(57)【要約】【課題】効率や燃費を悪化させることなく、ガス密度が変化した場合でも水素循環流量を要求水素循環流量に正確に制御する。【解決手段】ＥＣＵ１２が、燃料電池システムの運転状態に基づいて要求水素循環流量Ｑ’を演算し、アノード系内のガス密度に基づいてアノード系内における実水素循環量Ｑを演算し、アノード系内における実水素循環流量Ｑを要求水素循環流量Ｑ’に制御する。これにより、循環ポンプ４の総循環流量が直接的に判らない状況下でも水素循環流量を制御し、効率や燃費を悪化させることなく、ガス密度が変化した場合でも水素循環流量を要求水素循環流量に正確に制御することができる。【選択図】図１
2006134806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環ポンプを利用して燃料電池の燃料極から排出された水素を水素循環路を介して燃料極に循環させる燃料電池システムであって、
燃料電池システムの運転状態に基づいて要求水素循環流量を演算し、前記水素循環路内のガス密度に基づいて前記水素循環路内における実水素循環量を演算し、前記水素循環路内における実水素循環流量を演算された要求水素循環流量に制御する制御部を備えること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内の水素濃度を検出するガス濃度センサの検出値を利用して前記水素循環路内のガス密度を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記循環ポンプの回転数を制御することにより、前記水素循環路内における実水素循環流量を演算された要求水素循環流量に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内のガスを系外に排出するパージ弁の開度を制御することにより、水素循環路内における実水素循環流量を演算された要求水素循環流量に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４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、
水素循環路に供給される水素の流量を検出する流量検出部を備え、
前記制御部は、前記流量検出部により検出された流量から算出される要求水素循環流量と、前記燃料極の水素消費量から算出される要求水素循環流量のうち、値が大きい方を要求水素循環流量として用いることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５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、
前記制御部は、前記ガス密度の上限閾値及び下限閾値を設定することによりガス密度範囲を設定し、水素循環路内のガス密度と当該ガス密度範囲の相対位置に従って水素循環路内における実水素循環流量の制御方法を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内のガス密度が前記上限閾値以上である場合、前記パージ弁の開度を制御することにより水素循環路内のガス密度を上限閾値以下まで低下させた後、前記循環ポンプの回転数を制御することにより、水素循環路内における実水素循環流量を演算された要求水素循環流量に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記水素循環路内のガス密度が前記下限閾値以下である場合、前記循環ポンプの回転数を制御することにより、水素循環路内における実水素循環流量を演算された要求水素循環流量に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８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、
前記制御部は、燃料電池システムの運転状態に応じて前記ガス密度範囲を移動すること特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池の出力を増加させる場合、前記水素循環路内の水素循環流量が最大になるガス密度方向に前記ガス密度範囲を移動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、燃料電池システムのエネルギー効率を高める場合、前記パージ弁により水素を排出することによるエネルギー損失量と前記循環ポンプの消費電力量の和が最小になるガス密度方向に前記ガス密度範囲を移動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項９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、
前記制御部は、水素循環流量制御の信頼性を高める場合、又は、燃料電池システムの音振を低減する場合、水素循環流量が最大になるガス密度方向に前記ガス密度範囲を漸近、又は一致させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２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、
