(57)【要約】【課題】燃料電池の発電中に水素極および水素循環経路に溜まった窒素をパージする際に、同時に排出される水素の量を低減する。【解決手段】水素循環装置４は、燃料電池１の水素極１ａの出口から排出された未使用の水素ガスを水素ガス循環通路３を介して水素極１ａの入口へ循環させる。負荷検出装置７が検出した水素循環装置４の負荷が所定値を超えた場合、パージ弁制御部８は、水素循環経路（１ａ，３，４）に溜まった窒素量が所定量を超えたと判断して、パージ弁６を開放し、負荷が所定値以下となった時点で窒素パージが終了したと判断してパージ弁６を閉じる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極および酸化剤極にそれぞれ水素ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池本体と、
前記水素極の入口に水素ガスを供給する水素供給通路と、
前記水素極の出口から排出される排水素ガスを前記水素極の入口へ循環させる水素循環通路と、
前記排水素ガスを循環させる水素循環装置と、
前記水素極の出口または前記水素循環通路から排水素ガスを外部へ排出するパージ通路と、
該パージ通路を開閉するパージ弁と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素循環装置の負荷または回転数に基づいて前記パージ弁を開閉制御するパージ弁制御部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素循環装置の負荷を検出する負荷検出装置を更に備え、
前記パージ弁制御部は、前記負荷検出装置により検出された水素循環装置の過渡的ではない定常運転時の運転負荷に基づいて前記パージ弁を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記パージ弁制御部は、
前記負荷検出装置により検出された運転負荷が第１所定値以上になった時、前記水素循環通路の窒素濃度が増加したと判断して前記パージ弁を開く制御を行うパージ開始制御部と、
前記パージ弁を開いた後に前記負荷検出装置により検出された運転負荷が第１所定値より小さい第２所定値以下になった時、前記パージ弁を閉じる制御を行うパージ終了制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パージ弁制御部は、
前記負荷検出装置の運転状態より水素循環通路内の窒素量を推定し、この窒素量に基づいてパージ弁を開閉制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記パージ通路の出口付近における水素濃度を検出する水素濃度検出装置を備え、
前記パージ弁制御部は、前記水素濃度検出装置で検出された水素濃度に基づいてパージ弁を閉じる時期を演算することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記パージ弁制御部は、
燃料電池本体の発電電力を演算する発電電力演算部と、
該発電電力演算部が演算した発電電力に基づいて、前記水素循環装置の目標回転数を演算する水素循環装置目標回転数演算部と
該発電電力演算部が演算した発電電力に基づいて、前記水素循環装置の目標負荷を演算する水素循環装置目標負荷演算部と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記パージ弁制御部は、
前記水素循環装置の経年変化等により定常負荷が増加したことを学習する負荷学習演算部と、
学習した定常負荷と燃料電池の発電量に基づいて目標負荷を演算する水素循環装置目標負荷演算部と、
を備えたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素循環装置の回転数を検出する回転数検出装置を備え、
前記パージ弁制御部は、一定負荷で運転している水素循環装置において回転数検出装置により検出された水素循環装置の回転数に基づいて前記パージ弁を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記パージ弁制御部は、前記水素循環装置の前後差圧に基づいて前記パージ弁を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
供給水素圧力の変化に基づいてパージ弁開閉時期を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
供給水素の温度または雰囲気温度に基づいてパージ弁開閉時期を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に水素極から排出される未使用水素ガスを再循環させる水素循環系を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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】
水素ガスを燃料とする固体高分子型燃料電池において、水素ガスの加湿または発電効率向上等のために、発電により消費される水素量よりも過剰な水素を水素極入口から供給し、水素極出口から排出される未使用水素ガスを再度水素極入口へ循環させる水素循環系を備えたものがある。
【０００４】
このような水素循環系を備えた燃料電池においては、供給される水素ガス中の不純物や電解質膜を介して酸素極からリークする空気中の窒素ガスが水素循環系に蓄積する。このため、水素循環系に蓄積された不純物を系外へ排出するパージが行われる。
