JP6635187B2 - 燃料電池システム及びその制御装置、並びに燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及びその制御装置、並びに燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池から排出されたガスを燃料電池に導入して循環させる燃料電池システム及びその制御装置、並びに燃料電池システムの制御方法に関する。
特開２００８−１３１６３３号公報には、タンクから燃料電池へ供給されるアノードガスに対し燃料電池から排出されたアノード排ガスを合流させて燃料電池に供給するエゼクタと、そのアノード排ガスを加圧してエゼクタに送り出すポンプとを備える燃料電池システムが開示されている。
この燃料電池システムでは、燃料電池の負荷が低負荷域よりも高い領域において、ポンプを駆動してアノード排ガスを昇圧すると共に、そのアノード排ガスの圧力がエゼクタで降圧されないようエゼクタに供給するアノードガスの圧力を低負荷域に比べて増加させる。
上述のような燃料電池システムは、燃料電池の負荷が低負荷域よりも高い領域にあるときには、エゼクタに供給するアノードガスの圧力を増加させることから、燃料電池へのアノードガスの供給量が過剰になってしまう可能性がある。このような場合には、燃料電池において必要以上にアノードガスを消費したり、外部にアノードガスを排出したりする必要があり、燃費が悪くなってしまう。
一方、燃料電池の負荷が低負荷域にあるときには、エゼクタに供給するアノードガスの圧力を減少させるため、これに伴ってポンプによるアノード排ガスの昇圧量を大きくしなければならず、ポンプを駆動するアクチュエータの消費電力が大きくなってしまう。そのため、ポンプの性能を高くしなければならないという問題がある。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池にアノードガスを循環させるアクチュエータの消費電力を低減する燃料電池システム及びその制御装置、並びに燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、前記燃料電池に供給されるアノードガスに対して前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを合流させるエゼクタと、前記エゼクタに当該アノード排ガスを供給するアクチュエータと、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、を備える。この燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池に要求される負荷の大きさに応じて、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御ステップと、前記負荷が低いときには、前記負荷が高いときに比して、前記アノードガス供給装置により前記カソードガスの圧力と前記アノードガスの圧力との差圧を大きくするアノードガス制御ステップと、を含むことを特徴とする。
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。 図２は、本実施形態におけるエゼクタの性能とアノード循環系の必要揚程との関係を示す図である。 図３は、本実施形態における燃料電池のアノードガス圧力の制御手法の一例を説明する図である。 図４は、本実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成例を示すブロック図である。 図６は、燃料電池に供給すべきアノードガスの目標圧力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図７は、アノード循環ポンプの目標動力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図８は、燃料電池に供給すべきカソードガスの目標圧力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図９は、カソードガスの目標流量を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１０は、本実施形態における燃料電池システムの作動状態の変化を示す図である。 図１１は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。 図１２は、本実施形態におけるコントローラの機能構成例を示すブロック図である。 図１３は、燃料電池に対する湿潤要求に応じてアノードガスの目標圧力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１４は、要求負荷に基づいてエゼクタによるアノード排ガスの昇圧量を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１５は、アノード循環ポンプ用インバータの温度に基づいてアノード循環ポンプによる上限昇圧量を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１６は、アノード循環ポンプの動力軽減のためのアノードガス圧力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１７は、カソードガスを供給するコンプレッサの動力増加を抑制するためのアノードガス圧力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１８は、湿潤要求に応じてアノード循環ポンプの目標動力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図１９は、湿潤要求に応じてカソードガスの目標圧力を演算する機能構成を示すブロック図である。 図２０は、湿潤要求に応じてカソードガスの目標流量を演算する機能構成を示すブロック図である。 図２１は、本発明の第４実施形態におけるアノードガス圧力の制御手法の一例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す構成図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池の発電に必要となる燃料を含むアノードガス、及び酸化剤を含むカソードガスをそれぞれ燃料電池スタック１に供給し、電気負荷に応じて燃料電池を発電させる電源システムを構成する。本実施形態では、燃料として水素が用いられ、酸化剤として酸素が用いられる。燃料電池システム１００は、例えば、電動車両やハイブリッド車両などに搭載される。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、負荷装置５と、コントローラ２００とを含む。
燃料電池スタック１は、複数の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、負荷装置５に対して接続されて、負荷装置５に電力を供給する電源である。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流の電圧を発生させる。
燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、これらの電極に挟まれた電解質膜と、を有する。燃料電池は、アノード電極に供給されるアノードガス中の水素と、カソード電極に供給されるカソードガス中の酸素とが電気化学反応を起こして発電する。電気化学反応（発電反応）は、アノード電極及びカソード電極において以下のとおり進行する。
アノード電極： ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ- ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ ・・・（２）
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソードガス供給装置を含む。本実施形態のカソードガス給排装置２は、酸素を含む空気をカソードガスとして燃料電池スタック１のカソード電極側に供給すると共に、燃料電池スタック１のカソード電極側から排出される空気をカソード排ガスとして大気に放出する。
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、流量センサ２３と、インタークーラ２４と、カソード圧力センサ２５と、カソードガス排出通路２６と、カソード調圧弁２７とを含む。
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１に設けられる。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端から空気を取り込み、その空気を燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ２２の操作量はコントローラ２００によって制御される。
流量センサ２３は、コンプレッサ２２よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。流量センサ２３は、コンプレッサ２２により吸引されて燃料電池スタック１に向かって吐出されるカソードガスの流量を検出する。以下では、コンプレッサ２２により燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量のことを「コンプレッサ流量」という。流量センサ２３は、コンプレッサ流量を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
インタークーラ２４は、コンプレッサ２２よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２４は、インタークーラ２４よりも下流に配置された部品の温度が高くなり過ぎないよう、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスを冷却する。
カソード圧力センサ２５は、インタークーラ２４と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２５は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力のことを「カソード圧力」という。カソード圧力センサ２５は、カソード圧力を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
カソードガス排出通路２６は、燃料電池スタック１からカソードガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２６の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。
カソード調圧弁２７は、カソードガス排出通路２６に設けられる。カソード調圧弁２７として本実施形態では、弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。なお、カソード調圧弁２７として、オリフィスや、タービンノズルのようなものを用いてもよい。カソード調圧弁２７の開度はコントローラ２００によって制御される。カソード調圧弁２７の開度が大きくなるほどカソード調圧弁２７が開き、カソード調圧弁２７の開度が小さくなるほどカソード調圧弁２７が閉じる。
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するアノードガス供給装置とアノード循環系とを構成する。
本実施形態のアノードガス給排装置３は、アノードガスとして水素を燃料電池スタック１のアノード電極側に供給すると共に、燃料電池スタック１のアノード電極側から排出されるガスを燃料電池スタック１のアノード電極に再び導入して循環させる。
さらに、アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１のアノード極側から排出されるガス中の不純物を、カソード排ガスにより希釈して大気に放出する。以下では、燃料電池スタック１のアノード電極側から排出されるガスのことを「アノード排ガス」という。
アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、エゼクタ３４と、アノードガス循環通路３５と、アノード循環ポンプ３６と、アノード圧力センサ３７と、不純物排出通路３８と、パージ弁３９とを含む。なお、本実施形態のアノード循環系は、燃料電池スタック１、エゼクタ３４、アノードガス循環通路３５、及びアノード循環ポンプ３６により構成される。
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給される燃料である水素を高圧状態に保って貯蔵する。
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１に収容された水素をアノードガスとして燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端は、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
アノード調圧弁３３は、エゼクタ３４よりも上流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２の圧力、すなわちエゼクタ３４に供給されるアノードガスの圧力を調整する。アノード調圧弁３３としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３の開度は、コントローラ２００によって開閉制御される。
エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３により供給されるアノードガスに対し燃料電池スタック１から排出されるアノード排ガスを合流させて、燃料電池スタック１に供給する機械式ポンプである。
本実施形態のエゼクタ３４は、ノズル径が一定のエゼクタである。このエゼクタ３４では、高圧タンク３１から供給されるアノードガスを、流入口にあるノズルからディフューザに向けて噴射することで、ディフューザ内に負圧を発生させる。そして、この負圧を利用してアノード排ガスを吸引口からディフューザ内に吸引され、吸引させたアノード排ガスとノズルから噴射される新たなアノードガスとを混合して流出口から燃料電池スタック１に向かって排出する。
このように、エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３により供給されるアノードガスの流速を高めることにより、アノードガス循環通路３５からアノード排ガスを吸引してそのアノード排ガスを燃料電池スタック１のアノード電極に循環させる。
アノードガス循環通路３５は、燃料電池スタック１からのアノード排ガスを、アノードガス供給通路３２に導入して燃料電池スタック１に循環させる通路である。アノードガス循環通路３５の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端はエゼクタ３４の吸引口（循環口）に接続される。
