JP3659582B2 - 燃料循環式燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料循環式燃料電池システムに関する。より詳細には、燃料電池システムにおける水素の循環機構に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいて燃料電池内での凝縮水を排出させるために水素および空気を燃料電池が消費する以上に供給しなければならない。水素は車載されたボンベ等の貯蔵設備から供給されるために、消費されなかった水素を大気中に放出すると水素の燃費を著しく悪化させる原因となる。そのために消費されなかった水素をポンプ等で循環させるシステムが考案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池で消費されなかった水素を再利用する方法には大きく２種類がある。
１種類目は、回転、摺動などを行う作動部により燃料を取り込み送り出す燃料ポンプを用いて水素の循環を行う方法である（以下、「燃料ポンプ方式」と言う）。しかし、この方法では、燃料ポンプが大型化してしまい、かつ燃料ポンプを稼動させるために多大な電力を消費し、燃料電池車の燃費を悪化させるという問題点があった。
また、燃料ポンプ方式では、高圧水素タンク内の水素の圧力を有効に利用できないという問題点があった。
【０００４】
２種類目は、ジェットポンプの一種であるエゼクタを用いて水素の循環を行う方法である（以下、「エゼクタ方式」という）。この方法は、高圧水素タンクの圧力エネルギを利用して循環を行うために、燃料ポンプ方式のように電力を消費することがない。
しかし、エゼクタ方式では燃料電池で水素が消費されない限り循環が行われないために、燃料電池の出力が絞られた場合には水素の循環量が低下するという問題がある。さらにエゼクタでは流速を生むためのノズルが挿入されているために急激に燃料電池の出力が増加するとエゼクタのレスポンス遅れが生じて、循環量が目標値に達しないという問題点がある。
【０００５】
エゼクタ方式の有する問題点について図２０を用いて詳述する。図２０は、エゼクタのみを用いた一般的な水素循環システムのブロック図である。
このシステムでは、高圧水素タンク１０１より供給された水素はレギュレータ１０２により調圧され、エゼクタ１０３より噴射され燃料電池スタック１０４に供給される。燃料電池スタック１０４には、前記のように凝縮水を排出するために過剰の水素が供給されており、燃料電池スタック１０４で消費されなかった水素は水素循環路１０６を経由してエゼクタ１０３に合流し、高圧水素タンク１０１より供給される水素とともにシステム内を循環する。
また、このシステムは、燃料電池スタック１０４の出力が増加するとともに、燃料電池スタック１０４に掛かる水素圧が増加するように構成されている。
【０００６】
このシステムにおいて、燃料電池スタック１０４に対して、急加速指令がなされた場合、燃料電池スタック１０４では急激に多量の水素が消費されるために、燃料電池スタック１０４中の水素圧力が減少する。それに見合うだけの水素がエゼクタ１０３よりただちに供給されれば問題はないが、燃料電池スタック１０４中での圧力低下が水素流通路１０７を通じてエゼクタ１０３に到達するまでにはタイムラグがあり、エゼクタ１０３が燃料電池スタック１０４の圧力低下に反応するまでの時間に遅れが生じる。さらに、水素は、エゼクタの細く絞られたノズルを通過して供給されるために、燃料電池が要求する水素供給量となるまでに、所定の時間を要してしまう。
【０００７】
この様子を図２１（ａ）に示した。この図は、燃料電池スタック１０４に対して急加速命令がなされた時に、燃料電池スタック１０４が要求する水素供給量（破線）とエゼクタ１０３を通じた実際の水素供給量（実線）を示したものである。
この図によれば、急加速指令が発せられた後、燃料電池スタック１０４が要求する水素供給量は急増するが、実際にエゼクタ１０３より供給される水素量はそれに追いついておらず、水素欠乏状態（ヘジテーション）が発生する。ヘジテーションは燃料電池に対して電解膜の破損等のダメージを与え、最悪の場合燃料電池は破壊に至る。
【０００８】
また、燃料電池スタック１０４に対して急減速指令が発せられた場合には、燃料電池スタック１０４に掛かる水素圧を所定値まで減少するような制御がなされなければならない。そのためには高圧水素タンク１０１から燃料電池スタック１０４への水素の供給を止め、燃料電池スタック１０４で水素を消費させるのであるが、水素の供給を止めると、エゼクタ１０３に水素が導入されないために、水素を循環させることができなくなるという問題点が発生する。水素が円滑に循環されないと、燃料電池スタック１０４中に凝縮水が蓄積することによりセル電圧が低下し、最悪の場合には燃料電池スタック１０４の破損につながる。
【０００９】
この様子を図２１（ｂ）に示した。この図は、燃料電池スタックに対して急減速指令がなされた時に、燃料電池スタック１０４が要求する水素供給量（破線）とエゼクタ１０３を通じた実際の水素供給量（実線）を示したものである。
急減速指令がなされると、燃料電池スタック１０４は破線で示しただけの水素循環を必要とするが、実際には、エゼクタ１０３が停止してしまうため、水素の循環力が失われてしまい、系内に水素が滞留する状態となる。この状態においては、燃料電池スタック１０４で発生する凝縮水を除去することは不可能であり、燃料電池スタック１０４には凝縮水が蓄積していく。
さらに、燃料電池システムの状態は常に変化しているために、状況に見合った制御を行わないと水素循環系がシステムにとって最適な運転とならないという問題がある。
【００１０】
本発明は、燃料電池に対して急加速又は急減速指令がなされた場合に、水素循環系内を循環する水素が一時的にシステムの要求量を下回るという事態を解消することが可能な燃料循環式燃料電池システムを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記した課題を解決するために次のように構成した。即ち、請求項１に記載の発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料を再び前記燃料電池に供給するための燃料循環路と、前記燃料循環路中に配置され、回転機により駆動されて前記燃料を循環させる燃料ポンプとを備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、前記燃料循環路に新たな燃料を供給するとともに、前記燃料循環路中の燃料を循環させるエゼクタと、前記燃料電池に対する出力指令値に応じて前記燃料ポンプを制御することにより、前記燃料循環路中の燃料の循環量を調整する燃料電池制御装置とを備えたことを特徴とする燃料循環式燃料電池システムである。
また、請求項３に記載の発明は、燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料を再び前記燃料電池に供給するための燃料循環路と、前記燃料循環路中に配置され、回転機により駆動されて前記燃料を循環させる燃料ポンプとを備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対する出力指令値に応じて前記燃料ポンプを制御することにより、前記燃料循環路中の燃料の循環量を調整するとともに、前記燃料電池の状態量を監視する燃料電池制御装置をさらに備え、前記燃料電池制御装置は、前記出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定するとともに、前記状態量と前記出力指令値又は前記状態量に基づき回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を前記回転補正係数で補正して前記燃料ポンプを制御することを特徴とする燃料循環式燃料電池システムである。
【００１２】
従来のエゼクタのみを用いた燃料循環系を有する燃料電池システムにおいては燃料電池に対して急加減速指令がなされた場合に、燃料の循環量が燃料電池の要求する水準よりも小さくなってしまうという問題点があった。しかし、請求項１・請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に対して急加減速指令がなされた場合であっても、燃料電池制御装置が、出力指令値を用いて、燃料電池が必要とする燃料の循環量を評価して、燃料の循環量を増量する制御を行うことができ、このため、燃料循環路に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。なお、本願の［発明が解決しようとする課題］の欄で燃料ポンプ方式を説明したが、本願は、「（燃料電池の）出力指令値に応じて燃料ポンプを制御する」という点において、従来の燃料ポンプ方式とは異なるものである。この点は、後記する［発明の実施の形態］において、第１実施形態（請求項３に対応）として示す。
【００１３】
