JP5825245B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの技術に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、例えば自動車の動力源として利用される。燃料電池システムは、常圧（大気圧）よりも高い圧力で燃料ガスを貯蔵するタンクを備える。従来、燃料ガスのタンク内の残量を検出するために、圧力脈動の状態を利用する技術が知られている（例えば、特許文献１）。圧力脈動の状態は、流量調整弁よりも下流側に配置された圧力センサで検出される。

特開２００６−１５６１１０号公報 特開２００９−１２３５９２号公報 特開２００７−０５１６７５号公報

しかしながら、圧力脈動の状態に基づいてタンク内の燃料ガス残量を検出する場合、圧力脈動を抑制するための対策が取りにくい。このため、圧力脈動によって燃料電池の発電性能や耐久性が低下する場合がある。さらに、比較的大きな圧力脈動を許容せざるを得ないため、燃料電池を構成する部材（例えば、電解質膜）が圧力脈動に耐え得る性能を有する必要がある。また、圧力脈動を検出する機構の下流側に圧力脈動を減衰させる機構を設けることも考えられるが、減衰させる機構を設けることで燃料電池システムのコストが上昇するという問題が生じる。

また、流量調整弁とタンクとの間に位置する流路に高圧センサを配置し、高圧センサの検出圧力値によってタンク内の燃料ガス残量を検出する方法も考えられる。しかしながら、高圧センサの検出範囲は広範囲にわたる。よって、広範囲にわたって検出精度を高めるためには高価な高圧センサが必要となり、燃料電池システムのコストが上昇する問題が生じる。

上記のように、燃料電池システムにおいて、コストを抑えつつ燃料ガス残量を精度良く検出する技術が望まれている。また、燃料電池システムにおいて、発電性能の向上や、耐久性の向上、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
常圧よりも高い圧力で燃料ガスが貯留されたタンクから供給される前記燃料ガスを減圧弁によって所定範囲の圧力に調整して燃料電池に供給する燃料電池システムであって、
前記減圧弁が配置され、前記タンク内の前記燃料ガスを前記燃料電池に流通させるガス流路と、
前記ガス流路のうち前記減圧弁よりも下流側に配置された第１の圧力センサと、
前記燃料電池の発電電流値を検出するための電流センサと、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第１の圧力センサによって出力される信号を第１の検出圧力値として検出し、
検出した前記第１の検出圧力値の圧力勾配を算出し、
前記算出した圧力勾配が上昇勾配である場合に、前記上昇勾配を利用して前記タンク内の前記燃料ガスの残量を検出し、
前記圧力勾配が下降勾配である場合に、前記下降勾配を利用して前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量を算出し、
前記電流センサによって出力される信号を発電電流値として検出し、
前記発電電流値を利用して前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量を算出し、
前記下降勾配を利用して算出した前記燃料ガスの消費量と、前記発電電流値を利用して算出した前記燃料ガスの消費量との差分値を、前記燃料電池の発電に用いられなかった漏洩ガス量として算出し、
所定の時間間隔ごとに、前記漏洩ガス量を算出し、
前記所定の時間間隔ごとに算出した前記漏洩ガス量に基づいて、補正後漏洩ガス量を算出し、
Ｎ回目（Ｎは２以上の整数）の前記補正後漏洩ガス量は、Ｎ回目ごとに算出した前記漏洩ガス量の移動平均値であり、
前記移動平均値で用いる重み係数は、前記発電電流値が第１の値の場合と、前記発電電流値が前記第１の値よりも大きい第２の値の場合とでは、前記第１の値の場合の方が大きい、燃料電池システム。
この形態によれば、重み係数を用いると共に、発電電流値が第２の値の場合に比べ、第２の値の場合よりも小さい第１の値の場合の重み係数を大きくすることで漏洩ガス量を精度良く算出できる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、常圧よりも高い圧力で燃料ガスが貯留されたタンクから供給される前記燃料ガスを減圧弁によって所定範囲の圧力に調整して燃料電池に供給する。また、この燃料電池システムは、前記減圧弁が配置され、前記タンク内の前記燃料ガスを前記燃料電池に流通させるガス流路と、前記ガス流路のうち前記減圧弁よりも下流側に配置された第１の圧力センサと、前記燃料電池システムを制御するための制御部と、を備える。前記制御部は、前記第１の圧力センサによって出力される信号を第１の検出圧力値として検出し、検出した前記第１の検出圧力値の圧力勾配を算出し、前記算出した圧力勾配が上昇勾配である場合に、前記上昇勾配を利用して前記タンク内の前記燃料ガスの残量を検出する。この形態の燃料電池システムによれば、減圧弁よりも下流側に配置された第１の圧力センサを用いて算出した上昇勾配を利用して燃料ガスの残量を検出できる。すなわち、タンク内の圧力を検出する圧力センサ（以下、「第２の圧力センサ」とも呼ぶ。）よりも相対的に低圧の測定レンジを有する第１の圧力センサを利用してタンク内の燃料ガス残量を検出できる。

