JP2016207292A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに圧送される空気流量の高い応答性を確保することを課題とする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに酸化剤ガスを圧縮して供給する遠心型のコンプレッサと、コンプレッサの出口の圧力を制御する調圧弁と、コンプレッサ及び調圧弁の制御部とを有する。制御部は、燃料電池スタックに対する指示電流値に対応する目標空気流量に基づいてコンプレッサの回転数及び調圧弁の開度を決定し、この決定に基づいてコンプレッサ及び調圧弁を作動させる。制御部は、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して、実空気流量と目標空気流量との差を縮小するフィードバック制御を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとの化学反応により発電する。この際、酸化剤ガスは、要求された出力に応じてコンプレッサにより燃料電池スタックに圧送される。例えば、特許文献１には、目標とする酸化剤ガスの流量を適切に供給するための提案がされている。

国際公開２０１３／１５７４８８号公報

ところで、酸化剤ガスを燃料電池スタックに圧送するコンプレッサは、遠心型と容積型とに大別することができる。遠心型のコンプレッサは、フィンの回転に起因する遠心力を利用してコンプレッサ出口側へ空気を押し込む形態であり、容積型のコンプレッサと比較してコンパクトに構成することができ、また、コスト面でも有利である。燃料電池システムでは、これらの面を重視して、遠心型のコンプレッサが選択されることがある。燃料電池システムに遠心型のコンプレッサを用いる場合、燃料電池スタックの背圧を制御する弁により燃料電池スタック内に設けられた酸化剤ガスの流路の出口圧力を一定にし、コンプレッサの回転数を制御することにより、適切な空気流量を得ることが試みられている。しかしながら、コンプレッサの回転数制御では、目標回転数に到達するまでの遅れが伴うことから、良好な空気流量の応答性を実現するためには、改善の余地があった。

そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックに圧送される空気流量の高い応答性を確保することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを圧縮して供給する遠心型のコンプレッサと、前記コンプレッサの出口の圧力を制御する調圧弁と、前記コンプレッサ及び前記調圧弁の制御部と、を有し、前記制御部は、前記燃料電池スタックに対する指示電流値に対応する目標空気流量に基づいて前記コンプレッサの回転数及び前記調圧弁の開度を決定し、当該決定に基づいて前記コンプレッサ及び前記調圧弁を作動させる司令部と、前記司令部の指令に基づいて前記コンプレッサ及び前記調圧弁が作動した状態において前記燃料電池スタックに供給される実空気流量の値を取得する実空気流量取得部と、前記実空気流量と前記目標空気流量との差を算出する空気流量差取得部と、前記コンプレッサの回転数を維持しつつ、前記調圧弁の開度を変更して、前記空気流量差取得部によって算出された空気流量差を縮小するフィードバック制御部と、を備える。

目標空気流量とコンプレッサから吐出される実空気流量との間に差があるときに、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フィードバック制御を行うことで、応答性よく、空気流量を調整することができる。

前記調圧弁は、前記燃料電池スタックの内部に設けられた酸化剤ガス流路の出口に接続され、前記燃料電池スタックから前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路に設けることができる。調圧弁を酸化剤ガス排出流路に設けることにより、燃料電池スタック内の酸化剤ガスの圧力を維持し易くなる。

前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路とを接続し、前記燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路に設けられたバイパス弁を備え、前記制御部は、急激なアクセルオフ操作がされたと判断したときに、前記コンプレッサの回転数を維持しつつ、前記バイパス弁を開く。急激にアクセルがオフされて、過剰な空気がコンプレッサから吐出される状態となる場合に、バイパス流路側に酸化剤ガスを流通させ、燃料電池スタックをバイパスすることで、過剰な空気により燃料電池スタック内の電解質膜を乾燥させ、燃料電池スタックの発電性能を低下させることを回避することができる。このとき、コンプレッサの回転を維持しておくことで、その後に発電が要求される際の高い応答性が確保される。

本明細書開示の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに圧送される空気流量の高い応答性を確保することができる。