なお、本発明では、燃料循環路中に設けられ、電力を供給することにより燃料の循環力を生み出す燃料ポンプを単独で用いるか（請求項３、後記する第１実施形態）、又は、高圧燃料タンク等に貯蔵されている燃料を新たに燃料循環路に供給するとともに、高圧燃料タンクの高圧を利用して燃料の循環力を生み出すエゼクタと組み合わせて用いることとした（請求項１・請求項１０、後記する第２実施形態等）。
【００１４】
この構成により、燃料電池制御装置が、燃料電池の急加減速時であっても、燃料電池に対しての出力指令値に応じて、燃料ポンプの回転速度を増加するように制御することで、燃料循環路に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。また、請求項１・請求項１０のように、燃料ポンプとエゼクタとを組み合わせて用いた場合、燃料電池の急減速時に見られるように、エゼクタが燃料噴射を行わず、従って、エゼクタによる燃料の循環が行われない状況であっても、燃料電池制御装置が、燃料ポンプの回転速度を上げることで、燃料循環路に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記燃料電池制御装置が前記燃料電池の状態量を監視する機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料循環式燃料電池システムである。
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池制御装置が、例えば、セル電圧、燃料電池入口における燃料の露点等の燃料電池の状態量を監視するので、これらの状態量を燃料の循環量の制御に反映させ、よりきめ細かい制御を行うことが可能となる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記燃料電池制御装置が、前記出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定するとともに、前記状態量と前記出力指令値又は前記状態量に基づき回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を前記回転補正係数で補正して前記燃料ポンプを制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システムである。
【００１７】
請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、燃料電池制御装置は、燃料電池の出力ではなく、その指令値に基づいて燃料ポンプの回転速度が目標回転速度となるように制御している。燃料電池の出力変化を制御に用いないのは、燃料電池の出力変化は出力指令に対して遅れて応答するためであり、この応答遅れを制御に乗せないために、出力指令値に基づいて燃料の循環量を制御している。
【００１８】
燃料電池制御装置には、予め出力指令値と目標回転速度（燃料循環量）との関係を示す制御ＭＡＰ等が記憶されていても良く、この制御ＭＡＰを用いれば、燃料電池が要求する燃料循環量を瞬時に評価し燃料ポンプの目標回転速度を決定し、燃料電池制御装置が燃料ポンプの回転速度を制御することが可能となるので、急加減速時に燃料循環路に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。
【００２０】
請求項３及び請求項４に記載の発明では、前記のとおり燃料ポンプの目標回転速度は出力指令値に基づいて決定されるとともに、さらに、燃料電池の状態（セル電圧、露点等）を勘案して、回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を回転補正係数で補正して燃料ポンプの回転速度を回転速度指令値となるように燃料ポンプを制御する点が特徴である。
【００２１】
例えば、セル電圧がセル中の生成水、凝縮水などの影響により規定範囲よりも減少している場合には、回転補正係数を大きくして、燃料ポンプを割増回転させ、燃料の循環量を増やすことでセル中の凝縮水等を取り除き、セル電圧を規定範囲に復帰させるとともに、最終的に出力指令値で要求される燃料循環量（目標回転速度）に収束させていくことが可能となる。
【００２２】
また、燃料電池の状態量と出力指令値の両者を勘案して回転補正係数を算出すれば、よりきめ細かい燃料循環量の制御が可能となり、燃料電池の急加減速時であっても、燃料循環路に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、前記状態量が燃料電池のセル電圧又は燃料電池入口における燃料の露点であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料循環式燃料電池システムである。請求項５に記載の発明によれば、セル電圧又は燃料電池入口における燃料の露点により燃料電池の状態を把握しながら、燃料循環路に循環させる燃料の量を調整することが可能となる。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、前記燃料電池制御装置は、前記出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定するとともに、前記出力指令値の時間変化率である出力増減率を求め、この出力増減率と前記出力指令値又は前記出力増減率に基づき回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を前記回転補正係数で補正して前記燃料ポンプを制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システムである。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、出力指令値により燃料ポンプの目標回転速度を決定する点は請求項３及び請求項４に記載の発明と同様であるが、さらに、燃料電池の出力時間変化率の大小により回転補正係数を算出する点が特徴である。燃料電池の出力時間変化率が大きいとは、「燃料電池の出力が短時間の内に大きく変動する」との意味であるので、この場合には、回転補正係数を大きく設定する。逆に、燃料電池の出力時間変化率が小さいときには、回転補正係数を小さく設定する。
【００２６】
また、燃料電池の出力時間変化率と出力指令値の両者を勘案して回転補正係数を算出すれば、よりきめ細かい燃料循環量の制御が可能となる。
このようにして回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を回転補正係数で補正して回転速度指令値を算出し、燃料ポンプの回転速度を回転速度指令値となるように燃料ポンプを制御することにより、燃料電池の急加減速時に燃料循環路中に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、前記燃料電池制御装置は、前記出力指令値及び出力増減率に基づき前記燃料ポンプの実行時間を算出し、前記燃料ポンプを制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料循環式燃料電池システムである。
請求項７に記載の発明によれば、燃料電池制御装置が出力増減率に基づき、燃料ポンプが割増回転を行う実行時間を決定し、燃料ポンプを制御する。このような制御を行うことで、出力増減率が大きく変化する場合には、実行時間を大きく設定し、出力増減率の変化が小さい場合には、実行時間を小さく設定することで、燃料電池の急加減速時に燃料循環路中に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。
ここで、「割増回転」とは、請求項６に記載された発明において算出された回転補正係数が１よりも大きく、燃料ポンプに対する回転速度指令値が目標回転速度よりも大きい場合を意味する。
【００２８】
請求項８に記載の発明は、前記燃料循環路は、前記燃料ポンプをバイパスするバイパス路と、このバイパス路上に配置され、前記状態量に基づき前記燃料電池制御装置によりその開閉が制御されるバイパス弁を備え、前記状態量が規定範囲内の場合には前記バイパス弁を開弁し、前記状態量が規定範囲外の場合には前記バイパス弁を閉弁し前記状態量の値に応じた回転速度で前記燃料ポンプを回転させることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料循環式燃料電池システムである。
【００２９】
請求項８に記載の発明によれば、燃料ポンプを迂回するバイパス路を設け、このバイパス路中に燃料電池制御装置が開閉を制御するバイパス弁を設けた。
この構成により、燃料ポンプを必要な場合にのみ作動させることが可能となる。つまり、燃料電池が定常運転状態にあるときには、燃料ポンプを停止して、燃料をバイパス路を流通させ、エゼクタのみにより燃料を循環させる。また、燃料電池に急加減速指令が発せられた場合及び燃料電池の状態量が規定範囲を外れた場合にのみ、バイパス弁を閉弁し燃料ポンプを運転させ、燃料の循環量を一時的に増加する。
【００３０】
