(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスを貯蔵する貯蔵手段と、
前記燃料電池の燃料極から排出されるガスを、当該燃料極における燃料ガスの供給側に循環させるための循環流路と、
前記燃料電池の燃料極における不純物ガスの濃度を推定する燃料極濃度推定手段と、
前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量と、前記燃料極濃度推定手段による推定結果とに基づいて、前記貯蔵手段における不純物ガスの濃度を推定する貯蔵濃度推定手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記貯蔵濃度推定手段は、前記貯蔵手段から供給される燃料ガスの流量を、前記燃料電池の発電電流に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯蔵濃度推定手段は、前記燃料電池へ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力と、前記燃料電池の運転温度とに基づいて、前記燃料電池において酸化剤極から燃料極へと透過する不純物に起因する、前記燃料電池の燃料極における不純物ガス濃度の変化量を第１の濃度変化量として算出し、当該算出された第１の濃度変化量と、前記燃料極濃度推定手段によって推定される前記燃料電池の燃料極における不純物ガス濃度の変化量とに基づいて、前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極へと流入する不純物に起因する、前記燃料電池の燃料極における不純物ガス濃度の変化量を第２の濃度変化量として算出するとともに、当該算出された第２の濃度変化量と、前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量とに基づいて、前記貯蔵手段における不純物ガスの濃度を推定することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記貯蔵濃度推定手段は、前記貯蔵手段に燃料ガスが充填されたことを条件として、不純物ガスの濃度推定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記貯蔵濃度推定手段が不純物ガスの濃度推定を行う場合、前記燃料電池において酸化剤極から燃料極へと透過する不純物ガスの流量が一定となるように、前記燃料電池の運転状態を制御する運転状態制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記運転状態制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力と燃料ガスの圧力とを一定に保つ制御を行うことを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記運転状態制御手段は、前記燃料電池の運転温度を一定に保つ制御を行うことを特徴とする請求項５または６に記載された燃料電池システム。
【請求項８】
前記循環流路を流れるガスを外部に排出するガス排出手段と、
前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極へと流入する不純物ガスを排出するために必要な第１の排出制御量を算出するとともに、前記燃料電池の酸化剤極側から燃料極側へ透過する不純物ガスを排出するために必要な第２の排出制御量を算出する排出制御量算出手段と、
前記排出制御量算出手段によって算出される前記第１の排出制御量と前記第２の排出制御量とに基づいて、前記ガス排出手段を制御する排出制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項９】
前記排出制御量算出手段は、前記貯蔵手段からの燃料ガスの供給流量が大きいほど、前記第１の排出制御量を大きな値に設定するとともに、前記貯蔵濃度推定手段によって推定される不純物ガスの濃度が高いほど、前記第１の排出制御量を大きな値に設定することを特徴とする請求項８に記載された燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排出制御量算出手段は、前記貯蔵手段から供給される燃料ガス流量を、前記燃料電池の発電電流に基づいて算出することを特徴とする請求項９に記載された燃料電池システム。
【請求項１１】
前記排出制御量算出手段は、前記燃料極濃度推定手段によって推定される不純物ガスの濃度が、前記燃料電池の運転条件に応じて定められる目標濃度と対応するにように、前記第２の排出制御量を算出することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１２】
前記排出制御量算出手段は、前記貯蔵手段に燃料ガスが充填されてから、前記貯蔵濃度推定手段による推定結果が得られるまでの間は、前記第１の排出制御量をゼロとして算出することを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１３】
前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極へと供給される燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御手段をさらに有し、
前記燃料ガス流量制御手段は、前記貯蔵濃度推定手段によって推定される不純物ガスの濃度に基づいて、前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極へと流入する不純物ガスの流量が、前記ガス排出手段によって排出可能なガス流量を超えないように、燃料ガスの供給流量を制限することを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料ガス流量制御手段は、発電電流を制限することにより、燃料ガスの供給流量を制限することを特徴とする請求項１３に記載された燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料極濃度推定手段は、前記燃料電池の燃料極から排出されるガスの状態量を一定に保たせた状態において、前記燃料電池の燃料極における不純物ガスの濃度を推定することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスを、前記燃料電池の燃料極に供給する第１のステップと、
