(57)【要約】【課題】燃料電池から排出される燃料オフガスを、エジェクタ内で主供給燃料に合流させて循環して利用する燃料電池において、エジェクタの下流側の出口圧を制御しつつ、必要な燃料供給流量を確保する。【解決手段】燃料電池に要求される要求出力に応じて、エジェクタの主供給燃料の噴射口の基本開度を算出する。また、エジェクタ下流の圧力の状態に応じて基本開度を補正してエジェクタの噴射口の補正開度を算出する。一方、要求出力に応じて、許容される噴射口の最小開度を設定する。噴射口の開度は、補正開度が最小開度よりも小さい場合には最小開度に設定され、補正開度が最小開度以上の場合には補正開度に設定される。【選択図】図５
2007234333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給手段から供給される主供給燃料を、燃料電池に供給する燃料供給経路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、前記燃料供給経路に合流させる循環経路と、
前記燃料供給経路と前記循環経路との合流点に設けられ、前記燃料供給経路から噴射口を介して流入する主供給燃料と、前記循環経路から流入する燃料オフガスとを混合して、下流側の前記燃料供給経路に流出させると共に、前記噴射口の開度を調節することができるエジェクタと、
要求される要求出力に応じて、前記燃料電池内で発電に用いられる必要主燃料流量を推定する必要主燃料流量推定手段と、
前記必要主燃料流量に応じて、前記噴射口の基本開度を算出する基本開度算出手段と、
前記エジェクタ下流の圧力の状態に応じて、前記基本開度を補正して補正開度を算出する補正開度算出手段と、
前記要求出力に応じて、許容される前記噴射口の最小開度を設定する最小開度設定手段と、
前記補正開度が、前記最小開度よりも小さいか否かを判定する最小開度判定手段と、
前記補正開度が前記最小開度よりも小さいと判定された場合に、前記噴射口の開度を前記最小開度に設定し、前記補正開度が前記最小開度以上と判定された場合に、前記噴射口の開度を前記補正開度に設定する開度設定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記最小開度設定手段は、
前記燃料電池内に積層された各セルに燃料を行き渡らせて前記要求出力を得るために、前記燃料電池への供給が必要となる燃料流量として、燃料電池必要燃料流量を推定する燃料電池必要燃料流量推定手段と、
前記主供給燃料に混合される前記燃料オフガス中に含まれる循環燃料流量を推定する循環燃料流量推定手段と、
前記燃料電池必要燃料流量から前記循環燃料流量を除算して、前記最低主燃料流量を算出する最低主燃料流量算出手段と、
前記最低主燃料流量に応じて、前記最小開度を算出する最小開度算出手段と、
を備え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】
前記エジェクタ下流の前記燃料供給経路内の圧力の目標値である目標出口圧を算出する目標出口圧算出手段と、
前記エジェクタ下流の前記燃料供給経路内の圧力である出口圧を検出する出口圧検出手段と、を備え、
前記補正開度算出手段は、前記出口圧と前記目標出口圧との差に応じて、前記基本開度を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記最小開度が、許容される前記噴射口の開度の上限である許容最大開度よりも大きいか否かを判定する最大開度判定手段と、
前記最小開度が、前記許容最大開度よりも大きいと判定された場合に、前記噴射口の開度が前記許容最大開度の状態において発電される許容出力を推定する許容出力推定手段と、
前記燃料電池の出力を、前記許容出力に制御する出力制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記最小開度が、許容される前記噴射口の開度の上限である許容最大開度よりも大きいか否かを判定する最大開度判定手段と、
前記最小開度が、前記許容最大開度よりも大きいと判定された場合に、前記噴射口の開度が前記許容最大開度の状態において、前記必要主燃料流量の燃料を供給可能な、前記噴射口の目標入口圧を推定する目標入口圧推定手段と、
前記噴射口上流側の入口圧を、前記目標入口圧に制御する入口圧制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか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】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料電池の発電に供する燃料の供給経路に、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを合流させる循環経路を有し、燃料オフガスを循環して利用する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特願２００４−９５５２８号公報には、燃料電池から排出されるオフガスを再循環させて用いる燃料電池システムが開示されている。このシステムは、燃料電池に燃料として水素を供給するための水素供給経路と、水素供給経路に燃料電池から排出されたオフガスを合流させる循環経路と、循環経路と水素供給経路との合流部に配置されたエジェクタとを備えている。エジェクタは、エジェクタ上流側の水素供給経路から供給された水素（主水素）を、噴出口から下流側に噴出すると共に、主水素が噴射される際に発生する噴射口付近の負圧により循環経路からのオフガスを吸引し、噴射される主水素に混合させる。これによりオフガスを主水素と共に水素供給経路に再循環させる。
【０００３】
この従来技術のシステムにおいて、燃料電池の発電に必要な水素の供給流量（必要水素供給流量）と、供給時に必要な圧力（必要水素供給圧力）とは、要求される要求出力に応じて演算される。より具体的には、必要水素供給流量と必要水素供給圧力とは、要求出力と必要水素供給流量と必要水素供給圧力との関係を予め定めたマップに基づいて、要求出力に応じて決定される。その後、求められたこれらの値に応じて、エジェクタポンプのエジェクタ開度とレギュレータのバルブ開度とが算出される。
【０００４】
