WO2007077904A1 - 燃料電池システムとその運転停止方法 - Google Patents

Description

明細書 燃料電池システムとその運転停止方法

技術分野

本発明は、 燃料電池のガス供給系にインジェクタが設けられた燃料電池シ ステムとその運転停止方法に関する。 背景技術 一

. 現在、 反応ガス （燃料ガス及び酸化ガス） の供給を受けて発電を行う燃料 電池を備えた燃料電池システムが提案され、 実用化されている。 かかる燃料 電池システムには、 水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃 料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。

ところで、 燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合には、 この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁 （レギユレータ） が燃料供給 流路に設けられるのが一般的である。 近年においては、 燃料ガスの供給圧力 を例えば 2段階に変化させる機械式の可変調圧弁 （可変レギユレータ） を燃 料供給流路に設けることにより、 システムの運転状態に応じて燃料ガスの供 給圧力を変化させる技術が提案されている （例えば、 特開 2 0 0 4— 1 3 9

.9 8 4号公報参照）。 発明の開示

しかし、 前記特開 2 0 0 4 - 1 3 9 9 8 4号公報に記載されているような 従来の機械式の可変調圧弁は、 その構造上、 燃料ガスの供給圧力を迅速に変 化させることが困難である （すなわち応答性が低い） 上に、 目標圧力を多段 階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であった。

また、従来の機械式の可変調圧弁は、比較的複雑な構成を有しているため、 大型で重量が大きく製作費用が嵩んでしまう。 さらに、 従来の機械式の可変 調圧弁は、 単に燃料ガスの供給圧力を変化させるものであるため、 燃料ガス の供給を遮断する遮断弁を別途設ける必要がある。 このため、、 システムの大 型化 （設置スペースの増大） や設備費用の増大を招来せしめるという問題が ある。

そこで、 燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化さ せることが可能な応答性が高い燃料電池システムが望まれているが、 燃料電 池システムの燃料供給系には、 燃料電池の発電に伴い酸化ガス供給系側で生 成された水が燃料電池内を通過して混入するため、 調圧弁に残留する水分が 凍結してしまうと、 低温起動時における調圧弁の安定動作が阻害される。 本発明は、 かかる事情に鑑みてなされたものであり、 低温起動時において も安定に作動し、 燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に 変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システム.とその運転停止方法 を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、 本発明の燃料電池システムは、 燃料電池と、 こ の燃料電池に反応ガスを供給するためのガス供給系と、 このガス供給系の上 流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、 を備えた燃料 電池システムにおいて、 前記インジェクタは、 その上流側と下流ィ iiとを連通 • る内部流路と、 該内部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を 変更する弁体と、 を備えてなり、 システム停止時又はシステム停止後に、 少 なくとも前記インジェクタの弁体の周囲の水分を低減させる水分低減手段を 備えるものである。

かかる構成によれば、 燃料電池の運転状態 （燃料電池の発電量 （電力、 電 流、 電圧）、 燃料電池の温度、 燃料電池システムの異常状態、 燃料電池本体の 異常状態等） に応じてインジェクタの作動状態 （インジェクタの弁体の開度 (ガスの通過面積）、 インジ二クタの弁体の開放時間 （ガスの噴射時間） 等） を設定することができる。 従って、 燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの 供給圧力を適切に変化させることができ、 応答性を向上させることが可能と なる。 なお、 「ガス状態」 とは、 ガスの状態 （流量、 圧力、 温度、 モル濃度等） を意味し、 特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含む。

また、 水分低減手段は、 システム停止時にインジェクタ内の可動部である 弁体の周囲の水分を低減させるので、 燃料電池システムが低温環境下に曝さ れても、 インジェクタ内で水分が凍結することによる弁体の固着が抑制され る。 …

- 前記インジェクタは、通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部（例えば、 ソレノイ ド） を備.え、 前記水分低減手段は、 前記弁体駆動部への通電制御に より前記弁体の周囲の水分を低減させるものでもよい。

かかる構成によれば、 通電による弁体駆動部の発熱によって反応ガスが昇 温させられるので、 弁体周囲の少なくとも一部が前記昇温により気化した水 分は、 インジェクタ外に容易に排出される。 また、 昇温ガスとして反応ガス を用いるため、 昇温ガスを供給するために新たな配管系等の追加を行う必要 がない。

前記水分低減手段は、 前記ィンジ クタの弁体駆動部に閉弁状態が保持さ れる電流を通電し、 前記反応ガスを昇温させた後、 前記インジェクタを開弁 するものでもよレ、。

かかる構成によれば、 インジェクタを閉弁状態としたままで弁体駆動部に よる反応ガスの昇温を行うことで、 より少ないガス量による水分低減処理が 可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいて、 前記インジュクタは、 前記燃料電池 の燃料極側に連通する燃料ガス供給系に配設されたものであり、 前記水分低 減手段は、 前記インジ クタを開弁する前に、 前記燃料電池の燃料極側の圧 力をシステム停止後の目標圧力よりも低下させるものでもよい。 かかる構成によれば、 燃料極側の圧力を例えば燃料供給を遮断した状態で 燃料電池を発電させる等して所定の目標圧力よりも低下させることにより、 燃料ガス供給系に配設されたィンジェクタ内の水分の気化を促進させること ができる。

