(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
反応ガスが前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に到達するまでの遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、
前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と前記遅れ時間算出手段が算出した遅れ時間とに基づいて、前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する反応ガス体積流量関数算出手段と、
前記反応ガス体積流量関数算出手段が算出した前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する反応ガス体積流量算出手段と、
前記反応ガス体積流量算出手段が算出した実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する発電電流算出手段と、
前記燃料電池の発電電流を制限する発電電流制限手段と、を備え、
前記発電電流制限手段は、前記発電電流算出手段が算出した発電電流となるように、実際の前記燃料電池の発電電流を制限する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記遅れ時間算出手段は、遅れ時間を、前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量に基づいて算出する
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】
前記反応ガス供給手段の上流側に反応ガスの質量流量を検出する流量センサと、
前記流量センサが検出した反応ガスの質量流量に基づいて、反応ガスの体積流量を算出する体積流量算出手段と、を備え、
前記遅れ時間算出手段は、遅れ時間を、反応ガスが前記流量センサから前記燃料電池に到達するまでの時間とする
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
外気温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記体積流量算出手段は、反応ガスの体積流量を、前記温度センサが検出した外気温度に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
外気圧を検出する外気圧センサをさらに備え、
前記体積流量算出手段は、反応ガスの体積流量を、前記外気圧センサが検出した外気圧に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、反応ガスが前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に到達するまでの遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と前記遅れ時間算出手段が算出した遅れ時間とに基づいて、前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する反応ガス体積流量関数算出手段と、前記反応ガス体積流量関数算出手段が算出した前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する反応ガス体積流量算出手段と、前記反応ガス体積流量算出手段が算出した実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する発電電流算出手段と、前記燃料電池の発電電流を制限する発電電流制限手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
反応ガスが前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に到達するまでの遅れ時間を算出するステップと、
前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と算出した遅れ時間とに基づいて、前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出するステップと、
算出した前記燃料電池内の反応ガス体積流量を示す関数に基づいて、実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出するステップと、
算出した実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出するステップと、
算出した発電電流となるように、実際の前記燃料電池の発電電流を制限するステップと、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
【０００３】
このような燃料電池が発電する際、反応ガス不足になると、燃料電池の発電効率が低下すると共に、燃料電池のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を構成する電解質膜（固体高分子膜）等が分解して、燃料電池が劣化してしまう。
【０００４】
