(57)【要約】【課題】  燃料電池に供給する原料の無駄を無くすと共に、安定して燃料電池を発電させる。【解決手段】  燃料電池システムの制御装置は、原料流量算出手段により、燃料電池に要求される発電量を発電させるための燃料電池に供給する原料流量を算出し（ステップＳ１）、発電電圧の振動振幅又は発電電流の振動振幅が第１所定値以上でない場合に、原料流量低減限界値及び余裕率を設定して原料流量を低減し（ステップＳ３，４，６，７）、発電電圧の振動振幅又は発電電流の振動振幅が第１所定値及び第２所定値以上である場合には原料流量を増加させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料である燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、当該燃料電池に原料を供給する原料供給手段とを有し、前記燃料電池により発電した発電電力が負荷に取り出される燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池に要求される発電量を発電させるための前記燃料電池に供給する原料流量を算出する原料流量算出手段と、
前記燃料電池の発電状態に基づいて、前記燃料電池に供給する原料流量を低減させる限界値を算出する原料低減限界算出手段と、
前記原料流量算出手段により算出した原料流量を、前記原料低減限界算出手段により算出された限界値に変更するように前記原料供給手段を制御する原料流量制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記原料低減限界算出手段は、前記燃料電池から前記負荷に取り出される発電電流の変化又は発電電圧の変化に基づいて、前記限界値を算出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の制御装置。
【請求項３】
前記原料流量制御手段は、前記燃料電池から目標となる電力を取り出すように前記負荷を制御すると共に、前記負荷に取り出される発電電流又は発電電圧の増減に応じて、前記限界値以上となる範囲内で原料流量を増減させるように前記原料供給手段を制御し、
前記原料低減限界算出手段は、発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅に基づいて、前記限界値を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記原料低減限界算出手段は、前記発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅と、前記燃料電池の動作状態とに基づいて、前記限界値を高くする程度を示す余裕率を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記原料低減限界算出手段は、前記発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅が大きいほど前記余裕率を大きくする処理と、前記燃料電池の動作温度が低いほど前記余裕率を大きくする処理、又は前記燃料電池を構成する各セルの各セル電圧のばらつきが大きいほど前記余裕率を大きくする処理、又は前記燃料電池の加湿が少ないほど前記余裕率を大きくする処理とを行って、前記余裕率を算出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記原料流量制御手段は、前記限界値に基づいて原料流量を変更する場合に、前記燃料電池から前記負荷に印加している発電電圧に応じた原料流量の変化量に対する発電電圧の変化量の比に基づいて、増減させる原料流量を算出して、原料流量を変更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の制御装置。
【請求項７】
前記原料流量制御手段は、前記燃料電池から前記負荷に印加している発電電圧に応じた原料流量の変化量に対する発電電圧の変化量の比を求める関数を用いて、原料流量を変更することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
前記原料低減限界算出手段は、原料流量を低減させたことにより、前記燃料電池から排出された酸化剤ガス流量が所定値よりも低くなった場合、又は排出された酸化剤ガスに含まれる酸素濃度が所定値より低くなった場合に、当該低減させた原料流量を限界値と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の制御装置。
【請求項９】
前記原料流量変更手段は、前記燃料電池から取り出される発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅が所定の範囲内となるように原料流量を増減させると共に、前記燃料電池から排出された酸化剤ガス流量が所定の範囲内、又は排出された酸化剤ガスに含まれる酸素濃度が所定の範囲内となるように原料流量を増減させ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の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給することにより、燃料電池を発電させる燃料電池システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池スタックの水素極に水素ガスを供給すると共に、空気極に空気を供給して、空気極における空気中の酸素と水素極における水素とを電気化学的に反応させて発電させる燃料電池システムの制御装置が知られている。特に、この燃料電池システムの制御装置は、燃料電池スタックにより発電した電力を車両の走行トルクを発生させる駆動モータに供給する車両用のものが開発されている。
