(57)【要約】【課題】加湿機能を良好に維持可能な燃料電池システムの制御装置を提供する。【解決手段】加湿水へのガスの混入量を推定するガス混入量推定手段３１と、推定したガス混入量に基づいて、前記加湿水供給制御手段３３の操作量を補正する加湿水供給操作量補正手段３２と、を具備し、ガス混入量が多いほど加湿水の供給量を増加させる方向に、加湿水供給制御手段３３の操作量を補正するようにした。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する手段と、前記燃料電池に加湿水を供給する手段とを備える燃料電池システムの制御装置において、
前記加湿水へのガスの混入量を推定するガス混入量推定手段と、
前記推定したガス混入量に基づいて、前記加湿水供給手段の操作量を補正する加湿水供給操作量補正手段と、を備え、
前記ガス混入量が多いほど前記加湿水の供給量を増加させる方向に前記加湿水供給手段の操作量を補正することを特徴とした燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と前記加湿水供給手段の操作量または状態量とに基づいて、前記ガス混入量を推定する手段であることを特徴とした請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と加湿水供給用のポンプの回転速度とに基づいて、前記加湿水の圧力を得るために必要とする前記ポンプの回転速度が高いほど前記ガス混入量が多いと推定する手段であることを特徴とした請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と前記ポンプの回転速度とに基づいて、前記ポンプの回転速度の変化に応答する前記加湿水の圧力の変化速度が小さいほど前記ガス混入量が多いと推定する手段であることを特徴とした請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記加湿水供給手段は、加湿水の圧力を制御する加湿水圧力制御手段をさらに備え、
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と前記加湿水圧力制御手段の操作量または状態量とに基づいて前記ガス混入量を推定する手段であることを特徴とした請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と加湿水圧力制御弁の開度に基づいて、前記加湿水の圧力を得るために必要とする前記加湿水圧力制御弁の開度が小さいほど前記ガス混入量が多いと推定する手段であることを特徴とした請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と前記加湿水圧力制御弁の開度に基づいて、前記加湿水圧力制御弁の開度の変化に応答する前記加湿水の圧力の変化速度が小さいほど前記ガス混入量が多いと推定する手段であることを特徴とした請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の温度に基づいて、前記加湿水の温度が高いほど前記ガス混入量を増加させる方向に前記ガス混入量の補正を行う手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項９】
前記ガス混入量推定手段は、前記加湿水の圧力と前記燃料ガスの圧力の差が所定値以内でありかつ前記加湿水の圧力と前記酸化剤ガスの圧力の差が所定値以内である場合に、前記ガス混入量が０であると推定する手段を備えていることを特徴とした請求項１ないし請求項８のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質材を透過する加湿水により燃料電池への供給ガスを加湿する燃料電池システムの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池へ供給するガスを、多孔質材を透過した加湿水により加湿する装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、加湿水と燃料ガスを多孔質材として四弗化エチレン樹脂製の多孔質膜を挟んで流し、多孔質膜の表面から気体状の水を燃料ガス中に気化させて供給するようにしており、水の気化熱を燃料電池の反応に伴う発熱により得るようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−２６９９５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のように多孔質膜を介して供給ガスの加湿を行うのみでは、加湿水と供給ガスとの圧力差によっては、加湿水が供給ガス側に透過する一方、供給ガスがある割合で加湿水側に透過して加湿水に混入する可能性がある。
【０００６】
