WO2006126715A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2006126715A1
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Tetsuya Bono
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a technique for suppressing the generation of abnormal noise and the generation of stress in machine parts.
  • a fuel cell system comprises a fuel cell in which a plurality of single cells with an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are stacked, and is connected to a hydrogen supply port of the fuel cell. Electricity generated by bringing hydrogen (fuel gas) supplied by the supply pipe into contact with the anode electrode and bringing air (oxidation gas) supplied by the air supply pipe connected to the air supply port of the fuel cell into contact with the power sword electrode. Power is generated by chemical reaction.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-373687 discloses that when a gas sucked into and discharged from a fuel cell is pressure-fed, a vibration damping member is provided in a pipe to which the gas is pumped with pulsation, thereby suppressing generation of noise due to pipe vibration.
  • a fuel cell system is disclosed. Disclosure of the invention
  • FC inlet valve a fuel cell inlet shut-off valve in the middle of a hydrogen supply pipe that supplies hydrogen from the hydrogen supply source to the anode electrode side of the fuel cell This is done by opening the main stop valve (main valve) and then opening the FC inlet valve.
  • This problem is not limited to the hydrogen supply system passage (hydrogen supply pipe), but the hydrogen circulation system passage that returns the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell to the hydrogen supply pipe, and the hydrogen discharge system passage that discharges the hydrogen off-gas to the outside. It also occurs in the passage of the gas supplied to the fuel cell and the off-gas discharged from the fuel cell power, such as the passage of the air discharge system that discharges the air off-gas from the fuel cell.
  • a solid polymer electrolyte membrane hereinafter referred to as an electrolyte membrane
  • an electrolyte membrane a solid polymer electrolyte membrane
  • damage to the electrolyte membrane is prevented.
  • the interelectrode differential pressure it is also necessary to control the pressure difference between the hydrogen gas supply pressure on the anode electrode side and the air supply pressure on the cathode electrode side (hereinafter referred to as the interelectrode differential pressure) to a predetermined value or less.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing the generation of abnormal noise and the occurrence of stress in mechanical parts due to rapid pressurization.
  • a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives a reaction gas to generate power and discharges a reaction off gas, a gas passage through which the reaction gas or the reaction off gas flows, and a valve installed on the gas passage
  • a fuel cell system comprising: a device; and a control device that controls an opening degree of the valve device, wherein the control device is configured to perform upstream and downstream of the valve device when the gas pressure in the gas passage increases. The differential pressure of Accordingly, the opening degree of the valve device is controlled so that the opening area increases continuously or intermittently.
  • the downstream pressure of the valve device drops to the atmospheric pressure equivalent at the time of system startup, for example. Therefore, even if the gas pressure in the gas passage increases when a high-pressure or pressurized reaction gas is supplied, the valve device depends on the pressure difference between the upstream and downstream of the valve device. By increasing the opening area of the gas continuously or intermittently (for example, repeating full open and fully closed at a predetermined cycle), the pressure in the gas passage is suddenly reduced; Is possible.
  • the fuel cell system of the present invention is installed on the gas passage, a fuel cell that receives the supply of the reaction gas and generates power and discharges the reaction off gas, a gas passage through which the reaction gas or the reaction off gas flows, and
  • the fuel cell system comprising: a valve device; and a control device that controls the opening degree of the valve device, the control device, when the differential pressure between the upstream and downstream of the valve device is a predetermined value or more, The opening degree of the valve device is controlled so as to increase the opening area continuously or intermittently according to the magnitude of the differential pressure.
  • the downstream pressure of the valve device is reduced to the atmospheric pressure equivalent at the time of starting the system, so that there is a risk of sudden pressurization when a high-pressure or pressurized reaction gas is supplied.
  • the opening area of the valve device continuously or intermittently until the differential pressure between the upstream and downstream of the valve device becomes less than a predetermined value, the upstream and downstream of the valve device. The pressure difference between them can be gradually reduced, and sudden pressurization can be suppressed.
  • the control device may control the opening degree of the valve device according to the magnitude of the differential pressure between the downstream pressure and the target pressure. . According to such a configuration, even when there is a possibility that the gas passage is suddenly pressurized, the opening area of the valve device is continuously increased until the downstream pressure of the valve device reaches the target pressure. Alternatively, by increasing the pressure intermittently, the differential pressure between the downstream pressure of the valve device and the target pressure can be gradually decreased, and sudden pressurization can be suppressed.
  • the amount of change in the opening area per hour is small means that the amount of change in the opening area when the opening of the valve device is increased continuously or stepwise is small, as well as intermittent It also includes the meaning that the full opening time when the opening of the device is fully opened and / or the full closing time is long. The same shall apply hereinafter.
  • the valve device may be at least one of an open / close solenoid valve or a variable opening solenoid valve.
  • valve device when the valve device is an open / close solenoid valve, that is, when the valve device can only select either fully open (opening command: ON) or fully closed (opening command: OFF)
  • the above-mentioned differential pressure can be gradually reduced by repeating full opening and full closing in a predetermined cycle, and sudden pressurization can be suppressed.
  • valve device When the valve device is an open / close solenoid valve, the opening area of the valve device may be changed by duty control.
  • the duty ratio (ON-OFF time ratio when ON-OFF is repeated) may be constant, or the duty ratio gradually decreases with time. Or you can increase it.
  • valve device is a variable opening solenoid valve
  • the valve device is a device that can variably control the opening of the valve device between full open and fully closed, for example, open the valve device.
  • the pressure difference can be gradually decreased by continuously changing the pressure, such as gradually increasing the degree, and sudden pressurization can be suppressed.
  • the valve device may be an electromagnetic valve provided downstream of a pressure regulating valve provided on the gas passage.
  • the gas pressure decompressed by a pressure regulating valve (for example, a mechanical regulator, a pressure reducing valve, etc.) is continuously or intermittently controlled by the downstream solenoid valve, and the solenoid valve Durability and sealability can be simplified.
  • the deterioration of control of the solenoid valve due to the effect of high-pressure gas is suppressed.
  • the opening area change amount per hour of the valve device may be set.
  • the downstream pressure of the valve device can be fed back to the opening degree setting of the valve device.
  • the valve device may be an original valve of a high-pressure gas tank connected to the gas passage.
  • a fuel that does not have a valve device that permits or prohibits gas supply to the fuel cell or a valve device that regulates (depressurizes) the gas supply pressure to the fuel cell in the middle of the gas passage.
  • a valve device that permits or prohibits gas supply to the fuel cell or a valve device that regulates (depressurizes) the gas supply pressure to the fuel cell in the middle of the gas passage.
  • a plurality of the valve devices may be provided in series on the gas passage, and the opening area of the downstream valve device may be controlled in accordance with the open / close state of the upstream valve device.
  • the configuration it is possible to mainly control the opening degree of the upstream valve device among the valve devices arranged in series, and to control the opening degree of the downstream valve device in a subordinate manner. It becomes. For example, when only the upstream valve device is opened while the downstream valve device is closed when the system is started, the closed space between the upstream valve device and the downstream valve device is the gas downstream of it. It functions as a buffer that suppresses sudden pressurization of the passage (for example, the gas supply passage connected to the fuel cell or the gas passage inside the fuel cell).
  • the gas pressure supplied to the anode side of the fuel cell and the gas pressure supplied to the cathode side may be cooperatively controlled.
  • the cooperative control corresponds to, for example, the opening degree control of the valve device set corresponding to the gas pressure change on one side of the anode side (fuel gas side) or the cathode side (oxidation gas side). Then, the pressure is adjusted so that the gas pressure on the other side changes (at least the opening degree of the valve device on the other side is controlled).
  • valve device installed in the gas passage on the high-pressure fuel gas side is mainly controlled, and the valve device installed in the gas passage on the oxidation gas side or the Z and gas supply means (for example, the compressor) Therefore, the differential pressure between the fuel gas supply pressure from the fuel gas supply passage to the fuel cell and the oxidation gas supply pressure from the oxidation gas supply passage to the fuel cell is controlled within an appropriate range. It becomes possible to do.
  • a part of the gas passages is a passage parallel to each other, and one of them is a passage having a larger pressure loss than the other passage.
  • the opening area of the valve device is Instead of increasing continuously or intermittently, a passage with a large pressure loss may be used.
  • a passage with a greater pressure loss than the other passage for example, is smaller than the other passage. It is possible to configure such that the diameter is increased, a bent portion or a meandering portion is provided in the middle of the passage, or an element for increasing fluid resistance such as a throttle or a filter is provided in the middle of the passage.
  • the control device may control the opening degree of the valve device so that the opening area increases continuously or intermittently when the fuel cell is started.
  • the gas passage for example, the gas supply passage and Gas passage in the fuel cell
  • the gas passage Force Since there is a risk of sudden pressurization when supplied with a high-pressure or pressurized reaction gas or reaction off-gas, it is effective in suppressing such sudden pressurization.
  • the reaction gas is supplied to the fuel cell so as to gradually reduce the differential pressure between the downstream pressure and the target pressure. Also good. According to such a configuration, it is possible to suppress sudden pressurization.
  • the reaction gas may be supplied to the fuel cell so as to gradually reduce the differential pressure. According to such a configuration, it is possible to suppress sudden pressurization.
  • a specific method for gradually decreasing the differential pressure between the downstream pressure of the valve device and the target pressure, or gradually decreasing the differential pressure between the upstream and downstream of the valve device is, for example, during pressurization.
  • the opening of the valve device at is less than the opening during normal operation (for example, 1 to 3 during normal operation), and the amount of pressure increase per unit time is constant (for example, l O k P a / l O Om sec) or less, and the gas supply rate (flow velocity) per unit time is fixed (for example, 1 L / 10 Oms ec) or less.
  • valve opening per unit time can be made variable, and the initial stage of pressurization will open slowly (for example, 5 ste pZ sec). Accordingly, the differential pressure can be gradually reduced by opening the valve quickly (for example, 20 step Z sec).
  • the differential pressure can be gradually reduced by controlling the tee ratio (ON-OFF ratio).
  • ON-OFF ratio is controlled to be small at the initial stage of pressurization, and the ON time ratio is controlled to increase after a predetermined time.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • Fig. 2 is a flowchart explaining the control flow of the FC inlet valve when the fuel cell system shown in Fig. 1 is started.
  • Fig. 3 is a time chart showing an example of control when the FC inlet valve is an open / close solenoid valve.
  • FIG. 4 is a time chart showing pressure behavior according to the control example shown in FIG.
  • FIG. 5 is a time chart showing another control example when the FC inlet valve is an open / close solenoid valve.
  • FIG. 6 is a time chart showing an example of control when the FC inlet valve is a variable opening solenoid valve.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the control flow of the FC inlet valve when the fuel cell system according to the second embodiment is started.
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining the control flow of the FC inlet valve when the fuel cell system according to the third embodiment is started.
  • FIG. 9 is a flow chart for explaining the control flow of the FC inlet valve when the fuel cell system according to the fourth embodiment is started.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to a fifth embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system according to a sixth embodiment.
  • the fuel cell system 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
  • the fuel cell system 1 can be applied to, for example, a stationary power generation system in addition to the on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle.
  • the fuel cell 10 is a stack of cells that generate electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (reactive gas) and an oxidizing gas (reactive gas).
  • Each cell has a configuration in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of the electrolyte membrane.
  • Air as an oxidizing gas is supplied to the power sword side of the fuel cell 10. Air is sucked from the filter 40, compressed by the compressor 41, humidified by the humidifier 42, and supplied to the fuel cell 10 from the pipe (gas passage) 35. Exhaust from the cathode (hereinafter referred to as “cathode off-gas (reaction off-gas)”) is exhausted outside through pipe 3 6 and muffler 4 3. The air supply pressure is controlled by the opening of the pressure regulating valve 44.
  • Hydrogen stored in a hydrogen tank (high-pressure gas tank) 20 is supplied as fuel gas to the anode side of the fuel cell 10 through a pipe (gas passage) 3 2.
