JP2017152279A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】コンバータの異常時に、バッテリの過剰な放電を防止すると共にエアポンプの無駄な駆動を防止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】ＦＣシステム１２は、ＦＣＶＣＵ７２の異常を検知する第１温度センサ９２と、ＢＡＴＶＣＵ８２の異常を検知する第２温度センサ９８とを備える。ＥＣＵ２４は、第１温度センサ９２がＦＣＶＣＵ７２の温度異常を検知した場合、又は、第２温度センサ９８がＢＡＴＶＣＵ８２の温度異常を検知した場合に、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限する。【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプの電力を制御する燃料電池システムに関する。
特許文献１は、トラクションモータに燃料電池とバッテリが並列に接続される燃料電池システム（燃料電池車両）を開示する。燃料電池とトラクションモータの間には昇圧コンバータが接続され、バッテリとトラクションモータの間には昇降圧コンバータが接続される。この燃料電池システムでは、バッテリと昇降圧コンバータの間に高電圧の補機類が接続される。補機には、燃料電池や高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧補機に印加する降圧コンバータや、燃料電池にエアを供給するエアポンプ（エアコンプレッサ）等が含まれる。
燃料電池システムにおいて、コンバータに異常が発生すると、コンバータの供給電力が制限される。例えば、冷却システムの異常等により昇圧コンバータの温度が上昇すると、ＥＣＵは、昇圧コンバータが１次側から２次側に供給する電力（通過電力ともいう）を一定以下に制限する。同様に、昇降圧コンバータの温度が上昇すると、ＥＣＵは、昇降圧コンバータが１次側から２次側に供給する電力及び２次側から１次側に供給する電力を一定以下に制限する。
国際公開第２０１１／０１３２１３号パンフレット
特許文献１で示される燃料電池システムにおいて、エアポンプには昇圧コンバータ及び昇降圧コンバータを介して燃料電池から電力が供給されると共に、バッテリから電力が供給される。このような構成において、冷却システムの異常等によりいずれかのコンバータの通過電力が制限されると、燃料電池からエアポンプへの供給電力が制限される。この状態で車両の加速等により燃料電池の発電要求量が増えると、エアポンプの駆動量を増やす必要があり、エアポンプへの供給電力を増やす必要がある。このとき、コンバータの通過電力が制限されているため、ＥＣＵは、バッテリの放電量を増やすことによりエアポンプへの供給電力を増やす。すると、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が過剰に減り、車両の加速や空調の動作等に影響を与える虞がある。
また、昇圧コンバータに異常が発生した場合に通過電流が制限されるため、トラクションモータの要求電力は制限される。このとき、制御遅れ等によりエアポンプに高い要求電力が出力されると、エアポンプはその要求電力に従い駆動する。しかし、そもそも昇圧コンバータが通過電力を制限しているため、燃料電池が発電してもその電力は昇圧コンバータの２次側に供給されない。従って、エアポンプは無駄に駆動することになる。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであって、コンバータの異常時に、バッテリの過剰な放電を防止すると共にエアポンプの無駄な駆動を防止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。
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置から負荷に印加される電圧を調整する電圧調整装置と、前記燃料電池及び／又は前記蓄電装置から供給される電力を消費して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するポンプと、前記ポンプの電力を制御する制御装置と、を備え、前記電圧調整装置が前記燃料電池と前記ポンプとの間に介在する燃料電池システムであって、前記電圧調整装置の異常を検知する異常検知装置を更に備え、前記制御装置は、前記異常検知装置が前記電圧調整装置の異常を検知した場合に、前記ポンプの電力を制限することを特徴とする。
本発明によれば、電圧調整装置に異常が発生した場合に、ポンプの電力自体を制限することにより、電圧調整装置の通過電力が制限されていても、蓄電装置からポンプへの放電量が過剰に増えることを予め防止できる。このため、蓄電装置のＳＯＣが過剰に減少することを防止できる。また、ポンプの電力自体を制限するため、ポンプが無駄に駆動することを防止できる。
