(57)【要約】【課題】循環水素流量を変更したことが引き金となって生じる水素極入口流量と水素極入口圧力のふらつきを抑制し、燃料電池本体に水素を安定的に供給できるようにする。【解決手段】負荷電流センサ１５からの出力に基づいて燃料電池本体２の水素消費量を算出し、算出された水素消費量と、原料水素流量センサ８により検出された原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２により検出された循環水素の流量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。そして、この予測圧力値と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、要求負荷電流値、或いは循環水素流量、或いは原料水素流量の少なくとも何れかを操作する。【選択図】　　　図１
2004031232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に水素を供給する水素供給装置と、
前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池本体から排出される排水素を前記燃料電池本体の入口側へと循環させる循環水素ポンプと、
前記水素供給装置から前記燃料電池に供給される水素流量を検出する原料水素流量検出手段と、
前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量を検出する循環水素流量検出手段と、
前記燃料電池本体から外部負荷へと供給される負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
前記負荷電流検出手段からの出力に基づいて前記燃料電池本体で消費した水素量を算出する水素消費量算出手段と、
前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量検出手段からの出力と、前記水素消費量算出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する水素極圧力変化予測手段とを備え、
前記水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値、前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量、前記水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量の少なくとも何れかを操作すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値を操作する要求負荷電流値操作手段と、
前記要求負荷電流値操作手段による操作が制限された場合に、この制限された要求負荷電流値に基づいて、前記燃料電池本体で消費する水素量を予測する消費水素量予測手段と、
前記消費水素量予測手段からの出力と、前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量検出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する第２の水素極圧力変化予測手段と、
前記第２の水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との差分をキャンセルするように、前記循環水素ポンプを操作してこの循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量を調整する循環水素流量調整手段とを更に備えること
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】
前記循環水素流量調整手段による循環水素ポンプの操作が制限された場合に、この制限された操作量に基づいて、前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量を予測する循環水素流量予測手段と、
前記消費水素量予測手段からの出力と、前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量予測手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する第３の水素極圧力変化予測手段と、
前記第３の水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との差分をキャンセルするように、前記水素供給装置を操作してこの水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量を調整する原料水素流量調整手段とを更に備えること
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】
前記水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値を操作する要求負荷電流値操作手段と、
前記要求負荷電流値操作手段による操作が制限された場合に、この制限された要求負荷電流値に基づいて、前記燃料電池本体で消費する水素量を予測する消費水素量予測手段と、
前記消費水素量予測手段からの出力と、前記原料水素流量検出手段からの出力と、前記循環水素量検出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化を予測する第２の水素極圧力変化予測手段と、
前記第２の水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との差分をキャンセルするように、前記水素供給装置を操作してこの水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量を調整する原料水素流量調整手段とを更に備えること
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】
前記燃料電池本体の空気極入口の圧力を検出する空気極圧力検出手段を更に備え、
前記水素極圧力変化予測手段からの出力、又は前記第２の水素極圧力変化予測手段からの出力、又は前記第３の水素極圧力変化予測手段からの出力と前記空気極圧力検出手段からの出力との差が所定の範囲を超えた場合には、この差が所定の範囲内になるように、前記燃料電池本体に対して前記外部負荷が要求する要求負荷電流値、又は前記循環水素ポンプにより前記燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量、又は前記水素供給装置から前記燃料電池本体に供給される水素流量の操作量を変更すること
を特徴とする請求項１乃至４の何れかに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、燃料電池本体に水素及び空気を供給して発電させる燃料電池システムに関し、特に、燃料電池本体で未使用の水素を燃料電池本体の入口側へと循環させる水素循環形式の燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池本体の水素極に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給して、燃料電池本体において水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池本体としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池本体が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池本体は、水素極と空気極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。この固体高分子タイプの燃料電池本体では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池本体を用いた燃料電池システムでは、水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池本体に供給することで、燃料電池本体の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。
【０００５】
また、固体高分子膜を加湿する上で有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを再度燃料電池本体へと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池本体外部に接続した負荷で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池の水素極へと供給し、未使用の水素ガスを水素極出口から排出させて、この排水素（以下、循環水素という。）を再度、燃料電池本体の水素極入口へ戻して再利用するようにしている。水素極出口から排出される循環水素は水蒸気を多く含んでいるため、この水蒸気を多く含んだ循環水素が水素タンクからの乾燥している水素に混合されて燃料電池本体の水素極へ供給されることによって、燃料電池本体の固体高分子膜が加湿されることになる。
