JP7435496B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本明細書に開示する技術は、燃料電池システムに関する。
特許文献１には、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、燃料ガス供給路に設けられているインジェクタと、燃料ガス供給路に設けられており、インジェクタと燃料電池スタックとの間に設けられているエジェクタと、燃料電池スタックから排出される燃料オフガスをエジェクタに供給する循環路と、エジェクタの出口の圧力である出口圧力を検出する出口圧力検出部と、制御装置と、を備える燃料電池システムが開示されている。
一般的に、インジェクタが駆動している状態（以下では、「駆動状態」と記載することがある）において、エジェクタの出口の圧力（以下では、「エジェクタ出口圧力」と記載することがある）は大きくなっていき、インジェクタの駆動が停止している状態（以下では、「停止状態」と記載することがある）において、エジェクタ出口圧力は小さくなっていく。燃料電池システムに対する要求負荷（要求電力）に基づいて、エジェクタ出口圧力の要求上限値、及び、要求下限値を特定する燃料電池システムが存在する。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの制御装置は、インジェクタの駆動状態におけるエジェクタ出口圧力が要求上限値以上となる場合に、インジェクタの駆動を停止させ、インジェクタの停止状態におけるエジェクタ出口圧力が下要求下限値以下となる場合に、インジェクタの駆動を開始させる。
燃料電池システムに対する要求負荷が高負荷から低負荷に変化する場合がある。高負荷に対応する要求上限値、及び、要求下限値は、低負荷に対応する要求上限値、及び、要求下限値よりも大きい。特に、高負荷に対応する要求下限値は、低負荷に対応する要求上限値よりも大きい。このため、要求負荷が高負荷から低負荷に変化する時のエジェクタ出口圧力は、低負荷に対応する要求上限値よりも大きい。従って、要求負荷が高負荷から低負荷に変化する時にインジェクタが駆動している場合、インジェクタの駆動は停止され、高負荷から低負荷に変化する時にインジェクタの駆動が停止している場合、インジェクタは停止状態に維持される。そして、エジェクタ出口圧力が、低負荷に対応する要求下限値以下となるまでの間、インジェクタは停止状態に維持される。高負荷と低負荷の差分が大きいと、要求負荷が高負荷から低負荷に変化した後におけるインジェクタが停止状態に維持される時間（以下では、「インジェクタ停止時間」と記載することがある）が長くなる。エジェクタは、インジェクタの駆動状態において、インジェクタから供給される燃料ガスの流れによって、循環路を流れる燃料オフガスを吸引し、これらのガスを混合して、燃料電池スタックに供給する。一方、インジェクタの停止状態において、エジェクタは燃料オフガスを吸引しない。即ち、インジェクタの停止状態において、燃料オフガスが燃料電池スタックに供給されない。インジェクタ停止時間が長い場合、燃料オフガスが燃料電池スタックに供給されないために、燃料電池スタックでの発電に利用可能な水素が不足することがある。発電に利用可能な水素が不足すると、燃料電池スタックが劣化してしまう。
本明細書は、エジェクタを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる技術を提供する。
本明細書に開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に設けられているインジェクタと、前記燃料ガス供給路に設けられており、前記インジェクタと前記燃料電池スタックとの間に設けられているエジェクタと、前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを前記エジェクタに供給する循環路と、前記エジェクタの出口の圧力であるエジェクタ出口圧力を検出する出口圧力検出部と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池システムに対する要求負荷に基づいて、前記エジェクタ出口圧力に対応する要求上限値及び要求下限値を特定し、前記インジェクタが駆動している状態において、前記エジェクタ出口圧力が前記要求上限値以上となる場合に、前記インジェクタの駆動を停止させ、前記インジェクタが停止している状態において、前記エジェクタ出口圧力が前記要求下限値以下となる場合に、前記インジェクタの駆動を開始させるように構成されており、前記制御装置は、前記要求負荷が、第１要求負荷から、前記第１要求負荷よりも小さい第２要求負荷に変化する場合であり、かつ、前記第１要求負荷から前記第２要求負荷を減算した負荷低下量が第１所定負荷未満である場合に、前記要求上限値を、前記第１要求負荷に対応する第１目標上限値から前記第２要求負荷に対応する第２目標上限値に変更するとともに、前記要求下限値を、前記第１要求負荷に対応する第１目標下限値から前記第２要求負荷に対応する第２目標下限値に変更し、前記要求負荷が、前記第１要求負荷から前記第２要求負荷に変化する場合であり、かつ、前記負荷低下量が前記第１所定負荷よりも大きい場合に、前記第１目標上限値と前記第２目標上限値との範囲において、前記要求上限値を段階的に低下させるとともに、前記第１目標下限値と前記第２目標下限値との範囲において、前記要求下限値を段階的に低下させるように構成されていてもよい。
