JP6227497B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料電池システムでは、燃料電池への水素供給手段として、インジェクタが利用されている。このインジェクタは、制御手段からの信号に応じてプランジャが作動し、高圧の水素を断続的に噴射することができる装置である。
ところで、下記特許文献１によれば、要求発電量が小さくなるにつれて、インジェクタの駆動周期を長く設定し（デューティ比は不変）、一周期あたりの噴射量を増加させる制御方法が提案されている。
ところで、下記特許文献１によれば、要求発電量が小さくなるにつれて、インジェクタの駆動周期を長く設定し（デューティ比は不変）、一周期あたりの噴射量を増加させる制御方法が提案されている。
ここで、上記特許文献１の技術のように、一周期あたりの噴射量を増加させると、インジェクタの作動音（プランジャの打音や噴射音など）が大きくなる。
一方で、要求発電量が小さい低負荷発電時では、通常発電時よりも燃料電池システム全体の作動音（例えば、コンプレッサの駆動音など）が小さくなり、インジェクタの作動音の方が大きくなってしまうおそれがある。
このため、低負荷発電時において、通常発電時に聞こえなかったインジェクタの作動音がユーザに聞こえてしまい、違和感を与える。
一方で、要求発電量が小さい低負荷発電時では、通常発電時よりも燃料電池システム全体の作動音（例えば、コンプレッサの駆動音など）が小さくなり、インジェクタの作動音の方が大きくなってしまうおそれがある。
このため、低負荷発電時において、通常発電時に聞こえなかったインジェクタの作動音がユーザに聞こえてしまい、違和感を与える。
そこで、本発明は、前記する背景に鑑みて創案された発明であって、低負荷発電時にユーザに違和感を与え難い燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を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、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、要求発電量が所定値以上の場合、前記通常発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記要求発電量が所定値未満の場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくし、前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量であることを特徴とする。
前記する発明によれば、要求発電量が小さく低負荷発電モードが選択された場合、インジェクタの上流側の圧力が低くなり、インジェクタの作動音が通常発電時よりも小さくなる。よって、燃料電池システム全体の作動音よりもインジェクタの作動音の方が大きくなるという事態が回避され、ユーザに違和感を与え難い。
また、前記する発明において、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられ、二次側圧力を可変可能な可変減圧装置を備え、前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記インジェクタに供給される燃料ガスの圧力を前記通常発電モード時よりも低くなるように前記可変減圧装置を制御してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を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、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、要求発電量が所定値以上の場合、前記通常発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記要求発電量が所定値未満の場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくし、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第１減圧装置と、前記第１減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、前記開閉弁をバイパスして設けられた第２減圧装置と、を備え、前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁することを特徴とする。
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る燃料電池システムの制御方
法は、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、前記制御手段は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、を有し、前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量であることを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、前記制御手段は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、を有し、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第１減圧装置と、前記第１減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、前記開閉弁をバイパスして設けられた第２減圧装置と、を備え、前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁することを特徴とする。
法は、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、前記制御手段は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、を有し、前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量であることを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池と、燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、前記圧力調整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記制御手段は、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、前記制御手段は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、を有し、前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第１減圧装置と、前記第１減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、前記開閉弁をバイパスして設けられた第２減圧装置と、を備え、前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁することを特徴とする。
前記する発明によれば、要求発電量が所定値よりも低い場合、圧力低減工程によってインジェクタの上流側の圧力が低くなり、インジェクタの作動音が通常発電時よりも小さくなる。よって、燃料電池システム全体の作動音よりもインジェクタの作動音の方が大きくなるという事態が回避され、ユーザに違和感を与え難い。
本発明によれば、低負荷発電時にユーザに違和感を与え難い燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
つぎに、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、本実施形態では、モータにより駆動する燃料電池車（移動体）に燃料電池システムが搭載された例を挙げて説明するが、本発明は移動体に限らず、据え置き型などの固定設備に備え付けてもよく、特に限定されない。
なお、本実施形態では、モータにより駆動する燃料電池車（移動体）に燃料電池システムが搭載された例を挙げて説明するが、本発明は移動体に限らず、据え置き型などの固定設備に備え付けてもよく、特に限定されない。
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit：電子制御装置）と、を備えている。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit：電子制御装置）と、を備えている。
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１を積層することで構成されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟むアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１を積層することで構成されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟むアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、電解質膜を挟むアノード及びカソードと、を備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため、単セル１１の積層方向に延びる貫通孔や単セル１１の面方向に延びる溝が形成され、貫通孔及び溝が内部アノード流路１２として機能している。
同様に、カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため、単セル１１の積層方向に延びる貫通孔や単セル１１の面方向に延びる溝が形成され、貫通孔及び溝が内部カソード流路１３として機能している。
同様に、カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため、単セル１１の積層方向に延びる貫通孔や単セル１１の面方向に延びる溝が形成され、貫通孔及び溝が内部カソード流路１３として機能している。
内部アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、内部カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こる。この結果、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生する。次いで、燃料電池スタック１０とモータ５２等の外部負荷とが電気的に接続されて電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電する。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−…（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
＜アノード系＞
アノード系は、高圧タンク（燃料ガス貯蔵手段）２０と、高圧タンク２０から燃料電池スタック１０のアノードに水素を供給する水素供給配管２１（２１ａ〜２１ｅ）と、アノードオフガスを循環させるアノードオフガス循環配管２２ａと、アノードオフガスを排出するアノードオフガス排出配管２２ｂ、２２ｃと、水素供給配管２１上に配設された圧力調整手段２４、インジェクタ２３及びエゼクタ２５と、アノードオフガス排出配管２２ｂ上に配設されたパージ弁２６と、を備えている。
アノード系は、高圧タンク（燃料ガス貯蔵手段）２０と、高圧タンク２０から燃料電池スタック１０のアノードに水素を供給する水素供給配管２１（２１ａ〜２１ｅ）と、アノードオフガスを循環させるアノードオフガス循環配管２２ａと、アノードオフガスを排出するアノードオフガス排出配管２２ｂ、２２ｃと、水素供給配管２１上に配設された圧力調整手段２４、インジェクタ２３及びエゼクタ２５と、アノードオフガス排出配管２２ｂ上に配設されたパージ弁２６と、を備えている。