前記制御部は、前記ガス密度範囲を狭める、又は、前記上限閾値と前記下限閾値を一致させることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、効率や燃費を悪化させることなく、水素循環路内のガス密度が変化した場合でも水素循環流量を要求水素循環流量に正確に制御するための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、循環ポンプを利用して燃料電池の燃料極から排出された水素を燃料極に循環させる燃料電池システムが知られている。そして、このような燃料電池システムによれば、燃料極で未利用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。
【０００３】
ところで、従来までの燃料電池システムは、水素循環路内のガス密度によって循環性能が変化しない体積式やスクロール式と呼ばれる形式の循環ポンプを用いて水素を循環させている（例えば、特許文献１を参照）。しかしながら、体積式やスクロール式と呼ばれる形式の循環ポンプを利用して大流量の水素を循環させようとする場合には、循環ポンプが大型化してしまう。
【０００４】
このような背景から、大型化することなく大流量の水素を循環させることが可能な速度式や過流式と呼ばれる形式の循環ポンプを用いて水素を循環させる方法が考えられている。しかしながら、速度式や過流式と呼ばれる形式の循環ポンプでは、ガス密度が低くなると循環性能が低下し、循環性能がガス密度によって影響を受ける。このため最近では、ガス密度が変化した場合でも必要な循環性能を確保できるように、循環ポンプを最大回転数（全開）で動作させる制御方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１５７８７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記制御方法によれば、ほとんどの運転状態において水素を過剰に循環させることになるので、循環ポンプが電力を無駄に消費することによって、燃料電池システムの効率や燃費が悪化する。
【０００６】
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、効率や燃費を悪化させることなく、水素循環路内のガス密度が変化した場合でも水素循環流量を要求水素循環流量に正確に制御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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムの運転状態に基づいて要求水素循環流量を演算し、水素循環路内のガス密度に基づいて前記水素循環路内における実水素循環量を演算し、水素循環路内における実水素循環流量を演算された要求水素循環流量に制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、水素循環路内のガス密度に基づいて水素循環路内における実水素循環量を演算するので、効率や燃費を悪化させることなく、水素循環路内のガス密度が変化した場合でも水素循環流量を要求水素循環流量に正確に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の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。
【００１０】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える。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、アノード及びカソード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化学反応式（１）〜（３）による。
【００１１】
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
〔アノード系の構成〕
上記燃料電池システムは、図１に示すように、水素（Ｈ２）貯蔵装置１及び圧力調整バルブ２を備え、水素貯蔵装置１内に貯蔵された水素の圧力を圧力調整バルブ２により調整した後、水素循環路３ａを介して燃料電池のアノードに水素を供給する。また、燃料電池のアノードから排出された水素は、水素循環路３ｂを介して循環ポンプ４に循環され、循環ポンプ４によって水素循環路３ａを介して燃料電池のアノードに供給される。なお、この燃料電池システムでは、循環ポンプ４は、ガス密度によって循環性能が変化する速度式や過流式と呼ばれる形式の循環ポンプにより構成されている。
【００１２】
