JP4406938B2 - 燃料電池システムおよびコンプレッサの回転数制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよびコンプレッサの回転数制御方法に関する。

近年、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いる燃料電池システムの開発が行われている。燃料電池システムを効率よく発電させるためには、燃料ガスと酸化ガスの供給量が最適になるように調整する必要がある。しかしながら、反応ガスの供給量は使用環境によっても変動するため、最適に調整することは容易ではない。例えば、燃料電池システムが高地で使用された場合には、空気の密度が低下して燃料電池に供給される酸化ガスの量が不足するため、発電効率が低下してしまう。このような問題を解決するために、下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、気圧が低下した場合にコンプレッサの回転数を増大させることで、燃料電池に供給される酸化ガスの量を維持させている。
特開２０００−４８８３８号公報

ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムでは、発電効率の低下を抑えるために、１気圧を現在の気圧で除算した値に応じてコンプレッサの回転数を制御している。しかしながら、このような制御方法を採用した場合には、例えば、気圧が大きく低下してしまうと、コンプレッサの許容最大回転数を超えた回転数が設定されてしまい、コンプレッサに不具合が生じるおそれがある。また、許容最大回転数が低く抑えられている場合には、コンプレッサの回転数が許容最大回転数に設定された場合であっても、燃料電池に供給される酸化ガスの量が不足してしまうことも考えられる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、大気圧が低下した場合であっても、コンプレッサに不具合を生じさせることなく、燃料電池に十分な酸化ガスを供給することができる燃料電池システムおよびコンプレッサの回転数制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサと、大気の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサにより検出された大気圧が所定の圧力値以下であるか否かを判定する判定手段と、判定手段によって大気圧が所定の圧力値以下であると判定された場合に、コンプレッサにおいて許容される最大回転数を所定時間、増大させる回転数制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るコンプレッサの回転数制御方法は、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサと、大気の圧力を検出する圧力センサと、を備える燃料電池システムにおけるコンプレッサの回転数を制御する方法であって、圧力センサにより検出された大気圧が所定の圧力値以下であるか否かを判定する判定工程と、判定工程において大気圧が所定の圧力値以下であると判定された場合に、コンプレッサにおいて許容される最大回転数を所定時間、増大させる回転数制御工程と、を含むことを特徴とする。

これらの発明によれば、大気圧が所定の圧力値以下に低下した場合に、コンプレッサにおいて許容される最大回転数を、所定時間のあいだ増大させることができる。したがって、大気圧が低下した場合であっても、コンプレッサに不具合を生じさせることなく、燃料電池に十分な酸化ガスを供給することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記判定手段は、大気圧が所定の圧力値以下となる状態が第２の所定時間以上継続したか否かを判定し、上記回転数制御手段は、判定手段によって大気圧が所定の圧力値以下となる状態が第２の所定時間以上継続したと判定された場合に、最大回転数を所定時間、増大させることができる。

このようにすることで、大気圧が第２の所定時間以上継続して所定圧力値以下に低下した場合に、最大回転数を所定時間のあいだ増大させることができるため、何らかの要因により一時的に圧力値が低下した場合には最大回転数を増大させることなく通常時の最大回転数のまま継続させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記判定手段は、コンプレッサに対する回転数増大指令量が所定量以上であり、かつ、大気圧が所定の圧力値以下となる状態が所定時間以上継続したか否かを判定し、上記回転数制御手段は、判定手段により、回転数増大指令量が所定量以上であり、かつ、大気圧が所定の圧力値以下となる状態が第２の所定時間以上継続したと判定された場合に、最大回転数を所定時間、増大させることができる。ここで、「回転数増大指令量」としては、例えば、車両に搭載される燃料電池システムにおいては、加速操作部材の操作量（アクセル開度）が該当する。

このように、最大回転数を増大させる際の条件に、コンプレッサに対する回転数増大指令量が所定量以上であることを含めることで、コンプレッサの回転数が最大回転数に到達する可能性が高いときに限定したうえで最大回転数を増大させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの温度を検出する温度センサと、上記回転数制御手段によって最大回転数が増大させられた後から所定時間が経過するまでの間に、温度センサによって検出された温度が所定温度以上になったか否かを判定する第２の判定手段と、をさらに備え、上記回転数制御手段は、第２の判定手段によって上記温度が所定温度以上になったと判定された場合に、最大回転数を、増大させる前の回転数に変更することができる。