このようにすることで、燃料電池の急加減速時に限らず、燃料電池の状態量が規定範囲を外れた場合には、その状態量の値に応じた回転速度で燃料ポンプを回転させることで、燃料循環路中の燃料の循環量を増加し、燃料電池の状態を規定範囲内に復帰することが可能となる。
また、この構成によれば、燃料電池の状態量が規定範囲外となった場合及び燃料電池の急加減速時にのみ燃料ポンプを回転させるので、燃料ポンプを稼動する電力を節約することが可能となる。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、前記燃料電池制御装置は、前記状態量が規定範囲内の場合には、前記燃料ポンプを停止又はアイドル状態とすることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料循環式燃料電池システムである。請求項９に記載の発明によれば、エゼクタと燃料ポンプとを併用しているハイブリッドシステムにおいて、燃料電池の状態量（セル電圧、露点等）が規定範囲内であるときには、燃料ポンプを停止又はアイドル状態として、燃料ポンプで消費される電力を抑えることができるので、システム全体のエネルギ効率を高めることができる。
なお、請求項１０に記載の発明は、前記したとおり、請求項３に記載の発明にエゼクタを付加したものである。
また、請求項１１に記載の発明は、前記燃料電池制御装置が、燃料電池に対する出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システムである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明するが、本発明はこの実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の技術的思想を具現化する種々の変更が可能である。
【００３３】
〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態の燃料循環式燃料電池システムを示したものである。この実施の形態は燃料ポンプ方式の循環システムを採用しており、請求項３に記載された発明に対応するものである。また、この実施形態は、本発明の最も基本的な構成を示している。
【００３４】
燃料電池スタック１には、高圧水素タンク等より燃料の水素がレギュレータ２により調圧された上で供給される。レギュレータ２より供給される水素は、結合部７において燃料電池スタック１より排出された水素と混合され、燃料循環路６ａを通って燃料電池スタック１のアノード側に供給される。
【００３５】
アノードにより消費されなかった水素は、燃料電池スタック１中の凝縮水と共に燃料循環路６ｂを通って排出され、燃料循環路６ｂの経路中に配置された燃料ポンプ３により循環力を付与された上で、結合部７に至り、再びレギュレータ２より供給される水素と合流し再び燃料電池スタック１に供給される。
尚、図示はしていないが、燃料電池スタック１のカソード側には、酸化剤として空気が導入されている。これは、後記する第２〜第６実施形態でも同様である。
【００３６】
今、この燃料循環式燃料電池システムにおいて、例えば、燃料電池車両の場合では、アクセルペダルの踏み込み量に相当する加減速値に応じた燃料電池１に対する出力指令値が発せられる。ＥＣＵ４は、予め内部に記憶された出力指令値と目標回転速度（燃料循環量）との関係を示す制御ＭＡＰ（図２（ｂ））（以下、「出力−回転速度ＭＡＰ」と称する）を参照し、出力指令値に対応する燃料ポンプ３の目標回転速度を求め、燃料ポンプ３の回転速度を目標回転速度に制御し、燃料循環式燃料電池システムが必要とする燃料の循環量を確保する。
【００３７】
図２（ｂ）は縦軸が燃料ポンプ３の回転速度（燃料循環量）を示し、横軸が出力指令値を示しており、出力指令値と１対１の関係で、燃料電池の必要とする燃料循環量（燃料ポンプ３の回転速度）が定められている。
【００３８】
第１実施形態の燃料循環式燃料電池システムにおいては、急加減速指令が発せられたとしても、その出力指令値に基づきＥＣＵ４が出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照して瞬時に燃料電池スタック４が必要とする燃料の循環量を評価し、燃料ポンプ３を目標回転速度に制御するので、燃料循環路６に燃料電池が要求するだけの燃料を循環させることが可能となる。
【００３９】
次に、第１実施形態における制御フローを図２（ａ）により説明する。
ＥＣＵ４に対して出力指令がなされると（Ｓ１１）、ＥＣＵ４は、予め記憶されている出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照し（Ｓ１３）、それにより出力指令値に対する燃料ポンプ３の目標回転速度を決定する（Ｓ１２）。
続いて、ＥＣＵ４は燃料ポンプ３の回転速度を目標回転速度に制御し（Ｓ１４）、処理が終了する（Ｓ１５）。
【００４０】
尚、第１実施形態においては、特許請求の範囲で言うところの「燃料電池制御装置」が「ＥＣＵ４」に対応する。
【００４１】
〔第２実施形態〕
図３は本発明の第２実施形態の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示したものである。この実施の形態においては、燃料ポンプとエゼクタを併用した循環システムを採用しており、これも、請求項１等、かつ請求項１０に記載された発明に対応するものである。また、この実施形態は、燃料循環路内に燃料ポンプとエゼクタとを併用したハイブリッドシステムの最も基本的な実施形態である。
【００４２】
第２実施形態の燃料循環式燃料電池システムにおいては、燃料循環路６中にエゼクタ５が設けられており、エゼクタ５の後記するノズル５ａは、レギュレータ２を介して高圧水素タンクに接続されており、高圧水素タンクの圧力を利用して燃料電池スタック１に新たな燃料を供給することが可能である。また、燃料循環路６ｂには燃料ポンプ３が設けられており、エゼクタ５とは独立して、燃料の循環力を発生することが可能である。また、燃料循環路６ｂは、エゼクタ５の後記する吸引室５ｃ（図４）に接続されており、エゼクタ５がノズル５ａ（図４）から新たな燃料を噴射している場合には、量の大小はともかくもエゼクタ５のみで燃料循環路６中に燃料を循環させることが可能である。
【００４３】
ここでエゼクタ５について図４を用いて説明する。エゼクタ５は、一種の真空ポンプであり、圧力エネルギを物質を輸送するためのエネルギに変換する作用を有する。エゼクタ５はノズル５ａ、ディフューザ５ｂ及び吸引室５ｃとから構成されている。尚、吸引室５ｃは、燃料循環路６ｂと接続されている。
【００４４】
高圧水素タンク等よりレギュレータ２を経て調圧された水素は、エゼクタ５の細く絞られたノズル５ａより高速で噴射される。ノズル５ａより噴射される水素は、燃料循環路６ｂから吸引室５ｃに供給され、燃料電池スタック１で消費されなかった水素を巻き込みながらディフューザ５ｂに移動するのでノズル５ａより新たな水素が噴射されることによって、水素は水素循環路６中を循環する。
【００４５】
このように、第２実施形態においては、水素を水素循環路６内で循環させるための燃料送出手段としてエゼクタ５及び燃料ポンプ３を併用している点が特徴である。
【００４６】
従来のエゼクタ５のみで燃料を循環するシステム（図２０）では、急加減速指令が発せられた際に、水素の供給に応答遅れが生じたり（急加速時）、水素の循環が停止してしまう（急減速時）という問題が発生した（図２１）。
しかし、第２実施形態の燃料循環式燃料電池システムにおいては、水素を循環させるためにエゼクタ５の他に、ＥＣＵ４が制御可能な燃料ポンプ３を設けているので、急加減速指令が発せられ、エゼクタ５が適切に対応できない場合であっても、ＥＣＵ４が、出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照して燃料ポンプ３の回転速度を目標回転速度に制御するので、燃料循環式燃料電池システムが必要とする燃料の循環量を適切に確保することが可能となる。
【００４７】
尚、第２実施形態における制御フローは実質的に第１実施形態（図２（ａ））と同様であるのでその説明を省略する。
尚、特許請求の範囲で言うところの「燃料電池制御装置」が「ＥＣＵ４」に相当する。
【００４８】
〔第３実施形態〕
図５は本発明の第３実施形態の燃料循環式燃料電池システムを示したものである。この実施の形態においては、燃料ポンプ３とエゼクタ５を併用した循環システムを採用しており、請求項２等、かつ請求項１０に記載された発明に対応するものである。
【００４９】
第３実施形態の装置構成は、第２実施形態（図３）と同様であるが、ＥＣＵ４が燃料電池のセル電圧を電圧計１０により監視している点が異なっている。
燃料電池は、ある規定範囲のセル電圧において稼動するように設計されている。しかし、燃料電池スタック１に生成水、凝縮水が蓄積する等の原因によりセル電圧が規定範囲よりも低くなってしまうことがある。本実施の形態は、このような状況で、燃料電池に対して出力指令が下された場合であっても、セル電圧の復帰を行いながら、出力指令で要求された出力を速やかに生み出すとともに、燃料電池が要求する水素循環量を常に満たすことができる燃料循環式燃料電池システムである。
