JP4736482B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムにおける反応ガス供給装置に関する。

水素ガスを燃料とする燃料電池では、燃料電池の水素ガス消費量に応じた量の水素ガスを供給するため、水素ガスタンクから供給される水素ガス量を調整する調整弁が使用される。この調整弁は水素ガス量を機械的に調整するため、変化の速い出力電流に従って変動する水素ガス消費量の変化に追随することが容易ではない。そのため、出力電流が急減し水素ガス消費量は急減した場合、燃料電池には消費量以上の水素ガスが供給され、燃料電池内の水素ガス圧力が過大となる。そこで、燃料電池の水素ガス消費量が急減した場合には、水素ガスの供給源である水素ガスタンクからの水素ガスの供給を停止し、燃料電池内の水素ガス圧力の上昇を抑制することが行われている。

特開２００２−２３１２７８号公報 特開２００３−１５７８７４号公報

しかしながら、水素ガスタンクからの水素ガスの供給を遮断弁等で停止した場合、水素ガスの供給再開には一定の時間が必要となる。そのため、燃料電池に要求される出力電力（要求電力）が増大しても、要求電力に応じた水素ガスを燃料電池に供給できず、燃料電池が要求電力に応じた電流を供給できない場合があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に過大な圧力が加わることを抑制しつつ、必要に応じた燃料電池への反応ガスの供給を可能にする技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスを利用して負荷に電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記反応ガス供給部からの前記反応ガスの供給を停止可能な停止弁と、前記反応ガス供給部から前記停止弁を介して供給される前記反応ガスの前記燃料電池への供給量を調整可能な調整弁と、前記停止弁と前記調整弁とを制御し、反応ガス供給停止モードと反応ガス供給再開モードとを実行する燃料電池制御部と、を備え、前記停止弁は、前記調整弁が最小開度に到達する時間よりも短時間で最小開度に到達する弁であり、前記反応ガス供給停止モードは、前記調整弁と前記停止弁とを最小開度にする制御モードであり、前記反応ガス供給再開モードは、前記反応ガス供給停止モードの実行によって、前記調整弁が最小開度に到達した後、前記調整弁を最小開度に維持して前記停止弁を最小開度よりも開度の大きい開状態にする制御を実行する制御モードであることを特徴とする。

この構成によれば、調整弁が最小開度に到達するまでの間は停止弁が最小開度になるので、停止弁により反応ガスの供給が停止し、燃料電池内の反応ガス圧力の上昇を抑制することができる。また、停止弁は調整弁が最小開度に到達した後に開状態となるので、調整弁により燃料電池内の反応ガス圧力の上昇が抑制されるとともに、停止弁が開状態になるため、燃料電池に要求される出力電力が増大しても燃料電池への反応ガスの供給が遅れることを抑制できる。

前記燃料電池制御部は、前記負荷が前記燃料電池に要求する要求電力の単位時間あたりの低下量が所定の閾値以上の場合に前記反応ガス供給停止モードを実行するものとしてもよい。

この構成によれば、燃料電池の水素ガス消費量が急減した場合に反応ガスの供給が停止されるので、燃料電池内の反応ガス圧力上昇の抑制がより容易となる。

前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力を表す圧力パラメータを取得する圧力パラメータ取得部を備え、前記燃料電池制御部は、前記圧力パラメータにより表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力に応じて前記停止弁と前記調整弁とを制御するものとしてもよい。

この構成によれば、燃料電池内の反応ガスの圧力に応じて停止弁と調整弁が制御されるので、燃料電池内の反応ガス圧力を適正な値に維持することができる。

前記燃料電池制御部は、前記圧力パラメータによって表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が所定の圧力基準値以上の場合に前記反応ガス供給停止モードを実行するものとしてもよい。

この構成によれば、燃料電池内の反応ガス圧力が増加した場合に反応ガスの供給が停止されるので、燃料電池内の反応ガス圧力上昇の抑制がより容易となる。

前記燃料電池制御部は、前記反応ガス供給停止モードを実行している際に、前記圧力パラメータによって表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が所定の圧力下限値以下の場合に前記反応ガス供給再開モードを実行するものとしてもよい。

この構成によれば、停止弁が開状態となることにより、最小開度状態の調整弁からの反応ガスの流入で燃料電池内の反応ガスの圧力低下速度が遅くなる場合においても、燃料電池内の反応ガス圧力が確実に低下したことを確認した後に停止弁を開くことができる。

前記燃料電池制御部は、前記停止弁を最小開度にする反応ガス供給再停止モードを有しており、前記反応ガス供給再開モードを実行した後に、前記圧力パラメータによって表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が所定の圧力上限値以上の場合に前記反応ガス供給再停止モードを実行するものとしてもよい。

この構成によれば、反応ガス供給部からの反応ガスの供給の再開により燃料電池内の反応ガス圧力が上昇した場合に、燃料電池内の反応ガス圧力が過大になることを抑制できる。

前記負荷は、蓄電装置を有しており、前記燃料電池制御部は、前記反応ガス供給再開モードを実行しない供給再開停止モードを有し、前記蓄電装置の残存容量が所定の残存容量基準値よりも大きい場合に前記供給再開停止モードを実行するものとしてもよい。

この構成によれば、蓄電装置からの電力が供給可能な状態では反応ガス供給再開モードが実行されないので、停止弁の開閉頻度が低減され、停止弁の劣化を抑制することができる。

前記燃料電池システムは、前記反応ガス供給部から供給される前記反応ガスと、前記燃料電池から供給される反応排ガスと、を混合した混合反応ガスを前記燃料電池に供給する循環式の燃料電池システムであって、前記調整弁は、前記混合反応ガスの循環流路に前記反応ガスを供給するものとしてもよい。

