JP2016103464A

JP2016103464A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2016103464A
Application number: JP2015174965A
Authority: JP
Inventors: 山本　和男; Kazuo Yamamoto; 和男山本; 今西　啓之; Hiroyuki Imanishi; 啓之今西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: KR20160056808A; KR101846628B1; JP6222191B2

Abstract

【課題】燃料電池の広い負荷領域において燃料ガスの排気量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システムの制御部は、負荷電流値が基準値以下の場合には、圧力の低下率から算出した燃料ガスの消失量と前記負荷電流値から算出した燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池から排出される燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、気液分離器に接続され気液分離器内の貯留水とともに燃料ガスを外部に排出する排出弁と、を備えた燃料電池システムが知られている。例えば特許文献１では、排出弁の開弁による燃料ガスの排気量を推定する技術が開示されている。

特開２００５−３０２７０８号公報

燃料ガスの排気量を推定するために、例えば排出弁が開弁している期間で排出弁の上流側と下流側との差圧に基づいて推定することが考えられる。しかしながら本発明者らは、上記方法により燃料ガスの排気量を推定した場合、燃料電池の負荷状態によっては、推定された排気量と実際の排気量との誤差が大きくなる場合があることを発見した。

そこで、燃料電池の広い負荷領域において燃料ガスの排気量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、前記排出流路に設けられた排出弁と、前記燃料電池の負荷電流値を検出する電流検出部と、前記供給流路内の圧力を検出する圧力検出部と、前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出弁よりも上流側の前記排出流路内の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記負荷電流値が基準値以下の場合には、前記排出弁の開弁期間での前記供給流路内の圧力の低下率から算出した前記燃料ガスの消失量と前記開弁期間での前記負荷電流値から算出した前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、前記開弁期間での前記差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、燃料電池システムによって達成できる。

前記制御部は、前記負荷電流値が前記基準値以下の場合には、前記燃料ガスの消失量から前記燃料ガスの消費量を減算した値に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、構成であってもよい。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、前記排出流路に設けられた排出弁と、前記燃料電池の負荷電流値を検出する電流検出部と、前記循環流路内及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出流路内の前記排出弁よりも上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記負荷電流値が基準値以下の場合には、前記排出弁の開弁期間での前記循環流路内及び前記気液分離器内の何れかの圧力の低下率から算出した前記燃料ガスの消失量と前記開弁期間での前記負荷電流値から算出した前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、前記開弁期間での前記差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、燃料電池システムによっても達成できる。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第１の排出流路と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路と、前記第２の排出流路に設けられた排出弁と、前記燃料電池の負荷電流値を検出する電流検出部と、前記供給流路内、前記第１の排出流路内、及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、前記供給流路、前記第１の排出流路、前記気液分離器、又は前記第２の排出流路内の前記排出弁よりも上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記負荷電流値が基準値以下の場合には、前記排出弁の開弁期間での前記供給流路内、前記第１の排出流路内、及び前記気液分離器内の何れかの圧力の低下率から算出した前記燃料ガスの消失量と前記開弁期間での前記負荷電流値から算出した前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、前記開弁期間での前記差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、燃料電池システムによっても達成できる。

燃料電池の広い負荷領域において燃料ガスの排気量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供できる。

