(57)【要約】【課題】ガス組成割合が変化してしまう燃料電池システムの燃料極系において水素循環量が正確に把握する。【解決手段】燃料電池９を循環する燃料ガスのガス流路の圧力損失特性Ｍ１とガス流路内に燃料ガスを循環させる循環ポンプ１５の圧力-流量特性Ｍ２を記憶するデータ記憶部２と、循環ポンプ１５の入出口での差圧△Ｐを検出する差圧検知部７と、循環ポンプ１５の回転数Ｎを検出する回転数検出部８と、差圧△Ｐ、回転数Ｎ、圧力損失特性Ｍ１及び圧力-流量特性Ｍ２に基づいて燃料ガスの流量と密度を推定して燃料ガスの流量中の水素循環量を求める水素循環量演算部３と、燃料電池９の出力電流から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求める要求水素循環量演算部４と、水素循環量と要求水素循環量との差分を求める差分演算部５と、差分に応じて循環ポンプ１５の回転数Ｎを補正することで水素循環量を補正する水素循環量補正部６とを備える。【選択図】図１
2006310046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を循環する燃料ガスのガス流路の圧力損失特性及び前記ガス流路内に前記燃料ガスを循環させるポンプの圧力-流量特性を記憶する手段と、
前記ポンプの入口と出口での差圧を検出する手段と、
前記ポンプの回転数を検出する手段と、
検出した前記差圧及び前記回転数、前記圧力損失特性、及び前記圧力-流量特性に基づいて、前記燃料ガスの流量と密度を推定することにより前記燃料ガスの流量中の水素循環量を求める手段と、
前記燃料電池の出力電流から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求める手段と、
前記水素循環量と前記要求水素循環量との差分を求める手段と、
前記差分に応じてポンプの回転数を補正することにより前記水素循環量を補正する手段
とを備えることを特徴とする燃料電池の水素循環量制御装置。
【請求項２】
前記水素循環量を求める手段は、前記燃料ガスの密度を仮定し、検出した前記差圧及び前記回転数及び仮定した前記ガス密度を前記圧力-流量特性へ入力することにより前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の水素循環量制御装置。
【請求項３】
前記水素循環量を求める手段は、想定される最大密度から減ずる方向へ順番に前記燃料ガスの密度を仮定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の水素循環量制御装置。
【請求項４】
前記出力電流が変化している過渡時において、前記水素循環量を求める手段は、前記差圧の変化率が減少し始めた時の前記差圧に基づいて前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の水素循環量制御装置。
【請求項５】
前記出力電流の変化によって前記差圧が低い状態から高い状態へと変化する過渡時において、前記水素循環量を求める手段は、前記差圧の変化率が減少し始めた時の前記差圧から前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の水素循環量制御装置。
【請求項６】
前記出力電流の変化によって前記差圧が高い状態から低い状態へと変化する過渡時において、前記水素循環量を求める手段は、前記差圧の変化率が減少し始めた時の前記差圧にある一定量を加えた値から前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の水素循環量制御装置。
【請求項７】
燃料電池のガス流路内に前記燃料ガスを循環させるポンプの入口と出口での差圧を検出し、
前記ポンプの回転数を検出し、
検出した前記差圧及び前記回転数、前記ガス流路の圧力損失特性及び前記ポンプの圧力-流量特性に基づいて、前記燃料ガスの流量と密度を推定することにより前記燃料ガスの流量中の水素循環量を求め、
前記燃料電池の出力電流から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求め、
前記水素循環量と前記要求水素循環量との差分を求め、
前記差分に応じてポンプの回転数を補正することにより前記水素循環量を補正する
ことを特徴とする燃料電池の水素循環量制御方法。
【請求項８】
前記水素循環量を求める際、前記燃料ガスの密度を仮定し、検出した前記差圧及び前記回転数及び仮定した前記ガス密度を前記圧力-流量特性へ入力することにより前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項７記載の燃料電池の水素循環量制御方法。