アノード循環ポンプ３６は、アノードガス循環通路３５に設けられる。アノード循環ポンプ３６は、エゼクタ３４を介してアノード排ガスを燃料電池スタック１に送り出すためのアクチュエータを有する。アノード循環ポンプ３６は、燃料電池スタック１内のアノード電極を循環するアノード排ガスの循環流量を確保するために、アノードガス循環通路３５の圧力を上昇させる。
本実施形態のアノード循環ポンプ３６は、ＨＲＢ（Hydrogen recirculation blower）により実現される。アノード循環ポンプ３６のことを以下では「ＨＲＢ」とも称する。アノード循環ポンプ３６の回転数（回転速度）はコントローラ２００によって制御される。なお、アノード循環ポンプ３６は、アノード排ガスを昇圧してエゼクタ３４に送り出すものであれば良く、ＨＲＢに限られず、コンプレッサや、ポンプであってもよい。
アノード圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３７は、エゼクタ３４から燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力のことを「アノード圧力」という。アノード圧力センサ３７は、アノード圧力を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
不純物排出通路３８は、アノード排ガス中の不純物を排出する通路である。ここにいう不純物とは、燃料電池スタック１における発電に伴う生成水や、燃料電池スタック１のカソード電極から電解質膜を介してアノード電極へと透過してきた窒素ガスなどのことである。
不純物排出通路３８の一端はアノードガス循環通路３５に接続され、他端は、カソード調圧弁２７よりも下流のカソードガス排出通路２６に接続される。これにより、不純物排出通路３８から不純物と共に排出される水素が、カソードガス排出通路２６を流れるカソード排ガスによって希釈されることになる。
なお、ここでは図示されていないが、アノードガス循環通路３５と不純物排出通路３８との接続部分には、アノード排ガス中の生成水と窒素ガスなどの気体とを分離する気液分離装置が設けられている。
パージ弁３９は、不純物排出通路３８に設けられる。パージ弁３９は、アノード排ガスに含まれる不純物を外部にパージする。パージ弁３９はコントローラ２００によって開閉制御される。例えば、パージ弁３９は、デューティ制御により一定の周期で開閉を繰り返す。
パージ弁３９から不純物と共に水素がパージされ、これらを含むパージガスはカソードガス排出通路２６へと排出される。カソード排ガスによる希釈後の水素濃度が規定値以下となるように、カソード排ガスの流量が調整される。
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１の温度を冷却する装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、バイパス通路４４と、三方弁４５と、入口水温センサ４６と、出口水温センサ４７とを含む。
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１に冷却水を供給する。冷却水ポンプ４２の回転数は、コントローラ２００によって制御される。
ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１の内部で温められた冷却水をファンによって冷却する。
バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスする通路であって、燃料電池スタック１から排出された冷却水を燃料電池スタック１に戻して循環させる通路である。バイパス通路４４の一端は、冷却水ポンプ４２とラジエータ４３との間の冷却水循環通路４１に接続され、他端は三方弁４５に接続される。
三方弁４５は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を調整する。三方弁４５は、例えばサーモスタットにより実現される。三方弁４５は、ラジエータ４３と燃料電池スタック１の冷却水入口孔との間の冷却水循環通路４１においてバイパス通路４４が合流する部分に設けられる。
入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７は、冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７により検出される冷却水の温度は、燃料電池スタック１の温度として用いられる。以下では、燃料電池スタック１の温度のことを「ＦＣ温度」ともいう。
入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に流入する冷却水の温度を検出する。以下では、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度のことを「ＦＣ入口水温」という。入口水温センサ４６は、ＦＣ入口水温を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に形成された冷却水出口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。以下では、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度のことを「ＦＣ出口水温」という。出口水温センサ４７は、ＦＣ出口水温を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
負荷装置５は、燃料電池スタック１に接続され、燃料電池スタック１により供給される電力を受けて駆動する装置である。負荷装置５としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、その電動モータを制御する制御ユニット、燃料電池スタック１の発電に必要となる付属機器であるＦＣ補機などが含まれる。ＦＣ補機としては、例えば、コンプレッサ２２や、アノード循環ポンプ３６、冷却水ポンプ４２などが挙げられる。
負荷装置５の制御ユニットは、燃料電池スタック１に対する要求負荷をコントローラ２００に出力する。ここにいう要求負荷は、燃料電池スタック１の発電量と相関のあるパラメータであり、例えば、負荷装置５の駆動に必要となる要求電力や、その要求電力を負荷装置５に供給するのに必要となる燃料電池スタック１の目標電流又は目標電圧などであってもよい。負荷装置５の要求電力が大きくなるほど、燃料電池スタック１への要求負荷は高くなる。車両に搭載された燃料電池システム１００では、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求負荷が大きくなる。
負荷装置５と燃料電池スタック１との間には、電流センサ５１及び電圧センサ５２が配置される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負荷装置５の正極端子との間の電源線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電圧である端子間電圧を検出する。
コントローラ２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される制御装置である。なお、コントローラ２００は、複数のマイクロコンピュータで構成されるものであってもよい。
コントローラ２００には、流量センサ２３、カソード圧力センサ２５、アノード圧力センサ３７、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７の各出力信号と、負荷装置５からの要求負荷とが入力される。その他にコントローラ２００には、大気圧力を検出する大気圧センサ２０１の出力信号が入力される。これらの入力信号は、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータとして用いられる。
コントローラ２００は、これらの入力信号に応じて燃料電池スタック１の発電量を制御する。本実施形態では、コントローラ２００は、燃料電池スタック１に対する要求負荷の大きさに応じて、アノード調圧弁３３の開度及びアノード循環ポンプ３６の操作量を制御する。これと共にコントローラ２００は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、コンプレッサ２２の操作量及びカソード調圧弁２７の開度を制御する。
例えば、コントローラ２００は、燃料電池スタック１に対する要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの目標流量及び目標圧力、並びにアノードガスの目標循環流量及び目標圧力を演算する。
コントローラ２００は、カソードガスの目標流量及び目標圧力に基づいてコンプレッサ２２のモータトルク、及びカソード調圧弁２７の開度を制御する。これと共にコントローラ２００は、アノードガスの目標循環流量及び目標圧力に基づいてアノード循環ポンプ３６の回転数、及びアノード調圧弁３３の開度を制御する。
例えば、コントローラ２００は、燃料電池スタック１のカソード圧力とアノード圧力との差圧、すなわち極間差圧が極力小さくなるよう、カソード調圧弁２７の開度、及びアノード調圧弁３３の開度を制御する。
図２は、本実施形態におけるエゼクタ３４の性能に関する説明図である。図２（ａ）は、エゼクタ３４の性能とアノード循環系の必要揚程との関係を観念的に示している。
図２（ａ）では、横軸が、燃料電池システム１００から負荷装置５への出力電力Ｗであり、縦軸がアノード循環系の圧力損失である。ここにいうアノード循環系の圧力損失は、燃料電池スタック１におけるアノードガス入口圧力とアノードガス出口圧力との差圧である圧力損失ΔＰIOに意味する。
図２（ａ）には、燃料電池システム１００の出力電力Ｗとエゼクタ３４の揚程との関係が破線により示され、燃料電池システム１００の出力電力Ｗを確保するのに必要となるアノード循環系の必要揚程の変化が点線により示されている。
なお、エゼクタ３４の揚程とは、エゼクタ３４によるアノードガス循環通路３５の圧力の昇圧量、すなわちアノード排ガスの昇圧量のことを意味する。必要揚程とは、燃料電池スタック１に供給すべきアノードガス循環流量を確保するのに必要となるアノード排ガスの昇圧量のことを意味する。
図２（ａ）の破線で示すように、燃料電池システム１００の出力電力が高い領域、すなわち燃料電池スタック１の高負荷域では、要求負荷が大きくなるほどエゼクタ３４に供給されるアノードガスの圧力が高くなるため、エゼクタ３４の揚程が大きく上昇する。このように、本実施形態のエゼクタ３４は、燃料電池スタック１の高負荷域においてエゼクタ３４の揚程が大きくなるように設計されている。
一方、燃料電池システム１００の出力電力が低い領域、すなわち燃料電池スタック１の低負荷域では、エゼクタ３４に供給されるアノードガスの圧力が低くなるため、エゼクタ３４の揚程がマイナスになり、エゼクタ３４の構造上の特性によりアノード排ガスの圧力が下がってしまう。これに対して、図２（ａ）の実線で示すように、必要揚程を確保するには、低中負荷域においてアノード循環ポンプ３６を駆動してアノード排ガスの圧力を上昇させるのが一般的な手法である。
図２（ｂ）は、必要揚程に対するエゼクタ３４の揚程不足をアノード循環ポンプ３６のみによってアシストしたときのアノード循環ポンプ３６の消費電力を示す観念図である。
図２（ｂ）に示すように、燃料電池システム１００の出力電力が０から大きくなるほど、エゼクタ３４自身の圧力損失が原因となり、エゼクタ３４の揚程がマイナス方向に大きくなる。それゆえ、燃料電池システム１００の出力電力が０から大きくなるほど、アノード循環ポンプ３６の消費電力が大きくなる。
そして、燃料電池システム１００の出力点ｗpにおいて、エゼクタ３４の揚程がマイナス方向に最も大きくなるため、アノード循環ポンプ３６の消費電力が最大となる。出力点ｗpは、燃料電池システム１００の出力範囲のうち、概ね２０％から３０％までの区間に存在し、この区間は、車両の高速走行状態での平均出力に相当する。
燃料電池システム１００の出力電力が出力点ｗpよりも大きくなるほど、図２（ａ）に示すように、エゼクタ３４に供給されるアノードガスの圧力が高くなるので、エゼクタ３４の揚程が大きくなり、その分だけアノード循環ポンプ３６の消費電力が低下する。これにより、高負荷域においてアノード循環ポンプ３６の消費電力が０又は一定になる。
このように、エゼクタ３４の揚程がマイナス方向に最大となる出力点ｗpにおいては、アノード循環ポンプ３６の要求動力が最大となる。すなわち、燃料電池スタック１の低負荷域においては、エゼクタ３４の特性によりアノード排ガスの圧力が降下してしまうため、その分だけアノード循環ポンプ３６の消費電力が増加してしまう。
その結果、燃料電池スタック１の負荷が低負荷域にあるときには、アノード循環ポンプ３６を駆動してアノード排ガスを昇圧しているにもかかわらず、エゼクタ３４の圧力損失によりアノード排ガスの圧力が下ってしまう。すなわち、低負荷域においてはアノード循環ポンプ３６の動力の一部が無駄になってしまう。
さらに、アノード循環ポンプ３６を駆動して必要揚程を確保しようとすると燃料電池スタック１へのカソードガスの流速が高くなり、燃料電池スタック１を含むアノード循環系の圧力損失が大きくなってしまう。
これに対して、エゼクタ３４に供給するアノードガスの圧力を高くすると、アノードガスの密度が高くなるので、アノード電極への水素供給量を確保しつつ燃料電池スタック１へのアノードガスの流速を下げることが可能になる。アノード循環系の圧力損失は、アノードガスの密度、及び、アノードガスの流速の二乗に比例することから、アノードガスの流速が低下すると、アノード循環系の圧力損失が小さくなるので、アノード循環系の必要揚程も低下することになる。したがって、エゼクタ３４に供給するアノードガスの圧力を高くすることで、アノード循環ポンプ３６の動力を下げることが可能になる。
そこで、本実施形態のコントローラ２００は、エゼクタ３４によりアノード排ガスが降圧するような低負荷域において、アノード循環系の必要揚程を下げるためにアノードガスの圧力を増加させる。
図３は、本実施形態におけるアノードガス圧力の制御手法の一例を示す図である。図３（ａ）は、燃料電池スタック１に対する要求負荷と燃料電池スタック１におけるアノード圧力及びカソード圧力との関係の一例を示している。
図３（ａ）には、本実施形態における圧力制御を実行したときのアノード圧力の変化が実線により示され、カソード圧力の変化が点線により示されている。さらに図３（ａ）には、比較例が破線により示されている。
図３（ａ）の点線で示すように、本実施形態のコントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電に必要な酸素分圧を確保するため、燃料電池スタック１に対する要求負荷が大きくなるほど、燃料電池スタック１のカソード圧力を高くする。
これと共にコントローラ２００は、要求負荷が低負荷域にあるときには、カソード圧力とアノード圧力との極間差圧を、要求負荷が高負荷域にあるときに比べて大きくする。すなわち、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の負荷が低いときには、燃料電池スタック１におけるカソードガスの圧力に対してアノードガスの圧力を増加させる。