【０００３】
このような車両用燃料電池スタックとしては、固体高分子型のものが知られている。この固体高分子型の車両用燃料電池スタックは、水素極と空気極の間に膜状の固体高分子を設け、当該固体高分子膜を水素イオン伝導体として機能させる。
【０００４】
この種の燃料電池スタックは、水素極で水素ガスを水素イオンと電子にする反応が行われ、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。このように固体高分子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、燃料電池システムの制御装置では、固体高分子膜を加湿して湿潤状態に保持しておく必要があり、燃料電池スタックに供給する水素ガスを加湿装置で加湿して水素極に供給するようにする技術が知られている。
【０００５】
このように固体高分子膜を加湿する有効な技術としては、燃料電池スタックで使用されずに排出された水素ガスを燃料電池スタックに再循環して再利用する水素循環形式が知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池スタック外部に接続した負荷で消費する電力を発電させるのに要求される水素量より幾分多めの水素量を水素極に供給し、未使用の水素を水素極出口から排出させ、この排水素（循環水素と記す）を再度、水素極入口に戻して再利用する。ここで、燃料電池スタックから排出された循環水素は、水蒸気を多く含んでいるため、水素タンクからの乾燥している水素と混合されて水素極に供給され、水素極に供給する水素を加湿する。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックにおける水素極を通過する水素流量は、発電に必要な水素流量に加えて、循環する水素流量が余分に通過することになる。このように燃料電池システムでは、発電に必要な水素流量よりも余分な水素流量を水素極に供給することにより、燃料電池スタックを構成する全てのセルでの発電を効率的に行わせる。
【０００７】
これに対し、要求される発電量に相当する水素流量のみを供給した場合には、水素極側出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなる可能性があり、発電効率が低下する恐れがある。同様に、空気極においても、要求される発電量に相当する酸素流量のみを供給するのではなく、当該発電量に相当する酸素流量よりも少し余分に酸素を供給するようにしている。すなわち、燃料電池システムにおいて、供給ガス量に対する消費ガス量の割合を示す原料ストイキ比は、要求される発電量に相当する水素流量又は酸素流量のみを供給する場合には値が「１」となるが、加湿や発電効率の観点から、通常、値が「１」よりも高い値に制御されている。
【０００８】
しかし、原料ストイキ比は、システム設計時には最適値であっても、燃料電池スタックの運転状況に対して常に最適値であるとは限らない。このため、燃料電池システムでは、ある程度の余裕率を見込んで原料ストイキ比の値を高めに設定して、燃料電池スタックへの水素及び酸素の供給量を多くしている。
【０００９】
このため、従来の燃料電池システムでは、水素等の原料の無駄を生じてしまう。これに対し、燃料電池システムでは、原料の無駄をなくすために、原料ストイキ比の値を「１」に近づけるように原料を低減させると、燃料電池スタックの運転状態（温度、湿度、原料分布など）の変化に対して水素及び酸素の供給量を敏感に変動させる必要があり、ロバスト性が失われ、少しの燃料電池スタックの変化であっても容易に発電電圧が下限値以下まで低下させてしまう。
【００１０】
このため、水素及び酸素の原料流量を適当に制御することを目的とした燃料電池システムとしては、例えば下記の特許文献１〜３に記載された技術が知られている。この特許文献１〜３に記載された技術は、燃料電池スタックのセル電圧の変化が許容範囲内になるように原料の流量を制御すると共に、燃料電池スタックの発電電圧が下限値以上になるように原料流量を制御し、更には、燃料電池スタックの発電電圧が低下したら原料流量を増加させる制御を行っている。
【特許文献１】特開２００２−２８９２３５号公報
【特許文献２】特開２０００−２０８１６１号公報
【特許文献３】特開２００２−１６４０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、燃料電池スタックのセル電圧の変化範囲を検出する技術では、発電電圧の全体的な低下を測定できず、逆に、負荷に供給する電圧を平均値として供給するので、個別のセルの発電電圧の変化範囲を測定できない。このため、各セルのセル電圧のばらつきが許容範囲であっても平均値としての発電電圧が低くなる場合や、発電電圧の平均値が下限電圧以上であっても各セルのセル電圧のばらつきが大きくなる場合などを検出できない。
【００１２】
また、従来の燃料電池システムでは、原料の供給量を減少させると発電電圧が低下するが、原料を低減可能幅を示す下限電圧が運転状態に依存するため、原料を低減させるときの下限電圧を検出していない。このため、従来の燃料電池システムでは、原料を可能な限り低減させることができず、原料の無駄を発生させていた。
