JP2013125591A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ストイキ比を確保しつつ燃料損失を最小限に抑えることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２と、燃料供給源４１から供給される燃料ガスを燃料電池２へと流通させる燃料供給流路４２と、燃料供給流路４２内を流通する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁Ｈ２と、燃料電池２から排出されるガスを燃料供給流路４２に還流させる燃料循環流路４３と、燃料循環流路４３内のガスを燃料供給流路へと送出する循環ポンプ４５と、燃料循環流路４３内のガスを外部に排出する排出弁Ｈ５と、を備える燃料電池システム１であって、燃料電池２の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、クロスオーバ水素損失と、循環ポンプ動力損失と、パージ水素損失と、の総和が最小となるように、調圧弁Ｈ２と循環ポンプ４５と排出弁Ｈ５とを制御する制御装置６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。かかる燃料電池システムにおいては、燃料電池における安定的な発電を担保することを目的として、負荷装置から要求される出力（負荷要求）に対応するガス量よりも多めに反応ガスを燃料電池に供給するのが一般的である。ここで、基準ガス量（負荷要求に対応するガス量）に対する供給ガス量（実際に燃料電池に供給するガス量）の比は、「ストイキ比」と称されることがある。

現在においては、燃料電池を構成する単電池毎に反応ガスのストイキ比（セルストイキ比）を算出する手段と、このセルストイキ比が所定値よりも低下している場合に反応ガスの供給量を増大させる手段と、を備えた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１８４２０２号公報

しかし、特許文献１に記載されたような従来の燃料電池システムにおいては、所望のストイキ比を確保することはできるものの、動力損失を抑制するための工夫はなされていないことから、水素ガス等の燃料を徒に消費してしまう可能性がある。特に現在においては、加速時における（循環ポンプの応答遅れ等に起因した）過渡的な燃料欠乏を回避することを目的として、低負荷領域において水素濃度を高く保持する技術が採用されていることから、低負荷領域において燃料損失が大きくなるという問題があった。

また、近年においては、燃料電池の乾燥防止を目的として、燃料電池を構成する電解質膜を薄くしてカソードからアノードへの水移動量を増加させる試みがなされている。しかし、このように電解質膜を薄くすると、その分アノードからカソードへの水素ガス透過量が増大してしまい、発電用に供給した水素ガスが空気と反応することなくカソードで燃焼され消費されてしまうという問題が新たに発生することが懸念される。よって、このような薄型の電解質膜を採用するためには、燃料損失を抑制するためのさらなる技術革新が待望されていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ストイキ比を確保しつつ燃料損失を最小限に抑え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する。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流通させる燃料供給流路と、燃料供給流路内を流通する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、燃料電池から排出されるガスを燃料供給流路に還流させる燃料循環流路と、燃料循環流路内のガスを燃料供給流路へと送出する循環ポンプと、燃料循環流路内のガスを外部に排出する排出弁と、を備える燃料電池システムであって、燃料電池の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料電池のアノードからカソードへの透過水素量と、循環ポンプの動力損失分を発電するための水素量と、排出弁から排出される水素量と、の総和が最小となるように、調圧弁と循環ポンプと排出弁とを制御する制御装置を備えるものである。

また、本発明に係る制御方法は、燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流通させる燃料供給流路と、燃料供給流路内を流通する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、燃料電池から排出されるガスを燃料供給流路に還流させる燃料循環流路と、燃料循環流路内のガスを燃料供給流路へと送出する循環ポンプと、燃料循環流路内のガスを外部に排出する排出弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料電池のアノードからカソードへの透過水素量と、循環ポンプの動力損失分を発電するための水素量と、排出弁から排出される水素量と、の総和が最小となるように、調圧弁と循環ポンプと排出弁とを制御する制御工程を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料損失を最小限に抑えることができる。ここで、水素ストイキ比とは、供給水素量（実際に燃料電池に供給する水素量）を基準水素量（負荷装置から要求される出力に対応する水素量）で除した値を意味する。

本発明に係る燃料電池システム（制御方法）において、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である負荷領域において前記総和が最小となるような最適水素分圧を実際の水素分圧が上回らないように調圧弁及び排出弁を制御する制御装置（制御工程）を備えることができる。

かかる構成（方法）を採用すると、低負荷領域（負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である負荷領域）において、調圧弁及び排出弁を制御することにより、水素分圧（燃料電池内の全ガス圧力に対する水素ガス圧力の比）が最適水素分圧を上回らないようにすることができる。従って、水素ストイキ比を増加させる際に最も損失の大きいクロスオーバ水素損失（燃料電池のアノードからカソードへの透過水素量）を低減させることができるので、燃料損失を効率良く抑えることができる。

