JP2004039522A

JP2004039522A - 燃料電池制御システム

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Publication number: JP2004039522A
Application number: JP2002197112A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Hashigaya; 橋ヶ谷　浩昭
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP3829767B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックの排水素燃焼器が必要とする量の酸化ガスを大気への排出によることなく調整して供給可能とする。
【解決手段】排水素流量推定部２６により燃料電池スタック１の水素入口温度および入口圧力からパージ弁３作動時の前記排水素ガス流量Ｑｈを推定し、パージ時空気目標流量設定部２３により排水素ガス推定流量Ｑｈに合わせて前記排水素燃焼器４に供給する排空気流量Ｑａｉｒ３の目標値を設定し、コンプレッサ１１の目標回転数設定部２５により前記空気目標流量Ｑａｉｒとなるよう前記空気流量を制御する。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排燃料ガスを燃焼させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池制御システムに関し、特に、排燃料燃焼器での排燃料ガスの燃焼に必要とする量の酸化ガスを供給可能とした燃料電池制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池の排燃料ガスを燃焼器で燃焼させる燃料電池制御システムとして、例えば、特開２００１−０２３６６９号公報に記載されたものがある。
【０００３】
これは、燃焼器の温度を制御するために、コンプレッサから常に余剰の空気を供給し、燃焼器の温度が低すぎる場合は酸化ガスとしての余剰空気を大気に放出し、燃焼器の温度が高い場合は大気に放出せずに燃焼器に供給するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、パージ時等における排燃料ガスの増加を見込んで常時は余剰となる量の空気を供給するものであるため、燃焼器の温度制御に不要な余剰空気が常時大気へ排出され、コンプレッサにより電力を消費し続けるという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、大気への排出によることなく排燃料燃焼器が排燃料ガスの燃焼に必要とする量の酸化ガスを供給可能とした燃料電池制御システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パージ手段によって排出される排燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される排酸化ガスとを反応させる排燃料燃焼器を備えた燃料電池制御システムにおいて、燃料電池スタックの運転状態検出手段の出力から前記排燃料ガス流量を推定する排燃料ガス流量推定手段と、前記排燃料ガス流量推定手段の出力に基づき前記排燃料燃焼器に供給する排酸化ガス流量の目標値を設定する排酸化ガス目標流量設定手段とを備え、前記排酸化ガス目標流量に基づき前記酸化ガス流量を酸化ガス流量制御手段により制御することを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
