(57)【要約】【課題】パッケージ内の可燃性ガス濃度に対応した換気を行う燃料電池プラントの制御装置を提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタック２と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段４を備える。また、少なくとも燃料電池スタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６内の雰囲気ガスを外部に換気する換気ファン７を備える。さらに、燃料電池スタック２に要求される電力を算出する目標出力算出部１３と、目標出力算出部１３で算出された要求電力に応じて換気ファン７を制御する換気ファン制御手段１６と、を備える。【選択図】      図１
2004253260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用い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燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、
前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、
前記燃料電池に要求される電力を算出する要求電力算出手段と、
前記要求電力算出手段で算出された要求電力に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池プラントの制御装置。
【請求項２】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用い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燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、
前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段を備えることを特徴とする燃料電池プラントの制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、の少なくとも一方を備え、
前記換気制御手段では、前記燃料電池の出力電流または出力電圧または出力電力のいずれか一つに応じて前記換気手段への指令値を算出する請求項２に記載の燃料電池プラントの制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池に供給する燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量検出手段を備え、
前記換気制御手段では、前記燃料ガス供給流量に応じて前記換気手段への指令値を算出する請求項２に記載の燃料電池プラントの制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池に供給する燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段と、
前記燃料貯蔵手段内の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、
前記換気制御手段では、前記燃料貯蔵手段内の圧力の時間変化に応じて前記換気手段への指令値を算出する請求項２に記載の燃料電池プラントの制御装置。
【請求項６】
前記燃料電池に供給する燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量検出手段と、
前記燃料電池で消費する燃料ガス消費流量を推定する燃料ガス消費流量推定手段と、を備え、
前記換気制御手段では、燃料ガス供給流量と推定燃料ガス消費流量に応じて、前記換気手段への指令値を算出する請求項２に記載の燃料電池プラントの制御装置。
【請求項７】
前記燃料電池の燃料極側を、前記パッケージ手段内にパージするか否かを選択するパージ手段と、
前記パージ手段の駆動信号を算出する前記パージ制御手段と、を備え、
前記パージ制御手段において算出したパージ手段の駆動信号に応じて、前記換気手段への指令値を補正する請求項１または２に記載の燃料電池プラントの制御装置。
【請求項８】
前記パッケージ手段内に、換気流量を測定する換気流量測定手段を備え、
前記換気流量測定手段により測定した換気流量に応じて、前記換気手段を制御する指令値を補正する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池プラントの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池プラントの制御装置に関する。特にパッケージ収納型の燃料電池プラントにおいて、パッケージ内の換気流量の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池本体では、燃料極に水素等の燃料ガスを接触させると共に、酸化剤極に酸素等の酸化剤ガスを接触させ、これにより生じる電気化学反応により電気エネルギを取り出す。このような燃料電池本体およびその周辺要素をパッケージに収容した燃料電池プラントが知られている。
【０００３】
このような燃料電池プラントにおいては、パッケージ内部には燃料ガスが漏洩する可能性がある。そこで、パッケージに、雰囲気ガスを外部に排出して外気をパッケージ内に取り込む換気手段を備えたものがある。また、パッケージ内での燃料ガスの漏洩を検出する手段を備えたものが知られている。例えば、パッケージの排気部またはその近傍に配置した可燃性ガスを検出する可燃性ガス漏洩検出手段と、可燃性ガス漏洩検出手段からの可燃性ガス検知信号に基づいて、パッケージの換気風量を増加させる制御手段を備えたものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３１４３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