  • a fuel reformer that generates hydrogen by a reforming reaction using alcohol, hydrocarbon, aldehyde, or the like as a raw material and supplies the hydrogen to the anode side, a hydrogen storage alloy, or the like may be used. good.
  • the short valve (main valve) 2 1 of the hydrogen tank 20 1 the regulator valve (pressure regulator) 2 3 that reduces the primary pressure to the predetermined secondary pressure, 3 Valve 2 4 and fuel cell inlet valve (valve device) 2 5 are installed.
  • FC inlet valve 2 5 This fuel cell inlet valve (hereinafter referred to as FC inlet valve) 2 5 is located inside the valve body.
  • the opening of the valve body that can be seated on the valve seat by sliding (hereinafter referred to as the valve opening) can be either fully open or fully closed, or an open / close solenoid valve, or all valve openings can be selected.
  • the opening degree variable electromagnetic valve that can be variably controlled linearly between open and fully closed is controlled by the control device 50 in any configuration.
  • the hydrogen stored in the hydrogen tank 20 at a high pressure is adjusted (depressurized) by the regulator valve 23 and supplied to the anode of the fuel cell 10. Further, the exhaust from the anode (hereinafter referred to as anode off-gas (reaction off-gas) and gas) flows out to the pipe 33.
  • a fuel cell outlet valve (hereinafter referred to as “FC outlet valve”) 26 is installed on the anode outlet side of the pipe 33.
  • Pipe 3 3 is branched into two on the way, one is connected to discharge pipe 3 4 for discharging anode off gas to the outside, and the other is connected to pipe 3 2 via check valve 28. It is connected.
  • the fuel gas circulation path composed of the pipe 3 3 connected to the anode outlet of the fuel cell 10 and the pipe branched from the pipe 3 2 is connected to the pipe 3 2 by increasing the anode off-gas to the pipe 3 2
  • a hydrogen pump 45 for refluxing is provided.
  • the fuel cell 10 is also supplied with a cooling air.
  • the cooling water The cooling water pump 4 6 flows through the cooling pipe 3 7, is cooled by the radiator 3 8, and is supplied to the fuel cell 10.
  • the pipe 3 7 is branched into two upstream of the radiator 3 8, one of which bypasses the radiator 3 8 and passes through the bypass valve 3 9 provided downstream of the radiator 3 8. Joined.
  • the control device 50 is configured by a control computer system such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and includes a required load such as an accelerator opening signal of a vehicle (not shown), Receives control information from sensors (pressure sensors, temperature sensors, flow sensors, ammeters, voltmeters, etc.) and devices (compressor 41, hydrogen pump 45, etc.) installed in each part of the fuel cell system 1. Control the operation of valves and motors in each part.
  • a control computer system such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display
  • a required load such as an accelerator opening signal of a vehicle (not shown)
  • control device 50 includes a gas in a pipe 3 2, a gas passage in the fuel cell 10, a pipe 3 3, or a pipe 3 4 (hereinafter, these may be collectively referred to as “gas passage”).
  • gas passage a gas in a pipe 3 2, a gas passage in the fuel cell 10, a pipe 3 3, or a pipe 3 4 (hereinafter, these may be collectively referred to as “gas passage”).
  • the downstream pressure of the FC inlet valve 25 that is, the pipe 3 between the FC inlet valve 25 and the fuel cell 10 2 and when the pressure in the gas passage in the fuel cell 10 is below a predetermined pressure (target pressure) or when the differential pressure between the upstream and downstream of the FC inlet valve 25 is above a predetermined value, these downstream pressures
  • the valve opening of the fuel cell inlet valve 25 is controlled so as to gradually reduce the differential pressure between the pressure and the predetermined pressure or the differential pressure between the upstream and downstream.
  • the gas passage when starting after a long stop or when restarting after intermittent operation, the gas passage is equivalent to atmospheric pressure or reduced to a predetermined pressure. Under such conditions, when high-pressure hydrogen from the hydrogen tank 20 is supplied to the gas passage, the gas passage suddenly As a result of pressure being applied, there is a risk of abnormal noise due to impact or mechanical component stress.
  • the differential pressure is gradually reduced by performing duty control in which full opening and full closing are repeated at a predetermined cycle, and then suddenly increased.
  • the pressure can be suppressed.
  • the duty ratio ON-OFF time ratio when ON-OFF is repeated
  • FC inlet valve 25 of the present embodiment is a variable opening solenoid valve
  • the differential pressure is gradually decreased by continuously changing the valve opening, for example, gradually, It is possible to suppress sudden pressurization.
  • the FC inlet valve 25 opens and closes because the gas passage in the fuel cell 10 is included in the closed space downstream of the FC inlet valve 25 and the volume of the closed space is large. It is preferable to control the area change amount to be small.
  • the closed space volume downstream from the FC inlet valve 25 means the gas passage volume from the FC inlet valve 25 including the gas passage in the fuel cell 10 to the FC outlet valve 26.
  • FC inlet valve 25 decreases the opening area change amount per hour as the differential pressure increases, or the opening area change amount per hour based on the downstream pressure of the FC inlet valve 25. It may be set.
  • the piping 3 2 between the shunt valve 2 1 and the FC inlet valve 2 5 is to open the shut valve 21 from the state in which the valves 2 1, 2 3, 2 5, 2 6, etc. are closed. Pressurize the valve 2 1—open / close valve 2 4, then open the open / close valve 2 4 to pressurize the open / close valve 2 4—FC inlet valve 2 5, then open the FC inlet valve 2 5 ⁇ Pressurize between the FC inlet valve 2 5 and FC outlet valve 2 6.
  • the closed space from the opened valve to the valve located immediately below it functions as a buffer, while the pipe 3 2
  • the inside of the fuel cell 10 can be gradually pressurized.
  • Valves located relatively upstream of the valves 2 1, ..., 2 6 arranged in series by controlling the opening degree of the downstream valve corresponding to the open / closed state of the valve on the side (
  • the opening degree of the upstream valve) is mainly controlled, and the opening degree of the relatively downstream valve (hereinafter, downstream valve) can be controlled subordinately.
  • the closed space between the upstream valve and the downstream valve becomes the fuel cell 1 It functions as a buffer that controls the sudden increase in pressure of the gas passages in the pipes 2 1 and 3 3 connected to 0 and the fuel cell 10.
  • FC inlet valve 25 the control flow of the FC inlet valve 25 at the time of fuel cell startup by the control device 50 will be described in which an open / close solenoid valve is used for the FC inlet valve 25. Will be described.
  • the valve device in FIG. 2 is the FC inlet valve 25 in this embodiment.
  • step S1 of FIG. 2 it is determined whether the closed space between the FC inlet valve 25 and the FC outlet valve 26 can be pressurized.
  • the pipe 3 2 upstream of the FC inlet valve 25 is predetermined. If the determination result is ⁇ ⁇ ⁇ '', repeat the determination in step S1, and the pipe 3 2 upstream of the FC inlet valve 25 will be at the specified pressure. Wait until pressure is applied.
  • step S 3 FC inlet valve 2
  • step S3 FC inlet valve 2
  • This downstream pressure is measured using, for example, a pressure sensor installed in the fuel cell 10.
  • step S5 it is determined whether the downstream pressure is equal to or lower than the pressurization completion pressure (target pressure). If the determination result is “NO”, that is, if the downstream pressure has already exceeded the pressurization completion pressure. Skips the following processing and ends this control flow.
  • step S5 determines whether the downstream pressure has not yet reached the pressurization completion pressure.
  • a predetermined time eg, 100 ms ec or less
  • An opening command is issued to turn the valve opening fully open (ON) (step S7), and then the valve opening is fully closed (OFF for a predetermined time (eg, 100 ms ec or less) to the FC inlet valve 25.
  • a predetermined time eg, 100 ms ec or less
  • Step S7 and Step S9 are repeated.
  • the fully closed command by S9 is repeated in the same cycle. That is, as a result of the duty control of the valve opening degree of the FC inlet valve 25 with a predetermined duty ratio, the FC inlet valve 25 is driven as shown in FIG.
  • the downstream pressure of the FC inlet valve 25 is changed from the initial pressure at the start of pressurization until the pressurization completion pressure (target pressure) is reached.
  • the pressure behavior changes in a step shape as shown in. Therefore, according to the present embodiment, since the pressure difference between the downstream pressure of the FC inlet valve 25 and the pressurization completion pressure is gradually reduced to suppress sudden pressurization, the occurrence of resonance and stress generation of mechanical parts are suppressed. be able to.
  • the opening of the gas pressure reduced by the legible bubble 23 is controlled by the FC inlet valve 25 provided downstream thereof, the durability and sealing performance of the FC inlet valve 25 are improved. It can be simplified and Control deterioration of the FC inlet valve 25 due to the influence of high-pressure hydrogen gas can be suppressed.
  • the duty ratio ON-OFF time ratio when ON-OFF is repeated
  • the duty ratio may be gradually decreased with the elapse of time, or the duty ratio is elapsed with time, contrary to the valve drive pattern shown in FIG. It may be increased gradually with the increase.
  • FC inlet valve 25 at the time of starting the fuel cell by the control device 50
  • a variable opening degree electromagnetic valve is provided in the FC inlet valve 25. It will be described as being used. Note that the valve device in FIG. 7 is the FC inlet valve 25 in this embodiment.
  • control is performed by intermittently changing the valve opening of the FC inlet valve 25 composed of an open / close solenoid valve (duty control).
  • the valve opening degree of the FC inlet valve 25 composed of a variable opening degree solenoid valve is controlled by changing it continuously.
  • step S 1 1 in FIG. 7 it is determined whether the closed space between the FC inlet valve 25 and the FC outlet valve 26 may be pressurized. For example, the pipe 32 upstream of the FC inlet valve 25 is reduced to a predetermined pressure. It is determined whether the pressure has been applied. If the determination result is force S “ ⁇ ”, the determination in step S11 is repeated, and the pipe 32 upstream of the FC inlet valve 25 is pressurized to a predetermined pressure. Wait until
  • step S 11 determines whether the downstream pressure is equal to or lower than the pressurization completion pressure (target pressure). If the determination result is “NO”, that is, the downstream pressure has already exceeded the pressurization completion pressure. If so, the following processing is skipped and this control flow ends.
  • step S 15 determines whether the downstream pressure has not yet reached the pressure completion pressure.
  • the valve opening is determined (step S 1 7), a corresponding opening command is issued to the FC inlet valve 25, and the process returns to step S 13.
  • the map that defines the relationship between the downstream pressure and the valve opening degree is specified such that the valve opening degree decreases as the downstream pressure is lower or the differential pressure between the downstream pressure and the upstream pressure is larger. Yes.
  • Step S 1 7 and Step S 1 9 are repeated, so the valve of the FC inlet valve 25 For example, as shown in FIG. 6, the opening degree is driven to change continuously.
  • the downstream pressure of the FC inlet valve 25 reaches the pressurization completion pressure (target pressure) from the initial pressure at the start of pressurization.
  • the pressure is gradually increased so that the differential pressure between the downstream pressure and the pressurization completion pressure gradually decreases, and the occurrence of resonance and the stress generation of the machine parts can be suppressed.
  • the amount of change in the opening area of the FC inlet valve 25 per hour is larger when the differential pressure between the downstream pressure of the FC inlet valve 25 and the pressurization completion pressure is larger, or the FC inlet valve 2
  • the higher the differential pressure between the downstream pressure and the upstream pressure the smaller the pressure.
  • the large differential pressure means that the gas passage between the FC inlet valve 2 5 and FC outlet valve 2 6 may be suddenly pressurized. Occurrence of resonance and stress of machine parts Can be more effectively suppressed.
  • the control flow according to still another embodiment of the FC inlet valve 25 at the time of fuel cell activation by the control device 50 is the same as that of the second embodiment.
  • a variable opening type electronic valve is used in 25.
  • the valve device in FIG. 8 is the FC inlet valve 25 in this embodiment.
  • the main difference between the present embodiment and the second embodiment is that in the second embodiment, the valve opening degree of the FC inlet valve 25 is feedforward controlled using the downstream pressure of the FC inlet valve 25.
