JP2006079891A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システムの起動時にセルに導入される水素の流量を最適化し、電池性能の劣化を防止することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池システムの起動時発電前に、可変バルブ１０４を所定開度で開き、所定時間経過後に水素圧力センサ１０９で検出された燃料電池スタック１０１に供給された水素の圧力に基づいて、燃料電池スタック１０１ならびに水素流路における水素の濃度をコントローラ１１０で推定し、推定された水素の濃度に基づいて、可変バルブ１０４の開度をコントローラ１１０で調整し、予め設定された所望の水素流量Ｑで水素を燃料電池スタック１０１に供給して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、システムの起動時に燃料電池に水素のみを供給して発生する電力を負荷で消費し、カソード極の酸素を消費させる燃料電池システムに関する。

燃料電池車両は、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、もしくはメタノール等の炭化水素系の燃料を改質し、水素貯蔵装置から供給された水素又は改質により得られた水素と酸素を含む大気とを燃料電池に送り込み反応させて発電を行い、燃料電池から取り出された電気エネルギで電気モータを動作させ、この電気モータで駆動輪を駆動して走行する車両である。

このように、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気との反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池を起動する際に、水素と酸素が定常的に燃料電池に送り込まれてから燃料電池に負荷が接続されるまでの間は燃料電池は無負荷状態となる。これにより、燃料電池のセルは高電位に晒され、カソード極側の触媒の特性が低下することが従来より知られている。

また、水素と酸素の流通と同時に燃料電池に負荷を接続するようにすれば、燃料電池のセルが高電位に晒されることは防止できる。一方、各セルで水素の流通距離が異なることにより各セルに水素が到達するまでの時間に差が生じ、水素が到達したセルと未だ到達していないセルとが生じる。このため、水素と酸素の流通と同時に燃料電池に負荷を接続
した場合に、水素が未だ到達していないセルでは、アノード極の腐食が発生することになる。

このような不具合に対して、以下に示す特許文献１に記載されている技術では、燃料電池に水素を供給して発生した電圧が上限値を越えた時に燃料電池に負荷を接続することで、燃料電池が無負荷状態で高電位とならないように制御し、水素が全セルに行き渡ったところで酸化剤の空気を供給するようにしている。これにより、燃料電池のセルに水素が到達していない状態で負荷電流が流れることは回避され、燃料極の腐食は防止される。また、燃料電池に空気を導入すると同時に負荷電流が流れるので、カソード極が無負荷状態の高電位に晒されることは回避される。
特開平１０−１４４３３４号公報

以上説明したように、文献１に記載された従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止中にアノード極に空気が混入することが考慮されていない。

燃料電池車両に搭載された燃料電池は、停止中に水素排出口に設置されたパージ弁を開放状態にしているのが一般的である。このため、燃料電池の停止中に、開放状態のパージ弁を介して燃料電池内に空気が入り込み、アノード極に残留する水素が徐々に空気と置き換わることになる。

これにより、燃料電池を起動する際に、同じ一定の圧力で水素を燃料電池に供給した場合であっても、アノード極の水素がどの程度空気に置換されているかによってアノード極に流れる水素の流量に違いが生じてしまう。アノード極に供給される水素の流量が予め設定された規定の値よりも多い場合には、燃料電池の電圧が急激に立ち上がる。このため、燃料電池に接続される負荷では、燃料電池で発生した電力を消費しきれずにセルが高電位に晒され、電池性能が劣化するという問題があった。