【００１３】
更に、従来の燃料電池システムでは、原料を増加させて発電電圧を復帰させるような場合にも、原料を増加して発電電圧が上昇させる程、発電電圧の上昇幅は少なくなる特性が考慮されておらず、原料の増加量が過度に大きくなると、原料の無駄を生じる可能性がある。また、従来の燃料電池システムでは、原料の低減量が過度になるとその後に原料を増加させるに際して原料の無駄を生じたり、原料の低減量が足りなくなるなどの無駄を生じさせてしまう。これは、発電電圧が低い場合には原料の増加量に対して発電電圧も大きく変化するが、発電電圧がある程度高くなると、原料の増加量に対して発電電圧の増加幅の飽和する特性を考慮していないためである。
【００１４】
また、上述した従来の燃料電池システムでは、原料を可能な限り低減させて燃料電池スタックを発電させるためには、原料の低減幅の限界をコントローラ等の制御装置側にて正確に把握する必要がある。また、従来の燃料電池システムでは、原料の供給量を目標値に制御するとき、原料の供給量を目標値を超えて制御させすぎたり、原料の供給量が目標値に達しないことをなくすために、最適な制御量を算出する必要がある。
【００１５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池に供給する原料の無駄を無くすと共に、安定して燃料電池を発電させることができる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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、原料である燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、当該燃料電池に原料を供給する原料供給手段とを有し、前記燃料電池により発電した発電電力が負荷に取り出される燃料電池システムを制御する制御装置に適用される。本発明に係る燃料電池システムの制御装置は、原料流量算出手段により、燃料電池に要求される発電量を発電させるための燃料電池に供給する原料流量を算出し、原料低減限界算出手段により、燃料電池の発電状態に基づいて、燃料電池に供給する原料流量を低減させる限界値を算出し、原料流量制御手段により、原料流量算出手段により算出した原料流量を、原料低減限界算出手段により算出された限界値に変更するように原料供給手段を制御することにより、原料流量を低減させて、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、燃料電池の発電状態に基づいて、燃料電池に供給する原料流量を低減させる限界値を算出して原料流量を制御するので、現状の燃料電池の運転状態において可能な限り原料を節約して燃料電池を発電させて負荷に電力供給をすることができる。したがって、この燃料電池システムの制御装置によれば、燃料電池に供給する原料の無駄を無くすと共に、安定して燃料電池を発電させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００２０】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、当該燃料電池システムの主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質を挟んで、酸化剤ガスを供給するカソード極と燃料ガスを供給するアノード極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、アノード極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過してカソード極に到達し、この水素イオンがカソード極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００２１】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の原料の供給量を制御して、燃料電池スタック１の発電を制御すると共に、燃料電池スタック１からの発電電力によって駆動する負荷２の動作を制御する制御装置３を備える。この制御装置３は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷２に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、後述する各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと指令を送ることにより、各部を制御する。また、本例において、負荷２は、例えば燃料電池システムが車両に搭載された場合には、燃料電池スタック１の発電電力によって車両の走行トルクを発生させる駆動モータが挙げられる。
【００２２】
更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１が発電するための原料を供給するため、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素供給系、燃料電池スタック１に酸素を供給するための空気供給系を備える。なお、図示はしないが、水素供給系及び空気供給系には、燃料電池スタック１に供給する水素及び空気を純水により加湿するための純水加湿系が接続されるものとする。
【００２３】
