JP2007103178A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池への流体供給系にポンプ等の流体供給機器を設けた構成において、この供給機器の駆動に伴う流体供給量の変動を考慮して、燃料電池での流体供給不足といった事態を回避する。
【解決手段】燃料電池１０への水素ガス・空気の供給に際しては、水素ガスおよび空気の供給量を、ポンプやブロワの駆動に伴う供給量変動に応じて増量補正し（ステップＳ１７０〜１９０）、この増量補正後の供給量で水素ガスと空気とを供給する。このため、燃料電池１０では、発電要求に応じた要求発電電流Ｉｍが得られるよう発電制御されるものの、水素ガスと酸素については、この要求発電電流Ｉｍに対応した供給量（基本供給量：ステップＳ１３０）を増量補正した供給量でそれぞれ供給される（ステップＳ１９０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池と、該燃料電池での発電に要する流体の供給のために設けられた供給機器とを備える燃料電池システムとその運転方法に関する。

燃料電池は、一般に、単セルの積層構造を取り、単セルは、表面に触媒層を形成する電解質層からなるＭＥＡ（Membrance Electrode Assembly）を、燃料ガス・酸化ガスのガス流路形成部材で挟持する。こうした単セルの積層構造を有する燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスの双方のガスを各単セルに供給するに当たり、ガスごとの供給系を有する。こうした燃料ガスや酸化ガス（例えば、空気）の供給には、コンプレッサやポンプ、ブロワなどガス圧送機器がガス供給系に組み込まれる。

燃料電池での発電状況と上記したガスの供給量とは相関関係にあることから、この関係を利用して、供給されたガス量で最適な出力特性が得られるよう、ガス量に応じて出力（発電量）を決定している（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１２０５９号公報

決定した発電量を得ようとするために、燃料電池には、上記したガス圧送機器を駆動してガスが供給されることになるが、こうしたガス圧送機器の駆動に伴って起きる現象については特段の配慮がなされていないのが現状である。つまり、ガス圧送機器は、その有する構成により何らかの部材を駆動させることでガス圧送を図るが、その際、ガス圧送量（燃料電池への供給量）は、設定供給量のまま一律に推移する訳ではなく、機器駆動に伴って燃料電池への供給量は設定供給量をほぼ中心にして変動する。燃料電池へは、こうして供給量が変動した状態でガスが到達するので、この供給量変動の影響を受けて、燃料電池での発電も変動を来すこととなる。そして、このような供給量変動は、その発生源であるガス圧送機器と燃料電池とは離れていることから、時間差を持って燃料電池で現れる。

このため、ある発電量が得られるよう、それに見合ったガス供給量でのガス供給を行っている状況下において、上記した変動によっては、燃料電池では供給されるガスの不足が起きることがある。こうしたガス不足は、燃料電池の劣化を招きかねないので、回避することが望ましい。ところが、ガス供給機器を供給量変動を起こさないような構成とすることは、その構成が複雑となるばかりか機器構成部材の過大な精緻化が必要となるので、現実的な解決とはならない。また、供給量変動を検出しつつ燃料電池の発電を制御することも可能ではあるものの、上記した変動の遅れを考慮する必要があるため、制御が複雑となる。

上記した現象は、ガス供給のための駆動機器の構成がモータ等による機器駆動構造の場合に固有のものではなく、ピストンの往復動でガス圧送と行うような構成にあっても共通して起きる。また、燃料電池が液体の供給を受けて発電するタイプのものであれば、その液体供給用の駆動機器においても、その駆動に伴う供給量の変動が起きるので、こうした燃料電池を有するシステムにあっても、解決が求められている。

本発明は、燃料電池での発電に要する流体をその供給機器を駆動して燃料電池に供給して発電するに際しての上記問題点を解決するためになされ、燃料電池が流体供給不足の状況で運転するといった事態を回避することをその目的とする。

かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、燃料電池と、該燃料電池での発電に要する流体の供給のために設けられた供給機器とを備える燃料電池システムを運転制御するに当たり、前記燃料電池に供給される前記流体の供給量と発電量との関係に基づいて、前記燃料電池に求められる発電要求に対応する供給量で前記流体が供給されるよう前記供給機器を駆動する駆動制御と、前記発電要求に即した発電量が得られるよう前記燃料電池を運転する発電制御とを行う。その一方、供給機器の駆動による流体供給には、機器駆動に伴う供給量の変動が起きることから、次のようにして、供給機器の駆動制御と燃料電池の発電制御とを変更する。

つまり、前記供給機器の駆動に伴って起きる前記流体の供給量の変動を前記供給機器の駆動状況に基づいて推定し、こうした推定により得られた供給量変動に応じて、前記供給機器の駆動制御と前記燃料電池の発電制御の少なくともいずれかを変更して、前記発電量に対する前記流体供給量の割合が相対的に増加する補正を実行する。こうした補正は、前記推定した供給量変動に応じて前記流体供給量を増大する増大補正と前記推定した供給量変動に応じて発電量を低減する低減補正の少なくともいずれかとされる。こうした補正を行うための供給機器の駆動状況は、供給機器の駆動状況を検出することで得られる他、供給機器に出力される駆動信号からも得ることができる。そして、前記流体供給量の増大補正を行えば、これに伴い、前記駆動機器についての前記駆動制御を、前記増大補正後の供給量で前記流体が供給されるよう前記供給機器を駆動する制御に変更する。また、前記発電量の低減補正を行えば、これに伴い、前記燃料電池についての前記発電制御を、前記低減補正後の発電量が得られるよう前記燃料電池を発電する制御に変更する。

