(57)【要約】【課題】  水素循環系の不純物ガス濃度を精度よく推定し、パージ量を減少するとともに循環ポンプの駆動エネルギーを節約し、燃料電池システムの燃費効率を向上させる。【解決手段】  気体組成推定手段１０４は、燃料電池システムの定常運転状態から気体質量密度推定を行う定常気体質量密度推定演算部１０４ａと、過渡運転状態から気体質量密度推定を行う過渡気体質量密度推定演算部１０４ｂを備え、目標発電電力決定手段１０１が決定した目標発電電力、燃料電池運転状態検出手段１０２が検出した運転状態、及び循環装置運転状態検出手段１０３が検出した循環装置の運転状態に基づいて、燃料循環路内の気体組成を推定する。気体組成の推定結果は、燃料循環系内の不純物を外部に放出する不純物排出手段１０５、循環装置を制御する循環装置制御手段１０６、燃料供給量を制御する燃料供給制御手段１０７に入力され、燃料電池の運転制御に利用される。【選択図】    図１
2007012532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる単電池を複数積層して構成される燃料電池と、
該燃料電池へ燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料極から排出される残燃料を燃料供給路へ循環させる燃料循環路と、
該燃料循環路に設けられ、燃料極から排出された残燃料を昇圧して循環させる循環装置と、
前記燃料循環路の圧力を検出する循環路圧力検出手段と、
前記燃料循環路の気体温度を検出する循環路気体温度検出手段と、
前記循環装置の運転状態を検出する循環装置運転状態検出手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記循環装置運転状態検出手段が検出した運転状態値に基づいて前記循環装置が循環させる気体の質量密度の推定値を算出し、
該気体質量密度の推定値、前記循環路圧力検出手段の圧力検出値、および前記循環路気体温度検出手段の温度検出値に基づいて、前記燃料循環路内の気体組成を推定する気体組成推定手段を備えた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】
前記気体質量密度の推定は、前記燃料電池システムの定常的な運転状態において質量密度推定を行う定常気体質量密度推定演算、もしくは、前記燃料電池システムの過渡的な運転状態において質量密度推定を行う過渡気体質量密度推定演算、の少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記気体組成推定手段は、推定対象が窒素と水素の混合気体として前記気体組成を推定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記循環装置運転状態検出手段は、
前記燃料循環路の湿度を検出する循環路湿度検出手段と、
該循環路湿度検出手段が検出した湿度検出値、前記圧力検出値、および前記温度検出値に基づいて水蒸気濃度を推定する水蒸気濃度推定手段とを備え、
前記気体組成推定手段は、推定対象が窒素、水素、水蒸気の混合気体として、前記気体組成推定を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記循環装置運転状態検出値は、循環装置の負荷であり、前記燃料循環路内の窒素濃度が所定の制御目標値に一致する標準気体質量密度であるときに発生する循環装置の負荷と、循環装置で実際に発生する負荷とに基づいて、前記質量密度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記循環装置は、電動機によって回転駆動されて気体を昇圧する循環装置であり、前記循環装置運転状態検出値は、電動機の電流と循環装置の回転速度であり、循環装置の所定回転速度において、前記燃料循環路内の窒素濃度が所定の制御目標値であるときの電動機電流と、循環装置における実際の電動機電流とに基づいて、気体質量密度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
前記過渡気体質量密度推定演算は、前記循環装置が燃料循環路の流体から受ける反力を推定し、該反力から気体質量密度を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、燃料電池に対する要求電力を検出する要求電力検出手段と、燃料電池の発電電力の余剰分を蓄えるとともに不足分を放電する蓄電手段とを備え、
前記要求電力が燃料電池の発電電力を上回り、且つ前記要求電力と発電電力との差を前記蓄電手段から所定時間以上供給可能な場合に、前記燃料電池システムの発電電力を一定とする定常運転状態に切り替え、前記定常気体質量密度推定演算を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項９】
前記要求電力が燃料電池の発電電力を下回り、且つ前記要求電力と発電電力との差を前記蓄電手段へ所定時間以上蓄電可能な場合に、燃料電池システムの発電電力を一定とする定常運転状態に切り替え、前記定常気体質量密度推定演算を行うことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１０】
前記定常運転状態として、前記燃料循環路の目標圧力、循環装置の目標回転速度、燃料電池の目標発電電力のそれぞれに一定の目標値を所定時間与えて、循環装置への負荷を一定にすることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１１】
前記燃料循環路から分岐して、不純物を含む燃料ガスを外部へ排出する不純物排出路と、該不純物排出路から排出される排出量を制御する排出量制御弁とを備え、
前記標準気体質量密度状態で発生する循環装置出力と、循環装置で実際に発生する出力との差、もしくは気体組成推定結果の少なくとも一方に基づいて、排出量制御弁の動作を補正することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１２】
前記気体組成推定手段による推定結果に基づいて、燃料電池の目標発電電力に対する循環装置の目標回転速度を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１３】
前記燃料電池へ供給する燃料流量を変化させる燃料供給手段を備え、
前記気体組成推定手段による推定結果に基づいて、燃料電池へ供給する燃料流量を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１４】
前記定常気体質量密度推定演算と前記過渡気体質量密度推定演算とを並列に行い、燃料循環路の圧力、循環装置の運転状態、燃料電池の発電電力をそれぞれ検出し、これらが定常状態であると判断される場合には、前記定常気体質量密度推定演算の結果を選択し、定常状態と判断されない場合には、前記過渡気体質量密度推定演算の結果を選択することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１５】
