JP3882617B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料としての水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特にアイドル運転に必要とされる微小な空気流量を燃料電池スタックへ供給する際の燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質として固体高分子を用いた燃料電池において、固体高分子膜をイオンが移動可能とするため、一般に燃料電池スタックへ供給する空気を加湿している。この加湿が不十分だと、燃料電池スタックにおける固体高分子膜が乾燥し、イオンの移動が阻害され発電効率が低下する。従って、燃料電池スタックへ供給する空気は全て充分な加湿を行うことが必要である。
【０００３】
また、この加湿に使用する水は、燃料電池スタックからの排気に含まれる加湿した水分及び水素と酸素が反応した時にできる生成水を回収して行っている。仮に、加湿に要する水量が多く、生成水の量が少ないとすると、水の消費が過大となり、加湿に必要な水を確保できなくなり、水収支が悪化することになる。よって、生成水の量と、加湿に要する水量がバランスしていることが必要である。
【０００４】
このため、供給した水素量の反応に必要な空気量を精度良く供給することが要求される。もし、空気量が過剰だと、過剰であってもスタックに供給する際は加湿する必要があり、故に水の消費が多くなる一方、水素の量は、空気量より少ないため、生成水の量も少なくなり、水収支は悪化してしまう。
【０００５】
特に車両用燃料電池システムにおいては、アイドル運転時のような、供給される水素量が極めて小さい時、これに合わせて、供給する空気流量も微少に精度良く制御することが必要とされる。
【０００６】
そこで、このようなアイドル運転時の微小な空気流量を制御する従来の燃料電池システムとしては、例えば、特開平１１−３１７２３４号公報に記載のものがある。
【０００７】
この従来技術では、燃料電池に対して空気を供給する空気ブロワと、空気ブロワと燃料電池との間に燃料電池負荷に応じて流量を調節する調節弁を有する構成において、部分負荷と最低負荷との間、すなわちアイドル運転時における燃料電池に対する空気流量の調整は、空気ブロワの回転数を一定として、調整弁の開度の制御により行う技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アイドル運転時に必要とされる微小な空気流量は、例えば全負荷の数％以下であるのに対し、従来の技術における空気ブロワでは、回転数を低下させても、空気ブロワの内部漏れ等により例えば全負荷の３０％以下の空気流量を微小に制御することは困難であるという問題点があった。
【０００９】
また、調整弁においても全負荷の数％の空気流量を供給するための開度制御は、調整弁自体の制御精度とほぼ同程度となり、やはりアイドル運転時に必要とされる微小な空気流量を制御することは困難である。
【００１０】
この時、空気ブロワ回転数を低下させても、アイドル運転に必要な空気流量まで低下させることは困難で、アイドル運転に必要な空気流量以上の流量が供給されるため、過剰な供給空気により空気ブロワの吐出圧が上昇し、消費エネルギが増加し燃費の悪化も招く恐れもある。
【００１１】
また、従来の技術では、スタックに供給される空気流量の変動や、スタックで消費する空気量の変化によって、スタック内圧も変動してしまうという問題点があった。
【００１２】
特に、アイドル運転時のような空気流量が微小な場合、わずかな空気流量の変化やスタックで消費する空気量の変化でも、スタック内圧が大きく変動する恐れがある。スタック内圧は、固体高分子膜保護のため精度良く制御する必要があるが、従来の技術では、スタック内圧の制御精度が低下し、高分子膜を劣化させる恐れがある。
【００１３】
さらに、通常スタックの空気極内部に生成される水は、空気極を流れる空気の流れによりスタック外部へ排出される。しかし、アイドル運転時において、仮に空気流量を微小に設定したとしても、空気の流れが弱いと、スタックの空気極内部に生成される水が排出されず、所謂水つまりを起こしてしまい、すると空気の供給が不十分となり、発電効率が低下し、アイドル運転を安定して継続することが困難となる。これを避けるため、空気流量を大きくすると、やはり水収支が悪化してしまうとともに、上述のようにスタック内圧の変動が大きくなるためスタック内圧の制御精度が低下し、高分子膜を劣化させる恐れがある。
【００１４】
すなわち、従来の技術では、アイドル運転時、空気流量やスタック内圧を精度良く制御することが困難であり、水収支や燃費の悪化や、高分子膜の劣化を招く恐れがあるという問題点があった。
【００１５】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、アイドル運転時等の燃料電池スタックへ微小な空気流量を供給する際、燃費を悪化させることなく、空気流量・圧力の制御精度を向上することができる燃料電池システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空気を供給する空気供給手段と、水素を供給する水素供給手段と、供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、前記空気供給手段の作動状態を変更して前記空気供給手段が供給する空気流量を制御する第一空気流量制御手段と、前記空気供給手段と前記発電手段との間の空気供給流路の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流量を制御する第二空気流量制御手段と、前記発電手段から未使用分の空気を排出する排出流路と前記空気供給手段とを直接結ぶバイパス流路と、該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる空気流量を制御する第三空気流量制御手段と、前記排出流路と前記バイパス流路との合流部分より下流の合流部分下流流路に設けられ、該合流部分下流流路の開度を変え、前記発電手段内部の空気流路の圧力を制御する空気圧力制御手段と、を備え、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給する空気流量を最小値に設定し、第三空気流量制御手段の開度を所定開度に設定し、第二空気流量制御手段の開度を変えて前記発電手段に供給する空気流量を制御することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気圧力制御手段により、前記合流部分下流流路の開度を略一定に設定することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記所定流量はアイドル運転時において、前記発電手段の発電に必要十分な空気流量とすることを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を全開とすることを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ所定流量以上の空気流量を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を所定開度以下とすることを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第一空気流量制御手段により前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値が大きいほど、前記第三空気流量制御手段の全開時の開口面積及び該バイパス流路内径を大きくすることを要旨とする。
【００２２】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第一空気流量制御手段は、前記空気供給手段が供給する空気流量を、前記空気供給手段が安定して供給可能な空気流量の最小値に設定するとともに、該最小値を予め定めた基準値と比較し、前記最小値が前記基準値より大きければ、第三空気流量制御手段の開度をより大きく設定し、前記最小値が前記基準値より小さければ、第三空気流量制御手段の開度をより小さく設定することを要旨とする。
【００２３】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する際、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出する水排出制御手段を備えたことを要旨とする。
【００２４】
上記目的を達成するため、請求項９記載の発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、第三空気流量制御手段の開度を所定間隔ごとに一定時間小さくすることを要旨とする。
【００２５】
上記目的を達成するため、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、前記発電手段の発電量が大きいほど前記所定間隔を短くすることを要旨とする。
【００２６】
上記目的を達成するため、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気流量が大きいほど前記所定間隔を短くすることを要旨とする。
【００２７】
上記目的を達成するため、請求項１２記載の発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め定めた閾値を下回った場合、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することを要旨とする。
【００２８】
上記目的を達成するため、請求項１３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ供給する空気流量を、前記所定流量以下から、前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合、第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加させるとともに、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加開始してから所定時間の間、第二空気流量制御手段及び第三空気流量制御手段の開度を共に全開とし、前記所定時間経過後、第三空気流量制御手段の開度を全閉とし、第一空気流量制御手段及び第二空気流量制御手段により、前記発電手段に供給する空気流量を制御することを要旨とする。
【００２９】
上記目的を達成するため、請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値の変化幅が大きいほど、長くすることを要旨とする。
【００３０】
上記目的を達成するため、請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の燃料電池システムにおいて、前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値の変化幅が所定量よりも小さい場合、０とすることを要旨とする。
【００３１】
上記目的を達成するため、請求項１６記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ供給する空気流量が、目標値に対して小さい所定値以上になった場合、前記所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とすることを要旨とする。
【００３２】
上記目的を達成するため、請求項１７記載の発明は、請求項１６記載の燃料電池システムにおいて、前記所定値は、第二空気流量制御手段の開度が全開の時の空気流量に対する、第三空気流量制御手段の開度が全開の時の空気流量の比率に１を加えた値で、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値を割った値とすることを要旨とする。
【００３３】
上記目的を達成するため、請求項１８記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給手段が供給する空気流量の時間に対する増加率が所定増加率を超えた場合、前記所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とすることを要旨とする。
【００３４】
上記目的を達成するため、請求項１９記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給手段が供給する空気流量の変化を検出する供給空気流量変化検出手段を備え、前記供給空気流量変化検出手段により前記空気供給手段が供給する空気流量が低下している場合、該低下量が大きい程、前記所定時間を長くすることを要旨とする。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量は、空気供給流路と、バイパス流路とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路に流すことにより、空気供給流路を通り発電手段へ全負荷の数％程度の微小な空気流量を精度よく供給することが可能となるという効果がある。
【００３６】
さらに、空気供給手段が供給する空気流量のうち、発電手段へ供給されない余分な空気流量はバイパス流路に流れるため、空気供給手段が供給する空気の圧力が上昇せず、消費エネルギを抑制することができるという効果がある。
【００３７】
請求項２記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量は、第二空気流量制御手段の開度と第三空気流量制御手段の開度との比率に基づき、空気供給流路とバイパス流路とに振り分けられ、空気供給流路を通り発電手段へ供給された空気流量は、発電手段で必要量が消費された後、排出流路を通り、排出流路とバイパス流路の合流部分で、再びバイパス流路を流れる空気流量と一緒になる。ここで、空気供給流路を通り発電手段へ供給された空気流量は微小であり発電手段で消費される量も微小なため、合流部分より下流流路における空気流量は、空気供給手段が最初に供給した空気流量とほぼ等しく、また、空気供給手段が供給する空気流量が一定であれば、第二空気流量制御手段の開度を変え該発電手段に供給する空気流量を制御しても、変動もほとんど無い。
【００３８】
従って、空気圧力制御手段が、合流部分より下流流路の開度を変え、ここを流れる空気流量を絞り発電手段内部の空気流路の圧力を制御する際、下流流路の空気流量はほぼ一定であるため、空気圧力制御手段の開度を略一定に設定することにより、アイドル運転時の発電手段内部の空気圧力の変動を抑制し、高精度に制御することができるという効果がある。
【００３９】
請求項３記載の発明によれば、アイドル運転時は発電手段に供給する空気流量の目標値が変化しても、第一空気流量制御手段が第三空気流量制御手段は最初に設定した値のままとし、第二空気流量制御手段のみにより発電手段に供給する空気流量を制御することができ、制御を簡素化することができるという効果がある。
【００４０】
