JP2007200654A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】設計自由度の制限や応答性の低下をともなわず、騒音による乗員の違和感を大幅に低減することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、当該燃料電池システムが搭載された車両の車速が所定速度よりも遅い場合や、燃料電池１によって使用される空気の圧力を調圧する空気調圧弁４を通過する空気の流量が所定流量よりも多い場合には、コントローラ１０の制御のもとに、当該空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限する。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。

近年、エンジン等の内燃機関を用いた車両に代わり、車載されたバッテリから供給される電力に基づいてモータを回転駆動させることによって走行する電気自動車が開発されている。

このような電気自動車においては、モータ等の駆動にともない騒音が発生する場合があることから、各種静音制御に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２等参照）。

具体的には、特許文献１には、電気自動車に搭載されるものであって、冷媒回路を流通する冷媒と室内熱交換器を通過する車室内空気との間で熱交換を行って空調運転を行うようにした電気自動車用空調装置が開示されている。特に、この電気自動車用空調装置は、空調制御の設定出力に応じて冷媒回路に設けられるコンプレッサのモータの回転数を制御する回転制御手段と、車速を検出する車速センサと、コンプレッサモータの回転数を一定回転数以下に制限する回転数制限手段と、車速センサによって検出された車速が所定速度以下であるときに回転数制限手段を介して回転制御手段を駆動することによってコンプレッサモータの回転数を一定回転数以下に制限する静音制御動作を行わせる静音制御手段とを備えるものである。これにより、この電気自動車用空調装置においては、車速が所定速度以下で走行モータにより発生される騒音が少ない場合に対応して、空調制御のコンプレッサモータによる騒音の発生を抑制しながら空調運転を行うことができるので、車室内の乗員にとって空調制御による空調能力の低下を許容範囲内としながら静かな状態を保持することができるとしている。

また、特許文献２には、全閉時、弁体周面と本体内面に形成した弁座とのシール面が弁棒中心から偏心している偏心形バタフライ弁が開示されている。特に、この偏心形バタフライ弁は、弁体やボアに突起物を設け、空気が通過する際に発生するキャビテーションを抑制することにより、騒音を低減することができるとしている。
特開平７−２２３４２８号公報 特開２００２−１９５４２１号公報

ところで、近年では、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、例えば車両の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

このような燃料電池を用いた燃料電池システムを車両の動力源として用いる燃料電池車両においては、空調装置用のコンプレッサのみならず、各種部品を冷却する冷媒を圧送するポンプ、燃料圧力等をコントロールするバルブ類、強電関係の部品が、騒音の発生体となり、さらには燃料電池に空気を圧送するコンプレッサによっても騒音が生じる場合があることから、特許文献１に記載された技術では騒音の問題を解決することはできない。さらに、燃料電池車両においては、空気の圧力調整弁の制御圧力が高い場合には、当該圧力調整弁の部分で気流音が発生し、問題となることがあった。

また、空気の圧力調整弁の構造として、特許文献２に記載された技術のように、弁体やボアに突起物を設けて流体が通過する際に発生するキャビテーションを抑制する構造を採用した場合には、突起物によって弁体を通過する流体の圧力損失を増大させ、燃料電池システムの設計自由度を制限するという問題があった。さらに、燃料電池車両においては、弁体に突起物を設けることによって当該弁体の質量が増加し、開度応答性の低下を招来し、これにともない、燃料電池システムの応答性も低下することから、運転者の要求に対応することができなくなるという問題があった。さらにまた、燃料電池車両においては、流体が弁体を通過する際の圧力損失を増大させないようにするためには、弁体を大きくする必要があり、レイアウト性の悪化や質量の増加という問題を招来していた。なお、応答性の悪化については、弁駆動用アクチュエータの高トルク化を図ることによって防止することができる場合もあるが、アクチュエータの大型化や消費電力の増加を招来するという問題があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、設計自由度の制限や応答性の低下をともなわず、騒音による乗員の違和感を大幅に低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる燃料電池システムは、当該燃料電池システムが搭載された車両の車速が所定速度よりも遅い場合には、燃料電池によって使用される空気の圧力を調圧する空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限することにより、上述の課題を解決する。

また、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池によって使用される空気の圧力を調圧する空気調圧弁を通過する空気の流量が所定流量よりも多い場合には、当該空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限することにより、上述の課題を解決する。

さらに、本発明にかかる燃料電池システムは、当該燃料電池システムが搭載された車両の車速が所定速度よりも遅く、且つ、燃料電池によって使用される空気の圧力を調圧する空気調圧弁を通過する空気の流量が所定流量よりも多い場合には、当該空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限することにより、上述の課題を解決する。

本発明にかかる燃料電池システムにおいては、当該燃料電池システムが搭載された車両の車速が所定速度よりも遅い場合や、燃料電池によって使用される空気の圧力を調圧する空気調圧弁を通過する空気の流量が所定流量よりも多い場合には、当該空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限することから、設計自由度の制限や応答性の低下をともなわず、騒音による乗員の違和感を大幅に低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷装置として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムである。

