(57)【要約】【課題】アノードからの排出ガスを再度アノードへ戻す燃料電池装置において、精度良く排出ガスの含水量を推定して排出ガスの循環量を制御することでアノードへの水分の供給過多を避ける。【解決手段】アノードに水素含有ガスを供給する燃料電池セルを積層する燃料電池スタックと、アノードからの排出ガスを可変容量ポンプにより再度アノードへ戻す循環路と、この循環路内に気液分離装置とこの気液分離装置の液水を排出する排水弁を有する燃料電池装置において、気液分離装置での流入水量と排水弁から排出した排水量とを推定する手段を有し、この差が大きいほどアノードへ戻す排出ガスの量を減少させてアノードへの水の供給過多を避ける、燃料電池装置。【選択図】図４
2010135194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸化ガスが供給されて発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記アノードから排出される排出ガスを可変容量ポンプにより再度前記アノードに供給するための循環路と、
当該循環路の前記可変容量ポンプの上流側に設けて前記排出ガスから水分を分離する気液分離装置と、
当該気液分離装置で分離した水分を排出する排水弁と、
前記可変容量ポンプの容量を制御するポンプ制御手段と、
を有する燃料電池装置において、
前記気液分離装置に流入する水分の流量である流入水流量を推定する手段と、
前記燃料電池スタックから排出した水分の流量である排水流量を推定する手段と、を有し、
前記ポンプ制御手段は、
前記流入水流量と前記排水流量との差が大きいほど前記可変容量ポンプの容量を減少させる、
燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置において、
前記ポンプ制御手段は、
前記可変容量ポンプの容量の減少量に制限を設ける、
燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の燃料電池装置において、
各前記燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記循環路中から前記排出ガス中の不純物を排出するガスパージ弁と、
当該ガスパージ弁の開閉を制御するガスパージ弁制御手段と、を備え、
当該ガスパージ弁制御手段は、
前記セル電圧検知手段により検知された電圧値が低下した場合に前記ガスパージ弁を開ける、燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載のいずれかの燃料電池装置において、
前記可変容量ポンプの負荷を検出する負荷検出手段を有し、
前記ポンプ制御手段は、
前記可変容量ポンプの負荷が大きい場合に、前記可変容量ポンプの容量を減少させる、燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載のいずれかの燃料電池装置において、
前記気液分離装置内の残水量を推定する残水量推定手段を有し、
前記ポンプ制御手段は、
推定した前記残水量が大きい場合に前記可変容量ポンプを駆動させない、燃料電池装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５に記載のいずれかの燃料電池装置において、
前記燃料電池スタックの水分滞留量を推定する水分滞留量推定手段を有し、
前記ポンプ制御手段は、
前記水分滞留量が多い場合に前記可変容量ポンプを駆動させる、燃料電池装置。
【請求項７】
アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸化ガスが供給されて発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記アノードから排出される排出ガスを可変容量ポンプにより再度前記アノードに供給するための循環路と、
当該循環路の前記可変容量ポンプの上流側に設けて前記排出ガスから水分を分離する気液分離装置と、
当該気液分離装置で分離した水分を排出する排水弁と、
前記可変容量ポンプの容量を制御するポンプ制御手段と、
を有する燃料電池装置において、
前記燃料電池スタックの電流を検出する電流検出手段を有し、
前記ポンプ制御手段は、
前記電流が大きいほど前記可変容量ポンプの容量を減少させる、
燃料電池装置。
【請求項８】
アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸化ガスが供給されて発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記アノードから排出される排出ガスを可変容量ポンプにより再度前記アノードに供給するための循環路と、
当該循環路の前記可変容量ポンプの上流側に設けて前記排出ガスから水分を分離する気液分離装置と、
当該気液分離装置で分離した水分を排出する排水弁と、
前記可変容量ポンプの容量を制御するポンプ制御手段と、
を有する燃料電池装置において、
前記排出ガスの密度推定手段を有し、
前記ポンプ制御手段は、
前記密度が大きいほど前記可変容量ポンプの容量を減少させる、
燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んだ構造をしており、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化ガスを供給することによって発電している。この燃料電池では電解質膜として一般的に水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。そして、この燃料電池に燃料ガスとして水素を供給し酸化ガスとして空気を供給すると、以下に示す反応によって発電する。
【０００３】
アノード（燃料極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ―              （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ＋＋２ｅ―＋(１／２)Ｏ２→Ｈ２Ｏ            （２）
したがって、燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないという利点がある。
【０００４】
しかし、プロトンの移動媒体として高分子固体電解質膜を利用する場合、高分子固体電解質膜の含水量が少ないとこの高分子固体電解質膜での抵抗が大きくなり、発電性能が大きく低下する。
【０００５】
このため、一般的には燃料電池外部に燃料ガスや酸化ガスを加湿する加湿器を設け、加湿したガスを燃料電池に供給している。また燃料電池の発電時には、上述のように酸化剤極側で反応生成水が発生する。
【０００６】
これらの水分は、燃料電池の単位セル内におけるガスの流れが十分でない場合や生成水が多く発生する高出力発電時に、ガス拡散層内部に溜まり電極表面に水滴となって付着し、電極へのガスの拡散を阻害する。このいわゆるフラッディング現象により、燃料電池の電圧出力の低下を引き起こす。
【０００７】
燃料電池では、一般的にアノードから排気された未反応水素ガスおよび水分を含む排出ガスを再度アノードへ供給する排出ガス循環路を設ける。この場合、前述のフラッディング現象の発生時に燃料電池装置内の水分量に応じて排出ガスの循環量を制御して燃料電池内の水分を掃気する、いわゆる水パージ運転をすることが一般的である。
【０００８】
