JP2005044736A

JP2005044736A - 燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: JP2005044736A
Application number: JP2003280098A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamoto; 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】燃料電池システムの構成部品を収容する筐体内を換気する換気ファンの消費電力を最小にすることにより、電力不足を防止する。
【解決手段】燃料電池スタック１の発電電力を消費する負荷の運転状態に応じて、換気ファン７の利用可能電力を設定し、設定された利用可能電力に基づいて、換気ファン７が消費する電力を制限する期間を設定し、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、水素循環経路Ｌ５の窒素蓄積量を演算し、設定された換気ファン７が消費する電力を制限する期間内であって演算された窒素蓄積量が所定のレベルとなった場合にパージ弁５を開状態にする間隔であるパージ停止時間を、換気ファン７の消費電力が最小になるように決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、燃料電池を発電させる制御をする燃料電池システムの制御装置に関する。

従来より、燃料電池スタックの水素極に水素ガスを供給すると共に、空気極に空気を供給して、空気極における空気中の酸素と水素極における水素とを電気化学的に反応させて発電させる燃料電池システムの制御装置が知られている。特に、この燃料電池システムの制御装置は、燃料電池スタックにより発電した電力を車両の走行トルクを発生させる駆動モータに供給する車両用のものが開発されている。

このような車両用燃料電池スタックとしては、固体高分子型のものが知られている。この固体高分子型の車両用燃料電池スタックは、水素極と空気極の間に膜状の固体高分子を設け、当該固体高分子膜を水素イオン伝導体として機能させる。

この種の燃料電池スタックは、水素極で水素ガスを水素イオンと電子にする反応が行われ、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき水素イオンは、固体高分子膜を空気極に向かって移動する。このように固体高分子を水素イオンが移動するためには、固体高分子膜が水分を含んでいる必要がある。このため、燃料電池システムの制御装置では、固体高分子膜を加湿して湿潤状態に保持しておく必要があり、燃料電池スタックに供給する水素ガスを加湿装置で加湿して水素極に供給するようにする技術が知られている。

このように固体高分子膜を加湿する有効な技術としては、燃料電池スタックで使用されずに排出された水素ガスを燃料電池スタックに再循環して再利用する水素循環形式が知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池スタック外部に接続した負荷で消費する電力を発電させるのに要求される水素量より幾分多めの水素量を水素極に供給し、未使用の水素を水素極出口から排出させ、この排水素（循環水素と記す）を再度、水素極入口に戻して再利用する。ここで、燃料電池スタックから排出された循環水素は、水蒸気を多く含んでいるため、水素タンクからの乾燥している水素と混合されて水素極に供給され、水素極に供給する水素を加湿する。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックにおける水素極を通過する水素流量は、発電に必要な水素流量に加えて、循環する水素流量分だけ余分に通過することになる。このように燃料電池システムでは、発電に必要な水素流量よりも余分な水素流量を水素極に供給することにより、燃料電池スタックを構成する全てのセルでの発電を効率的に行わせる。

これに対し、要求される発電量に相当する水素流量のみを供給した場合には、水素極側出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなる可能性があり、発電効率が低下する恐れがある。同様に、空気極においても、要求される発電量に相当する酸素流量のみを供給するのではなく、当該発電量に相当する酸素流量よりも少し余分に酸素を供給するようにしている。すなわち、燃料電池システムにおいて、供給ガス量に対する消費ガス量の割合を示す原料ストイキ比は、要求される発電量に相当する水素流量又は酸素流量のみを供給する場合には値が「１」となるが、加湿や発電効率の観点から、通常、値が「１」よりも高い値に制御されている。

このような燃料電池システムでは、空気極から水素極に向かって窒素が移動するという特徴がある。これは、空気極に供給される空気には多量の窒素成分が含まれるため、空気極と水素極との間で窒素分圧差が発生して、空気極から水素極に向かって窒素が移動しやすく作用することによる。反対に、燃料電池システムでは、水素も水素極から空気極に向かって移動するが、移動の途中でほとんどが反応してしまうため空気極まで到達する水素はほとんどない。

しかし、水素極に移動した窒素は、水素極内にて残りつづけ、循環水素の経路内に滞留し続けてしまう。そして、循環水素の経路内に存在する窒素は、水素極内の窒素分圧を上昇させて水素極内での水素分圧を下げる原因となり、水素極への水素の供給を妨げるように作用してしまう。このため、燃料電池システムでは、循環水素の経路に蓄積した窒素を適当なタイミングで循環水素の経路外部に排出して、窒素分圧が高いガスを、貯蔵タンクなどから供給する水素濃度が高いガスと置き換える必要がある。このため、燃料電池システムでは、水素極出口にパージ弁を設け、適当なタイミングでパージ弁を開閉して、窒素分圧が高いガスを排出するようにしている。

また、車両用の燃料電池システムは、燃料電池スタック、センサやアクチュエータなどの周辺機器を、コンパクトなレイアウトで配置するために筐体内に収納させることが多い。また、車両用燃料電池システムでは、通常、水素循環系のパージ弁もパッケージ内に収納させている。したがって、車両用燃料電池システムでは、パージ弁を開状態にすると、筐体内に窒素のみならず水素も放出される。これに対し、車両用燃料電池システムでは、通常、筐体内の狭い領域に水素が滞留することを防止するために、換気ファンを駆動することによって筐体内を換気することが行われている。

このように循環水路の経路をパージ制御する燃料電池システムとしては、下記の特許文献１及び特許文献２に記載された技術が知られている。これら特許文献１及び特許文献２に記載された燃料電池システムでは、水素循環経路内の水素濃度を検出してパージする制御や、燃料電池スタックの発電電圧が低下した場合にパージ制御している。
特開２０００−２４３４１７号公報特開２００２−２６０７０４号公報

しかしながら、上述の特許文献１や特許文献２に記載された燃料電池システムでは、水素循環経路内の窒素濃度を一定値以下に保つことができるが、換気ファンの駆動に使用する電力を低減することについての制御は行っていない。したがって、これら特許文献１及び特許文献２では、常に筐体内に水素が滞留しない十分な駆動量で換気ファンを制御しており、電力の無駄を生じている。これは、換気ファンによる換気流量が正確に検出できないことや、筐体内の水素量が正確に検出できないことによる。したがって、従来の技術では、例えば設計者により推測される水素量に対して換気ファンの駆動量にマージンを設けて換気ファンを駆動させているために、駆動量のマージンが適当でない場合には電力の無駄になるという問題点があった。

これに対し、換気ファンの駆動量についてマージンを設けた場合であっても、マージンを適当に調整することにより換気ファンの電力を節約できる場合がある。すなわち、パージする場合に、パージで排出される水素量を推定し、当該推定した水素量を十分に換気できるような換気量に相当する換気ファンの駆動量をマージンとして設定すれば良い。

また、パージを行うことにより窒素と共に放出される水素量は、パージ弁を開状態にする時間によって異なる。すなわち、水素循環系に蓄積する窒素蓄積量が限度値になるまでパージ弁を開状態にせずに燃料電池スタックの発電電圧が低下した場合にパージ弁を開状態にする場合と、燃料電池スタックの発電電圧が低下する前にパージ弁を開状態にする場合とで、水素循環系における窒素濃度が低下するまでのパージ量が異なる。したがって、パージ弁から放出される水素、窒素及び水分を含むガスの換気のために必要な換気ファンの消費電力も異なる。すなわち、開度を小さくして高い頻度でパージ弁を制御する場合と、開度を大きくして低い頻度でパージ弁を制御する場合とで、換気ファンに必要な消費電力も異なる。

また、燃料電池システムの過渡時など駆動電力が多量に必要な場合には、一時的に換気ファンの消費電力を減らして、燃料電池システム全体での電力不足を防止する必要がある。その場合、パージ弁を開状態にするタイミングを制御して、換気ファンの消費電力、特に余分なマージンを最小にする必要がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池システムの構成部品を収容する筐体内を換気する換気ファンの消費電力を最小にすることにより、電力不足を防止することができる燃料電池システムの制御装置を提供することを目的とする。