このため、上記構成を有する本発明では、発電要求に対応する発電を燃料電池で起こそうとした場合、燃料電池への流体供給については、発電量に対する流体供給量の割合が相対的に増加した状況、即ち、発電要求に対応する供給量を越えた供給量での流体供給を行うので、燃料電池では流体不足の状況が起き難い。また、発電要求に対応する供給量での流体供給を行いつつ燃料電池を発電する場合、発電要求より低い発電量が得られるようにしか燃料電池を運転しないので、燃料電池では流体不足の状況が起き難い。よって、本発明による燃料電池システムの運転方法によれば、供給量変動に応じた流体の供給量増大補正や発電量低減補正という簡単な手法で、燃料電池が流体不足の状況で運転するといった事態を回避できる。

かかる課題の少なくとも一部を解決するための本発明は、燃料電池システムとしても適用でき、燃料電池と、該燃料電池での発電に要する流体の供給のために設けられた供給機器とを備え、該供給機器を駆動して燃料電池に流体を供給して発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される流体の供給量と発電量との関係に基づいて、燃料電池に対する発電要求に対応する供給量を算出する。そして、この算出供給量での流体供給がなされるよう、機器制御手段にて供給機器を駆動制御する際には、供給機器の駆動に伴って起きる流体供給量の変動を供給機器の駆動状況に基づいて推定し、供給量の補正手段により、この供給量変動に応じて上記の算出供給量を増大補正する。

このため、上記構成を有する本発明の燃料電池システムでは、発電要求に対応する発電を燃料電池で起こそうとした場合、燃料電池への流体供給については、発電要求に対応する供給量を増大補正した供給量での流体供給を行う。よって、本発明の燃料電池システムによれば、供給量変動に応じた供給量補正（増大補正）という簡単な手法で、燃料電池が流体不足の状況で運転するといった事態を回避できる。

かかる課題の少なくとも一部を解決するため、また別の本発明の燃料電池システムでは、燃料電池に供給される流体の供給量を供給量検出手段にて検出しつつ、燃料電池に供給される流体の供給量と発電量との関係に基づいて、発電量算出手段により、検出流体供給量に対応する発電量を算出する。そして、燃料電池の発電電力を外部の負荷に与えるために燃料電池の発電を制御する発電制御手段が上記の算出発電量で燃料電池の発電を制御する際には、供給機器の駆動に伴って起きる流体の供給量変動を供給機器の駆動状況に基づいて推定し、発電量の補正手段により、供給量変動に応じて算出発電量を低減補正する。

このため、上記構成を有する本発明の燃料電池システムでは、燃料電池に供給されている流体の供給量に応じた発電量での発電を燃料電池で起こそうとした場合、燃料電池での発電については、低減補正した発電量で燃料電池を発電する。よって、本発明の燃料電池システムによれば、供給量変動に伴う発電量補正（低減補正）という簡単な手法で、燃料電池が流体不足の状況で運転するといった事態を回避できる。

このように発電量の低減補正を行う本発明の燃料電池システムにおいて、次のような態様とすることもできる。つまり、燃料電池に供給されている流体の供給量に対応する発電量算出に際して、前記検出供給量を前記推定した前記供給量変動に応じて増大補正し、増大補正後の供給量に対応する発電量を算出する。そして、発電量の補正に際しては、前記増大補正後の前記供給量に対応して前記発電量算出手段の算出した前記算出発電量を前記供給量変動に応じて低減補正する。その上で、燃料電池を発電制御するに当たり、前記負荷の駆動に要求される要求発電量と前記低減補正後の前記算出発電量とを比較し、前記要求発電量と前記低減補正後の前記算出発電量の小さい方の発電量で前記燃料電池の発電を制御する。

こうした態様では、次の利点がある。燃料電池に供給されている流体供給量を供給量変動に応じて増大補正するので、この補正後の供給量で発電量を算出したとすれば、その算出発電量は、燃料電池に供給されている流体供給量で発電できる最大の発電量となる。上記態様は、この最大発電量（即ち、増大補正後の供給量に対応する算出発電量）を供給量変動に応じて低減補正し、最大発電量を低減補正した発電量が要求発電量より小さければ、この低減補正後の発電量で燃料電池を運転制御し、要求発電量が小さければ、この要求発電量で燃料電池を運転制御する。よって、ただ単に要求発電量での燃料電池運転を行う場合に比して、燃料電池を流体不足で運転しないようにしつつ、できるだけ発電量を増やすことができると共に、要求発電量の電力も得ることができる。

また、上記した本発明は、燃料電池から排出された燃料流体を、循環系にて、燃料電池への燃料流体供給系に環流させ、その循環系経路に排出燃料流体の循環供給を図る循環ポンプを設けた構成にも適用できる。この場合には、既述した補正を行うに当たって、循環ポンプの駆動に伴う排出燃料流体の環流量の変動についても推定し、該推定した環流量変動と前記供給量変動とに応じて供給量増大補正、或いは発電量低減補正を行うようにすることもできる。

循環系を経て燃料流体供給系に環流する流体には、排出燃料流体の他、燃料電池での発電の結果として生成するガス、例えば、燃料流体として燃料電池のアノードに水素含有ガスを供給しカソードに酸素含有の空気を供給するものでは、窒素ガスが含まれる。よって、循環系と燃料流体供給系との合流点より下流側で流量（供給量）検出を行うと、発電に寄与しない窒素ガスの流量をも検出してしまうため、燃料流体の供給量検出は、循環系と燃料流体供給系との合流点より上流側で行われる。ところで、循環系に設けた循環ポンプにあっても、その駆動に伴って流量（環流量）が変動し、これに伴い排出流体環流量、延いては燃料電池への燃料流体の供給量も変動するが、この変動は燃料流体の供給量検出には現れない。そうすると、燃料流体の供給量の変動をもたらす供給機器の駆動状況だけに基づいた供給量増大補正・発電量低減補正では、循環ポンプによる排出流体環流量の変動によって、燃料電池での燃料不足を招く可能性がある。しかしながら、循環ポンプによる排出流体環流量の変動を考慮して供給量増大補正・発電量低減補正を行うことで、循環ポンプによる排出流体環流量変動に起因した燃料電池での燃料不足を回避することが可能となり、好ましい。

