JP5267667B2 - 燃料電池システムの燃料ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに燃料ガスを供給するシステムの一部に関する。

日本国特許庁が２００７年に発行したＪＰ２００７−１８８８５７Ａは、高圧水素タンクに蓄えられた水素を、電磁式インジェクタを介して燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給装置を開示する。

上記した燃料ガス供給装置は、開度を所定開度に維持して開時間を変化させるインジェクタを備え、これにより燃料電池スタックに供給される水素の流量を調整して燃料電池スタック内の水素圧力を制御する。しかしながら、このようなインジェクタには、インジェクタの上流側の水素圧力が変化すると、同一開時間における水素量が変化してしまうという問題がある。
また、燃料ガス供給装置では、インジェクタの代りに電磁式の調圧弁を用いることも考えられる。調圧弁は、開口面積を変化させることで、燃料電子スタックに供給される水素の流量を調整して燃料電池スタック内の水素圧力を制御する。しかしながら、このような調圧弁においても、調圧弁の上流側の水素圧力が変化すると、同一開口面積における水素流量が変化してしまうという問題がある。
以上の理由から、発電時の水素消費によって上流側水素圧力が変化する燃料電池システムにおいて、インジェクタや調圧弁により水素流量を調整する場合には、水素の安定供給のために上流側水素圧力を減圧して一定圧とする減圧弁が必要となる。結果として、燃料ガス供給装置の構成が複雑になることは避けられない。
したがって、本発明の目的は、減圧弁を用いずに、燃料ガスを安定供給できる燃料ガス供給装置を提供することである。
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置である。燃料ガス供給装置は、燃料ガスを蓄える燃料タンクと、燃料タンクと燃料電池スタックとを接続する燃料ガス通路と、燃料ガス通路に設けられ、燃料ガスの供給量を制御する制御弁と、制御弁よりも上流側の燃料ガスの上流側圧力を検出する上流側圧力センサと、制御弁よりも下流側の燃料ガスの下流側圧力を検出する下流側圧力センサと、プログラマブルコントローラと、を備える。プログラマブルコントローラは、燃料電池スタックの目標燃料ガス圧力及び検出された下流側圧力に基づいて制御弁の要求開度を算出し、要求開度及び検出された上流側圧力に基づいて制御弁の開時間及び閉時間を算出して、又は燃料電池スタックの目標燃料ガス圧力及び検出された下流側圧力に基づいて制御弁の開時間及び閉時間を算出し、開時間及び検出された上流側圧力に基づいて制御弁の要求開度を算出して、算出された要求開度、開時間及び閉時間で制御弁を制御する。
本発明の詳細は、他の特徴及び利点と同様に、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
図２は、本発明の第１実施形態によるコントローラが実行する水素供給制御弁の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図３は、コントローラが格納する目標水素圧力マップの特性を示すダイアグラムである。
図４は、コントローラが格納する水素供給制御弁の開度マップの特性を示すダイアグラムである。
図５は、コントローラが格納する水素流量マップの特性を示すダイアグラムである。
図６は、水素供給制御弁の開時間比率ωを説明するダイアグラムである。
図７は、制御ルーチンの実行による水素供給制御弁の開度と水素流量の変化を示すタイミングチャートである。
図８は、水素流量及び下流側水素圧力の変化を示すタイミングチャートである。
図９は、本発明の第２実施形態によるコントローラが実行する水素供給制御弁の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１０は、本発明の第２実施形態によるコントローラが格納する水素供給制御弁の開時間比率マップの特性を示すダイアグラムである。
図１１は、本発明の第２実施形態によるコントローラが格納する水素流量マップの特性を示すダイアグラムである。
図１２は、本発明の第３実施形態によるコントローラが実行する水素供給制御弁の制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
図１３は、サブルーチンの実行による水素供給制御弁の開度と水素流量の変化を示すタイミングチャートである。
図１４は、本発明の第４実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
図１５は、本発明の第４実施形態によるコントローラが実行する水素供給制御弁の制御ルーチンを示すフローチャートである。
