JP6064623B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、コンプレッサから吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタックでの発電に不要な分をバイパス通路を介してカソードガス排出通路に排出することで、燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量（実スタック供給流量）を発電要求に応じて設定される目標スタック供給流量に制御するものがある（特許文献１参照）。

特開２００９−１２３５５０号公報

前述した従来の燃料電池システムは、以下のようにして、コンプレッサと、バイパス通路に設けられたバイパス弁と、を制御していた。

まずコンプレッサ制御では、検出された実スタック供給流量と、燃料電池スタックの要求に基づいて算出された目標スタック供給流量と、に基づいて、実スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのスタック要求コンプレッサ供給流量を算出していた。そして、このスタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池システムの運転状態に応じて定まる下限流量との大きいほうを、目標コンプレッサ供給流量として設定し、設定した目標コンプレッサ供給流量となるようにコンプレッサを制御していた。

一方で、バイパス弁制御では、実スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、に基づいて、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるように、バイパス弁を制御していた。

そのため、目標コンプレッサ供給流量として下限流量が選択されたときに、バイパス弁制御が実施されて、バイパス弁が開かれることになる。

ここで、このようなバイパス弁制御を実施する燃料電池システムでは、特にバイパス弁の開度分解能が粗い場合などに、目標コンプレッサ供給流量として下限流量が選択されてバイパス弁制御を実施しているときに、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができずに、目標スタック供給流量付近でバイパス弁の開閉が繰り返されてしまうことがある。そうすると、バイパス弁がステッピングモータのような場合には異音が生じることが懸念される。そこで、このようなバイパス弁の開閉を防止するために、実スタック供給流量が目標スタック供給流量付近となったとき（バイパス弁規制範囲内に収まったとき）に、バイパス弁を固定することが挙げられる。

しかしながら、このような方法でバイパス弁を開いたまま固定しまうと、バイパス弁を固定した後に目標コンプレッサ供給流量としてスタック要求コンプレッサ供給流量が選択されたときに、コンプレッサ制御によって実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにコンプレッサが制御され、実スタック供給流量がバイパス弁規制範囲内に収まったままになってしまうことがある。

そうすると、バイパス弁を閉じることができる状態であるにもかかわらず、バイパス弁が開かれたままとなってしまうので、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス流量分だけ増加してしまい、コンプレッサの消費電力が大きくなって燃費が悪化することが懸念される。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、上記の不都合を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、コンプレッサを用いたカソードガスのバイパス方式を用いた燃料電池システムに適用され、次のように、コンプレッサの制御とバイパス弁の制御を行う。

まず、コンプレッサ制御は、検出された実スタック供給流量と、燃料電池スタックの要求に基づいて算出された目標スタック供給流量と、に基づいて、実スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのスタック要求コンプレッサ供給流量を算出する。そして、このスタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池システムの運転状態に応じて定まる下限流量との大きいほうを、目標コンプレッサ供給流量として設定し、設定した目標コンプレッサ供給流量となるようにコンプレッサを制御する。

一方で、バイパス弁制御は、検出された実スタック供給流量と、燃料電池スタックの要求に基づいて算出された目標スタック供給流量と、に基づいて、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるように、バイパス弁を制御する。

本発明は、このようなコンプレッサ制御とバイパス弁制御とを備えるものにおいて、実スタック供給流量が、目標スタック供給流量を基準として設定される所定のバイパス弁規制範囲内に収まったときに、バイパス弁を固定し、又はバイパス弁の駆動を制限する、そして、このようにしてバイパス弁が規制された後は、スタック要求コンプレッサ供給流量が、下限流量よりも所定値以上大きくなったときに、バイパス弁の規制を解除する。

本発明について、目標コンプレッサ供給流量として、燃料電池スタックの要求に応じたスタック要求コンプレッサ供給流量が選択され、実コンプレッサ供給流量がスタック要求コンプレッサ供給流量となるように制御されている状態から、燃料電池スタックの要求が小さくなってスタック要求コンプレッサ供給流量が下限流量よりも小さくなり、目標コンプレッサ供給流量として下限流量が選択された後、再びスタック要求コンプレッサ供給流量が下限流量よりも大きくなって目標コンプレッサ供給流量としてスタック要求コンプレッサ供給流量が再選択されるシーンを用いて説明する。

