JP7276251B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、実空気流量と目標空気流量とに差が発生した場合、コンプレッサの回転数を維持しつつ、調圧弁の開度を変更することで、実空気流量と目標空気流量の差を縮小するフィードバック制御をする燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献２では、状態エスティメータによって、燃料電池回路の各構成の圧力値及び流量値を計算して推定する手法が開示されている。
また、特許文献３では、ガス組成の推定方法やエア供給経路の各部の流量の推定について開示されている。
また、特許文献４では、燃料電池に供給される空気量は、空気供給流路と空気排出流路とバイパス流路の流路抵抗と、流量センサによって取得した空気量とを用いて推定する手法について開示されている。
特開２０１６－２０７２９２号公報 特開２０１９－１６４９８７号公報 特開２０１９－１３５７１６号公報 特開２０１９－１４５３５７号公報
ガス流量に対する圧力比依存性が強いターボ式のエアコンプレッサの場合、エア系システムの各部位の全圧、分圧、ガス流量、温度に基づいて、エアコンプレッサのガス入口とガス出口の圧力比を推定しないと、エアコンプレッサのガス流量及びエアコンプレッサの当該圧力比を精度良く制御できない場合があるという問題がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ターボ式のエアコンプレッサのガス流量及び圧力比を精度良く制御することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示においては、燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池と前記エアコンプレッサとを接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス出口弁と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤ガス排出流路に接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、当該バイパス流路の開通状態を制御するバイパス弁と、
大気圧を計測する大気圧センサと、
外気温を計測する外気温センサと、
外部から前記エアコンプレッサの入り口に供給される前記酸化剤ガスの流量を計測する流量センサと、
前記エアコンプレッサの回転数を計測する回転数センサと、
前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度を計測する角度センサと、
制御部と、
前記エアコンプレッサ、前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定する演算部と、を備え、
前記演算部は、予め定めた流量ｎｄｏｔ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］と前記各部位の差圧ΔＰ［Ｐａ］との関係を線形化した第１計算式に基づいて、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記回転数センサによって計測された前記エアコンプレッサの回転数と、前記角度センサによって計測された前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度とから、前記各部位の流れ抵抗Ｚｄ［Ｐａ／（ｍｏｌ／ｓｅｃ）］を演算するステップ１と、
前記演算部は、前記ステップ１の後に、予め定めた全圧を算出するための第２計算式に基づいて、前記各部位の流れ抵抗Ｚｄと、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から、前記各部位の全圧を演算するステップ２と、
前記演算部は、前記ステップ２の後に、予め定めた分圧を算出するための第３計算式に基づいて、前記ステップ２で演算した前記各部位の全圧と、前記酸化剤ガス中に含まれる各成分の割合と、から、前記各部位の分圧を演算するステップ３と、
前記演算部は、前記ステップ３の後に、予め定めたエネルギーを算出するための第４計算式に基づいて、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から前記各部位のエネルギーを演算するステップ４とを実施することを特徴とする、燃料電池システムを提供する。
本開示においては、前記演算部は、前記ステップ１において、有効ガス輸送係数を演算し、前記ステップ２において、前記各部位の差圧ΔＰ［Ｐａ］が所定の閾値以下の場合、前記有効ガス輸送係数に補正係数を乗じて得た値と、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から、前記各部位の全圧を演算してもよい。
本開示においては、前記演算部は、前記ステップ１において、前記角度センサが計測した前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度が、所定の閾値以下の場合、当該開度が所定の閾値以下である弁の前記有効ガス輸送係数を０としてもよい。
本開示においては、前記演算部は、前記ステップ３で演算した各部位の分圧の演算結果を、前記ステップ２で演算した各部位の全圧の演算結果に前記酸化剤ガスの各成分のモル分率を乗じて得た値で補正してもよい。
