JP6135642B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法に関する。
従来から、燃料電池システムを制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）において、所定の演算周期で、水素ガス供給流路の内部の圧力に応じて水素の供給時期、供給量、供給時間を演算するものが知られている（特許文献１）。
特開２０１４−１０２９４８号公報 特開２０１１−１３８７９０号公報 特開２０１１−００３５０７号公報 特開２００８−１０３１６７号公報 特開２００７−３１１３０４号公報
水素ガス供給流路の内圧の変化など、燃料電池システムの状態の変化をより早く検出し、その変化に応じた制御をおこなうためには、水素の供給時期、供給量、供給時間を演算する周期をより短くする方が好ましい。ＥＣＵの演算周期が長いと、例えば、水素ガス供給流路の内圧が急激に低下したときに、内圧が閾値を下回っても、それが検出されるまでに時間を要するため、内圧の低下が進行して水素欠の状態が続き、膜電極接合体（ＭＥＡ）の劣化が生じる場合があった。しかし、水素の供給時期、供給量、供給時間を演算する周期を短くすると、演算をおこなうＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の負荷が増加するという別の問題があった。
本発明は、上述の課題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。
（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、燃料電池と、水素供給配管を介して前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、前記水素供給配管の内圧の圧力値を検出する圧力検出部と、前記燃料電池の発電電流の電流値を検出する電流検出部と、前記検出した電流値および前記圧力値に基づいて前記燃料電池に必要な水素供給量を算出し、算出された水素量に相当する水素を前記燃料電池に供給するように、前記水素供給部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１の周期ごとに、前記圧力値、及び前記電流値に基づいて水素供給量を算出するとともに、前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに前記圧力値を取得し、前記取得した圧力値に基づいて水素の供給が必要と判断された場合は、直前に算出された水素供給量に相当する水素を前記燃料電池に供給するように構成されている。この構成によれば、燃料電池に水素供給が必要か否かの判定をおこなう演算周期と、必要な水素供給量を算出する演算周期とが独立しているため、水素供給が必要か否かの判定をおこなう演算周期を相対的に短くして、水素欠によるＭＥＡの劣化の発生を抑制することができる。一方、必要な水素供給量を算出する周期を相対的に長くして、ＣＰＵの負荷の増大を抑制することができる。
（２）本発明の他の形態によれば、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、燃料電池と、水素供給配管を介して前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、前記水素供給配管の内圧の圧力値を検出する圧力検出部と、前記燃料電池の発電電流の電流値を検出する電流検出部と、第１の周期ごとに、前記電流値および前記圧力値を取得し、取得した前記電流値および前記圧力値から、前記水素供給部による必要な水素供給量を算出するとともに、算出した前記水素供給量を用いて記憶部に記憶されている水素供給量を更新する第１のルーチンを実行するとともに、前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに、前記圧力値を取得し、取得した前記圧力値から、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定し、前記水素供給が必要と判定すると、前記記憶部から前記水素供給量を取得し、前記水素供給部に対して、取得した前記水素供給量に対応する水素の供給を開始させる第２のルーチンを実行する制御部と、を備えるように構成されている。この構成によれば、水素供給配管に水素供給が必要か否かの判定をおこなう演算周期と、必要な水素供給量を算出する演算周期とが独立しているため、水素供給が必要か否かの判定をおこなう演算周期を相対的に短くして、水素欠によるＭＥＡの劣化の発生を抑制することができる。一方、必要な水素供給量を算出する周期を相対的に長くして、ＣＰＵの負荷の増大を抑制することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１のルーチンにおいて、前記第１の周期ごとに、取得した前記電流値から、前記水素供給配管の内圧の目標圧力値を算出するとともに、算出した前記目標圧力値を用いて前記記憶部に記憶されている目標圧力値を更新し、前記第２のルーチンにおいて、前記第２の周期ごとに、前記記憶部から前記目標圧力値を取得し、取得した前記圧力値が、取得した前記目標圧力値を下回っているか否かによって、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定するように構成されていてもよい。この構成によれば、水素供給配管の内圧が目標圧力値を下回っているか否かの判定をおこなう演算周期と、必要な水素供給量を算出する演算周期とが独立しているため、水素供給配管の内圧が目標圧力値を下回っているか否かの判定をおこなう演算周期を相対的に短くして、目標圧力値を低く設定することができる。これにより、クロスリークの発生を抑制することができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２のルーチンにおいて、取得した前記圧力値が、取得した前記目標圧力値を下回っている場合、再度、前記圧力値および前記目標圧力値を取得し、再度取得した前記圧力値が、再度取得した前記目標圧力値を下回っている場合に、前記水素供給部による水素供給が必要と判定するように構成されていてもよい。