【０００６】
以上のような水素循環型の燃料電池システムにおいて、循環水素の流量が多い場合は水素利用率が低いと言われ、循環水素流量が少ない場合は水素利用率が高いと言われる。この水素利用率には燃料電池本体での発電量に対応した適当な値があることが知られており、燃料電池本体での発電量に応じて循環水素流量を変更し、水素利用率を変えることが一般に行われている。なお、燃料電池本体内部に滞留した過剰水分を外部に放出する水分パージを行う際にも、循環水素流量の変更が要求されることになる。
【０００７】
以上のように循環水素流量を変更する例としては、例えば、特開平９−２１３３５３号公報にて開示される技術や、特開平１０−２２３２４４号公報にて開示される技術が提案されている。これらの例では、燃料電池本体での発電量が変わった場合に、水素利用率が適正値になるように循環水素流量を制御するようしている。水素利用率が適正値にある場合は、水素ガスが燃料電池本体に積層されたセルにむらなく伝わり発電が効率的になる。また水素極加湿の面でも効果的である。
【０００８】
燃料電池本体での発電が活発な高負荷時には、水素イオンが固体高分子膜を活発に移動する。このとき、固体高分子膜に含まれる水分も移動するため、高負荷時には、水素ガスの加湿を多めにする必要がある。この場合、循環水素量を増やしてやれば（水素利用率を下げる）よい。一方、低負荷時には、水素イオンが固体高分子膜を移動する量が減り、固体高分子膜の水分移動も減少するため、高負荷の時と同じ加湿を行っていると、加湿過剰になり、水素極に水滴を生じ、水滴が水素極の水素ガス経路を塞いでしまう。こうなると、発電効率の悪化を招き、著しい場合にはセル電圧が下限以下に低下し、発電を継続できなくなる。したがって、低負荷時には、循環水素量を減らす（水素利用率を高くする）ようにする。
【０００９】
以上のように、負荷に応じて水素利用率を適正値に維持する必要がある。循環流量を変更するためには、循環経路の水素流量を変更させるポンプ、或いはエゼクタを使う例、ポンプと循環流量制御弁を組み合わせて使用する例が示されている。また、特開平６−２３１７８６号公報や、特開平７−２４０２２０号公報には、水素循環経路に循環水素ポンプを設けると共にこの循環水素ポンプ入口に流量制御弁を設けて、循環水素ポンプまたは流量制御弁を制御する例が開示されている。これらの例では、循環水素ポンプが可変でないため、流量制御弁開度を調整するようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例では、循環水素流量を増加する場合、増加分の水素は水素タンクから供給されるようになっている。この場合、循環水素流量増加のために必要な分だけ水素タンクから供給される水素量が増加する（水素タンクから供給する水素流量制御バルブ開度を変更する）ことになる。この水素増加分は燃料電池本体の水素極に到達した後、水素極出口から排出されて、循環経路を通って水素極入口側へ戻る。そして、水素タンクから供給される水素と合流して燃料電池水素極へと再び供給されることになる。
【００１１】
ここで、循環水素増加のために水素タンクから供給する水素を増加した後、水素増加分が循環経路を通過（一巡）して水素タンクから供給される水素と合流するまでに、時間的な遅れが生じることになる。そして、この増加分の水素が遅れをもって水素タンクから供給される水素と合流したとき、これらの合流が燃料電池本体の水素極入口圧力、水素極入口流量に影響を及ぼし、これが引き金となって、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきを生じさせ、燃料電池本体に水素を安定して供給できない状況が生じる。また、これに同期して、循環水素流量にもふらつきが生じることになる。そして、この循環水素流量のふらつきが引き金となって、再度、水素極入口流量と水素極入口圧力との干渉を生じさせ、このサイクルが延々と続くことになる。このため、水素極入口流量と水素極入口圧力とにふらつきが生じる期間が長く続き、燃料電池本体に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった問題が生じていた。
【００１２】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、循環水素流量を変更したことが引き金となって生じる水素極入口流量と水素極入口圧力のふらつきを抑制し、燃料電池本体に水素を安定的に供給できるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体と、水素供給装置と、空気供給装置と、循環水素ポンプと、原料水素流量検出手段と、循環水素流量検出手段と、水素消費量算出手段と、水素極圧力変化予測手段とを備えている。なお、ここで言う循環水素ポンプとは、前述と同様、循環経路の水素流量を変更させる通常の圧送型ポンプやエゼクタポンプ、あるいはそれらを併用したものの類を指す。
【００１４】
そして、燃料電池本体に対して水素供給装置から水素が供給され、空気供給装置から空気が供給されて燃料電池本体が発電し、外部負荷に負荷電流が供給されるようになっている。また、この燃料電池システムにおいて、燃料電池本体から排出される排水素は、循環水素ポンプによって燃料電池本体の入口側へと循環され、水素供給装置から供給される水素と合流して再度燃料電池本体へと供給されるようになっている。
【００１５】
また、この燃料電池システムにおいて、水素供給装置から前記燃料電池に供給される水素流量は原料水素流量検出手段によって検出され、循環水素ポンプにより燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量は循環水素流量検出手段によって検出される。また、燃料電池本体から外部負荷へと供給される負荷電流は負荷電流検出手段によって検出され、この負荷電流検出手段からの出力に基づいて、燃料電池本体で消費した水素量が水素消費量算出手段によって算出される。そして、これら原料水素流量検出手段からの出力と循環水素量検出手段からの出力と水素消費量算出手段からの出力とに基づいて、前記燃料電池本体の水素極入口の圧力変化が水素極圧力変化予測手段によって予測され、この水素極圧力変化予測手段からの出力と所定の目標圧力との偏差を低減させるように、燃料電池本体に対して外部負荷が要求する要求負荷電流値、循環水素ポンプにより燃料電池本体の入口側へと循環される水素流量、水素供給装置から燃料電池本体に供給される水素流量の少なくとも何れかが操作されるようになっている。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、水素供給装置からの原料水素流量と、循環ポンプによって循環される循環水素流量と、負荷電流から算出される消費水素量とに基づいて燃料電池本体の水素極入口圧力変化が予測され、燃料電池本体に対して要求される要求負荷電流、循環水素ポンプにより循環される循環水素流量、水素供給装置から供給される原料水素流量の少なくとも何れかを操作することで、燃料電池本体の水素極入口圧力変化をキャンセルするようにしているので、循環水素流量増加のために水素供給装置から供給される原料水素が増加した後、水素増加分が排水素（循環水素）として燃料電池本体から排出され、循環ポンプによって循環されて水素供給装置から供給される原料水素と合流したときに、これが引き金となって生じる水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を防止することができ、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきを生じさせて燃料電池本体に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。この第１の実施形態の燃料電池システム１は、電解質として固体高分子膜を有する固体高分子タイプの燃料電池本体２を備えている。この燃料電池本体２は、空気極に供給される空気中の酸素と水素極に供給される水素とを電気化学的に反応させて発電するものである。
【００１９】
燃料電池本体２の空気極入口には、空気供給用配管部材３を介してコンプレッサ等の空気供給装置４が接続されている。そして、空気供給装置４により流量及び圧力が調整された空気が、空気供給用配管部材３を通って燃料電池本体２の空気極入口に供給されるようになっている。また、燃料電池本体２の空気極入口前段には空気極入口圧力センサ（空気極入口圧力検出手段）５が配設されており、燃料電池本体２の空気極入口圧力が、この空気極入口圧力センサ５によって検出されるようになっている。
【００２０】
燃料電池本体２の水素極入口には、水素用配管部材６を介して水素供給装置７が接続されている。この水素供給装置７は、例えば水素タンクや流量制御弁、この流量制御弁の開度を制御する流量制御装置等を有しており、目標流量の水素ガス（以下、原料水素という。）を燃料電池本体２の水素極入口側に供給できるようになっている。この水素供給装置７の出口側には、原料水素流量センサ（原料水素流量検出手段）８が配設されており、この原料水素流量センサ８によって水素供給装置７から燃料電池本体２の水素極入口側へと供給される原料水素の流量が検出されるようになっている。また、燃料電池本体２の水素極入口前段には、水素極入口圧力センサ９が配設されており、燃料電池本体２の水素極入口圧力が、この水素極入口圧力センサ９によって検出されるようになっている。
