WO2007117015A1

WO2007117015A1 - 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法

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Publication number: WO2007117015A1
Application number: PCT/JP2007/057930
Authority: WO
Inventors: Naohisa Tsuchiya; Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2007-10-18
Also published as: US8323844B2; US20090098426A1; DE112007000808B8; CN101416340B; JP2007280799A; JP5266620B2; DE112007000808T5; DE112007000808B4; CN101416340A

Abstract

　燃料電池運転システムにおいてＦＣ電流制御は、大別して２つの部分に分けて考えることができる。前半部分は、全エア送気量算出工程（１２０）と、ＦＣエア量算出工程（１２２）と、バイパスエア量算出工程（１２６）とを実行する部分である。これらは、ストイキマップ（１１０）、ポンピング水素量マップ（１１２）等を用いて実行される。後半部分は、算出されたＦＣエア量とバイパスエア量とに基づいて、調整弁開度指令値（１４２）とバイパス弁開度指令値（１４４）等を求める部分である。ここでは調整弁開度マップ（１１４）等が用いられる。これらの指令値によって燃料電池スタックから発電電力が出力されると、実際のＦＣ電流値がＦＣ電流指令値と比較され、その偏差に基づいて調整弁開度の補正が行われる。

Description

燃料電池運転システム及び燃料鼋池運転システムにおける弁開度算出方法技術分野

本発明は、燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法に係り、特に水素を燃料ガスとする燃料電池において力ソード側に酸ィ匕ガスの流れを調整する弁を有する燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法に関する。

明

背景技術田

燃料電池として、固体電解質膜及び触媒層の積層体である膜積層体（Memb r ame E l e c t r o de A s s e mb 1 y : ME A) を挟んでアノード側に燃料ガスとしての水素を供給し、力ソード側に酸化ガスとしての空気を供給するシステムが周知である。この燃料電池運転システムでは、 MEAを含むセル内部において、水素と、空気中の酸素との反応によって電力を発生するとともに、力ソード側から反応生成物としての水が排出される。力ソード側に供給する空気の量を調整するため、燃料電池の力ソード側出口に背圧バルブ、あるいは調圧弁と呼ばれる調整弁が設けられる。

例えば、日本国特開 2003-180006号公報には、高価なバヅテリパヅクを用いない燃料電池車両用の回生制動システムが開示され、ここでは、燃料電池のカソ一ド側出口と大気開放端との間に背圧バルブが設けられ、また圧縮空気を供給するコンプレッサと力ソードとの間に、大気開放端へのバイパスのための 3方弁であるバイパスルブが設けられている。そして、回生制動の際には、背圧弁を閉じ、バイパス弁を調整し、エアコンプレッサのコンプレヅサ負荷を調節して、人工損を発生させ回生トルクを調節することが述べられている。 . 上記日本国特開 2003-180006号公報に述べられるバイパス弁は、バッテリパックを用いなレ、燃料電池において回生制動を行わせるために利用されている特別な場合であるが、その他に、ノ^:ィパス弁は水素ガスを希釈して大気に排気するための希釈ガス 0供給のために用いられている。すなわち、 M E Aは膜の積層体であるので、アノード側から力ソード側に水素が一部漏れることがあり、この漏れてきた水素と、ァノ一ド側における未反応の水素は、空気でもって希釈され排出される。そこで、バイパス弁によって、酸化ガスでもある空気は、セルにおける反応のためのガスと、希釈のためのガスとに振り分けられる。

このように、水素を燃料ガスとする燃料運転システムにおいては、水素ガスの供給、空気の供給とともに、いくつかの弁の操作によって、適切な発電電力の取り出しと、発電反応物の水の排水とともに排気の希釈等が行われている。

燃料電池運転システムにおけるこれらの弁については、燃料電池に要求される発電電力等に基づき、ガス流路の圧力センサ等の検出結果を用いて、弁の開度指令を算出し、制御が行われる。

ところで、圧力センサ等は、低温において作動しなくなることがある。このような場合には、弁の閧度指令算出を行うことができなくなる。'

本発明の目的は、圧力センサ等を用いることなく、弁の開度指令を算出することができる燃料電池運転システム及ぴ燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法を提供することである。発明の開示