このシステムにおいては、更に、燃料電池への実際の水素供給圧力を検出し、実際の水素供給圧力が必要水素供給圧力に比べて許容範囲を越えて大きくなっている場合には、演算されたエジェクタ開度を小さくする補正を加える。その結果、エジェクタの主水素の噴射口の開口面積が小さくなり、水素供給流量が減少する。これにより、実際の水素供給圧力が低下し、必要水素供給圧力に近づけられる。一方、実際の水素供給圧力が必要水素供給圧力に比べて許容範囲を越えて小さくなっている場合には、エジェクタ開度を大きくする補正を加える。その結果、エジェクタの噴出口の開口面積が大きくなり、水素供給流量が増加する。これにより実際の水素供給圧力が大きくなり、必要水素供給圧力に近づけられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９５５２８号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように従来技術のシステムは、実際の水素供給圧力と必要水素供給圧力との差が大きい場合にエジェクタ開度を補正する。ここで、例えば要求出力が急激に減少した場合、これに伴って目標とする必要水素供給圧力は急激に小さくなる。一方、実際の水素供給圧力は直ぐに必要水素供給圧力にまでは低下せず、一時的に必要水素供給圧力と実際の水素供給圧力との差が大きくなる場合がある。このように両者の圧力差が大きくなると、実際の水素供給圧力を必要水素供給圧力にまで迅速に低下させるべく、エジェクタ開度の補正値である絞り量が大きく設定されることとなる。
【０００７】
エジェクタ開度に対する絞り量が過度に大きくなると、求められた補正開度は閉弁に近い開度となる。この場合、エジェクタ開度が補正開度に設定されると、主水素の供給が停止する。また、主水素の供給停止によりエジェクタ内でのベンチュリ効果も生じなくなるため、オフガスの吸引による循環も停止する場合がある。その結果、燃料電池の発電に必要な水素が供給されなくなり、要求される出力の発電を行うことができない事態が生じ得ることとなる。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池への燃料供給圧力を考慮してエジェクタ開度を制御しつつ、発電に必要な燃料供給流量を確保することができるよう改良した燃料電池システム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】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料供給手段から供給される主供給燃料を、燃料電池に供給する燃料供給経路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、前記燃料供給経路に合流させる循環経路と、
前記燃料供給経路と前記循環経路との合流点に設けられ、前記燃料供給経路から噴射口を介して流入する主供給燃料と、前記循環経路から流入する燃料オフガスとを混合して、下流側の前記燃料供給経路に流出させると共に、前記噴射口の開度を調節することができるエジェクタと、
要求される要求出力に応じて、前記燃料電池内で発電に用いられる必要主燃料流量を推定する必要主燃料流量推定手段と、
前記必要主燃料流量に応じて、前記噴射口の基本開度を算出する基本開度算出手段と、
前記エジェクタ下流の圧力の状態に応じて、前記基本開度を補正して補正開度を算出する補正開度算出手段と、
前記要求出力に応じて、許容される前記噴射口の最小開度を設定する最小開度設定手段と、
前記補正開度が、前記最小開度よりも小さいか否かを判定する最小開度判定手段と、
前記補正開度が前記最小開度よりも小さいと判定された場合に、前記噴射口の開度を前記最小開度に設定し、前記補正開度が前記最小開度以上と判定された場合に、前記噴射口の開度を前記補正開度に設定する開度設定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記最小開度設定手段は、
前記燃料電池内に積層された各セルに燃料を行き渡らせて前記要求出力を得るために、前記燃料電池への供給が必要となる燃料流量として、燃料電池必要燃料流量を推定する燃料電池必要燃料流量推定手段と、
前記主供給燃料に混合される前記燃料オフガス中に含まれる循環燃料流量を推定する循環燃料流量推定手段と、
前記燃料電池必要燃料流量から前記循環燃料流量を除算して、前記最低主燃料流量を算出する最低主燃料流量算出手段と、
前記最低主燃料流量に応じて、前記最小開度を算出する最小開度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記燃料電池システムは、
前記エジェクタ下流の前記燃料供給経路内の圧力の目標値である目標出口圧を算出する目標出口圧算出手段と、
前記エジェクタ下流の前記燃料供給経路内の圧力である出口圧を検出する出口圧検出手段と、を備え、
前記補正開度算出手段は、前記出口圧と前記目標出口圧との差に応じて、前記基本開度を補正することを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記燃料電池システムは、
前記最小開度が、許容される前記噴射口の開度の上限である許容最大開度よりも大きいか否かを判定する最大開度判定手段と、
前記最小開度が、前記許容最大開度よりも大きいと判定された場合に、前記噴射口の開度が前記許容最大開度の状態において発電される許容出力を推定する許容出力推定手段と、
前記燃料電池の出力を、前記許容出力に制御する出力制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記燃料電池システムは、
前記最小開度が、許容される前記噴射口の開度の上限である許容最大開度よりも大きいか否かを判定する最大開度判定手段と、
前記最小開度が、前記許容最大開度よりも大きいと判定された場合に、前記噴射口の開度が前記許容最大開度の状態において、前記必要主燃料流量の燃料を供給可能な、前記噴射口の目標入口圧を推定する目標入口圧推定手段と、
