JP7131463B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムにおいて、インジェクタは燃料ガスを噴射し、エゼクタは、燃料電池から排出路に排出されたオフガスを、インジェクタから噴射された燃料ガスの負圧により排出路から吸入して燃料電池に再循環させる（例えば特許文献１参照）。また、オフガス内の不純物（窒素及び水蒸気など）が増加すると、排出路の下流側の排出弁が開放されることにより外部に排出される。
特開２００８－１１２５８５号公報
特許文献１に開示された技術によると、インジェクタが全開に制御されるのと同時に排出弁が開放される。このとき、燃料電池スタック内の燃料ガスの圧力損失は排出弁の下流側のオフガスの圧力損失より大きいため、インジェクタが噴射した燃料ガスの一部がエゼクタから排出弁に逆流して外部に排出されるおそれがある。
このように燃料ガスがエゼクタを逆流して外部に排出されると、燃料ガスが浪費されて燃費が悪化するという問題がある。
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの浪費を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するインジェクタと、前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、前記排出路を流れるオフガスを、前記インジェクタからの前記燃料ガスの流れにより前記燃料電池に再循環させるエゼクタと、前記排出路を流れる前記オフガスを外部に排出するための排出弁と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する第１検出手段と、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給、及び前記排出弁の開閉を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止したとき、前記オフガスが前記燃料電池に再循環している間に前記排出弁を開き、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を再開する前に前記排出弁を閉じ、前記冷却媒体の温度が閾値より低い場合、前記排出弁を開くタイミングを、前記冷却媒体の温度が閾値以上である場合よりも、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止するタイミングから遅延させる。
上記の燃料電池システムは、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する第１検出手段とを、さらに有し、前記制御装置は、前記冷却媒体の温度が閾値より低い場合、前記排出弁を開くタイミングを、前記冷却媒体の温度が閾値以上である場合よりも、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止するタイミングから遅延させてもよい。
上記の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記冷却媒体の温度から前記燃料電池内の液水の量を推定し、前記液水の量が多いほど、前記排出弁を開くタイミングを遅らせてもよい。
本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するインジェクタと、前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、前記排出路を流れるオフガスを、前記インジェクタからの前記燃料ガスの流れにより前記燃料電池に再循環させるエゼクタと、前記排出路を流れる前記オフガスを外部に排出するための排出弁と、前記燃料電池の出力電流を検出する第２検出手段と、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスと、前記燃料電池に再循環される前記オフガスとの混合気体の圧力を検出する第３検出手段と、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給、及び前記排出弁の開閉を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止したとき、前記オフガスが前記燃料電池に再循環している間に前記排出弁を開き、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を再開する前に前記排出弁を閉じ、前記オフガス中の不純物の分圧に基づき、前記オフガスの排気の所要時間を算出し、前記出力電流及び前記混合気体の圧力に基づき前記燃料ガスの供給の停止可能期間を算出し、前記所要時間及び前記停止可能期間に基づいて前記排出弁の開弁期間を決定する。
本発明によれば、燃料ガスの浪費を抑制することができる。