本開示においては、さらに、前記酸化剤ガス供給流路の前記エアコンプレッサと前記燃料電池との間にインタークーラーを備え、
前記演算部は、前記インタークーラー、前記エアコンプレッサ、前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定してもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、ターボ式のエアコンプレッサのガス流量及び圧力比を精度良く制御することができる。
本開示の燃料電池システムの演算部が行う演算手順の一例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムの制御方法の別の一例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムの演算部が行う演算手順の別の一例を示すフローチャートである。
本開示においては、燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池と前記エアコンプレッサとを接続する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス出口弁と、
前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤ガス排出流路に接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられ、当該バイパス流路の開通状態を制御するバイパス弁と、
大気圧を計測する大気圧センサと、
外気温を計測する外気温センサと、
外部から前記エアコンプレッサの入り口に供給される前記酸化剤ガスの流量を計測する流量センサと、
前記エアコンプレッサの回転数を計測する回転数センサと、
前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度を計測する角度センサと、
制御部と、
前記エアコンプレッサ、前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定する演算部と、を備え、
前記演算部は、予め定めた流量ｎｄｏｔ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］と前記各部位の差圧ΔＰ［Ｐａ］との関係を線形化した第１計算式に基づいて、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記回転数センサによって計測された前記エアコンプレッサの回転数と、前記角度センサによって計測された前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度とから、前記各部位の流れ抵抗Ｚｄ［Ｐａ／（ｍｏｌ／ｓｅｃ）］を演算するステップ１と、
前記演算部は、前記ステップ１の後に、予め定めた全圧を算出するための第２計算式に基づいて、前記各部位の流れ抵抗Ｚｄと、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から、前記各部位の全圧を演算するステップ２と、
前記演算部は、前記ステップ２の後に、予め定めた分圧を算出するための第３計算式に基づいて、前記ステップ２で演算した前記各部位の全圧と、前記酸化剤ガス中に含まれる各成分の割合と、から、前記各部位の分圧を演算するステップ３と、
前記演算部は、前記ステップ３の後に、予め定めたエネルギーを算出するための第４計算式に基づいて、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から前記各部位のエネルギーを演算するステップ４とを実施することを特徴とする、燃料電池システムを提供する。
エアコンプレッサは、コスト・体格低減を目的として、ルーツ式からターボ式に変更すると、ガス流量の圧力比依存性が強くなり、エアコンプレッサの回転数、エアコンプレッサのガス入口とガス出口の圧力比を精度良く制御しないとガス流量制御性が悪化する。また、ターボ式のエアコンプレッサ特有のサージ領域（低ガス流量、高圧力比）を使うとエアコンプレッサの振動により、インペラ等の部品が破損する等の部品の耐久性が低下するという問題がある。
ルーツ式のエアコンプレッサでは、その回転数の制御によってガス流量を制御でき、ガス出口弁の角度制御によってそのガス圧力を制御でき、エアコンプレッサのガス流量とガス圧力をそれぞれ独立に制御できていた。
そのため、圧力比に依存しないルーツ式を前提とした従来の制御では、ガス流量、ガス圧力制御性が悪化し、車両の乗り心地（ドラビリ）の悪化及び部品耐久性が低下する等の問題がある。
本開示によれば、時々刻々と変化する燃料電池システムのエア系システム内部状態（ガス流量、全圧、分圧、エネルギー）を所定の物理モデルを用いて推定し、エアコンプレッサの圧力比を精度良く推定することで、ガス流量指令値、ガス圧力指令値の制御性を向上させ、車両の乗り心地の悪化及び部品耐久性の低下を抑制することができる。
本開示によれば、エア系システムの各部位の全圧、各部位の分圧、各部位のエネルギーを、物理的な変化速度が速い順に演算することで、演算遅れに伴う誤差を小さくすることができ、ターボ式のエアコンプレッサのガス流量及び圧力比を精度良く制御することができる。また、流れ抵抗の演算式が線形化されているため、演算部での計算負荷を小さくすることができる。