この水パージ運転に関する制御装置が提案されている（特許文献１参照）。この制御装置は、燃料電池停止時の燃料電池スタック内の水パージ運転の際、気液分離装置内で水分を含む排出ガスから分離されて溜まる液水の水位に応じて燃料ガスの循環を適切な値に制御するものである。気液分離装置内の液水の水位が高い場合、水面付近の液水が分離されたガス成分とともに再度アノードに供給される可能性が高くなる。つまり、気液分離装置内の液水の水位を低くすることで気液分離性能を高い状態に維持できるため、フラッディング現象による燃料電池の電圧出力の低下を回避している。
【特許文献１】特開２００７−２０７７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術において、気液分離装置内で分離した水分の水位によりアノードへ再供給する排出ガスの流量を制御している。ところが、気液分離装置で回収した排出ガスは、ガス成分と水分とを完全には分離できない。この場合、気液分離装置内で分離しきれなかった水分は、アノードへの流入流量を制御されずに再度アノードに供給される。そのため、この気液分離装置内で分離しきれなかった水分がスタックへ再流入することでフラッディング現象を助長し、燃料電池の発電出力が低下するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明は燃料電池装置に関するものであって、アノードに水素含有ガスを供給し、またカソードに酸化ガスを供給して発電する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックを有する。また、アノードからの排出ガスを可変容量ポンプにより再度アノードに供給する循環路と、この循環路の可変容量ポンプ上流側に設けて排出ガスから水分を分離する気液分離装置とを有する。さらに、この気液分離装置で分離した水分を外部へ排出する排水弁と、可変容量ポンプを制御するポンプ制御手段とを有する。
【００１１】
この燃料電池装置の気液分離装置での流入水流量と排水弁から排出した排水流量とを推定する手段を有し、気液分離装置内で分離しきれなかった水分のアノードへの再流入流量に相当する流入水流量と排水流量との差を計算する。そしてこの再流入流量が多いほど、可変容量ポンプの容量を減少させて可変容量ポンプがアノードに供給する排出ガスの量を減少させ、アノードへの水の供給過多を避けることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、気液分離装置内で分離しきれなかった水分がある場合に、可変容量ポンプの容量を減少させることによりこの水分のアノードへの再流入流量を低減できる。その結果、フラッディング現象による燃料電池の発電出力の低下の発生を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本燃料電池装置の実施形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明は原則として繰り返さない。
【００１４】
―第１の実施形態―
図１は燃料電池スタック２０１を説明する図である。燃料電池スタック２０１は、燃料電池セル２０５を積層することにより構成される。
【００１５】
図２は、第１の実施形態における燃料電池装置２００の構成を示したブロック図である。
【００１６】
燃料電池装置の燃料電池スタック２０１を構成する各燃料電池セル２０５は、固体高分子電解質膜２０２を挟んでカソード２０３とアノード２０４とを対設させ、セパレータ２１６で挟持される。
【００１７】
この燃料電池セル２０５は、アノード２０４に水素含有ガスが供給されカソード２０３に酸化ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、水素含有ガスとして水素を、酸化ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【００１８】
水素は、燃料タンク２０７に貯蔵された状態から燃料電池セル２０５のアノード２０４に供給される。具体的には、水素調圧弁２０８によって減圧された後に、燃料電池スタック２０１に供給される。水素調圧弁２０８は、燃料電池スタック２０１の極端な電圧出力の低下を回避するために燃料電池セル２０５へ供給される水素分圧を調整すべく、その開度が調整される。
【００１９】
空気は、燃料電池セル２０５のカソード２０３に供給される。その結果、燃料電池セル２０５では、アノードの供給される水素と固体高分子電解質膜２０２を介して電気化学的に反応することにより電力が発生する。
【００２０】
燃料電池セル２０５の下流には、排出ガスを再度アノードへ供給するための循環路２１７が設けられる。
【００２１】
循環路２１７には、気液分離装置２１０が設けられている。気液分離装置２１０は燃料電池スタック２０１のアノード２０４から排出されたガスに含まれる水分を分離する。気液分離装置２１０には排水弁２１１が設けられており、この排水弁を開くことにより気液分離装置２１０に貯水されている水は外部に排出される。気液分離装置２１０に設けられている排水弁２１１は、アノード２０４への過度な水分供給を回避するために気液分離装置２１０の残水量を調整すべく、その開閉が調整される。
【００２２】
さらに循環路２１７の気液分離装置２１０下流には、可変容量ポンプ２１２が設けられている。可変容量ポンプ２１２によりアノード２０４からの排出ガスは再度アノード２０４へ供給され、燃料電池セル２０５からの排出ガス中の未消費水素を再度燃料電池セル２０５にて発電に使用することで燃料電池セル２０５の発電効率向上を図ることができる。また可変容量ポンプ２１２は、回転数センサ２２４を有する。
【００２３】
また循環路２１７により供給される排出ガスの流量は、循環路２１７に設けられる可変容量ポンプ２１２の回転数により制御される。可変容量ポンプ２１２の上流と下流には圧力センサ２１３，２１４が設けられており、可変容量ポンプ２１２の吸入ポート側および吐出ポート側のガス圧力を測定している。
【００２４】
ところで、カソード２０３に供給される空気中の窒素が固体高分子電解質膜２０２を介してアノード２０４に透過するため、アノード２０４内で水素中の窒素濃度が増加して水素分圧が減少する傾向となる。そのため、循環路２１７には燃料ガスを排出する排出流路２０６が接続されている。排出流路２０６にはガスパージ弁２１５が設けられており、このガスパージ弁２１５の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。
【００２５】
ガスパージ弁２１５は基本的に閉状態に制御されているが、アノード２０４での窒素濃度を低下させようとする場合には閉状態から開状態へと切り替えるよう制御される。これにより、未反応な水素とともに窒素が外部に排出され、水素分圧の減少を抑制することができる。
【００２６】
次に制御部２０９について説明する。制御部２０９は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部２０９は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い燃料電池装置２００を制御することにより、燃料電池スタック２０１の運転状態を制御する。また、制御部２０９内部に内蔵された燃料電池スタック２０１の電流を検出する電流検出手段としての電流センサ２２３を有する。
【００２７】
図３に、第１の実施形態における制御部２０９のシステム図を示す。
【００２８】
排水弁指令部１００１は、排水弁２１１の開閉を判断して指令する。アノード２０４への過度な水分供給を回避するために気液分離装置２１０の残水量を調整すべく、その開閉が制御される。
【００２９】
ガスパージ弁指令部１００２は、アノード２０４内の水素分圧の低下を検知してガスパージ弁２１５の開閉を判断して指令するガスパージ弁制御手段の機能を有する。
