(57)【要約】【課題】燃料電池の性能が劣化したり、運転温度や負荷電力が変動し燃料電池の電流電圧特性が変化した場合でも、適切な酸素量を燃料電池に供給する。【解決手段】目標発電量算出手段１１は、燃料電池本体１の目標発電量を算出する。電流電圧特性記憶手段１３は、燃料電池本体１の状態に応じて燃料電池の出力電流に対する出力電圧の特性を示す少なくとも１つ以上の電流電圧特性曲線を記憶する。目標酸化剤流量算出手段１４は、電流電圧特性記憶手段１３に記憶した電流電圧特性曲線を参照して、ブロア３から燃料電池本体１へ供給すべき目標酸化剤流量を算出する。電流電圧特性更新手段１２は、燃料電池の運転中に出力電圧と出力電流と運転温度との所定数の検出値を用いて、電流電圧特性記憶手段１３が記憶する電流電圧特性曲線を更新する。【選択図】      図１
2004296374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤の供給を受けて直流電力を発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に目標酸化剤流量で前記酸化剤を供給するように制御する酸化剤流量制御手段と、
前記燃料電池本体の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
前記燃料電池本体の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
前記酸化剤流量制御手段に前記目標酸化剤流量を出力する制御装置と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料電池本体の目標発電量を算出する目標発電量算出手段と、
前記出力電流と前記出力電圧と前記目標発電量とに基づいて前記目標酸化剤流量を算出する目標酸化剤流量算出手段と、
前記燃料電池本体の状態に応じて燃料電池の出力電流に対する出力電圧の特性を示す少なくとも１つ以上の電流電圧特性曲線を記憶する電流電圧特性記憶手段と、を備え、
前記目標酸化剤流量算出手段は、燃料電池の状態に応じて前記電流電圧特性記憶手段に記憶された電流電圧特性曲線を選択し、選択した電流電圧特性曲線を用いて前記目標酸化剤流量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の状態は、前記目標発電量変化率であり、
前記電流電圧特性記憶手段は、前記目標発電量変化率毎の電流電圧特性曲線を記憶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】
前記燃料電池の運転温度を検出する運転温度検出手段を有し、
前記燃料電池の状態は前記運転温度であり、
前記電流電圧特性記憶手段は、前記運転温度毎の電流電圧特性曲線を記憶することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記燃料電池運転中に、前記出力電圧と前記出力電流、あるいは前記出力電圧と前記出力電流と前記運転温度との所定数の検出値を用いて、前記電流電圧特性曲線を更新する電流電圧特性更新手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３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】
【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、燃料電池の過渡時にも適切な反応ガス量を供給することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池本体は、燃料極（水素極、アノード）に水素ガスを、酸化剤極（空気極、カソード）に空気を供給して、酸化剤極に供給する空気中の酸素と燃料極の水素とを電気化学的に反応させて発電する。車両用燃料電池本体として固体高分子タイプのものが知られている。燃料極と酸化剤極の間に膜状の固体高分子があり、これは水素イオン伝導体として機能する。この種の燃料電池は、燃料極で水素ガスを水素イオンと電子にする反応が起き、酸化剤極で酸素ガスと水素イオンと電子から水を生成する反応が行われる。このとき水素イオンは固体高分子膜を酸化剤極に向かって移動する。