【０００５】
従来の燃料電池におけるパージ技術として、たとえば特許文献１記載の技術がある。この従来技術によれば、予め決められた時間間隔でパージ弁を開くように制御されていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９３号公報（第５頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、水素循環系の窒素の蓄積度合いに依らずに、所定の時間間隔でパージを行っていたため、水素循環系から不必要な水素ガスの放出を招き、燃料電池の燃費性能を低下させるという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、水素極および酸化剤極にそれぞれ水素ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池本体と、前記水素極の入口に水素ガスを供給する水素供給通路と、前記水素極の出口から排出される排水素ガスを前記水素極の入口へ循環させる水素循環通路と、前記排水素ガスを循環させる水素循環装置と、前記水素極の出口または前記水素循環通路から排水素ガスを外部へ排出するパージ通路と、該パージ通路を開閉するパージ弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水素循環装置の負荷または回転数に基づいて前記パージ弁を制御するパージ弁制御部を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、水素循環通路内の窒素の蓄積度合いに応じてパージを行うことができるので、不必要なパージの回数を低減し、燃料の水素ガスを無駄に放出することを防止し、燃料電池の燃費性能を向上させることができるという効果がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部８とを備えている。
【００１１】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００１２】
パージ弁制御部８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として負荷検出装置７が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００１３】
次に、図２乃至図５を参照して、本実施形態におけるパージ弁制御部の動作について説明する。図２は、本実施形態におけるパージ弁制御部の動作を説明するフローチャート、図３は、水素循環装置の負荷と燃料電池が一定出力時の燃料電池電圧との関係を示す図、図４は、水素循環系の窒素蓄積量と水素循環装置負荷との関係を示す図、図５は、パージ弁を閉じて連続運転する時間と窒素蓄積量との関係を示す図である。
【００１４】
図２において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１において、負荷検出装置７が検出した水素循環装置４の負荷をパージ弁制御部８へ入力する。次にＳ２で、一定回転で制御されている水素循環装置４の負荷を検出した結果が所定値を超えたか否かを判断する。負荷が所定値を超えている場合には、水素循環系の窒素蓄積量がパージを必要とする量に達したと判断してＳ３へ進み、パージ弁６を開く。Ｓ２の判定で負荷が所定値以下であれば、Ｓ４へ進みパージ弁６は閉じておく。
【００１５】
ここでＳ２の判断に用いる所定値は、以下のように求めることができる。図３は横軸に水素循環装置の負荷、縦軸に燃料電池が一定出力で発電中の燃料電池電圧とした場合の両者の関係を示す。単位体積あたりの質量の大きい窒素が水素極１ａおよび水素ガス循環通路３及び水素循環装置４（これらを併せて水素循環系と呼ぶ）に多くなると、ある回転で回っている水素循環装置４が気体を循環するに要する仕事量（負荷）は増加する傾向であり、図４に示す関係を持つ。
【００１６】
一方、水素極１ａおよび水素ガス循環通路３に窒素が蓄積すると、一般的には水素極１ａの電解膜への水素供給量が不足するため燃料電池の電圧は低下する。この関係を整理したものが図３である。この図３の関係から低下代が問題とならない範囲の下限の燃料電池電圧を設定し、それに相当する水素循環装置負荷を求め、この水素循環装置負荷をＳ２の所定値として設定する。
【００１７】
なお、一般的には図５のようにパージ弁を閉じたまま燃料電池の発電運転を続ければ、水素極１ａには窒素が蓄積され続ける。このため図３の関係はパージ弁を閉じたまま燃料電池電圧と水素循環装置負荷を記録することで得ることができる。
【００１８】
本実施形態によれば、水素循環通路内の窒素の蓄積度合いに応じてパージを行うことができるので、不必要なパージの回数を低減し、燃料の水素ガスを無駄に放出することを防止し、燃料電池の燃費性能を向上させることができるという効果がある。
【００１９】
〔第２実施形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部８とを備えている。
【００２０】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００２１】
パージ弁制御部８は、パージ弁６を開くタイミングを制御するパージ開始制御部９と、パージ弁を閉じるタイミングを制御するパージ終了制御部１０と、パージ開始制御部９またはパージ終了制御部１０の何れからパージ弁を制御するかを選択する指令選択部１１とを備えている。