本発明において、デフロスタ装置を更に備え、前記制御装置は、前記デフロスタ装置の電力を確保したうえで、前記ポンプの電力の制限量を設定してもよい。
上記構成のように、電圧調整装置に異常が発生して通過電力が制限される状況で、デフロスタ装置の電力を優先的に確保することで、デフロスタ機能を確実に維持できる。
本発明において、前記制御装置は、前記ポンプの電力を制限する場合に、制限前の前記ポンプの電力が大きいときほど電力の減少幅を大きくし、制限前の前記ポンプの電力が小さいときほど電力の減少幅を小さくしてもよい。
ポンプの電力を急激に減少させると、ポンプが動作不能になる所謂サージの発生原因となる。上記構成のように、ポンプの電力の大きさに応じてポンプの電力の減少幅を制御することにより、酸化剤ガスの流量の減少レートが緩やかになり、サージ回避のために必要な流量を確保できる。このため、ポンプの動作不能を防止することができる。
本発明によれば、電圧調整装置に異常が発生した場合に、ポンプの電力自体を制限することにより、蓄電装置からポンプへの放電量が過剰に増えることを予め防止できる。このため、蓄電装置のＳＯＣが過剰に減少することを防止できる。また、ポンプが無駄に駆動することを防止できる。
図１は本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図２は燃料電池システムに含まれる電力システムのブロック図である。 図３はＦＣシステムで行われる処理のフローチャートである。 図４Ａ〜図４Ｃは低負荷走行時の各変化を示すタイムチャートである。 図５Ａ〜図５Ｃは高負荷走行時の各変化を示すタイムチャートである。 図６は減少レートの説明に供する説明図である。 図７は別実施形態の電力システムのブロック図である。
以下、本発明について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
［１ 燃料電池システム１２の全体構成］
図１を用いて燃料電池システム１２（ＦＣシステム１２ともいう）の構成に関して説明する。本実施形態に係るＦＣシステム１２の基本的な装置構成としては、既知のものを使用可能である。例えば、特開２０１６−１２４８０号公報で示される構成を使用可能である。本明細書では、発明の特徴と関係する構成を中心に説明し、既知の構成については説明（及び図示）を省略するか、又は、簡単な説明（及び図示）に留める。なお、本実施形態では、ＦＣシステム１２を搭載する燃料電池車両１０（単に車両１０ともいう）を想定している。
車両１０に搭載されるＦＣシステム１２は、燃料電池１４（ＦＣ１４ともいう）と、水素供給システム１６と、エア供給システム１８と、冷却システム２０と、電力システム２２と、ＥＣＵ２４と、を備える。また、アクセルペダル３０の開度（操作量）を検出する開度センサ３２を備える。
ＦＣ１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成された燃料電池セルを積層した構造を有する。アノード電極側にはアノード流路３４を介して燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極側にはカソード流路３６を介して酸化剤ガスとしてのエアが供給される。水素ガスとエア中の酸素が反応して水が生成されると共に電力が発生する。
［１．１ 水素供給システム１６］
水素供給システム１６は、水素供給流路１６Ｓを介してＦＣ１４に対して水素ガスを供給すると共に、ガス排出流路１６Ｄを介してＦＣ１４で発生するアノードオフガスを排出する。水素供給流路１６Ｓ及びガス排出流路１６Ｄはアノード流路３４に連通する。
［１．２ エア供給システム１８］
エア供給システム１８は、エア供給流路１８Ｓを介してＦＣ１４に対してエアを供給すると共に、ガス排出流路１８Ｄを介してＦＣ１４で発生するカソードオフガスを排出する。エア供給流路１８Ｓとしては、上流側（吸入口側）から順に配管４０ａ、エアポンプ４２、配管４０ｂ、加湿器４４、配管４０ｃが設けられる。下流側の配管４０ｃはＦＣ１４のカソード流路３６に連通する。ガス排出流路１８Ｄとしては、上流側（ＦＣ１４側）から順に配管４６ａ、加湿器４４、配管４６ｂ、背圧弁４８、配管４６ｃが設けられる。上流側の配管４６ａはＦＣ１４のカソード流路３６に連通する。配管５２には循環ポンプ５４が設けられる。エア供給流路１８Ｓの配管４０ｂと配管４０ｃは、加湿器４４をバイパスする配管５６で接続される。配管５６には弁５８が設けられる。配管４６ｂには圧力センサ６４が設けられる。配管４０ｂには流量センサ６６が設けられる。
