JP2004071307A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の内部状態に応じてパージガス量を適正に制御して燃料電池の状態を適正に保ち、パージ用空気を供給する動力や水素ガスを節約する。
【解決手段】燃料電池本体２は、空気供給装置１から供給する空気中の酸素と水素供給装置３から供給する水素とを電気化学的に反応させて発電する。水素極パージバルブ１３は、燃料電池本体２の水素極から外部へ排出する水素の流量または圧力を調整し、空気極圧力調整バルブ１２は、燃料電池本体２の空気極から外部へ排出する空気の圧力を調整する。燃料電池システムの制御装置１１は、燃料電池の運転状態に応じて空気極パージに使用するパージ空気流量と空気極パージ時間との少なくとも一方を変更する空気極パージ変更手段２５と、燃料電池の運転状態に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量と水素極パージ時間との少なくとも一方を変更する水素極パージ変更手段２６とを備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に空気極パージ及び水素極パージの効率を向上させた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素極に水素ガスを、空気極に空気を供給して、空気極に供給する空気中の酸素と水素極の水素とを電気化学的に反応させて発電する。水素極では、水素ガスを水素イオンと電子とに電離する反応が起きる。水素イオンは電解質膜を通って空気極に至り、電子は、外部回路を通って電気的な仕事を行って空気極に至る。空気極では、酸素ガスと水素イオンと電子から水を生成する反応が行われる。
【０００３】
燃料電池は、連続して発電すると空気極には生成水が溜まるためこれを取り除かなければならない。生成水を取り除かないと、水が空気極電極付近に滞留し、電極上の空気が通過する流路を塞いでしまい発電効率の悪化を引き起こす。著しい場合には、燃料電池の本体のセル電圧が下限値を下回り、発電を継続できない場合がある。
【０００４】
このような生成水の処理方法として、たとえば、特開平７−２３５３２４号公報（以下、第１従来技術）がある。この従来技術では、燃料電池の空気極電極の濡れ過ぎを出力電圧とインピーダンス計を用いて検出している。生成水が余剰となると、セルユニット（複数セルの集合体）のインピーダンスが低下し、かつセル電圧が低下する。これを検知すると、生成水が余剰であると判断して、生成水の除去を実行する。生成水の除去のために、まず、空気圧力を上昇させて、そのあと、空気を燃料電池外部へ一気に排出するようにしている。多量の空気流量と排出空気の勢いで水を一緒に吹き飛ばすようにしている。
【０００５】
また、固体高分子タイプの燃料電池は水素極と空気極の間に固体高分子膜がある。空気極に過剰に生成水があると、固体高分子膜の加湿が過剰となり、その影響が水素極まで及んで、水素極に水滴を生じる場合も考えられる。そのような場合に、上記従来例では、まず、水素圧力を上昇させて、そのあと、水素を燃料電池外部へ一気に排出するようにしている。多量の水素と、多量の排出水素の勢いで水を一緒に吹き飛ばすようにしている。
【０００６】
特開２００１−２２９９３８号公報（以下、第２従来技術）も同様の例である。パージ時に使う電力ロスを最小にするために、車両が減速時にパージを行うようにしている。しかし、電極のインピーダンスは燃料電池内で生成した水の伝導率に依存する。伝導率は経時変化等の影響を受けて変化するのでこれらの例は適当でない場合がある。
【０００７】
一方、燃料電池の運転方式として、未使用の水素を燃料電池に再循環させる水素循環形式が使われる場合がある。この形式では、負荷として消費する水素流量より幾分多めの水素を燃料電池に供給し、未使用の水素を燃料電池の水素極出口から排出するようにしている。この排出水素（循環水素と記す）を再度水素極入口へ戻して再利用する。
【０００８】
循環水素は燃料電池本体の電気化学的反応を通過してくるため水蒸気を多量に含んでいる。この水蒸気を多量に含んだ水素を循環させて、水素タンクから供給する乾いた水素と混合して水素極へ供給することで、高分子膜を加湿することができるという利点がある。尚、固体高分子型燃料電池では、水素極上の水素イオンが空気極側へ高分子膜を通って移動するためには、高分子膜が水分を含んでいることが必要である。
【０００９】
しかしながら、この方式では、循環水素による加湿が過剰な場合（循環水素量が多い場合）には、水素極に余分な水滴が発生し、水素極の水素流路を塞いでしまい、発電効率の悪化を引き起こす場合がある。著しい場合には、燃料電池の本体のセル電圧が下限値を下回り、発電を継続できない。
【００１０】
このような問題に対処する方法として、例えば、特開２００１−３０７７５７号公報（以下、第３従来技術）記載の技術がある。この例では、まず燃料電池水素極入口と出口の圧力差を拡大させ、そのあと、圧力差を利用して一気に水素を燃料電池外部へ排出するようにしている。多量の水素と、多量の排出水素の勢いで水を一緒に吹き飛ばすようにしている。圧力差拡大のために燃料電池の水素極出口に吸引ポンプを使い、水素極出口の圧力を下げるようにしている。
【００１１】
上記従来例の全ては、燃料電池電極上に水滴が発生して、発電継続が困難であることを検知した後の処理である。この方法では、発電継続が困難状態を必ず生じる。このため通常発電が継続できなくなるような状況に陥る前にパージ処理を行うようにする方法がある。適当な周期で定期的にパージするという方法である。さらに、定期的にパージ処理してかつ、セル電圧低下などを検知したら直ちにパージを行うというように定期パージと従来例のような方法を組み合わせて実行することが行われる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１、第２、第３従来技術では、パージが必要と判断された場合、多量の空気または水素を排出して、その排出の勢いで水を一緒に吹き飛ばすようにしていたため、動力、燃料の無駄使いになるという問題点があった。
【００１３】
空気極に生成する水は、発電負荷が高いほど多く発生する。低負荷時には、生成水は少ないので高負荷時と同じように大流量の空気で水滴を飛ばすようにしなくても、水滴は吹き飛ばせる。上記従来例では、このような燃料状態の運転状態に応じてパージで排出する空気量を変える配慮がないので、空気供給装置のための動力（電力）の無駄使いになっていた。特に定期パージでは、水滴がなくても多量の空気でパージするようになるので空気供給装置の動力の無駄が顕著となる。
【００１４】
また、循環水素流量が少ない場合には、高分子膜の加湿が不十分となりセル電圧が低下してくる。しかし、上記従来例では、燃料状態の循環水素流量に応じてパージで排出する水素量を変える配慮がないので、循環ポンプのための動力（電力）の無駄使いになり、かつ燃料の水素を無駄に排出するという問題点があった。特に定期パージでは、水滴がなくても多量の水素でパージするようになるので燃料の無駄が顕著となる。
【００１５】
特に、第１従来技術では、この不具合を生じやすい。この例では電極のインピーダンスを測定するようにしているので、燃料電池内で生成した水の伝導率に依存してしまう。生成水の伝導率は、電極に付着した不純物量等の経時変化の影響を受けて変化するため、この従来技術の例では誤判定する可能性がある。
【００１６】
つまり、加湿が十分でないためにセル電圧が低下している場合で、かつ、伝導率が高い状態にあると、インピーダンスが低下し、これは加湿過剰で引き起こされたと誤判断し、多量の水素を燃料電池外部へ排出してパージする。このため水素極側が逆に乾いてしまい、逆に高分子膜の加湿を悪化させる不具合を生じる。
【００１７】
