JP5158558B2 - 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変化させる開閉弁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。また、近年においては、開閉弁の上流側に圧力センサを配置し、この圧力センサでの検出値に基づいて開閉弁を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されたような技術を採用すると、開閉弁の故障判定を行うことも可能である。
特開２００５−３０２５６３号公報

しかし、特許文献１に記載されたような技術を採用しても、圧力センサが故障した場合には、開閉弁の故障判定が不可能となるばかりでなく、開閉弁を正常に制御することが不可能となる。かかる事態が発生すると、燃料電池の運転を継続することができなくなるおそれがある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給圧力を変化させる開閉弁と、この開閉弁を制御するためのガス圧力を検出する圧力センサと、を有する燃料電池システムにおいて、圧力センサが故障した場合においても燃料電池の運転を継続させ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燃料供給流路と、この燃料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し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、制御手段は、圧力センサが故障した場合に、故障した圧力センサで検出する圧力値とは異なる情報に基づいて、開閉弁を制御するものである。

かかる構成を採用すると、圧力センサが故障した場合においても、この故障した圧力センサで検出する圧力値とは異なる情報に基づいて開閉弁を正常に制御することができるため、燃料電池の運転を継続させ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、圧力センサとして、開閉弁の下流側に配置された下流側圧力センサ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、圧力センサとして、燃料供給流路内を流れる燃料ガスの圧力値を複数の異なる位置で検出する複数の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、複数の圧力センサの中の一の圧力センサで検出した圧力値に基づいて開閉弁を制御するとともに、一の圧力センサが故障した場合に、複数の圧力センサの中の他の圧力センサで検出した圧力値に基づいて開閉弁を制御す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、圧力センサとして、開閉弁の上流側に配置された上流側圧力センサ及び開閉弁の下流側に配置された下流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、下流側圧力センサで検出した開閉弁の下流側の圧力値に基づいて開閉弁を制御するとともに、下流側圧力センサが故障した場合に、上流側圧力センサで検出した開閉弁の上流側の圧力値に基づいて開閉弁を制御す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、圧力センサが故障した場合に、圧力センサが正常であったときに設定した所定の学習値に基づいて開閉弁を制御する制御手段を採用してもよい。学習値としては、燃料電池の発電量に対応して設定される開閉弁制御用補正流量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、圧力センサとして、開閉弁の上流側に配置された上流側圧力センサ及び開閉弁の下流側に配置された下流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、下流側圧力センサで検出された開閉弁の下流側の圧力値に基づいて開閉弁を制御するとともに、上流側圧力センサで検出された開閉弁の上流側の圧力値に対応する開閉弁制御用補正流量を学習値として設定し、下流側圧力センサが故障した場合に、前記開閉弁制御用補正流量に基づいて開閉弁を制御す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、燃料電池の発電電圧値を検出する電圧センサを備えることができる。かかる場合において、圧力センサが故障した場合に、電圧センサで検出した発電電圧値に基づいて開閉弁を制御す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、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、前記燃料電池システムにおいて、前記開閉弁を第１の開閉弁とし、燃料供給流路に第１の開閉弁とは別の第２の開閉弁を設けることができる。かかる場合において、圧力センサが故障した場合に、第１及び第２の開閉弁を協調させて制御する制御装置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、圧力センサとして、第１の開閉弁の上流側に配置された上流側圧力センサ及び第１の開閉弁の下流側に配置された下流側圧力センサを採用するとともに、第２の開閉弁を上流側圧力センサよりも上流側に配置することができる。かかる場合において、下流側圧力センサで検出した圧力値に基づいて第１の開閉弁を制御する制御装置であって、下流側圧力センサが故障した場合に、第２の開閉弁を閉鎖し、その後上流側圧力センサで検出した圧力値に基づいて第１の開閉弁を制御する制御装置を採用することができる。

かかる構成を採用すると、下流側圧力センサが故障した場合に、第１の開閉弁の上流側に配置された第２の開閉弁を閉鎖することができるので、第１の開閉弁の上流側における燃料ガスの圧力値の過剰な上昇を抑制することができる。従って、第１の開閉弁の故障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、下流側圧力センサの故障時における第１の開閉弁の制御中に上流側圧力センサで検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合に、第１の開閉弁を全開状態にする制御装置を採用することができる。

