JP5057203B2 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。

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、燃料電池システムの燃料電池の内部や燃料オフガスの排出流路には、発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、排出流路にパージ弁を設け、このパージ弁の開閉制御を行うことにより、排出流路内のガスを排出する技術（パージ技術）が提案されている。

前記特許文献１に記載されたような従来の技術を採用すると、このようなパージ動作中（パージ弁の開放中）においても可変調圧弁により燃料ガスの供給が継続されるため、可変調圧弁により供給された燃料ガスが不純物とともにパージ弁から外部に排出されてしまう。このため、燃料消費量が増大し、かつ、パージ効率（総排出量に対する不純物の割合）が低下するという問題が発生していた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、パージ弁の開閉制御によりパージ動作を行う燃料電池システムにおいて、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高めることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る第１の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、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内の不純物を外部に排出するためのパージ弁と、開閉弁及びパージ弁の開閉動作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、制御手段は、パージ弁の開閉状態に応じて、開閉弁から燃料電池への燃料ガス供給量を設定するように、開閉弁及びパージ弁の開閉動作を制御するものである。

かかる構成を採用すると、パージ弁の開閉状態に応じて、開閉弁から燃料電池へと供給される燃料ガスの量（燃料ガス供給量）を設定（調整）することができる。例えば、パージ弁開放時における燃料ガス供給量を、パージ弁閉鎖時における燃料ガス供給量よりも低減させることができるので、パージ弁開放により排出流路内の不純物を外部に排出する動作（パージ）を行う際に、多量の燃料ガスが不純物とともに外部に排出されることを抑制することができる。従って、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高めることが可能となる。

また、本発明に係る第２の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、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内の不純物を外部に排出するためのパージ弁と、開閉弁及びパージ弁の開閉動作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、制御手段は、パージ弁の開放時における開閉弁から燃料電池への燃料ガス供給量を、パージ弁の閉鎖時における開閉弁から燃料電池への燃料ガス供給量よりも低減させるように、開閉弁及びパージ弁の開閉動作を制御するものである。

かかる構成を採用すると、パージ弁開放により排出流路内の不純物を外部に排出する動作（パージ）を行う際に、開閉弁から燃料電池へと供給される燃料ガスの量（燃料ガス供給量）を低減させることができるので、パージを行う際に多量の燃料ガスが不純物とともに外部に排出されることを抑制することができる。従って、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高めることが可能となる。なお、本発明において、「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、供給流路の開閉弁下流位置における燃料ガスの供給圧力の低下分が所定の閾値を超えた場合に、パージ弁の開放時においても開閉弁から燃料電池への燃料ガスの供給圧力を増大させる制御手段を採用することが好ましい。

かかる構成を採用すると、パージ時に開閉弁から燃料電池への燃料ガス供給量を低減させることに起因して燃料ガスの供給圧力が低下した場合に、逸早く燃料ガスの供給圧力を増大させて発電を維持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、パージ弁の開放時における開閉弁から燃料電池への燃料ガスの供給を停止する制御手段を採用することもできる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池へと供給されるガス及び燃料電池から排出されるガスの少なくとも何れか一方を流すためのガス流路と、このガス流路内のガスを強制的に流すガスポンプと、を設けることができる。かかる場合において、パージ弁の開放時においてガスポンプの作動を低減ないし停止させる制御手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される燃料オフガスを供給流路に流すための循環流路を排出流路として採用し、この循環流路内のガスを供給流路に強制的に循環させる循環ポンプを設けることができる。かかる場合において、パージ弁の開放時において循環ポンプの作動を低減ないし停止させる制御手段を採用することが好ましい。

かかる構成を採用すると、パージ弁開放により循環流路内の不純物を外部に排出する動作（パージ）を行う際に、循環ポンプの作動を低減ないし停止させることができる。従って、パージを行う際に循環流路内の未反応の燃料ガスが供給流路に循環して燃料電池に供給され、これに伴って多量の燃料ガスが不純物とともに外部に排出されることを抑制することができる。従って、燃料消費量の低減と、パージ効率の向上と、の双方を促進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。

また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。

かかる構成によれば、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高めることが可能な燃料電池システムを備えているため、移動体の航続性能を高めることが可能となる。

本発明によれば、パージ弁の開閉制御によりパージ動作を行う燃料電池システムにおいて、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高め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及び図２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。水素ガス配管系３は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。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（本発明における開閉弁の一実施形態）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、パージ流路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（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。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及びパージ流路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。循環流路３２は本発明における排出流路及びガス流路の一実施形態であり、排気排水弁３７は本発明におけるパージ弁の一実施形態であり、水素ポンプ３９は本発明における循環ポンプ及びガスポンプの一実施形態である。