高圧タンク２０は、例えば最大で７０ＭＰａなど、極めて高い圧力で水素を貯蔵することができるタンクである。高圧タンク２０には、ＥＣＵ７０の制御により開弁又は閉弁する主止弁（不図示）が設けられており、主止弁が開弁した場合に高圧タンク２０内に充填された水素が水素供給配管２１に流れ込む。
インジェクタ２３は、ＥＣＵ７０のＰＷＭ制御によりプランジャが進退し、高圧タンク２０からの新規な水素をノズルから断続的に噴射する電子制御式の水素噴射装置である。そして、インジェクタ２３が水素を噴射することで、内部アノード流路１２を通流する水素の圧力、流量が調整される。
圧力調整手段２４は、インジェクタ２３よりも上流に配置されてインジェクタ２３に供給される水素の圧力を調整するための構成である。
本実施形態の圧力調整手段２４は、高圧タンク２０の下流側に配設される第１レギュレータ（第１減圧装置）２４ａと、第１レギュレータ２４ａとインジェクタ２３との間に配設される切り替えバルブ（開閉弁）２４ｂと、切り替えバルブ２４ｂをバイパスするバイパス管２４ｄ上に配設された第２レギュレータ（第２減圧装置）２４ｃと、を備えている。
本実施形態の圧力調整手段２４は、高圧タンク２０の下流側に配設される第１レギュレータ（第１減圧装置）２４ａと、第１レギュレータ２４ａとインジェクタ２３との間に配設される切り替えバルブ（開閉弁）２４ｂと、切り替えバルブ２４ｂをバイパスするバイパス管２４ｄ上に配設された第２レギュレータ（第２減圧装置）２４ｃと、を備えている。
第１レギュレータ２４ａ及び第２レギュレータ２４ｃは、１次側（水素供給配管２１の上流側）から２次側（水素供給配管２１の下流側）に流れる水素の圧力を所定圧に調圧（減圧）するための装置である。
また、第１レギュレータ２４ａ及び第２レギュレータ２４ｃには、２次側に流れる水素を所定圧の設定するためのハンドルが設けられている。
本実施形態では、第１レギュレータ２４ａの２次側の圧力が、例えば１ＭＰａとなるように設定され、第２レギュレータ２４ｃの２次側の圧力が、例えば０．５ＭＰａとなるように設定されている。
また、第１レギュレータ２４ａ及び第２レギュレータ２４ｃには、２次側に流れる水素を所定圧の設定するためのハンドルが設けられている。
本実施形態では、第１レギュレータ２４ａの２次側の圧力が、例えば１ＭＰａとなるように設定され、第２レギュレータ２４ｃの２次側の圧力が、例えば０．５ＭＰａとなるように設定されている。
切り替えバルブ２４ｂは、ＥＣＵ７０の制御により開弁又は閉弁する常時開型の開閉弁である。切り替えバルブ２４ｂが開弁すると、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が切り替えバルブ２４ｂを通過してインジェクタ２３に供給される。
一方で、切り替えバルブ２４ｂが閉弁すると、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が第２レギュレータ２４ｃを通過し、インジェクタ２３には、第２レギュレータ２４ｃにより０．５ＭＰａに減圧された水素が供給される。
なお、切り替えバルブ２４ｂの閉弁により、インジェクタ２３に供給される圧力が低くなると、インジェクタ２３のプランジャの打音や噴射音等も小さくなり、インジェクタ２３の作動音が小さくなる（図２の「０．５ＭＰａ時」と「１ＭＰａ時」を参照）。
一方で、切り替えバルブ２４ｂが閉弁すると、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が第２レギュレータ２４ｃを通過し、インジェクタ２３には、第２レギュレータ２４ｃにより０．５ＭＰａに減圧された水素が供給される。
なお、切り替えバルブ２４ｂの閉弁により、インジェクタ２３に供給される圧力が低くなると、インジェクタ２３のプランジャの打音や噴射音等も小さくなり、インジェクタ２３の作動音が小さくなる（図２の「０．５ＭＰａ時」と「１ＭＰａ時」を参照）。
アノードオフガス循環配管２２ａは、内部アノード流路１２の出口とエゼクタ２５の吸気口を接続し、内部アノード流路１２から排出された水素を含むアノードオフガスをエゼクタ２５に吸気させるための配管である。
エゼクタ２５は、インジェクタ２３からの新規水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって、アノードオフガス循環配管２２ａのアノードオフガスを吸引し、新規水素とアノードオフガスとを混合し、内部アノード流路１２に向けて噴射するものである。
パージ弁２６は、システムの起動時や燃料電池スタック１０の発電時おいて、アノードオフガス循環配管２２ａを循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ７０により開くようになっている。
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３０と、コンプレッサ３０と燃料電池スタック１０とを接続する空気供給配管３１と、燃料電池スタック１０からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出配管３２と、を備えている。
カソード系は、コンプレッサ３０と、コンプレッサ３０と燃料電池スタック１０とを接続する空気供給配管３１と、燃料電池スタック１０からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出配管３２と、を備えている。
コンプレッサ３０は、ＥＣＵ７０の指令に従って作動すると、車外の酸素を含む空気を吸気圧縮して空気供給配管３１に送り込み、所定圧の空気が内部カソード流路１３に供給される。
＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池スタック１０の出力端子（不図示）に接続する電力制御器５１を備えている。電力制御器５１は、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えており、ＥＣＵ７０からの指令に従って燃料電池スタック１０を出電電力（出力電圧、出力電流）を制御するものである。
電力消費系は、燃料電池スタック１０の出力端子（不図示）に接続する電力制御器５１を備えている。電力制御器５１は、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えており、ＥＣＵ７０からの指令に従って燃料電池スタック１０を出電電力（出力電圧、出力電流）を制御するものである。