逆に、アノード極に供給される水素の流量が規定の値よりも少ない場合には、水素が各セルになかなか行き渡らず、水素が各セルに供給されるまでに時間がかかるおそれがあった。このため、燃料電池の起動時に水素のみを供給して発生した電力を燃料電池に接続された負荷に与える際に、水素が全セルに行き渡る前に燃料電池に接続された負荷を燃料電池から切り離してしまうおそれがあった。このため、水素が到達していないセルでアノード極が腐食し、電池性能が劣化するという問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの起動時にセルに導入される水素の流量を最適化し、電池性能の劣化を防止した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を弁開度に基づいて調整制御する調整弁と、前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料電池外に排気する排気手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池内、ならびに燃料ガスが前記調整弁から前記燃料電池を介して前記排気手段に流通する流通路における燃料ガスの濃度を推定する推定手段と、前記推定手段で推定された燃料ガスの濃度に基づいて、前記調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを前記燃料電池に供給制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、システムの起動時発電前に、燃料電池ならびに燃料ガスの流通路における燃料ガスの濃度を推定し、推定された燃料ガスの濃度に基づいて燃料ガスを供給するようにしたので、所望の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池における急激な電圧上昇等が回避され、電池性能の劣化を防止することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池スタック１０１、コンプレッサ１０２、スロットル１０３、可変バルブ１０４、イジェクタ１０５、パージ弁１０６、電力取り出し装置１０７、循環流路１０８、水素圧力センサ１０９、ならびにコントローラ１１０を備えて構成されている。

燃料電池スタック１０１は、カソード極１０１ａに供給された酸化剤ガスの空気と、アノード極１０１ｂに供給された燃料ガスの水素とを化学反応させて発電を行い、発電によって得られた電力は、電力取り出し装置１０７によって取り出され、システムに接続された負荷に供給される。

コンプレッサ１０２は、燃料電池スタック１０１の空気供給側の流路に設けられ、空気を圧縮し、燃料電池スタック１０１のカソード極１０１ａに供給される空気の流量を制御し、流量が制御された空気を燃料電池スタック１０１のカソード極１０１ａに供給する。

スロットル１０３は、燃料電池スタック１０１の空気排気側の流路に設けられ、燃料電池スタック１０１から排出された空気の圧力を制御し、圧力制御された空気を外部に排気する。

可変バルブ１０４は、燃料電池スタック１０１の水素供給側の流路に設けられ、水素タンク（図示せず）に貯蔵された高圧の水素を調圧制御して、水素の流量を制御し、流量が制御された水素を燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂに供給する。可変バルブ１０４は、燃料電池スタック１０１に供給される水素の流量を調整制御する調整弁として機能する
イジェクタ１０５は、可変バルブと１０４と燃料電池スタック１０１の水素入口との間に設けられ、燃料電池スタック１０１から排出された未使用の水素を再利用するために、燃料電池スタック１０１の水素出口とイジェクタ１０５とを連結する循環流路１０８を介して燃料電池スタック１０１の水素供給側へ未使用の水素を還流する。

パージ弁１０６は、開状態で燃料電池スタック１０１から排出された未使用の水素を燃料電池スタック１０１の外部に排気する一方、閉状態で燃料電池スタック１０１から排出された未使用の水素を循環流路１０８に導く。

電力取り出し装置１０７は、コントローラ１１０から与えられる指令に基づいて、燃料電池スタック１０１の発電により得られた電力を燃料電池スタック１０１から取り出して管理し、取り出した電力を燃料電池システムに接続された負荷に供給制御する。

水素圧力センサ１０９は、イジェクタ１０５と燃料電池スタック１０１の水素入口との間に設けられ、燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂに供給される水素の圧力を検出し、検出した水素圧力をコントローラ１１０に与える。

コントローラ１１０は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ１１０は、水素圧力センサ１０９を含む本システムにおける各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、コンプレッサ１０２、スロットル１０３、可変バルブ１０４、パージ弁１０６、電力取り出し装置１０７を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する本システムの起動時の水素供給動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。このようなコントローラ１１０は、図２に示すように構成される。

図２において、コントローラ１１０は、水素濃度演算部２０１、可変バルブ制御部２０２、目標圧力演算部２０３、可変バルブ開度演算部２０４、目標取り出し電力演算部２０５、電力取り出し制御部２０６を備えて構成され、燃料電池スタック１０１ならびに水素流路の水素濃度を推定する推定手段、ならびに可変バルブ１０４の開度を調整制御して、燃料電池スタック１０１に供給される水素の流量を制御する制御手段として機能する。