  • the amount of pressure increase per unit time is constant, that is, the valve opening degree of the FC inlet valve 25 is feedback controlled so that the rate of pressure increase is constant.
  • step S 2 1 in FIG. 8 it is determined whether the closed space between the FC inlet valve 2 5 and the FC outlet valve 2 6 may be pressurized. For example, the pipe 3 2 upstream of the FC inlet valve 2 5 If the judgment result force S is “NO”, repeat the judgment in step S 2 1 to connect the pipe 3 2 upstream of the FC inlet valve 2 5. Wait until is pressurized to a predetermined pressure.
  • step S 2 1 determines whether the downstream pressure is equal to or lower than the pressurization completion pressure (target pressure). If the determination result is “NO”, that is, the downstream pressure has already exceeded the pressurization completion pressure. If so, the following processing is skipped and this control flow ends.
  • step S 25 determines whether the downstream pressure acquired in the current control cycle has not yet reached the pressurization completion pressure, it was acquired in the previous control cycle.
  • Pressure rise from downstream pressure ⁇ P and downstream in the previous control cycle The pressure rise rate ⁇ ⁇ is calculated from the elapsed time from the acquisition of the pressure until the downstream pressure is acquired in the current control cycle, that is, the control cycle ⁇ of this flow (step S 27).
  • step S 29 YES If this pressure increase rate ⁇ ⁇ T is equal to the specified value (step S 29 YES), the valve opening of the FC inlet valve 25 is maintained as it is (step S 31). An opening command is issued to FC inlet valve 2'5 (step S33), and the process returns to step S23.
  • step S 29 If the determination result in step S 29 is “NO”, it is determined whether the rate of pressure increase ⁇ ⁇ ⁇ is greater than the above-mentioned predetermined conforming value (step S 4 1). If this determination result is “YES” After reducing the valve opening of the FC inlet valve 25 by a predetermined amount (step S43), the corresponding opening command is issued to the FC inlet valve 25 (step S33), and the process returns to step S23. .
  • step S 41 If the determination result in step S 41 is “NO”, that is, if the rate of pressure increase ⁇ ⁇ ⁇ is smaller than the above-mentioned predetermined conforming value, the valve opening of the FC inlet valve 25 is increased by a predetermined amount ( In step S45), a corresponding opening command is issued to the FC inlet valve 25 (step S33), and the process returns to step S23.
  • step S27 the processing after step S27, that is, the processing for setting the valve opening according to the rate of increase of the downstream pressure.
  • the downstream pressure of the FC inlet valve 25 can be fed back to the valve opening setting of the FC inlet valve 25.
  • the gas supply rate can be calculated from the pressure increase ⁇ ⁇ ⁇ , the control period ⁇ ⁇ , and the total gas passage volume between the FC inlet valve 25 and the FC outlet valve 26.
  • the valve opening of the FC inlet valve 25 instead of controlling the valve opening of the FC inlet valve 25 using the pressure increase rate ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , the valve opening of the FC inlet valve 25 so that this gas supply speed is constant (applicable value). You can control it. Further, the opening reduction process of the FC inlet valve 25 in step S 4 3 (opening area reduction process) and / or the opening increase process of the FC inlet valve 25 in step S 45 (opening area increase process). In, the opening gain can be determined by PID control, for example.
  • FC inlet valve 25 when the fuel cell is started by the controller 50 is the same as in the second and third embodiments.
  • a variable opening solenoid valve is used for the FC inlet valve 25.
  • the valve device in FIG. 9 is the FC inlet valve 25 in the present embodiment.
  • the main difference between the present embodiment and the third embodiment is that, in the third embodiment, the FC inlet valve 2 5 is set so that the amount of pressure increase per unit time is constant, that is, the pressure increase rate is constant.
  • the valve opening of the FC inlet valve 25 is feedback controlled so that the gas supply amount per unit time is constant, that is, the flow velocity is constant. There is to do.
  • downstream pressure of the FC inlet valve 25 is measured by using, for example, a pressure sensor installed in the fuel cell 10.
  • the downstream pressure of the FC inlet valve 25 is measured by using, for example, a pressure sensor installed in the fuel cell 10.
  • the downstream pressure is equal to or lower than the pressurization completion pressure (target pressure). If the determination result is “NO”, that is, the downstream pressure has already exceeded the pressurization completion pressure. If so, the following process is skipped and this control flow ends.
  • step S55 determines whether the downstream pressure has not yet reached the pressurization completion pressure. If the determination result in step S55 is “YES”, that is, if the downstream pressure has not yet reached the pressurization completion pressure, the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure acquired in step S53 is The gas supply amount per unit time passing through the FC inlet valve 25, that is, the flow velocity is estimated with reference to the map that defines the relationship with the flow rate pressure loss characteristic of the FC inlet valve 25 (step S57).
  • Step S59 If this flow velocity is equal to the specified value (Step S59: YES), the valve opening of the FC inlet valve 25 is maintained as it is (Step S61) and the corresponding opening command is issued. Issue to FC inlet valve 25 (step S63) and return to step S53.
  • step S59 If the determination result in step S59 is “NO”, it is determined whether the flow velocity is greater than the predetermined conforming value (step S71). If the determination result is “YES”, the FC inlet Decrease the valve opening of the valve 25 by a predetermined amount (step S 73), issue a corresponding opening command to the FC inlet valve 25 (step S 63), and return to step S 53.
  • step S71 determines whether the flow velocity is smaller than the predetermined value. If the determination result in step S71 is “NO”, that is, if the flow velocity is smaller than the predetermined value, the valve opening of the FC inlet valve 25 is increased by a predetermined amount (step S 75), and the corresponding opening command is sent to the FC inlet valve. 2 5 (Step S 6 3), the process returns to Step S 5 3.
  • Step S 5 7 the processing after Step S 5 7, that is, the differential pressure between the upstream and downstream flows of the FC inlet valve 25. Since the process of setting the valve opening according to the flow velocity obtained from the flow rate pressure loss characteristics of the FC inlet valve 25 is repeatedly performed, the FC inlet valve 2 5 It is possible to feed back the downstream pressure.
  • the pressure is gradually increased so that the differential pressure between the downstream pressure of the FC inlet valve 25 and the pressure completion pressure gradually decreases. Since the valve opening is corrected in the direction in which the flow velocity correlated with the downstream pressure of the FC inlet valve 25 coincides with a predetermined value, the occurrence of resonance during pressurization and the stress of machine parts It is possible to suppress generation more effectively.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention.
  • the same components as those in the first to fourth embodiments shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted, and the configuration and effects of the first embodiment will be omitted. The difference will be mainly described.
  • the pipe 3 2 that connects the hydrogen tank 20 and the fuel cell 10 is parallel to each other.
  • a part of the pipe 3 2 is formed as passages 3 2 a and 3 2 b which are parallel to each other. These passages 3 2 a and 3 2 b have the same diameter.
  • the piping 3 2 includes the shirt valve 21, the regulator valve 2 3, the opening / closing valve 24, and the FC inlet valve 25, which are arranged in this order from the upstream side.
  • shut valve 2 1, switching valve 6 1, throttle device 6 2 on passage 3 2 a, regulator valve 2 3, and FC inlet valve 25 are arranged in this order from the upstream side. There is to be.
  • the switching valve 61 of the present embodiment supplies the hydrogen gas from the hydrogen tank 20 to the fuel cell 10 through the passage 3 2 a side where the expansion device 62 is disposed, or bypasses the expansion device 62.
  • This is a flow path switching unit that allows either the fuel cell 10 to be supplied to the fuel cell 10 through the passage 3 2 b side, and the switching direction is controlled by the control device 50.
  • the throttling device 62 is a pressure loss generating section that makes it possible to make the pressure loss of the fluid in one passage 3 2 a relatively larger than the pressure loss in the other passage 3 2 b.
  • the gas flow path cross section is configured to be locally narrow.
  • the aperture device 62 of this embodiment is an aperture device in which, for example, the amount of aperture between the upstream and downstream is set to a predetermined fixed value.
  • target pressure the pressurization completion pressure
  • the hydrogen gas from the hydrogen tank 20 is supplied to the fuel cell 10 through the passage 3 2a side with large pressure loss.
  • the valve opening of the FC inlet valve 25 is continuously or intermittently changed as in the first to fourth embodiments.
  • the generation of resonance and the occurrence of stress on mechanical parts during sudden pressurization can be suppressed only by simple flow path switching by the switching valve 61 without performing complicated control to change.
  • the throttle device 62 is disposed in the passage 3 2 a as described above.
  • the diameter of the passage 3 2 a is smaller than that of the other passage 3 2 b, a bent portion or a meandering portion is provided in the middle of the passage 3 2 a, or a filter or the like is provided in the middle of the passage 3 2 a. It can also be realized by providing an element that increases fluid resistance.
  • the switching valve 61 may be capable of simultaneously blocking or communicating not only one of the passages 3 2 a and 3 2 b.
  • variable throttle device 71 capable of variably controlling the throttle between the upstream and the downstream by the control device 50 may be disposed therebetween.
  • variable throttle device 71 when the pressure difference is equal to or greater than a predetermined value at the time of initial pressurization such as when the fuel cell 10 is started, the variable throttle device 71 is moved to the throttle side. By controlling, pressure loss can be caused in the hydrogen gas from the hydrogen tank 20 and the pressurization speed can be suppressed, so that the differential pressure can be gradually decreased. ' On the other hand, when the above differential pressure is less than a predetermined value, such as during normal operation, the pressure loss to the hydrogen gas from the hydrogen tank 20 is minimized by controlling the variable throttle device 71 to the open side. Therefore, pressure loss due to the presence of the variable throttle device 71 can be avoided.
  • each valve device shut valve 21, open / close valve 24, FC inlet valve 25, The opening of the pressure regulating valve 4 4 etc.) and the operation amount of the compressor 4 1 installed in the pipe 3 6 may be coordinated.
  • hydrogen gas is mainly supplied to the fuel cell 10 using at least one of the short valve 21, the opening / closing valve 24, and the FC inlet valve 25 installed on the pipe 3 2 through which high-pressure gas flows.
  • the differential pressure between the hydrogen gas supply pressure from the pipe 3 2 to the fuel cell 10 and the air supply pressure from the pipe 3 5 to the fuel cell 10 can be controlled within an appropriate range.
  • the differential pressure between the electrodes hydrogen gas supply pressure and air It is possible to suppress an excessive increase in the pressure difference between the supply pressure and the electrolyte membrane from being damaged.
  • the cathode pressure is observed using a pressure sensor disposed in the fuel cell 10 or between the fuel cell 10 and the pressure regulating valve 44, and the cathode pressure is set as a target value on the anode side. Pressurize. More specifically, the anode side is pressurized as the cathode side pressure increases. Conversely, the cathode pressure may be adjusted with the anode pressure as a target value.
  • pressurization or pressure regulation on the high-pressure side of the anode and the cathode may be controlled so as to increase or slow down the pressure regulation. For example, by reducing the amount of air supplied to the compressor 41, reducing the closing speed of the pressure regulating valve 44, or reducing the opening speed of the valve device on the anode side (for example, the FC inlet valve 25), etc. It is possible to slow down the side pressure or pressure regulation.
  • the pressure on the low pressure side of the anode and the force sword may be increased, or the pressure adjustment may be controlled in the direction of increasing the pressure or increasing the pressure.
  • increase the amount of air supplied to the compressor 41 increase the closing speed of the pressure regulating valve 44, or increase the opening speed of the valve device on the anode side (for example, the FC inlet valve 25).
  • increase the speed or the like it is possible to increase the pressure or pressure adjustment on the low pressure side.
  • the pressure difference between the electrodes is observed with a pressure sensor arranged in the fuel cell 10 so that the pressure difference is below the allowable pressure (design pressure resistance).
  • the high pressure side may be depressurized. For example, it is possible to reduce the pressure on the high pressure side by controlling the pressure regulating valve 44 to the open side, reducing the amount of air supplied to the compressor 41, or opening the discharge valve 27 to reduce the pressure on the anode side. Is possible.