＜その他機器＞
モータ５２は、燃料電池車の駆動力を発生する電動機であり、電力制御器５１の出力端子（不図示）に接続されている。
ＩＧ６１は、燃料電池車（燃料電池システム１）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。ＩＧ６１は、ＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６１のＯＮ信号／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
アクセル開度センサ６２は、アクセル開度（アクセルの踏み込み量）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
モータ５２は、燃料電池車の駆動力を発生する電動機であり、電力制御器５１の出力端子（不図示）に接続されている。
ＩＧ６１は、燃料電池車（燃料電池システム１）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。ＩＧ６１は、ＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６１のＯＮ信号／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
アクセル開度センサ６２は、アクセル開度（アクセルの踏み込み量）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
＜ＥＣＵ７０＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行し、各種機器を制御するようになっている。
＜ＥＣＵ７０−発電制御機能＞
ＥＣＵ７０は、要求発電量に対応して燃料電池スタック１０の発電を制御する発電制御機能を有している。
ＥＣＵ７０は、要求発電量に関し、アクセル開度センサ６２に検出されるアクセル開度（アクセルの踏み込み量）に基づいて判断している。具体的に、アクセル開度が大きくなると、目標アノード圧力、目標カソード圧力が高くなり、目標アノードガス流量（目標水素流量）、目標カソードガス流量（目標空気流量）が多くなる関係になっている。
なお、要求発電量が大きくなるにつれて、燃料電池システム１全体の作動音が大きくなる、という関係にある（図２参照）。
ＥＣＵ７０は、要求発電量に対応して燃料電池スタック１０の発電を制御する発電制御機能を有している。
ＥＣＵ７０は、要求発電量に関し、アクセル開度センサ６２に検出されるアクセル開度（アクセルの踏み込み量）に基づいて判断している。具体的に、アクセル開度が大きくなると、目標アノード圧力、目標カソード圧力が高くなり、目標アノードガス流量（目標水素流量）、目標カソードガス流量（目標空気流量）が多くなる関係になっている。
なお、要求発電量が大きくなるにつれて、燃料電池システム１全体の作動音が大きくなる、という関係にある（図２参照）。
また、ＥＣＵ７０は、要求発電量が所定値以上の場合に実行する通常発電モードと、要求負荷が所定値未満の場合に実行する低負荷発電モードと、を備えている。
通常発電モードでは、インジェクタ２３に供給される水素の圧力を比較的高めに設定するためのモードであり、具体的には、切り替えバルブ２４ｂを開弁させるような制御を行う。なお、本実施形態における切り替えバルブ２４ｂは、常時開型であるため、ＥＣＵ７０は、特に指令を出さない。
一方で、低負荷発電モードは、インジェクタ２３に供給される水素の圧力を比較的低めに設定するためのモードであり、具体的には、制御信号を発信して切り替えバルブ２４ｂを閉弁させるような制御を行う。
この低負荷発電モードによれば、アイドリング時など、燃料電池スタック１０の要求発電量が小さい場合に低負荷発電モードが選択され、インジェクタ２３に供給される水素の圧力が０．５ＭＰａとなり、インジェクタ２３の作動音が小さくなる（図２参照）。
この低負荷発電モードによれば、アイドリング時など、燃料電池スタック１０の要求発電量が小さい場合に低負荷発電モードが選択され、インジェクタ２３に供給される水素の圧力が０．５ＭＰａとなり、インジェクタ２３の作動音が小さくなる（図２参照）。
また、図２に示すように、通常発電モードと低負荷発電モードとを区分けするための所定値とは、インジェクタ２３の作動音（供給される水素の圧力が１ＭＰａ時）と、燃料電池システム１の作動音とが略同じ大きさの場合の要求発電量に設定されている。
このような所定値によれば、インジェクタ２３の作動音（供給される水素の圧力が１ＭＰａ時）よりも、燃料電池システム１の作動音の方が小さい場合に、低負荷発電モードが選択され、インジェクタ２３の作動音が小さくなる。このため、インジェクタ２３の作動音が運転者に聞こえないようになる。
一方で、燃料電池車両の走行中などの燃料電池スタック１０の要求発電量が高い場合、通常発電モードが選択され、インジェクタ２３に高圧（１ＭＰａ）の水素が供給される。このため、インジェクタ２３は、要求発電量に対応した高圧で大量の水素をアノードに供給することができる。
なお、通常発電モード選択時において、燃料電池システム１の作動音は、供給される水素の圧力が１ＭＰａで駆動するインジェクタ２３の作動音よりも大きく、インジェクタ２３の作動音は運転者に聞こえない。
このような所定値によれば、インジェクタ２３の作動音（供給される水素の圧力が１ＭＰａ時）よりも、燃料電池システム１の作動音の方が小さい場合に、低負荷発電モードが選択され、インジェクタ２３の作動音が小さくなる。このため、インジェクタ２３の作動音が運転者に聞こえないようになる。
一方で、燃料電池車両の走行中などの燃料電池スタック１０の要求発電量が高い場合、通常発電モードが選択され、インジェクタ２３に高圧（１ＭＰａ）の水素が供給される。このため、インジェクタ２３は、要求発電量に対応した高圧で大量の水素をアノードに供給することができる。
なお、通常発電モード選択時において、燃料電池システム１の作動音は、供給される水素の圧力が１ＭＰａで駆動するインジェクタ２３の作動音よりも大きく、インジェクタ２３の作動音は運転者に聞こえない。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作を説明する。
