JP5822495B2

JP5822495B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5822495B2
Application number: JP2011061975A
Authority: JP
Inventors: 秀信渡辺
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-22
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Publication date: 2015-11-24
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Description

この発明は、燃料電池に燃料を供給して発電する燃料電池システムに関し、詳しくは、濃度センサを用いない燃料電池の燃料供給の制御にする。

従来、液体や気体の燃料で発電する種々の燃料電池（ＦＣ）が提供されている。これらの燃料電池は、例えば車両（燃料電池車等）の駆動源やコージェネレーションの電池電源等に用いられる。

そして、これらの燃料電池に燃料を供給する燃料電池システムにおいては、燃料電池への燃料の供給を制御し、適切な燃料供給で燃料電池を発電させることが重要である。

例えば、ヒドラジン等の液体燃料を使用し、アニオン膜を電解質とする燃料電池の場合、燃料濃度を適切に制御しないと、クロスオーバの増大、触媒劣化等の重大な不具合を引き起こし、燃料電池の発電性能（発電出力［Ｗ］）の低下を招く。

すなわち、燃料電池に供給される燃料は、全てが発電で消費されるのではなく、一部は、発電以外のクロスオーバー等で消費される。また、燃料電池の燃料濃度が大きく（濃く）なると、燃料電池の触媒劣化等が促進される。そのため、燃料電池の発電性能は、燃料電池の燃料濃度を大きくしても必ずしも向上せず、場合によっては低下する。

ところで、この種の燃料電池の発電出力の特性（ＩＶ特性）は、発電電流が大きくなると発電電圧が低下する特性であり、その特性は燃料濃度によって異なる。

図６（ａ）は例えば上記液体燃料を使用する燃料電池の複数の燃料濃度におけるＩＶ特性例を示し、ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄが各燃料濃度（順不同）におけるＩＶ特性線である。

そして、必要な発電電流（実電流）が図６（ａ）の電流Ｉｑであるとすると、この電流Ｉｑが取り出される燃料電池の発電電圧は、燃料濃度によって異なり、例えば同図（ａ）の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄになる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のＩＶ特性の燃料電池の燃料濃度に対する発電性能（発電出力）の一例（発電電流Ｉｑが取り出される発電性能）を示し、燃料濃度が高くなり過ぎても低くなり過ぎても燃料電池の発電性能は最大（ピーク）出力の性能から低下している。

そして、所期の発電性能として発電電圧Ｖｃ以上で発電電流Ｉｑが取り出せる発電性能が要求されるとすると、燃料電池の燃料濃度は、発電電圧Ｖｃ以上で発電電流Ｉｑが取り出せる濃度に制御する必要があるが、その際、燃料濃度を濃く（高く）すると、前記したようにクロスオーバー等の発電以外の燃料消費が増加する上に、触媒劣化も促進される。

そこで、このような弊害も含めて総合的に判断すると、要求される所期の発電性能に対する燃料電池の最適な燃料濃度は、発電電流Ｉｑが取り出せるピーク出力の発電性能の濃度ではなく、必要な発電電圧Ｖｃで発電電流Ｉｑを取り出すことができる極力薄い（低い）濃度であると考えられ、このような薄い濃度に抑制すること燃料電池の燃料供給の制御として最も好ましい。

そして、燃料電池に供給される液体や気体の燃料を制御する場合、濃度センサを使用し、燃料電池に供給される液体や気体の燃料の濃度を濃度センサにより実際に計測し、計測した燃料濃度が最適な燃料濃度に維持されるように燃料電池の燃料供給量を制御することが提案されている（例えば、特許文献１（段落［００２２］、［００４０］−［００４１、［００４９］、図１、図４、図５等）参照）。

特開２０１０−２７３４７号公報

上記したように燃料電池に供給される燃料（液体や気体）の濃度を濃度センサにより実際に計測し、その計測に基づいて燃料電池の燃料供給量を所期の発電性能が得られる極力薄い最適な燃料濃度に制御しようとすると、大型で高価な液体や気体の濃度センサが必要になり、燃料電池システムを小型、安価に形成できない問題がある。そして、車両等の設置スペースが小さな環境下では、そのような大型の濃度センサを使用することは実用的でない。