この構成によれば、循環流路に過大な圧力が加わることを抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムにおける反応ガス供給装置とその供給装置の制御装置および制御方法、その供給装置と制御装置および制御方法を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池を搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての電気自動車１０の概略構成図である。この電気自動車１０は、燃料電池システム１００と、二次電池２２と、コンバータ２４と、インバータ２６と、車両制御部５０と、を備えている。燃料電池システム１００が備える燃料電池１１０は、配線４０を介してコンバータ２４と、インバータ２６とに接続されている。インバータ２６に接続される駆動モータ３０は、この電気自動車１０の推進力を発生するためのものである。これらのコンバータ２４と、インバータ２６とは、それぞれ燃料電池システム１００の負荷となる。

二次電池２２は、始動時や、暖機運転時等の燃料電池１１０が電力を供給しない場合に、燃料電池システム１００と、インバータ２６と、車両制御部５０とに対して、コンバータ２４を介して電力を供給する。また、二次電池２２は、燃料電池１１０の電力供給量が不足するときに、その不足分の電力を供給する。二次電池２２には、二次電池２２の残存容量を検出するための残存容量モニタ２３が設けられている。残存容量モニタ２３としては、二次電池２２における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータや、電圧センサを利用することができる。

コンバータ２４は、コンバータ２４の出力側である配線４０の電圧を目標電圧値に調節する。燃料電池１１０の出力側の電圧である配線４０における電圧を調節することにより、燃料電池１１０からの出力電流が調節される。

駆動モータ３０は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。燃料電池１１０やコンバータ２４から供給される電力は、インバータ２６によって三相交流に変換され、駆動モータ３０に供給される。駆動モータ３０の出力軸３４は、減速ギヤ３２を介して車両駆動軸３６に接続している。車両駆動軸３６には、車速センサ３７が設けられている。

車両制御部５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。車両制御部５０が取得する入力信号としては、既述した残存容量モニタ２３が出力する信号や、車速センサ３７が出力する信号が挙げられる。さらに車両制御部５０には、駆動モータ３０の起動スイッチのオン・オフ信号や、電気自動車１０におけるシフト位置、フットブレーキのオン・オフ、アクセル開度を示す信号等が入力される。これらの信号を取得して、車両制御部５０は、種々の制御処理を実行し、コンバータ２４、燃料電池システム１００、インバータ２６などに駆動信号を出力する。

図２は、燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、複数のセル１１２を積層することにより構成された燃料電池１１０と、酸化剤ガス給排部２００と、燃料ガス給排部３００と、燃料電池制御部４００と、を備えている。

酸化剤ガス給排部２００と燃料電池１１０とは、酸化剤ガス供給配管１２２と酸化剤ガス排出配管１２４との２つの配管で互いに接続されている。同様に、燃料ガス給排部３００と燃料電池１１０とは、燃料ガス供給配管１３２と燃料ガス排出配管１３４との２つの配管で互いに接続されている。

酸化剤ガス給排部２００は、空気ポンプ２０２と、カソードオフガス排出部２０４と、を備えている。空気ポンプ２０２は、外気から圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、燃料電池１１０で使用される酸素を含む酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給配管１２２を介して燃料電池１１０に供給される。燃料電池１１０に供給された酸化剤ガスは、セル１１２内のカソードに供給される。カソードでは、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池反応により消費されるとともに、水分が生成される。酸素の消費により酸素濃度が低下した酸化剤ガス（一般に、「カソードオフガス」と呼ばれる）は、酸化剤ガス排出配管１２４を介してカソードオフガス排出部２０４に排出される。カソードオフガス排出部２０４は、燃料電池１１０から供給されたカソードオフガスを大気中に放出する。

燃料ガス給排部３００は、水素ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、調圧弁３３０と、エゼクタ３４０と、気液分離器３５０と、排気・排水弁３６０と、水・アノードオフガス排出部３７０と、を備えている。

高圧の水素ガスが充填された水素ガスタンク３１０は、第１の高圧水素配管３１２を介して遮断弁３２０に接続されている。燃料電池システム１００を運転する際には、遮断弁３２０が開かれる。遮断弁３２０が開くことにより、第１の高圧水素配管３１２と、遮断弁３２０と、第２の高圧水素配管３２２とを介して、水素ガスタンク３１０から調圧弁３３０に水素ガスが供給される。燃料電池システム１００を停止する際には、遮断弁３２０が閉じられて水素ガスの供給が停止される。このように、遮断弁３２０を閉じることにより水素ガスの供給が停止するので、遮断弁３２０は水素ガスの供給を停止可能な停止弁と言うこともできる。

なお、一般に、遮断弁３２０としては、高圧（約３５ＭＰａ）の水素ガスの遮断が容易なパイロット弁が使用される。このようなパイロット弁では、開状態から閉状態には短い時間（１００ｍｓ以下）で切替可能であるが、閉状態から開状態への切替にはより長い時間（数１００ｍｓ〜１ｓ）必要となる。なお、遮断弁３２０のような開閉弁では、閉状態は弁の最小開度の状態であり、開状態は弁の最大開度の状態である。本明細書では、「最小開度」は閉状態も含む広い意味を有している。

調圧弁３３０は、第２の高圧水素配管３２２を通して供給された高圧の水素ガスを予め設定された圧力にまで減圧する。減圧された水素ガスは、低圧水素配管３３２を介してエゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに供給される。エゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに供給された水素ガスは、出口ポート３４０ｂに送出される。この際、エゼクタ３４０の吸引ポート３４０ｃには負圧が生じ、エゼクタ３４０は、吸引ポート３４０ｃに接続した還流配管３４２からガスを吸引する。エゼクタ３４０では、供給ポート３４０ａから供給された水素ガスと、吸引ポート３４０ｃから吸引されたガスとが混合される。混合されたガス（燃料ガス）は、エゼクタの出口ポート３４０ｂから燃料ガス供給配管１３２を介して燃料電池１１０に供給される。