前記噴射口上流側の入口圧を、前記目標入口圧に制御する入口圧制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、エジェクタの噴射口の基本開度がエジェクタ下流の圧力の状態に応じて補正されると共に、許容される噴射口の最小開度よりも補正開度が小さい場合には、噴射口の開度は最小開度に設定される。従って、発電に必要な燃料流量が供給されない状態となるのを回避することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、積層された全てのセルに燃料を行き渡らせて要求出力を得るために必要な燃料電池必要燃料流量に応じて、必要な最低主燃料流量が求められ、最小開度は、その最低主燃料流量を供給できる開度に設定される。従って、エジェクタの噴射口の補正開度が最小開度より小さい場合にも、燃料電池内に積層された全てのセルに、少なくとも発電に必要な最低限の燃料が供給されるようにすることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、噴射口の開度の補正値を、目標出口圧と実際に検出した出口圧との差に応じて設定することができる。従って、実際の出口圧を考慮して噴射口の開度を設定することができ、より確実に必要な燃料流量の供給を確保することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、最小開度が、許容される噴射口の開度の上限である許容最大開度よりも大きい場合に、噴射口の開度が許容最大開度の状態において発電される許容出力に要求出力を制御する。これにより、噴射口の開度が制御可能な範囲内で発電できる出力以上の出力が要求される状態を避け、発電可能な範囲内での要求出力に応じた制御を行うことができる。
【００１８】
第５の発明によれば、最小開度が許容最大開度よりも大きい場合に、噴射口の開度が許容最大開度の状態において、必要主燃料流量の燃料を供給可能な噴射口の目標入口圧に設定する。これにより、許容最大開度において供給可能な主供給燃料流量を増加させることができ、要求される出力の発電が可能な状態とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２０】
実施の形態１．
［実施の形態１の燃料電池システムの構成について］
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムを説明するための模式図である。図１に示すように、このシステムは燃料電池２を備えている。図１において燃料電池２は、２つのスタック４を備えている。各スタック４内には、複数のセル６（単電池）が積層されている。各セル６は、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００２１】
このシステムは燃料電池２の各セル６の水素極（負極）に、燃料として水素を供給するための水素供給源（図示せず）を備えている。水素供給源には、主水素供給路８の端部が接続されている。主水素供給路８には、主水素供給路８内の圧力を所定の圧力に保持する水素調圧弁１０が設置されている。また、主水素供給路８には、主水素供給路８内の圧力に応じた出力を発する圧力センサ１２が取り付けられている。
【００２２】
主水素供給路８の下流側の端部は、後述する構成を有するエジェクタ１４の上流側に接続されている。エジェクタ１４の下流側には、水素経路１６の一端が接続されている。水素経路１６の他端は、燃料電池２の水素供給口に接続されている。水素経路１６には、燃料電池２への水素供給圧力に応じた出力を発する圧力センサ１８（出口圧検出手段）が取り付けられている。
【００２３】
一方、燃料電池２の水素排出口には、循環経路２０が接続されている。循環経路２０は、燃料電池２から排出される未反応ガスを含んだ水素オフガス（以下「オフガス」）を循環又は排出する経路である。循環経路２０はエジェクタ１４に接続されている。燃料電池２から循環経路２０に排出されたオフガスは、エジェクタ１４によって引き上げられ、主水素経路８から供給される主水素とエジェクタ１４において混合され、再び水素経路１６から燃料電池２内に供給される。なお、以下、この実施の形態において、主水素供給源から供給される水素を「主水素」と称し、エジェクタ１４において混合されて水素経路１６から供給される主水素とオフガスとの混合ガスを「供給水素」と称することとする。
【００２４】
循環経路２０には、循環経路２０内の圧力に応じた出力を発する圧力センサ２２と、循環経路２０内のオフガスの流量に応じた出力を発する流量センサ２４とが取り付けられている。また循環経路２０の途中には気液分離器２６が設置されている。気液分離器２６はオフガス中の水分を分離させて除去する。気液分離器２６には、排出経路２８が接続され、排出経路２８には排出弁３０が設けられている。循環経路２０内のオフガスは、排出弁３０の開弁により、排出経路２８を介して外部に排出される。
【００２５】
図１においては酸化剤の供給及び排出のための経路に関する図示が省略されているが、実際には燃料電池２の酸化剤供給口は空気供給管が接続され、コンプレッサ等により外部から大気が供給されるようになっている。空気供給管を介して供給された空気は、燃料電池２内の酸素極（正極）側に供給される。燃料電池８の酸化剤出口には排出経路が接続され、燃料電池から排出される未反応の酸化剤を含む大気オフガスが排出されるようになっている。
【００２６】
図２は、この発明の実施の形態１におけるエジェクタについて説明するための模式図である。図２に示すように、エジェクタ１４は、ノズル３２と、主水素ポート３４と噴射口３６とオフガスポート３８と吐出口４０とを備えている。主水素ポート３４は、主水素供給管８に接続され、主水素ポート３４から主水素が流入する。噴射口３６はノズル３２に設けられた開口であり、主水素ポート３４から流入した主水素が、噴射口３６から下流側に噴射される。オフガスポート３８は、循環経路２０に接続されている。循環経路２０内のオフガスは、主水素が噴射される際に噴射口３６付近に発生する負圧により、オフガスポート３８からエジェクタ１４内部に吸引され、主水素と混合される。吐出口４０は、水素経路１６に接続されている。エジェクタ１４内で混合された供給水素は、吐出口４０から水素経路１６に吐き出される。
【００２７】
エジェクタ１４には、ノズル３２の開度、すなわち噴射口３６の開度（以下「エジェクタ開度」とする）を調整するための可動ニードル４２が設けられている。可動ニードル４２は、先端に向って徐々に細くなるテーパ形状を有している。従って、可動ニードル４２が軸方向に移動することにより、エジェクタ開度を調整することができる。具体的に、可動ニードル４２が図２の紙面左に動くことによりエジェクタ開度が小さくなり、右側に動くことでエジェクタ開度が大きくなるように制御することができ、可動ニードル４２を制御することにより、任意にエジェクタ開度を制御することができる。
