(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、
カソード側の出口側流路からのガスとアノード側における排気流路からのガスとをバイパス流路からのガスで希釈して外部に排出する希釈器と、
燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
燃料電池の温度が低温のときに、燃料電池を昇温させるために、未反応水素濃度が高くなるが燃料電池反応を低効率となる条件で運転する低効率発電を行わせる場合に、
低効率発電の要求発電量に対応して燃料電池に供給する酸化ガス量を確保し、低効率発電のためにアノード側からカソード側に漏れてくるポンピング水素量を希釈するのに必要なバイパス流路に供給する酸化ガス量を確保するために、調整弁の開度の調整とともにバイパス弁の開度を調整し、燃料電池に供給する酸化ガス量とバイパス流路に供給する酸化ガス量との流量比を変化させる制御を行う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、
制御部は、さらに、
燃料電池の温度が、低効率発電を行う必要がなく通常運転に適しているとされる所定温度を超えるか否かを判断する手段と、
所定温度を超えるときに燃料電池を起動し、アノード側の燃料ガス濃度の一時的な上昇に対応してバイパス弁の開度を制御して燃料ガス希釈処理を行う手段と、
燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度が所定値以下となるとき、バイパス弁を全閉とし調整弁の開度を制御して燃料電池の通常運転制御を行う手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池運転システム。
【請求項３】
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、
カソード側の出口側流路からのガスとアノード側における排気流路からのガスとをバイパス流路からのガスで希釈して外部に排出する希釈器と、
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の協調制御方法であって、
燃料電池の温度が、低効率発電を行う必要がなく通常運転に適しているとされる所定温度を超えるか否かを判断する工程と、
所定温度を超えるときに燃料電池を起動し、アノード側における燃料ガス濃度の一時的な上昇に対応してバイパス弁の開度を制御して燃料ガス希釈処理を行う工程と、
燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度が所定値以下となるとき、バイパス弁を全閉とし調整弁の開度を制御して燃料電池の通常運転制御を行う工程と、
所定温度以下のときに、燃料電池を昇温させるために、未反応水素濃度が高くなるが燃料電池反応を低効率となる条件で運転する低効率発電を行わせ、低効率発電の要求発電量に対応して燃料電池に供給する酸化ガス量を確保し、低効率発電のためにアノード側からカソード側に漏れてくるポンピング水素量を希釈するのに必要なバイパス流路に供給する酸化ガス量を確保するために、調整弁の開度の調整とともにバイパス弁の開度を調整し、燃料電池に供給する酸化ガス量とバイパス流路に供給する酸化ガス量との流量比を変化させる工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁の協調制御方法。
【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の協調制御方法に係り、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の協調制御方法に関する。
【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いては、上記のようにいくつかの弁が操作される。そして、調整弁はセルにおける反応のためのガス量を調節して発電量を制御するために用いられ、バイパス弁は例えば希釈ガスの供給のために用いられる等、各弁の役割と機能が分担されている。しかし、これらの弁を協調的に制御し、例えば複数の弁のそれぞれの開度を協調的に制御することで効果的な燃料電池運転システムを構成することは行われていない。
【０００８】
本発明の目的は、複数の弁の協調制御を用いて燃料電池の運転制御を行う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の協調制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、カソード側の出口側流路からのガスとアノード側における排気流路からのガスとをバイパス流路からのガスで希釈して外部に排出する希釈器と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の温度が低温のときに、燃料電池を昇温させるために、未反応水素濃度が高くなるが燃料電池反応を低効率となる条件で運転する低効率発電を行わせる場合に、