本発明に係る燃料電池運転システムは、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池の力ソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソ一ド側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソ一ド側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、力ソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、ノイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムであって、制御部は、予め求められているバイパス弁の流量特性に、ノィパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める手段と、予め求められている燃料電池のカソ一ド側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、力ソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める'手段と、を有すること特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、制御部は、さらに、燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料鼋池の内部においてアノード側からカソード側に漏れてくる燃料ガスのクロスリーク量を求める手段と、燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソ一ド側ガス入口に供給するガス流量を求める手段と、求められたクロスリーク量に基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める手段と、を有することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、制御部は、さらに、ァノ一ド側における未反応の燃料ガス流量を求める手段を有し、バイパス流路に流すガス流量を求める手段は、 .クロスリーク量と、アノード側における未反応の燃料ガス流量とに基づいて、バイパス流路に流すガス流量を求めることが好ましい。また、本発明に係る燃料電池運転システムにおいて、制御部は、さらに、求められた調整弁の開度の下で運転された燃料電池の実際の発電出力と、燃料電池に要求された出力電力との偏差に基づいて、調整弁の開度を補正する手段を有することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法は、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池の力ソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソ一ド側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソ一ド側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、力ソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法であって、燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池内部においてァノード側からカソ一ド側に漏れてくる燃料ガスのクロスリーク量を求める工程と、燃料電池に要求される出力電力に基づいて力ソード側ガス入口に供給するガス流量を求める工程と、求められたクロスリーク量に基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める工程と、予め求められているバイパス弁の流量特性に

、ノィパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める工程と、予め求められている燃料電池のカソ一ド側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、力ソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法において、さらに、アノード側における未反応の燃料ガス流量を求める工程を有し、バイパス流路に流すガス流量を求める工程は、クロスリーク量と、アノード側における未反応の燃料ガス流量とに基づいて、バイパス流路に流すガス流量を求めることが好ましい。

上記構成により、燃料電池運転システムは、力ソード側において、調整弁が入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、クイパス弁が燃料電池と並列に、入口側流路と出口側流路を接続するように設けられる。そして、予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求め、予め求められている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧とカソード側ガス流量とを適用して調整弁の開度を求める。したがって、圧力センサ等を用いることなく、弁の開度指令を求めることができる。，

予め求められていた特性にガス流量等を適用するには、特性を計算式の形式で表わし、ガス流量等を入力して調整弁の開度等を算出させてその結果を出力させてもよく、あるいは特性をルックアップテーブルの形式で表わし、ガス流量等を入力して調整弁の開度等を読み出して取得してもよい。また、これらの変換形式を R O M等に内蔵させ、ガス流量等を入力とし、調整弁の開度等を出力として取得することでもよい。

また、燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池の内部においてァノード側からカソ一ド側に漏れてくるクロスリーク量を求め、燃料電池に要求される出力電力に基づいて力ソード側ガス入口に供給するガス流量を求め、求められたクロスリーク量に基づき、水素希釈のためにバイパス流路に流すガス流量を求める。したがって、バイパス弁の特性に入力するバイパスガス流量も、圧力センサ等を用いることなく求めることができる。これらの求め方も、計算式の形式に入力デ一夕を適用し所望の出力値を算出してもよく、ルックアップテーブルの形式を用いて入力デ一夕に対する出力デ一夕を取得してもよく、あるいは R O M 等を用いて入力デ一夕を所望の出力データに変換させてもよい。

また、ノィパス流路に流すガス流量は、クロスリーク量と、アノード側における未反応の燃料ガス流量とに基づいて求めるものとするので、クロスリークによつて漏れてくる燃料ガスと、アノード側で未反応燃料ガスとして排出されるガスの両方を希釈する場合のバイパスガス流量も、圧力センサ等を用いることなく求めることができる。

また、求められた調整弁の開度の下で運転された燃料電池の実際の発電出力と、燃料電池に要求された出力電力との偏差に基づいて、調整弁の開度を補正することとするので、弁の閧度のずれをフィードバックにより補正することができる

図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る実施の形態の燃料電池運転システムの構成図である。図 2は、本発明に係る実施の形態において、各エア量、各弁の開度等の関係を示す図である。

図 3は、本発明に係る実施の形態において、 F C電流の制御に関するブロックダイヤグラムである。

図 4は、本発明に係る実施の形態において、ストィキマップを説明する図である。

図 5は、本発明に係る実施の形態において、ボンビング水素量マップを説明する図である。

図 6は、本発明に係る実施の形態において、調整弁閧度マップを説明する図である。図 7は、本発明に係る実施の形態において、バイパス弁開度に関して、バイパス弁を全開にすることを説明するための図である。 . 発明を実施するための最良の形態

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図 1は燃料電池運転システム 1 0の構成図である。燃料電池運転システム 1 0は、システム本体部 2 0と、システム本体部 2 0の各要素をシステム全体として制御する制御部 7 0と、燃料電池の発電量を指示する要求発電量入力部 6 6と、制御部 7 0 において用いるデータ変換用マップを記憶するマップ記憶部 6 8を含んで構成されている。

システム本体部 2 0は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック 2 2 と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック 2 2のアノード側に配置される燃料ガスである水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される酸ィ匕ガスである空気供給のための各要素を含んで構成される。

ァノード側の燃料ガス供給源 2 4は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。燃料ガス供給源 2 4は、レギユレ一夕 2 6に接続される。レギユレ一夕 2 6は、燃料ガス供給源 2 4からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギユレ一夕 2 6の出力口に設けられる圧力計 2 8は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギユレ一夕 2 6の出力口は燃料電池ス夕ヅク 2 2のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された水素ガスが燃料電池ス夕ヅク 2 2に供給される。