【００２２】
パージ弁制御部８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として負荷検出装置７が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００２３】
次に、図７乃至図１０を参照して本実施形態におけるパージ弁制御部の動作について説明する。図７は指令選択部、図８はパージ開始制御部、図９はパージ終了制御部のフローチャートである。図１０は、水素循環装置の負荷と燃料電池が一定出力時の燃料電池電圧との関係を示す図である。
【００２４】
図７において、指令選択部は、まずＳ７でパージ弁６の開閉状態を判定し、パージ弁が閉じていれば、Ｓ８に進んでパージ開始制御部を選択する。Ｓ７の判定でパージ弁が開いていれば、Ｓ９に進んでパージ終了制御部を選択する。
【００２５】
図８において、パージ開始制御部は、まずＳ１１で負荷検出装置７が検出した水素循環装置４の負荷をパージ弁制御部８へ入力する。次にＳ１２で、一定回転で制御されている水素循環装置４の負荷を検出した結果が所定値１を超えたか否かを判断する。負荷が所定値１を超えている場合には、水素循環系の窒素蓄積量がパージを必要とする量に達したと判断してＳ１３へ進み、パージ弁６を開く。Ｓ１２の判定で負荷が所定値以下であれば、Ｓ１４へ進みパージ弁６は閉じた状態を保持する。
【００２６】
図９において、パージ終了制御部は、まずＳ１６で負荷検出装置７が検出した水素循環装置４の負荷をパージ弁制御部８へ入力する。次にＳ１７で、一定回転で制御されている水素循環装置４の負荷を検出した結果が所定値２（所定値２＜所定値１）未満か否かを判断する。負荷が所定値２未満の場合には、水素循環系のパージが終了したと判断してＳ１８へ進み、パージ弁６を閉じる。Ｓ１７の判定で負荷が所定値以上であれば、Ｓ１９へ進みパージ弁６の開状態を継続する。
【００２７】
なお、水素循環装置の負荷と所定値１および所定値２の関係は、第１実施形態で説明した図３および図４に示す原理と同様である。所定値１および所定値２の設定例を図１０に示す。所定値１は水素循環装置の負荷を大きくしていったときに、燃料電池電圧の低下代が問題にならない上限の水素循環装置の負荷を設定し、所定値２は窒素蓄積量が最小の時の水素循環装置の負荷を設定する。
【００２８】
先に説明した第１実施形態では、パージ弁の開閉判断のために負荷を判定する唯一の所定値を用いた。しかし負荷の判定値が一つだけであると、水素循環装置の負荷が判定値付近で開閉制御のハンチングが生じ、パージ弁の動作騒音が生じたり、パージ弁の劣化が生じることがある。
【００２９】
第２実施形態のパージ弁制御部は、パージ弁開を判断する水素循環装置の負荷値（所定値１）と、パージ弁閉を判断する水素循環装置の負荷値（所定値２、所定値２＜所定値１）とを異なる値として、パージ弁開閉判断にヒステリシスを持たせた。このため本実施形態によれば、パージ弁開閉制御のハンチングを回避し、パージ弁の動作騒音を低下させるとともに、パージ弁の劣化を防止し寿命を伸延させることができる。
【００３０】
〔第３実施形態〕
図１１は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部８とを備えている。
【００３１】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００３２】
パージ弁制御部８は、負荷検出装置７が検出した水素循環装置の負荷に基づいて水素循環系の窒素量を推定する窒素量推定部１２と、窒素量推定部１２の推定結果に基づいて、パージ弁６の開閉制御を行うパージ処理演算部１３とを備えている。
【００３３】
パージ弁制御部８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として負荷検出装置７が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００３４】
次に、図１２乃至図１５を参照して本実施形態におけるパージ弁制御部の動作について説明する。図１２は窒素推定部のフローチャート、図１４はパージ処理演算部のフローチャートである。図１３は、水素循環装置の負荷と窒素蓄積量との関係を示す図、図１５は、窒素量と燃料電池が一定出力時の燃料電池電圧との関係を示す図である。
【００３５】
図１２において、窒素量推定部は、まずＳ２１で負荷検出装置７が検出した水素循環装置４の負荷を入力する。次いで、Ｓ２２で水素循環装置の負荷に基づいて窒素量テーブルを参照する。第１実施形態で説明した図４の関係を窒素量テーブルとして記憶させておき、図１３に示す参照方法により、窒素蓄積量の推定値を求めることができる。Ｓ２３で窒素量推定値をパージ処理演算部が参照できるように格納する。
【００３６】
次に、パージ処理演算部は、図１４に示すフローチャートに従い、窒素量に基づいてパージの処理を行う。まず、Ｓ２６でパージ弁の開閉状態を判定する。パージ弁が閉じている場合には、パージ停止中と判断してＳ２７に移る。パージ弁が開いている場合にはＳ３１へ移る。
【００３７】
Ｓ２７では、窒素量推定値が所定値３を超えているか否かを判定し、窒素量推定値が所定値３を超えていれば、Ｓ２８へ進み、パージ弁を開く。Ｓ２７の判定で、窒素量推定値が所定値３以下であれば、Ｓ２９へ進み、パージを閉じたままとする。
【００３８】
