WO2023181136A1

WO2023181136A1 - 燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム

Info

Publication number: WO2023181136A1
Application number: PCT/JP2022/013317
Authority: WO
Inventors: 浩司内田
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-28

Abstract

複数種類の成分から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池と、燃料タンクを備えるとともに燃料電池に混合ガスを供給する燃料供給機構と、起動時に燃料電池に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器と、を備える燃料電池システムを制御する制御方法であって、燃料組成と燃焼器への燃料流量とを未知数とし、燃焼器への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器に供給される空気量と燃焼器から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、燃焼器に供給される空気量と燃焼器から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式の少なくとも一方と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式に基づいて混合ガスを構成する成分の組成比を推定し、推定結果に基づいて、燃料電池へ供給する燃料の流量を調整する燃料電池システム制御方法。

Description

燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム

　本発明は、燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システムに関する。

　従来から、燃料電池の燃料として都市ガスを利用することが提案されている。都市ガス（混合ガス）は、改質器、または改質機能を有する燃料電池において改質され、燃料として用いることができる。しかし、都市ガスは単位体積あたりの熱量で規定されており、その組成についてはバラつきが発生し得る。よって、都市ガスの組成が変わると、改質により生成される水素量が変化するため、燃料電池の要求出力に応じた水素量を供給することが困難となる。

　この問題を解決するため、ＪＰ２００５－２００２６０Ａでは、起動時に燃焼部で燃料を燃焼させ、そのときの供給燃料量当たりの発熱量を求めて、事前に作成しておいた線図に基づいて燃料に含まれる炭素数を推定している。

　しかし、上記文献のように炭素数を推定するだけでは、改質による水素生成量等を精度よく推定することは難しい。

　そこで本発明は、精度よく混合ガスの組成を推定可能な燃料電池システム制御方法、および燃料電池システム制御装置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、複数種類の成分（飽和炭化水素または水素）から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池と、混合ガスを蓄える燃料タンクを備えるとともに燃料電池に混合ガスを供給する燃料供給機構と、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器と、を備える燃料電池システムを制御する制御方法が提供される。この制御方法では、燃料組成と燃焼器への燃料流量とを未知数とし、燃焼器への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器に供給される空気量と燃焼器から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、燃焼器に供給される空気量と燃焼器から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式の少なくとも一方と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定する。そして、推定された組成比に基づいて、燃料電池へ供給する燃料の流量を調整する。

　本発明の別のある態様によれば、複数種類の成分（飽和炭化水素または水素）から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池と、混合ガスを蓄える燃料タンクを備えるとともに燃料電池に混合ガスを供給する燃料供給機構と、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器に供給する空気の流量及び燃焼器及び燃料電池に供給する混合ガスの流量を制御する制御部と、を備える燃料電池システムが提供される。制御部は、燃料組成と燃焼器への燃料流量とを未知数とし、燃焼器への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器に供給される空気量と、酸素濃度センサにより検出する燃焼器から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、燃焼器に供給される空気量と、温度センサにより検出する燃焼器から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式の少なくとも一方と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定する。そして、制御部は推定された組成比に基づいて、燃料電池へ供給する燃料の流量を調整する。

図１は、第１実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの概略図である。図２は、暖機制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図３は、燃焼器７に流入するガスと排出されるガスの関係を示す図である。図４は、第１実施形態に係る組成推定の制御ルーチンを示すフローチャートである。図５は、混合ガスに含まれ得る鎖式飽和炭化水素の単体での燃焼熱、比熱比及び分子量をまとめた表である。図６は、２種類の飽和炭化水素で構成される第１～第３の混合ガスの組成比、比熱比項、分子量項及び比熱比項と分子量項との積をまとめた表である。図７は、第２実施形態に係る組成推定の制御ルーチンを示すフローチャートである。図８は、第３実施形態に係る組成推定の制御ルーチンを示すフローチャートである。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　［第１実施形態］
　図１は、本実施形態に係る制御が適用される燃料電池システム１００の概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池（燃料電池スタックともいう）１と、燃料電池スタック１のアノードに燃料となる混合ガスを供給する燃料供給機構２と、燃料電池スタック１のカソードに空気を供給するブロワ５と、システム全体を制御する制御部１１と、を備える。燃料電池システム１００は、さらに、起動時に燃料電池スタック１に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器７と、燃焼器７で生じた燃焼ガスとブロワ５から供給された空気との間で熱交換を行う熱交換器８と、を備える。熱交換器８から排気ガスを排出するガス流路には、排気ガスの温度を検出する温度センサ９と、排気ガスの圧力を検出する圧力センサ１０と、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ｏ_２センサともいう）１４と、が設けられている。