本発明は、濃度センサを用いない小型、安価な構成で極力薄い最適な燃料濃度になるように燃料電池の燃料供給量を制御することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料の供給により発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料供給量を増減する制御手段と、前記燃料電池の電流および電圧をそれぞれ検出する電流センサおよび電圧センサと、最もよく要求される所定の発電電流と該所定の発電電流における発電電圧との積から前記燃料電池の発電性能を算出する発電性能算出手段と、前記制御手段の前記燃料供給量の増減の度合いに対する前記発電性能の変化量を演算して燃料濃度に対する前記発電性能の変化特性を導出する変化量演算手段と、前記変化量演算手段による前記燃料濃度に対する前記発電性能の変化特性に基づき、前記発電性能算出手段により算出される発電性能が最も薄い燃料濃度でのピーク値よりも低い所期の発電性能に近づいたかどうか判断する判断手段とを備え、前記制御手段は、前記判断手段の判断に基づき前記所期の発電性能が得られる範囲で燃料濃度を薄くするように前記燃料供給量を増減することを特徴としている（請求項１）。

請求項１に記載の本発明の燃料電池システムによれば、燃料供給量の増減に伴って変化する燃料電池の出力特性から、発電性能算出手段が燃料電池の発電性能を算出し、制御手段により燃料供給量を増減したときの判断手段の発電性能の変化の判断に基づき、制御手段が薄い燃料濃度で所期の発電性能に近づくように燃料電池の燃料供給量を増減することにより、濃度センサが不要でコストを低減した構成により、自動的に燃料電池の燃料濃度をピーク値の発電性能よりも低い所期の発電性能が得られる極力薄い最適な燃料濃度に調整して制御できる。しかも、変化量演算手段により、燃料供給量の増減の度合い（程度）に応じた発電性能の変化量を演算し、その変化量に応じて制御手段が燃料供給量の増減の度合いを調整するので、例えば起動時の燃料濃度が薄く燃料電池の発電性能が極めて小さく、所期の発電性能から大きく離れている場合に、最初は燃料供給量の増減を大きくし、燃料電池の発電性能が所期の発電性能に近づくにしたがって燃料供給量の増減を小さくすることで、速やかに所期の発電性能が得られる極力薄い燃料濃度に制御することができる。

本発明の燃料電池システムの構成の説明図である。図１の燃料供給制御を説明するための図１の燃料電池の燃料濃度に対する発電性能の変化特性の説明図である。図１の動作説明用の第１のフローチャートである。図１の動作説明用の第２のフローチャートである。図１の動作説明用の第３のフローチャートである。水加ヒドラジン等の液体燃料で動作する燃料電池の燃料濃度に対する発電性能の一例の変化特性の説明図である。

本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

図１は例えば燃料電池車に適用された本発明の燃料電池システムの一例を示し、燃料電池車の駆動源としての燃料電池１は、水加ヒドラジン（液体燃料）を使用し、アニオン膜（アルカリ性電解質膜）を電解質とするアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）である。燃料電池１は、電極触媒に貴金属である高価な白金に代えて安価な金属(コバルト、ニッケル系)を使用することができ、セパレーターなどの構成部品に安価な材料が使用でき、二酸化炭素（ＣＯ_２）を排出しない等の特徴があるが、燃料電池１への液体燃料の供給を適切に制御して燃料電池１の燃料濃度を適切に制御しないとクロスオーバ増大、触媒劣化、発電性能低下等が生じる。

燃料電池１は、燃料極（負極）、固体高分子のアニオン膜（電解質）、空気極（正極）を貼り合わせた構造の複数のセルのスタックで形成され、燃料極のマニホールド（図示せず）に連通した燃料の導入口１ａおよび排出口１ｂ、空気極のマニホールド（図示せず）に連通した空気の導入口１ｃおよび排出口１ｄ、冷却水の導入口１ｅおよび排出口１ｆ、電気を取り出す負極ｎおよび正極ｐを備える。

図１の破線で囲んだ燃料・空気・冷却水の供給ブロックにおいて、燃料タンク２の水加ヒドラジンの液体燃料は、燃料供給用のポンプ３、気液分離器４、燃料循環用のポンプ５を通って燃料の導入口１ａに供給される。また、コンプレッサ６を通った加湿空気は、空気の導入口１ｃに供給される。

そして、燃料電池１において、アニオン膜を通しての水加ヒドラジンの液体燃料と加湿空気の反応により水酸化物イオン（水酸化イオン）と電子が分解し、水酸化物イオンはアニオン膜を通って燃料極側に移動し、電子は負の電極端子ｎから昇圧回路７を通って正の電極端子ｐに至る導線内を通って空気極側に移動する。

