JP2004152573A

JP2004152573A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004152573A
Application number: JP2002315578A
Authority: JP
Inventors: Takeaki Obata; 武昭小幡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】早期に燃料ガスの燃焼を開始させてシステムの暖機を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷機時に排水素燃焼器５を用いて暖機を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック３と、排水素燃焼器５と、水素ガスを供給する燃料系５０と、空気を供給する酸化剤系５１を備える。また、供給する水素ガス流量を決定する水素ガス供給制御ブロック２０１と、水素ガスの供給流量を調整する水素圧力制御弁１４を備える。また、燃料系５０の水素ガス圧力を検出する水素入口圧力センサ９と、水素圧力制御弁１４の操作量と水素ガスの圧力から排水素燃焼器５に供給する水素ガスの濃度を推定する水素ガス濃度推定ブロック２０２を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、冷機時に、燃焼器で発生した熱を用いた暖機を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素イオン交換膜形燃料電池（ＰＥＭ形燃料電池）を電源とした電気自動車の開発が行われている。このＲＥＭ形燃料電池で発電を行うためには、燃料ガスと酸化剤ガスを純水で加湿することが必要であるが、自動車などの屋外で使用される場合には低温時に循環水が凍結する可能性があり、純水を解凍するシステムが必要となる。
【０００３】
例えば、固体高分子形燃料電池システムにおいては、不凍液が流通する冷却経路の途中に、燃焼器により燃料ガスを酸化剤ガスと共に燃焼させてその反応熱で不凍液を加熱する不凍液加熱手段を備えたものが知られている。これにはさらに、不凍液加熱手段から排出される燃焼排ガスを固体高分子形燃料電池スタックの燃料ガス供給経路または酸化剤ガス供給経路の少なくとも一方に供給する燃焼排ガス供給手段を備える。このように、燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼器において燃焼させることにより発生した熱を利用して、燃料電池システムを暖機している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１６４２３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
上述したような従来技術において、燃料電池システムを短時間で暖機するためには、可能な限り早期に燃料ガスの燃焼を開始させる必要がある。このためには、可燃混合気を燃焼器に可能な限り早期に供給する必要がある。しかしながら、システムを停止する際に、燃料ガスを燃焼器に供給するための流路内に空気を充填した燃料電池システムにおいては、上記流路内の空気を燃料ガスで置換させるまでは燃料ガス濃度が未知である。従って、燃焼器に対して早期に可燃混合気を供給することができないという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させて暖機する燃料電池システムにおいて、早期に燃料ガスの燃焼を開始させてシステムの暖機を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備える。このような燃料電池システムにおいて、冷機時に前記燃焼器で発生した熱を利用してシステムの暖機を行う。さらに、燃料電池システム冷機時に、少なくとも前記燃焼器に供給する燃料ガス流量を決定する燃料ガス供給制御手段と、前記燃料ガス供給制御手段により決定された流量となるように燃料ガスの供給流量を調整する燃料ガス供給調整手段とを備える。さらに、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、前記燃料ガス供給調整手段の操作量と、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力と、に基づいて、前記燃焼器に供給される燃料ガスの濃度を推定する燃料ガス濃度推定手段と、を備える。
【０００８】
または、少なくとも燃料電池システム冷機時に暖機に用いる熱を生じる燃焼器を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃焼器に供給する燃料ガスの流量を調整する燃料ガス供給調整手段と、燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段を備える。さらに、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスの流量と圧力とから燃料ガスの濃度を推定する燃料ガス濃度推定手段と、を備え、前記濃度推定手段により推定された燃料ガス濃度が可燃濃度となったら前記燃焼器に空気の供給を開始する。