水素濃度演算部２０１は、コントローラ１１０に燃料電池システムの起動が指令されると、可変バルブ制御部２０２に可変バルブ１０４の初期開度として所定開度Ａｓを与える。水素濃度演算部２０１は、可変バルブ制御部２０２に所定開度Ａｓを指令し、可変バルブ１０４の開度が所定開度Ａｓに調整制御された後、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力を入力し、この水素圧力に基づいて燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂならびに循環流路１０８の水素濃度を演算して推定し、得られた水素濃度を目標圧力演算部２０３に与える。

可変バルブ制御部２０２は、水素濃度演算部２０１から与えられた所定開度Ａｓと、可変バルブ開度演算部２０４から与えられた目標開度を入力し、この所定開度Ａｓならびに目標開度に基づいて可変バルブ１０４の開度を調整制御する。すなわち、可変バルブ制御部２０２は、所定開度Ａｓが入力されると、可変バルブ１０４をこの所定開度Ａｓに調整制御し、その後目標開度が入力されると、可変バルブ１０４をこの目標開度に調整制御する。

目標圧力演算部２０３は、水素濃度演算部２０１で演算された水素濃度を入力し、この水素濃度に基づいて、燃料電池システムを起動する際に燃料電池スタック１０１を劣化させないようにするために燃料電池スタック１０１に供給する水素の水素流量Ｑを実現する目標水素圧力を演算する。ここで、システムの起動時に酸化剤の空気が燃料電池スタック１０１に供給されて発電が開始される前に、酸化剤の空気をカソード極１０１ａに供給せずに水素のみをアノード極１０１ｂに供給した際に燃料電池スタック１０１を劣化させない水素流量Ｑは、実験や机上検討等により予め決定される。目標圧力演算部２０３は、演算で得られた目標水素圧力を可変バルブ開度演算部２０４に与える。

可変バルブ開度演算部２０４は、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力と、目標圧力演算部２０３で演算された目標水素圧力を入力し、この水素圧力と目標水素圧力とに基づいて、検出された水素圧力を目標水素圧力にする可変バルブ１０４の目標開度を演算する。可変バルブ開度演算部２０４は、演算で得られた目標開度を可変バルブ制御部２０２に与える。

目標取り出し電力演算部２０５は、燃料電池スタック１０１から取り出す電力を演算し、演算で得られた目標取り出し電力は電力取り出し制御部２０６に与えられる。

電力取り出し制御部２０６は、目標取り出し電力演算部２０５から与えられた目標取り出し電力を入力し、この目標取り出し電力を燃料電池スタック１０１から取り出すべく指令を電力取り出し装置１０７に与える。

また、図２には図示していないが、コントローラ１１０は、パージ弁１０６の開閉を制御するパージ弁制御部、コンプレッサ１０２の作動を制御するコンプレッサ制御部、ならびにスロットル１０３の作動を制御するスロットル制御部を備えている。本システムの起動時発電前には、パージ弁制御部は、パージ弁１０６に開弁指令を与えてパージ弁を開放状態とし、コンプレッサ制御部は、コンプレッサ１０２に停止指令を与えてコンプレッサ１０２を停止させ、スロットル制御部は、スロットル１０３に停止指令を与えてスロットル１０３を停止させる。

コントローラ１１０は、図３に示すフローチャートの手順にしたがって、システムの起動時発電前に燃料電池スタック１０１に供給される水素の供給量を水素流量Ｑとすべくシステムを制御している。なお、図３に示す処理は、所定の周期毎、例えば１０［ｍｓｅｃ］毎に行われるものとする。

図３において、システムの起動が開始されると、先ずコントローラ１１０からの指令に基づいて、パージ弁１０６を開放し、コンプレッサ１０２ならびにスロットル１０３を停止し、可変バルブ１０４を所定開度Ａｓに開放し、燃料電池スタック１０１のカソード極１０１ａに空気を供給せず、所定開度Ａｓの可変バルブ１０４を介して水素を燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂに供給する（ステップＳ３０１）。なお、可変バルブ１０４の所定開度Ａｓの決め方は後述する。

続いて、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力Ｐｈをコントローラ１１０に読み込む（ステップＳ３０２）。その後、システムの起動開始からの時間が所定時間Ｔｔｈを経過しているか否かを判別する（ステップＳ３０３）。判別の結果、起動開始からの時間が所定時間Ｔｔｈを経過していない場合には、処理のルーチンを終了する一方、経過している場合には、水素濃度を演算する（ステップＳ３０４）。なお、所定時間Ｔｔｈの決め方は後述する。