前記燃料電池の燃料極から排出されるガスを、当該燃料極の燃料ガスの供給側に循環させる第２のステップと、
前記燃料電池の燃料極における不純物ガスの濃度を推定する第３のステップと、
前記貯蔵手段から前記燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流量と、前記第３のステップにおける推定結果とに基づいて、前記貯蔵手段における不純物ガスの濃度を推定する第４のステップと
を有する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、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に供給される燃料ガス（例えば、水素）と、酸化剤極に供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃費向上の観点から、燃料極から排出される余剰の燃料ガスを、循環流路を介して燃料ガスの供給側へと循環させる構成となっている。
【０００３】
酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の不純物ガス（例えば、窒素）が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極を含む循環流路内の不純物濃度が増加し、燃料ガス分圧が低下する傾向となる。そのため、燃料極から排出される排出ガス（窒素といった不純物、未使用な水素等を含むガス）は、循環流路に接続する排出流路に設けられたパージバルブの開閉状態を切り替えることにより、排出流路を介して外部に排出し、これにより、不純物ガス量の管理を行っている。
【０００４】
ところで、燃料極に存在する不純物ガスの要因としては、酸化剤極側から透過する不純物ガス以外にも、燃料極に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク内に含まれている不純物ガスも挙げられる。例えば、特許文献１には、燃料タンクへの燃料ガスの充填時、ガス供給施設との通信により、燃料タンクへ充填される燃料ガスの不純物ガス濃度を取得し、これを用いて、不純物ガスを外部に排出する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３４９２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、ガス供給施設から不純物濃度のデータを取得しない限り、燃料タンク内の不純物ガスの濃度を把握することができないという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料タンク内の不純物ガスの濃度を自律的に推定することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明は、
燃料電池の燃料極における不純物ガスの濃度を推定することにより、この推定された不純物ガスの濃度と、貯蔵手段から燃料電池の燃料極に供給される水素の流量とに基づいて、貯蔵手段における不純物ガスの濃度を推定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、貯蔵手段における不純物ガス濃度を、自律的に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は、燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【００１０】
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体を一対のセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【００１１】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とをさらに有している。
【００１２】
水素系において、燃料ガスである水素は、貯蔵手段である燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素圧力は、水素調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。
【００１３】
燃料極から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、この水素循環流路Ｌ２には水素循環ポンプ１２、水素循環流路L２と水素供給流路Ｌ１との合流部にはエゼクタ１３といった水素循環手段が設けられている。この循環手段により、水素循環流路Ｌ２へと流れた排出ガスが、水素供給流路Ｌ１を流れる水素と合流され、燃料極からの排出ガスが、水素循環流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１（燃料極）の水素の供給側へと循環させられる。
【００１４】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極および水素循環流路Ｌ２内における不純物ガスが増加し、これにより、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物ガスが多くなりすぎると、例えば、燃料電池スタック１からの出力が低下するといった不都合が生じるため、燃料極を含む水素循環流路Ｌ２内の不純物ガス量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、水素循環流路Ｌ２を流れるガスを外部に排出するためのパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１４が設けられており、このパージバルブ１４の開き量を制御することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される不純物ガス量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する不純物ガス量が管理される。