このようにすることで、最大回転数を増大させた後に、最大回転数を増大させたことに起因するコンプレッサの不具合を未然に防止することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記第２の判定手段は、最大回転数が増大させられた後から所定時間が経過するまでの間に、温度センサによって検出された上記温度が所定温度以上となる状態が第３の所定時間以上継続したか否かを判定し、上記回転数制御手段は、第２の判定手段によって上記温度が所定温度以上となる状態が第３の所定時間以上継続したと判定された場合に、最大回転数を、増大させる前の回転数に変更することができる。

このようにすることで、最大回転数を増大させた後に、何らかの要因により一時的にコンプレッサからの吐出温度が上昇した場合には、最大回転数を元に戻すことなく増大させた状態のまま継続させることができる。

本発明によれば、大気圧が低下した場合であっても、コンプレッサに不具合を生じさせることなく、燃料電池に十分な酸化ガスを供給することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムおよびコンプレッサの回転数制御方法の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本実施形態における燃料電池システムは、大気圧が所定の圧力値以下に低下した場合に、コンプレッサが許容する最大回転数を所定時間、増大させることで、大気圧が低下した場合であっても、コンプレッサに不具合を生じさせることなく、燃料電池に十分な酸化ガスを供給することを可能としたものである。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）によって降圧され、バッテリーである二次電池（不図示）に充電される。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。また、コンプレッサ３１には、コンプレッサ３１に含まれるモータの回転数を検出する回転数センサＮが設けられている。さらに、コンプレッサ３１の出口側には、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの温度（以下、吐出温度という。）を検出する温度センサＴが設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４とが設けられている。

循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４５が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４６及び排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、希釈器４９によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル）の操作量（例えば、アクセル開度）をセンサ（例えば、アクセル開度センサＳ）によって検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えば、コンプレッサ３１や水素ポンプ４５のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部５は、アクセル開度センサＳによって検出されたアクセル開度が所定開度以上であり、かつ、大気圧を測定するための圧力センサＰによって検出された大気圧が所定の圧力値以下となる状態が所定時間以上継続したか否かを判定する。アクセル開度を判定する際の所定開度として、例えば、９５％の開度を設定することができ、大気圧を判定する際の所定の圧力値として、例えば、９０ｋＰａを設定することができ、継続時間を判定する際の所定時間として、例えば、３秒を設定することができる。

制御部５は、アクセル開度が所定開度以上であり、かつ、大気圧が所定圧力値以下となる状態が所定時間以上継続したと判定した場合に、コンプレッサ３１において許容される最大回転数を所定時間増大させる最大回転数増大処理を実行する。最大回転数増大処理の内容を具体的に説明する。最初に、コンプレッサ３１において許容される最大回転数を、通常時の最大回転数よりも高い回転数である増大時最大回転数に変更する。続いて、増大時最大回転数に変更してから所定時間経過した場合に、最大回転数を通常時の最大回転数に変更する。これにより最大回転数増大処理が終了する。通常時の最大回転数として、例えば、５７００ｒｐｍを設定し、増大時最大回転数として、例えば、６０００ｒｐｍを設定することができる。増大時最大回転数に変更した後の経過時間を判定する際の所定時間として、例えば、１８０秒を設定することができる。なお、圧力センサＰは、例えば、エンジンルーム内に設けることができる。

制御部５は、最大回転数増大処理が実行されている間に、温度センサＴによって検出されたコンプレッサ３１からの吐出温度が所定温度以上となる状態が所定時間以上継続したか否かをさらに判定する。コンプレッサ３１からの吐出温度を判定する際の所定温度として、例えば、１７０℃を設定することができ、所定温度以上での継続時間を判定する際の所定時間として、例えば、２０秒を設定することができる。