上記の構成によれば、制御装置は、要求負荷の負荷低下量が第１所定負荷よりも大きい場合に、第１目標上限値と第２目標上限値との範囲において、要求上限値を段階的に低下させるとともに、第１目標下限値と第２目標下限値との範囲内において、要求下限値を段階的に低下させる。このような構成によると、要求負荷が第１要求負荷から第２要求負荷に変化した後におけるエジェクタ出口圧力は、第２目標下限値以下となる前に、段階的に低下する要求下限値以下になる。制御装置は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求下限値以下になる場合に、インジェクタに駆動を開始させる。そして、制御装置は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求上限値以上になる場合に、インジェクタの駆動を停止させる。このように、要求負荷が第１要求負荷から第２要求負荷に変化した後におけるエジェクタ出口圧力が第２目標下限値以下となる過程において、インジェクタが駆動される。即ち、燃料オフガスが、エジェクタを介して、燃料電池スタックに供給される。従って、燃料電池スタックでの発電に利用可能な水素が不足することを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックが劣化することを抑制することができる。
制御装置は、要求負荷が第３要求負荷であり、要求上限値が第３要求負荷に対応する第３目標上限値であり、第３要求負荷が第２所定負荷未満であり、かつ、インジェクタが駆動している状態において、エジェクタ出口圧力が第３目標上限値以上となる場合に、第３目標上限値と第３要求負荷に対応する第３目標下限値との範囲において、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させるように構成されていてもよい。
要求負荷が小さいほど、インジェクタの停止状態におけるエジェクタ出口圧力の時間当たりの低下量は小さくなる。このため、要求負荷が小さいほど、エジェクタ出口圧力が要求上限値から要求下限値に到達するまでの時間が長くなる。この場合も、燃料電池スタックでの発電に利用可能な水素が不足することがある。上記の構成によれば、制御装置は、第３要求負荷が第２所定負荷未満である場合に、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる。このような構成によると、エジェクタ出口圧力は、第３要求下限値以下となる前に、段階的に低下する要求下限値以下になる。制御装置は、エジェクタ出口圧力が、第３目標上限値と第３目標下限値との範囲において段階的に低下する要求下限値以下になる場合に、インジェクタの駆動を開始させる。そして、制御装置は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求上限値よりも大きくなる場合に、インジェクタの駆動を停止させる。このように、要求負荷が第３目標下限値以下となる過程において、インジェクタが駆動される。即ち、燃料オフガスが、エジェクタを介して、燃料電池スタックに供給される。従って、燃料電池スタックでの発電に利用可能な水素が不足することを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックが劣化することを抑制することができる。
図１を参照して、燃料電池システム２について説明する。燃料電池システム２は、燃料タンク１０と、インジェクタ２０と、エジェクタ３０と、燃料電池スタック４０と、気液分離器５０と、ＥＣＵ１００（Electronic Control Unitの略）と、を備えている。燃料電池システム２は、例えば、燃料電池自動車に搭載される。
燃料電池スタック４０は、水素と酸素の化学反応によって電力を発電する装置である。水素と酸素が化学反応することによって水が生成される。燃料電池スタック４０は複数の単セル（図示省略）を備えている。各単セルは、燃料極と空気極を備えており、燃料極に燃料ガス（水素ガス）が供給され、空気極に酸素を含む空気が供給されることによって発電する。燃料電池スタック４０で発電された電力は、例えば、燃料電池自動車の走行用モータに供給される。燃料電池スタック４０での発電に使用されなかった未反応の燃料ガス（以下では、「燃料オフガス」と記載する）は、燃料電池スタック４０から排出される。燃料オフガスには、発電時に生成された水が蒸気の状態で含まれている。
燃料タンク１０には、燃料電池スタック４０に供給される燃料ガス（本実施例では水素ガス）が貯蔵されている。燃料タンク１０には、第１燃料供給路１２の上流端部が接続されている。第１燃料供給路１２の下流端部は、インジェクタ２０に接続されている。第１燃料供給路１２には、上流側から下流側に向けて順に、主止弁１４、及び、減圧弁１６が設けられている。主止弁１４は、第１燃料供給路１２を開閉する。主止弁１４が開弁すると、燃料タンク１０から燃料電池スタック４０に燃料ガスが供給される。主止弁１４が閉弁すると、燃料タンク１０から燃料電池スタック４０に燃料ガスが供給されなくなる。減圧弁１６は、第１燃料供給路１２を流れる燃料ガスの圧力を調整する。減圧弁１６は、第１燃料供給路１２を通じて燃料電池スタック４０に供給される燃料ガスの圧力を減圧することができる。
インジェクタ２０は、燃料電池スタック４０に供給される燃料ガスの圧力及び流量を調整する。インジェクタ２０は例えば電磁弁である。インジェクタ２０が開弁すると燃料電池スタック４０に水素が供給され、インジェクタ２０が閉弁すると燃料電池スタック４０に水素が供給されなくなる。インジェクタ２０の開度及び開弁時間の調整によって、燃料ガスの圧力及び流量が調整される。インジェクタ２０には、第２燃料供給路２２の上流端部が接続されている。第２燃料供給路２２の下流端部は、エジェクタ３０に接続されている。第２燃料供給路２２には、第２燃料供給路２２内の燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２４が設けられている。
