JP2009277620A

JP2009277620A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2009277620A
Application number: JP2008130600A
Authority: JP
Inventors: Shoji Ando; 章二安藤; Koichiro Furusawa; 宏一朗古澤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP5319160B2

Abstract

【課題】燃料ガス圧力が目標燃料ガス圧力を大きく超えにくい燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノード流路１２及びカソード流路１３を有する燃料電池スタック１０と、水素圧力を検出する圧力センサ２８と、水素タンク２１と、アノードオフガスを燃料電池スタック１０の上流に戻し、水素を循環させる配管２６ｂと、循環する水素を排出するパージ弁２７と、要求発電量に基づいて目標水素圧力を算出し、目標水素圧力と圧力センサ２８が検出した実測水素圧力とに基づいて、ＰＩＤ制御により、水素圧力を制御する水素圧力制御手段と、を備える燃料電池システム１であって、パージ弁２７が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、水素圧力制御手段は、ＰＩＤ制御におけるＩ項を、前回のＩ項とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池に供給される水素、空気の圧力は、通常、燃料電池に対しての要求発電量に基づいて目標圧力を算出し、ＰＩ（Proportional Integral）制御、又は、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御により、圧力制御される（特許文献１参照）。

特開２００８−４７３２９号公報

一方、燃料電池からは、発電（電極反応）に寄与しなかった未消費の水素が排出される。そこで、水素の利用効率を高めるべく、この未消費の水素を燃料電池の上流に戻し、燃料電池に再供給するシステム、つまり、水素を循環させるシステムが提案されている。ところが、燃料電池の発電が進むと、循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）が増加し、燃料電池の発電効率が低下するため、パージ弁（燃料ガス排出弁）を適宜に開き、不純物を排出するシステムが提案されている。

このようにパージ弁が開かれると、一時的に現在の水素圧力が低下するため、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御におけるＩ項（積分項、Ｋｉ×偏差の累積値）が大きくなる。これにより、その後における水素圧力が目標水素圧力を大きく超え、つまり、水素圧力がオーバーシュートする場合があった。

そこで、本発明は、燃料ガス圧力が目標燃料ガス圧力を大きく超えにくい燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、前記燃料ガス流路における燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを、当該燃料電池の上流に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ラインと、前記燃料ガス循環ラインを循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出弁と、要求発電量に基づいて目標燃料ガス圧力を算出し、当該目標燃料ガス圧力と前記燃料ガス圧力検出手段が検出した現在の燃料ガス圧力とに基づいて、ＰＩ制御により、燃料ガス圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩ制御におけるＩ項を、前回のＩ項とすることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、燃料ガス圧力制御手段が、ＰＩ制御におけるＩ項を、前回のＩ項とするので、今回の操作量（後記する実施形態では今回操作圧力差）が過大になることはない。これにより、燃料ガス圧力が目標燃料ガス圧力を大きく超えることを防止できる。

また、前記燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩ制御におけるＰ項の係数Ｋｐを、プラス方向で大きくなるように持ち替えることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、燃料ガス圧力制御手段が、Ｐ項の係数Ｋｐをプラス方向で大きくなるように持ち替えるので、今回の操作量がプラス方向に大きくなる。これにより、その後において、燃料ガス圧力が大きく低下することを防止できる。

また、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩＤ制御により、燃料ガス圧力を制御し、前記燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩＤ制御におけるＰ項の係数Ｋｐ及びＤ項の係数Ｋｄの少なくとも一方を、プラス方向で大きくなるように持ち替えることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、燃料ガス圧力制御手段が、Ｐ項の係数Ｋｐ及びＤ項の係数Ｋｄの少なくとも一方を、プラス方向で大きくなるように持ち替えるので、今回の操作量がプラス方向に大きくなる。これにより、その後において、燃料ガス圧力が大きく低下することを防止できる。

また、前記目標燃料ガス圧力の増加率が所定増加率以上である場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、Ｉ項をリセットとすることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、目標燃料ガス圧力の増加率が所定増加率以上である場合、燃料ガス圧力制御手段が、Ｉ項をリセットとするので、その後において、燃料ガス圧力が目標燃料ガス圧力を大きく超えることを防止できる。

本発明によれば、燃料ガス圧力が目標燃料ガス圧力を大きく超えにくい燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１５と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。

ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

このように燃料電池スタック１０が発電すると、カソードで生成した水分（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となる。また、カソード（カソード流路１３）に供給される空気は、配管３１ａに設けられた加湿器（図示しない）により加湿され、多湿となっている。

＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、最低セル電圧、平均セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１５）は、算出した最低セル電圧、平均セル電圧を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁１００と、エゼクタ２６と、常閉型のパージ弁２７（燃料ガス排出弁）と、圧力センサ２８（燃料ガス圧力検出手段）とを備えている。水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁１００、配管１００ａ、エゼクタ２６、配管２６ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。

［減圧弁］
ここで、減圧弁１００について、図２を参照して説明する。なお、図２は、弁体１５０が弁座１４０に着座し、減圧弁１００が閉じた状態を記載している。
減圧弁１００は、第１ボディ１１０と、第２ボディ１２０と、第３ボディ１３０と、弁座１４０と、第１ボディ１１０内に配置されると共に、閉弁時に弁座１４０に着座する弁体１５０と、シャフト１６０と、第１ダイアフラム１７１と、第２ダイアフラム１７２と、圧縮コイルばねから構成される第１ばね１７３及び第２ばね１７４と、を備えている。

第１ボディ１１０には、弁座１４０に着座した弁体１５０で仕切られた一次室１１１及び二次室１１２と、一次室１１１に連通すると共に配管２２ａが接続される一次ポート１１３と、二次室１１２に連通すると共に配管１００ａが接続される二次ポート１１４とが形成されている。弁座１４０は、第１ボディ１１０に固定されており、弁体１５０は、第１ばね１７３によって弁座１４０側に、つまり、閉方向に付勢されている。

シャフト１６０は、その下端が弁体１５０に螺着されると共に、その上端は、第２ボディ１２０、第３ボディ１３０内で上方に延びており、第１ボディ１１０に固定されたシャフトガイド１６１により、軸方向にガイドされている。
シャフト１６０の中間部には、径方向に延出するストッパ部１６２が形成されており、ストッパ部１６２の上には、第１ダイアフラム１７１、第１ダイアフラム１７１と第２ダイアフラム１７２との間隔を所定に保持するスペーサ１６３、第２ダイアフラム１７２、円盤状の挟持板１６４が、順に配置されている。そして、ナット１６５が、挟持板１６４の上方からシャフト１６０に螺合されており、シャフト１６０に対して、第１ダイアフラム１７１、第２ダイアフラム１７２及び挟持板１６４が、所定位置で保持されている。

第１ダイアフラム１７１の周縁は、第１ボディ１１０と第２ボディ１２０とに挟持されている。第２ダイアフラム１７２の周縁は、第２ボディ１２０と第３ボディ１３０とに挟持されている。
そして、二次室１１２に流入した水素は、細管１１５を通って、アスピレータ室１１６に流入し、シャフト１６０のストッパ部１６２を上方向に押圧することで、シャフト１６０と一体である弁体１５０を閉方向に付勢するようになっている。

第２ばね１７４は、第３ボディ１３０に螺着されたばね止め部材１３３と、挟持板１６４との間に介装されており、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢している。ばね止め部材１３３は、第３ボディ１３０に対して回動可能に構成されており、ばね止め部材１３３を回動させると、第２ばね１７４のばね長が変化し、第２ばね１７４が弁体１５０を開方向に付勢する力が可変するように設計されている。

第３ボディ１３０には、パイロット室１３１と、パイロット室１３１に連通すると共に、配管２４ａ（図１参照）が接続されるパイロットポート１３２が形成されている。配管２４ａの上流端は、後記するコンプレッサ３１からの空気が流れる配管３１ａに接続されており、その途中には、オリフィス２４が設けられている。
そして、コンプレッサ３１が作動すると、配管３１ａ内の空気は、オリフィス２４で流量が絞られた後、配管２４ａ、パイロットポート１３２を介して、パイロット室１３１に導入され、挟持板１６４を下方向に押圧、つまり、弁体１５０を開方向に付勢するようになっている。

また、配管２４ａは、オリフィス２４と減圧弁１００との間で、配管２５ａを介して常閉型のインジェクタ２５（空気排出弁）に接続されている。インジェクタ２５は、ＥＣＵ６０の指令によって開き、配管２４ａ内の空気を排出する機能を備えている。

そして、このようにインジェクタ２５から空気が排出されると、図２のパイロット室１３１の空気圧力（パイロット圧）が下がり、空気が弁体１５０を開方向に付勢する力が小さくなり、アノード流路１２における水素圧力が下がる。
逆に、アノード流路１２における水素圧力を高めるべく、後記するＰＩＤ制御における今回操作圧力差が大きくなると、減圧弁１００の二次側圧力が高まるように、パイロット圧を高めるべく、インジェクタ２５の単位時間（例えば１０ｓ）当たりの開時間（ｓ／１０ｓ）が短くなるように設定されている（図３参照）。
なお、図３のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

