JP5125301B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、エネルギ回生機構を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数毎の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」と称す）として使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。そして、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池を備えたシステムにおいては、システム全体のエネルギ効率を向上させるための方法として、種々のエネルギ回生手法が提案されている。例えば、特開２００６−３３３５４３号公報には、ポンプの回転数を低下させる際に回生処理を行う燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、より具体的には、水素循環流路に水素循環ポンプを備え、ポンプ回転数を低下させる際に回生処理が行われる。これにより、システムのエネルギ効率を向上させることができる。

特開２００６−３３３５４３号公報 特開２００５−８３３１８号公報 特開２００４−１８５８２０号公報

しかしながら、上記従来のシステムにおいては、回生処理により回生される電力を制御するに際し、燃料電池システムを構成する様々な補器類の許容電力を考慮していない。このため、回生される電力の大きさによっては補器類の許容電力を超えてしまうことが想定される。このような場合、システムの構成部品が損傷等を引き起こす可能性があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、回生処理に伴う燃料電池システムの損傷の発生を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に配置されたコンプレッサと、
前記コンプレッサの駆動軸に連結され、原動機および発電機として機能する回転電機と、
前記反応ガスの供給量を減量する場合に、前記コンプレッサの回転力により前記回転電機を駆動して、電気エネルギを回生する回生手段と、
前記燃料電池の補器類の許容電力を設定する許容電力設定手段と、
前記補器類に入力される電力が前記許容電力以下となるように、前記回生手段による回生電力を制御する制御手段と、
前記補器類の異常を検出する異常検出手段と、を備え、
前記許容電力設定手段は、前記異常検出手段により異常が検出された補器の許容電力を、通常時に比して低く設定することを特徴とする。
また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に配置されたコンプレッサと、
前記コンプレッサの駆動軸に連結され、原動機および発電機として機能する回転電機と、
前記反応ガスの供給量を減量する場合に、前記コンプレッサの回転力により前記回転電機を駆動して、電気エネルギを回生する回生手段と、
前記燃料電池の補器類の許容電力を設定する許容電力設定手段と、
前記補器類に入力される電力が前記許容電力以下となるように、前記回生手段による回生電力を制御する制御手段と、
前記補器類の異常を検出する異常検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記異常が検出された場合に、前記回生手段による回生動作を禁止することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または２の発明において、
前記補器類は、前記燃料電池と電力を蓄えるための蓄電装置との間に介設されたコンバータを含み、
前記制御手段は、前記燃料電池システムにおいて発電および回生される電力の総和と前記燃料電池システムにおいて消費される電力との差が前記許容電力以下となるように、前記回生手段による回生電力を制御することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記補器類は、電力を蓄えるための蓄電装置を含み、
前記蓄電装置への蓄電可否を判定する蓄電可否判定手段を更に備え、
前記許容電力設定手段は、前記蓄電装置が蓄電できない状態であると判定された場合に、前記蓄電装置の許容電力をゼロに設定することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記補器類は、電力を蓄えるための蓄電装置を含み、
前記異常検出手段は、前記蓄電装置の異常を検出することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記補器類は、前記燃料電池と電力を蓄えるための蓄電装置との間に介設されたコンバータを含み、
前記異常検出手段は、前記コンバータの異常を検出することを特徴とする。

また、第７の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記補器類は、前記燃料電池と前記回転電機との間に介設されたインバータを含み、
前記異常検出手段は、前記インバータの異常を検出することを特徴とする。

また、第８の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記異常検出手段は、前記燃料電池システムの電源遮断異常を検出することを特徴とする。

第１または第２の発明によれば、燃料電池の補器類に入力される電力が当該補器類の許容電力を超えないように、回生電力が制御されるので、システムの許容電力を超えることによる補器類の損傷等を効果的に抑制することができる。
また、第１の発明によれば、燃料電池システムの異常が検出された場合に、異常が検出された補器の許容電力が通常時に比して低く設定される。このため、本発明によれば、異常が発生している補器の損傷が拡大する事態を効果的に抑制することができる。
また、第２の発明によれば、補器類の異常が検出された場合に、コンプレッサによる回生動作が禁止される。このため、本発明によれば、補器類の異常が拡大する事態を効果的に抑制することができる。

