JP2007165162A - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池への負荷が急激に変化したような場合においても、燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可能な応答性に優れた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料供給系３と、燃料供給系３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３５と、インジェクタ３５を駆動制御する制御手段４と、を備える燃料電池システム１である。燃料電池１０に供給される燃料ガスの状態量を検出する状態量検出手段４３を備える。制御手段４は、燃料電池１０に供給される燃料ガスの目標状態量と、状態量検出手段４３によって検出された燃料ガスの検出状態量と、の偏差を算出し、偏差が所定の閾値以下である場合にフィードバック制御を実現させる一方、偏差が閾値を超える場合にインジェクタ３５の全開制御又は全閉制御を実現させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。

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（レギュレータ）が燃料供給流路に設けられるのが一般的である。現在においては、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（可変レギュレータ）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、特許文献１参照。）。

また、近年においては、燃料供給流路にインジェクタ及び圧力センサを配置し、燃料ガスの供給圧力の所定の目標値（目標圧力値）と、圧力センサで検出した値（検出圧力値）と、の偏差を低減させるようにインジェクタの作動状態を制御する調圧フィードバック制御技術の開発が進められている。
特開２００４−１３９９８４号公報

しかし、前記特許文献１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、前記したインジェクタを用いた調圧フィードバック制御技術を採用するだけでは、燃料電池への負荷（発電要求）が急激に変化したような場合に、燃料ガスの圧力値を目標圧力値に迅速に追従させることが困難であった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池への負荷が急激に変化したような場合においても、燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可能な応答性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料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、このインジェクタを駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、燃料電池に供給される燃料ガスの状態量を検出する状態量検出手段を備え、制御手段は、燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と、状態量検出手段によって検出された燃料ガスの検出状態量と、の偏差を算出し、この偏差が所定の閾値以下である場合に偏差を低減させるようにインジェクタの作動状態を設定するフィードバック制御を実現させる一方、偏差が閾値を超える場合にインジェクタの全開制御又は全閉制御を実現させるものである。

かかる構成によれば、燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と検出状態量との偏差が所定の閾値以下である場合に通常のフィードバック制御を実現させる一方、偏差がこの閾値を超える場合にインジェクタの全開制御又は全閉制御を実現させることができる。従って、燃料電池への負荷が急激に変化して目標状態量と検出状態量との偏差が大きくなる起動時や間欠運転時（発電量が大きく変化する場合）においても、検出状態量を目標状態量に迅速に近付ける（応答性を向上させる）ことができる。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、「燃料ガスの状態量」とは、燃料ガスの状態を表す物理量であり、例えば燃料ガスの圧力や流量の値を意味する。

前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、偏差が所定の閾値を超えた場合であって目標状態量よりも検出状態量が小さい場合にインジェクタの全開制御を実現させる一方、偏差が所定の閾値を超えた場合であって目標状態量よりも検出状態量が大きい場合にインジェクタの全閉制御を実現させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、フィードバック制御と全開制御又は全閉制御との切換えの際に使用される所定の閾値を、制御対象である燃料ガスの状態量の周期的変動を抑制するような特定値に設定することが好ましい。

このようにすることにより、フィードバック制御から全開・全閉制御への切換えの際や、全開・全閉制御からフィードバック制御への切換えの際にハンチング（制御対象である燃料ガスの状態量が周期的に変動する現象）が発生することを抑制することができる。

また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。

かかる構成によれば、燃料電池への負荷が急激に変化したような場合においても、燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可能な燃料電池システムを備えているため、優れた応答性を有する移動体を提供することができる。

本発明によれば、燃料電池への負荷が急激に変化したような場合においても、燃料ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可能な応答性に優れた燃料電池システムを提供することができる。

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（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（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０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１０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１０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１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。水素ガス配管系３は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッ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採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。二次側圧力センサ４３は、燃料ガスとしての水素ガスの状態量（圧力）を検出するものであり、本発明における状態量検出手段として機能する。

レギュレータ３４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３４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筺体を有し、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３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５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３５の機械的構造（弁体、筺体、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３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５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、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ３５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３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴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３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイ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。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５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。インジェクタ３５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３５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３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（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１０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３５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３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）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インジェクタ３５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３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５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３０を採用する場合には、各水素タンク３０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Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６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３７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３６で回収した水分と、循環流路３２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３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３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（例えばトラクションモータ１２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、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０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２４、水素ポンプ３９、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）で使用されるアクチュエータ、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、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵ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１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０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：Ｂ１）。また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスのインジェクタ３５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：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０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目標圧力値を算出している。制御装置４が算出する目標圧力値は、本発明における目標状態量の一実施形態である。

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４３で検出したインジェクタ３５下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出し、この偏差の絶対値が所定の閾値（ΔＰ₁、ΔＰ₂：図４）以下であるか否かを判定する（偏差判定機能：Ｂ３）。そして、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるための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：Ｂ４）。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の絶対値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である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いてフィードバック補正流量を算出している。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５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静的流量を算出している。また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５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３５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無効噴射時間を算出している。