【００５０】
第３実施形態の制御フロー（図６）を参照しながら説明を行う。ＥＣＵ４に対して加減速値が入力されるとＥＣＵ４はこの加減速値に応じて燃料電池スタック１へ出力指令値を発する（Ｓ６１）。この際、ＥＣＵ４は、出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照して（Ｓ６３）、燃料ポンプ３の目標回転速度を決定する（Ｓ６２）。続いて、ＥＣＵ４は燃料電池スタック１の状態を把握するために、燃料電池スタック１に設置された電圧計１０を介して燃料電池のセル電圧を測定する（Ｓ６４）。
【００５１】
ＥＣＵ４は、セル電圧単独又はセル電圧と前記出力指令値とを入力として回転補正係数決定ルーチンにより回転補正係数を算出する（Ｓ６５）。この際、回転補正係数決定ルーチンは、ＥＣＵ４内に予め備えられた回転補正ＭＡＰを参照する（Ｓ６６）。尚、回転補正係数決定ルーチン及び回転補正ＭＡＰによる回転補正係数の決定方法には種々の方式が存在し、詳しくは後記する。
【００５２】
続いて、ステップＳ６２で求められた目標回転速度とステップＳ６５で求められた回転補正係数との積として、燃料ポンプ３に対する回転速度指令値が算出される（Ｓ６７）。
続いて、ＥＣＵ４は燃料ポンプ３の回転速度が前記回転速度指令値となるように燃料ポンプ３を制御して（Ｓ６８）処理が終了する（Ｓ６９）。
【００５３】
尚、この制御フローにおいて、ステップＳ６８の後に、燃料ポンプ３の回転速度を検出し、その速度が回転速度指令値に達したかどうかを判断するための処理を設け、燃料ポンプ３の回転速度が回転速度指令値に達していない場合、再びステップＳ６４に戻るようなフィードバック制御を行うことも可能である。
このようにフィードバック制御を行うことにより、時々刻々変化するセル電圧に応じて回転補正係数を更新することが可能となり、燃料ポンプ３の回転速度の制御にセル電圧をより反映することが可能となる。
【００５４】
ここで、回転補正係数とは、セル電圧が規定範囲を下回っていた場合に、セル電圧を規定範囲に復帰させるために必要な燃料ポンプ３の割増回転分を定めるものであり、セル電圧が規定範囲であるときに回転補正係数は１となり、セル電圧が規定範囲を下回れば下回るほど値が大きくなるような性質を有する。
【００５５】
次に、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）及び回転補正ＭＡＰ（Ｓ６６）による回転補正係数決定のための種々の方式について説明する。
【００５６】
（１）第１の方式
第１の方式においては、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）はセル電圧を唯一の入力値として回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）は、回転補正ＭＡＰとして、図７（ａ）を参照する。
図７（ａ）は、縦軸が回転補正係数、横軸がセル電圧であり、セル電圧に対する回転補正係数の関係を示す右下がりの補正係数直線が描かれている。この補正係数直線と横軸との交点が、セル電圧の規定値であり、通常の場合、燃料電池はこの規定値付近（規定範囲）で稼動するように設計されている。
ステップＳ６４で計測されたセル電圧を図７（ａ）の回転補正ＭＡＰに当てはめることで回転補正係数を求めることが可能となる。例えば、ステップＳ６４で評価されたセル電圧がａの場合、回転補正係数はＫａであることがＭＡＰより直ちに求められる。
【００５７】
（２）第２の方式
第２の方式においては、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）はセル電圧及び出力指令値を入力として回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）は、回転補正ＭＡＰとして、図７（ｂ）を参照する。
第２の方式の特徴点は、回転補正係数を求めるに当たって、ステップＳ６１で入力された出力指令値をセル電圧とともに用いることである。
【００５８】
第１の方式においては、出力指令値の大小に関わらず、回転補正係数がセル電圧より一義的に定められた。第１の方式を用いることで、燃料電池のセル電圧を回復させながら、燃料電池の出力を出力指令値まで変化させることが可能となった。第２の方式においては、さらに、セル電圧とともに出力指令値の大きさを勘案して回転補正係数を決定することで、燃料電池の出力が出力指令値となるまでの時間を短縮することが可能となる。つまり、燃料電池に求められる出力（出力指令値）が大きい場合（燃料ポンプ３が高速回転）には、回転補正係数を大きくし、燃料電池に求められる出力（出力指令値）小さい場合（燃料ポンプ３が低速回転）には、回転補正係数を小さくすることで、より、燃料電池の状態に則した制御を行うことが可能となる。
【００５９】
図７（ｂ）は、出力指令値毎にそれぞれ補正係数直線が描かれている。図７（ｂ）においては、その内、出力指令値がＡ，Ｂ，Ｃの場合の３本のみを代表として示してある。これらの補正係数直線は、出力指令値が大きくなるほど傾斜が急になり、横軸のセル電圧の規定値で一点に交わっている。これら出力指令値Ｃ、出力指令値Ｂ、出力指令値Ａの直線はそれぞれ前記燃料電池スタック１の出力が最大〜大の範囲、大〜中の範囲、中〜小の範囲の際に用いるように予め定めておくものである。
第２の方式においては、ＥＣＵ４は、出力指令値に対応する補正係数直線を選択し、更に、その補正係数直線上で現在のセル電圧に対応する回転補正係数を決定し燃料ポンプ３を制御する。
【００６０】
（３）第３の方式
第３の方式においては、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）はセル電圧のみを入力として回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）は、回転補正ＭＡＰとして、図７（ｄ）を参照する。
【００６１】
第３の方式における特徴点は、セル電圧の降下度を連続的ではなく段階的に評価することである。この点について図７（ｃ）を用いて説明する。図７（ｃ）は、燃料電池スタック１に水素を循環させない場合のセル電圧の時間変化を表したグラフである。このように水素を循環させないと、セル電圧は徐々に減少していく。第３の方式においては、セル電圧の降下度について閾値を用いて管理しており、例えば、図７（ｃ）では、セル電圧の降下度が範囲１の場合にはセル電圧を閾値１で代表させ、範囲２の場合にはセル電圧を閾値２で、範囲３の場合にはセル電圧を閾値３で代表させる。
【００６２】
ＥＣＵ４はステップＳ６４において測定されたセル電圧が前記したどの閾値に対応するのかを判断し、図７（ｄ）に示した回転補正ＭＡＰを参照して、回転補正係数を定める。図７（ｄ）より判るように、セル電圧の降下度が大きくなればなるほど回転補正係数が大きくなる。尚、セル電圧が、規定範囲内に収まっている場合（図７（ｃ）の閾値１よりもセル電圧が高い範囲）には、燃料ポンプ３の回転補正は必要ないので、図７（ｄ）において、回転補正係数＝１が選択される（図７（ｄ）の縦軸と横軸の交点）。
【００６３】
第３の方式においては、セル電圧を幾つかの閾値で代表させるので、ＥＣＵ４は、図７（ａ）、図７（ｂ）のように、セル電圧と回転補正係数とが１対１で対応するような詳細な回転補正ＭＡＰを記憶する必要が無いため、ＥＣＵ４が記憶しなければならないデータ量を減少させることが可能となる。
尚、前記した説明では、便宜的に３つの閾値によりセル電圧の降下度を評価しているが、閾値の設定数はこれに限定されない。
【００６４】
（４）第４の方式
第４の方式は、第３の方式のようにセル電圧の降下度を閾値を用いて評価するとともに、第２の方式の要素を取り入れ、出力指令値を加味して燃料ポンプ３の回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ６５）は、回転補正ＭＡＰとして、図８（ａ）を参照する。
【００６５】
図８（ａ）は、横軸が、閾値の値（電圧）であり、縦軸が回転補正係数を示している。それぞれの閾値（閾値１〜閾値３）において、出力指令値（Ａ〜Ｃ）毎に回転補正係数が定まっている。
尚、図８（ａ）に描かれた出力指令値Ａ〜Ｃは、説明のために代表値を示したものであり、実際のシステムにおいては、出力指令値はより細かいステップで設定されていても良い。
【００６６】
このように、セル電圧の降下度を幾つかの閾値で管理することで、ＥＣＵ４が記憶するデータ量を減少させることができる。さらに、第４の方式では、回転補正係数を定めるに当たって出力指令値を加味しているので、第２の方式同様に、燃料電池の出力が出力指令値となるまでの時間を短縮することが可能となる。
尚、前記した説明では、便宜的に３つの閾値によりセル電圧の降下度を評価しているが、閾値の設定数はこれに限定されない。
【００６７】
（５）第５の方式
