(57)【要約】【課題】多次元マップを用いることなくエアストイキ比を求めること。【解決手段】要求電力を基に低効率発電時における燃料電池２０における指令電流値および指令電圧値を演算し、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池２０の基準電圧を指令電圧値と水温から推測し、得られた基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算し、エアストイキ比に基づいて低効率発電時におけるエア量を演算し、演算されたエア量にしたがって燃料電池２０に対するエアの供給量を制御する。この際、指令電圧値と水温から基準電圧を推測し、基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を算出することで、多次元マップを用いることなくエアストイキ比を求める。【選択図】図１
2008269920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低効率発電を実施する燃料電池システムにおいて、
該低効率発電時における該燃料電池への指令電流値および指令電圧値を演算する指令値演算部と、
該指令電流値を基準電流とした場合の該燃料電池の基準電圧を推測し、該基準電圧と該指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するエア濃度過電圧目標値演算部と、
該エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算するエアストイキ比演算部と、
該エアストイキ比に基づいて該低効率発電時におけるエア量を演算するエア量演算部とを備えてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記エア濃度過電圧目標値演算部は、
該燃料電池の温度を検出し、検出された該温度と該指令電流値から該基準電圧を推測する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エア濃度過電圧目標値演算部は、
該燃料電池のインピーダンスを推測し、推測された該インピーダンスと該指令電流値から該基準電圧を推測する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記エア濃度過電圧目標値演算部は、
前回終了時における該燃料電池のインピーダンスを推測し、推測された該インピーダンスと該指令電流値から該基準電圧を推測する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記エアストイキ比演算部は、
さらに該燃料電池の含水量を測定し、測定された含水量を参照して該エアストイキ比を演算する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記エアストイキ比演算部は、
該エア濃度過電圧目標値と該エアストイキ比との一次元マップに基づいて該エアストイキ比を演算する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記エアストイキ比演算部は、
該エア濃度過電圧目標値と測定された該燃料電池の含水量と該エアストイキ比との二次元マップに基づいて該エアストイキ比を演算する、請求項１乃至５のいずれか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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に始動時の低効率運転時のエア量推定演算に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子電解質膜が介在している。
【０００３】
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
【０００４】
ところで、燃料電池システムにおいては、低温起動時に、前回システム停止時の水分が燃料電池内に残留していると水分が凍結し、起動しないことがある。また、起動したとしても、自己の反応によって生じた精製水が凍結し発電が停止することもある。
【０００５】
そこで、例えば、特開２００４−３０９７９号公報に記載されているように、始動時に、燃料電池に対する空気供給量を通常発電時の供給量よりも少なく設定し、酸素不足によって燃料電池の自己発熱量を増大させる制御することが行われている（特許文献１参照）。この際、反応ガスの供給量を減少させて、燃料電池の電圧を０ボルト付近に制御すると、セルに逆電位が生じることがある。逆電位が発生しない電流値は燃料電池の温度によって変化するところから、例えば、特開２００６−７３５０１号公報に記載されているように、逆電位が発生しない電位で燃料電池を動作させるのに必要な酸素供給量と、燃料電池の温度とを予め関係付けてマップ化し、燃料電池の温度に基づいて酸素供給量を決定することが行われている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３０９７９号公報（要約）
【特許文献２】特開２００６−７３５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
反応ガスの供給量を減少させて低効率発電を行って燃料電池を昇温するに際して、低効率発電時の要求電流・電流を満たすように、エアストイキ比（燃料電池の発電に必要最低限の空気量を１とした場合の比）を決定するには、燃料電池の温度や含水量などの影響を考慮する必要がある。しかし、燃料電池の温度や含水量などの影響を考慮してエアストイキ比を決定するには、多次元マップが必要となり、電子制御ユニット（ＥＣＵ）のメモリ容量が大きくなる。また、多次元マップを用いた演算は一般に数値適合性が悪く、推定精度が悪くなる傾向があり、電力誤差や必要燃料ガス量推定にも誤差を生ずる可能性があった。