低効率発電の要求発電量に対応して燃料電池に供給する酸化ガス量を確保し、低効率発電のためにアノード側からカソード側に漏れてくるポンピング水素量を希釈するのに必要なバイパス流路に供給する酸化ガス量を確保するために、調整弁の開度の調整とともにバイパス弁の開度を調整し、燃料電池に供給する酸化ガス量とバイパス流路に供給する酸化ガス量との流量比を変化させる制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
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、燃料電池の温度が、低効率発電を行う必要がなく通常運転に適しているとされる所定温度を超えるか否かを判断する手段と、所定温度を超えるときに燃料電池を起動し、アノード側の燃料ガス濃度の一時的な上昇に対応してバイパス弁の開度を制御して燃料ガス希釈処理を行う手段と、燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度が所定値以下となるとき、バイパス弁を全閉とし調整弁の開度を制御して燃料電池の通常運転制御を行う手段と、を含むことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁の協調制御方法は、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、カソード側の出口側流路からのガスとアノード側における排気流路からのガスとをバイパス流路からのガスで希釈して外部に排出する希釈器と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池の温度が低温のときに、燃料電池を昇温させるために、未反応水素濃度が高くなるが燃料電池反応を低効率となる条件で運転する低効率発電を行わせ、低効率発電の要求発電量に対応して燃料電池に供給する酸化ガス量を確保し、低効率発電のためにアノード側からカソード側に漏れてくるポンピング水素量を希釈するのに必要なバイパス流路に供給する酸化ガス量を確保するために、調整弁の開度の調整とともにバイパス弁の開度を調整し、燃料電池に供給する酸化ガス量とバイパス流路に供給する酸化ガス量との流量比を変化させる制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
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いずれか一方に設けられ、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、燃料電池の温度又はアノード側の燃料ガス濃度に応じて、調整弁の開度とバイパス弁の開度とが協調的に制御される。このように、燃料電池の運転状況に応じ、複数の弁を協調的に制御して、燃料電池の運転制御が行われる。
【００１３】
また、燃料電池の温度が通常運転モードに適した所定温度を超えるか否かの判断と、アノード側の燃料ガスの一時的な上昇に対応して、調整弁とバイパス弁の制御を協調的に変更し、水素希釈処理、通常運転制御、低効率発電運転制御のいずれかが選択される。したがって、燃料電池の運転状況に応じ、複数の弁を協調的に制御して、燃料電池の運転制御が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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とを含んで構成されている。
【００１５】
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供給のための各要素を含んで構成される。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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調整弁とバイパス弁の協調制御を行う機能を有する。すなわち、燃料電池の運転モードを判断するモード判定モジュール７２と、燃料電池の水素濃度が高いときの運転処理を行う水素希釈処理モジュール７４と、安定した状態での燃料電池の運転処理を行う通常運転処理モジュール７６と、燃料電池の温度が低温のとき、発電効率を犠牲にしてその温度を上昇させる運転処理を行う低効率発電処理モジュール７８と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。
【００２９】
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。
【００３０】
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６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の動作の中で、モード判定処理の手順を示すフローチャートである。また、図３は、水素希釈処理モード、通常運転モード、低効率発電モードの３つのモードのそれぞれについて酸化ガスである空気（エア）の分配の様子を模式的に示す図である。そして、図４から図６は３つのモードの内部処理の手順を示すフローチャートである。図２、図４から図６のフローチャートのそれぞれの手順は、複数弁協調制御プログラムの各処理手順に相当する。
