JP2007095434A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤ガス流量計測装置に故障が発生した場合であっても、酸化剤ガス流量に不足を生じさせることがないように適切に酸化剤ガス流量を制御できるようにする。
【解決手段】酸化剤ガス流量計測装置であるエアフロメータの正常/異常を判定し、エアフロメータが正常のときは、エアフロメータの計測値のフィードバックにより基本制御用パラメータを補正したフィードバック補正後制御用パラメータを用いてエアコンプレッサの動作を制御し、エアフロメータが異常のときは、補正係数を用いて基本制御用パラメータを増量補正した係数補正後制御用パラメータを用いてエアコンプレッサの動作を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、酸化剤ガスの流量を適切に制御するための技術に関する。

燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに供給される水素などの燃料ガスと、カソードに供給される空気などの酸化剤ガスとの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この種の燃料電池を備えた燃料電池システムは、燃料電池のカソードに空気を供給するために、エアコンプレッサなどの回転式の空気供給装置を用いている。そして、空気を供給している流路にエアフロメータなどの空気流量計測装置を設け、この空気流量計測装置の計測値に応じて、例えば燃料電池に要求される発電量に見合った空気が燃料電池のカソードに供給されるように、空気流量の制御を行うようにしているのが一般的である。

また、このような燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノードに水素を供給する水素供給系としては、水素の利用効率を上げるために、水素循環方式のものを採用することが多い。水素循環方式は、燃料電池のアノードから排出される水素をエゼクタや水素ポンプなどを利用して循環し、水素タンクなどの水素供給源から新たに供給される水素と混合して燃料電池のアノードに再度供給するものである。このとき、水素の循環を繰り返すことでアノード系内にカソードからの透過窒素などの不純物が徐々に蓄積されていくことになるが、このアノード系内の不純物濃度が高くなると燃料電池の発電を阻害して、セル電圧の低下を招くという問題がある。そのため、水素循環方式を採用した燃料電池システムでは、所定のタイミングで水素パージを行って、アノード系内に蓄積された窒素などの不純物を水素とともに外部に放出するようにしている。

また、水素パージを行う際には水素を十分に希釈した状態で外部に放出することが求められるため、例えば特許文献１に記載されているような水素希釈装置などを用いて、空気供給装置から供給される空気で水素を十分に希釈させた後に、外部に放出するようにしている。したがって、水素循環方式を採用した燃料電池システムでは、水素パージを行うときには空気供給装置から十分な流量の空気が供給されるように、空気流量の制御を行う必要がある。

ところで、以上のような燃料電池システムにおいて、上述したようにエアフロメータなどの空気流量計測装置の計測値に応じて空気流量の制御が行われるため、何らかの原因で空気流量計測装置が故障した場合には、適切な流量の空気を燃料電池のカソードに供給できなくなる虞がある。このような観点から、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、空気流量計測装置に故障が発生していないかどうかを監視して、空気流量計測装置の故障を検知した場合には、空気供給装置に対する回転数指令値を用いて空気流量を推定し、この推定結果に応じて空気流量の制御を行うようにしている。
特開２００３−１３２９１５号公報 特開２００４−１７９１２７号公報

しかしながら、前記特許文献２に記載の燃料電池システムのように空気供給装置に対する回転数指令値を用いて空気流量を推定するようにした場合、回転数指令値には空気供給装置の性能のばらつきなどは考慮されないため、十分な精度で空気流量を推定することは難しく、その推定結果に応じて空気流量の制御を行うようにしても、空気流量の不足が生じる場合がある。特に、上述した水素循環方式の燃料電池システムにおける水素パージ時のように、水素を希釈させるために十分な大流量の空気の供給が求められるような状況においては、空気供給装置に対する回転数指令値を用いた空気流量の推定では推定誤差が大きくなり、水素を希釈させるのに十分な流量の空気が確保できなくなる虞がある。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、酸化剤ガス流量計測装置に故障が発生した場合であっても、酸化剤ガス流量に不足を生じさせることがないように適切に酸化剤ガス流量を制御する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している。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、酸化剤ガス供給装置から燃料電池へと供給される酸化剤ガスの流量を計測する酸化剤ガス流量計測装置と、酸化剤ガス供給装置の動作を制御する制御装置とを備えるものである。このような燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、制御手段が、制御用パラメータ算出手段、第１の制御用パラメータ補正手段、第２の制御用パラメータ補正手段、故障判定手段、動作制御手段の各手段を有する構成としている。

以上のように構成される本発明に係る燃料電池システムでは、制御用パラメータ算出手段により、酸化剤ガス供給装置を制御するための基本となる制御用パラメータである基本制御用パラメータが算出される。また、第１の制御用パラメータ補正手段により酸化剤ガス流量計測装置の計測値のフィードバックにより基本制御用パラメータが補正されてフィードバック補正後制御用パラメータが算出され、第２の制御用パラメータ補正手段により、補正係数を用いて基本制御用パラメータが増量補正されて係数補正後制御用パラメータが算出される。また、故障判定手段により、酸化剤ガス流量計測装置の正常/異常が判定されて、酸化剤ガス流量計測装置が正常のときは、動作制御手段により、第１の制御用パラメータ補正手段によって算出されたフィードバック補正後制御用パラメータを用いて酸化剤ガス供給装置の動作が制御され、酸化剤ガス流量計測装置が異常のときは、動作制御手段により、第２の制御用パラメータ補正手段によって算出された係数補正後制御用パラメータを用いて酸化剤ガス供給装置の動作が制御される。

