燃料電池システム及び移動体
【課題】弁装置の駆動周期途中に反応ガスの供給異常があった場合でも、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に反応ガスを供給するガス供給流路３１と、ガス供給流路３１に設けられ、所定の駆動周期で駆動される弁装置３５と、燃料電池１０に供給する反応ガスが目標のガス状態となるように、弁装置３５の駆動を制御する制御装置４と、弁装置３５の下流側の反応ガスのガス状態を測定するセンサ４３と、を備え、制御装置４は、目標のガス状態とセンサ４３で測定したガス状態との差が所定値を超えたことを検知したときに、所定の駆動周期とは別に弁装置３５を駆動する燃料電池システム１を提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に反応ガスを供給するガス供給流路３１と、ガス供給流路３１に設けられ、所定の駆動周期で駆動される弁装置３５と、燃料電池１０に供給する反応ガスが目標のガス状態となるように、弁装置３５の駆動を制御する制御装置４と、弁装置３５の下流側の反応ガスのガス状態を測定するセンサ４３と、を備え、制御装置４は、目標のガス状態とセンサ４３で測定したガス状態との差が所定値を超えたことを検知したときに、所定の駆動周期とは別に弁装置３５を駆動する燃料電池システム１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び移動体に関し、特に、燃料電池への反応ガスの供給を制御する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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水素ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路やコンプレッサ等で取り込んだ大気中の空気を燃料電池へ流すための空気供給流路が設けられている。
【０００３】
燃料電池の良好な発電状態を維持するためには、燃料供給流路や空気供給流路といったガス供給系における反応ガスの供給異常を検出し、この異常に対して迅速に対処することが重要である。このような燃料電池システムとして、例えば特許文献１には、ガス供給系にインジェクタを配置し、インジェクタの目標作動量とガス供給系の検出物理量に基づいてガス供給系の異常を検出し、インジェクタの弁体の開度、開放時間を設定することが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１６５２３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、インジェクタは所定の駆動周期毎に反応ガスを噴出しており、駆動周期途中にガス供給系の下流側のガス漏れがある場合には目標作動量を維持することができなくなる。この場合、燃料電池への反応ガスの供給量が不足し、燃料電池の良好な発電状態を維持できなくなる。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、弁装置の駆動周期途中に反応ガスの供給異常があった場合でも、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給流路と、前記ガス供給流路に設けられ、所定の駆動周期で駆動される弁装置と、前記燃料電池に供給する反応ガスが目標のガス状態となるように、前記弁装置の駆動を制御する制御装置と、前記弁装置の下流側の反応ガスのガス状態を測定するセンサと、を備え、前記制御装置は、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えたことを検知したときに、前記所定の駆動周期とは別に前記弁装置を駆動する燃料電池システムを構成する。
【０００７】
この構成によれば、弁装置の駆動周期途中に、目標ガス状態と測定されたガス状態との差が所定値以上になったとしても（典型的にはガス漏れ等によりガス供給不足がある場合等）、制御装置が所定の駆動周期とは別に弁装置を駆動させるので、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持することができる。
【０００８】
尚、本明細書において、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度などで表されるガスの状態を意味する。
【０００９】
また、上記構成において、前記制御装置は、前記弁装置の開弁から所定時間経過後に、前記センサによる測定を許可するようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、所定時間経過後におけるガス供給流路の反応ガス状態を測定でき、開弁直後の不安定な状態でガス状態が測定されることを防止でき、ひいては、反応ガスの供給異常を適切に検知することができるようになる。
【００１１】
また、上記構成において、前記制御装置は、所定の演算周期を有し、前記制御装置は、前記所定時間経過後の次の演算周期にて、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えているかを検知するようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、所定の演算周期にあわせて、反応ガスの供給異常を検知することができる。
【００１３】
また、上記構成において、前記所定時間は、前記弁装置の開弁後、該弁装置の下流側のガス状態が安定するまでの時間であるようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、弁装置の下流側のガス状態が安定した状態でガス供給流路の反応ガス状態を測定でき、不安定な状態でガス状態が測定されることを防止でき、ひいては、反応ガスの供給異常を適切に検知することができるようになる。
【００１５】
また、上記構成において、前記ガス状態は、前記反応ガスのガス圧であり、前記センサは圧力センサであるようにしてもよい。
【００１６】
本構成によれば、反応ガスのガス圧を検出することによって、反応ガスの供給異常を検知できる。
【００１７】
また、上記構成において、前記弁装置は、インジェクタであるようにしてもよい。
【００１８】
インジェクタは応答性が高く、駆動周期途中の変則的かつ微細な駆動指令にも応答可能であり、本発明に適用する有用性が高く、燃料電池への反応ガスの供給量をより適切に維持することができるようになる。
【００１９】
