JP5070794B2

JP5070794B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5070794B2
Application number: JP2006284160A
Authority: JP
Inventors: 統將石河
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP2008103167A

Description

本発明は燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを燃料電池スタックに還流させるための循環ポンプを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源システムとしての用途が期待されている。

燃料電池スタックの燃料極から排気される燃料オフガスには、未反応ガスが含まれており、その未反応ガスを循環ポンプにより燃料電池スタックの燃料極に還流させて再利用する方式が知られている。例えば、特開２００２−２５０２７４号公報には、脈動を実質的に引き起こすことなく、連続して吸引し、一定の圧力及び流量で連続して吐出し得るポンプが提案されている。
特開２００２−２５０２７４号公報

しかし、特開２００２−２５０２７４号公報に開示されているような特殊構造のポンプを用いると、燃料電池システムのコストアップの要因になるので、できるだけ汎用性のあるポンプを用いるのが望ましい。汎用性のあるポンプを用いる場合、ポンプの脈動を信号処理にて除去することになるが、燃料電池システムの特性を考慮し、高精度かつ簡易なフィルタリングが要求される。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、高精度かつ簡易なフィルタリング機能を有する燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックへ供給される燃料ガスを流すための燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路の上流側の圧力を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、可変ガス供給装置の下流を流れる燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを可変ガス供給装置の下流側の燃料ガス供給流路に還流させるための循環ポンプと、圧力検出手段により検出される圧力値を４点移動平均処理するフィルタリング手段と、フィルタリング手段により４点移動平均された圧力値を基に可変ガス供給装置を制御する制御手段と、を備え、フィルタリング手段は、圧力不安定期間内に力検出手段が検出した圧力値を、その直前の圧力安定期間内に圧力検出手段が検出した圧力値に置換した上で４点移動平均処理を行う。

循環ポンプの吐出作用により燃料ガス供給流路に還流される燃料オフガスの圧力には、脈動成分が含まれている。フィルタリング手段は、圧力検出手段により検出される圧力値を４点移動平均処理することにより脈動成分を低減し、可変ガス供給装置の制御性能を高めることができる。また、燃料ガス供給路を流れる燃料ガスの圧力損失等の影響による一時的な圧力変動を可変ガス供給装置の制御に用いないことで、制御性能を高めることができる。ここで、可変ガス供給装置が開閉弁である場合、圧力不安定期間とは、可変ガス供給装置が開弁している期間、及び可変ガス供給装置が閉弁してからの所定時間をいい、圧力安定期間とは、可変ガス供給装置が閉弁している期間（可変ガス供給装置が閉弁してからの所定時間を除く）をいう。

本発明の他の観点に係わる燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックへ供給される燃料ガスを流すための燃料ガス供給流路と、燃料ガス供給流路の上流側の圧力を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、可変ガス供給装置の下流を流れる燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを可変ガス供給装置の下流側の燃料ガス供給流路に還流させるための循環ポンプと、圧力検出手段により検出される圧力値を４点移動平均処理するフィルタリング手段と、フィルタリング手段により４点移動平均された圧力値を基に可変ガス供給装置を制御する制御手段と、を備え、フィルタリング手段は、圧力検出手段が検出する圧力値を、循環ポンプの単位時間あたりの最大吐出回数により定まる最大脈動周波数の２倍以上のサンプリング周期でサンプリングした上で４点移動平均処理を行う。

標本化定理によれば、原信号（アナログ信号）に含まれる全ての周波数成分を正確にサンプリングするには、原周波数の２倍以上のサンプリング周波数で原信号をサンプリングすることが必要である。

本発明の好適な態様において、燃料電池システムは、燃料電池スタックを循環する燃料オフガス及び水分を排気排水するための排気排水弁を更に備え、制御手段は、フィルタリング手段により４点移動平均された圧力値を基に排気排水弁を開閉制御する。

フィルタリング手段により脈動成分が低減された燃料ガスの圧力値を基に排気排水弁を開閉制御することで、排気排水弁の制御性能を高めることができる。

可変ガス供給装置として、例えば、インジェクタが好適である。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、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）を調整する電磁駆動式開閉弁である。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で、燃料ガスのガス流量やガス圧力を制御できる。

本発明によれば、圧力検出手段により検出される圧力値をフィルタリング手段により４点移動平均処理することで燃料ガスの脈動成分を低減し、可変ガス供給装置や排気排水弁の制御性能を高めることができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池スタック２に冷媒を供給して燃料電池スタック２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御するコントローラ７と、を備えている。