そこで、燃料電池の発電電流を制限して、燃料電池が発電する際の反応ガス不足に対応する技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１５１９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池から取り出す電流の指令値（指令電流）を、要求発電量に対応した目標電流や目標反応ガス流量に基づいて制限すると、例えば、要求発電量が急上昇した場合（燃料電池自動車の加速時等）、実際に燃料電池に供給されている反応ガスの流量が、これに伴って増加していないにもかかわらず、指令電流を増加させて発電しているときがあった。つまり、実際に燃料電池に供給されている反応ガスの流量は、これに伴った大きな指令電流に対応する反応ガスの流量（燃料電池で消費される反応ガスの流量）よりも少なくなる。なぜなら、燃料電池と反応ガス供給手段は、通常離れており、要求発電量の上昇に伴って、反応ガス供給手段（反応ガスが空気の場合、コンプレッサ）の回転数を高めたとしても、反応ガス供給手段と燃料電池との間で反応ガスが圧縮されてしまうので、反応ガスが反応ガス供給手段から燃料電池に到達するまでに遅れてしまう。これにより、燃料電池が発電する際、ストイキ不足（反応ガス不足）となるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池が発電する際、ストイキ不足になることを防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、反応ガスが前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に到達するまでの遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と前記遅れ時間算出手段が算出した遅れ時間とに基づいて、前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する反応ガス体積流量関数算出手段と、前記反応ガス体積流量関数算出手段が算出した前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する反応ガス体積流量算出手段と、前記反応ガス体積流量算出手段が算出した実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する発電電流算出手段と、前記燃料電池の発電電流を制限する発電電流制限手段と、を備え、前記発電電流制限手段は、前記発電電流算出手段が算出した発電電流となるように、実際の前記燃料電池の発電電流を制限することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
このような燃料電池システムによれば、遅れ時間算出手段が、反応ガス供給手段から燃料電池に到達するまでの反応ガスの遅れ時間を算出する。また、反応ガス体積流量関数算出手段が、燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と遅れ時間とに基づいて、燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する。また、反応ガス体積流量算出手段が、燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する。さらに、発電電流算出手段が、実際の燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する。そして、発電電流制限手段は、算出した発電電流となるように、実際の燃料電池の発電電流を制限する。
【００１０】
このようにして、発電電流制限手段が、算出した発電電流となるように、燃料電池の発電電流を制限することによって、燃料電池に供給される反応ガスの体積流量と、燃料電池で消費される反応ガスの体積流量とが対応することから、燃料電池が発電する際、ストイキ不足（反応ガス不足）となることを防止することができる。これにより、燃料電池の発電効率を低下させることなく、また、燃料電池の劣化を防止することができる。
【００１１】
また、前記遅れ時間算出手段は、遅れ時間を、前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量に基づいて算出することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
このような燃料電池システムによれば、遅れ時間算出手段が、遅れ時間を、燃料電池に向かう反応ガスの体積流量に基づいて適切に算出する、つまり、体積流量に応じて、遅れ時間を変動させることができる。したがって、適切な電流制限を行うことができる。これにより、燃料電池が発電する際、ストイキ不足となることを防止することができる。
【００１３】
また、前記反応ガス供給手段の上流側に反応ガスの質量流量を検出する流量センサと、前記流量センサが検出した反応ガスの質量流量に基づいて、反応ガスの体積流量を算出する体積流量算出手段と、を備え、前記遅れ時間算出手段は、遅れ時間を、反応ガスが前記流量センサから前記燃料電池に到達するまでの時間とすることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、体積流量算出手段が、流量センサにより検出される反応ガスの質量流量に基づいて、反応ガスの体積流量を算出する。また、遅れ時間算出手段が、流量センサから燃料電池に到達するまでの反応ガスの遅れ時間を算出する。また、反応ガス体積流量関数算出手段が、燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と遅れ時間とに基づいて、燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する。また、反応ガス体積流量算出手段が、燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する。さらに、発電電流算出手段が、実際の燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する。そして、発電電流制限手段は、算出した発電電流となるように、実際の燃料電池の発電電流を制限する。
【００１５】
このようにして、発電電流制限手段が、算出した発電電流となるように、燃料電池の発電電流を制限することによって、燃料電池に供給される反応ガスの体積流量と、燃料電池で消費される反応ガスの体積流量とが対応することから、燃料電池が発電する際、ストイキ不足となることを防止することができる。これにより、燃料電池の発電効率を低下させることなく、また、燃料電池の劣化を防止することができる。