燃料ガス供給配管１３２は、エゼクタの出口ポート３４０ｂと燃料電池１１０との間に分岐を有している。この分岐には、配管１３６を介して、燃料電池１１０の燃料ガス入口の圧力（燃料電池入口圧）を測定するための圧力計１４０が接続されている。

燃料電池１１０に供給された燃料ガスは、セル１１２内のアノードに供給される。アノードでは、燃料電池反応により燃料ガス中の水素が消費される。水素の消費により水素濃度が低下した燃料ガス（一般に、「アノードオフガス」と呼ばれる）は、燃料ガス排出配管１３４を介して気液分離器３５０に供給される。気液分離器３５０は、カソードで生成されカソードからアノードに透過してきた水分をアノードオフガスから分離する。水分が分離されたアノードオフガスは、還流配管３４２を介してエゼクタ３４０の吸引ポート３４０ｃに供給される。このように、水素ガスをエゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに供給することで、水素ガスとアノードオフガスとが混合された燃料ガスが、エゼクタ３４０と、燃料電池１１０と、気液分離器３５０との間を循環する。

排気・排水弁３６０は、気液分離器３５０中の水の量が所定量以上となった場合や、循環する燃料ガス中の不純物濃度が高くなった場合、また、燃料電池システム１００を停止する場合等、必要に応じて開かれる。排気・排水弁３６０を開くことにより、気液分離器３５０中の水とアノードオフガスとは、配管３５２と、排気・排水弁３６０と、配管３６２とを介して、水・アノードオフガス排出部３７０に排出される。水・アノードオフガス排出部３７０は、排出されたアノードオフガス中に含まれる水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気中に放出する。

燃料電池制御部４００は、車両制御部５０（図１）からの電力要求や起動・停止の指示などの制御信号と、圧力計１４０の出力信号と、燃料電池システム１００に設けられた各種センサ（図示しない）の出力信号とに基づいて、燃料電池システム１００の開閉弁３２０，３６０と、空気ポンプ２０２と、エゼクタ３４０とに制御信号を供給する。

図３は、エゼクタ３４０が作動する様子を示す説明図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、エゼクタ３４０の異なる作動状態を示している。エゼクタ３４０は、ディフューザブロック５００と、ノズルブロック５２０と、シールブロック５４０と、ニードル５６０と、駆動部５８０と、を備えている。

ディフューザブロック５００は、一点鎖線で示す線Ａ−Ｂ（以下、「中心軸Ａ−Ｂ」とも呼ぶ）を軸としてほぼ軸対称に形成されている。ディフューザブロック５００の内部には、Ａ側からＢ側に向かって、内径が漸減するディフューザ５０２と、内径がほぼ一定のスロート５０４と、内径が漸増する絞り部５０６とが設けられている。また、ディフューザブロック５００には、外周部から絞り部５０６に向かって、中心軸Ａ−Ｂと直交する方向の貫通孔５１０が設けられている。

ノズルブロック５２０は、中心軸Ａ−Ｂを軸としてほぼ軸対称に形成されている。ノズルブロック５２０の内部には、Ａ側からＢ側に向かって外径および内径が漸増するノズル５２２と、ノズル５２２に連結された円筒部５２４と、円筒部５２４をノズルブロック５２０の外周部に連結する連結部材５２６とが形成されている。また、ノズルブロック５２０には、外周部から連結部材５２６のＢ側の領域に向かって、中心軸Ａ−Ｂと直交する方向の貫通孔５３０が設けられている。

シールブロック５４０は、中心軸Ａ−Ｂを軸として軸対称に形成されている。シールブロック５４０の内部には、隔壁部５４２が形成されている。この隔壁部５４２は、中心に貫通孔５４４が設けられた円板状の部材である。

ニードル５６０は、中心軸Ａ−Ｂを軸として軸対称に形成されている。ニードル５６０は、Ａ側からＢ側に向かって外径が漸増するテーパ部５６２と、テーパ部５６２に連結された円柱状のニードル軸５６４と、を有している。このニードル軸５６４のＢ側の端には、駆動孔５６６が設けられている。

駆動部５８０は、ニードル５６０の駆動孔５６６に嵌合された駆動桿５８２と、駆動桿５８２をＡ−Ｂ方向に移動させる駆動モータ５８４と、を備えている。駆動モータ５８４は、回転運動をＡ−Ｂ方向の並進運動に変換する機構（図示しない）を備えるステッピングモータである。駆動部５８０が燃料電池制御部４００（図２）からニードル５６０の位置を設定する制御信号を受け取ると、駆動モータ５８４が備えるステッピングモータが回転し、それに伴って駆動桿５８２がＡ−Ｂ方向に移動する。この駆動桿５８２のＡ−Ｂ方向への移動により、ニードル５６０は、軸Ａ−Ｂに沿って移動する。

なお、図３に示すように、エゼクタ３４０には、ディフューザブロック５００のディフューザ５０２および貫通孔５１０と、ノズルブロック５２０の貫通孔５３０と、の３つの開口部を有している。ディフューザ５０２は、図２に示すエゼクタ３４０の出口ポート３４０ｂに相当する。また、ディフューザブロック５００の貫通孔５１０と、ノズルブロック５２０の貫通孔５３０とは、それぞれ、吸引ポート３４０ｃと供給ポート３４０ａに相当する。

燃料電池１１０（図２）に供給される水素ガスの量は、ニードル５６０を軸Ａ−Ｂに沿って移動させることによって調整される。図３（ａ）は、水素ガス供給量を最小に調整する場合のエゼクタ３４０の状態を示している。また、図３（ｂ）は、水素ガス供給量を最大に調整する場合のエゼクタ３４０の状態を示している。図３（ｃ）は、水素ガス供給量を最小と最大との中間の値に調整する場合のエゼクタ３４０の状態を示している。なお、本明細書においては、図３（ａ）に示す状態を、エゼクタ３４０の「最小開度」の状態とも呼ぶ。同様に、図３（ｂ）に示す状態を「最大開度」の状態とも呼び、図３（ｃ）に示す状態を「中間開度」の状態とも呼ぶ。