このように、ガスが水に混入すると、多孔質膜の加湿水側面にガスによる気泡が付着して水のガス側への透過を阻害し、ガスの加湿が不充分となって燃料電池の発電能力を低下させる不具合や、加湿水の密度や圧縮率の変化により加湿水の流量や圧力の静特性および動特性が変化してその流量制御や圧力制御の精度が悪化する不具合を生ずる。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、加湿機能を良好に維持可能な燃料電池システムの制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池の加湿水へのガスの混入量を推定するガス混入量推定手段と、推定したガス混入量に基づいて前記加湿水供給手段の操作量を補正する加湿水供給操作量補正手段と、を具備し、ガス混入量が多いほど加湿水の供給量を増加させる方向に加湿水供給手段の操作量を補正するようにした。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、ガス混入量推定手段により推定するガス混入量が多いほど、加湿水供給操作量補正手段により加湿水の供給量を増加させる方向に加湿水供給手段の操作量を補正するため、加湿水へのガス混入量の増加に伴い加湿水供給手段の操作量を供給量を増加させるように補正することができるようになる。このため、加湿水にガスが混入した場合でも所望の量の加湿水を燃料電池へ供給でき、燃料電池の加湿を良好に維持できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの制御装置を各実施形態に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１〜図１０は、本発明を適用した燃料電池システムの制御装置の第１実施形態を示し、図１はシステム構成図、図２はコントローラの制御内容を示す構成図、図３は加湿水供給制御および加湿水圧力制御のフローチャート、図４は加湿水圧力制御のフローチャート、図５はガス混入量推定手段のマップデータ、図６は加湿水供給量の基本値を算出するためのテーブルデータ、図７はポンプの回転速度を算出するためのマップデータである。また、図８〜図１０はガス混入量推定手段の変更例を夫々示すマップデータまたはテーブルデータである。
【００１２】
図１において、燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化剤ガスとしての空気の供給を受けて電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給し燃料電池スタック１よりの排水素ガスを還流させて再び燃料電池スタック１に供給する循環経路２と、前記循環経路２の水素ガスを排出するパージ手段３と、パージ時に排出される排水素ガスを燃焼させる排水素燃焼器としての排水素燃焼器４と、燃料電池スタック１へ酸化ガスとしての空気を供給する空気（酸化ガス）供給手段５と、燃料電池スタック１へ加湿水を循環供給する加湿水供給系統６と、コントローラ７とを備える。
【００１３】
前記循環経路２は、水素供給源としての水素タンク１０から供給される燃料ガスとしての水素ガスを水素圧力制御弁１１、エゼクタ１２を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からの排水素ガスをエゼクタ１２に還流させ、エゼクタ１２で供給される水素ガスと混合して燃料電池スタック１に循環させて供給する。前記水素圧力制御弁１１は、コントローラ７よりの指令に応じて燃料電池スタック１に供給する水素ガスの圧力を調整し、燃料電池スタック１の運転圧力を調整する。運転圧力は可変圧であり、燃料電池スタック１から取り出す発電出力が高いときには運転圧力を高め、発電出力が低いときは運転圧力を低めるよう作動させる。水素圧力制御弁１１の制御は水素入口圧力センサ１３で測定され、水素入口温度センサ１４による燃料電池スタック１入口での水素の温度と共にコントローラ７にフィードバックされる。
【００１４】
パージ手段３（以下、水素パージ弁３とする）は、燃料電池スタック１から排出される排水素ガスを通常はエゼクタ１２に還流させ、燃料電池スタック１内に水溢れ（以下フラッディング）等が発生した場合や燃料電池スタック１の運転圧を低下させる場合、あるいは、水素タンク１０から供給される水素を排水素燃焼器４で燃焼させてシステムを暖機する場合等には、コントローラ７により水素パージ弁３を動作させて前記循環経路２および燃料電池スタック１に存在する水素ガスを排水素燃焼器４へ排出する。
【００１５】
前記空気供給手段５は、コンプレッサ１５により酸化ガスとなる空気を、空気流量センサ１６を経由して燃料電池スタック１へ供給する。コンプレッサ１５はコントローラ７によりの目標回転数に応じて駆動され、その供給流量は空気流量センサ１６で計量され、その計量値はコントローラ７に入力される。燃料電池スタック１から排空気通路１７に排出された空気（以下、排空気）は、空気圧力制御弁１８で通路が絞られ、その上流側の空気圧力が制御される。制御の目標値はそのときの水素ガスの圧力に応じた目標値としている。空気の圧力は燃料電池スタック１入口に配置した空気入口圧力センサ１９で測定され、コントローラ７に入力される。空気圧力制御弁１８を通過した空気は排水素燃焼器４を経由して大気中に放出される。
