JP5077636B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、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の燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路には、発電に伴って生成された窒素や一酸化炭素等の不純物ガスや水分が経時的に蓄積する。このため、現在においては、蓄積したガスや水分を外部に排出する目的で、循環流路（又は循環流路に接続した排出流路）に排気弁や排水弁を設け、これら排気弁や排水弁の開閉制御を行うことにより、ガスや水分を排出する技術（パージ技術）が提案されている。

近年においては、排気と排水とを兼ねる排出弁の上流側に圧力センサを配置し、この圧力センサを用いて排出弁の上流側におけるガスの圧力値を検出し、この検出した圧力値に基づいて排出弁の開閉動作を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３０２７０８号公報

しかし、前記特許文献１に記載されたような技術を採用しても、排出弁の上流側に配置した圧力センサが故障した場合には、排出弁を正常に制御することが困難となり、排出弁の開放状態が長期間持続して、燃料電池へと循環させるべき燃料が無駄に排出される、という事態が起こり得る。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、発電に伴って生成された不純物を排出するための排出弁と、この排出弁を制御するためのガス圧力を検出する圧力センサと、を有する燃料電池システムにおいて、圧力センサの異常時においても排出弁を正常に制御することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出される不純物を流すための排出流路と、この排出流路内の不純物を外部に排出するための排出弁と、この排出弁の上流側におけるガスの圧力値を検出する圧力センサと、この圧力センサで検出した圧力値に基づいて排出弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、圧力センサが異常である場合に、この圧力センサで検出する圧力値とは異なる情報に基づいて排出弁を制御するものである。

かかる構成を採用すると、圧力センサが異常であっても、この異常な圧力センサで検出する圧力値とは異なる情報に基づいて排出弁を正常に制御することができる。従って、圧力センサの異常に起因して排出弁の開放状態が長期間持続するというような事態が発生することを抑制することができるので、燃料の浪費を抑制することが可能となる。

前記燃料電池システムにおいて、圧力センサが異常である場合に、所定の制限時間に係る情報に基づいて排出弁の開弁時間を制限する（例えば、所定の制限時間だけ排出弁を開放するように排出弁を制御する）制御手段を採用することができる。かかる場合において、制御手段は、燃料電池の発電量に応じて前記制限時間を設定することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、排気と排水との双方を兼ねる排気排水弁を排出弁として採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、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と、この燃料供給流路の上流側における燃料ガスの圧力を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、を採用するとともに、可変ガス供給装置の下流側に圧力センサを配置することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、インジェクタを可変ガス供給装置として採用することができる。

インジェクタとは、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状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を制御することが可能となる。

本発明によれば、発電に伴って生成された不純物を排出するための排出弁と、この排出弁を制御するためのガス圧力を検出する圧力センサと、を有する燃料電池システムにおいて、圧力センサの異常時においても排出弁を正常に制御することが可能となる。

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〜図３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２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。電流センサ２ａで検出された電流に係る情報は、インジェクタ２８の制御や排気排水弁３１の制御に用いられる。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

水素供給源２１は、本発明における燃料供給源の一実施形態に相当するものであり、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、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、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。

水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。

レギュレータ２７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２７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２８の上流側にレギュレータ２７を２個配置することにより、インジェクタ２８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２８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２８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２８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２８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２８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２８の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部７から出力される制御信号によってインジェクタ２８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２８は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

インジェクタ２８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２８のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池２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２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８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２８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。インジェクタ２８は、水素供給流路２２の上流側のガス状態（ガス流量、水素モル濃度、ガス圧力）を調整して下流側に供給するものであり、本発明における可変ガス供給装置の一実施形態に相当する。

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２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８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供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１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２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０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３１は、制御部７からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。循環流路２３は、本発明における排出流路に相当するものであり、排気排水弁３１は、本発明における排出弁の一実施形態に相当するものである。

排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給するものである。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、を有している。冷却ポンプ４２は、図示されていないモータの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４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６４のほかに、燃料電池２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１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、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。

制御部７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が読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。

具体的には、制御部７は、図２に示すように、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２で消費される水素ガスの流量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、発電電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御部７の演算周期毎に水素消費量を算出し更新することとしている。