目標コンプレッサ供給流量として下限流量が選択された場合、コンプレッサは燃料電池スタックに対して発電に必要な流量（目標スタック供給流量）以上のカソードガスを流し始めることになる。そこで、燃料電池スタックにとって不要な流量分のカソードガスをバイパスさせて実スタック供給流量を目標スタック供給流量に制御するために、実スタック供給流量と目標スタック供給流量とに基づいて、バイパス弁の開弁が開始されることになる。

ここで、バイパス弁の開弁は、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きい状態から開始されるのだが、本発明では、実スタック供給流量が目標スタック供給流量を基準とした所定のバイパス弁規制範囲内に収まったときにバイパス弁を固定し、又はバイパス弁の駆動を制限する。そのため、目標スタック供給流量付近でバイパス弁の開閉が繰り返されてしまうのを抑制できる。

一方で、上記の通りバイパス弁を規制すると、目標コンプレッサ供給流量としてスタック要求コンプレッサ供給流量が再選択されたときに、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにコンプレッサが制御されて、実スタック供給流量がバイパス弁規制範囲内に収まったままとなってしまう。そのため、バイパス弁を閉じることができる状態にもかかわらず、バイパス弁が開かれたまま、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにコンプレッサが制御されることになる。そうすると、スタック要求コンプレッサ供給流量が、目標スタック供給流量にさらにバイパス流量を加えたものになってしまうので、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス流量分だけ増加してしまい、コンプレッサの消費電力が大きくなって燃費が悪化するが、本発明では、この不都合を次のようにスタック要求コンプレッサ供給流量が、下限流量よりも所定値以上大きくなったときにバイパス弁の規制を解除することで解決する。

すなわち、スタック要求コンプレッサ供給流量が下限流量よりも大きくなって、目標コンプレッサ供給流量としてスタック要求コンプレッサ供給流量が再選択されたときは、このスタック要求コンプレッサ供給流量が下限流量よりも所定値以上大きくなったときにバイパス弁の規制を解除することで、たとえバイパス弁が開かれたまま実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるようにコンプレッサが制御されて実スタック供給流量がバイパス弁規制範囲内に収まっていても、バイパス弁の規制を解除してバイパス弁を閉じることができる。その結果、バイパス弁が閉じられたことによって実スタック供給流量が増加するので、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に向けて低下させるべくコンプレッサ制御が実施されて、スタック要求コンプレッサ供給流量が低下する。そのため、コンプレッサ消費電力が低減するので、燃費の悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。 本実施形態によるカソード系の制御ブロックを示したものである。 コントローラがバイパス弁固定解除信号出力部で実施する制御内容について説明するフローチャートである。 コントローラがバイパス弁固定信号出力部で実施する制御内容について説明するフローチャートである。 本実施形態によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。 比較例によるカソード系の制御の動作を示すタイムチャートである。

以下、図面等を参照して本発明の一実施形態について説明する。

燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２０と、フィルタ２１と、カソードコンプレッサ２２と、カソードガス排出通路２３と、カソード調圧弁２４と、バイパス通路２５と、バイパス弁２６と、第１流量センサ４１と、第２流量センサ４２と、圧力センサ４３と、温度センサ４４と、を備える。

カソードガス供給通路２０は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２０は、一端がフィルタ２１に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２１は、カソードガス供給通路２０に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２０に設けられる。カソードコンプレッサ２２は、フィルタ２１を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２０に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソードガス排出通路２３は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２３は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。

カソード調圧弁２４は、カソードガス排出通路２３に設けられる。カソード調圧弁２４は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

バイパス通路２５は、カソードコンプレッサ２２から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２３に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２５は、一端がカソードコンプレッサ２３よりも下流のカソードガス供給通路２１に接続され、他端がカソード調圧弁２４よりも下流のカソードガス排出通路２４に接続される。

バイパス弁２６は、その開度が単位開度ごとに段階的に変化する開閉弁であって、バイパス通路２５に設けられる。バイパス弁２６は、コントローラ４によって開閉制御されて、バイパス通路２５を流れるカソードガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を調節する。

第１流量センサ４１は、カソードコンプレッサ２３よりも上流のカソードガス供給通路２０に設けられる。第１流量センサ４１は、コンプレッサ２３に供給（吸入）されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ供給流量」という。）を検出する。

第２流量センサ４２は、バイパス通路２６との接続部よりも下流のカソードガス供給通路２０、すなわち、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔近傍のカソード供給通路２０に設けられる。第２流量センサ４２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。

圧力センサ４３は、バイパス通路２６との接続部よりも下流のカソードガス供給通路２０、すなわち、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔近傍のカソード供給通路２０に設けられる。圧力センサ４３は、燃料電池スタック１の入口圧（以下「スタック入口圧」という。）を検出する。

