(57)【要約】【課題】  加湿水あるいは冷却水の流路においてエアや異物が詰まった際にそれを回復させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  コントローラ１１３は、燃料電池１０１の純水通路１０１ｃの入口圧力を燃料電池入口純水圧力センサ１０７で、出口圧力を燃料電池出口純水圧力センサ１０８で検出する。入口圧力と出口圧力との差圧（圧損）から実純水流量を推定し、実純水流量と目標純水流量との偏差に応じて、純水流量を回復するための異常時純水流量を算出して、純水ポンプに１０６に指令する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の加湿または前記燃料電池の冷却のために前記燃料電池へ液体を供給する液体供給手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて前記液体供給手段による前記液体の供給量を制御する液体供給量制御手段と、
前記液体の供給に異常が生じていることを判断する液体供給異常判断手段と、
前記液体供給異常判断手段が異常と判断したときに、前記液体の供給量を増加させる異常時液体供給量増加手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記液体供給異常判断手段は、
前記液体の流量に基づいて、前記液体の供給に異常が生じていることを判断す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。
【請求項３】
前記液体の燃料電池の入口圧力を検出する燃料電池入口液体圧力検出手段または前記液体の燃料電池の出口圧力を検出する燃料電池出口液体圧力検出手段の少なくとも一方をさらに備え、
前記液体供給異常判断手段は、
前記燃料電池入口液体圧力検出手段または前記燃料電池出口液体圧力検出手段の少なくとも一方の出力に基づいて、前記液体の流量を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記液体供給異常判断手段は、
前記液体供給手段の目標流量から推定される推定操作量と前記液体供手段の操作量との差、
または前記操作量から前記液体供給手段が供給していると推定される推定流量と前記目標流量との差に基づいて、前記異常を判断す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。
【請求項５】
前記液体供給手段の回転数を検出する回転数検出手段、または、前記液体供給手段の消費電流を検出する消費電流検出手段、の少なくとも一方をさらに有し、
前記操作量として、前記消費電流検出手段または前記回転数検出手段の少なくとも一方の出力を用いることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記異常時液体供給量増加手段は、
前記液体供給手段の目標流量から推定される推定操作量と前記液体供給手段の操作量との差、または、前記操作量から前記液体供給手段が供給していると推定される推定流量と前記目標流量との差に応じて、前記液体供給量を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記液体の液体圧力を検出する液体圧力検出手段と、
前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス圧力と前記液体の圧力との差圧を検出するガス−液体差圧検出手段をさらに有し、
前記異常時液体供給量増加手段は、
前記差圧の許容範囲で前記液体供給量を増加することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池内部で前記液体の流路から前記液体が前記燃料極および前記酸化剤極の少なくとも一方へ透過できる構造と、
前記液体が前記燃料極または前記酸化剤極へ過剰に透過した状態である過加湿状態を推定する過加湿状態推定手段と、をさらに有し、
前記異常時液体供給量増加手段は、
前記過加湿状態推定手段の出力に応じて前記液体供給量を増加させること、
または、前記過加湿状態推定手段の出力に応じて前記液体供給量の増加を停止させることの少なくとも一方を実施することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の発電電圧を検出する発電電圧検出手段を有し、
前記過加湿状態推定手段は、
前記発電電圧検出手段の出力に応じて前記過加湿状態を推定することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記過加湿状態推定手段は、