【００１６】
前記排水素燃焼器４は、燃料電池スタック１内に水溢れ（フラッディング）等が発生した場合や燃料電池スタック１の運転圧を低下させるときに水素パージ弁３から排出される排水素ガスを、空気圧力制御弁１８から供給される排空気により燃焼反応させて処理する。
【００１７】
前記加湿水供給系統６は、加湿水を貯蔵する加湿水タンク２０、ポンプ２１、加湿水の圧力制御弁２２を燃料電池スタック１の図示しない冷却流路に直列に接続して構成され、加湿水タンク２０内の加湿水をポンプ２１により燃料電池スタック１の冷却流路に供給し、冷却流路から加湿水の圧力制御弁２２を経由して加湿水タンク２０に戻す循環経路を構成している。ポンプ２１はコントローラ７からの駆動信号および回転速度指令値に応じて回転駆動され、加湿水タンク２０の加湿水を燃料電池スタック１に供給する。燃料電池スタック１の入口での加湿水の温度と圧力は、加湿水入口温度センサ２３および加湿水入口圧力センサ２４で測定され、測定値は加湿水温度信号および加湿水入口圧力信号としてコントローラ７に入力される。加湿水の圧力制御弁２２はコントローラ７からの駆動信号および指令開度に応じてバルブの開度を調整して燃料電池スタック１の背圧、即ち、出口圧力を調整する。燃料電池スタック１の出口での加湿水の圧力は、加湿水出口圧力センサ２５により測定され、測定値は加湿水出口圧力信号としてコントローラ７に入力される。使用される加湿水は、純水もしくは純水に不凍液を混合した溶液等を使用する。
【００１８】
前記燃料電池スタック１の運転状態を検出するために、その出力電流および出力電圧は、電流センサ２６および電圧センサ２７により測定され、コントローラ７に入力される。
【００１９】
図２はコントローラ７により実行される制御を機能ブロックに分けて示すものである。図２において、コントローラ７は、加湿水入口圧力信号、加湿水出口圧力信号、加湿水温度信号、水素入口圧力信号、空気入口圧力信号、電流信号、および、電圧信号の各信号の入力を受け、これらの信号に基づいて、加湿水の圧力制御弁２２への駆動信号および指令開度信号、ポンプ２１への駆動信号および回転速度指令値を演算し、夫々出力する。
【００２０】
コントローラ７は、加湿水の圧力制御弁２２への駆動信号および指令開度信号を演算する加湿水圧力制御手段３０と、ポンプ２１への駆動信号および回転速度指令値を演算するガス混入量推定手段３１、加湿水供給操作量補正手段３２、および、加湿水供給制御手段３３と、から構成している。
【００２１】
前記加湿水圧力制御手段３０は、加湿水の圧力を制御するブロックであり、水素入口圧力信号および空気入口圧力信号に基づいて加湿水圧力制御手段としての加湿水圧力制御弁２２への指令開度および駆動信号を算出し、加湿水の圧力制御弁２２をこれらの信号に応じて制御する。前記指令開度は前記ガス混入量推定手段３１にも出力される。
【００２２】
前記ガス混入量推定手段３１は、加湿水へのガスの混入量を推定するブロックであり、加湿水入口圧力信号と、加湿水出口圧力信号と、加湿水温度信号と、ポンプ回転速度指令値と、加湿水の圧力制御弁２２の指令開度に、基づいてガスの混入量を推定し、ガス混入量の推定値を前記加湿水供給操作量補正手段３２に出力する。
【００２３】
前記加湿水供給操作量補正手段３２は、加湿水供給手段としてのポンプ２１の操作量、即ち、回転速度を補正するブロックであり、前記ガス混入量推定手段３１のガス混入量の推定値に基づいて加湿水供給操作量の補正値、即ち、ポンプ２１の回転速度の補正値を演算して加湿水供給制御手段３３に出力する。
【００２４】
前記加湿水供給制御手段３３は、加湿水の供給制御を行うブロックであり、前記加湿水供給操作量補正手段３２からの加湿水供給操作量の補正値と、前記電流信号および前記電圧信号とに基づいて加湿水供給手段としてのポンプ２１の操作量としてのポンプ回転速度指令値と駆動信号を算出し、ポンプ２１をこれらの信号に応じて制御する。
【００２５】
図３は、コントローラ７により実行されるポンプ２１および加湿水圧力制御弁２２の制御を、図２に示すコントローラ７の機能ブロックによる制御に代えて、制御周期毎に実行される制御フローチャートにより示したものである。制御周期ΔＴは、例えば、ΔＴ＝０．０１［ｓｅｃ］に設定する。
【００２６】
先ず、ステップＳ１において、加湿水の圧力制御を行う。このステップＳ１の制御内容は図２の加湿水圧力制御手段３０と制御内容と同じである。この制御は、水素と加湿水の圧力差、および、空気と加湿水の圧力差が予め設定した所定の範囲内となるように加湿水圧力制御弁２２を操作する。