かかる構成を採用すると、下流側圧力センサの故障時における第１の開閉弁の制御中に、第１の開閉弁を全開状態にして、第１の開閉弁の下流側の圧力値を第１の開閉弁の上流側の圧力値と略同一にすることができる。すなわち、第１の開閉弁の下流側の圧力値を既知の値に設定することができるので、下流側圧力センサが故障していても、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力値をチェックすることができる。また、上流側圧力センサで検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合に第１の開閉弁を全開状態にするので、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力値を所定の閾値未満に設定することができる。従って、過剰に高い圧力の燃料ガスが燃料電池に供給されることを抑制することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、下流側圧力センサの故障時における第１の開閉弁の制御中に上流側圧力センサで検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合に、第１の開閉弁を所定時間全開状態にした後に閉鎖し、次いで、第２の開閉弁を所定時間開放した後に閉鎖し、その後上流側圧力センサで検出した圧力値に基づいて第１の開閉弁を制御する制御装置を採用することができる。

かかる構成を採用すると、第１及び第２の開閉弁の開閉により、第１の開閉弁と第２の開閉弁との間の空間に燃料ガスを充填することができ、この充填した燃料ガスを燃料電池に供給して燃料電池の運転を継続させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給源として水素タンクを採用し、この水素タンクの主止弁を第２の開閉弁とすることができる。

本発明によれば、燃料ガスの供給圧力を変化させる開閉弁と、この開閉弁を制御するためのガス圧力を検出する圧力センサと、を有する燃料電池システムにおいて、圧力センサが故障した場合においても燃料電池の運転を継続させ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２０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に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路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。一次側圧力センサ４１は、本発明における上流側圧力センサ及び他の圧力センサの一実施形態であり、二次側圧力センサ４３は、本発明における下流側圧力センサ及び一の圧力センサの一実施形態である。また、遮断弁３３は、本発明における第２の開閉弁の一実施形態である。

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３１は、本発明における第１の開閉弁の一実施形態である。

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（燃料オフガス）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の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）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、二次側圧力センサ４３が配置された位置における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（フィードバック補正流量算出機能：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型フィードバック制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正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（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：Ｂ７）。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送出することにより、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。

また、制御装置４は、燃料電池１０の正常運転中に、発電要求値に係る情報と、インジェクタ３５の開閉制御量に係る情報と、インジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）に係る情報と、インジェクタ３５上流側の水素ガスの圧力値（一次側圧力）に係る情報と、を継続的に取得する。そして、制御装置４は、これらの情報に基づいて、二次側圧力を推定するための制御マップ（二次側圧力推定用制御マップ）を作成する。

図３は、二次側圧力推定用制御マップを作成するために取得される各種情報の時間履歴の一例を示すタイムチャートである。図３（Ａ）は、負荷装置からの要求発電量（発電要求値に係る情報）を示すものであり、図３（Ｂ）は、インジェクタ３５の開閉信号（インジェクタ３５の開閉制御量に係る情報）を示すものであり、図３（Ｃ）は、二次側圧力センサ４３による検出圧力値（二次側圧力に係る情報）を示すものであり、図３（Ｄ）は、一次側圧力センサ４１による検出圧力値（一次側圧力に係る情報）を示すものである。制御装置４は、これらの情報を相互に関係付けながら記録して二次側圧力推定用制御マップを作成する。

また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３が故障しているか否かを判定する。本実施形態において、制御装置４は、二次側圧力センサ４３に接続された各種配線の接続状態をモニタリングすることにより故障判定を行うこととし、配線の接続状態の遮断（断線）が検出された場合に二次側圧力センサ４３が故障したものと判定する。また、制御装置４は、燃料電池１０の出力（発電量）を検出し、燃料電池１０に供給される水素ガスが不足して燃料電池１０の出力が大幅に低下した場合（出力が所定の閾値を下回った場合）に、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定する。さらに、制御装置４は、燃料消費率（走行距離を燃料消費量で除した値）を算出し、燃料電池１０に水素ガスが過剰供給されて燃料消費率が大幅に低下した場合（燃料消費率が所定の閾値を下回った場合）に、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定する。

また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定した場合に、燃料電池１０の正常運転時に作成した二次側圧力推定用制御マップを利用して、インジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）の推定値を算出する（推定圧力値算出機能：Ｂ８）。本実施形態においては、インジェクタ３５上流側の水素ガスの圧力値（一次側圧力）を一次側圧力センサ４１で検出し、この検出した一次側圧力に対応する二次側圧力（推定圧力値）を二次側圧力推定用制御マップに基づいて算出する。そして、制御装置４は、この算出した推定圧力値を用いて、インジェクタ３５のフィードバック制御（フィードバック補正流量算出機能Ｂ３〜総噴射時間算出機能Ｂ７）を続行する。