この構成によれば、水素供給配管の内部圧力の一時的な変動によって圧力値が目標圧力値を下回ったような場合には水素供給配管への水素供給が規制される。これにより、水素供給配管への水素の過供給を抑制できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記記憶部から取得した第１の前記水素供給量に対応する水素の供給を前記水素供給部に実行させているとき、前記第１の周期よりも短い第３の周期ごとに、前記記憶部から前記水素供給量を取得し、取得した前記水素供給量である第２の前記水素供給量が、前記第１の水素供給量に対して、予め設定された閾値以上変化したか否かを判定し、前記閾値以上変化したと判定すると、前記水素供給部に対して、前記第１の水素供給量に対応する水素の供給が完了していなくても、前記第２の水素供給量に対応する水素の供給を開始させる第３のルーチンを実行するように構成されていてもよい。この構成によれば、水素供給部による水素の供給開始後に、水素供給配管の内部圧力が急激に変化した場合であっても、変化後の内部圧力に対応した水素の供給を速やかにおこなうことができる。これにより、例えば、水素供給配管の内部圧力が急激に低下した場合に、水素供給量が足りずに水素欠が発生することを抑制できる。
（６）本発明の他の形態によれば、水素供給配管を介して燃料電池に水素を供給する水素供給部を備える燃料電池システムの制御方法が提供される。この制御方法は、第１の周期ごとに、前記燃料電池の発電電流の電流値および前記水素供給配管の内圧の圧力値を取得し、取得した前記電流値および前記圧力値から、前記水素供給部による必要な水素供給量を算出するとともに、算出した前記水素供給量を用いて記憶部に記憶されている水素供給量を更新し、前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに、前記圧力値を取得し、取得した前記圧力値から、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定し、前記水素供給が必要と判定すると、前記記憶部から前記水素供給量を取得し、前記水素供給部に対して、取得した前記水素供給量に対応する水素の供給を開始させるように構成されている。この構成によれば、水素供給配管に水素供給が必要か否かの判定をおこなう演算周期と、必要な水素供給量を算出する演算周期とが独立しているため、水素供給が必要か否かの判定をおこなう演算周期を相対的に短くして、水素欠によるＭＥＡの劣化の発生を抑制することができる。一方、必要な水素供給量を算出する周期を相対的に長くして、ＣＰＵの負荷の増大を抑制することができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池への水素の供給方法、燃料電池システムの制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの形態で実現することができる。
第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。 第１のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。 第２のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。 第１実施形態の効果の一例を説明するための図である。 第２実施形態の第２のルーチンを説明するためのフローチャートである。 第２実施形態の第２のルーチンを説明するための図である。 第３のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。 第３実施形態の効果の一例を説明するための図である。
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、車両の駆動モータや電装品等に電力を供給する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソード排ガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環部６０と、を備える。
燃料電池１０は、アノードガスとしての水素、および、カソードガスとしての酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、直列に積層配列された、単セルとも呼ばれる複数の発電体を備えている。各単セルは、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面に配置されているカソード２と、電解質膜１の他方の面に配置されるアノード３と、を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を含んでいる。なお、図１では、燃料電池１０として、一つの単セルが示されている。電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜であり、例えば、フッ素系のイオン交換樹脂によって構成される。カソード２およびアノード３は、ガス拡散性と導電性とを有する触媒電極層であり、電気化学反応を進行する触媒金属と、プロトン伝導性を有する高分子電解質とを含んでいる。触媒電極層は、例えば、白金担持カーボンと電解質膜１と同じ又は類似の高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクの乾燥塗膜として形成される。ＭＥＡの両側にはそれぞれガス流路が形成されている。ガス流路は、例えば、図示しないセパレータの溝部やエキスパンドメタルによって形成される。ここでは、カソード側のガス流路をカソードガス流路とも呼び、アノード側のガス流路をアノードガス流路とも呼ぶ。燃料電池１０には、電流検出部１３が取り付けられている。電流検出部１３は、燃料電池１０の発電電流の電流値ＩＧを検出し、その検出値を制御部２０に送信する。
