JP3852362B2 - 燃料電池の燃料ガス制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料ガス制御装置に関し、特に、出力電流の急増時に好適な燃料電池の燃料ガス制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池に燃料ガスを供給するものとして、例えば、特開平７−２６３００５号公報に記載されたものがある。
【０００３】
これは、燃料ガスが供給されて反応ガスを生成する反応極と、余剰ガスが通過する反応極出口バルブと、その後段に配置されてガス排出バルブに連通する排出ガス分岐部とを備えた燃料電池発電系の反応極ガス循環系の圧力制御装置に関する。そして、コントローラにより反応極圧力及び排出ガス分岐部圧力の検出値を各々の目標値に一致させるように多変数制御演算を行ない、各バルブの開度を算出して出力する。結果として、燃料電池発電系の反応極ガス循環系における反応極の圧力と排出ガス分岐部の圧力を、制御遅れなく目標値に一致させて、燃料電池を高効率で運転するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、燃料電池発電系の反応極ガス循環系における反応極の圧力と排出ガス分岐部の圧力を制御遅れなく目標値に一致させ、燃料電池を高効率で安定して運転するものであるため、トルク要求に対応して出力を増減させるよう運転される燃料電池自動車等の移動体の燃料電池には、トルク要求の増加等の際に供給燃料ガス不足を生じる等の不具合を生じ、適用が難しいものであった。
【０００５】
また、上記従来例では、燃料極圧力計と排気ガス圧力計、および出口バルブと排気ガスバルブ等の部品点数が多く、システムの体積および重量が増加し、車両に適用する場合には、燃費を悪化させる一方、部品点数が多いことからコストも上昇する。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、トルク要求の増加に好適に対応可能な簡素な燃料電池の燃料ガス制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給通路と、前記燃料電池からの余剰ガスを前記燃料供給通路に還流する還流通路とを備えた燃料電池において、前記還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段と、前記燃料電池の発電状態を検知する発電状態検知手段と、前記発電状態検知手段から入力される発電状態に基づいて前記燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を演算し前記燃料ガス流量調整手段に出力する発電状態補正部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
前記燃料ガス流量調整手段は、開度が調整可能なバルブ、通過流量を調整可能なポンプ等で構成することができる。また、発電状態検知手段は、燃料電池に付属している例えば出力電圧計でよい。前記発電状態補正部は、燃料ガス流量調整手段の目標値を、燃料電池に接続された負荷が増えて出力電流が急増した時に、供給ガスが不足して発電状態の低下を出力電圧等に応じて燃料ガスの流通を制限して余剰燃料ガスをスタック内に留まるよう演算する。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、燃料ガス流量調整手段は、任意の開度に設定可能なバルブであることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記発電状態検知手段は、燃料電池の発電電圧を検知する電圧計であり、前記発電状態補正部は、電圧計の電圧値の低下量に基づいてバルブ開度を演算することを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし第３の発明において、前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記燃料電池への要求電力を検知する要求電力検知部と、要求電力の急増状態を検知する運転状態検知部と、要求電力が急増したときに急増する要求電力の変化量に基づいて前記燃料ガス流量制御手段の流量制限割合を求める電力急増補正部と、前記発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力する開度選択部と、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、運転状態検知部は、前記要求電力の変化に基づいて電力急増状態を判定することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第４の発明において、運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定することを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第４ないし第６の発明において、燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記開度選択部から出力される流量制限割合を前回の流量制限割合と比較して制限割合変更速度を調整して出力する開閉速度調整部を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、開閉速度調整部は、前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
したがって、第１の発明では、還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段を設け、燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を発電状態補正部により入力される燃料電池の発電状態に基づいて演算制御するため、燃料電池発電電力が増加して、燃料供給装置からの燃料供給が要求量に追従できず、燃料電池の反応極で反応に必要な燃料が不足した場合でも、燃料ガス流量調整手段により、余剰ガスを燃料電池の燃料極内に留めておくことができ、燃料不足による発電状態の低下を防止することができる。
【００１７】
また追加する装置は、還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段だけでよいので、燃料電池発電装置の重量増を最小限にとどめ、コストアップ分を最小限にすることができる。
【００１８】
第２の発明では、第１の発明の効果に加えて、燃料ガス流量調整手段を任意の開度に設定可能なバルブで構成したため、余剰ガス量の微調整が行え、燃料電池内に適切な余剰ガス量を与えることができる。
【００１９】
第３の発明では、第１の発明の効果に加えて、発電状態検知手段を燃料電池の発電電圧を検知する電圧計で構成し、電圧計の電圧値の低下量に基づいて発電状態補正部がバルブのバルブ開度を判定するため、電圧計は燃料電池装置に設置された一般のものでよく、発電状態を検知するために新たにセンサを設けることなく発電状態の検知が行える。
【００２０】
第４の発明では、第１ないし第３の発明の効果に加えて、要求電力検知部により要求電力が急増したことを検出したときその時点より電力急増補正部により発電状態の低下を予測して燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を変更することにより、電力急増時の初期における発電状態の低下を防止できる。
【００２１】
また、開度選択部は発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力するため、適時適切な流量制限割合を与えることが可能である。
【００２２】
第５の発明では、第４の発明の効果に加えて、前記要求電力の変化量に基づいて電力急増状態を判定することにより、燃料電池一般に装備されている電流電圧計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【００２３】
第６の発明では、第４の発明の効果に加えて、運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定するため、燃料電池一般に装備されている電流計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【００２４】