【０００３】
固体高分子上を水素イオンが移動するためには、固体高分子膜が水分を含んでいる必要がある。このため固体高分子を加湿して湿らせておく必要があり、燃料電池へ供給する水素ガスを加湿装置で加湿して燃料極に供給するようにする方法が知られている。また加湿に有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを燃料電池本体へ再循環して再利用する水素循環形式が用いられる。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を燃料極へ供給し、未使用の水素を燃料極出口から排出し、この排水素（循環水素と記す）を再度、燃料極入り口へ戻して再利用する。循環水素は水蒸気を多く含んでいるため、水蒸気を多く含んだ循環水素と水素タンクからの乾燥している水素を混合して燃料極へ供給するようにして、燃料極へ供給する水素を加湿するようにしている。
【０００４】
燃料電池の燃料極入口を通過する水素流量は、発電に必要な水素量に加えて、循環する水素量が余分に通過する。このように発電に必要な水素量よりも余分な水素量を燃料極に供給することにより、燃料電池の全てのセルでの発電を高率的に行わせるようにする効果がある。発電に使用する水素量のみだけを供給すると、燃料極出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなり発電効率が落ちる。同様のことが燃料電池の酸化剤極についても言えるので、発電に必要な酸素量のみを供給するのではなく、少し余分に酸素を供給するようにしている。これを原料ストイキ比と通常呼んでいる、発電にしようする水素または酸素のみを供給するとストイキ比は１であるが、通常は上記理由により１以上である。
【０００５】
負荷が変動して上昇した場合には、比較的応答速度の速い負荷装置は、数ミリ秒程度の時間内で制御の切換を完了する。しかし、比較的応答速度の遅い燃料電池は、制御信号の切換に対する応答が、負荷装置に比べてかなり遅れ、両者の応答時間に時間差を生じてしまう。なぜなら、燃料電池は、空気および水素ガスならびに反応空気の配管中においてガス移動（物質移動）を含み、さらに、出力電圧Ｖの特性を決定する燃料電池の温度Ｔも負荷上昇にともなって瞬時に上昇できずに、時間遅れをもって上昇するからである。
【０００６】
したがって、燃料電池の出力電力の制御の応答遅れにより、燃料電池の出力特性は低下してしまう。すなわち、燃料電池の温度の上昇が遅れてしまい、負荷増加の発生直後において出力電圧Ｖが十分に得られないことから、負荷装置で要求される出力電力を供給するためには、出力電流のみが増大されることになる。このように、必要な出力電力を満たすように出力電力を上昇させるためには、燃料電池の出力電流を増加させる必要があるので、燃料電池に供給する燃料ガスおよび反応空気の流量を、増大後の目標流量（例えば、あらかじめマップデータ等により設定された固定値）以上に設定しなければならない。
【０００７】
このような出力電力増加時の過渡的な反応ガス供給に関しては、例えば、特許文献１に記載された燃料電池発電装置が知られている。この装置によれば、外部負荷の増加に応じて増加開始から所定時間にわたって、燃料ガスの供給流量を規定流量よりも所定量だけ多く補正する補正流量を算出し、出力電力の増大に応じて減少するように補正流量と所定量を設定している。また出力電圧の低下を補償するように電圧偏差および出力電流に基づいて流量を設定している。
【０００８】
運転時間の経過に応じて燃料電池の予測出力電圧を演算し予測出力電圧に基づいて規定電圧を自動的に補正する。以上の手段により負荷が増加した際にガス流量を増加させるとともに、あらかじめ定められた所定の経年劣化が及ぼす出力電圧低下に応じて流量制御することにより負荷変動時や定常運転時の燃料ガスおよび反応空気を十分に供給することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−１４７８９３号公報（第５頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料電池は、水素と酸素とが供給されて発電をするものであるため、負荷が増加し出力電流が増加してから酸素の供給量を増加すると、負荷が増加した直後は、負荷に対して必要な酸素量が供給されずに出力電圧が低下してしまう。
