JP5321950B2 - 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。

燃料電池システムは、アノード極に供給される燃料ガスとカソード極に供給される酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生する。アノード極から排出された燃料オフガスは、燃料循環流路を通って燃料供給流路に戻され、燃料供給源から供給される燃料ガスと混合されてアノード極に再供給される。下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料循環流路に排出された燃料オフガスを、エゼクタを利用して燃料供給流路に戻し、燃料ガスと混合させている。
特開平１０−２８４０９８号公報

ところで、一般にエゼクタは、その入口側と出口側における燃料ガスの差圧を利用して燃料ガスを排出する。したがって、燃料電池システムの運転中、エゼクタの入口側の燃料ガスの圧力は、出口側の燃料ガスの圧力よりも高くなる。また、燃料電池システムの運転中は、エゼクタの出口側の燃料ガスの圧力が燃料電池の許容圧力を超えることがないように、入口側に供給する燃料ガスの流量を制御する。

ところが、燃料電池システムの運転が停止すると、エゼクタへの燃料ガスの供給が遮断されるとともに、燃料電池の発電が停止する。燃料電池の発電が停止すると、エゼクタから排出された燃料ガスの消費が止まる。一方、エゼクタの入口側と出口側の燃料ガスには差圧が生じているため、燃料電池システムの運転が停止した後も、エゼクタからは燃料ガスが排出され続ける。この場合に、エゼクタの出口側の燃料ガスの圧力が燃料電池の許容圧力を超えてしまうおそれがある。

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスの圧力を所定値以下に抑えるために、圧力計や燃料放出配管を設けているが、このような構成を追加するとシステムが複雑化してしまう。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するために、簡易な構成でエゼクタから燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を燃料電池の許容圧力以下に抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料ガスを燃料供給源から燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料供給流路に設けられ、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池から排出された燃料オフガスと合流させて燃料電池に供給するエゼクタと、燃料供給流路のうちのエゼクタよりも上流側に設けられ、エゼクタへの燃料ガスの供給を遮断または許容する弁と、を備え、エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力値とエゼクタの出口側における燃料ガスの圧力値とが等しくなった場合でも、エゼクタの出口側における燃料ガスの圧力値が燃料電池の許容圧力値以下になるように、エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力の上限値が定められていることを特徴とする。

この発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池システムにおいて、エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力を、所定の上限値以内に抑えて運転させることで、例えば、燃料電池システムの運転が停止して弁が閉弁された後に、エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力値とエゼクタの出口側における燃料ガスの圧力値とが等しくなった場合であっても、エゼクタの出口側における燃料ガスの圧力値を、燃料電池の許容圧力値以下に抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力の上限値は、燃料電池の許容圧力値、エゼクタの出口側における燃料ガスの圧力値、弁とエゼクタとの間に形成される閉空間の容積、およびエゼクタと燃料電池との間に形成される閉空間の容積に基づいて定められていることとしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、上記エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力の上限値が、弁に閉弁指令が送出されてから弁が閉弁するまでの間にエゼクタに供給される燃料ガスの供給量を補正値として用いて定められていることとしてもよい。

これにより、弁の動作遅れの間にエゼクタに供給される燃料ガスの供給量を考慮したうえで、エゼクタの出口側における燃料ガスの圧力を燃料電池の許容圧力値以下に抑制することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記エゼクタは、ノズル径が一定のエゼクタであって、上記エゼクタの入口側における燃料ガスの圧力値がエゼクタの入口側における燃料ガスの圧力の上限値を超過する場合に、少なくとも当該超過分の圧力を低減させる制御手段をさらに備えることができる。

これにより、物理的な問題で設計要件を満たすことができずに、エゼクタに供給される燃料ガスの圧力値がエゼクタの入口側における燃料ガスの圧力の上限値を超過することがあっても、少なくとも超過分の圧力を低減させることが可能となるため、設計の自由度を高めることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、燃料電池を発電させることにより、上記超過分の圧力を低減させることができる。また、上記燃料電池システムにおいて、上記燃料オフガスを燃料ガス供給流路に戻すための燃料循環流路と、燃料循環流路の燃料オフガスおよび水分を外部に排出するための排出弁と、をさらに備え、上記制御手段は、排出弁を開弁させることにより、上記超過分の圧力を低減させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記エゼクタは、ノズル径がニードルの位置に応じて可変するエゼクタであって、エゼクタに求められる燃料ガスの供給流量を算出し、当該算出した供給流量に応じたニードルの位置を算出し、当該算出したニードルの位置をニードル目標位置としてニードルを移動させる制御手段をさらに備えることができる。