尚、本明細書におけるインジェクタは、典型的には、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を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁として構成される。
【００２０】
また、本発明の移動体は、上記燃料電池システムを備える。
【００２１】
この構成によれば、燃料電池への反応ガスの供給量をより適切に維持する燃料電池システムを備えているので、出力要求（例えば車両であればアクセルの開度等）に対して高い応答性を有する移動体を提供することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、弁装置の駆動周期途中に反応ガスの供給異常があった場合でも、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持することができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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について以下の順番で説明する。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。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体構成
２．同燃料電池システムのインジェクタの非同期噴射制御
３．同燃料電池システムの変形例
【００２４】
１．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成
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の全体構成について説明する。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。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成したスタック構造を有している。単セルはいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成されている。
【００２７】
カソードには、酸化ガス配管系２により所定の圧力の酸化ガス（空気）が供給され、アノードには水素ガス配管系３により所定の圧力の水素ガスが供給される。この両ガスの電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。
【００２８】
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。
【００２９】
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に供給する酸化ガス供給流路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に導く酸化ガス排出流路２２と、加湿器２０から希釈器４０を介して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。酸化ガス供給流路２１には、大気中の空気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。酸化ガス排出流路２２には、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を検出するためのカソード側圧力センサ２５と、一次圧の変化に応じて酸化オフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁２６が配置されている。背圧弁２６は、例えばバタフライ弁で構成される。
【００３０】
水素ガス配管系３は、高圧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。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。
【００３１】
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インジェクタ上流側圧力センサ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Ａ１の上流側には、燃料電池１０内の水素ガスの圧力を検出するためのアノード側圧力センサ４３が設けられている。
【００３２】
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の上流側圧力を低減させている。
【００３３】
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３５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３５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、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。本実施形態においては、インジェクタは所定の駆動周期とは別にも駆動される点に特徴を有するが、当該制御については後述する。
【００３４】
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。
【００３５】
循環流路３２には、気液分離器３６及びパージバルブ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。パージバルブ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（燃料オフガス）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。
【００３６】
希釈手段としての希釈器４０は、パージバルブ３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスを、排気流路２３を介して排出される酸化オフガスによって希釈し、外部に排出するようになっている。
【００３７】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（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。
【００３８】
