(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、
燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続されるカソード側の出口側流路であって、希釈器においてアノード側ガス出口から排気側へ接続されるアノード側の出口側流路と結合されるカソード側の出口側流路と、
入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、
燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムであって、
制御部は、
燃料電池に要求される出力電力から、燃料電池で消費されるガス量に基づいてカソード側ガス流量を算出し、燃料電池に要求される出力電力から、アノード側ガス出口とカソード側ガス出口との両方からの排気に含まれる燃料ガス量を算出してさらにその排気に含まれる燃料ガス量を所定の濃度に希釈するために必要なバイパス流路のガス流量を算出し、
予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度と算出されたバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める手段と、
予め求められている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、算出されたカソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める手段と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池運転システムにおいて、
燃料ガスを水素とし、
制御部は、
燃料電池に要求される出力電力から算出されるカソード側ガス出口の排気に含まれる燃料ガス量として、カソード側で発生する水素量であるポンピング水素量を求める手段と、
燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソード側ガス入口に供給するガス流量を求める手段と、
少なくとも求められたポンピング水素量に基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める手段と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池運転システムにおいて、
制御部は、
燃料電池の排気に含まれる燃料ガス量のうちアノード側の排気に含まれる燃料ガス量として、アノード側における未反応の燃料ガス流量である未反応水素流量を求める手段を有し、
バイパス流路に流すガス流量を求める手段は、
ポンピング水素量と、アノード側における未反応水素流量とに基づいて、バイパス流路に流すガス流量を求めることを特徴とする燃料電池運転システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池運転システムにおいて、
制御部は、さらに、
求められた調整弁の開度の下で運転された燃料電池の実際の発電出力と、燃料電池に要求された出力電力との偏差に基づいて、調整弁の開度を補正する手段を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池運転システムにおいて、
ポンピング水素量を求める手段は、燃料電池の電流値と、燃料電池の電気化学反応の理論的なエア必要量に対する増量係数であるストイキ値とに基づいてポンピング水素量を求めることを特徴とする燃料電池運転システム。
【請求項６】
燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、
燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続されるカソード側の出口側流路であって、希釈器においてアノード側ガス出口から排気側へ接続されるアノード側の出口側流路と結合されるカソード側の出口側流路と、
入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、
燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法であって、
燃料ガスを水素として、
燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池内部においてカソード側のポンピング水素量を求める工程と、
アノード側における未反応の燃料ガス流量である未反応水素流量を求める工程と、
燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソード側ガス入口に供給するガス流量を求める工程と、
求められたポンピング水素量と未反応水素流量とに基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める工程と、
予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める工程と、
予め求められている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、カソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める工程と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法において、
