JP6222192B2 - 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。

燃料電池から排出される燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、気液分離器に接続され気液分離器内の貯留水とともに燃料ガスを外部に排出する排出弁と、を備えた燃料電池システムが知られている。このような排出弁を開くと、先に貯留水が排出され、その後に燃料ガスが排出される。例えば特許文献１では、燃料ガスの排気量を、燃料ガスの排出直前から排出後までのインジェクタの下流側の圧力の低下分から換算された流量と、燃料電池の水素消費量の変化分から換算された流量とに基づいて推定する技術が開示されている。

特開２００７−３０５５６３号公報

インジェクタ等による燃料ガスの噴射は、断続的に行われる。このような燃料ガスの断続的な噴射によりインジェクタの下流側の圧力は上昇と低下を繰り返す。このような状態の場合にも特許文献１の推定方法のように、燃料ガスの排出直前から排出後までのインジェクタの下流側の圧力の低下分から換算された流量に基づいて排気量を推定すると、圧力が上昇している期間での排気量を精度よく推定できず、排気量の推定精度が低下するおそれがある。

そこで、燃料ガスの排気量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池への燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射部により噴射された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、前記排出流路に設けられた排出弁と、前記供給流路内の圧力を検出する圧力検出部と、前記排出弁の開弁期間での前記燃料ガスの消失量と、前記開弁期間での前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、前記燃料噴射部による前記燃料ガスの断続的な噴射により、前記圧力が上昇している圧力上昇期間と前記圧力が低下している圧力低下期間とが存在し、前記制御部は、前記開弁期間中での前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と、前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と同じ低下率で低下しているとみなした前記開弁期間内の前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率と、に基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの消失量を算出する、燃料電池システムによって達成できる。

前記制御部は、前記圧力上昇期間の直前の前記圧力低下期間での前記圧力の低下率を、前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率とする、構成であってもよい。

前記制御部は、前記圧力低下期間内で取得された複数の前記圧力の低下率の平均値を、前記圧力のみなし低下率とする、構成であってもよい。

前記制御部は、推定した前記燃料ガスの排気量が目標排気量以上となった場合に前記排出弁を閉じる、構成であってもよい。

また、上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池への燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射部により噴射された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、前記排出流路に設けられた排出弁と、前記循環流路内及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、前記排出弁の開弁期間での前記燃料ガスの消失量と、前記開弁期間での前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、前記燃料噴射部による前記燃料ガスの断続的な噴射により、前記圧力が上昇している圧力上昇期間と前記圧力が低下している圧力低下期間とが存在し、前記制御部は、前記開弁期間中での前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と、前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と同じ低下率で低下しているとみなした前記開弁期間内の前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率と、に基づいて前記開弁期間での前記燃料ガスの消失量を算出する、燃料電池システムによっても達成できる。

また、上記目的は、燃料電池と、前記燃料電池への燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射部により噴射された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第１の排出流路と、前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路と、前記第２の排出流路に設けられた排出弁と、前記供給流路内、前記第１の排出流路内、及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、前記排出弁の開弁期間での前記燃料ガスの消失量と、前記開弁期間での前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、前記燃料噴射部による前記燃料ガスの断続的な噴射により、前記圧力が上昇している圧力上昇期間と前記圧力が低下している圧力低下期間とが存在し、前記制御部は、前記開弁期間中での前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と、前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と同じ低下率で低下しているとみなした前記開弁期間内の前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率と、に基づいて前記開弁期間での前記燃料ガスの消失量を算出する、燃料電池システムによって達成できる。

燃料ガスの排気量の推定精度の低下が抑制された燃料電池システムを提供できる。

燃料電池システムの概略構成図である。 排出弁の駆動と、供給流路内の圧力の変化と、インジェクタの駆動とを示したタイミングチャートである。 ＥＣＵにより実行される排出弁の開閉制御のフローチャートである。 排気量推定制御のフローチャートである。 圧力低下率と燃料ガス消失量との関係を規定したマップである。 負荷電流値と単位時間当たりでの燃料ガス消費量との関係を規定したマップである。 積算燃料ガス消失量と、積算燃料ガス消費量と、燃料ガスの排気量との関係を示した図である。 積算燃料ガス消失量の算出制御を説明するためのタイミングチャートである。 積算燃料ガス消失量の算出制御のフローチャートである。 第１変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第２変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本実施例の燃料電池システム１（以下、システムと称する）について説明する。システム１は、例えば車両に搭載される車両用のシステムに適用することができる。ただし、他の用途のシステムへ適用してもよい。図１は、システム１の概略構成図である。システム１は、電力供給手段として燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体高分子電解質膜等の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。