本実施形態では、コントローラ２００は、要求負荷が高くなるほどアノード圧力を大きくし、かつ、低負荷域においては要求負荷に対するアノード圧力の特性が凸部を有するようにアノード調圧弁３３の開度を制御する。
図３（ｂ）は、本実施形態における、燃料電池スタック１に対する要求負荷とアノード循環ポンプ３６の消費電力との関係を観念的に示している。
図３（ｂ）には、本実施形態における圧力制御を実行したときのアノード循環ポンプ３６の消費電力の変化が実線により示され、図３（ａ）の破線で示した圧力制御を実行したときのアノード循環ポンプ３６の消費電力の変化を表わす比較例が破線により示されている。
図３（ｂ）に示すように、低負荷域においてエゼクタ３４へのアノードガス圧力を増やすことで燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガス循環流量を下げることができるので、その分だけアノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することが可能になる。
図３（ｂ）の例では、アノード循環ポンプ３６の消費電力のピークが比較例に比べて３０％程度低減される。このように、低負荷域においてシステム全体の消費電力を増やすことなくアノード圧力を増やすことにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力のピーク値を下げることができるので、アノード循環ポンプ３６を小型にすることが可能になる。
また、低負荷域でアノードガス圧力を増やすことにより、エゼクタ３４によるアノード排ガスの圧力低下が抑制されるので、アノード循環ポンプ３６の動力の一部がエゼクタ３４によるアノード排ガスの降圧によって無駄になるという事態を回避することができる。
さらに、燃料電池スタック１が高負荷域にあるときには、アノードガス圧力の増加が抑制されるので、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給流量が多くなり過ぎるという事態を回避することができる。
仮に低負荷域でアノードガスの供給流量が過剰になったとしても、燃料電池スタック１が高負荷域へ遷移したときに余剰のアノードガスを消費することが可能になる。このため、燃料電池スタック１において必要以上にアノードガスを消費したり、余剰のアノードガスを捨てたりする必要がなくなる。したがって、燃料電池システム１００の燃費が悪化するのを抑制することができる。
さらに、高負荷域においてアノードガス圧力の増加が抑えられるので、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が小さくなり、電解質膜の耐久性が低下するのを抑制することができる。
また、高負荷域でアノードガス圧力の増加量を小さくすることにより、パージ弁３９から大気へ排出される水素の排出量が少なくなるので、燃料電池システム１００の燃費を改善することができる。さらに、アノード電極からカソード電極への水素の透過量（リーク量）が減少するので、燃費をより一層改善することができる。
なお、図３（ａ）の例では要求負荷が０から特定の値までの極低負荷域において極間差圧が０になっているが、コントローラ２００は、この極低負荷域においても極間差圧が一定、又はアノード圧力が一定となるようにアノード調圧弁３３の開度を制御してもよい。このような場合であっても、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することが可能である。
図４は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ１においてコントローラ２００は、負荷装置５からの要求負荷の大きさに応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力であるカソード圧力を制御する。例えば、コントローラ２００は、要求負荷が高くなるほどカソード圧力を大きくする。
ステップＳ２においてコントローラ２００は、要求負荷が所定の低負荷域にあるか否かを判断する。所定の低負荷域は、エゼクタ３４によるアノードガスの循環流量を確保できない負荷の領域に設定される。
ステップＳ３においてコントローラ２００は、要求負荷が所定の低負荷域にあるときには、要求負荷の大きさに応じてアノード循環ポンプ３６の動力を制御する。
ステップＳ４においてコントローラ２００は、アノード調圧弁３３の開度を制御することにより、燃料電池スタック１におけるカソード圧力とアノード圧力との極間差圧を大きくする。これにより、エゼクタ３４に供給されるアノードガスの圧力が増加するので、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガスの流速を下げることができ、図３（ｂ）に示したようにアノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができるようになる。
例えば、コントローラ２００は、燃料電池スタック１から排出されるカソード排ガスの流量だけでパージガスを希釈することができる範囲においてアノード圧力を増加させる。これにより、コンプレッサ流量を燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガス流量よりも大きくする必要がないので、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。
ステップＳ５においてコントローラ２００は、要求負荷が所定の低負荷域外にあるときには、アノード圧力とカソード圧力とが互いに等しくなうようにアノード調圧弁３３の開度を制御する。これにより、電解質膜の耐久性が低下するのを抑制することができる。
ステップＳ４又はＳ５の処理が終了すると、燃料電池システム１００の制御方法の一連の処理手順が終了する。
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスに対して燃料電池スタック１のアノード排ガスを合流させるエゼクタ３４と、エゼクタ３４にアノード排ガスを供給するアノード循環ポンプ３６とを備える。
この燃料電池システム１００の制御方法は、燃料電池スタック１に要求される要求負荷の大きさに応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御ステップＳ１を含む。さらに、制御方法は、要求負荷が低いときには、要求負荷が高いときに比して、アノード調圧弁３３により燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力とカソードガスの圧力との差圧を大きくするアノードガス制御ステップＳ２乃至Ｓ４とを含む。
このように、燃料電池スタック１の負荷が低いときにアノードガスの圧力を増やすことで、エゼクタでのアノード排ガスの降圧が抑制されるので、その分だけアノード循環ポンプ３６のアクチュエータによるアノード排ガスの昇圧量を下げることができる。したがって、アクチュエータの消費電力を低減することができる。
一方、燃料電池スタック１の負荷が高いときにはカソードガス及びアノードガスの差圧を小さくすることにより、燃料電池スタック１におけるアノード電極からカソード電極へのアノードガスのリーク量が減少するので、無駄なアノードガスの排出を抑制することができる。すなわち、燃料電池システム１００における燃費の悪化を抑制することができる。
さらに、燃料電池スタック１の負荷が高いときにはカソードガス及びアノードガスの差圧が小さくなるので、燃料電池スタック１に形成された電解質膜の耐久性が低下するのを抑制することができる。
また、本実施形態によれば、コントローラ２００は、ステップＳ３において要求負荷の大きさに応じてアノード循環ポンプ３６の動力を制御する。例えば、コントローラ２００は、図３（ｂ）に示したように、要求負荷が低いときには、要求負荷が高いときに比してアノード循環ポンプ３６によりアノード排ガスの昇圧量を大きくする。
そして、コントローラ２００は、図３（ｂ）に示したように、アノード循環ポンプ３６の動力が増加する所定の低負荷域において、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力に対してアノードガスの圧力を増加させる。これにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力の最大値が下がるので、アノード循環ポンプ３６を小型にすることが可能になる。
上述の所定の低負荷域は、図２（ａ）の破線で示したように、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガス圧力ではエゼクタ３４によってアノード排ガスを吸引して循環させることできない負荷の領域に設定される。
また、本実施形態によれば、コントローラ２００は、ステップＳ５において要求負荷が所定の低負荷域外にあるときには、カソードガスの圧力と等しくなるようにアノードガスの圧力を小さくする。これにより、燃料電池スタック１における極間差圧が０に近づくことになるので、燃料電池スタック１における電解質膜の劣化を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソードガス給排装置２と、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁３３と、燃料電池スタック１へのアノードガスに対して燃料電池スタック１のアノード排ガスを合流させるエゼクタ３４とを含む。さらに、燃料電池システム１００は、エゼクタ３４にアノード排ガスを供給するアノード循環ポンプ３６のアクチュエータと、燃料電池スタック１に接続された負荷装置５に応じて燃料電池スタック１の発電を制御する制御装置を構成するコントローラ２００と、を含む。
そして、コントローラ２００は、負荷装置５により要求される要求負荷が低いときには、負荷が高いときに比して、カソードガス給排装置２によるカソードガス圧力の操作量に対するアノード調圧弁３３の操作量の割合を大きくする。
例えば、コントローラ２００は、低負荷域においてカソードガス給排装置２におけるカソード調圧弁２７の操作量に対するアノード調圧弁３３の操作量の割合を大きくする。これにより、低負荷域においてカソード調圧弁２７の開度に対してアノード調圧弁３３の開度が大きくなることから、図３（ａ）に示したように、燃料電池スタック１におけるカソードガス圧力及びアノードガス圧力の差圧を大きくすることができる。
したがって、図３（ｂ）に示したように、燃料電池スタック１におけるアノード電極からカソード電極へのアノードガスの漏れ量を低減しつつ、アノード循環ポンプ３６の消費電力を抑制することができる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態におけるコントローラ２００の機能構成を示すブロック図である。
コントローラ２００は、Ａｎ圧力演算部２１０と、Ａｎ調圧弁ＦＢ制御器２２０と、ＨＲＢ回転数演算部２３０と、Ｃａ圧力演算部２４０と、Ｃａ流量演算部２５０と、Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０とを含む。
Ａｎ圧力演算部２１０は、負荷装置５からの要求負荷と燃料電池スタック１の温度であるＦＣ温度とに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるべきアノードガスの目標圧力を演算する。Ａｎ圧力演算部２１０の詳細については図６を参照して後述する。
本実施形態のＡｎ圧力演算部２１０は、入口水温センサ４６から出力されるＦＣ入口温度と、出口水温センサ４７から出力されるＦＣ出口温度との平均値をＦＣ温度として算出する。なお、ＦＣ温度としては、ＦＣ入口温度とＦＣ出口温度のうちいずれか一方を用いるようにしてもよい。
Ａｎ調圧弁ＦＢ制御器２２０は、アノードガスの目標圧力とアノード圧力センサ３７からのアノード圧力値とに基づいて、アノード圧力値が目標圧力に収束するよう、アノード調圧弁３３の開度をフィードバック制御する。
ＨＲＢ回転数演算部２３０は、負荷装置５からの要求負荷に基づいて、エゼクタ３４及びアノード循環ポンプ３６を含むアノード循環系の必要揚程を確保するのに必要となるアノード循環ポンプ３６の目標回転数を演算する。ＨＲＢ回転数演算部２３０の詳細については図７を参照して後述する。
ＨＲＢ回転数演算部２３０は、演算した目標回転数をアノード循環ポンプ３６に出力する。これにより、アノード循環ポンプ３６の回転数は目標回転数に制御される。
Ｃａ圧力演算部２４０は、負荷装置５からの要求負荷と上述のＦＣ温度とに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるべきカソードガスの目標圧力を演算する。Ｃａ圧力演算部２４０の詳細については図８を参照して後述する。
Ｃａ流量演算部２５０は、負荷装置５からの要求負荷と、アノード圧力センサ３７からのアノード圧力値と、大気圧センサ２０１からの大気圧力値とに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるべきカソードガスの目標流量を演算する。Ｃａ流量演算部２５０の詳細については図９を参照して後述する。
Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０は、カソードガスの目標圧力及び目標流量と、カソード圧力センサ２５からのカソード圧力値と、流量センサ２３からのコンプレッサ流量とに基づいて、コンプレッサ２２の操作量とカソード調圧弁２７の開度を制御する。コンプレッサ２２の操作量とは、例えば、コンプレッサ２２に設けられたモータのトルクを操作する量のことである。
例えば、Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０は、カソード圧力値が目標圧力に収束するように、カソード調圧弁２７の開度をフィードバック制御する。これと共にＣａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０は、コンプレッサ流量が目標流量に収束するようにコンプレッサ２２の操作量をフィードバック制御する。あるいは、Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０は、カソード圧力値が目標圧力に収束するように、カソード調圧弁２７の開度に加えてコンプレッサ２２の操作量についてもフィードバック制御するようにしてもよい。
図６は、本実施形態におけるＡｎ圧力演算部２１０の詳細構成を示すブロック図である。
Ａｎ圧力演算部２１０は、負荷装置５の要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガスの圧力を示す目標圧力を演算する。そして、Ａｎ圧力演算部２１０は、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７の検出値に基づくＦＣ温度に応じて、アノードガスの目標圧力を補正する。
