JP5493466B2

JP5493466B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5493466B2
Application number: JP2009123526A
Authority: JP
Inventors: 智隆石川; 洋行勝田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: JP2010272375A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料極に燃料ガス（水素ガス）を、酸化剤極に酸化ガス（空気）を供給することにより燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的な反応を起こして電力を発生させる燃料電池システムが用いられている。このような燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に適用されている。

燃料電池システムでは燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的な反応を利用するため、燃料ガス及び酸化ガスの供給量を高い精度で調整する必要がある。従来の燃料電池システムでは、バイパス弁を所定開度に開弁し、コンプレッサからの空気を燃料電池セルのスタックへ導く量と、燃料電池セルのスタックをバイパスさせる量と、を分流制御する技術が用いられている。

一方、内燃機関の吸気系の流路に設置された気流制御弁の開閉をステッピングモータで駆動する際に、気流制御弁の上流側の吸気管内の圧力と大気圧との圧力差と、内燃機関の回転数に応じて決定される基準圧力差と、関係に基づいて気流制御弁の開閉制御を行う技術が開示されている（特許文献１）。また、ステッピングモータで開閉駆動されるＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）弁の開度を排気圧に応じて行う技術が開示されている（特許文献２）。

特開２００７−２７８１３２号公報特開平５−６００２０号公報

ところが、燃料電池システムにおいて、電子制御部（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）でのバイパス弁の開度と、バイパス弁の実際の開度と、に差異が生じてしまうことがある。

例えば、（１）加工精度の限界から、ステッピングモータのステップ数と実際の弁開度の間に製品毎のばらつきが生じたり、（２）燃料電池システムの停止時におけるステッピングモータの励磁状態と燃料電池システムの起動時におけるステッピングモータの初期励磁状態との差等によってステップ数にずれを生じたりする。これによって、ＥＣＵによって定められた開度となるように制御した場合であっても、実際のバイパス弁の開度とＥＣＵで定めた必要開度との間に差を生じてしまうことがある。

これにより、燃料電池セルのスタックへの空気の流量や圧力が所望の量とならず、結果として有効な急速暖気運転ができなかったり、シャット弁が開閉制御できなくなったりする等のシステム上での不具合が生ずるおそれがある。

また、燃料電池システムを通常の発電状態としている場合、燃料電池システムへ供給する酸化ガスの流量や圧力は絶えず調整し続ける必要があり、このような状態においてバイパス弁の実際の開度の誤差を調整することは困難である。

本発明の１つの態様は、燃料電池への酸化ガスを供給／遮断するシャット弁と、ステッピングモータによって開度が調整され、前記燃料電池への酸化ガスの流れをバイパスするバイパス弁と、前記ステッピングモータのステッピング数を制御することによってバイパス弁の開度を調整する制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、システム運転中に、前記燃料電池への酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力に基づいて、前記制御部が指令した前記バイパス弁の開度と前記バイパス弁の実際の開度との差異を調整することを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、システム起動時に前記シャット弁を開状態とする前に、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行うことが好適である。

この場合、前記シャット弁を開状態とする前に前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させ、前記バイパス弁が所定の開度となるように前記ステッピングモータを制御した状態において、前記圧縮機と前記バイパス弁との間の酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力が所定の圧力上限値以上又は所定の圧力下限値以下となっている場合に、前記制御部で用いられる前記ステッピングモータのステッピング数と前記バイパス弁の開度とを対応付ける関係を変更することがより好適である。

ここで、前記所定の圧力上限値又は前記所定の圧力下限値は、前記圧縮機を所定の回転数で駆動させ、前記バイパス弁が所定の開度となるように前記ステッピングモータを制御した状態において正常と判断される圧力上限値又は圧力下限値である。

また、前記燃料電池によってモータ・ジェネレータを駆動する構成であり、前記モータ・ジェネレータが回生状態にある時に、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させた状態において、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行うことが好適である。

この場合、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって二次電池を充電可能な構成であり、前記モータ・ジェネレータが回生状態にある時に、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって前記二次電池を充電できない場合に、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させた状態において、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行うことがより好適である。

また、前記圧縮機の回転数、前記バイパス弁の開度及び前記酸化ガスの流路に設けられた圧力調整弁の開度を消費電力の狙い値に応じた値とした状態において、前記圧縮機と前記バイパス弁との間の酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力が所定の圧力上限値以上又は所定の圧力下限値以下となっている場合に、前記制御部で用いられる前記ステッピングモータのステッピング数と前記バイパス弁の開度とを対応付ける関係を変更することが好適である。

ここで、前記所定の圧力上限値又は前記所定の圧力下限値は、前記圧縮機の回転数、前記バイパス弁の開度及び前記酸化ガスの流路に設けられた圧力調整弁の開度を消費電力の狙い値に応じた値とした状態において正常と判断される圧力上限値又は圧力下限値である。

また、システム停止時に前記シャット弁を閉状態とする前に、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行うことが好適である。