図１は実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 図２は実施形態の燃料電池システムが備える制御部の機能ブロック図である。 図３は実施形態における燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。 図４は指示電流値と必要空気流量との関係の概略を示すグラフである。 図５は空気流量と吐出圧とを制御するコンプレッサ回転数と調圧弁開度とのマップの一例である。 図６は燃料電池スタック側へ流す空気流量と、バイパス流路側へ流す空気流量との所望の流量比を実現するためのバイパス弁の開度を取得するマップの一例である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれていたり、実際には装備されている構成が省略されていたりする場合がある。また、図面では省略されている構成要素が以下の説明に登場する場合がある。

（実施形態）
まず、図１を参照しつつ、実施形態の燃料電池システム１について説明する。図１は実施形態の燃料電池システム１の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２、酸化剤ガス供給流路４、インタークーラ５、コンプレッサＫ１、燃料ガス供給流路９、水素タンク１０等及びこれらを接続する各種配管、調圧弁Ｖ１、バイパス弁Ｖ２、その他の弁等を備える。コンプレッサＫ１は、モータの回転よって酸化剤ガスを圧送するいわゆる遠心型のコンプレッサである。燃料電池システム１は、制御部として機能するＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１を備える。本実施形態における燃料電池スタック２は、固体高分子形である。燃料電池スタック２は、カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する複数の単セルを備える。単セルは積層して配置され、燃料電池スタック２を形成している。燃料電池スタック２の内部には酸化剤ガス流路３ａと燃料ガス流路３ｂとが形成されている。電解質膜は、例えば、プロトン導電性の固体高分子電解質膜である。なお、図１において単セルの図示は省略されている。また、燃料電池スタック２内には、燃料電池スタック２を冷却する冷媒が流通する冷媒流路３ｃが設けられている。燃料電池スタック２には、アノード電極に水素ガス、すなわち、燃料ガスが供給されると共に、カソード電極に酸素を含む空気、すなわち、酸化剤ガスが供給される。そして、アノード電極における触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード電極まで移動して、酸素と電気化学反応を起こすことにより発電する。燃料電池スタック２には、発電した電気の電圧値を測定する電圧計と電流値を測定する電流計が接続されている。そして、冷媒流路３ｃを流通する冷媒は、燃料電池スタック２を冷却する。

燃料電池スタック２の入口、より具体的には、燃料電池スタック２の酸化剤ガス流路３ａの入口３ａ１側には、酸化剤ガス供給流路４が接続されている。酸化剤ガス供給流路４の端部には、エアクリーナ４ａが装着されている。また、酸化剤ガス供給流路４には、空気を圧送し、燃料電池スタック２に空気を供給するコンプレッサＫ１が配置されている。コンプレッサＫ１は、入口Ｋ１ａと出口Ｋ１ｂとを備える。酸化剤ガス供給流路４のコンプレッサＫ１の出口Ｋ１ｂと酸化剤ガス流路３ａの入口３ａ１との間には、エアフロメータ２０が設けられている。

また、酸化剤ガス供給流路４には、酸化剤ガス流路３ａの入口３ａ１とコンプレッサＫ１の出口Ｋ１ｂとの間にインタークーラ５が配置されている。インタークーラ５は、冷媒循環流路１７と接続され、冷媒との間で熱交換を行い、コンプレッサＫ１から排出された空気を冷却する。また、燃料電池スタック２の暖機要求があるときには、コンプレッサＫ１によって圧縮され、温度が高くなった空気の熱により、冷媒を昇温させる。冷媒が循環する冷媒循環流路１７については、後に詳述する。なお、エアフロメータ２０は、インタークーラ５よりも下流側に配置されている。

