(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に空気及び水素を供給して電力を発生する燃料電池パワープラントにおいて、
回転速度と空気流量との対応を示す流量特性マップを使用したオープン制御により前記燃料電池へ空気供給する空気供給手段と、
前記燃料電池内の酸素流量に関連する値を検出する酸素流量検出手段と、
前記燃料電池内の酸素分圧に関連する値を検出する酸素分圧検出手段と、
前記酸素流量検出手段と前記酸素分圧検出手段との少なくとも一方の検出信号に基づいて、アイドリング運転条件における前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量が標準流量の場合に燃料電池に供給される酸素流量または酸素分圧に対する、前記運転条件における前記空気供給手段が実際に燃料電池に供給している空気の酸素流量または酸素分圧の偏差を推定する偏差推定手段と、
該偏差推定手段において推定された酸素流量または酸素分圧の偏差に基づいて、前記空気供給手段の回転速度と空気流量との対応を示す流量特性マップを切り替えることにより、前記燃料電池に供給する空気の流量を標準流量に近づける方向に制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池パワープラント。
【請求項２】
前記酸素流量検出手段は、燃料電池の電流または電流密度を検出する電流検出手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池パワープラント。
【請求項３】
原燃料から燃料改質により生成した水素を前記燃料電池に供給する改質器と、
該改質器内に残留する原燃料の濃度を検出する残留原燃料濃度検出手段と、を備え、
前記酸素流量検出手段として前記残留原燃料濃度検出手段を併せて使用することを特徴とする請求項２記載の燃料電池パワープラント。
【請求項４】
原燃料から燃料改質により生成した水素を前記燃料電池に供給する改質器と、
該改質器内の温度を検出する温度検出手段と、を備え、
前記酸素流量検出手段として前記温度検出手段を併せて使用することを特徴とする請求項２記載の燃料電池パワープラント。
【請求項５】
前記酸素分圧検出手段は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項６】
前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値を超え、かつ前記酸素分圧検出手段の検出値に基づく酸素分圧の前記偏差が第２の許容値以下である場合に、前記制御手段は、低流量域において流量補正した前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量マップを適用して、前記空気流量の制御を行い、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値以下である場合には、前記流量補正を行わないことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項７】
前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値を超え、かつ前記酸素分圧検出手段の検出値に基づく酸素分圧の前記偏差が第２の許容値を超えている場合に、前記制御手段は、全流量域において流量補正した前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量マップを適用して、前記空気流量の制御を行い、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値以下である場合には、前記流量補正を行わないことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項８】
前記制御手段は、前記空気供給手段としての圧縮機又は送風機の回転速度変更手段と燃料電池出口側の圧力制御バルブのバルブ開度変更手段の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項９】
前記制御手段は、条件によって制御量に上限値を設けることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１０】
前記制御手段が変更した圧縮機又は送風機の回転速度指令値が圧縮機又は送風機を駆動する電動機の定格回転速度を上回る場合、前記制御量の上限値として電動機の定格回転速度を選択することを特徴とする請求項９記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１１】
前記制御手段が変更した前記圧力制御バルブのバルブ開度指令値がバルブ開度最大値を上回るまたはバルブ開度最小値を下回る場合、制御量としてバルブ最大開度またはバルブ最小開度を選択することを特徴とする請求項９記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１２】
前記制御手段が制御量の上限値を設けたことによる燃料電池パワープラントの性能低下が運転者に検知される場合、運転者に性能低下を報知する性能低下報知手段を備えたことを特徴とする請求項９乃至請求項１１の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１３】