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を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５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ェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５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３５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、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。すなわち、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、この偏差を低減させるためのフィードバック制御を実現させる。

また、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値（ΔＰ₁、ΔＰ₂：図４）を超える場合に、インジェクタ３５の全開制御又は全閉制御を実現させる。全開・全閉制御とは、いわゆるオープンループ制御であり、目標圧力値と検出圧力値との偏差の絶対値が所定の閾値以下となるまでインジェクタ３５の開度を全開・全閉に維持するものである。

具体的には、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値（ΔＰ₁）を超えた場合であって、目標圧力値よりも検出圧力値が小さい場合に、インジェクタ３５を全開させる（すなわち連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御機能：Ｂ９）。一方、制御装置４は、偏差の絶対値が所定の閾値（ΔＰ₂）を超えた場合であって、目標圧力値よりも検出圧力値が大きい場合に、インジェクタ３５を全閉させる（すなわち噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御機能：Ｂ１０）。

なお、制御装置４は、偏差判定機能Ｂ３においてフィードバック制御から全開・全閉制御への切換えの際に使用される所定の閾値（ΔＰ₁、ΔＰ₂）を、ハンチング（制御対象である水素ガスの圧力が周期的に変動する現象）を抑制するような特定値に設定する。すなわち、偏差判定の際に使用される閾値が小さすぎると、偏差が比較的小さい状態でフィードバック制御から全開・全閉制御に切り換わってしまうため、ハンチングが発生し易くなる。このような事態を防ぐために、偏差が比較的大きくなるまでフィードバック制御を維持させ、偏差が比較的大きくなった場合にフィードバック制御から全開・全閉制御へと切り換えることができるような特定値を偏差判定の際の閾値として採用する。かかる特定値は、インジェクタ３５の特性に応じて適宜設定することができる。

続いて、図３のフローチャート及び図４のタイムチャートを用いて、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の運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０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２１を介して燃料電池１０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１０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１０内に供給されるようになっている。

かかる運転時において、燃料電池システム１の制御装置４は、電流センサ１３を用いて燃料電池１０の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。また、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０に供給される水素ガスの目標圧力値を算出する（目標圧力値算出工程：Ｓ２）とともに、二次側圧力センサ４３を用いてインジェクタ３５の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ３）。そして、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ３で検出した圧力値（検出圧力値）と、の偏差ΔＰを算出する（偏差算出工程：Ｓ４）。

次いで、制御装置４は、偏差算出工程Ｓ４で算出した偏差ΔＰの絶対値が、第１の閾値ΔＰ₁以下であるか否かを判定する（第１偏差判定工程：Ｓ５）。第１の閾値ΔＰ₁は、図４に示すように、目標圧力値より検出圧力値が小さい場合においてフィードバック制御と全開制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ₁以下であると判定した場合に、後述する第２偏差判定工程Ｓ６に移行する。一方、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ₁を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全開させる（連続噴射させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最大になるように調整する（全開制御工程：Ｓ８）。

制御装置４は、第１偏差判定工程Ｓ５で目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第１の閾値ΔＰ₁以下であると判定した場合に、偏差算出工程Ｓ４で算出した偏差ΔＰの絶対値が、第２の閾値ΔＰ₂以下であるか否かを判定する（第２偏差判定工程：Ｓ６）。第２の閾値ΔＰ₂は、図４に示すように、目標圧力値より検出圧力値が大きい場合においてフィードバック制御と全閉制御との切換えを行うための閾値である。制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ₂以下であると判定した場合に、後述するフィードバック制御工程Ｓ７に移行する。一方、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ₂を超えるものと判定した場合に、インジェクタ３５を全閉させる（噴射停止させる）ための制御信号を出力して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力が最小になるように調整する（全閉制御工程：Ｓ９）。

制御装置４は、第２偏差判定工程Ｓ６で目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が第２の閾値ΔＰ₂以下であると判定した場合に、フィードバック制御を実現させる（フィードバック制御工程：Ｓ７）。かかるフィードバック制御工程Ｓ７について具体的に説明する。

まず、制御装置４は、電流センサ１３で検出した電流値に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの流量（水素消費量）を算出する。また、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ２で算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流側の検出圧力値と、の偏差ΔＰ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は、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値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である。そして、制御装置４は、算出した水素消費量とフィードバック補正流量とを加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する。

また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値に駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出する。

また、制御装置４は、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの圧力と、温度センサ４２で検出したインジェクタ３５の上流の水素ガスの温度と、印加電圧と、に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出し、この無効噴射時間と、インジェクタ３５の基本噴射時間と、を加算することにより、インジェクタ３５の総噴射時間を算出する。その後、制御装置４は、算出したインジェクタ３５の総噴射時間に係る制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。以上の工程群を繰り返して調圧を行うことにより、検出圧力値を目標圧力値に近付けることができる。