水素濃度は、実験や机上検討等により予め求めた、可変バルブ１０４の開度を所定開度Ａｓに設定し、燃料電池スタック１０１に水素を供給した後所定時間Ｔｔｈが経過した時の水素圧力と水素濃度との図４に示すような特性に基づいて、ステップＳ３０２で検出した水素圧力Ｐｈを用いて水素濃度演算部２０１で演算する。水素濃度の演算が終了すると、実験や机上検討等により求めた、水素流量Ｑを実現するための水素濃度と水素圧力との図５に示すような特性に基づいて、目標圧力演算部２０３で水素濃度演算部２０１の演算で得られた水素濃度に対応した目標水素圧力を演算する。目標水素圧力の演算が終了すると、ステップＳ３０２で検出した水素圧力Ｐｈを目標水素圧力にすべく、可変バルブの開度と水素圧力との関係を示すマップ、テーブルもしくは演算式等に基づいて、検出された水素圧力Ｐｈと目標水素圧力を用いて可変バルブ開度演算部２０４で可変バルブ１０４の目標開度を演算する（ステップＳ３０５）。

続いて、演算で得られた可変バルブ１０４の目標開度を可変バルブ制御部２０２に与え、可変バルブ１０４の開度がこの目標開度となるように可変バルブ制御部２０２は可変バルブ１０４に指令を与えて開度を調整制御し、一連の処理ルーチンを終了する。

次に、可変バルブ１０４の所定開度Ａｓと、所定開度Ａｓの可変バルブ１０４を介して水素を供給する所定時間Ｔｔｈとの決め方について説明する。

図６は燃料電池システムが停止状態から可変バルブ１０４を所定開度Ａｓに開いて水素を供給した時の水素圧力Ｐｈの変化を示した図である。図６において、燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂと循環流路１０８（以後、両者を併せて水素流路と記述する）が空気で満たされている場合は、水素圧力は時間の経過と共に図６の（１）に示すような特性で変化するのに対して、水素流路が水素で満たされている場合には、同図の（２）に示すような特性で変化する。

所定開度Ａｓの可変バルブ１０４から流入する水素は、水素流路を満たしている気体を押し出し、燃料電池スタック１０１を通過して開放状態のパージ弁１０６から排出させる。排出される気体は、パージ弁１０６の絞り（開度）に応じて圧損が発生し、水素流路の圧力、つまり水素圧力Ｐｈが上昇する。このときに水素流路を満たしている気体が水素よりも重い空気を含む割合が多ければ多いほど、図６に示すように、水素圧力の上昇率が大きくなる一方、水素を含む割合が多ければ多いほど水素圧力の上昇率は小さくなるという特性がある。

本発明は、このような特性を利用して、図６の所定時間Ｔｔｈにおける図４に示すような水素圧力と水素濃度との関係を求め、水素流路の水素濃度を演算し、水素濃度から所望の水素流量Ｑを燃料電池スタック１０１に供給するための目標水素圧力を求めている。このように、水素流路の水素と空気の割合を考慮して水素流量を求めているので、燃料電池スタック１０１の劣化を引き起こすことのない所望の水素流量Ｑを確実に燃料電池スタック１０１に供給することが可能となる。

以上説明したことから、可変バルブ１０４の所定開度Ａｓは、図６に示すように、水素流路を満たす気体の割合がどの程度であるのかが判別できるだけの圧力上昇差を生じるに十分で、かつなるべく小さい開度に設定する。一方、所定時間Ｔｔｈは、長ければ長いほど水素濃度の演算精度を高めることができるが、あまり長いとアノード極１０１ｂの電解質膜に水素が到達してしまうことになる。したがって、可変バルブ１０４を所定開度Ａｓに開いた時に、アノード極１０１ｂの電解質膜に水素が到達するまでの最大時間Ｔｍａｘを予め実験や机上検討等を行って求め、最大時間Ｔｍａｘ以内になるように所定時間Ｔｔｈを設定する。