［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態として示す燃料電池システムについて説明する。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガスと空気を用いて発電する燃料電池１を備える。この燃料電池１は、当該燃料電池システムの主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとしての空気が供給されることによって発電するものである。具体的には、この燃料電池１は、当該燃料電池１の内部での発熱を冷却する熱媒体１ａを挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極１ｂと、燃料ガスが供給される燃料極１ｃとを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。

また、燃料電池システムは、燃料電池１の空気極１ｂに空気を供給するコンプレッサ２と、燃料電池１に供給される空気の圧力を検出する圧力センサ３と、燃料電池１の空気極１ｂに供給された空気の圧力を調圧する空気調圧弁４と、当該燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の車速を検出する車速センサ５と、当該燃料電池システムを構成する各部の制御を行うコントローラ１０とを備える。

コンプレッサ２は、図示しないコンプレッサモータによって駆動されて外気を取り込み、流路Ｌ１を介して酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に圧送する。このとき、コンプレッサ２は、コントローラ１０の制御のもとに、所定の回転数で駆動され、必要な吐出流量で酸化剤ガスとしての空気を吐出する。

圧力センサ３は、流路Ｌ１におけるコンプレッサ２と燃料電池１との間に設けられており、流路Ｌ１内を流れる空気の圧力を検出する。この圧力センサ３によって検出された圧力情報は、当該圧力センサ３と電気的に接続されたコントローラ１０に供給される。なお、本実施の形態においては、圧力センサ３を流路Ｌ１におけるコンプレッサ２と燃料電池１の間に設けることとしているが、コンプレッサ２と空気調圧弁４との間の圧力はどの場所でも同一であることから、圧力センサ３は、コンプレッサ２と空気調圧弁４との間であればどの位置に設けられていてもよい。

空気調圧弁４は、燃料電池１によって使用される空気の圧力を調圧する。具体的には、この空気調圧弁４は、燃料電池１の空気極１ｂと接続された流路Ｌ２における空気極１ｂの下流に設けられており、コントローラ１０の制御のもとに、その開度が設定され、空気極１ｂ内部の空気圧を調圧する。

車速センサ５は、当該燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の車速を検出する。この車速センサ５によって検出された車速情報は、コントローラ１０に供給される。

このような燃料電池システムにおいては、コントローラ１０の制御のもとに、車速センサ５の検出結果に基づいて、コンプレッサ２の回転数や空気調圧弁４の開度を制御することにより、燃料電池１の空気極１ｂに供給される空気の流量を制御し、燃料電池１の発電量を制御する。そして、燃料電池システムにおいては、燃料電池１によって発電された電力を、当該燃料電池システムを搭載する燃料電池車両を駆動するモータ６に供給する。

ここで、空気調圧弁４の開度と当該空気調圧弁４を通過する空気によって発生する騒音との関係は、例えば図２に示すようになる。すなわち、燃料電池システムにおいては、空気調圧弁４を通過する空気の流量が所定流量よりも少ない場合には、騒音が小さく問題とはならないが、空気調圧弁４の開度が所定開度よりも小さく、且つ、空気調圧弁４を通過する空気の流量が所定流量よりも多い場合には、大きい騒音が発生することになる。

また、発生する騒音が乗員に与える違和感と燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の車速との関係は、例えば図３に示すようになる。すなわち、燃料電池車両においては、車速が所定速度よりも速い場合には、走行時のタイヤ音や風切り音等の走行音に紛れて他の音が聞き取りにくい状況となり、乗員の違和感は小さい。一方、燃料電池車両においては、車速が所定速度よりも遅い場合には、走行音以外の音が聞き取りやすい状況となり、乗員の違和感は大きくなる。

そこで、燃料電池システムにおいては、車速センサ５によって検出した車速が所定速度よりも遅い場合には、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限し、騒音の発生を抑制する一方で、車速センサ５によって検出した車速が所定速度よりも速い場合には、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止するように、コントローラ１０による制御を行う。

［燃料電池システムの動作］
具体的には、燃料電池システムにおいては、コントローラ１０により、例えば図４に示すような一連の手続きにしたがって空気調圧弁４の開度を制御する。

すなわち、コントローラ１０は、同図に示すように、ステップＳ１において、車速センサ５によって検出された燃料電池車両の車速ＶＳＰを読み込むと、ステップＳ２において、予め車速ＶＳＰに対応して決定された最小開度制限値ＰＣＶＯＬを読み込む。なお、最小開度制限値ＰＣＶＯＬとは、空気調圧弁４を通過する空気によって生じる音が乗員に違和感を与えない程度となるような車速ＶＳＰに対応した当該空気調圧弁４の最小開度であり、予めコントローラ１０によって読み出し可能にメモリ等に格納されている値である。

続いて、コントローラ１０は、ステップＳ３において、空気調圧弁４の制御目標値である空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを読み込み、ステップＳ４において、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬよりも小さいか否かを判断する。

ここで、コントローラ１０は、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬ以上であると判断した場合には、最小開度よりも大きい開度で制御されている状態であり、騒音が発生しにくい状態であることから、制限をかけないようにそのまま一連の処理を終了する。一方、コントローラ１０は、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬよりも小さいと判断した場合には、騒音が発生して乗員に違和感を与える可能性が高いことから、ステップＳ５において、空気調圧弁４の開度を最小開度制限値ＰＣＶＯＬまで制限するとともに、制限前の空気調圧弁４の開度である空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを後述する第４の実施の形態にて使用するために、当該空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを制限前開度ＭＭＲＰＣＶＯとして格納し、一連の処理を終了する。

