JP4802486B2

JP4802486B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4802486B2
Application number: JP2004338842A
Authority: JP
Inventors: 隼人筑後; 哲也上原; 敬介鈴木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006147453A

Description

本発明は、燃料電池をバイパスして酸化剤ガスを排出ガス処理装置に直接供給するパイパス流路を有する燃料電池システムに関し、より詳しくは、パイパス流路の開閉制御に伴うコンプレッサの騒音レベルの変化量を低減するための技術に係わる。

従来より、水素に空気を供給することにより水素を一定濃度以下に希釈した後に系外に排出する希釈器や、触媒を利用して空気と水素を反応させることにより水素を燃焼水蒸気に変換した後に系外に排出する触媒燃焼器等の排出ガス処理装置を備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような燃料電池システムでは、発電のために燃料電池が必要とする空気流量（発電要求空気流量）は、要求負荷に従って燃料電池に対する指令電流を決定し、指令電流に応じたカソード利用率（酸化剤極で消費された空気量を酸化剤極に供給した空気量で除算した値）に基づいて算出される。また、排出ガス処理装置が必要とする空気流量（システム要求空気流量）は、指令電流に従って燃料極及び酸化剤極に必要な目標ガス圧力を算出し、目標ガス圧力に応じて決定される燃料極から排出（パージ）すべきガス流量に基づいて算出される。そして、システム要求空気流量が発電要求空気流量より多い場合には、燃料電池をバイパスして空気を排出ガス処理装置に直接供給するバイパス流路を閉状態から開状態に切り替え、バイパス流路側に流入させる流量分だけコンプレッサが供給する空気流量を増量する。
特開２００２−３５８９９１号公報

しかしながら、従来までの燃料電池システムは、バイパス流路を閉状態から開状態に切り替える際に、バイパス流路に流入するガス流量分だけコンプレッサが供給する空気流量を増量させる構成になっているために、流量の急激な変動に伴ってコンプレッサの回転数が急激に変動し、騒音レベルが増大する。より具体的には、燃料電池システムが車両の駆動用として利用されている場合には、運転者が、燃料電池システムに対する要求負荷をある値からゆっくりと下げていき、指令電流がバイパス流路を閉状態から開状態にする値に達した際、コンプレッサの回転数が急激に変化することによって、要求負荷が下がっているのにも係わらず騒音レベルが増大し、運転者が違和感を感じることがある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パイパス流路の開閉制御に伴うコンプレッサの騒音レベルの変化量を低減することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、バイパス流路が開状態である場合には、要求負荷を発電するために必要な要求酸化剤ガス流量に前記バイパス流路を通過する酸化剤ガス流量を加算した酸化剤ガス流量を供給し、バイパス流路が閉状態である場合、酸化剤ガス供給手段から供給する酸化剤ガス流量を要求酸化剤ガス流量に対し増量する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、バイパス流路が閉状態である指令電流領域を広くし、バイパス流路の開閉状態を切り替える際に必要な酸化剤ガス流量の変動を小さくできるので、パイパス流路の開閉制御に伴うコンプレッサの騒音レベルの変化量を低減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の一実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック２を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は、固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極と酸化剤極により高分子イオン交換膜を挟持する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するセパレータとを有する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔燃料極〕Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔燃料ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、燃料ガスタンク３及びレギュレータ４を備え、燃料ガスタンク３内の高圧燃料ガスをレギュレータ４によって燃料電池スタック２の運転条件に適した圧力まで低下させた後、燃料ガス供給調整弁５を介して燃料電池スタック２内部に燃料ガスを通過させる燃料ガス流路６に燃料ガスを供給する。そして、燃料電池スタック２の燃料極では、燃料ガスが発電のための電気化学反応に使用される。

また、燃料電池スタック２の燃料極で未使用の燃料ガスは、燃料ガス循環流路７及び燃料ガス循環ポンプ８を介して燃料極の上流側へ循環される。燃料ガス循環流路７及び燃料ガス循環ポンプ８を設けることにより、燃料極で未使用の燃料ガスを再利用することが可能となり、燃料電池システム１の燃費性能を向上させることができる。

なお、燃料ガス循環流路７及び燃料ガス循環ポンプ８を介して燃料極に戻る燃料ガスの流路には、酸化剤極からリークした酸化剤ガス中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、燃料ガスの分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ燃料ガスの循環を困難にする。また液水は燃料ガスの循環を妨げる。

