JP4501351B2

JP4501351B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4501351B2
Application number: JP2003089275A
Authority: JP
Inventors: 俊哉大澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004296350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気と水素とを基に発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池の水素極に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。固体高分子タイプの燃料電池では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
ところで、以上のような固体高分子タイプの燃料電池では、空気極側と水素極側とを薄い膜状の物質（固体高分子膜）により仕切っており、この膜状物質の耐久性確保のため、燃料電池の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を小さく設定することが要求される。そこで、燃料電池の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を制御する方法が種々提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００５】
特許文献１には、燃料電池に水素を供給する水素供給系の燃料電池入口部圧力（水素極入口圧力）を検出する圧力検出器と、燃料電池に空気を供給する空気供給系の燃料電池本体入口部圧力（空気極入口圧力）を検出する圧力検出器とを設け、これらの圧力検出器により検出された系内圧力を設定圧力と比較して各制御弁等に制御信号を出力する制御装置を設けることにより、燃料電池入口の空気極、水素極の極間差圧を適正にする技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３０２４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の技術において用いられている圧力検出器は、一般的に外部からのノイズや、温度変化・経時変化等が原因となって、検出される信号に誤信号成分を含む可能性がある。このため、特許文献１に記載されるように、圧力検出器により検出された信号（系内圧力）に基いて各制御弁等に制御信号を出力する構成においては、圧力検出器により検出された信号が誤信号成分を含んだ場合、各制御弁等に正しい制御信号が出力されず、燃料電池入口の空気極、水素極の極間差圧を適正にすることが困難となり、燃料電池の耐久性が低下するという問題が生ずる。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の有する問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を制御する際の信頼性を向上させ、燃料電池の耐久性を確保し得る燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、空気極及び水素極を有し、供給される空気と水素とを基に発電する燃料電池と、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段と、燃料電池の空気極出口下流に設けられて燃料電池の空気極出口から排出された空気が通過する通路を有する第１の圧力制御手段と、燃料電池の水素極入口上流に設けられて前記燃料電池の水素極入口に供給される水素が通過する通路を有する第２の圧力制御手段とを備える。
【００１０】
第１の圧力制御手段は、燃料電池の空気極入口圧力と当該空気極入口圧力よりも小さい空気極出口圧力とが導入され、当該空気極入口圧力の空気極出口圧力に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくし、燃料電池の空気極入口圧力を略一定に制御するものである。また、第２の圧力制御手段は、燃料電池の空気極入口圧力と当該空気極入口圧力よりも小さい水素極入口圧力とが導入され、当該空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくし、燃料電池の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内に制御するものである。そして、第２の圧力制御手段は、電気信号に基づき通路の開度を変更可能な開度調整機構を有している。
【００１１】
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、空気極及び水素極を有し、供給される空気と水素とを基に発電する燃料電池と、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段と、燃料電池の空気極出口下流に設けられて前記燃料電池の空気極出口から排出された空気が通過する通路を有する第３の圧力制御手段と、燃料電池の水素極入口上流に設けられて前記燃料電池の水素極入口に供給される水素が通過する通路を有する第４の圧力制御手段とを備える。
【００１２】
第３の圧力制御手段は、燃料電池の空気極入口圧力と当該空気極入口圧力よりも小さい空気極出口圧力と前記空気極入口圧力よりも小さい水素極入口圧力とが導入され、当該空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくし、且つ空気極入口圧力の空気極出口圧力に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくし、燃料電池の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内に制御するものである。また、第４の圧力制御手段は、燃料電池の水素極入口圧力が導入され、当該水素極入口圧力が大きいほど通路の開度を小さくし、燃料電池の水素極入口圧力を略一定に制御するものである。そして、第３の圧力制御手段及び第４の圧力制御手段の少なくとも一方は、電気信号に基づき通路の開度を変更可能な開度調整機構を有している。
【００１３】
以上のような本発明に係る燃料電池システムでは、外部からのノイズや、温度変化・経時変化等の影響を受けやすい圧力検出器を用いることなく、燃料電池の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧の制御が実現されることになる。また、第２の圧力制御手段や第３の圧力制御手段、第４の圧力制御手段が電気信号に基づき通路の開度を変更可能な開度調整手段を有することから、運転条件に応じて任意に通路の開度を変更でき、例えば過渡応答時に開度調整手段によって通路の開度を変更することで応答遅れが低減される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、外部からのノイズや、温度変化・経時変化等の影響を受けやすい圧力検出器を用いることなく燃料電池の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を制御しているので、信頼性の高い差圧制御を実現することができ、燃料電池の耐久性を確実に確保することが可能である。また、本発明においては、第２の圧力制御手段や第３の圧力制御手段、第４の圧力制御手段に電気信号に基づき通路の開度を変更できる開度調整手段を設けており、例えば過渡応答時に開度調整手段によって通路の開度を変更することで応答遅れを低減することができるので、この点においても信頼性の高い差圧制御が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムの構成を図１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、車両の駆動源として用いられる燃料電池システムであり、発電手段として固体高分子タイプの燃料電池１を備えている。
【００１７】
燃料電池１は、空気極に供給される空気中の酸素と水素極に供給される水素とを電気化学的に反応させて発電するものである。すなわち、この燃料電池１は、水素が供給される水素極１ａと空気が供給される空気極１ｂとが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。水素極１ａでは、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極１ｂにそれぞれ移動する。空気極１ｂでは、供給された空気中の酸素と水素極１ａからの水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１８】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１９】
燃料電池１の空気極１ｂの入口側には、空気極１ｂに空気を供給する空気供給系が設けられている。この空気供給系は、フィルタ２、燃料電池１の空気極入口に空気を加圧供給するコンプレッサ３、空気流量センサ４及び空気供給配管５を有する。この空気供給系において、空気は、大気からフィルタ２を介して取り込まれ、コンプレッサ３にて調圧された後、空気流量センサ４を通過して、空気供給配管５を通して燃料電池１の空気極１ｂに供給される。
