JP4656599B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に高負荷時の駆動に要する消費電力を削減するための制御方法の改良に関する。

従来、燃料ガスである水素ガスを燃料電池に循環させて発電する燃料電池システムでは、燃料電池の発電量、すなわち負荷変動に対して、エアの供給圧を制御し、水素ガスについては、水素ガスを強制的に循環させる水素ポンプの回転数を変化させて水素ガス消費量を増減していた。

例えば、特開２００３―６８３３４号公報には、コンプレッサで加圧された空気を燃料ガス圧力調整弁に導入し、燃料電池の極間差圧を所定以内に納めるように調整する技術が開示されている（特許文献１）。燃料ガスは、燃料電池の要求出力に応じて回転数が大きくなるよう制御される水素ポンプで供給されていた。同様に、燃料ガスをタービンで供給するという技術が、特開昭６０―１０５６６号公報にも開示されている（特許文献２）。
特開２００３―６８３３４号公報 特開昭６０―１０５６６号公報

しかし、上記公知技術には、水素ポンプやタービン等の駆動手段の駆動量と循環経路の圧力調整量との間の調整を取ることは考慮されておらず、特に、駆動手段のみで燃料供給量を変化させた場合、不都合が生じる可能性があった。

すなわち、ポンプのような駆動手段では、燃料電池の負荷が上昇していくに連れ動力源の消費動力が上昇していくため、特に高負荷時においてシステムの総合的な発電効率が悪くなっていくという傾向にあった。

また、燃料電池の高負荷状態における燃料供給を駆動手段による循環量制御のみに依存するものとすれば、駆動手段が高速回転に耐え多量の燃料ガスを循環することを要求され、そのため駆動手段が大型化せざるを得なかった。

そこで本発明は、発電効率が高く駆動手段を小型化可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスを循環させて発電する燃料電池と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、燃料電池に供給される燃料ガスを循環させる循環経路と、循環経路に設けられた、燃料ガスを循環させるための駆動手段と、燃料ガス供給源と循環経路との間に設けられ、循環経路における燃料ガスの圧力を所定圧に調整する圧力調整手段と、駆動手段の駆動量を制御し、および、圧力調整手段を可変調整する制御手段と、を備え、制御手段は、燃料電池において要求される要求ガス量の増大時に、駆動手段における駆動量の変化を抑制したことに伴う燃料ガスの不足を、圧力調整手段によって循環経路の燃料ガスの圧力を上昇させることで補うことを特徴とする。
また本発明の燃料電池システムの駆動方法は、燃料ガスを循環させて発電する燃料電池を備える燃料電池システムの駆動方法であって、燃料電池において要求される要求ガス量を推測するステップと、推測された要求ガス量の増大時に、燃料ガスを循環させるための駆動手段における駆動量の変化を抑制するステップと、燃料電池に供給される燃料ガスを循環させる循環経路の燃料ガスの圧力を圧力調整手段によって上昇させることで駆動量の変化を抑制したことに伴う燃料ガスの不足を補うステップと、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、燃料ガス供給源の圧力を利用して燃料電池の要求ガス量に応じて循環経路の圧力を変化させ、循環経路内のガス密度を調整することで、駆動手段の駆動負荷を適切に調整することができる。特に、要求ガス量の増大時に、循環経路内の圧力を増加させることによって、循環経路内のガス密度を増加させることができ、駆動手段の駆動負荷が過度に高くなることを抑制することができるため、駆動手段を小型化可能である。

ここで「駆動手段」とは、強制的に燃料ガスを循環させる構成物をいい、ポンプやコンプレッサ、タービンのようなものを含む。

また「圧力調整手段」とは循環経路の圧力を変更維持可能な構成物をいい、調整弁（レギュレータ）の他に、水素発生量を調整可能な改質器や水素タンクのようなものも含まれる。少なくとも高圧で燃料ガスを供給する場合に消費動力が大きく増えないような構成物であることが好ましい。

ここで、本発明では、少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域では要求ガス量の変化に対応させて圧力調整手段の圧力調整量を変化させることは好ましい。当該構成によれば、要求ガス量が高い領域において燃料ガスの圧力変化によって燃料量を調整するため、相対的に駆動手段による駆動量を減らすことができ、高負荷時に特に著しく増える傾向にある駆動手段の消費動力を低減することが可能である。

本発明において「基準値」は駆動手段の駆動特性により任意に設定可能であるが、少なくともそれ以上の要求ガス量の増加分を駆動手段の駆動で補おうとすれば消費動力がさらに増えるような値に設定する。

また、本発明では、要求ガス量が基準値より高い領域では駆動手段の駆動量の変化率を基準値より低い領域に比べ低下させることは好ましい。当該構成によれば、要求ガス量が高い領域において、駆動手段の駆動量の変化率が低下するので、駆動手段による駆動量が減り、高負荷時に特に著しく増える傾向にある駆動手段の消費動力を低減することが可能である。