図１６は、本発明の第４実施形態によるコントローラが格納する水素供給制御弁の第２の開度マップの特性を示すダイアグラムである。
図１７は、本発明の第４実施形態によるコントローラが実行する制御ルーチンの実行結果を示すタイミングチャートである。
図１８は、水素流量及び下流側水素圧力の変化を示すタイミングチャートである。
図１９は、燃料電池スタックのアイドル運転時における水素供給制御弁の制御を示すタイミングチャートである。
図２０は、上流側水素圧力と供給可能な最大流量との関係を説明するダイアグラムである。
図２１は、各実施形態が採用可能な供給可能最大流量に関するオプションを説明するダイアグラムである。

図１−図８を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、電動車両に搭載される燃料電池システム１００の概略構成図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素供給機構２０とを備える。
燃料電池スタック１０は、水素供給機構２０よって供給される燃料ガスとしての水素と、図示しない空気供給機構によって供給される酸化剤ガスとしての空気とによって発電する固体高分子型の単位セルを複数積層して構成される。燃料電池スタック１０は、電動車両の駆動に必要な電力を発電する。
水素供給機構２０は、燃料電池スタック１０に水素を供給する手段であって、高圧水素タンク２１と、水素供給通路２２と、水素供給制御弁２３と、コントローラ３０とを備える。
高圧水素タンク２１は、水素供給通路２２の上流側に２つ設けられる。高圧水素タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給される水素を例えば７０ＭＰａの高圧状態で貯蔵する。高圧水素タンク２１には、高圧水素タンク２１と水素供給通路２２の連通状態を制御する開閉弁２１Ａが設けられる。開閉弁２１Ａは、電磁弁であって、電源オフ時に高圧水素タンク２１と水素供給通路２２の連通を遮断する。
水素供給通路２２は、燃料電池スタック１０に供給する水素を流す通路である。水素供給通路２２の上流側は、２つに分岐しており、開閉弁２１Ａを介して各高圧水素タンク２１に接続する。水素供給通路２２の下流側は、燃料電池スタック１０の水素供給マニホールドに接続する。水素供給通路２２の集合部２２Ａと燃料電池スタック１０の間の水素供給通路２２には、水素流量を制御する水素供給制御弁２３が設けられる。なお、水素供給通路２２は、水素供給制御弁２３よりも上流側が高圧配管で形成され、水素供給制御弁２３よりも下流側が低圧配管で形成される。
水素供給制御弁２３は、高圧水素タンク２１から燃料電池スタック１０に供給される水素の流量を調整することで、単位セルの燃料極における水素圧力を制御する。
コントローラ３０は、燃料電池システム１００を統括的に制御する装置であって、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ３０には、上流側圧力センサ３１及び下流側圧力センサ３２からの信号が入力する。
上流側圧力センサ３１は、水素供給通路２２の集合部２２Ａに設置される。上流側圧力センサ３１は、水素供給制御弁２３よりも上流側の水素供給通路２２内の水素圧力、つまり上流側水素圧力を検出する。水素供給機構２０では、水素供給制御弁２３の上流側に減圧弁を設けないので、上流側圧力センサ３１によって高圧水素タンク２１内の圧力も同時に検出することが可能となる。
下流側圧力センサ３２は、水素供給通路２２の下流端近傍に設置される。下流側圧力センサ３２は、水素供給制御弁２３よりも下流側の水素供給通路２２内の水素圧力、つまり下流側水素圧力を検出する。下流側水素圧力は、単位セルの燃料極における水素圧力を代表する。
コントローラ３０は、上流側圧力センサ３１や下流側圧力センサ３２等からの信号に基づいて、開閉弁２１Ａ及び水素供給制御弁２３を制御する。
ところで、従来手法の燃料電池システムの水素供給機構は、高圧水素タンクに蓄えられた高圧状態の水素を減圧弁によって所定圧まで減圧し、減圧された水素をインジェクタや調圧弁によって目標水素圧力範囲に制御するように構成されている。このように減圧弁を備える分だけ、水素供給機構の構成が複雑になるという問題があった。
これに対して、燃料電池システム１００の水素供給機構２０は、減圧弁を使用しない簡素な構成であり、水素供給制御弁２３の開度、開時間及び閉時間を同時に制御することで、燃料電池スタック１０に供給される水素の流量を調整し、水素圧力を目標水素圧力範囲に制御する。