従来例ではパージ時の燃料電池の内部状態変化に対する配慮がないため、燃料電池の状態を適正に保つことができないという問題点があった。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、水素を供給する水素供給装置と、空気を供給する空気供給装置と、前記水素供給装置から供給する水素と前記空気供給装置から供給する空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、該燃料電池本体の水素極の出口側に水素を外部へ排出する水素流量制御弁もしくは水素圧力制御弁と、前記燃料電池本体の空気極の出口側に空気を外部へ排出する空気流量制御弁もしくは空気圧力制御弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転状態に応じて、空気極パージに使用するパージ空気流量または空気極パージ時間を変更する空気極パージ変更手段と、燃料電池の運転状態に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量または水素極パージ時間を変更する水素極パージ変更手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて、空気極パージに使用するパージ空気流量または空気極パージ時間を変更して、空気供給装置を動作させるための動力（電力）を節約することができる。燃料電池の空気極は燃料電池の発電が活発な高負荷になるほど生成水が生じやすいという性質があり、空気極に生じる水滴は大きくなりやすい。特に定期的なパージを行う場合には高負荷時には多量の空気を排出して空気極のパージをする必要があるが、低負荷時には高負荷時と同じよう多量の空気を排出しなくても水滴を吹き飛ばすことができる。
【００２０】
また、本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量または水素極パージ時間を変更して、水素極パージ時に排出することになる水素量を節約することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、例えば燃料電池車両に好適なものである。
【００２２】
図１において、燃料電池システムは、空気を供給する空気供給装置１と、水素を供給する水素供給装置３と、水素供給装置３から供給される水素を加湿する加湿器４と、空気及び加湿された水素を用いて発電する燃料電池本体２と、燃料電池本体２の空気極出口に設けられ外部へ排出する空気圧力を調整する空気圧力制御弁である空気極圧力調整バルブ１２と、燃料電池本体２の水素極出口に設けられ外部へ排出する水素流量を調整する水素流量制御弁である水素極パージバルブ１３と、燃料電池本体２の水素極から排出される水素ガスを再循環させる循環水素装置５と、循環水素装置５の作用により燃料電池本体２の水素極から排出される水素ガスを再循環させて、水素供給装置３から供給する水素と混合して水素極入口に供給する水素循環経路２２と、燃料電池システムの制御装置１１と、を備えている。
【００２３】
また、燃料電池本体２には、負荷６が接続され、燃料電池本体２から負荷電流が供給される。この負荷電流は、負荷電流センサ１０により検出される。燃料電池本体２の各セル電圧または複数セル毎の電圧は、セル電圧センサ２３で検出される。
【００２４】
空気供給装置１は、例えば、エアフィルタとコンプレッサを備え、エアフィルタで濾過した空気をコンプレッサで圧縮して燃料電池本体２の空気極へ供給する。空気供給装置１と燃料電池本体２との間には、空気極へ供給する空気の流量を検出する空気流量センサ１５が設けられている。空気極の入口及び出口には、それぞれの空気圧力を検出する空気極入口圧力センサ７、空気極出口圧力センサ２０が設けられている。
【００２５】
水素供給装置３は、例えば、水素吸蔵合金タンク又は高圧水素ガスタンクと該タンクから放出される水素ガスの流量の制御する流量制御弁とを備えている。水素供給装置１と加湿器４との間には、水素流量センサ１４が設けられ、加湿器４へ供給される水素流量を検出する。
【００２６】
また、燃料電池本体２の水素極入口及び出口には、水素圧力を検出するため、それぞれ水素極入口圧力センサ８、水素極出口圧力センサ２１が設けられている。水素循環経路２２上には、循環水素の流量を検出する循環水素流量センサ９が設けられている。さらに、燃料電池本体２の空気極入口側、同出口側には、それぞれの温度を検出する空気極入口温度センサ１８、空気極出口温度センサ１９が設けられ、同様に水素極入口側、同出口側には、それぞれ水素極入口温度センサ１６、水素極出口温度センサ１７が設けられている。
【００２７】
空気極圧力調整バルブ１２は、開度調整可能なバルブである。これを全開にすると燃料電池本体２内部の空気圧力が一気に低下し、多量の空気が排出される。運転中の空気極圧力調整バルブ１２の開度は、燃料電池本体２の空気極入口圧力と空気流量を目標値付近に維持するように適当な開度に保つようにしている。
【００２８】
水素極パージバルブ１３は、開度調整可能なバルブである。これを全開にすると、燃料電池本体２内部の水素圧力が一気に低下し、多量の水素が排出される。運転中の水素極パージバルブ１３の開度は、燃料電池本体２の水素極入口圧力と水素流量を目標値付近に維持するように適当な開度に保つようにしている。
【００２９】
上記各センサ７〜１０、１４〜２１の各検出値は、制御装置１１に入力され、制御装置１１は、各センサの検出値に基づいて、空気供給装置１から供給する空気流量、水素供給装置３から供給する水素流量、空気極圧力調整バルブ１２の開度、及び水素極パージバルブ１３の開度を制御する。
【００３０】
制御装置１１は、空気極パージ変更手段２５及び水素極パージ変更手段２６を備えている。実際には、制御装置１１は、ＣＰＵ、メモリ及び入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００３１】
空気極パージ変更手段２５は、燃料電池の運転状態に応じて、空気極パージに使用するパージ空気流量または空気極パージ時間を変更する手段である。空気極パージ変更手段２５は、空気極パージにおける空気供給装置１が供給する空気流量、空気極圧力調整バルブ１２の開度、または空気極パージ時間を変更し、空気極内の不純物を含む空気、又は空気極内のガス通路中の水滴を空気極から充分排出するとともに、この排出に必要な空気量、即ちその空気量を送り出すために必要な空気供給装置１が消費するエネルギーを節約することができる。
【００３２】
水素極パージ変更手段２６は、燃料電池の運転状態に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量または水素極パージ時間を変更する手段である。水素極パージ変更手段２６は、水素極パージにおける水素供給装置３が供給する水素流量、水素極パージバルブ１３の開度、または水素極パージ時間を変更し、水素極内の不純物を含む水素、又は水素極内のガス通路中の水滴を水素極から充分排出するとともに、この排出に必要な水素量を節約することができる。
【００３３】
図１に示した燃料電池システムは、特に本発明を限定するものではないが、水素循環経路２２をもつ構成である。燃料電池本体２に供給した水素のうち、一部を発電に使用しないで燃料電池本体２の水素極出口から排出する。この排出水素を燃料電池本体２の水素極入り口に戻して再利用する（以下、循環水素と記す）。燃料電池の水素極には、水素供給装置３から供給される水素と循環水素との混合水素が供給される。循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素供給装置３の乾燥した水素と混合して、燃料電池水素極に供給する水素を加湿するようにしている。
【００３４】
本実施形態では、水素加湿を効果的にするために水素供給装置３の後に加湿器４を別途設置するようにしている。燃料電池の水素極には、水素供給装置３を出て加湿器４を通過した水素と循環水素の混合水素が供給され、十分に電解質である高分子膜を加湿できるようにしている。また、循環水素を循環させるために循環水素装置５を使っている。本実施形態を実施するにあたり、加湿器４を用いないシステム構成であってもよい。
【００３５】
本実施形態では負荷６として、インバータを接続し、ここでＤＣ／ＡＣ変換して駆動モータへ電力を供給するようにしている（但し図示していない）。燃料電池システムを車両に適用した場合には、駆動モータは車両走行の動力として使う。本実施形態では負荷６に出力電力又は出力電流を設定して、燃料電池本体２のから負荷電流を取り出すようにしている。
【００３６】
図２、３は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態のパージ動作を説明するフローチャートであり、制御装置１１により、所定の制御周期（例えば、１秒）毎に実行されるものである。本実施形態は、燃料電池車両のような、負荷変動のサイクルがパージ周期よりも短いシステムに好適な実施形態であり、制御周期毎に検出した負荷電流値ＩＬを積算して負荷電流積算値ＱＬを求め、パージ周期に達したときに、負荷電流積算値ＱＬに基づいて、空気極パージ時の空気流量、空気極パージ時間、水素極パージ時の水素流量、水素極パージ時間を算出している。
【００３７】
