(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池の電力で作動して酸化剤ガスを加湿するための純水を供給し、酸化剤ガスの加湿状態が十分でないときに仕事量を増加させる純水供給装置と、
前記酸化剤ガスの加湿状態を推定する酸化剤ガス加湿状態推定手段と、
前記酸化剤ガス加湿状態推定手段によって酸化剤ガスの加湿状態が十分でないと推定されたときに、前記燃料電池の実発電量が目標発電量に到達するまでの発電応答時間を、酸化剤ガスの加湿状態が十分であるときの前記発電応答時間に対して長くなるよう推定する燃料電池発電応答時間推定手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の目標発電量に基づいて、前記純水供給装置に要求される純水供給流量の基本値を算出する純水供給流量基本値算出手段と、
前記酸化剤ガス加湿状態推定手段で推定された加湿状態が低いほど前記純水供給量を増加させるように前記純水供給流量の補正値を算出する純水供給流量補正値算出手段と、
前記補正値で補正された後の純水供給流量が得られるように、前記純水供給装置のモータに回転数指令値を出力して当該モータの回転数を制御するモータ回転数制御手段とを更に備え、
前記燃料電池発電応答時間推定手段が、前記モータ回転数制御手段から出力される回転数指令値に基づいて、前記燃料電池の発電応答時間を推定す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】
前記酸化剤ガス加湿状態推定手段が、前記酸化剤ガスの加湿状態を推定するためのパラメータとして大気圧を検出し、
前記純水供給流量補正値算出手段が、大気圧の変化に伴って変化する前記純水供給装置の能力に応じて、大気圧が低いほど前記純水供給量を増加させるように前記純水供給流量の補正値を算出す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】
前記酸化剤ガス加湿状態推定手段が、前記酸化剤ガスの加湿状態を推定するためのパラメータとして前記酸化剤ガス供給装置が吸入する吸入酸化剤ガスの水蒸気質量を算出し、算出した水蒸気質量に基づいて前記酸化剤ガスの加湿状態を推定し、
前記純水供給量補正値算出手段が、前記酸化剤ガス加湿状態推定手段で推定された加湿状態が低いほど前記純水供給量を増加させるように前記純水供給流量の補正値を算出することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記純水供給装置に要求される純水供給流量をもとに、当該純水供給装置のモータのトルクを推定するモータトルク推定手段と、
前記モータトルク推定手段により推定されるトルクが所定値を超えないように、前記純水供給装置に要求する純水供給流量の変化量の制限値を算出する純水供給流量変化量制限値算出手段とを更に備え、
前記モータ回転数制御手段が、前記純水供給流量変化量制限値算出手段が算出した制限値に基づいて、前記純水供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記純水供給装置に要求される純水供給流量をもとに、当該純水供給装置が吐出する純水の圧力を推定する吐出純水圧力推定手段と、
前記吐出純水圧力推定手段により推定される吐出純水圧力が所定値を超えないように、前記純水供給装置に要求する純水供給流量の変化量の制限値を算出する純水供給流量変化量制限値算出手段とを更に備え、
前記モータ回転数制御手段が、前記純水供給流量変化量制限値算出手段が算出した制限値に基づいて、前記純水供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記純水供給流量変化量制限値算出手段が、前記モータトルク推定手段により推定されるトルクが所定値を超えない第１の制限値と、前記吐出純水圧力推定手段により推定される吐出純水圧力が所定値を超えない第２の制限値とをそれぞれ算出し、
前記モータ回転数制御手段が、前記純水供給流量変化量制限値算出手段が算出した第１の制限値又は第２の制限値のうちで小さい方の制限値に基づいて、前記純水供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に燃料となる水素及び酸化剤となる空気を供給することで、燃料電池で電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムは、クリーンな排気や高エネルギ効率を実現できることから、例えば車両用電源等の用途に大きな期待が寄せられている。
【０００３】
燃料電池は電解質の違いによって様々なタイプに分類されるが、中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有するといった特徴があり、車両用電源として車両に搭載される燃料電池システムでは、このような固体高分子型燃料電池を用いることが主流となっている。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池の固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。
【０００５】
したがって、固体高分子型燃料電池を用いる場合には、外部から水分を供給して固体高分子膜を積極的に加湿する必要があり、例えば、システム内に加湿器を設けて、純水ポンプの駆動によりこの加湿器に純水を供給し、この加湿器で空気（酸化剤ガス）を十分に加湿した後に燃料電池に供給することによって燃料電池内部の固体高分子膜を加湿する手法等が知られている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３５２８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、以上のような加湿手段を備える燃料電池システムでは、加湿用の純水の供給流量に応じて酸化剤ガスである空気の加湿状態、すなわち燃料電池内部における固体高分子膜の加湿状態が調整されることになるので、通常は、燃料電池に要求される目標発電量から燃料電池内部で必要な水分量を求め、燃料電池内部の水分量を適正な値に維持し得る最適な流量の純水を供給できるように、純水ポンプの動作を制御するようにしている。
【０００７】
しかしながら、大気圧の変化等、様々な要因により純水ポンプの能力が変化した場合には、通常の動作制御では最適な流量の純水を供給できずに、燃料電池内部の水分量を良好な状態に保てないことも想定される。すなわち、大気圧の低下に伴って純水ポンプの入口圧力が低下すると、純水ポンプのモータ回転数に対する純水吐出量が減少するため、純水ポンプの動作制御を通常の大気圧の場合と同等におこなったのでは最適な流量の純水を供給できず、加湿状態悪化に繋がることになる。
【０００８】
したがって、大気圧低下時等、純水ポンプの能力が低下することが想定される場合には、それに応じて純水ポンプのモータ回転数を増加させ、純水ポンプの仕事量増加により最適な純水供給流量を確保できるように純水ポンプを動作制御することが望まれるが、このように純水ポンプの仕事量を増加させた場合には、その分、燃料電池の発電応答時間が長くなってしまうことになる。
【０００９】
その一方で、例えば燃料電池車両における車両駆動用モータ等、燃料電池システムからの電力供給を受ける側の機器に関しては、燃料電池の発電応答時間を考慮した上でこれらの機器が最適な状態で動作するように制御されるが、通常は、上述したような加湿状態悪化を回避するための制御については考慮されず、加湿状態が良好に保たれていることを前提として、そのときの燃料電池の発電応答時間を基準とした制御が行われる。したがって、上述したように酸化剤ガスである空気の加湿状態悪化を回避するための制御を行うことで燃料電池の発電応答時間に大きな変動が生じた場合には、これらの機器の制御が高精度に行えなくなるといった問題が生じることになる。