燃料供給を開始する前に、循環装置の目標回転速度として一定値を所定時間与え、回転速度検出値が一定値となった後に、前記定常気体質量密度推定を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１６】
酸化剤供給を停止し、電流の取り出しを停止した状態から、循環路圧力を一定圧力に所定時間維持し、循環装置を一定回転速度で所定時間稼動させ、前記定常気体質量密度推定演算を行うことを特徴とする請求項２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、燃料電池システムの制御装置に係り、特に未反応燃料を再循環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】
一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
安定した発電を燃料電池で行うために、水素の供給量は、発電に必要な量より多く燃料極側へ供給する必要があり、燃料電池出口からは、化学反応しなかった余剰水素が排出される。したがって、より水素の利用効率を上げるために、排出される未反応燃料を循環ポンプなどの循環装置により再び供給側へ循環させる燃料電池システムが知られている。
【０００４】
ところで、水素を循環させる燃料電池システムにおいて、酸化剤として空気を用いる場合には、燃料電池の電解質膜などを介して、窒素などの不純物が酸化剤極から燃料極へ透過し、循環流路内に蓄積されていく。この結果、燃料電池内の水素濃度が低下して出力が低下したり、循環装置による水素の循環量が低下するために、安定した発電ができなくなったりする。
【０００５】
そこで、このような問題に対処するために、水素循環路に排出弁を設け、循環路内の不純物を外部に排出する。しかし、小型の燃料電池では不純物と水素を分離する水素分離装置を備えないため、不純物を排出する際に、一緒に水素を排出する。排出弁を開放しすぎると、水素を過剰に捨てることになり、水素の利用率が下がってしまう。そこで、回転機で駆動される循環ポンプの負荷状態を検出して、負荷状態から不純物ガス濃度を算出する燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−１６５０９３号公報（第６ページ、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力が高いほど燃料電池本体における発電効率が上がるが、酸化剤ガスとして空気を供給するブロアやコンプレッサの消費電力も空気供給圧力の上昇に応じて増加する。このため、発電電力（電流）の増加に応じて、燃料ガス及び空気圧力を増加させる燃料電池の運転方法が一般に行われている。
【０００７】
このような燃料電池の運転圧力の変化により、水素系内の不純物濃度や気体組成が一定であっても、気体質量密度は変化する。また燃料電池は、発電開始直後では、温度が氷点下の場合もあり、一方で、１００℃近い状態でも使用されることもある。このため、水素系内の気体組成が一定であっても、温度による気体の膨張、および収縮による気体質量密度の影響もまた大きい。
【０００８】
気体質量密度の変化によって、燃料電池および循環路で発生する圧力損失が変化する。このとき、循環ポンプの所定回転速度における負荷状態は、気体を循環させるために必要となる揚程（吐出圧力）により変化するため、圧力や温度が変化しやすい燃料電池システムでは、負荷状態から不純物ガス濃度を直接算出することで、算出誤差が大きくなってしまうことになる。
【０００９】
また目標発電量に応じて、循環ポンプの回転速度を変化させる場合には、例えば加速時には過渡的に負荷が増大するため、このような値を用いて推定を行うと、不純物ガス濃度を精度よく推定することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる単電池を複数積層して構成される燃料電池と、該燃料電池へ燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料極から排出される残燃料を燃料供給路へ循環させる燃料循環路と、該燃料循環路に設けられ、燃料極から排出された残燃料を昇圧して循環させる循環装置と、前記燃料循環路の圧力を検出する循環路圧力検出手段と、前記燃料循環路の気体温度を検出する循環路気体温度検出手段と、前記循環装置の運転状態を検出する循環装置運転状態検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記循環装置運転状態検出手段が検出した運転状態値に基づいて前記循環装置が循環させる気体の質量密度を推定し、該気体質量密度の推定値、前記循環路圧力検出手段の圧力検出値、および前記循環路気体温度検出手段の温度検出値に基づいて、前記燃料循環路内の気体組成を推定する気体組成推定手段を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。
【００１１】
本発明は、燃料ガス（例えば、水素：分子量２）と、酸化剤極から燃料極へ電解質膜を透過した不純物ガス（例えば、窒素：分子量２８）との分子量の相違を利用して、燃料循環路内部の気体組成を推定するものである。即ち燃料循環装置が循環させる気体から受ける反作用は、気体の質量密度に比例する。この反作用の大きさを循環装置運転状態として検出し、この運転状態検出値に基づいて燃料循環路内部の気体の質量密度を推定することができる。そして、この推定された質量密度、燃料循環路内の圧力、及び燃料循環路内の温度から燃料循環路内の気体組成を推定する。こうして推定された気体組成は、パージ制御や燃料循環制御等の燃料電池の運転制御の高精度化に用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料極から排出された未反応燃料を燃料供給路へ循環させる循環装置の運転状態検出値に基づいて、循環路内の気体の質量密度を推定し、この気体質量密度の推定値と、循環路圧力検出値、および循環路気体温度検出値に基づいて、燃料循環路内の気体組成を推定することができるため、燃料経路内の圧力、温度が変化する場合においても、燃料循環路内の気体組成を正確に推定することができるという効果がある。
【００１３】
また、このように正確に推定された燃料循環路内の気体組成推定値を燃料電池システムの運転制御に用いることにより、パージ時の燃料ガスを節約するとともに、燃料循環装置の駆動力を低減し、燃料電池システムの燃費効率を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施例は、特に限定されないが、燃料電池システムの燃費効率が走行可能距離に直接影響する燃料電池車両に好適な実施例である。