タンク３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給する燃料供給源である。供給流路４は、燃料電池２のアノード入口に接続され、タンク３から供給された燃料ガスを燃料電池２に流す。供給流路４には調圧バルブ６が配置されており、タンク３から供給される燃料ガスは調圧バルブ６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。また、供給流路４における調圧バルブ６の下流側にはインジェクタ１０が配置されている。インジェクタ１０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１０は、燃料電池２への燃料ガスを噴射する燃料噴射部の一例である。インジェクタ１０や調圧バルブ６は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０によって制御される。

燃料電池２のアノード出口には燃料電池２から排出された燃料ガス（燃料オフガス）を供給流路４に流す循環流路８が接続されている。また、循環流路８には、燃料電池２から排出された燃料ガスを加圧して供給流路４へ送るための循環ポンプ９が設置されている。これにより、本システム１では、燃料電池２の運転時には燃料ガスは供給流路４と循環流路８を通って循環する。

循環流路８の途中には気液分離器１２が配置され、燃料ガスから水分を分離し、分離した水を貯留する貯留槽１２ａを有している。システム１では、燃料電池２の発電によって生成された水がカソード側から電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。アノード側に移動した水は燃料ガスとともに循環流路８に排出され、気液分離器１２において回収される。

気液分離器１２の貯留槽１２ａの底部には、気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する排出流路１４が接続されている。排出流路１４の下流端は外気に晒されている。排出流路１４には排出弁１６が配置されている。排出弁１６は通常は閉じており、ＥＣＵ２０によって必要に応じて開かれる。排出弁１６としては、シャットオフバルブや流量調整バルブなど排出状態を制御することが可能なバルブであればよい。本実施形態では、排出弁１６はシャットオフバルブである。貯留槽１２ａから貯留水があふれる前に排出弁１６が開いて排水することにより、液水が循環流路８、供給流路４を介して燃料電池２に供給されることを防止できる。

供給流路４には、インジェクタ１０よりも下流側に供給流路４内の圧力を検出する圧力センサ２１が設けられている。圧力センサ２１は主に燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力を検出する。循環流路８には、気液分離器１２よりも上流側に循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられている。圧力センサ２２は、主に燃料電池２から排出される燃料ガスの圧力を検出し、排出弁１６よりも上流側の圧力を検出できる。排出流路１４には、排出弁１６よりも下流側の排出流路１４内の圧力を検出する圧力センサ２３が設けられ、排出弁１６よりも下流側の圧力を検出できる。圧力センサ２３の検出値は略大気圧を示す。圧力センサ２１〜２３はＥＣＵ２０の入力側に接続され、検出した圧力に応じた信号をＥＣＵ２０に入力している。圧力センサ２１は、供給流路４内の圧力を検出する圧力検出部の一例である。

燃料電池２には負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の電気的特性を測定するための装置であり、例えば、電気化学系汎用ポテンシオガルバノスタットを含んで構成することができる。負荷装置３０は、配線によって燃料電池２のアノード側セパレータとカソード側セパレータに電気的に接続されている。負荷装置３０は、燃料電池２の発電時に燃料電池２を流れる負荷電流と、燃料電池２の負荷電圧（セル電圧）を測定できる。ＥＣＵ２０は、負荷装置３０からの出力信号により燃料電池２の負荷電流値を検出する。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。ＥＣＵ２０は、システム１の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、ＥＣＵ２０は、詳しくは後述する燃料ガスの排気量を推定する制御を実行する制御部の一例である。

尚、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための通路が接続され、カソード出口には酸化オフガスを排出するための通路が接続されているが、図１では省略している。

