JP2007305348A - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】発電一時停止状態から発電状態への移行期における燃料ガスの余剰供給を抑制することが可能な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を駆動制御することによりインジェクタ３５から燃料電池１０への燃料ガスの供給状態変化率を調整する制御手段４と、を備える燃料電池システム１であって、制御手段４は、発電一時停止状態から発電状態への移行期における供給状態変化率を、発電状態における供給状態変化率よりも小さくするようにインジェクタ３５を駆動制御する。
【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。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。）。
特開２００４−１３９９８４号公報

しかし、前記した特許文献１に記載されたような従来の可変調圧弁を採用しても、燃料供給流路における燃料ガスの供給圧力の変化率（単位時間当りの変化量）を調整することは困難である。このため、例えば燃料電池システムを間欠運転状態（発電一時停止状態）から通常運転状態（発電状態）へと移行させる際に、燃料ガスが燃料電池へと過剰に供給され、燃料消費量が増大してしまうという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、発電一時停止状態から発電状態への移行期における燃料ガスの余剰供給を抑制することが可能な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ことによりインジェクタから燃料電池への燃料ガスの供給状態変化率を調整する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、発電一時停止状態から発電状態への移行期における供給状態変化率を、発電状態における供給状態変化率よりも小さくするようにインジェクタを駆動制御するものである。

かかる構成を採用すると、発電一時停止状態から発電状態への移行期（例えば間欠運転状態から通常運転状態への移行期）における燃料ガスの供給状態変化率を、発電時における供給状態変化率よりも小さくする（移行期における燃料ガスの供給状態を発電時よりも緩やかに変化させる）ことができる。従って、燃料ガスの余剰供給や余剰消費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、「燃料ガスの供給状態」とは、インジェクタから燃料電池へと供給される燃料ガスのガス状態を意味し、「供給状態変化率」とは、燃料ガスの供給状態の単位時間当りの変化量を意味する。また、「発電一時停止状態」とは、燃料電池による発電を一時的に停止した状態を意味し、「発電状態」とは、燃料電池が継続的に発電を行っている状態を意味する。

前記燃料電池システムにおいて、所定の負荷装置から燃料電池への発電要求量に応じて、前記移行期における供給状態変化率を設定する制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、例えば、負荷装置からの発電要求量が大きい場合には、移行期における燃料ガスの供給状態変化率を大きくする（燃料ガスの供給状態を迅速に変化させる）ことができる。一方、負荷装置からの発電要求量が小さい場合には、移行期における燃料ガスの供給状態変化率を小さくする（燃料ガスの供給状態を緩やかに変化させる）ことができる。従って、負荷装置からの発電要求量が変化した場合においても、システムの応答性維持と、燃料ガスの余剰供給（余剰消費）の抑制と、の双方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、所定の負荷装置への電力供給能を有する蓄電装置を備えることができる。かかる場合において、蓄電装置の電力供給能に応じて、前記移行期における供給状態変化率を設定する制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、例えば、蓄電装置の電力供給能が高い場合には、移行期における燃料ガスの供給状態変化率を小さくする（燃料ガスの供給状態を緩やかに変化させる）ことができる。一方、蓄電装置の電力供給能が低い場合には、移行期における燃料ガスの供給状態変化率を大きくする（燃料ガスの供給状態を迅速に変化させる）ことができる。従って、蓄電装置の電力供給能が変化した場合においても、燃料ガスの余剰供給（余剰消費）の抑制と、システムの応答性維持と、の双方を実現させることが可能となる。なお、「電力供給能」とは、蓄電装置から所定の負荷装置へと供給可能な電力量を意味し、例えば蓄電量と換言することもできる。

また、前記燃料電池システムにおいて、外気温を検出する外気温センサを備えることができる。かかる場合において、外気温センサで検出した外気温に応じて、前記移行期における供給状態変化率を設定する制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、例えば、外気温が比較的高い場合には、移行期における燃料ガスの供給状態変化率を小さくする（燃料ガスの供給状態を緩やかに変化させる）ことができる。一方、外気温が比較的低い場合には、移行期における供給状態変化率を大きくする（燃料ガスの供給状態を迅速に変化させる）ことができる。従って、外気温が変化した場合においても、燃料ガスの余剰供給（余剰消費）の抑制と、システムの応答性維持と、の双方を実現させることが可能となる。