また、制御部７は、燃料電池２の発電電流値に基づいて、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）とともに、目標パージ量（排気排水弁３１からの水素オフガスの目標排出量）を算出する（目標パージ量算出機能：Ｂ３）。本実施形態においては、発電電流値と目標圧力値及び目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出している。

また、制御部７は、算出した目標圧力値と、圧力センサ２９で検出したインジェクタ２８の下流位置の圧力値（検出圧力値）と、の偏差を算出する（圧力差算出機能：Ｂ４）。そして、制御部７は、算出した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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出機能：Ｂ５）。また、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ６）。そして、制御部７は、算出した噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出し、この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２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

また、制御部７は、前記したインジェクタ２８のフィードバック制御（インジェクタ２８の下流位置の検出圧力値を所定の目標圧力値に追従させるようなインジェクタ２８のガス噴射時間及びガス噴射時期の制御）を行うと同時に、排気排水弁３１の開閉制御を行うことにより、燃料電池２内や循環流路２３内に蓄積した生成水及び水素オフガス（窒素等の発電に寄与しない不純物を含むガス）を外部へと排出する。

この際、制御部７は、図示されていない液量センサを用いて、気液分離器３０の液溜部に溜まった水分量を検出し、この検出した水分量が所定の閾値を超えてパージ開始要求信号が出力された場合に、排気排水弁３１を開放する。そして、制御部７は、インジェクタ２８下流側における水素ガスの圧力値（圧力センサ２９による検出圧力値）等に基づいて排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量）を算出し（パージ量算出機能：Ｂ７）、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する（パージ量偏差判定機能：Ｂ８）。その後、制御部７は、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀以上である場合には排気排水弁３１を閉鎖する（パージ制御機能：Ｂ９）。制御部７は、本発明における制御手段の一実施形態として機能するものである。

ここで、制御部７のパージ量算出機能Ｂ７の詳細について説明する。インジェクタ２８のフィードバック制御により、インジェクタ２８の下流位置における圧力センサ２９の検出圧力値が目標圧力値に追従している状態において、排気排水弁３１の開放により循環流路２３から水素オフガスが排出されると、検出圧力値が一時的に低下する。制御部７は、このような水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を算出し、この算出した圧力低下分に基づいて、圧力低下分に対応する水素オフガスの排出量（圧力変化対応流量）を算出する（圧力変化対応流量算出機能：Ｂ７ａ）。本実施形態においては、パージに起因する圧力低下分と、この圧力低下分に対応する水素ガスの排出量と、の関係を表す特定の演算式を用いて、圧力変化対応流量Ｑ₁を算出している。また、制御部７は、水素オフガスの排出（パージ）に起因する圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量（ガス補正供給流量）を算出し（補正流量算出機能：Ｂ５）、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ₂を算出する（補正流量積算機能：Ｂ７ｂ）。そして、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ₁と、フィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ₂と、を加算することにより、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出機能：Ｂ７）。

また、制御部７は、パージ制御中に、圧力センサ２９の異常判定を行う。本実施形態において、制御部７は、圧力センサ２９に接続された各種配線の接続状態をモニタリングすることにより異常判定を行うこととし、配線の接続状態の遮断（断線）が検出された場合に、圧力センサ２９が異常であると判定する。また、制御部７は、燃料電池２の出力（発電量）をモニタリングし、燃料電池２に供給される水素ガスが不足して燃料電池２の出力が大幅に低下した場合（出力が所定の閾値を下回った場合）にも、圧力センサ２９が異常であると判定する。なお、制御部７は、燃料消費率（走行距離を燃料消費量で除した値）を算出し、燃料電池２に水素ガスが過剰供給されて燃料消費率が大幅に低下した場合（燃料消費率が所定の閾値を下回った場合）に、圧力センサ２９が異常であると判定することもできる。

