JP5013307B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、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は、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられており、燃料供給流路には、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が設けられるのが一般的である。

現在においては、燃料ガスの供給圧力を例えば２段階に変化させる機械式の可変調圧弁（可変レギュレータ）を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１３９９８４号公報

ところで、近年においては、燃料供給流路に圧力センサを配置し、この圧力センサで検出した燃料ガスの圧力値（又はこの検出圧力値に所定の処理を施した値）に基づいて可変調圧弁を制御することにより、燃料ガスの供給圧力を調整する技術が提案されている。しかし、このような従来の技術を採用すると、圧力センサでの検出時における燃料ガスの圧力値（又は所定の処理を施した値）と、実際の噴射時における燃料ガスの圧力値と、の差が大きくなるため、燃料ガスの供給誤差が生じる場合があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料ガスの検出圧力値（又はこの検出圧力値に所定の処理を施した値）と実際の圧力値との差に起因した燃料ガスの供給誤差を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、供給流路内を流れる燃料ガスの圧力値を検出する圧力センサと、この圧力センサで検出された圧力値に所定の処理を施す処理手段と、圧力センサで検出され処理手段で処理が施された圧力値に基づいて開閉弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、開閉弁の開閉動作に応じて、処理手段における処理態様を変更する処理態様変更手段を備えるものである。

かかる構成を採用すると、開閉弁の開閉動作に応じて、圧力センサで検出された圧力値（検出圧力値）の処理態様を変更することができる。従って、開閉弁の開閉動作に起因した圧力誤差（燃料ガスの検出圧力値と実際の圧力値との誤差）を適切な処理によって補正することができ、処理後の圧力値（開閉弁制御に用いられる値）を実際の圧力値に近付けることができる。この結果、開閉弁制御の精度を向上させることができ、開閉弁からの燃料ガスの供給誤差を低減することが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。

前記燃料電池システムにおいて、開閉弁の上流側における燃料ガスの圧力値を検出する一次側圧力センサを採用することができる。かかる場合において、一次側圧力センサで検出された圧力値に平滑化処理を施すとともに、平滑化処理を施した値から所定のオフセット量を減じる処理手段を採用し、かつ、開閉弁の開閉動作の周期が長くなるほどオフセット量を大きくする処理態様変更手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、開閉弁の上流側における燃料ガスの検出圧力値（一次圧）に平滑化処理を施し、平滑化処理後の値から所定のオフセット量を減じることにより、実際の圧力値（開閉弁の噴射中における一次圧）を比較的精度良く推定することができ、この推定した圧力値に基づいて開閉弁を制御することができる。この際、開閉弁の開閉動作の周期（駆動周期）が短い場合には一次圧の低下分が小さく、駆動周期が長い場合には一次圧の低下分が大きい、という開閉弁の特性を勘案して、駆動周期が長くなるほどオフセット量を大きくすることができる。従って、開閉弁の開閉動作に応じた適切な処理が可能となり、開閉弁制御精度の向上に寄与することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転状態に応じてオフセット量を変更する処理態様変更手段を採用することもできる。