【００１１】
よって取出し負荷が変動する前に目標発電量に応じて供給する酸素量を決定する必要がある。酸素量と電流は比例するので、目標発電量を取り出すときに出力されると推定される推定電流値を予め算出し、その推定電流値から酸素量を算出して燃料電池に供給すれば、電力を取り出した際に適切な酸素量が供給されることになる。
【００１２】
目標発電量から当該電力を取り出したときの出力電流を推定するためには、燃料電池の電流電圧特性曲線（Ｉ−Ｖカーブ）が必要となる。
【００１３】
しかしながら、燃料電池の特性は日々、温度、湿度、圧力、膜の状態、運転時間などによって変化するとともに、経年変化があるので、所定のＩ−Ｖカーブを用いて目標発電量から算出した推定電流値は、実際の取出し電流値と異なる可能性がある。
【００１４】
従って、推定電流値を用いて算出した酸素量をカソードに供給すると、推定電流値と取出し電流値の誤差から負荷電力に対して過剰の酸素を供給したり酸素が不足したりする可能性があるという問題点があった。
【００１５】
また負荷変動時のＩ−Ｖカーブは、酸素供給遅れなどの要因により一時的に定常時のＩ−Ｖカーブから外れるため、負荷変動時に定常状態の所定のＩ−Ｖカーブを用いると供給する酸素量が適切でなくなってしまうという問題点があった。
【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、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤の供給を受けて直流電力を発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体に目標酸化剤流量で前記酸化剤を供給するように制御する酸化剤流量制御手段と、前記燃料電池本体の出力電流を検出する出力電流検出手段と、前記燃料電池本体の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記酸化剤流量制御手段に前記目標酸化剤流量を出力する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池本体の目標発電量を算出する目標発電量算出手段と、前記出力電流と前記出力電圧と前記目標発電量とに基づいて前記目標酸化剤流量を算出する目標酸化剤流量算出手段と、前記燃料電池本体の状態に応じて燃料電池の出力電流に対する出力電圧の特性を示す少なくとも１つ以上の電流電圧特性曲線を記憶する電流電圧特性記憶手段と、を備え、前記目標酸化剤流量算出手段は、燃料電池の状態に応じて前記電流電圧特性記憶手段に記憶された電流電圧特性曲線を選択し、選択した電流電圧特性曲線を用いて前記目標酸化剤流量を算出することを要旨とする。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の状態に応じた適切な電流電圧特性曲線を用いて目標酸化剤流量を算出するので、燃料電池の状態が変化しても適切な酸化剤流量で酸化剤を燃料電池に供給することによって安定した発電が可能となり、酸化剤不足や酸化剤過剰による酸化剤供給手段の消費電力の無駄を防ぐことができるという効果がある。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成を説明する構成図である。同図において、燃料電池システムは、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料および酸化剤の供給を受けて直流電力を発電する燃料電池本体（単に燃料電池とも記す）１と、燃料電池本体１に目標酸化剤流量で酸化剤を供給する酸化剤供給手段であるブロワ３と、燃料電池本体１の出力電圧を検出する電圧計５と、燃料電池本体１の出力電流を検出する電流計６と、燃料電池本体１の運転温度を検出する温度計７と、燃料電池本体１から電力が供給される負荷装置８と、ブロワ３が前記目標酸化剤流量を供給するするように制御する制御装置２と、を備えている。