燃料電池スタック２の酸化剤ガス流路３ａの出口３ａ２側には、酸化剤ガス排出流路６が接続されている。酸化剤ガス排出流路６には、調圧弁Ｖ１が配置されている。調圧弁Ｖ１は、燃料電池スタック２の出口、具体的に、酸化剤ガス流路３ａの出口３ａ２の圧力、すなわち、カソード背圧を調整する。このとき、カソード背圧と燃料電池スタック２内の圧損により、コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ｂの圧力も制御される。燃料電池システム１では、調圧弁Ｖ１の開度を調節することにより、燃料電池スタック２の指示電流値に応じた空気流量を確保すべく、燃料電池スタック２に導入される空気圧力が制御される。すなわち、燃料電池スタック２の指示電流値に応じて調圧弁Ｖ１の指令開度が決定され、実際の開度が調節される。空気流量の微調整が必要となるときに、調圧弁Ｖ１の開度調節が行われる。酸化剤ガス排出流路６には、調圧弁Ｖ１の下流側にマフラー７が配置されている。なお、調圧弁Ｖ１は、燃料電池スタック２の内部に設けられた酸化剤ガス流路３ａの出口３ａ２に直接取り付けてもよいが、必ずしも酸化剤ガス流路３ａの出口３ａ２に直接取り付けることが求められるものではない。調圧弁Ｖ１は、酸化剤ガス流路３ａの出口３ａ２よりも下流側に配置されていればよい。本実施形態のように、例えば、出口３ａ２に接続された酸化剤ガス排出流路６に設置される等、酸化剤ガス流路３ａの出口３ａ２から短い流路を経由して出口３ａ２の近傍に設置されるようにしてもよい。

燃料電池システム１は、インタークーラ５の下流側で酸化剤ガス供給流路４から分岐し、燃料電池スタック２、すなわち、酸化剤ガス流路３ａをバイパスして酸化剤ガス排出流路６に接続されたバイパス流路８を備える。このバイパス流路８には、バイパス流路８の開通状態を制御するバイパス弁Ｖ２が配置されている。バイパス弁Ｖ２は、例えば、駆動モータの回生発電時にバッテリの充電容量に余裕がなく、コンプレッサＫ１を駆動して電力を消費する場合に、開弁される。これにより、空気は燃料電池スタック２に送られることなく、酸化剤ガス排出流路６へ排出される。

燃料電池スタック２の燃料ガス流路３ｂの入口３ｂ１側には、燃料ガス供給流路９が接続されている。燃料ガス供給流路９の端部には、水素供給源となる水素タンク１０が接続されている。水素タンク１０内には、高圧の燃料ガスとしての水素が貯留されている。燃料ガス供給流路９には、水素の供給を遮断するシャット弁１１と、水素の圧力を減圧するレギュレータ１２が配置されている。

燃料電池スタック２の燃料ガス流路３ｂの出口３ｂ２側には、排気管１５が接続されている。排気管１５の端部には、気液分離器１６が設置されている。そして、気液分離器１６において、循環流路１５ａとパージ流路１５ｂとが分岐している。気液分離器１６では、アノードオフガスに含まれる水分が分離される。水分が分離された後のアノードオフガスは、循環流路１５ａ側に排出される。一方、分離された水分は、パージ流路１５ｂ側へ排出される。循環流路１５ａには、ポンプＰ１が配置されている。循環流路１５ａにポンプＰ１が配置されることにより、アノードオフガスを燃料ガス流路３ｂへ再度供給することができる。気液分離器１６において分岐したパージ流路１５ｂは、酸化剤ガス排出流路６に設けられた調圧弁Ｖ１の下流側に接続されている。パージ流路１５ｂには、パージ弁１６ａが配置されている。パージ弁１６ａを開弁することにより、循環させないアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出することができる。

燃料電池スタック２の冷媒流路３ｃの入口３ｃ１には、冷媒循環流路１７の一端が接続されている。また、冷媒流路３ｃの出口３ｃ２には、冷媒循環流路１７の他端が接続されている。冷媒循環流路１７には、冷媒を循環させ、冷媒を燃料電池スタック２内に供給するポンプＰ２が設置されている。また、冷媒循環流路１７には、ラジエータ１８が設置されている。冷媒循環流路１７には、三方弁１９が設けられており、この三方弁１９からラジエータ１８をバイパスするバイパス流路が分岐している。なお、三方弁１９は、感温部を備え、冷媒の温度に応じて開閉状態を変化させる、いわゆるサーモスタット型の弁であるが、電気式の弁を採用してもよい。三方弁１９は、冷媒の温度が所定値よりも高くなると冷媒をラジエータ１８側へ循環させて、冷媒を冷却する。

