JP5115685B2 - 燃料電池システムとその運転停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の燃料供給系にインジェクタが設けられた燃料電池システムとその運転停止方法に関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられている。

ところで、燃料供給源からの燃料ガスの供給圧力がきわめて高い場合には、この供給圧力を一定の値まで低減させる調圧弁（レギュレータ）が燃料供給流路に設けられるのが一般的である。近年においては、燃料ガスの供給圧力を例えば２段階に変化させる機械式の可変調圧弁（可変レギュレータ）を燃料供給流路に設けることにより、システムの運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４‐１３９９８４号公報

しかし、前記特許文献１に記載されているような従来の機械式の可変調圧弁は、その構造上、燃料ガスの供給圧力を迅速に変化させることが困難である（すなわち応答性が低い）上に、目標圧力を多段階、連続的、あるいはリニアに変化させるような高精度な調圧が不可能であった。

また、従来の機械式の可変調圧弁は、比較的複雑な構成を有しているため、大型で重量が大きく製作費用が嵩んでしまう。さらに、従来の機械式の可変調圧弁は、単に燃料ガスの供給圧力を変化させるものであるため、燃料ガスの供給を遮断する遮断弁を別途設ける必要がある。このため、システムの大型化（設置スペースの増大）や設備費用の増大を招来せしめるという問題がある。

そこで、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムが望まれているが、燃料電池システムの燃料供給系は高圧の燃料ガスを下流側の燃料電池に供給するものであり、仮に当該燃料供給系に異常等が発生した場合であっても、燃料電池に基準以上の高圧ガスが印加されることは回避しなければならない。

例えば、燃料供給系に配設された調圧弁が、内部流路と、該内部流路内に移動可能に配設された弁体と、該弁体と内部流路との間をシールするゴム製のシール部とを備えた構成である場合には、システム停止後に当該調圧弁が低温環境下（例えば、氷点下）に曝されると、シール材が硬化してつぶし代を確保できなくなる場合がある。かかる場合には、閉弁時における調圧弁内のシール性が低下し、調圧弁よりも下流側部分（例えば、燃料電池）に耐圧強度以上の圧力が作用する虞が生じるので、これを回避する必要がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、低温環境下でインジェクタの弁体閉弁時にシール性が低下した時でもインジェクタ下流側への悪影響を抑制することが可能であり、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることが可能な応答性が高い燃料電池システムとその運転停止方法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、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内に移動可能に配設されその移動位置に応じて前記内部流路の開口面積を変更可能な弁体と、閉弁時に前記内部流路と前記弁体との間をシールするシール部と、を備えてなり、システム停止時に前記燃料供給系の前記燃料電池より上流側の圧力を該燃料電池の最大使用圧力を超えない減圧目標値に低下させる減圧手段を備えるものである。

このような構成によれば、万が一、弁体閉弁時にインジェクタ内のシール性が低下した場合であっても、インジェクタよりも下流側に許容圧力以上の圧力が作用することを抑制できる。なお、「ガス状態」とは、ガスの状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を意味し、特にガス流量及びガス圧力の少なくとも一方を含む。

また、システム停止時とは、例えばユーザからイグニッションオフ等のシステム停止命令を受けた時、燃料電池の発電停止時、あるいは燃料電池への燃料ガス供給停止時等が該当する。また、燃料電池の最大使用圧力とは、作動圧力の限界、言い換えれば、燃料電池の構成部材（例えば、膜−電極接合体（ＭＥＡ）等）に劣化や性能低下を来たさない圧力をいう。

さらに上記構成によれば、燃料電池の運転状態（燃料電池の発電量（電力、電流、電圧）、燃料電池の温度、燃料電池システムの異常状態、燃料電池本体の異常状態等）に応じてインジェクタの作動状態（インジェクタの弁体の開度（ガスの通過面積）、インジェクタの弁体の開放時間（ガスの噴射時間）等）を設定することができるので、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいては、前記インジェクタの上流側に燃料供給源からの燃料ガス供給を遮断する遮断弁を備え、前記減圧手段は、前記遮断弁から前記インジェクタまでの間の圧力を低下させるものでもよい。

