JP2011003507A

JP2011003507A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2011003507A
Application number: JP2009147847A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Naganuma; 良明長沼; Takuboku Tezuka; 卓睦手塚
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP5348409B2

Abstract

【課題】反応オフガスを循環させるシステムにおいて、反応ガスの噴射装置の下流側圧力値を安定的かつ精度よく取得することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に反応ガスを供給する供給流路３１と、燃料電池１０から排出される反応オフガスを供給流路３１に戻す循環流路３２と、供給流路３１に設けられ反応ガスを下流側に噴射する噴射装置３５と、供給流路３１と循環流路３２との接続部に設けられ、噴射された反応ガスに反応オフガスを合流させて下流側に流す合流装置３６と、噴射装置３５と合流装置３６との間に設けられた圧力センサ４３と、を備え、圧力センサ４３における反応ガス圧の検出タイミングを、燃料電池１０の負荷状態及び噴射装置３５の噴射タイミングに応じて変更する燃料電池システム１を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、供給流路から反応ガス（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おいては、燃料電池の発電に寄与しなかった反応オフガス（燃料オフガス及び酸化オフガス）を再利用すべく、循環流路を介して再び供給流路に戻すシステムが提案されている。

例えば、特許文献１では、供給流路に設けたインジェクタにより燃料ガスを調圧しつつ、インジェクタの下流に配置されたエジェクタにより、燃料ガスと燃料オフガスを合流させ燃料電池に供給するようになっている。

特開２００８−１１２５８５号公報

しかしながら、このようなエジェクタを用いて反応オフガスを循環させるシステムにおいては、インジェクタの制御の基礎となる圧力測定をいかにして行うかが問題になる。すなわち、エジェクタの上流側に圧力センサを設けて圧力測定を行う場合、エジェクタの圧力損失に起因して当該圧力センサの圧力測定値に誤差が生じやすく、一方で、エジェクタの下流側に圧力センサを設けた場合、循環流路から戻された反応オフガスは水分を含んでいることが多いため、システムの低温始動時等にはこの水分の凍結により圧力センサ自体が作動できなくなる虞がある。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、反応オフガスを循環させるシステムにおいて、反応ガスの噴射装置の下流側圧力値を安定的かつ精度よく取得することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを前記供給流路に戻す循環流路と、前記供給流路に設けられ前記反応ガスを下流側に噴射する噴射装置と、前記供給流路と前記循環流路との接続部に設けられ、前記噴射された反応ガスに前記反応オフガスを合流させて下流側に流す合流装置と、前記噴射装置と前記合流装置との間に設けられた圧力センサと、を備え、前記圧力センサにおける前記反応ガス圧の検出タイミングを、前記燃料電池の負荷状態及び前記噴射装置の噴射タイミングに応じて変更する燃料電池システムを構成する。

噴射装置の下流側の反応ガスの圧力は、合流装置による圧力損失を受けるため、噴射装置による反応ガスの噴射タイミングに応じて脈動する。すなわち、反応ガスの圧力を安定して取得するためには、この脈動のタイミングを避ける必要がある。また、圧力を安定して取得するためには、圧力センサの応答性に起因する一定の時間が必要である。そして、この一定の時間をどのタイミングで確保できるかは、反応ガスの噴射／非噴射の時間ひいてはこれらの時間を決定する燃料電池の負荷状態によることになる。ここで、上記構成によれば、燃料電池の負荷状態と噴射タイミングに応じて圧力センサによる圧力検出タイミングを変更するので、圧力センサにより圧力を取得する一定の時間を確保しつつ、噴射装置の下流側の反応ガスの圧力値が脈動して安定していないタイミングを避けて圧力測定を行うことができる。これにより、圧力測定誤差を抑制することができるようになる。また、圧力センサは、噴射装置と合流装置との間、すなわち合流装置の上流側に配置されているため、反応オフガスに含まれる水分の凍結の影響を受けない。そのため、システムの低温始動時等に圧力センサ自体が作動できなくなるような事態を回避できる。

また、上記構成において、前記圧力センサは、前記燃料電池の負荷が大きい場合は前記反応ガスの噴射時のみに圧力検出を行い、前記燃料電池の負荷が小さい場合は前記反応ガスの非噴射時のみに圧力検出を行うようにしてもよい。