【００１０】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、酸化剤ガスである空気の加湿状態についても考慮した上で燃料電池の発電応答時間を適切に推定し、これに基づいて各種機器の制御を高精度に行え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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料電池の電力で作動して酸化剤ガスを加湿するための純水を供給し、酸化剤ガスの加湿状態が十分でないときに仕事量を増加させる純水供給装置と、酸化剤ガスの加湿状態を推定する酸化剤ガス加湿状態推定手段と、酸化剤ガス加湿状態推定手段によって酸化剤ガスの加湿状態が十分でないと推定されたときに、燃料電池の実発電量が目標発電量に到達するまでの発電応答時間を、酸化剤ガスの加湿状態が十分であるときの発電応答時間に対して長くなるよう推定する燃料電池発電応答時間推定手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムによれば、酸化剤ガスの加湿状態の推定結果を用いて燃料電池の発電応答時間を推定するようにしているので、酸化剤ガスの加湿状態悪化を回避するための制御を行った場合でも、そのときの燃料電池の発電応答時間を正確に推定することができる。したがって、この燃料電池システムで推定された燃料電池の発電応答時間に基づいて、例えば車両駆動用モータ等の各種機器の動作制御を行うようにすれば、これら機器の動作制御を高精度に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する燃料供給系、燃料電池１に酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系、燃料電池１に温度調整のための冷却液を供給する冷却液供給系、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気を加湿する加湿系とを備え、燃料電池１の発電によって得られた電力を、燃料電池車両の駆動ユニット２に供給する構成となっている。
【００１５】
燃料電池１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極と酸化剤ガスである空気が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１６】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１７】
燃料電池１には、各発電セル、或いは発電セル群の電圧を検出するセル電圧検出装置３が接続されており、このセル電圧検出装置３の出力は、システムコントローラ１００に取り込まれるようになっている。システムコントローラ１００は、内蔵された制御ソフトウエアに基づいて、本発明を適用した燃料電池システム全体の動作を制御するものである。
【００１８】
燃料供給系は、高圧水素タンク４、可変バルブ５、エゼクタ６、水素供給配管７、水素循環配管８からなる。そして、水素供給源である高圧水素タンク４から供給される水素ガスは、可変バルブ５及びエゼクタ６を通って水素供給配管７へと送り込まれ、燃料電池１の燃料極に供給される。
【００１９】
燃料電池１では供給された水素ガスは全て消費されるわけではなく、残った水素ガスは燃料電池１から排出された後、水素循環配管８を通ってエゼクタ６により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池１の燃料極に供給される。なお、燃料電池１の出口側には、パージ弁９及びパージ配管１０が設けられている。水素循環配管８内には水素を循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池１の効率が低下する場合もある。そこで、燃料電池１の出口側にパージ弁９やパージ配管１０を設けることで、水素循環配管８内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。
【００２０】
また、燃料供給系においては、水素供給配管７の中途部に水素圧力センサ１１及び水素流量センサ１２が設けられており、燃料電池１の燃料極に供給される水素の圧力や流量がこれらのセンサにより検出できるようになっている。
【００２１】
空気供給系は、外気を吸入し圧縮して燃料電池１の空気極へと送り込むコンプレッサ１３、空気供給配管１４、及びスロットル１５によって構成されている。コンプレッサ１３によって供給される酸化剤としての空気は、加湿系の加湿器２６を通って加湿された後、空気供給配管１４を通って燃料電池１の空気極に供給される。燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池１からスロットル１５を介して排出される。
【００２２】
この空気供給系においても、空気供給配管１４の中途部に空気圧力センサ１６及び空気流量センサ１７が設けられており、燃料電池１に供給される空気の圧力や流量がこれらのセンサによって検出できるようになっている。また、コンプレッサ１３の前段（空気吸入側）には、吸入空気温度センサ１８及び吸入空気湿度センサ１９が設けられており、これらのセンサ検出値がシステムコントローラ１００に入力されるようになっている。そして、システムコントローラ１００は、これらのセンサ検出値に基づいて、コンプレッサ１３により吸入される空気の温度や湿度を判定できるようになっている。
【００２３】
冷却液供給系は、冷却液循環経路２０、冷却液ポンプ２１、冷却液ラジエータ２２、三方弁２３、バイパス経路２４によって構成される。そして、冷却液ポンプ２１の駆動により冷却液循環経路２０を冷却液が流れ、この冷却液が燃料電池１に供給されて燃料電池１との間で熱交換が行われるようになっている。また、燃料電池１から排出された冷却液は、冷却液ラジエータ２２を通過する過程でラジエータファン３５による送風により冷却されることになるが、三方弁２３の開度調整によって、冷却液ラジエータ２２を通過する冷却液とこの冷却液ラジエータ２２を迂回してバイパス経路２４を流れる冷却液との流量を制御することで、冷却液の温度調整が行われる。このような冷却液の温度調整や、冷却液ポンプ２１の駆動による冷却液流量の制御は、システムコントローラ１００の制御のもとで行われ、これにより、燃料電池１の温度が調整される。
【００２４】
加湿系は、加湿器２６、純水循環経路２７、純水ポンプ２８、純水ラジエータ２９、三方弁３０、バイパス経路３１によって構成される。そして、純水ポンプ２８の駆動により純水循環経路２７を純水が流れて加湿器２６に供給され、この加湿器２６に供給された純水によって燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気が加湿されるようになっている。また、加湿器２６から排出された純水は、純水ラジエータ２９を通過する過程でラジエータファン３２による送風により冷却されることになるが、三方弁３０の開度調整によって、純水ラジエータ２９を通過する純水とこの純水ラジエータ２９を迂回してバイパス経路３１を流れる純水との流量を制御することで、加湿用の純水の温度調整が行われる。このような純水の温度調整や、純水ポンプ２８の駆動による純水流量の制御は、システムコントローラ１００の制御のもとで行われ、これにより、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿量が調整される。
【００２５】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム内の任意の箇所に、大気圧を検出するための大気圧センサ３３が設けられており、この大気圧センサ３３の検出値がシステムコントローラ１００に入力されるようになっている。そして、システムコントローラ１００は、この大気圧センサ３３の検出値に基づいて、大気圧の状態を判定できるようになっている。