一方Ｓ３１では、窒素量推定値が所定値４（所定値４＜所定値３）未満か否かを判定し、所定値４未満の場合には、Ｓ３２へ進み、パージ弁を閉じてパージを終了させる。Ｓ３１の判定で所定値４以上の場合には、Ｓ３３へ進み、パージ弁を開いたままとしてパージを継続する。
【００３９】
なお、所定値３、および所定値４の設定例を図１５に示す。窒素量と燃料電池電圧の関係から、燃料電池電圧の低下代が問題にならない窒素量の上限を所定値３とし、窒素量が通常使用する範囲内の平均値を所定値４に設定する。
【００４０】
本実施形態によれば、窒素量の推定値に基づいてパージ制御を行うので、パージ時期の設定が容易となるという効果がある。
【００４１】
〔第４実施形態〕
図１６は、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部８と、パージ弁６下流の水素濃度を検出する水素濃度検出装置１４を備えている。
【００４２】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００４３】
パージ弁制御部８は、負荷検出装置７が検出した水素循環装置の負荷に基づいてパージ開始を制御するパージ開始制御部９と、水素濃度検出装置１４の検出結果に基づいてパージ終了制御を行うパージ終了制御部１５と、指令選択部１１とを備えている。パージ開始制御部９と指令選択部１１とは、図６に示した第２実施形態と同様の構成要素である。
【００４４】
パージ弁制御部８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として負荷検出装置７及び水素濃度検出装置１４が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００４５】
次に、図１７及び図１８を参照して本実施形態におけるパージ弁制御部の動作について説明する。図１７はパージ終了制御部のフローチャート、図１８はタイムチャートである。
【００４６】
なお本実施形態においては、パージ開始制御部９及び指令選択部１１の動作は、第２実施形態と同様であるので説明を省略し、第２実施形態と異なる水素濃度検出装置１４およびパージ終了制御部１５について説明する。
【００４７】
図１７において、パージ終了制御部は、Ｓ３０で水素濃度検出装置が検出した水素濃度を入力する。次いで、Ｓ３１で入力した水素濃度値が所定値５を超えたか否かを判定する。Ｓ３１の判定で水素濃度値が所定値５を超えていれば、水素循環系の不純物排出が終了したとして、Ｓ３２へ進み、パージ弁を閉じてパージを終了する。Ｓ３１の判定で水素濃度値が所定値５未満であれば、水素循環系の不純物排出を継続するため、Ｓ３３へ進み、パージ弁の開状態を継続する。
【００４８】
なお、図１８を用いて動作の説明すると、パージを開始してから水素濃度検出装置の位置まで水素が流出するには、一般的には数１０〔ｍｓ〕〜数〔ｓ〕の遅れがあり、水素濃度が所定値５に達した時点でパージを終了する。所定値５の設定方法としては予め実験等によりパージ中の水素流出濃度と窒素濃度変化を記録しておき、水素循環装置内の窒素濃度が目標値に達する時の水素濃度を設定する。
【００４９】
本実施形態によれば、パージ時の実際の水素流出量に応じてパージ弁を閉じるので、環境変化などにより水素流出量が変化する場合でも確実にパージを行いながら水素流出量を低減することができるという効果がある。
【００５０】
〔第５実施形態〕
図１９は、本発明に係る燃料電池システムの第５実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、燃料電池１の発電電力を演算するスタック発電電力演算部１６と、演算された発電電力に基づいて水素循環装置４の目標回転数を演算する水素循環装置目標回転数演算部１７と、算出された発電電力に基づいて水素循環装置４の目標負荷を演算する水素循環装置目標負荷演算部１８と、水素循環装置４の目標負荷と負荷検出装置７が検出した水素循環装置の負荷とに基づいてパージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部１９とを備えている。
【００５１】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００５２】
スタック発電電力演算部１６と、水素循環装置目標回転数演算部１７と、水素循環装置目標負荷演算部１８と、パージ弁制御部１９とは、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、このマイクロプロセッサの入力装置として負荷検出装置７が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００５３】
図１６のスタック発電電力演算部１６は、現在スタックが発電している電力を算出する演算部である。例えば、燃料電池１の発電電流値と発電電圧値とを入力し、これらを乗算することにより発電電力を算出する。
【００５４】
次に、図２０の水素循環装置目標回転数演算部では、スタック発電電力値に基づいてＳ３６で水素循環装置目標回転数をテーブルから参照する。このテーブルの設定例を図２１に示す。
【００５５】
次に図２２に示す水素循環装置目標負荷演算部では、目標負荷を記録したマップを元に水素循環装置目標回転数とスタック発電電力で参照して水素循環装置目標負荷を算出する。このマップの設定例を図２３に示す。このマップは予め水素循環装置回転数と循環装置負荷の関係をスタック発電電力ごとに計測しておき、整理したものである。
【００５６】
