JP2007280801A - 燃料電池システムとオフガスパージ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能であり、しかも燃料電池から排出されたオフガスをパージする際の目標圧力値を最適化することが可能な燃料電池システムとオフガスパージ方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０への燃料供給流路３１と、燃料供給流路３１に設けられたインジェクタ３５と、燃料電池１０から排出されたオフガスを燃料供給流路３１に戻すための循環流路３２と、循環流路３２に設けられたポンプ３９と、循環流路３２に接続され燃料電池１０からのオフガスを大気中にパージするためのパージ流路３８と、パージ流路３８に設けられたパージ弁３７と、インジェクタ３５、ポンプ３９およびパージ弁３７を駆動制御する制御手段４とを備え、制御手段４は、オフガスのパージ時にインジェクタ３５の目標圧力値を大気圧測定手段４４の検出結果に基づいて制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の燃料供給系にガス量可変供給装置が設けられた燃料電池システムとオフガスパージ方法に関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。

そして、一般的には、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合に、この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が燃料供給流路に設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３４２３８６号公報

しかし、前記特許文献１に記載されているような調圧弁では、その構造上、燃料ガスの供給圧が固定されるため、運転状況に応じて燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である（すなわち応答性が低い）上に、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であった。

また、燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料ガスのオフガスを再度燃料電池に供給して再利用し、オフガス内の燃料ガスの濃度が薄くなる（不純物濃度が濃くなる）とオフガスを大気中にパージするようになっており、このようなパージ時にはオフガスの逆流を防止できるような目標圧力値に制御する必要がある。しかしながら、調圧弁では高精度な調圧が困難であり、目標圧力値に冗長性をもたせざるを得なかった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能であり、しかも燃料電池から排出されたオフガスを放出（パージ）する際の目標圧力値を最適化することが可能な燃料電池システムとオフガスパージ方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池からのオフガスを排出する排出流路と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、大気圧測定手段を備えるとともに、前記制御手段は、前記オフガスの放出時に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を前記大気圧測定手段の検出結果に基づいて制御するものである。

この場合において、前記排出流路は、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記オフガスを大気中にパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、を備え、前記制御手段は、前記パージ弁の開弁前に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を上げるようにしてもよい。

かかる構成によれば、燃料電池の運転状態（燃料電池の発電量（電力、電流、電圧）、燃料電池の温度、燃料電池システムの異常状態、燃料電池本体の異常状態等）に応じてガス量可変供給装置の作動状態（弁体の開度（ガスの通過面積）、弁体の開放時間（ガスの噴射時間）等）を設定することができる。従って、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。

ガス量可変供給装置としては、例えば、燃料供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタや、可変レギュレータの採用が可能である。なお、「ガス状態」とは、ガスの状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含む。

しかも、パージ弁の開弁に関連してガス量可変供給装置の目標圧力値を大気圧測定手段の検出結果に基づいて制御するため、大気中への排出口の気圧変動想定分を上乗せした目標圧力値に設定しなくてもパージ弁前後の差圧が安定し、よって、より低い目標圧力値にできて、冗長性を減らすことができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記パージ弁の開弁前に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を上げるものでもよい。

かかる構成を採用すると、パージ弁前後の逆流やパージ量不足の招来を抑制しつつ、目標圧力値の冗長性を減らすことができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記燃料電池からのオフガスをパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記パージ弁の開弁前に前記パージ弁よりも上流側の圧力を第１の目標圧力値まで上昇させるものである。この燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記パージ弁の開弁前に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を上げるものでもよい。

以上の構成によれば、燃料電池の運転状態（発電時の電流値や電圧値によって把握される運転状態、起動時の運転状態、間欠運転状態等）に応じてガス量可変供給装置の作動状態（ガス量可変供給装置の噴射流量や噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、パージ動作中のパージ弁前後の逆流やパージ量不足の招来を抑制することができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池への要求出力が所定の閾値よりも大となった場合に、前記パージ弁の開弁前に前記パージ弁よりも上流側の圧力を、前記第１の目標圧力値よりも小さい第２の目標圧力値まで上昇させるものでもよい。