パージ制御中に圧力センサ２９が異常な状態に陥ると、インジェクタ２８下流側における水素ガスの圧力値が正確に検出されなくなり、パージ量Ｑ（圧力変化対応流量Ｑ₁及びフィードバック補正流量の時間積算値Ｑ₂）を正確に算出することができなくなるため、排気排水弁３１の制御がままならなくなる。このため、制御部７は、パージ制御中に圧力センサ２９が異常な状態となった場合に、圧力センサ２９で検出する圧力値とは異なる情報に基づいて排気排水弁３１を制御する。具体的には、制御部７は、図３に示すようなマップと、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の発電電流値と、に基づいて、排気排水弁３１の開弁制限時間を設定する。そして、制御部７は、パージ制御中に圧力センサ２９が異常な状態となった場合に、設定した開弁制限時間だけ排気排水弁３１を開放し、異常判定時から開弁制限時間が経過した時点で排気排水弁３１を閉鎖する。制御部７は、圧力センサ２９が正常な状態に回復するまで、このような定時間パージを所定時間毎に繰り返し実施する。

続いて、図４及び図５のフローチャートと、図６のタイムチャートと、を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１のパージ方法について説明する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素供給源２１から水素ガスが水素供給流路２２を介して燃料電池２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１１を介して燃料電池２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２から引き出すべき電力（要求電力）が制御部７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２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、インジェクタ２８のフィードバック制御を実施するとともに、排気排水弁３１のパージ制御（燃料電池２内や循環流路２３内に蓄積した生成水や不純物ガスを排出するための排気排水弁３１の開閉制御）を実施する。また、本実施形態においては、パージ制御中に圧力センサ２９が異常な状態に陥った場合に、圧力センサ２９で検出する圧力値とは異なる情報に基づいて排気排水弁３１を制御する。

まず、図４のフローチャートに示すように、燃料電池システム１の制御部７は、電流センサ２ａを用いて、燃料電池２の発電時における電流値を検出する（電流検出工程：Ｓ１）。次いで、制御部７は、検出した電流値に基づいて、燃料電池２における水素消費量を算出する（水素消費量算出工程：Ｓ２）とともに、燃料電池２に供給される水素ガスのインジェクタ２８の下流位置における目標圧力値及び目標パージ量を算出する（目標値算出工程：Ｓ３）。次いで、制御部７は、圧力センサ２９を用いて、インジェクタ２８の下流側の圧力値を検出する（圧力値検出工程：Ｓ４）。

次いで、制御部７は、目標値算出工程Ｓ３で算出した目標圧力値と、圧力値検出工程Ｓ４で検出した検出値（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（フィードバック補正流量）を算出する（補正流量算出工程：Ｓ５）。次いで、制御部７は、水素消費量とフィードバック補正流量とを加算してインジェクタ２８の噴射流量を算出し、この噴射流量や駆動周期に基づいてインジェクタ２８の噴射時間を算出する。そして、制御部７は、この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２８のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池２に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する（フィードバック制御工程：Ｓ６）。

制御部７は、前記したフィードバック制御工程Ｓ６を実現させながら、パージ開始要求の有無を判定する（パージ判定工程：Ｓ７）。本実施形態においては、気液分離器３０の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超える場合に、液量センサが制御部７に対してパージ開始要求信号を出力するようになっている。制御部７は、パージ判定工程Ｓ７でパージ開始要求信号を受けない（パージ開始要求無と判定する）場合には、排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１４）。一方、制御部７は、パージ判定工程Ｓ７でパージ開始要求信号を受け（パージ開始要求有と判定し）、かつ、インジェクタ２８からのガス噴射が既に開始されている場合には、排気排水弁３１を開放する（パージ弁開放工程：Ｓ８）。図６（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、パージ弁開放工程Ｓ８において排気排水弁３１が開放されることにより、気液分離器３０に溜まった水分が排気排水流路２５へと排出され、水分の排出が終了するとほぼ同時に循環流路２３内の水素オフガスが排気排水流路２５へと排出されることとなる。

続いて、制御部７は、パージ制御中（排気排水弁３１の開放中）に、圧力センサ２９に接続された各種配線の接続状態をモニタリングすること等により、圧力センサ２９の異常判定を行う（圧力センサ異常判定工程：Ｓ９）。

そして、制御部７は、圧力センサ異常判定工程Ｓ９において圧力センサ２９が正常であると判定した場合に、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を推定する（パージ量推定工程：Ｓ１０）。ここで、図５のフローチャート等を用いて、パージ量推定工程Ｓ１０について説明する。