【００２７】
ステップＳ２において、加湿水へのガスの混入量を推定する。このステップＳ２の制御内容は図２のガス混入量推定手段３１と制御内容と同じである。
【００２８】
ステップＳ３において、加湿水供給操作量、例えば、ポンプ２１の補正量（回転速度）を算出する。このステップＳ３の制御内容は図２の加湿水供給操作量補正手段３２と制御内容と同じである。
【００２９】
ステップＳ４において、加湿水供給量の制御、すなわち、ポンプ２１の回転速度を操作する。このステップＳ４の制御内容は図２の加湿水供給制御手段３３と制御内容と同じである。
【００３０】
以下、各手段および各ステップＳの具体的制御内容について説明する。
【００３１】
図４は、ステップＳ１（加湿水圧力制御手段３０）における加湿水圧力制御の方法を示したフローチャートである。
【００３２】
まず、ステップＳ１１において、水素入口圧力センサ１３から水素入口圧力信号Ｐｈ［Ｐａ］を読み込み、ステップＳ１２において、空気入口圧力センサ１９よりの空気入口圧力信号Ｐａｉｒ［Ｐａ］を読み込む。
【００３３】
次に、ステップＳ１３において、加湿水の目標圧力ｔＰｗ［Pａ］を下記の式１により算出する。ここで、Ｃ［Ｐａ］は、水素および空気と加湿水の圧力差の最小値を定義する定数である。
【００３４】
ｔＰｗ＝ｍｉｎ（Ｐｈ−Ｃ，Ｐａｉｒ−Ｃ）  ・・・式１
次いで、ステップＳ１４において、加湿水圧力制御弁２２の駆動信号を生成する。ここでは、加湿水入口圧力ＰｗＩｎ［Ｐａ］と前記加湿水の目標圧力ｔＰｗとに基づいて、加湿水圧力のＦ／Ｂ制御を行う。Ｆ／Ｂ制御系はＰＩＤ制御などで構成することができ、その演算方法は一般によく知られているので、説明は割愛する。
【００３５】
なお、加湿水圧力制御弁２２はＰＷＭ信号を入力して電気モータによって駆動させるものが一般的であるが、電気モータによらず、ステップＳ４０１〜４０４の機械的演算機構を含む機械的な機構により加湿水圧力制御弁２２の開閉駆動を行うようにしてもよい。
【００３６】
ステップＳ２（ガス混入量推定手段３１）におけるガス混入量推定の方法は、加湿水の圧力（加湿水入口圧力）と加湿水供給手段の状態量の、例えば、ポンプ２１の回転速度とに基づいて、加湿水の圧力をある一定値にするための、ポンプ２１の回転速度が高いほどガス混入量Ｃｇが多いと推定するものである。即ち、加湿水にガスが混入するとその密度が低下するため、ポンプ２１の回転速度が一定であっても加湿水の圧力が低下する特性を利用するものである。
【００３７】
図５は、横軸にポンプ２１の回転速度［ｒｅｄ／ｓ］を、縦軸に加湿水出口圧力［Ｐａ］を、また、パラメータにガス混入量Ｃｇをとり、所定の加湿水温度（例えば５０［℃］）において、予め実験を行って、ポンプ２１の回転速度に対する加湿水入口圧力の圧力特性を記憶させたマップデータである。図中の太い実線で示す圧力特性はガス混入量Ｃｇが零の場合を示し、ガス混入量Ｃｇが大きくなるにつれて図中下方にずれた圧力特性を持つこととなる。なお、図中の実線で示す圧力特性より上方に位置する圧力特性はガス混入量Ｃｇが負の状態を示す。実際のガス混入量Ｃｇは０または正の値であるが、マップデータの値は、データの連続性を保持するように負の値まで設定しておく。また、上記マップデータはポンプ２１の回転速度を横軸としているが、ポンプ２１の回転速度に代えて、ポンプ２１の駆動モータの電流値に基づいて、上記と同様にガス混入量Ｃｇの推定を行うこともできる。
【００３８】
そして、読込んだポンプ２１の回転速度［ｒｅｄ／ｓ］と加湿水入口圧力［Ｐａ］とに基づいて、上記マップデータを使用して、ガス混入量Ｃｇ［％］の推定を行う。ただし、ここでは、マップデータから演算したガス混入量Ｃｇが負の値となった場合は、ガス混入量Ｃｇ＝０とする。
【００３９】
ステップＳ３（加湿水供給操作量補正手段３２）における加湿水供給操作量補正値の算出方法について説明する。
【００４０】
加湿水供給操作量補正値ｋＱＷ［−］は、加湿水供給量の目標値に対し、ステップＳ２で得られたガス混入量Ｃｇを考慮した補正値であり、下記の式４
ｋＱｗ＝（Ｃｇ＋１００）／１００  ・・・式４
により算出する。
【００４１】
ステップＳ４（加湿水供給制御手段３３）における加湿水供給制御の方法について説明する。
【００４２】
先ず、燃料電池１の電流センサ２６および電圧センサ２７からの電流と電圧の積から算出した燃料電池１の出力［ｋＷ］に基づいて、図６に示すテーブルデータを参照して、加湿水供給量の基本値ｔＱｗ０［Ｌ／ｍｉｎ］を算出する。図６に示すテーブルデータは、横軸を燃料電池出力［ｋＷ］とし縦軸に加湿水供給量［Ｌ／ｍｉｎ］とする出力に対する加湿水供給量の基本値ｔＱｗ０［Ｌ／ｍｉｎ］を予め実験等により設定したものである。
【００４３】
次いで、加湿水供給量の目標値ｔＱｗ［Ｌ／ｍｉｎ］を、出力に対する加湿水供給量の基本値ｔＱｗ０［Ｌ／ｍｉｎ］とステップＳ３で求めた加湿水供給量の目標値に対する補正値ｋＱｗとから下記の式５