次に、燃料電池システム１の動作を説明する。
図３を参照しながら、ＩＧ６１が継続してＯＮされ、水素と空気とが燃料電池スタック１０に供給している場合について説明する。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、要求発電量が所定値以上であるか否か判定する（判定工程）。
要求発電量が所定値以上であると判定した場合（Ｓ１０１で「Ｙｅｓ」の場合）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０２に進み、通常発電モードを実行する。
具体的に、ステップＳ１０２で、ＥＣＵ７０は、切り替えバルブ２４ｂに対して特に制御信号を出さない。この結果、切り替えバルブ２４ｂの開弁が維持され、インジェクタ２３に、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が供給される。
具体的に、ステップＳ１０２で、ＥＣＵ７０は、切り替えバルブ２４ｂに対して特に制御信号を出さない。この結果、切り替えバルブ２４ｂの開弁が維持され、インジェクタ２３に、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が供給される。
また、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電量が要求発電量となるように、インジェクタ２３とコンプレッサ３０とに制御信号を出す。
これにより、インジェクタ２３は、高圧で大量の水素をアノードに供給し、コンプレッサ３０は、駆動量を増大させて高圧で大量の空気をカソードに供給し、燃料電池スタック１０の発電量が要求発電量となる。
これにより、インジェクタ２３は、高圧で大量の水素をアノードに供給し、コンプレッサ３０は、駆動量を増大させて高圧で大量の空気をカソードに供給し、燃料電池スタック１０の発電量が要求発電量となる。
一方で、要求発電量が所定値以上でないと判定した場合（Ｓ１０１で「Ｎｏ」の場合）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進み、低負荷発電モードを実行する（圧力低減工程）。
具体的にステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、切り替えバルブ２４ｂに対して制御信号を発信して切り替えバルブ２４ｂを閉弁させる。これにより、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が第２レギュレータ２４ｃを通過し、０．５ＭＰａに減圧された水素がインジェクタ２３に供給される。
具体的にステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、切り替えバルブ２４ｂに対して制御信号を発信して切り替えバルブ２４ｂを閉弁させる。これにより、第１レギュレータ２４ａにより１ＭＰａに減圧された水素が第２レギュレータ２４ｃを通過し、０．５ＭＰａに減圧された水素がインジェクタ２３に供給される。
また、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電量が要求発電量となるように、インジェクタ２３とコンプレッサ３０とに制御信号を出す。
そして、インジェクタ２３は、低圧で少量の水素をアノードに供給し、コンプレッサ３０は、駆動量を低減させて低圧で少量の空気がカソードに供給する。
そして、インジェクタ２３は、低圧で少量の水素をアノードに供給し、コンプレッサ３０は、駆動量を低減させて低圧で少量の空気がカソードに供給する。
そして、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３のそれぞれの処理後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを経由してスタートに戻る。
以上、本実施形態に係る燃料電池システム１及びこの制御方法によれば、要求発電量が所定値よりも小さい場合に低負荷発電モードが実行され、インジェクタ２３の作動音が燃料電池システム１の作動音よりも小さくなる。このため、低負荷発電時においてインジェクタ２３の作動音がユーザに聞こえるという事態が回避されるため、ユーザに違和感を与え難い。
以上、実施形態に係る燃料電池システム１及びこの制御方法について説明したが、本発明は、実施形態で説明した例に限定されない。
例えば、第２レギュレータ２４ｃに関し、２次側の圧力が０．５ＭＰａに設定されているが、本発明は、第１レギュレータ２４ａの２次側の圧力（１ＭＰａ）よりも低く減圧できればよい。
ただし、第２レギュレータ２４ｃの２次側の圧力が低すぎると、インジェクタ２３による水素供給が適切に実施されないおそれがあり、インジェクタ２３による音速供給が可能範囲である必要がある。
例えば、第２レギュレータ２４ｃに関し、２次側の圧力が０．５ＭＰａに設定されているが、本発明は、第１レギュレータ２４ａの２次側の圧力（１ＭＰａ）よりも低く減圧できればよい。
ただし、第２レギュレータ２４ｃの２次側の圧力が低すぎると、インジェクタ２３による水素供給が適切に実施されないおそれがあり、インジェクタ２３による音速供給が可能範囲である必要がある。
また、本発明に係る圧力調整手段２４は、図４に示すように、ＥＣＵ７０の制御により２次側の圧力を変更することができる可変減圧装置２４Ａであってもよい。
このような構成によっても実施形態の燃料電池システム１と同様な効果を発揮することができると共に、実施形態よりも部品点数が低減し、燃料電池システム１Ａの小型化を図ることができる。
なお、可変減圧装置２４Ａの具体的な構成としては、ＥＣＵ７０の制御信号を受けて２次側の流路幅を変更することで２次側の圧力を調圧するものや、弁の開閉するデューティ比を変更することで２次側の圧力を調圧するものが挙げられる。
このような構成によっても実施形態の燃料電池システム１と同様な効果を発揮することができると共に、実施形態よりも部品点数が低減し、燃料電池システム１Ａの小型化を図ることができる。
なお、可変減圧装置２４Ａの具体的な構成としては、ＥＣＵ７０の制御信号を受けて２次側の流路幅を変更することで２次側の圧力を調圧するものや、弁の開閉するデューティ比を変更することで２次側の圧力を調圧するものが挙げられる。