第７の発明では、第４ないし第６の発明の効果に加えて、開閉速度調整部により流量制限割合の急変を抑制するため、燃料電池内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止することができる。
【００２５】
第８の発明では、第７の発明の効果に加えて、開閉速度調整部により前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整するため、運転条件によって変化する圧力応答性に対して適切な開閉速度を与えることができる。このため、より一層燃料電池内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止する効果をもつ。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料ガス制御装置を実現する実施の形態を、請求項１〜３に対応する第１実施形態に基づいて説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１〜４は、第１の実施形態の燃料電池の燃料ガス制御装置を示し、図１はシステム構成図、図２は演算コントローラの制御フローチャート、図３はコントローラ内の発電補正部の制御フローチャート、図４は発電補正部のタイムチャートを夫々示す。
【００２８】
図１において、１は燃料電池を示し、燃料供給通路２を経由して燃料供給装置３よりの燃料ガスが供給される。燃料ガスは燃料電池１により反応燃料ガス流量に相当する発電電流に変換され、発電反応で反応しなかった残余の余剰ガスは燃料電池１から還流通路６、還流装置４を経由して燃料供給通路２に戻され、再び燃料電池１に供給される。還流通路６には燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５が配置され、出口バルブ５が１００パセント全開時には、燃料電池１の出口よりの余剰ガスを抵抗なく流通させ、バルブ開度を絞るに連れて燃料電池１の出口から出る余剰ガスに通路抵抗を与えて燃料電池１内の燃料ガス圧力を上昇させる。出口バルブ５のバルブ開度は演算コントローラ１４の発電状態補正部８により制御される。燃料電池１の発電電流は、図示しない車両用駆動モータのモータ・インバータ１６に供給される。発電電流は発電電流検知手段としての電流計１５により、また、発電電圧は発電電圧検知手段としての電圧計７により、夫々検出され、検出信号は演算コントローラ１４から発電状態補正部８に入力される。
【００２９】
ここで、燃料供給通路２を流れる供給ガス流量をＱ１、還流通路６を流れる余剰燃料ガス流量をＱ２、燃料電池１内で反応した反応燃料ガス流量をＱ３、燃料電池１のスタック内の燃料ガス量をｑＳ、発電電流をＩとして、本特許の動作原理について、先ず、説明する。
【００３０】
発電量が一定な定常状態において、燃料電池１に供給される供給燃料ガス流量Ｑ１から反応により水（Ｈ2Ｏ）となる反応燃料ガス流量Ｑ３を差し引いた分が余剰燃料ガス流量Ｑ２となる。この時の燃料電池１の流量収支は下記の式（１）
Ｑ１＝Ｑ３＋Ｑ２・・・・（１）
となる。
【００３１】
ここで、供給燃料ガス流量Ｑ１は、安定して発電を行うために、下記の式（２）の燃料ガス量の比ＳＲが、
ＳＲ＝Ｑ１／Ｑ３ ・・・（２）
所定値ＳＲＡ以上であることを満足する必要があることが知られている。なおＱ３は発電電流Ｉと等価な電荷をもった燃料ガス流量である。
【００３２】
しかしながら、発電量が急増し反応燃料ガス流量Ｑ３が増えるとき、スタック内の燃料ガス量ｑｓは一時的に減少し、燃料電池１の反応極まわりに存在する燃料ガスが不足する。
【００３３】
この時、燃料電池１の反応極まわりの流量収支は、単位時間△Ｔとして下記の式（３）
Ｑ１×△Ｔ＋ｑｓ＝Ｑ３×△Ｔ＋Ｑ２×△Ｔ ・・・（３）
となる。ここで、単位時間△Ｔで反応燃料ガスＱ３に対する反応極まわりの燃料ガス量の比ＳＲ１は、
ＳＲ１＝（Ｑ１×△Ｔ＋ｑｓ−Ｑ２×△Ｔ）／（Ｑ３×ΔＴ） ・・・（４）
となる。過渡時においては、瞬間的にこのＳＲ１が前記所定値ＳＲＡを上回る、または、低下量を最小限にすることにより電力急増時の発電効率低下を防止できると考えることができる。
【００３４】
そこで、本特許では燃料電池１出口に出口バルブ５を設け、式（４）における余剰燃料ガスＱ２を減少させることにより、式（４）の反応極まわりの燃料ガス量の比ＳＲ１の値を減少させない、もしくは改善することがねらいである。
【００３５】
次に、上記構成の燃料電池の燃料ガス制御装置の作動について、図２に示す演算コントローラ１４の周期的なルーチンを基に説明する。
【００３６】
演算コントローラ１４は、ステップＳ１で演算をスタートさせ、ステップＳ２で発電状態補正部８による燃料電池１の出口バルブ５の開度を演算し、ステップＳ３で終了する周期的なルーチンを繰り返す。
【００３７】
ステップＳ２の発電状態補正部８での制御フローチャートを図３に示す。先ず、ステップＳ４において、演算コントローラ１４に入力された発電電圧ＶＦＣ[Ｖ]の予め設定した電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ[Ｖ]に対する差分ＤＶＦＣ[Ｖ]を求める。
【００３８】
ステップＳ５では、差分ＤＶＦＣが０以下か否かを判定し、０以下、即ち、電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ未満である場合にはステップＳ６に進み、電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ以上である場合にはステップＳ９へ進む。
【００３９】
ステップＳ９では、発電電圧ＶＦＣが電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ以上であるため、出口バルブ５のバルブ開度ＴＶＯ２を全開（１００％）状態として演算コントローラ１４が出力する。
【００４０】
ステップＳ６では、あらかじめ実験等で電圧低下に対する出口バルブ５の開度の補正値を演算コントローラ１４に記憶させておき、ステップＳ４において求めた差分（マイナス値）の電圧低下に対応する電圧低下補正係数ＫＤＶＦＣを求める。
【００４１】
ステップＳ７では、出口バルブ５のバルブ開度ＴＶＯＤＶを求める。バルブ開度ＴＶＯＤＶは、全開時の出口バルブ開度を１００％とし、これより前記差分電圧ＤＶＦＣと電圧低下補正係数ＫＤＶＦＣとの積からなる補正値を差し引いて求める。
【００４２】
ステップＳ８では、ステップＳ７での演算結果が０％以下になるのを防ぐリミッタ処理である。この結果より求めたバルブ開度ＴＶ０２を燃料電池１の出口バルブ５の開度として演算コントローラ１４が出力する。
【００４３】
従って、図４のタイムチャートに示すように、モータ・インバータ１６の負荷が増加して発電電流Ｉが時点Ｔ２において急増し、発電電圧ＶＦＣが時点Ｔ２から低下してゆき、時点Ｔ３において電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣを下回ってとしても、発電状態補正部８によって燃料電池１の出口バルブ５のバルブ開度ＴＶＯ２が全開状態から電圧低下に応じて時点Ｔ３から発電電圧ＶＦＣが復帰する時点Ｔ４まで絞られ、燃料電池１内での燃料ガスの一時的な不足を補うことができる。図中のバルブ開度ＴＶＯ２は時点Ｔ３〜Ｔ４の間で全閉状態となっているが、ステップＳ７、Ｓ８の演算結果によって、バルブ開度が中途部までしか閉じないようにも作動する。
【００４４】
なお、上記実施態様においては、発電状態検知手段は電圧計７よりの発電電圧ＶＦＣにより求めているが、図示しないが、流量検知手段により供給燃料ガス流量Ｑ１を検出し、この供給燃料ガス流量Ｑ１と電流計１５により検出した発電電流Ｉとの比により発電状態を検出してもよい。
【００４５】
また、燃料ガス流量調整手段として燃料電池１の出口に設けた出口バルブ５により余剰ガス流量Ｑ２を調整しているが、図示しないが、流体ポンプを配置し、流体ポンプの吐出量を調整することで余剰ガス流量を調整するようにしてもよい。
【００４６】
本実施の形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。即ち、還流通路６を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５を設け、出口バルブ５のバルブ開度の目標値を発電状態補正部８により燃料電池１の発電状態に基づいて演算制御するため、燃料電池１の発電電力が増加して、燃料供給装置３からの燃料供給が要求量に追従できず、燃料電池１の反応極で反応に必要な燃料が不足した場合でも、出口バルブ５により、余剰ガスを燃料電池１の燃料極内にとどめておくことができ、燃料不足による発電状態の低下を防止することができる。