このような従来の技術においては、可燃性ガス漏洩検出手段が可燃性ガスの濃度が上がったことを検出して、初めて、パッケージの換気風量を増加している。そのため、可燃性ガスの濃度が上昇するのに対して、換気風量の増加が追いつかないという問題が発生する可能性がある。
【０００６】
また、このような問題を避けるために、可燃性ガスが検出されていない場合でも換気風量を多めに設定すると、換気ファンの負荷が大きくなって消費電力が増大する、という問題が生じる。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、パッケージ内の可燃性ガス濃度に応じて換気を行うことができる燃料電池プラントの制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用い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燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を備える。また、前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段と、のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段と、前記燃料電池に要求される電力を算出する要求電力算出手段を備える。さらに、前記要求電力算出手段で算出された要求電力に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段を備える。
【０００９】
または、燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用い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燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を備える。また、前記燃料電池と、前記燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガスと、のうち少なくとも前記燃料電池を収納するパッケージ手段と、前記パッケージ手段内の換気を行う換気手段を備える。さらに、前記燃料電池の運転状態に応じて前記換気手段を制御する換気制御手段を備える。
【００１０】
【作用及び効果】
要求電力算出手段で算出された要求電力に応じて換気手段を制御する換気制御手段を備える。または、燃料電池の運転状態に応じて換気手段を制御する換気制御手段を備える。これにより、パッケージ手段内の可燃性ガス濃度に応じて換気手段を制御することができるので、遅れることなく、パッケージ手段内の可燃性ガス濃度を抑制しつつ、過剰な換気により燃費が悪化するのを避けることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池プラントについて説明する。ここでは、燃料電池システム１において生成した電力を車輌の駆動源として用いる場合について説明する。図１に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。
【００１２】
燃料電池システム１として、発電を行う燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置４を備える。また、燃料ガスを貯蔵する燃料タンク５を備える。さらに、燃料タンク５からの燃料の供給を選択的に遮断する遮断弁５ａを備える。
【００１３】
燃料ガス供給装置３には、燃料タンク５から高圧状態の燃料ガス、例えば水素ガス等が送られる。水素ガスは、燃料ガス供給装置３において図示しない圧力制御弁等により設定された圧力まで減圧されてから、燃料電池スタック２に供給される。一方、酸化剤ガス供給装置４には、酸化剤、例えば図示しないブロア等により空気が導入され、流量調整が為されてから燃料電池スタック２に供給される。水素ガスおよび空気の供給流量は、後述するコントローラ１０において燃料電池スタック２に要求される要求電力に応じて制御される。
【００１４】
また、燃料電池スタック２、燃料ガス供給装置３、酸化剤ガス供給装置４を収納するパッケージ６を備える。燃料電池スタック２や燃料ガス供給装置３、酸化剤供給装置４または配管から可燃性ガス、例えば燃料ガスが漏洩した場合には、パッケージ６内の雰囲気ガスに燃料ガスが含まれる。そこで、パッケージ６内の燃料ガス濃度が所定濃度より高くならないように、パッケージ６内の雰囲気ガスを外部に排出する換気ファン７、および、外気をパッケージ６に取り入れる外気取入口８を備える。換気ファン７を回転させることで外気取入口８から外気をパッケージ６内に導入する。導入された外気は、パッケージ６内で燃料ガスと混合されてから換気ファン７を通って排出される。
【００１５】
なお、換気ファン７を通って排出された雰囲気ガス内には水素ガスが含まれるため、換気ファン７の近傍、または、雰囲気ガスを外部に排出するまでの経路上に燃焼器等の水素処理装置を備えても良い。また、本実施形態では、換気ファン７側から排気する引出し型の換気構成としているが、外気取入口８の替わりに外気排出口を設けて、パッケージ６内の雰囲気ガスを外部に押し出す押し出し型の換気構成としてもよい。また、パッケージ６内に燃料ガス供給手段３や酸化剤ガス供給手段４を収納したが、配管に継ぎ目等がなく、水素ガスを漏洩する可能性がないと判断できる場合には、これらをパッケージ６の外側に配置してもよい。
【００１６】
さらに、駆動モータ／インバータ３０を備える。駆動モータ／インバータ３０では、後述するコントローラ１０からのモータトルク指令値に従って駆動トルクを発生する。駆動モータ／インバータ３０には、リレー２０を通って燃料電池システム１から給電される。駆動モータ／インバータ３０において生じた機械エネルギを、図示しない出力軸を介してタイヤに伝えることにより燃料電池車輌の走行を行う。
【００１７】
次に、このような燃料電池車輌の駆動装置の制御系について説明する。ここでは燃料電池車輌の制御装置としてコントローラ１０を備える。
【００１８】
図示しない車速センサからのパルス信号と、図示しない基準タイマと、から車速を求める車輌状態検出手段１１を備える。また、ドライバのアクセルペダル操作量からアクセル開度を求める運転操作検出手段１２を備える。