なお、上記した本発明において、流体の供給機器や循環ポンプの駆動方式は、ベーンポンプやギヤポンプのように機器の回転を伴うタイプや、シリンダの往復動を伴うタイプのものがあるが、いずれのタイプであっても適用できる。また、燃料電池の発電のために供給される流体は、ガスに限らず液体であっても本発明は適用できる。ガス供給であっても液体供給であっても、その供給機器を駆動させれば、機器駆動に伴って供給量に変動が起きるからである。

本発明は、燃料電池システムやその運転方法の他、燃料電池への流体供給量の増量補正を行う流体供給装置としても適用可能である。また、前記推定した供給量変動に応じて、前記供給機器の駆動制御と前記燃料電池の発電制御の少なくともいずれかを変更するに際しては、前記燃料電池に供給される前記流体の供給量と発電量との関係を、前記発電量に対する前記流体供給量の割合が相対的に増加する側に補正するようにすることもできる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。図１は実施例の燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、主に燃料電池１０と、水素供給源２０と、ブロワ３０と、制御部１１０と、加湿器６０と、循環ポンプ２５０と、発電制御機器３００を備えている。

燃料電池１０は、水素分離膜型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガス（以下、アノードガスと呼ぶ）を供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、燃料電池１０は発電する。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０の発電を制御する発電制御機器３００を介して、外部の負荷であるモータ３１０に供給される。なお、燃料電池１０としては、上記した水素分離膜型燃料電池の他、固体高分子型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。

ブロワ３０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０のカソード側に供給するための装置である。ブロワ３０は、カソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード側に接続されており、その駆動状態は、回転数センサ３２により検出されて制御部１１０の機器制御部１３０に出力される。カソードガス供給流路３４には、加湿器６０が設けられている。ブロワ３０で圧縮された空気は、加湿器６０によって加湿された後に燃料電池１０に供給される。燃料電池１０には、カソード排ガス流路３６が配されており、電気化学反応に供された後のカソードからの排ガス（以下、カソード排ガスと呼ぶ）は、カソード排ガス流路３６を通じて外部に排出される。

水素供給源２０は、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応を利用して生成した水素ガス、或いは貯留した水素ガスを燃料電池１０に供給するためのものであり、アノードガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード側に接続されている。アノードガス供給流路２４において、水素供給源２０の近傍には水素ガス供給ポンプ２３０、およびレギュレータ２２が設けられている。水素ガス供給ポンプ２３０は、レギュレータ２２よりも水素ガスの流れ方向に対して上流側に設けられている。この水素ガス供給ポンプ２３０は、ベーンを有するロータを回転させるベーンポンプの他、ギヤポンプ、ピストンポンプ等種々のタイプのものが適用でき、水素ガスを燃料電池１０に向けて圧送する。その水素ガス量（供給量）は、レギュレータ２２の下流においてアノードガス供給流路２４に設けたガス流量計２３４により検出される。水素ガス供給ポンプ２３０は、後述の機器制御部１３０により制御され、その駆動状態は回転数センサ２３２により検出されて機器制御部１３０に出力される。

水素供給源２０からアノードガス供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、レギュレータ２２によって調圧される。調圧された水素ガスは、アノードガスとして燃料電池１０のアノード側へ供給される。調圧後の圧力は、燃料電池１０に接続される負荷の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。

なお、電解質膜の性質によっては、水素とそれ以外のガスを含有する燃料ガスを供給するような構成とすることもできる他、発電燃料を液体として供給する構成とすることもできる。この場合には、水素ガス供給ポンプ２３０に代わり、流体ポンプが用いられる。

燃料電池１０は、そのアノード側にアノード排ガス流路２６を備え、電気化学反応に供された後のアノードからの排ガス（以下、アノード排ガスと呼ぶ）は、アノード排ガス流路２６とガス循環流路２８を経てアノードガス供給流路２４に戻り、燃料電池１０に環流する。ガス循環流路２８には循環ポンプ２５０が設置され、当該ポンプにより、図中の矢印ＨＪで示すようなアノード排ガスの循環供給を図る。この循環ポンプ２５０にあっても、ベーンポンプの他、ギヤポンプ、ピストンポンプ等種々のタイプのものが適用できる。

循環ポンプ２５０は、例えばロータ等の駆動機器の回転数を増減することで、アノード排ガス量（循環量）を調整（設定）できるようになっている。これにより、ガス循環流路２８を経由して燃料電池１０に流れ込むアノード排ガスと水素供給源２０からのアノードガスとの比であるアノードガス循環比を調節することができる。このようにして、アノード排ガスに含まれる水素ガスは、循環して、アノードガスとして再び発電に使用される。循環ポンプ２５０は、後述の機器制御部１３０により制御され、その駆動状態は回転数センサ２５２により検出されて機器制御部１３０に出力される。

発電制御機器３００は、燃料電池１０の発電電力を駆動輪Ｗの駆動用のモータ３１０に与えるために燃料電池１０の発電を制御する。モータ３１０には、燃料電池１０の発電電力の他、２次電池３２０の電力も供給可能とされており、モータ３１０は、発電制御機器３００を介した電力供給或いは２次電池３２０を介した電力供給を受けて、駆動輪Ｗを駆動する。２次電池３２０の充電量は図示しない充電量センサで検出され、制御部１１０にセンサ出力として出力される。

制御部１１０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。この制御部１１０は、アクセルの踏込量を検出するアクセルセンサ２０１等の負荷要求に関する情報等を取得して、燃料電池システム１００を構成する各部、すなわち、ブロワ３０、加湿器６０、水素ガス供給ポンプ２３０および循環ポンプ２５０等に駆動信号を出力し、燃料電池システム１００全体の運転状態を勘案してこれらを制御する。

