JP2005267969A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素供給ポンプの制御の自由度がより高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池２０を含む燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給源３０から上記燃料電池２０に上記燃料ガスを供給する供給通路７４と、上記供給通路７４上に設けられる第１の電動ポンプＨ２０と、供給すべき上記燃料ガスの要求量に応じて上記第１の電動ポンプの燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段５０と、を備える。第１の電動ポンプで燃料電池に必要な燃料ガス量を供給するので制御の自由度が高い。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料ガスと酸化ガスとを用いて電気を発生する燃料電池システムに関する。

従来、水素ガス（燃料ガス）を貯留した高圧水素タンクから燃料電池に水素ガスを供給するために、高圧水素タンクから燃料電池への水素ガス供給通路に調圧器（レギュレータ）とエゼクタや、調圧器と水素ポンプ等を設けている。また、例えば、特開２００３−１５１５８８号公報記載の発明は高圧水素タンクから燃料電池間の水素ガス供給通路に調圧器、エゼクタ（ジェットポンプ）、水素ポンプを組み合わせて水素ガスの供給を行うことを提案している。
特開２００３−１５１５８８号公報

しかしながら、エゼクタと水素ポンプを組み合わせることによって、水素ポンプがエゼクタの水素供給特性の影響を受ける。このため、水素ポンプによる水素供給の制御性が制約を受ける。車載の燃料電池のように短時間で負荷が大きく変動する燃料電池システムにとってはより自由度の高い水素ガス供給の制御が望まれる。

よって、本発明は水素供給ポンプの制御の自由度がより高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給源から上記燃料電池に上記燃料ガスを供給する供給通路と、上記供給通路上に設けられる第１の電動ポンプと、供給すべき上記燃料ガスの要求量に応じて上記第１の電動ポンプの燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段と、を備える。

かかる構成とすることによって、第１の電動ポンプで燃料電池に必要な燃料ガス量を供給するので制御の自由度が高い。例えば、車両の加速時のように燃料電池への燃料ガスの供給要求量が高くなれば第１の電動ポンプで増圧して車両の加速要求に応える。また、要求電力の急変にも応答性がよい。

上記構成に、更に、第１の電動ポンプと、上記第１の電動ポンプを迂回する迂回通路と、上記迂回通路に設けられた制御弁と、を設けることができる。

同様に、上記構成に、更に、上記燃料電池から排出される燃料ガスを上記供給通路に還流する還流通路と、上記還流通路に設けられた第２の電動ポンプと、供給すべき上記燃料ガスの要求量に応じて上記第１及び第２の電動ポンプを制御する制御手段と、を設けることが出来る。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給源から上記燃料電池に上記燃料ガスを供給する供給通路と、上記供給通路上に設けられる第１の電動ポンプと、上記第１の電動ポンプを迂回する迂回通路と、上記迂回通路に設けられた制御弁と、供給すべき上記燃料ガスの要求量に応じて上記第１の電動ポンプ及び上記制御弁の動作を制御して上記燃料ガスの供給圧力を調整する制御手段と、を備える。

かかる構成とすることによって、燃料ガスの供給要求量が低いとき等には第１の電動ポンプを迂回して燃料ガスを燃料電池に供給することが出来るので、燃料ガスの通路抵抗を低減可能となる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給源から上記燃料電池に上記燃料ガスを供給する供給通路と、上記供給通路上に設けられる第１の電動ポンプと、上記燃料電池から排出される燃料ガスを上記供給通路に還流する還流通路と、上記還流通路に設けられた第２の電動ポンプと、供給すべき上記燃料ガスの要求量に応じて上記第１及び第２の電動ポンプを制御する制御手段と、を備える。

かかる構成とすることによって、燃料電池システムは上記燃料ガスの供給を第１及び第２の電動ポンプをそれぞれ制御して行うことができるので供給要求量に対する供給精度や供給応答性を向上することが出来る。例えば、後述のように、第１の電動ポンプで主に燃料ガスの圧力調整を、第２のポンプで主に燃料ガスの流量調整を行うことが可能となる。

好ましくは、上記燃料電池システムは、更に、上記第１の電動ポンプを迂回する迂回通路と、上記迂回通路に設けられた制御弁と、を含み、上記制御手段は、供給すべき上記燃料ガスの要求量に応じて上記制御弁の動作を制御する。それにより、供給要求量が少ないとき、第１の電動ポンプをバイパスして燃料ガスを供給することによって通路抵抗を減らすことが可能となる。

好ましくは、上記燃料電池システムの還流通路の供給通路への合流位置が上記第１の電動ポンプの上流側である。それにより、第２の電動ポンプで還流される燃料ガスの圧力を第１の電動ポンプで調整することが可能となる。

また、上記制御手段は、上記第１の電動ポンプを制御して上記燃料電池への供給燃料ガスの主に圧力調整を行い、上記第２の電動ポンプを制御して上記供給燃料ガスの主に流量調整を行う。２つの電動ポンプに役割を分担させることによって制御精度が向上する。

好ましくは、上記燃料電池システムは、更に、上記第１の電動ポンプ下流の上記供給通路上に設けられた開度調整可能な開度調整弁を含み、上記制御手段は、上記燃料ガス要求量に応じて上記第１の電動ポンプ及び上記開度調整弁の開閉状態を制御して上記燃料電池への供給燃料ガスの圧力調整を行う。それにより、第１の電動ポンプと開度調整弁が組み合わされて供給燃料ガスの圧力調整手段が構成され、より広い範囲で圧力調整を行うことが可能となる。開度調整弁は、例えば、オン／オフの時間比が制御される電磁弁や、パルスモータを用いて弁開度を連続的に制御する電動式弁などが使用される。

また、上述した燃料電池システムは、更に、上記第１の電動ポンプ上流の上記供給通路上に設けられて上記燃料ガスを減圧する調圧弁（減圧弁）を備える。それにより、第１の電動ポンプの担う圧力調整範囲を少なくする。また、高圧燃料ガスタンクからのガス供給圧を出来るだけ下げて途中供給通路の安全設計（耐圧、漏れた場合の勢い、漏れトータル量等）を容易にすることが出来る。そして、低めにしたガス圧を第１の電動ポンプによって必要な供給圧力に高めることが出来る。

上述した第１及び第２の電動ポンプは真空ポンプのように絶対圧に基づく圧力調整を行うポンプの型式や上流圧力に対する下流圧を相対的に調整するポンプの型式であっても良い。

