ポンプ駆動制御装置
【課題】実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転が可能なポンプ駆動制御装置を提供する。
【解決手段】実ポンプの回転数を一定に制御した場合の実ポンプの仕事量（消費電力）を検知し、検知した実ポンプの消費電力と回転数に基づいてポンプの体積効率を算出する。算出した体積効率ηｖを運転管理マップＭにプロットし、基準となる体積効率ηｖのラインｌ１を補正することで、実ラインｌ１１を得る。得られた実ラインｌ１１を利用して実ポンプの運転を制御することで、製造バラツキなどによる実ポンプの性能を考慮することなく、最低ポンプを使用したときに得られる下限ラインｌ０１を常に利用していた従来例と比較して、システム効率の高い運転制御が可能となる。
【解決手段】実ポンプの回転数を一定に制御した場合の実ポンプの仕事量（消費電力）を検知し、検知した実ポンプの消費電力と回転数に基づいてポンプの体積効率を算出する。算出した体積効率ηｖを運転管理マップＭにプロットし、基準となる体積効率ηｖのラインｌ１を補正することで、実ラインｌ１１を得る。得られた実ラインｌ１１を利用して実ポンプの運転を制御することで、製造バラツキなどによる実ポンプの性能を考慮することなく、最低ポンプを使用したときに得られる下限ラインｌ０１を常に利用していた従来例と比較して、システム効率の高い運転制御が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに適用されるポンプ駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含む燃料ガスを電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る膜−電極アッセンブリを複数積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、燃料電池システムの燃料ガス供給系の概略構成を示す図である。
燃料ガス供給系１００は、水素を含む燃料ガスを燃料電池２００に供給するためのインジェクタ４００と、燃料電池２００のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路１１０と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路１１０に帰還させるための循環通路１２０と、循環通路１２０内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する水素循環ポンプ３００と、循環通路４７に分岐接続される排気通路１３０と、燃料オフガスの排気量を調整するためのパージ弁５００とを有している。
【０００４】
従来技術の水素循環ポンプ３００の特徴としては、製造時に許容される漏れ量の公差が大きい点が挙げられる。これは燃料ガスに含まれる水素の分子量が小さく、ポンプの隙間から漏れる水素のガス量が、ポンプの隙間から漏れる他の気体のガス量に対して多いことに起因する。このため、従来においては、各ポンプ間での漏れ量のバラツキを抑制することができないという問題があった。
【０００５】
一方、燃料電池２００に供給する燃料ガス（すなわち水素）が不足すると、触媒が劣化してしまうため、どのような水素循環ポンプ３００が適用されたとしても（別言すれば、漏れ量に大きなバラツキがあるいずれの水素循環ポンプ３００が適用されたとしても）、最低限必要な水素が燃料電池に供給されるように、多めに燃料ガスを供給する必要がある。
【０００６】
図５は、水素循環ポンプを利用する場合に利用される駆動マップを例示した図であり、縦軸に仕事量、横軸に回転数を示す。
従来は、最低限必要な水素を確保するために、最も性能の低い（漏れ量が最も大きい）水素循環ポンプ（以下、最低ポンプ）を使用したときに得られる回転数と仕事量の関係をあらわす下限ライン（図５では、実線で示す）を利用して水素循環ポンプを運転していた。
【特許文献１】特開２００３−８１６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、実際にシステムで利用される水素循環ポンプは、最低ポンプよりも性能が高いため、実際に利用される水素循環ポンプ（以下、実ポンプ）を使用したときに得られる回転数と仕事量の関係をあらわす実ラインは（図５では、点線で示す）、下限ラインよりも傾きが大きくなる。
【０００８】
よって、最低ポンプを使用したときに得られる下限ラインを利用して実ポンプを運転すると、余分な仕事をする必要があり（図５に示すΔＷ１〜ΔＷ３参照）、システム効率が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転が可能なポンプ駆動制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係るポンプ駆動制御装置は、燃料電池システムのガス供給経路に水素を含む燃料ガスを送り出すポンプと、前記ポンプの回転数と消費電力との関係を対応づけたポンプ制御情報を記憶する記憶手段と、検知した前記ポンプの回転数と消費電力に基づき、該ポンプの体積効率を算出する算出手段と、算出された前記体積効率に基づき、前記ポンプ制御情報を補正する補正手段と、前記ポンプ制御情報を用いて前記ポンプの駆動を制御する駆動制御手段とを具備する。
【００１１】
かかる構成によれば、検知した実ポンプの消費電力と回転数に基づいてポンプの体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき、実ポンプの運転を制御する。これにより、実ポンプの性能が反映した状態で運転が制御されるため、製造バラツキなどによる実ポンプの性能を考慮することなく、最低ポンプを使用したときに得られるデータを利用して実ポンプを運転していた従来例と比較して、システム効率の高い運転制御が可能となり、さらには実ポンプの流量誤差を抑制することが可能となる。
【００１２】
上記構成にあっては、前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する態様が好ましい。
【００１３】
また、上記構成にあっては、前記ポンプは、燃料電池から出力される燃料オフガスの一部を前記ガス供給路に戻す循環ポンプであり、前記燃料オフガスには水分が含まれる態様がさらに好ましい。
【００１４】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記ポンプの最初の始動時に、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１５】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後に、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１６】