したがって、第２ばね１７４及びパイロット室１３１の空気による弁体１５０を開方向に付勢する力が、第１ばね１７３及びアスピレータ室１１６の水素による弁体１５０を閉方向に付勢する力よりも大きくなると、弁体１５０が弁座１４０から離座し、減圧弁１００が開弁するようになっている。

図１に戻って説明を続ける。
圧力センサ２８は、アノード流路１２における水素の圧力（これを実測水素圧力とする）を検出可能なように、配管２６ａに取り付けられている。そして、圧力センサ２８は、実測水素圧力を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。ただし、圧力センサ２８の位置はこれに限定されず、例えば、配管２６ｂに取り付けられた構成でもよい。

アノード流路１２の出口は、配管２６ｂ（燃料ガス循環ライン）を介して、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２６の吸込口に接続されている。これにより、アノード流路１２（アノード）から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスは、エゼクタ２６に戻され、その結果、水素が循環するようになっている。
なお、配管２６ｂには気液分離器（図示しない）が設けられており、この気液分離器によって、循環する水素に同伴する水分が分離されるようになっている。

配管２６ｂは、その途中で、配管２７ａ、パージ弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器３４の上部に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２６ｂを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ６０によって開かれる設定となっている。
なお、ＥＣＵ６０は、例えば、セル電圧モニタ１５から入力される最低セル電圧が、所定最低セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。

コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１の回転速度は、後記するアクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給するべく、高められる設定となっている。なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は燃料電池スタック１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。

また、配管３１ａには、カソード流路１３に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させるようになっている。

カソード流路１３の出口は、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３３ａ等を介して、希釈器３４に排出されるようになっている。

背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。詳細には、アクセルペダル５１の踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を高圧で供給するべく、背圧弁３３の開度は小さくなるように制御される。

希釈器３４は、パージ弁２７から導入されるアノードオフガスと、配管３３ｂから導入されるカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合することで生成した希釈後ガスは、配管３４ａを介して車外に排出されるようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit、電流制御手段）とを備えている。走行モータ４１は、ＶＣＵ４２を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。なお、走行モータ４１とＶＣＵ４２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。

走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御すると共に、ＶＣＵ４２に接続された高圧バッテリ（図示しない）の電力を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。

＜アクセルペダル等＞
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal、ＡＰ）は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み量（ＡＰ量、要求発電量）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。

また、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量（要求発電量）に基づいて、目標空気流量、目標空気圧力を算出し、コンプレッサ３１及び背圧弁３３を制御するようになっている。

さらに、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて、目標水素圧力（目標燃料ガス圧力）を算出し、この目標水素圧力と圧力センサ２８から入力される現在の実測水素圧力とに基づいて、ＰＩＤ制御により、式（３）に従って、今回操作圧力差を算出し、今回操作圧力差となるように、インジェクタ２５の開時間（ｓ／１０ｓ）を制御し（図３参照）、水素圧力を制御するようになっている。式（３）における係数Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に初期値として記憶されている。
今回操作圧力差＝Ｐ項（比例項）＋Ｉ項（積分項）＋Ｄ項（微分項）＝Ｋｐ×偏差＋Ｋｉ×偏差の累積値＋Ｋｄ×前回偏差との差（前回偏差と今回偏差との差） …（３）

なお、目標水素圧力は、アクセルペダル５１の踏み込み量（要求発電量）が大きくなると、高くなる関係となっている（図６参照）。また、アクセルペダル５１の踏み込み量と、目標水素圧力と関係を示すマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。そして、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量（要求発電量）と、このマップとに基づいて、目標水素圧力を算出するようになっている。

すなわち、本実施形態において、要求発電量に基づいて目標水素圧力を算出し、この目標水素圧力と実測水素圧力（現在の水素圧力）とに基づいて、ＰＩＤ制御により、今回操作圧力差（今回操作量）を算出し、水素圧力を制御する水素（燃料ガス）圧力制御手段は、ＥＣＵ６０と、減圧弁１００と、インジェクタ２５とを備えて構成されている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図４を主に参照して説明する。なお、ＥＣＵ６０は、図４の処理を所定時間（例えば１０ｍｓ）毎に繰り返している。また、初期状態において、燃料電池スタック１０は、アクセルペダル５１の踏み込み量に応じて、発電している。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、燃料電池自動車が加速中であるか否か判定する。
具体的には、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の単位時間当たりの踏み込み量（Δθ／ｓ）が、所定踏み込み量以上であるか判定する。所定踏み込み量は、これ以上であると、運転者から加速要求があり、燃料電池自動車が加速していると判断される踏み込み量であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
ただし、このような判定方法に限定されず、例えば、車速センサ（図示しない）から入力される燃料電池自動車の車速に基づいて判定してもよい。
その他、目標水素圧力に対して、実測水素圧力が所定値以上低い場合、燃料電池自動車が加速中であると判定する構成としてもよい。