このため、燃料ガスの出口側には、燃料ガス排出流路９と、これを開閉するパージ弁１０が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁１０を短時間開き、排出ガス流路１１を介して不純物ガスや液水を排出ガス処理装置１２で処理した後、系外へ排出させるパージを行う。これにより、燃料極を含む燃料ガス循環流路７内の燃料ガス分圧や循環性能を回復させることができる。なお、燃料電池の運転条件と適合すれば、燃料ガス循環ポンプ８に代えて、流体ポンプであるエゼクタを使用してもよい。

〔酸化剤ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、酸化剤ガスを圧縮して吐出するコンプレッサ１３を備え、コンプレッサ１３から吐出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス加湿装置１４により加湿された後、酸化剤ガス流路１５を介して燃料電池スタック２内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路１６に供給される。そして、燃料電池スタック２の酸化剤極では、水蒸気を含んだ酸化剤ガス中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。

また、酸化剤極で未使用の酸化剤ガスは、酸化剤ガス圧力調整弁１７により圧力調整された後、排出ガス流路１１を介して排出ガス処理装置１２に送られる。そして、排出ガス処理装置１２は、酸化剤ガスを利用して燃料ガス系から供給された不純物ガスや液水を処理した後、系外に排出する。

また、酸化剤ガス流路１５には、燃料電池スタック２をバイパスして酸化剤ガスを排出ガス流路１１に供給するためのバイパス流路１８が設けられ、バイパス流路１８を流れる酸化剤ガスの流量はバイパス弁（遮断弁）１９を開閉制御することにより調整することができる。

〔冷却系の構成〕
上記燃料電池システム１は、燃料電池スタック２内部に冷却水を循環させる冷却水循環流路２０と、冷却水循環流路２０内部で冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ２１を備え、燃料電池スタック２内部に冷却水を循環させることにより燃料電池スタック２を適切な運転温度に制御する。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１は、燃料ガス供給調整弁５の開度を調整するアクチュエータ２２と、燃料ガス循環ポンプ８の回転数を調整するアクチュエータ２３と、パージ弁１０の開閉動作を行うアクチュエータ２４と、コンプレッサ１３の回転数を調整するアクチュエータ２５と、酸化剤ガス圧力調整弁１７の開閉動作を行うアクチュエータ２６と、バイパス弁１９の開閉動作を行うアクチュエータ２７と、冷却水循環ポンプ２１の回転数を調整するアクチュエータ２８を備える。

また、上記燃料電池システム１は、酸化剤極入口側の酸化剤ガスの温度及び圧力を検出する温度センサ２９及び圧力センサ３０と、酸化剤極出口側の酸化剤ガスの温度及び圧力を検出する温度センサ３１及び圧力センサ３２と、燃料電池スタック２から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ３３と、燃料電池システム１全体の動作を制御するＥＣＵ３４とを備える。

そして、このような構成を有する燃料電池システム１では、ＥＣＵ３４が以下に示す酸化剤ガス流量制御処理を実行することにより、パイパス流路１８の開閉制御に伴うコンプレッサ１３の騒音レベルの変化量を低減する。以下、本発明の第１乃至第２の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理を実行する際のＥＣＵ３４の動作について説明する。

始めに、図２に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理を実行する際のＥＣＵ３４の動作について説明する。