前記ィンジェクタの上流側に反応ガス供給源からのガス供給を遮断する遮 断弁を備え、 前記水分低減手段は、 前記遮断弁を閉弁した後、 前記インジェ クタの開弁に必要な電流 （いわゆる突入電流） を弁体駆動部に継続的に通電 し、 前記遮断弁を開弁して-前記反応ガス供給源からの反応ガスを前記ィンジ ェクタに供給した後、 前記ィンジェクタを閉弁し、 前記遮断弁を閉弁するも のでもよレ、。

力、かる構成によれば、 遮断弁が閉じていることからインジェクタが開弁し ても、インジェクタには反応ガスは供!;合されない。 し力 も、 ソレノィ ドには、 インジェクタの開弁に必要な電流、 つまり、 いわゆる開弁保持電流よりも大 なる電流が継続的に通電される。 したがって、 インジェクタ内のガスを短時 間で昇温させ得て、 インジェクタ内の水分を効率的に'気化することが可能と なる。

この状態から遮断弁を開くと、 インジェクタ内の昇温ガスは、 遮断弁の上 流 （反応ガス供給源） から供給される反応ガスによって、 少なくとも一部が 気化した水分とともに当該インジヱクタ外に押し出される。 しかる後、 イン ジェクタを閉弁し、 遮断弁を閉弁することで、 水分低減処理は完了する。 本発明の燃料電池システムは、 前記燃料電池から排出された反応ガスのォ フガスを当該燃料電池に戻すための循環流路と、 前記循環流路に配設された ポンプと、 を備え、 前記水分低減手段は、 前記ポンプの回転数が所定回転数 以下の場合に、前記弁体の周囲の水分を低減ざせる処理を行うものでもよレ、。 かかる構成によれば、 ポンプの回転数が十分に低く、 インジェクタよりも ガス流れ下流側の循環流路から水跳ねがない状態で、 水分低減処理を行うこ とが可能となる。

前記水分低減手段は、 前記燃料電池による発電 （例えば、 システム停止命 令を受けた後に実施する、 反応ガス消費のための発電及びガス供給系の減圧 のための発電を含む。）が全て終了した後に、前記弁体の周囲の水分を低減さ せる処理を行うものでもよレ、。

かかる構成によれば、 発電に伴う水の生成、 発電に必要なガス供給のない 状態で水分低減処理が行われるので、 ィンジェクタ内の弁体に水分が付着す ることを抑制できる。 - 、

. 前記水分低減手段は、 水分低減処理の一形態である結露抑制処理として、 例えば、 前記イン,ジェクタの弁体駆動部に閉弁状態が保持される電流を所定 時間通電し、 その後当該通霉を停止するものでもよい。

かかる構成によれば、 インジェクタの弁体駆動部に開弁保持電流よりも小 さな微弱電流が所定時間流れることによって、 弁体駆動部が発熱してィンジ ェクタが昇温するので、 ィンジェクタよりも早くガス供給系配管で結露が発 生することになり、 インジ: クタ内での結露の発生が抑制される。

前記所定時間は、 外気または燃料電池の温度に応じて設定されてもよい。 かかる構成によれば、 閉弁保持電流の通電時間の最適化、 ひいては、 結露 抑制処理を含むシステム停止処理に必要な時間の短縮化を図ることが可能と なる。

前記水分低減手段は、 システム停止後に前記ィンジェクタの弁体駆動部に 間欠的に通電するものでもよい。 この間欠通電時における電流のオン ·オフ は、 例えばタイマ等によって制御される。

前記水分低減手段は、 前記ィンジェクタの弁体の周囲に結露が発生すると 予測された場合に、前記ィンジ クタの弁体駆動部に通電するものでもよレ、。 かかる構成によれば、 結露発生の虞がないときには無用となる結露抑制処 理の実行を省略することができる一方で、 システム停止時に結露抑制処理を 実行したにもかかわらず、 その後の環境変化等によつて結露発生の虞が生じ たともでも、 結露発生を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、 燃料電池と、 この燃料 電池に反応ガスを供給するためのガス供給系と、 前記ガス供給系の上流側の ガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、 を備えた燃料電池シ ステムの運転停止方法において、 システム停止時に、 少なくとも前記インジ ェクタの内部流路に配設された弁体の周囲の水分を低減させる工程を備える ものである。

.かかる構成によれば、 システム停止時にインジェクタ内の可動部である弁 体の周囲の水分を低減させるので、 燃料電池システムが低温環境下に曝され ても、インジェクタ内で水分が凍結することによる弁体の固着が抑制される。 本発明によれば、 システム停止時にインジェクタの弁体周りに存在する水 分を低減させることが可能になるので、 インジェクタ内の凍結による動作不 良を抑制し得て、低温環境下における起動信頼性を向上させることができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

図 2は、 図 1に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明する ための制御ブロック図である。

図 3は、 図 1に示した燃料電池システムに用いられるインジヱクタの縦断 面図である。

図 4は、 図 1に示した燃料電池システムの他の実施形態において、 インジ ェクタへの通電電流と燃料極側の圧力との関係を示した図である。

図 5は、 図 1に示した燃料電池システムの他の実施形態において、 インジ ェクタへの通電電流とシステム起動 ·停止信号との関係を示した図である。 図 6は、 図 1に示した燃料電池システムの他の実施形態において、 インジ ェクタへの通電電流とシステム停止後の経過時間との関係を示した図である。 図 7は、 図 1に示した燃料電池システムの更に他の実施形態を示す構成図 である。