【００２０】
また、燃料電池１の空気極１ｂの出口側には、空気排気系が接続されている。空気排気系は、空気排気配管６と燃焼器７とを有し、燃料電池１の空気極１ｂを通過した空気は、空気排気配管６を通して燃焼器７に供給されて燃焼器７での水素の燃焼に用いられ、或いは燃焼器７を介して大気に排出される。
【００２１】
更に、空気排気配管６の途中には、空気極入口圧力を調整する第１の圧力制御弁８が設けられている。この第１の圧力制御弁８は、燃料電池１の空気極１ｂの出口下流に設けられ、図１中の点Ａを介して燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１が導入されるとともに、空気排気配管６を分岐して空気極出口圧力ＰＡ２が導入され、当該空気極入口圧力ＰＡ１の空気極出口圧力ＰＡ２に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくすることで、燃料電池１の空気極入口圧力を略一定に制御する機能を有する。
【００２２】
一方、燃料電池１の水素極１ａの入口側には、水素極１ａに水素を供給する水素供給系が設けられている。この水素供給系は、高圧水素タンク９、プレッシャレギュレータ１０、水素供給配管１１、及び水素極入口配管１２を有する。この水素供給系において、水素は、高圧水素タンク９から供給され、プレッシャレギュレータ１０を通過した後、水素供給配管１１及び水素極入口配管１２を通過して燃料電池１の水素極１ａに供給される。
【００２３】
本実施形態の燃料電池システムは、水素循環型として構成されており、燃料電池１での発電に使用されずに燃料電池１から排出された排出ガス（循環水素）の経路となる水素極出口配管１３が循環水素用配管として設けられるとともに、排出された排出ガスを循環する循環ポンプ１３が設けられている。この水素極出口配管１３は、図１中の点Ｂにおいて前記水素極入口配管１２と接続されており、循環ポンプ１４の作動によって、燃料電池１の水素極１ａを通過した水素と、高圧水素タンク９から供給された水素とが混合され、燃料電池１の水素極へ供給される。
【００２４】
また、燃料電池１の水素極１ａの出口側には、シャットオフバルブ（排出手段）１５が設けられている。水素循環型の燃料電池システムでは、水素を循環させることによって燃料電池１の水素極１ａ内部や循環経路内に不純物質が蓄積し、これにより水素分圧が降下して燃料電池１の効率が低下することが懸念される。このような場合には、シャットオフバルブ１５を開放して水素をパージすることで、燃料電池１の水素極１ａ内部や循環経路内に蓄積された不純物質を水素と共に排出する。シャットオフバルブ１５を介して排出された水素は燃焼器７に供給され、燃焼器７において空気と混合されて燃焼される。
【００２５】
更に、水素供給配管１１の途中には、空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を制御する第２の圧力制御弁１６が設けられている。この第２の圧力制御弁１６は、燃料電池１の水素極１ａの入口上流に設けられ、図１中の点Ａを介して燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１が導入されるとともに、図１中の点Ｂを介して水素極入口圧力ＰＨ１が導入され、当該空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくすることで、燃料電池１の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内に制御する機能を有する。また、この第２の圧力制御弁１６は、電気信号に基づき通路の開度を変更できる開度調整機構として、ソレノイド１６ａ，１６ｂを有する。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システムは、車両の駆動源として用いられるものであり、以上の構成の他、アクセルペダル１７を用いたドライバによるアクセル操作量及びアクセル操作速度を検出するアクセルペダルセンサ（アクセル操作検出手段）１８を備えている。また、この燃料電池システムは、燃料電池１の発電量を検出する発電量センサ１９や、燃料電池システム全体の制御を行うコントロールユニット２０を備えている。
【００２７】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、空気供給系では、フィルタ２は、コンプレッサ３が吸い込む空気中の不純物を取り除く。コンプレッサ３は、フィルタ２を通して空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池１の空気極１ｂへ空気を供給する。また、コンプレッサ３は、コントロールユニット２０により回転数制御され、供給する空気流量が制御される。空気流量センサ４は、コンプレッサ３から供給される空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、空気流量センサ４の検出値に基づき、燃料電池１へ供給される空気流量を制御する。このとき、燃料電池１の空気極１ｂの出口下流に設けられた第１の圧力制御弁８は、燃料電池１の空気極１ｂの入口圧力を制御する。
【００２８】
水素供給系では、高圧水素タンク９が水素を貯蔵する。プレッシャレギュレータ１０は、高圧水素タンク９から供給される水素の圧力を一定の圧力に制御して出力する。第２の圧力制御弁１６は、燃料電池１の水素極１ａへ供給する水素の流量を制御することにより、燃料電池１の水素極１ａの入口圧力を制御する。循環ポンプ１４は、燃料電池１から排出される未使用水素を吸込み、再度燃料電池１へ供給する。シャットオフバルブ１５は、コントロールユニット２０の指令により制御され、燃料電池１の水素極出口を外部へ連通させる。燃焼器７は、シャットオフバルブ１５を介して排出される水素極１ａからの水素を、空気極１ｂから排出される空気と混合して燃焼させる。
【００２９】
燃料電池１は、空気供給系から供給される空気と、水素供給系から供給される水素とを用いて発電する。発電量センサ１９は、燃料電池１における発電量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。アクセルペダルセンサ１８は、ドライバによるアクセル操作量及びアクセル操作速度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。コントロールユニット２０は、本実施形態の燃料電池システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品へ指令を送り、燃料電池システム全体の制御を行う。
【００３０】
以上が本実施形態の燃料電池システムの全体構成であるが、次に、第１の圧力制御弁８における、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の制御について説明する。本実施形態にあっては、空気極入口圧力ＰＡ１は、空気極１ｂの入口圧力の出口圧力に対する差圧（ＰＡ１−ＰＡ２）に、第１の圧力制御弁８における圧力損失ΔＰ１を加えた値で決まる。
【００３１】
第１の圧力制御弁８は、導入された空気極入口圧力ＰＡ１と空気極出口圧力ＰＡ２とに基き、図２に示すように、差圧ＰＡ１−ＰＡ２が大きくなるほど通路の開度Ｓ１が大きくなるように、通路の開度Ｓ１を変更する。また、通路の開度Ｓ１と第１の圧力制御弁８における圧力損失ΔＰ１は、図３に示すように、通路の開度Ｓ１が大きいほど圧力損失ΔＰ１は小さくなる関係にある。一方、差圧ＰＡ１−ＰＡ２は、図４に示すように、燃料電池１の空気極１ｂに供給される空気の流量Ｑ１が多くなるほど大きくなる。
【００３２】
したがって、第１の圧力制御弁８は、差圧ＰＡ１−ＰＡ２が大きいほど、すなわち、燃料電池１の空気極１ｂに供給される空気の流量Ｑ１が大きいほど通路の開度Ｓ１を大きくし、該第１の圧力制御弁８における圧力損失ΔＰ１を小さくするよう作用する。このため、燃料電池１の空気極１ｂに供給される空気の流量Ｑ１に対し、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１、すなわち、燃料電池１の空気極１ｂの差圧ＰＡ１−ＰＡ２に第１の圧力制御弁８における圧力損失ΔＰ１を加えた値は、図５に示ように略一定に制御されることになる。
【００３３】
次に、第２の圧力制御弁１６による燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１の制御について説明する。第２の圧力制御弁１６では、導入された燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１とに基づき、図６に示すように、空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１が大きくなるほど通路の開度Ｓ２が大きくなるように、通路の開度Ｓ２を変更する。また、通路の開度Ｓ２と第２の圧力制御弁１６が燃料電池１へ供給する水素流量Ｑ２は、図７に示すように、通路の開度Ｓ２が大きいほど大きくなる関係にある。
【００３４】