第５の方式は、第３の方式と同様にセル電圧の降下度を閾値を用いて評価するものである。第３の方式と相違している点は、回転補正係数を求めるために参照する回転補正ＭＡＰである。
【００６８】
第５の方式においては、図８（ｂ）に示すような回転補正マップを用いる。図８（ｂ）は縦軸が回転補正係数であり、横軸が燃料循環式燃料電池システムに発せられた出力指令値である。図中には、図７（ｃ）で示した閾値（閾値１〜閾値３）に対応した３本の補正係数直線が描かれている。
ＥＣＵ４は、ステップＳ６４で測定されたセル電圧より、セル電圧がどの閾値に対応するのかを判断して、回転補正係数を求めるために使用する補正係数直線を選択する。さらに、選択された補正係数直線において、ステップＳ６１で入力された出力指令値に対応する回転補正係数を読み出す。
【００６９】
尚、ステップＳ６４において測定されたセル電圧が規定範囲である場合には、回転補正係数＝１が選択される。
尚、前記した説明では、便宜的に３つの閾値によりセル電圧の降下度を評価しているが、閾値の設定数はこれに限定されない。
【００７０】
〔第４実施形態〕
第４実施形態における燃料循環式燃料電池システムの装置構成は、第２実施形態（図３）と同じものであるので、装置構成の図面は省略する。第４実施形態においては、出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を用いて燃料ポンプ３の目標回転速度を決定するとともに、ＥＣＵ４がその内部に備えたタイマーにより算出した出力指令値の時間変化率（以下、「出力増減率」と言う）を用いてＥＣＵ４が燃料ポンプ３の回転速度を制御することが特徴である。尚、第４実施形態は、請求項６に記載された発明に対応するものである。
【００７１】
第４実施形態の制御フローを図９を用いて説明する。
ＥＣＵ４に対して加減速値が入力されるとＥＣＵ４はこの加減速値に応じて燃料電池スタック１へ出力指令値を発する（Ｓ９１）。その際ＥＣＵ４は、出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照して（Ｓ９３）、燃料ポンプ３の目標回転速度を決定する（Ｓ９２）。続いて、ＥＣＵ４は出力指令値の時間変化率である出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）を計算する（Ｓ９４）。
【００７２】
ＥＣＵ４は、出力増減率単独又は出力増減率と出力指令値とを入力として回転補正係数決定ルーチンにより回転補正係数を算出する（Ｓ９５）。この際、回転補正係数決定ルーチンは、ＥＣＵ４内に予め備えられた回転補正ＭＡＰを参照する（Ｓ９６）。尚、回転補正係数決定ルーチン及び回転補正ＭＡＰによる回転補正係数の決定方法には種々の方式が存在し、詳しくは後記する。
【００７３】
続いて、ステップＳ９２で求められた目標回転速度とステップＳ９５で求められた回転補正係数との積として、燃料ポンプ３に対する回転速度指令値が算出される（Ｓ９７）。
続いて、ＥＣＵ４は燃料ポンプ３の回転速度が前記回転速度指令値となるように燃料ポンプ３を制御して（Ｓ９８）処理が終了する（Ｓ９９）。
【００７４】
尚、出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）とは、ステップＳ９１において燃料循環式燃料電池システムに加えられた出力指令値の時間変化率のことであり、燃料電池車の場合を例にとると、アクセルの踏み込み方の違いであり、アクセルをすばやく踏んだ場合には出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）は大きく、アクセルをゆっくり踏んだ場合には出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）は小さくなる。
【００７５】
次に、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）及び回転補正ＭＡＰ（Ｓ９６）による回転補正係数決定のための種々の方式について説明する。
【００７６】
（１）第１の方式
第１の方式においては、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）を唯一の入力として回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は、回転補正ＭＡＰとして、図１０（ａ）を参照する。
【００７７】
図１０（ａ）は、縦軸が回転補正係数であり、横軸がステップＳ９４で計算された出力増減率である。回転補正係数は、出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）が０の場合に最低値１となり、出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）の絶対値が大きくなるほど大きな値を取る。
【００７８】
尚、出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）がプラスの場合もマイナスの場合も回転補正係数は大きくなるが、これは、図２１（ａ），（ｂ）で見たように燃料電池システムにおいて、加速時及び減速時のどちらの場合においても、燃料循環路６中を循環する水素の量が一時的に不足する状態が発生するためである。
【００７９】
また、出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）の絶対値が大きいとは、いわばアクセルが急激に操作されたことに相当し、短時間の内に燃料電池の出力を出力指令値に制御しなければならないことを意味する。そのため、短時間の内に燃料ポンプ３の回転速度を所定値とするために、回転補正係数は大きな値となる。
それに対し、出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）の絶対値が小さいとは、いわばアクセルが緩やかに操作されたことに相当し、この場合には、燃料ポンプ３の回転速度を緩やかに制御すればよいので回転補正係数は小さな値となる。
【００８０】
（２）第２の方式
第２の方式においては、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）と出力指令値を入力として回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は、回転補正ＭＡＰとして、図１０（ｂ）を参照する。
【００８１】
図１０（ｂ）は縦軸が回転補正係数であり横軸が出力増減率である。図中には、ステップＳ９１（図９）で入力された出力指令値毎に補正係数グラフが描かれている。図１０（ｂ）においては、その内、出力指令値がＡ，Ｂ，Ｃの場合の３本を代表として示している。この出力指令値Ａ，Ｂ，Ｃの考え方は、前記した図７（ｂ）と同様であるので、ここでは説明を割愛する。
【００８２】
第２の方式においては、ＥＣＵ４は、ステップＳ９１で入力された出力指令値に対応する補正係数グラフを選択し、更に、その補正係数グラフ上で現在の出力増減率に対応する回転補正係数を決定する。
第２の方法によれば、出力指令値を考慮して回転補正係数を決定するので、燃料ポンプ３の回転速度をすばやく回転速度指令値に制御することが可能となる。
【００８３】
（３）第３の方式
第３の方式においては、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は出力増減率（ｄＩ／ｄｔ）を唯一の入力として回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は、回転補正ＭＡＰとして、図１０（ｄ）を参照する。
【００８４】
第３の方式における特徴点は、出力増減率の絶対値を算出し、さらにその絶対値の大きさを段階的に評価する点である。
図１０（ａ）、（ｂ）の回転補正係数グラフは、出力増減率＝０の直線に対してほぼ対称な形状である。これは、加速の場合も減速の場合も一時的に燃料循環路６中を循環する水素の量が減少するために、燃料ポンプ３の回転速度を増加させる必要があるからである。このように、回転補正係数グラフは、出力増減率＝０の直線に対してほぼ対称な形状であるので、出力増減率の絶対値（以下｜ｄＩ／ｄｔ｜と記す）を算出し、その絶対値を段階的に評価することにより、回転補正係数を決定することが可能となる。
【００８５】
この点について図１０（ｃ）を用いて説明する。図１０（ｃ）は、縦軸が｜ｄＩ／ｄｔ｜である。第３の方式においては、｜ｄＩ／ｄｔ｜を閾値を用いて管理しており、例えば、図１０（ｃ）では、｜ｄＩ／ｄｔ｜が範囲１の場合には｜ｄＩ／ｄｔ｜を閾値１で代表させ、範囲２の場合には｜ｄＩ／ｄｔ｜を閾値２で、範囲３の場合には｜ｄＩ／ｄｔ｜を閾値３で代表させる。
【００８６】
ＥＣＵ４はステップＳ９４で評価された出力増減率がどの閾値に対応するのかを判断し、図１０（ｄ）の回転補正ＭＡＰを参照し、回転補正係数を定め、ステップＳ９７において、燃料ポンプ３の目標回転速度にこの回転補正係数を掛け合わせた値を回転速度指令値として燃料ポンプ３を制御する。