請求項４記載の発明によれば、第三空気流量制御手段の開度に対する第二空気流量制御手段の開度の比率が小さくなり、発電手段へより微小な空気流量を精度良く供給することが可能となるという効果がある。
【００４１】
請求項５記載の発明によれば、発電手段へ供給する空気流量範囲全域において、精度良く空気流量を供給することが可能となるという効果がある。
【００４２】
請求項６記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量の最小値に応じて適切な空気流量をバイパス流路に流すことができ、発電手段へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となるという効果がある。
【００４３】
請求項７記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量の最小値が、経時劣化や外気温、外気圧等により変動しても、安定した空気流量の供給が可能となるとともに、安定して供給可能な空気流量の最小値が変化しても、該変動に基づき第三空気流量制御手段の開度を設定することにより、バイパス流路を流れる空気流量を調整し、空気供給流路を通り発電手段へ供給される空気流量に、該変化の影響が表れないようにし、発電手段へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となるという効果がある。
【００４４】
請求項８記載の発明によれば、発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるとともに、この場合でも、バイパス流路における空気流量を減らし、その分空気供給流路における空気流量を増やし、発電手段へ供給される空気流量を大きくするのであって、空気圧力制御手段を流れる空気流量はほぼ一定であるため、発電手段内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制御されるという効果がある。
【００４５】
請求項９記載の発明によれば、確実に発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効果がある。
【００４６】
請求項１０記載の発明によれば、発電量が大きく、すなわち発電手段における生成水が多く発生し、発電手段内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効果がある。
【００４７】
請求項１１記載の発明によれば、発電手段に供給される空気流量が大きく、すなわち発電手段における生成水が多く発生し、発電手段内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効果がある。
【００４８】
請求項１２記載の発明によれば、発電手段内部の空気流路に溜まる水を適切なタイミングで排出することが可能となるという効果がある。
【００４９】
請求項１３記載の発明によれば、空気供給手段に対する負荷を低減して、空気を流れやすくできるようになり、空気供給手段が供給する空気流量を短時間で増加可能とし、応答性を向上させるという効果がある。
【００５０】
請求項１４記載の発明によれば、空気供給手段に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、空気供給手段が供給する空気流量の応答性が目標値に応じて適切に向上されるという効果がある。
【００５１】
請求項１５記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量の増加が小さく、あえて空気供給手段に対する負荷を低減しなくても、応答性が確保できる場合に、所定時間を０とするができ、制御が簡略化されるという効果がある。
【００５２】
請求項１６記載の発明によれば、空気供給手段に対する負荷を増加させ、空気供給手段が供給する空気流量の増加を抑制し、発電手段へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上するという効果がある。
【００５３】
請求項１７記載の発明によれば、第三空気流量制御手段の開度を全閉とした時に、発電手段へ供給する空気流量が目標値に略一致することとなり、制御性が向上するという効果がある。
【００５４】
請求項１８記載の発明によれば、空気流量増加率が過大となり、発電手段へ供給する空気流量が目標値以上となる恐れがある場合にも、空気供給手段に対する負荷を増加させ、空気供給手段が供給する空気流量の増加を抑制し、発電手段へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上するという効果がある。
【００５５】
請求項１９記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量が経時劣化により低下し応答性が低下する恐れがある場合にも、空気供給手段に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、空気供給手段が供給する空気流量の応答性が、空気供給手段が供給する空気流量に応じて適切に向上されるという効果がある。
【００５６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００５７】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの要部構成を示す概念図である。同図において、燃料電池システムは、空気を供給する空気供給手段１０２と、水素を供給する水素供給手段１０７と、供給された空気と水素とを基に発電する発電手段１０４と、空気供給手段１０２の作動状態を変更して空気供給手段１０２が供給する空気流量を制御する第一空気流量制御手段１０１と、空気供給手段１０２と発電手段１０４との間の空気供給流路の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流量を制御する第二空気流量制御手段１０３と、発電手段１０４から未使用分の空気を排出する排出流路と空気供給手段１０２とを直接結ぶバイパス流路と、該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる空気流量を制御する第三空気流量制御手段１０５と、を備えている。
【００５８】
そして、発電手段１０４へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第一空気流量制御手段１０１により、空気供給手段１０２が供給する空気流量を最小値に設定し、第三空気流量制御手段１０５の開度を所定開度に設定し、第二空気流量制御手段１０３の開度を変えて発電手段１０４に供給する空気流量を制御することを特徴とする。
【００５９】
これにより、発電手段１０４へ供給する空気流量が所定流量、例えば全負荷時の数％程度以下の場合に、空気供給手段１０２が供給する空気流量は、第二空気流量制御手段を通る空気供給流路と、第三空気流量制御手段を通るバイパス流路とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路に流すことにより、空気供給流路を通り発電手段１０４へ微小な空気流量を精度よく供給することができる。
【００６０】
ここで、空気供給流路とバイパス流路とを流れる空気流量は、各流路に設けられた第二空気流量制御手段１０３の開度と第三空気流量制御手段１０５の開度との比率に基づいて定まるため、第二空気流量制御手段１０３の開度が、例えば全負荷の数％に相当する微小な開度を制御できない場合でも、第二空気流量制御手段１０３の例えば全開時の開度を第三空気流量制御手段１０５の開度の例えば１／１０に設定できれば、空気供給流路を通り発電手段１０４へ供給される空気流量は、空気供給手段１０２の供給する全負荷の空気流量の１／１０となり、微小な空気流量を精度良く制御することが可能となる。
【００６１】
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態は、請求項１乃至請求項７に記載の発明に対応する燃料電池システムであり、まず構成を説明する。
【００６２】
図２は、第１の実施形態の燃料電池システムを示す全体システム図である。図２において、燃料電池システムは、空気を浄化するフィルタ１と、浄化された空気を圧縮するコンプレッサ２と、空気流量を測定する空気流量センサ３と、バイパス流路２１の空気流量を制御するバイパス空気流量制御弁４と、燃料電池スタック７の空気極へ供給する空気流量を制御するメイン空気流量制御弁５と、空気圧力を測定する圧力センサ６と、供給された空気及び水素を用いて発電する燃料電池スタック７と、空気極の圧力を制御する圧力制御弁８と、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク９と、高圧水素ガスを減圧するプレッシャレギュレータ１０と、水素ガス流量を測定する水素流量センサ１１と、水素ガス流量を制御する水素流量制御弁１２と、燃料電池スタック７からの排ガスを燃焼させる燃焼器１３と、コントロールユニット１４と、バイパス流路２１と、空気供給流路２２と、空気排出流路２３と、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４と、水素供給流路２５と、水素排出流路２６と、燃焼ガス排出流路２７とを備えている。
【００６３】
フィルタ１は、コンプレッサ２が吸い込む空気中の不純物を取り除く。コンプレッサ２は、フィルタ１を通して浄化された空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池スタック７へ空気を供給する。また、コントロールユニット１４により回転数制御され、供給する空気流量が制御される。
【００６４】
空気流量センサ３は、空気供給流路２２を流れる空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット１４に入力する。また、コントロールユニット１４は、空気流量センサ３の検出値に基づき、メイン空気流量制御弁５の開度を制御し、空気供給流路２２を流れ、燃料電池スタック７へ供給される空気流量を制御する。
【００６５】
バイパス空気流量制御弁４は、コントロールユニット１４からの指令に基づき、開度を変更し、バイパス流路２１を流れる空気流量を制御する。
【００６６】
圧力センサ６は、空気供給流路２２における燃料電池スタック７に入る直前の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット１４に入力する。また、コントロールユニット１４は、圧力センサ６の検出値に基づき、圧力制御弁８へ指令を送る。圧力制御弁８は、コントロールユニット１４からの指令に従い、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４の開度を変えることにより、燃料電池スタック内部の空気流路の圧力を制御する。
【００６７】
燃料電池スタック７は、メイン空気流量制御弁５を通り供給される空気と、水素流量制御弁１２を通り供給される水素とを用いて発電する。
【００６８】
水素タンク９は、水素を貯蔵する。プレッシャレギュレータ１０は、水素タンク９から供給される水素の圧力を一定の圧力に制御して出力する。
【００６９】
水素流量センサ１１は、水素供給流路２５を流れる水素流量を検出し、検出値をコントロールユニット１４に入力する。また、コントロールユニット１４は、水素流量センサ１１の検出値に基づき、水素流量制御弁１２の開度を制御し、水素供給流路２５を流れ、燃料電池スタック７へ供給される水素流量を制御する。
【００７０】
燃焼器１３は、内部に触媒を有し、燃料電池スタック７から排気され、空気排出流路２３と、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４と通り供給される空気と、燃料電池スタック７から排気され、水素排出流路２６を通り供給される水素とを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、燃焼ガス排出流路２７を通り、外部へ排気される。
【００７１】
以上説明した構成において、フィルタ１とコンプレッサ２とが図１における空気供給手段（１０２）に相当し、水素タンク９とプレッシャレギュレータ１０が水素供給手段（１０７）に相当し、燃料電池スタック７が発電手段（１０４）に相当し、コントロールユニット１４が第一空気流量制御手段（１０１）に相当し、空気流量センサ３とメイン空気流量制御弁５とコントロールユニット１４が第二空気流量制御手段（１０３）に相当し、バイパス空気流量制御弁４とコントロールユニット１４が第三空気流量制御手段（１０５）に相当し、水素流量センサ１１と水素流量制御弁１２とコントロールユニット１４が水素流量制御手段（１０８）に相当し、圧力センサ６と圧力制御弁８とコントロールユニット１４が空気圧力制御手段（１０６）に相当し、空気供給流路２２が空気供給流路に相当し、空気排出流路２３が排出流路に相当し、バイパス流路２１がバイパス流路に相当し、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４が、該排出流路と該バイパス流路の合流部分より下流の流路に相当する。
【００７２】
次に本発明の特徴である、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の制御に関する作用を説明する。
【００７３】
図３は、第１の実施形態の作用を示すフローチャートである。図３のフローチャートは、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期毎に繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００７４】
まず、ステップＳ３１では、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が所定流量以下か否かを判定し、所定流量以下の場合、ステップＳ３２へ進み、所定流量以上の場合、ステップＳ３６へ進む。
【００７５】
ステップＳ３２では、コンプレッサ２の回転数を最低回転数に設定する。ステップＳ３３では、バイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度に設定する。ステップＳ３４では、圧力センサ６の検出値に基づき、該検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定する。
【００７６】
ステップＳ３５では、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよう、メイン空気流量制御弁５の開度を変える。
【００７７】
また、ステップＳ３１から、ステップＳ３６へ進んだ場合、ステップＳ３６ではバイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度以下に設定する。ステップＳ３７では、圧力センサ６の検出値に基づき、該検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定する。
【００７８】
ステップＳ３８では、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよう、コンプレッサ２の回転数及びメイン空気流量制御弁５の開度を変える。