上記構成によれば、燃料電池の負荷が大きい場合は、反応ガスの噴射時間が、非噴射時間に比べて長くなるから、噴射時のみに圧力検出を行うことで、圧力センサにより安定して圧力を取得するための時間を確実に確保することができる。一方で、燃料電池の負荷が小さい場合は、反応ガスの非噴射時間が噴射時間に比べて長くなるから、非噴射時のみに圧力検出を行うことで、圧力センサにより安定して圧力を取得するための時間を確実に確保することができる。

また、上記構成において、前記圧力センサは、前記反応ガスの噴射開始又は停止後所定時間は圧力検出を行わないようにしてもよい。

上記構成によれば、噴射装置による反応ガスの噴射開始後（又は停止後）の所定時間は噴射装置の下流側の圧力が安定しない状態が続くので、当該所定時間圧力検出を行わないことで、圧力測定誤差を抑制することができる。

また、上記構成において、前記噴射装置は、インジェクタであり、前記合流装置はエジェクタであるようにしてもよい。

上記構成によれば、インジェクタの調圧制御に必要なインジェクタの下流側圧力を、エジェクタによる圧力損失の影響を最大限回避しつつ取得することができる。

本発明によれば、反応オフガスを循環させるシステムにおいて、反応ガスの噴射装置の下流側圧力値を安定的かつ精度よく取得することのできる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。同燃料電池システムの圧力測定タイミングを説明するための図。同燃料電池システムの圧力測定タイミングを説明するための図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。本実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムを例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、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としても用いることが可能である。

（燃料電池システムの全体構成）
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の全体構成について説明する。ここで、図１は、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に示すように、燃料電池システム１は反応ガス（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発電する単セルを所要数積層して構成したスタック構造を有している。単セルはいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成されている。

カソードには、酸化ガス配管系２により所定の圧力の酸化ガス（空気）が供給され、アノードには水素ガス配管系３により所定の圧力の水素ガスが供給される。この両ガスの電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。

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に供給する酸化ガス供給流路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に導く酸化ガス排出流路２２と、加湿器２０から希釈器４０を介して外部に酸化オフガスを導くための酸化オフガス排気流路２３と、を備えている。酸化ガス供給流路２１には、大気中の空気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。酸化ガス排出流路２２には、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を検出するためのカソード側圧力センサ２５と、一次圧の変化に応じて酸化オフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁２６が配置されている。背圧弁２６は、例えばバタフライ弁で構成される。

水素ガス配管系３は、高圧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インジェクタ上流側圧力センサ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との合流部にはエジェクタ３６が設けられている。インジェクタ３５とエジェクタ３６との間には、燃料電池１０内の水素ガスの圧力を検出するために用いるアノード側圧力センサ４３が設けられている。アノード側圧力センサ４３は、エジェクタ３６の上流側に配置されているため、反応オフガスに含まれる水分の凍結の影響を受けない。そのため、燃料電池システム１の低温始動時等にアノード側圧力センサ４３自体が作動できなくなるような事態は生じない。

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の上流側圧力を低減させている。

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タイミングが制御されることにより、燃料電池１０に供給する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、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、ガス圧力等）を調整して下流側の燃料電池１０に供給するものであり、本発明における噴射装置の一実施形態である。なお、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。

エジェクタ３６は、インジェクタ３５から供給された水素ガスを燃料電池１０に噴射することで負圧を発生させ、この負圧により、循環流路３２から水素オフガスを吸引する。これによりエジェクタ３６は、インジェクタ３５から供給される新たな水素ガスと、燃料電池１０から排出された水素オフガスを合流させて、燃料電池１０に供給する。エジェクタ３６は、外郭を構成する筐体内部に、水素供給流路３１の下流側に接続された供給口と、循環流路３２の上流側に接続された吸引口と、供給口からの新たな水素ガスを下流側に向かって噴射するノズルと、ノズルの下流側に配置され、水素ガスと吸引口から吸引される水素オフガスとを合流させるディフューザと備えている。エジェクタ３６は、ノズル出口の開口面積が調整可能になっており、制御装置４の指令によりノズルの開口面積を可変することで、ノズルからの水素ガスの噴射流量及び吸引口からの水素オフガスの吸引流量が制御可能になっている。エジェクタ３６は、本発明における合流装置の一実施形態である。