【００１９】
制御装置２は、燃料電池本体１の目標発電量を算出する目標発電量算出手段１１と、燃料電池本体１の出力電流と出力電圧と目標発電量とに基づいて目標酸化剤流量を算出する目標酸化剤流量算出手段１４と、燃料電池本体１の状態に応じて燃料電池の出力電流に対する出力電圧の特性を示す少なくとも１つ以上の電流電圧特性曲線を記憶する電流電圧特性記憶手段１３と、燃料電池の運転中に出力電圧と出力電流と運転温度との所定数の検出値を用いて、電流電圧特性曲線を更新する電流電圧特性更新手段１２と、を備えている。
【００２０】
さらに、目標酸化剤流量算出手段１４は、燃料電池の状態に応じて電流電圧特性記憶手段１３に記憶された電流電圧特性曲線を選択し、選択した電流電圧特性曲線を用いて目標酸化剤流量を算出する。
【００２１】
燃料電池システムには、上記構成要素以外に、燃料電池本体１へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池本体１の運転温度を適温に保持する冷却液循環系が設けられているが、これらは本発明の主題ではないので図示を省略している。
【００２２】
燃料電池１には、発電した電力を消費する負荷装置８を接続しており、本実施形態では負荷として、インバータを接続し、ここでエネルギー変換して図示しない駆動モータへ電力を供給するようにしている。燃料電池システムを車両に適用した場合には、駆動モータは車両走行の動力として使う。
【００２３】
ブロワ３は制御装置２から目標回転速度を受け取り、ブロワ回転速度が目標回転速度で動作するように制御する。
【００２４】
電圧計５は燃料電池１の出力電圧を計測し、制御装置２に出力する。電流計６は燃料電池１から負荷装置８に向かって流れる出力電流を計測し、制御装置２に出力する。温度計７は燃料電池１の運転温度を計測し、制御装置２に出力する。
【００２５】
目標発電量算出手段１１は、システムが要求している目標発電量を算出し、算出した目標発電量を目標酸化剤流量算出手段１４に出力する。
【００２６】
制御装置２は、本発明の計算を行う部位であり、ＣＰＵとメモリと周辺インターフェースとを有するマイクロコンピュータによって構成される。
【００２７】
次に、本実施形態における制御装置２の動作を図２、図３のフローチャートを参照して説明する。
【００２８】
制御装置２は、図２，図３のフローチャートのＳＴＡＲＴ  からＥＮＤ  までを所定の制御周期で繰り返し演算している。
【００２９】
制御装置２は目標発電量、出力電圧、出力電流、運転温度を用いてブロワ３の目標回転速度を算出する装置である。制御装置２は図４、図５、図６に示すような初期状態の電流電圧特性曲線（以下、Ｉ−Ｖカーブと略す）をあらかじめ電流電圧特性記憶手段１３に記憶している。このＩ−Ｖカーブは、各運転温度における燃料電池本体の出力電流に対する出力電圧特性を示す電流電圧特性曲線であり、本実施形態では、温度条件を３０、４０、５０［℃］のときにそれぞれ定常時用Ｉ−Ｖカーブ、過渡減少時用Ｉ−Ｖカーブ、過渡増加時用のＩ−Ｖカーブの合計９つのＩ−Ｖカーブを記憶している。
【００３０】
本実施形態では、燃料電池の運転温度毎のＩ−Ｖカーブを電流電圧特性記憶手段１３に記憶しているので、運転温度に応じてＩ−Ｖカーブを選択しているので、燃料電池起動直後の運転温度が低い状態や、暖機が十分完了して運転温度が上昇した状態であっても最適な目標酸化剤流量を算出することができるという効果がある。
【００３１】
また、目標発電量変化率毎のＩ−Ｖカーブを電流電圧特性記憶手段１３に記憶しているので、目標発電量変化率に応じてＩ−Ｖカーブを選択しているので、目標発電量が増加あるいは減少している過渡時や、目標発電量が安定している定常時のそれぞれの場合で最適な目標酸化剤流量を算出することができるという効果がある。
【００３２】