【００２６】
以上のように構成される燃料電池システムにおいては、水素圧力センサ１１や水素流量センサ１２、空気圧力センサ１６や空気流量センサ１７、セル電圧検出装置３の検出値が、それぞれシステムコントローラ１００によって常時モニタリングされる。そして、システムコントローラ１００は、これらの検出値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように、コンプレッサ１３やスロットル１５、可変バルブ５等を制御する。同時に、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて、駆動ユニット２による燃料電池１からの電力取り出しを制御する。
【００２７】
また、特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、システムコントローラ１００が、コンプレッサ１３が吸入する空気の温度や湿度、大気圧の状態等から、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態を推定し、その推定結果を用いて、燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしている。そして、推定した燃料電池１の発電応答時間に応じて、駆動ユニット２の電力取り出し制御を行うようにしている。
【００２８】
以下、本実施形態の燃料電池システムにおけるシステムコントローラ１００による制御の詳細について、本実施形態に特徴的な燃料電池１の発電応答時間を推定する処理を中心に具体的な例を挙げながら説明する。
【００２９】
図２は、システムコントローラ１００における発電応答時間推定に関する機能を概略的に示す機能ブロック図である。この図２に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００が、純水供給流量基本値算出手段１０１、空気加湿状態推定手段１０２、純水供給流量補正値算出手段１０３、モータ回転数制御手段１０４、燃料電池発電応答時間推定手段１０５としての機能を有する。
【００３０】
純水供給流量基本値算出手段１０１は、燃料電池１に要求される目標発電量に基づいて、純水ポンプ２８に要求される純水供給流量の基本値を算出する。
【００３１】
空気加湿状態推定手段１０２は、コンプレッサ１３が吸入する空気の温度や湿度、大気圧の状態等から燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態を推定する。具体的には、燃料電池冷却状態推定手段１０２は、大気圧センサ３３の検出値に基づいて大気圧の状態を判定し、それに応じた純水ポンプ２８の純水吐出流量を推定する。そして、この純水ポンプ２８の純水吐出流量から、加湿器２６にて空気に供給される水分量を推定する。更に、吸入空気温度センサ１８や吸入空気湿度センサ１９の検出値に基づいて、コンプレッサ１３が吸入する空気の温度や湿度を判定し、それに基づいてコンプレッサ１３が吸入する空気の水蒸気質量を算出する。そして、加湿器２６にて空気に供給される水分量と、コンプレッサ１６が吸入する空気の水蒸気質量とに基づいて、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態を推定する。
【００３２】
純水供給流量補正値算出手段１０３は、空気加湿状態推定手段１０２により推定される空気の加湿状態に基づいて、純水供給流量基本値算出手段１０１が算出した純水供給流量の基本値に対する補正値を算出する。具体的には、純水供給流量補正値算出手段１０３は、空気供給状態推定手段１０２により空気の加湿状態悪化が推定された場合には、その加湿状態悪化を回避するために必要な純水供給流量の補正値を算出する。
【００３３】
モータ回転数制御手段１０４は、純水供給流量補正値算出手段１０３で算出した補正値で補正した後の純水流量が加湿器２６に供給されるように、純水ポンプ２８のモータ（以下、純水ポンプモータという。）に対して回転数指令値を出力し、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００３４】
燃料電池発電応答時間推定手段１０５は、モータ回転数制御手段１０４から純水ポンプモータに出力される回転数指令値、すなわち空気の加湿状態に応じて補正された純水供給流量を実現するための純水ポンプモータの回転数指令値に基づいて、燃料電池１の発電応答時間を推定する。本実施形態の燃料電池システムにおいては、この燃料電池発電応答時間推定手段１０５により推定される燃料電池１の発電応答時間に応じて、駆動ユニット２の動作制御が実行されることになる。
【００３５】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、大気圧の低下等の様々な要因によって純水ポンプ２８の能力低下が想定される場合には、この純水ポンプ２８の能力低下に起因する空気の加湿状態悪化を回避するために、純水ポンプモータの回転数を上昇させて必要な純水供給流量を確保できるようにしている。このため、空気の加湿状態悪化を回避する制御を行ったときには、純水ポンプ２８の仕事量が増加する分、燃料電池１の発電応答時間に遅れが生じることになる。このとき、燃料電池１の発電応答時間の遅れを無視して燃料電池１からの電力取り出しを実施しようとすると、燃料電池１から取り出す電力がその時点での発電可能な電力で制限されて、駆動ユニット２の安定的な制御の妨げとなる。
【００３６】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気加湿状態推定手段１０３で燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態を推定すると共に、その推定結果を用いて、燃料電池発電応答時間推定手段１０５で発電応答時間を推定し、それに応じて駆動ユニット２による燃料電池１からの電力取り出しを制御することで、以上のような問題を回避するようにしている。
【００３７】
図３は、以上のようなシステムコントローラ１００により所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に実行される制御フローの一例を示すフローチャートである。
【００３８】
本制御フローがスタートすると、システムコントローラ１００は、先ず、ステップＳ１において、燃料電池１に要求される目標発電量に基づいて、純水ポンプ２８に要求される純水供給流量の基本値を算出する（純水供給流量基本値算出手段１０１）。
【００３９】
具体的には、例えば、大気圧が標準状態のときに燃料電池１で所定の発電を行ったときに、燃料電池１内部の水分量を適正に維持するために必要な純水の供給流量を予め実験等によって調べ、図４に示すような燃料電池１の発電量と純水供給流量との関係を求めておく。そして、実際に駆動ユニット２で要求している電力（例えば、車両駆動用モータや補機類、２次バッテリ等で要求する電力）を燃料電池１の目標発電量ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］し、この目標発電量ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］と、図４に示した燃料電池１の発電量と純水供給流量との関係とから、大気圧が標準状態のときに燃料電池１で目標発電量ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］を発電させる場合に要求される純水供給流量を求め、これを純水ポンプ２８に要求される純水供給流量の基本値Ｑ０［Ｌ／ｍｉｎ］とする。
【００４０】