エジェクタ３０には、第３燃料供給路３２の上流端部が接続されている。第３燃料供給路３２の下流端部は、燃料電池スタック４０に接続されている。また、エジェクタ３０には、ガス循環路５２の上流端部が接続されている。後述するように、ガス循環路５２には、燃料オフガスが供給される。エジェクタ３０は、第２燃料供給路２２から供給される燃料ガスの流れによって、ガス循環路５２を流れる燃料オフガスを吸引し、これらのガスを混合して、第３燃料供給路３２に吐出する。そして、第３燃料供給路３２に吐出されたガスは、燃料電池スタック４０に供給される。なお、以下では、第１燃料供給路１２、第２燃料供給路２２、及び、第３燃料供給路３２を総称して、「燃料供給路」と記載することがある。
燃料電池スタック４０には、空気供給路６０の下流端部が接続されている。空気供給路６０の上流端部は外部に開放されている。空気供給路６０にはコンプレッサ６２が設けられている。コンプレッサ６２は、空気供給路６０に導入された空気を燃料電池スタック４０に圧送する。例えば、燃料電池自動車の外部の空気が空気供給路６０を通じて燃料電池スタック４０に供給される。
また、燃料電池スタック４０には、排ガス路４２の上流端部が接続されている。排ガス路４２の下流端部は、気液分離器５０に接続されている。燃料オフガスは、排ガス路４２を通って、気液分離器５０に供給される。また、燃料電池スタック４０には、空気排出路６４の上流端部が接続されている。空気排出路６４の上流端部は外部に開放されている。燃料電池スタック４０での発電に使用されなかった空気は、空気排出路６４を通って、外部に放出される。
気液分離器５０は、排ガス路４２から気液分離器５０内に導入された燃料オフガスに含まれている水を分離して貯留する。気液分離器５０内に導入された燃料オフガスに含まれている水蒸気が冷やされ、気液分離器５０内に凝縮水（液水）が貯留される。例えば、外気によって水蒸気が冷やされて凝縮水（液水）が気液分離器５０内に貯留される。
気液分離器５０には、ガス循環路５２の上流端部が接続されている。気液分離器５０内の燃料オフガスが、ガス循環路５２を通って、エジェクタ３０に供給される。エジェクタ３０に導入された燃料オフガスは、第３燃料供給路３２を通じて再び燃料電池スタック４０に供給される。これによって、燃料電池スタック４０から排出された燃料オフガスが再び燃料電池スタック４０に供給されて発電に利用される。
また、気液分離器５０には、排気排水路５６の上流端部が接続されている。排気排水路５６の下流端部は外部に開放されている。排気排水路５６には、排気排水弁５８が設けられている。排気排水弁５８が開弁すると、燃料オフガス及び液水が外部へ流れる。排気排水弁５８が閉弁すると、燃料オフガス及び液水が外部へ流れなくなる。
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵと、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリと、を備えている。ＥＣＵ１００は、燃料電池システム２に要求される負荷（要求負荷）を特定し、要求電流が得られるように、インジェクタ２０等の動作を制御する。
図２を参照して、ＥＣＵ１００によって制御されるインジェクタ２０の動作について説明する。図２は、要求負荷ＲＬ１が一定であり、かつ、要求負荷ＲＬ１が高負荷である場合のタイムチャートである。ＥＣＵ１００は、エジェクタ３０の出口の圧力（以下では、「エジェクタ出口圧力」と記載することがある）に基づいて、インジェクタ２０の動作を制御するように構成されている。具体的には、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が、要求上限値と要求下限値との範囲に収まるように、インジェクタ２０の動作を制御する。なお、ＥＣＵ１００は、圧力センサ２４によって検出される燃料ガスの圧力、要求負荷、燃料電池スタック４０によって発電されている実際の電力等に基づいて、エジェクタ３０の出口圧力を算出可能に構成されている。
ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷ＲＬ１を特定し、要求負荷ＲＬ１を利用して、要求負荷ＲＬ１に対応する第１実上限値ＡＵ１、及び、第１実下限値ＡＬ１を特定する。そして、ＥＣＵ１００は、第１実上限値ＡＵ１を要求上限値として特定するとともに、第１実下限値ＡＬ１を要求下限値として特定する。この場合、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２０が駆動している状態（以下では、「駆動状態」と記載することがある）において、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第１実上限値ＡＵ１）以上となる場合（時刻Ｔ１）に、インジェクタ２０の駆動を停止させる。次いで、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２０が停止している状態（以下では、「停止状態」と記載することがある）において、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第１実下限値ＡＬ１）以下となる場合（時刻Ｔ３）に、インジェクタ２０の駆動を開始させる。次いで、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２０の駆動状態において、エジェクタ出口圧力が要求上限値以上となる場合（時刻Ｔ３）に、インジェクタ２０の駆動を停止させる。なお、本実施例において、実上限値と実下限値の差分は、要求負荷の大きさに関わらず、同じである。