図２を参照して、コントローラ３０が実行する水素供給制御弁２３の制御ルーチンを説明する。このルーチンは、燃料電池スタック１０の発電運転中に所定の制御周期Ｔで連続的に実行される。制御周期Ｔは、水素供給制御弁２３の応答性を考慮して、できる限り短い時間、例えば１０ミリ秒に設定される。
ステップＳ１０１では、コントローラ３０は、車両が備えるアクセルペダル踏込量等から求められる燃料電池スタック１０の目標出力値に基づいて、燃料電池スタック１０内の目標水素圧力Ｐ_Ｔと、燃料電池スタック１０で消費される消費水素量とを算出する。
コントローラ３０は、予めＲＯＭに格納された図３に示す特性の目標水素圧力マップを参照し、上限圧力と下限圧力とによって定められる目標水素圧力範囲内に目標水素圧力Ｐ_Ｔを設定する。本実施形態では、圧力オーバシュート等の影響を考慮して、出力値と下限圧力とに基づいて目標水素圧力Ｐ_Ｔを決定する。
図２に戻り、ステップＳ１０２では、コントローラ３０は、目標水素圧力Ｐ_Ｔと下流側圧力センサ３２によって検出される下流側水素圧力Ｐ_Ｌとの偏差、及び消費水素量に基づいて制御周期Ｔ内に燃料電池スタック１０に供給する必要がある総水素量を算出し、総水素量と制御周期Ｔから平均水素流量としての要求水素流量Ｑを算出する。
なお、ステップＳ１０２では、目標水素圧力Ｐ_Ｔと下流側水素圧力Ｐ_Ｌの偏差及び消費水素量に基づいて要求水素流量Ｑを算出したが、目標水素圧力Ｐ_Ｔと下流側水素圧力Ｐ_Ｌの偏差のみに基づいて要求水素流量Ｑを算出してもよい。また、算出した要求水素流量Ｑを、供給される水素の温度に基づいて補正してもよい。つまり、要求水素流量Ｑは、目標水素圧力Ｐ_Ｔと、下流側水素圧力Ｐ_Ｌとを含む種々の物理量に基づいて算出することができる。
ステップＳ１０３では、コントローラ３０は、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａであると仮定した場合における、要求水素流量Ｑに応じた水素供給制御弁２３の要求開度ηを算出する。つまり、水素供給制御弁２３の要求開度ηは、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａである時に水素供給制御弁２３を通過する水素の流量が要求水素流量Ｑとなるように設定される。なお、ステップＳ１０３では、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａであると仮定したが、１ＭＰａに限定されるものではなく、０．１ＭＰａや０．８ＭＰａ、１．５ＭＰａ等、任意の圧力とすることができる。
コントローラ３０は、予めＲＯＭに格納された図４に示す特性の開度マップを参照し、水素供給制御弁２３の要求開度ηを最小開度と最大開度の範囲内に設定する。このマップでは、上流側水素圧力を１ＭＰａとしている。なお、水素供給制御弁２３は、閉弁状態から最大開度よりも大きな開度の全開状態まで制御可能とする。
図２に戻り、ステップＳ１０４では、コントローラ３０は、要求開度ηの状態で、上流側圧力センサ３１によって検出される上流側水素圧力Ｐ_Ｈに基づいて、水素供給制御弁２３開弁時の推定水素流量ｑを算出する。
コントローラ３０は、予めＲＯＭに格納された図５に示す特性の水素流量マップを参照して推定水素流量ｑを算出する。水素流量マップは、水素供給制御弁２３の要求開度η毎に準備される。
図２に戻り、ステップＳ１０５では、コントローラ３０は、推定水素流量ｑと要求水素流量Ｑとから開時間比率ωを算出する。コントローラ３０は、推定水素流量ｑに対する要求水素流量Ｑの比を開時間比率ωとする。
ステップＳ１０６では、コントローラ３０は、制御周期Ｔに開時間比率ωを乗じて水素供給制御弁２３の開時間Ｔｏを算出するとともに、制御周期Ｔに１−ωを乗じて水素供給制御弁２３の閉時間Ｔｃを算出する。
ステップＳ１０７では、コントローラ３０は、制御周期Ｔのうち開時間Ｔｏの間は要求開度ηで開弁し、閉時間Ｔｃの間は閉弁するように水素供給制御弁２３を制御する。
図６に示すように、コントローラ３０は、水素供給制御弁２３を制御周期Ｔのうち開時間Ｔｏだけ要求開度ηで開弁してそれ以外は閉弁するので、水素は間欠的に燃料電池スタック１０に供給される。このように水素を間欠供給することで、図７の破線に示すように、制御周期Ｔ内における平均水素流量を要求水素流量Ｑに調整することができる。さらに、図８に示すように、下流側水素圧力Ｐ_Ｌを目標水素圧力範囲内に制御することができる。なお、下流側水素圧力Ｐ_Ｌの目標水素圧力範囲は、図３に示すように燃料電池スタック１０の出力値に応じて変化する。
以上により、燃料電池システム１００の水素供給機構２０では、下記の効果を得ることができる。