実施例の燃料電池システムを示す構成図である。 燃料ガスの噴射中に排出弁を開いた場合の燃料ガス及びオフガスの流れを示す図である。 燃料ガスの噴射停止中に排出弁を開いた場合の燃料ガス及びオフガスの流れを示す図である。 実施例における燃料ガス及びオフガスの流れを示す図である。 第１制御例を示すタイムチャートである。 第２制御例を示すタイムチャートである。 第３制御例を示すタイムチャートである。 第４制御例を示すタイムチャートである。 第５制御例を示すタイムチャートである。 第６制御例を示すタイムチャートである。 燃料ガスの供給制御処理の一例を示すフローチャートである。 排出弁の開閉制御処理の一例を示すフローチャートである。 遅延時間の決定処理の一例を示すフローチャートである。 排出弁の開弁期間の決定処理の一例を示すフローチャートである。
（燃料電池システム９００の構成）
図１は、実施例の燃料電池システム９００を示す構成図である。燃料電池システム９００は、燃料電池スタック（ＦＣ）１、エゼクタ２、インジェクタ３、タンク４、気液分離器５、排出弁６、ＥＣＵ７、ラジエータ８０、ポンプ８１、圧力センサ９０、及び電流センサ９１を有する。
燃料電池スタック１は、固体高分子型の複数の燃料電池（単セル）を積層した積層体を有する。燃料電池スタック１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により発電する。燃料ガスの一例としては水素ガスが挙げられ、酸化剤ガスの一例としては空気が挙げられる。空気中の酸素と水素ガスの化学反応により電力及び水分が生成される。
燃料電池スタック１は、積層体を積層方向に貫通するマニホルド孔１０～１３を有する。マニホルド孔１０は燃料ガスの入口であり、マニホルド孔１１は燃料ガスの出口である。マニホルド孔１２は酸化剤ガスの入口であり、マニホルド孔１３は酸化剤ガスの出口である。
燃料電池スタック１は、マニホルド孔１２を介して酸化剤ガスが供給され、発電に用いた酸化剤ガスをマニホルド孔１３から排出する（符号Ｒ４参照）。また、燃料電池スタック１は、マニホルド孔１０を介して燃料ガスが供給され、発電に用いた燃料ガス（オフガス）をマニホルド孔１１から排出する（符号Ｒ３参照）。なお、酸化剤ガスの供給及び排出に関する構成について図示は省略する。
入口側のマニホルド孔１０には供給路Ｌ２を介してエゼクタ２が接続されている。このため、燃料電池スタック１には、エゼクタ２から供給路Ｌ２を介して燃料ガスが供給される。なお、供給路Ｌ２は、燃料ガスが通る配管である。
出口側のマニホルド孔１１には、排出路Ｌ３を介して気液分離器５が接続されている。燃料電池スタック１は、発電に用いた燃料ガスをオフガスとしてマニホルド孔１１から排出路Ｌ３を介して排出する。また、排出路Ｌ３には、発電で生成された水分（液水）もオフガスとともに排出される。オフガス及び水分は、排出路Ｌ３を流れて気液分離器５に導入される。
気液分離器５は、符号Ｒ５で示されるように、排出路Ｌ３から流れ込んだオフガス及び水分（液水）を分離する。水分は、例えば気液分離器５の下部の貯水槽に溜まる。
気液分離器５は、再循環路Ｌ４を介してエゼクタ２に接続され、排出弁６が設けられた導出路Ｌ５と接続されている。排出弁６が開くと、気液分離器５内に溜まった水分がオフガスとともに導出路Ｌ５から外部に排出される。排出弁６が閉じている場合、オフガスは、符号Ｒ６で示されるように、気液分離器５から再循環路Ｌ４を通ってエゼクタ２に流れ込み燃料電池スタック１に再循環される。なお、排出路Ｌ３、再循環路Ｌ４、及び導出路Ｌ５は、オフガスが通る配管である。
図１には、燃料ガスの流れる方向に沿ったエゼクタ２の断面が示されている。エゼクタ２は、インジェクタ３から供給される燃料ガスに、再循環路Ｌ４からのオフガスを混ぜて燃料電池スタック１に供給する。
エゼクタ２は、燃料ガスを噴射するノズル２１と、ノズル２１を固定する板状の固定部２０と、オフガス及び燃料ガスの混合気体が流れる流路２４を備えたディフューザ２３とを有する。固定部２０は、ディフューザ２３の一端側に設けられている。ディフューザ２３の他端側は供給路Ｌ２を介して入口側のマニホルド孔１０に接続されている。また、ディフューザ２３には、再循環路Ｌ４に接続された開口２５が設けられている。
上記の構成によって、エゼクタ２は、排出路Ｌ３を流れるオフガスを、インジェクタ３からの燃料ガスの流れにより燃料電池スタック１に再循環させる。エゼクタ２は、ノズル２１から噴射された燃料ガスを駆動流体として、再循環路Ｌ４を介してオフガスを開口２５から流路２４に吸入する。
インジェクタ３は、タンク４内に貯蔵された燃料ガスを噴射して燃料電池スタック１に供給する。インジェクタ３は、点線で示されるように、ＥＣＵ７から個別に入力される電気的な制御信号に従って燃料ガスを供給する。燃料ガスの供給量は、制御信号のデューティ比に応じて決定される。
インジェクタ３から供給された燃料ガスは、符号Ｒ１で示されるように、ノズル２１から流路２４内に噴射される。ノズル２１から噴射された燃料ガスは、開口２５から吸入されたオフガスとディフューザ２３内で混合され、符号Ｒ２で示されるように、供給路Ｌ２を介してマニホルド孔１０に流入するこれにより、燃料電池スタック１は、オフガスを発電に再利用することができる。
燃料電池スタック１は、発電により発熱するため、冷却水が流れる冷却路Ｌ１に接続されている。冷却水は、燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体の一例である。冷却路Ｌ１には、ラジエータ８０、ポンプ８１、及び温度センサ８２が設けられている。