本発明では、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する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池に循環させる燃料循環経路を有する燃料循環手段と、少なくとも前記燃料電池を発電させるための補機類を収納する筐体と、前記燃料循環経路内のガスを前記筐体内に排出するパージ弁を有するガス排出手段と、前記筐体内のガスを前記筐体外に放出する換気ファンとを有する燃料電池システムを制御するために以下の手段を備える。

すなわち、本発明に係る燃料電池システムの制御装置では、前記燃料電池の発電電力を消費する負荷の運転状態に応じて、前記換気ファンの利用可能電力を設定する利用可能電力設定手段と、前記利用可能電力設定手段により設定された利用可能電力に基づいて、前記換気ファンが消費する電力を制限する期間を設定する消費電力制限期間設定手段と、前記燃料電池の運転状態に応じて、前記燃料循環経路の窒素蓄積量を演算する窒素蓄積量演算手段と、前記消費電力制限期間設定手段により設定された前記換気ファンが消費する電力を制限する期間内であって前記窒素蓄積量演算手段により演算された窒素蓄積量が所定のレベルとなり前記パージ弁を開状態にするまでの間隔であるパージ停止時間を、前記換気ファンの消費電力が最小になるように決定するパージ停止時間決定手段とを備えることで、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、燃料電池や負荷の運転状態に応じて、燃料電池システムの構成部品を収容する筐体内を換気する換気ファンの消費電力が最小となるように制限したので、負荷の電力が必要な場合に、換気ファンの電力によって負荷の駆動用電力が不足することを防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスとして空気が供給される空気極と燃料ガスとして水素が供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ^＋）が高分子電解質膜を通過してカソード極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成することによって行われる。

この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、当該車両の駆動トルクを発生させる駆動モータやインバータを含む負荷２に燃料電池スタック１によって発電した電力を供給する。この負荷２では、駆動モータを駆動させる場合に、インバータにより、燃料電池スタック１からの直流電力を所望の電力に変換し、インバータを介して発電電力を駆動モータに供給する。本例では、負荷２に発電量を設定し、インバータにより燃料電池スタック１から発電電流を取り出すようにしている。

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１、及び燃料電池スタック１を発電させるための補機類は、コンパクト化して車両内にレイアウトさせるために、筐体である収納パッケージ６に収容されている。本例では、燃料電池スタック１、補機類として循環水素ポンプ３及びパージ弁４及びパージ弁用アクチュエータ５が収納パッケージ６に収容する場合を示している。

この収納パッケージ６には、内部のガスを外部に放出して、内部のガスを換気する換気ファン７が設けられている。換気ファン７は、収納パッケージ６内部で水素漏れがあった場合に可燃雰囲気にならないように十分な換気量を確保するように設計されている。

このような収納パッケージ６では、後述するパージ弁４が開状態にされることにより、水素や窒素を含むガスが内部に放出される。これは、燃料電池スタック１を車両などに燃料電池システムを搭載した場合、風通しの悪い場所において水素が滞留してしまうことがないように、一旦収納パッケージ６内にガスを放出して、換気ファン７で多量の空気と合わせて十分に拡散させて外気に放出するためである。なお、燃料電池スタック１からの排空気は、水素を含まないので、収納パッケージ６内部に放出されずに直接外気に放出される。

また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１に水素を供給する水素供給系を備える。

空気供給系は、燃料電池スタック１の空気入口と空気供給装置８とを空気供給経路Ｌ１によって接続し、燃料電池スタック１の空気出口と収納パッケージ６の外部とを空気排出経路Ｌ２によって接続して構成されている。空気供給装置８は、例えばコンプレッサモータと、このコンプレッサモータにより駆動されるコンプレッサとを備える。このような空気供給系では、空気供給装置８により外気を取り込んで圧縮して燃料電池スタック１に空気を導入し、発電反応に使用されずに排出された空気を空気排出経路Ｌ２を介して収納パッケージ６の外部の外気に排出する。

水素供給系は、水素供給装置９と燃料電池スタック１の水素入口とを水素供給経路Ｌ３により接続している。水素供給装置９は、図示しない水素タンク、水素流量制御弁を備え、燃料電池スタック１に供給する目標となる水素量によって水素流量制御弁の開度が制御され、水素タンクから燃料電池スタック１に供給する水素流量を調整する。水素供給経路Ｌ３には、水素供給バルブ１０及び水素供給用アクチュエータ１１が設けられ、燃料電池スタック１を発電させるに際して水素供給用アクチュエータ１１が制御されて水素供給バルブ１０が開状態に制御される。

また、この水素供給系は、燃料電池スタック１の水素出口に設けられた水素排出経路Ｌ４、当該水素排出経路Ｌ４から分岐した水素循環経路Ｌ５及びパージ経路Ｌ６を備える。この水素供給系は、パージ経路Ｌ６にパージ弁４及びパージ弁用アクチュエータ５が設けられ、水素循環経路Ｌ５に循環水素ポンプ３が設けられる。

このような水素供給系では、通常、パージ弁４が閉状態としておき、発電反応に使用されずに燃料電池スタック１の水素出口から排出されたガスを、水素排出経路Ｌ４及び水素循環経路Ｌ５を介して、循環水素ポンプ３によって水素供給経路Ｌ３に供給する。これにより、水素供給系では、燃料電池スタック１から排出された水素を再度燃料電池スタック１の水素入口に循環させる。これにより、水素供給系では、水素供給装置９からの水素ガスと、水素循環経路Ｌ５からの水素ガスとを混合したガスを燃料電池スタック１に供給する。

ここで、燃料電池スタック１から排出されたガスは、水素供給装置９からの水素ガスと比較して多くの水蒸気を含み、水素供給装置９からの水素ガスと混合されることにより、燃料電池スタック１内の固体高分子を加湿する。

また、水素供給系では、窒素等の不純物の濃度を低下させるために燃料電池スタック１に循環させるガスの一部を大気に放出するに際して、パージ弁４が開状態に制御される。このようにパージ弁４から排出された水素を含むガスは、収納パッケージ６内に開放されることになる。

更にまた、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御する制御手段であるシステムコントローラ１２を備える。このシステムコントローラ１２は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷２に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと制御信号を送ることにより、各部を制御する。

システムコントローラ１２は、車両を構成する各部と接続された車両コントローラ１３から信号が送られる。この車両コントローラ１３は、例えば車両運転者により操作されるアクセルペダルの操作、ナビゲーション装置からの情報による車両の運転環境、バッテリ状態を検出して、後述する処理をして車両に関する情報をシステムコントローラ１２に送る。

また、車両コントローラ１３は、負荷２を構成する駆動モータの駆動量制御などを行う。具体的には、車両コントローラ１３は、駆動モータを駆動させるときに不足する電力量、電力不足が発生する期間を演算して、電力不足要求をシステムコントローラ１２に送る。

システムコントローラ１２は、処理内容は後述するが、パージ弁用アクチュエータ５を制御してパージ弁４を開閉制御するパージ弁制御器１４と接続される。システムコントローラ１２は、パージ弁４を開閉制御するに際して、パージ弁制御器１４に制御信号を送る。これにより、パージ弁制御器１４は、パージ弁４をパージ弁用アクチュエータ５によって開閉制御させるパージ制御信号を生成する。

更にまた、この燃料電池システムは、システムコントローラ１２により上述した各部を制御するために、燃料電池スタック１の空気出口に設けられた空気圧力センサ１５、燃料電池スタック１の水素出口に設けられた水素圧力センサ１６、水素循環経路Ｌ５に設けられた水素温度センサ１７及び水素圧力センサ１８、燃料電池スタック１の温度を検出する燃料電池温度センサ１９を備える。また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１から負荷２に取り込まれる電力に応じた発電電圧を検出する電圧センサ２０、発電電流を検出する電流センサ２１を備える。更に、燃料電池システムは、循環水素ポンプ３の回転数を検出するための回転数センサ２２を備える。