かかる構成を採用すると、燃料電池への出力要求が大となり、燃料ガスの消費量が大となったときには、パージ弁よりも上流側の圧力を、第１の目標圧力値よりも小さい第２の目標圧力値まで上昇させるため、目標圧力値に達せずに開弁できない事象を緩和できる。

前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記パージ弁よりも上流側の圧力の上昇中には、前記ポンプの回転数フィードバック制御を中止するものでもよい。

かかる構成を採用すると、ポンプでの無駄な電力消費を抑えることができ、燃料消費率の向上を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムのオフガスパージ方法は燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池からのオフガスを排出する排出流路と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムのオフガスパージ方法であって、前記オフガスの放出時に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を大気圧の検出結果に基づいて制御する工程を備えるものである。

この場合において、前記排出流路は、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記オフガスを大気中にパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、を備え、前記オフガスのパージ時に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を大気圧の検出結果に基づいて制御する工程を備えていてもよい。

また、本発明に係る他の燃料電池システムのオフガスパージ方法は、燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記燃料電池からのオフガスをパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムのオフガスパージ方法であって、前記パージ弁の開弁前に前記パージ弁よりも上流側の圧力を所定の目標圧力値まで上昇させる工程を備えるものである。

以上の構成を採用すると、オフガスパージ中のパージ弁前後の差圧を安定させることが可能となり、目標圧力値の冗長性を減らすことができる。

本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能になることはもとより、燃料電池から排出されたオフガスを放出（パージ）する際の目標圧力値の冗長性を減らして燃料電池システムの効率向上を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置（制御手段）４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するエアコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、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、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ（ガス量可変供給装置）３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ（圧力検出手段）４３が設けられている。

レギュレータ３４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る。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、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公知の構成を採用することができる。

本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。

また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ３５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３５は、水素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。

本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁（可変レギュレータ）と解釈することもできる。

以上のとおり、本実施形態のインジェクタ３５は、水素供給流路３１における最も下流側の減圧装置であって、流量調整弁及び可変調圧弁として機能するものであり、これらの機能によりストイキ比や背圧を制御する。

なお、第１実施形態においては、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁（パージ弁）３７を介して、排出流路（パージ流路）３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。

また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ（ポンプ）３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。排気排水弁３７と希釈器４０との間の排出流路３８には、排出流路３８内の圧力を検出する排出流路圧力センサ（大気圧測定手段）４４が設けられている。

排出流路３８は排気排水弁３７の開弁時には圧力が大気圧に対し変動するが、排気排水弁３７の閉弁後所定時間が経過すると大気圧となり、よって、排出流路圧力センサ４４は大気圧を検出することができる。なお、上記した二次側圧力センサ４３は、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する、つまり排気排水弁３７よりも上流側の圧力を検出するものとなる。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。第１実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスのインジェクタ３５下流側における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。第１実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定の目標圧力マップを用いて、制御装置４の演算周期毎に目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流側の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。第１実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。第１実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。第１実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。第１実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。制御装置４により駆動周期は例えば一定の値に設定される。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（出力要求）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。第１実施形態においては、このような通常運転時において燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。

ここで、燃料電池システム１では、燃料電池１０から排出された水素オフガスに残存する水素ガスを有効利用するために、水素オフガスを水素ポンプ３９によって水素供給流路３１へ戻すようになっているが、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すことによるセル電圧の低下を防止するため、適宜のタイミングで制御装置４が排気排水弁３７を開いて水素オフガスを外部（大気中）に排出するパージ処理を行う。

