WO2008018229A1

WO2008018229A1 - Système de pile à combustible

Info

Publication number: WO2008018229A1
Application number: PCT/JP2007/061687
Authority: WO
Inventors: Katsuki Ishigaki; Hideaki Mizuno
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2008-02-14
Also published as: JP2008047353A; DE112007001874T5; KR20090026821A; US20100015484A1; CN101496209A; CN101496209B; DE112007001874B4; JP5446023B2; US7981558B2; KR101006219B1

Description

明細書燃料電池システム技術分野

本発明は、燃料電池システムに関する。背景技術

従来より、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の燃料電池の内部や燃料ォフガスの循環流路には、発電に伴つて窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。このような不純物を外部に排出するために、循環流路に接続した排出流路に排気弁を設け、この排気弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術（パージ技術）が提案されている。

また、現在においては、排気弁を通過するガスの流量が所定値を超えた場合に排気弁を閉じるように制御する技術（特開 2 0 0 4— 1 7 9 0 0 0号公報）や、燃料電池の発電状態に応じて排出時間を設定することにより、発電状態に対応する要求排出量と同量の排気を実現させる技術（特開 2 0 0 5 - 1 4 1 9 7 7号公報）が提案されている。発明の開示

ところで、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。そして、現在においては、この燃料供給流路に機械式可変レギユレータ等の可変ガス供給装置を設けることにより、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力をシステムの運転状態に応じて変化させる技術が提案されている。

また、近年においては、可変ガス供給装置としてインジェクタを採用するとともに、インジェクタからのガス供給に基づいて排気弁からのパージ量 (排気量）を算出し、この算出したパージ量が所定の閾値（目標パージ量）を超えた場合に排気弁を閉鎖する技術（以下、「インジェクタ排気制御」という）が提案されている。従来のインジヱクタ排気制御においては、図 9 A及ぴ図 9 Bに示すように、ある時におけるインジェクタからのガス供給分に対応する排気量増分を算出し、この排気量増分をそれまでのパージ量に加算することにより総パージ量を算出し、この総パージ量が目標パージ量を超えた場合に、排気弁を閉鎖している。

し力し、このような従来のインジヱクタ排気制御を採用すると、図 9 A及ぴ図 9 Cに示すように、算出したパージ量が目標パージ量を超える際のインジクタからのガス供給分（臨界ガス供給分）の供給開始時に、排気弁が閉鎖されてしまう。この結果、算出したパージ量が目標パージ量を超える際の排気量増分 Δ Qが排気されず、図 9 Bに示すように実際の排気量が目標排気量を下回る（排気誤差が生じる）という問題が発生していた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、可変ガス供給装置及び排気弁を備え、算出した排気量が所定の目標排気量を超えた場合に排気弁を閉鎖する燃料電池システムにおいて、排気誤差を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る第 1の燃料電池システムは、燃料電池と、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供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合に排気弁を閉鎖する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、排気弁の開放中に算出した排気量が前記目標排気量を超える場合に、可変ガス供給装置からのガス供給分の供給停止と同時に排気弁を閉鎖するものである。

力かる'構成を採用すると、排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合に、前記ガス供給分の供給停止と同時に排気弁を閉鎖することができる。換言すれば、排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合において、前記ガス供給分を考慮して排気弁の開放を継続することができる。従って、可変ガス供給装置からのガス供給に起因して実際の排気量が目標排気量を下回ること（排気誤差）を抑制することが可能となる。なお、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度等で表されるガスの状態を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含むものとする。