【００７９】
以上のフローチャートにより、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が所定流量以下の場合、すなわち、微小流量を供給する場合、ステップＳ３１からステップＳ３２へ進み、これ以降のステップにより、コンプレッサ２の回転数を最低回転数まで下げ、コンプレッサ２が供給する空気流量を最小値に設定し、これにより、例えば全負荷の３０％程度まで供給する空気流量を下げ、さらにバイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度に設定することにより、コンプレッサ２が供給する空気流量は、バイパス流路２１と空気供給流路２２とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路２１に流すことにより、以下に説明する理由により空気供給流路２２を通り燃料電池スタックへ全負荷の数％程度の微小な空気流量を供給することが可能となる。
【００８０】
すなわち、バイパス流路２１を流れる空気流量Ｑ１と空気供給流路２２とを流れる空気流量Ｑ２は、各流路に設けられたバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１とメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２との比率に基づき定まり、Ｑ１：Ｑ２≒Ｓ１：Ｓ２の関係が成立する。また、コンプレッサ２が供給する空気流量をＱ０とすると、Ｑ０＝Ｑ１＋Ｑ２である。従って、空気供給路２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量Ｑ２は、
【数１】
Ｑ２＝Ｑ０／（１＋Ｓ１／Ｓ２） …（１）
（１）式で表される。
【００８１】
従って、コンプレッサ２が供給する空気流量Ｑ０が全負荷の３０％の時、バイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１に対しメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２が例えば１／１０に設定できれば、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量Ｑ２は、（１）式からＱ０の１／１１、すなわち全負荷の約３％となり、微小な空気流量を精度良く制御することが可能となる。また、例えばメイン空気流量制御弁５の全開時の開度とバイパス空気流量制御弁４の全開時の開度が同じであり、バイパス空気流量制御弁４の開度が全開であるとすると、バイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１に対するメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２を１／１０に設定するというのは、メイン空気流量制御弁の開度は全開時の１／１０、つまり１０％という比較的大きな値に設定すれば良いことになり、確実に微小な空気流量を制御することができる。
【００８２】
ここで仮に、バイパス流路２１及びバイパス空気流量制御弁４が無く、メイン空気流量制御弁５のみで燃料電池スタック７へ供給する空気流量を制御する場合、メイン空気流量制御弁５の絶対的な開度を精度良く制御する必要がある。従って、上記と同じ全負荷の３％の空気流量を燃料電池スタック７へ供給するためには、全負荷の３％に相当する微小な開度を設定する必要があり、一般に制御精度が２％程度はあることを考慮すると、全負荷の３％に相当する微小な開度の設定は極めて困難なものとなる。
【００８３】
さらに、コンプレッサ２が供給する空気流量のうち、燃料電池スタック７へ供給されない余分な空気流量はバイパス流路２１に流れるため、コンプレッサ吐出圧が上昇せず、消費エネルギが抑制される。
【００８４】
また、ステップＳ３３でバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１を所定開度に設定する際、開度を全開に設定しても良く、この場合、（１）式における、メイン空気流量制御弁の開度Ｓ２の比率Ｓ１／Ｓ２が大きくなるため、より微小な空気流量を精度良く制御することが可能となる。
【００８５】
また、本発明では、コンプレッサ２が供給する空気流量は、バイパス空気流量制御弁４の開度とメイン空気流量制御弁５の開度との比率に基づき、バイパス流路２１と空気供給流路２２とに振り分けられ、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給された空気流量は、燃料電池スタック７で必要量が消費された後、空気排出流路２３を通り、空気排出流路２３とバイパス流路２１の合流部分で、再びバイパス流路２１を流れる空気流量と一緒になる。ここで、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給された空気流量は微小であり燃料電池スタック７で消費される量も微小なため、合流部分より下流流路における空気流量は、コンプレッサ２が最初に供給した空気流量とほぼ等しく、また、コンプレッサ２が供給する空気流量が一定であれば、メイン空気流量制御弁５の開度を変え燃料電池スタック７に供給する空気流量を制御しても、変動もほとんど無い。
【００８６】
従って、圧力制御弁８が、合流部分より下流の流路２４の開度を変え、ここを流れる空気流量を絞り燃料電池スタック７内部の空気流量の圧力を制御する際、下流流路２４の空気流量はほぼ一定であるため、ステップＳ３４で、圧力センサ６の検出値に基づき、該圧力センサ６の検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定した後、該開度を保つようにすることにより、燃料電池スタック７内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制御される。
【００８７】
また、ステップＳ３１における所定流量は、例えばアイドル運転時において燃料電池スタック７の発電に必要十分な空気流量、すなわち、アイドル運転時に要する最大流量とすると良い。この場合、アイドル運転時において、燃料電池スタック７に供給する空気流量の目標値が変化しても、コンプレッサ回転数及びバイパス空気流量制御弁４の開度は最初に設定した値のままとし、メイン空気流量制御弁５の開度のみにより燃料電池スタック７に供給する空気流量を制御することができ、制御が簡素化される。
【００８８】
また、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が所定流量以上の場合、ステップＳ３６へ進み、ステップＳ３６において、バイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度以下、例えば、全閉に設定する。これにより、コンプレッサ２の供給する空気流量の大部分が空気供給流路２２に流れるため、燃料電池スタック７へ供給する空気流量範囲全域において、精度良く空気流量を供給することが可能となる。
【００８９】
なお、本発明において、図４に示すように、コンプレッサ２が最低回転数の時に供給する空気流量の最小値が大きいほど、バイパス空気流量制御弁４の全開時の開口面積及びバイパス流路２１断面積を大きくしても良い。この場合、（１）式において、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値Ｑ０が大きくても、これに応じてバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１も大きくなり、メイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２を変えずとも空気供給流路２２とを流れる空気流量Ｑ２は結果的に同じレベルとなり、すなわち、Ｑ０に応じて適切な空気流量がバイパス流路２１に流れることとなり、燃料電池スタック７へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となる。
【００９０】
さらに、図３のステップＳ３２及びＳ３３で設定されたコンプレッサ２の回転数及びバイパス空気流量制御弁４の開度は、図５に示すフローチャートに従い設定しても良い。
【００９１】
図５は、ステップＳ３２とＳ３３におけるサブルーチンとして作用するものであり、図３と同様にコントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００９２】
ステップＳ５１では、コンプレッサ２の回転数を最低回転数に近い、予め定めた回転数に設定する。ステップＳ５２では、ステップＳ５１で設定された回転数で、コンプレッサ２が安定した空気流量を供給しているか判定する。これは、例えば、ある時間内、空気流量センサ３により空気流量を検出し、その変動量が、許容レベル内にあるか否かで判定を行う。
【００９３】
ステップＳ５２で、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給していないと判定した場合、ステップＳ５３に進み、コンプレッサ２の回転数を増加させ、再度ステップＳ５２に進み、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給しているか判定し、以後、ステップＳ５２〜ステップＳ５３を繰り返し、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給する回転数を求める。
【００９４】
ステップＳ５２で、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給すると判定したら、ステップＳ５４へ進む。ステップＳ５４では、コンプレッサ２の供給空気流量を、基準値と比較し、その差を求める。ここで、基準値は、例えば、前回のアイドル運転において設定した回転数における流量とする。
【００９５】
ステップＳ５５では、ステップＳ５４で求めたコンプレッサ２の供給空気流量の基準値との差を基に、図６に従い、バイパス空気流量制御弁４の開度を設定する。
【００９６】
以上のフローチャートによりコンプレッサ２が供給する空気流量を、コンプレッサ２が安定して供給可能な空気流量の最小値に設定することにより、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値が、経時劣化や外気温、外気圧等により変動しても、安定した空気流量の供給が可能となるとともに、安定して供給可能な空気流量の最小値が変化しても、該変動に基づきバイパス空気流量制御弁４の開度を設定することにより、バイパス流路２１を流れる空気流量を調整し、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量に、該変化の影響が表れないようにすることができ、燃料電池スタック７へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となる。
【００９７】
〔第２の実施形態〕
次に第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、請求項８乃至請求項１２に記載の発明に対応する燃料電池システムである。その構成は、第１の実施形態と同等であるため、説明を省略する。
【００９８】
次に作用を説明する。
図７は、第２の実施形態の作用を示すフローチャートである。図７のフローチャートは、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００９９】
ステップＳ７１では、前回、バイパス空気流量制御弁４の開度を小さくした後、所定間隔経過したか否かを判定し、所定間隔経過した場合に、次のステップＳ７２へ進む。ステップＳ７２では、バイパス空気流量制御弁４の開度を一定時間、小さく設定する。
【０１００】
ここで、所定間隔は、例えば図８に示すように、本フローチャート実行中における発電量、あるいは、燃料電池スタック７へ供給される空気流量に基づき設定される。
【０１０１】
以上のフローチャートにより、バイパス空気流量制御弁４の開度を一時的に小さくし燃料電池スタック７へ供給される空気流量を大きくし、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるとともに、この場合でも、バイパス流路２１における空気流量を減らし、その分空気供給流路２２における空気流量を増やし、燃料電池スタック７へ供給される空気流量を大きくするのであって、圧力制御弁８を流れる空気流量はほぼ一定であるため、燃料電池スタック７内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制御される。
【０１０２】
ここで、バイパス空気流量制御弁４の開度は所定間隔ごとに一定時間小さくされるため、確実に発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となる。なお、バイパス空気流量制御弁４の開度は、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な空気流量を供給できる開度に設定し、また、開度を小さくする一定時間は、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な時間に設定する。
【０１０３】
また、所定間隔は燃料電池スタック７の発電量が大きいほど、あるいは、燃料電池スタック７に供給される空気流量が大きいほど、短くすることとしたため、発電量が大きく、すなわち燃料電池スタック７における生成水が多く発生し、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となる。
【０１０４】
図９のフローチャートは、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するための他の方法を示したものであり、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【０１０５】
ステップＳ９１では、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が、予め定めた閾値以下か否かを判定し、閾値以上の場合は処理を終了し、閾値以下の場合は、ステップＳ９３へ進む。ステップＳ９３では、バイパス空気流量制御弁４の開度を一定時間、小さく設定する。
【０１０６】
以上のフローチャートでは、燃料電池スタック７に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め定めた閾値を下回った場合、すなわち、空気流量が低下して、生成水を流すことができない程に流速が下がって、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まり、該空気流路の圧力損失が増加し、ここを流れる空気流量が低下した場合、バイパス空気流量制御弁４の開度を一時的に小さくし燃料電池スタック７へ供給される空気流量を大きくすることにより、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を適切なタイミングで排出することが可能となる。