（上下限値特定処理；図３、図４）
図３、図４を参照して、上述の要求上限値、及び、要求下限値を特定するために利用される第１上下限値特定処理、第２上下限値特定処理について説明する。
図３、図４を参照して、上述の要求上限値、及び、要求下限値を特定するために利用される第１上下限値特定処理、第２上下限値特定処理について説明する。
（第１上下限値特定処理；図３）
図３を参照して、ＥＣＵ１００によって実行される第１上下限値特定処理について説明する。ＥＣＵ１００は、要求負荷の変動が一定量以下である場合、即ち、要求負荷が安定している場合に、図３の処理を実行する。
図３を参照して、ＥＣＵ１００によって実行される第１上下限値特定処理について説明する。ＥＣＵ１００は、要求負荷の変動が一定量以下である場合、即ち、要求負荷が安定している場合に、図３の処理を実行する。
ステップＳ１０において、ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷が第１負荷閾値以上であるのか否かを判断する。第１負荷閾値は、インジェクタ２０の停止状態において、現在の要求負荷に対応する実上限値から現在の要求負荷に対応する実下限値に到達するのに要する時間が第１所定時間以上となる値である。第１所定時間は、燃料電池スタック４０での発電に利用可能な水素が不足する時間である。ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷が第１負荷閾値以上である場合に、ステップＳ１０でＹＥＳと判断し、ステップＳ１２に進む。一方、ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷が第１負荷閾値未満である場合に、ステップＳ１０でＮＯと判断し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１２において、ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷に対応する実上限値、及び、実下限値を特定する。この場合、ＥＣＵ１００は、実上限値を要求上限値として特定するとともに、実下限値を要求下限値として特定して、インジェクタ２０の動作を制御する。ＥＣＵ１００は、ステップＳ１２の処理が終了すると、ステップＳ１０に戻る。
ステップＳ１４において、ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷に対応する実上限値、及び、実下限値を特定する。さらに、ＥＣＵ１００は、実上限値、及び、実下限値を利用して、Ｎ（１以上の整数である）個の仮想上限値、及び、Ｎ個の仮想下限値を特定する。本実施例では、Ｎは「２」である。２個の仮想上限値、及び、２個の仮想下限値は、実上限値よりも大きく実下限値よりも小さい値である。ＥＣＵ１００は、実上限値、２個の仮想上限値、実下限値、及び、２個の仮想下限値を利用して、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させながら、インジェクタ２０の動作を制御する。要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる手法については、後で詳しく説明する（図５参照）。ＥＣＵ１００は、ステップＳ１４の処理が終了すると、ステップＳ１０に戻る。なお、変形例では、Ｎは、「１」であってもよいし、「３」以上の整数であってもよい。
（第２上下限値特定処理；図４）
図４を参照して、ＥＣＵ１００によって実行される第２上下限値特定処理について説明する。ＥＣＵ１００は、要求負荷の変化量が一定量よりも大きくなる場合に、図４の処理を実行する。
図４を参照して、ＥＣＵ１００によって実行される第２上下限値特定処理について説明する。ＥＣＵ１００は、要求負荷の変化量が一定量よりも大きくなる場合に、図４の処理を実行する。
ステップＳ３０において、ＥＣＵ１００は、要求負荷が低下したのか否かを判断する。ＥＣＵ１００は、現在の要求負荷が過去（例えば１秒前）の要求負荷よりも大きいのか否かに基づいて、要求負荷が低下したのか否かを判断する。ＥＣＵ１００は、要求負荷が増加した場合に、ステップＳ３０でＮＯと判断し、ステップＳ３２に進む。一方、ＥＣＵ１００は、要求負荷が低下した場合に、ステップＳ３０でＹＥＳと判断し、ステップＳ４０に進む。ステップＳ３２で実行される処理の内容は、図３のステップＳ１２で実行される処理の内容と同様である。ＥＣＵ１００は、ステップＳ３２の処理が終了すると、図４の処理を終了する。
ステップＳ４０において、ＥＣＵ１００は、要求負荷の低下量（以下では、「負荷低下量」と記載する）が第２負荷閾値以上であるのか否かを判断する。ＥＣＵ１００は、過去（例えば１秒前）の要求負荷から現在の要求負荷を減算することによって負荷低下量を算出する。そして、ＥＣＵ１００は、負荷低下量が第２負荷閾値以上である場合に、ステップＳ４０でＹＥＳと判断し、ステップＳ４２に進む。一方、ＥＣＵ１００は、負荷低下量が第２負荷閾値未満である場合に、ステップＳ４０でＮＯと判断し、ステップＳ３２に進む。