次に、ステップＳ２において、コンプレッサ１３が吸入する空気の温度や湿度、大気圧の状態等から、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給する空気の加湿状態を推定する（空気加湿状態推定手段１０２）。
【００４１】
具体的には、先ず、純水ポンプモータの回転数を所定回転数で一定としたときに大気圧変化に応じて変化する純水ポンプ２８の純水吐出流量を予め実験等によって調べ、図５に示すような大気圧と純水吐出流量との関係を求めておく。そして、実際に大気圧センサ３３の検出値に基づいて大気圧の状態を判定したときに、図５に示した大気圧と純水吐出流量との関係から、実際に大気圧センサ３３で検出した大気圧の状態に応じた純水吐出流量を算出する。例えば、純水ポンプモータの回転数がＮＷＰＭＰ０の場合であって、大気圧センサ３３で検出した大気圧がＰ１（Ｐ１＜１０１．３２５（１気圧））［ｋＰａ］である場合には、純水ポンプ２８の純水吐出流量はＱＰ１［Ｌ／ｍｉｎ］となる。そして、この純水ポンプ２８の純水吐出流量に基づき、加湿器２６にて空気に供給される水分量を推定する。
【００４２】
更に、予め実験等によって、図６に示すような空気温度と飽和水蒸気質量との関係を求めておき、実際に吸入空気温度センサ１８によってコンプレッサ１３が吸入する空気の温度が検出されたときに、図６に示した空気温度と飽和水蒸気質量との関係から、実際にコンプレッサ１３が吸入している空気の飽和水蒸気質量を算出する。更に、この飽和水蒸気質量と吸入空気湿度センサ１９の検出値とから、コンプレッサ１３が吸入する空気の単位体積当たりの水蒸気質量を算出する。例えば、吸入空気温度センサ１８の検出値がＴＣＭＰ＿ＩＮ１［ｄｅｇＣ］、飽和水蒸気質量がｍＳ１［ｋｇ］で、吸入空気湿度センサ１９の検出値がＨＣＭＰ＿ＩＮ１［ｋｇ］の場合には、コンプレッサ１３が吸入する空気の１ｍ３中の水蒸気質量はｍＣＭＰ＿ＩＮ１［ｋｇ］となる。
【００４３】
そして、以上のように推定した加湿器２６における空気の加湿量（水分量）と、コンプレッサ１３が吸入する空気の単位体積当たりの水蒸気質量とから、コンプレッサ１３で吸入されて加湿器２６で加湿された後に燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態が推定される。
【００４４】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で推定した空気の加湿状態に基づいて、ステップＳ１で算出した純水供給流量の基本値に対する補正値を算出し、この補正値で基本値を補正した後の目標純水供給流量を求める（純水供給流量補正値算出手段１０３）。
【００４５】
具体的には、先ず、図５に示した大気圧と純水吐出流量との関係から、大気圧の変化に起因して生じる加湿器２６への純水供給流量の過不足分を調べ、図７（ａ）に示すような大気圧と純水供給流量の基本値に対する補正係数との関係を求めておく。そして、実際に大気圧センサ３３の検出値に基づいて大気圧の状態を判定したときに、図７（ａ）に示した大気圧と純水供給流量基本値に対する補正係数との関係から、大気圧センサ３３で検出した大気圧の状態に応じた補正係数を算出する。例えば、大気圧センサ３３で検出した大気圧がＰ１［ｋＰａ］である場合には、純水供給流量基本値に対する補正係数はｋＷＰＭＰ１となる。
【００４６】
更に、コンプレッサ１３が吸入する空気に含まれる水蒸気質量の変化に応じた加湿器２６への純水供給流量の過不足分を調べ、図７（ｂ）に示すような吸入空気の水蒸気質量と純水供給流量の基本値に対する補正係数との関係を求めておく。そして、ステップＳ２において実際にコンプレッサ１３が吸入する空気の単位体積当たりの水蒸気質量が算出されたときに、図７（ｂ）に示した吸入空気の水蒸気質量と純水供給流量基本値に対する補正係数との関係から、ステップＳ２で算出した吸入空気の水蒸気質量に対応した補正係数を算出する。例えば、ステップＳ２で求めた単位体積当たりの水蒸気質量がｍＣＭＰ＿ＩＮ１［ｋｇ］である場合には、純水供給流量基本値に対する補正係数はｋｍとなる。
【００４７】
したがって、大気圧がＰ１［ｋＰａ］、吸入空気の単位体積当たりの水蒸気質量がｍＣＭＰ＿ＩＮ１［ｋｇ］のときの純水供給流量基本値に対する補正係数ｋ１は下記式（１）により算出することができ、このときの補正後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］は下記式（２）により算出することができる。
【００４８】
ｋ１＝ｋＷＰＭＰ１×ｋｍ  ・・・（１）
Ｑ１＝ｋ１×Ｑ０  ・・・（２）
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出した補正値で補正した後の目標純水流量が加湿器２６に供給されるように、純水ポンプモータに対して回転数指令値を出力して純水ポンプモータの回転数を制御する（モータ回転数制御手段１０４）。
【００４９】
具体的には、例えば、予め実験等によって、図８に示すような純水ポンプモータの回転数と純水ポンプ２８から加湿器２６に供給される純水流量との関係を求めておき、この純水ポンプモータ回転数と純水供給流量との関係から、ステップＳ３で算出した補正値で補正した後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するための純水ポンプモータの回転数指令値ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］を算出する。そして、この回転数指令値ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］を純水ポンプモータに出力して、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００５０】
次に、ステップＳ５において、純水ポンプモータに出力した回転数指令値、すなわち空気の加湿状態に応じて補正された純水供給流量を実現するための純水ポンプモータの回転数指令値に基づいて、燃料電池１の発電応答時間を推定する（燃料電池発電応答時間推定手段１０５）。そして、推定した燃料電池１の発電応答時間に応じて、駆動ユニット２の動作制御を実行する。
【００５１】
ここで、ステップＳ５における燃料電池１の発電応答時間の推定方法について、図９を用いて説明する。
【００５２】
図９は、純水ポンプモータの回転数と燃料電池１の実発電量との関係を、燃料電池１に供給される空気の加湿状態が標準加湿状態のときと、所定加湿状態のときとで対比しながら示したものである。ここで、標準加湿状態とは、純水供給流量基本値を補正しない場合を表し、所定加湿状態とは、大気圧がＰ１［ｋＰａ］、吸入空気の単位体積当たりの水蒸気質量がｍＣＭＰ＿ＩＮ１［ｋｇ］で、純水供給流量基本値を補正係数ｋ１で補正する場合を表している。この図９から、燃料電池１に対する発電電力指令値の変化量が一定であるとすると、純水ポンプモータに対する回転数指令値の変化量も一定であるので、燃料電池１に供給される空気の加湿状態が所定加湿状態の場合には、標準加湿状態のときに比べて純水ポンプモータの目標回転数到達時間がΔｔ１分だけ遅れることになり、これに伴って、燃料電池１の発電電力応答時間（燃料電池１の実発電量が目標発電電力ＧＴａｒｇｅｔに到達するまでの応答時間）も、標準加湿状態のときの発電応答時間ｔ０に対してΔｔ１に相当する分だけ遅れが生じことが分かる。したがって、燃料電池１に供給される空気が所定加湿状態の場合の発電応答時間ｔ１［ｓｅｃ］は、下記式（３）で求めることができる。
【００５３】