燃料電池スタック２は、例えば、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、更に空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池スタック２は発電する。燃料電池スタック２には、燃料電池スタック２の出力電流を検出するための電流センサ２ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池スタック２の空気極に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池スタック２から排出される酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁１６と、酸素ガス（ドライガス）と酸素オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器１５とが設けられている。

燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源２１と、燃料ガス供給源２１から燃料電池スタック２の燃料極に供給される燃料ガス（水素ガス）が流れる燃料ガス供給流路２２と、燃料電池スタック２から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を燃料ガス供給流路２２の合流点Ａ１に帰還させるための循環流路２３と、循環流路２３内の燃料オフガスを燃料ガス供給流路２２に圧送する循環ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続される排気排水流路２５とを有している。

燃料ガス供給源２１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留する。遮断弁２６を開くと、燃料ガス供給源２１から燃料ガス供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ２７やインジェクタ２８により例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２に供給される。

尚、燃料ガス供給源２１は、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、から構成してもよい。

燃料ガス供給流路２２には、燃料ガス供給源２１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、燃料電池スタック２への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって、燃料ガス供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、燃料ガス供給流路２２内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、燃料ガス供給流路２２内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ（図示せず）と、燃料ガスの温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられている。圧力センサ２９等で検出された燃料ガスのガス状態（圧力、温度など）に係る情報は、インジェクタ２８のフィードバック制御や燃料オフガスのパージ制御に用いられる。

レギュレータ２７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２７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２８の上流側に複数のレギュレータ２７を配置することにより、インジェクタ２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ２８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２８は、燃料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２８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段階に切り替えることができる。コントローラ７から出力される制御信号によってインジェクタ２８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、燃料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２８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２８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２８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（燃料電池スタック２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

尚、インジェクタ２８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２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力よりも減圧されるため、インジェクタ２８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２８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。インジェクタ２８は、燃料ガス供給流路２２の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、可変ガス供給装置として機能する。

尚、本実施形態においては、図１に示すように、燃料ガス供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８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燃料ガス供給源２１を採用する場合には、各燃料ガス供給源２１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２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁（パージ弁）３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、燃料オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、コントローラ７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０にて回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む燃料オフガスと、を外部に排出（パージ）する。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。

排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される燃料オフガスは、排気流路１２を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ２４は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２に循環供給する。燃料ガスの循環系は、燃料ガス供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池スタック２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成される。

冷媒配管系５は、燃料電池スタック２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池スタック２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、冷媒流路４１内の冷媒をモータ駆動により燃料電池スタック２に循環供給する。

電力系６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び補機インバータ６５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２からの直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６３に出力する機能と、燃料電池スタック２又はトラクションモータ６４からの直流電圧を降圧してバッテリ６２に充電する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ６２は、複数のバッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、バッテリコンピュータ（図示せず）の制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能である。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機インバータ６５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）の駆動を制御するインバータ類を総称するものであり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータ６５は、例えば、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、コントローラ７からの制御指令に従って、燃料電池スタック２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

コントローラ７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する制御手段として機能する。例えば、コントローラ７は、アクセルペダルの操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ６４などの負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、燃料電池システム１０内の各種機器の動作を制御する。ここで、負荷装置とは、トラクションモータ６４の他に、燃料電池スタック２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１４、循環ポンプ２４、冷却ポンプ４２などの各モータ類）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、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。

図２はインジェクタ制御及び排気排水制御に係わる機能ブロックを示している。
コントローラ７は、電流センサ２ａにより検出した燃料電池スタック２の発電電流値に基づいて、燃料電池スタック２で消費される燃料ガスの流量（以下、「燃料消費量」と称する。）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、発電電流値と燃料消費量との関係を示す特定の演算式を用いて、コントローラ７の演算周期毎に燃料消費量を算出し、更新している。

コントローラ７は、燃料電池スタック２の発電電流値に基づいて、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスのインジェクタ２８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）とともに、目標パージ量（排気排水弁３１からの燃料オフガスの目標排出量）を算出する（目標パージ量算出機能：Ｂ３）。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、コントローラ７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。

コントローラ７は、算出した目標圧力値と、圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能：Ｂ４）。そして、コントローラ７は、算出した偏差を低減させるために燃料消費量に加算される燃料ガス流量（フィードバック補正流量）の値を算出する（補正流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、ＰＩ型フィードバック制御則を用いてフィードバック補正流量値を算出している。即ち、コントローラ７は、目標圧力値と検出圧力値との偏差（ｅ）に比例ゲイン（Ｋ_P）を乗じることにより比例型フィードバック補正流量値（比例項：Ｐ＝Ｋ_P×ｅ）を算出するとともに、偏差の積分値（時間積算値：∫（ｅ）ｄｔ）に積分ゲイン（Ｋ_I）を乗じることにより積分型フィードバック補正流量値（積分項：Ｉ＝Ｋ_I×∫（ｅ）ｄｔ）を算出し、これらを加算した値を含むフィードバック補正流量値を算出している。