図６に示すように、Ａｎ圧力演算部２１０には、ＦＣ温度ごとに、要求負荷と、要求負荷を確保するのに必要となるアノード圧力との関係を示すＡｎ圧力制御マップが格納されている。Ａｎ圧力演算部２１０は、負荷装置５から要求負荷を取得すると共にＦＣ温度を算出すると、そのＦＣ温度に対応するＡｎ圧力制御マップを参照し、取得した要求負荷に関係付けられたアノード圧力をアノードガスの目標圧力として算出する。
本実施形態では、Ａｎ圧力制御マップは、要求負荷が大きくなるほどアノード圧力が大きくなり、かつ、低負荷域においてアノード圧力の特性が凸部を有するように設定されている。
Ａｎ圧力制御マップにおいては、基本的に、電解質膜の耐久性の低下を抑えるため、カソード圧力とアノード圧力との極間差圧が小さくなるように、アノードガスの目標圧力が設定される。通常、同一の要求負荷においては、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガスの目標圧力がカソードガスの目標圧力よりも小さくなる。そのため、アノードガスの目標圧力はカソードガスの目標圧力と一致するように設定される。
低負荷域においては、図２（ａ）の破線で示したようにエゼクタ３４によるアノード排ガスの昇圧量がマイナスとなるため、エゼクタ３４に供給するアノードガスの圧力を増加させるためにアノードガスの目標圧力がカソードガスの目標圧力よりも高い値に設定される。これにより、エゼクタ３４の揚程が増加するので、その分だけアノード循環ポンプ３６の動力を低減することが可能になる。
要求負荷に対するアノード圧力の特性が凸部を有する負荷域は、図２（ａ）に示したように、アノード循環ポンプ３６の動力が増加する領域であって、エゼクタ３４の揚程が必要揚程よりも不足する領域である。例えば、アノード圧力特性の凸部は、要求負荷の上限値に対して２０％から３０％までの負荷域を含むように設定される。
また、Ａｎ圧力制御マップでは、ＦＣ温度が高くなるほどアノード圧力が大きくなる。このようにする理由は、ＦＣ温度が高くなるほど、燃料電池スタック１内の水蒸気圧が高くなることから、これに伴って燃料電池スタック１の発電に必要となる水素分圧を確保すことが必要になるからである。
そして低負荷域においては、ＦＣ温度が高くなるほど、アノード圧力特性における凸部が小さくなる。すなわち、ＦＣ温度が高くなるほど、カソードガスの目標圧力とアノードガスの目標圧力との差分を小さくする。これにより、ＦＣ温度が高いときに無用にアノードガスの圧力を高くして燃料電池スタック１へのアノードガスの供給量が過剰になるのを抑制することができる。
このように、Ａｎ圧力演算部２１０は、燃料電池スタック１に対する要求負荷が低いときには、要求負荷が高いときに比して、カソードガスの目標圧力とアノードガスの目標圧力との差分を大きくする。
そして、低負荷域においてＡｎ圧力演算部２１０は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガスの目標圧力とアノードガスの目標圧力との差分を小さくする。また、Ａｎ圧力演算部２１０は、要求負荷が低負荷域外にあるときには、カソードガスの目標圧力と等しくなるようにアノードガスの目標圧力を算出する。
図７は、本実施形態におけるＨＲＢ回転数演算部２３０の詳細構成を示すブロック図である。
ＨＲＢ回転数演算部２３０は、負荷装置５の要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノード循環ポンプ３６の回転数を示す目標回転数を演算する。
図７に示すように、ＨＲＢ回転数演算部２３０には、要求負荷と、要求負荷を確保するのに必要なＨＲＢ回転数との関係を示すＨＲＢ制御マップが格納されている。ＨＲＢ回転数演算部２３０は、負荷装置５から要求負荷を取得すると、ＨＲＢ制御マップを参照し、その要求負荷に関係付けられたＨＲＢ回転数をＨＲＢ目標回転数として算出する。
本実施形態では、ＨＲＢ制御マップは、低負荷域においてＨＲＢ回転数の特性が台形状となるように設定されている。
ＨＲＢ制御マップでは、図２（ａ）に示したようにエゼクタ３４の揚程が必要揚程を下回る低負荷域においてＨＲＢ回転数が増加する。低負荷域においては、要求負荷が０から大きくなるほどＨＲＢ回転数が大きくなり、図６のＡｎ圧力制御マップにおける凸部に相当する負荷域においてＨＲＢ回転数がほぼ一定となる。この負荷域よりも要求負荷が大きくなると、ＨＲＢ回転数が急峻に小さくなる。
図６のＡｎ圧力制御マップに凸部を設定することで、ＨＲＢ回転数のピークが抑えられて、図３（ｂ）に示したようにアノード循環ポンプ３６の消費電力を減らすことができる。したがって、燃料電池システム１００の消費電力を増やすことなく、アノード循環ポンプ３６を小型にすることができる。
このように、ＨＲＢ回転数演算部２３０は、要求負荷が低いときには、要求負荷が高いときに比して、アノード排ガスの昇圧量が大きくなるようにアノード循環ポンプ３６の回転数を増加させる。
図８は、本実施形態におけるＣａ圧力演算部２４０の詳細構成を示すブロック図である。
Ｃａ圧力演算部２４０は、負荷装置５の要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガス圧力を示す目標圧力を演算する。そして、Ｃａ圧力演算部２４０は、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７の検出値に基づくＦＣ温度に応じてカソードガスの目標圧力を補正する。
図８に示すように、Ｃａ圧力演算部２４０には、ＦＣ温度ごとに、要求負荷と、要求負荷の確保に必要なカソード圧力との関係を示すＣａ圧力制御マップが格納されている。Ｃａ圧力演算部２４０は、負荷装置５から要求負荷を取得すると共にＦＣ温度を算出すると、そのＦＣ温度に対応するＣａ圧力制御マップを参照し、取得した要求負荷に関係付けられたカソード圧力をカソードガスの目標圧力として算出する。
Ｃａ圧力制御マップは、要求負荷が大きくなるほど、カソード圧力が大きくなるように設定されている。このように設定する理由は、要求負荷が大きくほど、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソード電極における酸素分圧が大きくなるからである。
また、Ｃａ圧力制御マップは、ＦＣ温度が高くなるほど、カソード圧力が大きくなるように設定されている。このように設定する理由は、ＦＣ温度が高くなるほど、燃料電池スタック１内の水蒸気圧が高くなることから、これに伴って燃料電池スタック１の発電に必要となる酸素分圧を確保する必要があるからである。
このように、Ｃａ圧力演算部２４０は、燃料電池スタック１に対する要求負荷が高くなるほど、燃料電池スタック１に供給されるべきカソードガスの目標圧力を大きくする。そして、Ｃａ圧力演算部２４０は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガスの圧力が大きくなるようにカソードガスの目標圧力を補正する。Ｃａ圧力演算部２４０は、カソードガスの目標圧力をＣａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０に出力する。
図９は、本実施形態におけるＣａ流量演算部２５０の詳細構成を示すブロック図である。
Ｃａ流量演算部２５０は、発電流量演算部２５１と、酸素消費量演算部２５２と、Ｃａ排ガス流量演算部２５３と、希釈要求流量算出部２５４と、目標流量設定部２５５と、を含む。
発電流量演算部２５１は、負荷装置５からの要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガスの流量を示す発電要求カソード流量を演算する。
発電流量演算部２５１には、図９に示すように、燃料電池スタック１に対する要求負荷と発電要求カソード流量との関係を示すＣａ流量制御マップが格納されている。発電流量演算部２５１は、負荷装置５から要求負荷を取得すると、Ｃａ流量制御マップを参照し、その要求負荷に関係付けられた発電要求カソード流量を算出する。
Ｃａ流量制御マップは、要求負荷が大きくなるほど、発電要求カソード流量が大きくなるように設定されている。このため、発電流量演算部２５１は、要求負荷が大きくなるほど、発電要求カソード流量を大きくする。そして、発電流量演算部２５１は、発電要求カソード流量をＦＣ要求カソード流量として目標流量設定部２５５に出力する。
酸素消費量演算部２５２は、負荷装置５からの要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１での電気化学反応によって消費される酸素の消費流量を示す酸素消費量を演算する。
酸素消費量演算部２５２は、負荷装置５から要求負荷を取得すると、その要求負荷に対し予め定められた換算値を乗じて、燃料電池スタック１における酸素消費流量を算出する。
Ｃａ排ガス流量演算部２５３は、アノード圧力センサ３７からのアノード圧力値に基づいて、カソードガス排出通路２６から大気に放出される排ガス中の水素濃度が規定値、例えば４％以下となるように、カソード排ガスの希釈要求流量を演算する。ここにいうカソード排ガスの希釈要求流量とは、パージ弁３９から排出される水素の希釈に必要となるカソード排ガス流量のことである。また、Ｃａ排ガス流量演算部２５３は、大気圧センサ２０１からの大気圧力値に応じて、カソード排ガスの希釈要求流量を補正する。
Ｃａ排ガス流量演算部２５３には、図９に示すように、大気圧力値ごとに要求負荷とカソード排ガスの希釈要求流量との関係を示す希釈要求マップが格納されている。Ｃａ排ガス流量演算部２５３は、負荷装置５から要求負荷を取得すると共に大気圧センサ２０１から大気圧力値を取得すると、その大気圧力値に対応する希釈要求マップを参照し、取得した要求負荷に関係付けられた希釈要求流量を算出する。
希釈要求マップは、アノード圧力値が大きくなるほど、カソード排ガスの希釈要求流量が大きくなるように設定されている。このように設定する理由は、アノード圧力値が大きくなるほど、パージ弁３９から排出されるパージガス量が増加してカソードガス排出通路２６へ放出される水素量が増加するからである。
また、希釈要求マップは、大気圧力値が大きくなるほど、カソード排ガスの希釈要求流量が小さくなるように設定されている。このように設定する理由は、大気圧力値が大きくなるほど、アノードガス循環通路３５の圧力と大気圧との差圧が小さくなるため、パージガス量が減少するからである。
希釈要求流量算出部２５４は、カソード排ガスの希釈要求流量に対し、酸素消費量演算部２５２からの酸素消費流量を加えることにより、パージガス中の水素の希釈に必要となるコンプレッサ２２の吐出量を示す希釈要求コンプレッサ流量を算出する。希釈要求流量算出部２５４は、算出した希釈要求コンプレッサ流量を目標流量設定部２５５に出力する。
目標流量設定部２５５は、希釈要求コンプレッサ流量と、発電流量演算部２５１からのＦＣ要求カソード流量とのうち、大きい方の値をカソードガスの目標流量に設定する。目標流量設定部２５５は、設定したカソードガスの目標流量をＣａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０に出力する。
このように、希釈要求に基づくカソードガスの流量と、発電要求に基づくカソードガスの流量とのうちの大きい方の値を選択することにより、要求負荷を満たしつつ、燃料電池システム１００の排出ガスの水素濃度を規定値以下に維持することが可能になる。
図１０は、燃料電池スタック１に対する要求負荷と燃料電池システム１００の作動状態との関係の一例を示す図である。
図１０（ａ）は、燃料電池スタック１におけるアノード圧力及びカソード圧力の変化を示す。図１０（ａ）には、アノード圧力が太線により示され、カソード圧力が細線により示されている。
図１０（ｂ）は、エゼクタ３４及びアノード循環ポンプ３６を含むアノード循環系の圧力損失の変化を示す。図１０（ｂ）には、アノード循環系の必要揚程が細線により示され、エゼクタ３４の揚程が点線により示され、アノード循環ポンプ３６の揚程が太線により示されている。ここにいうアノード循環ポンプ３６の揚程は、アノード循環ポンプ３６によるアノード排ガスの昇圧量を意味する。
アノード循環系の必要揚程とは、要求負荷に応じて定められたアノードガス循環流量を確保するのに必要となるアノード排ガスの昇圧量のことを意味する。アノードガス循環流量は、要求負荷が大幅に高くなったときに燃料電池スタック１の下流側アノード電極で水素不足が発生しないように定められる。例えば、アノードガス循環流量は、要求負荷の確保に最低限必要となる循環流量に対して１．０よりも大きな所定の値を乗じて求められ、このアノードガス循環流量に基づいて必要揚程が定められる。
図１０（ｃ）は、アノード循環ポンプ３６の消費電力の変化を示す。図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）は、ＦＣ温度が低いときの燃料電池システム１００の作動状態が実線により示され、ＦＣ温度が高いときの燃料電池システム１００の作動状態が破線により示されている。
図１０（ｄ）は、カソードガスの目標流量の変化を示す図である。図１０（ｄ）には、カソードガスの希釈要求流量である希釈要求コンプレッサ流量が実線により示され、カソードガスの発電要求流量であるＦＣ要求カソード流量が一点鎖線により示されている。
なお、図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）の横軸は、互いに共通の軸であり、燃料電池スタック１に対する要求負荷Ｌを示す。
まず、ＦＣ温度が低い場合における燃料電池システム１００の動作について説明する。
要求負荷が０から負荷点Ｌ1までの第１負荷域（極低負荷域）にあるときには、図１０（ｄ）に示すように、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量よりも大きくなる。このため、図９に示した目標流量設定部２５５により希釈要求コンプレッサ流量がカソードガスの目標流量として設定される。
第１負荷域においては、図８に示したＣａ圧力演算部２４０のマップに従って、図１０（ａ）に示すように、要求負荷が高くなるほどカソード圧力が大きくなる。これと共に、図６に示したＡｎ圧力演算部２１０のマップに従って、要求負荷が高くなるほど、アノード圧力と同じようにアノード圧力が大きくなる。すなわち、カソード圧力とアノード圧力との差圧は増大しない。
このようにする理由は、第１負荷域においてアノード圧力をカソード圧力よりも大きくすると、パージガスの増量に伴って希釈要求コンプレッサ流量が増加するため、カソードガスの目標流量が増加することになる。すなわち、アノード圧力を増加するとコンプレッサ２２の消費電力が増加してしまう。この対策として、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量を上回る第１負荷域においては、カソード圧力に対するアノード圧力の増加が抑制される。すなわち、低負荷域において、要求負荷が低くなるほどアノード圧力の増加が抑制される。
さらに、図１０（ｂ）に示すように、エゼクタ３４によりアノード排ガスの昇圧が行われないため、アノード循環ポンプ３６を駆動してアノード排ガスの昇圧が行われる。このため、図１０（ｃ）に示すようにアノード循環ポンプ３６の消費電力が増加する。第１負荷域は、例えば、燃料電池スタック１の出力範囲の０％から十数％までの領域である。