  • the low pressure side may be pressurized so that the differential pressure between the electrodes is less than the allowable pressure (design withstand pressure).
  • the allowable pressure design withstand pressure
  • the pressure regulating valve 44 to the closed side, increasing the air flow rate of the compressor 41, increasing the opening speed of the valve device on the anode side (for example, the FC inlet valve 25), etc. It is possible to apply pressure.
  • the above (1) to (5) are controls assuming a variable opening type electromagnetic valve that can be commanded by the valve device, but when the valve device is an open / close solenoid valve, By executing the duty control, it is possible to carry out substantially the same control as the above (1) to (5).
  • the shut valve 21, the regulator valve 23, the open / close valve 24, the FC inlet valve 25, etc. are installed on the pipe 32. If it is installed (for example, the short valve 21 of the hydrogen tank 20), the other valves (eg, regulator valve 23, on-off valve 24, FC inlet valve 25) may not be installed.
  • valve device whose opening area is controlled is connected to the hydrogen supply passage (pipe 32). Not only the installed valves 2 1, 2 3-2 5 but also the hydrogen circulation system passage (connected to the pipe 3 2 of the pipe 3 3) for returning the anode off-gas discharged from the fuel cell 10 to the hydrogen supply system
  • the fuel cell 10 The pressure regulating valve 4 4 installed in the passage (pipe 3 6) of the air discharge system that discharges the power of sword-off gas may be used.
  • an injector may be installed on the pipe 32.
  • the gas passage may be suddenly pressurized by receiving a supply of a high-pressure or pressurized reaction gas or reaction off-gas, for example, at the time of system startup or restart from intermittent operation.
  • the opening degree of the valve device is controlled so that the opening area increases continuously or intermittently according to the magnitude of the differential pressure upstream and downstream of the valve device. Generation and stress on machine parts can be suppressed.
  • the present invention can be widely used for fuel cell systems having such requirements.

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Abstract

　反応ガスの供給を受けて発電し反応オフガスを排出する燃料電池と、前記反応ガスまたは前記反応オフガスが流通するガス通路と、該ガス通路上に設置された弁装置と、該弁装置の開度を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムの起動時に、まず、弁装置の下流圧を取得し（ステップＳ３）、該下流圧が所定の加圧完了圧力以下である場合（ステップＳ５：「ＹＥＳ」）には、弁装置を所定のデューティ比にてデューティ制御する（ステップＳ７、ステップＳ９）。これにより、急加圧に起因する異音の発生や機械部品のストレス発生を抑制する。

Description

明細書 燃料電池システム 技術分野.
本発明は、 燃料電池システムに関し、 特に、 異音の発生や機械部品のスト レス発生を抑制する技術に関する。 背景技術
燃料電池システムは、 特開 2002— 373687号公報に記載の如く、 アノード電極とカソード電極で電解質を挟んだ単セルを複数個積層した燃料 電池を構成し、 燃料電池の水素供給口に接続した水素供給管が供給する水素 (燃料ガス） をアノード電極に接触させ、 燃料電池の空気供給口に接続した 空気供給管が供給する空気 （酸化ガス） を力ソード電極に接触させることに より生ずる、 電気化学反応により発電する。
特開 2002— 373687号公報は、 燃料電池に吸排されるガスを圧送 するに際し、ガスが脈動をもって圧送される配管に制振部材を設けることで、 配管の振動に起因する騒音の発生を抑制する燃料電池システムを開示してい る。 発明の開示
水素供給源からの水素を燃料電池のアノード電極側に供給する水素供給管 の途中に燃料電池入口遮断弁 （以下、 FC入口弁） が設けられた燃料電池シ ステムの起動は、 水素供給源側の主止弁 （元弁） を開き、 続いて FC入口弁 を開くことにてなされる。
• ところが、 主止弁を開いた後、 水素供給管の FC入口弁よりも上流側が未 だ十分に加圧されていない状態で該 F C入口弁を開くと、 システム起動時に 大気圧相当であつた水素供給管および燃料電池内のガス通路に、 高圧水素お よび加圧エアが供給されて急激に加圧されるため、 衝撃によってスタック内 部で異音が発生したり、 機械部品に振動ス トレスが発生する、 という課題が あ 。
かかる課題は、 水素供給系の通路 （水素供給管） に限らず 燃料電池から 排出された水素オフガスを水素供給管に戻す水素循環系の通路、 水素オフガ スを外部に排出する水素排出系の通路、 およぴ燃料電池からの空気オフガス を排出する空気排出系の通路等、 燃料電池に供給されるガ ^および燃料電池 力 ら排出されるオフガスが流通する通路でも生じる。
この対策とじて、 水素供給管等のガス通路に、 特開 2 0 0 2— 3 7 3 6 8 7号公報に記載の制振部材を設けたとしても、 特定の周波数領域の振動しか 吸収できず、 上記課題の解決に十分とはいえない。 また、 このような急加圧 は、 必ずしも燃料電池の起動時に限定されるものではない。
さらに、 例えば固体高分子電解質膜 （以下、 電解質膜） をその両側からァ ノード電極と力ソード電極とで狭持してなる燃料電池を備えた燃料電池シス テムにおいては、 電解質膜の破損防止や長寿命化等のために、 アノード電極 側の水素ガス供給圧と、 カソード電極側のエア供給圧との差圧 （以下、 極間 差圧） を所定値以下に制御する必要もある。
そこで、 本発明は、 急加圧に起因する異音の発生や機械部品のス トレス発 生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。 本発明の燃料電池システムは、 反応ガスの供給を受けて発電し反応オフガ スを排出する燃料電池と、 前記反応ガスまたは前記反応オフガスが流通する ガス通路と、 該ガス通路上に設置された弁装置と、 該弁装置の開度を制御す る制御装置と、 を備えた燃料電池システムにおいて、 前記制御装置は、 前記 ガス通路内のガス圧が増加する際は、 前記弁装置の上流と下流の差圧の大き さに応じて該弁装置の開度を連続的または断続的に開度面積が増加するよう に制御する。
力かる構成によれば、 例えばシステム起動時のように弁装置の下流圧 （例 えば、 弁装置一燃料電池間のガス通路、 燃料電池内のガス通路等） が大気圧 相当まで低下しているために、 高圧あるいは加圧された反応ガスが供給され るとガス通路内のガス圧が増加する場合であっても、 弁装置の上下流間の差 圧の大きさに応じて、 当該弁装置の開度面積を連続的に増加させる、 あるい は断続的に増加させる （例えば、 全開と全閉とを所定周期で繰り返す） こと により、 ガス通路内での急; ¾口圧を抑制することが可能となる。
また、 本発明の燃料電池システムは、 反応ガスの供給を受けて発電し反応 オフガスを排出する燃料電池と、 前記反応ガスまたは前記反応オフガスが流 通するガス通路と、 該ガス通路上に設置された弁装置と、 該弁装置の開度を 制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、 前記弁装置の上下流間の差圧が所定値以上であるときは、 該差圧の大きさに 応じて該弁装置の開度を連続的または断続的に開度面積が増加するように制 御する。
かかる構成によれば、 例えばシステム起動時のように弁装置の下流圧が大 気圧相当まで低下しているために、 高圧あるいは加圧された反応ガスが供給 されると急加圧される虞のある場合であっても、 弁装置の上下流間の差圧が 所定値未満になるまでの間、 当該弁装置の開度面積を連続的あるいは断続的 に増加させることにより、 弁装置の上下流間の差圧を漸減させ得て、 急加圧 を抑制することが可能となる。 ―
前記制御装置は、 前記弁装置の下流圧が目標圧以下であるときは、 これら 下流圧と目標圧との差圧の大きさに応じて該弁装置の開度を制御してもよレ、。 かかる構成によれば、 ガス通路が急加圧される虞のある場合であっても、 '弁装置の下流圧が目標圧に達するまでの間、 当該弁装置の開度面積を連続的 あるいは断続的に増加させることにより、 弁装置の下流圧と目標圧との差圧 を漸減させ得て、 急加圧を抑制することが可能となる。
前記差圧が大きいほど、 前記弁装置の時間当たりの開度面積変化量を小さ く してもよレヽ。 '
差圧が大きいということは、急加圧される虞があるということであるから、 かかる構成によれば、 急加圧時における共鳴の発生や機械部品のス トレス発 生をより効果的に抑制することが可能となる。
「時間当たりの開度面積変化量が小さい」 とは、 ·連続的あるいは段階的に 弁装置の開度を増加させるときの開度面積変化量が小さいことを意味する他 に、 断続的に弁装置の開度を全開させるときの全開時間が短い及び 又は全 閉時間が長いことの意味も含まれるものとする。 以下、 同様とする。
前記弁装置よりも下流の閉空間体積が大きいほど、 当該弁装置の時間当た りの開度面積変化量を小さく してもよい。
力かる構成によれば、 加圧される閉空間に例えば燃料電池内のガス通路が 含まれる等、 閉空間体積が大きい場合であっても、 急加圧時における共鳴の 発生や機械部品のス トレス発生をより効果的に抑制することが可能となる。 前記弁装置は、 開閉式電磁弁または開度可変式電磁弁の少なくとも一方で あってもよい
例えば、 弁装置が開閉式電磁弁である場合、 つまり、 全開 （開度指令： O N) か全閉 （開度指令： O F F ) のいずれか一方しか選択することができな い弁装置である場合には、 全開と全閉とを所定周期で繰り返すことにより上 記差圧を漸減させ得て、 急加圧を抑制することが可能となる。