上述したように排出弁１６を開弁することにより気液分離器１２内の貯留水を外部へと排出できる。この際に、貯留水と共に燃料ガスの一部が外部へと排出される。ここで、排出弁１６から排出される燃料ガスの実際の排気量が目標排気量となるように制御することが求められる。実際の排気量が目標排気量に対して多すぎると、燃料ガスを無駄に消費することになり燃費が悪化する恐れがあるからである。逆に実際の排気量が目標排気量に対して少なすぎると、例えば実際の排気量がゼロであると、貯留水を完全に排出できていない恐れがあるからである。そこで、本システム１では、排出弁１６の開弁中に排出される燃料ガスの排気量を後述する方法により推定し、推定した排気量が目標排気量に至った場合に排出弁１６を閉じる。

次に、排出弁１６の作動による圧力の変化等を説明する。図２は、排出弁１６の駆動と、供給流路４内の圧力の変化と、インジェクタ１０の駆動を示したタイミングチャートである。尚、図２は、インジェクタ１０から燃料ガスが断続的に噴射されている状態でのタイミングチャートである。上述したように供給流路４内の圧力は、圧力センサ２１により検出される。図２では、時点ｔ０で排出弁１６が閉じており、時点ｔ１で排出弁１６が開き、時点ｔ１〜ｔ２間で気液分離器１２内の貯留水の排出が完了し、時点ｔ２〜ｔ３間で燃料ガスが排出される。

図２に示すように、インジェクタ１０は、一定の休止期間を空けて断続的に燃料ガスを噴射している。供給流路４内の圧力は、この燃料ガスの断続的な噴射によって、上昇と低下を繰り返す。詳細には、燃料ガスの噴射開始から所定期間まで供給流路４内の圧力は上昇し、その後に次に燃料ガスが噴射されるまでは圧力は低下する。尚、供給流路４内の圧力が所定の目標圧力になるようにインジェクタ１０の噴射圧はＥＣＵ２０によりフィードバック制御されている。従って、排出弁１６が開く前から排出弁１６が開いて排水が完了するまでは、供給流路４内の圧力は略一定の範囲内で上昇と低下を繰り返す。ここで、時点ｔ０〜ｔ２間における燃料ガスの噴射の休止期間中での供給流路４内の圧力低下は、燃料電池２の発電によって燃料ガスが消費されたことに起因している。また、時点ｔ１〜ｔ２間での圧力の変動の態様が、時点ｔ０〜ｔ１間での圧力の変動の態様と略変化しない理由は、時点ｔ１〜ｔ２間では貯留水の排水は行われているが燃料ガスの排気は行われていないためである。

排水が完了して気液分離器１２及び排出流路１４が大気に連通すると、排出流路１４を通って燃料ガスが排気されていく。これにより、時点ｔ２〜ｔ３間で供給流路４内の圧力の低下率は排水中よりも大きくなる。燃料ガスが排気されることにより、循環流路８と連通している供給流路４内の圧力も低下するからである。従って、時点ｔ２〜ｔ３間における燃料ガスの噴射の休止期間での供給流路４内の圧力の低下は、上述した燃料電池２の発電による燃料ガスの消費量と、燃料ガスの排気量とに起因している。また、後述する推定方法によって推定された排気量が目標排気量に到達したと判断された場合には、排出弁１６は閉じられる。

図３は、ＥＣＵ２０により実行される排出弁１６の開閉制御のフローチャートである。ＥＣＵ２０は、システム１が運転中か否を判定する（ステップＳ１）。貯留水の排水処理はシステムの運転中に実施するからである。システム１の運転中の場合にはＥＣＵ２０はステップＳ１以降の処理が実行され、システム１の運転中ではない場合には、本制御は終了する。

次にＥＣＵ２０は、排出弁１６の開弁条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ２）。排出弁１６の開弁条件とは、例えば、前回の排出弁１６の開弁から経過時間が所定時間に達した場合等であるがこれに限定されない。開弁条件が成立していない場合には、本制御は終了する。排出弁１６の開弁条件が成立すると、ＥＣＵ２０は排出弁１６を開き（ステップＳ３）、排出弁１６の開弁による燃料ガスの排気量を推定する（ステップＳ４）。ＥＣＵ２０は、推定された排気量が目標排気量以上となったか否かを判定し（ステップＳ５）、推定された排気量が目標排気量以上となるまで排気量の推定を継続する。推定された排気量が目標排気量以上となった場合には、ＥＣＵ２０は排出弁１６を閉じて（ステップＳ６）、本制御を終了する。尚、目標排気量は予め設定された固定値でもよいし、システム１の運転状態に応じて設定されるものであってもよい。以上の制御により、気液分離器１２内の貯留水は排水され、燃料ガスも所望の量だけ排気される。