【００２８】
エジェクタ開度が大きくなると、主水素流量は増加し出口圧は上昇する。このとき、噴射口３４の開口面積が大きくなっているため、噴射口３４から噴射する主水素の流速は遅くなる。従って、主水素が噴射された際に噴射口３４付近に発生する負圧は小さくなる。その結果、循環経路２０からのオフガスの引き上げ量は小さくなり、オフガスの循環流量は減少する。一方、エジェクタ開度が小さくなると、主水素流量は減少し、出口圧は低下する。このとき、噴射口から噴射する主水素の流速は速くなる。従って、噴射口３４付近に発生する負圧は大きくなる。その結果、オフガスの引き上げ量は大きくなり、オフガスの循環流量は増加する。このようにエジェクタ開度を調整することにより、燃料電池２への供給水素の流量、循環経路２０から供給されるオフガスの循環流量及び出口圧を調整することができる。
【００２９】
[実施の形態１のシステムの基本的な制御について]
燃料電池２の発電の際には、各セル６の水素極には水素経路１６から供給水素が供給され、一方、酸素極には酸化剤として大気が供給される。その結果、各セル６内で水素と酸素との電気化学反応（発電反応）が起こり、発電が行われる。このとき、エジェクタ開度は、要求される発電電流指令値Ifcに応じて決定される。具体的には、発電電流指令値Ifcの発電反応に必要な主水素流量が求められ、その主水素流量に応じてエジェクタ開度が決定される。
【００３０】
ここで、まず、発電電流指令値Ifcを発電する発電反応に用いられる必要主水素流量Qeは、次式（１）に従って求めることができる。
必要主水素流量Qe＝k・発電電流指令値Ifc    ・・・・（１）
なお、式（１）において、kは、1(A)の電流を発電するのに必要な単位水素流量を表す係数である。
【００３１】
図３は、エジェクタ１４の噴出口３６から噴出される主水素流量とエジェクタの基本開度との関係を表すグラフである。図３において、横軸は主水素流量を表し、縦軸は基本開度を表している。噴出口３６から噴出される主水素流量と基本開度とは、図３に示すような相関を有している。すなわち、主水素流量が小さい場合には基本開度は小さくなり、主水素流量が大きくなるにつれて基本開度は大きくなる。また、このような主水素流量と基本開度との関係は、エジェクタ入口側、すなわち主水素供給路８内の圧力（以下「入口圧」）によって異なるものである。実施の形態１のシステムは、エジェクタ１４の入口圧と主水素流量と基本開度との関係を定めたマップを予め記憶している。基本開度θeは、このマップに従って、上記式（１）において求められた必要主水素流量Qeの主水素が噴射される開度として算出される。
【００３２】
ところで、エジェクタ１４の吐出口４０下流側の出口圧の目標値（以下、「目標出口圧」）は、発電電流指令値Ifcに応じて決定される。ここで、上記基本開度θeは、必要主水素流量Qeの主水素を噴出して、出口圧を目標出口圧Ptgとする開度の基本値である。従って、実際の出口圧Poutが目標出口圧Ptgと異なる場合、エジェクタ開度を調整することにより主水素流量を増減させ、実際の出口圧Poutを目標出口圧Ptgに一致させるようにする。すなわち、実際の出口圧Poutが目標出口圧Ptgよりも小さい場合、必要主水素流量Qeよりも大きな流量の主水素が供給される開度にエジェクタ開度を補正する。これにより、実際の出口圧Poutは大きくなり目標出口圧Ptgに近づけられる。一方、実際の出口圧Poutが目標出口圧Ptgよりも大きい場合、必要主水素流量Qeよりも小さな流量の主水素が供給される開度にエジェクタ開度を補正する。これにより、実際の出口圧Poutは低下し、目標出口圧Ptgに近づけられる。
【００３３】
具体的に、本実施の形態１においては、基本開度θeを補正値θsにより補正して、補正開度を算出する。基本開度θeに対する補正値θsは、目標出口圧Ptgと出口圧Poutとの差に応じて補正値θsが求められる。以下、補正開度の算出手法について具体的に説明する。
【００３４】
図４は、発電電流指令値と目標出口圧との関係を表すグラフである。図４において、横軸は発電電流指令値を表し、縦軸は目標出口圧を表している。図４に示すように、要求される発電電流指令値が大きくなるにつれて、燃料電池２に供給されるべき供給水素が増加するため、燃料電池２に供給される水素供給圧力の目標値である目標出口圧が大きくなる。本実施の形態１のシステムは、図４に示すような関係に従って、発電電流指令値と目標出口圧との関係を定めたマップを予め記憶している。目標出口圧Ptgは、発電電流指令値Ifcに応じて、このマップに従って求められる。一方、実際の出口圧Poutは、エジェクタ１４下流側の水素経路１６に取り付けられた圧力センサ１８の出力結果により検出することができる。
【００３５】
上記のように算出された目標出口圧Ptgと検出された実際の出口圧Poutとから、出口圧偏差ΔPが次式（２）に従って求めるられる。
出口圧偏差ΔP＝出口圧Pout−目標出口圧Ptg  ・・・・（２）
基本開度θeに対する補正値θsは、例えば、出口圧偏差ΔPの比例項に所定のゲインを乗じたものと、出口圧偏差ΔPの積分項に所定のゲインを乗じたものとを加算することにより求められる。
【００３６】
補正開度*θeは、次式（３）に従って求められる。
補正開度*θe＝基本開度θe＋補正値θs    ・・・・（３）
これにより、基本開度θeに実際の出口圧Poutを考慮した補正が加えられ、補正開度*θeが求められる。エジェクタ開度が補正開度*θeに設定されることにより、発電電流指令値Ifcに応じた発電に必要な必要主水素流量Qeの主水素をより確実に噴射すると共に、出口圧を目標出口圧Ptgとすることができる。
【００３７】
［実施の形態１のシステムの特徴的な制御］
ところで、補正開度*θeは、実際の出口圧Poutと目標出口圧Ptg差である出口圧偏差ΔPに応じて補正された開度である。ここで、要求される発電電流指令値Ifcが急激に変動した場合、目標出口圧Ptgはこれに連動して大きく変動する。一方、実際の出口圧Poutは、発電電流指令値Ifcの急激な変動に応じて直ちに変動せず、その応答に遅れを生じる場合がある。この場合、目標出口圧Ptgと実際の出口圧Poutとの間に大きな差が発生する。その結果、実際の出口圧Poutを目標出口圧Ptgに近づけるように、補正値θsは絶対値の大きな値となる。つまり、目標出口圧Ptgが急激に変動すると、出口圧偏差ΔPの値が大きく変動する。このため出口圧偏差ΔPに基づいて算出される補正値θsも絶対値の大きな値となる。