燃料電池システムの概略構成図である。排出弁の作動と、供給流路内の圧力の変化と、循環流路内の圧力と排出弁よりも下流側の排出流路内の圧力との差圧の変化とを示したタイミングチャートである。ＥＣＵにより実行される排出弁の開閉制御のフローチャートである。推定方法Ａ、Ｂのそれぞれにより推定された排気量が目標排気量に一致するように制御した場合での、実際の排気量を示した実験結果のグラフである。推定方法Ａによる排気量推定制御のフローチャートである。圧力低下率と単位時間当たりの燃料ガス消失量との関係を規定したマップである。負荷電流値と単位時間当たりでの燃料ガス消費量との関係を規定したマップである。積算燃料ガス消失量Ｑ１と、積算燃料ガス消費量Ｑ２と、燃料ガスの推定排気量Ｑとの関係を示した図である。推定方法Ｂによる排気量推定制御のフローチャートである。差圧ΔＰｂと排水流量との関係を規定したマップである。差圧ΔＰｂと排気流量との関係を規定したマップである。第１変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。第２変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本実施例の燃料電池システム１（以下、システムと称する）について説明する。システム１は、例えば車両に搭載される車両用のシステムに適用することができる。ただし、他の用途のシステムへ適用してもよい。図１は、システム１の概略構成図である。システム１は、電力供給手段として燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体高分子電解質膜等の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。

タンク３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給する燃料供給源である。供給流路４は、燃料電池２のアノード入口に接続され、タンク３から供給された燃料ガスを燃料電池２に流す。供給流路４には調圧バルブ６が配置されており、タンク３から供給される燃料ガスは調圧バルブ６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。また、供給流路４における調圧バルブ６の下流側にはインジェクタ１０が配置されている。インジェクタ１０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１０や調圧バルブ６は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０によって制御される。

燃料電池２のアノード出口には燃料電池２から排出された燃料ガス（燃料オフガス）を供給流路４に流す循環流路８が接続されている。具体的には、循環流路８の下流端は供給流路４に接続されている。また、循環流路８には、燃料電池２から排出された燃料ガスを加圧して供給流路４へ送るための循環ポンプ９が設置されている。これにより、本燃料電池システムでは、燃料電池２の運転時には燃料ガスは供給流路４と循環流路８を通って循環する。

循環流路８の途中には気液分離器１２が配置され、燃料ガスから水分を分離し、分離した水を貯留する貯留槽１２ａを有している。システム１では、燃料電池２の発電によって生成された水がカソード側から電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。アノード側に移動した水は燃料ガスとともに循環流路８に排出され、気液分離器１２において回収される。

気液分離器１２の貯留槽１２ａの底部には、気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する排出流路１４が接続されている。排出流路１４の下流端は外気に晒されている。排出流路１４には排出弁１６が配置されている。排出弁１６は通常は閉じており、ＥＣＵ２０によって必要に応じて開かれる。排出弁１６としては、シャットオフバルブや流量調整バルブなど排出状態を制御することが可能なバルブであればよい。本実施形態では、排出弁１６はシャットオフバルブである。貯留槽１２ａから貯留水があふれる前に排出弁１６が開いて排水することにより、液水が循環経路８、供給経路４を介して燃料電池２に供給されることを防止できる。

供給流路４には、インジェクタ１０よりも下流側に供給流路４内の圧力を検出する圧力センサ２１が設けられている。圧力センサ２１は主に燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力を検出する。循環流路８には、気液分離器１２よりも上流側に循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられている。圧力センサ２２は、主に燃料電池２から排出される燃料ガスの圧力を検出し、排出弁１６よりも上流側の圧力を検出できる。排出流路１４には、排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサ２３が設けられ、排出弁１６よりも下流側の圧力を検出できる。圧力センサ２３の検出値は略大気圧を示す。圧力センサ２１〜２３はＥＣＵ２０の入力側に接続され、検出した圧力に応じた信号をＥＣＵ２０に入力している。圧力センサ２１は、供給流路４内の圧力を検出する圧力検出部の一例である。圧力センサ２２、２３は、供給流路４、循環流路８、気液分離器１２、又は排出弁１６よりも上流側の排出流路１４内の圧力と、排出弁１６よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部の一例である。