また、本発明に係る燃料電池システム（制御方法）において、燃料供給流路へと送出されるガスの流量が所定の設定流量を下回らないように循環ポンプを制御する制御装置（制御工程）を備えることができる。

かかる構成（方法）を採用すると、低負荷領域において、循環ポンプを制御して水素循環ポンプ流量（循環流路から燃料供給流路へと送出されるガスの流量）が所定の設定流量を下回らないようにすることができる。すなわち、水素ストイキ比を確保する際に、最も損失の少ない循環ポンプの稼動量を増加させるので、その分、損失の大きいクロスオーバ水素損失を低減させて燃料損失を効率良く抑えることができる。

本発明によれば、ストイキ比を確保しつつ燃料損失を最小限に抑えることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 水素分圧とクロスオーバ水素損失との間の関係を表すグラフである。 水素循環ポンプ流量と水素循環ポンプ動力損失との間の関係を表すグラフである。 パージ量とパージ水素損失との間の関係を表すグラフである。 燃料電池車両の使用負荷と使用頻度との間の関係を表すグラフである。 図１に示す燃料電池システムにおける使用負荷とスタック圧力との間の関係を表すグラフである。 図１に示す燃料電池システムにおける使用負荷と水素循環ポンプ流量との間の関係を表すグラフである。 図１に示す燃料電池システムにおけるスタック圧力と水素損失との間の関係を表すグラフである。 図１に示す燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２やバッテリ５２で発生させた電力を、トラクションインバータ５３を介してトラクションモータＭ３に供給することにより、トラクションモータＭ３を回転駆動するものである。燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有しており、さらにカソード電極及びアノード電極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。すなわち、燃料電池２においては、アノード電極において以下の（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の（２）式の還元反応が生じ、燃料電池２全体としては以下の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ ・・・（３）

燃料電池２には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂが取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。

酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。

エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものである。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される空気を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。

燃料ガス配管系４は、燃料供給源４１、燃料供給流路４２、燃料循環流路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。

燃料供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料供給流路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、その流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。水素供給バルブＨ２は、燃料供給流路４２内を流通する燃料ガスの圧力を調整するものであり、本発明における調圧弁として機能する。

燃料循環流路４３は、燃料電池２から排出される未反応燃料ガスを燃料供給流路４２に還流させるための帰還ガス流路であり、その流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料供給流路４２へと送出される。燃料供給流路４２から燃料循環流路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。パージバルブＨ５は、燃料循環流路４３内のガスを外部に排出するものであり、本発明における排出弁として機能する。

電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、トラクションモータＭ３に対して燃料電池２と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能するものである。バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。

トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ａが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。なお、本実施形態においては、燃料電池２から供給される電力を受けて作動する全ての機器を負荷装置と総称することとする。

制御装置６は、燃料電池システム１の各部を統合的に制御するためのコンピュータシステムであり、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有している。制御装置６は、各種センサから供給される信号（例えば、回転数検知センサ５ａやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号）の入力を受けて、負荷装置の負荷（要求出力）を算出する。そして、制御装置６は、この負荷に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。

負荷装置の負荷は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、各種補機（エアコンプレッサ３１、水素循環ポンプ４５等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。

また、制御装置６は、燃料電池２の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ燃料損失が最小限となるように各種バルブやポンプを制御する「燃料損失回避制御」を実施する。具体的には、制御装置６は、所定値以上の水素ストイキ比を確保しつつ、クロスオーバ水素損失と水素循環ポンプ動力損失とパージ水素損失との総和が最小となるように、水素供給バルブＨ２と水素循環ポンプ４５とパージバルブＨ５とを制御する。なお、水素ストイキ比とは、供給水素量（実際に燃料電池２に供給する水素量）を基準水素量（負荷装置から要求される出力に対応する水素量）で除した値を意味する。

ここで、図２〜図８を用いて、本実施形態における制御装置６による「燃料損失回避制御」についてさらに詳細に説明することとする。

図２は、水素分圧（燃料電池２内の全ガス圧力に対する水素ガス圧力の割合）とクロスオーバ水素損失（燃料電池２のアノードからカソードへの透過水素量）との間の関係を表すグラフである。図２に示されるように、クロスオーバ水素損失は、水素分圧が上昇するに従って増大する一方、燃料電池２を構成する電解質膜の厚さ（膜厚）が減少するに従って増大することが知られている。水素分圧は、水素供給バルブＨ２及びパージバルブＨ５の開閉制御によって調整される。