【００１９】
また、その時々の車速、アクセル開度からモータトルク指令値を算出する目標出力算出部１３を備える。目標出力算出部１３には、車速とアクセル開度から図２に示すような２次元マップ等を用いて目標駆動力を算出する駆動力算出部と、目標駆動力と車輌質量・タイヤ半径・減速ギア比等のパラメータから目標モータトルクを算出するモータトルク指令値算出部を備える。ここで、図２のＦは、駆動力、車輌質量、タイヤ半径、減速ギア比と、モータトルクとの関係を表す式である。また、駆動モータ／インバータ３０を制御するモータ制御装置１４を備える。モータ制御装置１４では、目標出力算出部１３で求めたモータトルク指令値に応じて駆動モータ／インバータ３０を制御することで、ドライバの運転操作に追従した走行を行う。
【００２０】
さらに、目標出力算出部１３には、燃料電池スタック２の要求電力指令値を算出する要求電力算出部を備える。要求電力算出部では、例えば、駆動モータ／インバータ３０における損失等を考慮して、モータトルク指令値を実現するために駆動モータ／インバータ３０に供給する電力を算出する。これに、車輌や燃料電池システム１で消費される補機電力を加算したものを、燃料電池スタック２の要求電力指令値として出力する。
【００２１】
また、燃料電池システム１を要求電力指令値に応じて制御する燃料電池システム制御手段１５を備える。燃料電池システム制御手段１５では、要求電力指令値に応じて電力を正常に取り出せるように、燃料電池システム１を制御する。ここでは、予め定められたロジックに従って燃料ガス供給装置３に備えるアクチュエータと、酸化剤ガス供給装置４に備えるアクチュエータと、を制御する。
【００２２】
また、パッケージ６内の換気を制御する換気ファン制御手段１６を備える。換気ファン制御手段１６は、予め定められたロジックに従い、目標出力算出手段１３で算出された要求電力指令値に基づいて、換気ファン７の目標回転速度を算出する。これにより、図示しない換気ファン７を駆動するモータ／モータドライブを制御する。
【００２３】
次に、換気ファン制御手段１６における換気ファン７の制御方法の詳細を、図３を用いて説明する。
【００２４】
換気ファン制御手段１６を、燃料ガス排出流量推定手段１６１、必要換気流量算出手段１６２、換気ファン回転速度指令値算出手段１６３から構成する。
【００２５】
燃料ガス排出流量推定手段１６１には、予め実験等により、要求電力指令値と燃料電池システム１から漏洩または排出される燃料ガスの排出流量との関係を求めておき、図４に示すようなテーブルや、近似式として記憶しておく。なお、本実施形態では、燃料電池スタック２に供給された水素ガスはほぼ完全に消費される。つまり、燃料電池スタック２の燃料極から排出されるガスは、ほぼゼロとなる。または、燃料電池スタック２から燃料排ガスが排出される場合にも、図示しない配管等を通って水素処理装置等に供給されるものとする。よって、この燃料ガス排出流量は燃料電池システム１から漏洩した燃料ガス流量となる。図４に示すように、要求電力が大きく、燃料電池スタック２に供給される燃料ガス供給流量が大きいほど、燃料電池システム１から漏洩する燃料ガス流量が大きくなると推定できる。つまり、要求電力指令値が大きいほど燃料ガス排出流量も大きくなると推定できる。このように、目標出力算出手段１３で求めた要求電力指令値を燃料ガス排出流量推定手段１６１に入力し、ここに記憶しておいた要求電力と燃料ガス排出流量の関係から、燃料ガス排出流量を推定する。
【００２６】
必要換気流量算出手段１６２では、燃料ガス排出流量推定手段１６１で算出された燃料ガス排出流量推定値から、パッケージ６内の燃料ガス濃度を所定濃度以下とするのに必要な換気流量を算出する。ここでは、図５に示すような燃料ガス排出流量に対する必要換気流量を示すテーブルや近似式を予め記憶しておき、燃料ガス排出流量推定値を入力することにより必要換気流量を算出する。図５に示すように、燃料ガス排出流量に比例して換気流量は増大する。ここで、燃料ガス濃度の許容限界値としての所定濃度を、例えば、燃料ガスが水素ガスであれば４％以下とする。ここでは所定濃度を１％または２％等に予め設定しておく。このように、燃料ガス排出流量推定手段１６１で求めた燃料ガス排出流量推定値から、必要換気流量を算出する。
【００２７】
次に、換気ファン回転速度指令値算出手段１６３では、必要換気流量算出手段１６２で算出した必要換気流量を実現するために必要な換気ファン７への指令値を算出する。例えば、図６に示すような換気流量と換気ファン７の回転速度との関係を予め実験等により求めておき、これを換気ファン回転速度指令値算出手段１６２に記憶しておくことで、換気ファン７への指令値を算出する。ここで、図６に示すように、必要換気流量が大きいほど、換気ファン７の回転速度が大きくなる。換気ファン回転速度指令値算出手段１６３で求めた換気ファン７への目標回転速度指令値に従って、図１内の図示しない換気ファン７用のモータ／モータドライブを制御する。
【００２８】
このように燃料電池システム１への要求電力指令値に応じて換気流量を制御する。ここでは、要求電力指令値に応じて燃料ガス排出流量を推定する。パッケージ６内に排出される燃料ガスを所定濃度以下に維持するために必要な換気流量を算出し、これを実現するための換気ファン７への回転速度指令値を算出する。要求電力指令値に応じて換気流量を設定することで、ドライバの意図により燃料電池車輌に要求される駆動力が大きく変化しても、要求電力に応じて換気流量を変化させることができる。そのため、運転状況の変化に遅れることなく、常に燃料ガス濃度を予め設定した濃度以下に保つことができると同時に、過剰な換気を行うことにより無駄に補機消費電力を増大して燃費を悪化させるのを抑制することができる。
【００２９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３０】