ｔＱｗ＝ｔＱｗ０×ｋＱｗ  ・・・式５
により算出する。
【００４４】
次に、加湿水入口圧力［Ｐａ］と加湿水供給量の目標値ｔＱｗとに基づいて、図７に示すマップデータを用いてポンプ２１の目標回転数 ［ｒａｄ／ｓ］を算出する。図７のマップデータは、横軸に目標加湿水供給量ｔＱｗ［Ｌ／ｍｉｎ］を、縦軸に加湿水入口圧力［Ｐａ］を、またポンプ２１の回転速度をパラメータとするものであり、ポンプ２１の特性に基づいてその値を設定している。
【００４５】
最後に、得られたポンプ２１の目標回転数［ｒａｄ／ｓ］となるよう、ＰＷＭ制御などによりポンプ２１の駆動信号を出力する。なお、ポンプ２１の駆動信号の生成方法は一般的によく知られているので、ここでの説明は省略する。
【００４６】
図８は第１実施形態におけるガス混入量の推定方法の別の実施例を示すものである。図５に示すガス混入量推定方法では、加湿水の圧力をある一定値にするためのポンプ２１の回転速度が高いほどガス混入量が多いと判断するものであったが、図８に示すガス混入量の推定方法にあっては、ポンプ２１の回転速度がある一定の変化をした場合における加湿水圧力の変化速度が小さいほどガス混入量が多いと推定するものである。
【００４７】
即ち、加湿水にガスが混入した場合にその圧縮率が増加する。従って、ガスの混入によりポンプ２１の回転速度の変化に対する吐出圧の応答が遅くなる。この特性を利用して、ポンプ２１の吐出圧の応答性を検出して、ガスの混入量Ｃｇを推定する。前記吐出圧の応答性は、例えば、加湿水入口圧力の変化速度等により検出することができる。
【００４８】
図８は、横軸にポンプ２１の回転速度［ｒｅｄ／ｓ］を、縦軸にポンプ吐出圧変化速度［Ｐａ／ｓｅｃ］を、また、パラメータにガス混入量Ｃｇをとり、所定の加湿水温度（例えば５０［℃］）において、予め実験を行って、ポンプ２１の回転速度に対するポンプ吐出圧変化速度［Ｐａ／ｓｅｃ］の変化特性を記憶させたマップデータである。図中の太い実線で示す圧力変化特性はガス混入量Ｃｇが零の場合を示し、ガス混入量Ｃｇが大きくなるにつれて図中下方にずれた圧力変化特性を持つこととなる。なお、図中の太い実線で示す圧力変化特性より上方に位置する圧力変化特性はガス混入量Ｃｇが負の状態を示す。実際のガス混入量Ｃｇは０または正の値であるが、マップデータの値は、データの連続性を保持するように負の値まで設定しておく。なお、上記マップデータはポンプの回転速度を横軸としているが、ポンプ２１の回転速度に代えて、ポンプ２１の駆動モータの電流値に基づいて、上記と同様にガス混入量Ｃｇの推定を行うこともできる。
【００４９】
そして、読込んだポンプ２１の回転速度［ｒｅｄ／ｓ］と加湿水入口圧力の変化速度［Ｐａ／ｓｅｃ］とに基づいて、上記マップデータを使用して、ガス混入量Ｃｇ［％］の推定を行う。ただし、ここでは、マップデータから演算したガス混入量Ｃｇが負の値となった場合は、ガス混入量Ｃｇ＝０とする。
【００５０】
図９は第１実施形態におけるガス混入量の推定方法のさらに別の実施例を示すものである。図９に示すガス混入量推定方法は、演算されたガス混入量を加湿水の温度に応じて補正するものである。
【００５１】
ガスが混入した加湿水の温度が変化した場合にその密度が変化する。図５の実施例では、温度の変化によりポンプ２１の回転速度と加湿水圧力の関係が変化する。また、図８の実施例では、温度の変化によりポンプ２１の回転速度の変化に対する吐出圧の応答が変化する。
【００５２】
図９は、横軸に加湿水温度［℃］を縦軸に温度補正係数［Ｋｔ］をとり、加湿水温度の変化に対する混入したガスの容積・ボリュウムの変化を温度補正係数として定めたテーブルデータである。このテーブルデータは、ガス混入量の推定方法、即ち、図５および図８の実施例ごとに特性が異なるため、それぞれに対して、予め実験を行って定める。
【００５３】
ここでは、先ず、加湿水温度信号から得た加湿水の温度に基づき、図９のテーブルデータから温度補正係数Ｋｔ［−］を算出し、次いで、下記の式２により、温度補正後のガス混入量Ｃｇ’［％］を
Ｃｇ’＝Ｃｇ×Ｋｔ  ・・・式２
求めることができる。
【００５４】
図１０は第１実施形態におけるガス混入量の推定方法のさらに別の実施例を示すものである。図１０に示すガス混入量推定方法は、演算されたガス混入量をポンプ２１や圧力制御弁２２の特性によって生ずる誤差に応じて補正するものである。
【００５５】
ポンプ２１や圧力制御弁２２の特性は、固体ばらつきや経時変化によって異なるため、得られたガス混入量の推定値が、実際のガス混入量に対して誤差を生じる可能性がある。この誤差を補償するように得られたガス混入量の推定値を補正する必要がある。
【００５６】
この補正値α［％］は、図５（括弧内は、図８の場合を示す）の実施例のようにガス混入量の推定を行った場合には、以下のようにその値を算出する。
【００５７】