冷媒循環流路１７には、インタークーラ５が接続されている。具体的に、冷媒循環流路１７からは、第１引込流路１７ａと第２引込流路１７ｂとが分岐している。第１引込流路１７ａは、ポンプＰ２と冷媒流路３ｃの入口３ｃ１との間から分岐しており、その他端は、インタークーラ５に接続されている。冷媒は、第１引込流路１７ａを通じて、インタークーラ５に流入する。一方、第２引込流路１７ｂは、三方弁１９と冷媒流路３ｃの出口３ｃ２との間から分岐しており、その他端は、インタークーラ５に接続されている。冷媒は、第２引込流路１７ｂを通じて、インタークーラ５から冷媒循環流路１７に戻される。

燃料電池システム１は、ＥＣＵ２１を備える。ＥＣＵ２１は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されており、制御部として機能する。ＥＣＵ２１には、ポンプＰ１、Ｐ２と電気的に接続されており、これらの機器の駆動制御を行う。また、ＥＣＵ２１には、コンプレッサＫ１が接続されており、ＥＣＵ２１はコンプレッサＫ１に対し所望の回転数による駆動指令、すなわち、指令回転数を発する。さらに、ＥＣＵ２１には、調圧弁Ｖ１、バイパス弁Ｖ２、シャット弁１１及びパージ弁１６ａが電気的に接続されており、これらの弁の開閉制御を行う。ＥＣＵ２１は、その他各センサによって検出された値が入力される。また、ＥＣＵ２１は、電流電圧マップ等を格納している。このようなＥＣＵ２１は、出力設定処理を行う。すなわち、空気供給量や、カソード背圧、水素供給量、水素圧力、電流値、電圧を設定する。

図２を参照すると、ＥＣＵ２１は、目標空気流量取得部２１ａ、コンプレッサ回転数取得部２１ｂ、調圧弁開度取得部２１ｃ、司令部２１ｄ、実空気流量取得部２１ｅ、空気流量差取得部２１ｆ及びフィードバック制御部２１ｇを備える。目標空気流量取得部２１ａは、燃料電池スタック２に対する指示電流値に対応する目標空気流量を取得する。具体的に、その時々の発電状況、アクセル開度等に基づく燃料電池スタック２に対する指示電流値に見合う目標空気流量を取得する。コンプレッサ回転数取得部２１ｂ及び調圧弁開度取得部２１ｃは、それぞれ目標空気流量取得部２１ａによって取得された目標空気流量に基づいてコンプレッサＫ１の指令回転数及び調圧弁Ｖ１の指令開度を決定する。コンプレッサＫ１の指令回転数及び調圧弁Ｖ１の指令開度の決定については、後に詳述する。司令部２１ｄは、決定されたコンプレッサＫ１の指令回転数及び調圧弁Ｖ１の指令開度に基づいてコンプレッサＫ１及び調圧弁Ｖ１を作動させる。実空気流量取得部２１ｅは、エアフロメータ２０により測定された実空気流量の値を取得する。空気流量差取得部２１ｆは、目標空気流量の値と、実空気流量の値との差を算出する。フィードバック制御部２１ｇは、空気流量差取得部２１ｆによって算出された空気流量差を縮小するフィードバック制御を行う。このとき、コンプレッサＫ１の実回転数は維持し、具体的に、一定に保ち、調圧弁Ｖ１の開度調節によって空気流量を補正する。なお、ＥＣＵ２１は、バイパス弁Ｖ２の開度制御も行う。

つぎに、図３を参照しつつ、実施形態の燃料電池システム１の制御について説明する。図３は実施形態における燃料電池システム１の制御の一例を示すフローチャートである。燃料電池システム１の制御は、ＥＣＵ２１によって主体的に行われる。燃料電池システム１の制御は、燃料電池システム１が稼働開始した後、継続して行われる。