ここで駆動量の変化率の低下とは、正の変化率が徐々に減って漸近線のように飽和すること、変化率がゼロになること（つまり固定値）、さらに変化率が負になって減ることをも含む。

ここで、本発明では、要求ガス量が基準値より低い領域では圧力調整手段の圧力調整量が一定の値以下に保たれることは好ましい。要求ガス量が低い領域では燃料ガスの消費量が少ないが、この領域で循環経路における燃料ガスの圧力が高すぎると、燃料ガスの空気極への燃料ガスの漏れ（クロスリーク）が多くなって燃料電池の発電効率を低下させる。この点、当該構成によれば、燃料ガスの消費量が少ない低発電領域では燃料ガスの圧力が一定の値以下に保たれるので、燃料ガス漏れといった不都合を生じない。

ここで「一定の値」は例えば燃料ガスの消費量が少なくても燃料ガスのガス漏れを生じない程度の値に選ばれる。

また本発明の燃料電池システムでは、駆動手段は、要求ガス量と循環経路内の圧力の測定値とに基づいて制御される。上記構成によれば、要求ガス量が把握でき循環経路内の現在の圧力が測定できれば、本発明の作用効果を奏するように適切に駆動手段の制御量が定められる。
ここで本発明において、燃料電池に要求される発電電力に基づいて、駆動手段の駆動特性を決定する手段と、設定された該駆動特性に基づいて圧力調整手段による圧力調整量を決定する手段と、をさらに備えるようにしてもよい。
また、少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域では、駆動手段の駆動量が抑えられ、圧力調整手段の圧力調整量が駆動手段の駆動量の不足分を補うように変化させられるように構成してもよい。
また、圧力調整手段の圧力は、一対の遮断弁の開閉によって制御される空気圧の変化に対応して調整可能に構成されていてもよい。
また、燃料ガス供給源は、水素が充填された水素タンクであってもよい。
また、少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域では圧力調整手段の圧力調整量を単調変化させてもよい。
また、少なくとも要求ガス量が基準値以下の領域から該基準値より高い領域にかけて、圧力調整手段の圧力調整量を、連続的にかつ緩やかに変化させてもよい。
また、少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域において、駆動手段の駆動量と圧力調整手段の圧力調整量との双方を変化させてもよい。

以上本発明によれば、要求ガス量の増大時に駆動手段における駆動量の変化を抑制したことに伴う燃料ガスの不足を、循環経路内の燃料ガスの圧力を上昇させることによって補い、循環経路内のガス密度を増加させることができ、駆動手段の駆動負荷が過度に高くなることを抑制することができるため、駆動手段を小型化可能である。また燃料電池システム全体の発電効率を向上させることができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（原理説明）
まず図１及び図２を参照して、本発明の動作原理を説明する。

図１に示すように、本発明では、燃料電池ＦＣに対し燃料ガスＬを供給する循環経路Ｒが形成されている。循環経路Ｒには、燃料ガスＬを強制循環させる駆動手段（水素ポンプ）ＰＭが設けられている。循環経路Ｒの圧力ｐは圧力調整手段（調整弁）ＲＧによって調整されている。そして、燃料電池ＦＣに要求される発電電力（負荷）に基づいて、駆動手段ＰＭの駆動特性が決定され、決定された駆動手段ＰＭの駆動特性に基づく駆動量不足を補うように圧力調整手段ＲＧによる圧力調整量が決定される。

図２（ａ）に燃料電池の要求負荷に対する燃料ガス消費量の関係図を示す。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極（カソード）である燃料極側には燃料ガスである水素ガスが供給され、陽極（アノード）である空気極側には酸素を含んだガス（空気）が供給され、燃料極側では式（１）のような反応を、空気極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ- …（１）
２Ｈ⁺＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
すなわち電子の発生量と水素ガスの供給量は対応しており、図２（ａ）のような対応関係が必要なことが予想されるのである。

図２（ｂ）に駆動手段ＰＭの駆動特性の例を、図２（ｃ）に当該駆動手段ＰＭの駆動量不足を補うように調整される圧力調整手段ＲＧの調整量の例を示す。従来の燃料電池システムにおける燃料量制御方法は、例えば、図２（ｂ）及び（ｃ）の基準値Ｐｔｈ以下の領域における制御であった。つまり、循環経路Ｒの圧力ｐは一定に維持され（図２（ｃ））、主として駆動手段ＰＭの駆動量、例えば水素ポンプの回転数の増減により燃料電池ＦＣの負荷変動に対応していた。