本開示の燃料電池システムは、少なくとも、燃料電池と、エアコンプレッサと、酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出流路と、酸化剤ガス出口弁と、バイパス流路と、バイパス弁と、大気圧センサと、外気温センサと、流量センサと、回転数センサと、角度センサと、制御部と、演算部と、を有し、さらにインタークーラー、酸化剤ガス入口弁、燃料ガス圧力センサ、トルクセンサ等を有していてもよい。
なお、本開示において、各部位とは、少なくとも、エアコンプレッサ、酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁を含み、必要に応じて、酸化剤ガス吸気口、酸化剤ガスクリーナー（フィルター）、酸化剤ガス供給流路、インタークーラー、酸化剤ガス入口弁、カソード入口マニホールド、燃料電池のカソード、カソード出口マニホールド、バイパス流路、酸化剤ガス排出流路と燃料オフガス排出弁との接続部、及び、酸化剤ガス排出流路等が含まれていてもよい。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。
燃料電池は、燃料電池の単セルを複数積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有していてもよい。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池と燃料ガス供給部を接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池の燃料極への供給を可能にする。
燃料電池システムは、循環流路を備えていてもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池の燃料極に戻すことを可能にする。
燃料オフガスは、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガス、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分、及び、掃気時に燃料極に供給されてもよい酸化剤ガス等を含む。
燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ、及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路の合流部に配置され、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池の燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
循環流路には、燃料オフガス中の水分を低減するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び、当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器において、燃料オフガス中から分離された水分は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。
排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排水弁の開閉を制御されることにより、液水の排水量を調整してもよい。
燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガスを外部（系外）に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの排出流量を調整してもよい。
燃料オフガス排出流路は、例えば、循環流路から分岐されていてもよく、燃料オフガス中の水素濃度が低くなりすぎた場合に当該燃料オフガスを外部に排出可能にする。
燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部としてのエアコンプレッサ、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
エアコンプレッサは、ターボ式のエアコンプレッサであってもよい。
エアコンプレッサは、少なくとも燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
エアコンプレッサは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス吸気口とエアコンプレッサと燃料電池を接続し、エアコンプレッサから燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガス供給流路の酸化剤ガス吸気口とエアコンプレッサとの間には、酸化剤ガスクリーナー（フィルター）が設けられていてもよい。酸化剤ガスクリーナーは、酸化剤ガス吸気口から吸入される酸化剤ガス中の不純物を除去してもよい。酸化剤ガスクリーナーとしては、従来公知のフィルター等を用いてもよい。