図３（ａ）に示す最小開度の状態では、ノズル５２２のＡ側端（以下、「開口部」と呼ぶ）は、ニードル５６０のテーパ部５６２により閉止される。ノズル５２２の開口部がテーパ部５６２により閉じられることにより、ノズル５２２の開口部を通過する水素ガスの量（すなわち、燃料電池１１０への水素ガス供給量）は、エゼクタ３４０の調整下限の量（最小ガス供給量）となる。このとき、ノズル５２２から絞り部５０６へ噴射される水素ガスの量が少ないので、ディフューザブロック５００の貫通孔５１０からのガスの吸引が停止する。

図３（ｂ）に示す最大開度の状態では、テーパ部５６２のＡ側端の位置がノズル５２２の開口部の位置となり、ノズル５２２の開口部は、テーパ部５６２によって狭められない。そのため、ノズル５２２の開口部から噴射される水素ガスの量は、ノズル５２２から噴射しうる最大量となる。そのため、燃料電池１１０への水素ガス供給量は、エゼクタ３４０の調整上限の量（最大ガス供給量）となる。なお、この場合、ノズル５２２の開口部から噴射された水素ガスにより絞り部５０６が負圧になり、貫通孔５１０からガスが吸引される。

図３（ｃ）に示す中間開度の状態では、ノズル５２２の開口部は、ニードル５６０のテーパ部５６２によって狭められている。そのため、ノズル５２２の開口部から噴射される水素ガスの量は、最大開度の状態よりも減少する。そのため、燃料電池１１０への水素ガス供給量は、最小ガス供給量と最大ガス供給量との中間の量となる。なお、この場合も、最大開度の状態と同様に、ノズル５２２の開口部から噴射された水素ガスにより絞り部５０６が負圧になり、貫通孔５１０からガスが吸引される。

このように、燃料電池１１０への水素ガス供給量は、エゼクタ３４０のニードル５６０の移動により調整される。すなわち、エゼクタ３４０は、水素ガスの燃料電池１１０への供給量を調整可能な調整弁ということもできる。なお、上述したように、ニードル５６０の移動は駆動モータ５８４が備えるステッピングモータの回転により行われるので、ニードル５６０の位置を変えるためにはステッピングモータを所定の回転角度だけ回転させる時間が必要となる。例えば、エゼクタ３４０が最大開度状態から最小開度状態に到達するためは、数１００ｍｓの時間を要する場合がある。このようにエゼクタ３４０が最小開度状態に到達する時間は、一般に、遮断弁３２０が開状態から閉状態に到達するための時間よりも長くなる。

図４は、第１実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャートである。この燃料ガス供給制御ルーチンは、単位時間あたりの燃料電池１１０（図２）が出力を要求される電力（要求電力）の低下量が所定の閾値を超えた場合（以下、このような場合を「要求電力が急減」した場合という）に実行される。このように要求電力が急減する場合としては、例えば、電気自動車１０（図１）が急減速する場合がある。

図５（ａ）〜（ｄ）は、燃料電池制御部４００（図２）が燃料ガス供給制御ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００（図２）の状態の時間変化を示す説明図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）の横軸は、時間を表している。図５（ａ）の縦軸は、出力電流Ｉを表している。図５（ｂ）の縦軸は、エゼクタ３４０のニードル５６０が、図３（ａ）に示す最小開度の位置からＢ側に移動した距離Ｌ（以下、「エゼクタ開度Ｌ」と呼ぶ）を表している。また、図５（ｃ）の縦軸は、遮断弁３２０（図２）の開閉状態を表し、図５（ｄ）の縦軸は、圧力計１４０（図２）によって測定された燃料電池１１０の燃料電池入口圧Ｐを表している。

図５の例では、時刻ｔ₀において、要求電力が燃料電池１１０の供給しうる最大電力から燃料電池システム１００の稼働に必要な最小電力（稼働最小電力）に急減した状態を示している。要求電力の急減により、燃料電池１１０の出力電流Ｉは、時刻ｔ₀において、燃料電池１１０が出力可能な電流Ｉ_X（「最大出力電流Ｉ_X」と呼ぶ）から電流Ｉ_Sまで減少している（図５（ａ））。なお、時刻ｔ₀の後の要求電力は０よりも大きいので、図５（ａ）に示すように、時刻ｔ₀の後も燃料電池１１０は電流Ｉ_Sを出力し続け、燃料電池１１０は出力電流Ｉ_Sに相当する水素ガスを消費する。

ステップＳ１００において、燃料電池制御部４００は、エゼクタ開度Ｌを最小開度Ｌ_Mにする。具体的には、燃料電池制御部４００は、ニードル５６０の位置を図３（ａ）に示す最小開度の状態にするように、駆動部５８０に制御信号を供給する。このとき、エゼクタ開度Ｌは、図５（ｂ）の破線で示すように瞬時に最大開度Ｌ_Xから最小開度Ｌ_Mとなるのが理想的である。しかしながら、エゼクタ３４０を最大開度の状態から最小開度の状態にするためには一定の時間Ｔ_Eを要するので、実際のエゼクタの開度は図５（ｂ）の実線で示すように変化する。なお、図５の例では、時刻ｔ₁以前の出力電流Ｉが最大出力電流Ｉ_Xであるので、時刻Ｉ_S以前のエゼクタ開度Ｌは、最大開度Ｌ_Xとなっている。

ステップＳ１１０において、燃料電池制御部４００は、遮断弁３２０を開状態から閉状態に切り替える。上述したように、遮断弁３２０は、開状態から閉状態に短時間（＜１００ｍｓ）で切り替えられる。なお、遮断弁３２０が閉状態となった時刻ｔ₀の後も、遮断弁３２０とエゼクタ３４０との間の水素ガスの残圧のため、燃料電池１１０には水素ガスが供給され続ける。そして、水素ガスの供給により残圧が低下すると、燃料電池１１０への水素ガスの供給量が低下し、時間の経過とともに水素ガスの供給は停止する。