発明を実施するための最良の形態 、

以下、 図面を参照して、 本発明の実施形態に係る燃料電池シス ム 1につ いて説明する。 本実施形態においては、 本発明を燃料電池車両 （移動体） の 車載発電システムに適用した例について説明することとする。

. まず、 図 1を用いて、 本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1の構成 について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム 1は、図 1に示すように、反応ガス（酸 化ガス及 燃料ガス） の供給を受けて電力を発生する燃料電池 1 0を備える とともに、 燃料電池 1 0に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系 2、燃料電池 1 0に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系 3、 システム全体を統合制御する制御装置 4等を備えている。

燃料電池 1 0は、 反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層し て構成したスタック構造を有している。燃料電池 1 0により発生した電力は、 P C U (Power Control Unit) 1 1.に供給される。 P C U 1 1は、 燃料電池 1 0と トラクションモータ 1 2との間に配置されるインバータゃ D C - D C コンバータ等を備えている。 また、 燃料電池 1 0には、 発電中の電流を検出 する電流センサ 1 3が取り付けられている。

酸化ガス配管系 2は、 加湿器 2 0により加湿された酸化ガス （空気） を燃 料電池 1 0に供給する空気供給流路 2 1と、 燃料電池 1 0から排出された酸 化オフガスを加湿器 2 0に導く空気排出流路 2 2と、 加湿器 2 0から外部に 酸化オフガスを導くための排気流路 2 3と、 を備えている。 空気供給流路 2 1には、 大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器 2 0に圧送するコンプレッサ 2 4が設けられている。

水素ガス配管系 3は、 高圧 （例えば、 7 0 M P a ) の水素ガスを貯留した 燃料供給源 （反応ガス供給源） としての水素タンク 3 0と、 水素タンク 3 0 の水素ガスを燃料電池 1 0に供給するための燃料供給流路としての水素供給 流路 3 1と、 燃料電池 1 0から排出された水素オフガス （反応ガスのオフガ ス） を水素供給流路 3 1に戻すための循環流路 3 2と、 を備えている。 水素 ガス配管系 3は、 本発明におけるガス供給系の一実施形態である。

なお、 水素タンク 3 0に代えて、 炭化水素系の燃料から水素リツチな改質 ガスを生成する改質器と、 この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして 蓄圧する高圧ガス.タンクと、 を燃料供給源として採用することもできる。 ま た、 水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。 水素供給流路 3 1には、 水素タンク 3 0からの水素ガスの供給を遮断又は 許容する遮断弁 3 3と、 水素ガスの圧力を調整するレギュレータ 3 4と、 ィ ンジェクタ 3 5と、 が設けられている。 また、 インジェクタ 3 5の上流側に は、 '水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力及び温度を'検出する一次側圧カセ ンサ 4 1及ぴ温度センサ 4 2が設けられている。 また、 インジェクタ 3 5の 下流側であって水素供給流路 3 1と循環流路 3 2との合流部の上流側には、 水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ 4 3が設 けられている。

レギユレータ 3 4は、 その上流側圧力 （一次圧） を、 予め設定した二次圧 に調圧する装置である。 本実施形態においては、 一次圧を減圧する機械式の 減圧弁をレギュレータ 3 4として採用している。 機械式の減圧弁の構成とし ては、 背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筐体を有し、 背 圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする 公知の構成を採用することができる。

本実施形態においては、 図 1に示すように、 インジェクタ 3 5の上流側に レギュレータ 3 4を 2個配置十ることにより、 ィンジェクタ 3 5の上流側圧 力を効果的に低減させることができる。 このため、 インジェクタ 3 5の機械 的構造 （弁体、 筐体、 流路、 駆動装置等） の設計自由度を高めることができ る。

また、 インジェクタ 3 5の上流側圧力を低減させることができるので、 ィ ンジェクタ 3 5の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してィンジ ェクタ 3 5の弁体 6 5が移動し難くなることを抑制することができる。 従つ て、 インジェクタ 3 5の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとと もに、 ィンジヱクタ 3 5の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ 3.5は、 弁体 6 5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等のガス状態を調 整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。 つまり、 インジェクタ 3 5 は、 弁 （弁体及び弁座） を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、 その 駆動周期が高応答の領^ ¾まで制御可能であるため、 高い応答性を有する。 図 3は、 インジェクタ 3 5の一実施例を示す断面図である。 このインジェ クタ 3 5は、 水素供給流路 （燃料供給系） 3 1の一部を構成するとともに、 一方の口部 5 1において水素供給流路 3 1の水素タンク 3 0側に配置され他 方の口部 5 2において水素供給流路 3 1の燃料電池 1 0側に配置される内部 流路 5 3が形成された金属製のシリンダ 5 4を有しており、 このシリンダ 5 4には、 口部 5 1に繋がる第 1通路部 5 6と、 この第 1通路部 5 6の口部 5 1とは反対側に繋がる、 第 1通路部 5 6よりも大径の第 2通路部 5 7と、 こ の第 2通路部 5 7の第 1通路部 5 6とは反対側に繋がる、 第 2通路部 5 7よ りも大径の第 3通路部 5 8と、 この第 3通路部 5 8の第 2通路部 5 7とは反 対側に繋がる、 第 2通路部 5 7および第 3通路部 5 8よりも小径の第 4通路 部 5 9とが形成されており、 これらで内部流路 5 3が構成されている。 また、 インジヱクタ 3 5は、 第 4通路部 5 9の第 3通路部 5 8側の開口部 を囲むように設けられたシール性部材からなる弁座 6 1と、 第 2通路部 5 7 に移動可能に挿入される円筒部 6 2および第 3通路部 5 8内に配置される第 2通路部 5 7よりも大径の傘部 6 3を有し傘部 6 3に斜めに連通穴 6 4が形 成された金属製の弁体 6 5と、 弁体 6 5の円筒部 6 2に一端側が挿入される と共に他端側が第 1通路部 5 6内に形成されたストツパ 6 6に係止されるこ とで弁体 6 5を弁座 6 1へ当接させて内部流路 5 3を遮断するスプリング 6 7と、 弁体 6 5をスプリング 6 7の付勢力に杭して第 3通路部 5 8の第 2通 路部 5 7側の段部 6 8に当接するまで移動させることで弁体 6 5を弁座 6 1 から離間させて連通穴 6 4で内部流路 5 3を連通させるソレノィ ド （弁体駆 動部） 6 9と、 を有している。