【請求項９】
前記水素循環量を求める際、想定される最大密度から減ずる方向へ順番に前記燃料ガスの密度を仮定することを特徴とする請求項８記載の燃料電池の水素循環量制御方法。
【請求項１０】
前記出力電流が変化している過渡時において、前記水素循環量を求める際、前記差圧の変化率が減少し始めた時の前記差圧に基づいて前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の水素循環量制御方法。
【請求項１１】
前記出力電流の変化によって前記差圧が低い状態から高い状態へと変化する過渡時において、前記水素循環量を求める際、前記差圧の変化率が減少し始めた時の前記差圧から前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の水素循環量制御方法。
【請求項１２】
前記出力電流の変化によって前記差圧が高い状態から低い状態へと変化する過渡時において、前記水素循環量を求める際、前記差圧の変化率が減少し始めた時の前記差圧にある一定量を加えた値から前記水素循環量を求めることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の水素循環量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の水素循環量制御装置及び水素循環量制御方法に関し、流体中の水素ガスの流量を算出する水素循環量制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、流体の密度を仮定して当該流体を循環させるポンプの差圧と物理式及び物性表を用いた収束計算によって、流体の流量及び密度を求める方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、ポンプの消費電流の差からガス密度を推定する方法が従来からよく知られる。
更に、ポンプの差圧と流量計を用いて流量を測定して流体の密度を検知する方法も従来から良く知られている。
【特許文献１】特許第３５４８６５６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で扱っている流体は基本的に水であるため、物性表や物理式に基づいて収束計算させていくことができる。しかし、燃料電池システムの燃料極（アノード）系では、水素と窒素の割合が成り行きで変化するため、特許文献１に開示された技術を適用することができない。
【０００５】
また、ポンプの消費電流の差からガス密度を推定する方法は、ガス密度すなわち気体の重さの違いによってポンプの消費電流が変化することを利用した方法である。しかし、ガス密度の変化の大きさに対して消費電流の差が非常に小さく、高・中・低などのようにある程度大きく段階的なガス密度推定しか行えない。
【０００６】
更に、流量計を用いて流量を測定して流体の密度を検知する方法を燃料電池システムに適用した場合、燃料極内のガスには水蒸気が含まれているため、流量計によって正確な流量を計測することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の特徴は、燃料電池を循環する燃料ガスのガス流路の圧力損失特性及び前記ガス流路内に前記燃料ガスを循環させるポンプの圧力-流量特性を記憶する手段と、前記ポンプの入口と出口での差圧を検出する手段と、前記ポンプの回転数を検出する手段と、検出した前記差圧及び前記回転数、前記圧力損失特性、及び前記圧力-流量特性に基づいて、前記燃料ガスの流量と密度を推定することにより前記燃料ガスの流量中の水素循環量を求める手段と、前記燃料電池の出力電流から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求める手段と、前記水素循環量と前記要求水素循環量との差分を求める手段と、前記差分に応じてポンプの回転数を補正することにより前記水素循環量を補正する手段とを備える燃料電池の水素循環量制御装置であることを要旨とする。
【０００８】