燃料電池により発電された電力やコンプレッサにより回生された電力は、コンバータを介して変圧された後に蓄電装置に蓄電される。第３の発明によれば、燃料電池システムにおいて発電および回生される電力の総和と燃料電池システムにおいて消費される電力との差が、燃料電池と蓄電装置との間に介設されたコンバータの許容電力以下となるように回生電力が制御される。このため、本発明によれば、コンバータが損傷する事態を効果的に抑制することができる。

燃料電池により発電された電力やコンプレッサにより回生された電力は蓄電装置に蓄電される。第４の発明によれば、蓄電装置が蓄電できない状態であると判定された場合に、蓄電装置への蓄電とならない範囲、すなわち、蓄電装置の許容電力がゼロに設定される。このため、本発明によれば、蓄電装置が過充電により破損する事態を効果的に抑制することができる。

第５の発明によれば、異常検出手段として、コンバータの異常を検出することができる。

第６の発明によれば、異常検出手段として、蓄電装置の異常を検出することができる。

第７の発明によれば、異常検出手段として、コンプレッサインバータの異常を検出することができる。

第８の発明によれば、異常検出手段として、燃料電池システムの電源遮断による異常を検出することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１０を搭載した燃料電池車両に適用されるシステムである。ＦＣスタック１０は複数枚の燃料電池セルが積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。

ＦＣスタック１０には、燃料ガスとしての水素ガスをアノードに供給するための水素ガス配管１２が接続されている。水素ガス配管１２の上流端は、水素ガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １４に接続され、その下流には調圧弁１６が配置されている。水素ガスは調圧弁１６で減圧され、所望の圧力に減圧されてからＦＣスタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通った水素ガスは、図示しない水素オフガス配管に排気される。水素オフガス配管の下流には、希釈器（図示せず）が接続されている。水素オフガス中に残存している水素ガスは、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。

また、ＦＣスタック１０には、酸化ガスとしての空気をカソードに供給するための酸化ガス配管１８が接続されている。酸化ガス配管１８の上流端は大気に解放されており、その下流にはコンプレッサ２０が配置されている。コンプレッサ２０の作動によって吸入された空気は、酸化ガス配管１８を通過してＦＣスタック１０に供給される。ＦＣスタック１０では、これらの水素ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電反応が行われる。

ＦＣスタック１０の出力端子は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２を介して蓄電装置２４に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、ＦＣスタック１０において発電された電力を蓄電装置２４に適した電圧に変換するための装置である。蓄電装置２４は燃料電池車両の動力源として、ＦＣスタック１０を補完する役割を果たす蓄電装置である。また、蓄電装置２４には電圧計５２が配置されている。

図１に示す燃料電池車両は、トラクションモータ２６を備えている。トラクションモータ２６は、原動機として当該燃料電池車両を駆動する機能と、発電機として電力を発生させる機能とを兼ね備えたモータージェネレータである。トラクションモータ２６の回転軸は、車両の駆動軸２８に連結されている。駆動軸２８は図示しないディファレンシャルギアを介して車輪３０が接続されている。かかる構成によれば、トラクションモータ２６から出力された動力が、駆動軸２８、および車輪３０を介して路面に伝達される。

トラクションモータ２６の入出力端子はトラクションモータインバータ３２に接続されている。更に、トラクションモータインバータ３２は、ＦＣスタック１０および蓄電装置２４にそれぞれ並列に接続されている。トラクションモータインバータ３２は、トラクションモータ２６に供給される電力の制御を実施する。具体的には、トラクションモータ２６における動力発生時には、ＦＣスタック１０または蓄電装置２４から供給された電力をトラクションモータ２６の駆動に適した交流電力に変換してトラクションモータ２６に供給する。また、トラクションモータ２６における発電時には、発電された電力の供給を受け、かかる電力を蓄電装置２４に蓄電するために直流電力に変換する。

上述したコンプレッサ２０の駆動軸はコンプレッサモータ３４の回転軸に接続されている。コンプレッサモータ３４は、原動機としてコンプレッサ２０を駆動する機能と、コンプレッサ２０の慣性力を利用して発電機として電力を発生させる機能とを兼ね備えたモータージェネレータである。コンプレッサモータ３４の入出力端子はコンプレッサインバータ３６に接続されている。更に、コンプレッサインバータ３６は、ＦＣスタック１０および蓄電装置２４にそれぞれ並列に接続されている。コンプレッサインバータ３６は、コンプレッサモータ３４に供給される電力の制御を実施する。具体的には、コンプレッサモータ３４における動力発生時には、ＦＣスタック１０または蓄電装置２４から供給された電力をコンプレッサモータ３４の駆動に適した交流電力に変換してコンプレッサモータ３４に供給する。また、コンプレッサモータ３４における発電時には、発電された電力の供給を受け、かかる電力を蓄電装置２４に蓄電するために直流電力に変換する。