燃料電池１の燃料極側では、前記水酸化物イオンに基づいて水が生成される他、窒素ガス等が生成される。これらの液体および気体はポンプ５の動作で燃料排出口１ｂから気液分離器４に戻され、気液分離器４により水加ヒドラジンと窒素ガス等とが気液分離される。そして、前記気液分離により形成された循環側の水加ヒドラジンは、燃料タンク２からの水加ヒドラジンとともにポンプ５を介して燃料導入口１ａに循環供給される。なお、気液分離器４により分離された窒素ガス等は電磁バルブ８を通って排気処理系（図示せず）に送られる。

また、燃料電池１の空気極側では、アニオン膜を通った加湿空気が空気の排出口１ｄからレギュレータ９を通って前記排気処理系に送られる。

さらに、燃料電池１は、ラジエータ１０の冷却水が燃料電池１の導入口１ｅから燃料電池１、燃料電池１の排出口１ｆを介してラジエータ１０に戻って循環することで冷却され、前記反応に基づく燃料電池１の温度上昇が防止される。

一方、昇圧回路７は燃料電池１の出力を昇圧して整流・平滑し、駆動モータに給電するインバータ（図示せず）等が要求する高電圧の直流電源に変換する。この直流電源を、前記インバータ等に給電するだけの構成でもよいが、本実施形態の場合、駆動モータ等の負荷量の増加によって昇圧回路７の出力では不足するときの補助給電等を行なうため、前記直流電源は二次電池や大容量のキャパシタで構成された予備電源１０ａにも給電される。

車内の主制御ＥＣＵ１１は、車内の各センサ（図示せず）等の計測結果および、燃料電池システムの燃料供給等を制御する燃料電池システム制御ＥＣＵ１２等の各個別の制御ＥＣＵの状態監視や要求等に基づき、各制御ＥＣＵに必要な指令や制御を発行する。

燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は、主制御ＥＣＵ１１からの発電要求および、燃料電池１の電圧センサ１３、電流センサ１４の検出に基づいて、ポンプ３、５や電磁バルブ８、レギュレータ９の動作等を制御することで、気液分離器４から燃料電池１への燃料供給量（水加ヒドラジンの供給量）を増減して発電要求に応じた適正量に制御し、燃料電池１を、要求される所期の発電性能が得られる略最小の薄い燃料濃度で動作させる。

ここで、従来のように気液分離器４の後段に濃度センサを設け、燃料電池１の燃料濃度が設定濃度に維持されるように気液分離器４から燃料電池１への燃料供給量（水加ヒドラジンの供給量）を制御することが考えられるが、この場合は、大型で高価な濃度センサが必要になる。

そこで、本実施形態の場合、濃度センサは設けずに、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２に、ソフトウェア処理によって形成された本発明の制御手段、発電性能算出手段、判断手段および、濃度一定手段を備える。

制御手段は、ポンプ３、５等を制御して燃料電池１への燃料供給量（水加ヒドラジンの供給量）を増減する。

発電性能算出手段は、燃料電池の出力特性（ＩＶ特性）から燃料電池１の発電性能を算出する。

判断手段は、制御手段が燃料電池１の燃料供給量を増減したことによる発電性能の変化を判断する。具体的には、制御手段が燃料電池１の燃料供給量を増加方向または減少方向に少しずつ変えて燃料電池１の燃料濃度が増減することに合わせて、発電性能算出手段により算出された発電性能が、最も薄い燃料濃度での所期の発電性能に近づいたか否かを判断する。

そして、制御手段は、判断手段の判断に基づき、所期の発電性能が得られるように、燃料供給量の増減方向および増減量を調整し、燃料電池１の燃料濃度を所期の発電性能が得られる極力薄い燃料濃度に制御する。

濃度一定手段は、判断手段の判断に基づく制御手段の燃料供給量の増減により、燃料電池１の目標濃度が所期の発電性能が得られる極力薄い燃料濃度に調整されると、以降、燃料電池１の燃料濃度をその濃度に維持する。

ところで、燃料濃度に対する発電性能やクロスオーバ、副反応、劣化特性は燃料電池１の固有の特性であり、基本的には、燃料電池車の製造時や燃料電池１を取り替えたりしたときに所期の発電性能が得られる燃料濃度を検出すれば、以降は、検出した燃料濃度を制御の目標濃度に設定してその濃度に維持されるように燃料供給量を制御することで、発電の要求量によらず、燃料電池１は所期の発電特性が得られる極力薄い燃料濃度で動作することになるが、実際には、各部品の経時劣化等によっても発電特性が変化して発電性能に対する燃料濃度が変動する可能性がある。