前記差圧に応じて前記過加湿状態を推定することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段の少なくとも一方は、前記液体供給異常判断手段が異常と判断したときに、ガス供給量を増加させるガス供給量増加部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記液体供給異常判断手段が異常と判断しなくなってから再度異常と判断するまでの時間を計測する液体供給異常間隔演算手段をさらに有し、
前記ガス供給量増加部は、
前記液体供給異常間隔演算手段の出力が小さいほど、前記ガス供給量をより増加させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記液体供給異常判断手段が異常と判断しなくなってから再度異常と判断するまでの時間を計測する液体供給異常間隔演算手段をさらに有し、
前記異常時液体供給量増加手段は、
前記液体供給異常間隔演算手段の出力が小さいほど、前記液体供給量をより増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記液体供給異常判断手段は、
前記液体供給異常判断手段が異常と判断してから所定時間経過後に異常が解消されたと判断することを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内部に加湿用または冷却用の液体通路を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の電解質膜は、湿潤状態で良好な水素イオン導電性を有するため、加湿を行う必要がある。加湿には多孔質膜を介して加湿水をガス流路へ透過させるものが知られている。特許文献１記載の技術では、燃料電池本体の外部に多孔質膜を有する加湿器を設けて、燃料となる水素ガス、酸化剤となる空気をそれぞれ加湿している。また、特許文献２記載の技術では、燃料電池内部のガス流路と冷却水流路とを隔離する多孔質膜を設け、この多孔質膜を介して加湿を行っている。
【特許文献１】特開平０８−１３８７０５号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開平０６−０６８８８４号公報（第７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、加湿水および冷却水の流路に気泡や異物が詰まることにより流量が低下し、加湿不足による電解質膜のドライアウトや冷却不足による温度上昇を引き起こすという問題点があった。
【０００５】
また加湿水または冷却水の流量検出し、検出した流量を用いてフィードバック制御により目標流量を維持するシステムも広く一般的に知られているが、流路に気泡（エア）が噛むことによって不足した流量を補うためにポンプの消費電力が上がってしまうという問題点やエア噛みを放置することで、より大きなエア噛みが発生し、最終的に加湿水や冷却水の循環自体ができなくなる可能性があるといった問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の加湿または前記燃料電池の冷却のために前記燃料電池へ液体を供給する液体供給手段と、前記燃料電池の運転状態に応じて前記液体供給手段の供給量を制御する液体供給量制御手段と、前記液体の供給に異常が生じていることを判断する液体供給異常判断手段と、前記液体供給異常判断手段が異常と判断したときに、液体供給量を増加させる異常時液体供給量増加手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、液体の流量に異常を検知した際に、通常時以上の回復流量を供給できるようにするので、不足してしまった流量を補い、かつ、流量の増加によって生じた圧力の上昇が液体の流路に噛んでしまった気泡、または、小さな異物などを押し流すことができる。結果、液体流量の異常を回復させることができる。
【０００８】
異常を検知した際に流す回復流量は多ければ多いほど気泡や小さな異物を押し流す効果が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示す概略構成図である。図１において、燃料電池システムは、カソード（酸化剤極）１０１ａに供給された酸化剤ガスとアノード（燃料極）１０１ｂに供給された燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池１０１と、カソード１０１ａへ酸化剤ガスとしての空気を供給するコンプレッサ１０２と、空気の圧力を制御するスロットル１０３と、図外の水素タンクから供給される燃料ガスとしての水素の圧力・流量を制御する可変バルブ１０４と、純水を貯蔵する純水タンク１０５と、純水タンク１０５の純水を燃料電池１０１の純水通路１０１ｃへ供給する純水ポンプ１０６と、燃料電池の入口純水圧力を検出する燃料電池入口純水圧力センサ１０７と、燃料電池の出口純水圧力を検出する燃料電池出口純水圧力センサ１０８と、三方弁１０９と、バイパス通路１１０と、ラジエータ１１１と、ラジエータファン１１２と、コントローラ１１３とを備えている。