本実施の形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。燃料電池車両の総合制御はＥＣＵ５０により行われる。ＥＣＵ５０の出力部には、上述したトラクションモータインバータ３２、コンプレッサインバータ３４の他、図示しない種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力部には、電圧計５２、車速センサ５４、アクセル開度センサ５６等の種々のセンサ類が接続されている。これらセンサ５２、５４、５６から入力されるバッテリ残量ＳＯＣ（％）、車速ＳＰＤ（m/s）は、アクセル開度ＡＣＣＰ（％）何れも燃料電池車両の制御に係る情報として用いられる。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。

［実施の形態１における動作］
次に、本実施の形態１の動作について説明する。本実施の形態の車両は、燃料電池スタック１０を搭載した車両である。ＦＣスタック１０では、燃料ガスとして供給される水素ガスと、酸化ガスとして供給される空気とを反応させることにより、要求負荷に応じた電力を発電する。発電された電力は、トラクションモータインバータ３２を介してトラクションモータ２６に供給される。そして、トラクションモータ２６により発生した回転力が駆動軸２８などを介して車輪３０に伝達されて車両の推進力を得る仕組みになっている。

また、本実施の形態の車両は、回生ブレーキシステムを備えている。具体的には、車両のブレーキ踏み込み時など、車両に対する減速要求が出された場合に、車両の運動エネルギの一部がトラクションモータ２６により電気エネルギに変換される。これにより、車両の速度を減速させるブレーキとして機能させながら、電気エネルギを回生することができる。

（コンプレッサによる回生動作）
本実施の形態の車両は、コンプレッサ２０の慣性力を利用した回生システムを備えている。具体的には、ＦＣスタック１０への低発電要求時など、酸化ガスの減量要求が出された場合に、コンプレッサ２０の運動エネルギの一部がコンプレッサモータ３４により電気エネルギに変換される。

図２は、コンプレッサ２０の減速処理を実行する場合の回転速度の変化を示す図である。この図に点線で示すとおり、回生処理を何ら実行せずに回転速度を低下させる場合には、コンプレッサ２０の慣性力の作用により回転速度はなかなか低下せず、所望の回転速度まで低下するのに長期間を要することとなる。このため、ＦＣスタック１０の発電量が低下した場合でも過剰な空気をＦＣスタック１０内に供給してしまうこととなり、ＦＣスタック内が乾燥し発電効率が低下してしまうおそれがある。特に、コンプレッサ２０がターボ式コンプレッサである場合には、ルーツ式コンプレッサ等の容積式コンプレッサと異なり内部圧縮がないため、回転速度を速やかに低下させることがより困難となる。

そこで、本実施の形態では、コンプレッサ２０による回生処理が実行される。図２の実線に示すとおり、回生処理を実行すると、回生処理を実行しなかった場合に比して所望の回転速度まで低下するまでの期間を効果的に短縮することができる。これにより、コンプレッサ２０の減速応答性を向上させることができるとともに、電機エネルギを有効に回生することができる。以下、コンプレッサ２０による回生処理を「コンプレッサ回生」と称する。

（実施の形態１の特徴的動作）
本実施の形態の燃料電池車両におけるシステムで発電される電力としては、ＦＣスタック１０の発電電力、およびトラクションモータ２６の回生電力に加えて、コンプレッサ回生による回生電力が挙げられる。以下、これらの総和として構成される電力を「総発電電力」と称する。総発電電力はトラクションモータ２６およびコンプレッサモータ３４の駆動により消費される。以下、総発電電力からこれらの補器類の消費電力を差し引いた電力を「総電力」と称する。総電力はＤＣ−ＤＣコンバータ２２において所定の電圧値に変換された後に蓄電装置２４に蓄電される。ＥＣＵ５０は、燃料電池車両を円滑に駆動すべく、これらの電力を一括して制御する。

具体的には、コンプレッサ回生を実行すると、コンプレッサ回生を実行しない場合に比して総電力がその分大きくなる。このため、コンプレッサ回生電力が大きい場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２へ当該コンバータの入力定格値を超える電力が入力されてしまい、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に故障等が発生するおそれがある。また、蓄電装置２４の満充電時にコンプレッサ回生が行われ、消費電力以上に総発電電力が大きくなってしまうと、当該蓄電装置２４への蓄電動作が実行されてしまい、過充電による蓄電装置２４の故障等が発生するおそれがある。