酸化剤ガス供給流路のエアコンプレッサと燃料電池との間には、酸化剤ガス圧力調整弁としての酸化剤ガス入口弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス入口弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス入口弁の開度を調整することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整することができる。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
酸化剤ガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁としての酸化剤ガス出口弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス出口弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス出口弁が開弁されることにより、反応済みのカソードオフガスを酸化剤ガス排出流路から排出する。また、酸化剤ガス出口弁の開度を調整することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整することができる。
なお、酸化剤ガス入口弁が設けられている場合は、酸化剤ガス入口弁と酸化剤ガス出口弁を閉弁した場合は、燃料電池の圧力は燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの圧力に依存するため、本開示の燃料電池システムは、演算部が各部位の流れ抵抗、全圧、分圧、エネルギーを推定するために燃料ガス圧力センサを備えていてもよい。
燃料ガス圧力センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、燃料ガス圧力センサから出力された燃料ガス圧力を検出し、当該制御部は、検出した燃料ガス圧力を演算部に出力してもよい。
燃料ガス圧力センサは、従来公知の圧力センサ等であってもよい。
酸化剤ガス供給流路のエアコンプレッサと燃料電池との間には、インタークーラーが配置されていてもよい。なお、酸化剤ガス入口弁を有する場合は、酸化剤ガス供給流路のエアコンプレッサと酸化剤ガス入口弁との間に、インタークーラーが配置されていてもよい。インタークーラーは、冷媒循環流路と接続され、冷媒との間で熱交換を行い、酸化剤ガス供給部から排出された酸化剤ガスを冷却する。また、燃料電池の暖機（発電前処理）要求があるときには、酸化剤ガス供給部によって圧縮されて温度が高くなった酸化剤ガスの熱により、冷媒を昇温させる。
燃料電池システムは、酸化剤ガス供給流路のエアコンプレッサの下流側、又は、インタークーラーを有する場合はインタークーラーの下流側で酸化剤ガス供給流路から分岐し、燃料電池をバイパスして酸化剤ガス排出流路に接続されたバイパス流路を備えていてもよい。このバイパス流路には、バイパス流路の開通状態を制御するバイパス弁が配置されている。バイパス弁は、制御部と電気的に接続され、例えば、駆動モータの回生発電時に二次電池の充電容量に余裕がない状況で、酸化剤ガス供給部を駆動して二次電池の電力を消費する場合に、制御部によって開弁される。これにより、酸化剤ガスは燃料電池に送られることなく、酸化剤ガス排出流路へ排出される。
また、燃料ガス供給流路と酸化剤ガス供給流路は合流流路を介して接続されていてもよい。合流流路には掃気弁が設けられていてもよい。
掃気弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって掃気弁が開弁されることにより、酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスを掃気ガスとして燃料ガス供給流路内に流入させるようになっていてもよい。
掃気に用いられる掃気ガスは、反応ガスであってもよく、反応ガスは、燃料ガスであってもよく、酸化剤ガスであってもよく、これらの両方のガスを含む混合反応ガスであってもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部、及び、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させ、燃料電池の冷却を可能にする。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、モータ等の電動機及びエアコンプレッサ等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。
制御部は、二次電池の充電状態値（ＳＯＣ）の管理、及び、二次電池の充放電を制御してもよい。
充電状態値（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量がＳＯＣ１００％である。
燃料電池システムは、バッテリを電源とする補機を備えていてもよい。
補機としては、例えば車両の照明機器、及び、空調機器等が挙げられる。
大気圧センサは、大気圧を計測する。
大気圧センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、大気圧センサから出力された大気圧を検出し、当該制御部は、検出した大気圧を演算部に出力してもよい。
大気圧センサは、従来公知の圧力センサ等であってもよい。
外気温センサは、外気温を計測する。
外気温センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、外気温センサから出力された外気温を検出し、当該制御部は、検出した外気温を演算部に出力してもよい。