ポンピング水素量を求める工程は、燃料電池の電流値と、燃料電池の電気化学反応の理論的なエア必要量に対する増量係数であるストイキ値とに基づいてポンピング水素量を求めることを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法に係り、特に水素を燃料ガスとする燃料電池においてカソード側に酸化ガスの流れを調整する弁を有する燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、固体電解質膜及び触媒層の積層体である膜積層体（Ｍｅｍｂｒａｍｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を挟んでアノード側に燃料ガスとしての水素を供給し、カソード側に酸化ガスとしての空気を供給するシステムが周知である。この燃料電池運転システムでは、ＭＥＡを含むセル内部において、水素と、空気中の酸素との反応によって電力を発生するとともに、カソード側から反応生成物としての水が排出される。カソード側に供給する空気の量を調整するため、燃料電池のカソード側出口に背圧バルブ、あるいは調圧弁と呼ばれる調整弁が設けられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、高価なバッテリパックを用いない燃料電池車両用の回生制動システムが開示され、ここでは、燃料電池のカソード側出口と大気開放端との間に背圧バルブが設けられ、また圧縮空気を供給するコンプレッサとカソードとの間に、大気開放端へのバイパスのための３方弁であるバイパスバルブが設けられている。そして、回生制動の際には、背圧弁を閉じ、バイパス弁を調整し、エアコンプレッサのコンプレッサ負荷を調節して、人工損を発生させ回生トルクを調節することが述べられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８０００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に述べられるバイパス弁は、バッテリパックを用いない燃料電池において回生制動を行わせるために利用されている特別な場合であるが、その他に、バイパス弁は水素ガスを希釈して大気に排気するための希釈ガスの供給のために用いられている。すなわち、ＭＥＡは膜の積層体であるので、アノード側からカソード側に水素が一部漏れることがあり、この漏れてきた水素と、アノード側における未反応の水素は、空気でもって希釈され排出される。そこで、バイパス弁によって、酸化ガスでもある空気は、セルにおける反応のためのガスと、希釈のためのガスとに振り分けられる。
【０００６】
このように、水素を燃料ガスとする燃料運転システムにおいては、水素ガスの供給、空気の供給とともに、いくつかの弁の操作によって、適切な発電電力の取り出しと、発電反応物の水の排水とともに排気の希釈等が行われている。
【０００７】
燃料電池運転システムにおけるこれらの弁については、燃料電池に要求される発電電力等に基づき、ガス流路の圧力センサ等の検出結果を用いて、弁の開度指令を算出し、制御が行われる。
【０００８】
ところで、圧力センサ等は、低温において作動しなくなることがある。このような場合には、弁の開度指令算出を行うことができなくなる。
【０００９】
本発明の目的は、圧力センサ等を用いることなく、弁の開度指令を算出することができる燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池運転システムは、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続されるカソード側の出口側流路であって、希釈器においてアノード側ガス出口から排気側へ接続されるアノード側の出口側流路と結合されるカソード側の出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムであって、制御部は、燃料電池に要求される出力電力から、燃料電池で消費されるガス量に基づいてカソード側ガス流量を算出し、燃料電池に要求される出力電力から、アノード側ガス出口とカソード側ガス出口との両方からの排気に含まれる燃料ガス量を算出してさらにその排気に含まれる燃料ガス量を所定の濃度に希釈するために必要なバイパス流路のガス流量を算出し、予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度と算出されたバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める手段と、予め求められている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、算出されたカソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、燃料ガスを水素として、制御部は、燃料電池に要求される出力電力から算出されるカソード側ガス出口の排気に含まれる燃料ガス量として、カソード側で発生する水素量であるポンピング水素量を求める手段と、燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソード側ガス入口に供給するガス流量を求める手段と、少なくとも求められたポンピング水素量に基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める手段と、を有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、制御部は、燃料電池の排気に含まれる燃料ガス量のうちアノード側の排気に含まれる燃料ガス量として、アノード側における未反応の燃料ガス流量である未反応水素流量を求める手段を有し、バイパス流路に流すガス流量を求める手段は、ポンピング水素量と、アノード側における未反応水素流量とに基づいて、バイパス流路に流すガス流量を求めることを特徴とすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、制御部は、さらに、求められた調整弁の開度の下で運転された燃料電池の実際の発電出力と、燃料電池に要求された出力電力との偏差に基づいて、調整弁の開度を補正する手段を有することが好ましい。