図２において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、負荷電流センサ１０から負荷電流値ＩＬを読み込む。次いでＳ１２で負荷電流積算値ＱＬに負荷電流値ＩＬを加算して更新する。負荷電流積算値ＱＬは、前回のパージ直後からの負荷電流を所定時間毎に積算したものであり、前回のパージ後に水素極で消費された水素量に略比例する値となる。
【００３８】
Ｓ１４で変数ＩＮＴに１を加算して更新する。この変数ＩＮＴは、経過時間を計数するソフトウェアタイマであり、本ルーチンが呼び出される毎に１づつ加算される。
【００３９】
Ｓ１６で、パージ周期に達したか否かを判定する。パージ周期は実験に基づいてあらかじめ決めた値で、ここでは、例えば１５分（９００秒＝６０秒×１５）とする。この判定は、９００≦ＩＮＴか否かを判定することにより達せられる。パージ周期に達していなければ、メインルーチンにリターンする。Ｓ１６の判定でパージ周期に達していれば（９００≦ＩＮＴ）、Ｓ１８以下でパージを実行する。
【００４０】
Ｓ１８では、変数ＩＮＴをリセットする。Ｓ２０では、負荷電流積算値ＱＬに基づいて空気極パージの空気流量Ｆａ　、空気極パージ時間Ｔａ　を算出する。空気極パージのために排出する空気流量と空気極パージ時間は予め実験により求めた関数を計算式または制御マップとして制御装置１１の内部に記憶しておき、この関数を使って算出する。
【００４１】
図９は、燃料電池の負荷（負荷積算値）と空気極パージ時の排出する空気流量との関係を表わす関数の一例である。負荷が高くなるほど排出する空気流量が多くなるようにしている。
【００４２】
次いで、空気極パージ時間を決める。図１０は、燃料電池の負荷（負荷積算値）と空気極パージ時間との関係を表わす関数の一例である。負荷が高くなるほど空気極パージ時間が長くなるようにしている。
【００４３】
このような関数をパージ空気流量に応じて複数作成しておくようにする。負荷が高いほど空気極パージのために排出する空気流量を多くし、空気極に凝結する水滴を効率良く吹き飛ばしながら、負荷が低い時は、空気極パージのために排出する空気流量を少なくするので、空気供給装置１を動かすための動力である電力を節約することができるようになる。
【００４４】
ここでは、パージ空気流量と空気極パージ時間を別々に決めるようにしたが、パージ空気流量−空気極パージ時間−負荷の関係を３次元マップ関数にして記憶しておき、これを参照するようにしてもよい。
【００４５】
このように負荷が高いほど生成水の量が多くなり、空気極に生じる水滴の量が多くなるので、負荷が高いほど空気極パージ時の空気流量を多くして、効率良く水滴を吹き飛ばす一方、負荷が低い時は、生成水の量が少なく、パージ時に排出する空気流量を少なくしている。
【００４６】
これにより、空気極パージ時に空気供給装置１のコンプレッサを駆動する電力を節約することができる。従来技術のように、パージ空気流量及び空気極パージ時間を負荷によらずに固定とすると、最大負荷時に合わせてパージ空気流量及びパージ時間を設定しなければならないが、本実施形態ではこのような空気供給装置の動力の無駄をなくすことができ、かつ、空気極パージも十分にでき、燃料電池内部の湿度状態を適正に保つことができる。
【００４７】
Ｓ２２では、負荷電流積算値ＱＬに基づいて水素極パージの水素流量Ｆｈ　、水素極パージ時間Ｔｈ　を算出する。水素極パージのために排出する水素流量と水素極パージ時間は予め実験により求めた関数を計算式または制御マップとして制御装置１１の内部に記憶しておき、この関数を使って算出する。
【００４８】
図１１は、燃料電池の負荷（負荷積算値）と水素極パージ時の排出する水素流量との関係を表わす関数の一例である。負荷が高くなるほどパージ時に排出する水素流量が多くなるようにしている。
【００４９】
図１２は、燃料電池の負荷（負荷積算値）と水素極パージ時間の関係を表わす関数の一例である。負荷が高くなるほど水素極パージ時間が長くなるようにしている。
【００５０】
負荷が高いほど空気極に生成量が多い生成水の影響を受けて、水素極側が加湿過剰になって生じる水滴をパージ時に効率良く吹き飛ばすようにしながら、負荷が低い時は、パージ時に排出する水素流量が少ないので、燃料である水素を節約することができるようになる。従来技術のように、パージ水素流量及び水素極パージ時間を負荷によらずに固定とすると、最大負荷時に合わせてパージ水素流量及び水素極パージ時間を設定しなければならないが、本実施形態ではこのような燃料の無駄をなくすことができ、かつ、水素極パージも十分にでき、燃料電池内部の湿度状態を適正に保つことができる。
【００５１】
ここでは、パージ水素流量と水素極パージ時間を別々に決めるようにしたが、パージ水素流量−水素極パージ時間−負荷の関係を３次元マップ関数にして参照するようにしてもよい。
【００５２】
Ｓ２４では、空気極パージ時間だけ経過したか否かを判定する。具体的には、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　が空気極パージ時間Ｔａ　以上となったか否かを判定する。
【００５３】
変数ＴｉｍｅＡ　が空気極パージ時間Ｔａ　以上となった場合には、次のＳ２６へ進む。そうでない場合はＳ２８へ進む。
【００５４】
Ｓ２６では、空気供給装置１から燃料電池本体２に供給する空気流量をパージ開始前の空気流量に戻し、空気極圧力調整バルブ１２をパージ実行前の開度にするように信号を送る。そして、空気極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ａに０を代入する。
【００５５】
Ｓ２８では、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　に１を加算し、空気極パージ実行中フラグ変数ＦＬＡＧ＿Ａに１を代入する。
【００５６】
Ｓ３０では、Ｓ２０で算出したパージ空気流量Ｆａ　と空気極パージ時間Ｔａ　を修正するタイミングかどうかを判定するため、空気極パージを開始してからの経過時間を示す空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　が所定時間（Ｔ１）以上となったか否かを判定する。変数ＴｉｍｅＡ　が所定値Ｔ１以上であれば、修正するタイミングとして、Ｓ３２へ進む。
【００５７】
Ｓ３２では、セル電圧センサ２３が検出したセル電圧を読み込み、Ｓ３４でセル電圧が所定値Ｅ１未満か否かを判定する。本実施形態においては、セル電圧が所定値Ｅ１　より低下していれば、燃料電池セルのフラッディング（水溢れ）が多いと判定して、空気極パージの空気流量及び空気極パージ時間を増加するように制御する。
【００５８】
Ｓ３４の判定で、セル電圧が所定値Ｅ１未満であれば、Ｓ３６へ進み、空気流量Ｆａ　と空気極パージ時間Ｔａ　とをセル電圧に基づいて修正する。本実施形態では、空気極パージにおけるパージ空気流量は、燃料電池セル電圧に基づいて修正し、修正したパージ空気流量に基づいてＳ２０と同様にしてパージ時間を決定するようにしている。燃料電池のセル電圧が所定値Ｅ１を下回っている場合には、パージ空気流量をΔＦ１　だけ増やすようにする。
【００５９】
Ｓ３４の判定で、セル電圧が所定値Ｅ１以上であれば、パージ空気流量及び空気極パージ時間の修正を行うことなく、Ｓ３８へ進む。
【００６０】
Ｓ３８では、空気極パージを行うために、目標空気流量として空気流量Ｆａ　を空気供給装置１へ出力する。空気供給装置であるコンプレッサは、空気流量センサ１５が検出する実際の空気流量がＦａ　となるように回転数を制御するようにしている（但しこれらは図示していない）。また、空気極圧力調整バルブ１２を全開にするように信号を送る。
【００６１】
Ｓ４０では、水素極パージ時間Ｔｈ　だけ経過したか否かを判定する。この判定には、変数ＴｉｍｅＨ　がＴｈ　以上か否かを判定する。
【００６２】
変数ＴｉｍｅＨ　がＴｈ　以上の場合には、次のＳ４２へ進む。そうでない場合はＳ４８へ進む。
【００６３】
Ｓ４２では、水素極パージを終了するため、水素供給装置３を制御して燃料電池本体２に供給する水素流量をパージ開始前の水素流量に戻し、水素極パージバルブ１３をパージ実行前の開度にするように信号を送る。また水素極パージ実行中フラグ変数ＦＬＡＧ＿Ｈに０を代入する。
【００６４】
Ｓ４４ではパージ終了か否かを判断する。水素極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ｈ　は、Ｓ４２でリセットしたので、Ｓ４４では、空気極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０か否かを判定する。