このような燃料電池システムにおいて、システムコントローラ１２では、燃料電池スタック１を発電させているときに、水素排出経路Ｌ４や水素循環経路Ｌ５に流れる循環ガスに含まれる不純物を取り除くことを目的としてパージ弁４を開閉制御すると共に、収納パッケージ６内のガスを外部に放出するために換気ファン７を制御するパージ制御処理を行う。なお、このパージ制御処理の詳細な処理内容については後述する。

［燃料電池システムのパージ制御処理］
つぎに、上述した燃料電池システムにおいて、システムコントローラ１２によるパージ制御処理の処理手順について図２を参照して説明する。このパージ制御処理は、燃料電池スタック１や補機類からの水素漏れを想定して、十分に水素を希釈して外部放出する必要があるために換気ファン７の回転数にマージンをもたせているが、このマージン分を削減して電力を節約すると共に、パージ弁４のパージ停止時間を調整する処理である。

このパージ制御処理では、先ず、ステップＳ１において、システムコントローラ１２により、負荷２の電力不足要求が車両コントローラ１３から送られたか否かを判定することにより、駆動電力が不足しているか否かを判定する。これにより、システムコントローラ１２は、換気ファン７の消費電力を現状より低下（節約）する要求が発生したか否かを判定する。

このとき、車両コントローラ１３では、例えば、アクセル開度を検出したことによる車両の加速要求、ナビゲーション装置からの情報に基づく車両走行道路の上り坂、エアコンディショナー作動状態などの車両運転環境の変化から、負荷２に必要な駆動力を予測する。そして、車両コントローラ１３は、図示しないバッテリの充電状態及び燃料電池スタック１の発電状況から、過渡的に負荷２に供給する必要がある電力が不足するか否かを判定する。その結果、車両コントローラ１３では、過渡的に負荷２に供給する電力が不足すると判定した場合、システムコントローラ１２に不足電力量情報及び電力不足期間情報を含む電力不足要求を送る。

そして、システムコントローラ１２は、車両コントローラ１３から電力不足要求が送られた場合にはステップＳ２に処理を進め、電力不足要求が送られていない場合には処理を終了し、現在設定されている消費電力を換気ファン７に供給して駆動させる。

ステップＳ２においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ１にて送られた電力不足要求に含まれる不足電力量情報から、負荷２を駆動するために過渡的に不足する電力を認識し、現状で利用可能な換気ファン７の消費電力を決定する。

次のステップＳ３においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ１にて送られた電力不足要求に含まれる電力不足期間情報から、換気ファン７の消費電力を制限する期間を、内部メモリに記憶する変数として設定する。

次のステップＳ４においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ２にて決定した消費電力を換気ファン７に供給した場合の換気ファン７による最大流量を計算する。このとき、システムコントローラ１２は、図３に示すように、換気ファン７の消費電力と換気ファン７の回転数との関係を示すマップデータを参照して、換気ファン７の回転数を求め、更に、換気ファン７の回転数と換気ファン７の回転による換気流量との関係を示すマップデータを参照して、換気ファン７による最大流量を求める。

次のステップＳ５においては、システムコントローラ１２により、パージ弁４を開状態にした１回のパージによって、パージ弁４から収納パッケージ６内に放出可能な水素量を算出する。このとき、システムコントローラ１２は、ステップＳ４にて算出した換気ファン７の最大流量と、予め求めておいた収納パッケージ６の収容体積から、収納パッケージ６内を可燃雰囲気にしない水素流量を算出する。ここで、水素可燃範囲は４％ｖｏｌ〜７５％ｖｏｌであるが、システムコントローラ１２は、幾らか余裕を持たせて水素流量を算出しても良い。

次のステップＳ６においては、システムコントローラ１２により、前回にパージを行った後に、パージ弁４を開状態にするまでの最長時間となるパージ停止時間（最長パージ停止時間）を決定する。この最長パージ停止時間は、水素排出経路Ｌ４及び水素循環経路Ｌ５からなる水素循環系内に蓄積した窒素が、燃料電池スタック１の発電効率を著しく低下させ始める上限レベルに到達する時間によって決定される。

このとき、システムコントローラ１２は、最長パージ停止時間を決定するために、窒素蓄積量を求める演算を行う。この演算を行うとき、システムコントローラ１２は、燃料電池温度センサ１９、空気圧力センサ１５及び水素圧力センサ１６からのセンサ信号を読み込むと共に、水素流量及び空気流量、負荷２の動作データを用いて、予め設定した演算式に従った演算を行うことにより窒素蓄積量を求める。この窒素蓄積量を求める演算式は、予め実験等により得た燃料電池スタック１の温度、水素圧力及び空気圧力及び負荷２の動作履歴と、窒素蓄積量の分析結果とを用いて、単位時間に蓄積する窒素の増加度合いを示す関数を作成しておき、当該関数を積分して前回にパージを行った後の経過時間での窒素蓄積量の算出を可能とする。

具体的には、窒素蓄積量Ｆｎ（ｓ）［ｍｏｌ］を算出する演算式は、
ｓ＊Ｆｎ（ｓ）＝（ｋ−Ａ）（式１）
のように表現される。ここで、上記式１におけるｋ［ｍｏｌ／ｓ］は、図４に示すように、窒素の蓄積度合いを示す。すなわち、ｋは窒素の増加度合いを示し、ｋ１〜ｋ３によって窒素蓄積量が上限レベルにまで達するまでの時間が異なり、最長パージ停止時間が異なる。また、ｓはラプラス演算子（ｓ＝ｄ／ｄｔ）を示し、Ａはパージ弁５から排出される窒素量［ｍｏｌ／ｓｅｃ］を示す。なお、Ａはパージ弁４が閉状態となっているときには「０」になる。

上記式１において、ｋは、燃料電池スタック１の様々な運転状態によって異なる値を予め作成しておき、システムコントローラ１２から読み込み可能なメモリに記憶しておく。すなわち、図５に示すように、例えばシステムコントローラ１２の処理内容を設定するに際して、燃料電池システムにおいて窒素蓄積量に影響するパラメータ（図５（ａ））と、窒素成分測定結果データ（図５（ｂ））を求める。

ここで、窒素蓄積量に影響するパラメータ（要因）は、水素温度センサ１７にて検出するガス温度、電流センサ２１にて検出する負荷電流、空気圧力センサ１５及び水素圧力センサ１６にて検出する原料圧力、原料流量としている。そして、燃料電池システムの運転状態を変化させることにより各パラメータを変化させた場合の窒素成分測定結果を取得する。

また、燃料電池スタック１の運転状態に応じて窒素蓄積量に影響を与える要因は、水素極と空気極との窒素分圧差であって、他の要因はシステム設計組み立て時に決定される。したがって、ｋを設定するに際して、水素極と空気極との窒素分圧差影響を与える要因としては、燃料電池スタック１の動作温度、空気極圧力、水素極圧力、原料流量、負荷電流を選択している。

そして、多変量解析手法によって、ガス温度の係数ａ１、負荷電流の係数ａ２、原料圧力の係数ａ３、原料流量の係数ａ４を決定する。なお、各係数は、図５（ｂ）の窒素成分測定結果と図５（ａ）に示す各パラメータの値によって決定し、窒素の増加度合い寄与するほど高い値に設定される。このように係数を決定すると、各係数、及び運転状態ごとの図５（ａ）に示すパラメータの値を用いて、下記の式２に示すように、
ｋ＝a1＊(ガス温度)＋a2＊(負荷電流)＋a3＊(原料圧力)＋a4(原料流量) （式２）
という演算を行うことによりｋを求める。これにより、システムコントローラ１２には、燃料電池システムの運転状態ごとに複数のｋが設定され、実際に窒素蓄積量を求めるに際して使用可能となる。