本実施形態において、 インジェクタ 3 5の弁体 6 5は、 電磁駆動装置であ るソレノィ ド 6 9への通電制御により駆動され、 このソレノィ ド 6 9に給電 されるパルス状励磁電流のオン ·オフにより、 内部流路 5 3の開口時間 （開 弁時間） 又は開口面積を 2段階、 多段階、 連続的 （無段階）、 又はリニアに切 り替えることができるようになつている。 すなわち、 'インジェクタ 3 5の開 閉状態の制御方法としては、 少なくとも、 開弁時間を変更する方式と、 開口 面積を変更する方式とが存在する。

そして、 制御装置 4から出力される制御信号によって、 インジェクタ 3 5 のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、 水素ガスの流量 及び圧力が高精度に制御される。

以上のとおり、 インジェクタ 3 5は、 その下流に要求されるガス流量を供 給するために、 ィンジェクタ 3 5の内部流路 5 3に設けられた弁体 6 5の開 口面積 （開度） 及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、 下流 側 （燃料電池 1 0側） に供給されるガス流量 (又は水素モル濃度） を調整す る。

なお、 インジェクタ 3 5の弁体 6 5の開閉によりガス流量が調整されると ともに、 インジェクタ 3 5下 に供給されるガス圧力がインジェクタ 3 5上 流のガス圧力より減圧されるため、 インジェクタ 3 5を調圧弁 （減圧弁、 レ ギユレ一タ） と解釈することもできる。 また、 本実施形態では、 ガス要求に 応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ 3 5の 上流ガス圧の調圧量 （減圧量） を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈 することもできる。

なお、 本実施形態においては、 図 1に示すように、 水素供給流路 3 1と循 環流路 3 2との合流部 A 1 -より上流側にインジェクタ 3 5を配置している。 また、 図 1に破線で示すように、 燃料供給源として複数の水素タンク 3 0を 採用する場合には、 各水素タンク 3 0から供給される水素ガスが合流する部 分 （水素ガス合流部 A 2 ) よりも下流側にインジェクタ 3 5を配置するよう にする。 - 循環流路 3 2には、 気液分離器 3 6及び排気排水弁 3 7を介して、 排出流 路 3 8が接続されている。 気液分離器 3 6は、 水素オフガスから水分を回収 するものである。 排気排水弁 3 7は、 制御装置 4からの指令によって作動す ることにより、 気液分離器 3 6で回収した水分と、 循環流路 3 2内の不純物 を含む水素オフガスと、 を外部に排出 （パージ） するものである。

また、 循環流路 3 2には、 循環流路 3 2内の水素オフガスを加圧して水素 供給流路 3 1側へ送り出す水素ポンプ 3 9が設けられている。 なお、 排気排 水弁 3 7及び排出流路 3 8を介して排出される水素オフガスは、 希釈器 4 0 によって希釈されて排気流路 2 3内の酸化オフガスと合流するようになって いる。

制御装置 4は、 車両に設けられた加速操作装置 （アクセル等） の操作量を 検出し、 加速要求値 （例えばトラクシヨンモータ 1 2等の負荷装置からの要 求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。 なお、 負荷装置とは、 トラクシヨンモータ 1 2のほかに、 燃料電池 1 0を 作動させるために必要な補機装置 （例えばコンプレッサ 2 4、 水素ポンプ 3 9、 冷却ポンプのモータ等）、 車両の走行に関与する各種装置 （変速機、 車輪 制御装置、 操舵装置、 懸架装置等） で使用されるァクチユエータ、 乗員空間 の空調装置 （エアコン）、 照明、 オーディオ等を含む電力消費装置を総称した ものである。

制御装置 4は、 図示していないコンピュータシステムによって構成されて いる。 かかるコンピュータシステムは、 C P U、 R OM, R AM, H D D , 入出力ィンタフエース及びディスプレイ等を備えるものであり、 R OMに記 録された各種制御プログラムを C P Uが読み込んで実行することにより、 各 種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、 制御装置 4は、 図 2に示すように、 燃料電池 1 0の運転状態 (電流センサ 1 3で検出した燃料電池 1 0の発電時の電流値） に基づいて、 燃料電池 1 0で消費される水素ガスの量 （以下 「水素消費量」 という） を算 出する （燃料消費量算出機能： B 1 )。