循環流路３２には、気液分離器３７及び排気排水弁３８を介して、排気排水流路３９が接続されている。気液分離器３７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３８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３７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（燃料オフガス）とを、排気排水流路３９を介して外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁３８の開放により、循環流路３２内水素オフガスの不純物の濃度が下がり、水素供給流路３１に循環供給される水素オフガスの水素濃度が上がる。

希釈器４０は、排気排水弁３８及び排気排水流路３９を介して排出される水素オフガスを、酸化オフガス排気流路２３を介して排出される酸化オフガスによって希釈し、外部に排出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部材（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、インジェクタ３５やエジェクタ３６の駆動制御や、詳細を後述するアノード側圧力センサ４３の圧力測定タイミングの制御等、種々の処理や制御を行う。

（圧力測定タイミングの制御）
次に、図２及び図３を用いて、制御装置４によるアノード側圧力センサ４３（以下、単に「圧力センサ４３」ともいう。）の圧力測定タイミングの制御について詳細に説明する。ここで、図２は燃料電池１０の負荷が大きい場合の圧力測定タイミングを説明するための図、図３は、燃料電池１０の負荷が小さい場合の圧力測定タイミングを説明するための図である。各図面において（Ａ）は、圧力センサ４３の測定値（実線）及び燃料電池１０内の水素ガスの圧力の推定値（点線）の時間変動を示し、（Ｂ）は、インジェクタ３５のオン／オフの時間変動を示し、（Ｃ）は、制御装置４による圧力検出フラグのオン／オフの時間変動を示す。

Ａ：燃料電池の負荷が大きい場合
上記の通り、図２（Ａ）の実線は、燃料電池１０の負荷が大きい場合の圧力センサ４３の実測値を示している。同図（Ａ）と（Ｂ）とを対照すれば明らかな通り、圧力センサ４３の実測値には、インジェクタ３５のオン／オフのタイミングにあわせて、脈動が生じている。この脈動は、エジェクタ３６による圧力損失の影響によるものである。

従来の例においては、この脈動を全く考慮しておらず、実測値をそのまま燃料電池１０内の水素ガスの圧力（以下、「ＦＣ入口圧力」ともいう）の推定の基礎としていたため、推定値に大きな誤差が生じてしまっていた。インジェクタ３５からの噴射量は、ＦＣ入口圧力の推定値に基づいて行われるので、推定値に誤差が生じると、インジェクタ３５の調圧制御が破綻してしまう。

これに対して、本実施の形態においては、図２（Ｃ）で示すように、制御装置４は、インジェクタ３５のオン／オフのタイミングにあわせて圧力センサ４３の圧力検出フラグをオン／オフさせる。そして、制御装置４は、圧力検出フラグがオンの時は、圧力センサ４３による圧力検出を許可し、圧力検出フラグがオフの時は、圧力センサ４３による圧力検出を禁止する。圧力検出が許可されるタイミングは、より具体的には、インジェクタ３５がオンされている間であって、かつインジェクタ３５のオンから所定時間ｔ_１が経過した後である。逆に言えば、インジェクタ３５がオンされてから所定時間ｔ_１が経過するまでと、インジェクタ３５がオフの間は、圧力検出は禁止される。ここで、所定時間ｔ_１は、インジェクタ３５のオン後、インジェクタ３５−エジェクタ３６間の水素ガスの圧力が安定するまでに必要な時間（圧力安定時間）である。

圧力センサ４３は、図２（Ｃ）の圧力検出フラグがオンの間である、図２（Ａ）のＬ_１の区間内の少なくとも一部の時間を用いて圧力取得を行う。この「一部の時間」は、圧力センサ４３の応答性等に起因して決定され、例えば、センサ応答性が１ｍｓで、４回の平均値を測定値とする場合は、４ｍｓである。

ＦＣ入口圧力推定にあたっては、制御装置４は、上記Ｌ_１区間の一部の時間における圧力センサ４３の実測値から、エジェクタ３６に起因する圧力損失（図２（Ａ）におけるΔＰ）を減ずることで、ＦＣ入口圧力値を算出する。図２（Ａ）のＬ_１の区間においては、同図に示されるように、検出圧力値は脈動しておらず安定しているから、Ｌ_１区間においてのみ圧力を測定することで、ＦＣ入口圧力推定における推定誤差を抑制することができる。

