JP2007012533A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 循環ポンプの負荷状態が過渡的に変化する場合でも水素循環経路内の気体質量密度を正確に推定する。
【解決手段】 気体状態推定手段１０４は、目標発電電力決定手段１０１が決定した目標発電電力、燃料電池運転状態検出手段１０２が検出した運転状態、及び循環装置運転状態検出手段１０３が検出した運転状態に基づいて、燃料循環路内の気体質量密度並びに気体組成を推定する。気体組成推定手段１０４の推定結果は、燃料循環系内の不純物を外部に放出する不純物排出手段１０５、循環装置の回転速度を制御する循環装置制御手段１０６、燃料電池への燃料供給量を制御する燃料供給制御手段１０７のそれぞれに入力され、燃料電池システムの運転動作が決定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムの制御装置に係り、特に、未反応燃料を再循環させる燃料電池システムの制御装置に関する。

一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。

安定した発電を燃料電池で行うために、水素の供給量は、発電に必要な量より多く燃料極側へ供給する必要があり、燃料電池出口からは、化学反応しなかった余剰水素が排出される。したがって、より水素の利用効率を上げるために、排出される未反応燃料を循環ポンプなどの循環装置により再び供給側へ循環させる燃料電池システムが知られている。

ところで、水素を循環させる燃料電池システムにおいて、酸化剤として空気を用いる場合には、燃料電池の電解質膜などを介して、窒素などの不純物が酸化剤極から燃料極へ透過し、循環流路内に蓄積されていく。この結果、燃料電池内の水素濃度が低下して出力が低下したり、循環装置による水素の循環量が低下するために、安定した発電ができなくなったりする。

そこで、このような問題に対処するために、水素循環路に排出弁を設け、循環路内の不純物を外部に排出する。しかし、小型の燃料電池では不純物と水素を分離する水素分離装置を備えないため、不純物を排出する際に、一緒に水素を排出する。排出弁を開放しすぎると、水素を過剰に捨てることになり、水素の利用率が下がってしまう。そこで、回転機で駆動される循環ポンプの負荷状態を検出して、負荷状態から不純物ガス濃度を算出する燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１６５０９３号公報（第６ページ、図４）

ところで、車両駆動用燃料電池など要求電力が変化する用途では、発電電力の変化に応じて必要な水素供給流量も変化する。故に発電電力が変化する場合には、循環ポンプの回転速度もこれに応じて変化させることによって、安定した発電が実現でき、また必要以上に循環ポンプを回転させないことにより消費電力を低減し、発電電力に対する水素使用量を高効率化することができる。しかしながら、このとき図８のように循環ポンプ回転速度に対し、負荷状態（駆動トルク）は過渡的に変化するため、制御マップを用いて回転速度と循環ポンプの電流から不純物濃度を求める従来例の推定方法では、循環気体密度の推定誤差が発生してしまうという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる単電池を複数積層させて構成される燃料電池と、該燃料電池へ燃料を供給する燃料供給手段と、該燃料供給手段と前記燃料極とを接続する燃料供給路と、前記燃料極から排出される残燃料を前記燃料供給路へ循環させる燃料循環路と、該燃料循環路内の燃料を循環させる循環装置と、前記循環装置の運転状態を検出する循環装置運転状態検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記循環装置運転状態検出手段の検出値の変化に基づいて、前記循環装置により循環される気体の質量密度を推定する気体質量密度推定手段を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。

本発明は、燃料ガス（例えば、水素：分子量２）と、酸化剤極から燃料極へ電解質膜を透過した不純物ガス（例えば、窒素：分子量２８）との分子量の相違を利用して、燃料循環路内部の気体の質量密度を推定するものである。即ち燃料循環装置が循環させる気体から受ける反作用は、気体の質量密度に比例する。この反作用の大きさを循環装置運転状態検出値の変化として検出し、これに基づいて燃料循環路内部の気体の質量密度を推定することができる。

本発明によれば、循環装置運転状態検出値の所定時間における変化に基づいて、循環装置により循環される気体の質量密度を推定する気体質量密度推定手段を備えたため、循環装置の負荷状態が過渡的に変化する場合でも、正確に気体質量密度を推定することができるという効果がある。