【００３１】
図２に示すように、燃料電池運転システム１０の動作モードを判定する手順は、まず燃料電池の温度Ｔｃが所定温度であるＴｓを超えているかどうか判断する（Ｓ１０）。Ｔｓは、燃料電池が通常運転に適した温度に設定される。換言すれば、燃料電池の温度ＴｃがＴｓ以下のときは、燃料電池が冷えすぎているので、その温度を上昇させる必要がある。そのときには通常運転とは異なり、発電効率を犠牲にして燃料電池の温度を上昇させる低効率発電モードが適していると判定される（Ｓ４０）。
【００３２】
ＴｃがＴｓを超えているときは、低効率発電モードを採用しないが、水素濃度に応じて運転モードが異なる。すなわち、アノード側の水素ガス流路における水素濃度Ｃａが所定濃度であるＣｏを超えているか否かを判断（Ｓ１２）し、Ｃｏを超えているときは、水素希釈処理モードが適していると判定される（Ｓ２０）。燃料ガスは水素であるので、水素希釈処理モードとは、燃料ガス希釈処理モードである。水素濃度ＣａがＣｏ以下の場合には、通常運転モードが適していると判断される（Ｓ３０）。
【００３３】
すなわち、燃料電池運転システム１０の動作モード判定処理手順においては、燃料電池の温度Ｔｃと、アノード側の水素ガス流路における水素濃度Ｃａとを所定の基準値と比較し、３つの運転モードのいずれが適しているかを判定する。その後、判定の結果に従って、調整弁及びバイパス弁の協調制御によって、それぞれの運転モードが実行されることになる。
【００３４】
ここで、燃料電池の温度Ｔｃ、水素ガス流路における水素濃度Ｃａは、燃料電池運転システム１０において適当に設けられるセンサによって検出することができる。燃料電池の温度Ｔｃは、図１における温度計４６の検出結果を用いることができ、また、水素濃度Ｃａは、分流器３２において図示されていない窒素ガス分圧検出手段等の検出結果を代用して用いてもよい。
【００３５】
図３は、３つの運転モードのそれぞれについて、酸化ガスである空気（エア）の分配の様子を模式的に示す図である。図３（ａ）は水素希釈処理モード、（ｂ）は通常運転モード、（ｃ）は低効率発電モードをそれぞれ示す。それぞれの図は、図１に示すシステム本体部２０の構成のうち、ガス流路関係を模式的に示すもので、燃料電池スタック２２の右側に水素ガス関係のガス流路を示し、左側に酸化ガスであるエアのガス流路を示す。エアのガス流路関係においては、ＡＣＰ（４８）が送出する全エア送気量８０と、その中で燃料電池スタック２２のカソード側に供給されるＦＣエア量８２と、バイパス流路を流れるバイパスエア量８４とがそれぞれ示されている。ここで、全エア送気量８０＝ＦＣエア量８２＋バイパスエア量８４である。図３に示す円の中の数字は、エア量をＮＬ／ｍｉｎ（毎分当りノルマルリットル）であり、いずれも燃料電池スタック２２における発電量を同等となるようにＦＣエア量８２を同じにしてある。なお、これらの図におけるエア量の値は、あくまで説明のためのみの模式的な値である。
【００３６】
図３（ａ）は、水素希釈処理モードにおけるエア分配を示すもので、燃料電池スタック２２に供給されるＦＣエア量８２を１０００ＮＬ／ｍｉｎとして、バイパスエア量８４は、バイパス弁の開度を制御して可変される。図３（ａ）では、代表的な値として５００ＮＬ／ｍｉｎが示されているが、実際には、排気水素濃度の変化に応じてバイパス弁６２の開度が制御され、このバイパスエア量８４が排気水素濃度の変化に追従する。水素希釈処理モードは、一般的に水素濃度の変化に応じて選択されることができるが、アノード側の水素濃度が一時的に上昇する場合として、例えば、燃料電池の起動時を上げることができる。すなわち燃料電池の起動時においては、アノード側の水素流路における水素濃度が高く、その排気に含まれる水素濃度も高い。このような場合、希釈器６４に多くの希釈用エアを供給する必要がある。そして、起動時の水素濃度の変化に代表されるように、アノード側の水素濃度は過渡的な変化をするので、希釈用エアの量は、その水素濃度の過渡的な変化に追従する必要があり、そのためにバイパス弁６２の開度が制御される。その意味から、水素希釈処理モードは、その適用される場合によって、起動時処理モード、あるいは起動時発電モードと呼ぶこともできる。
【００３７】
図４は、水素希釈処理モードの内部処理手順を示すフローチャートである。最初に要求発電量を取得する（Ｓ２１）。具体的には要求発電量入力部６６の入力値を取得する。ついで、現在水素濃度を取得する（Ｓ２２）。ここで現在水素濃度とは、アノード側の水素流路の時々刻々変化する水素濃度の現在の値である。現在水素濃度は測定により取得することもでき、また、例えば起動時の水素濃度と、アノード側水素流路からの排気量との関係から得ることもできる。次に排気水素量を取得する（Ｓ２３）。排気水素量とは、アノード側水素流路から排出されるガスの中の水素成分の流量である。この排気水素量が希釈器６４に排出されることになる。次に、この排気水素量を、所定の排気水素濃度にまで希釈するのに必要な希釈ガス量、すなわちバイパスエア量を算出する（Ｓ２４）。
【００３８】