エアポンプ４２は、配管４０ａを介して吸気した外部のエアを、配管４０ｂ、加湿器４４、配管４０ｃ等を介してＦＣ１４のカソード流路３６に圧送する。加湿器４４は、エアポンプ４２から供給されるエアを、ＦＣ１４から排出されるカソードオフガスを利用して加湿する。背圧弁４８は、ＥＣＵ２４から出力される制御信号に応じて弁の開度を調整することにより、ＦＣ１４のカソード流路３６の圧力を調整する。エアポンプ４２と背圧弁４８と弁５８は、それぞれＥＣＵ２４により制御される。圧力センサ６４で検出される圧力値はＥＣＵ２４に出力されており、この圧力値が所定圧になるように背圧弁４８の開度が制御される。流量センサ６６で検出されるエアの実流量値はＥＣＵ２４に出力される。
［１．３ 冷却システム２０］
冷却システム２０は、冷媒供給流路２０Ｓを介してＦＣ１４に対して冷媒を供給すると共に、冷媒排出流路２０Ｄを介してＦＣ１４から冷媒を回収する。冷媒は冷却システム２０とＦＣ１４の間で循環しており、ＦＣ１４で吸熱し、冷却システム２０で放熱する。
［１．４ 電力システム２２］
図２を用いて電力システム２２に関して説明する。ＦＣ１４は、ＦＣコンタクタ７０と昇圧コンバータ７２（ＦＣＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７２ともいう）とインバータ７４（ＭＯＴＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）７４ともいう）を介して、トラクションモータ７６（ＴＲＣ７６ともいう）に接続される。また、高電圧バッテリ７８（ＢＡＴ７８ともいう）は、ＢＡＴコンタクタ８０と昇降圧コンバータ８２（ＢＡＴＶＣＵ８２ともいう）を介して、ＴＲＣ７６に接続される。ＦＣＶＣＵ７２とＢＡＴＶＣＵ８２は、ＴＲＣ７６に対して２次側２Ｓで並列に接続される。ＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂには各種の高電圧補機、例えばエアポンプ４２とエアコンディショナ８４（Ａ／Ｃ８４ともいう）とヒータ８６と降圧コンバータ８８（ＤＣ／ＤＣ８８ともいう）が並列に接続される。Ａ／Ｃ８４とヒータ８６はデフロスタ装置としても機能する。
ＦＣコンタクタ７０は、ＥＣＵ２４から出力される開閉信号に応じてＦＣ１４とＦＣＶＣＵ７２の１次側１Ｓｆとの遮断と接続とを切り替える。ＦＣＶＣＵ７２はチョッパ回路を備える電圧調整装置であり、ＥＣＵ２４の制御信号に応じて１次側１Ｓｆの電圧を昇圧して２次側２Ｓに印加する。ＭＯＴＰＤＵ７４は３相ブリッジ型の構成とされ、２次側２Ｓの直流電圧を交流電圧に変換し、ＥＣＵ２４から出力される目標回転数の制御信号に応じてＴＲＣ７６を制御する。なお、回生時にＭＯＴＰＤＵ７４はコンバータとして機能し、ＴＲＣ７６で発生する交流電圧を直流電圧に変換する。ＭＯＴＰＤＵ７４とＴＲＣ７６は所謂負荷である。ＴＲＣ７６は、ＦＣ１４及び／又はＢＡＴ７８の電力により駆動し、回生時は発電機として機能する。ＴＲＣ７６にはモータ回転数センサ９０が設けられる。モータ回転数センサ９０はＴＲＣ７６の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。
ＢＡＴ７８は、力行時に実消費電力に対するＦＣ１４の発電量の不足分を放電し、回生時に実消費電力に対するＦＣ１４や負荷の発電量の超過分を充電する。ＢＡＴ７８のＳＯＣはＥＣＵ２４で監視される。ＢＡＴコンタクタ８０は、ＥＣＵ２４から出力される開閉信号に応じてＢＡＴ７８とＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂとの遮断と接続とを切り替える。ＢＡＴＶＣＵ８２はチョッパ回路を備える電圧調整装置であり、ＥＣＵ２４から出力される制御信号に応じて、力行時には１次側１Ｓｂの電圧を昇圧して２次側２Ｓに印加し、回生時には２次側２Ｓの電圧を降圧して１次側１Ｓｂに印加する。
エア供給システム１８（図１）にも含まれるエアポンプ４２は、エアポンプＰＤＵ９４（Ａ／ＰＰＤＵ９４ともいう）を介してＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂに接続される。Ａ／ＰＰＤＵ９４は３相ブリッジ型のインバータを備え、１次側１Ｓｂの直流電圧を交流電圧に変換し、ＥＣＵ２４から出力される目標回転数の制御信号に応じてエアポンプ４２を制御する。ポンプ回転数センサ９６（Ａ／Ｐ回転数センサ９６ともいう）はエアポンプ４２の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。
ＦＣＶＣＵ７２には第１温度センサ９２が設けられる。第１温度センサ９２はＦＣＶＣＵ７２の温度を検出し、温度信号をＥＣＵ２４に出力する。同様に、ＢＡＴＶＣＵ８２には第２温度センサ９８が設けられる。第２温度センサ９８はＢＡＴＶＣＵ８２の温度を検出し、温度信号をＥＣＵ２４に出力する。第１温度センサ９２と第２温度センサ９８は、それぞれＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の温度異常を検知する異常検知装置として機能する。