前記偏差推定手段による推定は、アイドル運転時に実施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項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１４】
燃料電池の電圧または電流変化が酸素流量又は酸素分圧の変化に起因するものではないと認知される認知情報を得た場合は、流量補正制御を実施しないことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１５】
前記認知情報は、水素の漏出検出であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１６】
前記認知情報は、燃料電池内の水詰まりであることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１７】
前記認知情報は、空気制御バルブの異常検出であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池パワープラント。
【請求項１８】
前記空気供給手段は、リショルム式圧縮機であることを特徴とする請求項１乃至請求項１７の何れか１項記載の燃料電池パワープラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントや電気自動車駆動源として使用される燃料電池パワープラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池パワープラントを量産する際に、その品質を維持するためには、製造時の部品ばらつきまたは組み立て時に発生するばらつき等に起因する性能ばらつきを極力抑える必要がある。また、燃料電池パワープラントを自動車駆動源として利用する場合、走行高度の変化に伴う気圧変化等に起因する酸素供給量のばらつきに対しても燃料電池の出力を安定に保つことが要求される。
【０００３】
このような課題を解決する一手法として、例えば特開２０００−２４３４２１号公報に示されるように、製造時の燃料電池セル個体差に起因する電力ばらつきを検出し、それらのばらつきを打ち消すように制御を実施するという事例が公知例として知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、燃料電池パワープラントの多くはリショルム式（ツインスクリュー式）圧縮機を空気供給源として使用している。この圧縮機は定格運転領域での流量ばらつきは少ないものの、燃料電池のアイドル運転領域に相当する低流量低圧運転領域の性能ばらつきが大きく、量産時に品質管理によってその領域の性能ばらつきを抑えることは困難とされている。
【０００５】
燃料電池へ供給する空気量をエアフローメータで検出して、空気供給のフィードバック制御している場合は、このようなばらつきの問題をある程度抑えることができる。しかし、圧縮機の標準流量マップを内蔵し、それに基づいて空気供給のオープン制御を行っているようなシステムの場合は、実流量と標準流量の間に偏差が発生することにより所定の性能が得られなかったり、あるいは燃料電池内水詰まり等の空気流量過小又は過大に起因する不具合を起こすという問題点があった。
【０００６】
また、このような標準流量マップを用いたオープン制御に基づくシステムの場合は、車両走行位置の高度変化による大気圧変化等が生じた場合には、状況の変化に対応できないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、標準流量マップに基づくオープン制御といった簡易空気供給制御を適用した燃料電池パワープラントにおいて、圧縮機等の部品ばらつきや運転条件の変化等に起因する実空気流量の変化に対しても安定した出力並びに品質を保証することができる燃料電池パワープラントを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、燃料電池に空気及び水素を供給して電力を発生する燃料電池パワープラントにおいて、回転速度と空気流量との対応を示す流量特性マップを使用したオープン制御により前記燃料電池へ空気供給する空気供給手段と、前記燃料電池内の酸素流量に関連する値を検出する酸素流量検出手段と、前記燃料電池内の酸素分圧に関連する値を検出する酸素分圧検出手段と、前記酸素流量検出手段と前記酸素分圧検出手段との少なくとも一方の検出信号に基づいて、アイドリング運転条件における前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量が標準流量の場合に燃料電池に供給される酸素流量または酸素分圧に対する、前記運転条件における前記空気供給手段が実際に燃料電池に供給している空気の酸素流量または酸素分圧の偏差を推定する偏差推定手段と、該偏差推定手段において推定された酸素流量または酸素分圧の偏差に基づいて、前記空気供給手段の回転速度と空気流量との対応を示す流量特性マップを切り替えることにより、前記燃料電池に供給する空気の流量を標準流量に近づける方向に制御を行う制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記酸素流量検出手段は、燃料電池の電流または電流密度を検出する電流検出手段であることを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項２記載の燃料電池パワープラントにおいて、