水素供給系は、燃料電池スタック１と接続された水素供給経路に水素供給装置４及び水素供給バルブ５及び水素供給用アクチュエータ６が設けられて構成されている。このような水素供給系において、水素供給装置４は、燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整する水素流量制御弁を備える。また、この水素供給系は、燃料電池スタック１の水素排出側に接続された水素排出経路にパージバルブ７及びパージ用アクチュエータ８が設けられると共に、水素排出経路から分岐して燃料電池スタック１の水素入口に接続された水素循環経路に循環水素ポンプ９が設けられて構成されている。
【００２４】
そして、制御装置３は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、燃料電池スタック１に要求される発電量に応じて、水素供給装置４の水素流量制御弁の開度を制御すると共に、水素供給バルブ５を開状態にするように水素供給用アクチュエータ６を制御し、更に燃料電池スタック１から排出された水素を燃料電池スタック１に循環させるように循環水素ポンプ９の回転数を制御する。
【００２５】
また、制御装置３は、例えば燃料電池スタック１内に水分や不純物等が発生して水素極におけるガスを排出する必要がある場合に、パージ用アクチュエータ８を制御することによりパージバルブ７を開状態にする制御をする。
【００２６】
このような水素供給系では、水素供給装置４からの水素及び燃料電池スタック１からの循環水素を混合して燃料電池スタック１に供給することにより、燃料電池スタック１から排出された水素を再利用する。ここで、循環水素は、加湿された状態で燃料電池スタック１に供給されて排出されるために、多くの水蒸気を含んでいる。これにより、循環水素は、水素供給装置４からの水素と混合させることにより、加湿した水素を燃料電池スタック１に供給して、燃料電池スタック１の固体高分子膜を加湿する。
【００２７】
また、空気供給系は、燃料電池スタック１と接続された空気供給経路に、空気供給装置１０が設けられ、燃料電池スタック１の空気排出側に空気排出経路が設けられて構成されている。この空気供給装置１０は、例えば制御装置３からの制御信号によって回転数が制御されるコンプレッサ等によって構成される。
【００２８】
そして、制御装置３は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、燃料電池スタック１に要求される発電量に応じて、空気供給装置１０を構成するコンプレッサの回転数を制御する。
【００２９】
更にまた、この燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には、発電電力を消費する負荷２が接続されている。この負荷２は、例えば駆動モータを使用した場合に、燃料電池スタック１からの直流電力を所望の電力に変換するインバータを備え、当該インバータを介して発電電力を駆動モータに供給する。
【００３０】
このとき、制御装置３は、インバータにより変換する電力を設定して、インバータによって燃料電池スタック１からの発電電力を取り出すように制御する。また、制御装置３は、燃料電池スタック１と負荷２とを接続する電力供給ラインに接続された電圧センサ１１及び電流センサ１２により検出した電圧及び電流を示すセンサ信号を読み込んで、インバータの動作を制御する。
【００３１】
更にまた、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ１３、燃料電池スタック１を構成する各セルのセル電圧を検出するセル電圧測定装置１４を備える。制御装置３は、詳細は後述するが、水素及び酸素の原料を燃料電池スタック１に供給するに際して、温度センサ１３及びセル電圧測定装置１４からのセンサ信号を読み込んで、水素量及び空気量を制御する原料流量制御処理を行う。
【００３２】
［原料流量制御処理］
つぎに、上述した燃料電池システムにおいて、制御装置３により原料（水素、酸素）の流量を制御する原料流量制御処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。この原料流量制御処理は、燃料電池スタック１から取り出す電力に目標値を設定して、当該目標値の電力を負荷２によって取り出す負荷一定制御を行っている場合に行う処理である。
【００３３】
この原料流量制御処理では、先ず、ステップＳ１において、制御装置３により、負荷２に要求される要求負荷電流に応じて、燃料電池スタック１に必要な原料流量を算出する。このとき、制御装置３は、少なくとも必要水素流量を、要求負荷電流を用いたファラデーの法則に基づいて求める。そして、制御装置３は、求めた必要水素流量から、燃料電池スタック１が要求負荷電流を発電させるための必要酸素流量を求めて、必要空気流量を求める。ここで、制御装置３は、空気中の酸素が含まれる割合が予め設定されており、例えば２１％として必要酸素流量を求める。
【００３４】
具体的には、制御装置３は、負荷２の要求負荷電流、すなわち負荷電流目標値が設定されると、燃料電池スタック１に供給する必要水素流量、すなわち供給水素流量を、下記の式１に示すように、
負荷電流目標値×（係数）×セル数×水素ストイキ比      （式１）
なる演算を行うことにより求める。ここで、上記式１における係数は、ファラデーの法則によっても求まる値であって、０．００６９６なる数値を使用する（ＮＬ／ｍｉｎへの単位変換を含む。）。
【００３５】
また、制御装置３は、負荷２の要求負荷電流、すなわち負荷電流目標値が設定されると、燃料電池スタック１に供給する必要空気流量、すなわち供給空気流量を、下記の式２に示すように、