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、発電一時停止状態から発電状態への移行期における燃料ガスの余剰供給を抑制することが可能な燃料電池システムを採用しているため、移動体の燃料消費量を抑制して航続性能を高めることが可能となる。

本発明によれば、発電一時停止状態から発電状態への移行期における燃料ガスの余剰供給を抑制することが可能な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。

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水素タンク３０に代えて採用してもよい。

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Ａ１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。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、本気液分離器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（燃料オフガス）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、アクセルセンサで検出したアクセル操作量に基づいて、燃料電池１０の発電電流値を算出する（電流算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、アクセル操作量と燃料電池１０の発電電流値との関係を表す特定のマップを用いて発電電流値を算出している。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（発電電流値）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：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の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（発電電流値）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：Ｂ３）。本実施形態においては、燃料電池１０の発電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下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出し、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、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、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）。また、制御装置４は、間欠復帰情報（燃料電池１０の運転モードが間欠運転モードから通常運転モードへの移行期にあるか否かについての情報）や発電要求情報（負荷装置から燃料電池１０への発電要求量に係る情報）に基づいて、インジェクタ３５の噴射流量の変化率（増加率）を制限する（供給変化率制限機能：Ｂ８）。

具体的には、制御装置４は、燃料電池１０の運転モードが間欠運転モードから通常運転モードへの移行期（以下、「間欠復帰移行期」という）にある旨の情報を受け、かつ、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量Ｐが所定の閾値Ｐ₀未満の場合には、インジェクタ３５の噴射流量の増加率（単位時間当りの噴射流量増加分）Ｒの上限値Ｒｕを設定する。また、制御装置４は、図３に示すようなマップを用いて、発電要求量Ｐ（＜Ｐ₀）が大きくなるほど増加率Ｒが大きくなるように設定する。一方、制御装置４は、燃料電池１０が通常運転モードにある（間欠復帰移行期にない）場合や、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量Ｐが所定の閾値Ｐ₀以上の場合には、インジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒの制限を解除する。間欠復帰移行期において設定される増加率Ｒは、通常運転モードにおける増加率（インジェクタ３５の応答性能により定まる増加率）よりも小さくされている。このようにインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを制限することにより、間欠復帰移行期における水素ガスの余剰供給を抑制することが可能となる。

なお、間欠運転モードとは、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時に燃料電池１０の発電を一時的に休止し、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置からトラクションモータ１２等の負荷装置への電力供給を行い、燃料電池１０には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う運転モードを意味する。また、通常運転モードとは、負荷装置への電力供給のために燃料電池１０が発電を継続的に行う運転モードを意味する。間欠運転モードは本発明における発電一時停止状態に相当し、通常運転モードは本発明における発電状態に相当する。また、インジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒは、本発明における供給状態変化率に相当する。

また、制御装置４は、噴射流量算出機能Ｂ７により算出された（場合によってはさらに供給変化率制限機能Ｂ８により変化率が制限された）インジェクタ３５の噴射流量を、静的流量算出機能Ｂ５により算出された静的流量で除し、さらにその値にインジェクタ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。そして、制御装置４は、このように算出された基本噴射時間と、無効噴射時間算出機能Ｂ６により算出された無効噴射時間と、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（総噴射時間算出機能：Ｂ９）。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。

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、目標圧力値に検出圧力値を追従させるようなフィードバック制御を行う。

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の通常運転モードにおいては、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（発電要求量）が制御装置４で演算され、その発電要求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、間欠運転モードからこのような通常運転モードへと移行させる際における水素ガスの余剰供給を抑制する。

まず、燃料電池システム１の制御装置４は、アクセルセンサを用いてアクセル操作量を検出する（アクセル操作量検出工程：Ｓ１）。次いで、制御装置４は、検出したアクセル操作量に基づいて燃料電池１０から引き出すべき電力の電流値（発電電流値）を算出する（電流算出工程：Ｓ２）。次いで、制御装置４は、算出した燃料電池１０の発電電流値に基づいて、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（燃料消費量算出工程：Ｓ３）。なお、アクセル操作量検出工程Ｓ１で検出されたアクセル操作量は、後述する移行判定工程Ｓ８で用いられ、電流算出工程Ｓ２で算出された発電電流値は、後述する発電要求量判定工程Ｓ９で用いられる。