【００４７】
また追加する装置は、還流通路６を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５だけでよいので、燃料電池発電装置の重量増を最小限にとどめ、コストアップ分を最小限にすることができる。また、燃料ガス流量調整手段を任意の開度に設定可能な出口バルブ５で構成したため、余剰ガス量の微調整が行え、燃料電池１内に適切な余剰ガス量を与えることができる。
【００４８】
発電状態検知手段を燃料電池１の発電電圧を検知する電圧計等の電圧計７で構成し、電圧値の低下量に基づいて発電状態補正部８が出口バルブ５のバルブ開度を演算するため、電圧計７は燃料電池１に設置された一般のものでよく、発電状態を検知するために新たにセンサを設けることなく発電状態の検知が行える。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下、本発明の燃料電池の燃料ガス制御装置を実現する実施の形態を、請求項１、４〜８に対応する第２実施形態に基づいて説明する。
【００５０】
図５〜１５は、第２の実施形態の燃料電池の燃料ガス制御装置を示し、図５はシステム構成図、図６は演算コントローラの制御フローチャート、図７〜１２は、コントローラ内の要求電力検知部、運転状態検知部、電力急増時補正部、発電状態補正部、開度選択部、および、開閉速度調節部の各制御フローチャートを夫々示す。また、図１３は電力急増時補正部での要求電力に対するバルブ開度ＴＶＯＴＰの参照テーブルの一例、図１４は開閉速度調節部でのバルブ開度の１制御サイクルでの増減量の参照テーブルの一例を夫々示し、図１５は動作状態を示すタイムチャートである。なお、図１と同じ部品には同一符号を付して説明を簡略にし、新規な演算コントローラについて詳細に説明する。
【００５１】
図５において、燃料電池１、燃料ガス供給通路２、燃料ガス供給装置３、還流装置４、出口バルブ５、還流通路６、発電電圧検出装置７、発電状態補正部８を図１と同様に備える。演算コントローラ１４には、さらに、要求電力検知部９、運転状態検知部１０、電力急増補正部１１、開度選択部１２、開閉速度調整部１３を備える。
【００５２】
上記構成の演算コントローラに１４おける制御を図６〜１２に示す制御フローチャートを基に説明する。図６は演算コントローラ１４における制御ルーチンであり、周期的にステップＳ９から演算を開始し、ステップＳ１５で出口バルブ５のバルブ開度を求め、ステップＳ１６で一回の演算を終了するルーチンを繰り返す。
【００５３】
ステップＳ１０では、燃料電池１への要求電力を検知するものであり、要求電力検知部９の詳細を図７に示す。他のコントロールユニットや同コントロールユニット内で求められた要求電力ｔＰをステップＳ１８でメモリにストアする。他のコントロールユニットとしては、例えば、走行用電動モータを駆動制御する駆動用コントローラ等が該当する。この要求電力は、図１５のタイムチャートにおいて、時点Ｔ７において、要求電力ｔＰとしてストアされる。
【００５４】
ステップＳ１１は、要求電力の変化に基づいて要求電力の急増状態を検知するものであり、運転状態検知部１０の詳細を図８に示す。先ず、ステップＳ２１により、要求電力ｔＰが大きく変化したかを判断する。このため、前回の要求電力ｔＰと現在の要求電力ｔＰとの差分をとり、この差分が予め設定した電力値ＤＰ１を超えていればステップＳ２２へ、未満ならステップＳ２４に進む。
【００５５】
ステップＳ２２では、電力急増補正を許可するフラグＦＴ０を１にセットする。（図１５のタイムチャートにおいては、補正許可フラグは、ＦＴ０で示している。）
ステップＳ２３では、電力急増補正の補正処理中であることを示すタイマＦＴ２がスタートされる。
【００５６】
ステップＳ２４では、ステップＳ２２で要求電力の変化が所定値以下と判断されており、電力急増補正の許可フラグＦＴ０を０にする。
【００５７】
ステップＳ２５では、現在電力急増補正中であるか否かを判断する。タイマＦＴ２が０になっていれば、現在は補正中でないので、Ｓ２７に進んで補正中フラグＦＴ１を０にセットする。タイマＦＴ２が０でなければ現在補正中であり、ステップＳ２６に進み、補正中フラグＦＴ１を１にセットする。
【００５８】
これら、フラグＦＴ０、ＦＴ１は、図１５では、時点Ｔ７において一時的に、ＦＴ０＝１となり、引き続いてＦＴ１＝１が時点Ｔ７〜Ｔ９以降まで立っている。
【００５９】
次にステップＳ１２に進む。ステップＳ１２は、要求電力が急増したときに要求電力の変化量に基づいて出口バルブ５のバルブ開度を求めるものであり、電力急増時補正部１１の詳細を図９に示す。出口バルブ５のバルブ開度は、要求電力が急増した時点で、実際の発電が行われる直前に燃料電池１の出口バルブ５を閉じ、その後、序々にバルブ開度を開いていく処理を行う。閉じられるバルブ開度は要求電力に対応して増減される。
【００６０】
先ず、ステップＳ３０では、運転状態検知部Ｓ１１で求めた急増補正フラグＦＴ１が１になったか否かを判断する。急増補正フラグＦＴ１が０から１に変化して立った場合はＳ３１に進み、急増補正フラグＦＴ１が０から０、若しくは、１から１へと変化しない場合にはＳ３３に進む。
【００６１】
ステップＳ３１では、要求電力ｔＰに応じて電力が急増したときのバルブ開度ＴＶＯＴＰを算出して設定する。要求電力ｔＰに対する急増時バルブ開度ＴＶＯＴＰの参照テーブルの一例を図１３に示す。急増時バルブ開度テーブルはあらかじめ実験などにより適切な値を設定しておく。
【００６２】
ステップＳ３２では、ステップＳ３１で設定したバルブ開度ＴＶＯＴＰを急増時バルブ開度としてＴＶ０１にセットする。
【００６３】
ステップＳ３３では、現在が急増補正中であるか否かを急増補正中フラグＦＴ１が１であるかどうかで判断する。急増補正中フラグＦＴ１が１であれば、ステップＳ３４に進み、急増補正中フラグＦＴ１が０ならステップＳ３７に進み、バルブ開度ＴＶ０１＝１００％として補正なしとする。
【００６４】
ステップＳ３４では、ステップＳ３１で設定された急増時バルブ開度ＴＶＯＴＰから一定の増加分ＤＶＯＯＰを演算コントローラ１４のメモリから呼び出す。この増加分ＤＶＯＯＰは実験等により予め設定しておく。
【００６５】
ステップＳ３５では、ステップＳ３４で求めた増加分ＤＶＯＯＰだけ、前回値開度ＴＶ０１ｚに加え、序々にバルブ開度ＴＶＯ１を開いていく。
【００６６】
ステップＳ３６では、１００％を超えないようリミッタを設ける。
【００６７】
この電力急増補正部１１でのバルブ開度ＴＶＯ１は、図１５において、時点Ｔ７で開度が１００％から大きく閉じ、時点Ｔ８以降に１００％となるよう徐々に開度を増加させている。
【００６８】
次にステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３は図３に示す発電状態補正部８と同様であり、燃料電池１の発電状態に基づいて出口バルブ５のバルブ開度を演算する。発電状態補正部８の内容を図１０に示し、概略のみ説明する。
【００６９】
ステップＳ４０では、発電電圧ＶＦＣと電圧低下処理電圧ＬＶＦＣとの差分ＤＶＦＣを求め、ステップＳ４１では、差分ＤＶＦＣが０以下、つまり電圧低下処理電圧ＬＶＦＣを下回っているか判断し、下回っている場合にはステップＳ４２に進む。差分ＤＶＦＣが０以上であれば、ステップＳ４５でバルブ開度ＴＶ０２を１００％とする。ステップＳ４２では電圧低下補正係数ＫＤＶＦＣを求め、ステップＳ４３でバルブ開度ＴＶＯ２を求め、ステップＳ４４でバルブ開度の演算結果が０％以下になるのを防ぐリミッタ処理をおこなう。
【００７０】
バルブ開度ＴＶＯ２は、図１５において、時点Ｔ８からＴ９までの間において、一時的にバルブ開度を減じるよう制御される。
【００７１】
次にステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４はステップＳ１２の電力急増時補正部１１で求めたバルブ開度ＴＶＯ１とステップＳ１３の発電状態補正部８で求めたバルブ開度ＴＶＯ２とのいずれか小さい側の開度を選択する開度選択部１２であり、その内容を図１１に示す。
【００７２】
ステップＳ４８では、補正許可中フラグＦＴ１が１であれば、要求電力急増処理中若しくは発電状態補正中であり、ステップＳ４９に進む。補正許可中フラグＦＴ１が０であれば、上記の処理中でないため、ステップＳ５０に進み、バルブ開度ＴＶ０３＝１００％とする。
【００７３】
ステップＳ４９では、電力急増補正部１１で求めたバルブ開度ＴＶ０１と発電状態補正部８で求めたバルブ開度ＴＶ０２の小さい方の値をバルブ開度ＴＶ０３とする。
【００７４】