一方、水素極入口圧力ＰＨ１は、燃料電池１の水素極１ａへ供給された水素量と消費された水素量との差、すなわち燃料電池１の水素極１ａに存在する水素量に基づいて決まる。つまり、消費される水素量よりも水素を多く供給するほど、水素極入口圧力ＰＨ１は上昇し、供給する水素量を減らし消費される水素量が多くなると、水素極入口圧力ＰＨ１は下降する。
【００３５】
したがって、第２の圧力制御弁１６は、差圧ＰＡ１−ＰＨ１が大きいほど、すなわち、空気極入口圧力ＰＡ１が水素極入口圧力ＰＨ１より大きいほど通路の開度Ｓ２を大きくし、燃料電池１へ供給する水素量Ｑ２を多くすることにより、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１を上昇させる。逆に、差圧ＰＡ１−ＰＨ１が小さいほど通路の開度Ｓ２を小さくし、燃料電池１へ供給する水素量Ｑ２を減らすことにより、水素極入口圧力ＰＨ１を下降させ、差圧ＰＡ１−ＰＨ１を所定圧力以内に制御する。ここで、所定圧力は、燃料電池１において、空気極１ｂと水素極１ａを仕切る薄い膜状の固体高分子電解質膜が耐え得る空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧以内に設定する。
【００３６】
以上により、第１の圧力制御弁８により略一定に制御された燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を基準とし、第２の圧力制御弁１６により、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧が所定圧力以内になるよう、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１が制御されることになる。
【００３７】
また、第２の圧力制御弁１６は、ソレノイド１６ａとソレノイド１６ｂとを有しており、コントロールユニット２０からの指令により、ソレノイド１６ａは通路の通路の開度Ｓ２を小さくする方向に制御し、ソレノイド１６ｂは通路の開度Ｓ２を大きくする方向に制御する。次に、これらソレノイド１６ａとソレノイド１６ｂの作用について説明する。
【００３８】
図８は、シャットオフバルブ１５により燃料電池１の水素極１ａに存在する不純物質を水素とともに外部へ排出する際、ソレノイド１６ａ，１６ｂの作用により第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を変更するようにした制御例を示すフローチャートである。この図８に示すフローは、コントロールユニット２０において、予め定められた一定の制御周期（例えば１〜１００ｍｓ程度）毎に繰り返し実行されるものである。
【００３９】
燃料電池１の水素極１ａには、空気極１ｂから入ってくる窒素や、燃料電池１内部で生成された水といった物質が不純物質として存在する。水素極１ａ内に不純物質が多く存在すると発電効率が低下するので、このような場合には、コントロールユニット２０が不純物質の排出を開始すべきことを判断し（ステップＳ１）、シャットオフバルブ１５を開放して（ステップＳ２）、水素極１ａ内部の不純物質を燃料電池１の外部に排出する。
【００４０】
このとき、不純物質の排出に伴って水素極１ａ内部の水素も排出されるので、不純物質の外部への排出が開始されると、水素供給系によって燃料電池１へ供給される水素量がシャットオフバルブ１５により排出される水素量分増加するまでの過渡期間、すなわち、第２の圧力制御弁１６において導入される圧力に基き通路の開度Ｓ２が変更されて、燃料電池１へ供給する水素量が多くなるまでの過渡応答時に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量が減少し、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は下降することになる。
【００４１】
そこで、シャットオフバルブ１５を開放して不純物質の排出を開始する際、ソレノイド１６ｂによって、第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を所定時間大きくし、燃料電池１へ供給される水素量を多くする（ステップＳ３）。これにより、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の減少を補償し、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れによる水素極入口圧力ＰＨ１の下降を低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。
【００４２】
また、このとき、シャットオフバルブ１５の開放によって排出される流量が大きいほど、供給される水素量が排出される水素量分増加するまでの過渡期間に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の減少が大きく、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１も大きく下降することになる。そこで、図９に示すように、排出される流量が大きいほどソレノイド１６ｂによる通路の開度Ｓ２の増加分を大きく設定する。これにより、燃料電池１へ供給する水素量が、減少する水素量に応じて多くなり、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の減少が適切に補償され、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００４３】
次に、燃料電池１の水素極１ａ内部の不純物質が除去され、コントロールユニット２０によって不純物質の排出を停止すべきことが判断されると（ステップＳ３）、シャットオフバルブ１５が閉じられる（ステップＳ５）。これにより、水素極１ａ外部への水素の排出も停止され、このため水素供給系によって燃料電池１へ供給される水素量が、排出された水素量分低減するまでの過渡期間、すなわち、第２の圧力制御弁１６において導入される圧力に基き通路の開度Ｓ２が変更されて、燃料電池１へ供給する水素量が少なくなるまでの過渡応答時に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量が増加することとなり、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は上昇する。
【００４４】
そこで、シャットオフバルブ１５を閉じて不純物の排出を停止する際、ソレノイド１６ａによって、第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を所定時間小さくし、燃料電池１へ供給する水素量を少なくする（ステップＳ６）。これにより、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が抑制され、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れによる水素極入口圧力ＰＨ１の上昇を低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。
【００４５】
また、このとき、シャットオフバルブ１５の開放によって排出された流量が大きいほど、排出を停止した時に燃料電池１へ供給される水素量が排出された水素量分減少するまでの過渡期間、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が大きく、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１も大きく上昇する。そこで、図１０に示すように、排出された流量が大きいほどソレノイド１６ａによる通路の開度Ｓ２の減少分を大きく設定し、通路の開度Ｓ２が小さくなるようにする。これにより、燃料電池１へ供給する水素量が、増加する水素量に応じて少なくなり、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が適切に抑制され、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００４６】
図１１は、以上のような制御を行って、シャットオフバルブ１５により燃料電池１の水素極１ａに存在する不純物質を水素とともに外部へ排出する際、ソレノイド１６ａ，１６ｂの作用により第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を変更するようにした場合の、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１の時間的な変化を示したものである。なお、図１１中の差圧ＰＡ１−ＰＨ１を示す曲線において、破線で示した部分は、以上のような制御を行わない場合の差圧ＰＡ１−ＰＨ２の変化を示している。この図１１に示すように、燃料電池１の水素極１ａ内からの不純物質の排出開始時及び排出停止時に、ソレノイド１６ａ，１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を変更することによって、過渡的な差圧ＰＡ１−ＰＨ１の変動を抑制できることが分かる。
【００４７】