【００３８】
このように、発電電流指令値Ifcが急激に小さくなり目標出口圧Ptgが急激に小さくなった場合、実際の出口圧Poutと目標出口圧Ptgとの間に一時的に大きな差が生じ、出口圧偏差ΔPが大きくなる場合がある。この場合、補正値θsは、実際の出口圧Poutを目標出口圧Ptgに近づけるよう、基本開度θeを過度に大きく絞るような、マイナス側に大きな値として算出される。従って、補正開度*θeは過度に小さな開度となる。その結果、実際に発電に必要な必要主水素流量Qeの供給を確保することができず、必要な発電を行うことができない状態となることがある。
【００３９】
従って、本実施の形態１では、エジェクタ開度に下限のガード値として、最小開度θeminを設定する。そして補正開度*θeが最小開度θemin以上である場合には、エジェクタ開度θを補正開度*θeに設定し、補正開度*θeが最小開度θeminよりも小さくなる場合には、エジェクタ開度θは強制的に最小開度θeminに設定されるようにする。以下、最小開度θeminの設定の手法について説明する。
【００４０】
燃料電池２の各スタック４は、セル６が積層されている構造となっているため、上流側のセルと下流側のセルとの間に、圧力損失による水素供給流量の差が発生する。このような圧力損失等を考慮して、最も水素供給流量が少なくなるセルにまで発電に必要な最低限の水素を供給するために必要な、燃料電池２への水素供給流量であるＦＣ必要水素流量Qfcが、次式（４）に基づいて算出される。
ＦＣ必要水素流量Qfc＝Sth・必要主水素流量Qe    ・・・・（４）
式（４）において、Sthは、圧力損失等を考慮して、発電に必要な流量の水素が全セル６に供給されるように、主水素流量に余裕を確保する係数であり、具体的には例えば、1.4程度の値である。
【００４１】
燃料電池２に供給される全水素流量は、主水素供給路８側から供給される主水素流量と、混合されたオフガス中の水素流量との合計となる。従って、ＦＣ必要水素流量Qfcが確実に燃料電池２に供給されるために、主水素供給路８側からの供給が必要な主水素流量である最低主水素流量Qeminは、次式（５）に基づいて算出される。
最低主水素流量Qemin＝ＦＣ必要主水素流量Qfc−循環水素流量Qc    ・・・・（５）
【００４２】
式（５）において、循環水素流量Qcは、供給水素に混合されたオフガス中に含まれる水素流量を表している。循環水素流量Qcは、次式（６）に従って算出される。
循環水素流量Qc＝オフガス流量・推定水素濃度    ・・・・（６）
式（６）において、オフガス流量は、循環経路２０からエジェクタ１４に引き上げられ再利用されるオフガスの流量であり、循環経路２０に配置された流量センサ２４の出力に応じて検出される検出値である。また、推定水素濃度は、オフガスの水素濃度の推定値であり、発電開始からの経過時間や出力等パラメータとする予め記憶されたマップに従って算出される。
【００４３】
エジェクタ開度の下限のガード値として設定される最小開度θeminは、最低主水素流量Qeminの供給に必要となるエジェクタ開度とする。上記のように、本実施の形態１のシステムは、入口圧と主水素流量と基本開度との関係を定めたマップを記憶している。最小開度θeminは、このマップに従って、入口圧Pin、最低主水素流量Qeminに応じた値として求められる。
【００４４】
上記のようにエジェクタ開度は、補正開度*θeが最小開度θeminより小さい場合には、強制的に最小開度θeminに設定される。従って補正開度*θeが過度に小さい場合には、エジェクタ開度が補正開度*θeに設定されるのを避けることができる。これにより必要な水素の供給を確保できない状態となるのを避け、最低限必要な水素流量を確保状態とすることができる。
【００４５】
図５はこの発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図５のルーチンはエジェクタ開度θの設定において、繰り返し実行されるルーチンである。図５において、まず、発電電流指令値Ifcが算出される（ステップＳ１０２）。発電電流指令値Ifcは、例えば要求負荷等の情報に基づいて算出される。次に、入口圧Pinが検出される（ステップＳ１０４）。入口圧Pinは、圧力センサ１２の出力に応じて求められる。次に、エジェクタ１４から水素経路１６内に吐き出される水素の出口圧Poutが検出される（ステップＳ１０６）。出口圧Poutは圧力センサ１８の出力に基づいて求められる。次に、目標出口圧Ptgが求められる（ステップＳ１０８）。目標出口圧Ptgは、図４のグラフに示すような関係に基づいて予め設定されたマップに従って、発電電流指令値Ifcに応じた値として求められる。
【００４６】
次に、必要主水素流量Qeが求められる（ステップＳ１１０）。必要主水素流量Qeは、式（１）に従って、発電電流指令値Ifcに係数kを乗ずることにより求められる。求められた必要主水素流量Qeは、発電電流指令値Ifcの発電反応に用いられる水素流量である。次に、ＦＣ必要水素流量Qfcが算出される（ステップＳ１１２）。ＦＣ必要水素流量Qfcは、上記式（４）の通り、必要主水素流量Qeに係数Sthを乗ずることにより求められる。求められたＦＣ必要水素流量Qfcは、発電電流指令値Ifcの発電において、全てのセルに発電に必要な流量の水素が供給されるために、燃料電池２への供給が必要となる水素流量である。
【００４７】
次に、循環経路２０内に循環するオフガス流量が検出される（ステップＳ１１４）。オフガス流量は循環経路２０に配置された流量センサ２４の出力に基づいて求められる。次に、オフガス中の水素濃度の推定値が求められる（ステップＳ１１６）。オフガス中の水素濃度の推定値は予め記憶されたマップに従って算出される。次に、循環水素流量Qcが求められる（ステップＳ１１８）。循環水素流量Qcは、循環経路２０からエジェクタ１４に引き上げられるオフガスに含まれる水素流量であり、式（６）の通り、ステップＳ１１４において検出されたオフガス流量と、ステップＳ１１６において求められた水素濃度の推定値を乗ずることにより算出される。
【００４８】