また、本発明に係る第 2の燃料電池システムは、燃料電池と、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供給流路と、この供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合に排気弁を閉鎖する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、排気弁の開放中に算出した排気量が前記目標排気量を超える場合に、可変ガス供給装置からのガス供給分のガス供給開始時から、前記ガス供給分に対応する排気量増分の少なくとも一部をそれまでの排気量に加算して算出した排気量が前記目標排気量に到達するまで、の所要時間を算出し、前記ガス供給分のガス供給開始時から前記所要時間経過後に排気弁を閉鎖するものである。かかる構成を採用すると、排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合に、可変ガス供給装置からのガス供給分のガス供給開始時から、前記ガス供給分に対応する排気量増分の少なくとも一部をそれまでの排気量に加算して算出した排気量が目標排気量に到達するまで、の所要時間を算出することができる。そして、可変ガス供給装置からのガス供給開始時から前記所要時間経過後に排気弁を閉鎖することができる。従って、可変ガス供給装置からのガス供給分の供給停止と同時に排気弁を閉鎖すると実際の排気量が目標排気量を上回るような場合に、前記ガス供給分の供給停止時よりも先行して排気弁を閉鎖することができる。この結果、実際の排気量が目標排気量を上回ること（排気誤差）を抑制することが可能となる。

前記各燃料電池システムにおいて、可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段を有する制御手段を採用することができる。かかる場合において、可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を補うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを可変ガス供給装置として採用することができる。

インジェクタとは、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状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がィンジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。本発明によれば、可変ガス供給装置及び排気弁を備え、算出した排気量が所定の目標排気量を超えた場合に排気弁を閉鎖する燃料電池システムにおいて、排気誤差を抑制することが可能となる。

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部の制御態様を説明するための制御プロック図である。

図 3は、図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフロ一チャートである。

図 4は、図 1に示した燃料電池システムの運転方法におけるパージ量推定工程を説明するためのフローチャートである。

図 5 Aは、図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのタィムチャート（排気排水弁の開閉動作を示すもの）である。

図 5 Bは、図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのタィムチャート（排気排水弁からの排水量を示すもの）である。

図 5 Cは、図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのタィムチャート（排気排水弁からの排気量（パージ量）を示すもの）である。図 5 Dは、図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのタィムチヤ一ト（パージに起因したインジェクタ下流側圧力の低下を示すもの）である。

図 5 Eは、図 1に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのタィムチヤ一ト（インジェクタ下流側圧力の低下分を捕うためのフィードバック捕正流量を示すもの）である。

図 6 Aは、図 1に示した燃料電池システムのパージ制御を説明するためのタイムチャート（インジヱクタの開閉動作を示すもの）である。図 6 Bは、図 1に示した燃料電池システムのパージ制御を説明するためのタイムチャート（算出したパージ量及び実際のパージ量を示すもの）である。図 6 Cは、図 1に示した燃料電池システムのパージ制御を説明するためのタイムチャート（排気排水弁の開閉動作を示すもの）である。

図 7は、図 1に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。図 8 Aは、図 1に示した燃料電池システムのパージ制御の他の例を説明するためのタイムチャート（インジヱクタの開閉動作を示すもの) である。図 8 Bは、図 1に示した燃料電池システムのパージ制御の他の例を説明するためのタイムチヤ一ト（算出したパージ量及び実際のパージ量を示すもの）である。

図 8 Cは、図 1に示した燃料電池システムのパージ制御の他の例を説明するためのタイムチャート（排気排水弁の開閉動作を示すもの）である。

図 9 Aは、従来の燃料電池システムのパージ制御を説明するためのタイムチャート（インジヱクタの開閉動作を示すもの）である。

図 9 Bは、従来の燃料電池システムのパージ制御を説明するためのタイムチャート（算出したパージ量及び実際のパージ量を示すもの）である。

図 9 Cは、従来の燃料電池システムのパージ制御を説明するためのタイムチャート（排気排水弁の開閉動作を示すもの）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テム 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の車载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及び図 2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（酸化ガス及ぴ燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池 2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池 2に供給する酸化ガス配管系 3と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池 2に供給する燃料ガス配管系 4と、燃料電池 2に冷媒を供給して燃料電池 2を冷却する冷媒配管系 5と、システムの電力を充放電する電力系 6と、システム全体を統括制御する制御部 7と、を備えている。

燃料電池 2は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池 2の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃科ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池 2は電力を発生する。燃料電池 2には、発電中の電流を検出する電流センサ 2 aが取り付けられている。