かかる構成を採用すると、燃料電池の発電レベルが低い場合には開閉弁の駆動周期が長くなるため一次圧の低下分が大きくなり、燃料電池の発電レベルが高い場合には開閉弁の駆動周期が短くなるため一次圧の低下分が小さくなる、という特性を勘案して、燃料電池の運転状態に応じてオフセット量を変更することができる。従って、燃料電池の発電量（電力、電流、電圧）や温度等から把握される燃料電池の運転状態に応じた適切な処理（一次圧推定）が可能となり、開閉弁の制御精度の向上に寄与することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、開閉弁の下流側における燃料ガスの圧力値を検出する二次側圧力センサを採用することができる。かかる場合において、二次側圧力センサで検出された圧力値に平滑化処理を施す処理手段を採用するとともに、開閉弁の全開制御時又は全閉制御時における平滑化処理の平滑度を、開閉弁の通常制御時における平滑化処理の平滑度よりも低くする処理態様変更手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、開閉弁の下流側における燃料ガスの検出圧力値（二次圧）に平滑化処理を施し、この処理後の二次圧に基づいて（例えば処理後の二次圧が所定の目標値に追従するように）開閉弁を制御することができる。この際、開閉弁の全開制御時又は全閉制御時における平滑化処理の平滑度を、通常制御時における平滑化処理の平滑度よりも低くする（すなわち、全開・全閉制御時の平滑化処理後の二次圧を、通常制御時の平滑化処理後の二次圧よりも、実圧に近い値とする）ことができる。従って、開閉弁の開閉動作に応じた適切な処理が可能となり、開閉弁制御精度の向上（例えば開閉弁の全開・全閉制御時における圧力応答性の向上）に寄与することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、開閉弁の制御態様が全開制御又は全閉制御から通常制御へと移行する際に、移行直後における初期圧力値を移行直前の全開制御時又は全閉制御時に平滑化処理が施された圧力値に設定する処理手段を採用することが好ましい。

このようにすることにより、開閉弁の制御態様が全開・全閉制御から通常制御へと移行する際に、移行直前の全開・全閉制御時に平滑化処理が施された圧力値を初期圧力値として移行直後の平滑化処理を行うことができる。従って、開閉弁の制御態様の切替により平滑化処理の態様が切り替わる場合における初期圧力値のズレを是正することができ、制御態様切替後における圧力値の算出誤差を抑制することが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを開閉弁として採用することができる。

インジェクタとは、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状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料ガスの検出圧力値（又はこの検出圧力値に所定の処理を施した値）と実際の圧力値との差に起因した燃料ガスの供給誤差を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１〜図３を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、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ガス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電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。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に供給する空気供給流路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に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガス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。

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に供給するための水素供給流路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一次側圧力センサ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Ａ１の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

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の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。

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時期が制御されることにより、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（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、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、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。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６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３７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３６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と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流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用の操作部材（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、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスのインジェクタ３５下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて目標圧力値を算出している。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出し後述する特定の処理を施したインジェクタ３５下流位置の圧力値（処理圧力値）と、の偏差を算出し、この偏差の絶対値が所定の閾値以下であるか否かを判定する（偏差判定機能：Ｂ３）。そして、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と処理圧力値との偏差の絶対値を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出し後述する特定の処理を施した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて静的流量を算出している。また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて無効噴射時間を算出している。

また、制御装置４は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。すなわち、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック制御を実現させる。かかるフィードバック制御は、本発明における通常制御に相当するものである。

また、制御装置４は、目標圧力値と処理圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値を超える場合に、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御を実現させる。全開・全閉制御とは、いわゆるオープンループ制御であり、目標圧力値と処理圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値以下となるまでインジェクタ３５の開度を全開・全閉に維持するものである。 具体的には、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合であって、目標圧力値よりも処理圧力値が小さい場合に、インジェクタ３５を全開させる（すなわち連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御機能：Ｂ９）。一方、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値を超えた場合であって、目標圧力値よりも処理圧力値が大きい場合に、インジェクタ３５を全閉させる（すなわち噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御機能：Ｂ１０）。

また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出されたインジェクタ３５上流側における水素ガスの圧力値（検出一次圧）に、特定の処理を施す（一次圧フィルタリング機能：Ｂ１１）。具体的には、制御装置４は、検出一次圧に平滑化処理を施すとともに、平滑化処理を施した値からオフセット量を減じることにより、検出一次圧を実際の一次圧（インジェクタ３５の噴射中における一次圧）に近付けるように処理する。この際、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に応じて、オフセット量を変更する。すなわち、制御装置４は、図３に示すように、燃料電池１０の発電電流値が小さくなるほどオフセット量を大きく設定する。燃料電池１０の発電電流値が小さい（インジェクタ３５の駆動周期が長い）場合には一次圧の低下分が大きく、燃料電池１０の発電電流値が大きい（インジェクタ３５の駆動周期が短い）場合には一次圧の低下分が小さい、というシステムの特性を勘案したものである。