次いで、制御装置４は、算出した燃料電池１０の発電電流値に基づいて、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：Ｓ４）。また、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の下流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Ｓ４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（補正流量算出工程：Ｓ６）。次いで、制御装置４は、燃料消費量算出工程Ｓ３で算出した水素消費量と、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）。

続いて、制御装置４は、アクセル操作量検出工程Ｓ１で検出されたアクセル操作量の時間履歴等に基づいて、燃料電池１０の運転モードが間欠復帰移行期にあるか否かを判定する（移行判定工程：Ｓ８）。移行判定工程Ｓ８において、制御装置４は、例えば「アクセル操作量零の状態が一定時間継続した場合に燃料電池１０の運転モードが間欠運転モードにある」ものと判定し、さらに、「間欠運転モードの後にアクセル操作量が急増した場合に燃料電池１０の運転モードが間欠復帰移行期にある」ものと判定することができる。

制御装置４は、移行判定工程Ｓ８において燃料電池１０の運転モードが間欠復帰移行期にあると判定した場合に、電流算出工程Ｓ２で算出された発電電流値等に基づいて、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量Ｐが所定の閾値Ｐ₀未満か否かを判定する（発電要求量判定工程：Ｓ９）。発電要求量判定工程Ｓ９において、制御装置４は、電流算出工程Ｓ２で算出された発電電流値を発電要求量Ｐとして採用したり、アクセル操作量に基づいて算出した燃料電池１０の電力や電圧等を発電要求量Ｐとして採用したりすることができる。

制御装置４は、発電要求量判定工程Ｓ９において発電要求量Ｐが所定の閾値Ｐ₀未満である（Ｐ＜Ｐ₀）と判定した場合に、噴射流量算出工程Ｓ７で算出したインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒの上限値Ｒｕを設定するとともに、発電要求量Ｐに応じて増加率Ｒを設定する（供給変化率制限工程：Ｓ１０）。その後、制御装置４は、噴射時間算出工程Ｓ１１に移行する。

一方、制御装置４は、移行判定工程Ｓ８において燃料電池１０の運転モードが間欠復帰移行期にないと判定した場合や、発電要求量判定工程Ｓ９において発電要求量Ｐが所定の閾値Ｐ₀以上であると判定した場合に、インジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを制限することなく、噴射時間算出工程Ｓ１１に移行する。

噴射時間算出工程Ｓ１１において、制御装置４は、インジェクタ３５の上流の静的流量を算出し、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（場合によっては供給変化率制限工程Ｓ１０で増加率が制限された噴射流量）を、この静的流量で除し、さらにこの値にインジェクタ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。そして、制御装置４は、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前記したように算出した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、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。

図５のタイムチャートは、燃料電池システムの燃料電池に供給される水素ガスの圧力値の時間履歴を示すものである。従来の制御技術（インジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒの制限が無いもの）を採用すると、図５に破線で示すように、間欠運転モードを脱して間欠復帰移行期に入った直後にきわめて短時間で水素ガスの圧力値が急増する。このため、間欠復帰移行期において例えばアクセルを踏まない時間（アクセル操作量零の時間）が比較的長く継続する場合には、水素ガスが過剰に供給され、燃料消費量が増大してしまう。これに対して、本実施形態における制御技術を採用すると、図５に実線で示すように、間欠復帰移行期に入ると水素ガスの圧力値の増加率が抑制されるため、水素ガスの余剰供給や余剰消費を抑制することが可能となる。