【００３０】
水素調圧弁指令部１００３は、水素調圧弁２０８の開度を演算して指令する。燃料電池スタック２０１の発電による水素消費によりアノード２０４内のガスの圧力が低下した場合に、その圧力低下に応じて水素調圧弁２０８の開度が制御されることで水素を補填する。
【００３１】
可変容量ポンプ指令部１００４は、可変容量ポンプ２１２の回転数の指令値を演算して指令するポンプ制御手段としての機能を有する。
【００３２】
ところで、アノード２０４では水素と空気との化学反応により副生成物として水が生成される。また、燃料電池スタック２０１は燃料ガスや酸化ガスを予め加湿したうえで供給させることにより固体高分子電解質膜２０２の湿潤状態を維持している。このとき、アノード２０４におけるガスの流れが十分でない場合や、生成水が多く発生する高出力発電時に、燃料電池スタック２０１内部の電極表面に水滴が付着し、電極へのガスの拡散を阻害する。このいわゆるフラッディング現象により、燃料電池スタック２０１の電圧出力の低下を引き起こす。
【００３３】
制御部２０９の可変容量ポンプ指令部１００４ではこのフラッディング現象が起こった時及び起こりそうな時に、いわゆる水パージ運転の実施を指示する。
【００３４】
水パージ運転とは、フラッディング現象の発生時の対応として、燃料電池スタック２０１内の水分量に応じて循環路２１７を通流する排出ガス循環量を可変容量ポンプ指令部１００４により制御して燃料電池スタック２０１内の水分を掃気するものである。
【００３５】
図４は本実施形態における水パージ運転を説明する図である。制御部２０９は、水パージ運転時の燃料電池の運転状態より、燃料電池スタック２０１からの排水流量と気液分離装置２１０での流入水流量とを推定する。排水流量と流入水流量の差分で表現されるアノード再流入水流量ＱＷｒ１が多い場合は、アノード２０４からの排出ガスを再度アノード２０４に供給する排出ガスのアノード循環流量をＱ1からＱ2へ減少させる。その結果、アノード再流入水流量がＱｗｒ２に低減され、許容値範囲内になった場合はそのアノード２０４からの排出ガスのアノード循環流量Ｑ2で水パージ運転を行う。
【００３６】
次に、図３の可変容量ポンプ指令部１００４で実施する本実施形態における水パージ運転について、詳細に説明する。
【００３７】
入出力圧力差ΔＰ演算部１００５は、可変容量ポンプ２１２の吸入ポート圧力および吐出ポート圧力より可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差ΔＰを演算する。
【００３８】
密度推定手段としての排出ガス密度ρ推定部１００６は、１００５で演算したΔＰと可変容量ポンプ回転数Ｎとにより排出ガス密度ρを推定する。
【００３９】
排水流量を推定する手段としての燃料電池スタック排水流量ＱＷＳ推定部１００７は、１００６で推定したρと燃料電池スタック２０１の電流Ｉと１０１０で演算する排出ガスアノード循環流量Ｑ０とにより燃料電池スタック排水流量Ｑｗｓを推定する。
【００４０】
流入水流量を推定する手段としての燃料電池スタック排水流量ＱＷＴ推定部１００８は、１００６で推定したρと燃料電池スタック２０１の電流Ｉと１０１０で演算する排出ガスアノード循環流量Ｑ０とにより燃料電池スタック排水流量ＱＷＴを推定する。
【００４１】
アノード再流入水流量ＱＷｒ演算部１００９は、１００７で推定したＱＷＳと１００８で推定したＱＷＴとによりアノード再流入水流量ＱＷｒを演算する。
【００４２】
排出ガスアノード循環流量Ｑ０演算部１０１０は、１００９で演算したＱｗｒと燃料電池スタック２０１の電流Ｉとにより排出ガスアノード循環流量Ｑ０を演算する。
【００４３】
回転数演算部１０１１は、１０１０で演算したＱ０により可変容量ポンプ２１２の目標回転数Ｎ０を演算する。
【００４４】
図５は、第１の実施形態にかかる燃料電池スタック水パージ運転時の排出ガスのアノード循環流量制御の手順を示すフローチャートであり、図２の可変容量ポンプ２１２指令部１００４の中身を説明したものである。このフローチャートに示す処理は所定周期毎に呼び出されて実行される。
【００４５】
初期状態において、可変容量ポンプ２１２は停止している。ステップ１０において、電流センサ２２３による燃料電池スタック２０１の電流Ｉを検出する。
【００４６】
ステップ１１において、回転数センサ２２４による可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎを検出する。
【００４７】
ステップ１２において、圧力センサ２１３によるＰ２１3、および圧力センサ２１４によるＰ２１４を検出する。
【００４８】
ステップ１３において、ステップ１２で検出したＰ２１3，Ｐ２１４より、可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差ΔＰを算出する。  
可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差：ΔＰ＝Ｐ２１４−Ｐ２１3
【００４９】
ステップ１４は、排出ガスの密度ρを推定する密度推定手段である。排出ガスの密度ρは可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎと可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差ΔＰと相関がある。
【００５０】
制御部２０９には、可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎ及び可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差ΔＰに対応する排出ガスの密度ρの関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【００５１】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎ毎に可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差ΔＰを変化させながら排出ガスの密度ρを予め取得することにより作成することができる。
【００５２】
この内部データにおいて、図６で示すように可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎが高く、可変容量ポンプ２１２の入出力間の圧力差ΔＰが大きい程、排出ガスの密度ρが多くなる。このステップ１４では、内部データを参照した上で、ステップ１１で検出した可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎとステップ１３で検出した可変容量ポンプ２１２の入出力圧力差ΔＰに基づいて、排出ガスの密度ρを推定する。
【００５３】
ステップ１５において、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を読み込む。初期値は取りうる排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０の最大値を設定する。この排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０は、後述するステップ１６からステップ２１のフローを繰り返すことにより、最適値となるまでその値を減じていく。
【００５４】