【０００９】
【作用及び効果】
燃料ガス供給調整手段の操作量と、燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力と、に基づいて、燃焼器に供給される燃料ガスの濃度を推定する燃料ガス濃度推定手段を備える。これにより、燃料ガスの濃度を検出するためのセンサを設置することなく、燃料ガスの濃度を推定することができるようになる。したがって、簡易な構成で燃料ガスの濃度を推定できる。
【００１０】
また、燃料ガスの流量と圧力とから燃料ガスの濃度を推定する濃度推定手段を備え、濃度推定手段により推定された燃料ガス濃度が可燃濃度となったら燃焼器に空気の供給を開始する。これにより、燃料ガス濃度が上昇するのに必要な時間を短縮し得ることができるので、早期に燃焼を開始することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態で用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。
【００１２】
燃料極３ａに供給された燃料ガスと酸化剤極３ｂに供給された酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により起電力を生じる燃料電池スタック３を備える。ここでは、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる。
【００１３】
燃料電池システムの燃料系５０を、以下のように構成する。
【００１４】
水素ガスを貯蔵する水素タンク２３、水素タンク２３に貯蔵された水素ガスを燃料極３ａに供給する際の流路となる水素供給流路２４、燃料極３ａに供給する水素の圧力を調整する水素圧力制御弁１４を備える。さらに、燃料電池スタック３において反応に用いられなかった水素を再び燃料極３ａの供給側に循環させる水素循環流路２、水素循環流路２により循環する水素を供給側に混入するエゼクタ１を備える。さらに、燃料極３ａの水素ガスを選択的にパージする水素パージ弁４、燃料極３ａから後述する排水素燃焼器５に排水素を供給する際の流通路となる排水素流路２５を備える。なお、ここでは燃料電池システム停止時には、燃料系５０に空気や窒素等を充填させる。
【００１５】
一方、酸化剤系５１としては、酸化剤ガスとしての空気をシステム内に取り込むコンプレッサ６、コンプレッサ６により取り込んだ空気を酸化剤極３ｂに流通する空気供給流路７を備える。また、酸化剤極３ｂの下流側には燃料電池スタック３に供給する空気の圧力を調整する空気圧力制御バルブ１２を備える。さらに、酸化剤極３ｂから後述する排水素燃焼器５に排空気を供給する際の排空気の流通路となる排空気流路１１を備える。
【００１６】
また、排水素流路２５を介して供給される排水素と、排空気流路１１を介して供給される排空気とを燃焼する排水素燃焼器５を備える。ここで通常時には、燃料極３ａの水素ガス中の不純物が増大して出力が低下した場合や、燃料極３に水溢れ（フラッディング）が生じた場合等に、水素パージ弁４を開くことにより燃料極３ａの水素ガスをパージして排水素燃焼器５に排水素を供給する。排水素燃焼器５でこの排水素を燃焼することにより排出処理を行ってから、システム外部に排出される。また起動時、特に冷機時には、排水素燃焼器５に水素ガスと空気を供給して燃焼することにより熱を生じて燃料電池システムの暖機を行う。
【００１７】
通常運転時には、水素タンク２３から供給される水素は水素圧力制御弁１４を介してエゼクタ１に供給される。エゼクタ１で水素循環路２を通過した水素と混合されて燃料極３ａに供給される。このとき、燃料極３ａに供給される水素ガスの圧力は、後述する水素入口圧力センサ９の出力に応じて水素圧力制御弁１４で調整する。通常は水素パージ弁４は閉じており、燃料極３ａから排出される水素を水素循環流路２を介して循環させる。一方、酸化剤極３ｂにはコンプレッサ６により空気が供給され、この空気と水素ガスを用いて燃料電池スタック３において発電を行う。
【００１８】
次に、このような燃料電池システムを制御するために備えた各部センサについて説明する。ここで、各センサの出力はコントローラ１３に送られる。コントローラ１３からは、水素パージ弁４のアクチュエータ駆動信号等を出力して燃料電池システムの制御を行う。
【００１９】