酸化ガス配管系 3は、燃料電池 2に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路 1 1と、燃料電池 2から排出された酸化オフガスが流れる排気流路 1 2 と、を有している。空気供給流路 1 1には、フィルタ 1 3を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ 1 4と、コンプレッサ 1 4により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器 1 5と、が設けられている。排気流路 1 2を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁 1 6を通って加湿器 1 5で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ 1 4 は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。燃料ガス配管系 4は、水素供給源 2 1と、水素供給源 2 1から燃料電池 2 に供給される水素ガスが流れる水素供給流路 2 2と、燃料電池 2から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路 2 2の合流点 A 1に戻すための循環流路 2 3と、循環流路 2 3内の水素オフガスを水素供給流路 2 2 W 200

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に圧送する水素ポンプ 2 4と、循環流路 2 3に分岐接続された排気排水流路 2 5と、を有している。

水素供給源 2 1は、本発明における燃料供給源に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば 3 5 M P a又は 7 0 M P aの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁 2 6を開くと、水素供給源 2 1から水素供給流路 2 2に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ 2 7やインジェクタ 2 8により最終的に例えば 2 0 0 k P a程度まで減圧されて、燃料電池 2に供給される。なお、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、から水素供給源 2 1を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源 2 1として採用することもできる。

水素供給流路 2 2には、水素供給源 2 1からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁 2 6と、水素ガスの圧力を調整するレギユレータ 2 7と、ィンジェクタ 2 8と、が設けられている。また、インジヱクタ 2 8の下流側であって水素供給流路 2 2と循環流路 2 3との合流部 A 1の上流側には、水素供給流路 2 2内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ 2 9が設けられている。また、ィンジェクタ 2 8の上流側には、水素供給流路 2 2内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ 2 9等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、後述するィンジヱクタ 2 8のフィードバック制御ゃパージ制御に用いられる。

レギユレータ _{2 7}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ユレータ 2 7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、ィンジェクタ 2 8の上流側にレギュレータ 2 7を 2個配置することにより、インジェクタ 2 8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 2 8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 2 8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 2 8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 2 8の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従つて、ィンジェクタ 2 8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、インジヱクタ 2 8の応答性の低下を抑制することができる。レギュレータ 2 7は、水素供給流路 2 2の上流側のガス状態（ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。 ·

ィンジ工クタ 2 8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 2 8は、水素ガス等の気体燃料を噴射する嘖射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を嘖射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ 2 8の弁体は電磁駆動装置であるソレノィドにより駆動され、このソレノィドに給電されるパルス状励磁電流のオン 'オフにより、噴射孔の開口面積を 2段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部 7から出力される制御信号によってィンジェクタ 2 8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。ィンジェクタ 2 8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域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

インジェクタ 2 8は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ 2 8のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及ぴ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 2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、インジヱクタ 2 8の弁体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 2 8下流に供給されるガス圧力がインジェクタ 2 8上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ 2 8を調圧弁（減圧弁、レギユレータ）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ィンジェクタ 2 8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。インジエタタ 2 8は、水素供給流路 2 2の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置に相当する。

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 2 2と循環流路 2 3との合流部 A 1より上流側にインジヱクタ 2 8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供給源 2 1を採用する場合には、各水素供給源 2 1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 ) よりも下流側にィンジェクタ 2 8を配置するようにする。

循環流路 2 3には、気液分離器 3 0及び排気排水弁 3 1を介して、排気排水流路 2 5が接続されている。気液分離器 3 0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 1は、制御部 7からの指令によって作動することにより、気液分離器 3 0で回収した水分と、循環流路 2 3内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁 3 1の開放により、循環流路 2 3内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁 3 1の上流位置（循環流路 2 3上）及び下流位置（排気排水流路 2 5上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ 3 2及び下流側圧力センサ 3 3が設けられている。これら圧力センサで検出された水素オフガスの圧力に係る情報は、後述するパージ制御に用いられる。循環流路 2 3は本発明における排出流路の一実施形態であり、排気排水弁 3 1は本発明における排気弁の一実施形態である。