　燃料電池スタック１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、アノード側に混合ガスを改質する触媒を備えたものを例示したが、改質器をＳＯＦＣと別体としてもよい。燃料電池スタック１は、混合ガスを改質して水素を包含する改質ガス（アノードガス）を生成することができる。そして、燃料電池スタック１は、アノードガス（水素）とカソードガス（酸素）との電解質を介した電気化学反応により発電する。

　燃料供給機構２は、燃料タンク３、燃料電池スタック１に燃料を供給するメインインジェクタ４、及び燃焼器７に燃料を供給する起動用インジェクタ６を含む。なお、燃料タンク３とメインインジェクタ４及び起動用インジェクタ６との間のガス流路には、図示しない減圧弁、圧力センサが介装されている。

　燃料タンク３は、混合ガスを所定の圧力で貯蔵するものである。ここで、混合ガスは都市ガスが適用される。都市ガスは、複数種類の鎖式飽和炭化水素を含み得るが、その組成については規定されておらず、単位体積あたりの熱量で規定されている。このため、燃料電池システム１００が車両に搭載されている場合には、異なる地域で混合ガスを充填することで、充填前と充填後で燃料タンク３内の混合ガスの組成が変化するおそれがある。そして、改質反応により生成される水素量は燃料組成により異なる。つまり、燃料流量が一定でも、燃料組成が変化すると燃料電池スタック１に供給される水素量も変化し、その結果、燃料電池スタック１の出力が変動してしまう。さらには、水素量が不足する方向に変化すると、燃料電池スタック１の劣化を招くおそれがある。

　したがって、燃料電池スタック１に対する要求出力に応じた水素量を供給するためには、燃料タンク３内の混合ガスの組成を精度よく推定することが必要になる。

　メインインジェクタ４は、制御部１１からの信号を受けて混合ガスの供給量を調整するものである。

　ブロワ５から供給される空気の流路には、熱交換器８を通過して燃料電池スタック１に流入する流路の他に、熱交換器８を迂回して燃料電池スタック１に流入するバイパス流路１３もある。バイパス流路１３には、当該流路を流れる空気流量を調節するバイパス弁１２が介装されている。

　制御部１１は、燃料電池スタック１の暖機制御、通常発電制御、停止制御等を実行するものである。通常制御及び停止制御は従来技術なので説明を省略する。また、制御部１１は、燃料供給機構２を制御して混合ガスの流量を制御する。

　暖機制御は、燃料電池システム１００を起動する際に燃料電池スタック１を暖機するための制御である。具体的には、燃焼器７に混合ガスと空気とを供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成し、熱交換器８においてブロワ５から供給された空気を燃焼ガスにより加熱し、加熱された空気を燃料電池スタック１に供給する。この暖機制御を実行するときに、後述する方法により混合ガスの組成を推定する。

　［暖機制御］
　図２は、制御部１１が実行する暖機制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。当該暖機制御は、運転者の操作等による始動要求に応じて実行されるものである。

　ステップＳ１００では、図示しないヒータを作動させることにより燃焼器７の加熱を開始する。

　ステップＳ１０１では、燃焼器７の温度が第１温度に到達したか否かを判定し、到達した場合はステップＳ１０２の処理を実行し、到達していない場合は本判定を繰り返す。ここでの第１温度は、燃焼器７において燃焼が可能となる温度である。

　ステップＳ１０２では、燃焼器７へ混合ガスと空気を供給して、燃焼を開始する。混合ガスは起動用インジェクタ６を介して供給される。空気はブロワ５からバイパス流路１３を介して燃料電池スタック１へ供給され、燃料電池スタック１を通過したものが供給される。

　このとき供給する混合ガスの流量（燃料流量）の上限は、混合ガスを構成する鎖式飽和炭化水素がメタン及びエタンであり、混合ガスの単位体積当たりの熱量が当該地域で使用される混合ガスの上限熱量であると仮定した場合の燃料流量とする。上記の通り都市ガスは単位流量当たりの熱量で規定されているので、地域毎の熱量のデータを制御部１１のメモリに記憶しておき、ナビゲーションシステム等で取得した位置情報と照らし合わせることで上限熱量を取得できる。このように上限を設けるのは、燃焼器７の過昇温を抑制するためである。

　ここで、上記のようにして燃料流量の上限を定める理由について説明する。

　燃焼器７の到達温度は、供給された熱量により決まる。そして、熱量は単位体積当たりの熱量と燃料流量と時間との積で表される。

　起動用インジェクタ６を通過する燃料流量は、オリフィスを通過する流体の流量Ｗと見做すことができ、式（１）で表すことができる。

　式（１）のＫは流量係数[-]、Ａはオリフィス断面積[ｍ^２]、γは比熱比[-]、ρは密度[ｋｇ/ｍ^３]、Ｐは圧力[Ｐａ]、ｋ_ｂｙｐｓはバイパス弁開度[-]である。