【００１５】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、コンプレッサ２０によって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２２が設けられている。
【００１６】
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ６を有しており、この冷却流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、冷却流路Ｌ６内の冷却水が循環する。また、冷却流路Ｌ６には、ラジエータ３１が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１において冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、燃料電池スタック１が全体に亘って冷却されるようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック１には、電力制御装置２が接続されている。この電力制御装置２は、後述するコントロールユニット４０によって制御され、燃料電池スタック１から出力（例えば、電流）を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ（図示せず）に供給する。
【００１８】
コントロールユニット４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、燃料電池システムの運転状態を制御する。コントロールユニット４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントロールユニット４０は、制御プログラムに従って動作することにより、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１４、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、冷却水循環ポンプ３０、電力制御装置２といった種々の要素を制御する。
【００１９】
本実施形態との関係において、コントロールユニット４０は、以下に示す機能を担っている。第１に、コントロールユニット４０は、燃料電池スタック１の燃料極における不純物ガスの濃度を推定する（燃料極濃度推定手段）。第２に、コントロールユニット４０は、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の流量と、先の推定結果（燃料極における不純物ガスの濃度）とに基づいて、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度を推定する（貯蔵濃度推定手段）。
【００２０】
また、これ以外にも、第３に、コントロールユニット４０は、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度推定を行う場合、燃料電池スタック１において酸化剤極から燃料極へと透過する不純物ガスの流量が一定となるように、燃料電池スタック１の運転状態を制御する（運転状態制御手段）。第４に、コントロールユニット４０は、パージバルブ１４の開時間を制御する（排出制御手）。この前提として、コントロールユニット４０は、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極へと流入する不純物ガスを排出するために必要な第１の排出制御量を算出するとともに、燃料電池スタック１の酸化剤極側から燃料極側へ透過する不純物ガスを排出するために必要な第２の排出制御量を算出する（排出制御量算出手段）し、これらの演算結果に基づいて、パージバルブ１４を制御する。第５に、コントロールユニット４０は、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極へと供給される水素の流量を制御する（燃料ガス流量制御手段）。この場合、コントロールユニット４０は、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極へと流入する不純物ガスの流量が、パージバルブ１４によって排出可能なガス流量を超えないように、水素の供給流量を制限する。
【００２１】
コントロールユニット４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ４１〜５３を含む検出手段からのセンサ信号が入力されている。タンク温度センサ４１は、燃料タンク１０内の水素の温度を検出し、タンク圧力センサ４２は、燃料タンク１０内の水素の圧力を検出する。弁温度センサ４３は、水素調圧バルブ１１の温度を検出する。水素入口温度センサ４４は、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の温度を検出し、水素入口圧力センサ４５は、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の圧力を検出する。水素出口圧力センサ４６は、燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガスの圧力を検出する。ポンプ電流センサ４７は、水素循環ポンプ１２の駆動電流を検出する。空気流量センサ４８は、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の流量を検出し、空気圧力センサ４９は、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を検出する。冷却水温度センサ５０は、燃料電池スタック１から排出される冷却水の温度、すなわち、燃料電池スタック１の運転温度を検出する。電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される発電電流を検出し、電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の発電電圧を検出する。水素濃度センサ５３は、パージバルブ１４を介して排出される排出ガスにおける水素濃度を検出する。また、図示しないアクセル操作量センサは、ドライバーによるアクセル操作量を検出し、車速センサは、車両の速度を検出する。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、コントロールユニット４０によって実行される。まず、ステップ１（Ｓ１）において、目標発電電流が算出される。