まず、制御部７は、排気排水弁３１の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ２８の下流側の圧力低下分ΔＰ（図６（Ｄ）参照）に基づいて、圧力低下分ΔＰに対応する流量としての圧力変化対応流量Ｑ₁を算出する（圧力変化対応流量算出工程：Ｓ２０）。次いで、制御部７は、排気排水弁３１の開放により水素オフガスが排出されたことに起因するインジェクタ２８の下流側の圧力低下分を補うためのフィードバック補正流量を算出し、このフィードバック補正流量のパージ開始時点からの時間積算値Ｑ₂（図６（Ｅ）参照）を算出する（補正流量積算工程：Ｓ２１）。続いて、制御部７は、圧力変化対応流量Ｑ₁と、パージ開始時点からのフィードバック補正流量の時間積算値Ｑ₂と、を加算することにより、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）を算出する（パージ量算出工程：Ｓ２２）。

パージ量推定工程Ｓ１０を経た後、制御部７は、推定された水素オフガスの総排出量（パージ量Ｑ）が、目標値算出工程Ｓ３で算出された目標パージ量Ｑ₀以上であるかを判定する（パージ量判定工程：Ｓ１１）。そして、制御部７は、推定したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀未満である場合には、引き続きパージ量推定工程Ｓ１０及びパージ量判定工程Ｓ１１を続行する一方、推定したパージ量Ｑが目標パージ量Ｑ₀以上である場合には、排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１４）。

一方、制御部７は、圧力センサ異常判定工程Ｓ９において圧力センサ２９が異常であると判定した場合に、特定のマップ（図３参照）と、燃料電池２の発電電流値と、に基づいて、排気排水弁３１の開弁制限時間を設定し（制限時間設定工程：Ｓ１２）、異常判定時から開弁制限時間が経過したか否かを判定する（経時判定工程：Ｓ１３）。そして、制御部７は、経時判定工程Ｓ１３において、異常判定時から開弁制限時間が経過したものと判定した場合に、排気排水弁３１を閉鎖する（パージ弁閉鎖工程：Ｓ１４）。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、パージ制御中に圧力センサ２９が異常な状態に陥った場合においても、圧力センサ２９で検出する圧力値とは異なる情報（開弁制限時間に係る情報）に基づいて排気排出弁３１を正常に制御することができる。従って、圧力センサ２９の異常に起因して排気排水弁３１の開放状態が長期間持続するというような事態が発生することを抑制することができるので、燃料の浪費を抑制することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系４に循環流路２３を設けた例を示したが、例えば、図７に示すように、燃料電池２に排出流路３２を接続して循環流路２３を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御部７で前記実施形態と同様にパージ制御中に圧力センサ２９の異常判定を行い、圧力センサ２９が異常な状態に陥った場合に、所定の開弁制限時間経過後に排気排水弁３１を閉鎖することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池２の発電量が増大すると燃料電池２の内部や循環流路２３の内部における不純物の量も増大することから、図３に示すように、燃料電池２の発電電流値が増大するほど排気排水弁３１の開弁制限時間を長く設定してパージ量を増大させた例を示したが、排気排水弁３１の開弁制限時間の設定方法は、システムの仕様や運転状態に応じて適宜変更することができる。例えば、図８（Ａ）のマップに示すように、燃料電池２の発電電流値の増大に伴ってインジェクタ２８の下流側の圧力値が急増するような運転状態においては、発電電流値が増大するほど排気排水弁３１の開弁制限時間を長く設定すると、パージ量が過剰になる場合がある。このような運転状態においては、図８（Ｂ）のマップに示すように、燃料電池２の発電電流値が増大するほど排気排水弁３１の開弁制限時間を短く設定することができる。

また、以上の実施形態においては、気液分離器３０の液溜部に溜まった水分量が所定の閾値を超えてパージ開始要求信号が出力された場合に、パージを開始（排気排水弁３１を開放）した例を示したが、パージを開始するタイミングはこれに限られるものではない。例えば、循環流路２３の気液分離器３０上流側に循環圧力センサを設け、この循環圧力センサで検出された循環流路２３内のガス圧力の変化に基づいて、循環流路２３から不純物ガスを排出すべきか否かを判定し、不純物ガスを排出すべきであると判定した場合に、パージを開始することもできる。