ステップ１６において、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳを推定する。燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳは、排出ガスのアノード循環流量Ｑと排出ガスの密度ρと燃料電池スタック２０１の電流Ｉと相関がある。制御部２０９には、排出ガスのアノード循環流量Ｑと排出ガスの密度ρと燃料電池スタック２０１の電流Ｉに対応する燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳの関係が規定されたマップ或いは計算式が、制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【００５５】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の排出ガスのアノード循環流量毎に排出ガスの密度ρや燃料電池スタック２０１の電流Ｉを変化させながら燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳを予め取得することにより作成することができる。
【００５６】
この内部データにおいて、図７，図８で示すように排出ガスのアノード循環流量Ｑが多く排出ガスの密度ρが大きく燃料電池スタック２０１の電流Ｉが高い程、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳが多くなる。このステップ１６では、内部データを参照した上でステップ１５で読み込んだ排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０とステップ１４で推定した排出ガスの密度ρとステップ１０で検出した燃料電池スタック２０１の電流Ｉとに基づいて、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳを推定する。
【００５７】
なお、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳは排出ガス温度とも相関があるため、このステップ１６で用いる燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳの上記内部データを排出ガス温度毎のデータとすることで、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳの推定精度の向上を図っても良い。
【００５８】
ステップ１７において、気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴを推定する。気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴは排出ガスのアノード循環流量Ｑと排出ガスの密度ρと燃料電池スタック２０１の発電電流と相関がある。制御部２０９には、排出ガスのアノード循環流量Ｑと排出ガスの密度ρと燃料電池スタック２０１の電流Ｉに対応する気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴの関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【００５９】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の排出ガスのアノード循環流量Ｑ毎に排出ガスの密度ρや燃料電池スタック２０１の電流Ｉを変化させながら流入水流量ＱＷＴを予め取得することにより作成することができる。
【００６０】
この内部データにおいて、図７，図８で示すように、排出ガスのアノード循環流量Ｑが多く排出ガスのガス密度ρが小さく燃料電池スタック２０１の電流Ｉが高い程、気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴが多くなる。このステップ１７では、内部データを参照した上でステップ１５で読み込んだ排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０とステップ１４で推定した排出ガスの密度ρとステップ１０で検出した燃料電池スタック２０１の電流Ｉとに基づいて、気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴを推定する。
【００６１】
ステップ１８において、ステップ１６で推定した燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳおよびステップ１７で推定した気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴより、燃料電池スタック２０１へのアノード再流入水流量ＱＷｒを推定する。
アノード再流入水流量：ＱＷｒ＝ＱＷＳ−ＱＷＴ
ここで図７より、ガス密度ρが大きくなると、アノード再流入水流量ＱＷｒは大きくなる。
【００６２】
ステップ１９において、燃料電池スタック２０１へのアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０を推定する。アノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０は燃料電池スタック２０１の電流Ｉと相関がある。制御部２０９には、燃料電池スタック２０１の電流Ｉに対応する燃料電池スタック２０１への流入液水許容値ＱＷｒ０の関係が規定されたマップ或いは計算式が内部データとして記憶領域に格納されている。
【００６３】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の燃料電池スタック２０１の電流Ｉ毎に極端な電圧出力の低下を起こさない燃料電池スタック２０１への再流入水流量ＱＷｒをアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０として予め取得することにより、作成することができる。
【００６４】
この内部データにおいて、図９で示すように、燃料電池スタック２０１の電流が高い程燃料電池スタック２０１へのアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０が低くなる。このステップ１９では、内部データを参照した上でステップ１０で検出した燃料電池スタック２０１の電流Ｉに基づいて燃料電池スタック２０１へのアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０を算出する。
【００６５】
ステップ２０において、ステップ１８で推定された燃料電池スタック２０１へのアノード再流入水流量ＱＷｒがステップ１９で算出したアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０以下か判定される。ステップ２０において肯定判定された場合、すなわちアノード再流入水流量ＱＷｒがアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０以下である場合にはステップ２２に進む。
【００６６】
一方、ステップ２０において否定判定された場合、すなわちアノード再流入水流量ＱＷｒがアノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０以下である場合にはステップ２１に進み、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０は減少される。
【００６７】