温度センサ４４は、カソードコンプレッサ２３の吐出側近傍のカソードガス供給通路２０に設けられる。温度センサ４４は、カソードコンプレッサ２３から吐出されたカソードガスの温度（以下「吸気温度」という。）を検出する。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２３に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２３に接続される。

アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２３に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２３内でカソードオフガス及びバイパス通路２６を流れてきたカソードガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガス（水素）が含まれているので、このようにカソードオフガス及びカソードガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ４によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２３に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４には、前述した第１流量センサ４１や第２流量センサ４２、圧力センサ４３、温度センサ４４の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）４５や、大気圧を検出する大気圧センサ４６などの各種センサからの信号が入力される。

コントローラ４は、これらの入力信号に基づいて、発電要求、希釈要求及びサージ要求の３つの要求を満足するように、カソードコンプレッサ２２及びバイパス弁２６を制御する。

発電要求は、駆動モータなどの燃料電池システム１００の各電気部品が要求する電力（以下「要求発電電力」という。）を燃料電池スタック１で発電するという要求である。希釈要求は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガス中の水素濃度を所定濃度以下にするという要求である。サージ要求は、サージ（コンプレッサ供給流量が激しく振動してカソードコンプレッサ２２から異音が生じる現象）が発生しないようにするという要求である。

つまりコントローラ４は、発電要求を満足させるために必要なコンプレッサ供給流量（以下「スタック要求コンプレッサ供給流量」という。）、希釈要求を満足させるために必要なコンプレッサ供給流量（以下「希釈要求コンプレッサ供給流量」という。）、及び、サージ要求を満足させるために必要なコンプレッサ供給流量（以下「サージ要求コンプレッサ供給流量」という。）のうち、最も大きいものを目標コンプレッサ供給流量として設定し、コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量となるようにカソードコンプレッサ２２を制御する。

そして、希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されたときは、発電要求を満足させるために必要なコンプレッサ供給流量（すなわちスタック要求コンプレッサ供給流量）以上のカソードガスをカソードコンプレッサ２２によって供給しなければならなくなるので、発電に不要な余剰なカソードガスが燃料電池スタック１に供給されることになる。そのため、コントローラ４は、希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されたときは、発電に不要な余剰なカソードガスがバイパス通路２５へ流れるようにバイパス弁２６の開度を制御する。

以下、図２を参照して、この本実施形態によるカソード系の制御について説明する。

図２は、本実施形態によるカソード系の制御ブロックを示した図である。

本実施形態によるカソード系の制御ブロックは、発電要求スタック供給流量算出部１０１と、目標スタック供給流量設定部１０２と、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３と、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４と、カソードコンプレッサ制御部１０５と、バイパス弁制御部１０６と、バイパス弁固定解除信号出力部１０７と、バイパス弁固定信号出力部１０８と、を備える。

発電要求スタック供給流量算出部１０１には、燃料電池スタック１の実発電電力と、燃料電池スタック１の負荷に応じて設定される要求発電電力と、が入力される。発電要求スタック供給流量算出部１０１は、実発電電力を要求発電電力にするために必要なスタック供給流量を到達発電要求スタック供給流量として設定し、その設定した到達発電要求スタック供給流量に向けてスタック供給流量を変化させる際の目標値を、発電要求スタック供給流量として算出する。

目標スタック供給流量設定部１０２には、発電要求スタック供給流量と、湿潤要求スタック供給流量と、が入力される。ここで湿潤要求スタック供給流量は、電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の負荷に応じた最適な湿潤度（要求湿潤度）に制御するために必要なスタック供給流量である。目標スタック供給流量設定部１０２は、発電要求スタック流量と、湿潤要求スタック供給流量と、のうちの大きいほうを目標スタック供給流量として設定する。このように、目標スタック供給流量設定部１０２は、燃料電池スタック１の負荷に応じた最適なスタック供給流量を目標スタック供給流量として設定する。

スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３には、第２流量センサ４２で検出されたスタック供給流量（以下「実スタック供給流量」という。）と、目標スタック供給流量と、が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３は、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に基づいて、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に向けて変化させるためのコンプレッサ供給流量の目標値を、スタック要求コンプレッサ供給流量として算出する。具体的には、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に比例する成分と、目標スタック流量と実スタック流量との偏差を時間積分した成分と、に応じたＰＩ制御を実施して、スタック要求コンプレッサ供給流量を算出する。