【０００８】
そこで、本発明は、多次元マップを用いることなく低効率発電時の燃料電池におけるエアストイキ比を決定する燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、低効率発電を実施する燃料電池システムにおいて、該低効率発電時における該燃料電池への指令電流値および指令電圧値を演算する指令値演算部と、該指令電流値を基準電流とした場合の該燃料電池の基準電圧を推測し、該基準電圧と該指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するエア濃度過電圧目標値演算部と、該エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算するエアストイキ比演算部と、該エアストイキ比に基づいて該低効率発電時におけるエア量を演算するエア量演算部と、を備えてなることを特徴とする。
【００１０】
係る構成によれば、低効率発電時における燃料電池への指令電流値および指令電圧値を満たすようなエアストイキ比を決定するに際して、指令電流値を基準電流として、燃料電池の基準電圧を推測し、推測した基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、このエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算し、演算によって得られたエアストイキ比に基づいて低効率発電時におけるエア量を求めるようにしたため、多次元マップを用いることなくエアストイキ比を求めることができるため、メモリ容量の低減に寄与し、多次元マップを用いないため、求められるエアストイキ比の精度を高めることができる。
【００１１】
すなわち、指令電流値と指令電圧値を満たすためのエアストイキ比を求めるに際して、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池の基準電圧を推測し、この推測による基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求めこととしたので、エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を求めることができ、多次元マップを用いることなくエアストイキ比を決定することができる。この際、燃料電池の温度や含水量を考慮して基準電圧を推測することで、燃料電池の温度や含水量の影響を考慮したエアストイキ比を求めることが可能になる。
【００１２】
前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
好適には、前記エア濃度過電圧目標値演算部は、該燃料電池の温度を検出し、検出された該温度と該指令電流値から該基準電圧を推測する。
【００１３】
係る構成によれば、燃料電池の温度を検出し、検出された温度と指令電流値から基準電圧を推測することで、燃料電池の温度の影響を考慮した、より精度の高いエアストイキ比を求めることができる。
【００１４】
好適には、前記エア濃度過電圧目標値演算部は、該燃料電池のインピーダンスを推測し、推測された該インピーダンスと該指令電流値から該基準電圧を推測する。
【００１５】
係る構成によれば、燃料電池のインピーダンスを推測し、推測されたインピーダンスと指令電流値から基準電圧を推測することで、含水量に対応した基準電圧を求めることができ、燃料電池の含水量の影響を考慮した、より精度の高いエアストイキ比を求めることができる。
【００１６】
好適には、前記エア濃度過電圧目標値演算部は、前回終了時における該燃料電池のインピーダンスを推測し、推測された該インピーダンスと該指令電流値から該基準電圧を推測する。
【００１７】
係る構成によれば、前回終了時における燃料電池のインピーダンスを推測し、推測されたインピーダンスと指令電流値から基準電圧を推測することで、前回停止時の含水量に温度の補正された基準電圧を求めることができ、前回停止時における燃料電池の含水量と温度の影響を考慮した、より精度の高いエアストイキ比を求めることができる。
【００１８】
好適には、前記エアストイキ比演算部は、さらに該燃料電池の含水量を測定し、測定された含水量を参照して該エアストイキ比を演算する。
【００１９】
係る構成によれば、燃料電池の含水量を測定し、測定された含水量を参照してエアストイキ比を演算することで、燃料電池の含水量の影響を考慮した、より精度の高いエアストイキ比を求めることができる。
【００２０】
好適には、前記エアストイキ比演算部は、該エア濃度過電圧目標値と該エアストイキ比との一次元マップに基づいて該エアストイキ比を演算する。
【００２１】
係る構成によれば、予め特性を測定することにより作られた一次元マップを参照し、該エア濃度過電圧目標値からエアストイキ比を簡単に求めることができる。
【００２２】
好適には、前記エアストイキ比演算部は、該エア濃度過電圧目標値と測定された該燃料電池の含水量と該エアストイキ比との二次元マップに基づいて該エアストイキ比を演算する。
【００２３】
係る構成によれば、含水量の影響も含めて、より精度の高いエアストイキ比を求めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、指令電流値を基準電流として、燃料電池の基準電圧を推測し、推測した基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、このエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算し、演算によって得られたエアストイキ比に基づいて低効率発電時におけるエア量を求めるようにしたため、多次元マップを用いる必要がなく、メモリ容量を低減し、高い精度でエアストイキ比を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（全体構成）