なお、水素循環路３ａ，３ｂには、カソードからリークした空気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、水素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水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。このため、この燃料電池システムでは、水素循環路３ｂにパージ弁５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、ＥＣＵ１２からの指示でパージ弁５を短時間開き、不純物ガスや液水を系外へ排出させるパージを行う。これにより、アノードを含む水素循環路３ａ，３ｂ内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。
【００１３】
〔カソード系の構成〕
上記燃料電池システムは、図示しないが、空気を圧縮して供給するコンプレッサを備え、コンプレッサは圧縮した空気を空気供給路を介して燃料電池のカソードへ供給する。そして、燃料電池のカソードで未使用の空気は、空気圧力調整弁により圧力調整された後、空気排出路から系外へ排出される。
【００１４】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムにおける制御系は、図１に示すように、水素循環路３ａに供給される水素の流量を計測する流量計６と、水素循環路３ａ内のガスの温度及び圧力を検出する温度計７及び圧力計８と、水素循環路３ｂ内の水素濃度を検出するガス濃度センサ９と、水素循環路３ｂ内のガスの圧力及び温度を検出する圧力計１０及び温度計１１と、燃料電池システム全体の動作を制御するＥＣＵ１２とを備える。なお、ＥＣＵ１２は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００１５】
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、ＥＣＵ１２が以下に示す水素流量制御処理を実行することにより、効率や燃費を悪化させることなく、水素循環路３ａ，３ｂ内のガス密度が変化した場合でも水素循環流量を要求水素循環流量に正確に制御する。以下、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施形態となる水素流量制御処理を実行する際のＥＣＵ１２の動作について説明する。
【実施例１】
【００１６】
始めに、図２乃至図４を参照して、本発明の第１の実施形態となる水素流量制御処理の流れについて説明する。
【００１７】
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、水素流量制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１８】
ステップＳ１の処理では、ＥＣＵ１２が、圧力計８，１０及び温度計７，１１を利用して水素循環路３ａ，３ｂ内（以下、アノード系内と表記）のガスの圧力と温度を検出し、アノード系内のガスの圧力及び温度とその時にアノード系内に存在する窒素，水素，及び水蒸気の量を示すマップデータから、検出された圧力と温度時にアノード系内に存在する窒素，水素，及び水蒸気の量を読み出すことにより、アノード系内のガス密度ρを算出する。
【００１９】
なお、ＥＣＵ１２は、ガス密度ρの算出精度を高めるために、ガス濃度センサ９を利用して水素循環路３ｂ内の水素濃度を検出し、圧力計８，１０及び温度計７，１１の検出値を利用して水蒸気濃度を算出し、１００％から水素濃度と水蒸気濃度を減算することにより窒素濃度を算出し、水素濃度，水蒸気濃度，窒素濃度から各気体の体積を算出することにより、アノード系内のガス密度ρを算出してもよい。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、水素流量制御処理はステップＳ１の処理からステップＳ２の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ２の処理では、ＥＣＵ１２が、スタック出力電流値，パージ弁５によるパージに伴う排出水素量演算値，圧力計８，１０及び温度計７，１１の検出値，アノード側からカソード側にクロスリークする水素量推定値から、アノードにおける水素消費量を演算する。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、水素流量制御処理はステップＳ２の処理からステップＳ３の処理に進む。
【００２１】
ステップＳ３の処理では、ＥＣＵ１２が、燃料電池システムの運転条件に応じて設定されている水素の要求ストイキから１を減算した値に水素消費量を乗算することにより、燃料電池の要求水素循環流量Ｑ’を算出する。なお、ＥＣＵ１２は、水素の要求ストイキから１を減算した値に流量計６の検出値を乗算することにより要求水素循環流量Ｑ’を算出してもよい。
【００２２】
また、ＥＣＵ１２は、要求ストイキから１を減算した値に水素消費量を乗算する方法と要求ストイキから１を減算した値に流量計６の検出値を乗算する方法の２つの方法により要求水素循環流量を算出し、算出された値の大きい方を要求水素循環流量Ｑ’として選択するようにしてもよい。このような処理によれば、算出される要求水素循環流量Ｑ’の信頼性を向上させることができる。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、水素流量制御処理はステップＳ３の処理からステップＳ４の処理に進む。