また、このように正確に推定された燃料循環路内の気体質量密度推定値を燃料電池システムの運転制御に用いることにより、パージ時の燃料ガスを節約するとともに、燃料循環装置の駆動力を低減し、燃料電池システムの燃費効率を向上させることができるという効果がある。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施例は、特に限定されないが、燃料電池システムの燃費効率が走行可能距離に直接影響する燃料電池車両に好適な実施例である。

図１は、この発明の基本構成を示す図である。図中の目標発電電力決定手段１０１は、燃料電池の目標発電電力を決定する。燃料電池運転状態検出手段１０２は、燃料電池システムの運転状態を検出する。循環装置運転状態検出手段１０３は、燃料極出口から排出された燃料ガスを燃料極入口へ循環させる循環装置の運転状態を検出する。

気体状態推定手段１０４は、目標発電電力決定手段１０１が決定した目標発電電力、燃料電池運転状態検出手段１０２が検出した運転状態、及び循環装置運転状態検出手段１０３が検出した運転状態に基づいて、燃料循環路内の気体質量密度並びに気体組成を推定する。

気体組成推定手段１０４の推定結果は、燃料循環系内の不純物を外部に放出する不純物排出手段１０５、循環装置の回転速度を制御する循環装置制御手段１０６、燃料電池への燃料供給量を制御する燃料供給制御手段１０７のそれぞれに入力され、燃料電池システムの運転動作が決定される。

図２は、本発明の実施例１が適用される燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、電解質膜３をアノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５で挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード４には燃料として水素ガス、カソード５には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

アノード（燃料極） ：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
このときカソード５で生成された水の一部は水蒸気となって、電解質膜３を透過してアノード４へ侵入する。燃料ガスとしての水素は、水素タンク６から水素タンク元弁７、減圧弁８、水素供給弁９を通じてアノード４へ供給される。水素タンク６から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁９でアノード４の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ１０ａにより検出され、コントローラ３０に入力される。

アノード４の出口からアノード４の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路１１が備えられる。循環ポンプ１２は、燃料循環路１１内の燃料ガスを昇圧させて循環させる循環装置である。循環ポンプ１２は図示しない電動機によって駆動され、この電動機の電力を電力センサ１３によって検知する。カソード５への空気はコンプレッサ１４により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁２４が設けられ、カソード圧力が制御される。

パワーマネージャ１５は、燃料電池２から電力を取り出して、負荷装置１６へ電力を供給する。電圧センサ１９は、燃料電池２の単電池毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群毎の電圧を測定する。コントローラ３０は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。

カソード５には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜３を透過して、アノード４、燃料循環路１１及び循環ポンプ１２を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ１２によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁２０により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード出口圧力センサ１０ｂはアノード出口の圧力を測定するセンサ、アノード出口温度センサ２１ａはアノード出口の気体温度を測定する温度センサ、湿度センサ２２は燃料循環路１１内の気体の湿度を測定するセンサであり、それぞれの検出値は、コントローラ３０へ入力される。

燃料電池２には、発電時に運転に適した温度を維持するために、冷却水流路１８が設けられている。冷却水流路１８への冷却水は冷却水ポンプ２５により供給される。三方弁２６は、冷却水の流路をラジエタ２７方向とバイパス路２９方向とに切り替えや分流をする。ラジエタファン２８は、ラジエタへ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水流路１８の入口側には温度センサ２１ｃ、冷却水流路１８の出口側には温度センサ２１ｂがそれぞれ設けられ、コントローラ３０は、これら温度センサ２１ｂ、２１ｃの検出値に基づいて三方弁２６とラジエタファン２８を駆動することによって燃料電池２の温度調整を行う。

図３は、コントローラ３０の構成を示したものである。燃料電池２に要求される電力を検知する要求電力検知部３１と、要求電力検知部３１の検出値を用いて、燃料電池での目標発電電力を決定する燃料電池発電電力決定部３２と、目標発電電力に基づいて燃料の供給量を決定し、アノード入口圧力センサ１０ａに基づいて、水素供給弁９を制御する燃料供給量制御部３３と、目標発電電力に基づいて、安定した発電を行うために必要となる水素循環流量を実現するように、循環ポンプ１２を制御する循環量制御部３４と、目標発電電力に基づいて、負荷装置１６へ電力を供給するためにパワーマネージャ１５で取り出す電流を制御する取り出し電流制御部３５と、循環ポンプ状態量検出部３７で検出される循環ポンプの電力及び循環ポンプの回転速度に基づいて気体質量密度及び気体組成を推定する気体状態量推定部３６と、気体状態量推定部３６で推定された気体組成結果に基づき、燃料電池での化学反応に無関係な物質を水素循環系からパージ弁２０を介して外部に放出するための排出量制御部３８とを備える。