また、上記構成にあっては、前記燃料電池の電解質膜の乾燥度合いを検知する検知手段をさらに備え、前記算出手段は、前記電解質膜の乾燥度合いが設定値以上となった場合に、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１７】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後、前記燃料ガスの循環系を掃気した後に前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１８】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記ポンプの回転数を、設定された最高回転数近傍で一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１９】
また、上記構成にあっては、前記ポンプに接続されたインバータと、前記インバータの出力電流、出力電圧を検知する電流・電圧検知手段とをさらに備え、前記算出手段は、検知された前記インバータの出力電流、出力電圧に基づき、前記ポンプの消費電力を求める態様が好ましい。
【００２０】
また、上記構成にあっては、前記ポンプに流入される燃料ガスの流入圧力を検知する第１圧力検知手段と、前記ポンプから流出される燃料ガスの流出圧力を検知する第２圧力検知手段とをさらに備え、
前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力と、ポンプの回転数と、検知される流入圧力と、検知される流出圧力とに基づき、前記体積効率を算出する態様が好ましい。
【００２１】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、設定された電力で前記ポンプを駆動した場合の該ポンプの回転数を検知し、検知したポンプの回転数とポンプの消費電力とに基づき、前記体積効率を算出する態様が好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
Ａ．本実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る車両に搭載された燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転を可能とするために、所定のタイミングで実ポンプの体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき実ポンプの運転を制御する点に特徴がある。ここで、実ポンプの体積効率とは、実ポンプに漏れがないと仮定した場合のガス流量を基準として、実ポンプから実際に流出されるガス流量の割合をいう（詳細は後述）。
【００２４】
なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００２５】
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御するコントローラ７０とを備えている。
【００２６】
燃料電池２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２７】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００２８】
燃料電池２０には、燃料電池２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。
【００２９】
酸化ガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。
【００３０】
酸化ガス通路３４と酸化オフガス通路３６との間には、燃料電池２０をバイパスして両者間を接続するバイパス通路３８と、バイパス通路３８を流れる酸化ガス流量を調整するバイパス弁３９とが配設されている。バイパス弁３９は、通常時には閉弁しており、後述する電圧降下処理時に開弁される。バイパス通路３８とバイパス弁３９とは、バイパスエア流量を調整するためのバイパス手段として機能する。
【００３１】
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路（ガス供給経路）４５に圧送する循環ポンプ（ポンプ）４７と、循環通路４６に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。
【００３２】
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２０に供給される。
【００３３】
尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
【００３４】
レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
【００３５】
インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００３６】
循環通路４６に分岐接続された排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００３７】
排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環通路４６には、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４５に圧送する循環ポンプ４６を有する。供給通路２２に戻される燃料オフガス量の調整は、コントローラによる制御指令に基づき循環ポンプ４６の回転数を制御することで実現される。また、循環通路４６には、循環ポンプ４６に流入される燃料オフガスの圧力（上流圧力）を検知する圧力センサＰ１と、循環ポンプ４６から流出される燃料オフガスの圧力（下流圧力）を検知する圧力センサＰ２が設けられている。
【００３８】
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。
【００３９】
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
【００４０】
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００４１】
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００４２】
コントローラ７０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００４３】