前記弁装置が開閉式電磁弁の場合に、 デューティ制御により当該弁装置の 開度面積を変化させてもよい。
この場合、 デューティ比 （O N— O F F繰り返し時の O N— O F F時間比 '率） は一定であってもよいし、 デューティ比を時間経過に伴い徐々に減少あ るいは増加させてもよレ、。
他方、 弁装置が開度可変式電磁弁である場合、 つまり、 全開ー全閉間で弁 装置の開度を例えばリニアに可変制御することができる装置である場合には、 例えば弁装置の開度を徐々に増やす等、 連続的に変化させることにより上記 差圧を漸減.させ得て、 急加圧を抑制することが可能となる。
前記弁装置は、 前記ガス通路上に設けられた調圧弁の下流に設けられた電 磁弁でもよい。
かかる構成によれば、 調圧弁 （例えば、 機械式レギユレータ、 減圧弁等） で減圧されたガス圧を、 その下流の電磁弁で連続的または断続的に開度制御 することになり、 電磁弁の耐久性やシール性を簡素にできる。 また、 高圧ガ スの影響による電磁弁の制御悪化も抑制される。
前記弁装置の下流圧に基づいて、 当該弁装置の時間当たりの開度面積変化 量を設定してもよい。
かかる構成によれば、 弁装置の開度設定に該弁装置の下流圧をフィードバ ックさせることが可能となる。
前記弁装置は、 前記ガス通路に接続された高圧ガスタンクの元弁であって もよい。
かかる構成によれば、 ガス通路の途中に、 燃料電池へのガス供給を許可 · 禁止する弁装置や、 燃料電池へのガス供給圧を調圧 （減圧） する弁装置が設 置されてない燃料電池システムにおいても、 高圧ガスタンクの元弁を制御す ることにより、 燃料電池に連なるガス供給通路や燃料電池内部のガス通路が 急激に加圧されることを抑制することが可能となる。
前記ガス通路上に直列に複数の前記弁装置を備え、 上流側弁装置の開閉状 態に対応して、 下流側弁装置の開度面積を制御してもよい。
力かる構成によれば、 直列に配置された弁装置のうち上流側の弁装置の開 '度を主として制御し、 下流側の弁装置の開度を従属的に制御することが可能 となる。 また、 例えばシステム起動時に下流側の弁装置を閉じたまま上流側 の弁装置のみを開けた場合に、 上流側の弁装置一下流側の弁装置間の閉空間 は、 それよりも下流のガス通路 （例えば、 燃料電池に連なるガス供給通路や 燃料電池内部のガス通路） が急激に加圧されることを抑制するバッファとし て機能する。
前記燃料電池のァノ一ド側に供給されるガス圧とカソ一ド側に供給される ガス圧とを協調制御してもよい。
ここで、 協調制御とは、 例えば、 アノード側 （燃料ガス側） またはカソー ド側 （酸化ガス側） の一方の側のガス圧変化に対応して設定された弁装置の 開度制御に対応して、 他方の側のガス圧が変化するように調圧 （少なくとも 他方の側の弁装置の開度制御を実施する） を行うことである。
例えば、 高圧な燃料ガス側のガス通路に設置された弁装置を主として制御 し、 それに対応して、 酸化ガス側のガス通路に設置された弁装置又は Z及-び ガス供給手段 （例えば、 コンプレッサ） を制御することが可能になるので、 燃料ガス供給通路から燃料電池への燃料ガス供給圧と、 酸化ガス供給通路か ら燃料電池への酸化ガス供給圧との差圧を適正範囲内に制御することが可能 となる。
特に、 燃料電池が電解質膜をその両側からアノード電極とカソード電極と で狭持してなる燃料電池システムにおいては、 極間差圧 （燃料ガス供給圧と 酸化ガス供給圧との差圧） の過剰な増大を抑制し得て、 電解質膜を破損等か ら保護することが可能となる。
前記ガス通路の一部が互いに並列な通路であって、 その一方を他方の通路 に比べて圧力損失の大きな通路とし、 前記差圧が所定値以上のときは、 前記 弁装置の開度面積を連続的または断続的に増加させることに代えて、 前記圧 力損失の大きな通路を使用してよい。
' 他方の通路よりも圧力損失の大きな通路は、 えば、 他方の通路よりも小 径化する、 通路途中に屈曲部や蛇行部を設ける、 あるいは通路途中に絞りや フィルタ等のような流体抵抗を増加させる要素を設ける等により構成するこ とが可能である。
前記制御装置は、 前記燃料電池の起動時に、 前記弁装置の開度を連続的ま たは断続的に開度面積が増加するように制御してもよい。燃料電池の起動時、 例えば、 長時間停止後の起動時や間欠運転からの再起動時は、'' '大気圧相"当あ るいは所定圧まで低下したガス通路 （例えば、 ガス供給通路および燃料電池 内のガス通路） 力 高圧あるいは加圧された反応ガスあるいは反応オフガス の供給を受けて急加圧される虞があるため、 かかる急加圧の抑制に有効であ る。
上記燃料電池システムの一起動方法として、 前記弁装置の下流圧が目標圧 以下であるときは、 これら下流圧と目標圧との差圧を漸減させるように前記 反応ガスを燃料電池に供給してもよい。 かかる構成によれば、 急加圧を抑制 することが可能となる。
また、 他の起動方法として、 前記弁装置の上下流間の差圧が所定値以上で あるときは、 該差圧を漸減させるように前記反応ガスを燃料電池に供給して もよレ、。 かかる構成によれば、 急加圧を抑制することが可能となる。
これら燃料電池システムの起動方法において、 弁装置の下流圧と目標圧と の差圧を漸減させる、 あるいは、 弁装置の上下流間の差圧を漸減させる具体 的手法としては、 例えば、 加圧時における弁装置の開度を通常運転時におけ る開度よりも少なくする （例えば、通常運転時の 1ノ3)、 単位時間当たりの 圧力上昇量を一定 （例えば、 l O k P a/l O Om s e c) 以下とする、 単 位時間当たりのガス供給量 （流速） を一定 （例えば、 1 L/10 Oms e c) 以下とする等がある。
これらの手法の他に、 単位時間当たりの弁開度を可変とし、 加圧初期はゆ ' つく り （例えば、 5 s t e pZ s e c) と開弁し、 加圧開始からの時間経過 に伴い速く （例えば、 2 0 s t e p Z s e c ) 開弁することによつても上記 差圧を漸減させることが可能である。
さらに、 電気的に開閉 （O N— O F F ) の 2状態のみの弁開度を制御でき る電磁弁 （開閉式電磁弁） を用いる場合には、 弁開度を制御する代わりに、 開閉のデ —ティ比 （O N— O F F比） を制御することによつても上記差圧 を漸減させることが可能である。 例えば、 加圧初期は O N時間比率が小とな るようにして、 所定時間経過後に O N時間比率が大となるように制御する。 図面の簡単な説明
図 1は、本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態を示す概略構成図。 図 2は、 図 1に示す燃料電池システムの起動時における F C入口バルブの 制御フローを説明するフローチヤ一ト。
図 3は、 F C入口バルブが開閉式電磁弁である場合の一制御例を示すタィ ムチヤート。
図 4は、 図 3に示す一制御例による圧力挙動を示すタイムチャート。
図 5は、 F C入口バルブが開閉式電磁弁である場合の他の制御例を示すタ ィムチャート。
図 6は、 F C入口バルブが開度可変式電磁弁である場合の一制御例を示す タイムチャート。
図 7は、 第 2実施形態に係る燃料電池システムの起動時における F C入口 バルブの制御フローを説明するフローチャート。
図 8は、 第 3実施形態に係る燃料電池システムの起動時における F C入口 バルブの制御フローを説明するフローチャート。
図 9は、 第 4実施形態に係る燃料電池システムの起動時における F C入口 バルブの制御フローを説明するフローチヤ一ト。
図 1 0は、 第 5実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図。 図 1 1は、 第 6実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図
発明を実施するための最良の形態
ぐ第 1実施形態 >
1は、 本発明に係る燃料電池システムの第 1実施形態を示す概略構成図 である。 この燃料電池システム 1は、 燃料電池車両の車載発電システムの他 に、 例えば定置用発電システムへの適用も可能である。
燃料電池 1 0は、 燃料ガス （反応ガス）.と酸化ガス （反応ガス） との電気 化学反応によって発電するセルの積層体である。 各セルは、 電解質膜の両側 にアノード電極とカソード電極とを配置した構成となっている。
燃料電池 1 0の力ソード側には、 酸化ガスとしての空気が供給される。 空 気は、 フィルタ 4 0から吸入され、 コンプレッサ 4 1で圧縮された後、 加湿 器 4 2で加湿され、 配管 （ガス通路） 3 5から燃料電池 1 0に供給される。 カソードからの排気（以下、 カソードオフガス （反応オフガス） とレ、う） は、 配管 3 6、 マフラ 4 3を通じて外部に排出される。 空気の供給圧は、 調圧バ ルブ 4 4の開度によって制御される。
燃料電池 1 0のアノード側には、 配管 （ガス通路） 3 2を介して水素タン ク （高圧ガスタンク） 2 0に貯蔵された水素が燃料ガスとして供給される。 この水素タンク 2 0に代えて、 アルコール、 炭化水素、 アルデヒ ドなどを原 料とする改質反応によって水素を生成してアノード側に供給する燃料改質器 や、 水素吸蔵合金等を用いても良い。
配管 3 2上には、その上流から順に、水素タンク 2 0のシャツトバルブ（元 弁） 2 1、 一次圧を所定の二次圧に減圧するレギユレータバルブ （調圧弁） 2 3、 開閉バルブ 2 4、 及ぴ燃料電池入口バルブ （弁装置） 2 5が設置され ている。
この燃料電池入口バルブ （以下、 F C入口バルブ） 2 5は、 バルブ本体内 を摺動して弁座に着座可能な弁体の開度 （以下、 弁開度） が全開か全閉のい ずれか一方しか選択することができない開閉式電磁弁、 あるいは弁開度を全 開一全閉間で例えばリニアに可変制御することができる開度可変式電磁弁と されていて、 いずれの構成においても制御装置 5 0によって弁開度が制御さ れる。
水素タンク 2 0に高圧で貯蔵された水素は、 レギユレータバルブ 2 3によ つて調圧 （減圧） されて、 燃料電池 1 0のアノードに供給される。 また、 該 アノードからの排気 （以下、 アノードオフガス （反応オフガス） とレ、う） は、 配管 3 3に流出する。 この配管 3 3のアノード出口側には燃料電池出口バル ブ （以下、 F C出口バルブ） 2 6が設置されている。
配管 3 3は、 その途中で二つに分岐しており、 一方はアノードオフガスを 外部に排出するための排出管 3 4に接続され、 他方は逆止弁 2 8を介して配 管 3 2に接続されている。 燃料電池 1 0のアノード出口に接続された配管 3 3と、 そこから分岐して配管 3 2に接続された配管とで構成される燃料ガス 循環通路には、 アノードオフガスを昇圧して配管 3 2に還流させる水素ボン プ 4 5が設けられている。
排出管 3 4に設けられた排出バルブ（パージ弁） 2 7が閉じられている間、 アノードオフガスは、 配管 3 2を介して再び燃料電池 1 0に循環される。 ァ ノードオフガスには、 発電で消費されなかった水素が残留しているため、 こ のように循環させることにより、 水素を有効活用することができる。
アノードオフガスの循環中、 水素は発電に使用される一方、 水素以外の不 純物、 例えば、 力ソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されず に残留するため、 不純物の濃度が徐々に増大する。 この状態で、 排出バルブ 2 7が開かれると、アノードオフガスは、排出管 3 4を通って外部に排出（パ —ジ） され、 不純物の循環量が低減する。
燃料電池 1 0には、水素および空気の他、冷却永も供給される。冷却水は、 冷却水ポンプ 4 6によって、 冷却用の配管 3 7を流れ、 ラジェータ 3 8で冷 却されて燃料電池 1 0に供給される。 配管 3 7は、 ラジェータ 3 8の上流に て二つに分岐されており、 その一方はラジェータ 3 8をバイパスし、 該ラジ エータ 3 8の下流に設けられたバイパスバルブ 3 9を介してラジェータ配管 と合流して.いる。
制御装置 5 0は、 C P U、 R OM, R AM、 H D D , 入出力インタフエ一 ス及びデイスプレイなどの制御コンピュータシステムによつて構成されてレヽ て、 図示しない車両のアクセル開度信号などの要求負荷、 燃料電池システム 1の各部に設けられたセンサ （圧力センサ、 温度センサ、 流量センサ、 電流 計、 電圧計等）、 各機器 （コンプレッサ 4 1、 水素ポンプ 4 5等） から制御情 報を受け取り、 システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