また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３で検出されたインジェクタ３５上流側における水素ガスの圧力値（検出二次圧）に平滑化処理を施す（二次圧フィルタリング機能：Ｂ１２）。この際、制御装置４は、インジェクタ３５の全開制御時又は全閉制御時における平滑化処理の平滑度を、インジェクタ３５の通常制御時における平滑化処理の平滑度よりも低くする（すなわち、全開・全閉制御時の平滑化処理後の二次圧を、通常制御時の平滑化処理後の二次圧よりも、実圧に近い値とする）。また、制御装置４は、インジェクタ３５の制御態様が全開制御又は全閉制御から通常制御へと移行する際に、移行直後における初期圧力値を、移行直前の全開制御時又は全閉制御時に平滑化処理が施された圧力値に設定する。

なお、制御装置４は、移動平均を採用して検出値（検出一次圧及び検出二次圧）の平滑化処理を行っている。具体的には、制御装置４は、ある検出値とその前後２Ｌ点の検出値とを加算し、この加算して得た値を平均化点数Ｍ（＝２Ｌ＋１）で除することにより、平滑化された値を算出する。制御装置４は、検出二次圧に平滑化処理を施す際に、インジェクタ３５の全開・全閉制御時における平均化点数Ｍの値を、通常制御時における平均化点数Ｍの値よりも小さい値に設定することにより、全開・全閉制御時における平滑化処理の平滑度を、通常制御時における平滑化処理の平滑度よりも低くしている。検出値をｐ_iとし、移動平均化処理によって平滑化される値をｘ_iとすると、ｘ_iは以下の式により算出されることとなる。

本実施形態における制御装置４は、一次側圧力センサ４１及び二次側圧力センサ４３で検出された圧力値（検出圧力値）に平滑化処理等を施すものであり、本発明における処理手段として機能する。また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１及び二次側圧力センサ４３で検出され処理が施された圧力値（処理圧力値）に基づいてインジェクタ３５を制御するものであり、本発明における制御手段としても機能する。また、制御装置４は、インジェクタ３５の開閉動作に応じて平滑化処理の態様を変更するものであり、本発明における処理態様変更手段としても機能する。

続いて、図４のフローチャートと、図５及び図６のタイムチャート、を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。

燃料電池システム１の運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。

かかる運転時において、燃料電池システム１の制御装置４は、電流センサ１３を用いて燃料電池１０の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。また、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスの目標圧力値を算出する（目標圧力値算出工程：Ｓ２）。さらに、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値及び図３のマップに基づいて、インジェクタ３５の上流側における検出圧力値（検出一次圧）の処理に用いるオフセット量を算出する（オフセット量算出工程：Ｓ３）。

次いで、制御装置４は、二次側圧力センサ４３を用いてインジェクタ３５の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ４）とともに、この検出した圧力値（検出二次圧）に通常制御時における平滑化処理を施す（通常時処理工程：Ｓ５）。通常時処理工程Ｓ５における平滑化処理の平滑度は、後述する全開制御工程Ｓ１０及び全閉制御工程Ｓ１１における平滑化処理の平滑度よりも高く（すなわち平均化点数Ｍの値が大きく）なるように設定されている。

次いで、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、通常時処理工程Ｓ５で平滑化処理を施した圧力値（処理後二次圧）と、の偏差ΔＰを算出する（偏差算出工程：Ｓ６）。そして、制御装置４は、偏差算出工程Ｓ６で算出した偏差ΔＰの絶対値が、第１の閾値ΔＰ₁以下であるか否かを判定する（第１偏差判定工程：Ｓ７）。閾値ΔＰ₁は、図５に示すように、目標圧力値より処理後二次圧が小さい場合においてフィードバック制御と全開制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と処理圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ₁以下であると判定した場合に、後述する第２偏差判定工程Ｓ８に移行する。