コントローラ７０は、各圧力センサＰｓ、Ｐｄや温度センサ、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧ、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、各構成要素（コンプレッサ３２、水素循環ポンプ４７など）に制御信号を出力する。
【００４４】
以下、本実施形態の特徴である所定のタイミングで実ポンプ（実際の水素循環ポンプ４７）の体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき実ポンプの運転を制御する点について詳細に説明する。
従来技術の項において説明したように、従来技術の水素循環ポンプ４７の特徴としては、製造時に許容される漏れ量の公差が大きい点が挙げられる。これは燃料ガスに含まれる水素の分子量が小さく、ポンプの隙間から漏れる水素のガス量が、ポンプの隙間から漏れる他の気体のガス量に対して多いことに起因する。このため、従来においては、各ポンプ間での漏れ量のバラツキを抑制することができないという問題があった。また、水素循環ポンプ４７が圧送する燃料オフガスには、水分（燃料電池の発電時に生成された水）が含まれるが、現在の技術では、水分を蒸発させることなしに（すなわち加熱することなしに）、水分を含んだガスの流量を正確に測定することは難しい。
【００４５】
かかる事情に鑑み、本実施形態では、実ポンプの回転数を一定に制御した場合の実ポンプの仕事量（消費電力）を検知し、検知した実ポンプの消費電力と回転数に基づいてポンプの体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき、実ポンプの運転を制御する。
【００４６】
図２及び図３は、メモリ（記憶手段）６０に格納されている実ポンプの運転管理マップ（ポンプ制御情報）Ｍ１を例示した図である。
図２に示すように、運転管理マップＭ１には、各体積効率ηｖ＝０．５（５０％）、ηｖ＝０．６（６０％）、ηｖ＝０．７（７０％）での回転数と仕事量の関係を表すラインｌ０１〜ｌ０３が示されている。このうち、体積効率ηｖ＝０．５（５０％）での回転数と仕事量の関係を表すラインｌ０１は、基準ラインとなる。
【００４７】
また、便宜上、図２ではηｖが３種類示されている場合を示しているが、体積効率ηｖ＝１（１００％）での回転数と仕事量の関係を表すラインも登録されている。もちろん、他の体積効率ηｖでの回転数と仕事量の関係を表すラインが登録されていても良い。なお、運転管理マップＭ１に予め登録される各体積効率ηｖでの回転数と仕事量の関係は、例えば実験などによって求めておくことができる。実験で利用するポンプは、当該車両に搭載される実ポンプ４７であっても良いが、公差範囲内で許容される他のポンプであっても良い。
【００４８】
＜製造直後に実ポンプの体積効率を求める場合＞
本実施形態では、まず、燃料電池システム１０を組み立てた後、水素循環ポンプ４７を初めて駆動する場合に体積効率を求める。このように、実ポンプ４７を初めて駆動する場合に体積効率を求める理由は、実ポンプの体積効率は個体差に依存する度合いが大きく、耐久性の劣化に依存する度合いが小さいためである。
【００４９】
コントローラ（算出手段）７０は、燃料電池システム１０の組み立て終了後に、実ポンプ４７に対して一定の回転数で回転を行うべき指示を送る。設定する回転数については、最高回転数近傍の回転数Ｎ（図２に示す回転数Ｎ１）が望ましい。この理由は、図２に示すように、回転数が高ければ高いほど、圧力損失は安定し、体積効率の差も大きくなり、精度良く体積効率が求められるからである。
【００５０】
コントローラ７０は、回転数を一定に設定すると、この回転数で体積効率ηｖ＝１（１００％）と仮定した場合の仕事量（以下、理論値の仕事量）Ｑをメモリ６０から読み出す。理論値の仕事量Ｑは、下記式（１）に示すように、回転数Ｎ（ｒｐｍ）に比例する。なお、理論値の仕事量Ｑは、予め計算などして導出し、これをメモリ６０に登録しておけば良い。
Ｑ ∝ Ｎ ・・・（１）
【００５１】
さらに、コントローラ（算出手段）７０は、圧力センサ（第１圧力検知手段）Ｐ１より実ポンプ４７に流入される燃料オフガスの圧力（流入圧力）Ｐｓを受け取るとともに、圧力センサ（第２圧力検知手段）Ｐ２より実ポンプ４７から流出される燃料オフガスの圧力（流出圧力）Ｐｄを受け取る。また、コントローラ（算出主だｓン）７０は、メモリ６０に格納されている実ポンプ４７の機械的な損失（いわゆる機械損失）Ｗｍを取得するとともに、実ポンプ４７を駆動するモータ４６ａのインバータに接続された電流計、電圧計（電流・電圧検知手段）に示される電流値ｉ、電圧値ｖから仕事量Ｗ（＝ｉ＊ｖ；図３に示す仕事量Ｗ１）を求める。なお、機械損失Ｗｍの変動は、比較的小さいため、固定値としてメモリ６０に格納しておけば良い。コントローラ７０は、これらの値を下記式（２）に代入することにより、当該時点での実ポンプ４７の体積効率ηｖを算出する。
Ｗ ＝ （Ｐｂ−Ｐｓ）＊Ｑ／ηｖ＋Ｗｍ ・・・（２）
【００５２】
その後、コントローラ（補正手段）７０は、メモリ６０に登録されている実ポンプ４７の運転管理マップＭ１を参照し、設定した回転数Ｎ（ここでは回転数Ｎ１）と得られた仕事量Ｗ（ここでは仕事量Ｗ１）を、運転管理マップＭ１にプロットし、基準となる体積効率ηｖのラインｌ１を補正することで、図３に示す実ラインｌ１１を得る。
【００５３】
そして、コントローラ（駆動制御手段）７０は、得られた実ラインｌ１１を利用して実ポンプ（水素循環ポンプ）４７の運転を制御する。得られた実ラインｌ１１は、実ポンプ４７の性能が反映されているため、製造バラツキなどによる実ポンプ４７の性能を考慮することなく、最低ポンプを使用したときに得られる下限ライン（例えば、図３に示す基準ラインｌ０１）を常に利用していた従来例と比較して、システム効率の高い運転制御が可能となり、さらには実ポンプ４７の流量誤差を抑制することが可能となる。
【００５４】
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、製造直後に実ポンプ４７の体積効率ηｖを求める場合について説明したが、体積効率ηｖを求めるタイミングはシステム等に応じて適宜設定・変更可能である。具体的には、コントローラ（算出手段）が、（１）燃料電池の発電停止直後に行う、（２）燃料電池の電解質膜の乾燥度合いが所定値以上の場合に行う、（３）燃料電池の発電開始前、あるいは発電停止後の掃気処理直後（加圧処理直後）に行うようにしても良い。（１）によれば、発電停止直後（すなわち、シャットダウン直後）は水素循環系の濃度が安定しているため、圧力損失（ポンプの入口、出口での圧力差）も安定し、精度良く測定することが可能となる。また、（２）によれば、燃料電池２０の残水量が管理しやすく、圧力損失も安定し、精度良く測定することが可能となる。なお、燃料電池の電解質膜の乾燥度合いを測定する方法としては、コントローラ（検知手段、算出手段）７０が周知の交流インピーダンス法によって燃料電池２０のインピーダンスを測定し、測定結果に基づき電解質膜の乾燥度合いを求めれば良い。また、（３）によれば、水素循環系の濃度が安定しているため、圧力損失も安定し、精度良く測定することが可能となる。もちろん、これらのタイミングに限定する趣旨ではなく、一定期間毎（例えば１ヶ月毎など）に体積効率ηｖを求めるようにしても良い。