【００２１】
また、この燃料電池システム１は水素循環型として構成されており、燃料電池本体２での発電に使用されずに燃料電池本体２から排出された排水素（循環水素）の経路となる循環水素用配管１０が設けられている。そして、この循環水素用配管１０の中途部に循環水素ポンプ１１が配設されており、燃料電池本体２から排出された水蒸気を多く含む循環水素が、循環水素ポンプ１１の駆動によって、循環水素用配管１０を通って燃料電池本体２の水素極入口側へと循環され、水素供給装置７から供給される原料水素と合流するようになっている。したがって、この燃料電池システム１では、水素供給装置７から供給される原料水素と水蒸気を多く含む循環水素との混合水素が、燃料電池本体２の水素極入口に供給されることになる。また、循環水素ポンプ１１の後段には、循環水素流量センサ（循環水素流量検出手段）１２が配設されており、この循環水素流量センサ１２によって、循環水素ポンプ１１の駆動により燃料電池本体２の水素極入口側へと循環される循環水素の流量が検出されるようになっている。
【００２２】
燃料電池システム１では、以上のように、水蒸気を多く含む循環水素を原料水素と混合して燃料電池本体２の水素極に供給することによって、燃料電池本体２の固体高分子膜を加湿するようにしている。また、この燃料電池システム１では、加湿効果を更に良好なものとするために、水素供給装置７の後段に加湿器１３を別途設置するようにしている。したがって、燃料電池本体２の水素極入口には、加湿器１３を通過することで加湿された原料水素と循環水素との混合水素が供給され、燃料電池本体２の固体高分子膜が十分に加湿されることになる。
【００２３】
また、燃料電池本体２には、当該燃料電池本体２で発電した電力を消費する外部負荷１４が接続されている。具体的には、外部負荷１４として例えばインバータが燃料電池本体２に接続され、燃料電池本体２で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータ等へ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システム１を車両に適用した場合には車両走行の動力として使用されることになる。また、燃料電池本体２と外部負荷１４との間には、負荷電流センサ（負荷電流検出手段）１５が配設されており、この負荷電流センサ１５によって燃料電池本体２から外部負荷１４へと供給される負荷電流が検出されるようになっている。なお、燃料電池本体２の発電量は、外部負荷１４で要求される要求負荷電流に応じて決定され、この要求負荷電流に相当する電力が燃料電池本体２から負荷電流として取り出されることになる。
【００２４】
また、燃料電池システム１は、本発明の要部となるコントローラ１６を備えている。このコントローラ１６は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ１６では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、水素消費量算出手段１７としての機能と、水素極圧力変化予測手段１８としての機能と、水素極入口圧力調整手段１９としての機能とが実現されるようになっている。
【００２５】
水素消費量算出手段１７は、負荷電流センサ１５により検出された負荷電流、すなわち燃料電池本体２から外部負荷１４へと供給される負荷電流の電流値に基づいて、燃料電池本体２で消費した水素量を算出するものである。
【００２６】
また、水素極圧力変化予測手段１８は、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２からの出力、すなわち循環ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量と、水素消費量算出手段１７からの出力、すなわち燃料電池本体２で消費した水素量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。
【００２７】
また、水素極入口圧力調整手段１９は、水素極圧力変化予測手段１８からの出力、すなわち燃料電池本体２に供給される原料水素の流量及び循環水素の流量と燃料電池本体２で消費される水素量とから予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、所定の目標圧力（以下、水素極目標圧力という。）との偏差を低減させるように、燃料電池本体２に対して外部負荷１４が要求する要求負荷電流値、或いは循環水素ポンプ１１の駆動により燃料電池本体２の水素極入口側へと循環される循環水素の流量、或いは水素供給装置７から燃料電池本体２に供給される原料水素の流量の少なくとも何れかを操作するものである。
【００２８】
具体的には、この水素極入口圧力調整手段１９は、水素極圧力変化予測手段１８によって予測された燃料電池本体２の水素極入口圧力を予め設定された水素極目標圧力と比較して、予測された圧力が水素極目標圧力に満たない場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を減らすための操作量を算出し、或いは循環水素の流量を増加させるための操作量を算出し、或いは原料水素の流量を増加させるための操作量を算出する。一方、予測された圧力が水素極目標圧力を超える場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を増加させるための操作量を算出し、或いは循環水素の流量を減らすための操作量を算出し、或いは原料水素の流量を減らすための操作量を算出する。そして、この水素極入口圧力調整手段１９によって算出された操作量に応じて、外部負荷１４が燃料電池本体２に対して要求する要求負荷電流値が操作され、或いは循環水素ポンプ１１が操作され、或いは水素供給装置７が操作されることで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が低減されるようになっている。
【００２９】
以上のような水素極入口圧力調整手段１９による操作量の算出方法としては様々な手法が考えられ、例えば図２に示すような方式が採用可能である。この図２に示す方式は制御理論でよく知られた形態であり、内部モデル予測制御とも呼ばれるものである。この図２に示される内部モデルに、水素極圧力変化予測手段１８によって予測された燃料電池本体２の水素極入口圧力を当てはめれば、上述した要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量が算出されることになる。なお、水素極入口圧力調整手段１９は、要求負荷電流値と循環水素流量と原料水素流量のうちの何れか２つ、或いは全てを操作することで、予測された燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差を低減させるようにしてもよい。
【００３０】
以上説明したように、本発明を適用した燃料電池システム１によれば、コントローラ１６に水素消費量算出手段１７としての機能と、水素極圧力変化予測手段１８としての機能と、水素極入口圧力調整手段１９としての機能が実現され、水素極圧力変化予測手段１８によって燃料電池本体２の水素極入口圧力変化が予測され、水素極入口圧力調整手段１９によって燃料電池本体２に対して要求される要求負荷電流値、循環水素ポンプ１１により循環される循環水素流量、水素供給装置７から供給される原料水素流量の少なくとも何れかが操作されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化がキャンセルされるようになっているので、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときに、これが引き金となって生じる水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を防止することができる。したがって、この燃料電池システム１では、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３及び図４を参照して説明する。この第２の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。以下、この第２の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した燃料電池システム１と同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００３２】
第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０は、上述した燃料電池システム１が備えるコントローラ１６と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ２０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図３に示すように、水素消費量算出手段２１としての機能と、第１の水素極圧力変化予測手段２２としての機能と、要求負荷電流値操作量算出手段２３としての機能と、要求負荷電流値操作量制限手段２４としての機能と、消費水素量予測手段２５としての機能と、第２の水素極圧力変化予測手段２６としての機能と、循環水素流量操作量算出手段２７としての機能とが実現されるようになっている。