【実施例１】
【００１５】
図１は、この発明の基本構成を示す図である。図中の目標発電電力決定手段１０１は、燃料電池の目標発電電力を決定する。燃料電池運転状態検出手段１０２は、燃料電池システムの運転状態を検出する。循環装置運転状態検出手段１０３は、燃料極出口から排出された燃料ガスを燃料極入口へ循環させる循環装置の運転状態を検出する。
【００１６】
気体組成推定手段１０４は、目標発電電力決定手段１０１が決定した目標発電電力、燃料電池運転状態検出手段１０２が検出した運転状態、及び循環装置運転状態検出手段１０３が検出した運転状態に基づいて、燃料循環路内の気体組成を推定する。気体組成推定手段１０４は、燃料電池システムの定常的な運転状態から気体質量密度推定を行う定常気体質量密度推定演算部１０４ａと、過渡的な運転状態から気体質量密度推定を行う過渡気体質量密度推定演算部１０４ｂを備える。気体組成推定手段１０４の推定結果は、燃料循環系内の不純物を外部に放出する不純物排出手段１０５、循環装置の回転速度を制御する循環装置制御手段１０６、燃料電池への燃料供給量を制御する燃料供給制御手段１０７のそれぞれに入力され、燃料電池システムの運転動作が決定される。
【００１７】
図２は、本発明の実施例１が適用される燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、電解質膜３をアノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５で挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード４には燃料として水素ガス、カソード５には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１８】
アノード（燃料極）  ：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ-                   …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ       …（２）
このときカソード５で生成された水の一部は水蒸気となって、電解質膜３を透過してアノード４へ侵入する。燃料ガスとしての水素は、水素タンク６から水素タンク元弁７、減圧弁８、水素供給弁９を通じてアノード４へ供給される。水素タンク６から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁９でアノード４の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ１０ａにより検出され、コントローラ３０に入力される。
【００１９】
アノード４の出口からアノード４の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路１１が備えられる。循環ポンプ１２は、燃料循環路１１内の燃料ガスを昇圧させて循環させる循環装置である。循環ポンプ１２は図示しない電動機によって駆動され、この電動機の電流を電流センサ１３によって検知する。カソード５への空気はコンプレッサ１４により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁２４が設けられ、カソード圧力が制御される。
【００２０】
パワーマネージャ１５は、燃料電池２から電力を取り出して、負荷装置１６もしくはバッテリ１７へ電力を供給する。バッテリコントローラ１８は、バッテリ１７の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電状態（ＳＯＣ）を算出し、ＳＯＣをコントローラ３０へ送信する。電圧センサ１９は、燃料電池２の単電池毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群毎の電圧を測定する。コントローラ３０は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。
【００２１】
カソード５には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜３を透過して、アノード４、燃料循環路１１及び循環ポンプ１２を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ１２によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁２０により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード出口圧力センサ１０ｂはアノード出口の圧力を測定するセンサ、アノード入口温度センサ２１ａはアノード入口の気体の温度を測定するセンサ、アノード出口温度センサ２１ｂはアノード出口の気体温度を測定する温度センサ、湿度センサ２２は燃料循環路１１内の気体の湿度を測定するセンサであり、それぞれの検出値は、コントローラ３０へ入力される。
【００２２】
図３は、コントローラ３０の構成を示したものである。燃料電池２に要求される電力を検知する要求電力検知部３１と、バッテリコントローラ１８から送信されるＳＯＣを検知する充電状態検知部３２と、要求電力検知部３１と充電状態検知部３２の検出値を用いて、燃料電池での目標発電電力を決定する燃料電池発電電力決定部３３と、目標発電電力に基づいて、酸化剤の供給量を決定し、コンプレッサ１４を制御する酸化剤供給量制御部３４と、目標発電電力に基づいて燃料の供給量を決定し、アノード入口圧力センサ１０ａに基づいて、水素供給弁９を制御する燃料供給量制御部３５と、目標発電電力に基づいて、安定した発電を行うために必要となる水素循環流量を実現するように、循環ポンプ１２を制御する循環量制御部３６と、目標発電電力に基づいて、要求電力に対してエネルギーを供給する、もしくは、バッテリにエネルギーを充電するためにパワーマネージャ１５で取り出す電力を制御する取り出し電流制御部３７と、循環ポンプ状態量検出部３９で検出される、循環ポンプの電流、ならびに循環ポンプの回転速度に基づいて気体質量密度、ならびに気体組成を推定する、気体状態量推定部３８と、気体状態量推定部３８で推定された、気体組成結果に基づき、燃料電池での化学反応に無関係な物質を、水素経路から外部に放出するための排出量制御部４０と、燃料電池システムの起動や休止を判定する燃料電池システム起動・休止判定部４１からなる。
【００２３】
要求発電量検知部３１は、燃料電池２を発電機のように直接エネルギー供給源として用いる、若しくは移動体の駆動力へのエネルギー供給源のように間接的に燃料電池をエネルギー供給源として用いる際の燃料電池２への要求電力を検知する。
【００２４】