一方、制御装置４は、目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ₁を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全開させる（連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御工程：Ｓ１０）。全開制御工程Ｓ１０において、制御装置４は、検出二次圧に全開制御時用の平滑化処理を施す。具体的には、制御装置４は、全開制御工程Ｓ１０における平滑化処理の平滑度を、通常時処理工程Ｓ５における平滑化処理の平滑度よりも低く（すなわち平均化点数Ｍの値を小さく）設定する。これにより、全開制御時における処理後二次圧を、通常制御時における処理後二次圧よりも実圧に近付けることが可能となる。

制御装置４は、第１偏差判定工程Ｓ７で目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ₁以下であると判定した場合に、偏差算出工程Ｓ６で算出した偏差ΔＰの絶対値が、第２の閾値ΔＰ₂以下であるか否かを判定する（第２偏差判定工程：Ｓ８）。第２の閾値ΔＰ₂は、図５に示すように、目標圧力値より処理後二次圧が大きい場合においてフィードバック制御と全閉制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ₂以下であると判定した場合に、後述するフィードバック制御工程Ｓ９に移行する。

一方、制御装置４は、目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ₂を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全閉させる（噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御工程：Ｓ１１）。全閉制御工程Ｓ１１において、制御装置４は、検出二次圧に全閉制御時用の平滑化処理を施す。具体的には、制御装置４は、全閉制御工程Ｓ１１における平滑化処理の平滑度を、通常時処理工程Ｓ５における平滑化処理の平滑度よりも低く（すなわち平均化点数Ｍの値を小さく）設定する。これにより、全閉制御時における処理後二次圧を、通常制御時における処理後二次圧よりも実圧に近付けることが可能となる。

制御装置４は、第２偏差判定工程Ｓ８で目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ₂以下であると判定した場合に、フィードバック制御（通常制御）を実現させる（通常制御工程：Ｓ９）。かかる通常制御工程Ｓ９について具体的に説明する。

まず、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（水素消費量）を算出する。また、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、通常時処理工程Ｓ５で平滑化処理が施された圧力値（処理後二次圧）と、の偏差ΔＰに基づいてフィードバック補正流量を算出する。フィードバック補正流量は、目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量である。そして、制御装置４は、算出した水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する。

また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力値（検出一次圧）に平滑化処理を施し、オフセット量算出工程Ｓ３で算出したオフセット量を平滑化処理後の値から減じることにより、検出一次圧を実際の一次圧（インジェクタ３５の噴射中における一次圧）に近付けるように処理する。そして、このような処理後一次圧と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値に駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出する。

また、制御装置４は、処理後一次圧と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、印加電圧と、に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出し、この無効噴射時間と、インジェクタ３５の基本噴射時間と、を加算することにより、インジェクタ３５の総噴射時間を算出する。その後、制御装置４は、算出したインジェクタ３５の総噴射時間に係る制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。以上の工程群を繰り返して調圧を行うことにより、検出二次圧（及び処理後二次圧）を目標圧力値に近付けることができる。

図５のタイムチャートは、本実施形態に係る燃料電池システム１の処理後二次圧の時間履歴を示すものである。燃料電池１０の起動時においては、図５に示すように、目標圧力値より処理後二次圧が小さく、かつ、目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₁より大きいため、制御装置４はインジェクタ３５の全開制御を実現させる。これにより処理後二次圧は急速に目標圧力値に近付き、偏差ΔＰの絶対値は急減する。そして、制御装置４は、偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₁以下となった場合に、全開制御から通常制御に切り換える。これにより、処理後二次圧の変化速度が低減する。

その後、目標圧力値より処理後二次圧が大きくなり、かつ、目標圧力値と処理後二次圧との偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₂より大きくなった場合に、制御装置４は通常制御から全閉制御に切り換える。これにより、処理後二次圧は急速に目標圧力値に近付き、偏差ΔＰの絶対値は急減する。そして、制御装置４は、偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₂以下となった場合に、全閉制御から通常制御に切り換える。このように通常制御と全開・全閉制御とを偏差ΔＰに応じて切り換えることにより、検出圧力値を目標圧力値に迅速に収束させることができる。