ラジエータ８０は、燃料電池スタック１を冷却することにより昇温した冷却水を冷却する。ポンプ８１は、ラジエータ８０により冷却された冷却水を燃料電池スタック１に圧送する。これにより、冷却水はラジエータ８０と燃料電池スタック１の間を循環する。なお、冷却水は、互いに接合されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータの間の流路溝を流れることにより燃料電池スタック１を冷却する。
温度センサ８２は、第１検出手段の一例であり、冷却水の温度を検出する。温度センサ８２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出してＥＣＵ７に通知する。ＥＣＵ７は、冷却水の温度に応じて各種の制御を行う。
また、電流センサ９１は、第２検出手段の一例であり、燃料電池スタック１の出力電流値を検出する。電流センサ９１は、出力電流値をＥＣＵ７に通知する。ＥＣＵ７は、出力電流値に応じて各種の制御を行う。
また、圧力センサ９０は、第３検出手段の一例であり、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスと、燃料電池スタック１に再循環されるオフガスの混合気体の圧力を検出する。圧力センサ９０は、燃料ガスの入口側のマニホルド孔１０の近傍の供給路Ｌ２に設けられ、供給路Ｌ２内の燃料ガス及びオフガスの混合気体の圧力を検出してＥＣＵ７に通知する。
ＥＣＵ７は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びＣＰＵを動作させるプログラムを格納するメモリなどを有し、燃料電池システムの動作を制御する。なお、ＥＣＵ７は制御装置の一例である。
例えばＥＣＵ７は、圧力センサ９０が検出した圧力Ｐに応じてインジェクタ３を制御する。ＥＣＵ７は、一例として、圧力Ｐが下限値Ｐｍｉｎに到達したとき、インジェクタ３による燃料ガスの供給を開始し、圧力Ｐが上限値Ｐｍａｘに到達したとき、インジェクタ３による燃料ガスの供給を停止する。ここで、上限値Ｐｍａｘは、例えば燃料電池スタック１に要求される電力に応じて決定され、下限値Ｐｍｉｎは、例えば燃料電池スタック１内の燃料ガスの不足により何れかの単セルのセル電圧が０（Ｖ）未満となるとき（いわゆる水素欠の状態）の圧力に所定のマージンを加算した値である。
ＥＣＵ７は、制御信号によりインジェクタ３の噴射を制御する。インジェクタ３は、制御信号が「１」を示すとき、燃料ガスを噴射し、制御信号が「０」を示すとき、燃料ガスの噴射を停止する。燃料ガスの噴射中、圧力Ｐは増加し、燃料ガスの噴射の停止中、圧力Ｐは減少する。このため、圧力Ｐは、ＥＣＵ７の制御に従って上限値Ｐｍａｘと下限値Ｐｍｉｎの間で増加及び減少を交互に繰り返す。
また、ＥＣＵ７は、気液分離器５内に貯留された液水と、排出路Ｌ３を流れるオフガスとを導出路Ｌ５から外部に排出するため、例えば制御信号により排出弁６の開閉を制御する。ＥＣＵ７は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて排出弁６の開閉タイミングを制御する。
ＥＣＵ７が、排出弁６が閉じている間にインジェクタ３に燃料ガスを噴射させたとき、燃料ガスは、符号Ｒ１，Ｒ２で示された経路で燃料電池スタック１に流れ、オフガスは、符号Ｒ５，Ｒ６，Ｒ２で示された経路で燃料電池スタック１に流れる。
（燃料ガスの噴射中に排出弁を開いた場合の燃料ガス及びオフガスの流れ）
しかし、燃料ガスの噴射中に排出弁６が開いた場合、燃料ガスの一部がエゼクタ２から再循環路Ｌ４を逆流するおそれがある。
図２は、燃料ガスの噴射中に排出弁を開いた場合の燃料ガス及びオフガスの流れを示す図である。図２において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
ＥＣＵ７は、インジェクタ３が燃料ガスを噴射中、排出弁６を開く。このとき、燃料電池スタック１内の燃料ガスの圧力損失は排出弁６の下流側のオフガスの圧力損失より大きいため、符号Ｒ１ａで示されるように、インジェクタ３が噴射した燃料ガスの一部がエゼクタ２から再循環路Ｌ４を逆流して排出弁６から外部に排出される。
（燃料ガスの噴射停止中に排出弁を開いた場合の燃料ガス及びオフガスの流れ）
また、燃料ガスの噴射停止中、燃料電池スタック１に再循環するオフガスの流れ（以下、「再循環流」と表記）が止まった後に排出弁６が開いた場合、燃料電池スタック１内の燃料ガスの一部がエゼクタから排出弁に再循環路Ｌ４を逆流するおそれがある。
図３は、燃料ガスの噴射停止中に排出弁を開いた場合の燃料ガス及びオフガスの流れを示す図である。図３において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
ＥＣＵ７は、インジェクタ３が燃料ガスの噴射を停止中、オフガスの再循環流が止まった後に排出弁６を開く。このとき、燃料電池スタック１内の燃料ガスの圧力損失は排出弁６の下流側のオフガスの圧力損失より大きいため、符号Ｒ７で示されるように、燃料電池スタック１内の燃料ガスの一部がエゼクタ２から再循環路Ｌ４を逆流して排出弁６から外部に排出される。また、符号Ｒ８で示されるように、燃料電池スタック１内のオフガスは排出路Ｌ３を流れて排出弁６から外部に排出される。