【００５５】
＜変形例２＞
上述した本実施形態では、実ポンプ４７に流入される燃料オフガスの圧力（上流圧力）Ｐｓを検知する圧力センサＰ１、実ポンプ４７から流出される燃料オフガスの圧力（下流圧力）Ｐｄを検出する圧力センサＰ２が設けられている場合について説明したが、いずれか一方の圧力センサ（例えば、下流圧力Ｐｄを検出する圧力センサＰ２）のみが設けられている場合にも適用可能である。この場合、実際に測定されない圧力（たとえば上流圧力）については推定値を用いれば良い。このように、圧力について推定値を用いることができるのは、圧力損失のバラツキは個体差として大きくないため、推定値を利用したとしても誤差は小さいからである。なお、上流圧力Ｐｓ、下流圧力Ｐｄの両方について推定値を用いても良い。
【００５６】
＜変形例３＞
上述した本実施形態では、機械損失Ｗｍが常に一定としたが、変動する機械損失を考慮して体積効率ηｖを算出しても良い。一般に、実ポンプはトータル運転時間（生涯回転数）が増加するにつれ、シール付近の部材が磨耗するなどして機械損失は徐々に減少していく傾向にある。そこで、水素循環ポンプについて生涯回転数と機械損失の関係を予め実験などによって求め、これを機械損失管理マップＭ２としてメモリ６０に登録しておく。コントローラ７０は、体積効率ηｖを求める際、当該時点での回転数Ｎを検知した後、メモリ６０に登録されている機械損失管理マップＭ２を参照し、この回転数Ｎに対応する機械損失Ｗｍを取得する。そして、コントローラ７０は、取得した機械損失Ｗｍを上記式（２）に代入することで、体積効率ηｖを求める。かかる構成によれば、より精度良く体積効率ηｖを算出することが可能となる。
【００５７】
＜変形例４＞
上述した本実施形態及び変形例では、回転数を一定に制御し、この場合に得られる仕事量（消費電力）Ｗと該回転数Ｎとに基づき体積効率ηｖを求めたが、回転数ではなく仕事量（消費電力）を予め決定し（別言すれば設定された電力で）、この場合に得られる回転数Ｎと該仕事量Ｗとに基づき体積効率ηｖを求めても良い。
【００５８】
体積効率ηｖを求める際には、バッテリ５２などから供給される電力を利用して水素循環ポンプ４６を駆動することになるが、回転数を一定に制御する方法では、バッテリ５２に十分な電力が残っていないために、当該制御が行えず、体積効率ηｖを求めることができないことが懸念される。
そこで、予め水素循環ポンプ４７の消費電力（仕事量）を決めておき、決められた消費電力でコントローラ（算出手段）７０が回転数Ｎを求め、求めた回転数Ｎと消費電力とに基づき、体積効率を算出するようにしても良い。さらに、コントローラ７０が水素循環ポンプ４７のトルク値を用いて体積効率ηｖを算出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】メモリに格納されている実ポンプの運転管理マップを例示した図である。
【図３】メモリに格納されている実ポンプの運転管理マップを例示した図である。
【図４】燃料電池システムの燃料ガス供給系の概略構成を示す図である。
【図５】水素循環ポンプを利用する場合に利用される駆動マップを例示した図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池、３０・・・酸化ガス供給系、４０・・・燃料ガス供給系、４７・・・水素循環ポンプ、５０・・・電力系、６０・・・メモリ、７０・・・コントローラ、Ｐ１，Ｐ２・・・圧力センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに適用されるポンプ駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含む燃料ガスを電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る膜−電極アッセンブリを複数積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、燃料電池システムの燃料ガス供給系の概略構成を示す図である。
燃料ガス供給系１００は、水素を含む燃料ガスを燃料電池２００に供給するためのインジェクタ４００と、燃料電池２００のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路１１０と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路１１０に帰還させるための循環通路１２０と、循環通路１２０内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する水素循環ポンプ３００と、循環通路４７に分岐接続される排気通路１３０と、燃料オフガスの排気量を調整するためのパージ弁５００とを有している。
【０００４】
従来技術の水素循環ポンプ３００の特徴としては、製造時に許容される漏れ量の公差が大きい点が挙げられる。これは燃料ガスに含まれる水素の分子量が小さく、ポンプの隙間から漏れる水素のガス量が、ポンプの隙間から漏れる他の気体のガス量に対して多いことに起因する。このため、従来においては、各ポンプ間での漏れ量のバラツキを抑制することができないという問題があった。
【０００５】
一方、燃料電池２００に供給する燃料ガス（すなわち水素）が不足すると、触媒が劣化してしまうため、どのような水素循環ポンプ３００が適用されたとしても（別言すれば、漏れ量に大きなバラツキがあるいずれの水素循環ポンプ３００が適用されたとしても）、最低限必要な水素が燃料電池に供給されるように、多めに燃料ガスを供給する必要がある。
【０００６】
図５は、水素循環ポンプを利用する場合に利用される駆動マップを例示した図であり、縦軸に仕事量、横軸に回転数を示す。
従来は、最低限必要な水素を確保するために、最も性能の低い（漏れ量が最も大きい）水素循環ポンプ（以下、最低ポンプ）を使用したときに得られる回転数と仕事量の関係をあらわす下限ライン（図５では、実線で示す）を利用して水素循環ポンプを運転していた。
【特許文献１】特開２００３−８１６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、実際にシステムで利用される水素循環ポンプは、最低ポンプよりも性能が高いため、実際に利用される水素循環ポンプ（以下、実ポンプ）を使用したときに得られる回転数と仕事量の関係をあらわす実ラインは（図５では、点線で示す）、下限ラインよりも傾きが大きくなる。
【０００８】