ステップＳ４２において、ＥＣＵ１００は、現在（即ち変化後）の要求負荷に対応する実上限値、及び、実下限値を特定する。さらに、ＥＣＵ１００は、過去（例えば、１秒前）の要求負荷に対応する実上限値、及び、現在の要求負荷に対応する実上限値を利用して、Ｍ（１以上の整数である）個の仮想上限値を特定する。また、ＥＣＵ１００は、過去の実下限値、及び、現在の実下限値を利用して、Ｍ個の仮想下限値を特定する。本実施例では、Ｍは「３」である。この場合、ＥＣＵ１００は、過去の実上限値、３個の実上限値、現在の実上限値、過去の実下限値、３個の仮想下限値、及び、現在の実下限値を利用して、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させながら、インジェクタ２０の動作を制御する。要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる手法については、後で詳しく説明する（図５参照）。ＥＣＵ１００は、ステップＳ４２の処理が終了すると、図４の処理を終了する。なお、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４２を経た後において、要求負荷の変動量が一定量以下である場合であっても、エジェクタ３０の出口圧力が現在の実下限値以下となるまでの間、図３の処理を実行しない。なお、変形例では、Ｍは、「１」、「２」であってもよいし、「４」以上の整数であってもよい。
（具体的なケース；図５）
続いて、図５を参照して、図３、図４の処理が実行されることによって実現される具体的なケースについて説明する。なお、図５では、見易くするために、インジェクタ２０の動作を省略している。図５の要求負荷ＲＬ２は第１負荷閾値よりも大きく、要求負荷ＲＬ３は第１負荷閾値よりも小さい。また、要求負荷ＲＬ２から要求負荷ＲＬ３を減算した負荷低下量は、第２負荷閾値よりも大きい。また、図５では、要求上限値、要求下限値を太い破線で示している。
続いて、図５を参照して、図３、図４の処理が実行されることによって実現される具体的なケースについて説明する。なお、図５では、見易くするために、インジェクタ２０の動作を省略している。図５の要求負荷ＲＬ２は第１負荷閾値よりも大きく、要求負荷ＲＬ３は第１負荷閾値よりも小さい。また、要求負荷ＲＬ２から要求負荷ＲＬ３を減算した負荷低下量は、第２負荷閾値よりも大きい。また、図５では、要求上限値、要求下限値を太い破線で示している。
時刻Ｔ１０において、ＥＣＵ１００は、要求負荷が安定していると判断し、第１上下限値特定処理（図３）を実行する。ＥＣＵ１００は、要求負荷ＲＬ２が第１負荷閾値よりも大きいと判断し（図３のステップＳ１０でＹＥＳ）、要求負荷ＲＬ２に対応する第２実上限値ＡＵ２、及び、第２実下限値ＡＬ２を特定する（ステップＳ１２）。そして、ＥＣＵ１００は、第２実下限値ＡＬ２を要求下限値として特定するとともに、第２実下限値ＡＬ２を要求下限値として特定する。この場合、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２０が駆動している状態において、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第２実上限値ＡＵ２）以上になる場合に、インジェクタ２０の駆動を停止させ、インジェクタ２０が停止している状態において、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第２実下限値ＡＬ２）以下になる場合に、インジェクタ２０の駆動を開始させる。
時刻Ｔ１１において、ＥＣＵ１００は、要求負荷が要求負荷ＲＬ２から要求負荷ＲＬ３に変化したと判断し、第２上下限値特定処理（図４）を実行する。ＥＣＵ１００は、要求負荷ＲＬ３が要求負荷ＲＬ２よりも小さいために、要求負荷が低下したと判断し（ステップＳ３０でＹＥＳ）、要求負荷ＲＬ２から要求負荷ＲＬ３を減算した負荷低下量ＲＬｄが第２負荷閾値よりも大きいと判断する（ステップＳ４０でＹＥＳ）。この場合、ＥＣＵ１００は、要求負荷ＲＬ３に対応する第３実上限値ＡＵ３、及び、第３実下限値ＡＬ３を特定する（ステップＳ４２）。そして、ＥＣＵ１００は、第２実上限値ＡＵ２、及び、第３実上限値ＡＵ３を利用して、第１仮想上限値ＶＵ１～第３仮想上限値ＶＵ３を算出する（ステップＳ４２）。ＥＣＵ１００は、第２実上限値ＡＵ２と第１仮想上限値ＶＵ１との差分、第１仮想上限値ＶＵ１と第２仮想上限値ＶＵ２との差分、第２仮想上限値ＶＵ２と第３仮想上限値ＶＵ３との差分、及び、第３仮想上限値ＶＵ３と第３実上限値ＡＵ３との差分が同じになるように、第１仮想上限値ＶＵ１～第３仮想上限値ＶＵ３を算出する。また、ＥＣＵ１００は、第２実下限値ＡＬ２、及び、第３実下限値ＡＬ３を利用して、第１仮想下限値ＶＬ１～第３仮想下限値ＶＬ３を算出する。ＥＣＵ１００は、第２実下限値ＡＬ２と第１仮想下限値ＶＬ１との差分、第１仮想下限値ＶＬ１と第２仮想下限値ＶＬ２との差分、第２仮想下限値ＶＬ２と第３仮想下限値ＶＬ３との差分、及び、第３仮想下限値ＶＬ３と第３実下限値ＡＬ３との差分が同じになるように、第１仮想下限値ＶＬ１～第３仮想下限値ＶＬ３を算出する。その後、ＥＣＵ１００は、第２実上限値ＡＵ２、第１仮想上限値ＶＵ１～第３仮想上限値ＶＵ３、第３実上限値ＡＵ３、第２実下限値ＡＬ２、第１仮想下限値ＶＬ１～第３仮想下限値ＶＬ３、及び、第３実下限値ＡＬ３を利用して、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させていく。