したがって、本発明では、排燃料ガス流量推定手段により燃料電池スタックの運転状態検出手段の出力からパージ手段作動時の前記排燃料ガス流量を推定し、排酸化ガス目標流量設定手段により排燃料ガス推定流量に合わせて前記排燃料燃焼器に供給する排酸化ガス流量の目標値を設定し、酸化ガス流量制御手段により前記排酸化ガス目標流量となるよう前記酸化ガス流量を制御する。このため、排燃料燃焼器に供給する酸化ガスが不足することによる排燃料燃焼器の過度の温度上昇による熱劣化を防止でき、しかも、酸化ガス供給手段の消費エネルギを最小限にできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池制御システムを各実施形態に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１、２は、本発明を適用した第１の実施形態の燃料電池制御システムを示し、図１は燃料電池制御システムの概略構成図、図２はコントローラの構成図である。
【００１０】
図１において、燃料電池制御システムは、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気の供給を受けて電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給し燃料電池スタック１よりの排水素ガスを還流させて再び燃料電池スタック１に供給する循環経路２と、前記循環経路１の水素ガスを排出するパージ手段３と、パージ時に排出される排水素ガスを燃焼させる排燃料燃焼器としての排水素燃焼器４と、燃料電池スタック１へ酸化ガスとしての空気を供給する空気（酸化ガス）供給手段５と、コントローラ６とを備える。
【００１１】
前記循環経路２は、図示しない水素供給源から供給される燃料ガスとしての水素ガスを水素圧力制御弁７、エゼクタ８を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からの排水素ガスをエゼクタ８に還流させ、エゼクタ８で供給される水素ガスと混合して燃料電池スタック１に循環させて供給する。前記水素圧力制御弁７は、コントローラ６よりの指令に応じて燃料電池スタック１に供給する水素ガスの圧力を調整し、燃料電池スタック１の運転圧力を調整する。運転圧力は可変圧であり、燃料電池スタック１から取り出す発電出力が高いときには運転圧力を高め、発電出力が低いときは運転圧力を低めるよう作動させる。水素圧力制御弁７の制御は水素入口圧力センサ９で測定され、水素入口温度センサ１０による燃料電池スタック１入口での水素の温度と共にコントローラ６にフィードバックされる。
【００１２】
パージ手段３（以下、水素パージ弁３とする）は、燃料電池スタック１から排出される排水素ガスを通常はエゼクタ８に還流させ、燃料電池スタック１内に水溢れ（以下フラッディング）等が発生した場合や燃料電池スタック１の運転圧を低下させるときには、コントローラ６により水素パージ弁３を動作させて前記循環経路２および燃料電池スタック１に存在する水素ガスを排水素燃焼器４へ排出する。
【００１３】
前記空気供給手段５は、コンプレッサ１１により酸化ガスとなる空気を空気流量センサ１２を経由して燃料電池スタック１へ供給する。コンプレッサ１１はコントローラ６によりの目標回転数に応じて駆動され、その供給流量は空気流量センサ１２で計量され、その計量値はコントローラ６に入力される。燃料電池スタック１から排空気通路１３に排出された空気（以下、排空気）は、空気圧力制御弁１４で通路が絞られ、その上流側の空気圧力が制御される。制御の目標値はそのときの水素ガスの圧力に応じた目標値としている。空気の圧力は燃料電池スタック１入口に配置した空気入口圧力センサ１５で測定され、コントローラ６に入力される。空気圧力制御弁１４を通過した空気は排水素燃焼器４を経由して大気中に放出される。
【００１４】
前記排水素燃焼器４は、燃料電池スタック１内に水溢れ（フラッディング）等が発生した場合や燃料電池スタック１の運転圧を低下させるときに水素パージ弁３から排出される排水素ガスを、空気圧力制御弁１４から供給される排空気により燃焼反応させて処理する。処理時の排水素燃焼器４の温度は燃焼器温度センサ１６で測定され、コントローラ６に入力される。
【００１５】