燃料電池システムにおいては、このような一連の手続きを経ることにより、車速ＶＳＰに応じて、空気調圧弁４の開度を最適に制御することができる。

［第１の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１の実施の形態として示した燃料電池システムにおいては、当該燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の車速ＶＳＰが所定速度よりも遅い場合には、コントローラ１０の制御のもとに、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁４を制御することができる。

すなわち、この燃料電池システムにおいては、車両の走行音を無視することができないような低速走行している場合には、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限することにより、当該空気調圧弁４を通過する空気によって生じる騒音を小さくすることができる。このとき、燃料電池システムにおいては、空気調圧弁４の構造を何ら特殊なものとする必要がないことから、空気が弁体を通過する際に当該弁体の形状に起因した圧力損失の増大を招来することはなく、さらに当該燃料電池システムの設計自由度を制限することもない。また、燃料電池システムにおいては、同様の理由から、空気調圧弁４の開度応答性を低下させることもなく、当該燃料電池システムの応答性を低下させることもない。さらに、燃料電池システムにおいては、その応答性を向上させるためにアクチュエータを高トルク化するものではないことから、消費電力を増大させることもない。このように、この燃料電池システムにおいては、設計自由度を制限することがなく、また、弁体の開度応答性を低下させることもなく、騒音による乗員の違和感を大幅に低減することができる。

また、この燃料電池システムにおいては、コントローラ１０の制御のもとに、車速ＶＳＰが所定速度よりも速い場合には、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止する。このように、燃料電池システムにおいては、騒音が走行音によって掻き消されるような状況の場合には、空気調圧弁４の開度制限を行わずに性能重視の運転モードとすることにより、無駄に車両性能を落としてしまう事態を回避することができる。

［第２の実施の形態］
つぎに、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムについて説明する。

この第２の実施の形態として示す燃料電池システムは、空気調圧弁を通過する空気の流量に応じて、当該空気調圧弁の開度を制御するものである。したがって、第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態として示した燃料電池システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、図５に示すように、第１の実施の形態として示した燃料電池システムにおける車速センサ５に代えて、コンプレッサ２に供給される空気の流量を検出する流量センサ１２を備える。

流量センサ１２は、コンプレッサ２の上流に設けられており、コンプレッサ２によって取り込まれる空気の流量を検出する。この流量センサ１２によって検出された流量情報は、当該流量センサ１２と電気的に接続されたコントローラ１０に供給される。なお、本実施の形態においては、流量センサ１２をコンプレッサ２の上流に設けることとしているが、コンプレッサ２と空気調圧弁４との間の空気の流量はどの場所でも同一であることから、流量センサ１２は、コンプレッサ２と空気調圧弁４との間であればどの位置に設けられていてもよい。

ここで、燃料電池システムにおいては、先に図２に示したように、空気調圧弁４を通過する空気の流量が所定流量よりも少ない場合には、騒音が小さく問題とはならないが、空気調圧弁４の開度が所定開度よりも小さく、且つ、空気調圧弁４を通過する空気の流量が所定流量よりも多い場合には、大きい騒音が発生することになる。

そこで、燃料電池システムにおいては、流量センサ１２によって検出した空気の流量が所定流量よりも多い場合には、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限し、騒音の発生を抑制する一方で、流量センサ１２によって検出した空気の流量が所定流量よりも少ない場合には、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止するように、コントローラ１０による制御を行う。

［燃料電池システムの動作］
具体的には、燃料電池システムにおいては、コントローラ１０により、例えば図６に示すような一連の手続きにしたがって空気調圧弁４の開度を制御する。

すなわち、コントローラ１０は、同図に示すように、ステップＳ１１において、流量センサ１２によって検出された空気調圧弁通過流量Ｑａｖを読み込むと、ステップＳ１２において、予め空気調圧弁通過流量Ｑａｖに対応して決定された最小開度制限値ＰＣＶＯＬをメモリ等から読み込む。

続いて、コントローラ１０は、ステップＳ１３において、空気調圧弁４の制御目標値である空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを読み込み、ステップＳ１４において、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬよりも小さいか否かを判断する。

ここで、コントローラ１０は、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬ以上であると判断した場合には、最小開度よりも大きい開度で制御されている状態であり、騒音が発生しにくい状態であることから、制限をかけないようにそのまま一連の処理を終了する。一方、コントローラ１０は、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬよりも小さいと判断した場合には、騒音が発生して乗員に違和感を与える可能性が高いことから、ステップＳ１５において、空気調圧弁４の開度を最小開度制限値ＰＣＶＯＬまで制限するとともに、制限前の空気調圧弁４の開度である空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを後述する第４の実施の形態にて使用するために、当該空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを制限前開度ＭＭＲＰＣＶＯとして格納し、一連の処理を終了する。

燃料電池システムにおいては、このような一連の手続きを経ることにより、空気調圧弁通過流量Ｑａｖに応じて、空気調圧弁４の開度を最適に制御することができる。

［第２の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２の実施の形態として示した燃料電池システムにおいては、空気調圧弁通過流量Ｑａｖが所定流量よりも多い場合には、コントローラ１０の制御のもとに、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁４を制御することができる。