よって、最低ポンプを使用したときに得られる下限ラインを利用して実ポンプを運転すると、余分な仕事をする必要があり（図５に示すΔＷ１〜ΔＷ３参照）、システム効率が低下してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転が可能なポンプ駆動制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係るポンプ駆動制御装置は、燃料電池システムのガス供給経路に水素を含む燃料ガスを送り出すポンプと、前記ポンプの回転数と消費電力との関係を対応づけたポンプ制御情報を記憶する記憶手段と、検知した前記ポンプの回転数と消費電力に基づき、該ポンプの体積効率を算出する算出手段と、算出された前記体積効率に基づき、前記ポンプ制御情報を補正する補正手段と、前記ポンプ制御情報を用いて前記ポンプの駆動を制御する駆動制御手段とを具備する。
【００１１】
かかる構成によれば、検知した実ポンプの消費電力と回転数に基づいてポンプの体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき、実ポンプの運転を制御する。これにより、実ポンプの性能が反映した状態で運転が制御されるため、製造バラツキなどによる実ポンプの性能を考慮することなく、最低ポンプを使用したときに得られるデータを利用して実ポンプを運転していた従来例と比較して、システム効率の高い運転制御が可能となり、さらには実ポンプの流量誤差を抑制することが可能となる。
【００１２】
上記構成にあっては、前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する態様が好ましい。
【００１３】
また、上記構成にあっては、前記ポンプは、燃料電池から出力される燃料オフガスの一部を前記ガス供給路に戻す循環ポンプであり、前記燃料オフガスには水分が含まれる態様がさらに好ましい。
【００１４】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記ポンプの最初の始動時に、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１５】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後に、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１６】
また、上記構成にあっては、前記燃料電池の電解質膜の乾燥度合いを検知する検知手段をさらに備え、前記算出手段は、前記電解質膜の乾燥度合いが設定値以上となった場合に、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１７】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後、前記燃料ガスの循環系を掃気した後に前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１８】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、前記ポンプの回転数を、設定された最高回転数近傍で一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する態様も好ましい。
【００１９】
また、上記構成にあっては、前記ポンプに接続されたインバータと、前記インバータの出力電流、出力電圧を検知する電流・電圧検知手段とをさらに備え、前記算出手段は、検知された前記インバータの出力電流、出力電圧に基づき、前記ポンプの消費電力を求める態様が好ましい。
【００２０】
また、上記構成にあっては、前記ポンプに流入される燃料ガスの流入圧力を検知する第１圧力検知手段と、前記ポンプから流出される燃料ガスの流出圧力を検知する第２圧力検知手段とをさらに備え、
前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力と、ポンプの回転数と、検知される流入圧力と、検知される流出圧力とに基づき、前記体積効率を算出する態様が好ましい。
【００２１】
また、上記構成にあっては、前記算出手段は、設定された電力で前記ポンプを駆動した場合の該ポンプの回転数を検知し、検知したポンプの回転数とポンプの消費電力とに基づき、前記体積効率を算出する態様が好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
Ａ．本実施形態
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る車両に搭載された燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、実ポンプの性能に応じたシステム効率の高い運転を可能とするために、所定のタイミングで実ポンプの体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき実ポンプの運転を制御する点に特徴がある。ここで、実ポンプの体積効率とは、実ポンプに漏れがないと仮定した場合のガス流量を基準として、実ポンプから実際に流出されるガス流量の割合をいう（詳細は後述）。
【００２４】
なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００２５】
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御するコントローラ７０とを備えている。
【００２６】
燃料電池２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２７】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００２８】
燃料電池２０には、燃料電池２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。
【００２９】
酸化ガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。
【００３０】
酸化ガス通路３４と酸化オフガス通路３６との間には、燃料電池２０をバイパスして両者間を接続するバイパス通路３８と、バイパス通路３８を流れる酸化ガス流量を調整するバイパス弁３９とが配設されている。バイパス弁３９は、通常時には閉弁しており、後述する電圧降下処理時に開弁される。バイパス通路３８とバイパス弁３９とは、バイパスエア流量を調整するためのバイパス手段として機能する。
【００３１】
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路（ガス供給経路）４５に圧送する循環ポンプ（ポンプ）４７と、循環通路４６に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。