前記燃料電池スタック１の運転状態を検出するために、その出力電流および出力電圧は、電流センサ１７および電圧センサ１８により測定され、コントローラ６に入力される。
【００１６】
図２において、コントローラ６は、図示しない燃料電池スタック出力指令部から入力される目標出力、水素入口温度、水素入口圧力、燃焼器温度の各信号の入力を受け、これらの信号に基づいて、水素圧力制御弁７、空気圧力制御弁１４、水素パージ弁３、および、コンプレッサ１１の目標回転数を制御する。
【００１７】
コントローラ６は、目標出力により目標運転圧力を演算する目標運転圧力設定部２１と、目標出力により第１空気目標流量を演算する第１空気目標流量設定部２２と、パージ時空気目標流量を演算するパージ時空気目標流量設定部２３と、第１空気目標流量とパージ時空気目標流量とのいずれかを選択する空気目標流量選択部２４と、コンプレッサ目標回転数を演算する目標回転数設定部２５と、から構成している。
【００１８】
前記第１空気目標流量設定部２２は、目標出力から図３に示す制御マップを参照して目標出力に対応する第１空気目標流量Ｑａｉｒ１を算出して、空気目標流量選択部２４に出力する。図３に示す制御マップは、目標出力となる燃料電池スタック出力を横軸とし、第１の目標空気流量Ｑａｉｒ１を縦軸としたものであり、目標出力の増加に連れて第１の目標空気流量Ｑａｉｒ１が増加するようにしている。
【００１９】
前記目標運転圧力設定部２１は、図４に示す制御マップにより目標出力から燃料電池スタック１の水素入口圧力の目標運転圧力を算出し、水素入口圧力が目標運転圧力となるよう水素圧力制御弁７を制御する。空気圧力制御弁１４は、水素入口圧力に応じた空気圧力制御の目標値により制御される。
【００２０】
前記パージ時空気目標流量設定部２３は、パージ時の排燃料ガス流量推定手段としての排水素流量推定部２６と、排水素流量に対応した空気量を演算する第２空気目標流量設定部２７と、第２空気目標流量の空気系遅れを補正する空気系遅れ補正部２８と、遅れ補正された第２空気目標流量をフィードバックされた燃焼器温度とに基づき補正して供給空気量を設定する第３空気目標流量設定部２９とから構成している。排酸化ガス目標目標流量設定手段としては、前記パージ時空気目標流量設定部２３から排水素流量推定部２６を取去った各部分が相当している。
【００２１】
前記パージ時空気目標流量設定部２３の排水素流量推定部２６は、以下に記載する手順によりパージ弁３より排水素燃焼器４に供給される排水素流量を推定する。
（１）水素パージ弁３を通過する全ガス流量を推定する。
（２）水素パージ弁３を通過するガスの水蒸気分圧を求める。
（３）水素パージ弁３を通過する全ガス中における水素流量を求める。
【００２２】
先ず、（１）水素パージ弁３を通過する全ガス流量を推定する。全ガス流量Ｑ１は下式（１−１）により、
Ｑ１＝Ａ１×（２×ρｃ×（Ｐｃ−Ｐａ））^１／２　　・・・（１−１）
推定する。上記式中の記号は、
Ｑ１：水素パージ弁３を通過する全ガス流量、
Ａ１：水素パージ弁３の絞り開口面積、
ρｃ：水素循環通路２および燃料電池スタック１内にある水素ガスの密度、
Ｐｃ：水素循環通路２および燃料電池スタック１の内圧、
Ｐａ：水素パージ弁３下流の圧力（ほぼ大気圧とみなせる）、
である。ただし、パージ弁３が閉じている場合には、全ガス流量Ｑ１は零となる。
【００２３】
次に、（２）水素パージ弁３を通過するガスの水蒸気分圧Ｐｈ２０を求める。水蒸気分圧Ｐｈ２０は、パージ弁３を通過するガスに含まれる水蒸気の分圧であり、温度変化に対する飽和蒸気圧の変化を示す飽和蒸気圧線図（Ｃｏｘ線図等）を用いて、水素入口温度センサ１０で検出された温度に応じて求める。
【００２４】
次いで、（３）水素パージ弁３を通過する全ガス中における水素流量Ｑｈを推定する。水素流量Ｑｈは、全ガス流量Ｑ１から水蒸気分を差引くことで得ることができる。即ち、（１）で求めた全ガス流量Ｑ１と、（２）で求めた水蒸気分圧Ｐｈ２０と、水素入口圧力センサ９で検出された水素循環通路２の圧力と、から排水素流量推定値Ｑｈを、下式（１−２）により、