本実施形態においては、 燃料電池 1 0の電流値と水素消費量との関係を表す 特定の演算式を用いて、 制御装置 4の演算周期毎に水素消費量を算出して更 新することとしている。

また、 制御装置 4は、 燃料電池 1 0の運転状態 （電流センサ 1 3で検出し た燃料電池 1 0の発電時の電流値） に基づいて、 ィンジェクタ 3 5下流位置 における水素ガスの目標圧力値 （燃料電池 1 0への目標ガス供給圧） を算出 する （目標圧力値算出機能： B 2 )。 本実施形態においては、 燃料電池 1 0の 電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、 制御装置 4の演 算周期毎に、 二次側圧力センサ 4 3が配置された位置 （圧力調整が要求され る位置である圧力調整位置） における目標圧力値を算出して更新することと している。

また、 制御装置 4は、 算出した目標圧力値と、 二次側圧力センサ 4 3で検 出したインジェクタ 3 5下流位置 （圧力調整位置） の検出圧力値と、 の偏差 に基づいてフィードバック補正流量を算出する （フィードバック補正流量算 出機能： B 3 )。 フィードバック補正流量は、 目標圧力値と検出圧力値との偏 差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量 （圧力差低減補 正流量） である。 本実施形態においては、 P I制御等の目標追従型制御則を 用いて、 制御装置 4の演算周期毎にフィ一ドバック補正流量を算出して更新 することとしている。 .

また、 制御装置 4は、 前回算出した目標圧力値と、 今回算出した目標圧力 値と、 の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する （フィード フォワード補正流量算出機能： B 4 )。 フィードフォワード補正流量は、 目標 圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分 （圧力差対応補正流量） であ る。 本実施形態においては、 目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流 量との関係を表す特定の演算式を用いて、 制御装置 4の演算周期毎にフィ一 ドフォヮード補正流量を算出して更新することとしている。

また、 制御装置 4は、 インジヱクタ 3 5の上流のガス状態 （一次側圧カセ ンサ 4 1で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ 4 2で検出した水素ガス の温度） に基づいてインジヱクタ 3 5の上流の静的流量を算出する （静的流 量算出機能： B 5 )。 本実施形態においては、 インジヱクタ 3 5の上流側の水 素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、 制 御装置 4の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。 また、 制御装置 4は、 インジヱクタ 3 5の上流のガス状態 （水素ガスの圧 力及び温度） 及び印加電圧に基づいてインジヱクタ 3 5の無効噴射時間を算 出する （無効噴射時間算出機能： B 6 )。 ここで無効噴射時間とは、 インジェ クタ 3 5が制御装置 4から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまで に要する時間を意味する。 本実施形態においては、 インジェクタ 3 5の上流 側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定 のマップを用いて、 制御装置 4の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新 することとしている。

また、 制御装置 4は、 水素消費量と、 フィードバック補正流量と、 フィー ドフォワード補正流量と、 を加算することにより、 インジェクタ 3 5の噴射 流量を算出する （噴射流量算出機能： B 7 )。 そして、 制御装置 4は、 インジ ェクタ 3 5の噴射流量を静的流量で除した値にィンジェクタ 3 5の駆動周期 を乗じることにより、インジェクタ 3 5の基本噴射時間を算出するとともに、 この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジ クタ 3 5の総噴射時 間を算出する （総噴射時間算出機能： B 8 )。

ここで、 駆動周期とは、 インジェクタ 3 5の噴射孔の開閉状態を表す段状 (オン · オフ） 波形の周期を意味する。 本実施形態においては、 制御装置 4 により駆動周期を一定の値に設定している。 ' そして、 制御装置 4は、 以上の手順を経て算出したインジェクタ 3 5の総 噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、 ィンジェクタ 3 5のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、 燃料電池 1 0に供給され る水素ガスの流量及び圧力を調整する。

燃料電池システム 1の通常運転時においては、 水素タンク 3 0から水素ガ スが水素供給流路 3 1を介して燃料電池 1 0の燃料極に供給されるとともに、 加湿調整された空気が空気供給流路 2 1を介して燃料電池 1 0の酸化極に供 給されることにより、 発電が行われる。 この際、 燃料電池 1 0から引き出す べき電力 （要求電力） が制御装置 4で演算され、 その発電量に応じた量の水 素ガス及び空気が燃料電池 1 0内に供給されるようになっている。 本実施形 態においては、 このような通常運転時において燃料電池 1 0に供給される水 素ガスの圧力を高精度に制御する。

ところで、 インジェクタ 3 5は、加湿側 （燃料電池 1 0側） と ドライ側 （水 • 素タンク 3 0側） とを仕切る弁にもなつており、 したがって、 その凍結対策 を行うことは、 低温 （例えば、'氷点下） 起動を実現する上で重要である。 ィ ンジェクタ 3 5内の水分を低減させない状態で燃料電池システム 1を停止し た後、 次回のシステム起動時に氷点下となると、 水分が凍結して弁体 6 5が 固着し、 動作不良となる可能性がある。

インジヱクタ 3 5内の水分を低減させる方法としては、 インジ工クタ 3 5 の弁体 6 5を開弁状態にしたまま内部流路に水素ガスを流通させ、 この水素 ガスにより内部流路を掃気する方法が考えられるが、 この場合は水素ガスを 大量に燃料電池 1 0に供給^"ることとなり、 燃費が悪化するという課題があ る。