上記のように、燃料ガスが逆流して外部に排出されると、燃料ガスが浪費されて燃費が悪化するおそれがある。
（実施例の燃料電池システムの動作）
そこで、実施例において、ＥＣＵ７は、インジェクタ３による燃料ガスの供給を停止したとき、オフガスが燃料電池スタック１に再循環している間に排出弁６を開き、燃料ガスの供給を再開する前に排出弁６を閉じる。
図４は、実施例における燃料ガス及びオフガスの流れを示す図である。図４において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
ＥＣＵ７は、排出弁６を開く前にインジェクタ３に燃料ガスの噴射を停止させる。燃料ガスの噴射の停止後、符号Ｒ６で示されるオフガスの再循環流は、インジェクタ３からの燃料ガスの噴射量、燃料電池スタック１内の液水の量、及びエゼクタ２及び再循環路Ｌ４などの設計パラメータなどに応じた期間だけ維持される。
ＥＣＵ７は、オフガスの再循環流が存在する間に排出弁６を開く。このとき、燃料電池スタック１内の燃料ガスが、符号Ｒ７で示されるようにエゼクタ２から排出弁６に向かって逆流しようとするが、この逆流とは反対方向に向かうオフガスの再循環流が存在するため、再循環流により燃料ガスの逆流が抑制される。したがって、燃料ガスの浪費が、図２及び図３に示される場合より抑制される。また、気液分離器５中の液水及びオフガスは、符号Ｒ９で示されるように外部に排出される。
ＥＣＵ７は、一例として、以下の第１～第６制御例のように排出弁６の開閉タイミングを制御する。
（第１制御例）
図５は、第１制御例を示すタイムチャートである。図５において、横軸に示される時刻に対し、縦軸には、インジェクタ３の制御信号（１：噴射、０：噴射停止）、燃料電池スタック１の入口側の圧力Ｐ、燃料ガス（実線）及びオフガス（点線）の流量、及び、排出弁６の開閉状態の変化が示されている。
ＥＣＵ７は、上述したように、燃料電池スタック１の入口側の圧力Ｐを圧力センサ９０から取得し、圧力Ｐが下限値Ｐｍｉｎ以下となったとき、インジェクタ３の制御信号を「０」から「１」にする。これにより、インジェクタ３は燃料ガスを噴射して供給を開始する。このため、圧力Ｐは増加を開始し、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの流量は０からＷまで増加する。なお、流量Ｗはインジェクタ３、エゼクタ２、及び供給路Ｌ２などの設計に応じた値である。
また、ＥＣＵ７は、圧力Ｐが上限値Ｐｍａｘに達したとき、インジェクタ３の制御信号を「１」から「０」にする。これにより、インジェクタ３は燃料ガスの噴射を停止して供給を停止する。このため、圧力Ｐは減少を開始し、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの流量はＷから０まで減少する。
燃料ガスの流れが生ずると、上述したエゼクタ２の機能によりオフガスの再循環流が生ずる。再循環流の流量は、燃料ガスの流量が０からＷになった後、二次関数的に増加し、ほぼ一定量となる。また、再循環流の流量は、燃料ガスの流れがＷから０になった後も、インジェクタ３からの燃料ガスの噴射量、燃料電池スタック１内の液水の量、及びエゼクタ２及び再循環路Ｌ４の設計パラメータなどに応じた時間（Ｔｆ，Ｔｆｄ参照）だけ、惰性によりほぼ一定量を維持し、その後二次関数的に減少する。
このように、オフガスの再循環流が止まるタイミングは、燃料ガスの流れが止まったタイミングから遅延する。このため、上述したように、燃料ガスの供給の停止後、再循環流が維持されている間に排出弁６が開くことにより、燃料電池スタック１内からの燃料ガスの逆流を抑制することが可能となる。
本例において、ＥＣＵ７は、制御期間＃１～＃３ごとにインジェクタ３を制御信号によりオンオフする。ＥＣＵ７は、例えば制御期間＃２において、例えばオフガス中の不純物の分圧の増加を検知してオフガスの排気を決定する。
ＥＣＵ７は、時刻ｔ１において、インジェクタ３による燃料ガスの供給を停止した後、排出弁６を開く。ここで、排出弁６を開くタイミングは、再循環流が止まる前に排出弁６が開くように燃料ガスの供給停止のタイミングとほぼ同一とする。これにより、排出路Ｌ３を流れるオフガス、及び気液分離器５内のオフガス及び液水が排出弁６から外部に排出される。このとき、燃料ガスの逆流は、再循環流により抑制される。
ＥＣＵ７は、例えばオフガス中の不純物の分圧と圧力Ｐに基づいて、オフガスの排気の所要時間（以下、「排気所要時間」と表記）を算出する。ＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅに基づいて排出弁６の開弁期間Ｔａを決定する。
ＥＣＵ７は、一例として、排気所要時間Ｔｅが所定値Ｋより小さい場合、再循環流が止まる時刻ｔ３より早い時刻ｔ２に排出弁６を閉じる。この場合、再循環流が止まった後、排出弁６は閉じられたままとなるため、燃料電池スタック１内の燃料ガスの逆流がさらに抑制される。
制御期間＃２において、インジェクタ３による燃料ガスの供給の停止後に再循環流が継続する時間（以下「再循環流継続時間」と表記）Ｔｆｄは、排出弁６の開放による減圧のため、制御期間＃１，＃３における再循環流継続時間Ｔｆより短くなる（つまりＴｆｄ＜Ｔｆ）。なお、開弁期間Ｔａは、再循環流継続時間Ｔｆｄを考慮して設定される。