（２）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記上昇勾配が大きい程、前記タンク内の燃料ガスの残量が大きくなる関係に基づいて、前記タンク内の前記燃料ガスの残量を検出する、燃料電池システム。
タンク内の燃料ガス残量が大きくタンク内の圧力が高くなる程、減圧弁が開状態のときの減圧弁よりも下流側の圧力の上昇勾配が大きくなる。例えば、燃料ガスが水素である場合、ガス流路うち、減圧弁の上流側に位置する上流側部分（高圧側）の圧力が、減圧弁の下流側に位置する下流側部分（低圧側）の圧力の２倍よりも大きくなると、高圧側の圧力と低圧側の上昇勾配とは比例関係になることが知られている。
すなわち、この形態の燃料電池システムによれば、上昇勾配が大きい程、燃料ガスの残量が大きくなる関係（以下、「第１の関係」とも呼ぶ。）を用いて、制御部が第１の圧力センサによって検出した第１の検出圧力値をもとに燃料ガスの残量を容易に算出できる。
ここで、流体である反応ガスがガス流路を流通する際には、圧力損失を伴うことになる。よって、燃料ガスの残量をより精度良く算出するために以下の形態を採用することがより好ましい。すなわち、実機に基づく実験をもとに作製した第１の関係を表すマップや演算式などのプログラムを燃料電池システムに記憶させておき、このプログラムを用いて制御部が燃料ガスの残量を算出する。

（３）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記圧力勾配が下降勾配である場合に、前記下降勾配を利用して前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量を算出する、燃料電池システム。
下流側部分に滞留する燃料ガスの容積と圧力とは一定の関係がある。すなわち、下流側部分に滞留する燃料ガスの容積が減少すれば、下流側部分の圧力も低下する。この形態の燃料電池システムによれば、下流側部分に配置された第１の圧力センサを用いて算出した下降勾配を利用して燃料電池による燃料ガスの消費量を算出できる。

（４）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記下降勾配が大きい程、前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量が大きくなる関係に基づいて、前記燃料ガスの消費量を算出する、燃料電池システム。この形態の燃料電池システムによれば、上記形態（３）に記載の一定の関係を表すマップや演算式などのプログラムを燃料電池システムに記憶させておくことで、このプログラムを用いて制御部が燃料ガスの消費量を容易に算出できる。

（５）上記形態の燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電電流値を検出するための電流センサを有し、前記制御部は、前記電流センサによって出力される信号を発電電流値として検出し、前記発電電流値を利用して前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量を算出し、前記下降勾配を利用して算出した前記燃料ガスの消費量と、前記発電電流値を利用して算出した前記燃料ガスの消費量との差分値を、前記燃料電池の発電に用いられなかった漏洩ガス量として算出する、燃料電池システム。この形態の燃料電池システムによれば、差分値を算出することで漏洩ガス量を算出できる。漏洩ガス量を算出することで、例えば、異常発生の有無を報知できたり等の燃料電池システムをより適切に運転制御できる。ここで、発電に用いられなかった漏洩ガスの発生原因としては、例えば燃料ガスがアノードで反応することなく電解質膜を通過するいわゆるクロスオーバー現象や、例えばガス流路に亀裂が生じた場合に亀裂から外部に漏れ出す現象や、燃料電池システム５を停止する際に、燃料ガス供給配管７０等を燃料ガスでパージする制御が挙げられる。

（６）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御部は、所定の時間間隔ごとに、前記漏洩ガス量を算出し、前記所定の時間間隔ごとに算出した前記漏洩ガス量に基づいて、補正後漏洩ガス量を算出し、Ｎ回目（Ｎは２以上の整数）の前記補正後漏洩ガス量は、Ｎ回目ごとに算出した前記漏洩ガス量の移動平均値であり、前記移動平均値で用いる重み係数は、前記発電電流値が第１の値の場合と、前記発電電流値が前記第１の値よりも大きい第２の値の場合とでは、前記第１の値の場合の方が大きい、燃料電池システム。この形態の燃料電池システムによれば、重み係数を用いると共に、発電電流値が第２の値の場合に比べ、第２の値の場合よりも小さい第１の値の場合の重み係数を大きくすることで漏洩ガス量を精度良く算出できる。

（７）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記発電電流値を利用して算出した前記燃料ガスの消費量を、前記補正後漏洩ガス量を用いて補正することで補正後燃料ガス消費量を算出する、燃料電池システム。この形態の燃料電池システムによれば、漏洩ガス量も考慮に入れることでタンク内の燃料ガスの消費量をより精度良く検出できる。

（８）上記形態の燃料電池システムであって、さらに、前記ガス流路のうち前記減圧弁よりも上流側に配置され、前記第１の圧力センサよりも高い圧力を検出できる第２の圧力センサを有し、前記制御部は、前記第２の圧力センサによって出力される信号を第２の検出圧力値として検出し、前記第２の検出圧力値を、前記第１の圧力センサによって検出した第１の検出圧力値を用いて補正処理する、燃料電池システム。
高圧側に配置される第２の圧力センサは、燃料ガスの圧力の影響を受けて出力特性にドリフトが発生することで検出精度が低下する場合がある。この形態の燃料電池システムによれば、第２の圧力センサによる第２の検出圧力値を第１の圧力センサによる圧力値を用いて補正処理することで、高圧側に位置するタンク内の圧力を精度良く検出することができる。

（９）上記形態の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記上昇勾配が予め定めた所定値よりも小さいと判定した場合に、前記補正処理を実行する、燃料電池システム。
上昇勾配が所定値よりも小さくなった状態では、ドリフトによる変動が大きく第２の圧力センサの出力信号に影響を与えることで第２の圧力センサの検出精度がより顕著に低下する。この形態の燃料電池システムによれば、上昇勾配が所定値よりも小さくなった場合に、補正処理を行うことから、高圧側に位置するタンク内の圧力を精度良く検出できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、制御方法を実行するためのプログラム等の態様で実現することができる。