原燃料から燃料改質により生成した水素を前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器内に残留する原燃料の濃度を検出する残留原燃料濃度検出手段と、を備え、前記酸素流量検出手段として前記残留原燃料濃度検出手段を併せて使用することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項２記載の燃料電池パワープラントにおいて、原燃料から燃料改質により生成した水素を前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器内の温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記酸素流量検出手段として前記温度検出手段を併せて使用することを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記酸素分圧検出手段は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段であることを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値を超え、かつ前記酸素分圧検出手段の検出値に基づく酸素分圧の前記偏差が第２の許容値以下である場合に、前記制御手段は、低流量域において流量補正した前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量マップを適用して、前記空気流量の制御を行い、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値以下である場合には、前記流量補正を行わないことを要旨とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、上記目的を達成するため、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値を超え、かつ前記酸素分圧検出手段の検出値に基づく酸素分圧の前記偏差が第２の許容値を超えている場合に、前記制御手段は、全流量域において流量補正した前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量マップを適用して、前記空気流量の制御を行い、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値以下である場合には、前記流量補正を行わないことを要旨とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記制御手段は、前記空気供給手段としての圧縮機又は送風機の回転速度変更手段と燃料電池出口側の圧力制御バルブのバルブ開度変更手段の少なくとも一方を制御することを要旨とする。
【００１６】
請求項９記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項８に記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記制御手段は、条件によって制御量に上限値を設けることを要旨とする。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項９記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記制御手段が変更した圧縮機又は送風機の回転速度指令値が圧縮機又は送風機を駆動する電動機の定格回転速度を上回る場合、前記制御量の上限値として電動機の定格回転速度を選択することを要旨とする。
【００１８】
請求項１１記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項９記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記制御手段が変更した前記圧力制御バルブのバルブ開度指令値がバルブ開度最大値を上回るまたはバルブ開度最小値を下回る場合、制御量としてバルブ最大開度またはバルブ最小開度を選択することを要旨とする。
【００１９】
請求項１２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項９乃至請求項１１の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記制御手段が制御量の上限値を設けたことによる燃料電池パワープラントの性能低下が運転者に検知される場合、運転者に性能低下を報知する性能低下報知手段を備えたことを要旨とする。
【００２０】
請求項１３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項１２の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記偏差推定手段による推定は、アイドル運転時に実施することを要旨とする。
【００２１】
請求項１４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項１３の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、燃料電池の電圧または電流変化が酸素流量又は酸素分圧の変化に起因するものではないと認知される認知情報を得た場合は、流量補正制御を実施しないことを要旨とする。