また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定した場合に、インジェクタ３５及び遮断弁３３を協調させて制御することもできる。具体的には、制御装置４は、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定した場合に、遮断弁３３を閉鎖し、その後、一次側圧力センサ４１で検出した圧力値に基づいてインジェクタ３５を制御する。かかる場合においても、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出した圧力値と、前記した二次側圧力推定用制御マップと、を用いて二次側圧力（推定圧力値）を算出し、この算出した推定圧力値を用いて、インジェクタ３５のフィードバック制御を行うことができる。

また、制御装置４は、二次側圧力センサ４３の故障時におけるインジェクタ３５のフィードバック制御中に、一次側圧力センサ４１で検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合に、インジェクタ３５を全開状態にすることができる。かかる場合、制御装置４は、インジェクタ３５を所定時間全開状態にした後に閉鎖し、次いで、遮蔽弁３３を所定時間開放した後に閉鎖し、その後再び一次側圧力センサ４１で検出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。

続いて、図４〜図６のフローチャート及び図７のタイムチャート等を用いて、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二次側圧力センサ４３が故障した場合に、二次側圧力推定用制御マップを用いてインジェクタ３５の制御を続行する。

＜インジェクタ単独制御＞
最初に、図４のフローチャート等を用いて、二次側圧力センサ４３の故障時にインジェクタ３５のみを制御する方法について説明する。

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、通常運転時において、発電要求値に係る情報と、インジェクタ３５の開閉制御量に係る情報と、インジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）に係る情報と、インジェクタ３５上流側の水素ガスの圧力値（一次側圧力）に係る情報と、を継続的に取得し、これらの情報に基づいて、インジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）を推定するための二次側圧力推定用制御マップを作成する（制御マップ作成工程：Ｓ３）。

次いで、制御装置４は、二次側圧力センサ４３に接続された各種配線の接続状態をモニタリングすること等により、二次側圧力センサ４３が故障しているか否かを判定する（圧力センサ故障判定工程：Ｓ４）。そして、圧力センサ故障判定工程Ｓ４において二次側圧力センサ４３が故障していないものと判定した場合に、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上流側における水素ガスの圧力値（二次側圧力）を検出し（二次側圧力検出工程：Ｓ５）、この検出した二次側圧力を用いて、インジェクタ３５のフィードバック制御を実現させる（インジェクタ制御工程：Ｓ７）。

一方、制御装置４は、圧力センサ故障判定工程Ｓ４において二次側圧力センサ４３が故障しているものと判定した場合に、一次側圧力センサ４１により検出したインジェクタ３５上流側の水素ガスの圧力値（一次側圧力）と、燃料電池１０の正常運転時に作成した二次側圧力推定用制御マップと、を利用して、インジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）の推定値（推定圧力値）を算出する（推定圧力値算出工程：Ｓ６）。本実施形態においては、例えば図３（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、一次側圧力センサ４１により検出した一次側圧力の変動周期（ｔ₁、ｔ₂）及び圧力変動幅（ΔＰ₁、ΔＰ₂）に各々対応する二次側圧力の推定値（推定圧力値：Ｐ₁´、Ｐ₂´）を算出する。これら推定圧力値Ｐ₁´、Ｐ₂´は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、負荷装置からの要求発電量やインジェクタ３５の開閉信号にも対応するものである。

推定圧力値算出工程Ｓ６を経た後、制御装置４は、検出した二次側圧力値の代わりに算出した推定圧力値を用いて、インジェクタ３５のフィードバック制御を実現させる（インジェクタ制御工程：Ｓ７）。

インジェクタ制御工程Ｓ７について具体的に説明する。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、二次側圧力センサ４３による検出圧力値（又は二次側圧力推定用制御マップを用いて推定された推定圧力値）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。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、一次側圧力センサ４１による検出圧力値と、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、インジェクタ３５の下流側の水素ガスの圧力値を目標圧力値に近付けることができる。

＜遮断弁・インジェクタ協調制御＞
次に、図５及び図６のフローチャート及び図７のタイムチャート等を用いて、二次側圧力センサ４３の故障時に遮断弁３３及びインジェクタ３５を協調させて制御する方法について説明する。