図２に示すフローチャートは、燃料電池システム１が起動され、ＥＣＵ３４に指令電力（要求負荷）ＴＰＧＥＮが入力されるのに応じて開始となり、酸化剤ガス流量制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、ＥＣＵ３４が、燃料電池スタック２のＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）に基づいて、指令電力ＴＰＧＥＮに対応する指令電流ＴＣＲＮＴを算出する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、ＥＣＵ３４が、ステップＳ１の処理により算出された指令電流ＴＣＲＮＴに対応するカソード利用率ＴＳＲＡを算出する。なお、ここでいうカソード利用率ＴＳＲＡとは、酸化剤極で消費された酸化剤ガス流量を酸化剤極に供給した酸化剤ガス流量で除算した値を意味する。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、ＥＣＵ３４が、指令電流ＴＣＲＮＴ，カソード利用率ＴＳＲＡ，及び酸化剤ガスの組成に基づいて、燃料電池スタック２が発電するために最低必要な酸化剤ガス流量を発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮとして算出する。なお、この発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮは、図３，４に示すように、指令電流ＴＣＲＮＴが増加するのに応じて増加する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、ＥＣＵ３４が、ステップＳ１の処理により算出された指令電流ＴＣＲＮＴに基づいて、燃料極及び酸化剤極に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの目標圧力をそれぞれ燃料ガス目標圧力ＴＰＲＨ及び酸化剤ガス目標圧力ＴＰＲＡとして算出する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、この制御処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、ＥＣＵ３４が、ステップＳ４の処理により算出された燃料ガス目標圧力ＴＰＲＨ及び酸化剤ガス目標圧力ＴＰＲＡに基づいて、燃料極からパージすべきパージガス流量ＴＱＨＰを算出する。そして、ＥＣＵ３４は、算出されたパージガス流量ＴＱＨＰに対する排出ガス処理装置１２の処理能力に基づいて、排出ガス処理装置１２に送るべき酸化剤ガス流量をシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳとして算出する。なお、このシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳは、図３，４に示すように、指令電流ＴＣＲＮＴが増加するのに応じて増加する。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、ＥＣＵ３４が、燃料電池スタック２の酸化剤極に流入させ得る酸化剤ガス流量の最大値をスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸとして算出する。ここで、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸは、燃料電池スタック２内部で使用されている固体高分子膜が乾燥状態であるか否かによって決定される。例えば、燃料電池スタック２の酸化剤極内の温度が通常の運転温度として定められている温度よりも高い場合、燃料電池スタック２に流入させる酸化剤ガスの飽和水蒸気量が増加するため、燃料電池スタック２の酸化剤極から持ち出される水蒸気量は増加する。すなわち、燃料電池スタック２の発電によって生成する水分と燃料極側の加湿手段によって供給される水分とのバランスが崩れ、燃料電池スタック２内部で使用されている固体高分子膜が乾燥状態に陥りやすくなる。

このため、ＥＣＵ３４は、燃料電池スタック２に使用されている固体高分子膜の乾燥による出力低下度合や耐久性の低下に関するデータを実験やシミュレーション等の方法により予め把握しておき、燃料電池システム１に要求される性能や耐久性を考慮し、温度センサ３３により検出される冷却水出口温度に従ってスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸを算出する。

なお、この実施形態では、ＥＣＵ３４は、冷却水出口温度に従ってスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸを算出するが、温度センサ３１により検出される酸化剤極から排出される酸化剤ガスの温度に従ってスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸを算出してもよい。これにより、このステップＳ６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、ＥＣＵ３４が、バイパス弁１９が閉状態又は開状態のいずれであるかを判別する。そして、判別の結果、バイパス弁１９が閉状態である場合、ＥＣＵ３４はこの制御処理をステップＳ８の処理に進める。一方、バイパス弁１９が開状態である場合には、ＥＣＵ３４はこの制御処理をステップＳ９の処理に進める。