要求電力検知部３１は、燃料電池２を発電機のように直接エネルギー供給源として用いる、若しくは移動体の駆動力へのエネルギー供給源のように間接的に燃料電池をエネルギー供給源として用いる際の燃料電池２への要求電力を検知する。

燃料電池発電電力決定部３２は、要求電力検知部３１から送信される要求電力に基づいて燃料電池２の発電電力を決定する。

燃料供給量制御部３３は、燃料電池発電電力決定部３２で決定された目標発電電力に基づいて、発電のために必要な水素供給量と、目標発電電力を満たすように、達成すべき変換効率となる燃料電池目標圧力を決定して、目標値を満たすようにアノード入口圧力センサ１０ａを用いて、水素供給弁９の目標開度を決定する。水素供給弁９は目標開度どおりに実際の開度を制御するためのコントローラが備わっている。

循環量制御部３４は、燃料電池発電電力決定部３２で決定された目標発電電力に基づいて、余剰水素循環量を実現するために循環ポンプ１２の回転速度を決定する。このとき目標発電電力に対する循環ポンプ回転速度を決定するためには、水素循環系に存在する窒素量を仮定する必要がある。この仮定した窒素量が存在したときの水素循環系内の気体密度を標準気体密度として決定する。例えば、水素循環系の気体の体積を気体の標準状態である０［℃］，１［ａｔｍ］を用いて表すとして、全体の気体の体積に対し、窒素の体積（窒素量）は、例えば１０〜４０［％］の範囲から、実験的に求めた燃費効率の高い任意の点に設定する。

ここで、循環ポンプの駆動電力に燃料電池の発電電力を利用するとすれば、この電力は外部負荷に供給できない電力であるので、燃料電池の燃費効率において、パージによる不純物排出と同時に排出される水素量と、循環ポンプの駆動電力とは相反関係にある。

窒素量を高く設定すると、パージ量或いはパージ頻度が低下し、不純物排出と同時に排出される水素量を低減することができるが、水素循環系内の気体の質量密度が高くなり、循環装置である循環ポンプの駆動電力が増加する。逆に、窒素量を低く設定すると、水素循環系内の気体の質量密度が低くなり、循環ポンプの駆動電力を減少させることができるが、パージ量或いはパージ頻度が増加し、不純物排出と同時に排出される水素量が増加する。固体高分子型燃料電池では、燃料電池の材質、構造、出力密度等によって、１０〜４０［％］の範囲に、燃費効率が最も高くなる最適な窒素量の点があり、これを実験的に求めて設定するのが好ましい。

こうして決定した窒素量を燃料電池運転中に、水素循環系内で維持する目標窒素量とする。循環ポンプ１２には目標回転速度どおりに、実際の回転速度を制御するためのコントローラが備わっている。尚、本実施例では、循環ポンプ１２の駆動モータ制御回路は、循環ポンプ１２の回転速度を低下させる際に、循環ポンプの回転エネルギーを電力として回収する電力回生機能を備えているものとしている。

取り出し電流制御部３５は、燃料電池発電電力決定部３２で決定された目標発電電力に基づいて、パワーマネージャ１５が燃料電池２から目標発電電力を取り出すための、目標取り出し電流を決定する。パワーマネージャ１５には目標取り出し電流どおりに、実際の取り出し電流を制御するためのコントローラが備わっている。

気体状態量推定部３６は、循環ポンプ状態量検出部３７で検出した循環ポンプ１２の回転速度、ならびに電力センサ１３で検出した循環ポンプの駆動モータの駆動電力または回生電力を用いて、燃料循環路１１内の気体質量密度を推定する。

排出量制御部３８は、気体状態量推定部３６で推定された、気体組成推定結果に基づいて、不純物排出量を決定し、パージ弁２０の開度、または開状態と閉状態の時間割合を制御する。