燃料電池スタック 2 2のアノード側出口から排出されるガスは、発電で水素が消費されて水素濃度が低くなり、また、 M E Aを通して力ソード側の空気の成分である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなつている。また、 M E A を通して、反応生成物の水も透過してくる。

燃料電池ス夕ヅク 2 2のアノード側出口に接続される分流器 3 2は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ 3 4 を通して希釈器 6 4に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器 3 2の後でさらにァノ一ド側入口との間に設けられる循環昇圧器 3 0は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

力ソード側の酸化ガス供給源 4 0は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス供給源 4 0である大気（エア）はフィル夕 4 2を通してから力ソード側に供給される。フィル夕 4 2の後に設けられる流量計 4 4は、酸化ガス供給源 4 0 からの全供給流量を検出するフ口一メ一夕である。また、フィル夕 4 2の後に設けられる温度計 4 6は、 '酸素ガス供給源 4 0からのガスの温度を検出する機能を有する。

エアコンプレッサ（A C P ) 4 8は、モー夕 5 0によって酸化ガスである空気を容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。また A C P ( 4 8 ) は、制御部 7 0の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モー夕 5 0の回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モ一夕 5 0の回転速度を下げる。 A C P消費電力検出部 5 2は、 A C P ( 4 8 ) の消費電力、具体的にはモー夕 5 0の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モ一夕 5 0は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モー夕の回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。

このように燃料電池ス夕ヅク 2 2の力ソード側には酸化ガスとしての空気が A C P ( 4 8 ) によって制御部 7 0の制御の下で供給される。すなわちここでは、酸化ガスと、空気、あるいはエアとは、同義語である。したがって、酸化ガス供給源 4 0から A C P ( 4 8 ) までの要素を、酸化ガス供給装置と呼ぶことができる。

加湿器 5 4は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック 2 2での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器 5 4により適度に湿らせられた酸ィ匕ガスは、燃料電池スタック 2 2の力ソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック 2 2は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器 5 4に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器 5 4は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。すなわち、加湿器 5 4は、 A C P ( 4 8 ) からのガスが流れる流路と、水蒸気が流れる流路との間でガス交換できる構成となっている。例えば、中空糸の内側流路を A C P ( 4 8 ) からの酸化ガスの流路とし、中空糸の外側流路を燃料電池スタヅク 2 2の力ソード側出口からの水蒸気とすることで、燃料電池スタック 2 2 のカソ一ド側入口への酸化ガスを適度に湿らせることができる。

ここで、上記の酸化ガス供給装置と、燃料電池スタック 2 2の力ソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック 2 2の力ソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。

出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計 5 6は、カゾード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調整弁 6 0は、背圧弁とも呼ばれるが、力ソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック 2 2への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。なお、調整弁 6 0は、場合によっては入口側流路に設けられるものとしてもよい。

調整弁 6 0の出力口は、上記の加湿器 5 4に接続されるので、調整弁 6 0を出たガスは加湿器 5 4に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器 6 4に入り、その後外部に排出される。

バイパス弁 6 2は、入口側流路と出口側流路を接続して燃料電池スタック 2 2 と並列に配置されるバイパス流路に設けられる弁で、主に、排気における水素濃度を希釈するための空気を希釈器 6 4に供給する機能を有する。すなわち、パス弁 6 2を開くことで、 A C P ( 4 8 ) からの酸化ガスを、燃料電池スタック 2 2へ流れる成分とは別に、燃料電池スタック 2 2を流れずにバイパス流路を経由して、希釈器 6 4に供給することができる。バイパス弁 6 2としては、ェンジンの排気ガス希釈のために用いられる排気バイパス弁と同様な構成のものを用いることができる。希釈器 6 4は、ァノ一ド側の排気バルブ 3 4からの水素混じりの排水、及び、カソ一ド側の水蒸気混じりでさらに M E Aを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。そして、水素濃度が適当な濃度を超えるときは、バイパス弁 6 2を開けることで燃料電池スタック 2 2を経由せずに提供される酸ィヒガスを用いてさらに適度な希釈を行うことができる。

制御部 7 0は、システム本体部 2 0の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池 C P Uと呼ばれることがある。制御部 7 0は、特に、燃料電池の運転状況に応じて弁の開度指令を求めるための機能を有する。燃料電池運転システム 1 0の力ソード側には調整弁 6 0とバイパス弁 6 2が設けられているが、その弁の閧度を求める前提として、 A C P ( 4 8 ) から供給される酸化ガス（空気）の総量を全エア送気量とし、.その全エア送気量を、燃料電池スタック 2 2の力ソード側に供給される F Cエア量と、バイパス流路に流すバイパスエア量に配分する。そして、調整弁 6 0とバイパス弁 6 2の開度指令は、 F C エア量とバイパスエア量とに応じて求められる。