また、第１及び第２の電動ポンプのうち少なくとも一方が真空ポンプであっても良い。圧力値が低くなれば、ガス通路系全体の水素量が少なくなるのと同時に通路系の耐圧が設計上有利になる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給する供給通路に設けられた電動ポンプによって燃料ガスの供給圧力を制御する構成としているので制御の自由度が高く、応答性がよい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の好適な実施例では、図２に示すように水素ガス（燃料ガス）供給源としての高圧水素タンク及び燃料電池間の水素ガス供給通路に、高圧タンク出口の遮断弁Ｈ２０１、調圧弁（減圧弁）Ｈ９、水素供給ポンプＨ２０、供給弁Ｈ２００、燃料電池の入口遮断弁Ｈ２１等が設けられている。また、水素循環通路７５には水素循環ポンプＨ３０（図１参照）が設けられている。供給弁Ｈ２００は、電磁遮断弁、弁開度が調整可能なデューティ制御弁、流量制御弁等が適宜に使用される。

実施例で用いられる水素供給ポンプＨ２０は電動ポンプであり、後述の制御部５０によってその動作が制御される。水素供給ポンプＨ２０は燃料電池２０にて消費された水素ガスを補うと同時に燃料電池２０に供給される水素ガスの供給圧力を調整する。電動の水素供給ポンプＨ２０は回転数を制御することが出来るので、いわゆる流量調整弁と同等に機能させることも出来る。また、水素供給ポンプＨ２０と供給弁Ｈ２００とを組み合わせてポンプ回転と弁Ｈ２００の開閉（あるいは弁開度）を制御することによって水素供給量を調整して圧力制御を行うことが出来る。

また、水素供給ポンプＨ２０と水素循環ポンプＨ３０とで燃料電池への水素ガスの供給圧力と供給流量とをそれぞれ分担することによって燃料電池システムの制御精度を高めることが可能となる。水素供給ポンプＨ２０と循環ポンプ３０とを協調して制御することによって水素ガス供給の制御範囲（ダイナミックレンジ）を拡大することも可能となる。

以下の実施例では水素供給ポンプＨ２０及び水素循環ポンプＨ３０に電動ポンプを使用しているが、両ポンプのうち少なくとも一方が真空ポンプであっても良い。また、電動ポンプは絶対圧に基づく圧力調整を行うポンプ型式や上流圧に対する下流圧を相対的に調整するポンプ型式であってもよい。

図１は本発明の第１の実施例が適用される燃料電池システムの例を示している。

同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給通路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給通路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は後述の補機モータによって駆動され、後述の制御部５０の制御プログラムと共に掃気手段を構成する。なお、エアフィルタＡ１には空気流用を検出するエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気通路７２を経て外部に放出される。排気通路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁（減圧弁）Ａ４は燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサＰ４及びＰ１の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０はコンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源３０から燃料供給通路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば、高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。燃料供給通路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（水素供給バルブ）Ｈ２０１、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、電動の水素供給ポンプＨ２０、流量調節弁Ｈ２００、流量調節弁Ｈ２００の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ６１、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給通路７４間を開閉する遮断弁（ＦＣ入口弁）Ｈ２１及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。

例えば、調圧弁Ｈ９としては機械式の減圧を行う調圧弁を使用できる。また、流量調節弁Ｈ２００として弁の開閉度が可変な開閉弁を使用しても良い。例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動信号でオンオフ制御される電磁開閉弁を使用することができる。また、パルスモータで弁の開度がリニア（あるいは連続的）に調整される弁であっても良い。制御圧力センサＰ５はガス圧検出手段に対応する。圧力センサＰ５及びＰ６の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

燃料供給通路７４の水素供給ポンプＨ２０を迂回するように、調圧弁Ｈ９及び水素供給ポンプＨ２０間の燃料供給通路７４から分岐して流量調節弁Ｈ２００及びＨ２１間の燃料供給通路７４に合流点するバイパス通路７７が形成されている。バイパス通路７７には電磁式の遮断弁Ｈ２０２が設けられ、制御部５０によってその開閉が制御される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環通路７５に排出され、燃料供給通路７４の流量調節弁Ｈ２００の下流側に戻される。水素循環通路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、水素オフガスを排出する遮断弁（ＦＣ出口弁）Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧して燃料電池２０に循環させる水素循環ポンプＨ３０及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。遮断弁Ｈ２１及びＨ２２は燃料電池のアノード側を閉鎖する閉鎖手段に対応する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプＨ３０は制御部５０によって動作制御される。水素オフガスは燃料供給通路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は燃料供給通路７４の水素ガスが水素循環通路７５側に逆流することを防止する。

水素循環通路７５はパージ弁Ｈ５１を介してパージ通路７６によって排気通路７２に接続される。パージ弁Ｈ５１は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを排気系通路７６及び７２を介して外部に放出（パージ）する。このパージ動作を周期的（あるいは間欠的）に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。

更に、燃料電池２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却水通路７３が設けられる。冷却水通路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には冷却ファンを回転駆動する補機モータＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は燃料電池セルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。各燃料電池セルあるいはセルグループの出力電圧は電圧センサＶｓ（図示せず）によって検出されて制御部５０に送られる。燃料電池２０が発生した電力は図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットには、図示しない、車両の駆動モータを駆動するインバータ、コンプレッサモータなどの各種の補機類を駆動するインバータ、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどを備えている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。

次に、制御部５０の動作例について説明する。制御部５０は種々の動作モードに対応して水素供給ポンプＨ２０を制御し、燃料電池２０に供給する水素ガス圧力（あるいは供給流量）等を制御する。

まず、図２を参照して水素ガス供給通路７４に設けられた水素供給ポンプＨ２０の制御態様及び関連する部分の動作制御について説明する。

同図（ａ）乃至同図（ｃ）は供給ポンプＨ２０の動作モード（加圧、定圧、減圧）に対応しており、図１と対応する部分には同一符号を付してかかる部分の説明は省略する。

（１）加圧動作（Ｐ７＜Ｐ６１）
図２（ａ）に示されように、ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７が二次側圧力Ｐ６１よりも小さい場合のポンプＨ２０の動作モードである。

例えば、水素タンク３０の水素ガス圧（２０ＭＰａ）が調圧器（減圧器）Ｈ９によって２０ｋＰａに減圧されて水素供給ポンプＨ２０に送られてくる。水素供給ポンプＨ２０はこれを加圧して、例えば、１００ｋＰａにして燃料電池２０に供給する。水素供給源３０としての高圧水素タンクのタンク出口圧力及び通路の圧力を出来るだけ小さくすることは安全設計上（耐圧、漏れた場合のガスの勢い、漏れのトータル量等）好ましいので、水素ガスを主たる配管部分では低圧で送り、燃料電池の近くで所要の圧力に増圧する。