次に、排気量の推定方法の概略について図４を参照して説明する。図４は、排気量推定制御のフローチャートである。本実施例の推定方法では、供給流路４内の圧力の低下量から算出した燃料ガスの消失量と燃料電池２の負荷電流値から算出した燃料電池の発電による燃料ガスの消費量とに基づいて燃料ガスの排気量を推定する。

ＥＣＵ２０は、排出弁１６が開いた時点ｔ１からの供給流路４内の圧力低下率ΔＰから積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する（ステップＳ１１）。図５は、圧力低下率ΔＰと燃料ガス消失量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０はこのマップに基づいて、単位時間当たりの圧力低下率ΔＰでの単位時間当たりでの燃料ガス消失量を算出して、時点ｔ１から現在までの時間積分をして、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する。尚、単位時間当たりの燃料ガス消失量は、単位時間当たりの圧力低下率ΔＰを用いた計算式により算出してもよい。

次に、ＥＣＵ２０は、負荷電流値から燃料電池２の発電に起因する積算燃料ガス消費量Ｑ２を算出する（ステップＳ１２）。図６は、負荷電流値と単位時間当たりでの燃料ガス消費量との関係を規定したマップである。ＥＣＵ２０はこのマップに基づいて、負荷電流値に対応した単位時間当たりの燃料ガス消費量を算出して、時点ｔ１から現在時点までの時間積分を算出して、積算燃料ガス消費量Ｑ２を算出する。尚、図５、６のマップは予め実験などに基づいて規定され、ＥＣＵ２０のＲＯＭに記録されている。尚、単位時間当たりの燃料ガス消費量は、負荷電流値を用いた計算式により算出してもよい。

ここで、上述した積算燃料ガス消費量Ｑ２は、燃料電池２の発電によって消費された燃料ガスの全体量を示す。積算燃料ガス消失量Ｑ１は、理由の如何を問わずに供給流路４や循環流路８及び燃料電池２内からの消失した燃料ガスの全体量を示す。従って、積算燃料ガス消失量Ｑ１は、燃料電池２の発電によって消費された積算燃料ガス消費量Ｑ２と排出弁１６の開弁による燃料ガスの排気量Ｑとを含む。図７は、積算燃料ガス消失量Ｑ１と、積算燃料ガス消費量Ｑ２と、燃料ガスの排気量Ｑとの関係を示した図である。尚、貯留水の排出が完了していない場合には、積算燃料ガス消失量Ｑ１と発電によって消費された積算燃料ガス消費量Ｑ２は略同じ値となるため、燃料ガスの排気量Ｑは略ゼロとなる。

次に、ＥＣＵ２０は、積算燃料ガス消失量Ｑ１から積算燃料ガス消費量Ｑ２を減算して得られる排気量Ｑを推定された排気量として算出する（ステップＳ１３）。上記ステップＳ１１〜Ｓ１３は、図３に示したように推定された排気量が目標排気量に到達するまで繰り返し行われ（ステップＳ５でＮｏ）、推定された排気量が目標排気量に到達すると（ステップＳ５でＹｅｓ）、排出弁１６が閉じられる（ステップＳ６）。以上のようにして、排気量が推定される。

次に、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する方法についてについて具体的に説明する。図８は、積算燃料ガス消失量Ｑ１の算出制御を説明するためのタイミングチャートである。図９は、積算燃料ガス消失量Ｑ１の算出制御のフローチャートである。ＥＣＵ２０は、図８に示すように、供給流路４内の圧力が低下している圧力低下期間Ｄｔ１、Ｄｔ２、Ｄｔ３…と、供給流路４内の圧力が上昇しているとみなすみなし圧力上昇期間Ｕｔ１、Ｕｔ２…とで、燃料ガス消失量の算出方法を変更する。