これに対し、本発明の制御方法は、発電電力がどのような値であるかによって、ここでは発電電力が基準値Ｐｔｈから大きいか否かによって、まず駆動手段ＰＭの駆動特性が決定されるものである。

図１２に燃料ガスである水素ガスの循環量が一定とした場合の水素ポンプ入口圧力（すなわち循環経路の圧力対応値）とポンプ回転数（すなわち駆動手段の駆動量）及びその消費動力の関係を示す。図１２から解るように、循環経路の圧力が高くなる程、駆動手段である水素ポンプの回転数は少なくて済み、水素ポンプの回転数が少ない程、消費動力も低くなる傾向がある。

そこで本発明では、図２（ｂ）に示すように、高負荷領域では駆動手段ＰＭの駆動量が一定（例えば水素ポンプの回転数が一定）となるように定められる。つまり駆動手段が高い駆動状態（例えば水素ポンプの回転数が大）にあると消費動力が大きくなる傾向にあるため、発電電力が高い領域であまり高い駆動状態とならないようにするのである。一方、駆動手段の駆動量が抑えられた場合には、供給すべき燃料ガスの循環量が抑えられるため何かで補わなければならない。そこでさらに本発明では、駆動手段ＰＭによる駆動量の不足を補うように圧力調整手段ＲＧは圧力を調整するものである。つまり図２（ｃ）に示すように、一定量で駆動される駆動手段の駆動量不足を補うように、発電電力の増加に対応して圧力調整手段ＲＧによる圧力が上昇するように調整されるようになっている。

具体的には、発電電力が基準値Ｐｔｈより高い領域（Ｐｔｈの右側領域）では駆動手段ＰＭの駆動量の変化率を基準値Ｐｔｈより低い領域（Ｐｔｈの左側領域）に比べ低下させている（図２（ｂ））。また、発電電力が基準値Ｐｔｈより高い領域（Ｐｔｈの右側領域）では発電電力の変化に対応させて圧力調整手段ＲＧの圧力調整量を変化させている（図２（ｃ））。以上の制御方法によれば、発電電力の値によって駆動手段ＰＭの動作状態を変更可能なので、駆動手段ＰＭの駆動量や駆動能力を極端に高くしなくても燃料電池ＦＣの負荷変動に対応可能となり、駆動手段ＰＭの消費動力を抑え、かつ駆動手段ＰＭを小型化可能となる。

ここで、制御状態を切り替える発電電力の基準値Ｐｔｈは、駆動手段の駆動特性に大きく依存するが、基準値以上の発電電力の増加分を駆動手段ＰＭの駆動で補おうとすれば消費動力が急増するような値に設定すればよい。

なお、発電電力が基準値Ｐｔｈより低い領域（Ｐｔｈの左側領域）では、図２（ｃ）に示すように、圧力調整手段ＲＧの圧力調整量が一定の値Ｐ０以下に保たれるように制御する。このような制御によって、燃料ガスの空気極への燃料ガスの漏れ（クロスリーク）を防止することができるのである。この値Ｐ０は燃料ガスの消費量が少ない領域であっても燃料ガスのガス漏れ（クロスリーク）を生じない程度の値とする。

ただし、基準値に基づいて圧力調整量を調整しなければならないわけでははく、単純には、燃料電池の負荷量に応じて圧力調整を行うように構成すれば充分である。以下、実施形態１で基準値を伴わない場合の実施態様を、実施形態２以降で基準値を利用した場合の実施態様を説明する。

（実施形態１）
次に、上記原理に基づく具体的な実施形態について説明する。本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明の制御方法を適用したものである。図３に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。

図３に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック１０に燃料である水素ガスを供給するための系統と、空気を供給するための系統と、燃料電池スタック１０を冷却するための系統とを備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。燃料極は燃料極用触媒層を多孔質支持層状に設けてあり、空気極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。

燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための系統は、水素ガスの供給源から順に、水素タンク１０１、遮断弁（シャットバルブ）ＳＶ１、調整弁ＲＧ、遮断弁ＳＶ２、燃料電池スタック１０を経て遮断弁ＳＶ３、気液分離機１０２及び遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１０３、遮断弁ＳＶ５、及び逆止弁ＲＶを備えている。調整弁（レギュレータ）ＲＧは本発明の圧力調整手段に相当し、水素ポンプ１０３は本発明の駆動手段に相当している。本発明に係る循環経路は、遮断弁ＳＶ２、燃料電池スタック１０、ＳＶ３、気液分離器１０２、水素ポンプ１０３、及び逆止弁ＲＶを経る経路によって構成されている。調整弁ＲＧに対する圧力調整量制御は、制御部２０によるコンプレッサ２０２の駆動、遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７に対する操作により達成される。すなわち、遮断弁ＳＶ６を開くことによって調整弁ＲＧへの供給空気圧を上昇させ燃料電池の循環経路への供給圧力を上昇させることが可能になっている。また遮断弁ＳＶ７を開くことによって調整弁ＲＧへの供給空気圧を下降させ燃料電池の循環経路への供給圧力を下降させることが可能になっている。このように遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７を制御することによって、循環経路の供給圧力を任意に制御することができるようになっている。水素ポンプ１０３に対する駆動量制御は制御部２０による水素ポンプ１０３の駆動量制御により達成される。