制御装置４は、予め設定された所定時間経過毎にこのパージ処理を実行することになるが、第１実施形態では、図３に示すように、このパージ処理の開始タイミングになると（ステップＳＡ１）、まず、目標圧力マップをそれまでの通常運転時用の目標圧力マップからパージ用の目標圧力マップに変更する（ステップＳＡ２）。ここで、このパージ処理の開始タイミングは実際に排気排水弁３７を開弁させる予定のタイミングよりも予め設定された所定時間前とされている。

パージ用の目標圧力マップに変更後、制御装置４は、排出流路圧力センサ４４で大気圧を検出し、検出した大気圧からパージ用の目標圧力マップに基づいて目標圧力値を読み出して、この検出した大気圧に応じた目標圧力値と同じ圧力値が二次側圧力センサ４３で検出されるようにインジェクタ３５を制御する。このパージ用の目標圧力マップは、大気圧に対して、逆流を生じることなくオフガスを排出させることができる必要最小限の目標圧力が設定されている。

そして、二次側圧力センサ４３で目標圧力値と同じ圧力値が検出されると（ステップＳＡ３）、制御装置４は、閉弁状態にあった排気排水弁３７を予め設定された所定時間開弁させた後に閉弁させる（ステップＳＡ４）。そして、制御装置４は、目標圧力マップをパージ用の目標圧力マップから通常運転時用の目標圧力マップに変更する（ステップＳＡ５）。

以上に述べた第１実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値や電圧値によって把握される運転状態、起動時の運転状態、間欠運転状態等）に応じてインジェクタ３５の作動状態（インジェクタ３５の噴射流量や噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。

しかも、排気排水弁３７の開弁に関連してインジェクタ３５の目標圧力値を大気圧の検出結果に基づいて制御するため、大気中への排出口の気圧変動想定分を上乗せした目標調圧値に設定しなくても排気排水弁３７前後の差圧が安定し、よって、より低い目標圧力値にできて、冗長性を減らすことができる。その結果、クロスリークを低減できて効率を向上できると共に、排気排水弁３７を小型化できて軽量化が図れるとともに耐凍結作動性を向上できる。

つまり、従来は、図４にＸ１で示す低いときの大気圧から図４にＸ２で示す高いときの大気圧までの間で大気圧が変動するため、この大気圧の変動分Ｙ１を上乗せし、さらに、二次側圧力センサ４３等の誤差分Ｙ２を上乗せした圧力線Ｘ３に対し、パージ必要差圧Ｙ３を加算した圧力線Ｘ４に基づいて目標圧力値を設定する必要があった。

これに対し、第１実施形態の燃料電池システム１によれば、大気圧を検出して目標圧力値を設定するため、大気圧の変動分の上乗せをする必要が無く、検出された大気圧に対し二次側圧力センサ４３等の誤差分を上乗せしてそれにパージ必要差圧を加算した目標圧力値を設定すれば良いため、図４に破線Ｘ５で示すように、実際の大気圧に対する差圧が最小限の圧力線に基づいて目標圧力値にできる。このような精度の高い制御もインジェクタ３５を用いることで可能となる。

なお、制御装置４が、排気排水弁３７の開弁前にインジェクタ３５の目標調圧値を上記したパージ用の目標圧力マップによる目標圧力値に対し所定値上げるようにしても良く、このように制御することで、排気排水弁３７の開弁前に応答性良く排気排水弁３７の上流側の圧力を上げることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態に対する相違部分を中心に説明する。

第２実施形態は、第１実施形態に対しパージ処理時の制御装置４の制御内容が相違している。つまり、第２実施形態において、制御装置４は、図５に示すように、通常運転時には、通常運転時用の目標圧力マップに基づいて目標圧力値Ｌ１に設定することになり（ステップＳＢ１）、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力がこの目標圧力値Ｌ１になるようにインジェクタ３５の制御を行う。