次に、図２４に示すパージ弁制御部のフローチャートに基づいてパージ弁の開閉状態を制御する。Ｓ４４でパージ弁の開閉状態を判定し、パージ弁が開の場合にはパージ中と判断しＳ４８へ移る。パージ弁が閉の場合にはパージ停止中と判断しＳ４５へ移る。
【００５７】
Ｓ４５では、負荷検出装置が検出した水素循環装置の負荷が目標負荷＋所定値６を超えているか否かを判定する。負荷が目標負荷＋所定値６を超えていれば、Ｓ４６へ移ってパージ弁を開き、超えていなければ、Ｓ４７へ移ってパージ弁を閉にする。
【００５８】
Ｓ４８では、負荷検出装置が検出した水素循環装置の負荷が目標負荷＋所定値７を超えているか否かを判定する。負荷が目標負荷＋所定値７を超えていれば、Ｓ４９へ移ってパージ弁を開き、超えていなければ、Ｓ５０へ移ってパージ弁を閉にする。
【００５９】
なお、所定値６と所定値７の関係は図２５に示す。この所定値の設定方法については第２実施形態で説明に用いた図１０の考え方と同様だが、所定値６，７は目標負荷に対する差分を設定する。
【００６０】
本実施形態によれば、スタック発電電力に応じて水素循環装置の回転数を変更する場合でも、回転数によってパージ時期を変更することができるので、発電電力によらず排出水素量を低減する効果を得ることができる。
【００６１】
〔第６実施形態〕
図２６は、本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態の構成を説明するシステム構成図である。本実施形態の構成は、図１９に示した第５実施形態の構成に対して、水素循環装置４の劣化により水素循環装置の定常負荷が増加したことを学習する水素循環装置負荷学習演算部２０が追加されている点に特徴がある。その他の構成は、第５実施形態と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００６２】
図２７は、水素循環装置負荷学習演算部２０の制御動作の内容を説明するメインフローチャートである。学習の概要は、燃料電池１の発電状態が学習可能な定常状態になったところで、水素循環装置４の平均化した負荷値を算出し、算出した負荷値が既に学習して記憶されている負荷の学習値よりも大きい場合には、算出した負荷値を用いて学習値を更新するというものである。
【００６３】
図２７のメインフローチャートにおいて、まずＳ５３の学習許可判定部（詳細後述）で、学習してよいか否かを判定し、判定結果に従って学習許可判定フラグ及び学習値更新許可フラグの値を設定する。次いでＳ５４で学習許可判定フラグの値を判定し、学習許可判定フラグの値が１であれば、Ｓ５５の学習演算部へ移る。Ｓ５４の判定で学習許可判定フラグの値が０であれば、学習が許可されていないので、Ｓ５８の学習後目標負荷算出部へ移る。
【００６４】
Ｓ５５の学習演算部では、水素循環装置の負荷を学習し（詳細後述）、次いでＳ５６で、学習値更新許可フラグの値を判定する。学習値更新許可フラグの値が１であれば、Ｓ５７へ移り、学習値を更新し、Ｓ５８へ移る。Ｓ５６の判定で学習値更新許可フラグの値が０であれば、学習値の更新が許可されていないので、Ｓ５８へ移る。Ｓ５８では、後述するように、学習後の水素循環装置の目標負荷を算出する。
【００６５】
図２８は、学習許可判定部の内容を説明する詳細フローチャートである。図２８において、まずＳ６０でスタック発電状態が定常であるかを判定するため、所定時間Ｔ１の間連続して発電電力の変動代がＥ１［ｋＷ］以内であるか否かを判定する。Ｅ１［ｋＷ］以内である場合、学習許可と判断してＳ６１に移る。
【００６６】
なお、Ｔ１は長く設定すれば学習値の精度は向上するが、学習頻度は低下するためＥ１とのバランスが必要である。一方Ｅ１は変動代が学習演算に対してその影響が問題にならない範囲で最大のものを選んでよい。
【００６７】
図２９にＳ６０の判定中のタイムチャートを記す。Ｓ６０の判定で、発電電力の変動代がＥ１［ｋｗ］を超えれば、発電状態が定常状態ではなく、水素循環装置の負荷学習に不適として、Ｓ６２に移り、学習許可判定フラグに０を設定し、Ｓ６６で学習値更新許可フラグに０を設定し、リターンする。この負荷学習に不適な場合には、最終的には既に学習済の結果を用いて目標負荷を算出することになる。
【００６８】
Ｓ６０で、学習許可と判断したら、Ｓ６１に移り学習許可フラグ＝１とし、Ｓ６３へ移る。Ｓ６３では、スタック発電電力の変動代が学習期間である所定時間Ｔ２の間、所定範囲内つまり±Ｅ２［ｋＷ］以内であるか否かを判断する。±Ｅ２［ｋＷ］以内であれば、Ｓ６４へ移り、スタック発電電圧も予め記憶した発電量に対するスタック電圧の値に対して±Ｅ３［Ｖ］以内であるか否かを判定する。Ｓ６４の判定で、所定以内であれば、Ｓ６５へ移り、学習値更新許可フラグに１を設定して、リターンする。Ｓ６３，Ｓ６４の判定で、いずれかでも所定範囲内でなければ、Ｓ６２へ移り、水素循環装置負荷の学習を行わない。
【００６９】
Ｓ６４の判定で用いる発電量に対するスタック電圧を記憶する例として、図３１に示す学習用スタック電圧テーブルがある。
【００７０】
Ｅ２およびＥ３の設定は、発電量および発電電圧の変動代が学習精度に問題ない範囲で最大の値に設定してよい。
【００７１】
次に、Ｓ５５の学習演算部の詳細内容について図３４のフローチャートに基づいて説明する。まず、Ｓ６９で水素循環装置の負荷Ｒ［ｋＷ］を検出し、Ｓ７０からＳ７２の間で学習開始から何回目の負荷検出であるかをカウントし、Ｓ７３の平均化処理を行う。次いで、Ｓ７４で学習値を算出してリターンする。
【００７２】