まず、水素入口圧力と加湿水入口圧力の差が所定値、例えば５［ｋＰａ］以内であり、かつ、空気入口圧力と加湿水入口圧力の差が所定値、例えば５［ｋＰａ］以内である場合、すなわち、加湿水へのガスの混入が０となる状況において、ポンプ回転速度と加湿水入口圧力とに基づいて、図５（図８）に示したマップデータの出力を演算する。この場合、図５（図８の）マップデータの値は、実際のガス混入量Ｃｇは０または正の値であるが、データの連続性を保持するように負の値まで設定しておく。
【００５８】
次いで、前記マップ出力の符号を変えた値、つまり、実際のガス混入量０からマップ出力を減算した値を、図１０に示すテーブルデータに記憶させ、更新させてゆく。このテーブルデータの値の更新は加重平均演算などによって行い、平均的な値を記憶させる。このような演算を繰り返すことによって、例えば、図１０に示した特性のテーブルデータが作成され、このテーブルデータを用いて、ガス混入量の補正値α［％］を算出することができる。
【００５９】
前記ポンプ２１や圧力制御弁２２の特性による誤差は、上記により得られたガス混入量の補正値α［％］により、この誤差を補償するように、下記の式３
Ｃｇ”＝Ｃｇ’×α  ・・・式３
を用いてガス混入量の補正を行う。式３において、Ｃｇ”は誤差補正後のガス混入量であり、Ｃｇ’は温度補正後のガス混入量［％］である。
【００６０】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６１】
（ア）燃料電池１の加湿水へのガスの混入量を推定するガス混入量推定手段３１、Ｓ２と推定したガス混入量Ｃｇに基づいて前記加湿水供給手段としてのポンプ２１の操作量である回転速度を補正する加湿水供給操作量補正手段３２とを備え、ガス混入量が多いほど加湿水の供給量を増加させる方向にポンプ２１の回転速度を補正するようにしたため、加湿水にガスが混入した場合でも所望の量の加湿水を燃料電池へ供給でき、燃料電池の加湿を良好に維持できる。
【００６２】
（イ）ガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、加湿水の圧力と加湿水供給手段であるポンプ２１の操作量または状態量である回転数に基づいてガス混入量を推定するため、ポンプ２１を通過する加湿水へのガス混入量Ｃｇを推定することができる。
【００６３】
（ウ）図５に示すガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、前記加湿水の圧力とポンプ２１の回転速度とに基づいて、前記加湿水の圧力を得るために必要とするポンプ２１の回転速度が高いほど前記ガス混入量Ｃｇが多いと推定するため、容易に検出できる信号の関係に基づいて、ポンプ２１を通過する加湿水へのガス混入量Ｃｇを容易に推定することができる。
【００６４】
（エ）図８に示すガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、前記加湿水の圧力と前記ポンプ２１の回転速度とに基づいて、前記ポンプ２１の回転速度の変化に応答する前記加湿水の圧力の変化速度が小さいほど前記ガス混入量Ｃｇが多いと推定するため、容易に検出できる信号の関係に基づいて、前記ポンプ２１を通過する加湿水へのガス混入量Ｃｇを容易に推定することができ、また、その信号が変化する場合においてもガス混入量Ｃｇを推定することができる。
【００６５】
（オ）図９に示すガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、前記加湿水の温度に基づいて、前記加湿水の温度が高いほど前記ガス混入量を増加させる方向に前記ガス混入量の補正を行う手段を備えているため、加湿水温度の変化に対応して前記ガス混入量Ｃｇの推定を行うことができる。
【００６６】
（カ）図１０に示すガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、前記加湿水の圧力と前記燃料ガスの圧力の差が所定値以内でありかつ前記加湿水の圧力と前記酸化剤ガスの圧力の差が所定値以内である場合に、前記ガス混入量Ｃｇが０であると推定する手段を備えている。このため、予め定めた前記ガス混入量の推定演算に対して、加湿水へのガス混入量が０となる状況において、前記推定値を０とするように推定演算を変更することができるようになった。したがって、前記加湿水供給手段としてのポンプ２１や前記加湿水圧力制御手段としての加湿水圧力制御弁２２の特性が変化した場合においても、前記ガス混入量Ｃｇの推定を行うことができる。
【００６７】
（第２実施形態）
図１１および図１２は、本発明を適用した燃料電池システムの制御装置の第２実施形態を示し、図１１は第２実施形態におけるガス混入量の推定方法のマップデータ、図１２は第２実施形態におけるガス混入量の推定方法の別の実施例のマップデータである。本実施形態においては、加湿水の圧力と加湿水圧力制御手段の操作量あるいは状態量とに基づいてガス混入量を推定するものである。なお、前実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００６８】