【０１０７】
なお、バイパス空気流量制御弁４の開度は、燃料電池スタック７内部の空気流量に溜まる水を排出するために必要な空気流量を供給できる開度に設定し、また、開度を小さくする一定時間は、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な時間に設定する。
【０１０８】
また、ステップＳ９２で用いる閾値は、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まり、該空気流路の圧力損失が増加し、ここを流れる空気流量が低下した時の値であり、実験的に定めるものとする。
【０１０９】
〔第３の実施形態〕
次に第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態は、請求項１３乃至請求項１９に記載の発明に対応する燃料電池システムである。その構成は、第１の実施形態と同等であるため、説明を省略する。
【０１１０】
次に作用を説明する。
図１０は、第２の実施形態の作用を示すフローチャートである。図１０のフローチャートは、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【０１１１】
ステップＳ１０１では、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値は、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２の最低回転数における供給空気流量以上へ増加するか否か判定し、否の場合、本処理を終了し、増加する場合、ステップＳ１０２へ進む。
【０１１２】
ステップＳ１０２では、コンプレッサ２の回転数を増加する。ステップＳ１０３では、メイン空気流量制御弁５の開度を全開に設定する。ステップＳ１０４では、バイパス空気流量制御弁４の開度を全開に設定する。ステップＳ１０５では、燃料電池スタック７へ供給される空気流量は、目標値に対し、所定値以上近づいたか否かを判定し、近づいたと判定されれば、ステップＳ１０７へ飛び、近づいていないと判定されれば、ステップＳ１０６へ進む。
【０１１３】
ステップＳ１０６では、コンプレッサ２の回転数を増加開始後、所定時間経過したか否か判定し、経過していない場合、ステップＳ１０５へ戻り、経過した場合、ステップＳ１０７へ進む。
【０１１４】
ステップＳ１０７では、バイパス空気流量制御弁４の開度を全閉に設定する。ステップＳ１０８では、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよう、コンプレッサ２の回転数及びメイン空気流量制御弁５の開度を変える。
【０１１５】
以上のフローチャートにより、図１１のタイムチャートに示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量を、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合（図１１（ａ））、コンプレッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加させる（図１１（ｂ））とともに、コンプレッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加開始してから所定時間ＴＢＯの間、メイン空気流量制御弁５とバイパス空気流量制御弁４との開度を共に全開とする（図１１（ｅ）（ｄ））ことにより、コンプレッサ２に対する負荷を低減し、空気を流れやすくすることにより、コンプレッサ２が供給する空気流量を短時間で増加可能とし、燃料電池スタック７へ供給される空気流量（図１１（ｃ））における応答性を向上させることが可能となる。
【０１１６】
ここで仮に、バイパス流路２１およびバイパス空気流量制御弁４が無く、メイン空気流量制御弁５のみで燃料電池スタック７へ供給する空気流量を制御すると仮定し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量を、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合のタイムチャートを表したのが図１２である。
【０１１７】
図１２では、空気流量目標値が図１２（ａ）に示すように増加し、コンプレッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加させる（図１２（ｂ））が、メイン空気流量制御弁５を全開（図１２（ｃ））としても、バイパス空気流量制御弁４が無い分、コンプレッサ２に対する負荷が増加し、空気が流れにくくなり、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加に時間を要し、燃料電池スタック７へ供給される空気流量（図１２（ｂ））における応答性は、図１１（ｃ）と比べ遅くなり、本発明の効果は明らかである。
【０１１８】
また、所定時間ＴＢＯは、図１３に示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値の変化幅（図１１におけるΔＱ）が大きく、すなわち、コンプレッサ２が供給する空気流量をより多く増加させる場合ほど、長くすることにより、コンプレッサ２に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、コンプレッサ２が供給する空気流量の応答性が目標値に応じて適切に向上される。
【０１１９】
さらに、図１３の（ａ）に示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値の変化幅ΔＱが小さい場合、すなわち、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加が小さく、あえてコンプレッサ２に対する負荷を低減しなくても、応答性が確保できる程度の所定の変化幅ΔＱよりも小さい場合、所定時間ＴＢＯを０とすることにより、制御が簡略化される。
【０１２０】
また、コンプレッサ２において、空気流量センサ３を用いて定期的にコンプレッサ２の供給する空気流量を測定し、初期状態からの供給空気流量の変化量を検出し（供給空気流量変化検出手段）、該検出値により、コンプレッサ２が供給する空気流量が経時劣化等により低下していることが確認され、応答性が低下する恐れがある場合、図１４に示すように、コンプレッサ２が供給する空気流量の初期状態からの低下量ΔＤが大きい程、所定時間ＴＢＯを長くすることにより、コンプレッサ２に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、コンプレッサ２が供給する空気流量の応答性が、コンプレッサ２が供給する空気流量に応じて適切に向上される。
【０１２１】
また、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７に示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が、目標値に対して小さい所定値以上になった場合、所定時間経過前でも、バイパス空気流量制御弁の開度を全閉とすることにより、コンプレッサ２に対する負荷を増加させ、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加を抑制し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上する。
【０１２２】
ここで、上記所定値を、メイン空気流量制御弁の開度が全開の時の空気流量に対する、バイパス空気流量制御弁の開度が全開の時の空気流量の比率に１を加えた値で、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値を割った値とすることにより、バイパス空気流量制御弁の開度を全閉とした時に、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値に略一致することとなり、制御性が向上する。
【０１２３】
さらに、ステップＳ１０５における他の例として、コンプレッサ２が供給する空気流量の時間に対する増加率が所定増加率を超えた場合、すなわち、該増加率が過大となり、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となる恐れがある場合、ステップＳ１０７へ飛ぶようにしても良く、この場合でも、上述と同様に、バイパス空気流量制御弁４の開度を全閉とすることにより、コンプレッサ２に対する負荷を増加させ、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加を抑制し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上する効果が得られる。
【０１２４】
なお、以上説明した構成において、燃料電池スタック７へ供給する水素は、水素タンク９に貯蔵されたものを用いたが、これに限るものではなく、例えば、メタノールやガソリンといった燃料を改質して水素を発生させても良い。
【０１２５】
また、本発明において燃料電池スタック７へ供給する空気を加湿する場合、アイドル運転時に燃料電池へ供給される空気量はコンプレッサの最低流量よりも少なくてもよいので、従来の燃料電池システムよりも水収支を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクレーム構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の構成を示す全体システム図である。
【図３】第１の実施形態のコントロールユニット内で行われる、アイドル運転時の空気流量の制御を表すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態のバイパス空気流量制御弁全開時の開口面積及びバイパス流路の断面積の設定方法を示す図である。
【図５】第１実施形態のコントロールユニット内で行われる、アイドル運転時のコンプレッサ回転数及びバイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャートである。
【図６】第１実施形態のバイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表す図である。
【図７】第２実施形態のコントロールユニット内で行われる、バイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャートである。
【図８】第２実施形態のバイパス空気流量制御弁の制御方法を表す図である。
【図９】第２実施形態のコントロールユニット内で行われる、バイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャートである。
【図１０】第３実施形態のコントロールユニット内で行われる、アイドル運転時から空気流量を増加させる際の制御を表すフローチャートである。
【図１１】第３実施形態のアイドル運転時から空気流量を増加させる際の制御を表すタイムチャート図である。
【図１２】従来技術における、アイドル運転時から空気流量を増加させる際の制御を表すタイムチャート図である。
【図１３】第３実施形態の制御パラメータを表す図である。
【図１４】第３実施形態の制御パラメータを表す図である。
【符号の説明】
１…フィルタ
２…コンプレッサ
３…空気流量センサ
４…バイパス空気流量制御弁
５…メイン空気流量制御弁
６…圧力センサ
７…燃料電池スタック
８…圧力制御弁
９…水素タンク
１０…プレッシャレギュレータ
１１…水素流量センサ
１２…水素流量制御弁
１３…燃焼器
１４…コントロールユニット
２１…バイパス流路
２２…空気供給流路
２３…空気排出流路
２４…バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路
２５…水素供給流路
２６…水素排出流路
２７…燃焼ガス排出流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料としての水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池システムに関し、特にアイドル運転に必要とされる微小な空気流量を燃料電池スタックへ供給する際の燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質として固体高分子を用いた燃料電池において、固体高分子膜をイオンが移動可能とするため、一般に燃料電池スタックへ供給する空気を加湿している。この加湿が不十分だと、燃料電池スタックにおける固体高分子膜が乾燥し、イオンの移動が阻害され発電効率が低下する。従って、燃料電池スタックへ供給する空気は全て充分な加湿を行うことが必要である。
【０００３】
また、この加湿に使用する水は、燃料電池スタックからの排気に含まれる加湿した水分及び水素と酸素が反応した時にできる生成水を回収して行っている。仮に、加湿に要する水量が多く、生成水の量が少ないとすると、水の消費が過大となり、加湿に必要な水を確保できなくなり、水収支が悪化することになる。よって、生成水の量と、加湿に要する水量がバランスしていることが必要である。
【０００４】
このため、供給した水素量の反応に必要な空気量を精度良く供給することが要求される。もし、空気量が過剰だと、過剰であってもスタックに供給する際は加湿する必要があり、故に水の消費が多くなる一方、水素の量は、空気量より少ないため、生成水の量も少なくなり、水収支は悪化してしまう。
【０００５】
特に車両用燃料電池システムにおいては、アイドル運転時のような、供給される水素量が極めて小さい時、これに合わせて、供給する空気流量も微少に精度良く制御することが必要とされる。
【０００６】
そこで、このようなアイドル運転時の微小な空気流量を制御する従来の燃料電池システムとしては、例えば、特開平１１−３１７２３４号公報に記載のものがある。
【０００７】
この従来技術では、燃料電池に対して空気を供給する空気ブロワと、空気ブロワと燃料電池との間に燃料電池負荷に応じて流量を調節する調節弁を有する構成において、部分負荷と最低負荷との間、すなわちアイドル運転時における燃料電池に対する空気流量の調整は、空気ブロワの回転数を一定として、調整弁の開度の制御により行う技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アイドル運転時に必要とされる微小な空気流量は、例えば全負荷の数％以下であるのに対し、従来の技術における空気ブロワでは、回転数を低下させても、空気ブロワの内部漏れ等により例えば全負荷の３０％以下の空気流量を微小に制御することは困難であるという問題点があった。
【０００９】
また、調整弁においても全負荷の数％の空気流量を供給するための開度制御は、調整弁自体の制御精度とほぼ同程度となり、やはりアイドル運転時に必要とされる微小な空気流量を制御することは困難である。
【００１０】
この時、空気ブロワ回転数を低下させても、アイドル運転に必要な空気流量まで低下させることは困難で、アイドル運転に必要な空気流量以上の流量が供給されるため、過剰な供給空気により空気ブロワの吐出圧が上昇し、消費エネルギが増加し燃費の悪化も招く恐れもある。