まず、燃料電池システム１の制御装置４は、図５に示した電流検出工程Ｓ１１、目標圧力値算出工程Ｓ１２及び制御マップ作成工程Ｓ１３を経て、燃料電池１０の発電時における電流値の検出、燃料電池１０に供給される水素ガスの目標圧力値の算出及び二次側圧力推定用制御マップの作成を行う。これらの各工程Ｓ１１〜Ｓ１３は、前記したインジェクタ単独制御における電流検出工程Ｓ１、目標圧力値算出工程Ｓ２及び制御マップ作成工程Ｓ３と実質的に同一である。

次いで、制御装置４は、圧力センサ故障判定工程Ｓ１４で二次側圧力センサ４３が故障しているか否かを判定し、二次側圧力センサ４３が故障していないものと判定した場合に、二次側圧力検出工程Ｓ１５で二次側圧力を検出し、この検出した二次側圧力を用いてインジェクタ制御工程Ｓ１７でインジェクタ３５のフィードバック制御を実現させる。これらの各工程Ｓ１４、Ｓ１５及びＳ１７は、前記したインジェクタ単独制御における圧力センサ故障判定工程Ｓ４、二次側圧力検出工程Ｓ５及びインジェクタ制御工程Ｓ７と実質的に同一である。

一方、制御装置４は、圧力センサ故障判定工程Ｓ１４で二次側圧力センサ４３が故障しているものと判定した場合に、推定圧力値算出工程Ｓ１６でインジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）の推定値（推定圧力値）を算出する。この工程Ｓ１６は、前記したインジェクタ単独制御における推定圧力値算出工程Ｓ６と実質的に同一である。かかる推定圧力値算出工程Ｓ１６を経た後、制御装置４は、遮断弁３３とインジェクタ３５との協調制御を行う（協調制御工程：Ｓ２０）。

ここで、図６のフローチャート及び図７のタイムチャートを用いて、協調制御工程Ｓ２０について説明する。

制御装置４は、圧力センサ故障判定工程Ｓ１４で二次側圧力センサ４３が故障しているものと判定し、推定圧力値算出工程Ｓ１６で二次側圧力の推定値（推定圧力値）を算出した後、図７（Ａ）に示すように遮断弁３３を閉鎖する（遮断弁閉鎖工程：Ｓ２１）。次いで、制御装置４は、検出した二次側圧力値の代わりに、推定圧力値算出工程Ｓ１６で算出した推定圧力値を用いて、インジェクタ３５のフィードバック制御を実現させる（インジェクタ制御工程：Ｓ２２）。

遮断弁閉鎖工程Ｓ２１及びインジェクタ制御工程Ｓ２２の実施により、図７（Ｃ）に示すように、インジェクタ３５の上流側（遮断弁３３の下流側）における水素ガスの圧力値（一次側圧力）が徐々に低下してくる。そこで、制御装置４は、インジェクタ３５のフィードバック制御中に、一次側圧力センサ４１を用いて検出した一次側圧力が所定の閾値未満か否かを判定する（一次側圧力判定工程：Ｓ２３）。制御装置４は、一次側圧力が所定の閾値以上であると判定した場合に、インジェクタ制御工程Ｓ２２を続行する。

一方、制御装置４は、一次側圧力判定工程Ｓ２３において、一次側圧力が所定の閾値未満であると判定した場合には、インジェクタ３５のフィードバック制御を一時的に中止して、図７（Ｂ）に示すようにインジェクタ３５を所定時間全開状態にした後に閉鎖する（インジェクタ全開全閉工程：Ｓ２４）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５を閉鎖して所定時間経過した後、図７（Ａ）に示すように遮断弁３３を所定時間開放した後に閉鎖する（遮断弁開放工程：Ｓ２５）。

インジェクタ全開全閉工程Ｓ２４及び遮断弁開放工程Ｓ２５の実施により、図７（Ｃ）に示すように、一次側圧力が上昇する。その後、制御装置４は、再びインジェクタ制御工程Ｓ２２以降の工程を続行する。インジェクタ全開全閉工程Ｓ２４におけるインジェクタ３５の全開時間Ｔ₁や、遮断弁開放工程Ｓ２５における遮断弁３３の開放時間Ｔ₂は、インジェクタ３５や遮断弁３３の仕様等に応じて適宜設定することができる。