ステップＳ８の処理では、ＥＣＵ３４が、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳとスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸの大小関係を比較し、大小関係に応じてバイパス弁１９を閉状態から開状態に切り替える。具体的には、ＥＣＵ３４は、図３に示すように、指令電流ＴＣＲＮＴが低下するのに従ってシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳがスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸよりも大きくなるのに応じて、アクチュエータ２７に開指令を出力することによりバイパス弁１９を開状態に制御する。これにより、このステップＳ８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、ＥＣＵ３４が、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値α（＞１）を乗算した値とスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸの大小関係を比較し、大小関係に応じてバイパス弁１９を開状態から閉状態に切り替える。具体的には、ＥＣＵ３４は、図４に示すように、指令電流ＴＣＲＮＴが上昇するのに従ってシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値がスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸよりも小さくなるのに応じて、アクチュエータ２７に閉指令を出力することによりバイパス弁１９を閉状態に制御する。これにより、このステップＳ９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ１０の処理では、ＥＣＵ３４が、バイパス弁１９が閉状態の際に燃料電池スタック２に供給する酸化剤ガス流量を目標スタック流入酸化剤ガス流量ＴＱＡとして算出する。なお、この実施形態では、ＥＣＵ３４は、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸを目標スタック流入酸化剤ガス流量ＴＱＡに設定する。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、ＥＣＵ３４が、圧力センサ３０，３２及び温度センサ２９を介して酸化剤極の入口側及び出口側の酸化剤ガス圧力と酸化剤極の入口側の酸化剤ガス温度を検出し、検出された酸化剤ガス圧力及び酸化剤ガス温度とバイパス弁１９の開閉状態に基づいて、バイパス流路１８に流入する酸化剤ガス流量をバイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢとして算出する。そして、ＥＣＵ３４は、バイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢに発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮを加算した値（図３，４参照）をバイパス弁１９が開状態の際の酸化剤ガス流量として算出する。これにより、このステップＳ１１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、ＥＣＵ３４が、目標スタック流入酸化剤ガス流量ＴＱＡ，バイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢに発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮを加算した値，及びバイパス弁１９の開閉状態に基づいて、コンプレッサ１３から供給する酸化剤ガス流量を目標総酸化剤ガス流量ＴＱＡＴとして算出する。具体的には、バイパス弁１９が閉状態である場合、ＥＣＵ３４は、図３に矢印で示すように、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳがスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸより大きくなるまでは、目標総酸化剤ガス流量ＴＱＡＴをスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸに制御し、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳがスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸより大きくなるのに応じて、バイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢに発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮを加算した値に目標総酸化剤ガス流量ＴＱＡＴを制御する。

一方、バイパス弁１９が開状態である場合には、ＥＣＵ３４は、図４に矢印で示すように、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸがシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値より大きくなるまでは、バイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢに発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮを加算した値に目標総酸化剤ガス流量ＴＱＡＴを制御し、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸがシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値より大きくなるのに応じて、目標総酸化剤ガス流量ＴＱＡＴをスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸに制御する。これにより、このステップＳ１２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１の処理に戻る。

従来までの燃料電池システムは、バイパス１８流路を閉状態から開状態に切り替える際、図５に示すように、バイパス流路１８に流入するガス流量分ＴＱＡＢだけコンプレッサ１３が供給する酸化剤ガス流量を増量させるために、流量増加に伴うコンプレッサ１３の回転数変動によって騒音レベルが増大していた。これに対して、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、上述の通り、ＥＣＵ３４が、燃料電池スタック２が指令電力ＴＰＧＥＮを発電するために必要な酸化剤ガス流量を発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮとして算出する。

そして、バイパス流路１８が閉状態である場合、ＥＣＵ３４は、発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに対し酸化剤極に供給する酸化剤ガス流量を増量するので、図６に示すように、バイパス流路１８が閉状態である指令電流領域を広くし、バイパス流路１８の開閉状態を切り替える際に必要な酸化剤ガス流量の変動を小さくすることができる。すなわち、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、バイパス流路１８の開閉状態を切り替える際、コンプレッサ１３の回転数変動に由来する騒音レベルの変動を低減することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、ＥＣＵ３４は、指令電力ＴＰＧＥＮに応じて、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸとシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳを算出し、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳがスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸよりも大きくなる指令電力ＴＰＧＥＮにおいて、バイパス流路１８を閉状態から開状態に切り替えるので、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数上昇に由来する騒音レベルの上昇の度合いを低減することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、ＥＣＵ３４は、指令電力ＴＰＧＥＮに応じて、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸとシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値を算出し、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値がスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸよりも小さくなる指令電力ＴＰＧＥＮにおいて、バイパス流路１８を開状態から閉状態に切り替えるので、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数急減に由来する騒音レベルの急減の度合いを低減することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、ＥＣＵ３４は、バイパス流路１８が開状態である場合、発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮにバイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢを加算した酸化剤ガス流量を供給するようにコンプレッサ１３を制御し、バイパス流路１８が閉状態である場合には、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸを供給するようにコンプレッサ１３を制御するので、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数変化に由来する騒音レベルの急変の度合いを低減することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、バイパス流路１８を開状態から閉状態に切り替える際の指令電力ＴＰＧＥＮはバイパス流路１８を閉状態から開状態に切り替える際の指令電力ＴＰＧＥＮよりも高負荷側であり、バイパス１９の開閉動作はヒステリシス特性を有するので、指令電力ＴＰＧＥＮがバイパス１９を開閉すべき電力付近で変化している際に、バイパス弁１９の不必要な切替動作が発生することを防止できる。