このような構成によれば、作動圧力の上限がインジェクタの下流側よりも高圧である遮断弁とインジェクタとの間の圧力を所定圧力以下に低下させることで、弁体閉弁時にインジェクタ内のシール性が低下した場合であっても、インジェクタ下流側に許容圧力以上の圧力が作用することを抑制できる。

前記減圧手段は、前記インジェクタから前記燃料電池までの間の圧力を低下させるものでもよい。

このような構成によれば、弁体閉弁時にインジェクタ内のシール性が低下した場合であっても、所定圧力以下に低下させたインジェクタから燃料電池までの区間で圧力を降下させることが可能になり、インジェクタ下流側に許容圧力以上の圧力が作用することを抑制できる。

前記減圧手段は、減圧対象区間におけるガス物理量（例えば、ガス温度、ガス圧力、ガス量等）の変化に基づいて前記目標減圧値を設定するものでもよい。

このような構成によれば、減圧目標値をより高精度に設定し得て、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間を短縮することが可能となる。

例えば、前記減圧手段は、温度低下による減圧分に基づいて前記目標減圧値を設定するものでもよい。

システム停止後には、燃料電池を含む燃料供給系の温度が低下する。温度が低下すれば減圧が生ずるため、その分を見越して減圧処理に必要な減圧幅を抑えることができる。これにより、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間を短縮することが可能となる。

前記減圧手段は、水蒸気凝縮による減圧分に基づいて前記目標減圧値を設定するものでもよい。

燃料電池を含む燃料供給系内の水蒸気が凝縮すれば減圧が生ずるため、その分を見越して、減圧処理に必要な減圧幅を抑えることができる。これにより、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間を短縮することが可能となる。

前記減圧手段は、前記燃料電池内における燃料極側から酸化極側への燃料ガス透過による減圧分に基づいて前記目標減圧値を設定するものでもよい。

システム停止中は、燃料電池内で燃料極側から酸化極側へ水素ガスが透過し（いわゆる、クロスリーク）、燃料供給系に減圧が生ずるため、その分を見越して、減圧処理に必要な減圧幅を抑えることができる。これにより、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間を短縮することが可能となる。

前記減圧手段は、減圧処理中に前記減圧目標値を更新するものでもよい。

このような構成によれば、減圧処理中の温度低下、水蒸気凝縮、クロスリークなどを減圧目標値の設定にフィードバックさせることができるので、減圧目標値の設定をより高精度に行うことが可能となる。

前記燃料電池に熱交換媒体を循環させて当該燃料電池の温度を制御する熱交換系を備え、前記減圧手段は、前記熱交換媒体の燃料電池入口側温度を代表値として用いるものでもよい。

熱交換媒体（冷却液）の燃料電池入口側温度は、システム停止時における燃料電池の温度よりも低い。したがって、システム停止中の温度低下を見込んで減圧目標値を設定する際に、この燃料電池入口側温度を代表値として用いれば、システム停止中の温度低下幅を過小評価することになる結果、減圧目標値も低め（安全側）に設定されることになるので、減圧処理の信頼性を高めることができる。

前記減圧手段は、次回起動時にシステム外に排出される燃料ガス濃度が所定の上限値を超えない減圧目標値と、前記燃料電池の最大使用圧力を超えない減圧目標値とのうち、いずれか低い方の減圧目標値を採用するものでもよい。

システム停止中は、上記の通りクロスリークにより酸化極側の燃料ガス濃度が増大するため、何らかの対策を施さなければ、次回システム起動時に酸化ガス供給系から高濃度の燃料ガスがシステム外に放出されてしまうところ、このような構成によれば、次回システム起動時に必要となる高濃度燃料ガスの放出を抑制するための特別な制御が不要になり、起動時間を短縮することが可能となる。