充電状態検知部３２は、バッテリコントローラ１８からＳＯＣを受信する。バッテリコントローラ１８は、バッテリ１７の温度、電圧、充放電電流を常にモニタして、バッテリのＳＯＣを算出している。ＳＯＣは、例えば、バッテリの満充電量に対する比率（％）で表現される。
【００２５】
燃料電池発電量決定部３３は、要求電力検知部３１から送信される要求電力と、充電状態検知部３２から送信されるＳＯＣから、燃料電池２での発電電力を決定する。
【００２６】
酸化剤供給量制御部３４は、燃料電池発電量決定部３３で決定された目標発電電力に基づいて、発電量相当の酸化剤の供給量を算出し、コンプレッサ１４の目標回転速度を決定する。コンプレッサ１４には目標回転速度どおりに、実際の回転速度を制御するためのコントローラが備わっている。
【００２７】
燃料供給量制御部３５は、燃料電池発電電力決定部３３で決定された目標発電電力に基づいて、発電のために必要な水素供給量と、目標発電電力を満たすように、達成すべき変換効率となる燃料電池目標圧力を決定して、目標値を満たすようにアノード入口圧力センサ１０ａを用いて、水素供給弁９の目標開度を決定する。水素供給弁９は目標開度どおりに実際の開度を制御するためのコントローラが備わっている。
【００２８】
循環量制御部３６は、燃料電池発電電力決定部３３で決定された目標発電電力に基づいて、余剰水素循環量を実現するために循環ポンプ１２の回転速度を決定する。このとき目標発電電力に対する回転速度を決定するためには、水素循環系に存在する窒素量を仮定する必要がある。この仮定した窒素量が存在したときの水素循環系内の気体密度を標準気体密度として決定する。例えば、水素循環系の気体の体積を気体の標準状態である０［℃］，１［ａｔｍ］を用いて表すとして、全体の気体の体積に対し、窒素の体積（窒素量）は、例えば１０〜４０［％］の範囲から、実験的に求めた燃費効率の高い任意の点に設定する。
【００２９】
ここで、循環ポンプの駆動電力に燃料電池の発電電力を利用するとすれば、この電力は外部負荷に供給できない電力であるので、燃料電池の燃費効率において、パージによる不純物排出と同時に排出される水素量と、循環ポンプの駆動電力とは相反関係にある。
【００３０】
窒素量を高く設定すると、パージ量或いはパージ頻度が低下し、不純物排出と同時に排出される水素量を低減することができるが、水素循環系内の気体の質量密度が高くなり、循環装置である循環ポンプの駆動電力が増加する。逆に、窒素量を低く設定すると、水素循環系内の気体の質量密度が低くなり、循環ポンプの駆動電力を減少させることができるが、パージ量或いはパージ頻度が増加し、不純物排出と同時に排出される水素量が増加する。固体高分子型燃料電池では、燃料電池の材質、構造、出力密度等によって、１０〜４０［％］の範囲に、燃費効率が最も高くなる最適な窒素量の点があり、これを実験的に求めて設定するのが好ましい。
【００３１】
こうして決定した窒素量を燃料電池運転中に、水素循環系内で維持する目標窒素量とする。循環ポンプ１２には目標回転速度どおりに、実際の回転速度を制御するためのコントローラが備わっている。
【００３２】
取り出し電流制御部３７は、燃料電池発電電力決定部３３で決定された目標発電電力に基づいて、パワーマネージャ１５が燃料電池２から目標発電電力を取り出すための、目標取り出し電流を決定する。パワーマネージャ１５には目標取り出し電流どおりに、実際の取り出し電流を制御するためのコントローラが備わっている。
【００３３】
気体状態量推定部３８は、循環ポンプ状態量検出部３９で検出した循環ポンプ１２の回転速度、ならびに電流センサ１３で検出した循環ポンプの駆動モータに流れる電流を用いて、燃料循環路１１内の気体質量密度を推定する。このとき気体質量密度推定方法を燃料電池の運転状態が定常状態か過渡状態かに応じて、定常気体質量密度推定演算と過渡気体質量密度推定演算とに切り替える。また推定した気体質量密度を用いて気体組成を推定する。
【００３４】
排出量制御部４０は、気体状態量推定部３８で推定された、気体組成推定結果に基づいて、不純物排出量を決定し、パージ弁２０の開度を制御する。
【００３５】
燃料電池システム起動・休止判定部４１は、ユーザから燃料電池の発電開始をする要求された、もしくはユーザからの発電要求電力が小さくなり、発電を休止するという判断を行う。
【００３６】
図４は、実施例１におけるコントローラの動作を説明するフローチャートである。
【００３７】
先ず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０２において、燃料電池システムへの要求電力を検知し、Ｓ１０４において、バッテリコントローラ１８からバッテリ１７のＳＯＣを受信することによりＳＯＣを検知する。次いでＳ１０６で、燃料電池２の現在の発電電力（以下、単に発電電力という）と、目標発電電力を算出する。発電電力は、電圧センサ１９が検出した燃料電池２の現在の総電圧と、パワーマネジャー１５から通知される現在の取り出し電流との積で算出する。目標発電電力は、例えば要求電力の変化速度を燃料電池が応答可能な一定の変化速度以内に制限して要求電力に追随する電力として算出する。
【００３８】
次いで、Ｓ１０８で要求電力より発電電力が大きいか否かを判定する。要求電力より発電電力が大きければ、Ｓ１１０へ進み、そうでなければ、Ｓ１１２へ進む。
【００３９】
Ｓ１１０では、Ｓ１０４で検知したＳＯＣがＳＯＣ１より少ないか否かを判定する。ここでＳＯＣ１は、所定値でもよいが、発電電力Ｐｆ−要求電力Ｐｒ＝余剰電力Ｐｅを定常気体質量密度推定に必要な所定時間Ｔ１の間、バッテリ１７へ充電可能な空き容量があるＳＯＣとするのが好ましい。
【００４０】
（１−ＳＯＣ１）×Ｑ＝（Ｐｅ／Ｖ）×Ｔ１              …（３）
ここで、バッテリの電圧Ｖ、バッテリの最大充電容量Ｑ、ＳＯＣ及びＳＯＣ１は、０から１までの数（［０，１］）とする。
【００４１】
Ｓ１１０の判定で、ＳＯＣがＳＯＣ１より少なければ、余剰電力をバッテリ１７へ充電するのに十分な空き容量があるとして、Ｓ１１４へ進む。ＳＯＣがＳＯＣ１以上であれば、Ｓ１１６へ進む。
【００４２】
Ｓ１１２では、Ｓ１０４で検知したＳＯＣがＳＯＣ２より多いか否かを判定する。ここでＳＯＣ２は、ＳＯＣ１とは異なる所定値でもよいが、発電電力Ｐｆ−要求電力Ｐｒ＝不足電力Ｐｕを定常気体質量密度推定に必要な所定時間Ｔ１の間、バッテリ１７から放電可能な充電容量があるＳＯＣとするのが好ましい。
【００４３】
ＳＯＣ２×Ｑ＝（Ｐｕ／Ｖ）×Ｔ１                      …（４）
ここで、Ｖはバッテリ電圧、Ｑはバッテリ最大充電容量、ＳＯＣ及びＳＯＣ２は、０から１までの数とする。
【００４４】
Ｓ１１２の判定で、ＳＯＣがＳＯＣ２より多ければ、不足電力をバッテリ１７から放電するのに十分な充電容量があるとして、Ｓ１１４へ進む。ＳＯＣがＳＯＣ２以下であれば、Ｓ１１６へ進む。
【００４５】