【００３２】
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２０に供給される。
【００３３】
尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
【００３４】
レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
【００３５】
インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００３６】
循環通路４６に分岐接続された排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００３７】
排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環通路４６には、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４５に圧送する循環ポンプ４６を有する。供給通路２２に戻される燃料オフガス量の調整は、コントローラによる制御指令に基づき循環ポンプ４６の回転数を制御することで実現される。また、循環通路４６には、循環ポンプ４６に流入される燃料オフガスの圧力（上流圧力）を検知する圧力センサＰ１と、循環ポンプ４６から流出される燃料オフガスの圧力（下流圧力）を検知する圧力センサＰ２が設けられている。
【００３８】
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。
【００３９】
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
【００４０】
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００４１】
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００４２】
コントローラ７０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００４３】
コントローラ７０は、各圧力センサＰｓ、Ｐｄや温度センサ、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧ、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、各構成要素（コンプレッサ３２、水素循環ポンプ４７など）に制御信号を出力する。
【００４４】
以下、本実施形態の特徴である所定のタイミングで実ポンプ（実際の水素循環ポンプ４７）の体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき実ポンプの運転を制御する点について詳細に説明する。
従来技術の項において説明したように、従来技術の水素循環ポンプ４７の特徴としては、製造時に許容される漏れ量の公差が大きい点が挙げられる。これは燃料ガスに含まれる水素の分子量が小さく、ポンプの隙間から漏れる水素のガス量が、ポンプの隙間から漏れる他の気体のガス量に対して多いことに起因する。このため、従来においては、各ポンプ間での漏れ量のバラツキを抑制することができないという問題があった。また、水素循環ポンプ４７が圧送する燃料オフガスには、水分（燃料電池の発電時に生成された水）が含まれるが、現在の技術では、水分を蒸発させることなしに（すなわち加熱することなしに）、水分を含んだガスの流量を正確に測定することは難しい。
【００４５】
かかる事情に鑑み、本実施形態では、実ポンプの回転数を一定に制御した場合の実ポンプの仕事量（消費電力）を検知し、検知した実ポンプの消費電力と回転数に基づいてポンプの体積効率を算出し、算出した体積効率に基づき、実ポンプの運転を制御する。
【００４６】
図２及び図３は、メモリ（記憶手段）６０に格納されている実ポンプの運転管理マップ（ポンプ制御情報）Ｍ１を例示した図である。
図２に示すように、運転管理マップＭ１には、各体積効率ηｖ＝０．５（５０％）、ηｖ＝０．６（６０％）、ηｖ＝０．７（７０％）での回転数と仕事量の関係を表すラインｌ０１〜ｌ０３が示されている。このうち、体積効率ηｖ＝０．５（５０％）での回転数と仕事量の関係を表すラインｌ０１は、基準ラインとなる。
【００４７】
また、便宜上、図２ではηｖが３種類示されている場合を示しているが、体積効率ηｖ＝１（１００％）での回転数と仕事量の関係を表すラインも登録されている。もちろん、他の体積効率ηｖでの回転数と仕事量の関係を表すラインが登録されていても良い。なお、運転管理マップＭ１に予め登録される各体積効率ηｖでの回転数と仕事量の関係は、例えば実験などによって求めておくことができる。実験で利用するポンプは、当該車両に搭載される実ポンプ４７であっても良いが、公差範囲内で許容される他のポンプであっても良い。
【００４８】
＜製造直後に実ポンプの体積効率を求める場合＞
本実施形態では、まず、燃料電池システム１０を組み立てた後、水素循環ポンプ４７を初めて駆動する場合に体積効率を求める。このように、実ポンプ４７を初めて駆動する場合に体積効率を求める理由は、実ポンプの体積効率は個体差に依存する度合いが大きく、耐久性の劣化に依存する度合いが小さいためである。
【００４９】
コントローラ（算出手段）７０は、燃料電池システム１０の組み立て終了後に、実ポンプ４７に対して一定の回転数で回転を行うべき指示を送る。設定する回転数については、最高回転数近傍の回転数Ｎ（図２に示す回転数Ｎ１）が望ましい。この理由は、図２に示すように、回転数が高ければ高いほど、圧力損失は安定し、体積効率の差も大きくなり、精度良く体積効率が求められるからである。
【００５０】
コントローラ７０は、回転数を一定に設定すると、この回転数で体積効率ηｖ＝１（１００％）と仮定した場合の仕事量（以下、理論値の仕事量）Ｑをメモリ６０から読み出す。理論値の仕事量Ｑは、下記式（１）に示すように、回転数Ｎ（ｒｐｍ）に比例する。なお、理論値の仕事量Ｑは、予め計算などして導出し、これをメモリ６０に登録しておけば良い。
Ｑ ∝ Ｎ ・・・（１）
【００５１】
さらに、コントローラ（算出手段）７０は、圧力センサ（第１圧力検知手段）Ｐ１より実ポンプ４７に流入される燃料オフガスの圧力（流入圧力）Ｐｓを受け取るとともに、圧力センサ（第２圧力検知手段）Ｐ２より実ポンプ４７から流出される燃料オフガスの圧力（流出圧力）Ｐｄを受け取る。また、コントローラ（算出主だｓン）７０は、メモリ６０に格納されている実ポンプ４７の機械的な損失（いわゆる機械損失）Ｗｍを取得するとともに、実ポンプ４７を駆動するモータ４６ａのインバータに接続された電流計、電圧計（電流・電圧検知手段）に示される電流値ｉ、電圧値ｖから仕事量Ｗ（＝ｉ＊ｖ；図３に示す仕事量Ｗ１）を求める。なお、機械損失Ｗｍの変動は、比較的小さいため、固定値としてメモリ６０に格納しておけば良い。コントローラ７０は、これらの値を下記式（２）に代入することにより、当該時点での実ポンプ４７の体積効率ηｖを算出する。
