JP7111008B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
エジェクタを通過するように燃料ガスを噴射する第１インジェクタと、エジェクタを通過せずに第１インジェクタよりも燃料ガスの噴射流量が大きい第２インジェクタと、を備えた燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。第１インジェクタから噴射された燃料ガスがエジェクタを通過することにより、燃料電池から排出された燃料ガスは、第１インジェクタから噴射された燃料ガスと共に燃料電池に再循環される。
特開２０１４－０５９９６９号
上記の特許文献１の技術では、第２インジェクタから噴射された燃料ガスはエジェクタを通過せずに燃料電池に供給されるため、第２インジェクタから噴射された燃料ガスのみによっては、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に再循環させることはできない。このため、第１インジェクタから燃料ガスを噴射した場合にしか、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に再循環させることができない。従って、新たに噴射された燃料ガスと燃料電池から排出された燃料ガスとを十分に混合することができずに、均一な濃度の燃料ガスを燃料電池内に十分に拡散させることができずに、発電性能が低下する可能性がある。
そこで、燃料電池の発電性能の低下を抑制し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、燃料ガスを噴射する第１インジェクタと、前記第１インジェクタよりも噴射流量が大きい噴射流量で燃料ガスを噴射する第２インジェクタと、前記第１及び第２インジェクタからそれぞれ噴射された前記燃料ガスが通過するエジェクタ機構と、前記エジェクタ機構を通過した前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給通路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記エジェクタ機構に戻す循環通路と、前記第１及び第２インジェクタを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が第１閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記燃料電池のアノード流路内の残水量が第２閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満の場合には、前記第１インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記循環通路に設けられた気液分離器と、前記気液分離器に接続された排出通路と、前記排出通路に設けられた排出弁と、を備え、前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満である同一条件下において、前記残水量が前記第２閾値以上の場合には前記残水量が前記第２閾値未満の場合よりも、前記排出弁の開閉頻度を増大させ、前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満である同一条件下において、前記供給通路及び循環通路の何れかでの前記燃料ガスの濃度が第３閾値未満の場合には、前記濃度が前記第３閾値以上の場合よりも、前記排出弁の開閉頻度を増大させる、燃料電池システムによって達成できる。また上記目的は、燃料電池と、燃料ガスを噴射する第１インジェクタと、前記第１インジェクタよりも噴射流量が大きい噴射流量で燃料ガスを噴射する第２インジェクタと、前記第１及び第２インジェクタからそれぞれ噴射された前記燃料ガスが通過するエジェクタ機構と、前記エジェクタ機構を通過した前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給通路と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記エジェクタ機構に戻す循環通路と、前記第１及び第２インジェクタを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が第１閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記燃料電池のアノード流路内の残水量が第２閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満の場合には、前記第１インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記循環通路に設けられた気液分離器と、前記気液分離器に接続された排出通路と、前記排出通路に設けられた排出弁と、を備え、前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満である同一条件下において、前記残水量が前記第２閾値以上の場合には前記残水量が前記第２閾値未満の場合よりも、前記排出弁の開閉頻度を増大させ、前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満である同一条件下において、前記供給通路及び循環通路の何れかでの前記燃料ガスの濃度が第４閾値未満の場合には、前記濃度が前記第４閾値以上の場合よりも、前記第１インジェクタによる噴射量を増大する、燃料電池システムによっても達成できる。第１及び第２インジェクタの何れから燃料ガスが噴射された場合であっても、噴射された燃料ガスはエジェクタ機構を通過する。このため、新たに噴射された燃料ガスと燃料電池から排出された燃料ガスとを十分に混合させて燃料電池に供給することができ、燃料電池の発電性能の低下が抑制される。