なお、実施例１では、所定時間Ｔｔｈ経過後に水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力Ｐｈを用いて水素濃度を演算したが、水素圧力Ｐｈの微分値を求め、この微分値を用いて水素濃度を演算するようにしてもよい。

以上説明したように、上記実施例１では、燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂならびに循環流路１０８の水素流路の水素濃度を推定し、推定した水素濃度に基づいて、燃料電池スタック１０１に供給する水素の流量を決定しているので、システムの起動時に水素のみを供給して発生する電力を負荷で消費してカソード極１０１ａの酸素を消費させる際に、予め設定した所望の水素流量Ｑを精度よく供給することが可能となる。これにより、燃料電池スタック１０１の電圧が急激に立ち上がってシステムに接続される負荷では消費しきれずにセルが高電位になったり、逆に水素が全セルに行き渡る前にシステムから負荷を切り離したりしまうことを回避することができ、電池性能の劣化を防止することができる。

また、水素流路の水素濃度を推定するために使用するアクチュエータやセンサは、すべてシステムの運転制御に必要となるものを利用しているので、水素濃度を推定するための特殊なデバイスを追加装備することなく実現することができる。これにより、構成の大型化、ならびに複雑化を回避することができる。

さらに、発電前に供給される水素は、そのまま発電に必要となるものであり、無駄なエネルギを浪費することなく、水素濃度の推定を行うことができる。

次に、本発明の実施例２を説明する。この実施例２の特徴とするところは、先の第１の実施例１に比べて、可変バルブ１０４を所定開度Ａｓに開いて水素を燃料電池スタック１０１に供給した後、水素圧力が所定の圧力以上になったときに水素濃度を演算して推定するようにしたことにあり、他は実施例１と同様である。したがって、実施例２のシステム構成は、図１と同様であり、コントローラ１１０の処理手順では、図７のフローチャートに示すように、図３に示す実施例１の処理手順に比べて、図１のステップＳ３０３，Ｓ３０４に代えてステップＳ７０３，Ｓ７０４を実行している。

図７において、図３に示すステップＳ３０１、Ｓ３０２の処理を実行した後、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力Ｐｈが予め設定された所定の水素圧力Ｐｔｈを超えているか否かを判別する（ステップＳ７０３）。判別の結果、水素圧力Ｐｈが水素圧力Ｐｔｈを超えていない場合は、処理を終了する一方、越えている場合には、水素濃度を演算する（ステップＳ７０４）。なお、所定の水素圧力Ｐｔｈは、図６の（２）で示す、水素流路が水素で満たされている場合であっても超える値で、かつ前述した最大時間Ｔｍａｘ以内に超えることのできる値を設定する。

水素濃度は、実験や机上検討等により予め求めた、可変バルブ１０４の開度を所定開度Ａｓに設定し、燃料電池スタック１０１に水素を供給した後の経過時間と水素濃度との図８に示すような特性に基づいて、可変バルブ１０４を所定開度Ａｓに開いた後の予め設定された経過時間Ｔｃを用いて水素濃度演算部２０１で演算する。その後は、先の実施例１と同様である。

このような実施例２においても、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例３の特徴とするところは、システム起動時発電前に供給される水素の水素圧力Ｐｈが、予め設定された所定目標水素圧力Ｐｓ±制御誤差Ｐｅｒ以内に収束した際の可変バルブ１０４の開度に基づいて水素濃度を演算するようにしたことにある。システムの基本的な構成は、先の実施例１と同様であるが、コントローラ１１０は、図９に示すように構成されている。

図９において、コントローラ１１０は、水素濃度演算部９０１、可変バルブ制御部９０２、目標圧力演算部９０３、可変バルブ開度演算部９０４、ならびに先の図２に示す同符号のものと同一の目標取り出し電力演算部２０５、電力取り出し制御部２０６を備えて構成されている。さらにコントローラ１１０は、図示していないが先の実施例１と同様のパージ弁制御部、コンプレッサ制御部ならびにスロットル制御部を備えている。