Ｓ１１４では、燃料電池システムの定常運転状態を作り出して気体組成を推定するために、酸化剤供給量制御部３４で決定される目標空気流量、およびコンプレッサ回転速度、燃料供給量制御部３５で決定される目標燃料電池入口圧力、循環量制御部３６で決定される循環ポンプ回転速度、取り出し電流制御部３７で決定される目標取り出し電流が固定される。即ち、燃料電池の運転パラメータを制御する水素供給弁９，循環ポンプ１２，コンプレッサ１４，及び空気圧調整弁２４への指示値を継続させ、また現在の取り出し電流の継続をパワーマネジャー１５へ指示して、Ｓ１１８へ進む。
【００４６】
Ｓ１１６では、Ｓ１１０またはＳ１１２で定常的な運転状態ができないと判断されたため、燃料電池発電電力決定部３３で決定する目標発電電力を要求電力と、バッテリの残容量に基づいて決定する。これにより酸化剤供給量制御部３４、燃料供給量制御部３５、循環量制御部３６、取り出し電流制御部３７では目標発電量相当の各アクチュエータの目標稼動量を決定する。即ち、Ｓ１０６で算出した燃料電池の目標発電電力相当値に対する各種制御値のマップを参照して求め、水素供給弁９，循環ポンプ１２，コンプレッサ１４，及び空気圧調整弁２４への制御目標値を設定し、また目標発電電力相当の電流取り出しをパワーマネジャー１５に指示して、Ｓ１１８へ進む。
【００４７】
Ｓ１１８では、アノード入口圧力センサ１０ａ、アノード入口温度センサ２１ａ、アノード出口圧力センサ１０ｂ、アノード出口温度センサ２１ｂ、循環ポンプ１２の回転速度センサ、循環ポンプ１２の駆動モータ電流センサ１３の各検出値を燃料電池運転状態として読み込む。
【００４８】
次いで、Ｓ１２０では、燃料電池システムの運転状態が定常的な運転状態であり、かつその状態が所定時間以上継続しているかを判断する。具体的には目標発電電力が所定時間一定値であり、アノード入口圧力センサ１０ａ、アノード出口圧力センサ１０ｂ、パワーマネージャ１５での取り出し電流、循環ポンプ１２の回転速度、および循環ポンプモータ電流検出値が所定時間一定値であることを検出する。このときの所定時間は、実験により定常気体質量密度推定に要する時間を予め求めておいて設定する。
【００４９】
Ｓ１２０で定常状態継続時間が所定時間以上であれば、Ｓ１２２へ進み、定常気体質量密度演算を行い、Ｓ１２６へ進む。Ｓ１２０で定常状態継続時間が所定時間未満であれば、Ｓ１２４へ進み過渡気体質量密度演算を行い、Ｓ１２６へ進む。
【００５０】
Ｓ１２２では定常気体質量密度推定演算を行う。この演算の詳細を図５の定常気体質量密度推定部２０１に示す。定常気体質量密度推定部２０１は、循環ポンプ回転速度と循環ポンプ駆動モータ電流から気体質量密度を算出するマップを備えている。このマップは、実際の燃料電池システムのアノード及び燃料循環路にそれぞれ異なる気体質量密度のガスを封入し、循環ポンプ回転速度を変化させて、循環ポンプ駆動モータの電流を計測して求める、もしくは、燃料循環路、および燃料電池の圧損特性設計値と、ポンプの圧力流量特性、およびこのときの駆動モータの回転速度−トルク特性の設計値を元に設計する。
【００５１】
図６にポンプの圧力流量特性と、燃料循環路および燃料電池アノードの圧損特性の関係を示す。循環ポンプにより燃料循環路内の気体を昇圧して、循環流量を確保するためには、燃料循環路および燃料電池のアノードガス流路の構成から決定される圧損分だけ昇圧する必要がある。そのため、所定回転速度Ｒ１で稼動させたときの、循環ポンプの動作点は、ポンプの圧力流量特性と、圧損特性との交点として求まる。
【００５２】
圧損特性は図６に示すように、気体の質量密度によって変化するので、気体質量密度の違いで循環ポンプの動作点は変化する、すなわちポンプの仕事率が気体質量密度で変化する。循環ポンプを駆動するモータの仕事率は回転速度とトルクとの積であるため、回転速度を固定し、気体質量密度による循環ポンプの仕事率の変化からトルクが変化することを利用して、気体密度推定を行う。
【００５３】
ここで燃料電池は運転状態によって、圧力や温度が変化するために、気体質量密度の変化は、気体組成だけでなく、圧力や温度の変化についても変化する。また図７に示すように、速度式の循環ポンプは、回転速度ごとの圧力流量特性が気体質量密度によって変化するものがある。燃料電池の運転中に管理する対象は、燃料電池の水素循環系の気体組成、特に窒素濃度である。気体組成を求めるためには、気体質量密度によって循環ポンプの動作点が変化することを考慮して、まず気体質量密度を求め、その後、圧力、温度の影響を加味して、気体組成を求める必要がある。
【００５４】
図４に戻って、Ｓ１２４では過渡気体質量密度推定演算を行う。過渡気体質量密度推定演算は、循環ポンプの回転速度が一定でないときに行う推定方法であり、その原理を図８に示す。図８（ａ）は、過渡気体質量密度推定における力学的パラメータの説明図、図８（ｂ）は、異なる気体質量密度における一定目標回転速度を与えた循環ポンプのモータトルク変化を示すタイムチャートである。
【００５５】
循環ポンプは、駆動モータのロータ部と循環ポンプのインペラ部とが高剛性のシャフトで接続されていると想定し、この回転部分のイナーシャ（慣性モーメント）をＪM とする。モータロータに駆動トルクτM が印加されたとき、インペラが昇圧する気体の反力τG（ρ）が回転を妨げる方向に働く。それらの駆動力と反力との合成力よって、モータ即ちインペラの回転速度ωM の時間変化が発生する。この関係は、以下の式（５）で表される。ここでρは、気体の質量密度である。
【００５６】
τM −τG（ρ）＝ＪM ×（ｄ（ωM ）／ｄｔ）               …（５）
したがって、循環ポンプの回転部分のイナーシャと、駆動トルク（すなわち電流）、および回転速度の変化から気体の反力τG（ρ）を算出できる。具体的には、例えば、サンプリング周期ΔＴ毎に、回転速度の変化ΔωM と駆動モータのトルクτM とを求め、サンプリング周期ΔＴ毎にτG（ρ）を算出する。次いで、複数のサンプリング周期におけるτG（ρ）の平均値を求める。そして予め実験でτG（ρ）と気体の質量密度ρの関係を求めておいたマップから、τG（ρ）の平均値を用いて、気体質量密度ρを求める。
【００５７】
Ｓ１２２の定常気体質量密度推定演算、或いはＳ１２４の過渡気体質量密度演算を行った後、次いで、Ｓ１２６では、推定された気体質量密度に基づいて、気体組成推定演算を行う。気体組成推定方法を図５に示す。
【００５８】
モル質量算出部２０２は、気体質量密度推定値と、圧力センサ１０ｂが検出した循環路圧力検出値と、温度センサ２１ｂが検出した循環路温度検出値から式（６）によりモル質量を計算する。
【００５９】
モル質量[g/mol]＝(気体質量密度推定値[g/L])×（完全気体の体積22.4[L/mol]）
×（1atmの気圧101.3[kPa]/循環路圧力センサ検出値[kPa]）
×（1+(循環路温度センサ検出値[K]/0[℃]の温度273.15[K])）