そして、排気排水弁３７の開弁直前の所定のタイミングになると（ステップＳＢ２）、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力を、目標圧力値Ｌ１よりも高い第１の目標圧力値Ｌ２に設定する（ステップＳＢ３）。つまり、インジェクタ３５の目標圧力値を目標圧力値Ｌ２とし、この目標圧力値Ｌ２が二次側圧力センサ４３で検出されるようにインジェクタ３５を制御する。そして、制御装置４は、排気排水弁３７を予め設定された所定時間開弁させた後に閉弁させる（ステップＳＢ４）。

以上に述べた第２実施形態の燃料電池システム１によれば、排気排水弁３７の開弁直前に排気排水弁３７よりも上流側の圧力を第１の目標圧力値Ｌ２まで応答性良く上昇させることができる。

ここで、上記した第２実施形態において、図６に示すように、ステップＳＢ３とステップＳＢ４との間に、ステップＳＢ３で、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力の目標圧力値を、第１の目標圧力値Ｌ２に設定した後、二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１がこの第１の目標圧力値Ｌ２になったこと（ステップＳＢ３−１）および予め設定された所定時間経過時点毎の排気排水弁３７の開弁タイミングを過ぎていること（ステップＳＢ３−２）を条件として、ステップＳＢ４にて、排気排水弁３７を開弁させるようにしても良い（以上、変形例１）。

この変形例１のように、パージ処理時に、排気排水弁３７よりも上流側の圧力値Ｐ１が第１の目標圧力値Ｌ２になるのを待ち、且つ排気排水弁３７の開弁タイミングの経過後に排気排水弁３７を開弁するようにすれば、燃料電池１０において生じるクロスリークや燃料電池システム１外へのアウトリークの増大に対する補正が可能となり、逆流等の誤開弁を防止できることになる。

また、上記した第２実施形態において、図７に示すように、ステップＳＢ３とステップＳＢ４との間に、ステップＳＢ３で、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力値Ｐ１の目標圧力値を第１の目標圧力値Ｌ２に設定した後、二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１がこの第１の目標圧力値Ｌ２になったこと（ステップＳＢ３−１）および予め設定された所定時間経過時点毎に設定される排気排水弁３７の開弁タイミングを経過していること（ステップＳＢ３−２）を条件として、ステップＳＢ４にて、排気排水弁３７を開弁させる場合に、ステップＳＢ３−１で、二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１が第１の目標圧力値Ｌ２にならない場合に、待ち時間Ｗ１を判断ごとにΔＴずつ加算して所定の上限時間まで待ち（ステップＳＢ３−１−１，ＳＢ３−１−２）、待ち時間が所定の上限時間になると、二次側圧力センサ４３で第１の目標圧力値Ｌ２よりも予め設定された所定値高い仮の目標値が検出されるようにインジェクタ３５を制御するようにしてもよい（ステップＳＢ３−１−３）。

つまり、所定の待ち時間待っても二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１が第１の目標圧力値Ｌ２にならない場合には、インジェクタ３５を第１の目標圧力値Ｌ２よりも高い仮の目標値が得られるように制御することで、二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１が第１の目標圧力値Ｌ２になるように強制的に制御を行う。

ただし、この場合も、二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１が第１の目標圧力値Ｌ２になった後（ステップＳＢ３−１）、予め設定された所定時間経過時点毎の排気排水弁３７の開弁タイミングを過ぎていること（ステップＳＢ３−２）を条件として、ステップＳＢ４にて、排気排水弁３７を開弁させる（以上、変形例２）。

この変形例２のように制御すれば、燃料電池１０において生じるクロスリークや燃料電池システム１外へのアウトリークの増大によって起こり得る、二次側圧力センサ４３で検出される圧力値Ｐ１が第１の目標圧力値Ｌ２にならない状況に対する補正が可能となり、可能な限り開弁タイミングを守ることができる。