【００２３】
図３は、目標発電電流の算出ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、アクセル操作量が検出され、ステップ１１（Ｓ１１）において、車両速度が検出される。
【００２４】
ステップ１２（Ｓ１２）において、燃料電池スタック１における発電電流の要求値である要求発電電力が算出される。ドライバーによるアクセル操作と車両速度とから、ドライバーが要求する出力を実現する要求発電電力を設定することができるので、図４に示すように、要求発電電力と、アクセル操作量および車両速度との対応関係を、実験やシミュレーションを通じ予め取得することができる。これらの関係は、マップや計算式としてコントロールユニット４０に保持されており、要求発電電力は、ステップ１０，１１において検出されたアクセル操作量および車両速度に基づいて一義的に算出される。
【００２５】
ステップ１３（Ｓ１３）において、燃料電池スタック１から取り出すべき発電電流の目標値である目標発電電流が算出される。燃料電池スタック１の基準となる電流電圧特性として、例えば、稼動開始初期の電流電圧特性と、個体差による特性ばらつきの中央値に相当する特性データとを用いることにより、要求発電電力に対する目標電流電流を運転温度毎に設定することができるので、図５に示すように、目標発電電流と、要求発電電力および燃料電池スタック１の運転温度との対応関係を、実験やシミュレーションを通じ予め取得することができる。これらの関係は、マップや計算式として保持されており、目標発電電流は、要求発電電力および燃料電池スタック１の運転温度に基づいて一義的に算出される。ここで、燃料電池スタック１の運転温度としては、冷却水温度センサ５０によって燃料電池スタック１から排出される冷却水の温度を用いることができる。
【００２６】
つぎに、図２に示すステップ２（Ｓ２）において、ガス供給および温度制御が行われる。図６は、ガス供給および温度の制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ２０（Ｓ２０）において、目標ガス圧力が算出される。燃料電池スタック１の発電効率などを考慮することにより、図７に示すように、目標ガス圧力と、目標発電電流との対応関係を、実験やシミュレーションを通じ予め取得することができる。これらの関係は、マップや計算式として保持されており、目標ガス圧力は、目標発電電流に基づいて一義的に算出される。
【００２７】
ステップ２１（Ｓ２１）において、水素圧力が制御される。具体的には、目標ガス圧力に基づいて、水素調圧バルブ１１の開度を調整することにより、水素圧力の制御が行われる。水素調圧バルブ１１の開度調整では、まず、水素入口圧力センサ４５において検出される水素圧力と、目標ガス圧力との差に基づいて、フィードバック制御により水素調圧バルブ１１の指令開度が決定される。そして、この開度指令がコントロールユニット４０から水素調圧バルブ１１の駆動回路（図示せず）に対して出力され、これにより、水素調圧バルブ１１が指令開度に従って駆動する。
【００２８】
ステップ２２（Ｓ２２）において、空気流量が制御される。発電電流に応じて消費される酸素量から決まる空気流量を基準として、燃料電池スタック１の内部で局所的な空気の供給不足が起きないように空気供給過剰率を定めれば、基準空気流量と空気供給過剰率とを乗算することにより、図８に示すように、目標発電電流と目標空気流量との対応関係を、実験やシミュレーションを通じ予め取得することができる。ここで、空気供給過剰率は、燃料電池スタック１の発電電圧が低下しないなどといった条件を考慮して、予め設定されている。目標発電電流と目標空気流量との対応関係は、マップや計算式として保持されており、目標空気流量は、目標発電電流に基づいて一義的に算出される。
【００２９】
コンプレッサ２０の回転数と圧力比に対する空気流量との特性に基づいて、図９に示すように、目標ガス圧力および目標空気流量と、コンプレッサ２０の指令回転数との対応関係は、実験やシミュレーションを通じ予め取得することができる。この関係は、マップや計算式として保持されており、コンプレッサ２０の指令回転数は、目標ガス圧力および目標空気流量に基づいて一義的に算出される。算出されたコンプレッサ２０の指令回転数は、コントロールユニット４０からコンプレッサ２０の駆動回路（図示せず）に対して出力されて、コンプレッサ２０が指令回転数に従って駆動される。
【００３０】
ステップ２３（Ｓ２３）において、空気圧力が制御される。具体的には、目標ガス圧力に基づいて、空気調圧バルブ２２の開度を調整することにより、空気圧力の制御が行われる。空気調圧バルブ２２の開度調整では、まず、空気圧力センサ４９において検出された空気圧力と、目標ガス圧力との差に基づいて、フィードバック制御により空気調圧バルブ２２の指令開度が決定される。この開度指令は、コントロールユニット４０から水素調圧バルブ１１の駆動回路（図示せず）に対して出力されて、水素調圧バルブ１１が指令開度に従って駆動される。
【００３１】
ステップ２４（Ｓ２４）において、水素循環ポンプ１２の回転数が制御される。発電電流に応じて消費される水素量から決まる水素流量に対して、燃料電池スタック１の内部で局所的な水素の供給不足が起きないように水素供給過剰率を定めれば、その水素供給過剰率を実現するような水素循環ポンプ１２の回転数として、図１０に示すように、目標発電電流と、水素循環ポンプ１２の指令回転数との対応関係を、実験やシミュレーションを通じ予め取得することができる。この関係は、マップや計算式として保持されており、水素循環ポンプ１２の指令回転数は、目標発電電流に基づいて一義的に算出される。
【００３２】