外気温センサは、従来公知の温度センサ等であってもよい。
流量センサは、外部からエアコンプレッサの入り口に供給される酸化剤ガスの流量を計測する。流量センサが計測する流量は、酸化剤ガスのモル流量であってもよく、酸化剤ガスの質量流量であってもよく、その両方であってもよい。
流量センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、流量センサから出力された流量を検出し、当該制御部は、検出した流量を演算部に出力してもよい。
流量センサは、従来公知の流量センサ等であってもよい。
トルクセンサは、エアコンプレッサに入力されるトルク量を計測する。
トルクセンサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、トルクセンサから出力されたトルク量を検出し、当該制御部は、検出したトルク量を演算部に出力してもよい。
トルクセンサは、従来公知のトルクセンサ等であってもよい。
回転数センサは、エアコンプレッサの回転数を計測する。
回転数センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、回転数センサから出力されたエアコンプレッサの回転数を検出し、当該制御部は、検出した回転数を演算部に出力してもよい。
回転数センサは、従来公知の回転数センサ等であってもよい。
角度センサは、酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁の各弁の開度を計測する。角度センサは、燃料電池システムが酸化剤ガス入口弁を有する場合は、さらに、酸化剤ガス入口弁の開度を計測する。
角度センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、角度センサから出力された各弁の開度を検出し、当該制御部は、検出した各弁の開度を演算部に出力してもよい。
角度センサは、従来公知の角度センサ等であってもよい。
制御部は、燃料電池システムを制御する。制御部は、例えば、エアコンプレッサ、酸化剤ガス入口弁の開度、酸化剤ガス出口弁の開度、及び、バイパス弁の開度等を制御する。
制御部は、大気圧センサ、外気温センサ、流量センサ、トルクセンサ、回転数センサ、角度センサ、燃料ガス圧力センサ、演算部、酸化剤ガス入口弁、酸化剤ガス出口弁、バイパス弁、気液分離器、排水弁、燃料オフガス排出弁、掃気弁、燃料ガス供給部、酸化剤ガス供給部、二次電池、循環用ポンプ、等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。また、制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、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（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
演算部は、少なくとも、エアコンプレッサ、酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定し、必要に応じて、さらに酸化剤ガス吸気口、酸化剤ガスクリーナー（フィルター）、酸化剤ガス供給流路、インタークーラー、酸化剤ガス入口弁、カソード入口マニホールド、燃料電池のカソード、カソード出口マニホールド、バイパス流路、酸化剤ガス排出流路と燃料オフガス排出弁との接続部、及び、酸化剤ガス排出流路等の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定する。
図１は、本開示の燃料電池システムの演算部が行う演算手順の一例を示すフローチャートである。
図１に示すように、演算部は各センサの計測値を取得して、エア系システムの各部位の流れ抵抗、全圧、分圧、エネルギーをこの順に推定する。
これにより、時々刻々と変換する燃料電池システムのエア系システムの各部位の状態量（流れ抵抗、全圧、分圧、エネルギー）を実際に計測しなくても精度良く推定することが可能となり、計測用センサの取り付け個数を減らし、エア系システムのコストを低減することができる。
なお、各センサとは、少なくとも、大気圧センサと、外気温センサと、流量センサと、回転数センサと、角度センサと、を含み、必要に応じて、さらに燃料ガス圧力センサ、トルクセンサ等が含まれていてもよい。
［ステップ１（Ｓ１）：流れ抵抗推定］
演算部は、流量センサによって計測された酸化剤ガスの流量と、大気圧センサによって計測された大気圧と、回転数センサによって計測されたエアコンプレッサの回転数と、角度センサによって計測された酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁の各弁の開度を取得する。
演算部は、これらから、予め定めた流量ｎｄｏｔ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］と各部位の差圧（圧力損失）ΔＰ［Ｐａ］との関係を線形化した第１計算式に基づいて、各部位の流れ抵抗Ｚｄ［Ｐａ／（ｍｏｌ／ｓｅｃ）］を演算する。
エア系システム各部位の流れ抵抗を推定することで、ガス流量指令値がエア系システムに流れた際に、各部位の圧力損失がいくつになるのかを推定することが可能となり、エアコンプレッサ圧力比を精度良く推定可能となる。
