JP2008112702A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】可変ガス供給装置の開弁異常時における供給流路の圧力上昇を抑えることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池と、燃料ガス供給源から燃料電池へ燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、この可変ガス供給装置を駆動制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、可変ガス供給装置の開弁異常を検出すると（ｔ２５）、燃料供給源の主止弁を閉弁するとともに燃料電池から排出されるオフガス流路に設けられた排出弁を開弁する（ｔ２６）。
【選択図】図４

Description

本発明は、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供給流路に、上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置を備えた燃料電池システムに関する。

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。

ところで、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は、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るのが一般的であるが、調圧弁では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。

このため、燃料ガスの供給圧力を多段階に変化させるインジェクタ（可変ガス供給装置）を燃料供給流路に設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３０２５６３号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されているようにインジェクタを燃料供給流路に設けた燃料電池システムにおいて、インジェクタに例えば異物が噛み込む等した場合に、開弁状態にあるインジェクタを閉弁制御しても開弁状態のまま閉弁できない開弁異常を生じ、かかる場合には、たとえシステムを停止（ガス供給を停止）させたとしても、既に燃料供給源から燃料供給流路に供給されている燃料ガスによって、燃料電池側の流路内が高圧となってしまう可能性があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置の開弁異常時における供給流路の圧力上昇を抑えることが可能な燃料電池システム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、燃料供給源から主止弁を介して供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記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可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置を駆動制御する制御装置と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを排出弁を介して外部に放出可能なオフガス流路と、を備える燃料電池システムであって、前記制御装置は、運転中に前記可変ガス供給装置が開弁状態から閉弁状態に戻らない開弁異常が検出されると、前記燃料供給源の主止弁を閉弁するとともに前記オフガス流路に設けられた排出弁を開弁するものである。

かかる構成によれば、可変ガス供給装置に例えば異物が噛み込む等して開弁状態のまま閉弁できない開弁異常を生じた場合に、可変ガス供給装置が燃料供給源の主止弁を閉弁するとともにオフガス流路に設けられ出願用明細書原稿のた排出弁を開弁するので、可変ガス供給装置の開弁異常時における可変ガス供給装置の下流側の流路内の圧力を低下させることができる。

また、前記制御装置は、前記可変ガス供給装置の下流側の圧力が所定の閾値よりも低下した後に前記燃料電池の運転を停止させるものでも良い。ここで、燃料電池の運転の停止とは、例えば、当該燃料電池への反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を停止させることをいう。

かかる構成によれば、可変ガス供給装置の下流側の流路内の圧力が十分に低下して所定の閾値となった後に燃料電池の運転を停止させるので、運転停止時における可変ガス供給装置の下流側の流路内の高圧状態を抑制することができる。

さらに、前記供給流路の前記可変ガス供給装置よりも下流側に、所定の作動圧に達した際に開放されるリリーフ弁を備え、前記閾値は、前記リリーフ弁の作動圧よりも低く設定されていても良い。

かかる構成によれば、可変ガス供給装置の下流側の流路内の圧力を、リリーフ弁の作動圧よりも十分に低下させてから燃料電池の運転を停止させるので、リリーフ弁を作動させることなく燃料電池の運転を停止させることができる。

本発明によれば、可変ガス供給装置の開弁異常時における供給流路の圧力上昇を抑えることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本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。

まず、図１を用いて、本発明の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。

本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）の供給を受けて電気化学反応により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電気化学反応により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２１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（オフガス流路）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。

さらに、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４３及び水素供給流路３１内が所定の作動圧に達した際に開放されるリリーフ弁４４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。

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、多段階又は無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。

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と解釈することもできる。

以上のとおり、インジェクタ３５は、水素供給流路３１の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、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Ａ２）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（排出弁）３７を介して、排出流路（オフガス流路）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。

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）。本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、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本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マップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における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の下流位置（圧力調整位置）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。本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。本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）。本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。本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。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。

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。

続いて、図３のタイムチャートを用いて、燃料電池システム１の開弁異常解除制御について説明する。

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（要求電力）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。

