JP2007188857A - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】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の上流側の圧力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を所定の駆動周期で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。制御手段４は、燃料電池１０の運転状態に応じてインジェクタ３５の作動状態を設定する。
【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。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。）。
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、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。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給状態（供給圧力等）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所定の駆動周期で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、制御手段は、燃料電池の運転状態に応じてインジェクタの作動状態を設定するものである。
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）、インジェ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、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。
前記燃料電池システムにおいて、燃料供給系は、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を有するものとし、この燃料供給流路にインジェクタを配置することができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給源とインジェクタとの間にレギュレータを配置することもできる。
かかる構成を採用すると、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力が高い場合においても、この供給圧力をレギュレータで低減させることができるので、インジェクタの上流側圧力を低減させることができる。従って、インジェクタ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の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。この結果、インジェクタの応答性の低下を抑制することができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給系は、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと供給するための燃料供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料供給流路に戻すための循環流路と、を有するものとすることができる。かかる場合において、インジェクタを、燃料供給流路と循環流路との合流部より上流側に配置することが好ましい。
かかる構成を採用すると、燃料供給流路内を流れる燃料ガスと、循環流路内を流れる燃料オフガスと、の合流圧の影響を抑制することが可能となる。また、循環流路内に残存する水分の凍結等に起因して循環流路内のガス流れが滞った場合においても、その凍結の影響を受けることなく燃料ガスの供給圧力の調整を行うことが可能となる。
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、インジェクタの上流のガス状態に基づいてインジェクタの上流の静的流量を算出するとともに、この静的流量に応じてインジェクタの作動状態を設定することが好ましい。
このようにすることにより、燃料ガス供給時のインジェクタ上流におけるガス状態の変化に基づく噴射ずれを抑制することが可能となる。
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、インジェクタの上流のガス状態に基づいてインジェクタの無効噴射時間を設定することもできる。
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料供給系において圧力調整が要求される位置である圧力調整位置に圧力センサを配置することができる。そして、制御手段は、燃料電池の運転状態に基づいて設定された圧力調整位置における目標圧力値と、圧力センサで検出された検出圧力値と、の偏差を低減させるための圧力差低減補正流量を算出するとともに、この圧力差低減補正流量に基づいてインジェクタの作動状態を設定することができる。また、制御手段は、燃料電池の運転状態に基づいて燃料電池での燃料消費量を算出するとともに、この燃料消費量と、前記圧力差低減補正流量と、に基づいてインジェクタの作動状態を設定することができる。
このようにすることにより、目標圧力値と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（例えば噴射流量）を設定することができるので、検出圧力値を目標圧力値に近付けることができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、目標圧力値と検出圧力値との偏差に比例ゲインを乗じることにより比例型の圧力差低減補正流量を算出することができる。また、制御手段は、目標圧力値と検出圧力値との偏差の積分値に積分ゲインを乗じることにより積分型の圧力差低減補正流量を算出することができる。かかる場合において、制御手段は、燃料電池の運転状態に基づいて、比例ゲイン及び積分ゲインの少なくとも何れか一方を変更する（例えば、燃料電池の発電量が小さくなるほど比例ゲイン又は積分ゲインを小さくする）ことができる。
このようにすることにより、燃料電池の運転状態に基づいて圧力差低減補正流量の算出態様を変更してインジェクタを適切に制御することができるので、幅広い運転状態において燃料ガスを安定的に供給することが可能となる。
比例型及び積分型の圧力差低減補正流量の算出に用いられる比例ゲイン及び積分ゲインを一定値に設定すると、インジェクタからの燃料ガスの供給圧力値は、燃料電池の運転状態が変化した場合においても一定の応答性をもって目標圧力値に追従しようとする。しかし、燃料電池の発電量が比較的小さい運転状態（低負荷時）において高負荷時と同様の比例ゲインや積分ゲインを採用すると、インジェクタから供給される燃料ガスが燃料電池で充分に消費されないため、燃料供給系に脈動が発生し、この脈動により燃料ガスの供給状態が不安定になる場合がある。このため、低負荷時において例えば比例ゲイン及び積分ゲインの少なくとも何れか一方を高負荷時よりも小さくすることにより、脈動の発生を抑制することができる。一方、高負荷時において低負荷時と同様の比例ゲインや積分ゲインを採用すると、インジェクタから供給される燃料ガスが燃料電池で大量に消費されるため、燃料ガスの供給量が不足して、目標圧力値への応答性が低下する場合がある。このため、高負荷時において例えば比例ゲイン及び積分ゲインの少なくとも何れか一方を低負荷時よりも大きくすることにより、目標圧力値への応答性を向上させることができる。この結果、幅広い運転状態（低負荷時及び高負荷時）において燃料ガスを安定的に供給することが可能となる。