【００２２】
請求項１５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１４記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記認知情報は、水素の漏出検出であることを要旨とする。
【００２３】
請求項１６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１４記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記認知情報は、燃料電池内の水詰まりであることを要旨とする。
【００２４】
請求項１７記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１４記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記認知情報は、空気制御バルブの異常検出であることを要旨とする。
【００２５】
請求項１８記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項１７の何れか１項記載の燃料電池パワープラントにおいて、前記空気供給手段は、リショルム式圧縮機であることを要旨とする。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池に空気及び水素を供給して電力を発生する燃料電池パワープラントにおいて、燃料電池に空気及び水素を供給して電力を発生する燃料電池パワープラントにおいて、回転速度と空気流量との対応を示す流量特性マップを使用したオープン制御により前記燃料電池へ空気供給する空気供給手段と、前記燃料電池内の酸素流量に関連する値を検出する酸素流量検出手段と、前記燃料電池内の酸素分圧に関連する値を検出する酸素分圧検出手段と、前記酸素流量検出手段と前記酸素分圧検出手段との少なくとも一方の検出信号に基づいて、アイドリング運転条件における前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量が標準流量の場合に燃料電池に供給される酸素流量または酸素分圧に対する、前記運転条件における前記空気供給手段が実際に燃料電池に供給している空気の酸素流量または酸素分圧の偏差を推定する偏差推定手段と、該偏差推定手段において推定された酸素流量または酸素分圧の偏差に基づいて、前記空気供給手段の回転速度と空気流量との対応を示す流量特性マップを切り替えることにより、前記燃料電池に供給する空気の流量を標準流量に近づける方向に制御を行う制御手段と、を備えたことにより、標準流量マップに基づくオープン制御といった簡易制御を適用した燃料電池パワープラントにおいても、部品ばらつきや運転条件の変化等に起因する実空気流量の変化に対して柔軟に対応し安定した出力並びに品質を保証する燃料電池パワープラントを提供することができるという効果がある。
【００２７】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記酸素流量検出手段は、燃料電池の電流または電流密度を検出する電流検出手段であることとしたため、空気流量計等の専用センサを使用することなく、簡易な方法で酸素流量を検出することができるという効果がある。
【００２８】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、原燃料から燃料改質により生成した水素を前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器内に残留する原燃料の濃度を検出する残留原燃料濃度検出手段と、を備え、前記酸素流量検出手段として前記残留原燃料濃度検出手段を併せて使用するようにしたので、水素供給手段として燃料改質器を用いるシステムにおいて残留原燃料濃度が上昇している場合は改質器に送られる酸素流量が不足していると判断することができ、この情報を併せて使用することにより、酸素流量の検出確度をさらに高めることができるという効果がある。
【００２９】
請求項４記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、原燃料から燃料改質により生成した水素を前記燃料電池に供給する改質器と、該改質器内の温度を検出する温度検出手段と、を備え、前記酸素流量検出手段として前記温度検出手段を併せて使用するようにしたので、前記酸素流量検出手段として改質器内の部分酸化反応器の温度検出手段を併せて使用することにより、水素供給手段として燃料改質器を用いるシステムにおいて部分酸化反応器の温度上昇代が不足している場合は、酸素流量不足により部分酸化反応の特徴である吸熱反応が促進されていないと判断することができ、この情報を併せて使用することにより、酸素流量の検出確度をさらに高めることができるという効果がある。
【００３０】
請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の発明において、前記酸素分圧検出手段は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段であるようにしたので、酸素分圧計等の専用センサを使用することなく、簡易な方法で酸素分圧を検出することができるという効果がある。
【００３１】