このとき、燃料電池入口圧Ｐは、図５（ｄ）の実線で示すように、時刻ｔ₀の後、燃料電池運転時の圧力Ｐ_Nから上昇してピーク圧力に到達する。燃料電池入口圧Ｐは、ピーク圧力に到達した後、燃料電池１１０による水素ガスの消費により徐々に低下する。一方、時刻ｔ₀で遮断弁３２０を閉じない場合、燃料電池入口圧Ｐは、図５（ｄ）の破線で示すように、時刻ｔ₀から上昇を続け、調圧弁３３０の出口圧力Ｐ_Rに到達する。この場合、燃料電池１１０に過大な圧力Ｐ_Rが加わるので、燃料電池１１０が劣化するおそれがある。

ステップＳ２００では、燃料電池制御部４００がエゼクタ３４０の制御が完了したか否かを判断する。具体的には、燃料電池制御部４００は、エゼクタ３４０の駆動部５８０（図３）から制御が完了したか否かの信号を取得し、取得した信号に基づいてエゼクタ３４０の制御が完了したか否かを判断する。エゼクタ３４０の制御が完了している場合、制御はステップＳ２１０に移される。一方、エゼクタ３４０の制御が未完の場合、制御が戻され、エゼクタ３４０の制御が完了するまでステップＳ２００が繰り返し実行される。図５の例では、時刻ｔ₀から時刻ｔ₁までの間、燃料電池制御部４００はステップＳ２００を繰り返し実行する。そして、時刻ｔ₀から時間Ｔ_Eが経過した時刻ｔ₁に、制御はステップＳ２１０に移される。

なお、第１実施例では、駆動部５８０から供給される制御が完了したか否かの信号によりエゼクタ３４０の制御の完了を判断しているが、他の方法によってもエゼクタ３４０の制御が完了したか否かを判断することができる。例えば、燃料電池制御部４００がエゼクタ３４０に制御信号を供給してから経過した時間に基づいて、エゼクタ３４０の制御が完了したか否かを判断することも可能である。

ステップＳ２１０では、燃料電池制御部４００が燃料電池入口圧Ｐが所定の下限圧力Ｐ_L以下か否かを判断する。燃料電池入口圧Ｐが下限圧力Ｐ_L以下の場合、制御はステップＳ２２０に移される。一方、燃料電池入口圧Ｐが下限圧力Ｐ_Lよりも高い場合、制御が戻され、燃料電池入口圧Ｐが所定の下限圧力Ｐ_L以下となるまでステップＳ２１０が繰り返し実行される。図５の例では、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの間、燃料電池制御部４００はステップＳ２１０を繰り返し実行する。そして、燃料電池入口圧Ｐが下限圧力Ｐ_Lよりも低くなる時刻ｔ₂に、制御はステップＳ２１０に移される。なお、所定の下限圧力Ｐ_Lの設定方法については、後述する。

ステップＳ２２０では、燃料電池制御部４００が遮断弁３２０を閉状態から開状態に切り替え、図４のルーチンは終了する。図５の例では、燃料電池制御部４００は、燃料電池入口圧Ｐが下限圧力Ｐ_Lとなった時刻ｔ₂に遮断弁３２０を開状態とする制御信号を送出する。上述したように、遮断弁３２０は、閉状態から開状態への切替にはより長い時間（数１００ｍｓ〜１ｓ）が必要とである。そのため、時刻ｔ₂に開状態にする制御信号を受け取った遮断弁３２０は、一定の時間Ｔ_S経過した時刻ｔ₃に開状態に切り替わる。遮断弁３２０が開状態に切り替わると、エゼクタ３４０には水素ガスが供給され、燃料電池１１０には、エゼクタ３４０の最小ガス供給量の水素ガスが供給される。そのため、時刻ｔ₃に燃料電池入口圧Ｐの減少が止まる。

なお、時刻ｔ₂で遮断弁３２０を開けない場合、燃料電池入口圧Ｐは、図５（ｄ）の一点鎖線で示すように０に到達し、燃料電池１１０には発電に使用可能な水素がない状態となる。この場合に、要求電力が増加して遮断弁３２０を開状態とする制御を行っても、時間Ｔ_Sの間は燃料電池１１０に水素が供給されない。そのため、遮断弁３２０が閉状態から開状態に切り替わる時間Ｔ_Sの間は、燃料電池１１０が必要な電力を負荷に供給することができない。上述の所定の下限圧力Ｐ_Lは、このような特性を考慮して、要求電力が増加した場合に、遮断弁３２０が閉状態から開状態に切り替わる時間Ｔ_Sの間の電力を供給できるような圧力に設定される。

図５の例では、エゼクタ３４０の最小ガス供給量と燃料電池１１０の水素ガス消費量が同量であり、時刻ｔ₃以降の燃料電池入口圧Ｐの変化がない状態を示している。エゼクタ３４０の最小ガス供給量が燃料電池１１０の水素ガス消費量より多い場合には、燃料電池入口圧Ｐは時間とともに上昇する。一方、燃料電池１１０の水素ガス消費量がエゼクタ３４０の最小ガス供給量より多い場合には、燃料電池制御部４００は、エゼクタ３４０を制御して燃料電池１１０の水素ガス消費量に相当する量の水素ガスを供給する。