なお、インジェクタ３５の全開制御において、通常制御と同レベルの平滑化処理（平滑度が比較的高い平滑化処理）を検出二次圧に施すと、図６（Ａ）に示すように、実圧に対して処理後二次圧が遅れるため、全開制御から通常制御への移行後に実圧が目標圧力値を大きく上回る現象（オーバーシュート現象）が生じる。同様に、インジェクタ３５の全閉制御において、通常制御と同レベルの平滑化処理を検出二次圧に施すと、実圧に対して処理後二次圧が遅れるため、全閉制御から通常制御への移行後に実圧が目標圧力値を大きく下回る現象（アンダーシュート現象）が生じる。これに対し、本実施形態においては、図６（Ｂ）に示すように、インジェクタ３５の全開（全閉）制御時に、通常制御時と異なる平滑化処理（平滑度が比較的低い平滑化処理）を検出二次圧に施すため、前記したオーバーシュート現象（アンダーシュート現象）の発生を抑制することが可能となる。

また、インジェクタ３５の制御態様を全開（全閉）制御から通常制御に移行させる際に、移行直後における初期圧力値を、移行直前において通常制御時の平滑化処理が施された圧力値Ｐ₀（図６（Ｂ）参照）に設定すると、この圧力値Ｐ₀と実圧との差が大きいため、移行後における処理後二次圧の算出に誤差が生じてしまう。このため、制御装置４は、図６（Ｂ）に示すように、インジェクタ３５の制御態様を全開（全閉）制御から通常制御に移行させる際に、移行直後における初期圧力値を、移行直前において全開（全閉）制御時の平滑化処理が施された圧力値Ｐ₁に設定する。このようにすることにより、制御態様切替後における処理後二次圧の算出誤差を抑制することが可能となる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ３５の開閉動作に応じて、圧力センサ（一次側圧力センサ４１及び二次側圧力センサ４３）で検出された圧力値（検出一次圧及び検出二次圧）の処理態様を変更することができる。従って、インジェクタ３５の開閉動作に起因した圧力誤差（水素ガスの検出圧力値と実際の圧力値との誤差）を適切な処理によって補正することができ、処理後の圧力値（インジェクタ３５の制御に用いられる値）を実際の圧力値に近付けることができる。この結果、インジェクタ３５の制御精度を向上させることができ、インジェクタ３５からの水素ガスの供給誤差を低減することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ３５の上流側における水素ガスの検出圧力値（検出一次圧）に平滑化処理を施し、平滑化処理後の値から所定のオフセット量を減じることにより、実際の圧力値（インジェクタ３５の噴射中における一次圧）を比較的精度良く推定することができ、この推定した圧力値に基づいてインジェクタ３５を制御することができる。この際、燃料電池１０の発電電流値が大きい（インジェクタ３５の駆動周期が短い）場合には一次圧の低下分が小さく、燃料電池１０の発電電流値が小さい（駆動周期が長い）場合には一次圧の低下分が大きい、というインジェクタ３５の特性を勘案して、インジェクタ３５の駆動周期が長くなるほどオフセット量を大きくすることができる。従って、燃料電池１０の運転状態やインジェクタ３５の開閉動作に応じた適切な処理（一次圧推定）が可能となり、インジェクタ３５の制御精度の向上に寄与することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ３５の下流側における水素ガスの検出圧力値（検出二次圧）に平滑化処理を施し、この処理後二次圧が所定の目標圧力値に追従するようにインジェクタ３５を制御することができる。この際、インジェクタ３５の全開・全閉制御時における平滑化処理の平滑度を、通常制御時における平滑化処理の平滑度よりも低くする（すなわち、全開・全閉制御時の平滑化処理後の二次圧を、通常制御時の平滑化処理後の二次圧よりも、実圧に近い値とする）ことができる。従って、インジェクタ３５の開閉動作に応じた適切な処理が可能となり、インジェクタ３５の応答性の向上（オーバーシュート現象・アンダーシュート現象の抑制）が可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、インジェクタ３５の制御態様を全開・全閉制御から通常制御へと移行させる際に、移行直後における初期圧力値を、移行直前の全開・閉制御時に平滑化処理が施された圧力値に設定することができる。従って、インジェクタ３５の制御態様の切替に起因して平滑化処理の態様が切り替わる場合における初期圧力値のズレを是正することが可能となり、制御態様切替後における処理後二次圧の算出誤差を抑制することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図７に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御装置４で前記実施形態と同様にインジェクタ３５の作動状態を制御することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、以上の実施形態においては、本発明における開閉弁としてインジェクタ３５を採用した例を示したが、開閉弁は供給流路（水素供給流路３１）の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するものであればよく、インジェクタ３５に限られるものではない。