すなわち、この燃料電池システムにおいては、空気調圧弁通過流量Ｑａｖが多く、騒音が発生しやすい状況の場合には、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限することにより、当該空気調圧弁４を通過する空気によって生じる騒音を小さくすることができる。このとき、燃料電池システムにおいては、空気調圧弁４の構造を何ら特殊なものとする必要がないことから、空気が弁体を通過する際に当該弁体の形状に起因した圧力損失の増大を招来することはなく、さらに当該燃料電池システムの設計自由度を制限することもない。また、燃料電池システムにおいては、同様の理由から、空気調圧弁４の開度応答性を低下させることもなく、当該燃料電池システムの応答性を低下させることもない。さらに、燃料電池システムにおいては、その応答性を向上させるためにアクチュエータを高トルク化するものではないことから、消費電力を増大させることもない。このように、この燃料電池システムにおいては、設計自由度を制限することがなく、また、弁体の開度応答性を低下させることもなく、騒音による乗員の違和感を大幅に低減することができる。

また、この燃料電池システムにおいては、コントローラ１０の制御のもとに、空気調圧弁通過流量Ｑａｖが所定流量よりも少ない場合には、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止する。このように、燃料電池システムにおいては、騒音が発生しにくい状況の場合には、空気調圧弁４の開度制限を行わずに性能重視の運転モードとすることにより、無駄に車両性能を落としてしまう事態を回避することができる。

［第３の実施の形態］
つぎに、本発明の第３の実施の形態として示す燃料電池システムについて説明する。

この第３の実施の形態として示す燃料電池システムは、燃料電池車両の車速と空気調圧弁を通過する空気の流量との双方に応じて、当該空気調圧弁の開度を制御するものである。したがって、第３の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態及び第２の実施の形態として示した燃料電池システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、図７に示すように、車速センサ５及び流量センサ１２の双方を備える。

［燃料電池システムの動作］
このような燃料電池システムにおいては、コントローラ１０により、例えば図８に示すような一連の手続きにしたがって空気調圧弁４の開度を制御する。

まず、コントローラ１０は、同図に示すように、ステップＳ２１において、車速センサ５によって検出された車速ＶＳＰと、流量センサ１２によって検出された空気調圧弁通過流量Ｑａｖとをそれぞれ読み込む。

続いて、コントローラ１０は、ステップＳ２２において、例えば図９に示すように、予め車速ＶＳＰ及び空気調圧弁通過流量Ｑａｖに対応して決定された最小開度制限値ＰＣＶＯＬをメモリ等から読み込む。具体的には、最小開度制限値ＰＣＶＯＬは、空気調圧弁通過流量Ｑａｖが大きく、且つ、車速ＶＳＰが低速であるほど、大きな値をとる。なお、本実施の形態においては、説明の便宜上、最小開度制限値ＰＣＶＯＬが所定値以下であるときは、最小開度制限値ＰＣＶＯＬ＝０とし、空気調圧弁４の開度を制限しないものとする。

続いて、コントローラ１０は、ステップＳ２３において、空気調圧弁４の制御目標値である空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを読み込み、ステップＳ２４において、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬよりも小さいか否かを判断する。

ここで、コントローラ１０は、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬ以上であると判断した場合には、最小開度よりも大きい開度で制御されている状態であり、騒音が発生しにくい状態であることから、制限をかけないようにそのまま一連の処理を終了する。一方、コントローラ１０は、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯが最小開度制限値ＰＣＶＯＬよりも小さいと判断した場合には、騒音が発生して乗員に違和感を与える可能性が高いことから、ステップＳ２５において、空気調圧弁４の開度を最小開度制限値ＰＣＶＯＬまで制限するとともに、制限前の空気調圧弁４の開度である空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを後述する第４の実施の形態にて使用するために、当該空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯを制限前開度ＭＭＲＰＣＶＯとして格納し、一連の処理を終了する。

燃料電池システムにおいては、このような一連の手続きを経ることにより、車速ＶＳＰ及び空気調圧弁通過流量Ｑａｖの双方に応じて、空気調圧弁４の開度を最適に制御することができる。

［第３の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第３の実施の形態として示した燃料電池システムにおいては、当該燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の車速ＶＳＰが所定速度よりも遅く、且つ、空気調圧弁通過流量Ｑａｖが所定流量よりも多い場合には、コントローラ１０の制御のもとに、空気調圧弁４の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁４を制御することができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に、設計自由度を制限することがなく、また、弁体の開度応答性を低下させることもなく、騒音による乗員の違和感を大幅に低減することができる。

［第４の実施の形態］
つぎに、本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システムについて説明する。

この第４の実施の形態として示す燃料電池システムは、空気調圧弁の開度制限の有無に応じて生じる遅延を補正するものである。したがって、第４の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態として示した燃料電池システムと共通する構成については、同一符号を付すことによってその説明を省略する。