Ｗ ＝ （Ｐｂ−Ｐｓ）＊Ｑ／ηｖ＋Ｗｍ ・・・（２）
【００５２】
その後、コントローラ（補正手段）７０は、メモリ６０に登録されている実ポンプ４７の運転管理マップＭ１を参照し、設定した回転数Ｎ（ここでは回転数Ｎ１）と得られた仕事量Ｗ（ここでは仕事量Ｗ１）を、運転管理マップＭ１にプロットし、基準となる体積効率ηｖのラインｌ１を補正することで、図３に示す実ラインｌ１１を得る。
【００５３】
そして、コントローラ（駆動制御手段）７０は、得られた実ラインｌ１１を利用して実ポンプ（水素循環ポンプ）４７の運転を制御する。得られた実ラインｌ１１は、実ポンプ４７の性能が反映されているため、製造バラツキなどによる実ポンプ４７の性能を考慮することなく、最低ポンプを使用したときに得られる下限ライン（例えば、図３に示す基準ラインｌ０１）を常に利用していた従来例と比較して、システム効率の高い運転制御が可能となり、さらには実ポンプ４７の流量誤差を抑制することが可能となる。
【００５４】
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、製造直後に実ポンプ４７の体積効率ηｖを求める場合について説明したが、体積効率ηｖを求めるタイミングはシステム等に応じて適宜設定・変更可能である。具体的には、コントローラ（算出手段）が、（１）燃料電池の発電停止直後に行う、（２）燃料電池の電解質膜の乾燥度合いが所定値以上の場合に行う、（３）燃料電池の発電開始前、あるいは発電停止後の掃気処理直後（加圧処理直後）に行うようにしても良い。（１）によれば、発電停止直後（すなわち、シャットダウン直後）は水素循環系の濃度が安定しているため、圧力損失（ポンプの入口、出口での圧力差）も安定し、精度良く測定することが可能となる。また、（２）によれば、燃料電池２０の残水量が管理しやすく、圧力損失も安定し、精度良く測定することが可能となる。なお、燃料電池の電解質膜の乾燥度合いを測定する方法としては、コントローラ（検知手段、算出手段）７０が周知の交流インピーダンス法によって燃料電池２０のインピーダンスを測定し、測定結果に基づき電解質膜の乾燥度合いを求めれば良い。また、（３）によれば、水素循環系の濃度が安定しているため、圧力損失も安定し、精度良く測定することが可能となる。もちろん、これらのタイミングに限定する趣旨ではなく、一定期間毎（例えば１ヶ月毎など）に体積効率ηｖを求めるようにしても良い。
【００５５】
＜変形例２＞
上述した本実施形態では、実ポンプ４７に流入される燃料オフガスの圧力（上流圧力）Ｐｓを検知する圧力センサＰ１、実ポンプ４７から流出される燃料オフガスの圧力（下流圧力）Ｐｄを検出する圧力センサＰ２が設けられている場合について説明したが、いずれか一方の圧力センサ（例えば、下流圧力Ｐｄを検出する圧力センサＰ２）のみが設けられている場合にも適用可能である。この場合、実際に測定されない圧力（たとえば上流圧力）については推定値を用いれば良い。このように、圧力について推定値を用いることができるのは、圧力損失のバラツキは個体差として大きくないため、推定値を利用したとしても誤差は小さいからである。なお、上流圧力Ｐｓ、下流圧力Ｐｄの両方について推定値を用いても良い。
【００５６】
＜変形例３＞
上述した本実施形態では、機械損失Ｗｍが常に一定としたが、変動する機械損失を考慮して体積効率ηｖを算出しても良い。一般に、実ポンプはトータル運転時間（生涯回転数）が増加するにつれ、シール付近の部材が磨耗するなどして機械損失は徐々に減少していく傾向にある。そこで、水素循環ポンプについて生涯回転数と機械損失の関係を予め実験などによって求め、これを機械損失管理マップＭ２としてメモリ６０に登録しておく。コントローラ７０は、体積効率ηｖを求める際、当該時点での回転数Ｎを検知した後、メモリ６０に登録されている機械損失管理マップＭ２を参照し、この回転数Ｎに対応する機械損失Ｗｍを取得する。そして、コントローラ７０は、取得した機械損失Ｗｍを上記式（２）に代入することで、体積効率ηｖを求める。かかる構成によれば、より精度良く体積効率ηｖを算出することが可能となる。
【００５７】
＜変形例４＞
上述した本実施形態及び変形例では、回転数を一定に制御し、この場合に得られる仕事量（消費電力）Ｗと該回転数Ｎとに基づき体積効率ηｖを求めたが、回転数ではなく仕事量（消費電力）を予め決定し（別言すれば設定された電力で）、この場合に得られる回転数Ｎと該仕事量Ｗとに基づき体積効率ηｖを求めても良い。
【００５８】
体積効率ηｖを求める際には、バッテリ５２などから供給される電力を利用して水素循環ポンプ４６を駆動することになるが、回転数を一定に制御する方法では、バッテリ５２に十分な電力が残っていないために、当該制御が行えず、体積効率ηｖを求めることができないことが懸念される。
そこで、予め水素循環ポンプ４７の消費電力（仕事量）を決めておき、決められた消費電力でコントローラ（算出手段）７０が回転数Ｎを求め、求めた回転数Ｎと消費電力とに基づき、体積効率を算出するようにしても良い。さらに、コントローラ７０が水素循環ポンプ４７のトルク値を用いて体積効率ηｖを算出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】メモリに格納されている実ポンプの運転管理マップを例示した図である。
【図３】メモリに格納されている実ポンプの運転管理マップを例示した図である。
【図４】燃料電池システムの燃料ガス供給系の概略構成を示す図である。
【図５】水素循環ポンプを利用する場合に利用される駆動マップを例示した図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池、３０・・・酸化ガス供給系、４０・・・燃料ガス供給系、４７・・・水素循環ポンプ、５０・・・電力系、６０・・・メモリ、７０・・・コントローラ、Ｐ１，Ｐ２・・・圧力センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムのガス供給経路に水素を含む燃料ガスを送り出すポンプと、
前記ポンプの回転数と消費電力との関係を対応づけたポンプ制御情報を記憶する記憶手段と、
検知した前記ポンプの回転数と消費電力に基づき、該ポンプの体積効率を算出する算出手段と、
算出された前記体積効率に基づき、前記ポンプ制御情報を補正する補正手段と、
前記ポンプ制御情報を用いて前記ポンプの駆動を制御する駆動制御手段と
を具備するポンプ駆動制御装置。
【請求項２】
前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項１に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項３】