ステップ２５（Ｓ２５）において、冷却水循環ポンプ３０の回転数が制御される。具体的には、冷却水温度センサ５０によって検出される冷却水の温度に基づいて、これが所定の目標温度（燃料電池スタック１の運転温度の目標値）となるように、冷却水循環ポンプ３０の指令回転数が演算される。この指令回転数は、目標温度と、冷却水の温度との差に基づいて、フィードバック制御を行うことにより演算してもよいし、実験やシミュレーションを通じて、冷却水の温度と指令回転数との対応関係を予め取得しておき、これをマップや計算式として保持することにより、冷却水の温度に応じて指令回転数を特定してもよい。ここで、目標温度は、燃料電池スタック１の効率などに基づいて設定することができ、例えば、事前に設定されたマップや演算式を用いて、目標発電電流に基づいて目標温度を算出することができる。
【００３３】
ステップ３（Ｓ３）において、燃料電池スタック１の燃料極内の不純物ガス濃度が推定される。不純物ガスの濃度増加にともないガス密度が増加することによって、次に示す方法を用いて濃度を推定することができる。第１の手法としては、燃料電池スタック１の燃料極における入口側と出口側との水素の圧力損失に基づいて、不純物ガス濃度が推定される。水素の圧力損失は、水素入口圧力センサ４５による圧力と、水素出口圧力センサ４６による圧力との差に基づいて算出することができる。不純物ガス濃度に対する水素の圧力損失の大きさは、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができるので、両者の対応関係に基づいて、水素の圧力損失から燃料極における不純物ガス濃度を推定することができる。
【００３４】
また、これ以外にも、第２の手法としては、パージバルブ１４から排出ガスを排出する際の、燃料電池スタック１の燃料極における出口側の圧力降下速度に基づいて、不純物ガス濃度を推定することができる。ここで、燃料電池スタック１の燃料極における出口側の圧力は、水素出口圧力センサ４６による圧力を参照することができる。例えば、不純物ガス濃度に対する出口側の圧力降下速度の大きさは、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができるので、両者の対応関係に基づいて、出口側の圧力降下速度から燃料極における不純物ガス濃度が推定される。第３の手法としては、パージバルブ１４からの排出ガス中の水素濃度に基づいて、不純物ガス濃度を推定することができる。排出ガス中の水素濃度は、水素濃度センサ５３からの検出結果を参照することができる。さらに、第４の手法としては、水素循環ポンプ１２の駆動トルクに基づいて、不純物ガス濃度を推定することができる。水素循環ポンプ１２の駆動トルクは、ポンプ電流センサ４７による水素循環ポンプ１２の駆動電流に基づいて算出することができる。不純物ガス濃度に対する水素循環ポンプ１２の駆動トルクの大きさは、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができるので、両者の対応関係に基づいて、水素循環ポンプ１２の駆動トルクから不純物ガス濃度が推定される。また、第５の手法としては、燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて、不純物ガスの濃度を推定することができる。燃料電池スタック１の出力電圧は、電圧センサ５２の検出結果を参照することができる。不純物ガス濃度に対する燃料電池スタック１の出力電圧の大きさは、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができるので、両者の対応関係に基づいて、燃料電池スタック１の出力電圧から不純物ガス濃度が推定される。
【００３５】
なお、燃料電池スタック１の燃料極の不純物ガス濃度の推定を行う場合には、燃料極からの排出ガスの状態量を一定に保たせた状態、例えば、水素循環ポンプ１２の指令回転数を一定の値（例えば、図１０に示す最大回転数）に制御させてることが好ましい。
【００３６】
再び図２を参照するに、ステップ４（Ｓ４）において、燃料タンク１０における不純物ガス濃度が推定される。図１１は、燃料タンク１０における不純物ガス濃度の推定ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ４０（Ｓ４０）において、本処理サイクルの実行の前提として、燃料タンク１０に水素が充填されたか否かが判断される。燃料タンク１０に水素が充填されたか否かの判断は、タンク圧力センサ４２によって検出される圧力が、従前の処理サイクルにおける圧力値よりも上昇しているか否かにより判断する。このステップ４０において肯定判定された場合、すなわち、燃料タンク１０に水素が充填された場合には、ステップ４１（Ｓ４１）に進む。一方、ステップ４０において否定判定された場合、すなわち、燃料タンク１０に水素が充填されない場合には、燃料タンク１０における不純物ガス濃度の推定を行うことなく、本ルーチンを抜ける。
【００３７】
ステップ４１において、燃料電池スタック１の燃料極内の不純物ガス濃度の変化量が算出される。具体的には、今回の処理サイクル（ステップ３の処理）において算出された不純物ガス濃度と、従前の処理サイクル（ステップ３の処理）において算出された不純物ガス濃度とに基づいて、単位時間当たりの変化量が算出される。
【００３８】
ステップ４２（Ｓ４２）において、酸化剤極から燃料極側へと透過する不純物（透過不純物）に起因する、燃料極における不純物ガス濃度の変化量が算出される。図１２に示すように、燃料極における不純物ガス濃度の変化量には、透過不純物に起因する濃度変化量ＣＸと、燃料タンク１０から流入する不純物に起因する濃度変化量ＣＴとが含まれている。このステップ４２の処理では、透過不純物による濃度変化量、つまり、燃料電池スタック１の運転条件である発電電流Ｉ2に対応する濃度変化量ＣＸ2の算出を行う。ここで、発電電流Ｉ2は、電流センサ５１からの検出結果が参照される。
【００３９】
なお、燃料電池スタック１における電解質の透過係数および温度、酸化剤極における空気圧力、および、燃料極における水素圧力に基づいて、酸化剤極から燃料極側へと透過する不純物ガスの流量を算出することができるので、この不純物ガス流量に基づいて、この濃度変化量ＣＸ2を算出するもできる。
【００４０】