まず、空気調圧弁４の開度をコンプレッサ２に供給される空気の流量及び／又は燃料電池車両の車速に応じて制限しない場合における燃料電池１の運転圧力と時間との関係は、図１０中、実線Ｃ１に示すような関係となる。一方、空気調圧弁４の開度をコンプレッサ２に供給される空気の流量及び／又は燃料電池車両の車速に応じて制限した場合における燃料電池１の運転圧力と時間との関係は、同図中、破線Ｃ２に示すような関係となる。さらに、燃料電池車両の車速等を勘案した制御目標とすべき燃料電池１の運転圧力と時間との関係は、同図中、実線Ｃ３に示すような関係となる。ここで、実線Ｃ１と破線Ｃ２との立ち上がりを比較すると、破線Ｃ２の立ち上がりが実線Ｃ１の立ち上がりに比べて遅延することがわかる。

また、空気調圧弁４の開度をコンプレッサ２に供給される空気の流量及び／又は燃料電池車両の車速に応じて制限しない場合、並びに、空気調圧弁４の開度をコンプレッサ２に供給される空気の流量及び／又は燃料電池車両の車速に応じて制限した場合に、燃料電池１によって発電することができる発電電力は、それぞれ、図１１中、実線Ｃ４及び破線Ｃ５に示すような関係となる。ここで、実線Ｃ４と破線Ｃ５との立ち上がりを比較すると、破線Ｃ５の立ち上がりが実線Ｃ４の立ち上がりに比べて遅延することがわかる。

なお、図１２には、図１０及び図１１に対応した空気調圧弁４の開度と時間との関係について、空気調圧弁４の開度を制限しない場合を実線Ｃ６とし、空気調圧弁４の開度を制限した場合を破線Ｃ７として示している。

このように、燃料電池システムにおいては、空気調圧弁４の開度の制限の有無に応じて、燃料電池１の発電電力の応答に遅延が生じ、流量センサ１２によって検出している空気の流量が空気調圧弁４を実際に通過している実空気流量でない場合が生じる。そして、燃料電池システムにおいては、燃料電池１の発電電力の応答が遅延するのにともない、当該燃料電池１から供給される電力によって駆動するモータ６に必要な電力が不足することになり、燃料電池車両の走行に支障をきたすこととなる。

［燃料電池システムの構成］
そこで、第４の実施の形態として示す燃料電池システムは、このような弊害を防止すべく、流量センサ１２によって検出している空気の流量を、空気調圧弁４を実際に通過している実空気流量に補正する手段及びモータ６に電力を供給する二次電池を備える。

具体的には、燃料電池システムは、図１３に示すように、第３の実施の形態として示した燃料電池システムの構成に加え、二次電池１４と、この二次電池１４の残容量を検出する残容量センサ１６と、電力の供給元及び供給先の制御を行う電力制御部１８と、図示しない燃料電池車両のアクセルの開度を検出するアクセルセンサ２０とを備える。

二次電池１４は、燃料電池１の発電量が不足した場合に、電力制御部１８の制御のもとに、後述する方法で燃料電池１において不足している電力をモータ６に供給する。

残容量センサ１６は、二次電池１４の残容量を検出する。この残容量センサ１６によって検出された二次電池１４の残容量は、コントローラ１０に供給される。

電力制御部１８は、コントローラ１０の制御のもとに、電力の供給元及び供給先を切り替える。具体的には、電力制御部１８は、燃料電池１によって発電された電力を蓄電する場合には、その電力を二次電池１４に供給して充電させる一方で、モータ６の駆動電力とする場合には、その電力をモータ６に供給するように、電力の供給元及び供給先を切り替える。また、電力制御部１８は、コントローラ１０の制御のもとに、二次電池１４に充電された電力を放電してモータ６に供給させる。例えば、コントローラ１０は、モータ６に供給されている電力が燃料電池１から供給された電力のみである状況で、当該燃料電池１のみの発電量ではモータ６が必要としている電力を供給できないと判断した場合には、その旨を電力制御部１８に通知する。そして、電力制御部１８は、その通知に基づいて、二次電池１４に充電された電力を放電してモータ６に供給し、燃料電池１の不足分の電力を補う。

アクセルセンサ２０は、運転者の操作による図示しないアクセルの開度を検出する。このアクセルセンサ２０によって検出されたアクセル開度情報は、コントローラ１０に供給される。

このような燃料電池システムは、機能的には図１４に示すような構成とされる。すなわち、燃料電池システムにおいては、流量センサ１２によって検出された流量情報をコントローラ１０における遅れ補正部１０ａに供給する。これに応じて、遅れ補正部１０ａは、流量情報に基づいて、遅延を補正することにより、流量センサ１２によって検出している空気の流量を、空気調圧弁４を実際に通過している実空気流量に補正するための補正値を算出し、算出した補正値を開度制限実施判断部１０ｂに供給する。また、これと同時に、燃料電池システムにおいては、車速センサ５によって検出された車速情報を開度制限実施判断部１０ｂに供給する。

開度制限実施判断部１０ｂは、流量センサ１２から供給された流量情報及び遅れ補正部１０ａから供給された補正値に基づいて、空気調圧弁４の開度を制限すべきか否かを判断する。そして、開度制限実施判断部１０ｂは、空気調圧弁４の開度を制限すべきと判断した場合には、開度制限部１０ｃによって空気調圧弁４の開度を制限させる。このとき、開度制限実施判断部１０ｂは、モータ６に供給される電力が不足するか否かを判断し、モータ６に供給される電力が不足すると判断した場合には、電力アシスト部１０ｄによって二次電池１４に充電された電力を放電させてモータ６に供給させる。