水素タンク１０１は、高圧の水素ガスが充填されている。なお、本実施形態における水素供給源は、単に調整弁ＲＧの下流側を所定の圧力に維持できるように燃料ガスである水素ガスを供給できればよいため、種々に変更可能である。すなわち、高圧水素タンクの代わりに、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、水素吸蔵機能を備えない高圧水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンクから水素を供給するように構成してもよい。

水素タンク１０１からの水素ガスは、まず遮断弁ＳＶ１により水素ガス供給の有無が選択され、調整弁ＲＧによって定められる圧力で水素ガスが下流に放出される。調整弁ＲＧの調整量、すなわち圧力調整は、空気極側のコンプレッサ２０２の運転状態によって定まるようになっている。調整弁ＲＧの制御部に印加される空気の圧力に応じて調整弁ＲＧ下流のガス圧が設定される。遮断弁ＳＶ２及びＳＶ３は、燃料電池システムの発電停止時や間欠動作時に遮断され、運転時は開放されている。気液分離器１０２は、通常運転時において燃料電池スタック１０の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出する。水素ポンプ１０３は、制御部２０の制御に基づいて、水素ガスの循環経路において水素ガスを強制循環させる。遮断弁ＳＶ５は、パージ時に開放されるが、通常の運転状態及び本発明のガス漏れ判定時には遮断されている。逆止弁ＲＶは水素ガスの逆流を防止する。遮断弁ＳＶ５からパージされた水素オフガスは図示しない希釈器を含む排気系で処理される。

燃料電池スタック１０に空気を供給するための系統としては、エアクリーナ２０１、コンプレッサ２０２、加湿器２０３等を備えている。エアクリーナ２０１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２０２は、取り入れられた空気を制御部２０の制御に従って圧縮し供給する空気量や空気圧を変更するようになっている。加湿器２０３は圧縮された空気に対し、空気オフガスと水分の交換を行って適度な湿度を加える。コンプレッサ２０２により圧縮された空気の一部は燃料系に供給され、遮断弁ＳＶ６とＳＶ７との間の区間の空気圧が調整弁ＲＧに印加されるようになっている。燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスは図示しない希釈器を含む排気系に排出される。

燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエタ１１、ファン１２、及び冷却ポンプ１３を備え、冷却水が燃料電池スタック１０内部に循環供給されるようになっている。

制御部２０はＥＣＵ（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、当該システムを本発明の制御装置として動作させることが可能になっている。すなわち、後に説明する手順（図４）によって、制御部２０は、燃料電池スタック１０の要求発電電力を決定し、その要求発電電力に基づいて調整弁ＲＧの圧力調整量を決定し、その圧力調整量の不足分を補うように水素ポンプ１０３の駆動量を制御するようになっている。

次に本実施形態１における動作を図４のフローチャートを参照しながら説明する。当該フローチャートは通常運転時、適当なインターバルで繰り返し実行されるものである。

当該燃料電池システムが通常運転を行う場合、制御部２０は、水素タンク１０１から所定の水素ガスの流量に対応させて遮断弁ＳＶ１を開放して水素ガスを供給する。調整弁ＲＧは下流側の循環経路の圧力がダイアフラムに印加されている空気の圧力によって調整可能になっている。この調整量は遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７によって制御される空気圧によって決定される。

燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの量は、この調整弁ＲＧの調整によって定まる循環経路の圧力と水素ポンプ１０３の回転数によって定まる循環量とによって定まる。それぞれの値が以下に説明するような本発明の制御方法によって決定される。

まず、制御部２０は、燃料電池システムに要求される負荷量に基づいて燃料電池スタック１０に要求される発電電力Ｐｒを計算する（Ｓ１）。燃料電池の負荷を求めるため、制御部２０はアクセル位置、シフト位置、ブレーキ位置等を参照し、図示しない動力モータが出力すべきトルクを計算する。また、図示しないインバータやコンバータにおける電力損失や補機によって消費される電力等をモータトルクの負荷量に加算して、制御部２０はシステム全体に要求される要求発電電力Ｐｒを決定する。