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。
【００３９】
具体的には、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の発電時の電流値等）に基づいて、燃料電池１０で必要とされる酸化ガス及び水素ガスの供給量を算出する。そして、制御装置４は、背圧弁２６およびインジェクタ３５を制御することで所望の流量、圧力の酸化ガス、水素ガスを燃料電池１０に供給する。イカ、図２を用いて、制御装置４によるインジェクタ３５の制御機能についてより詳細に説明する。ここで、図２は、本発明の実施の形態に係るインジェクタ３５の制御に関する機能ブロック図である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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下流位置の圧力値（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である。本実施形態においては、ＰＩ型フィードバック制御則を用いて、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。
【００４３】
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：Ｂ４）。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。
【００４４】
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：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。
【００４５】
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：Ｂ６）。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：Ｂ７）。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により駆動周期は一定の値（Ｔ1）に設定している。
【００４６】
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送出することにより、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インジェクタ３５を所定の駆動周期で駆動させることにより、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。
【００４７】
２．インジェクタの非同期噴射制御
本実施の形態の燃料電池システム１では、制御装置４が燃料電池１０への水素ガスの供給異常を検知し、供給異常がある場合は、インジェクタ３５を上記所定の駆動周期とは別に噴射させ（以下「非同期噴射」ともいう）、燃料電池１０への水素ガスの供給量を適切な量に維持する。以下、この非同期噴射の制御方法について図３乃至図５を用いて詳細に説明する。ここで、図３は、本発明の実施の形態に係る非同期噴射制御のフローチャート、図４は、同実施の形態に係る圧力測定及び非同期噴射のタイミング例を示すタイムチャート、図５は、同実施の形態に係る圧力測定の他のタイミング例を示すタイムチャートである。
【００４８】
図３に示すように、はじめに制御装置４において、インジェクタ噴射流量演算（Ｓ1）、インジェクタ噴射時間（τ）演算（Ｓ2）が行われる。これら演算は、上述した制御装置４の噴射流量算出機能及び総噴射時間算出機能（図２参照）によりなされ、ここでは説明は省略する。
【００４９】
次に、制御装置４は、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、制御信号（インジェクタ開指令）をインジェクタ３５に送出する（Ｓ3）。これにより、インジェクタ３５が開弁状態になり、水素ガスがインジェクタ３５の下流側に流れて燃料電池１０に供給される。制御装置４は、インジェクタ３５が開弁してからの経過時間をカウントし、インジェクタの噴射時間（τ）を経過した段階で、制御信号（インジェクタ閉指令）をインジェクタ３５に送出する。これによりインジェクタ３５は閉弁状態になり、燃料電池１０への水素ガスの供給は停止する。
【００５０】
制御装置４は、インジェクタ３５が開弁してからの経過時間を引き続きカウントし、インジェクタの噴射時間（τ）に所定時間ｔ0を加えた時間が経過したか否か（＝インジェクタ３５が閉弁してから時間ｔ0が経過したか否か）を判定し（Ｓ4）、経過した場合（Ｓ4：ＹＥＳ）は圧力検出許可指令をセンサ３１に送出する（Ｓ5）。ここで、時間ｔ0は、インジェクタ３５の閉弁後インジェクタ３５の下流側の圧力が安定するまでの時間を示し、本実施の形態においては、９msである。圧力検出指令を受けた圧力センサ４３は、インジェクタ３５の下流側の圧力（＝燃料電池１０への供給圧力）を測定する。測定は例えば４点移動平均等により行われる。
【００５１】
次に、制御装置４は、算出した目標圧力値から圧力センサ４３で測定した圧力値を引いた値（ΔＰ）が所定値（Ｐ0）より大きいか否かを判断し（Ｓ6）、大きいと判断した場合（Ｓ6：ＹＥＳ）は、非同期噴射許可指令をインジェクタ３５に送出し（Ｓ7）、大きいと判断しなかった場合は、非同期噴射許可指令を出さずに次のステップに（Ｓ8）に移る。ここで、所定値Ｐ0は、燃料電池１０を劣化させずに要求水素流量を確保できる供給圧力の許容制御誤差を示し、本実施の形態においては、１０ｋＰａに設定されている。
【００５２】
ΔＰが所定値Ｐ0より大きい場合は、目標圧力にくらべ実際の圧力が大きく下がっている場合であり、燃料電池１０への水素ガスの供給異常（ここでは、供給不足）が起きている場合である。このとき、インジェクタ３５は、制御装置４から非同期噴射許可指令を受け、強制的に（所定の駆動周期とは関係なく）開弁される。これにより、水素ガスが燃料電池１０に供給される。
【００５３】
制御装置４は、インジェクタ３５の開弁経過時間が駆動周期Ｔ1より大きいか否かを判断し（Ｓ8）、達していない場合（Ｓ8：ＮＯ）は、圧力測定（Ｓ6）にもどってステップが継続される。すなわち、インジェクタ３５の下流側圧力安定後次の駆動周期まで常に水素ガスの供給異常があるか否かが監視され、異常がある場合は駆動周期に関係なくインジェクタ３５が噴射される（非同期噴射）ようになっている。
【００５４】