前記エジェクタ機構は、前記第１及び第２インジェクタの何れかからも噴射された前記燃料ガスが通過する単一のエジェクタを含んでもよい。
前記エジェクタ機構は、前記第１及び第２インジェクタのそれぞれの下流に配置された第１及び第２エジェクタを含み、前記循環通路は、互いに分岐して前記第１及び第２エジェクタにそれぞれ接続された第１及び第２分岐通路を含んでもよい。
燃料電池の発電性能の低下を抑制した燃料電池システムを提供できる。
図１は、燃料電池システムの構成図である。 図２は、マルチノズルエジェクタの構成図である。 図３は、切替制御の一例を示したフローチャートである。 図４は、切替制御の一例を示したタイミングチャートである。 図５は、変形例の切替制御を示したフローチャートである。 図６は、変形例の燃料電池システムの一部分を示した構成図である。
［燃料電池システムの構成］
図１は、燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、車両に搭載されており、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８、酸化剤ガス供給系１０、燃料ガス供給系２０、及び電力制御系３０を含む。尚、燃料電池システム１は、ＦＣ４に冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。また、車両には、走行用のモータ５０や、車輪５、アクセル開度センサ６を備えている。
ＦＣ４は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する固体高分子電解質型の単セルが複数積層されている。ＦＣ４内には、酸化剤ガスが流れるカソード流路４ｃと、燃料ガスが流れるアノード流路４ａとが形成されている。単セルは、膜電極接合体とそれを挟持するカソード側のセパレータとアノード側のセパレータとから構成される。カソード流路４ｃは、主に膜電極接合体とカソード側のセパレータとの間で画定され、酸化剤ガスが流通可能な空間である。アノード流路４ａは、膜電極接合体とアノード側のセパレータとの間で画定され、燃料ガスが流通可能な空間である。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層とを含む。
酸化剤ガス供給系１０は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をＦＣ４に供給し、供給管１１、排出管１２、バイパス管１３、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、インタークーラ１６、及び背圧弁１７を含む。供給管１１は、ＦＣ４のカソード流路４ｃの入口に接続されている。排出管１２は、ＦＣ４のカソード流路４ｃの出口に接続されている。バイパス管１３は供給管１１及び排出管１２を連通している。バイパス弁１５は、供給管１１とバイパス管１３との接続部分に設けられている。バイパス弁１５は供給管１１とバイパス管１３との連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及びインタークーラ１６は、供給管１１上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７は、排出管１２上であって、排出管１２とバイパス管１３との接続部分よりも上流側に配置されている。エアコンプレッサ１４は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を、供給管１１を介してＦＣ４に供給する。ＦＣ４に供給された酸化剤ガスは、排出管１２を介して排出される。インタークーラ１６は、ＦＣ４に供給される酸化剤ガスを冷却する。背圧弁１７は、ＦＣ４のカソード側の背圧を調整する。エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、及び背圧弁１７の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。ＥＣＵ３により、バイパス弁１５及び背圧弁１７の開度を調整することにより、エアコンプレッサ１４からＦＣ４に供給される酸化剤ガスの流量が調整される。
燃料ガス供給系２０は、燃料ガスとして水素ガスをＦＣ４に供給し、タンク２０Ｔ、供給管２１、循環管２２、排出管２３、タンク弁２４、調圧弁２５、小流量インジェクタ（以下、ＳＩＮＪと称する）２６ａ、大流量インジェクタ（以下、ＬＩＮＪと称する）２６ｂ、気液分離器２７、排出弁２８、及びマルチノズルエジェクタ（以下、ＭＥＪと称する）２９を含む。タンク２０ＴとＦＣ４のアノード流路４ａの入口とは、供給管２１により接続されている。タンク２０Ｔには、燃料ガスである水素ガスが貯留されている。タンク弁２４、調圧弁２５、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂ、及びＭＥＪ２９は、供給管２１の上流側から順に配置されている。ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂは、供給管２１の部分的に互いに分岐した部位にそれぞれ設けられている。タンク弁２４が開いた状態で、調圧弁２５の開度が調整され、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れかが駆動されることにより燃料ガスを噴射され、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れかから噴射された燃料ガスはＭＥＪ２９を通過してＦＣ４に供給される。供給管２１のＭＥＪ２９よりも下流側の部位は、供給通路の一例である。
ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂは、それぞれ、燃料ガスを噴射する噴射孔を有する弁座と、ソレノイドにより駆動されて噴射孔を開閉する弁体と、を備える。ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂは、それぞれ、所定のインターバル期間毎に弁体を所定の時間にわたり弁座から離隔させて開弁させることにより燃料ガスを噴射し、次いで所定の時間にわたり弁体を弁座に当接させて閉弁させることにより燃料ガスの噴射を停止する。この場合、インターバル期間に対する開弁期間の比であるデューティ比が調整されることにより、１回の開弁により噴射される燃料ガスの噴射量が変更される。
ＬＩＮＪ２６ｂの噴射孔の径は、ＳＩＮＪ２６ａの噴射孔の径よりも大きく形成されている。従って、開弁期間が同じ場合では、ＬＩＮＪ２６ｂから燃料ガスの噴射流量の方が、ＳＩＮＪ２６ａからの燃料ガスの噴射流量よりも大きい。燃料ガスの噴射流量は、単位時間あたりに各インジェクタから噴射される燃料ガスの量である。また、上述したようにＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れもデューティ比を調整することにより１回の開弁による燃料ガスの噴射量を変更可能であるが、ＬＩＮＪ２６ｂの噴射量の変更可能範囲の上限値及び下限値は、それぞれ、ＳＩＮＪ２６ａの噴射量の変更可能範囲の上限値及び下限値よりも大きく設定されている。本実施例では、ＦＣ４の発電中はＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れか一方のみから燃料ガスが噴射されるように制御される。詳しくは後述するが、原則的には、ＦＣ４への要求出力が大きい場合には、要求出力の大きさに応じてデューティ比が調整されてＬＩＮＪ２６ｂから大流量の燃料ガスが噴射され、ＦＣ４への要求出力が小さい場合には、要求出力の大きさに応じてデューティ比が調整されてＳＩＮＪ２６ａから小流量の燃料ガスが噴射される。これにより、単一のインジェクタによりＦＣ４へ供給される燃料ガスの流量を調整する場合と比較して、ＦＣ４へ供給される燃料ガスの流量を広範囲にわたって制御することができ、ＦＣ４の出力電力を広範囲にわたって制御することができる。ＳＩＮＪ２６ａは第１インジェクタの一例であり、ＬＩＮＪ２６ｂは第２インジェクタの一例である。
循環管２２は、ＦＣ４のアノード流路４ａの出口とＭＥＪ２９とを接続している。循環管２２には、気液分離器２７が設けられている。循環管２２は、燃料ガスをＦＣ４へ還流させるため配管である。ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れかから噴射された燃料ガスがＭＥＪ２９を通過することによりＭＥＪ２９内で負圧が発生し、この負圧によりＦＣ４から排出された燃料ガスは、気液分離器２７を介してＭＥＪ２９へ吸引される。これにより、ＦＣ４から排出された燃料ガスは再びＦＣ４に供給される。循環管２２のＦＣ４と気液分離器２７との間には、循環管２２内の水素濃度を検出する水素濃度センサＳ１、及び循環管２２内での圧力を検出する圧力センサＳ２が設けられている。ＭＥＪ２９は、エジェクタ機構の一例である。循環管２２は、循環通路の一例である。
気液分離器２７には、排出管２３が接続されている。排出管２３には、排出弁２８が設けられている。気液分離器２７は、ＦＣ４から排出された燃料ガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７に貯留された水は、排出弁２８が開くことにより、排出管２３を介して燃料電池システム１の外部へと排出される。排出管２３は、排出通路の一例である。タンク弁２４、調圧弁２５、ＳＩＮＪ２６ａ、ＬＩＮＪ２６ｂ、及び排出弁２８の駆動は、ＥＣＵ３により制御される。
電力制御系３０は、ＦＣ４の放電及びＢＡＴ８の充放電を制御する。電力制御系３０は、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４、モータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９を含む。ＦＤＣ３２は、ＥＣＵ３から送信される要求電流値に基づきＦＣ４による出力電流を制御すると共に、ＦＣ４からの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８やＡＩＮＶ３９に出力する。ＢＤＣ３４は、ＢＡＴ８からの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８やＡＩＮＶ３９に出力する。ＦＣ４の発電電力は、ＢＡＴ８に蓄電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。ＦＣ４及びＢＡＴ８の電力は、ＡＩＮＶ３９を介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、モータ５０に加えて、ＦＣ４用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、背圧弁１７、タンク弁２４、調圧弁２５、ＳＩＮＪ２６ａ、ＬＩＮＪ２６ｂ、及び排出弁２８を含む。車両用の補機は、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。
ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６、エアコンプレッサ１４、バイパス弁１５、背圧弁１７、タンク弁２４、調圧弁２５、ＳＩＮＪ２６ａ、ＬＩＮＪ２６ｂ、排出弁２８、ＦＤＣ３２、ＢＤＣ３４、水素濃度センサＳ１、及び圧力センサＳ２が電気的に接続されている。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６の検出値や上述した車両用の補機及びＦＣ４用の補機の駆動状態、ＢＡＴ８の蓄電電力等に基づいて、ＦＣ４への要求出力を算出する。また、ＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力に応じたＦＣ４の目標電流値を算出し、ＦＣ４の出力電流値が目標電流値となるように、エアコンプレッサ１４やＳＩＮＪ２６ａ、又はＬＩＮＪ２６ｂによりＦＣ４に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの流量を制御しつつＦＤＣ３２を制御する。
［マルチノズルエジェクタ］
図２は、ＭＥＪ２９の構成図である。ＭＥＪ２９は、ノズル部２９１ａ及び２９１ｂと、吸引部２９２と、混合部２９３と、ディフューザ部２９４とを有する。ノズル部２９１ａ及び２９１ｂは、それぞれＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂに接続されており、ノズル部２９１ｂはノズル部２９１ａよりも径が大きく形成されている。吸引部２９２には、循環管２２が接続されている。ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂのそれぞれ噴射された燃料ガスがノズル部２９１ａ及び２９１ｂを介してＭＥＪ２９内を通過することにより、ＦＣ４から排出された燃料ガスは吸引部２９２に吸引される。混合部２９３では、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れかから噴射された燃料ガスと、ＦＣ４から排出された燃料ガスとが混合する。ディフューザ部２９４では、混合部２９３において混合された燃料ガスが流れる。ディフューザ部２９４は、下流側に従って径が徐々に拡大するように形成されている。混合部２９３で新たに噴射された燃料とＦＣ４から排出された燃料とが混合して、混合した燃料がディフューザ部２９４を流れる過程で、水素濃度が均一となる。これにより、水素濃度が均一な燃料ガスがＦＣ４に供給される。
上述したように、ＳＩＮＪ２６ａのみならずＬＩＮＪ２６ｂから噴射された燃料ガスもＭＥＪ２９を通過するため、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れから燃料ガスが噴射されても、ＦＣ４から排出された燃料ガスがＭＥＪ２９に吸引されてＦＣ４に再循環させることができる。これにより、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れから燃料ガスが噴射されても、新たに噴射された燃料ガスとＦＣ４から排出された燃料ガスとを十分に混合させることができ、水素濃度が均一となった燃料ガスをＦＣ４内に偏りなく拡散させることができる。これにより、ＦＣ４の発電性能の低下が抑制される。また、ＬＩＮＪ２６ｂの噴射流量は大きいため、ＬＩＮＪ２６ｂから燃料ガスを噴射することにより、ＳＩＮＪ２６ｂから燃料ガスが噴射される場合よりも、ＦＣ４内のアノード流路の入口側の圧力の上昇速度を増大させることができる。即ち、短期間でＦＣ４内のアノード流路の入口側の圧力を上昇させることができる。これにより、ＦＣ４内のアノード流路からの残水の排出が促進され、ＦＣ４内のアノード流路内に燃料ガスを十分に拡散することができ、ＦＣ４の発電性能が向上する。
ここで、噴射流量が同じである２つのインジェクタの一方の開弁期間を他方よりも増大させることによって、一方のインジェクタからの１回の開弁による燃料ガスの噴射量を増大させて、上述した残水の排出を促進することも考えられる。しかしながらこの場合、何れのインジェクタから燃料ガスが噴射されても、ＦＣ４内のアノード流路の入口側の圧力の上昇速度には大きな差はないため、ＦＣ４内のアノード流路からの残水の排出は促進されにくい。そのため、本実施例のように噴射流量が相違するＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂを採用し、噴射流量の大きいＬＩＮＪ２６ｂから燃料ガスを噴射することにより、残水の排出を促進できる。尚、ＦＣ４内のアノード流路内での残水は、主にＦＣ４の発電反応によりカソード極側で発生した生成水が電解質膜を介してアノード極側に透過することにより発生する。
また本実施例では、２つのＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂに対して単一のＭＥＪ２９が共用されているため、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂに対して個別にエジェクタを設ける場合と比較して部品点数が削減されており、搭載スペースも削減されている。
［制御モードの切替制御］
ＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力、ＦＣ４内のアノード流路内での残水量、及び循環管２２内の水素濃度に基づいて、ＳＩＮＪ２６ａ、ＬＩＮＪ２６ｂ、及び排出弁２８の駆動を制御するための制御モードを切り替える切替制御を実行する。この切替制御は、ＥＣＵ３のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭにより機能的に実現される。図３は、切替制御の一例を示したフローチャートである。この切替制御は、繰り返し実行される。