［燃料電池システムの動作］
このような燃料電池システムは、以下のような動作を行う。

まず、燃料電池システムにおいては、遅れ補正部１０ａにより、図１５に示すような一連の手続きにしたがって補正された空気調圧弁通過流量である補正空気流量Ｑａｖを求める。

すなわち、遅れ補正部１０ａは、同図に示すように、ステップＳ３１において、補正値を算出するために必要な情報として、メモリ等に予め格納されている目標圧力値Ｐｔ、目標流量Ｑａｔ、圧力センサ３によって検出された現在の圧力値Ｐ、及び流量センサ１２によって検出された現在の流量Ｑａを読み込む。ここで、目標圧力値Ｐｔとは、燃料電池車両の車速等を勘案した現在の状況において最も好適な燃料電池１の運転圧力値である。また、目標流量Ｑａｔとは、同様の状況において最も好適なコンプレッサ２に取り込まれる空気の流量である。なお、ここで読み出された値のうち、少なくとも現在の流量Ｑａは、コントローラ１０の制御のもとに、メモリ等に逐次格納される。

遅れ補正部１０ａは、これらの値の読み込みを行うと、ステップＳ３２において、遅れ時間Ｔｄを読み込む。なお、この遅れ時間Ｔｄは、燃料電池車両の車速等を勘案した現在の状況と目標とすべき最も好適とされる状況との差に応じて決定することができる。そして、この遅れ時間Ｔｄは、例えば図１６に示すように、目標流量Ｑａｔと現在の流量Ｑａとの差分、及び目標圧力値Ｐｔと現在の圧力値Ｐとの差分が小さいほど小さい値を示す。一方、遅れ時間Ｔｄは、目標流量Ｑａｔと現在の流量Ｑａとの差分、及び目標圧力値Ｐｔと現在の圧力値Ｐとの差分が大きいほど大きい値を示す。

続いて、遅れ補正部１０ａは、ステップＳ３３において、遅れ時間Ｔｄに基づいて、補正値である空気流量Ｑａ（Ｔｄ）を読み込む。ここで読み込まれた空気流量Ｑａ（Ｔｄ）は、現時刻から遅れ時間Ｔｄだけ前の時刻における空気流量Ｑａである。

そして、遅れ補正部１０ａは、ステップＳ３４において、空気流量Ｑａ（Ｔｄ）を、補正空気流量Ｑａｖとしてメモリ等に格納し、一連の処理を終了する。

燃料電池システムにおいては、このような一連の手続きを経ることにより、補正された空気調圧弁通過流量である補正空気流量Ｑａｖを求めることができる。そして、燃料電池システムにおいては、補正空気流量Ｑａｖを求めると、開度制限実施判断部１０ｂ及び開度制限部１０ｃにより、先に図８に示した一連の処理において、空気調圧弁通過流量の代わりに補正空気流量Ｑａｖを用いた処理を行うことにより、車速ＶＳＰ及び空気調圧弁通過流量Ｑａｖの双方に応じて、空気調圧弁４の開度を最適に制御することができる。

つぎに、電力アシスト部１０ｄの動作について、図１７を用いて説明する。

電力アシスト部１０ｄは、同図に示すように、ステップＳ４１において、バッテリアシスト電力値Ｐｂを初期値である０にリセットする。なお、バッテリアシスト電力値Ｐｂとは、二次電池１４から電力制御部１８を介してモータ６に供給される電力を示す値である。

続いて、電力アシスト部１０ｄは、ステップＳ４２において、残容量センサ１６を用いて二次電池１４の残容量ＳＯＣを読み込むと、ステップＳ４３において、残容量ＳＯＣと残容量閾値ＳＯＣＳＬとを比較する。なお、残容量閾値ＳＯＣＳＬは、予めメモリ等に格納されている値であり、二次電池１４に充電された電力をモータ６に供給することが可能か否かを判断するための目安となる値である。

ここで、電力アシスト部１０ｄは、電池残容量ＳＯＣが残容量閾値ＳＯＣＳＬよりも小さいと判断した場合には、空気調圧弁４の開度が制限されている現在の状態ではモータ６が要求している電力を燃料電池１及び二次電池１４では補うことができないと判断し、ステップＳ４４へと処理を移行する。そして、電力アシスト部１０ｄは、ステップＳ４４において、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止する処理を行う。具体的には、電力アシスト部１０ｄは、メモリ等に格納されている制限前開度ＭＭＲＰＣＶＯを、空気調圧弁開度目標値ＰＣＶＯとすることにより、空気調圧弁４の開度の制限を禁止し、一連の処理を終了する。