Ｑｈ＝Ｑ１×（１−（Ｐｈ２０／Ｐｃ））　　・・・（１−２）
算出する。この排水素流量推定値（Ｑｈ）はパージ弁３が閉じている通常運転時には、出力値が零となる。
【００２５】
前記パージ時空気目標流量設定部２３の第２空気目標流量設定部２７は、排水素流量推定部２６で得られた排水素流量Ｑｈに対応した空気量を演算する。具体的には、入力された排水素流量推定値Ｑｈに所望の係数Ｋｉを乗じて第２空気目標流量Ｑａｉｒ２を下記式（１−３）により、
Ｑａｉｒ２＝Ｑｈ×Ｋｉ　　・・・（１−３）
算出する。係数Ｋｉは、排水素燃焼器４の温度が所望値以下になるように設定すればよい。
【００２６】
前記パージ時空気目標流量設定部２３の空気系遅れ補正部２８は、空気供給系統の遅れを考慮して第２空気目標流量Ｑａｉｒ２の進み補償を行う。例えば、以下のような式（１−４）により、進み補償第２空気目標流量Ｑ’ａｉｒ２
Ｑ’ａｉｒ２＝Ｑａｉｒ２×（１＋τ１×ｓ）／（１＋τ２×ｓ）　　・・・（１−４）
の演算を行う。なお、τ１、τ２は所望の定数であり、τ１＞τ２の関係がある。
【００２７】
前記パージ時空気目標流量設定部２３の第３空気目標流量設定部２９は、進み補償第２空気目標流量Ｑ’ａｉｒ２と燃焼器温度センサ１６の出力Ｔｒと所望の温度Ｔｔの差とから第３空気目標流量Ｑａｉｒ３を算出する。例えば、ＩＰ制御では、下記式（１−５）、および、式（１−６）により、
Ｑａｉｒｆｂ＝Ｋｐ（Ｔｔ−Ｔｒ）＋Ｋｉ∫（Ｔｔ−Ｔｒ）ｄｔ　　・・・（１−５）
Ｑａｉｒ３＝Ｑ’ａｉｒ２−Ｑａｉｒｆｂ　　・・・（１−６）
第３空気目標流量Ｑａｉｒ３を算出する。
【００２８】
前記空気目標流量選択部２４は、第１空気目標流量Ｑａｉｒ１と第３空気目標流量（パージ時空気目標流量）Ｑａｉｒ３とのいずれかを目標空気流量Ｑａｉｒとして選択する。選択基準としては、第１空気目標流量Ｑａｉｒ１と第３空気目標流量Ｑａｉｒ３とを比較し、数値の大きい方をセレクトハイして選択する。
【００２９】
前記目標回転数設定部２５は、入力される目標空気流量Ｑａｉｒを得るためのコンプレッサ１１の目標回転数を求める。具体的には、目標空気流量Ｑａｉｒに対するコンプレッサ１１の回転数を記憶した図５に示すマップに基づき、コンプレッサ１１の目標回転数を求める。
【００３０】
以上の構成になる燃料電池制御システムにおいては、パージ弁３が閉じている場合には、燃料電池スタック１は水素圧力制御弁７で設定された水素圧力と、水素圧力に対応した空気圧力制御弁１４による空気圧力とによる運転圧力により発電作動する。
【００３１】
燃料電池スタック１から排出された排水素は、パージ弁３を経由してエゼクタ８に戻され、供給された水素と混合して、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１から排出された排空気は空気圧力制御弁１４を経由して排水素燃焼器４に供給され、排水素燃焼器４から排出される。
【００３２】
コントローラ６は、目標運転圧力設定部２１で設定した運転圧力となるよう水素圧力制御弁７、空気圧力制御弁１４を制御する。第１空気目標流量設定部２２は第１空気目標流量Ｑａｉｒ１を演算する。
【００３３】
パージ時空気目標流量設定部２３は、パージ弁３が閉じているため、排水素流量推定部２６での排水素流量が零となり、第２空気目標流量Ｑａｉｒ２、進み補正の第２空気目標流量Ｑ’ａｉｒ２、第３空気目標流量Ｑａｉｒ３は零となる。このため、空気目標流量選択部２４は第１空気目標流量Ｑａｉｒ１を選択し、目標回転数設定部２５は第１空気目標流量Ｑａｉｒ１に応じたコンプレッサ１１の目標回転数を出力する。
【００３４】
図６は、本発明を適用した場合の排水素流量Ｈ、排空気流量Ａのシミュレーション結果であり、図７は、本発明を適用した場合の排水素燃焼器４の温度シミュレーション結果である。図６，７において、上記パージ弁３が閉じている状態が、時点ｔ０から時点ｔ１までに示されている。時点ｔ０〜ｔ１においては、パージ弁３から排水素燃焼器４に至る排水素ガスＨは零であり、空気圧力制御弁１４から排出される排空気Ａのみが排水素燃焼器４に供給されている。