【００１１】
本実施例では、純水ポンプ１０６により燃料電池１０１に供給される純水は、加湿水及び冷却水の機能を併せ持っているが、加湿のみ、または冷却のみの機能を純水に行わせることも可能である。尚、純水により燃料電池１０１の加湿のみを行う場合には、図１の構成要素として、三方弁１０９、バイパス流路１１０、ラジエータ１１１、ラジエータファン１１２は不要であり、燃料電池１０１の純水通路１０１ｃの出口から直接純水タンク１０５へ戻る構成とすればよい。
【００１２】
コントローラ１１３は、図示しない目標発電電流、燃料電池入口純水圧力センサ１０７及び燃料電池出口純水圧力センサ１０８の検出信号を取り込み、内蔵された制御ソフトウエアに基づいて、コンプレッサ１０２、スロットル１０３、可変バルブ１０４、純水ポンプ１０６、三方弁１０９、ラジエータファン１１２を制御することにより、燃料電池１０１の発電量、加湿状態及び温度を適切に制御する。
【００１３】
コンプレッサ１０２では空気が圧縮されて燃料電池１０１のカソード１０１ａへ送り込まれる。高圧水素は可変バルブ１０４で圧力・流量が制御され、燃料電池１０１のアノード１０１ｂへ送られる。
【００１４】
燃料電池１０１では供給された空気と水素とを反応させて発電を行う。尚、以下の説明では、空気と水素とを合わせてガスと呼ぶ場合もある。
【００１５】
燃料電池１０１で反応に使用した残りの空気はスロットル１０３で圧力制御が行われた後、排出される。また、燃料電池の触媒反応を活性化及びまたは電解質膜の水素イオン伝導度を向上させるための加湿用の純水は、純水タンク１０５から純水ポンプ１０６によって圧送されて燃料電池１０１の純水通路１０１ｃへ送り込まれる。
【００１６】
カソード１０１ａとアノード１０１ｂに対して純水通路１０１ｃは透水性の多孔質膜によって区切られている。カソード１０１ａ及びアノード１０１ｂのガス圧力より高い圧力で圧送された純水は、純水通路１０１ｃから多孔質膜を介してカソード１０１ａとアノード１０１ｂへ透過し、カソード１０１ａとアノード１０１ｂの電極自体、またはこれらに供給される空気と水素ガスの加湿を行う。
【００１７】
図２は、コントローラ１１３内部の構成を説明する制御ブロック図である。通常時目標純水流量演算部２０１と通常時目標ガス圧力演算部２０２は、燃料電池１０１の目標発電電流に基づき、それぞれ通常運転時の目標純水流量と通常運転時の目標ガス圧力を演算する。純水実流量推定部２０３では、燃料電池入口純水圧力センサ１０７と燃料電池出口純水圧力センサ１０８との検出値に基づて、例えば予め記憶した燃料電池１０１の純水通路１０１ｃの圧損や流路抵抗を用いて純水実流量を推定する。
【００１８】
純水流量異常判断部２０４では最終目標純水流量設定部２０８から純水ポンプ１０６へ指令されている最終的な目標純水流量と純水実流量推定部２０３で演算した純水実流量とを比較し、この差が所定値を超えた場合に純水流量の異常と判断する。異常時目標純水流量演算部２０５では、純水流量異常の回復を行うための一時的に増加させる純水流量である異常時目標純水流量を最終的な目標純水流量と純水実流量に基づいて演算する。
【００１９】
異常時制限目標純水流量演算部２０６では、システムが許容する上限純水圧力やガス圧力と純水圧力との差圧の上限値を満足するように、最終目標ガス圧力設定部２１０から水素圧力を制御する可変バルブ１０４や空気圧力を制御するスロットル１０３へ指令されている最終的な目標ガス圧力に基づいて、入力される異常時目標純水流量を制限し、異常時制限目標純水流量を演算する。
【００２０】
ただし、純水流量異常頻度判断部２０７が純水流量を異常と判断しない時間に基づき、純水流量異常の頻度を判断している純水流量異常頻度判断部２０７が純水流量の異常が頻発していると判断したならば、一時的ならば守らなくても良い流量制限（ガスと純水の差圧など）は実施しない。
【００２１】
最終目標純水流量設定部２０８では、純水流量異常判断部２０４によって純水流量が異常であると判断した場合には異常時制限目標純水流量、異常でない場合には通常時目標純水流量を選択して最終的な目標純水流量に設定し、これを純水ポンプ１０６へ指令する。
【００２２】