ステップ２２において、可変容量ポンプ２１２の目標回転数Ｎ０を算出する。可変容量ポンプ２１２の目標回転数Ｎ０は排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０と相関がある。排出ガスのアノード循環流量Ｑ０に対応する可変容量ポンプ２１２の目標回転数Ｎ０の関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【００６８】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて種々の可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎ毎に排出ガスのアノード循環流量Ｑとして予め取得することにより作成することができる。
【００６９】
このステップ２２では、内部データを参照した上、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０に基づいて可変容量ポンプ２１２の目標回転数Ｎ０を算出する。
【００７０】
ステップ２３において、可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎが目標回転数Ｎ０と等しくなるように制御する。
【００７１】
ところで、本実施形態における、排出ガスの密度ρとアノード循環流量Ｑとの関係を述べる。図７より、アノード循環流量Ｑに対するアノード再流入水流量ＱＷｒとの関係は、図１０のような排出ガスのガス密度ρとの相関となる。図１０にて排出ガスの密度ρが変化した場合、アノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０が同じ場合には、アノード要求循環流量Ｑ０が減少する。したがって本実施形態においては、排出ガス密度ρが大きくなると、アノード要求循環流量Ｑ０は減少することになる。つまり、ガス密度ρを推定する手段を有する場合に、ガス密度ρに応じてアノード要求循環流量Ｑ０を制御しても本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
次に、本実施形態における、燃料電池スタック２０１の電流Ｉとアノード循環流量Ｑとの関係を述べる。図８より、アノード循環流量Ｑに対するアノード再流入水流量ＱＷｒとの関係は、図１１のような燃料電池スタック２０１の電流Ｉとの相関となる。図１１にて燃料電池スタック２０１の電流Ｉが変化した場合、アノード再流入水流量許容値ＱＷｒ０が同じ場合には、アノード要求循環流量Ｑ０が減少する。したがって本実施形態においては、燃料電池スタック２０１の電流Ｉが大きくなると、アノード要求循環流量Ｑ０は減少することになる。つまり、燃料電池スタック２０１の電流Ｉを推定する手段を有する場合に、燃料電池スタック２０１の電流Ｉに応じてアノード要求循環流量Ｑ０を制御しても本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
以上、本実施形態により、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳと気液分離装置の流入水流量ＱＷＴの差であるアノード再流入水流量ＱＷｒが大きい場合に排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を減少させる制御によりアノード循環流量Ｑを減少させるため、燃料電池の発電出力の低下を引き起こす燃料電池スタック２０１へのアノード再流入水流量ＱＷｒを可変容量ポンプの容量を減少させることで低減し、燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【００７４】
さらに、燃料電池スタック２０１の電流が大きいほど排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を少なくする制御とすることで可変容量ポンプの容量を減少させることとしたため、燃料電池スタック２０１の電流が大きくなった場合に水分を含む排気ガスのアノード循環流量Ｑを低減させながら水パージ運転ができる。したがって燃料電池スタック２０１内の液水を効率よく掃気することでフラッディング現象の発生を抑制し、燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【００７５】
また、排出ガスの密度ρが大きいほど排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を少なくする制御とすることで可変容量ポンプの容量を減少させることとした。そのため、燃料電池スタック２０１の排水流量ＱＷＳと気液分離装置２１０での流入水流量ＱＷＴとの差であるアノード再流入水流量ＱＷｒを精度良く予測して水パージ運転ができる。したがってフラッディング現象の発生をきめ細かく抑制することができるため、燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【００７６】
―第２の実施形態―
次に、第２の実施形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１２は、本実施形態にかかる燃料電池装置２２０を示すブロック図である。
【００７７】
本実施形態にかかる燃料電池装置２２０が第１の実施形態と相違する点は、アノード入口圧力検出手段としての圧力センサ２２１とアノード入口温度検出手段としての温度センサ２２２とを備え、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０に下限値を設けたことである。
【００７８】
排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０に下限値を設けたことで、燃料電池本体の発電を阻害しない範囲内にアノード再流入水流量ＱＷｒを制御しながら排出ガスを循環させて水パージ運転をすることができる。
【００７９】
図１３に、第２の実施形態における制御部２０９のシステム図を示す。
【００８０】
この制御部２０９は、可変容量ポンプ２１２指令部２００４が第１の実施形態と異なる。
【００８１】
本実施形態における可変容量ポンプ２１２指令部２００４において、２００５から２０１１は、図３の１００５から１０１１と同じ構成である。
【００８２】
アノード循環流量下限値Ｑｍｉｎ演算部２０１２は、アノード２０４入口の圧力センサ２２１の検出値Ｐｉｎとアノード２０４入口の温度センサ２２２の検出値Ｔｉｎと燃料電池スタック２０１の電流Ｉと２００６で推定したρとによりアノード循環流量下限値Ｑｍｉｎを演算する。
【００８３】
図１４は、本実施形態にかかる燃料電池スタック水パージ運転時の排出ガスのアノード循環流量制御の手順を示すフローチャートであって、図１３で示す可変容量ポンプ２１２指令演算部２００４の処理を詳細に説明するものである。このフローチャートに示す処理は、所定周期毎に呼び出され、制御部２０９によって実行される。
【００８４】
初期状態において、可変容量ポンプ２１２は停止している。ステップ３０〜４１は、図５のステップ１０〜２１と同じである。
【００８５】
ステップ４２において、アノード２０４入口の圧力センサ２２１の検出値Ｐｉｎを検出する。
【００８６】
ステップ４３において、アノード２０４入口の温度センサ２２２の検出値Ｔｉｎを検出する。
【００８７】