また、制御部１１０は、センサ入力を受けて水素ガス供給量や要求発電量等を算出する算出部１２０、水素ガス供給ポンプ２３０や循環ポンプ２５０およびブロワ３０等の制御を行う機器制御部１３０、ポンプ駆動時或いは燃料電池発電時の種々の補正量を算出する補正部１４０としての機能を、後述するプログラムと協働して果たす。

次に、上記の機器構成を有する燃料電池システム１００で行うガス供給制御について説明する。図２はガス供給制御の処理内容を表わすフローチャートである。

図２のガス供給制御は、アノードへの水素ガス供給と、カソードへの空気供給とを同時並行的に制御するものであり、まず、制御部１１０は、車両の走行に要するアクセルセンサ２０１等の種々のセンサ出力を読み込み（ステップＳ１００）、センサ出力に基づいて車両の走行に要する駆動要求電力Ｐｒを算出する（ステップＳ１１０）。制御部１１０は、駆動要求電力Ｐｒをアクセル踏込量、車速等と対応付けたマップを予め記憶して備え、センサ出力とマップを対応させて駆動要求電力Ｐｒを算出する。

次に、制御部１１０は、算出した駆動要求電力Ｐｒから燃料電池に要求される発電電流Ｉｍを算出し（ステップＳ１２０）、この要求発電電流Ｉｍを得るための水素ガス基本供給指令量ＨＱｂ、酸素基本供給指令量ＯＱｂとを算出する（ステップＳ１３０）。これらの指令量算出に際しても、それぞれの供給指令量を発電電流（要求発電電流）や燃料電池温度等とを対応付けたマップが用いられる。なお、この基本供給指令量は、要求発電電流を得るための理論的な必要供給量の他、発電の祭の電気化学反応の進行を促すための若干の余剰の供給量が含んだ供給量の指令量として定められている。

制御部１１０は、図示しない他のルーチンで算出済みの駆動可能電力Ｐａを読み込み（ステップＳ１４０）、この駆動可能電力Ｐａと上記算出済みの駆動要求電力Ｐｒとの大小比較を行う（ステップＳ１５０）。駆動可能電力Ｐａは、燃料電池１０に要求される発電電力に２次電池３２０の蓄電電力を含めた燃料電池システム１００全体としての電力である。

ステップＳ１５０でＰａ＞Ｐｒであると肯定判定すれば、燃料電池システム１００全体として十分な電力を賄えることから、具体的には、２次電池３２０の順電電力が十分あることから、燃料電池１０での発電電力を要求発電量より少なくしても、車両走行に必要な電力を賄えることがある。こうした場合は、後述のガス供給量補正は不要であるとして、ステップＳ１６０では、水素ガスについての供給量の増量補正指令量ＨＱｃと、空気についての供給量の増量補正指令量ＯＱｃとに、共に値ゼロをセットし、後述のステップＳ１９０に移行する。

一方、ステップＳ１５０で否定判定すれば、ガス供給に関与する機器、具体的には、水素ガス供給系の水素ガス供給ポンプ２３０と循環ポンプ２５０、酸素供給系のブロワ３０についての回転数センサをスキャンし（ステップＳ１７０）、そのスキャン結果（回転数）を上記各機器の動作点とする。この動作点は、水素ガス供給系では、アノードガス供給流路２４における水素ガス供給ポンプ２３０の動作点ＨＮＭｓと、ガス循環流路２８における循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓとを求め、酸素供給系ではブロワ３０の動作点ＯＮｓを求める。

続くステップＳ１８０では、求めた動作点に対応する増量補正指令量を水素ガス、空気について算出する。図３はアノードガス供給流路２４に設けた水素ガス供給ポンプ２３０についての動作点ＨＮＭｓとポンプ駆動に伴う脈動の状況（変動幅）との関係およびこの変動幅と補正量（増量補正量）との関係を示す説明図、図４はガス循環流路２８に設けた循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓとポンプ駆動に伴う脈動の状況（変動幅）との関係およびこの変動幅と補正量（増量補正量）との関係を示す説明図、図５はカソードガス供給流路３４の設けたブロワ３０の動作点ＯＮｓとブロワ駆動に伴う脈動の状況（変動幅）との関係およびこの変動幅と補正量（増量補正量）との関係を示す説明図である。

ポンプやブロワのガス供給機器は、その構成において相違するものの、ガス供給を起こすために駆動（回転）する機器を有する。よって、これらのガス供給機器は、その駆動に伴ってガス供給量に変動を起こし、この供給量変動は機器駆動状況（本実施例にあっては回転数）に対応する。図３〜図５は、この様子を表したものであり、一般的には、回転数が高まると供給量変動は小さくなる傾向にある。この場合、供給量変動幅の推移は、ポンプ構造・ブロワ構造や規格によってほぼ定まる。また、変動周期も回転数に依存して変化するが、燃料電池１０に供給されるガス供給量の変動に及ぼす影響は変動幅の方が大きいため、本実施例では、制御部１１０は、変動幅についてポンプ・ブロワ毎に図示する関係をテーブル或いはマップとして予め備え、水素ガス供給については、水素ガス供給ポンプ２３０の動作点ＨＮＭｓと、ガス循環流路２８における循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓとに基づいて水素ガス供給量の増量補正指令量ＨＱｃを算出し、酸素供給については、ブロワ３０の動作点ＯＮｓに基づいて酸素供給量の増量補正指令量ＯＱｃを算出する。これにより、ポンプやブロワの駆動に伴って起きるガス供給量の変動をこれら機器の駆動状況に基づいて推定することができる。