［要求出力］
最初にＥＣＵ３は、ＦＣ４への要求出力が閾値α以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。要求出力は、上述したように、アクセル開度センサ６の検出値や車両用の補機及びＦＣ４用の補機の駆動状態、ＢＡＴ８の蓄電電力等に基づいて、算出される。閾値αは、第１閾値の一例である。
［第１モード］
ステップＳ１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は、制御モードを第１モードに切り替える（ステップＳ２）。第１モードでは、ＳＩＮＪ２６ａではなくＬＩＮＪ２６ｂが駆動されて、大流量の燃料ガスがＬＩＮＪ２６ｂから噴射される。これにより、ＦＣ４は、大きい要求出力に応じた発電電力を出力することができる。更に、上述したようにＬＩＮＪ２６ｂから噴射された燃料ガスはＭＥＪ２９を通過するため、ＬＩＮＪ２６ｂから噴射された燃料ガスとＦＣ４から排出された燃料ガスとを十分に混合させてＦＣ４に供給でき、ＦＣ４の発電性能の低下が抑制される。また、このように要求出力が大きい場合にはＦＣ４の発電反応に伴って生じる生成水の量も多いが、ＬＩＮＪ２６ｂからの燃料ガスの噴射流量は大きいため、ＦＣ４からの残水の排出が促進され、ＦＣ４の発電性能が向上する。尚、詳しくは後述するが、制御モードに関わらずに、ＥＣＵ３は排出弁２８を所定のタイミングで開閉する。排出弁２８の開閉は、前回排出弁２８が閉弁してからのＦＣ４への出力電流の積算値が所定値以上になると排出弁２８が開弁し、排出弁２８の開弁中に循環管２２内の圧力の低下量が所定値以上となると排出弁２８が閉弁される。第１モードで排出弁２８が開閉することにより、ＦＣ４から排出されて気液分離器２７内に貯留した残水を外部へと排出する。
［残水量］
ステップＳ１でＮｏの場合、ＥＣＵ３は、ＦＣ４内のアノード流路内での残水量が閾値β以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ＦＣ４内のアノード流路内での残水量（以下、単に残水量と称する場合には、ＦＣ４内のアノード流量内での残水量を意味する）は、ステップＳ３が実行されるか否かに関わらずに、常時推定されている。閾値βは、第２閾値の一例である。
残水量は、例えば、ＦＣ４のインピーダンスに基づいて推定される。この場合、インピーダンスの抵抗成分が小さい場合には残水量が多いと推定される。ＦＣ４のインピーダンスは、ＦＣ４に接続された電圧センサ及び電流センサの検出値に基づいて算出される。また、残水量は、ＦＣ４の出力電流とＦＣ４の温度とにより残水量を予め規定したマップを参照して得られた値を積算することにより推定してもよい。この場合、ＦＣ４の温度は、例えばＦＣ４の冷却水の温度に基づいて推定してもよい。更に、ＦＣ４のアノード流路４ａの入口及び出口の差圧に基づいて、残水量を推定してもよい。この場合、上記の差圧が大きい場合にはＦＣ４内での燃料ガスの圧損が大きいとして残水量が多いと推定される。上記の差圧は、ＦＣ４のアノード流路４ａの入口近傍に設けられた圧力センサの検出値と、アノード流路４ａの出口近傍に設けられた圧力センサＳ２の検出値とにより算出できる。残水量の推定は、上記の手法に限定されず、その他の手法により推定してもよい。
［第２モード］
ステップＳ３でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は制御モードを第２モードに切り替える（ステップＳ４）。第２モードでは、ＬＩＮＪ２６ｂが駆動され且つ排出弁２８の開閉頻度が増大される。第２モードに切り替えられる場合には、要求出力は小さいが残水量が多いため、ＳＩＮＪ２６ａではなくＬＩＮＪ２６ｂから噴射流量の大きい燃料ガスが噴射されることにより、ＦＣ４内からの残水の排出が促進される。また、第２モードでは排出弁２８の開閉頻度も増大されるため、ＦＣ４から排出されて気液分離器２７内に貯留された残水をシステム１の外部へと排出できる。排出弁２８の開閉頻度とは、所定期間において排出弁２８が開閉動作する回数を意味する。上述したように、排出弁２８は、前回排出弁２８が閉弁してからのＦＣ４への出力電流の積算値が所定値以上になると排出弁２８が開弁するが、この所定値を変更することにより排出弁２８の開閉頻度が増減される。例えば、この所定値を小さい値に設定することにより、排出弁２８の開閉頻度はＦＣ４の出力電流の積算値に対して増大し、所定値を大きな値に設定することにより、排出弁２８の開閉頻度は、ＦＣ４の出力電流の積算値に対して減少する。
第２モードでの排出弁２８の開閉頻度の増大は、第１モードでの排出弁２８の開閉頻度よりも大きいことを意味するのではなく、残水量以外の条件が同一である場合において第２モードでは、後述する第３モードよりも排出弁２８の開閉頻度が増大していることを意味している。即ち、第２モードでは、上述した排出弁２８の開閉頻度を規定する所定値を、第３モードでの所定値よりも大きな値に設定することにより、排出弁２８の開閉頻度を増大させている。また、第２モードに切り替えられる場合には、要求出力は第１モードよりも小さいため、第１モードでのＬＩＮＪ２６ｂのデューティ比よりも小さいデューティ比で駆動される。即ち、第２モードでは、第１モードよりもＬＩＮＪ２６ｂから噴射される燃料ガスの流量が削減されている。
［水素濃度］