本発明に係る燃料電池システムによれば、酸化剤ガス流量計測装置の正常/異常を判定して、酸化剤ガス流量計測装置が正常であれば、酸化剤ガス流量計測装置の計測値のフィードバックにより基本制御用パラメータを補正したフィードバック補正後制御用パラメータを用いて酸化剤ガス供給装置の動作を制御し、酸化剤ガス流量計測装置が異常であれば、補正係数を用いて基本制御用パラメータを増量補正した係数補正後制御用パラメータを用いて酸化剤ガス供給装置の動作を制御するようにしているので、酸化剤ガス流量計測装置に故障が発生した場合であっても、酸化剤ガス流量に不足を生じさせることがないように適切に酸化剤ガス流量を制御することができる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示すシステム構成図である。本実施形態の燃料電池システムは、水素及び空気の供給により発電を行う燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料ガスである水素を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給系と、燃料電池スタック１から排出される水素を空気で希釈する水素希釈装置（排燃料ガス処理装置）２と、燃料電池スタック１からの電力の取り出しを制御する電力制御装置３と、当該燃料電池システムにおける動作を統括的に制御するコントロールユニット（制御装置）４とを備える。

燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード１ａと酸化剤ガスである空気が供給されるカソード１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノード１ａに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード１ｂ側にそれぞれ移動する。カソード１ｂでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。このため、燃料電池スタック１には図示しない加湿機構によって水分が供給されており、この水分で固体高分子電解質膜の適度な加湿状態が保たれている。

水素供給系は、例えば、水素供給源である水素タンク５、水素調圧弁６、水素供給配管７を備えており、水素タンク５から供給される高圧の水素を水素調圧弁６で減圧し、水素供給配管７を介して燃料電池スタック１のアノード１ａに送り込む構成となっている。また、この水素供給系は水素循環方式として構成されており、エゼクタ８や水素循環配管９を備えている。水素循環方式の水素供給系では、燃料電池スタック１で消費されずに残った水素（燃料電池１のアノード１ａから排出される水素）が、水素循環配管９を通ってエゼクタ８により循環され、新たに水素タンク５から供給される水素と混合されて、再び燃料電池１のアノード１ａに供給される。

また、燃料電池１のアノード１ａ出口側の水素排気配管１０には、水素パージ弁１１が設けられている。この水素パージ弁１１は、水素を循環させることに起因して燃料電池スタック１のアノード１ａ内部や水素循環配管９の内部に蓄積された窒素等の不純物を水素と共に排出する、水素パージ時に開放されるものである。パージ弁１１下流側の水素排気配管１０は水素希釈装置２に接続されており、水素パージ時に水素パージ弁１１の開放によって排出される水素は、水素希釈装置２において空気供給系からの空気によって十分に希釈された状態で、外部に放出される。

また、水素供給系においては、水素供給配管７の中途部に水素入口温度センサ１２や水素入口圧力センサ１３や設けられており、燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される水素の温度や圧力がこれらのセンサにより検出できるようになっている。これらのセンサの検出値は、コントロールユニット４に読み込まれ、コントロールユニット４による水素供給系の動作制御に用いられる。

空気供給系は、例えば、酸化剤ガス供給装置としてのエアコンプレッサ１４と、空気供給配管１５とを備えており、エアコンプレッサ１４によって外気を吸入して圧縮し、空気供給配管１５を介して燃料電池スタック１のカソード１ｂに送り込む構成となっている。また、燃料電池１のカソード１ｂ出口側には空気排気配管１６が接続され、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、この空気排気配管１６を通じて排出される。また、空気排気配管１６には空気調圧弁１７が設けられており、燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気の圧力は、この空気調圧弁１７の開度を調整することによって制御される。空気調圧弁１７下流側の空気排気配管１６は水素希釈装置２に接続されており、この空気排気配管１６を通じて水素希釈装置２に供給される空気により、水素パージ時に排出される水素が希釈される。

また、空気供給系においては、空気供給配管１５の中途部に空気入口温度センサ１８や空気入口圧力センサ１９や設けられており、燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気の温度や圧力がこれらのセンサにより検出できるようになっている。また、空気供給配管１５の中途部には、酸化剤ガス流量計測装置としてのエアフロメータ２０が設けられており、エアコンプレッサ１４から吐出されて燃料電池スタック１のカソード１ｂへと供給される空気の流量が、このエアフロメータ２０によって計測されるようになっている。これら空気入口温度センサ１８や空気入口圧力センサ１９の検出値やエアフロメータ２０の計測値は、コントロールユニット４に読み込まれ、コントロールユニット４による空気供給系の動作制御に用いられる。