ｔ１＝ｔ０＋Δｔ１  ・・・（３）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態を推定し、その推定結果を用いて燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、例えば大気圧低下に伴う空気の加湿状態悪化を回避するための制御を行った場合でも、そのときの燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。そして、この推定した燃料電池１の発電応答時間に応じて駆動ユニット２の動作制御を実行することで、駆動ユニット２の動作制御が不安定になることを有効に抑制して、高精度な動作制御を実現することができる。
【００５４】
なお、以上は、純水ポンプ２８の駆動によりこの加湿器２６に純水を供給し、この加湿器２６で酸化剤ガスとなる空気を加湿した後に燃料電池１に供給する、いわゆる外部加湿型の燃料電池システムを例に挙げて説明したが、本発明は以上のような外部加湿型に限らず、純水ポンプ２８の駆動により燃料電池１に直接純水を供給して燃料電池１内部で酸化剤ガスである空気を加湿する、いわゆる内部加湿型の燃料電池システムに対しても有効に適用可能である。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態と同様の構成を有し、システムコントローラ１００が燃料電池１の発電応答時間を推定する手法も基本的には第１の実施形態と同様であるが、純水ポンプモータに過剰なトルク要求を行った場合に懸念される故障等の問題を回避できるように、純水供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにした点に特徴を有するものである。
【００５６】
すなわち、大気圧低下等の要因によって燃料電池１に酸化剤ガスとして供給される空気の加湿状態悪化が予想される場合には、これを回避するために純水ポンプモータの回転数増加により必要な純水供給流量を確保するようにしているが、純水ポンプモータの回転数が増加するとそれに伴い純水ポンプモータのトルクも増加することになる。また、大気圧低下時には、純水ポンプ２８が必要な圧力比を確保するために、純水ポンプモータに要求されるトルクが増加することになる。このような純水ポンプモータのトルク増加は、ある程度の増加分は特に問題とはならないが、過剰に増加するようなトルク要求を行ってしまうと、純水ポンプモータに故障等を生じさせる要因となる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、純水ポンプモータに過剰なトルク要求を行わない範囲で所望の純水供給流量が得られるように、純水供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにしている。
【００５７】
以下、上述した第１の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。
【００５８】
図１０は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。
【００５９】
本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図４に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で純水供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ１１において、この補正値で補正された純水供給流量を実現するための純水ポンプモータの目標回転数に基づき、純水ポンプモータのトルクを推定する。
【００６０】
具体的には、先ず、大気圧がＰ１［ｋＰａ］のときに燃料電池１により目標発電電力ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］を発電する場合において、燃料電池１の目標発電電力ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］に応じた純水ポンプ２８の目標吐出圧力ＰＷＰＭＰＯＵＴ＿Ｔａｒｇｅｔ［ｋＰａ］から求まる純水ポンプ２８の圧力比（＝ＰＷＰＭＰＯＵＴ＿Ｔａｒｇｅｔ／Ｐ１）と、大気圧が１気圧の場合に純水ポンプ２８に要求される純水供給流量の基本値とに基づき、純水ポンプモータのトルク定常分を算出する。また、ステップＳ３で算出した補正値で補正した後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するための純水ポンプモータの回転数指令値ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］を算出し、この回転数指令値ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］から求まる純水ポンプモータの目標角速度と、純水ポンプモータの慣性モーメントとに基づいて、純水ポンプモータのトルク過渡分を算出する。そして、これら純水ポンプモータのトルク定常分とトルク過渡分とを加算して、純水ポンプモータのトルク推定値を算出する。
【００６１】
次に、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が、純水ポンプモータの耐久性から求まる上限トルク（純水ポンプモータに故障等を生じさせることなく出力可能な最大トルク）を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ１２での判定の結果、ステップＳ１１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断される場合には、ステップＳ１３において、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを超えないように、補正後の純水供給流量の変化量、すなわち補正後の目標純水供給流量に到達するまでの純水供給流量の変化量に制限を加える。一方、ステップＳ１１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回らない場合には、ステップＳ１４へと処理を移行する。
【００６２】
ここで、補正後の純水供給流量の変化量を制限する方法について、図１１を用いて説明する。
【００６３】
図１１（ａ）は、大気圧がＰ１［ｋＰａ］の場合における純水ポンプモータの上限トルクを示したものである。この図１１（ａ）に示すように、純水ポンプモータの上限トルクは純水ポンプモータの回転数に応じて定まり、補正後の純水供給流量を実現する純水ポンプモータ回転数がＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］とすると、そのときの純水ポンプモータ上限トルクは、ＴｒｑＷＰＭＰ１＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］となる。
【００６４】
図１１（ｂ）は、純水ポンプモータの回転数及び純水供給流量の変化と純水ポンプモータトルクの変化との関係を、上限トルクによる制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示したものである。この図１１（ｂ）に示すように、純水ポンプモータのトルクが上限トルクＴｒｑＷＰＭＰ１＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加えると、純水供給流量が補正後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間（純水ポンプモータの回転数が目標回転数ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間）がｔ２［ｓｅｃ］となり、変化量に制限を加えない場合の到達時間ｔ１［ｓｅｃ］に比べて、Δｔ２分の遅れが生じることになる。そして、このときの純水供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］は、下記式（４）によって求められる。