また、図２は燃料電池１０の負荷が大きい場合であるが、この場合は燃料電池１０からの要求水素ガス流量が大きくインジェクタ３５の開弁Ｄｕｔｙ（インジェクタ３５の駆動周期における開弁時間の割合[%]）が高くなるから、圧力を検出するタイミングを、インジェクタ３５がオンされている間であって、かつインジェクタ３５のオンから所定時間ｔ_１が経過した後に限定したとしても、上記脈動の影響を排除して圧力測定が可能になるＬ_１区間を十分に確保することが可能となる。

エジェクタ３６による圧力損失ΔＰ及び圧力安定時間ｔ_１は、特定の条件毎に測定を繰り返し、特定条件下での圧力損失ΔＰ及び圧力安定時間ｔ_１をそれぞれ予めマップとして有するようにしてもよいし、また例えば、次のようなオリフィスモデルにより演算により求めるようにしてもよい。

すなわちインジェクタ３５及びエジェクタ３６は、いずれもオリフィスで構成され、インジェクタ３５はチョーク領域、エジェクタ３６はチョーク領域で使用する場合、インジェクタ３５を流れる水素ガス流量Ｑ_inj［NL/min］と、エジェクタ３６を流れる水素ガス流量Ｑ_eje［NL/min］はそれぞれ次の式［１］及び［２］で表される。これらの式中、Ｋ₁、Ｋ₂は、換算係数、Ｓ_injおよびＳ_ejeは、それぞれインジェクタ３５及びエジェクタ３６の有効断面積、Ｐ、Ｐ_１、Ｐ_２は、それぞれＦＣ入口圧力値、アノード側圧力センサ４３の実測値、インジェクタ上流側圧力センサ４１の実測値、Ｔは気体温度[Ｋ]である。

ここで、エジェクタ３６による圧力損失ΔＰは、インジェクタ３５の流量Ｑ_injと、エジェクタ３６の流量Ｑ_ejeが等しくなる場合として、上式[1]及び[2]において、Ｑ_inj=Ｑ_ejeとした場合のΔＰ（=Ｐ_１−Ｐ）として算出可能である。

また、圧力安定時間ｔ_１は、圧力センサ４１の変化量が所定の値以下の場合になる時間として、下記式[３]において、ｄＰ₁／ｄｔ≦Ｍ（Ｍは、所定値若しくは０）とおくことで算出可能である。式中、Ｖ_ejeは、エジェクタ３６の容積［L］である。言い換えれば、圧力安定時間ｔ_１は、エジェクタ３６の容積Ｖ_eje及びインジェクタ３５及びエジェクタ３６の有効断面積Ｓ_injおよびＳ_ejeから算出することができる。容積Ｖが小さくなるほど、圧力安定時間ｔ_１は小さくできるから、システムの設計においては、エジェクタ３６の容積を可能な限り小さくすることが好ましい。

Ｂ：燃料電池の負荷が小さい場合
上記の通り、図３（Ａ）の実線は、燃料電池１０の負荷が小さい場合の圧力センサ４３の実測値を示している。同図（Ａ）と（Ｂ）とを対照すれば明らかな通り、圧力センサ４３の実測値は、インジェクタ３５のオン／オフのタイミングにあわせて、脈動が生じている。この脈動は、エジェクタ３６による圧力損失の影響によるものである。

本実施の形態においては、図３（Ｃ）で示すように、制御装置４は、インジェクタ３５のオン／オフのタイミングにあわせて圧力センサ４３の圧力検出フラグをオン／オフさせる。そして、制御装置４は、圧力検出フラグがオンの時は、圧力センサ４３による圧力検出を許可し、圧力検出フラグがオフの時は、圧力センサ４３による圧力検出を禁止する。圧力検出が許可されるタイミングは、より具体的には、インジェクタ３５がオフにされている間であって、かつインジェクタ３５のオフから所定時間ｔ_２が経過した後である。逆に言えば、インジェクタ３５がオフにされてから所定時間ｔ_２が経過するまでと、インジェクタ３５がオンの間は、圧力検出は禁止される。ここで、所定時間ｔ_２は、インジェクタ３５のオフ後、インジェクタ３５−エジェクタ３６間の水素ガスの圧力が安定するまでに必要な時間（圧力安定時間）である。