燃料電池２には負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の電気的特性を測定するための装置であり、例えば、電気化学系汎用ポテンシオガルバノスタットを含んで構成することができる。負荷装置３０は、配線によって燃料電池２のアノード側セパレータとカソード側セパレータに電気的に接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の発電時に燃料電池２を流れる負荷電流と、燃料電池２の負荷電圧（セル電圧）を測定できる。負荷装置３０は負荷電流値を検出する電流検出部の一例である。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。ＥＣＵ２０は、システム１の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、ＥＣＵ２０は、詳しくは後述する燃料ガスの排気量を推定する制御を実行する制御部の一例である。

尚、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための流路が接続され、カソード出口には酸化オフガスを排出するための流路が接続されているが、図１では省略している。

上述したように排出弁１６を開弁することにより気液分離器１２内の貯留水を外部へと排出できる。この際に、貯留水と共に燃料ガスの一部が外部へと排出される。ここで、排出弁１６から排出される燃料ガスの実際の排気量が目標排気量となるように制御することが求められる。実際の排気量が目標排気量に対して多すぎると、燃料ガスを無駄に消費することになり燃費が悪化する恐れがあるからである。逆に実際の排気量が目標排気量に対して少なすぎると、例えば実際の排気量がゼロであると、貯留水を完全に排出できていない恐れがあるからである。そこで、本システム１では、排出弁１６の開弁中に排出される燃料ガスの排気量を後述する方法により推定し、推定した排気量が目標排気量に至った場合に排出弁１６を閉じる。

次に、排出弁１６の作動による圧力の変化等を説明する。図２は、排出弁１６の作動と、供給流路４内の圧力の変化と、循環流路８内の圧力と排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力との差圧の変化とを示したタイミングチャートである。尚、図２は、インジェクタ１０からの燃料ガスの供給は行われていない状態でのタイミングチャートである。上述したように供給流路４内の圧力は、圧力センサ２１により検出される。循環流路８内の圧力と排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力との差圧（以下、単に差圧と称する）は、圧力センサ２２、２３からの出力値に基づいて検出される。図２では、時点ｔ０で排出弁１６が閉じており、時点ｔ１で排出弁１６が開き、時点ｔ１〜ｔ２間で気液分離器１２内の貯留水の排出が完了し、時点ｔ２〜ｔ３間で燃料ガスが排出される。

図２に示すように、排出弁１６が開く前から供給流路４内の圧力は僅かに低下しており、排出弁１６が開いた直後は供給流路４内の圧力はすぐには変化せず、排出弁１６の開弁から暫くして圧力が大きく低下する。排出弁１６が開く前から貯留水の排水が完了する時点ｔ０〜ｔ２間での供給流路４内の圧力低下は、燃料電池２の発電によって燃料ガスが消費されたことに起因している。同様の理由により、時点ｔ０〜ｔ２間での差圧も低下する。また、時点ｔ１〜ｔ２間での供給流路４内の圧力が、時点ｔ０〜ｔ１間での供給流路４内の圧力と略変化しない理由は、時点ｔ１〜ｔ２間では貯留水の排水は行われているが燃料ガスの排気は行われていないためである。

排水が完了して気液分離器１２及び排出流路１４が大気に連通すると、排出流路１４を通って燃料ガスが排気されていく。これにより、時点ｔ２〜ｔ３間で供給流路４内の圧力、及び差圧は低下する。燃料ガスが排気されることにより、循環流路８と連通している供給流路４内の圧力も低下するからである。従って、時点ｔ２〜ｔ３間での供給流路４内の圧力の低下は、上述した燃料電池２の発電による燃料ガスの消費量と、燃料ガスの排気量とに起因している。また、時点ｔ２〜ｔ３間で差圧が低下する理由は、燃料ガスが排気されることにより圧力センサ２２によって検出される循環流路８内の圧力が低下するのに対し、圧力センサ２３によって検出される大気圧は略変化しないためである。また、後述する推定方法によって推定された排気量が目標排気量に到達したと判断された場合には、排出弁１６は閉じられる。