［１．５ ＥＣＵ２４］
図１、図２を用いてＥＣＵ２４に関して説明する。ＥＣＵ２４は、エネルギーマネージメントＥＣＵ１００（ＥＭＥＣＵ１００ともいう）とＦＣＥＣＵ１０２を備える。各ＥＣＵ１００、１０２は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む）、ＲＡＭ、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有する。各ＥＣＵ１００、１０２は、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、例えば、制御部、演算部、及び、処理部等として機能する。各ＥＣＵ１００、１０２は、１つのＥＣＵのみから構成されてもよく、複数のＥＣＵから構成されてもよい。
ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣシステム１２のエネルギーマネージメント（ＥＭ）を行うように構成される。更に、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標電力を電流指令値としてＦＣＥＣＵ１０２に出力するように構成される。
ＦＣＥＣＵ１０２は、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することにより、流量／圧力演算部１０４、回転数演算部１０６、電力推定部１０８、ポンプ電力演算部１１０、ガス制御部１１２、電力システム制御部１１４として機能する。
流量／圧力演算部１０４は、エアポンプ４２の目標流量／圧力を演算するように構成される。回転数演算部１０６は、目標流量を得るために必要なエアポンプ４２の目標回転数を算出するように構成される。電力推定部１０８は、電力推定値を演算するように構成される。電力推定値とは、その時点のエアポンプ４２の流量と圧力比（エアポンプ４２の吸入側圧力と吐出側圧力の比）を実現するために、エアポンプ４２に必要とされる電力のことをいう。
ポンプ電力演算部１１０は、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを演算するように構成される。更に、ポンプ電力演算部１１０は、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に異常が発生した場合、例えば、第１温度センサ９２又は第２温度センサ９８により所定温度以上の異常温度が検知された場合に、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限するように構成される。消費電力上限値Ｐｕｌというのは、エアポンプ４２が駆動する際に許容される電力の上限であり、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に異常がない場合は、エアポンプ４２の定格値が設定される。
ガス制御部１１２は、水素供給システム１６及びエア供給システム１８のガス制御を行うように構成される。ここでは、ガス制御部１１２は、圧力センサ６４の検出値と目標圧力に従い背圧弁４８をフィードバック制御するように構成される。
電力システム制御部１１４は、ＥＭＥＣＵ１００で行われたエネルギーマネージメントに基づいて、電力システム２２（ＦＣコンタクタ７０、ＦＣＶＣＵ７２、ＭＯＴＰＤＵ７４、ＢＡＴコンタクタ８０、ＢＡＴＶＣＵ８２、エアポンプ４２、高電圧補機８４、８６、８８）を制御するように構成される。更に、電力システム制御部１１４は、ＦＣＶＣＵ７２に異常が発生した場合、例えば、第１温度センサ９２により異常温度が検知された場合に、ＦＣＶＣＵ７２の通過電力を制限するように構成される。また、ＢＡＴＶＣＵ８２に異常が発生した場合、例えば、第２温度センサ９８により異常温度が検知された場合に、ＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力を制限するように構成される。
各ＥＣＵ１００、１０２は、信号線１２０を介して水素供給システム１６、エア供給システム１８、冷却システム２０、電力システム２２の各機器と通信可能に接続される。そして、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行し、例えば、開度センサ３２、圧力センサ６４、流量センサ６６、第１温度センサ９２、第２温度センサ９８、Ａ／Ｐ回転数センサ９６等のセンサ検出値、ＦＣ１４の電圧、電流、エアポンプ４２の電圧、電流、回転数、ＴＲＣ７６の電圧、電流、回転数、ＢＡＴ７８の電圧、電流、温度、ＳＯＣ、２次側２Ｓの電圧、電流等を検出して、各機器を制御する。