制御部２０は、ＣＰＵと、ＲＯＭ、ＲＡＭを含む記憶部２３と、入出力インターフェイスとを備えるコンピュータであり、燃料電池システム１００の各構成部を制御する。例えば、制御部２０は、アクセルペダルの操作など、外部からの出力要求を受け付けるとともに、システム内の各種のセンサ類からの出力信号に基づく検出値を取得し、当該出力要求に応じた発電を燃料電池１０に行わせるための制御指令をシステム内の各構成部に発行する。制御部２０は、記憶部２３に記憶されているコンピュータプログラムをＣＰＵが読み込むことにより、後述する第１のルーチンおよび第２のルーチンを実行する。制御部２０は、第１のルーチンおよび第２のルーチンによって、燃料電池１０のアノード３に供給される水素の必要な供給量や供給時期についての演算をおこなう。制御部２０は、第１のルーチンとして、第１の周期ＣＴ１（例えば、ＣＴ１＝１６ｍｓ）ごとに、水素供給装置５７による必要な水素の供給量、噴射（供給）時間を算出する。制御部２０は、第２のルーチンとして、第１の周期ＣＴ１よりも短い第２の周期ＣＴ２（例えば、ＣＴ２＝１ｍｓ）ごとに、水素供給装置５７による水素の供給が必要か否かを判定する。第１のルーチンおよび第２のルーチンの具体的な処理内容については後述する。
カソードガス供給部３０は、燃料電池１０のカソード２に酸素を含有する高圧空気を供給する。カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、供給バルブ３４と、を備える。カソードガス配管３１は、一方の端部が図示しないエアフィルターを介して燃料電池システム１００の外部に開放されており、エアフロメータ３３、エアコンプレッサ３２、供給バルブ３４、圧力検出部３５を介して他方の端部が燃料電池１０のカソードガス流路の入口に接続されている。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１およびカソードガス流路を介して、外気を取り込んで圧縮した高圧空気を燃料電池１０のカソード２に供給する。エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を検出し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この検出値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、カソード２に対する空気の供給量を制御する。供給バルブ３４は、カソード２に供給されるカソードガスの圧力に応じて開閉し、カソード２への高圧空気の流入を制御する。供給バルブ３４は、通常は閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力以上の高圧空気が供給されたときに開くように構成されている。圧力検出部３５は、カソードガスの圧力を検出し、その検出値を制御部２０に送信する。
カソード排ガス排出部４０は、カソード２において発電反応に用いられることのなかった未反応ガスや生成水分を含む排ガス（以下、「カソード排ガス」とも呼ぶ）を排出する。カソード排ガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、水素分離部４２と、排出バルブ４３と、圧力検出部４４と、を備える。カソード排ガス配管４１は、一方の端部が燃料電池１０のカソードガス流路の出口に接続され、水素分離部４２、圧力検出部４４、排出バルブ４３を介して他方の端部が燃料電池システム１００の外部に開放されている。水素分離部４２は、カソード排ガスの中から、クロスリークした水素を分離する。排出バルブ４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード２側の背圧）を調整する。排出バルブ４３は、制御部２０によって、その開度が調整される。圧力検出部４４は、カソード排ガスの圧力を検出し、その検出値を制御部２０に送信する。
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、一次側圧力検出部５５と、温度検出部５６と、水素供給装置５７と、二次側圧力検出部５８と、を備える。アノードガス配管５１は、一方の端部が水素タンク５２に接続されており、開閉弁５３、レギュレータ５４、一次側圧力検出部５５、温度検出部５６、水素供給装置５７、二次側圧力検出部５８を介して他方の端部が燃料電池１０のアノードガス流路の入口に接続されている。水素タンク５２は、アノードガス配管５１およびアノードガス流路を介して、貯蔵している高圧水素を、燃料電池１０のアノード３に供給する。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５７の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５７の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。
一次側圧力検出部５５は、水素供給装置５７の上流側におけるアノードガス配管５１の内部の圧力（上流側検出圧力値ＰＵＭ）を検出し、制御部２０に送信する。温度検出部５６は、水素供給装置５７の上流側におけるアノードガス配管５１の内部の温度（検出温度ＴＵＭ）を検出し、制御部２０に送信する。二次側圧力検出部５８は、水素供給装置５７の下流側におけるアノードガス配管５１の内部の圧力（下流側検出圧力値ＰＤＭ）を検出し、制御部２０に送信する。
水素供給装置５７は、例えば、電磁駆動式の開閉弁である複数のインジェクタによって構成されている。本実施形態の水素供給装置５７は、３本のインジェクタを含んでいる。なお、水素供給装置５７が含むインジェクタの本数は１、２本であってよく、また、４本以上であってもよい。水素供給装置５７は、制御部２０から出力される制御信号によって、アノードガス配管５１の下流側に水素ガスを噴射するインジェクタの本数、インジェクタの水素ガスの噴射（供給）時間および噴射（供給）時期が制御される。本実施形態の水素供給装置５７は、水素ガスを噴射するインジェクタの本数を変更することによって、アノードガス配管５１の下流側に供給される水素ガスの流量を調整可能に構成されている。本実施形態のインジェクタは、弁体の開放時間（噴射時間）を変更することにより、下流側に供給される水素の量（水素供給量）を調整可能に構成されている。なお、インジェクタは、噴射時間だけでなく、弁体の開口面積を変更することによって水素供給量を調整するように構成されていてもよい。