みなし圧力上昇期間Ｕｔ１は、インジェクタ１０による燃料ガスの噴射期間Ｆｔ１と、燃料ガスの噴射停止からの付加期間Ｅｔ１との合計の期間である。付加期間Ｅｔ１は、燃料ガスの噴射停止後に供給流路４内の実際の圧力が低下し始める時点を含むように設定されている。即ち、みなし圧力上昇期間Ｕｔ１は、インジェクタ１０の燃料ガスの噴射に起因して供給流路４内の実際の圧力が上昇する期間を含むように長めに設定されている。同様に、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２も燃料ガスの噴射期間Ｆｔ２と、燃料ガスの噴射停止後からの付加期間Ｅｔ２との合計の期間である。ＥＣＵ２０は、排出弁１６の開弁中にインジェクタ１０の噴射開始と停止のタイミングを、噴射フラグに基づいて把握することによって、現在がみなし圧力上昇期間Ｕｔ１、Ｕｔ２…内に含まれるか否かを判別できる。

尚、本実施例では、付加期間Ｅｔ１、Ｅｔ２…は、予め決められた同一の長さの期間である。従って、例えば燃料電池２の発電要求量の変化等により噴射期間Ｆｔ１、Ｆｔ２が異なっている場合であっても、噴射期間Ｆｔ１、Ｆｔ２のそれぞれに同一の付加期間Ｅｔ１、Ｅｔ２が付加された期間をみなし圧力上昇期間Ｕｔ１、Ｕｔ２として用いられる。尚、燃料電池２の発電要求量に応じて燃料ガスの噴射期間は変化するため、この噴射期間の変化に応じて付加期間の長さを変更してもよい。

圧力低下期間Ｄｔ１、Ｄｔ２、Ｄｔ３…は、排出弁１６の開弁期間中であって、みなし圧力上昇期間に相当しない期間である。上述した方法でＥＣＵ２０が現在がみなし圧力上昇期間Ｕｔ１、Ｕｔ２…内であるか否かを判定することにより、現在が圧力低下期間であるか否かを判別できる。尚、図９のフローチャートを用いて以下で説明する積算燃料ガス消失量Ｑ１の算出制御については、圧力低下期間Ｄｔ２とみなし圧力上昇期間Ｕｔ２での燃料ガス消失量の算出方法を代表として説明する。

図９に示すように、ＥＣＵ２０は、みなし圧力上昇期間中であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。否定判定の場合、即ち、圧力低下期間Ｄｔ２中である場合には、ＥＣＵ２０は、圧力センサ２１からの検出値に基づいて圧力低下率ΔＰを取得する（ステップＳ３２）。ＥＣＵ２０は圧力低下期間Ｄｔ２内での単位時間当たりの圧力低下率ΔＰを取得することになる。具体的には、ＥＣＵ２０は、圧力低下期間Ｄｔ２中で圧力センサ２１により検出された前回の圧力値から今回の圧力値を減算した値を圧力低下率ΔＰとして算出する。次に、上述した図５のマップに基づいてＥＣＵ２０は単位時間当たりの燃料ガス消失量を算出する（ステップＳ３３）。このようにして算出した単位時間当たりの燃料ガス消失量を、これまでに積算された積算燃料ガス消失量に加算して、積算燃料ガス消失量Ｑ１として算出する（ステップＳ３４）。圧力低下期間Ｄｔ２内でステップＳ３１〜Ｓ３４の処理が複数回繰り返されることにより、圧力低下期間Ｄｔ２内での燃料ガス消失量が積算燃料ガス消失量Ｑ１に反映される。このように圧力低下期間Ｄｔ２では、みなし圧力上昇期間Ｕｔ１、Ｕｔ２…と比較して圧力が大きく変動せずに安定しているため、圧力センサ２１に基づいて取得した圧力低下率ΔＰに基づいて燃料ガス消失量を算出する。尚、排水中、排気中の何れの場合であっても排出弁１６の開弁中であり圧力低下期間内での圧力低下率ΔＰに基づいて燃料ガス消失量を算出する。ステップＳ３１〜Ｓ３４は、圧力低下期間Ｄｔ２を脱した後も継続して行われる。

次に、ステップＳ３１の処理でみなし圧力上昇期間Ｕｔ２中であると判定されると、ＥＣＵ２０は、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２中での圧力のみなし低下率を取得する（ステップＳ３５）。みなし低下率については後述する。ＥＣＵ２０は、このみなし低下率に基づいてみなし圧力上昇期間Ｕｔ２中での単位時間当たりの燃料ガス消失量を、これまでに積算された積算燃料ガス消失量に加算して、積算燃料ガス消失量Ｑ１として算出する（ステップＳ３４）。みなし圧力上昇期間Ｕｔ２内でステップＳ３５、Ｓ３２〜Ｓ３４の処理が繰り返されることにより、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２内での燃料ガス消失量が積算燃料ガス消失量Ｑ１に反映される。