異常時目標ガス圧力演算部２０９は、異常時目標純水流量に基づき、守らねばならないガス圧と純水の差圧によって異常時目標純水流量が制限されないような異常時目標ガス圧力を演算する。最終目標ガス圧力設定部２０８では、純水流量異常判断部２０４によって純水流量が異常であると判断した場合には異常時目標ガス圧力、異常でない場合には通常時目標ガス圧力を選択して最終的な目標ガス圧力に設定し、この目標ガス圧力となるように可変バルブ１０４やスロットル１０３へ指令する。
【００２３】
図３にコントローラ１１３内部で行われる制御のメインフローチャートを示す。この処理は、例えば１０［ｍｓｅｃ］毎に実行される。
【００２４】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）３０１で、図４に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定した目標発電電流と目標純水流量の特性から、コントローラ１１３に入力される目標発電電流Ａｔを用いて通常時目標純水流量Ｑｔｎを演算する。同様に図５に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定した目標発電電流と目標ガス圧力の特性からコントローラ１１３に入力される目標発電電流Ａｔを用いて通常時目標ガス圧力Ｐｔｎを決定する。
【００２５】
Ｓ３０２で燃料電池入口純水圧力センサ１０７から燃料電池入口純水圧力Ｐｗｉｎ、燃料電池出口純水圧力センサ１０８から燃料電池出口純水圧力Ｐｗｏｕｔを読み込む。
【００２６】
Ｓ３０３では、ＰｗｉｎからＰｗｏｕｔを引いた値である純水通路１０１ｃにおける入口出口の差圧から、図６に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定した純水の燃料電池圧損に対する純水流量の特性を参照して、実純水流量Ｑｒを求める。これにより、流量センサを設けることなく、設置の容易な圧力センサの検出値から実流量を推定することができる。
【００２７】
Ｓ３０４では、前回のＳ３１２実行時に演算された目標純水流量Ｑｔから実純水流量Ｑｒを引いた値である純水流量偏差Ｑｅを求める。
【００２８】
Ｓ３０５では、図７に示すようなマップを参照して、純水流量偏差Ｑｅから異常時目標純水流量Ｑｔｅを演算する。図７のマップは、あらかじめ実験や机上検討から決定した純水流量偏差と異常時目標純水流量との関係である。これは、純水流量偏差に対して、この純水流量偏差を生じている気泡や異物を押し流して解消することができるだけの一時的に増加させた純水流量である異常時目標純水流量を求めたものである。
【００２９】
このように本実施例によれば、純水流量の異常を検出した場合、この純水流量の異常を解消できるだけの異常時目標純水流量を設定するので、気泡や異物を押し流し、純水流量の異常を回復することができるという効果がある。また、流量の異常を解消するために必要となる回復流量を適切に設定することができるので、余分なエネルギを消費することがない。
【００３０】
また、Ｓ３０５では、図８に示す純水流量に対するガス圧力の特性から異常時目標純水流量Ｑｔｅを用いて異常時目標ガス圧力Ｐｔｅを求める。なお、図８の特性は純水流量から想定される燃料電池１０１のガス−純水差圧の制限が守られるような値をあらかじめ実験や机上検討から決定する。これにより、ガス−純水差圧が制限範囲内となり、燃料電池の劣化を防止しながら純水流量を回復することができる。
【００３１】
Ｓ３０６では、Ｓ３１０、Ｓ３１１にてセット・クリアされる純水流量異常判断フラグＦｗと、Ｆｗの前回値Ｆｗｚに基づき純水流量異常が解消された瞬間（Ｆｗがクリア、Ｆｗｚがセットされている状態）に純水流量頻度確認用タイマＴｗを０にクリアする。それ以外の状態であれば純水流量頻度確認用タイマＴｗに１０［ｍｓｅｃ］を加算する。
【００３２】
Ｓ３０７で目標純水流量Ｑｔｎから実純水流量Ｑｒを引いた値が所定値Ｑｔｈを上回った場合は、純水流量異常が生じたと判断してＳ３０８へ進み、そうでない場合はＳ３１０へ進む。なお、所定値Ｑｔｈは純水の流路に気泡や異物の詰まりが発生したことによって流量低下が発生したと判別できるような値をあらかじめ実験や机上検討から決定する。
【００３３】
Ｓ３０８では純水流量異常判断フラグＦｗと、Ｆｗの前回値Ｆｗｚに基づき、純水流量異常が発生した瞬間（Ｆｗがセット、Ｆｗｚがクリアされている状態）であるときに、純水流量頻度確認用タイマＴｗが所定値Ｔｔｈ以下であるならばＳ３０９へ、それ以外の状態であるならばＳ３１１へ進む。なお、所定値Ｔｔｈは純水流量異常が頻繁に発生していると判断できる値をあらかじめ実験や机上検討から決定する。
【００３４】