時刻Ｔ１２において、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第２実下限値ＡＬ２）以下であると判断し、要求上限値を第２実上限値ＡＵ２から第１仮想上限値ＶＵ１に変更するとともに、インジェクタ２０の駆動を開始させる。次いで、時刻Ｔ１３において、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第１仮想上限値ＶＵ１）以上であると判断し、要求下限値を第２実下限値ＡＬ２から第１仮想下限値ＶＬ１に変更するとともに、インジェクタ２０の駆動を停止させる。その後、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求下限値以下となる毎に、要求上限値を、第２仮想上限値ＶＵ２、第３仮想上限値ＶＵ３、第３実上限値ＡＵ３の順に変更する。また、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求上限値以上となる毎に、要求下限値を、第２仮想下限値ＶＬ２、第３仮想下限値ＶＬ３、第３実下限値ＡＬ３の順に変更する。このように、本実施例のＥＣＵ１００は、第１仮想上限値ＶＵ１～第３仮想上限値ＶＵ３、及び、第１仮想下限値ＶＬ１～第３仮想下限値ＶＬ３を利用して、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる。ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求下限値以下となる毎に要求上限値を低下させ、エジェクタ出口圧力が要求上限値以上となる毎に要求下限値を低下させている。なお、変形例では、要求上限値と要求下限値を低下させるタイミングが同じであってもよい。
時刻Ｔ１４において、ＥＣＵ１００は、要求負荷の変化量が一定量以下であり、かつ、エジェクタ出口圧力が、現在の要求負荷ＲＬ３に対応する第３実下限値ＡＬ３以下であると判断し、第１上下限値特定処理（図３）を実行する。ＥＣＵ１００は、要求負荷ＲＬ３が第１負荷閾値未満であると判断する（図３のステップＳ１０でＮＯ）。この場合、ＥＣＵ１００は、要求負荷ＲＬ３に対応する第３実上限値ＡＵ３、及び、第３実下限値ＡＬ３を特定する（ステップＳ１４）。そして、ＥＣＵ１００は、第３実上限値ＡＵ３、及び、第３実下限値ＡＬ３を利用して、第４仮想下限値ＶＬ４、第５仮想下限値ＶＬ５を算出する（ステップＳ１４）。ＥＣＵ１００は、第３実上限値ＡＵ３と第４仮想上限値ＶＵ４との差分、及び、第５仮想上限値ＶＵ５と第３実下限値ＡＬ３との差分が同じになるように、第４仮想下限値ＶＬ４、第５仮想下限値ＶＬ５を算出する。また、ＥＣＵ１００は、第４仮想下限値ＶＬ４よりも所定値だけ大きい値を第４仮想上限値ＶＵ４として特定するとともに、第５仮想下限値ＶＬ５よりも所定値だけ大きい値を第５仮想上限値ＶＵ５として特定する（ステップＳ１４）。その後、ＥＣＵ１００は、第３実上限値ＡＵ３、第４仮想上限値ＶＵ４、第５仮想上限値ＶＵ５、第３実下限値ＡＬ３、第４仮想下限値ＶＬ４、第５仮想下限値ＶＬ５を利用して、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させていく。
時刻Ｔ１４において、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第３実上限値ＡＵ３）以上であると判断し、要求下限値を第３実下限値ＡＬ３から第４仮想下限値ＶＬ４に変更するとともに、インジェクタ２０の駆動を停止させる。次いで、時刻Ｔ１５において、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第４仮想下限値ＶＬ４）以下であると判断し、要求上限値を第３実上限値ＡＵ３から第４仮想上限値ＶＵ４に変更するとともに、インジェクタ２０の駆動を開始させる。その後、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求上限値以上となる毎に、要求下限値を、第５仮想下限値ＶＬ５、第３実下限値ＡＬ３の順に変更する。また、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求下限値（第５仮想下限値ＶＬ５）以下となる場合に、要求上限値を第５仮想上限値ＶＵ５に変更する。このように、本実施例のＥＣＵ１００は、第４仮想上限値ＶＵ４、第５仮想上限値ＶＵ５、第４仮想下限値ＶＬ４、及び、第５仮想下限値ＶＬ５を利用して、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる。なお、時刻Ｔ１６において、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第３実下限値ＡＬ３）以下であると判断し、要求上限値を第３実上限値ＡＵ３に変更する。
（本実施例の効果）
本実施例の効果を説明する前に、図６を参照して、比較例の燃料電池システムの動作について説明する。比較例の燃料電池システムは、図３、図４の処理を実行しない点を除いて、本実施例の燃料電池システム２と同様である。図６では、要求上限値、要求下限値を太い破線で示している。
本実施例の効果を説明する前に、図６を参照して、比較例の燃料電池システムの動作について説明する。比較例の燃料電池システムは、図３、図４の処理を実行しない点を除いて、本実施例の燃料電池システム２と同様である。図６では、要求上限値、要求下限値を太い破線で示している。
図６の時刻Ｔ２０～Ｔ２１における比較例の燃料電池システムの動作は、図５のＴ１０～Ｔ１１における本実施例の燃料電池システム２の動作と同様である。