また、上記式１において、Ａは、下記の式３〜式６に示すように、
Ａ＝Ｑ２＊Ｗ（式３）
Ｗ＝ｆ_ｎ／（ｆ_ｎ＋ｆ_ｈ＋ｆ_ｈ２０）（式４）
ｆ_ｈ２０＝ｒ＊Ｑ１＊（１／１８）（式５）
ｆ_ｈ＝{Q1-fn*22.4*0.001-r*Q1*0.001}*(1/22.4*0.001) （式６）
なる演算式により求める。このようなＡ［ｍｏｌ／ｓ］は、実際にパージ弁４を開閉制御するに際して、例えば所定期間ごとに演算される。ここで、式３におけるＱ２［ｍ^３］はパージ弁４の放出可能水素量であり、Ｗはモル分率である。式４におけるｆ_ｎ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］は窒素蓄積量であり、ｆ_ｈ［ｍｏｌ／ｓｅｃ］は循環させているガスの水素成分量であり、ｆ_ｈ２０［ｍｏｌ／ｓｅｃ］は循環させているガスの水分成分量である。式５及び式６におけるｒ［ｇ／ｍ^３］は循環させているガスの水蒸気量であり、Ｑ１［ｍ^３／ｓｅｃ］は循環させているガスの水素循環流量である。

このような演算式を使用して窒素蓄積量を求めるシステムコントローラ１２は、機能的な構成を図６に示すように、予め記憶したプログラムに従った処理を行うことによりバルブ開度算出部３１、窒素成分計算部３２、水素循環流量算出部３３、飽和水蒸気算出部３４、水成分計算部３５、水素成分計算部３６、モル分率計算部３７、前回値記憶部３８、窒素蓄積量算出部３９を備えて構成されている。

バルブ開度算出部３１は、ステップＳ５にて算出した１回のパージによってパージ弁４からの放出可能水素量Ｑ２を用いて、放出可能水素量Ｑ２に応じたパージ弁４の開度を算出する。ここで、バルブ開度算出部３１では、図７に示すように放出可能水素量Ｑ２に対するパージ弁４の開度を示すマップデータを予め記憶しておき、放出可能水素量Ｑ２の全てが水素であると仮定してマップデータを参照してパージ弁４の開度を求める。

また、バルブ開度算出部３１では、実際にパージ弁４から排出するガスには水素のみならず窒素や水分が含まれるので、放出可能水素量Ｑ２の全てが水素であると仮定することにより、算出した開度でパージ弁４を開放した場合に、実際に放出される水素量がステップＳ５にて算出した放出可能な水素量を超えることをなくす。また、システムコントローラ１２では、放出可能水素量Ｑ２を窒素成分計算部３２に送る。

一方、水素循環流量算出部３３では、循環水素ポンプ３の吐出圧力から、水素循環流量Ｑ１を算出して、水成分計算部３５及び水素成分計算部３６に送る。ここで、水素循環流量算出部３３では、図８に示すように、循環水素ポンプ３の吐出圧力と、循環水素ポンプ３の回転数と、水素循環流量Ｑ１との関係を示したマップデータを記憶しておく。そして、水素循環流量算出部３３では、水素圧力センサ１８からのセンサ信号、回転数センサ２２からのセンサ信号を読み込んでマップデータを参照することにより、水素循環流量Ｑ１を算出する。

これにより、システムコントローラ１２では、循環させているガス中には水素や窒素の他に水分が含まれるため、流量センサにより循環流量を測定することによる水素循環量の誤差に対して、少ない誤差にて水素循環流量Ｑ１を算出する。

また、飽和水蒸気算出部３４は、水素温度センサ１７からのセンサ信号を読み込んで、循環させているガスに含まれる水蒸気量ｒを算出して、水成分計算部３５に送る。ここで、飽和水蒸気算出部３４は、図９に示すように、水素温度に対する飽和水蒸気の変化を記述したマップデータを記憶しておき、循環させているガスの温度に応じてマップデータを参照することにより、水蒸気量ｒを求める。

水成分計算部３５は、水素循環流量Ｑ１及び水蒸気量ｒが送られると、循環させているガスの水分成分ｆｈ２０を求めて、水素成分計算部３６及びモル分率計算部３７に送る。このとき、水成分計算部３５は、水蒸気量ｒ及び水素循環流量Ｑ１を用いて、上記式５に示す演算をすることにより、水分成分ｆｈ２０を求める。

水素成分計算部３６は、水素循環流量Ｑ１、水分成分ｆｈ２０及び窒素蓄積量算出部３９からの窒素蓄積量ｆｎが送られると、循環させているガスの水素成分量ｆｈを求めて、モル分率計算部３７に送る。このとき、水素成分計算部３６は、上記式６に示す演算をすることにより、水素成分量ｆｈを求める。

モル分率計算部３７は、水分成分ｆｈ２０及び水素成分量ｆｈが送られると、水分と水素とのモル分率Ｗを求めて、窒素成分計算部３２に送る。このとき、モル分率計算部３７は、式４に示す演算をすることにより、モル分率Ｗを求める。

窒素成分計算部３２は、放出可能水素量Ｑ２及びモル分率Ｗが送られると、循環させているガスの窒素量Ａを求めて、前回値記憶部３８に送る。このとき、窒素成分計算部３２は、上記式３に示す演算を行うことにより、窒素量Ａを求める。

前回値記憶部３８では、窒素蓄積量算出部３９にて窒素量Ａを用いて窒素蓄積量ｆｎを求めるためには、窒素成分計算部３２による演算結果を使用する必要があるが、窒素蓄積量算出部３９と窒素成分計算部３２とで同時に計算を行うことができないので、窒素量Ａの前回値を記憶しておく。そして、前回値記憶部３８では、新たなモル分率Ｗが送られると、当該モル分率Ｗを窒素蓄積量算出部３９に送る。

窒素蓄積量算出部３９では、前回値記憶部３８からの窒素量Ａが送られると、当該窒素量Ａと、予め記憶しておいたｋとを用いて、窒素蓄積量ｆｎを求める。このとき、窒素蓄積量算出部３９では、燃料電池システムの運転状態に基づいて何れかのｋを選択し、式１に示す演算を行うことにより、窒素蓄積量ｆｎを求める。

このように、システムコントローラ１２では、現在の窒素蓄積量ｆｎを求めると、窒素の蓄積度合いによって窒素蓄積量ｆｎが上限レベルに達するまでの時間を求めて、最長パージ停止時間を決定する。

次のステップＳ７においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ６にて求めた最長パージ停止時間よりも短い時間を仮のパージ停止時間として設定する。

次のステップＳ８においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ７にて設定した仮のパージ停止時間によりパージを開始する窒素蓄積量のレベル（パージ開始レベル）と、パージを停止する窒素蓄積量のレベル（パージ停止窒素レベル）を決める。このとき、システムコントローラ１２は、仮のパージ停止時間が長い場合には、図１０に示すようにパージ停止時間を長くするようにパージ開始窒素レベルを高く設定してパージ弁４を開状態にする時期を遅くしたり、図１１に示すようにパージ停止窒素レベルを低く設定して窒素が蓄積するまでの時間を長くする。このようにパージ開始窒素レベル及びパージ停止窒素レベルを設定するとき、システムコントローラ１２は、上記式１に示す演算式を使用することにより窒素蓄積量ｆｎを求めながら、各窒素レベルの調整を行う。

次のステップＳ９においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ８にて設定したパージ開始窒素レベルについての余裕率を設定すると共に、パージ停止窒素レベルについての余裕率を設定する。このように余裕率を設定するのは、窒素蓄積量を設定するための上記式１等の関数に含まれる誤差を補償したり、パージ弁４の制御遅れなどを補償するためである。システムコントローラ１２は、窒素蓄積量の演算結果の誤差やパージ弁４の制御遅れなどにより、窒素蓄積量が上限レベルを超えて燃料電池スタック１の発電電圧を低下させることがないように、パージ開始窒素レベル及びパージ停止窒素レベルについての余裕率を設定する。なお、システムコントローラ１２は、余裕率の度合いについては、予め実験等により設定した値を使用する。