【００３３】
水素消費量算出手段２１は、上述した燃料電池システム１のコントローラ１６で実現される水素消費量算出手段１７と同様に、負荷電流センサ１５により検出された負荷電流、すなわち燃料電池本体２から外部負荷１４へと供給される負荷電流の電流値に基づいて、燃料電池本体２で消費した水素量を算出するものである。
【００３４】
また、第１の水素極圧力変化予測手段２２は、上述した燃料電池システム１のコントローラ１６で実現される水素極圧力変化予測手段１８と同様に、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２からの出力、すなわち循環ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量と、水素消費量算出手段２１からの出力、すなわち燃料電池本体２で消費した水素量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。
【００３５】
要求負荷電流値操作量算出手段２３は、第１の水素極圧力変化予測手段２２からの出力、すなわち予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力を、予め設定された水素極目標圧力と比較して、予測された圧力が水素極目標圧力に満たない場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を減らすための操作量を算出し、予測された圧力が水素極目標圧力を超える場合には、その差分をキャンセルするように、要求負荷電流値を増加させるための操作量を算出するものである。
【００３６】
要求負荷電流値操作量制限手段２４は、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量で要求負荷電流値を操作した場合に、この操作後の要求負荷電流値が所定の上限値或いは下限値を超えるかどうかを判断し、操作後の要求負荷電流値が所定の上限値或いは下限値を超える場合には、要求負荷電流値の操作量を制限するものである。この要求負荷電流値の上限値及び下限値は、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリを備える場合にはその性能等によって求められる値であり、予め設定されて記憶されている。
【００３７】
消費水素量予測手段２５は、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合に、この制限された操作量で操作した後の要求負荷電流値に基づいて、燃料電池本体２で消費する水素量を予測するものである。
【００３８】
第２の水素極圧力変化予測手段２６は、消費水素量予測手段２５からの出力、すなわち制限された操作量で操作した後の要求負荷電流値から予測される燃料電池本体２での水素消費量と、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量と、循環水素流量センサ１２からの出力、すなわち循環ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合には、この制限された要求負荷電流の操作のみでは、水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。この圧力偏差がどのくらい残るかが、第２の水素極圧力予測手段２６で予測されることになる。
【００３９】
循環水素流量操作量算出手段２７は、第２の水素極圧力変化予測手段２６からの出力、すなわち要求負荷電流値を操作した後の予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、上述した水素極目標圧力との差分を算出して、その差分をキャンセルするように、循環水素ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量を増減するための操作量を算出するものである。すなわち、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合には、上述したように、要求負荷電流値の操作のみでは水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。循環水素流量操作量算出手段２７は、この圧力偏差分を循環水素流量の操作でキャンセルするように、循環水素ポンプ１１の駆動により循環される循環水素の流量を増減するための操作量を算出する。
【００４０】
以上のようなコントローラ２０を有する燃料電池システムでは、このコントローラ２０による処理により、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能等により制限される場合には、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減されることで、要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっている。
【００４１】
ここで、以上のようなコントローラ２０による処理の一例について、図４のフローチャートを参照して具体的に説明する。
【００４２】
コントローラ２０は、まず、ステップＳ１−１において、循環水素流量増加要求があるかどうかを判定する。ここで、循環水素流量増加要求は図示しない他の制御手段で設定される。具体的には、例えば、目標値設定手段を設けて、燃料電池本体２の水素極圧力、負荷電流、電圧、２次バッテリをもつシステムに応用した場合にはバッテリ電圧、冷却システムをもつようにした場合は水素極入口温度と出口温度、更にはナビゲーションシステムの情報による登り、下り、路面情報などに基づいて、循環水素流量増加要求を決定すようにしてもよい。
【００４３】
ステップＳ１−１において循環水素流量増加要求がある場合には、コントローラ２０は、次に、ステップＳ１−２において、循環水素流量増加分を加算した量の原料水素が水素供給装置７から供給されるように、水素供給装置７に対して増加要求を出力する。また、同時に、循環水素ポンプ１１に対しても、回転数を増加させる旨の指令を出力する。
【００４４】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−３において、水素消費量算出手段２１として機能して、負荷電流センサ１５からの出力（燃料電池本体２から取り出された負荷電流値）に基づいて、燃料電池本体２で消費している水素量を算出する。ここで、燃料電池本体２で消費している消費水素量ＱＬは、下記式（１）で示される関係式により算出される。なお、下記式（１）において、係数は燃料電池本体２の構成によって決める任意の定数であり、本例では７．０に設定される。また、本例ではセル数は４２０である。また、取り出し負荷電流値は負荷電流センサ１５の出力値である。
【００４５】
【数１】
消費水素量ＱＬ［ＮＬ／ｍｉｎ］＝係数×燃料電池本体のセル数×取り出し負荷電流値［Ａ］　・・・（１）
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−４において、第１の水素極圧力変化予測手段２２として機能して、原料水素流量センサ８からの出力（原料水素の流量）と、循環水素流量センサ１２からの出力（循環水素の流量）と、ステップＳ１−３で算出した消費水素量ＱＬとに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。ここで、圧力予測値Ｐｐｒｅｄは、下記式（２）で示される関係式により求められる。なお、下記式（２）において、Ｑ２２は循環水素流量センサ８の出力値であり、Ｇ２２は遅れ特性と係数（本例では簡単に１次遅れとしている）である。ｓはラプラス演算子を示す。
【００４６】
【数２】
圧力予測値Ｐｐｒｅｄ（ｓ）＝｛原料水素流量センサ指示値（ｓ）＋循環水素流量センサ指示値（ｓ）−消費水素量ＱＬ（ｓ）−Ｑ２２（ｓ）×Ｇ２２（ｓ）｝／　ｓ　・・・（２）
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−５において、要求負荷電流値操作量算出手段２３として機能して、ステップＳ１−４で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算して、この差分をキャンセルするように要求負荷電流値の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、要求負荷電流値を減らすようにその操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、要求負荷電流値を増加させるようにその操作量を算出する。