【００２３】
ステップＳ４の処理では、ＥＣＵ１２が、圧力計８，１０の検出値を利用して循環ポンプ４の差圧Ｐを算出し、算出された差圧Ｐを利用してアノード系内の実水素循環流量Ｑを算出する。具体的には、始めに、ＥＣＵ１２は、循環ポンプ４の回転数と循環ポンプ４の差圧（Ｐ）−水素循環流量（Ｑ）線図（以下、Ｐ−Ｑ線図と表記）の傾き及び切片（締め切り圧）の関係を示す曲線をアノード系内のガス密度毎に表したマップデータ（図３参照）をアノード系内のガスの圧力及び温度毎に用意し、現在のアノード系内のガスの圧力及び温度に対応する、若しくは、近いマップデータを抽出する。
【００２４】
次に、ＥＣＵ１２は、抽出されたマップデータからステップＳ１の処理により算出されたガス密度ρに対応する曲線のデータを読み出し、読み出したデータを用いて図４に示すようなステップＳ１の処理により算出されたガス密度ρに対応するＰ−Ｑ線図を作成する。そして、ＥＣＵ１２は、作成されたＰ−Ｑ線図から循環ポンプ４の差圧Ｐに対応する水素循環流量Ｑを読み出すことにより、アノード系内の実水素循環流量Ｑを算出する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、水素流量制御処理はステップＳ４の処理からステップＳ５の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ５の処理では、ＥＣＵ１２が、ステップＳ３の処理により算出された要求水素循環流量Ｑ’とステップＳ４の処理により算出された実水素循環流量Ｑを比較することにより、要求水素循環流量Ｑ’を実現するための循環ポンプ４の必要回転数を決定し、決定した必要回転数で動作するように循環ポンプ４を制御する。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、水素流量制御処理はステップＳ５の処理からステップＳ１の処理に戻る。
【００２６】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる水素流量制御処理によれば、ＥＣＵ１２が、燃料電池システムの運転状態に基づいて要求水素循環流量Ｑ’を演算し、アノード系内のガス密度ρに基づいてアノード系内における実水素循環量Ｑを演算し、アノード系内における実水素循環流量Ｑを要求水素循環流量Ｑ’に制御する。すなわち、本発明の第１の実施形態となる水素流量制御処理によれば、アノード系内のガス密度に基づいてアノード系内における実水素循環量Ｑを演算するので、循環ポンプ４の循環流量が直接的に判らない状況下でも水素循環流量を制御し、効率や燃費を悪化させることなく、ガス密度ρが変化した場合でも水素循環流量Ｑを要求水素循環流量Ｑ’に制御することができる。また、要求水素循環流量Ｑ’を下回ることにより燃料電池が劣化することを防止することもできる。
【００２７】
なお、ＥＣＵ１２は、パージ弁５の開度を制御することにより、アノード系内における実水素循環流量Ｑを要求水素循環流量Ｑ’に制御してもよい。このような構成によれば、パージ弁５の開度は、要求水素循環流量Ｑ’を確保するために行われる制御に応じて決定されるようになるので、定期的にパージを行うシステムと比較して、パージ弁５からの排水素量を低減することができる。
【実施例２】
【００２８】
次に、図５乃至図８を参照して、本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理の流れについて説明する。
【００２９】
一般に、図５に示すように、アノード系内のガス密度ρが最も低い状態は、アノード系内に水素しか存在しない状態である水素１００％の時であり、逆にガス密度ρが最も高くなる状態は、アノード系内に窒素と水蒸気しか存在しない水素０％の時である。また、循環ポンプ４の回転数が一定である場合、アノード系内のガス密度ρが上がるほど循環ポンプ４の総循環流量が増えるために、アノード系内における水素循環流量は次第に増えていき、最大値密度ρｍａｘで最大となる。
【００３０】
そして、循環ポンプ４の特性上、アノード系内のガス密度ρが上がるのに応じて総循環流量はさらに増加していくが、ガス密度ρの増加に伴う水素濃度の減少によって、水素循環流量は最大値（以下、水素循環流量最大値と表記）から減少を開始する。また、循環ポンプ４が最大回転数で動作している場合であっても、要求水素循環量領域の最大値を下回る水素循環量しか循環させられない密度（以下、性能保証最低密度と表記）ρｍｉｎがある。
【００３１】
より具体的には、アノード系内のガス密度ρは、カソード側からアノード系内への窒素の侵入や温度変化に伴う水蒸気量増加によって、時間と共に高くなる。これは、アノード系内において、水素と比較して分子量が大きい窒素や水蒸気の濃度が高くなるためである。そして、アノード系内のガス密度ρが高くなると、図６に示す直線Ｌ２のように、アノード系内の総循環流量は増加するが、ガス密度が上がった分、水素濃度が次第に低下することによって、図６に示す直線Ｌ３のように水素循環流量が不足する状態になる。
【００３２】