すなわち、制御部 7 0は、弁開度指令を求めるために、アノード側における未反応水素量及び M E Aを通してァノ一ド側からカソ一ド側に漏れてくるクロスリ —ク量を求めるボンビング水素量取得モジュール 7 2と、全エア送気量を求める全エア送気量算出モジュール 7 4と、 F Cエア量算出モジュール 7 6と、バイパスエア量算出モジュール 7 8と、バイパス弁 6 2の両端の圧力差を求める入口出口差圧取得モジュール 8 0と、調整弁の開度等を求める調整弁開度取得モジユール 8 2と、調整弁の開度を F C発電量からフィードバックして補正する調整弁開度ライ一ドバックモジュール 8 4を含んで構成される。これらの機能はソフトウエアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム、あるいはそれに含まれる弁凍結防止プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハ一ドゥエァで実現することもできる。

なお、ここで、所望のデ一夕を求める機能について、算出と取得というように表現を変えたのは、演算を用いて所望値を算出する機能と、後述のように、マツプ記憶部 6 8からの特性マップを用いて入力デ一夕を出力デ一夕に変換して所望値を取得する機能とを区別するためである。

要求発竃量入力部 6 6は、燃料電池運転システム 1 0に対し、 F C発電電力をいくらにするかの設定値を入力する機能を有する。具体的には、キーボード等の手入力手段を用いることができ、また、車両用の燃料電池運転システム等にあつては、図示されていない車両運行制御部からの指令を受け取る手段とすることができる。後者の場合は、車両の運行状況に応じて、車両運行制御部から自動的に要求発電量が要求発電量入力部 6 6に伝送される。

マップ記憶部 6 8は、制御部 7 0の弁開度を求める機能を実行するために必要なマップを記憶する記憶装置で、半導体メモリ等で構成することができる。マツプというのは、複数の変数を用いて所定の関数関係で表現される特性を、ルックアップテーブル等の表現形式で表わしたもので、変数を入力デ一夕として、それに対応する特性値を出力データとして読み出すことができるものである。このように、マップは、入力デ一夕から出力データへの変換手段の 1つの種類である。したがって、ルックァップテーブルの表現形式以外でもよく、例えば、特性を計算式の形式で表わし、変数を入力データとすれば、それに対応する特性値が出力されるものであってもよい。マップ記憶部 6 8は、例えば; R OMテーブルの形式で構成することができる。

マヅプ記憶部 6 8には、複数のマップが記憶される。 1つ目は、エア量に対するストィキマップである。ストィキマップとは、燃料電池において理論的に反応するのに必要なエアの理論必要量に対し、実用上どれ位増量するかを、燃料電池の温度と、 F C発電電力、より具体的には F C電流を変数として、係数テーブル形式で表わすものである。

2つ目は、ボンビング水素量マップである。ボンビング水素量マヅプは、燃料電池反応において、アノード側における未反応水素量及び燃料電池内部でァノード側からカソ一ド側に漏れてくる水素量を、 F C電流を変数としてテーブル形式で表わすものである。ポンピング水素マップは、燃料電池内部でアノード側から力ソード側に漏れてくる水素量であるいわゆるクロスリーク量が支配的な場合には、クロスリーク量を、 F C電流を変数としてテ一ブル形式で表わしてもよい。また、逆に、アノード側における未反応水素量が支配的な場合には、未反応水素量を、 F C電流を変数としてテーブル形式で表わしてもよい。クロスリーク量と未反応水素量の双方を考慮する場合には、双方の合計量を、 F C電流を変数としてテーブル形式で表わすことがよい。

3つ目は、調整弁開度マップである。調整弁開度マップは、調整弁の開度指令値を、 F Cエア量と、入口出口差圧とを変数として、テーブル形式で表わすものである。ここで入口出口差圧とは、燃料電池ス夕ヅク 2 2の力ソード側入口のガス圧と、力ソード側出口のガス圧との差である。図 1で説明したように、バイパス弁 6 2は、燃料電池スタック 2 2の力ソード側入口と出口とに並列に配置されるので、ここで入口出口差圧とは、バイパス弁 6 2の上流と下流との間の圧力差であるバイパス弁差圧と同じと見ることができる。以下では、入口出口差圧を、バイパス弁差圧と、燃料電池ス夕ヅク 2 2のカソ一ド側における入口と出口との間の差圧とを区別せずに述べる。各マップの内容の詳細については、燃料電池システムの動作の説明の中で述べる。