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、二次側圧力センサ４３が故障した場合においても、故障した二次側圧力センサ４３で検出する二次側圧力とは異なる情報（一次側圧力センサ４１で検出する一次側圧力）に基づいてインジェクタ３５を正常に制御することができるため、燃料電池１の運転を継続させ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、二次側圧力センサ４３が故障した場合に、インジェクタ３５の上流側に配置された遮断弁３３を閉鎖して、インジェクタ３５の上流側における水素ガスの圧力値の過剰な上昇を抑制することができる。従って、インジェクタ３５の故障を抑制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、二次側圧力センサ４３の故障時におけるインジェクタ３５のフィードバック制御中に、インジェクタ３５を全開状態にして、インジェクタ３５の下流側の圧力値を上流側の圧力値と略同一にすることができる。すなわち、インジェクタ３５の下流側の圧力値を既知の値に設定することができるので、二次側圧力センサ４３が故障していても、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力値をチェックすることができる。また、一次側圧力センサ４１で検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合にインジェクタ３５を全開状態にするので、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力値を所定の閾値未満に設定することができる。従って、過剰に高い圧力の水素ガスが燃料電池１０に供給されることを抑制することができる。

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及び遮断弁３３の開閉により、インジェクタ３３と遮断弁３３との間の空間に水素ガスを充填することができ、この充填した水素ガスを燃料電池１０に供給して燃料電池１０の運転を継続させることができる。

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８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二次側圧力センサ４３の故障判定を行い、二次側圧力センサ４３が故障している場合に、二次側圧力推定用制御マップを用いてインジェクタ３５上流の水素ガスの圧力値を推定し、この推定圧力値を用いてインジェクタ３５のフィードバック制御を行うことができる。

また、以上の実施形態においては、検出した一次側圧力（インジェクタ３５上流側の水素ガスの圧力値）を二次側圧力推定用制御マップに入力することにより、インジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）の推定値を出力した例を示したが、負荷装置からの要求発電量やインジェクタ３５の開閉制御量を二次側圧力推定用制御マップに入力することにより、二次側圧力の推定値を算出してもよい。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の正常運転中における発電要求値や水素供給流路３１における水素ガスの圧力値に係る情報を継続的に取得して特定の制御マップを作成し、二次側圧力センサ４３が故障した場合に、この制御マップを利用してインジェクタ３５下流側の水素ガスの圧力値（二次側圧力）の推定値を算出してインジェクタ３５のフィードバック制御を続行した例を示したが、他の手法を採用して二次側圧力センサ４３の故障に備えることもできる。

具体的には、制御装置４が、燃料電池１０の正常運転中に、燃料電池１０の発電量に係る情報（例えば発電電圧値）と、インジェクタ３５上流側における水素ガスの圧力値（一次側圧力）に係る情報と、これらの情報に対応するフィードバック補正流量に係る情報（開閉弁制御用補正流量：学習値）と、を継続的に取得して、図９に示すような制御マップを作成し、二次側圧力センサ４３が故障した場合にこの制御マップを利用して適切なフィードバック補正流量を推定することにより、インジェクタ３５のフィードバック制御を続行することができる。例えば、制御装置４は、検出した発電電圧値が「Ｖ₁〜Ｖ₂」の範囲内にあり、検出した一次側圧力が「０〜Ｐ₁」の範囲内にある場合に、図９に示した制御マップに基づいて、適切なフィードバック補正流量が「Ａ₂₁」であると推定し、算出した水素消費量と推定したフィードバック補正流量「Ａ₂₁」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、以下、前記実施形態と同様の手順でインジェクタ３５のフィードバック制御を実現させることができる。

また、制御装置４が、燃料電池１０の正常運転中に、燃料電池１０の発電電流値（又は発電電力値）と、インジェクタ３５上流側における水素ガスの圧力値（一次側圧力）と、これらの情報に対応するフィードバック補正流量に係る情報と、を継続的に取得して、同様の制御マップを作成し、二次側圧力センサ４３が故障した場合にこの制御マップを利用して適切なフィードバック補正流量を推定することにより、インジェクタ３５のフィードバック制御を続行することもできる。

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消費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フィードバック制御を行うこともできる。

例えば、制御装置４は、負荷装置からの要求発電量に基づいて燃料電池１０の発電電圧値の目標値（目標電圧値）を算出し、二次側圧力センサ４３が故障した場合に、図示されていない電圧センサで検出した燃料電池１０の発電電圧値と、算出した目標電圧値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出することができる。そして、制御装置４は、このフィードバック補正流量と算出した水素消費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、以下、前記実施形態と同様の手順でインジェクタ３５のフィードバック制御を実現させることができる。かかる場合におけるフィードバック補正流量は、目標電圧値と、検出した発電電圧値と、の偏差に所定の係数を乗じることにより算出することができる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０に水素ガスが過剰供給されて燃料消費率が大幅に低下した場合に、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定した例を示したが、二次側圧力センサ４３の故障判定方法はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池１０に水素ガスが過剰供給されて燃料電池１０の少なくとも一部が破損した場合に、二次側圧力センサ４３が故障したものと判定することもできる。