温度条件や過渡変動の分類をさらに細かくすると、制御がより細かくなるが本質的な機能は変わらないので適度な量を用いればよい。このＩ−Ｖカーブは後述する更新方法によって更新され、電流電圧特性記憶手段１３に記憶される。
【００３３】
また制御装置２が起動した直後の最初の一回目の制御周期のみはＳ１０とＳ６０のみを実行してＥＮＤに進む。
【００３４】
Ｓ１０では、目標発電量算出手段１１が算出した目標発電量（以下Ｗ）を取得する。燃料電池システムを車両に適用した場合には、目標発電量算出手段１１はドライバのアクセル開度、車両速度、車両重量などから目標発電量を計算する。また電圧計５から燃料電池の出力電圧（以下Ｖ）を、電流計６から燃料電池の出力電流（以下Ｉ）を、温度計７から燃料電池の運転温度（以下Ｔ）をそれぞれ検出して読み込み、Ｓ２０に進む。
【００３５】
Ｓ２０では、Ｗを目標発電量の前回値（以下Ｗ‘）と比較することにより、目標発電量変化率（以下ΔＷ）を算出して、Ｓ３０に進む。ここで、目標発電量変化率を算出する方法は、前回値のみでなく前々回値などの過去複数に渡る値を用いて求めるなどでもよい。
【００３６】
Ｓ３０では、ΔＷが所定の発電量変化率Ｗ１よりも大きいか比較し、大きければＳ３１に進み、そうでなければＳ４０に進む。
Ｓ３１では、Ｔが５０［℃］よりも大きいか比較し、大きければＳ３３に進み、そうでなければＳ３２に進む。
Ｓ３２では、Ｔが４０［℃］よりも大きいか比較し、大きければＳ３４に進み、そうでなければＳ３５に進む。
【００３７】
Ｓ３３では、ＶとＩを過渡増加、Ｔ＝５０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
Ｓ３４では、ＶとＩを過渡増加、Ｔ＝４０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
Ｓ３５では、ＶとＩを過渡増加、Ｔ＝３０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
【００３８】
Ｓ４０では、ΔＷが−Ｗ１よりも小さいか比較し、小さければＳ４１に進み、そうでなければＳ５１に進む。
Ｓ４１では、Ｔが５０［℃］よりも大きいか比較し、大きければＳ４３に進み、そうでなければＳ４２に進む。
Ｓ４２では、Ｔが４０［℃］よりも大きいか比較し、大きければＳ４４に進み、そうでなければＳ４５に進む。
【００３９】
Ｓ４３では、ＶとＩを過渡減少、Ｔ＝５０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
Ｓ４４では、ＶとＩを過渡減少、Ｔ＝４０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
Ｓ４５では、ＶとＩを過渡減少、Ｔ＝３０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
【００４０】
Ｓ５１では、Ｔが５０［℃］よりも大きいか比較し、大きければＳ５３に進み、そうでなければＳ５２に進む。
Ｓ５２では、Ｔが４０［℃］よりも大きいか比較し、大きければＳ５４に進み、そうでなければＳ５５に進む。
【００４１】
Ｓ５３では、ＶとＩを定常、Ｔ＝５０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
Ｓ５４では、ＶとＩを定常、Ｔ＝４０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
Ｓ５５では、ＶとＩを定常、Ｔ＝３０［℃］のときのデータとして、配列変数に保存し、Ｓ６０に進む。
【００４２】
Ｓ３３、Ｓ３４、Ｓ３５、Ｓ４３、Ｓ４４、Ｓ４５、Ｓ５３、Ｓ５４、Ｓ５５のそれぞれのステップで配列変数に保存されたＶとＩのデータは、そのデータを用いてＩ−Ｖカーブを更新するまで保存される。
【００４３】
Ｓ３０、Ｓ４０で比較された所定値Ｗ１は、図１１（ａ）に示すように、すべてのΔＷを過渡減少、過渡増加、定常の３種類に分類しているが、定常とも過渡とも判断しにくい中間部分はＩ−Ｖカーブを正確に更新できない可能性がある。このため、図１１（ｂ）のように、定常とも過渡とも判断しにくい中間部分の値をＩ−Ｖカーブの更新に使用しない領域を設けてもよい。