次いで制御部２０は、調整弁ＲＧが調整すべき循環経路における目標圧力Ｐｒｇを次のようにして求める。まず図５に示すように、燃料電池の発電電力が定まると、その発電電力で発電させるために必要な水素ガスの循環量が定まる。そこで制御部２０は、燃料電池の要求発電電力Ｐｒと水素ガスの循環量との関係テーブル（例えば図５）を参照して水素ガスの要求循環量を決定する（Ｓ２）。なお、制御部２０は図５のような対応関係をデータテーブルとして保持している。図５の関係は比例関係であるため、テーブルデータではなく関係式として保持し、演算により循環量を求めるようにしてもよい。

また図６に示すように、目標循環量が定まれば、水素ポンプの入口圧力に対応して水素ポンプに必要とされる目標回転数が定まる。そこで、制御部２０は圧力センサＰ３の検出信号を参照して水素ポンプ１０３の入口圧力を測定し（Ｓ３）、測定された水素ポンプ１０３の入口圧力測定値と目標循環量とに基づいて、例えば図６の特性を示すデータテーブルを参照して、制御部２０は水素ポンプ１０３に必要な目標回転数Ｎｐを求める（Ｓ４）。図６に示すような関係テーブルは、循環量に応じて用意されている。

ここで循環量が定まると図７に示すような関係により理論的に水素ポンプの入口圧力の目標値が定まる。しかし、実際の調整弁ＲＧによって調整される水素ポンプ１０３の出口付近から水素ポンプの入口までの循環経路には、流路抵抗により圧損が発生するため、この圧損を勘案して目標圧力制御をしなければならない。このため、調整弁ＲＧによって調整しなければならない循環経路の圧力は、水素ポンプの入口圧力に圧損を加えた値となる。

そこで、まず圧損を求めるため、図７に示す特性に対応した関係テーブルを参照して、制御部２０はステップＳ２で得られた要求循環量に対応する水素ポンプ１０３の入口圧力の目標値（理論値）を求める。図８に示すように、水素ポンプの入口圧力と循環量とが定まると、水素ポンプ１０３の出口から入口までの循環経路で生ずる圧損が定まる。そこで、水素ポンプ１０３の入口圧力目標値と要求循環量とに基づき図８の特性に対応する関係テーブルを参照して、制御部２０は水素ポンプ１０３の入口圧力目標値に対して当該要求循環量で発生する圧損を求める（Ｓ５）。

圧損と水素ポンプの入口圧力を加えた値が、調整弁ＲＧによって調整されるべき目標圧力Ｐｒｇとなる。そこで制御部２０は、水素ポンプ１０３の入口圧力目標値にこの圧損推定値を加算した値を目標圧力Ｐｒｇとして算出する（Ｓ６）。

制御部２０は、ステップＳ４で求められた目標回転数Ｎｐで駆動されるような駆動信号を水素ポンプ１０３に出力し、併せて調整弁ＲＧによって調整される循環経路の圧力が目標圧力Ｐｒｇとなるように遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７を制御する。

ここで、負荷が変動し燃料電池スタック１０で発電すべき要求発電電力に変化が生じた場合に循環経路の圧力が変わらないとすると、その発電電力の変動分を水素ポンプ１０３の循環量増減で調整しなければならない。特に水素ポンプの回転数が増大する場合には消費電力が増えて好ましくない。この点、本発明によれば、負荷変動が生じた場合には水素ポンプの回転数ではなく調整弁ＲＧによって調整される目標圧力Ｐｒｇを変化させることで対応するため水素ポンプの消費動力が増大することを防止可能である。

すなわち、前回の処理によって既に調整されている目標圧力Ｐｒｇと比べて圧力が増加している場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、制御部２０は調整弁ＲＧによって調整される目標圧力Ｐｒｇを増大させ、ステップＳ６で求められた新たな目標圧力となる方向に、遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７を調整する（Ｓ９）。

一方、前回の処理によって既に調整されている目標圧力Ｐｒｇと比べて圧力が減少している場合（Ｓ８：ＮＯ、Ｓ１０：ＹＥＳ）、制御部２０は調整弁ＲＧによって調整される目標圧力Ｐｒｇを減少させ、ステップＳ６で求められた新たな目標圧力となる方向に、遮断弁ＳＶ６及びＳＶ７を調整する（Ｓ１１）。

また前回の処理によって調整されていた目標圧力Ｐｒｇに変動が無い場合には（Ｓ８：ＮＯ、Ｓ１０：ＮＯ）、特に新たな制御信号の更新が不要であるため、制御部２０は何もしない。

制御部２０は、圧力センサｐ２が検出する実際の循環経路の圧力を参照しながら、設定した目標圧力Ｐｒｇに維持されるように、フィードバック制御を行う。

以上、本実施形態１によれば、要求発電電力Ｐｒの変動に伴う要求ガス量（循環量）の変化に伴って循環経路の目標圧力を制御するので、負荷変動を水素ポンプ１０３の回転数制御で補う必要が無く、消費動力の変動を抑制することができる。