次に、最低主水素流量Qeminが求められる（ステップＳ１２０）。最低主水素流量Qeminは、上記式（５）の通り、ＦＣ必要水素流量Qfcから循環水素流量Qcを減じた値として算出される。最低主水素流量Qeminは、ＦＣ必要水素流量Qfcを燃料電池２に供給するために、主水素供給路８からの供給が必要となる主水素流量である。
【００４９】
次に、必要主水素流量Qeに応じて基本開度θeが求められる（ステップＳ１２２）。基本開度θeは、入口圧と主水素流量とをパラメータとするマップに従って、入口圧Pinと必要主水素流量Qeに応じて求められる。次に、最低主水素流量Qeminに応じた最小開度θeminが求められる（ステップＳ１２４）。最小開度θeminは、基本開度θeと同様に、入口圧と主水素流量とをパラメータとするマップに従って、入口圧Pinと最低主水素流量Qeminに応じて求められる。
【００５０】
次に、出口圧偏差ΔPが求められる（ステップＳ１２６）。出口圧偏差ΔPは、上記式（２）の通り、出口圧Poutから目標出口圧Ptgを減じた値として算出される。次に、出口圧偏差ΔPに応じて、基本開度θeに対する補正値θsが求められる（ステップＳ１２８）。基本開度θeに対する補正値θsは、具体的には、出口圧偏差ΔPの比例項に所定のゲインを乗じたものと積分項に所定のゲインを乗じたものとを加算することにより求められる。次に、補正開度*θeが求められる（ステップＳ１３０）。補正開度*θeは、式（３）の通り、ステップＳ１２２において求められた基本開度θeに補正値θsを加算した値であり、基本開度θeを出口圧偏差ΔPに応じて補正した値となる。
【００５１】
次に、補正開度*θeが、最小開度θemin以上であるか否かが判定される（ステップＳ１３２）。ステップＳ１３２において、*θe≧θeminの成立が認められた場合、エジェクタ開度θは補正開度*θeに設定される（ステップＳ１３４）。一方、ステップＳ１３２において*θe≧θeminの成立が認められない場合、エジェクタ開度θは、θeminに設定される（ステップＳ１３６）。その後、設定されたエジェクタ開度θに従って、エジェクタ開度が制御される（ステップＳ１３８）。エジェクタ開度θは、可動ニードル４２を設定されたエジェクタ開度θに応じて移動させることにより制御される。
【００５２】
これにより、補正開度*θeが最小開度θemin以上の場合には、必要主水素流量Qeに応じた基本開度θeを出口圧偏差ΔPにより補正した開度に設定される。従って、エジェクタ開度は実際の出口圧Poutが考慮された開度となり、より確実に発電に必要な水素流量を燃料電池２に供給することができる。また補正開度*θeが、最小開度θeminより小さくなる場合には、エジェクタ開度は最小開度θeminに設定される。これにより、発電電流指令値Ifcの変動が大きく補正開度*θeが過度に小さくなる場合に、エジェクタ開度が補正開度*θeに設定されることを避け、発電に必要な最低限の水素の供給を確保できる状態とすることができる。
【００５３】
なお、実施の形態１において、エジェクタ１４の構成を模式的に説明したが、エジェクタ１４は、循環経路２０からのオフガスを所謂ベンチュリ効果等により引き上げ、主水素供給路８から供給される主水素とオフガスとを混合して、燃料電池２側に供給できるものであれば、他の構成を有するものであってもよい。
【００５４】
また、実施の形態１においては、最低主水素流量Qeminに基づいて最小開度を設定する場合について説明した。しかし、下限ガード値である最小開度はこれに限るものではなく、他の算出方法により算出されるものや、あるいは、最低限の水素供給を確保するため設定された一定の値を用いるものであってもよい。
【００５５】
また、実施の形態１においては、基本開度を必要主水素流量Qeに基づいて設定する場合について説明した。しかし、この発明において基本開度の算出方法はこれに限るものではなく、要求される発電電流指令値Ifcの発電に応じて求められるものであれば、他の方法により算出され、設定されるものであってもよい。
【００５６】
また、実施の形態１において補正値θsは、出口圧Poutと目標出口圧Ptgから求められる出口圧偏差ΔPの比例項と積分項とを加算することにより算出する場合について説明した。しかしながら、この発明において補正値θsの算出手法はこれに限るものではなく、例えば、出口圧偏差ΔPに比例した値として算出するものなどであってもよい。
【００５７】
また、上記のように、エジェクタ開度は、入口圧、出口圧、戻り圧等の目標値を前提にして設定される値である。しかし、実際の圧力は、必ずしもその目標値に一致するものではない。従って、その目標値と実際の圧力の検出値との間に差が生じている場合には、その差に応じて基本開度に対する補正を行うことが好ましい。この補正値は、目標出口圧Ptgと出口圧Poutとの差に応じたものに限るものではなく、例えば、目標出口圧Ptgと検出された入口圧Pinとの関係において求めるものであってもよい。また例えば、エジェクタ１４へ循環される循環経路２０内の圧力である戻り圧を検出して、目標出口圧Ptgと検出された戻り圧との関係で補正値を算出するものであってもよい。また、目標出口圧Ptgに応じたものに限るものではない。例えば、戻り圧の目標値が設定される場合には、その目標戻り圧に対する、戻り圧、出口圧、あるいは入口圧等の検出値との関係において補正値が算出されるものであってもよい。
【００５８】
上記のように、目標出口圧や目標戻り圧と実際の検出値との差により、エジェクタ開度を補正する場合、本実施の形態１のように、エジェクタ開度に下限のガード値として最小開度を設定する手法が有効である。すなわち、発電電流指令値Ifcが急激かつ大幅に減少した場合、上記の目標値と実際の検出値との差が大きくなる場合があり、補正開度が過度に小さくなることが考えられる。従って、補正開度が過度に小さく設定される事態を避けるため、本実施の形態１のように、最小開度による下限のガードを設ける手段が有効となる。
【００５９】