【００６５】
Ｓ４４の判定で、変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０でなければ、まだ空気極パージ中なのでメインルーチンにリターンする。
【００６６】
Ｓ４４の判定で、変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０であれば、空気極、水素極ともにパージが終了しているので、Ｓ４６へ進む。
【００６７】
Ｓ４６では、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　をリセットし、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　をリセットする。また、負荷電流積算値ＱＬもリセットし、メインルーチンにリターンする。
【００６８】
Ｓ４８では、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　に１を加算し、水素極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ｈ　に１を代入する。
【００６９】
Ｓ５０では、Ｓ２２で算出したパージ水素流量Ｆｈ　と水素極パージ時間Ｔｈ　を修正するかどうかを判定するため、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　が所定値Ｔ２以上となったか否かを判定する。
【００７０】
本実施形態では、変数ＴｉｍｅＨ　が所定値Ｔ２　以上となった場合、パージ水素流量は燃料電池セル電圧に基づいて修正し、修正したパージ水素流量に基づいてＳ２２と同様にして水素極パージ時間を決定するようにしている。
【００７１】
Ｓ５０の判定で、変数ＴｉｍｅＨ　が所定値Ｔ２以上であれば、修正するタイミングとして、Ｓ５２へ進む。
【００７２】
Ｓ５２では、セル電圧センサ２３が検出したセル電圧を読み込み、Ｓ５４でセル電圧が所定値Ｅ１未満か否かを判定する。本実施形態においては、セル電圧が所定値Ｅ１　より低下していれば、燃料電池セルのフラッディング（水溢れ）が多いと判定して、空気極パージの空気流量及び空気極パージ時間を増加するように制御する。
【００７３】
Ｓ５４の判定で、セル電圧が所定値Ｅ１未満であれば、Ｓ５６へ進み、パージ水素流量Ｆｈ　と水素極パージ時間Ｔｈ　とをセル電圧に基づいて修正する。本実施形態では、水素極パージにおけるパージ水素流量は、燃料電池セル電圧に基づいて修正し、修正したパージ水素流量に基づいてＳ２２と同様にしてパージ時間を決定するようにしている。燃料電池のセル電圧が所定値Ｅ１を下回っている場合には、パージ水素流量をΔＦ２　だけ増やすようにし、その後さらに電圧が低下する場合には、逆にΔＦ２だけ減らすようにする。
【００７４】
Ｓ５４の判定で、セル電圧が所定値Ｅ１以上であれば、パージ水素流量及び水素極パージ時間の修正を行うことなく、Ｓ５８へ進む。
【００７５】
Ｓ５８では、水素極パージを行うために、目標水素流量として水素流量Ｆｈ　を水素供給装置３へ出力する。水素供給装置３は、水素流量センサ１４が検出する実際の水素流量がＦｈ　となるように水素供給装置内の図示しない流量調節バルブを制御するようにしている。また、水素極パージバルブ１３を全開にするように信号を送り、メインルーチンにリターンする。
【００７６】
尚、本実施形態では、パージ周期より負荷変動周期が短い燃料電池システムに適用するため、負荷電流ＩＬを積算した負荷電流積算値ＱＬを用いたが、パージ周期に比べて負荷変動の周期が長い用途では、負荷電流を積算することなく、パージ周期に達したときの負荷電流値に基づいて、パージ空気流量と空気極パージ時間を算出すればよい。パージ水素流量及び水素極パージ時間の算出も同様である。
【００７７】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池の運転状態に応じて、空気極パージに使用するパージ空気流量または空気極パージ時間を変更して、空気供給装置を動作させるための動力（電力）を節約することができる。燃料電池の空気極は燃料電池の発電が活発な高負荷になるほど生成水が生じやすいという性質があり、空気極に生じる水滴は大きくなりやすい。特に定期的なパージを行う場合には高負荷時には多量の空気を排出して空気極のパージをする必要があるが、低負荷時には高負荷時と同じよう多量の空気を排出しなくても水滴を吹き飛ばすことができる。
【００７８】
本実施形態によれば、高負荷になるほど空気極パージのために排出する空気を増やすようにして、低負荷時になるほど空気極パージのために排出する空気量を減らすようにするので、空気極パージのために排出する空気量を低負荷時に節約することができ、低負荷時に排出する空気量を低減することができるので、空気極パージ時使用する空気供給装置を動かすための電力を節約することができる。
【００７９】
また、本実施形態によれば、燃料電池の運転状態に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量または水素極パージ時間を変更して、水素極パージ時に排出することになる水素量を節約することができる。
【００８０】
燃料電池の水素極と空気極の間には高分子膜があり水素イオンが水素極から空気極へ移動するための伝導体として機能している。この高分子膜が水素イオン伝導体として機能するためには、高分子膜が水分を含んでいる必要がある。高分子膜加湿のために燃料電池の水素極から排出する排水素を再循環して燃料電池入口に戻して再利用することが行われる。排水素は水分を多く含むため、この水素と水素供給装置から供給する水素を混合して、燃料電池水素極に供給する水素を加湿して供給するようにしている。このような燃料電池システムの場合、空気極に多量に発生した生成水の影響を受けて、高分子膜の加湿が過剰になり、水素極にも水滴を生じて、水素極上を水素ガスが流れる経路を塞いでしまい、発電を継続できなくなる場合が考えられる。これは空気極に生成水が発生しやすくなる高負荷になるほど顕著である。
【００８１】
本実施形態では、高負荷になるほど水素極パージのために排出する水素量を増やすようにして、低負荷時になるほど水素極パージのために排出する水素量を減らすようにするので、水素極パージのために排出する水素量を低負荷時に節約することができる。
【００８２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する。第２実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第２実施形態では、水素極パージにおける水素流量及び水素極パージ時間を水素利用率に基づいて算出する例を説明する。水素利用率は水素圧力と負荷電流に基づいて算出する。図４、５は、第２実施形態におけるパージ制御の動作を説明するフローチャートである。
【００８３】
図４において、まずＳ１１０では、負荷電流センサ１０から負荷電流値ＩＬ、水素極入口圧力センサ８から水素極入口圧力、水素極出口圧力センサ２１から水素極出口圧力をそれぞれ読み込む。次いでＳ１１２で負荷電流積算値ＱＬに負荷電流値ＩＬを加算して更新する。負荷電流積算値ＱＬは、前回のパージ直後からの負荷電流を所定時間毎に積算したものであり、前回のパージ後に水素極で消費された水素量に略比例する値となる。
【００８４】
次いで、Ｓ１１４で、水素極入口圧力及び水素極出口圧力から燃料電池本体２の水素極入口に流入する入口水素流量Ｆｈｉを算出する。この算出には、入口圧力、出口圧力と水素流量との関係を実験データから予め関数化して制御装置１１の内部に記憶したものを利用する。
【００８５】
Ｓ１１６では、負荷電流ＩＬから燃料電池本体２の発電反応のために消費した消費水素流量Ｆｈｃを算出する。
【００８６】
負荷電流ＩＬから消費水素流量Ｆｈｃを算出するには、次の式（１）による。
【００８７】
【数１】
消費水素流量Ｆｈｃ［ＮＬ／ｍｉｎ］＝係数×セル数×負荷電流ＩＬ［Ａ］　　…（１）
係数は、燃料電池の構成によって決まる定数であり、本実施形態では７．０。セル数は４２０とする。
【００８８】
燃料電池本体２の水素極出口から水素極入口へ循環される水素流量を循環水素流量Ｆｈｒとすると、入口水素流量Ｆｈｉ、消費水素流量Ｆｈｃ、循環水素流量Ｆｈｒは、水素極パージバルブ１３が閉じている間は、式（２）の関係にある。
【００８９】
【数２】
入口水素流量Ｆｈｉ＝消費水素流量Ｆｈｃ＋循環水素流量Ｆｈｒ　　　…（２）
Ｓ１１８では、入口水素流量の積算値Ｑｈｉに入口水素流量Ｆｈｉを加算して更新する。Ｓ１２０では、消費水素流量の積算値Ｑｈｃに消費水素流量Ｆｈｃを加算して更新する。