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池の運転状態に基づいて圧力調整位置における目標圧力値を所定時間毎に算出し更新するものであって、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圧力差対応補正流量を算出するとともに、この圧力差対応補正流量と、前記燃料消費量と、前記圧力差低減補正流量と、を加算することによりインジェクタの噴射流量を算出することができる。
このようにすることにより、目標圧力値の変動に対応させてインジェクタの噴射流量を迅速に変化させることができ、応答性をさらに向上させることができる。圧力差対応補正流量を考慮しない場合には、目標圧力値の変動に起因する目標圧力値と検出圧力値との偏差を全て圧力差低減補正流量で補う必要があるため、圧力差低減補正流量の値が増大するおそれがあり、インジェクタの制御が遅れる可能性があるが、目標圧力値の変動分に対応する圧力差対応補正流量を用いると、圧力差低減補正流量の値の増大を抑制することができ、インジェクタの制御の迅速化を実現させることが可能となる。
また、前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、インジェクタの上流のガス状態に基づいてインジェクタの上流の静的流量を算出するとともに、インジェクタ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、インジェクタの基本噴射時間を算出することができる。さらに、制御手段は、インジェクタの上流のガス状態に基づいてインジェクタの無効噴射時間を設定するとともに、前記基本噴射時間と前記無効噴射時間とを加算してインジェクタの総噴射時間を算出することができる。
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燃料電池システムを備えているため、高い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、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給状態（供給圧力等）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〜図３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（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路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。
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。インジェクタ３５の弁体は例えば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。
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）。本実施形態においては、燃料電池１０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、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）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、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３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４３で検出したインジェクタ３５下流位置（圧力調整位置）の圧力値（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：Ｂ３）。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、ＰＩ型フィードバック制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。具体的には、制御装置４は、目標圧力値と検出圧力値との偏差（ｅ）に比例ゲイン（ＫP）を乗じることにより比例型フィードバック補正流量（比例項：Ｐ＝ＫP×ｅ）を算出するとともに、偏差の時間積分値（∫（ｅ）ｄｔ）に積分ゲイン（ＫI）を乗じることにより積分型フィードバック補正流量（積分項：Ｉ＝ＫI×∫（ｅ）ｄｔ）を算出し、これらを加算した値を含む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、比例型フィードバック補正流量の算出に用いられる比例ゲイン（ＫP）の値を、燃料電池１０の運転状態に応じて変更する。本実施形態における制御装置４は、図３のマップに示すように、燃料電池１０の発電電流値が第１閾値（Ａ1）未満の場合に比例ゲインを下限値（ＫP1）に設定し、燃料電池１０の発電電流値が第２閾値（Ａ2）（Ａ2＞Ａ1）を超える場合に比例ゲインを上限値（ＫP2）に設定する。また、制御装置４は、燃料電池１０の発電電流値が第１閾値（Ａ1）以上第２閾値（Ａ2）以下の場合に、比例ゲインを下限値（ＫP1）から上限値（ＫP2）まで発電電流値に比例して単調増加するように線形に変化させる。すなわち、燃料電池１０の発電電流値が第１閾値以上第２閾値以下の場合には、発電電流値が小さくなるほど比例ゲインの値が小さくなり、発電電流値が第１閾値を下回ると比例ゲインが一定値（下限値）となる。一方、燃料電池１０の発電電流値が第１閾値以上第２閾値以下の場合には、発電電流値が大きくなるほど比例ゲインの値が大きくなり、発電電流値が第２閾値を上回ると比例ゲインが一定値（上限値）となる。第１閾値、第２閾値、下限値及び上限値については、燃料電池１０の仕様等に応じて適宜設定することができる。