燃料電池システムを説明するための図である。 下流側供給配管内の圧力推移を表す概念図である。 制御部に記憶されたデータについて説明するための図である。 制御部に記憶されたデータについて説明するための図である。 制御部に記憶されたデータについて説明するための図である。 制御部が行う制御ルーチンを説明するための図である。 制御部が行う制御ルーチンを説明するための図である。 制御部が行う制御ルーチンを説明するための図である。 制御部が行う制御ルーチンを説明するための図である。 制御部が行う制御ルーチンを説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ｂ．変形例：

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１：燃料電池システムの構成：
図１は、燃料電池システム５を説明するための図である。燃料電池システム５は、燃料電池自動車の車載発電システムや、船舶、航空機、電車、歩行ロボットなどの移動体用の発電システムに用いることができる。また、燃料電池システム５は、移動体用に限らず、建物（住宅、ビルなど）用の発電システムとして用いられる定置用発電システムにも用いることができる。以下では、燃料電池システム５が自動車に搭載される例を用いて実施形態を説明する。

燃料電池システム５は、燃料電池１０と、燃料ガス給排系３２と、酸化剤ガス給排系８５と、制御部９０と、電流センサ２０と、を備える。

燃料電池１０は、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の供給を受けて発電する単電池を複数積層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、自動車の動力として使用される。本実施形態では、燃料電池１０は固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０の発電電流値は、電流センサ２０によって検出される。

燃料ガス給排系３２は、燃料ガスとしての水素を燃料電池１０に供給すると共に、燃料電池１０内から排出される燃料ガスをアノードオフガスとして外部に排出する。燃料ガス給排系３２は、タンク３０と、ガス流路としての燃料ガス供給配管７０と、燃料ガス排出配管７５と、を主に備える。タンク３０は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する。タンク３０から燃料電池１０に水素の供給が開始される前の初期状態では、タンク３０には常圧よりも高い圧力（例えば、５０〜１００ＭＰａ_ａｂｓ）の水素が貯蔵されている。燃料ガス供給配管７０は、タンク３０と燃料電池１０とを連通させる。燃料ガス供給配管７０を介してタンク３０内の水素が燃料電池１０に供給される。

燃料ガス供給配管７０には、第１の圧力センサ４０と、第２の圧力センサ５０と、圧力制御弁としての減圧弁６０とが配置されている。減圧弁６０は、タンク３０が配置されている上流側圧力（一次圧）を、予め定めた所定範囲の圧力に調整する。ここで、燃料ガス供給配管７０のうち、減圧弁６０よりも下流側である燃料電池１０側に位置する部分を下流側供給配管７２と呼び、減圧弁６０よりも上流側であるタンク３０側に位置する部分を上流側供給配管７１と呼ぶ。

第１の圧力センサ４０は、下流側供給配管７２に配置されている。第２の圧力センサ５０は、上流側供給配管７１に配置されている。第１の圧力センサ４０は、第２の圧力センサ５０よりも相対的に低圧の測定レンジを有する。すなわち、第２の圧力センサ５０は、第１の圧力センサ４０よりも高い圧力を測定できる。第１の圧力センサ４０の測定レンジは、例えば０．１ＭＰａ〜３ＭＰａである。第２の圧力センサ５０の測定レンジは、例えば１〜１００ＭＰａである。ここで、第１の圧力センサ４０によって制御部９０が検出した値を「第１の検出圧力値」と呼び、第２の圧力センサ５０によって制御部９０が検出した値を「第２の検出圧力値」と呼ぶ。

燃料ガス排出配管７５は、燃料電池１０に供給された水素のうち発電に利用されなかった水素を外部にアノードオフガスとして排出する。なお、燃料ガス排出配管７５を燃料ガス供給配管７０と連通させてアノードオフガスを再び燃料電池１０に供給しても良い。

酸化剤ガス給排系８５は、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１０に供給すると共に、燃料電池１０から排出される空気をカソードオフガスとして外部に排出する。酸化剤ガス給排系８５は、酸化剤ガス供給配管８０と、酸化剤ガス排出配管８２とを備える。酸化剤ガス供給配管８０にはエアコンプレッサ８４が配置されている。エアコンプレッサ８４を動作させることで酸化剤ガス供給配管８０を介して空気が燃料電池１０に供給される。酸化剤ガス排出配管８２は、燃料電池１０に供給された空気のうち反応に利用されなかった空気を外部にカソードオフガスとして排出する。

ここで、燃料電池システム５は、燃料電池１０の温度調節を行うための冷媒給排系を備えても良い。冷媒給排系は、冷媒としての冷却水を燃料電池１０に供給すると共に、燃料電池１０から排出される冷却水をラジエータによって冷却して再び燃料電池１０に供給する。

制御部９０は、燃料電池システム５の運転を制御する。制御部９０には、第１の圧力センサ４０、第２の圧力センサ５０、減圧弁６０、電流センサ２０、エアコンプレッサ８４などの各種機器が電気的に接続されている。制御部９０は、記憶部９２を備える。記憶部９２には、燃料電池システム５の運転を制御するために用いられる各種データが記憶されている。