なお、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３では、操作量としてのスタック要求コンプレッサ供給流量が下限値に飽和したときは、過剰な積分演算による振動（いわゆるワインドアップ現象）を防止するため、スタック要求コンプレッサ供給流量が下限値よりも大きくなる積分演算のみを実施し、スタック要求コンプレッサ供給流量が下限値よりも小さくなる積分演算を停止するＰＩ制御が実施される。

目標コンプレッサ供給流量設定部１０４には、燃料電池スタック１の負荷に応じて定まる希釈要求コンプレッサ供給流量と、カソードコンプレッサ２３がサージ領域に入るのを回避するためにカソードコンプレッサ２３の流量及び吐出圧力等に応じて定まるサージ要求コンプレッサ供給流量と、スタック要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量設定部１０４は、希釈要求コンプレッサ供給流量、サージ要求コンプレッサ供給流量、及び、スタック要求コンプレッサ供給流量のうち、最も大きいものを、目標コンプレッサ供給流量として設定する。

このように、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４では、希釈要求コンプレッサ供給流量、サージ要求コンプレッサ供給流量、及び、スタック要求コンプレッサ供給流量のうち、最も大きいものが目標コンプレッサ供給流量として設定される。したがって、希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３からすれば、操作量としてのスタック要求コンプレッサ供給流量が下限値（ここでは希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量）に飽和した状態と等価となる。

そのため、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３において、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量よりも小さくなる積分演算は停止されることになる。

つまり、目標コンプレッサ供給流量設定部１０４において希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定されているときは、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３では、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さいとき（スタック要求コンプレッサ流量を大きくする必要があるとき）のみ目標スタック流量と実スタック流量との偏差の時間積分が実施される。そして、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きいとき（スタック要求コンプレッサ流量を小さくする必要があるとき）は、目標スタック流量と実スタック流量との偏差の時間積分が停止される。

カソードコンプレッサ制御部１０５には、第１流量センサ４１で検出されたコンプレッサ供給流量（以下「実コンプレッサ供給流量」という。）と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部１０５は、実コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量となるように、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量との偏差に基づいて、カソードコンプレッサ２２に対する制御信号を出力する。具体的には、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量との偏差に比例する成分と、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量との偏差を時間積分した成分と、に応じたＰＩ制御を実施してカソードコンプレッサ２２に対する制御信号を出力する。

バイパス弁制御部１０６には、実スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、バイパス弁固定信号と、が入力される。バイパス弁制御部１０６は、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に基づいてバイパス弁２６の駆動信号を出力し、バイパス弁固定信号が出力されているときはバイパス弁２６の駆動を禁止する。具体的には、目標スタック流量と実スタック流量との偏差に比例する成分と、目標スタック流量と実スタック流量との偏差を時間積分した成分と、に応じたＰＩ制御を実施してバイパス弁操作量を算出し、このバイパス弁操作量が所定量を超えたときにバイパス弁２６の駆動信号を出力する。

バイパス弁固定解除信号出力部１０７には、目標スタック供給流量と、希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量の大きい方（以下「下限流量」という。）と、が入力される。バイパス弁固定解除信号出力部１０７は、これらの入力信号に基づいて、バイパス弁２６の固定を解除するためのバイパス弁固定解除信号を出力する。バイパス弁固定解除信号出力部１０７の詳細な制御内容については、図３のフローチャートを参照して後述する。

バイパス弁固定信号出力部１０８には、実スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、バイパス弁固定解除信号と、が入力される。バイパス弁固定信号出力部１０８は、これらの入力信号に基づいて、バイパス弁２６の駆動を禁止してバイパス弁２６を現在位置に固定するためのバイパス弁固定信号と、バイパス弁２６の駆動信号と、を出力する。バイパス弁固定信号出力部１０８の詳細な制御内容については、図４のフローチャートを参照して後述する。

図３は、バイパス弁固定解除信号出力部１０７で実施される制御内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ４は、スタック要求コンプレッサ供給流量が、下限流量に所定値γを加えた値（以下「バイパス弁固定解除流量」という。）以上になったか否かを判定する。所定値γは、バイパス弁２６を単位開度だけ開いたときに、バイパス通路２５を通過するカソードガス流量の増量分よりもやや大きい値に設定される。コントローラ４は、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス弁固定解除流量以上であれば、ステップＳ２の処理を行う。一方で、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス弁固定解除流量未満であれば、ステップＳ３の処理を行う。