なお、比例ゲイン（ＫP）を一定値に設定した場合には、インジェクタ３５からの水素ガスの供給圧力値は、燃料電池１０の運転状態が変化した場合においても一定の応答性をもって目標圧力値に追従しようとする。しかし、燃料電池１０の発電量が比較的小さい運転状態（低負荷時）において高負荷時と同様の比例ゲイン（ＫP）を採用すると、インジェクタ３５から供給される水素ガスが燃料電池１０で充分に消費されないため、水素供給流路３１や循環流路３２に脈動が発生し、この脈動により水素ガスの供給状態が不安定になる場合がある。このため、本実施形態のように低負荷時（電流値が第１閾値未満の場合）の比例ゲイン（ＫP1）を高負荷時（電流値が第２閾値を超える場合）の比例ゲイン（ＫP2）よりも小さくすることにより、脈動の発生を抑制することができる。一方、高負荷時において低負荷時と同様の比例ゲイン（ＫP）を採用すると、インジェクタ３５から供給される水素ガスが燃料電池１０で大量に消費されるため、水素ガスの供給量が不足して、目標圧力値への応答性が低下する場合がある。このため、本実施形態のように高負荷時の比例ゲイン（ＫP2）を低負荷時の比例ゲイン（ＫP1）よりも大きくすることにより、目標圧力値への応答性を向上させることができる。この結果、幅広い運転状態（低負荷時及び高負荷時）において水素ガスを安定的に供給することが可能となる。
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：Ｂ４）。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ードフォワ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、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、インジェクタ３５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、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。
続いて、図４のフローチャートを用いて、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の通常運転時においては、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。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１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。
すなわち、まず、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）。次いで、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量（水素消費量）を算出する（燃料消費量算出工程：Ｓ２）。
次いで、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、インジェクタ３５下流位置（圧力調整位置）におけ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：Ｓ３）。そして、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工程：Ｓ４）。
次いで、制御装置４は、二次側圧力センサ４３を用いてインジェクタ３５下流位置（圧力調整位置）の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ５）。そして、制御装置４は、目標圧力値算出工程Ｓ３で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ５で検出した圧力値（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工程：Ｓ６）。なお、制御装置４は、フィードバック補正流量算出工程Ｓ６において、図３のマップを用いて、電流検出工程Ｓ１で検出した燃料電池１０の発電電流値に応じて比例型フィードバック補正流量を算出するための比例ゲイン（ＫP）の値を変更する。
次いで、制御装置４は、燃料消費流量算出工程Ｓ２で算出した水素消費量と、フィードフォワード補正流量算出工程Ｓ４で算出したフィードフォワード補正流量と、フィードバック補正流量算出工程Ｓ６で算出した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（噴射流量算出工程：Ｓ７）。
次いで、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（静的流量算出工程：Ｓ８）。そして、制御装置４は、噴射流量算出工程Ｓ７で算出したインジェクタ３５の噴射流量を、静的流量算出工程Ｓ８で算出した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（基本噴射時間算出工程：Ｓ９）。
次いで、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する（無効噴射時間算出工程：Ｓ１０）。そして、制御装置４は、基本噴射時間算出工程Ｓ９で算出したインジェクタ３５の基本噴射時間と、無効噴射時間算出工程Ｓ１０で算出した無効噴射時間と、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（総噴射時間算出工程：Ｓ１１）。
その後、制御装置４は、総噴射時間算出工程Ｓ１１で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の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５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１０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ェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０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、インジェクタ３５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。
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、水素タンク３０とインジェクタ３５との間にレギュレータ３４を配置しているため、水素供給源３０から供給される水素ガスの圧力が高い場合においても、この圧力をレギュレータ３４で低減させることができる。従って、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。この結果、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。
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を、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側に配置しているため、水素供給流路３１内を流れる水素ガスと、循環流路３２内を流れる水素オフガスと、の合流圧の影響を抑制することが可能となる。また、循環流路３２内に残存する水分の凍結等に起因して循環流路３２内のガス流れが滞った場合においても、その凍結の影響を受けることなく水素ガスの供給圧力の調整を行うことが可能となる。