制御部５０は、水素供給ポンプＨ２０への水素ガス供給圧力Ｐ７が燃料電池の入口圧力（運転圧力）Ｐ５（≒制御圧力Ｐ６１）に対して低い状態となっている場合、遮断弁く２０２を閉じ、ポンプＨ２０によって水素ガスを加圧して燃料電池２０に供給する。すなわち、制御部５０は運転圧力Ｐ５（略Ｐ６１）が目標圧力となるように、制御圧力Ｐ６１をパラメータとして監視しながらポンプＨ２０を制御する。また、制御部５０は循環ポンプＨ３０を燃料電池２０への供給水素ガスが目標流量となるように制御する。制御部５０はポンプＨ２０の停止時に流量調節弁Ｈ２００を閉じてポンプＨ２０を介して二次側の水素ガスが逆流して、ポンプＨ２０の一次側の水素ガス圧Ｐ７が上昇することを防止する。

（２）圧力平衡動作（Ｐ７≒Ｐ６１）
図２（ｂ）に示されるように、ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７と二次側圧力Ｐ６１とが略等しい場合のポンプＨ２０の動作モードである。

例えば、水素タンク３０の水素ガス圧（２０ＭＰａ）が調圧器（減圧器）Ｈ９によって１００ｋＰａに減圧されて水素供給ポンプＨ２０に送られてくる。水素供給ポンプＨ２０は圧損を補って１００ｋＰａにして燃料電池２０に供給する。

制御部５０は、ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７と二次側圧力Ｐ６１が略等しい場合、流量増加時の供給通路７４における圧損による圧力低下を補うようにポンプＨ２０にて水素ガスを加圧して燃料電池２０に供給する。すなわち、制御部５０は運転圧力Ｐ５が目標圧力となるように制御圧力Ｐ６１をパラメータとしてポンプＨ２０を制御する。また、制御部５０は循環ポンプＨ３０を燃料電池２０への供給水素ガスが目標流量となるように制御する。流量調節弁Ｈ２００は漏れ検知部位の特定、漏れ検知時の連続水素漏れ防止のために有効であるが、この場合の圧力制御には寄与していない。

（３）減圧動作（Ｐ７＞Ｐ６１）
図２（ｃ）に示されるように、ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７が二次側圧力Ｐ６１よりも大きい場合のポンプＨ２０の動作モードである。

例えば、水素タンク３０の水素ガス圧（２０ＭＰａ）が調圧器（減圧器）Ｈ９によって２００ｋＰａに減圧されて水素供給ポンプＨ２０に送られてくる。水素供給ポンプＨ２０はこれを減圧して、１００ｋＰａにして燃料電池２０に供給する。供給圧力Ｐ７が運転圧力Ｐ５より大きい場合、水素ポンプＨ２０がないと減圧弁Ｈ９により減圧された水素ガスが配管圧損の許す限りの最大流速にて燃料電池２０に供給され、燃料電池スタックの電解質膜に対して大きな圧力変動を与えて膜信頼性を低下させる。水素ポンプＨ２０の存在は水素ガスの流速を緩和して膜信頼性を向上させる。更に、水素ポンプＨ２０に加えて水素ポンプＨ２０の直下に組み合わされた流量調節弁Ｈ２００が圧力調整（減圧）を補っている。

制御部５０は、ポンプＨ２０への一次側圧力Ｐ７が二次側圧力Ｐ６１よりも大きい場合、運転圧力Ｐ５が目標圧力になるように制御圧力Ｐ６１をパラメータとしてポンプＨ２０を制御する。また、運転圧力Ｐ５よりも高い圧力の水素ガスを更に減圧するため、流量調節弁Ｈ２００との協調制御を実施する。それにより、供給する水素量をより正確にコントロールして圧力制御性を向上させる。水素ガスの循環ポンプＨ３０は燃料電池２０に供給する水素ガス量を目標流量になるように制御を行う。

（４）圧力変化動作
水素供給ポンプＨ２０によって供給水素ガスの圧力を変化させることができる。そこで、燃料電池２０のアノード（水素極）ガス圧とカソード（空気極）ガス圧の相違による電極間差圧の低減、燃料電池に供給される水素ガス圧力を脈動させて燃料電池２０の内部で過剰となっている水分の除去、循環水素ポンプＨ３０の消費動力低減、遮断弁等に印加する圧力を可変にして行うことによる水素ガス漏れ判定の精度向上、等を行うことが可能となる。

圧力可変制御では、運転圧力Ｐ５が目標圧力になるように制御圧力Ｐ６１をパラメータとして供給ポンプＨ２０の回転数を制御すると共に流量調節弁Ｈ２００を開閉させることによって水素ガス供給量を調節し、圧力制御を行う。水素供給ポンプＨ２０には、目標運転圧力を発生することが出来るように圧縮比、モータトルク等が設定される。また、流量調節弁Ｈ２００は、遮断弁（シャットバルブ）、テューティバルブ、流量調整弁等の流量を制御できる弁であればよい。

（５）早期加圧動作
燃料電池２０の起動時や、間欠運転停止中のクロスリークにより水素ガス圧が低下した場合には、素早く燃料電池内に水素ガスを供給することが望ましい。そうすれば、起動時間の短縮、出力制限の早期解除が可能となる利点がある。

そこで、水素供給ポンプＨ２０を迂回するように設けられたバイパス経路７７及びバイパス弁Ｈ２０２を使用して早急に燃料電池２０に水素ガスを供給する。バイパス経路７７を用いると、水素供給ポンプＨ２０による流量制御と比較して供給時間を大幅に短縮することが出来る。

（５−１）早期加圧動作・加圧動作（Ｐ７＜Ｐ６１）
早期加圧動作において、水素供給ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７が二次側圧力Ｐ６１よりも低い場合、バイパス弁Ｈ２０２を開くと同時にポンプＨ２０を動作させる。バスパス弁のみに依存するシステムでは水素ガス供給完了を運転中の圧力より低く設定するようにしてもよい。

（５−２）早期加圧動作・圧力平衡動作（Ｐ７≒Ｐ６１）
早期加圧動作において、水素供給ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７が二次側圧力Ｐ６１と略等しい場合には、バスパス弁Ｈ２０２を水素ガス供給が完了するまで開ける。

（５−３）早期加圧動作・減圧動作（Ｐ７＞Ｐ６１）
早期加圧動作において、ポンプＨ２０の一次側圧力Ｐ７が二次側圧力Ｐ６１よりも大きい場合、バイパス弁Ｈ２０２を所定時間のみ開き、所定量の水素ガスを供給する。燃料電池の起動時と燃料電池の間欠運転時は供給する水素ガス量が異なるために当該所定時間は個々に設定される。

（６）水素循環ポンプＨ３０の動作
水素循環ポンプＨ３０は、燃料電池２０の負荷の増減に応じて流量が増減するように制御される。但し、最低流量は確保される。

また、燃料電池２０の起動時は電極の活性化のため、水素ポンプＨ３０の回転数を上げ、電極にある水や窒素などの不純物を取り除き、発電性能を向上させる。また、間欠運転などの不純物が多い場合も、水素ガスの流量を増加させて水素ストイキを上げる。