【００１１】
また、従来の技術では、スタックに供給される空気流量の変動や、スタックで消費する空気量の変化によって、スタック内圧も変動してしまうという問題点があった。
【００１２】
特に、アイドル運転時のような空気流量が微小な場合、わずかな空気流量の変化やスタックで消費する空気量の変化でも、スタック内圧が大きく変動する恐れがある。スタック内圧は、固体高分子膜保護のため精度良く制御する必要があるが、従来の技術では、スタック内圧の制御精度が低下し、高分子膜を劣化させる恐れがある。
【００１３】
さらに、通常スタックの空気極内部に生成される水は、空気極を流れる空気の流れによりスタック外部へ排出される。しかし、アイドル運転時において、仮に空気流量を微小に設定したとしても、空気の流れが弱いと、スタックの空気極内部に生成される水が排出されず、所謂水つまりを起こしてしまい、すると空気の供給が不十分となり、発電効率が低下し、アイドル運転を安定して継続することが困難となる。これを避けるため、空気流量を大きくすると、やはり水収支が悪化してしまうとともに、上述のようにスタック内圧の変動が大きくなるためスタック内圧の制御精度が低下し、高分子膜を劣化させる恐れがある。
【００１４】
すなわち、従来の技術では、アイドル運転時、空気流量やスタック内圧を精度良く制御することが困難であり、水収支や燃費の悪化や、高分子膜の劣化を招く恐れがあるという問題点があった。
【００１５】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、アイドル運転時等の燃料電池スタックへ微小な空気流量を供給する際、燃費を悪化させることなく、空気流量・圧力の制御精度を向上することができる燃料電池システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空気を供給する空気供給手段と、水素を供給する水素供給手段と、供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、前記空気供給手段の作動状態を変更して前記空気供給手段が供給する空気流量を制御する第一空気流量制御手段と、前記空気供給手段と前記発電手段との間の空気供給流路の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流量を制御する第二空気流量制御手段と、前記発電手段から未使用分の空気を排出する排出流路と前記空気供給手段とを直接結ぶバイパス流路と、該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる空気流量を制御する第三空気流量制御手段と、前記排出流路と前記バイパス流路との合流部分より下流の合流部分下流流路に設けられ、該合流部分下流流路の開度を変え、前記発電手段内部の空気流路の圧力を制御する空気圧力制御手段と、を備え、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給する空気流量を最小値に設定し、第三空気流量制御手段の開度を所定開度に設定し、第二空気流量制御手段の開度を変えて前記発電手段に供給する空気流量を制御することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記空気圧力制御手段により、前記合流部分下流流路の開度を略一定に設定することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記所定流量はアイドル運転時において、前記発電手段の発電に必要十分な空気流量とすることを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を全開とすることを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ所定流量以上の空気流量を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を所定開度以下とすることを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第一空気流量制御手段により前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値が大きいほど、前記第三空気流量制御手段の全開時の開口面積及び該バイパス流路内径を大きくすることを要旨とする。
【００２２】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第一空気流量制御手段は、前記空気供給手段が供給する空気流量を、前記空気供給手段が安定して供給可能な空気流量の最小値に設定するとともに、該最小値を予め定めた基準値と比較し、前記最小値が前記基準値より大きければ、第三空気流量制御手段の開度をより大きく設定し、前記最小値が前記基準値より小さければ、第三空気流量制御手段の開度をより小さく設定することを要旨とする。
【００２３】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する際、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出する水排出制御手段を備えたことを要旨とする。
【００２４】
上記目的を達成するため、請求項９記載の発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、第三空気流量制御手段の開度を所定間隔ごとに一定時間小さくすることを要旨とする。
【００２５】
上記目的を達成するため、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、前記発電手段の発電量が大きいほど前記所定間隔を短くすることを要旨とする。
【００２６】
上記目的を達成するため、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気流量が大きいほど前記所定間隔を短くすることを要旨とする。
【００２７】
上記目的を達成するため、請求項１２記載の発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め定めた閾値を下回った場合、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することを要旨とする。
【００２８】
上記目的を達成するため、請求項１３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ供給する空気流量を、前記所定流量以下から、前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合、第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加させるとともに、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加開始してから所定時間の間、第二空気流量制御手段及び第三空気流量制御手段の開度を共に全開とし、前記所定時間経過後、第三空気流量制御手段の開度を全閉とし、第一空気流量制御手段及び第二空気流量制御手段により、前記発電手段に供給する空気流量を制御することを要旨とする。
【００２９】
上記目的を達成するため、請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値の変化幅が大きいほど、長くすることを要旨とする。
【００３０】
上記目的を達成するため、請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の燃料電池システムにおいて、前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値の変化幅が所定量よりも小さい場合、０とすることを要旨とする。
【００３１】
上記目的を達成するため、請求項１６記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記発電手段へ供給する空気流量が、目標値に対して小さい所定値以上になった場合、前記所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とすることを要旨とする。
【００３２】
上記目的を達成するため、請求項１７記載の発明は、請求項１６記載の燃料電池システムにおいて、前記所定値は、第二空気流量制御手段の開度が全開の時の空気流量に対する、第三空気流量制御手段の開度が全開の時の空気流量の比率に１を加えた値で、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値を割った値とすることを要旨とする。
【００３３】
上記目的を達成するため、請求項１８記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給手段が供給する空気流量の時間に対する増加率が所定増加率を超えた場合、前記所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とすることを要旨とする。
【００３４】
上記目的を達成するため、請求項１９記載の発明は、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記空気供給手段が供給する空気流量の変化を検出する供給空気流量変化検出手段を備え、前記供給空気流量変化検出手段により前記空気供給手段が供給する空気流量が低下している場合、該低下量が大きい程、前記所定時間を長くすることを要旨とする。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量は、空気供給流路と、バイパス流路とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路に流すことにより、空気供給流路を通り発電手段へ全負荷の数％程度の微小な空気流量を精度よく供給することが可能となるという効果がある。
【００３６】
さらに、空気供給手段が供給する空気流量のうち、発電手段へ供給されない余分な空気流量はバイパス流路に流れるため、空気供給手段が供給する空気の圧力が上昇せず、消費エネルギを抑制することができるという効果がある。
【００３７】
請求項２記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量は、第二空気流量制御手段の開度と第三空気流量制御手段の開度との比率に基づき、空気供給流路とバイパス流路とに振り分けられ、空気供給流路を通り発電手段へ供給された空気流量は、発電手段で必要量が消費された後、排出流路を通り、排出流路とバイパス流路の合流部分で、再びバイパス流路を流れる空気流量と一緒になる。ここで、空気供給流路を通り発電手段へ供給された空気流量は微小であり発電手段で消費される量も微小なため、合流部分より下流流路における空気流量は、空気供給手段が最初に供給した空気流量とほぼ等しく、また、空気供給手段が供給する空気流量が一定であれば、第二空気流量制御手段の開度を変え該発電手段に供給する空気流量を制御しても、変動もほとんど無い。
【００３８】
従って、空気圧力制御手段が、合流部分より下流流路の開度を変え、ここを流れる空気流量を絞り発電手段内部の空気流路の圧力を制御する際、下流流路の空気流量はほぼ一定であるため、空気圧力制御手段の開度を略一定に設定することにより、アイドル運転時の発電手段内部の空気圧力の変動を抑制し、高精度に制御することができるという効果がある。
【００３９】
請求項３記載の発明によれば、アイドル運転時は発電手段に供給する空気流量の目標値が変化しても、第一空気流量制御手段が第三空気流量制御手段は最初に設定した値のままとし、第二空気流量制御手段のみにより発電手段に供給する空気流量を制御することができ、制御を簡素化することができるという効果がある。
【００４０】
請求項４記載の発明によれば、第三空気流量制御手段の開度に対する第二空気流量制御手段の開度の比率が小さくなり、発電手段へより微小な空気流量を精度良く供給することが可能となるという効果がある。
【００４１】
請求項５記載の発明によれば、発電手段へ供給する空気流量範囲全域において、精度良く空気流量を供給することが可能となるという効果がある。
【００４２】
請求項６記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量の最小値に応じて適切な空気流量をバイパス流路に流すことができ、発電手段へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となるという効果がある。
【００４３】
請求項７記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量の最小値が、経時劣化や外気温、外気圧等により変動しても、安定した空気流量の供給が可能となるとともに、安定して供給可能な空気流量の最小値が変化しても、該変動に基づき第三空気流量制御手段の開度を設定することにより、バイパス流路を流れる空気流量を調整し、空気供給流路を通り発電手段へ供給される空気流量に、該変化の影響が表れないようにし、発電手段へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となるという効果がある。
【００４４】
請求項８記載の発明によれば、発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるとともに、この場合でも、バイパス流路における空気流量を減らし、その分空気供給流路における空気流量を増やし、発電手段へ供給される空気流量を大きくするのであって、空気圧力制御手段を流れる空気流量はほぼ一定であるため、発電手段内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制御されるという効果がある。
【００４５】
請求項９記載の発明によれば、確実に発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効果がある。
【００４６】
請求項１０記載の発明によれば、発電量が大きく、すなわち発電手段における生成水が多く発生し、発電手段内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効果がある。
【００４７】
請求項１１記載の発明によれば、発電手段に供給される空気流量が大きく、すなわち発電手段における生成水が多く発生し、発電手段内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるという効果がある。
【００４８】
請求項１２記載の発明によれば、発電手段内部の空気流路に溜まる水を適切なタイミングで排出することが可能となるという効果がある。
【００４９】
請求項１３記載の発明によれば、空気供給手段に対する負荷を低減して、空気を流れやすくできるようになり、空気供給手段が供給する空気流量を短時間で増加可能とし、応答性を向上させるという効果がある。
【００５０】