制御部１１０は、ステップＳ１３０で算出した指令量とステップＳ１８０で算出した補正指令量とを水素ガス・空気について加算し、増量補正後の供給指令量（水素ガス供給指令量ＨＱｒと酸素供給指令量ＯＱｒ）を求め（ステップＳ１９０）、一旦本ルーチンを終了する。制御部１１０は、ステップＳ１９０で求めた供給指令量を、水素供給系の水素ガス供給ポンプ２３０や循環ポンプ２５０と、酸素供給系のブロワ３０に出力する。よって、水素供給系では、要求発電量に応じて求めた水素ガスの基本供給量をポンプの駆動に伴って増量補正した供給量で水素ガスが燃料電池１０のアノードに供給され、燃料電池１０のカソードには、要求発電量に応じて求めた酸素の基本供給量をポンプの駆動に伴って増量補正した供給量で酸素が供給される。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１００では、ステップＳ１７０〜１９０の処理を行うことで、水素ガスおよび空気について、それぞれの供給量を、ポンプやブロワの駆動に伴う供給量変動に応じて増量補正し、この増量補正後の供給量で水素ガスと空気とを供給する。このため、燃料電池１０では、発電要求に応じた要求発電電流Ｉｍが得られるよう発電制御機器３００にて制御されるものの、水素ガスと酸素については、この要求発電電流Ｉｍに対応した供給量（基本供給量：ステップＳ１３０）を増量補正した供給量でそれぞれ供給される（ステップＳ１９０）。こうした関係を図でもって説明すると次のようになる。図６はガス供給量の増量補正と要求発電電流Ｉｍとの関係を説明する説明図である。

今、燃料電池１０は、要求発電電流Ｉｍでの運転状況にあるとし、この要求発電電流Ｉｍに対応した水素ガス供給量ＨＱｂで水素ガスが供給されているとする。本実施例では、この水素ガス供給量ＨＱｂを、水素ガス供給ポンプ２３０と循環ポンプ２５０の動作点に応じて定めたＨＱｃで増量補正するので、燃料電池１０への水素ガス供給指令量ＨＱｒ（即ち、水素ガス供給量）は、水素ガス基本供給量指令量ＨＱｂ（即ち、基本供給量）をＨＱｃだけ嵩上げしたものとなる。従って、本実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０を水素ガス不足・酸素不足（空気不足）の状況で運転しないようにできる。しかも、水素ガス不足・酸素不足（空気不足）で運転させてしまう状況（ガス不足運転状況）を、水素ガス・酸素の増量補正という簡便な手法で、容易に回避できる。

このような増量補正後にあっても、ポンプ駆動が起きていることから、実際のガス供給量は変動しているので、図６に点線で示すように、燃料電池１０には、水素ガス供給指令量ＨＱｒに対応する供給量をほぼ中心にして上下に変動した供給量で水素ガスが供給される。よって、図中点線で示す供給量が、要求発電電流Ｉｍに対応した水素ガス基本供給指令量ＨＱｂより常時大きければ、水素ガス不足の回避の実効性は高まる。空気についても同様である。よって、ステップＳ１８０におけるポンプ・ブロワの動作点に応じた増量補正指令量算出に際しては、動作点に対応した変動量（変動幅：図３〜図５参照）の少なくとも半分以上の増量補正ができるようにすればよい、といえる。本実施例では、ステップＳ１８０における増量補正が動作点に対応した変動幅の０．５〜１．０倍となるようにした。こうすれば、ガス不足回避のための増量補正を過大にしないようにできるので、ガス消費の抑制、燃費維持の点から好ましい。

なお、図６に点線で示す供給量が、要求発電電流Ｉｍに対応した水素ガス基本供給指令量ＨＱｂより小さい場合があったとしても、ポンプ等の駆動に伴う変動に応じたガス供給量の増量補正を行わない場合に比べれば、燃料電池１０がガス不足に到る状況は抑制できることは勿論である。

また、アノード排ガスを循環させて未反応の水素ガスの有効利用を図るために設置した循環ポンプ２５０についても、その駆動に伴って起きる流量変動をガス供給量の増量補正に考慮することとした。よって、循環ポンプ２５０の駆動に伴う流量変動（循環量変動）に起因したガス不足を回避できるよう、よりきめ細かな増量補正が可能となるので、燃料電池におけるガス不足回避に有益である。

また、次のような利点もある。上記したような水素ガス・空気の供給量の増量補正を行わないと、燃料電池１０では、水素ガス供給ポンプ２３０や循環ポンプ２５０或いはブロワ３０の駆動に伴った供給量変動の影響を受け、ガス不足のままで発電する状況が起き得る。こうした状況では、燃料電池１０は要求発電電流Ｉｍが得られるよう運転制御されるものの、水素ガス・酸素の供給量不足から発電量がダウンするので、車両の走行状態に照らせばパワー変動が起きえ、ドライバビリティーを損ないかねない。しかしながら、本実施例では、ガス供給量の増量補正を行いつつ要求発電電流Ｉｍが得られるよう燃料電池１０を運転制御するので、パワー変動を抑制でき、ドライバビリティーの悪化を有効に回避できる。

次に、他の実施例について説明する。上記の実施例がガス供給量の増量補正に着目したものであるのに対し、次の実施例は発電電流量を低減補正する点に着目した点で相違する。図７は他の実施例が行うガス供給制御の処理内容を表わすフローチャート、図８は発電制御の処理内容を表すフローチャートである。なお、この実施例におけるハード構成は、図１に示したものと変わるものではない。