要求負荷が負荷点Ｌ1まで大きくなると、図１０（ｄ）に示すように、ＦＣ要求カソード流量は希釈要求コンプレッサ流量に対して等しくなる。そして、要求負荷が負荷点Ｌ1から負荷点Ｌ4までの低負荷域にあるときには、図１０（ａ）に示すように、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧を大きくする差圧運転が実施される。これにより、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノード循環系の必要揚程が低下する。
要求負荷が負荷点Ｌ1から負荷点Ｌ2までの第２負荷域にあるときには、図６に示したＡｎ圧力演算部２１０が、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量を超えない範囲でアノード圧力をカソード圧力よりも増加させる。この例では、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量に対して等しくなるまでアノード圧力が増やされている。
第２負荷域で燃料電池スタック１のアノード圧力を増加させることにより、エゼクタ３４に供給されるアノードガスの圧力が増加するので、アノード循環系の必要揚程が下ると共に、図１０（ｂ）に示すようにエゼクタ３４の揚程がマイナスにならずに一定に維持される。このため、図１０（ｃ）に示すように、アノード圧力をカソード圧力と一致させる場合に比べてアノード循環ポンプ３６の消費電力が抑制される。第２負荷域は、例えば、燃料電池スタック１の出力範囲の十数％から二十数％までの領域である。
要求負荷が負荷点Ｌ2まで大きくなると、図１０（ｂ）に示すように、エゼクタ３４の揚程が上昇を開始する。そのため、要求負荷が負荷点Ｌ2から負荷点Ｌ3までの第３負荷域にあるときには、図１０（ａ）に示すように、カソード圧力に対するアノード圧力の増加量が小さくなる。このとき、図１０（ｄ）に示すように、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量を下回る。
第３負荷域では、図１０（ｂ）に示すように、要求負荷が大きくなるほど、エゼクタ３４の揚程が増加することから、その分だけアノード循環ポンプ３６の揚程が減少する。したがって、図１０（ｃ）に示すようにアノード循環ポンプ３６の消費電力が減少する。第３負荷域は、例えば、燃料電池スタック１の出力範囲の二十数％から三十数％までの領域である。
要求負荷が負荷点Ｌ3まで大きくなると、図１０（ｂ）に示すようにエゼクタ３４の揚程とアノード循環ポンプ３６の揚程とが互いに等しくなる。
要求負荷が負荷点Ｌ3から負荷点Ｌ4までの第４負荷域にあるときには、図１０（ｂ）に示すようにアノード循環ポンプ３６の揚程がエゼクタ３４の揚程を下回り、図１０（ａ）に示すようにカソード圧力とアノード圧力との極間差圧は小さくなる。
要求負荷が負荷点Ｌ4まで大きくなると、図１０（ｂ）に示すように、エゼクタ３４の揚程が必要揚程まで大きくなるのでアノード循環ポンプ３６の揚程が０又は一定になる。このとき、図１０（ｃ）に示すようにアノード循環ポンプ３６の消費電力が０又は一定になると共に、図１０（ａ）に示すようにアノード圧力とカソード圧力とが互いに等しくなる。
このように、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量を下回る第２負荷域乃至第４負荷域においてアノード圧力をカソード圧力に対して大きくすることで、コンプレッサ２２の消費電力が増加するのを抑制することが可能になる。
要求負荷が負荷点Ｌ4よりも高い高負荷域にあるときには、図１０（ａ）に示すようにアノード圧力とカソード圧力との極間差圧が０又は所定の値に維持される。これにより、燃料電池スタック１における電解質膜の耐久性の低下が抑制される。
このように、負荷点Ｌ1から負荷点Ｌ4までの低負荷域においてカソード圧力とアノード圧力との極間差圧を大きくすることにより、負荷点Ｌ2におけるアノード循環ポンプ３６の消費電力のピーク値を低減することができる。そして、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量を超えない範囲においてアノード圧力を増やすことにより、コンプレッサ２２の消費電力が増加するのを回避することができる。
また、要求負荷が低い低負荷域のうち、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量よりも大きくなる第１負荷域においてアノード圧力の増加を抑制することで、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。なお、第１負荷域は、燃料電池スタック１の使用割合が高い領域であることから、コンプレッサ２２の消費電力の低減に大きく寄与する。
次にＦＣ温度が高い場合における燃料電池システム１００の動作について説明する。
低負荷域においては、図１０（ａ）の点線で示すように、ＦＣ温度が高いときのアノード圧力は、ＦＣ温度が低いときのアノード圧力に比べて高くなる。また、図１０（ｂ）に示すように、ＦＣ温度が高いときの必要揚程は、ＦＣ温度が低いときの必要揚程に比べて小さくなる。
したがって、図１０（ｃ）に示すように、ＦＣ温度が高いときにはアノード圧力をカソード圧力よりも高くしなくても、アノード循環ポンプ３６の消費電力はＦＣ温度が低いときに比べて小さくなる。
このため、図１０（ａ）に示すように、ＦＣ温度が高いときには、図６に示したＡｎ圧力演算部２１０のマップに従って、ＦＣ温度が低いときに比してカソード圧力とアノード圧力との極間差圧を小さくする。これにより、アノード圧力を無用に大きくしてアノードガス循環流量が過剰になるのを回避することができる。
本発明の第２実施形態によれば、コントローラ２００は、図１０（ａ）に示したように、所定の低負荷域において、燃料電池スタック１におけるカソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧を大きくする。これにより、第１実施形態と同様、アノード循環ポンプ３６の消費電力の一部を削減でき、アノード循環ポンプ３６を駆動するアクチュエータを小型にすることができる。
さらに、本実施形態によれば、コントローラ２００は、図１０（ｃ）に示したように、所定の低負荷域において、要求負荷の大きさに応じてアノード循環ポンプ３６の動力を制御する。ここにいう所定の低負荷域は、エゼクタ３４によるアノードガスの循環流量が、要求負荷に応じて定まる基準流量に対して不足する負荷の領域に設定される。この基準流量は、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガス流量に対し、例えば１．５を乗じて求められる。
これにより、アノードガス循環流量が基準流量となるようにアノード循環ポンプ３６が駆動するので、要求負荷が急峻に高くなったとしても、燃料電池スタック１の下流側においてアノードガスが不足するという事態を回避することができる。すなわち、アノードガス不足に伴う電解質膜の性能劣化を抑制することができる。
そしてコントローラ２００は、アノード循環ポンプ３６の動力が増加する所定の低負荷域において、カソードガス圧力に対してアノードガス圧力を増加させる。これにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力のピーク値が下がるので、アノード循環ポンプ３６を小型にすることができる。
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１からのアノード排ガスに含まれる不純物を排出するパージ弁３９と、パージ弁３９からのパージガスを燃料電池スタック１のカソード排ガスにより希釈するガス通路を構成する不純物排出通路３８とを含む。
この燃料電池システム１００を制御するコントローラ２００は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスを用いてパージガスを希釈することが可能な所定の低負荷域においてアノードガス圧力をカソードガス圧力に比して増加させる。
このようにする理由は、図１０（ｄ）に示したように、アノードガス圧力の増加に伴って希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量を上回ることがない限り、コンプレッサ２２の動力は増加しないからである。そのため、本実施形態においては希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量よりも少なくなる状況でアノードガス圧力を増やすので、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減しつつ、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、コントローラ２００は、図６に示したＡｎ圧力演算部２１０に保持されたマップに従って、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧を小さくする。
図８に示したＣａ圧力演算部２４０におけるマップのように、燃料電池スタック１の温度が高くなるほどカソードガス圧力が大きくなることから、仮にカソードガス圧力を基準にしてアノードガス圧力を一定量だけ増加させると、無用にアノードガス圧力を高くしてしまう。
この対策として、本実施形態のコントローラ２００は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧を小さくする。これにより、アノードガス圧力を無用に高くするのを回避することができ、パージガスの排出量やアノード電極からカソード電極への水素リーク量が無用に増えることがなくなるので、燃費の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態では燃料電池スタック１の温度が高くなるほどカソードガス圧力とアノードガス圧力との極間差圧を小さくする例について説明したが、カソードガス圧力が高くなるほど極間差圧を小さくするようにアノード調圧弁３３の開度を制御してもよい。
例えば、図６に示したマップに代えて、カソード圧力値ごとに要求負荷とアノード圧力との関係を示すマップをＡｎ圧力演算部２１０に記録し、Ａｎ圧力演算部２１０は、カソード圧力センサ２５からの検出値又カソードガスの目標圧力を取得すると、取得した値に対応するマップを参照してアノードガスの目標圧力を算出する。このようにしても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、本実施形態によれば、図６に示したＡｎ圧力演算部２１０は、要求負荷が低いときには、要求負荷が高いときに比して燃料電池スタック１の発電に必要なアノードガス発電要求圧力よりも大きな値がアノードガスの目標圧力に設定されたマップを保持する。そして、Ａｎ圧力演算部２１０である制御部は、要求負荷を取得すると、そのマップを参照して、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を目標圧力に制御する。これにより、低負荷域におけるアノードガス圧力の増加を簡易な構成により実現することができる。
特に、Ａｎ圧力演算部２１０に保持されたマップは、要求負荷が高くなるほどアノードガスの目標圧力が大きくなり、かつ、要求負荷が低い低負荷域において目標圧力の特性が凸部を有するように設定されている。
これにより、図１０（ａ）に示したように、低負荷域（０−Ｌ4）のうち負荷が低い極低負荷域（０−Ｌ1）において極間差圧を概ね０に抑制することができる。このように、低負荷域（０−Ｌ4）において要求負荷が低くなるほど、アノードガス圧力の増加を抑制することができる。
このようにする理由は、図１０（ｄ）に示したように、極低負荷域（０−Ｌ1）においてはＦＣ要求カソード流量よりも希釈要求コンプレッサ流量が大きくなるからである。それゆえ、アノードガス圧力が増加すると、カソードガスの目標流量に設定されている希釈要求コンプレッサ流量が大きくなるため、コンプレッサ２２の消費電力が増加してしまう。
この対策として、本実施形態では低負荷域においてアノードガスの目標圧力の特性が凸部を有するようにマップを設定することで、極低負荷域におけるアノードガス圧力の増加が抑えられるので、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。
なお、燃料電池スタック１においては燃料電池の電解質膜が乾燥し過ぎると発電性能が低下し、電解質膜が濡れ過ぎても電解質膜が目詰まりを起こして発電性能が低下することから、電解質膜の湿潤状態（含水量）を燃料電池の発電に適した状態に操作することが好ましい。そこで、電解質膜の湿潤状態を操作する燃料電池システムの実施形態を以下で説明する。
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０１の構成例を示す構成図である。
燃料電池システム１０１は、図１に示した燃料電池システム１００の構成に加えて、インピーダンス測定装置６を備えている。また、燃料電池システム１０１は、燃料電池システム１００のカソードガス給排装置２に代えてカソードガス給排装置２ａを備えている。
カソードガス給排装置２ａは、図１に示したカソードガス給排装置２の構成に加えて、カソードバイパス通路２８及びバイパス弁２９を備えている。
カソードバイパス通路２８は、コンプレッサ２２により供給されるカソードガスの一部が燃料電池スタック１を迂回して外部に排出されるよう、カソードガス供給通路２１とカソードガス排出通路２６との間に設けられた通路である。カソードバイパス通路２８の一端は、インタークーラ２４と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に接続され、その他端は、カソード調圧弁２７よりも下流のカソードガス排出通路２６に接続される。
バイパス弁２９は、カソードバイパス通路２８に設けられる。バイパス弁２９は、コンプレッサ２２から供給されるカソードガスの一部をカソードガス排出通路２６へ排出するカソードガスの流量を調整する。バイパス弁２９としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。バイパス弁２９の開度はコントローラ２００によって制御される。
発電要求カソード流量に比べて希釈要求コンプレッサ流量が大きくなる状況においては、通常、コンプレッサ流量が希釈要求コンプレッサ流量となるようにコンプレッサ２２の操作量が制御される。このような場合において、図１に示した燃料電池システム１００にはカソードバイパス通路２８が設けられていないことから、燃料電池スタック１へのカソードガス流量が発電要求カソード流量に対して多くなってしまう。その結果、余剰のカソードガスに起因して燃料電池スタック１から持ち出される水分が増加し、電解質膜が乾燥するおそれがある。
そのため、発電要求カソード流量よりも希釈要求コンプレッサ流量が大きくなるときには、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が発電要求カソード流量を上回らないように、バイパス弁２９の開度がコントローラ２００によって制御される。
インピーダンス測定装置６は、電解質膜の湿潤状態を検出する装置である。インピーダンス測定装置６は、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する。インピーダンス測定装置６は、測定した内部インピーダンスをコントローラ２００に出力する。