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、ポンピング水素量を求める手段は、燃料電池の電流値と、燃料電池の電気化学反応の理論的なエア必要量に対する増量係数であるストイキ値とに基づいてポンピング水素量を求めることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法は、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続されるカソード側の出口側流路であって、希釈器においてアノード側ガス出口から排気側へ接続されるアノード側の出口側流路と結合されるカソード側の出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法であって、燃料ガスを水素として、燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池内部においてカソード側のポンピング水素量を求める工程と、アノード側における未反応の燃料ガス流量である未反応水素流量を求める工程と、燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソード側ガス入口に供給するガス流量を求める工程と、求められたポンピング水素量と未反応水素流量とに基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める工程と、予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める工程と、予め求められている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、カソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法において、ポンピング水素量を求める工程は、燃料電池の電流値と、燃料電池の電気化学反応の理論的なエア必要量に対する増量係数であるストイキ値とに基づいてポンピング水素量を求めることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、燃料電池運転システムは、カソード側において、調整弁が入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、バイパス弁が燃料電池と並列に、入口側流路と出口側流路を接続するように設けられる。そして、予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求め、予め求められている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧とカソード側ガス流量とを適用して調整弁の開度を求める。したがって、圧力センサ等を用いることなく、弁の開度指令を求めることができる。
【００１７】
予め求められていた特性にガス流量等を適用するには、特性を計算式の形式で表わし、ガス流量等を入力して調整弁の開度等を算出させてその結果を出力させてもよく、あるいは特性をルックアップテーブルの形式で表わし、ガス流量等を入力して調整弁の開度等を読み出して取得してもよい。また、これらの変換形式をＲＯＭ等に内蔵させ、ガス流量等を入力とし、調整弁の開度等を出力として取得することでもよい。
【００１８】
また、燃料ガスを水素として、燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池の内部においてカソード側のポンピング水素量を求め、燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソード側ガス入口に供給するガス流量を求め、求められたポンピング水素量に基づき、水素希釈のためにバイパス流路に流すガス流量を求める。したがって、バイパス弁の特性に入力するバイパスガス流量も、圧力センサ等を用いることなく求めることができる。これらの求め方も、計算式の形式に入力データを適用し所望の出力値を算出してもよく、ルックアップテーブルの形式を用いて入力データに対する出力データを取得してもよく、あるいはＲＯＭ等を用いて入力データを所望の出力データに変換させてもよい。
【００１９】
また、燃料ガスを水素として、バイパス流路に流すガス流量は、ポンピング水素量と、アノード側における未反応水素流量とに基づいて求めるものとするので、ポンピング水素と、アノード側で未反応水素として排出されるガスの両方を希釈する場合のバイパスガス流量も、圧力センサ等を用いることなく求めることができる。
【００２０】
また、求められた調整弁の開度の下で運転された燃料電池の実際の発電出力と、燃料電池に要求された出力電力との偏差に基づいて、調整弁の開度を補正することとするので、弁の開度のずれをフィードバックにより補正することができる。
また、燃料電池の電流値と、燃料電池の電気化学反応の理論的なエア必要量に対する増量係数であるストイキ値とに基づいてポンピング水素量を求めることとするので、ポンピング水素量も、圧力センサ等を用いることなく求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は燃料電池運転システム１０の構成図である。燃料電池運転システム１０は、システム本体部２０と、システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御部７０と、燃料電池の発電量を指示する要求発電量入力部６６と、制御部７０において用いるデータ変換用マップを記憶するマップ記憶部６８を含んで構成されている。
【００２２】
システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガスである水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される酸化ガスである空気供給のための各要素を含んで構成される。
【００２３】
アノード側の燃料ガス供給源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。燃料ガス供給源２４は、レギュレータ２６に接続される。レギュレータ２６は、燃料ガス供給源２４からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ２６の出力口に設けられる圧力計２８は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ２６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された水素ガスが燃料電池スタック２２に供給される。
【００２４】
燃料電池スタック２２のアノード側出口から排出されるガスは、発電で水素が消費されて水素濃度が低くなり、また、ＭＥＡを通してカソード側の空気の成分である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなっている。また、ＭＥＡを通して、反応生成物の水も透過してくる。
【００２５】
燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器３２は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３４を通して希釈器６４に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器３２の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３０は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００２６】
カソード側の酸化ガス供給源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス供給源４０である大気（エア）はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。フィルタ４２の後に設けられる流量計４４は、酸化ガス供給源４０からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ４２の後に設けられる温度計４６は、酸素ガス供給源４０からのガスの温度を検出する機能を有する。
【００２７】
エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４８は、モータ５０によって酸化ガスである空気を容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ（４８）は、制御部７０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータ５０の回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータ５０の回転速度を下げる。ＡＣＰ消費電力検出部５２は、ＡＣＰ（４８）の消費電力、具体的にはモータ５０の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モータ５０は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。
【００２８】
このように燃料電池スタック２２のカソード側には酸化ガスとしての空気がＡＣＰ（４８）によって制御部７０の制御の下で供給される。すなわちここでは、酸化ガスと、空気、あるいはエアとは、同義語である。したがって、酸化ガス供給源４０からＡＣＰ（４８）までの要素を、酸化ガス供給装置と呼ぶことができる。
【００２９】
加湿器５４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５４に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。すなわち、加湿器５４は、ＡＣＰ（４８）からのガスが流れる流路と、水蒸気が流れる流路との間でガス交換できる構成となっている。例えば、中空糸の内側流路をＡＣＰ（４８）からの酸化ガスの流路とし、中空糸の外側流路を燃料電池スタック２２のカソード側出口からの水蒸気とすることで、燃料電池スタック２２のカソード側入口への酸化ガスを適度に湿らせることができる。
【００３０】
ここで、上記の酸化ガス供給装置と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。
【００３１】
出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計５６は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調整弁６０は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。なお、調整弁６０は、場合によっては入口側流路に設けられるものとしてもよい。
【００３２】
調整弁６０の出力口は、上記の加湿器５４に接続されるので、調整弁６０を出たガスは加湿器５４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器６４に入り、その後外部に排出される。
【００３３】