水素タンク２３内の温度Ｔｔを検出するタンク温度センサ２１と、圧力Ｐｔを検出するタンク圧力センサ２２を備える。また、水素タンク２３から供給される水素の流量Ｑｈを検出するタンク出口水素流量センサ２０を備える。また、燃料極３ａの入口上流側には、供給される水素の温度Ｔｈを検出する水素入口温度センサ８、供給される水素ガスの圧力Ｐｈを検出する水素入口圧力センサ９を備える。コンプレッサ６の下流側には、システムに取り入れた空気の流量Ｑａを検出する空気流量センサ１６と、酸化剤極３ｂに供給される空気の圧力Ｐａを検出する空気入口圧力センサ１５を備える。また、燃料電池スタック３には、運転状態を検出するための電流センサ１７と電圧センサ１８を備える。さらに排水素燃焼器５の温度Ｔｂｕｒｎを検出する燃焼器温度センサ１０を備える。
【００２０】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック３の運転圧力を可変圧とし、燃料電池スタック３から取り出す出力が高いときには運転圧力を高め、出力が低い時には運転圧力を低くする。
【００２１】
次に、本実施形態におけるコントローラ１３の概略を図２に示す。
【００２２】
水素ガス供給制御ブロック２０１にはタンク出口水素流量センサ２０からの信号と水素入口圧力センサ９からの信号が入力される。これらの信号から、水素出口流量Ｑｈ、水素入口圧力Ｐｈが求められ、水素パージ弁４の駆動信号、水素圧力制御弁１４の駆動信号が演算される。この結果に基づいて、水素パージ弁４および水素圧力制御弁１４の開度が調整される。また、水素圧力制御弁１４の操作量を演算する。
【００２３】
水素ガス濃度推定ブロック２０２には、水素入口圧力センサ９からの信号と、水素ガス供給制御ブロック２０１で求めた水素圧力制御弁１４の操作量が入力される。ここで、水素入口圧力Ｐｈと水素圧力制御弁１４の操作量とから、水素ガス濃度の推定値Ｃｈが演算される。
【００２４】
空気供給制御ブロック２０３には、水素ガス濃度推定ブロック２０２で求めた水素ガス濃度の推定値Ｃｈと、水素入口圧力センサ９からの信号、空気流量センサ１６からの信号、空気入口圧力センサ１５からの信号が入力される。水素ガス濃度推定値Ｃｈ、水素入口圧力Ｐｈ、空気流量Ｑａ、空気圧力Ｐａを用いて、コンプレッサ６の駆動信号と、空気圧力制御弁１２の駆動信号を演算する。
【００２５】
次に、燃料電池システムの水素・空気供給制御を図３のフローチャートを用いて説明する。ここでは本フローを、燃料電池システム起動時に周期ΔＴ（例えばΔＴ＝０．００１［ｓｅｃ］）毎に実行する。また、例えば、水素圧力制御弁１４の開駆動信号を出力し、燃料系５０への水素ガスの供給が開始した時点で本制御を開始する。さらに、燃料電池スタック３の温度を検出する等により起動運転が終了し、通常運転に移行したら本制御を終了し、通常運転制御を開始する。
【００２６】
ステップＳ３０１において、排水素燃焼器５で水素ガスの燃焼を実行するか否かを判断する。ここでは、水素入口温度センサ８により燃料電池システムの温度（ここでは水素ガス温度Ｔｈ）を検出し、その温度が所定値以下（例えば、０℃以下）であるかどうかを判断する。ここで、所定値を冷機時であるかどうかを判断する基準温度として、冷機時（温度が所定値以下）であると判断された場合には排水素燃焼器５を用いたシステムの暖機運転を行う。所定値以下である場合には燃料電池システムが冷機状態であると判断して水素の燃焼を実行すると判断する。この場合には、水素燃焼実行フラグＦ＿ｂｕｒｎをセットする（Ｆ＿ｂｕｒｎ＝１）。一方、水素燃焼を実行しないと判断されたら、Ｆ＿ｂｕｒｎ＝０とする。なお、酸化剤極３ｂの入口付近に、空気入口温度センサ等が設けられている場合には、この出力に応じて水素の燃焼を行うかどうかを判断してもよい。
【００２７】
水素燃焼を実行すると判断されたらステップＳ３０２に進み、水素を排水素燃焼器５へ供給する際の燃料系５０における水素ガス濃度の推定を行う。この水素ガス濃度の推定方法を、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００２８】
まず、ステップＳ４０１において、水素圧力制御弁１４の操作量を読み込む。ここでは、後述する水素圧力制御弁１４の制御方法における駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈ［％］を読み込む。ステップＳ４０２において、水素圧力制御弁１４の操作量変化が所定範囲内か否かを判断する。ここでは、前記駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈの変化量（前回値との差）の絶対値が、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）継続して所定値以下（例えば、３［％］以下）である場合に、水素圧力制御弁１４の操作量変化が所定範囲内であると判断する。ステップＳ４０２において、水素圧力制御弁１４の操作量変化が所定範囲内であると判断された場合にはステップＳ４０３に進む。一方、所定範囲内でないと判断された場合には水素ガス濃度の推定を終了し、水素ガス濃度の更新を中止する。つまり、水素圧力制御弁１４の操作量変化が所定範囲内ではないときには、水素ガス濃度の変化が大きく正確な推定が難しいので、この操作量が安定していると判断された時点から水素ガス濃度の推定を行う。なお、水素濃度の初期値は０に設定しておく。
