公知のフィードバック制御手法に従って演算することができる。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、コントローラ２８が、第２流体操作量変化率低減手段３４として機能することにより、空気調圧弁１３の操作量の時間変化率を低減するフィルタ演算処理を行う。そして、空気調圧弁１３はコントローラ２８により演算された操作量に従って動作する。なお、フィルタ演算処理は、以下の数式１により表されるローパスフィルタを用いることにより行うことができる。また、このフィルタ処理は、特に必要なければ省略してもよい。また、数式１中のパラメータＴ，ｓ、Ｕ，Ｙはそれぞれ、時定数，ラプラス演算子，空気調圧弁１３の操作量，及び空気調圧弁１３に実際に印加する操作量を示す。これにより、ステップＳ７の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力が第１所定値以下である場合、コントローラ２８が、第２流体操作量生成手段３３として機能することにより、空気の圧力と流量が低下した時に空気調圧弁１３が全閉状態となり騒音が発生しない動作点の範囲内になるように空気調圧弁１３の操作量を変化させる。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。

また、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより水素圧力に基づいて目標酸素圧力を算出し、第２流体操作量生成手段３３として機能することにより算出された目標圧力に従って空気調圧弁１３の操作量を変化させる。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。

また、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力が第１所定値以下である場合、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより目標空気圧力を第２所定値とする。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３の操作量の振動を低減することができるので、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。

また、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力と空気圧力の差圧が第３所定値以上である場合、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるように目標空気圧力を変化させるので、差圧に伴う燃料電池の劣化を抑制しつつ、騒音の発生を抑制することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ２８が、第２流体操作量変化率低減手段３４として機能することにより空気調圧弁１３の操作量の時間変化率を低減する。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。

また、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力及び空気圧力を利用して制御を行うので、水素圧力と空気圧力の差圧が生じにくくなり、差圧に伴う燃料電池１の劣化を抑制することができる。また、本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力の変化が遅い場合や空気圧力の変化が速い場合、水素圧力と空気圧力の差圧が小さくなるので、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ２８の動作について説明する。

図４に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップＳ１１の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１１の処理では、コントローラ２８が、圧力センサ２０及び圧力センサ２１を利用して、アノード及びカソードの水素圧力及び空気圧力を検出する。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ１１の処理により検出された水素圧力が第１所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第１所定値以下でない場合、コントローラ２８は、圧力制御処理をステップＳ１４の処理に進める。一方、水素圧力が第１所定値以下である場合には、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ１３の処理に進める。

ステップＳ１３の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ１１の処理により検出された水素圧力の時間変化率を低減するフィルタ演算処理を行う。なお、フィルタ演算処理は、上述の数式１中のパラメータＵ，Ｙをそれぞれ、検出された水素圧力及びフィルタ通過後の水素圧力とすることにより行うことができる。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ１４の処理に進む。

ステップＳ１４の処理では、コントローラ２８が、負荷パラメータ変化率低減手段３１として機能することにより、ステップＳ１１の処理により検出された空気圧力の変化率を低減するフィルタ演算処理を行う。なお、フィルタ演算処理は、上述の数式１中のパラメータＵ，Ｙをそれぞれ、検出された空気圧力及びフィルタ通過後の空気圧力とすることにより行うことができる。また、このフィルタ演算処理は、特に必要なければ省略してもよい。これにより、ステップＳ１４の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ１５の処理に進む。

ステップＳ１５の処理では、コントローラ２８が、第２流体操作量生成手段３３として機能することにより、空気調圧弁１３の操作量を演算する。具体的には、水素圧力が第１所定値以下でない場合、コントローラ２８は、ステップＳ１１の処理により検出された水素圧力を目標空気圧力としてステップＳ１４の処理により時間変化率が低減された空気圧力を参照して空気調圧弁１３の操作量をフィードバック制御する。一方、水素圧力が第１所定値以下である場合には、コントローラ２８は、ステップＳ１４の処理により時間変化率が低減された空気圧力を目標空気圧力としてステップＳ１１の処理により検出された空気圧力を参照して空気調圧弁１３の操作量をフィードバック制御する。これにより、このステップＳ１５の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ２８が、負荷パラメータ変化率低減手段３１として機能することによりステップＳ１１の処理により検出された空気圧力の変化率を低減し、水素圧力が第１所定値以下である場合、時間変化率が低減された空気圧力を目標空気圧力とする。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３の操作量の振動を低減することができるので、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。

次に、図５に示すフローチャートを参照して、本発明の第３の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ２８の動作について説明する。