【００４７】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−６において、要求負荷電流値操作量制限手段２４として機能して、ステップＳ１−５で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加えるかどうかを判定する。ここで、判定の基準となる上限値及び下限値は、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリを備える場合にはその性能等によって求められるものである。
【００４８】
そして、ステップＳ１−５で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加えない場合には、ステップＳ１−７において、算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が低減されることになる。一方、ステップＳ１−５で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加える場合には、ステップＳ１−８において、制限された操作量に応じて要求負荷電流値が操作されることになる。
【００４９】
制限された操作量に応じて要求負荷電流値が操作された場合には、コントローラ２０は、次に、ステップＳ１−９において、消費水素量予測手段２５として機能して、ステップＳ１−８で操作された後の要求負荷電流値（制限された操作量で操作された要求負荷電流値）に基づいて、燃料電池本体２で消費する水素量ＱＬを算出する。この燃料電池本体２で消費する消費水素量ＱＬは、上記式（１）で示される関係式により算出される。なお、ここでは、式（１）における取り出し負荷電流値は、ステップＳ１−８で操作された後の要求負荷電流値（制限された操作量で操作された要求負荷電流値）である。
【００５０】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−１０において、第２の水素極圧力変化予測手段２６として機能して、ステップＳ１−９で算出された消費水素量（要求負荷電流値操作後の消費水素量）ＱＬと、原料水素流量センサ８からの出力（原料水素の流量）と、循環水素流量センサ１２からの出力（循環水素の流量）とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。ここで、圧力予測値Ｐｐｒｅｄは、上記式（２）で示される関係式により算出される。なお、ここでは、式（２）における消費水素量ＱＬは、ステップＳ１−９で算出された要求負荷電流値操作後の消費水素量である。
【００５１】
次に、コントローラ２０は、ステップＳ１−１１において、循環水素流量操作量算出手段２７として機能して、ステップＳ１−１０で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算して、この差分をキャンセルするように循環水素流量の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、循環水素流量を減らすように循環水素ポンプ１１の操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、循環水素流量を増加させるように循環水素ポンプ１１の操作量を算出する。
【００５２】
そして、ステップＳ１−１２において、ステップＳ１−１１で算出された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減され、これにより要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されることになる。コントローラ２０は、以上の一連の処理を循環水素流量の増加要求がある度に繰り返し行って、燃料電池本体２の水素極入口圧力を水素極目標圧力に常時近づけるようにしている。
【００５３】
以上説明したように、第２の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ２０に水素消費量算出手段２１、第１の水素極圧力変化予測手段２２、要求負荷電流値操作量算出手段２３、要求負荷電流値操作量制限手段２４、消費水素量予測手段２５、第２の水素極圧力変化予測手段２６、循環水素流量操作量算出手段２７としての各機能が実現されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が算出され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等によって制限される場合には、その不足分を補うための循環水素流量操作量が算出されて、要求負荷電流値の操作と循環水素ポンプ１１の操作とによって、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっているので、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等に拘わらず、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときの水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を効果的に防止することができる。したがって、この第２の実施形態の燃料電池システムでは、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図５及び図６を参照して説明する。この第３の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。そして、上述した第２の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするために算出した要求負荷電流値操作量が制限されたときに、その不足分を循環水素流量の操作（循環水素ポンプ１１の操作）によって補うようにしているのに対し、この第３の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするために算出した要求負荷電流値操作量が制限されたときに、その不足分を原料水素流量の操作（水素供給装置７の操作）によって補うようにした点を特徴としている。以下、この第３の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１及び第２の実施形態の燃料電池システムと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００５５】
第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０は、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ３０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図５に示すように、水素消費量算出手段２１としての機能と、第１の水素極圧力変化予測手段２２としての機能と、要求負荷電流値操作量算出手段２３としての機能と、要求負荷電流値操作量制限手段２４としての機能と、消費水素量予測手段２５としての機能と、第２の水素極圧力変化予測手段２６としての機能と、原料水素流量操作量算出手段３１としての機能とが実現されるようになっている。
【００５６】
すなわち、この第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０は、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される循環水素流量操作量算出手段２７に代えて、原料水素流量操作量算出手段３１が実現されることを特徴としている。以下、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される機能と同様の機能については、重複した説明を省略する。
【００５７】
原料水素流量操作量算出手段３１は、第２の水素極圧力変化予測手段２６からの出力、すなわち要求負荷電流値を操作した後の予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、上述した水素極目標圧力との差分を算出して、その差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出するものである。すなわち、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限された場合には、上述したように、要求負荷電流の操作のみでは水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。原料水素流量操作量算出手段３１は、この圧力偏差分を原料水素流量の操作でキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出する。
【００５８】
以上のようなコントローラ３０を有する燃料電池システムでは、このコントローラ３０による処理により、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能等により制限される場合には、原料水素流量操作量算出手段３１によって算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減されることで、要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっている。