このように、第１実施例では、要求電力が急減した場合に、エゼクタ３４０を最小開度に制御するとともに、最小開度（閉状態）への到達時間がエゼクタ３４０よりも短い遮断弁３２０を最小開度に制御する。そして、エゼクタ３４０が最小開度の状態となり、燃料電池入口圧Ｐが下限圧力Ｐ_L以下になると、遮断弁３２０を最大開度（開状態）にする制御が実行される。なお、本明細書において、エゼクタ３４０と遮断弁３２０とを最小開度する制御モードを「燃料ガス供給停止モード」と呼ぶ。また、燃料ガス供給停止モードの実行の後、遮断弁３２０を最大開度にする制御モードを、「燃料ガス供給再開モード」と呼ぶ。

このように、燃料ガス供給停止モードを実行することにより、燃料電池１１０に過大な圧力が加わることを抑制することができる。そして、燃料ガス供給再開モードを実行することにより、燃料ガス供給停止モードの実行後に要求電力が増加した場合に、必要な電力を負荷に供給することが可能となる。

Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャートである。第２実施例における燃料ガス供給制御ルーチンは、ステップＳ３００とステップＳ３１０とが付加されている点で、図４に示す第１実施例における燃料ガス供給制御ルーチンと異なっている。他の点は、第１実施例と同じである。また、図７（ａ）〜（ｄ）は、燃料電池制御部４００（図２）が図６に示す燃料ガス供給制御ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００（図２）の状態の時間変化を示す説明図である。

第２実施例では、ステップＳ１００〜Ｓ２２０において、第１実施例と同様に、燃料ガス供給停止モードと燃料ガス供給再開モードとが実行される。そして、燃料ガス供給再開モードが実行されると、第１実施例と同様に、燃料電池１１０にはエゼクタ３４０の最小ガス供給量の水素ガスが供給される。このとき、最小ガス供給量が燃料電池１１０の水素ガス消費量よりも多い場合には、図７（ｄ）に示すように、燃料電池入口圧Ｐは時間とともに上昇する。そして、燃料ガス供給再開モードの実行時間が長くなると、燃料電池入口圧Ｐは、燃料電池の通常の運転時の圧力Ｐ_Nを超えてさらに上昇する。

図６のステップＳ３００では、燃料電池制御部４００が燃料電池入口圧Ｐが所定の上限圧力Ｐ_H以上か否かを判断する。燃料電池入口圧Ｐが上限圧力Ｐ_H以上の場合、制御はステップＳ３１０に移される。一方、燃料電池入口圧Ｐが上限圧力Ｐ_Hよりも低い場合、制御が戻され、燃料電池入口圧Ｐが所定の上限圧力Ｐ_H以上となるまでステップＳ３００が繰り返し実行される。図７の例では、時刻ｔ₃から時刻ｔ₄までの間、燃料電池制御部４００はステップＳ３００を繰り返し実行する。そして、燃料電池入口圧Ｐが上限圧力Ｐ_H以上となる時刻ｔ₄に、制御はステップＳ３１０に移される。なお、所定の上限圧力Ｐ_Hの設定方法については、後述する。

ステップＳ３１０において、燃料電池制御部４００は、遮断弁３２０を開状態から閉状態に切り替え、図６のルーチンは終了する。遮断弁３２０が閉状態となった時刻ｔ₄の後も、時刻ｔ₁後と同様に、遮断弁３２０とエゼクタ３４０との間の水素ガスの残圧のため、燃料電池１１０には水素ガスが供給され続ける。そして、水素ガスの供給により残圧が低下すると、燃料電池１１０への水素ガスの供給量が低下し、時間の経過とともに水素ガスの供給は停止する。

このとき、燃料電池入口圧Ｐは、図７（ｄ）の実線で示すように、時刻ｔ₄の後、ピークに到達した後、燃料電池１１０による水素ガスの消費により徐々に低下する。上述の所定の上限圧力Ｐ_Hは、このような特性を考慮して、燃料電池入口圧Ｐのピーク圧力が燃料電池１１０が許容し得る水素ガスの圧力を超えないように設定される。なお、時刻ｔ₄で遮断弁３２０を閉じない場合、燃料電池入口圧Ｐは、図７（ｄ）の破線で示すように上昇を続け、調圧弁３３０の出口圧力Ｐ_Rに到達し、燃料電池１１０が劣化するおそれが生じる。

第２実施例では、このように、燃料ガス供給停止モードと燃料ガス供給再開モードとを実行した後、燃料電池入口圧Ｐが所定の上限圧力Ｐ_Hを超えた場合に、遮断弁３２０を閉じる燃料ガス供給再停止モードを実行する。この燃料ガス供給再停止モードを実行することにより、燃料電池１１０に過大な圧力の水素ガスの供給を抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
図８は、第３実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図であり、図９は、第３実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャートである。図８に示す第３実施例の燃料電池システム１００ａは、調圧弁３３０ａの出口圧力が燃料電池制御部４００により制御されている点で、図２に示す第２実施例の燃料電池システム１００と異なっている。また、図９に示す第３実施例の燃料ガス供給制御ルーチンは、ステップＳ１１０，Ｓ２２０，Ｓ３１０がステップＳ１１０ａ，Ｓ２２０ａ，Ｓ３１０ａに置き換えられている点で、図６に示す第２実施例の燃料ガス供給制御ルーチンと異なっている。他の点は、第２実施例と同じである。

図８に示す燃料電池システム１００ａでは、出口圧力が燃料電池制御部４００から供給される制御信号により調節可能な可変レギュレータが調圧弁３３０ａとして使用されている。なお、調圧弁３３０ａとしては、水素ガスの供給を停止して燃料電池入口圧が過大になることが抑制可能なように、最小開度への到達速度が十分速い可変レギュレータが使用される。この場合、調圧弁３３０ａは、水素ガスの供給を停止可能な停止弁と言うこともできる。

図９のステップＳ１１０ａ，Ｓ３１０ａにおいて、燃料電池制御部４００は、調圧弁３３０ａを開状態開度から最小開度に制御する。調圧弁３３０ａが最小開度になると燃料電池１１０への水素ガスの供給が停止するので、第２実施例の場合と同様に、燃料電池１１０に過大な圧力が加わることを抑制することができる。なお、開状態開度とは、燃料ガス供給停止モードの実行前の燃料電池１１０が通常の運転状態にある場合に、燃料電池制御部４００が設定する調圧弁３３０ａの開度である。