かかる構成の燃料電池運転システム 1 0の動作、特に制御部 7 0の各機能につき、図 2から図 7を用いて詳細に説明する。図 2は、燃料電池運転システム 1 0 において、全エア送気量、 F Cエア量、バイパスエア量、調整弁閧度、バイパス弁開度、燃料電池の温度、 F C電流の関係を示す図である。図 3は、燃料電池運転システム 1 0における F C電流の制御に関するブロックダイヤグラムである。図 4はストイキマップ値に関するマツプを説明する図であり、図 5はボンビング水素量に関するマップを説明する図であり、図 6は調整弁開度に関するマップを説明する図である。図 7は、バイパス弁開度に関して、バイパス弁を全開にすることを説明する図である。

図 2は、図 1の構成図を簡略化したものの中に、図 3で用いる各要素を示したものである。ここで示されるように、 A C P ( 4 8 ) から供給される圧縮エアの総量が全エア送気量で、全エア送気量のうち、燃料電池ス夕ック 2 2のカソ一ド側に供給される量が F Cエア量である。そして全エア送気量の中で、バイパス弁 6 2を経由して流れる量がバイパスエア量である。したがって、全エア送気量 = F Cエア量 +バイパスエア量である。そして、調整弁 6 0に対する開度指令値が調整弁開度であり、バイパス弁 6 2に対する開度指令値がバイパス弁開度である。燃料電池スタック 2 2から燃料電池反応によって取り出される発電電流が F C 電流である。なお、燃料電池の温度は、 A C P ( 4 8 ) に供給されるエアの温度として与えられる。

図 3は、燃料電池運転システム 1 0における F C電流制御のブロックダイヤグラムを示すものである。ここでは、 2つの制御方式が取られていることが示される。 1つは、 F C電流指令値 1 0 0を入力指令値として与えられるとき、全エア送気量指令値 1 4 0、調整弁開度指令値 1 4 2、バイパス弁開度指令値 1 4 4を出力指令値として出力して、それそれ A C P ( 4 8 ) 、調整弁 6 0、バイパス弁 6 2に与えられる、いわゆるオープンループのフィ一ドフォヮード制御である。もう 1つは、これらのフィードフォヮ一ド制御の結果として得られる F C電流値 1 0 2を F C電流指令値 1 0 0と比較し、その偏差を P I制御によって調整弁開度に戻すフィードバック制御である。後述のように、バイパス弁開度は、全開とすることが好ましいので、図 3の制御プロヅクダイヤグラムは、実質的に調整弁閧度の制御を表わしている。

図 3は、大別して 2つの部分に分けて考えることができる。前半部分は、全ェァ送気量算出工程 1 2 0と、 F Cエア量算出工程 1 2 2と、バイパスエア量算出工程 1 2 6とを実行する部分である。後半部分は、算出された F Cエア量とバイパスエア量とに基づいて、調整弁開度指令値 1 4 2とバイパス弁開度指令値 1 4 4等を求める部分である。以下、図 3にしたがって、調整弁開度指令値を求める手順等につき説明する。

最初に、'入力データとして、 F C電流指令値 1 0 0が与えられる。 F C電流指令値 1 0 0は、燃料電池スタック 2 2において発電されて出力される発電電流の指令値で、発電目標値に相当する。 F C電流指令値 1 0 0は、要求発電量入力部 6 6から手動により入力され、あるいは車両等、燃料電池運転システム 1 0からの電力供給対象の運行状況にしたがって伝送されるデ一夕を自動的に受け取って取得される。

F C電流指令値 1 0 0が与えられると、ストィキマップ 1 1 0と、ボンビング水素量マヅプ 1 1 2を用いて、ボンビング水素量が取得される。具体的には、制御部 7 0のボンビング水素量取得モジュール 7 2の機能により、 F C電流指令値 100が与えられると、マップ記憶部 68を検索し必要なマップを用いて、ボンビング水素量を取得する。 . 図 4はストィキマヅプの例を示す図である。ストィキマップ 110は、 2つの入力デ一夕からストイキマップ値を読み出すテーブルである。 2つの入力デ一夕は、 FC電流と燃料電池の温度である。したがって、 FC電流のデ一夕として F C電流指令値を用い、燃料電池の温度として、 .温度計 46によって検出される A CP (48) に供給されるエアの温度を用い、ストィキマップ 110を参照することで、その（FC電流、温度）におけるストィキマヅプ値を取得できる。ストィキマップ値は、理論的なエア必要量に対する増量係数である。図 4に示されるように、 FC電流が少なく、温度が低温のときにはストィキマップ値が 1にとられることが多い。

図 5は、ボンビング水素量マップ 112を説明する図である。ボンビング水素とは、力ソード側に漏れてくる水素のことで、その量は、 FC電流に関係し、 F C電流が大きいほどポンピング水素量が増加することが知られ、実験的にその関係式が求められる。図 5 (a) はその関係式の例を示す図である。 FC電流は、燃料電池に要求される出力電力に基づいて定まるので、要求発電量入力部 66から取得された要求出力電力に基づいて、以下のようにボンピング水素量を求めることができる。