ステップＳ２において、コントローラ４は、バイパス弁固定解除信号をＯＮとする。

ステップＳ３において、コントローラ４は、バイパス弁固定解除信号をＯＦＦとする。

図５は、バイパス弁固定信号出力部１０８で実施される制御内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ１１において、コントローラ４は、バイパス弁固定解除信号がＯＮに設定されているか否かを判定する。コントローラ４は、バイパス弁固定解除信号がＯＮに設定されていれば、ステップＳ１２の処理を行う。一方で、バイパス弁固定解除信号がＯＦＦに設定されていれば、ステップＳ１５の処理を行う。

ステップＳ１２において、コントローラ４は、バイパス弁固定解除信号の前回値がＯＦＦであったか否かを判定する。コントローラ４は、バイパス弁固定解除信号の前回値がＯＦＦであればステップＳ１３の処理を行い、そうでなければステップＳ１４の処理を行う。

ステップＳ１３において、コントローラ４は、バイパス弁２６の駆動信号を出力し、バイパス弁２６を単位開度だけ閉じる。

ステップＳ１４において、コントローラ４は、バイパス弁固定信号をＯＦＦとする。

ステップＳ１５において、コントローラ４は、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内にあるか否かを判定する。バイパス弁固定範囲は、目標スタック供給流量に所定値αを加算した流量（以下「固定範囲上限流量」という。）を上限とし、目標スタック供給流量から所定値βを減算した流量（以下、「固定範囲下限流量」という。）を下限とする範囲である。

なお、所定値αは、実スタック供給流量を検出する第２流量センサ４２の検出誤差やフォードバック制御の制御誤差等を考慮して設定される微小値である。所定値βは、所定値αよりも大きい値であって、バイパス弁２６を単位開度だけ開いたときに、バイパス通路２５を通過するカソードガス流量の増量分にほぼ等しい値に設定される。コントローラ４は、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内にあれば、ステップＳ１６の処理を行う。一方で、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内になければ、ステップＳ１４の処理を行う。

ステップＳ１６において、コントローラ４は、バイパス弁固定信号をＯＮとする。

このように、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に収まったとき、すなわち、実スタック供給流量が目標スタック供給流量近傍まで制御されたときに、バイパス弁を固定するのは、以下の理由による。

本実施形態では、バイパス弁２６の開度を、単位開度ごとに段階的に大きくしていくことしかできない。そのため、目標コンプレッサ供給流量として希釈要求コンプレッサ供給流量又はサージ要求コンプレッサ供給流量が設定され、バイパス弁２６の開度を制御してスタック供給流量を目標スタック供給流量に制御する必要がある場合に、スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させることができないことがある。すなわち、バイパス弁２６を開くと実スタック供給流量が目標スタック供給流量を下回り、バイパス弁２６を閉じると実スタック供給流量が目標スタック供給流量を上回るような状態になることがある。

そうすると、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に一致させるために、バイパス弁２６の開閉が繰り返されて実スタック供給流量が目標スタック供給流量を跨いで上下する場合がある。その結果、コンプレッサ供給流量が上下に変動してカソードコンプレッサ２２に回転変動が生じ、カソードコンプレッサ２２から異音が発生するおそれがある。そのため、実スタック供給流量が目標スタック供給流量近傍まで制御されたときは、バイパス弁を固定することで、バイパス弁２６の開閉が繰り返されるのを防止することとしたのである。

ところが、下限流量、例えばサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定され、バイパス弁２６の開度を制御してスタック供給流量を目標スタック供給流量に制御している最中に、スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として再設定される場合がある。この場合、バイパス弁２６が開かれた状態のまま、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に制御されて実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に収まり、バイパス弁２６が固定されてしまうことがある。

そうすると、バイパス弁２６を閉じることができる状態になってもバイパス弁２６が開かれたまま固定されることがあり、コンプレッサ供給流量が必要以上に大きくなってしまうおそれがある。そこで本実施形態では、このようなシーンでバイパス弁２６を閉じることができるように、バイパス弁固定解除信号を設けたのである。

以下では、図６を参照して、まずバイパス弁固定解除信号を設けなかった場合のカソード系の制御の動作を比較例として説明する。その後、図５を参照して、本実施形態によるカソード系の制御の動作について説明する。

図６は、バイパス弁固定解除信号を設けなかった場合の比較例によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。