図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９とを備えて構成されている。
【００２６】
燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。
【００２７】
アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。
【００２８】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-・・・（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ・・・（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ・・・（３）
【００２９】
なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。
【００３０】
燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。
【００３１】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。
【００３２】
燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁（エジェクタ）４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。
【００３３】
循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。
【００３４】
また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。
【００３５】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。
【００３６】
また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。
【００３７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。
【００３８】
インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。
【００３９】
電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。
【００４０】
さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７、７３、９９からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。
【００４１】
図２に、制御部８０が所定のコンピュータプログラムを実行することによって実現される機能ブロックを示す。
図２に示すように、制御部８０は、燃料電池２０に対する反応ガスの供給量を減少させて低効率発電を行うに際して、燃料電池システム２０に対する要求電力Ｐｒｅｑを基に、低効率発電時における燃料電池２０への指令電流値および指令電圧値を演算する指令値演算部８０ａと、指令値演算部８０ａの演算により得られた指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池２０の基準電圧を推測し、推測された基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するエア濃度過電圧目標値演算部８０ｂと、エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂの演算によって得られたエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比（燃料電池２０の発電に必要な最低限の空気量を１とした場合の比）を演算するエアストイキ比演算部８０ｃと、エアストイキ比演算部８０ｃの演算によって得られたエアストイキ比に基づいて低効率発電時におけるエア量を演算するエア量演算部８０ｄとを備えて構成されている。
【００４２】
（実施形態１）
本実施形態１では、エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂにおいて、燃料電池２０の基準電圧を推測するに際しては、温度センサ３２、３６を水温センサとして用い、水温センサの検出温度と指令電流値から基準電圧を推測する。
【００４３】
但し、後述するように、その他、燃料電池２０のインピーダンスを電流センサ９８の検出電流と電圧センサ９７の検出電圧を基に推測し、推測されたインピーダンスと指令電流値から燃料電池２０の基準電圧として、インピーダンス＝含水量に対応した基準電圧を推測することができる。
【００４４】
また、エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂにおいて、燃料電池２０の基準電圧を推測するに際しては、前回終了時における燃料電池２０のインピーダンスを電流センサ９８の検出電流と電圧センサ９７の検出電圧を基に推測し、推測されたインピーダンスと指令電流値から燃料電池の基準電圧を推測し、前回終了時の含水量に温度の補正を加えた基準電圧を求めることもできる。