また、図１２に示す発電電流Ｉ1では、ステップ３の処理において推定された不純物ガス濃度に基づいて、濃度変化量ＣＸ2の算出を行う。ここで、発電電流Ｉ1は、燃料電池スタック１の最小発電電流（あるいは、それに近い発電電流）であり、この場合、燃料タンク１０から燃料極へ流入する不純物ガスによる濃度変化はほぼゼロとみなすことができる。したがって、発電電流Ｉ1では、ステップ３の処理において推定された不純物ガス濃度を、発電電流Ｉ1における透過不純物に起因する濃度変化量ＣＸとみなすことができる。そして、この値を基準として、発電電流Ｉ1と発電電流Ｉ2における酸化剤極の空気圧力と燃料極の水素圧力の変化に基づいて、発電電流Ｉ2における濃度変化量ＣＸ2を算出することもできる。
【００４１】
ステップ４３（Ｓ４３）において、燃料タンク１０から流入する不純物に起因する、燃料極における不純物ガス濃度の変化量、すなわち、図１２に示す発電電流Ｉ2に対応する濃度変化量ＣＴ2が算出される。この濃度変化量ＣＴ2は、ステップ４１において算出した燃料極における不純物ガス濃度の変化量から、ステップ４２において算出した透過不純物に起因した濃度変化量ＣＸ2を減算することにより、算出される。
【００４２】
ステップ４４（Ｓ４４）において、燃料タンク１０から供給される水素流量が算出される。この供給水素流量は、燃料電池スタック１の発電電流によって定まる水素消費量、具体的には、燃料電池スタック１の発電における化学反応式から決まる電子量と水素量の関係から算出することができる。ここでは、発電電流Ｉ2に基づいて、供給水素流量Ｑが算出される。
【００４３】
ステップ４５（Ｓ４５）において、燃料タンク１０における不純物ガス濃度Ｋが推定される。この不純物ガス濃度Ｋは、下式に示す関係を満たす。
【数１】
0005109611.tif 000002
【００４４】
ここで、Ｖolは、燃料電池スタック１における燃料極の体積である。Ｐ2は、発電電流Ｉ2における燃料極の水素圧力であり、水素入口圧力センサ４５の検出結果を参照することができる。Ｔ2は、発電電流Ｉ2において燃料極に供給される水素温度であり、水素入口温度センサ４４の検出結果を参照することができる。Ｐ0は標準圧力であり、Ｔ0は標準温度であり、これらの値は予め設定されている。このように、不純物ガス濃度Ｋは、供給水素流量Ｑと、燃料タンク１０からの不純物に起因する濃度変化量ＣＴ2とに基づいて、一義的に推定される。
【００４５】
このような一連のステップ４（ステップ４０〜４５）の処理において、本実施形態では、燃料タンク１０における不純物ガス濃度を推定する場合、具体的には、ステップ４０において肯定判定された場合には、酸化剤極から燃料極に透過する不純物ガス量が一定となるように制御を行う。この制御としては、例えば、目標ガス圧力を一定値に保持するといった如くである。このケースでは、目標ガス圧力は、例えば、図７に示した目標発電電流に対応した目標ガス圧力のうち、最大値とする。ただし、燃料電池スタック１の発電性能を維持できる範囲であれば、最大値よりも低い値に設定してもよい。また、別の制御としては、例えば、冷却水の目標温度を一定値に保持するといった如くである。この冷却水の目標温度は、例えば、直近に演算した目標温度を用いるといった如くである。
【００４６】
ステップ５（Ｓ５）において、パージバルブ１４が制御される。図１３は、パージバルブ１４の制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ５０（Ｓ５０）において、燃料タンク１０への水素の充填が行われてから、ステップ４における推定処理が完了しているか否かが判断される。このステップ５０において肯定判定された場合、すなわち、推定処理が完了している場合には、ステップ５１（Ｓ５１）に進む。一方、ステップ５０において否定判定された場合、すなわち、推定処理が完了していない場合には、ステップ５２（Ｓ５２）に進む。
【００４７】
ステップ５１において、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極へ流入する不純物ガスを系外に排出するための第１の排出制御量（具体的には、パージバルブ１４の開時間）が算出される。燃料電池スタック１に流入する不純物ガスの流量（すなわち、燃料タンク１０から供給される水素流量）は、発電電流の増加に応じて増加するため、これに対応してパージバルブ１４の開時間を設定することが可能であり、図１４に示すように、第１の排出制御量と、目標発電電流および燃料タンク１０における不純物ガス濃度との対応関係は、実験やシミュレーションを通じ予め取得されている。これらの関係は、マップや計算式として保持されており、第１の排出制御量は、目標発電電流および燃料タンク１０における不純物ガス濃度（ステップ４の処理における演算結果）に基づいて一義的に算出される。
【００４８】
ステップ５２において、第１の排出制御量が、予め設定された所定値に設定される。この所定値は、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度が推定されるまでの間、暫定的に設定される排出制御量であり、燃料タンク１０から流入する不純物ガスに対応する排出を規制すべく、例えば、第１の排出制御量をゼロに設定する。ただし、これ以外にも、燃料タンク１０の水素濃度をある基準的な値（例えば、９９．９９％）と仮定して、そこに含まれる不純物ガスを排出できるような制御量を設定したり、最大の制御量を設定したりしてもよい。
【００４９】
ステップ５３（Ｓ５３）において、燃料電池スタック１の燃料極における不純物ガス濃度（ステップ３の処理における演算結果）に基づいて、第２の排出制御量が算出される。具体的には、燃料電池スタック１（燃料極）内の不純物ガス濃度と、燃料電池スタック１の運転条件に応じて定めた目標不純物ガス濃度とが一致するように、第２の排出制御量として、パージバルブ１４の開時間が算出される。ここで、目標不純物ガス濃度は、燃料電池スタック１の水素消費率といった運転効率などを考慮して設定することができる。また、パージバルブ１４の開時間は、目標不純物濃度と、燃料電池スタック１（燃料極）内の不純物ガス濃度との差に基づいて、フィードバック制御により算出することができる。
【００５０】
ステップ５４（Ｓ５４）において、パージバルブ１４が制御される。具体的には、第１の排出制御量としてのパージバルブ１４の開時間と、第２の排出制御量としてのパージバルブ１４の開時間との和に基づいて、パージバルブ１４が制御される。
【００５１】