時刻ｔ１で、例えばアクセル操作量が減少して要求発電電力が低下し、到達発電要求スタック供給流量が低下すると、到達発電要求スタック供給流量に向かって目標スタック供給流量（発電要求スタック供給流量）が低下していく（図６（Ａ））。その結果、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きくなるので、スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１０３で算出されるスタック要求コンプレッサ供給流量も低下していく（図６（Ｂ））。なお、ここでは、発電要求スタック供給流量が湿潤要求スタック供給流量よりも大きいことを前提に説明している。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、スタック要求コンプレッサ供給流量がサージ要求コンプレッサ供給流量及び図示しない希釈要求コンプレッサ供給流量よりも大きいので、スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定される（図６（Ｂ））。その結果、実コンプレッサ供給流量が、スタック要求コンプレッサ供給流量となるように応答性の良いカソードコンプレッサ２２が制御されるので、実スタック供給流量が目標スタック供給流量にほぼ追従するように低下する（図６（Ａ））。

時刻ｔ２で、スタック要求コンプレッサ供給流量がサージ要求コンプレッサ供給流量を下回ると、サージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定される。そうすると、実コンプレッサ供給流量がサージ要求コンプレッサ供給流量となるように、カソードコンプレッサ２２が制御される（図６（Ｂ））。そのため、時刻ｔ２からは、実スタック供給流量は目標スタック供給流量に追従せず、サージ要求コンプレッサ供給流量に追従して低下することになる（図６（Ａ））。

これにより、目標スタック供給流量と実スタック供給流量との偏差が拡大していくことになるので（図６（Ａ））、バイパス弁制御部１０６のＰＩ制御によって算出されるバイパス弁操作量が徐々に大きくなっていく。なお、以下の説明において特に区別する必要があるときは、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも大きいときに算出されるバイパス弁操作量のことを「開き側バイパス弁操作量」といい、実スタック供給流量が目標スタック供給流量よりも小さいときに算出されるバイパス弁操作量のことを「閉じ側バイパス弁操作量」という。

そして、時刻ｔ３及び時刻ｔ４で、それぞれ開き側バイパス弁操作量が所定量を超えると、バイパス弁２６の駆動信号が出力され、バイパス弁２６が単位開度だけ開かれる（図６（Ｄ））。

時刻ｔ５で、スタック要求コンプレッサ供給流量がサージ要求コンプレッサ供給流量を上回ると（図６（Ｂ））、再びスタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定される。その結果、時刻ｔ５以降は、実スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差を無くすように、スタック要求コンプレッサ供給流量が低下し（図６（Ｂ））、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に向けて低下していく（図６（Ａ））。そして、実スタック供給流量が固定範囲上限流量を下回って、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に収まると（図６（Ａ））、バイパス弁固定信号がＯＮとなり（図６（Ｃ））、バイパス弁２６が現在位置に固定される。

時刻ｔ６で、実スタック供給流量が目標スタック供給流量まで低下したことに伴って、スタック要求コンプレッサ供給流量が一定となる（図６（Ａ）（Ｂ））。

このように、下限流量、例えばサージ要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定され、バイパス弁２６の開度を制御してスタック供給流量を目標スタック供給流量に制御している最中に、スタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として再設定されると、バイパス弁２６が開かれた状態のまま、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に制御されて実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に収まり、バイパス弁２６が固定されてしまうことがある。

そうすると、時刻ｔ６以降、サージ要求コンプレッサ供給流量の低下に伴い、バイパス流量（バイパス通路２６を流れるカソードガス流量）の目標値（以下「目標バイパス流量」という。ここでは、サージ要求コンプレッサ供給流量から目標スタック供給流量を引いた値となる。）が低下していっても、バイパス弁２６を閉じることができなくなってしまう。つまり、バイパス弁２６を閉じて、スタック要求コンプレッサ供給流量を低下させることができる状態になっても、バイパス弁２６を閉じることができないために、バイパス流量分だけ必要以上にコンプレッサ供給流量が増加してしまうことになる。その結果、燃費が悪化する。

そこで本実施形態では、このような問題を解決すべく、バイパス弁固定解除信号を設けたのである。

図５は、バイパス弁固定解除信号を設けた本実施形態によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。以下の説明では、図３及び図４のフローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ１から時刻ｔ６までの動作は比較例と同様なので、ここでは説明を省略する。