また、本発明に係る圧力調整手段２４は、切り替えバルブ２４ｂ（開閉弁）と、第２レギュレータ２４ｃ（減圧装置）とから構成されるものであってもよい。このような構成であっても、第２レギュレータ２４ｃによりインジェクタ２３の上流側の圧力を低くすることができ、インジェクタ２３の作動音を通常発電時よりも小さくすることができる。
１、１Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
２１ 水素供給配管（燃料ガス供給配管）
２１ 高圧タンク（燃料ガス貯蔵手段）
２３ インジェクタ
２４、２４Ａ 圧力調整手段
２４ａ 第１レギュレータ（第１減圧装置）
２４ｂ 切り替えバルブ（開閉弁）
２４ｃ 第２レギュレータ（第２減圧装置、減圧装置）
２４ｄ バイパス管
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
２１ 水素供給配管（燃料ガス供給配管）
２１ 高圧タンク（燃料ガス貯蔵手段）
２３ インジェクタ
２４、２４Ａ 圧力調整手段
２４ａ 第１レギュレータ（第１減圧装置）
２４ｂ 切り替えバルブ（開閉弁）
２４ｃ 第２レギュレータ（第２減圧装置、減圧装置）
２４ｄ バイパス管
Claims (5)
- 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を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、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
要求発電量が所定値以上の場合、前記通常発電モードで前記圧力調整手段を制御し、
前記要求発電量が所定値未満の場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくし、
前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量であることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を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、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
要求発電量が所定値以上の場合、前記通常発電モードで前記圧力調整手段を制御し、
前記要求発電量が所定値未満の場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくし、
前記圧力調整手段は、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第１減圧装置と、
前記第１減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁をバイパスして設けられた第２減圧装置と、
を備え、
前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記圧力調整手段は、前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられ、二次側圧力を可変可能な可変減圧装置を備え、
前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記インジェクタに供給される燃料ガスの圧力を前記通常発電モード時よりも低くなるように前記可変減圧装置を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御手段は、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
前記制御手段は、
要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、
前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、
を有し、
前記所定値は、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音が、前記通常発電モード時のインジェクタの作動音と同じ大きさとなるときの要求発電量である
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 燃料電池と、
燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記燃料ガス貯蔵手段とを接続する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられたインジェクタと、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた圧力調整手段と、
前記圧力調整手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御手段は、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を所定圧に設定する通常発電モードと、
前記インジェクタに供給される前記燃料ガスの圧力を前記所定圧よりも低く設定する低負荷発電モード、を有し、
前記制御手段は、
要求発電量が所定値以上であるか否か判定する判定工程と、
前記要求発電量が所定値以上でないと判定した場合、前記低負荷発電モードで前記圧力調整手段を制御し、前記インジェクタの作動音を、前記燃料電池システムのうち前記インジェクタ以外の部品の作動音よりも小さくする圧力低減工程と、
を有し、
前記圧力調整手段は、
前記燃料ガス貯蔵手段と前記インジェクタとの間に設けられた第１減圧装置と、
前記第１減圧装置と前記インジェクタとの間に設けられた開閉弁と、
前記開閉弁をバイパスして設けられた第２減圧装置と、
を備え、
前記制御手段は、前記低負荷発電モード時、前記開閉弁を閉弁する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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