電力制御装置３は、例えば昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータよりなり、燃料電池スタック１と図示しない電気負荷との間に配置されて、燃料電池スタック１からの電力の取り出しを制御する。すなわち、燃料電池スタック１からの取出電流値や電圧値は電流センサ２１や電圧センサ２２によって検出され、コントロールユニット４に読み込まれる。コントロールユニット４はこれらのセンサ検出値をもとに燃料電池スタック１の状態を把握し、それに応じて電力制御装置３に対して動作指令を出力する。そして、電力制御装置３が、コントロールユニット４からの動作指令に基づいて、所望の電力が燃料電池スタック１から取り出せるように、燃料電池スタック１からの電力の取り出しを制御する。

コントロールユニット４は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたマイクロコンピュータを中心に構成され、予めマイクロコンピュータのＲＯＭなどに記憶された制御用のプログラムを実行してＣＰＵで各種の演算処理を行うことで、燃料電池システムにおける各部の動作を制御するための各種制御機能を実現する。特に、本発明を適用した燃料電池システムにおけるコントロールユニット４は、水素供給系のエアコンプレッサ１４の動作を制御するための制御機能として、図２に示すように、制御用パラメータ算出手段１０１、第１の制御用パラメータ補正手段１０２、第２の制御用パラメータ補正手段１０３、故障判定手段１０４、動作制御手段１０５の各制御機能を実現する。

制御用パラメータ算出手段１０１は、エアコンプレッサ１４の動作を制御するための基本となる制御用パラメータである基本制御パラメータを算出する。ここで、エアコンプレッサ１４の動作を制御するための制御用パラメータとしては、例えば、エアコンプレッサ１４に対して要求する目標空気流量や、この目標空気流量を達成するためにエアコンプレッサ１４を動作させるための実際の指令値である目標回転数（目標操作量）などが挙げられるが、本実施形態では、目標回転数（目標操作量）を制御用パラメータとして扱う場合について説明する。なお、このような制御用パラメータは、燃料電池スタック１での発電に必要な空気流量と、水素希釈装置２での処理に必要な空気流量とに基づいて設定される。すなわち、制御用パラメータは、燃料電池スタック１での発電に必要な空気流量（以下、発電用空気流量という。）が、上述した水素供給系で水素パージを行う際に排出される水素を十分に希釈するために必要とされる空気流量（以下、希釈空気流量という。）よりも多ければ、発電用空気流量に基づいて設定され、発電用空気流量よりも希釈空気流量の方が多ければ希釈空気流量に基づいて設定される。

第１の制御用パラメータ補正手段１０２は、エアフロメータ２０の計測値のフィードバックにより制御用パラメータ算出手段１０１で算出した基本制御用パラメータを補正して、フィードバック補正後制御用パラメータを算出する。すなわち、基本制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御して、エアコンプレッサ１４から所望の流量の空気を吐出させようとしたとしても、エアコンプレッサ１４のコンディショニングや性能のばらつきなどに起因して、所望の空気流量が得られない場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気供給用配管１５にエアフロメータ２０を設置して、エアコンプレッサ１４から吐出されて燃料電池スタック１のカソード１ｂへと供給される空気の実際の流量をこのエアフロメータ２０で計測し、所望の空気流量と実際の空気流量との差分に基づくフィードバック制御を行うことで、所望の空気流量を安定的に燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給できるようにしている。第１の制御用パラメータ補正手段１０２は、このようなフィードバック制御によって基本制御用パラメータを補正して、フィードバック補正後制御用パラメータを算出するものである。

第２の制御用パラメータ補正手段１０３は、補正係数を用いて制御用パラメータ算出手段１０１で算出した基本制御用パラメータを増量補正して、係数補正後制御用パラメータを算出する。ここで、係数補正後制御用パラメータは、エアフロメータ２０に故障が生じて、第１の制御用パラメータ補正手段１０２で算出されるフィードバック補正後制御用パラメータが信頼性の低いものとなったときに、このフィードバック補正後制御用パラメータを代替する制御用パラメータとして用いられるものである。なお、フィードバック補正後制御用パラメータが信頼性の低いものとなったときには、基本制御用パラメータで代替することも考えられるが、基本制御用パラメータでフィードバック補正後制御用パラメータを代替することはフィードバック制御を行わないことを意味し、上述したようなエアコンプレッサ１４のコンディショニングや性能のばらつきなどに起因した空気流量不足が生じる可能性があり、特に、水素供給系の水素パージ時に要求される希釈空気流量が発電用空気流量よりも多いような状況では、空気流量不足が顕著となることが想定される。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、第２の制御用パラメータ補正手段１０３で補正係数を用いて基本制御用パラメータを増量補正した係数補正後制御用パラメータを算出し、エアフロメータ２０に故障が生じてフィードバック補正後制御用パラメータが信頼性の低いものとなったときは、係数補正後制御用パラメータでフィードバック補正後制御用パラメータを代替するようにしている。このような観点から、係数補正後制御用パラメータの算出に用いる補正係数は、エアコンプレッサ１４のコンディショニングや性能のばらつきなどに起因する吐出空気流量の不足を補える値に設定される。具体的には、この補正係数は、事前に実験などを繰り返し行って、エアコンプレッサ１４のコンディショニングが最低条件の場合や、エアコンプレッサ１４として下限性能のものを用いた場合でも、基本制御用パラメータに基づく理想的な空気流量を確保できる値を当該エアコンプレッサ１４の流量特性に基づいて求めて、その値に設定される。