【００５９】
ここで、以上のようなコントローラ３０による処理の一例について、図６のフローチャートを参照して具体的に説明する。なお、図６中のステップＳ２−１からステップＳ２−１０までの処理は、図４で示したコントローラ２０によるステップＳ１−１からＳ１−１０までの処理と同様であるので、重複した説明を省略する。
【００６０】
コントローラ３０は、ステップＳ２−１０で要求負荷電流値操作後における燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測すると、次に、ステップＳ２−１１において、原料水素流量操作量算出手段３１として機能して、ステップＳ２−１０で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算して、この差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素流量の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、原料水素流量を減らすように水素供給装置７の操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、原料水素流量を増加させるように水素供給装置７の操作量を算出する。
【００６１】
そして、ステップＳ２−１２において、ステップＳ２−１１で算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減され、これにより要求負荷電流値の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されることになる。コントローラ３０は、以上の一連の処理を循環水素流量の増加要求がある度に繰り返し行って、燃料電池本体２の水素極入口圧力を水素極目標圧力に常時近づけるようにしている。
【００６２】
以上説明したように、第３の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ３０に水素消費量算出手段２１、第１の水素極圧力変化予測手段２２、要求負荷電流値操作量算出手段２３、要求負荷電流値操作量制限手段２４、消費水素量予測手段２５、第２の水素極圧力変化予測手段２６、原料水素流量操作量算出手段３１としての各機能が実現されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が算出され、この要求負荷電流値操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等によって制限される場合には、その不足分を補うための原料水素流量操作量が算出されて、要求負荷電流値の操作と水素供給装置７の操作とによって、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっているので、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能等に拘わらず、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときの水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を効果的に防止することができる。したがって、この第３の実施形態の燃料電池システムでは、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００６３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。この第４の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。そして、この第４の実施形態の燃料電池システムは、上述した第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、要求負荷電流値操作量が制限された場合にその不足分を補うために循環水素流量を操作（循環水素ポンプ１１の操作）するようになっており、特に、この循環水素流量の操作量が更に制限された場合には、その不足分を原料水素流量の操作（水素供給装置７の操作）によって補うようにした点を特徴としている。以下、この第４の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１及び第２の実施形態の燃料電池システムと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００６４】
第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０、第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ４０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図７に示すように、水素消費量算出手段２１としての機能と、第１の水素極圧力変化予測手段２２としての機能と、要求負荷電流値操作量算出手段２３としての機能と、要求負荷電流値操作量制限手段２４としての機能と、消費水素量予測手段２５としての機能と、第２の水素極圧力変化予測手段２６としての機能と、循環水素流量操作量算出手段２７としての機能と、循環水素流量操作量制限手段４１としての機能と、循環水素流量予測手段４２としての機能と、第３の水素極圧力変化予測手段４３としての機能と、原料水素流量操作量算出手段４４としての機能とが実現されるようになっている。
【００６５】
すなわち、この第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される各機能に加えて、循環水素流量操作量制限手段４１、循環水素流量予測手段４２、第３の水素極圧力変化予測手段４３、原料水素流量操作量算出手段４４の各機能とが実現されることを特徴としている。以下、第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ２０で実現される機能と同様の機能については、重複した説明を省略する。
【００６６】
循環水素流量操作量制限手段４１は、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された循環水素流量の操作量が所定の上限値或いは下限値を超えるかどうかを判断し、循環水素流量の操作量が所定の上限値或いは下限値を超える場合には、循環水素流量の操作量を制限するものである。この循環水素流量の操作量の上限値及び下限値は、循環水素ポンプ１１の性能によって求められる値である。すなわち、循環水素ポンプ１１による循環水素流量の可変範囲は、循環水素ポンプ１１の性能に応じて制約されており、流量可変範囲の狭い小型の循環水素ポンプ１１を用いた場合には、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された循環水素流量の操作量が循環水素ポンプ１１の流量可変範囲を超える場合がある。そこで、このような場合には、循環水素流量操作量制限手段４１が、循環水素流量の操作量を循環水素ポンプ１１の流量可変範囲内に制限するようにしている。
【００６７】
循環水素流量予測手段４２は、循環水素流量操作量制限手段４１によって循環水素流量の操作量が制限された場合に、この制限された操作量で操作した後の循環水素流量を予測するものである。この循環水素流量の予測値は、例えば、循環水素ポンプ１１の性能特性表をマップ化した関数を使って算出できる。
【００６８】
第３の水素極圧力変化予測手段４３は、消費水素量予測手段２５からの出力、すなわち制限された操作量で操作した後の要求負荷電流値から予測される燃料電池本体２での水素消費量と、循環水素流量予測手段４２からの出力、すなわち制限された操作量で操作した後の循環水素流量と、原料水素流量センサ８からの出力、すなわち水素供給装置７から供給される原料水素の流量とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測するものである。要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限され、更に、循環水素流量操作量制限手段４１によって循環水素流量の操作量が制限された場合には、この制限された要求負荷電流及び循環水素流量の操作のみでは、水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。この圧力偏差がどのくらい残るかが、第３の水素極圧力予測手段４３で予測されることになる。
【００６９】