図７に示すように、ガス供給制御に際しては、図２で説明したステップＳ１００〜１３０と同一内容の処理（ステップＳ２００〜２３０）を実行し、制御部１１０は、水素ガス基本供給指令量ＨＱｂに基づいて、水素ガス供給ポンプ２３０と循環ポンプ２５０とを制御し、酸素基本供給指令量ＯＱｂに基づいてブロワ３０を制御する（ステップＳ２４０）。これにより、水素ガス供給ポンプ２３０と循環ポンプ２５０は、駆動要求電力Ｐｒから算出した要求発電電流Ｉｍに対応する水素ガス基本供給量ＨＱｂで水素ガスが燃料電池１０のアノードに供給されるよう駆動し、ブロワ３０は、酸素基本供給量ＯＱｂで酸素が燃料電池１０のカソードに供給されるよう駆動する。

こうしたポンプ駆動・ブロワ駆動に伴って供給量変動がなければ、燃料電池１０を要求発電電流Ｉｍが得られるよう発電制御すれば足りるが、ポンプ駆動・ブロワ駆動に伴って供給量変動が起きることから、図８の発電制御にて燃料電池１０の発電状況を制御する。

図８に示す発電制御では、まず、水素ガスの流量に関するセンサをスキャンする（ステップＳ３００）。スキャン対象となるセンサは、アノードガス供給流路２４に設けられたガス流量計２３４と、ガス循環流路２８を介した水素ガス環流量を規定するガス循環流路２８における循環ポンプ２５０の回転数センサ２５２である。制御部１１０は、これらセンサスキャンの結果から、アノード排ガスの環流による水素ガス環流（環流量）をも含めた水素ガス流量（即ち、水素ガスの実供給量）ＨＱｓを求める。つまり、循環ポンプ２５０の回転数に基づいてアノード排ガスの環流量を求め、ガス流量計２３４の検出した水素ガス流量とこれに対するアノード排ガスの環流比、アノード排ガス中の水素ガス含有比等を考慮して、水素ガスの実供給量ＨＱｓを求める。

次に、図７のガス供給制御で求めた駆動要求電力Ｐｒと図示しない他のルーチンで算出済みの駆動可能電力Ｐａとを読み込み（ステップＳ３１０）、この駆動可能電力Ｐａと上記算出済みの駆動要求電力Ｐｒとの大小比較を行う（ステップＳ３２０）。

ステップＳ３２０でＰａ＞Ｐｒであると肯定判定すれば、既述したように燃料電池システム１００全体として十分な電力を賄えることから、後述する発電電流の低減補正のためのガス供給量変動算出は不要であるとして、ステップＳ３３０では、水素ガスについての供給変動量ＨＱｃに値ゼロをセットし、後述のステップＳ１９０に移行する。なお、この図８の発電制御では、後述するように発電電流の低減制御を達成するためのものであることから、ガスについての処置（例えば、ステップＳ３００でのガス供給量検出、ステップＳ３３０でのガス供給量補正等）は、アノード側の水素ガスについて行えば足りるが、カソード側の空気についても実行するようにもできる。

一方、ステップＳ３２０で否定判定すれば、水素ガス供給に関与する水素ガス供給系の水素ガス供給ポンプ２３０と循環ポンプ２５０の回転数センサをスキャンし（ステップＳ３４０）、そのスキャン結果（回転数）を上記各機器の動作点とする。この動作点は、アノードガス供給流路２４における水素ガス供給ポンプ２３０の動作点ＨＮＭｓと、ガス循環流路２８における循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓとなる。

続くステップＳ３５０では、後述するようにポンプ駆動に伴う供給量変動を見越した上での発電可能電流算出に備え、上記求めた動作点に対応する供給変動量を水素ガスについて算出する。その算出手法には、図２におけるステップＳ１８０と同様、図３や図４に示した供給量変動特性を反映させたテーブル或いはマップを用い、水素ガス供給ポンプ２３０の動作点ＨＮＭｓと、ガス循環流路２８における循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓとに基づいて水素ガスの供給変動量ＨＱｃを算出する。この場合、ガス循環流路２８における循環ポンプ２５０の駆動状態によってアノード排ガスの循環量（即ち、未反応の水素ガス環流量）が変わることから、水素ガス供給ポンプ２３０と循環ポンプ２５０の両ポンプの動作点で定まるアノード排ガスの循環比を、循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓが供給変動量ＨＱｃに寄与する値として採用することもできる。例えば、循環比が大きくなるほどアノード排ガス中の水素ガス環流量が増えるので、環流量増大に応じて供給変動量ＨＱｃを決定するようにすることができる。なお、この供給変動量ＨＱｃは、ポンプ駆動に伴う供給量変動による供給量の変動量であることから、図２におけるステップＳ１８０で求めた増量補正指令量と同じとなる。

こうして供給変動量ＨＱｃを算出すると、制御部１１０は、図７のガス流量制御で決定した水素ガス基本供給量ＨＱｂの水素ガスを燃料電池１０のアノードに供給している場合における発電可能電流Ｉａを算出する（ステップＳ３７０）。この発電可能電流Ｉａは、図７のガス流量制御で決定した水素ガス基本供給量ＨＱｂの水素ガスを燃料電池１０のアノードに供給している場合において、ポンプ駆動に伴う水素ガス供給量の変動を考慮したガス供給量最小値、即ち、ステップＳ３００で求めた実供給量ＨＱｓからステップＳ３５０で求めた供給変動量ＨＱｃを減算した供給量に、ガス供給量を電流量に変換するための定数である補正係数Ｋｉを乗じて算出される。

そして、制御部１１０は、上記のように算出した発電可能電流Ｉａと駆動要求電力Ｐｒから算出した要求発電電流Ｉｍとを対比し、その小さい方の電流を燃料電池１０に対する発電電流指令Ｉｒとして求め（ステップＳ３８０）、一旦本ルーチンを終了する。制御部１１０は、ステップＳ３８０で求めた発電電流指令Ｉｒを発電制御機器３００に出力する。よって、燃料電池１０では、要求発電量に応じて求めた基本供給量での水素ガス・空気の供給を受けながら（図７；ステップＳ２３０〜２４０）、発電制御機器３００により発電電流指令Ｉｒに応じた発電電流が得られるよう発電制御される。