故障判定手段１０４は、エアフロメータ２０が正常に動作しているか、或いは異常が生じているかを判定する。この故障判定手段１０４による判定は、例えば、エアフロメータ２０で検出される信号電圧の値をモニタリングすることによって実現できる。すなわち、エアフロメータ２０は、一般的に、正常時には０・５Ｖから４．５Ｖの範囲の信号電圧を出力するのに対し、信号送信系に故障が生じた場合には５Ｖのみしか出力しなくなり、また、電源系に故障が生じた場合には０Ｖしか出力しなくなる。したがって、このようなエアフロメータ２０から出力される信号電圧がどのような値となっているかをモニタリングすることで、エアフロメータ２０が正常に動作しているか、或いは異常が生じているかを判定することが可能となる。

動作制御手段１０５は、故障判定手段１０４による判定結果に応じて、第１の制御用パラメータ補正手段１０２によって算出されたフィードバック補正後制御用パラメータと、第２の制御用パラメータ補正手段１０３によって算出された係数補正後制御用パラメータとの何れかを選択的に用いて、エアコンプレッサ１４の動作を制御する。具体的には、故障判定手段１０４によってエアフロメータ２０が正常に動作していると判定されたときには、第１の制御用パラメータ補正手段１０２によって算出されたフィードバック補正後制御用パラメータの信頼性が高いと判断できるので、動作制御手段１０５は、このフィードバック補正後制御用パラメータを用いて、エアコンプレッサ１４の動作を制御する。一方、故障判定手段１０４によってエアフロメータ２０に異常が生じていると判定されたときには、第１の制御用パラメータ補正手段１０２によって算出されたフィードバック補正後制御用パラメータの信頼性が低くなっていることが想定されるので、動作制御手段１０５は、このフィードバック補正後制御用パラメータの代わりに、第２の制御用パラメータ補正手段１０３によって算出された係数補正後制御用パラメータを用いて、エアコンプレッサ１４の動作を制御する。

図３は、以上のような各制御機能を有するコントロールユニット４によって、実際にどのようにエアコンプレッサ１４の動作を制御するかを、より具体的なかたちで例示したものである。なお、この図３に示す例では、エアコンプレッサ１４に対して指令する目標回転数を制御用パラメータとして扱っており、エアフロメータ２０の計測値のフィードバックによる補正や補正係数による補正は、目標回転数を対象として行っている。また、この図３に示す例では、エアフロメータ２０の故障時に、補正係数を用いて基本制御用パラメータを増量補正した係数補正後制御用パラメータでエアコンプレッサ１４の動作を制御するのを、発電用空気流量よりも希釈空気流量の方が多くなる状況のみに限定し、発電用空気流量が希釈空気流量よりも多くなる状況では、エアフロメータ２０の故障時には基本制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御するようにしている。これは、空気流量の不足が顕著になるのが水素パージ時に発電用空気流量よりも多い流量の希釈空気流量が要求される場合であることを考慮したものであるが、勿論、発電用空気流量が希釈空気流量よりも多くなる状況においても、エアフロメータ２０の故障時には係数補正後制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムにおけるコントロールユニット４は、図３に示すように、まず、水素供給系で水素パージを行う際に排出される水素を水素希釈装置２において十分に希釈するために必要とされる空気流量である希釈空気流量を求め、例えば、図４に示すようなエアコンプレッサ１４の回転数とエアコンプレッサ１４によって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、希釈空気流量を実現するためにエアコンプレッサ１４に指令するための第１目標回転数を算出する。なお、図４に示すような制御マップは、実際にエアコンプレッサ１４を使用した実験などを事前に行うことで作成される。

ここで、コントロールユニット４は、エアフロメータ２０の故障判定を行って、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定した場合には、第１目標回転数に補正係数を乗じて第１目標回転数を増量補正する一方で、エアフロメータ２０が正常であると判定した場合には、第１目標回転数に１を乗じて第１目標回転数の補正は行わない。

また、コントロールユニット４は、燃料電池スタック１で電気負荷などから要求される電力を発電するために必要な空気流量である発電用空気流量を求め、例えば、図４に示したようなエアコンプレッサ１４の回転数とエアコンプレッサ１４によって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、発電用空気流量を実現するためにエアコンプレッサ１４に指令するための第２目標回転数を算出する。

そして、コントロールユニット４は、第１目標回転数と第２目標回転数とを比較して、何れか数値の大きい方の目標回転数を選択し、この選択した目標回転数をエアコンプレッサ１４に対する回転数指令値とする。このとき、コントロールユニット４は、上述したエアフロメータ２０の故障判定によりエアフロメータ２０が正常であると判定していれば、選択した目標回転数にフィードバック制御補正値を加算した値を回転数指令値とする一方で、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定していれば、選択した目標回転数をそのまま回転数指令値とする。なお、エアフロメータ２０の正常時に目標回転数に加算するフィードバック制御補正値は、上述した希釈空気流量と発電用空気流量の何れか大きい方の値と、エアフロメータ２０によって計測された実際の空気流量との差から求められる。