原料水素流量操作量算出手段４４は、第３の水素極圧力変化予測手段４３からの出力、すなわち要求負荷電流値及び循環水素流量を操作した後の予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、上述した水素極目標圧力との差分を算出して、その差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出するものである。すなわち、要求負荷電流値操作量制限手段２４によって要求負荷電流値の操作量が制限され、更に、循環水素流量操作量制限手段４１によって循環水素流量の操作量が制限された場合には、上述したように、要求負荷電流値及び循環水素流量の操作のみでは水素極入口圧力を上述した水素極目標圧力にできないことになる。原料水素流量操作量算出手段４４は、この圧力偏差分を原料水素流量の操作でキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素の流量を増減するための操作量を算出する。
【００７０】
以上のようなコントローラ４０を有する燃料電池システムでは、このコントローラ４０による処理により、要求負荷電流値操作量算出手段２３によって算出された操作量に応じて要求負荷電流値が操作され、この要求負荷電流値の操作量が燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能等により制限される場合には、循環水素流量操作量算出手段２７によって算出された操作量に応じて循環水素流量が操作され、更にこの循環水素流量の操作量が循環水素ポンプ１１の性能により制限される場合には、原料水素流量操作量算出手段４４によって算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減されることで、要求負荷電流値及び循環水素流量の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と、水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっている。
【００７１】
ここで、以上のようなコントローラ４０による処理の一例について、図８のフローチャートを参照して具体的に説明する。なお、このコントローラ４０において、循環水素流量の操作量を算出するまでの処理は、図４で示したコントローラ２０によるステップＳ１−１からＳ１−１１までの処理と同様であるので、ここではそれ以降の処理についてのみ説明する。すなわち、図８中のステップＳ３−１以降の処理は、図４中のステップＳ１−１１の処理に続いて行われるものである。
【００７２】
図４中のステップＳ１−１１で循環水素流量の操作量が算出されると、コントローラ４０は、次に、ステップＳ３−１において、循環水素流量操作量制限手段４１として機能して、ステップＳ１−１１で算出した循環水素流量の操作量に上限下限制限を加えるかどうかを判定する。ここで、判定の基準となる上限値及び下限値は、循環水素ポンプ１１の性能によって求められるものである。
【００７３】
そして、ステップＳ１−１１で算出した要求負荷電流値の操作量に上限下限制限を加えない場合には、ステップＳ３−２において、算出された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減され、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が低減されることになる。一方、ステップＳ１−１１で算出した循環水素流量の操作量に上限下限制限を加える場合には、ステップＳ３−３において、制限された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作されて循環水素流量が増減されることになる。
【００７４】
制限された操作量に応じて循環水素ポンプ１１が操作された場合には、コントローラ４０は、次に、ステップＳ３−４において、循環水素流量予測手段４２として機能して、ステップＳ３−３で循環水素ポンプ１１が操作された後の循環水素流量を予測する。この循環水素流量の予測値は、例えば、循環水素ポンプ１１の性能特性表をマップ化した関数を使って算出される。
【００７５】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３−５において、第３の水素極圧力変化予測手段４３として機能して、図４中のステップＳ１−９で算出された消費水素量（要求負荷電流値操作後の消費水素量）ＱＬと、ステップＳ３−４で算出された循環水素流量（循環水素ポンプ１１操作後の循環水素流量）と、原料水素流量センサ８からの出力（原料水素の流量）とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口の圧力変化を予測する。ここで、圧力予測値Ｐｐｒｅｄは、下記式（３）で示される関係式により求められる。なお、下記式（３）において、循環水素流量予測値は、ステップＳ３−４で算出された循環水素ポンプ１１操作後の循環水素流量予測値であり、消費水素量ＱＬは、ステップＳ１−９で算出された要求負荷電流値操作後の消費水素量である。また、Ｑ２２は循環水素流量センサ８の出力値であり、Ｇ２２は遅れ特性と係数（本例では簡単に１次遅れとしている）である。ｓはラプラス演算子を示す。
【００７６】
【数３】
圧力予測値Ｐｐｒｅｄ（ｓ）＝｛原料水素流量センサ指示値（ｓ）＋循環水素流量予測値（ｓ）−消費水素量ＱＬ（ｓ）−Ｑ２２（ｓ）×Ｇ２２（ｓ）｝／　ｓ　・・・（３）
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３−６において、原料水素流量操作量算出手段４４として機能して、ステップＳ３−５で予測した圧力予測値Ｐｐｒｅｄと水素極目標圧力との差分を計算し、この差分をキャンセルするように、水素供給装置７から供給される原料水素流量の操作量を算出する。例えば、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＞０の場合には、原料水素流量を減らすように水素供給装置７の操作量を算出し、逆に、水素極目標圧力−圧力予測値Ｐｐｒｅｄ＜０の場合は、原料水素流量を増加させるように水素供給装置７の操作量を算出する。
【００７７】
そして、ステップＳ３−７において、ステップＳ３−６で算出された操作量に応じて水素供給装置７が操作されて原料水素流量が増減され、これにより要求負荷電流値及び循環水素流量の操作量の不足分が補われて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されることになる。コントローラ４０は、以上の一連の処理を循環水素流量の増加要求がある度に繰り返し行って、燃料電池本体２の水素極入口圧力を水素極目標圧力に常時近づけるようにしている。
【００７８】
以上説明したように、第４の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０に水素消費量算出手段２１、第１の水素極圧力変化予測手段２２、要求負荷電流値操作量算出手段２３、要求負荷電流値操作量制限手段２４、消費水素量予測手段２５、第２の水素極圧力変化予測手段２６、循環水素流量操作量算出手段２７、循環水素流量操作量制限手段４１、循環水素流量予測手段４２、第３の水素極圧力変化予測手段４３、原料水素流量操作量算出手段４４としての各機能が実現されて、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が制限される場合には、その不足分を補うための循環水素流量操作量が算出され、更にこの循環水素流量操作量が制限される場合には、その不足分を補うための原料水素流量操作量が算出されて、要求負荷電流値の操作と循環水素ポンプ１１の操作と水素供給装置７の操作とによって、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素極目標圧力との偏差が大幅に低減されるようになっているので、燃料電池本体２の性能や外部負荷１４の性能、２次バッテリの性能、更には循環水素ポンプ１１の性能等に拘わらず、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときの水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を効果的に防止することができる。したがって、この第４の実施形態の燃料電池システムでは、水素極入口流量と水素極入口圧力とが互いに干渉してふらつきが生じ、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができる。
【００７９】
なお、以上は、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルするための要求負荷電流値操作量が制限される場合に、循環水素ポンプ１１の操作でその不足分を補うようにし、更にこの操作量が制限される場合には、水素供給装置７の操作でその不足分を補うようにした例について説明したが、要求負荷電流値操作量が制限される場合に、水素供給装置７の操作でその不足分を補うようにし、更にこの操作量が制限される場合に、循環水素ポンプ１１の操作でその不足分を補うようにしても、上述した例と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について図９を参照して説明する。この第５の実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様とし、コントローラでの処理内容が、上述した燃料電池システム１と異なるものである。すなわち、この第５の実施形態の燃料電池システムでは、予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、空気極入口圧力センサ５（図１参照）によって検出される空気極入口圧力との差圧を監視して、これらの差圧が所定の上限値或いは下限値を超えた場合には水素極目標圧力を変更し、これに応じて、要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量を変更するようにした点を特徴としている。以下、この第５の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラの処理について、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１と同様の構成については同一の符号を付して説明する。