図４は、実施例１におけるコントローラの動作を説明するフローチャートである。

先ず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池システムへの要求電力を検知し、Ｓ１２において、燃料電池２の現在の発電電力（以下、単に発電電力という）と、目標発電電力を算出する。発電電力は、電圧センサ１９が検出した燃料電池２の現在の総電圧と、パワーマネジャー１５から通知される現在の取り出し電流との積で算出する。目標発電電力は、例えば要求電力の変化速度を燃料電池が応答可能な一定の変化速度以内に制限して要求電力に追随する電力として算出する。

次いで、Ｓ１４で要求電力より発電電力が大きいか否かを判定する。要求電力より発電電力が大きければ、発電電力を低下させるためにＳ１６へ進み、そうでなければ、Ｓ１８へ進む。

Ｓ１６では、燃料電池の水素循環系内の気体組成を推定するために、燃料供給量制御部３３で決定される目標アノード入口圧力、及び、取り出し電流制御部３７で決定される目標取り出し電流が現在値を継続するように固定され、循環量制御部３６で決定される目標循環ポンプ回転速度は、目標発電電力相当値に設定される。即ち、水素供給弁９への指示値を継続させ、また現在の取り出し電流の継続をパワーマネジャー１５へ指示して、循環ポンプ１２の目標回転速度を目標発電電力相当値に設定して、Ｓ２０へ進む。尚、Ｓ１６では、目標アノード入口圧力及び目標取り出し電流を現在値を継続するようにしたが、これに限らず、循環ポンプ回転速度が目標回転速度に達するまでの所要時間と同じ時間、またはこれより長い時間で目標発電電力相当の目標アノード圧力または目標取り出し電流となるような目標値を設定してもよい。尚、上記所要時間は、予め実験やシミュレーション等により求めておく。

Ｓ１８では、循環ポンプの回転速度低下による気体質量密度推定が行えないので、目標アノード圧力、目標取り出し電流、目標循環ポンプ回転速度など、燃料電池の運転パラメータの目標値に、目標発電電力相当値を設定して、リターンする。

Ｓ２０では、循環ポンプ１２の電力回生を禁止して、Ｓ２２へ進む。循環ポンプ１２を駆動するモータ及びその制御回路に電力回生機能を備えていなければ、Ｓ２０は省略可能である。

Ｓ２２では、目標循環ポンプ回転速度を下げてからの時間が、所定時間経過したか否かを判定する。所定時間経過したらＳ２６へ、経過していない場合にはＳ２４へ進む。なおＳ２２では、所定時間経過したか否かを判断する代わりに、回転速度が所定回転速度まで低下したか否かを判断してもよい。この場合、所定回転速度以下になったら、Ｓ２６段階へ、所定回転速度を超えていたら、Ｓ２４へ進む。

Ｓ２４では、要求電力検知部３１で燃料電池システムへの要求電力を検知し、要求電力が変化したら質量密度推定の過程を中断してリターンし、変化しない場合はＳ２２へ戻る。

Ｓ２６では、循環ポンプの回転速度低下を始めてから所定時間経過後に、回転速度がどこまで下がったかを計測することによって、気体質量密度を推定する。図５（ｂ）に示すように、循環ポンプ回転速度は、気体質量密度によって、回転速度の下がる早さが変わる。故に例えば、回転速度Ｒ１からＲ２へ下がる際の、所定時間ΔＴ間における回転速度低下代Δω１、Δω２、Δω３を計測することで、気体質量密度がわかる。また図５（ａ）に示すように、所定回転速度Δω分下がるのに要する時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３を計測することで、気体質量密度がわかる。これらの関係をあらかじめ実験にて求めておくことにより、気体質量密度が推定できる。

Ｓ２８では、推定された気体質量密度に基づいて、気体組成推定演算を行う。図６は、気体組成推定演算の演算ブロック図である。図６において、モル質量算出部６０１により、気体質量密度推定値と、循環路圧力センサ１０ａの検出値と、循環路温度センサ２１ａの検出値から、以下の式（３）によりモル質量を計算する。

モル質量[g/mol]＝(気体質量密度推定値[g/L])×（完全気体の体積22.4[L/mol]）
×（1atmの気圧101.3[kPa]/循環路圧力センサ検出値[kPa]）
×（1+(循環路温度センサ検出値[K]/0[℃]の温度273.15[K])）
…（３）
次に、水蒸気濃度算出部６０２により、循環路温度センサ２１ａの検出値、循環路圧力センサ１０ａの検出値、ならびに循環路湿度センサ２２の検出値から、水蒸気濃度を求める。この方法としては、温度と湿度からAntoine の式などを用いて、水蒸気分圧を求め、水蒸気分圧を全圧で割ることで、水蒸気濃度を求める。

