(57)【要約】【課題】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システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給するインジェクタ３５を有する燃料ガス供給流路３１と、燃料電池１０を冷却する冷却媒体流路５１とを備えた燃料電池システムであって、燃料ガス供給流路３１におけるインジェクタ３５の上流側配管３１ａと冷却媒体流路５１とを熱交換可能に設ける。例えば、冷却媒体流路５１の一部を燃料ガス供給流路３１の上流側配管３１ａに沿って近接配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、このインジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する制御手段と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体流路と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路における前記インジェクタの上流側を流れる燃料ガスと、前記冷却媒体流路を流れる冷却媒体とが熱交換可能に構成されてなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却媒体流路の配管の一部が前記燃料ガス供給流路における前記インジェクタの上流側配管に沿って近接配置されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却媒体流路にはラジエータが設けられており、
前記冷却媒体流路の配管の一部は、前記ラジエータよりも下流側の配管部である請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
そして、一般的には、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、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ている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２１６８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１に記載されているような調圧弁では、その構造上、燃料ガスの供給圧が固定されるため、運転状況に応じて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、目標圧力を多段階にわたって変化させるような高精度な調圧が不可能であった。
【０００５】
このため、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るシステムが要求されている。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、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】
【０００７】
上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、このインジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する制御手段と、前記燃料電池を冷却する冷却媒体流路と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給流路における前記インジェクタの上流側を流れる燃料ガスと前記冷却媒体流路を流れる冷却媒体とが熱交換可能に構成されてなるものである。
【０００８】
かかる構成によれば、燃料電池の運転状態（発電時の電流値や電圧値によって把握される運転状態、起動時の運転状態、間欠運転状態等）に応じてインジェクタの作動状態（インジェクタの噴射流量や噴射時間）を設定することができる。従って、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。
【０００９】
また、燃料ガス供給流路におけるインジェクタの上流側を流れる燃料ガスと冷却媒体流路を流れる冷却媒体とが熱交換可能に構成されているため、燃料電池の冷却媒体が有する温度でインジェクタの上流側配管の燃料ガスの温度（一次温度）を安定的に暖めることができる。
【００１０】
前記熱交換を可能にする構成の一例として、前記冷却媒体流路の配管の一部を前記燃料ガス供給流路における前記インジェクタの上流側配管に沿って近接配置してもよい。
【００１１】
また、前記冷却媒体流路にラジエータが設けられている場合には、前記冷却媒体流路の配管の一部を、前記ラジエータよりも下流側の配管部としてもよい。かかる構成によれば、ラジエータで温度が一定に調整された冷却媒体による燃料ガスとの安定的な熱交換が可能となる。
【００１２】
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ものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて燃料ガスの供給圧力をインジェクタで適切に変化させることが可能となるため応答性を向上できる。しかもインジェクタの上流側の燃料ガスを安定的に暖めることができるため、インジェクタの制御のために必要なインジェクタの上流側の燃料ガスの温度値を安定化した所定値とすることができ、温度センサが不要となり、フェール原因を抑制できて、省スペース化を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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（制御手段）４等を備えている。
【００１７】
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。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。
【００１８】
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２０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に圧送するエアコンプレッサ２４が設けられている。
【００１９】
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に供給するための燃料ガス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。
【００２０】
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を検出する一次側圧力センサ４１が設けられている。
【００２１】
なお、本実施形態では、水素供給流路３１内の水素ガスの温度を検出する温度センサは設けられていない。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、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。
【００２２】
インジェクタ３５は、流量調整弁及び可変調圧弁として機能するものであり、これらの機能によりストイキ比や背圧を制御する。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と、を備えている。
【００２３】
インジェクタ３５の弁は、例えば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、多段階、又は無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。
【００２４】
なお、本実施形態においては、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、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）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
燃料電池１０の冷却水出入口には、冷却媒体としての冷却水を循環させる冷却媒体流路としての冷却水流路５１が設けられている。冷却水流路５１には、燃料電池１０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ５２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ５３、冷却水を加圧して循環させるポンプ５４、及び燃料電池１０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ５５が設けられている。
【００２８】