　式（１）においてγは流体（混合ガス）の物性値なので、混合ガスの組成が不明であると右辺の２γ/（γ－１）が不明となり、流量Ｗを算出できない。

　つまり、混合ガスの組成がわからない状態では、単位体積当たりの熱量と燃料流量がわからず、燃焼器７に供給される熱量を算出できない。

　そこで、単位体積当たりの熱量は当該地域で使用される混合ガスの上限熱量と仮定する。流量は、混合ガスを構成する成分がメタン及びエタンであると仮定して算出する。このように仮定すれば、構成成分が２つなので単位体積当たりの熱量に基づいて組成比も定まる。そして、組成比が定まれば物性値であるγも定まるので、流量を算出できる。

　ここで、混合ガスを構成する成分をメタン及びエタンの２成分に仮定する理由について説明する。

　式（１）の右辺は、式（２）のように展開できる。

　式（２）におけるＭは混合ガスの分子量、Ｔは混合ガスの温度である。

　式（２）で混合ガスの物性が関係するのは、比熱比が関わる２／（１－（１／γ））の項（以下、比熱比項ともいう。）と、分子量が関わるＲ／Ｍの項（以下、分子量項ともいう。）である。比熱比項は、混合ガスの比熱比γが大きいほど大きい。混合ガスの比熱比γは、含まれる成分の組成比に応じて定まる。分子量項は混合ガスの分子量Ｍが小さいほど大きい。分子量Ｍも含まれる成分の組成比に応じて定まる。

　図５は、混合ガスに含まれ得る鎖式飽和炭化水素（メタン、エタン、プロパン、ブタン）の単体での燃焼熱、比熱比及び分子量をまとめた表である。図示する通り、炭素数が少ないほど比熱比は大きく、燃焼熱及び分子量は小さい。つまり、低炭素数の成分が多いほど混合ガスの比熱比項及び分子量項は大きい。

　図６は、２種類の飽和炭化水素で構成される第１～第３の混合ガスの組成比、比熱比項、分子量項及び比熱比項と分子量項との積をまとめた表である。第１～第３の混合ガスは、いずれも規定による単位体積当たりの熱量が４６ＭＪ／ｍ^３である。第１の混合ガスは、メタンとブタンの２成分、第２の混合ガスはメタンとプロパンの２成分、第３の混合ガスはメタンとエタンの２成分で構成される。図示する通り、低炭素成分が最も多い第３の混合ガス、つまりメタンとエタンの２成分で構成される混合ガスが、比熱比項及び分子量項が最も大きい。

　燃料流量の上限を設けるのは燃焼器７の過昇温を抑制するためなので、燃料流量の上限は考え得る構成成分の組み合わせの中で最も流量が大きくなるものが望ましい。そこで、比熱比項と分子量項との積が最大となる組み合わせ、つまりメタンとエタンの組み合わせにする。

　フローチャートの説明に戻る。ステップＳ１０３では、後述する方法により混合ガスの組成を推定する。

　ステップＳ１０４では、加熱空気の燃料電池スタック１への供給を開始する。具体的には、バイパス流路１３のバイパス弁１２を制御することによりブロワ５からの空気を熱交換器８へ供給し、熱交換器８において空気と燃焼器７で生成した燃焼ガスとの熱交換を行う。そして、熱交換器８で加熱された空気を燃料電池スタック１へ供給する。

　ステップＳ１０５では、燃料電池スタック１の温度が第２温度に到達したか否かを判定し、到達した場合は本ルーチンを終了、つまり暖機制御を終了し、到達していない場合は本判定を繰り返す。ここでの第２温度は、暖機完了温度、つまり上記の電気化学反応が可能となる温度である。

　［混合ガスの組成推定］
　ここで、ステップＳ１０３で実行する混合ガスの組成推定について説明する。

　本実施形態では、まず、燃料組成と燃焼器７への燃料流量とを未知数とする。そして、燃焼器７への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器７に供給される空気量と前記燃焼器から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式を立てる。この連立方程式を解くことで、各成分の組成比を算出する。

　第１特性方程式は、起動時に燃焼器７に供給される空気中の酸素量が、排気ガス中の酸素量と燃焼器７における燃焼により消費される酸素量との和に等しいという関係（つまり質量保存則）を示すものである。