このバイパスエア量に対応して、バイパス弁６２の開度が制御される（Ｓ２５）。現在水素濃度は時々刻々変化する。このように排気水素量は時間的に過渡的な変化をするので、バイパス弁６２の開度は、時間的に変化する。要求発電量が変化すると、それに応じて調整弁６０の開度が制御され、ＦＣエア量８２が調節される。
【００３９】
再び図３に戻り、図３（ｂ）は、通常運転モードおけるエア分配を示すもので、ここではバイパス弁は全閉とされ、全エア送気量８０はすべて燃料電池スタック２２のカソード側に供給される。すなわち全エア送気量８０＝ＦＣエア量８２となる。したがって、ＡＣＰ（４８）の能力が十分あるとして、通常運転モードにおいて要求発電量が変化すると、それに応じて調整弁６０の開度が制御され、ＦＣエア量８２が調節される。
【００４０】
図５は、通常運転モードの内部処理手順を示すフローチャートである。最初に要求発電量を取得する（Ｓ３１）。この内容は図４のＳ２１と同じである。次に、この要求発電量に応じたＦＣエア量を算出する（Ｓ３２）。ＦＣエア量は、燃料電池スタック２２の運転モデルから要求発電量に対応する消費酸素量を求め、これを空気における酸素成分体積比である０．２１で除し、必要に応じ安全係数を乗じて算出することができる。このＦＣエア量に対応して、調整弁６０の開度が制御される（Ｓ３３）。なお、通常運転モードにおいて、特別の水素希釈の必要が無い限り、上記のようにバイパス弁６２は全閉のままである。
【００４１】
また再び図３に戻り、図３（ｃ）は、低効率発電モードにおけるエア分配を示すもので、ここではバイパス弁は全開とされ、その開度一杯で供給できる量がバイパスエア量となる。低効率発電においては、燃料電池スタック２２における燃料電池反応が低効率となる条件で運転されるので、未反応水素濃度が高い。したがって、燃料電池スタック２２のＭＢＡを通して、アノード側の水素がカソード側に漏れてくる。この漏れてくる水素のことをポンピング水素と呼ぶことがあるが、このポンピング水素を希釈するため、バイパス弁６２の開度を開いて調節する必要がある。この水素希釈のために必要なバイパスエア量と、発電をするために必要なＦＣエア量８２との流量比を実際に設計してみると、上記のようにバイパス弁を全開とし、流量比を変化させるには調整弁６０の開度を調整することとなる場合が多い。
【００４２】
図６は、低効率発電モードの内部処理手順を示すフローチャートである。最初に要求発電量を取得する（Ｓ４１）。この内容は図４のＳ２１等と同じである。次に、ポンピング水素量を算出する（Ｓ４２）。ポンピング水素量は、燃料電池スタック２２の発電電流と関係があることが知られており、その関係を用いて要求発電量の下でのポンピング水素量を算出できる。そして、一方で要求発電量に対応するＦＣエア量を算出する（Ｓ４３）。このＦＣエア量の算出方法は、通常運転モードのＳ３２で述べた内容と同じである。ポンピングエア量が算出されると、希釈目標水素濃度を設定することでバイパスエア量が算出される（Ｓ４４）。これにより、ＦＣエア量とバイパスエア量との流量比が定まり、上記のように、実際にはバイパス弁６２を全開とし、調整弁６０の開度の制御によって、算出されたＦＣエア量とバイパスエア量とを確保することになる。
【００４３】
このように、複数の弁の協調制御を用いて運転状態に適したモードで燃料電池を運転することができる。すなわち、燃料電池運転システムにおいて、その運転状態に適したモードを判定し、判定にしたがって調整弁の開度とバイパス弁の開度とを協調的に制御することで、水素希釈処理モード、通常運転モード、低効率発電モードの下で燃料電池を運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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、モード判定処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施の形態において、水素希釈処理モード、通常運転モード、低効率発電モードの３つのモードのそれぞれについて酸化ガスである空気（エア）の分配の様子を模式的に示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、水素希釈処理モードの内部処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明に係る実施の形態において、通常運転モードの内部処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る実施の形態において、低効率発電モードの内部処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
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、７０  制御部、７２  モード判定モジュール、７４  水素希釈処理モジュール、７６  通常運転処理モジュール、７８  低効率発電処理モジュール、８０  全エア送気量、８２  ＦＣエア量、８４  バイパスエア量。
【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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