必要流量において水素循環ポンプＨ３０の入口圧力が高くなると水素循環ポンプＨ３０の回転数を下げて水素循環ポンプＨ３０の動力を低減し、燃費を向上させる。また、入口圧力が低い場合にはポンプＨ３０の回転数を上げることで必要水素量を確保する。

次に、制御部５０による燃料電池システムの制御例について説明する。制御部５０は上述のように制御用コンピュータによって構成され、制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。

まず、図３に示すフローチャートを参照して燃料電池システムの起動について説明する。制御部５０は、図示しない制御系への電源が供給されることによって動作を開始し、車両のスタートキーなどの操作によって起動指令が発せらたかどうかをモニタしている。例えば、スタートキーなどの操作によって起動指令が発っせられると予めメモリ内に定義された領域に起動フラグ（イベントフラグ）が設定される（Ｓ１０２）。

起動指令が発令されると（Ｓ１０２；ＹＥＳ）、燃料供給通路７４の遮断弁Ｈ２０１、Ｈ２１及びＨ２２を開き、流量調節弁Ｈ２００を全開とする。また、バイパス通路７７の遮断弁Ｈ２０２を開き、水素供給ポンプＨ２０を所定回転数Ｒ１に設定し、水素循環ポンプＨ３０を動作させる。水素供給通路７４の流量調節弁Ｈ２００を全開とし、バイパス弁Ｈ２０２を開とすることにより、起動時に必要な供給通路（配管）及び燃料電池スタックへの水素供給及び加圧を短時間化する（Ｓ１０４）。

制御部５０は、燃料供給通路７４の圧力センサＰ６１及びＰ７の出力をモニタし、水素供給ポンプＨ２０下流の水素ガス圧力Ｐ６１が該ポンプ上流側の水素ガス圧力Ｐ７を越えたかどうかを判別する（Ｓ１０６）。越えないときはモニタを継続する（Ｓ１０６；ＮＯ）。越えたときは（Ｓ１０６；ＹＥＳ）、制御部５０はバイパス弁Ｈ２０２を閉じる。バイパス弁Ｈ２０２を介して下流側から上流側に水素ガスが逆流することを防止する（Ｓ１０８）。

制御部５０は、圧力センサＰ５、Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ６１の出力をモニタし、燃料電池の入口、水素循環通路７５、水素供給通路７４の水素ガス圧力が所定値Ｐｋ１を越えるか否かを判別する（Ｓ１１０）。モニタを継続して（Ｓ１１０；ＮＯ）、モニタしている各圧力センサの出力が所定値Ｐｋ１を越えると（Ｓ１１０；ＹＥＳ）、水素漏れが生じていないかを判断する水素漏れ判定処理を行うフラグを設定する（Ｓ１０８）。

図４は、第１の水素漏れ判定（Ｓ１５０）を説明するフローチャートである。以下に説明するように、水素漏れ判定は所定圧以上に加圧されて封止された配管内の水素ガス圧力が所定時間内に低下する変化の程度（変化代）によって行うことが出来る。

制御部５０は水素漏れ判定のフラグの状態を所定周期あるいはイベント発生によって確認する（Ｓ１５２）。同判定フラグがオンに設定されていない場合には（Ｓ１５２；ＮＯ）、メインルーチンに戻る（Ｓ１６８）。同判定フラグがオンに設定されていると（Ｓ１５２；ＹＥＳ）、第１の水素漏れ判定処理を行う。

まず、上記ステップＳ１０４の処理によって燃料供給通路７４、燃料電池２０、水素ガス循環路７５には水素ガスが供給され、水素ガス通路は所定の圧力に達している（Ｓ１１０）。制御部５０は遮断弁Ｈ２０１、流量調節弁Ｈ２００、遮断弁Ｈ２１、遮断弁Ｈ２２及びパージ弁Ｈ５１を遮断し、燃料供給通路及び水素ガス循環路に各弁の遮断によって区切られた閉区域を形成する（Ｓ１５４）。制御部５０は、水素供給ポンプＨ２０及び水素循環ポンプＨ３０の回転を停止する（Ｓ１５６）。

制御部５０は、ポンプＨ２０及び水素循環ポンプＨ３０の回転を停止後所定時間を経過すると（Ｓ１５８；ＹＥＳ）、各閉区域の水素ガス圧力を監視する。すなわち、圧力センサＰ６によって遮断弁Ｈ２０１〜遮断弁Ｈ２００・Ｈ２０２間の閉区域（配管）のガス圧力Ｐ６を検出する。圧力センサＰ６１によって遮断弁Ｈ２００・Ｈ２０２〜遮断Ｈ２１間の閉区域のガス圧力Ｐ６１を検出する。圧力センサＰ５によって遮断弁Ｈ２１〜遮断弁Ｈ２２間の燃料電池（スタック部）のガス圧力Ｐ５を検出する。圧力センサＰ１０及びＰ１１によって遮断弁Ｈ２２〜逆止弁Ｈ５２間の閉区域のガス圧力Ｐ１０及びＰ１１を検出する。なお、パージ弁Ｈ５１は閉じている。制御部５０は各センサのガス圧力値Ｐ６、Ｐ６１、Ｐ５、Ｐ１０及びＰ１１をサンプリングして、コンピュータシステムのメモリに逐次記憶する（Ｓ１６０）。

制御部５０は、上述した各閉区域についての水素ガス圧のサンプリング値から各閉区域における所定時間内の水素ガス圧力変動分ΔＰ６、ΔＰ６１、ΔＰ５、ΔＰ１０がそれぞれについて定められた基準値Ｐｃ１〜Ｐｃ５（図４にはＰｃｎと略記）を越えるかどうかを個別的に判別する（Ｓ１６２）。

いずれの閉区域の圧力変化分も個々の閉区域に定められた基準値を越えない場合には（Ｓ１６２；ＮＯ）、水素漏れはないと判断して走行可能フラグをオンに設定して（Ｓ１６６）、メインルーチンに戻る（Ｓ１６８）。

一方、いずれかの閉区域の圧力変化分が当該閉区域について定められた基準値を越えた場合には（Ｓ１６２；ＹＥＳ）、水素漏れの可能性があると判断する。更により精度の高い第２の水素漏れ判定を行うべく第２の水素漏れ判定フラグを設定し、以下の水素漏れ判定２の処理を行う（Ｓ１６４）。

図５は、水素漏れ判定２の処理を説明するフローチャートである。水素漏れ判定２では水素ガスの漏れ判定（Ｓ１５０）をやり直す。第１の判定の判定値Ｐｃ１〜Ｐｃ５（Ｓ１６２）が小さい場合には判定の閾値を上げて第２の判定を行うことにより、２段階の判定を行うことができる。それにより、水素ガスのより微小な漏れ検知を可能とする。