バルブ開度ＴＶＯ３は、図１５において、時点Ｔ７から急激に低下し、時点Ｔ８から０開度まで低下し、時点Ｔ９で再び１００％の開度に復帰するよう変化している。
【００７５】
次にステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５は出口バルブ５のバルブ開閉速度を設定する開閉速度調整部１３であり、その内容を図１２に示す。ここでは、開閉速度調整部１３では開度増と開度減の方向で速度を調整している。
【００７６】
ステップＳ５３では、バルブ開度の目標値ＴＶＯ３が前回値ＴＶＯ４ｚに対しての大小によりバルブ開度が増加しているか減少しているかを判断する。増加していれば、ステップＳ５４に進み、減少していれば、ステップＳ５８に進む。
【００７７】
ステップＳ５４では、要求電力ｔＰに応じたバルブ開度増加量ＤＴＶＯＥを参照テーブルＴＤＴＶＯＥから求める。参照テーブルＴＤＴＶＯＥは、図１４に示すように要求電力ｔＰに対する増加量ＤＴＶＯＥをあらかじめ実験などにより求めて設定しておく。
【００７８】
次にステップＳ５５に進み、ステップＳ５４で求めた増加量ＤＴＶＯＥを前回値ＴＶＯ４ｚに加えて今回のバルブ開度ＴＶＯＧを求める。
【００７９】
ステップＳ５６では、前記バルブ開度選択部１２で求めたバルブ開度ＴＶ０３と今回のバルブ開度ＴＶＯＧを比較し小さい方をＴＶ０４とする。勿論、これらのバルブ開度が１００％を超える場合には、バルブ開度ＴＶ０４を１００％とする。
【００８０】
また、ステップＳ５８では、要求電力ｔＰに応じたバルブ開度減少量ＤＴＶＯＦをテーブルＴＤＴＶＯＦから求める。ＴＤＴＶＯＦは図１４に示すテーブルをあらかじめ設定しておく。
【００８１】
次にステップＳ５９に進み、前回値ＴＶＯ４ｚから減少量ＤＴＶＯＦを引き目標とするバルブ開度ＴＶＯＧを求める。
【００８２】
ステップＳ６０では、目標バルブ開度ＴＶＯＧと前記開度選択部１２で求めたバルブ開度ＴＶ０３の大きいほうを今回のバルブ開度ＴＶ０４とする。
【００８３】
ステップＳ５７では、上記の演算で求めた出口バルブ開度ＴＶ０４を燃料電池１の出口バルブ５に、演算コントローラ１４から出力する。
【００８４】
バルブ開度ＴＶＯ４は、図１５において、開度ＴＶＯ３に対し時間遅れを伴なってなだらかとなっている。
【００８５】
なお、上記説明において、開閉速度調節部１３により開閉速度は、開速度と閉速度とを異ならせて設定しているが、同一の速度で設定してもよい。また、開閉速度調節部１３は、必ずしも必要とするものでない。
【００８６】
前記運転状態検知部１０は、要求電力ｔＰにより要求電力の急増状態を検知しているが、これに限定されることなく、図１６に示すように、発電電流を電流計１５よりの発電電流Ｉに基づき、上記電力急増状態を検知するようにしてもよい。
【００８７】
本実施の形態においては、第１の実施形態における効果に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。即ち、要求電力検知部９により要求電力ｔＰが急増したことを検出したときその時点より電力急増補正部１１により発電状態の低下を予測して燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５の流量制限割合を変更することにより、電力急増時の初期における発電状態の低下を防止できる。
【００８８】
また、開度選択部１２は発電状態補正部８で求められた流量制限割合または電力急増補正部１１によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力するため、適時適切な流量制限割合を与えることが可能である。
【００８９】
前記電力急増状態の検知手段として要求電力ｔＰの変化を用いることにより、燃料電池１に一般に装備されている電流電圧計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【００９０】
開閉速度調整部１３により流量制限割合の急変を抑制するため、燃料電池１内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止することができる。
【００９１】
開閉速度調整部１３により前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整するため、運転条件によって変化する圧力応答性に対して適切な開閉速度を与えることができる。このため、より一層燃料電池１内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止する効果をもつ。
【００９２】
運転状態検知部１０は、燃料電池１の発電電流Ｉを検知する電流計１５からの発電電流の増加量によって前記電力急増状態を判定するため、燃料電池１に一般に装備されている電流計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の燃料ガス制御装置のシステム構成図。
【図２】同じく演算コントローラの制御フローチャート。
【図３】演算コントローラ内の発電補正部の制御フローチャート。
【図４】燃料ガス制御装置の作動を示すタイムチャート。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す燃料電池の燃料ガス制御装置のシステム構成図。
【図６】同じく演算コントローラの制御フローチャート。
【図７】演算コントローラ内の要求電力検知部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図８】演算コントローラ内の運転状態検知部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図９】演算コントローラ内の電力急増時補正部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１０】演算コントローラ内の発電状態補正部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１１】演算コントローラ内の開度選択部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１２】演算コントローラ内の開閉速度調節部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１３】電力急増時補正部での要求電力に対するバルブ開度ＴＶＯＴＰの参照テーブルの一例を示すグラフ。
【図１４】開閉速度調節部でのバルブ開度の１制御サイクルでの増減量の参照テーブルの一例を示すグラフ。
【図１５】燃料ガス制御装置の作動を示すタイムチャート。
【図１６】燃料電池の運転状態検知の変形例を示すシステム構成図。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料供給通路
３ 燃料供給装置
４ 還流装置
５ 燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ
６ 還流通路
７ 電圧計（発電電圧検出手段）
８ 発電状態補正部（発電状態補正手段）
９ 要求電力検知部
１０ 運転状態検知部
１１ 電力急増補正部
１２ 開度選択部
１３ 開閉速度調整部
１４ 演算コントローラ
１５ 電流計（発電電流検知手段）
１６ モータ・インバータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料ガス制御装置に関し、特に、出力電流の急増時に好適な燃料電池の燃料ガス制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池に燃料ガスを供給するものとして、例えば、特開平７−２６３００５号公報に記載されたものがある。
【０００３】
これは、燃料ガスが供給されて反応ガスを生成する反応極と、余剰ガスが通過する反応極出口バルブと、その後段に配置されてガス排出バルブに連通する排出ガス分岐部とを備えた燃料電池発電系の反応極ガス循環系の圧力制御装置に関する。そして、コントローラにより反応極圧力及び排出ガス分岐部圧力の検出値を各々の目標値に一致させるように多変数制御演算を行ない、各バルブの開度を算出して出力する。結果として、燃料電池発電系の反応極ガス循環系における反応極の圧力と排出ガス分岐部の圧力を、制御遅れなく目標値に一致させて、燃料電池を高効率で運転するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、燃料電池発電系の反応極ガス循環系における反応極の圧力と排出ガス分岐部の圧力を制御遅れなく目標値に一致させ、燃料電池を高効率で安定して運転するものであるため、トルク要求に対応して出力を増減させるよう運転される燃料電池自動車等の移動体の燃料電池には、トルク要求の増加等の際に供給燃料ガス不足を生じる等の不具合を生じ、適用が難しいものであった。