【００８１】
第５の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ５０は、上述した第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、このコントローラ５０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図９に示すように、水素消費量算出手段１７としての機能と、水素極圧力変化予測手段１８としての機能と、水素極入口圧力調整手段１９としての機能と、差圧検出手段５１として機能と、目標圧力変更手段５２としての機能とが実現されるようになっている。すなわち、この第５の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、第１の実施形態の燃料電池システム１が備えるコントローラ１６で実現される各機能に加えて、差圧検出手段５１としての機能と、目標圧力変更手段５２としての機能とが実現されることを特徴としている。以下、第１の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ１６で実現される機能と同様の機能については、重複した説明を省略する。
【００８２】
差圧検出手段５１は、水素極圧力変化予測手段１８からの出力、すなわち燃料電池本体２に供給される原料水素の流量及び循環水素の流量と燃料電池本体２で消費される水素量とから予測される燃料電池本体２の水素極入口圧力と、空気極入口圧力センサ５によって検出された燃料電池本体２の空気極入口圧力との差圧を算出すると共に、算出した差圧が所定の上限値或いは下限値を超えるかどうかを判定するものである。ここで、水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧として許容される上限値及び下限値は、燃料電池本体２が備える固体高分子膜の特性によって求められる値である。
【００８３】
目標圧力変更手段５２は、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧が所定の上限値或いは下限値を超えていると差圧検出手段５１によって判定されたときに、これらの差圧を許容範囲内にまで小さくするように、水素極目標圧力を変更するものである。
【００８４】
この目標圧力変更手段５２によって水素極目標圧力が変更されると、水素極入口圧力調整手段１９は、この変更された水素極目標圧力と水素極圧力変化予測手段１８からの出力との偏差を低減させるように、要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量を算出する。すなわち、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧が所定の上限値或いは下限値を超えている場合には、その差圧が許容範囲内となるように、要求負荷電流値の操作量、或いは循環水素流量の操作量、或いは原料水素流量の操作量が変更されることになる。そして、この変更された操作量に応じて、要求負荷電流値が操作され、或いは循環水素ポンプ１１が操作され、或いは水素供給装置７が操作されることで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化がキャンセルされるようになっている。
【００８５】
以上説明したように、第５の実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ５０に水素消費量算出手段１７、水素極圧力変化予測手段１８、水素極入口圧力調整手段１９としての機能に加え、差圧検出手段５１としての機能と、目標圧力変更手段５２としての機能が実現され、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化がキャンセルされるようになっているので、循環ポンプ１１によって循環された循環水素が水素供給装置７から供給される原料水素と合流したときに、これが引き金となって生じる水素極入口圧力、水素極入口流量への影響を防止して、燃料電池本体２に水素を安定して供給できない状況が長くなるといった不具合を有効に防止することができると共に、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧が拡大して、燃料電池本体２に設けられた固体高分子膜が損傷するといった不都合を有効に抑制することができる。
【００８６】
なお、以上説明した燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧のコントロールは、上述した第２の実施形態乃至第４の実施形態の燃料電池システムの何れにおいても実現可能なものである。
【００８７】
すなわち、上述した第２の実施形態の燃料電池システム及び第３の実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２０，３０において実現される第２の水素極圧力変化予測手段２６からの出力と、空気極入口圧力センサ５からの出力とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を検出し、この差圧が所定の上限値或いは下限値を超える場合に、水素極目標圧力を変更することで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルすることが可能となる。
【００８８】
また、上述した第４の実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ４０において実現される第３の水素極圧力変化予測手段４３からの出力と、空気極入口圧力センサ５からの出力とに基づいて、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を検出し、この差圧が所定の上限値或いは下限値を超える場合に、水素極目標圧力を変更することで、燃料電池本体２の水素極入口圧力と空気極入口圧力との差圧を許容範囲内としながら、燃料電池本体２の水素極入口圧力変化をキャンセルすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態の燃料電池システムを示すシステム構成図である。
【図２】内部モデル予測制御を説明する図である。
【図３】本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【図４】前記第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【図６】前記第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【図８】前記第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラの機能ブロック図である。
【符号の説明】
１　燃料電池システム
２　燃料電池本体
４　空気供給装置
５　空気極入口圧力センサ
７　水素供給装置
８　原料水素流量センサ
１１　循環水素ポンプ
１２　循環水素流量センサ
１４　外部負荷
１５　負荷電流センサ
１６　コントローラ
１７　水素消費量算出手段
１８　水素極圧力変化予測手段
１９　水素極入口圧力調整手段
２０　コントローラ
２１　水素消費量算出手段
２２　第１の水素極圧力変化予測手段
２３　要求負荷電流値操作量算出手段
２４　要求負荷電流値操作量制限手段
２５　消費水素量予測手段
２６　第２の水素極圧力変化予測手段
２７　循環水素流量操作量算出手段
３０　コントローラ
３１　原料水素流量操作量算出手段
４０　コントローラ
４１　循環水素流量操作量算出手段
４２　循環水素流量予測手段
４３　第３の水素極圧力変化予測手段
４４　原料水素流量操作量算出手段
５０　コントローラ
５１　差分検出手段
５２　目標圧力変更手段
【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】
2004031232.tif 000009
【図８】
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【図９】
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