［２ ＦＣシステム１２の処理］
図３で示すフローチャートを用いつつ、適宜図１、図２を参照してＦＣシステム１２で行われる処理を説明する。なお、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に異常がある場合は、以下の処理とは別に、電力システム制御部１１４により、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力が制限されるものとする。
ステップＳ１にて、ＥＣＵ２４は各機器の動作状況を監視すると共に、各種センサの検出信号を受信することにより各種情報を取得する。
ステップＳ２にて、ＥＭＥＣＵ１００は、取得した情報に基づいて、ＦＣ１４に要求される発電量、すなわち目標電力を演算する。このとき、ＥＭＥＣＵ１００には、ＦＣＥＣＵ１０２の電力推定部１０８で前回演算された電力推定値がフィードバックされている。ＥＭＥＣＵ１００は、この電力推定値に基づいて、ＢＡＴ７８から充放電可能な電力を演算すると共に、負荷や高電圧補機に割り当てることができる消費電力や回生電力を決定する。そして、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣシステム１２で発生／消費するトータルの電力がプラスマイナスゼロとなるように、ＦＣ１４の目標電力を演算する。目標電力は電流指令値としてＦＣＥＣＵ１０２に出力される。
ステップＳ３にて、流量／圧力演算部１０４は、電流指令値に基づいて、ＦＣ１４の目標電力を得るために必要なエアポンプ４２の目標流量／圧力を演算する。
ステップＳ４にて、回転数演算部１０６は、流量／圧力演算部１０４で演算された目標電流／圧力と、エアポンプ４２のＡ／Ｐ回転数センサ９６の検出値を用いて、目標流量を得るために必要なエアポンプ４２の目標回転数を演算する。
ステップＳ５にて、電力推定部１０８は、流量／圧力演算部１０４で演算された目標電流／圧力を用いて、電力推定値を演算する。演算された電力推定値は、次回の目標電力の演算のために、ＥＭＥＣＵ１００にフィードバックされる。電力推定値は、例えば流量及び圧力比を入力とする電力算出マップから求められる。
ステップＳ６にて、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に異常がある場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）はステップＳ７に移行し、異常がない場合（ステップＳ６：ＮＯ）はステップＳ８に移行する。ここでは、第１温度センサ９２及び第２温度センサ９８で検出される温度が所定温度以上であるか否かにより、ＦＣＶＣＵ７２及びＢＡＴＶＣＵ８２の温度異常が判定される。
ステップＳ７にて、ポンプ電力演算部１１０は、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限する。このとき、電力システム制御部１１４がＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力を制限している。ポンプ電力演算部１１０は、所定方法によりエアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限する。この所定方法については下記［４］で説明する。一方、ステップＳ８にて、ポンプ電力演算部１１０は、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限しない。
ステップＳ９にて、電力システム制御部１１４は、ＢＡＴ７８の充放電量が充電上限値及び放電下限値を超えないように、電力システム２２を制御する。この際、電力システム制御部１１４は、Ａ／ＰＰＤＵ９４を介して、回転数演算部１０６で演算された目標回転数に基づいて、エアポンプ４２を制御する。電力システム制御部１１４は、ポンプ電力演算部１１０で演算された消費電力上限値Ｐｕｌ以下の範囲内でエアポンプ４２の電力を制御する。
ステップＳ１０にて、ガス制御部１１２は、カソード圧を流量／圧力演算部１０４で演算された目標圧力にするために、圧力センサ６４で検出された圧力値を監視しつつ背圧弁４８のフィードバック制御を行う。
［３ 電力供給の優先順位］
電力システム制御部１１４がＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力を制限した場合、エアポンプ４２を含む補機が使えるＦＣ１４の電力は限られる。ここで、補機には、エアポンプ４２と、ＤＣ／ＤＣ８８と、デフロスタ装置としてのＡ／Ｃ８４及びヒータ８６が含まれる。なお、デフロスタ装置として機能しないＡ／Ｃ８４、すなわち単なる空調機器として使用されるＡ／Ｃ８４は、ここの補機には含まれない。本実施形態では、これらの補機に対する電力供給の優先順位を予め決められている。優先順位を上位から示すと以下のようになる。