本発明の第２の特徴は、燃料電池のガス流路内に前記燃料ガスを循環させるポンプの入口と出口での差圧を検出し、前記ポンプの回転数を検出し、検出した前記差圧及び前記回転数、前記ガス流路の圧力損失特性及び前記ポンプの圧力-流量特性に基づいて、前記燃料ガスの流量と密度を推定することにより前記燃料ガスの流量中の水素循環量を求め、前記燃料電池の出力電流から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求め、前記水素循環量と前記要求水素循環量との差分を求め、前記差分に応じてポンプの回転数を補正することにより前記水素循環量を補正する燃料電池の水素循環量制御方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガス組成割合が変化してしまう燃料電池システムの燃料極系において、水素循環量が正確に把握できる燃料電池の水素循環量制御装置及び水素循環量制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池の水素循環量制御装置及び制御対象となる燃料電池システムの構成を示す。第１の実施の形態に係わる燃料電池の水素循環量制御装置は、燃料電池９を循環する燃料ガスのガス流路の圧力損失特性Ｍ１及びガス流路内に燃料ガスを循環させるポンプ（循環ポンプ１５）の圧力-流量特性Ｍ２を記憶する手段（データ記憶部２）と、循環ポンプ１５の入口と出口での差圧△Ｐを検出する手段（差圧検知部７）と、循環ポンプ１５の回転数Ｎを検出する手段（回転数検出部８）と、検出した差圧△Ｐ及び回転数Ｎ、圧力損失特性Ｍ１及び圧力-流量特性Ｍ２に基づいて、燃料ガスの流量と密度を推定することにより燃料ガスの流量中の水素循環量を求める手段（水素循環量演算部３）と、燃料電池９の出力電流（消費電流Ａ）から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求める手段（要求水素循環量演算部４）と、水素循環量と要求水素循環量との差分を求める手段（差分演算部５）と、差分に応じて循環ポンプ１５の回転数Ｎを補正することにより水素循環量を補正する手段（水素循環量補正部６）とを備える。
【００１２】
燃料電池９は、薄膜状に形成された燃料電池の膜-電極集合体（MEA）を、集電体によって積層することで構成される。膜-電極集合体（MEA）は、例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜などの高分子膜１１に代表されるイオン交換物質の両側に、白金等からなる触媒電極（燃料極１０及び空気極１２）がそれぞれ配置されることで形成される。燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを燃料電池の燃料極１０（アノード極）に供給すると共に、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池の空気極１２（カソード極）に供給して発電を行う燃料電池９を中核とした発電システムである。燃料電池９は、燃料極１０及び空気極１２の電解質膜側の表面で生じる（１）式及び（２）式の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出す。
【００１３】
アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ−                        （１）
カソード反応：２Ｈ+＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ       （２）
燃料極１０に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置１９から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。空気極１２に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【００１４】
燃料極１０に供給される燃料ガスは、水素貯蔵装置１９に高圧状態で貯蔵されている。水素貯蔵装置１９から送出される燃料ガスは、圧力調整バルブ１６により燃料極１０内における圧力にまで減圧されてから、燃料極１０に供給される。燃料極１０を通過して排出された燃料ガス（排燃料ガス）は、循環ポンプ１５により圧力調整バルブ１６と燃料極１０の間のガス流路に戻され、再び燃料極１０に供給される。このように、燃料極１０を循環する燃料ガスのガス流路が形成され、循環ポンプ１５が燃料ガスを循環させている。燃料ガスの流量つまり循環流量は、循環ポンプ１５の回転数Ｎにより制御される。また、燃料ガスのガス流路は既知の圧力損失特性Ｍ１を備え、この圧力損失特性Ｍ１は、圧力損失マップＭ１としてデータ記憶部２に記憶されている。また、データ記憶部２は、循環ポンプ１５の圧力-流量特性をポンプ性能マップＭ２として記憶している。なお、循環ポンプ１５の圧力-流量特性は燃料ガスの密度に依存している。
【００１５】
差圧検知部７は、循環ポンプ１５の入口と出口での圧力をそれぞれ検出する機能と、両者の差を演算してその演算結果を差圧△Ｐとして出力する機能を備える。
【００１６】
回転数検出部８は、循環ポンプ１５の回転数Ｎを検出して検出結果をコントローラ１へ送信する機能と、コントローラ１からの回転数Ｎの指令を受けて手段循環ポンプ１５に対して転送する機能を備える。