また、流量センサを、反応ガス供給手段の上流側に備えることによって、反応ガス供給手段の上流側以外、例えば、加湿された反応ガスの環境下に備えた場合と比べると、実際に反応ガス供給手段に取り込まれる反応ガスの質量流量を正確に検出することができる。さらに、流量センサを加湿された反応ガスの環境下でない非加湿の環境下に備えることによって、流量センサが燃料電池に向かう反応ガスの流量を安全に検出することができる。
【００１６】
また、外気温度を検出する温度センサをさらに備え、前記体積流量算出手段は、反応ガスの体積流量を、前記温度センサが検出した外気温度に基づいて補正することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、体積流量算出手段が、反応ガスの体積流量を、温度センサが検出した外気温度に基づいて補正することによって、外気温度に基づいて補正されない場合と比べると、より正確な体積流量が算出される。これにより、正確な遅れ時間及び燃料電池内の反応ガスの体積流量が算出される。したがって、適切な電流制限が行われる。このようにして適切な電流制限が行われることによって、燃料電池が発電する際、ストイキ不足となることを防止することができる。
【００１８】
また、外気圧を検出する外気圧センサをさらに備え、前記体積流量算出手段は、反応ガスの体積流量を、前記外気圧センサが検出した外気圧に基づいて補正することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、体積流量算出手段が、反応ガスの体積流量を、外気圧センサが検出した外気圧に基づいて補正することによって、外気圧に基づいて補正されない場合と比べると、より正確な体積流量が算出される。これにより、正確な遅れ時間及び燃料電池内の反応ガスの体積流量が算出される。したがって、適切な電流制限が行われる。このようにして適切な電流制限が行われることによって、燃料電池が発電する際、ストイキ不足となることを防止することができる。
【００２０】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、反応ガスが前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に到達するまでの遅れ時間を算出する遅れ時間算出手段と、前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と前記遅れ時間算出手段が算出した遅れ時間とに基づいて、前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する反応ガス体積流量関数算出手段と、前記反応ガス体積流量関数算出手段が算出した前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する反応ガス体積流量算出手段と、前記反応ガス体積流量算出手段が算出した実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する発電電流算出手段と、前記燃料電池の発電電流を制限する発電電流制限手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、反応ガスが前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に到達するまでの遅れ時間を算出するステップと、前記燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と算出した遅れ時間とに基づいて、前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出するステップと、算出した前記燃料電池内の反応ガス体積流量を示す関数に基づいて、実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出するステップと、算出した実際の前記燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出するステップと、算出した発電電流となるように、実際の前記燃料電池の発電電流を制限するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００２１】
このような燃料電池システムの制御方法によれば、遅れ時間算出手段が、反応ガス供給手段から燃料電池に到達するまでの反応ガスの遅れ時間を算出する。また、反応ガス体積流量関数算出手段が、燃料電池に向かう反応ガスの体積流量と遅れ時間とに基づいて、燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数を算出する。また、反応ガス体積流量算出手段が、燃料電池内の反応ガスの体積流量を示す関数に基づいて、実際の燃料電池内の反応ガスの体積流量を算出する。さらに、発電電流算出手段が、実際の燃料電池内の反応ガスの体積流量に対応する発電電流を算出する。そして、発電電流制限手段は、算出した発電電流となるように、実際の燃料電池の発電電流を制限する。
【００２２】
このようにして、発電電流制限手段が、算出した発電電流となるように、燃料電池の発電電流を制限することによって、燃料電池に供給される反応ガスの体積流量と、燃料電池で消費される反応ガスの体積流量とが対応することから、燃料電池が発電する際、ストイキ不足（反応ガス不足）となることを防止することができる。これにより、燃料電池の発電効率を低下させることなく、また、燃料電池の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池が発電する際、ストイキ不足になることを防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
【００２５】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続され、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、アクセルペダル５１と、温度センサ５２と、外気圧センサ５３と、これらを電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）６０と、を備えている。そして、運転者によるアクセルペダル５１の踏み込む量に応じて燃料電池１０が発電し、この発電電力によって走行モータ４１が駆動することで、燃料電池自動車が走行するようになっている。