これにより、エゼクタをフィードフォワード制御することができるため、燃料電池システムにおける急激な負荷変動に対応することが可能となり、出力電流の急激な増加による燃料ガス不足を防止することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、エゼクタの出口側における燃料ガスの圧力値と当該燃料ガスの目標圧力値とに基づいてエゼクタに求められる燃料ガスの供給流量を補正することができる。

これにより、エゼクタをフィードフォワード制御およびフィードバック制御することができるため、燃料電池システムにおける急激な負荷変動に対応することが可能となり、出力電流の急激な増加による燃料ガス不足を防止することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、今回のニードル目標位置と前回のニードル目標位置とに基づいてニードルの推定位置を算出し、当該算出したニードルの推定位置に基づいてエゼクタからの燃料ガスの供給流量を算出し、当該算出した供給流量に基づいて燃料電池の許容出力電流を算出することができる。

これにより、燃料電池の出力電流を、ニードルの推定位置に応じた許容出力電流以下に抑えることができるため、ニードルの動作遅れによる燃料ガス不足を防止することが可能となる。

本発明によれば、簡易な構成でエゼクタから燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を燃料電池の許容圧力以下に抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。第１実施形態における燃料電池システムでは、エゼクタとして、ノズル径が一定のエゼクタを用い、第２実施形態における燃料電池システムでは、エゼクタとして、ノズル径が可変するエゼクタを用いる。
[第１実施形態]

まず、第１実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池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２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、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、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３０と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３２とを有する。空気供給流路３１および空気排出流路３２には、燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いてコンプレッサ３０から圧送された酸化ガスを加湿する加湿器３３が設けられている。この加湿器３３で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４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４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための燃料循環流路としての水素循環流路４２とを有する。水素供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３と、水素循環流路４２の水素オフガスを水素供給流路４１に還流させるエゼクタ４５と、エゼクタ４５への水素ガスの供給量を調整する調整弁４４（弁）とが設けられている。なお、調整弁４４は、必ずしも供給量を調整する機能を有するものである必要はなく、例えば、エゼクタ４５への水素ガスの供給を遮断または許容する機能を有するものであってもよい。

エゼクタ４５は、水素タンク４０から供給される水素ガスと燃料電池２から排出される水素オフガスとを合流させ、合流後の混合ガスを燃料電池２に供給する。第１実施形態におけるエゼクタ４５は、ノズル径が一定のエゼクタである。このエゼクタ４５では、水素タンク４０から供給される水素ガスをノズルからディフューザに向けて噴射することで、ディフューザ内に負圧を発生させる。そして、この負圧を利用して水素オフガスをディフューザ内に吸引させ、吸引させた水素オフガスとノズルから噴射された水素ガスとを混合して排出する。

水素供給流路４１のうち、エゼクタ４５の入口側と出口側のそれぞれには、水素ガスの圧力を検出するための圧力センサＰ１およびＰ２がそれぞれ設けられている。圧力センサＰ１は、調整弁４４とエゼクタ４５との間の水素供給流路４１における水素ガスの圧力を検出する。圧力センサＰ２は、エゼクタ４５と燃料電池２との間の水素供給流路４１における水素ガスの圧力を検出する。

水素循環流路４２の水素オフガスは、逆止弁４９を通じてエゼクタ４５に吸収される。水素循環流路４２には、気液分離器４６を介して排出流路４７が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排出流路４７には、排気排水弁４８（排出弁）が設けられている。排気排水弁４８は、通常は閉弁しているが、制御部５からの指令に従って適宜開弁することで、気液分離器４６で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。