すなわち、所期の発電性能が得られる極力薄い燃料濃度は、経時劣化等に伴って変化する可能性がある。

そして、従来のように濃度センサを用いて燃料濃度を計測し、計測した燃料濃度が目標濃度となるように制御する場合には、この制御とは別に、何らかの方法で目標濃度を前記経時劣化等に合わせて随時変更し、前記経時劣化等を吸収する必要があり、処理や制御が煩雑になって面倒になるが、本実施形態の場合は、燃料電池１の燃料供給量を所期の発電性能が得られる極力薄い燃料濃度の供給量に制御することで、自動的に、目標濃度が前記経時劣化等も考慮して所期の発電性能が得られる極力薄い燃料濃度に調整されて設定される。

この燃料濃度の調整（制御）は、例えば、燃料電池車の一定時間以上の駐車後、ドライバがスタートボタンやスタートキーを操作する毎、または、前回の調整から一定の発電時間が経過する毎に自動的に実施される。

そして、主制御ＥＣＵ１１から燃料電池システム制御ＥＣＵ１２に発電開始が指令されると、まず、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２がポンプ５、コンプレッサ６を規定の初期状態で作動し、昇圧回路７へ規定の入力電流となるように動作指令を出すことで、燃料電池１の発電を開始する。

そして、発電性能算出手段は、電圧センサ１３の検出電圧（実電圧）と、電流センサ１４の検出電流（実電流）のＩＶ特性から、燃料電池１の発電性能を算出する。

燃料電池１の発電性能の算出は、例えば、つぎの数１の（１）式の演算である。なお、（１）式の「一定の発電電流」は、発電可能な最大電流、または、最もよく要求される発電電流である。これらの発電可能な最大電流や最もよく要求される発電電流が大きく、調整前に実際にそのような最大電流や最もよく要求される発電電流で発電して発電性能を算出することが困難な場合には、それらの電流より十分に小さい複数点（少なくとも２点）の電流で発電したときの実電圧、実電流を取得し、取得した実電圧、実電流から線形補間で各燃料濃度のＩＶ特性を推定し、推定したＩＶ特性から「一定の発電電流」における発電電圧を予測し、（１）式の演算を行なって発電性能を算出するようにしてもよい。なお、各燃料濃度の発電性能は燃料濃度に対して例えば図６（ｂ）に対応する図２のような特性で変化する。図２については後述する。

そして、要求される発電電圧、発電電流が得られる所期の発電性能をＰｓとすると、所期の発電性能Ｐｓが得られる極力薄い燃料濃度に制御するため、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は、前記制御手段の制御および前記判断手段の判断に基づき、ポンプ３、５等を規定の初期状態または前回の設定状態で起動して発電性能Ｐ０を算出した後、燃料電池１の燃料濃度を増減するようにポンプ３を制御して燃料供給量を増加または減少させながら、前記（１）式の演算からその燃料濃度での発電性能を取得し、発電性能の変化傾向や発電性能Ｐｓとの比較から、算出される発電性能が発電性能Ｐｓ以上になり、かつ、燃料濃度が極力薄い最適な濃度となるように、燃料電池１の燃料濃度を調整する。

燃料電池１の燃料濃度［ｗｔ％］の△％、（Δ＞ｏ）の変化は、つぎの数２の（２）式で示されるようにポンプ３等の動作を制御して実現される。

なお、（２）式の燃料変化量は、発電消費量＋クロスオーバー量＋蒸発量であり、発電消費量、蒸発量は、それぞれつぎの数３の（３）式、数４の（４）式から算出され、クロスオーバー量は、燃料温度、発電量等に応じたマップ値である。また、（４）式の生成窒素量は、下記数５の（５）式から算出される。（２）式の１００は％値への変換定数である。