具体的にはまず、図３のタイムチャートにおいて、（ａ）は、インジェクタ３５の正常および異常の状態を、（ｂ）は二次側圧力センサ４３で検出されるインジェクタ３５の出口圧を、（ｃ）は制御装置４のインジェクタ３５への出口圧の指令値を、（ｄ）は制御装置４による開弁異常解除制御ではない通常制御によるインジェクタ３５の駆動許可状況を、（ｅ）は制御装置４によるインジェクタ３５の駆動指令を、（ｆ）は制御装置４による排気排水弁３７への開閉指令を、（ｇ）は制御装置４によるコンプレッサ２４の駆動で制御される希釈器４０における最低酸化オフガス量（希釈器最低エア量）を、（ｈ）は制御装置４において記憶する開弁異常解除制御のリトライカウンタを、（ｉ）は制御装置４において記憶するインジェクタ３５の出口圧の上昇異常つまり開弁異常が生じたことを示すインジェクタ出口圧上昇異常フラグをそれぞれ示している。

インジェクタ３５に開弁異常が生じて（ｔ４時点）、開弁異常解除制御が開始される（ｔ６時点）までは、制御装置４は通常制御を行うことになる。つまり、ｔ６時点までは、図３（ｃ）に示す制御装置４のインジェクタ３５への出口圧の指令値を、図３（ｃ）においては便宜上一定としているが、実際には上記した目標圧力値算出機能Ｂ２により算出することになる。

また、ｔ６時点までは、図３（ｄ）に示す通常制御によるインジェクタ３５の駆動許可はＯＮされていて、通常制御によるインジェクタ３５の駆動制御ができる状態にある。このため、制御装置４が図３（ｅ）に示す通常制御によりインジェクタ３５へ開弁指令をＯＮし（ｔ１時点）、上記した総噴射時間算出機能Ｂ８で算出した総噴射時間経過後に開弁指令をＯＦＦする（ｔ２時点）と、これに応じて図３（ｂ）に示す二次側圧力センサ４３で検出されるインジェクタ３５の出口圧が上昇後下降する。

さらに、ｔ６時点までは、図３（ｇ）に示す制御装置４によるコンプレッサ２４の駆動で制御される希釈器４０における最低酸化オフガス量は、図３（ｇ）においては便宜上一定としているが、燃料電池１０の燃料極に供給される水素ガス量に応じてマップによりコンプレッサ２４の駆動が制御され、これに伴った量に制御される。

さらにまた、排気排水弁３７は、適宜のパージタイミングで開弁されるものであるが、図３（ｆ）においては便宜上、開弁異常解除制御が開始されるｔ６時点の所定時間前は閉弁状態が維持されていたものとしている。

そして、制御装置４が図３（ｅ）に示すように通常制御によりインジェクタ３５を開弁制御、言い換えれば、インジェクタ３５への開弁指令をＯＮし（ｔ３時点）、さらに言い換えれば、ソレノイドへの通電により得られる電磁駆動力によって弁体が弁座から離隔した開弁状態を保持できる開弁保持電流を当該ソレノイドに通電する指令を発し、上記した総噴射時間算出機能Ｂ８で算出した総噴射時間経過後、インジェクタ３５を閉弁制御、言い換えれば、インジェクタ３５への開弁指令をＯＦＦした（ｔ４時点）ときに、さらに言い換えれば、ソレノイドへの通電を遮断する指令あるいは電磁駆動力によっては弁体が弁座から離隔した状態を保持することができない電流をソレノイドに通電する指令を発したときに、インジェクタ３５に異物が噛み込んで、開弁状態にあるインジェクタ３５を閉弁制御しても開弁状態のまま閉弁できない開弁異常を生じてしまうと、閉弁制御したにも関わらず、図３（ｂ）に示す二次側圧力センサ４３で検出されるインジェクタ３５の出口圧が上昇を続ける。

制御装置４は、このとき、インジェクタ３５の出口圧を監視しており、インジェクタ３５に開弁異常が生じて、二次側圧力センサ４３により検出される出口圧が、正常時には生じ得ない所定のガス抜き開始閾値Ｘ１を超えると（ｔ５時点）、所定のガス抜き開始待機時間Ｔ１が経過するのを待って（ｔ６時点）、以下のような開弁異常解除制御を行う。

つまり、二次側圧力センサ４３の検出圧が所定のガス抜き開始閾値Ｘ１を超えた時点（ｔ５時点）から所定のガス抜き開始待機時間Ｔ１が経過すると（ｔ６時点）、制御装置４は、図３（ｃ）に示すインジェクタ３５への出口圧の指令値を目標圧力値算出機能Ｂ２による算出ではなく、目標圧力値算出機能Ｂ２により算出される値よりも高い所定の一定値に上げる。