次に、以上のような本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニット４がエアコンプレッサ１４に対して回転数指令値を出力するまでの一連の処理について、図５のフローチャートを用いてより詳細に説明する。なお、この図５に示す処理フローは、所定の時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）でコントロールユニット４により繰り返し実行されるものである。

図５の処理フローが開始されると、コントロールユニット４は、まず、ステップＳ１０１において、例えば、図６に示すような燃料電池スタック１の出力と目標運転圧力との関係を記載した制御マップを用いて、燃料電池スタック１で電気負荷などから要求される電力を発電するために必要な燃料電池スタック１の目標運転圧力を算出する。なお、図６に示すような制御マップは、実際に燃料電池スタック１を使用した実験などを事前に行うことで作成される。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０２において、以下に示す手順に従って水素パージ時における排水素量を推定する。
手順（１）：水素パージ弁１１を通過する全排ガスの流量の推定。
手順（２）：水素パージ弁１１を通過する排ガスの水蒸気分圧の算出。
手順（３）：水素パージ弁１１を通過する全排ガス中における排水素量の算出。

まず、手順（１）において、下記式（１）を用いて、水素パージ弁１１を通過する全排ガスの流量Ｑ１を推定する。なお、下記式（１）において、Ａ１は水素パージ弁１１の絞り開口面積、ρｃは水素循環配管９内および燃料電池スタック１のアノード１ａ内にある水素ガスの密度、Ｐｃは水素循環配管９および燃料電池スタック１のアノード１ａの内圧、Ｐａは水素パージ弁１１下流の圧力（ほぼ大気圧とみなせる。）である。ただし、水素パージ弁１１が閉じているときには、全排ガス流量Ｑ１は０となる。
Ｑ１＝Ａ１×（２×ρｃ×（Ｐｃ−Ｐａ））^１／２ ・・・（１）

次に、手順（２）において、温度変化に対する飽和水蒸気圧の変化を示す飽和水蒸気圧線図（Ｃｏｘ線図など）を用いて、水素入口温度センサ１２で検出された温度に応じて、水素パージ弁１１を通過する排ガスの水蒸気分圧ＰＨ２０を求める。

次に、手順（３）において、下記式（２）を用いて、手順（１）で求めた全排ガス流量Ｑ１と手順（２）で求めた排ガスの水蒸気分圧ＰＨ２０とから、水素パージ弁１１を通過する全排ガス中における排水素量Ｑｈを求める。なお、この排水素量Ｑｈは、水素パージ弁１１が閉じているときには０となる。
Ｑｈ＝Ｑ１×（１−（ＰＨ２０／Ｐｃ）） ・・・（２）

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０３において、下記式（３）で示すように、ステップＳ１０２で求めた排水素量Ｑｈに所定の係数Ｋ１を乗じて、希釈空気流量Ｑａｉｒ１を算出する。なお、下記式（３）において、係数Ｋ１は、水素希釈装置２より排出される水素と酸素の混合ガスが、水素の燃焼可能下限濃度（例えば４％）以下になるような値に設定すればよい。
Ｑａｉｒ１＝Ｑｈ×Ｋ１ ・・・（３）

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０４において、例えば、図４に示したようなエアコンプレッサ１４の回転数とエアコンプレッサ１４によって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、ステップＳ１０３で算出した希釈空気流量Ｑａｉｒ１を実現するために必要なエアコンプレッサ１４の回転数である第１目標回転数Ｒ１を算出する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０５において、例えば、図７に示すような燃料電池スタック１の出力とその出力を確保するために必要な空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、燃料電池スタック１で電気負荷などから要求される電力を発電するために必要な空気流量である発電用空気流量Ｑａｉｒ２を算出する。なお、図７に示すような制御マップは、実際に燃料電池スタック１を使用した実験などを事前に行うことで作成される。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０６において、例えば、図４に示したようなエアコンプレッサ１４の回転数とエアコンプレッサ１４によって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、ステップＳ１０５で算出した発電用空気流量Ｑａｉｒ２を実現するために必要なエアコンプレッサ１４の回転数である第２目標回転数Ｒ２を算出する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０７において、例えば、エアフロメータ２０で検出される信号電圧の値に基づいて、エアフロメータ２０に異常が生じているか否かを判定する。そして、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定した場合には、コントロールユニット４は、次のステップＳ１０８において、下記式（４）で示すように、ステップＳ１０４で算出した第１目標回転数Ｒ１に所定の係数Ｋ２を乗じて増量補正し、係数補正後第１目標回転数Ｒ１’を算出して、ステップＳ１０９へと進む。なお、下記式（４）において、係数Ｋ２は、エアコンプレッサ１４の個体差などにより、入力した回転数に対して吐出される空気流量が一番少ないエアコンプレッサ１４であってもステップＳ１０３で算出した希釈空気流量Ｑａｉｒ１が得られるような値を事前に実験などで求めて、その値に設定すればよい。
Ｒ１’＝Ｋ２×Ｒ１ ・・・（４）