アノードガス循環部６０は、アノード３において発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを、燃料電池１０のアノード３に循環させる。また、アノードガス循環部６０は、予め設定されたタイミングにおいて、排水とアノード排ガス中の不活性ガスを外部へと排出する。アノードガス循環部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、循環ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力検出部６７と、を備える。
アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードガス流路の出口と、気液分離部６２と、を接続しており、燃料電池１０から排出されたアノード排ガスを気液分離部６２に誘導する。圧力検出部６７は、燃料電池１０の出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード３側の背圧）を検出し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この検出値が目標の圧力値となるように水素供給装置５７から供給される水素量を制御する。気液分離部６２は、アノード排ガス配管６１から誘導されたアノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分をアノードガス循環配管６３に誘導し、水分をアノード排水配管６５に誘導する。アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５７より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、循環ポンプ６４が設けられており、循環ポンプ６４の駆動力によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素をアノードガス配管５１に送出する。アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分（排水）やアノード排ガス中の不活性ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する。アノード排水配管６５には、排水弁６６が設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。
なお、図示や詳細な説明は省略するが、燃料電池車両に搭載された燃料電池システム１００は、さらに、二次電池と、燃料電池１０の出力電圧や二次電池の充放電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。二次電池は、燃料電池１０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池１０とともに電力源として機能する。上述した燃料電池システム１００の各構成部は、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池１０の運転停止後においても駆動することが可能である。
図２は、第１のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。制御部２０は、第１のルーチンとして、以下の処理を第１の周期ＣＴ１（例えば、ＣＴ１＝１６ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。制御部２０は、まず、燃料電池１０の運転状態に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（以後、「水素消費量ＭＣ」とも呼ぶ）の算出をおこなう（ステップＳ１１０）。ここでは、燃料電池１０の運転状態を表すパラメータとして、電流検出部１３によって検出される燃料電池１０の発電電流の電流値ＩＧを使用する。制御部２０は、例えば、電流値ＩＧと、水素消費量ＭＣとの関係を表す演算式を用いて、電流値ＩＧから水素消費量ＭＣを算出してもよい。
続いて、制御部２０は、燃料電池１０の運転状態に基づいて、水素供給装置５７の下流側におけるアノードガス配管５１の内部の圧力の目標値（目標圧力値ＰＴ）の設定をおこなう（ステップＳ１２０）。一般に、燃料電池では、アノード側の水素量を必要十分にしておく必要がある。水素量が不足すると、負電位によりＭＥＡの劣化が発生し、多いと、カソード側との圧力差が大きくなって、クロスリークが発生して燃費が悪化する。目標圧力値ＰＴは、これらの発生を回避するための目標値である。目標圧力値ＰＴは、電流検出部１３よって検出された電流値ＩＧから算出することができる。制御部２０は、例えば、電流値ＩＧと、目標圧力値ＰＴとの関係を表すマップを用いて、電流値ＩＧから目標圧力値ＰＴを算出してもよい。制御部２０は、算出した目標圧力値ＰＴを記憶部２３に格納する。これにより、記憶部２３に格納されている目標圧力値ＰＴは、第１の周期ＣＴ１ごとに更新される。
続いて、制御部２０は、水素供給装置５７による必要な水素の噴射量である水素供給量ＭＴの算出をおこなう（ステップＳ１３０）。水素供給量ＭＴは、水素消費量ＭＣと、後述するフィードバック補正量ＭＡとを加算することによって算出される。このフィードバック補正量ＭＡは、ステップＳ１２０で算出した目標圧力値ＰＴと、二次側圧力検出部５８によって検出される実際の圧力（下流側検出圧力値ＰＤＭ）との偏差を低減させるために追加される水素ガスの流量である。フィードバック補正量ＭＡは、目標圧力値ＰＴと、下流側検出圧力値ＰＤＭの偏差から算出することができる。制御部２０は、例えば、ＰＩ制御などの目標追従形制御則を用いて、フィードバック補正量ＭＡを算出してもよい。