・ ＤＣ／ＤＣ８８の消費電力の最大値Ｐｄｃ
・ エアポンプ４２の消費電力下限値Ｐｌｌ
・ デフロスタ装置としてのＡ／Ｃ８４及びヒータ８６の消費電力Ｐｄｅ
・ エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌ
ＤＣ／ＤＣ８８は、ＦＣ１４又はＢＡＴ７８の電圧を降圧して、車両１０の各ＥＣＵ等に印加している。ＤＣ／ＤＣ８８の電力が制限されると、各ＥＣＵ等の動作に影響が及び、システムが作動しなくなる。このため、ＤＣ／ＤＣ８８の消費電力の最大値Ｐｄｃは優先順位が最上位にされている。エアポンプ４２の消費電力下限値Ｐｌｌというのは、車両１０の故障時等でも最低限必要な電力をＦＣ１４が発電するためにエアポンプ４２に要求される電力である。このため、エアポンプ４２の消費電力下限値Ｐｌｌは、優先順位が上位にされている。デフロスタ機能は視界確保のために必要である。このため、デフロスタ装置としてのＡ／Ｃ８４及びヒータ８６の消費電力Ｐｄｅは、優先順位が上位にされている。ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力はこの優先順位に従って割り当てられ、電力が余れば、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌ分として割り当てられる。
［４ ポンプ電力演算部１１０の処理］
ポンプ電力演算部１１０は、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力が制限された場合に、次の方法によりエアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限する。ここで、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力をＰｐとする。また、通過電力Ｐｐから、ＤＣ／ＤＣ８８の消費電力の最大値Ｐｄｃと、デフロスタ装置としてのＡ／Ｃ８４及びヒータ８６の消費電力Ｐｄｅとを差し引いた値Ｐｐ−Ｐｄｃ−Ｐｄｅを制限値ＰＡとする。制限値ＰＡにエアポンプ４２の消費電力下限値Ｐｌｌが含まれないのは、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌが確保されれば、必然的に消費電力下限値Ｐｌｌが確保されるためである。
制限値ＰＡがエアポンプ４２の定格上限値異常である場合は、定格上限値を消費電力上限値Ｐｕｌとする。この場合、実質的に消費電力上限値Ｐｕｌは制限されない。制限値ＰＡが定格上限値未満である場合は、制限値ＰＡを消費電力上限値Ｐｕｌとする。更に、制限値ＰＡが０以下の場合は、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを設定せず、消費電力下限値Ｐｌｌを下回らないようにする。
図４Ａは、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力Ｐｐが制限されたときの制限値ＰＡ（＝Ｐｐ−Ｐｄｃ−Ｐｄｅ）と、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌと、エアポンプ４２の消費電力Ｐｃの時間変化を示す。なお、図４Ａは、車両１０が低負荷で走行している状態での各変化を示している。
時点ｔａ１でＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に冷却異常が発生し、通過電力Ｐｐが制限される。すると、電力システム制御部１１４が通過電力を制限するため、制限値ＰＡは低下する。この時点で制限値ＰＡはエアポンプ４２の定格上限値以上である。このとき、ポンプ電力演算部１１０は、エアポンプ４２の定格上限値を消費電力上限値Ｐｕｌとする。時点ｔａ２で制限値ＰＡがエアポンプ４２の定格上限値未満となる。このとき、ポンプ電力演算部１１０は、制限値ＰＡを消費電力上限値Ｐｕｌとする。時点ｔａ３で消費電力上限値Ｐｕｌ＝制限値ＰＡがエアポンプ４２の消費電力Ｐｃと等しくなる。このとき、電力システム制御部１１４は、エアポンプ４２の消費電力Ｐｃが消費電力上限値Ｐｕｌ＝制限値ＰＡを超えないように制御する。時点ｔａ４で消費電力上限値Ｐｕｌ＝制限値ＰＡの低下が止まる。このとき、消費電力上限値Ｐｕｌ＝制限値ＰＡは消費電下限値Ｐｌｌを上回っている。なお、ＢＡＴ７８の放電可能電力がαである場合は、制限値ＰＡにαを加算した値を消費電力上限値Ｐｕｌとすることができる。
［５ エアポンプ４２のサージ回避の処理］
図４Ｂは図４Ａの各時点におけるＦＣ１４のガス圧力を示し、図４Ｃは図４Ａの各時点におけるエア流量を示す。図４Ａ、図４Ｂで示すように、時点ｔａ３でカソード圧力（Ｃａ圧力）は急激に低下するものの、アノード圧力（Ａｎ圧力）との差圧が一定値ΔＰ［ｋｐａ］以内となるように制御される。図４Ｃで示すように、Ｃａ圧力の低下に伴い、エア流量Ｑも一時的に低下する。