ボンビング水素量マップ 112は、図 5 (b) に示されるもので、 2つの入力デ一夕からボンピング水素量を読み出すテーブルである。 2つの入力デ一夕は、 F C電流指令値とストイキマヅプ値である。ボンピング水素量マヅプ 112は、図 5 (a) で説明した経験的関係式を基礎に、 FC電流値を FC電流指令値に置き換え、さらにストィキマヅプ値の補正を加えて作成することができる。 FC電流指令値もストィキマップ値もすでに取得されているので、ボンピング水素量マヅプ 112を読み出せば、その FC電流指令値の下でのポンピン水素量を取得することができる。なお、ボンビング水素量は、例えば NLZmin (毎分ノルマルリツトル）のような流量の単位で取得される。

再び図 3に戻り、ボンビング水素量が取得されると、次に全エア送気量算出ェ程 120が実行される。具体的には、全エア送気量算出モジュール 74の機能により、ボンビング水素量と、排気されるべき目標水素濃度と、燃料電池スタック

2 2で消費されるエアの量等から、必要な全エア量が算出される。ポンビング水素量と目標水素濃度から、ポンピング水素を希釈して目標水素濃度にするために必要な希釈用エア量が求まり、これはバイパスエア量に相当する。そして燃料電池ス夕ヅク 2 2で消費されるエアの量は F Cエア量に相当する。したがって、バィパスエア量と F Cエア量とをそれそれ計算し、それを合計すれば全エア送気量を求めることができる。

低効率発電モードのように、ボンビング水素量が多く、したがってバイパスェァ量が F Cエア量に比べ十分に大きい場合には、より簡単な方法で全エア送気量を算出できる。すなわち、全エア送気量-ボンビング水素量 X ( 1 0 0 %/目標排気水素濃度） X安全率を用いることができる。目標排気水素濃度は、経験的に求められる値を用いることができ、安全率を、近似計算の誤差を吸収できる十分な値にすることで、全エア送気量を安全な値として簡易的に求めることができる。求められた全エア送気量は、そのまま A C P ( 4 8 ) に対する全エア送気量指令値 1 0とされる他、その後の調整弁開度算出等の処理に用いられる。

F Cエア量算出工程 1 2 2は、 F Cエア量算出モジュール 7 6の機能により、燃料電池スタック 2 2で消費されるエアの量に、ストイキマップ値を乗じて実行される。燃料電池スタック 2 2で消費される酸素の量は、 F C電流値を与えることで、燃料電池の化学反応式から理論的に求めることができる。これから、 F C 酸素消費量 ZF C電流値を求め、これを空気に含まれる酸素の成分比である 0 . 2 1で除して、 F Cエア消費量を求めることができる。 F Cエア量は、この F C エア消費量にストィキマヅプ値を乗じて算出される。したがって、 F C電流指令値 1 0 0が与えられれば、ストィキマップ 1 1 0を用いて F Cエア量を算出できる。

バイパスエア量算出工程 1 2 6は、全エア送気量算出工程 1 2 0によって得られた全エア送気量と、 F Cエア量算出工程 1 2 2によって得られた F Cエア量とを、減算処理 1 2 4することで実行される。すなわち、減算処理 1 2 4によって、バイパスエア量 =全エア送気量一 F Cエア量の演算が実行され、バイパスエア量が算出される。このようにして、全エア送気量と、 F Cエア量と、バイパスエア量とが算出され、つぎに、これらを用いて調整弁開度指令値 1 4 2とバイパス弁開度指令値 1 4 4等が求められる。

調整弁 6 0とバイパス弁 6 2は共に、燃料電池スタック 2 2の力ソード側に供給されるエアの圧力、流量に影響を与えるので、調整弁開度指令値 1 4 2と、バィパス弁開度指令値 1 4 4とは、共に F Cエア量とバイパスエア量との兼ね合いで求められる。すなわち、バイパス弁 6 2は、燃料電池ス夕ヅク 2 2の力ソード側のガス入口とガス出口に並列に配置されるので、バイパス弁 6 2を流れるバイパスエア量を規定するバイパス弁 6 2の両端間の圧力差は、燃料電池スタック 2 2のカソ一ド側のガス入口とガス出口との間の圧力差でもある。一方で調整弁 6 0は、力ソード側のガス出口に設けられ、その出口圧力と、調整弁 6 0の開度に依存して、その出口流量、すなわち F Cエア量が定まる。このような相互依存関係にしたがって、 F Cエア量とバイパスエア量が求められると、その双方によつて、調整弁 6 0の閧度とバイパス弁 6 2の開度が定められる。

調整弁開度指令値 1 4 2は、第 1段階として'調整弁開度マヅプ 1 1 4を用いて調整弁開度を求め、第 2段階として、これに対する補正を加えることで求められる。第 1段階は、調整弁開度マップ 1 1 4を用いて、調整弁開度が求められる。図 6は、調整弁開度マップ 1 1 4を説明する図である。