請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の発明において、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値を超え、かつ前記酸素分圧検出手段の検出値に基づく酸素分圧の前記偏差が第２の許容値以下である場合に、前記制御手段は、低流量域において流量補正した前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量マップを適用して、前記空気流量の制御を行い、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値以下である場合には、前記流量補正を行わないようにしたので、簡易な判定手法により燃料電池の性能ばらつきが圧縮機の性能ばらつきまたは劣化に起因するものと推定することができ、なおかつそれに応じた適切な実流量推定により圧縮機の性能ばらつきまたは劣化の起因する空気流量ばらつきを適切に補正することが可能となり、燃料電池パワープラントの性能安定に貢献することができるという効果がある。
【００３２】
請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の発明において、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値を超え、かつ前記酸素分圧検出手段の検出値に基づく酸素分圧の前記偏差が第２の許容値を超えている場合に、前記制御手段は、全流量域において流量補正した前記空気供給手段の回転速度に対する空気流量マップを適用して、前記空気流量の制御を行い、前記酸素流量検出手段の検出値に基づく酸素流量の前記偏差が第１の許容値以下である場合には、前記流量補正を行わないようにしたので、簡易な判定手法により、燃料電池の性能ばらつきが気圧変化等の環境条件に起因するものと推定することができ、なおかつそれに応じた適切な実流量推定により気圧変化等の環境条件に起因する空気流量ばらつきを適切に補正することが可能となり、燃料電池パワープラントの性能安定に貢献することができるという効果がある。
【００３３】
請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の発明において、前記制御手段は、前記空気供給手段としての圧縮機又は送風機の回転速度変更手段と燃料電池出口側の圧力制御バルブのバルブ開度変更手段の少なくとも一方を制御するようにしたので、空気流量が圧縮機または送風機の性能ばらつきや劣化に起因する場合でも気圧等の環境条件に起因する場合においても柔軟に流量補正を行うことができるという効果がある。
【００３４】
請求項９記載の発明によれば、請求項８に記載の発明において、前記制御手段は、条件によって制御量に上限値を設けるようにしたので、制御指令値が圧縮機やバルブ等燃料電池パワープラント部品の許容値を超えることを防止することができ、その信頼性を向上させることができるという効果がある。
【００３５】
請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の発明において、前記制御手段が変更した圧縮機又は送風機の回転速度指令値が圧縮機又は送風機を駆動する電動機の定格回転速度を上回る場合、前記制御量の上限値として電動機の定格回転速度を選択するようにしたので、制御指令値が圧縮機や送風機等燃料電池パワープラント部品の許容値を超えることを防止することができ、その信頼性を向上させることができるという効果がある。
【００３６】
請求項１１記載の発明によれば、請求項９記載の発明において、前記制御手段が変更した前記圧力制御バルブのバルブ開度指令値がバルブ開度最大値を上回るまたはバルブ開度最小値を下回る場合、制御量としてバルブ最大開度またはバルブ最小開度を選択するようにしたので、制御指令値がバルブ開度の許容値を超えることを防止することができ、その信頼性を向上させることができるという効果がある。
【００３７】
請求項１２記載の発明によれば、請求項９乃至請求項１１の何れか１項記載の発明において、前記制御手段が制御量の上限値を設けたことによる燃料電池パワープラントの性能低下が運転者に検知される場合、運転者に性能低下を報知する性能低下報知手段を備えたことにより、性能低下による運転違和感を低減させることができるという効果がある。
【００３８】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１２の何れか１項記載の発明において、前記偏差推定手段による推定は、アイドル運転時に実施するようにしたので、燃料電池パワープラント始動後の短時間の間に流量補正の要否判断並びに補正準備を完了することができ、その後のパワープラント運転を安定して行うことができるという効果がある。
【００３９】
請求項１４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１３の何れか１項記載の発明において、燃料電池の電圧または電流変化が酸素流量又は酸素分圧の変化に起因するものではないと認知される認知情報を得た場合は、空気流量補正制御を実施しないようにしたので、空気流量補正が適切でない場合を事前に検出することができ、燃料電池パワープラントの信頼性をさらに高めることができるという効果がある。
【００４０】