特に循環量が増大する場合には水素ポンプの回転数を増加させることなく負荷変動に対応できるので、消費動力を抑え全体的な発電効率を向上させることができる。また回転数を少なく維持できる為水素ポンプを小型化でき、燃料システム全体をコンパクトに提供できるようになる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２は、上記実施形態１と同様の燃料電池システムにおいて、要求出力が基準値より大きいか否かに応じてシステム制御を変更する実施態様に関する。図９に、本実施形態２における動作を説明するフローチャートを示す。

まず、制御部２０は、実施形態１と同様にして、燃料電池システムに要求される負荷量に基づいて燃料電池スタック１０に要求される発電電力Ｐｒを計算する（Ｓ２１）。

次いで制御部２０は、当該要求発電電力Ｐｒを図２に示すような基準値Ｐｔｈと比較する（Ｓ２２）。要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈより小さい場合、水素ポンプ１０３によって負荷変動に対応しても著しい消費電力の増大を生じない。そこで制御部２０は、調整弁ＲＧの目標圧力Ｐｒｇを要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈであるときの適正圧力Ｐｆに固定し維持する（Ｓ２３）。

水素ポンプ１０３の回転数は実施形態１と同様の手順で計算される。まず、循環経路の目標圧力が定まると、その圧力下における、燃料電池の要求発電電力Ｐｒと水素ポンプ１０３に必要な循環量との関係（例えば図５）から目標循環量を決定する（Ｓ２４）。 次いで定められた循環量に対して水素ポンプ１０３の入口圧力の目標値が図７に示すように一義的に決まるので、このような関係を示すデータテーブルまたは関係式に基づいて、制御部２０は水素ポンプ１０３の入口圧力目標値を決定する（Ｓ２５）。そして、求められた水素ポンプ１０３の入口圧力と循環量とに基づいて、例えば図６に示すような特性を示すデータテーブルを参照して、制御部２０は水素ポンプ１０３に必要な目標回転数Ｎｐを求める（Ｓ２６）。 以上のような処理によって、循環経路の目標圧力Ｐｒｇを一定値Ｐｆに定めた後、その時々の要求発電電力Ｐｒに対応して、水素ポンプ１０３に要求される回転数Ｎｐが求められるのである。この目標回転数Ｎｐと循環経路の目標圧力Ｐｆでシステムが駆動されるように、制御部２０は制御信号を更新する（Ｓ４０）。このような処理によって、当該燃料電池システムは、図２（ａ）〜（ｃ）における基準値Ｐｔｈの左側の領域で制御されることになる。

さて、ステップＳ２２において、燃料電池に対する要求発電電力Ｐｒを基準値Ｐｔｈと比較した結果、要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈ以上であった場合、水素ポンプ１０３の回転数をそれ以上上げると著しく消費電力が増大する可能性がある。そこで制御部２０は、調整弁ＲＧの目標圧力に代えて、ポンプ回転数Ｎｐを要求発電電力Ｐｔｈにおける適正回転数Ｎｆに固定する（Ｓ３０）。次いで調整弁ＲＧによる目標圧力Ｐｒｇを要求発電電力Ｐｒの変化に応じて推測する。

まず、燃料電池の要求発電電力Ｐｒと水素ポンプ１０３に必要な循環量との関係（図５）から、必要な循環量を決定する（Ｓ３１）。次いで定められたポンプ回転数Ｎｆと求められた必要循環量から、図６に示すような関係テーブルを参照して水素ポンプ１０３の入口圧力を推測する（Ｓ３２）。水素ポンプ１０３の入口圧力と必要循環量が定まると、燃料電池スタック１０入口から水素ポンプ１０３入口に至るまでの圧損が例えば図８に示すような関係によって定まるので（Ｓ３３）、制御部２０は、水素ポンプ１０３の入口圧力にこの圧損推定値を加算した値を目標圧力Ｐｒｇとして算出する（Ｓ３４）。

以上のような処理によって求められた目標圧力Ｐｒｇに循環経路の圧力が維持されるよう、また、決定した回転数で水素ポンプ１０３が回転するよう、制御部２０は制御信号を更新する（Ｓ４０）。すなわち、制御部２０は調整圧力を推測された目標圧力Ｐｒｇとなるように、制御弁ＳＶ７とＳＶ６とを制御することで、調整弁ＲＧの調整量が目標圧力Ｐｒｇとなるように空気圧を変更させる。圧力センサｐ２の検出値等を参照し目標圧力に達したら、制御部２０は遮断弁ＳＶ６を遮断する。この動作により、循環経路の圧力が目標圧力Ｐｒｇとなる。また制御部２０は、水素ポンプ１０３の回転数が一定値回転数Ｎｆになるような駆動信号を水素ポンプ１０３に出力する。以上のような処理によって、当該燃料電池システムは、図２（ａ）〜（ｃ）における基準値Ｐｔｈの右側の領域で制御されることになる。