次に、気体組成算出部６０３により、水素濃度、窒素濃度を求める。モル質量算出部６０１で求めたモル質量をＭ、水蒸気濃度算出部６０２で求めた水蒸気濃度をｙとして、窒素濃度をｘとすると、以下の式（４）として表されるので、Ｍ，ｙが既知であるからｘが求まり、水素濃度、ならびに、窒素濃度が求まる。

Ｍ＝（水素の分子量[g/mol]:2）×(1-x)＋（窒素の分子量[g/mol]:28）×ｘ
＋（水蒸気の分子量[g/mol]:18）×ｙ …（４）
燃料電池においては、温度が低い状態で発電を行うのであれば、水蒸気分圧は高くなく、全圧が高ければ、水蒸気濃度は小さくなるため、水蒸気濃度を考慮しなくてもよい。また内部加湿の燃料電池のように、水蒸気が常に飽和状態であると考えられる場合には、温度センサの検出値から飽和水蒸気圧が求まるので湿度センサは不要である。

Ｓ３０では、Ｓ２８で求めた窒素濃度と、目標窒素濃度とを比較する。Ｓ３０の比較により推定窒素量が目標窒素量より多ければ、Ｓ３２へ進む。推定窒素量が目標窒素量と等しければ、何もせずにリターンする。推定窒素量が目標窒素量より少なければＳ４０に進む。

Ｓ３２では、窒素排出量を増やすように、パージ弁２０を制御する。周期的に開閉をするパージ弁２０であれば、開時間を延長または閉時間を短縮し、可変開度弁であれば、開度を大きくするように制御量を補正する。このときの補正量は、推定窒素量と目標窒素量との差、もしくは、実際の電流値と、標準気体密度における循環ポンプの電流値との差の、すくなくとも一方に基づいて決定する。差が大きいほど、排出量が多くなるように補正する。そしてＳ３４へ進む。

Ｓ３４では、図３の循環量制御部３４で決定していた循環ポンプ１２の目標回転速度に対し、目標回転速度を増やすように補正する。このときの補正量は、目標窒素量と推定した窒素量の差に基づいて決定する。そしてＳ３６へ進む。

Ｓ３６では、Ｓ３４で回転速度を増加した結果、回転速度が循環ポンプ性能上の最大値となるかの判断を行う。最大値になると判断した場合には、循環ポンプの目標回転速度を最大値で制限してＳ３８へ進み、そうでない場合にはリターンする。

Ｓ３８では、Ｓ３６で循環ポンプ回転速度が最大値となり、循環流量を増やすことができないため、燃料電池への水素供給量が不足すると判断し、燃料電池入口圧力の目標値を通常使用している目標値より高く設定する。ここで目標値は、燃料電池２の耐圧を考慮して上限を設定して、リターンする。これによって水素供給弁の開度が増加して、供給水素量が増えることになる。

Ｓ４０では、窒素排出量を減少するように、パージ弁２０を制御する。周期的に開閉をするパージ弁２０であれば、開時間を短縮または閉時間を延長し、可変開度弁であれば、開度を小さくするように制御量を補正する。このときの補正量は、推定窒素量と目標窒素量との差、もしくは、実際の電流値と、標準気体密度における循環ポンプの電流値との差の、すくなくとも一方に基づいて決定する。差が大きいほど、排出量が少なくなるように補正する。そしてＳ４２へ進む。

Ｓ４２では、図３の循環量制御部３４で決定していた循環ポンプ１２の目標回転速度に対し、目標回転速度を減少するように補正する。このときの補正量は、目標窒素量と推定した窒素量の差に基づいて決定する。そしてリターンする。

なおＳ３２、Ｓ３４、Ｓ３８は、全て行う例を示したが、いずれか一つ、もしくは二つの組み合わせで行ってもよい。Ｓ３４を行う場合には、Ｓ３６を行う必要がある。またＳ４０、Ｓ４２は、双方を行う例を示したが、何れも行わない、もしくは、いずれか一方を行うようにしてもよい。

以上説明した実施例１によれば、以下に説明する効果がある。

循環ポンプの運転状態検出値の変化に基づいて、循環ポンプにより循環される気体の質量密度を推定する気体質量密度推定手段を備えたことにより、循環ポンプの負荷状態が過渡的に変化する場合でも気体質量密度を推定することができる。