一方、電力アシスト部１０ｄは、電池残容量ＳＯＣが残容量閾値ＳＯＣＳＬよりも大きいと判断した場合には、空気調圧弁４の開度が制限されている現在の状態であってもモータ６が要求している電力の不足分を二次電池１４に充電された電力で補うことが可能であると判断し、ステップＳ４５へと処理を移行する。そして、電力アシスト部１０ｄは、ステップＳ４５において、モータ６が要求している電力の不足分を二次電池１４から供給するための処理を行う。具体的には、電力アシスト部１０ｄは、メモリ等に格納されている電力要求値Ｐｒ及び燃料電池発電量Ｐｆｃを読み込む。ここで、電力要求値Ｐｒとは、アクセルセンサ２０によって検出されたアクセルの開度に基づいて算出されてメモリ等に格納されている値であり、モータ６が燃料電池車両に支障をきたさないように駆動するために必要な駆動電力を示す値である。また、燃料電池発電量Ｐｆｃとは、現在、燃料電池１が発電している電力を示す値である。

続いて、電力アシスト部１０ｄは、ステップＳ４６において、電力要求値Ｐｒ及び燃料電池発電量Ｐｆｃに基づいて、二次電池１４からモータ６に供給すべき電力供給量Ｐｄを算出する。なお、この電力供給量Ｐｄは、電力要求値Ｐｒと燃料電池発電量Ｐｆｃとの差分を求めることによって算出することができる。

そして、電力アシスト部１０ｄは、ステップＳ４７において、二次電池１４に充電された電力をモータ６に供給すべく、バッテリアシスト電力値Ｐｂを電力供給量Ｐｄとし、一連の処理を終了する。これに応じて、電力制御部１８は、二次電池１４に充電された電力をバッテリアシスト電力値Ｐｂ分だけ放電させ、モータ６に供給させる。

燃料電池システムにおいては、このような一連の手続きを経ることにより、補正された空気調圧弁通過流量である補正空気流量Ｑａｖを求め、車速ＶＳＰ及び空気調圧弁通過流量Ｑａｖの双方に応じて、空気調圧弁４の開度を最適に制御するとともに、モータ６が要求している電力の不足が生じた場合には、二次電池１４から電力を供給することができる。

なお、燃料電池システムにおいては、上述した遅れ時間Ｔｄを、例えば、系の容積やコンプレッサ２の能力等をモデル化して空気調圧弁４を通過する空気の流量を予測するといった高度な制御による予測を行って決定してもよい。

また、燃料電池システムにおいては、流量を検出するために流量センサ１２を用いるのではなく、例えば、容積型のコンプレッサ２を使用している場合には、その回転数がほぼ流量と比例することから、当該コンプレッサ２の回転数を検出する回転数センサの出力に基づいて流量を予測するようにしてもよい。さらに、燃料電池システムにおいては、遠心式のコンプレッサ２を使用している場合には、その回転数と流量との関係を、容積型のようにリニアには予測することができないが、回転数と圧力とに基づいて流量を予測することは可能であることから、そのようなマップを使用して流量を予測するようにしてもよい。

［第４の実施の形態の効果］
以上詳細に説明したように、第４の実施の形態として示した燃料電池システムにおいては、遅れ補正部１０ａにより、流量センサ１２によって検出している空気の流量が空気調圧弁４を実際に通過している実空気流量でない場合に、当該実空気流量に補正し、算出された補正値たる実空気流量に基づいて、空気調圧弁４の開度を制御する。

すなわち、燃料電池１への空気流量は、当該燃料電池１の入口で検出したり、コンプレッサ２や図示しないブロアの回転数や制御圧力等に基づいて予測したりする場合があるが、過渡時の空気調圧弁４を通過する空気流量は、これら検出又は予測した値に対して遅延するのが一般的である。そこで、この燃料電池システムにおいては、この遅延を考慮して空気調圧弁４の開度を制御することにより、実際に発生する騒音を効果的に抑制することができ、音性能をより向上させることができる。

また、この燃料電池システムにおいては、電力アシスト部１０ｄにより、燃料電池１の発電量が不足した場合に、その不足分の電力を、二次電池１４に充電された電力を放電させることによって補うことにより、遅延による電力の不足分を効果的に補うことができ、電力不足による違和感を乗員に与えるのをなくすことができる。