図３は、ＥＣＵ２０により実行される排出弁１６の開閉制御のフローチャートである。ＥＣＵ２０は、システム１が運転中か否を判定する（ステップ１）。貯留水の排水処理はシステムの運転中に実施するからである。システム１の運転中の場合にはＥＣＵ２０はステップ１以降の処理が実行され、システム１の運転中ではない場合には、本制御は終了する。

次にＥＣＵ２０は、排出弁１６の開弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ２）。排出弁１６の開弁条件とは、例えば、前回の排出弁１６の開弁からの経過時間が所定時間に達した場合等であるがこれに限定されない。開弁条件が成立していない場合には、本制御は終了する。排出弁１６の開弁条件が成立すると、ＥＣＵ２０は負荷装置３０により検出された燃料電池２の負荷電流値が基準値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３）。基準値については詳しくは後述する。負荷電流値が基準値以下の場合、ＥＣＵ２０は排出弁１６を開き（ステップＳ４ａ）、排出弁１６の開弁による燃料ガスの排気量を推定するための推定方法Ａを実行する（ステップＳ５ａ）。ＥＣＵ２０は、推定された排気量が目標排気量以上となったか否かを判定し（ステップＳ６ａ）、推定された排気量が目標排気量以上となるまで排気量の推定を継続する。推定された排気量が目標排気量以上となった場合には、ＥＣＵ２０は排出弁１６を閉じて（ステップＳ７）、本制御を終了する。尚、目標排気量は予め設定された固定値でもよいし、システム１の運転状態に応じて設定されるものであってもよい。

一方、ステップＳ３で否定判定の場合、即ち、負荷電流値が基準値を超えている場合には、ＥＣＵ２０は、排出弁１６を開き（ステップＳ４ｂ）、排出弁１６の開弁による燃料ガスの排気量を推定するための推定方法Ｂを実行する（ステップＳ５ｂ）。ＥＣＵ２０は、推定された排気量が目標排気量以上となったか否かを判定し（ステップＳ６ｂ）、推定された排気量が目標排気量以上となるまで排気量の推定を継続する。推定された排気量が目標排気量以上となった場合には、ＥＣＵ２０は排出弁１６を閉じて（ステップＳ７）、本制御を終了する。以上の制御により、気液分離器１２内の貯留水は排水され、燃料ガスも所望の量だけ排気される。

次に、推定方法Ａ、Ｂを負荷電流値に応じて切り替える理由について説明する。図４は、推定方法Ａ、Ｂのそれぞれにより推定された排気量が目標排気量に一致するように制御した場合での、実際の排気量を示した実験結果のグラフである。グラフの縦軸は排気量を示し、横軸は負荷電流値を示している。線分ＣＡ、ＣＢは、目標排気量を一定として負荷電流値が異なっている条件下で、推定方法Ａ、Ｂにより排気量を推定した場合での実際の排気量を示している。従って図４は、推定された排気量と実際の排気量との誤差の程度を示している。

線分ＣＡが示すように、負荷電流値が低い領域では目標排気量、即ち推定された排気量と実際の排気量との誤差は小さいが、負荷電流値が高い領域では誤差が大きい。これに対して線分ＣＢが示すように、負荷電流値が低い領域で誤差は大きいが、負荷電流値が高い領域で誤差は小さい。本システム１では、線分ＣＡ、ＣＢの交点付近での負荷電流値を基準値として採用している。これにより、上述したように、基準値よりも負荷電流値が低い領域で誤差の少ない推定方法Ａを用いて排気量を推定し、基準値よりも負荷電流値が高い領域で誤差の少ない推定方法Ｂを用いて排気量を推定する。

次に、推定方法Ａについて図２、５を参照して説明する。図５は、推定方法Ａによる排気量推定制御のフローチャートである。推定方法Ａでは、排出弁１６が開いている開弁期間での供給流路４内の圧力の低下率から算出した燃料ガスの消失量と開弁期間での燃料電池２の負荷電流値から算出した燃料電池の発電による燃料ガスの消費量とに基づいて燃料ガスの排気量を推定する。