なお、上記酸化剤ガス流量制御処理において、ＥＣＵ３４は、バイパス流路１８が開状態である場合、発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮにバイパス酸化剤ガス流量推定値ＴＱＡＢを加算した酸化剤ガス流量を供給するようにコンプレッサ１３を制御し、バイパス流路１８が閉状態である場合には、発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮとシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳとで大きい方の酸化剤ガス流量を供給するようにコンプレッサ１３を制御してもよい。これにより、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数変化に由来する騒音レベルの急変の度合いを低減することができる。

次に、図７に示すフローチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理を実行する際のＥＣＵ３４の動作について説明する。なお、この図７に示すフローチャートにおけるステップＳ１１乃至ステップＳ１７、及びステップＳ２１，Ｓ２２の処理は、図２に示すフローチャートにおけるステップＳ１乃至ステップＳ７の処理、及びステップＳ１１，Ｓ１２の処理と同じである。そこで以下では、ステップＳ１８乃至ステップＳ２０の処理についてのみ説明する。

ステップＳ１８の処理では、ＥＣＵ３４が、発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値β（＞１）を乗算した値とシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳの大小関係を比較し、大小関係に応じてバイパス弁１９を閉状態から開状態に切り替える。具体的には、ＥＣＵ３４は、図８に示すように、指令電流ＴＣＲＮＴの低下に従ってシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳがスタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸより大きくなるのに応じて、アクチュエータ２７に開指令電流を出力することによりバイパス弁１９を開状態に制御する。

なお、上記所定値βは、バイパス弁１９を閉状態から開状態に切り替える時の指令電流ＴＣＲＮＴＢＯにおける値ＴＱＡＭＩＮＡが、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸの時の指令電流ＴＣＲＮＴＢＯにおける値より小さくなるように設定されているものとする。これにより、このステップＳ１８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２０の処理に進む。

ステップＳ１９の処理では、ＥＣＵ３４が、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値α（＞１）を乗算した値と発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値β（＞１）を乗算した値の大小関係を比較し、大小関係に応じてバイパス弁１９を開状態から閉状態に切り替える。具体的には、ＥＣＵ３４は、図９に示すように、指令電流ＴＣＲＮＴの上昇に応じて発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値βを乗算した値がシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値より大きくなるのに応じて、アクチュエータ２７に閉指令電流を出力することによりバイパス弁１９を閉状態に制御する。これにより、このステップＳ１９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２０の処理に進む。

ステップＳ２０の処理では、ＥＣＵ３４が、発電要求酸化剤流量ＴＱＡＭＩＮとシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳとをセレクトハイした値に目標スタック流入酸化剤ガス流量ＴＱＡを設定する。なお、この実施形態では、ＥＣＵ３４は、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸを目標スタック流入酸化剤ガス流量ＴＱＡに設定する。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１１の処理に進む。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、ＥＣＵ３４は、指令電力ＴＰＧＥＮに応じて、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳと発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値βを乗算した値を算出し、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳが発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値βを乗算した値よりも大きくなる指令電力ＴＰＧＥＮにおいて、バイパス流路１８を閉状態から開状態に切り替えるので、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数上昇に由来する騒音レベルの上昇の度合いを低減することができる。

また、本発明の第２の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理によれば、ＥＣＵ３４は、指令電力ＴＰＧＥＮに応じて、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値と発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値βを乗算した値を算出し、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値αを乗算した値とが発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値βを乗算した値よりも小さくなる指令電力ＴＰＧＥＮにおいて、バイパス流路１８を開状態から閉状態に切り替えるので、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数急減に由来する騒音レベルの急減の度合いを低減することができる。

なお、上記ステップＳ１８の処理において、ＥＣＵ３４は、発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値γ（＞０）を加算した値ＴＱＡＭＩＮＢとシステム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳの大小関係を比較し、大小関係に応じてバイパス弁１９を閉状態から開状態に切り替えるるようにしてもよい。具体的には、ＥＣＵ３４は、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳが発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値γを加算した値ＴＱＡＭＩＮＢよりも大きくなる指令電力ＴＰＧＥＮにおいて、アクチュエータ２７に開指令電流を出力することによりバイパス弁１９を開状態に制御する。これにより、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数上昇に由来する騒音レベルの上昇の度合いを低減することができる。