図３のフローにおける圧力測定と非同期噴射とのタイミング例を、図４を用いて説明する。図４に示すとおり、圧力検出許可がなされる（圧力検出許可フラグがＯＦＦからＯＮ）タイミングは、インジェクタ３５が開弁（ＩＮＪ駆動許可フラグがＯＮまたはＩＮＪ開信号がｏｐｅｎ）してからの経過時間が、インジェクタの噴射時間（τ）に所定時間ｔ0を加えた時間に達した時である。ΔＰの演算及び非同期噴射（非同期噴射許可フラグがＯＦＦからＯＮ）は、圧力検出許可がなされてから次の制御装置の演算周期（本実施の形態ではインジェクタ３５の開弁後１６ｍｓ）となっている。これにより、所定の演算周期のタイミングにあわせて、水素ガスの供給異常を検知することが可能にある。
【００５５】
尚、上記圧力検出タイミングは、インジェクタ３５の駆動周期（Ｔ1）に比してインジェクタ３５の開時間（τ）が十分小さい（具体的にはＴ1＜τ＋ｔ0）場合である。しかし、水素ガスの要求流量が多くインジェクタ３５の駆動周期よりもインジェクタ３５の開時間（τ）が大きい運転条件であれば、圧力検出のタイミングを例えば、図５に示すようにしてもよい。すなわち、図５に示すように、制御装置４は、インジェクタ３５が閉弁していなくとも、開時間が駆動周期に達した段階で圧力検出許可指令を圧力センサ４３に送出する（圧力検出許可フラグをＯＦＦからＯＮ）ようにしてもよい。
【００５６】
尚、制御装置４は、非同期噴射制御においては、演算が複雑になることを避けるために、インジェクタ３５の駆動周期毎に行われる学習制御や積分制御等を行わないようにしてもよい。一方で、制御装置４は、パージバルブ３７を介した排気排水制御については、非同期噴射中も駆動周期毎の制御と同様に行うようになっている。
【００５７】
次に、本発明の非同期噴射制御を行った場合の効果について図６と図７とを比較して説明する。ここで、図６は、本発明の実施の形態に係る非同期噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図、図７は、比較例に係る従来の噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図である。いずれもパージバルブに漏れを模擬的に発生させた場合のインジェクタ下流圧の時間変動の実験結果である。
【００５８】
図６に示すように、非同期噴射制御を行った場合は、たとえ駆動周期途中で水素ガスがパージバルブから漏れでても、駆動周期途中であってもＩＮＪ開信号がｏｐｅｎとなり水素ガスが供給される。そのため、インジェクタ下流圧の検出値は、常に指令値から１０ＫＰａ内の許容範囲に収まっている。
【００５９】
これに対し、図７に示すように従来の噴射制御においては、非同期噴射を行わず、駆動周期毎にＩＮＪ開信号がｏｐｅｎになるのみである。そのため、インジェクタ下流圧の検出値は、駆動周期途中は特に許容範囲を大きく下回ってしまっている。
【００６０】
以上のとおり、本発明の実施の形態における燃料電池システム１は、制御装置４が所定の駆動周期とは別にインジェクタ３５を駆動させるので、燃料電池１０への水素ガスの供給量を常に所望の範囲に維持することができる。
【００６１】
３．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
【００６２】
また、以上の実施形態においては、本発明における弁装置としてインジェクタ３５を採用した例を示したが、上流側のガス状態を調整して下流側に供給する弁装置であればよく、インジェクタ３５に限られるものではない。
【００６３】
また、以上実施形態においては、本発明の非同期制御を水素ガス供給流路３１の水素ガスの供給に用いた例を示したが、これに限られるものではなく、酸化ガス供給流路２１の酸化ガスの供給に用いてもよい。
【００６４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図２】同実施の形態に係る燃料電池システムのインジェクタの制御に関する機能ブロック図。
【図３】同実施の形態に係る非同期噴射制御のフローチャート
【図４】同実施の形態に係る圧力測定及び非同期噴射のタイミング例を示すタイムチャート
【図５】同実施の形態に係る圧力測定の他のタイミング例を示すタイムチャート
【図６】同実施の形態に係る非同期噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図
【図７】比較例に係る従来の噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１ ……燃料電池システム
２ ……酸化ガス配管系
３ ……水素ガス配管系
４ ……制御装置
１０……燃料電池
１１……ＰＣＵ
１２……トランクションモータ
１３……電流センサ
２０……加湿器
２１……酸化ガス供給流路
２２……酸化ガス排出流路
２３……排気流路
２４……コンプレッサ
２５……カソード側圧力センサ
２６……背圧弁
２７……ステップモータ
３０……水素タンク
３１……水素供給流路（燃料ガス供給手段）
３２……循環流路
３３……遮断弁
３４……レギュレータ
３５……インジェクタ
３６……気液分離器
３７……パージバルブ
３８……排出流路
３９……水素ポンプ
４０……希釈器（希釈手段）
４１……インジェクタ上流側圧力センサ
４２……温度センサ
４３……アノード側圧力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び移動体に関し、特に、燃料電池への反応ガスの供給を制御する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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水素ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路やコンプレッサ等で取り込んだ大気中の空気を燃料電池へ流すための空気供給流路が設けられている。
【０００３】