【００３５】
燃料電池スタック１内に水溢れ（フラッディング）等の発生や燃料電池スタック１の運転圧力低下の必要が生じ、時点ｔ１において、コントローラ６が水素パージ弁３を開作動させると、水素循環通路２および燃料電池スタック１に存在する水素ガスはパージ弁３を経由して排水素燃焼器４へ排出される。
【００３６】
パージ時空気目標流量設定部２３は、排水素流量推定部２６で目標出力、水素入口温度、および、水素入口圧力に基づきパージ弁３より排出される排水素流量Ｑｈを推定し、第２空気目標流量設定部２７は第２空気目標流量Ｑａｉｒ２を演算し、空気系遅れ補正部２８は進み補正の第２空気目標流量Ｑ’ａｉｒ２を演算する。更に、第３空気目標流量設定部２９は燃焼器温度センサ１６よりの温度信号による補正により第３空気目標流量Ｑａｉｒ３を演算する。この第３空気目標流量Ｑａｉｒ３は、空気系の作動遅れを見込んで進み補償された第２空気目標流量Ｑ’ａｉｒ２に基づいているため、図６に示すように時点ｔ１から流量が急激に立ち上がる排水素流量ＨＱｈに先行して、時点ｔ１で第１空気目標流量Ｑａｉｒ１を超え、空気目標流量選択部２４で第３空気目標流量Ｑａｉｒ３が選択され、第３空気目標流量Ｑａｉｒ３に基づいてコンプレッサ１１の目標回転数設定部２５によりコンプレッサ目標回転数が設定される。
【００３７】
このため、排水素流量Ｈ（Ｑｈ）の増量を見込んで、図６の時点ｔ１において、増量した第３空気目標流量Ｑａｉｒ３に基づくコンプレッサ目標回転数によりコンプレッサ１１が駆動されて燃料電池スタック１に空気が供給され、増量した排空気Ａが排水素燃焼器４に供給される。排水素燃焼器４での温度Ｔは、図７に示すように、時点ｔ１において一時的に上昇する部分が存在するが、増量された排空気量Ａが供給されることで急激な温度上昇が抑制され、排水素の増加と共に平衡温度までに上昇する。
【００３８】
図６，７において、点線で示す線（Ａ）、（Ｔ）は、空気系遅れ補正部での進み補償を行わない場合、即ち、コンプレッサ１１の目標回転数への立ち上がりが遅れを持つ場合の排空気流量（図６の（Ａ））と燃焼器温度（図７の（Ｔ））の変化を示すものである。図６に示すように、排空気流量（Ａ）のように立ち上がりが遅れる場合には、図７に示すように、パージ直後に排水素燃焼器４が温度（Ｔ）のように過熱して好ましくない。
【００３９】
なお、上記実施形態において、パージ時に供給する空気目標流量Ｑａｉｒに進み補償を持たせたものについて説明したが、図示しないが、供給する空気目標流量に進み補償を行うことに代えて、水素パージ弁３の動作を遅らせて排水素燃焼器４の急激な温度上昇を抑制するようにするものであってもよい。この場合には、水素パージ弁３を開く前に、先ずコンプレッサ１１の回転数を上昇させ、排水素燃焼器４に空気を供給しておくようにする。
【００４０】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４１】
（ア）排燃料ガス流量推定手段としての排水素流量推定部２６により燃料電池スタック１の運転状態検出手段としての水素入口圧力と水素入口温度からパージ弁３作動時の前記排燃料ガス（排水素ガス）流量を推定し、排酸化ガス目標流量設定手段としてのパージ時空気目標流量設定部２３により排水素ガス推定流量に合わせて前記排燃料燃焼器としての排水素燃焼器４に供給する排酸化ガス（排空気）流量の目標値Ｑａｉｒを設定し、酸化ガス流量制御手段としてのコンプレッサ１１の目標回転数設定部２５により前記空気目標流量Ｑａｉｒとなるよう前記空気流量を制御する。このため、排水素燃焼器４に供給する空気が不足することによる排水素燃焼器４の過度の温度上昇を防止でき、しかも、酸化ガス供給手段としてのコンプレッサ１１の消費エネルギを最小限にできる。
【００４２】