燃料極に供給した燃料ガスと、酸化剤極に供給した酸化剤ガスと、を用いて発電を行う燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段４を備える。また、燃料電池スタック２と、燃料ガス供給手段２と、酸化剤ガス供給手段３と、のうち少なくとも燃料電池スタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６内の換気を行う換気ファン７を備える。さらに、燃料電池スタック２に要求される電力を算出する目標出力算出部１３と、目標出力算出部１３で算出された要求電力に応じて換気ファン７を制御する換気ファン制御手段１６と、を備える。これにより、燃料電池システム１の運転状態が大きく変化しても、遅れることなく、常に雰囲気ガス内の燃料ガス濃度を予め設定された所定濃度以下に保ちながら、過剰な換気により無駄に補機消費電力を増大させて燃費を悪化させるのを避けることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック２からの燃料排ガスをほぼゼロとしているが、燃料ガスが水素以外のガスを含む場合には、燃料スタック２から少量の水素を含んだ燃料排ガスをパッケージ６内に排出する構成としてもよい。このときも、要求電力指令値の増加に応じて燃料ガス排出流量も増加するので、上述した制御と同様の制御を行うことができる。
【００３２】
次に、第２の実施形態について説明する。図７に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３３】
燃料電池車輌の駆動装置の構成を、第１の実施形態と同様とする。ただし、燃料電池スタック２の運転状態を検出するために、電流センサ２１および電圧センサ２２を備える。ここでは、駆動モータ／インバータ３０と燃料電池システム１とを繋ぐ高電圧ラインに、燃料電池スタック２の出力検出手段として、電流センサ２１、電圧センサ２２を備える。電流センサ２１は、燃料電池スタック２から駆動モータ／インバータ３０に供給されるスタック電流を検出する。電圧センサ２２は、燃料電池スタック２の電圧であるスタック電圧を検出する。ここでは、電流センサ２１と電圧センサ２２の両方を備えるが、どちらか一方のみを設置してもよい。
【００３４】
次に、コントローラ１０について説明する。燃料電池システム１および駆動モータ／インバータ３０の制御を第１の実施形態と同様とする。以下、換気ファン７の制御方法の概略を説明する。
【００３５】
換気ファン制御手段１６では、予め定められたロジックに従って換気ファン７の目標回転速度指令値を算出する。ここでは、目標回転速度指令値を、電流センサ２１により検出されたスタック電流、または、電圧センサ２２により検出されたスタック電圧、または、電流センサ２１および電圧センサ２２の検出結果から算出したスタック出力のいずれか一つに応じて算出する。本実施形態では、電流センサ２１と電圧センサ２２を備え、スタック出力に応じて換気ファン７の目標回転速度指令値を算出する。算出した目標回転速度指令値に応じて、図示しない換気ファン７を駆動するモータ／モータドライブを制御する。
【００３６】
次に、換気ファン制御手段１６における換気ファン７の目標回転速度指令値の算出方法を図８に示す。換気ファン制御手段１６を、燃料ガス排出流量推定手段１６４と、必要換気流量算出手段１６２と、換気ファン回転速度指令値算出手段１６３と、から構成する。
【００３７】
燃料ガス排出流量推定手段１６４には、予め実験等により求めた図９に示すようなスタック出力に対する燃料ガス排出流量の関係を示すテーブル、または近似式を記憶しておく。電流センサ２１、電圧センサ２２の検出結果より算出したスタック出力から、その時点における燃料ガス排出流量を推定する。図９に示すように、スタック出力が大きい場合には、燃料電池スタック２で消費される燃料ガス消費流量が大きく、燃料電池スタック２に供給される燃料ガス供給流量も大きいと推定できる。そのため、燃料ガス排出流量も大きいと推定できる。つまり、スタック出力が大きい場合には、漏洩する燃料ガス流量が大きくなり、燃料ガス排出流量が大きいと推定される。
【００３８】
ここでは、パラメータとしてスタック出力を用いたが、スタック電流やスタック電圧を用いる場合には、図１０、図１１に示すような関係を用いる。図１０に示すように、スタック電流が大きい場合には、燃料スタック２で消費される燃料ガス消費流量も大きく、燃料ガス供給流量が大きいと推定される。そのため燃料ガス排出流量が大きいと推定される。また、図１１に示すように、スタック電圧が大きい場合には、燃料電池スタック２から取り出す電力が小さく、燃料ガス消費流量は小さいと推定できる。よって燃料ガス供給流量も小さいと推定されるので、燃料ガス排出流量も小さいと推定される。
【００３９】
このように、その時点の燃料ガス排出流量を推定したら、必要換気流量算出手段１６２において、パッケージ６内の雰囲気ガスの燃料ガス濃度が所定濃度以上とならないような必要換気流量を算出する。さらに換気ファン回転速度指令値算出手段１６３において、この必要換気流量を実現するための換気ファン７の目標回転速度指令値を算出する。
【００４０】
このように、本実施形態では、燃料電池システム１の運転状態に応じてパッケージ６内の換気流量を制御する。ここでは、運転状態としてスタック出力、スタック電流、スタック圧力のいずれかに応じて燃料ガス排出流量を推定し、これから必要換気流量を算出して、パッケージ６内の換気を制御する。言い換えれば、燃料電池スタック２の燃料ガス消費流量を算出し、これに応じて燃料ガス排出流量を推定して換気流量を制御する。
【００４１】
次に、本実施形態における効果について説明する。
【００４２】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック２と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段４を備える。また、少なくとも燃料電池スタック２を収納するパッケージ６と、パッケージ６内の換気を行う換気ファン７７を備える。さらに、燃料電池スタック２の運転状態に応じて換気ファン７を制御する換気ファン制御手段１６を備える。これにより、燃料電池スタック２の運転状態が大きく変化しても、これに応じて換気ファン７を制御することができる。ここでは、燃料電池スタックの運転状態の変化に応じて、時々刻々、燃料電池システム１からパッケージ６内に排出される燃料ガス排出流量を正確に推定することができる。この推定値に基づいて換気ファン７を制御するので、遅れることなく、常に燃料ガス濃度を予め設定された値以下に保ちながら、過剰な換気を行って無駄に補機消費電力を増大させて燃費を悪化させるのを避けることができる。また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分となるのを避けることができる。