（係数）＊負荷電流目標値（Ａ）×（セル数／０．２１）×空気ストイキ比  （式２）
なる演算を行うことにより求める。ここで、上記式２における係数は、ファラデーの法則によっても求まる値であって、０．００６９６／２＝  ０．０３４８なる数値を使用する（ＮＬ／ｍｉｎへの単位変換を含む。）。
【００３６】
ここで、燃料電池システムにおいては、要求負荷電流に相当する原料流量のみを供給すると、燃料電池スタック１内部での原料分布が均一とならず発電効率が低下する。したがって、燃料電池システムでは、要求負荷電流に相当する原料流量よりも多い原料流量を燃料電池スタック１に供給するようにストイキ比が設定されている。このストイキ比は、システムの設計時に実験などによって適当な値が設定されている。
【００３７】
しかし、このストイキ比の値が適切であるのはシステム設計時のみであって、燃料電池スタック１の運転状態等によってシステム設計時に設定したストイキ比が適切であるとはかぎらない。したがって、制御装置３では、上述の式１及び式２の演算を行った後に、ストイキ比以上の原料流量を燃料電池スタック１に供給することにより、燃料電池スタック１の運転状態に応じた原料流量とする。
【００３８】
これにより、制御装置３では、要求負荷電流に相当する必要な空気流量よりも多い空気流量を燃料電池スタック１に供給して余剰分の空気を排出させるように空気供給装置１０を制御し、要求負荷電流に相当する必要な水素流量よりも多い水素流量を燃料電池スタック１に供給して余剰分の水素を再利用させるように水素供給装置４及び循環水素ポンプ９を制御する。
【００３９】
次のステップＳ２において、制御装置３では、電圧センサ１１又は電流センサ１２からのセンサ信号を読み込むことにより、ステップＳ１にて原料流量を制御した後の発電電流又は発電電圧の振動振幅を測定する。なお、本例において、制御装置３は、発電電流の振動振幅値を測定して以下の処理で使用する場合について説明するが、発電電圧の振動振幅を使用しても同様の処理を行うことができる。
【００４０】
次のステップＳ３において、制御装置３では、発電電流の振動振幅が、予め設定した第１所定値以上か否かを判定する。ここで、ステップＳ１の制御によって原料を燃料電池スタック１に供給して燃料電池スタック１が安定して発電している状態では、発電電流の振動振幅がほとんど発生せず、更には要求負荷電流に相当する原料流量よりも余分に原料が供給されている場合であっても発電電流の振動振幅がほとんど発生しない。したがって、制御装置３では、発電電流の振動振幅がほとんど発生せずに原料流量の低減が可能か否かを判定するための第１所定値を設定しておき、ステップＳ２にて測定した発電電流の振動振幅と比較する。
【００４１】
そして、制御装置３では、ステップＳ２にて測定した発電電流の振動振幅が第１所定値以上でないと判定した場合にはステップＳ４に処理を進め、発電電流の振動振幅が第１所定値以上であると判定した場合にはステップＳ５に処理を進める。
【００４２】
そして、ステップＳ５において、制御装置３では、発電電流の振動振幅が第２所定値以上であるか否かを判定する。ここで、第２所定値は、原料流量が少ないことによって燃料電池スタック１が安定して発電していないことを判定する発電電流の振動振幅が予め設定されている。制御装置３では、発電電流の振動振幅が第２所定値以上であると判定した場合にはステップＳ８に処理を進め、発電電流の振動振幅が第２所定値以上でないと判定した場合には処理を終了する。
【００４３】
すなわち、制御装置３では、ステップＳ３及びステップＳ５の判定処理を行うことにより、図３の時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間のように、発電電流の振動振幅が第１所定値以下であると判定した場合には原料流量の低減が可能であると判定してステップＳ４に処理を進め、図３の時刻ｔ１〜時刻ｔ２のように発電電流の振動振幅が第１所定値以上であって第２所定値より小さい場合には現状の原料供給状態を維持するために処理を終了し、図３の時刻ｔ２以降のように発電電流の振動振幅が第１所定値及び第２所定値以上である場合には原料が不足していると判定してステップＳ８に処理を進める。
【００４４】
これにより、制御装置３では、発電電流の振動振幅が第１所定値以下でもなく、第２所定値以上でもなく、第１所定値と第２所定値との間の発電電流の振動振幅である場合には、現状を維持するようにして原料流量を増減させる制御のハンチングを防止する。
【００４５】
ステップＳ４において、制御装置３では、ステップＳ３にて発電電流の振動振幅が第１所定値以上ではないので、原料流量を低減する限界値を設定する処理をする。
【００４６】
ここで、制御装置３では、負荷２に目標値となる電力を設定して負荷２によって目標値通りの電力を燃料電池スタック１から取り出す場合、図４に示すように、原料流量を低減して、当該原料流量に対する発電量の限界に近づくと、発電電圧が低下すると共に当該発電電圧の低下分に相当する値だけ発電電流が上昇する。これに応じ、制御装置３では、発電電流の上昇を検出すると、原料流量を増加させることによって、発電電流が上昇して発電電圧が低下し、原料流量を低下させる。このように、制御装置３では、発電電流の上昇と低下との繰り返しに併せて、原料流量を増加させる制御と、原料流量を低下させる制御とを繰り返す。
【００４７】