【００８７】
この第３の方式によれば、ＥＣＵ４は第１及び第２の方式のように、回転補正係数と出力増減率との関係を示すＭＡＰを記憶する必要がなく、｜ｄＩ／ｄｔ｜の閾値とそれに対応する回転補正係数のみを記憶すればよいので、ＥＣＵ４の記憶すべきデータ量を大幅に減少させることが可能となる。
また、第３の方式においては、｜ｄＩ／ｄｔ｜を３つの閾値で管理しているが、閾値の設定数はこれに限られない。
【００８８】
（４）第４の方式
第４の方式は、第３の方式のように、｜ｄＩ／ｄｔ｜を閾値を用いて管理するととともに、第２の方式の要素を取り入れ、出力指令値を加味して燃料ポンプ３の回転補正係数を決定する。この際、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ９５）は、回転補正ＭＡＰとして図１１（ａ）を参照する。
【００８９】
図１１（ａ）は、横軸が、｜ｄＩ／ｄｔ｜の閾値であり、縦軸が回転補正係数を示している。それぞれの閾値（閾値１〜閾値３）において、出力指令値（Ａ〜Ｃ）毎に回転補正係数が定まっている。
尚、図１１（ａ）に描かれた出力指令値Ａ〜Ｃは、説明のために代表値を示したものであり、実際のシステムにおいては、出力指令値はより細かいステップで設定されていても良い。
【００９０】
このように、｜ｄＩ／ｄｔ｜を幾つかの閾値で管理することで、ＥＣＵ４が記憶するデータ量を減少させることができる。さらに、第４の方式では、回転補正係数を定めるに当たって出力指令値を加味しているので、第２の方式同様に、燃料電池の出力が出力指令値となるまでの時間を短縮することが可能となる。
尚、図１１（ａ）においては便宜的に３つの閾値により｜ｄＩ／ｄｔ｜を評価していたが、閾値の設定数はこれに限定されない。
【００９１】
（５）第５の方式
第５の方式は、第３の方式と同様に｜ｄＩ／ｄｔ｜を閾値を用いて評価するものである。第３の方式と相違している点は、回転補正係数を求めるために参照する回転補正ＭＡＰである。
【００９２】
第５の方式においては、図１１（ｂ）に示すような回転補正マップを用いる。図１１（ｂ）は縦軸が回転補正係数であり、横軸が燃料循環式燃料電池システムに発せられた出力指令値である。図中には、図１０（ｃ）で示した閾値（閾値１〜閾値３）に対応した３本の補正係数直線が描かれている。
【００９３】
ＥＣＵ４は、ステップＳ９４で測定された出力増減率より、｜ｄＩ／ｄｔ｜がどの閾値に対応するのかを判断して、回転補正係数を求めるために使用する補正係数直線を選択する。さらに、選択された補正係数直線において、ステップＳ９１で入力された出力指令値に対応する回転補正係数を読み出す。
尚、前記した説明では、便宜的に３つの閾値により｜ｄＩ／ｄｔ｜を評価しているが、閾値の設定数はこれに限定されない。
【００９４】
（６）第６の方式
第３実施形態においては、燃料電池スタック１のセル電圧を用いて燃料ポンプ３の回転補正係数を決定していた。そのため、第３実施形態では、燃料電池の状態を燃料ポンプ３の制御に反映することが可能であった。
【００９５】
しかし、第４実施形態においては、燃料電池システムに対する出力増減率を用いて燃料ポンプ３の制御を行うことから、燃料電池システムの状態（例えばセル電圧）等を把握して制御に反映することができない。そこで、第６の方式においては、出力増減率を用いて燃料ポンプ３の回転補正係数を決定するとともに、燃料ポンプ３が割増回転を行う実行時間をも制御することで、燃料電池システムをより安定して運転することを可能にする。尚、本方式は、請求項７に対応する実施形態である。
【００９６】
ここで、「割増回転」とは、燃料ポンプ３の回転速度を回転速度指令値（＝目標回転速度×回転補正係数）に制御する際に、回転補正係数が１よりも大きい場合を意味する。
【００９７】
第６の方式における制御フローを図１２に示す。
図１２の制御フローにおいて、ステップＳ１２１〜Ｓ１２７までは、図９に示した第４実施形態の制御フローのステップＳ９１〜Ｓ９７と同様であるためにその説明を省略する。また、ステップＳ１２５及びＳ１２６において燃料ポンプ３の回転補正係数を決定するためには、前記した第１の方式〜第５の方式の中から任意のものを採用することができる。
【００９８】
第６の方式における特徴点は、ステップＳ１２８以降である。ステップＳ１２８においてＥＣＵ４は、燃料ポンプ３をステップＳ１２７で決定された回転速度指令値で回転させる時間（実行時間指令値）を決定する。この際、実行時間決定ルーチン（Ｓ１２８）は、実行時間ＭＡＰ（Ｓ１２９）を参照する。
【００９９】
ここで、実行時間ＭＡＰの一例を図１３に示す。図１３は縦軸が燃料ポンプ３を回転速度指令値で回転させる実行時間を示す実行時間指令値であり、横軸が出力増減率である。また、図１３には、出力指令値の一例として、出力指令値Ａ〜Ｃごとに３本のグラフが描かれている。図１３では、出力指令値が大きく、出力増減率の絶対値が大きいほど実行時間指令値が大きく、つまり、燃料ポンプ３の割増回転時間が大きくなるように設定されている。
【０１００】
ＥＣＵ４は、この実行時間ＭＡＰを参照して、燃料ポンプ３を割増回転させるための実行時間指令値を決定する。
このようにして決定された実行時間指令値と回転速度指令値に従い燃料ポンプ３がその時間内において制御される（Ｓ１３１）。
【０１０１】
尚、実行時間指令値で指定された時間が経過した後は燃料ポンプ３は、ステップＳ１２２で決定された目標回転速度で回転することとなる。
このように第６の方式では、燃料ポンプ３が回転補正係数で与えられる割増回転を行う実行時間をも制御するので、燃料電池システムをより安定して運転することが可能となる。
【０１０２】
〔第５実施形態〕
図１４は、本発明の第５実施形態の燃料循環式燃料電池システムを示したものである。
この実施の形態においては、燃料ポンプとエゼクタを併用した循環システムを採用しており、請求項２等、かつ請求項１０に記載された発明に対応するものである。
【０１０３】
第５実施形態の装置構成は第２実施形態（図３）と同様であるが、燃料循環路６ａに加湿器１１が備えられており、さらに燃料循環路６ａの燃料電池スタック１の直前に、循環する水素の露点を測定するための露点検出器１２を備え、ＥＣＵ４がその露点を監視している点が異なっている。
【０１０４】
燃料循環式燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に対して、所定量の水蒸気を含んだ水素を供給する必要があり、そのために燃料循環路６ａには加湿器１１が備えられている。しかし、燃料電池システムに急加速指令が発せられた際、一時的に加湿器の発生水蒸気量が、必要量に追いつかなくなる場合がある。また、水素の循環量の制御が行われない状態で燃料電池システムに急加減速指令が発せられた場合、燃料循環路６を循環する水素の循環量が一時的に不足する現象が発生する（図２１）。このような状況においては、加湿器の運転量を増加して発生する水蒸気量を増したとしても、水蒸気を運ぶための水素の循環量が減少するために、燃料電池スタック１が必要とする水蒸気量を満たすことができない。
【０１０５】
ところで、燃料電池スタック１より排出される水素は燃料電池スタック１中の生成水、凝縮水等を取り込んでいるために、常に水蒸気で飽和している。従って、燃料電池システムの急加減速時には、燃料循環路６中の水素の循環量を増して、燃料電池システムから排出される水蒸気飽和水素を燃料循環路６ａに循環させれば、燃料電池システムが必要とする水蒸気を循環させることが可能となり、さらに加湿器１１が燃料の循環流から水分を得るものである場合には、その一時的な水分不足を補うことになる。
【０１０６】
すなわち、第５実施形態においては、燃料電池の水素の露点を監視することで、燃料電池システムに急加減速指令が発せられた際であっても、燃料循環路６を循環する水素量及び水蒸気量を確保することができる燃料循環式燃料電池システムを例示する。
【０１０７】
図１５に、第５実施形態の燃料循環式燃料電池システムの制御フローを示す。
燃料循環式燃料電池システムに対して出力指令がなされると（Ｓ１５１）、ＥＣＵ４は、出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照して（Ｓ１５３）、燃料ポンプ３の目標回転速度を決定する（Ｓ１５２）。続いて、ＥＣＵ４は燃料電池スタック１の直前の燃料循環路６ａに配置された露点検出器１２を介して水素の露点を測定する（Ｓ１５４）。
【０１０８】
ＥＣＵ４は、ステップＳ１５４で測定された水素の露点を用いて回転補正係数決定ルーチンにより回転補正係数を算出する（Ｓ１５５）。この際、回転補正係数決定ルーチンは、ＥＣＵ４内に予め備えられた回転補正ＭＡＰ（図１６）を参照する（Ｓ１５６）。
【０１０９】
図１６は、縦軸が回転補正係数であり、横軸が水素の露点を示している。露点検出器１２で測定された水素の露点が低い場合には、回転補正係数を大きくして、燃料ポンプ３の回転速度を上げ、燃料電池スタック１より排出される水蒸気飽和水素の循環量を増す。