前記減圧手段は、前記燃料電池が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行うものでもよい。

燃料電池が所定の温度（例えば、シール部のシール性に対応した温度）以上の場合は、インジェクタへの通電による発熱もあり、シール部は所定温度以上となる。そして、一度でもインジェクタがその温度以上となれば、弁体閉弁時におけるインジェクタ内でのシール性の低下は生じにくくなる。よって、このような構成によれば、弁体閉弁時にシール性が低下する可能性の高い低温時にのみ、選択的に減圧処理を行えるようになる。

前記減圧手段は、前記燃料供給源の圧力と、前記燃料電池の運転履歴とに基づき、前記インジェクタ内のシール部の温度を推定し、該温度が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行うものでもよい。

燃料供給源の圧力が高いほど、燃料ガスの断熱膨張による温度低下は顕著となるため、インジェクタ内のシール部は冷やされる。さらに、燃料電池の出力が大きいほど、つまり、燃料ガス供給量が多いほど、あるいは、燃料電池の運転時間が長いほど、インジェクタ内のシール部は冷やされる。よって、このような構成によれば、弁体閉弁時にインジェクタ内のシール性が低下する可能性の高い時にのみ、選択的に減圧処理を行えるようになる。

前記減圧手段は、システム停止後の外気温の変化を推定し、該外気温が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行うものでもよい。

このような構成によれば、システム停止後に低温環境下に曝される可能性がある場合にのみ、選択的に減圧処理を行えるようになる。外気温は、例えば、ＧＰＳによる位置情報、日付情報等を用いて推定することが可能である。また、ユーザによる低温起動ボタンの操作有無等により、減圧処理の要否を判定することも可能である。

本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムの運転停止方法において、システム停止時に、前記燃料供給系の前記燃料電池より上流側の圧力を該燃料電池の最大使用圧力を超えない減圧目標値に低下させる工程を備えるものである。

このような構成によれば、弁体閉弁時にインジェクタ内のシール性が低下した場合であっても、インジェクタよりも下流側に許容圧力以上の圧力が作用することを抑制できる。

本発明によれば、弁体閉弁時にインジェクタ内のシール性が低下した場合であっても、インジェクタよりも下流側のシステム構成要素（例えば、燃料電池本体）に悪影響を及ぼすことなく、次回のシステム起動を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。単電池は、膜−電極接合体（Membrane Electrode Assembly）と、この膜−電極接合体を挟む酸化ガス流路および燃料ガス流路がそれぞれ形成された一対のセパレータとを備えてなる。膜（電解質膜）は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、水素ガスから供給された水素イオンを燃料極から酸化極に移動させる機能を有する。

燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。水素ガス配管系３は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。

なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。

また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。

燃料電池１０の冷却水出入口には、冷却水（熱交換媒体）を循環させる冷却路（熱交換系）７１が設けられている。冷却路７１には、燃料電池１０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ７２，燃料電池１０から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ７３、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）７４、及び冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ７５が設けられている。ラジエータ７４には、モータによって回転駆動される冷却ファン７６が設けられている。

インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧等のガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。つまり、インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

図３は、インジェクタ３５の一実施例を示す断面図である。このインジェクタ３５は、水素供給流路（燃料供給系）３１の一部を構成するとともに、一方の口部５１において水素供給流路３１の水素タンク３０側に配置され他方の口部５２において水素供給流路３１の燃料電池１０側に配置される内部流路５３が形成された金属製のシリンダ５４を有しており、このシリンダ５４には、口部５１に繋がる第１通路部５６と、この第１通路部５６の口部５１とは反対側に繋がる、第１通路部５６よりも大径の第２通路部５７と、この第２通路部５７の第１通路部５６とは反対側に繋がる、第２通路部５７よりも大径の第３通路部５８と、この第３通路部５８の第２通路部５７とは反対側に繋がる、第２通路部５７および第３通路部５８よりも小径の第４通路部５９とが形成されており、これらで内部流路５３が構成されている。