【００６５】
Ｑ１＿ＬＭＴ２＝Ｑ１／ｔ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］  ・・・（４）
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ１４において、補正後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するために純水ポンプモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ１１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断され、ステップＳ１３で純水供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］を算出した場合には、この制限値Ｑ１＿ＬＭＴ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］に基づいて、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００６６】
すなわち、ステップＳ１１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断された場合は、図１１（ｂ）に示したように、純水供給流量が補正後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間、すなわち、純水ポンプモータの回転数が目標回転数ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間がｔ２［ｓｅｃ］となるように、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００６７】
ここで、以上のように純水供給流量の変化量に制限を加えた場合における燃料電池１の発電応答時間の遅れ分は、純水ポンプモータの回転数が目標回転数ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間の遅れ分Δｔ２とほぼ等価となる。したがって、大気圧がＰ１［ｋＰａ］の場合で、純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクＴｒｑＷＰＭＰ１＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間はｔ２［ｓｅｃ］となる。
【００６８】
また、燃料電池１に供給される空気の加湿状態が標準加湿状態のときの発電応答時間ｔ０［ｓｅｃ］と、上述した所定加湿状態（大気圧がＰ１）で、純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクＴｒｑＷＰＭＰ１＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間ｔ２［ｓｅｃ］との関係は、下記式（５）のようになる。
【００６９】
ｔ２＝ｔ０＋Δｔ１＋Δｔ２  ・・・（５）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００が純水ポンプモータの回転数を制御する際に、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを上回ることが推定される場合には、純水ポンプモータのトルクが上限トルク以下となるように純水ポンプ２８に要求する純水供給流量の変化量に制限を加えるようにし、また、この制限値に基づく純水ポンプモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを上回ることに起因して生じる故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。
【００７０】
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態と同様の構成を有し、システムコントローラ１００が燃料電池１の発電応答時間を推定する手法も基本的には第１の実施形態と同様であるが、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が過剰となった場合に懸念される純水ポンプ２８下流側の加湿器２６の故障等の問題を回避できるように、純水供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにした点に特徴を有するものである。
【００７１】
すなわち、大気圧低下等の要因によって燃料電池１の冷却状態悪化が予想される場合には、これを回避するために純水ポンプモータの回転数増加により必要な純水供給流量を確保するようにしているが、純水ポンプモータの回転数を急激に増加させると純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が一時的に過大となって、純水ポンプ２８下流側の加湿器２６等の部品に故障等を生じさせる要因となる場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が過剰とならない範囲で所望の純水供給流量が得られるように、純水供給流量を補正する場合の流量変化量に制限を設けるようにしている。
【００７２】
以下、上述した第１の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。
【００７３】
図１２は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。
【００７４】
本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で純水供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ２１において、この補正値で補正された純水供給流量を実現するための純水ポンプモータの目標回転数に基づき、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力を推定する。
【００７５】
具体的には、例えば、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給する空気の加湿状態と、その加湿状態から求められる目標回転数で純水ポンプモータを駆動した場合に純水ポンプ２８から吐出される純水圧力の推定値ＰＷＰＭＰＯＵＴ＿ＥＳＴ［ｋＰａ］との関係を予め実験等によって求めておき、この空気の加湿状態と純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値との関係から、図３のステップＳ２で推定した空気の加湿状態の場合に純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力を推定する。
【００７６】
次に、ステップＳ２２において、ステップＳ２１で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が、純水ポンプ２８下流側の加湿器２６等の部品の耐久性から求まる上限圧力を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ２２での判定の結果、ステップＳ２１で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回ると判断される場合には、ステップＳ２３において、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力を超えないように、補正後の純水供給流量の変化量、すなわち補正後の目標純水供給流量に到達するまでの純水供給流量の変化量に制限を加える。一方、ステップＳ２１で推定した純水ポンプ２８吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回らない場合には、ステップＳ２４へと処理を移行する。