また、制御期間＃２において、燃料ガスの供給の停止可能期間Ｔｓｄは、排出弁６の開放による減圧のため、制御期間＃１，＃３における停止可能期間Ｔｓより短くなる（つまりＴｓｄ＜Ｔｓ）。このため、制御期間＃３において、インジェクタ３が燃料ガスの供給を開始するタイミングが早まる。
（第２制御例）
図６は、第２制御例を示すタイムチャートである。図６において、図５と共通する内容の説明は省略する。
ＥＣＵ７は、一例として、排気所要時間Ｔｅが所定値Ｋより大きい場合、再循環流が止まる時刻ｔ３より遅い時刻ｔ４に排出弁６を閉じる。ここで、時刻ｔ４は、再循環流継続時間Ｔｆｄの経過後から燃料ガスの供給が再開されるまでの時刻である。なお、排出弁６を開くタイミングは、第１制御例と同様に、燃料ガスの供給停止のタイミングとほぼ同一である。
このため、排出弁６の開弁期間Ｔｂは、第１制御例の開弁期間Ｔａより延びる（つまり、Ｔａ＜Ｔｂ）。したがって、第１制御例より長い間、オフガスを排出弁６から排出することが可能である。
このように、ＥＣＵ７は、オフガス中の不純物の分圧に基づきオフガスの排気所要時間Ｔｅを算出し、排気所要時間Ｔｅに基づいて排出弁６の開弁期間Ｔａ，Ｔｂを決定する。このため、ＥＣＵ７は、燃料電池システムの状態に応じた適切な開弁期間Ｔａ，Ｔｂだけ排出弁６を開くことができる。
（第３制御例）
図７は、第３制御例を示すタイムチャートである。図７において、図５と共通する内容の説明は省略する。
ＥＣＵ７は、一例として、排気所要時間Ｔｅが停止可能期間Ｔｓｄ以上である場合、再循環流が止まる時刻ｔ３より遅く、上記の時刻ｔ４より遅い時刻ｔ５に排出弁６を閉じる。ここで、時刻ｔ５は、再循環流継続時間Ｔｆｄの経過後から燃料ガスの供給が再開される直前の時刻である。なお、排出弁６を開くタイミングは、第１制御例と同様に、燃料ガスの供給停止のタイミングとほぼ同一である。
このため、排出弁６の開弁期間Ｔｃは、第２制御例の開弁期間Ｔｂより延びる（つまり、Ｔｂ＜Ｔｃ）。したがって、第２制御例より長い間、オフガスを排出弁６から排出することが可能である。
また、本例では排気所要時間Ｔｅが停止可能期間Ｔｓｄ以上であるため、制御期間＃２だけではオフガスの排出量が不十分であり、次の制御期間＃３においても排出弁６が開閉される。排気所要時間Ｔｅの残り分が所定値Ｋ以下である場合、ＥＣＵ７は、第１制御例と同様に、開弁期間Ｔａで排出弁６を開く。
このように、ＥＣＵ７は、燃料ガスの供給の停止可能期間Ｔｓｄを算出し、排気所要時間Ｔｅ及び停止可能期間Ｔｓｄに基づいて排出弁６の開弁期間Ｔａ～Ｔｃを決定する。このため、ＥＣＵ７は、燃料ガスの供給の再開のタイミングを考慮して、燃料電池システム９００の状態に応じた適切な開弁期間Ｔａ～Ｔｃだけ排出弁６を開くことができる。
第１及び第２制御例において、制御期間＃２における再循環流継続時間Ｔｆｄは、排出弁６の開放による減圧のため、制御期間＃１，＃３における再循環流継続時間Ｔｆより短くなる。このとき、気液分離器５内の液水の量が多いと排水に多くの時間がかかり、オフガスの排気が遅れて排気時間が排気所要時間Ｔｅに対して不十分となるおそれがある。
ここで、燃料電池スタック１内の液水の量は、燃料電池スタック１内の温度が高いほど、飽和水蒸気量が増加するために少なくなる。燃料電池スタック１内の温度は、例えば冷却水の温度Ｔから推定可能である。
したがって、以下の第４～第６制御例のように、ＥＣＵ７は、冷却水の温度Ｔが閾値より低い場合、排出弁６を開くタイミングを、冷却水の温度Ｔが閾値以上である場合よりも、インジェクタ３が燃料ガスの供給を停止するタイミングから遅延させる。
（第４制御例）
図８は、第４制御例を示すタイムチャートである。図８において、図５と共通する内容の説明は省略する。本例では、第１制御例において、排出弁６の開弁タイミングを遅延させる場合を挙げる。
ＥＣＵ７は、燃料ガスの供給が停止した時刻ｔ１から遅延時間Ｄｔだけ遅れた時刻ｔ１ｄに排出弁６を開く。排出弁６の開弁タイミングが第１制御例の開弁タイミングよりも遅延することにより、制御期間＃２の再循環流継続時間Ｔｆｅは、第１制御例の再循環流継続時間Ｔｆｄより長くなる。このため、気液分離器５内の液水の量が多い場合でも、オフガスの排気時間を第１制御例より多く確保することが可能とである。
ここで、ＥＣＵ７は、冷却水の温度Ｔから燃料電池スタック１内の液水量を推定し、液水量に応じた遅延時間Ｄｔだけ排出弁６の開弁タイミングを遅延させる。これにより、ＥＣＵ７は、燃料電池スタック１内から気液分離器５に流れる液水量に応じ、高精度な遅延時間Ｄｔを設定することができる。なお、ＥＣＵ７は、排出弁６の開弁タイミングが再循環流の停止後の時刻とならないように、遅延時間Ｄｔが再循環流継続時間Ｔｆを越える場合、排出弁６の開弁タイミングを遅延させず、燃料ガスの供給の停止時刻とほぼ同一とする。
また、ＥＣＵ７は、第１制御例と同様に、再循環流が止まる時刻ｔ３ｄより前に排出弁６を閉じる。このため、再循環流が止まった後の燃料ガスの浪費が抑制される。
（第５制御例）
図９は、第５制御例を示すタイムチャートである。図９において、図６と共通する内容の説明は省略する。本例では、排出弁６の開弁タイミングを第２制御例の開弁タイミングよりも遅延させる場合を挙げる。