ラジエータ５３には、モータによって回転駆動される冷却ファン５６が設けられている。温度センサ５５で所定の一定温度が検出されるように冷却ファン５６の駆動を制御する。つまり、ラジエータ５３を通過直後の冷却水の温度を所定の一定温度にする。
【００２９】
そして、本実施形態では、冷却水流路５１のうち、ラジエータ５３を通過した直後であってラジエータ５３で温度が一定に調整された冷却水が通る配管部５１ａを、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の直ぐ上流側の配管部３１ａに近接状態で沿わせている。これにより、これらの水素供給流路３１の配管部３１ａを流れる水素ガスと、冷却水流路５１の配管部５１ａを流れる冷却水とが熱交換を行う。
【００３０】
制御装置４は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）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、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。
【００３１】
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流量（以下「消費流量」という）を算出する（消費流量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と消費流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に消費流量を算出して更新することとしている。
【００３２】
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、燃料電池１０に供給される水素ガスのインジェクタ３５下流側における目標圧力値を算出する（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の演算周期毎に目標圧力値を算出して更新することとしている。
【００３３】
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下流側の検出圧力値と、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消費流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。
【００３４】
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。
【００３５】
また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流の一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力と、冷却水流路５１の配管部５１ａとの熱交換で調節された水素ガスの所定の温度とに基づいて補正係数を算出し、この補正係数で静的流量の基本値を補正してインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。
【００３６】
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。このとき、インジェクタ３５の上流の水素ガスの温度は、燃料電池１０の冷却水流路５１との熱交換で安定化することになり、この安定化後の温度を用いる。
【００３７】
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、一次側圧力センサ４１で検出したインジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力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。
【００３８】
また、制御装置４は、消費流量と、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）。
【００３９】
駆動周期は、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。制御装置４により駆動周期は例えば一定の値に設定される。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値や電圧値によって把握される運転状態、起動時の運転状態、間欠運転状態等）に応じてインジェクタ３５の作動状態（インジェクタ３５の噴射流量や噴射時間）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。
【００４４】
また、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の直ぐ上流側の配管部３１ａを流れる水素ガスと、冷却水流路５１の温度調節直後の配管部５１ａを流れる冷却水とが熱交換可能となるように構成されているため、燃料電池１０の冷却水の温度でインジェクタ４５の配管部３１ａの水素ガスの温度（一次温度）を安定的に暖めることができる。
【００４５】
よって、インジェクタ３５の制御に必要なインジェクタ３５の上流側の水素ガスの温度値をこの安定化した所定値とすることができ、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの温度値を検出するための温度センサをなくすことができる。
【００４６】
つまり、例えば、燃料電池１０の電流値によるフィードフォワード項とインジェクタ３５の調圧値よるフィードバック項とによりインジェクタ３５の燃料ガスの調圧を行うことになるが、そのうちのフィードフォワード項の算出時に、インジェクタ３５の上流側配管部３１ａの水素ガスの圧力と温度とで補正をかけることになるが、上記のように一次温度が安定するため、温度にはこの安定化後の所定値を用いることができ、温度を推定するための温度センサが不要となる。
【００４７】
その結果、温度センサを設けた場合に、は部品点数増加によりフェール原因が増加することになり、また設置スペースが必要となるが、本実施形態の燃料電池システム１では、温度センサが不要であることから、その分はフェール原因が減ることになり、設置スペースも不要となる。したがって、フェール原因を抑制できて、省スペース化を図れる。
【００４８】
なお、以上の実施形態において、燃料電池１０のカソード側のカーボンの酸化防止を目的としてエア遮断弁を用いることも可能である。この場合、アクチュエータ方式が小型ソレノイドを組み合わせたパイロットバルブ式であると、長期間放置後の弁気密性能に問題があり、気密性を満足できない場合がある。
【００４９】
ここで、弁気密性能向上の方策として、パイロットバルブ式に換えて大型ソレノイドを用いた直動式も考えられるが、必要とするバルブの穴径を満足させようとすると、非常に大型のソレノイドになってしまい、消費電力の増加と搭載性の悪化が発生する。このため、アクチュエータ方式として、ＰＺＴ等に代表される圧電体式アクチュエータを用いれば、小さな電力で大きな力を得られるので、小消費電力で弁気密性の高いバルブが実現できる。
【００５０】
また、インジェクタ３５の制御において、排気排水弁３７の作動時は圧力が急変し、フィードバック値が大きく変動することがあり、フィードバック項が大きくなってしまう。これは常に同じ方法で制御するためであり、よって、排気排水弁３７の作動時とその後一定時間はフィードバック制御を固定するのが好ましい。
【００５１】
同様に、インジェクタ３５の制御において、排気排水弁３７の作動時は圧力が急変し、フィードバック値が大きく変動することがあり、フィードバック値をもとに行う学習制御が正確にできず、フィードバック項が大きくなってしまう。これは常に同じ方法で制御するためであり、よって、排気排水弁３７の作動時とその後一定時間は学習制御を禁止するのが好ましい。
【００５２】
加えて、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】
【００５３】
【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である。
【図２】図１に示した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。
【符号の説明】
【００５４】
１…燃料電池システム、４…制御装置、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（燃料ガス供給流路）、３１ａ…配管部（上流側配管）３１ａ、３５…インジェクタ、５１…冷却水流路（冷却媒体流路）、５１ａ…配管部。
【図１】
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【図２】
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