図２は、下流側供給配管７２内の圧力推移を表す概念図である。図２の縦軸は、第１の検出圧力値ＰＬを示し、横軸は時間を示している。概念図に記載の折れ線は、減圧弁６０の開閉による第１の検出圧力値ＰＬの変化を示している。制御部９０は、減圧弁６０を制御することで下流側供給配管７２内を圧力Ｐ１〜Ｐ２の範囲となるよう制御する。具体的には、制御部９０は、第１の検出圧力値ＰＬが圧力Ｐ１に到達した場合、減圧弁６０を開くことで下流側供給配管７２および燃料電池１０にタンク３０内の水素を供給する。一方、第１の検出圧力値ＰＬが圧力Ｐ２に到達した場合、減圧弁６０を閉じることでタンク３０から下流側供給配管７２および燃料電池１０への水素の供給を停止する。

図２に示すように、減圧弁６０が開状態では、下流側供給配管７２の圧力が上昇し、減圧弁６０が閉状態では下流側供給配管７２の圧力が下降する。時間ｔ１〜ｔ２、および、時間ｔ３〜ｔ４において減圧弁６０が開状態であり、時間ｔ２〜ｔ３において減圧弁６０が閉状態である。ここで、タンク３０内の水素が消費されタンク３０内の圧力が低下すると、下流側供給配管７２へ供給される単位時間当たりの水素量も低下する。よって、減圧弁６０が開状態における第１の検出圧力値ＰＬの変化量である圧力勾配Ｇｕ（「圧力上昇勾配Ｇｕ」とも呼ぶ。）とタンク３０内の圧力とは関数によって表すことができる。すなわち、タンク３０内の圧力が低下すると、圧力上昇勾配Ｇｕも低下する。圧力上昇勾配Ｇｕとタンク３０内の圧力との関係を予め求めることで、求めた関係を用いて実機において算出した圧力上昇勾配Ｇｕを利用してタンク３０内の圧力を算出することができる。

また図２に示すように、減圧弁６０が閉状態では、下流側供給配管７２内の水素が燃料電池１０によって消費されるため下流側供給配管７２の圧力が除々に低下する。よって、減圧弁６０が閉状態における第１の検出圧力値ＰＬの変化量である圧力勾配Ｇｄ（「圧力下降勾配Ｇｄ」とも呼ぶ。）と燃料電池１０による単位時間当たりの水素の消費量（ｍｏｌ／ｓ）とは関数によって表すことができる。すなわち、単位時間当たりの水素の消費量が大きくなると、圧力下降勾配Ｇｄは大きくなる。圧力下降勾配Ｇｄと単位時間当たりの水素の消費量との関係を予め求めることで、求めた関数を用いて実機において算出した圧力下降勾配Ｇｄを利用して単位時間当たりの水素の消費量を算出することができる。

また、燃料電池１０の発電に用いられた水素の量（「反応消費量」とも呼ぶ。）は、電流センサ２０によって検出した発電電流値に基づき公知の手法を用いて算出できる。反応消費量と、圧力下降勾配Ｇｄから算出した水素の消費量との差分を算出することで、燃料電池１０の発電に用いられなかった水素の量（「漏洩ガス量」とも呼ぶ。）を取得することができる。

図３は、制御部９０に記憶されたデータ（プログラム）について説明するための図である。図３は、圧力上昇勾配Ｇｕと、タンク３０内の圧力との関係を定めたグラフである。図３の横軸は、第１の検出圧力値ＰＬに基づき算出した微分値ＤＰＬ１（圧力上昇勾配Ｇｕ）を示し、図３の縦軸はタンク３０内の推定圧力値ＰＨＩを示している。記憶部９２は、予め求めた圧力上昇勾配Ｇｕとタンク３０内の圧力との関係を表すマップを記憶する。

図４は、制御部９０に記憶されたデータ（プログラム）について説明するための図である。図４は、圧力下降勾配Ｇｄと、圧力下降勾配Ｇｄから推定される水素の消費量（「推定燃料消費量ＦＣＰ」とも呼ぶ。）との関係を定めたグラフである。図４の横軸は、第１の検出圧力値ＰＬに基づき算出した微分値ＤＰＬ２（圧力下降勾配Ｇｄ）を示し、図４の縦軸は、推定燃料消費量ＦＣＰを示している。記憶部９２は、予め求めた圧力下降勾配Ｇｄと推定燃料消費量ＦＣＰとの関係（第２の関係）を表すマップを記憶する。

図５は、制御部９０に記憶されたデータ（プログラム）について説明するための図である。図５は、発電電流値と、係数Ｊとの関係である。この係数は、移動平均を用いて補正後漏洩ガス量を算出する際に用いる重み係数の逆数である。すなわち、発電電流値が小さい程、重み係数が大きい関係になる。言い換えれば、発電電流値が第１の値の場合と、発電電流値が第１の値よりも小さい第２の値とでは、第２の値の場合よりも第１の値の場合の方が重み係数は大きい。この関係は、以下の知見に基づく。燃料電池１０に供給された反応ガス（水素、および、空気）は各極で反応することなく電解質膜を移動し、移動先で燃焼することが知られている。これにより、燃料電池１０に供給される反応ガスの量にかかわらず、燃料電池１０の反応に用いられなかった反応ガスの量は概ね一定となる。例えば係数Ｊの下限値は１２８であり、上限値は１０２４に設定できる。

Ａ−２．制御ルーチン：
図６および図７は、制御部９０が行う制御ルーチンを説明するための図である。図６および図７に説明する制御ルーチンは、後述する第１の検出圧力値ＰＬに基づき算出する微分値の精度を担保するための周期で実行される。例えば、制御部９０は１０ｍｓごとに制御ルーチンを実行する。