ＥＣＵ２０は、排出弁１６が開いた時点ｔ１からの供給流路４内の圧力低下率ΔＰａから積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する（ステップＳ１１）。図６は、圧力低下率ΔＰａと単位時間当たりの燃料ガス消失量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０はこのマップに基づいて、圧力低下率ΔＰａでの単位時間当たりでの燃料ガス消失量を算出して、時点ｔ１から現在までの時間積分をして、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する。尚、単位時間当たりの燃料ガス消失量は、圧力低下率ΔＰａを用いた計算式により算出してもよい。また、ＥＣＵ２０は、圧力センサ２１により検出された前回の圧力値から今回の圧力値を減算した値を圧力低下率ΔＰとして算出する。

次に、ＥＣＵ２０は、負荷電流値から燃料電池２の発電に起因する積算燃料ガス消費量Ｑ２を算出する（ステップＳ１２）。図７は、負荷電流値と単位時間当たりでの燃料ガス消費量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０はこのマップに基づいて、負荷電流値に対応した単位時間当たりの燃料ガス消費量を算出して、時点ｔ１から現在時点までの時間積分を算出して、積算燃料ガス消費量Ｑ２を算出する。尚、図６、７のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。尚、単位時間当たりの燃料ガス消費量は、負荷電流値を用いた計算式により算出してもよい。

ここで、上述した積算燃料ガス消費量Ｑ２は、燃料電池２の発電によって消費された燃料ガスの全体量を示す。積算燃料ガス消失量Ｑ１は、理由の如何を問わずに供給経路４や循環経路８及び燃料電池２内からの消失した燃料ガスの全体量を示す。従って、積算燃料ガス消失量Ｑ１は、積算燃料ガス消費量Ｑ２と排出弁１６の開弁による燃料ガスの排気量Ｑとを含む。図８は、積算燃料ガス消失量Ｑ１と、積算燃料ガス消費量Ｑ２と、燃料ガスの推定排気量Ｑとの関係を示した図である。尚、貯留水の排水が完了していない場合には、積算燃料ガス消失量Ｑ１と発電によって消費された積算燃料ガス消費量Ｑ２は略同じ値となるため、燃料ガスの排気量Ｑは略ゼロとなる。

次に、ＥＣＵ２０は、積算燃料ガス消失量Ｑ１から積算燃料ガス消費量Ｑ２を減算して得られる排気量Ｑを推定された排気量として算出する（ステップＳ１３）。上記ステップＳ１１〜Ｓ１３は、図３に示したように推定された排気量が目標排気量に到達するまで繰り返し行われ（ステップＳ６ａでＮｏ）、推定された排気量が目標排気量に到達すると（ステップＳ６ａでＹｅｓ）、排出弁１６が閉じられる（ステップＳ７）。以上のようにして、排気量が推定される。尚、積算燃料ガス消失量Ｑ１から積算燃料ガス消費量Ｑ２を減算して得られる値に補正係数などを乗算した値を推定された排気量として算出してもよい。

次に、図４で示したように、推定方法Ａに関して負荷電流が高い領域で誤差が大きくなる理由について説明する。推定方法Ａでは、燃料電池２の負荷電流が大きい場合、換言すれば燃料電池２の発電による燃料ガスの消費量が大きい場合、図２に示した時点ｔ１〜ｔ２間での供給流路４内の圧力の低下率が大きくなる。換言すれば、供給流路４内の圧力を示す線分が急勾配になる。このため、発電に起因する供給流路４内の圧力低下率と燃料ガスの排気による供給流路４内の圧力低下率とが略一致する恐れがある。この場合、上記方法で算出された積算燃料ガス消失量Ｑ１と積算燃料ガス消費量Ｑ２とが略一致して、実際の排気量よりも排気量Ｑが少なく算出される恐れがある。これにより、目標排気量よりも実際の排気量が多くなってから排出弁１６が閉じられる恐れがある。このような原因により、負荷電流値が高い領域で推定方法Ａでの誤差が大きくなると考えられる。