コントローラ７は、インジェクタ２８上流のガス状態（燃料ガスの圧力及び温度）に基づいて、インジェクタ２８上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ６）。本実施形態においては、インジェクタ２８上流側の燃料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、コントローラ７の演算周期毎に静的流量を算出して更新する。

コントローラ７は、インジェクタ２８上流のガス状態（燃料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２８の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ７）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ２８がコントローラ７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２８上流側の燃料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、コントローラ７の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新する。

コントローラ７は、燃料消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出し（噴射流量算出機能：Ｂ８）、インジェクタ２８の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ２８の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ２８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２８の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ９）。

コントローラ７は、インジェクタ２８の総噴射時間を実現させるための制御信号をインジェクタ２８に出力することにより、インジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスの流量及び圧力を調整する。ここで、駆動周期とは、インジェクタ２８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、駆動周期を一定の値に設定している。

コントローラ７は、インジェクタ２８のフィードバック制御（インジェクタ２８下流位置の圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御）を行うと同時に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、循環流路２３内の水分及び燃料オフガスを排気排水弁３１から外部に排出する。

この際、コントローラ７は、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁３１からの燃料オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出し（パージ量算出機能：Ｂ１０）、パージ量Ｑが所定の目標パージ量Ｑ₀以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能：Ｂ２０）。

そして、コントローラ７は、パージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀未満である場合には、排気排水弁３１を開弁し、パージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀以上である場合には、排気排水弁３１を閉弁する（パージ制御機能：Ｂ３０）。

ここで、パージ量算出機能Ｂ１０の詳細について説明する。
インジェクタ２８のフィードバック制御により、インジェクタ２８下流位置における圧力センサ２９の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁３１の開弁により循環流路２３から燃料オフガスが排気されると、検出圧力値が一時的に低下する。コントローラ７は、このような燃料オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分に基づいて、圧力低下分に対応する燃料オフガスの排気量（圧力変化対応流量）を算出する（圧力変化対応流量算出機能：Ｂ１１）。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する燃料オフガスの排気量との関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量Ｑ₁を算出している。

コントローラ７は、燃料オフガスのパージに起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し（補正流量算出機能：Ｂ５）、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値を算出する（補正流量積算機能：Ｂ１２）。

そして、コントローラ７は、圧力変化対応流量Ｑ₁と、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ₂とを加算することにより、排気排水弁３１からの燃料オフガスの総排気量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出機能：Ｂ１０）。

コントローラ７は、圧力センサ２９によって検出した圧力値（検出値）にフィルタリング処理を施し（フィルタリング機能：Ｂ１３）、このフィルタリング処理が施された圧力値に基づいて、インジェクタ２８及び排気排水弁３１を制御する。

ここで、図３を参照しながらフィルタリング機能Ｂ１３の詳細について説明を加える。
同図（Ａ）はインジェクタ２８の開閉タイミングを示しており、同図（Ｂ）は圧力センサ２９が検出する圧力値を示している。時刻ｔ１において、インジェクタ２８を開弁すると、配管の圧力損失等の影響により、インジェクタ２８下流のガス圧が急激に上昇し、その後、開弁期間中は、ある程度の脈動はあるものの、略一定の圧力を維持する。そして、時刻ｔ２において、インジェクタ２８を閉弁すると、燃料ガス供給流路２２を伝播する反射波の影響によりガス圧は急激に低下し、時刻ｔ３からは、ある程度の脈動はあるものの、略一定の圧力を維持する。その後の時刻ｔ４、ｔ５、ｔ６のインジェクタ２８の動作は、前述した時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３のインジェクタ２８の動作と同様なので、その詳細な説明は省略する。

インジェクタ２８の開弁期間中（例えば、時刻ｔ１〜時刻ｔ２，時刻ｔ４〜時刻ｔ５）、及びインジェクタ２８が閉弁してからの所定時間（例えば、時刻ｔ２〜時刻ｔ３，時刻ｔ５〜時刻ｔ６）は、配管の圧力損失や反射波等の影響によりガス圧の変動が大きく、しかも不安定である。このような一時的な圧力変動を基にインジェクタ２８や排気排水弁３１の制御を実施すると、制御性能が低下する。

