(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池への新たな供給ガスに当該燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタを備えた燃料電池システムにおける循環流量の推定方法であって、
前記供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率を算出する算出工程と、
前記算出工程により算出されたエゼクタ効率から前記循環ガスの循環流量を推定する推定工程と、を備え、
前記算出工程と前記推定工程とは、前記燃料電池システムの別々の運転時に実行されるものであり、
前記推定工程は、
検出された前記供給ガスの圧力値、又は、検出値から推定した前記供給ガスの圧力推定値に加えて、少なくとも、
前記供給ガスの供給流量及び温度と、
前記循環ガスの圧力及び温度と、
前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、の各値を用いて、前記算出工程により算出されたエゼクタ効率から前記循環流量を推定する、燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。
【請求項２】
前記算出工程は、少なくとも、
前記供給ガスの供給流量、圧力及び温度と、
前記循環ガスの循環流量、圧力及び温度と、
前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、に基づいて前記エゼクタ効率を算出する、請求項１に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。
【請求項３】
前記循環ガス中の不純物レベルに応じて、前記推定工程により推定された循環流量の推定値を補正する、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法を用いた燃料電池システムの運転方法において、
当該推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、前記燃料電池の出力電流を制限する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法を用いた燃料電池システムの運転方法において、
当該推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、前記燃料電池から前記エゼクタまでの循環流路の外部へと前記循環ガスを排出するパージ弁を開弁する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおける循環流量の推定方法を用いた燃料電池システムの運転方法において、
当該推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、前記供給ガスの圧力を上昇させる燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記供給ガス及び前記循環ガスは、水素を含有する燃料ガスである、請求項４ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
燃料電池と、
前記燃料電池への新たな供給ガスに当該燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、
供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率に関する情報を予め記憶した記憶装置と、
当該燃料電池システムの運転中における供給ガスの圧力又は当該圧力を推定するための値を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された前記供給ガスの圧力値、又は、検出値から推定した前記供給ガスの圧力推定値に加えて、少なくとも、当該燃料電池システムの運転中における、前記供給ガスの供給流量及び温度と、前記循環ガスの圧力及び温度と、前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、の各値を用いて、前記記憶装置に予め記憶されたエゼクタ効率から前記循環ガスの循環流量を推定する制御装置と、を備えた燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御装置は、前記循環ガス中の不純物レベルに応じて、前記循環流量の推定値を補正する、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記循環流量の推定値が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、当該推定値が目標循環流量を満たす場合とは当該燃料電池システムの運転を異ならせる、請求項８又は９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、エゼクタを備えた燃料電池システムにおける循環流量の推定、及びこれを用いた燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池を備える。燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化オフガス（以下、総称して「反応オフガス」という。）中には、燃料電池の発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。この未反応の反応ガスを発電に再利用すべく、燃料オフガスをエゼクタを用いて燃料電池に循環させる燃料電池システムがある。
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池システムは、流量可変式のエゼクタを利用して、燃料オフガスの循環を行う。このエゼクタは、ノズルから燃料ガスを噴射することにより、循環流路から燃料オフガス吸引し、それにより燃料ガスと燃料オフガスとを合流させて、燃料電池に供給する。
【０００４】
エゼクタの吸引原理は、ノズルからの燃料ガスの噴射によりノズルの周辺に負圧を発生させ、その負圧によって循環流路内の燃料オフガスを吸い込むというものである。特許文献１に記載の流量可変式のエゼクタは、燃料オフガス中の水素濃度を考慮してノズルの開度を可変することで、発生させる負圧の大きさを可変する。それによって、燃料ガスの供給流量及びエゼクタの出口圧のみならず、燃料オフガスの循環流量を可変するようにしている。
【特許文献１】特開２００７−２３４３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このエゼクタでは、供給流量に応じて成り行きの循環流量となる。仮に循環流量が不十分であると、燃料電池を劣化させるおそれがある。このため、燃料電池システム運転中の循環流量は、適切に把握することが望ましい。
もっとも、循環流量の把握のために、流量計を循環流路に単純に設けるのでは、部品点数が増加してしまう。また、流量計を設けたとしても、システム運転中の循環流量を精度良く把握することは難しい。これは、燃料オフガスには、燃料電池の生成水（液体）のほか、クロスリークした窒素ガスなども含まれているからである。
【０００６】
そこで、本発明は、循環流量を簡易に且つ精度良く推定できる燃料電池システム及びその循環流量の推定方法を提供することを目的とする。また、本発明は、燃料電池の耐久性を向上できる燃料電池システムの運転方法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】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池への新たな供給ガスに燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタを備えた燃料電池システムにおける循環流量の推定方法であって、供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率を算出する算出工程と、算出工程により算出されたエゼクタ効率から循環ガスの循環流量を推定する推定工程と、を備え、前記算出工程と前記推定工程とは、前記燃料電池システムの別々の運転時に実行されるものであり、前記推定工程は、検出された前記供給ガスの圧力値、又は、検出値から推定した前記供給ガスの圧力推定値に加えて、少なくとも、前記供給ガスの供給流量及び温度と、前記循環ガスの圧力及び温度と、前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、の各値を用いて、前記算出工程により算出されたエゼクタ効率から前記循環流量を推定するものである。
【０００８】
本発明によれば、予め算出したエゼクタ効率に供給ガスの圧力値の検出値又は圧力推定値等の値を代入することで循環流量を推定できる。これにより、循環ガスのための流量計を設けなくて済むので、部品点数を増加させずに、燃料電池システム運転中の循環流量を簡易に推定できる。また、推定にエゼクタ効率を利用しているので、循環流量の推定精度を向上できる。
【０００９】