【００９０】
Ｓ１２２で変数ＩＮＴに１を加算して更新する。この変数ＩＮＴは、経過時間を計数するソフトウェアタイマであり、本ルーチンが呼び出される毎に１づつ加算される。
【００９１】
Ｓ１２４で、パージ周期に達したか否かを判定する。パージ周期は実験に基づいてあらかじめ決めた値で、ここでは、例えば１５分（９００秒＝６０秒×１５）とする。この判定は、９００≦ＩＮＴか否かを判定することにより達せられる。パージ周期に達していなければ、メインルーチンにリターンする。Ｓ１２４の判定でパージ周期に達していれば（９００≦ＩＮＴ）、Ｓ１２６以下でパージを実行する。
【００９２】
Ｓ１２６では、変数ＩＮＴをリセットする。Ｓ１２８では、負荷電流積算値ＱＬに基づいて空気極パージの空気流量Ｆａ　、空気極パージ時間Ｔａ　を算出する。空気極パージのために排出する空気流量と空気極パージ時間は予め実験により求めた関数を計算式または制御マップとして制御装置１１の内部に記憶しておき、この関数を使って算出する。Ｓ１２８の詳細は、第１実施形態のＳ２０と同様である。
【００９３】
Ｓ１３０では、水素利用率Ｒｈ　を式（３）により算出する（水素利用率算出手段）。
【００９４】
【数３】
水素利用率Ｒｈ　＝Ｑｈｃ／Ｑｈｉ　　…（３）
Ｓ１３２では、水素利用率Ｒｈ　に基づいて水素極パージの水素流量Ｆｈ　、水素極パージ時間Ｔｈ　を算出する。水素極パージのために排出する水素流量と水素極パージ時間は予め実験により求めた関数を計算式または制御マップとして制御装置１１の内部に記憶しておき、この関数を使って算出する。
【００９５】
図１３は、水素利用率Ｒｈ　と水素極パージ時の排出する水素流量との関係を表わす関数の一例である。水素利用率Ｒｈ　が低くなるほどパージ時に排出する水素流量が多くなるようにしている。
【００９６】
水素利用率が低いほど水素極側が加湿過剰になって生じやすい水滴を効率良く吹き飛ばすようにしている。水素利用率が大きい時は、パージで排出する水素量が少なくなるようにしたので、燃料である水素を節約することができるようになる。
【００９７】
図１４は、水素利用率Ｒｈ　と水素極パージ時間の関係を表わす関数の一例である。水素利用率Ｒｈ　が低くなるほど水素極パージ時間が長くなるようにしている。
【００９８】
ここでは、パージ水素流量と水素極パージ時間を別々に決めるようにしたが、パージ水素流量−水素極パージ時間−水素利用率の関係を３次元マップ関数にして参照するようにしてもよい。
【００９９】
Ｓ１３４では、空気極パージ時間だけ経過したか否かを判定する。具体的には、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　が空気極パージ時間Ｔａ　以上となったか否かを判定する。
【０１００】
変数ＴｉｍｅＡ　が空気極パージ時間Ｔａ　以上となった場合には、次のＳ１３６へ進む。そうでない場合はＳ１３８へ進む。
【０１０１】
Ｓ１３６では、空気供給装置１から燃料電池本体２に供給する空気流量をパージ開始前の空気流量に戻し、空気極圧力調整バルブ１２をパージ実行前の開度にするように信号を送る。そして、空気極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ａに０を代入する。
【０１０２】
Ｓ１３８では、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　に１を加算し、空気極パージ実行中フラグ変数ＦＬＡＧ＿Ａに１を代入する。
【０１０３】
Ｓ１４０では、空気極パージを行うために、目標空気流量として空気流量Ｆａ　を空気供給装置１へ出力する。空気供給装置であるコンプレッサは、空気流量センサ１５が検出する実際の空気流量がＦａ　となるように回転数を制御するようにしている（但しこれらは図示していない）。また、空気極圧力調整バルブ１２を全開にするように信号を送る。
【０１０４】
Ｓ１４２では、水素極パージ時間Ｔｈ　だけ経過したか否かを判定する。この判定には、変数ＴｉｍｅＨ　がＴｈ　以上か否かを判定する。
【０１０５】
変数ＴｉｍｅＨ　がＴｈ　以上の場合には、次のＳ１４４へ進む。そうでない場合はＳ１５０へ進む。
【０１０６】
Ｓ１４４では、水素極パージを終了するため、水素供給装置３を制御して燃料電池本体２に供給する水素流量をパージ開始前の水素流量に戻し、水素極パージバルブ１３をパージ実行前の開度にするように信号を送る。また水素極パージ実行中フラグ変数ＦＬＡＧ＿Ｈに０を代入する。
【０１０７】
Ｓ１４６ではパージ終了か否かを判断する。水素極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ｈ　は、Ｓ１４４でリセットしたので、Ｓ１４６では、空気極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０か否かを判定する。
【０１０８】
Ｓ１４６の判定で、変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０でなければ、まだ空気極パージ中なのでメインルーチンにリターンする。
【０１０９】
Ｓ１４６の判定で、変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０であれば、空気極、水素極ともにパージが終了しているので、Ｓ１４８へ進む。
【０１１０】
Ｓ１４８では、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　をリセットし、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　をリセットする。また、負荷電流積算値ＱＬもリセットし、メインルーチンにリターンする。
【０１１１】
Ｓ１５０では、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　に１を加算し、水素極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ｈ　に１を代入する。
【０１１２】
Ｓ１５２では、水素極パージを行うために、目標水素流量として水素流量Ｆｈ　を水素供給装置３へ出力する。水素供給装置３は、水素流量センサ１４が検出する実際の水素流量がＦｈ　となるように水素供給装置内の図示しない流量調節バルブを制御するようにしている。また、水素極パージバルブ１３を全開にするように信号を送り、メインルーチンにリターンする。
【０１１３】
本実施形態によれば、水素利用率に基づいて燃料電池本体の水素極パージのために排出する水素量を変更して、水素極パージのために排出する水素量を低減することができる。
【０１１４】
燃料電池の水素極と空気極の間には高分子膜があり、水素イオンが水素極から空気極へ移動するための通路である伝導体として機能している。この高分子膜が水素イオン伝導体として機能するためには、高分子膜が水分を含んでいる必要がある。高分子膜加湿のために燃料電池の水素極から排出する排水素を再循環して燃料電池入口に戻して再利用することが行われる。
【０１１５】
この再循環させる水素を循環水素という。循環水素は水分を多く含むため、この水素と水素供給装置から供給する水素を混合して、燃料電池水素極に供給する水素を加湿して供給するようにしている。高分子膜を水素イオンが移動する時、同時に水分も移動するため常に高分子膜を加湿する必要があり、この役目をになっているのが循環水素である。この時、循環水素流量が少ないと高分子膜の加湿が不十分になり、発電効率の低下もしくは著しい場合には、発電継続不能になる場合がある。これは水素イオンの移動が活発な高負荷になるほど、移動する水分量も多くなるので顕著となる。
【０１１６】
循環水素流量が水素極に流入する水素に対して少ないときは（水素利用率が高い）、高分子膜は乾き傾向にある。このとき多量の水素を排出して水素極パージを行うと逆に高分子膜をさらに乾燥させてしまい、発電効率の低下もしくは著しい場合には、発電継続不能になる場合がある。これは特に定期的なパージを行う場合には顕著である。
【０１１７】
そこで、水素利用率が高い場合には水素極パージのために排出する水素量を低減し、水素利用率が小さい場合には水素極パージのために排出する水素量を増加するように作用する。これによって、水素利用率が高い場合に水素極パージによって高分子膜の加湿不十分を引き起こし、発電効率の低下もしくは著しい場合には、発電継続不能になるという不具合を防止するようにでき、排出する水素量を節約できる。
【０１１８】