水素供給機構２０では、燃料電池スタック１０の目標水素圧力と下流側水素圧力とに基づいて水素供給制御弁２３の要求開度を設定し、要求開度と上流側水素圧力とに基づいて水素供給制御弁２３の開時間と閉時間を設定して、水素を間欠的に燃料電池スタック１０に供給する。これにより、発電による水素消費等によって上流側水素圧力が変化しても、制御周期内における平均水素流量を要求水素流量に調整でき、下流側水素圧力を目標水素圧力範囲に制御することができる。したがって、水素供給機構２０は、水素供給制御弁２３よりも上流側の水素供給通路２２に減圧弁を備える必要がなく、簡素な構成で水素を安定供給することが可能となる。
水素供給機構２０では、水素供給制御弁２３によって高圧水素タンク２１からの水素を１段階で目標水素圧力範囲に制御するので、減圧弁を備える従来手法と比較して、水素供給通路２２での圧力損失を低下させることができる。そのため、高圧水素タンク２１内の水素の無効残量を低減し、車両の航続距離を延ばすことが可能となる。
上流側水素圧力が高くなるほど推定水素流量が大きくなるので、開時間比率ωが小さく設定される。そのため、上流側水素圧力が高圧状態の場合には、水素供給制御弁２３の閉時間が長くなって水素供給制御弁２３での消費電力を抑制でき、水素供給制御弁２３の開時間が短くなって燃料電池スタック１０の燃料極に過大な圧力がかかるのを抑制できる。
次に、図９−図１１を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態による燃料電池システム１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、水素供給制御弁２３の要求開度η、開時間Ｔｏ及び閉時間Ｔｃの決定の仕方において相違する。
図９を参照して、第２実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ３０が実行する水素供給制御弁２３の制御ルーチンを説明する。図９のステップＳ１０１、Ｓ１０２及びＳ１０７の内容は、図２のステップＳ１０１、Ｓ１０２及びＳ１０７と同様であるので詳細な説明は省略する。
コントローラ３０は、ステップＳ１０２で要求水素流量Ｑを算出した後、ステップＳ１０８の処理を実行する。
ステップＳ１０８では、コントローラ３０は、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａまで減圧されており、水素供給制御弁２３の開度が最大開度η_ＭＡＸであると仮定し、制御周期Ｔ内での水素の平均流量が要求水素流量Ｑとなるように開時間比率ωを算出する。
図１０に示すように、コントローラ３０は、予めＲＯＭに格納された上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａで水素供給制御弁２３の開度が最大開度η_ＭＡＸである時の開時間比率マップを参照して、開時間比率ωを算出する。
図９に戻り、ステップＳ１０９では、コントローラ３０は、制御周期Ｔに開時間比率ωを乗じて水素供給制御弁２３の開時間Ｔｏを算出するとともに、制御周期Ｔに１−ωを乗じて水素供給制御弁２３の閉時間Ｔｃを算出する。
ステップＳ１１０では、コントローラ３０は、最大開度η_ＭＡＸ、開時間比率ωとした場合における、上流側水素圧力Ｐ_Ｈに応じた推定水素流量ｑを算出する。
図１１に示すように、コントローラ３０は、予めＲＯＭに格納された水素供給制御弁２３の開度が最大開度η_ＭＡＸであって開時間比率ωである時の水素流量マップを参照して、推定水素流量ｑを算出する。水素流量マップは、水素供給制御弁２３の開時間比率ω毎に準備される。
図９に戻り、ステップＳ１１１では、コントローラ３０は、推定水素流量ｑと要求水素流量Ｑとから開度比率λを算出する。コントローラ３０は、推定水素流量ｑに対する要求水素流量Ｑの比を開度比率λとする。
ステップＳ１１２では、コントローラ３０は、最大開度η_ＭＡＸに開度比率λを乗じて水素供給制御弁２３の要求開度ηを算出する。
そして、ステップＳ１０７において、コントローラ３０は、制御周期Ｔのうち開時間Ｔｏの間は要求開度ηで開弁し、閉時間Ｔｃの間は閉弁するように水素供給制御弁２３を制御する。
以上により、燃料電池システム１００の水素供給機構２０では、下記の効果を得ることができる。
水素供給機構２０では、燃料電池スタック１０の目標水素圧力と下流側水素圧力とに基づいて水素供給制御弁２３の開時間及び閉時間を設定し、水素供給制御弁２３の開時間と上流側水素圧力とに基づいて水素供給制御弁２３の要求開度を設定して、水素を間欠的に燃料電池スタック１０に供給する。したがって、水素供給機構２０は、第１実施形態と同様に、水素供給制御弁２３よりも上流側の水素供給通路２２に減圧弁を備える必要がなく、簡素な構成で水素を安定供給することが可能となる。