（イ）排燃料ガス流量としての排水素ガス流量Ｑｈは、燃料電池スタック１入口での水素ガスの温度と圧力に基づき推定するため、非常に安価に燃料電池制御システムを構成することができる。
【００４３】
（ウ）排酸化ガス目標流量設定手段としてのパージ時空気目標流量設定手段２３は前記酸化ガス供給手段としてのコンプレッサ１１からの空気が前記排水素燃焼器４に到達するまでの遅れ時間を見込んで進み補償してコンプレッサ１１を作動させるため、特にパージ直後に排水素燃焼器４が過熱することを防止できる。
【００４４】
（エ）前記パージ手段４は前記酸化ガス供給手段としてのコンプレッサ１１からの空気が前記排水素燃焼器４に到達するまでの遅れ時間を見込んだ遅れ時間後に動作させると、供給遅れが非常に大きい場合でも、排水素燃焼器４の過熱防止および排水素ガスの未燃焼成分の排出防止を容易に達成することができる。
【００４５】
（オ）排水素燃焼器４の温度を燃焼器温度センサ１６により測定し、その検出温度によりパージ時空気目標流量設定手段２３は排水素燃焼器４に供給する空気流量を補正するため、何らかの要因により排水素ガス流量の推定値に偏差が生じた場合でも排水素燃焼器４の過熱を防止することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
図８〜１０は、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池制御システムを示し、パージ弁３作動時に燃料電池スタック１をバイパスして空気を排水素燃焼器４に供給する一方、排水素が過剰な場合には排水素を排水素燃焼器４で燃焼させずに排出するようにしたものである。図８は燃料電池制御システムの概略構成図、図９，１０はコントローラにより定時的に実行される制御の制御フローチャートである。
【００４７】
図８において、パージ弁３作動時に燃料電池スタック１をバイパスして空気を排水素燃焼器４に供給するために、燃料電池スタック１および空気圧力制御弁１４をバイパスする空気バイパス通路３０と、空気バイパス通路３０に配置されコントローラ６によって制御される空気バイパス弁３１とが設けられる。また、排水素が過剰な場合には排水素を燃焼させずに排出するために、排水素燃焼器４の入口を大気に開放する排水素バイパス通路３２と、排水素バイパス通路３２に配置されコントローラ６によって制御される排水素バイパス弁３３とが設けられる。その他の構成要素は第１の実施形態と同様であり、具体的な説明は省略する。
【００４８】
先ず、前記空気バイパス弁３１について説明する。空気バイパス弁３１は、パージ弁３の作動中に定時的に図９に示す制御フローチャートにより制御される。以下、空気バイパス弁３１の動作について図９により説明する。
【００４９】
即ち、ステップ１１０では、第１実施形態で説明した空気目標流量Ｑａｉｒの算出を行う。
【００５０】
ステップ１２０では、算出した空気目標流量Ｑａｉｒが空気バイパス弁３１の開放流量Ｑｔ以上であるか否かを判定する。開放流量Ｑｔは、例えば、燃料電池スタック１が最大負荷で発電しているときの空気流量の１．５倍程度に設定する。空気目標流量Ｑａｉｒが開放流量Ｑｔ以上である場合（空気目標流量Ｑａｉｒ≧開放流量Ｑｔ）にはステップ１３０へ進む。未満の場合には（空気目標流量Ｑａｉｒ＜開放流量ＱＴ）はステップ１４０へ進む
ステップ１３０では、空気バイパス弁３１に開弁指令を出力し、終了する。
【００５１】
ステップ１４０では、空気バイパス弁３１に閉弁指令を出力し、終了する。
【００５２】
なお、パージ動作の最中に排水素燃焼器４での空燃比を制御しようとすると、燃料電池スタック１が最大負荷で発電しているような場合は、排水素燃焼器４に非常に大量の空気を供給する必要がある。このために、大量の空気を燃料電池スタック１に供給してもよいが、１）発電に寄与しない空気が大量に燃料電池スタック１を通過することにより、燃料電池スタック１が乾燥すること、２）燃料電池スタック１の圧力損失により燃料電池スタック１入口の空気圧力が過大になること、等の問題点が生じる可能性があるが、空気バイパス弁３１と空気バイパス通路３０を用いることで、上記問題も解消される。なお、空気バイパス弁３１は、ＯＮ／ＯＦＦ弁である場合について説明しているが、流量制御弁により連続的にバイパス空気量を制御するよう構成してもよい。