このとき、システムコントローラ１２は、ステップＳ７にてパージ停止時間を長く設定して、パージ開始窒素レベルを高めに設定している場合には、図１２に示すように、パージ開始窒素レベルを低くするように余裕率を再設定すると共に、パージ停止窒素レベルを低くするように余裕率を設定する。このように余裕率を設定するため、システムコントローラ１２は、図１３に示すように、パージ停止時間と余裕率との関係を記述したマップデータを予め記憶しておき、パージ停止時間が長いほど余裕率を大きくする設定をする。なお、システムコントローラ１２は、パージ停止窒素レベルが窒素蓄積量の下限レベルである場合には、パージ停止窒素レベルについての余裕率を設定しない。

また、システムコントローラ１２は、負荷２にて消費されている電力が高い場合、空気に関するストイキ比が大きい場合、水素極と空気極の圧力差が大きい場合など、水素極と空気極の窒素分圧差が拡大するような運転状態である場合には、余裕をもってパージを開始するために、パージ開始窒素レベル及びパージ停止窒素レベルに対する余裕率を大きくしてパージ開始窒素レベルを低く再設定すると共に、パージ停止窒素レベルを低く再設定する。

なお、システムコントローラ１２では、負荷２の消費電力、パージ停止時間、燃料電池スタック１の水素極と空気極との圧力差、空気極でのストイキ比の何れに基づいて余裕率を再設定しても良い。

次のステップＳ１０においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ３にて決定した換気ファン７の電力制限期間内で繰り返し行うパージ回数を算出する。このとき、システムコントローラ１２は、ステップＳ７にて設定した仮のパージ停止時間と、ステップＳ３にて決定した換気ファン７の電力制限期間からパージ回数を計算する。具体的には、システムコントローラ１２は、換気ファン７の電力制限期間が５０秒であり、仮のパージ停止時間が５秒である場合には、パージ弁４を開状態にする回数を１０回とする。

次のステップＳ１１においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ３にて決定した換気ファン７の電力制限期間内で消費する換気ファン７の電力の積算値を計算する。本例において、システムコントローラ１２は、ステップＳ２にて決定した利用可能な換気ファン７の電力の全てを使用するとして消費電力の積算値を計算する。

具体的には、システムコントローラ１２は、利用可能な換気ファン電力が１００Ｗであり、パージ回数が１０回である場合には、１００［Ｗ］＊１０＝１０００［Ｗ］なる演算を行う。また、システムコントローラ１２は、通常パージ弁４の動作遅れなどがあるため、設定したパージ時間に対して長いパージ時間となるので、１００［Ｗ］＊１０＊パージ時間＝１０００［Ｗ］＊パージ時間という演算を行うことにより、換気ファン７の消費電力の積算値を求める。なお、第１実施形態においては、システムコントローラ１２は、上記式１の窒素蓄積量を算出する演算式を使用し、演算した窒素蓄積量がパージ開始窒素レベルからパージ停止窒素レベルまで低下するまでの時間をパージ時間としている。

次のステップＳ１２においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ１１にて演算した換気ファン７の消費電力の積算値と、異なる仮のパージ停止時間によって求めた換気ファン７の消費電力の積算値とを比較して、ステップＳ１１にて演算した換気ファン７の消費電力の積算値が最小値であるか否かを判定する。なお、システムコントローラ１２は、燃料電池システムを起動した初期段階においては、以前に演算した換気ファン７の消費電力の積算値を使用する。

そして、システムコントローラ１２は、ステップＳ１１にて演算した換気ファン７の消費電力の積算値が最小値であると判定した場合にはステップＳ１３に処理を進め、ステップＳ１１にて演算した換気ファン７の消費電力の積算値が最小値でないと判定した場合には、異なる仮のパージ停止時間を設定して再度換気ファン７の消費電力の積算値を演算するためにステップＳ７に処理を戻す。これにより、システムコントローラ１２は、換気ファン７の消費電力の積算値が最小値となる仮のパージ停止時間を検索する。

ステップＳ１３においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ１２にて換気ファン７の消費電力の積算値が最小値となったときの仮のパージ停止時間を、以降の制御にて使用するパージ停止時間とし、当該パージ停止時間を示す情報をパージ弁制御器１４に出力する。

次のステップＳ１４においては、システムコントローラ１２により、パージ弁制御器１４で制御するパージ弁４の開度を決定する。ここで、システムコントローラ１２では、ステップＳ５にて１回のパージ動作で放出可能な水素量を算出しているので、パージ弁４を開状態としたときに放出される水素量が、ステップＳ５で算出した水素量を超えないようにパージ弁４の開度を制御する。なお、パージ弁４を通過するガスが全量水素であると仮定してバルブ開度算出部３１によりパージ弁４の開度を算出するので、実際には、窒素成分、水分がガス中には含まれるためステップＳ５で１回のパージにより放出可能な水素量を超えることがない。なお、このようなパージ弁４の開度制御は、ステップＳ５にて予め放出可能な水素量を求めて、当該水素量を超えないように制御するフィードフォワード制御である。

また、このステップＳ１４において、パージ弁４の下流に水素流量センサを設け、当該水素流量センサからの検出値に応じてステップＳ５で算出した水素量を超えないようにパージ弁４の開度を制御するフィードバック制御をしてもよく、パージ弁４の開度と弁通過流量との関係からパージ弁４の開度を決定しても良い。

具体的には、システムコントローラ１２は、図１４に示すようなパージ弁４の開度と弁通過流量との関係を記述したマップデータ、及び図１５に示すようなパージ弁４を開状態に保持する時間と、窒素及び水素の弁通過流量との関係を記述したマップデータを記憶しておく。そして、システムコントローラ１２では、パージ弁４を開状態にした時間を計時して図１５のマップデータを参照することによりパージ弁４を通過する窒素流量が低下し、その分パージ弁４を通過する水素流量が増えることを求めて、図１４に示すようにパージ弁４を通過する流量を次第に少なくするようにパージ弁４の開度を調整する。

更に、システムコントローラ１２では、パージ弁４の開度によって図１４のマップデータを参照して通過流量を求め、当該通過流量から上記式１により求めた窒素蓄積量を差し引いた分を水素流量として算出してパージ弁４から放出される水素流量を求めて、ステップＳ５で算出した水素量を超えないようにパージ弁４の開度を調整しても良い。すなわち、式１の演算結果は、パージ弁４を開状態にすることにより窒素蓄積量が減少する過程を示し、当該窒素蓄積量の減少分が水素成分量の増加を示すことによる。これにより、上述したようにパージ弁４の下流に水素流量センサを設ける必要をなくす。

なお、上述したステップＳ６における最長パージ停止時間を求める処理において、窒素蓄積量を求める処理は、上述した一例に限らず、下記の関数式ｆに示すように、
窒素蓄積量＝∫ｆ（水素極の窒素分圧と空気極の窒素分圧の差，透過率，セル数）
なる関数を使用しても良い。すなわち、この関数は、水素極の窒素分圧と空気極の窒素分圧の差、空気極から水素極への窒素透過率、セル数をパラメータとして窒素蓄積量を求め、当該窒素蓄積量を積算する演算式である。ここで、各窒素分圧は、燃料電池スタック１内部の全体圧力と窒素のモル分圧とを乗算することにより求められる。なお、この関数は、上記式１と比較して定義が複雑であり、計算も複雑である。

これに対し、上記式１では、実験データに基づいて予め設定した窒素蓄積度合い（ｋ）を用いた関数であって、上記関数と比較して計算量が少なくシステムコントローラ１２への実装を容易とする。