好ましくは、算出工程は、少なくとも、供給ガスの供給流量、圧力及び温度と、循環ガスの循環流量、圧力及び温度と、供給ガスと循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、に基づいてエゼクタ効率を算出するとよい。
【００１０】
こうすることで、予めエゼクタ効率を正確性良く算出しておくことができ、燃料電池システム運転中の循環流量の推定を簡易に且つ正確性良く行うことができる。より好ましくは、エゼクタ効率を算出する際には、システム運転中の循環ガスの組成も算出するとよい。
【００１３】
ところで、循環ガスの組成が変化すると、上記推定方法による循環流量の推定の精度が低下する。
【００１４】
したがって、本発明の循環流量の推定方法は、循環ガス中の不純物レベルに応じて、推定工程により推定された循環流量の推定値を補正することが好ましい。
【００１５】
これによれば、循環ガス中の不純物レベルに応じた循環流量を正確に予測することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記した本発明の循環流量の推定方法を用いたものであり、この推定方法により推定された循環流量が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合に、次の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを実行する。
（ａ）燃料電池の出力電流を制限する。
（ｂ）循環ガスを循環流路外に排出するパージ弁を開弁する。
（ｃ）供給ガスの圧力を上昇させる。
【００１７】
これにより、燃料電池に必要な燃料を確保でき、燃料電池の耐久性を向上できる。
【００１８】
好ましくは、供給ガス及び循環ガスは、水素を含有する燃料ガスであるとよい。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池への新たな供給ガスに燃料電池から排出された循環ガスを合流させるエゼクタと、を備えたものにおいて、さらに、供給ガスの供給流量に対するエゼクタ効率に関する情報を予め記憶した記憶装置と、当該燃料電池システムの運転中における供給ガスの圧力又は圧力を推定するための値を検出する検出装置と、検出装置によって検出された前記供給ガスの圧力値、又は、検出値から推定した前記供給ガスの圧力推定値に加えて、少なくとも、当該燃料電池システムの運転中における、前記供給ガスの供給流量及び温度と、前記循環ガスの圧力及び温度と、前記供給ガスと前記循環ガスとの合流点の下流側のガスの圧力と、の各値を用いて、記憶装置に予め記憶されたエゼクタ効率から循環ガスの循環流量を推定する制御装置と、を備えたものである。
【００２０】
この場合、制御装置は、循環ガス中の不純物レベルに応じて、循環流量の推定値を補正することが好ましい。また、制御装置は、循環流量の推定値が目標循環流量を下回る又は下回るおそれがある場合には、推定値が目標循環流量を満たす場合とは燃料電池システムの運転を異ならせることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明した本発明の燃料電池システム及びその循環流量の推定方法によれば、循環流量を簡易に且つ精度良く推定でき、本発明の燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の耐久性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４、及び制御装置５を備える。
【００２４】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。燃料電池２への酸素ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸素ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。
【００２５】
酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池２から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。
【００２６】
酸素ガス配管系３は、加湿器１１、供給流路１２、排出流路１３、排気流路１４、及びコンプレッサ１５を有する。コンプレッサ１５は、供給流路１２の上流端に設けられる。コンプレッサ１５により取り込まれた大気中の空気（酸素ガス）が、供給流路１２を流れて加湿器１１に圧送され、加湿器１１により加湿されて燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される酸素オフガスは、排出流路１３を流れて加湿器１１に導入された後、排気流路１４を流れて外部に排出される。