そこで、 本実施形態の燃料電池システム 1においては、 燃費の低下を抑え つつ、 インジェクタ 3 5内の水分を低減させるベく、 システム停止時にイン ジェクタ 3 5内の水分を低減させる水分低減処理 （掃気処理） を行う。 この 水分低減処理は、 制御装置 4によって制御される。 つまり、 本実施形態の制 御装置 4は、 ィンジェ 'クタ 3 5の通電制御、 遮断弁 3 3の開閉制御等を行う 水分低減手段の一実施形態である。 '

通常運転時においては、 水素タンク 3 0から供給される水素ガスによって インジェクタ 3 5は冷却されているが、 水素ガスの流れが停止している状態 では、 ソレノイ ド 6 9の発熱によってインジェクタ 3 5内の水素ガスは加熱 される。 そこで、 制御装置 4は、 イダニッシヨン O F F等のシステム停止命 令を受けた時 （システム停止時） に、 インジェクタ 3 5のソレノイ ド 6 9に 閉弁状態が保持される閉弁保持電流を通電する。

通電によりソレノイ ド 6 9が発熱すると、 インジェクタ 3 5内に滞留して いる水素ガスは、 発熱したソレノイ ド 6 9によって昇温する。 これにより、 少なくとも弁体 6 5の周囲に存在する水分の一部は気化する。 次いで、 制御 装置 4は、 前記閉弁状態を解除してインジヱクタ 3 5を開弁させると共にこ の開弁状態を保持する電流をソレノイ ド 6 9に継続的に通電し、 インジェク タ 3 5を開弁する。

すると、 水素タンク 3 0から供給される水素ガスと共に、 弁体 6 5の周囲 に存在する、 前記昇温した水素ガスによって一部が気化した水分が、 インジ ヱクタ 3 5から排出される。 さらに、 昇温した水素ガスによって、 弁体 6 5 を内包するインジェクタ 3 5およびその下流側配管の温度が上昇するので、 後の水分結露も抑制される。

以上のように、 本実施形態の燃料電池システム 1によれば、' 弁体 6 5の周 囲に存在する水分を少ない水素ガスで効率良く気化排出して低減させること が可能となる。 すなわち、 燃費の低下を抑えつつ、 インジェクタ 3 5内の水 分を低減させることができる。 したがって、 次回低温始動時の凍結によるィ ンジェクタ 3 5の動作不良を抑制し得て、 低温環境下における起動信頼性を 向上することができる。 - また、 本実施形態の燃料電池システム 1によれば、 燃料電池 1 0の運転状 態 （発電時の電流値） 'に応じてインジ クタ 3 5の作動状態 （噴射時間） を 設定することができる。 従って、 燃料電池 1 0の運転状態に応じて水素ガス の供給圧力を適切に変化させることができ、 応答性を向上させることが可能 となる。 また、 水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジヱクタ 3 5を採用しているため、 高精度な調圧 （燃料電池 1 0への水素ガスの供給圧 力の調整） が可能となる。

すなわち、 インジヱクタ 3 5は、 燃料電池 1 0の運転状態に応じた制御装 置 4からの制御信号を受けて、 水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整するこ とができるため、 従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整 を行うことができる。 また、 インジヱクタ 3 5は、 従来の機械式の可変調圧 弁と比較すると小型 ·軽量であり低廉でもあるため、 システム全体の小型化 及び低廉化を実現させることができる。

上記した実施形態は、 本発明を説明するための例示であり、 本発明をこれ に限定するものではなく、 その要旨を逸脱しない限り、 各種構成部品を適宜 設計することができる。 また、 後述する他の実施形態を適宜組み合わせて適 用してもよい。

例えば、 上記水分低減処理において、 制御装置 4は、 インジェクタ 3 5の 開弁前に燃料極側の圧力を低下させる制御を行ってもよい。 具体的には、 制 御装置 4は、 インジェクタ 3 5の閉弁後に燃料極側の圧力を、 例えば水素ガ ス供給を遮断した状態で燃料電池 1 0を発電させる等して所定の目標圧力よ りも低下させる。 '

. すなわち、 図 4に示すように、 最終的なシステム停止後の目標圧力 （符号 a ) よりも低い圧力となるように、 水素ガス供給を絶った状態で燃料電池 1 0に発電させて、 水素供給流路 3 1の圧力を低下させておく （符号 b )。 かか る圧力低下処理中は、 上記のようにインジヱクタ 3 5の閉弁状態が保持され る （解除されない） 程度にソレノイ ド 6 9に通電し、 インジヱクタ 3 5内の 水素ガスを昇温させる' （符号 c：)。

しかる後、 符号 dのようにインジヱクタ 3 5が開弁するのに必要な突入電 流をソレノィ ド 6 9に通霉すると、 水素タンク 3 0からの水素ガスがインジ ェクタ 3 5内に流入して弁体 6 5の周囲に存在する水分が吹き飛ばされると 共に、 符号 eに示したように、燃^極側の圧力は上昇して目標圧力 （符号 a ) となる。

このように、 本実施形態によれば、 燃料電池 1 0の燃料極側の圧力を低下 させることにより、 水素供給流路 3 1に配設されたインジェクタ 3 5内の水 分の気化が促進される。 また、 システム終了後の目標圧力の制御を排気排水 弁 3 7による場合よりも高精度で行うことが可能となる。