【００２９】
ステップＳ４０３では、水素入口圧力Ｐｈ［Ｐａ］の読み込みを行う。ここでは、水素入口圧力センサ９の出力信号に基づいて水素入口圧力Ｐｈを算出する。次に、ステップＳ４０４において、水素圧力制御弁１４の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈと、水素入口圧力Ｐｈとに基づいて、水素ガス濃度推定値Ｃｈ［％］の算出を行う。ここでは、図７に示したマップデータを用いて水素ガス濃度推定値Ｃｈの算出を行う。このマップデータは、実験等により解析した、水素圧力制御弁１４の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈと水素入口圧力Ｐｈと水素ガス濃度Ｃｈの関係に基づいて作成することができる。図７に示すように、水素圧力制御弁１４の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈが一定の場合には、水素入口圧力Ｐｈが大きいほど水素濃度推定値Ｃｈが小さくなる。また、水素入口圧力Ｐｈが一定の場合には、水素圧力制御弁１４の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈが小さいほど水素ガス濃度推定値Ｃｈが小さくなる。このような特性は、水素ガスを排水素燃焼器５へ供給する排水素流路２５からの出口流量が、空気の混合により減少する現象の結果である。この原因は、水素に空気が混合することにより平均分子量が増加し、音速が低下するためである。
【００３０】
このように排水素燃焼器５へ供給する水素ガスの濃度の推定を行ったら、図３のステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３では水素供給制御を行う。この水素供給の制御方法を図５に示したフローチャートを用いて説明する。
【００３１】
ステップＳ５０１において、水素燃焼実行フラグＦ＿ｂｕｒｎの値を判定し、Ｆ＿ｂｕｒｎ＝１である場合、つまり水素燃焼を実行する場合にはステップＳ５０２に進む。一方、Ｆ＿ｂｕｒｎ＝０である場合、つまり水素燃焼を実行しない場合には、ステップＳ５０５へ進む。
【００３２】
ステップＳ５０２では水素パージ弁４を開駆動して排水素燃焼器５への供給を行う。ステップＳ５０３において、水素燃焼を実行する場合の水素流量目標値ｔＱｈ［ｋｇ／ｓｅｃ］の算出を行う。ここでは、燃焼器温度センサ１０の信号から検出した燃焼器温度Ｔｂｕｒｎに基づいて水素流量目標値ｔＱｈを求める。例えば、燃焼器温度Ｔｂｕｒｎに対する水素流量目標値ｔＱｈを予め実験等により求めておき、図８に示すようなマップデータを作成することにより水素流量目標値ｔＱｈを求める。
【００３３】
ステップＳ５０４では、水素圧力制御弁１４の制御を行う。ここでは、ステップＳ５０３において算出した水素流量目標値ｔＱｈと、タンク出口水素流量センサ２０の信号から検出した水素出口流量Ｑｈとに基づいて、水素圧力制御弁１４の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈを算出する。駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈは、ＰＩＤ制御を用いて算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。なお、ＰＩＤ制御の実現方法は、一般的に知られている方法のいずれを用いても良い。
【００３４】
一方、ステップＳ５０１で水素燃焼を実行しないと判断されたら、排水素燃焼器５における燃焼を必要としないので、ステップＳ５０５において、水素パージ弁４を閉駆動する。これにより、燃料電池スタック３から排出された水素はエゼクタ１に供給され、排水素燃焼器５への水素の供給は行われない。ステップＳ５０６においては、水素燃焼を実行しない場合の水素ガス圧力の目標値ｔＰｈ［Ｐａ］を算出する。これは、例えば燃料電池スタック３自身の発電に伴う熱を用いた暖機を行うために求められる燃料極３ａ内の圧力を示している。ここでは燃料電池スタック３に要求される出力に基づいて、図９に示すような特性テーブルデータを用いて水素ガス圧力の目標値ｔＰｈを算出する。
【００３５】
ステップＳ５０７において、水素圧力制御弁１４の制御を行う。ここでは、ステップＳ５０６で算出した水素ガス圧力の目標値ｔＰｈと、前記水素入口圧力Ｐｈに基づいて、ステップＳ５０４と同様にＰＩＤ制御を用いて水素圧力制御弁１４の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｈを算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。
【００３６】