制御部５０は、遮断弁Ｈ２０１、Ｈ２１及びＨ２２を開放し、パージ弁Ｈ５１を遮断して水素ガスポンプＨ２０を所定回転数Ｒ２で動作させる。また、水素循環ポンプＨ３０を所定の流量が得られるように動作させる。それにより、水素ガスが水素ガスタンク３０から水素供給通路７４、バイパス通路７７、燃料電池２０、水素循環通路７５に導入される（Ｓ１８２）。制御部５０は、流量調節弁Ｈ２００及び遮断弁Ｈ２１の区間（水素ガス供給通路７４）のガス圧力（圧力センサＰ６１）の目標値をＰｈｃに設定し、この目標圧力Ｐｈｃに対応した流量調節弁Ｈ２００に与える指令値Ｄ１００を設定して流量調節弁Ｈ２００を動作させる。制御部５０は圧力センサＰ６１の値を監視して当該区域のガス圧力がＰｈｃとなるように流量調節弁Ｈ２００を制御する（Ｓ１８４）。それにより、燃料供給通路７４、燃料電池２０のスタック及び水素循環通路７５内部の水素ガス圧を高める。

制御部５０は燃料供給通路７４及び水素ガス循環路７５の圧力センサＰ５、Ｐ１０及びＰ１１をモニタし、各通路の水素ガス圧力が加圧完了基準値Ｐｋ₂を越えたかを判別する（Ｓ１８６）。越えないときは加圧を待つ（Ｓ１８６；ＮＯ）を行う。各流路のガス圧力が規定値Ｐｋ２以上に増加すると（Ｓ１８６；ＹＥＳ）、制御部５０は水素供給弁Ｈ２０１、流量調節弁Ｈ２００、燃料電池２０の入口側遮断弁Ｈ２１、燃料電池２０の出口側遮断弁Ｈ２２及びリリーフ弁Ｈ５１を遮断する（Ｓ１８８）。水素ポンプＨ２０及び水素循環ポンプＨ３０を停止する（Ｓ１９０）。水素ポンプＨ２０及び水素循環ポンプＨ３０の停止後所定時間の経過を待って通路における水素ガスの圧力を安定させる（Ｓ１９２）。

次に、制御部５０は圧力センサＰ６、Ｐ６１、Ｐ５、Ｐ１０及びＰ１１の各圧力値を監視し、所定周期でサンプリングを行って記憶する。各弁によって閉鎖された通路の各閉区域について、所定時間内におけるガス圧力変動分ΔＰ６、ΔＰ６１、ΔＰ５、ΔＰ１０及びΔＰ１１を求める。これ等の各圧力変化分が各閉区域についてそれぞれ予め定められた基準値Ｐｃ１、Ｐｃ２、Ｐｃ３、Ｐｃ４及びＰｃ５（図５にＰｃｎと略記）を越えるかどうかを判別する（Ｓ１９６）。

その結果、いずれかの閉区域通路の圧力変化分が基準値を超える場合には（Ｓ１９６；ＹＥＳ）、水素漏れの可能性があると判断し、水素漏れ処理を行うべきフラグを設定して主制御プログラムに戻る（Ｓ１９８）。水素漏れ処理には、例えば、車両運転者へのアラーム、ディスプレイ画面への警告表示等による注意喚起、漏れ区域の表示、サービスステーションへの自動通報、車両の起動停止、水素供給源３６０からの水素ガス供給停止等が挙げられる。

閉区域通路の圧力変化分が基準を超えない場合には（Ｓ１９６；ＮＯ）、水素ガス漏れはなく、車両の走行可能と判断し、走行可能フラグをオンに設定する（Ｓ２００）。

次に、図６を参照して車両の走行（燃料電池運転）について説明する。制御部５０は上述したように水素ガス漏れがなく、その他の走行を許容する条件が満足されおり、走行可能フラグがオンになっているかどうかを判断する（Ｓ３００）。

制御部５０は走行可能と判断すると（Ｓ３００；ＹＥＳ）、燃料電池２０に所要の水素ガスを供給すべく以下の操作を行う。まず、バイパス弁Ｈ２０２及びパージ弁Ｈ５１を閉じ、燃料供給通路７４及び水素ガス循環通路７５の遮断弁２０１、Ｈ２１及びＨ２２を開放して水素供給源３０から燃料電池２０に水素ガスの供給を可能とする（Ｓ３０２）。制御部５０は供給水素ガス量を決定するために、例えば、車両のアクセル踏込み量に対応した要求負荷や、補機類駆動のために必要な負荷等から燃料電池に要求される発生電力Ｐ（＝ＶＩ）を予め定められた計算式やマップデータによって計算する（Ｓ３０４）。予め求められている燃料電池２０のＩ−Ｖ特性（出力電流対出力電圧特性）から燃料電池２０に要求される出力電流を計算する（Ｓ３０６）。燃料電池２０への要求電流が計算されると、要求電流に対応した供給水素ガス流量及び供給空気量が計算される。水素ストイキは水素ポンプＨ３０の回転の他、水素ポンプＨ３０の入口圧力によっても流量が異なるので、例えば、圧力センサＰ６１の出力Ｐｓと出力電流との二次元マップによって水素ポンプＨ３０の回転数Ｒｓを決定する。制御部５０は水素ストイキを考慮して対応するエアコンプレッサＡ１の回転数を設定し（Ｓ３０８）、また、水素循環ポンプＨ３０の回転数Ｒｓを設定する（Ｓ３１０）。また、制御部５０は燃料電池２０の供給水素ガス圧力の目標圧力Ｐｓを設定する。目標圧力Ｐｓが得られるように水素供給ポンプＨ２０の回転数及び流量調節弁Ｈ２００の弁開度を設定する（Ｓ３１２）。燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を圧力センサＰ６１の出力によって読取り、目標圧力Ｐｓと比較する（Ｓ３１４）。圧力センサＰ６１の出力が目標圧力Ｐｓを越える場合には（Ｓ３１４；ＹＥＳ）、流量調節弁Ｈ２００の流量を過剰分に応じて減少する指令（Ｓ３１６）及び水素供給ポンプＨ２０の回転を過剰分に応じて減らす指令を発生して（Ｓ３１８）、当該供給水素圧力が目標圧力Ｐｓとなるように調整する。当該供給水素圧力の調整後、または、圧力センサＰ６１の出力が目標圧力Ｐｓを越えない場合には（Ｓ３１４；ＮＯ）、圧力センサＰ６１の出力が目標圧力Ｐｓ以下かどうかを判別する（Ｓ３２０）。圧力センサＰ６１の出力が目標圧力Ｐｓ以下である場合には（Ｓ３２０；ＹＥＳ）、流量調節弁Ｈ２００の弁開度を不足分に応じて増加する指令を行う（Ｓ３２２）。また、水素供給ポンプＨ２０の回転を不足分に応じて増加する指令を発生して（Ｓ３２４）、当該圧力が目標圧力Ｐｓとなるように調整する。なお、水素ガス圧の過不足を調整するための水素供給ポンプＨ２０及び流量調節弁２００の調整は水素供給ポンプＨ２０及び流量調節弁２００のいずれかを調整するものであっても良い。