【００２７】
燃料ガス配管系４は、水素タンク２１、供給流路２２、循環流路２３及びエゼクタ２４を有する。水素タンク２１は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した水素供給源である。なお、水素タンク２１に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を水素供給源として採用することもできる。また、水素タンク２１に代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。
【００２８】
供給流路２２は、水素タンク２１内の水素ガスを燃料電池２に供給するための流路であり、エゼクタ２４を境に、主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂで構成される。主流流路２２ａは、エゼクタ２４の上流側に位置しており、シャットバルブ３１及びレギュレータ３２が設けられる。シャットバルブ３１は、水素タンク２１の元弁として機能する。レギュレータ３２は、水素ガスを減圧する。混合流路２２ｂは、エゼクタ２４の下流側に位置しており、エゼクタ２４から排出された混合水素ガスを燃料電池２の水素ガス入口に導く。主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂには、それぞれ圧力センサ５１，５２が設けられる。
【００２９】
循環流路２３は、燃料電池２の水素ガス出口から排出された循環ガスを供給流路２２に戻す。循環流路２３、エゼクタ２４内の流路、混合流路２２ｂ及び燃料電池２内の燃料ガス流路を順番に連ねた系統によって、循環ガスを燃料電池２に循環供給する循環系３３が構成される。
【００３０】
ここで、以下の説明で用いる「供給ガス」、「循環ガス」及び「合流ガス」を次のように定義する。
「供給ガス」とは、主流流路２２ａを流れる水素ガスをいい、エゼクタ主流ガスとも称される。
「循環ガス」とは、循環流路２３を流れるガスをいい、エゼクタ吸引ガス又は副流ガスとも称される。循環ガスは、主として燃料電池２から排出された水素オフガスであるが、水素ガスに比べると微量の水蒸気及び窒素ガスを含む。水蒸気は、燃料電池２の発電反応によって生じた生成水が気化することで、循環ガス中に含まれる。窒素ガスは、燃料電池２の空気極からイオン交換膜を介して燃料極に透過、すなわちクロスリークすることで、循環ガス中に含まれる。
「合流ガス」は、供給ガスと循環ガスとがエゼクタ２４内で合流した後のガスであり、混合流路２２ａを流れるガスをいう。合流ガスは、エゼクタ出口ガス又は混合水素ガスとも称される。
以下の説明では、供給ガス、循環ガス及び合流ガスの各流量を供給流量、循環流量、合流流量と称する。
【００３１】
循環流路２３には、逆止弁３４及び気液分離器３５が介設される。逆止弁３４は、エゼクタ２４から気液分離器３５への流体の流れを阻止する。気液分離器３５は、水素オフガス中の液体（水分）と気体（主に水素オフガス）とを分離する。分離後の循環ガス中の気体は、逆止弁３４を通ってエゼクタ２４に吸引される。一方、分離後の水分は、気液分離器３５に一時的に貯留され、排気排水弁３６（パージ弁）の開弁により排出流路３７を通って外部に排出される。また、水分回収後の循環ガスの一部も、排気排水弁３６の開弁によって、排出流路３７を通って外部に排出される。これにより、燃料電池２に循環供給される水素ガスの水素濃度の低下を抑制できるようになっている。
【００３２】
エゼクタ２４は、供給流路２２と循環流路２３との接続部分に設けられる。エゼクタ２４は、供給ガスを噴射して循環ガスを吸引し、それにより供給ガスを循環ガスに合流させて、合流ガスを燃料電池２に供給する。エゼクタ２４は、燃料電池２への合流ガスの合流流量を可変可能に構成されている。このような流量可変式のエゼクタ２４の構造としては、周知の構造を適用することができる。例えば、エゼクタ２４は、供給ガスを噴射するノズルの開度をニードルの位置によって調整することで、供給ガスの噴射量（つまり、供給流量）及び循環流量を可変する。ニードルの位置は、例えば、バネなどを利用する機械式、循環ガスなどをパイロット圧として利用する圧力式、モータなどを利用する電気式の構造を用いることで調整することが可能である。
【００３３】