図 6 ( a ) は、バイパス弁 6 2の流量特性を示す図で、バイパス弁 6 2を流れるガス量であるバイパスエア量を横軸に取り、縦軸にバイパス弁 6 2の両端間の圧力差である入口出口差圧を取ってある。パラメ一夕はバイパス弁 6 2の開度である。この図に示されるように、バイパス弁開度とバイパスエア量とが与えられれば、バイパス弁 6 2の入口出口差圧は一義的に求められる。

図 6 ( b ) は、燃料電池スタック 2 2の力ソード側ガス入口から調整弁 6 0の出口までの部分の総合的な流量特性を示す図である。ここでは、総合的な流量特性曲線を、燃料電池スタック 2 2の入口出口差圧を横軸に取り、縦軸に調整弁の開度を取って示されている。パラメ一夕は F Cエア量である。ここで総合的な流量特性とは、上記のように、燃料電池ス夕ヅク 2 2の力ソード側ガス入口から齙整弁 6 0の出口までの部分の流量特性であるので、燃料電池の力ソード側の流量特性と、調整弁 6 0の流量特性の両方の特性に基づくものである。この図からわかるように、 F Cエア量と入口出口差圧を与えることで、調整弁 6 0の開度は一義的に求められる。ここで上記のように、燃料電池スタック 2 2の入口出口差圧は、バイパス弁 6 2の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧と同じである。

したがって、図 6 ( a ) と（b ) とから、バイパス弁の開度と、バイパスエア量と、 F Cエア量とを与えれば、調整弁 6 0の開度が一義的に求められることが分かる。特に、バイパス開度を固定、例えば全開とすれば、調整弁開度はバイパスエア量と、 F Cエア量とから求めることができる。図 6 ( c ) は、バイパス弁開度を全開としたときの調整弁開度マップ 1 1 4の例を示す図である。調整弁開度マップ 1 1 4は、 F Cエア量とバイパスエア量の 2つの入力デ一夕から調整弁開度を読み出すテ一ブルである。バイパス弁開度が全開でない場合にも、所定のバイパス弁閧度ごとに調整弁開度マップを作成することができる。

このようにして、 F Cエア量とバイパスエア量とから取得された調整弁開度は、そのまま調整弁開度指令値 1 4 2として、図示されていない調整弁駆動機構に与えられ、その指令値によって調整弁 6 0が駆動されて所定の開度に設定されるバイパス弁開度マップ 1 1 6も、調整弁鬨度マップ 1 1 4と同様に、調整弁開度ごとに、 F Cエア量とバイパスエア量の 2つの入力データからバイパス弁閧度を求めるものとして作成できる。求められたバイパス弁開度は、図示されていないバイパス弁駆動機構に与えられ、その指令値によってバイパス弁 6 2が駆動されて所定の開度に設定される。

特に、低効率発電モードのように、バイパスエア量が F Cエア量に比べて多い場合には、バイパス弁 6 2の開度を全開とすることがよい。その理由について、図 7を用いて説明する。

図 7は、一例として、調整弁 6 0とバイパス弁 6 2の単体の流量特性を示すもので、ここでは、バイパス弁 6 2のエア量は調整弁 6 0のエア量の約 5倍に取つてある。その流量一定の条件を満たすための各弁の 1次圧と各弁の有効断面積との関係を図 7に示してある。ここで、 1次圧とは、各弁のガス入口側の圧力で、図 1におけるバイパス弁 6 2について言えば、 A C P ( 4 8 ) の吐出圧に相当する。また弁の有効断面積とは、その開度における弁のエアが流れる断面積で、その弁の全開断面積に開度を乗じたものである。図 7の例において、調整弁 6 0を流れるエア量の約 5倍のエア量をバイパス弁 6 2に流すには、 1次圧が同じならば、バイパス弁 6 2の有効断面積が調整弁 6 0の有効断面積の約 5倍必要であることが分かる。つまり、バイパス弁 6 2は、調整弁 6 0に対し大型化する。また、ノ^;ィパス弁 6 2を小型にするには、 1次圧を大きくすればよいことも図 7より分かる。つまり、 A C P ( 4 8 ) の吐出圧を高めればよい。

このように、バイパスエア量が F Cエア量に比べて多い場合には、バイパス弁が大型化する。これを抑制するためには A C P ( 4 8 ) の吐出圧を高めればよいが、それにも限度がある。したがって、バイパス弁 6 2の大型化を抑制するには、バイパス弁 6 2を全開とし、バイパスエア量、 F Cエア量の調整は、もっぱら調整弁 6 0の開度調節で行うことがよい。この場合には、バイパス弁開度指令値 1 4 4は、全開とされ、実質上の F C電流制御は、全エア送気量指令値 1 4 0と調整弁開度指令値 1 4 2とを可変することで行われる。