請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の発明において、前記認知情報は、水素の漏出検出であることとしたため、空気流量補正が適切でない場合を事前に検出することができ、燃料電池パワープラントの信頼性をさらに高めることができるという効果がある。
【００４１】
請求項１６記載の発明によれば、請求項１４記載の発明において、前記認知情報は、燃料電池内の水詰まりであることとしたため、空気流量補正が適切でない場合を事前に検出することができ、燃料電池パワープラントの信頼性をさらに高めることができるという効果がある。
【００４２】
請求項１７記載の発明によれば、請求項１４記載の発明において、前記認知情報は、空気制御バルブの異常検出であることとしたため、空気流量補正が適切でない場合を事前に検出することができ、燃料電池パワープラントの信頼性をさらに高めることができるという効果がある。
【００４３】
請求項１８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１７の何れか１項記載の発明において、前記空気供給手段は、リショルム式圧縮機であることとしたため、低流量域にてばらつきの大きいリショルム式圧縮機を用いた場合にも、低流量域の流量を的確に補正して、簡易なオープン制御で性能の安定した燃料電池パワープラントを供給することができるという効果がある。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図８に基づいて説明する。図１は本発明に係る燃料電池パワープラントの一実施形態のシステム構成を表す図であり、燃料電池自動車又は一方の動力源に燃料電池を用いたハイブリッド自動車に好適な燃料電池プラントである。
【００４５】
同図において、空気系、燃料系を中心に図示し、純水系、冷却系等は未図示である。図中、圧縮機１は電動機２で駆動される。電動機２は、制御手段であるコントローラ３２から回転速度が制御されるが、電動機２を駆動する電源、インバータ等は本図では未図示となっている。
【００４６】
圧縮機１はエアクリーナ３，消音器４が接続された吸気配管５から外気を取り込み、圧縮空気を高圧配管６に送り出す。圧縮されて高温になった空気はアフタークーラー７により冷却され、マイクロフィルタ８で塵埃が除去される。マイクロフィルタ８を通過した空気は、流量制御弁９，１０を介して燃料電池１１のカソード（空気極）１２及び改質器１３にそれぞれ供給される。流量制御弁９，１０には、それぞれ、流量センサ３０，３１が設けられている。
【００４７】
改質器１３には、空気とは別に、メタノールやガソリン等の原燃料を貯留する原燃料タンク１４及び水タンク１５から原燃料及び水が供給される。原燃料及び水は、それぞれ専用のインジェクタ１６，１７で改質器１３の中に噴射される。改質器１３の中では水蒸気反応等により原燃料及び水が水素ガスを含む改質ガスに改質され、ここで生成された水素ガスが流量制御弁１８を介して燃料電池１１のアノード（水素極）１９に供給される。
【００４８】
燃料電池１１内では、図示しない固体高分子電解質膜を挟んでアノード１９とカソード１２とが対向して配置され、空気及び水素の供給により電力と水とを発生する。燃料電池１１からの排気ガスは燃焼器２０によって燃焼させられ、圧力制御弁２１，消音器２２を介して排気配管２３より排出される。
【００４９】
本パワープラントには、燃料電池１１の出力電流を検出する電流センサ２４，出力電圧を検出する電圧センサ２５，燃料電池１１内の空気通路の圧力損失を検出する圧力損失センサ２９，空気流量制御弁９，１０に内蔵された空気流量センサ３０，３１、水素流量制御弁１８近傍に取り付けられた水素流量センサ２６，改質器１３の温度を監視する温度センサ２７，改質器１３後段の残留原燃料濃度を検出する残留原燃料濃度センサ２８が備わっている。
【００５０】
また、コントローラ３２は、図示しない車速センサ及びアクセルペダルセンサが接続され、車速信号及びアクセル開度信号が入力される。さらにコントローラ３２には、電流センサ２４，電圧センサ２５，温度センサ２７，残留原燃料濃度センサ２８が接続され、これらのセンサ類の信号を入力として、コントローラ３２は、燃料電池に供給している空気の酸素流量または酸素分圧の標準値からの偏差を推定する。そして推定された酸素流量または酸素分圧の偏差に基づいて、燃料電池１１に供給する空気の流量を標準流量に近づける方向に制御するために、コントローラ３２は、電動機２の回転速度、流量制御弁９、１０の開度、及び圧力制御弁２１の開度等を制御する。
【００５１】
更に、運転者に性能低下を報知するための性能低下報知手段として低速警告ランプ３３と、燃料電池プラントの異常を検出したことを運転者に報知する要点検表示ランプ３４とが運転者から容易に視認されるコンソールに設けられ、これらは、コントローラ３２から点滅制御できるように接続されている。
【００５２】
本実施形態においては、燃料電池１１内の酸素流量に関連する値を検出する酸素流量検出手段として電流センサ２４、燃料電池１１内の酸素分圧に関連する値を検出する酸素分圧検出手段として電圧センサ２５が設けられている。
【００５３】
また、酸素流量検出手段と酸素分圧検出手段との少なくとも一方の検出信号に基づいて、燃料電池に供給している空気の酸素流量または酸素分圧の標準値からの偏差を推定する偏差推定手段、及び該偏差推定手段において推定された酸素流量または酸素分圧の偏差に基づいて、前記燃料電池に供給する空気の流量を標準流量に近づける方向に制御を行う制御手段として、コントローラ３２が設けられている。
【００５４】