なお、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させる際の所定時間や、ソレノイド１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を増加させる際の所定時間は、第２の圧力制御弁１６が、導入された入口圧力ＰＡ１と入口圧力ＰＨ１とに基づき通路の開度Ｓ２を変更する際の応答遅れ時間以内とする。これにより、過渡応答時において、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分が適切に補償されることになる。
【００４８】
また、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させる際の所定時間や、ソレノイド１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を増加させる際の所定時間は、図１２に示すように、燃料電池１の水素極１ａに接続される配管の体積ＶＨが大きいほど、長く設定することが望ましい。燃料電池１の水素極１ａに接続される配管の体積ＶＨが大きいと、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１の変化の時間が長くなり、第２の圧力制御弁１６において、導入される圧力に基づき通路の開度Ｓ２を変更する際の応答遅れが大きくなる。この場合、所定時間を長くすることにより、過渡応答時において、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分がより適切に補償され、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００４９】
図１３は、アクセルペダルセンサ１８により検出したドライバによるアクセル操作量及びアクセル操作速度に基づき、ソレノイド１６ａ，１６ｂの作用により第２の圧力制御弁１６の開度Ｓ２を変更するようにした制御例を示すフローチャートである。この図１３に示すフローは、コントロールユニット２０において、予め定められた一定の制御周期（例えば１〜１００ｍｓ程度）毎に繰り返し実行されるものである。
【００５０】
ドライバが車両を加速させるために深く、且つ素早くアクセルペダル１７を踏み込んだ場合（ステップＳ１１）、燃料電池１による発電量を加速に要する分急増することが必要となり、燃料電池１で消費される水素量も急増する。ここで、燃料電池１の水素入口圧力ＰＨ１は、上述したように燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量に基いて決まるので、ドライバが深く、且つ素速くアクセルペダル１７を踏み込んだ場合には、燃料電池１へ供給される水素量が消費される水素量分増加するまでの過渡期間、すなわち第２の圧力制御弁１６において、導入される圧力に基き通路の開度Ｓ２が変更され燃料電池１へ供給する水素量が多くなるまでの過渡応答時に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量が減少し、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は下降することになる。
【００５１】
そこで、ドライバがアクセルペダル１７を踏み込んだ際のアクセル操作量が第１の所定量以上であり（ステップＳ１２）、且つ、アクセル操作速度が第１の所定速度以上であることがアクセルペダルセンサ１８により検出された場合（ステップＳ１３）、ソレノイド１６ｂによって、第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を所定時間大きくし、燃料電池１へ供給される水素量を多くする（ステップＳ１４）。これにより、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の減少を補償し、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れによる水素極入口圧力ＰＨ１の下降を低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。
【００５２】
また、このとき、ドライバによるアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど燃料電池１の水素極１ａで消費される水素量が大きくなり、したがって、燃料電池１へ供給される水素量が消費される水素量分増加するまでの過渡期間に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の減少もより大きく、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１もより大きく下降することになる。そこで、図１４に示すように、アクセル操作量又は操作速度が大きいほどソレノイド１６ｂによる通路の開度Ｓ２の増加分をより大きく設定する。これにより、燃料電池１へ供給する水素量が、減少する水素量に応じて多くなり、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の減少が適切に補償され、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を更に向上することが可能となる。
【００５３】
一方、ドライバが車両を減速させるため深く、且つ素早くアクセルペダル１７を戻した場合（ステップＳ１５）、燃料電池１による発電量を急減することが必要となり、燃料電池１で消費される水素量も急減する。したがって、水素供給系により燃料電池１へ供給される水素量が消費される水素量分減少するまでの過渡期間、すなわち、第２の圧力制御弁１６において導入される圧力に基き通路の開度Ｓ２が変更されて、燃料電池１へ供給する水素量が少なくなるまでの過渡応答時に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量が増加することになり、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は上昇する。
【００５４】
そこで、ドライバがアクセルペダル１７を戻した際のアクセル操作量が第２の所定量以上であり（ステップＳ１６）、且つ、アクセル操作速度が第２の所定速度以上であることがアクセルペダルセンサ１８により検出された場合（ステップＳ１７）、ソレノイド１６ａによって、第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を所定時間小さくし、燃料電池１へ供給する水素量を少なくする（ステップＳ１８）。これにより、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が抑制され、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れによる水素極入口圧力ＰＨ１の上昇を低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。
【００５５】
また、このとき、アクセルペダル１７を戻す際のアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど燃料電池１の水素極１ａ側で消費される水素量が小さくなり、したがって、水素供給系により燃料電池１へ供給される水素量が消費される水素量分減少するまでの過渡期間に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が大きく、水素極１ａの入口圧力も大きく上昇することになる。そこで、図１５に示すように、アクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほどソレノイド１６ａによる通路の開度Ｓ２の減少分を大きく設定し、通路の開度Ｓ２が小さくなるようにする。これにより、燃料電池１へ供給する水素量が、増加する水素量に応じて少なくなり、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が適切に抑制され、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００５６】
図１６は、以上のような制御を行って、ドライバによってアクセルペダル１７が深く、且つ素速く操作された際、ソレノイド１６ａ，１６ｂの作用により第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を変更するようにした場合の、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１の時間的な変化を示したものである。なお、図１６中の差圧ＰＡ１−ＰＨ１を示す曲線において、破線で示した部分は、以上のような制御を行わない場合の差圧ＰＡ１−ＰＨ２の変化を示している。この図１６に示すように、ドライバによってアクセルペダル１７が深く、且つ素速く操作された時に、ソレノイド１６ａ，１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を変更することによって、過渡的な差圧ＰＡ１−ＰＨ１の変動を抑制できることが分かる。
【００５７】