排気排水弁 3 1及び排気排水流路 2 5を介して排出される水素オフガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路 1 2内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ 2 4は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池 2に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路 2 2の合流点 A 1の下流側流路と、燃料電池 2のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路 2 3と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系 5は、燃料電池 2内の冷却流路に連通する冷媒流路 4 1と、冷媒流路 4 1に設けられた冷却ポンプ 4 2と、燃料電池 2から排出される冷媒を冷却するラジェータ 4 3と、を有している。冷却ポンプ 4 2は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路 4 1内の冷媒を燃料電池 2に循環供給する。

電力系 6は、高圧 D C/D Cコンバータ 6 1、ノッテリ 6 2、トラクションインバータ 6 3、トラクシヨンモータ 6 4、図示されていない各種の補機インパータ等を備えている。高圧 D CZD Cコンバータ 6 1は、直流の電圧変換器であり、パッテリ 6 2から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ 6 3側に出力する機能と、燃料電池 2又はトラクシヨンモータ 6 4から入力された直流電圧を調整してバッテリ 6 2に出力する機能と、を有する。高圧 D C/D Cコンバータ 6 1のこれらの機能により、ノッテリ 6 2の充放電が実現される。また、高圧 D C ZD Cコンバータ 6 1により、燃料電池 2の出力電圧が制御される。

パッテリ 6 2は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりが可能になっている。トラクシヨンインパータ 6 3は、直流電流を三相交流に変換し、トラクシヨンモータ 6 4に供給する。トラクションモータ 6 4は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム 1が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式の PWMインバータであり、制御部 7からの制御指令に従つて燃料電池 2又はバッテリ 6 2から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部 7は、車両に設けられた加速用の操作部材（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 6 4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 6 4のほかに、燃料電池 2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 1 4、水素ポンプ 2 4、冷却ポンプ 4 2の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、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。

制御部 7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 , 入出カインタフェース及ぴ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が読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。

具体的には、制御部 7は、図 2に示すように、電流センサ 2 aで検出した燃料電池 2の発電電流値に基づいて、燃料電池 2で消費される水素ガスの流量（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、発電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、制御部 7の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。

また、制御部 7は、燃料電池 2の発電電流値に基づいて、燃料電池 2に供給される水素ガスのインジヱクタ 2 8の下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能： B 2 ) とともに、目標パージ量（排気排水弁 3 1からの水素オフガスの目標排出量）を算出する（目標パージ量算出機能： B 3 ) 。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部 7の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。

また、制御部 7は、算出した目標圧力値と、圧力センサ 2 9で検出したィンジェクタ 2 8の下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能： B 4 ) 。そして、制御部 7は、算出した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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出機能： B 5 ) 。また、制御部 7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ 2 8の噴射流量を算出する

(噴射流量算出機能： B 6 ) 。そして、制御部 7は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ 2 8の噴射時間を算出し、この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、インジェクタ 2 8のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池 2に供給される水素ガスの流量及ぴ圧力を調整する。なお、算出したィンジェクタ 2 8の噴射流量に係る情報は、後述するパージ制御に用いられる。

また、制御部 7は、前記したインジェクタ 2 8のフィードバック制御（ィンジヱクタ 2 8の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるよ' うなィンジェクタ 2 8のガス噴射時間及びガス嘖射時期の制御）を行うと同時に、排気排水弁 3 1の開閉制御を行うことにより、循環流路 2 3内の水分及び水素オフガスを排気排水弁 3 1から外部に排出する。

この際、制御部 7は、インジヱクタ 2 8からのガス供給状態の変化に基づいて排気排水弁 3 1からの水素オフガスの総排出量（パージ量）を算出し（パージ量算出機能： B 7 ) 、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能： B 8 )。そして、制御部 7は、算出したパージ量 Qが目標パージ量 Q。未満である場合には排気排水弁 3 1 を開放し、算出したパージ量 Qが目標パージ量以上である場合には排気排水弁 3 1を閉鎖する（パージ制御機能： B 9 ) 。パージ制御の際に、制御部 7は、ある時点におけるィンジヱクタ 2 8からのガス供給分の供給開始時に算出したパージ量 Qが目標パージ量 Q_Q以上である場合に、前記ガス供給分の供給が停止されるまで排気排水弁 3 1の開放を継続し、前記ガス供給分の供給停止と同時に、排気排水弁 3 1を閉鎖する。すなわち、制御部 7は、本発明における制御手段として機能する。