【００２６】
＜燃料電池＞
燃料電池（燃料電池スタック）１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層（スタック）されることで構成され、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
【００２７】
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードと、を備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２８】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２９】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池１０と走行モータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
【００３０】
そして、このように発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。
【００３１】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク（燃料ガス（反応ガス）供給手段）２１と、遮断弁２２と、減圧弁２３と、エゼクタ２４と、パージ弁２５と、を備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁２３、配管２３ａ、エゼクタ２４、配管２４ａを順に介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、遮断弁２２がＥＣＵ６０によって開かれると、水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。また、水素を所定圧力に減圧する減圧弁２３には、カソード流路１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、前記空気の圧力と、アノード流路１１における水素の圧力とが等しくなるように制御する構成となっている。なお、後記する排気弁３４によって、前記信号圧は制御されている。
【００３２】
アノード流路１１の出口は、配管２５ａ、パージ弁２５、配管２５ｂが順に接続されている。また、配管２５ａの途中は、配管２５ｃを介して、エゼクタ２４に接続されている。そして、配管２５ｃの途中には、逆流を防止する逆止弁（図示しない）が設けられている。
パージ弁２５は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このようにパージ弁２５が閉じている場合、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガス（排出燃料ガス）が、配管２５ｃを介して、エゼクタ２４に戻され、再び、燃料電池１０に供給、つまり、水素が循環するようになっている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合、つまり、循環する水素に同伴する不純物が増加した場合、ＥＣＵ６０によってパージ弁２５は開かれ、アノードオフガスが、配管２５ｂを介して、希釈器（図示しない）に排出されるようになっている。
【００３３】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ（酸化剤ガス（反応ガス）供給手段）３１と、背圧弁３２と、オリフィス３３と、排気弁３４と、流量センサ３５と、を備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０の指令に従ってコンプレッサ３１が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路１２に供給されるようになっている。なお、配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池１０に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
このようなコンプレッサ３１は、燃料電池１０及び／又は燃料電池１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。
【００３４】
カソード流路１２の出口は、配管３２ａ、背圧弁３２、配管３２ｂを介して、希釈器（図示しない）に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管３２ａ等を介して、希釈器に排出されるようになっている。
背圧弁３２は、バタフライ弁等であり、アクセルペダル５１の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ＥＣＵ６０により、その開度が制御されるようになっている。
【００３５】
そして、配管３１ａの途中は、配管３１ｂ、空気の流量を絞るためのオリフィス３３、配管３３ａを介して、減圧弁２３に接続されている。また、配管３１ａの途中は、配管３１ｂ、オリフィス３３、配管３３ｂを介して、排気弁３４にも接続されている。
排気弁３４は、空気を排出する空気排出弁であり、通常は閉じられており、これによってコンプレッサ３１からの空気は、配管３１ｂ等を介して、減圧弁２３に流れるようになっている。
一方、減圧弁２３に流れる空気の量が多すぎる（空気の圧力が高すぎる）場合には、ＥＣＵ６０によって排気弁３４は開かれ、空気が、配管３４ａを介して、外部に排出されるようになっている。
このように、排気弁３４の開閉によって、減圧弁２３に流れる空気の信号圧（パイロット圧）は制御されており、これにより、アノード流路１１における水素の圧力が制御されるようになっている。
【００３６】