　ここで、組成方程式と第１特性方程式について図３を参照して説明する。

　図３は、燃焼器７に流入するガスと排出されるガスの関係を示す図である。図示するように、燃焼器７には空気と燃料としての混合ガスが流入する。空気流量をＱ_ａｎとし、燃料流量をＱ_ｆとする。空気の成分は、窒素（Ｎ_２）が７９％、酸素（Ｏ_２）が２１％と見做せる。混合ガスは複数種類の鎖式飽和炭素、具体的にはメタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）等を含む可能性があり、それぞれの組成比をｘ％、ｙ％、ｚ％・・・とする。

　組成比については式（３）の関係が成立する。

　この式（３）を組成方程式ともいう。

　混合ガスに含まれる成分がメタン、エタン、プロパンの場合、燃焼器７における燃焼が完全燃焼であれば、各成分は以下のように反応する。
　　ＣＨ_４+２Ｏ_２→ＣＯ_２+２Ｈ_２Ｏ
　　Ｃ_２Ｈ_６+３．５Ｏ_２→２ＣＯ_２+３Ｈ_２Ｏ
　　Ｃ_３Ｈ_８+５Ｏ_２→３ＣＯ_２+４Ｈ_２Ｏ
　そして、燃焼器７から排出される排気ガスの流量Ｑ_ｏｕｔは、式（４）で表される。

　式（４）の右辺第１項中のｘ+２ｙ+３ｚはＣＯ_２成分、２ｘ+３ｙ+４ｚはＨ_２Ｏ成分であり、同第２項はＮ_２成分であり、同第３項はＯ_２成分である。

　また、上述した酸素についての質量保存則によれば、式（５）の関係が成立する。この式（５）を第１特性方程式とする。

　式（５）の左辺は燃焼器７に流入する酸素量、右辺第１項はＯ_２センサ１４で検出する排気ガス中の酸素量、右辺第２項は燃焼により消費された酸素量である。

　未知数である燃料流量Ｑ_ｆを固定値とし、空気流量Ｑ_ａをＱａ_１、Ｑａ_２・・・と変更して排気ガス中の酸素濃度を検出することで、複数の式（５）を導出する。そして、組成方程式と複数の式（５）からなる連立方程式を解くことで、組成比ｘ％、ｙ％、ｚ％を算出する。以下、具体的な推定方法について図４を参照して説明する。

　図４は、上述した組成推定の制御ルーチン、つまり図３のステップＳ１０３で制御部１１が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

　ステップＳ２００では、排気ガス中の酸素濃度を検出する。

　ステップＳ２０１では、第１特性方程式としての式（５）を導出する。最初の演算では、混合ガス中の鎖式飽和炭化水素はメタンのみであるとして式（５）を導出する。式（５）の空気流量Ｑａｎの初期値（Ｑ_ａ１）は、燃料流量が上述した上限である場合に完全燃焼となる流量とする。

　ステップＳ２０２では、組成方程式と式（５）からなる連立方程式を解く。

　ステップＳ２０３では、各成分の組成比のいずれかが０％であるか否かを判定し、０％になる成分があれば本ルーチンを終了して図１のステップＳ１０４の処理を実行し、なければステップＳ２００の処理に戻る。

　２回目以降の演算では、ステップＳ２０３でいずれかの成分が０％になるまで、空気流量条件、つまり空気流量Ｑ_ａｎを、Ｑ_ａ２、Ｑ_ａ３・・・と増やすとともに、成分の種類も追加する。つまり、空気流量の条件を増加させることで、未知数を増加させることなく、未知数の解を得るために必要な数の式（５）を導出する。このとき、成分は、炭素数が少ないものから順に追加する。また、空気流量Ｑ_ａｎは、初期値であるＱ_ａ１を下限とし、そこから増加する方向に変化させる。なお、空気流量の条件を増加させる際、つまり空気流量を変化させる際には、Ｏ_２センサ１４の分解能の下限以上の変化量で変化させる。

　いずれかの成分が０％になったところで本ルーチンを終了するのは、いずれかの成分が０％ということは、もう他の成分がないことを意味するからである。

　上述した混合ガスの組成比の推定は、燃料タンク３に新たに混合ガスが充填されたときに実行すればよい。燃料電池システム１００が車両に搭載されている場合には、混合ガスを充填するためには混合ガスを供給するステーションまで移動し、キーに対してオフ動作をし、燃料タンク３のリッドを開いて混合ガスを充填し、充填後にリッドを閉じ、キーに対してオン動作をして（つまり燃料電池システム１００を起動して）、ステーションから移動する。ところで燃料タンク３内の混合ガスの圧力（温度）は、燃料電池システム１００の停止後の混合ガスの温度低下以外に、外気温の変化によっても変化する。よって、制御部１１は、前記のオフ動作時の燃料タンク３の圧力を基準とした前記のオン動作時の燃料タンク３の圧力との比率が、外気温の変化で生じる当該比率以上となる所定値を超えた場合に、混合ガスの充填があったと判断すればよい。