水素ガス配管系４は、例えば、以下の式１を満たすように設計する。

上記式１のＰ₁は、調整弁４４とエゼクタ４５との間の水素供給流路４１における水素ガスの圧力値である。Ｐ₂は、エゼクタ４５と燃料電池２との間の水素供給流路４１における水素ガスの圧力値である。Ｐ_2maxは、Ｐ₂として許容される最大の圧力値であり、燃料電池２の許容圧力値が設定される。Ｖ₁は、調整弁４４とエゼクタ４５との間に形成される閉空間の容積である。Ｖ₂は、エゼクタ４５と燃料電池２との間に形成される閉空間の容積である。

上記式１を満たす燃料電池システムにおいて、システムの運転を停止すると、調整弁４４が閉弁される。そして、エゼクタ４５の入口側と出口側に生じた水素ガスの差圧によって、水素ガスがエゼクタ４５の入口側から出口側に流入する。その後、エゼクタ４５の入口側と出口側の水素ガスの差圧が解消すると水素ガスの流入が止まる。すなわち、圧力Ｐ₁と圧力Ｐ₂が等しくなると水素ガスの流入が止まる。なお、この説明では、便宜上、エゼクタ４５における水素ガスの圧力の損失については考慮しないものとする。

圧力Ｐ₁と圧力Ｐ₂が等しくなった場合に、上記式１は、以下の式２で表わされる。

つまり、圧力Ｐ₁、Ｐ₂および容積Ｖ₁、Ｖ₂を、上記式１を満たすように設定することで、燃料電池システムの運転が停止して調整弁４４が閉弁された後に、エゼクタ４５の入口側から出口側に向け、差圧により流入可能な最大量の水素ガスが流入したとしても、上記式２に示すように、エゼクタ４５の出口側の水素ガスの圧力Ｐ₂が、燃料電池２の許容圧力値Ｐ_2maxを超えることはない。

ここで、上記式１を、エゼクタ４５の入口側の水素ガスの圧力Ｐ₁を表わす式に変換すると、以下の式３となる。

上記式３は、エゼクタ４５の入口側の水素ガスの圧力Ｐ₁が右辺の値以下であることを示すものであることから、上記式３の右辺は、圧力Ｐ₁として許容される最大の圧力値Ｐ_1max、すなわちエゼクタ４５の入口側における水素ガスの圧力の上限値Ｐ_1max（以下、圧力Ｐ₁の上限値Ｐ_1maxという。）を表すことになる（下記式４参照）。

上記式４に示すように、圧力Ｐ₁の上限値Ｐ_1maxは、燃料電池の許容圧力値Ｐ_2max、エゼクタ４５の出口側における水素ガスの圧力値Ｐ₂、調整弁４４とエゼクタ４５との間に形成される閉空間の容積Ｖ₁、およびエゼクタ４５と燃料電池２との間に形成される閉空間の容積Ｖ₂を用いて定められることになる。

このように、圧力Ｐ₁の上限値Ｐ_1maxを、上記式４を満たすように設定することによって、燃料電池システムの運転が停止して調整弁４４が閉弁された後に、エゼクタ４５の入口側から出口側に向けて、差圧により流入可能な最大量の水素ガスが流入したとしても、エゼクタ４５の出口側の水素ガスの圧力Ｐ₂を、燃料電池２の許容圧力値Ｐ_2max以下に抑制することが可能となる。

ところで、第１実施形態におけるエゼクタ４５は、ノズル径が一定のエゼクタであるため、水素ガスの流量に応じて圧力Ｐ₁、Ｐ₂が可変し、圧力Ｐ₁、Ｐ₂を一意に決定することができない。したがって、第１実施形態では、圧力Ｐ₁、Ｐ₂が可変することを考慮して、以下の手順で、圧力Ｐ₁、Ｐ₂および容積Ｖ₁、Ｖ₂を決定する。
（１）圧力Ｐ₂の取り得る範囲を算出し、その最大値を圧力Ｐ₂の値として採用する。
（２）圧力Ｐ₁の取り得る範囲を算出し、その最大値を圧力Ｐ₁の値として採用する。
（３）燃料電池２の体格等を考慮して容積Ｖ₂を決定する。
（４）上記式１に、圧力Ｐ₂、圧力Ｐ₁、容積Ｖ₂および燃料電池の許容圧力値Ｐ_2maxをそれぞれ代入して容積Ｖ₁を算出する。