ここで、前記シャット弁を閉状態とする前に前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させ、前記バイパス弁が所定の開度となるように前記ステッピングモータを制御し、前記酸化ガスの流路に設けられた圧力調整弁を所定の開度に制御した状態において、前記圧縮機と前記バイパス弁との間の酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力が所定の圧力上限値以上又は所定の圧力下限値以下となっている場合に、前記制御部で用いられる前記ステッピングモータのステッピング数と前記バイパス弁の開度とを対応付ける関係を変更することがより好適である。

ここで、前記所定の圧力上限値又は前記所定の圧力下限値は、前記シャット弁を開状態とする前に前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させ、前記バイパス弁が所定の開度となるように前記ステッピングモータを制御し、前記酸化ガスの流路に設けられた圧力調整弁を所定の開度に制御した状態において正常と判断される圧力上限値又は圧力下限値である。

本発明によれば、燃料電池システムにおける弁制御の精度を高めることができる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるバイパス弁の構造を示す図である。本発明の実施の形態におけるシステム起動時のバイパス弁の開度調整を示すフローチャートである。本発明の実施の形態におけるシステム回生動作時のバイパス弁の開度調整を示すフローチャートである。本発明の実施の形態におけるシステム停止時のバイパス弁の開度調整を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態における燃料電池システム１００は、図１に示すように、燃料電池１０２、酸化ガス供給系システム１０４、燃料ガス供給系システム１０６、冷却系システム１０８、電子制御部（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１１０及び電力制御部（ＰＣＵ：ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１１２を含んで構成される。

燃料電池１０２は、複数の単位セルを積層して構成される。各単位セルは、電解質層を挟み込むように空気極と燃料極とを配置し、さらにその積層体をセパレータで挟み込んだ構造を有する。空気極側のセパレータには酸化ガスが酸化ガス供給系システム１０４により供給される。酸化ガスは、例えば空気とされる。空気極側のセパレータと空気極との間には酸化ガスを流通させる流路が形成されており、これにより空気極に酸化ガスが供給される。また、燃料極側のセパレータには燃料ガスが燃料ガス供給系システム１０６により供給される。燃料ガスは、例えば水素ガスとされる。燃料極側のセパレータと燃料極との間には燃料ガスを流通させる流路が形成されており、これにより燃料極に燃料ガスが供給される。電解質層における電気化学的な反応によって、酸化ガスと燃料ガスとの間で電荷のやり取りが行われ、各単位セルにおいて電力が発生する。

燃料電池１０２で発生した電力はＰＣＵ１１２に供給される。ＰＣＵ１１２は、モータ・ジェネレータ１１４に電力を供給するためのＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ、二次バッテリ等を備える。ＰＣＵ１１２は、燃料電池１０２からの電力を受けて、モータ・ジェネレータ１１４を駆動する。ＰＣＵ１１２には、モータ・ジェネレータ１１４の他、二次電池１１５が接続される。二次電池１１５は、モータ・ジェネレータ１１４が回生状態にある場合に回生電力によって充電することが可能である。

燃料ガス供給系システム１０６は、燃料ガス用ポンプ１０及び気液分離器１１を含んで構成され、燃料電池１０２へ燃料ガスを供給する。燃料ガス用ポンプ１０は、燃料ガスボンベ等から供給される燃料ガスを燃料電池１０２へ供給する。燃料ガス供給系システム１０６は、循環システムを採用しており、燃料電池１０２において消費されなかった燃料ガスは気液分離器１１において分離されて燃料ガス用ポンプ１０により再循環される。燃料ガス供給系システム１０６は、ＥＣＵ１１０からの制御信号によって制御され、燃料電池１０２への燃料ガスの供給量、供給圧力等が調整される。本実施の形態では、燃料ガス供給系システム１０６は従来の構成を適用できるので詳細な説明は省略する。

冷却系システム１０８は、ラジエータ１２、三方弁１４、ポンプ１６、イオン交換器１８等を含んで構成される。冷却系システム１０８は、燃料電池１０２における電気化学的な反応に伴って発生する熱を除去するために用いられる。ポンプ１６によって、燃料電池１０２の熱を奪った冷媒がラジエータ１２へ供給され、ラジエータ１２において冷媒が冷却されて燃料電池１０２へ再び供給されるという循環が行われる。三方弁１４は、ラジエータ１２へ流れる冷媒の流量が調整するために用いられる。冷媒はイオン交換器１８によって浄化される。また、冷媒の一部は酸化ガス供給系システム１０４の圧縮機２２及び冷却器２４の冷却に用いられる。冷却系システム１０８は、ＥＣＵ１１０からの制御信号によって制御され、各部への冷媒の供給量等が調整される。本実施の形態では、冷却系システム１０８は従来の構成を適用できるので詳細な説明は省略する。

酸化ガス供給系システム１０４は、エアフィルタ２０、圧縮機２２、冷却器２４、バイパス弁２６、加湿器２８、供給弁３０、排気弁３２、加湿器バイパス弁３４、圧力調整弁３６及び圧力センサ３８，４０を含んで構成される。