Ｓ３０９では、図８に示す純水流量に対するガス圧力の特性から前回のＳ３１２の実行時に演算された目標ガス圧力Ｐｔを用いて異常時制限目標純水流量Ｑｌを求めて、異常時目標純水流量Ｑｔｅの方が異常時制限目標純水流量Ｑｌよりも大きい場合は、異常時目標純水流量Ｑｔｅに異常時制限目標純水流量Ｑｌを代入する。
【００３５】
Ｓ３１０では純水供給異常判断フラグＦｗの前回値ＦｗｚにＦｗを代入し、純水供給異常判断フラグＦｗはクリアする。
【００３６】
Ｓ３１１ではでは純水供給異常判断フラグＦｗの前回値ＦｗｚにＦｗを代入し、純水供給異常判断フラグＦｗはセットする。
【００３７】
Ｓ３１２では純水ポンプ１０６へ指令する最終的な目標純水流量Ｑｔへ純水供給異常判断フラグＦｗがセットされている場合は異常時目標純水流量Ｑｔｅを、純水供給異常判断フラグＦｗがクリアされている場合は通常時目標純水流量Ｑｔｎを代入する。同様に、スロットル１０３と可変バルブ１０４へ指令する最終的な目標ガス圧力Ｑｔへ純水供給異常判断フラグＦｗがセットされている場合は異常時目標ガス圧力Ｐｔｅを、純水供給異常判断フラグＦｗがクリアされている場合は通常時目標ガス圧力Ｐｔｎを代入する。
【００３８】
本実施例は加湿用純水を取り上げているが、燃料電池１０１を冷却するための冷却水の制御に関しても同様に使用することができる。
【００３９】
本実施例では燃料電池入口圧力センサ１０７と燃料電池出口圧力センサ１０８の出力の差から純水実流量を演算したが、どちらか片方の圧力センサのみで純水実流量を演算してもよい。
【００４０】
また、消費電流センサや実回転数センサを備えた純水ポンプ１０６ならば、その出力を用いて純水実流量を演算しても良い。純水を供給するポンプの回転数や消費電流（電力）は目標の流量に対して本来あるべき値が机上や実験で容易に検討できる（ポンプの回転数や消費電流から実際に流れているであろう流量を演算する場合も同様である）。その値と実際の回転数や消費電流を比較することでフィードバックを構成しているシステムにおいてフィードバックの補正量を算出することができるので、フィードバックを構成している系でも流量の異常を検知することができるという効果がある。
【００４１】
本実施例では純水流量異常判断部２０４が異常と判断するのは目標純水流量Ｑｔｎを実純水流量Ｑｒで引いた値が所定値Ｑｔｈを上回った場合としている。逆に異常が解消されるのは所定値Ｑｔｈを下回ることで判断しているが、異常の解消を異常になってから所定時間Ｔｏ経過することで判断してもよい。所定時間Ｔｏは実験や机上検討によって決定することができる。
【００４２】
本実施例では異常時目標純水流量Ｑｔｅを１０［ｍｓｅｃ］毎に逐次演算しているが、純水流量異常が発生した瞬間（Ｆｗがセット、Ｆｗｚがクリアされている状態）のみに演算を行うようにして、純水流量異常が発生した瞬間に演算された異常時目標純水流量Ｑｔｅを異常が解消されるまで継続して使用しても良い。また、異常時目標純水流量Ｑｔｅを純水流量偏差Ｑｅから演算しているが、所定流量Ｑｅｃを与えても良い。所定流量Ｑｅｃは実験や机上検討によって決定することができる。以上の項目は以下の実施例でも同様である。
【実施例２】
【００４３】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の概略構成図は実施例１の図１と同様である。
【００４４】
図９は、実施例２におけるコントローラ１１３内部のブロック構成であるが、実施例１の図２と比べると純水流量異常判断部２０４が純水流量異常判断部９０４へ、異常時目標純水流量演算部２０５が異常時目標純水流量演算部９０５に置き換わり、フラッディング指数演算部９１１が追加になっただけである。
【００４５】
フラッディング指数演算部９１１では可変バルブ１０４やスロットル１０３へ指令されている最終的な目標ガス圧力と燃料電池入口純水圧力センサ１０７の検出値との差（ガス−純水差圧）から、図１１に示すような特性マップを参照して、フラッディング指数を演算する。このフラッディング指数は、純水がアノード１０１ｂまたはカソード１０１ａへ過剰に透過する度合いである過加湿状態を示すものであり、フラッディング指数演算部９１１は、過加湿状態推定手段である。このフラッディング指数は、純水流量異常判断部９０４と、異常時目標純水流量演算部９０５へ入力されている。
【００４６】
純水流量異常判断部９０４では最終目標純水流量設定部２０７から純水ポンプ１０６へ指令されている最終的な目標純水流量と純水実流量推定部２０３で演算された純水実流量を比較し、純水流量の異常を判断する。ただし、フラッディング指数演算部９１１から出力されるフラッディング指数が所定値よりも大きい場合は、純水流量の異常判断を停止する。
【００４７】
異常時目標純水流量演算部９０５では、純水流量異常の回復を行うためにフラッディング指数に基づき異常時目標純水流量を演算する。