ここで、制御部 7のパージ量算出機能 B 7の詳細について説明する。インジェクタ 2 8のフィードバック制御により、インジェクタ 2 8の下流位置における圧力センサ 2 9の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁 3 1の開放により循環流路 2 3から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部 7は、このような水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量（圧力変化対応流量）を算出する（圧力変化対応流量算出機能： B 7 a ) 。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する水素ガスの排出量と、の関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量を算出している。また、制御部 7は、水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を補うためのフィードパック補正流量（ガス補正供給流量）を算出し（補正流量算出機能： B 5 ) 、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値 Q₂を算出する（補正流量積算機能： B 7 b ) 。そして、制御部 7は、圧力変化対応流量と、フィードパック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値 Q₂と、を加算することにより、排気排水弁 3 1からの水素オフガスの総排出量（パージ量 Q) を算出する（パージ量算出機能： B 7 ) 。すなわち、制御部 7は、本発明における排気量算出手段として機能する。

続いて、図 3及び図 4のフローチャートと、図 5 A〜図 6 Cのタイムチヤートと、を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム 1の運転方法について説明する。

燃料電池システム 1の通常運転時においては、水素供給源 2 1から水素ガスが水素供給流路 2 2を介して燃料電池 2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 1 1を介して燃料電池 2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 2から引き出すべき電力（要求電力）が制御部 7で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及ぴ空気が燃料電池 2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、インジェクタ 2 8のフィードパック制御を実施するとともに、排気排水弁 3 1のパージ制御（循環流路 2 3の内部に滞留する水分や水素オフガスを外部に排出するための排気排水弁 3 1の開閉制御）を実施する。まず、図 3のフローチャートに示すように、燃料電池システム 1の制御部 7は、電流センサ 2 aを用いて燃料電池 2の発電時における電流値を算出する（電流検出工程： S 1 ) 。次いで、制御部 7は、検出した電流値に基づいて、燃料電池 2における水素消費量を算出する（水素消費量算出工程： S 2 ) とともに、燃料電池 2に供給される水素ガスのインジヱクタ 2 8の下流位置における目標圧力値及び目標パージ量を算出する（目標値算出工程： S 3 )。次いで、制御部 7は、圧力センサ 2 9を用いて、インジェクタ 2 8の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程： S 4 ) 。次いで、制御部 7は、目標値算出工程 S 3で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程 S 4で検出した圧力値（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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出工程：

S 5 ) 。次いで、制御部 7は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ 2 8の噴射流量を算出し、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジヱクタ 2 8の噴射時間を算出する。そして、制御部 7は、この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、インジェクタ 2 8のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池 2に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する（フィードバック制御工程： S 6 ) 。制御部 7は、前記したフィードパック制御工程 S 6を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する（パージ要求判定工程： S 7 ) 。本実施形態においては、気液分離器 3 0の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超える場合に、図示されていない液量センサが制御部 7に対してパージ開始要求信号を出力するようになっている。制御部 7は、パージ要求判定工程 S 7においてパージ開始要求無と判定した場合には、排気排水弁 3 1の閉鎖状態を維持する（パージ弁閉鎖工程： S 1 1 ) 。一方、制御部 7は、パージ要求判定工程 S 7でパージ開始要求信号を受けてパージ開始要求有と判定し、かつ、インジェクタ 2 8からのガス噴射が既に開始されている場合には、排気排水弁 3 1を開放する（パージ弁開放工程： S 8 ) 。図 5 A〜図 5 Cに示されるように、パージ弁開放工程 S 8において排気排水弁 3 1が開放されることにより、気液分離器 3 0に溜まった水分が排気排水流路 2 5へと排出され、水分の排出が終了するとほぼ同時に循環流路 2 3内の水素オフガスが排気排水流路 2 5へと排出されることとなる。