【００４３】
また、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ２１と、燃料電池スタック２の出力電圧を検出する電圧センサ２２の少なくとも一方を備える。燃料電池スタック２の出力電流または出力電圧または出力電力のいずれか一つに応じて、換気ファン７への指令値を制御する。これにより、簡単な構成で燃料電池スタック２において消費される燃料ガス消費流量を推定することができる。予め実験等で求めた燃料ガス消費流量と燃料ガス排出流量との関係から、最適な換気流量となるように換気ファン７を制御することができる。また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になるのを避けることができる。
【００４４】
なお、第１の実施形態と同様に、燃料スタック２から少量の水素を含んだ燃料排ガスがパッケージ６内に排出される構成としてもよい。このときも、燃料ガス消費流量の増加に応じて燃料ガス排出流量も増加するので、上述した制御と同様の制御を行うことができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態について説明する。図１２に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４６】
燃料電池車輌の駆動装置の構成を、第１の実施形態と同様とする。ただし、電流センサ２１や電圧センサ２２の替わりに、燃料タンク５から燃料ガス供給装置３へ燃料ガスを供給するラインに燃料供給流量センサ２３を備える。燃料供給流量センサ２３は、燃料ガス供給装置３から燃料電池スタック２に燃料ガスを供給するラインに配置してもよい。つまり、燃料供給流量センサ２３を、燃料電池スタック２に供給される燃料ガス供給流量を検出できる位置に配置する。
【００４７】
次に、コントローラ１０について説明する。燃料電池システム１および駆動モータ／インバータ３０の制御方法は、第２の実施形態と同様とする。以下、換気ファン７の制御方法の概略を説明する。
【００４８】
換気ファン制御手段１６には、予め実験等により求めた燃料ガス供給流量に対する燃料ガス排出流量のテーブルや近似式を記憶させておく。ここで、燃料電池スタック２への燃料ガス供給流量が増大するに従って、燃料電池システム１から漏洩する燃料ガス排出流量も大きくなる。換気ファン制御手段１６に燃料供給流量センサ２３で検出した燃料ガス供給流量を入力し、これに基づいて燃料ガス排出流量を推定する。さらに燃料ガス排出流量から必要な換気流量を算出し、換気ファン７の目標回転速度指令値を算出する。この目標回転速度指令値に応じて、図示しない換気ファン７を駆動するモータ／モータドライブを制御する。
【００４９】
このように、本実施形態では、燃料電池システム１の運転状態に応じてパッケージ６内の換気流量を制御する。ここでは、燃料ガス供給流量に応じて燃料ガス排出流量を推定し、これから必要換気流量を設定して換気ファン７の回転速度指令値を算出する。
【００５０】
次に、本実施形態における効果を説明する。以下、第２の実施形態とは異なる効果について説明する。
【００５１】
燃料電池スタック２に供給する燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量センサ２３を備え、燃料ガス供給流量に応じて、換気ファン７への指令値を算出する。このように、燃料ガス供給流量から換気ファン７への指令値を算出することにより遅れることなく、常に燃料ガス濃度を予め設定された値以下に保ちながら、過剰な換気により無駄に補機消費電力を増大させることなく換気を行うことができる。ここでは、燃料電池システム１から漏洩する燃料ガスを含む燃料ガス供給流量から燃料ガス排出流量を推定するので、より正確に燃料ガス排出流量を推定することができる。また、また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になることも避けることが可能である。
【００５２】
なお、第２の実施形態と同様に、燃料スタック２から少量の水素を含んだ燃料排ガスがパッケージ６内に排出される構成としてもよい。このときも、燃料ガス供給流量の増加に応じて燃料ガス排出流量も増加するので、上述した制御と同様の制御を行うことができる。
【００５３】
次に、第４の実施形態について説明する。図１３に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５４】
燃料電池車輌の駆動装置の構成を、第３の実施形態と同様とする。ただし、燃料供給流量センサ２３の替わりに、燃料タンク５の圧力を検出する圧力センサ２４を備える。圧力センサ２４で検出した燃料タンク５の圧力の変化から、燃料電池スタック２に供給した燃料ガス供給流量を推定する。さらに、第３実施形態と同様に、燃料ガス供給流量に基づいて換気ファン７の目標回転速度を算出する。
【００５５】
ここで、高圧タンク５内の水素質量と、タンク圧力との関係は、ファンデルワールスの式（１）から求めることができる。
【００５６】
【式１】
2004253260.tif 000003
ここで、Ｐはタンク内圧力、ｎはタンク内気体モル数、Ｒは気体定数、Ｔは気体の絶対温度、Ｖはタンク容積、ａ、ｂは気体により決まる定数である。
【００５７】
この関係は、図１４に示すように、二次式で近似可能である。この二次式の係数Ａ、Ｂを、予め実験等により燃料タンク５の温度毎に求め、記憶しておく。次に、温度は急激には変化しないと仮定して、そのときの温度からマップ引きにより係数Ａ、Ｂを決定する。ある制御周期での燃料タンク５内の燃料質量と次の制御周期での燃料タンク５内の燃料質量とを、それぞれの圧力から算出する。この質量変化から、その間に燃料タンク５から流出した燃料質量を算出する。これを単位時間あたりの燃料質量変化に換算することで、燃料タンク５からの燃料ガス供給流量を算出する。以下、第３の実施形態と同様に、燃料ガス供給流量から燃料ガス排出流量を算出し、さらに必要換気流量を算出し、これに従って換気ファン７の回転速度を制御する。