なお、例えば、本実施の形態１において、ステップＳ１０６が実行されることにより、本発明の「出口圧検出手段」が実現し、ステップＳ１０８が実行されることにより、「目標出口圧算出手段」が実現する。また、例えば、ステップＳ１１０が実行されることにより、本発明の「必要主燃料流量推定手段」が実現し、ステップＳ１１２が実行されることにより「燃料電池必要燃料流量推定手段」が実現し、ステップＳ１１８が実行されることにより「循環燃料流量推定手段」が実現し、ステップＳ１２０が実行されることにより「最低主燃料流量算出手段」が実現する。また、例えば、ステップＳ１２２が実行されることにより、本発明の「基本開度算出手段」が実現し、ステップＳ１２４が実行されることにより「最小開度算出手段」が実現する。また、例えば、ステップＳ１１２〜Ｓ１２０及びステップＳ１２４が実行されることにより、本発明の「最小開度設定手段」が実現し、ステップＳ１２６〜Ｓ１３０が実行されることにより「補正開度算出手段」が実現する。また、例えば、ステップＳ１３２が実行されることにより、本発明の「最小開度判定手段」が実現し、ステップＳ１３４又はステップＳ１３６が実行されることにより「開度設定手段」が実現する。
【００６０】
実施の形態２．
実施の形態２のシステムは、図１、２に示すシステムと同様の構成を有する。実施の形態２のシステムは、算出された最小開度θeminが制御可能な最大開度に近くまで大きくなる場合に発電電流値を制御する点を除き、実施の形態１のシステムと同様の制御を行う。具体的に、実施の形態２においては、実施の形態１と同様の手法により算出されたθeminが最大開度θmaxより大きい場合に、その最大開度θmaxにおいて発電可能な許容発電電流Imaxに、発電電流値が制御される。なお、ここで最大開度θmaxは、エジェクタ１４の制御可能な最大開度に近い所定の値であり、例えば、95%程度の値とされる。
【００６１】
実施の形態２において最大開度θmaxに応じた許容発電電流Imaxは以下のように求められる。まず、入口圧と基本開度と主水素流量との関係を定めたマップに従って、入口圧Pin、最大開度θmaxにおいて供給される主水素流量である最大主水素流量Qemaxが推定される。また、最大主水素流量Qemaxが決定すると、最大主水素流量Qeが主水素供給路８から供給された場合に、エジェクタ１４から燃料電池２側に吐き出される最大ＦＣ水素流量Qfcmaxが、次式（７）により算出される。
最大ＦＣ水素流量Qfcmax＝最大主水素流量Qemax＋循環水素流量Qc  ・・・・（７）
式（７）において循環水素流量Qcは、実施の形態１において説明したように、式（６）に従って求めることができる。
【００６２】
最大ＦＣ水素流量Qfcmaxが求められると、次式（８）により、最大ＦＣ水素流量Qfcmaxの水素が供給された場合に発電される許容発電電流Imaxが求められる。
許容発電電流Imax＝最大ＦＣ水素流量Qfcmax／k・Sth    ・・・・（８）
なお、式（８）は、上記式（１）及び（４）により求められるものであり、係数kは1(A)の電流の発電に必要な単位水素流量であり、係数Sthは、圧力損失を考慮して必要な水素が燃料電池２内の全てのセル６に供給されるのに必要な余裕を確保する係数である。
【００６３】
以上より、エジェクタ開度が最大開度θmaxの場合に発電可能な許容発電電流Imaxが求められる。実施の形態２においては、最小開度θeminが最大開度θmaxよりも大きい場合、発電電流が発電電流指令値Ifcから許容発電電流Imaxに制御される。これにより、算出された最小開度θeminが、制御可能な開度な最大開度θmaxを越えるような場合には、発電不能な発電電流指令値Ifcに基づいてエジェクタ開度θが設定され、あるいは他の制御が実行されるのを避けることができる。
【００６４】
図６は、この発明の実施の形態２においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンは、図５のルーチンに加えて、ステップＳ２０２〜Ｓ２１０を有する点を除き、図５のルーチンと同じものである。具体的に、図５のステップＳ１２４において最小開度θeminが求められた後、最小開度θeminが、最大開度θmax以下か否かが判定される（ステップＳ２０２）。最小開度θeminが最大開度θmax以下と判定された場合には、現在の状態でエジェクタ開度の制御により、発電電流指令値Ifcの発電が可能であると考えられる。従って、ステップＳ１２６〜Ｓ１３８が実行され、エジェクタ開度θが補正開度*θeあるいは最小開度θeminに制御される。
【００６５】
一方、ステップＳ２０２において、θemin≦θmaxの成立が認められない場合、エジェクタ開度θを制御して最大の主水素流量を確保しても、要求される発電電流指令値Ifcの発電できない場合があると考えられる。従って、θemin≦θmaxの成立が認められない場合、まず最大開度θmaxにおいて供給可能となる最大主水素流量Qemaxが求められる（ステップＳ２０４）。実施の形態２のシステムは、入口圧とエジェクタ開度と主水素流量との関係を定めたマップを予め記憶している。最大主水素流量Qemaxは、このマップに従って、入口圧Pinと最大開度θmaxとに応じて求められる。
【００６６】
次に、最大主水素流量Qemaxが供給された場合に、燃料電池２に供給される最大ＦＣ水素流量Qfcmaxが求められる（ステップＳ２０６）。最大ＦＣ水素流量Qfcmaxは、式（７）の通り、最大主水素流量Qemaxと循環水素流量Qcとの合計として求められる。求められた最大ＦＣ水素流量Qfcmaxは、エジェクタ開度が最大開度θmaxの場合に、燃料電池２に供給される水素流量である。
【００６７】
次に、最大ＦＣ水素流量Qfcmaxが供給された場合に、燃料電池２において発電可能な許容発電電流Imaxが求められる（ステップＳ２０８）。ＦＣ許容発電電流量Imaxは、燃料電池２の供給口からQfcmaxの水素が供給された場合に発電できると考えられる発電電流量であり、式（８）に従って求められる。
【００６８】
次に、発電電流指令値Ifcが、許容発電電流Imaxに再設定される（ステップＳ２１０）。その後、ステップＳ１０４に戻り、実施の形態１と同様に、ステップＳ１０４〜Ｓ１２４が実行される。但し、発電電流指令値Ifcは許容発電電流Imaxに再設定されているため、ステップＳ１１０以降において求められる必要主水素流量Qe等の各値は、許容発電電流Imaxに応じたものとなる。その後、ステップＳ２０２において、θemin≦θmaxの成立が認められると、ステップＳ１２６〜Ｓ１３８が実行され、エジェクタ開度θが、補正開度*θeあるいは最小開度θeminに制御される。
【００６９】