みなし低下率は、圧力低下期間Ｄｔ２内での圧力低下率ΔＰと同じとみなした値である。即ち、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２での燃料ガス消失量は、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２での実際の圧力値やその変化率には基づかずに、みなし低下率に基づいて算出される。図８には、理解を容易にするために、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２内において、みなし低下率で低下するみなし圧力線分ＰＣを記載している。みなし圧力上昇期間Ｕｔ２では、圧力が上昇している期間であるため、圧力低下率に基づいて燃料ガス消失量を算出できない。従って、みなし低下率に基づいてみなし圧力上昇期間Ｕｔ２での燃料ガス消失量を算出することにより、精度よく燃料ガスの消失量を算出できる。尚、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２での単位時間当たりの燃料ガス消失量は、図５のマップでの圧力低下率ΔＰをみなし低下率に置き換えたマップにより算出するが、例えばみなし低下率を用いた計算式により単位時間当たりの燃料ガス消失量を算出してもよい。尚、排水中、排気中の何れの場合であっても排出弁１６の開弁中でありみなし圧力上昇期間中ではみなし低下率に基づいて燃料ガス消失量を算出する。

ＥＣＵ２０は、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２の直前の圧力低下期間Ｄｔ２内の圧力低下率ΔＰを、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２でのみなし低下率として用いる。直前の圧力低下期間Ｄｔ２内での圧力低下率ΔＰを用いて圧力低下期間Ｄｔ２直後のみなし圧力上昇期間Ｕｔ２の燃料ガス消失量を算出することにより、積算燃料ガス消失量Ｑ１をより精度よく算出できる。

ここで、図８では理解を容易にするために圧力低下期間Ｄｔ２内での圧力低下率ΔＰが一定の場合を示しているが、実際には圧力低下期間Ｄｔ２内でも圧力低下率ΔＰは変動する。従って、ＥＣＵ２０は、圧力低下期間Ｄｔ２内で取得された複数の圧力低下率ΔＰの平均値を、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２でのみなし低下率として用いる。これにより、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２での燃料ガス消失量を精度よく算出できる。

以上のような燃料ガス消失量の算出は、排出弁１６の開弁期間中での圧力低下期間Ｄｔ１、みなし圧力上昇期間Ｕｔ１、圧力低下期間Ｄｔ２、みなし圧力上昇期間Ｕｔ２…の順に行われ、算出された燃料ガス消失量が順次積算されて、最終的な積算燃料ガス消失量Ｑ１が算出される。このようにみなし圧力上昇期間Ｕｔ１、Ｕｔ２…においても、みなし低下率に基づいて燃料ガス消失量を精度よく算出できる。このため、積算燃料ガス消失量Ｑ１についてもより精度よく算出でき、排気量の推定精度の低下が抑制されている。

尚、排出弁１６が開弁してから初回のみなし圧力上昇期間Ｕｔ１でのみなし低下率については、排出弁１６が開弁した時点ｔ１の前後を含む圧力低下期間Ｄｔ１中での圧力低下率を用いる。

また、例えば排出弁１６が開弁した時点ｔ１がみなし圧力上昇期間に含まれている場合には、排出弁１６が開く前の圧力低下期間での圧力低下率をみなし低下率として用いる。この場合、排出弁１６が開弁した時点ｔ１からみなし圧力上昇期間が終了するまでの間の期間で、みなし低下率に基づいて燃料ガス消失量を算出する。

尚、本実施例では、圧力センサ２１からの出力値に基づいて実際の圧力上昇期間を直接的に検出するのではなく、インジェクタ１０による燃料ガスの噴射期間と燃料ガスの噴射停止後からの付加期間との合計の期間をみなし圧力上昇期間として用いている。実際の圧力上昇期間は短いため、圧力センサ２１からの出力値に誤差が生じるおそれがあるからである。但し、本発明は、みなし圧力上昇期間の代わりに、圧力センサ２１に基づいて検出された実際に圧力が上昇している圧力上昇期間を用いることを排除するものではない。例えば圧力センサ２１により検出された圧力値の極小値及び極大値に基づいて実際の圧力上昇期間を検出し、それ以外の期間を圧力低下期間として検出してもよい。また、圧力センサ２１に基づいて検出された実際の圧力上昇期間に所定の付加期間を加えた期間をみなし圧力上昇期間として用いてもよい。また、燃料ガスの噴射期間をみなし圧力上昇期間としてもよい。