このように、ステップＳ５０４またはＳ５０７において、水素圧力制御弁１４を制御することにより、水素供給制御を行ったら、図３のフローにおいてステップＳ３０４に進む。
【００３７】
ステップＳ３０４においては、空気の供給制御を行う。空気供給制御を図６のフローチャートを用いて説明する。
【００３８】
ステップＳ６０１において、水素燃焼実行フラグＦ＿ｂｕｒｎの値を判定する。Ｆ＿ｂｕｒｎ＝１、つまり水素燃焼を実行する場合にはステップＳ６０２に進む。一方、Ｆ＿ｂｕｒｎ＝０、つまり水素燃焼を実行しない場合にはステップＳ６１０に進む。
【００３９】
ステップＳ６０２において、ステップＳ３０２の水素ガス濃度推定において求めた水素ガス濃度推定値Ｃｈが所定値以上であるか否かを判定する。ここで、この所定値は、排水素燃焼器５において水素と空気の混合気が燃焼可能となる水素ガス濃度（例えば、５％）とする。水素ガス濃度推定値Ｃｈが所定値以上である場合にはステップＳ６０３へ、所定値未満である場合にはステップＳ６０７へ進む。
【００４０】
ステップＳ６０３では、水素燃焼を実行するために排水素燃焼器５へ空気を供給する場合の空気圧力の目標値ｔＰａ［Ｐａ］を算出する。ここでは、空気圧力の目標値ｔＰａをステップＳ４０３において水素入口圧力センサ９により検出した水素入口圧力Ｐｈとする。次に、ステップＳ６０４において、空気圧力制御弁１２の制御を行う。ここでは、ステップＳ６０３で算出した空気圧力の目標値ｔＰａと、空気入口圧力センサ１５の信号から検出した空気入口圧力Ｐａ［Ｐａ］とに基づいて空気圧力制御弁１２の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ａを算出する。ここでは、駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ａをＰＩＤ制御を用いて算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。なお、ＰＩＤ制御の実現方法は、一般的に知られている方法のいずれを用いても良い。
【００４１】
ステップＳ６０５において、水素燃焼を実行するために排水素燃焼器５へ空気を供給する場合の空気流量の目標値ｔＱａ［ｋｇ／ｓ］を算出する。ここでは、燃焼器温度センサ１０からの信号により検出した燃焼器温度Ｔｂｕｒｎと、水素ガス濃度推定値Ｃｈと、に基づいて、空気流量目標値ｔＱａを求める。例えば、燃焼器温度Ｔｂｕｒｎと水素ガス濃度推定値Ｃｈに対する空気流量目標値ｔＱａを予め実験等により求めて図１０に示すようなマップデータを作成し、これを用いることにより目標空気量目標値ｔＱａを求める。つまり、水素ガス濃度が小さいほど排水素燃焼器５へ供給する空気量を減少させて、排水素燃焼器５における水素ガスの濃度を可燃範囲に維持させる。
【００４２】
ステップＳ６０６では、コンプレッサ６の制御を行う。ここでは、ステップＳ６０５で算出した空気流量の目標値ｔＱａと、空気流量センサ１６の信号から検出した空気流量Ｑａ［ｋｇ／ｓ］に基づいて、ＰＩＤ制御を用いてコンプレッサ６の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｃｏｍｐ［％］を算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。なお、ＰＩＤ制御の実現方法は、一般的に知られている方法のいずれを用いても良い。
【００４３】
一方、ステップＳ６０２において、水素濃度推定値Ｃｈが所定値未満の場合には、水素ガス濃度が燃焼可能な程度にまで達していないと判断できる。そこでステップＳ６０７に進み、排水素燃焼器５への空気の供給を行わないように、空気圧力制御弁１２を閉駆動（Ｄｕｔｙ＿ａ＝０）する。ステップＳ６０８では、排水素燃焼器５への空気の供給を行わない場合の空気圧力の目標値ｔＰａ［Ｐａ］を算出する。ここでは空気圧力の目標値ｔＰａを前記水素入口圧力Ｐｈとする。次に、ステップＳ６０９において、コンプレッサ６の制御を行う。ここでは、ステップＳ６０８で算出した空気圧力の目標値ｔＰａと、空気入口圧力センサ１５の信号から検出した空気入口圧力Ｐａ［Ｐａ］とに基づいて、ＰＩＤ制御を用いてコンプレッサ６の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｃｏｍｐを算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。
【００４４】
一方、ステップＳ６０１において、水素燃焼が実行されないと判定された場合には、ステップＳ６１０に進み、空気圧力目標値ｔＰａ［Ｐａ］を算出する。水素燃焼を実行しない場合の空気圧力の目標値ｔＰａを算出する。ここでは、燃料電池スタック３に要求される出力に基づいて、図９に示すような特性のテーブルデータを用いて空気ガス圧力の目標値ｔＰａを算出する。
【００４５】