制御部９０は、第２の圧力センサ５０によって出力される信号（圧力値）を第２の検出圧力値ＰＨとして検出し記憶する（ステップＳ１０２）。また、制御部９０は、第１の圧力センサ４０によって出力される信号（圧力値）を第１の検出圧力値ＰＬとして検出し記憶する（ステップＳ１０４）。次に、第２の検出圧力値ＰＨが所定値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。これは、タンク３０内の圧力が高く、下流側供給配管７２の圧力上昇勾配Ｇｕが大きい場合、圧力上昇勾配Ｇｕである微分値ＤＰＬ１の精度が低下するために設けたステップである。すなわち、第２の検出圧力値ＰＨが所定値よりも小さい場合に、以降に記載するステップＳ１１０〜Ｓ１２０の処理を行う。例えば、所定値としては、タンク３０内の初期状態における圧力の１／２〜１／３０の範囲に設定しても良い。本実施形態では、所定値は１０ＭＰａ_ａｂｓである。ここでステップＳ１０６における所定値を「採取可否判定圧力値」と呼ぶ。

制御部９０は、第２の検出圧力値ＰＨが採取可否判定圧力値よりも小さいと判定した場合は（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、減圧弁６０が今回のルーチンにおいて開状態、かつ、前回のルーチンにおいて開状態である条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８において、実際に減圧弁６０が開状態であることを検出することで減圧弁６０の開状態を判定しても良いし、制御部９０が減圧弁６０に対し開状態にするための駆動指令値を出力していることで減圧弁６０が開状態であると判定しても良い。ステップＳ１０８において定められた条件を満たす場合は（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部９０は検出した第１の検出圧力値ＰＬに基づき圧力上昇勾配Ｇｕを表す微分値ＤＰＬ１を算出する（ステップＳ１１０）。詳細には、制御部９０は、今回のルーチンで検出した第１の検出圧力値ＰＬから前回のルーチンで検出した第１の検出圧力値ＰＬを差し引くことで微分値ＤＰＬ１を算出する。

次に、制御部９０は、微分値ＤＰＬ１が所定値ＤＰＬｓよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１１２）。この所定値ＤＰＬｓを昇圧微分値の下限値ＤＰＬｓとも呼ぶ。昇圧微分値の下限値ＤＰＬｓは、例えば燃料電池システム５が搭載された燃料電池自動車の最大出力に対し必要な水素量の２〜１０倍の範囲において定めることができる。本実施形態では、下限値ＤＰＬｓは０．５Ｍｐａ／ｓである。

微分値ＤＰＬが下限値ＤＰＬｓよりも小さい場合は（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、ステップＳ１１２をｎ回連続して満たすか否かを判定する（ステップＳ１１４）。ここで、ｎは２以上の整数である。本実施形態では、ｎは１００に設定されている。ステップＳ１１４を行うことによってステップＳ１１２における誤判定の発生を抑制できる。ｎ回連続してステップＳ１１２を満たす場合は（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、制御部９０はタンク３０内の燃料ガス残量が残り僅かであると判定する（ステップＳ１１６）。この場合、制御部９０は、燃料電池１０の出力を制限したり、利用者に燃料ガス残量が少ないことを報知させる警報を表示したりすることが好ましい。燃料電池１０の出力の制限は、例えば、ステップＳ１１６において判定した時点における燃料電池１０の出力電流値の１／２を最大出力値として制限することで実行しても良い。

次に、制御部９０は、微分値ＤＰＬ１を利用してタンク３０内の推定圧力値ＰＨＩを算出する（ステップＳ１１８）。詳細には、制御部９０は、記憶部９２に記憶されている圧力上昇勾配Ｇｕとタンク３０内の圧力との関係を表すマップ（図３）に基づき推定圧力値ＰＨＩを算出する。タンク３０内の推定圧力値ＰＨＩはタンク３０内の水素残量を表す。次に、制御部９０は推定圧力値ＰＨＩを記憶部９２に記憶し、ルーチンを終了する（ステップＳ１２０）。

一方で、微分値ＤＰＬ１が下限値ＤＰＬｓ以上である場合や（ステップＳ１１２：ＮＯ）、ｎ回連続してステップＳ１１２を満たさない場合は（ステップＳ１１４：ＮＯ）、制御部９０は推定圧力値ＰＨＩを算出して、算出した推定圧力値ＰＨＩを記憶部９２に記憶する（ステップＳ１１８，Ｓ１２０）。

一方で、制御部９０は、第２の検出圧力値ＰＨが採取可否判定圧力値以上であると判定した場合は（ステップＳ１０６：ＮＯ）、減圧弁６０が今回のルーチンにおいて閉状態、かつ、前回のルーチンにおいて閉状態である条件を満たすか否か判定する（ステップＳ１２２）。ステップＳ１２２はステップＳ１０８と同様に、実際に減圧弁６０が閉状態であることを検出することで減圧弁６０の閉状態を判定しても良いし、制御部９０が減圧弁６０に対し閉状態にするための駆動指令値を出力していることで減圧弁６０が閉状態であると判定しても良い。制御部９０は、ステップＳ１２２の条件を満たさないと判定した場合は（ステップＳ１２２：ＮＯ）、ルーチンを終了する。一方で、ステップＳ１２２の条件を満たすと判定した場合は（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、制御部９０は検出した第１の検出圧力値ＰＬに基づき圧力下降勾配Ｇｄを表す微分値ＤＰＬ２を算出する（ステップＳ１２４）。詳細には、制御部９０は、前回のルーチンで検出した第１の検出圧力値ＰＬから今回のルーチンで検出した第１の検出圧力値ＰＬを差し引くことで微分値ＤＰＬ２を算出する。