一方、コントロールユニット４は、ステップＳ１０７でエアフロメータ２０が正常であると判定した場合には、ステップＳ１０８の処理を行うことなくステップＳ１０９に移行する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０４で算出した第１目標回転数Ｒ１（ステップＳ１０７でエアフロメータ２０に異常が生じていると判定された場合はステップＳ１０８で増量補正された係数補正後第１目標回転数Ｒ１’）とステップＳ１０６で算出された第２目標回転数Ｒ２とを比較して、何れか大きい方の数値を目標回転数Ｒとして選択する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ１１０において、エアフロメータ２０に異常が生じているか否かを再度確認し、エアフロメータ２０に異常が生じている場合には、ステップＳ１１１において、ステップＳ１０９で選択した目標回転数Ｒを回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力する。一方、エアフロメータ２０が正常であれば、コントロールユニット４は、ステップＳ１１２において、下記式（５）を用いて、ステップＳ１０９で選択した目標回転数Ｒにフィードバック制御補正値を加算し所定の係数Ｋ３を乗算して、フィードバック補正後目標回転数Ｒ’を求めてステップＳ１１１に進み、このフィードバック補正後目標回転数Ｒ’を回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力する。なお、下記式（５）において、Ｑａｉｒ３は希釈空気流量Ｑａｉｒ１と発電用空気流量Ｑａｉｒ２のうちで何れか大きい方の空気流量、Ｑａｉｒ４はエアフロメータ２０によって計測された実際の空気流量である。また、係数Ｋ３は、Ｑａｉｒ３とＱａｉｒ４との差が所定時間内に収束する値を事前に実験などで求めて、その値に設定すればよい。
Ｒ’＝Ｒ＋（Ｑａｉｒ３−Ｑａｉｒ４）×Ｋ３ ・・・（５）

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、エアフロメータ２０の故障判定によりエアフロメータ２０が正常と判定されたときには、エアフロメータ２０の計測値のフィードバックにより制御用パラメータとしての目標回転数を補正してフィードバック補正後目標回転数を求め、このフィードバック補正後目標回転数を回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力し、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定されたときには、補正係数を用いて制御用パラメータとしての目標回転数を補正して係数補正後目標回転数を求め、この係数補正後目標回転数を回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力するようにしているので、エアフロメータ２０に故障が発生した場合であっても、エアコンプレッサ１４から供給する空気流量に不足を生じさせることがないように適切に空気流量を制御することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、制御用パラメータとしての目標回転数を増量補正するための補正係数を、エアコンプレッサ１４のコンディショニングが最低条件の場合やエアコンプレッサ１４として下限性能のものを用いた場合でも、当該エアコンプレッサ１４の流量特性から基本制御用パラメータに基づく理想的な空気流量を確保できるような値に設定するようにしているので、例えば、エアコンプレッサ１４の個体差などにより、使用するエアコンプレッサ１４の性能が下限性能のものであったとしても、空気流量不足が生じる不都合を確実に防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１での発電に必要な空気流量である発電用空気流量と、水素パージ時に排出される水素を十分に希釈するために必要とされる空気流量である希釈空気流量とのうち、何れか大きい方の空気流量に基づいて制御用パラメータとしての目標回転数を求めるようにしているので、水素パージ時の前後においてエアコンプレッサ１４の回転数を急激に変化させる必要がなく、このエアコンプレッサ１４の急激な操作に起因して過渡的に空気流量不足が生じたり、エアコンプレッサ１４に過度に負担がかかるといった問題を有効に回避することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態と同様の構成を有し、コントロールユニット４が制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御するにあたって、エアフロメータ２０の故障判定を行い、エアフロメータ２０が正常であれば当該エアフロメータ２０の計測値のフィードバックにより基本制御用パラメータを補正したフィードバック補正後制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御し、エアフロメータ２０に異常が生じていれば補正係数を用いて基本制御用パラメータを増量補正した係数補正後制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御するようにしている点も、上述した第１の実施形態と同様である。

ただし、上述した第１の実施形態の燃料電池システムでは、エアコンプレッサ１４を動作させるための実際の指令値である目標回転数（目標操作量）を制御用パラメータとして扱うようにしているのに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、エアコンプレッサ１４に対して要求する目標空気流量を制御用パラメータとして扱うようにしている。したがって、本実施形態の燃料電池システムにおいては、エアフロメータ２０の計測値のフィードバックによる補正や補正係数による補正は、目標空気流量を対象として行われることになる。

以下、上述した第１の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なコントロールユニット４の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げながら説明する。

図８は、コントロールユニット４によるエアコンプレッサ１４の動作制御の概要を具体的なかたちで例示したものである。なお、この図８に示す例では、エアフロメータ２０の故障時に、補正係数を用いて基本制御用パラメータを増量補正した係数補正後制御用パラメータでエアコンプレッサ１４の動作を制御するのを、発電用空気流量よりも希釈空気流量の方が多くなる状況のみに限定し、発電用空気流量が希釈空気流量よりも多くなる状況では、エアフロメータ２０の故障時には基本制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御するようにしているが、勿論、発電用空気流量が希釈空気流量よりも多くなる状況においても、エアフロメータ２０の故障時には係数補正後制御用パラメータを用いてエアコンプレッサ１４の動作を制御するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムにおけるコントロールユニット４は、図８に示すように、まず、水素供給系で水素パージを行う際に排出される水素を水素希釈装置２において十分に希釈するために必要とされる空気流量である希釈空気流量を求める。