また、制御部 7は、排気排水弁 3 1の開放と同時に、排気排水弁 3 1からの水素オフガスの総排出量（パージ量 Q) を推定する（パージ量推定工程： S 9 ) 。ここで、.図 4のフローチャート及び図 5 D等のタイムチャートを用いて、パージ量推定工程 S 9について説明する。

まず、制御部 7は、排気排水弁 3 1の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ 2 8の下流側の圧力低下分 Δ Ρ (水素基準圧力ら水素現在圧を減じて得た値：図 5 D参照）に基づいて、圧力低下分 Δ Ρ に対応する流量としての圧力変化対応流量を算出する（圧力変化対応流量算出工程： S 2 0 ) 。次いで、制御部 7は、排気排水弁 3 1の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジヱクタ 2 8の下流側の圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値 Q₂ (図 5 E参照）を算出する（補正流量積算工程： S 2 1 ) 。続いて、制御部 7は、圧力変化対応流量と、パージ開始時点からのフィードパック補正流量の時間積算値 Q₂と、を加算することにより、排気排水弁 3 1からの水素オフガスの総排出量（パージ量 Q) を算出する（パージ量算出工程： S 2 2 ) 。

パージ量推定工程 S 9を経た後、制御部 7は、推定した水素オフガスの総排出量（パージ量 Q) 、目標値算出工程 S 3で算出された目標パージ量 Q₀ 以上であるかを判定する（パージ量判定工程： S 1 0 ) 。そして、制御部 7 は、推定したパージ量 Qが目標パージ量 Q₀未満である場合には、引き続きパージ量推定工程 S 9及ぴパージ量判定工程 S 1 0を続行する一方、推定したパージ量 Qが目標パージ量 Q。以上である場合には、排気排水弁 3 1を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程： S 1 1 ) 。パージ弁閉鎖工程 S 1 1において、制御部 7は、図 6 A及ぴ図 6 Cに示すように、ある時点におけるインジヱクタ 2 8からのガス供給分の供給開始時に算出したパージ量 Qが目標パージ量 Q₀ 以上である場合に、前記ガス供給分の供給が停止されるまで排気排水弁 3 1 の開放を継続し、前記ガス供給分の供給停止と同時に排気排水弁 3 1を閉鎖する。制御部 7がこのように排気排水弁 3 1を制御することにより、図 6 B に示すように、実際のパージ量が目標パージ量 Q。を超える際のィンジェクタ 2 8からのガス供給分（臨界ガス供給分）に対応する排気量増分 A Qを排気することができる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム 1においては、排気排水弁 3 1の開放中に算出したパージ量が所定の目標パージ量を超える場合に、ィンジヱクタ 2 8からの臨界ガス供給分の供給停止と同時に排気排水弁 3 1を閉鎖することができる。換言すれば、排気排水弁 3 1の開放中に算出したパージ量が所定の目標パージ量を超える場合において、インジェクタ 2 8からの臨界ガス供給分を考慮して排気排水弁 3 1の開放を継続することができる。従って、インジェクタ 2 8からのガス供給に起因して実際のパージ量が目標パージ量を下回ること（排気誤差）を抑制することが可能となる。

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 4に循環流路 2 3を設けた例を示したが、例えば、図 7に示すように、燃料電池 2に排出流路 3 2を接続して循環流路 2 3を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、前記実施形態と同様に、インジェクタ 2 8からの臨界ガス供給分の供給停止と同時に排気排水弁 3 1を閉鎖することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、以上の実施形態においては、排気排水弁 3 1の開放中に算出したパージ量が所定の目標パージ量を超える場合に、インジェクタ 2 8からの臨界ガス供給分の供給停止と同時に排気排水弁 3 1を閉鎖した例を示したが、さらに精度良く排気排水弁 3 1の開閉動作を制御することもできる。