また、制御装置 5 0は、配管 3 2 ,燃料電池 1 0内のガス通路， 配管 3 3， 又は配管 3 4 (以下、 これらを総称して 「ガス通路」 ということがある。） 内 のガス圧が増加する際は、 F C入口バルブ 2 5の上流と下流の差圧の大きさ に応じて、 該 F C入口バルブ 2 5の開度を連続的または断続的に開度面積が 増加するように制御する。以下便宜的に、開度面積を制御することを単に「弁 開度を制御する」 ということがある。
例えば、燃料電池 1 0の起動時や間欠運転からの再起動等の初期加圧時に、. F C入口バルブ 2 5の下流圧、 つまり、 該 F C入口バルブ 2 5—燃料電池 1 0間の配管 3 2および燃料電池 1 0内のガス通路の圧力が所定圧 （目標圧） 以下であるとき、 あるいは F C入口バルブ 2 5の上下流間の差圧が所定値以 上であるときに、 これら下流圧と所定圧との差圧あるいは上下流間の差圧を 漸減させるように、 燃料電池入口バルブ 2 5の弁開度を制御する。
, つまり、 長時間停止後の起動時や間欠運転からの再起動時は、 ガス通路が 大気圧相当あるいは所定圧まで低下している。 このような状態の下、 ガス通 '路に水素タンク 2 0からの高圧水素が供給され と、 当該ガス通路が急激に 加圧される結果、 衝撃による異音が発生したり、 機械部品ス トレスが発生す る虞がある。
本実施形態の F C入口バルブ 2 5が開閉式電磁弁である場合には、 全開と 全閉とが所定の周期で繰り返されるデューティ制御を実施することにより、 前記差圧を漸減させて、 急加圧を抑制することが可能となる。 この場合、 デ ユーティ比 （O N— O F F繰り返し時の O N— O F F時間比率） は一定であ つてもよいし、 デューティ比を時間経過に伴レ、徐々に減少あるいは増加させ てもよい。
他方、 本実施形態の F C入口バルブ 2 5が開度可変式電磁弁である場合に は、 例えば弁開度を徐々に増やす等、 連続的に変化させることにより、 前記 差圧を漸減させて、 急加圧を抑制することが可能となる。
F C入口バルブ 2 5の開閉動作は、 当該 F C入口バルブ 2 5よりも下流の 閉空間に燃料電池 1 0内のガス通路が含まれて該閉空間体積が大きいことか ら、 時間当たりの開度面積変化量が小さくなるように制御することが好まし レ、。 なお、 F C入口バルブ 2 5よりも下流の閉空間体積とは、 燃料電池 1 0 内のガス通路を含む F C入口バルブ 2 5から F C出口バルブ 2 6までのガス 通路体積をいう。
また、 F C入口バルブ 2 5は、 前記差圧が大きいほど、 時間当たりの開度 面積変化量を小さく したり、 F C入口バルブ 2 5の下流圧に基づいて、 時間 当たりの開度面積変化量を設定してもよい。
シャツトバルブ 2 1—F C入口バルブ 2 5間の配管 3 2は、各バルブ 2 1 , 2 3 , 2 5， 2 6等を閉じた状態から、 まず、 シャッ トバルブ 2 1を開けて 該シャツトバルブ 2 1—開閉バルブ 2 4間を加圧し、 次に、 開閉バルブ 2 4 を開けて該開閉バルブ 2 4— F C入口バルブ 2 5間を加圧し、 その後に、 F C入口バルブ 2 5を開けて該 F C入口バルブ 2 5— F C出口バルブ 2 6間を ■ 加圧する。 つまり、 配管 3 2の上流側に位置するバルブから順次開けてゆくことによ り、 この開けたバルブからその直下に位置するバルブまでの閉空間までをバ ッファとして機能させつつ、 配管 3 2内および燃料電池 1 0内を徐々に加圧 することができる。
このよう.に、 配管 3 2 , 燃料電池 1 0内のガス通路, 及び配管 3 3上に直 列に複数のバルブ 2 1， · · ·， 2 6を備えた燃料電池システム ίにおいては、 上流側のバルブの開閉状態に対応して、 下流側のバルブの開度を制御するこ とにより、 直列に配置されたバルブ 2 1 , …， 2 6のうち相対的に上流側に 位置するバルブ （以下、 上流側バルブ） の開度を主として制御し、 相対的に 下流側に位置するバルブ （以下、 下流側バルブ） の開度を従属的に制御する ことが可能となる。
これにより、 例えばシステム起動時 （間欠運転からの再起動時を含む） に 下流側バルブを閉じたまま上流側バルブのみを開けると、 上流側バルブ一下 流側バルブ間の閉空間は、 燃料電池 1 0に連なる配管 2 1 , 3 3や燃料電池 1 0内のガス通路が急激に加圧されることを制御するバッファとして機能す ることになる。
次に、 図 2〜図 5を参照しながら、 制御装置 5 0による燃料電池起動時に おける F C入口バルブ 2 5の制御フローについて、 該 F C入口バルブ 2 5に 開閉式電磁弁が用いられているものとして説明する。 なお、 図 2における弁 装置は、 本実施形態では F C入口バルブ 2 5である。
まず、 図 2のステップ S 1で F C入口バルブ 2 5 - F C出口バルブ 2 6間 の閉空間を加圧してよいかの判定、 例えば、 F C入口バルブ 2 5よりも上流 側の配管 3 2が所定圧まで加圧されているかの判定を行い、 この判定結果が 「Ν Ο」 の場合は、 当該ステップ S 1の判定を繰り返し、 F C入口バルブ 2 5よりも上流側の配管 3 2が所定圧まで加圧されるまで待つ。
一方、 ステップ S 1の判定結果が 「Y E S」 の場合は、 F C入口バルブ 2 5の下流圧を取得する （ステップ S 3)。 この下流圧は、例えば燃料電池 1 0 内に設置された圧力センサを用いて測定される。続くステップ S 5において、 下流圧が加圧完了圧力 （目標圧） 以下であるかを判定し、 判定結果が 「NO」 の場合、 つまり、 下流圧が既に加圧完了圧力を超えている場合には、 以下の 処理をスキップして本制御フローは終了する。
一方、 ステップ S 5の判定結果が 「YES」 の場合、 つまり、 下流圧が未 だ加圧完了圧力に達していない場合には、 FC入口バルブ 25に対して所定 時間 （例えば、 100ms e c以下） だけ弁開度を全開 （ON) にする開度 指令を発し （ステップ S 7)、 次いで、 FC入口バルブ 25に対して所定時間 (例えば、 1 00ms e c以下） だけ弁開度を全閉 （OFF) にする開度指 令を発したら （ステップ S 9)、 ステップ S 5に戻る。
本実施形態では、 FC入口バルブ 25の下流圧が加圧完了圧力を超えるま での間は、 ステップ S 7とステップ S 9の処理が繰り返し行われるので、 例 えばステップ S 7による全開指令とステップ S 9による全閉指令とが同一周 期で繰り返される。 つまり、 F C入口バルブ 25の弁開度が所定のデューテ ィ比でデューティ制御される結果、 FC入口バルブ 25は、 図 3に示すよう に駆動される。
このようにして FC入口バルブ 25がバルブ駆動される結果、 FC入ロバ ルブ 25の下流圧は、 加圧開始時の初期圧力から加圧完了圧力 （目標圧力） に到達するまでの間、 図 4に示すようなステップ状に変化する圧力挙動とな る。 よって、 本実施形態によれば、 FC入口バルブ 25の下流圧と加圧完了 圧力との差圧を漸減させて急加圧を抑制するので、 共鳴の発生や機械部品の ス トレス発生を抑制することができる。
また、 本実施形態では、 レギユレ一タバブル 23で減圧されたガス圧を、 その下流に設けられた FC入口バルブ 25によって開度制御しているので、 ' FC入口バルブ 25の耐久性やシール性を簡素ィ匕することができると共に、 高圧水素ガスの影響による FC入口バルブ 25の制御悪化を抑制することが できる。
なお、 FC入口バルブ 25の弁開度をデューティ制御にて変化させる場合 には、 上述した図 3に示すように、 デューティ比 （ON— OFF繰り返し時 の ON— OFF時間比率） を一定に設定してもよいが、 例えば図 5に示すよ うに、 デューティ比を時間経過に伴い徐々に減少させてもよ ί、し、 あるいは 図 5に示したバルブ駆動パターンとは逆に、 デューティ比を時間経過に伴い 徐々に増加させてもよい。
ぐ第 2実施形態〉
次に、 図 6及び図 7を参照しながら、 制御装置 50による燃料電池起動時 における FC入口バルブ 25の他の実施形態に係る制御フローについて、 該 FC入口バルブ 25に開度可変式電磁弁が用いられているものとして説明す る。 なお、 図 7における弁装置は、 本実施形態では FC入口バルブ 25であ る。
本実施形態と上記第 1実施形態との主たる相違点は、 上記第.1実施形態で は、 開閉式電磁弁からなる FC入口バルブ 25の弁開度を断続的に変化させ て制御 （デューティ制御） していたのに対し、 本実施形態では、 開度可変式 電磁弁からなる F C入口バルブ 25の弁開度を連続的に変化させて制御する ことにある。
まず、 図 7のステップ S 1 1で F C入口バルブ 25— F C出口バルブ 26 間の閉空間を加圧してよいかの判定、 例えば、 FC入口バルブ 25よりも上 流側の配管 32が所定圧まで加圧されているかの判定を行い、 この判定結果 力 S 「ΝΟ」 の場合は、 当該ステップ S 1 1の判定を繰り返し、 FC入口バル ブ 25よりも上流側の配管 32が所定圧まで加圧されるまで待つ。
一方、 ステップ S 1 1の判定結果が 「YE S」 の場合は、 FC入口バルブ 25の下流圧を取得する （ステップ S 1 3)。 この下流圧は、例えば燃料電池 1 0内に設置された圧力センサを用いて測定される。 続くステップ S 1 5に おいて、 下流圧が加圧完了圧力 （目標圧） 以下であるかを判定し、 判定結果 が 「N O」 の場合、 つまり、 下流圧が既に加圧完了圧力を超えている場合に は、 以下の処理をスキップして本制御フローは終了する。
方、 ステップ S 1 5の判定結果が 「Y E S」 の場合、 つまり、 下流圧が 未だ加圧完了圧力に達していない場合には、 下流圧と弁開度 の関係を規定 したマップを参照して弁開度を決定し（ステップ S 1 7 )、 これに対応する開 度指令を F C入口バルブ 2 5に発し、 ステップ S 1 3に戻る。 なお、 下流圧 と弁開度との関係を規定したマップは、 例えば下流圧が低いほど、 或いは、 下流圧と上流圧との差圧が大きいほど、 弁開度が小さくなるように規定され ている。
本実施形態では、 F C入口バルブ 2 5の下流圧が加圧完了圧力を超えるま での間は、ステップ S 1 7とステップ S 1 9の処理が繰り返し行われるので、 F C入口バルブ 2 5の弁開度は、 例えば図 6に示すように、 連続的に変化す るように駆動される。 '
このようにして F C入口バルブ 2 5がバルブ駆動される結果、 本実施形態 においても、 F C入口バルブ 2 5の下流圧は、 加圧開始時の初期圧力から加 圧完了圧力 （目標圧力） に到達するまでの間、 当該下流圧と加圧完了圧力と の差圧が漸減するように徐々に加圧されるようになり、 共鳴の発生や機械部 品のス トレス発生を抑制することができる。
なお、 F C入口バルブ 2 5の時間当たりの開度面積変化量は、 当該 F C入. 口バルブ 2 5の下流圧と加圧完了圧力との差圧が大きいほど、 あるいは、 当 該 F C入口バルブ 2 5の下流圧と上流圧との差圧が大きいほど、 小さく して もよレ、。 これら差圧が大きいということは、 F C入口バルブ 2 5— F C出口 バルブ 2 6間のガス通路が急加圧される虞があるということであるから、 か 'かる構成によれば、 急加圧時における共鳴の発生や機械部品のス トレス発生 をより効果的に抑制することが可能となる。
<第 3実施形態〉
次に、 図 8を参照しながら、 制御装置 5 0による燃料電池起動時における F C入口バルブ 2 5のさらに他の実施形態に係る制御フローについて、 上記 第 2実施形態と同様に、 該 F C入口バルブ 2 5に開度可変式電¾弁が用いら れているものとして説明する。 なお、 図 8における弁装置は、'' '本実施形態で は F C入口バルブ 2 5である。
本実施形態と上記第 2実施形態との主たる相違点は、 上記第 2実施形態で は、 F C入口バルブ 2 5の下流圧を用いて該 F C入口バルブ 2 5の弁開度を フィードフォワード制御したのに対し、 本実施形態では、 単位時間当たりの 圧力上昇量が一定、 つまり、 圧力上昇率が一定となるように F C入口バルブ 2 5の弁開度をフィードバック制御することにある。
まず、 図 8のステップ S 2 1で F C入口バルブ 2 5—F C出口バルブ 2 6 間の閉空間を加圧してよいかの判定、 例えば、 F C入口バルブ 2 5よりも上 流側の配管 3 2が所定圧まで加圧されているかの判定を行い、 この判定結果 力 S 「N O」 の場合は、 当該ステップ S 2 1の判定を繰り返し、 F C入口バル ブ 2 5よりも上流側の配管 3 2が所定圧まで加圧されるまで待つ。