ところで、エアポンプ４２の消費電力Ｐｃが急激に低下し、エア流量Ｑが急激に減少すると、エアポンプ４２が動作不能となるサージが発生する虞がある。エアポンプ４２の運転時には、その時々の状況によりサージ回避に必要なエア流量Ｑｓが決まる。サージ回避に必要なエア流量ＱｓはＣａ圧力の挙動とほぼ一致する。車両１０が低負荷で走行する場合は、図４Ａで示すように、時点ｔａ３でエアポンプ４２の消費電力Ｐｃが低下するとき、図４Ｃの範囲Ａで示すように、エア流量Ｑはサージ回避に必要なエア流量Ｑｓを下回る可能性は低い。このためサージが発生する可能性は低い。一方、車両１０が高負荷で走行する場合は、サージが発生する虞がある。
図５Ａ〜図５Ｃは、電力、ガス圧力、エア流量の変化を示す。車両１０が連続して高負荷走行する場合、時点ｔｂ１でＦＣシステム１２は、Ａｎ圧力及びＣａ圧力を上昇させると共に、エア流量Ｑを低下させて、ＦＣ１４の乾燥を抑制する。このときサージ回避に必要なエア流量ＱｓはＣａ圧力の挙動と共に上昇するため、時点ｔｂ２でエア流量Ｑとサージ回避に必要なエア流量Ｑｓが近づく。時点ｔｂ３でＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に冷却異常が発生し、通過電力Ｐｐが制限されたとする。図４Ａと同様に、時点ｔｂ４で消費電力上限値Ｐｕｌ＝制限値ＰＡがエアポンプ４２の消費電力Ｐｃと等しくなる。エアポンプ４２の消費電力Ｐｃが、消費電力上限値Ｐｕｌ＝制限値ＰＡと共に急激に低下すると、Ｃａ圧力も急激に低下する。すると、図５Ｃの範囲Ｂで示すように、エア流量Ｑ１も急激に低下し、サージ回避に必要なエア流量Ｑｓを一時的に下回ることがある。このときエアポンプ４２が動作不能になる虞がある。サージを回避するためには、図５Ｃで示すエア流量Ｑ２のように、急激な減少を抑制すればよい。
本実施形態において、ポンプ電力演算部１１０は、消費電力上限値Ｐｕｌを減少させる際に、所定のレートに基づいて減少させる。ここでは、図６で示すように、その時点でエアポンプ４２に必要とされる電力Ｐｔｒの大きさに応じて適用される３つの減少レートが設定される。電力ＰｔｒがＰｔｈ２以上である場合は、消費電力上限値Ｐｕｌの減少レートをＰｒ３にする。電力ＰｔｒがＰｔｈ１以上Ｐｔｈ２未満である場合は、消費電力上限値Ｐｕｌの減少レートをＰｒ２（＜Ｐｒ３）にする。電力ＰｔｒがＰｔｈ１未満である場合は、消費電力上限値Ｐｕｌの減少レートをＰｒ１（＜Ｐｒ２）にする。このように、エアポンプ４２に必要とされる電力Ｐｔｒが大きいほど大きな減少レートで消費電力上限値Ｐｕｌを制限し、電力Ｐｔｒが小さいほど小さな減少レートで消費電力上限値Ｐｕｌを制限する。電力Ｐｔｒとしては、電力推定部１０８で演算される電力推定値を使用可能である。なお、ここでは３つの減少レートを設定しているが、他の数の減少レートを設定してもよい。また、段階的に変化する減少レートを設定するのではなく、電力Ｐｔｒに応じて連続的に変化する減少レートを設定してもよい。
このようにすることで、電力Ｐｔｒが大きいときほど消費電力上限値Ｐｕｌの減少幅が大きくなり、結果としてエアポンプ４２の消費電力の減少幅が大きくなる。また、電力Ｐｔｒが小さいときほど消費電力上限値Ｐｕｌの減少幅が小さくなり、結果としてエアポンプ４２の消費電力の減少幅が小さくなる。すると、エアポンプ４２の消費電力が急激に低下してエア流量が急激に減少することを抑制でき、エアポンプ４２が動作不能になることを防止できる。
［６ 他の実施形態］
本発明は、図７で示す電力システム２２´、すなわちエアポンプ４２がＢＡＴＶＣＵ８２の２次側２Ｓに接続される電力システム２２´を備えるＦＣシステム１２にも適用可能である。この場合、ＦＣＶＣＵ７２の異常時にのみ、エアポンプ４２の電力を制限する。
［７ 実施形態のまとめ］
ＦＣシステム１２は、水素ガス（燃料ガス）及びエア（酸化剤ガス）を用いて発電する燃料電池１４と、ＢＡＴ７８（蓄電装置）と、燃料電池１４又はＢＡＴ７８から負荷に印加される電圧を調整するＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２（電圧調整装置）と、燃料電池１４及び／又はＢＡＴ７８から供給される電力を消費して燃料電池１４にエアを供給するエアポンプ４２と、エアポンプ４２の電力を制御するＥＣＵ２４（制御装置）と、を備える。ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２は、燃料電池１４とエアポンプ４２との間に介在する。ＦＣシステム１２は、更に、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の異常を検知する第１温度センサ９２と第２温度センサ９８（異常検知装置）を備える。ＥＣＵ２４は、第１温度センサ９２又は第２温度センサ９８がＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の温度異常を検知した場合に、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限する。