【００５８】
このように、本実施形態では、燃料電池システム１の運転状態に応じてパッケージ６内の換気を制御する。ここでは、燃料タンク５内の圧力変化に応じて燃料電池スタック２に供給される燃料ガス供給流量を推定する。これに応じて必要換気流量を設定してパッケージ６内の換気流量を制御する。
【００５９】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６０】
燃料電池スタック２に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク５と、燃料タンク５内の圧力を検出する圧力センサ２４と、を備え、燃料タンク５内の圧力の時間変化に応じて、換気流量を設定する。これにより、燃料ガス供給流量を正確に算出することができる。さらに、燃料電池システム１から漏洩する燃料ガスを含む燃料ガス供給流量から燃料ガス排出流量を推定する。これにより、さらに正確に燃料ガス排出流量を推定することができる。
【００６１】
なお、第３の実施形態と同様に、燃料スタック２から少量の水素を含んだ燃料排ガスがパッケージ６内に排出される構成としてもよい。
【００６２】
次に、第５の実施形態について説明する。図１５に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６３】
燃料電池スタック２において、発電に伴って空気極から燃料極側に窒素等が浸透することにより、燃料電池スタック２における発電効率が低下する場合がある。このようなときには、燃料電池スタック２の燃料極内の燃料ガスをパージすることにより、発電効率を維持する必要がある。
【００６４】
そこで、本実施形態では、燃料電池システム１に燃料ガスの循環ライン４０と、循環ライン４０内で燃料ガスを循環させる循環ポンプ４１、燃料極の燃料ガスを選択的にパッケージ６内にパージするパージ弁４２を備える。循環ライン４０を、燃料電池スタック２の燃料極の排出側と供給側とを連結するように構成する。循環ポンプ４１により、燃料電池スタック２の図示しない燃料極出口から排出される残燃料を燃料電池スタック２の燃料極の入口に再投入する。また、パージ弁４２により、空気極から燃料極側に浸透した窒素等の濃度が高い場合に、燃料極および循環ライン４０内の燃料ガスを含む混合ガスをパッケージ６内に放出する。
【００６５】
次に、コントローラ１０について説明する。
【００６６】
燃料電池システム制御手段１５における、要求電力指令値に応じた燃料ガス供給手段３や酸化剤ガス供給手段４の制御は第１の実施形態と同様とする。ただし、これに加えて循環ポンプ４１やパージ弁４２の制御も行う。
【００６７】
ここでは、燃料電池スタック２の要求電力に応じてパージ弁４２の開閉を制御する。燃料電池スタック２への要求電力が大きい場合には、燃料ガスおよび空気の流量も増大し、空気極から燃料極に浸透する窒素の量も増大する。そこで、要求電力が大きいほど、パージ弁４２の開度を大きく設定する。ここでは、パージ弁４２を開いて燃料極内のガスをパージする頻度を多くして、燃料電池スタック２の発電効率を維持する。このように、本実施形態では、要求電力指令値に応じてパージ弁４２の開閉を設定し、パージ弁駆動信号を出力することによりパージ弁４２を駆動する。これにより、パージが不十分だったり、過剰なパージを生じたりするのを避けることができる。
【００６８】
次に、燃料極でパージを行う際の換気ファン７の制御方法について説明する。
【００６９】
換気ファン制御手段１６には、予め実験等により求めた、パージ弁駆動信号とパージ流量との関係を示すテーブルや近似式を記憶しておく。換気ファン制御手段１６において、燃料電池システム制御装置１５からのパージ弁駆動信号検出したら、要求電力指令値により設定されたパージ弁駆動信号に応じてパージ流量を推定する。ここでは、パージ弁駆動信号が大きいほど、つまり、パージ弁４２の開度要求が大きいほど、循環ライン４０を含む燃料極系からパッケージ６内に排出される燃料ガスのパージ量が大きいと推定される。
【００７０】
このパージ流量に、第１〜４の実施形態のいずれかで求めた燃料電池システム１からの燃料ガス漏洩流量（第１〜４の実施形態の燃料ガス排出流量に相当）を加算することにより、燃料ガス排出流量を算出する。燃料ガス排出流量から必要換気流量を算出し、必要換気流量に応じて算出した換気ファン７の目標回転速度に基づいて、図示しない換気ファン７を駆動するモータ／モータドライブを制御する。
【００７１】
このように、本実施形態では、要求電力や実際の出力にかかわる物理量、すなわち燃料電池スタック２にかかわる運転状態に応じて換気流量を設定するのに加えて、パージにより排出された燃料ガスの流量に応じて換気流量の補正を行う。
【００７２】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００７３】
燃料電池スタック２の燃料極側を、パッケージ６内にパージするか否かを選択するパージ弁４２を備える。ここでは、燃料電池スタック２の燃料極から排出された燃料ガスを再び燃料極に循環させる循環ライン４０と、循環ライン４０内の燃料ガスをパッケージ６内に選択的にパージするパージ弁４２を備える。さらに、パージ弁４２の駆動信号を算出する燃料電池システム制御手段１５を備える。燃料電池システム制御手段１５において算出したパージ弁４２の駆動信号に応じて、換気ファン７への指令値を補正する。これにより、パージにより放出される燃料ガスに対して換気流量を設定することができ、さらに適切に換気ファン７を制御することができる。その結果、遅れることなく、常に燃料ガス濃度を所定濃度以下に保ちながら、過剰な換気による燃費の悪化を避けることができる。また、燃料ガスの偏在により換気流量が不足するのを避けることができる。
【００７４】
なお、本実施形態では、パージ弁４２の駆動信号が出力されている場合に、パージ量に応じて換気流量を増大したが、パージ終了後にもパッケージ６内の燃料ガス濃度が十分に低減されるまで、パージ量に応じた換気流量の補正を継続することが好ましい。
【００７５】