　ここで、前記の比率に関する所定値について考えると、オフ動作時からオン動作時において燃料タンク３から混合ガスが放出されることはなく、また燃料タンク３の容積変化もない。よってオフ動作時の燃料タンク３内の混合ガスの圧力ｐ_ｏｆｆとオン動作時の燃料タンク３内の混合ガスの圧力ｐ_ｏｎは、オフ動作時の燃料タンク３内の混合ガスの温度Ｔ_ｏｆｆとオン動作時の燃料タンク３内の混合ガスの温度Ｔ_ｏｎにより、Ｐ_ｏｎ／Ｐ_ｏｆｆ＝Ｔ_ｏｎ／Ｔ_ｏｆｆ＝（Ｔ_ｏｆｆ＋日較差）／Ｔ_ｏｆｆ＝１＋日較差／Ｔ_ｏｆｆと変換できる。ここで日本国内の場合を考えると、日較差（最高気温と最低気温の差）の最大値は３１．５℃（長野）であり、最低気温は－４１℃（旭川）となる。よって、１＋日較差／Ｔ_ｏｆｆを求めると＝１＋３１．５／（２７３－４１）＝１．１４となる。したがって、制御部１１は、圧力の比率Ｐ_ｏｎ／Ｐ_ｏｆｆが１．１４を超えた場合は、燃料タンク３は混合ガスの充填直後であると判断することができる。

　また、燃料タンク３に混合ガスを充填する際は、前記のようにリッドを開閉することになるので、制御部１１は、リッドの開閉があった場合に、上述したオフ動作時の燃料タンク３の圧力を基準としたオン動作時の燃料タンク３の圧力との比率が所定値を超えるか否かの判断を行ってもよい。さらには、ナビゲーション情報等に基づいて前回充填したステーションとガス供給会社が異なると判断した場合に、上記の判断を行ってもよい。

　上記のように混合ガスの組成を推定し、燃料電池スタック１の暖機が終了したら（つまり、図２の制御ルーチンが終了したら）、制御部１１は、燃料電池スタック１へ供給する燃料の流量を調整する。具体的には、推定した組成に基づく混合ガスの物性値（例えば比熱比γ）と、燃料供給機構２の流量調整部の流路指数（例えば式（１）のオリフィス径Ａ）と、混合ガスの状態を表す指標（例えば圧力及び温度）と、に基づいて式（１）により燃料流量を算出し、これに基づいて図示しない減圧弁を調整する。

　以上のように本実施形態では、複数種類の成分から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池スタック（燃料電池）１と、混合ガスを蓄える燃料タンク３を備えるとともに燃料電池スタック１に混合ガスを供給する燃料供給機構２と、燃料電池スタック１の起動時に、燃料電池スタック１に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器７と、を備える燃料電池システム１００を制御する制御方法が提供される。この制御方法では、燃料組成と燃焼器７への燃料流量とを未知数とし、燃焼器７への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器７に供給される空気量と燃焼器７から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定し、推定された組成比に基づいて、燃料電池スタック１へ供給する燃料の流量を調整する。第１特性方程式は、起動時に燃焼器７に供給される空気中の酸素量が、排気ガス中の酸素量と燃焼器７における燃焼により消費される酸素量との和に等しいという関係を示すものであり、第１特性方程式と組成方程式からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定する際に、燃焼器７への空気流量の条件を変更することにより、未知数の解を得るために必要な数の第１特性方程式を導出する。

　本実施形態によれば、燃料流量を未知数としたまま、空気流量の条件を増やすだけで、組成比を推定することができる。炭素数だけでなく、具体的な組成比を推定できるので、改質後の水素量の推定精度が向上する。なお、燃料流量は未知数としたままでよいので、燃料流量を検出するための装置が不要となる。

　本実施形態では、混合ガスに含まれる成分がメタンのみの場合を初期設定とし、そこから空気流量条件を追加するとともに成分の種類を追加して、連立方程式に基づいて複数種類の成分の組成比を推定し、当該推定を複数種類の成分のいずれかの成分が０％になるまで空気流量条件を変更して繰り返す。これにより、不必要な演算をすることなく、かつ正確に混合ガスに含まれる成分の構成及び組成比を推定できる。

　本実施形態では、成分がメタン及びエタンであり、混合ガスの熱量が当該地域で使用される混合ガスの上限熱量である場合の燃料流量を、燃料流量の上限とする。これにより、燃焼器７の過昇温を抑制できる。