前記ポンプは、燃料電池から出力される燃料オフガスの一部を前記ガス供給路に戻す循環ポンプであり、前記燃料オフガスには水分が含まれる、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記ポンプの最初の始動時に、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項５】
前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後に、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項６】
前記燃料電池の電解質膜の乾燥度合いを検知する検知手段をさらに備え、
前記算出手段は、前記電解質膜の乾燥度合いが設定値以上となった場合に、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項７】
前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後、前記燃料ガスの循環系を掃気した後に前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項８】
前記算出手段は、前記ポンプの回転数を、設定された最高回転数近傍で一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項９】
前記ポンプに接続されたインバータと、
前記インバータの出力電流、出力電圧を検知する電流・電圧検知手段とをさらに備え、
前記算出手段は、検知された前記インバータの出力電流、出力電圧に基づき、前記ポンプの消費電力を求める、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項１０】
前記ポンプに流入される燃料ガスの流入圧力を検知する第１圧力検知手段と、
前記ポンプから流出される燃料ガスの流出圧力を検知する第２圧力検知手段とをさらに備え、
前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力と、ポンプの回転数と、検知される流入圧力と、検知される流出圧力とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項１１】
前記算出手段は、設定された電力で前記ポンプを駆動した場合の該ポンプの回転数を検知し、検知したポンプの回転数とポンプの消費電力とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項１】
燃料電池システムのガス供給経路に水素を含む燃料ガスを送り出すポンプと、
前記ポンプの回転数と消費電力との関係を対応づけたポンプ制御情報を記憶する記憶手段と、
検知した前記ポンプの回転数と消費電力に基づき、該ポンプの体積効率を算出する算出手段と、
算出された前記体積効率に基づき、前記ポンプ制御情報を補正する補正手段と、
前記ポンプ制御情報を用いて前記ポンプの駆動を制御する駆動制御手段と
を具備するポンプ駆動制御装置。
【請求項２】
前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項１に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項３】
前記ポンプは、燃料電池から出力される燃料オフガスの一部を前記ガス供給路に戻す循環ポンプであり、前記燃料オフガスには水分が含まれる、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記ポンプの最初の始動時に、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項５】
前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後に、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項６】
前記燃料電池の電解質膜の乾燥度合いを検知する検知手段をさらに備え、
前記算出手段は、前記電解質膜の乾燥度合いが設定値以上となった場合に、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項７】
前記算出手段は、前記燃料電池の発電を停止した後、前記燃料ガスの循環系を掃気した後に前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項８】
前記算出手段は、前記ポンプの回転数を、設定された最高回転数近傍で一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力とポンプの回転数とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項９】
前記ポンプに接続されたインバータと、
前記インバータの出力電流、出力電圧を検知する電流・電圧検知手段とをさらに備え、
前記算出手段は、検知された前記インバータの出力電流、出力電圧に基づき、前記ポンプの消費電力を求める、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項１０】
前記ポンプに流入される燃料ガスの流入圧力を検知する第１圧力検知手段と、
前記ポンプから流出される燃料ガスの流出圧力を検知する第２圧力検知手段とをさらに備え、
前記算出手段は、ポンプの回転数を一定に制御した場合の該ポンプの消費電力を求め、求めたポンプの消費電力と、ポンプの回転数と、検知される流入圧力と、検知される流出圧力とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【請求項１１】
前記算出手段は、設定された電力で前記ポンプを駆動した場合の該ポンプの回転数を検知し、検知したポンプの回転数とポンプの消費電力とに基づき、前記体積効率を算出する、請求項２に記載のポンプ駆動制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２９９４８０（Ｐ２００９−２９９４８０Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５１４８７（Ｐ２００８−１５１４８７）
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１０日（２００８．６．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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