ステップＳ３でＮｏの場合、ＥＣＵ３は、循環管２２内の燃料ガスの水素濃度が閾値γ以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。例えば所定期間ＦＣ４の発電が継続されると、カソード側に供給される空気に含まれる窒素等の不純物がＦＣ４の電解質膜を介してアノード側に透過して、循環管２２内の燃料ガスの不純物の濃度が増大すると共に水素濃度が低下する。循環管２２内の燃料ガスの水素濃度が低いほど、ＦＣ４を循環する燃料ガスの水素濃度が低いことを示し、ＦＣ４の発電に供される水素量が低下して発電性能が低下する可能性がある。循環管２２内の水素濃度は、水素濃度センサＳ１に基づいて取得されるが、ステップＳ５の処理が実行されるか否かに関わらず、常時取得される。閾値γは、第３閾値の一例である。水素濃度は、燃料ガスの濃度に相当する。
循環管２２内の水素濃度は、水素濃度センサＳ１に基づいて取得されるがその他の手法により推定してもよい。例えば、排出弁２８の開閉頻度に基づいて推定してもよい。この場合、排出弁２８の開閉頻度が大きいほど、循環管２２内から不純物を外部に排出でき、循環管２２内の燃料ガスの水素濃度は比較的高い値であると推定できる。また、圧力センサＳ２により取得された循環管２２内の圧力に基づいて循環管２２内の水素濃度を推定してもよい。ＦＣ４への燃料ガスの供給量は、ＦＣ４の要求出力に応じて増減されるが、この要求出力に応じてＦＣ４で燃料ガスが消費されるため、循環管２２内の圧力が高いほど、循環管２２内の燃料ガスの不純物の濃度が高いこと、即ち循環管２２内の燃料ガスの水素濃度が低いと推定できる。その他の手法により、水素濃度を推定してもよい。
循環管２２内の燃料ガスの水素濃度を検出する代わりに、供給管２１のＭＥＪ２９とＦＣ４との間に水素濃度センサを設けて、この水素濃度センサにより水素濃度を検出してもよい。供給管２１内であってもＭＥＪ２９より下流側であれば、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れかから新たに噴射された燃料ガスとＦＣ４から排出された燃料ガスとが合流しているため、ＦＣ４を循環する燃料ガスの水素濃度を検出できるからである。
［第３モード］
ステップＳ５でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は制御モードを第３モードに切り替える（ステップＳ６）。第３モードでは、ＬＩＮＪ２６ｂではなくＳＩＮＪ２６ａを駆動する。第３モードに切り替えられる場合には、要求出力が小さく且つ残水量も少ないためＳＩＮＪ２６ａにより必要十分な燃料ガス量をＦＣ４に供給できる。また、第３モードに切り替えられる場合には、循環管２２内の水素濃度も高いことから、排出弁２８の開閉頻度を増大する必要性も少ない。尚、上述したように第３モードでは、排出弁２８の開閉頻度を規定する所定値は、第２モードでの所定値よりも大きい値に設定され、これにより第３モードでは第２モードより排出弁２８の開閉頻度が削減されている。
［第４モード］
ステップＳ５でＮｏの場合、ＥＣＵ３は制御モードを第４モードに切り替える（ステップＳ７）。第４モードでは、ＳＩＮＪ２６ａが駆動され、排出弁２８の開閉頻度が増大される。第４モードに切り替えられる場合には、第３モードと同様に要求出力が小さく且つ残水量も少ないためＳＩＮＪ２６ａにより必要十分な燃料ガス量をＦＣ４に供給できるが、循環管２２内の水素濃度が低いため排出弁２８の開閉頻度が増大される。これにより、水素濃度が低く不純物の濃度の高い燃料ガスを外部へと排出することを促進でき、水素濃度の高く不純物の濃度が低い燃料ガスをＦＣ４に循環させてＦＣ４の発電性能を向上させることができる。第４モードでも、水素濃度以外の条件が同一である場合において第３モードよりも排出弁２８の開閉頻度が増大されている。第４モードでは、排出弁２８の開閉頻度を規定する所定値は、第３モードでの所定値よりも小さな値に設定され、これにより第４モードでは第３モードより排出弁２８の開閉頻度が増大している。
［その他］
例えばステップＳ３でＹｅｓと判定されて第２モードに切り替えられた直後に、ステップＳ３でＮｏと判定されて第３又は第４モードに切り替えられる場合が起こり得る。このように制御モードが短期間で頻繁に切り替えられる切替えのハンチングが生じる恐れがある。このような切替えのハンチングを防止するために、ある制御モードに切り替えられた場合には、所定時間その制御モードが継続された後に、ステップＳ３及びＳ５の判定結果に基づいて異なる制御モードに切り替えられるようにすることが好ましい。但し、第１モードから第１モード以外に切り換えられる場合や、第１モード以外から第１モードに切り替えられる場合には、加速要求や減速要求へのＦＣ４の出力の応答遅れを防止するために、ステップＳ１の判定結果に基づいて直ちに切り替え対象の制御モードに切り替えるようにしてもよい。
［切替制御のタイミングチャート］
図４は、切替制御の一例を示したタイミングチャートである。図４には、実施される制御モード、ＦＣ４への要求出力、ＦＣ４のアノード極側での残水量、水素濃度センサＳ１によって検出された循環管２２内の水素濃度、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの駆動状態、排出弁２８の開閉状態、圧力センサＳ２によって検出された循環管２２内の圧力を示している。上述したようにＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂによる燃料ガスの噴射は間欠的に行われるため、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの何れかが開弁した期間では燃料ガスが噴射されているため、循環管２２内の水素濃度及び圧力は上昇し、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂが閉弁した期間では、循環管２２内の水素濃度及び圧力は低下する。