また、インジェクタ３５は、第４通路部５９の第３通路部５８側の開口部を囲むように設けられた例えばゴム等のシール性部材からなる弁座（シール部）６１と、第２通路部５７に移動可能に挿入される円筒部６２および第３通路部５８内に配置される第２通路部５７よりも大径の傘部６３を有し傘部６３に斜めに連通穴６４が形成された金属製の弁体６５と、弁体６５の円筒部６２に一端側が挿入されると共に他端側が第１通路部５６内に形成されたストッパ６６に係止されることで弁体６５を弁座６１へ当接させて内部流路５３を遮断するスプリング６７と、弁体６５を電磁駆動力によりスプリング６７の付勢力に抗して第３通路部５８の第２通路部５７側の段部６８に当接するまで移動させることで弁体６５を弁座６１から離間させて連通穴６４で内部流路５３を連通させるソレノイド（弁体駆動部）６９と、を有している。

インジェクタ３５の弁体６５は、電磁駆動装置であるソレノイド６９への通電制御により駆動され、このソレノイド６９に給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、内部流路５３の開口面積を変更（本実施形態では、２段階）することができるようになっている。そして、制御装置４から出力される制御信号によって、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５の内部流路５３に設けられた弁体６５による開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
なお、インジェクタ３５の弁体６５の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排出流路３８内のガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内のガスと合流するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時において燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。

ところで、インジェクタ３５内の弁座６１のつぶし代は、耐久性向上の観点から、非常に小さく設計されている。そのため、低温環境下で弁座６１が硬くなると、弁体閉弁時におけるシール性の低下が懸念される。燃料電池１０の運転中は、ソレノイド５３への通電による発熱等により、弁座６１は所定温度に暖められているが、運転を停止して次回始動までの間には冷却されてしまう。

この間に、弁座６１が硬化して弁体閉弁時におけるインジェクタ３５内のシール性が低下すると、インジェクタ３５よりも下流側のシステム構成要素、例えば、燃料電池１０に許容圧力（最大使用圧力）以上の圧力が作用し、寿命低下や破損等を招く場合がある。この許容圧力は、燃料電池１０の仕様によって設計的に決まる圧力であり、例えば燃料電池１０内の膜−電極接合体（ＭＥＡ）に劣化や性能低下を来たさない圧力である。

そこで、本実施形態の制御装置４は、燃料電池システム１の停止中にインジェクタ３５内のシール性が低下した場合でも、インジェクタ３５よりも下流側に位置する燃料電池１０に許容圧力以上の圧力が作用しないよう、例えばユーザ（運転者）からイグニッションオフ等のシステム停止命令を受けた時、すなわち、システム停止時にインジェクタ３５の一次圧を減圧する減圧処理を行い、その後にシステムを停止させる。

つまり、本実施形態の制御装置４は、システム停止時に水素ガス配管系３の燃料電池１０よりも上流側の圧力を該燃料電池１０の最大使用圧力を超えない減圧目標値に低下させる減圧手段の一実施形態である。以下、この制御装置４による圧力低減処理の内容について詳細に説明する。

減圧目標値は、例えば以下のようにして設定される。制御装置４は、イグニッションＯＦＦ等のシステム停止命令を受けると、遮断弁３３を閉じる。遮断弁３３を閉じた直後の遮断弁３３からインジェクタ３５までの第１区間（減圧対象区間）における容積Ｖ₀，圧力Ｐ₀，温度Ｔ₀と、この第１区間内の水素保有量ｎ₀との間には、ｎ₀＝Ｐ₀Ｖ₀／Ｒ₀Ｔ₀の関係が成立する。