また、水素循環流量が不足していなくても、総循環流量が多い割りに水素循環流量が少ないために、システム効率が悪くなる。一方、アノード系内のガス密度ρが低いということは水素濃度が高いことを意味するが、循環ポンプ４の特性上、ガス密度ρが下がると総循環流量も減るため、図６に示す直線Ｌ１のように循環ポンプ４を最大回転数で動作させても、必要な水素循環流量を確保できない場合がある。
【００３３】
そこで、本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理では、ＥＣＵ１２は、以下に示すように動作することにより、循環ポンプ４が無駄に電力を消費することを抑制する。以下、図７，８を参照して、本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理について説明する。
【００３４】
本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理では、始めに、ＥＣＵ１２が、図７，８に示すようにアノード系内のガス密度ρに上限閾値ρｔｈ２及び下限閾値ρｔｈ１を設定する。なお、アノード系内のガス密度ρが上限閾値ρｔｈ２以上である場合、多くのガスが循環していることになり、循環ポンプ４の消費電力に無駄が生じてしまう。また、ガス密度ρが上限閾値ρｔｈ２を上回っている状態は、水素循環流量がじきに水素循環流量最大値を超えてしまうことを意味する。
【００３５】
また、ガス密度ρが増加するのに応じて循環ポンプ４による総循環流量は増加するが、最大値密度ρｍａｘは、密度増加によるポンプの水素循環量増加率よりも水素濃度低下に伴う水素循環流量減少率の方が上回る点なので、水素循環流量が水素循環流量最大値を超えた場合、循環ポンプ４にとっては、水素割合が少ない、還元すれば、窒素が多いために重くなったガスを循環させることになり、循環ポンプ４の消費電力が増加する。従って、水素循環流量が水素循環流量最大値を超えることは望ましくない。
【００３６】
次に、ＥＣＵ１２は、アノード系内のガス密度ρが上限閾値ρｔｈ２以上、又は下限閾値ρｔｈ１以下であるか否かを判別し、図７，８に示す点Ｐ１，Ｐ６のようにガス密度ρが上限閾値ρｔｈ２以上である場合、循環ポンプ４の回転数を一定にした状態でパージ量を増やすことによりガス密度ρが上限閾値ρｔｈ２以下になる点Ｐ２，Ｐ７まで水素循環流量を低下させた後、循環ポンプ４の回転数を必要回転数に補正することにより水素循環流量を要求値Ｑ５，Ｑ１０に補正する。一方、図７，８に示す点Ｐ４，Ｐ９のようにガス密度ρが下限閾値ρｔｈ１以下である場合には、ＥＣＵ１２は、パージを停止して循環ポンプ４の回転数を上げることにより水素循環流量を要求値Ｑ５，Ｑ１０に補正する。
【００３７】
なお、ガス密度が下限閾値ρｔｈ１以下になった場合は循環ポンプ４の回転数を制御することにより水素循環流量Ｑを補正する理由は、水素循環流量Ｑはパージ量を増やしてガス密度ρを下げることにより下げることができるが、ガス密度ρを性能保証最低密度ρｍｉｎ以下まで下げると、フル出力指令が出されて循環ポンプ４の回転数が最大になっても、ガス密度ρの低下によって水素循環流量Ｑも下がっているために、要求水素循環流量Ｑ’を確保することができず、出力が制限されたり、水素ストイキが不足することによって燃料電池が劣化してしまうためである。また、ガス密度ρが下限閾値ρｔｈ１に達した後に、水素循環流量Ｑが要求値に足りないからといって、ガス密度を急に上げて水素循環流量Ｑを増やすことはできないためである（ガス密度ρを上げるためには、窒素濃度を増やせばいいが、窒素はカソード側から侵入してくるものなので急には増やすことができない）。
【００３８】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理によれば、ＥＣＵ１２が、アノード系内のガス密度ρが上限閾値ρｔｈ２以上である場合、アノード系内のガスを外部に排出するパージ弁５の開度を制御することによりガス密度ρを上限閾値ρｔｈ２以下まで低下させた後、循環ポンプ４の回転数を制御することによりアノード系内における水素循環流量Ｑを要求水素循環流量Ｑ’に制御するので、循環ポンプ４の負荷を減らし、且つ、アノード系内のガス密度ρを下げながら水素循環流量Ｑを補正することができる。
【００３９】
また、本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理によれば、アノード系内のガス密度ρが下限閾値ρｔｈ１以下である場合、ＥＣＵ１２が、循環ポンプ４の回転数を制御することにより、アノード系内における水素循環流量Ｑを要求水素循環流量Ｑ’に制御するので、循環ポンプ４の負荷を小さく抑えた状態で、且つ、アノード系内のガス密度ρを上げながら水素循環流量Ｑを補正することができる。また、アノード系内のガス密度ρを上げながら水素循環流量Ｑを補正することができるので、ガス密度ρが性能保証最低密度ρｍｉｎまで低下することを抑制し、システムの信頼性を確保することができる。
【実施例３】
【００４０】
最後に、図９，１０を参照して、本発明の第３の実施形態となる水素流量制御処理の流れについて説明する。
【００４１】