時刻ｔ６で、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に一致し、スタック要求コンプレッサ供給流量が一定になった後、時刻ｔ７で、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス弁固定解除流量（＝サージ要求コンプレッサ供給流量＋所定値γ）以上になると（図５（Ｂ））、バイパス弁固定解除信号がＯＮとなり（図５（Ｃ）；Ｓ１でＹｅｓ、Ｓ２）、バイパス弁固定解除信号の前回値がＯＦＦであったか否かが判定される（Ｓ１１でＹｅｓ、Ｓ１２）。時刻ｔ７以前は、バイパス弁固定解除信号はＯＦＦなので、時刻ｔ７でバイパス弁固定解除信号がＯＮになったことに伴ってバイパス弁２６が閉じられ、さらにバイパス弁固定信号がＯＦＦとなる（図５（Ｄ）（Ｅ）；Ｓ１２でＹｅｓ、Ｓ１３、Ｓ１４）。このとき、本実施形態では、所定値γを、バイパス弁２６を単位開度だけ開いたときにバイパス通路２５を通過するカソードガス流量の増量分よりもやや大きい値に設定しているので、バイパス弁２６を閉じることで、バイパス流量を目標バイパス流量の近傍に制御することができる。

そして、時刻ｔ７でバイパス弁２６が単位開度だけ閉じられると、その分、実スタック供給流量が増加する（図５（Ａ））。これにより、実スタック供給流量と目標スタック供給流量との間に偏差が生じるので、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるように、スタック要求コンプレッサ供給流量、ひいては実コンプレッサ供給流量が減少していく（図５（Ｂ））。また、閉じ側バイパス弁操作量も増加していく。

時刻ｔ８で、閉じ側バイパス弁操作量が所定量を超えると、再びバイパス弁２６が閉じられ、実スタック供給流量が増加する（図５（Ａ）（Ｅ））。その結果、時刻ｔ７のときと同様に、実スタック供給流量が目標スタック供給流量となるように、スタック要求コンプレッサ供給流量が減少していく（図５（Ｂ））。

そして、時刻ｔ９で、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス弁固定解除流量未満になると、バイパス弁固定解除信号がＯＦＦとなる（図５（Ｂ）（Ｃ）；Ｓ１でＮｏ、Ｓ２）。その結果、時刻ｔ９の時点では、実スタック供給流量が固定範囲上限流量を下回っており、実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に収まっているので、バイパス弁固定信号がＯＮとなる（図５（Ｂ）（Ｄ）；Ｓ１１でＮｏ、Ｓ１５でＹｅｓ、Ｓ１６）。

このように、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス弁固定解除流量以上になったときに（時刻ｔ７）、バイパス弁固定解除信号をＯＮにして、バイパス弁２６を閉じることで、スタック要求コンプレッサ供給流量、ひいては実コンプレッサ供給流量を減少させることができる。そのため、燃費の悪化を抑制することができる。

以上説明した本実施形態によれば、実スタック供給流量が、目標スタック供給流量を基準に設定される固定範囲下限流量から固定範囲上限流量までの間のバイパス弁固定範囲内に収まっているときは、バイパス弁２６の駆動を禁止してバイパス弁２６を固定することとした。

これにより、バイパス弁２６の開閉が繰り返されることによるコンプレッサ供給流量の振動を防止できる。そのため、カソードコンプレッサ２２の回転変動を抑制できるので、カソードコンプレッサ２２から異音が発生するのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、スタック要求コンプレッサ供給流量が、下限流量に所定値γを加算したバイパス弁固定解除流量以上になったときに、バイパス弁２６の固定を解除して、バイパス弁２６を閉じることにした。

これにより、バイパス弁２６が開かれた状態のまま、実スタック供給流量が目標スタック供給流量に制御されて実スタック供給流量がバイパス弁固定範囲内に収まり、バイパス弁２６が固定された場合であっても、スタック要求コンプレッサ供給流量がバイパス弁固定解除流量以上になったときにバイパス弁２６を閉じることができる。そのため、コンプレッサ供給流量が必要以上に大きくなってしまうのを抑制できるので、燃費の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、所定値γを、バイパス弁２６を単位開度だけ開いたときにバイパス通路２５を通過するカソードガス流量の増量分よりもやや大きい値に設定した。

これにより、バイパス弁解除信号がＯＮになってバイパス弁２６を閉じたときに、バイパス流量が所定値γ分、すなわち、単位開度分だけが減少するので、バイパス流量を目標とするバイパス流量に調節することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

上記実施形態では、所定値γを固定値にしていたが、スタック入口圧や吸気温度、大気圧に応じて補正するようにしても良い。具体的には、スタック入口圧が高くなるほど、また、吸気温度が低くなるほど、所定値γが大きくなるように補正し、大気圧が低いときほど、所定値γが小さくなるように補正しても良い。これは、スタック入口圧や吸気温度、大気圧に応じてバイパス流量が変化するためである。このように、スタック入口圧等に応じて所定値γを補正することで、バイパス弁固定解除信号がＯＮになっているときに、バイパス流量を制度良く目標とするバイパス流量に調節することができる。