一方、 ステップ S 2 1の判定結果が 「Y E S」 の場合は、 F C入口バルブ 2 5の下流圧を取得する （ステップ S 2 3 )。 この下流圧は、例えば燃料電池 1 0内に設置された圧力センサを用いて測定される。 続くステップ S 2 5に おいて、 下流圧が加圧完了圧力 （目標圧） 以下であるかを判定し、 判定結果 が 「N O」 の場合、 つまり、 下流圧が既に加圧完了圧力を超えている場合に は、 以下の処理をスキップして本制御フローは終了する。
一方、 ステップ S 2 5の判定結果が 「Y E S」 の場合、 つまり、 今回の制 御周期で取得した下流圧が未だ加圧完了圧力に達していない場合には、 前回 'の制御周期で取得した下流圧からの圧力上昇 Δ Pと、 前回の制御周期で下流 圧を取得してから今回の制御周期で下流圧を取得するまでの経過時間、 すな わち、本フローの制御周期 ΔΤとから、圧力上昇率 Δ ΡΖΔΤを計算する（ス テツプ S 27)。
この圧力上昇率 Δ ΡΖΔ Tが所定の適合値と等しい場合 （ステップ S 2 9 YE S)は、 F C入口バルブ 25の弁開度をそのまま維持したうえで（ス テツプ S 31)、 これに対応する開度指令を FC入口バルブ 2'5に発して （ス テツプ S 33)、 ステップ S 23に戻る。
ステップ S 29の判定結果が 「NO」 の場合には、 圧力上昇率 Δ ΡΖΔΤ が上記所定の適合値よりも大きいかを判定し（ステップ S 4 1)、 この判定結 果が 「YES」 の場合は、 F C入口バルブ 25の弁開度を所定量減少させた うえで（ステップ S 43)、 これに対応する開度指令を F C入口バルブ 25に 発して （ステップ S 33)、 ステップ S 23に戻る。
ステップ S 41の判定結果が 「NO」 の場合、 つまり、 圧力上昇率 Δ ΡΖ ΔΤが上記所定の適合値よりも小さい場合は、 FC入口バルブ 25の弁開度 を所定量増加させたうえで（ステップ S 45)、 これに対応する開度指令を F C入口バルブ 25に発して （ステップ S 33)、 ステップ S 23に戻る。 本実施形態では、 FC入口バルブ 25の下流圧が加圧完了圧力を超えるま での間は、 ステップ S 27以降の処理、 つまり、 当該下流圧の上昇率に応じ て弁開度を設定する処理が繰り返し行われるので、 FC入口バルブ 25の弁 開度設定に該 FC入口バルブ 25の下流圧をフィードバックさせることが可 能となる。
このようにして FC入口バルブ 25がバルブ駆動される結果、 本実施形態 においては、 FC入口バルブ 25の下流圧と加圧完了圧力との差圧が漸減す るように徐々に加圧される際に、 当該下流圧の圧力上昇率 Δ P Δ Tが所定 の適合値に一致する方向に弁開度が補正されるので、 加圧時における共鳴の ' 発生や機械部品のス トレス発生をより効果的に抑制すること力 Sできる。 なお、 本実施形態においては、 圧力上昇 Δ Ρ , 制御周期 Δ Τ , 及び F C入 口バルブ 2 5— F C出口バルブ 2 6間の全ガス通路容積からガス供給速度を 計算することができるので、 上記圧力上昇率 Δ Ρ Ζ Δ Τを用いて F C入ロバ ルブ 2 5の弁開度を制御する代わりに、 このガス供給速度が一定 （適合値） となるように F C入口バルブ 2 5の弁開度を制御するようにしてもよレ、。 また、 ステップ S 4 3における F C入口バルブ 2 5の開度減少処理 （開度 面積減少処理）、及び/又はステップ S 4 5における F C入口バルブ 2 5の開 度増加処理 （開度面積増加処理） においては、 例えば P I D制御等によって 開度ゲインを決定することが可能である。
<第 4実施形態〉
次に、 図 9を参照しながら、 制御装置 5 0による燃料電池起動時における ' F C入口バルブ 2 5のさらに他の実施形態に係る制御フローについて、 上記 第 2実施形態及び第 3実施形態と同様に、 該 F C入口バルブ 2 5に開度可変 式電磁弁が用いられているものとして説明する。 なお、 図 9における弁装置 は、 本実施形態では F C入口バルブ 2 5である。
本実施形態と上記第 3実施形態との主たる相違点は、 上記第 3実施形態で は、 単位時間当たりの圧力上昇量が一定、 つまり、 圧力上昇率が一定となる ように F C入口バルブ 2 5の弁開度をフィードバック制御していたのに対し、 本実施形態では、 単位時間当たりのガス供給量が一定、 つまり、 流速が一定 となるように F C入口バルブ 2 5の弁開度をフィードバック制御することに ある。
まず、 図 9のステップ S 5 1で F C入口バルブ 2 5— F C出口バルブ 2 6 間の閉空間を加圧してよいかの判定、 例えば、 F C入口バルブ 2 5よりも上 流側の配管 3 2が所定圧まで加圧されているかの判定を行い、 この判定結果 力 S 「N O」 の場合は、 当該ステップ S 5 1の判定を繰り返し、 F C入口バル ' ブ 2 5よりも上流側の配管 3 2が所定圧まで加圧されるまで待つ。 一方、 ステップ S 5 1の判定結果が 「YES」 の場合は、 FC入口バルブ 25の上流圧および下流圧を取得する （ステップ S 53)。 FC入口バルブ 2 5の上流圧は、 例えば配管 32の FC入口バルブ 25 _開閉バルブ 24間に 配設された圧力センサを用いて測定される。 また、 FC入口バルブ 25の下 流压は、例えば燃料電池 10内に設置された圧力センサを用いて測定される。 続くステップ S 55において、 下流圧が加圧完了圧力 （目德圧） 以下であ るかを判定し、 判定結果が 「NO」 の場合、 つまり.、 下流圧が既に加圧完了 圧力を超えている場合には、 以下の処理をスキップして本制御フローは終了 する。
一方、 ステップ S 55の判定結果が 「YE S」 の場合、 つまり、 下流圧が 未だ加圧完了圧力に達していない場合には、 ステップ S 53で取得した上流 圧と下流圧との差圧と、 FC入口バルブ 25の流量圧力損失特性との関係を 規定したマップを参照して、 FC入口バルブ 25を通過する単位時間当たり のガス供給量、 すなわち、 流速を推定する （ステップ S 57)。
この流速が所定の適合値と等しい場合 （ステップ S 59 ： YE S) は、 F C入口バルブ 25の弁開度をそのまま維持したうえで（ステップ S 6 1)、 こ れに対応する開度指令を FC入口バルブ 25に発して（ステップ S 63)、ス テツプ S 53に戻る。
ステップ S 59の判定結果が 「NO」 の場合には、 上記流速が上記所定の 適合値よりも大きいかを判定し（ステップ S 71)、 この判定結果が「YE S」 の場合は、 FC入口バルブ 25の弁開度を所定量減少させたうえで （ステツ プ S 73)、 これに対応する開度指令を FC入口バルブ 25に発して（ステツ プ S 63)、 ステップ S 53に戻る。
ステップ S 71の判定結果が 「NO」 の場合、 つまり、 上記流速が上記所 定の適合値よりも小さい場合は、 FC入口バルブ 25の弁開度を所定量増加 ' させたうえで（ステップ S 75)、 これに対応する開度指令を F C入口バルブ 2 5に発して （ステップ S 6 3 )、 ステップ S 5 3に戻る。
本実施形態では、 F C入口バルブ 2 5の下流圧が加圧完了圧力を超えるま での間は、 ステップ S 5 7以降の処理、 つまり、 F C入口バルブ 2 5の上下 流間の差圧と、 当該 F C入口バルブ 2 5の流量圧力損失特性とから求めた流 速に応じて弁開度を設定する処理が繰り返し行われるので、 F C入口バルブ 2 5の弁開度設定に該 F C入口バルブ 2 5の下流圧をフィ一 バックさせる ことが可能となる。
このよう.にして F C入口バルブ 2 5がバルブ駆動される結果、 本実施形態 においては、 F C入口バルブ 2 5の下流圧と加圧完了圧力との差圧が漸減す るように徐々に加圧される際に、 F C入口バルブ 2 5の下流圧と相関のある 流速が所定の適合値に一致する方向に弁開度が補正されるので、 加圧時にお ける共鳴の発生や機械部品のストレス発生をより効果的に抑制することがで さる。
<第 5実施形態〉
図 1 0は、 本発明に係る燃料電池システムの第 5実施形態を示す概略構成 図である。 以下、 図 1に示した上記第 1実施形態〜第 4実施形態と同一の構 成要素については同一の符号を付すと共にその説明を省略するものとし、 上 記第 1実施形態に対する構成および効果の相違点を中心に説明する。
本実施形態と上記各実施形態との主たる相違点は、 まず第 1に、 上記第 1 実施形態では、 水素タンク 2 0と燃料電池 1 0とを連通する配管 3 2に、 互 いに並列する通路は何ら存在しないのに対し、 本実施形態では、 配管 3 2の 一部が互いに並列な通路 3 2 a , 3 2 bとなっていることにある。 これら通 路 3 2 a , 3 2 bは同径とされている。
次に、 上記各実施形態では、 配管 3 2にシャツトバルブ 2 1， レギユレ一 タバルブ 2 3 , 開閉バルブ 2 4， 及び F C入口バルブ 2 5が上流側からこの '順に配設されているのに対し、 本実施形態では、'通路 3 2 a， 3 2 bを含む 配管 3 2に、 シャットバルブ 2 1 , 切替弁 6 1 , 通路 3 2 a上の絞り装置 6 2， レギユレータバルブ 2 3 , 及び F C入口バルブ 2 5が上流側からこの順 に配設されていることにある。
そして、 上記各実施形態では、 F C入口バルブ 2 5の下流圧が加圧完了圧 力以下であるときに、 燃料電池入口バルブ 2 5の弁開度を制御することによ り急加圧を抑制していたのに対し、 本実施形態では、 燃料電池入口バルブ 2 5の弁開度を制御する代わりに、 通路 3 2 a , 3 2 bのいずれか一方を選択 的に使用することによって、 急加圧を抑制することにある。 ·
本実施形態の切替弁 6 1は、 水素タンク 2 0からの水素ガスを絞り装置 6 2が配設された通路 3 2 a側を通して燃料電池 1 0に供給するか、 絞り装置 6 2をバイパスする通路 3 2 b側を通して燃料電池 1 0に供給するか、 のい ずれか一方を選択可能にする流路切替部であり、 制御装置 5 0によって切替 方向が制御される。
絞り装置 6 2は、 一方の通路 3 2 aにおける流体の圧力損失を他方の通路 3 2 bにおける圧力損失よりも相対的に大きくすることを可能にする圧損発 生部であり、 通路 3 2 aのガス流路断面を局部的に狭くするように構成され ている。 本実施形態の絞り装置 6 2は、 例えば上下流間の絞り量が所定の固 定値に設定される絞り装置である。
力かる構成によれば、 例えば燃料電池 1 0の起動時等のような初期加圧時 に、 F C入口バルブ 2 5の下流圧と加圧完了圧力 （目標圧） との差圧、 ある いは、 F C入口バルブ 2 5の上下流間の差圧が所定値以上の場合には、 水素 タンク 2 0からの水素ガスが圧力損失の大きな通路 3 2 a側を通って燃料電 池 1 0に供給されるように切替弁 6 1を切り替えることにより、 加圧速度を 抑制して上記差圧を漸減させることが可能となる。
—方、 通常運転時等のように、 上記差圧が所定値未満の場合には、 水素タ ' ンク 2 0からの水素ガスが圧力損失の小さな通 3 2 b側を通って燃料電池 1 0に供給されるように切替弁 6 1を切り替えることにより、 絞り装置 6 2 をバイパスさせて、 該絞り装置 6 2が存在することによる圧力損失を回避す ることが可能となる。
以上のとおり、 本実施形態の燃料電池システム 1 1によれば、 上記第 1実 施形態〜第.4実施形態のように、 F C入口バルブ 2 5の弁開度を連続的また は断続的に変化させる煩雑な制御を行わずに、 切替弁 6 1による単純な流路 切替のみによって、 急加圧時における共鳴の発生や機械部品のストレス発生 を抑制することができる。
なお、 互いに並列な一方の通路 3 2 aを他方の通路 3 2 bよりも圧力損失 の大きな通路とするには、 上記のように通路 3 2 aに絞り装置 6 2を配設す る他にも、 例えば、 通路 3 2 aを他方の通路 3 2 bよりも小径化する、 通路 3 2 aの途中に屈曲部や蛇行部を設ける、 あるいは通路 3 2 aの途中にフィ ルタ等のような流体抵抗を増加させる要素を設ける等によっても実現するこ とが可能である。
加えて、 切替弁 6 1は、 通路 3 2 a , 3 2 bの一方だけでなく両方を同時 に遮断あるいは連通させることのできるものでもよレ、。