水素供給機構２０では、水素供給制御弁２３によって高圧水素タンク２１からの水素を１段階で目標水素圧力範囲に制御するので、減圧弁を備える従来手法と比較して、水素供給通路２２での圧力損失を低下させることができる。そのため、高圧水素タンク２１内の水素の無効残量を低減し、車両の航続距離を延ばすことが可能となる。
上流側水素圧力が高くなるほど推定水素流量が大きくなるので、開度比率が小さく設定される。そのため、上流側水素圧力が高圧状態の場合には、水素供給制御弁２３の要求開度が小さくなり、燃料電池スタック１０の燃料極に過大な圧力がかかるのを抑制できる。
次に、図１２及び図１３を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。
第３実施形態における燃料電池システム１００は、第１及び第２実施形態とほぼ同様の構成であるが、車両運転状態等に応じて水素供給制御弁２３の要求開度η、開時間Ｔｏ及び閉時間Ｔｃを補正するようにした点において相違する。
図１２を参照して、第３実施形態によるコントローラ３０が実行する水素供給制御弁２３の制御サブルーチンを説明する。このサブルーチンは、第１実施形態又は第２実施形態のステップＳ１０７において実行される。
ステップＳ２０１では、コントローラ３０は、目標水素圧力Ｐ_Ｔと下流側水素圧力Ｐ_Ｌとの偏差に基づいて、車両が加速中か否かを判定する。
目標水素圧力Ｐ_Ｔと下流側水素圧力Ｐ_Ｌとの偏差が大きい場合には、コントローラ３０は、車両が加速中であると判定し、ステップＳ２０３の処理を実行する。これに対して、目標水素圧力Ｐ_Ｔと下流側水素圧力Ｐ_Ｌとの偏差が小さい場合には、コントローラ３０は、車両が過渡状態にないと判定し、ステップＳ２０２の処理を実行する。
ステップＳ２０２では、コントローラ３０は、燃料電池スタック１０内でフラッディングの発生があるか否かを判定する。フラッディングとは、燃料電池スタック１０の燃料ガス流路に生成水が溜まり、水素の拡散を阻害する現象である。
コントローラ３０は、燃料電池スタック１０内の水素の水含有量に基づいてフラッディングの発生を判定する。水含有量が所定値よりも大きい場合には、コントローラ３０は、フラッディングの発生があると判定し、ステップＳ２０３の処理を実行する。これに対して、水含有量が所定値よりも小さい場合には、コントローラ３０は、フラッディングの発生がないと判定して処理を終了する。
なお、水素の水含有量に基づいてフラッディングの発生を判定するのではなく、例えば燃料電池スタック１０の各単位セル電圧を検出し、その時の運転状態における平均単位セル電圧の８０％以下となる単位セル電圧が存在した場合にフラッディングの発生があると判定するようにしてもよい。
ステップＳ２０３では、コントローラ３０は、制御周期Ｔ内の要求水素流量Ｑが変化しないように、水素供給制御弁２３の開時間Ｔｏを減少させるとともに閉時間Ｔｃを増大させ、さらに水素供給制御弁２３の要求開度ηを増大させる。このように水素供給制御弁２３の開閉特性を補正することによって、水素供給制御弁２３開弁時の水素流量を通常時よりも増大させることができる。
図１３を参照して、車両加速時における水素供給制御弁２３の補正制御の作用を説明する。
時刻ｔ１で車両が加速した場合には、コントローラ３０は、水素供給制御弁２３の開時間Ｔｏを減少補正し、閉時間Ｔｃを増大補正して、要求開度ηを増大補正する。このように水素供給制御弁２３の開閉特性を補正することで、要求水素流量Ｑを維持しつつ水素供給制御弁２３開弁時の水素流量を一時的に増加させることができる。そのため、車両加速時など短時間で燃料電池スタック出力が変化する場合であっても、下流側水素圧力Ｐ_Ｌを目標水素圧力範囲に速やかに追従させることができる。
以上により、燃料電池システム１００の水素供給機構２０では、下記の効果を得ることができる。
車両加速時には、水素供給制御弁２３の開時間を減少補正し、閉時間を増大補正し、要求開度を増大補正するので、水素供給制御弁２３開弁時の水素流量を増加させることができ、下流側水素圧力が目標水素圧力範囲に到達するまでの時間を短縮させることが可能となる。
また、フラッディング発生時にも上記と同様の補正制御を行い、水素供給制御弁２３開弁時の水素流量を増大させるので、燃料電池スタック１０の燃料ガス流路内に滞留している生成水を効果的に排出させることが可能となる。特に、長時間にわたって燃料電池スタック１０の出力が低出力に維持されるような渋滞時等において、生成水を必要に応じて排出することができる。
次に、図１４−図１８を参照して、本発明の第４実施形態を説明する。
第４実施形態による燃料電池システム１００は、第１−第３実施形態の燃料電池システムと比較して、システム構成及び水素供給制御弁２３の制御が相違する。
図１４に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００の水素供給機構２０は、１つの高圧水素タンク２１から水素を燃料電池スタック１０に供給する。高圧水素タンク２１は、水素供給通路２２を介して燃料電池スタック１０に接続している。