図３５は、Ｓ７３の平均化処理の詳細を示すフローチャートである。まず、Ｓ７７からＳ７９で行うことは、Ｎ回目の平均を求める場合、前回の水素循環装置負荷平均値ＲＡｚと現在の水素循環装置負荷ＲをＮ−１：１で加重平均したものを水素循環装置負荷平均値ＲＡとする。
【００７３】
同様にＳ８０からＳ８２では目標負荷の平均値を求める。そしてＳ８３では水素循環装置負荷平均値ＲＡと目標負荷平均値ＲＴとの差分ＤＲを算出して、平均か処理が終了する。
【００７４】
図３６は、Ｓ７４の学習値算出部の処理内容を説明するフローチャートである。本実施形態では、水素循環装置が劣化してその負荷が増加する場合を考慮しており、学習後に水素循環装置の負荷が小さくなる場合には学習値を更新しない。Ｓ８６で既に学習済みの値、領域別負荷増分学習値テーブルに記憶されている学習値が、今回学習演算でともめられた値ＤＲよりも大きい場合には、前記のとおり領域別負荷増分学習値テーブルには更新しない。この場合にはＳ８８に移り、学習値を更新せず終了する。
【００７５】
一方、ＤＲの方が大きい場合には、Ｓ８７で領域別負荷増分学習値テーブルを更新して終了する。これで図２７のＳ５７の演算が終了し、Ｓ５８に移動する。図３７は、Ｓ５８の学習後目標負荷算出部の演算内容を示すフローチャートである。Ｓ５８では前記学習演算で学習値が反映された領域別負荷増分学習値テーブルに基づいて水素循環装置負荷の目標値を算出するものである。Ｓ９１ではＸ軸を図３０の学習領域テーブルとし、Ｙ軸を図３２の領域別負荷増分学習値テーブルとして、これをスタック発電電力で参照して領域別負荷増分を算出する。参照は図３８に示す補間方法で行う。
【００７６】
次にＳ９２に移り、図２６で算出された目標負荷に負荷増分値を加えて、学習後の目標負荷を求める。以上で図２６の水素循環装置負荷学習演算部２０の演算を終了し、学習後の目標負荷をパージ弁制御部１９に受け渡す。なお、パージ弁制御部１９の演算内容については第５実施形態と同様である。
【００７７】
本実施形態によれば、水素循環装置の劣化により水素循環装置の負荷が変化して負荷と窒素量との関係が変化しても、その関係を補正することができるので、排出水素量の低減効果を得ることができる。
【００７８】
〔第７実施形態〕
図３９は、本発明に係る燃料電池システムの第７実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の回転数を検出する回転数検出装置２１と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部２２とを備えている。
【００７９】
回転数検出装置２１は、例えばロータリエンコーダやピックアップコイルにより水素循環装置４の回転数（回転速度）を検出し、検出値をパージ弁制御部２２へ出力するものである。
【００８０】
パージ弁制御部２２は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として回転数検出装置２１が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００８１】
一定負荷で運転されている水素循環装置４の回転数を図３９の回転数検出装置２１で検出し、パージ弁制御部２２でパージの制御を行う。
【００８２】
図４０は、パージ弁制御部２２の制御動作を説明するフローチャートである。まず、Ｓ９４で回転数検出装置２１が検出した水素循環装置４の回転数を読み込み、Ｓ９５で水素循環装置の回転数が所定値７を超えているか否かを判定する。回転数が所定値７を超えていれば、水素循環経路内の不純物排出が終了してガス質量が小さくなったと判断して、Ｓ９６へ移り、パージ弁を閉じる。Ｓ９５の判定で回転数が所定値７未満の場合には、水素循環経路内の窒素が増加したと判断し、Ｓ９７に移ってパージ弁を開く。なお所定値７は循環装置内の窒素量を増加させていったときに、スタックの発電電圧が低下し始めるときの循環装置回転数を設定してもよい。
【００８３】
本実施形態によれば、一定負荷で運転されている水素循環装置を有する燃料電池システムにおいても、パージ回数の低減効果を得ることができる。
【００８４】
〔第８実施形態〕
図４１は、本発明に係る燃料電池システムの第８実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の前後の圧力差を検出する圧力検出装置２３と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部２４とを備えている。
【００８５】
圧力検出装置２３は、例えば、ダイヤフラムの歪みを電気的に検出して圧力に換算することができる半導体圧力センサや厚膜圧力センサを利用できる。
【００８６】
パージ弁制御部２４は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として水素循環装置の前後差圧を検出する圧力検出装置２３が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００８７】
図４２は、パージ弁制御部の制御動作を説明するフローチャートである。まずＳ９９で圧力検出装置が検出した水素循環装置の前後差圧を読み込む。次いで、Ｓ１００で水素循環装置の前後差圧が所定値８を超えているか否かを判定する。水素循環装置の前後差圧が所定値８を超えた場合には、水素循環経路内の窒素が増加したと判断し、Ｓ１０２に移ってパージ弁を開く。所定値８未満となったときはＳ１０１へ移り、パージ弁を閉じる。尚、所定値８は循環装置内の窒素量を増加させていったときに、スタックの発電電圧が低下し始めるときの循環装置前後差圧を設定してもよい。