【００７７】
ここで、補正後の純水供給流量の変化量を制限する方法について、図１３を用いて説明する。
【００７８】
図１３は、純水ポンプモータの回転数及び純水供給流量の変化と純水ポンプ２８の吐出側純水圧力の変化との関係を、上限圧力による制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示したものである。この図１３に示すように、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力ＰＷＰＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｋＰａ］を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加えると、純水供給流量が補正後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間（純水ポンプモータの回転数が目標回転数ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間）がｔ３［ｓｅｃ］となり、変化量に制限を加えない場合の到達時間ｔ１［ｓｅｃ］に比べて、Δｔ３分の遅れが生じることになる。そして、このときの純水供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］は、下記式（６）によって求められる。
【００７９】
Ｑ１＿ＬＭＴ３＝Ｑ１／ｔ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］  ・・・（６）
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ２４において、補正後の純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するために純水ポンプモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ２１で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回ると判断され、ステップＳ２３で純水供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］を算出した場合には、この制限値Ｑ１＿ＬＭＴ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］に基づいて、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００８０】
すなわち、ステップＳ２１で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回ると判断された場合は、図１３に示したように、純水供給流量が補正後の目標純水供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間、すなわち、純水ポンプモータの回転数が目標回転数ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間がｔ３［ｓｅｃ］となるように、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００８１】
ここで、以上のように純水供給流量の変化量に制限を加えた場合における燃料電池１の発電応答時間の遅れ分は、純水ポンプモータの回転数が目標回転数ＮＷＰＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間の遅れ分Δｔ３とほぼ等価となる。したがって、大気圧がＰ１［ｋＰａ］の場合で、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力ＰＷＰＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｋＰａ］を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間はｔ３［ｓｅｃ］となる。
【００８２】
また、燃料電池１に供給される空気の加湿状態が標準加湿状態のときの発電応答時間ｔ０［ｓｅｃ］と、上述した所定加湿状態（大気圧がＰ１）で、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力ＰＷＰＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｋＰａ］を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間ｔ３［ｓｅｃ］との関係は、下記式（７）のようになる。
【００８３】
ｔ３＝ｔ０＋Δｔ１＋Δｔ３  ・・・（７）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００が純水ポンプモータの回転数を制御する際に、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力を上回ることが推定される場合には、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力以下となるように純水ポンプ２８に要求する純水供給流量の変化量に制限を加えるようにし、また、この制限値に基づく純水ポンプモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力を上回ることに起因して生じる純水ポンプ２８下流側の加湿器２６の故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。
【００８４】
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、第２の実施形態で説明した純水ポンプモータの上限トルクによる純水供給流量変化量の制限と、第３の実施形態で説明した純水ポンプ２８が吐出する純水の上限圧力による純水供給流量変化量の制限とを組み合わせたものである。
【００８５】
すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１に酸化剤ガスとして供給する空気の加湿状態に応じて純水供給流量を補正する際、第２の実施形態と同様に、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを超えない範囲で所望の純水供給流量が得られるように流量変化量制限値を算出すると共に、第３の実施形態と同様に、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力を超えない範囲で所望の純水供給流量が得られるように流量変化量制限値を算出する。そして、これらの流量変化量制限値のうちで小さい方の制限値、すなわち厳しい方の制限値に基づいて純水ポンプモータの回転数を制御し、この制限値に基づく純水ポンプモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定する。
【００８６】
以下、上述した第１乃至第３の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。
【００８７】
図１４は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。
【００８８】