例えば、図 8 A〜図 8 Cに示すように、制御部 7が、算出したパージ量 Q が目標パージ量 Qo以上である場合に、インジヱクタ 2 8からの臨界ガス供給分の供給開始時から、臨界ガス供給分に対応する排気量増分 A Qの一部をそれまでのパージ量に加算して算出したパージ量が目標パージ量に到達するまで、の所要時間 A tを算出し、臨界ガス供給分のガス供給開始時からこの所要時間△ t経過後に排気排水弁 3 1を閉鎖することができる。 △ tは、インジェクタ 2 8からの臨界ガス供給分に対応する排気量増分 A Qと排気量増分 A Qが全てパージされるまでに要する時間とから算出される局所的な排気速度（単位時間当たりの排気量増分）と、排気量増分 A Qが加算される前に算出されたパージ量と目標パージ量 Q₀との差と、を用いて算出することができる。

制御部 7がこのように排気排水弁 3 1を制御すると、インジ: クタ 2 8からの臨界ガス供給分の供給停止と同時に排気排水弁 3 1を閉鎖すると実際のパージ量が目標パージ量を上回るような場合に、図 8 Cに示すように臨界ガス供給分の供給停止時よりも先行して排気排水弁 3 1を閉鎖することができる。この結果、実際のパージ量が目標パージ量を上回ること（排気誤差）を抑制することが可能となる。

また、以上の実施形態においては、循環流路 2 3に水素ポンプ 2 4を設けた例を示したが、水素ポンプ 2 4に代えてェジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁 3 1を循環流路 2 3に設けた例を示したが、気液分離器 3 0で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路 2 3内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部 7で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。

.また、以上の実施形態においては、水素供給流路 2 2に遮断弁 2 6及びレギユレータ 2 7を設けた例を示したが、インジェクタ 2 8は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁 2 6ゃレギユレータ 2 7を設けなくてもよい。従って、インジェクタ 2 8を採用すると遮断弁 2 6ゃレギユレータ 2 7を省くことができるため、システムの小型化及ぴ低廉化が可能となる。また、以上の実施形態においては、燃料電池 2の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定した例を示したが、燃料電池 2の運転状態を示す他の物理量（燃料電池 2の発電電圧値や発電電力値、燃料電池 2の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定してもよい。また、燃料電池 2が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にある力、間欠運転から回復した直後の運転状態あるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。産業上の利用可能性

本発明に係る燃料電池システムは、以上の実施形態に示すように、燃料電池車両に搭載可能であり、また、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも搭載可能である。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。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、前記排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、前記排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合に前記排気弁を閉鎖する制御手段と、を備える燃料電池システムであつて、

前記制御手段は、前記排気弁の開放中に算出した排気量が前記目標排気量を超える場合に、前記可変ガス供給装置からのガス供給分の供給停止と同時に前記排気弁を閉鎖するものである、

燃料電池システム。

2 . 燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを流すための排出流路と、前記排出流路内のガスを外部に排出するための排気弁と、前記排気弁の開放中に算出した排気量が所定の目標排気量を超える場合に前記排気弁を閉鎖する制御手段と、を備える燃料電池システムであつて、

前記制御手段は、前記排気弁の開放中に算出した排気量が前記目標排気量を超える場合に、前記可変ガス供給装置からのガス供給分のガス供給開始時から、前記ガス供給分に対応する排気量増分の少なくとも一部をそれまでの排気量に加算して算出した排気量が目標排気量に到達するまで、の所要時間を算出し、前記ガス供給分のガス供給開始時から前記所要時間経過後に前記排気弁を閉鎖するものである、燃料電池システム。

3 . 前記制御手段は、前記可変ガス供給装置からのガス供給状態の変化分の時間積算に基づいて前記排気弁からの排気量を算出する排気量算出手段を有するものである、

請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。

4 . 前記排気量算出手段は、前記可変ガス供給装置の下流側圧力の変化分から換算される圧力変化対応流量と、前記可変ガス供給装置の下流側圧力の低下を捕うためのガス補正供給流量の時間積算値と、を加算することにより、前記排気弁からの排気量を算出するものである、

請求項 3に記載の燃料電池システム。

5 . 前記可変ガス供給装置は、インジヱクタである、

請求項 1から 4の何れか一項に記載の燃料電池システム。