請求項１４記載の発明によれば、空気供給手段に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、空気供給手段が供給する空気流量の応答性が目標値に応じて適切に向上されるという効果がある。
【００５１】
請求項１５記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量の増加が小さく、あえて空気供給手段に対する負荷を低減しなくても、応答性が確保できる場合に、所定時間を０とするができ、制御が簡略化されるという効果がある。
【００５２】
請求項１６記載の発明によれば、空気供給手段に対する負荷を増加させ、空気供給手段が供給する空気流量の増加を抑制し、発電手段へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上するという効果がある。
【００５３】
請求項１７記載の発明によれば、第三空気流量制御手段の開度を全閉とした時に、発電手段へ供給する空気流量が目標値に略一致することとなり、制御性が向上するという効果がある。
【００５４】
請求項１８記載の発明によれば、空気流量増加率が過大となり、発電手段へ供給する空気流量が目標値以上となる恐れがある場合にも、空気供給手段に対する負荷を増加させ、空気供給手段が供給する空気流量の増加を抑制し、発電手段へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上するという効果がある。
【００５５】
請求項１９記載の発明によれば、空気供給手段が供給する空気流量が経時劣化により低下し応答性が低下する恐れがある場合にも、空気供給手段に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、空気供給手段が供給する空気流量の応答性が、空気供給手段が供給する空気流量に応じて適切に向上されるという効果がある。
【００５６】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００５７】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの要部構成を示す概念図である。同図において、燃料電池システムは、空気を供給する空気供給手段１０２と、水素を供給する水素供給手段１０７と、供給された空気と水素とを基に発電する発電手段１０４と、空気供給手段１０２の作動状態を変更して空気供給手段１０２が供給する空気流量を制御する第一空気流量制御手段１０１と、空気供給手段１０２と発電手段１０４との間の空気供給流路の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流量を制御する第二空気流量制御手段１０３と、発電手段１０４から未使用分の空気を排出する排出流路と空気供給手段１０２とを直接結ぶバイパス流路と、該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる空気流量を制御する第三空気流量制御手段１０５と、を備えている。
【００５８】
そして、発電手段１０４へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第一空気流量制御手段１０１により、空気供給手段１０２が供給する空気流量を最小値に設定し、第三空気流量制御手段１０５の開度を所定開度に設定し、第二空気流量制御手段１０３の開度を変えて発電手段１０４に供給する空気流量を制御することを特徴とする。
【００５９】
これにより、発電手段１０４へ供給する空気流量が所定流量、例えば全負荷時の数％程度以下の場合に、空気供給手段１０２が供給する空気流量は、第二空気流量制御手段を通る空気供給流路と、第三空気流量制御手段を通るバイパス流路とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路に流すことにより、空気供給流路を通り発電手段１０４へ微小な空気流量を精度よく供給することができる。
【００６０】
ここで、空気供給流路とバイパス流路とを流れる空気流量は、各流路に設けられた第二空気流量制御手段１０３の開度と第三空気流量制御手段１０５の開度との比率に基づいて定まるため、第二空気流量制御手段１０３の開度が、例えば全負荷の数％に相当する微小な開度を制御できない場合でも、第二空気流量制御手段１０３の例えば全開時の開度を第三空気流量制御手段１０５の開度の例えば１／１０に設定できれば、空気供給流路を通り発電手段１０４へ供給される空気流量は、空気供給手段１０２の供給する全負荷の空気流量の１／１０となり、微小な空気流量を精度良く制御することが可能となる。
【００６１】
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態は、請求項１乃至請求項７に記載の発明に対応する燃料電池システムであり、まず構成を説明する。
【００６２】
図２は、第１の実施形態の燃料電池システムを示す全体システム図である。図２において、燃料電池システムは、空気を浄化するフィルタ１と、浄化された空気を圧縮するコンプレッサ２と、空気流量を測定する空気流量センサ３と、バイパス流路２１の空気流量を制御するバイパス空気流量制御弁４と、燃料電池スタック７の空気極へ供給する空気流量を制御するメイン空気流量制御弁５と、空気圧力を測定する圧力センサ６と、供給された空気及び水素を用いて発電する燃料電池スタック７と、空気極の圧力を制御する圧力制御弁８と、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク９と、高圧水素ガスを減圧するプレッシャレギュレータ１０と、水素ガス流量を測定する水素流量センサ１１と、水素ガス流量を制御する水素流量制御弁１２と、燃料電池スタック７からの排ガスを燃焼させる燃焼器１３と、コントロールユニット１４と、バイパス流路２１と、空気供給流路２２と、空気排出流路２３と、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４と、水素供給流路２５と、水素排出流路２６と、燃焼ガス排出流路２７とを備えている。
【００６３】
フィルタ１は、コンプレッサ２が吸い込む空気中の不純物を取り除く。コンプレッサ２は、フィルタ１を通して浄化された空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池スタック７へ空気を供給する。また、コントロールユニット１４により回転数制御され、供給する空気流量が制御される。
【００６４】
空気流量センサ３は、空気供給流路２２を流れる空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット１４に入力する。また、コントロールユニット１４は、空気流量センサ３の検出値に基づき、メイン空気流量制御弁５の開度を制御し、空気供給流路２２を流れ、燃料電池スタック７へ供給される空気流量を制御する。
【００６５】
バイパス空気流量制御弁４は、コントロールユニット１４からの指令に基づき、開度を変更し、バイパス流路２１を流れる空気流量を制御する。
【００６６】
圧力センサ６は、空気供給流路２２における燃料電池スタック７に入る直前の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット１４に入力する。また、コントロールユニット１４は、圧力センサ６の検出値に基づき、圧力制御弁８へ指令を送る。圧力制御弁８は、コントロールユニット１４からの指令に従い、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４の開度を変えることにより、燃料電池スタック内部の空気流路の圧力を制御する。
【００６７】
燃料電池スタック７は、メイン空気流量制御弁５を通り供給される空気と、水素流量制御弁１２を通り供給される水素とを用いて発電する。
【００６８】
水素タンク９は、水素を貯蔵する。プレッシャレギュレータ１０は、水素タンク９から供給される水素の圧力を一定の圧力に制御して出力する。
【００６９】
水素流量センサ１１は、水素供給流路２５を流れる水素流量を検出し、検出値をコントロールユニット１４に入力する。また、コントロールユニット１４は、水素流量センサ１１の検出値に基づき、水素流量制御弁１２の開度を制御し、水素供給流路２５を流れ、燃料電池スタック７へ供給される水素流量を制御する。
【００７０】
燃焼器１３は、内部に触媒を有し、燃料電池スタック７から排気され、空気排出流路２３と、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４と通り供給される空気と、燃料電池スタック７から排気され、水素排出流路２６を通り供給される水素とを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、燃焼ガス排出流路２７を通り、外部へ排気される。
【００７１】
以上説明した構成において、フィルタ１とコンプレッサ２とが図１における空気供給手段（１０２）に相当し、水素タンク９とプレッシャレギュレータ１０が水素供給手段（１０７）に相当し、燃料電池スタック７が発電手段（１０４）に相当し、コントロールユニット１４が第一空気流量制御手段（１０１）に相当し、空気流量センサ３とメイン空気流量制御弁５とコントロールユニット１４が第二空気流量制御手段（１０３）に相当し、バイパス空気流量制御弁４とコントロールユニット１４が第三空気流量制御手段（１０５）に相当し、水素流量センサ１１と水素流量制御弁１２とコントロールユニット１４が水素流量制御手段（１０８）に相当し、圧力センサ６と圧力制御弁８とコントロールユニット１４が空気圧力制御手段（１０６）に相当し、空気供給流路２２が空気供給流路に相当し、空気排出流路２３が排出流路に相当し、バイパス流路２１がバイパス流路に相当し、バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路２４が、該排出流路と該バイパス流路の合流部分より下流の流路に相当する。
【００７２】
次に本発明の特徴である、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の制御に関する作用を説明する。
【００７３】
図３は、第１の実施形態の作用を示すフローチャートである。図３のフローチャートは、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期毎に繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００７４】
まず、ステップＳ３１では、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が所定流量以下か否かを判定し、所定流量以下の場合、ステップＳ３２へ進み、所定流量以上の場合、ステップＳ３６へ進む。
【００７５】
ステップＳ３２では、コンプレッサ２の回転数を最低回転数に設定する。ステップＳ３３では、バイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度に設定する。ステップＳ３４では、圧力センサ６の検出値に基づき、該検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定する。
【００７６】
ステップＳ３５では、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよう、メイン空気流量制御弁５の開度を変える。
【００７７】
また、ステップＳ３１から、ステップＳ３６へ進んだ場合、ステップＳ３６ではバイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度以下に設定する。ステップＳ３７では、圧力センサ６の検出値に基づき、該検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定する。
【００７８】
ステップＳ３８では、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよう、コンプレッサ２の回転数及びメイン空気流量制御弁５の開度を変える。
【００７９】
以上のフローチャートにより、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が所定流量以下の場合、すなわち、微小流量を供給する場合、ステップＳ３１からステップＳ３２へ進み、これ以降のステップにより、コンプレッサ２の回転数を最低回転数まで下げ、コンプレッサ２が供給する空気流量を最小値に設定し、これにより、例えば全負荷の３０％程度まで供給する空気流量を下げ、さらにバイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度に設定することにより、コンプレッサ２が供給する空気流量は、バイパス流路２１と空気供給流路２２とに分かれ、余分な空気流量をバイパス流路２１に流すことにより、以下に説明する理由により空気供給流路２２を通り燃料電池スタックへ全負荷の数％程度の微小な空気流量を供給することが可能となる。
【００８０】
すなわち、バイパス流路２１を流れる空気流量Ｑ１と空気供給流路２２とを流れる空気流量Ｑ２は、各流路に設けられたバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１とメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２との比率に基づき定まり、Ｑ１：Ｑ２≒Ｓ１：Ｓ２の関係が成立する。また、コンプレッサ２が供給する空気流量をＱ０とすると、Ｑ０＝Ｑ１＋Ｑ２である。従って、空気供給路２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量Ｑ２は、
【数１】
Ｑ２＝Ｑ０／（１＋Ｓ１／Ｓ２） …（１）
（１）式で表される。
【００８１】
従って、コンプレッサ２が供給する空気流量Ｑ０が全負荷の３０％の時、バイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１に対しメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２が例えば１／１０に設定できれば、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量Ｑ２は、（１）式からＱ０の１／１１、すなわち全負荷の約３％となり、微小な空気流量を精度良く制御することが可能となる。また、例えばメイン空気流量制御弁５の全開時の開度とバイパス空気流量制御弁４の全開時の開度が同じであり、バイパス空気流量制御弁４の開度が全開であるとすると、バイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１に対するメイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２を１／１０に設定するというのは、メイン空気流量制御弁の開度は全開時の１／１０、つまり１０％という比較的大きな値に設定すれば良いことになり、確実に微小な空気流量を制御することができる。
【００８２】