…（６）
水蒸気濃度算出部２０３は、循環路温度センサ検出値、循環路圧力センサ検出値、ならびに湿度センサ２２が検出した循環路湿度検出値から、水蒸気濃度を求める。この方法としては、温度と湿度からＡｎｔｏｉｎｅの式などを用いて、水蒸気分圧を求め、水蒸気分圧を全圧で割ることで、水蒸気濃度を求める。
【００６０】
気体組成算出部２０４は、水素濃度及び窒素濃度を求める。モル質量算出部２０２で求めたモル質量をＭ、水蒸気濃度算出部２０３で求めた水蒸気濃度をｙとして、窒素濃度をｘとすると、以下の式（７）として表されるので、Ｍ，ｙが既知であるからｘが求まり、水素濃度、ならびに、窒素濃度が求まる。
【００６１】
Ｍ＝（水素の分子量[g/mol]:2）×(1-x)＋（窒素の分子量[g/mol]:28）×ｘ
＋（水蒸気の分子量[g/mol]:18）×ｙ                              …（７）
燃料電池においては、温度が低い状態で発電を行うのであれば、水蒸気分圧は高くなく、全圧が高ければ、水蒸気濃度は小さくなるため、水蒸気濃度を考慮しなくてもよい。また内部加湿の燃料電池のように、水蒸気が常に飽和状態であると考えられる場合には、温度センサの検出値から飽和水蒸気圧が求まるので湿度センサは不要である。
【００６２】
図４に戻って、Ｓ１２８では、Ｓ１２６で求めた窒素濃度から水素循環系内の窒素量を推定し、推定窒素量と目標窒素量とを比較する。これは、図６で示したように、循環ポンプの所定回転速度における圧力流量特性と、燃料循環路および燃料電池アノードの圧損特性との交点が気体質量密度によって変化することを用いて、推定した気体質量密度と、循環ポンプの回転速度からポンプの圧力流量特性を元に、循環流量を求める。
【００６３】
そして、燃料循環路１１と燃料電池のアノード４との流路体積と、水素供給量と循環流量、および推定した窒素濃度、水蒸気濃度、水素濃度から水素循環系内の窒素量を求める。
【００６４】
燃料循環路１１中の窒素量は、燃料循環路１１の体積に推定した燃料循環路の窒素濃度を掛け合わせることで求める。
【００６５】
燃料電池のアノード４内の窒素量を求めるには、最初に水素供給量と循環流量から、燃料電池入口での窒素濃度が求まる。なお水素供給量は、水素供給弁９の開度とその前後差圧から求める。そして、アノード内の窒素濃度分布が入口から出口へ線形に変化すると仮定して、アノード入口窒素濃度と循環路窒素濃度から平均窒素濃度を求め、これとアノード内の容積を掛け合わせることで求める。
【００６６】
この求めた窒素量を気体の標準状態、０［℃］，１［ａｔｍ］へ変換する際に、センサ値を用いて、圧力、温度の平均値を算出してこれを用いて変換を行う。これらの処理は気体状態量推定部３８で行う。
【００６７】
Ｓ１２８の判定で、推定窒素量が目標窒素量より多ければ、Ｓ１３０へ進む。推定窒素量が目標窒素量と等しければ、何もせずにリターンする。推定窒素量が目標窒素量より少なければＳ１３８に進む。
【００６８】
Ｓ１３０では、窒素排出量を増やすように、パージ弁２０を制御する。周期的に開閉をするパージ弁２０であれば、開時間を延長または閉時間を短縮し、可変開度弁であれば、開度を大きくするように制御量を補正する。このときの補正量は、推定窒素量と目標窒素量との差、もしくは、実際の電流値と、標準気体密度における循環ポンプの電流値との差の、すくなくとも一方に基づいて決定する。差が大きいほど、排出量が多くなるように補正する。そしてＳ１３２へ進む。
【００６９】
Ｓ１３２では、図３の循環量制御部３６で決定していた循環ポンプ１２の目標回転速度に対し、目標回転速度を増やすように補正する。このときの補正量は、目標窒素量と推定した窒素量の差に基づいて決定する。そしてＳ１３４へ進む。
【００７０】
Ｓ１３４では、Ｓ１３２で回転速度を増加した結果、回転速度が循環ポンプ性能上の最大値となるかの判断を行う。最大値になると判断した場合には、循環ポンプの目標回転速度を最大値で制限してＳ１３６へ進み、そうでない場合にはリターンする。
【００７１】
Ｓ１３６では、Ｓ１３４で循環ポンプ回転速度が最大値となり、循環流量を増やすことができないため、燃料電池への水素供給量が不足すると判断し、燃料電池入口圧力の目標値を通常使用している目標値より高く設定する。ここで目標値は、燃料電池２１の耐圧を考慮して上限を設定して、リターンする。これによって水素供給弁の開度が増加して、供給水素量が増えることになる。
【００７２】
Ｓ１３８では、窒素排出量を減少するように、パージ弁２０を制御する。周期的に開閉をするパージ弁２０であれば、開時間を短縮または閉時間を延長し、可変開度弁であれば、開度を小さくするように制御量を補正する。このときの補正量は、推定窒素量と目標窒素量との差、もしくは、実際の電流値と、標準気体密度における循環ポンプの電流値との差の、すくなくとも一方に基づいて決定する。差が大きいほど、排出量が少なくなるように補正する。そしてＳ１４０へ進む。
【００７３】
Ｓ１４０では、図３の循環量制御部３６で決定していた循環ポンプ１２の目標回転速度に対し、目標回転速度を減少するように補正する。このときの補正量は、目標窒素量と推定した窒素量の差に基づいて決定する。そしてリターンする。
【００７４】
なおＳ１３０、Ｓ１３２、Ｓ１３６は、全て行う例を示したが、いずれか一つ、もしくは二つの組み合わせで行ってもよい。Ｓ１３２を行う場合には、Ｓ１３４を行う必要がある。またＳ１３８、Ｓ１４０は、双方を行う例を示したが、何れも行わない、もしくは、いずれか一方を行うようにしてもよい。
【００７５】
以上説明した実施例１の効果としては、以下のものがある。
【００７６】
水素循環路内の気体質量密度推定手段は、燃料電池システムの定常的な運転状態において推定を行う定常気体質量密度推定演算、及び燃料電池システムの過渡的な運転状態において気体質量密度を推定する過渡気体質量密度推定演算を備えたので、燃料電池システムの運転状態が過渡状態か定常状態であるかに従って、定常気体質量密度推定演算と過渡気体質量密度推定演算とを使い分けることができ、燃料電池システムの運転状態に拘わらず、常に精度の高い気体質量密度の推定を行うことができる。
【００７７】
気体組成推定手段として、気体が窒素と水素の混合気体として、気体組成推定演算を行うため、酸化剤極側から透過して燃料経路内に蓄積されている窒素量を推定して管理することで、安定した発電を行うことができる。
【００７８】
水素循環路の湿度検出値、圧力検出値、温度検出値から水蒸気濃度を推定して、気体が窒素、水素、水蒸気の混合気体として、気体組成推定演算を行うため、混合気体を窒素と水素として考えることにより、精度よく気体組成を推定することができ、より安定した発電を行うことができる。
【００７９】
循環ポンプの所定回転速度において、標準気体質量密度状態の駆動モータ電流と、循環ポンプの実際の電流との偏差に基づいて、気体質量密度を推定するため、新たなセンサを必要とせずに、実験的に求めた値に基づいて、気体質量密度を推定することができる。