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、間欠運転モードから通常運転モードへの間欠復帰移行期におけるインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを、通常運転モードにおける噴射流量の増加率よりも小さくする（間欠復帰移行期における水素ガスの供給状態を通常運転モードよりも緩やかに変化させる）ことができる。従って、水素ガスの余剰供給や余剰消費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、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量Ｐに応じて、間欠復帰移行期における供給状態変化率を設定することができる。すなわち、負荷装置からの発電要求量Ｐが比較的大きい場合には、間欠復帰移行期における噴射流量の増加率Ｒを比較的大きくする（水素ガスの供給状態を迅速に変化させる）ことができる。一方、負荷装置からの発電要求量Ｐが比較的小さい場合には、間欠復帰移行期における噴射流量の増加率Ｒを比較的小さくする（水素ガスの供給状態を緩やかに変化させる）ことができる。従って、負荷装置からの発電要求量Ｐが変化した場合においても、システムの応答性維持と、水素ガスの余剰供給（余剰消費）の抑制と、の双方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、間欠復帰移行期における水素ガスの余剰供給を抑制することが可能な燃料電池システム１を備えているため、燃料消費量を抑制して航続性能を高め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３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図６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、間欠復帰移行期においてインジェクタ３５の噴射流量の変化率を制限することにより、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、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量Ｐに応じて供給状態変化率（インジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒ）を設定した例を示したが、間欠復帰移行期において蓄電装置から負荷装置への電力供給を可能とし、この蓄電装置の電力供給能に応じて、供給状態変化率を設定することもできる。

例えば、蓄電装置のＳＯＣ（State Of Charge）が高い場合には、蓄電装置からの供給電力により負荷装置からの発電要求量を満たすことができるため、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量は小さくなる。このため、図７のマップに示すように、蓄電装置のＳＯＣが高い場合には、間欠復帰移行期におけるインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを小さくする（水素ガスの供給状態を緩やかに変化させる）ことができる。一方、蓄電装置のＳＯＣが低い場合には、蓄電装置からの供給電力により負荷装置からの発電要求量を充分に満たすことができず、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量は大きくなる。このため、図７のマップに示すように、蓄電装置のＳＯＣが低い場合には、間欠復帰移行期におけるインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを大きくする（水素ガスの供給状態を迅速に変化させる）。このようにすることにより、蓄電装置の電力供給能が変化した場合においても、水素ガスの余剰供給（余剰消費）の抑制と、システムの応答性維持と、の双方を実現させることが可能となる。

また、以上の実施形態においては、負荷装置から燃料電池１０への発電要求量Ｐに応じて供給状態変化率（インジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒ）を設定した例を示したが、燃料電池システム１に外気温センサを設け、この外気温センサで検出した外気温Ｔに応じて、間欠復帰移行期における供給状態変化率を設定することもできる。例えば、図７のマップに示すように、外気温Ｔが比較的高い場合には、間欠復帰移行期におけるインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを小さくする（水素ガスの供給状態を緩やかに変化させる）一方、外気温Ｔが比較的低い場合には、間欠復帰移行期におけるインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを大きくする（水素ガスの供給状態を迅速に変化させる）ことができる。このようにすることにより、外気温Ｔが変化した場合においても、水素ガスの余剰供給（余剰消費）の抑制と、システムの応答性維持と、の双方を実現させることが可能となる。

また、以上の実施形態においては、供給状態変化率としてインジェクタ３５の噴射流量の増加率Ｒを採用し、間欠復帰移行期においてこの増加率Ｒを制限した例を示したが、インジェクタ３５から燃料電池１０へと供給される水素ガスの圧力の増加率を供給状態変化率として採用し、間欠復帰移行期においてこの圧力の増加率を制限することもできる。

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（噴射時間）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に要求される発電要求量とインジェクタの噴射流量の増加率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。 燃料電池システムの燃料電池に供給され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。 蓄電装置のＳＯＣ（又は外気温）とインジェクタの噴射流量の増加率との関係を表すマップである。

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、１２…トラクションモータ（負荷装置）、３５…インジェクタ。

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ことにより前記インジェクタから前記燃料電池への燃料ガスの供給状態変化率を調整する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、発電一時停止状態から発電状態への移行期における前記供給状態変化率を、発電状態における前記供給状態変化率よりも小さくするように前記インジェクタを駆動制御するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、所定の負荷装置から前記燃料電池への発電要求量に応じて、前記移行期における前記供給状態変化率を設定するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 所定の負荷装置への電力供給能を有する蓄電装置を備え、
   前記制御手段は、前記蓄電装置の電力供給能に応じて、前記移行期における前記供給状態変化率を設定するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 外気温を検出する外気温センサを備え、
   前記制御手段は、前記外気温センサで検出した外気温に応じて、前記移行期における前記供給状態変化率を設定するものである、
   請求項１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。

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