図３は、水素循環ポンプ流量（水素循環ポンプ４５によって燃料供給流路４２へと送出されるガス流量）と水素循環ポンプ動力損失（水素循環ポンプ４５の動力損失分を発電するための水素量）との間の関係を表すグラフである。図３に示されるように、水素循環ポンプ動力損失は、水素循環ポンプ流量が増大するに従って増大し、かつ、差圧（水素循環ポンプ４５の吐出圧と吸入圧との差）が上昇するに従って増大することが知られている。水素循環ポンプ流量は、水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２の回転数制御によって調整される。

図４は、パージ量（パージバルブＨ５から排出されるガス量）とパージ水素損失（パージバルブＨ５から排出される水素量）との間の関係を表すグラフである。図４に示されるように、パージ水素損失は、パージ量が増大するに従って増大し、かつ、パージバルブＨ５から排出されるガス内の水素濃度が上昇するに従って増大することが知られている。

これら３種類の損失を比較すると、水素ストイキ比を所定値（例えば０．１）上昇させる場合には、「クロスオーバ水素損失」が最大となり、「水素循環ポンプ動力損失」が最小となることが実験等によって確認されている。このため、制御装置６は、水素分圧を通常時よりも低下させて「クロスオーバ水素損失」を抑制するように水素供給バルブＨ２及びパージバルブＨ５を制御する一方、水素循環ポンプ流量を通常時よりも増大させて水素ストイキ比を確保するように水素循環ポンプ４５を制御する。なお、「クロスオーバ水素損失」を抑制するために水素分圧を通常時よりも低下させるようにパージバルブＨ５を制御すると、パージ量が通常時よりも減少するため、「パージ水素損失」も同時に抑制されることとなる。

ところで、燃料電池車両のモード走行（例えば１０−１５モード走行）時においては、図５に示すように、負荷装置から要求される出力が最大負荷の２０％以下となる「低負荷領域」における使用頻度がきわめて高いことが実験等によって確認されている。

そこで、本実施形態における制御装置６は、図６に示すように、負荷装置から要求される出力が所定の閾値Ｗ_T（例えば最大負荷の２０％の値）以下となる「低負荷領域」において、水素分圧が所定の設定値を上回らないように水素供給バルブＨ２及びパージバルブＨ５を制御する（このようなパージバルブＨ５の制御により、パージ水素損失が同時に抑制される）。また、制御装置６は、図７に示すように、負荷装置から要求される出力が所定の閾値Ｗ_T以下となる「低負荷領域」において、水素循環ポンプ流量が所定の設定流量を下回らないようにモータＭ２を介して水素循環ポンプ４５を制御する。これにより、低負荷領域におけるクロスオーバ水素損失を抑制しながら、所定値以上の水素ストイキ比を確保することができる。

なお、本実施形態における「燃料損失回避制御」を実施しなかった場合には、図６において破線で示すように、低負荷領域において水素分圧は漸次上昇し、これに伴ってクロスオーバ水素損失が漸次増大するため、総じて燃料損失が大きくなることが想定される。また、本実施形態における「燃料損失回避制御」を実施しなかった場合には、図７において破線で示すように、低負荷領域における水素循環ポンプ流量が不足するため、所定値以上の水素ストイキ比が確保できない可能性がある。

図８は、低負荷領域において水素ストイキ比及び燃料電池２内の不純物分圧を一定値に維持した場合における、スタック圧力（燃料電池２内の全ガス圧力）と水素損失量との間の関係を表すグラフである。図８において、直線「Ａ」は、スタック圧力とクロスオーバ水素損失との関係を表すものであり、曲線「Ｂ」は、スタック圧力と水素循環ポンプ動力損失との関係を表すものであり、直線「Ｃ」は、スタック圧力とパージ水素損失との関係を表すものであり、曲線「Ｄ」は、スタック圧力と総水素損失との関係を表すものである。

図８の直線「Ａ」及び「Ｃ」に示されるように、スタック圧力が上昇するに従ってクロスオーバ水素損失及びパージ水素損失は増大する一方、図８の曲線「Ｂ」に示されるように、スタック圧力が上昇するに従って水素循環ポンプ動力損失は減少する。そして、図８の曲線「Ｄ」に示されるように、あるスタック圧力（Ｐ_MIN）で総水素損失は最小となることがわかる。このようにグラフを参照して決定されたスタック圧力Ｐ_MINと、予め設定された不純物分圧と、に基づいて、図６に示すように低負荷領域で採用される水素分圧（最適水素分圧）を設定することができる。最適水素分圧が設定された後、所定値以上の水素ストイキ比を確保するために、図７に示すように低負荷領域で採用される水素循環ポンプ流量を設定することができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。