図５に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップＳ２１の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ２１の処理では、コントローラ２８が、圧力センサ２０及び圧力センサ２１を利用して、アノード及びカソードの水素圧力及び空気圧力を検出する。これにより、ステップＳ２１の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ２２の処理に進む。

ステップＳ２２の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ２１の処理により検出された水素圧力が第１所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第１所定値以下でない場合、コントローラ２８は、圧力制御処理をステップＳ２４の処理に進める。一方、水素圧力が第１所定値以下である場合には、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ２３の処理に進める。

ステップＳ２３の処理では、コントローラ２８が、第２流体操作量生成手段３３として機能することにより、空気調圧弁１３の制御ゲインを変更する。なお、制御ゲインの変更方法としては、例えばＰＩＤ制御の場合には、比例ゲイン，積分ゲイン，及び微分ゲインのうちの少なくとも一つを小さくする。これにより、ステップＳ２３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ２４の処理に進む。

ステップＳ２４の処理では、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、ステップＳ２１の処理により検出された水素圧力を目標空気圧力として算出する。これにより、ステップＳ２４の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ２５の処理に進む。

ステップＳ２５の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ２４の処理により設定された目標空気圧力になるように空気調圧弁１３の操作量をフィードバック制御する。これにより、ステップＳ２５の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる圧力制御処理によれば、水素圧力が第１所定値以下である場合、コントローラ２８が、第２流体操作量生成手段３３として機能することにより空気調圧弁１３の制御ゲインを小さくする。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなるので、騒音が発生することを抑制できる。

次に、図６に示すフローチャートを参照して、本発明の第４の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ２８の動作について説明する。

図６に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップＳ３１の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ３１の処理では、コントローラ２８が、燃料電池システムが車両に電力を供給する場合にはアクセル開度を検出することにより、負荷量（出力要求）を検出する。これにより、ステップＳ３１の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ３２の処理に進む。

ステップＳ３２の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ２１の処理により検出された負荷量から目標電流を算出する変換マップを用いて燃料電池１の目標電流を演算する。なお、車両にバッテリ等の二次電池が搭載されている場合、コントローラ２８は、二次電池の充電状態を考慮して目標電流を算出するようにしてもよい。また、変換マップは予め実験により求めておくものとする。これにより、ステップＳ３２の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ３３の処理に進む。

ステップＳ３３の処理では、コントローラ２８が、第２流体発電目標値生成手段３６として機能することにより、ステップＳ３２の処理により演算された目標電流を取り出すことが可能な目標空気圧力を算出する。なお、目標空気圧力は、例えば図７に示すような、予め実験により求められる目標電流と目標空気圧力の関係を示すマップを参照することにより算出することができる。また、この時、目標空気圧力は大気圧や外気温度に応じて補正してもよい。これにより、ステップＳ３３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ３４の処理に進む。

ステップＳ３４の処理では、コントローラ２８が、流量センサ２６を利用して現在の空気流量を検出する。これにより、ステップＳ３４の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ３５の処理に進む。

ステップＳ３５の処理では、コントローラ２８が、第２流体最小目標値生成手段３５として機能することにより、ステップＳ３４の処理により検出された空気流量を維持可能な最小目標空気圧力を算出する。なお、最小目標空気圧力Ｐは検出された空気流量をＱとして以下の数式２に示す状態方程式から算出することができる。なお、数式２中のパラメータｎ，Ｔ，Ｒはそれぞれ、モル数，温度，及びガス定数を示す。

但し、例えば、０［℃］，１［atm］での体積流量として計算した流量を計測できる流量センサ２６を用いれば、上記数式２から０［℃］，１［atm］でのモル数を演算し、そのモル数を用いて温度センサ２３の値と流量センサ２６の値から流量に見合った最小空気目標圧力を算出することができる。またこの時、流量Ｑから発電により消費される酸素量を減じて上記計算を行うこともできる。これにより、ステップＳ３５の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ３６の処理に進む。

ステップＳ３６の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ３３の処理により算出された目標空気圧力がステップＳ３５の処理より算出された最小目標空気圧力以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、目標空気圧力が最小目標空気圧力以上でない場合、コントローラ２８は、ステップＳ３７の処理として第１所定値を目標空気圧力に設定した後、上述の第１乃至第３の実施形態となる圧力制御処理のいずれかを実行する。一方、目標空気圧力が最初目標空気圧力以上である場合には、コントローラ２８は、ステップＳ３８の処理として、第１所定値を最小目標空気圧力に設定した後、上述の第１乃至第３の実施形態となる圧力制御処理のいずれかを実行する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第４の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ２８が、第２流体発電目標値生成手段３６として機能することにより目標電流を取り出すことが可能な目標空気圧力を算出し、第２流体最小目標値生成手段３５として機能することにより現在の空気流量を維持可能な最小目標空気圧力を算出し、目標空気圧力と最小目標空気圧力とで値が小さい方を第１所定値に設定する。そして、このような構成によれば、第１所定値を適切に設定することができるので、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。