すなわち、 排気排水弁 3 7による圧力制御は、 制御流体が気液混合である ため、 精度の向上に限界がある。 また、 制御圧力が低いために弁径を大きく せざるを得ず、 応答性の向上に不利である。 これに対し、 本実施形態のよう にインジェクタ 3 5を用いた圧力制御によれば、 システム停止後の目標圧力 への圧力制御を高精度に行える。 よって、 システム停止中における水素ガス の酸素極側へのクロスリーク量が減り、 燃費の向上を図ることができる。 また、 制御装置 4は、 水分低減処理として、 遮断弁 3 3を閉弁した後、 ィ ンジェクタ 3 5の開弁に必要な突入電流 （突入電流 >開弁保持電流） をソレ ノィ ド 6 9に継続的に通電し、 遮断弁 3 3を開弁して継続通電により水素タ ンク 3 0からの水素ガスをインジェクタ 3 5に供給した後、 インジェクタ 3 5を閉弁し、 遮断弁 3 3を-閉弁するようにしてもよレ、。

- インジェクタ 3 5の開弁後は、 開弁に必要な突入電流よりも小なる開弁保 持電流に切替えて,通電するのが一般的なソレノィ ド 6 9の通電制御である力 本実施形態では、 インジェクタ 3 5の開弁後も引き続き開弁保持電流よりも 大なる突入電流を継続して通電しているので、 ィンジェクタ 3 5内の水素ガ スをより短時間で昇温させること、 あるいは同一の昇温時間であればより高 温に昇温させることが可能であり、より効率的な水分低減処理が実現される。 また、 制御装置 4は、 水素ポンプ 3 9の回転数が所定回転数以下の場合に 限定して、.上述の各水分低減処理を行うようにしてもよい。 例えば、 水素ポ ンプ 3 9とインジヱクタ 3 5との間の配管距離が短い場合には、 循環流路 3 2から跳ね返づた水分が上流側に位置するインジ工クタ 3 5の弁体 6 5に付 着する虞があるが、 水素ポンプ 3 9の回転数を下げると、 下流側からの水跳 ねがない状態となり、 インジヱクタ 3 5の弁体 6 5に対する水分の付着を抑 制することができる。

また、 制御装置 4は、 燃料電池 1 0による発電 （例えば、 システム停止命 令を受けた後に実施する、 水素ガス消費のための発電および水素ガス配管系 3の減圧のための発電を含む。）が全て終了した後に、上述の水分低減処理を 行うようにしてもよい。 かかる構成によれば、 発電に伴う水の生成、.発電に 必要なガス供給のない状態で水分低減処理が行われるので、 インジェクタ 3 5内の弁体 6 5に水が付着することを、 より一層効果的に抑制することが可 能となる。

ところで、 インジェクタ 3 5は、 水素供給流路 3 1や循環流路 3 3の各配 管 （以下、 水素系配管） に比べると熱容量が極めて小さいために、 システム 停止後における当該インジェクタ 3 5の温度低下勾配は、 水素系配管のそれ よりも大きい。つまり、ィンジヱクタ 3 5は、水素系配管よりも冷えやすく、 システム停止後は水素系配管よりも先に結露が発生してしまう。

そこで、 制御装置 4は、 本発明に係る水分低減処理の一形態である結露抑 制処理として、 図 5に示すように、 イダニッシヨシ O F F等のシステム停止 命令を受けた時に、 インジェクタ 3 5のソレノイ ド 6 9に閉弁状態が保持さ れる閉弁保持電流、 言い換えれば、 通常動作時における開弁保持電流よりも 小さい電流を所定時間通電し、 その後当該通電を停止してもよい。

かかる場合には、 インジェクタ 3 5のソレノイ ド 6 9に開弁保持電流より も小さな微弱電流を所定時間流すことにより、 ソレノィ ド 6 9が発熱してィ ンジェクタ 3 5が昇温するので、 インジェクタ 3 5よりも早く水素系配管側 で結露が発生することになり、 インジェクタ 3 5内での結露の発生が抑制さ れる。 よって、 氷点下においても、 凍結によるインジェクタ 3 5の動作不良 は抑制される。 '

なお、 閉弁保持電流の通電時間 （所定時間） は、 予め設定されている固定 的な時間でもよいし、 外気温または燃料電池 1 0の温度 （あるいは、 燃料電 池 1 0を温調するための冷媒の温度） に応じて任意に設定される変動的な時 間でもよい。後者の場合には、閉弁保持電流の通電時間の最適化、ひいては、 上記の結露抑制処理を含むシステム停止処理に必要な時間の短縮化を図るこ とが可能となる。

また、 上記の結露抑制処理は、 システム停止時に実行することに代えて或 いは加えて、 システム停止後に実行してもよい。 結露抑制処理をシステム停 止後に実行する場合は、 例えば図 6に示すように、 制御装置 4は、 システム 停止後にインジュクタ 3 5のソレノイ ド 6 9に閉弁保持電流を間欠的に通電 する。 この間欠通電時における電流のオン ·オフは、 例えばタイマ等によつ て制御される。

また、 制御装置 4は、. 上記の結露抑制処理、 つまり、 システム停止時又は システム停止後におけるィンジェクタ 3 5のソレノイ ド 6 9への通電を、 ィ ンジ： クタ 3 5の弁体の周囲に結露が発生すると予測された場合に実行して ちょレヽ。 - '