また、上記実施形態では、目標スタック供給流量算出部１０３に、発電要求スタック供給流量と湿潤要求スタック供給流量とを入力していたが、これ以外に、燃料電池スタック１の負荷に応じて定まるフラッディング防止用のスタック供給流量を入力し、これらの最大値を目標スタック供給流量としても良い。

また、上記実施形態では、カソードコンプレッサ制御部１０５において、目標コンプレッサ供給流量と実コンプレッサ供給流量とに基づくフィードバック制御を実施していたが、目標コンプレッサ供給流量に基づくフィードフォワード制御を実施しても良い。

また、上記実施形態では、バイパス弁固定範囲内においてバイパス弁２６を固定していたが、バイパス弁２６の駆動速度を、その範囲外にあるときよりも遅くなるように規制しても良い。

１ 燃料電池スタック
２０ カソードガス供給通路
２２ カソードコンプレッサ（コンプレッサ）
２３ カソードガス排出通路
２５ バイパス通路
２６ バイパス弁
３４ アノードガス排出通路
４１ 第１流量センサ（スタック供給流量検出手段）
４２ 第２流量センサ（コンプレッサ供給流量検出手段）
１００ 燃料電池システム
１０２ 目標スタック供給流量算出部（目標スタック供給流量算出手段）
１０３ スタック要求コンプレッサ供給流量算出部（スタック要求コンプレッサ供給
流量算出手段）
１０４ 目標コンプレッサ供給流量設定部（目標コンプレッサ供給流量設定手段）
１０５ カソードコンプレッサ制御部（コンプレッサ制御手段）
１０６ バイパス弁制御部（バイパス弁制御手段）
１０７ バイパス弁固定解除信号出力部（規制解除手段）
１０８ バイパス弁固定信号出力部（規制手段）

Claims (7)

1. 燃料電池スタックにカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、
   前記燃料電池スタックに供給されたカソードガスを排出するためのカソードガス排出通路と、
   前記カソードガス供給通路に設けられるコンプレッサと、
   前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの一部を、前記燃料電池スタックを迂回させて前記カソードガス排出通路に排出するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられ、前記バイパス通路を流れるカソードガスの流量を調節するバイパス弁と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックに供給されるスタック供給流量を検出するスタック供給流量検出手段と、
   前記燃料電池スタックの要求に基づいて、前記燃料電池スタックに供給すべき目標スタック供給流量を算出する目標スタック供給流量算出手段と、
   前記スタック供給流量と、前記目標スタック供給流量と、に基づいて、前記スタック供給流量を前記目標スタック供給流量にするためのスタック要求コンプレッサ供給流量を算出するスタック要求コンプレッサ供給流量算出手段と、
   前記スタック要求コンプレッサ供給流量と、前記燃料電池システムの運転状態に応じて定まる下限流量と、の大きいほうを、コンプレッサ供給流量の目標値である目標コンプレッサ供給流量として設定する目標コンプレッサ供給流量設定手段と、
   前記目標コンプレッサ供給流量に応じて、前記コンプレッサを制御するコンプレッサ制御手段と、
   前記スタック供給流量と前記目標スタック供給流量とに基づいて、前記バイパス弁を制御するバイパス弁制御手段と、
   前記スタック供給流量が、前記目標スタック供給流量を基準として設定される所定のバイパス弁規制範囲内に収まったときに、前記バイパス弁を固定し、又は前記バイパス弁の駆動を制限する規制手段と、
   前記スタック要求コンプレッサ供給流量が、前記下限流量よりも所定値以上大きくなったときに、前記規制手段による前記バイパス弁の規制を解除する規制解除手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記規制解除手段によって前記バイパス弁の規制が解除されたときに、前記バイバス弁を閉じる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定値は、前記バイパス弁を単位開度開いたときの、前記バイパス通路をカソードガス流量の増量分よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定値は、前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの圧力が高くなるほど大きくなる可変値である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記所定値は、前記コンプレッサから吐出されたカソードガスの温度が低くなるほど大きくなる可変値である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記所定値は、大気圧が低いときほど小さくなる可変値である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記下限流量は、前記コンプレッサのサージを防止するために要求されるコンプレッサ供給流量、又は、排水素を希釈するために要求されるコンプレッサ供給流量の大きいほうである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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