なお、調整弁４４に閉弁指令が送出されてから、実際に調整弁４４が閉弁するまでにはタイムラグが生ずる。すなわち、調整弁４４の動作遅れが生ずる。調整弁４４の動作遅れが生ずると、動作遅れの間に調整弁４４からエゼクタ４５に供給される水素ガスによって圧力Ｐ₁、Ｐ₂が上昇してしまうおそれがある。したがって、調整弁４４の動作遅れが生ずる場合に、上記式１を用いると誤差が発生することも考えられる。そこで、その誤差を解消するために、動作遅れの間に調整弁４４から供給される水素ガスの供給量Ｑ_Eを用いて上記式１および式３の値を補正することとしてもよい。

この場合に、上記式１および式３は、以下の式５および式６となる。

動作遅れの間に調整弁４４から供給される水素ガスの供給量Ｑ_Eは、例えば、以下の式７により算出することができる。

上記式７のΔＰは、調整弁４４の上流側と下流側における水素ガスの差圧である。Ｃは、調整弁４４におけるガスの流れやすさである。ｔは、調整弁４４に閉弁指令が送出されてから実際に調整弁４４が閉弁するまでの時間[min]である。Ｇは、水素ガスの比重であり、Ｔは、温度[k]である。温度Ｔは、予め定められた温度を用いてもよいし、水素タンクの温度や水素ガスの温度を用いることとしてもよい。

なお、水素ガスの供給量Ｑ_Eは、上記式７により算出することには限定されない。例えば、予め実験等によりマップを作成しておき、このマップを用いて算出することや、予め実験等により算出された定数を用いることとしてもよい。

制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）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等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池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３０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、オーディオ等が含まれる。

第１実施形態における制御部５（制御手段）は、エゼクタ４５の入口側の水素ガスの圧力Ｐ₁が圧力Ｐ₁の上限値Ｐ_1maxを超過する場合に、少なくとも、この超過分の圧力（Ｐ₁−Ｐ_1max）を低減させる。これは、以下に説明する問題を解消するために実行される制御である。

例えば、圧力Ｐ₁、Ｐ₂や水素ガスの供給量Ｑ_Eによっては、容積Ｖ₁を小さくして容積Ｖ₂を大きくしなければならない等の制約が生ずることがある。しかしながら、物理的な問題で容積Ｖ₁を小さくすることができずに、その結果、上記式３または式６（式１または式５）を満たすことができないことも考えられる。つまり、圧力Ｐ₁が上限値Ｐ_1maxよりも大きくなってしまうことも考えられる。

このような問題を解消するために、少なくとも超過分の圧力（Ｐ₁−Ｐ_1max）を低減させる制御を実行することとした。これにより、容積Ｖ₁、Ｖ₂の要件を緩和させることが可能となるため、水素供給流路４１の配管容積の自由度を高めることや、調整弁４４およびエゼクタ４５の取り付け位置の自由度を高めることが可能となる。超過分の圧力を低減させる方法としては、例えば、以下の二つの方法がある。

一つめの方法は、圧力が超過したことによってエゼクタ４５に余分に供給される水素ガスを燃料電池２で消費させることにより、超過分の圧力を低減させる。圧力が超過したことによってエゼクタ４５に余分に供給される水素ガスの量Ｑ_o（以下、超過水素ガス量Ｑ_oという。）は、以下の式８により算出することができる。

具体的には、燃料電池２に発電させて出力電流を増加させることで、超過水素ガス量Ｑ_o分の水素ガスを消費させる。

二つめの方法は、超過水素ガス量Ｑ_o分の水素オフガスを、排気排水弁４８を開弁して排出させることにより、超過分の圧力を低減させる。

なお、上述した二つの方法は、エゼクタ４５の入口側と出口側の水素ガスの差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）が、エゼクタ４５を通過することにより減少する圧力（以下、エゼクタにおける圧力損失という。）よりも大きい場合に実行することとしてもよい。水素ガスの差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）がエゼクタにおける圧力損失以下になれば、エゼクタ４５の入口側から出口側に水素ガスが流れ込む現象が解消するためである。