【００１７】
コントローラ１は、燃料電池の水素循環量制御装置における演算、記憶、情報の入出力等の機能を実現する。具体的には、コントローラ１は、データ記憶部２と、水素循環量演算部３と、要求水素循環量演算部４と、差分演算部５と、水素循環量補正部６とを備える。例えば、コントローラ１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、主記憶装置、補助記憶装置、入力装置、出力装置などを備えた通常のコンピュータシステムに上記の演算機能（３〜６）、記憶情報（Ｍ１、Ｍ２）を備えるコンピュータプログラムをインストールすることにより実現する。
【００１８】
水素循環量演算部３は、循環ポンプ１５の入出の差圧△Ｐと回転数Ｎを検知して、ガス流路の圧力損失特性Ｍ１、圧力-流量特性Ｍ２に基づいて水蒸気雰囲気における燃料ガスの流量と密度の同時推定を行って燃料ガスの流量中の水素循環量を求める。ここで、「燃料ガスの流量中の水素循環量」とは、ガス流路を循環する燃料ガスの中に含まれている水素、窒素や水蒸気等の様々な種類のガスのうち、水素だけの循環量を示す。
【００１９】
要求水素循環量演算部４は、燃料電池９の消費電流Ａから消費水素量を算出し、この消費水素量を元にして要求水素循環量を求める。
【００２０】
差分演算部５は、水素循環量演算部３が演算した水素循環量と要求水素循環量演算部４が演算した要求水素循環量とを比較して、その差分を算出する。
【００２１】
なお、燃料電池の水素循環量制御装置は、ガス流路上の燃料ガスの圧力及び温度を測定する圧力計１７及び温度計１８とを備える。圧力計１７及び温度計１８は、燃料極１０の下流であって、循環ポンプの上流に位置するガス流路上に配置されている。圧力計１７及び温度計１８が測定した圧力Ｐ及び温度Ｔはコントローラ１へ転送される。
【００２２】
また、燃料電池９の空気極１２には、コンプレッサ１４により圧縮されたく空気が供給される。空気極１２における空気の圧力は空気極１２の空気排出口に接続されたスロットル１３の開度により調整される。
【００２３】
図５を参照して、図１に示した水素循環量制御装置を用いた燃料電池の水素循環量制御方法を説明する。
【００２４】
（イ）先ず、Ｓ１段階において、差圧検知部７は、燃料電池９のガス流路内に燃料ガスを循環させる循環ポンプ１５の入口と出口での差圧△Ｐを検出する。
（ロ）Ｓ２段階において、回転数検出部８は、循環ポンプ１５の回転数Ｎを検出する。
（ハ）Ｓ３段階において、水素循環量演算部３は、検出した差圧△Ｐ及び回転数Ｎ、ガス流路の圧力損失特性Ｍ１及び循環ポンプ１５の圧力-流量特性Ｍ２に基づいて、燃料ガスの流量と密度を推定し、そして、推定した燃料ガスの流量と密度から燃料ガスの流量中の水素循環量を求める。
（ニ）Ｓ４段階において、要求水素循環量演算部４は、燃料電池９の消費電流Ａから消費水素量を算出し、この消費水素量から要求水素循環量を求める。
（ホ）Ｓ５段階において、差分演算部５は、水素循環量と要求水素循環量との差分を求める。
（ヘ）Ｓ６段階において、水素循環量補正部６は、水素循環量と要求水素循環量との差分に応じて循環ポンプ１５の回転数Ｎを補正することにより水素循環量を補正する。
【００２５】
なお、水素循環量演算部３は、水素循環量を求める際、燃料ガスの密度ρを仮定し、検出した差圧△Ｐ及び回転数Ｎ及び仮定したガス密度ρを圧力-流量特性Ｍ２へ入力することにより水素循環量を求める。
【００２６】
また、水素循環量演算部３は、水素循環量を求める際、想定される最大密度ρから減ずる方向へ順番に燃料ガスの密度を仮定する。
【００２７】
図２を参照して、図１に示した水素循環量制御装置を用いた燃料電池システムの制御方法を詳細に説明する。特に、図５のＳ３〜Ｓ６段階の詳細な制御内容を説明する。
【００２８】
コントローラ１は、車両の運転者のアクセル操作によるアクセル開度、及び回転数検出部８から循環ポンプ１５の実際の回転数Ｎを取得し、これらに基づいて循環ポンプ１５に対して回転数Ｎの指令を送信する。このアクセル開度と回転数Ｎとの間での制御は、机上検討や予実験で既にさまざまな補器の出力がマッチングされている燃料電池システムの制御である。つまり、アクセル開度が変化した場合、アクセル開度から直接的もしくは間接的に何かの状態量を検知して燃料電池補器のそれぞれがそのときの燃料電池システムの運転状態に適した運転状態へと変化する。燃料電池補器としての循環ポンプ１５も同様にして制御される。
【００２９】