制御部２０は、ステップＳ１３０で算出した水素供給量ＭＴから、水素ガスを噴射するインジェクタの噴射本数Ｎ、および、水素ガスの噴射（供給）時間ＴＩＮＪを算出する（ステップＳ１４０）。噴射本数Ｎは、例えば、水素供給量ＭＴの大きさ区分に応じて設定することができる。噴射時間ＴＩＮＪは、水素供給量ＭＴ、噴射本数Ｎ、および、水素供給装置５７の上流側の静的流量ＭＵから算出することができる。制御部２０は、例えば、水素供給量ＭＴと、噴射本数Ｎと、静的流量ＭＵと、噴射時間ＴＩＮＪとの関係を表すマップを用いて噴射時間ＴＩＮＪを算出してもよい。なお、静的流量ＭＵは、水素供給装置５７の上流側のガスの状態から算出することができる。制御部２０は、例えば、上流側検出圧力値ＰＵＭと、検出温度ＴＵＭと、静的流量ＭＵとの演算式を用いて静的流量Ｍ Ｕ を算出してもよい。なお、噴射時間ＴＩＮＪには、水素供給装置５７が制御部２０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（無効噴射時間ＴＩＶ）を加算してもよい。無効噴射時間ＴＩＶは、水素供給装置５７の上流側のガスの状態、および、印加電圧から算出することができる。制御部２０は、例えば、上流側検出圧力値ＰＵＭと、検出温度ＴＵＭと、印加電圧と、無効噴射時間ＴＩＶとの関係を示すマップを用いて無効噴射時間ＴＩＶを算出してもよい。制御部２０は、算出した噴射時間ＴＩＮＪとインジェクタの駆動周期ＣＴＤ（例えば、ＣＴＤ＝５０ｍｓ）から、開弁Ｄｕｔｙ（駆動周期ＣＴＤにおける開弁時間の割合［％］）を決定する。制御部２０は、算出した開弁ＤＵｔｙ、および、噴射本数Ｎを記憶部２３に格納する。これにより、記憶部２３に格納されている開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎは、第１の周期ＣＴ１ごとに更新される。
制御部２０は、上記のステップＳ２１０〜Ｓ２２０の処理を繰り返すことによって、第１の周期ＣＴ１ごとに、記憶部２３に記憶されている目標圧力値ＰＴ、開弁ＤＵｔｙ、および、噴射本数Ｎを更新し続けるように構成されている。なお、開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎは、水素供給量ＭＴから特定されるものであるため、開弁ＤＵｔｙ、および、噴射本数Ｎは、広義の「水素供給量」に該当する。すなわち、制御部２０は、第１の周期ＣＴ１ごとに、記憶部２３に記憶されている目標圧力値ＰＴ、および、水素供給量を更新し続けるように構成されている。
図３は、第２のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。制御部２０は、第２のルーチンとして、以下の処理を第２の周期ＣＴ２（ＣＴ２＜ＣＴ１、例えば、ＣＴ２＝１ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。制御部２０は、まず、目標圧力値ＰＴと下流側検出圧力値ＰＤＭの取得をおこなう（ステップＳ２１０）。具体的には、制御部２０は、第１のルーチンで算出した最新の目標圧力値ＰＴを記憶部２３から取得し、二次側圧力検出部５８から下流側検出圧力値ＰＤＭを取得する。
続いて、制御部２０は、取得した下流側検出圧力値ＰＤＭが、取得した目標圧力値ＰＴを下回っているか否かの判定をおこなう（ステップＳ２２０）。すなわち、制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給が必要な時期か否かの判定をおこなう。下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回っていない場合、制御部２０は、水素供給が必要な時期ではないと判定し、再度、ステップＳ２１０の処理に戻る。一方、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回っている場合、制御部２０は、水素供給装置５７を制御して水素供給を開始する（ステップＳ２３０）。具体的には、制御部２０は、まず、第１のルーチンで算出した最新の開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎを記憶部２３から取得する。そして、水素供給装置５７に対して、取得した開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎで水素の供給を開始させる。
制御部２０は、上記のステップＳ２１０〜Ｓ２２０の処理を繰り返すことによって、第２の周期ＣＴ２ごとに、水素供給装置５７による水素供給が必要な時期か否かを監視し続けるように構成されている。なお、制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給が開始されるまで第２のルーチンを実行し、水素供給が開始された後は実行しないように構成されていてもよい。また、制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給が開始されても第２のルーチンの実行を継続するように構成されていてもよい。この場合、制御部２０は、第２のルーチンにおいて水素の供給が必要と判断したときに、水素供給装置５７による水素供給が完了していなくても、水素供給装置５７に対して、新たな水素供給量（開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎ）で水素の供給を実行させるように構成されていてもよい。反対に、制御部２０は、第２のルーチンにおいて水素の供給が必要と判断しても、水素供給装置５７に対して、水素の供給が完了するまで、新たな水素供給量での水素の供給を実行させないように構成されていてもよい。また、制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給中には、第２のルーチン以外のルーチンを実行するように構成されていてもよい。