また、インジェクタ３５から燃料電池１０までの第２区間（燃料電池１０内のガス流路を含む）における容積Ｖ₁，圧力Ｐ₁，温度Ｔ₁と、この第２区間（減圧対象区間）内の水素保有量ｎ₁との間には、ｎ₁＝Ｐ₁Ｖ₁／Ｒ₁Ｔ₁の関係が成立する。なお、温度Ｔ₁と温度Ｔ₂との間には、燃料電池１０の発電に伴う発熱の影響により、通常はＴ₁＞Ｔ₀の関係が成立する。

よって、圧力Ｐ₁の許容最大値（設計的に決定されている値）をＰ_1maxとすると、Ｐ_1max（Ｖ₀＋Ｖ₁）＝（ｎ０＋ｎ₁）Ｒ₂Ｔが成立するように、水素保有量ｎ₀の最大値、すなわち、圧力Ｐ₀の最大値を求めればよい。

より詳細には、水素保有量ｎ₁を一定（ただし、実際には後述の実施形態のように膜の透過、水蒸気の凝縮等によって変化する。）とし、温度ＴをＴ₁（実際には放熱によりＴ₁より小さい）とし、Ｒ₀，Ｒ₁，Ｒ₂を一定値（実際には成分比率が変わるので一定ではないが、ここでは一番大きい値とする。）とすると、

を目標に減圧すれば、燃料電池１０に対して許容圧力以上の圧力が作用することを抑制することができる。

次に、制御装置４による減圧処理の制御フローについて、図４のフローチャートを参照しながら説明する。

制御装置４は、イグニッションＯＦＦ等のシステム停止命令を受信すると、まず、遮断弁３３を閉じ（ステップＳ１）、次いで、減圧発電を開始する（ステップＳ２）。減圧発電では、水素タンク３０から燃料電池１０への水素ガス供給を遮断した状態で、水素ガス配管系３に残っている水素ガスを用いて発電する。次に、遮断弁３３からインジェクタ３５までの第１区間における第１減圧目標値（減圧目標値）を算出し（ステップＳ３）、一次側圧力センサ４１で検出される第１区間の圧力が第１減圧目標値に達しているか否かを判定する（ステップＳ４）。

第１区間の圧力が第１減圧目標値に達するまで発電を継続し（ステップＳ４：ＮＯ）、第１減圧目標値に達したら（ステップＳ４：ＹＥＳ）、インジェクタ３５を閉じる（ステップＳ５）。引き続き減圧発電を継続し、インジェクタ３５から燃料電池１０までの第２区間の圧力を二次側圧力センサ４３で検出すると共に、この第２区間の圧力がシステム毎に設計的に設定される所定の第２減圧目標値に達しているか否かを判定する（ステップＳ６）。

そして、第２区間の圧力が第２減圧目標値に達するまで発電を継続し（ステップＳ６：ＮＯ）、第２減圧目標値に達したら（ステップＳ６：ＹＥＳ）、減圧発電を停止する（ステップＳ７）。以上をもって、本実施形態の制御装置４による減圧処理は終了し、燃料電池システム１は停止する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５よりも下流側の燃料電池１０に許容圧力以上の圧力が作用しないよう、遮断弁３３からインジェクタ３５までの第１区間、及び、インジェクタ３５から燃料電池１０までの第２区間を減圧してからシステムを停止させているので、仮に低温環境下で閉弁時にインジェクタ３５内のシール性が低下することがあっても、その下流側の燃料電池１０に寿命低下や破損等の悪影響を及ぼすことなく、次回のシステム起動を行えるようになる。

また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。

すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

なお、上記した実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り、各種構成部品を適宜設計することができる。また、後述する他の実施形態を適宜組み合わせて適用してもよい。

例えば、制御装置４は、減圧処理を実施する際に、減圧対象区間で生じる温度低下による減圧分に基づいて減圧目標値を設定（補正）してもよい。システム停止後は燃料電池１０の温度が低下し、この温度低下に伴い減圧対象区間に減圧が生ずるため、その分を見越して減圧処理に必要な減圧幅を抑える。すなわち、システム停止後の自然な温度低下により生ずる第１区間及び第２区間の減圧分を制御装置４が推定し、その分だけ減圧目標値を上昇させる。