微分値ＤＰＬ２を算出した後、制御部９０は微分値ＤＰＬ２を利用して燃料電池１０が消費した水素の量を推定燃料消費量ＦＣＰとして算出する（ステップＳ１２６）。詳細には、制御部９０は、記憶部９２に記憶されている圧力下降勾配Ｇｄと推定燃料消費量ＦＣＰとの関係を表すマップ（図４）に基づき推定燃料消費量ＦＣＰを算出する。制御部９０は、算出した推定燃料消費量ＦＣＰを記憶部９２に記憶しルーチンを終了する（ステップＳ１２０）。

また、ステップＳ１０８において定められた条件を満たさない場合は（ステップＳ１０８：ＮＯ）、制御部９０は上記に記載したステップＳ１２２〜ステップＳ１２８を実行してルーチンを終了する。

図８は、制御部９０が行う制御ルーチンを説明するための図である。制御部９０は、図８に示す制御ルーチンを例えば１００ｍｓごとに実行する。なお、制御ルーチンの実行周期は、信号雑音比（Ｓ／Ｎ）が小さくならない程度の範囲で適宜設定しても良い。

制御部９０は、電流センサ２０によって出力される信号（電圧値）を燃料電池１０の発電電流値として検出し記憶する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の後、発電電流値に基づき単位時間当たりの燃料消費量ＦＣＩを算出し、記憶する（ステップＳ２０２，Ｓ２０４）。単位時間当たりの燃料消費量ＦＣＩは、記憶部９２に記憶されたマップに基づき算出しても良い。燃料消費量ＦＣＩは課題を解決するための手段に記載の「燃料ガスの消費量」に相当する。

図９は、制御部９０が行う制御ルーチンを説明するための図である。制御部９０は、図９に示す制御ルーチンを例えば１００ｍｓごとに実行する。なお、制御ルーチンの実行周期は、信号雑音比（Ｓ／Ｎ）が小さくならない程度の範囲で適宜設定しても良い。

制御部９０は、第２の検出圧力値ＰＨが校正判定圧力値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３０２）。ステップＳ３０２における第２の検出圧力値ＰＨは、図６のルーチンにおいて取得した第２の検出圧力値ＰＨ（ステップＳ１０２）を用いる。ステップＳ３０２の校正判定圧力値は、本実施形態では５ＭＰａ_ａｂｓである。制御部９０は、検出圧力値ＰＨが校正判定圧力値以上であると判定した場合は（ステップＳ３０２：ＮＯ）、ルーチンを終了する。

一方で、制御部９０は、検出圧力値ＰＨが校正判定圧力値よりも小さいと判定した場合は（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、第１の圧力センサ４０によって検出した第１の検出圧力値ＰＬを利用して算出したタンク３０内の推定圧力値ＰＨＩ（図７のステップＳ１１８）と、第２の圧力センサ５０によって検出した第２の検出圧力値ＰＨ（ステップＳ１０２）との差分値ＳＢの移動平均値ＭＡを算出する（ステップＳ３０４）。移動平均値ＭＡを算出することで、後述する第２の検出圧力値ＰＨの校正の精度を向上させるためである。

次に、制御部９０は、第２の検出圧力値ＰＨに移動平均値ＭＡを加えることで、第２の検出圧力値ＰＨを補正処理することで校正し、校正後の検出圧力値ＰＨＣ１を算出する（ステップＳ３０８）。また、制御部９０は、算出した検出圧力値ＰＨＣ１を記憶部９２に記憶させる（ステップＳ３１０）。なお、ステップＳ３０４において差分値ＳＢを算出し、第２の検出圧力値ＰＨに差分値ＳＢを加えることで、第２の検出圧力値ＰＨを補正処理し、検出圧力値ＰＨＣ１を算出しても良い。

図１０は、制御部９０が行う制御ルーチンを説明するための図である。制御部９０は、図１０に示す制御ルーチンを例えば５００ｍｓごとに実行する。制御部９０は、燃料電池１０に供給された水素のうち、発電に寄与しない単位時間当たりの水素量である漏洩ガス量ＱＨ１を算出する（ステップＳ４０２）。具体的には、本ルーチン実行周期の間に蓄積した、推定燃料消費量ＦＣＰ（ステップＳ１２８）の移動平均値から燃料消費量ＦＣＩ（ステップ２０４）の移動平均値を差し引くことで漏洩ガス量ＱＨ１を算出する。次に、制御部９０は、電流センサ２０によって検出した発電電流値に基づき、後述の工程において用いる係数Ｊを決定する（ステップＳ４０４）。係数Ｊは、記憶部９２に記憶されている発電電流値と係数Ｊとの関係を表すマップを用いて決定される（図５）。

次に、制御部９０は、今回のルーチンにおけるステップＳ４０２において算出した漏洩ガス量ＱＨ１（「第１漏洩ガス量ＱＨ１ａ」とも呼ぶ。）と、前回のルーチンにおけるステップＳ４０２において算出した漏洩ガス量ＱＨ１（「第２漏洩ガス量ＱＨ１ｂ」とも呼ぶ。）との移動平均値Ｖａを算出する（ステップＳ４０６）。移動平均値Ｖａの算出は、以下の式（１）を用いる。
Ｖａ＝（１／Ｊ）×ＱＨ１ａ＋｛（Ｊ−１）／Ｊ｝×ＱＨ１ｂ （１）
ここで、Ｖａは移動平均値（ｍｏｌ／ｓ）、ＱＨ１ａは第１漏洩ガス量（ｍｏｌ／ｓ）、ＱＨ１ｂは第２漏洩ガス量（ｍｏｌ／ｓ）、Ｊは係数。