本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で純水供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ３１において、上述した第２の実施形態と同様に純水ポンプモータのトルクを推定し、ステップＳ３２において、上述した第３の実施形態と同様に純水ポンプ２８の吐出側純水圧力を推定する。
【００８９】
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ３３において、ステップＳ３１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ３３での判定の結果、ステップＳ３１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断される場合には、ステップＳ３４において、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを超えない範囲で補正後の目標純水供給流量が得られるような流量変化量の制限値（第１の流量変化量制限値）を算出する。一方、ステップＳ３１で推定した純水ポンプモータのトルク推定値が上限トルクを上回らない場合には、ステップＳ３５へと処理を移行する。
【００９０】
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ３５において、ステップＳ３２で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ３５での判定の結果、ステップＳ３２で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回ると判断される場合には、ステップＳ３６において、純水ポンプ２８の吐出側純水圧力が上限圧力を超えない範囲で補正後の目標純水供給流量が得られるような流量変化量の制限値（第２の流量変化量制限値）を算出する。一方、ステップＳ３２で推定した純水ポンプ２８の吐出側純水圧力推定値が上限圧力を上回らない場合には、ステップＳ３７へと処理を移行する。
【００９１】
ステップＳ３４またはステップＳ３６の少なくとも何れかのステップで流量変化量の制限値が算出された場合、システムコントローラ１００は、次のステップＳ３７において、ステップＳ３４で算出された第１の流量変化量制限値と、ステップＳ３６で算出された第２の流量変化量制限値のうちで、何れか小さい値の制限値（厳しい方の制限値）を選択する。そして、次のステップＳ３８において、補正後の純水供給流量Ｑ１を実現するために純水ポンプモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ３７で何れかの流量変化量制限値を選択した場合には、この選択した流量変化量制限値に基づいて、純水ポンプモータの回転数を制御する。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００が純水ポンプモータの回転数を制御する際に、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを上回ることが推定される場合には、純水ポンプモータのトルクが上限トルク以下となるような第１の流量変化量制限値を算出すると共に、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力を上回ることが推定される場合には、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限圧力以下となるような第２の流量変化量制限値を算出するようにしている。そして、これら算出した制限値のうちで何れか小さい方の流量変化量制限値（厳しい方の流量変化量制限値）を選択して、この選択した流量変化量制限値に基づいて純水ポンプモータの回転数を制御し、この制限値に基づく純水ポンプモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしている。したがって、純水ポンプモータのトルクが上限トルクを上回ることに起因して生じる純水ポンプ２８の故障や、純水ポンプ２８が吐出する純水の圧力が上限値を上回ることに起因して生じる純水ポンプ２８下流側の加湿器２６の故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムのシステムコントローラにおける発電応答時間推定に関する機能を概略的に示す機能ブロック図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムのシステムコントローラによる燃料電池の発電応答時間推定処理の概要を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の発電量と純水供給流量の基本値との関係を示す特性図である。
【図５】純水ポンプモータの回転数が所定値の場合における大気圧と純水ポンプが吐出する純水流量との関係を示す特性図である。
【図６】コンプレッサが吸入する空気の温度と飽和水蒸気量との関係を示す特性図である。
【図７】純水供給流量の基本値に対する補正値を算出する方法を説明するための図であり、（ａ）は大気圧と純水供給流量基本値に対する補正係数との関係を示す図、（ｂ）はコンプレッサが吸入する空気の水蒸気質量と純水供給流量基本値に対する補正係数との関係を示す図である。
【図８】純水ポンプモータの回転数と純水供給流量との関係を示す特性図である。
【図９】燃料電池の発電応答時間を推定する方法を説明するための図であり、純水ポンプモータの回転数と燃料電池の実発電量との関係を示す特性図である。
【図１０】純水ポンプモータのトルクが上限トルクを超えないように純水供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】補正後の純水供給流量の変化量を制限する方法を説明するための図であり、（ａ）は純水ポンプモータ回転数と上限トルクとの関係を示す特性図、（ｂ）は純水ポンプモータの回転数及び純水供給流量の変化と純水ポンプモータのトルク変化との関係を、上限トルクによる制限を加える場合と制限を加えない場合とで対比しながら示す特性図である。
【図１２】純水ポンプが吐出する純水の圧力が上限圧力を超えないように純水供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１３】補正後の純水供給流量の変化量を制限する方法を説明するための図であり、純水ポンプモータの回転数及び純水供給流量の変化と純水ポンプが吐出する純水の圧力の変化との関係を、上限圧力による制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示す特性図である。
【図１４】純水ポンプモータの上限トルクによる流量変化量制限値と、純水ポンプの吐出側上限純水圧力による流量変化量制限値とで、何れか小さい方の流量変化量制限値に基づき純水供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９４】
１  燃料電池
２  駆動ユニット
１３  コンプレッサ
１８  吸入空気温度センサ
１９  吸入空気湿度センサ
２６  加湿器
２８  純水ポンプ
２６  純水ポンプ
３３  大気圧センサ
１００  システムコントローラ
１０１  純水供給流量基本値算出手段
１０２  空気加湿状態推定手段
１０３  純水供給流量補正値算出手段
１０４  モータ回転数制御手段
１０５  燃料電池発電応答時間推定手段
【図１】
0004747498.tif 000002
【図２】
0004747498.tif 000003
【図３】
0004747498.tif 000004
【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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