さらに、この燃料電池システムにおいては、電力アシスト部１０ｄにより、二次電池１４の電池残容量ＳＯＣが所定の残容量閾値ＳＯＣＳＬよりも小さい場合には、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止する。このように、燃料電池システムにおいては、燃料電池１の発電量の不足分を二次電池１４によって補うことができない場合には、電力不足による許容しがたい違和感を乗員に与えてしまうことから、騒音の発生を許容してでも電力不足にならないように、空気調圧弁４の最小開度の制限を禁止することにより、乗員に与える違和感を最小限にすることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明する図である。 空気調圧弁の開度と当該空気調圧弁を通過する空気によって発生する騒音との関係を説明する図である。 発生する騒音が乗員に与える違和感と燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の車速との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムにおいて、空気調圧弁の開度を制御する際の一連の処理を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明する図である。 本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムにおいて、空気調圧弁の開度を制御する際の一連の処理を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明する図である。 本発明の第３の実施の形態として示す燃料電池システムにおいて、空気調圧弁の開度を制御する際の一連の処理を説明するフローチャートである。 車速及び空気調圧弁通過流量に対応して決定された最小開度制限値を説明する図である。 燃料電池の運転圧力と時間との関係を説明する図である。 燃料電池によって発電することができる発電電力と時間との関係を説明する図である。 空気調圧弁の開度と時間との関係を説明する図である。 本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明する図である。 本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システムの機能的な構成について説明するブロック図である。 本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システムにおいて、補正空気流量を求める際の一連の処理を説明するフローチャートである。 目標流量と現在の流量の差分、及び目標圧力値と現在の圧力値との差分に応じた遅れ時間を説明する図である。 本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システムにおいて、電力アシスト部が行う一連の処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ 熱媒体
１ｂ 空気極
１ｃ 燃料極
２ コンプレッサ
３ 圧力センサ
４ 空気調圧弁
５ 車速センサ
６ モータ
１０ コントローラ
１０ａ 遅れ補正部
１０ｂ 開度制限実施判断部
１０ｃ 開度制限部
１０ｄ 電力アシスト部
１２ 流量センサ
１４ 二次電池
１６ 残容量センサ
１８ 電力制御部
２０ アクセルセンサ
ＭＭＲＰＣＶＯ 制限前開度
Ｐ 現在の圧力
Ｐｂ バッテリアシスト電力値
ＰＣＶＯ 空気調圧弁開度目標値
ＰＣＶＯＬ 最小開度制限値
Ｐｆｃ 燃料電池発電量
Ｐｒ 電力要求値
Ｐｔ 目標圧力値
Ｑａ 現在の流量
Ｑａ（Ｔｄ） 空気流量
Ｑａｔ 目標流量
Ｑａｖ 空気調圧弁通過流量
ＳＯＣ 残容量
ＳＯＣＳＬ 残容量閾値
Ｔｄ 遅れ時間
ＶＳＰ 車速

Claims (11)

1. 燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に対して前記空気を供給する空気供給手段と、
   前記空気供給手段から吐出されて前記燃料電池によって使用される前記空気の圧力を調圧する空気調圧弁と、
   当該燃料電池システムが搭載された車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記車速検出手段によって検出された車速が所定速度よりも遅い場合には、前記空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁を制御する制御手段とを備えること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に対して前記空気を供給する空気供給手段と、
   前記空気供給手段から吐出されて前記燃料電池によって使用される前記空気の圧力を調圧する空気調圧弁と、
   前記空気調圧弁を通過する空気の流量を検出又は予測する流量検出・予測手段と、
   前記流量検出・予測手段によって検出又は予測された空気の流量が所定流量よりも多い場合には、前記空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁を制御する制御手段とを備えること
   を特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に対して前記空気を供給する空気供給手段と、
   前記空気供給手段から吐出されて前記燃料電池によって使用される前記空気の圧力を調圧する空気調圧弁と、
   当該燃料電池システムが搭載された車両の車速を検出する車速検出手段と、
   前記空気調圧弁を通過する空気の流量を検出又は予測する流量検出・予測手段と、
   前記車速検出手段によって検出された車速が所定速度よりも遅く、且つ、前記流量検出・予測手段によって検出又は予測された空気の流量が所定流量よりも多い場合には、前記空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁を制御する制御手段とを備えること
   を特徴とする燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記車速検出手段によって検出された前記車両の車速が所定速度よりも速い場合には、前記空気調圧弁の最小開度の制限を禁止すること
   を特徴とする請求項１又は請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記流量検出・予測手段によって検出又は予測された前記空気の流量が所定流量よりも少ない場合には、前記空気調圧弁の最小開度の制限を禁止すること
   を特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
6. 前記流量検出・予測手段によって検出又は予測している前記空気の流量が前記空気調圧弁を実際に通過している実空気流量でない場合に、当該実空気流量に補正する補正手段を備え、
   前記制御手段は、前記補正手段によって算出された補正値たる前記実空気流量に基づいて、前記空気調圧弁の開度を制御すること
   を特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
7. 二次電池と、
   前記燃料電池の発電量が不足した場合に、その不足分の電力を、前記二次電池に充電された電力を放電させることによって補う電力アシスト手段とを備えること
   を特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
8. 前記電力アシスト手段は、前記二次電池の電池残容量が所定の閾値よりも小さい場合には、前記空気調圧弁の最小開度の制限を禁止すること
   を特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 当該燃料電池システムが搭載された車両の車速を検出し、
   検出した車速が所定速度よりも遅い場合には、燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池に対して前記空気を供給する空気供給手段から吐出されて前記燃料電池によって使用される前記空気の圧力を調圧する空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁を制御すること
   を特徴とする燃料電池システム。
10. 燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池に対して前記空気を供給する空気供給手段から吐出されて前記燃料電池によって使用される前記空気の圧力を調圧する空気調圧弁を通過する空気の流量を検出又は予測し、
    検出又は予測した空気の流量が所定流量よりも多い場合には、前記空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁を制御すること
    を特徴とする燃料電池システム。
11. 当該燃料電池システムが搭載された車両の車速を検出し、
    燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池に対して前記空気を供給する空気供給手段から吐出されて前記燃料電池によって使用される前記空気の圧力を調圧する空気調圧弁を通過する空気の流量を検出又は予測し、
    検出した車速が所定速度よりも遅く、且つ、検出又は予測した空気の流量が所定流量よりも多い場合には、前記空気調圧弁の最小開度を所定開度以上に制限するように当該空気調圧弁を制御すること
    を特徴とする燃料電池システム。

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