次に、本発明の原理を説明する。まず、燃料電池の出力電流（以下、電流と略す）、出力電圧（以下、電圧と略す）検出によって、酸素流量、酸素分圧が推定できる理由について説明する。
【００５５】
一般的に固体高分子型の燃料電池の場合、アノードに供給される水素を含むガス圧力と、カソードに供給される空気圧力との圧力差は、電解質膜の耐圧を超えないように所定値以内に保持される。そしてアノードに供給される水素分圧は、供給ガス圧力の過半であるのに対して、カソードに供給される酸素分圧は、供給空気圧力に空気中の酸素比を乗じたものとなっている。水素と酸素との化合比は、２：１なので、アノードガス圧力とカソードガス圧力とがほぼ均衡するように制御されていれば、固体高分子型燃料電池の出力電流は、酸素流量により支配される状態で稼働していることになる。
【００５６】
従って固体高分子型燃料電池では、その電流値は酸素流量に略比例することとなり、電流値と酸素流量との何れか一方の値が定まれば、他方の値を推定することができる。本発明においては、この特性を利用して、空気流量からの電流値の推定、またはその逆の電流値から空気流量の推定を行っている。
【００５７】
次に、電流と電圧の関係に注目してみる。図２は固体高分子型燃料電池の電流と電圧との関係を模式的に表したもので、電流値が上がる程、電圧値は降下する傾向にある。
【００５８】
このため図２（ａ）に示すように、酸素流量のみが減少した場合は、燃料電池の出力電流は、Ａ０→Ａへ低下するが、電圧はＶ０（Ａ０）→Ｖ０（Ａ）へ上昇し、実電流から標準特性に基づいて推算した電圧値Ｖ０（Ａ）は実測値Ｖ（Ａ）にほぼ一致する。
【００５９】
一方、図２（ｂ）に示すように、高地走行等による気圧低下により酸素流量、酸素分圧共に低下した場合、酸素分圧と出力電圧は略比例の関係にあるため、特性直線が下方にシフトする。そのため電流降下が先程と同じ量（Ａ０→Ａ）であっても、それに伴う電圧上昇代が以前はＶ０（Ａ０）→Ｖ０（Ａ）であったものがＶ０（Ａ０）→Ｖ（Ａ）までに留まるようになる。
このように、酸素分圧の変化の有無は、電流値変化に対する電圧の変化代をチェックすることにより検出することができる。
【００６０】
次に、一運転条件の酸素流量、酸素分圧の変化から圧縮機の実流量特性が推定できる理由について説明する。酸素流量（電流値）のみが標準値からばらつく現象は、圧縮機の性能ばらつきまたは劣化に起因することが多い。
【００６１】
特にリショルム式圧縮機の場合、図３（ａ）に示すように、大流量領域での性能ばらつきはほとんどないのに対し、小流量域でのばらつきが大きい特徴を有するため、このような現象が起こり易い。ただし、そのばらつきの度合いは各回転速度において一定の法則があるので、ある一点の回転速度における実流量が求まれば、その値から全体の実流量特性が推定できる。
【００６２】
一方、酸素流量、酸素分圧共に変化する現象は高地走行等による気圧の変化に起因することが多い。この場合、実流量特性は図３（ｂ）に示すように標準流量特性に実分圧／標準分圧を一律に掛け合わせたものとなる。このような仮定をすることにより、一運転条件の酸素流量、酸素分圧の変化から実流量特性を推定することが可能となる。
【００６３】
図４は本実施形態における実流量特性の推定手順を表すフローチャートである。推定時の運転条件はアイドリングを想定している。まずステップＳ１０２において、水素もれ、バルブ動作異常、燃料電池内水詰まり、改質器における空気消費量の異常の有無等の空気流量の推定を妨げる要因について、事前チェックを実施する。この結果、ステップＳ１０３において何か異常が検出された場合は、ステップＳ１０４で運転者に報知するために、要点検表示ランプ３４を点灯した上で処理を終了する。
【００６４】
ここで水素もれについては、改質器１３に供給される空気量、燃料量、水量から推定される水素発生量と実際の水素流量センサ２６の検出値とを比較し、水素流量センサ２６の値が予想発生量をあらかじめ決められた値を超えて下回った場合、水素もれ有りと判断する。
【００６５】
又、バルブ動作異常については、各流量制御バルブ９，１０へのバルブ開度指令値から推定される空気流量と、バルブ９，１０近傍に取り付けられた空気流量センサ３０，３１が検出する実流量値を比較し、その差が或る値を上回った場合、異常有りと判断する。燃料電池１１内の水詰まりについては、上記の圧力損失センサ２９の値が指定された値を上回った場合、水詰まり発生と判断する。
【００６６】
これらの事前チェックにおいて異常がなかった場合は、ステップＳ１０６に進み、アイドル時の燃料電池の電流Ａ、同電圧Ｖ、圧縮機回転速度Ｒ、圧力制御バルブ開度θを入力する。
【００６７】
次のステップＳ１０７では、内蔵の空気標準流量マップから圧縮機回転速度Ｒ、圧力制御バルブ開度θに対応した空気流量を求め、その値から電流値Ａ０を算出する。ステップＳ１０８では算出した電流値Ａ０と電流測定値Ａの値を比較し、その差の絶対値｜Ａ−Ａ０｜が、あらかじめ設定した許容値Ａｃｒを超えていないかどうかを判断する。
【００６８】
ステップＳ１０８の判定で、許容値を超えていない場合は、推定空気流量は略標準値であり補正不要と判断し、ステップＳ１０９で標準マップに基づく流量制御を選択する。一方許容値を超えたと判断した場合は、ステップＳ１１１において、標準状態で電流値Ａを取る場合の電圧Ｖ０（Ａ）を算出する。ステップＳ１１２で、算出結果Ｖ０（Ａ）と測定値Ｖ（Ａ）とを比較し、その差の絶対値があらかじめ設定した許容値Ｖｃｒを超えていないかどうかを判断する。その差の絶対値が許容範囲を超えていると判断された場合は、ステップＳ１１３に進み、全流量域において標準値からの偏差を有する流量特性マップを選択し、後述の制御に移行する。