高圧水素タンク２１と水素供給通路２２の連通状態を制御する開閉弁２１Ａは、高圧水素タンク２１の内部に設けられる。開閉弁２１Ａを高圧水素タンク２１内に設けるので、車両衝突等の異常時においても開閉弁２１Ａに故障が生じるのを抑制でき、異常発生時に高圧水素タンク２１Ａと水素供給通路２２との連通を確実に遮断することができる。
高圧水素タンク２１の端部には枠体２４が設置されており、枠体２４内の水素供給通路２２には水素供給制御弁２３が設置される。水素供給制御弁２３を高圧水素タンク２１の近傍に設け、水素供給制御弁２３よりも上流側における高圧配管部を枠体２４内に配置するので、車両衝突等の異常時においても高圧配管部の破断等を確実に防止することができる。なお、水素供給制御弁２３を、高圧水素タンク２１内に設置するようにしてもよい。
また、枠体２４には、水素供給制御弁２３よりも上流側の水素供給通路２２内の水素圧力を検出する上流側圧力センサ３１が設置される。
図１５を参照して、第４実施形態による燃料電池システム１００のコントローラ３０が実行する水素供給制御弁２３の制御ルーチンを説明する。図１５のステップＳ１０１−Ｓ１０７の内容は、第１実施形態における図２のステップＳ１０１−Ｓ１０７と同様であるので詳細な説明は省略する。
コントローラ３０は、ステップＳ１０２で要求水素流量Ｑを算出した後、ステップＳ１１３の処理を実行する。
ステップＳ１１３では、コントローラ３０は、目標水素圧力Ｐｔと下流側水素圧力Ｐ_Ｌの偏差を用いて算出される要求水素流量Ｑ、及び上流側水素圧力Ｐ_Ｈに基づいて、水素供給制御弁２３の第２の開度を算出する。コントローラ３０は、予めＲＯＭに格納された図１６に示す特性のは開度マップを参照し、要求水素流量Ｑと上流側水素圧力Ｐ_Ｈとに基づいて第２の開度を算出する。
ステップＳ１１４では、コントローラ３０は、算出された第２の開度が最小開度よりも大きいか否かを判定する。
上流側水素圧力Ｐ_Ｈが高圧の場合には、水素流量を低流量に設定する時に水素供給制御弁２３の開度を精密に制御することが必要となり、特に図１６の斜線領域では水素供給制御弁２３による流量制御性が悪化する。このように水素供給制御弁２３の流量制御性が悪化し始める開度を最小開度として設定する。
図１５のステップＳ１１４において、第２の開度が最小開度よりも大きい場合には、コントローラ３０はステップＳ１１５の処理を実行する。
ステップＳ１１５では、コントローラ３０は、第２の開度を要求開度ηに設定し、開時間比率ωを１に設定する。これにより、水素供給制御弁２３の開時間Ｔｏは制御周期Ｔと同じに設定され、閉時間Ｔｃは０に設定される。
ステップＳ１１４からステップＳ１１５を経由してステップＳ１０７に処理が移行する場合には、水素供給制御弁２３は制御周期Ｔの間、要求開度ηで常時開弁し、水素が燃料電池スタック１０に連続供給される。したがって、ステップＳ１１３で算出された第２の開度が最小開度よりも大きい場合には、図１７に示すように、水素は燃料電池スタック１０に連続供給され、水素流量は水素供給制御弁２３の開度のみによって調整される。
一方、図１５のステップＳ１１４において第２の開度が最小開度よりも小さいと判定された場合には、コントローラ３０はステップＳ１０３の処理を実行する。ステップＳ１０３において、コントローラ３０は、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａであると仮定した場合における、要求水素流量Ｑに応じた水素供給制御弁２３の第１の開度を算出し、第１の開度を要求開度ηに設定する。なお、第１の開度は、最小開度以上の開度として算出される。
ステップＳ１０４−Ｓ１０６では、コントローラ３０は、要求開度ηと上流水素圧力Ｐ_Ｈに基づいて開時間Ｔｏ及び閉時間Ｔｃを算出する。
ステップＳ１１４からステップＳ１０３−Ｓ１０６を経由してステップＳ１０７に処理が移行する場合には、水素供給制御弁２３を制御周期Ｔのうち開時間Ｔｏだけ要求開度ηで開弁させ、それ以外は閉弁させるので、図１７に示すように水素が間欠的に燃料電池スタック１０に供給される。このように水素を間欠的に供給することで、図１８に示すように、制御周期Ｔ内における平均水素流量を要求水素流量Ｑに調整でき、下流側水素圧力Ｐ_Ｌを目標水素圧力範囲内に制御することができる。
なお、図１５の制御ルーチンのステップＳ１０３−Ｓ１０６の処理に代えて、図９のステップＳ１０８−Ｓ１１２の処理を実行してもよい。この場合には、燃料電池スタック１０の目標水素圧力と下流側水素圧力とに基づいて水素供給制御弁２３の開時間及び閉時間を算出し、開時間と上流側水素圧力とに基づいて最小開度以上の第１の開度を算出して、第１の開度を要求開度ηに設定する。