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及び目標圧力値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及び目標圧力値を設定してもよい。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、開閉弁は燃料供給流路（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、第２の開閉弁として、水素供給流路３１に設けた遮断弁３３を採用した例を示したが、水素タンク３０の主止弁を第２の開閉弁として採用し、この主止弁とインジェクタ３５との協調制御を実施することもできる。

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で採用される二次側圧力推定用制御マップを作成するために取得される各種情報の時間履歴の一例を示すタイムチャートであり、（Ａ）は負荷装置からの要求発電量を示すもの、（Ｂ）はインジェクタの開閉信号を示すもの、（Ｃ）は二次側圧力センサによる検出圧力値を示すもの、（Ｄ）は一次側圧力センサによる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運転方法（インジェクタ単独制御）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（遮断弁・インジェクタ協調制御）を説明するためのフローチャートである。 図５に示した遮断弁・インジェクタ協調制御を説明するためのフローチャートである。 図５に示した遮断弁・インジェクタ協調制御における各種情報の時間履歴を示すタイムチャートであって、（Ａ）は遮断弁の開閉信号を示すもの、（Ｂ）はインジェクタの開閉信号を示すもの、（Ｃ）は一次側圧力センサによる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。 図１に示した燃料電池システムで採用されるフィードバック補正流量推定用の制御マップを示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３３…遮断弁（第２の開閉弁）、３５…インジェクタ（開閉弁、第１の開閉弁）、４１…一次側圧力センサ（上流側圧力センサ、他の圧力センサ）、４３…二次側圧力センサ（下流側圧力センサ、一の圧力センサ）。

Claims (8)

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燃料供給流路と、この燃料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し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、
   前記圧力センサは、前記開閉弁の上流側に配置された上流側圧力センサ及び前記開閉弁の下流側に配置された下流側圧力センサであり、
   前記制御手段は、前記下流側圧力センサで検出された前記開閉弁の下流側の圧力値に基づいて前記開閉弁を制御するとともに、前記上流側圧力センサが正常であったときに検出された前記開閉弁の上流側の圧力値に対応する開閉弁制御用補正流量を学習値として設定し、前記下流側圧力センサが故障した場合に、前記学習値として設定した開閉弁制御用補正流量に基づいて、前記開閉弁を制御するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電電圧値を検出する電圧センサを備え、
   前記制御手段は、前記圧力センサが故障した場合に、前記電圧センサで検出した発電電圧値に基づいて、前記開閉弁を制御するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記開閉弁は、インジェクタである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記開閉弁は、第１の開閉弁であり、
   前記燃料供給流路に前記第１の開閉弁とは別の第２の開閉弁を備え、
   前記制御装置は、前記圧力センサが故障した場合に、前記第１及び第２の開閉弁を協調させて制御するものである、
   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. 前記圧力センサは、前記第１の開閉弁の上流側に配置された上流側圧力センサ及び前記第１の開閉弁の下流側に配置された下流側圧力センサであり、
   前記第２の開閉弁は、前記上流側圧力センサよりも上流側に配置されるものであり、
   前記制御装置は、前記下流側圧力センサで検出した圧力値に基づいて前記第１の開閉弁を制御するものであって、前記下流側圧力センサが故障した場合に、前記第２の開閉弁を閉鎖し、その後前記上流側圧力センサで検出した圧力値に基づいて前記第１の開閉弁を制御するものである、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置は、前記下流側圧力センサの故障時における前記第１の開閉弁の制御中に前記上流側圧力センサで検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合に、前記第１の開閉弁を全開状態にするものである、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御装置は、前記下流側圧力センサの故障時における前記第１の開閉弁の制御中に前記上流側圧力センサで検出した圧力値が所定の閾値未満になった場合に、前記第１の開閉弁を所定時間全開状態にした後に閉鎖し、次いで、前記第２の開閉弁を所定時間開放した後に閉鎖し、その後前記上流側圧力センサで検出した圧力値に基づいて前記第１の開閉弁を制御するものである、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料供給源は、水素タンクであり、
   前記第２の開閉弁は、前記水素タンクに設けられた主止弁である、
   請求項４から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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