次に、ステップＳ６１１において、空気圧力制御弁１２の制御を行う。ここでは、ステップＳ６１０で算出した空気圧力の目標値ｔＰａと、空気入口圧力センサ１５の信号から求めた空気入口圧力Ｐａ［Ｐａ］とに基づいて、空気圧力制御弁１２の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ａを算出する。空気圧力制御弁１２の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ａをＰＩＤ制御を用いて算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。
【００４６】
ステップＳ６１２において、水素燃焼を実行しない場合の空気ガス流量の目標値ｔＱａ［ｋｇ／ｓ］を算出する。ここでは、燃料電池スタック３に要求される出力に基づいて、図１１に示したような特性のテーブルデータを用いて空気ガス流量の目標値ｔＱａを算出する。
【００４７】
次に、ステップＳ６１３で、コンプレッサ６の制御を行う。ここでは、ステップＳ６１２で算出した空気流量の目標値ｔＱａと、空気流量センサ１６の信号から検出した空気流量Ｑａ［Ｐａ］とに基づいて、ＰＩＤ制御を用いてコンプレッサ６の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｃｏｍｐを算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。
【００４８】
このように、水素ガスの排水素燃焼器５への供給状態に応じて空気流量、または、空気圧力の目標値ｔＱａ、ｔＰａを決定し、この値となるようにコンプレッサ６を制御することにより空気供給制御を行う。
【００４９】
ステップＳ３０４において空気供給制御が終了したら、図３に示した燃料電池スタック３に供給する水素と空気の供給制御を終了する。
【００５０】
次に本実施形態の効果を説明する。
【００５１】
冷機時に、排水素燃焼器５で発生した熱を利用してシステムの暖機を行う燃料電池システムを次のように構成する。水素ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池スタック３と、水素ガスと空気を燃焼させる排水素燃焼器５と、排水素燃焼器５に水素ガスを供給する燃料系５０と、空気を供給する酸化剤系５１と、を備える。また、排水素燃焼器５に供給する水素ガス流量を決定する水素ガス供給制御手段（水素ガス供給制御ブロック２０１）と、水素ガス供給制御手段により求められた流量ｔＱｈとなるように水素ガスの供給流量を調整する水素圧力制御弁１４とを備える。また、燃料系５０における水素ガスの圧力Ｐｈを検出する水素入口圧力センサ９と、水素圧力制御弁１４の操作量と燃料系５０における水素ガスの圧力Ｐｈとに基づいて排水素燃焼器５に供給される水素ガスの濃度を推定する水素ガス濃度推定手段（水素ガス濃度推定ブロック２０２）と、を備える。
【００５２】
これにより、水素ガスの濃度を検出するためのセンサを設置することなく、水素ガス濃度の推定値Ｃｈを求めることができる。従って簡単な構成で水素ガス濃度を推定することができる。また、水素ガス濃度を推定することができるため、適切な時点で排水素燃焼器５における燃焼を開始することができ、燃料電池システムの暖機を行うことができる。
【００５３】
排水素燃焼器５に供給する空気流量を決定する空気供給制御手段（空気供給制御ブロック２０３）と、空気供給制御手段により求められた流量となるように空気の供給流量を調整するコンプレッサ６と、を備える。水素ガス濃度推定手段により推定された水素ガスの濃度が所定値未満の場合には、排水素燃焼器５に対して空気の供給を行わない。これにより、燃料系５０における水素ガスの濃度が所定値まで上昇する時間を短縮することができる。従って、排水素燃焼器５へ供給する混合気が可燃濃度になるまでの時間を短縮することができる。よって、燃料電池システムの暖機を早期に開始して、暖機時間を短縮することができる。
【００５４】
空気供給制御手段は、水素ガス濃度推定手段により推定した水素ガス濃度推定値Ｃｈに基づいて、排水素燃焼器５における水素ガスの濃度が所定値以上となるように空気の供給流量を制御する。これにより、燃料系５０における水素ガスの濃度を所定値以上に維持することができるようになる。従って、排水素燃焼器５へ供給する混合気を可燃濃度に維持し、排水素燃焼器５における水素ガスの燃焼を維持することができる。
【００５５】
燃料系５０は、燃料電池スタック３内部を経由してから排水素燃焼器５に水素ガスを供給する手段とする。また、酸化剤系５１は、燃料電池スタック３内部を経由してから排水素燃焼器５に空気を供給する手段とする。燃料電池スタック３内部における水素ガスと空気の圧力差が所定値以内となるように空気供給制御手段により空気の供給流量を制御する。これにより、水素ガスと空気の差圧を所定範囲以内に抑えることができる。従って、燃料電池スタック３内で、水素ガスと空気の差圧が許容値を超えるのを防止することができる。
【００５６】