エアフィルタ２０は、酸化ガス供給系システム１０４に導入される酸化ガス（空気）に含まれる微粒子や不純物を取り除くためのフィルタを含んで構成される。エアフィルタ２０において浄化された酸化ガスは圧縮機２２へ供給される。圧縮機２２は、モータによって駆動されるコンプレッサを含んで構成される。圧縮機２２により酸化ガスは断熱圧縮され、冷却器２４を介して燃料電池１０２へ送り込まれる。圧縮機２２の回転開始・停止、回転数等はＥＣＵ１１０からの制御信号によって制御される。また、燃料電池１０２に供給される酸化ガスの圧力及び流量は、バイパス弁２６、加湿器２８、供給弁３０、排気弁３２、加湿器バイパス弁３４及び圧力調整弁３６により調整される。

バイパス弁２６は、ＥＣＵ１１０からの開度調整信号に応じてその開度が調整可能なバルブである。バイパス弁２６は、図２の断面図に示すように、ハウジング５０、ステッピングモータ５２、モータロッド５４、ポペット５６及びばね５８を含んで構成される。ハウジング５０は、ガス入口５０ａ及びガス出口５０ｂを流路で接続した構造を有する。ハウジング５０には、流路内側に凸状の曲面を有するバルブ面５０ｃが設けられる。ポペット５６は、先端部５６ａがバルブ面５０ｃに沿った形状に加工されたロッド状の部材であり、バルブ面５０ｃに対して先端部５６ａが当接・離隔するようにストローク可能に配置される。ポペット５６には、ばね５８が装着され、モータロッド５４によってポペット５６が駆動されていない状態において先端部５６ａがバルブ面５０ｃに当接するように付勢される。ステッピングモータ５２は、ＥＣＵ１１０からの開度調整信号に応じたステップ数（回転量）に駆動され、その回転がモータロッド５４の往復運動に変換される。モータロッド５４が往復運動することによって、ポペット５６がストロークされてバルブ面５０ｃに対して先端部５６ａが当接・離隔する。このようにして、バイパス弁２６は、ステッピングモータのステップ数（回転量）に応じた開度に調整される。

バイパス弁２６は、燃料電池１０２をバイパスして酸化ガスを流すように、燃料電池１０２の吸気管と排気管との間を接続する。バイパス弁２６は、その開度が調整されることによって、燃料電池１０２へ流れる酸化ガスの流量を調整することができる。バイパス弁２６の開度制御については後述する。

加湿器２８は、燃料電池１０２から排出される酸化ガスに含まれる水分を燃料電池１０２へ供給される酸化ガスに与えて、酸化ガスを適度に加湿する機能を有する。供給弁３０及び排気弁３２は、加湿器２８と燃料電池１０２との間の流路に設けられる。供給弁３０及び排気弁３２は、燃料電池１０２への酸化ガスの供給が不要な場合に閉状態とされ、燃料電池１０２へ酸化ガスを供給する際に開状態とされる。供給弁３０及び排気弁３２は、シャット弁に相当する。供給弁３０及び排気弁３２は、ＥＣＵ１１０からの開閉信号によって制御され、開信号を受けている状態において入力側と出口側の圧力差が所定値よりも高くなると開状態となり、入口側と出口側の圧力差が所定値以下又は開閉信号が閉信号である場合に閉状態となる。供給弁３０及び排気弁３２の開閉制御により、燃料電池１０２へ酸化ガスを供給・停止することができる。

なお、加湿器２８による加湿を行わずに燃料電池１０２へ酸素ガスを供給するときは加湿器バイパス弁３４を開状態とし、供給弁３０を閉状態とすればよい。供給弁３０、排気弁３２、加湿器バイパス弁３４の開／閉制御については後述する。

圧力調整弁３６は、酸化ガスの排気管に設けられ、酸化ガス供給系システム１０４によって燃料電池１０２に供給される酸化ガスの圧力を調整する。圧力調整弁３６は、ＥＣＵ１１０からの圧力調整信号を受けて、酸化ガスをその圧力調整信号に応じた圧力に調整する。

圧力センサ３８は、バイパス弁２６及び加湿器２８の上流側の流路に設けられ、バイパス弁２６の上流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐａを測定してＥＣＵ１１０へ出力する。圧力センサ４０は、燃料電池１０２の下流であって燃料電池１０２と加湿器２８との間の流路に設けられ、燃料電池１０２の出力側の酸化ガスの圧力Ｐｂを測定してＥＣＵ１１０へ出力する。

酸化ガス供給系システム１０４及び燃料ガス供給系システム１０６からの排気はマフラー４２等を含む排気処理部を介して排気される。

ＥＣＵ１１０は、燃料電池システム１００を統合的に制御する。例えば、ＥＣＵ１１０は、圧力センサ３８，４０から圧力信号を受けて、燃料電池システム１００のバイパス弁２６、加湿器２８、供給弁３０、排気弁３２、加湿器バイパス弁３４及び圧力調整弁３６の制御を行い、燃料電池１０２への酸化ガスの供給量及び供給圧力等を制御する。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１０２の起電力を測定することが可能であることが好適である。また、ＥＣＵ１１０は、燃料電池１０２に二次電池等が接続されている場合、その二次電池の充電状態（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）等の状態値を測定可能であることが好適である。また、ＥＣＵ１１０は、内蔵タイマ又は外部タイマにアクセス可能であることが好適である。さらに、ＥＣＵ１１０は、圧縮機２２に対して制御信号を出力し、圧縮機２２の回転開始・停止及び回転数を制御する。