制御装置４は、これと同時に（ｔ６時点）、図３（ｄ）に示す通常制御によるインジェクタ３５の駆動許可をＯＦＦして、通常制御によるインジェクタ３５の駆動制御を規制する状態とし、また同時に（ｔ６時点）、二次側圧力センサ４３により検出される出口圧を下げるために図３（ｆ）に示すように排気排水弁３７を開状態とする。

さらに同時に（ｔ６時点）、排気排水弁３７から排出される水素ガス濃度を所定値以下に下げるために、制御装置４はコンプレッサ２４の駆動を制御して希釈器４０における最低酸化オフガス量を、水素ガス濃度を所定値以下に下降可能な量を確保するように図３（ｇ）に示すように高くする。

上記のようにして、排気排水弁３７を開状態としたｔ６時点から、図３（ｂ）に示す二次側圧力センサ４３により検出されるインジェクタ３５の出口圧は下がることになり、その値が、インジェクタ３５の出口圧の通常運転時における正常範囲内に収まる所定のリトライ開始閾値Ｘ２まで下がると（ｔ７時点）、制御装置４は、所定のリトライ開始待機時間Ｔ２が経過するのを待って（ｔ８時点）、インジェクタ３５に対して、図３（ｅ）に示す開弁異常解除のための１回目のインジェクタ３５への開閉駆動制御を所定の複数回、具体的には３回だけ繰り返す。

つまり、インジェクタ３５を開弁制御するべく開弁指令をＯＮし（ｔ８時点）、続いて、インジェクタ３５を閉弁制御するべく開弁指令をＯＦＦした後（ｔ９時点）、再びインジェクタ３５への開弁指令をＯＮし（ｔ１０時点）、続いてインジェクタ３５への開弁指令をＯＦＦして（ｔ１１時点）、再びインジェクタ３５への開弁指令をＯＮした後（ｔ１２時点）、インジェクタ３５への開弁指令をＯＦＦする（ｔ１３時点）。

ここで、この開弁異常解除のための開閉駆動制御においては、インジェクタ３５を最小の駆動周期でＯＮ・ＯＦＦ制御する。なお、図３においては、開弁異常解除のための１回目の開閉駆動制御における３回目のインジェクタ３５の開弁制御後の閉弁制御で開弁異常が解除される場合を示しているが、１回目のインジェクタ３５への開弁指令をＯＮし（ｔ８時点）、二次側圧力センサ４３で検出されるインジェクタ３５の出口圧が上昇した後に、開弁指令をＯＦＦする（ｔ９時点）と、開弁異常が解除されていないにもかかわらず、その後インジェクタ３５の出口圧が下降するのは、排気排水弁３７が開弁しているためである。２回目および３回目のインジェクタ３５への開弁指令のＯＮおよびＯＦＦでも同様にインジェクタ３５の出口圧が上昇後下降する。

そして、開弁異常解除のための１回目の開閉駆動制御終了時点（ｔ１４時点）から以降、制御装置４は、一旦、通常制御に戻る。つまり、図３（ｃ）に示す制御装置４のインジェクタ３５への出口圧の指令値を、図３（ｃ）においては便宜上一定としているが、実際には上記した目標圧力値算出機能Ｂ２により算出されたものを用いることになり、また、図３（ｄ）に示す通常制御によるインジェクタ３５の駆動許可がＯＮされることになって、通常制御によるインジェクタ３５の駆動制御ができる状態となる。

また、排気排水弁３７は、適宜のパージタイミングで開弁されるものであるが、図３（ｆ）においては便宜上、ｔ１４時点以降の所定時間は閉弁状態が維持されるものとしている。さらに、ｔ１４時点以降、図３（ｇ）に示す制御装置４によるコンプレッサ２４の駆動で制御される希釈器４０における最低酸化オフガス量は、図３（ｇ）においては便宜上一定としているが、燃料電池１０の燃料極に供給される水素ガス量に応じてマップによりコンプレッサ２４の駆動が制御され、これに伴った量となる。

そして、制御装置４が通常制御によりインジェクタ３５へ図３（ｅ）に示す開弁指令をＯＮし（ｔ１４時点）、上記した総噴射時間算出機能Ｂ８で算出した総噴射時間経過後に開弁指令をＯＦＦすると（ｔ１５時点）、上記のように１回目の開閉駆動制御でインジェクタ３５の開弁異常が解除されていることから、これに応じて図３（ｂ）に示す二次側圧力センサ４３で検出されるインジェクタ３５の出口圧が、排気排水弁３７が閉弁されているにもかかわらず、上昇後、正常に下降する。