さらに、上記した第２実施形態の各変形例１，２において、図８に示すように、ステップＳＢ２とステップＳＢ３との間に、ステップＳＢ２で、排気排水弁３７の開弁直前の所定のタイミングになると、燃料電池１０への出力要求が予め設定された所定の閾値以下であるか所定の閾値より大であるかを判定し（ステップＳＢ２−１）、燃料電池１０への出力要求が予め設定された所定の閾値以下の場合には、ステップＳＢ３に進み、燃料電池１０への出力要求が予め設定された所定の閾値より大となった場合には、加速要求等があって水素を消費するため、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力値Ｐ１を、通常制御時の目標圧力値Ｌ１よりも高く第１の目標圧力値Ｌ２よりも低い第２の目標圧力値Ｌ３に設定するようにしてもよい（ステップＳＢ２−２）。

つまり、燃料電池１０への出力要求が予め設定された所定の閾値以下の場合は、変形例１，２と同様に制御し、燃料電池１０への出力要求が予め設定された所定の閾値より大となった場合には、インジェクタ３５の目標圧力値を目標圧力値Ｌ３とし、この目標圧力値Ｌ３が二次側圧力センサ４３で検出されるようにインジェクタ３５を制御して、二次側圧力センサ４３の圧力値Ｐ１がこの目標圧力値Ｌ３になると（ステップＳＢ３−１’）、予め設定された所定時間経過時点毎の排気排水弁３７の開弁タイミングを過ぎていること（ステップＳＢ３−２）を条件として、ステップＳＢ４にて、排気排水弁３７を開弁させる。

なお、図８では、ステップＳＢ３−１’の判断がＮＯである場合、変形例１と同様に、ステップＳＢ３−１’を繰り返すようにしたが、ステップＳＢ３−１’の判断がＮＯである場合、変形例２のステップＳＢ３−１−１，ＳＢ３−１−２あるいはステップＳＢ３−１−１，ＳＢ３−１−３を実行してステップＳＢ３−１’に戻るようにしても良い（以上、変形例３）。

加速時等の出力要求が高い場合は、水素消費量が増えるため、圧力増加速度が遅くなるが、この変形例３のように制御すれば、低い目標圧力値Ｌ３で開弁させるため、いつまでも排気排水弁３７を開弁できない事象を緩和できる。

ここで、上記した第１実施形態および第２実施形態のいずれにおいても、制御装置４は、上記したパージ処理の最中に、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力の上昇中には、水素ポンプ３９の回転数フィードバック制御を中止するようにしてもよい。あるいは、二次側圧力センサ４３で検出される排気排水弁３７よりも上流側の圧力の上昇中には、水素ポンプ３９への電力投入を中止するようにしてもよい。

このように制御すれば、水素ポンプ３９での無駄な電力消費を抑えることができ、燃料消費率の向上を図ることができる。

つまり、上記したパージ処理で排気排水弁３７よりも上流側の圧力が上昇すると、圧力変化が生じ、排気排水弁３７を開弁すると、流量および水素ポンプ３９の吸入圧力が減り、さらに排気排水弁３７を閉弁すると、流量および水素ポンプ３９の吸入圧力が増えることになり、加えて、パージ処理終了後に通常処理に戻ると、圧力変化が生じることになる。

このような状況では、水素ポンプ３９の負荷が大きく変動するため、水素ポンプ３９の回転数フィードバック制御では電力をより多く消費してしまうことになるが、パージ処理を行えばストイキ比が増加するので、燃料電池１０は安定運転が可能であることから、水素ポンプ３９の回転数フィードバック制御を中止し、あるいは水素ポンプ３９への電力投入を中止することにより、電力消費を抑えることができる。

また、上記した第１実施形態および第２実施形態のいずれにおいても、制御装置４は、通常運転時用の目標圧力マップとして、高圧側の目標圧力マップから低圧側の目標圧力マップまで、複数段階のマップを設けておき、上記したパージ処理の終了直後は、最も低圧側の目標圧力マップを使用して制御を行い、時間とともに、段階的に高圧側の目標圧力マップに持ち替えて制御を行っても良い（以上、変形例４）。