バイパス弁６２は、入口側流路と出口側流路を接続して燃料電池スタック２２と並列に配置されるバイパス流路に設けられる弁で、主に、排気における水素濃度を希釈するための空気を希釈器６４に供給する機能を有する。すなわち、バイパス弁６２を開くことで、ＡＣＰ（４８）からの酸化ガスを、燃料電池スタック２２へ流れる成分とは別に、燃料電池スタック２２を流れずにバイパス流路を経由して、希釈器６４に供給することができる。バイパス弁６２としては、エンジンの排気ガス希釈のために用いられる排気バイパス弁と同様な構成のものを用いることができる。
【００３４】
希釈器６４は、アノード側の排気バルブ３４からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。そして、水素濃度が適当な濃度を超えるときは、バイパス弁６２を開けることで燃料電池スタック２２を経由せずに提供される酸化ガスを用いてさらに適度な希釈を行うことができる。
【００３５】
制御部７０は、システム本体部２０の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。制御部７０は、特に、燃料電池の運転状況に応じて弁の開度指令を求めるための機能を有する。燃料電池運転システム１０のカソード側には調整弁６０とバイパス弁６２が設けられているが、その弁の開度を求める前提として、ＡＣＰ（４８）から供給される酸化ガス（空気）の総量を全エア送気量とし、その全エア送気量を、燃料電池スタック２２のカソード側に供給されるＦＣエア量と、バイパス流路に流すバイパスエア量に配分する。そして、調整弁６０とバイパス弁６２の開度指令は、ＦＣエア量とバイパスエア量とに応じて求められる。
【００３６】
すなわち、制御部７０は、弁開度指令を求めるために、カソード側のポンピング水素量を求めるポンピング水素量取得モジュール７２と、全エア送気量を求める全エア送気量算出モジュール７４と、ＦＣエア量算出モジュール７６と、バイパスエア量算出モジュール７８と、バイパス弁６２の両端の圧力差を求める入口出口差圧取得モジュール８０と、調整弁の開度等を求める調整弁開度取得モジュール８２と、調整弁の開度をＦＣ発電量からフィードバックして補正する調整弁開度フィードバックモジュール８４を含んで構成される。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム、あるいはそれに含まれる弁凍結防止プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。
【００３７】
なお、ここで、所望のデータを求める機能について、算出と取得というように表現を変えたのは、演算を用いて所望値を算出する機能と、後述のように、マップ記憶部６８からの特性マップを用いて入力データを出力データに変換して所望値を取得する機能とを区別するためである。
【００３８】
要求発電量入力部６６は、燃料電池運転システム１０に対し、ＦＣ発電電力をいくらにするかの設定値を入力する機能を有する。具体的には、キーボード等の手入力手段を用いることができ、また、車両用の燃料電池運転システム等にあっては、図示されていない車両運行制御部からの指令を受け取る手段とすることができる。後者の場合は、車両の運行状況に応じて、車両運行制御部から自動的に要求発電量が要求発電量入力部６６に伝送される。
【００３９】
マップ記憶部６８は、制御部７０の弁開度を求める機能を実行するために必要なマップを記憶する記憶装置で、半導体メモリ等で構成することができる。マップというのは、複数の変数を用いて所定の関数関係で表現される特性を、ルックアップテーブル等の表現形式で表わしたもので、変数を入力データとして、それに対応する特性値を出力データとして読み出すことができるものである。このように、マップは、入力データから出力データへの変換手段の１つの種類である。したがって、ルックアップテーブルの表現形式以外でもよく、例えば、特性を計算式の形式で表わし、変数を入力データとすれば、それに対応する特性値が出力されるものであってもよい。マップ記憶部６８は、例えばＲＯＭテーブルの形式で構成することができる。
【００４０】
マップ記憶部６８には、複数のマップが記憶される。１つ目は、エア量に対するストイキマップである。ストイキマップとは、燃料電池において理論的に反応するのに必要なエアの理論必要量に対し、実用上どれ位増量するかを、燃料電池の温度と、ＦＣ発電電力、より具体的にはＦＣ電流を変数として、係数テーブル形式で表わすものである。
【００４１】
２つ目は、ポンピング水素量マップである。ポンピング水素量マップは、燃料電池反応において、カソード側における水素量を、ＦＣ電流を変数としてテーブル形式で表わすものである。
【００４２】
３つ目は、調整弁開度マップである。調整弁開度マップは、調整弁の開度指令値を、ＦＣエア量と、入口出口差圧とを変数として、テーブル形式で表わすものである。ここで入口出口差圧とは、燃料電池スタック２２のカソード側入口のガス圧と、カソード側出口のガス圧との差である。図１で説明したように、バイパス弁６２は、燃料電池スタック２２のカソード側入口と出口とに並列に配置されるので、ここで入口出口差圧とは、バイパス弁６２の上流と下流との間の圧力差であるバイパス弁差圧と同じと見ることができる。以下では、入口出口差圧を、バイパス弁差圧と、燃料電池スタック２２のカソード側における入口と出口との間の差圧とを区別せずに述べる。各マップの内容の詳細については、燃料電池システムの動作の説明の中で述べる。
【００４３】
かかる構成の燃料電池運転システム１０の動作、特に制御部７０の各機能につき、図２から図７を用いて詳細に説明する。図２は、燃料電池運転システム１０において、全エア送気量、ＦＣエア量、バイパスエア量、調整弁開度、バイパス弁開度、燃料電池の温度、ＦＣ電流の関係を示す図である。図３は、燃料電池運転システム１０におけるＦＣ電流の制御に関するブロックダイヤグラムである。図４はストイキマップ値に関するマップを説明する図であり、図５はポンピング水素量に関するマップを説明する図であり、図６は調整弁開度に関するマップを説明する図である。図７は、バイパス弁開度に関して、バイパス弁を全開にすることを説明する図である。