制御装置４は、開弁異常解除のための１回目の開閉駆動制御終了時点（ｔ１４時点）で、図３（ｈ）に示す開弁異常解除制御のリトライカウンタをそれまでの０から１にする。

ここで、図３においては、開弁異常が生じて行われた１回目の開閉駆動制御で開弁異常が解除された場合を例にとり説明したが、開弁異常が生じて行われた１回目の開閉駆動制御で開弁異常が解除されなければ、二次側圧力センサ４３により検出される出口圧が、上記ｔ５時点と同様に、所定のガス抜き開始閾値Ｘ１を再び超えることになるため、制御装置４は、二次側圧力センサ４３により検出される出口圧がガス抜き開始閾値Ｘ１を超えると、上記ｔ５時点からｔ１４時点までの開閉駆動制御を所定回数、具体的にはその後３回（合計４回）、開弁異常が解除されるまで繰り返す。

その際には、開弁異常解除のための２回目の開閉駆動制御終了時点（ｔ１６時点）で、図３（ｈ）に示す開弁異常解除制御のリトライカウンタをそれまでの１から２にすることになり、また、開弁異常解除のための３回目の開閉駆動制御終了時点（ｔ１７時点）で、図３（ｈ）に示す開弁異常解除制御のリトライカウンタをそれまでの２から３にすることになり、さらに、開弁異常解除のための４回目の開閉駆動制御終了時点（ｔ１８時点）で、図３（ｈ）に示す開弁異常解除制御のリトライカウンタをそれまでの３から４にすることになる。

ここで、制御装置４は、開弁異常解除のための開閉駆動制御を所定のリトライ回数である４回行ってリトライカウンタが４になると（ｔ１８時点）、開弁異常が解除できないと判断して、インジェクタ３５の開弁異常停止制御を行う。

以下、この開弁異常停止制御について、図４のタイムチャートを用いて説明する。なお、図４において、図３のタイムチャートと同一部分には、同一符号を付す。
開弁異常が解除できず、この異常状態が継続して開弁異常停止制御が開始されるまで（ｔ２１〜ｔ２６）は、制御装置４は、前述と同様の通常制御（図３におけるｔ１〜ｔ２６）を行う。

そして、制御装置４は、インジェクタ３５の出口圧に基づいて、インジェクタ３５の開弁異常が解除されず、その異常状態が継続して、二次側圧力センサ４３により検出される出口圧が、正常時には生じ得ない所定のガス抜き開始閾値Ｘ１を超えると（ｔ２５時点）、所定のガス抜き開始待機時間Ｔ１が経過するのを待って（ｔ２６時点）、図４（ｉ）で示すインジェクタ３５の出口圧の上昇異常つまり開弁異常を示すインジェクタ出口圧上昇異常フラグをＯＮとし、以下のような開弁異常停止制御を行う。

つまり、二次側圧力センサ４３の検出圧が所定のガス抜き開始閾値Ｘ１を超えた時点（ｔ２５時点）から所定のガス抜き開始待機時間Ｔ１が経過すると（ｔ２６時点）、制御装置４は、図４（ｃ）に示すインジェクタ３５への出口圧の指令をＯＦＦとすることにより、図４（ｅ）に示すようにインジェクタ３５の駆動をＯＦＦとする。

これと同時に（ｔ２６時点）、図４（ｊ）に示すように水素タンク３０からの水素ガスの供給を停止させるべく、水素タンク３０の主止弁である遮断弁３３を閉じて水素ガスの供給を停止するとともに、二次側圧力センサ４３により検出される出口圧を下げるために図４（ｆ）に示すように排気排水弁３７を開状態とする。

さらに同時に（ｔ２６時点）、排気排水弁３７から排出される水素ガス濃度を所定値以下に下げるために、制御装置４はコンプレッサ２４の駆動を制御して希釈器４０における最低酸化オフガス量を、水素ガス濃度を所定値以下に下降可能な量を確保するように図４（ｇ）に示すように高くする。

上記のようにして、遮断弁３３を閉状態とし、さらに排気排水弁３７を開状態としたｔ２６時点から、図４（ｂ）に示す二次側圧力センサ４３により検出されるインジェクタ３５の出口圧及び図４（ｋ）に示す一次側圧力センサ４２により検出されるインジェクタ３５の入口圧は下がることになり、インジェクタ３５の入口圧の値が、リリーフ弁４４の作動圧よりも低い所定の非リリーフ圧（リリーフ弁４４の作動圧から作動時の誤差分を引いた圧力）Ｘ３まで下がると（ｔ２７時点）、制御装置４は、所定の非リリーフ圧低下時間Ｔ３が経過するのを待つ（ｔ２８時点）。