＜システム起動時の開度調整処理＞
次に、本実施の形態の燃料電池システム１００におけるバイパス弁２６の開度調整処理について説明する。本実施の形態では、システム運転中に、燃料電池１０２への酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力に基づいて、ＥＣＵ１１０が指令したバイパス弁２６の開度とバイパス弁２６の実際の開度との差異を調整する処理を行う。以下では、まずシステム起動時の開度調整処理について説明する。

バイパス弁２６の初期状態は、バルブ面５０ｃに対して先端部５６ａが当接した閉状態である。本実施の形態の燃料電池システム１００では、この初期状態からバイパス弁２６の開度調整処理を行う。

図３は、システム起動時におけるバイパス弁２６の開度調整処理のフローチャートを示す。図３における各ステップは、ＥＣＵ１１０から出力される信号によって酸化ガス供給系システム１０４を制御することによって行われる。

ステップＳ１０では、燃料電池システム１００の起動が行われる。燃料電池システム１００が電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されている場合、例えば、イグニッションキーの操作に伴って起動される。

ステップＳ１２では、バイパス弁２６の開度を確定する。ＥＣＵ１１０は、システム起動に伴ってバイパス弁２６の開度を確定する。例えば、バイパス弁２６の開度は、システム起動時に対して予め定められた値とする。

ステップＳ１４では、確定されたバイパス弁２６の開度に対応するステッピングモータ５２のステップ数を求めてバイパス弁２６の開度を制御する。ステップ数はＥＣＵ１１０で決定される。ＥＣＵ１１０は、内蔵メモリ又は外部メモリに記憶されている開度とステップ数との対応データ（開度−ステップ数マップ）を参照し、ステップＳ１２において確定した開度に対応するステップ数を読み出す。開度とステップ数との対応データは、ある程度適切なデータを予め定めておけばよく、例えば、バイパス弁２６（ステッピングモータ５２）の種類毎に予め定められた定格データとすればよい。ＥＣＵ１１０は、決定したステップ数を示す開度調整信号をバイパス弁２６へ出力する。これによりバイパス弁２６のステッピングモータ５２が開度調整信号で示されるステップ数だけ回転させられ、バイパス弁２６がステップＳ１２で確定された開度に対応するであろう開度に調整される。

ステップＳ１６では、圧縮機２２が起動される。ＥＣＵ１１０は、圧縮機２２に対して所定の回転数となるように制御信号を出力する。これによって、圧縮機２２は所定の回転数で運転される。

ステップＳ１８では、酸化ガスの圧力の測定が行われる。ＥＣＵ１１０は、圧力センサ３８から出力されているバイパス弁２６の上流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐａを読み取る。

ステップＳ２０では、圧力の比較処理が行われる。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１８で読み取った圧力Ｐａと、予め設定されて内蔵メモリ又は外部メモリに記憶されている圧力上限値Ｐ１及び圧力下限値Ｐ２と比較する。圧力上限値Ｐ１及び圧力下限値Ｐ２は、上記処理で設定された圧縮機２２の回転数及びバイパス弁２６の開度において圧力センサ３８の圧力Ｐａの正常な範囲を示す。圧力Ｐが圧力上限値Ｐ１より低く、圧力下限値Ｐ２より高い場合にはステップＳ２４に処理を移行させ、そうでない場合にはステップＳ２２に処理を移行させる。

ステップＳ２２では、開度とステップ数との対応データ（開度−ステップ数マップ）の書き換え処理を行う。すなわち、ステップＳ２０において圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ１以上であった場合にはバイパス弁２６の実際の開度がステップＳ１２で確定された開度まで到達していないものとして、開度とステップ数との対応データにおける各開度に対するステップ数を増加させるように書き換える。すなわち、各開度に対してよりバイパス弁２６が開く傾向となるように開度とステップ数との対応データをシフトさせる。一方、ステップＳ２０において圧力Ｐが圧力上限値Ｐ２以下であった場合にはバイパス弁２６の実際の開度がステップＳ１２で確定された開度より大きくなっているものとして、開度とステップ数との対応データにおける各開度に対するステップ数を減少させるように書き換える。すなわち、各開度に対してよりバイパス弁２６が閉まる傾向となるように開度とステップ数との対応データをシフトさせる。

このように開度とステップ数との対応データを書き換えた後、ステップＳ１４に処理を戻し、ステップＳ１４〜Ｓ２０の処理を繰り返す。これによって、ＥＣＵ１１０によって生成される開度調整信号とバイパス弁２６の実際の開度との誤差を許容範囲に設定することができる。