燃料電池の良好な発電状態を維持するためには、燃料供給流路や空気供給流路といったガス供給系における反応ガスの供給異常を検出し、この異常に対して迅速に対処することが重要である。このような燃料電池システムとして、例えば特許文献１には、ガス供給系にインジェクタを配置し、インジェクタの目標作動量とガス供給系の検出物理量に基づいてガス供給系の異常を検出し、インジェクタの弁体の開度、開放時間を設定することが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１６５２３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、インジェクタは所定の駆動周期毎に反応ガスを噴出しており、駆動周期途中にガス供給系の下流側のガス漏れがある場合には目標作動量を維持することができなくなる。この場合、燃料電池への反応ガスの供給量が不足し、燃料電池の良好な発電状態を維持できなくなる。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、弁装置の駆動周期途中に反応ガスの供給異常があった場合でも、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給流路と、前記ガス供給流路に設けられ、所定の駆動周期で駆動される弁装置と、前記燃料電池に供給する反応ガスが目標のガス状態となるように、前記弁装置の駆動を制御する制御装置と、前記弁装置の下流側の反応ガスのガス状態を測定するセンサと、を備え、前記制御装置は、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えたことを検知したときに、前記所定の駆動周期とは別に前記弁装置を駆動する燃料電池システムを構成する。
【０００７】
この構成によれば、弁装置の駆動周期途中に、目標ガス状態と測定されたガス状態との差が所定値以上になったとしても（典型的にはガス漏れ等によりガス供給不足がある場合等）、制御装置が所定の駆動周期とは別に弁装置を駆動させるので、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持することができる。
【０００８】
尚、本明細書において、「ガス状態」とは、流量、圧力、温度、モル濃度などで表されるガスの状態を意味する。
【０００９】
また、上記構成において、前記制御装置は、前記弁装置の開弁から所定時間経過後に、前記センサによる測定を許可するようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、所定時間経過後におけるガス供給流路の反応ガス状態を測定でき、開弁直後の不安定な状態でガス状態が測定されることを防止でき、ひいては、反応ガスの供給異常を適切に検知することができるようになる。
【００１１】
また、上記構成において、前記制御装置は、所定の演算周期を有し、前記制御装置は、前記所定時間経過後の次の演算周期にて、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えているかを検知するようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、所定の演算周期にあわせて、反応ガスの供給異常を検知することができる。
【００１３】
また、上記構成において、前記所定時間は、前記弁装置の開弁後、該弁装置の下流側のガス状態が安定するまでの時間であるようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、弁装置の下流側のガス状態が安定した状態でガス供給流路の反応ガス状態を測定でき、不安定な状態でガス状態が測定されることを防止でき、ひいては、反応ガスの供給異常を適切に検知することができるようになる。
【００１５】
また、上記構成において、前記ガス状態は、前記反応ガスのガス圧であり、前記センサは圧力センサであるようにしてもよい。
【００１６】
本構成によれば、反応ガスのガス圧を検出することによって、反応ガスの供給異常を検知できる。
【００１７】
また、上記構成において、前記弁装置は、インジェクタであるようにしてもよい。
【００１８】
インジェクタは応答性が高く、駆動周期途中の変則的かつ微細な駆動指令にも応答可能であり、本発明に適用する有用性が高く、燃料電池への反応ガスの供給量をより適切に維持することができるようになる。
【００１９】
尚、本明細書におけるインジェクタは、典型的には、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を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁として構成される。
【００２０】
また、本発明の移動体は、上記燃料電池システムを備える。
【００２１】
この構成によれば、燃料電池への反応ガスの供給量をより適切に維持する燃料電池システムを備えているので、出力要求（例えば車両であればアクセルの開度等）に対して高い応答性を有する移動体を提供することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、弁装置の駆動周期途中に反応ガスの供給異常があった場合でも、燃料電池への反応ガスの供給量を適切に維持することができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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について以下の順番で説明する。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。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの全体構成
２．同燃料電池システムのインジェクタの非同期噴射制御
３．同燃料電池システムの変形例
【００２４】
１．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成
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の全体構成について説明する。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。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層して構成したスタック構造を有している。単セルはいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成されている。
【００２７】
カソードには、酸化ガス配管系２により所定の圧力の酸化ガス（空気）が供給され、アノードには水素ガス配管系３により所定の圧力の水素ガスが供給される。この両ガスの電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。
【００２８】
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。
【００２９】