【００５３】
次に、前記排水素バイパス弁について説明する。排水素燃焼器４の温度をモニタし、供給する空気流量を制御する場合において、何らかの原因、例えば、空気が供給できなくて排水素燃焼器４が加熱し、熱劣化が促進することも考えられる。前記排水素バイパス弁３３は、このような排水素燃焼器４の温度が高すぎる場合に、開放して排水素バイパス通路３２を介して排水素を大気へ放出して、排水素燃焼器４の過度の温度上昇を防止する。
【００５４】
排水素バイパス弁３３は、パージ弁３の作動中に定時的に図１０に示す制御フローチャートにより制御される。以下、排水素バイパス弁３３の動作について図１０により説明する。
【００５５】
即ち、ステップ２１０では、燃焼器温度センサ１６の出力Ｔｒによる補正空気量Ｑａｉｒｆｂがその上限値Ｑｔｆｂ以上であるか否かを判断する。これにより、排水素燃焼器４の温度が補正範囲内にあるか否かが判断できる。補正空気量Ｑａｉｒｆｂが上限値Ｑｔｆｂ以上であれば、即ち、補正範囲を逸脱（補正空気量Ｑａｉｒｆｂ≧上限値Ｑｔｆｂ）であれば、ステップ２２０へ進み、補正空気量Ｑａｉｒｆｂ＜上限値Ｑｔｆｂであればステップ２４０へ進む。
【００５６】
ステップ２２０では、燃焼器温度センサ１６の信号Ｔｒがその上限値Ｔｔｃｍ以上であるか否かを判断する。温度Ｔｒが上限値Ｔｔｃｍより高ければ、排水素燃焼器４に過度の温度上昇の可能性があり，ステップ２３０へ進み、排水素燃焼器４に溶損の可能性がない場合、即ち、排水素燃焼器４の温度Ｔｒがその上限値Ｔｔｃｍよりも低ければステップ２４０へ進む。
【００５７】
ステップ２３０では、排水素バイパス弁３３を開弁し、ステップ２４０では排水素バイパス弁３３を閉弁して、夫々制御演算を終了する。
【００５８】
なお、排水素バイパス弁３３は、ＯＮ／ＯＦＦ弁である場合について説明しているが、流量制御弁により連続的にバイパス排水素量を制御するよう構成してもよい。
【００５９】
本実施形態においては、第１実施形態による効果（ア）〜（オ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６０】
（カ）空気バイパス弁３１を備えた空気バイパス通路３０により燃料電池スタック１をバイパスして排水素燃焼器４に空気が供給できるため、非常に大量の空気を排水素燃焼器４に供給しなければならない場合においても、燃料電池スタック１に過大な圧力が作用することを防止できる。しかも、空気の排水素燃焼器４への供給遅れを少なくでき、過渡時の空燃比の適正化や緊急冷却要の場合にも速やかに対応させることができる。
【００６１】
（キ）排水素燃焼器４の温度による空気流量の補正量が補正範囲を超えた場合には排水素を燃焼させること無く排水素バイパス弁３３により放出するために、何らかの要因により排水素燃焼器４に空気が供給できなくなった場合でも排水素燃焼器４の過熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池制御システムの概略構成図。
【図２】同じくコントローラの概略構成図。
【図３】第１の空気目標流量算出マップ。
【図４】燃料電池スタック目標圧力マップ。
【図５】コンプレッサ目標回転数マップ。
【図６】排水素流量、排空気流量のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図７】排水素燃焼器温度のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図８】本発明の第２実施形態を示す車両用燃料電池制御システムの概略構成図。
【図９】空気バイパス弁の制御フローチャート。
【図１０】排気バイパス弁の制御フローチャート。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　循環経路