上記実施例では、圧力低下期間内で取得された複数の圧力低下率ΔＰの平均値を、みなし低下率とする。従って、圧力低下期間内で２回以上の圧力低下率ΔＰを取得することが望ましい。

上記実施例では、みなし圧力上昇期間の直前の圧力低下期間内で取得された複数の圧力低下率ΔＰの平均値を、みなし低下率として用いるがこれに限定されない。例えば、みなし圧力上昇期間の直前の圧力低下期間内での任意の期間での圧力低下率を、みなし低下率として用いてもよい。また、直前の圧力低下期間よりも以前の圧力低下期間内での任意の期間での圧力低下率を、みなし低下率として用いてもよい。

上記実施例では、圧力センサ２１からの検出値に基づいて供給流路４内の圧力低下率ΔＰを取得して、圧力低下率ΔＰから積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出したがこれに限定されない。例えば、ＥＣＵ２０は、循環流路８内の圧力を検出する圧力センサ２２からの検出値に基づいて循環流路８内の圧力低下率を取得して、循環流路８内の圧力低下率から積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよい。インジェクタ１０による燃料ガスの噴射により、供給流路４及び燃料電池２を介して循環流路８内の圧力が上昇と低下を繰り返し、また排出弁１６が開くことによって循環流路８内の圧力も低下するからである。この場合、圧力センサ２２は、循環流路８内の圧力を検出する圧力検出部の一例である。尚、圧力センサ２２は、気液分離器１２よりも上流側の循環流路８に設けられていてもよいし、気液分離器１２よりも下流側の循環流路８に設けられていてもよい。

次に、システムの変形例について説明する。図１０は、第１変形例に係るシステム１ａの概略構成図である。尚、上述したシステム１と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。システム１ａでは、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力センサ２４が設けられている。圧力センサ２４は、気液分離器１２内の貯留水が被らないように高い位置に設けられている。システム１ａでは、ＥＣＵ２０は、圧力センサ２４からの検出値に基づいて気液分離器１２内の圧力低下率を取得して、気液分離器１２内の圧力低下率から積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出する。インジェクタ１０による燃料ガスの噴射により、供給流路４、燃料電池２、及び循環流路８を介して気液分離器１２内の圧力も上昇と低下を繰り返し、また排出弁１６が開くことによって気液分離器１２内の圧力も低下するからである。この場合、圧力センサ２４は、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力検出部の一例である。

図１１は、第２変形例に係るシステム１ｂの概略構成図である。システム１ｂは、システム１、１ａと異なりアノード非循環型であり、循環流路８及び循環ポンプ９は設けられておらず、燃料電池２から排出された燃料ガスが再び供給流路４及び燃料電池２に戻されることはない。また、システム１ｂは、燃料電池２から排出された燃料ガスを気液分離器１２に供給する第１の排出流路１４ａと、気液分離器１２に接続され気液分離器１２内の貯留水及び燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路１４ｂとを備えている。排出弁１６は、第２の排出流路１４ｂに配置されている。従って、燃料電池２から排出された燃料ガスは、排出弁１６が開くことにより外部へと排出される。圧力センサ２２は、第１の排出流路１４ａに設けられて第１の排出流路１４ａ内の圧力を検出する。圧力センサ２３は、第２の排出流路１４ｂに設けられ、排出弁１６よりも下流側での第２の排出流路１４ｂ内の圧力を検出する。