ステップＳ２４では、シャット弁を開ける処理を行う。ＥＣＵ１１０は、供給弁３０及び排気弁３２に対して開信号を出力する。ここでは、加湿器バイパス弁３４は閉じられているものとする。これによって、供給弁３０及び排気弁３２の入口側圧力が所定値より大きくなるとこれらの弁が開状態となる。また、ＥＣＵ１１０は、経過時間の測定のために内蔵タイマ又は外部タイマからシャット弁を開制御した時刻Ｔ₀を取得する。

ステップＳ２６では、シャット弁の開動作からの経過時間の判定を行う。ＥＣＵ１１０は、内蔵タイマ又は外部タイマから取得する現時刻Ｔ_Rを取得する。ＥＣＵ１１０は、現時刻Ｔ_Rから時刻Ｔ₀を減算して、ステップＳ２４でステップＳ２４においてシャット弁（供給弁３０及び排気弁３２）を開制御してからの経過時間Ｔを算出する。そして、経過時間Ｔが所定の時間閾値Ｔ１より大きければ、シャット弁の開制御において異常が発生したものとしてステップＳ３２に処理を移行させ、異常発生時における処理を実行する。異常発生時における処理は、例えば、ユーザ（運転者）等に警告を行ったり、燃料電池１０２の代替システムに切り換えたりする等の処理が挙げられる。経過時間Ｔが所定の時間閾値Ｔ１以下であれば、ステップＳ２８へ処理を移行させる。

ステップＳ２８では、酸化ガスの圧力の測定を行なう。ＥＣＵ１１０は、圧力センサ４０から出力されている燃料電池１０２の下流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐｂを読み取る。

ステップＳ３０では、酸化ガスの圧力が正しく上昇しているか否かを判定する。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ２８で測定した酸化ガスの圧力Ｐｂが所定の基準下限値Ｐ３より大きく、基準上限値Ｐ４より小さくなっているか否かを判定する。基準下限値Ｐ３及び基準上限値Ｐ４は、供給弁３０及び排気弁３２が正常に開状態となっている場合に、上記処理で設定された圧縮機２２の回転数及びバイパス弁２６の開度において燃料電池１０２の下流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐｂの範囲を示す。

圧力Ｐｂが基準下限値Ｐ３より大きくかつ基準上限値Ｐ４より小さくなっている場合にはシャット弁が正常に動作しているものとして処理を終了する。一方、圧力Ｐｂが基準下限値Ｐ３以下である場合、又は、基準上限値Ｐ４以上である場合には、ステップＳ２６へ処理を戻し、ステップＳ２６〜Ｓ３０の処理を繰り返す。

以上のように、システム起動時においてＥＣＵ１１０における開度調整信号に対するバイパス弁２６の実際の開度の誤差を低減する調整を行うことができる。

＜回生ブレーキ電力消費時の開度調整処理＞
次に、回生ブレーキ電力消費時のバイパス弁２６の開度調整処理について説明する。燃料電池システム１００におけるシステム電力回生時に二次電池のＳＯＣが予め定められた基準値より大きく、回生電力を二次電池への充電に利用できない場合に、回生電力を圧縮機２２の駆動電力として利用し、その際にバイパス弁２６の開度調整処理を行う。

図４は、モータ・ジェネレータ１１４の回生ブレーキ電力消費時におけるバイパス弁２６の開度調整処理のフローチャートを示す。図４における各ステップは、ＥＣＵ１１０から出力される信号によって酸化ガス供給系システム１０４等を制御することによって行われる。

ステップＳ４０では、燃料電池１０２の発電状態を判定する。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１０２の起電力を測定し、燃料電池１０２が発電状態にあるか回生状態にあるかを判定する。燃料電池１０２が発電状態であれば、ステップＳ４２に処理を移行させ、通常の発電の制御を行う。燃料電池１０２が回生状態であれば、ステップＳ４４に処理を移行させる。

ステップＳ４４では、二次電池のＳＯＣを判定する。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１０２から充電可能な二次電池のＳＯＣを測定し、充電可能な上限値αよりも小さいか否かを判定する。二次電池のＳＯＣが上限値αよりも小さければ、ステップＳ４６へ処理を移行させ、回生電力による通常の二次電池への充電処理を行う。二次電池のＳＯＣが上限値α以上であれば、ステップＳ４８へ処理を移行させる。

ステップＳ４８では、消費電力の狙い値を算出する。ＥＣＵ１１０は、回生電力に応じて消費すべき電力を計算し、消費電力とその消費電力に見合った圧縮機２２の回転数（燃料電池１０２へ供給する酸化ガスの流量に対応する）を求める。例えば、ＥＣＵ１１０の内蔵メモリ又は外部メモリに消費電力とその消費電力に見合った圧縮機２２の回転数との対応データを予め記憶させておき、回生電力のうち消費すべき電力に見合った圧縮機２２の回転数を決定する。