以上、本実施形態２によれば、要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈ以上の領域では水素ポンプ１０３の回転数を上げずに固定し循環経路の圧力を負荷変動に対応させて変化させるようにするので、ポンプ回転数増大に伴う著しい消費動力の増大を生ずることなく燃料電池システムを運転可能であり、全体的な発電効率を向上させることができる。また回転数を少なく維持できる為水素ポンプを小型化でき、燃料システム全体をコンパクトに提供できるようになる。

また、要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈより小さい領域では循環経路の圧力を固定し水素ポンプ１０３の回転数のみで負荷変動に対応するので、制御が容易に行える。すなわち、要求発電電力や循環量が低下した場合にはそれに応じて回転数を低下させるように制御されるので、システムの負荷状態に併せて消費動力を合理的に低下させていくことが可能であり、システム全体の発電効率をさらに向上させることができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、前記実施形態２と同様の燃料電池システム制御方法における、制御部による調整弁ＲＧの目標圧力Ｐｒｇと水素ポンプの回転数Ｎｐの制御方法の変形例に関する。

本実施形態３では、燃料電池に要求される要求発電電力Ｐｒと燃料ガスの消費量が、図１０（ａ）のように対応している場合に、水素ポンプ１０３の回転数を図１０（ｂ）のような特性で、調整弁ＲＧの目標圧力を図１０（ｃ）のような特性で変化させるものである。特に、要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈ以上である場合、上記実施形態１では水素ポンプの回転数を固定値Ｎｆにしたが、当該実施形態２では、固定値Ｎｆとせず、代わりに単調上昇させたり（ｆｐ１）単調減少させたり（ｆｐ１）している点に特徴がある。

つまり水素ポンプの回転数が大きくなると消費動力が激増するが、基準値Ｐｔｈにおける水素ポンプの回転数がそのような傾向になるまでまだ余裕が有る場合、即時に回転数を固定値としなくてもよい。その場合には緩やかに回転数を上昇させてよい（ｆｐ１）。このとき、図９に示すようなフローチャートによって調整弁ＲＧの目標圧力Ｐｒｇは緩やかになった水素ポンプの回転数上昇率に対応する循環量不足分を補うように、圧力を要求発電電力Ｐｒに応じて変化させる（図１０（ｃ）ｆｖ１）。この変化曲線の傾きは、上記実施形態２よりも緩やかなものとなる。

一方、基準値Ｐｔｈにおける水素ポンプの回転数をピークに要求発電電力Ｐｒの増大に応じて回転数を減少させるように制御してもよい（ｆｐ２）。このとき、調整弁ＲＧの目標圧力Ｐｒｇは減少傾向にある水素ポンプの回転数減少に対応する循環量不足分を補うように、圧力を要求発電電力Ｐｒに応じて変化させる（図１０（ｃ）ｆｖ２）。この変化曲線の傾きは、当然ながら水素ポンプの回転数を上昇させていたときの圧力特性ｆｖ１や上記実施形態２よりも急勾配なものとなる。

本実施形態３に示すように、水素ポンプの回転数と調整弁の目標圧力の一方を固定とせずに双方を変化させることによっても本発明の作用効果を奏することができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４は、前記実施形態２と同様の燃料電池システム制御方法における調整弁ＲＧの目標圧力Ｐｒｇと水素ポンプの回転数Ｎｐの制御方法の他の変形例に関する。

本実施形態４では、燃料電池に要求される要求発電電力Ｐｒと燃料ガスの消費量が、図１１（ａ）のように対応している場合に、水素ポンプ１０３の回転数を図１１（ｂ）のような特性で、調整弁ＲＧの目標圧力を図１１（ｃ）のような特性で変化させるものである。特に、要求発電電力Ｐｒが基準値Ｐｔｈを基準として、ポンプ回転数や目標圧力の変化を不連続的に変化させるのではなく、漸近線のように不連続点を持たせず緩やかに変化させる点に特徴がある。

つまり要求発電電力Ｐｒの基準値Ｐｔｈに達した場合、制御部２０は、図１１（ｂ）ｆｐ３に示すように、水素ポンプの回転数を固定値まで緩やかに収束させていく。このとき、循環経路の目標圧力Ｐｒｇは、図９に示すようなフローチャートによって緩やかに収束していく水素ポンプの回転数の変化による循環量不足分を補うように変化する（図１１（ｃ）ｆｖ３）。

このように本実施形態４によれば、水素ポンプの回転数と調整弁の目標圧力の一方を不連続的に固定値とせず緩やかに変化させて収束させていくこともでき、このような方法によっても本発明の作用効果を奏することができる。