図４は、本実施形態の効果の一例を説明するための図である。図４には、下流側検出圧力値ＰＤＭ、目標圧力値ＰＴおよび下限圧力値ＰＬの時系列変化と、第１のルーチンおよび第２のルーチンの演算周期と、水素供給装置５７の水素噴射の有無と、が例示されている。図４（ａ）は、比較例として、第１のルーチンと第２のルーチンの演算周期が同じ場合を例示している。図４（ｂ）は、本実施形態と同様に、第２のルーチンの演算周期が第１のルーチンの演算周期よりも短い場合を例示している。ここでは、本実施形態の第１のルーチンと比較例の第１のルーチンの演算周期が等しく、本実施形態の第２のルーチンは、比較例の第２のルーチンよりも演算周期が短いものとして説明する。
本実施形態は、第２のルーチンの演算周期が比較例よりも短いため、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを実際に下回りはじめた時点Ｐ１から、制御部２０が検出する時点Ｐ２までの時間ΔＴを、比較例よりも短くすることができる。そのため、本実施形態は、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回ってから水素供給装置５７が水素を噴射するまでの遅れによって、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回る量（割りこみ量）ΔＰを比較例よりも小さくすることができる。一般に、目標圧力値ＰＴは、下流側検出圧力値ＰＤＭが下限圧力値ＰＬを下回らないように、この割りこみ量ΔＰを見込んで、実際に必要な圧力値よりも高く設定される。本実施形態は、この割りこみ量ΔＰを比較例よりも小さくすることができるため、下限圧力値ＰＬと目標圧力値ＰＴとの差分である調圧量ＰＦを比較例よりも小さくすることができる。これにより、同じ下限圧力値ＰＬに対して、目標圧力値ＰＴを比較例よりも低く設定することができる。目標圧力値ＰＴが低いほど、アノード３の内部の圧力は低く維持されるため、本実施形態は、比較例よりもカソード側へのクロスリークが低減され、燃費が向上する。また、本実施形態では、第２のルーチンのみ演算周期が相対的に短くなるように構成されているため、比較例において、第１のルーチンおよび第２のルーチンの両方の演算周期を短くするよりも、ＣＰＵの負荷の増大を抑制することができる。
以上説明した、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素供給装置５７による必要な水素供給量を算出する第１のルーチンの演算周期と、水素供給が必要か否か（供給時期）を判定する第２のルーチンの演算周期とが独立しているため、第２のルーチンの演算周期を相対的に短くして、水素欠によるＭＥＡの劣化の発生を抑制しつつ、第１のルーチンの演算周期を相対的に長くしてＣＰＵの負荷の増大を抑制できる。本実施形態の制御部２０は、従来のように、水素供給装置５７による水素供給が必要か否かを判定するたびに、必要な水素供給量を算出するのではなく、別のルーチンで算出され、記憶部に格納された最新の水素供給量を用いて水素供給装置５７による水素供給を実行させるように構成されている。これにより、制御部２０において、供給時期を判定する第２のルーチンを、水素供給量を算出する第１のルーチンから独立させることができ、第２のルーチンの演算周期を第１のルーチンの演算周期よりも短くできる。
Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における第２のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。第１実施形態の第２のルーチン（図３）では、制御部２０は、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを一度でも下回ると、水素供給装置５７による水素供給を開始させるものとして説明した。一方、第２実施形態の第２のルーチンでは、制御部２０は、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを２回連続して下回ったときに水素供給装置５７による水素供給を開始する。すなわち、図５に示すように、制御部２０は、ステップＳ３１０において取得した下流側検出圧力値ＰＤＭが、取得した目標圧力値ＰＴを下回っている場合（ステップＳ３２０：Ｙｅｓ）、再度、下流側検出圧力値ＰＤＭおよび目標圧力値ＰＴを取得する（ステップＳ３３０）。そして、再度取得した下流側検出圧力値ＰＤＭが、再度取得した目標圧力値ＰＴを下回っていた場合（ステップＳ３４０：Ｙｅｓ）、水素供給装置５７による水素供給を開始する（ステップＳ３５０）。制御部２０は、上記のステップＳ３１０〜Ｓ３４０の処理を繰り返すことによって、第２の周期ＣＴ２ごとに、水素供給装置５７による水素供給が必要な時期か否かを監視し続けるように構成されている。
図６は、第２実施形態の第２のルーチンにおける水素供給の開始時期を説明するための図である。図６の横軸は時間を示し、縦軸は下流側検出圧力値ＰＤＭを示している。図６には、目標圧力値ＰＴが例示されている。制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給後、一回目に下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回っても、水素供給装置５７による水素供給を開始させない。２回目に下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回ったときに水素供給装置５７による水素供給を開始させる。これにより、アノードガス配管５１の内部圧力の一時的な変動によって下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回ったような場合には、水素供給装置５７による水素供給が規制される。これにより、水素供給配管への水素の過供給を抑制できる。アノードガス配管５１の内部圧力の一時的な変動には、例えば、インジェクタを閉めたときに二次側圧力検出部５８のダイアフラムが変動する状態が含まれる。
Ｃ．第３実施形態：