図１１に示す第２実施形態のガス混入量推定方法は、加湿水の圧力と加湿水圧力制御手段としての加湿水圧力制御弁２２の状態量としての開度とに基づいてガス混入量を推定するものである。加湿水にガスが混入した場合、その密度が低下する。加湿水圧力制御弁２２で構成した絞り弁前後の圧力差は流体の密度に比例するため、加湿水流路６にある絞り弁前後の圧力差は、ガスの混入により減少する。従って、絞り弁である加湿水圧力制御弁２２によって加湿水の圧力制御を行うと、所定の圧力を維持するための開度は、ガスの混入により小さくする必要がある。このような特性から、本実施形態では、加湿水の圧力をある一定値とするための、加湿水圧力制御弁２２の開度が小さいほどガス混入量が多いと推定する。
【００６９】
図１１は、横軸に加湿水の加湿水圧力制御弁２２の開度［ｍ＾２］を、縦軸に加湿水出口圧力［Ｐａ］を、また、パラメータにガス混入量Ｃｇをとり、所定の加湿水温度（例えば５０［℃］）において、予め実験を行って、加湿水圧力制御弁２２の開度に対する加湿水出口圧力の圧力特性を記憶させたマップデータである。図中の太い実線で示す圧力特性はガス混入量Ｃｇが零の場合を示し、ガス混入量Ｃｇが大きくなるにつれて図中下方にずれた圧力特性を持つこととなる。なお、図中の太い実線で示す圧力特性より上方に位置する圧力特性はガス混入量Ｃｇが負の状態を示す。実際のガス混入量Ｃｇは０または正の値であるが、マップデータの値は、データの連続性を保持するように負の値まで設定しておく。そして、ポンプ２１の回転速度の変化に対応して加湿水の流量が変化し、加湿水の圧力も変化する。このことを考慮して、いくつかの回転速度に応じた図１１のマップデータを準備し、ポンプ２１の回転速度に応じて使用するマップデータを選択する。
【００７０】
そして、読込んだポンプ２１の回転速度に対応するマップデータを選択し、加湿水圧力制御弁２２の開度［ｍ＾２］と加湿水出口圧力［Ｐａ］とに基づいて、選択したマップデータを使用して、ガス混入量Ｃｇ［％］の推定を行う。ただし、ここでは、マップデータから演算したガス混入量Ｃｇが負の値となった場合は、ガス混入量Ｃｇ＝０とする。この方法では、加湿水の流量の変化を見込んで、圧力制御弁２２の開度に基づいてガス混入量の推定を行うことができる。
【００７１】
図１２は第２実施形態におけるガス混入量の推定方法の別の実施例を示すものである。図１１に示すガス混入量推定方法では、加湿水の圧力をある一定値にするための加湿水圧力制御弁２２の開度が小さいほどガス混入量が多いと判断するものであったが、図１２に示すガス混入量の推定方法にあっては、加湿水の圧力制御弁２２の開度がある一定の変化をした場合の加湿水の圧力の変化速度が小さいほどガス混入量が多いと推定するものである。
【００７２】
即ち、加湿水にガスが混入した場合、その圧縮率が増加する。従って、ガスの混入により、圧力制御弁２２による圧力制御の応答が遅くなる。この特性を利用して、圧力制御弁２２の上流或いは下流の圧力の応答性を検出して、ガスの混入量を推定することができる。圧力の応答性は、例えば、圧力の変化速度などによって検出することができる。
【００７３】
図１２は、横軸に加湿水の圧力制御弁２２の開度［％］を、縦軸に加湿水の圧力変化速度［Ｐａ／ｓｅｃ］を、また、パラメータにガス混入量Ｃｇをとり、所定の加湿水温度（例えば５０［℃］）において、予め実験を行って、圧力制御弁２２の開度［％］に対する加湿水の圧力変化速度［Ｐａ／ｓｅｃ］の変化特性を記憶させたマップデータである。図中の太い実線で示す圧力変化特性はガス混入量Ｃｇが零の場合を示し、ガス混入量Ｃｇが大きくなるにつれて図中下方にずれた圧力変化特性を持つこととなる。なお、図中の太い実線で示す圧力変化特性より上方に位置する圧力変化特性はガス混入量Ｃｇが負の状態を示す。実際のガス混入量Ｃｇは０または正の値であるが、マップデータの値は、データの連続性を保持するように負の値まで設定しておく。
【００７４】
そして、読込んだ圧力制御弁２２の開度［％］と加湿水の圧力変化速度［Ｐａ／ｓｅｃ］とに基づいて、上記マップデータを使用して、ガス混入量Ｃｇ［％］の推定を行う。ただし、ここでは、マップデータから演算したガス混入量Ｃｇが負の値となった場合は、ガス混入量Ｃｇ＝０とする。
【００７５】
なお、上記の図１１および図１２におけるガス混入量の推定方法においても、ガスが混入した加湿水の温度が変化してその密度が変化する場合に、第１実施形態と同様に、演算されたガス混入量を加湿水の温度に応じて補正することができる。
【００７６】