制御装置５は、内部にＣＰＵ７１，ＲＯＭ７２，ＲＡＭ７３を備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵ７１は、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する循環流量の推定など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭ７２は、ＣＰＵ７１で処理する制御プログラムや制御データを記憶し、後述するエゼクタ効率に関する情報を記憶する。ＲＡＭ７３は、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置５は、圧力センサ５１，５２の検出情報のほか、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報を入力される。そして、これらの入力結果を受けて、制御装置５は、燃料電池システム１内の各種機器（コンプレッサ１５、シャットバルブ３１、排気排水弁３６など）に制御信号を出力し、燃料電池システム１の運転（以下、システム運転）を制御する。
【００３４】
図２及び図３を参照して、本実施形態に係る循環流量の推定方法及び燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００３５】
１．循環流量の推定方法
（１）エゼクタ効率に関するマップの取得
図２は、本推定方法において最初に行われる算出工程にて求められたマップであり、図３は、エゼクタ２４まわりのガスの状態モデルを示す図である。
【００３６】
本推定方法では、先ず、供給流量Ｑ１に対するエゼクタ効率ηを算出し、図２に示すマップを取得する。エゼクタ効率ηは、エゼクタ２４における断熱圧縮の仕事量による効率であり、次式（１）により算出される。
【００３７】
0005321946.tif 000002
・・・・（１）
【００３８】
ここで、式（１）及び図３で用いた記号は、以下のとおりであるが、基本的に、κは比熱比、ｑは質量流量、Ｒはモル定数、Ｔは温度、Ｐは圧力、ρは密度、Ｑは体積流量を表している。また、これらに付した添え字は、ガスの種類を表し、添え字の「１」が供給ガス、「３」が循環ガス、「７」が「合流ガス」を表している。
【００３９】
Ｑ１：供給流量  （ＮＬ/ｍｉｎ）
Ｔ１：供給ガス温度  （Ｋ）
Ｐ１：供給ガス圧  （ｋＰａ・ａｂｓ）
κ１：供給ガスの比熱比
ρ１：供給ガスの密度  （ｇ/ｍｏｌ）
ｑ１：供給ガスの質量流量  （ｋｇ/ｓ）
Ｑ３：循環流量  （ＮＬ/ｍｉｎ）
Ｔ３：循環ガス温度  （Ｋ）
Ｐ３：循環ガス圧  （ｋＰａ・ａｂｓ）
κ３：循環ガスの比熱比
ρ３：循環ガスの密度  （ｇ/ｍｏｌ）
ｑ３：循環ガスの質量流量  （ｋｇ/ｓ）
Ｑ７：合流流量  （ＮＬ/ｍｉｎ）、Ｑ７＝Ｑ１＋Ｑ３
Ｐ７：合流ガス圧  （ｋＰａ・ａｂｓ）
【００４０】
エゼクタ効率ηの算出は、各供給流量Ｑ１における、供給ガスの圧力Ｐ１及び温度Ｔ１、循環ガスの質量流量ｑ３、圧力Ｐ３及び温度Ｔ３、並びに、合流ガスの流量Ｑ７及び圧力Ｐ７について、例えば以下のように検出した値又は目標値を式（１）に代入することで行う。なお、κ１＝κ３、ρ１＝ρ３を前提条件とした。
【００４１】
式（１）への供給流量ｑ１の代入値としては、供給流量Ｑ１の検出値又は目標値の単位を換算したものを用いる。供給流量Ｑ１の検出値は、例えば、主流流路２２ａに設けた流量計から得られる。供給流量Ｑ１の目標値は、負荷に応じて決定される制御上のデータであり、燃料電池２への水素ガスの目標供給流量である。供給ガス圧力Ｐ１の代入値としては、例えば、圧力センサ５１の検出値を用いる。供給ガス温度Ｔ１の代入値としては、エゼクタ２４の主流入口側（主流流路２２ａ）に設けた温度センサの検出値を用いるか、あるいは水素タンク２１に設けた温度センサの検出値（タンク内の水素ガス温度）で代用する。
【００４２】
また、供給流量ｑ３の代入値としては、循環流量Ｑ３の検出値の単位を換算したものを用いる。循環流量Ｑ３の検出値は、例えば、循環流路２３に設けた流量計から得られる。なお、この流量計はエゼクタ効率ηの算出のために用いられるものであり、この算出後に燃料電池システム１から取り外される。循環ガス圧力Ｐ３の代入値としては、例えば循環流路２３に設けた圧力センサの検出値を用いる。循環ガス温度Ｔ３の代入値としては、循環流路２３に設けた温度センサの検出値を用いるか、燃料電池２の温度で代用する。合流ガス圧力Ｐ７の代入値としては、圧力センサ５２の検出値を用いる。
【００４３】
以上のような代入により、各供給流量Ｑ１における各エゼクタ効率ηを算出し、両者の関係を定めた図２のマップを制御装置５のＲＯＭ７２に記憶させる。もっとも、記憶装置として、ＲＯＭ７２に代えて、制御装置５とは別個の外部の記憶装置を用いてもよい。なお、エゼクタ効率ηの算出プロセスは、燃料電池システム１を移動体（例えば車両）などの実機に搭載する前になされる。
【００４４】