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１、Ｐ２等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３０、調整弁４４および排気排水弁４８等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムの超過圧力低減制御処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

上述してきたように、第１実施形態における燃料電池システムによれば、簡易な構成でエゼクタから燃料電池に供給される水素ガスの圧力を燃料電池の許容圧力以下に抑制することができる。
[第２実施形態]

本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第２実施形態では、第１実施形態におけるノズル径が一定のエゼクタの代わりに、ノズル径が可変するエゼクタを用いる点である。それ以外の構成は、第１実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略すると共に、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

エゼクタとしてノズル径が可変するエゼクタを用いた場合には、ノズル径が適宜可変することになるため、エゼクタから供給される水素ガスの供給量を正確に把握することは難しい。水素ガスの供給量を把握するために、流量計等を追加することも考えられるが、流量計等を追加すると、コストが増大することや計測の応答遅れ等の問題が生じてしまう。第２実施形態における燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムと同様に、簡易な構成でエゼクタから燃料電池に供給される水素ガスの圧力を燃料電池の許容圧力以下に抑制させることに加え、エゼクタによる水素ガスの供給量を簡易に算出し、エゼクタによる水素ガスの供給を的確に制御させるものである。

水素ガス配管系４を上記式１または式５を満たすように設計する点は、上述した第１実施形態と同様である。上記式１または式５を満たすように圧力Ｐ₁、Ｐ₂および容積Ｖ₁、Ｖ₂を設計することで、燃料電池システムの運転が停止して調整弁４４が閉弁された後に、エゼクタ４５の入口側から出口側に向けて、差圧により流入可能な最大量の水素ガスが流入したとしても、エゼクタ４５の出口側の水素ガスの圧力Ｐ₂を、燃料電池２の許容圧力値Ｐ_2max以下に抑制することが可能となる。

第２実施形態におけるエゼクタ４５は、ノズル径がニードルの位置に応じて可変するエゼクタである。このエゼクタ４５は、水素ガスをディフューザに向けて噴射し、水素オフガスを吸引するための負圧をディフューザ内に発生させるノズルと、ノズルの開口面積を可変するニードルと、ニードルの位置を移動させる駆動部とを有する。

以下に、第２実施形態における制御部５（制御手段）に特有の制御内容ついて説明する。

まず、ノズル径が可変するエゼクタ４５から供給される水素ガスの供給流量Ｑ_gを推定する方法について説明する。制御部５は、以下の式９を用いてエゼクタ４５からの水素ガスの供給流量Ｑ_g[NL/min]を算出する。

上記式９のＣはエゼクタにおけるガスの流れやすさであり、Ｇは水素ガスの比重であり、Ｔは温度[k]であり、ΔＰはエゼクタ４５の上流側と下流側における水素ガスの差圧（Ｐ₁−Ｐ₂）である。

エゼクタにおけるガスの流れやすさＣは、例えば、図２に示すマップを用いて算出することができる。図２は、ニードルの位置とエゼクタにおけるガスの流れやすさとの関係を示すマップである。横軸がニードルの位置を示し、縦軸がエゼクタにおけるガスの流れやすさを示す。ニードルの位置がノズルの開口面積を増大させる方向に移動するほどガスが流れやすくなる関係にある。このマップは予め実験等によって求めることができる。ニードルの位置は、位置センサによる検出値を用いることとしてもよいし、予測値を用いることとしてもよい。また、温度Ｔは、予め定められた温度を用いてもよいし、水素タンク４０の温度や水素ガスの温度を用いることとしてもよい。

上記式９を用いてエゼクタ４５からの水素ガスの供給流量Ｑ_gを算出することで、エゼクタ４５から供給される水素ガスの供給量を正確に推測することが可能となるため、水素ガスの供給量を容易に調整することが可能となる。以下に、上記式９を用いて水素ガスの供給量を調整する方法について説明する。

最初に、エゼクタ４５に求められる水素ガスの供給流量と上記式９とを用いてニードルの位置を算出し、このニードルの位置を用いてエゼクタ４５をフィードフォワード制御する手順について説明する。