ここで、コントロールユニット４は、エアフロメータ２０の故障判定を行って、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定した場合には、希釈空気流量に補正係数を乗じて希釈空気流量を増量補正する一方で、エアフロメータ２０が正常であると判定した場合には、希釈空気流量に１を乗じて希釈空気流量の補正は行わない。

また、コントロールユニット４は、燃料電池スタック１で電気負荷などから要求される電力を発電するために必要な空気流量である発電用空気流量を求める。そして、コントロールユニット４は、希釈空気流量（エアフロメータ２０に異常が生じている場合には増量補正した希釈空気流量）と発電用空気流量とを比較して、何れか数値の大きい方の空気流量を選択し、この選択した空気流量をエアコンプレッサ１４に対して要求する目標空気流量とする。このとき、コントロールユニット４は、上述したエアフロメータ２０の故障判定によりエアフロメータ２０が正常であると判定していれば、選択した空気流量にフィードバック制御補正値を加算した値を目標空気流量とする一方で、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定していれば、選択した空気流量をそのまま目標空気流量とする。なお、エアフロメータ２０の正常時に空気流量に加算するフィードバック制御補正値は、上述した希釈空気流量と発電用空気流量の何れか大きい方の値と、エアフロメータ２０によって計測された実際の空気流量との差から求められる。

次に、コントロールユニット４は、例えば、図４に示したようなエアコンプレッサ１４の回転数とエアコンプレッサ１４によって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、目標空気流量を実現するためにエアコンプレッサ１４に指令するための目標回転数を算出し、算出した目標回転数をエアコンプレッサ１４に対する回転数指令値として出力する。

次に、以上のような本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニット４がエアコンプレッサ１４に対して回転数指令値を出力するまでの一連の処理について、図９のフローチャートを用いてより詳細に説明する。なお、この図９に示す処理フローは、所定の時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）でコントロールユニット４により繰り返し実行されるものである。

図９の処理フローが開始されると、コントロールユニット４は、まず、ステップＳ２０１において、例えば、図６に示したような燃料電池スタック１の出力と目標運転圧力との関係を記載した制御マップを用いて、燃料電池スタック１で電気負荷などから要求される電力を発電するために必要な燃料電池スタック１の目標運転圧力を算出する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ２０２において、第１の実施形態で説明した手順に従って水素パージ時における排水素量Ｑｈを推定し、ステップＳ２０３において、第１の実施形態で示した式（３）を用いて、ステップＳ２０２で推定した排水素量Ｑｈに所定の係数Ｋ１を乗じて、希釈空気流量Ｑａｉｒ１を算出する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ２０４において、例えば、エアフロメータ２０で検出される信号電圧の値に基づいて、エアフロメータ２０に異常が生じているか否かを判定する。そして、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定した場合には、コントロールユニット４は、次のステップＳ２０５において、下記式（６）で示すように、ステップＳ２０３で算出した希釈空気流量Ｑａｉｒ１に所望の係数Ｋ４を乗じて増量補正し、係数補正後希釈空気流量Ｑａｉｒ１’を算出して、ステップＳ２０６へと進む。なお、下記式（６）において、係数Ｋ４は、エアコンプレッサ１４の個体差などにより、入力した回転数に対して吐出される空気流量が一番少ないエアコンプレッサ１４であってもステップＳ２０３で算出した希釈空気流量Ｑａｉｒ１が得られるような値を事前に実験などで求めて、その値に設定すればよい。
Ｑａｉｒ１’＝Ｑａｉｒ１×Ｋ４ ・・・（６）

一方、コントロールユニット４は、ステップＳ２０４でエアフロメータ２０が正常であると判定した場合には、ステップＳ２０５の処理を行うことなくステップＳ２０６に移行する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ２０６において、例えば、図７に示したような燃料電池スタック１の出力とその出力を確保するために必要な空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、燃料電池スタック１で電気負荷などから要求される電力を発電するために必要な空気流量である発電用空気流量Ｑａｉｒ２を算出する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０３で算出した希釈空気流量Ｑａｉｒ１（ステップＳ２０４でエアフロメータ２０に異常が生じていると判定された場合はステップＳ２０５で増量補正された係数補正後希釈空気流量Ｑａｉｒ１’）とステップＳ２０６で算出した発電用空気流量Ｑａｉｒ２とを比較して、何れか大きい方の数値を目標空気流量Ｑａｉｒとして選択する。

次に、コントロールユニット４は、ステップＳ２０８において、エアフロメータ２０に異常が生じているか否かを再度確認し、エアフロメータ２０に異常が生じている場合には、ステップＳ２０９において、例えば、図４に示したようなエアコンプレッサ１４の回転数とエアコンプレッサ１４によって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを用いて、ステップＳ２０７で選択した目標空気流量Ｑａｉｒを実現するために必要なエアコンプレッサ１４の回転数である目標回転数Ｒを算出する。