また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排気弁を制御することもできる。

また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１のインジェクタ３５の下流位置に二次側圧力センサ４３を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ３５の作動状態を設定した例を示したが、二次側圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池１０の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路３１上）や、燃料電池１０の水素ガス出口近傍位置（循環流路３２上）や、水素ポンプ３９の出口近傍位置（循環流路３２上）に二次側圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、二次側圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。

また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値を検出し、この電流値に基づいて目標圧力値や水素ガスの消費流量を算出してフィードバック制御を行った例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電時の電圧値や電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じてフィードバック制御を行うこともできる。

また、以上の実施形態においては、圧力センサ（一次側圧力センサ４１及び二次側圧力センサ４３）で検出した圧力値（検出一次圧及び検出二次圧）に平滑化処理を施す際に「移動平均」を採用した例を示したが、平滑化処理の手法はこれに限られるものではない。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及びオフセット量を設定した例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電電圧値や発電電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及びオフセット量を設定してもよい。また、燃料電池１０が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態あるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御装置４が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。

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に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示した燃料電池システムの検出一次圧処理用のオフセット量を算出する際に用いられるマップである。 図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した燃料電池システムの水素ガス圧力値の時間履歴を示すタイムチャートである。 （Ａ）は、従来の燃料電池システムの全開制御から通常制御への移行時における水素ガス圧力値の時間履歴を示すタイムチャートであり、（Ｂ）は、図１に示した燃料電池システムの全開制御から通常制御への移行時における水素ガス圧力値の時間履歴を示すタイムチャートである。 図１に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置（処理手段、制御手段、処理態様変更手段）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路、３５…インジェクタ（開閉弁）、４１…一次側圧力センサ、４３…二次側圧力センサ。

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、
   この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、
   前記供給流路において前記開閉弁の上流側における燃料ガスの圧力値を検出する一次側圧力センサと、
   この一次側圧力センサで検出された圧力値に所定の処理を施す処理手段と、
   前記一次側圧力センサで検出され前記処理手段で処理が施された圧力値に基づいて前記開閉弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記開閉弁の開閉動作に応じて、前記処理手段における処理態様を変更する処理態様変更手段を備え、
   前記処理手段は、前記一次側圧力センサで検出された圧力値に平滑化処理を施すとともに、前記平滑化処理を施した値から所定のオフセット量を減じるものであり、
   前記処理態様変更手段は、前記開閉弁の開閉動作の周期が長くなるほど前記オフセット量を大きくするものである、燃料電池システム。
2. 前記処理態様変更手段は、前記燃料電池の運転状態に応じて前記オフセット量を変更するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記供給流路において前記開閉弁の下流側における燃料ガスの圧力値を検出する二次側圧力センサをさらに備え、
   前記処理手段は、前記二次側圧力センサで検出された圧力値に平滑化処理を施すものであり、
   前記平滑化処理が移動平均化処理であり、
   前記処理態様変更手段は、前記開閉弁の全開制御時又は全閉制御時において移動平均の算出に用いる検出値の数を、全開制御時又は全閉制御時を除く通常制御時において移動平均の算出に用いる検出値の数よりも少なくするものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記処理手段は、前記開閉弁の制御態様が全開制御又は全閉制御から通常制御へと移行する際に、移行直後における初期圧力値を、移行直前の全開制御時又は全閉制御時に平滑化処理が施された圧力値に設定するものである、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記開閉弁は、インジェクタである、
   請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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