このようなパージ制御処理を行うシステムコントローラ１２によれば、図１６に示すように、５０秒を最長パージ停止時間に設定して、換気ファン７の消費電力を制限することができる期間を５０秒とした場合、ステップＳ７で仮のパージ停止時間を変更しながらステップＳ８〜ステップＳ１２の処理を行うことにより、換気ファン７の消費電力の積算値が最小となるパージ停止時間が２０秒であることを求めることができる。したがって、このシステムコントローラ１２によれば、ステップＳ１３にて２０秒ごとにパージ弁４を開状態に制御することができる。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１や負荷２の運転状態に応じて、換気ファン７の消費電力が最小となるようにパージ弁４を制御するので、例えば車両の加速時等の負荷２の駆動用電力が必要な場合に、換気ファン７の電力によって負荷２の駆動用電力が不足することを防止することができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、換気ファン７の消費電力を制限する期間内で換気ファン７の消費電力が最小になるようにパージ停止時間を決めるようにしたので、窒素蓄積量が上限を越えて燃料電池スタック１の発電効率を著しく低下させる前に確実に窒素をパージして排出すると共に、負荷２の電力が必要な場合の電力不足を防止することができる。

すなわち、この燃料電池システムによれば、図１７に示すように、上述したパージ制御処理を行うことにより、車両の運転状態に応じて換気ファン７の電力を制限する換気ファン電力制限部５１、ステップＳ３に相当する処理を行う換気ファン電力制限期間決定部５２、循環させているガスの窒素蓄積量を検出する窒素蓄積量検出部５３を構成し、これら各部５１〜５３の出力により最小のパージ停止時間を決定する換気ファン電力最小パージ停止時間決定部５４を構成することにより、上記効果を発揮させることができる。

また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電効率を低下させる窒素蓄積量の上限レベルに達するまでの最長のパージ停止時間以下のパージ停止時間を検索して設定するので、窒素蓄積量の上限レベルに達して燃料電池スタック１の発電効率を低下させることを防止することができる。

具体的には、この燃料電池システムによれば、仮のパージ停止時間を設定して当該仮のパージ停止時間に蓄積する窒素量を収納パッケージ６から排出する換気ファン７の消費電力を演算し、各仮のパージ停止時間での換気ファン７の消費電力の積算値を比較して、換気ファン７の消費電力の積算値が最小となるパージ停止時間を決定することができる。

更に、この燃料電池システムによれば、パージ停止時間に応じてパージを行う窒素蓄積レベルの目標値を設定するので、パージ停止時間を長く設定した場合にはパージを開始する窒素蓄積レベルを高めに設定して、換気ファン７の消費電力が最小になるパージ停止時間を決定することができる。また、この燃料電池システムによれば、パージを終了する時の窒素蓄積レベルを低めに設定して、換気ファン７の消費電力が最小になるパージ停止時間を決定することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、換気ファン７の消費電力に基づいて換気ファン７の換気流量を算出するので、現在の換気ファン７の消費電力で換気可能な換気流量を求めて、収納パッケージ６内が可燃雰囲気とならないような１回のパージで排出可能な水素量を算出することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、換気ファン７の消費電力を制限する期間内で繰り返すパージ回数を算出し、換気ファン７の消費電力を制限する期間内でパージに使用する換気ファン７の消費電力の積算値を算出するので、必要な換気ファン７の消費電力の積算値を求めることができる。

すなわち、この燃料電池システムによれば、図１８に示すように、上述したパージ制御処理を行うことにより、式１に関する演算を行う窒素蓄積量検出部６１、ステップＳ６に相当する処理を行う最長パージ停止時間算出部６２、仮のパージ停止時間によってステップＳ８に相当する処理を行う窒素蓄積量目標値設定部６３を構成する。また、この燃料電池システムは、ステップＳ２に相当する処理を行う換気ファン電力制限部６４、ステップＳ４に相当する処理を行う換気ファン最大流量計算部６５、ステップＳ５に相当する処理を行う排出可能水素量算出部６６を構成する。更に、この燃料電池システムは、ステップＳ３に相当する処理を行う換気ファン電力制限期間決定部６７、ステップＳ１０に相当する処理を行うパージ回数算出部６８、ステップＳ１１に相当する処理を行うファン電力積算値算出部６９、ステップＳ１２及びステップＳ１３に相当する処理を行うパージ停止時間設定部７０を構成する。これにより、燃料電池システムでは、窒素蓄積量目標値設定部６３からの出力よって、ステップＳ１４に相当する処理を行ってパージ弁開閉部７１及びパージ弁開度調整部７２を構成することができ、上述の効果を発揮させることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、パージを開始する窒素蓄積レベルの目標値に対して余裕率を設定するので、窒素蓄積量の演算に誤差がある場合や、パージ弁４の制御に遅れが発生した場合であっても、窒素蓄積量が上限レベルを超えて燃料電池スタック１の発電効率を低下させることを確実に防止することができる。また、この燃料電池システムによれば、パージを終了する時の窒素蓄積レベルに対して余裕率を設定して、当該窒素蓄積レベルを低めに設定するので、窒素蓄積量の演算に誤差があり、パージ弁４による窒素の放出が短時間で終了した場合であっても、残留窒素をなくすことができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、負荷２の消費電力が高いほど余裕率を高くし、パージ停止時間が長いほど余裕率を高くし、燃料電池スタック１の燃料極と空気極との圧力差が高いほど余裕率を高し、燃料電池スタック１の空気極でのストイキ比が高いほど余裕率を高く設定するので、空気極から水素極に向かう窒素移動量が増加する傾向にある場合に余裕率を高くして、燃料電池スタック１の発電効率の低下を防止することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、１回のパージで排出可能な水素量に基づいてパージ弁４の開度を調整するので、換気ファン７の換気能力以上の水素をパージ弁４から排出することを防止することができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、蓄積する窒素が過剰になり燃料電池スタック１の発電効率を低下させる前にパージ弁４を開状態にしてパージし、パージ弁４から余分な水素を放出する前にパージ弁４を閉状態とすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度、燃料電池スタック１に供給されるガスの圧力、燃料電池スタック１に供給されるガスの流量、負荷２の動作状態に基づいて、窒素蓄積量を演算するので、窒素センサを設置することなく窒素蓄積量を検出することができ、窒素センサの設置に伴う圧力損失の増加をなくすと共に、圧力損失を補償することによる循環水素ポンプ３の消費電力の増加をなくし、更には水素極内の水素分布の不均一化などを防止することができる。また、この燃料電池システムによれば、空気極と水素極の窒素分圧差が大きくなって空気極から水素極に移動する窒素が増加する傾向が推定される場合に、単位時間当たりに蓄積する窒素の割合を増やすように窒素蓄積量を求めることができるので、燃料電池スタック１の状態に応じて正確に窒素蓄積量を検出することができる。

［第２実施形態］
つぎに、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

この第２実施形態に係る燃料電池システムは、パージ制御処理において、換気ファン７の電力積算値を求める計算を、窒素蓄積量の過渡状態を考慮して行うことを特徴とするものである。

このパージ制御処理は、図１９に示すように、ステップＳ９の次のステップＳ２１において、システムコントローラ１２により、式１に従った演算を行うことにより過渡状態の窒素蓄積量を算出し、１回のパージで窒素と共に放出される水素量を算出する。すなわち、システムコントローラ１２は、図２０に示すように、パージ弁４を開状態にした後の各時刻（ｔ１，ｔ２，・・・）においてパージ弁４を通過する水素流量を求める。ここで、パージ弁４を通過する水素流量は、図２０に示すように、過渡的には時間とともに窒素が放出されて窒素流量は徐々に少なくなり、逆に増加する。

次のステップＳ２２においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ２１にて求めた各時刻の水素流量ごとに、当該水素流量を十分に希釈して収納パッケージ６外に放出するための換気ファン７の換気流量を計算する。これにより、システムコントローラ１２は、過度状態における各時刻における換気ファン７の換気流量を求める。なお、このステップＳ２２にて求める換気流量は、ステップＳ４における換気ファン７の最大流量よりも小さい値とされる。