ここで仮に、バイパス流路２１及びバイパス空気流量制御弁４が無く、メイン空気流量制御弁５のみで燃料電池スタック７へ供給する空気流量を制御する場合、メイン空気流量制御弁５の絶対的な開度を精度良く制御する必要がある。従って、上記と同じ全負荷の３％の空気流量を燃料電池スタック７へ供給するためには、全負荷の３％に相当する微小な開度を設定する必要があり、一般に制御精度が２％程度はあることを考慮すると、全負荷の３％に相当する微小な開度の設定は極めて困難なものとなる。
【００８３】
さらに、コンプレッサ２が供給する空気流量のうち、燃料電池スタック７へ供給されない余分な空気流量はバイパス流路２１に流れるため、コンプレッサ吐出圧が上昇せず、消費エネルギが抑制される。
【００８４】
また、ステップＳ３３でバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１を所定開度に設定する際、開度を全開に設定しても良く、この場合、（１）式における、メイン空気流量制御弁の開度Ｓ２の比率Ｓ１／Ｓ２が大きくなるため、より微小な空気流量を精度良く制御することが可能となる。
【００８５】
また、本発明では、コンプレッサ２が供給する空気流量は、バイパス空気流量制御弁４の開度とメイン空気流量制御弁５の開度との比率に基づき、バイパス流路２１と空気供給流路２２とに振り分けられ、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給された空気流量は、燃料電池スタック７で必要量が消費された後、空気排出流路２３を通り、空気排出流路２３とバイパス流路２１の合流部分で、再びバイパス流路２１を流れる空気流量と一緒になる。ここで、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給された空気流量は微小であり燃料電池スタック７で消費される量も微小なため、合流部分より下流流路における空気流量は、コンプレッサ２が最初に供給した空気流量とほぼ等しく、また、コンプレッサ２が供給する空気流量が一定であれば、メイン空気流量制御弁５の開度を変え燃料電池スタック７に供給する空気流量を制御しても、変動もほとんど無い。
【００８６】
従って、圧力制御弁８が、合流部分より下流の流路２４の開度を変え、ここを流れる空気流量を絞り燃料電池スタック７内部の空気流量の圧力を制御する際、下流流路２４の空気流量はほぼ一定であるため、ステップＳ３４で、圧力センサ６の検出値に基づき、該圧力センサ６の検出値が予め定めた値となるよう圧力制御弁８の開度を設定した後、該開度を保つようにすることにより、燃料電池スタック７内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制御される。
【００８７】
また、ステップＳ３１における所定流量は、例えばアイドル運転時において燃料電池スタック７の発電に必要十分な空気流量、すなわち、アイドル運転時に要する最大流量とすると良い。この場合、アイドル運転時において、燃料電池スタック７に供給する空気流量の目標値が変化しても、コンプレッサ回転数及びバイパス空気流量制御弁４の開度は最初に設定した値のままとし、メイン空気流量制御弁５の開度のみにより燃料電池スタック７に供給する空気流量を制御することができ、制御が簡素化される。
【００８８】
また、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が所定流量以上の場合、ステップＳ３６へ進み、ステップＳ３６において、バイパス空気流量制御弁４の開度を所定開度以下、例えば、全閉に設定する。これにより、コンプレッサ２の供給する空気流量の大部分が空気供給流路２２に流れるため、燃料電池スタック７へ供給する空気流量範囲全域において、精度良く空気流量を供給することが可能となる。
【００８９】
なお、本発明において、図４に示すように、コンプレッサ２が最低回転数の時に供給する空気流量の最小値が大きいほど、バイパス空気流量制御弁４の全開時の開口面積及びバイパス流路２１断面積を大きくしても良い。この場合、（１）式において、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値Ｑ０が大きくても、これに応じてバイパス空気流量制御弁４の開度Ｓ１も大きくなり、メイン空気流量制御弁５の開度Ｓ２を変えずとも空気供給流路２２とを流れる空気流量Ｑ２は結果的に同じレベルとなり、すなわち、Ｑ０に応じて適切な空気流量がバイパス流路２１に流れることとなり、燃料電池スタック７へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となる。
【００９０】
さらに、図３のステップＳ３２及びＳ３３で設定されたコンプレッサ２の回転数及びバイパス空気流量制御弁４の開度は、図５に示すフローチャートに従い設定しても良い。
【００９１】
図５は、ステップＳ３２とＳ３３におけるサブルーチンとして作用するものであり、図３と同様にコントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００９２】
ステップＳ５１では、コンプレッサ２の回転数を最低回転数に近い、予め定めた回転数に設定する。ステップＳ５２では、ステップＳ５１で設定された回転数で、コンプレッサ２が安定した空気流量を供給しているか判定する。これは、例えば、ある時間内、空気流量センサ３により空気流量を検出し、その変動量が、許容レベル内にあるか否かで判定を行う。
【００９３】
ステップＳ５２で、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給していないと判定した場合、ステップＳ５３に進み、コンプレッサ２の回転数を増加させ、再度ステップＳ５２に進み、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給しているか判定し、以後、ステップＳ５２〜ステップＳ５３を繰り返し、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給する回転数を求める。
【００９４】
ステップＳ５２で、コンプレッサ２が安定して空気流量を供給すると判定したら、ステップＳ５４へ進む。ステップＳ５４では、コンプレッサ２の供給空気流量を、基準値と比較し、その差を求める。ここで、基準値は、例えば、前回のアイドル運転において設定した回転数における流量とする。
【００９５】
ステップＳ５５では、ステップＳ５４で求めたコンプレッサ２の供給空気流量の基準値との差を基に、図６に従い、バイパス空気流量制御弁４の開度を設定する。
【００９６】
以上のフローチャートによりコンプレッサ２が供給する空気流量を、コンプレッサ２が安定して供給可能な空気流量の最小値に設定することにより、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値が、経時劣化や外気温、外気圧等により変動しても、安定した空気流量の供給が可能となるとともに、安定して供給可能な空気流量の最小値が変化しても、該変動に基づきバイパス空気流量制御弁４の開度を設定することにより、バイパス流路２１を流れる空気流量を調整し、空気供給流路２２を通り燃料電池スタック７へ供給される空気流量に、該変化の影響が表れないようにすることができ、燃料電池スタック７へ微小な空気流量を精度良く供給することが可能となる。
【００９７】
〔第２の実施形態〕
次に第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、請求項８乃至請求項１２に記載の発明に対応する燃料電池システムである。その構成は、第１の実施形態と同等であるため、説明を省略する。
【００９８】
次に作用を説明する。
図７は、第２の実施形態の作用を示すフローチャートである。図７のフローチャートは、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００９９】
ステップＳ７１では、前回、バイパス空気流量制御弁４の開度を小さくした後、所定間隔経過したか否かを判定し、所定間隔経過した場合に、次のステップＳ７２へ進む。ステップＳ７２では、バイパス空気流量制御弁４の開度を一定時間、小さく設定する。
【０１００】
ここで、所定間隔は、例えば図８に示すように、本フローチャート実行中における発電量、あるいは、燃料電池スタック７へ供給される空気流量に基づき設定される。
【０１０１】
以上のフローチャートにより、バイパス空気流量制御弁４の開度を一時的に小さくし燃料電池スタック７へ供給される空気流量を大きくし、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となるとともに、この場合でも、バイパス流路２１における空気流量を減らし、その分空気供給流路２２における空気流量を増やし、燃料電池スタック７へ供給される空気流量を大きくするのであって、圧力制御弁８を流れる空気流量はほぼ一定であるため、燃料電池スタック７内部の空気流路の圧力は、変動が抑制され、高精度に制御される。
【０１０２】
ここで、バイパス空気流量制御弁４の開度は所定間隔ごとに一定時間小さくされるため、確実に発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となる。なお、バイパス空気流量制御弁４の開度は、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な空気流量を供給できる開度に設定し、また、開度を小さくする一定時間は、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な時間に設定する。
【０１０３】
また、所定間隔は燃料電池スタック７の発電量が大きいほど、あるいは、燃料電池スタック７に供給される空気流量が大きいほど、短くすることとしたため、発電量が大きく、すなわち燃料電池スタック７における生成水が多く発生し、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まりやすい場合ほど、短い間隔で燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出することが可能となる。
【０１０４】
図９のフローチャートは、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するための他の方法を示したものであり、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【０１０５】
ステップＳ９１では、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が、予め定めた閾値以下か否かを判定し、閾値以上の場合は処理を終了し、閾値以下の場合は、ステップＳ９３へ進む。ステップＳ９３では、バイパス空気流量制御弁４の開度を一定時間、小さく設定する。
【０１０６】
以上のフローチャートでは、燃料電池スタック７に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め定めた閾値を下回った場合、すなわち、空気流量が低下して、生成水を流すことができない程に流速が下がって、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まり、該空気流路の圧力損失が増加し、ここを流れる空気流量が低下した場合、バイパス空気流量制御弁４の開度を一時的に小さくし燃料電池スタック７へ供給される空気流量を大きくすることにより、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を適切なタイミングで排出することが可能となる。
【０１０７】
なお、バイパス空気流量制御弁４の開度は、燃料電池スタック７内部の空気流量に溜まる水を排出するために必要な空気流量を供給できる開度に設定し、また、開度を小さくする一定時間は、燃料電池スタック７内部の空気流路に溜まる水を排出するために必要な時間に設定する。
【０１０８】
また、ステップＳ９２で用いる閾値は、燃料電池スタック７内部の空気流路に水が溜まり、該空気流路の圧力損失が増加し、ここを流れる空気流量が低下した時の値であり、実験的に定めるものとする。
【０１０９】
〔第３の実施形態〕
次に第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態は、請求項１３乃至請求項１９に記載の発明に対応する燃料電池システムである。その構成は、第１の実施形態と同等であるため、説明を省略する。
【０１１０】
次に作用を説明する。
図１０は、第２の実施形態の作用を示すフローチャートである。図１０のフローチャートは、コントロールユニット１４において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【０１１１】
ステップＳ１０１では、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値は、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２の最低回転数における供給空気流量以上へ増加するか否か判定し、否の場合、本処理を終了し、増加する場合、ステップＳ１０２へ進む。
【０１１２】
ステップＳ１０２では、コンプレッサ２の回転数を増加する。ステップＳ１０３では、メイン空気流量制御弁５の開度を全開に設定する。ステップＳ１０４では、バイパス空気流量制御弁４の開度を全開に設定する。ステップＳ１０５では、燃料電池スタック７へ供給される空気流量は、目標値に対し、所定値以上近づいたか否かを判定し、近づいたと判定されれば、ステップＳ１０７へ飛び、近づいていないと判定されれば、ステップＳ１０６へ進む。
【０１１３】
ステップＳ１０６では、コンプレッサ２の回転数を増加開始後、所定時間経過したか否か判定し、経過していない場合、ステップＳ１０５へ戻り、経過した場合、ステップＳ１０７へ進む。
【０１１４】
ステップＳ１０７では、バイパス空気流量制御弁４の開度を全閉に設定する。ステップＳ１０８では、空気流量センサ３の検出値に基づき、燃料電池スタック７へ供給される空気流量が目標空気流量となるよう、コンプレッサ２の回転数及びメイン空気流量制御弁５の開度を変える。
【０１１５】
以上のフローチャートにより、図１１のタイムチャートに示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量を、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合（図１１（ａ））、コンプレッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加させる（図１１（ｂ））とともに、コンプレッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加開始してから所定時間ＴＢＯの間、メイン空気流量制御弁５とバイパス空気流量制御弁４との開度を共に全開とする（図１１（ｅ）（ｄ））ことにより、コンプレッサ２に対する負荷を低減し、空気を流れやすくすることにより、コンプレッサ２が供給する空気流量を短時間で増加可能とし、燃料電池スタック７へ供給される空気流量（図１１（ｃ））における応答性を向上させることが可能となる。
【０１１６】