アクセル開度の変化により燃料電池９の出力が変わる場合、燃料ガスのガス流量を急に変化させる必要があるため、燃料極系内の圧力も急変し、その結果ガス密度も急激に変化する。よって、ガスの密度依存を受ける循環ポンプ１５を循環装置として設けているため、運転状態の変化を繰り返すうちに、想定している密度に維持することができずズレが生じてきて、流量はもちろん水素の循環流量もズレが生じてくる。また、運転時間が長くなるほどそのズレ量も大きくなっていく。その結果、図２中の点線３０で囲んだ、机上検討・予実験のデータから決定した制御方法だけでは、要求水素循環量を確保できないという問題が起こる。
【００３０】
このため、本発明の第１の実施の形態に係わる水素循環量制御装置では、運転状態が変わるたびに図２中の点線３０で囲んだ部分以外の制御を追加して、燃料ガスの密度及び流量の推定を行って、循環ポンプ１５の回転数Ｎを補正し、水素循環量の補正を行う。
【００３１】
例えば、アクセルが踏まれて燃料電池９の出力が変化して、循環ポンプ１５がマッチングされた動き(点線３０で囲った部分の制御)を行った直後、燃料電池９の出力変化を検知した場合、点線３０で囲った部分以外の制御を開始する。以下にその詳細を説明する。
【００３２】
まず、システム上想定される最大の仮定密度ρ５及び循環ポンプ１５の現在の差圧△Ｐを、図２に示すような圧力損失マップＭ１及びポンプ性能マップＭ２にそれぞれ入力する。また、ポンプ性能マップＭ２には循環ポンプ１５の現在の回転数Ｎも入力する。
【００３３】
ポンプ性能マップＭ２から、入力された回転数Ｎに応じてその回転数ＮにおけるマップＮ1〜Ｎ5を選択する。そして、さらに仮定密度ρ5に応じて、選択したマップＮ1〜Ｎ5内の圧力-流量特性(P-Q線)を選択する。選択したP-Q線に差圧△Ｐを入力し、それに応じた横軸の流量QPを出力する。
【００３４】
一方、圧力損失マップＭ１では、仮定密度ρ5に応じた圧力損失特性(圧損曲線)を１つ選択する。その圧力損失特性(圧損曲線)にポンプ性能マップＭ２に入力したものと同じ、現在の差圧△Ｐを入力して、それに応じた横軸の流量QSを出力する。
【００３５】
そして、流量QSと流量QPを比較し、流量QSと流量QPの差分が閾値以上あれば、仮定密度ρ５は適していないと判断され、次に小さい仮定密度ρ４を、ポンプ性能マップＭ２及び圧力損失マップＭ１へ入力し直し、再度同じ様に流量比較を行う。収束計算に用いる仮定密度ρの入力順序は、システム上起こりうる最大のガス密度から小さい方へ順に設定する。設定密度、つまり仮定密度ρの間隔は、システムで必要な分解能に応じて入力できる密度の細かさである。
【００３６】
流量QSと流量QPの差分が閾値未満に収まった時点で、当該仮定密度ρが正しいと判断して、その密度ρと流量Q(=QS=QP)を出力する。出力した燃料ガスの密度ρと流量（循環総流量）Q(L/min)、循環ポンプ１５入口での圧力Ｐ(kPa-g)、及び循環ポンプ１５入口での温度T(℃)から、下記手順に従って水素循環量QRHを算出する。
【００３７】
先ず、（３）〜（５）式整理して、（６）式を求める。
水蒸気分圧c(水蒸気モル比)＝温度T(℃)での飽和水蒸気圧÷全圧Ｐ(kPa-g)
…（３）
QN(NL/min)=Q×(絶対温度(℃)/(絶対温度(℃)+T)*(大気圧(kPa)+P)/大気圧(kPa))
…（４）
ρ=((QN×a÷22.4)×水素分子量+(QN×b÷22.4)×窒素分子量+(QN×c÷22.4)×水蒸気分子量)÷Q                                                          …（５）
水素分子量×a+窒素分子量×b+水蒸気分子量×c=22.4×ρ×Q÷QN    …（６）
aは水素分圧(水素モル比)であり、bは窒素分圧(窒素モル比)である。また、a + b + c = 1である。よって、（６）式からaを算出することができる。よって、実際の水素循環量QRHは（７）式により求めることができる。
【００３８】
QN×a=QRH                                                     …（７）
一方、前記プロセスと同時進行で、燃料電池９の消費電流Ｉを検知して、（８）式に従って、消費水素流量QHを算出する。ここで、Fはファラデー定数(C/mol)である。
【００３９】
((I÷2)÷F)×22.4×60=QH                                        …（８）
そして、（９）式に従って要求水素循環量QRHTを算出する。ここで、SRは目標ストイキを示す。
【００４０】
(SR-1)×QH = QRHT                                               …（９）