圧力センサ４３は、図３（Ｃ）の圧力検出許可フラグがオンの間である、図３（Ａ）のＬ_２の区間内の少なくとも一部の時間を用いて圧力取得を行う。上記の通り、「一部の時間」は、圧力センサ４３の応答性等に起因して決定され、例えば、センサ応答性が１ｍｓで、４回の平均値を測定値とする場合は、４ｍｓである。

インジェクタ３５がオフの時は、エジェクタ３６による圧力損失は考慮する必要はないので、ＦＣ入口圧力推定にあたっては、制御装置４は、上記Ｌ_２区間の一部の区間における圧力センサ４３の実測値を、ＦＣ入口圧力値として推定する。このとき、図３（Ａ）のＬ_２の区間においては、同図に示されるように、検出圧力値は脈動しておらず安定しているから、Ｌ_２区間においてのみ圧力を測定することで、ＦＣ入口圧力推定における推定誤差を抑制することができる。

また、図３は燃料電池１０の負荷が小さい場合であるが、この場合は燃料電池１０からの要求水素ガス流量が小さくインジェクタ３５の開弁Ｄｕｔｙが低くなるから、圧力検出タイミングを、インジェクタ３５がオフにされている間であって、かつインジェクタ３５のオフから所定時間ｔ_２が経過した後に限定したとしても、上記脈動の影響を排除して圧力測定が可能になるＬ_２区間を十分に確保することが可能となる。

圧力安定時間ｔ_２は、条件毎に測定を繰り返し、特定条件下での圧力安定時間ｔ_２を予めマップとして有するようにしてもよいし、また例えば、インジェクタ３５のオフ直後のＰ_１圧力がＦＣ入口圧力と同等になるまでの時間として、上記［２］の式とインジェクタ３５−エジェクタ３６間の容積Ｖ及びエジェクタ３６の有効断面積Ｓ_ejeから算出することができる。

Ｃ：燃料電池の負荷の大小の判断
上記Ａ及びＢで説明したとおり、本実施の形態においては、圧力センサ４３における圧力取得タイミングを燃料電池１０への負荷が大きい場合と小さい場合とで、インジェクタ３５のオン／オフに関して逆転させている。これにより、燃料電池１０への負荷の大小にかかわらず圧力センサ４３が安定して圧力を取得できる区間（Ｌ_１またはＬ_２）が確保できるようになっている。

ここで、燃料電池１０の負荷が大きい場合とは、燃料電池１０への要求発電量が大きい場合であり、一方、燃料電池１０の負荷が小さい場合とは、要求発電量が小さい場合である。そして要求発電量が大きければ、インジェクタ３５の開弁Ｄｕｔｙが高くなり、要求発電量が小さくなれば、インジェクタ３５の開弁Ｄｕｔｙが低くなる。この意味で、本実施の形態において「燃料電池の負荷が大きい場合」とは、実質的には、「要求発電量が大きい場合」または「開弁Ｄｕｔｙが高い場合」と同視でき、また、「燃料電池の負荷が小さい場合」とは、「要求発電量が小さい場合」または「開弁Ｄｕｔｙが低い場合」と同視できる。

従って、制御装置４は、燃料電池１０に対する負荷の大小を判断するにあたって、燃料電池１０への要求発電量または開弁Ｄｕｔｙを用いることができる。例えば、制御装置４は、燃料電池１０への要求発電量が所定の値を超えた場合は、燃料電池１０の負荷が「大きい」と判断し、所定の値を超えない場合は、燃料電池１０の負荷が「小さい」と判断するようにすることができる。

尚、例えば、開弁Ｄｕｔｙが５０％である場合等、インジェクタ３５がオンの区間でもオフの区間でもいずれにせよ圧力センサ４３が安定して圧力を取得できる条件が存在する（逆にいえば、このような状態が存在するように、インジェクタ３５の駆動周期等を決定することが好ましい）。このような場合は、インジェクタ３５がオフの区間で圧力測定がなされるべく、「燃料電池の負荷が小さい場合」と判断するように、閾値を設定することが好ましい。なぜなら、インジェクタ３５がオフの区間のほうが、エジェクタ３６の圧力損失を考慮する必要がない分、インジェクタ３５がオンの区間で圧力測定するよりも誤差がすくないからである。

そして、インジェクタ３５がオフの区間で圧力測定をしたほうが好ましいことに鑑みれば、インジェクタ３５がオフの区間を極力長くするために（開弁Ｄｕｔｙを小さくするために）、インジェクタ３５をその許容される噴射周期の最大周期（許容噴射周期最大値）で駆動することが好ましい。