ステップ４４は、アノード発電要求循環流量Ｑｅを推定する手段である。アノード発電要求循環流量Ｑｅは、燃料電池スタック２０１の電流Ｉ及び圧力センサ２２１の検出値Ｐｉｎ及び温度センサ２２２の検出値Ｔｉｎと相関がある。制御部２０９には、燃料電池スタック２０１の電流Ｉと圧力センサ２２１の検出値Ｐｉｎと温度センサ２２２の検出値Ｔｉｎに対応するアノード発電要求循環流量Ｑｅの関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【００８８】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック２０１の電流Ｉ，圧力センサ２２１の検出値Ｐｉｎ，温度センサ２２２の検出値Ｔｉｎ毎に、ストイキ不足による極端な電圧出力の低下を起こさない排出ガスのアノード循環流量Ｑをアノード発電要求循環流量Ｑｅとして予め取得することにより、作成することができる。
【００８９】
このステップ４４では、内部データを参照した上でステップ３０で検出した燃料電池スタック２０１の電流Ｉとステップ４２で検出した圧力センサ２２１の検出値Ｐｉｎとステップ４３で検出した温度センサ２２２の検出値Ｔｉｎとに基づいて、アノード発電要求循環流量Ｑｅを推定する。
【００９０】
ステップ４５において、アノード最低要求循環流量Ｑｐｍを推定する。
【００９１】
アノード最低要求循環流量Ｑｐｍは排出ガスの密度ρ及び燃料電池スタック２０１の電流Ｉと相関がある。制御部９には、排出ガスの密度ρと燃料電池スタック２０１の電流Ｉに対応するアノード最低要求循環流量Ｑｐｍとの関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【００９２】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて種々の排出ガスの密度ρおよび燃料電池スタック２０１の電流Ｉ毎に、フラッディングによる極端な電圧出力の低下を起こさない最低アノード循環流量をアノード最低循環流量Ｑｐとして予め取得することにより、作成することができる。
【００９３】
このステップ４５では、この内部データを参照した上で、ステップ３４で推定した排出ガスの密度ρとステップ３０で検出した燃料電池スタック２０１の電流Ｉに基づいてアノード最低要求循環流量Ｑｐｍを推定する。
【００９４】
ステップ４６において、ステップ４５で算出したアノード最低要求循環流量Ｑｐｍがステップ４４で算出したアノード発電要求循環流量Ｑｅより多いか判定される。
【００９５】
ステップ４６において肯定判定された場合、すなわちステップ４５で算出したアノード最低要求循環流量Ｑｐｍがステップ４４で算出したアノード発電要求循環流量Ｑｅより多い場合にはステップ４７に進む。一方、ステップ４６において否定判定された場合、すなわちアノード最低要求循環流量Ｑｐｍがアノード発電要求循環流量Ｑｅより少ない場合にはステップ４８に進む。
【００９６】
ステップ４７において、アノード循環流量下限値Ｑｍｉｎにステップ４４で算出したアノード発電要求循環流量Ｑｐｍを代入する。
【００９７】
ステップ４８において、アノード循環流量下限値Ｑｍｉｎにステップ４４で算出したアノード発電要求循環流量Ｑｅを代入する。
【００９８】
ステップ４９において、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０がアノード循環流量下限値Ｑｍｉｎより多いか判定される。ステップ４９において肯定判定された場合、すなわち排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０がアノード循環流量下限値Ｑｍｉｎより多い場合にはステップ５１に進む。一方、ステップ４９において否定判定された場合、すなわちアノード最低要求循環流量Ｑｐｍがアノード循環流量下限値Ｑｍｉｎより少ない場合にはステップ５０に進む。
【００９９】
ステップ５０において、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０にアノード循環流量下限値Ｑｍｉｎを代入する。
【０１００】
ステップ５１，５２は、図５のステップ２２，２３と同じである。
【０１０１】
以上、本実施形態により、排出ガスのアノード循環流量Ｑの指令値であるアノード要求循環流量Ｑ０の下限をアノード循環流量下限値Ｑｍｉｎとすることとした。したがって発電を阻害しない範囲内で燃料電池スタック２０１にアノード再流入水流量ＱＷｒを制御しながら水パージ運転をすることができるため、燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【０１０２】
―第３の実施形態―
次に、第３の実施形態にかかる燃料電池装置２３０について説明する。図１５は、本実施形態にかかる燃料電池装置２３０を示すブロック図である。
【０１０３】
この第３の実施形態にかかる燃料電池装置が第１の実施形態と相違する点は、燃料電池スタック２０１に各燃料電池セル２０５の電圧を測定するセル電圧検出手段としてのセル電圧センサ２３１を各燃料電池セル２０５毎に備え、燃料電池スタック水パージ運転時にフラッディング現象発生および水素分圧低下等により各セル電圧のばらつきが大きくなった場合にガスパージ弁２１５を開ける制御を設けたことである。
【０１０４】
燃料電池スタック水パージ運転時に各セル電圧のばらつきが大きくなった場合にガスパージ弁２１５を開ける制御を設けることで、アノードへ供給するガスの水素分圧を向上させることができる。
【０１０５】
図１６に、第３の実施形態における制御部２０９のシステム図を示す。
【０１０６】
この制御部２０９が第１の実施形態と異なる点は、可変容量ポンプ２１２指令演算部３００２の入力を各セル毎に電圧を検出する電圧センサ２３１として、水パージ運転時にガスパージ弁の開閉を制御することとしたことである。
【０１０７】
図１７は、本実施形態にかかる燃料電池スタック水パージ運転時のアノード循環流量制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は所定周期毎に呼び出され、制御部２０９によって実行される。
【０１０８】
初期状態において、可変容量ポンプ２１２は停止している。ステップ６０〜７１は、図５のステップ１０〜２１と同じである。
【０１０９】
ステップ７２において、燃料電池スタック２０１の各セル電圧のうち最小電圧Ｖｍｉｎを取得する。
【０１１０】
ステップ７３において、燃料電池スタック２０１の各セル電圧の平均セル電圧Ｖａｖｅを取得する。
【０１１１】
ステップ７４において、セル電圧偏差ΔＶを算出する。
セル電圧偏差：ΔＶ＝Ｖａｖｅ−Ｖｍｉｎ
【０１１２】
ステップ７５において、セル電圧偏差ΔＶが所定値ΔＶ０以上か判定される。ステップ７５において肯定判定された場合、すなわち、ステップ７４で算出したセル電圧偏差ΔＶが所定値ΔＶ０以上である場合にはステップ７６に進む。一方ステップ７５において否定判定された場合、すなわちセル電圧偏差ΔＶが所定値ΔＶ０以下である場合にはステップ７７に進む。なお所定値ΔＶ０はガスパージ弁２１５を開けるかどうかの閾値であるが、燃料電池スタックが安定して運転できているかどうかを考慮して実験やシミュレーションを通じて設定されている。
【０１１３】
ステップ７６において、ガスパージ弁２１５を開ける。
【０１１４】
ステップ７７において、ガスパージ弁２１５を閉じる。
【０１１５】
ステップ７８，７９は、図５のステップ２２，２３と同じである。
【０１１６】
以上、本実施形態により、燃料電池スタック水パージ運転時にフラッディング現象発生および水素分圧低下等により各セル電圧のばらつきが大きくなった場合、ガスパージ弁２１５を開ける。すると、燃料電池スタック内の水パージ制御時に窒素濃度が高いガスをパージするためアノード２０４へ供給するガスの水素分圧を向上させる。その結果、燃料電池スタック２０１の発電量がガスをパージする前と比較して向上するため、燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【０１１７】