次のステップＳ２３においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ２２にて求めた各時刻における換気ファン７の換気流量を実現するために必要な電力を算出して、ステップＳ１０以降の処理を行う。このとき、システムコントローラ１２は、各時刻（ｔ１，ｔ２，・・・）における換気ファン７の換気流量に応じて、図２１に示したようなマップデータを参照して、各時刻（ｔ１，ｔ２，・・・）における換気ファン７の回転数を求め、更に換気ファン７に必要な電力を各時刻（ｔ１，ｔ２，・・・）ごとに求める。

このようなパージ制御処理を行うシステムコントローラ１２では、第１実施形態ではステップＳ５にて１回のパージで放出可能な水素量を算出し、ステップＳ６にて式１を用いて窒素蓄積量を算出しているが、過渡的にはパージ弁４から窒素が放出されると窒素は時間とともに徐々に少なくなり、逆に水素が増え、これに合わせて、必要な換気流量を計算している。

また、第１実施形態では換気ファン７で利用可能な電力を最大として換気ファン７の最大流量を計算したが、この第２実施形態におけるパージ制御処理では、換気ファン７に利用可能な電力以下の範囲内で、パージ弁４から放出される水素流量の過渡変化に応じて必要な換気ファン７の電力を再計算する。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、換気ファン７で利用可能な電力の範囲内でパージ弁４から放出される水素量の過渡変化に応じて必要な換気ファン７の電力を求めることができ、過渡状態によって換気ファン７の消費電力を最小にすることができ、更に確実に負荷２の電力不足を防止することができる。

すなわち、第２実施形態におけるパージ制御処理を行うことにより、図１８の構成に加えて、図２２に示すように、ステップＳ２１に相当する処理を行う水素量推定部８１、ステップＳ２２に相当する処理を行う換気ファン流量算出部８２、ステップＳ２３に相当する処理を行うファン電力算出部８３を構成することができ、第２実施形態における効果を発揮させることができる。

［第３実施形態］
つぎに、本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

この第３実施形態に係る燃料電池システムは、パージ制御処理において、第２実施形態のように換気ファン７の換気流量を過渡的に変化させると共に、パージ弁４の開度を過渡的に制御することを特徴とするものである。

このようなパージ制御処理は、図２３に示すように、ステップＳ１４にてパージ弁４の開度を決定した後のステップＳ３１において、システムコントローラ１２により、式１の演算結果である窒素蓄積量から、パージ弁４を開状態にしたときのパージ弁通過窒素流量を推定する。

次のステップＳ３２においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ３１にて推定したパージ弁通過窒素流量が、予め設定した所定値以下か否かを判定する。そして、システムコントローラ１２は、推定したパージ弁通過窒素流量が所定値よりも小さい場合にはステップＳ３３に処理を進める。一方、パージ弁通過窒素量が所定値より低くない場合は、ステップＳ１４にて求めたパージ弁４の開度に制御する。

ステップＳ３３においては、システムコントローラ１２により、パージ弁４を開状態にしたときにパージ弁４から放出する水素量の目標値であるパージ弁通過目標水素量を設定する。このとき、システムコントローラ１２は、図２４に示すように、パージ弁４を開状態にした後の経過時間によって窒素流量が低下して、窒素流量が所定値よりも低下した時に水素を無駄に放出しないように、パージ弁４から放出する水素量に制限を加えるための目標値を設定する。これに対し、パージ弁４から排出する水素量に目標値を設けていない場合には、図２４中の破線で示すように、排出される窒素流量の増加に伴って排出される水素流量が増加することになる。

次のステップＳ３４においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ３３で設定したパージ弁通過目標水素量を超えないようにパージ弁４の開度を算出する。

次のステップＳ３５においては、システムコントローラ１２により、ステップＳ３４で算出したパージ弁４の開度から、式１によって求めた窒素蓄積量に基づいて水分成分量を求める演算をして、パージ弁通過水素量を推定して再度ステップＳ３４にてパージ弁４の開度を算出する。これにより、システムコントローラ１２では、パージ弁通過水素量をパージ弁通過目標水素量に一致させることにより、パージ弁４の開度に関してフィードバック制御を行う。

このようなパージ制御処理を行うシステムコントローラ１２は、窒素蓄積量に基づいてパージ弁４の開度を制御する機能的な構成を図２５に示す。すなわち、このシステムコントローラ１２では、バルブ開度算出部３１によりパージ弁４の開度を決定した後に窒素蓄積量算出部３９により式１の演算を行い、更には水素成分計算部３６にて演算した水分成分量によって、開度制御部４１にてパージ弁通過窒素流量を推定する。そして、システムコントローラ１２では、推定したパージ弁通過窒素流量が所定値よりも小さい場合にはパージ弁通過目標水素量を設定して、開度制御部４１によりパージ弁４の開度を算出して、バルブ開度算出部４２によってパージ弁４の開度を制御する。

［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、パージ弁４から放出される水素量の過渡変化に応じてパージ弁４の開度をフィードバック制御して変化させるので、パージ弁４を通過する窒素が減少して、排出される水素量が増えたときに、無駄な水素を放出することを抑制することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムのパージ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。換気ファンの消費電力と、換気ファンの回転数と、換気ファンの換気流量との関係を示す図である。窒素蓄積量の増加度合いと、最長のパージ停止時間との関係を説明するための図である。窒素蓄積量を演算するに際して使用する窒素の増加度合いを示す係数の設定について説明するための図である。本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、窒素蓄積量を演算するシステムコントローラの機能的な構成を示すブロック図である。パージ弁の開度と、パージ弁から放出可能な水素量との関係を示す図である。水素循環流量と、循環水素ポンプの吐出圧力と、循環水素ポンプの回転数との関係を示す図である。水素温度と、飽和水蒸気との関係を示す図である。パージ弁を開閉した場合の窒素蓄積量の変化を示す図である。パージ弁を開閉した場合の窒素蓄積量の変化を示す他の図である。パージ弁を開閉した場合の窒素蓄積量の変化を示す更に他の図である。パージ停止時間と余裕率との関係を示す図である。パージ弁の開度と、パージ弁を通過する流量との関係を示す図である。パージ弁を開状態にする時間と、パージ弁から排出される水素流量及びパージ弁から排出する窒素流量との関係を示す図である。換気ファン電力が利用できる期間及びパージ停止時間から、換気ファンの消費電力の積算値を計算した結果を示す図である。本発明を適用した第１実施形態におけるシステムコントローラの機能的な構成を示すブロック図である。本発明を適用した第１実施形態におけるシステムコントローラの他の機能的な構成を示すブロック図である。本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムのパージ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。パージ弁を開状態にしたときに、パージ弁から排出される水素流量の過渡的な変化を示す図である。パージ弁から排出される水素流量の過渡的な変化に対する、換気ファンの換気流量、換気ファンの回転数、換気ファンの消費電力を示す図である。本発明を適用した第２実施形態におけるシステムコントローラの機能的な構成を示すブロック図である。本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムのパージ制御処理の処理手順を示すフローチャートである。パージ弁を開状態にしたときに、パージ弁から排出される窒素流量、排出する水素流量の目標値、排出する水素流量について目標値を設けない場合に排出される水素流量を示す図である。本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、窒素蓄積量を演算するシステムコントローラの機能的な構成を示すブロック図である。