ＦＣシステム１２によれば、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に異常が発生した場合に、エアポンプ４２の電力自体を制限することにより、ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２の通過電力が制限されていても、ＢＡＴ７８からエアポンプ４２への放電量が過剰に増えることを予め防止できる。このため、ＢＡＴ７８のＳＯＣが過剰に減少することを防止できる。また、エアポンプ４２の電力自体を制限するため、エアポンプ４２が無駄に駆動することを防止できる。
ＦＣシステム１２は、デフロスタ装置として機能するエアポンプ４２とＤＣ／ＤＣ８８とを更に備える。ＥＣＵ２４は、Ａ／Ｃ８４及びヒータ８６の消費電力Ｐｄｅを確保したうえで、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌの制限量を設定する。
ＦＣＶＣＵ７２又はＢＡＴＶＣＵ８２に異常が発生して通過電力が制限される状況で、デフロスタ装置として機能するエアポンプ４２とＤＣ／ＤＣ８８の電力を優先的に確保することで、デフロスタ機能を確実に維持できる。
ＥＣＵ２４は、エアポンプ４２の消費電力上限値Ｐｕｌを制限する場合に、エアポンプ４２に必要とされる電力Ｐｔｒが大きいときほど消費電力上限値Ｐｕｌの減少幅を大きくし、エアポンプ４２に必要とされる電力Ｐｔｒが小さいときほど消費電力上限値Ｐｕｌの減少幅を小さくする。
エアポンプ４２の電力を急激に減少させると、エアポンプ４２が動作不能になる所謂サージの発生原因となる。エアポンプ４２に必要とされる電力Ｐｔｒの大きさに応じてエアポンプ４２の電力Ｐｔｒの減少幅を制御することにより、エア流量Ｑ２の減少レートが緩やかになり、サージ回避のために必要な流量を確保できる。このため、エアポンプ４２の動作不能を防止することができる。
１０…燃料電池車両（車両）
１２…燃料電池システム（ＦＣシステム）
１４…燃料電池（ＦＣ） １８…エア供給システム
２２…電力システム ２４…ＥＣＵ
４２…エアポンプ ７２…昇圧コンバータ（ＦＣＶＣＵ）
７８…高電圧バッテリ（ＢＡＴ）
８２…昇降圧コンバータ（ＢＡＴＶＣＵ）
８４…エアコンディショナ（Ａ／Ｃ） ８６…ヒータ
９２…第１温度センサ ９８…第２温度センサ
１００…エネルギーマネージメントＥＣＵ（ＥＭＥＣＵ）
１０２…ＦＣＥＣＵ
１１０…ポンプ電力演算部 １１４…電力システム制御部

Claims (3)

  1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
    蓄電装置と、
    前記燃料電池又は前記蓄電装置から負荷に印加される電圧を調整する電圧調整装置と、
    前記燃料電池及び／又は前記蓄電装置から供給される電力を消費して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するポンプと、
    前記ポンプの電力を制御する制御装置と、
    を備え、前記電圧調整装置が前記燃料電池と前記ポンプとの間に介在する燃料電池システムであって、
    前記電圧調整装置の異常を検知する異常検知装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記異常検知装置が前記電圧調整装置の異常を検知した場合に、前記ポンプの電力を制限する
    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において、
    デフロスタ装置を更に備え、
    前記制御装置は、
    前記デフロスタ装置の電力を確保したうえで、前記ポンプの電力の制限量を設定する
    ことを特徴と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、
    前記制御装置は、
    前記ポンプの電力を制限する場合に、制限前の前記ポンプの電力が大きいときほど電力の減少幅を大きくし、制限前の前記ポンプの電力が小さいときほど電力の減少幅を小さくする
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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