【０００５】
また、上記従来例では、燃料極圧力計と排気ガス圧力計、および出口バルブと排気ガスバルブ等の部品点数が多く、システムの体積および重量が増加し、車両に適用する場合には、燃費を悪化させる一方、部品点数が多いことからコストも上昇する。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、トルク要求の増加に好適に対応可能な簡素な燃料電池の燃料ガス制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給通路と、前記燃料電池からの余剰ガスを前記燃料供給通路に還流する還流通路とを備えた燃料電池において、前記還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段と、前記燃料電池の発電状態を検知する発電状態検知手段と、前記発電状態検知手段から入力される発電状態に基づいて前記燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を演算し前記燃料ガス流量調整手段に出力する発電状態補正部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
前記燃料ガス流量調整手段は、開度が調整可能なバルブ、通過流量を調整可能なポンプ等で構成することができる。また、発電状態検知手段は、燃料電池に付属している例えば出力電圧計でよい。前記発電状態補正部は、燃料ガス流量調整手段の目標値を、燃料電池に接続された負荷が増えて出力電流が急増した時に、供給ガスが不足して発電状態の低下を出力電圧等に応じて燃料ガスの流通を制限して余剰燃料ガスをスタック内に留まるよう演算する。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、燃料ガス流量調整手段は、任意の開度に設定可能なバルブであることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記発電状態検知手段は、燃料電池の発電電圧を検知する電圧計であり、前記発電状態補正部は、電圧計の電圧値の低下量に基づいてバルブ開度を演算することを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし第３の発明において、前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記燃料電池への要求電力を検知する要求電力検知部と、要求電力の急増状態を検知する運転状態検知部と、要求電力が急増したときに急増する要求電力の変化量に基づいて前記燃料ガス流量制御手段の流量制限割合を求める電力急増補正部と、前記発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力する開度選択部と、を備えていることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明において、運転状態検知部は、前記要求電力の変化に基づいて電力急増状態を判定することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第４の発明において、運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定することを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第４ないし第６の発明において、燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記開度選択部から出力される流量制限割合を前回の流量制限割合と比較して制限割合変更速度を調整して出力する開閉速度調整部を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、開閉速度調整部は、前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
したがって、第１の発明では、還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段を設け、燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を発電状態補正部により入力される燃料電池の発電状態に基づいて演算制御するため、燃料電池発電電力が増加して、燃料供給装置からの燃料供給が要求量に追従できず、燃料電池の反応極で反応に必要な燃料が不足した場合でも、燃料ガス流量調整手段により、余剰ガスを燃料電池の燃料極内に留めておくことができ、燃料不足による発電状態の低下を防止することができる。
【００１７】
また追加する装置は、還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段だけでよいので、燃料電池発電装置の重量増を最小限にとどめ、コストアップ分を最小限にすることができる。
【００１８】
第２の発明では、第１の発明の効果に加えて、燃料ガス流量調整手段を任意の開度に設定可能なバルブで構成したため、余剰ガス量の微調整が行え、燃料電池内に適切な余剰ガス量を与えることができる。
【００１９】
第３の発明では、第１の発明の効果に加えて、発電状態検知手段を燃料電池の発電電圧を検知する電圧計で構成し、電圧計の電圧値の低下量に基づいて発電状態補正部がバルブのバルブ開度を判定するため、電圧計は燃料電池装置に設置された一般のものでよく、発電状態を検知するために新たにセンサを設けることなく発電状態の検知が行える。
【００２０】
第４の発明では、第１ないし第３の発明の効果に加えて、要求電力検知部により要求電力が急増したことを検出したときその時点より電力急増補正部により発電状態の低下を予測して燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を変更することにより、電力急増時の初期における発電状態の低下を防止できる。
【００２１】
また、開度選択部は発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力するため、適時適切な流量制限割合を与えることが可能である。
【００２２】
第５の発明では、第４の発明の効果に加えて、前記要求電力の変化量に基づいて電力急増状態を判定することにより、燃料電池一般に装備されている電流電圧計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【００２３】
第６の発明では、第４の発明の効果に加えて、運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定するため、燃料電池一般に装備されている電流計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【００２４】
第７の発明では、第４ないし第６の発明の効果に加えて、開閉速度調整部により流量制限割合の急変を抑制するため、燃料電池内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止することができる。
【００２５】
第８の発明では、第７の発明の効果に加えて、開閉速度調整部により前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整するため、運転条件によって変化する圧力応答性に対して適切な開閉速度を与えることができる。このため、より一層燃料電池内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止する効果をもつ。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料ガス制御装置を実現する実施の形態を、請求項１〜３に対応する第１実施形態に基づいて説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１〜４は、第１の実施形態の燃料電池の燃料ガス制御装置を示し、図１はシステム構成図、図２は演算コントローラの制御フローチャート、図３はコントローラ内の発電補正部の制御フローチャート、図４は発電補正部のタイムチャートを夫々示す。
【００２８】