ここで、インジェクタ３５の許容噴射周期最大値は、次のようにして求めてもよい。すなわち、燃料電池１０のスタック容積に比べて、エジェクタ３６の容積が十分小さいから、インジェクタ３５の調圧制御におけるＦＣ調圧脈動幅Ｌは、次の式［４］で近似できる。式中、ｆはインジェクタ３５の振動数（従って、インジェクタ３５の噴射周期［s］は、1/fとなる）、Ｑ_ＦＣ、Ｑ_{inj_on}、はそれぞれ、燃料電池１０に流入する水素ガス流量［NL/min］、インジェクタ３５のオン時の最大流量、Ｖ_ＦＣ、Ｔ_ＦＣは、燃料電池１０のスタック容積[L]及び温度（Ｋ）である。

そして、インジェクタ３５の許容噴射周期最大値（1/f）_maxは、同式[４]において、Ｌ≦Ｌ_maxとおくことで、算出可能である。尚、Ｌ_maxは、インジェクタ３５の調圧制御におけるＦＣ調圧脈動幅の許容値である。

（変形例）
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。

例えば、本実施の形態においては、制御装置４は、圧力検出フラグがオフの時は、圧力センサ４３による圧力検出を禁止する例を示したが、これに限られず、例えば、圧力検出フラグがオフのときは、圧力センサ４３による圧力検出を行っても、ＦＣ入口圧力推定の基礎として用いないようにすることも可能である。すなわち、圧力センサ４３による圧力検出は一定周期で行いつつも、ＦＣ入口圧力推定の際には、圧力検出フラグがオフの際に取得された実測値は用いないようにする等でもかまわない。

また、本実施の形態における燃料電池システム１の構成も適宜変更可能であることはいうまでもない。例えば、本発明における噴射装置としてインジェクタ３５を採用した例を示したが、上流側のガス状態を調整して下流側に噴射する弁装置であればよく、インジェクタ３５に限られるものではない。また例えば、循環流路３２についても、例えば、気液分離器３７とエジェクタ３６との間に循環ポンプをさらに設けてもよいし、また、合流装置として、エジェクタ３６を採用した例を示したが、循環流路から燃料オフガスを供給させ、噴射装置の噴射により合流装置の上流側に何らかの圧力損失を生じせしめるものであれば、これに限られるものではない。

１……燃料電池システム、２……酸化ガス配管系、３……水素ガス配管系、４……制御装置、１０……燃料電池、１１……ＰＣＵ、１２……トランクションモータ、１３……電流センサ、２０……加湿器、２１……酸化ガス供給流路、２２……酸化ガス排出流路、２３……酸化オフガス排気流路、２４……コンプレッサ、２５……カソード側圧力センサ、２６……背圧弁、２７……ステップモータ、３０……水素タンク、３１……水素供給流路（供給流路）、３２……循環流路、３３……遮断弁、３４……レギュレータ、３５……インジェクタ（噴射装置）、３６……エジェクタ（合流装置）、３７……気液分離器、３８……排気排水弁、３９……排気排水流路、４０……希釈器、４１……インジェクタ上流側圧力センサ、４２……温度センサ、４３……アノード側圧力センサ

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、
前記燃料電池から排出される反応オフガスを前記供給流路に戻す循環流路と、
前記供給流路に設けられ前記反応ガスを下流側に噴射する噴射装置と、
前記供給流路と前記循環流路との接続部に設けられ、前記噴射された反応ガスに前記反応オフガスを合流させて下流側に流す合流装置と、
前記噴射装置と前記合流装置との間に設けられた圧力センサと、を備え、
前記圧力センサにおける前記反応ガス圧の検出タイミングを、前記燃料電池の負荷状態及び前記噴射装置の噴射タイミングに応じて変更する燃料電池システム。
前記圧力センサは、前記燃料電池の負荷が大きい場合は前記反応ガスの噴射時のみに圧力検出を行い、前記燃料電池の負荷が小さい場合は前記反応ガスの非噴射時のみに圧力検出を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
前記圧力センサは、前記反応ガスの噴射開始又は停止後所定時間は圧力検出を行わない請求項２に記載の燃料電池システム。
前記噴射装置は、インジェクタであり、前記合流装置はエジェクタである請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システム。