まず、ステップＳ１では、燃料電池スタック２の酸化剤ガス流路３ａに導入する目標空気流量を取得する。目標空気流量は、目標空気流量取得部２１ａにより取得される。具体的に、図４に示すようなマップに基づいて目標空気流量の値を取得する。図４は、指示電流値と必要空気流量との関係の概略を示すグラフである。指示電流値は、ＥＣＵ２１から燃料電池スタック２へ指示される値であり、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の出力が、この指示電流値となるように制御される。燃料電池システム１が車両に搭載されている場合は、車両が備えるアクセルの開度に応じた所望の燃料電池システム１への要求出力から、燃料電池スタック２およびバッテリへの要求出力が決定される。しかしながら、燃料電池スタック２は直ちに要求出力を供給できるとは限らない。具体的には例えばコンプレッサＫ１の過渡応答特性等により、燃料電池スタック２から供給可能な出力は、車両からの要求出力より小さいことがある。ＥＣＵ２１は、燃料電池スタック２が供給可能な出力を取得した後、必要に応じて燃料電池スタック２への要求出力を補正し、記憶している燃料電池スタック２の電流出力関係曲線（Ｉ−Ｐ曲線）に基づいて、補正された要求出力を実現できる電流値として、指示電流値を決定する。必要空気量は、この指示電流値が得られるように求められる。このような必要空気量が目標空気流量の値として決定される。

ステップＳ１に引き続いて行われるステップＳ２では、ステップＳ１で取得された目標空気流量の値が０よりも大きいか否かを判断する。ステップＳ２においてＮＯと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、バイパス弁Ｖ２を全開とし、調圧弁を全閉とする。ステップＳ２でＮＯと判断したときは、例えば、車両のアクセルが急激にオフにされた場合である。このような場合、燃料電池スタック２への酸化剤ガス、すなわち、空気の流入が不要である。このため、バイパス弁Ｖ２を全開とし、燃料電池スタック２をバイパスさせるようにバイパス流路８に空気を流通させる。このとき、調圧弁Ｖ１を全閉とすることにより、酸化剤ガス流路３ａ内の圧力が高まるため、燃料電池スタック２内に空気が入りにくくなり、空気の燃料電池スタック２内への供給が抑制される。この結果、過剰な空気が燃料電池スタック２内に流入して電解質膜が乾燥することが抑制され、燃料電池スタック２の発電性能の低下が抑制される。

ステップＳ３の工程を経由する場合、コンプレッサＫ１の回転数は、それ以前に決定された値を維持する。これにより、これ以降、再び燃料電池スタック２内への空気の供給が必要となるときに、調圧弁Ｖ１及びバイパス弁Ｖ２を作動させるだけで即座に必要量の空気を確保することができる。すなわち、コンプレッサＫ１の回転数が回復するまでの時間的な遅れを回避することができる。ステップＳ３の処理の後は、リターンとなる。

ステップＳ２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、コンプレッサ回転数取得部２１ｂによるコンプレッサＫ１の指令回転数の取得及び、調圧弁開度取得部２１ｃによる調圧弁Ｖ１の指令開度の取得が行われる。コンプレッサＫ１の指令回転数及び調圧弁Ｖ１の指令開度は、目標空気流量から図５に示すマップを参照して行う。図５は空気流量と吐出圧とを制御するコンプレッサ回転数と調圧弁開度とのマップの一例である。燃料電池スタック２へ供給される空気流量は、コンプレッサＫ１の実回転数と、コンプレッサＫ１の実吐出圧の影響を受ける。ここで、コンプレッサＫ１は遠心型であり、コンプレッサＫ１の実吐出圧は、コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ｂの圧力の影響を受ける。コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ｂの圧力は、調圧弁Ｖ１の開度によって調整することができる。すなわち、コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ｂの圧力は、調圧弁Ｖ１の開度を大きくすれば、低下し、調圧弁Ｖ１の開度を小さくすれば上昇する。このように調圧弁Ｖ１の開度を調整することにより、コンプレッサＫ１の吐出圧を制御することができる。ステップＳ４において参照されるマップには、調圧弁Ｖ１の開度θｎが含まれ、図５に示すマップの一例では、θ１〜θ５が描かれている。θ１〜θ５は、θ１＜θ２＜θ３＜θ４＜θ５の関係を有する。ステップＳ４において参照されるマップには、コンプレッサＫ１の回転数Ｒｎが含まれ、図５に示すマップの一例では、Ｒ１〜Ｒ４が描かれている。Ｒ１〜Ｒ４は、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４の関係を有する。ここで、図５に示すマップを参照すると、同一の空気流量を実現することができるコンプレッサ回転数と調圧弁開度の組み合わせは複数存在する。例えば、空気流量Ｑ２を実現することができるコンプレッサ回転数は、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４である。このように、ある空気流量を得るためのコンプレッサ回転数は複数存在するが、それぞれのコンプレッサ回転数に対応する調圧弁開度は異なっている。このような場合、調圧弁開度の調節幅の余裕が大きいコンプレッサ回転数が指令回転数として選択される。上述した空気流量Ｑ２を実現する場合、コンプレッサ回転数Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の中では、Ｒ３が指令回転数として選択される。このように、調圧弁開度の調節幅の余裕が大きいＲ３を指令回転数として選択しておけば、調圧弁Ｖ１の開度調節により、空気流量の調節がし易くなる。なお、ステップＳ２でＹＥＳと判断したときは、バイパス弁Ｖ２を全閉状態としておく。