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に供給する酸化ガス供給流路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に導く酸化ガス排出流路２２と、加湿器２０から希釈器４０を介して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。酸化ガス供給流路２１には、大気中の空気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。酸化ガス排出流路２２には、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を検出するためのカソード側圧力センサ２５と、一次圧の変化に応じて酸化オフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁２６が配置されている。背圧弁２６は、例えばバタフライ弁で構成される。
【００３０】
水素ガス配管系３は、高圧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。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。
【００３１】
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インジェクタ上流側圧力センサ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Ａ１の上流側には、燃料電池１０内の水素ガスの圧力を検出するためのアノード側圧力センサ４３が設けられている。
【００３２】
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の上流側圧力を低減させている。
【００３３】
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３５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３５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、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。本実施形態においては、インジェクタは所定の駆動周期とは別にも駆動される点に特徴を有するが、当該制御については後述する。
【００３４】
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。
【００３５】
循環流路３２には、気液分離器３６及びパージバルブ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。パージバルブ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（燃料オフガス）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。
【００３６】
希釈手段としての希釈器４０は、パージバルブ３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスを、排気流路２３を介して排出される酸化オフガスによって希釈し、外部に排出するようになっている。
【００３７】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（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。
【００３８】
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。
【００３９】
具体的には、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の発電時の電流値等）に基づいて、燃料電池１０で必要とされる酸化ガス及び水素ガスの供給量を算出する。そして、制御装置４は、背圧弁２６およびインジェクタ３５を制御することで所望の流量、圧力の酸化ガス、水素ガスを燃料電池１０に供給する。イカ、図２を用いて、制御装置４によるインジェクタ３５の制御機能についてより詳細に説明する。ここで、図２は、本発明の実施の形態に係るインジェクタ３５の制御に関する機能ブロック図である。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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下流位置の圧力値（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である。本実施形態においては、ＰＩ型フィードバック制御則を用いて、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。
【００４３】
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：Ｂ４）。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。
【００４４】
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：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。
【００４５】
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：Ｂ６）。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：Ｂ７）。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により駆動周期は一定の値（Ｔ1）に設定している。
【００４６】
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送出することにより、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インジェクタ３５を所定の駆動周期で駆動させることにより、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。
【００４７】
２．インジェクタの非同期噴射制御