制御部５は、燃料電池の出力電流や水素ガスの圧力等を用いて燃料電池が必要とする水素ガスの流量Ｑ_F（以下、水素ガスの要求流量Ｑ_Fという。）を算出する。続いて、制御部５は、算出した水素ガスの要求流量Ｑ_Fをエゼクタ４５に求められる水素ガスの供給流量Ｑ_gと見做し、上記式９を用いてエゼクタ４５におけるガスの流れやすさＣを算出する。続いて、制御部５は、算出したエゼクタ４５におけるガスの流れやすさＣと図２のマップを用いて、ニードルの位置を算出する。続いて、制御部５は、算出したニードルの位置を目標位置としてニードルを移動させる移動指令をエゼクタ４５に出力する。

上述したフィードフォワード制御を実行することで、燃料電池システムにおける急激な負荷変動に対応することが可能となり、出力電流の急激な増加による水素ガス不足を防止することが可能となる。

なお、水素ガスの供給流量Ｑ_gは、圧力Ｐ₁、Ｐ₂や容積Ｖ₁、Ｖ₂、温度Ｔ等を用いて算出することとしてもよい。

次に、エゼクタ４５に求められる水素ガスの供給流量と上記式９とを用いてニードルの位置を算出し、このニードルの位置を用いてエゼクタ４５をフィードフォワード制御およびフィードバック制御する手順について説明する。

制御部５は、燃料電池の出力電流や水素ガスの圧力等を用いて水素ガスの要求流量Ｑ_Fを算出する。続いて、制御部５は、算出した水素ガスの要求流量Ｑ_Fをエゼクタ４５に求められる水素ガスの供給流量Ｑ_gと見做し、以下の式１０を用いて求められる補正値Ｑ_gdで水素ガスの供給流量Ｑ_gを補正する。続いて、制御部５は、補正後の水素ガスの供給流量Ｑ_gを上記式９に代入してエゼクタ４５におけるガスの流れやすさＣを算出する。続いて、制御部５は、算出したエゼクタ４５におけるガスの流れやすさＣと図２のマップを用いて、ニードルの位置を算出する。続いて、制御部５は、算出したニードルの位置を目標位置としてニードルを移動させる移動指令をエゼクタ４５に出力する。なお、水素ガスの供給流量Ｑ_gは、圧力Ｐ₁、Ｐ₂や容積Ｖ₁、Ｖ₂、温度Ｔ等を用いて算出することとしてもよい。

上記式１０のＶ₂は、エゼクタ４５と燃料電池２との間に形成される閉空間の容積である。Ｐ₂は、エゼクタ４５と燃料電池２との間の水素供給流路４１における水素ガスの圧力値である。Ｐ_2Sは、圧力Ｐ₂の目標圧力値であり、Ａ〜Ｆは、補正係数である。

上述したフィードフォワード制御およびフィードバック制御を実行することで、燃料電池システムにおける急激な負荷変動に対応することが可能となり、出力電流の急激な増加による水素ガス不足を防止することが可能となる。

ところで、上述したニードルの移動指令によるフィードフォワード制御やフィードバック制御では、ニードルの動作遅れについては考慮していない。実際には、ニードルの移動に合わせて水素ガスの供給量が徐々に増減することになるため、例えば、水素ガスの要求流量が急激に増大した場合には、要求に応じた水素ガスを供給するまでに時間を要し、水素ガス不足を招くおそれがある。そこで、ニードルの現在位置を推定し、その推定位置に応じた水素ガスの供給流量を算出し、この供給流量で出力可能な出力電流を許容出力電流として制御することで、水素ガス不足を防止することとした。

以下に、上述したニードルの移動指令によるフィードフォワード制御やフィードバック制御に加え、ニードルの動作遅れを考慮してエゼクタ４５を制御する手順について説明する。

制御部５は、上述したフィードフォワード制御やフィードバック制御で出力された移動指令に含まれるニードルの目標位置を、以下の式１１に代入することで、ニードルの位置を推定する。