なお、（３）式の４は水加ヒドラジンの一分子反応あたりの電子数（価数）、６０は秒［ｓ］から分［ｍｉｎ］への変換定数である。

なお、（５）式の４は水加ヒドラジンの一分子反応あたりの電子数（価数）、６０は秒［ｓ］から分［ｍｉｎ］への変換定数である。

そして、判断手段の判断に基づき、制御手段がポンプ３の動作等を制御して燃料電池１の燃料供給量（水加ヒドラジンの供給量）を増減することにより、濃度センサで燃料電池１の燃料濃度を測定することなく、燃料電池１の燃料濃度が、要求される所期の発電性能Ｐｓが得られる極力薄い最適な燃料濃度に調整され、燃料電池１が調整された燃料濃度で動作するようになる。以降は、濃度一定手段により、その燃料濃度（目標濃度）に維持するように燃料電池１の燃料供給量（水加ヒドラジンの供給量）が制御される。

上記した処理を、図２および図３〜図５を参照して、さらに具体的に説明する。

図２は図６（ｂ）に対応する燃料電池１の発電性能の特性（略上に凸の向きの二次曲線の特性）を示し、図中のＰｐはピーク値の発電性能、ｗｐは発電性能Ｐｐが得られる燃料濃度である。Ｐｓは最も薄い燃料濃度（最も低濃度）で必要な発電電圧、発電電流が得られる所期の発電性能、ｗｓは発電性能Ｐｓが得られる燃料濃度（前記の最も低濃度）である。なお、場合によっては、発電性能Ｐｓ＝発電性能Ｐｐになる。

図３〜図５は、前記した制御手段、発電性能算出手段、判断手段、濃度一定手段が動作して燃料電池システム制御ＥＣＵ１２が実施する処理手順を示す。

例えば、燃料電池車の一定時間以上の駐車後、ドライバがスタートボタンやスタートキーを操作し、主制御ＥＣＵ１１から燃料電池システム制御ＥＣＵ１２に発電開始が指令されると、最適な燃料濃度ｗｓに調整して、燃料電池１をその燃料濃度ｗｓに維持するため、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は図３〜図５の処理を実施する。現在の発電性能、燃料濃度をＰ（ｔ）、ｗ（ｔ）とすると、濃度センサを用いることなく、つぎのようにして燃料電池１の最適な燃料濃度ｗｓを検出し、燃料濃度ｗ（ｔ）を最適な燃料濃度ｗｓに制御する。

＜１＞最適な燃料濃度wｓは、図２においてピーク値の発電性能Ｐｐとなる燃料濃度wpより左側にあるので、起動時（スタート時）、燃料電池１が、ｗ（ｔ）≦ｗｐでＰ（ｔ）≦Ｐｐの図２の発電性能Ｐｐより左側の状態であるか、ｗ（ｔ）＞ｗｐでＰ（ｔ）＜Ｐｐの図２の発電性能Ｐｐより右側の状態であるかを判断する。具体的には、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は、電圧センサ１３の検出電圧、電流センサ１４の検出電流や、ポンプ３、５の吐出（または吸入）の流量および圧力、液温、大気圧等のセンサ情報の取得を開始し（図３のステップＳ１）、また、ポンプ３、５等の制御を開始して燃料電池１の発電を開始する（図３のステップＳ２）。そして、発電性能算出手段により、例えば（１）式の演算から、ポンプ３、５等が規定の初期状態または前回の設定状態で起動されるときの発電性能Ｐ０を算出すると（図３のステップＳ３）、制御手段は、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が発電性能Ｐ０の燃料濃度ｗ０から設定されたａ％大きくなる燃料供給量を、電流センサ１４の検出電流や各検出圧力等に基づき、（２）式のΔ＝ａとして算出し、算出した燃料供給量に増加するようにポンプ３等を制御する（図３のステップＳ４、Ｓ５）。燃料濃度をａ％上昇させた後、再度（１）式の演算から、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）を燃料濃度ｗ０からａ％大きくしたときの発電性能Ｐ１を検出する（図３のステップＳ６）。そして、検出した発電性能Ｐ１が起動時の発電性能Ｐ０より上昇するか（大きくなるか）否かを判断手段によって判断する（図３のステップＳ７）。