このようにして圧力センサＰ６１の出力が目標値Ｐｓを示すように調整される。

次に、必要により、あるいは所定の条件を満たす場合にはパージバルブＨ５１の開閉を調整して水素ガスを入替え、窒素ガスなどの不純物の増加による燃料電池２０のセル電圧の低下を防止する。例えば、パージバルブＨ５１の制御は燃料電池２０の運転時間に対応したタイマの所定時間毎のタイムアウト出力（インクリメント値）を積算し、該積算値が所定数を超えたときにパージ弁Ｈ５１を開く。同時に積算値をゼロクリアして積算を再開する。パージ弁Ｈ５１の弁開時間は燃料電池２０の出力電流対弁開時間を予めマップ化して記憶し、これから読み出して設定するようにすることが可能である。上記インクリメント値は、例えば、予めマップ化された燃料電池２０の温度と出力電流の二次元テーブルから得ることによって温度補償を行うことが出来る。例えば、低温では相対的にパージ弁Ｈ５１の閉時間が減少方向に調整され、排気頻度が多くなるようにする。それにより、低温における燃料電池２０の出力低下の補償が行われる（Ｓ４００）。

次に、制御部５０は燃料電池セルの電極（アノード／カソード）間差圧を所定範囲とすべく、ガス圧調整を行う。まず、空気導入部のエアフローメータＡ１の出力から、予め判っている空気供給通路７１等のロス分を除いて燃料電池２０の空気供給口の空気圧力を演算し、入口圧力ＰＡを推定する（Ｓ４０２）。制御部５０は圧力センサＰ５の出力から燃料電池２０の水素供給口の圧力Ｐ５を読取り、上記空気供給口の圧力ＰＡとの差から電極間差圧ΔＰｅを計算する（Ｓ４０４）。ここで、電極間差圧ΔＰｅは供給空気圧と供給水素ガス圧との大小関係によって正又は負の値をとる。電極間差圧ΔＰｅが予め定められた上限の基準値ＰＱ１以上である場合には（Ｓ４０６；ＹＥＳ）、偏差（過剰分）に対応して流量調整弁Ｈ２００の弁開度及び水素供給ポンプＨ２０の回転数を減少する。それにより、燃料電池２０の入口に供給される水素ガス圧を下げる（Ｓ４０８）。また、電極間差圧ΔＰｅが基準値ＰＱ１よりも小さい場合（Ｓ４０６；ＮＯ）、あるいは供給水素ガス圧の調整後（Ｓ４０８）、再度、水素供給口の圧力Ｐ５と空気供給口の圧力ＰＡとの差から電極間差圧ΔＰｅを計算し、差圧ΔＰｅが予め定められた下限の基準値ＰＱ２以下であるかを判別する（Ｓ４１０）。電極間差圧ΔＰｅが下限値ＰＱ２よりも低い場合には（Ｓ４１０；ＹＥＳ）、制御部５０は偏差に応じて流量調節弁Ｈ２００の弁開度及び水素供給ポンプＨ２０の回転数を増加させる（Ｓ４１２）。

なお、水素ガス側でガス圧を調整するのは空気極（陰極）側の供給空気圧力を下げると燃料電池２０の出力電流対出力電圧特性が悪化する傾向があるためである。流量調節弁Ｈ２００及び水素供給ポンプＨ２０の調整はいずれか一方のみであっても良い。

このようにして、電極間差圧ΔＰｅが大きいと、制御部５０は、供給空気圧に対し供給水素ガス圧が高い場合には供給水素ガス圧を減圧させ、供給空気圧に対し供給水素ガス圧が低い場合には供給水素ガス圧を加圧して、電極間差圧ΔＰｅが小さくなるように（所定範囲内の差圧）調整する。

次に、燃料電池２０の脈動運転について説明する。燃料電池２０で発電を行うことによって水が発生する。この水が凝縮して燃料電池スタック内に溜まると電解質膜へのガス供給が妨げられ、燃料電池セルの発電能力が低下する。そこで、燃料電池内部の凝縮水を外部に排出するために供給水素ガス圧を脈動させる。水素ガスの流速を変化させて凝縮水の外部排出を行う。

図８の脈動運転ルーチン（Ｓ５００）に示すように、燃料電池システムでは図示しない積算ユニット（あるいは積算プログラム）によって単位時間当たりの燃料電池２０の出力電流を積算し、発生電気量を計算している。上記生成水は電気化学反応に伴うものであり、生成水量は発生電気量に比例する。制御部５０は、出力電流の積算値ＩＴを読取る（Ｓ５０２）。この値ＩＴが基準値Ｉ１００以上、あるいは電圧センサＶｓの出力によって燃料電池のセル電圧が基準値Ｖ１以下に低下しているかどうかを判別する（Ｓ５０４）。電流積算値ＩＴが基準値Ｉ１００を越え、あるいはセル電圧が基準値Ｖ１以下に低下しているときは（Ｓ５０４；ＹＥＳ）、生成水が凝縮してセルに溜まっていること（フラッディング）が考えられる。そこで、強いガス流を形成して生成水を燃料電池２０の外部に排水する。

制御部５０は圧力センサＰ６１の検出圧力をモニタしながら、流量調節弁Ｈ２００に開度指令値Ｄ５０の信号を与え、水素供給ポンプＨ２０を所定回転数Ｒ３に設定して、高いガス圧Ｐｈｒ１で水素ガスが供給されるように設定する（Ｓ５０６）。次に、次回動作に備えて電流積算値ＩＴを“０”にリセットする（Ｓ５０８）。この比較的に高圧の水素ガス供給を所定時間継続する（Ｓ５１０）、燃料電池２０のセル電圧が回復して所定の基準電圧Ｖ２を越えると（Ｓ５１２）、制御部５０は圧力センサＰ６１の出力が比較的に低いガス圧力であるＰｈｒ２となるように、流量調節弁Ｈ２００を全閉とし、水素供給ポンプＨ２０を停止する（Ｓ５１４）、更に、発電量を増加させて燃料電池２０及び循環路の水素ガスを消費してガス圧を積極的に低下させる。発生した電気は、例えば、二次電池の充電に使用される（Ｓ５１６）。次に、パージ弁Ｈ５１を所定時間ｔ１の間開放して水素ガス流路７５の圧力を低下させる。この際、エアポンプＡ３の回転数を所定回転数に増やして排気通路７２の排水素濃度の上昇を抑制する（Ｓ５１８）。