まず、図８に示すグラフを参照して、総水素損失が最小となるスタック圧力Ｐ_MINを決定した後、このスタック圧力Ｐ_MINと予め設定された不純物分圧とに基づいて、低負荷領域において総水素損失が最小となる水素分圧（最適水素分圧）を設定する（水素分圧設定工程：Ｓ１）。次いで、水素分圧設定工程Ｓ２で設定した最適水素分圧と、水素ストイキ比の下限値と、に基づいて、低負荷領域において水素ストイキ比を確保するための水素循環ポンプ流量を設定する（水素循環ポンプ流量設定工程：Ｓ２）。

次いで、制御装置６は、低負荷領域において、水素分圧設定工程Ｓ１で設定した最適水素分圧を実際の水素分圧が上回らないように水素供給バルブＨ２及びパージバルブＨ５を制御するとともに、水素循環ポンプ流量設定工程Ｓ２で設定した流量を実際の水素循環ポンプ流量が下回らないようにモータＭ２を介して水素循環ポンプ４５を制御する（制御工程：Ｓ３）。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、燃料損失を最小限に抑えることができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、低負荷領域において、水素供給バルブＨ２及びパージバルブＨ５を制御して水素分圧が最適水素分圧を上回らないようにすることができる。従って、水素ストイキ比を増加させる際に最も損失の大きいクロスオーバ水素損失（燃料電池２のアノードからカソードへの透過水素量）を低減させることができるので、燃料損失を効率良く抑えることができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、低負荷領域において、水素循環ポンプ４５を制御して水素循環ポンプ流量が所定の設定流量を下回らないようにすることができる。すなわち、水素ストイキ比を確保する際に、最も損失の少ない水素循環ポンプ４５の稼動量を増加させるので、その分、損失の大きいクロスオーバ水素損失を低減させて燃料損失を効率良く抑えることができる。

なお、以上の実施形態においては、調圧弁として水素供給バルブＨ２を採用した例を示したが、水素供給バルブＨ２に代えて（又は水素供給バルブＨ２とともに）タンクバルブＨ１やＦＣ入口バルブＨ３を調圧弁として採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、低負荷領域用のグラフ（図８）を採用して総水素損失が最小となるスタック圧力を決定し、この決定したスタック圧力に基づいて水素分圧や水素循環ポンプ流量を設定した上で燃料損失回避制御を実施した例を示したが、他の負荷領域（中負荷領域〜高負荷領域）においても同様の手法で燃料損失回避制御を実施することができる。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置、４１…燃料供給源、４２…燃料供給流路、４３…燃料循環流路、４５…水素循環ポンプ、Ｈ２…水素供給バルブ（調圧弁）、Ｈ５…パージバルブ（排出弁）、Ｓ３…制御工程。

Claims (6)

1. 燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流通させる燃料供給流路と、前記燃料供給流路内を流通する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池から排出されるガスを前記燃料供給流路に還流させる燃料循環流路と、前記燃料循環流路内のガスを前記燃料供給流路へと送出する循環ポンプと、前記燃料循環流路内のガスを外部に排出する排出弁と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、前記燃料電池のアノードからカソードへの透過水素量と、前記循環ポンプの動力損失分を発電するための水素量と、前記排出弁から排出される水素量と、の総和が最小となるように、前記調圧弁と前記循環ポンプと前記排出弁とを制御する制御装置を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である負荷領域において前記総和が最小となるような最適水素分圧を実際の水素分圧が上回らないように前記調圧弁及び前記排出弁を制御するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料供給流路へと送出されるガスの流量が所定の設定流量を下回らないように前記循環ポンプを制御するものである、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流通させる燃料供給流路と、前記燃料供給流路内を流通する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池から排出されるガスを前記燃料供給流路に還流させる燃料循環流路と、前記燃料循環流路内のガスを前記燃料供給流路へと送出する循環ポンプと、前記燃料循環流路内のガスを外部に排出する排出弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の発電に必要な水素ストイキ比を確保しつつ、前記燃料電池のアノードからカソードへの透過水素量と、前記循環ポンプの動力損失分を発電するための水素量と、前記排出弁から排出される水素量と、の総和が最小となるように、前記調圧弁と前記循環ポンプと前記排出弁とを制御する制御工程を備える、
   燃料電池システムの制御方法。
5. 前記制御工程では、負荷装置から要求される出力が所定の閾値以下である負荷領域において前記総和が最小となるような最適水素分圧を実際の水素分圧が上回らないように前記調圧弁及び前記排出弁を制御する、
   請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
6. 前記制御工程では、前記燃料供給流路へと送出されるガスの流量が所定の設定流量を下回らないように前記循環ポンプを制御する、
   請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。

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