図１において、１は燃料電池を示し、燃料供給通路２を経由して燃料供給装置３よりの燃料ガスが供給される。燃料ガスは燃料電池１により反応燃料ガス流量に相当する発電電流に変換され、発電反応で反応しなかった残余の余剰ガスは燃料電池１から還流通路６、還流装置４を経由して燃料供給通路２に戻され、再び燃料電池１に供給される。還流通路６には燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５が配置され、出口バルブ５が１００パセント全開時には、燃料電池１の出口よりの余剰ガスを抵抗なく流通させ、バルブ開度を絞るに連れて燃料電池１の出口から出る余剰ガスに通路抵抗を与えて燃料電池１内の燃料ガス圧力を上昇させる。出口バルブ５のバルブ開度は演算コントローラ１４の発電状態補正部８により制御される。燃料電池１の発電電流は、図示しない車両用駆動モータのモータ・インバータ１６に供給される。発電電流は発電電流検知手段としての電流計１５により、また、発電電圧は発電電圧検知手段としての電圧計７により、夫々検出され、検出信号は演算コントローラ１４から発電状態補正部８に入力される。
【００２９】
ここで、燃料供給通路２を流れる供給ガス流量をＱ１、還流通路６を流れる余剰燃料ガス流量をＱ２、燃料電池１内で反応した反応燃料ガス流量をＱ３、燃料電池１のスタック内の燃料ガス量をｑＳ、発電電流をＩとして、本特許の動作原理について、先ず、説明する。
【００３０】
発電量が一定な定常状態において、燃料電池１に供給される供給燃料ガス流量Ｑ１から反応により水（Ｈ2Ｏ）となる反応燃料ガス流量Ｑ３を差し引いた分が余剰燃料ガス流量Ｑ２となる。この時の燃料電池１の流量収支は下記の式（１）
Ｑ１＝Ｑ３＋Ｑ２・・・・（１）
となる。
【００３１】
ここで、供給燃料ガス流量Ｑ１は、安定して発電を行うために、下記の式（２）の燃料ガス量の比ＳＲが、
ＳＲ＝Ｑ１／Ｑ３ ・・・（２）
所定値ＳＲＡ以上であることを満足する必要があることが知られている。なおＱ３は発電電流Ｉと等価な電荷をもった燃料ガス流量である。
【００３２】
しかしながら、発電量が急増し反応燃料ガス流量Ｑ３が増えるとき、スタック内の燃料ガス量ｑｓは一時的に減少し、燃料電池１の反応極まわりに存在する燃料ガスが不足する。
【００３３】
この時、燃料電池１の反応極まわりの流量収支は、単位時間△Ｔとして下記の式（３）
Ｑ１×△Ｔ＋ｑｓ＝Ｑ３×△Ｔ＋Ｑ２×△Ｔ ・・・（３）
となる。ここで、単位時間△Ｔで反応燃料ガスＱ３に対する反応極まわりの燃料ガス量の比ＳＲ１は、
ＳＲ１＝（Ｑ１×△Ｔ＋ｑｓ−Ｑ２×△Ｔ）／（Ｑ３×ΔＴ） ・・・（４）
となる。過渡時においては、瞬間的にこのＳＲ１が前記所定値ＳＲＡを上回る、または、低下量を最小限にすることにより電力急増時の発電効率低下を防止できると考えることができる。
【００３４】
そこで、本特許では燃料電池１出口に出口バルブ５を設け、式（４）における余剰燃料ガスＱ２を減少させることにより、式（４）の反応極まわりの燃料ガス量の比ＳＲ１の値を減少させない、もしくは改善することがねらいである。
【００３５】
次に、上記構成の燃料電池の燃料ガス制御装置の作動について、図２に示す演算コントローラ１４の周期的なルーチンを基に説明する。
【００３６】
演算コントローラ１４は、ステップＳ１で演算をスタートさせ、ステップＳ２で発電状態補正部８による燃料電池１の出口バルブ５の開度を演算し、ステップＳ３で終了する周期的なルーチンを繰り返す。
【００３７】
ステップＳ２の発電状態補正部８での制御フローチャートを図３に示す。先ず、ステップＳ４において、演算コントローラ１４に入力された発電電圧ＶＦＣ[Ｖ]の予め設定した電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ[Ｖ]に対する差分ＤＶＦＣ[Ｖ]を求める。
【００３８】
ステップＳ５では、差分ＤＶＦＣが０以下か否かを判定し、０以下、即ち、電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ未満である場合にはステップＳ６に進み、電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ以上である場合にはステップＳ９へ進む。
【００３９】
ステップＳ９では、発電電圧ＶＦＣが電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣ以上であるため、出口バルブ５のバルブ開度ＴＶＯ２を全開（１００％）状態として演算コントローラ１４が出力する。
【００４０】
ステップＳ６では、あらかじめ実験等で電圧低下に対する出口バルブ５の開度の補正値を演算コントローラ１４に記憶させておき、ステップＳ４において求めた差分（マイナス値）の電圧低下に対応する電圧低下補正係数ＫＤＶＦＣを求める。
【００４１】
ステップＳ７では、出口バルブ５のバルブ開度ＴＶＯＤＶを求める。バルブ開度ＴＶＯＤＶは、全開時の出口バルブ開度を１００％とし、これより前記差分電圧ＤＶＦＣと電圧低下補正係数ＫＤＶＦＣとの積からなる補正値を差し引いて求める。
【００４２】
ステップＳ８では、ステップＳ７での演算結果が０％以下になるのを防ぐリミッタ処理である。この結果より求めたバルブ開度ＴＶ０２を燃料電池１の出口バルブ５の開度として演算コントローラ１４が出力する。
【００４３】
従って、図４のタイムチャートに示すように、モータ・インバータ１６の負荷が増加して発電電流Ｉが時点Ｔ２において急増し、発電電圧ＶＦＣが時点Ｔ２から低下してゆき、時点Ｔ３において電圧低下処理開始電圧ＬＶＦＣを下回ってとしても、発電状態補正部８によって燃料電池１の出口バルブ５のバルブ開度ＴＶＯ２が全開状態から電圧低下に応じて時点Ｔ３から発電電圧ＶＦＣが復帰する時点Ｔ４まで絞られ、燃料電池１内での燃料ガスの一時的な不足を補うことができる。図中のバルブ開度ＴＶＯ２は時点Ｔ３〜Ｔ４の間で全閉状態となっているが、ステップＳ７、Ｓ８の演算結果によって、バルブ開度が中途部までしか閉じないようにも作動する。
【００４４】
なお、上記実施態様においては、発電状態検知手段は電圧計７よりの発電電圧ＶＦＣにより求めているが、図示しないが、流量検知手段により供給燃料ガス流量Ｑ１を検出し、この供給燃料ガス流量Ｑ１と電流計１５により検出した発電電流Ｉとの比により発電状態を検出してもよい。
【００４５】
また、燃料ガス流量調整手段として燃料電池１の出口に設けた出口バルブ５により余剰ガス流量Ｑ２を調整しているが、図示しないが、流体ポンプを配置し、流体ポンプの吐出量を調整することで余剰ガス流量を調整するようにしてもよい。
【００４６】
本実施の形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。即ち、還流通路６を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５を設け、出口バルブ５のバルブ開度の目標値を発電状態補正部８により燃料電池１の発電状態に基づいて演算制御するため、燃料電池１の発電電力が増加して、燃料供給装置３からの燃料供給が要求量に追従できず、燃料電池１の反応極で反応に必要な燃料が不足した場合でも、出口バルブ５により、余剰ガスを燃料電池１の燃料極内にとどめておくことができ、燃料不足による発電状態の低下を防止することができる。
【００４７】
また追加する装置は、還流通路６を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５だけでよいので、燃料電池発電装置の重量増を最小限にとどめ、コストアップ分を最小限にすることができる。また、燃料ガス流量調整手段を任意の開度に設定可能な出口バルブ５で構成したため、余剰ガス量の微調整が行え、燃料電池１内に適切な余剰ガス量を与えることができる。
【００４８】
発電状態検知手段を燃料電池１の発電電圧を検知する電圧計等の電圧計７で構成し、電圧値の低下量に基づいて発電状態補正部８が出口バルブ５のバルブ開度を演算するため、電圧計７は燃料電池１に設置された一般のものでよく、発電状態を検知するために新たにセンサを設けることなく発電状態の検知が行える。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下、本発明の燃料電池の燃料ガス制御装置を実現する実施の形態を、請求項１、４〜８に対応する第２実施形態に基づいて説明する。
【００５０】