【００６９】
一方、ステップＳ１１２の判定で、その差が許容範囲内であると判断された場合はステップＳ１１５に進み、低流量域においてのみ標準値からの偏差を有する流量特性マップを選択し、後述の制御に移行する。
【００７０】
次に推定した流量に基づいて、空気流量制御を行うフローについて説明する。図５，は推定流量の標準値に対する偏差が低流量域のみに限定される場合の制御フローを説明するものであり、図６は、圧縮機の低回転速度域の流量補正を行う流量特性マップの例である。
【００７１】
まずステップＳ１２２で車速及びアクセル開度に応じた目標空気流量Ｑ１を入力する。次いでステップＳ１２３で、図６の破線に示すような推定流量特性に基づいて、目標空気流量Ｑ１から圧縮機回転速度Ｒ１を算出する。そして、ステップＳ１２４で、算出結果のＲ１と圧縮機の許容回転速度Ｒｍａｘとを比較し、Ｒ１がＲｍａｘ以上であれば、ステップＳ１２５でＲ１をＲｍａｘに制限する処理を行う。最後に、ステップＳ１２６で、指令値Ｒ１を出力して、リターンする。
【００７２】
図７，図８は推定流量の標準値に対する偏差が全運転領域にわたる場合の制御フローを説明するものである。まずステップＳ１３２で車速及びアクセル開度に応じた目標空気流量Ｑ２を入力する。次いで、ステップＳ１３３で、図８に示すように、推定流量特性に基づいて圧縮機回転速度Ｒ２並びに圧力制御バルブのバルブ開度θ２を決定する。
【００７３】
推定流量の標準値に対する偏差が全運転領域にわたる場合、前述の低流量域のみに限定される場合と異なり、回転速度のみの制御で所定の流量を得ることが難しい場合がある。
【００７４】
例えば図８において目標流量をＱ２を達成するためにはバルブ開度θ１の状態での流量特性では最大回転速度においてもＱ２を達成することが出来ない。そのためバルブ開度をθ１からθ２に絞って圧力を上昇させ、実流量特性を向上させた上で回転速度Ｒ２を決定するといった、圧縮機回転速度と圧力制御バルブの協調制御を行うことが必要となる。バルブ開度θ２及び回転速度Ｒ２の組み合わせは例えば駆動電力が最小となる等、何らかの評価関数が極値を取るように決定する。
【００７５】
そしてステップＳ１３４で、算出結果の回転速度Ｒ２と圧縮機の許容回転速度Ｒｍａｘとを比較し、Ｒ２がＲｍａｘ以上であれば、ステップＳ１３５でＲ２をＲｍａｘに制限する処理を行う。ステップＳ１３４の比較でＲ２がＲｍａｘ未満であれば、ステップＳ１３６で算出結果のバルブ開度θ２と許容値θｍｉｎとを比較し、バルブ開度θ２が許容値θｍｉｎ以下であれば、ステップＳ１３７でθ２に許容値θｍｉｎを代入する処理を行う。最後に、ステップＳ１３８で、指令値Ｒ２，θ２を出力して、リターンする。
【００７６】
なお、ステップＳ１３４〜１３８では、回転数Ｒ２やバルブ開度θ２が許容値の範囲を越えたときに、例えば駆動電力が最小の状態から少し大きくなる状態（評価関数が極値から少し偏差た状態）での回転数やバルブ開度に補正する制御を行ってもよい。また、回転数やバルブ開度が許容値（上限値）に制限され車両の動力性能が低下する場合には、低速警告ランプ３３を点灯するなどの動力性能低下を運転者に知らせる表示を行ってもよい。
【００７７】
以上が本発明の実施形態に関する説明であるが、以下に補足説明を追加する。図４にステップＳ１０２で判断材料に加えて温度センサ２７の検出温度と標準温度の偏差、並びに改質器１３後段の残留原燃料濃度センサ２８の値と標準値の偏差を併せて判断材料にすることにより、より酸素流量の変化が改質器１３の異常によるものかどうかを高い確度で判断することができる。
改質器１３を持たないダイレクト水素型の燃料電池パワープラントにおいては、本実施形態に示した電流値に示した電流値に基づく判断で十分対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池プラントの一実施形態の構成を示すシステム概略図である。
【図２】固体高分子型燃料電池における電流−電圧特性を表す図である。
【図３】推定空気流量の特性の相違を説明する図である。
【図４】実施形態における空気供給制御を説明するフローチャートである。
【図５】標準流量と推定流量との偏差が低流量域に留まる場合の空気流量制御を表すフローチャートである。
【図６】圧縮機の回転速度決定を説明する図である。
【図７】標準流量と推定流量との偏差が全流量域にわたる場合の空気流量制御を表すフローチャートである。
【図８】圧縮機の回転速度並びに圧力制御バルブ開度の決定を説明する図である。
【符号の説明】
１…圧縮機
２…電動機
９，１０…流量制御弁
１１…燃料電池
１２…カソード
１３…改質器
１４…原燃料タンク
１５…水タンク
１６，１７…インジェクタ
１８…流量制御弁
１９…アノード
２１…圧力調整弁
２４…電流センサ（酸素流量検出手段）
２５…電圧センサ（酸素分圧検出手段）
２６…水素流量センサ
２７…温度センサ
２８…残留原燃料濃度センサ
２９…圧力損失センサ
３０，３１…流量センサ
３２…コントローラ（偏差推定手段、制御手段）
３３…低速警告ランプ（性能低下報知手段）
【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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