最後に、図８に示すフローチャートを参照して、本発明の第５の実施形態となる圧力制御処理を実行する際のコントローラ２８の動作について説明する。

図８に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、圧力制御処理はステップＳ４１の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、車両のイグニッションスイッチがオン状態になった後、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ４１の処理では、コントローラ２８が、圧力センサ２０を利用して水素圧力を検出する。これにより、ステップＳ４１の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ４２の処理に進む。

ステップＳ４２の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ４１の処理により検出された水素圧力が前回のサンプリング時における水素圧力以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、ステップＳ４１の処理により検出された水素圧力が前回のサンプリング時における水素圧力以上である場合、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ４６の処理に進める。一方、ステップＳ４１の処理により検出された水素圧力が前回のサンプリング時における水素圧力以上でない場合には、コントローラ２８は圧力制御処理をステップＳ４３の処理に進める。

ステップＳ４３の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ４１の処理により検出された水素圧力が第４所定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第４所定値以上でない場合、コントローラ２８は、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、ステップＳ４４の処理としてステップＳ４１の処理により検出された水素圧力を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップＳ４９の処理に進める。一方、水素圧力が第４所定値以上である場合には、コントローラ２８は、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、ステップＳ４５の処理として第３所定値を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップＳ４９の処理に進める。なお、第４所定値は、実験等により水素圧力と空気圧力の差圧が許容差圧内になる値に設定されており、第３所定値より大きい値である。

ステップＳ４６の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ４１の処理により検出された水素圧力が第４所定値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素圧力が第４所定値以上でない場合、コントローラ２８は、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、ステップＳ４７の処理として第３所定値を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップＳ４９の処理に進める。一方、水素圧力が第４所定値以上である場合には、コントローラ２８は、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、ステップＳ４８の処理として水素圧力値を目標空気圧力に設定した後、圧力制御処理をステップＳ４９の処理に進める。

ステップＳ４９の処理では、コントローラ２８が、設定された目標空気圧力になるように空気調圧弁１３の操作量をフィードバック制御する。これにより、ステップＳ４９の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ５０の処理に進む。

ステップＳ５０の処理では、コントローラ２８が、ステップＳ１の処理により検出された水素圧力を変数として保存しておく。これにより、ステップＳ５０の処理は完了し、一連の圧力制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第５の実施形態となる圧力制御処理によれば、コントローラ２８が、第２流体目標値生成手段３２として機能することにより、水素圧力が第３所定値よりも大きい第４所定値以上になるまで目標空気圧力を変化させない。そして、このような構成によれば、空気調圧弁１３の操作量が振動することを防止できるので、空気調圧弁１３が上記範囲から外れることによって、空気調圧弁１３の操作量に制約が掛かることが無くなり、騒音が発生することを抑制できる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記ステップＳ１，Ｓ１２，Ｓ２２の処理では、水素圧力が第１所定値以下であるか否かに応じて処理を行ったが、空気圧力，燃料電池１から取り出す電流の指令値，又は燃料電池１から取り出された電流値が第１所定値以下であるか否かに応じて処理を行ってもよい。また、上記第２の実施形態となる圧力制御処理において、コントローラ２８は、第２流体目標値変化率低減手段３８として機能することにより目標空気圧力の時間変化率を低減し、水素圧力が第１所定値以下である場合、時間変化率が低減された目標空気圧力を利用して空気調圧弁１３の操作量を制御してもよい。また、上記実施形態における水素圧力の代わりに目標水素圧力を用いてもよい。また、上記実施形態では、空気の圧力を制御したが、同様の方法に従って空気の流量を制御するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態となるコントローラの内部構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態となる圧力制御処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施形態となる圧力制御処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の第３の実施形態となる圧力制御処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の第４の実施形態となる圧力制御処理の流れを示すフローチャート図である。 目標電流と目標空気圧力の関係を示すマップ図である。 本発明の第５の実施形態となる圧力制御処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：水素タンク
３：減圧弁
４：元弁
５：水素供給弁
６：水素循環流路
７：水素循環装置
８：水素排出流路
９：パージ弁
１０：排水素処理装置
１１：コンプレッサ
１２：加湿装置
１３：空気調圧弁
１４：冷却水ポンプ
１５：ラジエタ
１６：ラジエタ側流路
１７：バイパス流路
１８：三方弁
１９：ラジエタファン
２０，２１：圧力センサ
２２，２３：温度センサ
２４：電圧センサ
２５：電流センサ
２６：流量センサ
２７：パワーマネージャー
２８：コントローラ
３１：負荷パラメータ変化率低減手段
３２：第２流体目標値生成手段
３３：第２流体操作量生成手段
３４：第２流体操作量変化率低減手段