以上により、燃料電池システム１００の水素供給機構２０では、下記の効果を得ることができる。
水素供給機構２０では、目標水素圧力、下流側水素圧力、及び上流側水素圧力に基づいて算出される第２の開度が最小開度よりも大きい場合には、水素供給制御弁２３の第２の開度を要求開度に設定するとともに閉時間を０に設定して水素を連続的に供給し、第２の開度が最小開度よりも小さい場合には、最小開度以上の第１の開度を要求開度に設定し、水素供給制御弁２３を開閉制御して、水素を間欠的に供給する。これにより、水素供給機構２０は、水素供給制御弁２３よりも上流側の水素供給通路２２に減圧弁を備える必要がなく、簡素な構成で水素を安定供給することが可能となる。
水素供給機構２０では、水素供給制御弁２３を間欠制御する頻度が低下するので、水素供給制御弁２３の長寿命化を図ることができる。また、水素供給制御弁２３の間欠制御による下流側水素圧力の脈動の発生を抑制でき、燃料電池スタック１０における電解質膜の劣化を抑制することができる。
水素供給機構２０では、水素を連続供給する状態から間欠供給する状態に切り替わり、下流側水素圧力が脈動することによって、燃料電池スタック１０内の水素を拡散させることができる。これにより、燃料電池スタック１０の燃料ガス流路内における水素濃度のばらつきを均一化したり、燃料ガス流路に滞留している生成水や空気供給機構から電解質膜を透過してくる窒素等の不純ガスを排出したりすることができる。
以上、本発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明してきたが、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施形態に様々な修正あるいは変更を加えることが可能である。
以下で説明する要求開度ηは、第４実施形態では第１の開度から求められる要求開度に相当する。
目標水素圧力Ｐ_Ｔが２０ｋＰａよりも小さく、燃料電池スタック１０がアイドル運転状態である場合には、図１９に示すように、水素供給制御弁２３の要求開度ηを予め設定された最小開度に維持し、下流側水素圧力Ｐ_Ｌが目標水素圧力Ｐ_Ｔとなるように開時間Ｔｏ及び閉時間Ｔｃを増減するようにしてもよい。これにより水素供給制御弁２３による最小流量以下の低流量制御も可能となる。なお、燃料電池スタック１０がアイドル運転状態である場合には、開時間Ｔｏを予め定められた最小時間に維持し、下流側水素圧力Ｐ_Ｌが目標水素圧力Ｐ_Ｔとなるように水素供給制御弁２３の要求開度ηを増減するようにしてもよい。
また、高圧水素タンク２１内の水素が消費されて上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａ以下の第１の低圧状態になると、上流側水素圧力変化に起因する水素供給制御弁２３での水素流量変化は小さくなる。上流側水素圧力Ｐ_Ｈが第１の低圧状態になると、水素供給制御弁２３の要求開度ηを最大開度にしても、車両運転状態によっては最大流量の水素を供給することができなくなる。上流側水素圧力Ｐ_Ｈが低圧状態となった場合には、水素供給制御弁２３の要求開度η、開時間Ｔｏ及び閉時間Ｔｃの３つをそれぞれ変化させるのではなく、上流側水素圧力Ｐ_Ｈの状態によらず閉時間Ｔｃを０にし、開時間Ｔｏを制御周期Ｔに設定して水素供給制御弁２３を常時開弁させ、下流側水素圧力Ｐ_Ｌが目標水素圧力Ｐ_Ｔとなるように水素供給制御弁２３の要求開度ηを増減させてもよい。これにより水素供給制御弁２３の制御を容易なものとすることができる。なお、水素供給制御弁２３を常時開弁させて要求開度ηを増減させるのではなく、水素供給制御弁２３の要求開度ηを最大開度にし、下流側水素圧力Ｐ_Ｌが目標水素圧力Ｐ_Ｔとなるように開時間Ｔｏ及び閉時間Ｔｃを増減するようにしてもよい。
さらに、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが１ＭＰａを下回って例えば０．４ＭＰａ以下の第２の低圧状態となると、図２０に示すように、水素供給制御弁２３の要求開度ηを最大開度にしても、車両運転状態等によっては要求水素流路Ｑを供給することができなくなる。そのため、上流側水素圧力Ｐ_Ｈが低圧状態となった場合には、車両の運転状態と上流側水素圧力Ｐ_Ｈとに基づいて目標水素圧力Ｐ_Ｔを低下させ、燃料電池スタック１０の出力を制限する。低圧状態での水素供給制御弁２３の最大開度における最大流量を、図２１に示すように上流側水素圧力毎に記憶することで、高圧水素タンク２１内の水素の無効残量をほぼゼロにすることが可能となる。
以上の説明に関して、２００９年６月２２日を出願日とする日本国における特願２００９−１４７７３１号の内容をここに引用により組み込む。