システム１ｂも、システム１、１ａと同様に、積算燃料ガス消失量Ｑ１から積算燃料ガス消費量Ｑ２を減算して得られる排気量Ｑを推定された排気量として算出できる。また、ＥＣＵ２０は、圧力センサ２１からの検出値に基づいて供給流路４内の圧力低下率ΔＰを取得して、圧力低下率ΔＰから積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよいし、圧力センサ２２からの検出値に基づいて第１の排出流路１４ａ内の圧力低下率を取得して、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよい。また、ＥＣＵ２０は、気液分離器１２内の圧力を検出する圧力センサ２４からの検出値に基づいて気液分離器１２内の圧力低下率を取得して、積算燃料ガス消失量Ｑ１を算出してもよい。圧力センサ２１、２２、２４は、それぞれ、供給流路４内、第１の排出流路１４ａ内、及び気液分離器１２内の何れかの圧力を検出する圧力検出部の一例である。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例では、燃料ガス消失量と燃焼ガス消費量との算出を、排出弁１６が開いた時点から開始したがこれに限定されない。排出弁１６の開弁後に両者の算出を開始してもよいし、排出弁１６が開く直前から開始してもよい。尚、燃料ガス消失量と燃焼ガス消費量との算出を開始したタイミングが同時であることが望ましい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ タンク
４ 供給流路
８ 循環流路
１０ インジェクタ（燃料噴射部）
１２ 気液分離器
１６ 排出弁
２０ ＥＣＵ（制御部）
２１ 圧力センサ

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池への燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、
   前記燃料噴射部により噴射された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
   前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、
   前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
   前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
   前記排出流路に設けられた排出弁と、
   前記供給流路内の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記排出弁の開弁期間での前記燃料ガスの消失量と、前記開弁期間での前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、
   前記燃料噴射部による前記燃料ガスの断続的な噴射により、前記圧力が上昇している圧力上昇期間と前記圧力が低下している圧力低下期間とが存在し、
   前記制御部は、前記開弁期間中での前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と、前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と同じ低下率で低下しているとみなした前記開弁期間内の前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率と、に基づいて前記開弁期間での前記燃料ガスの消失量を算出する、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記圧力上昇期間の直前の前記圧力低下期間での前記圧力の低下率を、前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率とする、請求項１の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記圧力低下期間内で取得された複数の前記圧力の低下率の平均値を、前記圧力のみなし低下率とする、請求項１又は２の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、推定した前記燃料ガスの排気量が目標排気量以上となった場合に前記排出弁を閉じる、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
5. 燃料電池と、
   前記燃料電池への燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、
   前記燃料噴射部により噴射された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
   前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に流す循環流路と、
   前記循環流路上に配置され前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
   前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
   前記排出流路に設けられた排出弁と、
   前記循環流路内及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、
   前記排出弁の開弁期間での前記燃料ガスの消失量と、前記開弁期間での前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、
   前記燃料噴射部による前記燃料ガスの断続的な噴射により、前記圧力が上昇している圧力上昇期間と前記圧力が低下している圧力低下期間とが存在し、
   前記制御部は、前記開弁期間中での前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と、前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と同じ低下率で低下しているとみなした前記開弁期間内の前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率と、に基づいて前記開弁期間での前記燃料ガスの消失量を算出する、燃料電池システム。
6. 燃料電池と、
   前記燃料電池への燃料ガスを噴射する燃料噴射部と、
   前記燃料噴射部により噴射された前記燃料ガスを前記燃料電池に流す供給流路と、
   前記燃料電池から排出された前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
   前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記気液分離器に供給する第１の排出流路と、
   前記気液分離器に接続され前記気液分離器内の貯留水及び前記燃料ガスを外部に排出する第２の排出流路と、
   前記第２の排出流路に設けられた排出弁と、
   前記供給流路内、前記第１の排出流路内、及び前記気液分離器内の何れかの圧力を検出する圧力検出部と、
   前記排出弁の開弁期間での前記燃料ガスの消失量と、前記開弁期間での前記燃料電池の発電による前記燃料ガスの消費量とに基づいて、前記開弁期間での前記燃料ガスの排気量を推定する制御部と、を備え、
   前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記供給流路に戻さないアノード非循環型の燃料電池システムであって、
   前記燃料噴射部による前記燃料ガスの断続的な噴射により、前記圧力が上昇している圧力上昇期間と前記圧力が低下している圧力低下期間とが存在し、
   前記制御部は、前記開弁期間中での前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と、前記圧力低下期間内での前記圧力の低下率と同じ低下率で低下しているとみなした前記開弁期間内の前記圧力上昇期間での前記圧力のみなし低下率と、に基づいて前記開弁期間での前記燃料ガスの消失量を算出する、燃料電池システム。
   
   

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