本発明の原理を説明するブロック図。 本発明に係る実施形態１の制御方法を説明する図であり、（ａ）は要求負荷に対する燃料ガス消費量の関係図、（ｂ）は要求負荷に対するポンプ回転数制御特性図、（ｃ）は要求負荷に対する調整弁目標圧力制御特性図。 本実施形態１に係る燃料電池システムのブロック図。 本実施形態１に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート。 燃料電池発電電力量に対するガス循環量の特性図。 水素ポンプ入口圧力に対するポンプ回転数関係図。 循環量に対する水素ポンプ入口圧力の特性図。 水素ポンプ入口圧力に対する圧損推定図。 本実施形態２に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート。 本実施形態３の制御方法を説明する図であり、（ａ）は要求負荷に対する燃料ガス消費量の関係図、（ｂ）は要求負荷に対するポンプ回転数制御特性図、（ｃ）は要求負荷に対する調整弁目標圧力制御特性図。 本実施形態４の制御方法を説明する図であり、（ａ）は要求負荷に対する燃料ガス消費量の関係図、（ｂ）は要求負荷に対するポンプ回転数制御特性図、（ｃ）は要求負荷に対する調整弁目標圧力制御特性図。 水素ポンプ入口圧力とポンプ回転数と消費動力との関係図。

符号の説明

ＦＣ…燃料電池、Ｒ…循環経路、ｐ…圧力検出手段、ＰＭ…駆動手段、ＲＧ…圧力調整手段、ＳＶ１〜７…遮断弁、ＲＶ…逆止弁、ＲＧ…調整弁（圧力調整手段）、Ｐ１〜Ｐ３…圧力センサ（圧力検出手段）、１０…燃料電池スタック、１１…ラジエタ、１２…ファン、１３…冷却水ポンプ、２０…制御部、１０１…水素吸蔵タンク、１０２…気水分離器、１０３…高圧水素ポンプ、２０１…エアクリーナ、２０２…コンプレッサ、２０３…加湿器

Claims (14)

1. 燃料ガスを循環させて発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスを循環させる循環経路と、
   前記循環経路に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための駆動手段と、
   前記燃料ガス供給源と前記循環経路との間に設けられ、前記循環経路における燃料ガスの圧力を所定圧に調整する圧力調整手段と、
   前記駆動手段の駆動量を制御し、および、前記圧力調整手段を可変調整する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池において要求される要求ガス量の増大時に、前記駆動手段における前記駆動量の変化を抑制したことに伴う前記燃料ガスの不足を、前記圧力調整手段によって前記循環経路の燃料ガスの圧力を上昇させることで補うこと、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域では前記要求ガス量の変化に対応させて前記圧力調整手段の圧力調整量を変化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記要求ガス量が基準値より高い領域では前記駆動手段の駆動量の変化率を前記基準値より低い領域に比べ低下させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記要求ガス量が基準値より低い領域では前記圧力調整手段の圧力調整量が一定の値以下に保たれる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記駆動手段は、前記要求ガス量と前記循環経路内の圧力の測定値とに基づいて制御される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に要求される発電電力に基づいて、前記駆動手段の駆動特性を決定する手段と、
   設定された該駆動特性に基づいて前記圧力調整手段による圧力調整量を決定する手段と、
   をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域では、前記駆動手段の駆動量が抑えられ、前記圧力調整手段の圧力調整量が前記駆動手段の駆動量の不足分を補うように変化させられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記圧力調整手段の圧力は、一対の遮断弁の開閉によって制御される空気圧の変化に対応して調整可能に構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記駆動手段は、ポンプ、コンプレッサ、およびタービンのうちいずれかである、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料ガス供給源は、水素が充填された水素タンクである、請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域では前記圧力調整手段の圧力調整量を単調変化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
12. 少なくとも要求ガス量が基準値以下の領域から該基準値より高い領域にかけて、前記圧力調整手段の圧力調整量を、連続的にかつ緩やかに変化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
13. 少なくとも要求ガス量が基準値より高い領域において、前記駆動手段の駆動量と前記圧力調整手段の圧力調整量との双方を変化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 燃料ガスを循環させて発電する燃料電池を備える燃料電池システムの駆動方法であって、
    前記燃料電池において要求される要求ガス量を推測するステップと、
    推測された前記要求ガス量の増大時に、前記燃料ガスを循環させるための駆動手段における駆動量の変化を抑制するステップと、
    前記燃料電池に供給される燃料ガスを循環させる循環経路の燃料ガスの圧力を圧力調整手段によって上昇させることで前記駆動量の変化を抑制したことに伴う前記燃料ガスの不足を補うステップと、
    を備える燃料電池システムの駆動方法。

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