流量センサ３５は、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の質量流量（ｇ／ｓ）を検出するセンサであり、コンプレッサ３１の上流側の配管３５ａに設けられている。そして、流量センサ３５は、検出した質量流量を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３７】
＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池自動車を走行させる電動式の走行モータ４１と、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）４２と、出力検出器４３と、を備えており、走行モータ４１は、インバータ（図示しない）、ＶＣＵ４２、出力検出器４３を順に介して燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
【００３８】
走行モータ４１は、燃料電池自動車を走行させる電動モータである。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０の指令に従って燃料電池１０の発電電力（出力）を制御するユニットであり、ＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えている。すなわち、ＥＣＵ６０が発電要求に対応してＶＣＵ４２を適宜に制御すれば、この発電要求に応じて燃料電池１０から電流が取り出され、燃料電池１０が発電するようになっている。
【００３９】
すなわち、本実施形態において、燃料電池の発電電流を制限する発電電流制限手段は、ＶＣＵ４２と、ＥＣＵ６０と、を備えて構成されている。
【００４０】
出力検出器４３は、燃料電池１０の発電電流（出力電流）及び発電電圧（出力電圧）を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えており、電流計及び電圧計は適所に配置されている。そして、出力検出器４３はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は燃料電池１０の現在の発電電流及び発電電圧を検知するようになっている。
【００４１】
＜アクセルペダル＞
アクセルペダル５１は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０はアクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）を検知するようになっている。
【００４２】
＜温度センサ＞
温度センサ５２は、外気温度を検出するセンサであって、燃料電池自動車の適所に設けられている。そして、温度センサ５２はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は、燃料電池自動車が走行している場所（走行場所）の外気温度を検知するようになっている。
【００４３】
＜外気圧センサ＞
外気圧センサ５３は、外気圧を検出するセンサであって、燃料電池自動車の適所に設けられている。そして、外気圧センサ５３はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は、燃料電池自動車が走行している場所（走行場所）の外気圧を検知するようになっている。
【００４４】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されている。
そして、ＥＣＵ６０は、図示しないＩＧ（イグニッション）のＯＮ信号を検知すると、遮断弁２２を開き、コンプレッサ３１を作動させ、背圧弁３２の開度及びＶＣＵ４２を適宜に制御して燃料電池１０の発電を開始するように構成されている。
【００４５】
また、ＥＣＵ６０は、流量センサ３５により検出された空気の質量流量に基づいて、コンプレッサ３１に取り込まれる（から吐出される）空気の体積流量（Ｌ／ｓ）を算出する機能を備えている。さらに、この空気の体積流量に基づいて、空気が流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの遅れ時間を算出する機能も備えている。
【００４６】
また、ＥＣＵ６０は、この空気の体積流量と遅れ時間とに基づいて、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数を算出する機能を備えている。また、ＥＣＵ６０は、この燃料電池内の空気の体積流量を示す関数に基づいて、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量を算出する機能を備えている。さらに、この燃料電池１０内の空気の体積流量に対応する発電電流を算出する機能も備えている。
【００４７】
次いで、ＥＣＵ６０は、この算出した発電電流となるように、燃料電池１０の発電電流を制限する機能を備えている。具体的には、ＥＣＵ６０は、この算出した発電電流に対応してＶＣＵ４２を適宜制御するように設定されている。
【００４８】
すなわち、本実施形態において、体積流量算出手段、遅れ時間算出手段、反応ガス体積流量関数算出手段、反応ガス体積流量算出手段、発電電流算出手段は、ＥＣＵ６０を備えて構成されている。
【００４９】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図２を主に参照しながら説明する。なお、当該動作は、所定時間（例えば、１０ｍｓ）毎に繰り返し行われている。
【００５０】
ステップＳ１１において、ＥＣＵ６０は、流量センサ３５を介して、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の質量流量を検出する。
【００５１】
ステップＳ１２において、ＥＣＵ６０（体積流量算出手段）は、この空気の質量流量と図３とに基づいて、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の体積流量（センサ値）を算出する。図３に示すように、空気の質量流量が大きくなると、体積流量も大きくなる関係となっている。なお、図３に示すマップは、事前試験やシミュレーションにより求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００５２】