続いて、ステップＳ１５２で求められた目標回転速度とステップＳ１５５で求められた回転補正係数との積として、燃料ポンプ３に対する回転速度指令値が算出される（Ｓ１５７）。
【０１１０】
続いて、ＥＣＵ４は燃料ポンプ３の回転速度が前記回転速度指令値となるように燃料ポンプ３を制御して（Ｓ１５８）処理が終了する（Ｓ１５９）。
【０１１１】
尚、本実施の形態においては、燃料循環路６ａに配置された露点検出器１２を用いて水素の露点を検出していたが、システムによっては、加湿器１１後の水素が水蒸気で飽和している場合もあるので、このような場合には、露点検出器１２に代えて温度計を用いることで本実施の形態の制御を行うことも可能である。
【０１１２】
尚、露点により回転補正係数を決定する方法には、第３実施形態や第４実施形態で述べたような、出力指令値を加味する方法、露点を閾値により管理する方法等を応用することが可能である。
【０１１３】
〔第６実施形態〕
図１７に本発明の第６実施形態の燃料循環式燃料電池システムを示した。尚、この実施形態は請求項８に対応するものである。
第６実施形態の装置構成における特徴点は、燃料循環路６に、燃料ポンプ３を迂回するバイパス路１３を設け、このバイパス路１３中にＥＣＵ４が開閉制御可能なバイパス弁１４を設けた点である。それ以外の点は第３実施形態（図５）と同様である。
【０１１４】
第６実施形態では、燃料電池システムが定常運転状態にある場合には、燃料ポンプ３の運転を停止、又は、低出力状態（アイドル状態）のまま待機させておき、バイパス弁１４を開き、バイパス路１３により燃料ポンプ３を迂回してエゼクタ５に水素を循環させる。水素は、エゼクタ５により循環力を付与されて燃料循環路６を循環させる。
【０１１５】
燃料電池システムに急加減速指令が発せられたり、燃料電池システムの状態量（例えばセル電圧等）が規定範囲よりも減少してしまったりした場合に、ＥＣＵ４はそれを監視して、バイパス弁１４を閉じるとともに、燃料ポンプ３を所定回転速度で回転させることで、燃料循環路６に循環させる水素の量を増やし、出力指令に対応したり、燃料電池の状態量を規定範囲に復帰させる。
尚、第６実施形態では、燃料電池の状態量としてセル電圧を用いているが、水素の露点等を評価しても良い。
【０１１６】
図１８を用いて第６実施形態の制御フローを説明する。
まず、燃料電池スタック１に設けられた電圧計１０によりセル電圧が測定される（Ｓ１８１）。続いて、このセル電圧が規定範囲かどうかが判断され（Ｓ１８２）、セル電圧が規定範囲であると判断された場合には（Ｙ）バイパス弁１４に対して開弁指令がなされ（Ｓ１８３）、燃料ポンプ３は停止される（Ｓ１８４）。しかし、ステップＳ１８２において、セル電圧が規定範囲を下回っていると判断された場合には、バイパス弁１４を閉じ、燃料ポンプ３を所定の回転速度で回転させるための処理が行われる（Ｓ１８５〜Ｓ１９４）。
【０１１７】
まず、ステップ１８５において、燃料電池システムに加減速指令等の出力指令がなされているかどうかが判断される。出力指令がなされている場合には（Ｙ）、出力指令値に応じて、ステップＳ１８７において、燃料ポンプ３の目標回転速度が決定される。
【０１１８】
それに対して、出力指令がなされていない場合には、ステップ１８７において燃料ポンプ３の目標回転速度を決定することができないために、現在の燃料電池システムの出力を出力指令値とする（Ｓ１８６）。
続いて、出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ｂ））を参照して（Ｓ１８９）、出力指令値に対応する燃料ポンプ３の目標回転速度が決定される。
【０１１９】
さらに、ステップＳ１８１で計測されたセル電圧に基づき、例えば、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｄ）、図８（ａ）に示したような、回転補正ＭＡＰを参照する（Ｓ１９１）ことにより、回転補正係数決定ルーチン（Ｓ１９０）が燃料ポンプ３の割増回転分である回転補正係数を求める。
【０１２０】
その後、目標回転速度と回転補正係数との積として回転速度指令値が算出され（Ｓ１９２）、バイパス弁１４が閉弁され、水素を燃料ポンプ３に流通可能とするとともに、燃料ポンプ３をステップ１９２で算出された回転速度指令値に制御する（Ｓ１９４）。その後制御はＳ１８１に戻り、再びセル電圧が評価される。
【０１２１】
より具体的に第６実施形態の燃料循環式燃料電池システムの水素循環量の制御動作について図１９により説明する。
図１９は、第６実施形態の燃料循環式燃料電池システムのセル電圧の変化とシステム内の水素循環量の変化を同時に示したタイムチャートである。
【０１２２】
燃料電池のセル電圧はＡ点までは、規定範囲内にあるものとする。このとき、図１７の燃料電池システムにおいては、燃料ポンプ３は停止等され、バイパス弁１４が開弁され、エゼクタ５のみで燃料循環路６中の水素循環が行われている。Ａ点において例えば、燃料電池スタック１中の凝縮水の影響等によりセル電圧が閾値１を下回ると、ＥＣＵ４は図１８に示した制御フローに従い、バイパス弁１４が閉弁し、燃料ポンプ３に対してステップＳ１９２で算出された回転速度指令値で動作せよとの指示を出し、燃料ポンプ３の回転速度が増加する。それに伴い、水素循環路６中を循環する水素量が増加する。
【０１２３】
しかしながら、この例においては、燃料電池のセル電圧は規定範囲に復帰せず、Ｂ点において更に閾値２を下回ったとする。すると、ＥＣＵ４は、図１８に示した制御フローに従い燃料ポンプ３の回転速度をさらに増加させ、システムを循環する水素量を更に増加させる。その後、Ｃ点及びＤ点を経るにつれて燃料電池のセル電圧が規定範囲に復帰するとＥＣＵ４は、バイパス弁１４を開弁し、燃料ポンプ３を停止等し、再びエゼクタ５のみで水素循環を行う。
【０１２４】
このように第６実施形態においては、セル電圧等の燃料電池の状態量が規定範囲を下回った場合や、出力指令がなされた場合に燃料ポンプ３を稼動させて、燃料循環路６中の水素循環量を増加させ、それ以外の場合には燃料ポンプ３を停止やアイドル状態としているので、常時燃料ポンプ３を稼動させる必要が無く、エネルギの節約をすることが可能となる。
さらに、この第６実施形態のバイパス通路・バイパス弁の構成に拘わらず、燃料電池スタック１の状態量が規定範囲内にあり、エゼクタのみでシステムに必要な水素を循環できる場合には、燃料循環路６中の燃料ポンプを停止又はアイドル状態とすることで、燃料循環式燃料電池システムのエネルギ効率を高めることができる。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明は、前記のように構成したので、次のような顕著な効果を奏する。請求項１及び請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に対する出力指令値に応じて、回転機により駆動される燃料ポンプが燃料循環路中を循環する燃料の量を制御するので、燃料電池に急加減速指令が発せられたとしても、燃料電池に循環する燃料の量が不足することがない。
このうち、請求項１に記載の発明によれば、エゼクタをさらに備えるため、例えば、高圧水素タンクのような高圧燃料タンクに貯蔵された燃料ガスの圧力エネルギを有効に活用して燃料ガスを循環することができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、出力指令値に基づいて燃料ポンプの回転速度を決定し、さらに回転速度を補正するので、燃料ガスの循環量の不足を未然に防止することができる。
【０１２６】
また、請求項１０に記載の発明によれば、請求項３の発明において、エゼクタをさらに備えるため、例えば、高圧水素タンクのような高圧燃料タンクに貯蔵された燃料ガスの圧力エネルギを有効に活用して燃料ガスを循環することができる。
【０１２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明において、燃料電池制御装置が、燃料電池の状態量を監視する機能を有しているので、例えば、燃料電池のセル電圧や燃料の露点等を監視して、その情報を燃料循環路を循環させる燃料の量に反映させることが可能となる。
【０１２９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項２の発明において、燃料電池制御装置が燃料電池の状態量（セル電圧、燃料の露点等）を加味して燃料の循環量を制御するので、燃料電池の状態量が規定範囲より外れているような場合には、燃料循環量を割増することで、状態量の復帰を行いながら、出力指令値で要求される燃料循環量を確保することが可能となる。
【０１３０】
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池の状態量として、セル電圧又は、燃料電池入口における燃料の露点を採用しているので、これらの状態量により燃料電池の状態を把握しながら燃料の循環量を制御することが可能となる。
【０１３１】
請求項６に記載の発明によれば、燃料電池制御装置が出力増減率を加味して燃料の循環量を制御するので、燃料電池に対して急加減速指令が発せられたとしても、その出力増減率に応じて燃料ポンプの割増回転が行われるので、燃料電池が要求する燃料循環量を確保することが可能となる。