水素ガス濃度推定手段は、水素圧力制御弁１４の操作量が略一定である場合に、燃料系５０における水素ガスの圧力Ｐｈが大きいほど、水素ガス濃度の推定値Ｃｈを小さくする。これにより、検出することが容易な信号に基づいて、水素ガスの濃度推定を容易に行うことができる。
【００５７】
水素ガス濃度推定手段は、燃料系５０における水素ガスの圧力Ｐｈが略一定である場合に、水素圧力制御弁の操作量が小さいほど、水素ガス濃度の推定値Ｃｈを小さくする。これにより、検出することが容易な信号に基づいて、水素ガスの濃度推定を容易に行うことができる。
【００５８】
水素ガス濃度推定手段は、水素圧力制御弁１４の操作量の変化速度が所定範囲内である場合に、水素圧力制御弁１４の操作量と、燃料系５０における水素ガスの圧力Ｐｈとに基づいて、水素ガスの濃度を推定する。これにより、水素ガスの圧力が安定した状態で、水素ガスの濃度を推定することができるようになる。水素圧力制御弁１４の操作量が急変した場合には、水素ガスの圧力の応答遅れのために、水素ガスの濃度推定を正確に行うことができない。これに対して水素圧力制御弁１４の操作量の変化速度が所定範囲内である場合に、水素ガスの濃度を推定することで、水素ガスの濃度の推定精度を向上させることができる。
【００５９】
このように、少なくとも燃料電池システム冷機時に暖機に用いる熱を生じる排水素燃焼器５を備えた燃料電池システムにおいて、排水素燃焼器５に供給する水素ガスの流量を調整する水素圧力制御弁１４と、水素ガスの圧力を測定する水素入口圧力センサ９を備える。また、空気を供給する酸化剤系５１と、水素ガスの流量と圧力とから水素ガスの濃度を推定する水素濃度推定手段（２０２）と、を備える。水素濃度推定手段により推定された水素ガス濃度が可燃濃度となったら排水素燃焼器５に空気の供給を開始する。これにより、簡単な構成で水素ガス濃度を推定することができ、水素ガス濃度が可燃濃度に達するまで空気を供給しないので、短時間で水素ガスを可燃濃度にまで上昇させることができる。よって、早期にシステムの暖機を開始することができ、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【００６０】
次に、第２の実施形態について説明する。水素ガス濃度推定（図３Ｓ３０２）を図１２に示したフローチャートを用いて説明する。なお、その他の構成および制御は、第１の実施形態と同様とする。
【００６１】
ステップＳ１２１において、ステップＳ４０１と同様に水素圧力制御弁１４の操作量を読み込む。次に、ステップＳ１２２において、水素ガスの供給を開始してから所定時間（例えば、０．５［ｓｅｃ］）が経過したか否かを判定する。所定時間が経過したと判定された場合には、ステップＳ１２３に進む。一方、所定時間が経過したと判断されなかった場合には、水素ガス濃度の推定を終了し、水素ガス濃度の更新を中止する（初期の水素ガス濃度は０に設定しておく。）。つまり、所定時間が経過していない場合には、水素ガス濃度の変化が大きく正確な推定が難しいので、この操作量が安定していると判断された時点から水素ガス濃度の推定を行う。
【００６２】
ステップＳ１２３においては、ステップＳ４０３と同様に水素入口圧力の読み込みを行う。ステップＳ１２４において、ステップＳ４０４と同様に、水素ガス濃度推定値Ｃｈの算出を行うことにより水素ガス濃度推定を終了する。
【００６３】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて、以下のような効果を得ることができる。
【００６４】
水素ガス濃度推定手段は、水素ガスの供給を開始してから所定時間経過した後に、水素圧力制御弁１４の操作量と、燃料系５０における水素ガスの圧力Ｐｈとに基づいた水素ガスの濃度の推定を開始する。これにより、水素ガスの供給を開始した直後に、水素圧力制御弁１４の操作量が急変し、水素ガスの圧力応答の遅れのために水素ガスの濃度推定が正確に行えない可能性がある状態において、水素ガスの推定を行わないようにすることができる。従って水素ガスの濃度の推定精度を向上させることができる。
【００６５】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態におけるコントローラの概略を示す図である。
【図３】第１の実施形態における水素・空気供給制御のフローチャートである。
【図４】第１の実施形態における水素ガス濃度推定制御のフローチャートである。
【図５】第１の実施形態における水素供給制御のフローチャートである。
【図６】第１の実施形態における空気供給制御のフローチャートである。
【図７】水素ガス濃度の求めるためのマップである。
【図８】水素燃焼を行う場合の水素流量目標値を求めるためのマップである。
【図９】水素燃焼を行わない場合の目標圧力を求めるためのマップである。
【図１０】水素燃焼を行う場合の空気流量目標値を求めるためのマップである。
【図１１】水素燃焼を行わない場合の空気流量目標値を求めるためのマップである。
【図１２】第２実施形態における水素ガス濃度推定制御のフローチャートである。