―第４の実施形態―
次に、第４の実施形態にかかる燃料電池装置２４０について説明する。図１８は、本実施形態にかかる燃料電池装置２４０を示すブロック図である。
【０１１８】
本実施形態にかかる燃料電池装置が第１の実施形態と相違する点は、可変容量ポンプ２１２に負荷電流と負荷電圧を測定する負荷検出手段としての可変容量ポンプの負荷センサ２２５を備えたことと、燃料電池スタック水パージ運転時の可変容量ポンプ２１２の負荷としての出力が高い場合に、燃料電池スタック水パージ循環流量を減少する制御を設けたことである。
【０１１９】
燃料電池スタック内に液水が多量に滞留していると可変容量ポンプ２１２の出力が大きくなる。したがって燃料電池スタック水パージ運転時の可変容量ポンプ２１２の出力が高い場合に、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を減少する制御を設けることで、燃料電池スタック内に液水が多量に滞留している場合に再流入する液水量を低減させることができる。
【０１２０】
図１９に、第４の実施形態における制御部２０９のシステム図を示す。
【０１２１】
この制御部２０９は、可変容量ポンプ２１２指令演算部４００４が第１の実施形態と異なる。
【０１２２】
本実施形態における可変容量ポンプ２１２指令部４００４において、４００５から４００９および４０１１は、図３の１００５から１００９および１０１１と同じ構成である。排出ガスアノード要求循環流量Ｑ０演算部４０１０には、新たに可変容量ポンプ出力Ｗｐが入力として追加されている。
【０１２３】
可変容量ポンプ出力許容値Ｗｐ０演算部４０１２は、可変容量ポンプ回転数と排出ガス密度ρ推定部４００６で推定したρとにより、可変容量ポンプ出力許容値Ｗｐ０を演算する。
【０１２４】
図２０は、本実施形態にかかる燃料電池スタック水パージ運転時のアノード循環流量制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期毎に呼び出され、制御部２０９によって実行される。
【０１２５】
初期状態において、可変容量ポンプ２１２は停止している。ステップ９０〜１０１は、図５のステップ１０〜２１と同じである。
【０１２６】
ステップ１０２において、負荷センサ２２５より、可変容量ポンプ出力Ｗｐを検出する。
【０１２７】
ステップ１０３において、可変容量ポンプ出力許容値Ｗｐ０を推定する。可変容量ポンプ出力Ｗｐは可変容量ポンプ回転数Ｎとガス密度ρと相関がある。制御部２０９には可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎ及び排出ガスの密度ρに対応する可変容量ポンプ出力Ｗｐの関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【０１２８】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎ及び排出ガスの密度ρ毎に可変容量ポンプ出力Ｗｐを予め取得することにより作成することができる。
【０１２９】
このステップ１０３では、内部データを参照した上で、ステップ９１で検出した可変容量ポンプ２１２の回転数Ｎ及びステップ９４で推定した排出ガスの密度ρに基づいて可変容量ポンプ２１２の出力を算出し可変容量ポンプ出力許容値Ｗｐ０を推定する。
【０１３０】
ステップ１０４において、可変容量ポンプ出力偏差ΔＰを算出する。
可変容量ポンプ出力偏差：ΔＷｐ＝Ｗｐ−Ｗｐ０
【０１３１】
ステップ１０５において、ステップ１０４で算出した可変容量ポンプ出力偏差ΔＷｐが所定値ΔＷｐ０以上か判定する。ステップ１０５において肯定判定された場合、すなわち可変容量ポンプ負荷偏差ΔＷｐが所定値ΔＷｐ０以上である場合にはステップ１０６に進む。
【０１３２】
一方ステップ１０５において否定判定された場合、すなわちステップ１０４で算出した可変容量ポンプ出力偏差ΔＷｐが所定値ΔＷｐ０以下である場合にはステップ１０７に進む。
【０１３３】
なお所定値ΔＷｐ０は排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を下げるどうかの閾値であるが、循環路２１７内の液水の可変容量ポンプ出力との関係を考慮して実験やシミュレーションを通じて設定されている。
【０１３４】
ステップ１０６において、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０を下げる。なお排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０の減少量については、循環路２１７内の液水の可変容量ポンプ出力への影響を考慮して実験やシミュレーションを通じて設定されている。
【０１３５】
ステップ１０７、１０８は、図５のステップ２２、２３と同じである。
【０１３６】
以上、本実施形態により、可変容量ポンプ２１２の出力が高い場合に排出ガスのアノード循環流量Ｑの指令値であるアノード要求循環流量Ｑ０を減少させる制御を設けた。そのため、燃料電池スタック２０１内に液水が多量に滞留していたとしても再流入する液水量を燃料電池の発電を阻害しない範囲に制御しながら燃料電池スタック２０１内の水パージ運転ができる。したがって燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【０１３７】
―第５の実施形態―
次に、第５の実施形態にかかる燃料電池装置２５０について説明する。図２１は、本燃料電池装置の第５の実施形態にかかる燃料電池装置を示すブロック図である。
【０１３８】
この本実施形態にかかる燃料電池装置が第１の実施形態と相違する点は、燃料電池スタック２０１の内部に温度センサ２５１を備え、燃料電池スタック２０１に液水滞留量が多くなった場合に燃料電池スタック水パージ運転を開始し、燃料電池スタック水パージ運転時の気液分離量が多くなった場合に水パージ運転を停止する制御を設けたことである。さらに、排水弁２１１の流量計２５２を設けて、排水弁２１１からの排水流量を検出できるようにしたことである。
【０１３９】
燃料電池スタック２０１の液水滞留量が多くなった場合に燃料電池スタック水パージ運転を開始する制御としたことで、燃料電池スタック内の液水量が過多とならないようにすることができる。
【０１４０】
また、燃料電池スタック水パージ運転時の気液分離量が多くなった場合に水パージ運転を停止する制御としたことで、燃料電池スタック２０１に再流入する液水量を燃料電池スタック２０１の発電を阻害しない様に制御するため、燃料電池スタック内の液水量が過多とならないようにすることができる。
【０１４１】
図２２に、第５の実施形態における制御部２０９のシステム図を示す。
【０１４２】
この制御部２０９は、可変容量ポンプ２１２指令演算部５００４が第１の実施形態と異なる。
【０１４３】
本実施形態における可変容量ポンプ２１２指令部５００４において、５００５から５０１１は、図３の１００５から１０１１と同じ構成である。
【０１４４】
水分滞留量推定手段としての燃料電池水分滞留量Ａ推定部５０１２は、燃料電池スタック２０１の電流Ｉおよび燃料電池スタック２０１の温度Ｔｓとにより、燃料電池スタック水分滞留量Ａを推定する。
【０１４５】
残水量推定手段としての気液分離装置残水量Ｂ推定部５０１３は、５００８で推定したＱＷＴと排水弁２１１の流量計２５２で検出する排水弁流量とにより気液分離装置残水量Ｂを推定する。
【０１４６】
ポンプ駆動指示部５０１４は、５０１２で推定したＡと５０１３で推定したＢと５０１１で演算したＮ０とにより、可変容量ポンプ２１２に対する回転数指令あるいはＯＮあるいはＯＦＦといった可変容量ポンプ２１２の駆動状態を指示する。