また循環ポンプの運転状態検出量は、回転速度であり、目標回転速度を低下させる場合に、回転速度検出値の所定時間における低下量に基づいて、循環される気体の質量密度を推定するため、循環装置の負荷状態を計測せずに、循環装置の回転速度制御に用いる回転速度検出値のみで、気体質量密度を推定でき、システムを簡素化することができる。

また循環気体質量密度推定演算を行う場合には、循環ポンプの駆動モータで電力回生を行わないために、回転速度は急激に減少することがなく、推定演算精度を上げることができる。

また、気体質量推定演算を行う場合には、燃料循環路の圧力を一定、もしくは推定演算を行うごとに同じ圧力変動にするよう、水素供給弁、ならびに取り出し電流を制御するため、圧力変動による循環気体質量密度推定演算への誤差を小さくすることができる。

また、循環気体質量密度推定演算の推定値と、循環路圧力、および循環路気体温度に基づき、循環路内の気体組成を推定する気体組成推定手段を備えたために、圧力や温度が変化してしまう燃料電池システムでも、不純物濃度を推定することができる。

また、気体組成推定手段は、気体が窒素と水素の混合気体として、気体組成推定演算を行うため、酸化剤極側から透過して燃料経路内に蓄積されている窒素量を推定して管理することで、安定した発電を行うことができる。

また、循環路の湿度、循環路圧力、および循環路気体温度から水蒸気濃度を推定する水蒸気濃度推定を行い、気体組成推定を、気体が窒素、水素、水蒸気の混合気体として、気体組成推定演算を行うため、混合気体を窒素と水素として考えるより、精度よく水素量を推定するため、安定した発電を行うことができる。

また、不純物量を制御するパージ弁を、気体組成推定演算の推定結果に基づいて、目標発電電力に対する循環ポンプの目標回転速度、ならびにパージ弁開閉周期の動作を補正するため、目標発電電力に対する循環燃料流量、ならびに燃料経路内の不純物濃度を適量に保つことができ、安定した発電を行うことができる。

また、水素供給弁を、気体組成推定結果に基づいて、燃料電池への水素供給量を補正するため、循環ポンプの循環性能が不足する場合でも、供給量を増加することにより、安定した発電を行うことができる。
[実施例１の変形例]

実施例１では、Ｓ１８で循環ポンプの回生を禁止したが、循環ポンプの回転エネルギーを電力に回生可能な循環ポンプ駆動モータ制御回路があり、かつ回生により、循環ポンプの回転エネルギーを短時間に回収できて、循環ポンプから気体へ放出されるエネルギーを無視できる場合には、回生させてもよい。回生エネルギーに対し、流体からの反力がの回転エネルギーを無駄にすることなく、気体質量密度を推定することができる。

実施例１では、循環ポンプは、駆動モータによって駆動されていたが、例えば、エキスパンダなど、流体の力を変換して駆動される循環ポンプを用いて、そのときの回転速度、ならびに駆動トルクを計測してもよい。

循環ポンプの回転速度を低下させる場合に、回転速度および、駆動力から回転運動エネルギーの所定時間における低下量を求めて、気体質量密度推定を行うことで、過渡的に循環装置の負荷状態が変化する場合でも、気体質量密度を推定することができる。

実施例１では、Ｓ１４で要求電力が発電電力より小さく、以後発電電力を低下させるかの判断するだけであったが、要求電力が所定値以下となったことを判断に付加してもよい。図５（ａ）に示すように、循環ポンプの回転速度低下前の回転速度Ｒ１と回転速度低下後の回転速度Ｒ２との差Ｒ１−Ｒ２が、気体質量密度推定に用いる回転速度低下幅Δωに比べて大きくないと、質量密度推定ができないため、要求発電電力検出値が小さくなってＲ２が小さくなることを判断に加える。循環気体質量密度推定演算を行う際に安定した発電を行うために必要な循環燃料流量を確保することができる。