【００８８】
本実施形態によれば、実装の容易な圧力検出装置の追加だけで、水素循環装置の負荷を検出してパージ制御することができるという効果がある。
【００８９】
〔第９実施形態〕
図４３は、本発明に係る燃料電池システムの第９実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、水素ガス供給通路２の圧力を検出する圧力検出装置２５と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部８とを備えている。
【００９０】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００９１】
圧力検出装置２５は、例えば、ダイヤフラムの歪みを電気的に検出して圧力に換算することができる半導体圧力センサや厚膜圧力センサを利用できる。
【００９２】
パージ弁制御部８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として負荷検出装置７及び圧力検出装置２５が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【００９３】
本実施形態は、水素循環経路の内圧に影響を与える水素ガス供給通路２の圧力を圧力検出装置２５で検出し、この圧力を用いて水素循環経路内圧力を補正し、補正後の水素循環経路内圧力に応じて、パージ開始終了判定に用いる水素循環装置の負荷所定値を補正する実施形態である。
【００９４】
図４４は、水素ガス供給通路２の圧力である水素供給圧力と、水素ガス循環通路３の出口圧力である循環経路内圧との関係を示す図である。図４４に示すように、水素供給圧力が増加することにより、水素ガス循環通路３出口の圧力が上昇する。その結果、水素循環装置４出口圧力が上昇することになるので、水素循環装置が循環させる水素ガス密度が高くなり、水素循環装置の負荷も高くなる。従って、水素循環装置負荷と循環装置出口圧力の関係は図４５のようになる。
【００９５】
よって、本実施形態における水素循環装置の負荷判定用の所定値に、図４５に示す補正分を上乗せする。この所定値とは、例えば、図２のＳ２に示したようなパージ弁の開閉を判定するために使用する所定値である。これにより、パージ弁の開閉制御において、水素供給圧変化による循環装置負荷変化の影響を除外することができる。
【００９６】
本実施形態によれば、水素供給圧力を運転状態に応じて変更する燃料電池システムにおいても、パージ回数の低減効果を得ることができる。
【００９７】
〔第１０実施形態〕
図４６は、本発明に係る燃料電池システムの第１０実施形態の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システムは、水素極１ａと酸素極１ｂとを備える燃料電池１と、水素極１ａに水素を供給する水素ガス供給通路２と、水素極１ａの出口から入口へ水素ガスを循環させる通路である水素ガス循環通路３と、水素極出口から水素ガス循環通路３を経て水素極入口へガスを循環させるポンプ等を用いた水素循環装置４と、水素ガス循環通路３から外部へ連通するパージ通路５と、パージ通路を開閉するパージ弁６と、水素循環装置４の負荷を検出する負荷検出装置７と、水素ガス循環通路３の温度または雰囲気温度を検出する温度検出装置２６と、パージ弁６の開閉を制御するパージ弁制御部８とを備えている。
【００９８】
負荷検出装置７は、例えばトルクセンサによるトルクや水素循環装置の消費電力、消費電流により水素循環装置４の負荷を検出し、検出値をパージ弁制御部８へ出力するものである。
【００９９】
パージ弁制御部８は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を格納したＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、Ｉ／Ｏ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。そして、パージ弁制御部の入力装置として負荷検出装置７及び温度検出装置２６が接続され、出力装置としてパージ弁６が接続されている。
【０１００】
本実施形態は、水素ガス循環通路内の温度によって変動する水素循環経路内の水蒸気分圧を考慮するため、水素ガス循環通路の温度または雰囲気温度を検出し、この温度に基づいて、水素循環装置の負荷判定用の所定値を補正する実施形態である。
【０１０１】
図４７に示すように、雰囲気温度の上昇により燃料電池１の水素極１ａ内で加湿された排水素の水蒸気分圧は上昇する。その結果、水素循環経路内のガス密度及び圧力が上昇し、水素循環装置４の仕事量が増加することになるので、循環装置負荷と水蒸気分圧の関係は図４５のようになる。パージ弁の制御において温度変化による水蒸気分圧変化の影響を除外するため、判定に使用する所定値に図４８に示す補正分を上乗せする。そして補正した所定値を用いて、例えば図２のＳ２に示したようなパージ制御の判定を行う。
【０１０２】
本実施形態によれば、供給水素の温度と水素循環経路内の水蒸気分圧の関係を考慮することで、水蒸気分圧による水素循環装置負荷の変化は補正により除くことができるので、気温変化に対してもパージ回数の低減効果を最適にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図３】第１実施形態における水素循環装置負荷と出力一定時の燃料電池電圧との関係を示す図である。