制御部５０は圧力センサＰ５の出力によって燃料電池入口の水素ガス圧力が低圧である所定値Ｐｋ３以下となったことを判別すると（Ｓ５２０）、流量調節弁Ｈ２００の弁開度を通常運転値に設定する（Ｓ５２２）。また、エアポンプＡ３の回転数も通常回転数に戻す（Ｓ５２４）。ステップＳ５０６〜Ｓ５２４を繰り返すことによって水素ガス圧に複数の脈動を形成することができる。

このようにして流量調節弁Ｈ２００によって水素ガスを循環する通路７４及び７５に水素ガス圧を高低に変化させる脈動が形成され、高圧や流速の変化によって燃料電池２０内の生成水が外部に排出される。

図９は、間欠運転における流量調節弁Ｈ２００、水素供給ポンプ及び水素循環ポンプの制御例を示している。間欠運転は燃料電池２０の負荷が低負荷状態となったときに燃料電池２０の運転を停止し、負荷や補機類への電力供給を二次電池から行うことによって運転効率（燃費効率）の低下を回避するものである。

制御部５０は、図示しないフラグレジスタに間欠運転を指令する間欠運転フラグが設定されていると、本ルーチンを実行する（Ｓ５５０；ＹＥＳ）。

まず、制御部５０は流量調節弁２００、水素供給弁（遮断弁）Ｈ２０１、燃料電池入口弁Ｈ２１、出口弁Ｈ２２及びパージ弁Ｈ５１を閉じて水素供給路７４及び燃料電池２０を遮断し、水素供給ポンプＨ２０及び水素循環ポンプＨ３０を停止する。それにより、発電運転を停止する（Ｓ５５２）。

制御部５０は圧力センサＰ６１の出力をモニタし、流量調節弁Ｈ２００からの水素ガス漏れによる圧力変化（圧力上昇）を観察する（Ｓ５５４）。圧力変化が観察されるとこの漏れ加減に応じて流量調節弁Ｈ２００への指示値（増加減値）を補正する（Ｓ５５６）。

流量調節弁Ｈ２００の補正後（Ｓ５５６）、あるいは間欠運転の判断後に（Ｓ５５０；ＮＯ）、燃料電池２０の入口圧力Ｐ５が所定値Ｐｋ４以下に低下すると（Ｓ５５８；ＹＥＳ）、制御部５０はクロスリークにより減少した水素ガスを補給するべく、燃料電池２０の入口部の遮断弁Ｈ２１及び出口部のＨ２２を開く（Ｓ５６０）。制御部５０は、圧力センサＰ５及びＰ７の出力により、水素供給ポンプＨ２０の入口側圧力Ｐ７よりも燃料電池入口側圧力Ｐ５が低いことを判別すると（Ｓ５６２；ＹＥＳ）、水素供給弁２０１及びバイパス弁Ｈ２０２を開いてバイパス通路７７を介して素早く水素ガスを燃料電池２０に供給する（Ｓ５６４）。水素供給ポンプＨ２０の入口側圧力Ｐ７よりも燃料電池入口側圧力Ｐ５が高いことを判別すると（Ｓ５６２；ＮＯ）、バイパス弁Ｈ２０２を閉じ、水素供給弁２０１及び流量調節弁Ｈ２００を開いて水素供給ポンプＨ２０を所定回転数Ｒ１で回転させる。それにより、水素ガスを加圧して水素供給源３０側から燃料電池２０側に供給する（Ｓ５６６）。

燃料電池入口側圧力Ｐ５が所定圧力Ｐｋ５を越えると（Ｓ５６８）、水素供給弁２０１、流量調節弁Ｈ２００、燃料電池の入口弁Ｈ２１及び出口弁Ｈ２２を閉じる。水素供給ポンプＨ２０を停止する（Ｓ５７０）。

このようにして、燃料電池２０内に水素ガスが補給され、間欠運転における再起動の迅速が図られる。

次に、図１０を参照して間欠運転の解除について説明する。車両の始動などによって燃料電池の負荷が増大すると、図示しない間欠運転フラグが解除される。制御部５０がこれを判別すると（Ｓ５８０；ＹＥＳ）、供給遮断弁Ｈ２０１、流量調節弁Ｈ２００、燃料電池２０の入口弁Ｈ２１及び出口弁Ｈ２２を開く。また、バイパス弁Ｈ２０２及びパージ弁Ｈ５１を閉じる（Ｓ５８２）。間欠運転解除時はクロスリークによって燃料電池２０内の水素ガスが減圧しているため、流量調節弁Ｈ２００を開いて水素ガスを出来るだけ供給する。制御部５０は、水素循環ポンプＨ３０を最大回転数で動作させる（Ｓ５８４）。水素循環ポンプＨ３０によって循環通路７５及び燃料電池２０が加圧されて通路の水素ガス圧は増大する。制御部５０は、燃料電池２０の入口圧力Ｐ５、水素循環通路の圧力Ｐ１０及びＰ１１が所定値Ｐｋ６を越えると（Ｓ５８６；ＹＥＳ）、流量調節弁Ｈ２００を通常の制御に戻す（Ｓ５８８）。

間欠運転における燃料電池２０の起動も停止も出来るだけ水素圧を高くすることによって窒素濃度の分圧を小さくし、安定した発電を可能とする。このようにして、間欠運転状態から通常運転に戻る。

次に、図１１を参照して燃料電池２０の運転停止における水素供給ポンプＨ２０及び流量調節弁Ｈ２００の制御について説明する。

車両の始動キーのオフ等によって運転の停止が制御部５０に発令されると、制御部５０内部の図示しないフラグレジスタに停止フラグが設定される。制御部５０は所定周期でフラグレジスタを観察することによって、あるいは割り込み処理によって運転停止のフラグが設定されたことを判別する（Ｓ６００；ＹＥＳ）。

制御部５０は、例えば、水素ガスの減圧を２段階で行って運転停止に導く。まず、遮断弁Ｈ２０１及びバイパス弁Ｈ２０２を閉じ、水素供給源３０からの水素ガスの供給を停止する。流量調節弁Ｈ２００を開とし、水素供給ポンプＨ２０を所定回転数Ｒ４にて回転させ、ポンプ入口側の水素ガスを燃料電池２０側に移動する（Ｓ６０２）。燃料電池２０の出力電流を所定電流Ｉｆに設定して発電を行って燃料電池２０及び水素循環通路７５内の水素ガスを消費する（Ｓ６０４）。余剰の電気は図示しない二次電池に蓄えられる。制御部５０はエアコンプレッサＡ３及び水素ポンプＨ５０をそれぞれ所定の回転数で動作させて、パージ弁Ｈ５１を間欠的に動作させて外部に水素ガスを逃がす。水素循環通路７５及び水素供給通路７４の水素ガスはパージ通路７６を経て排気通路７２に排出され、空気オフガスによって希釈される（Ｓ６０６）。