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、インジェクタ３５の上流のガス状態（圧力や温度）に基づいて静的流量や無効噴射時間を算出し、これら静的流量や無効噴射時間を参照してインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定しているため、水素ガス供給時のインジェクタ３５上流のガス状態の変化に基づく噴射ずれ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、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に基づいて設定された圧力調整位置における目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出した検出圧力値と、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し、このフィードバック補正流量に基づいてインジェクタ３５の作動状態（噴射時関）を設定しているため、検出圧力値を目標圧力値に近付けることができる。
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、制御装置４が、燃料電池１０の発電電流値に基づいて、フィードバック補正流量の算出に用いる比例ゲイン（ＫP）を変更することができるので、燃料電池１０の運転状態に応じてインジェクタ３５を適切に制御することができる。この結果、幅広い運転状態において水素ガスを安定的に供給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、燃料電池１０の運転状態に基づいて目標圧力値を所定時間毎に算出して更新しており、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とともに、このフィードフォワード補正流量に基づいてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定しているため、目標圧力値の変動に対応させてインジェクタ３５の作動状態を迅速に変化させることができ、応答性をさらに向上させることができる。フィードフォワード補正流量を採用しない場合には、目標圧力値の変動に起因する目標圧力値と検出圧力値との偏差を全てフィードバック補正流量で補う必要があるため、フィードバック補正流量の値が増大するおそれがあり、いきおいインジェクタ３５の制御が遅れる（応答性が低下する）可能性がある。これに対し、本実施形態のように目標圧力値の変動分に対応するフィードフォワード補正流量を用いると、フィードバック補正流量の値の増大を抑制することができ、インジェクタ３５の制御の迅速化を実現させ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車両（移動体）は、燃料電池１０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可能な燃料電池システム１を備えているため、短時間のうちに大きな加速要求がなされる場合や、加減速が繰り返される場合において、トラクションモータ１２に供給する電力を高応答に出力することができる。また、要求電力値に対して圧力調整幅を精度良く変更することができ、無駄な水素消費や水素循環を抑制することができるため、燃料消費量を低減させることができる。また、本実施形態に係る燃料電池車両は、流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用した燃料電池システム１を備えているため、小型化及び低廉化が可能となる。
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（圧力調整位置：圧力調整が要求される位置）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（噴射時間）を設定した例を示したが、二次側圧力センサ４３が配置される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）を圧力調整位置に設定し、この位置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、二次側圧力センサが配置された各圧力調整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量を算出してインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定した例を示したが、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インジェクタ３５の作動状態を設定してもよい。また、燃料電池１０の運転状態の態様（起動状態、間欠運転状態、通常運転状態、パージ運転状態、燃料電池自体の異常状態、燃料電池システムの異常状態等）を制御装置が判定し、これら運転状態の態様に応じてインジェクタ３５の作動状態（インジェクタ３５の弁体の開度（ガスの通過面積）、インジェクタ３５の弁体の開放時間（ガスの噴射時間）等）を設定することもできる。
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の運転状態（発電電流値）に応じて、比例型フィードバック補正流量の算出に用いられる比例ゲイン（ＫP）のみを変更した例を示したが、燃料電池１０の運転状態に応じて、積分型フィードバック補正流量の算出に用いられる積分ゲイン（ＫI）を変更することもできる。この際、例えば、燃料電池１０の発電電流値が小さくなるほど積分ゲイン（ＫI）を小さく設定する（燃料電池１０の発電電流値が大きくなるほど積分ゲイン（ＫI）を大きく設定する）ことができる。このようにすることにより、燃料電池１０の幅広い運転状態においてインジェクタ３５を適切に制御して水素ガスを安定的に供給することが可能となる。また、燃料電池１０の運転状態に応じて、比例ゲイン（ＫP）及び積分ゲイン（ＫI）の双方を変更してもよい。
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値に応じて比例ゲインを設定した例を示したが、燃料電池１０の発電時の電力値や電圧値に基づいて比例ゲイン（ＫP）又は積分ゲイン（ＫI）を設定することもできる。この際、例えば、燃料電池１０の電力値や電圧値と、比例ゲイン（ＫP）及び積分ゲイン（ＫI）と、の関係を表すマップを用いて、比例ゲイン（ＫP）又は積分ゲイン（ＫI）の設定を行うことができる。
また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電電流値と比例ゲインとの関係を表す図３のマップを用いて比例ゲインを設定した例を示したが、発電電流値と比例ゲインとの関係は図３のマップに示されるような態様に限定されるものではない。また、以上の実施形態においては、ＰＩ型フィードバック制御則を用いてフィードバック補正流量を算出した例を示したが、他の目標追従型制御則（例えばＰＩＤ型フィードバック制御則）を用いてフィードバック補正流量を算出することもできる。