ステップ６（Ｓ６）において、要求発電電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電電力が制御される。要求発電電力は、コントロールユニット４０から電力制御装置２に対して出力され、出力された要求発電電力に従って燃料電池スタック１の発電電力が制御される。
【００５２】
ここで、本実施形態では、燃料電池スタック１から取り出される発電電流は、目標発電電流に従って取り出されるが、次のような観点から制限される。パージバルブ１４を介して排出することができる不純物ガスの流量には上限があるため、この流量上限値を超えないように、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極へ流入する不純物ガスの流量を制限する必要がある。燃料タンク１０からの不純物ガスの流量は、燃料タンク１０における不純物ガス濃度と、燃料タンク１０から供給される水素流量によって算出できる。燃料タンク１０から供給される水素流量は、上述した通り、発電電流によって定まる水素消費量から算出することができる。燃料タンク１０における不純物ガスの濃度が分かれば、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極へ流入する不純物ガスの流量を求めることができる。そして、燃料極へ流入する不純ガスの流量が、排出可能な不純物ガスの流量上限値を越えないようにするための、発電電流の制限値（上限値）を求めることができる。したがって、先の演算ルーチンにおいて算出された燃料タンク１０における不純物ガス濃度に基づいて、この発電電流の上限値を算出し、この上限値によって発電電流の制限を行う。
【００５３】
このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１の燃料極における不純物ガスの濃度を推定することにより、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度を、燃料タンク１０から燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の流量と、推定された燃料極における不純物ガスの濃度とに基づいて推定する。これにより、燃料タンク１０の不純物ガス濃度を、自律的に推定することができる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、燃料タンク１０から供給される水素流量が、燃料電池スタック１の発電電流に基づいて算出される。これにより、検出センサなどを設けることなく水素流量を特定することができる。また、発電電流を用いることにより、水素消費量を決めている状態量に基づいて水素流量を算出することができるので、水素流量を、容易にかつ精度よく算出することができる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力および空気圧力と、燃料電池スタック１の運転温度とに基づいて、透過不純物に起因する燃料極の不純物ガス濃度変化量（第１の濃度変化量）が算出される。そして、この算出された第１の濃度変化量と、先に推定される燃料極における不純物ガス濃度の変化量とに基づいて、燃料タンク１０から燃料極へと流入する不純物に起因する燃料極の不純物ガス濃度変化量（第２の濃度変化量）が算出される。これにより、算出された第２の濃度変化量と、燃料タンク１０から燃料極に供給される水素流量とに基づいて、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度が推定される。酸化剤極側から燃料極側へと透過する不純物ガス量は個体差や経時変化のばらつきが小さいが、燃料タンク１０における不純物ガス濃度は変動幅が不明である。これにより、変動のばらつきが小さい値、すなわち、透過不純物に起因する燃料極の不純物ガス濃度変化量（第１の濃度変化量）に基づいて、燃料タンク１０から燃料極へと流入する不純物に起因する燃料極の不純物ガス濃度変化量（第２の濃度変化量）を算出することにより、この値を精度よく算出することが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、燃料タンク１０に水素が充填されたことを条件として、不純物ガスの濃度推定が行われる。そのため、燃料タンク１０の不純物ガスの濃度が変化する可能性がある場合に、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度推定が行われることとなるので、必要に応じて、濃度推定を実施することができる。ただし、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度推定は、水素の充填に係わらず、行ってもよい。
【００５７】
また、本実施形態によれば、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度推定を行う場合、燃料電池スタック１において酸化剤極から燃料極へと透過する不純物ガスの流量が一定となるように、燃料電池スタック１の運転状態が制御される。具体的には、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と水素圧力とを一定に保つ制御や、燃料電池スタック１の運転温度を一定に保つ制御が行われる。かかる構成によれば、燃料タンク１０からの不純物ガスに起因する燃料極における不純物ガス濃度の変化量を容易に検出することが可能となる。これにより、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度の精度よく推定することができる。
【００５８】
また、本実施形態によれば、燃料タンク１０から流入する不純物ガスを排出するために必要な第１の排出制御量と、燃料電池スタックにおいて酸化剤極側から燃料極側へ透過する不純物ガスを排出するために必要な第２の排出制御量とに基づいて、パージバルブ１４の開時間が制御される。かかる構成によれば、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度が適切に考慮されるので、燃料極における不純物ガスの濃度を適切に管理することができる。
【００５９】