また、水素利用率が小さい場合ほど水素極パージ時間を長くし、水素利用率が大きいほど水素極パージ時間を短くするようにしたので、低負荷時に排出する水素極パージのために排出する水素量を節約することができる。
【０１１９】
従来技術によれば、水素利用率に関わらず水素極パージ時の水素流量を一定としていたため、水素利用率が高いときには、燃料となる水素の無駄にもなるし、水素極を逆に乾かしすぎてしまう場合もある。本実施形態では、水素利用率に応じて水素極パージ時の水素流量を算出しているので、このような燃料の無駄と、水素極の乾かし過ぎをなくすことができ、かつ、水素極パージも十分にでき、燃料電池内部の湿度状態を適正に保つことができる。
【０１２０】
〔３実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を説明する。第３実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第３実施形態は、燃料電池の状態に応じてパージ周期を変更するようにした例である。図６、７は、第３実施形態におけるパージ制御の動作を説明するフローチャートである。
【０１２１】
図６において、まずＳ２１０では、負荷電流センサ１０から負荷電流値ＩＬを読み込む。次いでＳ２１２で負荷電流積算値ＱＬに負荷電流値ＩＬを加算して更新する。負荷電流積算値ＱＬは、前回のパージ直後からの負荷電流を所定時間毎に積算したものであり、前回のパージ後に水素極で消費された水素量に略比例する値となる。
【０１２２】
Ｓ２１４では、負荷電流積算値ＱＬに基づいてパージ周期ＴＰＧを設定する（パージ周期変更手段）。本実施形態では負荷（負荷電流積算値ＱＬ）が大きいほどパージ周期を長くするようにしている。図１５はその一例である。
【０１２３】
Ｓ２１６では、変数ＩＮＴに１を加算して更新する。この変数ＩＮＴは、経過時間を計数するソフトウェアタイマであり、本ルーチンが呼び出される毎に１づつ加算される。
【０１２４】
Ｓ２１８で、パージ周期に達したか否かを判定するため、変数ＩＮＴがパージ周期ＴＰＧ以上になったか否かを判定する。
【０１２５】
パージ周期に達していなければ（ＴＰＧ＞ＩＮＴ）、メインルーチンにリターンする。Ｓ２１８の判定でパージ周期に達していれば（ＴＰＧ≦ＩＮＴ）、Ｓ２２０以下でパージを実行する。
【０１２６】
Ｓ２２０では、変数ＩＮＴをリセットする。Ｓ２２２では、負荷電流積算値ＱＬに基づいて空気極パージの空気流量Ｆａ　、空気極パージ時間Ｔａ　を算出する。負荷電流積算値ＱＬに対する空気極パージのために排出する空気流量と空気極パージ時間とは、予め実験により求めた関数を計算式または制御マップとして制御装置１１の内部に記憶しておき、この関数を使って算出する。この詳細は、第１実施形態のＳ２０と同様である。
【０１２７】
Ｓ２２４では、負荷電流積算値ＱＬに基づいて水素極パージの水素流量Ｆｈ　、水素極パージ時間Ｔｈ　を算出する。負荷電流積算値ＱＬに対する水素極パージのために排出する水素流量と水素極パージ時間とは、予め実験により求めた関数を計算式または制御マップとして制御装置１１の内部に記憶しておき、この関数を使って算出する。この詳細は、第１実施形態のＳ２２と同様である。
【０１２８】
Ｓ２２６では、空気極パージ時間だけ経過したか否かを判定する。具体的には、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　が空気極パージ時間Ｔａ　以上となったか否かを判定する。
【０１２９】
変数ＴｉｍｅＡ　が空気極パージ時間Ｔａ　以上となった場合には、次のＳ２２８へ進む。そうでない場合はＳ２３０へ進む。
【０１３０】
Ｓ２２８では、空気供給装置１から燃料電池本体２に供給する空気流量をパージ開始前の空気流量に戻し、空気極圧力調整バルブ１２をパージ実行前の開度にするように信号を送る。そして、空気極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ａに０を代入する。
【０１３１】
Ｓ２３０では、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　に１を加算し、空気極パージ実行中フラグ変数ＦＬＡＧ＿Ａに１を代入する。
【０１３２】
Ｓ２３２では、空気極パージを行うために、目標空気流量として空気流量Ｆａ　を空気供給装置１へ出力する。空気供給装置であるコンプレッサは、空気流量センサ１５が検出する実際の空気流量がＦａ　となるように回転数を制御するようにしている（但しこれらは図示していない）。また、空気極圧力調整バルブ１２を全開にするように信号を送る。
【０１３３】
Ｓ２３４では、水素極パージ時間Ｔｈ　だけ経過したか否かを判定する。この判定には、変数ＴｉｍｅＨ　がＴｈ　以上か否かを判定する。
【０１３４】
変数ＴｉｍｅＨ　がＴｈ　以上の場合には、次のＳ２３６へ進む。そうでない場合はＳ２４２へ進む。
【０１３５】
Ｓ２３６では、水素極パージを終了するため、水素供給装置３を制御して燃料電池本体２に供給する水素流量をパージ開始前の水素流量に戻し、水素極パージバルブ１３をパージ実行前の開度にするように信号を送る。また水素極パージ実行中フラグ変数ＦＬＡＧ＿Ｈに０を代入する。
【０１３６】
Ｓ２３８ではパージ終了か否かを判断する。水素極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ｈ　は、Ｓ２３６でリセットしたので、Ｓ２３８では、空気極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０か否かを判定する。
【０１３７】
Ｓ２３８の判定で、変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０でなければ、まだ空気極パージ中なのでメインルーチンにリターンする。
【０１３８】
Ｓ２３８の判定で、変数　ＦＬＡＧ＿Ａ　が０であれば、空気極、水素極ともにパージが終了しているので、Ｓ２４０へ進む。
【０１３９】
Ｓ２４０では、空気極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＡ　をリセットし、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　をリセットする。また、負荷電流積算値ＱＬもリセットし、メインルーチンにリターンする。
【０１４０】
Ｓ２４２では、水素極パージ時間計測用変数ＴｉｍｅＨ　に１を加算し、水素極パージ実行中フラグ変数　ＦＬＡＧ＿Ｈ　に１を代入する。
【０１４１】
Ｓ２４４では、水素極パージを行うために、目標水素流量として水素流量Ｆｈ　を水素供給装置３へ出力する。水素供給装置３は、水素流量センサ１４が検出する実際の水素流量がＦｈ　となるように水素供給装置内の図示しない流量調節バルブを制御するようにしている。また、水素極パージバルブ１３を全開にするように信号を送り、メインルーチンにリターンする。
【０１４２】
第３実施形態として第１実施形態との組み合わせを示したが、第２実施形態と組み合わせても全く支障ない。
【０１４３】
本実施形態によれば、燃料電池の運転状態に応じてパージ周期を変更するようにしたので、例えば、生成水の量が多くなる高負荷時には、パージ周期を短く設定し、低負荷時にはパージ周期を長く設定することにより、空気極パージのための空気供給装置の動力を節約することができるとともに、水素極パージのための燃料を節約することができる。
【０１４４】
〔第４実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を説明する。第４実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様である。第４実施形態は、空気極、水素極の湿度を推定して湿度具合が目標湿度になるようにパージ流量とパージ時間を変更するようにした例である。図８、９は、第４実施形態におけるパージ制御の動作を説明するフローチャートである。
【０１４５】
図８において、まずＳ３１０では、変数ＩＮＴに１を加算して更新する。この変数ＩＮＴは、経過時間を計数するソフトウェアタイマであり、本ルーチンが呼び出される毎に１づつ加算される。
【０１４６】
Ｓ３１２では、パージ周期に達したか否かを判定する。パージ周期は実験に基づいてあらかじめ決めた値で、ここでは、例えば１５分（９００秒＝６０秒×１５）とする。この判定は、９００≦ＩＮＴか否かを判定することにより達せられる。パージ周期に達していなければ、メインルーチンにリターンする。Ｓ３１２の判定でパージ周期に達していれば（９００≦ＩＮＴ）、Ｓ３１４以下でパージを実行する。