図５〜１５は、第２の実施形態の燃料電池の燃料ガス制御装置を示し、図５はシステム構成図、図６は演算コントローラの制御フローチャート、図７〜１２は、コントローラ内の要求電力検知部、運転状態検知部、電力急増時補正部、発電状態補正部、開度選択部、および、開閉速度調節部の各制御フローチャートを夫々示す。また、図１３は電力急増時補正部での要求電力に対するバルブ開度ＴＶＯＴＰの参照テーブルの一例、図１４は開閉速度調節部でのバルブ開度の１制御サイクルでの増減量の参照テーブルの一例を夫々示し、図１５は動作状態を示すタイムチャートである。なお、図１と同じ部品には同一符号を付して説明を簡略にし、新規な演算コントローラについて詳細に説明する。
【００５１】
図５において、燃料電池１、燃料ガス供給通路２、燃料ガス供給装置３、還流装置４、出口バルブ５、還流通路６、発電電圧検出装置７、発電状態補正部８を図１と同様に備える。演算コントローラ１４には、さらに、要求電力検知部９、運転状態検知部１０、電力急増補正部１１、開度選択部１２、開閉速度調整部１３を備える。
【００５２】
上記構成の演算コントローラに１４おける制御を図６〜１２に示す制御フローチャートを基に説明する。図６は演算コントローラ１４における制御ルーチンであり、周期的にステップＳ９から演算を開始し、ステップＳ１５で出口バルブ５のバルブ開度を求め、ステップＳ１６で一回の演算を終了するルーチンを繰り返す。
【００５３】
ステップＳ１０では、燃料電池１への要求電力を検知するものであり、要求電力検知部９の詳細を図７に示す。他のコントロールユニットや同コントロールユニット内で求められた要求電力ｔＰをステップＳ１８でメモリにストアする。他のコントロールユニットとしては、例えば、走行用電動モータを駆動制御する駆動用コントローラ等が該当する。この要求電力は、図１５のタイムチャートにおいて、時点Ｔ７において、要求電力ｔＰとしてストアされる。
【００５４】
ステップＳ１１は、要求電力の変化に基づいて要求電力の急増状態を検知するものであり、運転状態検知部１０の詳細を図８に示す。先ず、ステップＳ２１により、要求電力ｔＰが大きく変化したかを判断する。このため、前回の要求電力ｔＰと現在の要求電力ｔＰとの差分をとり、この差分が予め設定した電力値ＤＰ１を超えていればステップＳ２２へ、未満ならステップＳ２４に進む。
【００５５】
ステップＳ２２では、電力急増補正を許可するフラグＦＴ０を１にセットする。（図１５のタイムチャートにおいては、補正許可フラグは、ＦＴ０で示している。）
ステップＳ２３では、電力急増補正の補正処理中であることを示すタイマＦＴ２がスタートされる。
【００５６】
ステップＳ２４では、ステップＳ２２で要求電力の変化が所定値以下と判断されており、電力急増補正の許可フラグＦＴ０を０にする。
【００５７】
ステップＳ２５では、現在電力急増補正中であるか否かを判断する。タイマＦＴ２が０になっていれば、現在は補正中でないので、Ｓ２７に進んで補正中フラグＦＴ１を０にセットする。タイマＦＴ２が０でなければ現在補正中であり、ステップＳ２６に進み、補正中フラグＦＴ１を１にセットする。
【００５８】
これら、フラグＦＴ０、ＦＴ１は、図１５では、時点Ｔ７において一時的に、ＦＴ０＝１となり、引き続いてＦＴ１＝１が時点Ｔ７〜Ｔ９以降まで立っている。
【００５９】
次にステップＳ１２に進む。ステップＳ１２は、要求電力が急増したときに要求電力の変化量に基づいて出口バルブ５のバルブ開度を求めるものであり、電力急増時補正部１１の詳細を図９に示す。出口バルブ５のバルブ開度は、要求電力が急増した時点で、実際の発電が行われる直前に燃料電池１の出口バルブ５を閉じ、その後、序々にバルブ開度を開いていく処理を行う。閉じられるバルブ開度は要求電力に対応して増減される。
【００６０】
先ず、ステップＳ３０では、運転状態検知部Ｓ１１で求めた急増補正フラグＦＴ１が１になったか否かを判断する。急増補正フラグＦＴ１が０から１に変化して立った場合はＳ３１に進み、急増補正フラグＦＴ１が０から０、若しくは、１から１へと変化しない場合にはＳ３３に進む。
【００６１】
ステップＳ３１では、要求電力ｔＰに応じて電力が急増したときのバルブ開度ＴＶＯＴＰを算出して設定する。要求電力ｔＰに対する急増時バルブ開度ＴＶＯＴＰの参照テーブルの一例を図１３に示す。急増時バルブ開度テーブルはあらかじめ実験などにより適切な値を設定しておく。
【００６２】
ステップＳ３２では、ステップＳ３１で設定したバルブ開度ＴＶＯＴＰを急増時バルブ開度としてＴＶ０１にセットする。
【００６３】
ステップＳ３３では、現在が急増補正中であるか否かを急増補正中フラグＦＴ１が１であるかどうかで判断する。急増補正中フラグＦＴ１が１であれば、ステップＳ３４に進み、急増補正中フラグＦＴ１が０ならステップＳ３７に進み、バルブ開度ＴＶ０１＝１００％として補正なしとする。
【００６４】
ステップＳ３４では、ステップＳ３１で設定された急増時バルブ開度ＴＶＯＴＰから一定の増加分ＤＶＯＯＰを演算コントローラ１４のメモリから呼び出す。この増加分ＤＶＯＯＰは実験等により予め設定しておく。
【００６５】
ステップＳ３５では、ステップＳ３４で求めた増加分ＤＶＯＯＰだけ、前回値開度ＴＶ０１ｚに加え、序々にバルブ開度ＴＶＯ１を開いていく。
【００６６】
ステップＳ３６では、１００％を超えないようリミッタを設ける。
【００６７】
この電力急増補正部１１でのバルブ開度ＴＶＯ１は、図１５において、時点Ｔ７で開度が１００％から大きく閉じ、時点Ｔ８以降に１００％となるよう徐々に開度を増加させている。
【００６８】
次にステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３は図３に示す発電状態補正部８と同様であり、燃料電池１の発電状態に基づいて出口バルブ５のバルブ開度を演算する。発電状態補正部８の内容を図１０に示し、概略のみ説明する。
【００６９】
ステップＳ４０では、発電電圧ＶＦＣと電圧低下処理電圧ＬＶＦＣとの差分ＤＶＦＣを求め、ステップＳ４１では、差分ＤＶＦＣが０以下、つまり電圧低下処理電圧ＬＶＦＣを下回っているか判断し、下回っている場合にはステップＳ４２に進む。差分ＤＶＦＣが０以上であれば、ステップＳ４５でバルブ開度ＴＶ０２を１００％とする。ステップＳ４２では電圧低下補正係数ＫＤＶＦＣを求め、ステップＳ４３でバルブ開度ＴＶＯ２を求め、ステップＳ４４でバルブ開度の演算結果が０％以下になるのを防ぐリミッタ処理をおこなう。
【００７０】
バルブ開度ＴＶＯ２は、図１５において、時点Ｔ８からＴ９までの間において、一時的にバルブ開度を減じるよう制御される。
【００７１】
次にステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４はステップＳ１２の電力急増時補正部１１で求めたバルブ開度ＴＶＯ１とステップＳ１３の発電状態補正部８で求めたバルブ開度ＴＶＯ２とのいずれか小さい側の開度を選択する開度選択部１２であり、その内容を図１１に示す。
【００７２】
ステップＳ４８では、補正許可中フラグＦＴ１が１であれば、要求電力急増処理中若しくは発電状態補正中であり、ステップＳ４９に進む。補正許可中フラグＦＴ１が０であれば、上記の処理中でないため、ステップＳ５０に進み、バルブ開度ＴＶ０３＝１００％とする。
【００７３】
ステップＳ４９では、電力急増補正部１１で求めたバルブ開度ＴＶ０１と発電状態補正部８で求めたバルブ開度ＴＶ０２の小さい方の値をバルブ開度ＴＶ０３とする。
【００７４】
バルブ開度ＴＶＯ３は、図１５において、時点Ｔ７から急激に低下し、時点Ｔ８から０開度まで低下し、時点Ｔ９で再び１００％の開度に復帰するよう変化している。
【００７５】
次にステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５は出口バルブ５のバルブ開閉速度を設定する開閉速度調整部１３であり、その内容を図１２に示す。ここでは、開閉速度調整部１３では開度増と開度減の方向で速度を調整している。
【００７６】
ステップＳ５３では、バルブ開度の目標値ＴＶＯ３が前回値ＴＶＯ４ｚに対しての大小によりバルブ開度が増加しているか減少しているかを判断する。増加していれば、ステップＳ５４に進み、減少していれば、ステップＳ５８に進む。
【００７７】
ステップＳ５４では、要求電力ｔＰに応じたバルブ開度増加量ＤＴＶＯＥを参照テーブルＴＤＴＶＯＥから求める。参照テーブルＴＤＴＶＯＥは、図１４に示すように要求電力ｔＰに対する増加量ＤＴＶＯＥをあらかじめ実験などにより求めて設定しておく。
【００７８】
次にステップＳ５５に進み、ステップＳ５４で求めた増加量ＤＴＶＯＥを前回値ＴＶＯ４ｚに加えて今回のバルブ開度ＴＶＯＧを求める。
【００７９】
ステップＳ５６では、前記バルブ開度選択部１２で求めたバルブ開度ＴＶ０３と今回のバルブ開度ＴＶＯＧを比較し小さい方をＴＶ０４とする。勿論、これらのバルブ開度が１００％を超える場合には、バルブ開度ＴＶ０４を１００％とする。