図７は、第３のルーチンの処理内容を説明するためのフローチャートである。第３実施形態の制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給中には、第３のルーチンとして、以下の処理を第３の周期ＣＴ３（ＣＴ３＜ＣＴ１、例えば、ＣＴ３＝１ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。制御部２０は、まず、第１のルーチンで算出した最新の噴射本数Ｎを記憶部２３から取得する（ステップＳ４１０）。そして、現在、水素供給装置５７において水素供給に使用されているインジェクタの本数Ｎと、記憶部２３から取得した噴射本数Ｎとを比較し、本数に変更があるか否かの判定をおこなう（ステップＳ４２０）。噴射本数Ｎに変更がない場合、制御部２０は、水素供給装置５７に対して、現在の水素供給量（開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎ）での水素の供給を継続させつつ、再度、ステップＳ４１０の処理に戻る。一方、噴射本数Ｎに変更がある場合には、制御部２０は、水素供給量を変更するための再セットを開始する（ステップＳ４３０）。具体的には、制御部２０は、最新の水素供給量（開弁ＤＵｔｙおよび噴射本数Ｎ）を記憶部２３から取得する。そして、水素供給装置５７に対して、現在の水素供給量による水素供給を停止させ、取得した新たな水素供給量で水素の供給を実行させる。制御部２０は、上記のステップＳ４１０〜Ｓ４２０の処理を繰り返すことによって、第３の周期ＣＴ３ごとに、水素供給装置５７による水素供給量に変更が必要か否かを監視し続けるように構成されている。
図８は、本実施形態の効果の一例を説明するための図である。図８には、下流側検出圧力値ＰＤＭ、目標圧力値ＰＴおよび下限圧力値ＰＬの時系列変化と、第１のルーチン、第２のルーチンおよび第３のルーチンの演算周期と、水素供給装置５７の水素噴射の有無および噴射内容と、が例示されている。第２のルーチンを実行する制御部２０は、時点Ｐ２において、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回ったことを検出すると、水素供給装置５７に対して、記憶部２３から取得した水素供給量（第１の水素供給量）で水素を噴射させる。ここでは、第１の水素供給量に含まれる噴射本数Ｎは１とする。第１のルーチンを実行する制御部２０は、時点Ｐ３において、新たに水素供給量（第２の水素供給量）を算出する。第２の水素供給量に含まれる噴射本数Ｎは２とする。第３のルーチンを実行する制御部２０は、時点Ｐ４において、噴射本数Ｎが１から２に変更されたことを検出する。そして、水素供給装置５７に対して、第１の水素供給量での水素の噴射を停止させて、水素第２の水素供給量での水素の噴射を開始させる。これにより、下流側検出圧力値ＰＤＭが目標圧力値ＰＴを下回った状態をより早く解消でき、水素欠によるＭＥＡの劣化の発生を抑制できる。例えば、水素供給装置５７による水素の噴射中に目標圧力値ＰＴが急上昇した場合、インジェクタの駆動周期ＣＴＤが終わるまで急上昇前の目標圧力値ＰＴに基づいた水素供給量の噴射を継続すると、供給量不足により低圧力状態が継続し、アノードが水素欠になるおそれがある。一方、本実施形態によれば、水素の噴射中に目標圧力値ＰＴが急上昇しても、急上昇後の目標圧力値ＰＴに対応した水素の供給を速やかにおこなうことができるため、水素欠の発生を低減させることができる。
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や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態様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。
Ｄ−１．変形例１：
制御部２０は、水素供給装置５７による水素供給中に、制御部２０から供給停止要求を受信すると、水素供給装置５７による水素供給が完了していなくても、水素供給装置５７に対して、水素の供給を停止させる第４のルーチンを繰り返し実行してもよい。第４のルーチンは、第１の周期ＣＴ１よりも短い第４の周期ＣＴ４（ＣＴ４＜ＣＴ１、例えば、ＣＴ４＝１ｍｓ）でおこなわれることが好ましい。従来の制御部は、供給停止要求を受信すると、水素供給装置５７による水素供給が完了した後に、次の水素供給を停止させていた。しかし、この場合、供給停止要求の受信後にも、しばらくは水素の供給を継続するため、アノードの圧力が必要以上に高くなり、クロスリークが発生して燃費が悪化する問題があった。制御部２０が第４のルーチンを実行することによって、供給停止要求の受信後、速やかに水素の供給を停止させることができるため、クロスリークの発生を抑制できる。
Ｄ−２．変形例２：
図４および図８では、第１のルーチンの処理動作と第２のルーチンの処理動作はタイミングがずれるように示されている。すなわち、第１のルーチンの処理動作と第２のルーチンの処理動作は同時に処理が開始されないように示されているが、第１のルーチンの処理動作は、常に第２のルーチンの処理動作と同時に処理が開始されるように構成されていてもよい。
１…電解質膜
２…カソード
３…アノード
１０…燃料電池
１３…電流検出部
２０…制御部
２３…記憶部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…供給バルブ
３５…圧力検出部
４０…カソード排ガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４２…水素分離部
４３…排出バルブ
４４…圧力検出部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…一次側圧力検出部
５６…温度検出部
５７…水素供給装置
５８…二次側圧力検出部
６０…アノードガス循環部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…循環ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力検出部
１００…燃料電池システム