制御部５は、コンプレッサ３１からの吐出温度が所定温度以上となる状態が所定時間以上継続したと判定した場合に、コンプレッサ３１において許容される最大回転数を強制的に通常時の最大回転数に変更することで、最大回転数増大処理を途中で終了させる。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、回転数センサＮ、圧力センサＰ、温度センサＴおよびアクセル開度センサＳ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、水素ポンプ４５および排気排水弁４７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して回転数センサＮや圧力センサＰ、温度センサＴ、アクセル開度センサにおける検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１のコンプレッサ回転数制御処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システムのコンプレッサ回転数制御処理について説明する。このコンプレッサ回転数制御処理は、イグニッションキーをＯＮにしてからＯＦＦにするまでの間に繰り返し行われる。

最初に、制御部５は、コンプレッサの最大回転数を通常時の最大回転数に設定する（ステップＳ１）。

続いて、制御部５は、アクセル開度センサＳによって検出されたアクセル開度が所定開度以上であり、かつ、圧力センサＰによって検出された大気圧が所定の圧力値以下となる状態が所定時間以上継続したか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２；ＮＯ）には、ステップＳ２の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２の判定がＹＥＳである場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）に、制御部５は、コンプレッサ３１において許容される最大回転数を、通常時の最大回転数から増大時最大回転数に変更する（ステップＳ３）。

続いて、制御部５は、最大回転数を増大時最大回転数に変更してから所定時間経過したか否かを判定するとともに、温度センサＴによって検出されたコンプレッサ３１からの吐出温度が所定温度以上となる状態が所定時間以上継続したか否かを判定する（ステップＳ４）。双方の判定ともがＮＯである場合（ステップＳ４；ＮＯ）には、ステップＳ４の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ４における判定のうち、少なくともいずれか一方の判定がＹＥＳである場合（ステップＳ４；ＹＥＳ）には、上述したステップＳ１に処理を移行する。これにより、コンプレッサ３１において許容される最大回転数が通常時の最大回転数に変更される。

なお、上述した動作説明では、ステップＳ１においてコンプレッサの最大回転数を通常時の最大回転数に設定しているが、イグニッションキーがＯＦＦにされたときに最大回転数を通常時の最大回転数に再設定（リセット）させておくことで、イグニッションキーをＯＮにした直後には、ステップＳ１の処理を省略することができる。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、アクセル開度が所定開度以上であり、かつ、大気圧が所定時間以上継続して所定の圧力値以下に低下した場合に、上述した最大回転数増大処理を実行させ、コンプレッサ３１において許容される最大回転数を、所定時間のあいだ増大させることができる。これにより、大気圧が低下した場合であっても、コンプレッサに不具合を生じさせることなく、燃料電池に十分な酸化ガスを供給することができる。

また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、最大回転数増大処理を実行している際に、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの温度が所定温度以上になると、最大回転数を通常時の最大回転数に戻すことができるため、最大回転数を増大させたことに起因するコンプレッサ３１の不具合を未然に防止することができる。

なお、上述した実施形態において、最大回転数増大処理の開始条件として、アクセル開度が所定開度以上であり、かつ、大気圧が所定圧力値以下となる状態が所定時間以上継続することを挙げているが、開始条件の内容は、これに限定されない。少なくとも、大気圧が所定圧力値以下となることが開始条件に含まれていればよい。ただし、アクセル開度が所定開度以上であることを開始条件に含めることで、コンプレッサの回転数が最大回転数に到達する可能性が高いときに限定して最大回転数増大処理を実行させることができる。また、低圧力状態が所定時間以上継続することを開始条件に含めることで、何らかの要因により一時的に圧力値が低下した場合には、最大回転数を増大させることなく通常時の最大回転数のまま継続させることができる。

また、上述した実施形態においては、最大回転数増大処理の終了条件の一つとして、最大回転数増大処理の継続時間の他に、温度センサＴによって検出されたコンプレッサ３１からの吐出温度が所定温度以上となる状態が所定時間以上継続することを挙げているが、終了条件の内容は、これに限定されない。最大回転数増大処理の継続時間の他に、少なくとも、吐出温度が所定温度以上となることが終了条件の一つに含まれていればよい。ただし、高温状態が所定時間以上継続することを終了条件に含めることで、何らかの要因により一時的に吐出温度が上昇した場合には、最大回転数増大処理を終了させることなく、そのまま継続させることができる。