ぐ第 6実施形態〉
また、 図 1 1に示すように、 図 1 0における切替弁 6 1、 通路 3 2 a , 3 2 b、 絞り装置 6 2に代えて、 配管 3 2のシャットバルブ 2 1—レギユレ一 タバルブ 2 3間に、 制御装置 5 0によって上下流間の絞りを可変制御するこ とが可能な可変絞り装置 7 1を配設してもよい。
かかる構成の燃料電池システム 1 2によっても、 例えば燃料電池 1 0の起 動時等のような初期加圧時に、 上記差圧が所定値以上の場合には、 可変絞り 装置 7 1を絞り側に制御することによって、 水素タンク 2 0からの水素ガス に圧力損失を生じさせて加圧速度を抑制することができるので、 上記差圧を '漸減させることが可能となる。 ' 一方、 通常運転時等のように、 上記差圧が所定値未満の場合には、 可変絞 り装置 7 1を開放側に制御することによって、 水素タンク 2 0からの水素ガ スに極力圧力損失を生じさせないようにすることができるので、 可変絞り装 置 7 1が存在することによる圧力損失を回避することが可能となる。
<第 7実施形態 >
本実施形態と上記第 1実施形態〜第 4実施形態との主たる相違点は、 これ ら各実施形態では、 F C入口バルブ 2 5の下流圧が加圧完了圧力以下である ときに、 燃料電池入口バルブ 2 5の開度を制御して急加圧を抑制していたの に対し、 本実施形態では、 燃料電池入口バルブ 2 5 開度を制御する代わり に、 水素タンク 2 0の元弁であるシャッ トバルブ 2 1の開度を制御すること によって、 急; ¾口圧を抑制することにある。
かかる構成によれば、 燃料電池 1 0への水素ガス供給を許可 ·禁止する弁 装置のうち、 シャツトバルブ 2 1を除く開閉バルブ 2 4及び F C入口バルブ 2 5や、 燃料電池 1 0への水素ガス供給圧を調圧 （減圧） するレギユレータ バルブ 2 3が燃料ガス供給通路である配管 3 2上に設置されてない燃料電池 システムにおいても、 シャッ トバルブ 2 1を制御することにより、 急加圧を 抑制することが可能となる。
ぐ第 8実施形態 >
上記第 1実施形態〜第 7実施形態に係る燃料電池システムにおいては、 配 管 3 2 , 3 6上に設置された各弁装置 （シャッ トバルブ 2 1 , 開閉バルブ 2 4 , F C入口バルブ 2 5， 調圧バルブ 4 4等） の開度や、 配管 3 6に設置さ れたコンプレッサ 4 1の作動量を協調制御してもよい。
力かる構成によれば、 高圧ガスが流れる配管 3 2上に設置されたシャツト バルブ 2 1， 開閉バルブ 2 4 , 及び F C入口バルブ 2 5の少なくとも 1つを 主として燃料電池 1 0への水素ガス供給圧 （ガス圧） を制御し、 それに対応 'して、 配管 3 6上に設置された調圧バルブ 4 4の弁開度と、 配管 3 5上に設 置されたコンプレッサ 4 1の作動量 （送気量） の少なくとも一方を制御する ことによる燃料電池 1 0へのエア供給圧 （ガス圧） の調圧が可能になる。 こ れにより、 配管 3 2から燃料電池 1 0への水素ガス供給圧と、 配管 3 5から 燃料電池 1 0へのエア供給圧との差圧を適正範囲内に制御することが可能と なる。
特に上記各実施形態のように、 燃料電池 1 0が電解質膜をその両側からァ ノード電極とカソード電極とで狭持してなる燃料電池システムにおいては、 極間差圧 （水素ガス供給圧とエア供給圧との差圧） の過剰な増大を抑制し得 て、 電解質膜を破損等から保護することが可能となる。
次に、 本実施形態に係る協調制御の具体的内容について説明する。
( 1 ) 例えば燃料電池 1 0内、 あるいは燃料電池 1 0—調圧バルブ 4 4間 に配設された圧力センサを用いてカソード圧力を観測し、 該カソ一ド圧力を 目標値としてアノード側の加圧を実施する。 より具体的には、 カソード側の 圧力上昇に伴ってアノード側の加圧を実施する。 これとは逆に、 該アノード 圧力を目標値としてカソード側の調圧を実施してもよい。
( 2 ) ァノード側および力ソード側の加圧時に、 極間差圧を燃料電池 1 0 内に配設された圧力センサで観測し、 該差圧が許容圧 （設計耐圧） 以下にな るように、 アノード及ぴカソ一ドのうち高圧側の加圧あるいは調圧を加圧あ るいは調圧が遅くなる方向に制御してもよい。 例えば、 コンプレッサ 4 1の 送気量を減量する、 調圧バルブ 4 4の閉じ速度を減速する、 又はアノード側 の弁装置 （例えば、 F C入口バルブ 2 5 ) の開き速度を減速する等により、 高圧側の加圧あるいは調圧を遅くすることが可能である。
( 3 ) 上記 （2 ) とは逆に、 アノード及び力ソードのうち低圧側の加圧あ るレ、は調圧を加圧あるいは調圧が速くなる方向に制御してもよレ、。 例えば、 コンプレッサ 4 1の送気量を増量する、 調圧バルブ 4 4の閉じ速度を増速す 'る、 又はアノード側の弁装置 （例えば、 F C入口バルブ 2 5 ) の開き速度を 増速する等により、低圧側の加圧あるいは調圧を速くすることが可能である。
(4) ァノード側および力ソード側の加圧時に、 極間差圧を燃料電池 10 内に配設された圧力センサで観測し、 該差圧が許容圧 （設計耐圧） 以下にな るように、 高圧側を減圧してもよい。 例えば、 調圧バルブ 44を開側に制御 する、 コンプレッサ 41の送気量を減量する、 排出バルブ 27を開放してァ ノード側の圧力を低下させる等により、高圧側を減圧するこど'が可能である。
(5) 上記 （4) とは逆に、 極間差圧が許容圧 （設計耐圧） 以下になるよ うに、低圧側を加圧してもよレ、。例えば、調圧バルブ 44を閉側に制御する、 コンプレッサ 4 1の送気量を増量する、 アノード側の弁装置 （例えば、 FC 入口バルブ 25) の開き速度を増速する等により、 低圧側を加圧することが 可能である。
なお、 上記 （1) 〜 （5) は、 弁装置が開度指令な可能な開度可変式の電 磁弁を想定した制御であるが、 弁装置が開閉式の電磁弁である場合には、 デ ユーティ制御を実施することによって、 上記 （1) 〜 （5) と略同様の制御 を実施することが可能である。
ぐ他の実施形態 >
以上、 本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、 具体的な構成は この実施の形態に限られるものでなく、 本発明の要旨を逸脱しない範囲の設 計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。
例えば、 上記各実施の形態では、 配管 32上にシャットバルブ 21， レギ ユレータバルブ 23， 開閉バルブ 24, F C入口バルブ 25等が設置されて いるが、配管 32のいずれかの箇所に開閉式の弁装置が設置されていれば (例 えば、 水素タンク 20のシャツトバルブ 2 1)、 他のバルブ （例えば、 レギュ レータバルブ 23, 開閉バルブ 24, FC入口バルブ 25) は設置されてい なくてもよレヽ。
また、 開度面積を制御される弁装置は、 水素供給系の通路 （配管 32) に 設置されたバルブ 2 1 , 2 3〜 2 5に限らず、 燃料電池 1 0から排出された アノードオフガスを水素供給系に戻す水素循環系の通路 （配管 3 3のうち配 管 3 2に接続された一方） に設置されたバルブ 2 6 , 2 8や、 アノードオフ ガスを外部に排出する水素排出系の通路 （配管 3 4 ) に設置された排出バル ブ 2 7の他、 燃料電池 1 0からの力ソードオフガスを排出する空気排出系の 通路 （配管 3 6 ) に設置された調圧バルブ 4 4であってもよレ'、。 - さらに、 レギユレータバルブ 2 3に代えて、 インジェクタを配管 3 2上に 設置した形態としてもよレ、。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 例えばシステム起動時や間欠運転からの再起動時等のよ うに、 ガス通路が高圧あるいは加圧された反応ガスや反応オフガスの供給を 受けて急激に加圧される虞のある場合であっても、 弁装置の上流と下流の差 圧の大きさに応じて該弁装置の開度を連続的または断続的に開度面積が増加 するように制御するので、 異音の発生や機械部品のストレス発生を抑制する ことができる。
よって、 本発明は、 そのような要求のある燃料電池システムに広く利用す ることができる。 、

Claims

請求の範囲
1 . 反応ガスの供給を受けて発電し反応オフガスを排出する燃料電池と、 前記反応ガスまたは前記反応オフガスが流通するガス通路と、 該ガス通路上 に設置された弁装置と、 該弁装置の開度を制御する制御装置と、 を備えた燃 料電池システムにおいて、
前記制御装置は、 前記ガス通路内のガス圧が増加する際は、 前記弁装置の 上流と下流の差圧の大きさに応じて該弁装置の開度を連続的または断続的に 開度面積が増加するように制御する。
2 . 反応ガスの供給を受けて発電し反応オフガスを排出する燃料電池と、 前記反応ガスまたは前記反応オフガスが流通するガス通路と、 該ガス通路上 に設置された弁装置と、 該弁装置の開度を制御する制御装置と、 を備えた燃 料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記弁装置の上下流間の差圧が所定値以上であるときは、 該差圧の大きさに応じて該弁装置の開度を連続的または断続的に開度面積が 増加するように制御する。
3 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、 前記弁装置の下流圧が目標圧以下であるときは、 これら 下流圧と目標圧との差圧の大きさに応じて該弁装置の開度を制御する。
4 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記差圧が大きいほど、 前記弁装置の時間当たりの開度面積変化量が小さ くなる。
5 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記弁装置よりも下流の閉空間体積が大きいほど、 当該弁装置の時間当た りの開度面積変化量が小さくなる。
'
6 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、 前記弁装置は、 開閉式電磁弁または開度可変式電磁弁の少なくとも一方で ある。
7 . 請求項 6に記載の燃料電池システムにおいて、
前記弁装置が開閉式電磁弁の場合に、 デューティ制御により当該弁装置の 開度面積が変化する。
8 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、 '·
前記弁装置は、 前記ガス通路上に設けられた調圧弁の下流に設けられた電 磁弁である。
9 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記弁装置の下流圧に基づいて、 当該弁装置の時間当たりの開度面積変化 量が設定される。
1 0 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記弁装置は、 前記ガス通路に接続された高圧ガスタンクの元弁である。
1 1 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス通路上に直列に複数の前記弁装置を備え、 上流側弁装置の開閉状 態に対応して、 下流側弁装置の開度面積が制御される。
1 2 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のアノード側に供給されるガス圧とカソード側に供給される ガス圧とが協調制御される。
1 3 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス通路の一部が互いに並列な通路であって、 その一方は他方の通路 に比べて圧力損失の大きな通路とされ、 前記差圧が所定値以上のときは、 前 記弁装置の開度面積を連続的または断続的に増加させることに代えて、 前記 圧力損失の大きな通路が使用される。
1 4 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
' 前記燃料電池が電解質膜をその両側からアノード電極とカソ一ド電極とで 狭持されてなる。
1 5 . 請求項 1又は 2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、 前記燃料電池の起動時に、 前記弁装置の開度を連続的ま たは断続的に開度面積が増加するように制御する。
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