【００４５】
図３に、指令電流値と指令電圧値との関係である燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す。
図３には、抵効率運転時における燃料電池に対する指令電流値Ｉ１と指令電圧値Ｖ１から定まる指令動作点Ｐ１が示されている。一方、酸化ガス（エア）や燃料ガス（水素ガス）が十分である場合の通常運転時の温度から定まる基準Ｉ−Ｖ特性は、曲線ｆ１として示されている。指令電流値を基準として考えた場合、指令動作点Ｐ１における電圧Ｖ１と、指令動作点Ｐ１の電流Ｉ１における曲線ｆ１上の基準電圧Ｖｔｈとの差が「エア濃度過電圧目標値」となる。
【００４６】
エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池２０の基準電圧を推測するに際しては、指令電流値と指令電圧値から定まる指令動作点Ｐ１における指令電圧値Ｖ１と基準Ｉ−Ｖ特性曲線ｆ１における基準電圧値Ｖｔｈとの差を演算し、エア濃度過電圧目標値として出力するように構成されている。
【００４７】
図４に、基準Ｉ−Ｖ特性と燃料電池温度ｔとの関係図を示す。
図４に示すように、電流指令値と基準電圧値との関係を示す基準Ｉ−Ｖ特性曲線は、燃料電池２０の温度によって変化する。すなわち、電流指令値と基準電圧値との関係を示す基準Ｉ−Ｖ特性曲線ｆ１〜ｆ６は、燃料電池２０の温度が低いときには基準Ｉ−Ｖ特性曲線ｆ１にしたがった特性を示し、燃料電池２０の温度が高くなるにしたがって、基準電圧値Ｖｔｈを示す基準Ｉ−Ｖ特性曲線はｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６と変化する。エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、図４に示すような燃料電池温度ｔと基準Ｉ−Ｖ特性曲線との関係を、予め一次元マップとして保持している。そして、指令電流値と燃料電池２０の温度から基準電圧を推測するときには、エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、図４に示す関係を表すマップ２００を用いて、指令電流値に対応する基準電圧値を演算し、そこからエア濃度過電圧目標値を算出することとしている。
【００４８】
図５に、エア濃度目標電圧値から定まるエアストイキ比の関係図を示す。
エアストイキ比演算部８０ｃは、図５に示す関係図を、予め一次元マップとして保存している。そして、エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算するに際しては、エアストイキ比演算部８０ｃは、図５に示す関係を示す基準電圧値マップ２０２を用いて、エア濃度過電圧目標値に対応するエアストイキ比を演算することとしている。
【００４９】
次に、図７のブローチャートにしたがって、実施形態１における作用を説明する。
まず、制御部８０の指令値演算部８０ａは、低効率発電を実施する燃料電池システム１０に対する要求電力Ｐｒｅｑを基に燃料電池２０に対する指令電流値と指令電圧値を演算する（Ｓ１）。次に、制御部８０のエア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、温度センサ３２、３６の検出温度（水温）を取り込み（Ｓ２）、検出温度と指令電流値および指令電圧値にしたがって図４に示す関係を表す基準電圧値マップ２００を検索して、基準電圧値Ｖｔｈを推測する（Ｓ３）。このあとエア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、推測された基準電圧値Ｖｔｈと指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算する（Ｓ４）。
【００５０】
次に、制御部８０のエアストイキ比演算部８０ｃは、算出されたエア濃度過電圧目標値を基に図５に示す関係を表す基準電圧値マップ２０２を検索し、エア濃度過電圧目標値に対応したエアストイキ比を求める（Ｓ５）。そして、制御部８０のエア量演算部８０ｄは、求めたエアストイキ比にしたがってエア量、例えば、電流センサ９８の検出による電流値×換算係数×エアストイキ比にしたがってエア量を算出し（Ｓ６）、このルーチンでの処理を終了する。
【００５１】
これらの処理により求められたエア量に対応して、制御部８０はエアコンプレッサ７５を駆動し、必要な量のエアが燃料電池２０に供給されることになる。
【００５２】
以上、本実施形態１によれば、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池２０の基準電圧を推測するに際して、指令電流値と燃料電池２０の温度を基に基準電圧を推測するようにしたため、燃料電池２０の温度に対応した基準電圧を求めることができるとともに、基準電圧と指令電圧との差から得られたエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を求めることができ、メモリ容量の低減を図ることができる。また、多次元マップを用いないため、高い精度でエアストイキ比を求めることができる。
【００５３】
（実施形態２）
次に、実施形態２について説明する。本実施形態２は、燃料電池のインピーダンスに基づきエアストイキ比を推定する例に関する。
【００５４】
図７に、基準Ｉ−Ｖ特性とインピーダンスとの関係図を示す。
図７に示すように、基準Ｉ−Ｖ特性は、上記燃料電池の温度における場合と同様に、燃料電池のインピーダンスに影響を受けて変化する。燃料電池のインピーダンスは、そのまま燃料電池のセルに残留している水分量、すなわち燃料電池の含水量に対応している。
【００５５】