【０１４７】
可変容量ポンプ出力許容値Ｗｐ０演算部は、可変容量ポンプ回転数と排出ガス密度ρ推定部５００６で推定したρとにより、可変容量ポンプ出力許容値Ｗｐ０を演算する。
【０１４８】
図２３は、本実施形態にかかる燃料電池スタック水パージ運転時のアノード循環流量制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期毎に呼び出され、制御部９によって実行される。
【０１４９】
初期状態において、可変容量ポンプ２１２は停止している。ステップ１２０において、電流センサ２２３により読み込まれた燃料電池スタック２０１の電流Ｉを検出する。
【０１５０】
ステップ１２１において、温度センサ２５１による燃料電池スタック２０１の温度Ｔｓを検出する。
【０１５１】
ステップ１２２において、燃料電池スタック２０１の水溜り速度Ｖを推定する。
【０１５２】
燃料電池スタック２０１の水溜り速度Ｖはステップ１２０で検出した燃料電池スタック２０１の電流Ｉとステップ１２１で検出した燃料電池スタック２０１の温度Ｔｓと相関がある。制御部２０９には、燃料電池スタック２０１の電流Ｉと温度Ｔｓに対応する燃料電池スタック２０１の水溜り速度Ｖの関係が規定されたマップ或いは計算式が制御部２０９に内部データとして記憶領域に格納されている。
【０１５３】
この内部データは、実験やシミュレーションを通じて、種々の燃料電池スタック２０１の電流Ｉと温度Ｔｓ毎に燃料電池スタック２０１の水溜り速度Ｖを予め取得することにより作成することができる。
【０１５４】
このステップ１２２では、内部データを参照した上で、燃料電池スタック２０１の電流Ｉと温度Ｔｓに基づいてスタック水溜り速度Ｖを推定する。
【０１５５】
ステップ１２３は、ステップ１２２で推定したスタック水溜り速度Ｖを積算することにより燃料電池スタック２０１の水分滞留量Ａを推定する。
【０１５６】
ステップ１２４において、ステップ１２３で推定した燃料電池スタック２０１の水分滞留量Ａが所定値Ａ０以上か判定する。
【０１５７】
ステップ１２４において肯定判定された場合、すなわち燃料電池スタック２０１の水分滞留量Ａが所定値Ａ０以上である場合にはステップ１２５で燃料電池スタック２０１の電流Ｉを検出し、ステップ１２６に進む。
【０１５８】
一方、ステップ１２４において否定判定された場合、すなわち燃料電池スタック２０１の水分滞留量Ａが所定値Ａ０以下である場合には、ステップ１２０に進む。
【０１５９】
なお所定値Ａ０は水パージ運転を行うかどうかの閾値であるが、気液分離装置２１０の気液分離性能や燃料電池スタック２０１の発電への影響を考慮して実験やシミュレーションを通じて設定されている。
【０１６０】
なお、ここで言う気液分離装置２１０の気液分離性能や発電への影響とは、燃料電池スタック２０１の水分滞留量Ａが多すぎるとフラッディングにより電圧出力の低下を起こしたり、水パージ運転時に燃料電池スタック２０１からの排水量が多すぎて、気液分離能力が足りなくなるなどの問題が発生するといったことが挙げられる。
【０１６１】
ステップ１２５〜１３８は、図５のステップ１０〜２３と同じである。
【０１６２】
ステップ１３９は、気液分離装置２１０に溜まる水分量である残水量Ｂを推定する流入水量推定手段である。残水量Ｂは、気液分離装置２１０の流入水流量の時間積分値から排水弁２１１の流量計２５２検出値の時間積分値を差し引くことで推定する。
【０１６３】
ステップ１４０において、気液分離装置２１０の残水量Ｂが、所定値Ｂ０以上か判定する。
【０１６４】
ステップ１４０において肯定判定された場合、すなわち気液分離装置２１０の残水量Ｂが所定値Ｂ０以上である場合にはステップ１４１にて可変容量ポンプ２１２の運転を停止させる。
【０１６５】
一方、ステップ１４０において否定判定された場合、すなわち気液分離装置２１０の残水量Ｂが所定値Ｂ０以下である場合にはステップ１２６に進み、排出ガスのアノード要求循環流量Ｑ０は一度最大値にリセットされる。
【０１６６】
なお所定値Ｂ０は燃料電池スタック２０１の水パージ運転を行うかどうかの閾値であるが、気液分離装置２１０の気液分離性能や発電への影響を考慮して実験やシミュレーションを通じて設定されている。
【０１６７】
以上、本実施形態により、水パージ運転の実施可否を気液分離装置２１０の残水量に応じて判定し、この残水量が大きい場合に水パージ運転を停止するものとし、残水量が小さい場合にはアノード循環流量を増やすものとした。したがって、燃料電池スタック２０１の発電を阻害するアノードへの気液分離装置２１０の液水供給を抑制しながら排出ガスをアノードへ供給することになるため、燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【０１６８】
さらに、本実施の形態により、燃料電池スタック２０１の液水滞留量に応じて燃料電池スタック２０１の水パージ運転の実施可否を判定するものとした。そのため燃料電池スタック２０１内の液水が滞留過多となって燃料電池の発電を阻害ことを回避することがでる。したがって燃料電池２０１の発電出力の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】燃料電池スタックの説明図
【図２】第１の実施形態におけるブロック図
【図３】第１の実施形態における制御部システム図
【図４】燃料電池本体水パージ制御の説明図
【図５】第１の実施形態におけるフローチャート
【図６】ガス密度と排出ガスのアノード循環流量と可変容量ポンプ圧力差との関係
【図７】液水流入流量/燃料電池本体排水流量と排出ガスアノード循環流量と燃料電池スタック電流との関係
【図８】液水流入流量/燃料電池本体排水流量と排出ガスアノード循環流量とガス密度との関係
【図９】アノード再流入水量許容値と燃料電池スタック電流の関係
【図１０】排出ガスアノード循環流量とアノード再流入水流量許容値と燃料電池スタック電流との関係
【図１１】排出ガスアノード循環流量とアノード再流入水流量許容値とガス密度との関係
【図１２】第２の実施形態におけるブロック図
【図１３】第２の実施形態における制御部システム図
【図１４】第２の実施形態におけるフローチャート
【図１５】第３の実施形態におけるブロック図
【図１６】第３の実施形態における制御部システム図
【図１７】第３の実施形態におけるフローチャート
【図１８】第４の実施形態におけるブロック図
【図１９】第４の実施形態における制御部システム図
【図２０】第４の実施形態におけるフローチャート
【図２１】第５の実施形態におけるブロック図
【図２２】第５の実施形態における制御部システム図
【図２３】第５の実施形態におけるフローチャート
【符号の説明】
【０１７０】
２０１…燃料電池スタック
２０３…カソード
２０４…アノード
２０５…燃料電池セル
２０９…制御部（ポンプ制御手段、ガスパージ弁制御手段）
２１０…気液分離装置
２１１…排水弁
２１２…可変容量ポンプ
２１５…ガスパージ弁
２１７…循環路
２２３…電流センサ(電流検出手段)
２２５…負荷センサ(負荷検出手段)
２３１…セル電圧センサ(セル電圧検出手段)
１００６、２００６,３００６、４００６、５００６…密度推定手段
１００７、２００７、３００７、４００７、５００７…排水流量を推定する手段
１００８、２００８、３００８、４００８、５００８…流入水流量を推定する手段
５０１２…水分滞留量推定手段
５０１３…残水量推定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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