図４に示すように第３モードが実施されている状態で（時刻ｔ０）、例えば運転者の操作によりアクセルペダルの開度が増大して加速要求がなされると、ＦＣ４への要求出力が増大する。要求出力が閾値α以上となると、第３モードから第１モードに切り替えられ（時刻ｔ１）、ＳＩＮＪ２６ａの駆動は停止されＬＩＮＪ２６ｂの駆動が開始される。これにより加速要求に対応するようにＦＣ４の出力が増大すると共に残水量は低下する。尚、第１モードではＦＣ４への要求出力が大きいため、第１モード以外の制御モードと比較して、ＦＣ４の出力電流の積算値も短期間で所定値以上となる。このため、所定期間あたりの第１モードでの排出弁２８の開閉頻度は、結果的に第１モード以外の制御モードよりも増大する。これにより、第１モードではＦＣ４の発電反応に伴う生成水の量が増大して気液分離器２７に貯留した残水の量も短期間で増大するところ、このような気液分離器２７に貯留する残水の量に対応して排出弁２８の開閉頻度が確保されている。
次に、アクセルペダルの開度が減少して減速要求がなされると、要求出力は低下する。要求出力が閾値α未満となると、第１モードから第３モードへ切り替えられ（時刻ｔ２）、ＬＩＮＪ２６ｂの駆動は停止されＳＩＮＪ２６ａの駆動が開始される。これによりＦＣ４の出力は低下すると共にＦＣ４内での残水量は増大する。
尚、第１モードから第２モード以外の異なる制御モードに切り替えられた後には、残水量は増大する傾向にある。第２モードでは、ＬＩＮＪ２６ｂから燃料ガスが噴射されるためＦＣ４からの残水の排出が促進されるが、第１モードから第２モード以外の制御モードに切り替えられた後では、ＳＩＮＪ２６ａから少ない流量の燃料ガスが噴射される。このため、第１モードで制御されていた際の生成水の一部がＦＣ４内で残水として滞留し、この残水によりＦＣ４内で新たに生じた生成水の排出が妨げられて、ＦＣ４内で残水が徐々に増大するからである。
残水量が閾値β以上となると、第３モードから第２モードへ切り替えられる（時刻ｔ３）。第２モードでは、ＳＩＮＪ２６ａの駆動が停止されＬＩＮＪ２６ｂの駆動が開始されると共に排出弁２８の開閉頻度が増大され、残水量は低下する。第２モードに切り替えられてから所定期間経過後に残水量が閾値β未満にまで低下すると、第２モードから第３モードへと切り替えられる（時刻ｔ４）。第３モードが長期間継続されると、循環管２２内の水素濃度が低下する傾向にある。第３モードでは循環管２２の開閉頻度は少ないため、循環管２２内から不純物を外部に排出できずに水素濃度が低下するからである。
第３モードに切り替えられてから所定期間経過後に循環管２２内の水素濃度が閾値γ未満となると、第３モードから第４モードへと切り替えられる（時刻ｔ５）。第４モードでは、排出弁２８の開閉頻度が増大されるため、循環管２２内の水素濃度は徐々に増大する。第４モードに切り替えられてから所定期間経過後に循環管２２内の水素濃度が閾値γ以上になっていると、第４モードから第３モードに切り替えられる（時刻ｔ６）。このように、ＦＣ４内の残水量や循環管２２内の水素濃度に応じてＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの切り替え、及び排出弁２８の開閉頻度の変更が行われ、燃費の向上と発電性能の向上とが図られている。
［変形例の制御］
次に、ＥＣＵ３が実行する変形例の切替制御について説明する。図５は、変形例の切替制御を示したフローチャートである。尚、上述した本実施例の切替制御とは異なる処理についてのみ異なる符号を用いて説明する。本変形例では、ＥＣＵ３は、水素濃度が閾値γａ以上か否かを判定し（ステップＳ５ａ）、ステップＳ５ａでＮｏの場合には、第４モードに切り替えられてＳＩＮＪ２６ａによる燃料ガスの噴射量を増大する（ステップＳ７ａ）。具体的には、循環管２２内の水素濃度以外が同一である条件下で、第４モードでは、第３モードよりもＳＩＮＪ２６ａのデューティ比が増大されてＳＩＮＪ２６ａによる燃料ガスの噴射量が増大される。これにより、水素濃度の高い燃料ガスをＦＣ４に循環させることができ、ＦＣ４の発電性能が向上する。尚、本変形例では、第４モードでの排出弁２８の開閉頻度は、第３モードと同じであるがこれに限定されない。第４モードにおいても、水素濃度の高い燃料ガスが排出されない程度で排出弁２８の開閉頻度を第３モードよりも増大させてもよい。
［変形例の燃料電池システムの構成］
次に、変形例の燃料電池システム１Ａの構成について説明する。図６は、変形例の燃料電池システム１Ａの一部分を示した構成図である。尚、上述した本実施例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。燃料電池システム１Ａでは、ＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂからそれぞれ噴射された燃料ガスが通過するエジェクタ（以下、ＥＪと称する）２９ａ及び２９ｂが設けられている。即ち、ＳＩＮＪ２６ａから噴射された燃料ガスはエジェクタ２９ａのみを通過し、ＬＩＮＪ２６ｂから噴射された燃料ガスはエジェクタ２９ｂのみを通過する。ＳＩＮＪ２６ａ及びＥＪ２９ａと、ＬＩＮＪ２６ｂ及びＥＪ２９ｂとは、供給管２１Ａの部分的に互いに分岐した分岐管２１ａ及び２１ｂにそれぞれ設けられている。循環管２２Ａは、気液分離器２７よりも下流側で分岐管２２ａ及び２２ｂに分岐しており、分岐管２２ａ及び２２ｂはそれぞれＥＪ２９ａ及び２９ｂに接続されている。