ステップＳ２２０ａにおいて、燃料電池制御部４００は、調圧弁３３０ａを開状態開度に制御する。調圧弁３３０ａを開状態開度に制御することにより、第２実施例の場合と同様に、燃料ガス供給停止モードの実行後に要求電力が増加した場合に、必要な電力を負荷に供給することが可能となる。

Ｄ．第４実施例：
図１０は、第４実施例における燃料電池システム１００ｂの構成を示す説明図であり、図１１は、第３実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャートである。図１０に示す第３実施例の燃料電池システム１００ｂは、エゼクタ３４０に替えて循環ポンプ３８０を備えている点と、調圧弁３３０ｂの出口圧力が燃料電池制御部４００により制御されている点とで、図２に示す第２実施例の燃料電池システム１００と異なっている。また、図１１に示す第４実施例の燃料ガス供給制御ルーチンは、エゼクタ３４０に替えて調圧弁３３０ｂを制御している点で、図６に示す第２実施例の燃料ガス供給制御ルーチンと異なっている。他の点は、第２実施例と同じである。

図１０に示す燃料電池システム１００ｂでは、燃料ガス（水素ガスとアノードオフガスとの混合ガス）は、循環ポンプ３８０の働きにより、燃料電池１１０と気液分離器３５０と循環ポンプ３８０の間を循環する。燃料電池１１０に供給される水素ガスの量は、この燃料ガスの循環している流路の圧力を調圧弁３３０ｂにより調整することにより調整される。このように、第４実施例では、水素ガス供給量が調圧弁３３０ｂにより調整されるので、調圧弁３３０ｂを調整弁ということもできる。

調圧弁３３０ｂの最小開度への到達速度が遅い場合、燃料電池１１０での水素ガスの消費量が減少すると調圧弁３３０ｂの圧力調整が追いつかず、燃料電池１１０に過大な圧力が加わるおそれがある。第４実施例では、第２実施例と同様に、燃料ガス供給停止モードを実行することにより、燃料電池１１０に過大な圧力が加わることを抑制することが可能となる。

なお、第４実施例では、燃料ガスの循環を循環ポンプ３８０によって行っているが、第１ないし第３実施例と同様に、燃料ガスをエゼクタにより循環しても良い。この場合、エゼクタとしては、ガス流量の調整下限が大きいエゼクタや、流量の調整機能を有しないエゼクタ等を使用することができる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記各実施例では、要求電力が急減した場合に、燃料ガス供給停止モードを実行しているが、燃料ガス供給停止モードは、燃料電池入口圧Ｐが基準圧力を超えた場合に実行するものとしてもよい。この場合、基準圧力は、停止弁と調整弁との間の水素ガスの残量と、停止弁と調整弁の最小開度への到達時間と、に基づいて、燃料電池に過大な圧力が加わらないように適宜設定される。

Ｅ２．変形例２：
上記各実施例では、燃料電池入口圧Ｐが所定の下限圧力Ｐ_L以下となった場合に、燃料ガス供給再開モードを実行しているが、一般に、燃料ガス供給再開モードは、燃料ガス供給停止モードの実行により、調整弁が最小開度の状態となった後であれば任意の時点で実行することができる。この場合、燃料電池制御部４００は、燃料電池入口圧Ｐが下限圧力Ｐ_L以下か否かの判断が不要となり、燃料電池システム１００の制御がより容易となる点で、上記各実施例よりも好ましい。一方、上記各実施例は、燃料ガス供給再開モードの実行による燃料電池入口圧Ｐの上昇を抑制できる点で好ましい。

Ｅ３．変形例３：
上記各実施例では、燃料電池入口圧Ｐが所定の下限圧力Ｐ_L以下となった場合に、燃料ガス供給再開モードを実行しているが、二次電池２２（図１）の残存容量が所定の残存容量基準値以上の場合には燃料ガス供給再開モードの実行をしないものとしてもよい。この場合、停止弁の開閉頻度を低減することができるので、停止弁の劣化を抑制することができる。このようにしても、要求電力が増加した場合であっても、燃料電池１１０からの電力供給が可能になるまでの間、残存容量が十分な二次電池２２から必要な電力を供給することができる。なお、要求電力が増加した場合の電力供給源としては、二次電池２２のほか、フライホイール式蓄電装置等の任意の蓄電装置を用いることができる。

Ｅ４．変形例４：
上記各実施例では、燃料電池制御部４００は、燃料電池入口圧Ｐに応じて各モードの実行可否を決定しているが、一般に、燃料電池内の水素ガス圧力を表すパラメータに応じて各のモードの実行可否を決定するものとしてもよい。例えば、燃料電池のカソード側出口に設けられた圧力センサによって測定される燃料電池出口圧や、燃料電池スタックに設けられた圧力センサによって測定される燃料電池内圧に応じて各モードを実行するものとしてもよい。

Ｅ５．変形例５：
本発明は、水素ガスの供給を停止可能な停止弁と、停止弁を介して供給される水素ガスの燃料電池への供給量が調整可能な調整弁と、を備える燃料電池システムであれば、上記各実施例とは異なる構成の燃料電池システムにも適用することができる。本発明は、例えば、エゼクタと調圧弁とをともに制御することにより燃料電池への水素ガス供給量を調整する燃料電池システムにも適用できる。この場合、エゼクタと調圧弁とを調整弁として最小開度にする制御をすることにより、燃料ガス供給停止モードを実行することが可能である。また、本発明は、燃料ガスを循環させない燃料電池システムにも適用可能である。