一方、エアフロメータ２０が正常であれば、コントロールユニット４は、ステップＳ２１０において、下記式（７）を用いて、ステップＳ２０７で選択した目標空気流量Ｑａｉｒにフィードバック制御補正値を加算し所定の係数Ｋ５を乗算して、フィードバック補正後目標空気流量Ｑａｉｒ’を求めてステップＳ２０９に進み、このフィードバック補正後目標空気流量Ｑａｉｒ’を実現するために必要なエアコンプレッサ１４の回転数である目標回転数Ｒを算出する。なお、下記式（７）において、Ｑａｉｒ４はエアフロメータ２０によって計測された実際の空気流量である。また、係数Ｋ５は、目標空気流量Ｑａｉｒと空気流量の実測値であるＱａｉｒ４との差が所定時間内に収束する値を事前に実験などで求めて、その値に設定すればよい。
Ｑａｉｒ’＝Ｑａｉｒ＋（Ｑａｉｒ−Ｑａｉｒ４）×Ｋ５ ・・・（７）

そして、コントロールユニット４は、ステップＳ２１１において、ステップＳ２０９で算出した目標回転数Ｒを回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力する。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、エアフロメータ２０の故障判定によりエアフロメータ２０が正常と判定されたときには、エアフロメータ２０の計測値のフィードバックにより制御用パラメータとしての目標空気流量を補正してフィードバック補正後目標空気流量を求め、このフィードバック補正後目標空気流量に基づいて算出した目標回転数を回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力し、エアフロメータ２０に異常が生じていると判定されたときには、補正係数を用いて制御用パラメータとしての目標空気流量を補正して係数補正後目標空気流量を求め、この係数補正後目標空気流量を回転数指令値としてエアコンプレッサ１４に対して出力するようにしているので、エアフロメータ２０に故障が発生した場合であっても、エアコンプレッサ１４から供給する空気流量に不足を生じさせることがないように適切に空気流量を制御することができる。

以上、本発明に係る燃料電池システムの具体的な実施形態について詳細に説明したが、以上の各実施形態は本発明の一適用例を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれ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全体構成を示すシステム構成図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実現される制御機能を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットによるエアコンプレッサの動作制御の概要を説明するための説明図である。 エアコンプレッサの回転数とエアコンプレッサによって吐出される空気流量との関係を記載した制御マップを示す図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットがエアコンプレッサに対して回転数指令値を出力するまでの一連の処理の流れを示すフローチャートである。 燃料電池スタックの出力と目標運転圧力との関係を記載した制御マップを示す図である。 燃料電池スタックの出力とその出力を確保するために必要な空気流量との関係を記載した制御マップを示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットによるエアコンプレッサの動作制御の概要を説明するための説明図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットがエアコンプレッサに対して回転数指令値を出力するまでの一連の処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 水素希釈装置
４ コントロールユニット
１１ 水素パージ弁
１４ エアコンプレッサ
２０ エアフロメータ
１０１ 制御用パラメータ算出手段
１０２ 第１の制御用パラメータ補正手段
１０３ 第２の制御用パラメータ補正手段
１０４ 故障判定手段
１０５ 動作制御手段

Claims (5)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃料電池へと供給される酸化剤ガスの流量を計測する酸化剤ガス流量計測装置と、前記酸化剤ガス供給装置の動作を制御する制御装置とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置が、
   前記酸化剤ガス供給装置を制御するための基本となる制御用パラメータである基本制御用パラメータを算出する制御用パラメータ算出手段と、
   前記酸化剤ガス流量計測装置の計測値のフィードバックにより前記基本制御用パラメータを補正してフィードバック補正後制御用パラメータを算出する第１の制御用パラメータ補正手段と、
   補正係数を用いて前記基本制御用パラメータを増量補正して係数補正後制御用パラメータを算出する第２の制御用パラメータ補正手段と、
   前記酸化剤ガス流量計測装置の正常/異常を判定する故障判定手段と、
   前記酸化剤ガス流量計測装置が正常のときは前記第１の制御用パラメータ補正手段によって算出されたフィードバック補正後制御用パラメータを用いて前記酸化剤ガス供給装置の動作を制御するとともに、前記酸化剤ガス流量計測装置が異常のときは前記第２の制御用パラメータ補正手段によって算出された係数補正後制御用パラメータを用いて前記酸化剤ガス供給装置の動作を制御する動作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. 前記制御用パラメータが、前記酸化剤ガス供給装置を動作させるための目標操作量であ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。
3. 前記制御用パラメータが、前記酸化剤ガス供給装置に対して要求する目標酸化剤ガス流量であ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。
4. 前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスを用いて処理する排燃料ガス処理装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池での発電に必要な酸化剤ガス流量と、前記排燃料ガス処理装置での処理に必要な酸化剤ガス流量とに基づいて、前記制御用パラメータ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。
5. 前記第２の制御用パラメータ補正手段での補正に用いる補正係数は、前記酸化剤ガス供給装置の性能が下限性能である場合の流量特性に基づいて定めた値であ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。

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