演算部は、流れ抵抗Ｚｄから有効ガス輸送係数を算出してもよい。有効ガス輸送係数は、流れ抵抗Ｚｄの逆数であるガス輸送係数に各部位のガス吸入口とガス排出口の数を考慮した値であってもよい。
流れ抵抗Ｚｄ［Ｐａ／（ｍｏｌ／ｓｅｃ）］は、圧力損失ΔＰ［Ｐａ］にガスの流量ｎｄｏｔ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を乗じた値とすることができる。
第１計算式は、例えば、圧力損失を与える理論式であるＤａｒｃｙＷｅｉｓｂａｃｈ式を参照して線形化した以下の式（１）であってもよい。
式（１） 流れ抵抗Ｚｄ［Ｐａ／（ｍｏｌ／ｓｅｃ）］＝ΔＰ［Ｐａ］×ｎｄｏｔ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］
各部位の圧力損失ΔＰは、予め、大気圧と、エアコンプレッサの回転数と、酸化剤ガス出口弁の開度と、バイパス弁の開度と、必要に応じて、さらに酸化剤ガス入口弁の開度と、の関係を示すデータ群を用意しておくことにより、取得した計測値をこれらのデータ群と照らし合わせることにより、推定してもよい。
各部位のガスの流量ｎｄｏｔ（モル流量）は、例えば、予め、エアコンプレッサに吸入される酸化剤ガスのモル流量と各部位の酸化剤ガスのモル流量との関係を示すデータ群を用意し、流量センサによって計測された酸化剤ガスの流量を当該データと照らし合わせることにより、推定してもよい。
［ステップ２（Ｓ２）：全圧推定］
演算部は、ステップ１の後に、予め定めた全圧を算出するための第２計算式に基づいて、各部位の流れ抵抗Ｚｄと、流量センサによって計測された酸化剤ガスの流量と、大気圧センサによって計測された大気圧と、外気温センサによって計測された外気温と、から、各部位の全圧を演算する。
第２計算式は、気体の状態方程式である、下記式（２）であってもよい。
式（２） Ｐｔｏｔａｌ＝ｎＲＴ／Ｖであってもよい。
酸化剤ガスのモルｎは、流量センサによって計測された酸化剤ガスの流量から推定してもよい。
温度Ｔは、外気温センサによって計測された外気温であってもよい。
体積Ｖは、各部位の容積、及び、断面積と流路長の積等から、求めることができ、予め算出しておいてもよい。
第２計算式で得られた各部位の全圧は、さらに、有効ガス輸送係数を乗じてもよい。これにより得られた値を全圧といて採用してもよい。
図２は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
図２に示すように、演算部は、各部位の入口と出口との間の差圧（圧力損失）ΔＰ［Ｐａ］が所定の閾値以下の場合、有効ガス輸送係数に補正係数を乗じて得た値を用いて全圧を演算する。
演算部は、ステップ２において、各部位の差圧ΔＰ［Ｐａ］が所定の閾値以下の場合、有効ガス輸送係数に補正係数を乗じて得た値と、流量センサによって計測された酸化剤ガスの流量と、大気圧センサによって計測された大気圧と、外気温センサによって計測された外気温と、から、前記各部位の全圧を演算する。
エア系システムの各部位の差圧が極小の時は、有効ガス輸送係数に補正係数を乗じて有効ガス輸送係数を補正する。
差圧の所定の閾値は、特に限定されず、エアコンプレッサ停止中、エア系システム始動前などの差圧を所定の閾値として設定してもよい。
補正係数は、予め、差圧が所定の閾値以下の場合のときの差圧と数値振動との関係を示すデータ群を用意し、当該データ群から、適宜数値を決定してもよい。
各部位の差圧が極小の場合（例：エアコンプレッサ停止中、エア系システム始動前などは差圧が１０Ｐａ以下となる）は、各部位のガス流れ方向が順流と逆流を繰り返す数値振動が発生し、計算が不安定になる現象が起こる。そのため、差圧が極小の場合には有効ガス輸送係数に補正係数を乗じて数値振動を減衰させることで、数値振動による計算不安定性を抑制してもよい。
図３は、本開示の燃料電池システムの制御方法の別の一例を示すフローチャートである。
図３に示すように、ステップ１において、演算部は、角度センサが計測した酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁の各弁の開度が、所定の閾値以下の場合、当該開度が所定の閾値以下である弁の有効ガス輸送係数を０としてもよい。
酸化剤ガス出口弁の開度、及び、バイパス弁は開度（センサ角度）が微小角度（例：０．５度）を示している場合、実機では閉弁が出来ている状態だが、演算部は各弁が微小角度で開弁していると推定し、演算精度が低下する。そのため、センサ角度が所定の閾値以下である場合は、弁は閉弁であると考え、隣り合う機能ブロック間の有効輸送係数を０とし、物質移動演算をさせないようにする。これにより、弁が微小角度時の演算不安定化を抑制することができる。なお、燃料電池システムが酸化剤ガス入口弁を有する場合は、演算部は、角度センサが計測した酸化剤ガス入口弁、酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁の各弁の開度が、所定の閾値以下の場合、当該開度が所定の閾値以下である弁の有効ガス輸送係数を０としてもよい。
［ステップ３（Ｓ３）：分圧推定］
演算部は、ステップ２の後に、予め定めた分圧を算出するための第３計算式に基づいて、ステップ２で演算した各部位の全圧と、酸化剤ガス中に含まれる各成分の割合と、から、各部位の分圧を演算する。
第３計算式は、各部位の全圧と酸化剤ガス中に含まれる全成分を１００％としたときの全成分に対する各成分の割合の積との関係式であってもよく、例えば以下の式（３）であってもよい。