（２）システム運転中の循環流量Ｑ３の推定
次に、本推定方法では、循環流量Ｑ３を推定する工程を実行する。この推定は、システム運転中の検出値を用いて、エゼクタ効率ηからシステム運転中の循環流量Ｑ３を推定するものであり、制御装置５のＣＰＵ７１によって実行される。
【００４５】
具体的には、先ず、現在の供給流量Ｑ１におけるエゼクタ効率ηを図２のマップから求める。例えば、現在の供給流量Ｑ１がＱ１´であれば、エゼクタ効率ηはη´となる。次いで、供給ガスの圧力Ｐ１及び温度Ｔ１、循環ガスの圧力Ｐ３及び温度Ｔ３、並びに合流ガスの圧力Ｐ７の各値について、例えば以下に示す検出値、推定値、目標値又は固定値を式（１）に代入することで、質量流量ｑ３を求め、その単位を換算することで循環流量Ｑ３を求める。
【００４６】
式（１）への供給流量ｑ１の代入値としては、上記したエゼクタ効率ηの算出工程と同様に、現在の供給流量Ｑ１の検出値又は目標値の単位を換算したものを用いる。供給ガス圧力Ｐ１の代入値としては、例えば、システム運転中における圧力センサ５１の検出値又は推定値を用いる。供給ガス圧力Ｐ１の推定値、すなわち供給ガスの圧力推定値は、供給流量Ｑ１の検出値から推定したものであってもよいし、あるいは、燃料電池２の検出した発電量から推定したものであってもよい。なお、燃料電池２の発電量から供給流量Ｑ１を推定することができ、この推定した供給流量Ｑ１から供給ガス圧力Ｐ１を推定することができる。供給ガス温度Ｔ１の代入値としては、エゼクタ２４の主流入口側の温度センサの検出値を用いるか、水素タンク２１内の水素ガス温度で代用する。あるいは、システム運転の状態に応じた供給ガス温度Ｔ１を予め測定しておき（例えば、エゼクタ効率ηの算出工程で測定しておく。）、この測定値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。
【００４７】
また、循環ガス圧力Ｐ３の代入値としては、例えば循環流路２３に設けた圧力センサの検出値を用いるか、供給ガス圧力Ｐ１の検出値等から推定した推定値を用いる。循環ガス温度Ｔ３の代入値としては、循環流路２３に設けた温度センサの検出値を用いるか、燃料電池２の温度で代用する。あるいは、システム運転の状態に応じた循環ガス温度を予め測定しておき、この測定値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。合流ガス圧力Ｐ７の代入値としては、圧力センサ５２の検出値を用いればよいが、圧力センサ５２を設置しない場合には、供給ガス圧力Ｐ１及び供給流量Ｑ１より推定した値を用いる。あるいは、システム運転の状態に応じた合流ガス圧力Ｐ７を予め測定しておき、この測定値を用いてもよいし、固定値を用いてもよい。
【００４８】
以上のような方法によれば、実機の燃料電池システム１に循環ガス用の流量計を搭載しなくとも、システム運転中の循環流量Ｑ３を精度良く推定することができる。
【００４９】
２．推定方法の改良例
続いて、推定方法の改良例について説明する。
図４は、改良例の推定方法に用いるエゼクタ２４まわりの状態モデルを示す。上記した図３に示す状態モデルと異なる点は、循環ガス中の不純物を考慮している点である。
【００５０】
循環ガスには、水素オフガスのほかに、水蒸気及び窒素ガスといった不純物が含まれ得る。上記した「１．循環流量の推定方法」では、循環ガスの組成が大きく変わった場合、循環流量Ｑ３の推定の精度が悪くなる。そこで、本改良例では、式（２）を用いて、循環ガス中の不純物レベルに応じて、循環流量Ｑ３の推定値を補正するようにしている。なお、その際、Ｔ３´＝Ｔ３、Ｐ３´＝Ｐ３、ｋ３´＝ｋ３を前提条件とした。
【００５１】
0005321946.tif 000003
・・・・（２）
【００５２】
ここで、式（２）におけるＱ３´は、補正後の循環流量を示し、これには、水素オフガスだけでなく、窒素ガスや水蒸気といった不純物が含まれる。式（２）への循環流量Ｑ３の代入値としては、上記した推定方法による推定値を用いる。循環ガスの密度ρ３´の代入値としては、例えば、上記した「（１）エゼクタ効率に関するマップの取得」の際に、システム運転状態に応じたものを求めておき、それを用いるようにする。すなわち、エゼクタ効率ηを算出する際に、システム運転状態における循環ガスの組成（密度ρ３´）を求めておき、現在のシステム運転状態に対応する循環ガスの密度ρ３´を式（２）に代入する。
【００５３】