ＥＣＵ６０が、この空気の質量流量に基づいて、空気の体積流量を算出する際、温度センサ５２によって検出される外気温度に基づいて、空気の体積流量が補正される構成としてもよい。その他、外気圧センサ５３によって検出される外気圧に基づいて、さらに空気の体積流量が補正される構成としてもよい。図３に示すように、外気温度が高くなる及び外気圧が低くなると、空気が膨張することから、空気の体積流量が大きくなるように補正される。
【００５３】
ステップＳ１３において、ＥＣＵ６０（遅れ時間算出手段）は、この空気の体積流量（センサ値）と図４とに基づいて、流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの空気の遅れ時間を算出する。図４に示すように、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の体積流量が大きくなると、圧力損失が大きくなるので、流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの空気の遅れ時間が長くなる関係となっている。なお、図４に示すマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
その他、例えば、コンプレッサ３１の回転数が増加した直後は、さらに空気の立ち上がりが遅れるので、このマップから算出される遅れ時間よりもさらに遅れ時間が長くなり、この遅れ時間も、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。なお、コンプレッサ３１の回転数が増加していない、すなわち、空気の体積流量（センサ値）が小さい場合では、遅れ時間はほとんどない。
【００５４】
ステップＳ１４において、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量関数算出手段）は、空気の体積流量（センサ値）と流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの空気の遅れ時間とに基づいて、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数を算出する。
また、ステップＳ１５において、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量算出手段）は、この燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数に基づいて、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）を算出する。
ここで、具体的な燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数及び実際の燃料電池内の空気の体積流量の算出工程を、時刻ｔ１において、ステップＳ１２で空気の体積流量（センサ値）ａが算出された場合について、図５の（ａ）を主に参照しながら説明する。
【００５５】
まず、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量関数算出手段）は、今回（時刻ｔ１）のステップＳ１２で算出された空気の体積流量（センサ値）ａと、ステップＳ１３で算出された空気の遅れ時間とに基づいて、燃料電池１０内の空気の体積流量がａとなる座標ａ１を予測する、つまり、今回の空気の体積流量（センサ値）ａを遅れ時間分ずらして前記した座標ａ１を算出する。
次に、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量関数算出手段）は、今回予測された座標ａ１と前回（時刻ｔ０）のステップＳ１４で予測された座標ｓとを結び、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数（図５（ａ）の座標ｓと座標ａ１とを結ぶ線）を算出する。
そして、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量算出手段）は、空気の体積流量（センサ値）ａを算出した時刻ｔ１における関数上の座標ａ２を算出する。この座標ａ２が、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）となる。
【００５６】
さらに、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量関数算出手段）は、ステップＳ１２で算出された空気の体積流量（センサ値）ｂ、ｃ、ｄが算出された場合においても、上記と同様な算出工程を繰り返すことによって、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数（図５（ｂ）の座標ａ１と座標ｂ１とを結ぶ線、（ｃ）の座標ｂ１と座標ｃ１とを結ぶ線、（ｄ）の座標ｃ１と座標ｄ１とを結ぶ線）を算出する。
また、ＥＣＵ６０（反応ガス体積流量算出手段）は、空気の体積流量（センサ値）ｂ、ｃ、ｄを算出した時刻における関数上の座標を算出することによって、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）ｂ２、ｃ２、ｄ２を算出する（図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）参照）。
これにより、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数及び実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）を算出することができる（図５（ｅ）参照）。
このようなステップＳ１１〜Ｓ１５を行うことで、直接検出することができない、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）を算出することができる。
【００５７】