【００８０】
また、循環装置の別の構成として、例えばエキスパンダを用いて流体からの力によって循環装置を駆動させるものがある。この場合は、循環装置の駆動モータ電流に代えて、循環装置の駆動力を測定する。すなわち標準気体質量密度状態で発生する循環装置負荷と、循環装置で実際に発生する負荷との偏差に基づいて、気体質量密度を推定するため、実験的に気体質量密度が標準状態と、極端に大きいとき、および極端に小さいときとで、負荷の違いを測定しておくことで、相対的な負荷の違いから、気体質量密度を推定することができる。
【００８１】
過渡気体質量密度推定演算として、循環装置が循環路流体から受ける反力を推定し、この反力から、気体質量密度を推定するため、燃料電池システムの過渡的状態においても気体質量密度を推定することができる。
【００８２】
要求電力と燃料電池の発電電力との差に対し、蓄電手段に蓄えられたエネルギー量が相対的に大きい場合に、燃料電池システムを定常的な運転状態に切り替え、定常気体質量密度推定演算を行うことために、要求電力に対し、蓄電手段により、エネルギー供給することで、供給エネルギー量を損なうことなく、定常運転状態を行うことができ、定常気体密度推定を行うことができる。
【００８３】
燃料電池の発電電力と要求電力との差に対し、蓄電手段の空き容量が比較的に大きい場合には、燃料電池システムを定常的な運転状態に切り替え、定常気体質量密度推定演算を行うため、燃料電池の発電電力から要求電力を引いた余剰発電電力を蓄電手段に蓄えることが可能な状態で、定常運転を行うため、燃料電池システムを保護することができる。
【００８４】
燃料電池システムの定常的な運転状態として、燃料循環路の目標圧力、循環装置目標稼動量、燃料電池目標発電量を、所定時間一定値を与えるため、循環装置への負荷に関係する要素が一定状態となり、気体密度推定の精度を上げることができる。
【００８５】
燃料循環路から分岐した、電気化学反応に寄与しない不純物を外部へ排出する不純物排出路と、不純物排出路から排出される不純物量を制御する排出量制御弁を有し、標準気体質量密度状態で発生する循環装置出力と、循環装置で実際に発生する出力との差、もしくは気体組成推定結果の少なくとも一方に基づいて、排出量制御弁の動作を補正するため、燃料経路内に蓄積された不純物量を、循環装置の循環性能を超えないように、管理することができる。
【００８６】
気体組成推定結果に基づいて、燃料電池への目標発電量に対する循環装置の目標稼動量を補正するため、不純物量が通常の管理量より多くなった場合でも、稼動量を増加させることで、燃料循環量を維持することで、安定した発電を行うことができる。
【００８７】
燃料電池へ供給する燃料量を変化させる、燃料供給手段を有し、気体組成推定結果に基づいて、燃料電池への燃料供給量を補正するため、循環装置の循環性能が不足する場合でも、供給量を増加することにより、安定した発電を行うことができる。
【実施例２】
【００８８】
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例２を説明する。実施例２の特徴は、定常気体質量密度推定演算と、過渡気体質量密度演算とを並列に行い、燃料電池システムの運転状態として定常状態が所定時間以上継続していれば、定常気体質量密度推定演算の結果を採用し、そうでなければ、過渡気体質量密度推定演算の結果を採用する点にある。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例１と同様である。
【００８９】
実施例２におけるコントローラの制御フローチャートを図９に示す。まず、フローが開始されると、Ｓ２０２以下の処理と、Ｓ２０４の定常気体質量密度推定演算と、Ｓ２０６の過渡気体質量密度推定演算とが並列に処理可能である。
【００９０】
図９のＳ２０２乃至Ｓ２２２の処理内容は、実施例１の図４のＳ１０２乃至Ｓ１１８の処理内容と同様である。
【００９１】
そして、Ｓ２２２、Ｓ２０４及びＳ２０６の処理が全て完了すれば、Ｓ２２４の処理が開始可能となる。Ｓ２２４では、図４のＳ１２０と同様に、燃料電池システムの定常的な運転状態が所定時間以上継続したか否かを判定する。定常的な運転状態が所定時間以上継続したと判断した場合には、Ｓ２２６へ進んで、Ｓ２０４における定常気体質量密度推定演算の推定値を気体質量密度値とする。Ｓ２２４で定常的な運転状態が所定時間以上継続したと判断できない場合には、Ｓ２２８へ進んで、Ｓ２０６における過渡気体質量密度推定演算の推定値を気体質量密度値とする。その後、図４のＳ１２６以下の処理と同様の処理を行って、気体質量密度値を用いて気体組成を推定し、気体組成から窒素量を推定し、推定窒素量と目標窒素量との比較結果に応じてパージ弁２０、循環ポンプ１２、水素供給弁９の制御を行う。
【００９２】
以上説明した実施例２によれば、以下の効果がある。定常気体質量密度推定演算と、過渡気体質量密度推定演算とを並列に行い、循環路圧力、循環装置運転状態、燃料電池発電量の検出値をそれぞれ観測し、定常的な運転状態であると判断される場合には、定常気体質量密度推定演算の結果を気体質量密度推定結果として選択して、気体組成推定演算を行うため、定常気体質量密度推定を行う回数を増加させることができ、気体組成推定精度を上げることができる。
【実施例３】
【００９３】
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例３を説明する。実施例３の特徴は、燃料電池システムの起動時に、循環ポンプ駆動モータの消費電流に基づいて、燃料循環路内の気体の組成を推定し、推定した気体組成に応じて水素供給量を決定する点にある。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例１と同様である。
【００９４】
図１０は、本実施例における燃料電池システム起動時の制御フローチャートである。まずステップＳ３０２において、図３の燃料電池システム起動・休止判定部４１が図１のキースイッチ２３の状態に基づいて、ユーザの発電開始要求があるか否かを判定する。キースイッチ２３がターン・オンされたら、発電開始要求があり燃料電池を起動するとして、Ｓ３０４へ進み、そうでなければ何もせずリターンする。
【００９５】
Ｓ３０４では、循環ポンプ１２の目標回転速度を所定値として設定し、循環ポンプの駆動を開始する。ここで所定値とは、図５の定常気体質量密度推定部２０１で説明したように、循環流量がある程度以上の流量となり、循環ポンプに流れる電流値の大小により燃料循環路１１内の気体質量密度が推定可能な回転速度とする。
【００９６】