ここで、上記所定値βは、バイパス弁１９を閉状態から開状態に切り替える時の指令電流ＴＣＲＮＴＢＯにおける値ＴＱＡＭＩＮＡが、スタック許容最大酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＡＸにおける指令電流ＴＣＲＮＴＢＯにおける値より小さくなるように設定されているものとする。また、この場合、ＥＣＵ３４は、上記ステップＳ１９の処理において、システム要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＳに所定値α（＞１）を乗算した値が発電要求酸化剤ガス流量ＴＱＡＭＩＮに所定値γを加算した値ＴＱＡＭＩＮＢよりも小さく指令電力ＴＰＧＥＮにおいて、アクチュエータ２７に閉指令電流を出力することによりバイパス弁１９を閉状態に制御する。これにより、パイパス流路１８が開状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量とパイパス流路１８が閉状態の時にコンプレッサ１３が供給すべき酸化剤流量の差が小さくなり、コンプレッサ１３の回転数急減に由来する騒音レベルの急減の度合いを低減することができる。

また、指令電流がバイパス流路１８を閉状態から開状態に切り替える指令電流よりも高く所定指令電流ＴＣＲＮＴＡ以下である区間においては、ＥＣＵ３４は、ある特定の変化率を有しながら変化するように酸化剤流量ＴＱＡを制御することが望ましい。また、酸化剤流量ＴＱＡは、図１０，１１に示すように、バイパス弁を切り替える際の指令電流を示す座標と所定指令電流ＴＣＲＮＴＡを示す座標とを結ぶ直線に沿って変化させることにより、指令電流に対する酸化剤ガス流量の変動をさらに小さくすることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。図２に示す酸化剤ガス流量制御処理においてバイパス流路を閉状態から開状態に切り替える際の燃料電池システムの動作を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。図２に示す酸化剤ガス流量制御処理においてバイパス流路を開状態から閉状態に切り替える際の燃料電池システムの動作を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。従来までの燃料電池システムの動作を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。本発明の一実施形態となる燃料電池システムの動作を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。本発明の第２の実施形態となる酸化剤ガス流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。図７に示す酸化剤ガス流量制御処理においてバイパス流路を閉状態から開状態に切り替える際の燃料電池システムの動作を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。図７に示す酸化剤ガス流量制御処理においてバイパス流路を開状態から閉状態に切り替える際の燃料電池システムの動作を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。図８に示す燃料電池システムの動作の応用例を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。図８に示す燃料電池システムの動作の応用例を説明するための指令電流と目標酸化剤ガス流量の関係を示す図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：燃料ガスタンク
４：レギュレータ
５：燃料ガス供給弁
６：燃料ガス流路
７：燃料ガス循環流路
８：燃料ガス循環ポンプ
９：燃料ガス排出流路
１０：パージ弁
１１：排出ガス流路
１２：排出ガス処理装置
１３：コンプレッサ
１４：酸化剤ガス加湿装置
１５，１６：酸化剤ガス流路
１７：酸化剤ガス圧力調整弁
１８：バイパス流路
１９：バイパス弁
２０：冷却酢循環流路
２１：冷却水循環ポンプ
２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８：アクチュエータ
２９，３１，３３：温度センサ
３０，３２：圧力センサ
３４：ＥＣＵ
ＴＣＲＮＴ：指令電流
ＴＱＡＭＩＮ：発電要求酸化剤ガス流量
ＴＱＡＳ：システム要求酸化剤ガス流量
ＴＱＡＭＡＸ：スタック許容最大酸化剤ガス流量
ＴＱＡ：目標スタック流入酸化剤ガス流量
ＴＱＡＢ：バイパス酸化剤ガス流量推定値
ＴＱＡＴ：目標総酸化剤ガス流量