時刻Ｔ２１において、比較例の燃料電池システムのＥＣＵは、要求負荷が変化したと判断し、要求負荷ＲＬ３に対応する第３実上限値ＡＵ３、及び、第３実下限値ＡＬ３を特定する。そして、比較例のＥＣＵは、第３実上限値ＡＵ３を要求上限値として特定するとともに、第３実下限値ＡＬ３を要求下限値として特定する。この場合、比較例のＥＣＵは、インジェクタ２０が駆動している状態において、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第３実上限値ＡＵ３）以上になる場合に、インジェクタ２０の駆動を停止させ、インジェクタ２０が停止している状態において、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第３実下限値ＡＬ３）以下になる場合に、インジェクタ２０の駆動を開始させる。時刻Ｔ２１における出口圧力は要求上限値よりも大きい。このため、インジェクタ２０は、停止状態に維持される。
時刻Ｔ２２において、比較例のＥＣＵは、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第３目標下限値）以下であると判断し、インジェクタ２０の駆動を開始させる。このように、比較例の燃料電池システムにおいて、時刻Ｔ２１から時刻Ｔ２２までの間、インジェクタ２０の駆動は停止されている。この場合に、燃料電池スタック４０での発電に利用可能な水素が不足して、燃料電池スタック４０が劣化してしまう。
時刻Ｔ２３において、比較例のＥＣＵは、エジェクタ出口圧力が要求上限値（即ち第３実上限値ＡＵ３）以上であると判断し、インジェクタ２０の駆動を停止させる。時刻Ｔ２４において、比較例のＥＣＵは、エジェクタ出口圧力が要求下限値（即ち第３実下限値ＡＬ３）以下であると判断し、インジェクタ２０の駆動を開始させる。このように、比較例の燃料電池システムでは、時刻Ｔ２３から時刻Ｔ２４までの間、インジェクタ２０の駆動は停止されている。この場合に、燃料電池スタック４０での発電に利用可能な水素が不足して、燃料電池スタック４０が劣化してしまう。
図５に示すように、ＥＣＵ１００は、要求負荷の負荷低下量が第２負荷閾値よりも大きい場合（図４のステップＳ４０でＹＥＳ）に、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる。このような構成によると、要求負荷が要求負荷ＲＬ２から要求負荷ＲＬ３に変化した後におけるエジェクタ出口圧力は、変化後の要求負荷ＲＬ３に対応する実下限値（即ち第３実下限値ＡＬ３）以下となる前に、段階的に低下する要求下限値以下になる。ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求下限値以下になる場合に、インジェクタ２０の駆動を開始させる。そして、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求上限値以上になる場合に、インジェクタ２０の駆動を停止させる。このように、要求負荷が要求負荷ＲＬ２から要求負荷ＲＬ３に変化した後におけるエジェクタ出口圧力が第３実下限値ＡＬ３となる過程において、インジェクタ２０が駆動される。即ち、燃料オフガスが、エジェクタ３０を介して、燃料電池スタック４０に供給される。従って、燃料電池スタック４０での発電に利用可能な水素が不足することを抑制することができる。この結果、燃料電池スタック４０が劣化することを抑制することができる。
また、図５に示すように、ＥＣＵ１００は、要求負荷ＲＬ３が第２負荷閾値未満である場合に、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に低下させる。このような構成によると、エジェクタ出口圧力は、第３実下限値ＡＬ３以下となる前に、段階的に低下する要求下限値以下になる。ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求下限値以下になる場合に、インジェクタ２０の駆動を開始させる。そして、ＥＣＵ１００は、エジェクタ出口圧力が、段階的に低下する要求上限値よりも大きくなる場合に、インジェクタ２０の駆動を停止させる。このように、要求負荷が第３実下限値ＡＬ３となる過程において、インジェクタ２０が駆動される。即ち、燃料オフガスが、エジェクタ３０を介して、燃料電池スタック４０に供給される。従って、燃料電池スタック４０での発電に利用可能な水素が不足することを抑制することができる。この結果、燃料電池スタック４０が劣化することを抑制することができる。
（対応関係）
要求負荷ＲＬ２、要求負荷ＲＬ３が、それぞれ、「第１要求負荷」、「第２要求負荷」の一例である。第２負荷閾値、第１負荷閾値が、それぞれ、「第１所定負荷」、「第２所定負荷」の一例である。第２実上限値ＡＵ２、第２実下限値ＡＬ２が、それぞれ、「第１目標上限値」、「第１目標下限値」の一例である。第３実上限値ＡＵ３、第３実下限値ＡＬ３が、それぞれ、「第２目標上限値」、「第２目標下限値」の一例である。要求負荷ＲＬ３が、「第３要求負荷」の一例である。第３実上限値ＡＵ３、第３実下限値ＡＬ３が、それぞれ、「第３目標上限値」、「第３目標下限値」の一例である。
要求負荷ＲＬ２、要求負荷ＲＬ３が、それぞれ、「第１要求負荷」、「第２要求負荷」の一例である。第２負荷閾値、第１負荷閾値が、それぞれ、「第１所定負荷」、「第２所定負荷」の一例である。第２実上限値ＡＵ２、第２実下限値ＡＬ２が、それぞれ、「第１目標上限値」、「第１目標下限値」の一例である。第３実上限値ＡＵ３、第３実下限値ＡＬ３が、それぞれ、「第２目標上限値」、「第２目標下限値」の一例である。要求負荷ＲＬ３が、「第３要求負荷」の一例である。第３実上限値ＡＵ３、第３実下限値ＡＬ３が、それぞれ、「第３目標上限値」、「第３目標下限値」の一例である。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