【００４４】
Ｓ６０では、ＷをＷ‘に代入して目標発電量の前回値として保存する。図３のＳ１００に進む。
【００４５】
Ｓ１００では、Ｉ−Ｖカーブを更新するかしないかを判断する。例えば過去制御周期１００回分のＩ、Ｖのデータが取得できたら更新を実行するとしてもよい。あるいは、９種類の保存データのうち、それぞれが独立に所定数のデータが集まったらそのＩ−Ｖカーブのみを更新するとしてもよい。更新する場合はＳ１１０に進み、更新しない場合はＳ１３０に進む。
【００４６】
Ｓ１１０では、更新前のＩ−Ｖカーブに温度と目標発電量変化率が該当する図２で保存したＩ、Ｖのデータをプロットする。たとえば過渡減少、Ｔ＝５０［℃］の時に保存したＩ−Ｖのデータを更新前のＩ−Ｖカーブにプロットすると図７のようになる。Ｓ１２０に進む。
【００４７】
Ｓ１２０では、Ｓ１１０でプロットした保存データよりＩ−Ｖカーブを更新する。更新前のＩ−Ｖカーブは図８のように複数の電流と電圧の点データで構成されている。よってＩ−Ｖカーブの更新方法は例えば図９のように、ある電流のときの保存データと更新前の電圧データに所定の重みをつけて更新後のデータを算出してもよい。
【００４８】
ある電流値のときの更新前のＩ−Ｖカーブの電圧をＶｏｌｄ  、保存データの電圧をＶｓａｖｅ、更新後のＩ−Ｖカーブの電圧をＶｎｅｗ  、Ｖｏｌｄ  に対する重みをα、Ｖｓａｖｅに対する重みをβ、重みに対する条件をα＋β＝１とすると、更新後のＩ−Ｖカーブの電圧は次の式（１）で求められる。
【００４９】
【数１】
Ｖｎｅｗ  ＝α×Ｖｏｌｄ  ＋（１−α）×Ｖｓａｖｅ      …（１）
以上の更新方法で電流電圧特性記憶手段１３に記憶したＩ−Ｖカーブを更新すると、図１０のように実験により得られた電圧電流データから現在の燃料電池に対応するＩ−Ｖカーブが得られる。更新前のＩ−Ｖカーブと保存データを用いて更新後のＩ−Ｖカーブを算出する方法は前述の方法以外の方法で算出してもよい。Ｉ−Ｖカーブの更新後、Ｓ１３０に進む。
【００５０】
このように燃料電池の運転中に、時々刻々と出力電圧と出力電流と温度の検出値を所定数記録し、その複数の検出値を用いて、電流電圧特性記憶手段１３に記憶した、運転温度や目標発電量変化率に応じた複数のＩ−Ｖカーブを更新するため、常に最新のＩ−Ｖカーブを取得でき、燃料電池の性能が劣化した場合や、運転条件が変わった場合でも、適切な目標酸化剤流量を算出することができるという効果がある。
【００５１】
Ｓ１３０では、Ｓ１０で検出したＷ、Ｔと、Ｓ１２０で更新したＩ−Ｖカーブを用いてＷを取り出したときの推定出力電流を推定する。例えばＴ＝５０［℃］、Ｗ＝４０［ｋＷ］とすると推定出力電流は図１２のように算出される。Ｉ−ＶカーブにＷの等電力曲線（Ｖ×Ｉが一定の曲線）をプロットし、等電力曲線と過渡減少時用Ｉ−Ｖカーブ、定常時用Ｉ−Ｖカーブ、過渡増加時用Ｉ−Ｖカーブと交差する点の電流値がそれぞれ過渡減少時用推定出力電流、定常時用推定出力電流、過渡増加時用推定出力電流となる。Ｓ１４０に進む。
【００５２】
本実施形態によれば、燃料電池の状態に応じた適切なＩ−Ｖカーブ（電流電圧特性曲線）を用いて目標酸化剤流量を算出するので、燃料電池の状態が変化しても適切な酸化剤流量で酸化剤を燃料電池に供給することによって安定した発電が可能となり、酸化剤不足や酸化剤過剰による酸化剤供給手段の消費電力の無駄を防ぐことができるという効果がある。
【００５３】
Ｓ１４０では、Ｓ１３０で推定した推定出力電流から必要酸素量を算出する。
【００５４】
燃料電池本体１では以下の電気化学反応が起こり電流が発生する。
【００５５】
【化１】
［燃料極］  Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋２ｅ−
［空気極］  ２Ｈ＋  ＋２ｅ−  ＋１／２Ｏ２ →  Ｈ２Ｏ
酸素量１［ｍｏｌ／ｓ］から取り出せる電流値は、４×９６５００［Ａ］なので、推定出力電流をＩ［Ａ］とすると必要酸素量Ｏ２ｉｎ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（２）となる。