Claims

燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスの一部を酸化剤極を迂回して前記燃料極の下流側に流入させるバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉するバイパス流路遮断手段と、
前記酸化剤極及び前記バイパス流路から排出された酸化剤ガスを利用して前記燃料極から排出された燃料ガスを処理し、処理された燃料ガスを排出ガスとして系外に排出し、排出ガス量は、前記燃料電池に対する要求負荷の増減に応じて増減する排出ガス処理手段と、
前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスの流量が酸化剤極の許容流量を超える場合に、前記バイパス流路遮断手段が前記バイパス流路を開状態とする制御手段とを備え、
前記酸化剤ガス供給手段は、前記バイパス流路遮断手段が前記バイパス流路を開状態としているときは、要求負荷を発電するために必要な要求酸化剤ガス流量に前記バイパス流路を通過する酸化剤ガス流量を加算した酸化剤ガス流量を供給し、
前記制御手段は、前記バイパス流路が閉状態である場合に、前記酸化剤ガス供給手段が供給する酸化剤ガス流量を、要求負荷を発電するために必要な要求酸化剤ガス流量に対し増量すること
を特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷に応じて、前記酸化剤極に供給可能な酸化剤ガスの最大流量と前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量を算出し、排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量が酸化剤極に供給可能な酸化剤ガスの最大流量よりも大きくなる要求負荷において、前記バイパス流路を閉状態から開状態に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷に応じて、前記酸化剤極に供給可能な酸化剤ガスの最大流量と前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量に１以上の第１所定値を乗算した値を算出し、排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量に１以上の第１所定値を乗算した値が酸化剤極に供給可能な酸化剤ガスの最大流量よりも小さくなる要求負荷において、前記バイパス流路を開状態から閉状態に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路内を流れる冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、前記制御手段は前記冷却水温度検出手段により検出された温度を用いて前記最大流量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤極から排出される酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段を備え、前記制御手段は前記酸化剤ガス温度検出手段により検出された温度を用いて前記最大流量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷に応じて、前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量と前記要求酸化剤ガス流量に１以上の第２所定値を乗算した値を算出し、排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量が要求酸化剤ガス流量に１以上の第２所定値を乗算した値よりも大きくなる要求負荷において、前記バイパス流路を閉状態から開状態に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷に応じて、前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量に１以上の第１所定値を乗算した値と前記要求酸化剤ガス流量に１以上の第２所定値を乗算した値を算出し、排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量に１以上の第１所定値を乗算した値が要求酸化剤ガス流量に１以上の第２所定値を乗算した値よりも小さくなる要求負荷において、前記バイパス流路を開状態から閉状態に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷に応じて、前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量と前記要求酸化剤ガス流量に０以上の第３所定値を加算した値を算出し、排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量が要求酸化剤ガス流量に０以上の第３所定値を加算した値よりも大きくなる要求負荷において、前記バイパス流路を閉状態から開状態に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷に応じて、前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量に１以上の第１所定値を乗算した値と前記要求酸化剤ガス流量に０以上の第３所定値を加算した値を算出し、排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量に１以上の第１所定値を乗算した値が要求酸化剤ガス流量に０以上の第３所定値を加算した値よりも小さくなる要求負荷において、前記バイパス流路を開状態から閉状態に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記バイパス流路が開状態である場合、前記要求酸化剤ガス流量にバイパス流路を通過する酸化剤ガス流量を加算した酸化剤ガス流量を供給するように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、バイパス流路が閉状態である場合には、酸化剤極に供給可能な酸化剤ガスの最大流量を供給するように前記酸化剤ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記バイパス流路が開状態である場合、前記要求酸化剤ガス流量にバイパス流路を通過する酸化剤ガス流量を加算した酸化剤ガス流量を供給するように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、バイパス流路が閉状態である場合には、要求酸化剤ガス流量と前記排出ガス処理手段に供給すべき酸化剤ガス流量とで大きい方の酸化剤ガス流量を供給するように酸化剤ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項１１のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記要求負荷がバイパス流路を閉状態から開状態に切り替える際の要求負荷よりも高く所定要求負荷以下である領域において、バイパス流路を開状態から閉状態に切り替える際に酸化剤極に供給する酸化剤ガス流量とバイパス流路が閉状態であり、且つ、要求負荷が所定要求負荷である時に酸化剤極に供給する酸化剤ガス流量との間で連続的に変化するように前記酸化剤ガス供給手段が供給する酸化剤ガス流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、バイパス流路が閉状態であり、且つ、要求負荷が所定要求負荷である時に酸化剤極に供給する酸化剤ガス流量からバイパス流路を開状態から閉状態に切り替える際に酸化剤極に供給する酸化剤ガス流量に酸化剤ガス流量を制御する際は、要求負荷に対して特定の変化率を持って酸化剤ガス流量を変化させるように酸化剤ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。