【図４】第１実施形態における水素循環経路内の窒素蓄積量に対する水素循環装置負荷の特性を示す図である。
【図５】第１実施形態におけるパージ弁閉状態の連続時間に対する窒素蓄積量の変化を説明する図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図７】第２実施形態における制御を説明するメインフローチャートである。
【図８】第２実施形態における制御を説明する詳細フローチャートである。
【図９】第２実施形態における制御を説明する詳細フローチャートである。
【図１０】第２実施形態のパージ開始またはパージ終了の判定に用いる所定値を説明する図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図１２】第３実施形態における制御を説明する詳細フローチャートである。
【図１３】第３実施形態における窒素量推定用テーブルを示す図である。
【図１４】第３実施形態における制御を説明する詳細フローチャートである。
【図１５】第３実施形態における窒素量判定値を説明する図である。
【図１６】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図１７】第４実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図１８】第４実施形態における制御を説明するタイムチャートである。
【図１９】本発明に係る燃料電池システムの第５実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２０】第５実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図２１】第５実施形態における目標回転数テーブルを説明する図である。
【図２２】第５実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図２３】第５実施形態における目標負荷テーブルを説明する図である。
【図２４】第５実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図２５】第５実施形態における負荷判定用の所定値を説明する図である。
【図２６】本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２７】第６実施形態における制御を説明する概略フローチャートである。
【図２８】第６実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図２９】第６実施形態における制御を説明するタイムチャートである。
【図３０】第６実施形態の制御に用いる学習領域テーブルを説明する図である。
【図３１】第６実施形態の制御に用いるスタック電圧テーブルを説明する図である。
【図３２】第６実施形態の制御に用いる領域別負荷増分学習値テーブルを説明する図である。
【図３３】第６実施形態における水素循環装置の負荷学習の状態を説明する図である。
【図３４】第６実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図３５】第６実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図３６】第６実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図３７】第６実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図３８】第６実施形態における学習値の参照方法を説明する図である。
【図３９】本発明に係る燃料電池システムの第７実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４０】第７実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図４１】本発明に係る燃料電池システムの第８実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４２】第８実施形態における制御を説明するフローチャートである。
【図４３】本発明に係る燃料電池システムの第９実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４４】第１０実施形態における水素供給圧力と水素循環経路内圧力との関係を説明する図である。
【図４５】第１０実施形態における水素循環経路内圧力と水素循環装置負荷との関係を説明する図である。
【図４６】本発明に係る燃料電池システムの第１０実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４７】第１０実施形態における雰囲気温度と水蒸気分圧との関係を説明する図である。
【図４８】第１０実施形態における水蒸気分圧と水素循環装置負荷との関係を説明する図である。
【符号の説明】
１…燃料電池
１ａ…水素極
１ｂ…酸素極
２…水素ガス供給経路
３…水素ガス循環経路
４…水素循環装置
５…パージ通路
６…パージ弁
７…負荷検出装置
８…パージ弁制御部
【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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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