ステップＳ１６において、ＥＣＵ６０（発電電流算出手段）は、この実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）を、実際の燃料電池１０内の空気の質量流量に換算し、この実際の燃料電池１０内の空気の質量流量と図６とに基づいて、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）に対応する発電電流（指令電流）を算出する。図６に示すように、燃料電池１０内の空気の質量流量が大きくなると、発電電流（指令電流）も大きくなる関係となっている。なお、図６に示すマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
なお、ＥＣＵ６０は、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）に対応する発電電流（指令電流）を、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）に基づいて、算出してもよい。
【００５８】
ステップＳ１７において、ＥＣＵ６０は、この算出した発電電流（指令電流）となるように、燃料電池１０の実際の発電電流を制限する、つまり、ＶＣＵ４２を適宜制御する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。
【００５９】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１の構成としたので、次のような作用効果が得られる。
ＥＣＵ６０が、流量センサ３５により検出される空気の質量流量に基づいて、空気の体積流量（センサ値）を算出する。また、ＥＣＵ６０が、この空気の体積流量（センサ値）に基づいて、流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの空気の遅れ時間を算出する。また、ＥＣＵ６０が、この空気の体積流量（センサ値）とこの遅れ時間とに基づいて、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数を算出する。また、ＥＣＵ６０が、この関数に基づいて、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）を算出する。さらに、ＥＣＵ６０が、この空気の体積流量（スタック値）に対応する発電電流（指令電流）を算出する。そして、発電電流制限手段は、この算出した発電電流（指令電流）となるように、実際の燃料電池の発電電流を制限する。
【００６０】
このようにして、発電電流制限手段が、この算出した発電電流（指令電流）となるように、燃料電池１０の実際の発電電流を制限することによって、燃料電池１０に供給される空気の体積流量と、燃料電池１０で消費される空気の体積流量とが対応することから、燃料電池１０が発電する際、ストイキ不足（空気不足）となることを防止することができる。これにより、燃料電池１０の発電効率を低下させることなく、また、燃料電池１０の劣化を防止することができる。
また、流量センサ３５を、コンプレッサ３１の上流側に備えることによって、コンプレッサ３１の上流側以外、例えば、加湿された空気の環境下に備えた場合と比べると、実際にコンプレッサ３１に取り込まれる空気の質量流量を正確に検出することができる。さらに、流量センサ３５を加湿された空気の環境下でない非加湿の環境下に備えることによって、流量センサ３５が燃料電池１０に向かう空気の流量を安全に検出することができる。
【００６１】
また、ＥＣＵ６０が、遅れ時間を、燃料電池１０に向かう空気の体積流量に基づいて適切に算出する、つまり、体積流量に応じて、遅れ時間を変動させることができる。したがって、適切な電流制限を行うことができる。これにより、燃料電池１０が発電する際、ストイキ不足となることを防止することができる。
【００６２】
また、ＥＣＵ６０が、空気の体積流量を、温度センサ５２及び／または外気圧センサ５３が検出した外気温度及び／または外気圧に基づいて補正することによって、外気温度及び／または外気圧に基づいて補正されない場合と比べると、より正確な空気の体積流量が算出される。これにより、正確な遅れ時間及び燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）が算出される。したがって、適切な電流制限が行われる。このようにして適切な電流制限が行われることによって、燃料電池１０が発電する際、ストイキ不足となることを防止することができる。
【００６３】
≪燃料電池システムの一動作例≫
図７を参照して、加速を例に、燃料電池システム１の一動作例を説明する。
アクセルペダル５１が踏み込まれると、その踏み込み量（アクセル開度）、つまり、燃料電池１０に対して指令された指令発電電流値が大きくなる。
そして、アクセルペダル５１が踏み込まれると、コンプレッサ３１は増速作動し、背圧弁３２は閉じる方向に制御され、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の流量、つまり、流量センサ３５により検出される空気の質量流量が多くなる。
このように流量センサ３５により検出される空気の質量流量が多くなることによって、体積流量算出手段が算出する空気の体積流量（センサ値）もそれに伴い多くなる。
一方、燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）は、体積流量算出手段が算出する空気の体積流量（センサ値）と比べると、空気が流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでに時間的な遅れがあることから、ずれが生じる。
このようにずれが生じるにもかかわらず、燃料電池１０の実際の発電電流を、指令発電電流値（指令電流）に基づいて制限した場合、燃料電池１０で消費される空気の体積流量（消費量）は、その指令発電電流値（指令電流）に対応する空気の体積流量（センサ値）であるが、実際に燃料電池１０に供給されている空気の体積流量（供給量）は、燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）であることから、消費量と供給量が対応しない、つまり、供給量が消費量と比べると少なくなっている。これにより、空気のストイキ比（供給量／消費量）が下がってしまう、つまり、燃料電池１０が発電する際、ストイキ不足（空気不足）になってしまう（比較例）。