なお、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させる際の所定時間や、ソレノイド１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を増加させる際の所定時間は、第２の圧力制御弁１６が、導入された入口圧力ＰＡ１と入口圧力ＰＨ１とに基づき通路の開度Ｓ２を変更する際の応答遅れ時間以内とする。これにより、過渡応答時において、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分が適切に補償されることになる。
【００５８】
また、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させる際の所定時間や、ソレノイド１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を増加させる際の所定時間は、図１２に示したように、燃料電池１の水素極１ａに接続される配管の体積ＶＨが大きいほど、長く設定することが望ましい。このように、燃料電池１の水素極１ａに接続される配管の体積ＶＨが大きいほど所定時間を長くすることにより、過渡応答時において、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分がより適切に補償され、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００５９】
図１７は、発電量センサ１９により燃料電池１における発電が瞬断したことが検出された場合に、ソレノイド１６ａの作用により第２の圧力制御弁１６の開度Ｓ２を変更するようにした制御例を示すフローチャートである。この図１７に示すフローは、コントロールユニット２０において、予め定められた一定の制御周期（例えば１〜１００ｍｓ程度）毎に繰り返し実行されるものである。
【００６０】
燃料電池１における発電が故障等により瞬断して発電量がゼロになった場合、燃料電池１で消費される水素量もゼロにまで急減する。したがって、水素供給系により燃料電池１へ供給される水素量がゼロにまで減少するまでの過渡期間、すなわち、第２の圧力制御弁１６において導入される圧力に基き通路の開度Ｓ２が変更されて、燃料電池１へ供給する水素量がゼロにまで減少するまでの過渡応答時に、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量が増加することになり、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は上昇する。
【００６１】
そこで、燃料電池１における発電が瞬断した場合（ステップＳ２１）、ソレノイド１６ａによって、第２の圧力制御弁１６の開度Ｓ２を所定時間小さくし、燃料電池１へ供給する水素量を少なくする（ステップＳ２２）。これにより、燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量の増加が抑制され、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れによる燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１の上昇を低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。
【００６２】
図１８は、以上のような制御を行って、燃料電池１における発電が瞬断した際、ソレノイド１６ａの作用により第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させるようにした場合の、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１の時間的な変化を示したものである。なお、図１８中の差圧ＰＡ１−ＰＨ１を示す曲線において、破線で示した部分は、以上のような制御を行わない場合の差圧ＰＡ１−ＰＨ２の変化を示している。この図１８に示すように、燃料電池１における発電が瞬断した時に、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させることによって、過渡的な差圧ＰＡ１−ＰＨ１の変動を抑制できることが分かる。
【００６３】
なお、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させる際の所定時間は、第２の圧力制御弁１６が、導入された入口圧力ＰＡ１と入口圧力ＰＨ１とに基づき通路の開度Ｓ２を変更する際の応答遅れ時間以内とする。これにより、過渡応答時において、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分が適切に補償されることになる。
【００６４】
また、ソレノイド１６ａにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を減少させる際の所定時間は、図１２に示したように、燃料電池１の水素極１ａに接続される配管の体積ＶＨが大きいほど、長く設定することが望ましい。このように、燃料電池１の水素極１ａに接続される配管の体積ＶＨが大きいほど所定時間を長くすることにより、過渡応答時において、第２の圧力制御弁１６の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分がより適切に補償され、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００６５】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、以上の構成を採用することにより、外部からのノイズや、温度変化・経時変化等の影響を受けやすい圧力検出器を用いることなく、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を制御することが可能であり、その結果、差圧制御における信頼性を向上し、燃料電池１の耐久性を確保することが可能である。
【００６６】
更に、第２の圧力制御弁１６は、電気信号に基づき通路の開度Ｓ２を変更できるソレノイド１６ａとソレノイド１６ｂとを有し、導入される燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１とに関わらず、運転条件に応じて任意に通路の開度Ｓ１を変更できる構成としたため、過渡応答時において、これらソレノイド１６ａ，１６ｂにより第２の圧力制御弁１６の通路の開度Ｓ２を変更することで応答遅れを低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を向上することが可能である。
【００６７】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、図１９に示すように、第１の実施形態における第１の圧力制御弁８に代えて第３の圧力制御弁３１を備えるとともに、第１の実施形態における第２の圧力制御弁１６に代えて第４の圧力制御弁３２を備えるものである。なお、その他の構成については第１の実施形態のものと同一であるので、以下、第１の実施形態と同一部分については詳細な説明を省略し、第３の圧力制御弁３１及び第４の圧力制御弁３２による制御について詳細に説明する。
【００６８】
第３の圧力制御弁３１は、燃料電池１の空気極１ｂの出口下流に設けられ、図１９中の点Ａを介して燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１が導入されるとともに、空気排気配管６を分岐して空気極出口圧力ＰＡ２が導入され、更には図１９中の点Ｂを介して水素極入口圧力ＰＨ１が導入され、空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくし、且つ空気極入口圧力ＰＡ１の空気極出口圧力ＰＡ２に対する差圧が大きいほど通路の開度を大きくすることで、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧を所定圧力以内に制御する機能を有する。また、この第３の圧力制御弁３１は、電気信号に基づき通路の開度を変更できる開度調整機構として、ソレノイド３１ａ，３１ｂを有する。
【００６９】
また、第４の圧力制御弁３２は、燃料電池１の水素極入口上流に設けられ、図１９中の点Ｂを介して燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１が導入されて、当該水素極入口圧力ＰＨ１が大きいほど通路の開度を小さくすることで、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１を略一定に制御する機能を有する。
【００７０】
ここで、第３の圧力制御弁３１における、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の制御について説明する。本実施形態にあっては、空気極入口圧力ＰＡ１は、上述した第１の実施形態の場合と同様に、空気極１ｂの入口圧力の出口圧力に対する差圧（ＰＡ１−ＰＡ２）に、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を加えた値で決まる。
【００７１】
第３の圧力制御弁３１は、導入された燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と空気極出口圧力ＰＡ２とに基き、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を制御する作用を有するが、これについては上述した第１の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７２】