実施例１では、Ｓ１６で、目標循環ポンプ回転速度を、目標発電電力相当にする一方、目標燃料電池入口圧、ならびに目標取り出し電流は、循環気体質量推定を行うために、循環ポンプ回転速度が目標値に達するまでの時間一定に保つ、もしくは循環ポンプ回転速度が目標値に達するのと同じか、またはより長い時間で、目標発電電力相当の目標圧、ならびに取り出し電流になるように、目標値を与えていたが、推定用の設定をせずに、目標発電電力相当の目標値を当初から設定し、循環路の圧力が大きく変動した場合には、循環気体質量密度推定演算を停止する方法でもよい。圧力変動が大きく発生したときたけ、推定をやめることにより、推定回数を増やし、かつ変動発生時には、循環気体質量密度推定演算への誤差を小さくすることができる。

実施例１では、燃料電池の温度制御については触れていないが、気体質量密度推定を行う場合に、燃料電池温度センサ２１ｂ，２１ｃと燃料電池２を冷却する冷却水ポンプ２５、ラジエタ２７、ラジエタファン２８、三方弁２６を用いて、燃料電池の温度を一定に保つように制御してもよい。温度変動による循環気体質量密度推定演算への誤差を小さくすることができる。

もしくは、燃料電池温度センサ２１ｂ，２１ｃを用いて、循環気体質量密度推定演算を行う際に、センサ検出値の変化量が大きい場合には、循環気体質量密度推定演算を停止してもよい。温度変動によって循環気体質量密度推定演算に誤差が発生する場合の、他制御への影響を防止することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例２を説明する。実施例１では、循環ポンプの回転速度が低下する時に気体質量推定を行ったが、これとは逆に、本実施例２は、循環ポンプの回転速度を上昇させる時に気体質量密度推定を行う実施例である。本実施例の基本構成、本実施例が適用される燃料電池システムの構成図、コントローラの構成図は、実施例１と同様である。

図７に示すように、循環ポンプの回転速度を上昇させる場合に、回転速度の変化パターンを一定に制御するとすれば、目標回転速度に到達するまでに循環ポンプを駆動させるトルクは、気体質量密度に依存し、気体質量密度が高いほど大きくなる。そこで、電力センサ１３の検出値から循環ポンプ駆動モータを目標回転速度まで到達させるのに要したエネルギーを計算し、このエネルギーでエネルギー量−気体質量密度マップを索引することにより、気体質量密度を推定できる。ここで、エネルギー量−気体質量密度マップは、予め実験やシミュレーションにより、種々の気体質量に対して所定の循環ポンプ回転速度変化パターンを生じるために要したエネルギー量を測定してコントローラに記憶させておく。

以上説明した実施例２によれば、循環ポンプの目標回転速度を増加させる場合に、所定時間における循環装置に印加されるエネルギー量に基づいて、循環装置により循環される気体の質量密度を推定するため、過渡的に循環装置の負荷状態が増加する場合でも、気体質量密度を推定することができる。

循環ポンプの目標回転速度を増加させる場合に、回転速度を時間に対し一定割合で増加させるため、所定回転速度増加させる場合に発生するトルクの大きさは、気体質量密度によって変化することになるため、推定精度を上げることができる。

本発明に係る燃料電池システムの基本構成図である。 本発明が適用される燃料電池システムの構成図である。 実施例１の燃料電池システムの制御装置であるコントローラ３０の構成図である。 実施例１における制御フローチャートである。 （ａ）循環ポンプ回転速度がΔω低下する時間から気体質量密度を推定する方法を説明する図である。（ｂ）ΔＴ時間に循環ポンプ回転速度が低下する低下幅から気体質量密度を推定する方法を説明する図である。 気体組成推定手段の演算ブロック図である。 実施例２における循環ポンプ加速時の気体質量密度推定方法を説明する図である。 （ａ）循環ポンプ回転速度及び循環ポンプ電流から気体質量密度を算出するマップの例である。（ｂ）循環ポンプ回転速度のタイムチャート、（ｃ）循環ポンプ駆動トルクのタイムチャートである。

符号の説明

１０１：目標発電電力決定手段
１０２：燃料電池運転状態検出手段
１０３：循環装置運転状態検出手段
１０４：気体状態推定手段
１０５：不純物排出手段
１０６：循環装置制御手段
１０７：燃料供給制御手段

Claims (17)