本発明は、燃料電池システムの燃料ガス供給装置への適用において特に好ましい効果をもたらす。
この発明の実施形態が包含する排他的性質あるいは特長は、以下のようにクレームされる。

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置において、
   燃料ガスを蓄える燃料タンクと、
   燃料タンクと燃料電池スタックとを接続する燃料ガス通路と、
   燃料ガス通路に設けられ、燃料ガスの供給量を制御する制御弁と、
   制御弁よりも上流側の燃料ガスの上流側圧力を検出する上流側圧力センサと、
   制御弁よりも下流側の燃料ガスの下流側圧力を検出する下流側圧力センサと、
   次のようにプログラムされたプログラマブルコントローラと、を備え、
   プログラマブルコントローラは、
   燃料電池スタックの目標燃料ガス圧力及び検出された下流側圧力に基づいて制御弁の要求開度を算出し、要求開度及び検出された上流側圧力に基づいて制御弁の開時間及び閉時間を算出して、
   又は、燃料電池スタックの目標燃料ガス圧力及び検出された下流側圧力に基づいて制御弁の開時間及び閉時間を算出し、開時間及び検出された上流側圧力に基づいて制御弁の要求開度を算出して、
   算出された要求開度、開時間及び閉時間で制御弁を制御する、ことを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス供給装置。
2. 請求項１の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、
   燃料電池スタックの目標燃料ガス圧力、下流側圧力、及び上流側圧力に基づいて制御弁の第２の開度を算出し、
   第２の開度が所定の最小開度よりも大きい場合には、第２の開度を要求開度に設定し、閉時間を０に設定して、要求開度で常時開弁するように制御弁を制御し、
   第２の開度が最小開度よりも小さい場合には、目標燃料ガス圧力及び検出された下流側圧力に基づいて最小開度以上の第１の開度を算出して第１の開度を要求開度とし、要求開度及び検出された上流側圧力に基づいて制御弁の開時間及び閉時間を算出し、
   又は、燃料電池スタックの目標燃料ガス圧力及び検出された下流側圧力に基づいて制御弁の開時間及び閉時間を算出し、開時間及び検出された上流側圧力に基づいて最小開度以上の第１の開度を算出して第１の開度を要求開度とする。
3. 請求項１又は２の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、目標燃料ガス圧力と下流側圧力との偏差に基づいて車両加速時か否かを判定し、車両加速時には、要求開度を増大補正し、開時間を減少補正し、閉時間を増大補正する。
4. 請求項１−３のいずれか１つに記載の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、燃料電池スタック内のフラッディングの有無を判定し、フラッディング発生時には、要求開度を増大補正し、開時間を減少補正し、閉時間を増大補正する。
5. 請求項１−４のいずれか１つに記載の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、燃料電池スタックのアイドル運転時には、要求開度を所定開度に維持し、下流側圧力が目標燃料ガス圧力となるように開時間及び閉時間を制御する。
6. 請求項１−４のいずれか１つに記載の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、燃料電池スタックのアイドル運転時には、開時間を所定時間に維持し、下流側圧力が目標燃料ガス圧力となるように要求開度を制御する。
7. 請求項１−６のいずれか１つに記載の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、上流側圧力が第１の低圧状態となった場合には、要求開度を最大開度にし、下流側圧力が目標燃料ガス圧力となるように開時間及び前記閉時間を調整する。
8. 請求項１−６のいずれか１つに記載の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、上流側圧力が第１の低圧状態となった場合には、制御弁を常時開弁させ、下流側圧力が目標燃料ガス圧力となるように要求開度を制御する。
9. 請求項７又は８に記載の燃料ガス供給装置において、プログラマブルコントローラは、上流側圧力が第１の低圧状態よりも低い第２の低圧状態となった場合には、車両運転状態と上流側圧力とに基づいて目標燃料ガス圧力を低下させ、燃料電池スタックの出力を制限する。

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