式（３） 各部位の各成分の分圧＝全圧×（各成分の割合÷１００）
酸化剤ガス中に含まれる成分の割合は、予め取得しておいてもよい。
酸化剤ガスの成分は、主に水素、窒素、酸素、水蒸気等であってもよく、酸化剤ガスの各成分の分圧はこれらの主成分の組成割合から算出してもよい。
本開示においては、ステップ３において、ステップ２で演算した各部位の全圧と、ステップ３で演算した各分圧の合計値（＝全圧）に乖離が生じないように、ステップ３で演算した各分圧の演算結果を、ステップ２で演算した各部位の全圧の演算結果に酸化剤ガスの各成分（酸素、水素、窒素、水蒸気）のモル分率を乗じて得た値で補正してもよい。
補正の方法は、例えば、以下の方法等が挙げられる。
分圧演算結果に基づいて、酸化剤ガスの各成分（酸素、水素、窒素、水蒸気）のモル分率を演算する。分圧演算の結果は、モル分率を正として取り扱う。そして、全圧の演算結果（全圧（ａｒｒａｙ＿Ｐ＿ｔｏｔ））に上記で得た各成分のモル分率（ａｒｒａｙ＿ｘ＿Ｏ２，ａｒｒａｙ＿ｘ＿Ｈ２，ａｒｒａｙ＿ｘ＿Ｎ２，ａｒｒａｙ＿ｘ＿Ｈ２Ｏｖａｐ）を乗じて、分圧の演算結果を更新してもよい。
エア系システムの分圧は、燃料電池スタックの入口までは大気中の分圧（酸素２１％、窒素７９％）であるが、燃料電池スタックの発電に伴う水生成により、燃料電池スタックの下流流路は大気中の分圧とは異なる。そのため、燃料電池スタックの下流流路に設けられる部品、特に酸化剤ガス出口弁を通過する分圧の推定精度が向上し、ガス流量及びガス圧力制御性が向上し、車両の乗り心地の悪化、及び、部品耐久性の悪化を抑制することができる。
各部位の全圧と、各部位の分圧の結果に乖離がある場合は、分圧演算が正しくなされず特定のガス種の分圧を異常に大きく又は小さく推定している可能性がある。そのため、全圧の演算結果に基づいて分圧の演算結果を補正することで、分圧演算の計算安定性悪化を抑制することができる。
［ステップ４（Ｓ４）：エネルギー推定］
演算部は、ステップ３の後に、予め定めたエネルギーを算出するための第４計算式に基づいて、流量センサによって計測された酸化剤ガスの流量と、大気圧センサによって計測された大気圧と、外気温センサによって計測された外気温と、から各部位のエネルギーを演算する。また、演算した各部位のエネルギーからは、各部位の全圧、各部位のガス流量、及び、各部位の分圧に基づいて、各部位の温度を推定してもよい。また、温度は、予めエネルギーと温度との関係を示すデータ群を用意しておき、エネルギーを当該データ群と照らし合わせることにより温度を推定してもよい。
第４計算式は、例えば以下の式（４）であってもよい。
式（４） エネルギーΔｑ［Ｗ］＝質量流量×比熱Ｃｐ×温度Ｔ×差圧ＰＲ｛（γ－１）／γ｝－１））／断熱圧縮効率η
式（４）において、γは比熱比である。差圧ＰＲは、吸入圧力に対する吐出圧力の比である。
質量流量は流量センサから計測してもよい。
温度Ｔは、外気温センサから計測してもよい。
差圧ＰＲは、例えば、予め、大気圧と、エアコンプレッサの回転数と、酸化剤ガス出口弁の開度と、バイパス弁の開度と、必要に応じて、さらにエアコンプレッサに入力されるトルク量と、の関係を示すデータ群を用意しておくことにより、取得した計測値をこれらのデータ群と照らし合わせることにより、推定してもよい。
比熱Ｃｐ、及び、比熱比γは、予め酸化剤ガスの比熱を計測しておいてもよい。
断熱圧縮効率ηは、予め各部位の断熱圧縮効率を算出しておいてもよい。
本開示においては、さらに、酸化剤ガス供給流路のエアコンプレッサと、燃料電池（又は酸化剤ガス入口弁）との間にインタークーラーを備えていてもよく、演算部は、インタークーラー、エアコンプレッサ、酸化剤ガス出口弁、及び、バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、流入出のエネルギー量を推定してもよい。
各部位のうち、温度変化量が大きい箇所、例えばエアコンプレッサ入口及びエアコンプレッサ出口（断熱圧縮仕事による温度上昇）、インタークーラー入口及びインタークーラー出口（冷却水との熱交換による温度低下）、燃料電池スタック入口及び燃料電池スタック出口（燃料電池の発熱、冷却水との熱交換による温度上昇）等において、温度を精度良く推定することで流れ抵抗および有効ガス輸送係数の推定精度を向上させることができ、ガス流量及びガス圧力制御性が向上し、車両の乗り心地の悪化、及び、部品耐久性の悪化を抑制可能となる。
図４は、本開示の燃料電池システムの演算部が行う演算手順の別の一例を示すフローチャートである。
図４に示すように、ステップ１～４の各演算は収束演算レス（すなわち、演算結果が所定の誤差範囲に入るまで繰り返し演算をしないようにすること）のため、前回値を参照して今回値を演算してもよい。
したがって、ステップ１において、前回のステップ１～４で演算した流れ抵抗、全圧、分圧、エネルギーの前回値を参照してもよく、ステップ２において、前回のステップ２～４で演算した全圧、分圧、エネルギーの前回値を参照してもよく、ステップ３において、前回のステップ３～４で演算した分圧、エネルギーの前回値を参照してもよく、ステップ４において、前回のステップ４で演算したエネルギーの前回値を参照してもよく、ステップ１～４の順に演算が進むにつれて、前回値の参照割合が減少していってもよい。