【００４４】
図２は、図１の構成図を簡略化したものの中に、図３で用いる各要素を示したものである。ここで示されるように、ＡＣＰ（４８）から供給される圧縮エアの総量が全エア送気量で、全エア送気量のうち、燃料電池スタック２２のカソード側に供給される量がＦＣエア量である。そして全エア送気量の中で、バイパス弁６２を経由して流れる量がバイパスエア量である。したがって、全エア送気量＝ＦＣエア量＋バイパスエア量である。そして、調整弁６０に対する開度指令値が調整弁開度であり、バイパス弁６２に対する開度指令値がバイパス弁開度である。燃料電池スタック２２から燃料電池反応によって取り出される発電電流がＦＣ電流である。なお、燃料電池の温度は、ＡＣＰ（４８）に供給されるエアの温度として与えられる。
【００４５】
図３は、燃料電池運転システム１０におけるＦＣ電流制御のブロックダイヤグラムを示すものである。ここでは、２つの制御方式が取られていることが示される。１つは、ＦＣ電流指令値１００を入力指令値として与えられるとき、全エア送気量指令値１４０、調整弁開度指令値１４２、バイパス弁開度指令値１４４を出力指令値として出力して、それぞれＡＣＰ（４８）、調整弁６０、バイパス弁６２に与えられる、いわゆるオープンループのフィードフォワード制御である。もう１つは、これらのフィードフォワード制御の結果として得られるＦＣ電流値１０２をＦＣ電流指令値１００と比較し、その偏差をＰＩ制御によって調整弁開度に戻すフィードバック制御である。後述のように、バイパス弁開度は、全開とすることが好ましいので、図３の制御ブロックダイヤグラムは、実質的に調整弁開度の制御を表わしている。
【００４６】
図３は、大別して２つの部分に分けて考えることができる。前半部分は、全エア送気量算出工程１２０と、ＦＣエア量算出工程１２２と、バイパスエア量算出工程１２６とを実行する部分である。後半部分は、算出されたＦＣエア量とバイパスエア量とに基づいて、調整弁開度指令値１４２とバイパス弁開度指令値１４４等を求める部分である。以下、図３にしたがって、調整弁開度指令値を求める手順等につき説明する。
【００４７】
最初に、入力データとして、ＦＣ電流指令値１００が与えられる。ＦＣ電流指令値１００は、燃料電池スタック２２において発電されて出力される発電電流の指令値で、発電目標値に相当する。ＦＣ電流指令値１００は、要求発電量入力部６６から手動により入力され、あるいは車両等、燃料電池運転システム１０からの電力供給対象の運行状況にしたがって伝送されるデータを自動的に受け取って取得される。
【００４８】
ＦＣ電流指令値１００が与えられると、ストイキマップ１１０と、ポンピング水素量マップ１１２を用いて、ポンピング水素量が取得される。具体的には、制御部７０のポンピング水素量取得モジュール７２の機能により、ＦＣ電流指令値１００が与えられると、マップ記憶部６８を検索し必要なマップを用いて、ポンピング水素量を取得する。
【００４９】
図４はストイキマップの例を示す図である。ストイキマップ１１０は、２つの入力データからストイキマップ値を読み出すテーブルである。２つの入力データは、ＦＣ電流と燃料電池の温度である。したがって、ＦＣ電流のデータとしてＦＣ電流指令値を用い、燃料電池の温度として、温度計４６によって検出されるＡＣＰ（４８）に供給されるエアの温度を用い、ストイキマップ１１０を参照することで、その（ＦＣ電流、温度）におけるストイキマップ値を取得できる。ストイキマップ値は、理論的なエア必要量に対する増量係数である。図４に示されるように、ＦＣ電流が少なく、温度が低温のときにはストイキマップ値が１にとられることが多い。
【００５０】
図５は、ポンピング水素量マップ１１２を説明する図である。ポンピング水素とは、カソード側における水素のことで、その量は、ＦＣ電流に関係し、ＦＣ電流が大きいほどポンピング水素量が増加することが知られ、実験的にその関係式が求められる。図５（ａ）はその関係式の例を示す図である。ＦＣ電流は、燃料電池に要求される出力電力に基づいて定まるので、要求発電量入力部６６から取得された要求出力電力に基づいて、以下のようにポンピング水素量を求めることができる。
【００５１】
ポンピング水素量マップ１１２は、図５（ｂ）に示されるもので、２つの入力データからポンピング水素量を読み出すテーブルである。２つの入力データは、ＦＣ電流指令値とストイキマップ値である。ポンピング水素量マップ１１２は、図５（ａ）で説明した経験的関係式を基礎に、ＦＣ電流値をＦＣ電流指令値に置き換え、さらにストイキマップ値の補正を加えて作成することができる。ＦＣ電流指令値もストイキマップ値もすでに取得されているので、ポンピング水素量マップ１１２を読み出せば、そのＦＣ電流指令値の下でのポンピング水素量を取得することができる。なお、ポンピング水素量は、例えばＮＬ／ｍｉｎ（毎分ノルマルリットル）のような流量の単位で取得される。
【００５２】
再び図３に戻り、ポンピング水素量が取得されると、次に全エア送気量算出工程１２０が実行される。具体的には、全エア送気量算出モジュール７４の機能により、ポンピング水素量と、排気されるべき目標水素濃度と、燃料電池スタック２２で消費されるエアの量等から、必要な全エア量が算出される。カソード側におけるポンピング水素量とアノード側における未反応水素流量と、目標水素濃度から、ポンピング水素量とアノード側における未反応水素流量を希釈して目標水素濃度にするために必要な希釈用エア量が求まり、これはバイパスエア量に相当する。そして燃料電池スタック２２で消費されるエアの量はＦＣエア量に相当する。したがって、バイパスエア量とＦＣエア量とをそれぞれ計算し、それを合計すれば全エア送気量を求めることができる。
【００５３】