上記式（１）において、係数Ｊは、発電電流値が大きくなるほど大きくなる関係にあることから（図５）、重み係数１／Ｊは発電電流値が小さいほど大きくなる。算出した移動平均値Ｖａは、記憶部９２に記憶される（ステップＳ４０８）。

次に、制御部９０は、補正後漏洩ガス量である移動平均値Ｖａが所定の閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４１０）。移動平均値Ｖａが所定の閾値よりも大きい場合は（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、ステップＳ４１０をｍ回連続して満たすか否かを判定する（ステップＳ４１２）。ここで、ｍは２以上の整数である。本実施形態はｍを１２に設定している。ステップＳ４１２を行うことによってステップＳ４１０における誤判定の発生を抑制できる。

ｍ回連続してステップＳ４１０を満たす場合は（ステップＳ４１２：ＹＥＳ）、制御部９０は水素が漏洩していることを利用者に知らせるための警報を表示する（ステップＳ４１４）。警報の表示は、モニターへの表示や、警告音を発することで行うことができる。

次に、制御部９０は、発電電流値に基づき算出した燃料消費量ＦＣＩ（ステップＳ２０２）を補正後漏洩ガス量としての移動平均値Ｖａを用いて補正することで補正後燃料ガス消費量ＱＨＣを算出する（ステップＳ４１６）。具体的には、燃料消費量ＦＣＩに補正後漏洩ガス量としての移動平均値Ｖａを加えることで、補正後燃料ガス消費量ＱＨＣが算出される。算出した補正後燃料ガス消費量ＱＨＣは、記憶部９２に記憶される。一方で、ステップＮｏ．４１０やステップＳ４１２において、判定が「ＮＯ」である場合は警報表示を行うことなく、ステップＳ４１６，Ｓ４１８を実行する。

Ａ−３．効果：
上記の実施形態によれば、燃料電池システム５は、減圧弁６０を開状態に設定し、第１の圧力センサ４０によって検出した第１の検出圧力値ＰＬに基づいて算出した圧力勾配が上昇勾配（圧力上昇勾配Ｇｕ）である場合に、上昇勾配を利用してタンク３０内の燃料ガスの残量（タンク３０の内圧）を算出している（図７のステップＳ１１８）。これにより、圧力上昇勾配Ｇｕを利用してタンク３０内の燃料ガスの残量を算出できる。高圧側に配置される第２の圧力センサ５０は、燃料ガスの圧力の影響を受けて出力特性にドリフトが発生する場合がある。ドリフトの発生によって検出精度は低下する。一方、低圧側に配置される第１の圧力センサ４０は燃料ガスの圧力の影響を受けにくい。これにより、第１の圧力センサ４０においてはドリフトが発生する可能性は低い。よって、タンク３０内の圧力を検出するための第２の圧力センサ５０よりも相対的に低圧の測定レンジを有する第１の圧力センサ４０を利用してタンク３０内の燃料ガスの残量を精度良く検出できる。具体的には、本実施形態では、第２の検出圧力値ＰＨに移動平均値ＭＡを加えることで、第２の検出圧力値ＰＨを補正処理している（図９のステップＳ３０８）。

また、第２の圧力センサ５０において、一般に、時間の経過とともにドリフトによる出力変動幅が大きくなり、ある時間経過すると、以降はドリフトによる出力変動幅が略一定となる。すなわち、第２の圧力センサ５０において、ドリフトの影響を受けにくい高圧側（例えば、５ＭＰａ_ａｂｓ以上の圧力）の検出値の精度のみを担保し、低圧側（例えば、５ＭＰａ_ａｂｓ未満）の検出精度は第１の圧力センサ４０によって第２の圧力センサ５０の検出値を補正することで担保できる（図９のステップＳ３０２）。これにより、広範な圧力範囲を高精度で担保するセンサを第２の圧力センサ５０として用いる必要がないため、第２の圧力センサ５０のコストを低減できる。よって、燃料電池システム５全体のコストも低減できる。

また、第１の圧力センサ４０の第１の検出圧力値ＰＬの変化を表す圧力上昇勾配Ｇｕが大きい程、タンク３０内の燃料ガスの残量が大きくなる関係（第１の関係）に基づいて、燃料電池システム５は、タンク３０内の燃料ガスの残量を検出している（図３）。よって、第１の関係に基づいてタンク３０内の燃料ガスの残量を容易に検出できる。

また、燃料電池システム５は、第２の圧力センサ５０によって検出した第２の検出圧力値ＰＨに基づいて算出した圧力勾配が下降勾配（圧力下降勾配Ｇｄ）である場合に、圧力下降勾配Ｇｄである微分値ＤＰＬ２を利用して燃料電池１０の燃料ガス消費量を推定燃料消費量ＦＣＰとして算出している（図６のステップＳ１２６）。これにより、圧力下降勾配Ｇｄを利用して燃料電池１０による燃料ガスの消費量を算出できる。

また、第２の圧力センサ５０の検出圧力値ＰＨの変化を表す圧力下降勾配Ｇｄが大きい程、燃料電池１０による燃料ガスの消費量が大きくなる関係（第２の関係）に基づいて、燃料電池システム５は、燃料電池１０による燃料ガスの消費量（推定燃料消費量ＦＣＰ）を算出している（図４）。よって、第２の関係に基づいて燃料ガスの消費量を容易に算出できる。