以上説明したように、実施の形態２においては、発電電流指令値Ifcに応じて求められる最小開度θeminが、最大開度θmaxより大きい場合に、発電電流指令値が、最大開度θmaxにおいて燃料電池２に供給される水素流量により発電可能な許容発電電流Imaxとなるように制御される。従って、エジェクタ開度の限界値を超えても発電できない出力が要求される状態を避け、発電可能な発電電流に基づく制御を実行することができる。
【００７０】
なお、例えば実施の形態２において、ステップＳ２０２を実行することにより、この発明の「最大開度判定手段」が実現し、ステップ２０８を実行することにより「許容出力推定手段」が実現し、ステップＳ２１０を実行することにより「出力制御手段」が実現する。
【００７１】
実施の形態３．
実施の形態３は、図１、２に示すシステムと同様の構成を有する。また、実施の形態３のシステムは、最小開度θeminが最大開度θmaxより大きいと判定された場合に、エジェクタ開度の入口圧Pinを制御する点を除き、実施の形態１のシステムと同様の制御を行う。具体的に、入口圧Pinは、通常の状態においては、主水素供給路８に取り付けられた水素調圧弁１０により、所定の制御圧力になるように制御されている。一方、最小開度θeminが最大開度θmax以上になる場合、エジェクタ入口圧が大きくなるように制御する。これにより、同じエジェクタ開度においても、より多くの主水素がエジェクタ１４に流入する状態とし、主水素流量を増加させる。従って、発電電流指令値Ifcに応じた発電ができる状態を確保することができる。
【００７２】
実施の形態３のシステムは、発電電流とエジェクタ開度と入口圧との関係を定めたマップを予め記憶している。このマップに従って、エジェクタ開度がθmaxとされた場合に、発電電流指令値Ifcの発電に必要な、入口圧Pinmaxを求めることができる。そして、最小開度θeminが最大開度θmaxより大きい場合、エジェクタ開度θを最大開度θmaxとし、入口圧を入口圧Pinmaxに設定する。その結果、最大開度θmaxにおける主水素流量を増加させて発電に必要な必要主水素流量Qeの供給を確保することができる。これにより、発電電流指令値Ifcの発電を確保することができる。
【００７３】
図７は、実施の形態３においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図７のルーチンは、ステップＳ３０２〜Ｓ３０８を有する点を除き、図５のルーチンと同じものである。具体的に、図７のルーチンにおいて、最小開度θeminが求められた後（ステップＳ１２４）、最小開度θeminが最大開度θmax以下か否かが判定される（ステップＳ３０２）。ここで、θemin≦θmaxの成立が認められた場合には、ステップＳ１２６〜Ｓ１３８が実行され、エジェクタ開度θが、補正開度*θeまたは最小開度θeminに制御される。
【００７４】
一方、ステップＳ３０２において、θemin≦θmaxの成立が認められない場合、次に、エジェクタ開度が最大開度θmaxとされた場合に、発電電流指令値Ifcの発電に必要な入口圧Pinmaxが算出される（ステップＳ３０４）。入口圧Pinmaxは、発電電流指令値Ifcと最大開度θmaxとに応じて、発電電流とエジェクタ開度と入口圧との関係を定めたマップに従って求められる。次に、入口圧が入口圧Pinmaxに制御される（ステップＳ３０６）。ここでは、水素調圧弁１０が制御され、主水素供給路８内が入口圧Pinmaxに制御される。次に、エジェクタ開度θが、最大開度θmaxに設定される（ステップＳ３０８）。これにより最大開度θmaxにおいてエジェクタ１４に供給される主水素流量が大きくなり、発電電流指令値Ifcの発電に必要な必要主水素流量Qeの供給を確保することができる。その後、エジェクタ開度θが設定された最大開度θmaxに制御され、この処理が終了する。
【００７５】
以上説明したように、実施の形態３では、最小開度θeminが最大開度θmaxを上回る場合に、エジェクタ開度θをθmaxに制御すると共に、入口圧を入口圧Pinmaxになるように制御する。従って、最大開度θmaxにおいて供給可能な主水素流量を増加させることができる。これにより、発電電流指令値Ifcの要求が大きい場合にも、要求出力に応じた発電を行うことができる。
【００７６】
なお、例えば実施の形態３において、ステップＳ３０２が実行されることにより、この発明の「最大開度判定手段」が実現し、ステップＳ３０４が実行されることにより「目標入口圧推定手段」が実現し、ステップＳ３０６が実行されることにより「入口圧制御手段」が実現する。
【００７７】
また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及している場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムを説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるエジェクタの構成を説明するための模式図である。
【図３】必要主水素流量とエジェクタ開度との関係を説明するためのグラフである。
【図４】発電電流とエジェクタ出口圧の目標値との関係を説明するためのグラフである。
【図５】この発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態２においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態３においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
２  燃料電池
４  スタック
６  セル
８  主水素供給路
１０  水素調圧弁
１２  圧力センサ
１４  エジェクタ
１６  水素経路
１８  圧力センサ
２０  循環経路
２２  圧力センサ
２４  流量センサ
２６  気液分離器
２８  排出経路
３０  排出弁
３２  ノズル
３４  主水素ポート
３６  噴出口
３８  オフガスポート
４０  吐出口
４２  可動ニードル
【図１】
2007234333.tif 000003
【図２】
2007234333.tif 000004
【図３】
2007234333.tif 000005
【図４】
2007234333.tif 000006
【図５】
2007234333.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007234333.tif 000009