Claims (5)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    水素供給配管を介して前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、
    前記水素供給配管の内圧の圧力値を検出する圧力検出部と、
    前記燃料電池の発電電流の電流値を検出する電流検出部と、
    前記検出した電流値および前記圧力値に基づいて前記燃料電池に必要な水素供給量を算出し、算出された水素量に相当する水素を前記燃料電池に供給するように、前記水素供給部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    第１の周期ごとに、前記圧力値、及び前記電流値に基づいて水素供給量を算出するとともに、
    前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに前記圧力値を取得し、前記取得した圧力値に基づいて水素の供給が必要と判断された場合は、直前に算出された水素供給量に相当する水素を前記燃料電池に供給し、
    前記第１の周期ごとに、前記電流値から、前記水素供給配管の内圧の目標圧力値を新たに算出するとともに、算出した前記目標圧力値を用いて目標圧力値を更新し、
    前記第２の周期ごとに、取得した前記圧力値が、前記目標圧力値を下回っているか否かによって、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定する、燃料電池システム。
  2. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    水素供給配管を介して前記燃料電池に水素を供給する水素供給部と、
    前記水素供給配管の内圧の圧力値を検出する圧力検出部と、
    前記燃料電池の発電電流の電流値を検出する電流検出部と、
    第１の周期ごとに、前記電流値および前記圧力値を取得し、取得した前記電流値および前記圧力値から、前記水素供給部による必要な水素供給量を算出するとともに、算出した前記水素供給量を用いて記憶部に記憶されている水素供給量を更新する第１のルーチンを実行するとともに、
    前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに、前記圧力値を取得し、取得した前記圧力値から、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定し、前記水素供給が必要と判定すると、前記記憶部から前記水素供給量を取得し、前記水素供給部に対して、取得した前記水素供給量に対応する水素の供給を開始させる第２のルーチンを実行する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第１のルーチンにおいて、前記第１の周期ごとに、取得した前記電流値から、前記水素供給配管の内圧の目標圧力値を算出するとともに、算出した前記目標圧力値を用いて前記記憶部に記憶されている目標圧力値を更新し、
    前記第２のルーチンにおいて、前記第２の周期ごとに、前記記憶部から前記目標圧力値を取得し、取得した前記圧力値が、取得した前記目標圧力値を下回っているか否かによって、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定する、燃料電池システム。
  3. 請求項２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のルーチンにおいて、取得した前記圧力値が、取得した前記目標圧力値を下回っている場合、再度、前記圧力値および前記目標圧力値を取得し、再度取得した前記圧力値が、再度取得した前記目標圧力値を下回っている場合に、前記水素供給部による水素供給が必要と判定する、燃料電池システム。
  4. 請求項２から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記記憶部から取得した第１の前記水素供給量に対応する水素の供給を前記水素供給部に実行させているとき、前記第１の周期よりも短い第３の周期ごとに、前記記憶部から前記水素供給量を取得し、取得した前記水素供給量である第２の前記水素供給量が、前記第１の水素供給量に対して、予め設定された閾値以上変化したか否かを判定し、前記閾値以上変化したと判定すると、前記水素供給部に対して、前記第１の水素供給量に対応する水素の供給が完了していなくても、前記第２の水素供給量に対応する水素の供給を開始させる第３のルーチンを実行する、燃料電池システム。
  5. 水素供給配管を介して燃料電池に水素を供給する水素供給部を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    第１の周期ごとに、前記燃料電池の発電電流の電流値および前記水素供給配管の内圧の圧力値を取得し、取得した前記電流値および前記圧力値から、前記水素供給部による必要な水素供給量を算出するとともに、算出した前記水素供給量を用いて記憶部に記憶されている水素供給量を更新し、
    前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに、前記圧力値を取得し、取得した前記圧力値から、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定し、前記水素供給が必要と判定すると、前記記憶部から前記水素供給量を取得し、前記水素供給部に対して、取得した前記水素供給量に対応する水素の供給を開始させ、
    前記第１の周期ごとに、取得した前記電流値から、前記水素供給配管の内圧の目標圧力値を算出するとともに、算出した前記目標圧力値を用いて前記記憶部に記憶されている目標圧力値を更新し、
    前記第２の周期ごとに、前記記憶部から前記目標圧力値を取得し、取得した前記圧力値が、取得した前記目標圧力値を下回っているか否かによって、前記水素供給部による水素供給が必要か否かを判定する、制御方法。
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