上記式１１のＳ_rはニードルの推定位置であり、Ｓ_mはニードルの前回の目標位置であり、Ｓ_sはニードルの今回の目標位置である。Ａはニードルの移動速度（ｄｔ時間あたりの速度）に応じた補正係数である。ニードルの前回の目標位置Ｓ_mはメモリに格納される。

続いて、制御部５は、算出したニードルの推定位置Ｓ_rと図２のマップを用いてエゼクタにおけるガスの流れやすさＣを算出する。続いて、制御部５は、算出したエゼクタにおけるガスの流れやすさＣと上記式９を用いてエゼクタからの水素ガスの供給流量Ｑ_gを算出する。続いて、制御部５は、算出した水素ガスの供給流量Ｑ_gを、以下の式１２に代入して燃料電池の許容出力電流Ｉを算出する。

上記式１２のＱ_gは水素ガスの供給流量であり、Ｎは燃料電池のセル数である。続いて、制御部５は、算出した許容出力電流Ｉを上限とする出力電流指令を燃料電池に出力する。これにより、燃料電池の出力電流は許容出力電流Ｉ以下に抑制される。

このようにニードルの動作遅れを考慮することで、燃料電池の出力電流を、ニードルの推定位置に応じた許容出力電流以下に抑えることができるため、ニードルの動作遅れによる水素ガス不足を防止することが可能となる。

上述してきたように、第２実施形態における燃料電池システムによれば、簡易な構成でエゼクタから燃料電池に供給される水素ガスの圧力を燃料電池の許容圧力以下に抑制することができる。また、エゼクタによる水素ガスの供給量を簡易に算出し、エゼクタによる水素ガスの供給を的確に制御させることができる。

なお、上述した各実施形態では、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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。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することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 ニードルの位置とエゼクタにおけるガスの流れやすさとの関係を示すマップである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…水素循環流路、４４…調整弁、４５…エゼクタ、４７…排出流路、４８…排気排水弁、Ｐ１，Ｐ２…圧力センサ。

Claims (5)

1. 反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料ガスを燃料供給源から前記燃料電池に供給するための燃料供給流路と、
   前記燃料供給流路に設けられ、前記燃料供給源から供給される前記燃料ガスを前記燃料電池から排出された燃料オフガスと合流させて前記燃料電池に供給するエゼクタと、
   前記燃料供給流路のうちの前記エゼクタよりも上流側に設けられ、前記エゼクタへの前記燃料ガスの供給を遮断または許容する弁と、を備え、
   前記エゼクタの入口側における前記燃料ガスの圧力値と前記エゼクタの出口側における前記燃料ガスの圧力値とが等しくなった場合でも、前記エゼクタの出口側における前記燃料ガスの圧力値が前記燃料電池の許容圧力値以下になるように、前記エゼクタの入口側における前記燃料ガスの圧力の上限値が定められており、
   前記エゼクタの入口側における前記燃料ガスの圧力の上限値は、前記燃料電池の許容圧力値、前記エゼクタの出口側における前記燃料ガスの圧力値、前記弁と前記エゼクタとの間に形成される閉空間の容積、および前記エゼクタと前記燃料電池との間に形成される閉空間の容積を用いて定められていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記エゼクタの入口側における前記燃料ガスの圧力の上限値は、前記弁に閉弁指令が送出されてから前記弁が閉弁するまでの間に前記エゼクタに供給される前記燃料ガスの供給量を補正値として用いて定められていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記エゼクタは、ノズル径がニードルの位置に応じて可変するエゼクタであって、
   前記エゼクタに求められる燃料ガスの供給流量を算出し、当該算出した供給流量に応じた前記ニードルの位置を算出し、当該算出した前記ニードルの位置をニードル目標位置として前記ニードルを移動させる制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記エゼクタの出口側における前記燃料ガスの圧力値と当該燃料ガスの目標圧力値とに基づいて前記エゼクタに求められる燃料ガスの供給流量を補正することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、今回のニードル目標位置と前回のニードル目標位置とに基づいて前記ニードルの推定位置を算出し、当該算出した前記ニードルの推定位置に基づいて前記エゼクタからの燃料ガスの供給流量を算出し、当該算出した供給流量に基づいて前記燃料電池の許容出力電流を算出することを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。

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