このように、ＥＪ２９ａ及び２９ｂはそれぞれＳＩＮＪ２６ａ及びＬＩＮＪ２６ｂの専用のエジェクタであるため、ＥＪ２９ａの設計の際にはＬＩＮＪ２６ｂの諸元を考慮する必要はなく、ＥＪ２９ｂの設計の際にはＳＩＮＪ２６ａの諸元を考慮する必要はない。従って、ＥＪ２９ａ及び２９ｂのそれぞれの設計の自由度が確保されている。例えばＬＩＮＪ２６ｂはＳＩＮＪ２６ａよりも燃料ガスの噴射流量が大きいため、ＥＪ２９ｂはＥＪ２９ａよりも大型に設計してもよい。
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。
３ ＥＣＵ（制御装置）
２６ａ 小流量インジェクタ（第１インジェクタ）
２６ｂ 大流量インジェクタ（第２インジェクタ）
２７ 気液分離器
２８ 排出弁
２９ マルチノズルエジェクタ（エジェクタ機構）
２９ａ、２９ｂ エジェクタ（エジェクタ機構）

Claims (4)

  1. 燃料電池と、
    燃料ガスを噴射する第１インジェクタと、
    前記第１インジェクタよりも噴射流量が大きい噴射流量で燃料ガスを噴射する第２インジェクタと、
    前記第１及び第２インジェクタからそれぞれ噴射された前記燃料ガスが通過するエジェクタ機構と、
    前記エジェクタ機構を通過した前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給通路と、
    前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記エジェクタ機構に戻す循環通路と、
    前記第１及び第２インジェクタを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が第１閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記燃料電池のアノード流路内の残水量が第２閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満の場合には、前記第１インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、
    前記循環通路に設けられた気液分離器と、
    前記気液分離器に接続された排出通路と、
    前記排出通路に設けられた排出弁と、を備え、
    前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満である同一条件下において、前記残水量が前記第２閾値以上の場合には前記残水量が前記第２閾値未満の場合よりも、前記排出弁の開閉頻度を増大させ、
    前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満である同一条件下において、前記供給通路及び循環通路の何れかでの前記燃料ガスの濃度が第３閾値未満の場合には、前記濃度が前記第３閾値以上の場合よりも、前記排出弁の開閉頻度を増大させる、燃料電池システム。
  2. 燃料電池と、
    燃料ガスを噴射する第１インジェクタと、
    前記第１インジェクタよりも噴射流量が大きい噴射流量で燃料ガスを噴射する第２インジェクタと、
    前記第１及び第２インジェクタからそれぞれ噴射された前記燃料ガスが通過するエジェクタ機構と、
    前記エジェクタ機構を通過した前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給通路と、
    前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記エジェクタ機構に戻す循環通路と、
    前記第１及び第２インジェクタを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池への要求出力が第１閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記燃料電池のアノード流路内の残水量が第２閾値以上の場合には前記第２インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満の場合には、前記第１インジェクタにより前記燃料ガスを噴射させ、
    前記循環通路に設けられた気液分離器と、
    前記気液分離器に接続された排出通路と、
    前記排出通路に設けられた排出弁と、を備え、
    前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満である同一条件下において、前記残水量が前記第２閾値以上の場合には前記残水量が前記第２閾値未満の場合よりも、前記排出弁の開閉頻度を増大させ、
    前記制御装置は、前記要求出力が前記第１閾値未満であって前記残水量が前記第２閾値未満である同一条件下において、前記供給通路及び循環通路の何れかでの前記燃料ガスの濃度が第４閾値未満の場合には、前記濃度が前記第４閾値以上の場合よりも、前記第１インジェクタによる噴射量を増大する、燃料電池システム。
  3. 前記エジェクタ機構は、前記第１及び第２インジェクタの何れかからも噴射された前記燃料ガスが通過する単一のエジェクタを含む、請求項１又は２の燃料電池システム。
  4. 前記エジェクタ機構は、前記第１及び第２インジェクタのそれぞれの下流に配置された第１及び第２エジェクタを含み、
    前記循環通路は、互いに分岐して前記第１及び第２エジェクタにそれぞれ接続された第１及び第２分岐通路を含む、請求項１又は２の燃料電池システム。
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