次に、推定方法Ｂについて図２、９を参照して説明する。図９は、推定方法Ｂによる排気量推定制御のフローチャートである。推定方法Ｂでは、排出弁１６の開弁期間での差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する。

ＥＣＵ２０は、排出弁１６が開く直前の気液分離器１２内の貯留量を算出する（ステップＳ２１）。具体的には、ＥＣＵ２０は、前回排水が行われてからの燃料電池２の発電量に応じて生成された生成水量を、燃料電池２の負荷電流等と生成水量とが対応付けされた関係式やマップ等を用いて、気液分離器１２内の貯水量を算出する。燃料電池２の発電量は負荷電流から算出される。次にＥＣＵ２０は、循環流路８内の圧力と排出弁１６の下流側の圧力との差圧ΔＰｂから、排出弁１６が開弁してからの排水量を推定する（ステップＳ２２）。図１０は、差圧ΔＰｂと排水流量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０は、このマップに基づいて、差圧ΔＰｂに対応した排水流量を算出して、排出弁１６が開いた時点ｔ１から現在時点までの時間積分を算出して、排水量を推定する。尚、図１０のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。図１０のマップは、差圧ΔＰｂが大きいほど、即ち、排出弁１６の下流側の圧力に対して循環流路８内の圧力が大きいほど、単位時間当たりの排水量が多いことを示している。差圧ΔＰｂが大きいほど、外部への排水が促進されるからである。

次にＥＣＵ２０は、推定された排水量が算出された貯水量以上となったか否かを判定する（ステップＳ２３）。ＥＣＵ２０は、推定された排水量が貯水量以上となるまで、排水量の推定を継続する。

推定された排水量が貯水量に到達すると、排水が完了したものと判断され、ＥＣＵ２０は排出弁１６の上流側及び下流側の差圧ΔＰｂから、排気量を推定する（ステップＳ２４）。図１１は、差圧ΔＰｂと排気流量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０は、このマップに基づいて、差圧ΔＰｂに対応した燃料ガスの排気量を算出して、貯留水の排水が完了した時点ｔ２から現在時点までの時間積分を算出して、排気量Ｑを算出する。尚、図１１のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。図１１のマップは、図１０のマップと同様に、差圧ΔＰｂが大きいほど、単位時間当たりの排気流量が多いことを示している。差圧ΔＰｂが大きいほど、外部への排気が促進されるからである。尚、図１０、１１のマップを用いずに、差圧ΔＰｂを用いた計算式により排水量及び排気量を推定してもよい。

上記ステップＳ２１〜Ｓ２４は、図３に示したように推定された排気量が目標排気量に到達するまで繰り返し行われ（ステップＳ６ｂでＮｏ）、推定された排気量が目標排気量に到達すると（ステップＳ６ｂでＹｅｓ）、排出弁１６が閉じられる（ステップＳ７）。以上のようにして、排気量が推定される。

図４で示したように負荷電流値が低い領域では、何らかの原因により推定方法Ｂの誤差が推定方法Ａの誤差よりも大きくなっている。考えられる可能性としては以下の理由がある。負荷電流値が低い領域では高い領域よりも循環流路８内の圧力は低くなり、循環流路８内の圧力と排出弁１６の下流側の圧力との差圧も小さくなる。このように差圧が小さくなると、圧力センサ２２、２３の検出誤差によって、検出された差圧ΔＰｂが実際の差圧よりも小さくなる恐れがある。このため、実際の排気流量よりも少ない排気流量が算出され、結果的に実際の排気量よりも少ない排気量が推定される。この結果、推定された排気量よりも実際の排気量が多く排出される可能性がある。