また、アクセルペダル５１の単位時間当たりの踏み込み量は、目標水素圧力の増加率（ΔＰａ／ｓ）と比例関係にあり、単位時間当たりの踏み込み量が大きくなると、目標水素圧力の増加率（ΔＰａ／ｓ）が大きくなる。そして、前記したアクセルペダル５１の所定踏み込み量（Δθ／ｓ）は、目標水素圧力の所定増加率（ΔＰａ／ｓ）に対応している。
目標水素圧力の所定増加率は、水素圧力のＰＩＤ制御におけるＩ項（積分項）の増大により、水素圧力がオーバーシュートしないように、目標水素圧力の増加率がこれ以上である場合、Ｉ項をリセット（０）すべき値に設定されている。

そして、加速中であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。なお、この場合は、目標水素圧力の増加率（ΔＰａ／ｓ）が、所定増加率以上であると判定された場合である。
一方、加速中でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、パージ弁２７の開弁中であるか否かを判定する。
パージ弁２７の開弁中であると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０７に進む。一方、パージ弁２７の開弁中でないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、内部クロックを利用して、パージ弁２７の閉弁後から所定時間経過したか否か判定する。
所定時間は、パージ弁２７の閉弁後、この時間を経過していないと、目標水素圧力と実測水素圧力との差が大きく、その結果、Ｉ項（積分項）が大きくなり、このままＩ項を算出して、水素圧力を制御すると、水素圧力がオーバーシュートする虞のある時間であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
すなわち、パージ弁２７の開弁により水素圧力が下がるアノード流路１２、２６ａ、２６ｂの容積が小さくなると、パージ弁２７の閉弁後、実測水素圧力が目標水素圧力に速やかに上昇するので、所定時間が短くなる。

パージ弁２７の閉弁後、所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、パージ弁２７の閉弁後、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０７に進む。

＜通常制御＞
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、目標水素圧力と、圧力センサ２８から入力される実測水素圧力と、前記した式（３）とに基づいて、今回操作圧力差を算出する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０４で算出した今回操作圧力差と、図３とのマップとに従って、インジェクタ２５を制御する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄを初期値に戻して、リターンに進む。

＜加速中＞
次に、ステップＳ１０１の判定結果がＹｅｓとなって進む、ステップＳ１０６について説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、今回操作圧力差の算出におけるＩ項をリセット（０）にする、つまり、Ｉ項の係数Ｋｉ及び偏差の累積値をリセットする（Ｋｉ＝０、偏差の累積値＝０）。
その後、ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ６０は、式（３）に従って、今回操作圧力差を算出するが、ステップＳ１０６でＩ項をリセットしているので、今回操作圧力差は小さくなる。これにより、その後において、実測水素圧力が目標水素圧力を大きくオーバーシュートすることを防止できる。

＜パージ弁の開弁中等＞
次に、ステップＳ１０２の判定結果がＹｅｓ、ステップＳ１０３の判定結果がＮｏとなって進む、ステップＳ１０７について説明する。
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、今回操作圧力差の算出におけるＩ項を、前回値、つまり、前回のステップＳ１０４での操作圧力差の算出におけるＩ項とする。すなわち、今回操作圧力差の算出におけるＩ項の累積値を、前回操作圧力差の算出におけるＩ項の累積値とする。

これにより、パージ弁２７の開弁中（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、パージ弁２７の閉弁後所定時間経過まで（Ｓ１０３・Ｎｏ）において、今回操作圧力差の算出におけるＩ項として、パージ弁２７の開弁前のＩ項が参照されることになる。つまり、パージ弁２７の開弁中、パージ弁２７の閉弁後所定時間経過までは、Ｉ項は更新されず、前回値を維持することになる。

その結果、パージ弁２７の開弁中、パージ弁２７の閉弁後所定時間経過までは、目標水素圧力と実測水素圧力との差が大きく、通常の算出方式では、Ｉ項が大きくなるが、本実施形態では、前回の操作圧力差の算出におけるＩ項を参照するので、Ｉ項が大きくなることはない。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、今回操作圧力差の算出におけるＰ項（比例項）の係数Ｋｐを、今回操作圧力差がプラス方向で大きくなるように、これよりも大きい係数Ｋｐ´（Ｋｐ´＞Ｋｐ）に持ち替える。また、ＥＣＵ６０は、今回操作圧力差の算出におけるＤ項（微分項）の係数Ｋｄを、これよりも大きい係数Ｋｄ´（Ｋｄ´＞Ｋｄ）に持ち替える。
なお、係数Ｋｐ´、係数Ｋｄ´は、事前試験等により求められ、ステップＳ１０７で、今回操作圧力差の算出におけるＩ項を前回のＩ項とすることにより、実測水素圧力が大きく低下しない値に設定され、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