Claims (19)

1. 第１流体及び第２流体の供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の負荷状態量を負荷パラメータとして検知する負荷状態検知手段と、
   前記第１流体の状態量を検知する第１流体状態量検知手段と、
   前記第２流体の状態量を制御する第２流体制御手段と、
   前記負荷状態検知手段により検知された負荷パラメータと前記第１流体状態量検知手段により検知された第１流体の状態量に基づいて前記第２流体制御手段の操作量を生成し、生成した操作量に従って第２流体制御手段を動作させる第２流体操作量生成手段とを備え、
   前記第２流体操作量生成手段は、前記負荷パラメータが第１所定値以下である場合、第２流体制御手段の動作点が所定範囲内になるように前記操作量を変化させることを特徴と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であって、
   前記第１流体の状態量に基づいて前記第２流体制御手段の動作点が所定範囲内になる第２流体の状態量の目標値を生成する第２流体目標値生成手段を備え、前記第２流体操作量生成手段は、第２流体目標値生成手段により生成された目標値に従って前記操作量を変化させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷状態検知手段は、前記燃料電池に供給する流体の状態量を検知する状態量検知手段を備え、当該状態量検知手段により検知された流体の状態量を前記負荷パラメータとすることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷状態検知手段は、前記第１流体の状態量を前記負荷パラメータとすることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷状態検知手段は、前記第２流体の状態量を検知する第２流体状態量検知手段を備え、当該第２流体状態量検知手段により検知された第２流体の状態量を前記負荷パラメータとすることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２流体目標値生成手段は、前記第１流体の状態量が第１所定値以下である場合、前記第２流体の状態量の目標値を第２所定値とすることを特徴と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、
   前記第２流体目標値生成手段は、前記第１流体の状態量と前記第２流体の状態量の差が第３所定値以上である場合、状態量の差が小さくなるように前記第２流体の状態量の目標値を変化させることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１乃至請求項７のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷状態検知手段は、前記第２流体の状態量と前記燃料電池から取り出す電気エネルギーを負荷パラメータとし、前記第２流体目標値生成手段は、前記電気エネルギーに応じて前記第２流体の状態量の目標値を変化させる第２流体発電目標値生成手段と、前記第２流体制御手段の操作量が第５所定値以上になる第２流体の状態量の目標値を生成する第２流体最小目標値生成手段、第２流体発電目標値生成手段が生成した目標値と第２流体最小目標値生成手段が生成した目標値との間で前記第１所定値の値を切り換える第２流体目標値切替手段とを備え、前記第２流体目標値切替手段は、第２流体発電目標値生成手段が生成した目標値と第２流体最小目標値生成手段が生成した目標値とで値が小さい方の値を前記第１所定値とすることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１乃至請求項８のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２流体操作量生成手段は、前記第１流体の状態量又は前記負荷パラメータが第１所定値以下になった場合、前記第２流体制御手段の制御ゲインを小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２流体制御手段の操作量の時間変化率を低減する第２流体操作量変化率低減手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２流体目標値生成手段は、第１流体の状態量が第４所定値以上になるまで目標値を変化させないことを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１乃至請求項１１のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２流体目標値生成手段は、目標値の時間変化率を低減する第２流体目標値変化率低減手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１乃至請求項１２のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記負荷パラメータの時間変化率を低減する負荷パラメータ変化率低減手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
14. 請求項１乃至請求項１３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記状態量は流体の圧力であることを特徴とする燃料電池システム。
15. 請求項１乃至請求項１３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記状態量は流体の流量であることを特徴とする燃料電池システム。
16. 請求項１乃至請求項１５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記第１流体は燃料ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
17. 請求項１乃至請求項１６のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記第２流体は酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
18. 請求項１乃至請求項１７のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記負荷パラメータは前記燃料電池から取り出す電流値であることを特徴とする燃料電池システム。
19. 請求項１乃至請求項１７のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記負荷パラメータは前記燃料電池から取り出す電流値の指令値であることを特徴とする燃料電池システム。

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