また、第３の圧力制御弁３１は、導入された燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１と水素極入口圧力ＰＨ１とに基き、図２０に示すように、差圧ＰＡ１−ＰＨ１が大きくなるほど通路の開度Ｓ３が大きくなるように、通路の開度Ｓ３を変更する。また、通路の開度Ｓ３と第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３は、図２１に示すように、通路の開度Ｓ３が大きいほど圧力損失ΔＰ３は小さくなる関係にある。
【００７３】
したがって、第３の圧力制御弁３１は、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１が大きいほど、すなわち、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１が水素極入口圧力ＰＨ１より大きいほど通路の開度Ｓ３を大きくし、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を小さくするように作用する。これにより、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を下降させて、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１が所定圧力以内に制御される。
【００７４】
次に、第４の圧力制御弁３２による燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１の制御について説明する。第４の圧力制御弁３２では、導入された燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１に基き、図２２に示すように、水素極入口圧力ＰＨ１が大きくなるほど通路の開度Ｓ４が小さくなるように、通路の開度Ｓ４を変更する。また、通路の開度Ｓ４と第４の圧力制御弁３２が燃料電池１へ供給する水素流量Ｑ４の関係は、図２３に示すように、開度Ｓ４が大きいほど水素流量Ｑ４は大きくなる。
【００７５】
一方、燃料電池１の水素極入口圧力はＰＨ１は、第１の実施形態と同様、燃料電池１の水素極１ａ側へ供給された水素量と消費された水素量との差、すなわち燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量に基いて決まる。つまり、消費される水素量よりも水素を多く供給するほど、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は上昇し、供給する水素量を減らし消費される水素量が多くなると、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１は下降する。
【００７６】
したがって、第４の圧力制御弁３２は、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１が小さいほど通路の開度Ｓ４を大きくし、燃料電池１へ供給する水素量を多くすることにより、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１を上昇させる。逆に、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１が大きいほど通路の開度Ｓ４を小さくし、燃料電池１へ供給する水素量Ｑ４を減らすことにより、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１を下降させ、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１を略一定に制御する。
【００７７】
以上により、第４の圧力制御弁３２により略一定に制御された燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１を基準として、第３の圧力制御弁３１により、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１が所定圧力以内になるよう、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１が制御される。
【００７８】
また、第３の圧力制御弁３１は、ソレノイド３１ａとソレノイド３１ｂとを有しており、コントロールユニット２０からの指令により、ソレノイド３１ａは通路の開度Ｓ３を小さくする方向に制御し、ソレノイド３１ｂは通路の開度Ｓ３を大きくする方向に制御する。なお、第３の圧力制御弁３１において通路の開度Ｓ３をソレノイド３１ａとソレノイド３１ｂとにより変更する際の作用は、上述した第１の実施形態と同様である。
【００７９】
すなわち、シャットオフバルブ１５を開放して燃料電池１の水素極１ａに存在する不純物質を水素とともに外部へ排出する際、ソレノイド３１ｂにより、第３の圧力制御弁３１の通路の開度Ｓ３を所定時間大きくし、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を小さくし、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を下降させる。これにより、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１の下降に伴う空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧の増加が抑制され、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。また、シャットオフバルブ１５の開放によって排出される流量が大きいほど通路の開度Ｓ３をより大きく設定することで、制御性を更に向上させることが可能となる。
【００８０】
同様に、シャットオフバルブ１５を閉じて不純物質の排出を停止する際、ソレノイド３１ａにより第３の圧力制御弁３１の通路の開度Ｓ３を所定時間小さくし、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を大きくし、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を上昇させる。これにより、燃料電池１の水素極入口圧力ＰＨ１の上昇に伴う空気極入口圧力ＰＡ１の水素極入口圧力ＰＨ１に対する差圧の増加が抑制され、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。また、排出された流量が大きいほど通路の開度Ｓ３をより小さく設定することで、制御性を更に向上させることが可能となる。
【００８１】
また、ドライバがアクセルペダル１７を踏み込んだ際のアクセル操作量が第１の所定量以上、且つアクセル操作速度が第１の所定速度以上の場合、ソレノイド３１ｂにより第３の圧力制御弁３１の通路の開度Ｓ３を所定時間大きくし、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を小さくし、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を下降させる。これにより、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。また、アクセル踏み込み時のアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど通路の開度Ｓ３をより大きく設定することで、制御性を更に向上させることが可能となる。
【００８２】
同様に、ドライバがアクセルペダル１７を戻す際のアクセル操作量が第２の所定量以上、且つアクセル操作速度が第２の所定速度以上の場合、ソレノイド３１ａにより第３の圧力制御弁３１の通路の開度Ｓ３を所定時間小さくし、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を大きくし、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を上昇させる。これにより、燃料電池１の空気側入口圧力と水素側入口圧力との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。このとき、アクセル戻し時のアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど通路の開度Ｓ３をより小さく設定することで、制御性を更に向上させることが可能となる。
【００８３】
また、燃料電池１における発電が瞬断した場合には、ソレノイド３１ａにより第３の圧力制御弁３１の通路の開度Ｓ３を所定時間小さくし、第３の圧力制御弁３１における圧力損失ΔＰ３を大きくし、燃料電池１の空気極入口圧力ＰＡ１を上昇させる。これにより、燃料電池１の空気側入口圧力と水素側入口圧力との差圧制御における制御性を向上させることが可能となる。
【００８４】
なお、以上の各制御にあっては、ソレノイド３１ａ，３１ｂにより通路の開度Ｓ３を変更する際の所定時間を、第３の圧力制御弁３１が、導入される圧力に基づき通路の開度を変更する際の応答遅れ時間以内とする。これにより、過渡応答時において、第３の圧力制御弁３１の導入される圧力に基づく制御の応答遅れ分が適切に補償されることになる。