　本実施形態では、初期設定における空気流量を上限の燃料流量で完全燃焼となる流量とする。そして、空気流量の条件を変更する際には、上記の初期設定における空気流量を下限とし、そこから増加させる。これにより、燃焼器７での反応で一酸化炭素が発生することを抑制できる。

　本実施形態では、燃料電池システム１００が車両に搭載された場合であって、車両のキーに対してオフ動作がされた後にオン動作がされた場合に、オフ動作がされた時の燃料タンクの圧力を基準としたオン動作がされたときの燃料タンクの圧力の比率が所定値以上となっている場合に混合ガスの充填直後であると判断する。また、オン動作とオフ動作の間に車両の燃料タンク３のリッドの開動作が行われた場合に燃料タンク３の圧力が所定値上昇しているか否か判断する。これにより、特別な構成を追加することなく、混合ガスが充電直後であるか否かを判断できる。

　本実施形態では、推定された燃料組成に基づく燃料の物性値と、燃料供給機構の流量調整部の流路指数と、燃料の温度及び圧力と、に基づいて、燃料電池スタック１に供給する燃料の流量を調整する。これにより、燃料電池スタック１に供給する燃料流量の制御精度が向上する。

　［第２実施形態］
　本実施形態は、図２に示した暖機制御の制御ルーチンの、ステップＳ１０３で実行する混合ガスの組成推定の内容が第１実施形態と異なる。それ以外の制御については第１実施形態と同様である。以下、本実施形態の混合ガスの組成推定方法を中心に説明する。

　本実施形態では、まず、燃料組成と燃焼器７への燃料流量とを未知数とする。そして、燃焼器７への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器７に供給される空気量と燃焼器７から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式を立てる。この連立方程式を解くことで、各成分の組成比を算出する。

　第２特性方程式は、起動時に燃焼器７に流入するガス（空気及び混合ガス）の熱エネルギが、排気ガスの熱エネルギと燃焼器７における燃焼により消費される熱エネルギとの和に等しいという関係（つまり、エネルギ保存則）を示すものである。

　つまり、第１実施形態では組成方程式（式（３））と複数の第１特性方程式（式（５））からなる連立方程式を解くことによって混合ガスの組成を推定したが、本実施形態では、組成方程式と複数の第２特性方程式とからなる連立方程式を解くことによって混合ガスの組成を推定する。

　混合ガスに含まれる成分がメタン、エタン、プロパンの場合、組成方程式は第１実施形態で説明した通りである。定常状態では燃焼熱がすべて混合ガスの温度変化として現れるので、式（６）の関係が成立する。この式（６）を第２特性方程式とする。

　ここで、メタン、エタン、プロパンのそれぞれのエンタルピをＨ_ｍｅ、Ｈ_ｅｔ、Ｈ_ｐｒとすると、流入エネルギは式（７）で、流出エネルギは式（８）で表される。

　式（７）、（８）のＣは比熱、Ｔｉｎは燃焼器入口における温度、Ｔｏｕｔは燃焼器出口における温度である。なお、本実施形態では、Ｔｉｎを検出する温度センサ（図示せず）と、燃焼器入口における空気の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）と、燃焼器入口における混合ガスの圧力を検出する圧力センサ（図示せず）とを備える。上記各エンタルピの圧力項はこれらの２つの圧力センサの検出値とする。

　図７は、本実施形態に係る組成推定の制御ルーチン、つまり図３のステップＳ１０３で制御部１１が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

　ステップＳ３００では、燃焼器７から排出される排気ガスの温度を検出する。

　ステップＳ３０１では、第２特性方程式、つまり式（６）を導出する。最初の演算では混合ガスに含まれる成分をメタンのみとして式（６）を導出する。

　ステップＳ３０２では、組成方程式（式（３））と式（６）からなる連立方程式を解く。

　ステップＳ３０３では、各成分の組成比のいずれかが０％であるか否かを判定し、０％になる成分があれば本ルーチンを終了して図１のステップＳ１０４の処理を実行し、なければステップＳ３００の処理に戻る。

　２回目以降の演算では、ステップＳ３０３でいずれかの成分が０％になるまで、空気流量条件、つまり空気流量Ｑ_ａｎを、Ｑ_ａ２、Ｑ_ａ３・・・と増やすとともに、成分の種類も追加する。つまり、空気流量の条件を増加させることで、未知数を増加させることなく、未知数の解を得るために必要な数の式（６）を導出する。このとき、成分は、炭素数が少ないものから順に追加する。また、空気流量Ｑ_ａｎは、初期値であるＱ_ａ１を下限とし、そこから増加する方向に変化させる。