【０１４７】
Ｓ３１４では、変数ＩＮＴをリセットする。Ｓ３１６では、負荷電流センサ１０により燃料電池の負荷電流を検出する。Ｓ３１８では、燃料電池本体２の空気極側の状態を検出する。ここで検出する空気極側の状態には、空気極入口圧力センサ７が検出する空気極入口圧力、空気極出口圧力センサ２０が検出する空気極出口圧力、温度センサ１８が検出する空気極入口温度、温度センサ１９が検出する空気極出口温度、及び空気流量センサ１５が検出する空気供給装置１の出口の空気流量がある。
【０１４８】
Ｓ３２０では、負荷電流、空気極入口圧力、空気極出口圧力、空気極入口温度、空気極出口温度、及び空気供給装置１の出口の空気流量に基づいて、燃料電池本体２の空気極側の湿度（加湿状態）を推定する（空気極加湿状態検出手段）。
【０１４９】
負荷電流と、空気極入口圧力と、空気極出口圧力と、空気極入口温度と、空気極出口温度と、空気供給装置１の出口の空気流量とは、すべて空気極側の湿度に影響を与えるものである。負荷電流は燃料電池本体２の内部で生成する湿度分と関連がある。
【０１５０】
これらの状態から燃料電池本体２の空気極側の湿度を推定するには様々な方法がある。湿度線図を用いて、温度、圧力による補正をしても良い。しかし、燃料電池内部で生成する湿度分が正確に推定できない場合があるなど計算がいつもうまくいくとは限らない場合がある。湿度計を燃料電池内部に設けて温度、圧力で補正しても良い。燃料電池内部で生成する湿度分の不確かさおよび、取り付けの難しさなどの難点がある。
【０１５１】
そこで、本実施形態では、このような場合に有効な実験データに基づく経験モデルを使用している。実験データからモデルパラメータを決める方法として部分最小２乗法（ＰＬＳ）が有効である。ＰＬＳは多変数の入力データから１つの出力を求めるモデルパラメータを決定することができ、しかも、非線形性に強いので大変有効である。
【０１５２】
湿度を出力とし、湿度と関連する負荷電流と、空気極入口圧力と、空気極入口の温度と、空気極出口の温度と空気供給装置出口の空気流量を入力として、モデルを作成する。また、一度ＰＬＳモデルを作成してその係数の大きい入力変数（湿度に与える影響が大きい入力変数）を選択して、再度モデルを作り直しても良い。モデルが簡素化され計算負荷が軽くなる利点がある。湿度に与える影響が大きい入力変数に選択にはＰＣＡ解析（主成分分析）を用いても良い。
【０１５３】
次いで、Ｓ３２２で、空気極側の推定湿度から空気極パージのための空気流量Ｆａ　と空気極パージ時間Ｔａ　を決定する（パージ空気量算出手段）。
【０１５４】
空気流量Ｆａ　と空気極パージ時間Ｔａ　の決定において、まずパージ空気流量Ｆａ　を決定する。本実施形態では、図１６に示すようなパージ時の空気流量と空気極側湿度との関係を表わす関数を使用する。これは実験データまたはシミュレーションにより予め作成しておくことができる。このような関数を負荷をパラメータとして幾つか用意しておき、現在の負荷に相当する関数を参照して、目標湿度になるように空気流量を算出する。
【０１５５】
次いで、図１７に示すような空気極パージ時間と空気極側湿度との関係を表わす関数を使用して空気極パージ時間を決める。これは実験データまたはシミュレーションにより予め作成しておくことができる。このような関数を負荷をパラメータとして幾つか用意しておき、現在の負荷に相当する関数を参照して、目標湿度になるようにパージ時間を算出する。
【０１５６】
尚、負荷−パージ空気流量−パージ時間の関係を３次元マップ関数として参照するようにしても良い。
【０１５７】
次にＳ３２４で、燃料電池本体２の水素極側の状態を検出する。ここで検出する水素極側の状態には、水素極入口圧力センサ８が検出する水素極入口圧力、水素極出口圧力センサ２１が検出する水素極出口圧力、温度センサ１６が検出する水素極入口温度、温度センサ１７が検出する水素極出口温度、水素利用率、及び水素流量センサ１４が検出する水素供給装置３の出口の水素流量がある。
【０１５８】
Ｓ３２６では、負荷電流、水素極入口圧力、水素極出口圧力、水素極入口温度、水素極出口温度、水素利用率、及び水素供給装置３の出口の水素流量に基づいて、燃料電池本体２の水素極側の湿度（加湿状態）を推定する（水素極加湿状態検出手段）。
【０１５９】
負荷電流と、水素極入口圧力と、水素極出口圧力と、水素極入口温度と、水素極出口温度と、水素利用率と、水素供給装置３の出口の水素流量はすべて水素極側の湿度に影響を与えるものである。負荷電流は燃料電池内で高分子膜を移動する水分、空気極で生成する水の影響と関連がある。
【０１６０】
これらの状態から燃料電池本体２の水素極側の湿度を推定するには様々な方法がある。湿度線図を用いて、温度、圧力による補正をしても良い。しかし、燃料電池内部で生成、移動する湿度分が正確に推定できない場合があるなど計算がいつもうまくいくとは限らない場合がある。湿度計を燃料電池内部に設けて温度、圧力で補正しても良い。燃料電池内部で生成、移動する湿度分の不確かさおよび、取り付けの難しさなどの難点がある。
【０１６１】
そこで、本実施形態では、このような場合に有効な実験データに基づく経験モデルを使用している。実験データをからモデルパラメータを決める方法として部分最小２乗法（ＰＬＳ）が有効である。ＰＬＳは多変数の入力データから１つの出力を求めるモデルパラメータを決定することができ、しかも、非線形性に強いので大変有効である。
【０１６２】
また、一度ＰＬＳモデルを作成してその係数の大きい入力変数（湿度に与える影響が大きい入力変数）を選択して、再度モデルを作り直しても良い。モデルが簡素化され計算負荷が軽くなる利点がある。湿度に与える影響が大きい入力変数に選択にはＰＣＡ解析（主成分分析）を用いても良い。
【０１６３】
次いで、Ｓ３２８で、水素極側の推定湿度から水素極パージのための水素流量Ｆｈ　と水素極パージ時間Ｔｈ　を決定する（パージ水素量算出手段）。
【０１６４】
水素流量Ｆｈ　と水素極パージ時間Ｔｈ　の決定において、まずパージ水素流量Ｆｈ　を決定する。本実施形態では、図１８に示すようなパージ時の水素流量と水素極側湿度の関係を表わす関数を使用する。これは実験データまたはシミュレーションにより予め作成しておくことができる。このような関数を負荷をパラメータとして幾つか用意しておき、現在の負荷に相当する関数を参照して、目標湿度になるように水素流量を算出すようにする。
【０１６５】
次いで、図１９に示すような水素極パージ時間と水素極側湿度との関係を表わす関数を使用して水素極パージ時間を決める。これは実験データまたはシミュレーションにより予め作成しておくことができる。このような関数を負荷をパラメータとして幾つか用意しておき、現在の負荷に相当する関数を参照して、目標湿度になるようにパージ時間を算出する。
【０１６６】
尚、負荷−パージ水素流量−パージ時間の関係を３次元マップ関数として参照するようにしても良い。
【０１６７】
次に、第１実施形態で説明した図２のＳ２４へ移り、第１実施形態と同様の処理を行う。
【０１６８】
本実施形態によれば、燃料電池本体の空気極側湿度を用いてパージ空気流量を制御することにより、空気極パージ時に無駄に多量の空気を排出することを防止するようにできる。またパージが不十分で湿度が高いままで発電効率が低下して、セル電圧低下を招いて発電を継続できなくなるような不具合を防止できる。
【０１６９】
また、本実施形態によれば、燃料電池本体の水素極側湿度を用いてパージ水素流量を制御することにより、水素極パージ時に無駄に多量の水素を排出することを防止するようにできる。またパージが不十分で湿度が高いままで発電効率が低下して、セル電圧低下を招いて発電を継続できなくなるような不具合を防止でき、逆に水素極が乾きすぎて発電効率が低下して、セル電圧低下を招いて発電を継続できなくなるような不具合を防止するようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態におけるパージ制御を説明するフローチャートである。
【図９】燃料電池の負荷と空気極パージ時の空気流量との関係を表す関数例である。
【図１０】燃料電池の負荷と空気極パージ時間との関係を表す関数例である。
【図１１】燃料電池の負荷と水素極パージ時の水素流量との関係を表す関数例である。
【図１２】燃料電池の負荷と水素極パージ時間との関係を表す関数例である。
【図１３】水素利用率と水素極パージ時の水素流量との関係を表す関数例である。
【図１４】水素利用率と水素極パージ時間との関係を表す関数例である。
【図１５】燃料電池の負荷とパージ周期との関係を表す関数例である。