一般に、電解質膜の含水量が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は小さくなる。そのため、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、本実施形態では燃料電池スタック１の内部インピーダンスが用いられる。
燃料電池スタック１には、正極端子１ｐと直列に接続された正極タブと、負極端子１ｎと直列に接続された負極タブとが設けられており、インピーダンス測定装置６が正極タブ及び負極タブに接続される。
インピーダンス測定装置６は、電解質膜の電気抵抗を計測するのに適した所定の周波数を有する交流電流を正極端子１ｐに供給して、正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に生じる交流電圧を検出する。インピーダンス測定装置６は、検出した交流電圧の振幅を、正極端子１ｐに供給した交流電流の振幅により除して内部インピーダンスを算出する。以下では、算出した内部インピーダンスのことをＨＦＲ（High Frequency Resistance；高周波数抵抗）という。
本実施形態のコントローラ２００には、第１実施形態で述べた入力信号の他に、インピーダンス測定装置６から出力される燃料電池スタック１のＨＦＲと、不図示のＨＲＢインバータの温度を検出するＩＮＶ温度センサ２０２の出力信号とが入力される。ＨＲＢインバータは、燃料電池スタック１又はバッテリから出力される電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をアノード循環ポンプ３６のモータに供給する。
コントローラ２００は、インピーダンス測定装置６からのＨＦＲに応じて、負荷装置５からの要求負荷を燃料電池スタック１で実現することができる範囲内でコンプレッサ２２の操作量、カソード調圧弁２７の開度、及びアノード循環ポンプ３６の回転数を操作する。本実施形態では、アノード循環ポンプ３６の回転数が大きくなるほど、アノード循環系に留保する水量が増加するので、燃料電池スタック１の電解質膜が湿った状態になる。
例えば、燃料電池スタック１のＨＦＲが目標値よりも大きい場合、すなわち電解質膜が乾いている場合には、コントローラ２００は、要求負荷を実現できる範囲において、カソードガスの流量を減らしたり、カソードガスの圧力を増やしたり、アノード循環ポンプ３６の回転数を大きくしたりする。
一方、燃料電池スタック１のＨＦＲが目標値よりも小さい場合には、コントローラ２００は、要求負荷を確保できる範囲で、カソードガスの流量を増やしたり、カソードガスの圧力を減らしたりたり、アノード循環ポンプ３６の回転数を小さくしたりする。
図１２は、本発明の第３実施形態におけるコントローラ２００の機能構成例を示すブロック図である。
本実施形態のコントローラ２００は、Ａｎ圧力演算部３１０と、Ａｎ調圧弁ＦＢ制御器３２０と、ＨＲＢ回転数演算部３３０と、Ｃａ圧力演算部３４０と、Ｃａ流量演算部３５０と、Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０と、膜湿潤ＦＢ制御器３７０とを含む。
なお、コントローラ２００における膜湿潤ＦＢ制御器３７０以外の構成は、基本的に第２実施形態の構成と同じである。ここでは、主に膜湿潤ＦＢ制御器３７０の構成について詳細に説明し、その後、第２実施形態と比較して入力パラメータが異なるＡｎ圧力演算部３１０、ＨＲＢ回転数演算部３３０、Ｃａ圧力演算部３４０及びＣａ流量演算部３５０の構成について簡単に説明する。
膜湿潤ＦＢ制御器３７０は、負荷装置５からの要求負荷とインピーダンス測定装置６からのＨＦＲとに基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標状態に操作するのに必要となる、ＨＲＢ回転数、カソード圧力及びカソード流量をそれぞれ演算する。以下ではこれらのパラメータのことを、それぞれ「湿潤要求ＨＲＢ回転数」、「湿潤要求カソード圧力」及び「湿潤要求カソード流量」という。
例えば、膜湿潤ＦＢ制御器３７０には、燃料電池スタック１の目標ＨＦＲと要求負荷との関係を示す湿潤制御マップが予め格納されている。ここにいう目標ＨＦＲは、燃料電池の電解質膜が発電に適した目標となる状態で維持されるよう、実験等を通じて決められる。例えば、要求負荷ごとに、燃料電池スタック１で生成される水量や、カソード排ガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水量などを考慮して目標ＨＦＲが決定される。
膜湿潤ＦＢ制御器３７０は、負荷装置５から、燃料電池スタック１に対する要求負荷を取得すると、湿潤制御マップを参照して、その要求負荷に関係付けられた目標ＨＦＲを算出する。そして、膜湿潤ＦＢ制御器３７０は、インピーダンス測定装置６からのＨＦＲが目標ＨＦＲとなるように、湿潤要求ＨＲＢ回転数、湿潤要求カソード圧力及び湿潤要求カソード流量をフィードバック制御する。
燃料電池スタック１のＨＦＲが目標ＨＦＲよりも大きくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味であるほど、湿潤要求ＨＲＢ回転数を大きくし、湿潤要求カソード圧力を大きくし、湿潤要求カソード流量を小さくする。湿潤要求ＨＲＢを大きくすることでアノード循環系の水分が増加するため、燃料電池スタック１の電解質膜が湿り易くなる。さらに、湿潤要求カソード圧力を大きくすると共に湿潤要求カソード流量を小さくすることでカソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水分が減少するため、電解質膜がより一層湿り易くなる。
一方、燃料電池スタック１のＨＦＲが目標ＨＦＲよりも小さくなるほど、すなわち電解質膜が湿りすぎるほど、湿潤要求ＨＲＢ回転数を小さくし、湿潤要求カソード圧力を小さくし、湿潤要求カソード流量を大きくする。これにより、燃料電池スタック１の電解質膜が乾き易くなる。
膜湿潤ＦＢ制御器３７０は、湿潤要求ＨＲＢ回転数をＨＲＢ回転数演算部３３０に出力し、湿潤要求カソード圧力をＣａ圧力演算部３４０に出力し、湿潤要求カソード流量をＣａ流量演算部３５０に出力する。
Ａｎ圧力演算部３１０は、第２実施形態のＡｎ圧力演算部２１０に対応する。Ａｎ圧力演算部３１０は、負荷装置５からの要求負荷と、ＨＲＢインバータ温度と、大気圧センサ２０１からの大気圧力値と、カソード圧力センサ２５からのカソード圧力値と、カソードガスの目標圧力とに基づいて、アノードガスの目標圧力を演算する。Ａｎ圧力演算部３１０の詳細については図１３を参照して後述する。
Ａｎ調圧弁ＦＢ制御器３２０は、第２実施形態のＡｎ調圧弁ＦＢ制御器２２０と同じ機能を有する。
ＨＲＢ回転数演算部３３０は、第２実施形態のＨＲＢ回転数演算部２３０に対応する。ＨＲＢ回転数演算部３３０は、負荷装置５からの要求負荷と、膜湿潤ＦＢ制御器３７０からの湿潤要求ＨＲＢ回転数とに基づいて、アノード循環ポンプ３６の目標回転数を演算する。ＨＲＢ回転数演算部３３０の詳細については図１８を参照して後述する。
Ｃａ圧力演算部３４０は、第２実施形態のＣａ圧力演算部２４０に対応する。Ｃａ圧力演算部３４０は、負荷装置５からの要求負荷と、アノード圧力センサ３７からのアノード圧力値とに基づいて、カソードガスの目標圧力を演算する。Ｃａ圧力演算部３４０の詳細については図１９を参照して後述する。
Ｃａ流量演算部３５０は、第２実施形態のＣａ流量演算部２５０に対応する。Ｃａ流量演算部３５０は、負荷装置５からの要求負荷と、アノード圧力センサ３７からのアノード圧力値と、大気圧センサ２０１からの大気圧力値とに基づいて、コンプレッサ目標流量及び、カソード目標流量を演算する。
コンプレッサ目標流量は、コンプレッサ２２から吐出すべきカソードガス流量の目標値を示すパラメータであり、カソード目標流量は、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガス流量の目標値を示すパラメータである。
Ｃａ流量演算部３５０は、カソード目標流量をＡｎ圧力演算部３１０に出力する共に、コンプレッサ目標流量及びカソード目標流量をＣａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０に出力する。Ｃａ流量演算部３５０の詳細については図２０を参照して後述する。
Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０は、第２実施形態のＣａ流量・圧力ＦＢ制御器２６０に対応する。Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０は、第２実施形態と同様、カソードガスの目標圧力及びコンプレッサ目標流量と、カソード圧力センサ２５からのカソード圧力値と、流量センサ２３からのコンプレッサ流量とに基づいて、コンプレッサ２２の操作量とカソード調圧弁２７の開度を制御する。
また、Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０は、コンプレッサ目標流量及びカソード目標流量に基づいてバイパス弁２９の開度を制御する。例えば、Ｃａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０は、所定のマップを参照し、カソードバイパス通路２８を流れるカソードガスの流量が、コンプレッサ目標流量からカソード目標流量を減じたバイパス流量となるように、バイパス弁２９の開度を制御する。
なお、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出するセンサをカソードガス供給通路２１に設け、そのセンサの検出値がカソード目標流量となるようにバイパス弁２９の開度をフィードバック制御するようにしてもよい。
図１３は、本実施形態におけるＡｎ圧力演算部３１０の詳細構成例を示すブロック図である。また、図１４乃至図１７は、Ａｎ圧力演算部３１０に格納されたマップを説明する図である。
Ａｎ圧力演算部３１０は、エゼクタ揚程演算部３１１と、ＨＲＢ上限揚程演算部３１２と、加算器３１３と、ＨＲＢ要求圧力演算部３１４とを含む。さらにＡｎ圧力演算部３１０は、酸素消費量演算部３１５と、Ｃａ排ガス流量演算部３１６と、Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７と、許容差圧値保持部３１８と、膜保護要求圧力算出部３１９と、昇圧設定部３２１とを含む。まら、Ａｎ圧力演算部３１０は、通常差圧値保持部３２２と、等圧制御圧力算出部３２３と、Ａｎ目標圧力設定部３２４とを含む。
エゼクタ揚程演算部３１１は、負荷装置５からの要求負荷に基づいて、エゼクタ３４の揚程（昇圧量）の予測値を示すエゼクタ予測揚程を演算する。エゼクタ３４の揚程は、エゼクタ３４のノズルから噴射されるアノードガスの噴射流量により定まり、エゼクタ３４の噴射流量は要求負荷に比例する。このため、エゼクタ揚程演算部３１１は、要求負荷が大きくなるほど、エゼクタ予測揚程を大きくする。
本実施形態では、図１４に示すように、要求負荷とエゼクタ予測揚程との関係を示すエゼクタ揚程演算マップがエゼクタ揚程演算部３１１に格納されている。エゼクタ揚程演算部３１１は、負荷装置５から要求負荷を取得すると、エゼクタ揚程演算マップを参照して、その要求負荷に関係付けられたエゼクタ予測揚程を算出する。
揚程演算マップは、低負荷域においてエゼクタ３４の揚程は０に設定され、中高負荷域においては要求負荷が大きくなるほどエゼクタ予測揚程が大きくなるように設定されている。これは、エゼクタ３４の揚程が高負荷域で大きくなるように設計されているからである。
ＨＲＢ上限揚程演算部３１２は、ＩＮＶ温度センサ２０２からのＨＲＢインバータ温度に基づいて、アノード循環ポンプ３６の昇圧量の上限値を示すＨＲＢ上限揚程を演算する。
アノード循環ポンプ３６のインバータは、内部に設けられたスイッチング素子の温度が高くなりすぎて損傷しないよう、アノード循環ポンプ３６に供給する電力を制限する。このため、ＨＲＢ上限揚程演算部３１２は、ＨＲＢインバータ温度が所定の閾値よりも高くなった場合には、ＨＲＢ上限揚程を小さくする。なお、所定の閾値は実験等により求められる。
本実施形態では、図１５に示すように、ＨＲＢインバータ温度とＨＲＢ上限揚程との関係を示すＨＲＢ制限マップがＨＲＢ上限揚程演算部３１２に格納されている。ＨＲＢ上限揚程演算部３１２は、ＩＮＶ温度センサ２０２からＨＲＢインバータ温度を取得すると、ＨＲＢ制限マップを参照して、ＨＲＢインバータ温度に関係付けられたＨＲＢ上限揚程を算出する。
ＨＲＢ制限マップは、ＨＲＢインバータ温度が０から所定の閾値までの温度域においてはＨＲＢ上限揚程が一定の値に設定されている。この温度域は、インバータのスイッチング素子の温度が高くなり過ぎず、スイッチング素子が損傷するおそれが極めて低い温度域である。
また、ＨＲＢ制限マップは、ＨＲＢインバータ温度が所定の閾値よりも高い温度域においてはＨＲＢインバータ温度が高くなるほどＨＲＢ上限揚程が小さくなるように設定されている。この温度域では、スイッチング素子の温度が上限温度を超えないように、アノード循環ポンプ３６への供給電力が制限される。
なお、本実施形態ではアノード循環ポンプ３６用インバータの温度を用いてＨＲＢ上限揚程を演算する例について説明したが、インバータの温度の代わりにインバータ内のスイッチング素子の温度や、アノード循環ポンプを駆動するモータの温度などが用いられてもよい。このようなパラメータを用いたとしてもＨＲＢ上限揚程の算出誤差を小さくすることが可能となる。
加算器３１３は、ＨＲＢ上限揚程とエゼクタ予測揚程とを加えることにより、エゼクタ３４及びアノード循環ポンプ３６による確保可能揚程を算出する。ここにいう確保可能揚程とは、エゼクタ３４及びアノード循環ポンプ３６の双方を用いてアノード排ガスを昇圧することが可能な昇圧量の上限値のことである。
ＨＲＢ要求圧力演算部３１４は、負荷装置５からの要求負荷に基づいて、アノード循環ポンプ３６の動力を軽減するために要求されるアノード圧力を示すＨＲＢ要求アノード圧力を演算する。さらにＨＲＢ要求圧力演算部３１４は、加算器３１３からの確保可能揚程に応じてＨＲＢ要求アノード圧力を補正する。
本実施形態では、図１６に示すように、アノード循環系の確保可能揚程ごとに、要求負荷とＨＲＢ要求アノード圧力との関係を示すＨＲＢ動力軽減マップが、ＨＲＢ要求圧力演算部３１４に格納されている。ＨＲＢ要求圧力演算部３１４は、負荷装置５から要求負荷を取得すると共に加算器３１３から確保可能揚程を取得すると、その確保可能揚程に対応するＨＲＢ動力軽減マップを参照し、取得した要求負荷に関係付けられたＨＲＢ要求アノード圧力を算出する。
ＨＲＢ動力軽減マップは、要求負荷が高くなるほどＨＲＢ要求アノード圧力が小さくなるように設定される。これは、図２（ａ）に示したように要求負荷が高くなるほどエゼクタ３４の揚程が大きくなるため、高負荷域ではアノード循環ポンプ３６の動力を低減することが可能になるからである。