【符号の説明】
３燃料電池スタック
５排水素燃焼器（燃焼器）
６コンプレッサ（酸化剤ガス供給調整手段）
９水素入口圧力センサ（燃料ガス圧力検出手段）
１４水素圧力制御弁（燃料ガス供給調整弁）
２０１水素ガス供給制御ブロック（燃料ガス供給制御手段）
２０２水素ガス濃度推定ブロック（燃料ガス濃度推定手段）
２０３空気供給制御ブロック（酸化剤ガス供給制御手段）
５０燃料系（燃料ガス供給手段）
５１酸化剤系（酸化剤ガス供給手段）

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、を備え、
冷機時に前記燃焼器で発生した熱を利用してシステムの暖機を行う燃料電池システムにおいて、
燃料電池システム冷機時に、少なくとも前記燃焼器に供給する燃料ガス流量を決定する燃料ガス供給制御手段と、
前記燃料ガス供給制御手段により決定された流量となるように燃料ガスの供給流量を調整する燃料ガス供給調整手段と、
前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、
前記燃料ガス供給調整手段の操作量と、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力と、に基づいて、前記燃焼器に供給される燃料ガスの濃度を推定する燃料ガス濃度推定手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃焼器に供給する酸化剤ガス流量を決定する酸化剤ガス供給制御手段と、前記酸化剤ガス供給制御手段により決定した流量となるように酸化剤ガスの供給流量を調整する酸化剤ガス供給調整手段と、を備え、
前記燃料ガス濃度推定手段により推定された燃料ガスの濃度が所定値未満の場合には、前記燃焼器に対して酸化剤ガスの供給を行わない請求項１に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス供給制御手段は、前記燃料ガス濃度推定手段により推定した燃料ガス濃度に基づいて、前記燃焼器における燃料ガスの濃度が所定値以上となるように前記酸化剤ガスの供給流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス供給手段は、前記燃料電池内部を経由してから前記燃焼器に燃料ガスを供給する手段であり、
前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池内部を経由してから前記燃焼器に酸化剤ガスを供給する手段であり、
前記燃料電池内部における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差が所定値以内となるように前記酸化剤ガス供給制御手段により酸化剤ガスの供給流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス濃度推定手段は、前記燃料ガス供給調整手段の操作量が略一定である場合に、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力が大きいほど、燃料ガスの濃度が小さいと推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス濃度推定手段は、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力が略一定である場合に、前記燃料ガス供給調整手段の操作量が小さいほど、燃料ガスの濃度が小さいと推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス濃度推定手段は、燃料ガス供給制御手段の操作量の変化速度が所定範囲内である場合に、前記燃料ガス供給調整手段の操作量と、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力とに基づいて、燃料ガスの濃度を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス濃度推定手段は、
燃料ガスの供給を開始してから所定時間経過した後に、前記燃料ガス供給調整手段の操作量と、前記燃料ガス供給手段における燃料ガスの圧力とに基づいた燃料ガスの濃度の推定を開始する請求項１に記載の燃料電池システム。
少なくとも燃料電池システム冷機時に暖機に用いる熱を生じる燃焼器を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼器に供給する燃料ガスの流量を調整する燃料ガス供給調整手段と、
燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガスの流量と圧力とから燃料ガスの濃度を推定する燃料ガス濃度推定手段と、を備え、
前記燃料ガス濃度推定手段により推定された燃料ガス濃度が可燃濃度となったら前記燃焼器に空気の供給を開始することを特徴とする燃料電池システム。