ステップ２～３において全圧、分圧の順に演算するのは、全圧が定まらないと、分圧の演算ができないためである。また、エネルギーの演算を最後とするのは、全圧変化、分圧変化、温度変化の中で温度変化がもっとも遅い物理現象であるため、エネルギーの演算は前回値を参照しないことによる演算誤差の影響が最も少ないためである。
なお、演算終了後の次回の演算の時期は特に限定されず、間断なく連続して行ってもよいし、所定の時間、間隔を空けて行ってもよく、適宜設定することができる。

Claims (5)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサと、
    前記燃料電池と前記エアコンプレッサとを接続する酸化剤ガス供給流路と、
    前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、
    前記酸化剤ガス排出流路に設けられ、前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス出口弁と、
    前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤ガス排出流路に接続されたバイパス流路と、
    前記バイパス流路に設けられ、当該バイパス流路の開通状態を制御するバイパス弁と、
    大気圧を計測する大気圧センサと、
    外気温を計測する外気温センサと、
    外部から前記エアコンプレッサの入り口に供給される前記酸化剤ガスの流量を計測する流量センサと、
    前記エアコンプレッサの回転数を計測する回転数センサと、
    前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度を計測する角度センサと、
    制御部と、
    前記エアコンプレッサ、前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定する演算部と、を備え、
    前記演算部は、予め定めた流量ｎｄｏｔ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］と前記各部位の差圧ΔＰ［Ｐａ］との関係を線形化した第１計算式に基づいて、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記回転数センサによって計測された前記エアコンプレッサの回転数と、前記角度センサによって計測された前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度とから、前記各部位の流れ抵抗Ｚｄ［Ｐａ／（ｍｏｌ／ｓｅｃ）］を演算するステップ１と、
    前記演算部は、前記ステップ１の後に、予め定めた全圧を算出するための第２計算式に基づいて、前記各部位の流れ抵抗Ｚｄと、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から、前記各部位の全圧を演算するステップ２と、
    前記演算部は、前記ステップ２の後に、予め定めた分圧を算出するための第３計算式に基づいて、前記ステップ２で演算した前記各部位の全圧と、前記酸化剤ガス中に含まれる各成分の割合と、から、前記各部位の分圧を演算するステップ３と、
    前記演算部は、前記ステップ３の後に、予め定めたエネルギーを算出するための第４計算式に基づいて、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から前記各部位のエネルギーを演算するステップ４とを実施することを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 前記演算部は、前記ステップ１において、有効ガス輸送係数を演算し、前記ステップ２において、前記各部位の差圧ΔＰ［Ｐａ］が所定の閾値以下の場合、前記有効ガス輸送係数に補正係数を乗じて得た値と、前記流量センサによって計測された前記酸化剤ガスの流量と、前記大気圧センサによって計測された大気圧と、前記外気温センサによって計測された前記外気温と、から、前記各部位の全圧を演算する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記演算部は、前記ステップ１において、前記角度センサが計測した前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各弁の開度が、所定の閾値以下の場合、当該開度が所定の閾値以下である弁の前記有効ガス輸送係数を０とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記演算部は、前記ステップ３で演算した各部位の分圧の演算結果を、前記ステップ２で演算した各部位の全圧の演算結果に前記酸化剤ガスの各成分のモル分率を乗じて得た値で補正する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. さらに、前記酸化剤ガス供給流路の前記エアコンプレッサと前記燃料電池との間にインタークーラーを備え、
    前記演算部は、前記インタークーラー、前記エアコンプレッサ、前記酸化剤ガス出口弁、及び、前記バイパス弁の各部位の流れ抵抗Ｚｄ、全圧、分圧、及び、エネルギーを推定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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