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）。本実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、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の発電電流値）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の発電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、制御装置４の演算周期毎に目標圧力値を算出して更新することとしている。

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で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出し、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（補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出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：Ｂ４）。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、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）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：Ｂ５）。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、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

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：Ｂ６）。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：Ｂ７）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の開閉駆動の周期、すなわち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。そして、制御装置４は、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の通常制御を実行する。ここで、通常制御とは、前記した制御信号に基づいてインジェクタ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ことを意味する。

また、制御装置４は、排気排水弁３７の開閉制御を行うことによりパージ動作（排気排水弁３７の開放により循環流路３２内の水素オフガスや不純物を外部に排出する動作）を実行する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の通常制御中にパージ動作が実行されたか否かを判定し（パージ判定機能：Ｂ８ａ）、通常制御中にパージ動作が実行されたものと判定した場合に、インジェクタ３５の制御態様を通常制御から停止制御へと切り替える（制御態様切替機能：Ｂ９）。ここで、停止制御とは、インジェクタ３５を全閉させる（噴射停止させる）ための制御信号に基づいてインジェクタ３５の開度を全閉に維持することにより、燃料電池１０への水素ガスの供給を抑制ないし停止することを意味する。すなわち、制御装置４は、本発明における制御手段として機能する。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の停止制御中に、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）の低下分が所定の閾値を超えるか否かを判定する（圧力判定機能：Ｂ８ｂ）。そして、制御装置４は、停止制御中に検出圧力値の低下分が所定の閾値を超えたものと判定した場合に、パージ動作中であってもインジェクタ３５の制御態様を停止制御から通常制御へと切り替える（制御態様切替機能：Ｂ９）。このように制御態様を切り替えることにより、インジェクタ３５から燃料電池１０への水素ガスの供給圧力を増大させて、発電を維持することが可能となる。

続いて、図３のフローチャート及び図４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の通常運転時においては、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。本実施形態においては、このような通常運転時に、排気排水弁３７を開閉制御してパージ動作を実行するとともに、パージ動作中にインジェクタ３５を制御して燃料供給を抑制する。

まず、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で消費される水素ガスの流量（水素消費量）を算出する（水素消費量算出工程：Ｓ２）とともに、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：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）。そして、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ３で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ４で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（補正流量算出工程：Ｓ５）。

次いで、制御装置４は、補正流量算出工程Ｓ５で算出したフィードバック補正流量等を用いて、インジェクタ３５の通常制御を行う（通常制御工程：Ｓ６）。通常制御工程Ｓ６において、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の噴射流量を算出し、こ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、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。そして、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。

次いで、制御装置４は、インジェクタ３５の通常制御の実行中に、パージ動作が実行されたか否かを判定する（パージ判定工程：Ｓ７）。そして、制御装置４は、パージ判定工程Ｓ７においてパージ動作が実行されていないものと判定した場合に、インジェクタ３５の通常制御を続行する。一方、制御装置４は、パージ判定工程Ｓ７においてパージ動作が実行されたものと判定した場合に、インジェクタ３５の制御態様を通常制御から停止制御へと切り替える（停止制御移行工程：Ｓ８）。停止制御移行工程Ｓ８を経た制御装置４は、インジェクタ３５の停止制御を実行する。すなわち、制御装置４は、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、排気排水弁３７の開放（ＯＮ）時点より後に、インジェクタ３５から燃料電池１０への水素ガスの噴射を停止させるとともに、水素ポンプ３９を停止させて循環流路３２から水素供給流路３１への水素ガスの循環を停止させる。

また、停止制御移行工程Ｓ８を経た制御装置４は、インジェクタ３５の停止制御中に、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）の低下分ΔＰが所定の閾値ΔＰ₀を超えるか否かを判定する（圧力判定工程：Ｓ９）。そして、制御装置４は、圧力判定工程Ｓ９において検出圧力値の低下分ΔＰが閾値ΔＰ₀以下であると判定した場合に、インジェクタの停止制御を続行する。一方、制御装置４は、圧力判定工程Ｓ９において検出圧力値の低下分ΔＰが閾値ΔＰ₀を超えたものと判定した場合に、パージ動作中であってもインジェクタ３５の制御態様を停止制御から通常制御へと切り替える（通常制御復帰工程：Ｓ１０）。通常制御復帰工程Ｓ１０を経た制御装置４は、図４（Ｃ）に示すように、検出圧力値の低下分ΔＰが閾値ΔＰ₀を超えた時点より後に、インジェクタ３５から燃料電池１０への水素ガスの噴射を許容するとともに、水素ポンプ３９を作動させて循環流路３２から水素供給流路３１への水素ガスの循環を許容する。