さらに、低負荷域における要求負荷に対するアノード圧力の傾き（低下率）が高負荷域のものよりも大きくなっている。これは、低負荷域においてアノード循環ポンプ３６の動力が増加するので、低負荷域において要求負荷が低くなるほどＨＲＢ要求アノード圧力を大きくすることでアノード循環ポンプ３６の動力を高負荷域よりも軽減することが可能になるからである。これにより、アノード循環ポンプ３６の動力を低減することができ、アノード循環ポンプ３６を小型にすることが可能になる。
また、ＨＦＲ動力軽減マップは、アノード循環系の確保可能揚程が大きくなるほど、ＨＲＢ要求アノード圧力が小さくなるように設定される。これは、エゼクタ３４及びアノード循環ポンプ３６によるトータルの揚程が十分に確保されている状態であってもアノード圧力を高くして無用にアノードガス供給量を増やしたり、アノード圧力とカソード圧力との差圧を大きくしたりするのを抑制するためである。これにより、高負荷域では、図２（ａ）に示したようにエゼクタ３４の揚程が十分に大きくなることから、アノード圧力の増加を小さくすることができる。
上述のようにＨＲＢ動力軽減マップを設定することにより、図３（ｂ）及び図１０（ｂ）に示したように、低負荷域においてアノード循環ポンプ３６の消費電力のピークを低減しつつ、高負荷域においてアノード圧力とカソード圧力との差圧を小さくすることが可能になる。
ＨＲＢ要求圧力演算部３１４は、算出したＨＲＢ要求アノード圧力を昇圧設定部３２１に出力する。
酸素消費量演算部３１５は、図９に示した酸素消費量演算部２５２と同様、負荷装置５からの要求負荷に予め定められた換算値を乗じて、燃料電池スタック１における酸素消費流量を演算する。
Ｃａ排ガス流量演算部３１６は、Ｃａ流量演算部３５０からのカソードガスの目標流量から酸素消費流量を減じて、燃料電池スタック１から排出されるカソード排ガスの流量を示すカソード排ガス流量を演算する。
Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、コンプレッサ２２の動力を軽減するために要求されるアノード圧力を示すＣｏｍｐ要求アノード圧力を演算する。また、Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、大気圧センサ２０１からの大気圧力値に応じて、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力を補正する。
ここにいうＣｏｍｐ要求アノード圧力は、カソード排ガスのみを用いてパージガス中の水素を希釈することができるアノード圧力の上限値を示すパラメータである。ここにいうパージガス中の水素を希釈することができるとは、燃料電池システム１０１の排ガス中の水素濃度を規定値以下に維持することができるという意味である。すなわち、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力は、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制するためにＨＲＢ要求アノード圧力を制限するパラメータである。
本実施形態では、図１７に示すように、大気圧ごとに、燃料電池スタック１のカソード排ガス流量とＣｏｍｐ要求アノード圧力との関係を示すＣｏｍｐ制限マップがＣｏｍｐ要求圧力演算部３１７に格納されている。Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、Ｃａ排ガス流量演算部３１６からカソード排ガス流量を取得すると共に、大気圧センサ２０１から大気圧力値を取得する。そして、Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、その大気圧力値に対応するＣｏｍｐ制限マップを参照して、取得したカソード排ガス流量に関係付けられたＣｏｍｐ要求アノード圧力を算出する。
Ｃｏｍｐ制限マップは、カソード排ガス流量が大きくなるほど、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力が大きくなるように設定される。これは、カソード排ガス流量が大きくなるほど、コンプレッサ２２の動力を増加させることなくアノード圧力の増加幅を大きくすることが可能になるからである。
さらにＣｏｍｐ制限マップは、大気圧力値が大きくなるほど、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力が大きくなるように設定される。これは、大気圧力値が大きくなるほど、アノード電極からカソード電極への水素リーク量、及びパージ弁３９から大気へのパージガスの排出量が少なくなり、その分だけアノード圧力を高くすることが可能になるからである。
このように、Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、Ｃｏｍｐ制限マップを用いて、燃料電池スタック１からのカソード排ガス流量だけでパージガスを希釈することが可能なアノード圧力の上限値を算出する。これにより、コントローラ２００は、パージガスの希釈に必要となるカソードガス希釈流量が燃料電池スタック１へのカソードガスの供給流量以下となるようにアノード圧力を増加させることが可能になる。
Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、算出したＣｏｍｐ要求アノード圧力を昇圧設定部３２１に出力する。
許容差圧値保持部３１８は、カソード圧力とアノード圧力との差圧について、燃料電池スタック１の電解質膜が許容できる差圧の上限値を示す許容差圧上限値を保持する。
膜保護要求圧力算出部３１９は、カソード圧力センサ２５からのカソード圧力値に対し上述の許容差圧上限値を加えることにより、電解質膜を保護するために要求されるアノード圧力を示す膜保護要求アノード圧力を算出する。膜保護要求圧力算出部３１９は、膜保護要求アノード圧力を昇圧設定部３２１に出力する。
昇圧設定部３２１は、ＨＲＢ要求アノード圧力と、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力と、膜保護要求アノード圧力とのうち、最も小さな値を昇圧要求アノード圧力としてＡｎ目標圧力設定部３２４に出力する。
例えば、要求負荷が、図１０の負荷点Ｌ1から負荷点Ｌ2までの第２負荷域にあるときには、ＨＲＢ要求アノード圧力がＣｏｍｐ要求アノード圧力よりも大きくなるため、昇圧設定部３２１は、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力を昇圧要求アノード圧力に設定する。
また、要求負荷が、図１０の負荷点Ｌ2から負荷点Ｌ3までの第３負荷域にあるときには、ＨＲＢ要求アノード圧力がＣｏｍｐ要求アノード圧力よりも小さくなるため、昇圧設定部３２１は、ＨＲＢ要求アノード圧力を昇圧要求アノード圧力に設定する。
通常差圧値保持部３２２は、通常の発電制御中におけるカソード圧力とアノード圧力との極間差圧の基準値を示す通常差圧基準値を保持する。例えば、通常差圧基準値は、ゼロ（０）又は差圧制御の誤差を考慮した値に設定される。
等圧制御圧力算出部３２３は、カソード圧力センサ２５からのカソード圧力値に対して上述の通常差圧基準値を加えることにより、カソード圧力とアノード圧力とを互いに等しくするためのアノード圧力を示す等圧制御アノード圧力を算出する。等圧制御圧力算出部３２３は、等圧制御アノード圧力をＡｎ目標圧力設定部３２４に出力する。これにより、電解質膜の耐久性を維持することが可能になると共に、パージガスの増加が抑えられてコンプレッサ２２の動力を抑制することが可能になる。
Ａｎ目標圧力設定部３２４は、昇圧要求アノード圧力と等圧制御アノード圧力とのうち、大きい方の値をアノードガスの目標圧力として設定する。そして、Ａｎ目標圧力設定部３２４は、アノードガスの目標圧力をＡｎ調圧弁ＦＢ制御器３２０に出力する。
図１８は、本実施形態におけるＨＲＢ回転数演算部３３０の詳細構成例を示すブロック図である。
ＨＲＢ回転数演算部３３０は、発電要求回転数演算部３３１と目標回転数設定部３３２とを含む。
発電要求回転数演算部３３１は、図７に示したＨＲＢ回転数演算部３３０と同じ機能を有する。発電要求回転数演算部３３１には、図７に示したＨＲＢ制御マップと同じ内容のマップが格納されており、発電要求回転数演算部３３１は、負荷装置５からの要求負荷を取得すると、上述のマップを参照して発電要求ＨＲＢ回転数を算出する。発電要求ＨＲＢ回転数は、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノード循環ポンプ３６の回転数を示すパラメータである。
目標回転数設定部３３２は、発電要求ＨＲＢ回転数と、膜湿潤ＦＢ制御器３７０からの湿潤要求ＨＲＢ回転数とのうち、大きい方の値をアノード循環ポンプ３６の目標回転数として設定する。
インピーダンス測定装置６からのＨＦＲが目標ＨＦＲよりも大きい場合、すなわち電解質膜が乾き気味である場合において要求負荷が高負荷域にあるときには、湿潤要求ＨＲＢ回転数が発電要求ＨＲＢ回転数よりも大きくなる。このような場合には、目標回転数設定部３３２は、湿潤要求ＨＲＢ回転数を目標回転数に設定して、その目標回転数をアノード循環ポンプ３６に出力する。これにより、アノード排ガスの循環流量が大きくなり、電解質膜が湿り易くなる。
図１９は、本実施形態におけるＣａ圧力演算部３４０の詳細構成例を示すブロック図である。
Ｃａ圧力演算部３４０は、発電要求圧力演算部３４１と、許容差圧値保持部３４２と、膜保護要求圧力算出部３４３と、目標圧力設定部３４４とを含む。
発電要求圧力演算部３４１は、負荷装置５からの要求負荷に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要な酸素分圧を確保するためのカソード圧力を示す発電要求カソード圧力を演算する。
本実施形態では、燃料電池スタック１に対する要求負荷と発電要求カソード圧力との関係を示す酸素分圧制御マップが、発電要求圧力演算部３４１に格納されている。発電要求圧力演算部３４１は、負荷装置５から要求負荷を取得すると、酸素分圧制御マップを参照して、要求負荷に関係付けられた発電要求カソード圧力を算出する。
酸素分圧制御マップは、要求負荷が大きくなるほど発電要求カソード圧力が大きくなるように設定されている。これは、要求負荷が大きくなるほど、電解質膜における酸素消費量が多くなるからである。
許容差圧値保持部３４２は、電解質膜の耐圧を考慮して定められた許容差圧上限値を保持する。許容差圧上限値は、図１３の許容差圧値保持部３１８に保持された値と同じである。
膜保護要求圧力算出部３４３は、アノード圧力センサ３７からのアノード圧力値から許容差圧上限値を減じて、電解質膜を保護するのに要求されるカソード圧力を示す膜保護要求カソード圧力を演算する。膜保護要求圧力算出部３４３は、その膜保護カソード圧力を目標圧力設定部３４４に出力する。
目標圧力設定部３４４は、膜湿潤ＦＢ制御器３７０からの湿潤要求カソード圧力と、発電要求カソード圧力と、膜保護要求カソード圧力とのうち、最も大きな値をカソードガスの目標圧力として設定する。目標圧力設定部３４４は、カソードガスの目標圧力をＣａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０に出力する。
このように、Ｃａ圧力演算部３４０は、燃料電池スタック１に対する湿潤要求や、発電要求、膜保護要求などの要求に応じて、燃料電池スタック１に供給すべきカソードガスの目標圧力を算出する。すなわち、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電状態や、湿潤状態、差圧状態などの運転状態に応じて、燃料電池スタック１のカソード圧力が燃料電池スタック１に対して要求されるカソードガス圧力となるようにアノード調圧弁３３の開度を制御する。そして、図１３に示したＡｎ圧力演算部３１０の等圧制御圧力算出部３２３は、カソード圧力センサ２５からのカソード圧力値に対してアノード圧力が概ね等しくなるように、等圧制御アノード圧力を算出する。
図２０は、本実施形態におけるＣａ流量演算部３５０の詳細構成例を示すブロック図である。
Ｃａ流量演算部３５０は、発電要求流量演算部３５１と、ＦＣ要求流量設定部３５２と、酸素消費量演算部３５３と、Ｃａ排ガス流量演算部３５４と、希釈要求流量算出部３５５と、Ｃｏｍｐ目標流量設定部３５６とを含む。
発電要求流量演算部３５１は、図９に示したＣａ流量演算部２５０と同じ機能を有する。発電要求流量演算部３５１には、図２０に示すように、図９のＣａ流量制御マップと同じマップが格納されており、発電要求流量演算部３５１は、負荷装置５からの要求負荷を取得すると、Ｃａ流量制御マップを参照して発電要求カソード流量を算出する。
ＦＣ要求流量設定部３５２は、膜湿潤ＦＢ制御器３７０からの湿潤要求カソード流量と発電要求カソード流量とのうち大きい方の値をＦＣ要求カソード流量として設定する。ここにいうＦＣ要求カソード流量は、燃料電池スタック１に対する発電要求や湿潤要求などの要求によって定められる燃料電池スタック１へのカソードガスの供給流量を示すパラメータである。
ＦＣ要求流量設定部３５２は、ＦＣ要求カソード流量をカソード目標流量として、Ａｎ圧力演算部３１０及びＣａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０に出力する。
酸素消費量演算部３５３、Ｃａ排ガス流量演算部３５４及び希釈要求流量算出部３５５は、それぞれ、図９に示した酸素消費量演算部２５２、Ｃａ排ガス流量演算部２５３及び希釈要求流量算出部２５４に対して同じ機能を有する。このため、これらの構成についてはここでの説明を省略する。
Ｃｏｍｐ目標流量設定部３５６は、ＦＣ要求カソード流量と希釈要求コンプレッサ流量とのうち大きい方の値を、コンプレッサ目標流量としてＣａ流量・圧力ＦＢ制御器３６０に出力する。
本実施形態のコントローラ２００についても、図１０に示したように、燃料電池スタック１の低負荷域においてアノード圧力をカソード圧力に比して大きくする。
Ａｎ圧力演算部３１０では、図１０（ａ）に示したように、負荷点Ｌ1から負荷点Ｌ4までの第２乃至第４負荷域においてＨＲＢ要求アノード圧力がカソード圧力値を上回る。そして、図１０（ｄ）に示したように負荷点Ｌ1からＬ2までの第２負荷域において、ＨＲＢ要求アノード圧力はＣｏｍｐ要求アノード圧力により制限される。
これにより、希釈要求コンプレッサ流量がＦＣ要求カソード流量以下となるように、アノード圧力を増加させることが可能になる。このため、Ａｎ圧力演算部３１０は、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制しつつ、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができる。
本発明の第３実施形態によれば、燃料電池システム１０１は、燃料電池スタック１からのアノード排ガスに含まれる不純物を排出するパージ弁３９と、パージ弁３９から排出されるパージガスを燃料電池スタック１からのカソード排ガスを用いて希釈する通路を構成する不純物排出通路３８及びカソードガス排出通路２６とを含む。
そして、コントローラ２００のＡｎ圧力演算部３１０は、カソード目標流量に基づいて、パージガスの希釈に必要となるカソードガス希釈流量が、燃料電池スタック１から排出されるカソード排ガス流量以下となるよう、アノードガス圧力の増加量を制御する。