また、その他に以下のような理由が考えられる。負荷電流値が低い領域では発電による生成水量も少ないため、気液分離器１２内の実際の貯水量よりもステップＳ２１で算出された貯水量が多く算出される恐れがある。このため、実際には排水が完了しているにもかかわらず排水中と判断されて、排出弁１６の閉じるタイミングが本来のタイミングよりも遅れるものと考えられる。この結果、目標排気量よりも実際の排気量が大きくなる可能性がある。

以上のように本システム１のＥＣＵ２０は、基準値よりも負荷電流値が低い領域で誤差の少ない推定方法Ａにより排気量を推定し、基準値よりも負荷電流値が高い領域で誤差の少ない推定方法Ｂにより排気量を推定する。これにより、燃料電池２の広い負荷領域において燃料ガスの排気量の推定精度の低下が抑制されている。

また、上記実施例では推定方法Ｂにおいて、循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２に基づいて差圧ΔＰｂを検出したがこれに限定されない。例えば、圧力センサ２２の代わりに、供給流路４、気液分離器１２、又は排出弁１６よりも上流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサの検出値を用いてもよい。

また、排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサ２３に基づいて差圧ΔＰｂを検出したがこれに限定されない。例えば、圧力センサ２３の代わりに排出流路１４以外の場所に設けられて大気圧を検出可能な位置に設けられた圧力センサを用いてもよい。排出弁１６の開弁によって排気は大気へ排出されるため、このような圧力センサであっても排出弁１６の下流側の圧力を検出していることになる。

上記実施例では、圧力センサ２１からの検出値に基づいて供給流路４内の圧力低下率ΔＰを取得して、圧力低下率ΔＰから積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出したがこれに限定されない。例えば、ＥＣＵ２０は、循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２からの検出値に基づいて循環流路８内の圧力低下率を取得して、循環流路８内の圧力低下率から積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよい。燃料電池２の発電によって燃料ガスが消費されることにより循環流路８内の圧力も低下し、また排出弁１６が開くことによって循環流路８内の圧力も低下するからである。この場合、圧力センサ２２は、循環流路８内の圧力を検出する圧力検出部の一例である。尚、圧力センサ２２は、気液分離器１２よりも上流側の循環流路８に設けられていてもよいし、気液分離器１２よりも下流側の循環流路８に設けられていてもよい。

次に、システムの変形例について説明する。図１２は、第１変形例に係るシステム１ａの概略構成図である。尚、上述したシステム１と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。システム１ａでは、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力センサ２４が設けられている。圧力センサ２４は、気液分離器１２内の貯留水が被らないように高い位置に設けられている。システム１ａでは、ＥＣＵ２０は、圧力センサ２４からの検出値に基づいて気液分離器１２内の圧力低下率を取得して、気液分離器１２内の圧力低下率から積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する。燃料電池２の発電によって燃料ガスが消費されることにより気液分離器１２内の圧力も低下し、また排出弁１６が開くことによって気液分離器１２内の圧力も低下するからである。この場合、圧力センサ２４は、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力検出部の一例である。

図１３は、第２変形例に係るシステム１ｂの概略構成図である。システム１ｂは、システム１、１ａと異なりアノード非循環型であり、循環流路８及び循環ポンプ９は設けられておらず、燃料電池２から排出された燃料ガスが再び供給流路４及び燃料電池２に戻されることはない。また、システム１ｂは、燃料電池２から排出された燃料ガスを気液分離器１２に供給する第１の排出流路１４ａと、気液分離器１２に接続され気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路１４ｂとを備えている。排出弁１６は、第２の排出流路１４ｂに配置されている。従って、燃料電池２から排出された燃料ガスは、排出弁１６が開くことにより外部へと排出される。圧力センサ２２は、第１の排出流路１４ａに設けられて第１の排出流路１４ａ内の圧力を検出する。圧力センサ２３は、第２の排出流路１４ｂに設けられ、排出弁１６よりも下流側での第２の排出流路１４ｂ内の圧力を検出する。