【００６４】
そこで、体積流量算出手段が、流量センサ３５により検出される空気の質量流量に基づいて、空気の体積流量（センサ値）を算出する（Ｓ１２）。また、遅れ時間算出手段が、この空気の体積流量（センサ値）に基づいて、流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの空気の遅れ時間を算出する（Ｓ１３）。また、反応ガス体積流量関数算出手段が、この空気の体積流量（センサ値）とこの遅れ時間とに基づいて、燃料電池１０内の空気の体積流量を示す関数を算出する（Ｓ１４）。また、反応ガス体積流量算出手段が、この関数に基づいて、実際の燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）を算出する（Ｓ１５）。さらに、発電電流算出手段が、この燃料電池１０内の空気の体積流量（スタック値）に対応する発電電流（指令電流）を算出する（Ｓ１６）。そして、発電電流制限手段は、この算出した発電電流（指令電流）となるように、燃料電池１０の実際の発電電流を制限する（Ｓ１７）。
このようにして、発電電流制限手段が、この算出した発電電流（指令電流）となるように、燃料電池１０の実際の発電電流を制限することによって、実際に燃料電池１０に供給されている空気の体積流量（スタック値）（供給量）と、燃料電池１０で消費される空気の体積流量（消費量）とが対応することから、空気のストイキ比が下がることなく、燃料電池が発電する際、ストイキ不足になることを防止することができる（実施例）。
【００６５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば、次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組み合わせてもよい。
【００６６】
前記した実施形態では、流量センサ３５を備え、体積流量算出手段が、その流量センサ３５により検出される空気の質量流量に基づいて、空気の体積流量（センサ値）を算出する燃料電池システム１に本発明を適用したが、流量センサ３５を備えない燃料電池システムに適用してもよい。この場合、コンプレッサ３１の回転数をＥＣＵ６０により制御することによって、その回転数から、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の質量流量が算出され、その空気の質量流量に基づいて、空気の体積流量が算出される（図３、図８参照）。
【００６７】
前記した実施形態では、遅れ時間算出手段は、遅れ時間を、空気の体積流量（センサ値）に基づいて算出しているが、これに限定されるものではなく、例えば、アクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）、つまり、燃料電池１０に対して指令された指令発電電流値に基づいて、算出してもよい。
【００６８】
前記した実施形態では、流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの空気の遅れ時間に基づいて、燃料電池１０の発電電流を制限したが、これに限定されるものではなく、流量センサ３５から燃料電池１０に到達するまでの水素の遅れ時間に基づいて、燃料電池１０の発電電流を制限して、ストイキ不足（水素不足）になることを防止してもよい。
この場合、アノード系は、水素タンク（燃料ガス（反応ガス）供給手段）２１と、遮断弁２２と、流量センサ３５と、を備え、流量センサ３５は、遮断弁２２の下流側に配置される構成とする。
【００６９】
前記した実施形態では、燃料電池１０の実際の発電電流を制限することで、ストイキ不足（反応ガス不足）に対応したが、さらに、例えば、燃料電池１０に供給される反応ガスの流量が多くなるようにする（反応ガス供給手段からの反応ガスの流量を多くする）ことで、ストイキ不足になることを防止することができる。
【００７０】
前記した実施形態では、燃料ガスとして水素を用いた場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、メタン等、燃料ガスとして用いることができるものであればよい。
【００７１】
前記した実施形態では、未反応の水素を含むアノードオフガスが、そのまま、エゼクタ２４に循環させる燃料電池システム１に本発明を適用したが、これに限定されるものではない。
例えば、アノードオフガス中の水分等の不純物を取り除くために、未反応の水素を含むアノードオフガスを、気液分離器（図示しない）を介して、エゼクタ２４に戻して、アノード流路１１に再供給する燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【００７２】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】空気の質量流量と、空気の体積流量（センサ値）との関係を示すマップである。
【図４】空気の体積流量（センサ値）と、遅れ時間との関係を示すマップである。
【図５】時間と、空気の体積流量との関係を示す図である。
【図６】燃料電池内の空気の質量流量と、発電電流（指令電流）との関係を示すマップである。
【図７】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図８】コンプレッサの回転数と、空気の質量流量との関係を示すマップである。
【符号の説明】
【００７４】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池
３１    コンプレッサ
４２    ＶＣＵ
６０    ＥＣＵ
【図１】
0004956481.tif 000002
【図２】
0004956481.tif 000003
【図３】
0004956481.tif 000004
【図４】
0004956481.tif 000005
【図５】
0004956481.tif 000006
【図６】
0004956481.tif 000007
【図７】
0004956481.tif 000008
【図８】
0004956481.tif 000009