そこで、本実施の形態では、コンプレッサ回生による回生許容電力を、システムの補器類の許容電力との関係で設定することとする。具体的には、総電力がＤＣ−ＤＣコンバータ２２の許容電力を超えないように、コンプレッサ回生の許容電力が決定される。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が故障する事態を効果的に抑制することができる。

また、蓄電装置２４の満充電時には、当該蓄電装置２４への蓄電動作が実行されないようにコンプレッサ回生の許容電力が決定される。具体的には、蓄電装置２４のバッテリ残量ＳＯＣが所定値以上である場合には、総電力がゼロ以下となるようにコンプレッサ回生の許容電力が決定される。これにより、蓄電装置２４が過充電等により故障する事態を効果的に抑制することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ＥＣＵ５０がコンプレッサ回生処理を実行するルーチンのフローチャートである。

図３に示すルーチンにおいては、先ず、ＦＣスタックの必要発電量が算出される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、車速センサ５４の検出信号、アクセル開度センサ５６の検出信号等に基づいて、ＦＣスタック１０による発電量が算出される。次に、コンプレッサ２０の目標回転速度が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において算出されたＦＣスタック１０の発電量を実現するための必要空気量が算出されて、当該空気量を実現するためのコンプレッサ２０の目標回転速度が演算される。

次に、コンプレッサ２０の回転速度が減速となるか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において特定されたコンプレッサ２０の目標回転速度が、現状の回転速度と比べて減速となるか否かが判定される。その結果、目標回転速度が減速とならないと判定された場合には、コンプレッサによる回生処理を実行することができないと判断され、次のステップに移行し、コンプレッサ２０の回転速度を演算された目標回転速度へ増速する処理が実行されて本ルーチンは終了される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０４において、コンプレッサ２０の目標回転速度が減速となると判定された場合には、コンプレッサの回生処理を実行し得ると判断され、次のステップに移行し、先ず、トラクションモータ２６の消費電力または回生電力が演算される（ステップ１０８）。次に、蓄電装置２４のバッテリ残量ＳＯＣが、電圧計５２の検出信号に基づいて検出される（ステップ１１０）。

次に、コンプレッサ２０による回生電力の許容量が算出される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において算出されたＦＣスタック１０の発電電力、および上記ステップ１０８において算出されたトラクションモータ２６の消費電力或いは回生電力に基づいて、システムの総電力がＤＣ−ＤＣコンバータ２２の入力許容電力値を超えないように、コンプレッサによる回生電力の許容量が算出される。

また、上記ステップ１１２においては、上記ステップ１１０において検出されたバッテリＳＯＣが満充電を判定するための所定の閾値よりも大きい場合には、当該蓄電装置２４への蓄電動作を行うことができないと判断され、システムの総電力がゼロ以下となるように、コンプレッサによる回生電力の許容量が算出される。