この場合、燃料タンク１０から供給される水素流量が大きいほど、第１の排出制御量が大きな値に設定され、また、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度が高いほど、第１の排出制御量が大きな値に設定される。かかる構成によれば、燃料タンク１０から流入する不純物ガスが増加する状況に応じて、パージバルブ１４からの排出量を増加させることができる。これにより、不純物ガスを適切に外部へ排出することが可能となる。ここで、燃料タンク１０から供給される水素流量が、燃料電池スタック１の発電電流に基づいて算出される。これにより、検出センサなどを設けることなく水素流量を特定することができる。また、発電電流を用いることにより、水素消費量を決めている状態量に基づいて水素流量を算出することができるので、水素流量を、容易にかつ精度よく算出することができる。
【００６０】
また、第２の排出制御量は、推定される燃料極における不純物ガスの濃度が、燃料電池スタック１の運転条件に応じて定められる目標濃度と対応するにように算出される。これにより、燃料電池スタック１内に不純物ガスが流入した場合でも、燃料電池スタック１の発電性能を維持することができる。
【００６１】
さらに、燃料タンク１０に水素が充填されてから、燃料タンク１０における不純物ガス濃度の推定結果が得られるまでの間は、第１の排出制御量がゼロとして算出される。これにより、燃料タンク１０における不純物ガス濃度に適さないような、パージバルブ１４からのガス排出制御の実施を抑制することができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、燃料タンク１０における不純物ガスの濃度に基づいて、燃料タンク１０から流入する不純物ガスの流量が、パージバルブ１４によって排出可能なガス流量を超えないように、燃料電池スタック１に対する燃料ガスの供給流量が制限される。これにより、燃料タンク１０における水素濃度が不純物ガスによって低下した場合でも、発電性能を維持できる範囲で燃料電池スタック１の運転を行うことができる。
【００６３】
この場合、供給水素の流量制限は、発電電流を制限することにより行われる。これにより、燃料ガス流量の制限を精度よく行うことができる。
【００６４】
さらに、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の燃料極から排出されるガスの状態量を一定に保たせた状態において、燃料電池スタック１の燃料極における不純物ガスの濃度が推定される。かかる構成によれば、燃料極から排出される不純物ガス量が一定となるので、燃料極における不純物ガスの濃度を精度よく推定することができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、燃料タンク１０から流入する不純物ガスの流量が、パージバルブ１４によって排出可能なガス流量を超えないように、燃料電池スタック１の発電電流を制限することによって、燃料電池スタック１に対する燃料ガスの供給流量を制限しているが、供給される水素流量をセンサ等で検出し、これに基づいて水素流量の制限を行ってもよい。また、水素調圧バルブ１１の上流と下流との圧力差に基づいて供給される流量を算出し、これに基づいて水素流量の制限を行ってもよい。
【００６６】
また、燃料タンク１０における不純物濃度を推定した場合には、その濃度が基準値よりも大きい場合には、ドライバーに警告するなどの処理をおこなってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】燃料電池システムの制御方法を示すフローチャート
【図３】目標発電電流の算出ルーチンを示すフローチャート
【図４】アクセル操作量および車両速度と要求発電電力との対応関係を示す説明図
【図５】要求発電電力および燃料電池スタック１の温度と目標発電電流との対応関係を示す説明図
【図６】ガス供給および温度の制御ルーチンを示すフローチャート
【図７】目標ガス圧力と目標発電電流との対応関係を示す説明図
【図８】目標発電電流と目標空気流量との対応関係を示す説明図
【図９】目標ガス圧力および目標空気流量とコンプレッサ２０の指令回転数との対応関係を示す説明図
【図１０】目標発電電流と水素循環ポンプ１２の指令回転数との対応関係を示す説明図
【図１１】燃料タンク１０における不純物ガス濃度の推定ルーチンを示すフローチャート
【図１２】燃料極における不純物ガス濃度の変化量を示す説明図
【図１３】パージバルブ１４の制御ルーチンを示すフローチャート
【図１４】第１の排出制御量と目標発電電流および燃料タンク１０における不純物ガス濃度との対応関係を示す説明図
【符号の説明】
【００６８】
１      燃料電池スタック
２      電力制御装置
１０      燃料タンク
１１      水素調圧バルブ
１２      水素循環ポンプ
１３      エゼクタ
１４      パージバルブ
２０      コンプレッサ
２２      空気調圧バルブ
３０      冷却水循環ポンプ
３１      ラジエータ
４０      コントロールユニット
４１      タンク温度センサ
４２      タンク圧力センサ
４３      弁温度センサ
４４      水素入口温度センサ
４５      水素入口圧力センサ
４６      水素出口圧力センサ
４７      ポンプ電流センサ
４８      空気流量センサ
４９      空気圧力センサ
５０      冷却水温度センサ
５１      電流センサ
５２      電圧センサ
５３      水素濃度センサ
【図１】
0005109611.tif 000003
【図２】
0005109611.tif 000004
【図３】
0005109611.tif 000005
【図４】
0005109611.tif 000006
【図５】
0005109611.tif 000007
【図６】
0005109611.tif 000008
【図７】
0005109611.tif 000009
【図８】
0005109611.tif 000010
【図９】
0005109611.tif 000011
【図１０】
0005109611.tif 000012
【図１１】
0005109611.tif 000013
【図１２】
0005109611.tif 000014
【図１３】
0005109611.tif 000015
【図１４】
0005109611.tif 000016