【００５６】
【数２】
Ｏ２ｉｎ＝Ｉ／（４×９６５００）  ［ｍｏｌ／ｓ］    …（２）
ただし、この必要酸素量は１セル当たりの量なので、燃料電池のセル枚数によって変化し、例えば２００セルの場合は必要酸素量は上記の２００倍となる。Ｓ１５０に進む。
【００５７】
Ｓ１５０では、Ｓ１４０で算出した必要酸素量［ｍｏｌ／ｓ］とあらかじめ定められたストイキ比と空気中の酸素濃度［％］（本実施形態では固定値、例えば２０％）から目標空気流量［ｌ／ｓ］を算出する。
【００５８】
必要酸素流量［ｌ／ｓ］は、必要酸素量［ｍｏｌ／ｓ］と、図示しない大気圧力センサ、温度センサの検出値である圧力［ａｔｍ］と温度［Ｋ］を用いて次の式（３）によって算出される。ここで、Ｒ［ａｔｍ・ｌ／ｍｏｌ・Ｋ］は気体定数とする。
【００５９】
【数３】
必要酸素流量［ｌ／ｓ］
＝必要酸素量［ｍｏｌ／ｓ］×Ｒ［ａｔｍ・ｌ／ｍｏｌ・Ｋ］×温度［Ｋ］／圧力［ａｔｍ］  …（３）
次いで、空気中の酸素濃度［％］より必要酸素流量［ｌ／ｓ］から必要空気流量［ｌ／ｓ］を式（４）で算出し、ストイキ比を乗じることにより目標空気流量［ｌ／ｓ］を次の式（５）によって算出し、Ｓ１６０に進む。
【００６０】
【数４】
必要空気流量［ｌ／ｓ］＝必要酸素流量［ｌ／ｓ］×１００／酸素濃度［％］  …（４）
目標空気流量［ｌ／ｓ］＝必要空気流量［ｌ／ｓ］×ストイキ比            …（５）
Ｓ１６０では、Ｓ１５０で算出した目標空気流量［ｌ／ｓ］を実現するブロワの目標回転速度［Ｈｚ］を図１３のブロワ３の特性より算出する。
【００６１】
目標回転速度［Ｈｚ］が算出されたら制御装置２はブロワ３に目標回転速度［Ｈｚ］を出力し、ブロワ３は目標回転速度と一致するようにブロワの回転速度を制御する。
【００６２】
以上の処理の繰り返しにより、制御装置２は負荷と温度に応じた最新の燃料電池の状態より更新するＩ−Ｖカーブを用いて推定電流を推定し、その推定電流を用いて電力を取り出す前にブロワ３の目標回転速度を算出するため、燃料電池本体１の性能が劣化したり、運転温度や負荷電力が変動したときでも、発電に必要な適切な酸素量を燃料電池本体１に供給することが可能となる。
【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一実施形態の構成を説明する構成図である。
【図２】実施形態における制御装置の動作を説明するフローチャート（前半）である。
【図３】実施形態における制御装置の動作を説明するフローチャート（後半）である。
【図４】初期状態のＩ−Ｖカーブ（Ｔ＝３０［℃］）を示す図である。
【図５】初期状態のＩ−Ｖカーブ（Ｔ＝４０［℃］）を示す図である。
【図６】初期状態のＩ−Ｖカーブ（Ｔ＝５０［℃］）を示す図である。
【図７】Ｉ−Ｖカーブ更新（過渡減少、Ｔ＝５０［℃］）手順１を説明する図である。
【図８】Ｉ−Ｖカーブ更新（過渡減少、Ｔ＝５０［℃］）手順２を説明する図である。
【図９】Ｉ−Ｖカーブ更新（過渡減少、Ｔ＝５０［℃］）手順３を説明する図である。
【図１０】Ｉ−Ｖカーブ更新（過渡減少、Ｔ＝５０［℃］）手順４を説明する図である。
【図１１】燃料電池の発電量変化率が定常か、過渡減少か、過渡増加かを判定するための目標発電量変化率判断閾値を説明する図である。
【図１２】Ｉ−Ｖカーブより出力電流を推定する方法を説明する図である。
【図１３】目標空気流量と目標回転速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池本体
２…制御装置
３…ブロワ
５…電圧計
６…電流計
７…温度計
８…負荷装置
１１…目標発電量算出手段
１２…電流電圧特性更新手段
１３…電圧電流特性記憶手段
１４…目標酸化剤流量算出手段
【図１】
2004296374.tif 000003
【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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