　以上のように本実施形態によれば、複数種類の成分から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池スタック１と、混合ガスを蓄える燃料タンク３を備えるとともに燃料電池スタック１に混合ガスを供給する燃料供給機構２と、燃料電池スタック１の起動時に、燃料電池スタック１に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器７と、を備える燃料電池システム１００を制御する制御方法が提供される。この制御方法では、燃料組成と燃焼器７への燃料流量とを未知数とし、燃焼器７への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器７に供給される空気量と燃焼器７から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定し、推定された組成比に基づいて、燃料電池スタック１へ供給する燃料の流量を調整する。第２特性方程式は、起動時に燃焼器７に流入するガスの熱エネルギが、排気ガスの熱エネルギと燃焼器７における燃焼により消費される熱エネルギとの和に等しいという関係を示すものであり、第２特性方程式と組成方程式からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定する際に、燃焼器７への空気流量の条件を変更することにより、未知数の解を得るために必要な数の第２特性方程式を導出する。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。

　［第３実施形態］
　本実施形態は、図２に示した暖機制御の制御ルーチンの、ステップＳ１０３で実行する混合ガスの組成推定の内容が第１実施形態及び第２実施形態と異なる。それ以外の制御については第１実施形態及び第２実施形態と同様である。以下、本実施形態の混合ガスの組成推定方法を中心に説明する。

　本実施形態では、組成方程式と、第１特性方程式と、第２特性方程式とからなる連立方程式を解くことによって混合ガスの組成を推定する。

　図８は、本実施形態に係る組成推定の制御ルーチン、つまり図３のステップＳ１０３で制御部１１が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

　ステップＳ４００からＳ４０１は第１実施形態で説明した図４のステップＳ２００からＳ２０１と同様の処理であり、ステップＳ４０２からＳ４０３は第２実施形態で説明した図７のステップＳ３００からＳ３０１と同様の処理である。

　ステップＳ４０３からＳ４０４は、図４のステップＳ２０２からＳ２０３、図７のステップＳ３０２からＳ３０３と同様の処理である。

　以上のように本実施形態では、複数種類の成分から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池スタック１と、混合ガスを蓄える燃料タンク３を備えるとともに燃料電池スタック１に混合ガスを供給する燃料供給機構２と、燃料電池スタック１の起動時に、燃料電池スタック１に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器７と、を備える燃料電池システム１００を制御する制御方法が提供される。この制御方法では、燃料組成と燃焼器７への燃料流量とを未知数とし、燃焼器７への空気流量の条件を複数設定し、燃焼器７に供給される空気量と燃焼器７から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、燃焼器７に供給される空気量と燃焼器７から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式と、混合ガスの複数種類の成分の組成比の合計を表す組成方程式と、からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定する。そして、推定された組成比に基づいて、燃料電池スタック１へ供給する燃料の流量を調整する。第１特性方程式は、起動時に燃焼器７に供給される空気中の酸素量が、排気ガス中の酸素量と燃焼器７における燃焼により消費される酸素量との和に等しいという関係を示すものである。第２特性方程式は、起動時に燃焼器７に流入するガスの熱エネルギが、排気ガスの熱エネルギと燃焼器７における燃焼により消費される熱エネルギとの和に等しいという関係を示すものである。第１特性方程式、第２特性方程式及び組成方程式からなる連立方程式に基づいて混合ガスの複数種類の成分の組成比を推定する際に、燃焼器７への空気流量の条件を変更することにより、未知数の解を得るために必要な数の第１特性方程式及び第２特性方程式を導出する。これにより、第１実施形態、第２実施形態と同様の効果が得られる。