次に、コンプレッサ２０の回生処理が実行される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、コンプレッサ２０の回転数を上記ステップ１０２において演算された目標回転速度に減速する際に、上記ステップ１１２において演算された回生電力の許容量を超えない範囲でコンプレッサモータ３４が回生駆動されて電力が回生される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、ＦＣスタック１０に供給される酸化ガスの減量要求に基づいて、コンプレッサ２０の回転速度を目標回転速度に減速させる場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２や蓄電装置２４が故障しない範囲内でコンプレッサ回生の許容電力が設定される。これにより、システムの補器類が故障する事態を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態のシステムによれば、コンプレッサ２０の回転速度を回生処理により減速させることができるので、所望の回転速度に素早く減速させることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２、および蓄電装置２４への入力電力が所定量を超えないようにコンプレッサ回生の許容電力を設定することとしているが、保護対象となる機器はこれに限られない。すなわち、インバータや他の補器類へ入力電力が許容値を超えないようにコンプレッサ回生の許容電力を設定することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、検出されたバッテリＳＯＣが満充電を判定するための所定の閾値よりも大きい場合に、蓄電装置２４への蓄電動作を行うことができないと判断することとしているが、蓄電装置２４への充電可否の判定方法はこれに限られない。すなわち、蓄電装置２４の温度を検出して、当該温度が所定の閾値よりも大きい場合に、蓄電装置２４への蓄電を制限することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、酸化ガス配管１８に配置された酸化ガス供給用のコンプレッサ２０を利用して、酸化ガスの減量要求時に電力を回生することとしているが、電力回生に使用されるコンプレッサはこれに限られない。すなわち、水素オフガスを再びＦＣスタック１０内に循環させるための水素循環配管と当該水素循環配管に配置された水素循環用のコンプレッサとを備えるシステムにおいて、当該水素循環用のコンプレッサを利用して、水素循環量の減量要求時に電力を回生することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＦＣスタック１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、酸化ガス配管１８が前記第１の発明における「反応ガス流路」に、コンプレッサモータ３４が前記第１の発明における「回転電機」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「許容電力設定手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「回生手段」および「制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が前記第３の発明における「コンバータ」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより、前記第３の発明における「許容電力設定手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、蓄電装置２４が前記第４の発明における「蓄電装置」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１２の処理において、蓄電装置２４のバッテリＳＯＣが満充電を判定するための所定の閾値よりも大きいか否かを判定することにより、前記第４の発明における「蓄電可否判定手段」が、上記ステップ１１２の処理において、コンプレッサ２２による回生電力の許容量を演算することにより、前記第４の発明における「許容電力設定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に後述する図４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態１においては、コンプレッサ回生を行う場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２や蓄電装置２４等の補器類が損傷しないように回生電力の許容量を設定し、かかる範囲内で回生処理を行うこととしている。ここで、上記許容量の範囲内であっても、システムの状態によっては、回生処理を実行すべきでない場合がある。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２や蓄電装置２４等の補器類に損傷等の異常が発生している場合には、総電力が許容範囲内であったとしても、コンプレッサ回生により損傷が拡大してしまうおそれがある。また、車両の衝突等によりシステムの電源が遮断された場合などには、システムや搭乗者の保護のためにコンプレッサ回生を停止したほうがよい場面も想定される。

そこで、本実施の形態２においては、システムの補器類に異常が発生した場合には、コンプレッサ回生を禁止することとする。これにより、システムや補器類の損傷拡大を抑制することができる。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図４は、ＥＣＵ５０がコンプレッサ回生処理を実行するルーチンのフローチャートである。

図４に示すルーチンにおいては、先ず、ＦＣスタックの必要発電量が算出される（ステップ２００）。次に、コンプレッサ２０の目標回転速度が算出される（ステップ２０２）。次に、コンプレッサ２０の回転速度が減速となるか否かが判定される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、図３に示すステップ１００乃至１０４と同様の処理が実行される。

上記ステップ２０４において、目標回転速度が減速とならないと判定された場合には、コンプレッサ回生を実行することができないと判断され、次のステップに移行し、コンプレッサ２２の回転速度を演算された目標回転速度へ増速する処理が実行されて本ルーチンは終了される（ステップ２０６）。

一方、上記ステップ２０４において、コンプレッサ２０の目標回転速度が減速となると判定された場合には、コンプレッサ回生を実行し得ると判断され、次のステップに移行し、コンプレッサ２０による回生処理を許可するか否かを判定するための各種情報が検出される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、システムの異常を判定するための各種ダイアグ信号が検出される。

次に、コンプレッサ回生を許可するか否かが判定される（ステップ２１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０８において検出されたダイアグ信号に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の異常、蓄電装置２４の異常、コンプレッサインバータ３６の異常、或いはシステムの電源遮断等の異常等の有無が判定される。その結果、システムに何らかの異常が発生していると判定された場合には、コンプレッサ回生を実行するべきではないと判断され、回生処理を実行せずに本ルーチンは終了される。