システム１ｂも、システム１、１ａと同様に、積算燃料ガス消失量Ｑ１から積算燃料ガス消費量Ｑ２を減算して得られる排気量Ｑを推定された排気量として算出できる。また、ＥＣＵ２０は、圧力センサ２１からの検出値に基づいて供給流路４内の圧力低下率ΔＰを取得して、圧力低下率ΔＰから積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよいし、圧力センサ２２からの検出値に基づいて第１の排出流路１４ａ内の圧力低下率を取得して、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよい。また、ＥＣＵ２０は、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力センサ２４からの検出値に基づいて気液分離器１２内の圧力低下率を取得して、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよい。圧力センサ２１、２２、２４は、それぞれ、供給流路４内、第１の排出流路１４ａ内、及び気液分離器１２内の何れかの圧力を検出する圧力検出部の一例である。

システム１ｂについては、ＥＣＵ２０は、第１の排出流路１４ａ内の圧力を検出する圧力センサ２２の検出値に基づいて差圧ΔＰｂを検出するが、これに限定されない。例えば、ＥＣＵ２０は、供給流路４内の圧力を検出する圧力センサ２１の検出値、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力センサ２４の検出値又は、第２の排出流路１４ｂ内の排出弁１６よりも上流側の圧力を検出する圧力センサの検出値に基づいて、差圧ΔＰｂを検出してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１燃料電池システム
２燃料電池
３タンク（燃料供給源）
４供給流路
８循環流路
１２気液分離器
１６排出弁
２０ＥＣＵ（制御部）
２１圧力センサ（圧力検出部）
２２、２３圧力センサ（差圧検出部）
３０負荷装置（電流検出部）

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
前記排出流路に設けられた排出弁と、
前記燃料電池の負荷電流値を検出する電流検出部と、
前記供給流路内の圧力を検出する圧力検出部と、
前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出弁よりも上流側の前記排出流路内の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記負荷電流値が基準値以下の場合には、前記排出弁の開弁期間での前記供給流路内の圧力の低下率から算出した前記燃料ガスの消失量と前記開弁期間での前記負荷電流値から算出した前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、前記開弁期間での前記差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、燃料電池システム。
前記制御部は、前記負荷電流値が前記基準値以下の場合には、前記燃料ガスの消失量から前記燃料ガスの消費量を減算した値に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、請求項１の燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
前記排出流路に設けられた排出弁と、
前記燃料電池の負荷電流値を検出する電流検出部と、
前記循環流路内及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、
前記供給流路、前記循環流路、前記気液分離器、又は前記排出流路内の前記排出弁よりも上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記負荷電流値が基準値以下の場合には、前記排出弁の開弁期間での前記循環流路内及び前記気液分離器内の何れかの圧力の低下率から算出した前記燃料ガスの消失量と前記開弁期間での前記負荷電流値から算出した前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、前記開弁期間での前記差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、燃料電池システム。
燃料電池と、
前記燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給源と、
前記燃料供給源から供給された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第１の排出流路と、
前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路と、
前記第２の排出流路に設けられた排出弁と、
前記燃料電池の負荷電流値を検出する電流検出部と、
前記供給流路内、前記第１の排出流路内、及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、
前記供給流路、前記第１の排出流路、前記気液分離器、又は前記第２の排出流路内の前記排出弁よりも上流側の圧力と、前記排出弁よりも下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
前記排出弁の開弁により排出される前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記負荷電流値が基準値以下の場合には、前記排出弁の開弁期間での前記供給流路内、前記第１の排出流路内、及び前記気液分離器内の何れかの圧力の低下率から算出した前記燃料ガスの消失量と前記開弁期間での前記負荷電流値から算出した前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて前記燃料ガスの排気量を推定し、前記負荷電流値が前記基準値を超えている場合には、前記開弁期間での前記差圧に基づいて前記燃料ガスの排気量を推定する、燃料電池システム。