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 図１に示す燃料電池システムにおけるコンプレッサ回転数制御処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…水素ポンプ、４６…気液分離器、４７…排気排水弁、４８…排出流路、４９…希釈器、Ｎ…回転数センサ、Ｐ…圧力センサ、Ｔ…温度センサ、Ｓ…アクセル開度センサ。

Claims (5)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記反応ガスのうちの酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
   大気の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサにより検出された大気圧が、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスが不足するほど大気圧が低下したか否かを判定する際の判定値となる所定圧力値以下であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記大気圧が前記所定圧力値以下であると判定された場合に、前記コンプレッサにおいて許容される最大回転数を、前記コンプレッサに不具合が生じない範囲で継続可能な所定時間、増大させる回転数制御手段と、
   を備え、
   前記判定手段は、前記大気圧が前記所定圧力値以下となる状態が、圧力の低下が一時的であるか否かを判定する際の判定値となる第２の所定時間以上継続したか否かを判定し、
   前記回転数制御手段は、前記判定手段によって前記大気圧が前記所定圧力値以下となる状態が前記第２の所定時間以上継続したと判定された場合に、前記最大回転数を前記所定時間、増大させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記判定手段は、アクセル開度が、前記コンプレッサの回転数が最大回転数に到達する可能性が高いか否かを判定する際の判定値となる所定開度以上であり、かつ、前記大気圧が前記所定圧力値以下となる状態が前記第２の所定時間以上継続したか否かを判定し、
   前記回転数制御手段は、前記判定手段により、前記アクセル開度が所定開度以上であり、かつ、前記大気圧が前記所定圧力値以下となる状態が前記第２の所定時間以上継続したと判定された場合に、前記最大回転数を所定時間、増大させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの温度を検出する温度センサと、
   前記回転数制御手段によって前記最大回転数が増大させられた後から前記所定時間が経過するまでの間に、前記温度センサによって検出された前記温度が、前記コンプレッサに不具合が生ずるか否かを判定する際の判定値となる所定温度以上になったか否かを判定する第２の判定手段と、をさらに備え、
   前記回転数制御手段は、前記第２の判定手段によって前記温度が前記所定温度以上になったと判定された場合に、前記最大回転数を、増大させる前の回転数に変更する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記第２の判定手段は、前記最大回転数が増大させられた後から前記所定時間が経過するまでの間に、前記温度センサによって検出された前記温度が前記所定温度以上となる状態が、温度の上昇が一時的であるか否かを判定する際の判定値となる第３の所定時間以上継続したか否かを判定し、
   前記回転数制御手段は、前記第２の判定手段によって前記温度が前記所定温度以上となる状態が前記第３の所定時間以上継続したと判定された場合に、前記最大回転数を、増大させる前の回転数に変更する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記反応ガスのうちの酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、大気の圧力を検出する圧力センサと、を備える燃料電池システムにおける前記コンプレッサの回転数を制御する方法であって、
   前記圧力センサにより検出された大気圧が、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスが不足するほど大気圧が低下したか否かを判定する際の判定値となる所定圧力値以下であるか否かを判定する判定工程と、
   前記判定工程において前記大気圧が前記所定圧力値以下であると判定された場合に、前記コンプレッサにおいて許容される最大回転数を、前記コンプレッサに不具合が生じない範囲で継続可能な所定時間、増大させる回転数制御工程と、
   を含み、
   前記判定工程は、前記大気圧が前記所定圧力値以下となる状態が、圧力の低下が一時的であるか否かを判定する際の判定値となる第２の所定時間以上継続したか否かを判定し、
   前記回転数制御工程は、前記判定工程において前記大気圧が前記所定圧力値以下となる状態が前記第２の所定時間以上継続したと判定された場合に、前記最大回転数を前記所定時間、増大させる
   ことを特徴とするコンプレッサの回転数制御方法。

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