＜２＞ステップＳ７の判断から、Ｐ０＞Ｐ１に発電性能が低下することを検出すると（図３のステップＳ７のＹＥＳ）、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）は図２のピーク値ｗｐより右側の状態であって濃すぎる（燃料を浪費する）ので、図３のステップＳ８の濃度低下制御Ａを実行する。濃度低下制御Ａは図４のステップＲ１〜Ｒ１０からなる。そして、制御手段は、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が設定されたｂ％（例えばｂ≦ａ）低下する燃料供給量を、（２）式のΔ＝−ｂとして算出し、算出した燃料供給量に減少して低下するように、ポンプ３等を制御して燃料電池１の燃料供給量を低減する（図４のステップＲ１、Ｒ２）。また、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）がｂ％低下したときの発電性能Ｐ２を、発電性能算出手段により、燃料電池１のＩＶ特性に基づき、（１）式の演算から算出して検出する（図４のステップＲ３）。検出した発電性能Ｐ２が発電性能Ｐｓ以上であれば（図４のステップＲ４のＮＯ）、燃料濃度のｂ％の低下検出をリセットし（図４のステップＲ５）、図４のステップＲ１〜Ｒ５のループにより、検出した発電性能Ｐ２が発電性能Ｐｓより小さくなるまで、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）をｂ％ずつ低下してそのときの発電性能Ｐ２を検出することをくり返し、燃料電池１の燃料供給量を段階的に低減して燃料濃度をｂ％ずつ段階的に低下する。

＜３＞前記＜２＞の燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）のｂ％ずつの段階的な低下で、検出した発電性能Ｐ２が目標とする所期の発電性能Ｐｓより小さくなり、Ｐ２＜Ｐｓになると（図４のステップＲ４のＹＥＳ）、燃料電池１が図２の発電性能Ｐｓより左側の状態になったので、燃料濃度の段階的な低下制御を終了し、燃料電池１の発電性能Ｐ（ｔ）が発電性能Ｐｓより大きくなるまで、発電性能Ｐ（ｔ）の変化を燃料電池１のＩＶ特性に基づき、（１）式から算出しながら、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が設定されたｃ％（ｃ≦ｂ）ずつ上昇するように、制御手段によって燃料供給量を段階的に増加する（図４のステップＲ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９のＮＯ、Ｒ１０）。そして、燃料電池１の発電性能Ｐ（ｔ）が発電性能Ｐ２＿２（≧Ｐｓ）になると、図４の濃度低下制御Ａを終了する。このとき、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）は、略図２の所期の発電性能Ｐｓが得られる最も薄い（低い）燃料濃度ｗｓ（正確には図２の発電性能Ｐｓの右側近傍の発電性能Ｐ２＿２（図示せず）の燃料濃度）に到達する。そこで、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は、制御の目標濃度を、到達した燃料濃度ｗｓに調整し、濃度一定手段の濃度一定制御により、到達した最も低い燃料濃度（目標濃度）ｗｓが維持されるように、発電要求量に応じて燃料電池１の燃料供給量を制御する（図３のステップＳ９）。以降は、最適な燃料濃度の新たな調整が行なわれるまで、濃度一定手段の濃度一定制御によって燃料電池１が所期の発電性能Ｐｓの燃料濃度ｗｓに維持される。なお、濃度一定手段の濃度一定制御は、具体的には、（２）式の（ポンプ３を通る燃料供給量−燃料変化量）＝０になるように、燃料供給量を調整する制御である。

＜４＞前記＜２＞で説明した図３のステップＳ７の判断により、発電性能Ｐ１がＰ０≦Ｐ１に上昇することを検出したときは（図３のステップＳ７のＮＯ）、判断手段によりＰ０≧Ｐｓか否かを判断する。そして、燃料電池１が、Ｐ０≦Ｐ１、かつ、Ｐ０≧Ｐｓの状態、すなわち、図２の発電性能Ｐｐより左側であって、発電性能Ｐｓと発電性能Ｐｐの間の状態であれば（図３のステップＳ１０のＹＥＳ）、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）はまだ濃すぎる可能性があるので、図３のステップＳ１１の濃度低下制御Ｂを実行する。濃度低下制御Ｂは図５のステップＱ１〜Ｑ１０からなる。そして、制御手段は、図４のステップＲ１〜Ｒ５と同様のステップＱ１〜Ｑ５により、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が設定されたｂ％低下する燃料供給量を（２）式のΔ＝−ｂとして算出し、算出した燃料供給量に減少して低下するようにポンプ３等を制御して燃料電池１の燃料供給量を少なくすることをくり返し、この制御で燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）をｂ％づつ段階的に低下し、燃料電池１のＩＶ特性に基づき、（１）式から算出して検出した発電性能を発電性能Ｐ３として検出する。