その後、ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ６０は、式（３）に従って、今回操作圧力差を算出するが、ステップＳ１０７で、今回のＩ項として、前回のＩ項を採用しているので、今回操作圧力差は小さくなり、その後において、実測水素圧力が目標水素圧力を大きくオーバーシュートすることは防止される。これと共に、ステップＳ１０８で、Ｋｐ´、Ｋｄ´に持ち替えているので、持ち替えない場合と比較して、今回操作圧力差がプラス方向で大きくなり、実測水素圧力が大きく低下することは防止される。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１から得られる効果を、図５、図６を参照して説明する。
図５に示すように、ＥＣＵ６０は、パージ弁２７の開弁中（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、及び、パージ弁２７の閉弁後、所定時間経過していない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、今回操作圧力差の算出におけるＩ項として、前回のＩ項を採用するので（Ｓ１０７）、つまり、パージ弁２７の開弁前のＩ項を維持するので、パージ弁２７の閉弁後に実測水素圧力が大きくオーバーシュートすることを防止できる。これにより、パージ弁２７が閉弁している通常時における水素圧力の上限値を高めに設定することができ、水素圧力の制御可能範囲を拡大することができる。
また、係数Ｋｐ´、係数Ｋｄ´に持ち替えるので（Ｓ１０８）、実測水素圧力が大きく低下することを防止できる。

そして、図６に示すように、ＥＣＵ６０は、加速中であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、今回操作圧力差の算出において、Ｉ項をリセット（０）するので（Ｓ１０６）、実測水素圧力がオーバーシュートすることを防止できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができ、また、次の構成を適宜組合させてもよい。

前記した実施形態では、図４のステップＳ１０８において、Ｋｐ、Ｋｄの両方を持ち替える構成を例示したが、その他に例えば、一方のみを持ち替える構成としてもよい。
前記した実施形態では、ＰＩＤ制御により水素圧力を制御する燃料電池システム１に、本発明を適用したが、その他に例えば、ＰＩ制御により水素圧力を制御するシステムに適用してもよい。なお、このようにＰＩ制御のシステムに適用しても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

前記した実施形態では、図４に示すように、式（３）に従って、今回操作圧力差（今回操作量）を算出し（Ｓ１０４）、この今回操作圧力差と図３のマップとに従って、インジェクタ２５を制御するとしたが（Ｓ１０５）、その他に例えば、インジェクタ２５の操作量（開時間等）が直接算出されるように、式（３）を変形してもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態に係る減圧弁の縦断面図である。今回操作圧力差とインジェクタの開時間（ｓ／１０ｓ）との関係を示すマップである。本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例（加速時）を示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
１１単セル（燃料電池）
１２アノード流路（燃料ガス流路）
１３カソード流路（酸化剤ガス流路）
２１水素タンク（燃料ガス供給手段）
２５インジェクタ（燃料ガス圧力制御手段）
２６ｂ配管（燃料ガス循環ライン）
２８圧力センサ（燃料ガス圧力検出手段）
６０ＥＣＵ（燃料ガス圧力制御手段）
１００減圧弁（燃料ガス圧力制御手段）

Claims

燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する燃料電池と、
前記燃料ガス流路における燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、
前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを、当該燃料電池の上流に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ラインと、
前記燃料ガス循環ラインを循環する燃料ガスを排出する燃料ガス排出弁と、
要求発電量に基づいて目標燃料ガス圧力を算出し、当該目標燃料ガス圧力と前記燃料ガス圧力検出手段が検出した現在の燃料ガス圧力とに基づいて、ＰＩ制御により、燃料ガス圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩ制御におけるＩ項を、前回のＩ項とする
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩ制御におけるＰ項の係数Ｋｐを、プラス方向で大きくなるように持ち替える
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩＤ制御により、燃料ガス圧力を制御し、
前記燃料ガス排出弁が開弁している場合、及び、閉弁後から所定時間経過していない場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、ＰＩＤ制御におけるＰ項の係数Ｋｐ及びＤ項の係数Ｋｄの少なくとも一方を、プラス方向で大きくなるように持ち替える
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記目標燃料ガス圧力の増加率が所定増加率以上である場合、前記燃料ガス圧力制御手段は、Ｉ項をリセットとする
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。