低効率発電モードのように、ポンピング水素量が多く、したがってバイパスエア量がＦＣエア量に比べ十分に大きい場合には、より簡単な方法で全エア送気量を算出できる。すなわち、全エア送気量＝ポンピング水素量×（１００％／目標排気水素濃度）×安全率を用いることができる。目標排気水素濃度は、経験的に求められる値を用いることができ、安全率を、近似計算の誤差を吸収できる十分な値にすることで、全エア送気量を安全な値として簡易的に求めることができる。求められた全エア送気量は、そのままＡＣＰ（４８）に対する全エア送気量指令値１４０とされる他、その後の調整弁開度算出等の処理に用いられる。
【００５４】
ＦＣエア量算出工程１２２は、ＦＣエア量算出モジュール７６の機能により、燃料電池スタック２２で消費されるエアの量に、ストイキマップ値を乗じて実行される。燃料電池スタック２２で消費される酸素の量は、ＦＣ電流値を与えることで、燃料電池の化学反応式から理論的に求めることができる。これから、ＦＣ酸素消費量／ＦＣ電流値を求め、これを空気に含まれる酸素の成分比である０．２１で除して、ＦＣエア消費量を求めることができる。ＦＣエア量は、このＦＣエア消費量にストイキマップ値を乗じて算出される。したがって、ＦＣ電流指令値１００が与えられれば、ストイキマップ１１０を用いてＦＣエア量を算出できる。
【００５５】
バイパスエア量算出工程１２６は、全エア送気量算出工程１２０によって得られた全エア送気量と、ＦＣエア量算出工程１２２によって得られたＦＣエア量とを、減算処理１２４することで実行される。すなわち、減算処理１２４によって、バイパスエア量＝全エア送気量−ＦＣエア量の演算が実行され、バイパスエア量が算出される。
【００５６】
このようにして、全エア送気量と、ＦＣエア量と、バイパスエア量とが算出され、つぎに、これらを用いて調整弁開度指令値１４２とバイパス弁開度指令値１４４等が求められる。
【００５７】
調整弁６０とバイパス弁６２は共に、燃料電池スタック２２のカソード側に供給されるエアの圧力、流量に影響を与えるので、調整弁開度指令値１４２と、バイパス弁開度指令値１４４とは、共にＦＣエア量とバイパスエア量との兼ね合いで求められる。すなわち、バイパス弁６２は、燃料電池スタック２２のカソード側のガス入口とガス出口に並列に配置されるので、バイパス弁６２を流れるバイパスエア量を規定するバイパス弁６２の両端間の圧力差は、燃料電池スタック２２のカソード側のガス入口とガス出口との間の圧力差でもある。一方で調整弁６０は、カソード側のガス出口に設けられ、その出口圧力と、調整弁６０の開度に依存して、その出口流量、すなわちＦＣエア量が定まる。このような相互依存関係にしたがって、ＦＣエア量とバイパスエア量が求められると、その双方によって、調整弁６０の開度とバイパス弁６２の開度が定められる。
【００５８】
調整弁開度指令値１４２は、第１段階として調整弁開度マップ１１４を用いて調整弁開度を求め、第２段階として、これに対する補正を加えることで求められる。第１段階は、調整弁開度マップ１１４を用いて、調整弁開度が求められる。図６は、調整弁開度マップ１１４を説明する図である。
【００５９】
図６（ａ）は、バイパス弁６２の流量特性を示す図で、バイパス弁６２を流れるガス量であるバイパスエア量を横軸に取り、縦軸にバイパス弁６２の両端間の圧力差である入口出口差圧を取ってある。パラメータはバイパス弁６２の開度である。この図に示されるように、バイパス弁開度とバイパスエア量とが与えられれば、バイパス弁６２の入口出口差圧は一義的に求められる。
【００６０】
図６（ｂ）は、燃料電池スタック２２のカソード側ガス入口から調整弁６０の出口までの部分の総合的な流量特性を示す図である。ここでは、総合的な流量特性曲線を、燃料電池スタック２２の入口出口差圧を横軸に取り、縦軸に調整弁の開度を取って示されている。パラメータはＦＣエア量である。ここで総合的な流量特性とは、上記のように、燃料電池スタック２２のカソード側ガス入口から調整弁６０の出口までの部分の流量特性であるので、燃料電池のカソード側の流量特性と、調整弁６０の流量特性の両方の特性に基づくものである。この図からわかるように、ＦＣエア量と入口出口差圧を与えることで、調整弁６０の開度は一義的に求められる。ここで上記のように、燃料電池スタック２２の入口出口差圧は、バイパス弁６２の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧と同じである。
【００６１】
したがって、図６（ａ）と（ｂ）とから、バイパス弁の開度と、バイパスエア量と、ＦＣエア量とを与えれば、調整弁６０の開度が一義的に求められることが分かる。特に、バイパス開度を固定、例えば全開とすれば、調整弁開度はバイパスエア量と、ＦＣエア量とから求めることができる。図６（ｃ）は、バイパス弁開度を全開としたときの調整弁開度マップ１１４の例を示す図である。調整弁開度マップ１１４は、ＦＣエア量とバイパスエア量の２つの入力データから調整弁開度を読み出すテーブルである。バイパス弁開度が全開でない場合にも、所定のバイパス弁開度ごとに調整弁開度マップを作成することができる。
【００６２】
このようにして、ＦＣエア量とバイパスエア量とから取得された調整弁開度は、そのまま調整弁開度指令値１４２として、図示されていない調整弁駆動機構に与えられ、その指令値によって調整弁６０が駆動されて所定の開度に設定される。
【００６３】
バイパス弁開度マップ１１６も、調整弁開度マップ１１４と同様に、調整弁開度ごとに、ＦＣエア量とバイパスエア量の２つの入力データからバイパス弁開度を求めるものとして作成できる。求められたバイパス弁開度は、図示されていないバイパス弁駆動機構に与えられ、その指令値によってバイパス弁６２が駆動されて所定の開度に設定される。
【００６４】
特に、低効率発電モードのように、バイパスエア量がＦＣエア量に比べて多い場合には、バイパス弁６２の開度を全開とすることがよい。その理由について、図７を用いて説明する。
【００６５】