- かかる場合には、 結露発生の虞がないときには無用となる結露抑制処理の 実行を省略することができる一方で、 システム停止時に結露抑制処理を実行 したにもかかわらず、 その後の環境変化等によつて結露発生の虞が生じたと もでも、 結露発生を抑制することができる。 - ここで、 インジヱクタ 3 5内における結露発生の虞は、 例えば、 外気温、 インジヱクタ 3 5の温度、 燃料電池 1◦の温度、 水素系配管の温度、 及びィ ンジヱクタ 3 5の駆動ドライバに設けられている電流センサの値から求めら れるインジヱクタ 3 5の抵抗値等に代表されるパラメータのうち、 少なくと も 1つのパラメータを用いて判断することが可能である。

なお、 以上の実施形態においては、 燃料電池システム 1の水素ガス配管系

.3に循環流路 3 2を設けた例を示したが、 例えば、 図 7に示すよう 、 燃料 電池 1 0に排出流路 3 8を直接接続して循環流路 3 2を廃止することもでき る。 また、 循環流路 3 2に水素ポンプ 3 9を設置することに代えて、 ェジェ クタを設置してもよレ、。

また、 以上の各実施形態においては、 本発明に係る燃料電池システムを燃 料電池車両に搭載した例を示したが、 燃料電池車両以外の各種移動体 （ロボ ット、 船舶、 航空機等） に本発明に係る燃料電池システムを搭載することも できる。 また、 本発明に係る燃料電池システムを、 建物 （住宅、 ビル等） 用 の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 システム停止時にィンジェクタの弁体周りに存在する水 分を低減させることが可能になるので、 インジェクタ内の凍結による動作不 良を抑制し得て、低温環境下における起動信頼性を向上させることができる。 よって、 そのような要求のある燃料電池システムとその運転停止方法に広く 利用することができる。 - 、

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池と、 この燃料電池に反応ガスを供給するためのガス供給系と、 このガス供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェ グタと、 を備えた燃料電池システムにおいて、

前記インジェクタは、 その上流側と下流側とを連通する内部流路と、 該内 部流路内を移動可能に配置されその流路の開閉状態を変更する弁体と、 を備 えてなり、 - 、

. システム停止時又はシステム停止後に、 少なくども前記インジヱクタの弁 体の周囲の水分を低減させる水分低減手段を備える燃料電池システム。

2 . 請求項 1において、

前記インジェクタは、 通電により前記弁体を駆動する弁体駆動部を備え、 前記水分低減手段は、 前記弁体駆動部への通電制御により前記弁体の周囲 の水分を低減させる燃料電池システム。

3 . 請求項 2において、

前記水分低減手段は、 前記ィンジ クタの弁体駆動部に閉弁状態が保持さ れる電流を通電し、 前記反応ガスを昇温させた後、 前記インジェクタを開弁 する燃料電池システム。

4 . 請求項 1乃至 3のいずれかにおいて、

前記インジ二クタは、 前記燃料電池の燃料極側に連通する燃料ガス供給系 に配設されたものであり、

前記水分低減手段は、 前記インジェクタを開弁する前に、 前記燃料電池の 燃料極側の圧力をシステム停止後の目標圧力よりも低下させる燃料電池シ ステム。

5 . 請求項 2乃至 4のいずれかにおいて、

前記ィンジェクタの上流側に反応ガス供給源からのガス供給を遮断する 遮断弁を備え、

前記水分低減手段は、 前記遮断弁を閉弁した後、 前記インジ クタの開弁 に必要な電流を弁体駆動部に継続的に通電し、 前記遮断弁を開弁して前記反 応ガス供給源からの反応ガスを前記ィンジェクタに供給した後、 前記ィンジ ェクタを閉弁し、 前記遮断弁を閉弁する燃料電池システム。

6 . 請求項 1乃至 5のいずれかにおいて、

前記燃料電池から排出された反応ガスのオフガスを当該燃料電池に戻す ための循環流路と、 前記循環流路に配設されたポンプと、 を備え、

. 前記水分低減手段は、 前記ポンプの回転数が所定回転数以下の場合に、 前 記弁体の周囲の水分を低減させる処理を行う燃料電池システム。

7 . 請求項 1乃至 6のいずれかにおいて、

前記水分低減手段は、 前記燃料電池による発電が全て終了した後に、'前記 弁体の周囲の水分を低減させる処理を行う燃料電池システム。

8 . 請求項 2において、

前記水分低減手段は、 前記インジェクタの弁体駆動部に閉弁状態が保持さ れる電流を所定時間通電レ、 その後当該通電を停止する燃料電池システム。

9 . 請求項 8において、

前記所定時間は、 外気または燃料電池の温度に応じて設定される燃料電池 システム。

1 0 . 請求項 2において、

前記水分低減手段は、 システム停止後に前記ィンジェクタの弁体駆動部に 間欠的に通電する燃料電池システム。

1 1 . 請求項 2において、

前記水分低減手段は、 前記ィンジェクタの弁体の周囲に結露が発生すると 予測された場合に、 前記インジェクタの弁体駆動部に通電する燃料電池シス テム。

1 2 . 燃料電池と、 この燃科電池に反応ガスを供給するためのガス供給系 と、 前記ガス供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するィンジ ヱクタと、 を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、

システム停止時に、 少なくとも前記インジェクタの内部流路に配設された 弁体の周囲の水分を低減させる工程を備える燃料電池システムの運転停止 方法。 .