図１１の実施例では、温度の変化により圧力制御弁２２の開度と加湿水圧力の関係が変化する。図１２の実施例では、温度の変化により圧力制御の応答性が変化する。夫々の場合において、図９の方法により加湿水温度の変化に対する混入したガスの容積・ボリュウムの変化を温度補正係数として定めたテーブルデータを設定し、加湿水温度信号から得た加湿水の温度に基づき、このテーブルデータから温度補正係数Ｋｔ［−］を算出し、次いで、前記した式２により、温度補正後のガス混入量Ｃｇ’［％］を求めることができる。
【００７７】
また、上記の図１１および図１２におけるガス混入量の推定方法においても、演算されたガス混入量をポンプ２１や圧力制御弁２２の特性によって生ずる誤差に応じて補正することができる。即ち、加湿水へのガスの混入が０となる状況において、圧力制御弁２２の開度と加湿水出口圧力とに基づいて、図１１（図１２）に示したマップデータの出力を演算する。次いで、前記マップ出力の符号を変えた値、つまり、実際のガス混入量０からマップ出力を減算した値を、第１実施形態の図１０と同様のテーブルデータ（横軸が圧力制御弁２２の開度となる）に記憶させ、更新させてゆくことでガス混入量の補正値α［％］を算出する。この算出した補正値αとガス混入量の補正値α［％］により、前記式３を用いることで誤差を補償することができる。
【００７８】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（カ）に加えて、以下に記載した効果を奏することができる。
【００７９】
（キ）加湿水供給手段６は、加湿水の圧力を制御する加湿水圧力制御手段２２を備え、ガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、加湿水の圧力と、加湿水圧力制御手段２２の操作量または状態量である開度とに基づいてガス混入量を推定するものであるため、加湿水圧力制御手段２２を通過する加湿水へのガス混入量を推定することができる。
【００８０】
（ク）図１１に示すガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、前記加湿水の圧力と加湿水圧力制御弁２２の開度に基づいて、前記加湿水の圧力を得るために必要とする前記加湿水圧力制御弁２２の開度が小さいほど前記ガス混入量が多いと推定するため、容易に検出できる信号の関係に基づいて、前記加湿水圧力制御弁２２を通過する加湿水へのガス混入量を容易に推定することができる。
【００８１】
（ケ）図１２に示すガス混入量推定手段３１、Ｓ２は、前記加湿水の圧力と前記加湿水圧力制御弁２２の開度に基づいて、前記加湿水圧力制御弁２２の開度の変化に応答する前記加湿水の圧力の変化速度が小さいほど前記ガス混入量が多いと推定するため、容易に検出できる信号の関係に基づいて、前記加湿水圧力制御弁２２を通過する加湿水へのガス混入量を容易に推定することができ、また、その信号が変化する場合においてもガス混入量を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの制御装置のシステム構成図。
【図２】コントローラの制御内容を示す構成図。
【図３】加湿水供給制御および加湿水圧力制御のフローチャート。
【図４】加湿水圧力制御のフローチャート。
【図５】ガス混入量推定手段のマップデータ。
【図６】加湿水供給量の基本値を算出するためのテーブルデータ。
【図７】ポンプの回転速度を算出するためのマップデータ。
【図８】ガス混入量推定手段の変更例を示すマップデータ。
【図９】ガス混入量推定手段の別の変更例を示すテーブルデータ。
【図１０】ガス混入量推定手段のさらに別の変更例を示すマップデータ。
【図１１】本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムの制御装置のガス混入量推定手段を示すマップデータ。
【図１２】第２実施形態のガス混入量推定手段の変更例を示すマップデータ。
【符号の説明】
１  燃料電池、燃料電池スタック
２  循環流路
３  パージ弁、パージ手段
４  排水素燃焼器
５  空気供給手段
６  加湿水供給系統（加湿水供給手段）
７  コントローラ
１０  水素タンク
１３  水素入口圧力センサ
１９  空気入口圧力センサ
２０  加湿水タンク
２１  加湿水供給手段としてのポンプ
２２  加湿水圧力制御手段としての加湿水圧力制御弁
２４  加湿水入口圧力センサ
２５  加湿水出口圧力センサ
２６  電流センサ
２７  電圧センサ
３０、Ｓ１  加湿水圧力制御手段
３１、Ｓ２  ガス混入量推定手段
３２、Ｓ３  加湿水供給操作量補正手段
３３、Ｓ４  加湿水供給制御手段
【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】
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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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