ステップＳ５０では、バイパス弁２６の開度を確定する。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ４８において求められた圧縮機２２の回転数に応じたバイパス弁２６の開度を確定する。これにより、バイパス弁２６の開度も回生電力のうち消費すべき電力の狙い値に対応する値に設定される。例えば、バイパス弁２６の開度は、圧縮機２２の回転数とバイパス弁２６の開度との対応データを参照して定めることができる。圧縮機２２の回転数とバイパス弁２６の開度との対応データは、予め燃料電池システム１００の構成によって定められ、ＥＣＵ１１０の内蔵メモリ又は外部メモリに記憶させておけばよい。

ステップＳ５２では、確定されたバイパス弁２６の開度に対応するステッピングモータ５２のステップ数を求めてバイパス弁２６の開度を制御する。ステップ数はＥＣＵ１１０で決定される。ＥＣＵ１１０は、内蔵メモリ又は外部メモリに記憶されている開度とステップ数との対応データ（開度−ステップ数マップ）を参照し、ステップＳ５０において確定した開度に対応するステップ数を読み出す。開度とステップ数との対応データは、ある程度適切なデータを予め定めておけばよく、例えば、バイパス弁２６（ステッピングモータ５２）の種類毎に予め定められた定格データやシステム起動時に上記開度調整されたデータとすればよい。ＥＣＵ１１０は、決定したステップ数を示す開度調整信号をバイパス弁２６へ出力する。これによりバイパス弁２６のステッピングモータ５２が開度調整信号で示されるステップ数だけ回転させられ、バイパス弁２６がステップＳ５０で確定された開度に対応するであろう開度に調整される。

ステップＳ５４では、酸化ガスの圧力を調整する。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ４８において求められた圧縮機２２の回転数及びステップＳ５０で求められたバイパス弁２６の開度において酸化ガスの圧力が圧力下限値Ｐ５と圧力上限値Ｐ６の範囲となるように圧力調整弁３６を調整する。これにより、圧力調整弁３６の開度も回生電力のうち消費すべき電力の狙い値に対応する値に設定される。例えば、圧縮機２２の回転数とバイパス弁２６の開度とに対応付けて圧力下限値Ｐ５と圧力上限値Ｐ６の範囲となる圧力調整弁３６の調整値を予め求めておき、ＥＣＵ１１０の内蔵メモリ又は外部メモリに記憶させておけばよい。より具体的には、圧力調整弁３６を完全に閉めた状態としてもよい。

ステップＳ５６では、圧縮機２２が起動される。ＥＣＵ１１０は、圧縮機２２に対してステップＳ４８において求められた回転数となるように制御信号を出力する。これによって、圧縮機２２はステップＳ４８において求められた回転数で運転される。

ステップＳ５８では、酸化ガスの圧力の測定が行われる。ＥＣＵ１１０は、圧力センサ３８から出力されているバイパス弁２６の上流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐａを読み取る。

ステップＳ６０では、圧力の比較処理が行われる。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ１８で読み取った圧力Ｐａと、予め設定されて内蔵メモリ又は外部メモリに記憶されている圧力下限値Ｐ５と圧力上限値Ｐ６と比較する。圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ６より低く、圧力下限値Ｐ５より高い場合にはステップＳ４０に処理を戻し、ステップＳ４０からの処理を繰り返す。そうでない場合にはステップＳ６２に処理を移行させる。

ステップＳ６２では、開度とステップ数との対応データ（開度−ステップ数マップ）の書き換え処理を行う。すなわち、ステップＳ２０において圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ６以上であった場合にはバイパス弁２６の実際の開度がステップＳ５０で確定された開度まで到達していないものとして、開度とステップ数との対応データにおける各開度に対するステップ数を増加させるように書き換える。すなわち、各開度に対してよりバイパス弁２６が開く傾向となるように開度とステップ数との対応データをシフトさせる。一方、ステップＳ６０において圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ５以下であった場合にはバイパス弁２６の実際の開度がステップＳ５０で確定された開度より大きくなっているものとして、開度とステップ数との対応データにおける各開度に対するステップ数を減少させるように書き換える。すなわち、各開度に対してよりバイパス弁２６が閉まる傾向となるように開度とステップ数との対応データをシフトさせる。

以上のように、回生ブレーキ電力消費時においてＥＣＵ１１０における開度調整信号に対するバイパス弁２６の実際の開度の誤差を低減する調整を行うことができる。

＜システム停止時の開度調整処理＞
次に、システム停止時のバイパス弁２６の開度調整処理について説明する。図５は、システム停止時におけるバイパス弁２６の開度調整処理のフローチャートを示す。図５における各ステップは、ＥＣＵ１１０から出力される信号によって酸化ガス供給系システム１０４等を制御することによって行われる。

ステップＳ７０では、燃料電池システム１００の停止の指示を受けて、掃気処理が行われる。燃料電池システム１００が電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されている場合、例えば、イグニッションキーの操作に伴ってシステム停止が指示される。ＥＣＵ１１０は、システム停止の指示を受けると、燃料電池１０２内の水分等を除去するための掃気処理を行う。掃気処理については、従来の方法と同様であるので詳細な説明は省略する。