これにより、過度に減圧処理が行われなくなるので、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間を短縮することが可能となる。

また、制御装置４は、減圧処理を実施する際に、減圧対象区間で生じる水蒸気凝縮による減圧分に基づいて減圧目標値を設定（補正）してもよい。さらにまた、制御装置４は、燃料電池１０内の膜を燃料極側から酸化極側に水素ガスが透過（クロスリーク）することによる減圧分に基づいて減圧目標値を設定（補正）してもよい。

すなわち、水蒸気が凝縮すれば減圧対象区間に減圧が生ずるため、この減圧分を制御装置４が推定し、減圧目標値を上昇させる。同様に、燃料電池１０内の膜を水素ガスが透過することによっても減圧対象区間に減圧が生ずるため、この減圧分を制御装置４が推定し、同様に減圧目標値を上昇させる。これらによっても、過度に減圧処理が行われなくなるので、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間を短縮することが可能となる。

さらに、制御装置４は、減圧処理中に減圧目標値を再計算して更新するようにしてもよい。すなわち、図５のフローチャートに示すように、ステップＳ４において第１区間の圧力が第１減圧目標値に達していないと判定された場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、処理をステップＳ３に戻し、再度、第１減圧目標値を算出する。これにより、減圧処理中の温度低下、水蒸気凝縮、クロスリークなどによる減圧分を減圧処理にフィードバックさせることが可能となる。

このような構成によれば、減圧目標値の設定をより正確に行えるようになるので、システム停止時の減圧処理に必要な時間及び次回システム起動時の加圧処理に必要な時間をより一層短縮することが可能となる。

また、制御装置４は、減圧目標値を算出する際に、冷却路７１を循環する冷却水の燃料電池入口側温度を代表値として用いてもよい。温度センサ７２で計測される冷却水の燃料電池入口側温度は、システム停止時における燃料電池１０の温度よりも低いため、システム停止中の温度低下を見込んで減圧目標値を設定する際に、この燃料電池入口側温度を代表値として用いれば、減圧目標値が低め（安全側）に設定されることになるので、燃料電池１０に対する悪影響をより確実に抑制することができる。

また、制御装置４は、次回システム起動時にシステム外に排出される水素ガス濃度が所定の上限値を超えないような減圧目標値と、燃料電池１０の最大使用圧力を超えないような減圧目標値とのうち、いずれか低い方の減圧目標値を採用して減圧処理を行うようにしてもよい。

システム停止中は、上記したクロスリークにより酸化極側の水素ガス濃度が増大するため、何らかの対策を施さなければ、次回システム起動時に酸化ガス配管系２から高濃度の水素ガスがシステム外に放出されてしまうところ、このような構成によれば、次回システム起動時に必要となる高濃度水素ガスの放出を抑制するための特別な制御が不要になり、システム起動時間を短縮することが可能となる。

また、制御装置４は、燃料電池１０が所定の温度（例えば、弁座６１のシール性低下に対応した温度）以下の場合にのみ、減圧処理を行うようにしてもよい。燃料電池１０が所定温度以上の場合は、インジェクタ３５への通電により弁座６１は加熱されている。そして、一度でもインジェクタ３５が所定温度以上になれば、弁体閉弁時におけるインジェクタ３５内のシール性低下は生じにくくなる。

よって、このような構成によれば、インジェクタ３５の弁体閉弁時におけるシール性が低下する可能性の高い低温時にのみ、選択的に減圧処理を行えるようになり、システム停止時間を短縮することが可能となる。

また、制御装置４は、水素タンク３０の圧力と、燃料電池１０の運転履歴とに基づき、インジェクタ弁座６１の温度を推定し、該温度が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行うようにしてもよい。