また、以上の実施形態においては、循環流路２３に水素ポンプ２４を設けた例を示したが、水素ポンプ２４に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３１を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器３０で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部７で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。かかる場合における排気弁は、本発明における排出弁の一実施形態に相当するものである。

また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系４の水素供給流路２２のインジェクタ２８の下流位置に圧力センサ２９を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ２８の作動状態を設定した例を示したが、インジェクタ制御用の圧力センサの位置はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池２の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路２２上）や、燃料電池２の水素ガス出口近傍位置（循環流路２３上）にインジェクタ制御用の圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、圧力センサの各位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。これらの位置に圧力センサを配置した場合においても、前記実施形態と同様にパージ制御中に圧力センサの異常判定を行い、圧力センサが異常な状態に陥った場合に、所定の開弁制限時間経過後に排気排水弁３１を閉鎖することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池２の発電電流値に基づいて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定した例を示したが、燃料電池２の運転状態を示す他の物理量（燃料電池２の発電電圧値や発電電力値、燃料電池２の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じて水素消費量、目標圧力値及び目標パージ量を設定してもよい。また、燃料電池２が停止状態にあるか、起動時の運転状態にあるか、間欠運転に入る直前の運転状態にあるか、間欠運転から回復した直後の運転状態にあるか、通常運転状態にあるか等の運転状態を制御部が判定し、これら運転状態に応じて水素消費量等を設定することもできる。

また、以上の実施形態においては、水素供給流路２２に遮断弁２６及びレギュレータ２７を設けた例を示したが、インジェクタ２８は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁２６やレギュレータ２７を設けなくてもよい。従って、インジェクタ２８を採用すると遮断弁２６やレギュレータ２７を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。

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

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムの制御部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の排気排水弁の開弁制限時間設定用のマップである。 図１に示す燃料電池システムのパージ方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムのパージ方法におけるパージ量推定工程を説明するためのフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムのパージ方法を説明するためのタイムチャートであり、（Ａ）は排気排水弁の開閉動作を、（Ｂ）は排気排水弁からの排水量を、（Ｃ）は排気排水弁からの排気量（パージ量）を、（Ｄ）はパージに起因したインジェクタ下流側圧力の低下を、（Ｅ）はインジェクタ下流側圧力の低下分を補うためのフィードバック補正流量を、各々示すものである。 図１に示す燃料電池システムの変形例を示す構成図である。 （Ａ）は燃料電池の発電電流値とインジェクタ下流側圧力との関係を示すマップであり、（Ｂ）は（Ａ）の関係を考慮した場合における排気排水弁の開弁制限時間設定用のマップである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（制御手段）、２１…水素供給源（燃料供給源）、２２…水素供給流路（燃料供給流路）、２３…循環流路（排出流路）、２８…インジェクタ（可変ガス供給装置）、２９…圧力センサ、３１…排気排水弁（排出弁）、３４…排出流路。

Claims (5)

1. 燃料電池と、この燃料電池から排出される不純物を流すための排出流路と、この排出流路内の不純物を外部に排出するための排出弁と、この排出弁の上流側におけるガスの圧力値を検出する圧力センサと、この圧力センサで検出した圧力値に基づいて前記排出弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記圧力センサが異常である場合に、所定の制限時間に係る情報に基づいて前記排出弁の開弁時間を制限するものであって、前記燃料電池の発電量に応じて前記制限時間を設定するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記圧力センサが異常である場合に、前記制限時間だけ前記排出弁を開放するように前記排出弁を制御するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排出弁は、排気と排水との双方を兼ねる排気排水弁である、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための燃料供給流路と、
   前記燃料供給流路の上流側における燃料ガスの圧力を調整して下流側に供給する可変ガス供給装置と、を備え、
   前記圧力センサは、前記可変ガス供給装置の下流側に配置されるものである、
   請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記可変ガス供給装置は、インジェクタである、
   請求項４に記載の燃料電池システム。

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