ステップＳ７２では、バイパス弁２６の開度を確定する。ＥＣＵ１１０は、システム停止に伴ってバイパス弁２６の開度を確定する。例えば、バイパス弁２６の開度は、システム停止時に対して予め定められた値とする。

ステップＳ７４では、確定されたバイパス弁２６の開度に対応するステッピングモータ５２のステップ数を求めてバイパス弁２６の開度を制御する。ステップ数はＥＣＵ１１０で決定される。ＥＣＵ１１０は、内蔵メモリ又は外部メモリに記憶されている開度とステップ数との対応データ（開度−ステップ数マップ）を参照し、ステップＳ７２において確定した開度に対応するステップ数を読み出す。開度とステップ数との対応データは、ある程度適切なデータを予め定めておけばよく、例えば、バイパス弁２６（ステッピングモータ５２）の種類毎に予め定められた定格データやシステム起動時又は回生動作時に上記開度調整されたデータとすればよい。ＥＣＵ１１０は、決定したステップ数を示す開度調整信号をバイパス弁２６へ出力する。これによりバイパス弁２６のステッピングモータ５２が開度調整信号で示されるステップ数だけ回転させられ、バイパス弁２６がステップＳ７２で確定された開度に対応するであろう開度に調整される。

ステップＳ７６では、酸化ガスの圧力を調整する。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ７８において設定される圧縮機２２の回転数及びステップＳ７２で求められたバイパス弁２６の開度において酸化ガスの圧力が圧力下限値Ｐ７と圧力上限値Ｐ８の範囲となるように圧力調整弁３６を調整する。例えば、圧縮機２２の回転数とバイパス弁２６の開度とに対応付けて圧力下限値Ｐ７と圧力上限値Ｐ８の範囲となる圧力調整弁３６の調整値を予め求めておき、ＥＣＵ１１０の内蔵メモリ又は外部メモリに記憶させておけばよい。より具体的には、圧力調整弁３６を完全に閉めた状態としてもよい。

ステップＳ７８では、圧縮機２２が起動される。ＥＣＵ１１０は、圧縮機２２に対して所定の回転数となるように制御信号を出力する。これによって、圧縮機２２は所定の回転数で運転される。

ステップＳ８０では、酸化ガスの圧力の測定が行われる。ＥＣＵ１１０は、圧力センサ３８から出力されているバイパス弁２６の上流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐａを読み取る。

ステップＳ８２では、圧力の比較処理が行われる。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ８０で読み取った圧力Ｐａと、予め設定されて内蔵メモリ又は外部メモリに記憶されている圧力下限値Ｐ７と圧力上限値Ｐ８とを比較する。圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ８より低く、圧力下限値Ｐ７より高い場合にはステップＳ８６に処理を移行させ、そうでない場合にはステップＳ８４に処理を移行させる。

ステップＳ８４では、開度とステップ数との対応データ（開度−ステップ数マップ）の書き換え処理を行う。すなわち、ステップＳ８２において圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ８以上であった場合にはバイパス弁２６の実際の開度がステップＳ７２で確定された開度まで到達していないものとして、開度とステップ数との対応データにおける各開度に対するステップ数を増加させるように書き換える。すなわち、各開度に対してよりバイパス弁２６が開く傾向となるように開度とステップ数との対応データをシフトさせる。一方、ステップＳ８２において圧力Ｐａが圧力上限値Ｐ７以下であった場合にはバイパス弁２６の実際の開度がステップＳ７２で確定された開度より大きくなっているものとして、開度とステップ数との対応データにおける各開度に対するステップ数を減少させる。すなわち、各開度に対してよりバイパス弁２６が閉まる傾向となるように開度とステップ数との対応データをシフトさせる。

このように開度とステップ数との対応データを書き換えた後、ステップＳ７４に処理を戻し、ステップＳ７４〜Ｓ８４の処理を繰り返す。これによって、ＥＣＵ１１０によって生成される開度調整信号とバイパス弁２６の実際の開度との誤差を許容範囲に設定することができる。

ステップＳ８６では、シャット弁を閉める処理を行う。ＥＣＵ１１０は、供給弁３０に対して閉信号を出力する。ここでは、加湿器バイパス弁３４は閉じられているものとする。これによって、供給弁３０の入口側圧力が所定値以下になると供給弁３０が閉状態となる。また、ＥＣＵ１１０は、経過時間の測定のために内蔵タイマ又は外部タイマからシャット弁を閉制御した時刻Ｔ₀を取得する。

ステップＳ８８では、シャット弁の閉動作からの経過時間の判定を行う。ＥＣＵ１１０は、内蔵タイマ又は外部タイマから取得する現時刻Ｔ_Rを取得する。ＥＣＵ１１０は、現時刻Ｔ_Rから時刻Ｔ₀を減算して、ステップＳ８６においてシャット弁（供給弁３０）を閉制御してからの経過時間Ｔを算出する。そして、経過時間Ｔが所定の時間閾値Ｔ２より大きければ、シャット弁の閉制御において異常が発生したものとしてステップＳ９０に処理を移行させ、異常発生時における処理を実行する。異常発生時における処理は、例えば、ユーザ（運転者）等に警告を行ったり、燃料電池１０２の代替システムに切り換えたりする等の処理が挙げられる。経過時間Ｔが所定の時間閾値Ｔ２以下であれば、ステップＳ９２へ処理を移行させる。