図７は、一例として、調整弁６０とバイパス弁６２の単体の流量特性を示すもので、ここでは、バイパス弁６２のエア量は調整弁６０のエア量の約５倍に取ってある。その流量一定の条件を満たすための各弁の１次圧と各弁の有効断面積との関係を図７に示してある。ここで、１次圧とは、各弁のガス入口側の圧力で、図１におけるバイパス弁６２について言えば、ＡＣＰ（４８）の吐出圧に相当する。また弁の有効断面積とは、その開度における弁のエアが流れる断面積で、その弁の全開断面積に開度を乗じたものである。図７の例において、調整弁６０を流れるエア量の約５倍のエア量をバイパス弁６２に流すには、１次圧が同じならば、バイパス弁６２の有効断面積が調整弁６０の有効断面積の約５倍必要であることが分かる。つまり、バイパス弁６２は、調整弁６０に対し大型化する。また、バイパス弁６２を小型にするには、１次圧を大きくすればよいことも図７より分かる。つまり、ＡＣＰ（４８）の吐出圧を高めればよい。
【００６６】
このように、バイパスエア量がＦＣエア量に比べて多い場合には、バイパス弁が大型化する。これを抑制するためにはＡＣＰ（４８）の吐出圧を高めればよいが、それにも限度がある。したがって、バイパス弁６２の大型化を抑制するには、バイパス弁６２を全開とし、バイパスエア量、ＦＣエア量の調整は、もっぱら調整弁６０の開度調節で行うことがよい。この場合には、バイパス弁開度指令値１４４は、全開とされ、実質上のＦＣ電流制御は、全エア送気量指令値１４０と調整弁開度指令値１４２とを可変することで行われる。
【００６７】
上記のようにして、全エア送気量指令値１４０、調整弁開度指令値１４２、バイパス弁開度指令値１４４が求められると、それによって燃料電池運転システム１０において酸化ガスの制御が行われ、燃料電池スタック２２において発電反応が行われる。燃料電池スタック２２からＦＣ発電電力が出力されると、その実際のＦＣ電流値１０２が、目標値であるＦＣ電流指令値１００と比較される。そしてその比較の結果の偏差に応じ、調整弁開度に対する補正量を算出するフィードバック量算出工程１２８が実行される。算出されたフィードバック量は、調整弁開度マップ１１４によって取得された調整弁開度の値に補正されて、新しい調整弁開度指令値１４２として更新される。このように、適当なフィードバックタイミングごとに、調整弁開度が補正されて、調整弁開度指令値が更新される。
【００６８】
以上説明したように、ＦＣ電流指令値が与えられると、圧力センサ等を用いることなく、予め求められた特性マップを用いて、全エア送気量、バイパスエア量、ＦＣエア量を求めることができる。また、バイパス弁の流量特性と、燃料電池スタックと調整弁の総合的な流量特性とを、予め求めておき、その特性マップを用いて、バイパス弁の開度に応じて、調整弁開度指令値を求めることができる。特に、バイパス弁開度を全開として、調整弁指令値を求めることができる。また、実際のＦＣ電流値をＦＣ電流指令値と比較して、その偏差に基づき、調整弁開度を補正することができる。このように、圧力センサ等を用いなくても、調整弁開度指令を求めることができるので、特に、低温下における燃料電池の運転の場合に有効である。また、低温下における低効率発電モードにおいて、さらに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃料電池運転システムの構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、各エア量、各弁の開度等の関係を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、ＦＣ電流の制御に関するブロックダイヤグラムである。
【図４】本発明に係る実施の形態において、ストイキマップを説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、ポンピング水素量マップを説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、調整弁開度マップを説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、バイパス弁開度に関して、バイパス弁を全開にすることを説明するための図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  燃料電池運転システム、２０  システム本体部、２２  燃料電池スタック、２４  燃料ガス供給源、２６  レギュレータ、２８，５６  圧力計、３０  循環昇圧器、３２  分流器、３４  排気バルブ、４０  酸化ガス供給源、４２  フィルタ、４４  流量計、４６  温度計、４８  ＡＣＰ、５０  モータ、５２  ＡＣＰ消費電力検出部、５４  加湿器、６０  調整弁、６２  バイパス弁、６４  希釈器、６６  要求発電量入力部、６８  マップ記憶部、７０  制御部、７２  ポンピング水素量取得モジュール、７４  全エア送気量算出モジュール、７６  ＦＣエア量算出モジュール、７８  バイパスエア量算出モジュール、８０  入口出口差圧取得モジュール、８２  調整弁開度取得モジュール、８４  調整弁開度フィードバックモジュール、１００  ＦＣ電流指令値、１０２  ＦＣ電流値、１１０  ストイキマップ、１１２  ポンピング水素量マップ、１１４  調整弁開度マップ、１１６  バイパス弁開度マップ、１２０  全エア送気量算出工程、１２２  ＦＣエア量算出工程、１２４  減算処理、１２６  バイパスエア量算出工程、１２８  フィードバック量算出工程、１４０  全エア送気量指令値、１４２  調整弁開度指令値、１４４  バイパス弁開度指令値。
【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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