また、式（２）への循環ガスの密度ρ３の代入値としては、測定又は推定した値を用いる。具体的には、燃料電池２の運転温度より循環ガス中の水蒸気の量を推定する。また、水蒸気以外のガス（主に窒素ガス）については、運転状態における燃料電池２のクロスリーク量を予め求めておくか、圧力や運転方法でその都度推定する。こうすることで求めた循環ガスの密度ρ３（ガス組成）の値を式（２）に代入する。なお、センサを循環流路２３に設置し、循環ガスの質量を直接計測することで求めた密度ρ３の値を用いてもよいし、あるいはガス分析計を循環流路２３に設置して、その検出結果を代入してもよい。
【００５４】
以上のようにして、循環流量Ｑ３を補正することで、循環流量を正確に推定でき、さらには循環ガス中の水素量も推定できる。したがって、燃料電池２の燃料循環量不足などに起因した燃料電池２の劣化や、ドラビリ悪化を抑制することができる。
【００５５】
３．燃料電池システムの運転方法
続いて、図１を参照して、上記推定方法による循環流量Ｑ３の推定値（補正前又は補正後の推定値をいい、以下、Ｑ３´´と記載する。）を利用したシステム運転のいくつかの制御例について説明する。
【００５６】
先ず、制御装置５は、システム運転中に、推定された循環流量Ｑ３´´をその運転状態における目標循環流量Ｑｔと比較する。その結果、循環流量Ｑ３´´が目標循環流量Ｑｔを下回る又は下回るおそれがある場合には、制御装置５は、当該推定値Ｑ３´´が目標循環流量Ｑｔを満たす場合とはシステム運転の態様を異ならせる。なお、目標循環流量Ｑｔは、システム運転の各状態のものが予め求められており、その情報がＲＯＭ７２等の記憶装置に記憶されている。また、目標循環流量Ｑｔを下回るおそれがある場合とは、例えば、負荷を増加させていく場合である。
【００５７】
システム運転の態様を変更する例として、例えば、次の３つがある。
第１の例は、燃料電池２から取り出す電流（出力電流）の上限値にガードをかけるというものである。具体的には、循環流量Ｑ３´´で放電可能な燃料電池２の出力電流へと制限する。こうすることで、燃料電池２における燃料不足が抑制され、燃料電池２の耐久性が向上する。
【００５８】
第２の例は、排気排水弁３６を開弁するというものである。その際、循環流量Ｑ３´´が目標循環流量Ｑｔを満たす場合に比べて、循環ガスの外部への排出量が多くなるように、排気排水弁３６の開時間を長くするか、開度を大きくする。これにより、エゼクタ２４が噴射する供給流量Ｑ１が増加し、燃料電池２への循環流量が増加する。その上で燃料電池２の出力電流を増加させるようにする。
【００５９】
第３の例は、供給ガスの圧力Ｐ１を上昇させるというものである。このための方法として、例えば、レギュレータ３２を電気駆動式のもので構成し、レギュレータ３２を制御することで、その二次圧を上昇させる方法がある。また、別の方法として、主流流路２２ａにインジェクタを設け、インジェクタをデューティ制御することで、インジェクタが噴射する供給ガスの圧力Ｐ１を上昇させる方法がある。供給ガスの圧力Ｐ１の上昇により、エゼクタ２４が噴射する供給流量Ｑ１が増加し、燃料電池２への循環流量が増加する。そして、この増加後に燃料電池２の出力電流を増加させるようにする。
【００６０】
以上のような第２の例及び第３の例によれば、ドラビリ悪化を抑制できると共に、燃料電池２における燃料不足の抑制と耐久性の向上とを図ることができる。
【００６１】
＜変形例＞
エゼクタ２４を酸素ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エゼクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸素ガスに、排出流路１３の酸素オフガスを合流させ、この合流後の混合酸素ガスを燃料電池２に供給してもよい。その場合にも、上記した推定方法により酸素オフガスの循環流量を推定できると共に、その推定結果を用いた最適な酸化ガス供給制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
上記した本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムにおける循環流量の推定方法によって求められたマップであり、供給流量とエゼクタ効率との関係を示すものである。
【図３】実施形態に係る燃料電池システムのエゼクタまわりのガスの状態モデルを示す図である。
【図４】改良例に係る燃料電池システムのエゼクタまわりのガスの状態モデルを示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、２２：供給流路、２３：循環流路、２４：エゼクタ、３６：排気排水弁（パージ弁）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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