したがって、このステップＳ４において、制御装置３では、発電電流の増加幅及び低下幅を大きくして、予め設定した振幅値とするように原料流量の低下幅を設定して、原料流量を低減する限界値（以下、原料流量低減限界値と呼ぶ。）を設定する。そして、制御装置３では、ステップＳ４の処理を行うと、ステップＳ６に処理を進める。
【００４８】
ステップＳ６において、制御装置３では、ステップＳ４にて設定した原料流量低減限界値を高くして、負荷２から目標とする電力を確実に取り出すための余裕率を設定する。このとき、制御装置３では、温度センサ１３からのセンサ信号を読み込み、燃料電池スタック１の動作温度が低いほど余裕率を大きくし、且つセル電圧測定装置１４からのセンサ信号を読み込み、各セル電圧の差（ばらつき）が大きいほど余裕率を大きくし、且つステップＳ２にて測定した発電電流の振幅が大きいほど余裕率を大きくする。
【００４９】
ここで、原料流量を原料流量低減限界値の近くまで低減すると多少の燃料電池スタック１の運転環境に変化があった場合でも容易に発電電圧が下限値を超えるようになり、燃料電池スタック１の運転環境に対してのロバスト性能が低下する。また、燃料電池スタック１の運転温度が低く発電効率が低下しているときや、或いは異なるセル間におけるセル電圧の差（ばらつき）が大きく燃料電池スタック１内の原料到達分布があるような場合には、さらに顕著に燃料電池スタック１の運転環境に対してのロバスト性能が低下する。このような状態では、上述の各種センサが取り付けられていない部位の微妙な変化や、各種センサで計測できない微妙な変化により発電電圧が容易に下限値を超えるようになる。したがって、制御装置３では、発電電圧が下限値を超えないように、原料流量低減限界値に対して余裕率を設定して、実際の原料低減限界値を多少高めにする。
【００５０】
具体的には、制御装置３では、図５及び図６に示すようなマップデータを予め実験等により求めて記憶しておく。そして、制御装置３では、各セル電圧のばらつきが大きいほど図５のマップデータを参照して余裕率を指数関数的に高くするように設定し、更には燃料電池スタック１の動作温度が高いほど図６のマップデータを参照して余裕率を指数関数的に低くするように設定する。また、制御装置３では、図示はしないが、発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅に対する余裕率の変化を示すマップデータを記憶しておき、当該マップデータに基づいて余裕率を設定する。
【００５１】
なお、制御装置３では、上述したいように燃料電池スタック１の動作温度、セル電圧のばらつき及び発電電流の振動振幅に基づいて余裕率を設定する場合について説明したが、何れかをパラメータとして使用して余裕率を求めても良い。また、制御装置３では、複数のパラメータを使用して余裕率を設定する場合には、先ず何れかのパラメータに基づいて余裕率を設定し、当該設定した余裕率を他のパラメータに基づいて変化させる処理をする。更に、制御装置３では、燃料電池スタック１を構成する固体高分子膜の加湿状態を検出する湿度センサを水素極、空気極に設けている場合には、当該湿度センサからのセンサ信号を読み込み、湿度が低いほど余裕率を大きくするようにしても良い。
【００５２】
次のステップＳ７において、制御装置３では、上述したように原料流量を増減させている制御周期において、現在燃料電池スタック１に供給している原料流量から低下させる原料低減量を算出する。
【００５３】
ここで、燃料電池システムにおいて、図７（ｂ）に示すように原料流量を変化させた場合、図７（ａ）に示すように、発電電圧が低い時には変化が大きく、発電電圧が高い場合には変化が小さいという特性がある。すなわち、燃料電池システムでは、同じ分だけ原料流量を増減させても発電電圧によって電圧変化分が異なり、原料流量が所定量Ａ以上となると、原料流量の変化が電圧変化にほとんど寄与しない状態となる。したがって、燃料電池システムでは、原料流量が所定量Ａ以上としても発電電圧が上昇せずに、原料の無駄が発生することになる。
【００５４】
したがって、制御装置３では、図７に示すような特性から、図８に示すように、発電電圧に対する原料流量の変化（感度）の関係、すなわち現在の発電電圧からどの程度発電電圧が変化をするかを示す原料電圧感度関数を求めて予め記憶しておく。そして、制御装置３では、このステップＳ７において、原料電圧感度関数を用いて、原料流量を変化させた場合の発電電圧の変化を予測し、低減させる原料流量を算出する。これにより、制御装置３では、算出した原料流量とするように空気供給装置１０、水素供給装置４及び循環水素ポンプ９を制御して、原料流量を低減させる。
【００５５】
一方、発電電流の振動振幅が第１所定値以上及び第２所定値以上である場合のステップＳ８において、制御装置３は、発電電流の振動振幅が大きいので原料流量を増加するために、ステップＳ７と同様に、原料電圧感度関数を用いて原料流量を増加させる。これにより、制御装置３では、ステップＳ７の制御によって原料流量を低減させて、当該原料流量の低減量が多すぎた場合であっても、ステップＳ８の制御によって算出した原料流量とするように空気供給装置１０、水素供給装置４及び循環水素ポンプ９を制御して、原料流量を回復させる。
【００５６】
なお、上述した原料流量制御処理では、ステップＳ２にて発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅を用いて原料流量の増減を判定しているが、これに限らず、空気極出口に酸素濃度センサを設け、当該センサにより検出した酸素濃度が高い場合には原料流量を低減させ、酸素濃度が低い場合には原料流量を増加させても良い。更に、空気極出口に空気流量センサを設け、当該センサにより検出した空気流量が高い場合には原料流量を低減させ、空気流量が低い場合には原料流量を増加させても良い。