ここで仮に、バイパス流路２１およびバイパス空気流量制御弁４が無く、メイン空気流量制御弁５のみで燃料電池スタック７へ供給する空気流量を制御すると仮定し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量を、アイドル運転時における所定流量以下の微小流量から、コンプレッサ２が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合のタイムチャートを表したのが図１２である。
【０１１７】
図１２では、空気流量目標値が図１２（ａ）に示すように増加し、コンプレッサ２の回転数を増加し、コンプレッサ２が供給する空気流量を増加させる（図１２（ｂ））が、メイン空気流量制御弁５を全開（図１２（ｃ））としても、バイパス空気流量制御弁４が無い分、コンプレッサ２に対する負荷が増加し、空気が流れにくくなり、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加に時間を要し、燃料電池スタック７へ供給される空気流量（図１２（ｂ））における応答性は、図１１（ｃ）と比べ遅くなり、本発明の効果は明らかである。
【０１１８】
また、所定時間ＴＢＯは、図１３に示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値の変化幅（図１１におけるΔＱ）が大きく、すなわち、コンプレッサ２が供給する空気流量をより多く増加させる場合ほど、長くすることにより、コンプレッサ２に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、コンプレッサ２が供給する空気流量の応答性が目標値に応じて適切に向上される。
【０１１９】
さらに、図１３の（ａ）に示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値の変化幅ΔＱが小さい場合、すなわち、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加が小さく、あえてコンプレッサ２に対する負荷を低減しなくても、応答性が確保できる程度の所定の変化幅ΔＱよりも小さい場合、所定時間ＴＢＯを０とすることにより、制御が簡略化される。
【０１２０】
また、コンプレッサ２において、空気流量センサ３を用いて定期的にコンプレッサ２の供給する空気流量を測定し、初期状態からの供給空気流量の変化量を検出し（供給空気流量変化検出手段）、該検出値により、コンプレッサ２が供給する空気流量が経時劣化等により低下していることが確認され、応答性が低下する恐れがある場合、図１４に示すように、コンプレッサ２が供給する空気流量の初期状態からの低下量ΔＤが大きい程、所定時間ＴＢＯを長くすることにより、コンプレッサ２に対する負荷がより長い時間低減され、空気をより流れやすくし、コンプレッサ２が供給する空気流量の応答性が、コンプレッサ２が供給する空気流量に応じて適切に向上される。
【０１２１】
また、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７に示すように、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が、目標値に対して小さい所定値以上になった場合、所定時間経過前でも、バイパス空気流量制御弁の開度を全閉とすることにより、コンプレッサ２に対する負荷を増加させ、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加を抑制し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上する。
【０１２２】
ここで、上記所定値を、メイン空気流量制御弁の開度が全開の時の空気流量に対する、バイパス空気流量制御弁の開度が全開の時の空気流量の比率に１を加えた値で、燃料電池スタック７へ供給する空気流量の目標値を割った値とすることにより、バイパス空気流量制御弁の開度を全閉とした時に、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値に略一致することとなり、制御性が向上する。
【０１２３】
さらに、ステップＳ１０５における他の例として、コンプレッサ２が供給する空気流量の時間に対する増加率が所定増加率を超えた場合、すなわち、該増加率が過大となり、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となる恐れがある場合、ステップＳ１０７へ飛ぶようにしても良く、この場合でも、上述と同様に、バイパス空気流量制御弁４の開度を全閉とすることにより、コンプレッサ２に対する負荷を増加させ、コンプレッサ２が供給する空気流量の増加を抑制し、燃料電池スタック７へ供給する空気流量が目標値以上となることを防止し、制御性を向上する効果が得られる。
【０１２４】
なお、以上説明した構成において、燃料電池スタック７へ供給する水素は、水素タンク９に貯蔵されたものを用いたが、これに限るものではなく、例えば、メタノールやガソリンといった燃料を改質して水素を発生させても良い。
【０１２５】
また、本発明において燃料電池スタック７へ供給する空気を加湿する場合、アイドル運転時に燃料電池へ供給される空気量はコンプレッサの最低流量よりも少なくてもよいので、従来の燃料電池システムよりも水収支を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のクレーム構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の構成を示す全体システム図である。
【図３】第１の実施形態のコントロールユニット内で行われる、アイドル運転時の空気流量の制御を表すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態のバイパス空気流量制御弁全開時の開口面積及びバイパス流路の断面積の設定方法を示す図である。
【図５】第１実施形態のコントロールユニット内で行われる、アイドル運転時のコンプレッサ回転数及びバイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャートである。
【図６】第１実施形態のバイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表す図である。
【図７】第２実施形態のコントロールユニット内で行われる、バイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャートである。
【図８】第２実施形態のバイパス空気流量制御弁の制御方法を表す図である。
【図９】第２実施形態のコントロールユニット内で行われる、バイパス空気流量制御弁の開度の設定方法を表すフローチャートである。
【図１０】第３実施形態のコントロールユニット内で行われる、アイドル運転時から空気流量を増加させる際の制御を表すフローチャートである。
【図１１】第３実施形態のアイドル運転時から空気流量を増加させる際の制御を表すタイムチャート図である。
【図１２】従来技術における、アイドル運転時から空気流量を増加させる際の制御を表すタイムチャート図である。
【図１３】第３実施形態の制御パラメータを表す図である。
【図１４】第３実施形態の制御パラメータを表す図である。
【符号の説明】
１…フィルタ
２…コンプレッサ
３…空気流量センサ
４…バイパス空気流量制御弁
５…メイン空気流量制御弁
６…圧力センサ
７…燃料電池スタック
８…圧力制御弁
９…水素タンク
１０…プレッシャレギュレータ
１１…水素流量センサ
１２…水素流量制御弁
１３…燃焼器
１４…コントロールユニット
２１…バイパス流路
２２…空気供給流路
２３…空気排出流路
２４…バイパス流路２１と空気排出流路２３との合流部分より下流の流路
２５…水素供給流路
２６…水素排出流路
２７…燃焼ガス排出流路
Claims (19)
- 空気を供給する空気供給手段と、
水素を供給する水素供給手段と、
供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、
前記空気供給手段の作動状態を変更して前記空気供給手段が供給する空気流量を制御する第一空気流量制御手段と、
前記空気供給手段と前記発電手段との間の空気供給流路の開度を変えて該空気供給流路を流れる空気流量を制御する第二空気流量制御手段と、
前記発電手段から未使用分の空気を排出する排出流路と前記空気供給手段とを直接結ぶバイパス流路と、
該バイパス流路の開度を変えて該バイパス流路を流れる空気流量を制御する第三空気流量制御手段と、
前記排出流路と前記バイパス流路との合流部分より下流の合流部分下流流路に設けられ、該合流部分下流流路の開度を変え、前記発電手段内部の空気流路の圧力を制御する空気圧力制御手段と、
を備え、
前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、
第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給する空気流量を最小値に設定し、
第三空気流量制御手段の開度を所定開度に設定し、
第二空気流量制御手段の開度を変えて前記発電手段に供給する空気流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記空気圧力制御手段により、前記合流部分下流流路の開度を略一定に設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記所定流量はアイドル運転時において、前記発電手段の発電に必要十分な空気流量とする
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を全開とする
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記発電手段へ所定流量以上の空気流量を供給する場合、第三空気流量制御手段の開度を所定開度以下とする
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記第一空気流量制御手段により前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値が大きいほど、前記第三空気流量制御手段の全開時の開口面積及び該バイパス流路内径を大きくする
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記第一空気流量制御手段は、前記空気供給手段が供給する空気流量を、前記空気供給手段が安定して供給可能な空気流量の最小値に設定するとともに、
該最小値を予め定めた基準値と比較し、
前記最小値が前記基準値より大きければ、第三空気流量制御手段の開度をより大きく設定し、
前記最小値が前記基準値より小さければ、第三空気流量制御手段の開度をより小さく設定する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記発電手段へ所定流量以下の空気流量を供給する際、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出する水排出制御手段を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記水排出制御手段は、第三空気流量制御手段の開度を所定間隔ごとに一定時間小さくする
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。 - 前記水排出制御手段は、前記発電手段の発電量が大きいほど前記所定間隔を短くする
ことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。 - 前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気流量が大きいほど前記所定間隔を短くする
ことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。 - 前記水排出制御手段は、前記発電手段に供給される空気流量を検出し、該検出値が予め定めた閾値を下回った場合、第三空気流量制御手段の開度を一時的に小さくし前記発電手段へ供給される空気流量を大きくし、前記発電手段内部の空気流路に溜まる水を排出する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。 - 前記発電手段へ供給する空気流量を、前記所定流量以下から、前記空気供給手段が供給する空気流量の最小値以上に急増する場合、
第一空気流量制御手段により、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加させるとともに、前記空気供給手段が供給する空気流量を増加開始してから所定時間の間、
第二空気流量制御手段及び第三空気流量制御手段の開度を共に全開とし、
前記所定時間経過後、第三空気流量制御手段の開度を全閉とし、
第一空気流量制御手段及び第二空気流量制御手段により、前記発電手段に供給する空気流量を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 - 前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値の変化幅が大きいほど、長くする
ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。 - 前記所定時間は、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値の変化幅が所定量よりも小さい場合、０とすることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
- 前記発電手段へ供給する空気流量が、目標値に対して小さい所定値以上になった場合、前記所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とする
ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。 - 前記所定値は、第二空気流量制御手段の開度が全開の時の空気流量に対する、第三空気流量制御手段の開度が全開の時の空気流量の比率に１を加えた値で、前記発電手段へ供給する空気流量の目標値を割った値とする
ことを特徴とする請求項１６記載の燃料電池システム。 - 前記空気供給手段が供給する空気流量の時間に対する増加率が所定増加率を超えた場合、前記所定時間経過前でも、第三空気流量制御手段の開度を全閉とする
ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。 - 前記空気供給手段が供給する空気流量の変化を検出する供給空気流量変化検出手段を備え、
前記供給空気流量変化検出手段により前記空気供給手段が供給する空気流量が低下している場合、該低下量が大きい程、前記所定時間を長くする
ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
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