符号の説明

１燃料電池スタック
２負荷
３循環水素ポンプ
４パージ弁
５パージ弁用アクチュエータ
６収納パッケージ
７換気ファン
８空気供給装置
９水素供給装置
１０水素供給バルブ
１１水素供給用アクチュエータ
１２システムコントローラ
１３車両コントローラ
１４パージ弁制御器
１５空気圧力センサ
１６水素圧力センサ
１７水素温度センサ
１８水素圧力センサ
１９燃料電池温度センサ
２０電圧センサ
２１電流センサ
２２回転数センサ
３１バルブ開度算出部
３２窒素成分計算部
３３水素循環流量算出部
３４飽和水蒸気算出部
３５水成分計算部
３６水素成分計算部
３７モル分率計算部
３８前回値記憶部
３９窒素蓄積量算出部
４１開度制御部
４２バルブ開度算出部
５１，６４換気ファン電力制限部
５２，６７換気ファン電力制限期間決定部
５３，６１窒素蓄積量検出部
６２最長パージ停止時間算出部
６３窒素蓄積量目標値設定部
６５換気ファン最大流量計算部
６６排出可能水素量算出部
６８パージ回数算出部
６９ファン電力積算値算出部
７０パージ停止時間設定部
７１パージ弁開閉部
７２パージ弁開度調整部
８１水素量推定部
８２換気ファン流量算出部
８３ファン電力算出部

Claims

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する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池に循環させる燃料循環経路を有する燃料循環手段と、
少なくとも前記燃料電池を発電させるための補機類を収納する筐体と、
前記燃料循環経路内のガスを前記筐体内に排出するパージ弁を有するガス排出手段と、
前記筐体内のガスを前記筐体外に放出する換気ファンとを有する燃料電池システムを制御する燃料電池システムの制御装置において、
前記燃料電池の発電電力を消費する負荷の運転状態に応じて、前記換気ファンの利用可能電力を設定する利用可能電力設定手段と、
前記利用可能電力設定手段により設定された利用可能電力に基づいて、前記換気ファンが消費する電力を制限する期間を設定する消費電力制限期間設定手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて、前記燃料循環経路の窒素蓄積量を演算する窒素蓄積量演算手段と、
前記消費電力制限期間設定手段により設定された前記換気ファンが消費する電力を制限する期間内であって前記窒素蓄積量演算手段により演算された窒素蓄積量が所定のレベルとなり前記パージ弁を開状態にするまでの間隔であるパージ停止時間を、前記換気ファンの消費電力が最小になるように決定するパージ停止時間決定手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
前記パージ停止時間決定手段は、前記窒素蓄積量演算手段により演算された窒素蓄積量に基づいて、前記燃料循環経路の窒素蓄積量が上限レベルに到達するまでの最長のパージ停止時間を算出し、当該最長のパージ停止時間以下であって前記換気ファンの消費電力が最小となるパージ停止時間を設定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の制御装置。
前記パージ停止時間決定手段は、前記最長のパージ停止時間以下の異なる複数のパージ停止時間を仮に設定し、当該仮に設定した各パージ停止時間ごとに、前記換気ファンが消費する電力を制限する期間内における前記換気ファンの消費電力の積算値を演算して比較し、前記換気ファンの消費電力の積算値が最小となるパージ停止時間を設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記パージ停止時間決定手段は、
前記利用可能電力設定手段により設定された利用可能電力によって前記換気ファンを駆動させた場合の前記換気ファンの最大流量を演算する最大流量演算手段と、
前記最大流量演算手段により演算された前記換気ファンの最大流量に基づいて、前記パージ弁が１回に排出可能な水素量を算出する排出水素量算出手段と、
前記仮に設定したパージ停止時間ごとに、前記窒素蓄積量演算手段により演算された窒素蓄積量に基づいてパージを開始する窒素蓄積レベルであるパージ開始目標値を設定するパージ開始目標値設定手段と、
前記仮に設定したパージ停止時間ごとに、前記消費電力制限期間設定手段により設定された期間内に、前記排出水素量算出手段により算出した水素量に応じたパージ弁開度で前記パージ弁を開状態とするパージ回数を算出するパージ回数算出手段と、
前記パージ回数算出手段により算出されたパージ回数に基づいて、前記消費電力制限期間設定手段により設定された期間内に使用される前記換気ファンの消費電力の積算値を、前記仮に設定したパージ停止時間ごとに算出する消費電力積算値算出手段とを備え、
前記消費電力積算値算出手段により算出された前記仮に設定したパージ停止時間ごとの前記換気ファンの消費電力の積算値を比較し、前記換気ファンの消費電力の積算値が最小となるパージ停止時間を設定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の制御装置。
前記パージ開始目標値設定手段は、前記燃料電池の運転状態に応じて、前記パージ開始目標値を低くする度合いを示す余裕率を設定する余裕率設定手段を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記余裕率設定手段は、前記負荷に消費される電力が高いほど余裕率を高く設定する処理、前記パージ停止時間が長いほど余裕率を高く設定する処理、前記燃料電池の燃料極と空気極との圧力差が高いほど余裕率を高く設定する処理、前記燃料電池の空気極でのストイキ比が高いほど余裕率を高く設定する処理の何れかの処理を行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記パージ開始目標値となった場合に、前記排出水素量算出手段により算出した水素量に応じた前記パージ弁の開度で前記パージ弁を開状態とするパージ弁制御手段を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記窒素蓄積量演算手段は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池に供給されるガスの圧力、前記燃料電池に供給されるガスの流量、前記負荷の動作状態に基づいて、窒素蓄積量を演算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の制御装置。
前記パージ停止時間決定手段は、前記パージ弁を開状態にしたときに前記パージ弁を通過する水素流量の過渡変化を演算し、当該水素流量の過渡変化によって必要な前記換気ファンの消費電力の過渡変化を演算し、当該前記換気ファンの消費電力の過渡変化の積算値を演算して、前記換気ファンの消費電力の過渡変化の積算値が最小となるパージ停止時間を決定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の制御装置。
前記パージ停止時間決定手段は、
前記利用可能電力設定手段により設定された利用可能電力によって前記換気ファンを駆動させた場合の前記換気ファンの最大流量を演算する最大流量演算手段と、
前記最大流量演算手段により演算された前記換気ファンの最大流量に基づいて、前記パージ弁が１回に排出可能な水素量を算出する排出水素量算出手段と、
前記仮に設定したパージ停止時間ごとに、前記窒素蓄積量演算手段により演算された窒素蓄積量に基づいてパージを開始する窒素蓄積レベルであるパージ開始目標値を設定するパージ開始目標値設定手段と、
前記仮に設定したパージ停止時間ごとに、前記消費電力制限期間設定手段により設定された期間内に、前記排出水素量算出手段により算出した水素量に応じたパージ弁開度で前記パージ弁を開状態とするパージ回数を算出するパージ回数算出手段と、
前記仮に設定したパージ停止時間ごとに、前記窒素蓄積量演算手段により演算された過渡状態の窒素蓄積量を算出し、１回のパージで放出される複数の時刻に亘る水素量を推定する水素量過渡状態推定手段と、
前記水素量過渡状態推定手段により演算された前記複数の時刻に亘る各水素流量ごとに、前記換気ファンの換気流量を演算する換気流量過渡状態演算手段と、
前記換気流量過渡状態演算手段により演算された前記複数の時刻に亘る換気ファンの換気流量ごとに、当該各換気流量を実現するために必要な電力を演算し、当該演算した電力の積算値を前記仮に設定したパージ停止時間ごとに演算する電力演算手段とを備え、
前記電力演算手段により演算した前記仮に設定したパージ停止時間ごとの電力の積算値を比較し、前記換気ファンの消費電力の積算値が最小となるパージ停止時間を設定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の制御装置。
前記パージ弁制御手段は、
前記窒素蓄積量演算手段により演算された窒素蓄積量に基づいて、前記パージ弁から排出される窒素量を推定するパージ弁通過窒素量推定手段と、
前記パージ弁通過窒素量推定手段により推定された窒素量に基づいて、前記パージ弁から排出される水素量の目標値を設定するパージ弁通過水素量目標値設定手段と、
前記パージ弁通過窒素量推定手段により推定された窒素量に基づいて、前記パージ弁から排出される水素量を推定するパージ弁通過水素量推定手段とを備え、
前記パージ弁通過水素量推定手段により推定された水素量を、前記パージ弁通過水素量目標値設定手段により設定された目標値に一致させるように前記パージ弁の開度を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御装置。