【００４８】
図１０はコントローラ１１３内部で行われる制御のメインフローチャートであるが、実施例１の図３と比べてＳ３０５とＳ３０７とがそれぞれＳ５０２とＳ５０３へ変更され、Ｓ３０４とＳ５０３の間にＳ５０２が追加されただけであり、その他のステップは、図３と同様である。
【００４９】
Ｓ５０１では、可変バルブ１０４やスロットル１０３へ指令されている最終的な目標ガス圧力と燃料電池入口純水圧力センサ１０７の差（ガス−純水差圧）を算出し、このガス−純水差圧から、図１１に示すような、ガス−純水差圧に対するフラッディング指数の特性テーブルを参照して、逐次フラッディング指数を算出する。
【００５０】
この逐次フラッディング指数は、その時点のガス−純水差圧が適正な範囲では値が０となり、ガス−純水差圧が小さすぎれば負の値（乾燥する方向）、大きすぎれば正の値（過加湿の方向）となるものであり、予め実験や机上検討から決定した図１１のような特性テーブルを記憶しておく。
【００５１】
こうして算出した逐次フラッディング指数をフラッディング指数ＦＲに加算することにより、燃料電池の運転開始からの電解質膜の加湿状態がフラッディング指数ＦＲに反映される。なお、フラッディング指数ＦＲの初期値は１００とする。
【００５２】
Ｓ５０２で図１２に示すようなあらかじめ実験や机上検討から決定したフラッディング指数ＦＲと異常時目標純水流量の特性からフラッディング指数ＦＲを用いて異常時目標純水流量Ｑｔｅを求める。異常時ガス圧力Ｐｔｅの演算はＳ３０５と同様である。
【００５３】
Ｓ５０３で目標純水流量Ｑｔｎから実純水流量Ｑｗｒを引いた値が所定値Ｑｔｈを上回った場合はＳ３０８へ進み、そうでない場合はＳ３１０へ進む。ただし、フラッディング指数ＦＲが所定値ＦＲｔｈを上回ってる場合はＳ３１０へ進む。なお、所定値ＦＲｔｈはフラッディングによって、これ以上燃料電池の発電が継続できなくなるようになる前に、通常時目標純水流量Ｑｔｎを採用するようにさせる値をあらかじめ実験や机上検討から決定する。
【００５４】
本実施例はフラッディング指数の演算にガス−純水差圧を用い、ガス−純水差圧の算出に燃料電池入口純水圧力センサ１０７の検出値を用いているが、純水ポンプ１０６へ指令される最終的な目標純水流量Ｑｔからガス−純水差圧を算出してもよい。また、フラッディング指数の算出にガス−純水差圧ではなく、燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサを備え、燃料電池の発電電圧が過加湿状態に応じて低下することを利用して、その電圧センサの出力に応じてフラッディング指数を演算してもよい。
【００５５】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池の過加湿状態を推定し、過加湿状態になっていなければ、流量異常を回復する異常時純水流量を大きくし、過加湿状態であれば、その度合いに応じて少な目の異常時純水流量を与えることができ、純水流量回復が燃料電池の過加湿状態に与える影響を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示す概略構成図である。
【図２】実施例１におけるコントローラの構成を説明する制御ブロック図である。
【図３】実施例１のコントローラが実行する制御フローチャートである。
【図４】目標発電電流−目標純水流量特性図である。
【図５】目標発電電流−目標ガス圧力特性図である。
【図６】純水燃料電池圧損−純水流量特性図である。
【図７】純水流量偏差−異常時目標純水流量特性図である。
【図８】純水流量−ガス圧力特性図である。
【図９】実施例２におけるコントローラの構成を説明する制御ブロック図である。
【図１０】実施例２のコントローラが実行する制御フローチャートである。
【図１１】ガス−純水差圧とフラッディング指数との関係を示す図である。
【図１２】フラッディング指数と異常時目標純水流量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１：燃料電池
１０１ａ：カソード（酸化剤極）
１０１ｂ：アノード（燃料極）
１０１ｃ：純水通路
１０２：コンプレッサ
１０３：スロットル
１０４：可変バルブ
１０５：純水タンク
１０６：純水ポンプ
１０７：燃料電池入口純水圧力センサ
１０８：燃料電池出口純水圧力センサ
１０９：三方弁
１１０：バイパス流路
１１１：ラジエータ
１１２：ラジエータファン
１１３：コントローラ
【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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