水素濃度演算部９０１は、コントローラ１１０に燃料電池システムの起動が指令されると、可変バルブ開度演算部９０４に予め設定された所定目標水素圧力Ｐｓを指令する。また、水素濃度演算部９０１は、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力と、可変バルブ開度演算部９０４で演算された可変バルブ１０４の目標開度を入力し、水素圧力が所定目標水素圧力Ｐｓに到達すると、その時の可変バルブ１０４の目標開度に基づいて、アノード極１０１ｂと循環流路１０８との水素流路の水素濃度を演算して推定する。得られた水素濃度は、目標圧力演算部９０３に与えられる。

可変バルブ制御部９０２は、可変バルブ開度演算部９０４で演算された可変バルブ１０４の目標開度を入力し、可変バルブ１０４の開度が目標開度となるように調整制御する。

目標圧力演算部９０３は、水素濃度演算部９０１で演算された水素濃度を入力し、先の実施例１と同様の水素流量Ｑを実現する目標水素圧力を先の実施例１と同様にして演算し、演算した目標水素圧力を可変バルブ開度演算部９０４に与える。

可変バルブ開度演算部９０４は、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力と、水素濃度演算部９０１から与えられた所定目標水素圧力Ｐｓと、目標圧力演算部９０３で演算された目標水素圧力とを入力し、先ず水素圧力が所定目標水素圧力Ｐｓとなる可変バルブ１０４の目標開度を先の実施例１と同様な手法で演算し、演算した目標開度を可変バルブ制御部９０２ならびに水素濃度演算部９０１に与える。また、可変バルブ開度演算部９０４は、水素濃度演算部９０１で水素濃度が演算された後、目標水素圧力が目標圧力演算部９０３から与えられると、水素圧力がこの目標水素圧力となる可変バルブ１０４の目標開度を演算し、演算した目標開度を可変バルブ制御部９０２ならびに水素濃度演算部９０１に与える。

コントローラ１１０は、図１０に示すフローチャートの手順にしたがって、システムの起動時発電前に燃料電池スタック１０１に供給される水素の供給量を水素流量Ｑとすべくシステムを制御している。なお、図１０に示す処理は、所定の周期毎、例えば１０［ｍｓｅｃ］毎に行われるものとする。

図１０において、システムの起動が開始されると、先ずコントローラ１１０からの指令に基づいて、パージ弁１０６を開放し、コンプレッサ１０２ならびにスロットル１０３を停止し、可変バルブ１０４を開弁し、燃料電池スタック１０１のカソード極１０１ａに空気を供給せず、可変バルブ１０４を介して水素を燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂに供給する（ステップＳ１００１）。

その後、水素圧力センサ１０９で検出された水素圧力Ｐｈをコントローラ１１０に読み込む（ステップＳ１００２）。続いて、検出された水素圧力Ｐｈが所定目標水素圧力Ｐｓとなる可変バルブ１０４の目標開度を可変バルブ開度演算部９０４で演算する（ステップＳ１００３）。

なお、所定目標水素圧力Ｐｓは、可変バルブ１０４の開度許容範囲を考慮し、アノード極１０１ｂと循環流路１０８との水素流路が空気で満ちている場合、もしくは水素で満ちている場合であっても実現可能な圧力で、かつ水素濃度の演算が終了する前にアノード極１０１ｂの電解質膜へ水素が到達しないような圧力に設定する。

次に、可変バルブ１０４が目標開度に調整制御された後、水素圧力Ｐｈが所定目標水素圧力Ｐｓ±制御誤差Ｐｅｒ以内に収まっているか否かを判別する（ステップＳ１００４）。判別の結果、水素圧力Ｐｈが範囲内に収まっていない場合には、処理のルーチンを終了する一方、収まっている場合には、水素濃度演算部９０１で水素濃度を演算する（ステップＳ１００５）。

なお、制御誤差Ｐｅｒは、予め実験や机上検討等によって、水素圧力が十分に目標値に収束したと判断できる値として設定される。

水素濃度は、予め実験や机上検討等により求められた、水素圧力Ｐｈにおける可変バルブ１０４の開度と水素濃度との図１１に示すような特性に基づいて、可変バルブ開度演算部９０４で演算された可変バルブ１０４の開度を用いて演算する。水素濃度の演算が終了すると、以降の処理手順は先の実施例１と同様となり、演算された水素濃度に基づいて可変バルブ１０４の目標開度が演算されて、所望の水素流量Ｑが燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ｂに供給される。