本実施の形態の燃料電池システム１では、制御装置４が燃料電池１０への水素ガスの供給異常を検知し、供給異常がある場合は、インジェクタ３５を上記所定の駆動周期とは別に噴射させ（以下「非同期噴射」ともいう）、燃料電池１０への水素ガスの供給量を適切な量に維持する。以下、この非同期噴射の制御方法について図３乃至図５を用いて詳細に説明する。ここで、図３は、本発明の実施の形態に係る非同期噴射制御のフローチャート、図４は、同実施の形態に係る圧力測定及び非同期噴射のタイミング例を示すタイムチャート、図５は、同実施の形態に係る圧力測定の他のタイミング例を示すタイムチャートである。
【００４８】
図３に示すように、はじめに制御装置４において、インジェクタ噴射流量演算（Ｓ1）、インジェクタ噴射時間（τ）演算（Ｓ2）が行われる。これら演算は、上述した制御装置４の噴射流量算出機能及び総噴射時間算出機能（図２参照）によりなされ、ここでは説明は省略する。
【００４９】
次に、制御装置４は、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、制御信号（インジェクタ開指令）をインジェクタ３５に送出する（Ｓ3）。これにより、インジェクタ３５が開弁状態になり、水素ガスがインジェクタ３５の下流側に流れて燃料電池１０に供給される。制御装置４は、インジェクタ３５が開弁してからの経過時間をカウントし、インジェクタの噴射時間（τ）を経過した段階で、制御信号（インジェクタ閉指令）をインジェクタ３５に送出する。これによりインジェクタ３５は閉弁状態になり、燃料電池１０への水素ガスの供給は停止する。
【００５０】
制御装置４は、インジェクタ３５が開弁してからの経過時間を引き続きカウントし、インジェクタの噴射時間（τ）に所定時間ｔ0を加えた時間が経過したか否か（＝インジェクタ３５が閉弁してから時間ｔ0が経過したか否か）を判定し（Ｓ4）、経過した場合（Ｓ4：ＹＥＳ）は圧力検出許可指令をセンサ３１に送出する（Ｓ5）。ここで、時間ｔ0は、インジェクタ３５の閉弁後インジェクタ３５の下流側の圧力が安定するまでの時間を示し、本実施の形態においては、９msである。圧力検出指令を受けた圧力センサ４３は、インジェクタ３５の下流側の圧力（＝燃料電池１０への供給圧力）を測定する。測定は例えば４点移動平均等により行われる。
【００５１】
次に、制御装置４は、算出した目標圧力値から圧力センサ４３で測定した圧力値を引いた値（ΔＰ）が所定値（Ｐ0）より大きいか否かを判断し（Ｓ6）、大きいと判断した場合（Ｓ6：ＹＥＳ）は、非同期噴射許可指令をインジェクタ３５に送出し（Ｓ7）、大きいと判断しなかった場合は、非同期噴射許可指令を出さずに次のステップに（Ｓ8）に移る。ここで、所定値Ｐ0は、燃料電池１０を劣化させずに要求水素流量を確保できる供給圧力の許容制御誤差を示し、本実施の形態においては、１０ｋＰａに設定されている。
【００５２】
ΔＰが所定値Ｐ0より大きい場合は、目標圧力にくらべ実際の圧力が大きく下がっている場合であり、燃料電池１０への水素ガスの供給異常（ここでは、供給不足）が起きている場合である。このとき、インジェクタ３５は、制御装置４から非同期噴射許可指令を受け、強制的に（所定の駆動周期とは関係なく）開弁される。これにより、水素ガスが燃料電池１０に供給される。
【００５３】
制御装置４は、インジェクタ３５の開弁経過時間が駆動周期Ｔ1より大きいか否かを判断し（Ｓ8）、達していない場合（Ｓ8：ＮＯ）は、圧力測定（Ｓ6）にもどってステップが継続される。すなわち、インジェクタ３５の下流側圧力安定後次の駆動周期まで常に水素ガスの供給異常があるか否かが監視され、異常がある場合は駆動周期に関係なくインジェクタ３５が噴射される（非同期噴射）ようになっている。
【００５４】
図３のフローにおける圧力測定と非同期噴射とのタイミング例を、図４を用いて説明する。図４に示すとおり、圧力検出許可がなされる（圧力検出許可フラグがＯＦＦからＯＮ）タイミングは、インジェクタ３５が開弁（ＩＮＪ駆動許可フラグがＯＮまたはＩＮＪ開信号がｏｐｅｎ）してからの経過時間が、インジェクタの噴射時間（τ）に所定時間ｔ0を加えた時間に達した時である。ΔＰの演算及び非同期噴射（非同期噴射許可フラグがＯＦＦからＯＮ）は、圧力検出許可がなされてから次の制御装置の演算周期（本実施の形態ではインジェクタ３５の開弁後１６ｍｓ）となっている。これにより、所定の演算周期のタイミングにあわせて、水素ガスの供給異常を検知することが可能にある。
【００５５】
尚、上記圧力検出タイミングは、インジェクタ３５の駆動周期（Ｔ1）に比してインジェクタ３５の開時間（τ）が十分小さい（具体的にはＴ1＜τ＋ｔ0）場合である。しかし、水素ガスの要求流量が多くインジェクタ３５の駆動周期よりもインジェクタ３５の開時間（τ）が大きい運転条件であれば、圧力検出のタイミングを例えば、図５に示すようにしてもよい。すなわち、図５に示すように、制御装置４は、インジェクタ３５が閉弁していなくとも、開時間が駆動周期に達した段階で圧力検出許可指令を圧力センサ４３に送出する（圧力検出許可フラグをＯＦＦからＯＮ）ようにしてもよい。
【００５６】
尚、制御装置４は、非同期噴射制御においては、演算が複雑になることを避けるために、インジェクタ３５の駆動周期毎に行われる学習制御や積分制御等を行わないようにしてもよい。一方で、制御装置４は、パージバルブ３７を介した排気排水制御については、非同期噴射中も駆動周期毎の制御と同様に行うようになっている。
【００５７】
次に、本発明の非同期噴射制御を行った場合の効果について図６と図７とを比較して説明する。ここで、図６は、本発明の実施の形態に係る非同期噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図、図７は、比較例に係る従来の噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図である。いずれもパージバルブに漏れを模擬的に発生させた場合のインジェクタ下流圧の時間変動の実験結果である。
【００５８】
図６に示すように、非同期噴射制御を行った場合は、たとえ駆動周期途中で水素ガスがパージバルブから漏れでても、駆動周期途中であってもＩＮＪ開信号がｏｐｅｎとなり水素ガスが供給される。そのため、インジェクタ下流圧の検出値は、常に指令値から１０ＫＰａ内の許容範囲に収まっている。
【００５９】
これに対し、図７に示すように従来の噴射制御においては、非同期噴射を行わず、駆動周期毎にＩＮＪ開信号がｏｐｅｎになるのみである。そのため、インジェクタ下流圧の検出値は、駆動周期途中は特に許容範囲を大きく下回ってしまっている。