ＥＣＵ７は、第４制御例と同様に、排出弁６の開弁タイミングを遅延させる。また、ＥＣＵ７は、第２制御例と同様に、再循環流が止まる時刻ｔ３ｄより後に排出弁６を閉じる。このため、第４制御例より長い排気時間を確保することができる。
（第６制御例）
図１０は、第６制御例を示すタイムチャートである。図１０において、図７と共通する内容の説明は省略する。本例では、排出弁６の開弁タイミングを第３制御例の場合よりも遅延させる場合を挙げる。
ＥＣＵ７は、第４制御例と同様に、排出弁６の開弁タイミングを遅延させる。また、ＥＣＵ７は、第３制御例と同様に、再循環流が止まる時刻ｔ３ｄより後、かつ燃料ガスの供給が再開される直前の時刻ｔ５ｄに排出弁６を閉じる。このため、第５制御例より長い排気時間を確保することができる。
（燃料ガスの供給制御処理）
図１１は、燃料ガスの供給制御処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ７は、燃料電池スタック１の入口側における燃料ガス及びオフガスの混合気体の圧力Ｐを圧力センサ９０から取得する（ステップＳｔ１）。
次にＥＣＵ７は圧力Ｐを下限値Ｐｍｉｎと比較する（ステップＳｔ２）。ＥＣＵ７は、圧力Ｐが下限値Ｐｍｉｎより大きい場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、再び圧力Ｐを取得する（ステップＳｔ１）。
また、ＥＣＵ７は、圧力Ｐが下限値Ｐｍｉｎ以下である場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、インジェクタ３に燃料ガスの供給を開始させる（ステップＳｔ３）。次にＥＣＵ７は、圧力Ｐを圧力センサ９０から取得する（ステップＳｔ４）。
次にＥＣＵ７は圧力Ｐを上限値Ｐｍａｘと比較する（ステップＳｔ５）。ＥＣＵ７は、圧力Ｐが上限値Ｐｍａｘより小さい場合（ステップＳｔ５のＮｏ）、再び圧力Ｐを取得する（ステップＳｔ４）。
また、ＥＣＵ７は、圧力Ｐが上限値Ｐｍａｘ以上である場合（ステップＳｔ５のＹｅｓ）、インジェクタ３に燃料ガスの供給を停止する（ステップＳｔ６）。その後、燃料電池システムの運転が終了する場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、処理は終了し、運転が継続する場合（ステップＳｔ７のＮｏ）、ステップＳｔ１以降の各処理が再び行われる。このようにして燃料ガスの供給制御処理は行われる。なお、ＥＣＵ７は、例えば圧力Ｐに対する燃料ガスの供給の停止可能期間Ｔｓｄを示すマップデータをメモリなどに記憶しておき、燃料ガスの供給の開始タイミング及び停止タイミングを停止可能期間Ｔｓｄに従って制御してもよい。
（排出弁６の開閉制御処理）
図１２は、排出弁６の開閉制御処理の一例を示すフローチャートである。排出弁６の開閉制御処理は、例えばオフガス中の不純物の濃度や分圧が閾値を超えた場合に行われる。
ＥＣＵ７は、排出弁６の開弁タイミングの遅延時間Ｄｔを決定する（ステップＳｔ１１ａ）。次にＥＣＵ７は、排出弁６の開弁期間Ｔａ～Ｔｃを決定する（ステップＳｔ１１ｂ）。なお、遅延時間Ｄｔ及び開弁期間Ｔａ～Ｔｃの決定処理については後述する。
次にＥＣＵ７は、圧力Ｐを圧力センサ９０から取得し（ステップＳｔ１２）、圧力Ｐを下限値Ｐｍｉｎと比較する（ステップＳｔ１３）。ＥＣＵ７は、圧力Ｐが下限値Ｐｍｉｎより大きい場合（ステップＳｔ１３のＮｏ）、再び圧力Ｐを取得する（ステップＳｔ１２）。
ＥＣＵ７は、圧力Ｐが下限値Ｐｍｉｎ以下である場合（ステップＳｔ１３のＹｅｓ）、時刻を計時するため、タイマをスタートさせる（ステップＳｔ１４）。次にＥＣＵ７は、タイマが示す時刻が遅延時間Ｄｔを経過したか否かを判定する（ステップＳｔ１５）。時刻が遅延時間Ｄｔを経過していない場合（ステップＳｔ１５のＮｏ）、再びステップＳｔ１５の処理が行われる。
また、ＥＣＵ７は、時刻が遅延時間Ｄｔを経過している場合（ステップＳｔ１５のＹｅｓ）、排出弁６を開く（ステップＳｔ１６）。これにより、オフガス及び液水が排出弁６から外部に排出される。
次にＥＣＵ７は、タイマが示す時刻が開弁期間Ｔａ～Ｔｃを経過したか否かを判定する（ステップＳｔ１７）。時刻が開弁期間Ｔａ～Ｔｃを経過していない場合（ステップＳｔ１７のＮｏ）、再びステップＳｔ１７の処理が行われる。
また、ＥＣＵ７は、時刻が開弁期間Ｔａ～Ｔｃを経過している場合（ステップＳｔ１７のＹｅｓ）、排出弁６を閉じる（ステップＳｔ１８）。これにより、オフガス及び液水の排出が中断される。
次にＥＣＵ７はタイマをリセットする（ステップＳｔ１９）。次にＥＣＵ７は再実行フラグが「０」であるか否かを判定する（ステップＳｔ２０）。再実行フラグは、再び排出弁６の開閉制御処理を行うか否かを示す。再実行フラグは、ステップＳｔ１１ｂにおいて開弁期間Ｔｃが決定された場合に「１」となり、他の開弁期間Ｔａ，Ｔｂが決定された場合に「０」となる。
ＥＣＵ７は、再実行フラグが「１」である場合（ステップＳｔ２０のＮｏ）、再びステップＳｔ１１ａ以降の各処理を実行する。また、ＥＣＵ７は、再実行フラグが「０」である場合（ステップＳｔ２０のＹｅｓ）、処理を終了する。このようにして排出弁６の開閉制御処理は実行される。
（遅延時間Ｄｔの決定処理）
図１３は、遅延時間Ｄｔの決定処理の一例を示すフローチャートである。遅延時間Ｄｔの決定処理は、上記のステップＳｔ１１ａで行われる。