【００５７】
このような原料流量制御処理を行う制御装置３は、その機能ブロックを図９に示すように、ステップＳ１〜ステップＳ３，ステップＳ５の処理を行うことにより燃料電池スタック１の運転状態に基づいて原料流量を算出する原料流量算出部２１を構成し、ステップＳ４の処理を行うことにより原料流量低減限界値を設定する原料流量低減限界検出部２２を構成し、更にはステップＳ７及びステップＳ８の処理を行うことにより原料流量を算出して各部に制御信号を送る原料流量変更部２３を構成する。
【００５８】
また、この制御装置３は、その機能ブロックを図１０に示すように、燃料電池スタック１から目標値となる電圧を取り出すように負荷２を制御する負荷制御部２４を構成し、ステップＳ２の処理を行うことにより発電電流又は発電電圧に基づいて発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅を検出する振動振幅検出部２５を構成し、更にはステップＳ６の処理を行うことにより発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅、各セル電圧のばらつき、燃料電池スタック１の動作温度又は固体高分子膜の湿度に基づいて余裕率を算出する余裕率算出部２６を構成する。
【００５９】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電状態に基づいて、燃料電池スタック１に供給する原料流量を低減させる原料流量低減限界値を算出して原料流量を制御するので、現状の燃料電池スタック１の運転状態において可能な限り原料を節約して燃料電池スタック１を発電させて負荷２に電力供給をすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１に供給する原料の無駄を無くすと共に、安定して燃料電池スタック１を発電させることができる。
【００６０】
また、この燃料電池システムによれば、現状の燃料電池スタック１の運転状態として燃料電池スタック１から負荷２に取り出される発電電流の変化又は発電電圧の変化に基づいて原料流量低減限界値を算出するので、例えば図３に示すように発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅が大きくなって発電電流又は発電電圧の変化から燃料電池スタック１が不安定な発電をしないように、原料流量を低減させる原料流量低減限界値を設定することができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅を大きくしないように原料流量低減限界値を高めに設定して、原料流量を低減させる制御を実現することができる。
【００６１】
更に、燃料電池システムによれば、図４に示すように負荷２によって燃料電池スタック１から一定の電力を取り出すように制御して、原料流量を増減させている場合に、発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅に基づいて、原料流量低減限界値を算出するので、発電電流又は発電電圧を減少させてから増加させるポイントにおいて原料流量を原料流量低減限界値とすることができ、確実に原料流量を原料流量低減限界値に制御することができる。
【００６２】
更にまた、この燃料電池システムによれば、発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅と、燃料電池スタック１の動作状態とに基づいて、原料流量低減限界値を高くする程度を示す余裕率を算出するので、原料流量を原料流量低減限界値よりも高くすることができ、燃料電池スタック１の発電に影響する環境の変化に対してロバスト性を保持することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、例えば燃料電池スタック１の運転状態を検出するに際してノイズ等により原料流量低減限界値の設定に誤差が発生した場合であっても、原料流量を実際の限界値以下にすることを防止することができる。また、この燃料電池システムによれば、原料流量を下限値から増加させる場合に、制御の遅れにより実際の原料流量の変更に遅れが発生する場合であっても、原料流量を実際の限界値以下とすることを確実に防止することができる。
【００６３】
更にまた、この燃料電池システムによれば、発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅が大きいほど余裕率を大きくする処理をするので、原料流量を大幅に低減させたときに実際の原料流量の変更に遅れが発生した場合であっても、実際の原料流量が限界値以下となることを防止することができる。また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の動作温度が低いほど余裕率を大きくするので、燃料電池スタック１の動作温度が低く燃料電池スタック１の発電状態が不安定となりやすい場合に、実際の原料流量が限界値以下となることを防止することができる。更に、この燃料電池システムによれば、各セルの各セル電圧のばらつきが大きいほど余裕率を大きくするので、燃料電池スタック１内の原料の分布状態にばらつきがあるような場合に、発電電圧を下限以下にしないようにすることができる。更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の加湿が少ないほど余裕率を大きくするので、固体高分子膜の加湿が少なく、少ない環境に変化によって発電電圧が下限以下となるような状況であっても、発電電圧を下限以下にしないようにすることができる。