＜５＞前記＜４＞の燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）のｂ％ずつの段階的な低下で、検出した発電性能Ｐ３が発電性能Ｐｓより小さくなり、Ｐ３＜Ｐｓになると（図５のステップＱ４のＹＥＳ）、燃料電池１が図２の発電性能Ｐｓより左側の状態に変化したので、燃料濃度ｗ（ｔ）の段階的な低下制御を終了し、燃料電池１の発電性能Ｐ（ｔ）が上昇変化して発電性能Ｐｓ以上になるまで、発電性能Ｐ（ｔ）の変化を燃料電池１のＩＶ特性に基づき、（１）式から算出しながら、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が設定されたｄ％（ｄ≦ｃ）ずつ上昇するように、制御手段によって燃料供給量を段階的に増加する（図５のステップＱ６、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９のＮＯ、Ｑ１０）。そして、燃料電池１の発電性能Ｐ（ｔ）がＰ３＿２≧Ｐｓになって略図２の所期の発電性能Ｐｓが得られる最も薄い（低い）燃料濃度ｗｓ（正確には図２の発電性能Ｐｓの右側近傍の発電性能Ｐ３＿２（図示せず）の燃料濃度）に到達する。燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が略図２の発電性能Ｐｓの燃料濃度ｓに到達すると、図５の濃度低下制御Ｂを終了する。このときも、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は、図３のステップＳ９の濃度一定手段の濃度一定制御により、到達した最も低い燃料濃度（目標濃度）ｗｓが維持されるように、発電要求量に応じて燃料電池１の燃料供給量を制御する（図３のステップＳ９）。

＜６＞前記＜４＞で説明した図３のステップＳ１０の判断がＮＯになり、燃料電池１がＰ０≦Ｐ１、かつ、Ｐ０＜Ｐｓの状態、すなわち、燃料電池１が図２の発電性能Ｐｓより左側の状態であれば（図３のステップＳ１０のＮＯ）、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）は図２の燃料濃度ｗｓより左側の状態であって薄すぎるので、図３のステップＳ１２の燃料濃度上昇制御に移行し、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が設定されたｅ％（例えばｅ≦ａ）上昇する燃料供給量を、（２）式のΔ＝ｅとして算出し、ポンプ３等を制御して燃料電池１の燃料供給量を算出した燃料供給量に増加する（図３のステップＳ１２、Ｓ１３）。また、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）がｅ％上昇したときの発電性能Ｐ４を、発電性能算出手段により、燃料電池１のＩＶ特性に基づき、（１）式から算出して検出する（図３のステップＳ１４）。検出した発電性能Ｐ４が所期の発電性能Ｐｓより小さければ（図３のステップＳ１５のＮＯ）、燃料濃度上昇検出をリセットし（図３のステップＳ１６）、図３のステップＳ１２〜Ｓ１６のループにより、検出した発電性能Ｐ４が所期の発電性能Ｐｓ以上になるまで、燃料電池１の燃料供給量を、燃料濃度ｗ（ｔ）がｅ％ずつ上昇するように制御してそのときの発電性能Ｐ４を検出することをくり返し、燃料電池１の燃料供給量を段階的に増加して燃料濃度ｗ（ｔ）をｅ％ずつ段階的に上昇する。

＜７＞前記＜６＞の燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）のe％ずつの段階的な上昇により、発電性能Ｐ４がＰ４≧Ｐｓになると（図３のステップＳ１５のＹＥＳ）、燃料電池１が図２の発電性能Ｐｓの右側近傍の状態になるので、濃度上昇制御を終了する。このときも、燃料電池１の発電性能Ｐ（ｔ）は、略図２の所期の発電性能Ｐｓが得られる最も薄い燃料濃度ｗｓ（正確には図２の発電性能Ｐｓの右側近傍の発電性能の燃料濃度）に到達する。そこで、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２は、図３のステップＳ９の濃度一定手段の濃度一定制御により、到達した最も低い燃料濃度（目標濃度）ｗｓが維持されるように、発電要求量に応じて燃料電池１の燃料供給量を制御する（図３のステップＳ９）。

なお、図２の＜２＞〜＜７＞は、上記＜２＞〜＜７＞の処理が施される燃料電池１の起動時の状態の範囲を示す。

以上のように、本実施形態の場合、大型で高価な濃度センサを不要としてコストを低減した構成により、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）を検出することなく、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）を所期の発電性能Ｐｓが得られる極力薄い濃度ｗｓに調整して制御することができる。