【００８０】
また、ステップＳ５８では、要求電力ｔＰに応じたバルブ開度減少量ＤＴＶＯＦをテーブルＴＤＴＶＯＦから求める。ＴＤＴＶＯＦは図１４に示すテーブルをあらかじめ設定しておく。
【００８１】
次にステップＳ５９に進み、前回値ＴＶＯ４ｚから減少量ＤＴＶＯＦを引き目標とするバルブ開度ＴＶＯＧを求める。
【００８２】
ステップＳ６０では、目標バルブ開度ＴＶＯＧと前記開度選択部１２で求めたバルブ開度ＴＶ０３の大きいほうを今回のバルブ開度ＴＶ０４とする。
【００８３】
ステップＳ５７では、上記の演算で求めた出口バルブ開度ＴＶ０４を燃料電池１の出口バルブ５に、演算コントローラ１４から出力する。
【００８４】
バルブ開度ＴＶＯ４は、図１５において、開度ＴＶＯ３に対し時間遅れを伴なってなだらかとなっている。
【００８５】
なお、上記説明において、開閉速度調節部１３により開閉速度は、開速度と閉速度とを異ならせて設定しているが、同一の速度で設定してもよい。また、開閉速度調節部１３は、必ずしも必要とするものでない。
【００８６】
前記運転状態検知部１０は、要求電力ｔＰにより要求電力の急増状態を検知しているが、これに限定されることなく、図１６に示すように、発電電流を電流計１５よりの発電電流Ｉに基づき、上記電力急増状態を検知するようにしてもよい。
【００８７】
本実施の形態においては、第１の実施形態における効果に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。即ち、要求電力検知部９により要求電力ｔＰが急増したことを検出したときその時点より電力急増補正部１１により発電状態の低下を予測して燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ５の流量制限割合を変更することにより、電力急増時の初期における発電状態の低下を防止できる。
【００８８】
また、開度選択部１２は発電状態補正部８で求められた流量制限割合または電力急増補正部１１によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力するため、適時適切な流量制限割合を与えることが可能である。
【００８９】
前記電力急増状態の検知手段として要求電力ｔＰの変化を用いることにより、燃料電池１に一般に装備されている電流電圧計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【００９０】
開閉速度調整部１３により流量制限割合の急変を抑制するため、燃料電池１内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止することができる。
【００９１】
開閉速度調整部１３により前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整するため、運転条件によって変化する圧力応答性に対して適切な開閉速度を与えることができる。このため、より一層燃料電池１内の急激な圧力上昇や圧力低下を防止する効果をもつ。
【００９２】
運転状態検知部１０は、燃料電池１の発電電流Ｉを検知する電流計１５からの発電電流の増加量によって前記電力急増状態を判定するため、燃料電池１に一般に装備されている電流計を用いることで新たにセンサや検知部品を追加する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の燃料ガス制御装置のシステム構成図。
【図２】同じく演算コントローラの制御フローチャート。
【図３】演算コントローラ内の発電補正部の制御フローチャート。
【図４】燃料ガス制御装置の作動を示すタイムチャート。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す燃料電池の燃料ガス制御装置のシステム構成図。
【図６】同じく演算コントローラの制御フローチャート。
【図７】演算コントローラ内の要求電力検知部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図８】演算コントローラ内の運転状態検知部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図９】演算コントローラ内の電力急増時補正部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１０】演算コントローラ内の発電状態補正部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１１】演算コントローラ内の開度選択部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１２】演算コントローラ内の開閉速度調節部のサブルーチンを示すフローチャート。
【図１３】電力急増時補正部での要求電力に対するバルブ開度ＴＶＯＴＰの参照テーブルの一例を示すグラフ。
【図１４】開閉速度調節部でのバルブ開度の１制御サイクルでの増減量の参照テーブルの一例を示すグラフ。
【図１５】燃料ガス制御装置の作動を示すタイムチャート。
【図１６】燃料電池の運転状態検知の変形例を示すシステム構成図。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料供給通路
３ 燃料供給装置
４ 還流装置
５ 燃料ガス流量調整手段としての出口バルブ
６ 還流通路
７ 電圧計（発電電圧検出手段）
８ 発電状態補正部（発電状態補正手段）
９ 要求電力検知部
１０ 運転状態検知部
１１ 電力急増補正部
１２ 開度選択部
１３ 開閉速度調整部
１４ 演算コントローラ
１５ 電流計（発電電流検知手段）
１６ モータ・インバータ
Claims (8)
- 燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給通路と、前記燃料電池からの余剰ガスを前記燃料供給通路に還流する還流通路とを備えた燃料電池において、
前記還流通路を還流する燃料ガスの流通を制限可能な燃料ガス流量調整手段と、
前記燃料電池の発電状態を検知する発電状態検知手段と、
前記発電状態検知手段から入力される発電状態に基づいて前記燃料ガス流量調整手段の流量制限割合を演算し前記燃料ガス流量調整手段に出力する発電状態補正部と、を有することを特徴とする燃料電池の燃料ガス制御装置。 - 前記燃料ガス流量調整手段は、任意の開度に設定可能なバルブであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記発電状態検知手段は、燃料電池の発電電圧を検知する電圧計であり、前記発電状態補正部は、電圧計の電圧値の低下量に基づいてバルブ開度を演算することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、
前記燃料電池への要求電力を検知する要求電力検知部と、
要求電力の急増状態を検知する運転状態検知部と、
要求電力が急増したときに急増する要求電力の変化量に基づいて前記燃料ガス流量制御手段の流量制限割合を求める電力急増補正部と、
前記発電状態補正部で求められた流量制限割合または電力急増補正部によって求められた流量制限割合のいずれか小さい側の割合を選択して出力する開度選択部と、を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。 - 前記運転状態検知部は、前記要求電力の変化に基づいて電力急増状態を判定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記運転状態検知部は、燃料電池の発電電流を検知する発電電流検知手段からの発電電流の増加量によって電力急増状態を判定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記燃料電池の燃料ガス制御装置は、前記開度選択部から出力される流量制限割合を前回の流量制限割合と比較して制限割合変更速度を調整して出力する開閉速度調整部を備えていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
- 前記開閉速度調整部は、前記要求電力に基づいて制限割合変更速度を調整することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の燃料ガス制御装置。
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