（７）式の結果（水素循環量QRH）と（９）式の結果（要求水素循環量QRHT）とを比較する。そして、要求水素循環量QRHTが水素循環量QRHよりも大きい場合、つまり、（１０）式に示す条件を満たす場合、実際の水素流量QRHが要求値に達していないことになるため、差分に応じて回転数Ｎを上げ、流量を増加させる。
【００４１】
一方、水素循環量QRHが要求水素循環量QRHTよりも大きい場合、つまり、（１１）式に示す条件を満たす場合、実際の水素流量QRHの方が多いため、回転数Ｎを下げて適正流量になるよう水素流量を減少させる。
【００４２】
要求水素流QRHT ― 水素流量QRH  > 0                            …（１０）
要求水素流QRHT ― 水素流量QRH  < 0                            …（１１）
要求水素循環量QRHTと水素循環量QRHの差分が所定の閾値よりも小さい場合、つまり、（１２）式の条件を満たす場合、要求水素流量QRHTと実際の水素流量QRHは一致していて適正であると判断され、現状を維持する。（１２）式の条件を満たさない場合、上述したようにして循環ポンプ１５の回転数Ｎを補正する。もしこの計算中にアクセルが踏まれ燃料電池出力が変わった場合は、変わった直後から計算をやり直す。
【００４３】
｜要求水素流QRHT ― 水素流量QRH ｜ < 閾値                      …（１２）
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、燃料電池９を循環する燃料ガスのガス流路の圧力損失特性Ｍ１及びガス流路内に燃料ガスを循環させる循環ポンプ１５の圧力-流量特性Ｍ２を記憶する手段（データ記憶部２）と、循環ポンプ１５の入口と出口での差圧△Ｐを検出する手段（差圧検知部７）と、循環ポンプ１５の回転数Ｎを検出する手段（回転数検出部８）と、検出した差圧△Ｐ及び回転数Ｎ、圧力損失特性Ｍ１、及び圧力-流量特性Ｍ２に基づいて、燃料ガスの流量と密度を推定することにより燃料ガスの流量中の水素循環量を求める手段（水素循環量演算部３）と、燃料電池９の出力電流から算出される消費水素量を元に要求水素循環量を求める手段（要求水素循環量演算部４）と、水素循環量と要求水素循環量との差分を求める手段（差分演算部５）と、差分に応じて循環ポンプ１５の回転数Ｎを補正することにより水素循環量を補正する手段（水素循環量補正部６）とを備える燃料電池の水素循環量制御装置を実現することができる。
【００４４】
従来、圧力損失特性が既知の燃料電池システムにおいて、ガス密度の検知を行うためには差圧(圧力損失)と流量が必要であるが、水蒸気雰囲気においては流量計を用いた流量検知を行うことができない。流量が検知できなければ、流路の圧力損失特性を用いた密度の推定もできないため、循環流量中の水素濃度の検出もできない。
【００４５】
そこで上記の構成を備えることにより、循環装置として設けた密度依存性を受けるポンプ入出の差圧と回転数を検知して、流量と密度の同時検知を行い、循環流量中の水素流量のみの(水素濃度の)算出を可能とし、水素循環量を要求値へと補正することが可能となる。また、循環装置として設けている圧力-流量性能Ｍ２が密度依存を受ける循環ポンプ１５以外は差圧検知部７の追加のみで済むため、システムは簡素化され、信頼性向上、パワープラントの小型化が実現でき、コストも削減も可能となる。密度と流量がわかれば、常にガス組成割合が変化してしまう燃料電池システムの燃料極系においても、水素循環量が把握できるため、スタック劣化を防止でき、必要な分だけ水素が循環するようにポンプ回転数Ｎの補正をかけることができるため、補器(循環ポンプ１５)の消費電力削減も可能となる。
【００４６】
また、実験などで予め把握しておいた燃料電池システムの燃料極系の圧力損失特性Ｍ１、圧力-流量特性Ｍ２のマップにポンプ回転数Ｎ、差圧△Ｐを入力するだけでは密度検知が行えない。なぜなら、ガス流路の圧力損失特性Ｍ１、ポンプの圧力-流量特性Ｍ２はガス密度依存を受けるからである。そこで、水素循環量演算部３は、燃料ガスの密度を仮定し、検出した差圧△Ｐ及び回転数Ｎ及び仮定したガス密度を圧力-流量特性Ｍ２へ入力することにより水素循環量を求める。つまり、ガス密度を仮定して各マップの特性近似式を１つずつに限定して、仮のガス密度に基づく近似式から、実測の差圧△Ｐ、回転数Ｎを元に仮の流量を算出させ、その流量が一致するまで収束計算を行うことで仮定したガス密度が適正な値であることの判断を行うことができる。
【００４７】