次いで、Ｓ３０６で循環ポンプ１２の駆動モータの電流を電流センサ１３で検出し、Ｓ３０８で、駆動モータの電流変化がなくなり一定値に落ち着いたかどうかを判定する。この間は、水素供給及び発電開始の前であるので、燃料循環路内の気体組成に変化はない。循環ポンプの目標回転速度は、Ｓ３０４において所定回転速度に設定されているのて、循環ポンプ起動直後には、駆動モータ電流は急激に立ち上がり、ある程度回転速度が上昇すると駆動モータ電流はピークをつけて減少に向かう。さらに目標回転速度に近づくと駆動モータ電流の減少は緩やかとなり、循環ポンプ回転速度が目標回転速度に一致した後は、駆動モータの電流値も一定値となる。従って、Ｓ３０８で駆動モータ電流が一定値となったことは、循環ポンプ１２の回転が定常状態となったことと同じである。
【００９７】
ここで、電流が一定値になったかを判断するのではなく、Ｓ３０４において設定した目標回転速度まで到達する時間を予め実験、もしくは設計値から調べておき、その時間を経過したかを判断してもよい。Ｓ３０８の判定がＹＥＳならばＳ３１０へ進み、そうでなければ、Ｓ３０６へ戻る。
【００９８】
Ｓ３１０では、定常気体密度推定、Ｓ３１２では、気体組成推定を行う。これらの推定方法は、実施例１のＳ１２２，Ｓ１２６と同様であるが、本実施例では、空気と水素の混合気体として気体組成推定を行う。これは、燃料電池システムの運転停止中に、カソードからアノードへ空気が漏れてくるためである。
【００９９】
Ｓ３１４では、Ｓ３１２の気体組成に基づいて、水素供給量を決定する。予め設定された基準水素濃度に対して、Ｓ３１２で推定した水素濃度が低ければ、水素が足らずに発電を開始してしまうのを避けるために、濃度差に応じて水素を多く供給するように水素供給目標を設定する。逆に基準水素濃度より推定水素濃度が高ければ、水素供給目標を減少するように設定する。
【０１００】
次いで、Ｓ３１６では、Ｓ３１４で決定した水素量を供給するための、目標圧力を決定して、この目標圧力になるように、水素供給弁９を制御して、リターンする。
【０１０１】
以上説明した実施例３によれば、燃料供給を開始する前に、循環装置の目標回転速度を所定時間一定値を与え、回転速度検出値が一定値となった後に、定常気体質量密度推定を行うため、燃料電池発電前に燃料循環路内に存在する気体の組成を知ることで、水素供給量を可変にし、安定した状態で電流取り出し開始をすることができる。
【実施例４】
【０１０２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例４を説明する。実施例４の特徴は、燃料電池システムの運転停止（休止）時に、循環ポンプ駆動モータの消費電流に基づいて、燃料循環路内の気体の組成を推定する点にある。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例１と同様である。
【０１０３】
図１１は、本実施例における燃料電池システムの運転停止時の制御フローチャートである。まずステップＳ４０２において、図３の燃料電池システム起動・休止判定部４１が図１のキースイッチ２３の状態に基づいて、ユーザの発電停止（休止）要求があるか否かを判定する。キースイッチ２３がターン・オフされたら、発電停止要求があり燃料電池の発電を停止するとして、Ｓ４０４へ進み、そうでなければ何もせずリターンする。
【０１０４】
Ｓ４０４では、コンプレッサ１４を停止させ、次いで、Ｓ４０６でパワーマネージャー１５へ電流取り出し停止を指示し、電流取り出しを停止させる。
【０１０５】
次いで、Ｓ４０８において、燃料電池２のアノード入口圧力の目標値に一定値を与える。ここでは、Ｓ４０２で運転停止判断をした際のアノード入口圧力センサ１０ａの検出値以下の目標圧力を設定する。
【０１０６】
次いで、Ｓ４１０では、循環ポンプ１２の目標回転速度を所定値として設定し、循環ポンプの駆動を開始する。ここで所定値とは、図５の定常気体質量密度推定部２０１で説明したように、循環流量がある程度以上の流量となり、循環ポンプに流れる電流値の大小により燃料循環路１１内の気体質量密度が推定可能な回転速度とする。
【０１０７】
次いで、Ｓ４１２で循環ポンプ１２の駆動モータの電流を電流センサ１３で検出し、Ｓ４１４で、駆動モータの電流変化がなくなり一定値に落ち着いたかどうかを判定する。ここで、電流が一定値になったかを判断するのではなく、Ｓ４１０において設定した目標回転速度まで到達する時間を予め実験、もしくは設計値から調べておき、その時間を経過したかを判断してもよい。Ｓ４１４の判定がＹＥＳならばＳ４１６へ進み、そうでなければ、Ｓ４１２へ戻る。
【０１０８】
Ｓ４１６では、燃料電池の定常状態における気体質量密度推定、Ｓ４１８では、気体質量密度を用いた気体組成推定をそれぞれ行う。これらの推定方法は、実施例１のＳ１２２，Ｓ１２６と同様であるが、本実施例では、水素、窒素、水蒸気の混合気体として気体組成推定を行う。
【０１０９】
以上説明した実施例４によれば、酸化剤供給を停止し、電流の取り出しを停止した状態から、循環路圧力を所定時間一定圧力に維持し、循環装置を所定時間一定値で稼動させ、定常気体質量密度推定演算を行うために、燃料電池の発電を行わない、安定した状態で気体組成推定を行うことで、推定精度を上げて、発電再開時に安定した状態で電力取り出し開始をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの基本構成図である。
【図２】本発明が適用される燃料電池システムの構成図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムの制御装置であるコントローラ３０の構成図である。
【図４】実施例１における制御フローチャートである。
【図５】気体組成推定手段の演算ブロック図である。
【図６】循環ポンプの圧力流量特性と、気体質量密度の変化による水素循環系の圧損特性を説明する図である。
【図７】気体質量密度によって性能が変化する循環ポンプを用いた場合の説明図である。
【図８】（ａ）過渡気体質量密度推定における力学的パラメータの説明図、（ｂ）異なる気体質量密度における一定目標回転速度を与えた循環ポンプのモータトルク変化を示すタイムチャートである。
【図９】実施例２における制御フローチャートである。
【図１０】実施例３における制御フローチャートである。
【図１１】実施例４における制御フローチャートである。
【符号の説明】
【０１１１】
１０１：目標発電電力決定手段
１０２：燃料電池運転状態検出手段
１０３：循環装置運転状態検出手段
１０４：気体組成推定手段
１０４ａ：定常気体質量密度推定演算部
１０４ｂ：過渡気体質量密度推定演算部
１０５：不純物排出手段
１０６：循環装置制御手段
１０７：燃料供給制御手段
【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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【図１１】
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