一方、上記ステップ２１０において、システムに特に異常が発生していないと判定された場合には、コンプレッサ回生を実行し得ると判断され、次のステップに移行し、回生処理が実行される（ステップ２１２）。ここでは、具体的には、コンプレッサ２０の回転数を上記ステップ２０２において演算された目標回転速度に減速する際に、コンプレッサモータ３４が回生駆動されて電力が回生される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、ＦＣスタック１０に供給される酸化ガスの減量要求に基づいて、コンプレッサ２０の回転速度を目標回転速度に減速させる場合に、システムやその補器類に異常が発生していると判定された場合には、コンプレッサ回生が禁止される。これにより、システムやその補器類に発生している損傷等が拡大する事態を効果的に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、システムやその補器類に異常が発生していると判定された場合には、コンプレッサ回生を禁止することとしているが、異常時の動作は禁止に限られない。すなわち、異常が発生している機器の入力許容電力を通常時に比して低く設定することとし、これを超えない範囲内でコンプレッサ回生を実行することにより、これらの異常機器の負担を軽減することとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、酸化ガス配管１８に配置された酸化ガス供給用のコンプレッサ２０を利用して、酸化ガスの減量要求時に電力を回生することとしているが、電力回生に使用されるコンプレッサはこれに限られない。すなわち、水素オフガスを再びＦＣスタック１０内に循環させるための水素循環配管と当該水素循環配管に配置された水素循環用のコンプレッサとを備えるシステムにおいて、当該水素循環用のコンプレッサを利用して、水素循環量の減量要求時に電力を回生することとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、実施の形態１における回生処理と組み合わせて実行することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ＦＣスタック１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、酸化ガス配管１８が前記第１の発明における「反応ガス流路」に、コンプレッサモータ３４が前記第１の発明における「回転電機」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「回生手段」および「制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第１または第２の発明における「異常検出手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、蓄電装置２４が前記第５または第６の発明における「蓄電装置」に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２が前記第６の発明における「コンバータ」に、コンプレッサインバータ３６が前記第７の発明における「インバータ」に、それぞれ相当している。

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成を説明するための図である。 コンプレッサ２０の減速処理を実行する場合の回転速度の変化を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池(ＦＣ)スタック
１２ 水素ガス配管
１４ 水素ガス供給源
１６ 調圧弁
１８ 酸化ガス配管
２０ コンプレッサ
２２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２４ 蓄電装置
２６ トラクションモータ
２８ 駆動軸
３０ 車輪
３２ トラクションモータインバータ
３４ コンプレッサモータ
３６ コンプレッサインバータ
５０ ECU(Electronic Control Unit)
５２ 電圧計
５４ 車速センサ
５６ アクセル開度センサ

Claims (8)

1. アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路に配置されたコンプレッサと、
   前記コンプレッサの駆動軸に連結され、原動機および発電機として機能する回転電機と、
   前記反応ガスの供給量を減量する場合に、前記コンプレッサの回転力により前記回転電機を駆動して、電気エネルギを回生する回生手段と、
   前記燃料電池の補器類の許容電力を設定する許容電力設定手段と、
   前記補器類に入力される電力が前記許容電力以下となるように、前記回生手段による回生電力を制御する制御手段と、
   前記補器類の異常を検出する異常検出手段と、を備え、
   前記許容電力設定手段は、前記異常検出手段により異常が検出された補器の許容電力を、通常時に比して低く設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路に配置されたコンプレッサと、
   前記コンプレッサの駆動軸に連結され、原動機および発電機として機能する回転電機と、
   前記反応ガスの供給量を減量する場合に、前記コンプレッサの回転力により前記回転電機を駆動して、電気エネルギを回生する回生手段と、
   前記燃料電池の補器類の許容電力を設定する許容電力設定手段と、
   前記補器類に入力される電力が前記許容電力以下となるように、前記回生手段による回生電力を制御する制御手段と、
   前記補器類の異常を検出する異常検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記異常が検出された場合に、前記回生手段による回生動作を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記補器類は、前記燃料電池と電力を蓄えるための蓄電装置との間に介設されたコンバータを含み、
   前記制御手段は、前記燃料電池システムにおいて発電および回生される電力の総和と前記燃料電池システムにおいて消費される電力との差が前記許容電力以下となるように、前記回生手段による回生電力を制御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. 前記補器類は、電力を蓄えるための蓄電装置を含み、
   前記蓄電装置への蓄電可否を判定する蓄電可否判定手段を更に備え、
   前記許容電力設定手段は、前記蓄電装置が蓄電できない状態であると判定された場合に、前記蓄電装置の許容電力をゼロに設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記補器類は、電力を蓄えるための蓄電装置を含み、
   前記異常検出手段は、前記蓄電装置の異常を検出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記補器類は、前記燃料電池と電力を蓄えるための蓄電装置との間に介設されたコンバータを含み、
   前記異常検出手段は、前記コンバータの異常を検出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記補器類は、前記燃料電池と前記回転電機との間に介設されたインバータを含み、
   前記異常検出手段は、前記インバータの異常を検出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
8. 前記異常検出手段は、前記燃料電池システムの電源遮断異常を検出することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。

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