【０１３２】
請求項７に記載の発明によれば、燃料電池制御装置が出力増減率に基づき、燃料ポンプが割増回転を行う実行時間を決定するので、出力増減率の大小に応じただけの燃料を燃料循環路中に循環させることが可能となる。
【０１３３】
請求項８に記載の発明によれば、燃料循環路中に、燃料ポンプをバイパス可能なバイパス路及びバイパス弁を設けたので、運転するために電力を必要とする燃料ポンプを必要な時のみ作動させることが可能となった。燃料ポンプを出力指令が発せられたとき及び燃料電池の状態量が規定範囲から外れている時にのみ運転させることで、燃料ポンプを稼動させる電力を節約することが可能となる。
【０１３４】
請求項９に記載の発明によれば、燃料電池の状態量が規定範囲内の場合には、燃料ポンプを停止又はアイドル状態とするので、燃料循環式燃料電池システムのエネルギ効率を高めることが可能となる。
請求項１０に記載の発明（エゼクタ）については、既に説明したとおりである。
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１及び請求項２の発明において、燃料電池制御装置が出力指令値に基づいて燃料ポンプの目標回転速度を決定するので、燃料電池の出力に基づいて燃料ポンプの回転速度を制御する場合と異なり、燃料循環量に制御遅れが発生することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示す模式図である。
【図２】 本発明の第１実施形態の制御フロー（図２（ａ））及び出力−回転速度ＭＡＰ（図２（ａ））である。
【図３】 本発明の第２実施形態の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示す模式図である。
【図４】 エゼクタの断面図である。
【図５】 本発明の第３実施形態の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示す模式図である。
【図６】 本発明の第３実施形態の制御フローである。
【図７】 本発明の第３実施形態で用いる回転補正ＭＡＰである。
【図８】 本発明の第３実施形態で用いる回転補正ＭＡＰである。
【図９】 本発明の第４実施形態の制御フローである。
【図１０】 本発明の第４実施形態で用いる回転補正ＭＡＰである。
【図１１】 本発明の第４実施形態で用いる回転補正ＭＡＰである。
【図１２】 本発明の第４実施形態の第６の方式における制御フローである。
【図１３】 本発明の第４実施形態の第６の方式で用いる実行時間ＭＡＰである。
【図１４】 本発明の第５実施形態の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示す模式図である。
【図１５】 本発明の第５実施形態の制御フローである。
【図１６】 本発明の第５実施形態で用いる回転補正ＭＡＰである。
【図１７】 本発明の第６実施形態の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示す模式図である。
【図１８】 本発明の第６実施形態の制御フローである。
【図１９】 本発明の第６実施形態の燃料循環式燃料電池システムの制御動作を説明するためのタイムチャートである。
【図２０】 従来の燃料循環式燃料電池システムの装置構成を示す模式図である。
【図２１】 従来の燃料循環式燃料電池システムの問題点を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ レギュレータ
３ 燃料ポンプ
４ ＥＣＵ
５ エゼクタ
６、６ａ、６ｂ 燃料循環路
７ 結合部
１０ 電圧計
１１ 加湿器
１２ 露点検出器
１３ バイパス路
１４ バイパス弁

Claims (11)

1. 燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される燃料を再び前記燃料電池に供給するための燃料循環路と、
   前記燃料循環路中に配置され、回転機により駆動されて前記燃料を循環させる燃料ポンプと
   を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、
   前記燃料循環路に新たな燃料を供給するとともに、前記燃料循環路中の燃料を循環させるエゼクタと、
   前記燃料電池に対する出力指令値に応じて前記燃料ポンプを制御することにより、前記燃料循環路中の燃料の循環量を調整する燃料電池制御装置とを備えたこと
   を特徴とする燃料循環式燃料電池システム。
2. 前記燃料電池制御装置が前記燃料電池の状態量を監視する機能を備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載の燃料循環式燃料電池システム。
3. 燃料と酸化剤とを供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される燃料を再び前記燃料電池に供給するための燃料循環路と、
   前記燃料循環路中に配置され、回転機により駆動されて前記燃料を循環させる燃料ポンプと
   を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に対する出力指令値に応じて前記燃料ポンプを制御することにより、前記燃料循環路中の燃料の循環量を調整するとともに、前記燃料電池の状態量を監視する燃料電池制御装置をさらに備え、
   前記燃料電池制御装置は、前記出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定するとともに、前記状態量と前記出力指令値又は前記状態量に基づき回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を前記回転補正係数で補正して前記燃料ポンプを制御すること
   を特徴とする燃料循環式燃料電池システム。
4. 前記燃料電池制御装置が、前記出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定するとともに、前記状態量と前記出力指令値又は前記状態量に基づき回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を前記回転補正係数で補正して前記燃料ポンプを制御すること
   を特徴とする請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。
5. 前記状態量が燃料電池のセル電圧又は燃料電池入口における燃料の露点であること
   を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料循環式燃料電池システム。
6. 前記燃料電池制御装置は、前記出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定するとともに、前記出力指令値の時間変化率である出力増減率を求め、この出力増減率と前記出力指令値又は前記出力増減率に基づき回転補正係数を算出し、前記目標回転速度を前記回転補正係数で補正して前記燃料ポンプを制御すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。
7. 前記燃料電池制御装置は、前記出力指令値及び出力増減率に基づき前記燃料ポンプの実行時間を算出し、前記燃料ポンプを制御すること
   を特徴とする請求項６に記載の燃料循環式燃料電池システム。
8. 前記燃料循環路は、前記燃料ポンプをバイパスするバイパス路と、このバイパス路上に配置され、前記状態量に基づき前記燃料電池制御装置によりその開閉が制御されるバイパス弁を備え、前記状態量が規定範囲内の場合には前記バイパス弁を開弁し、前記状態量が規定範囲外の場合には前記バイパス弁を閉弁し前記状態量の値に応じた回転速度で前記燃料ポンプを回転させること
   を特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料循環式燃料電池システム。
9. 前記燃料電池制御装置は、前記状態量が規定範囲内の場合には、前記燃料ポンプを停止又はアイドル状態とすること
   を特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料循環式燃料電池システム。
10. 前記燃料循環路に新たな燃料を供給するとともに、前記燃料循環路中の燃料を循環させるエゼクタを備えたこと
    を特徴とする請求項３に記載の燃料循環式燃料電池システム。
11. 前記燃料電池制御装置が、燃料電池に対する出力指令値に基づき前記燃料ポンプの目標回転速度を決定すること
    を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。

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