Ｅ６．変形例６：
上記各実施例では、水素ガスタンクから供給される水素ガスと、燃料電池から排出されるアノードオフガスと、を混合した燃料ガスを燃料電池に供給しているが、燃料電池に供給されるガスは、燃料電池の燃料となる成分を含む燃料ガスであればよい。このような燃料ガスとしては、例えば、炭化水素系の改質原料から改質器を用いて生成された水素を含む改質ガスや、改質ガスとアノードオフガスとを混合したをガスを用いることもできる。

Ｅ７．変形例７：
上記各実施例では、本発明を燃料ガス給排部に適用することについて説明してきたが、酸化剤ガス給排部が、酸化剤ガスの供給を停止可能な停止弁と、停止弁を介して供給される酸化剤ガスの燃料電池への供給量が調整可能な調整弁と、を備えていれば、酸化剤ガス給排部にも本発明を適用することができる。

本発明の一実施例としての電気自動車１０の概略構成図。 第１実施例における燃料電池システム１００の構成を示す説明図。 エゼクタ３４０が作動する様子を示す説明図。 第１実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャート。 第１実施例において、燃料電池制御部４００が燃料ガス供給制御ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００の状態の時間変化を示す説明図。 第２実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャート。 第２実施例において、燃料電池制御部４００が燃料ガス供給制御ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００の状態の時間変化を示す説明図。 第３実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図。 第３実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャート。 第４実施例における燃料電池システム１００ｂの構成を示す説明図。 第４実施例における燃料ガス供給制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１０…電気自動車
２２…二次電池
２３…残存容量モニタ
２４…コンバータ
２６…インバータ
３０…駆動モータ
３２…減速ギヤ
３４…出力軸
３６…車両駆動軸
３７…車速センサ
４０…配線
５０…車両制御部
１００…燃料電池システム
１００ａ…燃料電池システム
１００ｂ…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１２…セル
１２２…酸化剤ガス供給配管
１２４…酸化剤ガス排出配管
１３２…燃料ガス供給配管
１３４…燃料ガス排出配管
１３６…配管
１４０…圧力計
２００…酸化剤ガス給排部
２０２…空気ポンプ
２０４…カソードオフガス排出部
３００…燃料ガス給排部
３１０…水素ガスタンク
３１２，３２２…高圧水素配管
３２０…遮断弁
３３０，３３０ａ，３３０ｂ…調圧弁
３３２…低圧水素配管
３４０…エゼクタ
３４０ａ…供給ポート
３４０ｂ…出口ポート
３４０ｃ…吸引ポート
３４２…還流配管
３５０…気液分離器
３５２…配管
３６０…排気・排水弁
３６２…配管
３７０…アノードオフガス排出部
３８０…循環ポンプ
４００…燃料電池制御部
５００…ディフューザブロック
５０２…ディフューザ
５０４…スロート
５０６…絞り部
５１０…貫通孔
５２０…ノズルブロック
５２２…ノズル
５２４…円筒部
５２６…連結部材
５３０…貫通孔
５４０…シールブロック
５４２…隔壁部
５４４…貫通孔
５６０…ニードル
５６２…テーパ部
５６４…ニードル軸
５６６…駆動孔
５８０…駆動部
５８２…駆動桿
５８４…駆動モータ

Claims (8)

1. 燃料電池システムであって、
   反応ガスを利用して負荷に電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
   前記反応ガス供給部からの前記反応ガスの供給を停止可能な停止弁と、
   前記反応ガス供給部から前記停止弁を介して供給される前記反応ガスの前記燃料電池への供給量を調整可能な調整弁と、
   前記停止弁と前記調整弁とを制御し、反応ガス供給停止モードと反応ガス供給再開モードとを実行する燃料電池制御部と、
   を備え、
   前記停止弁は、前記調整弁が最小開度に到達する時間よりも短時間で最小開度に到達する弁であり、
   前記反応ガス供給停止モードは、前記調整弁と前記停止弁とを最小開度にする制御モードであり、
   前記反応ガス供給再開モードは、前記反応ガス供給停止モードの実行によって、前記調整弁が最小開度に到達した後、前記調整弁を最小開度に維持して前記停止弁を最小開度よりも開度の大きい開状態にする制御モードである、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池制御部は、前記負荷が前記燃料電池に要求する要求電力の単位時間あたりの低下量が所定の閾値以上の場合に前記反応ガス供給停止モードを実行する、燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力を表す圧力パラメータを取得する圧力パラメータ取得部を備え、
   前記燃料電池制御部は、前記圧力パラメータにより表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力に応じて前記停止弁と前記調整弁とを制御する、燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池制御部は、前記圧力パラメータによって表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が所定の圧力基準値以上の場合に前記反応ガス供給停止モードを実行する、燃料電池システム。
5. 請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池制御部は、前記反応ガス供給停止モードを実行している際に、前記圧力パラメータによって表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が所定の圧力下限値以下の場合に前記反応ガス供給再開モードを実行する、燃料電池システム。
6. 請求項３ないし５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池制御部は、
   前記停止弁を最小開度にする反応ガス供給再停止モードを有しており、
   前記反応ガス供給再開モードを実行した後に、前記圧力パラメータによって表される前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が所定の圧力上限値以上の場合に前記反応ガス供給再停止モードを実行する、燃料電池システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷は、蓄電装置を有しており、
   前記燃料電池制御部は、
   前記反応ガス供給再開モードを実行しない供給再開停止モードを有し、
   前記蓄電装置の残存容量が所定の残存容量基準値よりも大きい場合に前記供給再開停止モードを実行する、燃料電池システム。
8. 請求項１ないし７のいずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムは、前記反応ガス供給部から供給される前記反応ガスと、前記燃料電池から供給される反応排ガスと、を混合した混合反応ガスを前記燃料電池に供給する循環式の燃料電池システムであって、
   前記調整弁は、前記混合反応ガスの循環流路に前記反応ガスを供給する、燃料電池システム。

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