水素タンク３０の圧力が高いほど、水素ガスの断熱膨張による温度低下は顕著となるため、インジェクタ３５内の弁座６１は冷やされる。さらに、燃料電池１０の出力が大きいほど、つまり、水素ガス供給量が多いほど、あるいは、燃料電池１０の運転時間が長いほど、インジェクタ３５内のシール部は冷やされる。

よって、このような構成によれば、弁体閉弁時にインジェクタ３５内でシール性が低下する可能性の高い時にのみ、選択的に減圧処理を行えるようになり、システム停止時間を短縮することが可能となる。

また、制御装置４は、システム停止後の外気温の変化を推定し、該外気温が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行うようにしてもよい。すなわち、弁体閉弁時にインジェクタ３５内でシール性が低下しやすい外気温低下時にのみ、選択的に減圧処理を行うようにしてもよい。外気温は、例えば、ＧＰＳによる位置情報や日付情報等を用いて推定することが可能である。また、制御装置４は、ユーザによる低温起動ボタンの操作有無等により、減圧処理の要否を判定してもよい。

なお、上記実施形態においては、遮断弁３３からインジェクタ３５までの第１区間と、インジェクタ３５から燃料電池１０までの第２区間の両方について、減圧処理を行ったが、外部環境に応じて、いずれか一方のみに対して減圧処理を行ってもよい。

さらにまた、上記実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示す燃料電池システムに用いられるインジェクタの縦断面図である。 図１に示す燃料電池システムが備える制御装置の制御フローである。 図１に示す燃料電池システムの他の実施形態において、制御装置の制御フローを示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置（減圧手段）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（燃料供給源）、３１…水素供給流路、３３…遮断弁、３５…インジェクタ、５３…内部流路、６１…弁座（シール部）、６５…弁体、７１…冷却路（熱交換系）

Claims (10)

1. 燃料電池と、この燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、この燃料供給系の上流側のガス状態を調整して下流側に供給するインジェクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタは、その上流側と下流側とを連通する内部流路と、該内部流路内に移動可能に配設されその移動位置に応じて前記内部流路の開口面積を変更可能な弁体と、閉弁時に前記内部流路と前記弁体との間をシールするシール部と、を備えてなり、
   システム停止時に前記燃料供給系の前記燃料電池より上流側の圧力を該燃料電池の最大使用圧力を超えない減圧目標値に低下させる減圧手段を備え、
   前記減圧手段は、減圧対象区間においてシステム停止後又はシステム停止中に発生すると推定されるガス物理量の変化による減圧分に基づいて、前記目標減圧値を上昇させて設定する燃料電池システム。
2. 前記減圧手段は、温度低下による減圧分に基づいて前記目標減圧値を上昇させて設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記減圧手段は、水蒸気凝縮による減圧分に基づいて前記目標減圧値を上昇させて設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記減圧手段は、前記燃料電池内における燃料極側から酸化極側への燃料ガス透過による減圧分に基づいて前記目標減圧値を上昇させて設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記減圧手段は、減圧処理中に前記減圧目標値を更新する請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に熱交換媒体を循環させて当該燃料電池の温度を制御する熱交換系を備え、
   前記減圧手段は、前記熱交換媒体の燃料電池入口側温度を代表値として用いる請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記減圧手段は、次回起動時にシステム外に排出される燃料ガス濃度が所定の上限値を超えない減圧目標値と、前記燃料電池の最大使用圧力を超えない減圧目標値とのうち、いずれか低い方の減圧目標値を採用する請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記減圧手段は、前記燃料電池が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行う請求項１乃至7のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記減圧手段は、前記燃料供給源の圧力と、前記燃料電池の運転履歴とに基づき、前記インジェクタ内のシール部の温度を推定し、該温度が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行う請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記減圧手段は、システム停止後の外気温の変化を推定し、該外気温が所定の温度以下の場合にのみ、減圧処理を行う請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池システム。

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