また、本実施形態では、パージ弁４２の駆動信号を、パージ弁４２が開かれる頻度を示す信号としたが、パージ弁４２が開かれている時間の長さを示す信号としてもよい。この場合には、パージ弁４２が開かれる時間が長いほど燃料ガスパージ流量は大きいと推定されるので、換気流量を大きく設定する。または、パージ弁４２の開度が調整可能な場合には、要求電力に応じてパージ弁４２の開度を調整してもよい。例えば、要求電力が大きい場合にはパージ弁４２が大きく開くように制御する。この場合には、パージ弁４２の駆動信号をパージ弁４２の開度を示す信号とし、パージ弁４２の開度が大きい場合に換気流量を大きく設定することで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
さらに、燃料極内に水詰まりが生じた場合にも、これを解消するためにパージが行われる。この場合にも、燃料ガスパージ流量に応じて換気流量を補正することで、パッケージ６内を所定濃度以下とすることができる。
【００７７】
次に、第６の実施形態について説明する。図１６に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７８】
燃料電池システム１を第２の実施形態と同様に構成する。ただし、燃料電池システム１の運転状態の検出手段としては、燃料電池スタック２から出力されるスタック電流を検出する電流センサ２１と、燃料タンク５からの燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量センサ２３を備える。
【００７９】
また、コントローラ１０において、燃料電池システム１および駆動モータ／インバータ３０の制御方法を第２の実施形態と同様とする。以下、換気ファン制御手段１６における換気ファン７の制御方法について、図１７を用いて説明する。
【００８０】
換気ファン制御手段１６として、燃料ガス排出流量推定手段１６４と、必要換気流量算出手段１６２と、換気ファン回転速度指令値算出手段１６３と、を備える。さらに、スタック電流から燃料ガスの消費流量を推定する燃料ガス消費流量推定手段１６６を備える。
【００８１】
電流センサ２１で検出したスタック電流を燃料ガス消費流量推定手段１６６に入力する。燃料ガス消費流量推定手段１６６においては、入力されたスタック電流から、燃料電池スタック２で消費される燃料ガスの消費流量を推定する。ここで、スタック電流が大きいほど燃料ガス消費流量は大きくなる。この燃料ガスの消費流量推定値と燃料供給流量センサ２３により検出した燃料ガスの供給流量を、燃料ガス排出流量推定手段１６４に入力する。燃料ガス排出流量推定手段１６４において、燃料ガス供給流量と燃料ガス消費流量推定値との差から、燃料ガス排出流量推定値を算出することができる。これにより、例えば、燃料ガス供給装置３から燃料電池スタック２に供給する配管の途中で燃料ガスが漏洩している場合等にも、漏洩分も加算して燃料ガス排出流量を設定することができる。
【００８２】
次に、必要換気流量算出手段１６２では、燃料ガス排出流量推定手段１６４で算出された燃料ガス排出流量推定値から、燃料ガス濃度が予め定められた所定濃度以下となるような必要換気流量を算出する。換気ファン回転速度指令値算出手段１６３では、必要換気流量算出手段１６２において算出された必要換気流量を実現するために必要な換気ファン７への目標回転速度指令値を算出する。
【００８３】
このように、本実施形態では、燃料電池スタック２の運転状態に応じてパッケージ６内の換気を制御する。ここでは燃料電池スタック２への燃料ガス供給流量と、スタック電流から推定した燃料ガス消費流量とから燃料ガス排出流量を推定する。この燃料ガス排出流量から必要換気流量を算出し、これに基づいて回転速度指令値を設定する。
【００８４】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００８５】
燃料電池スタック２に供給する燃料ガス供給流量を検出する燃料供給流量センサ２３と、燃料電池スタック２で消費する燃料ガス消費流量を推定する電流センサ２１と、を備える。燃料ガス供給流量と燃料ガス消費流量に応じて、換気ファン７への指令値を算出する。これにより、燃料ガスの配管などに穴が開く等の制御装置が検出できない不具合が生じたとしても、推定される漏洩量に応じて換気ファン７を制御することができ、常にパッケージ６内の換気流量を適切に維持することができる。また、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になるのを避けることができる。
【００８６】
なお、燃料ガス消費流量を推定するパラメータとしてスタック電流を用いているが、スタック電圧、スタック出力から求めても良い。また、燃料ガス供給流量を検出するために燃料供給流量センサ２３を備えたが、第３実施形態と同様に、圧力センサ２４から燃料ガス供給流量を算出してもよい。
【００８７】
また、第５の実施形態と同様に、循環ライン４０を備えた燃料電池プラントに適用することもできる。このような場合には、燃料ガス供給流量と燃料ガス消費流量の差は、燃料ガス漏洩流量とパージ流量の和である燃料ガス排出流量となる。よって、この燃料ガス排出流量の応じて換気流量を調整することで、予期しないパージ弁の固着等が発生しても、その推定放出流量に応じて換気流量を適切に保つことができる。
【００８８】
次に、第７の実施形態について説明する。図１８に、本実施形態で用いる燃料電池車輌の駆動装置および駆動制御装置の概略構成を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８９】
燃料電池システム１の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、検出手段として、パッケージ６内に、換気流量を測定する換気流量センサ２５を備える。ここでは、換気流量センサ２５を、パッケージ６内の雰囲気ガスの出口部分となる換気ファン７近傍に備える。
【００９０】
また、コントローラ１０において、燃料電池システム１および駆動モータ／インバータ３０の制御を第１の実施形態と同様とする。以下、換気ファン７の制御方法について図１９を用いて説明する。
【００９１】