ステップＳ４に引き続いて行われるステップＳ５では、司令部２１ｄにより、ステップＳ４で取得されたコンプレッサＫ１の指令回転数及び調圧弁Ｖ１の指令開度となるように、コンプレッサＫ１及び調圧弁Ｖ１に作動指令が出される。ステップＳ５における指令が出された後、ステップＳ６では、実空気流量取得部２１ｅにより、エアフロメータ２０で計測された実空気流量が取得される。

ステップＳ６に引き続いて行われるステップＳ７では、空気流量差取得部２１ｆにより、ステップＳ６で取得した実空気流量とステップＳ１で取得した目標空気流量との差を算出する。そして、その差が予め定めた閾値Ｑｔｈ以下であるか否かを判断する。閾値Ｑｔｈは、実空気流量が過剰であるか否かを判断するために予め定められた値である。ステップＳ７でＮＯと判断したときは、ステップＳ８へ進む。ステップＳ７とステップＳ８の工程は、例えば、車両のアクセルが急激にオフにされた場合に、過剰な空気が燃料電池スタック２内に流入して電解質膜が乾燥することを回避するための措置である。車両のアクセルが急激にオフされた場合等には、その時点でコンプレッサＫ１から吐出される実空気流量はアクセルオフ後に要求される目標空気流量に対して過剰となっている。そこで、過剰な空気をバイパス流路８側へ流す。具体的に、ステップＳ８では、図６に示すマップを参照することにより、バイパス弁Ｖ２の指令開度を決定し、その開度を調節する。ここで、図６は燃料電池スタック２側へ流す空気流量と、バイパス流路８側へ流す空気流量との所望の流量比を実現するためのバイパス弁Ｖ２の指令開度を取得するマップの一例である。これにより、燃料電池スタック２側へ流す空気流量を目標空気流量に近づける。なお、図６に示すマップでは、燃料電池スタック２側へ流す空気流量とバイパス流路８側へ流す空気流量との分配を示す線分は一本のみ描かれているが、実際のマップでは、実空気流量や調圧弁開度に応じた複数の線分を備えている。マップが、実空気流量に応じた複数の線分を備えるのは、実空気流量が異なると、圧損等の影響が異なるため、これらの影響を考慮した制御を行うためである。ステップＳ８を実行した後は、ステップＳ６に戻る。