また、燃料電池システム５は、推定燃料消費量ＦＣＰと、発電電流値を利用して算出した燃料消費量ＦＣＩとの差分値を漏洩ガス量ＱＨ１として算出している（図１０のステップＳ４０２〜ステップＳ４０６）。これにより、差分値を用いることで漏洩ガス量ＱＨ１を容易に算出できる。また、漏洩ガス量ＱＨ１を算出することで、燃料電池システム５の異常発生の有無を報知できたり等の燃料電池システム５をより適切に運転制御できる。

また、補正後漏洩ガス量は、移動平均値として算出される（図１０のステップＳ４０８）。そして、発電電流値が小さい程、重み係数が大きくなるように設定している。ここで、燃料電池１０に供給される燃料ガスの量にかかわらず、漏洩ガス量ＱＨ１は概ね一定となる。よって、燃料電池１０に供給される燃料ガスの量に占める漏洩ガス量ＱＨ１の割合は、発電電流値が小さいほど大きくなる。よって、発電電流値が小さい程、移動平均値を算出する際に用いる重み係数Ｊを大きくすることで、漏洩ガス量ＱＨ１を精度良く算出できる。

また、燃料電池システム５は、補正後漏洩ガス量を表す移動平均値Ｖａを用いて、発電電流値に基づき算出した燃料消費量ＦＣＩを補正することで補正後燃料ガス消費量ＱＨＣを算出している（図１０のステップＳ４１６）。これにより、燃料電池システム５は、漏洩ガス量ＱＨＩ（詳細には補正後漏洩ガス量）も考慮に入れてタンク３０内の燃料ガスの消費量をより精度良く検出できる。

Ｂ．変形例：
なお、上記実施形態における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．第１変形例：
上記実施形態では、制御部９０が記憶部９２を有し、記憶部９２に図３〜図５に示す関係を表すマップを記憶していたが、例えば、制御部９０と通信可能な外部のサーバに記憶しても良い。

５…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…電流センサ
３０…タンク
３２…燃料ガス給排系
４０…第１の圧力センサ
５０…第２の圧力センサ
６０…減圧弁
７０…燃料ガス供給配管
７１…上流側供給配管
７２…下流側供給配管
７５…燃料ガス排出配管
８０…酸化剤ガス供給配管
８２…酸化剤ガス排出配管
８４…エアコンプレッサ
８５…酸化剤ガス給排系
９０…制御部
９２…記憶部

Claims (6)

1. 常圧よりも高い圧力で燃料ガスが貯留されたタンクから供給される前記燃料ガスを減圧弁によって所定範囲の圧力に調整して燃料電池に供給する燃料電池システムであって、
   前記減圧弁が配置され、前記タンク内の前記燃料ガスを前記燃料電池に流通させるガス流路と、
   前記ガス流路のうち前記減圧弁よりも下流側に配置された第１の圧力センサと、
   前記燃料電池の発電電流値を検出するための電流センサと、
   前記燃料電池システムを制御するための制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１の圧力センサによって出力される信号を第１の検出圧力値として検出し、
   検出した前記第１の検出圧力値の圧力勾配を算出し、
   前記算出した圧力勾配が上昇勾配である場合に、前記上昇勾配を利用して前記タンク内の前記燃料ガスの残量を検出し、
   前記圧力勾配が下降勾配である場合に、前記下降勾配を利用して前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量を算出し、
   前記電流センサによって出力される信号を発電電流値として検出し、
   前記発電電流値を利用して前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量を算出し、
   前記下降勾配を利用して算出した前記燃料ガスの消費量と、前記発電電流値を利用して算出した前記燃料ガスの消費量との差分値を、前記燃料電池の発電に用いられなかった漏洩ガス量として算出し、
   所定の時間間隔ごとに、前記漏洩ガス量を算出し、
   前記所定の時間間隔ごとに算出した前記漏洩ガス量に基づいて、補正後漏洩ガス量を算出し、
   Ｎ回目（Ｎは２以上の整数）の前記補正後漏洩ガス量は、Ｎ回目ごとに算出した前記漏洩ガス量の移動平均値であり、
   前記移動平均値で用いる重み係数は、前記発電電流値が第１の値の場合と、前記発電電流値が前記第１の値よりも大きい第２の値の場合とでは、前記第１の値の場合の方が大きい、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記上昇勾配が大きい程、前記タンク内の燃料ガスの残量が大きくなる関係に基づいて、前記タンク内の前記燃料ガスの残量を検出する、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記下降勾配が大きい程、前記燃料電池による前記燃料ガスの消費量が大きくなる関係に基づいて、前記燃料ガスの消費量を算出する、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記発電電流値を利用して算出した前記燃料ガスの消費量を、前記補正後漏洩ガス量を用いて補正することで補正後燃料ガス消費量を算出する、燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記ガス流路のうち前記減圧弁よりも上流側に配置され、前記第１の圧力センサよりも高い圧力を検出できる第２の圧力センサを有し、
   前記制御部は、
   前記第２の圧力センサによって出力される信号を第２の検出圧力値として検出し、
   前記第２の検出圧力値を、前記第１の圧力センサによって検出した第１の検出圧力値を用いて補正処理する、燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記第２の検出圧力値が予め定めた所定値よりも小さいと判定した場合に、前記補正処理を実行する、燃料電池システム。

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