ところで、起動時の燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が図２のピーク値ｗｐより右側になる場合、前記＜２＞、＜３＞の処理の過程において、燃料電池１の燃料供給量を段階的に少なくして燃料濃度をｂ％ずつ段階的に低下する際に、ピーク値の発電性能Ｐｐを検出しておくと、その経時変化から燃料電池１の劣化の進行を判断することも可能となる。

また、燃料供給量を可変して燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）を可変（スィープ）する過程において、発電性能算出手段により、実際に検出したピーク値の発電性能Ｐｐより所期の発電性能Ｐｓが大きくなるというＰｐ＜Ｐｓの逆転状態を検出した場合には、燃料電池１が劣化していると判断することも可能である。

つぎに、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２に、本発明の変化量演算手段をさらに備え、変化量演算手段により、燃料電池１の燃料供給量の増減の度合いに対する発電性能Ｐ（ｔ）の変化量を演算し、制御手段により、燃料電池１の燃料供給量を増減したときの発電性能Ｐ（ｔ）の変化量に応じて、燃料供給量の増減の度合いを調整することがさらに好ましい。

この場合、例えば前記＜２＞の燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）のｂ％ずつの段階的な低下や、ｃ％ずつの上昇等を、発電性能Ｐ２、Ｐ２＿２が発電性能Ｐｓに近くなる程、ｂ％やｃ％から小さくして精度の向上を図ることが可能である。

また、燃料電池車を長期に放置した後に初めて起動したような場合には、燃料電池１の燃料濃度ｗ（ｔ）が燃料供給の開始により略図２の０の状態から増加する。その際、発電性能Ｐ（ｔ）も０に近い状態から上昇して所期の発電性能Ｐｓに近づく。このような場合、変化量演算手段により演算した燃料電池１の燃料供給量の増減の度合いに対する発電性能Ｐ（ｔ）の変化量が、所期の発電性能Ｐｓに近づくにしたがって小さくなることから、この変化に基づき、制御手段により、例えば、燃料供給量の増減の度合いを最初は大きくして速やかに所期の発電性能Ｐｓに近づくようにして燃料濃度の調整を効率よく行なうことも可能であり、逆に、燃料供給量の増減の度合いを所期の発電性能Ｐｓに近づくにしたがって大きくすることで、燃料電池１の燃料供給量の増減の度合いに対する発電性能Ｐ（ｔ）の変化量を発電性能Ｐ（ｔ）によらず一定にすることで燃料濃度の調整を効率よく行なうことも可能である。

そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、燃料電池システム制御ＥＣＵ１２の処理手順が図３〜図５と異なっていてもよいのは勿論である。

また、燃料電池１の燃料濃度に対する発電性能の特性が図２や図６と異なっていても、本発明を同様に適用できるのも勿論である。

さらに、燃料電池１が、燃料を前記水加ヒドラジン以外の液体、気体の燃料とする場合、例えば、メタノール、プロパン、ブタン、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、ジメチルエーテル、アンモニアなどの沸点が１００℃程度の常温で液体のものか、あるいはある程度減圧した状態で常温で液体となる燃料等である場合にも、本発明を本同様に適用することができる。

そして、本発明は、燃料電池車等の車両に駆動源として搭載される燃料電池だけなく、ビルや家庭のコージェネレーションの電池電源としての燃料電池、その他種々の機器や設備の燃料電池の燃料電池システムに適用することができる。

１燃料電池
１２燃料電池システム制御ＥＣＵ
１３電圧センサ
１４電流センサ

Claims

燃料の供給により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料供給量を増減する制御手段と、
前記燃料電池の電流および電圧をそれぞれ検出する電流センサおよび電圧センサと、
最もよく要求される所定の発電電流と該所定の発電電流における発電電圧との積から前記燃料電池の発電性能を算出する発電性能算出手段と、
前記制御手段の前記燃料供給量の増減の度合いに対する前記発電性能の変化量を演算して燃料濃度に対する前記発電性能の変化特性を導出する変化量演算手段と、
前記変化量演算手段による前記燃料濃度に対する前記発電性能の変化特性に基づき、前記発電性能算出手段により算出される発電性能が最も薄い燃料濃度でのピーク値よりも低い所期の発電性能に近づいたかどうか判断する判断手段とを備え、
前記制御手段は、前記判断手段の判断に基づき前記所期の発電性能が得られる範囲で燃料濃度を薄くするように前記燃料供給量を増減することを特徴とする燃料電池システム。