一方、ステップＳ７でＹＥＳと判断したときは、そのままステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、空気流量差取得部２１ｆにより、ステップＳ１で取得した目標空気流量の値と、ステップＳ６で取得した実空気流量との差を算出し、それらの値が等しいか否かを判断する。ここで、目標空気流量と実空気流量とが等しいか否かの判断は、双方の値の完全一致が求められるものではない。例えば、実空気流量と目標空気流量との差分の絶対値が、予め定められた閾値よりも小さい場合は、双方の値は等しいとみなすようにしてもよい。このように、双方の値が異なる場合であっても、双方の値が等しいと判断できる場合は、ステップＳ９においてＹＥＳと判断される。ステップＳ９でＹＥＳと判断したときは、処理はリターンとなる。一方、ステップＳ９でＮＯと判断したときは、ステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０では、調圧弁開度を変更する。すなわち、ステップＳ１０では、フィードバック制御部２１ｇによるフィードバック制御が行われる。具体的に、コンプレッサＫ１の回転数を維持しつつ、調圧弁Ｖ１の指令開度を変更して、空気流量差取得部２１ｆによって算出された空気流量差を縮小するフィードバック制御を行う。例えば、ステップＳ４においてコンプレッサＫ１の指令回転数としてＲ３が選択されているとき、ステップＳ１０では、コンプレッサＫ１の回転数Ｒ３を維持しつつ、調圧弁Ｖ１の指令開度を変更する。ステップＳ９における実空気流量と目標空気流量との比較において、実空気流量が不足しているときには、調圧弁Ｖ１の開度を大きくして背圧を低下させる。これにより、コンプレッサＫ１の回転によって送り出される空気流量が増し、燃料電池スタック２に供給される実空気流量が増加する。一方、ステップＳ９における実空気流量と目標空気流量との比較において、実空気流量が過多のときには、調圧弁Ｖ１の開度を小さくして背圧を上昇させる。これにより、コンプレッサＫ１の回転によって送り出される空気流量が減り、燃料電池スタック２に供給される実空気流量が減少する。ステップＳ１０の処理が終了した後は、ステップＳ６からの処理を繰り返す。

以上のように、燃料電池スタック２に供給される空気流量をフィードバック制御する際に、コンプレッサＫ１の回転数を維持し、調圧弁Ｖ１の開度調節を行うことで、空気流量の高い応答性を確保することができる。図５に示すマップを参照すると明らかであるように、コンプレッサＫ１の回転数が同一であっても、調圧弁Ｖ１の開度を変更することにより、コンプレッサＫ１の吐出量を広範囲に変更することができる。すなわち、コンプレッサＫ１の回転数を同一に維持した状態で調圧弁Ｖ１の開度を変更することで、空気流量を変更することが可能である。燃料電池システム１を搭載した車両では、加速時には大量の空気流量が必要とされ、このような急激な空気流量の変化が伴う場合は、コンプレッサＫ１の回転数の変化を伴う制御が実施される。一方、加速時以外のときであり、必要とされる空気流量が少ないときの空気流量の制御には、本実施例のように、コンプレッサＫ１の回転数を維持しつつ、調圧弁Ｖ１の開度調節を行うことが有効である。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ａ 酸化剤ガス流路
３ｂ 燃料ガス流路
３ｃ 冷媒流路
４ 酸化剤ガス供給流路
５ インタークーラ
６ 酸化剤ガス排出流路
８ バイパス流路
１７ 冷媒循環流路
２０ エアフロメータ
Ｋ１ コンプレッサ
Ｖ１ 調圧弁
Ｖ２ バイパス弁

Claims (3)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを圧縮して供給する遠心型のコンプレッサと、
   前記コンプレッサの出口の圧力を制御する調圧弁と、
   前記コンプレッサ及び前記調圧弁の制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックに対する指示電流値に対応する目標空気流量に基づいて前記コンプレッサの回転数及び前記調圧弁の開度を決定し、当該決定に基づいて前記コンプレッサ及び前記調圧弁を作動させる司令部と、前記司令部の指令に基づいて前記コンプレッサ及び前記調圧弁が作動した状態において前記燃料電池スタックに供給される実空気流量の値を取得する実空気流量取得部と、前記実空気流量と前記目標空気流量との差を算出する空気流量差取得部と、前記コンプレッサの回転数を維持しつつ、前記調圧弁の開度を変更して、前記空気流量差取得部によって算出された空気流量差を縮小するフィードバック制御部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記調圧弁は、前記燃料電池スタックの内部に設けられた酸化剤ガス流路の出口に接続され、前記燃料電池スタックから前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路に設けられた請求項1の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路とを接続し、前記燃料電池スタックをバイパスするバイパス流路に設けられたバイパス弁を備え、
   前記制御部は、急激なアクセルオフ操作がされたと判断したときに、前記コンプレッサの回転数を維持しつつ、前記バイパス弁を開く請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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