図４のタイムチャートは、本実施形態に係る燃料電池システム１の検出圧力値（二次側圧力センサ４３を用いて検出したインジェクタ３５の下流側の圧力値）の時間履歴を示すものである。燃料電池１０の起動時においては、図４に示すように、目標圧力値より検出圧力値が小さく、かつ、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₁より大きいため、制御装置４はインジェクタ３５の全開制御を実現させる。これにより検出圧力値は急速に目標圧力値に近付き、偏差ΔＰの絶対値は急減する。そして、制御装置４は、偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₁以下となった場合に、全開制御からフィードバック制御に切り換える。これにより、検出圧力値の変化速度が低減する。

その後、目標圧力値より検出圧力値が大きくなり、かつ、目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₂より大きくなった場合に、制御装置４はフィードバック制御から全閉制御に切り換える。これにより、検出圧力値は急速に目標圧力値に近付き、偏差ΔＰの絶対値は急減する。そして、制御装置４は、偏差ΔＰの絶対値が閾値ΔＰ₂以下となったと場合に、全閉制御からフィードバック制御に切り換える。このようにフィードバック制御と全開・全閉制御とを偏差ΔＰに応じて切り換えることにより、検出圧力値を目標圧力値に迅速に収束させることができる。

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、燃料電池１０に供給される水素ガスの目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰの絶対値が所定の閾値（ΔＰ₁、ΔＰ₂）以下である場合に通常のフィードバック制御を実現させる一方、偏差ΔＰの絶対値が所定の閾値を超える場合にインジェクタ３５の全開制御又は全閉制御を実現させることができる。従って、燃料電池１０への負荷が急激に変化して目標圧力値と検出圧力値との偏差ΔＰが大きくなる起動時や間欠運転時においても、検出圧力値を目標圧力値に迅速に近付ける（応答性を向上させる）ことができる。

また、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、インジェクタ３５の全開制御を実現させることができるため、水素タンク３０から放出される低温の水素ガスを、全開制御により発熱したインジェクタ３５によって加熱することができる。従って、燃料電池１０内に存在する水素ガスと、燃料電池１０に供給される水素ガスと、の温度差を低減することができるので、燃料電池１０の劣化を抑制することが可能となる。

また、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、制御装置４が、フィードバック制御と全開・全閉制御との切換えの際に採用される所定の閾値（ΔＰ₁、ΔＰ₂）を特定値（制御対象である水素ガスの圧力の周期的変動を抑制するような値）に設定している。このため、フィードバック制御から全開・全閉制御への切換えの際や、全開・全閉制御からフィードバック制御への切換えの際にハンチングが発生することを抑制することができる。

また、本実施形態に係る移動体（燃料電池車両）は、燃料電池１０への負荷が急激に変化したような場合においても水素ガスの圧力値を所定の目標圧力値に迅速に追従させることが可能な燃料電池システム１を備えているため、優れた応答性を有するものとなる。

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３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図５に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２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、制御装置４で前記実施形態と同様にインジェクタ３５の作動状態を制御することにより、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、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエ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３７を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３６で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２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、制御装置４で排気弁を制御することもできる。

また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１のインジェクタ３５の下流位置に二次側圧力センサ４３を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ３５の作動状態を設定した例を示したが、二次側圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池１０の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路３１上）や、燃料電池１０の水素ガス出口近傍位置（循環流路３２上）や、水素ポンプ３９の出口近傍位置（循環流路３２上）に二次側圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、二次側圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、二次側圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。

また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５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３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４を省くことができるため、システムの小型化及び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１０の発電時の電流値を検出し、この電流値に基づいて目標圧力値や水素ガスの消費流量を算出してフィードバック制御を行った例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電時の電圧値や電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じてフィードバック制御を行うこともできる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０に供給される水素ガスの「圧力値」を本発明における状態量としてフィードバック制御及び全開・全閉制御を実施した例を示したが、水素ガスの「流量値」等を本発明における状態量としてフィードバック制御及び全開・全閉制御を行うこともできる。

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。

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ーチャートである。 図１に示した燃料電池システムにおける水素ガスの圧力値の時間履歴を説明するためのタイムチャートである。 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。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、３５…インジェクタ、４３…二次側圧力センサ（状態量検出手段）

Claims (5)

1. 燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料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、このインジェクタを駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスの状態量を検出する状態量検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの目標状態量と、前記状態量検出手段によって検出された燃料ガスの検出状態量と、の偏差を算出し、この偏差が所定の閾値以下である場合に前記偏差を低減させるように前記インジェクタの作動状態を設定するフィードバック制御を実現させる一方、前記偏差が前記閾値を超える場合に前記インジェクタの全開制御又は全閉制御を実現させる燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記偏差が前記閾値を超えた場合であって前記目標状態量よりも前記検出状態量が小さい場合に、前記インジェクタの全開制御を実現させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記偏差が前記閾値を超えた場合であって前記目標状態量よりも前記検出状態量が大きい場合に、前記インジェクタの全閉制御を実現させる請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記フィードバック制御と前記全開制御又は前記全閉制御との切換えの際に使用される前記閾値を、制御対象である燃料ガスの状態量の周期的変動を抑制するような特定値に設定する請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 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を備えた移動体。
   
   

Images