また、実際よりもガス密度が低く、循環ポンプ１５が密度依存性を受ける場合、循環水素量は多く流れているため、回転数を下げることで補正をかけて水素流量を目標値に近づけ消費電力削減に寄与する。しかし、密度のズレによる過剰流量を適正量に減らすための回転数下げによる消費電力の削減量は非常に小さいため、この場合は緊急に回転数補正(回転下げ)を行う必要はない。一方、実際のガス密度が、制御上の認識値(予実験、机上検討などで、燃料電池出力に応じてポンプ回転数Ｎを決めるためのマッチング時のガス密度)よりも高い場合は、事実上水素流量の不足が起こってしまうため、一刻も早いガス密度検知とそれに基づく水素流量補正が必要である。そこで、水素循環量演算部３は、想定される最大密度ρ５から減ずる方向へ順番に燃料ガスの密度を仮定する。つまり、収束計算させる際に仮置きするガス密度を起こりうる最大のガス密度から順番に入力していくことで、消費電力削減開始が遅れるものの、水素流量不足によるスタック劣化という故障モードを回避することが可能となる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
アクセルが踏まれた際、ガス流量を急激に変化させるため、燃料極内の圧力も急激に変化し、その結果密度も急激に変化する。燃料電池９の出力に応じて机上検討や予実験などで予めマッチングされている回転数Ｎに移ってから第１の実施の形態で示したように繰り返し計算を行うと、わずかではあるが遅れが生じる可能性がある。もしくは計算を完了して補正を行う前にアクセル開度が変化して次の運転状態へ移ってしまう可能性もある。遅れが生じたり、補正をかける前に運転状態が変化すると、マッチング時に想定されている密度と現状の密度にズレが生じてしまう。この場合、水素循環流量の過不足が起こってしまう。水素循環流量の不足が起こった場合には、燃料電池スタックの劣化を早めてしまう可能性がある。水素循環流量の不足を極限まで減らすために、可能な限り早く計算を開始する必要がある。
【００４９】
そこで、図３及び図４に示すように、燃料電池９の出力電流が変化している過渡時において、水素循環量演算部３は、差圧△Ｐの変化率が減少し始めた時（PP1、PP2）の差圧△Ｐに基づいて水素循環量を求める。以下に、燃料電池９の出力が低出力から高出力に移行した場合（図３）と、高出力から低出力に移行した場合（図４）に分けて説明する。
【００５０】
燃料電池９の出力が低出力から高出力に移行した場合、図３に示すように、出力電流の変化によって差圧△Ｐが低い状態から高い状態へと変化する。差圧△Ｐが低い状態から高い状態へと変化する過渡時において、水素循環量演算部３は、差圧△Ｐの変化率が減少し始めた時PP1の差圧△Ｐから水素循環量を求める。
【００５１】
燃料電池９の出力が低出力から高出力に移行した場合、応答性を早くするために、差圧△Ｐのオーバーシュートが収束するのを待たずに差圧変化率がある閾値よりも小さくなったことを検知する。これにより、ピーク付近の差圧△Ｐを検知して、これに基づいて密度・流量推定及び回転数・水素循環量補正を開始する。図３のように差圧△Ｐが高い側へシフトする過渡において、ピーク付近の差圧△Ｐは、収束するであろう差圧△Ｐ、つまり「移行後運転状態」における差圧よりも高めに検知される。このため、ポンプ特性、圧力損失特性からすると、密度も高めに推定されることになる。密度が高めに推定されると、水素に比べて窒素が多く推定されるため、水素循環流量は少なめに推定される。よって、水素流量はいつも少しだけ多めに流れるように補正がかかるようになり、制御を安全側で行うことができる。なおかつ過渡変化直後から計算を開始できるため応答性の良い密度・流量推定及び回転数・水素循環量補正が行える。
【００５２】
一方、燃料電池９の出力が高出力から低出力に移行した場合、図４に示すように、出力電流の変化によって差圧△Ｐが高い状態から低い状態へと変化する。出力電流の変化によって差圧△Ｐが高い状態から低い状態へと変化する過渡時において、水素循環量演算部３は、差圧△Ｐの変化率が減少し始めた時PP2の差圧△Ｐにある一定量を加えた値から水素循環量を求める。
【００５３】
高出力から低出力へ変化するような過渡直後は、応答性を早くするために、アンダーシュートのピーク付近PP2の差圧△Ｐを、差圧変化率がある閾値よりも小さくなったことから検知する。そして、さらにその差圧△Ｐに、システム上起こりうる最大のアンダーシュート量を予め把握しておき、その値を加える。その結果の差圧に基づいて、密度・流量推定、及び回転数・水素循環量補正を開始する。これにより、収束するであろう差圧、つまり「移行後運転状態」における差圧よりも高めに事前検知を行うことができる。そして、その結果、ポンプ特性、圧力損失特性から燃料ガスの密度が高めに推定することができ、そして、水素流量は少なめに推定される。アンダーシュートのピークPP2をそのまま検知すると差圧を収束するであろう値より低い値に認識しまうことになり、密度も低く推定されてしまい、その結果、水素循環流量は実際よりも多く流れていると誤認識されてしまう。なぜなら、水素リッチの状態は、密度が低い状態を示しているからである。このような誤認識が成されると、制御上は目標水素循環量に補正できたと認識されても、実際はまだ補正量が足りず、水素流量が不足したままになってしまう。ピークPP2時の差圧△Ｐにある一定量を加えた値から水素循環量を求めることにより、水素流量の不足を回避できる。