【図１６】空気極側湿度と空気極パージ時の空気流量との関係を表す関数例である。
【図１７】空気極側湿度と空気極パージ時間との関係を表す関数例である。
【図１８】水素極側湿度と水素極パージ時の水素流量との関係を表す関数例である。
【図１９】水素極側湿度と水素極パージ時間との関係を表す関数例である。
【符号の説明】
１　空気供給装置
２　燃料電池本体
３　水素供給装置
４　加湿器
５　循環水素装置
６　負荷
７　空気極入口圧力センサ
８　水素極入口圧力センサ
９　循環水素流量センサ
１０　負荷電流センサ
１１　制御装置
１２　空気極圧力調整バルブ
１３　水素極パージバルブ
１４　水素流量センサ
１５　空気流量センサ
１６　温度センサ
１７　温度センサ
１８　温度センサ
１９　温度センサ
２０　空気極出口圧力センサ
２１　水素極出口圧力センサ
２２　水素循環経路
２３　セル電圧センサ
２５　空気極パージ変更手段
２６　水素極パージ変更手段

Claims (16)

1. 水素を供給する水素供給装置と、
   空気を供給する空気供給装置と、
   前記水素供給装置から供給する水素と前記空気供給装置から供給する空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池本体と、
   該燃料電池本体の水素極の出口側に水素を外部へ排出する水素流量制御弁もしくは水素圧力制御弁と、
   前記燃料電池本体の空気極の出口側に空気を外部へ排出する空気流量制御弁もしくは空気圧力制御弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の運転状態に応じて、空気極パージに使用するパージ空気流量と空気極パージ時間との少なくとも一方を変更する空気極パージ変更手段と、
   燃料電池の運転状態に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量と水素極パージ時間との少なくとも一方を変更する水素極パージ変更手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムは、
   上記燃料電池本体の水素極から排出される水素ガスを再循環させる循環水素装置と、
   該循環水素装置の作用により燃料電池本体の水素極から排出される水素ガスを再循環させて、前記水素供給装置から供給する水素と混合して燃料電池本体入口の水素極に供給する水素循環経路と、
   を備え、
   前記水素極パージ変更手段は、
   前記水素極で発電反応のために消費した水素量を前記水素極入口に流入した水素量で除算した水素利用率を算出する水素利用率算出手段を備え、
   該水素利用率に基づいて、水素極パージに使用するパージ水素流量と水素極パージ時間との少なくとも一方を変更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。
3. 燃料電池本体の空気極の加湿状態を検出または推定する空気極加湿状態検出手段を備え、
   前記空気極パージ変更手段は、該空気極加湿状態検出手段の出力に応じて、空気極パージに使用するパージ空気流量と空気極パージ時間との少なくとも一方を変更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。
4. 燃料電池本体の水素極の加湿状態を検出または推定する水素極加湿状態検出手段を備え、
   前記水素極パージ変更手段は、該水素極加湿状態検出手段の出力に応じて、水素極パージに使用するパージ水素流量と水素極パージ時間との少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記空気極パージ変更手段は、
   前記空気極加湿状態検出手段の出力が目標空気極加湿状態になるようにパージ空気流量または空気極パージ時間を算出するパージ空気量算出手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
6. 前記水素極パージ変更手段は、
   前記水素極加湿状態検出手段の出力が目標水素極加湿状態になるようにパージ水素流量または水素極パージ時間を算出するパージ水素量算出手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
7. 前記水素極パージ変更手段は、
   前記水素利用率算出手段が算出した水素利用率が小さくなるに従って、パージ水素流量を増加することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の運転状態は、燃料電池の負荷電流または前回のパージ以後の負荷電流積算値であり、
   該負荷電流または該負荷電流積算値が大きい程、前記空気極パージ変更手段は、パージ空気流量または空気極パージ時間を増加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。
9. 前記燃料電池の運転状態は、燃料電池の負荷電流または前回のパージ以後の負荷電流積算値であり、
   該負荷電流または該負荷電流積算値が大きい程、前記水素極パージ変更手段は、パージ水素流量または水素極パージ時間を増加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。
10. 前記水素極パージ変更手段は、
    前記水素利用率算出手段が算出した水素利用率が小さくなるに従って、水素極パージ時間を増加することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
11. 前記空気極加湿状態検出手段は、
    燃料電池の負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
    燃料電池の空気極入口の圧力を検出する空気極入口圧力検出手段と、
    燃料電池の空気極出口の圧力を検出する空気極出口圧力検出手段と、
    燃料電池の空気極入口側の温度を検出する空気極入口温度検出手段と、
    燃料電池の空気極出口側の温度を検出する空気極出口温度検出手段と、
    前記空気供給装置出口の空気流量を検出する空気流量検出手段と、
    のいずれかひとつもしくは複数の出力に基づいて、空気極の加湿状態を推定する手段であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
12. 前記水素極加湿状態検出手段は、
    燃料電池の負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
    燃料電池の水素極入口の圧力を検出する水素極入口圧力検出手段と、
    燃料電池の水素極出口の圧力を検出する水素極出口圧力検出手段と、
    燃料電池の水素極入口側の温度を検出する水素極入口温度検出手段と、
    燃料電池の水素極出口側の温度を検出する水素極出口温度検出手段と、
    前記水素供給装置出口の水素流量を検出する原料水素流量検出手段と、
    のいずれかひとつもしくは複数の出力に基づいて、水素極の加湿状態を推定する手段であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
13. 燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段を備え、前記空気極パージ変更手段または前記水素極パージ変更手段は、該セル電圧検出手段が検出したセル電圧に応じて、パージ空気流量またはパージ水素流量を変更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。
14. 前記水素利用率算出手段は、
    燃料電池の負荷電流と、燃料電池の水素極入口圧力と、に基づいて前記水素利用率を算出する手段であることを特徴とする請求項２または請求項７または請求項１０記載の燃料電池システム。
15. 前記水素利用率算出手段は、
    燃料電池の負荷電流と、燃料電池の水素極入口圧力と、前記水素供給装置から供給する水素流量と、に基づいて前記水素利用率を算出する手段であることを特徴とする請求項２または請求項７または請求項１０記載の燃料電池システム。
16. 燃料電池の運転状態に応じて、空気極または水素極のパージ周期を変更するパージ周期変更手段を備えた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。

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