本実施形態では、Ａｎ圧力演算部３１０のＣｏｍｐ要求圧力演算部３１７に格納されたマップに、燃料電池スタック１からのカソード排ガス流量だけでパージガスを希釈できるアノード圧力の上限値を示すＣｏｍｐ要求アノード圧力が設定されている。このため、Ｃｏｍｐ要求圧力演算部３１７は、そのマップに従って、Ｃｏｍｐ要求アノード圧力を算出して昇圧設定部３２１に出力する。
これにより、低負荷域において、ＨＲＢ要求アノード圧力がカソード圧力よりも大きくなってＣｏｍｐ要求アノード圧力を上回ったとしても、昇圧設定部３２１によりＣｏｍｐ要求アノード圧力がアノードガスの目標圧力として設定される。このため、アノードガスの目標圧力はＣｏｍｐ要求アノード圧力よりも大きな値になることはない。
したがって、コントローラ２００は、パージガスの希釈に必要となるカソードガス希釈流量が燃料電池スタック１のカソード排ガス流量以下となるよう、アノード圧力の増加量を増加又は減少させることが可能になる。これにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減しつつ、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、膜保護要求圧力算出部３１９は、カソード圧力値に許容差圧の上限値を加算した値を示す膜保護要求アノード圧力を昇圧設定部３２１に出力する。これにより、Ａｎ圧力演算部３１０において、ＨＲＢ要求アノード圧力及びＣｏｍｐ要求アノード圧力が共に膜保護要求アノード圧力よりも大きくなったとしても、昇圧設定部３２１により膜保護要求アノード圧力がアノードガスの目標圧力として設定される。
したがって、コントローラ２００は、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が電解質膜の許容差圧以下となるように、アノード圧力の増加量を制限することが可能になる。これにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減しつつ、電解質膜の耐久性が低下して発電性能が低下するのを回避することができる。
上記の各実施形態では、高負荷域において極間差圧が小さくなるようにアノード圧力及びカソード圧力を等圧制御する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック１における電解質膜の耐久性の高い燃料電池システムにおいては、次図に示すように、燃料電池スタック１の発電に必要となる圧力値にアノード圧力を制御するようにしてもよい。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態におけるコントローラ２００について説明する。本実施形態のコントローラ２００の基本構成は、図５に示したコントローラの構成と同様であるが、Ａｎ圧力演算部２１０のメモリに保持されたマップの設定内容が異なる。
図２１は、本発明の第４実施形態におけるコントローラ２００によるアノード圧力制御の一例を示す図である。
図２１には、本実施形態のコントローラ２００による圧力制御を実行したときのアノード圧力の変化が実線により示され、中高負荷において等圧制御を実行したときのアノード圧力の変化が破線により示されている。
図２１に示すように、本実施形態のコントローラ２００は、低負荷域においては図１０（ａ）の太線のように、要求負荷に対するアノード圧力の特性が凸部を有するようにアノード調圧弁３３の開度を制御する。
高負荷域においては、本実施形態のコントローラ２００は、他の実施形態とは異なり、アノード圧力を燃料電池スタック１の発電に必要となる圧力値に制御する。これにより、図２１の実線で示すように、破線で示された等圧制御に比べて、要求負荷に対するアノード圧力の勾配は小さくなる。
例えば、コントローラ２００は、図２１の実線で示すような要求負荷とアノードガスの目標圧力との関係を示した圧力制御マップを、図６に示したＡｎ圧力演算部２１０のメモリに保持し、この圧力制御マップに従ってアノード圧力を目標圧力に制御する。なお、燃料電池スタック１の発電に必要となる圧力値を考慮したうえで、圧力制御マップの要求負荷に対するアノード圧力の勾配をゼロにしてもよい。
あるいは、図１３に示したＡｎ圧力演算部３１０の構成のうち、通常差圧値保持部３２２、等圧制御圧力算出部３２３、及びＡｎ目標圧力設定部３２４を省略して、昇圧設定部３２１の出力をアノードガスの目標圧力としてもよい。このような構成であっても、図２１のように、高負荷域において、等圧制御に比べて要求負荷が高くなるほど緩やかにアノード圧力が大きくなったり、あるいは、アノード圧力が一定になったりする。
本発明の第４実施形態によれば、エゼクタ３４及びアノード循環ポンプ３６を備える燃料電池システム１００のコントローラ２００は、メモリを有するＡｎ圧力演算部２１０を備える。Ａｎ圧力演算部２１０のメモリは、燃料電池スタック１の負荷が低いときには負荷が高いときに比して燃料電池スタック１の発電に必要となるアノード圧力よりも大きな値をアノードガスの目標圧力に設定したマップを保持する。コントローラ２００は、燃料電池スタック１に対する要求負荷を取得すると、そのマップを参照して、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を目標圧力に制御する。
これにより、コントローラ２００は、簡易な構成により、燃料電池スタック１の低負荷域において、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガス圧力値よりも高くすることが可能になる。したがって、コントローラ２００の演算負荷を軽減しつつ、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができるようになる。
さらに本実施形態によれば、図６に示したように、Ａｎ圧力演算部２１０のマップは、燃料電池スタック１の負荷が高くなるほどアノードガスの目標圧力が大きくなり、かつ、負荷が低い負荷域において目標圧力の特性が凸部を有するように設定される。
このように、第２実施形態と同様、低負荷域においては希釈要求コンプレッサ流量が発電要求カソード流量を超えない範囲でアノード圧力を増加させることにより、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制しつつアノード循環ポンプ３６を小型化することができる。
さらに本実施形態では、図２１に示したように、負荷が高い負荷域においてアノードガスの目標圧力の勾配がカソードガスの目標圧力の勾配よりも小さくなるように設定される。
このように、高負荷域においてはアノード圧力をカソード圧力よりも小さくすることにより、アノード電極から電解質膜を介してカソード電極に透過してくる水素のリーク量が少なくなるので、燃料電池システム１００の燃費を改善することができる。
さらに、図１０（ｂ）に示したエゼクタ３４の揚程が上昇する負荷点Ｌ2を例えば負荷点Ｌ1へ移動させることが可能となる。その結果、低負荷域でエゼクタ３４の揚程が高くなるため、アノード循環ポンプ３６の要求動力が小さくなり、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、図１０（ａ）では低負荷域のうち負荷点Ｌ1から負荷点Ｌ4までの負荷域のみ、カソードガス圧力とアノードガス圧力との極間差圧を大きくする例について説明したが、コンプレッサ２２の消費電力の増加が軽微であれば０から負荷点Ｌ1までの負荷域においても極間差圧を大きくしてもよい。このようにしてもアノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができる。
また、本実施形態ではエゼクタ３４を介して燃料電池スタック１にアノードガスを供給するアノードガス供給装置をアノード調圧弁３３により構成したが、インジェクタやポンプなどにより構成するようにしてもよい。
また、本実施形態では図９及び図２０に示したようにコンプレッサ目標流量を演算するにあたりＦＣ要求流量と希釈要求コンプレッサ流量とを考慮したが、コンプレッサ２２のサージングの発生を回避するのに必要となるサージ回避要求コンプレッサ流量をさらに考慮するようにしてもよい。
また、本実施形態では図１９に示したようにカソードガスの目標圧力を演算するにあたり、湿潤要求、発電要求、膜保護要求を考慮したが、これに加えて、コンプレッサ２２の下流にある部品の過熱を回避するために要求される部品保護要求を考慮するようにしてもよい。
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
本願は、２０１６年３月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１６−５１４７２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (10)

  1. 燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、前記燃料電池に供給されるアノードガスに対して前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを合流させるエゼクタと、前記エゼクタに当該アノード排ガスを供給するアクチュエータと、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池に要求される負荷の大きさに応じて、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を制御するカソードガス制御ステップと、
    前記負荷が低いときには、前記負荷が高いときに比して、前記アノードガス供給装置により前記カソードガスの圧力と前記アノードガスの圧力との差圧を大きくするアノードガス制御ステップと、を含み、
    前記アノードガス制御ステップでは、
    前記負荷が低いときには、前記負荷が高いときに比して、前記アクチュエータにより前記アノード排ガスの昇圧量を大きくし、
    前記アクチュエータの動力が増加する所定の負荷域において、前記カソードガスの圧力に対して前記アノードガスの圧力を増加させる、
    燃料電池システムの制御方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記アノードガス制御ステップでは、前記負荷が前記所定の負荷域外にあるときには、前記カソードガスの圧力まで前記アノードガスの圧力を小さくする、
    燃料電池システムの制御方法。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    前記燃料電池からのアノード排ガスに含まれる不純物を排出するパージ弁と、
    前記パージ弁から排出されるパージガスを前記燃料電池からのカソード排ガスにより希釈するガス通路と、を含み、
    前記アノードガス制御ステップでは、
    前記燃料電池に供給されるカソードガスの目標流量を演算し、
    前記カソードガスの目標流量に応じて、前記パージガスの希釈に必要となるカソードガス流量が前記燃料電池から排出されるカソード排ガスの流量以下となる範囲で、前記アノードガスの圧力を増加させる、
    燃料電池システムの制御方法。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記アノードガス制御ステップでは、前記負荷が低い所定の負荷域において、前記負荷が低くなるほど前記アノードガスの圧力の増加を抑制する、
    燃料電池システムの制御方法。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記アノードガス制御ステップでは、
    前記燃料電池における電解質膜の許容差圧に基づいて、前記アノードガスの圧力と前記カソードガスの圧力との差圧が前記許容差圧以下となるよう、前記アノードガスの圧力を制限する、
    燃料電池システムの制御方法。
  6. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記所定の負荷域は、前記エゼクタによるアノードガスの循環量が、前記負荷により定まる循環量に対して不足する負荷の領域である、
    燃料電池システムの制御方法。
  7. 請求項１又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    前記燃料電池からのアノード排ガスに含まれる不純物を排出するパージ弁と、
    前記パージ弁から排出されたパージガスを前記燃料電池からのカソード排ガスにより希釈するガス通路と、を含み、
    前記所定の負荷域は、前記燃料電池に供給されるカソードガスを用いて前記パージガスを希釈することができる負荷の領域である、
    燃料電池システムの制御方法。
  8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記アノードガス制御ステップでは、前記燃料電池の温度又はカソードガスの圧力が高くなるほど、前記差圧を小さくする、
    燃料電池システムの制御方法。
  9. 燃料電池に供給されるアノードガスに対して前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを合流させるエゼクタと、前記エゼクタに当該アノード排ガスを供給するアクチュエータと、を備える燃料電池システムの制御装置であって、
    前記燃料電池の負荷が低いときには、前記負荷が高いときに比して前記燃料電池の発電に必要となるアノードガス圧力よりも大きな値がアノードガスの目標圧力に設定されたマップを保持するメモリと、
    前記燃料電池に対する要求負荷が取得されると、前記マップを参照して、前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を前記目標圧力に制御する制御部と、を含み、
    前記マップは、前記負荷が高くなるほど前記目標圧力が大きくなり、かつ、前記負荷が低い負荷域において前記目標圧力が凸部を有する、
    燃料電池システムの制御装置。
  10. 燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、
    前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
    前記燃料電池に供給されるアノードガスに対して前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを合流させるエゼクタと、
    前記エゼクタに前記アノード排ガスを供給するアクチュエータと、
    前記燃料電池に接続された負荷に応じて前記燃料電池の発電を制御する制御装置と、を含み、
    前記制御装置は、前記負荷が低いときには、前記負荷が高いときに比して、前記アノード排ガスの昇圧量が大きくなるよう前記アクチュエータの動力を制御し、
    前記アクチュエータの動力が増加する所定の負荷域において、前記カソードガスの圧力に対して前記アノードガスの圧力が増加するよう、前記カソードガス供給装置によるカソードガス圧力の操作量に対する前記調圧弁の操作量の割合を大きくする、
    燃料電池システム。
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