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燃料電池の発電電流値と、フィードバック補正流量を算出する際に用いられる比例ゲインと、の関係を表すマップである。 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、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３２…循環流路、３４…レギュレータ、３５…インジェクタ、４３…二次側圧力センサ、Ａ１…（燃料供給流路と循環流路との）合流部。

Claims (17)

  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所定の駆動周期で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、
    前記制御手段は、前記燃料電池の運転状態に応じて前記インジェクタの作動状態を設定する燃料電池システム。
  2. 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圧力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所定の駆動周期で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、
    前記制御手段は、前記燃料電池の運転状態に応じて前記インジェクタの作動状態を設定する燃料電池システム。
  3. 前記燃料供給系は、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供給するための燃料供給流路を有し、
    前記インジェクタは、前記燃料供給流路に配置されてなる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料供給系は、前記燃料供給源と前記インジェクタとの間に配置されたレギュレータを有する請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料供給系は、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供給するための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路に戻すための循環流路と、を有し、
    前記インジェクタは、前記燃料供給流路と前記循環流路との合流部より上流側に配置されてなる請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、前記インジェクタの上流のガス状態に基づいて前記インジェクタの上流の静的流量を算出するとともに、この静的流量に応じて前記インジェクタの作動状態を設定する請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、前記インジェクタの上流のガス状態に基づいて前記インジェクタの無効噴射時間を設定する請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料供給系において圧力調整が要求される位置である圧力調整位置に配置された圧力センサを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池の運転状態に基づいて設定された前記圧力調整位置における目標圧力値と、前記圧力センサで検出された検出圧力値と、の偏差を低減させるための圧力差低減補正流量を算出するとともに、この圧力差低減補正流量に基づいて前記インジェクタの作動状態を設定する請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御手段は、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記燃料電池における燃料消費量を算出するとともに、この燃料消費量と、前記圧力差低減補正流量と、に基づいて前記インジェクタの作動状態を設定する請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御手段は、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記圧力調整位置における目標圧力値を所定時間毎に算出し更新するものであって、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圧力差対応補正流量を算出するとともに、この圧力差対応補正流量と、前記燃料消費量と、前記圧力差低減補正流量と、を加算することにより前記インジェクタの噴射流量を算出する請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御手段は、前記インジェクタの上流のガス状態に基づいて前記インジェクタの上流の静的流量を算出するとともに、前記インジェクタの噴射流量を前記静的流量で除した値に前記駆動周期を乗じることにより、前記インジェクタの基本噴射時間を算出する請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記制御手段は、前記インジェクタの上流のガス状態に基づいて前記インジェクタの無効噴射時間を設定するとともに、前記基本噴射時間と前記無効噴射時間とを加算してインジェクタの総噴射時間を算出する請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記制御手段は、前記目標圧力値と前記検出圧力値との偏差に比例ゲインを乗じることにより比例型の圧力差低減補正流量を算出し、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記比例ゲインの値を変更するものである、
    請求項８に記載の燃料電池システム。
  14. 前記制御手段は、前記目標圧力値と前記検出圧力値との偏差の積分値に積分ゲインを乗じることにより積分型の圧力差低減補正流量を算出し、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記積分ゲインの値を変更するものである、
    請求項８に記載の燃料電池システム。
  15. 前記制御手段は、前記目標圧力値と前記検出圧力値との偏差に比例ゲインを乗じることにより比例型の圧力差低減補正流量を算出するとともに、前記偏差の積分値に積分ゲインを乗じることにより積分型の圧力差低減補正流量を算出し、前記燃料電池の運転状態に基づいて前記比例ゲイン及び前記積分ゲインの少なくとも何れか一方を変更するものである、
    請求項８に記載の燃料電池システム。
  16. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電量が小さくなるほど前記比例ゲイン及び前記積分ゲインの少なくとも何れか一方を小さくするものである、
    請求項１５に記載の燃料電池システム。
  17. 請求項１から１６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。
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