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、パージ動作中に、インジェクタ３５から燃料電池１０へと供給される水素ガスの量（水素ガス供給量）を低減させることができる。従って、パージ動作中に多量の水素ガスが不純物とともに外部に排出されることを抑制することができるので、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高め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の下流位置における水素ガスの供給圧力の低下分ΔＰが所定の閾値ΔＰ₀を超えた場合に、パージ動作中においてもインジェクタ３５から燃料電池１０への水素ガスの供給圧力を増大させることができる。従って、パージ動作中にインジェクタ３５からの水素ガス供給量が低減することに起因して水素ガスの供給圧力が低下した場合に、逸早く水素ガスの供給圧力を増大させて発電を維持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、パージ動作中に、水素ポンプ３９を停止させることができるので、パージ動作中に循環流路３２内の未反応の水素ガスが水素供給流路３１に循環して燃料電池１０に供給され、これに伴って多量の水素ガスが不純物とともに外部に排出されることを抑制することができる。従って、燃料消費量の低減と、パージ効率の向上と、の双方を促進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車両（移動体）は、燃料消費量を低減させるとともにパージ効率を高めることが可能な燃料電池システム１を備えているため、高い航続性能を有するものとなる。

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５に示すように、燃料電池１０にパージ流路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パージ動作中にインジェクタ３５からの水素ガスの供給を抑制することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。かかる場合におけるパージ流路３８は、本発明における排出流路及びガス流路の一実施形態である。

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。かかる場合における排気弁は、本発明におけるパージ弁の一実施形態である。

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、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（噴射時間）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、このマップに記録した目標圧力値と、二次側圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、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、パージ動作中にインジェクタ３５及び水素ポンプ３９を停止させた例を示したが、パージ動作中にコンプレッサ２４を停止させることもできる。かかる場合におけるコンプレッサ２４は本発明におけるガスポンプの一実施形態であり、空気供給流路２１は本発明におけるガス流路の一実施形態である。

また、排気排水弁３７の開閉制御（パージ制御）の態様は、特に限られるものではない。例えば、一定時間毎に排気排水弁３７を開放する定時排気制御、排気排水弁３７を通過するガスの流量が所定値を超えた場合に排気排水弁３７を閉鎖する定量排気制御、実際の排気量が燃料電池１０の発電状態に応じて設定した目標排気量に達したときに排気排水弁３７を閉鎖するフィードバック制御、等を採用することができる。

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運転方法を説明するためのタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉動作を示すもの、（Ｂ）はインジェクタの噴射態様を示すもの、（Ｃ）はインジェクタ下流側における水素ガスの検出圧力値を示すもの、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（制御手段）、１０…燃料電池、３１…水素供給流路、３２…循環流路（排出流路、ガス流路）、３５…インジェクタ（開閉弁）、３７…排気排水弁（パージ弁）、３９…水素ポンプ（循環ポンプ、ガスポンプ）。

Claims (7)

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、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内の不純物を外部に排出するためのパージ弁と、前記開閉弁及び前記パージ弁の開閉動作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、
   前記制御手段は、前記パージ弁の開放時における前記開閉弁から前記燃料電池への燃料ガス供給量を、前記パージ弁の閉鎖時における前記開閉弁から前記燃料電池への燃料ガス供給量よりも低減させるように、前記開閉弁及び前記パージ弁の開閉動作を制御するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記供給流路の前記開閉弁下流位置における燃料ガスの供給圧力の低下分が所定の閾値を超えた場合に、前記パージ弁の開放時においても前記開閉弁から前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力を増大させるものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記パージ弁の開放時における前記開閉弁から前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池へと供給されるガス及び前記燃料電池から排出されるガスの少なくとも何れか一方を流すためのガス流路と、
   前記ガス流路内のガスを強制的に流すガスポンプと、を備え、
   前記制御手段は、前記パージ弁の開放時において前記ガスポンプの作動を低減ないし停止させるものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記排出流路は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記供給流路に流すための循環流路であり、
   前記循環流路内のガスを前記供給流路に強制的に循環させる循環ポンプを備え、
   前記制御手段は、前記パージ弁の開放時において前記循環ポンプの作動を低減ないし停止させるものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記開閉弁は、インジェクタである、
   請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた、
   移動体。

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