　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。

Claims

　複数種類の成分から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池と、
　前記混合ガスを蓄える燃料タンクを備えるとともに前記燃料電池に前記混合ガスを供給する燃料供給機構と、
　前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器と、
を備える燃料電池システムを制御する制御方法であって、
　燃料組成と前記燃焼器への燃料流量とを未知数とし、前記燃焼器への空気流量条件を複数設定し、
　前記燃焼器に供給される空気量と前記燃焼器から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、
　前記燃焼器に供給される空気量と前記燃焼器から排出される前記排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式の少なくとも一方と、
　前記混合ガスの複数種類の前記成分の組成比の合計を表す組成方程式と、
からなる連立方程式に基づいて前記混合ガスを構成する前記成分の組成比を推定し、
　推定された組成比に基づいて、前記燃料電池へ供給する前記燃料の流量を調整する、燃料電池システム制御方法。
　請求項１に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記第１特性方程式は、起動時に前記燃焼器に供給される空気中の酸素量が、前記排気ガス中の酸素量と前記燃焼器における燃焼により消費される酸素量との和に等しいという関係を示すものであり、
　前記第１特性方程式と前記組成方程式からなる連立方程式に基づいて前記混合ガスの前記複数種類の成分の組成比を推定する際に、前記燃焼器への空気流量の条件を変更することにより、未知数の解を得るために必要な数の前記第１特性方程式を導出する、燃料電池システム制御方法。
　請求項１に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記第２特性方程式は、起動時に前記燃焼器に流入するガスの熱エネルギが、前記排気ガスの熱エネルギと前記燃焼器における燃焼により消費される熱エネルギとの和に等しいという関係を示すものであり、
　前記第２特性方程式と前記組成方程式からなる連立方程式に基づいて前記混合ガスの前記複数種類の成分の組成比を推定する際に、前記燃焼器への空気流量の条件を変更することにより、未知数の解を得るために必要な数の前記第２特性方程式を導出する、燃料電池システム制御方法。
　請求項１に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記第１特性方程式は、起動時に前記燃焼器に供給される空気中の酸素量が、前記排気ガス中の酸素量と前記燃焼器における燃焼により消費される酸素量との和に等しいという関係を示すものであり、
　前記第２特性方程式は、起動時に前記燃焼器に流入するガスの熱エネルギが、前記排気ガスの熱エネルギと前記燃焼器における燃焼により消費される熱エネルギとの和に等しいという関係を示すものであり、
　前記第１特性方程式、前記第２特性方程式及び前記組成方程式からなる連立方程式に基づいて前記混合ガスの前記複数種類の成分の組成比を推定する際に、前記燃焼器への空気流量の条件を変更することにより、未知数の解を得るために必要な数の前記第１特性方程式及び前記第２特性方程式を導出する、燃料電池システム制御方法。
　請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記混合ガスに含まれる前記成分がメタンのみの場合を初期設定とし、そこから前記空気流量条件を追加するとともに前記成分の種類を追加して、前記連立方程式に基づいて複数種類の前記成分の組成比を推定し、当該推定を複数種類の前記成分のいずれかの成分が０％になるまで前記空気流量条件を変更して繰り返す、燃料電池システム制御方法。
　請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記成分がメタン及びエタンであり、前記混合ガスの熱量が当該地域で使用される前記混合ガスの上限熱量である場合の前記燃料流量を、前記燃料流量の上限とする、燃料電池システム制御方法。
　請求項５を引用する請求項６に記載の燃料電池システム制御方法において、
　初期設定における空気流量は、請求項６で設定する上限の燃料流量で完全燃焼となる流量とする、燃料電池システム制御方法。
　請求項７に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記空気流量の条件を変更する際には、請求項７で設定する前記空気流量を下限とし、そこから増加させる、燃料電池システム制御方法。
　請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法において、
　前記燃料電池システムが車両に搭載された場合であって、前記車両のキーに対してオフ動作がされた後にオン動作がされた場合に、
　オフ動作がされた時の前記燃料タンクの圧力を基準としたオン動作がされたときの前記燃料タンクの圧力の比率が所定値以上となっている場合に前記混合ガスの前記充填直後であると判断する、燃料電池システム制御方法。
　請求項９に記載の燃料電池システム制御方法において、
前記オン動作と前記オフ動作の間に前記車両の前記燃料タンクのリッドの開動作が行われた場合に前記燃料タンクの圧力が前記所定値上昇しているか否か判断する、燃料電池システム制御方法。
　請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法において、
　推定された燃料組成に基づく前記燃料の物性値と、前記燃料供給機構の流量調整部の流路指数と、前記燃料の温度及び圧力と、に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料の流量を調整する、燃料電池システム制御方法。
　複数種類の成分から構成される混合ガスを燃料とする燃料電池と、
　前記混合ガスを蓄える燃料タンクを備えるとともに前記燃料電池に前記混合ガスを供給する燃料供給機構と、
　前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に供給される空気を加熱する燃焼ガスを生成する燃焼器と、
　前記燃焼器に供給する空気の流量及び前記燃焼器及び前記燃料電池に供給する前記混合ガスの流量を制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
　前記制御部は、
　燃料組成と前記燃焼器への燃料流量とを未知数とし、前記燃焼器への空気流量の条件を複数設定し、
　前記燃焼器に供給される空気量と、酸素濃度センサにより検出する前記燃焼器から排出される排気ガス中の酸素濃度との関係に基づく第１特性方程式と、
　前記燃焼器に供給される空気量と、温度センサにより検出する前記燃焼器から排出される排気ガスの温度との関係に基づく第２特性方程式の少なくとも一方と、
　前記混合ガスの複数種類の前記成分の組成比の合計を表す組成方程式と、
からなる連立方程式に基づいて前記混合ガスを構成する前記成分の組成比を推定し、
　推定された組成比に基づいて、前記燃料電池へ供給する燃料の流量を調整する、燃料電池システム。