本実施形態２では、制御部８０のエア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、図７に示すような関係を一次元マップとして予め記憶している。そして、エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、電圧センサ９７および電流センサ９８によって検出された燃料電池の電圧および電流に基づいて、燃料電池２０の交流インピーダンスを測定し、測定されたインピーダンスから直接エア濃度過電圧目標値を演算する。
【００５６】
すなわち、エア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、図４に示すような関係を示すマップ２００に代わりに、図７に示すような基準電圧値マップ２０４を用いるように構成されている。その他の構成は実施形態１と同様である。なお、マップ２０４における特性曲線ｆ１１〜ｆ１６は、ｆ１１が最もインピーダンスが低く、インピーダンスが高くなるにしたがって特性曲線ｆ１２〜ｆ１６の特性となる。
【００５７】
次に、図９のフローチャートにしたがって本実施形態２における作用を説明する。
まず、制御部８０の指令値演算部８０ａは、低効率発電を実施する燃料電池システム１０に対する要求電力Ｐｒｅｑを基に燃料電池２０に対する指令電流値と指令電圧値を演算する（Ｓ１１）。次に、制御部８０のエア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、電流センサ９８の検出電流と電圧センサ９７の検出電圧を基に燃料電池２０のインピーダンスを算出する（Ｓ１２）。そしてエア濃度過電圧目標値演算部８０ｂは、算出したインピーダンスと指令電流値および指令電圧値にしたがって図７に示すような関係を記録した基準電圧値マップ２０４を検索して、対応する基準電圧値Ｖｔｈを推測する（Ｓ１３）。そして、推測された基準電圧値と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算する（Ｓ１４）。
【００５８】
次に、制御部８０のエアストイキ比演算部８０ｃは、算出されたエア濃度過電圧目標値を基に図５に示すマップ２０２を検索し、エア濃度過電圧目標値に対応したエアストイキ比を求める（Ｓ１５）。そして制御部８０のエア量演算部８０ｄは、求めたエアストイキ比にしたがったエア量、例えば、電流センサ９８の検出による電流値×換算係数×エアストイキ比にしたがってエア量を算出し（Ｓ１６）、このルーチンでの処理を終了する。
【００５９】
これらの処理により求められたエア量に対応して、制御部８０はエアコンプレッサ７５を駆動し、必要な量のエアが燃料電池２０に供給されることになる。
【００６０】
以上、本実施形態２によれば、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池２０の基準電圧を推測するに際して、指令電圧値と燃料電池２０のインピーダンスを基に推測するようにしたため、燃料電池２０のインピーダンスに対応した基準電圧を求めることができるとともに、基準電圧と指令電圧との差から得られたエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を求めることができ、メモリ容量の低減を図ることができる。また、多次元マップを用いないため、高い精度でエアストイキ比を求めることができる。
【００６１】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態２において、エア量を演算する前提としてエア濃度過電流目標値を算出するためにインピーダンスを測定していたが、その代わりに、前回終了時における燃料電池２０のインピーダンス（含水量）を推測し、推測されたインピーダンスと指令電圧値から基準電圧を推測することで、前回終了時における含水量に温度の補正を加えた基準電圧を求めることができる。前回のインピーダンスを利用することにより、エア量演算のためだけにインピーダンスをする必要が無くなり、インピーダンスを利用した、精度の高いエアストイキ比演算、ひいては正確なエア量供給が可能となる。
【００６２】
また上記実施形態においては、エア濃度過電圧目標値とエアストイキ比との関係を示すマップ２０２を用いる代わりに、燃料電池２０の含水量をインピーダンスの測定で設定し、含水量とエア濃度過電圧目標値の２次元マップからエアストイキ比を求める構成を採用することで、燃料電池２０の含水量の影響を考慮したエアストイキ比をより正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】制御部の機能を説明するための機能ブロック図である。
【図３】指令電流値と指令電圧値との関係である燃料電池の基準Ｉ−Ｖ特性図である。
【図４】基準Ｉ−Ｖ特性と燃料電池温度ｔとの関係図である。
【図５】エア濃度目標電圧値から定まるエアストイキ比の関係図である。
【図６】実施形態１における作用を説明するためのフローチャートである。
【図７】基準Ｉ−Ｖ特性とインピーダンスとの関係図である。
【図８】実施形態２における作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、４０  燃料ガス流路、５５  水素ポンプ、７５  エアコンプレッサ、８０  制御部
【図１】
2008269920.tif 000003
【図２】
2008269920.tif 000004
【図３】
2008269920.tif 000005
【図４】
2008269920.tif 000006
【図５】
2008269920.tif 000007
【図６】
2008269920.tif 000008
【図７】
2008269920.tif 000009
【図８】
2008269920.tif 000010