1. 燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる単電池を複数積層させて構成される燃料電池と、
   該燃料電池へ燃料を供給する燃料供給手段と、
   該燃料供給手段と前記燃料極とを接続する燃料供給路と、
   前記燃料極から排出される残燃料を前記燃料供給路へ循環させる燃料循環路と、
   該燃料循環路内の燃料を循環させる循環装置と、
   前記循環装置の運転状態を検出する循環装置運転状態検出手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記循環装置運転状態検出手段の検出値の変化に基づいて、前記循環装置により循環される気体の質量密度を推定する気体質量密度推定手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 前記循環装置は、回転して気体を昇圧する循環装置であり、
   前記循環装置運転状態検出手段は、循環装置の回転運動エネルギーを検出し、
   前記気体質量密度推定手段は、循環装置の目標回転速度を低下させる場合に、所定時間における回転運動エネルギーの低下量に基づいて、前記気体の質量密度を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記循環装置は、回転して気体を昇圧する循環装置であり、
   前記循環装置運転状態検出手段は、循環装置の回転運動エネルギーを検出し、
   前記気体質量密度推定手段は、循環装置の目標回転速度を増加させる場合に、所定時間における循環装置に印加されたエネルギー量に基づいて、前記気体の質量密度を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 循環装置の目標回転速度を増加させる場合に、回転速度の増加率を一定と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。
5. 前記循環装置は、回転して気体を昇圧する循環装置であり、
   前記循環装置運転状態検出手段は、循環装置の回転速度を検出し、
   前記気体質量密度推定手段は、循環装置の目標回転速度を低下させる場合に、所定時間における回転速度の低下量に基づいて、前記気体の質量密度を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 前記循環装置は、電動機によって駆動される循環装置であり、
   前記気体質量密度推定手段により前記気体密度推定を行う間は、前記電動機による電力回生を行わないことを特徴とする請求項２または５に記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 前記循環装置は、電動機によって駆動される循環装置であり、
   前記循環装置運転状態検出手段は、電動機の回生電力を検出し、
   前記気体質量密度推定手段は、所定時間における回生電力量を用いて前記気体の質量密度を推定することを特徴とする請求項２または５に記載の燃料電池システムの制御装置。
8. 燃料電池に要求される発電電力を検出する発電電力検出手段を備え、
   前記要求電力が所定値以下となった場合に、前記循環装置の目標回転速度を低下させることを特徴とする請求項２，５，６，７の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
9. 前記燃料循環路の圧力を検出する循環路圧力検出手段を備え、
   前記気体質量密度推定手段による前記気体の質量密度推定時に、燃料循環路の圧力を一定値に保持、または所定の圧力変動となるように、燃料電池への燃料供給量及び燃料電池の発電量を制御することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
10. 前記燃料循環路の圧力を検出する循環路圧力検出手段を備え、
    前記気体質量密度推定手段による前記気体の質量密度推定時に、燃料循環路の圧力が一定値または所定の圧力変動から外れた場合には、質量密度推定を停止することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
11. 前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
    前記燃料電池を冷却する冷却手段とを備え、
    前記気体質量密度推定手段による前記気体の質量密度推定時に、前記燃料電池の温度を一定に保つように冷却手段を制御することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
12. 前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、
    前記気体質量密度推定手段による前記気体の質量密度推定時に、前記燃料電池の温度変化が所定値を超えた場合には、質量密度推定を停止することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
13. 前記燃料循環路の気体温度を検出する循環路温度検出手段を備え、
    前記気体質量密度推定手段の推定値、前記循環路圧力検出値、および循環路気体温度検出値に基づいて、前記燃料循環路内の気体組成を推定する気体組成推定手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
14. 前記気体組成推定手段は、気体が窒素と水素の混合気体として、気体組成を推定することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システムの制御装置。
15. 前記燃料電池システムは、燃料循環路の湿度を推定する湿度検出手段を備え、
    前記気体組成推定手段は、気体が窒素、水素、水蒸気の混合気体として気体組成を推定することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システムの制御装置。
16. 前記燃料電池システムは、
    前記燃料循環路から分岐した、電気化学反応に寄与しない不純物を外部へ排出する不純物排出路と、
    該不純物排出路から排出される不純物量を制御する排出量制御手段とを備え、
    前記気体組成推定手段の推定結果に基づいて、燃料電池の目標発電量に対する循環装置の目標稼動量、ならびに前記排出量制御手段の動作を補正することを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
17. 前記気体組成推定手段の推定結果に基づいて、前記燃料供給手段の燃料供給量を補正することを特徴とする請求項１３乃至１５の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。

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