制御部５０は、水素供給ポンプＨ２０の動作によって水素供給弁Ｈ２０１及び調圧弁Ｈ９間の水素供給通路７４の残留水素ガスの圧力が基準値ｐｋ７以下に低下したことを判別すると（Ｓ６０８；ＹＥＳ）、水素供給ポンプＨ２０を停止する。また、水素ガスの逆流を防止するために流量調節弁Ｈ２００を閉じる（Ｓ６１０）。

次に、制御部５０は、ガス漏れを検出すべく、圧力センサＰ６を監視する（Ｓ６１２）。所定時間内の圧力センサＰ６の出力変動量ΔＰ６が基準値Ｐｃｋ１よりも大きいと（Ｓ６１４；ＹＥＳ）、制御部５０は、当該通路部分で水素ガス漏れが生じていると判断する。警告表示、サービスステーションへの通報などの異常処理を行う（Ｓ６１６）。その後、主制御プログラムに戻って待機する（Ｓ６１８）。

一方、制御部５０は、所定時間内の圧力センサＰ６の出力変動量ΔＰ６が基準値Ｐｃｋ１よりも小さいと（Ｓ６１４；ＮＯ）、当該通路部分において水素ガス漏れは生じていないと判断する。更に、制御部５０は、燃料電池２０の入口の圧力センサＰ５の出力を監視する（Ｓ６２０）。当該部分の水素ガス圧力（アノード圧）Ｐ５が基準値Ｐｋ８以下に低下すると（Ｓ６２０；ＹＥＳ）、水素循環ポンプＨ３０を停止する（Ｓ６２２）。パージ弁Ｈ５１を開閉して循環通路７５の水素ガスを外部に排出する（Ｓ６２４）。

制御部５０は、更に、圧力センサＰ５の出力が基準値Ｐｋ５以下に減少すると、燃料電池２０の入口弁Ｈ２１、出口弁Ｈ２２及びパージ弁Ｈ５１を閉じる。水素供給通路７４，燃料電池２０、水素循環通路７５は区域毎に遮断され、外気がアノード側に侵入することを防止する（Ｓ６３０）。その後所定時間ｔ２を経過したときに（Ｓ６２０）、排気中の水素ガス濃度を低下させるために動作させていたエアコンプレッサＡ３を停止し、停止処理を終える（Ｓ６２２）。制御部５０は主制御プログラムに戻って待機状態となる（Ｓ６３４）。

このようにして流量調節弁Ｈ２００を制御することによって運転停止が行われる。

本発明の第２の実施例について図１２を参照して説明する。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。

この実施例では水素循環通路７５からの水素ガスの還流点を水素供給ポンプＨ２０の上流側としている。水素循環ポンプＨ３０によって燃料電池２０に還流される水素オフガスは水素供給ポンプＨ２０によって圧力調整される。それにより、燃料電池２０の入口圧力（アノード圧）Ｐ６１（＝Ｐ５）は水素循環ポンプＨ３０の吐出圧力及びその圧力変動の影響を受け難くなる。また、実施例１と同様に、水素供給ポンプＨ２０と流量調節弁Ｈ２００との組み合わせによってアノードへの供給水素ガス圧Ｐ６１（＝Ｐ５）が調整される。

本実施例においても、前述したような水素供給ポンプＨ２０、流量調節弁Ｈ２００及び水素循環ポンプＨ３０についての多様な制御態様が適用可能である。

本発明の第１の実施例の燃料電池システムを説明するブロック図である。 水素供給ポンプＨ２０の動作態様（加圧、同圧、減圧）を説明する説明図である。 実施例における燃料電池の起動を説明するフローチャートである。 実施例における燃料電池の水素漏れ判定を説明するフローチャートである。 実施例における燃料電池の第２の水素漏れ判定を説明するフローチャートである。 実施例における水素ガス供給量の設定を説明するフローチャートである。 実施例における電極（アノード/カソード）間差圧の調整を説明するフローチャートである。 実施例における脈動運転を説明するフローチャートである。 実施例における間欠運転を説明するフローチャートである。 実施例における間欠運転の停止を説明するフローチャートである。 実施例における燃料電池システムの停止を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施例の燃料電池システムを説明するブロック図である。

符号の説明

２０ 燃料電池、３０ 水素供給源、５０ 制御部、Ａ１ エアフィルタ・エアフローメータ、Ａ３ エアコンプレッサ、Ａ４ 調圧弁、Ａ２１ 加湿器、Ｈ９ 調圧（減圧）弁、Ｈ２０ 水素供給ポンプ、Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２０１ 遮断弁、Ｈ３０ 水素循環ポンプ、Ｈ４２ 気水分離器、Ｈ２００ 流量調節弁、Ｈ２０２ バイパス遮断弁、Ｐ１，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ６１ 圧力センサ

Claims (8)

1. 燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
   燃料ガス供給源から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給通路と、
   前記供給通路上に設けられる第１の電動ポンプと、
   供給すべき前記燃料ガスの要求量に応じて前記第１の電動ポンプの燃料ガスの供給圧力を制御する制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
   燃料ガス供給源から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給通路と、
   前記供給通路上に設けられる第１の電動ポンプと、
   前記第１の電動ポンプを迂回する迂回通路と、
   前記迂回通路に設けられた制御弁と、
   供給すべき前記燃料ガスの要求量に応じて前記第１の電動ポンプ及び前記制御弁の動作を制御して前記燃料ガスの供給圧力を調整する制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
3. 燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によって電気を発生する燃料電池を含む燃料電池システムであって、
   燃料ガス供給源から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給通路と、
   前記供給通路上に設けられる第１の電動ポンプと、
   前記燃料電池から排出される燃料ガスを前記供給通路に還流する還流通路と、
   前記還流通路に設けられた第２の電動ポンプと、
   供給すべき前記燃料ガスの要求量に応じて前記第１及び第２の電動ポンプを制御する制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
4. 更に、
   前記第１の電動ポンプを迂回する迂回通路と、
   前記迂回通路に設けられた制御弁と、を含み、
   前記制御手段は、供給すべき前記燃料ガスの要求量に応じて前記制御弁の動作を制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記還流通路の前記供給通路への合流位置が前記第１の電動ポンプの上流側又は下流側である、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記第１の電動ポンプを制御して前記燃料電池への供給燃料ガスの圧力調整を行い、前記第２の電動ポンプを制御して前記供給燃料ガスの流量調整を行う、請求項３乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 更に、
   前記第１の電動ポンプ下流の前記供給通路上に設けられた開度調整可能な開度調整弁を含み、
   前記制御手段は、前記燃料ガス要求量に応じて前記第１の電動ポンプ及び前記開度調整弁の開閉状態を制御して前記燃料電池への供給燃料ガスの圧力調整を行う、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 更に、
   前記第１の電動ポンプ上流の前記供給通路上に設けられて前記燃料ガスを減圧する減圧弁、を備える請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
   
   
   

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