なお、この実施例３では、水素圧力Ｐｈが所定目標水素圧力Ｐｓ±制御誤差Ｐｅｒの範囲内に収まったときの可変バルブ１０４の開度を使用して水素濃度を演算したが、水素の供給を開始してからの可変バルブ１０４の開度の積分値を求め、この積分値に基づいて水素濃度を演算するようにしてもよい。また、水素圧力Ｐｈが所定目標水素圧力Ｐｓ±制御誤差Ｐｅｒの範囲内に収まるまでの時間を計測し、計測した時間を用いて水素濃度を演算するようにしてもよい。

このように、上記実施例３においても、先の実施例１と同様の効果を得ることができると共に、燃料電池スタック１０１が許容できる最大の圧力で水素を供給することができるので、先の実施例１ならびに実施例２に比べてより一層短い時間で水素濃度を演算して推定する処理を終了することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示すコントローラの構成を示す図である。 実施例１に係る起動時の動作手順を示すフローチャートである。 実施例１における水素圧力と水素濃度との関係を示す図である。 実施例１において所望の水素流量Ｑを実現するための、水素圧力と水素濃度との関係を示す図である。 システムの停止状態における、水素流路の水素濃度に対する水素圧力の時間変化を示す図である。 実施例２に係る起動時の動作手順を示すフローチャートである。 実施例２における可変バルブの開度、水素圧力に対する水素濃度の時間変化を示す図である。 実施例３に係るコントローラの構成を示す図である。 実施例３に係る起動時の動作手順を示すフローチャートである。 水素圧力に対する可変バルブの開度と水素濃度との関係を示す図である。

符号の説明

１０１…燃料電池スタック
１０１ａ…カソード極
１０１ｂ…アノード極
１０２…コンプレッサ
１０３…スロットル
１０４…可変バルブ
１０５…イジェクタ
１０６…パージ弁
１０７…電力取り出し装置
１０８…循環流路
１０９…水素圧力センサ
１１０…コントローラ
２０１，９０１…水素濃度演算部
２０２，９０２…可変バルブ制御部
２０３，９０３…目標圧力演算部
２０４，９０４…可変バルブ開度演算部
２０５…目標取り出し電力演算部
２０６…電力取り出し制御部

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を弁開度に基づいて調整制御する調整弁と、
   前記燃料電池に供給された燃料ガスを前記燃料電池外に排気する排気手段と
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池内、ならびに燃料ガスが前記調整弁から前記燃料電池を介して前記排気手段に流通する流通路における燃料ガスの濃度を推定する推定手段と、
   前記推定手段で推定された燃料ガスの濃度に基づいて、前記調整弁を制御し、予め設定された所望の流量で燃料ガスを前記燃料電池に供給制御する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流通路に設けられ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
   前記推定手段は、前記調整弁の開度と、前記圧力検出手段で検出された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
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記推定手段は、予め設定された所定の開度で前記調整弁を開いて所定時間経過した後に、前記検出手段で検出された燃料ガスの圧力に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記流通路に設けられ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
   前記推定手段は、予め設定された所定の開度で前記調整弁を開いて所定時間経過した後に、前記検出手段で検出された燃料ガスの圧力が予め設定された所定値以上に達するまでの時間に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記調整弁の開度を調整して、前記検出手段で検出される燃料ガスの圧力を予め設定された所定の圧力に制御し、
   前記推定手段は、前記検出手段で検出され燃料ガスの圧力が所定の圧力に収束した際の前記調整弁の開度に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記流通路に設けられ、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
   前記調整弁の開度を調整して、前記検出手段で検出される燃料ガスの圧力を予め設定された所定の圧力に制御し、
   前記推定手段は、前記検出手段で検出され燃料ガスの圧力が所定の圧力に収束するまでの時間に基づいて燃料ガスの濃度を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記推定手段は、燃料電池システムの起動時、前記燃料電池に酸化剤ガスが供給される前に燃料ガスの濃度を推定する
   ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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