【００５４】
以上説明したように、第２の実施の形態では、出力電流が変化している過渡時において、水素循環量演算部３は、差圧の変化率が減少し始めた時の差圧に基づいて水素循環量を求める。これにより、過渡から定常に戻る前に運転状態移行後(定常状態)の密度、流量計算を事前に行い要求水素流量への補正を行うため、差圧変化のオーバーシュートが収まるまで待っている間の未知の運転状態を作らない。すなわち水素流量不足が起こってしまう、もしくは循環量過剰による消費電力の無駄が起こってしまうかもしれない時間を作らずに、密度・流量の事前検知による水素流量補正を可能とする。
【００５５】
また、出力電流の変化によって差圧が低い状態から高い状態へと変化する過渡時において、水素循環量演算部３は、差圧の変化率が減少し始めた時の差圧から水素循環量を求める。差圧変化のオーバーシュートのピークPP1付近の差圧を検知することで、実際に収束する値よりも高めに差圧を見積って、ガス密度を実際よりも高めに推定することができる。密度が高い場合、循環流量は増加する特性があるが、水素流量はむしろ減少している。なぜならば、水素リッチな混合ガスの水素密度は低く、窒素リッチな混合ガスでの水素密度は高いからである。したがって、回転数が少し高めに(安全側へ)補正制御され、水素流量も多目に補正される。よって、応答性向上に加えて信頼性を高めることができる。過渡変化直後はそのように密度・流量推定を行って流量補正を行い、定常になってからは正確な水素流量補正に移る。
【００５６】
また、出力電流の変化によって差圧が高い状態から低い状態へと変化する過渡時において、水素循環量演算部３は、差圧の変化率が減少し始めた時の差圧にある一定量を加えた値から水素循環量を求める。これにより、差圧変化のアンダーシュートのピークPP2付近の差圧を検知することができ、収束する前から事前に密度・流量推定を行えるため、応答性は当然向上する。しかし、差圧を実際より低めに検知してしまうため、そのまま回転数補正、流量補正を行うと、回転数を下げるような補正がかかってしまい、水素流量不足が発生してしまう。なぜなら、ガス密度を実際よりも低め推定する方向、すなわち水素流量が過剰であると誤認識してしまう方向に推定してしまうからである。そこで、アンダーシュートのピーク付近の差圧に、予め把握しておいた、起こりうる最大の差圧のアンダーシュート量をプラスすることで、差圧が減少するような運転状態の過渡変化直後においても、応答性を向上させるとともに、実際に収束するであろう密度よりも少し高めに見積もられる。密度が高い場合、循環流量は増加する特性があるが、水素流量はむしろ減少している。なぜならば、水素リッチな混合ガスでは水素密度は低く、窒素リッチな混合ガスでは水素密度が高いからである。これにより、回転数が少し高めに(安全側へ)補正制御され、水素流量も多目に補正されるため、差圧が下がるような過渡直後においても応答性が向上するとともに信頼性を高めることができる。過渡変化直後はそのように密度・流量推定を行って流量補正を行い、定常になってからは正確な水素流量補正に移る。
【００５７】
上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した水素循環量制御装置を用いた燃料電池システムの制御内容を示すブロック図である。
【図３】燃料電池の出力が低出力から高出力に移行した場合の差圧の時間変化を示すグラフである。
【図４】燃料電池の出力が高出力から低出力に移行した場合の差圧の時間変化を示すグラフである。
【図５】図１に示した水素循環量制御装置の動作方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
１…コントローラ
２…データ記憶部
３…水素循環量演算部
４…要求水素循環量演算部
５…差分演算部
６…水素循環量補正部
７…差圧検知部
８…回転数検出部
９…燃料電池
１０…燃料極
１１…高分子膜
１２…空気極
１３…スロットル
１４…コンプレッサ
１５…循環ポンプ
１６…圧力調整バルブ
１７…圧力計
１８…温度計
１９…水素貯蔵装置
【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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