ＥＣＵ７は、温度センサ８２から冷却水の温度Ｔを取得する（ステップＳｔ２１）。次にＥＣＵ７は温度Ｔを閾値ＴＨと比較する（ステップＳｔ２２）。ここで、閾値ＴＨは、固定値であってもよいし、ＥＣＵ７が燃料電池スタック１の状態に応じて動的に設定した値でもよい。
ＥＣＵ７は、温度Ｔが閾値ＴＨ以上である場合（ステップＳｔ２２のＮｏ）、燃料電池スタック１内の温度が高く、液水が少ないと判断して、遅延時間Ｄｔを０に決定する（ステップＳｔ２７）。この場合、排出弁６の開弁タイミングは、燃料ガスの供給停止のタイミングから遅延しない。
また、ＥＣＵ７は、温度Ｔが閾値ＴＨより低い場合（ステップＳｔ２２のＹｅｓ）、燃料電池スタック１内の温度が低く、液水が多いと判断して、温度Ｔから燃料電池スタック１内の液水量を推定する（ステップＳｔ２３）。次にＥＣＵ７は、推定した液水量から遅延時間Ｄｔを算出する（ステップＳｔ２４）。この場合、遅延時間Ｄｔは、温度Ｔが閾値ＴＨ以上である場合の遅延時間Ｄｔ（＝０）より長くなる。
また、遅延時間Ｄｔは、液水量がおおいほど、長くなる。つまり、ＥＣＵ７は、推定した液水量が多いほど、排出弁６を開くタイミングを遅らせる。このため、液水を燃料電池スタック１内から排出する適切な時間を確保することが可能である。また、ＥＣＵ７は、温度Ｔから遅延時間Ｄｔを推定するため、遅延時間Ｄｔを固定値とする場合より高精度に遅延時間Ｄｔを決定することができる。もっとも、遅延時間Ｄｔは、これに限定されず、固定値であってもよい。
次にＥＣＵ７は、インジェクタ３からの燃料ガスの噴射量、燃料電池スタック１内の液水の量、及びエゼクタ２及び再循環路Ｌ４の設計パラメータなどのマップデータから再循環流継続時間Ｔｆを推定する（ステップＳｔ２５）。次にＥＣＵ７は遅延時間Ｄｔと再循環流継続時間Ｔｆを比較する（ステップＳｔ２６）。
ＥＣＵ７は、遅延時間Ｄｔが再循環流継続時間Ｔｆ以下である場合（ステップＳｔ２６のＹｅｓ）、処理を終了する。この場合、ＥＣＵ７は、遅延時間ＤｔをステップＳｔ２４で算出された値に決定する。
また、ＥＣＵ７は、遅延時間Ｄｔが再循環流継続時間Ｔｆより長い場合、排出弁６の開弁タイミングが再循環流が止まった後とならないように、遅延時間Ｄｔを０に決定する（ステップＳｔ２７）。このようにして遅延時間Ｄｔの決定処理は実行され、処理は終了する。
（排出弁６の開弁期間Ｔａ～Ｔｃの決定処理）
図１４は、排出弁６の開弁期間Ｔａ～Ｔｃの決定処理の一例を示すフローチャートである。開弁期間Ｔａ～Ｔｃの決定処理は、上記のステップＳｔ１１ｂにおいて実行される。
ＥＣＵ７は、電流センサ９１から燃料電池スタック１の出力電流を取得し、圧力センサ９０から圧力Ｐを取得する（ステップＳｔ３１）。次にＥＣＵ７は、出力電流及び圧力Ｐに基づいて例えばマップデータを参照することにより燃料ガスの供給の停止可能期間Ｔｓｄを推定する（ステップＳｔ３２）。ここで、燃料電池スタック１における燃料ガスの消費量は出力電流に応じて決定されるため、出力電流から圧力Ｐの低下を算出し、停止可能期間Ｔｓｄを予測することができる。
次にＥＣＵ７は、停止可能期間Ｔｓｄから遅延時間Ｄｔを差し引くことにより補正された供給停止可能期間Ｔｒを算出する（ステップＳｔ３３）。これは、排出弁６の開弁タイミングが遅延した場合、停止可能期間Ｔｓｄ中の遅延時間Ｄｔ分だけオフガスの排出が不可能となるからである。
次にＥＣＵ７は、オフガス中の不純物の分圧を推定する（ステップＳｔ３４）。オフガス中の不純物としては、燃料電池スタック１のカソードで発生する窒素と、化学反応により生ずる水分、つまり水蒸気が挙げられる。窒素の分圧は、例えば燃料電池スタック１のカソードに供給される酸化剤ガスのストイキ比などから算出され、水蒸気の分圧は、例えば冷却水の温度Ｔなどから算出される。ＥＣＵ７は、窒素の分圧と水蒸気の分圧を合計して不純物の分圧を推定する。
次にＥＣＵ７は、不純物の分圧に基づき排気所要時間Ｔｅを算出する（ステップＳｔ３５）。このとき、ＥＣＵ７は、不純物の分圧から必要な排気量（ｃｃ）を決定し、不純物の分圧と圧力Ｐから排気流量（ｃｃ／ｓｅｃ）を決定する。ＥＣＵ７は、排気量を排気流量で除算することにより排気所要時間Ｔｅを算出する。
次にＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅと補正後の停止可能期間Ｔｒを比較する（ステップＳｔ３６）。ＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅが停止可能期間Ｔｒ以上である場合（ステップＳｔ３６のＮｏ）、停止可能期間Ｔｒ中でオフガスの排出時間が最も長くなるように、排出弁６の閉弁タイミングが燃料ガスの供給の再開の直前となる開弁期間Ｔｃを設定する（ステップＳｔ４１）。これにより、排気所要時間Ｔｅのうち、補正後の停止可能期間Ｔｒ分だけ排出が行われる。
次にＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅの残り時間分のオフガスの排出が行われるように再実行フラグを「１」に設定する（ステップＳｔ４２）。その後、処理は終了する。