この場合の発電電流は、発電可能電流Ｉａと要求発電電流Ｉｍの小さい方の電流であるが、発電可能電流Ｉａ算出に用いた供給変動量ＨＱｃをポンプの駆動状況に応じて種々設定することで、車両の走行状態が通常のものであれば、発電可能電流Ｉａが要求発電電流Ｉｍを下回るようにできる。こうすれば、水素ガス・酸素のガス供給の上では、燃料電池１０に要求発電電流Ｉｍに対応する水素ガス基本供給量ＨＱｂと酸素基本供給指令量ＯＱｂで水素ガスと空気とを供給しつつ、燃料電池１０の発電電流については、要求発電電流Ｉｍより小さい発電可能電流Ｉａが得られるよう、燃料電池１０を発電制御することができる。よって、この実施例によっても、燃料電池１０を水素ガス不足・酸素不足（空気不足）の状況で運転しないようにできる。しかも、水素ガス不足・酸素不足（空気不足）で運転させてしまう状況（ガス不足運転状況）を、発電電流の低減補正（ステップＳ３５０〜３７０）という簡便な手法で、容易に回避できる。しかも、供給変動量ＨＱｃの設定により、発電可能電流Ｉａを発電可能電流Ｉａより小さくしかも要求発電電流Ｉｍに近づくよう決定できることから、燃料電池１０におけるガス不足を回避しつつ、できるだけ多くの発電電流を得ることができる。

また、ステップＳ３８０にて要求発電電流Ｉｍが発電可能電流Ｉａより小さい状況が起きたとしても、ポンプ等の駆動に伴う変動に応じた発電電流の低減補正を行わない場合に比べれば、燃料電池１０がガス不足に到る状況は抑制できることは勿論である。しかも、要求発電電流Ｉｍの発電時においては、この要求発電電流Ｉｍも得ることができることになる。

また、発電電流の低減補正に際しても、循環ポンプ２５０の駆動に伴って起きる流量変動（供給量変動）を考慮したので（ステップＳ３５０〜３７０）、よりきめ細かな低減補正が可能となり、燃料電池におけるガス不足回避に有益である。しかも、こうした供給量変動の考慮に際しては、発電可能電流Ｉａの算出に当たり、水素ガスの実供給量ＨＱｓ（ステップＳ３００）から供給変動量ＨＱｃ（ステップＳ３５０）を減算して求めたガス供給量最小値を用いた。このガス供給量最小値は、水素ガスを実供給量ＨＱｓで供給している状況下での水素ガス供給量の最小の値であることから、算出した発電可能電流Ｉａは、実供給量ＨＱｓで供給されている水素ガスで発電可能な値より必然的に小さくなる。よって、発電電流指令Ｉｒとしてこの算出発電可能電流Ｉａを採用した場合には、ガス不足のまま発電を行うような事態をより確実に回避できる。

発電電流の低減補正に際しては、発電可能電流Ｉａの算出のために水素ガスの実際の供給量を検出する必要があるが、本実施例では、この水素ガス実供給量ＨＱｓの算出に、アノードガス供給流路２４に設置したガス流量計２３４とガス循環流路２８に設けた循環ポンプ２５０の回転数センサ２５２のセンサ出力を用いた。よって、アノード排ガスの循環による未反応水素ガスの供給量（循環量）をも水素ガス実供給量ＨＱｓに反映させることができる。よって、供給変動量ＨＱｃによるガス供給量の低減補正を経て算出する発電可能電流Ｉａを、燃料電池１０のアノードに供給されている水素ガス量により適合した値とできるので、算出した発電可能電流Ｉａの信頼性が高まる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

例えば、燃料電池１０を、そのアノード・カソードに水素ガスと空気の供給を受ける構成としたが、アノードにはメタノール等の液体の燃料を供給する構成の燃料電池とすることもできる。この場合には、アノードへの供給系に流体ポンプを設け、そのポンプ駆動に伴う流体供給量の変動に応じて、液体燃料の供給量の増量補正、発電電流の低減補正を行えばよい。

また、図２ないし図６を用いて説明したようなガス供給量の増量補正を行う水素ガス供給装置や、空気供給装置としても適用可能である。

上記の実施例では、アノード排ガスをガス循環流路２８を介して燃料電池１０に循環させる構成を有するものとしたが、こうした循環系を有しない燃料電池システム１００に適用することもできる。この場合には、水素ガス供給量の増量補正や発電電流の低減補正に際しては、水素ガス供給ポンプ２３０の駆動に伴う供給量変動を考量すればよい。また、水素ガス供給のための水素供給源２０を高圧の水素タンク等にした場合には、ほぼ定流量での水素ガス供給ができアノードガス供給流路２４には水素ガス供給ポンプ２３０を要しないので、循環ポンプ２５０の駆動に伴う供給量変動を考慮すれば足りる。

また、図２で説明したガス供給量の増大補正と、図７と図８で説明した発電電流の低減補正とを併用することもできる。このような併用に際しては、水素ガス供給ポンプ２３０や循環ポンプ２５０の駆動状況（つまりは、ガス供給量変動）に応じて、上記両補正を併用したり、一方の補正を採択するようにすることもできる。