本発明の第３の実施形態となる水素流量制御処理では、燃料電池システムが搭載されている車両の運転モードに応じて、ＥＣＵ１２が下限閾値ρｔｈ１及び上限閾値ρｔｈ２を変化させる。具体的には、運転者が山道等で意図的に行うスイッチング動作や車両駆動モータのトルクに対する車速がある一定時間の間連続して低い状態にあることを検知した場合、ＥＣＵ１２は、高出力運転モードとして、図９に示すようにガス密度範囲Ｒ１を水素循環流量最大値方向に変化させる。これにより、アノード系内のガス密度は通常時と比較して高めに制御され、通常時と比較して最大水素循環流量が高くなる（図９に示す水素循環流量Ｑ１２から水素循環流量Ｑ１３に変化）ので、高出力運転を行うことができるようになる。
【００４２】
一方、燃料電池の発電量の低下量が所定値以下になったことを検知した場合には、ＥＣＵ１２は、燃料電池の劣化が生じていると判断し、スタック劣化保護モードとして、ガス密度範囲を水素循環流量最大値方向に変化させる。これにより、アノード系内のガス密度は通常時と比較して高めに制御され、通常時と比較して水素が多めに循環されるようになるので、水素循環流量が不足することによって燃料電池が劣化することを抑制することができる。
【００４３】
また、通常時や高速道路走行時等、エネルギー効率を重視する場合には、ＥＣＵ１２は以下に示すエネルギー効率重視型運転モードを実行する。一般に、アノード系内のガス密度ρが高い状態とは、パージ量を少なくした結果であり、系外への排水素量が少ない状態を示す。換言すれば、アノード系内のガス密度が低い状態とは、パージを頻繁に行った結果であり、エネルギー損失は大きい。このことから、パージによるエネルギー損失は、図１０に示す曲線Ｌ６のように表される。また、循環ポンプ４の消費電力は、図１０に示す曲線Ｌ５のように、高密度のガスを循環させた場合大きく、低密度のガスを循環させた場合は小さい。従って、曲線Ｌ６と曲線Ｌ５の和を算出することにより、ガス密度の変化に伴うエネルギー損失の変化は図１０に示す曲線Ｌ４のように表される。
【００４４】
そこで、エネルギー効率を重視する場合、ＥＣＵ１２は、エネルギー効率重視型運転モードとして、図１０に示す曲線Ｌ４が最も小さくなる密度領域（図１０に示す領域Ｂ）で運転することにより、エネルギー効率が最も良い運転を行うように制御する。より具体的には、運転者による意図的なスイッチング動作や、車両駆動モータのトルク変動幅がある一定時間の間規定値以内に収まっている（＝急加速がないことから信号待ちがなく、高速道路を走行していると判断する）ことを検知すると、ＥＣＵ１２は、エネルギー効率重視型運転モードとして、曲線Ｌ４の最小値を挟むようにガス密度範囲を設定することにより、エネルギー効率が最も良い運転を行うように制御する。
【００４５】
なお、上述の通り、アノードガス密度幅を水素循環流量最大値方向に変化させた場合には、アノード系内のガス密度は通常時と比較して高めに制御されるので、循環ポンプ４の回転数を下げても要求水素循環流量Ｑ’を確保することができる。従って、循環ポンプ４の音や振動が目立つようなアイドルストップ状態を検知した場合、又は、運転者が意図的なスイッチ動作を行った場合、ＥＣＵ１２は、音振低減モードとして、ガス密度範囲を水素循環流量最大値方向に変化させることにより、循環ポンプ４の回転数を低減し、循環ポンプ４の音や振動を抑えるようにしてもよい。また、ガス密度範囲を狭める、又は、上限閾値ρｔｈ２と下限閾値ρｔｈ１を一致させてもよい。これにより、上述の各運転モードの特性をより大きく出すことができる。また、目標とする運転ガス密度付近で精度よく運転することもできる。
【００４６】
以上、本発明者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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となる水素流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】アノード系内のガス密度毎の、循環ポンプの回転数と循環ポンプの差圧−水素循環流量線図の傾き及び切片の関係を示す図である。
【図４】循環ポンプの差圧−水素循環流量線図である。
【図５】循環ポンプの回転数毎のアノード系内の水素循環流量とガス密度の関係を示す図である。
【図６】アノード系内の水素循環流量及び総循環流量とガス密度の関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態となる水素流量制御処理を説明するための図である。
【図９】本発明の第３の実施形態となる水素流量制御処理を説明するための図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態となる水素流量制御処理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：水素（Ｈ２）貯蔵装置
２：圧力調整バルブ
３ａ，３ｂ：水素循環路
４：循環ポンプ
５：パージ弁
６：流量計
７，１１：温度計
８，１０：圧力計
９：ガス濃度センサ
１２：ＥＣＵ
【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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