つまり、パージ処理の直後は、水素濃度が高いので、図９にＺ１で示すように圧力が低くても安定的に運転できる一方、運転時間の経過とともに水素濃度が低くなるため、図９にＺ２，Ｚ３，Ｚ４で示すように、段階的に高圧側の目標圧力マップに持ち替えて圧力を上げることで、常に安定的に運転できるようになる。このように制御すれば、圧力を必要最小限にできるためクロスリークを抑えることができ、発電効率を向上させることができる。

さらに、上記した第１実施形態および第２実施形態のいずれにおいても、排気排水弁３７で先に水を排出させてから水素オフガスを排出させるのが好ましいため、制御装置４は、排出のための圧力を低い圧力から段階的に高くするように制御するようにしても良い。

なお、以上の第１実施形態および第２実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

また、本発明における大気は、大気圧の影響を受ける所定の空間であってもよい。例えば、排気流路２３上に設けられた希釈器４０や水素処理器等の水素濃度低減手段を含むと解釈してもよい。

本発明の各実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのパージ処理を説明するためのフローチャートである。 燃料電池システムのパージ処理の圧力値を説明するための特性線図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのパージ処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのパージ処理の変形例１を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのパージ処理の変形例２を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのパージ処理の変形例３を説明するためのフローチャートである。 本発明の各実施形態に係る燃料電池システムのパージ処理後の制御を説明するための特性線図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３２…循環流路、３５…インジェクタ（ガス量可変供給装置
）、３７…排気排水弁（パージ弁）、３８…排出流路（パージ流路）、３９…水素ポンプ（ポンプ）、４４…排出流路圧力センサ（大気圧測定手段）。

Claims (9)

1. 燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池からのオフガスを排出する排出流路と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   大気圧測定手段を備えるとともに、
   前記制御手段は、前記オフガスの放出時に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を前記大気圧測定手段の検出結果に基づいて制御する燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排出流路は、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記オフガスを大気中にパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、を備え、
   前記制御手段は、前記パージ弁の開弁前に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を上げる燃料電池システム。
3. 燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記燃料電池からのオフガスをパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記パージ弁の開弁前に前記パージ弁よりも上流側の圧力を第１の目標圧力値まで上昇させる燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記パージ弁の開弁前に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を上げる燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記燃料電池への要求出力が所定の閾値よりも大となった場合に、前記パージ弁の開弁前に前記パージ弁よりも上流側の圧力を、前記第１の目標圧力値よりも小さい第２の目標圧力値まで上昇させる燃料電池システム。
6. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記循環流路にポンプを備え、
   前記制御手段は、前記パージ弁よりも上流側の圧力の上昇中には、前記ポンプの回転数フィードバック制御を中止する燃料電池システム。
7. 燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池からのオフガスを排出する排出流路と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムのオフガスパージ方法であって、
   前記オフガスの放出時に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を大気圧の検出結果に基づいて制御する工程を備える燃料電池システムのオフガスパージ方法。
8. 前記排出流路は、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記オフガスを大気中にパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、を備え、
   前記オフガスのパージ時に前記ガス量可変供給装置の目標圧力値を大気圧の検出結果に基づいて制御する工程を備える請求項７に記載の燃料電池のオフガスパージ方法。
9. 燃料電池と、該燃料電池への燃料供給流路と、該燃料供給流路に設けられたガス量可変供給装置と、前記燃料電池から排出されたオフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、前記循環流路に接続され前記燃料電池からのオフガスをパージするためのパージ流路と、該パージ流路に設けられたパージ弁と、前記ガス量可変供給装置を駆動制御する制御手段と、を備えた燃料電池システムのオフガスパージ方法であって、
   前記パージ弁の開弁前に前記パージ弁よりも上流側の圧力を所定の目標圧力値まで上昇させる工程を備える燃料電池システムのオフガスパージ方法。

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