【００６０】
以上のとおり、本発明の実施の形態における燃料電池システム１は、制御装置４が所定の駆動周期とは別にインジェクタ３５を駆動させるので、燃料電池１０への水素ガスの供給量を常に所望の範囲に維持することができる。
【００６１】
３．本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
【００６２】
また、以上の実施形態においては、本発明における弁装置としてインジェクタ３５を採用した例を示したが、上流側のガス状態を調整して下流側に供給する弁装置であればよく、インジェクタ３５に限られるものではない。
【００６３】
また、以上実施形態においては、本発明の非同期制御を水素ガス供給流路３１の水素ガスの供給に用いた例を示したが、これに限られるものではなく、酸化ガス供給流路２１の酸化ガスの供給に用いてもよい。
【００６４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図２】同実施の形態に係る燃料電池システムのインジェクタの制御に関する機能ブロック図。
【図３】同実施の形態に係る非同期噴射制御のフローチャート
【図４】同実施の形態に係る圧力測定及び非同期噴射のタイミング例を示すタイムチャート
【図５】同実施の形態に係る圧力測定の他のタイミング例を示すタイムチャート
【図６】同実施の形態に係る非同期噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図
【図７】比較例に係る従来の噴射制御を行った場合のインジェクタ下流圧の時間変動を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１ ……燃料電池システム
２ ……酸化ガス配管系
３ ……水素ガス配管系
４ ……制御装置
１０……燃料電池
１１……ＰＣＵ
１２……トランクションモータ
１３……電流センサ
２０……加湿器
２１……酸化ガス供給流路
２２……酸化ガス排出流路
２３……排気流路
２４……コンプレッサ
２５……カソード側圧力センサ
２６……背圧弁
２７……ステップモータ
３０……水素タンク
３１……水素供給流路（燃料ガス供給手段）
３２……循環流路
３３……遮断弁
３４……レギュレータ
３５……インジェクタ
３６……気液分離器
３７……パージバルブ
３８……排出流路
３９……水素ポンプ
４０……希釈器（希釈手段）
４１……インジェクタ上流側圧力センサ
４２……温度センサ
４３……アノード側圧力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給流路と、
前記ガス供給流路に設けられ、所定の駆動周期で駆動される弁装置と、
前記燃料電池に供給する反応ガスが目標のガス状態となるように、前記弁装置の駆動を制御する制御装置と、
前記弁装置の下流側の反応ガスのガス状態を測定するセンサと、を備え、
前記制御装置は、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えたことを検知したときに、前記所定の駆動周期とは別に前記弁装置を駆動する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記弁装置の開弁から所定時間経過後に、前記センサによる測定を許可する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、所定の演算周期を有し、
前記制御装置は、前記所定時間経過後の次の演算周期にて、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えているかを検知する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定時間は、前記弁装置の開弁後、該弁装置の下流側のガス状態が安定するまでの時間である請求項２または請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス状態は、前記反応ガスのガス圧であり、前記センサは圧力センサである請求項１から請求項４いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記弁装置は、インジェクタである請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給流路と、
前記ガス供給流路に設けられ、所定の駆動周期で駆動される弁装置と、
前記燃料電池に供給する反応ガスが目標のガス状態となるように、前記弁装置の駆動を制御する制御装置と、
前記弁装置の下流側の反応ガスのガス状態を測定するセンサと、を備え、
前記制御装置は、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えたことを検知したときに、前記所定の駆動周期とは別に前記弁装置を駆動する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記弁装置の開弁から所定時間経過後に、前記センサによる測定を許可する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、所定の演算周期を有し、
前記制御装置は、前記所定時間経過後の次の演算周期にて、前記目標のガス状態と前記センサで測定したガス状態との差が所定値を超えているかを検知する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定時間は、前記弁装置の開弁後、該弁装置の下流側のガス状態が安定するまでの時間である請求項２または請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス状態は、前記反応ガスのガス圧であり、前記センサは圧力センサである請求項１から請求項４いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記弁装置は、インジェクタである請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１４６６１８（Ｐ２００９−１４６６１８Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２０１５９（Ｐ２００７−３２０１５９）
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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