その後、インジェクタ３５の出口圧の値が、インジェクタ３５の出口圧の通常運転時における正常範囲内でリーフ弁４４の作動圧よりも十分に低い所定の停止処理開始閾値（閾値）Ｘ４まで下がると（ｔ２９時点）、所定の停止開始待機時間Ｔ４が経過するのを待つ（ｔ３０時点）。

これと同時に（ｔ３０時点）、制御装置４は、図４（ｌ）に示すようにシステムをＯＦＦとすることにより、図４（ｄ）に示すようにインジェクタ３５の駆動許可をＯＦＦとし、図４（ｆ）に示すように排気排水弁３７を閉状態とし、図４（ｇ）に示すようにコンプレッサ２４の駆動を停止させて希釈器４０における最低酸化オフガス量を０として燃料電池１０の運転を完全に停止させる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５に例えば異物が噛み込む等して開弁状態のまま閉弁できない開弁異常を生じた際に、制御装置４がこれを検出して、水素タンク３０の主止弁である遮断弁３３を閉弁するとともに、燃料電池１０から排出される燃料オフガスの流路である循環流路３２に設けられた排気排水弁３７を開弁するので、インジェクタ３５の開弁異常時におけるインジェクタ３５の下流側である出口側における圧力を低下させることができる。

具体的には、インジェクタ３５の開弁異常時に、水素タンク３０の主止弁である遮断弁３３を閉弁するとともに排気排水弁３７を開弁し、インジェクタ３５の出口側の水素供給流路３１内の圧力がリリーフ弁４４の作動圧よりも十分に低い所定の停止処理開始閾値Ｘ４となった後に燃料電池１０の運転を停止させる、言い換えれば、燃料電池１０への燃料ガス（水素ガス）及び酸化ガス（空気）の供給を停止するので、インジェクタ３５の出口側の水素供給流路３１内の高圧状態を抑制し、これにより、リリーフ弁４４を作動させることなく燃料電池１０の運転を停止させることができる。

なお、上記のように運転が停止された燃料電池システム１では、インジェクタ出口圧上昇異常フラグがＯＮとなっていることより、その後、メンテナンス時等に制御装置４からインジェクタ出口圧上昇異常フラグがＯＮか否かを読み出すことで、開弁異常が生じて燃料電池システム１が停止したという原因履歴が確認可能となり、インジェクタ３５の交換あるいは修理という対応を即座に行うことができる。

また、以上の実施形態においては、インジェクタ３５に開弁異常が生じた場合に、このインジェクタ３５の開弁異常を改善させるために、インジェクタ３５に対して開閉駆動制御を複数回繰り返す開弁異常解除制御を行った後に、開弁異常停止制御を行う場合を例にとって説明したが、インジェクタ３５の開弁異常の発生後に、開弁異常解除制御を行うことなく開閉異常時停止制御を行っても良い。

また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排気弁を制御することもできる。

本発明の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。 図１に示した燃料電池システムの開弁異常解除制御を説明するためのタイムチャートである。 図１に示した燃料電池システムにおける開弁異常停止制御を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３２…循環流路（オフガス流路）、３３…遮断弁（主止弁）、３５…インジェクタ（可変ガス供給装置）、３７…排気排水弁（排出弁）、３８…排出流路（オフガス流路）、４４…リリーフ弁。

Claims (3)

1. 燃料電池と、燃料供給源から主止弁を介して供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記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可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置を駆動制御する制御装置と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを排出弁を介して外部に放出可能なオフガス流路と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、運転中に前記可変ガス供給装置が開弁状態から閉弁状態に戻らない開弁異常が検出されると、前記燃料供給源の主止弁を閉弁するとともに前記オフガス流路に設けられた排出弁を開弁する燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記可変ガス供給装置の下流側の圧力が所定の閾値よりも低下した後に前記燃料電池の運転を停止させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記供給流路の前記可変ガス供給装置よりも下流側に、所定の作動圧に達した際に開放されるリリーフ弁を備え、
   前記閾値は、前記リリーフ弁の作動圧よりも低く設定されている請求項２に記載の燃料電池システム。

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