ステップＳ９２では、酸化ガスの圧力の測定を行なう。ＥＣＵ１１０は、圧力センサ４０から出力されている燃料電池１０２の下流側の流路内の酸化ガスの圧力Ｐｂを読み取る。

ステップＳ９４では、酸化ガスの圧力が正しく低下しているか否かを判定する。ＥＣＵ１１０は、ステップＳ９２で測定した酸化ガスの圧力Ｐｂが所定の基準下限値Ｐ９から基準上限値Ｐ１０の範囲に収まっているか否かを判定する。圧力Ｐｂが基準下限値Ｐ９から基準上限値Ｐ１０の範囲にある場合にはシャット弁（供給弁３０）が正常に動作しているものとして処理をステップＳ９６へ移行させる。一方、圧力Ｐｂが基準値Ｐ９以下である場合又は基準値Ｐ１０以上である場合には、ステップＳ８８へ処理を戻し、ステップＳ８８〜Ｓ９４の処理を繰り返す。

ステップＳ９６では、シャット弁を閉める処理を行う。ＥＣＵ１１０は、排気弁３２に対して閉信号を出力する。これによって、排気弁３２の入口側圧力が所定値以下になると排気弁３２が閉状態となる。

以上のように、システム停止時においてＥＣＵ１１０における開度調整信号に対するバイパス弁２６の実際の開度の誤差を低減する調整を行うことができる。

１０燃料ガス用ポンプ、１１気液分離器、１２ラジエータ、１４三方弁、１６ポンプ、１８イオン交換器、２０エアフィルタ、２２圧縮機、２４冷却器、２６バイパス弁、２８加湿器、３０供給弁、３２排気弁、３４加湿器バイパス弁、３６圧力調整弁、３８，４０圧力センサ、４２マフラー、５０ハウジング、５０ａガス入口、５０ｂガス出口、５０ｃバルブ面、５２ステッピングモータ、５４モータロッド、５６ポペット、５６ａ先端部、１００燃料電池システム、１０２燃料電池、１０４酸化ガス供給系システム、１０６燃料ガス供給系システム、１０８冷却系システム、１１４モータ・ジェネレータ、１１５二次電池。

Claims

燃料電池への酸化ガスを供給／遮断するシャット弁と、
ステッピングモータによって開度が調整され、前記燃料電池への酸化ガスの流れをバイパスするバイパス弁と、
前記ステッピングモータのステッピング数を制御することによってバイパス弁の開度を調整する制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、
システム運転中に、前記燃料電池への酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力に基づいて、前記制御部が指令した前記バイパス弁の開度と前記バイパス弁の実際の開度との差異を調整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、
システム起動時に前記シャット弁を開状態とする前に、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行う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、
前記シャット弁を開状態とする前に前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させ、前記バイパス弁が所定の開度となるように前記ステッピングモータを制御した状態において、前記圧縮機と前記バイパス弁との間の酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力が所定の圧力上限値以上又は所定の圧力下限値以下となっている場合に、前記制御部で用いられる前記ステッピングモータのステッピング数と前記バイパス弁の開度とを対応付ける関係を変更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、
前記燃料電池によってモータ・ジェネレータを駆動する構成であり、
前記モータ・ジェネレータが回生状態にある時に、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させた状態において、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記モータ・ジェネレータの回生電力によって二次電池を充電可能な構成であり、
前記モータ・ジェネレータが回生状態にある時に、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって前記二次電池を充電できない場合に、前記モータ・ジェネレータの回生電力によって前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させた状態において、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。
請求項４又は５に記載の燃料電池システムであって、
前記圧縮機の回転数、前記バイパス弁の開度及び前記酸化ガスの流路に設けられた圧力調整弁の開度を消費電力の狙い値に応じた値とした状態において、
前記圧縮機と前記バイパス弁との間の酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力が所定の圧力上限値以上又は所定の圧力下限値以下となっている場合に、前記制御部で用いられる前記ステッピングモータのステッピング数と前記バイパス弁の開度とを対応付ける関係を変更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、
システム停止時に前記シャット弁を閉状態とする前に、前記流路内の酸化ガスの圧力に基づいて前記バイパス弁の開度の調整を行う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、
前記シャット弁を開状態とする前に前記燃料電池へ酸化ガスを圧縮供給する圧縮機を所定の回転数で駆動させ、前記バイパス弁が所定の開度となるように前記ステッピングモータを制御し、前記酸化ガスの流路に設けられた圧力調整弁を所定の開度に制御した状態において、前記圧縮機と前記バイパス弁との間の酸化ガスの流路内の酸化ガスの圧力が所定の圧力上限値以上又は所定の圧力下限値以下となっている場合に、前記制御部で用いられる前記ステッピングモータのステッピング数と前記バイパス弁の開度とを対応付ける関係を変更することを特徴とする燃料電池システム。