【００８５】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、以上の構成を採用することにより、上述した第１の実施形態と同様に、外部からのノイズや、温度変化・経時変化等の影響を受けやすい圧力検出器を用いることなく、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧を制御することが可能であり、その結果、差圧制御における信頼性を向上し、燃料電池１の耐久性を確保することが可能である。
【００８６】
更に、第３の圧力制御弁３１は、電気信号に基づき通路の開度Ｓ３を変更できるソレノイド３１ａとソレノイド３１ｂとを有し、運転条件に応じて任意に通路の開度Ｓ３を変更できる構成としたため、過渡応答時、導入される圧力に基づき通路の開度Ｓ３が変更され、燃料電池１の空気極入口圧力が制御される際に、これらソレノイド３１ａ，３１ｂにより通路の開度Ｓ３を変更することで応答遅れを低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を向上することが可能である。
【００８７】
ここで、水素と空気を比較すると、水素は空気より比重が軽く、流れやすい性質を持つことから、燃料電池１の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内に制御する手段として、上述した第１の実施形態における第２の圧力制御弁８と、本実施形態における第３の圧力制御弁３１とを比較した場合、水素を制御する第２の圧力制御弁８の方が空気を制御する第３の圧力制御弁３１よりも小型となる。したがって、第１の実施形態においては、装置サイズを小さくできるという効果が得られる。
【００８８】
ただし、第１の実施形態における第２の圧力制御弁８において、燃料電池１の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内にするために、燃料電池１の水素極入口圧力を制御する際、燃料電池１の水素極入口圧力は、上述したように、燃料電池１の水素極１ａへ供給された水素量と消費された水素量との差、すなわち燃料電池１の水素極１ａ側に存在する水素量に基いて決まるので、燃料電池１の水素極入口圧力を上昇させる場合には、消費される水素量よりも水素を多く供給すればよいが、燃料電池１の水素側の入口圧力を下降させる場合には、供給する水素量を減らしても消費される水素量が供給する水素量より多くないと、燃料電池１の水素極入口圧力は下降せず、したがって、燃料電池１の水素極入口圧力の制御は、燃料電池１の運転状況の影響を受けることとなる。
【００８９】
これに対して、本実施形態における第３の圧力制御弁３１においては、燃料電池１の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内にするために、燃料電池１の空気極入口圧力を制御する際、燃料電池１の空気極入口圧力は、上述したように、燃料電池１の空気極入口圧力の空気極出口圧力に対する差圧に第３の圧力制御弁３１における圧力損失を加えた値で決まる。ここで、第３の圧力制御弁３１における圧力損失は、通路の開度を大きくすれば小さくなり、通路の開度を小さくすれば大きくなる。したがって、燃料電池１の運転状況に関わらず、第３の圧力制御弁３１の通路の開度により燃料電池１の空気極入口圧力を上昇、あるいは下降させることが可能となる。したがって、本実施形態においては、燃料電池１の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を制御する際、より制御性に優れるという効果が得られる。
【００９０】
なお、以上は、第３の圧力制御弁３１と第４の圧力制御弁３２のうち、第３の圧力制御弁３１にソレノイド３１ａ，３１ｂを設けた例について説明したが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、図２４に示すように、第４の圧力制御弁３２にも、電気信号に基づき通路の開度を変更できる開度調整機構として、ソレノイド３２ａ，３２ｂを設けるようにしてもよい。この場合、ソレノイド３２ａが第４の圧力制御弁３２の通路の開度Ｓ４を小さくする方向に制御し、ソレノイド３２ｂが第４の圧力制御弁３２の通路の開度Ｓ４を大きくする方向に制御することで、上述した第１の実施形態の第２の圧力制御弁１６と同様に、運転条件に応じて第４の圧力制御弁３２の通路の開度Ｓ４を任意に変更して、過渡応答時における第４の圧力制御弁３２の応答遅れを低減でき、燃料電池１の空気極入口圧力と水素極入口圧力との差圧制御における制御性を更に向上させることが可能となる。
【００９１】
なお、以上説明した各実施形態の燃料電池システムは、本発明を適用可能な燃料電池システムの具体的な一例を例示したものであって、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、以上説明した燃料電池システムにおいて、燃料電池１へ供給する水素は高圧水素タンク９に貯蔵されたものを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、メタノールやガソリンといった燃料を改質して水素を発生させたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１と第１の圧力制御弁の通路の開度Ｓ１との関係を示す特性図である。
【図３】第１の圧力制御弁の通路の開度Ｓ１と第１の圧力制御弁における圧力損失ΔＰ１との関係を示す特性図である。
【図４】空気極入口圧力の空気極出口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＡ２と燃料電池の空気極に供給される空気の流量Ｑ１との関係を示す特性図である。
【図５】空気極入口圧力の空気極出口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＡ２に第１の圧力制御弁における圧力損失ΔＰ１を加えた値の制御の様子を示す特性図である。
【図６】空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１と第２の圧力制御手段の通路の開度Ｓ２との関係を示す特性図である。
【図７】第２の圧力制御弁の通路の開度Ｓ２と第２の圧力制御弁が燃料電池へ供給する水素流量Ｑ２との関係を示す特性図である。
【図８】第２の圧力制御弁に設けられたソレノイドによって通路の開度を変更する制御例を示すフローチャートであり、燃料電池の水素極に存在する不純物質を水素とともに外部へ排出する際の制御例を示すものである。
【図９】燃料電池の水素極から排出される流量と通路の開度増加分との関係を示す特性図である。
【図１０】燃料電池の水素極から排出された流量と通路の開度減少分との関係を示す特性図である。
【図１１】通路の開度を変更した場合における空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１の時間的な変化を示す特性図である。
【図１２】燃料電池の水素極に接続される配管の体積ＶＨと通路の開度を変更する所定時間との関係を示す特性図である。
【図１３】第２の圧力制御弁に設けられたソレノイドによって通路の開度を変更する制御例を示すフローチャートであり、ドライバによる急なアクセル操作が行われた場合の制御例を示すものである。
【図１４】ドライバがアクセルペダルを踏み込んだ際のアクセル操作量及びアクセル操作速度と通路の開度増加分との関係を示す特性図である。
【図１５】ドライバがアクセルペダルを戻した際のアクセル操作量及びアクセル操作速度と通路の開度減少分との関係を示す特性図である。
【図１６】通路の開度を変更した場合における空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１の時間的な変化を示す特性図である。
【図１７】第２の圧力制御弁に設けられたソレノイドによって通路の開度を変更する制御例を示すフローチャートであり、燃料電池の発電が瞬断した場合の制御例を示すものである。
【図１８】発電の瞬断に伴い開度を変更した場合における空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１の時間的な変化を示す特性図である。
【図１９】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２０】空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧ＰＡ１−ＰＨ１と第３の圧力制御弁の通路の開度Ｓ３との関係を示す特性図である。
【図２１】第３の圧力制御弁の通路の開度Ｓ３と第３の圧力制御弁における圧力損失ΔＰ３との関係を示す特性図である。
【図２２】水素極入口圧力と第４の圧力制御弁の通路の開度Ｓ４との関係を示す特性図である。
【図２３】第４の圧力制御弁の通路の開度Ｓ４と燃料電池の水素極に供給される水素の流量Ｑ４との関係を示す特性図である。
【図２４】第２の実施形態の燃料電池システムの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１燃料電池
１ａ水素極
１ｂ空気極
３コンプレッサ
８第１の圧力制御弁
９高圧水素ガスタンク