換気ファン制御手段１６を、燃料ガス排出流量推定手段１６１、必要換気流量算出手段１６２、換気流量補正手段１６５から構成する。目標出力算出手段１３から要求電力指令値を燃料ガス排出流量推定手段１６１に入力し、第１の実施形態と同様に燃料ガス排出流量推定値を求める。また、必要換気流量算出手段１６２において、燃料ガス排出流量推定手段１６１で算出された燃料ガス排出流量推定値から、第１の実施形態と同様に必要換気流量を算出する。
【００９２】
次に、換気流量補正手段１６５に、流量センサ２５からの測定換気流量と、必要換気流量算出手段１６２で算出された必要換気流量と、を入力し、これらを比較することにより換気ファン７の目標回転速度指令値を補正するフィードバック制御を行う。例えば、測定換気流量と必要換気流量との差に応じて目標回転速度を補正し、これを繰り替えし行うことにより換気ファン７により必要換気流量分だけ換気を行う。このように補正した目標回転速度指令値に応じて、図示しない換気ファン７を駆動するモータ／モータドライブを制御する。
【００９３】
このように、本実施形態では、必要換気流量と測定換気流量とを比較することにより、目標回転速度指令値を補正する。なお、ここでは、第１の実施形態において求めた必要換気流量と、測定換気流量とを比較することにより制御ファン７の補正を行っているが、第１〜６のいずれの実施形態において求めた必要換気流量を用いて換気ファン７の回転速度指令値を補正してもよい。
【００９４】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態における効果と異なる効果のみを説明する。
【００９５】
パッケージ６内に、換気流量を測定する換気流量センサ２５を備え、換気流量センサ２５により測定した換気流量に応じて、換気ファン７を制御する指令値を補正する。これにより、回転速度に対して換気ファン７により送られる換気流量が変化した場合にも、これを補正することができる。例えば、燃料電池プラントを車輌に搭載するような場合には、車輌が走行することで発生する走行風の影響等の外乱にかかわらず、パッケージ６内の換気流量をより正確に目標通りに調整することができる。さらに、燃料ガスの偏在の影響により、換気流量が不十分になるのを防ぐことができる。
【００９６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図２】アクセル開度と車速に対する駆動力を示した図である。
【図３】第１の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【図４】要求出力に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図５】燃料ガス排出流量に対する必要換気流量を示した図である。
【図６】換気流量に対する換気ファンの回転速度を示した図である。
【図７】第２の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図８】第２の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【図９】スタック出力に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図１０】スタック電流に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図１１】スタック電圧に対する燃料ガス排出流量を示した図である。
【図１２】第３の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図１３】第４の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図１４】燃料タンク内の圧力に対する燃料質量を示した図である。
【図１５】第５の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図１６】第６の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図１７】第６の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【図１８】第７の実施形態に用いる燃料電池車輌およびその制御系の概略構成図である。
【図１９】第７の実施形態における換気ファン制御手段の概略構成図である。
【符号の説明】
２    燃料電池スタック（燃料電池）
３    燃料ガス供給手段
４    酸化剤ガス供給手段
５    燃料タンク（燃料貯蔵手段）
６    パッケージ（パッケージ手段）
７    換気ファン（換気手段）
１３  目標出力算出手段（要求電力制御手段）
１５  燃料電池システム制御手段（パージ手段制御手）
１６  換気ファン制御手段（換気制御手段）
２１  電流センサ（電流検出手段）
２２  電圧センサ（電圧検出手段）
２３  燃料供給流量センサ（燃料供給流量検出手段）
２４  圧力センサ（圧力検出手段）
２５  換気流量センサ（換気流量測定手段）
４０  循環ライン（燃料循環系）
４２  パージ弁（パージ手段）
１６６  燃料ガス消費流量推定手段
【図１】
2004253260.tif 000004
【図２】
2004253260.tif 000005
【図３】
2004253260.tif 000006
【図４】
2004253260.tif 000007
【図５】
2004253260.tif 000008
【図６】
2004253260.tif 000009
【図７】
2004253260.tif 000010
【図８】
2004253260.tif 000011
【図９】
2004253260.tif 000012
【図１０】
2004253260.tif 000013
【図１１】
2004253260.tif 000014
【図１２】
2004253260.tif 000015
【図１３】
2004253260.tif 000016
【図１４】
2004253260.tif 000017
【図１５】
2004253260.tif 000018
【図１６】
2004253260.tif 000019
【図１７】
2004253260.tif 000020
【図１８】
2004253260.tif 000021
【図１９】
2004253260.tif 000022