実施例の燃料電池システム１００の構成を概略的に示すブロック図である。 ガス供給制御の処理内容を表わすフローチャートである。 アノードガス供給流路２４に設けた水素ガス供給ポンプ２３０についての動作点ＨＮＭｓとポンプ駆動に伴う脈動の状況（変動幅）との関係およびこの変動幅と補正量（増量補正量）との関係を示す説明図である。 ガス循環流路２８に設けた循環ポンプ２５０の動作点ＨＮＪｓとポンプ駆動に伴う脈動の状況（変動幅）との関係およびこの変動幅と補正量（増量補正量）との関係を示す説明図である。 カソードガス供給流路３４の設けたブロワ３０の動作点ＯＮｓとブロワ駆動に伴う脈動の状況（変動幅）との関係およびこの変動幅と補正量（増量補正量）との関係を示す説明図である。 ガス供給量の増量補正と要求発電電流Ｉｍとの関係を説明する説明図である。 他の実施例が行うガス供給制御の処理内容を表わすフローチャートである。 他の実施例における発電制御の処理内容を表すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…水素供給源
２２…レギュレータ
２４…アノードガス供給流路
２６…アノード排ガス流路
２８…ガス循環流路
３０…ブロワ
３２…回転数センサ
３４…カソードガス供給流路
３６…カソード排ガス流路
６０…加湿器
１００…燃料電池システム
１１０…制御部
１２０…算出部
１３０…機器制御部
１４０…補正部
２０１…アクセルセンサ
２３０…水素ガス供給ポンプ
２３２…回転数センサ
２３４…ガス流量計
２５０…循環ポンプ
２５２…回転数センサ
３００…発電制御機器
３１０…モータ
Ｗ…駆動輪

Claims (7)

1. 燃料電池と、該燃料電池での発電に要する流体の供給のために設けられた供給機器とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池に供給される前記流体の供給量と発電量との関係に基づいて、前記燃料電池に求められる発電要求に対応する供給量で前記流体が供給されるよう前記供給機器を駆動する駆動制御と、前記発電要求に即した発電量が得られるよう前記燃料電池を運転する発電制御とを行いつつ、
   前記供給機器の駆動に伴って起きる前記流体の供給量の変動を前記供給機器の駆動状況に基づいて推定し、
   該推定した供給量変動に応じて、前記供給機器の駆動制御と前記燃料電池の発電制御の少なくともいずれかを変更して、前記発電量に対する前記流体供給量の割合が相対的に増加する補正を実行する
   燃料電池システムの運転方法。
2. 請求項１記載の燃料電池システムの運転方法であって、
   前記実行する補正は、
   前記推定した供給量変動に応じて前記流体供給量を増大する増大補正と前記推定した供給量変動に応じて発電量を低減する低減補正の少なくともいずれかとされ、
   前記流体供給量の増大補正に際しては、前記供給機器についての前記駆動制御を、前記増大補正後の供給量で前記流体が供給されるよう変更し、
   前記発電量の低減補正に際しては、前記燃料電池についての前記発電制御を、前記低減補正後の発電量が得られるよう変更する
   燃料電池システムの運転方法。
3. 燃料電池と、該燃料電池での発電に要する流体の供給のために設けられた供給機器とを備え、該供給機器を駆動して前記燃料電池に前記流体を供給して発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給される前記流体の供給量と発電量との関係に基づいて、前記燃料電池に求められる発電要求に対応する前記流体の供給量を算出する供給量算出手段と、
   前記流体を前記燃料電池に供給するために前記供給機器を駆動制御する機器制御手段と、
   前記算出した供給量で前記流体が供給されるよう前記機器制御手段が前記供給機器を駆動制御する際には、前記供給機器の駆動に伴って起きる前記流体の供給量の変動を前記供給機器の駆動状況に基づいて推定し、該推定した供給量変動に応じて前記算出した供給量を増大補正する供給補正手段とを備える
   燃料電池システム。
4. 燃料電池と、該燃料電池での発電に要する流体の供給のために設けられた供給機器とを備え、該供給機器を駆動して前記燃料電池に前記流体を供給して発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給される前記流体の供給量を検出する供給量検出手段と、
   前記燃料電池に供給される前記流体の供給量と発電量との関係に基づいて、前記検出された供給量に対応する発電量を算出する発電量算出手段と、
   前記燃料電池の発電した電力を外部の負荷に与えるために前記燃料電池の運転を制御する発電制御手段と、
   前記算出した発電量が得られるよう前記発電制御手段が前記燃料電池の運転を制御する際には、前記供給機器の駆動に伴って起きる前記流体の供給量の変動を前記供給機器の駆動状況に基づいて推定し、該推定した供給量変動に応じて前記算出した発電量を低減補正する発電補正手段とを備える
   燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記発電量算出手段は、
   前記発電量の算出に際して、前記検出された供給量を前記推定した供給量変動に応じて増大補正し、増大補正後の供給量に対応する発電量を算出し、
   前記発電補正手段は、
   前記増大補正後の前記供給量に対応して前記発電量算出手段の算出した前記算出発電量を前記推定した供給量変動に応じて低減補正し、
   前記発電制御手段は、
   前記負荷の駆動に要求される要求発電量と前記低減補正後の前記算出発電量とを比較し、前記要求発電量と前記低減補正後の前記算出発電量の小さい方の発電量で前記燃料電池の運転を制御する
   燃料電池システム。
6. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出された燃料流体を前記燃料電池への燃料流体供給系に環流する経路を有する循環系と、
   前記循環系の経路に設けられ、前記排出燃料流体の循環供給を図る循環ポンプとを備え、
   前記供給量補正手段は、該循環ポンプの駆動に伴う排出燃料流体の環流量の変動についても推定し、該推定した環流量の変動と前記推定した供給の量変動とに応じて前記補正を行う
   燃料電池システム。
7. 請求項４または請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出された燃料流体を前記燃料電池への燃料流体供給系に環流する経路を有する循環系を、前記供給流検出手段の下流側で前記燃料流体供給系に接続して備えると共に、前記循環系の経路に設けられ、前記排出燃料流体の循環供給を図る循環ポンプを備え、
   前記発電補正手段は、該循環ポンプの駆動に伴う排出燃料流体の環流量の変動についても推定し、該推定した環流量の変動と前記推定した供給量変動とに応じて前記補正を行う
   燃料電池システム。

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