上記のようにして、全エア送気量指令値 1 4 0、調整弁閧度指令値 1 4 2、バィパス弁閧度指令値 1 4 4が求められると、それによつて燃料電池運転システム 1 0において酸化ガスの制御が行われ、燃料電池ス夕ック 2 2において発電反応が行われる。燃料電池スタック 2 2から F C発電電力が出力されると、その実際の F C電流値 1 0 2が、目標値である F C電流指令値 1 0 0と比較される。そしてその比較の結果の偏差に応じ、調整弁開度に対する補正量を算出するフィードバック量算出工程 1 2 8が実行される。算出されたフィードバック量は、調整弁開度マップ 1 1 4によって取得された調整弁閧度の値に補正されて、新しい調整弁開度指令値 1 4 2として更新される。このように、適当なフィードバヅクタイミングごとに、調整弁開度が補正されて、調整弁閧度指令値が更新される。以上説明したように、 F C電流指令値が与えられると、圧力センサ等を用いることなく、予め求められた特性マップを用いて、全エア送気量、バイパスエア量、 F Cエア量を求めることができる。また、バイパス弁の流量特性と、燃料電池スタックと調整弁の総合的な流量特性とを、予め求めておき、その特性マップを用いて、バイパス弁の開度に応じて、調整弁開度指令値を求めることができる。特に、バイパス弁開度を全開として、調整弁指令値を求めることができる。また

、実際の F C電流値を F C電流指令値と比較して、その偏差に基づき、調整弁開度を補正することができる。このように、圧力センサ等を用いなくても、調整弁闘度指令を求めることができるので、特に、低温下における燃料電池の運転の場合に有効である。また、低温下における低効率発電モードにおいて、さらに有効である。産業上の利用可能性

本発明は、燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法に利用される。特に水素を燃料ガスとする燃料電池においてカソ一ド側に酸化ガスの流れを調整する弁を有する燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法に利用される。

Claims

1 . 燃料電池と、

燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソ一ド側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池の力ソード側ガス入口とを接続する入口側流路と燃料電池の力ソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、

入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、力ソ一ド側のガス流量を調整する調整弁と、

バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、

を含む燃料電池運転システムであって、 .. 制御部は、

予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の開度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流との間の差圧であるバイパス弁差圧を求める手段と、

予め求めちれている燃料電池のカソード側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、力ソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める手段と、

を有することを特徴とする燃料電池運転システム。

2 . 請求の範囲 1に記載の燃料電池運転システムにおいて、

制御部は、さらに、

燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池の内部においてアノード側からカソ一ド側に漏れてくる燃料ガスのクロスリーク量を求める手段と、燃料電池に要求される出力電力に基づいて力ソ一ド側ガス入口に供給するガス流量を求める手段と、

求められたクロスリーク量に基づき、バイパス流路に流すガス流量を求める手段と、

を有することを特徴とする燃料電池運転システム。

3 . 請求の範囲 2に記載の燃料電池運転システムにおいて、

制御部は、さらに、

アノード側における未反応の燃料ガス流量を求める手段を有し、

ノ、'ィパス流路に流すガス流量を求める手段は、

クロスリーク量と、アノード側における未反応の燃料ガス流量とに基づいて、バイパス流路に流すガス流量を求めることを特徴とする燃料電池運転システム。

4 . 請求の範囲 2に記載の燃料電池運転システムにおいて、

制御部は、さらに、

求められた調整弁の開度の下で運転された燃料電池の実際の発電出力と、燃料電池に要求された出力電力との偏差に基づいて、調整弁の開度を補正する手段を有することを特徴とする燃料電池運転システム。 '

5 . 燃料電池と、

燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池の力ソード側ガス入口とを接続する入口側流路と燃料電池の力ソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、，

入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、力ソード側のガス流量を調整する調整弁と、

バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調整するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、 '

を含む燃料電池運転システムにおける弁開度箅出方法であって、

燃料電池に要求される出力電力に基づいて、燃料電池内部においてアノード側から力ソード側に漏れてくる燃料ガスのクロスリーク量を求める工程と、燃料電池に要求される出力電力に基づいてカソ一ド側ガス入口に供給するガス流量を求める工程と、

求められたクロスリーク量に基づき、バイパス流路に流すガス流量を求めるェ程と、

予め求められているバイパス弁の流量特性に、バイパス弁の閧度とバイパス流路のガス流量とを適用し、バイパス弁の上流と下流どの間の差圧であるバイパス弁差圧を求める工程と、

予め求められている燃料電池の力ソ一ド側流量特性と調整弁の流量特性との両方の特性に、バイパス弁差圧と、力ソード側ガス流量とを適用し、調整弁の開度を求める工程と、

を有することを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法。

6 . 請求の範囲 5に記載の燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法において、

さらに、

アノード側における未反応の燃料ガス流量を求める工程を有し、

クイパス流路に流すガス流量を求める工程は、クロスリーク量と、アノード側における未反応の燃料ガス流量とに基づいて、バイパス流路に流すガス流量を求めることを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁開度算出方法。