フィルタリング機能Ｂ１３は、一時的な圧力変動を生じる期間内（以下、圧力不安定期間と称する。）に検出した圧力値をカットし、圧力不安定期間内に検出した圧力値を直前の閉弁期間内（但し、閉弁してからの所定時間を除く。以下、「圧力安定期間」と称する。）の圧力値に置換する。例えば、フィルタリング機能Ｂ１３は、圧力不安定期間内（時刻ｔ４〜時刻ｔ６）に検出した圧力値を、その直前の圧力安定期間内（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）に検出した圧力値に置換する。かかるフィルタ処理により、同図（Ｂ）に示す圧力値は、同図（Ｃ）に示すような圧力値に変換される。

ところで、循環ポンプ２４の吐出作用により、インジェクタ２８下流側のガス圧には脈動が生じている。同図（Ｃ）に示す圧力値には、脈動成分が含まれており、その周波数は、単位時間あたりの循環ポンプ２４の吐出回数に等しい。このような脈動成分を基にインジェクタ２８や排気排水弁３１の制御を実施すると、制御性能が低下する。フィルタリング機能Ｂ１３は、同図（Ｃ）に示す圧力値について、４点移動平均処理を施すことで、脈動成分を低減し、同図（Ｄ）に示すような平滑化された圧力値を得る。例えば、循環ポンプ２４は、一回転あたりＸ回吐出し、運転条件に応じて単位時間あたりにＮ回転〜Ｍ回転するものとすると、脈動周波数は、ＸＮ［Ｈｚ］〜ＸＭ［Ｈｚ］の範囲にある。この周波数範囲内の圧力値を４点移動平均処理するには、最大脈動周波数の２倍以上、即ち、２ＸＭ［Ｈｚ］以上のサンプリング周期で圧力値をサンプリングすることが必要である。

このようなフィルタリング機能Ｂ１３により、配管の圧力損失等の影響による一時的な圧力変動を除去するとともに、循環ポンプ２４の吐出作用によるガス圧の脈動を低減できるので、インジェクタ２８や排気排水弁３１をより精密に制御することが可能になる。それ故、循環ポンプ２４として、例えば、ダイアフラム式ポンプなどの汎用性のあるポンプを適用できる。

尚、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を燃料電池車両の電力源として搭載する例を示したが、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成図である。インジェクタ制御及び排気排水制御に係わる機能ブロック図である。本実施形態に係わるフィルタリング機能の説明図である。

符号の説明

２…燃料電池スタック７…コントローラ１０…燃料電池システム２４…循環ポンプ２８…インジェクタ２９…圧力センサ３１…排気排水弁

Claims

燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ供給される前記燃料ガスを流すための燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路の上流側の圧力を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、
前記可変ガス供給装置の下流を流れる燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを前記可変ガス供給装置の下流側の前記燃料ガス供給流路に還流させるための循環ポンプと、
前記圧力検出手段により検出される圧力値を４点移動平均処理するフィルタリング手段と、
前記フィルタリング手段により４点移動平均された圧力値を基に前記可変ガス供給装置を制御する制御手段と、を備え、
前記フィルタリング手段は、圧力不安定期間内に前記圧力検出手段が検出した圧力値をその直前の圧力安定期間内に前記圧力検出手段が検出した圧力値に置換した上で４点移動平均処理を行う、燃料電池システム。
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ供給される前記燃料ガスを流すための燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路の上流側の圧力を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、
前記可変ガス供給装置の下流を流れる燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池スタックから排気される燃料オフガスを前記可変ガス供給装置の下流側の前記燃料ガス供給流路に還流させるための循環ポンプと、
前記圧力検出手段により検出される圧力値を４点移動平均処理するフィルタリング手段と、
前記フィルタリング手段により４点移動平均された圧力値を基に前記可変ガス供給装置を制御する制御手段と、を備え、
前記フィルタリング手段は、前記圧力検出手段が検出する圧力値を、前記循環ポンプの単位時間あたりの最大吐出回数により定まる最大脈動周波数の２倍以上のサンプリング周期でサンプリングした上で４点移動平均処理を行う、燃料電池システム。
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックを循環する前記燃料オフガス及び水分を排気排水するための排気排水弁を更に備え、
前記制御手段は、前記フィルタリング手段により４点移動平均された前記圧力値を基に前記排気排水弁を開閉制御する、燃料電池システム。
請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記可変ガス供給装置は、インジェクタである、燃料電池システム。