３　パージ手段としての水素パージ弁
４　排燃料燃焼機としての排水素燃焼器
５　空気供給手段
６　コントローラ
７　水素圧力制御弁
８　エゼクタ
９　水素入口圧力センサ
１０　水素入口温度センサ
１１　コンプレッサ
１２　空気流量センサ
１４　空気圧力制御弁
１６　燃焼器温度センサ
２１　目標運転圧力設定部
２２　第１空気目標流量設定部
２３　パージ時空気目標流量設定部
２４　空気目標流量選択部
２５　目標回転数設定部
２６　排水素流量設定部
２７　第２空気目標流量設定部
２８　空気系遅れ補正部
２９　第３空気目標流量設定部
３１　空気バイパス弁
３３　排水素バイパス弁

Claims

燃料ガスと酸化ガスが供給されて電力を生成するセルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
燃料ガスを燃料電池スタックに循環供給する循環経路と、
酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガスの流量を制御する手段と、
前記燃料電池スタックの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記循環経路の燃料ガスを排出するパージ手段と、
前記パージ手段によって排出される排燃料ガスと前記燃料電池スタックから排出される排酸化ガスとを反応させる排燃料燃焼器と、からなる燃料電池制御システムにおいて、
前記運転状態検出手段の出力から前記排燃料ガス流量を推定する排燃料ガス流量推定手段と、
前記排燃料ガス流量推定手段の出力に基づき前記排燃料燃焼器に供給する排酸化ガス流量の目標値を設定する排酸化ガス目標流量設定手段と、を備え、
前記酸化ガス流量制御手段は前記排酸化ガス目標流量に基づき前記酸化ガス流量を制御することを特徴とする燃料電池制御システム。
前記循環経路は、前記燃料電池スタック入口近傍の燃料ガスの圧力を検出する手段と、前記燃料電池スタック入口近傍の燃料ガスの温度を検出する手段とを備え、
前記排燃料ガス流量推定手段は、前記燃料ガスの圧力検出手段と温度検出手段の検出信号により排燃料ガス流量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御システム。
前記排酸化ガス目標流量設定手段は、前記酸化ガス供給手段からの酸化ガスが前記排燃料燃焼器に到達するまでの遅れ時間を見込んで前記酸化ガス供給手段を進み補償して作動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池制御システム。
前記パージ手段は、前記酸化ガス供給手段からの酸化ガスが前記排燃料燃焼器に到達するまでの遅れ時間を見込んだ遅れ時間後に動作することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池制御システム。
前記酸化ガス供給手段は、排燃料燃焼器に酸化ガスを直接供給可能なバイパス通路を備え、
前記運転状態検出手段の出力に応じて前記バイパス通路を流れる酸化ガス流量を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池制御システム。
前記排燃料燃焼器は、排燃料燃焼器の温度を測定する燃焼器温度検出手段を備え、
前記排酸化ガス目標流量設定手段は、燃焼器温度検出手段の出力に応じて前記排酸化ガス目標流量を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池制御システム。
前記排燃料燃焼器は、排燃料ガスを排燃料燃焼器を経由することなく放出可能であり、
前記燃焼器温度検出手段による前記排酸化ガス目標流量の補正量が補正範囲の上限値を超える場合には、前記排燃料燃焼器を経由することなく排燃料ガスを放出することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池制御システム。