（第１変形例）燃料電池システム２は、ガス循環路５２に設けられている圧力センサを備えてもよい。この場合、ＥＣＵ１００は、圧力センサ２４によって検出される燃料ガスの圧力、ガス循環路５２に設けられている圧力センサによって検出される燃料オフガスの圧力、要求負荷、燃料電池スタック４０によって発電されている実際の電力等に基づいて、エジェクタ出口圧力を算出する。このような構成によると、エジェクタ３０の出口圧力の算出精度を向上させることができる。また、別の変形例では、燃料電池システム２は、第３燃料供給路３２に設けられている圧力センサを備えてもよい。
（第２変形例）ＥＣＵ１００は、図３の第１上下限値特定処理を実行しなくてもよい。本変形例では、ＥＣＵ１００は、要求負荷が安定している場合に、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に変化させない。なお、本変形例では、ＥＣＵ１００は、低負荷に対応する目標上限値と目標下限値との差分が、高負荷に対応する目標上限値と目標下限値との差分よりも小さくなるように、目標上限値と目標下限値を算出するとよい。
（第３変形例）図３のステップＳ１０、Ｓ１２を省略可能である。本変形例では、ＥＣＵ１００は、要求負荷の大きさに関わらず、要求上限値、及び、要求下限値を段階的に変化させる。
（第４変形例）ＥＣＵ１００は、要求負荷の変動量が第１負荷閾値よりも大きい場合に、過去の目標上限値から現在の目標上限値に要求上限値を漸減させ、過去の目標下限値から現在の目標下限値に要求下限値を漸減させてもよい。この場合、要求上限値、及び、要求下限値の時間当たりの低下量を、インジェクタ２０の停止状態におけるエジェクタ出口圧力の時間当たりの低下量よりも小さくするとよい。
（第５変形例）上記の実施例では、要求上限値、及び、要求下限値の低下量は一定となっている。要求上限値、及び、要求下限値の低下量は一定でなくてもよい。例えば、要求上限値、及び、要求下限値の低下量が徐々に大きくなってもよい。
本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２：燃料電池システム、１０：燃料タンク、１２：第１燃料供給路、１４：主止弁、１６：減圧弁、２０：インジェクタ、２２：第２燃料供給路、２４：圧力センサ、３０：エジェクタ、３２：第３燃料供給路、４０：燃料電池スタック、４２：排ガス路、５０：気液分離器、５２：ガス循環路、５６：排気排水路、５８：排気排水弁、６０：空気供給路、６２：コンプレッサ、６４：空気排出路
Claims (2)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料ガス供給路に設けられているインジェクタと、
前記燃料ガス供給路に設けられており、前記インジェクタと前記燃料電池スタックとの間に設けられているエジェクタと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを前記エジェクタに供給する循環路と、
前記エジェクタの出口の圧力である出口圧力を検出する出口圧力検出部と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムに対する要求負荷に基づいて、前記出口圧力に対応する要求上限値及び要求下限値を特定し、
前記インジェクタが駆動している状態において、前記出口圧力が前記要求上限値以上となる場合に、前記インジェクタの駆動を停止させ、
前記インジェクタが停止している状態において、前記出口圧力が前記要求下限値以下となる場合に、前記インジェクタの駆動を開始させるように構成されており、
前記制御装置は、
前記要求負荷が、第１要求負荷から前記第１要求負荷よりも小さい第２要求負荷に変化する場合であり、かつ、前記第１要求負荷から前記第２要求負荷を減算した負荷低下量が第１所定負荷未満である場合に、前記要求上限値を、前記第１要求負荷に対応する第１目標上限値から前記第２要求負荷に対応する第２目標上限値に変更するとともに、前記要求下限値を、前記第１要求負荷に対応する第１目標下限値から前記第２要求負荷に対応する第２目標下限値に変更し、
前記要求負荷が、前記第１要求負荷から前記第２要求負荷に変化する場合であり、かつ、前記負荷低下量が前記第１所定負荷よりも大きい場合に、前記第１目標上限値及び前記第２目標上限値の範囲において、前記要求上限値を段階的に低下させるとともに、前記第１目標下限値及び前記第２目標下限値の範囲において、前記要求下限値を段階的に低下させるように構成されている、燃料電池システム。 - 前記制御装置は、
前記要求負荷が第３要求負荷であり、前記要求上限値が前記第３要求負荷に対応する第３目標上限値であり、前記第３要求負荷が第２所定負荷未満であり、かつ、前記インジェクタが駆動している状態において、前記出口圧力が前記第３目標上限値以上となる場合に、前記第３目標上限値と前記第３要求負荷に対応する第３目標下限値との範囲において、前記要求上限値、及び、前記要求下限値を段階的に低下させるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
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