１５シャットオフバルブ
１６第２の圧力制御弁
１６ａ，１６ｂソレノイド
１８アクセルペダルセンサ
２０コントロールユニット
３１第３の圧力制御弁
３１ａ，３１ｂソレノイド
３２第４の圧力制御弁
３２ａ，３２ｂソレノイド

Claims

空気極及び水素極を有し、供給される空気と水素とを基に発電する燃料電池と、
前記燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池の空気極出口下流に設けられて前記燃料電池の空気極出口から排出された空気が通過する通路を有するとともに、前記燃料電池の空気極入口圧力と当該空気極入口圧力よりも小さい空気極出口圧力とが導入され、前記空気極入口圧力の前記空気極出口圧力に対する差圧が大きいほど前記通路の開度を大きくし、前記燃料電池の空気極入口圧力を略一定に制御する第１の圧力制御手段と、
前記燃料電池の水素極入口上流に設けられて前記燃料電池の水素極入口に供給される水素が通過する通路を有するとともに、前記燃料電池の空気極入口圧力と当該空気極入口圧力よりも小さい水素極入口圧力とが導入され、前記空気極入口圧力の前記水素極入口圧力とに対する差圧が大きいほど前記通路の開度を大きくし、前記燃料電池の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内に制御する第２の圧力制御手段とを備え、
前記第２の圧力制御手段は、電気信号に基づき通路の開度を変更可能な開度調整機構を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の水素極内部に溜まった不純物質を水素とともに排出する排出手段を更に備え、
前記排出手段による排出が開始される際、前記第２の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間大きくす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。
前記第２の圧力制御手段は、前記排出手段により排出される流量が大きいほど通路の開度を大きく設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記排出手段による排出が停止される際、前記第２の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間小さくすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記第２の圧力制御手段は、前記排出手段により排出される流量が大きいほど通路の開度を小さく設定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
車両の駆動源として用いられる燃料電池システムであり、
ドライバのアクセル操作量及びアクセル操作速度を検出するアクセル操作検出手段を更に備え、
ドライバがアクセルを踏み込んだ際のアクセル操作量が第１の所定量以上、且つアクセル操作速度が第１の所定速度以上の場合、前記第２の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間大きくす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。
前記第２の圧力制御手段は、前記アクセル操作検出手段で検出されるアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど通路の開度を大きく設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
ドライバがアクセルを戻す際のアクセル操作量が第２の所定量以上、且つアクセル操作速度が第２の所定速度以上の場合、前記第２の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間小さくすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
前記第２の圧力制御手段は、前記アクセル操作検出手段で検出されるアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど通路の開度を小さく設定することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池における発電が瞬断した場合、瞬断発生時に前記第２の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間小さくす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。
前記所定時間は、前記第２の圧力制御手段が、導入される圧力に基づき通路の開度を変化させる際の応答遅れ時間以内とすることを特徴とする請求項２乃至１０の何れかに記載の燃料電池システム。
空気極及び水素極を有し、供給される空気と水素とを基に発電する燃料電池と、
前記燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池の空気極出口下流に設けられて前記燃料電池の空気極出口から排出された空気が通過する通路を有するとともに、前記燃料電池の空気極入口圧力と当該空気極入口圧力よりも小さい空気極出口圧力と前記空気極入口圧力よりも小さい水素極入口圧力とが導入され、前記空気極入口圧力の前記水素極入口圧力に対する差圧が大きいほど前記通路の開度を大きくし、且つ前記空気極入口圧力の空気極出口圧力に対する差圧が大きいほど前記通路の開度を大きくし、前記燃料電池の空気極入口圧力の水素極入口圧力に対する差圧を所定圧力以内に制御する第３の圧力制御手段と、
前記燃料電池の水素極入口上流に設けられて前記燃料電池の水素極入口に供給される水素が通過する通路を有するとともに、前記燃料電池の水素極入口圧力が導入され、当該水素極入口圧力が大きいほど前記通路の開度を小さくし、前記燃料電池の水素極入口圧力を略一定に制御する第４の圧力制御手段とを備え、
前記第３の圧力制御手段及び第４の圧力制御手段の少なくとも一方は、電気信号に基づき通路の開度を変更可能な開度調整機構を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の水素極内部に溜まった不純物質を水素とともに排出する排出手段を更に備え、
前記排出手段による排出が開始される際、前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間大きくすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記排出手段により排出される流量が大きいほど通路の開度を大きく設定することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記排出手段による排出が停止される際、前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間小さくすることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記排出手段により排出される流量が大きいほど通路の開度を小さく設定することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
車両の駆動源として用いられる燃料電池システムであり、
ドライバのアクセル操作量及びアクセル操作速度を検出するアクセル操作検出手段を更に備え、
ドライバがアクセルを踏み込んだ際のアクセル操作量が第１の所定量以上、且つアクセル操作速度が第１の所定速度以上の場合、前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間大きくすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記アクセル操作検出手段で検出されるアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど通路の開度を大きく設定することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
ドライバがアクセルを戻す際のアクセル操作量が第２の所定量以上、且つアクセル操作速度が第２の所定速度以上の場合、前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間小さくすることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記アクセル操作検出手段で検出されるアクセル操作量又はアクセル操作速度が大きいほど通路の開度を小さく設定することを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池における発電が瞬断した場合、瞬断発生時に前記開度調整機構を有する第３又は第４の圧力制御手段は、前記開度調整機構により通路の開度を所定時間小さくすることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
前記所定時間は、前記第３又は第４の圧力制御手段が、導入される圧力に基づき通路の開度を変化させる際の応答遅れ時間以内とすることを特徴とする請求項１３乃至２１の何れかに記載の燃料電池システム。