【００６４】
更にまた、この燃料電池システムによれば、原料流量低減限界値に基づいて原料流量を変更する場合に、現在の発電電圧に応じた原料流量の変化量に対する発電電圧の変化量を示す原料電圧感度関数に基づいて増減させる原料流量を算出して、原料流量を変更するので、原料流量の変化に対して発電電圧が大幅に変化して限界を超えることなく、原料流量の変化を過度に行うことを防止することができると共に、原料流量を低下させるときに流量の変化量が不足することを防止することができる。
【００６５】
更にまた、この燃料電池システムによれば、現在の発電電圧に応じた原料電圧感度関数を用いて原料流量を変更するので、原料流量を変化させたときの発電電圧の変化を予測して、原料を増減操作する場合の行き過ぎを防止することができ、原料流量の変化に対して発電電圧が大幅に変化して限界を超えることなく、原料流量の変化を過度に行うことを防止することができると共に、原料流量を低下させるときに流量の変化量が不足することを防止することができる。
【００６６】
更にまた、この燃料電池システムによれば、原料流量を低減させたことにより、燃料電池スタック１から排出される空気流量、又は排出された空気に含まれる酸素濃度が所定値より低くなった場合に、当該低減させた原料流量を原料流量低減限界値とするので、実際に燃料電池スタック１で行われる発電反応によって消費される空気や酸素の変化に応じて原料流量低減限界値を設定することができ、簡単に正確な原料流量低減限界値を設定することができる。
【００６７】
すなわち、この燃料電池システムにおいては、空気流量を低減した場合、燃料電池スタック１の発電反応でほとんどの酸素が消費されると排空気中の成分のほとんどが窒素になり、その場合、排空気中の酸素濃度が低下する。これに対し、燃料電池スタック１内部の酸素分布を均一に保って発電反応を効率的にするには、要求される発電量よりも余分の空気を燃料電池スタック１に供給する必要があり、排空気中の酸素濃度を所定値以上に保つ必要がある。したがって、燃料電池システムによれば、このような発電反応の特性を利用して、原料流量低減限界値を設定して原料流量を制御することができる。
【００６８】
更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１から取り出される発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅が第２所定値内となるように原料流量を増減させると共に、燃料電池スタック１から排出された空気流量、又は排出された空気に含まれる酸素濃度が所定の範囲内となるように原料流量を増減させるので、原料流量を原料流量低減限界値にまで低下させて原料を節約することができると共に、原料を原料流量低減限界値以下に低減することなく、更には、発電電圧を下限以下とすることを防止することができる。
【００６９】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明を適用した制御装置を含む燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した制御装置により行う原料流量制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】発電電流の振動振幅又は発電電圧の振動振幅と、第１所定値及び第２所定値との関係を説明するための図である。
【図４】一定電力が燃料電池スタックから負荷によって取り出されるときの発電電流、発電電圧及び原料流量の変化を説明するための図である。
【図５】セル電圧のばらつきと、余裕率との関係を示す図である。
【図６】燃料電池スタックの動作温度と、余裕率との関係を示す図である。
【図７】原料流量の変化に対する発電電圧の変化を説明するための図であって、（ａ）は発電電圧の時間的変化を示し、（ｂ）は原料流量の時間的変化を示す。
【図８】発電電圧と、原料流量を変化させたときの発電電圧の変化感度との関係を示す図である。
【図９】原料流量制御処理を行うことにより実現される制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１０】原料流量制御処理を行うことにより実現される制御装置の機能的な他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  燃料電池スタック
２  負荷
３  制御装置
４  水素供給装置
５  水素供給バルブ
６  水素供給用アクチュエータ
７  パージバルブ
８  パージ用アクチュエータ
９  循環水素ポンプ
１０  空気供給装置
１１  電圧センサ
１２  電流センサ
１３  温度センサ
１４  セル電圧測定装置
２１  原料流量算出部
２２  原料流量低減限界検出部
２３  原料流量変更部
２４  負荷制御部
２５  振動振幅検出部
２６  余裕率算出部
【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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