また、ＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅが停止可能期間Ｔｒより短い場合（ステップＳｔ３６のＹｅｓ）、排気所要時間Ｔｅと所定値Ｋを比較する（ステップＳｔ３７）。ＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅが所定値Ｋより長い場合（ステップＳｔ３７のＹｅｓ）、オフガスの排出が再循環流の停止後も継続するように、排出弁６の閉弁タイミングが再循環流の停止後となる開弁期間Ｔｂを設定する（ステップＳｔ３８）。
また、ＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅが所定値Ｋ以下である場合（ステップＳｔ３７のＮｏ）、オフガスの排出が再循環流の停止前に終了するように、排出弁６の閉弁タイミングが再循環流の停止前となる開弁期間Ｔａを設定する（ステップＳｔ４０）。その後、ＥＣＵ７は、再実行フラグを「０」に設定し（ステップＳｔ３９）、処理を終了する。このようにして開弁期間Ｔａ～Ｔｃの決定処理は実行される。
このように、ＥＣＵ７は、排気所要時間Ｔｅ及び停止可能期間Ｔｓｄに基づいて排出弁の開弁期間Ｔａ～Ｔｃを決定するため、燃料ガスの供給の再開のタイミングを考慮して、燃料電池システム９００の状態に応じた適切な開弁期間Ｔａ～Ｔｃだけ排出弁６を開くことができる。
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２ エゼクタ
３ インジェクタ
６ 排出弁
７ ＥＣＵ（制御装置）
８２ 温度センサ（第１検出手段）
９０ 圧力センサ（第３検出手段）
９１ 電流センサ（第２検出手段）
９００ 燃料電池システム
Ｌ１ 冷却路
Ｌ２ 供給路
Ｌ３ 排出路

Claims (3)

  1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するインジェクタと、
    前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、
    前記排出路を流れるオフガスを、前記インジェクタからの前記燃料ガスの流れにより前記燃料電池に再循環させるエゼクタと、
    前記排出路を流れる前記オフガスを外部に排出するための排出弁と、
    前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を検出する第１検出手段と、
    前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給、及び前記排出弁の開閉を制御する制御装置とを有し、
    前記制御装置は、
    前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止したとき、前記オフガスが前記燃料電池に再循環している間に前記排出弁を開き、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を再開する前に前記排出弁を閉じ、
    前記冷却媒体の温度が閾値より低い場合、前記排出弁を開くタイミングを、前記冷却媒体の温度が閾値以上である場合よりも、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止するタイミングから遅延させることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記冷却媒体の温度から前記燃料電池内の液水の量を推定し、前記液水の量が多いほど、前記排出弁を開くタイミングを遅らせ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。
  3. 燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するインジェクタと、
    前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、
    前記排出路を流れるオフガスを、前記インジェクタからの前記燃料ガスの流れにより前記燃料電池に再循環させるエゼクタと、
    前記排出路を流れる前記オフガスを外部に排出するための排出弁と、
    前記燃料電池の出力電流を検出する第２検出手段と、
    前記燃料電池に供給される前記燃料ガスと、前記燃料電池に再循環される前記オフガスとの混合気体の圧力を検出する第３検出手段と、
    前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給、及び前記排出弁の開閉を制御する制御装置とを有し、
    前記制御装置は、
    前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を停止したとき、前記オフガスが前記燃料電池に再循環している間に前記排出弁を開き、前記インジェクタによる前記燃料ガスの供給を再開する前に前記排出弁を閉じ、
    前記オフガス中の不純物の分圧に基づき、前記オフガスの排気の所要時間を算出し、前記出力電流及び前記混合気体の圧力に基づき前記燃料ガスの供給の停止可能期間を算出し、前記所要時間及び前記停止可能期間に基づいて前記排出弁の開弁期間を決定することを特徴とする記載の燃料電池システム。
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